WO2008072608A1 - 冷凍装置 - Google Patents

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Yoshio Ueno
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Daikin Industries, Ltd.
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    • F25B9/008Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant the refrigerant being carbon dioxide
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    • F25B2700/21Temperatures
    • F25B2700/2102Temperatures at the outlet of the gas cooler

Definitions

  • the present invention relates to a refrigeration apparatus, and more particularly to a refrigeration apparatus that performs a refrigeration cycle operation in which a high-pressure side becomes a pressure exceeding a critical pressure of a refrigerant.
  • the refrigerant temperature at the outlet of the cooler is The refrigerant pressure range on the high pressure side where the coefficient of performance is near the maximum is defined as the set value of the refrigerant pressure on the high pressure side, and the opening of the throttle means is controlled so that the refrigerant pressure on the high pressure side becomes the set value.
  • Patent Document 1 Patent No. 3679323
  • the refrigerant temperature at the outlet of the cooler changes when the opening degree of the throttle means is controlled so that the refrigerant pressure on the high pressure side becomes a set value.
  • the refrigerant pressure range on the high pressure side where the coefficient of performance is near the maximum also changes, so that the refrigerant pressure set value on the high pressure side after the refrigerant temperature at the outlet of the cooler changes is set.
  • the set value of the high pressure side refrigerant pressure changes due to the control of the opening of the throttle means, etc. There is a problem that it takes time until.
  • An object of the present invention is to enable a high-efficiency operation to be performed quickly in a refrigeration apparatus that performs a refrigeration cycle operation in which the high-pressure side becomes a pressure exceeding the critical pressure of the refrigerant.
  • a refrigeration apparatus according to a first invention has a refrigerant circuit including a compressor, a cooler, an expansion mechanism, and a heater, and a refrigeration cycle operation in which a high pressure side becomes a pressure exceeding a critical pressure of the refrigerant.
  • the refrigerant temperature at which the constant pressure specific heat of the refrigerant at the refrigerant pressure on the high pressure side of the refrigeration cycle is the maximum pseudo-condensation temperature, and this pseudo-condensation temperature and the refrigerant temperature at the outlet of the cooler
  • the component devices are controlled so that the pseudo supercooling degree, which is the temperature difference between the two, falls within a predetermined temperature range.
  • the refrigeration apparatus which is the power of the second invention, is the power of the first invention.
  • the predetermined temperature range is set within a temperature range of 5 ° C to 12 ° C! / RU
  • the inventor of the present application has found that the coefficient of performance is close to the maximum when the pseudo supercooling degree is within a temperature range of 5 ° C to 12 ° C. Therefore, in this refrigeration system, using such knowledge, a predetermined temperature range of the pseudo supercooling degree is obtained. By setting the temperature within the range of C to 12 ° C, high-efficiency operation with a maximum coefficient of performance is achieved.
  • the refrigeration apparatus that is strong in the third invention uses the expansion mechanism as a constituent device in the refrigeration apparatus that is strong in the first or second invention.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an air conditioner as an embodiment of a refrigeration apparatus according to the present invention.
  • FIG. 2 is a pressure-enthalpy diagram illustrating the refrigeration cycle.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the pseudo supercooling degree and the coefficient of performance.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an air conditioner 1 as an embodiment of a refrigeration apparatus according to the present invention.
  • the air conditioner 1 is an apparatus used for indoor air conditioning by performing a vapor compression refrigeration cycle operation.
  • the air conditioner 1 includes a first refrigerant communication pipe 6 and a second refrigerant communication pipe 7 as refrigerant communication pipes that connect the heat source unit 2, the utilization unit 4, and the heat source unit 2 and the utilization unit 4.
  • the vapor compression refrigerant circuit 10 of the air conditioner 1 of the present embodiment is configured by connecting the heat source unit 2, the utilization unit 4, and the refrigerant communication pipes 6 and 7.
  • carbon dioxide is sealed as a refrigerant.
  • the refrigerant circuit 10 is compressed to a pressure exceeding the critical pressure of the refrigerant, cooled, depressurized, heated and evaporated, and then compressed again.
  • the refrigeration cycle operation is performed.
  • the usage unit 4 is installed indoors, etc., and is connected to the heat source unit via the refrigerant communication pipes 6 and 7. 2 and is part of the refrigerant circuit 10.
  • the usage unit 4 mainly has a usage-side refrigerant circuit 10 a that constitutes a part of the refrigerant circuit 10.
  • the use side refrigerant circuit 10 a mainly has a use heat exchanger 41.
  • the use-side heat exchanger 41 is a heat exchanger that functions as a refrigerant heater or cooler. One end of the use heat exchanger 41 is connected to the first refrigerant communication pipe 6, and the other end is connected to the second refrigerant communication pipe 7.
  • the usage unit 4 includes a usage-side fan 42 for sucking indoor air into the unit and supplying it to the room again.
  • the usage unit 4 includes a refrigerant flowing through the usage-side heat exchanger 41 and the indoor air. It is possible to exchange heat.
  • the use side fan 42 is rotationally driven by a use side fan drive motor 42a.
  • the utilization unit 4 is provided with various sensors. Specifically, when the use-side heat exchanger 41 is functioned as a refrigerant cooler, the use-side heat exchanger 41 that detects the cooler outlet refrigerant temperature Tco is provided at the outlet of the use-side heat exchanger 41. Sensor 43 is provided. In the present embodiment, the use side heat exchanger temperature sensor 43 is a thermistor.
  • the usage unit 4 includes a usage-side control unit 44 that controls the operation of each unit constituting the usage unit 4.
