JPH07208835A - 冷凍空調装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】非共沸混合冷媒を用い、容量可変な膨張装置に
より過熱度制御を行う冷凍空調装置に、圧縮機小容量時
の蒸発器の熱交換効率向上、及び運転状態が変化したと
きの蒸発器の着霜を防ぐ。 【構成】圧縮機１の運転容量に応じて、目標過熱度の設
定値を変化させ、運転状態が変化した時、過熱度を目標
過熱度に近づける際、過熱度が小から大となるように膨
張弁４を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は非共沸混合冷媒を用いた
冷凍空調装置において、容量可変な膨張装置の制御装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】非共沸混合冷媒を封入し、蒸発器出口と
圧縮機入口の間で冷媒の過熱度を検出し、この過熱度が
目標過熱度となるように膨張装置の容量を制御する冷凍
空調装置において、目標過熱度を一定とする制御に関し
ては、特開昭60−251348号公報に示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】冷凍空調装置に用いら
れてきた冷媒Ｒ２２は塩素分子を含んでいるため、大気
中に放出されると、成層圏のオゾン層を破壊するという
理由から規制されつつある。オゾン層を破壊しない冷媒
は、例えば、Ｒ３２，Ｒ１２５，Ｒ１３４ａ等の塩素分
子を含まない冷媒が考えられるが、単一冷媒ではＲ２２
と同等な特性を有するものはなく、複数の冷媒を混合し
たものが提案されている。これらの混合冷媒候補の中に
は、Ｒ３２／Ｒ１３４ａ，Ｒ３２／Ｒ１２５／Ｒ１３４
ａ等の非共沸混合冷媒が含まれる。非共沸混合冷媒は二
相域において液相と気相で成分の組成が異なるため、蒸
発及び凝縮過程において温度勾配を生じる。

【０００４】非共沸混合冷媒を封入し、蒸発器出口と圧
縮機入口の間で冷媒の過熱度を検出し、この過熱度が目
標過熱度となるように膨張装置の容量を制御する冷凍空
調装置において、目標過熱度を一定とする従来例につい
て図１２ないし図１４を用いて説明する。図１２におい
て、１は容量可変な圧縮機としての回転数可変形圧縮
機、２は凝縮器、３は凝縮器用送風機、４は容量可変な
膨張装置としての電動式膨張弁、５は蒸発器、６は蒸発
器用送風機、７は後述の検出器からの出力をもとに膨張
弁４の開度を制御する制御器、８は圧縮機吸入温度検出
器、９は圧縮機吸入圧力検出器である。圧縮機１は熱負
荷の変動に対し、圧縮機回転数Ｎを変えることにより容
量制御ができる。制御器７は、圧力検出器９で検出した
圧縮機吸入圧力Ｐｓに相当する露点温度Ｔdew と温度検
出器８で検出した圧縮機吸入温度Ｔｓとの差、すなわ
ち、過熱度ＳＨ＝Ｔｓ−Ｔdew が目標過熱度ＳＨ*(一定
値）となるように膨張弁４の開度Ａの制御を行ってい
る。したがって、図１３に示すように、圧縮機１の回転
数Ｎにかかわらず目標過熱度ＳＨ* を一定値ＳＨ１とす
る制御が行われている。

【０００５】非共沸混合冷媒としてＲ３２／Ｒ１２５／
Ｒ１３４ａを用い、目標過熱度を一定としたときの蒸発
器冷媒温度分布をＲ２２と比較して図１４に示す。単一
冷媒Ｒ２２について、高能力となる圧縮機高速回転時に
は、伝熱管内の圧力損失が大きく、蒸発器冷媒温度分布
は出口に向かって低下する。また、低能力となる圧縮機
低速回転時では圧力損失が小さく、蒸発器冷媒温度分布
はほぼ一定となる。すなわち、圧縮機低速回転時では、
蒸発器伝熱管の各位置での冷媒温度と空気入口温度との
差はほぼ等しい。一方、非共沸混合冷媒Ｒ３２／Ｒ１２
５／Ｒ１３４ａの蒸発器冷媒温度分布は、非共沸混合冷
媒特有の温度勾配のために出口に向かって上昇する。同
一能力運転の比較では、Ｒ３２／Ｒ１２５／Ｒ１３４ａ
の露点温度はＲ２２に比べて高くなるから、蒸発器の冷
媒出口温度と空気入口温度との差は小さく、特に低能力
となる圧縮機低速回転時には冷媒が蒸発器の出口に到達
する以前に冷媒温度が空気入口温度付近まで達し、これ
以後は有効な熱交換が行われない。

