JPWO2020161803A1 - 冷凍装置の室外機およびそれを備える冷凍装置 - Google Patents

Abstract

冷凍装置（１００）は、室外機（１０１）と、室内機（１０２）とを備える。室外機（１０１）は、第１圧縮機（１）、第２熱交換器（２）、四方弁（７）、および冷媒量調整機構（１０）を備える。四方弁（７）は、冷凍モードにおいては、第１冷媒を第１圧縮機（１）、第２熱交換器（２）を経て第１膨張弁（３）に向かう正方向に流すように第１圧縮機（１）を接続する。四方弁（７）は、除霜モードにおいては、第１冷媒を第１圧縮機（１）から第１熱交換器（４）に流し、かつ第１膨張弁（３）から第２熱交換器（２）を経て第１圧縮機（１）に戻す逆方向に流すように第１圧縮機（１）を接続する。冷媒量調整機構（１０）は、除霜モードにおける第１冷媒の循環量を調整するように構成される。

Description

本発明は、冷凍装置の室外機およびそれを備える冷凍装置に関する。

冷凍装置には、クーラーに付着する霜を融解させるための除霜モードが設けられる。除霜方式としては、たとえば、四方弁によって圧縮機からの高温ガスを通常は蒸発器として働くクーラーに送るように冷媒の循環方向を変更するリバースホットガス除霜方式が知られている。

特許第５５９５２４５号公報（特許文献１）は、二元サイクルの低温側サイクルにおいて、リバースホットガス除霜方式で除霜を行なう冷凍装置を開示する。

特許第５５９５２４５号公報

特許第５５９５２４５号公報（特許文献１）に開示された冷凍装置では、高温側サイクルの冷媒と低温側サイクルの冷媒との間の熱交換を行なうカスケードコンデンサによる冷却で、除霜時の高圧上昇を抑制できる。

二元サイクルのカスケードコンデンサとしては一般的にプレート型熱交換器が用いられる。プレート型熱交換器は、内容積が小さい。このため、カスケードコンデンサで除霜時の冷媒凝縮を促進させても、圧力抑制効果には限度がある。したがって、ファンを停止している除霜運転中に蒸発器に付着した霜の融解が完了すると、冷媒が十分に冷却されずに冷媒圧力が設計圧力まで急上昇し、保護のために運転が自動停止する可能性がある。二元サイクルに限らず、通常の冷凍サイクル装置であっても、設計圧力が低くて済む点で、除霜運転中に冷媒圧力が上昇しすぎる事態を避けることが望ましい。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、除霜運転中に冷媒圧力の上昇を抑制できる冷凍装置を提供することを目的とする。

本開示は、冷凍モードと除霜モードとを有する冷凍装置の室外機に関する。室外機は、第１圧縮機および第２熱交換器と、四方弁と、冷媒量調整機構とを備える。第１圧縮機および第２熱交換器は、第１膨張弁および第１熱交換器が直列接続された室内機との間で第１冷媒が循環するように接続される。四方弁は、冷凍モードにおいて、第１冷媒を第１圧縮機、第２熱交換器を経て第１膨張弁に向かう正方向に流すとともに、除霜モードにおいて、第１冷媒を第１圧縮機から第１熱交換器に流し、かつ第１膨張弁から第２熱交換器を経て第１圧縮機に戻す逆方向に流すように、第１圧縮機の吐出口の接続先と第１圧縮機の吸入口の接続先とを入れ替える。冷媒量調整機構は、除霜モードにおける第１冷媒の循環量を調整する。

本開示の冷凍装置によれば、除霜モードでの運転中に第１冷媒の循環量を調整することができるので、除霜モードでの運転中に冷媒圧力を適切な範囲に保つことができる。

実施の形態１に係る冷凍装置の構成を示す図である。 冷凍装置の制御を行なう制御装置５０の構成を示す図である。 実施の形態１の冷凍装置の除霜モードにおける冷媒の流れを示す図である。 実施の形態１において制御装置が実行する制御を説明するためのフローチャートである。 実施の形態２に係る冷凍装置の構成を示す図である。 実施の形態２の冷凍装置の除霜モードにおける冷媒の流れを示す図である。 実施の形態３に係る冷凍装置の構成を示す図である。 実施の形態４に係る冷凍装置の構成を示す図である。

