KR20090082235A - 냉동 장치 - Google Patents

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KR20090082235A KR1020097010289A KR20097010289A KR20090082235A KR 20090082235 A KR20090082235 A KR 20090082235A KR 1020097010289 A KR1020097010289 A KR 1020097010289A KR 20097010289 A KR20097010289 A KR 20097010289A KR 20090082235 A KR20090082235 A KR 20090082235A
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타카유키 세토구치
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다이킨 고교 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 과제는, 초임계(超臨界) 냉매를 이용한 공기 조화 장치에 있어서, 냉매의 순환량의 조정이 용이한 공기 조화 장치를 제공하는 것에 있다. 냉동 장치(1b)는, 초임계 영역에서 작동하는 냉매를 이용하는 냉동 장치이고, 압축기(21)와, 제1 열교환기(23)와, 제1 팽창 기구(V2)와, 과냉각 열교환기(24)와, 제2 팽창 기구(V3)와, 제2 열교환기(31)와, 제어부(5)를 구비한다. 압축기는 냉매를 압축한다. 제1 열교환기는 압축기로 압축된 고압의 냉매를 냉각한다. 제1 팽창 기구는 냉매를 임계 압력 이하까지 감압시킨다. 과냉각 열교환기는 제1 팽창 기구로 감압된 냉매를 과냉각한다. 제2 팽창 기구는, 과냉각 열교환기로 냉각된 냉매를 저압까지 감압시킨다. 제2 열교환기는 제2 팽창 기구로 감압된 냉매를 가열한다. 제어부는, 과냉각 열교환기에 액체의 냉매를 모으도록 제1 팽창 기구와 제2 팽창 기구를 조정하는 제1 제어를 행한다.
Figure P1020097010289
공기 조화 장치, 압축기, 열교환기, 팽창 기구, 온도 센서

Description

공기 조화 장치{AIR CONDITIONING APPARATUS}
초임계역(超臨界域)에서 작동하는 초임계 냉매를 이용한 공기 조화 장치이고, 냉동 능력의 조정이 용이한 공기 조화 장치에 관한 것이다.
종래, 냉매를 순환시켜 증기 압축식의 냉동 사이클을 행하는 냉동 장치가 알려져 있고, 공기 조화 장치 등으로서 넓게 이용되고 있다. 이와 같은 종류의 냉동 장치로서는, 예를 들면, 특허 문헌 1에 개시되어 있는 바와 같이, CO2를 냉매로 하고, 냉동 사이클의 고압을 냉매의 임계 압력 이상으로 설정한, 이른바 초임계 냉동 사이클을 행하는 것이 있다.
[특허 문헌 1] 일본국 공개특허공보 특개평10-54617호
그러나, CO2 냉매 등의 초임계 냉매를 이용한 냉동기에서는, 고압 측의 냉매는, 액체가 아니고 초임계 상태이기 때문에, 리시버(receiver)를 설치하여도 냉매를 모으는 것이 어렵다. 이 때문에, 냉매의 증발량을 조정하는 기능이 그다지 작용하지 않아, 능력 제어나 COP 최적 제어 등이 제대로 기능하기 어려워진다.
본 발명의 과제는, 초임계 냉매를 이용한 공기 조화 장치에 있어서, 냉매의 순환량의 조정이 용이한 공기 조화 장치를 제공하는 것에 있다.
제1 발명에 관련되는 냉동 장치는, 초임계 영역에서 작동하는 냉매를 이용하는 냉동 장치이고, 압축기와, 제1 열교환기와, 제1 팽창 기구와, 과냉각 열교환기와, 제2 팽창 기구와, 제2 열교환기와, 제어부를 구비한다. 압축기는 냉매를 압축한다. 제1 열교환기는 압축기로 압축된 고압의 냉매를 냉각한다. 제1 팽창 기구는 냉매를 임계 압력 이하까지 감압시킨다. 과냉각 열교환기는 제1 팽창 기구로 감압된 냉매를 과냉각한다. 제2 팽창 기구는 과냉각 열교환기로 냉각된 냉매를 저압까지 감압시킨다. 제2 열교환기는 제2 팽창 기구로 감압된 냉매를 가열한다. 제어부는, 과냉각 열교환기에 액체의 냉매를 모으도록 제1 팽창 기구와 제2 팽창 기구를 조정하는 제1 제어를 행한다.
본 발명에서는, 가스 쿨러로서 기능하는 제1 열교환기의 출구 측에 과냉각 열교환기를 더 설치하고, 나아가 그 사이에 냉매를 임계 압력 이하까지 감압시키는 제1 팽창 기구를 설치하고 있다.
따라서, 제1 팽창 기구의 개도(開度)를 제어할 수 있어, 중간 압력을 조정할 수 있다. 이 때문에, 과냉각 열교환기에 액 냉매를 모아둘 수 있어, 냉매량의 조정을 행할 수 있다. 이것에 의하여, 고압을 최적으로 제어할 수 있어, 효율이 좋은 운전을 할 수 있다.
제2 발명에 관련되는 냉동 장치는, 제1 발명에 관련되는 냉동 장치이고, 과냉각 정보 취득 수단을 더 구비한다. 과냉각 정보 취득 수단은, 과냉각 열교환기에 있어서의 냉매의 과냉각도를 산출 가능한 과냉각 정보를 취득 가능하다. 제어부는, 과냉각 정보에 기초하여 과냉각도를 산출한다. 제1 제어는, 과냉각도에 기초하여 행하여진다.
본 발명에서는, 과냉각 정보를 취득 가능한 과냉각 정보 취득 수단을 더 구비하고 있고, 제어부는, 과냉각 정보로부터 산출한 과냉각도에 기초하여 제1 제어를 행한다. 따라서, 과냉각 열교환기 내의 냉매가 과냉각 상태이도록 제1 팽창 기구와 제2 팽창 기구를 제어할 수 있어, 과냉각 열교환기 내의 냉매가 액 냉매이도록 제어할 수 있다. 이 때문에, 냉매량의 조정을 행할 수 있다.
제3 발명에 관련되는 냉동 장치는, 제2 발명에 관련되는 냉동 장치이고, 과냉각 정보 취득 수단은, 입구 온도 센서와 출구 온도 센서로 이루어진다. 입구 온도 센서는, 과냉각 열교환기에 있어서, 냉매 입구 온도를 검출 가능하다. 출구 온도 센서는, 냉매 출구 온도를 검출 가능하다.
본 발명에서는, 과냉각 열교환기의 입구 온도를 입구 온도 센서로 검출하고, 과냉각 열교환기의 출구 온도를 출구 온도 센서로 검출하고 있다. 입구 온도 센서로 검출하는 온도는, 기액이상(氣液二相) 상태의 냉매이기 때문에, 포화액 온도와 동일하다. 따라서, 얻어진 포화액 온도와 출구 온도로부터 과냉각도를 산출할 수 있다.
제4 발명에 관련되는 냉동 장치는, 제2 발명에 관련되는 냉동 장치이고, 과냉각 정보 취득 수단은, 입구 압력 센서와 출구 온도 센서로 이루어진다. 입구 압력 센서는, 과냉각 열교환기에 있어서, 냉매 입구 압력을 검출 가능하다. 출구 온도 센서는, 과냉각 열교환기에 있어서, 냉매 출구 온도를 검출 가능하다.
본 발명에서는, 과냉각 열교환기의 입구 압력을 입구 압력 센서로 검출하고, 과냉각 열교환기의 출구 온도를 출구 온도 센서로 검출하고 있다. 따라서, 검출한 입구 압력으로부터 포화액 온도를 산출하고, 포화액 온도와 출구 온도로부터 과냉각도를 산출할 수 있다.
제5 발명에 관련되는 냉동 장치는, 초임계 영역에서 작동하는 냉매를 이용하는 냉동 장치이고, 압축기와, 제1 열교환기와, 제1 팽창 기구와, 과냉각 열교환기와, 제2 팽창 기구와, 제2 열교환기와, 전환 기구와, 제어부를 구비한다. 압축기는 냉매를 압축한다. 제1 열교환기는 냉매를 열교환시킨다. 제1 팽창 기구는 냉매를 감압시킨다. 과냉각 열교환기는 냉매를 과냉각시킨다. 제2 팽창 기구는 냉매를 감압시킨다. 제2 열교환기는 냉매를 열교환시킨다. 전환 기구는, 제1 상태와 제2 상태를 전환 가능하다. 제1 상태는, 제2 열교환기에서 증발된 냉매가 압축기로 유입하고, 또한, 압축기에서 압축된 냉매가 제1 열교환기로 유입하는 상태이다. 제2 상태는, 제1 열교환기에서 증발된 냉매가 압축기로 유입하고, 또한, 압축기에서 압축된 냉매가 제2 열교환기로 유입하는 상태이다. 제어부는, 제1 제어와 제2 제어를 행한다. 제1 제어는, 전환 기구가 제1 상태인 경우에, 고압의 냉매를 제1 팽창 기구로 초임계 압력 이하의 중간 압력으로 감압시키고, 또한, 과냉각 열교환기로 과냉각된 중간 압력의 냉매를 제2 팽창 기구로 저압으로 감압시키는 것에 의하여, 과냉각 열교환기에 액체의 냉매를 모으는 제어이다. 제2 제어는, 전환 기구가 제2 상태인 경우에, 고압의 냉매를 제2 팽창 기구로 초임계 압력 이하의 중간 압력으로 감압시키고, 또한, 과냉각 열교환기로 과냉각된 중간 압력의 냉매를 제1 팽창 기구로 저압으로 감압시키는 것에 의하여, 과냉각 열교환기에 액체의 냉매를 모으는 제어이다.
