JP4258426B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

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Description

本発明は、エゼクタを使用する冷凍装置や空調装置やチラ−や給湯装置などの冷凍サイクル装置に関するものである。
以下、従来のエゼクタを利用した冷凍サイクル装置の制御法を示す。従来のエゼクタを用いた冷凍サイクル装置は、第1流量調節弁とエゼクタとを組合せて使用し、さらに気液分離器に気液分離器内の液面を検出する手段を備えることで、適切に冷媒量を制御するとともに、蒸発器出口側の冷媒過熱度に基づき適正な冷媒流量を制御するものである。
従来のエゼクタを用いる冷凍サイクル装置は、圧縮機、凝縮器、第一流量調節弁、エゼクタ、第一蒸発器、第二流量調節弁、第二蒸発器、気液分離器が順次配管で接続され、気液分離器には、液面の高さを検出する液面検出手段として、液面センサを備えている。
この従来のエゼクタを用いる冷凍サイクル装置は、第一流量調節弁、第二流量調節弁には、それぞれ電子膨張弁を採用しており、気液分離器には液面センサを備え、液面センサが気液分離器での液面高さが所定量にないことを検出したとき、第1の第一流量調節制御手段が第一流量調節弁を流れる冷媒流量を調節することにより、冷媒量の制御を行う。具体的には、気液分離器で液面が低下すると、第一流量調節弁の開度を大きくし、液面が高くなるように冷媒量を制御する。逆に、液面が高いときは第一流量調節弁の開度を小さくして、液面高さが低下するように制御する。その結果、冷媒量を適正に制御することができる。
また、第二蒸発器の冷媒流量制御は、圧力を検出する圧力検出手段として、たとえば、圧力センサと、前記蒸発器の温度を検出する温度検出手段として、たとえば、温度センサを用いて、第二蒸発器出口の圧力P、温度Tを検出して、蒸発器出口の過熱度が一定になるように、第1の第二流量調節弁制御手段が第二流量調節弁で冷媒流量を制御する。
なお、起動時等、気液分離器に液冷媒が存在しない時や液冷媒不足時は、液面センサの検出により第2の第二流量調節弁制御手段が第二流量調節弁を全閉にして、第一蒸発器のみの運転とする。(例えば、特許文献1参照)。
特開平9−318169号公報(第5頁〜10頁、図1)
従来のエゼクタを用いる冷凍サイクル装置は、以上のように、気液分離器に液面を検出する手段を備えることで、適切に冷媒量を制御するとともに、蒸発器出口側の冷媒過熱度に基づき適正な冷媒流量を制御するものであるが、エゼクタが固定開度であるためにエゼクタと直列に冷媒量調節用の第一流量調節弁を設ける必要であるが、この第一流量調節弁の流路抵抗がエゼクタ前後の圧力差、すなわちエゼクタの駆動力である断熱熱落差を低下させ、エゼクタ効率を低下させていた。また、第一流量調節弁を設ける必要があるので、第一流量調節弁の設置スペースが必要となり、装置が大型化するという問題があった。また、圧縮機の制御方法や冷房運転と暖房運転時の冷凍サイクル装置の切り換え方法については考慮されていなかった。
本発明は上記のような従来の課題を解決するためになされたもので、高効率な冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。また、小形軽量の冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。また、可変絞り機構を内蔵するエゼクタを使用し、蒸発温度の異なる2つの蒸発器の蒸発能力を適正に制御可能な冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。
本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機、四方弁、熱源側熱交換器、絞り機構を備えたエゼクタ、第1負荷側熱交換器、気液分離器、を順次接続するとともに、前記気液分離器を絞り装置、第2負荷側熱交換器を介して前記エゼクタの吸引部側に接続し、前記四方弁を切り替えることによって前記熱源側熱交換器内の冷媒の流れ方向を反転させて、前記第1負荷側熱交換器、第2負荷側熱交換器を、冷媒を蒸発させる蒸発器として使用する場合と冷媒を凝縮させる凝縮器として使用する場合とを切り替え可能にし、暖房運転時には前記エゼクタを単なる絞り装置として動作させるように構成された冷凍サイクルを備え、前記第1負荷側熱交換器、前記第2負荷側熱交換器の順で直列に被冷却媒体を流すとともに、前記第1負荷側熱交換器の被冷却媒体出口温度、前記第2負荷側熱交換器の被冷却媒体出口温度、を検出し、前記第1負荷側熱交換器の被冷却媒体出口温度と、前記第2負荷側熱交換器の被冷却媒体出口温度と、が、目標温度となるように、前記圧縮機の回転数、前記絞り機構の絞り開度を制御するようにしたものである。
本発明では、簡単な構成と簡単な制御でありながら蒸発温度の異なる2つの蒸発器の蒸発能力を負荷に応じて適正に制御可能な冷凍サイクル装置を提供することができる。
実施の形態1.
