JP2005164103A - 冷凍サイクル装置およびその制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】圧縮機11,給湯用熱交換器としての放熱器12の冷媒流路12a,内部熱交換手段15の高圧側冷媒流路15a,減圧器13,蒸発器14,内部熱交換手段15の低圧側冷媒流路15bから冷媒回路Aを形成する冷凍サイクル装置において、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇したことを圧力検出装置24により検出し、バイパス回路16に設けた第一電磁弁17を電磁弁制御装置25により閉状態となるように制御し、蒸発器14出口と圧縮機11入口の間の低圧側冷媒流路15bに低圧側冷媒を流入し、放熱器12出口と減圧器13入口の間の高圧側冷媒流路15aを流れる高圧側冷媒を冷却して、高圧側圧力を低減させる。
【選択図】 図1
Description
二酸化炭素やエタンなどの冷媒は、臨界温度が低く、従来の冷凍サイクル装置の高圧側(圧縮機出口〜放熱器〜減圧器入口)では凝縮が生じず、臨界圧力以上で運転される超臨界サイクルとなる。このため、高圧側の圧力は、高圧側の冷媒の温度とは無関係に任意に調整でき、通常は冷凍サイクル装置の効率が最良となる圧力に調整される。
高圧側圧力を調整するには、高圧側における冷媒の質量、すなわち、高圧側の冷媒ホールド量を変化させることにより達成できる。特許文献1には、高圧側圧力を調整する方法として、減圧器開度の調整により緩衝用冷媒レシーバの液体残量を変更し、高圧側の冷媒ホールド量を変化させる方法、すなわち、レシーバに貯蔵した液冷媒を、高圧側に付加または除去する方法が提案されている。
なお、特許文献1の図2に記載されている向流型熱交換器12は、「この装置の機能を達成するために絶対に必要であるというものではないが、その効率、特に能力増大要件に対する応答速度を改善する。」と記載されており、高圧側の冷媒ホールド量を調整する目的で備えられているものではなく、効率改善の目的で備えられているものである。
このため、レシーバやアキュームレータを備えない冷凍サイクル装置を用い、様々な検討を行った結果、通常の運転状態では、減圧器の開度を調整することにより低圧側のホールド量と高圧側のホールド量の割合を変化させることで、高圧側の圧力をある程度調整できるが、放熱器で放熱する流体(例えば、空調機の場合では室内空気や外気、給湯器の場合では水など)の温度が高い場合に、高圧側圧力が異常に上昇してしまい、冷凍サイクル装置の信頼性が低下するといった課題があることが明らかになった。
請求項2記載の本発明は、請求項1に記載の冷凍サイクル装置において、前記内部熱交換手段は、前記放熱器出口と前記減圧器入口の間の冷媒を、前記蒸発器出口と前記圧縮機入口の間の冷媒により冷却することを特徴とする。
請求項3記載の本発明は、請求項1に記載の冷凍サイクル装置において、前記内部熱交換手段は、前記放熱器出口と前記減圧器入口の間の冷媒を、前記減圧器出口と前記蒸発器入口の間の冷媒により冷却することを特徴とする。
請求項4記載の本発明は、請求項1に記載の冷凍サイクル装置において、前記内部熱交換手段は、前記放熱器出口と前記減圧器入口の間の冷媒を、前記放熱器を出た冷媒の一部を分岐し、第二減圧器により減圧した冷媒により冷却することを特徴とする。
請求項5記載の本発明の冷凍サイクル装置の制御方法は、請求項1に記載の冷凍サイクル装置において、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した場合に、前記内部熱交換手段を実質的に作動させることを特徴とする。
請求項6記載の本発明の冷凍サイクル装置の制御方法は、請求項2に記載の冷凍サイクル装置において、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した場合に、前記内部熱交換手段をバイパスするバイパス回路上に備えられた第一電磁弁を閉じることで、前記内部熱交換手段を実質的に作動させることを特徴とする。
請求項7記載の本発明の冷凍サイクル装置の制御方法は、請求項3に記載の冷凍サイクル装置において、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した場合に、前記内部熱交換手段をバイパスするバイパス回路上に備えられた第二電磁弁を閉じることで、前記内部熱交換手段を実質的に作動させることを特徴とする。
請求項8記載の本発明の冷凍サイクル装置の制御方法は、請求項4に記載の冷凍サイクル装置において、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した場合に、前記第二減圧器の開度を調節することで、前記内部熱交換手段を実質的に作動させることを特徴とする。
