JP7367213B2 - 冷凍サイクル装置の制御方法 - Google Patents

Description

本開示は、冷凍サイクル装置の制御方法に関する。

冷凍サイクル装置では、冷凍サイクル装置の性能を表す指標として、ＣＯＰ（成績係数：Coefficient Of Performance）がある。ＣＯＰの値が大きいほど、少ない消費圧縮動力によって大きな冷凍能力が得られることを意味する。冷凍サイクル装置では、ＣＯＰの値を向上させる手法として、圧縮機に吸入される冷媒の過熱度（吸入過熱度）を大きくする手法が知られている。

従来、冷媒としてＲ３２を使用した冷凍サイクル装置がある。ところが、Ｒ３２を使用した冷凍サイクル装置では、吸入過熱度を大きくしようとすると、ＣＯＰの値は小さくなる傾向にある。

このような不具合を解消するために、冷媒としてＲ２９０（プロパン）を使用した冷凍サイクル装置が提案されている。Ｒ２９０では、吸入過熱度を大きくし、かつ、ＣＯＰの値を改善することができるとされる。冷媒として、Ｒ２９０を使用した冷凍サイクル装置を開示した特許文献として、たとえば、特許文献１がある。

ＷＯ２０１９／１７６０５３号

冷媒としてＲ２９０（プロパン）を使用した冷凍サイクル装置では、吸入過熱度を大きくすることで、ＣＯＰの値は大きくなる。しかしながら、吸入過熱度が大きくなり過ぎると、ＣＯＰの値は小さくなる傾向にあり、かえって、冷凍サイクル装置の性能が低下することになる。

本開示は、このような問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、吸入過熱度を調整することによって、冷凍サイクル装置の性能を最大限に引き出すことができる冷凍サイクル装置の制御方法を提供することである。

本開示に係る一の冷凍サイクル装置の制御方法は、冷媒として、Ｒ２９０を使用した冷凍サイクル装置の制御方法であって、冷凍サイクル装置は、圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器と、冷媒配管と、吸熱部と、熱源部と、分岐配管と、流量調整弁とを備えている。冷媒配管は、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器および圧縮機の順に接続されて、冷媒が流れる。吸熱部は、蒸発器と圧縮機との間を接続する冷媒配管の部分に設けられている。熱源部は、吸熱部に接触するように配置され、蒸発器を流れた冷媒の温度よりも高い温度を有する。分岐配管は、吸熱部が設けられた冷媒配管の前記部分と並列になるように接続されている。流量調整弁は、分岐配管に設けられ、冷媒の流量を調整する。冷媒としてＲ２９０を使用した場合における吸入過熱度と成績係数との関係に基づいて、吸熱部を流れた冷媒の吸入過熱度が、成績係数が最大値となる目標吸熱過熱度よりも低い場合には、流量調整弁を絞り、吸熱部に流れ込む冷媒の流量を増加させる。吸熱部を流れた冷媒の吸入過熱度が、目標吸熱過熱度よりも高い場合には、流量調整弁を開けて、吸熱部に流れ込む冷媒の流量を減少させる。

本開示に係る他の冷凍サイクル装置の制御方法は、圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器を備えた冷凍サイクル装置の制御方法であって、冷凍サイクル装置は、冷媒配管と、吸熱部と、熱源部と、分岐配管とを備えている。冷媒配管は、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器および圧縮機の順に接続されて、冷媒が流れる。吸熱部は、蒸発器と圧縮機との間を接続する冷媒配管の部分に設けられている。熱源部は、吸熱部に接触するように配置されている。分岐配管は、吸熱部が設けられた冷媒配管の部分と並列になるように接続されている。冷媒は、吸熱部を流れた冷媒の過熱度が増加するのにしたがって、成績係数が大きくなった後、小さくなる性質を有する。冷凍サイクル装置における分岐配管には、冷媒の流量を調整する流量調整弁が設けられている。冷媒を使用した場合における吸入過熱度と成績係数との関係に基づいて、吸熱部を流れた冷媒の吸入過熱度が、成績係数が最大値となる目標吸熱過熱度よりも低い場合には、流量調整弁を絞り、吸熱部に流れ込む冷媒の流量を増加させる。吸熱部を流れた冷媒の吸入過熱度が、目標吸熱過熱度よりも高い場合には、流量調整弁を開けて、吸熱部に流れ込む冷媒の流量を減少させる。