  • the usage-side control unit 44 includes a microcomputer, a memory, and the like provided for controlling the usage unit 4, and a remote controller (not shown) for operating the usage unit 4 individually. Control signals etc. can be exchanged between them, and control signals etc. can be exchanged with the heat source unit 2 via the transmission line 8a.
  • the heat source unit 2 is installed outside the room and connected to the usage unit 4 via the refrigerant communication pipes 6 and 7, and the refrigerant circuit 10 is configured between the usage units 4.
  • the heat source unit 2 mainly has a heat source side refrigerant circuit 10b that constitutes a part of the refrigerant circuit 10.
  • the heat source side refrigerant circuit 10b mainly includes a compressor 21, a switching mechanism 22, a heat source side heat exchanger 23, a heat source side expansion mechanism 24, a first closing valve 25, and a second closing valve 26.
  • the compressor 21 is a hermetic compressor driven by a compressor drive motor 21a.
  • the switching mechanism 22 is a mechanism for switching the flow direction of the refrigerant in the refrigerant circuit 10, and during cooling, the heat source side heat exchanger 23 is used as a refrigerant cooler compressed by the compressor 21 and used.
  • the side heat exchanger 41 In order for the side heat exchanger 41 to function as a heater for the refrigerant cooled in the heat source side heat exchanger 23, the discharge side of the compressor 21 and one end of the heat source side heat exchanger 23 are connected and the compressor 21 The suction side and the second shut-off valve 26 are connected (see the solid line of the switching mechanism 22 in FIG. 1).
  • the use side heat exchanger 41 is used as a refrigerant cooler compressed by the compressor 21, and In order for the heat source side heat exchanger 23 to function as a heater for the refrigerant cooled in the use side heat exchanger 41, the discharge side of the compressor 21 and the second closing valve 26 are connected and the suction of the compressor 21 is connected. Side and one end of the heat source side heat exchanger 23 can be connected A capacity (see dashed switching mechanism 22 in FIG. 1).
  • the switching mechanism 22 is a four-way switching valve connected to the suction side of the compressor 21, the discharge side of the compressor 21, the heat source side heat exchanger 23, and the second closing valve 26.
  • the switching mechanism 22 is not limited to a four-way switching valve.
  • the switching mechanism 22 has a function of switching the flow direction of the refrigerant as described above by combining a plurality of solenoid valves.
  • the heat source side heat exchanger 23 is a heat exchanger that functions as a refrigerant cooler or a heater. One end of the heat source side heat exchanger 23 is connected to the switching mechanism 22, and the other end is connected to the heat source side expansion mechanism 24! /.
  • the heat source unit 2 has a heat source side fan 27 for sucking outdoor air into the unit and discharging it outside the room again.
  • the heat source side fan 27 can exchange heat between the outdoor air and the refrigerant flowing through the heat source side heat exchanger 23.
  • the heat source side fan 27 is rotationally driven by a use side fan drive motor 27a.
  • the heat source of the heat source side heat exchanger 23 may be another heat medium such as water, which is not limited to outdoor air.
  • the heat source side expansion mechanism 24 is a mechanism for decompressing the refrigerant.
  • the heat source side heat exchange is performed in order to adjust the flow rate of the refrigerant flowing in the heat source side refrigerant circuit 10b.
  • This is an electric expansion valve connected to the other end of the vessel 23.
  • One end of the heat source side expansion mechanism 24 is connected to the heat source side heat exchanger 23, and the other end is connected to the first closing valve 25.
  • the first closing valve 25 is a valve to which a first refrigerant communication pipe 6 for exchanging refrigerant between the heat source unit 2 and the utilization unit 4 is connected, and is connected to the heat source side expansion mechanism 24. Yes.
  • the second closing valve 26 is a valve to which a second refrigerant communication pipe 7 for exchanging refrigerant between the heat source unit 2 and the utilization unit 4 is connected, and is connected to the switching mechanism 22.
  • the first and second shut-off valves 25 and 26 are three-way valves provided with service ports that can communicate with the outside of the refrigerant circuit 10.
  • the heat source unit 2 is provided with various sensors. Specifically, a compressor discharge pressure sensor 28 for detecting the compressor discharge pressure Pd is provided on the discharge side of the compressor 21, and the heat source side heat exchanger 23 functions as a refrigerant cooler. In this case, a heat source side heat exchanger temperature sensor 29 for detecting the cooler outlet refrigerant temperature Tco is provided at the outlet of the heat source side heat exchanger 23. In the present embodiment, the heat source side heat exchanger temperature sensor 29 is a thermistor. Further, the heat source unit 2 includes a heat source side control unit 30 that controls the operation of each unit constituting the heat source unit 2. The heat source side control unit 30 includes a microcomputer, a memory, and the like provided for controlling the heat source unit 2, and is connected to the use side control unit 44 of the IJ unit 4. The control signal can be exchanged via the transmission line 8a.
  • Refrigerant communication pipes 6 and 7 are refrigerant pipes installed on site when the air conditioner 1 is installed at the installation site.
  • the refrigerant circuit 10 is configured by connecting the use side refrigerant circuit 10a, the heat source side refrigerant circuit 10b, and the refrigerant communication pipes 6 and 7.
  • the air conditioner 1 of the present embodiment is a control that performs various operation controls of the air conditioner 1 by the use side control unit 44, the heat source side control unit 30, and the transmission line 8a that connects the control units 30 and 44.
  • a control unit 8 is configured as a means.
  • the control unit 8 can receive the detection signals of the various sensors 29 and 30, and can control the various component devices 21, 22, 24, 27, and 42 based on the detection signals. It's like! / [0016] (2) Operation of the air conditioner
  • FIG. 2 is a pressure entry ruby diagram illustrating the refrigeration cycle in the present embodiment.