請求項9記載の本発明の冷凍サイクル装置の制御方法は、請求項1から請求項4のいずれかに記載の冷凍サイクル装置において、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した場合に、前記蒸発器の送風ファンの回転数を低下させることで、前記内部熱交換手段を実質的に作動させることを特徴とする。
本発明の第2の実施の形態による冷凍サイクル装置は、内部熱交換手段では、放熱器出口と減圧器入口の間の冷媒を、蒸発器出口と圧縮機入口の間の冷媒により冷却するものである。本実施の形態によれば、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した場合に、放熱器出口と減圧器入口の間の高圧側冷媒を冷却することで、高圧側圧力を低減できるため、高圧側圧力の異常な上昇を抑制し、信頼性を損なうことなく機器の小型化が達成できる。
本発明の第3の実施の形態による冷凍サイクル装置は、内部熱交換手段では、放熱器出口と減圧器入口の間の冷媒を、減圧器出口と蒸発器入口の間の冷媒により冷却するものである。本実施の形態によれば、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した場合に、放熱器出口と減圧器入口の間の高圧側冷媒を冷却することで、高圧側圧力を低減できるため、高圧側圧力の異常な上昇を抑制し、信頼性を損なうことなく機器の小型化が達成できる。
本発明の第4の実施の形態による冷凍サイクル装置は、内部熱交換手段では、放熱器出口と減圧器入口の間の冷媒を、放熱器を出た冷媒の一部を分岐し、第二減圧器により減圧した冷媒により冷却するものである。本実施の形態によれば、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した場合に、放熱器出口と減圧器入口の間の高圧側冷媒を冷却することで、高圧側圧力を低減できるため、高圧側圧力の異常な上昇を抑制し、信頼性を損なうことなく機器の小型化が達成できる。
本発明の第5の実施の形態による冷凍サイクル装置の制御方法は、第1の実施の形態による冷凍サイクル装置において、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した場合に、内部熱交換手段を実質的に作動させるものである。本実施の形態によれば、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した場合に、低圧側冷媒で高圧側冷媒を冷却して高圧側冷媒の密度を増大させることで、高圧側圧力を低減できる。このため、高圧側圧力の異常な上昇を抑制し、信頼性を損なうことなく機器の小型化が達成できる。
本発明の第6の実施の形態による冷凍サイクル装置の制御方法は、第2の実施の形態による冷凍サイクル装置において、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した場合に、内部熱交換手段をバイパスするバイパス回路上に備えられた第一電磁弁を閉じることで、内部熱交換手段を実質的に作動させるものである。本実施の形態によれば、内部熱交換手段をバイパスするバイパス回路上に備えられた第一電磁弁を閉じることにより、放熱器出口と減圧器入口の間の高圧側冷媒を冷却して高圧側圧力を低減できるため、高圧側圧力の異常な上昇を抑制し、信頼性を損なうことなく機器の小型化が達成できる。
本発明の第7の実施の形態による冷凍サイクル装置の制御方法は、第3の実施の形態による冷凍サイクル装置において、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した場合に、内部熱交換手段をバイパスするバイパス回路上に備えられた第二電磁弁を閉じることで、内部熱交換手段を実質的に作動させるものである。本実施の形態によれば、内部熱交換手段をバイパスするバイパス回路上に備えられた第二電磁弁を閉じることにより、放熱器出口と減圧器入口の間の高圧側冷媒を冷却して高圧側圧力を低減できるため、高圧側圧力の異常な上昇を抑制し、信頼性を損なうことなく機器の小型化が達成できる。
本発明の第8の実施の形態による冷凍サイクル装置の制御方法は、第4の実施の形態による冷凍サイクル装置において、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した場合に、第二減圧器の開度を調節することで、内部熱交換手段を実質的に作動させるものである。本実施の形態によれば、第二減圧器の開度を調節することにより、放熱器出口と減圧器入口の間の高圧側冷媒を冷却して高圧側圧力を低減できるため、高圧側圧力の異常な上昇を抑制し、信頼性を損なうことなく機器の小型化が達成できる。
