JP7386894B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体の冷媒（液冷媒）を貯留するレシーバを備える冷凍サイクル装置に関する。

従来、液冷媒を貯留するレシーバが冷凍サイクル装置が知られている。たとえば、実開昭６２－２０４２５３号公報（特許文献１）には、１基の圧縮機および１基の凝縮器を有する冷凍サイクル系に使用される受液器が開示されている。当該受液器の胴体内には、遮蔽板の上縁部を超えて互いに連通する２つの液溜部が形成されている。凝縮器からの気液二相状態の冷媒は一方の液溜部に流入し、遮蔽板の上縁部を超えて他方の液溜部に流入する。当該受液器によれば、冷媒の気液分離を良好に行うことができる。

実開昭６２－２０４２５３号公報

冷凍サイクル装置においては、膨張弁と圧縮機の吸入口との間の流路（低圧側）を流れる冷媒を、圧縮機の吐出口と膨張弁との間の流路（高圧側）に移動させる運転（ポンプダウン運転）が行われることがある。ポンプダウン運転の結果、凝縮器と膨張弁との間に接続されたレシーバに貯留される液冷媒の量が増加する。

凝縮器から過冷却度を有する液冷媒がレシーバに流入すると、当該液冷媒によってレシーバ内の気体の冷媒（ガス冷媒）が冷却され、飽和液としてレシーバに貯留される。すなわち、レシーバに貯留される液冷媒の量を増加させるためには、過冷却度を有する液冷媒がレシーバに流入する必要がある。

特許文献１に開示されている受液器のように、液冷媒を貯留する２つの液溜部（レシーバ）が直列に連通している冷凍サイクル装置においてポンプダウン運転が行われる場合、凝縮器に近いレシーバに貯留される液冷媒の量が上限量となるまで、当該レシーバからは過冷却度を有さない飽和液が流出する。そのため、当該レシーバに貯留される液冷媒の量が上限量となるまで、もう一つのレシーバに貯留される液冷媒の量はほとんど増加しない。凝縮器に近いレシーバに貯留される液冷媒の量が上限量となるまでに高圧側の冷媒の圧力が過剰に上昇して圧縮機の運転の継続が困難になると、ポンプダウン運転を完了することができない。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、ポンプダウン運転の安定性を向上させることである。

本発明に係る冷凍サイクル装置においては、冷媒が循環する。冷凍サイクル装置は、圧縮機と、第１熱交換器と、第２熱交換器と、第１レシーバと、第２レシーバと、第１弁と、膨張弁と、第２熱交換器と、バイパス部とを備える。第１レシーバおよび第２レシーバは、液体の冷媒を貯留する。冷媒は、圧縮機、第１熱交換器、第１レシーバ、第２レシーバ、第１弁、膨張弁、および第２熱交換器の順に循環する。バイパス部は、第１熱交換器からの冷媒を第１レシーバを介さずに第２レシーバに導く。

本発明に係る冷凍サイクル装置によれば、バイパス部が第１熱交換器からの冷媒を第１レシーバを介さずに第２レシーバに導くことにより、ポンプダウン運転の安定性を向上させることができる。

実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の構成を示す機能ブロック図である。 図１の制御装置の構成を示す機能ブロック図である。 ポンプダウン運転における図１の冷凍サイクル装置の流路の状態を示す機能ブロック図である。 ポンプダウン運転の開始条件が成立した場合に図１の制御装置によって行われる処理を示すフローチャートである。 比較例に係る冷凍サイクル装置の構成を示す機能ブロック図である。 ポンプダウン運転においてレシーバに貯留される液冷媒の量（貯留率）の時間変化を示すタイムチャートである。 実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の構成を示す機能ブロック図である。 ポンプダウン運転における図７の冷凍サイクル装置の流路の状態を示す機能ブロック図である。 図７および図８の制御装置によって行われる処理の流れを示すフローチャートである。 実施の形態２の変形例１に係る冷凍サイクル装置の構成を示す機能ブロック図である。 図１０の制御装置によって行われる処理の流れを示すフローチャートである。 実施の形態２の変形例２に係る冷凍サイクル装置の構成を示す機能ブロック図である。 図１２の制御装置によって行われる処理の流れを示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は原則として繰り返さない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００の構成を示す機能ブロック図である。冷凍サイクル装置１００としては、たとえば、冷凍機、空気調和機、あるいはショーケースを挙げることができる。冷凍サイクル装置１００は、通常運転およびポンプダウン運転を選択的に行う。図１には、通常運転における冷凍サイクル装置１００の流路の状態が示されている。

