JP2012154575A - 冷凍サイクル装置及びそれを用いた温水暖房装置 - Google Patents

冷凍サイクル装置及びそれを用いた温水暖房装置 Download PDF

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Abstract

【課題】冷凍サイクルの安定した運転を維持しながら、急激な吐出温度の上昇を迅速に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。
【解決手段】凝縮器５出口と減圧手段６との間に配設した過冷却熱交換器８と、過冷却熱交換器８と減圧手段６との間、圧縮機３と蒸発器７との間を、第１流量調整手段１１と過冷却熱交換器８とを介して接続した第１バイパス管９と、過冷却熱交換器８と減圧手段６との間、圧縮機３と蒸発器７との間を、第２流量調整手段１２を介して接続した第２バイパス管１３と、圧縮機３の吐出温度を検出する温度センサ１５とを備え、前記温度センサ１５で検出された温度が、第１所定値よりも上昇した場合、前記第１流量調整手段１１を閉方向に動作させるとともに、前記第２流量調整手段１２は開方向に動作させることを特徴とする冷凍サイクル装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍サイクル装置に関するものである。
一般に、室外温度が−２０℃など極低温条件において、暖房運転を行った場合、蒸発圧力の低下と高凝縮温度の要求により、一般的なヒートポンプの冷凍サイクルにおいて圧縮機の吐出温度は、極端に上昇する。
特に運転開始時や室内側の負荷変動など過渡的な運転状態において、冷凍サイクル内の冷媒の偏在や膨張弁開度の操作量の影響により冷凍サイクルが安定するまでに吐出温度が急激に上昇する場合がある。
従来、このような圧縮機の吐出温度の上昇に対して、凝縮器出口と膨張弁の間の冷媒配管と圧縮機の吸入冷媒配管を膨張弁と過冷却熱交換器を介して接続し、液冷媒を圧縮機吸入にバイパスしている（例えば、特許文献１参照）。
図６は、特許文献１に記載に記載された従来の冷凍サイクル装置を示すものである。図６に示すように、圧縮機１０１、四方弁１０２、凝縮器１０３、ブリッジ回路１０４、蒸発器１０５が環状に接続された冷媒回路を備え、凝縮器１０３はブリッジ回路１０４の第１入力端に接続され、ブリッジ回路１０４の第１出力端は一方が過冷却熱交換器１０６と減圧手段１０７を介してブリッジ回路１０４の第２入力端に接続され、ブリッジ回路の第２出力端と蒸発器１０５が接続されている。また、ブリッジ回路１０４の第１出力端の他方は、バイパス管１０８により過冷却熱交換器１０６を介して冷媒回路のガス側と液側とをバイパスしている。
さらに、このバイパス管１０８の過冷却熱交換器１０６の上流側に冷却熱交換器用の流量調整弁１０９が配設されている。また、圧縮機１０１の吐出管に吐出温度センサ１１０を備え、この吐出温度センサ１１０で検出された吐出温度に基づいて、過冷却熱交換器用の流量調整弁１０９の開度を調整してバイパス管１０８に流れる冷媒量を制御するものである。
特許第３４４０９１０号公報
しかしながら、前記従来の構成では、吐出温度を低減するための液冷媒が一旦過冷却熱交換器を通過するため、液冷媒の潜熱の一部が過冷却熱交換器で吸熱されるため、負荷変動時や過渡運転時などの冷凍サイクル変化に伴う、急激な吐出温度の上昇を迅速に抑制することが困難であるという課題を有していた。
本発明は、前記課題を解決するもので、冷凍サイクルの安定した運転を維持しながら、急激な吐出温度の上昇を迅速に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。