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、本発明の実施形態1に係る冷凍サイクル装置の構成を示す模式図である。図1に示すように、本実施の形態の冷凍サイクル装置は、室外ユニット100、室内ユニット101から構成されている。室外ユニット100内の冷媒回路は、圧縮機1、熱源側熱交換器2、絞り開度が変更可能なエゼクタ3、第1負荷側熱交換器4、気液分離器5、絞り装置6、第2負荷側熱交換器7、およびそれらを接続するための配管で構成され、内部には冷媒として、例えばHFC系の混合冷媒であるR410Aが封入されている。
熱源側熱交換器2は、プレートフィンとパイプで構成されるプレートフィンチューブ型の熱交換器であり、熱交換器の外表面へ外気を送風する送風機11を備えている。また、第1負荷側熱交換器4および第2負荷側熱交換器7は、被冷却媒体である液体(例えば、水やブライン)と熱交換を行う熱交換器であり、例えば二重管式熱交換器やプレート熱交換器が用いられる。
ここで、本実施の形態では、圧縮機1、熱源側熱交換器2、エゼクタ3、第1負荷側熱交換器4、気液分離器5の順で冷凍サイクルが構成されており、気液分離器5で分離されたガス冷媒が圧縮機1の吸入側に戻される。また、気液分離器5で分離された液冷媒は、絞り装置6により絞られて第2負荷側熱交換器7を介してエゼクタ3の吸引部に戻される。
また、第1負荷側熱交換器4の出口部と気液分離器5の入口部との間(たとえば配管など)には第1温度検出手段21が設けられ、絞り装置6の出口部と第2負荷側熱交換器7の入口部との間(たとえば配管など)には第2温度検出手段22が設けられ、第2負荷側熱交換器7の出口部とエゼクタ3の吸引部との間(たとえば配管など)には第3温度検出手段23が設けられ、これらの温度検出手段21、22、23で検出される温度検出値が制御手段31に取り込まれる。
制御手段31では、第1温度検出手段21、第2温度検出手段22、第3温度検出手段23の温度検出値を取り込み、第2温度検出手段22の温度検出値ET2と第3温度検出手段23の温度検出値ET3とから第2負荷側熱交換器の出口過熱度SHを演算するとともに、第1温度検出手段21の温度検出値ET1、第2温度検出手段22の温度検出値ET2、出口過熱度SHを外部から与えられるそれぞれの目標値と比較して、圧縮機1の回転数、エゼクタ3の絞り開度、絞り装置6の絞り開度の出力値を演算し、圧縮機1、エゼクタ3、絞り装置6へ出力する。ここで、本実施の形態では、圧縮機1に回転数が変更可能なインバーター圧縮機を1台使用した回転数による容量制御の例を示しているが、これに限るものではなく、回転数が固定された一定速圧縮機であれば、例えば単なるON/OFF制御や圧縮機1の吸入側と吐出側に開閉弁を介したバイパス手段を設けて、この開閉弁の開閉操作による機械的容量制御や、あるいは、複数台の圧縮機の台数制御であっても良い。一定速圧縮機の場合には、制御手段31から開閉弁の開閉出力が、複数台圧縮機の場合には制御手段31から運転台数あるいは停止台数の出力が送信されるようにすれば良い。したがって、本実施の形態では、圧縮機の容量制御の方法について、選択の自由度が大きく、ユーザーの使用環境に合わせて低コストな方法を選択できる。
また、被冷却媒体である液体(例えば、水やブライン)と熱交換する被冷却媒体のサイクルは、室内ユニット101内の熱交換器、第1負荷側熱交換器4、第2負荷側熱交換器7の順に直列に接続されている。
つぎに、本実施の形態のエゼクタ3の構造について説明する。図2は本発明の実施の形態1を表す冷凍サイクル装置に使用されるエゼクタの構造と圧力変化の関係を表した図であり、図2(a)はエゼクタの構造を表しており、図2(b)は図2(a)におけるエゼクタの冷媒流れ方向位置に対応した圧力分布を示している。図2(b)において、横軸は図2(a)のエゼクタの冷媒流れ方向位置を表し、縦軸はエゼクタの各位置での圧力変化を表している。図において、エゼクタ3は、ニードル部42、ニードル部42を駆動する電磁コイル部41、ノズル部43、混合部44、ディフューザ部45から構成され、ノズル部43はさらに減圧部43aとノズル喉部43cと末広部43bから構成されている。したがって、本実施の形態のエゼクタ3は、ニードル部42を電磁コイル部41にて軸方向に駆動(移動)させてノズル喉部43cの流路面積を可変可能にできる構造であるので、絞り開度可変の絞り機構を備えたエゼクタである。
エゼクタ3は駆動流である圧力P1の液冷媒E1を減圧部43a(X1〜X2)で減圧膨張させてノズル喉部43c(X2)で圧力P2の音速とし、更に末広部43b(X2〜X3)で超音速として圧力P3まで減圧させる。このとき、周囲のガス冷媒吸引部入口3aからガス冷媒E4を吸引し、この吸引されたガス冷媒は、吸引混合部(X3〜X4)にて末広部43bを流出し超音速となった冷媒と混合されて気液二相冷媒E2となり、この混合された気液二相冷媒E2は、混合部44(X4〜X5)で圧力回復して圧力P4の状態となり、更にディフューザ部45(X5〜X6)で圧力P5まで圧力上昇して流出する。
上記のように構成された冷凍サイクル装置について、つぎに動作を図1〜図3に基づいて説明する。図3は、本発明の実施の形態1を表す冷凍サイクル装置の圧力とエンタルピの関係を表した図であり、横軸はエンタルピを表し、縦軸は圧力を表している。ここで、本実施の形態の冷凍サイクル装置は、例えば室外に設置された室外ユニット100から室内に設けられた室内ユニット101へ熱交換をしながら被冷却媒体を搬送し、室内を冷房するものであり、圧縮機1から吐出された高温・高圧のガス冷媒R1(I1、Pc1)は、熱源側熱交換器2で空気へ放熱して凝縮・液化し、高圧の液冷媒R2(I2、Pc1)となってエゼクタ3に流入する。
