JPWO2017026011A1 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

冷凍サイクル装置は、冷媒回路と制御装置とを備え、冷媒回路は、内部熱交換器、インジェクション配管及び第２膨張弁を有しており、内部熱交換器は、凝縮器から流出した冷媒である第１冷媒と、インジェクション配管に分流して第２膨張弁で膨張した冷媒である第２冷媒と、の熱交換を行うものであり、凝縮器は、冷媒回路を流れる冷媒と凝縮器を通過する熱媒体との熱交換を行うものであり、制御装置は、凝縮器から流出する熱媒体の温度に基づいて圧縮機の駆動周波数を制御するものであり、冷媒回路内に封入される冷媒の量は、駆動周波数が制御されている状態において、第１冷媒が二相状態となる量である。

Description

本発明は、インジェクション配管を備える冷凍サイクル装置に関する。

従来の冷凍サイクル装置においては、冷媒回路の高圧圧力が設定圧力以上となったとき、圧縮機を保護停止する高圧スイッチと、冷媒回路の高圧圧力もしくはその圧力飽和温度を検出する高圧圧力センサーと、高圧保護制御を行う高圧制御手段とを備えている。そして、高圧制御手段は、高圧圧力センサーでの複数回の検知圧力の平均を求め、平均値が閾値を超えた場合に高圧保護制御を行うものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−２５２６２１号公報

熱媒体流路を流れる熱媒体（例えば水）と、冷媒回路の凝縮器を流れる冷媒とが熱交換を行う冷凍サイクル装置においては、熱媒体の温度が任意の設定温度となるように、冷媒回路の凝縮温度を制御している。しかし、熱媒体の設定温度が高い場合には、凝縮温度の上昇に伴い、冷媒回路の圧縮機から吐出される冷媒の圧力（高圧圧力）が上昇してしまう、という課題があった。

特許文献１に記載の技術は、高圧保護での頻繁な停止を抑制するため、高圧圧力センサーでの複数回の検知圧力の平均を求め、平均値が閾値を超えた場合に高圧保護制御が働くようにしている。しかし、平均圧力が所定値に達すれば高圧保護に入るので、根本的に高圧抑制はできていない。

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、冷媒回路の高圧圧力の上昇を抑制することができる冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

本発明に係る冷凍サイクル装置は、圧縮機、凝縮器、第１膨張弁及び蒸発器を有し、冷媒を循環させる冷媒回路と、前記圧縮機を制御する制御装置と、を備え、前記圧縮機は、圧縮室と、前記圧縮室に冷媒を注入するインジェクションポートと、を有しており、前記冷媒回路は、前記凝縮器と前記第１膨張弁との間に設けられた内部熱交換器と、前記内部熱交換器と前記第１膨張弁との間に設けられた分岐部と前記インジェクションポートとを、前記内部熱交換器を経由して接続するインジェクション配管と、前記インジェクション配管のうち前記分岐部と前記内部熱交換器との間に設けられた第２膨張弁と、をさらに有しており、前記内部熱交換器は、前記凝縮器から流出した冷媒である第１冷媒と、前記インジェクション配管に分流して前記第２膨張弁で膨張した冷媒である第２冷媒と、の熱交換を行うものであり、前記凝縮器は、前記冷媒回路を流れる冷媒と前記凝縮器を通過する熱媒体との熱交換を行うものであり、前記制御装置は、前記凝縮器から流出する熱媒体の温度に基づいて前記圧縮機の駆動周波数を制御するものであり、前記冷媒回路内に封入される冷媒の量は、前記駆動周波数が制御されている状態において、前記第１冷媒が二相状態となる量である。

本発明によれば、凝縮器から流出する冷媒を二相状態とすることによって、凝縮器での熱伝達率を向上させることができる。したがって、凝縮器に流入する冷媒の温度が上昇した場合にも、冷媒回路の高圧圧力の上昇を抑制することができる。

本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の構成を示す回路構成図である。 本発明の実施の形態１の前提となる冷媒回路における冷媒の状態を示すｐ−ｈ線図である。 本発明の実施の形態１に係る冷媒回路３０における冷媒の状態を示すｐ−ｈ線図である。 本発明の実施の形態２に係る圧縮機１の構成を模式的に示す図である。