본 발명에서는, 제1 열교환기를 가스 쿨러로서, 또한, 제2 열교환기를 증발기로서 기능시키는 제1 상태와, 제1 열교환기를 증발기로서, 또한, 제2 열교환기를 가스 쿨러로서 기능시키는 제2 상태를 전환 가능한 전환 기구를 구비하고 있다. 제1 열교환기가 가스 쿨러로서 기능하는 경우에, 제1 열교환기의 냉매 출구 측에 과냉각 열교환기를 더 설치하고, 제1 열교환기와 과냉각 열교환기의 사이에 냉매를 임계 압력 이하까지 감압시키는 제1 팽창 기구를 더 설치하고 있다. 또한, 제2 열교환기가 가스 쿨러로서 기능하는 경우의 제2 열교환기의 냉매 출구 측에 과냉각 열교환기가 접속되어 있고, 제2 열교환기와 과냉각 열교환기의 사이에 냉매를 임계 압력 이하까지 감압하는 제2 팽창 기구를 더 설치하고 있다.
따라서, 예를 들면, 냉방 운전의 경우에는 제1 팽창 기구의 개도를 제어하는 것에 의하여 중간 압력을 조정할 수 있고, 또한, 난방 운전의 경우에는 제3 팽창 기구의 개도를 제어하는 것에 의하여 중간 압력을 조정할 수 있다. 이 때문에, 실외 과냉각 열교환기(예를 들면 냉방 시) 또는 실내 과냉각 열교환기(예를 들면 난방 시)에 액 냉매를 모아두어 냉매량의 조정을 행할 수 있어, 고압을 최적으로 제어할 수 있다.
제6 발명에 관련되는 냉동 장치는, 제5 발명에 관련되는 냉동 장치이고, 과냉각 정보 취득 수단을 더 구비한다. 과냉각 정보 취득 수단은, 과냉각 열교환기에 있어서의 냉매의 과냉각도를 산출 가능한 과냉각 정보를 취득 가능하다. 제어부는, 과냉각 정보에 기초하여 과냉각도를 산출한다. 제1 제어 또는 제2 제어는, 과냉각도에 기초하여 행하여진다.
본 발명에서는, 과냉각 정보를 취득 가능한 과냉각 정보 취득 수단을 더 구비하고 있고, 제어부는, 과냉각 정보로부터 산출한 과냉각도에 기초하여 제1 제어 또는 제2 제어를 행한다. 따라서, 과냉각 열교환기 내의 냉매가 과냉각 상태이도록 제1 팽창 기구와 제2 팽창 기구를 제어할 수 있어, 과냉각 열교환기 내의 냉매가 액 냉매이도록 제어할 수 있다. 이 때문에, 냉매량의 조정을 행할 수 있다.
제7 발명에 관련되는 냉동 장치는, 초임계 영역에서 작동하는 냉매를 이용하는 냉동 장치이고, 열원 유닛과 이용 유닛과 제어부를 구비한다. 열원 유닛은, 압축기와, 열원 측 열교환기와, 제1 팽창 기구와, 열원 측 보조 열교환기와, 제2 팽창 기구와, 전환 기구를 가진다. 압축기는 냉매를 압축한다. 열원 측 열교환기는 냉매를 제1 유체와 열교환시킨다. 제1 팽창 기구는 냉매를 감압 가능하다. 열원 측 보조 열교환기는 냉매를 열교환시킨다. 제2 팽창 기구는 냉매를 감압 가능하다. 전환 기구는 제1 상태와 제2 상태를 전환 가능하다. 제1 상태는, 이용 측 열교환기에서 열교환된 냉매가 압축기로 유입하고, 또한, 압축기에서 압축된 냉매가 열원 측 열교환기로 유입하는 상태이다. 제2 상태는, 열원 측 열교환기에서 열교환된 냉매가 압축기로 유입하고, 또한, 압축기에서 압축된 냉매가 이용 측 열교환기로 유입하는 상태이다. 이용 유닛은, 이용 측 열교환기와, 제3 팽창 기구와, 이용 측 보조 열교환기를 가진다. 이용 측 열교환기는 냉매를 열교환시킨다. 제3 팽창 기구는 냉매를 감압 가능하다. 이용 측 보조 열교환기는 냉매를 열교환시킨다. 제어부는 제1 제어와 제2 제어와 제3 제어를 행한다. 제1 제어는, 전환 기구가 제1 상태인 경우, 또한, 제1 유체의 온도가 냉매의 임계 온도 미만인 경우에, 열원 측 보조 열교환기를 과냉각기로서 기능시키고, 액체의 냉매를 열원 측 보조 열교환기에 모으도록 제1 팽창 기구와 제2 팽창 기구를 조정하는 제어이다. 제2 제어는, 전환 기구가 제1 상태인 경우, 또한, 제1 유체의 온도가 냉매의 임계 온도 이상인 경우에, 이용 측 보조 열교환기를 과냉각기로서 기능시키고, 액체의 냉매를 이용 측 보조 열교환기에 모으도록 제2 팽창 기구와 제3 팽창 기구를 조정하는 제어이다. 제3 제어는, 전환 기구가 제2 상태인 경우에, 이용 측 보조 열교환기를 과냉각기로서 기능시키고, 액체의 냉매를 이용 측 보조 열교환기에 모으도록 제2 팽창 기구와 제3 팽창 기구를 조정하는 제어이다.
본 발명에서는, 열원 유닛이, 제1 상태와 제2 상태로 전환 가능한 전환 기구(예를 들면 사방 전환 밸브)를 더 가지고 있다. 또한, 제어부는, 전환 기구가 제1 상태인 경우에(예를 들면 냉방 운전의 경우에) 제1 팽창 기구와 제2 팽창 기구를 제어하고, 전환 기구가 제2 상태에 경우에(예를 들면 난방 운전의 경우에) 제2 팽창 기구와 제3 팽창 기구를 제어한다. 제어부는, 예를 들면 냉방 운전에서 외기온(外氣溫)이 냉매의 임계 온도 이상인 경우에, 액 냉매를 열원 측 과냉각 열교환기에 모으지 않고 이용 측 과냉각 열교환기에 모으도록, 제2 팽창 기구와 제3 팽창 기구를 제3 제어한다.
따라서, 제어부는, 냉방 운전의 경우에는 제1 팽창 기구를 제어하여 중간 압력을 조정할 수 있고, 난방 운전의 경우에는 제3 팽창 기구를 제어하여 중간 압력을 조정할 수 있다. 또한, 제어부는, 제2 팽창 기구를 제어하여, 냉방 운전의 경우에는 열원 측 과냉각 열교환기의 액 냉매의 양을 조정할 수 있고, 난방 운전의 경우에는 이용 측 과냉각 열교환기의 액 냉매의 양을 조정할 수 있다. 냉매는, 임계점을 넘으면 초임계 상태로 되어, 냉매량의 제어가 어려워진다. 이 때문에, 제1 유체의 온도가 임계 온도 이상인 경우에서는, 열원 측 과냉각 열교환기에 냉매를 모으는 것은 어렵다. 또한, 이용 측 열교환기에서는 증발기로서 기능하고 있기 때문에, 제2 유체는, 임계 온도 이하인 경우가 많다. 따라서, 제어부가 제2 팽창 기구와 제3 팽창 기구를 제3 제어하는 것으로, 이용 측 과냉각 열교환기에 액 냉매를 모을 수 있다.
제8 발명에 관련되는 냉동 장치는, 제7 발명에 관련되는 냉동 장치이고, 열원 유닛은, 열원 측 과냉각 정보 취득 수단을 더 가진다. 열원 측 과냉각 정보 취득 수단은, 열원 측 보조 열교환기의 제1 과냉각도를 검출 가능하다. 이용 유닛은, 이용 측 과냉각 정보 취득 수단을 더 가진다. 이용 측 과냉각 정보 취득 수단은, 이용 측 보조 열교환기의 제2 과냉각도를 검출 가능하다. 제1 제어는, 제1 과냉각도에 기초하여 행하여진다. 제2 제어 및 제3 제어는, 제2 과냉각도에 기초하여 행하여진다.
본 발명에서는, 열원 유닛은, 과냉각도의 검출을 위하여, 열원 측 과냉각 열교환기의 냉매의 출입구에 제2 입구 압력 검출 수단과, 제2 출구 온도 검출 수단을 더 가지고 있다. 이들 검출 수단에 의하여, 중간 압력인 제2 입구 압력과 제2 출구 온도가 얻어진다.
따라서, 제어부는, 이들 제2 입구 압력과 제2 출구 온도를 기초로 과냉각도를 산출할 수 있다. 이 때문에, 제어부는, 과냉각도에 기초하여 제1 과냉각 열교환기에 액 냉매를 모아두어 냉매량의 조정을 행할 수 있다.
제9 발명에 관련되는 냉동 장치는, 제8 발명에 관련되는 냉동 장치이고, 열원 측 과냉각 정보 취득 수단은, 제1 입구 온도 센서와 제1 출구 온도 센서로 이루어진다. 제1 입구 온도 센서는, 열원 측 보조 열교환기에 있어서, 냉매 입구 온도를 검출 가능하다. 제1 출구 온도 센서는, 열원 측 보조 열교환기에 있어서, 냉매 출구 온도를 검출 가능한 제1 출구 온도 센서이다.