エゼクタ3へ流入した冷媒は、ノズル部43出口E2(図2のX3の位置)で状態R3(I3、Pe2)になり、混合部44へ流入する。混合部44で状態E4から流入するR4(I8、Pe2)の冷媒ガスと混合した後、R5(I5、Pe2)の状態となった冷媒はディフューザ45によりPe2からPe1まで圧力が回復し、状態R6(I6、Pe1)の状態となる。エゼクタ3で減圧された冷媒は、第1負荷側熱交換器4に流入し、被冷却媒体から熱を奪って液冷媒の一部が蒸発して状態R7(I7、Pe1)となり、気液分離器5に流入する。気液分離器5では、ガス冷媒と液冷媒を分離し、状態R8(I8、Pe1)の飽和状態のガス冷媒が圧縮機1の吸入部へ、状態R9(I9、Pe1)の液冷媒は絞り装置6で減圧され、第2負荷側熱交換器7に流入し、蒸発して状態R4(I8、Pe2)のガス冷媒となってエゼクタ3の吸引部E4に吸引される。以上のように、本実施の形態では、冷凍サイクル内にエゼクタ3を用いたので、圧縮機1の吸入圧力をPe2からPe1まで高めることができ、圧縮比が小さな状態で圧縮機を運転することができるため高効率な運転が可能となる。ここで、本実施の形態では、Pc1>Pc2>Pe1>Pe2であり、また、I1>I8>I7>I6>I5>I2>I2’>I3>I9である。
ここで、エゼクタ3の駆動力は、等エントロピー膨張時のエンタルピーI3と等エンタルピー膨張時のエンタルピーI2とのエンタルピー差ΔH(=I2−I3)である。このエンタルピー差ΔHが大きいほどエゼクタの導入効果は大きく、一般にこのエンタルピー差ΔHは高圧圧力Pc1と低圧圧力Pe2との圧力差ΔPc(=Pc1−Pe2)が大きいほど大きくなる。従来技術では、エゼクタ3の上流側に第一流量調節弁が設けられており、この第一流量調節弁の弁部で圧力損失が発生し圧力差ΔPcが小さくなるため、エゼクタ3の駆動力であるエンタルピー差ΔHが低下する。
すなわち、従来技術では、第一流量調節弁を設ける必要があり、この第一流量調節弁を設けたことにより、エゼクタに流入する時には圧力損失により状態がR2(I2、Pc1)からR2’(I2’、Pc2)まで低下するので、圧力差ΔPcが(Pc1−Pe2)から(Pc2−Pe2)まで低下し、エンタルピー差ΔHが(I2−I3)から(I2’−I3)へと低下することになる。
また、本実施の形態のエゼクタ3は、冷凍サイクル内を流れる冷媒を減圧する絞り部43aと、冷凍サイクル内の冷媒を圧力差により吸引する吸引部3aと、絞り部43aで減圧された冷媒と吸引部3aで吸引された冷媒とを混合する混合部44と、を備え、絞り部43aの絞り開度をニードル42の軸方向移動制御にて可変に制御可能として、エゼクタ3を絞り開度が変更可能な構成としたので、従来技術のように別途流量弁などを用いなくても良く、またエゼクタ3の駆動力を低下させることなく、効率の高い運転が可能となる。
つぎに、圧縮機1、エゼクタ3、絞り装置6の制御方法について説明する。まず、第1温度検出手段21、第2温度検出手段22、第3温度検出手段23で検出される温度検出値が制御手段31に取り込まれる。制御手段31は、第1温度検出手段21の温度検出値ET1と目標蒸発温度ET1mとの偏差に基づいて圧縮機1の回転数を演算し、第2温度検出手段22の温度検出値ET2と目標蒸発温度ET2mとの偏差に基づいてエゼクタ3の絞り開度を演算し、第2温度検出手段22と第3温度検出手段23の温度検出値ET3から演算される第2負荷側熱交換器出口過熱度SHと目標出口過熱度SHmとの偏差に基づいて絞り装置6の絞り開度を演算し、圧縮機1、エゼクタ3、絞り装置6へ出力する。第2負荷側熱交換器出口過熱度SHの演算は、第2負荷側熱交換器出口温度(たとえば第3温度検出手段23の検出温度)ET3と入口温度(たとえば第2温度検出手段22の検出温度)ET2との差(SH=ET3−ET2)として演算しても良いし、あるいは第2負荷側熱交換器出口部に別途設けた圧力検出手段(例えば、圧力センサー)からの検出値P3から求められる飽和温度ET3と第2負荷側熱交換器出口温度(たとえば第2温度検出手段22の検出温度)ET2との差(SH=ET3−ET2)として求めれば良い。
図4は本発明の実施の形態1を表す冷凍サイクル装置の制御フロー図である。本実施の形態では、圧縮機1の回転数制御は、冷凍サイクル装置を循環する冷媒流量、すなわち冷凍能力を決定するものであるから全体に及ぼす影響が大きく負荷追従性の観点から最優先される。また、エゼクタ3の絞り開度制御は、第1負荷側熱交換器4と第2負荷側熱交換器7の熱交換量の比率を決定するものであるから運転効率の観点から圧縮機回転数制御の次に優先される。絞り装置6の絞り開度制御は、第2負荷側熱交換器7の冷媒出口状態を決定するもので第2負荷側熱交換器7の運転効率の観点から、最も優先順位を低く設定している。
図において、ST1は絞り装置6の絞り開度を設定する絞り装置絞り開度設定ステップ(初期値のみ予め設定値が所定値として与えられる)、ST2はエゼクタ3の絞り開度を設定するエゼクタ絞り開度設定ステップ(初期値のみ予め設定値が所定値として与えられる)、ST3は圧縮機の回転数を設定する圧縮機回転数設定ステップ(初期値のみ予め設定値が所定値として与えられる)である。また、ST4は第1温度検出手段21の検出温度ET1を目標蒸発温度ET1mと比較して偏差を求め、その偏差の絶対値が所定値ε3より小さいかどうかを判断する第1蒸発温度判断ステップである。また、ST5はST4にて第1温度検出手段21の検出温度ET1を目標蒸発温度ET1mと比較して偏差を求め、その偏差の絶対値が第3の所定値ε3より小さい場合に、圧縮機1の回転数を決定する圧縮機回転数決定ステップ、ST6は第2温度検出手段22の検出温度ET2を目標蒸発温度ET2mと比較してその偏差の絶対値が所定値ε2より小さいかどうかを判断する第2蒸発温度判断ステップ、ST7はST6にて第2温度検出手段22の検出温度ET2を目標蒸発温度ET2mと比較してその偏差の絶対値が第2の所定値ε2より小さい場合に、エゼクタ3の絞り開度を設定するエゼクタ絞り開度設定ステップである。
また、ST8は第2負荷側熱交換器出口過熱度SHを目標出口過熱度SHmと比較して、その偏差が第1の所定値ε1よりも小さいかどうかを判断する出口過熱度判断ステップ、ST9はST8にて第2負荷側熱交換器出口過熱度SHを目標出口過熱度SHmと比較して、その偏差の絶対値が第1の所定値ε1よりも小さい場合に絞り装置6の絞り開度を設定する絞り装置絞り開度設定ステップである。