以下、本発明に係る冷凍サイクル装置の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、以下の説明において、温度及び圧力の高低は、特に絶対的な値との関係で定まるものではなく、冷凍サイクル装置の動作等において相対的に定まるものとする。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置について説明する。図１は、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置の構成を示す回路構成図である。冷凍サイクル装置は、例えば空気調和等において熱の搬送媒体（熱媒体）となる流体（例えば、水、不凍液、ブライン等の液状熱媒体や空気）に温熱又は冷熱を供給するものである。本実施の形態では、水に温熱を供給する冷凍サイクル装置を例示している。

図１に示すように、本実施の形態における冷凍サイクル装置は、冷媒を循環させる冷媒回路３０を有している。冷媒回路３０は、圧縮機１、凝縮器２、第１膨張弁４及び蒸発器５が冷媒配管を介して順次環状に接続された主回路を有している。

圧縮機１は、吸入した低圧冷媒を圧縮し、高圧冷媒として吐出するものである。圧縮機１としては、例えばスクロール圧縮機等の種々の圧縮機を用いることができる。圧縮機１は、冷媒を圧縮する圧縮室を備えた圧縮部と、圧縮部を駆動するモータと、圧縮部及びモータを収容するシェルと、を有している。シェルの底部には、圧縮機１内の摺動部を潤滑する冷凍機油が貯留されている。圧縮機１は、例えば、後述する制御装置１００から送られた指令の信号に基づいて駆動周波数を任意に変化することができる。圧縮機１の圧縮部には、インジェクションポート１ａが設けられている。インジェクションポート１ａは、圧縮部における圧縮行程途中の中圧の圧縮室に、中圧の気液二相冷媒を注入するものである。ここで、中圧とは、冷媒回路３０内の高圧圧力（例えば、圧縮機１の吐出圧力又は凝縮器２内の圧力）よりも低く、低圧圧力（例えば、圧縮機１の吸入圧力又は蒸発器５内の圧力）よりも高い圧力である。

凝縮器２は、圧縮機１で圧縮された高圧冷媒と、後述する水流路２０を流れる水（熱媒体の一例）と、の熱交換を行う負荷側の熱交換器である。凝縮器２は、例えば、複数枚の伝熱プレートが積層されたプレート式熱交換器である。

第１膨張弁４は、冷媒を減圧して膨張させる弁である。第１膨張弁４は、例えば、制御装置１００からの指令の信号に基づいて開度を調整することができる電子膨張弁である。蒸発器５は、第１膨張弁４で減圧された冷媒と外部流体（例えば、室外空気）との熱交換を行い、冷媒を蒸発させて気相状態にする熱源側の熱交換器である。

また、冷媒回路３０は、内部熱交換器３、インジェクション配管７及び第２膨張弁６をさらに有している。内部熱交換器３は、主回路において凝縮器２と第１膨張弁４との間に設けられている。

インジェクション配管７は、主回路において内部熱交換器３と第１膨張弁４との間に設けられた分岐部１８と、圧縮機１のインジェクションポート１ａと、を接続する冷媒配管である。インジェクション配管７は、主回路の内部熱交換器３と第１膨張弁４との間を流れる冷媒の一部を分流させ、インジェクションポート１ａを介して圧縮機１の中圧の圧縮室に注入するものである。

第２膨張弁６は、インジェクション配管７のうち分岐部１８と内部熱交換器３との間に設けられている。第２膨張弁６は、インジェクション配管７に分流した高圧冷媒を中圧に減圧して膨張させるものである。第２膨張弁６は、例えば、制御装置１００からの指令の信号に基づいて開度を調整することができる電子膨張弁である。

内部熱交換器３は、主回路において凝縮器２から流出した高圧の冷媒（例えば、二相冷媒）と、インジェクション配管７に分流して第２膨張弁６で減圧された中圧の二相冷媒と、の熱交換を行う熱交換器である。

水流路２０は、配管等で構成され、水が流れる流路となる。例えば水流路２０の配管を環状に接続して水が循環するようにしてもよい。水流路２０には、水を送出するポンプ８が設けられている。

制御装置１００は、例えばマイクロコンピュータで構成され、ＣＰＵ、ＲＡＭ及びＲＯＭ等を備えている。ＲＯＭには制御プログラム等が記憶されている。制御装置１００には、冷媒回路３０における冷媒の圧力及び温度等、並びに水流路２０の水の温度等を検出する各種のセンサーから検出値が入力される。制御装置１００は、各センサーからの検出値に基づいて、冷凍サイクル装置の各構成部を制御する。