本開示に係る一の冷凍サイクル装置の制御方法によれば、冷凍サイクル装置において、蒸発器と圧縮機との間の冷媒配管の部分に吸熱部が設けられている。吸熱部は、熱源部に接触するように配置されている。吸熱部が設けられた冷媒配管の部分と並列になるように、分岐配管が接続されている。分岐配管には、冷媒の流量を調整する流量調整弁が設けられている。これにより、流量調整弁によって吸熱部を流れる冷媒の流量を調整することができ、圧縮機に吸入される冷媒の吸入過熱度を調整することができる。その結果、冷凍サイクル装置のＣＯＰの値を改善することができる。

本開示に係る他の冷凍サイクル装置の制御方法によれば、冷凍サイクル装置において、蒸発器と圧縮機との間の冷媒配管の部分に吸熱部が設けられている。吸熱部は、熱源部に接触するように配置されている。吸熱部が設けられた冷媒配管の部分と並列になるように、分岐配管が接続されている。分岐配管には、冷媒の流量を調整する流量調整弁が設けられている。冷媒は、吸熱部を流れた冷媒の過熱度が増加するのにしたがって、成績係数が大きくなった後、小さくなる性質を有している。これにより、流量調整弁によって吸熱部を流れる冷媒の流量を調整することができ、圧縮機に吸入される冷媒の吸入過熱度を調整することができる。その結果、冷凍サイクル装置のＣＯＰの値を改善することができる。

実施の形態に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路の一例を示す図である。 同実施の形態において、冷媒の圧力とエンタルピとの関係を示すモリエル図である。 同実施の形態において、ＣＯＰと吸入過熱度との関係を示すグラフである。 同実施の形態において、吸熱部が配置される熱源部の一例を模式的に示す図である。 同実施の形態において、吸熱部が配置される熱源部の他の例を模式的に示す図である。

実施の形態に係る冷凍サイクル装置について説明する。図１に、冷凍サイクル装置１の冷媒回路の一例を示す。図１に示すように、冷凍サイクル装置１は、圧縮機３、四方弁１５、第１熱交換器５、膨張弁９および第２熱交換器１１を有している。冷凍サイクル装置１は、さらに、流量調整弁２１と吸熱部１７と熱源部１９とを備えている。第１熱交換器５には、第１送風機７が配置されている。第２熱交換器１１には、第２送風機１３が配置されている。また、熱源部１９として、冷凍サイクル装置１の動作を制御する制御回路等を収容した電気品１９ａが配置されている。

圧縮機３、四方弁１５、第１熱交換器５（凝縮器／蒸発器）、膨張弁９、第２熱交換器１１（蒸発器／凝縮器）および圧縮機３は、この順に、冷媒が流れる冷媒配管３１によって接続されている。冷媒配管３１等を流れる冷媒として、Ｒ２９０（プロパン）が使用されている。

蒸発器（第１熱交換器５または第２熱交換器１１）と圧縮機３との間の冷媒配管３１の部分に吸熱部１７が設けられている。吸熱部１７は、熱源部としての電気品１９ａに接触するように配置されている。より具体的には、吸熱部１７は、四方弁１５と圧縮機３とを接続する冷媒配管３１の部分に設けられている。吸熱部１７が設けられた冷媒配管３１の部分と並列になるように、分岐配管３３が接続されている。分岐配管３３には、冷媒の流量を調整する流量調整弁２１が設けられている。実施の形態に係る冷凍サイクル装置１は、上記のように構成される。

次に、上述した冷凍サイクル装置１の動作として、まず、暖房運転（点線矢印参照）の場合について説明する。この場合には、圧縮機３、四方弁１５、第２熱交換器１１、膨張弁９、第１熱交換器５、四方弁１５、吸熱部１７および圧縮機３の順に、冷媒配管３１によって接続される。圧縮機３を駆動させることによって、圧縮機３から高温高圧のガス冷媒が吐出する。吐出した高温高圧のガス冷媒（単相）は、四方弁１５を通り第２熱交換器１１に流れ込む。この場合、第２熱交換器１１は、凝縮器として機能する。

凝縮器としての第２熱交換器１１では、流れ込んだガス冷媒と、第２送風機１３によって供給される空気との間で熱交換が行われる。高温高圧のガス冷媒は、凝縮して高圧の液冷媒（単相）になる。この熱交換によって、たとえば、室内が暖房されることになる。第２熱交換器１１から送り出された高圧の液冷媒は、膨張弁９によって、低圧のガス冷媒と液冷媒との二相状態の冷媒になる。二相状態の冷媒は、第１熱交換器５に流れ込む。この場合、第１熱交換器５は、蒸発器として機能する。