ST1で絞り装置6の初期開度が設定され、ST2でエゼクタ3の初期絞り開度が設定され、ST3で圧縮機1の初期回転数がそれぞれ設定される。ST4では、圧縮機1の回転数を第1負荷側熱交換器4の蒸発温度ET1が予め設定された目標蒸発温度ET1mとなるように制御する(|ET1−ET1m|<ε3)となるように制御する。)。具体的には、ET1−ET1m>ε3(第3の所定値ε3は正の数)の場合には、圧縮機1の回転数を増加させ、ET1m−ET1>ε3の場合には、圧縮機1の回転数を減少させ、ET1−ET1mの絶対値が|ET1−ET1m|<ε3を満たすまでST3に戻って繰り返す。その結果、ET1−ET1mの絶対値が|ET1−ET1m|<ε3を満たすようになり、そのときの圧縮機1の回転数が設定値として決定される(ST5)。
同様に、ST6ではエゼクタ3の絞り開度が第2負荷側熱交換器7の蒸発温度ET2が予め設定された目標蒸発温度ET2mとなるように制御される(ET2−ET2mの絶対値が|ET2−ET2m|<ε2を満たすように制御される。)。具体的には、ET2−ET2m>ε2(ε2は正の数)の場合には、エゼクタ3の絞り開度を減少させ、ET2m−ET2>ε2の場合には、エゼクタ3の絞り開度を増加させ、ET2−ET2mの絶対値が|ET2−ET2m|<ε2を満たすまでST2に戻って繰り返す。その結果、ET2−ET2mの絶対値が|ET2−ET2m|<ε2を満たすようになり、そのときのエゼクタ3の絞り開度がエゼクタ3の絞り開度として決定される(ST7)。
さらに、ST8では第2負荷側熱交換器7の出口過熱度SHが予め設定された目標出口過熱度SHmとなるように絞り装置6の絞り開度が制御される(SH−SHmの絶対値が|SH−SHm|<ε1を満たすように制御される。)。具体的には、SH−SHm>ε1(ε1は正の数)の場合には、絞り装置6の開度を小さくし、SHm−SH>ε1の場合には、絞り装置6の開度を大きくし、SH−SHmの絶対値が|SH−SHm|<ε1を満たすまでST1に戻って繰り返す。その結果、SH−SHmの絶対値が|SH−SHm|<ε1を満たし、絞り装置6の絞り開度が決定される(ST9)。
上述した温度検出手段21、22、23の温度検出値やそれらを用いた演算値と、目標値との偏差により求められる圧縮機1の回転数、エゼクタ3の絞り開度、絞り装置6の絞り開度の決定には、例えばPID制御法などが使用される。
つぎに、目標値の設定方法について説明する。第1負荷側熱交換器4の目標蒸発温度ET1mは、たとえば図示しない室内ユニット101の吸込み温度、吹出し温度、風量、被冷却媒体の第1負荷側熱交換器4の負荷側入口温度、負荷側出口温度、流量、外気温度、圧縮機の回転数などの外部情報を検知し、その検知値から算出される第1負荷側熱交換器4の必要能力から図5の関係に基づいて決定される。図5は本発明の実施の形態1に係る冷凍サイクル装置における第1負荷側熱交換器4での蒸発能力Q1と蒸発温度ET1の関係を示す図であり、第1負荷側熱交換器4を流れる被冷却媒体の流量Gwをパラメータとし、横軸に第1負荷側熱交換器4の蒸発能力Q1を示し、縦軸に蒸発温度ET1を示したものである。図5において、第1負荷側熱交換器4を流れる被冷却媒体の流量の大小関係は、Gw1>Gw2>Gw3としている。図において、蒸発能力Q1が大きいほど蒸発温度ET1は低くなり、同一蒸発能力では被冷却媒体の流量が大きくなるほど蒸発温度ET1は高くなる。例えば、図中矢印で示すように被冷却媒体の流量Gw2を含む外部情報から必要な蒸発能力Q1の目標値Q1mが定まると、図5より目標蒸発温度ET1mが決定される。
つぎに、第2負荷側熱交換器7の目標蒸発温度ET2mは、たとえば図示しない室内ユニット101の吸込み温度、吹出し温度、風量、被冷却媒体の第1負荷側熱交換器4の負荷側入口温度、負荷側出口温度、流量、外気温度、圧縮機の回転数などの外部情報を検知し、その検知値から算出される第2負荷側熱交換器7の必要能力から図7の関係に基づいて決定される。図7は、本発明の実施の形態1に係る冷凍サイクル装置のエゼクタの吸引流量(Gre)と圧力差(ΔP)の関係を示す図であり、圧縮機1の回転数(Hz)をパラメータとし、横軸にエゼクタ3で吸引される吸引流量Gre、すなわち第2負荷側熱交換器7の蒸発能力Q2と、縦軸に第1負荷側熱交換器4の蒸発温度ET1のときの飽和圧力Pe1と第2負荷側熱交換器7の蒸発温度ET2のときの飽和圧力Pe2との差(ΔP=Pe1−Pe2)の関係を示したものである。図7において、圧縮機1の回転数の大小関係は、Hz1>Hz2>Hz3としている。エゼクタ3は冷媒ガスを吸引し、昇圧させるというガスポンプの働きをするため、図7より、圧力差(ΔP)が大きいほど、吸引流量(Gre)は減少し、同一吸引流量では圧縮機1の回転数が大きいほど冷凍サイクルの高低圧差が大きくなり、エゼクタで昇圧可能な圧力差(ΔP)も大きくなる。
従って、第2負荷側熱交換器7の目標蒸発温度ET2mが外部情報に基づき入力されると、第1負荷側熱交換器4の目標蒸発温度ET1mと第2負荷側熱交換器7の目標蒸発温度ET2mとの差(ΔETm=ET1m−ET2m)が求められ、それに対応して目標圧力差(ΔPm)も求めることができる。従って、圧力差ΔPが目標圧力差ΔPmになるように制御することにより、図中に矢印で示すように圧縮機1の回転数(Hz)に応じた吸引流量Gre、すなわち第2負荷側熱交換器7の目標能力Q2mを得ることができ、第2負荷側熱交換器7の蒸発温度ET2も目標蒸発温度ET2mに制御されることになる。ここで、目標蒸発温度ET2mの求め方について説明する。目標能力Q2mが得られると、図より目標圧力差ΔPmが求まり、目標圧力差ΔPmが求まると、冷媒物性値より目標蒸発温度差ΔETmが得られ、目標蒸発温度差ΔETmが得られると、ΔETm=ET1m−ET2mの関係より目標蒸発温度ET2mが求まる。したがって、目標蒸発温度ET2mは目標圧力差ΔPmからの逆算により求めることができる。なお、目標出口過熱度(SHm)は外部情報に無関係に定められ、例えば5〜15deg程度の値に固定される。