前記従来の課題を解決するために、本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機、凝縮器、減圧手段、蒸発器を順次配管にて接続して形成した冷凍サイクルと、前記凝縮器出口と前記減圧手段との間に配設した過冷却熱交換器と、前記過冷却熱交換器と前記減圧手段との間、前記圧縮機と前記蒸発器との間を、第１流量調整手段と前記過冷却熱交換器とを介して接続した第１バイパス管と、前記過冷却熱交換器と前記減圧手段との間、前記圧縮機と前記蒸発器との間を、第２流量調整手段を介して接続した第２バイパス管と、前記圧縮機の吐出温度を検出する温度センサと、制御装置とを備え、前記温度センサで検出された温度が、第１所定値よりも上昇した場合、前記第１流量調整手段を閉方向に動作させるとともに、前記第２流量調整手段は開方向に動作させることを特徴とするものである。
これにより、第２バイパス管により圧縮機吸入管に液冷媒を直接バイパスできるとともに、第２バイパス管を流れる冷媒の増加量に合わせて、第１バイパス管を流れる冷媒流量を減少させることができる。
その結果、急激に吐出温度が上昇した場合でも、十分に液冷媒をバイパスできるとともに、第１バイパス管と第２バイパス管を流れる冷媒量の総和を一定に維持でき、液バイパスによる冷凍サイクルの変化を抑制することができる。
また、本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機、凝縮器、減圧手段、蒸発器を順次配管にて接続して形成した冷凍サイクルと、前記凝縮器出口と前記減圧手段との間に配設した過冷却熱交換器と、前記過冷却熱交換器と前記減圧手段との間、前記圧縮機と前記蒸発器との間を、第１流量調整手段と前記過冷却熱交換器とを介して接続した第１バイパス管と、前記過冷却熱交換器と前記減圧手段との間、前記圧縮機と前記蒸発器との間を、第２流量調整手段を介して接続した第２バイパス管と、前記圧縮機の吐出温度を検出する温度センサと、制御装置とを備え、前記温度センサで検出された温度が、第２所定値よりも低下した場合、前記第１流量調整手段を開方向に動作させるとともに、前記第２流量調整手段は閉方向に動作させることを特徴とするものである。
これにより、第２バイパス管により圧縮機吸入管に液冷媒を直接バイパスできるとともに、第２バイパス管を流れる冷媒の減少量に合わせて、第１バイパス管を流れる冷媒流量を増加させることができる。
その結果、圧縮機への液冷媒の戻りを防止できるとともに、第１バイパス管と第２バイパス管を流れる冷媒量の総和を一定に維持でき、液バイパスによる冷凍サイクルの変化を抑制することができる。
本発明によれば、冷凍サイクルの安定した運転を維持しながら、急激な吐出温度の上昇を迅速に抑制することができる冷凍サイクル装置を提供できる。
本発明の第１の実施の形態における冷凍サイクル装置の回路図 同流量調整弁の制御フローチャート 同流量調整弁の制御開始時の制御概念図 同吐出温度変化と流量調整弁の開度制御の概念図 同流量調整弁の制御中の制御概念図 従来の冷凍サイクル装置の回路図
第１の発明は、圧縮機、凝縮器、減圧手段、蒸発器を順次配管にて接続して形成した冷
凍サイクルと、前記凝縮器出口と前記減圧手段との間に配設した過冷却熱交換器と、前記過冷却熱交換器と前記減圧手段との間、前記圧縮機と前記蒸発器との間を、第１流量調整手段と前記過冷却熱交換器とを介して接続した第１バイパス管と、前記過冷却熱交換器と前記減圧手段との間、前記圧縮機と前記蒸発器との間を、第２流量調整手段を介して接続した第２バイパス管と、前記圧縮機の吐出温度を検出する温度センサと、制御装置とを備え、前記温度センサで検出された温度が、第１所定値よりも上昇した場合、前記第１流量調整手段を閉方向に動作させるとともに、前記第２流量調整手段は開方向に動作させることを特徴とする冷凍サイクル装置である。
これにより、第２バイパス管により圧縮機吸入管に液冷媒を直接バイパスできるとともに、第２バイパス管を流れる冷媒の増加量に合わせて、第１バイパス管を流れる冷媒流量を減少させることができる。これにより、急激に吐出温度が上昇した場合でも、十分に液冷媒をバイパスできるとともに、第１バイパス管と第２バイパス管を流れる冷媒量の総和を一定に維持でき、液バイパスによる冷凍サイクルの変化を抑制することができる。