  • the switching mechanism 22 is in the state indicated by the solid line in FIG. 1, that is, the discharge side of the compressor 21 is connected to the heat source side heat exchanger 23, and the suction side of the compressor 21 is connected to the second closing valve 26. It has become a state.
  • the opening degree of the heat source side expansion mechanism 24 is adjusted.
  • the shut-off valves 25 and 26 are opened.
  • the low-pressure refrigerant (see point A in FIG. 2) is sucked into the compressor 21 and the critical pressure (that is, Then, it is compressed to a pressure exceeding Pep) in Fig. 2 and becomes a high-pressure refrigerant (see point B in Fig. 2). Thereafter, the high-pressure refrigerant is sent via the switching mechanism 22 to the heat source side heat exchanger 23 that functions as a refrigerant cooler, and performs heat exchange with the outdoor air supplied by the heat source side fan 27. It is cooled (see point C in Figure 2).
  • the high-pressure refrigerant cooled in the heat-source side heat exchanger 23 is reduced in pressure by the heat-source side expansion mechanism 24 to become a low-pressure gas-liquid two-phase refrigerant (see point D in FIG. 2), and the first closing valve 25 And is sent to the utilization unit 4 via the first refrigerant communication pipe 6.
  • the low-pressure gas-liquid two-phase refrigerant sent to the utilization unit 4 evaporates by being heated by exchanging heat with room air in the utilization-side heat exchanger 41 functioning as a refrigerant heater. It becomes a low-pressure refrigerant (see point A in Fig. 2).
  • the low-pressure refrigerant heated by the use-side heat exchanger 41 is sent to the heat source unit 2 via the second refrigerant communication pipe 7, and the second closing valve 26 and the switching mechanism 22 are sent to the heat source unit 2. Then, it is sucked into the compressor 21 again. In this way, cooling is performed.
  • the pseudo supercooling degree control using the heat source side expansion mechanism 24 is performed.
  • This pseudo supercooling degree control is performed by the compressor pressure based on the refrigerant pressure on the high pressure side of the refrigeration cycle (here, the compressor discharge pressure Pd detected by the compressor discharge pressure sensor 28 or the compressor discharge pressure Pd). (The pressure calculated in consideration of the pressure loss from the discharge side to the heat source side heat exchanger 23))
  • the temperature Tqc is a temperature difference between the pseudo condensing temperature Tqc and the refrigerant temperature at the outlet of the heat source side heat exchanger 23 (that is, the refrigerant outlet refrigerant temperature Tco detected by the heat source side heat exchanger temperature sensor 29).
  • the degree of opening of the heat source side expansion mechanism 24 is adjusted so that the pseudo supercooling degree ATqsc is within a predetermined temperature range.
  • FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the pseudo supercooling degree ATqsc and the coefficient of performance.
  • the refrigerant pressure range on the high pressure side where the coefficient of performance is near the maximum is defined as the set value of the refrigerant pressure on the high pressure side with respect to the refrigerant temperature Tco at the outlet of the cooler.
  • the opening control of the heat source side expansion mechanism 24 is performed so that it becomes a set value, the refrigerant temperature Tco at the outlet of the cooler changes, and accordingly, the refrigerant pressure range on the high pressure side where the coefficient of performance is near the maximum also changes. Therefore, the opening degree of the heat source side expansion mechanism 24 must be repeatedly controlled so that the set value of the refrigerant pressure on the high pressure side after the cooler outlet refrigerant temperature Tco has changed, and the coefficient of performance is maximized. There is a problem that it takes time to get close.
  • the present inventor examined the control amount in the refrigeration cycle having a correlation with the coefficient of performance in addition to the refrigerant pressure range on the high-pressure side with respect to the cooler outlet refrigerant temperature Tco, and as shown in FIG. We found that there was a correlation between the coefficient of performance and the pseudo supercooling degree ATqsc.
  • the refrigerant temperature at which the constant pressure specific heat of the refrigerant becomes maximum is the pseudocondensation temperature Tqc (point E and boundary point Tcp in Fig. 2).
  • the coefficient of performance would change around the maximum if the pseudo-supercooling degree ATqsc, which is the degree of cooling from the pseudo-condensation temperature Tqc, was within the specified temperature range.
  • the predetermined temperature range of the pseudo supercooling degree ATqsc is within a temperature range of 5 ° C to 12 ° C as shown in FIG.
  • a control method is employed in which one controlled variable, the pseudo supercooling degree ATqsc, is controlled within a predetermined temperature range.
  • pseudo supercooling degree control is performed using the heat source side expansion mechanism 24, and the pseudo supercooling degree ATqsc is a lower limit value of a predetermined temperature range (for example, 5 ° C). If the temperature is smaller than), the opening degree of the heat source side expansion mechanism 24 is controlled to decrease, and the pseudo subcooling degree ATqsc increases the upper limit value of the predetermined temperature range (for example, 12 ° C). In addition, since the opening degree of the heat source side expansion mechanism 24 can be controlled to increase, the control responsiveness is good.
  • the switching mechanism 22 is in the state shown by the broken line in FIG. 1, that is, the discharge side of the compressor 21 is connected to the second shut-off valve 26, and the suction side of the compressor 21 is connected to the heat source side heat exchanger 23. It has become a state.
  • the opening degree of the heat source side expansion mechanism 24 is adjusted.
  • the shut-off valves 25 and 26 are opened.