蒸発器としての第１熱交換器５では、流れ込んだ二相状態の冷媒と、第１送風機７によって供給される空気との間で熱交換が行われる。二相状態の冷媒のうち、液冷媒が蒸発して、低圧のガス冷媒（単相）になる。第１熱交換器５から送り出された低圧のガス冷媒は、四方弁１５を通り、吸熱部１７または流量調整弁２１を経て圧縮機３に流れ込む。圧縮機３に流れ込んだ低圧のガス冷媒は、圧縮されて高温高圧のガス冷媒となって、再び圧縮機３から吐出する。以下、このサイクルが繰り返される。流量調整弁２１および吸熱部１７の機能については後述する。

次に、冷房運転（実線矢印参照）の場合について説明する。この場合には、圧縮機３、四方弁１５、第１熱交換器５、膨張弁９、第２熱交換器１１、四方弁１５、吸熱部１７および圧縮機３の順に、冷媒配管３１によって接続される。圧縮機３を駆動させることによって、圧縮機３から高温高圧のガス冷媒が吐出する。吐出した高温高圧のガス冷媒（単相）は、四方弁１５を通り第１熱交換器５へ流れ込む。この場合、第１熱交換器５は、凝縮器として機能する。凝縮器としての第１熱交換器５では、流れ込んだ冷媒と、第１送風機７によって供給される空気との間で熱交換が行われる。高温高圧のガス冷媒は、凝縮して高圧の液冷媒（単相）になる。

第１熱交換器５から送り出された高圧の液冷媒は、膨張弁９によって、低圧のガス冷媒と液冷媒との二相状態の冷媒になる。二相状態の冷媒は、第２熱交換器１１に流れ込む。第２熱交換器１１では、流れ込んだ二相状態の冷媒と、第２送風機１３によって供給される空気との間で熱交換が行われる。二相状態の冷媒は、液冷媒が蒸発して低圧のガス冷媒（単相）になる。この熱交換によって、たとえば、室内が冷却されることになる。

第２熱交換器１１から送り出された低圧のガス冷媒は、四方弁１５を通り、吸熱部１７または流量調整弁２１を経て圧縮機３に流れ込む。圧縮機３に流れ込んだ低圧のガス冷媒は、圧縮されて高温高圧のガス冷媒となって、再び圧縮機３から吐出する。以下、このサイクルが繰り返される。

上述した、冷媒としてＲ２９０（プロパン）を使用した冷凍サイクル装置１では、圧縮機３に吸入される冷媒の吸入過熱度を調整することによって、ＣＯＰの値を改善することができる。このことについて説明する。

まず、冷凍サイクル装置１を冷房運転させた場合における、冷媒の圧力とエンタルピ（比エンタルピ）との関係（モリエル線図）を図２に示す。モリエル線図では、図１に示される冷媒配管３１における各流路ポイントＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６、Ｐ７、Ｐ８を併せて示す。なお、括弧内の流路ポイントは、冷凍サイクル装置１を暖房運転させた場合の流路ポイントを示す。

暖房運転および冷房運転のそれぞれの運転時では、蒸発器（第１熱交換器５／第２熱交換器１１）としての熱交換性能を維持するために、蒸発器を流れ出た冷媒の乾き度がほぼ１となるように、蒸発器に対して冷媒の流れの上流側に設けられている膨張弁９の開度が調整される。

蒸発器を流れ出た、乾き度がほぼ１の状態の冷媒は、四方弁１５を通り、分岐配管３３を流れて吸熱部１７に流れ込む。吸熱部１７は、熱源部１９としての電気品１９ａに接触している。吸熱部１７では、流れ込んだ冷媒と電気品１９ａ（熱）との間で熱交換が行われる。これにより、冷媒が流路ポイントＰ６から流路ポイントＰ８へ流れる間にエンタルピが上昇し、吸熱部１７を流れ出た冷媒の過熱度が高くなる。こうして、乾き度がほぼ１の状態で過熱度が大きくなった冷媒が、圧縮機３に吸入される。

次に、吸入過熱度とＣＯＰの値との関係を図３に示す。横軸は、圧縮機３に吸入される冷媒の吸入過熱度である。縦軸は、冷凍サイクル装置１のＣＯＰである。実線のグラフＡは、Ｒ２９０（プロパン）の場合のグラフである。点線のグラフＢは、比較例としてのＲ３２の場合のグラフである。ＣＯＰは、それぞれの冷媒におけるＣＯＰの値のピーク値を１００とした比率（％）で表されている。