図１に示されるように、冷凍サイクル装置１００は、室外機１１０と、室内機１２０とを備える。室内機１２０は、冷却対象空間（第２空間）に配置されている。室外機１１０は、冷却対象空間の外部の空間（第１空間）に配置されている。

室外機１１０は、圧縮機１と、凝縮器２（第１熱交換器）と、レシーバ３１（第１レシーバ）と、レシーバ３２（第２レシーバ）と、バイパス部７と、制御装置１０とを含む。室内機１２０は、開閉弁４（第１弁）と、膨張弁５（膨張弁）と、蒸発器６（第２熱交換器）とを含む。冷凍サイクル装置１００において冷媒は、圧縮機１、凝縮器２、レシーバ３１、レシーバ３２、開閉弁４、膨張弁５、および蒸発器６の順に循環する。膨張弁５は、たとえば温度式膨張弁である。

レシーバ３１，３２は、液冷媒を貯留する。レシーバ３１には、凝縮器２から冷媒が流入する。バイパス部７は、凝縮器２からの冷媒をレシーバ３１を介さずにレシーバ３２に導く。レシーバ３２には、レシーバ３１から飽和液の冷媒が流入するとともに、凝縮器２から冷媒が流入する。

他の機種の冷凍サイクル装置で使用されている小容量のレシーバをレシーバ３１，３２として採用し、レシーバ３１，３２を凝縮器２と膨張弁５との間で直列に連通させることにより、他の機種とレシーバを共通化することができるとともに、大容量の専用レシーバが不要となる。その結果、冷凍サイクル装置１００の製造コストを低減することができる。

制御装置１０は、圧縮機１の駆動周波数を制御して、圧縮機１が単位時間当たりに吐出する冷媒量を制御する。制御装置１０は、通常運転において開閉弁４を開放する。制御装置１０は、室内機１２０に配置されていてもよいし、室外機１１０および室内機１２０以外の場所に配置されてもよい。室外機１１０および室内機１２０の各々に制御装置が配置されてもよい。

図２は、図１の制御装置１０の構成を示す機能ブロック図である。図２は、後に説明する図７の制御装置２０の構成も併せて示している。図２に示されるように、制御装置１０（２０）は、処理回路１１（２１）と、メモリ１２（２２）と、入出力部１３（２３）とを含む。処理回路１１（２１）は、専用のハードウェアであってもよいし、メモリ１２（２２）に格納されるプログラムを実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）であってもよい。処理回路１１（２１）が専用のハードウェアである場合、処理回路１１（２１）には、たとえば、単一回路、複合回路、プログラム化されたプロセッサ、並列プログラム化されたプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ(Field Programmable Gate Array)、あるいはこれらを組み合わせたものが該当する。処理回路１１（２１）がＣＰＵの場合、制御装置１０（２０）の機能は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアあるいはファームウェアはプログラムとして記述され、メモリ１２（２２）に格納される。処理回路１１（２１）は、メモリ１２（２２）に記憶されたプログラムを読み出して実行する。メモリ１２（２２）には、不揮発性または揮発性の半導体メモリ（たとえばＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable Read Only Memory）、あるいはＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory））、および磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、あるいはＤＶＤ（Digital Versatile Disc）が含まれる。なお、ＣＰＵは、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、あるいはＤＳＰ（Digital Signal Processor）とも呼ばれる。