본 발명에서는, 열원 측 보조 열교환기의 냉매의 출입구에, 열원 측 과냉각 정보 취득 수단으로서 제1 입구 온도 센서와, 제1 출구 온도 센서가 이용되고 있다. 따라서, 제1 입구 온도 센서에 의하여 냉매의 포화액 온도를 검출할 수 있어, 그 포화액 온도와 제1 출구 온도 센서에 의하여 검출된 냉매 출구 온도로부터 제1 과냉각도를 산출할 수 있다.
제10 발명에 관련되는 냉동 장치는, 제8 발명 또는 제9 발명에 관련되는 냉동 장치이고, 이용 측 과냉각 정보 취득 수단은, 제2 입구 온도 센서와 제2 출구 온도 센서로 이루어진다. 제2 입구 온도 센서는, 이용 측 보조 열교환기에 있어서, 냉매 입구 온도를 검출 가능하다. 제2 출구 온도 센서는, 이용 측 보조 열교환기에 있어서, 냉매 출구 온도를 검출 가능하다.
본 발명에서는, 이용 측 보조 열교환기의 냉매의 출입구에, 이용 측 과냉각 정보 취득 수단으로서 제2 입구 온도 센서와, 제2 출구 온도 센서가 이용되고 있다. 따라서, 제2 입구 온도 센서에 의하여 냉매의 포화액 온도를 검출할 수 있어, 그 포화액 온도와 제2 출구 온도 센서에 의하여 검출된 냉매 출구 온도로부터 제2 과냉각도를 산출할 수 있다.
제11 발명에 관련되는 냉동 장치는, 제1 발명 내지 제10 발명 중 어느 하나에 관련되는 냉동 장치이고, 냉매는 CO2 냉매이다.
본 발명에서는, 냉매로 CO2 냉매를 이용하고 있다. CO2 냉매는, 종래의 냉매, 예를 들면 플루오로카본(fluorocarbon) 냉매 등과 비교하여, 지구 온난화 계수가 1이며, 수백에서 1만 정도의 플루오로카본 냉매보다도 훨씬 낮다.
환경 부하가 작은 CO2 냉매를 이용하는 것으로, 지구 환경이 악화되는 것을 억제할 수 있다.
<발명의 효과>
제1 발명에 관련되는 냉동 장치에서는, 제1 팽창 기구의 개도를 제어할 수 있어, 중간 압력을 조정할 수 있다. 이 때문에, 과냉각 열교환기에 액 냉매를 모아둘 수 있어, 냉매량의 조정을 행할 수 있다. 이것에 의하여, 고압을 최적으로 제어할 수 있어, 효율이 좋은 운전을 할 수 있다.
제2 발명에 관련되는 냉동 장치에서는, 과냉각 열교환기 내의 냉매가 과냉각 상태이도록 제1 팽창 기구와 제2 팽창 기구를 제어할 수 있어, 과냉각 열교환기 내의 냉매가 액 냉매이도록 제어할 수 있다. 이 때문에, 냉매량의 조정을 행할 수 있다.
제3 발명에 관련되는 냉동 장치에서는, 얻어진 포화액 온도와 출구 온도로부터 과냉각도를 산출할 수 있다.
제4 발명에 관련되는 냉동 장치에서는, 검출한 입구 압력으로부터 포화액 온도를 산출하고, 포화액 온도와 출구 온도로부터 과냉각도를 산출할 수 있다.
제5 발명에 관련되는 냉동 장치에서는, 예를 들면, 냉방 운전의 경우에는 제1 팽창 기구의 개도를 제어하는 것에 의하여 중간 압력을 조정할 수 있고, 또한, 난방 운전의 경우에는 제3 팽창 기구의 개도를 제어하는 것에 의하여 중간 압력을 조정할 수 있다. 이 때문에, 실외 과냉각 열교환기(예를 들면 냉방 시) 또는 실내 과냉각 열교환기(예를 들면 난방 시)에 액 냉매를 모아두어 냉매량의 조정을 행할 수 있어, 고압을 최적으로 제어할 수 있다.
제6 발명에 관련되는 냉동 장치에서는, 과냉각 열교환기 내의 냉매가 과냉각 상태이도록 제1 팽창 기구와 제2 팽창 기구를 제어할 수 있어, 과냉각 열교환기 내의 냉매가 액 냉매이도록 제어할 수 있다. 이 때문에, 냉매량의 조정을 행할 수 있다.
제7 발명에 관련되는 냉동 장치에서는, 제어부는, 냉방 운전의 경우에는 제1 팽창 기구를 제어하여 중간 압력을 조정할 수 있고, 난방 운전의 경우에는 제3 팽창 기구를 제어하여 중간 압력을 조정할 수 있다. 또한, 제어부는, 제2 팽창 기구를 제어하여, 냉방 운전의 경우에는 열원 측 과냉각 열교환기의 액 냉매의 양을 조정할 수 있고, 난방 운전의 경우에는 이용 측 과냉각 열교환기의 액 냉매의 양을 조정할 수 있다. 냉매는, 임계점을 넘으면 초임계 상태로 되어, 냉매량의 제어가 어려워진다. 이 때문에, 제1 유체의 온도가 임계 온도 이상인 경우에서는, 열원 측 과냉각 열교환기에 냉매를 모으는 것은 어렵다. 또한, 이용 측 열교환기에서는 증발기로서 기능하고 있기 때문에, 제2 유체는, 임계 온도 이하인 경우가 많다. 따라서, 제어부가 제2 팽창 기구와 제3 팽창 기구를 제3 제어하는 것으로, 이용 측 과냉각 열교환기에 액 냉매를 모을 수 있다.
제8 발명에 관련되는 냉동 장치에서는, 제어부는, 이들 제2 입구 압력과 제2 출구 온도를 기초로 과냉각도를 산출할 수 있다. 이 때문에, 제어부는, 과냉각도에 기초하여 제1 과냉각 열교환기에 액 냉매를 모아두어 냉매량의 조정을 행할 수 있다.
제9 발명에 관련되는 냉동 장치에서는, 제1 입구 온도 센서에 의하여 냉매의 포화액 온도를 검출할 수 있어, 그 포화액 온도와 제1 출구 온도 센서에 의하여 검출된 냉매 출구 온도로부터 제1 과냉각도를 산출할 수 있다.
제10 발명에 관련되는 냉동 장치에서는, 제2 입구 온도 센서에 의하여 냉매의 포화액 온도를 검출할 수 있어, 그 포화액 온도와 제2 출구 온도 센서에 의하여 검출된 냉매 출구 온도로부터 제2 과냉각도를 산출할 수 있다.
제11 발명에 관련되는 냉동 장치에서는, 환경 부하가 작은 CO2 냉매를 이용하는 것으로, 지구 환경이 악화되는 것을 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관련되는 공기 조화 장치의 냉매 회로도.
도 2는 본 발명의 공기 조화 장치에 있어서의 CO2 냉매를 이용한 2단 팽창 냉동 사이클을 도시하는 p-h 선도.
도 3은 변형예 (1)에 관련되는 공기 조화 장치의 냉매 회로도.
도 4는 변형예 (5)에 관련되는 냉방 전용의 공기 조화 장치의 냉매 회로도.
도 5는 변형예 (5)에 관련되는 난방 전용의 공기 조화 장치의 냉매 회로도.
도 6은 변형예 (6)에 관련되는 공기 조화 장치의 냉매 회로도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1, 1a ~ 1d: 공기 조화 장치
2, 2a, 2b: 실외 유닛(열원 유닛)
3, 3a ~ 3c, 3d: 실내 유닛(이용 유닛)
21: 압축기
23: 실외 열교환기(제1 열교환기, 열원 측 열교환기)
24: 실외 과냉각 열교환기(과냉각 열교환기, 열원 측 보조 열교환기)
31, 31a ~ 31c: 실내 열교환기(제2 열교환기, 이용 측 열교환기)
32, 32a ~ 32c: 실내 과냉각 열교환기(이용 측 보조 열교환기)
T1: 제1 실외 과냉각 온도 센서(제1 입구 온도 센서)
T2: 제2 실외 과냉각 온도 센서(제1 출구 온도 센서)
T1: 제1 실내 과냉각 온도 센서(제2 입구 온도 센서, 제2 출구 온도 센서)
T2: 제2 실내 과냉각 온도 센서(제2 입구 온도 센서, 제2 출구 온도 센서)
V1: 사방 전환 밸브(전환 기구)
V2: 제1 실외 팽창 밸브(제1 팽창 기구)
V3: 제2 실외 팽창 밸브(제2 팽창 기구)
V6, V6a ~ V6c: 실내 팽창 밸브(제3 팽창 기구)
이하, 도면에 기초하여, 본 발명에 관련되는 공기 조화 장치의 실시예에 관하여 설명한다.