ここで、第1負荷側熱交換器4の能力Q1と目標能力Q1mを外部情報から算出する方法について説明する。第1負荷側熱交換器4の能力Q1は、図示しない被冷却媒体の第1負荷側熱交換器4の負荷側入口温度、負荷側出口温度、流量(または第1負荷側熱交換器4の負荷側入口温度、蒸発温度ET1、流量)から求められ、室内の設定空気温度Tsetと室内ユニット101の吸込み空気温度Tainとの差ΔT(=Tain−Tset)から全体の能力不足量ΔSQ(=ΔQ1+ΔQ2)が求められ、第1負荷側熱交換器4の能力不足量ΔQ1を算出する。ここで、ΔTと能力不足量ΔSQの関係およびΔSQとΔQ1の関係は、例えば制御手段31内部のマイコンなどに予め記憶するようにしていれば良く、この場合、ΔTが求まればΔSQが求まるので、ΔQ1も求めることができる。
また、ΔQ1が求まるので、ΔQ2も求まる(ΔQ2=ΔSQ−ΔQ1)。つぎに、能力不足量ΔQ1と第1負荷側熱交換器4の蒸発能力Q1から目標蒸発能力Q1mをQ1m=Q1+ΔQ1として求める。また、第2負荷側熱交換器7の能力Q2は、図示しない被冷却媒体の第2負荷側熱交換器7の負荷側入口温度、負荷側出口温度、流量(または第2負荷側熱交換器7の負荷側入口温度、蒸発温度ET2、流量)から求められ、目標能力Q2mは、Q2m=Q2+ΔQ2=Q2+(ΔSQ−ΔQ1)として求めることができる。
本実施の形態では、圧縮機1で蒸発温度ET1を、エゼクタ3で蒸発温度ET2を制御する場合の制御フローを示したが、使用目的やサイクルの構成などによって圧縮機1とエゼクタ3の制御対象となる蒸発温度(ET1、ET2)を入れ換えて良く、この場合でも同様の効果を発揮する。例えば、図6に示すように、圧縮機1の回転数を第2負荷側熱交換器7の蒸発温度ET2が目標蒸発温度ET2mとなるように制御し、エゼクタ3の絞り開度を第1負荷側熱交換器4の蒸発温度ET1が目標蒸発温度ET1mとなるように制御することもできる。
図6は、本発明の実施の形態1を表す冷凍サイクル装置の別の制御フロー図である。図において、図4と図1〜図5と同等部分は同一の符号を付して説明は省略する。図において、ST11〜ST13は図4で説明したST1〜ST3と同様であるので説明は省略する。ST14は第2温度検出手段22の検出温度ET2を目標蒸発温度ET2mと比較して偏差を求め、その偏差の絶対値が所定値ε2より小さいかどうかを判断する第2蒸発温度判断ステップ、ST15はST14にて第2温度検出手段22の検出温度ET2を目標蒸発温度ET2mと比較して偏差を求め、その偏差の絶対値が第2の所定値ε2より小さい場合に、圧縮機1の回転数を決定する圧縮機回転数決定ステップ、ST16は第1温度検出手段21の検出温度ET1を目標蒸発温度ET1mと比較してその偏差の絶対値が所定値ε3より小さいかどうかを判断する第1蒸発温度判断ステップ、ST17はST16にて第1温度検出手段21の検出温度ET1を目標蒸発温度ET1mと比較してその偏差の絶対値が第3の所定値ε3より小さい場合に、エゼクタ3の絞り開度を決定するエゼクタ絞り開度設定ステップである。ST18、ST19は前述と同様である。
ST14では、圧縮機1の回転数を第2負荷側熱交換器7の蒸発温度ET2が予め設定された目標蒸発温度ET2mとなるように制御し、ST16ではエゼクタ3の絞り開度が第1負荷側熱交換器4の蒸発温度ET1が予め設定された目標蒸発温度ET1mとなるように制御される。このとき、図4と異なる点は、ST14での判定条件(|ET2−ET2m|<ε2)が満たされない場合に、圧縮機1の回転数に応じて絞り装置6の絞り開度、エゼクタ3の絞り開度も変更され、ST16での判定条件(|ET1−ET1m|<ε3)が満たされない場合に、エゼクタ3の絞り開度に応じて圧縮機1の回転数、絞り装置6の絞り開度も変更されるという点である。この変更点はST18についても同様であり、ST18の判定条件(|SH−SHm|<ε1)が満たされない場合に、絞り装置6の絞り開度に応じて圧縮機1の回転数、エゼクタ3の絞り開度も変更される。また、目標値の設定方法については前述と同様であるため説明を省略する。さらに、本実施の形態では、圧縮機1、エゼクタ3、絞り装置6の順で優先順位を設けて制御する例を示したが、使用目的やサイクルの構成などに応じて適宜制御対象(圧縮機1、エゼクタ3、絞り装置6)の優先順位を入れ替えてもよいし、また、圧縮機1、エゼクタ3、絞り装置6を同時に制御しても同様の効果を発揮する。
また、第1負荷側熱交換器4の蒸発能力Q1と第2負荷側熱交換器7の蒸発能力Q2との合計能力SQが目標合計能力SQmとなるように圧縮機1の回転数を制御し、第2負荷側熱交換器7の能力Q2が目標能力Q2mとなるようにエゼクタ3の絞り開度を制御するようにしても良い。この場合、合計能力SQの現在値を室内ユニット101の図示しない吸込み温度、被冷却媒体の室内ユニット101入口温度、風量から求め、室内の設定温度Tsetと室内ユニット101の吸込み温度Tainとの差ΔT(=Tain−Tset)から能力不足量ΔSQを求め、目標合計能力SQmをSQm=SQ+ΔSQとして求めるようにする。このとき、ΔTと能力不足量ΔSQの関係、およびΔSQとΔQ1の関係は、例えば制御手段31内部のマイコンなどの記憶手段に予め記憶するようにすれば良い。また、第2負荷側熱交換器7の能力Q2は、図示しない被冷却媒体の第2負荷側熱交換器7の負荷側入口温度、負荷側出口温度、流量(または第2負荷側熱交換器7の負荷側入口温度、蒸発温度ET2、流量)から求められ、目標能力Q2mはQ2m=Q2+(ΔSQ−ΔQ1)として求められる。
なお、本実施の形態で説明した図4、図6の制御フローでは、圧縮機1には回転数が変更可能なインバーター圧縮機を用いた場合の例を示したが、回転数が変更できない一定速圧縮機の場合で、例えば圧縮機1の吸入部と吐出部に開閉弁を介したバイパス手段が設けられ、開閉弁の開閉操作により機械的容量制御が可能な構成としても良く、この場合は圧縮機1の回転数制御の代わりに圧縮機1のバイパス手段の開閉制御が行われる。また、圧縮機1が複数台設けられている場合には、圧縮機1の回転数制御の代わりに台数制御を行えば良い。