  • the low-pressure refrigerant (see point A in FIG. 2) is sucked into the compressor 21 and the critical pressure (that is, Then, it is compressed to a pressure exceeding Pep) in Fig. 2 and becomes a high-pressure refrigerant (see point B in Fig. 2). Thereafter, the high-pressure refrigerant is sent to the utilization unit 4 via the switching mechanism 22, the second closing valve 26 and the second refrigerant communication pipe 7.
  • the high-pressure refrigerant sent to the usage unit 4 is cooled by exchanging heat with room air in the usage-side heat exchanger 41 functioning as a refrigerant cooler (see point C in FIG. 2).
  • the high-pressure refrigerant sent to the heat source unit 2 is depressurized by the heat-source side expansion mechanism 24 to become a low-pressure gas-liquid two-phase refrigerant (see point D in FIG. 2), and a heat source that functions as a refrigerant heater. It flows into the side heat exchanger 23. Then, the low-pressure gas-liquid two-phase refrigerant flowing into the heat source side heat exchanger 23 is supplied to the outdoor air supplied by the heat source side fan 27. The refrigerant evaporates into a low-pressure refrigerant (see point A in FIG. 2) and is sucked into the compressor 21 again via the switching mechanism 22. In this way, heating is performed.
  • the pseudo supercooling degree control using the heat source side expansion mechanism 24 is performed!
  • the pseudo condensing temperature Tqc and the refrigerant temperature at the outlet of the use side heat exchanger 41 that is, the refrigerant outlet refrigerant temperature Tco detected by the use side heat exchanger temperature sensor 43
  • the difference between the temperature difference and the pseudo supercooling degree ATqsc is different from that during cooling Basically, the same control as during cooling can be performed. This operation can be realized quickly.
  • the operation control in the cooling and heating including the pseudo supercooling degree control described above is performed by the control unit 8 functioning as the operation control unit. Specifically, the use side control unit 44, the heat source side control unit 30, and the control units 30, 44 This is done by the transmission line 8a) connecting them.
  • the heat source side expansion mechanism 24 is used as a component device for performing the pseudo supercooling degree control.
  • the compressor 21 is used and the compressor 21 is operated.
  • the pseudo supercooling degree control may be performed by adjusting the capacity, and the pseudo supercooling degree may be controlled by adjusting the air volume of the heat source side fan 27 during cooling and using the heat source side fan 27.