グラフＡに示されるように、冷媒がＲ２９０の場合には、吸入過熱度が０（Ｋ）から大きくなるにしたがって、ＣＯＰの値は徐々に大きくなる。一方、グラフＢに示されるように、冷媒がＲ３２の場合には、吸入過熱度が０（Ｋ）から大きくなるにしたがって、ＣＯＰの値は小さくなる。このことから、冷媒がＲ２９０の場合には、吸入過熱度を上げて、ＣＯＰの値を改善することができることがわかる。なお、グラフＢに示される冷媒Ｒ３２と同様の傾向を示す冷媒としては、たとえば、ＨＦＣ冷媒がある。

ところが、冷媒がＲ２９０の場合には、吸入過熱度は、たとえば、約７（Ｋ）程度において、ＣＯＰが最大値となり、吸入過熱度が約７（Ｋ）を超えて大きくなっていくと、ＣＯＰの値は小さくなっていくことがわかる。すなわち、Ｒ２９０の場合、吸入過熱度を大きくすることで冷凍サイクル装置１の性能を向上させることができるとはいえ、吸入過熱度が大きくなり過ぎるとＣＯＰは小さくなり、冷凍サイクル装置１の性能は、かえって低下することになる。実際の冷凍サイクル装置１においては、ＣＯＰの値が最大値となる吸入過熱度は、たとえば、圧縮機３の効率等に依存することになる。

そこで、上述した冷凍サイクル装置１では、分岐配管３３に設けられた流量調整弁２１によって、吸熱部１７を流れる冷媒の流量を調整することで、吸入過熱度が調整される。

吸熱部１７を流れた冷媒の過熱度が、ＣＯＰが最大値となる目標の吸入過熱度よりも低い場合には、流量調整弁２１を絞り、吸熱部１７に流れ込む冷媒の流量を増加させる。これにより、吸熱部１７における冷媒と電気品１９ａ（熱源）との熱交換量が増加し、吸熱部１７を流れた冷媒の過熱度を、目標の吸入過熱度にまで上げることができる。

一方、吸熱部１７を流れた冷媒の過熱度が、ＣＯＰが最大値となる目標の吸入過熱度よりも高い場合には、流量調整弁２１を開けて、吸熱部１７に流れ込む冷媒の流量を減少させる。これにより、吸熱部１７における冷媒と電気品１９ａ（熱源）との熱交換量が減少し、吸熱部１７を流れた冷媒の過熱度を、目標の吸入過熱度にまで下げることができる。

こうして、上述した冷凍サイクル装置１では、流量調整弁２１により、圧縮機３に吸入される冷媒の吸入過熱度を調整することによって、冷凍サイクル装置１の性能を最大限に引き出すことができる。

なお、上述した冷凍サイクル装置１では、熱源部１９として、電気品１９ａを例に挙げた。熱源部１９としては、蒸発器（第１熱交換器５または第２熱交換器１１）を流れた冷媒の温度よりも高い温度を有するものであれば、電気品１９ａに限られない。たとえば、図４に示すように、熱源部１９として、圧縮機３を収容した圧縮機収容体１９ｂを適用してもよいし、図５に示すように、熱源部１９として、第１熱交換器５または第２熱交換器１１等を収容する筺体１９ｃを適用してもよい。

また、上述した冷凍サイクル装置１では、冷媒として、Ｒ２９０（プロパン）を例に挙げて説明した。冷媒としては、吸熱部１７を流れた冷媒の過熱度が増加するのにしたがって、冷凍サイクル装置１のＣＯＰの値が大きくなった後、小さくなる性質を有する冷媒であれば、Ｒ２９０に限られず、使用することができ、流量調整弁２１によって吸熱部１７を流れる冷媒の流量を調整することで、冷凍サイクル装置１の性能を最大限に引き出すことができる。

今回開示された実施の形態は例示であってこれに制限されるものではない。本開示は上記で説明した範囲ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲でのすべての変更が含まれることが意図される。

本開示は、冷媒として、Ｒ２９０等を使用した冷凍サイクル装置に有効に利用される。

１ 冷凍サイクル装置、３ 圧縮機、５ 第１熱交換器、７ 第１送風機、９ 膨張弁、１１ 第２熱交換器、１３ 第２送風機、１５ 四方弁、１７ 吸熱部、１９ 熱源部、１９ａ 電気品、１９ｂ 圧縮機収容体、１９ｃ 筺体、２１ 流量調整弁、３１ 冷媒配管、３３ 分岐配管、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６、Ｐ７、Ｐ８ 流路ポイント。