【０００６】以上、非共沸混合冷媒を用いた冷凍空調装
置において、圧縮機回転数に関係なく目標過熱度を一定
としたときの問題点を示したが、以下では運転状態が変
化したときの問題点を説明する。

【０００７】冷凍空調装置は、運転状態が変化すると、
例えば、熱負荷変動に合わせ圧縮機回転数が増加した場
合、特別な膨張弁の制御を行わなければ、その直後、圧
縮機回転数増加に比べて膨張弁の開度が小さいため、蒸
発器内に存在する冷媒量が一旦減り、これにより蒸発器
内圧力も一旦低下し、その後次第に上昇し、再び安定運
転状態の圧力に近づくという現象が起きる。非共沸混合
冷媒Ｒ３２／Ｒ１２５／Ｒ１３４ａは温度勾配により、
蒸発器の最低温度がＲ２２に比べ低いため、運転状態が
変化したとき、圧力低下による蒸発温度低下によって着
霜しやすいという問題点がある。

【０００８】本発明の目的は、非共沸混合冷媒を用いた
冷凍空調装置において、圧縮機小容量時の蒸発器の熱交
換効率向上、及び運転状態が変化したときの、蒸発器の
着霜を防ぐことにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】少なくとも容量可変な圧
縮機，凝縮器，容量可変な膨張装置，蒸発器を接続し、
非共沸混合冷媒を封入し、前記蒸発器出口と前記圧縮機
入口の間で冷媒の過熱度を検出し、前記過熱度が設定さ
れた目標過熱度となるように前記膨張装置の容量を制御
する冷凍空調装置において、前記圧縮機の運転容量に応
じて、前記目標過熱度の設定値を変化させるとともに、
運転状態が変化した時、前記過熱度を前記目標過熱度に
近づける際、前記過熱度が小から大となるように前記膨
張装置を制御する。

【００１０】

【作用】上記構成によれば、圧縮機の運転容量に応じ
て、目標過熱度の設定値を変化させたことにより、圧縮
機小容量時において、図１４の点線で示すように、蒸発
器の冷媒出口温度を低下させ、蒸発器の伝熱管出口付近
においても、冷媒と空気の温度差を保ち熱交換を行わせ
ることができる。これにより、蒸発器の平均蒸発温度を
上げることができ、冷凍空調装置の効率を上げることが
できる。

【００１１】また、運転状態が変化した時、過熱度を目
標過熱度に近づける際、過熱度が小から大となるように
膨張装置を制御することにより、状態変化直後の蒸発器
内圧力の過度の低下による蒸発器への着霜を防ぐことが
できる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。

【００１３】図２は本発明の第一の実施例の冷凍空調装
置の系統図である。図中、１は容量可変な圧縮機として
の回転数可変形圧縮機、２は凝縮器、３は凝縮器用送風
機、４は容量可変な膨張装置としての電動式膨張弁、５
は蒸発器、６は蒸発器用送風機、７は後述の検出器から
の出力をもとに膨張弁４の開度Ａを制御する制御器、８
は圧縮機吸入温度検出器、９は圧縮機吸入圧力検出器、
１０は圧縮機運転容量検出器としての圧縮機回転数検出
器、１１は冷媒組成検出器、例えば、膨張弁４入口の過
冷却された液冷媒の温度と静電容量を検出し、これらの
検出値から冷媒循環組成を算出するものである。冷媒と
して非共沸混合冷媒が封入されている。