＜공기 조화 장치의 구성＞
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 관련되는 공기 조화 장치(1)의 개략 구성도이다. 공기 조화 장치(1)는, 2단 팽창 냉동 사이클 운전을 행하는 것에 의하여, 빌딩 등의 실내의 냉난방에 사용되는 장치이다. 본 발명에서는, 냉매로 초임계 냉매인 CO2 냉매를 이용하고 있다. 공기 조화 장치(1)는, 주로, 1대의 열원 유닛으로서의 실외 유닛(2)과, 그것에 접속된 이용 유닛으로서의 실내 유닛(3)과, 실외 유닛(2)과 실내 유닛(3)을 접속하는 냉매 연락 배관(4)을 구비하고 있다. 냉매 연락 배관(4)은, 액 냉매 연락 배관(41)과 가스 냉매 연락 배관(42)으로 구성된다. 즉, 본 실시예의 공기 조화 장치(1)의 냉매 회로(10)는, 실외 유닛(2)과 실내 유닛(3)과 냉매 연락 배관(4)이 접속되는 것에 의하여 구성되어 있다.
(1) 실외 유닛
실외 유닛(2)은, 빌딩 등의 실외에 설치되어 있고, 냉매 연락 배관(4)을 통 하여 실내 유닛(3)에 접속되어 있으며, 냉매 회로(10)를 구성하고 있다.
다음으로, 실외 유닛(2)의 구성에 관하여 설명한다. 실외 유닛(2)은, 주로, 냉매 회로(10)의 일부를 구성하는 실외 측 냉매 회로(20)를 가지고 있다. 이 실외 측 냉매 회로(20)는, 주로, 압축기(21)와, 사방 전환 밸브(V1)와, 열원 측 열교환기로서의 실외 열교환기(23)와, 팽창 기구로서의 제1 실외 팽창 밸브(V2)와, 열원 측의 과냉각 열교환기로서의 실외 과냉각 열교환기(24)와, 팽창 기구로서의 제2 실외 팽창 밸브(V3)와, 액측 폐쇄 밸브(V4)와, 가스 측 폐쇄 밸브(V5)를 가지고 있다.
압축기(21)는, 운전 용량을 가변하는 것이 가능한 압축기이며, 본 실시예에 있어서, 인버터에 의하여 회전수 Rm이 제어되는 모터(22)에 의하여 구동되는 용적식 압축기이다. 본 실시예에 있어서, 압축기(21)는 1대뿐이지만, 이것에 한정되지 않고, 실내 유닛의 접속 대수 등에 따라, 2대 이상의 압축기가 병렬로 접속되어 있어도 무방하다.
사방 전환 밸브(V1)는, 실외 열교환기(23)를 가스 쿨러 및 증발기로서 기능시키기 위하여 설치된 밸브이다. 사방 전환 밸브(V1)는, 실외 열교환기(23)와, 압축기(21)의 흡입 측과, 압축기(21)의 토출 측과, 가스 냉매 연락 배관(42)에 접속되어 있다. 그리고, 실외 열교환기(23)를 가스 쿨러로서 기능시킬 때에는, 압축기(21)의 토출 측과 실외 열교환기(23)를 접속하는 것과 함께, 압축기(21)의 흡입 측과 가스 냉매 연락 배관(42)을 접속한다(도 1의 실선의 상태). 반대로, 실외 열교환기(23)를 증발기로서 기능시킬 때에는, 실외 열교환기(23)와 압축기(21)의 흡 입 측을 접속하는 것과 함께, 압축기(21)의 토출 측과 가스 냉매 연락 배관(42)을 접속한다(도 1의 파선의 상태).
실외 열교환기(23)는, 가스 쿨러 및 증발기로서 기능시키는 것이 가능한 열교환기이며, 본 실시예에 있어서, 공기를 열원으로 하여 냉매와 열교환하는 크로스 핀식의 핀·앤드·튜브형 열교환기이다. 실외 열교환기(23)는, 일방(一方)이 사방 전환 밸브(V1)에 접속되고, 타방(他方)이 제1 실외 팽창 밸브(V2)를 통하여 실외 과냉각 열교환기(24)에 접속되어 있다.
제1 실외 팽창 밸브(V2)는, 실외 측 냉매 회로(20) 내를 흐르는 냉매의 압력이나 유량 등의 조절을 행하기 위하여, 실외 열교환기(23)와 실외 과냉각 열교환기(24)의 사이에 접속된 전동 팽창 밸브이다. 이 제1 실외 팽창 밸브(V2)는, 냉방 운전 시에는, 2단 팽창 냉동 사이클에 있어서의 1단째의 팽창 기구로서 기능하고, 난방 운전 시에는, 완전 열림이 되어 냉매를 그대로 실외 열교환기(23)로 유입시킨다. 제1 실외 팽창 밸브(V2)는, 1단째의 팽창 기구로서 기능할 때에는, 고압 Ph의 냉매를 임계 압력 Pk 이하의 중간 압력 Pm으로 감압시킨다. 다만, 냉방 운전에 있어서 외기온이 CO2 냉매의 임계 온도인 31℃ 이상인 경우에는, 제1 실외 팽창 밸브(V2)는 완전 열림이 된다.
실외 과냉각 열교환기(24)는, 과냉각기 및 증발기로서 기능시키는 것이 가능한 열교환기이며, 본 실시예에 있어서, 공기를 열원으로 하여 냉매와 열교환하는 크로스 핀식의 핀·앤드·튜브형 열교환기이다. 실외 과냉각 열교환기(24)는, 일방 이 제1 실외 팽창 밸브(V2)를 통하여 실외 열교환기(23)에 접속되고, 타방이 제2 실외 팽창 밸브(V3)를 통하여 액 냉매 연락 배관(41)에 접속되어 있다. 다만, 냉방 운전에 있어서 외기온이 CO2 냉매의 임계 온도인 31℃ 이상인 경우에는, 실외 열교환기(23)와 마찬가지로 가스 쿨러로서 기능한다.
제2 실외 팽창 밸브(V3)는, 실외 측 냉매 회로(20) 내를 흐르는 냉매의 압력이나 유량 등의 조절을 행하기 위하여, 실외 과냉각 열교환기(24)의 액측에 접속된 전동 팽창 밸브이다. 이 제1 실외 팽창 밸브(V2)는, 냉방 운전 시도, 난방 운전 시도, 2단 팽창 냉동 사이클에 있어서의 2단째의 팽창 기구로서 기능하고, 중간 압력 Pm의 냉매를 저압 Pl로 감압시킨다. 다만, 냉방 운전에 있어서 외기온이 CO2 냉매의 임계 온도인 31℃ 이상인 경우에는, 제2 실외 팽창 밸브(V3)는, 2단 팽창 냉동 사이클에 있어서의 1단째의 팽창 기구로서 기능하고, 고압 Ph의 냉매를 임계 압력 Pk 이하의 중간 압력 Pm으로 감압시킨다.
또한, 실외 유닛(2)은, 유닛 내에 실외 공기를 흡입하여, 실외 열교환기(23)에 있어서 냉매와 열교환시킨 후에, 실외로 배출하기 위한 송풍 팬으로서의 실외 팬(25)을 가지고 있다. 이 실외 팬(25)은, 실외 열교환기(23)로 공급하는 공기의 풍량을 가변하는 것이 가능한 팬이며, 본 실시예에 있어서, DC 팬 모터로 이루어지는 모터(26)에 의하여 구동되는 프로펠러 팬 등이다.
또한, 실외 유닛(2)에는, 각종 센서가 설치되어 있다. 실외 과냉각 열교환기(24)와 제1 실외 팽창 밸브(V2)의 사이에, 냉매의 온도를 검출하는 제1 실외 과 냉각 온도 센서(T1)가 설치되어 있다. 또한, 실외 과냉각 열교환기(24)와 제2 실외 팽창 밸브(V3)의 사이에, 냉매의 온도를 검출하는 제2 실외 과냉각 온도 센서(T2)가 설치되어 있다. 본 실시예에 있어서, 제1 실외 과냉각 온도 센서(T1) 및 제2 실외 과냉각 온도 센서(T2)는, 서미스터(thermistor)로 이루어진다.
또한, 실외 유닛(2)은, 실외 유닛(2)을 구성하는 각 부의 동작을 제어하는 실외 측 제어부(27)를 가지고 있다. 그리고, 실외 측 제어부(27)는, 실외 유닛(2)의 제어를 행하기 위하여 설치된 마이크로컴퓨터, 메모리, 모터(22) 등을 제어하는 인버터 회로 등을 가지고 있고, 후술하는 실내 유닛(3)의 실내 측 제어부(35)와의 사이에서 전송선(51)을 통하여 제어 신호 등의 교환을 행할 수 있도록 되어 있다. 즉, 실외 측 제어부(27)와 실내 측 제어부(35)와 각 제어부 사이를 접속하는 전송선(51)에 의하여, 공기 조화 장치(1) 전체의 운전 제어를 행하는 제어부(5)가 구성되어 있다.
제어부(5)는, 각종 센서(도시하지 않음)의 검출 신호를 받을 수 있도록 접속되는 것과 함께, 이들 검출 신호 등에 기초하여 각종 기기(21, 25, 33) 및 밸브(V1, V2, V3, V6)를 제어할 수 있도록 접속되어 있다.
(2) 실내 유닛
실내 유닛(3)은, 빌딩 등의 실내의 천정에 매입이나 걸이 등, 또는, 실내의 벽면에 벽걸이 등에 의하여 설치되어 있다. 실내 유닛(3)은, 냉매 연락 배관(4)을 통하여 실외 유닛(2)에 접속되어 있고, 냉매 회로(10)의 일부를 구성하고 있다.