本実施の形態では、第1温度検出手段21を第1負荷側熱交換器4の出口部に設ける構成を示したが、冷媒が気液二相状態であるため、第1温度検出手段の設置位置はこれに限るものではない。すなわち、エゼクタ3と第1負荷側熱交換器4との間の配管、気液分離器5、気液分離器5と絞り装置6との間の配管、のうち、いずれの箇所に設けても同様の効果を発揮する。
以上のように、本実施の形態では、圧縮機1、熱源側熱交換器2、絞り開度可変のエゼクタ3、第1負荷側熱交換器4、気液分離器5、を順次接続するとともに、気液分離器5を絞り装置6、第2負荷側熱交換器7を介してエゼクタ3の吸引部側に接続して冷凍サイクルを構成し、第1負荷側熱交換器4の能力、あるいは第2負荷側熱交換器7の能力をエゼクタ3の絞り開度により制御手段31にて制御するようにしたので、エゼクタの上流側に別途絞り機構などを設ける必要がなく、構成が簡単で低コストの冷凍サイクル装置を提供できる。また、蒸発温度の異なる2つの蒸発器の蒸発能力を負荷に応じて適正に制御可能な冷凍サイクル装置を提供することができる。
また、本実施の形態では、圧縮機1の回転数、エゼクタ3の絞り開度、絞り装置6の絞り開度を制御することで、第1負荷側熱交換器の蒸発温度ET1、第2負荷側熱交換器の蒸発温度ET2、第2負荷側熱交換器の出口過熱度SHを適切に制御することができるので、蒸発温度の異なる2つの蒸発器の能力を負荷に応じて適正に制御することができる。
特に、本実施の形態では、圧縮機1、熱源側熱交換器2、絞り開度可変のエゼクタ3、第1負荷側熱交換器4、気液分離器5、を順次接続するとともに、気液分離器5を絞り装置6、第2負荷側熱交換器7を介してエゼクタ3との吸引部側に接続して冷凍サイクルを構成し、第1負荷側熱交換器4の能力をエゼクタ3の絞り開度を制御することにより行い、第2負荷側熱交換器7の能力を圧縮機1の容量制御によって制御することにより行うようようにしたので、第1負荷側熱交換器4と第2負荷側熱交換器7の制御を個別に行えるため、簡単な制御でありながら蒸発温度の異なる2つの蒸発器の能力を負荷に応じて適正に制御することができる。
また、第2負荷側熱交換器7の能力をエゼクタ3の絞り開度を制御することにより行い、第1負荷側熱交換器4の能力を圧縮機1の容量制御によって制御することにより行うようにしているので、第1負荷側熱交換器4と第2負荷側熱交換器7の制御を個別に行えるため、簡単な制御でありながら蒸発温度の異なる2つの蒸発器の能力を負荷に応じて適正に制御することができる。
加えて、安価な温度検出手段(例えば、温度サーミスタや熱電対など)や圧力検出手段(例えば圧力センサーなど)を用いて配管温度を検出することができるため、簡易な構成でありながら制御精度が高く信頼性の高い冷凍サイクル装置を得ることができる。さらに、エゼクタ3に絞り機構を内蔵しているため、エゼクタ3の上流側に別途膨張弁などを用いる必要がなく、エゼクタ3のみで絞り効果とエゼクタ効果の両方を有効に動作させることができる。また、別途膨張弁などを用いる必要がないので、設置スペースを削減でき、小型で低コストの冷凍サイクル装置を提供できる。
また、第2負荷側熱交換器7の冷媒出口状態(たとえば第2負荷側熱交換器7の冷媒出口部の圧力と温度により演算される冷媒出口過熱度、あるいは第2負荷側熱交換器7の冷媒入口温度と冷媒出口温度とにより演算される冷媒出口過熱度など)を絞り装置6の絞り開度で制御するようにしているので、低コストの測定手段で簡単な制御にて精度良く蒸発温度の異なる2つの蒸発器の能力を負荷に応じて適正に制御することができる。
実施の形態2.
図8は、本発明の実施の形態2を表す冷凍サイクル装置の構成を示す図である。実施の形態1では、室外ユニット100に対して1つの室内ユニット101が接続されていたが、本実施の形態では、室外ユニット100は要求温度の異なる2つの室内ユニット101および102に接続されている場合について説明する。図において、実施の形態1の図1〜図7と同等部分は同一の符号を付して説明は省略する。実施の形態1では、被冷却媒体である液体(例えば、水やブライン)と熱交換する被冷却媒体のサイクルは、室内ユニット101内の熱交換器、第1負荷側熱交換器4、第2負荷側熱交換器7の順に直列に接続されていたが、本実施の形態では、室内ユニット101には第1負荷側熱交換器4が接続され、室内ユニット102には第2負荷側熱交換器7が接続されるように構成されており、2つの負荷側熱交換器(第1負荷側熱交換器4、第2負荷側熱交換器7)から流出する被冷却媒体の温度をそれぞれ検出し、圧縮機1の回転数及びエゼクタ3の絞り開度を制御する。本実施の形態では、要求温度の異なる負荷として、2つの場合について説明するが、別に2つに限るものではなく、複数個負荷が設けられる構成としても良い。この場合には複数の負荷側熱交換器を設け、複数の負荷側熱交換器から流出する被冷却媒体の温度をそれぞれ検出すれば良い。
図8において、第1負荷側熱交換器4の負荷側出口部には第4温度検出手段24が設けられ、第2負荷側熱交換器7の負荷側出口部には第5温度検出手段25が設けられ、絞り装置6の出口部と第2負荷側熱交換器7の入口部との間の配管には第2温度検出手段22が設けられ、第2負荷側熱交換器7の出口部とエゼクタ3の吸引部との間の配管には第3温度検出手段23が設けられており、これらの温度検出手段で検出される温度検出値は制御手段31に取り込まれる。
制御手段31では、第2温度検出手段22、第3温度検出手段23、第4温度検出手段24、第5温度検出手段25の温度検出値を取り込み、第2温度検出手段22の温度検出値と第3温度検出手段23の温度検出値から第2負荷側熱交換器7の出口過熱度を演算するとともに、第4温度検出手段24、第5温度検出手段25、出口過熱度を外部から与えられるそれぞれの目標値と比較して、圧縮機1の回転数、エゼクタ3の絞り開度、絞り装置6の絞り開度の出力値を演算し、圧縮機1、エゼクタ3、絞り装置6へ出力する。