入出力部１３（２３）は、ユーザからの操作を受けるとともに、処理結果をユーザに出力する。入出力部１３（２３）は、たとえば、マウス、キーボード、タッチパネル、ディスプレイ、およびスピーカを含む。

図３は、ポンプダウン運転における図１の冷凍サイクル装置１００の流路の状態を示す機能ブロック図である。ポンプダウン運転は、たとえば圧縮機１の停止条件が成立した場合に行われる。図１に示される状態との違いは、開閉弁４が閉止されている点である。これ以外は同様であるため説明を繰り返さない。

図４は、ポンプダウン運転の開始条件が成立した場合に図１の制御装置１０によって行われる処理を示すフローチャートである。図４に示される処理は、冷凍サイクル装置１００を統合的に制御する不図示のメインルーチンによって呼び出される。以下ではステップを単にＳと記載する。

図４に示されるように、制御装置１０は、Ｓ１０１において開閉弁４を閉止して処理をＳ１０２に進める。制御装置１０は、Ｓ１０２において一定時間待機する。当該一定時間の間に凝縮器２から過冷却度を有する液冷媒がレシーバ３１，３２の各々に流入し、レシーバ３１，３２の各々に含まれるガス冷媒が液化する。その結果、レシーバ３１，３２の各々に貯留される液冷媒の量が増加する。当該一定時間経過後、制御装置１０は、Ｓ１０３においてポンプダウン運転の終了処理を行って処理をメインルーチンに返す。ポンプダウン運転の終了処理には、たとえば、圧縮機１の停止が含まれる。

図５は、比較例に係る冷凍サイクル装置９００の構成を示す機能ブロック図である。冷凍サイクル装置９００の構成は、図３の冷凍サイクル装置１００からバイパス部７が除かれた構成である。それ以外は同様であるため、説明を繰り返さない。

図６は、ポンプダウン運転においてレシーバ３１，３２に貯留される液冷媒の量（貯留率）の時間変化を示すタイムチャートである。図６（ａ）は図５の冷凍サイクル装置９００のポンプダウン運転におけるタイムチャートを示し、図６（ｂ）は図３の冷凍サイクル装置１００のポンプダウン運転におけるタイムチャートを示す。図６（ａ），（ｂ）の各々においてレシーバ３１の貯留率が実線で表され、レシーバ３２の貯留率が点線で表されている。

図６（ａ）に示されるように、ポンプダウン運転は時刻ｔ１０から開始される。レシーバ３１の貯留率は、時刻ｔ１０から増加し、時刻ｔ１１において１００％となる。時刻ｔ１０～ｔ１１の間、レシーバ３１からは飽和液の冷媒が流出するため、レシーバ３２内のガス冷媒はほとんど液化しない。そのため、時刻ｔ１０～ｔ１１の間、レシーバ３２の貯留率はほとんど変化しない。時刻ｔ１１以降は、レシーバ３１から過冷却度を有する液冷媒がレシーバ３２に流出するため、レシーバ３２の貯留率が増加する。ポンプダウン運転は、時刻ｔ１２に終了する。ポンプダウン運転に要する時間は、時刻ｔ１０～ｔ１２までの時間間隔である。

図６（ｂ）に示されるように、ポンプダウン運転は時刻ｔ０から開始される。ポンプダウン運転の開始時から、レシーバ３１，３２の各々に凝縮器２から過冷却度を有する液冷媒が流入するため、レシーバ３１，３２の各々の貯留率が増加する。ポンプダウン運転は、時刻ｔ１に終了する。ポンプダウン運転に要する時間は、時刻ｔ０～ｔ１までの時間間隔であり、図６（ａ）に示される時刻ｔ１０～ｔ１２までの時間間隔よりも短い。