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。以下では、複数の実施の形態について説明するが、各実施の形態で説明された構成を適宜組合わせることは出願当初から予定されている。なお、図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る冷凍装置の構成を示す図である。図１を参照して、冷凍装置１００は、室外機１０１と、室内機１０２と、室外機１０１と室内機１０２とを接続する配管２７，３１とを備える。

室内機１０２は、第１膨張弁３と、第１熱交換器４とを含む。第１膨張弁３と第１熱交換器４とは直列接続される。第１膨張弁３として、たとえば、第１熱交換器４の冷媒出口の温度に基づいて制御される温度膨張弁を使用することができる。

室外機１０１は、第１圧縮機１および第２熱交換器２と、四方弁７と、冷媒量調整機構１０と、制御装置５０とを備える。

図２は、冷凍装置の制御を行なう制御装置５０の構成を示す図である。図２を参照して、制御装置５０は、プロセッサ５１と、メモリ５２と、図示しない通信インターフェース等とを含む。プロセッサ５１は、メモリ５２に記憶されたデータおよび通信インターフェースを経由して得た情報に従って、第１圧縮機１の運転周波数、四方弁７の接続等を制御する。

メモリ５２は、たとえば、ＲＯＭ（Read Only Memory）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）と、フラッシュメモリとを含んで構成される。なお、フラッシュメモリには、オペレーティングシステム、アプリケーションプログラム、各種のデータが記憶される。なお、図１に示した制御装置５０は、プロセッサ５１がメモリ５２に記憶されたオペレーティングシステムおよびアプリケーションプログラムを実行することにより実現される。アプリケーションプログラムの実行の際には、メモリ５２に記憶されている各種のデータが参照される。

再び図１を参照して、第１圧縮機１および第２熱交換器２は、室内機１０２との間で第１冷媒が循環するように接続される。

冷凍装置１００は、動作モードとして、冷凍モードと除霜モードとを有する。冷凍モードでは、図１の矢印に示す向きに冷媒が流れる。図３は、実施の形態１の冷凍装置の除霜モードにおける冷媒の流れを示す図である。

四方弁７は、冷凍モードと除霜モードとで第１圧縮機１の吐出口の接続先と第１圧縮機１の吸入口の接続先とを入れ替える。四方弁７は、図１に示す冷凍モードにおいては、第１冷媒を第１圧縮機１、第２熱交換器２を経て第１膨張弁３に向かう正方向に流すように第１圧縮機１を接続する。四方弁７は、図３に示す除霜モードにおいては、第１冷媒を第１圧縮機１から第１熱交換器４に流し、かつ第１膨張弁３から第２熱交換器２を経て第１圧縮機１に戻す逆方向に流すように第１圧縮機１を接続する。

冷媒量調整機構１０は、除霜モードにおける第１冷媒の循環量を調整するように構成される。

冷媒量調整機構１０は、受液器８と、冷媒排出管３４，３５と、流量調整弁４５とを含む。受液器８は、第２熱交換器２と第１膨張弁３との間に設置される。冷媒排出管３４，３５は、受液器８の出口と第１圧縮機１の吸入口との間を接続する。流量調整弁４５は、冷媒排出管３４，３５を流通する第１冷媒の流量を調整する。

室外機１０１は、図３に示す除霜モードにおいて、受液器８を経由せずに第１冷媒を第１膨張弁３から第２熱交換器２に向けて流すバイパス流路３６，３７をさらに備える。

室外機１０１は、バイパス流路３６，３７に設けられた第２膨張弁４６と、バイパス流路３７に設けられ、冷媒流通方向を第２膨張弁４６から第２熱交換器２に向けて流す向きに制限する逆止弁４３とをさらに備える。