  • the use-side fan 42 may be used to adjust the air volume of the use-side fan 42 to perform the pseudo supercooling degree control.
  • the present invention is applied to the separate air conditioner 1 in which the utilization unit 4 is connected to the heat source unit 2 via the refrigerant communication pipes 6 and 7.
  • the present invention is not limited to this, and various refrigeration units are used.
  • the present invention may be applied to an apparatus.

Abstract

 高圧側が冷媒の臨界圧力を超える圧力となる冷凍サイクル運転を行う冷凍装置において、高効率の運転を速やかに実施できるようにする。冷凍装置は、圧縮機と冷却器と膨張機構と加熱器とを含む冷媒回路を有しており、高圧側が冷媒の臨界圧力を超える圧力となる冷凍サイクル運転を行う冷凍装置において、冷凍サイクルの高圧側の冷媒圧力における冷媒の定圧比熱が最大となる冷媒温度を擬似凝縮温度として、この擬似凝縮温度と冷却器の出口における冷媒温度との温度差である擬似過冷却度が所定の温度範囲内になるように、構成機器の制御を行う。

Description

明 細 書
冷凍装置
技術分野
[0001] 本発明は、冷凍装置、特に、高圧側が冷媒の臨界圧力を超える圧力となる冷凍サ イタル運転を行う冷凍装置に関する。
背景技術
[0002] 近年、冷凍装置の一種である空気調和装置において、冷媒回路内に封入される冷 媒として、環境への影響の小さい自然冷媒の使用が検討されている。そして、自然冷 媒として二酸化炭素等の臨界温度が低いものを使用する場合には、高圧側の冷媒 圧力が冷媒の臨界圧力を超える圧力となる冷凍サイクル運転が行われることになる。 このような高圧側が冷媒の臨界圧力を超える圧力となる冷凍サイクル運転を行う空 気調和装置においては、高効率な運転を可能にするために、冷却器の出口におけ る冷媒温度に対して、成績係数が最大付近になる高圧側の冷媒圧力範囲を高圧側 の冷媒圧力の設定値として規定しておき、高圧側の冷媒圧力が設定値になるように 、絞り手段の開度等を制御しているものがある(特許文献 1参照)。
特許文献 1 :特許 3679323号
発明の開示
[0003] しかし、上述の高圧側の冷媒圧力の制御手法では、高圧側の冷媒圧力が設定値 になるように絞り手段の開度等を制御する際に、冷却器の出口における冷媒温度が 変化し、これに伴い、成績係数が最大付近になる高圧側の冷媒圧力範囲も変化する ことになるため、冷却器の出口における冷媒温度が変化した後の高圧側の冷媒圧力 の設定値になるように、絞り手段の開度等を繰り返し制御しなければならなくなる。こ のように、従来の高圧側の冷媒圧力の制御手法では、絞り手段の開度等の制御によ つて高圧側の冷媒圧力の設定値が変化してしまうため、成績係数が最大付近にする までに時間がかかるという問題がある。
本発明の課題は、高圧側が冷媒の臨界圧力を超える圧力となる冷凍サイクル運転 を行う冷凍装置において、高効率の運転を速やかに実施できるようにすることにある [0004] 第 1の発明にかかる冷凍装置は、圧縮機と冷却器と膨張機構と加熱器とを含む冷 媒回路を有しており、高圧側が冷媒の臨界圧力を超える圧力となる冷凍サイクル運 転を行う冷凍装置にお!/、て、冷凍サイクルの高圧側の冷媒圧力における冷媒の定圧 比熱が最大となる冷媒温度を擬似凝縮温度として、この擬似凝縮温度と冷却器の出 口における冷媒温度との温度差である擬似過冷却度が所定の温度範囲内になるよう に、構成機器の制御を行う。
本願発明者は、成績係数と擬似過冷却度との間に相関があることを見出した。そこ で、この冷凍装置では、このような知見を利用して、擬似過冷却度という 1つの制御量 を所定の温度範囲内に制御する制御手法を採用するようにしている。
これにより、冷却器の出口における冷媒温度に対する高圧側の冷媒圧力が設定値 になるように制御するという従来の制御手法に比べて、制御の収束性が高くなるため 、擬似過冷却度の所定の温度範囲を成績係数が最大付近になる温度範囲に設定し た場合には、高効率の運転を速やかに実施することができる。
[0005] 第 2の発明に力、かる冷凍装置は、第 1の発明に力、かる冷凍装置において、所定の 温度範囲は、 5°Cから 12°Cの温度範囲内に設定されて!/、る。
本願発明者は、擬似過冷却度が 5°Cから 12°Cの温度範囲内においては、成績係 数が最大付近になることを見出した。そこで、この冷凍装置では、このような知見を利 用して、擬似過冷却度の所定の温度範囲を。 C度から 12°Cの温度範囲内に設定する ことで、成績係数が最大付近になる高効率な運転を実現してレ、る。
[0006] 第 3の発明に力、かる冷凍装置は、第 1又は第 2の発明に力、かる冷凍装置において、 構成機器として、膨張機構を用いる。
この冷凍装置では、擬似過冷却度を所定の温度範囲内に制御するために膨張機 構を使用しているため、制御応答性が良好になる。
図面の簡単な説明
[0007] [図 1]本発明にかかる冷凍装置の一実施形態としての空気調和装置の概略構成図 である。
[図 2]冷凍サイクルが図示された圧力ーェンタルピ線図である。 [図 3]擬似過冷却度と成績係数との関係を示す図である。
符号の説明
[0008] 1 空気調和装置 (冷凍装置)
2 熱源ユニット
4 利用ユニット
6、 7 冷媒連絡管
10 冷媒回路
21 圧縮機
23 熱源側熱交換器 (冷却器、加熱器)
24 熱源側膨張機構 (膨張機構)
41 利用側熱交換器 (加熱器、冷却器)
Tqc 擬似凝縮温度
ATqsc 擬似過冷却度
発明を実施するための最良の形態
[0009] 以下、図面に基づいて、本発明に力、かる冷凍装置の実施形態について説明する。