冷凍サイクル装置１００によれば、ポンプダウン運転の開始時からレシーバ３１，３２の各々の液冷媒の貯留量を増加させることができるため、レシーバ３１，３２の順に液冷媒の貯留量が増加する場合よりもポンプダウン運転を短縮することができる。その結果、高圧側の圧力が過剰に上昇する前に、ポンプダウン運転を確実に完了することができる。

以上、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置によれば、ポンプダウン運転の安定性を向上させることができる。

実施の形態２．
実施の形態１においては、通常運転およびポンプダウン運転の双方において、バイパス部が凝縮器からの冷媒を膨張弁に近いレシーバに導く構成について説明した。実施の形態２においては、バイパス部が、通常運転においては閉止され、ポンプダウン運転において開放される構成について説明する。

図７は、実施の形態２に係る冷凍サイクル装置２００の構成を示す機能ブロック図である。図７には、通常運転における冷凍サイクル装置２００の流路の状態が示されている。図７に示されるように、冷凍サイクル装置２００は、室外機２１０と、室内機２２０とを備える。室外機２１０の構成は、図１のバイパス部７，制御装置１０がバイパス部７０，制御装置２０にそれぞれ置き換えられているとともに、温度センサＴｓ１，Ｔｓ２が追加された構成である。バイパス部７０の構成は、図１のバイパス部７にバイパス弁７１（第２弁）が追加された構成である。室内機２２０の構成は、図１の室内機１２０の構成に制御装置３０が追加された構成である。これら以外は同様であるため、説明を繰り返さない。

図７に示されるように、バイパス弁７１は、凝縮器２とレシーバ３２との間に接続されている。制御装置２０は、通常運転においてバイパス弁７１を閉止する。制御装置２０は、温度センサＴｓ１からレシーバ３２と開閉弁４との間を流れる冷媒の温度Ｔ１を取得する。制御装置２０は、温度センサＴｓ２から室外機２１０が配置されている空間の温度Ｔ２を取得する。制御装置２０は、圧縮機１の駆動周波数を制御して、圧縮機１が単位時間当たりに吐出する冷媒量を制御する。制御装置３０は、通常運転において開閉弁４を開放する。制御装置２０と３０との間には、電気的な通信回線が確立されていない。

図８は、ポンプダウン運転における図７の冷凍サイクル装置２００の流路の状態を示す機能ブロック図である。図８に示されるように、制御装置３０は、開閉弁４を閉止する。開閉弁４が閉止されている場合、レシーバ３２と開閉弁４との間の流路内には冷媒の流れがほとんど生じていない。そのため、開閉弁４の閉止によって、当該冷媒の温度Ｔ１は、室外機２１０が配置されている空間の温度Ｔ２に近づく。そこで、制御装置２０は、温度Ｔ２とＴ１との差の絶対値が基準値δ１よりも小さいという条件（特定条件）が成立する場合に、開閉弁４が閉止されていると判定し、バイパス弁７１を開放する。基準値δ１は、実機実験あるいはシミュレーションによって適宜決定することができる。

図９は、図７および図８の制御装置２０によって行われる処理の流れを示すフローチャートである。図９に示される処理は、冷凍サイクル装置２００を統合的に制御する不図示のメインルーチンによってサンプリングタイム毎に呼び出される。

図９に示されるように、制御装置２０は、Ｓ２０１において温度Ｔ２とＴ１との差の絶対値が基準値δ１よりも小さいという条件が成立しているか否かを判定する。当該絶対値が基準値δ１以上である場合（Ｓ２０１においてＮＯ）、開閉弁４が閉止されていないとして、制御装置２０は、処理をメインルーチンに返す。当該絶対値が基準値δ１より小さい場合（Ｓ２０１においてＹＥＳ）、制御装置２０は、Ｓ２０２においてバイパス弁７１を開放して処理をＳ２０３に進める。制御装置２０は、Ｓ２０３において一定時間待機する。当該一定時間の間に凝縮器２から過冷却度を有する液冷媒がレシーバ３１，３２の各々に流入し、レシーバ３１，３２の各々に含まれるガス冷媒が液化する。その結果、レシーバ３１，３２の各々に貯留される液冷媒の量が増加する。当該一定時間経過後、制御装置２０は、Ｓ２０４においてポンプダウン運転の終了処理を行って処理をメインルーチンに返す。ポンプダウン運転の終了処理には、たとえば、圧縮機１の停止およびバイパス弁７１の閉止が含まれる。