従って、吐出温度が急激に上昇した場合でも、液バイパスにより迅速に吐出温度を低下させることが可能となり信頼性を向上できるとともに、液バイパスによる冷凍サイクルの高低圧の変化を抑制できるため、冷凍サイクルの安定を維持し、効率低下を最小限に抑制することができる。
第２の発明は、圧縮機、凝縮器、減圧手段、蒸発器を順次配管にて接続して形成した冷凍サイクルと、前記凝縮器出口と前記減圧手段との間に配設した過冷却熱交換器と、前記過冷却熱交換器と前記減圧手段との間、前記圧縮機と前記蒸発器との間を、第１流量調整手段と前記過冷却熱交換器とを介して接続した第１バイパス管と、前記過冷却熱交換器と前記減圧手段との間、前記圧縮機と前記蒸発器との間を、第２流量調整手段を介して接続した第２バイパス管と、前記圧縮機の吐出温度を検出する温度センサと、制御装置とを備え、前記温度センサで検出された温度が、第２所定値よりも低下した場合、前記第１流量調整手段を開方向に動作させるとともに、前記第２流量調整手段は閉方向に動作させることを特徴とする冷凍サイクル装置である。
これにより、第２バイパス管により圧縮機吸入管に液冷媒を直接バイパスできるとともに、第２バイパス管を流れる冷媒の減少量に合わせて、第１バイパス管を流れる冷媒流量を増加させることができる。これにより、圧縮機への液冷媒戻りを防止できるとともに、第１バイパス管と第２バイパス管を流れる冷媒量の総和を一定に維持でき、液バイパスによる冷凍サイクルの変化を抑制することができる。
従って、圧縮機への液冷媒の戻りを抑制することができ、湿り圧縮を防止することが可能となり信頼性を向上できるとともに、液バイパスによる冷凍サイクルの高低圧の変化を抑制できるため、冷凍サイクルの安定を維持し、効率低下を最小限に抑制することができる。
第３の発明は、第１または第２の発明の記載の冷凍サイクル装置の凝縮器を、冷媒と水との熱交換により水を加熱する熱交換器としたことを特徴とするもので、放熱器が冷媒対空気熱交換器の場合だけでなく、冷媒対水熱交換器の場合の温水暖房装置にも適用でき、第１または第２の発明と同様の効果を得ることができる。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における冷凍サイクル図、図２は、流量調整弁の制御フローチャート、図３は、流量調整弁の制御開始時の制御概念図、図４は、吐出温度変化と流量調整弁の開度制御の概念図、図５は流量調整弁の制御中の制御概念図を示すものである。冷媒としては、例えば、Ｒ４０７Ｃ等の非共沸混合冷媒、Ｒ４１０Ａ等の擬似共沸混合冷媒、または単一冷媒等を用いることができる。
図１において、冷凍サイクルは、室外機１と室内機２から構成され、冷媒を圧縮する圧縮機３、冷媒の流れ方向を切り換える四方弁４、高温高圧の冷媒を凝縮液化させる凝縮器５（室内機２を暖房運転として使用した場合）、高圧液冷媒を減圧膨張させる膨張弁６（減圧手段）、低温二相冷媒を蒸発気化させる蒸発器７（室外機を暖房運転として使用した場合）を順次配管接続して構成されている。
なお、四方弁４を切り換えることにより、通常暖房運転から冷房運転へ、または、通常暖房運転から除霜運転へ切り換えることできる。
また、凝縮器５と膨張弁６の間に、過冷却熱交換器８が配設されており、過冷却熱交換器８の出口は、第１バイパス管９を介して過冷却熱交換器８の低圧側を通じて、圧縮機３の吸入配管１０に接続されている。また、第１バイパス管９は、第１流量調整弁１１（第１流量調整手段）を介して過冷却熱交換器８と接続されている。
さらに、過冷却熱交換器８と膨張弁６とを接続する配管と吸入配管１０は、第２流量調整弁１２（第２流量調整手段）を介して第２バイパス管１３により接続されている。
さらに、圧縮機３の吐出配管１４には、圧縮機３の吐出温度を検知する吐出温度センサ１５が設置され、吐出温度センサ１５の検知温度に応じて第２流量調整弁１２の開度と第２流量調整弁１２の開度制御量に応じて第１流量調整弁１１の開度をそれぞれ制御する制御装置１６が設けられている。