(1)空気調和装置の構成
図 1は、本発明にかかる冷凍装置の一実施形態としての空気調和装置 1の概略構 成図である。空気調和装置 1は、蒸気圧縮式の冷凍サイクル運転を行うことによって 、室内の冷暖房に使用される装置である。空気調和装置 1は、本実施形態において 、熱源ユニット 2と、利用ユニット 4と、熱源ユニット 2と利用ユニット 4とを接続する冷媒 連絡管としての第 1冷媒連絡管 6及び第 2冷媒連絡管 7とを備えている。すなわち、 本実施形態の空気調和装置 1の蒸気圧縮式の冷媒回路 10は、熱源ユニット 2と、利 用ユニット 4と、冷媒連絡管 6、 7とが接続されることによって構成されている。そして、 冷媒回路 10内には、二酸化炭素が冷媒として封入されており、後述のように、冷媒 の臨界圧力を超える圧力まで圧縮され、冷却され、減圧され、加熱'蒸発された後に 、再び圧縮されるという冷凍サイクル運転が行われるようになつている。
[0010] 一利用ユニット
利用ユニット 4は、室内等に設置されており、冷媒連絡管 6、 7を介して熱源ユニット 2に接続されており、冷媒回路 10の一部を構成している。
次に、利用ユニット 4の構成について説明する。利用ユニット 4は、主として、冷媒回 路 10の一部を構成する利用側冷媒回路 10aを有している。この利用側冷媒回路 10 aは、主として、利用熱交換器 41を有している。
利用側熱交換器 41は、冷媒の加熱器又は冷却器として機能する熱交換器である。 利用熱交換器 41は、その一端が第 1冷媒連絡管 6に接続され、その他端が第 2冷媒 連絡管 7に接続されている。
利用ユニット 4は、本実施形態において、ユニット内に室内空気を吸入して、再び室 内に供給するための利用側ファン 42を備えており、室内空気と利用側熱交換器 41 を流れる冷媒とを熱交換させることが可能である。利用側ファン 42は、利用側ファン 駆動モータ 42aによって回転駆動されるようになっている。
[0011] また、利用ユニット 4には、各種のセンサが設けられている。具体的には、冷媒の冷 却器として利用側熱交換器 41を機能させた場合における利用側熱交換器 41の出 口には、冷却器出口冷媒温度 Tcoを検出する利用側熱交換器温度センサ 43が設け られている。本実施形態において、利用側熱交換器温度センサ 43は、サーミスタか らなる。また、利用ユニット 4は、利用ユニット 4を構成する各部の動作を制御する利 用側制御部 44を有している。そして、利用側制御部 44は、利用ユニット 4の制御を行 うために設けられたマイクロコンピュータやメモリ等を有しており、利用ユニット 4を個 別に操作するためのリモコン(図示せず)との間で制御信号等のやりとりを行ったり、 熱源ユニット 2との間で伝送線 8aを介して制御信号等のやりとりを行うことができるよう になっている。
熱源ユニット
熱源ユニット 2は、室外等に設置されており、冷媒連絡管 6、 7を介して利用ユニット 4に接続されており、利用ユニット 4の間で冷媒回路 10を構成している。
[0012] 次に、熱源ユニット 2の構成につ!/、て説明する。熱源ユニット 2は、主として、冷媒回 路 10の一部を構成する熱源側冷媒回路 10bを有して!/、る。この熱源側冷媒回路 10 bは、主として、圧縮機 21と、切換機構 22と、熱源側熱交換器 23と、熱源側膨張機 構 24と、第 1閉鎖弁 25と、第 2閉鎖弁 26とを有している。 圧縮機 21は、本実施形態において、圧縮機駆動モータ 21aによって駆動される密 閉式圧縮機である。
切換機構 22は、冷媒回路 10内における冷媒の流れの方向を切り換えるための機 構であり、冷房時には、熱源側熱交換器 23を圧縮機 21によって圧縮される冷媒の 冷却器として、かつ、利用側熱交換器 41を熱源側熱交換器 23において冷却された 冷媒の加熱器として機能させるために、圧縮機 21の吐出側と熱源側熱交換器 23の 一端とを接続するとともに圧縮機 21の吸入側と第 2閉鎖弁 26とを接続し(図 1の切換 機構 22の実線を参照)、暖房時には、利用側熱交換器 41を圧縮機 21によって圧縮 される冷媒の冷却器として、かつ、熱源側熱交換器 23を利用側熱交換器 41におい て冷却された冷媒の加熱器として機能させるために、圧縮機 21の吐出側と第 2閉鎖 弁 26とを接続するとともに圧縮機 21の吸入側と熱源側熱交換器 23の一端とを接続 することが可能である(図 1の切換機構 22の破線を参照)。本実施形態において、切 換機構 22は、圧縮機 21の吸入側、圧縮機 21の吐出側、熱源側熱交換器 23及び第 2閉鎖弁 26に接続された四路切換弁である。尚、切換機構 22は、四路切換弁に限 定されるものではなぐ例えば、複数の電磁弁を組み合わせる等によって、上述と同 様の冷媒の流れの方向を切り換える機能を有するように構成したものであってもよい 熱源側熱交換器 23は、冷媒の冷却器又は加熱器として機能する熱交換器である。 熱源側熱交換器 23は、その一端が切換機構 22に接続されており、その他端が熱源 側膨張機構 24に接続されて!/、る。
熱源ユニット 2は、ユニット内に室外空気を吸入して、再び室外に排出するための 熱源側ファン 27を有している。この熱源側ファン 27は、室外空気と熱源側熱交換器 23を流れる冷媒とを熱交換させることが可能である。熱源側ファン 27は、利用側ファ ン駆動モータ 27aによって回転駆動されるようになっている。尚、熱源側熱交換器 23 の熱源としては、室外空気に限定されるものではなぐ水等の別の熱媒体であっても よい。
熱源側膨張機構 24は、冷媒を減圧するための機構であり、本実施形態において、 熱源側冷媒回路 10b内を流れる冷媒の流量の調節等を行うために、熱源側熱交換 器 23の他端に接続された電動膨張弁である。熱源側膨張機構 24は、その一端が熱 源側熱交換器 23に接続され、その他端が第 1閉鎖弁 25に接続されている。