開閉弁４が閉止されていることを示す条件は、図９のＳ２０１に示される条件に限定されない。開閉弁４が閉止された場合、高圧側の冷媒量が増加することに伴い、圧縮機１から吐出される冷媒の圧力（吐出圧力）が増加する。そのため、圧縮機１の吐出圧力の単位時間当たりの増加量が基準値よりも大きいという条件を開閉弁４が閉止されていることを示す条件として使用することができる。

図１０は、実施の形態２の変形例１に係る冷凍サイクル装置２００Ａの構成を示す機能ブロック図である。冷凍サイクル装置２００Ａの構成は、図８の制御装置２０が２０Ａに置き換えられ、温度センサＴｓ１，Ｔｓ２が除かれ、圧力センサＰｓ１が追加された構成である。これら以外は同様であるため、説明を繰り返さない。

図１０に示されるように、制御装置２０Ａは、圧力センサＰｓ１から圧縮機１の吐出圧力Ｐｄ（圧縮機１と凝縮器２との間を流れる冷媒の圧力）を取得する。制御装置２０Ａは、連続する２つのサンプリングタイムの間隔（基準時間間隔）を単位時間とした場合の吐出圧力Ｐｄの増加量が基準値δ２より大きいという条件（特定条件）が成立する場合、バイパス弁７１を開放する。基準値δ２は、実機実験あるいはシミュレーションによって適宜決定することができる。

図１１は、図１０の制御装置２０Ａによって行われる処理の流れを示すフローチャートである。図１１に示される処理は、冷凍サイクル装置２００Ａを統合的に制御する不図示のメインルーチンによってサンプリングタイム毎に呼び出される。図１１のＳ２０２～Ｓ２０４は、図９と同じである。

図１１に示されるように、制御装置２０Ａは、Ｓ２１１において吐出圧力Ｐｄの単位時間当たりの増加量が基準値δ２よりも大きいという条件が成立しているか否かを判定する。当該増加量が基準値δ２以下である場合（Ｓ２１１においてＮＯ）、開閉弁４が閉止されていないとして、制御装置２０Ａは、処理をメインルーチンに返す。当該増加量が基準値δ２より大きい場合（Ｓ２１１においてＹＥＳ）、制御装置２０Ａは、図９と同様にＳ２０２～Ｓ２０４を実行した後、処理をメインルーチンに返す。

開閉弁４が閉止された場合、低圧側の冷媒量が減少することに伴い、圧縮機１に吸入される冷媒の圧力（吸入圧力）が減少する。そのため、圧縮機１の吸入圧力の単位時間当たりの減少量が基準値よりも大きいという条件を開閉弁４が閉止されていることを示す条件として使用することもできる。

図１２は、実施の形態２の変形例２に係る冷凍サイクル装置２００Ｂの構成を示す機能ブロック図である。冷凍サイクル装置２００Ｂの構成は、図８の制御装置２０が２０Ｂに置き換えられ、温度センサＴｓ１，Ｔｓ２が除かれ、圧力センサＰｓ２が追加された構成である。これら以外は同様であるため、説明を繰り返さない。