次に、圧縮機1、エゼクタ3、絞り装置6の制御方法について説明する。制御手段31では、第4温度検出手段24の温度検出値Tw1と目標出口温度Tw1mとの偏差に基づいてエゼクタ3の絞り開度を演算し、第5温度検出手段25の温度検出値Tw2と目標出口温度Tw2mとの偏差に基づいて圧縮機1の回転数を演算し、第2温度検出手段22の温度検出値ET2と第3温度検出手段23の温度検出値ET3から演算される第2負荷側熱交換器出口過熱度SHと目標出口過熱度SHmとの偏差に基づいて絞り装置6の絞り開度を演算し、圧縮機1、エゼクタ3、絞り装置6へ出力する。
具体的には、第4温度検出手段24の温度検出値Tw1−目標出口温度Tw1m>第4の所定値ε4(ε4は正の数)の場合には、エゼクタ3の絞り開度を増加させ、目標出口温度Tw1m−第4温度検出手段24の温度検出値Tw1>第4の所定値ε4の場合にはエゼクタ3の絞り開度を減少させるようにして、TW1−TW1mの絶対値が|TW1−TW1m|<ε4を満たすまで繰り返す。また、第5温度検出手段25の温度検出値Tw2−目標出口温度Tw2m>第5の所定値ε5(ε5は正の数)の場合には、圧縮機1の回転数を増加させ、目標出口温度Tw2m−第5温度検出手段25の温度検出値Tw2>第5の所定値ε5の場合には減少させるようにして、TW2−TW2mの絶対値が|TW2−TW2m|<ε5を満たすまで繰り返す。ここで、制御フローや目標値の設定方法は、実施の形態1において、第1負荷側熱交換器4の目標蒸発温度ET1mを目標出口温度Tw1mに置き換え、第2負荷側熱交換器7の目標蒸発温度ET2mを目標出口温度Tw2mに置き換えた場合と同様であるため、詳細な説明を省略する。
本実施の形態では、冷媒温度から間接的に能力制御を行うのではなく、第1負荷側熱交換器4の被冷却媒体の出口温度Tw1や第2負荷側熱交換器7の被冷却媒体の出口温度Tw2などの負荷側の温度を直接検出して圧縮機1の回転数とエゼクタ3の絞り開度を制御するため、2つの蒸発器の蒸発温度が異なる場合であっても、2つの蒸発器の能力を適切に制御することができる。また、要求温度の異なる2つの負荷が存在する場合であっても、必要な能力に制御可能な冷凍サイクル装置を提供することができる。
実施の形態3.
図9は、本発明の実施の形態3に係る冷凍サイクル装置の構成を示す模式図である。図9において、実施の形態1、実施の形態2、図1〜図8と同等部分は同一の符号を付して説明は省略する。図9に示すように、本実施の形態における冷凍サイクル装置は、冷房運転と暖房運転とが切り換え可能なように四方弁8、第1流路切替弁9、第2流路切替弁10、開閉弁12を実施の形態1や実施の形態2に対して追加しており、冷房と暖房とで四方弁8、第1流路切替弁9、第2流路切替弁10の流路切替制御や開閉弁12の開閉制御を行う。ここで、本実施の形態では、圧縮機1、四方弁8、熱源側熱交換器2、絞り開度が変更可能なエゼクタ3、第1負荷側熱交換器4、第1流路切替弁9(第1接続口9a、第2接続口9b、第3接続口9cを有する)、気液分離器5、絞り装置6、開閉弁12、第2負荷側熱交換器7、第2流路切替弁10(第1接続口10a、第2接続口10b、第3接続口10cを有する)、およびそれらを接続するための配管で構成されている。ここで、本実施の形態では、第1流路切替弁9として第1三方弁を使用し、第2流路切替弁10としては第2三方弁を使用した例について説明する。
ここで、本実施の形態では、四方弁8、第1流路切替弁(第1三方弁)9、第2流路切替弁(第2三方弁)10の冷媒流路(接続口)を切り替えることにより、冷房と暖房で冷凍サイクルを切り替えるようにしている。冷房の場合は、開閉弁12は閉じており、圧縮機1、四方弁8、熱源側熱交換器2、エゼクタ3、第1負荷側熱交換器4、第1三方弁9(第1接続口9aが第1負荷側熱交換器4に接続され、第2接続口9bが気液分離器5に接続されており、この第1接続口9aと第2接続口9bが連通している)、気液分離器5の順で冷凍サイクルが構成されて、気液分離器5で分離されたガス冷媒が圧縮機1の吸入側に戻される。また、気液分離器5で分離された液冷媒は、絞り装置6により絞られて第2負荷側熱交換器7、第2三方弁10(第1接続口10aが第2負荷側熱交換器7に接続され、第2接続口10bがエゼクタ3の吸引部側に接続されており、この第1接続口10aと第2接続口10bが連通している)を介してエゼクタ3の吸引部に戻される。
また、暖房の場合は、開閉弁12が開放され、圧縮機1、四方弁8、気液分離器5、開閉弁12、第2負荷側熱交換器7、第2三方弁10(第1接続口10aが第2負荷側熱交換器7に接続され、第3接続口10cが第1三方弁9の第3接続口9cに接続されており、この第1接続口10aと第3接続口10cが連通している)、第1三方弁9(第1接続口9aが第1負荷側熱交換器4に接続され、第3接続口9cが第2三方弁10の第3接続口10cに接続されており、この第1接続口9aと第3接続口9cが連通している)、第1負荷側熱交換器4、エゼクタ3、熱源側熱交換器2の順で冷凍サイクルが構成される。
また、負荷側の熱媒体(被冷却媒体あるいは被加熱媒体)が第1負荷側熱交換器4と第2負荷側熱交換器7を直列に流れ、第1負荷側熱交換器4の負荷側出口温度(第2負荷側熱交換器の負荷側入口温度)を検出する第4温度検出手段24、第2負荷側熱交換器7の負荷側出口温度を検出する第5温度検出手段25、第1負荷側熱交換器4の負荷側入口温度を検出する第6温度検出手段26が設けられている。これらの温度検出値は制御手段31に取り込まれる。
ここでは、実施の形態1や実施の形態2と同等の動作部分は説明を省略し、実施の形態1や実施の形態2と異なる点のみを説明する。本実施の形態では、圧縮機1の吐出部に四方弁8が接続され、第1負荷側熱交換器4の出口部と気液分離器5との間の配管に第1三方弁9が、第2負荷側熱交換器7の出口部とエゼクタ3の吸引部との間に第2三方弁10が設けられ、気液分離器5と第2負荷側熱交換器7の入口部との間には暖房運転時に絞り装置6をバイパスするための開閉弁12(例えば、電磁弁)が設けられている。