本発明の第9の実施の形態による冷凍サイクル装置の制御方法は、第1から第4の実施の形態による冷凍サイクル装置において、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した場合に、蒸発器の送風ファンの回転数を低下させることで、内部熱交換手段を実質的に作動させるものである。本実施の形態によれば、蒸発器の送風ファンの回転数を低下させることにより、放熱器出口と減圧器入口の間の高圧側冷媒を冷却して高圧側圧力を低減できるため、高圧側圧力の異常な上昇を抑制し、信頼性を損なうことなく機器の小型化が達成できる。
第1の実施例の冷凍サイクル装置は、圧縮機11,給湯用熱交換器としての放熱器12の冷媒流路12a,内部熱交換手段15の高圧側冷媒流路15a,減圧器13,蒸発器14,内部熱交換手段15の低圧側冷媒流路15bなどからなる冷媒回路Aと、給水ポンプ19,放熱器12の流体流路12b,給湯タンク20などからなる流体回路Bとから構成されている。
上記冷媒回路Aにおいて、内部熱交換手段15の高圧側冷媒流路15aは、放熱器12(冷媒流路12a)出口と減圧器13入口の間に設置され、低圧側冷媒流路15bは、蒸発器14出口と圧縮機11入口の間に設置されて、放熱器12(冷媒流路12a)出口と減圧器13入口の間の高圧側冷媒流路15aを流れる高圧側冷媒を、蒸発器14出口と圧縮機11入口の間の低圧側冷媒流路15bを流れる低圧側冷媒により冷却するように構成されている。また、低圧側冷媒流路15bをバイパスするバイパス回路16と、バイパス回路16上に設けられた第一電磁弁17と、高圧側の圧力を検出する圧力検出装置24と、圧力検出装置24の検出した圧力に基づいて第一電磁弁17の開度を制御する電磁弁制御装置25とを備える。さらに、蒸発器14に外気を送風する送風ファン18を備える構成である。
流体回路Bでは、給湯タンク20の底部から給水ポンプ19により放熱器12の流体流路12bへ送り込まれた流体(例えば、水)は、冷媒流路12aを流れる冷媒により加熱されて高温の流体(例えば、湯)となり、その高温流体は、給湯タンク20の頂部から導入されて貯留される。
一方、冷媒回路Aでは、冷媒である二酸化炭素を、圧縮機11で臨界圧力を越える圧力まで圧縮する。その圧縮された冷媒は、高温高圧状態となり、放熱器12の冷媒流路12aを流れる際に、流体流路12bを流れる水に放熱して冷却される。さらに、冷媒は内部熱交換手段15の高圧側冷媒流路15aに供給される。その後、冷媒は減圧器13で減圧され低温低圧の気液二相状態となり、蒸発器14に供給される。蒸発器14では、冷媒は送風ファン18によって送り込まれた外気によって加熱され、気液二相またはガス状態となる。
ここで、通常の運転状態においては、バイパス回路16に設けられた第一電磁弁17は開状態となるように制御される。したがって、蒸発器14を出た低温の冷媒は、内部熱交換手段15の低圧側流路15bをほとんど流れず、主にバイパス回路16を流れて再び圧縮機11に吸入される。すなわち、内部熱交換手段15の高圧側冷媒流路15aを流れる冷媒は、ほとんど冷却されることなく、減圧器13に流入する。このような場合には、高圧側の圧力は、減圧器13の開度調整により、低圧側のホールド量と高圧側のホールド量の割合を変化させることで調整される。
このような場合には、圧力検出装置24及び電磁弁制御装置25によって、バイパス回路16に設けられた第一電磁弁17は閉状態となるように制御される。したがって、蒸発器14を出た低温の冷媒は、内部熱交換手段15の低圧側流路15bに流入し、高圧側冷媒流路15aを流れる冷媒を冷却した後、再び圧縮機11に吸入される。この場合には、高圧側冷媒流路15aを流れる冷媒が冷却されることで、高圧側の冷媒の密度が大きくなるために、高圧側のホールド量が同じであっても高圧側圧力を低減することができる。
なお、本実施例においては、バイパス回路16は内部熱交換手段15の低圧側流路15bの方をバイパスする構成としているが、高圧側流路15aの方をバイパスする構成にしても良い。また、低圧側流路15b及び高圧側流路15aの両方をバイパスする構成であっても良い。さらに、第一電磁弁17は開度調整できる膨張弁であって、内部熱交換手段15の低圧側流路15bに流入する冷媒の流量を調節し、内部熱交換手段15での熱交換量を調節しても良い。
第2の実施例の冷凍サイクル装置では、内部熱交換手段21の高圧側冷媒流路21aは、放熱器12(冷媒流路12a)出口と減圧器13入口の間に設置され、低圧側冷媒流路21bは、減圧器13出口と蒸発器14入口の間に設置され、放熱器12(冷媒流路12a)出口と減圧器13入口の間の高圧側冷媒流路21aを流れる高圧側冷媒を、減圧器13出口と蒸発器14入口の間の低圧側冷媒流路21bを流れる低圧側冷媒により冷却するように構成されている。また、低圧側冷媒流路21bをバイパスするバイパス回路22と、バイパス回路22上に設けられた第二電磁弁23と、圧力検出装置24の検出圧力に基づいて第二電磁弁23を制御する電磁弁制御装置25とを備える構成である。