【００１４】制御器７は、冷媒組成検出器１１から検出
した冷媒循環組成、例えば、二成分混合冷媒なら、循環
組成（Ｚ１，Ｚ２）を基に、圧力検出器９で検出した圧
縮機吸入圧力Ｐｓに相当する露点温度Ｔdew を算出し、
これと温度検出器８で検出した圧縮機吸入温度Ｔｓとの
差、すなわち、過熱度ＳＨ＝Ｔｓ−Ｔdew が目標過熱度
ＳＨ* となるように膨張弁４の開度Ａの制御を行う。図
１に示すように、圧縮機回転数検出器１０で検出した圧
縮機回転数Ｎが設定値Ｎ０より大きいときは、目標過熱
度ＳＨ* をＳＨ１に、回転数ＮがＮ０以下のときは、目
標過熱度ＳＨ*をＳＨ０（＜ＳＨ１）に、圧縮機回転数
の減少に伴って、ステップ状に小さくなるように設定す
る。なお、本発明の非共沸混合冷媒に関する過熱度制御
は、過熱度ＳＨが負となる湿り状態も含める。本実施例
では、圧縮機１の回転数Ｎを検出するために、圧縮機回
転数検出器１０を設けたが、圧縮機１への運転回転数指
令値を検出してもよい。以上の構成により、圧縮機低速
回転時に、蒸発器の冷媒出口温度を低下させ、蒸発器の
伝熱管出口付近にも、冷媒と空気の温度差を保ち熱交換
を行わせることができる。これにより、蒸発器の平均蒸
発温度を上げることができ、冷凍空調装置の効率を上げ
ることができる。また、図３に示すように、圧縮機回転
数の減少に伴って、目標過熱度を連続的に小さく設定し
ても同様の効果が得られる。さらに、図１，図３の他
に、圧縮機回転数の小さい方が圧縮機回転数の大きい方
に比べて、目標過熱度が小さく設定されている場合も、
同様の効果が得られる。

【００１５】つぎに、運転状態が変化したときの過熱度
制御について説明する。運転状態が変化した時、例え
ば、熱負荷変動に合わせ圧縮機１の回転数Ｎが増加した
のを圧縮機回転数検出器１０が検知し、その直後、制御
器７は、図４に示すように過熱度ＳＨが小さくなるよう
に膨張弁４の開度Ａを大きくし、次第に膨張弁４の開度
Ａを絞り、過熱度ＳＨが目標過熱度ＳＨ* に近づけるよ
うに制御を行う。この時、過熱度制御に学習機能をもた
せることにより、より適正な制御を行うことができる。
例えば、圧縮機各回転数での初回運転時に、圧縮機の各
回転数に対する安定運転状態での膨張弁開度を記憶する
記憶装置（制御器７に含める）を設ける。運転状態が変
化した時、記憶装置に記憶されている、運転状態変化後
の圧縮機回転数に対する安定運転状態での膨張弁開度Ａ
ｏにあらかじめ設定されている付加量αを加えた値を状
態変化直後の膨張弁開度とし、次第に膨張弁の開度を絞
り、過熱度を目標過熱度に近づける。以上の構成によ
り、運転状態が変化した直後の蒸発器内圧力の過度の低
下による蒸発器の着霜を防ぐことができる。本実施例で
は、圧縮機回転数検出器１０で圧縮機回転数の変化を検
知してから、膨張弁の開度を変化させているが、圧縮機
への運転回転数指令値の変化を検知して、圧縮機回転数
が実際に変化する以前から、膨張弁の開度を変化させて
もよい。また、本実施例では、運転状態の変化に関し、
圧縮機回転数の変化のみに注目したが、送風機回転数の
変化に対しても、同様の過熱度制御を行うことができ
る。さらに、圧縮機起動時にも、過熱度を目標過熱度に
近づける際、過熱度が小から大となるように、膨張弁４
を制御することにより、圧縮機起動直後の蒸発器内圧力
の過度の低下がもたらす蒸発器温度低下による着霜を防
ぐことができる。