まず、図１に示す冷凍サイクルにおいて、圧縮機３から吐出された高圧ガス冷媒は、吐出配管１０を通って四方弁４を通過し、凝縮器５に流入し放熱して凝縮液化する。その後、凝縮液化した高圧液冷媒は、過冷却熱交換器８により過冷却が取られ、膨張弁６により減圧膨張され低温低圧の二相冷媒となる。
次に、この低温低圧の二相冷媒は、蒸発器７に流入し蒸発気化して、再び、四方弁４を通過後、圧縮機３に吸入される。
一方、第２バイパス管１３においては、吐出配管１０に設置された吐出温度センサ１５により圧縮機３の吐出温度を検知し、予め設定された所定の温度以上になった場合、第２バイパス管１３の途中に配設されている第２流量調整弁１２を所定の開度だけ開放し、第２流量調整弁１２の開度に応じて、第１バイパス管の第１流量調整弁１１を所定の開度だけ閉止する。
また、同じく第２バイパス管１３において、吐出配管１０に設置された吐出温度センサ１５により圧縮機３の吐出温度を検知し、予め設定された所定の温度以下になった場合、第２バイパス管１３の途中に配設されている第２流量調整弁１２を所定の開度だけ閉止し、第２流量調整弁１２の開度に応じて、第１バイパス管の第１流量調整弁１１を所定の開度だけ開放する。
次に、以上のような、構成において、図２、図３、図４、図５を参照しながらその吐出温度の変化に対する制御動作と作用を説明する。
はじめに、通常運転である第１バイパス管９のみでの過冷却熱交換器８を用いた運転状態において、吐出温度Ｔｄの検出を行なう（ステップ１０１）。
次に、吐出温度Ｔｄと予め設定された第１設定温度ＴｄＨとの比較を行う（ステップ１０２）。
このとき、第１設定温度ＴｄＨは、圧縮機３の仕様上設定されるものであり、常用吐出温度や上限吐出温度より所定温度低い温度など、使用上信頼性の低下が起こりえない温度とするとこが望ましい。第１設定温度ＴｄＨとの比較において、検出された吐出温度Ｔｄが第１設定温度ＴｄＨ未満の場合、運転中確認に移行（ステップ１０３）し、運転中の場合、再度ステップ１０１の吐出温度Ｔｄの検出を行なう。
検出された吐出温度Ｔｄが第１設定温度ＴｄＨ以上の場合、図３に示すように第２流量調整弁１２を閉止状態のＰＬＳＬ０から所定開度ＰＬＳＬ１まで開放する。この第２流量調整弁１２の開放動作に合わせて、第１流量調整弁１１の開放動作を行なう。
このとき、第１流量調整弁１１の開度は、図３に示すように第２流量調整弁１２の開放量（ＰＬＳＬ０→ＰＬＳＬ１）の流量変化量Ｇｌと第１流量調整弁１１の逆方向の流量変化量Ｇｓが等しくなるように初期開度ＰＬＳＳ０からＰＬＳＳ１に閉止動作を行なう（ステップ１０４）。
次に、ステップ１０３の動作による吐出温度の変化状態の判定を行なう（ステップ１０５）。
ここで、図４に吐出温度の変化を示す。吐出温度Ｔｄが設定温度ＴｄＨ以上の状態において、吐出温度Ｔｄが上昇状態にある場合、第２流量調整弁１２は、開放動作を行ない、第１流量調整弁は、閉止動作を行なう（ステップ１０６）。逆に吐出温度Ｔｄが下降状態にある場合、第２流量調整弁１２は、閉止動作を行ない、第１流量調整弁は、開放動作を行なう（ステップ１０７）。ここで、吐出温度Ｔｄが下降状態にある場合を例に説明すると、図４に示すように、所定時間ｄＴ後の吐出温度Ｔｄの変化量ｄＴｄを比較し、変化量が０℃未満の場合、下降状態にあると判断する。
このとき、図５に示すように第２流量調整弁１２は閉方向に所定開度制御する。一方、第１流量調整弁１１は、逆の開方向へ所定開度制御する。すなわち、第１流量調整弁１１は、ＰＬＳＬ１からＰＬＳＬ２へΔＧｌ閉止動作を行ない、第１流量調整弁１１は、第２流量調整弁１２の流量変化量の逆方向に等しくなるように、ＰＬＳＳ１からＰＬＳＳ２にΔＧｓだけ開放動作を行なう。吐出温度Ｔｄが設定温度ＴｄＨ以上の状態において、吐出温度Ｔｄが下降状態となるまでこの動作を繰り返す。
次に、吐出温度Ｔｄが下降状態となった場合、吐出温度Ｔｄの検知を行い、第２設定温度ＴｄＬとの比較を行う（ステップ１０８）。