通常の運転状態においては、バイパス回路22に設けられた第二電磁弁23は開状態となるように制御される。したがって、減圧器13を出た低温の冷媒は、内部熱交換手段21の低圧側流路21bをほとんど流れず、主にバイパス回路22を流れて蒸発器14に流入する。すなわち、内部熱交換手段21の高圧側冷媒流路21aを流れる冷媒は、ほとんど冷却されることなく、減圧器13に流入する。
一方、第1の実施例の場合と同様に、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇する運転状態においては、圧力検出装置24及び電磁弁制御装置25によって、バイパス回路22に設けられた第二電磁弁23は閉状態となるように制御される。したがって、減圧器13を出た低温の冷媒は、内部熱交換手段21の低圧側流路21bに流入し、高圧側冷媒流路21aを流れる冷媒を冷却した後、蒸発器14に流入する。この場合には、高圧側冷媒流路21aを流れる冷媒が冷却されることで、高圧側の冷媒の密度が大きくなるために、高圧側のホールド量が同じであっても高圧側圧力を低減することができる。
なお、本実施例においては、バイパス回路22は内部熱交換手段21の低圧側流路21bをバイパスするように構成しているが、高圧側流路21aをバイパスするように構成しても良い。また、低圧側流路21b及び高圧側流路21aの両方をバイパスする構成であっても良い。さらに、第二電磁弁17は開度調整できる膨張弁であって、内部熱交換手段21の低圧側流路21bに流入する冷媒の流量を調節し、内部熱交換手段21での熱交換量を調節しても良い。
第3の実施例の冷凍サイクル装置では、内部熱交換手段31の高圧側冷媒流路31aは、放熱器12(冷媒流路12a)出口と減圧器13入口の間に設置され、低圧側冷媒流路31bは、放熱器12(冷媒流路12a)と内部熱交換手段31の高圧側冷媒流路31aの間を分岐し、第二減圧器33を介し、蒸発器14と圧縮機11の間に接続されたバイパス回路32上に設置されている。そして、放熱器12(冷媒流路12a)出口と減圧器13入口の間の高圧側冷媒流路31aを流れる高圧側冷媒を、放熱器12(冷媒流路12a)を出て分岐してバイパス回路32を流れ、第二減圧器33により減圧されて低圧側冷媒流路31bに流入した低圧側冷媒により冷却するように構成されている。また、圧力検出装置24の検出圧力に基づいて第二減圧器33を制御する減圧器制御装置35を備える構成である。
通常の運転状態においては、第二減圧器33は全開状態となるように制御される。したがって、放熱器12(冷媒流路12a)を出た冷媒は、内部熱交換手段31の低圧側流路31bを流れず、内部熱交換手段31の高圧側流路31aに流入し、冷却されることなく、減圧器13に流入する。
一方、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇してしまう場合には、圧力検出装置24及び減圧器制御装置35によって、第二減圧器33は全閉に近い状態(全閉を含まず)から全開状態までのいずれかの開度となるように制御される。したがって、放熱器12(冷媒流路12a)を出た冷媒の一部は、バイパス回路32に分岐して流れ、第二減圧器33で減圧されて低温の冷媒となり、内部熱交換手段31の低圧側流路31bに流入し、高圧側冷媒流路31aを流れる冷媒を冷却した後、圧縮機11に吸入される。この場合には、高圧側冷媒流路31aを流れる冷媒が冷却されることで、高圧側の冷媒の密度が大きくなるために、高圧側のホールド量が同じであっても高圧側圧力を低減することができる。
第4の実施例の冷凍サイクル装置では、圧力検出装置24の検出圧力に基づいて蒸発器14の送風ファン18を制御するファン制御装置45を備える。また、図5に示す内部熱交換手段15は、放熱器12(冷媒流路12a)出口と減圧器13入口とを接続する銅管の一部を高圧側冷媒流路15aとし、蒸発器14出口と圧縮機11入口とを接続する銅管の一部を低圧側冷媒流路15bとし、それらの銅管をろう付け接合することで構成している。なお、高圧側冷媒流路15a及び低圧側冷媒流路15bのそれぞれを流れる高圧側冷媒及び低圧側冷媒は、図5のように対向流として流れるように構成するのが望ましい。
第4の実施例の冷凍サイクル装置では、第1の実施例のバイパス回路16や第一電磁弁17が設けられていないので、通常の運転状態においても、内部熱交換手段15では、高圧側冷媒流路15aを流れる冷媒と低圧側冷媒流路15bを流れる冷媒との間で熱交換するが、その熱交換量はあまり大きくない。
一方、放熱器12の流体流路12bに流入する流体の温度が高くなり、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇してしまう場合には、内部熱交換手段15の高圧側冷媒流路15aに流入する冷媒温度も高くなるために、高圧側冷媒流路15aを流れる冷媒と低圧側冷媒流路15bを流れる冷媒との温度差が拡大し、熱交換量が増加する。したがって、高圧側冷媒流路15aを流れる冷媒がより冷却されることになり、高圧側の冷媒の密度が大きくなるために、高圧側のホールド量が同じであっても高圧側圧力を低減することができる。
