JP2009133547A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】圧縮機1、放熱器2、減圧手段3、吸熱器4、放熱器出口側の冷媒と吸熱器出口側の冷媒とを熱交換する内部熱交換器5から構成される冷凍サイクル装置において、圧縮機1の出口から放熱器2の入口の間の冷媒温度を検出する第1温度検出手段30と、放熱器2の出口から内部熱交換器5の高圧側入口の間の冷媒温度を検出する第2温度検出手段31とを備え、第1温度検出手段30の検出温度と第2温度検出手段31の検出温度との温度差(ΔT)が目標値となるように、減圧手段3の開度を制御する。
【選択図】図1
Description
従来、冷凍サイクル装置を組み込んだ給湯装置として、例えば「圧縮機、給湯用熱交換器、電子膨張弁および外気を熱源とする熱源側熱交換器からなる冷媒サイクルと、給水ポンプ、給湯用熱交換器および給湯タンクからなる給湯サイクルとを備えた給湯装置において、能力可変タイプの圧縮機を使用するとともに、熱源側熱交換器における外部環境条件の変化に対応させて圧縮機の能力制御を行う能力制御手段を付設して、熱源側熱交換器における外部環境条件(例えば、外気温)の変化に対応させて圧縮機の吐出温度が目標値になるように電子膨張弁の開度制御を行う膨張弁開度制御手段と、熱源側熱交換器における外部環境条件の変化に対応させて圧縮機の回転数が目標値になるように制御する回転数制御手段を付設して、熱源側熱交換器における外部環境条件(例えば、外気温)の変化に対応させて電子膨張弁の開度を、圧縮機の吐出温度が目標値になるように制御するとともに、熱源側熱交換器における外部環境条件の変化に対応させて圧縮機の回転数が目標値になるように制御されるようにしたので、給湯能力と給湯負荷とがより一層マッチングした最適運転状態が得られることとなり、成績係数(COP)の向上を図ることができるとともに、熱交換器などの要素の小型化が可能となる…」というものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
以下、本発明の実施の形態1による冷凍サイクル装置について説明する。
図1は本実施の形態の冷凍サイクル装置を示す構成図である。図において、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置は、冷媒として二酸化炭素(以下CO2)を用いる給湯機であって、熱源装置50、貯湯装置60、およびこれらを制御する制御装置40から構成されている。なお、本実施の形態では、給湯機の例を示すが、これに限定されるものではなく、空気調和機であっても良い。同様に、冷媒は二酸化炭素に限らず、HFC系冷媒であっても良い。
SHs=Ts−ET
上式からSHsが目標値となるように、膨張弁3の開度を制御する。なお、第5温度検出手段32の検出値を基に蒸発温度(ET)を推算する例を示したが、これに限るものではなく、内部熱交換器5の低圧側出口から圧縮機1の吸入の間に圧力検出手段(第2圧力検出手段)51(図1参照)を設け、その検出値から冷媒飽和温度を求めるようにしても良い。また、吸入過熱度制御は水熱交換器2を効率良く運転する機能よりも、機器の信頼性確保の観点から圧縮機1の液戻りを防止する機能が優先されるため、他の高効率運転制御よりも優先して行われる。