＜制御動作＞
次に、制御装置１００の制御動作について説明する。
制御装置１００は、凝縮器２から流出する水の温度が設定温度となるように、圧縮機１の駆動周波数を制御する。ここで、設定温度は、使用者などによって予め任意に設定される温度である。制御装置１００は、例えば凝縮器２から流出する水の温度を検出する温度センサーからの検出値を取得する。水の温度が設定温度よりも低い場合には、制御装置１００は、圧縮機１の駆動周波数を増加させ、冷媒の循環量を増加させる。一方、水の温度が設定温度よりも高い場合には、制御装置１００は、圧縮機１の駆動周波数を減少させ、冷媒の循環量を減少させる。

また、制御装置１００は、凝縮器２から流出する冷媒のサブクールが所定値（０Ｋを含む）となるように、第１膨張弁４の開度を制御する。また、制御装置１００は、第１膨張弁４に流入する冷媒のサブクールが所定値となるように、第２膨張弁６の開度を制御する。

＜冷媒封入量＞
冷媒回路３０に封入される冷媒の量は、凝縮器２から流出する水の温度が設定温度となるように圧縮機１の駆動周波数が制御されている状態において、凝縮器２から流出する冷媒が気液二相状態となる量である。

＜冷媒の動作＞
まず、本実施の形態の前提として、凝縮器２から流出する冷媒が液単相となるような量の冷媒が冷媒回路３０に封入されている冷凍サイクル装置の動作について説明する。図２は、本実施の形態の前提となる冷媒回路における冷媒の状態を示すｐ−ｈ線図である。図２の横軸はエンタルピ［ｋＪ／ｋｇ］を表しており、縦軸は圧力［ＭＰａ］を表している。

圧縮機１から吐出された高温高圧のガス冷媒（図２の点ａ１）は、凝縮器２に流入する。凝縮器２に流入したガス冷媒は、水流路２０内を流通する水との熱交換により冷却されて凝縮し、過冷却された液冷媒となる（点ｂ１）。一方、水流路２０内の水は、冷媒から放熱された熱（主に冷媒の凝縮潜熱）により加熱されて温水となる。凝縮器２から流出した液冷媒は、内部熱交換器３での熱交換によりさらに過冷却される（点ｃ１）。内部熱交換器３から流出した液冷媒は、第１膨張弁４で減圧され、低圧の二相冷媒となる（点ｄ１）。第１膨張弁４から流出した二相冷媒は、蒸発器５に流入する。蒸発器５に流入した二相冷媒は、外部流体との熱交換により加熱されて蒸発し、低圧のガス冷媒となる（点ｅ１）。蒸発器５から流出した低圧のガス冷媒は、圧縮機１に吸入される。

内部熱交換器３から流出した液冷媒の一部は、インジェクション配管７に分流する。インジェクション配管７に分流した液冷媒は、第２膨張弁６で減圧され、乾き度の低い中圧の二相冷媒となる（点ｈ１）。この二相冷媒は、内部熱交換器３での熱交換によって加熱され、乾き度の高い中圧の二相冷媒となる（点ｉ１）。内部熱交換器３から流出した中圧の二相冷媒は、インジェクションポート１ａを介して、圧縮行程途中の中圧（例えば、吸入圧力と吐出圧力のほぼ中間の圧力）の圧縮室に注入される。

圧縮機１に吸入された低圧のガス冷媒は、圧縮室内で中圧まで圧縮された段階で（点ｆ１）、インジェクションポート１ａを介して注入される中圧の二相冷媒と合流する（点ｇ１）。合流した冷媒は、圧縮室内でさらに圧縮され、高温高圧のガス冷媒として吐出される（点ａ１）。

次に、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置の動作について説明する。本実施の形態に係る冷媒回路３０には、凝縮器２から流出する冷媒が気液二相となるような量の冷媒が封入されている、図３は、本実施の形態に係る冷媒回路３０における冷媒の状態を示すｐ−ｈ線図である。図３の横軸はエンタルピ［ｋＪ／ｋｇ］を表しており、縦軸は圧力［ＭＰａ］を表している。

図３に示すように、本実施の形態における基本的な冷媒の状態は、図２に示したｐ−ｈ線図と同様になる。図３の点ａ２、ｃ２、ｄ２、ｅ２、ｆ２、ｇ２、ｈ２、ｉ２は、図２の点ａ１、ｃ１、ｄ１、ｅ１、ｆ１、ｇ１、ｈ１、ｉ１にそれぞれ対応している。ただし、凝縮器２から流出する冷媒の状態は、図２では液相（点ｂ１）であるのに対し、図３では気液二相（点ｂ２）となっている。一方で、第１膨張弁４に流入する冷媒は、図２及び図３の双方で液相となっている（点ｃ１、ｃ２）。このため、本実施の形態では、凝縮器２から流出する冷媒のエンタルピと、第１膨張弁４に流入する冷媒のエンタルピとの差が大きくなる。したがって、本実施の形態では、内部熱交換器３での熱交換量をより大きくする必要がある。本実施の形態の構成において、内部熱交換器３での熱交換量を大きくするには、インジェクション配管７に分流する冷媒量を増加させる必要がある。