上記のように構成された冷凍サイクル装置においては、次のような効果が得られる。レシーバやアキュームレータといった冷媒量調節手段を備えなくても、放熱器12の流体流路12bに流入する流体の温度が高くなり、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した場合には、内部熱交換手段15の熱交換量が増大するため、放熱器12(冷媒流路12a)出口と減圧器13入口の間の冷媒を、蒸発器14出口と圧縮機11入口の間の冷媒により冷却でき、高圧側の冷媒の密度を増大させることで、高圧側のホールド量が同じであっても高圧側圧力を低減できる。このため、高圧側圧力の異常な上昇を抑制し、信頼性を損なうことなく機器の小型化が達成できる。
上記のように構成された冷凍サイクル装置においては、次のような効果が得られる。レシーバやアキュームレータといった冷媒量調節手段を備えなくても、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した場合に、蒸発器14の送風ファン18の回転数を低下させるように制御することで、内部熱交換手段15の熱交換量が増大するため、放熱器12(冷媒流路12a)出口と減圧器13入口の間の冷媒を、蒸発器14出口と圧縮機11入口の間の冷媒により冷却でき、高圧側の冷媒の密度を増大させることで、高圧側のホールド量が同じであっても高圧側圧力を低減できる。このため、高圧側圧力の異常な上昇を抑制し、信頼性を損なうことなく機器の小型化が達成できる。
12 放熱器
13 減圧器
14 蒸発器
15,21,31 内部熱交換手段
16,22,32 バイパス回路
17 第一電磁弁
18 送風ファン
19 給水ポンプ
20 給湯タンク
23 第二電磁弁
24 圧力検出装置
25 電磁弁制御装置
33 第二減圧器
35 減圧器制御装置
45 ファン制御装置
Claims (9)
- 高圧側で超臨界状態となりうる冷媒を用い、少なくとも圧縮機、放熱器、減圧器、蒸発器を備え、冷媒量調節手段を備えていない冷凍サイクル装置において、前記放熱器出口と前記減圧器入口の間の冷媒を冷却する内部熱交換手段を備えていることを特徴とする冷凍サイクル装置。
- 前記内部熱交換手段は、前記放熱器出口と前記減圧器入口の間の冷媒を、前記蒸発器出口と前記圧縮機入口の間の冷媒により冷却することを特徴とする請求項1に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記内部熱交換手段は、前記放熱器出口と前記減圧器入口の間の冷媒を、前記減圧器出口と前記蒸発器入口の間の冷媒により冷却することを特徴とする請求項1に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記内部熱交換手段は、前記放熱器出口と前記減圧器入口の間の冷媒を、前記放熱器を出た冷媒の一部を分岐し、第二減圧器により減圧した冷媒により冷却することを特徴とする請求項1に記載の冷凍サイクル装置。
- 請求項1に記載の冷凍サイクル装置において、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した場合に、前記内部熱交換手段を実質的に作動させることを特徴とする冷凍サイクル装置の制御方法。
- 請求項2に記載の冷凍サイクル装置において、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した場合に、前記内部熱交換手段をバイパスするバイパス回路上に備えられた第一電磁弁を閉じることで、前記内部熱交換手段を実質的に作動させることを特徴とする冷凍サイクル装置の制御方法。
- 請求項3に記載の冷凍サイクル装置において、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した場合に、前記内部熱交換手段をバイパスするバイパス回路上に備えられた第二電磁弁を閉じることで、前記内部熱交換手段を実質的に作動させることを特徴とする冷凍サイクル装置の制御方法。
- 請求項4に記載の冷凍サイクル装置において、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した場合に、前記第二減圧器の開度を調節することで、前記内部熱交換手段を実質的に作動させることを特徴とする冷凍サイクル装置の制御方法。
- 請求項1から請求項4のいずれかに記載の冷凍サイクル装置において、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した場合に、前記蒸発器の送風ファンの回転数を低下させることで、前記内部熱交換手段を実質的に作動させることを特徴とする冷凍サイクル装置の制御方法。
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