図3は、水熱交換器2内の冷媒および水の温度分布を示す図であり、図において、太い実線が冷媒、細い実線が水の温度変化を示しており、ΔT1は水熱交換器入口温度と水出口温度との温度差、ΔT2は水熱交換器出口温度と水入口温度との温度差、ΔTpは水熱交換器2内での冷媒と水の温度差が最小となるピンチポイントの温度差、ΔTは水熱交換器入口温度と水熱交換器出口温度との温度差をそれぞれ示している。図4の膨張弁開度に対するサイクル状態に示されるように、膨張弁3の開度を小さくして吐出温度を上昇させると、水熱交換器2での加熱能力がほぼ一定の条件では、水熱交換器2内の冷媒と水の平均温度差が保たれるように水熱交換器2の出口温度が低下し、ピンチポイントの温度差ΔTpも小さくなる。また、冷媒量が高圧側に移動するため吐出圧力が上昇して入力が増加し、COPが低下する。逆に、膨張弁3の開度を大きくして吐出温度を低下させると、水熱交換器2内の冷媒と水の平均温度差を保つように水熱交換器2の出口温度が高くなり、ピンチポイントでの温度差ΔTpも大きくなるが、加熱能力比が小さくなるため、この場合もCOPが低下する。従って図中に点線で示すように、COPを最大とする適切な膨張弁開度が存在する。
このように、水熱交換器2の基準状態として、ΔThxの場合には内部熱交換器5の高圧側出口温度、ΔTの場合には吐出温度、ΣΔTの場合には吐出温度と水側出入口温度を採用することで、効率が最大となる付近での運転を実現することができる。
図7は冷凍サイクル装置の制御動作を示すフローチャートである。本発明では、製品の信頼性を優先する目的から、圧縮機1の吸入過熱度(SHs)の制御を、加熱能力を確保するための温度差ΔTの制御よりも優先する。
まず、吸入過熱度(SHs)が目標値(SHm)よりも予め設定された収束範囲ΔSH以下に小さい場合(S101)、吸入過熱度(SHs)が収束するまで膨張弁開度を低下させる。このようにして吸入過熱度(SHs)が確保されると、つぎに温度差ΔTを目標値に収束させる。具体的には、温度差ΔTが目標値(ΔTm)よりも予め設定された収束範囲δT以下に小さい場合(S102)、膨張弁開度を低下させ、温度差ΔTを収束させる。このようにして、吸入過熱度(SHs)および温度差ΔTの下限値が抑えられる。
つぎに、吸入過熱度(SHs)が目標値(SHm)よりも予め設定された収束範囲ΔSH以上に大きい場合(S103)、吸入過熱度(SHs)が収束するまで膨張弁開度を増加させる。このようにして吸入過熱度(SHs)が収束すると、つぎに温度差ΔTを目標値に収束させる。具体的には、温度差ΔTが目標値(ΔTm)よりも予め設定された収束範囲δT以上に大きい場合(S104)、膨張弁開度を増加させ、温度差ΔTを収束させる。このようにして、吸入過熱度(SHs)および温度差ΔTの上限値が抑えられる。なお、吸入過熱度を優先的に制御する例を示したが、液戻りに対する耐力のある圧縮機を用いる場合はこれに限るものではなく、優先順位を入れ替えても同様の効果を発揮する。以上の制御により、吸入過熱度(SHs)および温度差ΔTが目標値に収束される。
また、第5温度検出手段32又は圧力検出手段51の出力に基づいて冷媒飽和温度(ET)を求め、そして、第6温度検出手段33の検出温度(Ts)と冷媒飽和温度(ET)とにより吸入過熱度(SHs)を求め、この吸入過熱度(SHs)が目標値になるように膨張弁開度を制御するようにしたので、圧縮機1の吸入部の過熱度が確保され、圧縮機1への液戻りを防止することができ、信頼性を確保することができる。なお、第5温度検出手段32は図1の例では膨張弁3と蒸発器4との間に設けた例について説明したが、蒸発器4の入口から内部熱交換器5の低圧側入口までの間であればどの位置に配置しても良い。
また、本実施の形態においては、過熱度及び上記の温度差(ΔT、ΣΔT、ΔT1−ΔT2、ΔThx)を制御する際に、過熱度の制御を上記の温度差の制御に優先して行うようにしており、この点からも圧縮機1の信頼性が確保されたものとなっている。
また、本実施の形態においては、放熱器が水熱交換器から構成されており、効率の高い給湯機を得ることができる。
以下、本発明の実施の形態2による冷凍サイクル装置について説明する。