[0014] 第 1閉鎖弁 25は、熱源ユニット 2と利用ユニット 4との間で冷媒をやりとりするための 第 1冷媒連絡管 6が接続される弁であり、熱源側膨張機構 24に接続されている。第 2 閉鎖弁 26は、熱源ユニット 2と利用ユニット 4との間で冷媒をやりとりするための第 2冷 媒連絡管 7が接続される弁であり、切換機構 22に接続されている。ここで、第 1及び 第 2閉鎖弁 25、 26は、冷媒回路 10の外部と連通可能なサービスポートを備えた 3方 弁である。
また、熱源ユニット 2には、各種のセンサが設けられている。具体的には、圧縮機 21 の吐出側には、圧縮機吐出圧力 Pdを検出する圧縮機吐出圧力センサ 28が設けら れており、冷媒の冷却器として熱源側熱交換器 23を機能させた場合における熱源側 熱交換器 23の出口には、冷却器出口冷媒温度 Tcoを検出する熱源側熱交換器温 度センサ 29が設けられている。本実施形態において、熱源側熱交換器温度センサ 2 9は、サーミスタからなる。また、熱源ユニット 2は、熱源ユニット 2を構成する各部の動 作を制御する熱源側制御部 30を有している。そして、熱源側制御部 30は、熱源ュニ ット 2の制御を行うために設けられたマイクロコンピュータやメモリ等を有しており、禾 IJ 用ユニット 4の利用側制御部 44との間で伝送線 8aを介して制御信号等のやりとりを fiうことができるようになつている。
[0015] ー冷媒連絡管
冷媒連絡管 6、 7は、空気調和装置 1を設置場所に設置する際に、現地にて施工さ れる冷媒管である。
以上のように、利用側冷媒回路 10aと、熱源側冷媒回路 10bと、冷媒連絡管 6、 7と が接続されて、冷媒回路 10が構成されている。そして、本実施形態の空気調和装置 1は、利用側制御部 44と熱源側制御部 30と制御部 30、 44間を接続する伝送線 8aと によって、空気調和装置 1の各種運転制御を行う制御手段としての制御部 8が構成さ れている。制御部 8は、各種センサ 29、 30の検出信号等を受けることができるととも に、これらの検出信号等に基づいて各種構成機器 21、 22、 24、 27、 42を制御する こと力 Sできるようになって!/、る。 [0016] (2)空気調和装置の動作
次に、本実施形態の空気調和装置 1の動作について、図 1及び図 2を用いて説明 する。ここで、図 2は、本実施形態における冷凍サイクルが図示された圧力 ェンタ ルビ線図である。
冷房
冷房時は、切換機構 22が図 1の実線で示される状態、すなわち、圧縮機 21の吐出 側が熱源側熱交換器 23に接続され、かつ、圧縮機 21の吸入側が第 2閉鎖弁 26に 接続された状態となっている。熱源側膨張機構 24は、開度調節されるようになってい る。また、閉鎖弁 25、 26は、開状態にされている。
この冷媒回路 10の状態において、圧縮機 21、熱源側ファン 27及び利用側ファン 4 2を起動すると、低圧の冷媒(図 2の点 A参照)は、圧縮機 21に吸入されて臨界圧力( すなわち、図 2の Pep)を超える圧力まで圧縮されて高圧の冷媒となる(図 2の点 B参 照)。その後、高圧の冷媒は、切換機構 22を経由して、冷媒の冷却器として機能する 熱源側熱交換器 23に送られて、熱源側ファン 27によって供給される室外空気と熱交 換を行って冷却される(図 2の点 C参照)。そして、熱源側熱交換器 23において冷却 された高圧の冷媒は、熱源側膨張機構 24によって減圧されて低圧の気液二相状態 の冷媒となり(図 2の点 D参照)、第 1閉鎖弁 25及び第 1冷媒連絡管 6を経由して、利 用ユニット 4に送られる。この利用ユニット 4に送られた低圧の気液二相状態の冷媒は 、冷媒の加熱器として機能する利用側熱交換器 41において、室内空気と熱交換を 行って加熱されることによって蒸発して低圧の冷媒となる(図 2の点 A参照)。そして、 この利用側熱交換器 41にお!/、て加熱された低圧の冷媒は、第 2冷媒連絡管 7を経 由して熱源ユニット 2に送られ、第 2閉鎖弁 26及び切換機構 22を経由して、再び、圧 縮機 21に吸入される。このようにして、冷房が行われる。
[0017] この冷房時にお!/、ては、熱源側膨張機構 24を用いた擬似過冷却度制御が行われ ている。この擬似過冷却度制御は、冷凍サイクルの高圧側の冷媒圧力(ここでは、圧 縮機吐出圧力センサ 28によって検出された圧縮機吐出圧力 Pd、又は、圧縮機吐出 圧力 Pdに基づいて圧縮機 21の吐出側から熱源側熱交換器 23までの圧力損失を考 慮して演算された圧力)における冷媒の定圧比熱が最大となる冷媒温度を擬似凝縮 温度 Tqcとし、この擬似凝縮温度 Tqcと熱源側熱交換器 23の出口における冷媒温 度 (すなわち、熱源側熱交換器温度センサ 29によって検出された冷却器出口冷媒 温度 Tco)との温度差である擬似過冷却度 ATqscが所定の温度範囲内になるように 、熱源側膨張機構 24の開度調節を行うものである。
ここで、擬似過冷却度 ATqscが所定の温度範囲内になるように制御を行う理由に ついて、図 1〜図 3を用いて説明する。ここで、図 3は、擬似過冷却度 ATqscと成績 係数との関係を示す図である。
[0018] 図 2に示される点 A、点 B、点 C、点 D、点 Aの順に繰り返される冷凍サイクル運転に おいては、冷却器出口冷媒温度 Tcoが与えられた場合に、成績係数が最大付近に なる最適な高圧側の冷媒圧力が存在する。
しかし、従来のように、冷却器出口冷媒温度 Tcoに対して、成績係数が最大付近に なる高圧側の冷媒圧力範囲を高圧側の冷媒圧力の設定値として規定し、高圧側の 冷媒圧力がこの設定値になるように熱源側膨張機構 24の開度制御を行うと、冷却器 出口冷媒温度 Tcoが変化し、これに伴い、成績係数が最大付近になる高圧側の冷 媒圧力範囲も変化することになるため、冷却器出口冷媒温度 Tcoが変化した後の高 圧側の冷媒圧力の設定値になるように、熱源側膨張機構 24の開度を繰り返し制御し なければならなくなり、成績係数が最大付近にするまでに時間力 Sかかるという問題が ある。