ところが、インジェクション配管７に分流する冷媒量を増加させると、圧縮機１に流入する液冷媒の量が増加してしまう。このため、液冷媒のインジェクション位置が適切でない場合、圧縮機１に流入した液冷媒がシェル底部の冷凍機油と混合してしまい、冷凍機油が希釈されて濃度が低下してしまう場合がある。冷凍機油が希釈されると、摺動部の潤滑不良によって圧縮機１の焼付きなどの不具合が生じやすくなってしまう。

この点に関し、本実施の形態では、インジェクション配管７に分流して減圧された中圧冷媒は、シェル底部を経由せず、インジェクションポート１ａを介して圧縮行程途中の中圧の圧縮室に注入される。このため、中圧の圧縮室に注入される液冷媒の量が増加したとしても、シェル底部の冷凍機油が希釈されにくくなっている。これにより、インジェクション配管７に分流する冷媒量を増加させた場合においても、圧縮機１の焼付きなどの不具合を防止でき、圧縮機１の信頼性を向上させることができる。したがって、圧縮機１の信頼性を確保しつつ、内部熱交換器３の熱交換量を増加させることができる。

また、本実施の形態では、凝縮器２の出口においても冷媒が二相状態となるため、凝縮器２での熱伝達率を向上させることができる。したがって、凝縮器２に流入する冷媒の温度が上昇した場合にも、冷媒回路３０の高圧圧力の上昇を抑制することができる。これにより、冷凍サイクル装置の運転範囲を拡大することができる。

さらに、本実施の形態では、液単相の冷媒を第１膨張弁４に流入させることができるため、第１膨張弁４で生じる冷媒の流動抵抗を小さくすることができる。これにより、第１膨張弁４を大型化する必要がなくなるため、第１膨張弁４を小型化することができる。また、第１膨張弁４で発生する騒音を低減できるとともに、第１膨張弁４の耐久性及び信頼性を向上できる。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置について説明する。本実施の形態に係る冷凍サイクル装置は、圧縮機１が低圧シェル型である点に特徴を有する。冷媒回路３０の全体構成は実施の形態１と同様である。

図４は、本実施の形態に係る圧縮機１の構成を模式的に示す図である。図４に示すように、圧縮機１は、冷媒を圧縮する圧縮室を備えた圧縮部１０と、圧縮部１０を駆動するモータ１２と、圧縮部１０及びモータ１２を収容するシェル９と、を有している。モータ１２と圧縮部１０との間は、モータ１２の駆動力を圧縮部１０に伝達する軸１１によって接続されている。シェル９の底部には、冷凍機油を貯留する油溜め１７が設けられている。シェル９には、蒸発器５の出口から流出した低圧のガス冷媒を吸入する吸入配管１３が接続されている。圧縮機１は低圧シェル型であるため、吸入配管１３から吸入された低圧のガス冷媒は、シェル９内の吸入空間を経由して圧縮部１０に吸入される。

圧縮部１０には、吸入ポート１６及びインジェクションポート１ａが設けられている。吸入ポート１６は、シェル９内の吸入空間のガス冷媒を圧縮部１０の圧縮室に吸入するものである。インジェクションポート１ａは、中圧の気液二相冷媒を圧縮行程途中の中圧の圧縮室に注入するものである。インジェクションポート１ａには、インジェクション配管７が接続されている。また、圧縮部１０には、圧縮部１０で圧縮された高圧のガス冷媒を凝縮器２の入口側に吐出する吐出配管１５が接続されている。

特に低圧シェル型の圧縮機１では、液冷媒のインジェクション位置が適切でない場合、圧縮機１に流入した液冷媒がシェル９底部の冷凍機油と混合してしまい、冷凍機油が希釈されてしまうおそれがある。本実施の形態では、インジェクション配管７に分流して減圧された中圧冷媒は、シェル９内の吸入空間を経由せず、インジェクション配管７及びインジェクションポート１ａを介して中圧の圧縮室に注入される。このため、中圧の圧縮室に注入される液冷媒の量が増加したとしても、シェル９底部の冷凍機油が希釈されにくくなっている。これにより、インジェクション配管７に分流する冷媒量を増加させた場合においても、圧縮機１の焼付きなどの不具合をより確実に防止でき、圧縮機１の信頼性を向上させることができる。