図8は、本発明の冷凍サイクル装置の構成を示す図である。実施の形態1と異なる点は、圧縮機1の吐出温度を検出する第1温度検出手段30の代わりに、第1圧力検出手段35を設けた点である。この第1圧力検出手段35に基づいて水熱交換器2の基準状態となる仮想的な飽和温度(以下、仮想飽和温度)を求める。また、この圧力検出手段35は、例えば高圧の異常上昇防止用に設けられる圧力センサーと共用することができる。運転動作は、実施の形態1と同様であるため、説明を省略する。
SC=Tsat−Tcout
本実施の形態では、上記算出式で求められたSCが効率最大となる目標値(SCm)となるように、図7のフローチャートの場合と同様にして膨張弁3の開度を制御する。
図9は、図2と同様に、本発明の冷凍サイクル装置の運転動作をP−h線図上に示した図である。仮想飽和温度としては、破線アのような等温線の変曲点を結んだ擬臨界温度軌跡、点線イのような臨界点におけるエンタルピー一定で延長した垂直な直線など、定義を明らかにすれば自由に設定することができる。但し、冷凍サイクル装置を安定して最大効率で運転するためにはこれまで述べたように、最大効率付近での温度差が大きくなるような仮想飽和温度を選定すべきである。このとき、仮想飽和温度は、第1圧力検出手段35の検出値である点Bの圧力における等圧力線と破線アとの交点として、あるいは第1圧力検出手段35の検出値である点Bの圧力における等圧力線と点線イとの交点として求められる。
Claims (14)
- 少なくとも圧縮機、放熱器、開度変更可能な減圧手段、吸熱器、前記放熱器出口部の冷媒と前記吸熱器出口部の冷媒とを熱交換する内部熱交換器、から構成される冷凍サイクル装置において、
少なくとも前記放熱器の基準状態を検出する第1冷媒状態検出手段と、前記放熱器の出口から前記内部熱交換器の高圧側入口の間の冷媒状態を検出する第2冷媒状態検出手段とを備え、
少なくとも前記第1冷媒状態検出手段の出力と前記第2冷媒状態検出手段の出力とに基づいて演算される演算値が目標値となるように、前記減圧手段の開度を制御することを特徴とする冷凍サイクル装置。 - 被加熱媒体の入口温度を検出する第3温度検出手段と、被加熱媒体の出口温度を検出する第4温度検出手段とを更に備え、
前記第1冷媒状態検出手段、前記第2冷媒状態検出手段、前記第3温度検出手段および前記第4温度検出手段の出力に基づいて演算される演算値が目標値となるように、前記減圧手段の開度を制御することを特徴とする請求項1記載の冷凍サイクル装置。 - 少なくとも圧縮機、放熱器、開度変更可能な減圧手段、吸熱器、前記放熱器出口部の冷媒と前記吸熱器出口部の冷媒とを熱交換する内部熱交換器、から構成される冷凍サイクル装置において、
前記圧縮機の出口から前記放熱器の入口の間の冷媒温度を検出する第1温度検出手段と、前記放熱器の出口から前記内部熱交換器の高圧側入口の間の冷媒温度を検出する第2温度検出手段とを備え、
前記第1温度検出手段の検出温度と前記第2温度検出手段の検出温度との温度差(ΔT)が目標値となるように、前記減圧手段の開度を制御することを特徴とする冷凍サイクル装置。 - 被加熱媒体の入口温度を検出する第3温度検出手段と、被加熱媒体の出口温度を検出する第4温度検出手段とを更に備え、前記温度差(ΔT)に代えて、
前記第1温度検出手段、前記第2温度検出手段、前記第3温度検出手段および前記第4温度検出手段の出力に基づいて演算される演算値が目標値となるように、前記減圧手段の開度を制御することを特徴とする請求項3記載の冷凍サイクル装置。 - 少なくとも圧縮機、放熱器、開度変更可能な減圧手段、吸熱器、前記放熱器出口部の冷媒と前記吸熱器出口部の冷媒とを熱交換する内部熱交換器、から構成される冷凍サイクル装置において、
前記圧縮機の出口から前記放熱器の入口の間の冷媒温度を検出する第1温度検出手段と、前記放熱器の出口から前記内部熱交換器の高圧側入口の間の冷媒温度を検出する第2温度検出手段と、被加熱媒体の入口温度を検出する第3温度検出手段と、被加熱媒体の出口温度を検出する第4温度検出手段とを備え、