ステップ１０８において、吐出温度Ｔｄが第２設定温度ＴｄＬ以上の場合は、ステップ１０５からステップ１０７を繰り返し、第２設定温度ＴｄＬ未満の場合は、吐出温度Ｔｄの変化状態の判定を行なう（ステップ１０９）。ステップ１０９での変化状態の判定は、ステップ１０５と同様の判定動作である。
ステップ１０９の判定結果に基づいて、吐出温度Ｔｄが下降状態にある場合は、第２流量調整弁１２は閉方向に所定開度制御する。一方、第１流量調整弁１１は、逆の開方向へ
所定開度制御する（ステップ１１０）。
逆に、上昇状態にある場合は、第２流量調整弁１２は開方向に所定開度制御する。一方、第１流量調整弁１１は、逆の閉方向へ所定開度制御する（ステップ１１１）。その後、ステップ１０３の運転確認を行い、停止の場合は制御を終了する。
以上のようにステップ１０１からステップ１１１を繰り返すことにより、負荷変動時など急激な吐出温度の上昇においても、第２バイパス管１３により迅速に吐出温度を低下させることが可能であるとともに、第２バイパス管１３の冷媒流量が過剰になった場合でも、第２流量調整弁１２を閉方向に制御し、第１流量調整弁１１を開方向に制御するため液冷媒の圧縮機への戻りを抑制し、信頼性を向上できる。
また、第２バイパス管１３の第２流量調整弁１２の冷媒流量に応じて、第１バイパス管９の第１流調整量弁１１を逆方向に制御し、第１および第２バイパス管を流れる冷媒流量の総和の変化量が小さくできるため、バイパス時の高低圧の変化を抑制し、冷凍サイクルを安定に維持することができ、効率低下を最小限に抑制することができる。
以上のように、本発明にかかる冷凍サイクル装置は、負荷変動時など吐出温度の急激な上昇時でも冷凍サイクルの安定を維持しながら吐出温度の上昇を抑制するものであり、一般空調機、ヒートポンプ温水暖房機、業務用冷凍機、ヒートポンプ給湯機等の用途にも適用できる。
３ 圧縮機
５ 凝縮器
６ 膨張弁（減圧手段）
７ 蒸発器
８ 過冷却熱交換器
９ 第１バイパス管
１１ 第１流量調整弁（第１流量調整手段）
１２ 第２流量調整弁（第２流量調整手段）
１３ 第２バイパス管
１５ 温度センサ
１６ 制御装置

Claims (3)

  1. 圧縮機、凝縮器、減圧手段、蒸発器を順次配管にて接続して形成した冷凍サイクルと、前記凝縮器出口と前記減圧手段との間に配設した過冷却熱交換器と、前記過冷却熱交換器と前記減圧手段との間、前記圧縮機と前記蒸発器との間を、第１流量調整手段と前記過冷却熱交換器とを介して接続した第１バイパス管と、前記過冷却熱交換器と前記減圧手段との間、前記圧縮機と前記蒸発器との間を、第２流量調整手段を介して接続した第２バイパス管と、前記圧縮機の吐出温度を検出する温度センサと、制御装置とを備え、前記温度センサで検出された温度が、第１所定値よりも上昇した場合、前記第１流量調整手段を閉方向に動作させるとともに、前記第２流量調整手段は開方向に動作させることを特徴とする冷凍サイクル装置。
  2. 圧縮機、凝縮器、減圧手段、蒸発器を順次配管にて接続して形成した冷凍サイクルと、前記凝縮器出口と前記減圧手段との間に配設した過冷却熱交換器と、前記過冷却熱交換器と前記減圧手段との間、前記圧縮機と前記蒸発器との間を、第１流量調整手段と前記過冷却熱交換器とを介して接続した第１バイパス管と、前記過冷却熱交換器と前記減圧手段との間、前記圧縮機と前記蒸発器との間を、第２流量調整手段を介して接続した第２バイパス管と、前記圧縮機の吐出温度を検出する温度センサと、制御装置とを備え、前記温度センサで検出された温度が、第２所定値よりも低下した場合、前記第１流量調整手段を開方向に動作させるとともに、前記第２流量調整手段は閉方向に動作させることを特徴とする冷凍サイクル装置。
  3. 前記請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置の凝縮器を、冷媒と水との熱交換により水を加熱する熱交換器としたことを特徴とする温水暖房装置。
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