[0019] そこで、本願発明者は、冷却器出口冷媒温度 Tcoに対する高圧側の冷媒圧力範 囲以外に、成績係数と相関がある冷凍サイクルにおける制御量を検討し、図 3に示さ れるように、成績係数と擬似過冷却度 ATqscとの間に相関があることを見出した。つ まり、高圧側の冷媒圧力が臨界圧力 Pepを超える冷凍サイクル運転を行う場合には、 冷媒の定圧比熱が最大となる冷媒温度を擬似凝縮温度 Tqcとし(図 2の点 E及び臨 界点 Tcpを通る点線を参照)、この擬似凝縮温度 Tqcからの冷却度合いである擬似 過冷却度 ATqscを所定の温度範囲内にすれば、成績係数が最大付近で推移する ことを見出した。ここで、擬似過冷却度 ATqscの所定の温度範囲としては、図 3に示 されるように、 5°Cから 12°Cの温度範囲内にすることが望ましい。
そして、本実施形態の空気調和装置 1においては、このような知見を利用して、上 述のように、擬似過冷却度 ATqscという 1つの制御量を所定の温度範囲内に制御す る制御手法を採用するようにしている。
[0020] これにより、冷却器出口冷媒温度 Tcoに対する高圧側の冷媒圧力が設定値になる ように制御するという従来の制御手法に比べて、制御の収束性が高くなるため、擬似 過冷却度 ATqscの所定の温度範囲を成績係数が最大付近になる温度範囲に設定 した場合には、高効率の運転を速やかに実施することができる。
しかも、本実施形態にお!、ては、熱源側膨張機構 24を用いて擬似過冷却度制御 が行われており、擬似過冷却度 ATqscが所定の温度範囲の下限値 (例えば、 5°C) よりも小さくなる場合には、熱源側膨張機構 24の開度を小さくする方向に制御し、擬 似過冷却度 ATqscが所定の温度範囲の上限値 (例えば、 12°C)を大きくなる場合に は、熱源側膨張機構 24の開度を大きくする方向に制御することができるため、制御 応答性が良好である。
[0021] 暖房
暖房時は、切換機構 22が図 1の破線で示される状態、すなわち、圧縮機 21の吐出 側が第 2閉鎖弁 26に接続され、かつ、圧縮機 21の吸入側が熱源側熱交換器 23に 接続された状態となっている。熱源側膨張機構 24は、開度調節されるようになってい る。また、閉鎖弁 25、 26は、開状態にされている。
この冷媒回路 10の状態において、圧縮機 21、熱源側ファン 27及び利用側ファン 4 2を起動すると、低圧の冷媒(図 2の点 A参照)は、圧縮機 21に吸入されて臨界圧力( すなわち、図 2の Pep)を超える圧力まで圧縮されて高圧の冷媒となる(図 2の点 B参 照)。その後、この高圧の冷媒は、切換機構 22、第 2閉鎖弁 26及び第 2冷媒連絡管 7を経由して、利用ユニット 4に送られる。そして、利用ユニット 4に送られた高圧の冷 媒は、冷媒の冷却器として機能する利用側熱交換器 41において、室内空気と熱交 換を行って冷却された後(図 2の点 C参照)、第 1冷媒連絡管 6を経由して熱源ュニッ ト 2に送られる。この熱源ユニット 2に送られた高圧の冷媒は、熱源側膨張機構 24に よって減圧されて低圧の気液二相状態の冷媒となり(図 2の点 D参照)、冷媒の加熱 器として機能する熱源側熱交換器 23に流入する。そして、熱源側熱交換器 23に流 入した低圧の気液二相状態の冷媒は、熱源側ファン 27によって供給される室外空気 と熱交換を行って加熱されることによって蒸発して低圧の冷媒となり(図 2の点 A参照 )、切換機構 22を経由して、再び、圧縮機 21に吸入される。このようにして、暖房が 行われる。
[0022] この暖房時にお!/、ても、熱源側膨張機構 24を用いた擬似過冷却度制御が行われ て!/、る。この暖房時における擬似過冷却度制御では、擬似凝縮温度 Tqcと利用側熱 交換器 41の出口における冷媒温度(すなわち、利用側熱交換器温度センサ 43によ つて検出された冷却器出口冷媒温度 Tco)との温度差を擬似過冷却度 ATqscとす る点が冷房時と異なる力 基本的には、冷房時と同様の制御を行うことができ、これに より、冷房時と同様に、高効率の運転を速やかに実現することができる。
以上の擬似過冷却度制御を含む冷房及び暖房における運転制御は、運転制御手 段として機能する制御部 8はり具体的には、利用側制御部 44と熱源側制御部 30と 制御部 30、 44間を接続する伝送線 8a)によって行われる。
(3)他の実施形態
以上、本発明の実施形態について図面に基づいて説明した力 具体的な構成は、 これらの実施形態に限られるものではなぐ発明の要旨を逸脱しない範囲で変更可 能である。
[0023] (A)
上述の実施形態では、擬似過冷却度制御を行うための構成機器として、熱源側膨 張機構 24を用いているが、これに限定されず、例えば、圧縮機 21を用い、圧縮機 21 の運転容量を調節することによって擬似過冷却度制御を行ってもよいし、また、冷房 時においては、熱源側ファン 27を用い、熱源側ファン 27の風量を調節することによつ て擬似過冷却度制御を行ったり、暖房時においては、利用側ファン 42を用い、利用 側ファン 42の風量を調節することによって擬似過冷却度制御を行うようにしてもよい。
(B)
上述の実施形態では、熱源ユニット 2に利用ユニット 4が冷媒連絡管 6、 7を介して 接続されたセパレート型の空気調和装置 1に本発明を適用したが、これに限定され ず、種々の冷凍装置に本発明を適用してもよい。
産業上の利用可能性 本発明を利用すれば、高圧側が冷媒の臨界圧力を超える圧力となる冷凍サイクル 運転を行う冷凍装置において、高効率の運転を速やかに実施できるようになる。

Claims

請求の範囲
[1] 圧縮機 (21)と冷却器 (23、 41)と膨張機構 (24)と加熱器 (41、 23)とを含む冷媒 回路(10)を有しており、高圧側が冷媒の臨界圧力を超える圧力となる冷凍サイクノレ 運転を行う冷凍装置にお!/、て、
冷凍サイクルの高圧側の冷媒圧力における冷媒の定圧比熱が最大となる冷媒温 度を擬似凝縮温度 (Tqc)として、この擬似凝縮温度と冷却器の出口における冷媒温 度 (Tco)との温度差である擬似過冷却度( ATqsc)が所定の温度範囲内になるよう に、構成機器の制御を行う、
冷凍装置(1)。
[2] 前記所定の温度範囲は、 5°Cから 12°Cの温度範囲内に設定されている、請求項 1 に記載の冷凍装置(1)。
[3] 前記構成機器として、前記膨張機構(24)を用いる、請求項 1又は 2に記載の冷凍 装置(1)。
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