【００１６】本発明の第二の実施例の冷凍空調装置の系
統図を図５に示す。本実施例は、非共沸混合冷媒の封入
組成と循環組成が大きく違わない冷凍空調装置に有効で
あり、蒸発器温度検出器１２，圧縮機吸入温度検出器
８，圧縮機回転数検出器１０の出力から過熱度を算出す
る。制御器７は、蒸発器温度検出器１２で検出した蒸発
温度Ｔｅに、非共沸混合冷媒封入組成での温度勾配によ
る温度上昇、圧縮機回転数検知器１０で検出した圧縮機
回転数Ｎにより変わる圧力損失による温度降下を考慮し
て、蒸発器露点温度Ｔdew を算出し、これと圧縮機吸入
温度検出器８で検出した圧縮機吸入温度Ｔｓとの差、す
なわち、過熱度ＳＨが目標過熱度ＳＨ* となるように膨
張弁４の開度Ａの制御を行う。図６に示すように、圧縮
機回転数検出器１０により検出した圧縮機回転数Ｎが設
定値Ｎ０より大きいときは、目標過熱度ＳＨ* をＳＨ１
に設定し、回転数ＮがＮ０以下のときは、目標過熱度Ｓ
Ｈ*をＳＨ０（＜ＳＨ１）に設定する。以上の構成によ
り、本実施例は第一の実施例と同様に、圧縮機低速回転
時に、蒸発器の冷媒出口温度を低下させ、蒸発器の伝熱
管出口付近にも、冷媒と空気の温度差を保ち熱交換を行
わせることができる。これにより、蒸発器の平均蒸発温
度を上げることができ、冷凍空調装置の効率を上げるこ
とができる。また、図７に示すように、圧縮機回転数の
減少に伴って、目標過熱度を小さく設定しても同様の効
果が得られる。運転状態が変化したときには、過熱度制
御を第一の実施例と同様に行い、同様の効果を得ること
ができる。さらに、本実施例は第一の実施例に比べ、検
出器の数が少ないので、より安価な冷凍空調装置を提供
できる。

【００１７】本発明の第三の実施例の冷凍空調装置の系
統図を図８に示す。本実施例は、過熱度を制御すると
き、圧縮機の回転数を高速回転域，中速回転域，低速回
転域に分け、圧縮機低速回転時には圧縮機高速回転時に
比べて目標過熱度を小さい値に設定し、圧縮機中速回転
時には蒸発器冷媒出口温度と蒸発器空気入口温度の差が
一定になるように電動式膨張弁を制御するものである。
本実施例は、第一の実施例に蒸発器空気入口温度検出器
１３，蒸発器冷媒出口温度検出器１４を付加したもので
ある。過熱度ＳＨは、第一の実施例と同様に、冷媒組成
検出器１１，圧縮機吸入圧力検出器９，圧縮機吸入温度
検出器８の出力をもとに算出される。また、蒸発器冷媒
出口温度Ｔeoと蒸発器空気入口温度Ｔａの温度差ΔＴが
温度検出器１３，１４から算出される。制御器７は、圧
縮機回転数検出器１０で検出した回転数Ｎを高速回転域
（Ｎ＞Ｎ１），中速回転域（Ｎ０≦Ｎ≦Ｎ１），低速回
転域（Ｎ＜Ｎ０）に分け、図９に示すように、高速回転
時には、目標過熱度ＳＨ* をＳＨ１に設定し、低速回転
時には目標過熱度ＳＨ* をＳＨ０（＜ＳＨ１）に設定
し、中速回転時には蒸発器出口の冷媒と空気の温度差Δ
Ｔが一定となるように膨張弁４の制御を行う。以上の構
成により、圧縮機の中速回転時に、蒸発器出口での冷媒
と空気の温度差を一定に保つことができるので、目標過
熱度一定としたとき圧縮機中速回転域で圧縮機回転数の
減少に伴い、蒸発器出口での冷媒と空気の温度差が小さ
くなることによる熱交換器の効率低下を防ぐことができ
る。

【００１８】本発明の第四の実施例の冷凍空調装置の系
統図を図１０に示す。本実施例は、運転状態が変化した
時、蒸発器冷媒入口温度が氷点付近以下とならないよう
に膨張弁を制御するものである。本実施例は、第一の実
施例に蒸発器空気入口温度検出器１３，蒸発器冷媒入口
温度検出器１５を付加したものである。運転状態が変化
した時、例えば、熱負荷変動に合わせ圧縮機１の回転数
Ｎが増加した場合、その直後、圧縮機回転数増加に比べ
て膨張弁の開度が小さいため、蒸発器内に存在する冷媒
量が一旦減り、これにより蒸発器内圧力が下がり蒸発温
度が低下する。特に、蒸発器冷媒入口付近では温度が氷
点以下となり着霜の恐れがある。そのため、温度検出器
１３から検出した空気温度Ｔａが、安定運転状態には蒸
発器の着霜の恐れがないと判断される温度以上にあると
き、制御器７は温度検出器１５から検出した蒸発器の冷
媒入口温度Ｔeiが氷点付近以下とならないように膨張弁
４の制御を行う。以上の構成により、運転状態が変化し
た時の蒸発器の着霜を防ぐことができる。