Claims (7)

1. 冷媒として、Ｒ２９０を使用した冷凍サイクル装置の制御方法であって、
   前記冷凍サイクル装置は、
   圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器と、
   前記圧縮機、前記凝縮器、前記膨張弁、前記蒸発器および前記圧縮機の順に接続されて、前記冷媒が流れる冷媒配管と、
   前記蒸発器と前記圧縮機との間を接続する前記冷媒配管の部分に設けられた吸熱部と、
   前記吸熱部に接触するように配置され、前記蒸発器を流れた前記冷媒の温度よりも高い温度を有する熱源部と、
   前記吸熱部が設けられた前記冷媒配管の前記部分と並列になるように接続された分岐配管と、
   前記分岐配管に設けられ、前記冷媒の流量を調整する流量調整弁と
   を備え、
   前記冷媒として前記Ｒ２９０を使用した場合における吸入過熱度と成績係数との関係に基づいて、
   前記吸熱部を流れた前記冷媒の前記吸入過熱度が、前記成績係数が最大値となる目標吸熱過熱度よりも低い場合には、前記流量調整弁を絞り、前記吸熱部に流れ込む前記冷媒の流量を増加させ、
   前記吸熱部を流れた前記冷媒の前記吸入過熱度が、前記目標吸熱過熱度よりも高い場合には、前記流量調整弁を開けて、前記吸熱部に流れ込む前記冷媒の流量を減少させる、冷凍サイクル装置の制御方法。
2. 前記冷凍サイクル装置における前記熱源部は、電気品を収容した電気品箱を含む、請求項１記載の冷凍サイクル装置の制御方法。
3. 前記冷凍サイクル装置における前記熱源部は、前記圧縮機を含む、請求項１記載の冷凍サイクル装置の制御方法。
4. 前記冷凍サイクル装置は、前記圧縮機を収容する筺体を備え、
   前記冷凍サイクル装置における前記熱源部は、前記筺体を含む、請求項１記載の冷凍サイクル装置の制御方法。
5. 前記冷凍サイクル装置は、前記凝縮器および前記蒸発器として、第１熱交換器と第２熱交換器とを有し、
   前記冷凍サイクル装置は、前記第１熱交換器を前記凝縮器とし、前記第２熱交換器を前記蒸発器として運転する第１運転と、前記第２熱交換器を前記凝縮器とし、前記第１熱交換器を前記蒸発器として運転する第２運転とを切り替える四方弁を備え、
   前記冷凍サイクル装置では、前記吸熱部が設けられた前記冷媒配管の前記部分は、前記四方弁と前記圧縮機との間に配置された、請求項１～４のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置の制御方法。
6. 圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器を備えた冷凍サイクル装置の制御方法であって、
   前記冷凍サイクル装置は、
   前記圧縮機、前記凝縮器、前記膨張弁、前記蒸発器および前記圧縮機の順に接続されて、冷媒が流れる冷媒配管と、
   前記蒸発器と前記圧縮機との間を接続する前記冷媒配管の部分に設けられた吸熱部と、
   前記吸熱部に接触するように配置された熱源部と、
   前記吸熱部が設けられた前記冷媒配管の前記部分と並列になるように接続された分岐配管と
   を備え、
   前記冷媒は、前記吸熱部を流れた前記冷媒の過熱度が増加するのにしたがって、成績係数が大きくなった後、小さくなる性質を有し、
   前記冷凍サイクル装置における前記分岐配管には、前記冷媒の流量を調整する流量調整弁が設けられ、
   前記冷媒を使用した場合における吸入過熱度と前記成績係数との関係に基づいて、
   前記吸熱部を流れた前記冷媒の前記吸入過熱度が、前記成績係数が最大値となる目標吸熱過熱度よりも低い場合には、前記流量調整弁を絞り、前記吸熱部に流れ込む前記冷媒の流量を増加させ、
   前記吸熱部を流れた前記冷媒の前記吸入過熱度が、前記目標吸熱過熱度よりも高い場合には、前記流量調整弁を開けて、前記吸熱部に流れ込む前記冷媒の流量を減少させる、冷凍サイクル装置の制御方法。
7. 前記冷媒は、Ｒ２９０を含む、請求項６記載の冷凍サイクル装置の制御方法。

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