다음으로, 실내 유닛(3)의 구성에 관하여 설명한다. 실내 유닛(3)은, 주로, 냉매 회로(10)의 일부를 구성하는 실내 측 냉매 회로(30)를 가지고 있다. 이 실내 측 냉매 회로(30)는, 주로, 이용 측 열교환기로서의 실내 열교환기(31)와, 팽창 기구로서의 실내 팽창 밸브(V6)와, 이용 측의 과냉각기로서의 실내 과냉각 열교환기(32)를 가지고 있다.
실내 열교환기(31)는, 전열관과 다수의 핀에 의하여 구성된 크로스 핀식의 핀·앤드·튜브형 열교환기이며, 냉방 운전 시에는 냉매의 증발기로서 기능하여 실내 공기를 냉각하고, 난방 운전 시에는 냉매의 가스 쿨러로서 기능하여 실내 공기를 가열하는 열교환기이다.
실내 팽창 밸브(V6)는, 제1 실외 팽창 밸브(V2)와 마찬가지로, 실내 측 냉매 회로(30) 내를 흐르는 냉매의 압력이나 유량 등의 조절을 행하기 위하여, 실내 열교환기(31)의 액측에 접속된 전동 팽창 밸브이다. 이 실내 팽창 밸브(V6)는, 냉방 운전 시에는, 완전 열림이 되어 냉매를 그대로 실내 열교환기(31)로 유입시키고, 난방 운전 시에는, 2단 팽창 냉동 사이클에 있어서의 1단째의 팽창 기구로서 기능한다. 이 실내 팽창 밸브(V6)도 제1 실외 팽창 밸브(V2)와 마찬가지로, 1단째의 팽창 기구로서 기능할 때에는, 고압 Ph의 냉매를 중간 압력 Pm으로 감압시킨다. 다만, 냉방 운전에 있어서 외기온이 CO2 냉매의 임계 온도인 31℃ 이상인 경우에는, 실내 팽창 밸브(V6)는, 2단 팽창 냉동 사이클에 있어서의 2단째의 팽창 기구로서 기능하고, 중간 압력 Pm의 냉매를 저압 Pl로 감압시킨다.
실내 과냉각 열교환기(32)는, 과냉각기 및 증발기로서 기능시키는 것이 가능 한 열교환기이며, 본 실시예에 있어서, 공기를 열원으로 하여 냉매와 열교환하는 크로스 핀식의 핀·앤드·튜브형 열교환기이다. 실내 과냉각 열교환기(32)는, 일방이 실내 팽창 밸브(V6)를 통하여 실내 열교환기(31)에 접속되고, 타방이 액 냉매 연락 배관(41)에 접속되어 있다. 다만, 냉방 운전에 있어서 외기온이 CO2 냉매의 임계 온도인 31℃ 이상인 경우에는, 실내 열교환기(31)와 마찬가지로 증발기로서 기능한다.
또한, 실내 유닛(3)은, 실내 공기를 유닛 내에 흡입하여, 실내 열교환기(31)에 있어서 냉매와 열교환시킨 후에, 공급 공기로서 실내로 공급하는 송풍 팬으로서의 실내 팬(33)을 가지고 있다. 실내 팬(33)은, 실내 열교환기(31)로 공급하는 공기의 풍량을 가변하는 것이 가능한 팬이며, 본 실시예에 있어서, DC 팬 모터로 이루어지는 모터(34)에 의하여 구동되는 원심 팬이나 다익 팬 등이다.
또한, 실내 유닛(3)에는, 각종 센서가 설치되어 있다. 실내 과냉각 열교환기(32)와 실내 팽창 밸브(V6)의 사이에, 냉매의 온도를 검출하는 제1 실내 과냉각 온도 센서(T3)가 설치되어 있다. 또한, 실내 과냉각 열교환기(32)의 액 냉매 연락 배관(41) 측에 냉매의 온도를 검출하는 제2 실내 과냉각 온도 센서(T4)가 설치되어 있다. 본 실시예에 있어서, 제1 실내 과냉각 온도 센서(T3) 및 제2 실내 과냉각 온도 센서(T4)는, 서미스터로 이루어진다.
또한, 실내 유닛(3)은, 실내 유닛(3)을 구성하는 각 부의 동작을 제어하는 실내 측 제어부(35)를 구비하고 있다. 그리고, 실내 측 제어부(35)는, 실내 유 닛(3)의 제어를 행하기 위하여 설치된 마이크로컴퓨터나 메모리 등을 가지고 있고, 실내 유닛(3)을 개별적으로 조작하기 위한 리모컨(도시하지 않음)과의 사이에서 제어 신호 등의 교환이나, 실외 유닛(2)과의 사이에서 전송선(51)을 통하여 제어 신호 등의 교환 등을 행할 수 있도록 되어 있다.
(3) 냉매 연락 배관
냉매 연락 배관(4)은, 공기 조화 장치(1)를 빌딩 등의 설치 장소에 설치할 때에, 현지에서 시공되는 냉매 배관이며, 설치 장소나 실외 유닛(2)과 실내 유닛(3)의 조합 등의 설치 조건에 따라 여러 가지의 길이나 관경(管徑)을 가지는 것이 사용된다.
＜공기 조화 장치의 동작＞
다음으로, 본 실시예의 공기 조화 장치(1)의 동작에 관하여 설명한다.
본 실시예의 공기 조화 장치(1)의 운전 모드로서는, 실내 유닛(3)의 냉난방의 부하에 따라, 실내 유닛(3)의 냉방을 행하는 냉방 운전과, 실내 유닛(3)의 난방을 행하는 난방 운전이 있다.
이하, 공기 조화 장치(1)의 각 운전 모드에 있어서의 동작에 관하여 설명한다.
(1) 냉방 운전
우선, 냉방 운전에 관하여, 도 1 및 도 2를 이용하여 설명한다. 냉방 운전 시는, 실외 유닛(2)의 실외 측 냉매 회로(20)에 있어서, 사방 전환 밸브(V1)가 도 1의 실선으로 도시되는 상태로 전환되는 것에 의하여, 실외 열교환기(23)가 가스 쿨러로서 기능하고, 또한, 실내 열교환기(31)가 증발기로서 기능하도록 되어 있다.
이 냉매 회로(10)의 상태로, 압축기(21), 실외 팬(25) 및 실내 팬(33)을 기동하면, 저압 Pl의 가스 냉매는, 압축기(21)로 흡입되고 압축되어 고압 Ph의 가스 냉매로 된다. 고압 Ph로 압축된 가스 냉매는, 실외 열교환기(23)로 유입한다. 이때 실외 열교환기(23)는, 가스 쿨러로서 기능하고 실외 팬(25)에 의하여 공급되는 실외 공기로 열을 방출하여 냉매를 냉각한다. 그리고, 제1 실외 팽창 밸브(V2)에 의하여 고압 Ph의 상태로부터 냉매의 임계 압력 Pk 이하의 중간 압력 Pm까지 감압된다. 중간 압력 Pm으로 감압된 냉매는, 기액이상 상태의 냉매로 되어, 실외 과냉각 열교환기(24)로 유입한다. 실외 과냉각 열교환기(24)에서는, 냉매는, 한층 더 냉각되어 액 냉매로 되어, 과냉각 상태로 된다. 실외 과냉각 열교환기(24)에서는, 액 냉매가 모아지고 있고, 제2 실외 팽창 밸브(V3)에 의하여 실외 과냉각 열교환기(24) 내의 액 냉매의 양이 제어되고 있다. 이 실외 과냉각 열교환기(24) 내에 모아진 액 냉매량의 제어는, 제1 실외 과냉각 온도 센서(T1)와 제2 실외 과냉각 온도 센서(T2)가 검출한 온도로부터 산출된 냉매의 과냉각도에 기초하여 행하여진다. 여기서, 과냉각 상태로 된 냉매는, 제2 실외 팽창 밸브(V3)에 의하여 압축기(21)의 흡입 압력 근처까지 감압되어 저압 Pl의 기액이상 상태의 냉매로 된다.
그리고, 저압 Pl의 냉매는, 액측 폐쇄 밸브(V4) 및 액 냉매 연락 배관(41)을 경유하여 실내 유닛(3)으로 보내진다. 이 실내 유닛(3)으로 보내진 저압 Pl의 액 냉매는, 실내 과냉각 열교환기(32)와 실내 열교환기(31)에 있어서 실내 공기와 열교환을 행하고 증발하여 저압 Pl의 가스 냉매로 된다. 이때, 실내 팽창 밸브(V6) 는, 완전 열림이 되어 있다. 저압 Pl의 가스 냉매는, 가스 냉매 연락 배관(42)을 경유하여 실외 유닛(2)으로 보내지고, 가스 측 폐쇄 밸브(V5)를 통하여, 다시, 압축기(21)로 흡입된다.