【００１９】本発明の冷凍空調装置は、図２，図５，図
８，図１０に示されるものに限定されることなく、例え
ば、図１１に示すようなヒートポンプ式空調装置も含ま
れる。図１１に示す第五の実施例は図２の第一の実施例
に四方弁２０，逆止弁２１を付加したものである。四方
弁２０で冷房，暖房の切り替えを行う。また、４個の逆
止弁２１は、冷房，暖房いずれでも、冷媒組成検出器１
１がつねに膨張弁４の入口側にくるように配置され、冷
媒組成検出器１１は液冷媒の温度と静電容量を検出し、
これらの検出値から冷媒循環組成を算出することができ
る。以上の構成により、ヒートポンプ式空調装置にも、
第一の実施例と同様な効果を得ることができる。また、
第二ないし第四の実施例もヒートポンプ式空調装置に当
然適用できる。

【００２０】

【発明の効果】本発明は、容量可変な圧縮機，凝縮器，
容量可変な膨張装置，蒸発器を含んで接続し、非共沸混
合冷媒を封入し、蒸発器出口と圧縮機入口の間で冷媒の
過熱度を検出し、過熱度が設定された目標過熱度となる
ように膨張装置の容量を制御する冷凍空調装置に、圧縮
機の運転容量に応じて、目標過熱度の設定値を変化させ
ることにより、圧縮機小容量時に、蒸発器の冷媒出口温
度を低下させ、蒸発器の伝熱管出口付近にも、冷媒と空
気の温度差を保ち熱交換を行わせることができる。これ
により、蒸発器の平均温度を上げることができ、冷凍空
調装置の効率を上げることができる。また、運転状態が
変化した時、過熱度を目標過熱度に近づける際、過熱度
が小から大となるように膨張装置を制御することによ
り、状態変化直後の蒸発器内圧力の過度の低下による蒸
発器の着霜を防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例の目標過熱度の特性図。

【図２】本発明の第一の実施例の冷凍空調装置の系統
図。

【図３】本発明の第一の実施例の他の目標過熱度の特性
図。

【図４】本発明の第一の実施例の運転状態が変化したと
きの過熱度制御の特性図。

【図５】本発明の第二の実施例の冷凍空調装置の系統
図。

【図６】本発明の第二の実施例の目標過熱度の特性図。

【図７】本発明の第二の実施例の他の目標過熱度の特性
図。

【図８】本発明の第三の実施例の冷凍空調装置の系統
図。

【図９】本発明の第三の実施例の目標過熱度の特性図。

【図１０】本発明の第四の実施例の冷凍空調装置の系統
図。

【図１１】本発明の第五の実施例の冷凍空調装置の系統
図。

【図１２】従来の冷凍空調装置の系統図。

【図１３】従来の目標過熱度の特性図。

【図１４】蒸発器の冷媒温度分布図。

【符号の説明】

４…電動式膨張弁、７…制御器、８…圧縮機吸入温度検
出器、９…圧縮機吸入圧力検出器、１０…圧縮機回転数
検出器、１１…冷媒組成検出器、１２…蒸発器温度検出
器、１３…蒸発器空気温度検出器、１４…蒸発器冷媒出
口温度検出器、１５…蒸発器冷媒入口温度検出器。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ２５Ｂ 1/00 ３９５ Ａ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】容量可変な圧縮機，凝縮器，容量可変な膨
   張装置，蒸発器を含んで接続し、非共沸混合冷媒を封入
   し、前記蒸発器出口と前記圧縮機入口の間で冷媒の過熱
   度を検出し、前記過熱度が設定された目標過熱度となる
   ように前記膨張装置の容量を制御する冷凍空調装置にお
   いて、前記圧縮機の運転容量に応じて、前記目標過熱度
   の設定値を変化させたことを特徴とする冷凍空調装置。