以上説明したように、上記実施の形態に係る冷凍サイクル装置は、圧縮機１、凝縮器２、第１膨張弁４及び蒸発器５を有し、冷媒を循環させる冷媒回路３０と、圧縮機１を制御する制御装置１００と、を備え、圧縮機１は、圧縮室と、圧縮室に冷媒を注入するインジェクションポート１ａと、を有しており、冷媒回路３０は、凝縮器２と第１膨張弁４との間に設けられた内部熱交換器３と、内部熱交換器３と第１膨張弁４との間に設けられた分岐部１８とインジェクションポート１ａとを、内部熱交換器３を経由して接続するインジェクション配管７と、インジェクション配管７のうち分岐部１８と内部熱交換器３との間に設けられた第２膨張弁６と、をさらに有しており、内部熱交換器３は、凝縮器２から流出した冷媒である第１冷媒と、インジェクション配管７に分流して第２膨張弁６で膨張した冷媒である第２冷媒と、の熱交換を行うものであり、凝縮器２は、冷媒回路３０を流れる冷媒と凝縮器２を通過する水との熱交換を行うものであり、制御装置１００は、凝縮器２から流出する水の温度に基づいて圧縮機１の駆動周波数を制御するものであり、冷媒回路３０内に封入される冷媒の量は、圧縮機１の駆動周波数が制御装置１００により制御されている状態において、第１冷媒が二相状態となる量である。

この構成によれば、凝縮器２から流出する冷媒が二相状態となるため、凝縮器２での熱伝達率を向上させることができる。したがって、凝縮器２に流入する冷媒の温度が上昇した場合にも、冷媒回路３０の高圧圧力の上昇を抑制することができる。

また、上記実施の形態に係る冷凍サイクル装置において、圧縮機１は低圧シェル型であってもよい。この構成によれば、中圧の圧縮室に注入される液冷媒の量が増加したとしても、シェル９底部の冷凍機油が希釈されにくくなる。これにより、インジェクション配管７に分流する冷媒量を増加させた場合においても、圧縮機１の焼付きなどの不具合をより確実に防止できる。

上記の各実施の形態は、互いに組み合わせて実施することが可能である。

１ 圧縮機、１ａ インジェクションポート、２ 凝縮器、３ 内部熱交換器、４ 第１膨張弁、５ 蒸発器、６ 第２膨張弁、７ インジェクション配管、８ ポンプ、９ シェル、１０ 圧縮部、１１ 軸、１２ モータ、１３ 吸入配管、１５ 吐出配管、１６ 吸入ポート、１７ 油溜め、１８ 分岐部、２０ 水流路、３０ 冷媒回路、１００ 制御装置。

Claims (2)

1. 圧縮機、凝縮器、第１膨張弁及び蒸発器を有し、冷媒を循環させる冷媒回路と、
   前記圧縮機を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記圧縮機は、圧縮室と、前記圧縮室に冷媒を注入するインジェクションポートと、を有しており、
   前記冷媒回路は、
   前記凝縮器と前記第１膨張弁との間に設けられた内部熱交換器と、
   前記内部熱交換器と前記第１膨張弁との間に設けられた分岐部と前記インジェクションポートとを、前記内部熱交換器を経由して接続するインジェクション配管と、
   前記インジェクション配管のうち前記分岐部と前記内部熱交換器との間に設けられた第２膨張弁と、
   をさらに有しており、
   前記内部熱交換器は、前記凝縮器から流出した冷媒である第１冷媒と、前記インジェクション配管に分流して前記第２膨張弁で膨張した冷媒である第２冷媒と、の熱交換を行うものであり、
   前記凝縮器は、前記冷媒回路を流れる冷媒と前記凝縮器を通過する熱媒体との熱交換を行うものであり、
   前記制御装置は、前記凝縮器から流出する熱媒体の温度に基づいて前記圧縮機の駆動周波数を制御するものであり、
   前記冷媒回路内に封入される冷媒の量は、前記駆動周波数が制御されている状態において、前記第１冷媒が二相状態となる量である冷凍サイクル装置。
2. 前記圧縮機は、低圧シェル型である請求項１に記載の冷凍サイクル装置。

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