덧붙여, 외기온이 31℃(CO2 냉매의 임계 온도) 이상이 되는 경우에는, 전술의 경우와는 다른 제어를 행한다. 이하에 그 제어에 관하여 설명한다. 제1 실외 팽창 밸브(V2)를 완전 열림으로 하여, 실외 열교환기(23) 및 실외 과냉각 열교환기(24)를 가스 쿨러로서 기능시킨다. 그리고, 제2 실외 팽창 밸브(V3)로 실외 열교환기(23) 및 실외 과냉각 열교환기(24)에 의하여 냉각된 고압 Ph의 냉매를 임계 압력 Pk 이하의 중간 압력 Pm까지 감압한다. 중간 압력 Pm까지 감압된 냉매는, 실내 유닛(3)으로 보내지고, 실내 과냉각 열교환기(32)에서 한층 더 냉각되어 액 냉매로 되어, 과냉각 상태로 된다. 실내 과냉각 열교환기(32)에서는, 액 냉매가 모아지고 있고, 실내 팽창 밸브(V6)에 의하여 실내 과냉각 열교환기(32) 내의 액 냉매의 양이 제어되고 있다. 이 실내 과냉각 열교환기(32) 내에 모아진 액 냉매량의 제어는, 제1 실내 과냉각 온도 센서(T3)와 제2 실내 과냉각 온도 센서(T4)가 검출한 온도로부터 산출된 냉매의 과냉각도에 기초하여 행하여진다. 과냉각 상태로 된 냉매는, 실내 팽창 밸브(V6)에 의하여 압축기(21)의 흡입 압력 근처까지 감압되어 저압 Pl의 기액이상 상태의 냉매로 된다. 그리고, 저압 Pl의 냉매는, 실내 열교환기(31)에 있어서 실내 공기와 열교환을 행하고 증발하여 저압 Pl 놓치는 냉매로 된다. 저압 Pl의 가스 냉매는, 가스 냉매 연락 배관(42)을 경유하여 실외 유닛(2)으로 보내지 고, 가스 측 폐쇄 밸브(V5)를 통하여, 다시, 압축기(21)로 흡입된다.
(2) 난방 운전
난방 운전 시는, 실외 유닛(2)의 실외 측 냉매 회로(20)에 있어서, 사방 전환 밸브(V1)가 도 1의 파선으로 도시되는 상태로 전환되는 것에 의하여, 실외 열교환기(23)가 증발기로서 기능하고, 또한, 실내 열교환기(31)가 가스 쿨러로서 기능하도록 되어 있다.
이 냉매 회로(10)의 상태로, 압축기(21), 실외 팬(25) 및 실내 팬(33)을 기동하면, 저압 Pl의 가스 냉매는, 압축기(21)로 흡입되고 압축되어 고압 Ph의 가스 냉매로 되고, 사방 전환 밸브(V1), 가스 측 폐쇄 밸브(V5)를 경유하여, 가스 냉매 연락 배관(42)으로 보내진다.
그리고, 가스 냉매 연락 배관(42)으로 보내진 고압 Ph의 가스 냉매는, 실내 유닛(3)으로 보내진다. 이 실내 유닛(3)으로 보내진 고압 Ph의 가스 냉매는, 실내 열교환기(31)로 보내진다. 이 냉매는, 실내 열교환기(31)에 있어서, 실내 공기와 열교환을 행하고 냉각되어 고압 Ph의 액 냉매로 된 후, 실내 팽창 밸브(V6)를 통과할 때에, 실내 팽창 밸브(V6)의 밸브 개도에 따라 중간 압력 Pm까지 감압된다. 중간 압력 Pm으로 감압된 냉매는, 기액이상 상태의 냉매로 되어, 실내 과냉각 열교환기(32)로 유입한다. 실내 과냉각 열교환기(32)에서는, 냉매는, 한층 더 냉각되어 액 냉매로 되어, 과냉각 상태로 된다. 실내 과냉각 열교환기(32)에서는, 액 냉매가 모아지고 있고, 제2 실외 팽창 밸브(V3)에 의하여 실내 과냉각 열교환기(32) 내의 액 냉매의 양이 제어되고 있다. 이 실내 과냉각 열교환기(32) 내에 모아진 액 냉매 량의 제어는, 제1 실내 과냉각 온도 센서(T3)와 제2 실내 과냉각 온도 센서(T4)가 검출한 온도로부터 산출된 냉매의 과냉각도에 기초하여 행하여진다.
그리고, 과냉각 상태로 된 냉매는, 액 냉매 연락 배관(41)을 경유하여 실외 유닛(2)으로 보내진다. 이 냉매는, 액측 폐쇄 밸브(V4)를 경유하여, 제2 실외 팽창 밸브(V3)에 의하여 압축기(21)의 흡입 압력 근처까지 감압되어 저압 Pl의 기액이상 상태의 냉매로 된다. 저압 Pl로 감압된 냉매는, 실외 과냉각 열교환기(24)와 실외 열교환기(23)에 있어서 외기와 열교환을 행하고 증발하여 저압 Pl의 가스 냉매로 된다. 이때, 제1 실외 팽창 밸브(V2)는 완전 열림이 되어 있다. 저압 Pl의 가스 냉매는, 사방 전환 밸브(V1)를 경유하여, 다시, 압축기(21)로 흡입된다.
＜2단 팽창 냉동 사이클＞
도 2는, 초임계 조건하에 있어서의 냉동 사이클을 p-h 선도(모리엘 선도)에 의하여 도시하고 있다. 본 발명에서는, 냉매로 초임계 냉매인 CO2 냉매를 이용하고 있다. 또한, 2개의 팽창 기구를 이용하여 2단으로 나누어 팽창시키도록 한 2단 팽창 냉동 사이클을 채용하고 있다. 전술과 같이, 이 냉매 회로(10)는, 주로, 압축기(21), 실외 열교환기(23), 제1 실외 팽창 밸브(V2), 실외 과냉각 열교환기(24), 제2 실외 팽창 밸브(V3), 실내 과냉각 열교환기(32), 실내 팽창 밸브(V6) 및 실내 열교환기(31)로 구성되어 있다. 도 2의 A, B, C, D, E 및 F는, 냉방 운전의 경우의, 도 1에 있어서의 각각의 점에 대응한 냉매의 상태를 나타내고 있다. 또한, 도 2의 괄호 쓰기의 A, B, E, F, G 및 H는, 난방 운전의 경우의, 도 1에 있어서의 각 각의 점에 대응한 냉매의 상태를 나타내고 있다. 덧붙여, 이하에 냉방 운전의 경우(외기온이 CO2 냉매의 임계 온도 이하인 경우)의 2단 팽창 사이클에 관하여, 도 1 및 도 2를 이용하여 설명한다. 난방 운전에 관해서는, C를 H로, D를 G로, E를 F로, F를 E로 대치하는 것으로 설명할 수 있다.
이 냉매 회로(10)에서는, 냉매는, 압축기(21)에 의하여 압축되어 고온 고압 Ph가 된다(A→B). 이때, 냉매인 CO2는 기체로부터 초임계 상태로 된다. 여기에서 말하는 「초임계 상태」란, 임계점 K 이상의 온도 및 압력하에 있어서의 물질의 상태이며, 기체의 확산성과 액체의 용해성을 겸비하고 있는 상태의 것이다. 초임계 상태란, 도 2에 있어서, 임계 온도 등온선 Tk의 우측이고, 또한, 임계 압력 Pk 이상의 영역에 있어서의 냉매의 상태이다. 덧붙여, 냉매(물질)가 초임계 상태가 되면, 기상(氣相)과 액상의 구별이 없어진다. 덧붙여, 여기에서 말하는 「기상」은, 포화증기선 Sv보다 우측이고, 또한, 임계 압력 Pk 이하의 영역에 있어서의 냉매의 상태이다. 또한, 「액상」은, 포화액선 Sl보다 좌측이고, 또한, 임계 온도 등온선 Tk보다도 좌측의 영역에 있어서의 냉매의 상태이다. 그리고, 압축기(21)에 의하여 압축되어 고온 고압의 초임계 상태로 된 냉매는, 가스 쿨러로 되어 있는 실외 열교환기(23)에 의하여 방열되어 저온 고압의 냉매로 된다(B→C). 이때, 냉매는, 초임계 상태에 있기 때문에, 실외 열교환기(23) 내부에 있어서 현열 변화(온도 변화)를 수반하여 작동하고 있다. 그리고, 실외 열교환기(23)에 있어서 방열한 냉매는, 제1 실외 팽창 밸브(V2)가 개방되는 것에 의하여 팽창하여, 압력이 고압 Ph로부터 중간 압력 Pm으로 감압된다(C→D). 그리고, 제1 실외 팽창 밸브(V2)에 의하여 감압된 냉매는, 중간 압력 Pm인 채로 실외 과냉각 열교환기(24)로 유입하고, 한층 더 냉각되어 과냉각 상태로 된다(D→E). 과냉각 상태로 된 냉매는, 제2 실외 팽창 밸브(V3)로 한층 더 팽창되어 저압 Pl의 냉매로 된다(E→F). 저압 Pl의 냉매는, 액 냉매 연락 배관(41)을 통과하고, 실내 열교환기(31) 및 실내 과냉각 열교환기(32)에 있어서, 열을 흡수하고, 증발하여 가스 냉매 연락 배관(42)을 유통하여 압축기(21)로 되돌아온다(F→A).
＜특징＞
(1)
본 발명에서는, 실외 유닛(2)이, 냉방 운전과 난방 운전으로 전환 가능한 사방 전환 밸브(V1)를 더 가지고 있다. 또한, 제어부(5)는, 사방 전환 밸브(V1)가 도 1의 실선의 상태(냉방 운전)인 경우에 제1 실외 팽창 밸브(V2)와 제2 실외 팽창 밸브(V3)를 제어하고, 사방 전환 밸브(V1)가 도 1의 파선의 상태(난방 운전)인 경우에 제2 실외 팽창 밸브(V3)와 실내 팽창 밸브(V6)를 제어한다. 제어부(5)는, 냉방 운전이고, 또한, 외기온이 냉매의 임계 온도 이상인 경우에, 액 냉매를 실외 과냉각 열교환기(24) 내에 모으지 않고 실내 과냉각 열교환기(32) 내에 모으도록, 제2 실외 팽창 밸브(V3)와 실내 팽창 밸브(V6)를 제어한다.