前記第1温度検出手段の検出温度と前記第4温度検出手段の検出温度との温度差(ΔT1)と、前記第2温度検出手段と前記第3温度検出手段との温度差(ΔT2)との和(ΣΔT)が目標値となるように、前記減圧手段の開度を制御することを特徴とする冷凍サイクル装置。 - 少なくとも圧縮機、放熱器、開度変更可能な減圧手段、吸熱器、前記放熱器出口部の冷媒と前記吸熱器出口部の冷媒とを熱交換する内部熱交換器、から構成される冷凍サイクル装置において、
前記圧縮機の出口から前記放熱器の入口の間の冷媒温度を検出する第1温度検出手段と、前記放熱器の出口から前記内部熱交換器の高圧側入口の間の冷媒温度を検出する第2温度検出手段と、被加熱媒体の入口温度を検出する第3温度検出手段と、被加熱媒体の出口温度を検出する第4温度検出手段を備え、
前記第1温度検出手段の検出温度と前記第4温度検出手段の検出温度との第2温度差(ΔT1)と、前記第2温度検出手段の検出温度と前記第3温度検出手段の検出温度との第3温度差(ΔT2)との差(ΔT1−ΔT2)が目標値となるように、前記減圧手段の開度を制御することを特徴とする冷凍サイクル装置。 - 少なくとも圧縮機、放熱器、開度変更可能な減圧手段、吸熱器、前記放熱器出口部の冷媒と前記吸熱器出口部の冷媒とを熱交換する内部熱交換器、から構成される冷凍サイクル装置において、
少なくとも前記圧縮機の出口から前記減圧手段入口の間の冷媒圧力を検出する第1圧力検出手段と、前記放熱器の出口から前記内部熱交換器の高圧側入口の間の冷媒温度を検出する第2温度検出手段とを備え、
前記第1圧力検出手段の検出圧力と前記第2温度検出手段の検出温度とに基づいて演算される演算値が目標値となるように、前記減圧手段の開度を制御することを特徴とする冷凍サイクル装置。 - 少なくとも圧縮機、放熱器、開度変更可能な減圧手段、吸熱器、前記放熱器出口部の冷媒と前記吸熱器出口部の冷媒とを熱交換する内部熱交換器、から構成される冷凍サイクル装置において、
前記放熱器の出口から前記内部熱交換器の高圧側入口の間の冷媒温度を検出する第2温度検出手段と、前記内部熱交換器の高圧側出口から前記減圧手段の入口の間の冷媒温度を検出する内部熱交換器出口温度検出手段とを備え、
前記第2温度検出手段の検出温度と前記内部熱交換器出口温度検出手段の検出温度との温度差(ΔThx)が目標値となるように、前記減圧手段の開度を制御することを特徴とする冷凍サイクル装置。 - 前記内部熱交換器の低圧側出口から前記圧縮機の吸入口の間の冷媒温度を検出する第6温度検出手段を備え、
前記第6温度検出手段の検出箇所での冷媒飽和温度と、前記第6温度検出手段の検出温度とから圧縮機吸入部の過熱度を算出し、前記過熱度が目標値となるように前記減圧手段の開度を制御するようにしたことを特徴とする請求項1〜請求項8の何れかに記載の冷凍サイクル装置。 - 前記内部熱交換器の低圧側出口から前記圧縮機の吸入口の間に第2圧力検出手段を設け、前記第2圧力検出手段の検出値に基づいて前記冷媒飽和温度を求めることを特徴とする請求項9記載の冷凍サイクル装置。
- 前記吸熱器の入口から前記内部熱交換器の低圧側入口の間に第5温度検出手段を設け、前記第5温度検出手段の検出温度に基づいて前記冷媒飽和温度を求めることを特徴とする請求項9記載の冷凍サイクル装置。
- 前記過熱度を前記温度差よりも優先して制御することを特徴とする請求項9〜請求項11の何れかに記載の冷凍サイクル装置。
- 前記放熱器が水熱交換器であることを特徴とする請求項1〜請求項12の何れかに記載の冷凍サイクル装置。
- 冷媒として二酸化炭素を用いることを特徴とする請求項1〜請求項13の何れかに記載の冷凍サイクル装置。
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