四方弁７を図３に示す状態に切り替えると、逆止弁４１〜４３があるので、図３の矢印に示す向きに冷媒が循環する。冷凍モードから除霜モードに切り替えるときには、冷媒量調整機構１０の受液器８には十分な量の冷媒が貯留されている。除霜モードにおいて、流量調整弁４５を開けると循環する冷媒量が追加される。したがって、除霜モードで循環する冷媒量を適切な量に設定するには、冷媒量が適量となった時点で流量調整弁４５を閉じればよい。なお、逆止弁４２が冷媒排出管３４が分岐した後の配管２５と配管２６との間に設けられているので、除霜モードにおいて流量調整弁４５を開けても第１膨張弁３からの冷媒が受液器８側に逆流することはない。

図４は、実施の形態１において制御装置が実行する制御を説明するためのフローチャートである。このフローチャートの処理は、冷凍装置の運転中において、一定時間経過ごと、または予め定められた条件が成立するごとに繰返し実行される。たとえば、一定時間ごとに除霜を行なう場合には、制御装置５０は、前回の第１熱交換器４の除霜から一定時間が経過した場合に図４のフローチャートの処理を実行する。なお、この除霜モードへの移行の判断は、冷媒温度または第１熱交換器４への霜の付着状態を検出し、これらに基づいて行なっても良い。

図４を参照して、制御装置５０は、除霜モードに切り替える条件が成立すると、ステップＳ１において、四方弁７を図１の状態から図３の状態に切り換える。

そして、ステップＳ２において、制御装置５０は、温度センサ６１および圧力センサ６２の出力を監視し、第２膨張弁４６の手前のバイパス流路３６における第１冷媒の過冷却度（ＳＣ：サブクール）が判定値よりも低いか否かを判断する。

ＳＣが判定値よりも低い場合には（Ｓ２でＹＥＳ）、循環させる冷媒量を追加するために、制御装置５０は流量調整弁４５を開く。一方、ＳＣが判定値以上であった場合には（Ｓ２でＮＯ）、循環させる冷媒量は十分であるので、制御装置５０は流量調整弁４５を閉じる。

ステップＳ５において除霜完了と判断されるまで、ステップＳ２〜Ｓ４の処理が繰返される。これによって、除霜モードにおいて循環する冷媒量が適量に調整される。

除霜完了と判断された場合には（Ｓ５でＹＥＳ）、ステップＳ６において、制御装置５０は、四方弁７を図１の冷凍モードの状態に戻す。

実施の形態１に示した冷凍装置１００によれば、除霜時の冷媒循環量を適正に保つことができるので、冷媒不足による除霜能力の低下および高圧の過上昇を避けることができる。したがって、短時間で確実に霜を融解させることができるとともに、設計圧力を低く抑えることができる。

実施の形態２．
図５は、実施の形態２に係る冷凍装置の構成を示す図である。図５を参照して、冷凍装置２００は、室外機２０１と、室内機２０２と、室外機２０１と室内機２０２とを接続する配管２７，３１とを備える。

室内機２０２は、実施の形態１の室内機１０２と同様な構成である。
室外機２０１は、実施の形態１の室外機１０１の構成を低温側の第１冷凍サイクル装置２０７とし、第３熱交換器２１４と、高温側の第２冷凍サイクル装置２０６とをさらに備え、制御装置５０に代えて制御装置２５０を備える。たとえば、第１冷凍サイクル装置２０７で用いられる第１冷媒はＣＯ_２等であり、第２冷凍サイクル装置２０６で用いられる第２冷媒は、ＣＯ_２、プロパン等である。他の部分の室外機２０１の構成については、図１の室外機１０１と共通するので、ここでは説明は繰返さない。また、制御装置２５０の構成も図２に示した制御装置５０と同様であるので、説明は繰返さない。