따라서, 제어부(5)는, 냉방 운전의 경우에는 제1 실외 팽창 밸브(V2)를 제어하여 중간 압력을 조정할 수 있고, 난방 운전의 경우에는 실내 팽창 밸브(V6)를 제어하여 중간 압력을 조정할 수 있다. 또한, 제어부(5)는, 제2 실외 팽창 밸브(V3) 를 제어하여, 냉방 운전의 경우에는 실외 과냉각 열교환기(24)의 액 냉매의 양을 조정할 수 있고, 난방 운전의 경우에는 실내 과냉각 열교환기(32)의 액 냉매의 양을 조정할 수 있다. 냉매는, 임계점을 넘으면 초임계 상태로 되어, 냉매량의 제어가 어려워진다. 이 때문에, 외기온이 CO2 냉매의 임계 온도의 31℃ 이상인 경우에서는, 실외 과냉각 열교환기(24)에 냉매를 모으는 것은 어렵다. 또한, 실내 열교환기(31)에서는 증발기로서 기능하고 있기 때문에, 실내 공기는, CO2 냉매의 임계 온도의 31℃ 이하인 경우가 많다. 따라서, 제어부(5)가 제2 실외 팽창 밸브(V3)와 실내 팽창 밸브(V6)를 제어하는 것으로, 실내 과냉각 열교환기(32)에 액 냉매를 모을 수 있다.
(2)
본 발명에서는, 실외 유닛(2)은, 과냉각도의 검출을 위하여, 실외 과냉각 열교환기(24)의 냉매의 출입구에 제1 실외 과냉각 온도 센서(T1)와, 제2 실외 과냉각 온도 센서(T2)를 가지고 있다. 이들 온도 센서(T1, T2)에 의하여, 냉방 운전에서 외기온이 31℃ 미만인 경우에 있어서, 중간 압력 Pm과 실외 과냉각 열교환기(24)의 출구 온도가 얻어진다. 또한, 실내 유닛(3)은, 과냉각도의 검출을 위하여, 실내 과냉각 열교환기(32)의 냉매의 출입구에 제1 실내 과냉각 온도 센서(T3)와, 제2 실내 과냉각 온도 센서(T4)를 가지고 있다. 이들 온도 센서(T3, T4)에 의하여, 냉방 운전에서 외기온이 31℃ 이상인 경우 및 난방 운전의 경우에 있어서, 중간 압력 Pm과 실내 과냉각 열교환기(32)의 출구 온도가 얻어진다.
따라서, 제어부(5)는, 이들 중간 압력 Pm과 실외 과냉각 열교환기(24) 또는 실내 과냉각 열교환기(32)의 출구 온도를 기초로 과냉각도를 산출할 수 있다. 이 때문에, 제어부(5)는, 과냉각도에 기초하여 과냉각 열교환기로서 기능하는 실외 과냉각 열교환기(24) 또는 실내 과냉각 열교환기(32)에 액 냉매를 모아둘 수 있어, 냉매량의 조정을 행할 수 있다.
(3)
본 발명에서는, 냉매로 CO2 냉매를 이용하고 있다. CO2 냉매는, 종래의 냉매, 예를 들어 플루오로카본 냉매 등과 비교하여, 지구 온난화 계수가 1이며, 수백에서 1만 정도의 플루오로카본 냉매보다도 훨씬 낮다.
환경 부하가 작은 CO2 냉매를 이용하는 것으로, 지구 환경이 악화되는 것을 억제할 수 있다.
＜변형예＞
(1)
본 실시예에서는, 실내 유닛(3)이 1대의 실외 유닛(2)에 대하여 1대 접속되어 있는, 이른바 페어(pair)식의 공기 조화 장치(1)이지만, 이것에 한정하지 않고, 복수대의 실내 유닛이 1대의 실외 유닛에 대하여 접속되어 있는 멀티식의 공기 조화 장치(1a)여도 무방하다. 예를 들면, 도 3과 같이, 1대의 실외 유닛(2)에 대하여 3대의 실내 유닛(3a, 3b, 3c)이 병렬로 접속되어 있는 것이다. 도 3의 실내 유닛(3a, 3b, 3c)의 구성은, 본 실시예에서 설명한 실내 유닛(3)의 각 부에 붙인 번 호에, 실내 유닛(3a, 3b, 3c)과 대응하도록, 번호의 말미에 a, b, 및 c를 붙이고 있다. 예를 들면, 실내 유닛(3)의 실내 팬(33)은, 실내 유닛(3a, 3b, 3c)의 실내 팬(33a, 33b, 33c)과 대응하고 있고, 실내 유닛(3)과 실내 유닛(3a, 3b, 3c)은 마찬가지의 구성이다. 덧붙여, 도 3에서는 실내 유닛(3a ~ 3c)은 3대 접속되어 있지만, 3대에 한정하지 않고, 2대, 4대, 5대 등이어도 상관없다.
실내 유닛(3a ~ 3c)을 복수대 설치하고 있기 때문에, 운전 부하가 다른 개소에 대하여 각각의 부하에 따라 운전할 수 있다. 따라서, 운전 부하가 장소에 따라 다른 경우에, 실내 유닛이 1대인 경우보다도 효율 좋게 운전할 수 있다.
(2)
본 실시예에서는, 팽창 기구로서 실외 유닛(2) 내에 제1 실외 팽창 밸브(V2)를 설치하고, 실내 유닛(3) 내에 실내 팽창 밸브(V6)를 설치하고 있지만, 이들 팽창 밸브에 한정하지 않고, 예를 들면 팽창기 등이어도 상관없다.
(3)
본 실시예에서는, 과냉각도의 산출을 위하여 실외 과냉각 열교환기(24) 및 실내 과냉각 열교환기(32)의 입구와 출구에 각각 온도 센서를 설치하고 있었지만, 냉매의 입구 측은 온도 센서에 한정하지 않고 압력 센서여도 상관없다. 즉, 냉방 운전 시에 있어서 과냉각기로서 기능하는 실외 과냉각 열교환기(24)의 냉매 흐름 방향 입구 측의 온도 센서인 제1 실외 과냉각 온도 센서(T1)와, 난방 운전 시에 있어서 과냉각기로서 기능하는 실내 과냉각 열교환기(32)의 냉매 흐름 방향 입구 측의 온도 센서인 제1 실내 과냉각 온도 센서(T3)를 압력 센서로 하여도 상관없다. 다만, 냉방 운전 시의 외기온이 31℃ 이상이 되는 경우는, 실외 과냉각 열교환기(24)가 아니고 실내 과냉각 열교환기(32)가 과냉각기로서 기능하기 때문에, 이 경우의 냉매 흐름 방향 출구 측이 되는 제1 실내 과냉각 온도 센서(T3)는 온도 센서가 아니면 안된다. 따라서, 본 실시예의 경우에는, 제1 실외 과냉각 온도 센서(T1)만을 압력 센서로 변경 가능하다.
또한, 각 과냉각 열교환기(24, 32)의 냉매의 흐름 방향 입구 측에, 압력 센서를 더 설치하여 온도 센서와 병용하여도 상관없다.
(4)
본 실시예에서는, 실외 공기를 열원으로 하여 이용하고 있지만, 이것에 한정하지 않고, 물 등을 열원으로 하여 이용하여도 상관없다.
(5)
본 실시예에서는, 실외 유닛(2) 내에 사방 전환 밸브(V1)가 설치되고, 냉방 운전과 난방 운전이 가능한 공기 조화 장치(1)이지만, 이것에 한정하지 않고, 도 4 또는 도 5와 같이 사방 전환 밸브가 없는 냉방 전용의 공기 조화 장치(1b), 혹은 난방 전용의 공기 조화 장치(1c)여도 무방하다.
도 4의 냉방 전용의 공기 조화 장치(1b)에서는, 실외 과냉각 열교환기(24)에 액 냉매를 모으도록 제1 실외 팽창 밸브(V2)와 제2 실외 팽창 밸브(V3)를 제어한다. 또한, 냉방 전용의 공기 조화 장치(1b)와 마찬가지로 도 5의 난방 전용의 공기 조화 장치(1c)에서는, 실외 과냉각 열교환기(24)에 액 냉매를 모으도록 제1 실외 팽창 밸브(V2)와 제2 실외 팽창 밸브(V3)를 제어한다.
(6)
본 실시예에서는, 실외 유닛(2) 내에 실외 과냉각 열교환기(24)가 설치되고, 또한, 실내 유닛(3) 내에 실내 과냉각 열교환기(32)가 설치되며, 냉매 회로(10) 내에 과냉각 열교환기로서 기능하는 기기를 2개 가지고 있지만, 이것에 한정하지 않고, 도 6의 공기 조화 장치(1d) 같이 과냉각 열교환기로서 기능하는 기기는 1개여도 무방하다.