図１２に示されるように、制御装置２０Ｂは、圧力センサＰｓ２から圧縮機１の吸入圧力Ｐｓ（蒸発器６と圧縮機１との間を流れる冷媒の圧力）を取得する。制御装置２０Ｂは、連続する２つのサンプリングタイムの間隔を単位時間とした場合の吸入圧力Ｐｓの減少量が基準値δ３より大きいという条件（特定条件）が成立する場合、バイパス弁７１を開放する。基準値δ３は、実機実験あるいはシミュレーションによって適宜決定することができる。

図１３は、図１２の制御装置２０Ｂによって行われる処理の流れを示すフローチャートである。図１３に示される処理は、冷凍サイクル装置２００Ｂを統合的に制御する不図示のメインルーチンによってサンプリングタイム毎に呼び出される。図１３のＳ２０２～Ｓ２０４は、図９と同じである。

図１３に示されるように、制御装置２０Ｂは、Ｓ２２１において吸入圧力Ｐｓの単位時間当たりの減少量が基準値δ３よりも大きいという条件が成立しているか否かを判定する。当該減少量が基準値δ３以下である場合（Ｓ２２１においてＮＯ）、開閉弁４が閉止されていないとして、制御装置２０Ｂは、処理をメインルーチンに返す。当該増加量が基準値δ３より大きい場合（Ｓ２２１においてＹＥＳ）、制御装置２０Ｂは、図９と同様にＳ２０２～Ｓ２０４を実行した後、処理をメインルーチンに返す。

以上、実施の形態２および変形例１，２に係る冷凍サイクル装置によれば、ポンプダウン運転の安定性を向上させることができる。

今回開示された各実施の形態は、矛盾しない範囲で適宜組み合わせて実施することも予定されている。今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて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内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 圧縮機、２ 凝縮器、４ 開閉弁、５ 膨張弁、６ 蒸発器、７，７０ バイパス部、１０，２０，２０Ａ，２０Ｂ，３０ 制御装置、１１ 処理回路、１２ メモリ、１３ 入出力部、３１，３２ レシーバ、７１ バイパス弁、１００，２００，２００Ａ，２００Ｂ，９００ 冷凍サイクル装置、１１０，２１０ 室外機、１２０，２２０ 室内機、Ｐｓ１，Ｐｓ２ 圧力センサ、Ｔｓ１，Ｔｓ２ 温度センサ。

Claims (4)

1. 冷媒が循環する冷凍サイクル装置であって、
   圧縮機と、
   第１熱交換器および第２熱交換器と、
   液体の前記冷媒を貯留する、第１レシーバおよび第２レシーバと、
   第１弁と、
   膨張弁と、
   バイパス部とを備え、
   前記冷媒は、前記圧縮機、前記第１熱交換器、前記第１レシーバ、前記第２レシーバ、前記第１弁、前記膨張弁、および前記第２熱交換器の順に循環し、
   前記バイパス部は、前記第１熱交換器からの前記冷媒を前記第１レシーバを介さずに前記第２レシーバに導き、
   前記バイパス部を制御する制御装置をさらに備え、
   前記バイパス部は、前記第１熱交換器と前記第２レシーバとの間に接続された第２弁を含み、
   前記制御装置は、前記第１弁が閉止されていることを示す特定条件が成立する場合、前記第２弁を開放し、前記特定条件が成立していない場合、前記第２弁を閉止する、冷凍サイクル装置。
2. 前記圧縮機、前記第１熱交換器、前記第１レシーバ、および前記第２レシーバは、第１空間に配置され、
   前記第１弁、前記膨張弁、および前記第２熱交換器は、第２空間に配置され、
   前記特定条件は、前記第２レシーバから流出する前記冷媒の温度と、前記第１空間の温度との差の絶対値が基準値よりも小さいという条件を含む、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記特定条件は、前記圧縮機から吐出される圧力の基準時間間隔の増加量が基準値よりも大きいという条件を含む、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記特定条件は、前記圧縮機に吸入される圧力の基準時間間隔の減少量が基準値よりも大きいという条件を含む、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。

Images