第２冷凍サイクル装置２０６は、第２冷媒が、第２圧縮機２１１、第４熱交換器２１２、第３膨張弁２１３および第３熱交換器２１４の順に循環するように構成される。第３熱交換器２１４は、冷凍モードにおいて、第２冷媒と第２熱交換器２から排出され受液器８に流入する第１冷媒との間の熱交換を行なう。受液器８に流入する冷媒を第３熱交換器２１４で冷却するので、受液器８内の圧力上昇が抑制される。

第１圧縮機１および第２熱交換器２は、室内機２０２との間で第１冷媒が循環するように接続される。

冷凍装置２００は、動作モードとして、冷凍モードと除霜モードとを有する。冷凍モードでは、図５の矢印に示す向きに冷媒が流れる。図６は、実施の形態２の冷凍装置の除霜モードにおける冷媒の流れを示す図である。

実施の形態２における冷凍モードと除霜モードにおける冷媒の循環方向の違いについては、図１および図３で説明した実施の形態１と基本的には同じである。また、冷媒量を調整する制御についても、図４で示したフローチャートと共通する。したがって、これらについては説明を繰返さない。

実施の形態２に示したような、高温側の第２冷凍サイクル装置２０６と低温側の第１冷凍サイクル装置２０７とを含む２元サイクルの場合には、低温側の第１冷凍サイクル装置２０７の設計圧力は低く設定される。したがって、除霜モードにおける冷媒循環量を冷媒量調整機構１０で調整することは、低温側の第１冷凍サイクル装置２０７の圧力抑制に効果的であり、炭酸ガスなどを第２冷媒として適用した場合に有効である。

実施の形態３．
図７は、実施の形態３に係る冷凍装置の構成を示す図である。図７を参照して、冷凍装置３００は、室外機３０１と、室内機３０２と、室外機３０１と室内機３０２とを接続する配管２７，３１とを備える。

室内機３０２は、実施の形態２の室内機２０２と同様な構成である。
室外機３０１は、実施の形態２の室外機２０１の構成に加えて、第５熱交換器３１０をさらに備える。第５熱交換器３１０は、除霜モードにおいて、受液器８から排出される第１冷媒と冷媒排出管３５を流通する第１冷媒との間で熱交換を行なうように構成される。

他の部分の室外機３０１の構成については、図５の室外機２０１と共通するので、ここでは説明は繰返さない。

実施の形態３における冷凍モードと除霜モードにおける冷媒の循環方向の違いについては、図１および図３で説明した実施の形態１および図５、図６で説明した実施の形態２と基本的には同じである。また、冷媒量を調整する制御についても、図４で示したフローチャートと共通する。したがって、これらについては説明を繰返さない。

実施の形態３に示す冷凍装置３００は、実施の形態２に示した冷凍装置２００が奏する効果に加え、第５熱交換器３１０によって、流量調整弁４５に流入する冷媒を液化させるので、流量調整弁４５にガス冷媒が混入して流入し流量が低下することを防止することができる。これにより、除霜モードによる冷媒量の調整が早期に完了するという効果がさらに得られる。

実施の形態４．
図８は、実施の形態４に係る冷凍装置の構成を示す図である。図８を参照して、冷凍装置４００は、室外機４０１と、室内機４０２と、室外機４０１と室内機４０２とを接続する配管２７，３１とを備える。

室内機４０２は、実施の形態２の室内機２０２と同様な構成である。
室外機４０１は、実施の形態２の室外機２０１の構成に加えて、第３熱交換器２１４の第１冷媒の入口と受液器８の第１冷媒出口との間を接続し、第３熱交換器２１４と受液器８との間で第１冷媒を循環させる循環流路４１０と、循環流路４１０に設けられた電磁弁４１１とをさらに備える。

このように、循環流路４１０を設け、除霜モード中において電磁弁４１１を開くことによって第３熱交換器で冷却され液化された第１冷媒が受液器８に移動し、受液器８の温かい冷媒が第３熱交換器に移動し冷却されるという第１冷媒の循環が生じる。

これによって、除霜モード中に、受液器８の冷媒の温度が低く維持されるので、除霜モードから冷凍モードに戻った場合に、速やかに室内機４０２における低温での冷却が再開できる。