도 6의 공기 조화 장치(1d)에서는, 실외 과냉각 열교환기(24)가 실외 유닛(2)에만 설치되어 있고, 실외 과냉각 열교환기(24)를 사이에 두도록 제1 실외 팽창 밸브(V2)와 제2 실외 팽창 밸브(V3)가 설치되어 있다. 이 공기 조화 장치(1d)에서는, 냉방 운전의 경우도, 난방 운전의 경우도, 실외 과냉각 열교환기(24)에 액 냉매를 모으도록 제1 실외 팽창 밸브(V2)와 제2 실외 팽창 밸브(V3)를 제어한다.
본 발명에 관련되는 공기 조화 장치는, 냉매의 순환량의 조정을 행하여, 고압을 최적으로 제어할 수 있고, 초임계역에서 작동하는 초임계 냉매를 이용한 공기 조화 장치이며 초임계 냉매의 순환량의 조정이 용이한 공기 조화 장치 등에 유용하다.

Claims (11)

  1. 초임계(超臨界) 영역에서 작동하는 냉매를 이용하는 냉동 장치이고,
    상기 냉매를 압축하는 압축기(21)와,
    상기 압축기로 압축된 고압의 상기 냉매를 냉각하는 제1 열교환기(23)와,
    상기 냉매를 임계 압력 이하까지 감압시키는 제1 팽창 기구(V2)와,
    상기 제1 팽창 기구로 감압된 상기 냉매를 과냉각하는 과냉각 열교환기(24)와,
    상기 과냉각 열교환기로 냉각된 상기 냉매를 저압까지 감압시키는 제2 팽창 기구(V3)와,
    상기 제2 팽창 기구로 감압된 상기 냉매를 가열하는 제2 열교환기(31)와,
    상기 과냉각 열교환기에 액체의 상기 냉매를 모으도록 상기 제1 팽창 기구와 상기 제2 팽창 기구를 조정하는 제1 제어를 행하는 제어부(5)
    를 구비하는,
    냉동 장치(1b).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 과냉각 열교환기에 있어서의 상기 냉매의 과냉각도를 산출 가능한 과냉각 정보를 취득하는 과냉각 정보 취득 수단을 더 구비하고,
    상기 제어부는, 상기 과냉각 정보에 기초하여 상기 과냉각도를 산출하고,
    상기 제1 제어는, 상기 과냉각도에 기초하여 행하여지는,
    냉동 장치(1b).
  3. 제2항에 있어서,
    상기 과냉각 정보 취득 수단은, 상기 과냉각 열교환기에 있어서, 냉매 입구 온도를 검출 가능한 입구 온도 센서(T1)와, 냉매 출구 온도를 검출 가능한 출구 온도 센서(T2)로 이루어지는,
    냉동 장치(1b).
  4. 제2항에 있어서,
    상기 과냉각 정보 취득 수단은, 상기 과냉각 열교환기에 있어서, 냉매 입구 압력을 검출 가능한 입구 압력 센서와, 냉매 출구 온도를 검출 가능한 출구 온도 센서로 이루어지는,
    냉동 장치.
  5. 초임계 영역에서 작동하는 냉매를 이용하는 냉동 장치이고,
    상기 냉매를 압축하는 압축기(21)와,
    상기 냉매를 열교환시키는 제1 열교환기(23)와,
    상기 냉매를 감압시키는 제1 팽창 기구(V2)와,
    상기 냉매를 과냉각시키는 과냉각 열교환기(24)와,
    상기 냉매를 감압시키는 제2 팽창 기구(V3)와,
    상기 냉매를 열교환시키는 제2 열교환기(31)와,
    상기 제2 열교환기에서 증발된 상기 냉매가 상기 압축기로 유입하고, 또한, 상기 압축기에서 압축된 상기 냉매가 상기 제1 열교환기로 유입하는 제1 상태와, 상기 제1 열교환기에서 증발된 상기 냉매가 상기 압축기로 유입하고, 또한, 상기 압축기에서 압축된 상기 냉매가 상기 제2 열교환기로 유입하는 제2 상태를 전환 가능한 전환 기구(V1)와,
    상기 전환 기구가 상기 제1 상태인 경우에, 고압의 상기 냉매를 상기 제1 팽창 기구로 초임계 압력 이하의 중간 압력으로 감압시키고, 또한, 상기 과냉각 열교환기로 과냉각된 중간 압력의 상기 냉매를 상기 제2 팽창 기구로 저압으로 감압시키는 것에 의하여, 상기 과냉각 열교환기에 액체의 상기 냉매를 모으는 제1 제어와, 상기 전환 기구가 상기 제2 상태인 경우에, 고압의 상기 냉매를 상기 제2 팽창 기구로 초임계 압력 이하의 중간 압력으로 감압시키고, 또한, 상기 과냉각 열교환기로 과냉각된 중간 압력의 상기 냉매를 상기 제1 팽창 기구로 저압으로 감압시키는 것에 의하여, 상기 과냉각 열교환기에 액체의 상기 냉매를 모으는 제2 제어를 행하는 제어부(5)
    를 구비하는,
    냉동 장치(1d).
  6. 제5항에 있어서,
    상기 과냉각 열교환기에 있어서의 상기 냉매의 과냉각도를 산출 가능한 과냉각 정보를 취득하는 과냉각 정보 취득 수단을 더 구비하고,
    상기 제어부는, 상기 과냉각 정보에 기초하여 상기 과냉각도를 산출하고,
    상기 제1 제어 또는 상기 제2 제어는, 상기 과냉각도에 기초하여 행하여지는,
    냉동 장치(1d).
  7. 초임계 영역에서 작동하는 냉매를 이용하는 냉동 장치이고,
    상기 냉매를 압축하는 압축기(21)와, 상기 냉매를 제1 유체와 열교환시키는 열원 측 열교환기(23)와, 상기 냉매를 감압 가능한 제1 팽창 기구(V2)와, 상기 냉매를 열교환시키는 열원 측 보조 열교환기(24)와, 상기 냉매를 감압 가능한 제2 팽창 기구(V3)와, 상기 이용 측 열교환기에서 열교환된 상기 냉매가 상기 압축기로 유입하고, 또한, 상기 압축기에서 압축된 상기 냉매가 상기 열원 측 열교환기로 유입하는 제1 상태와, 상기 열원 측 열교환기에서 열교환된 상기 냉매가 상기 압축기로 유입하고, 또한, 상기 압축기에서 압축된 상기 냉매가 상기 이용 측 열교환기로 유입하는 제2 상태를 전환 가능한 전환 기구(V1)를 가지는 열원 유닛(2)과,
    상기 냉매를 열교환시키는 이용 측 열교환기(31)와, 상기 냉매를 감압 가능한 제3 팽창 기구(V6)와, 상기 냉매를 열교환시키는 이용 측 보조 열교환기(32)를 가지는 이용 유닛(3)과,
    상기 전환 기구가 상기 제1 상태인 경우, 또한, 상기 제1 유체의 온도가 상 기 냉매의 임계 온도 미만인 경우에, 상기 열원 측 보조 열교환기를 과냉각기로서 기능시키고, 액체의 상기 냉매를 상기 열원 측 보조 열교환기에 모으도록 상기 제1 팽창 기구와 상기 제2 팽창 기구를 조정하는 제1 제어를 행하고, 상기 전환 기구가 상기 제1 상태인 경우, 또한, 상기 제1 유체의 온도가 상기 냉매의 임계 온도 이상인 경우에, 상기 이용 측 보조 열교환기를 과냉각기로서 기능시키고, 액체의 상기 냉매를 상기 이용 측 보조 열교환기에 모으도록 상기 제2 팽창 기구와 상기 제3 팽창 기구를 조정하는 제2 제어를 행하고, 상기 전환 기구가 상기 제2 상태인 경우에, 상기 이용 측 보조 열교환기를 과냉각기로서 기능시키고, 액체의 상기 냉매를 상기 이용 측 보조 열교환기에 모으도록 상기 제2 팽창 기구와 상기 제3 팽창 기구를 조정하는 제3 제어를 행하는 제어부(5)
    를 구비하는,
    냉동 장치(1).
  8. 제7항에 있어서,
    상기 열원 유닛은, 상기 열원 측 보조 열교환기의 제1 과냉각도를 검출 가능한 열원 측 과냉각 정보 취득 수단을 더 가지고,
    상기 이용 유닛은, 상기 이용 측 보조 열교환기의 제2 과냉각도를 검출 가능한 이용 측 과냉각 정보 취득 수단을 더 가지고,
    상기 제1 제어는, 상기 제1 과냉각도에 기초하여 행하여지고,
    상기 제2 제어 및 상기 제3 제어는, 상기 제2 과냉각도에 기초하여 행하여지 는,
    냉동 장치(1).
  9. 제8항에 있어서,
    상기 열원 측 과냉각 정보 취득 수단은, 상기 열원 측 보조 열교환기에 있어서, 냉매 입구 온도를 검출 가능한 제1 입구 온도 센서(T1)와, 냉매 출구 온도를 검출 가능한 제1 출구 온도 센서(T2)로 이루어지는,
    냉동 장치(1).
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 이용 측 과냉각 정보 취득 수단은, 상기 이용 측 보조 열교환기에 있어서, 냉매 입구 온도를 검출 가능한 제2 입구 온도 센서와, 냉매 출구 온도를 검출 가능한 제2 출구 온도 센서로 이루어지는,
    냉동 장치(1).
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉매는 CO2 냉매인,
    냉동 장치(1).
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