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、上記した実施の形態の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及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 第１圧縮機、２ 第２熱交換器、３ 第１膨張弁、４ 第１熱交換器、７ 四方弁、８ 受液器、１０ 冷媒量調整機構、２５〜２７，３１ 配管、３４，３５ 冷媒排出管、３６，３７，４１０ 流路、４１〜４３ 逆止弁、４５ 流量調整弁、４６ 第２膨張弁、５０，２５０ 制御装置、５１ プロセッサ、５２ メモリ、６１ 温度センサ、６２ 圧力センサ、１００，２００，３００，４００ 冷凍装置、１０１，２０１，３０１，４０１ 室外機、１０２，２０２，３０２，４０２ 室内機、２０６ 第２冷凍サイクル装置、２０７ 第１冷凍サイクル装置、２１１ 第２圧縮機、２１２ 第４熱交換器、２１３ 第３膨張弁、２１４ 第３熱交換器、３１０ 第５熱交換器、４１１ 電磁弁。

Claims (7)

1. 冷凍モードと除霜モードとを有する冷凍装置の室外機であって、
   第１膨張弁および第１熱交換器が直列接続された室内機との間で第１冷媒が循環するように接続された、第１圧縮機および第２熱交換器と、
   前記冷凍モードにおいて、前記第１冷媒を前記第１圧縮機、前記第２熱交換器を経て前記第１膨張弁に向かう正方向に流すとともに、前記除霜モードにおいて、前記第１冷媒を前記第１圧縮機から前記第１熱交換器に流し、かつ前記第１膨張弁から前記第２熱交換器を経て前記第１圧縮機に戻す逆方向に流すように前記第１圧縮機の吐出口の接続先と前記第１圧縮機の吸入口の接続先とを入れ替える四方弁と、
   前記除霜モードにおける前記第１冷媒の循環量を調整する冷媒量調整機構とを備える、室外機。
2. 前記冷媒量調整機構は、
   前記第２熱交換器と前記第１膨張弁との間に設置される受液器と、
   前記受液器の出口と前記第１圧縮機の吸入口との間を接続する冷媒排出管と、
   前記冷媒排出管を流通する前記第１冷媒の流量を調整する流量調整弁とを含み、
   前記室外機は、
   前記除霜モードにおいて、前記受液器を経由せずに前記第１冷媒を前記第１膨張弁から前記第２熱交換器に向けて流すバイパス流路をさらに備える、請求項１に記載の室外機。
3. 前記バイパス流路に設けられた第２膨張弁と、
   前記バイパス流路に設けられ、冷媒流通方向を前記第２膨張弁から前記第２熱交換器に向けて流す向きに制限する逆止弁とをさらに備える、請求項２に記載の室外機。
4. 前記第１圧縮機、前記第２熱交換器、前記第１膨張弁および前記第１熱交換器は、前記第１冷媒を用いる第１冷凍サイクル装置を構成し、
   前記冷凍モードにおいて前記第２熱交換器から排出され前記受液器に流入する前記第１冷媒と第２冷媒との間の熱交換を行なう第３熱交換器と、
   前記第２冷媒が、第２圧縮機、第４熱交換器、第３膨張弁および前記第３熱交換器の順に循環する第２冷凍サイクル装置をさらに備える、請求項２に記載の室外機。
5. 前記除霜モードにおいて、前記受液器から排出される前記第１冷媒と前記冷媒排出管を流通する前記第１冷媒との間で熱交換を行なう第５熱交換器をさらに備える、請求項４に記載の室外機。
6. 前記第３熱交換器の前記第１冷媒の入口と前記受液器の前記第１冷媒出口との間を接続し、前記第３熱交換器と前記受液器との間で前記第１冷媒を循環させる循環流路と、
   前記循環流路に設けられた電磁弁とをさらに備える、請求項４に記載の室外機。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の室外機と、
   前記室内機とを備える、冷凍装置。

Images