上記のように構成された冷凍サイクル装置について、運転動作について説明する。本実施の形態における冷凍サイクル装置は、例えば室外に設置された室外ユニットと室内ユニットとを配管などで接続し、室外に設置された室外ユニットから室内に設けられた室内ユニットへ冷水あるいは温水を送り、室内を冷房または暖房するヒートポンプ式冷温水供給装置として動作する。
冷房運転では、四方弁8、第1三方弁9、第2三方弁10は実線矢印のように接続され、開閉弁12は閉止される。このとき、圧縮機1から吐出された高温・高圧のガス冷媒は、四方弁8を通って熱源側熱交換器2へ流入する。熱源側熱交換器2で凝縮・液化した液冷媒は、エゼクタ3で減圧されて低温・低圧の気液二相冷媒となり、第1負荷側熱交換器4へ流入する。第1負荷側熱交換器4で液冷媒の一部が蒸発し、乾き度の増加した気液二相冷媒は第1三方弁9(第1接続口9a、第2接続口9b)を介して気液分離器5に流入する。気液分離器5に流入した気液二相冷媒のうち、ガス冷媒は四方弁8を通って圧縮機1に吸引され、液冷媒は絞り装置6で減圧されて第2負荷側熱交換器7へ流入する。第2負荷側熱交換器7で蒸発したガス冷媒は、第2三方弁10(第1接続口10a、第2接続口10b)を通ってエゼクタ3の吸引部へ吸引される。
冷房運転時の圧縮機1、エゼクタ3、絞り装置6の制御動作について説明する。制御手段31に取り込まれた各温度検出手段の検出値に基づいて、圧縮機1、エゼクタ3、絞り装置6は制御される。圧縮機1の回転数は第5温度検出手段25の検出値Tw2が目標出口温度Tw2mとなるように制御され、エゼクタ3の絞り開度は第4温度検出手段24の検出値Tw1が目標出口温度Tw1mとなるように制御される。
図10は、本発明の実施の形態3に係る冷凍サイクル装置の成績係数(COP)と第1負荷側熱交換器4の負荷側出口温度の関係を表した図である。図において、横軸は第1負荷側熱交換器4の負荷側出口温度Tw1を表し、縦軸は成績係数COPを表しており、シミュレーションの結果を表している。例えば、シミュレーション条件としては、第1負荷側熱交換器4と第2負荷側熱交換器7の合計能力SQ=一定、第2負荷側熱交換器7の蒸発温度ET2=3℃、第1負荷側熱交換器4の負荷側入口温度Tw0=12℃、第2負荷側熱交換器7の負荷側出口温度Tw2=7℃であり、第1負荷側熱交換器4の負荷側出口温度Tw1と第1負荷側熱交換器4の蒸発温度ET1との温度差を4degなどとすればよい。図より、COPは第1負荷側熱交換器4の負荷側出口温度Tw1が第1負荷側熱交換器4の負荷側入口温度Tw0と第2負荷側熱交換器7の負荷側出口温度Tw2の算術平均値となる場合に極大値(最大値)Aとなることを示している。これは、第1負荷側熱交換器4の負荷側出口温度Tw1を上昇させると、第1負荷側熱交換器4の蒸発温度ET1が上昇してCOPは増加するが、一方で第1負荷側熱交換器4の熱交換量が減少し、システム全体のCOPが第2負荷側熱交換器7の蒸発温度ET2に支配されるようになるためである。従って、第1負荷側熱交換器4の負荷側出口温度の目標値Tw1mは第1負荷側熱交換器4の負荷側入口温度Tw0と第2負荷側熱交換器7の負荷側出口温度Tw2の算術平均値Tw1m=((Tw0+Tw2)/2)とすれば、効率の良い運転が可能となることを示している。
暖房運転では、四方弁8、第1三方弁9、第2三方弁10は点線のように接続され、開閉弁12は開放される。また、エゼクタ3は冷房運転のように動力回収動作を行わず、単なる絞り装置として機能する。このとき、圧縮機1から吐出された冷媒は、四方弁8を経て気液分離器5、開閉弁12を通り(このとき絞り装置6はバイパスされる)、開閉弁12を通過した冷媒は、第2負荷側熱交換器7で放熱することによって被加熱媒体(水など)を加熱して冷却・液化されて気液二相冷媒となる。この気液二相冷媒は、第2三方弁10(第1接続口10a、第2接続口10c)、第1三方弁9(第3接続口9c、第2接続口9a)を通って第1負荷側熱交換器4に流入し、第1負荷側熱交換器4で放熱することによって被加熱媒体(水など)を加熱して冷却・液化されて液冷媒となる。第1負荷側熱交換器4を流出した液冷媒は、エゼクタ3で減圧された後、熱源側熱交換器2で蒸発し、四方弁8を経て圧縮機1へ戻る。
暖房運転時には制御手段31は、第2負荷側熱交換器7の負荷側出口温度Tw2が目標温度Tw2mとなるように圧縮機1の回転数を制御し、熱源側熱交換器2の出口過熱度SHが目標出口過熱度SHmとなるようにエゼクタ3の絞り開度を制御する。熱源側熱交換器2の出口過熱度SHは、熱源側熱交換器2の出口部に設置した温度検出手段(図示せず)と圧力検出手段(図示せず)を用いれば実施の形態1と同様に演算することができる。すなわち、熱源側熱交換器2の出口過熱度SHの演算は、熱源側熱交換器2の出口温度(たとえば熱源側熱交換器2の出口に温度検出手段を設けてこの温度検出手段の検出温度)と入口温度(たとえば熱源側熱交換器2の入口に温度検出手段を設けてこの温度検出手段の検出温度)との差(SH=出口温度−入口温度)として演算しても良いし、あるいは熱源側熱交換器2の出口部に温度検出手段と圧力検出手段(例えば、圧力センサー)を設けて、圧力センサーからの検出値Pから求められる飽和温度ETpと熱源側熱交換器2の出口部の温度検出手段より検出される出口温度ETとの差(SH=ET−ETp)として求めれば良い。
本実施の形態では、第1流路切替弁9として第1三方弁9を使用し、第2流路切替弁10として第2三方弁10を使用する構成を示したが、これに限るものではなく、流路切替弁としては、三方弁9、10のそれぞれの代わりに開閉弁を2個使用してもよいし、開閉弁1個と逆止弁1を組合せて使用しても同等の機能や効果を得ることができる。
以上より、本実施の形態では、圧縮機1と熱源側熱交換器2との間に四方弁8を設けて冷媒流路を切り替えることによって、熱源側熱交換器2内の冷媒の流れ方向を反転させることによって、第1負荷側熱交換器4、第2負荷側熱交換器7を、冷媒を蒸発させる蒸発器として使用する場合(冷房運転や冷凍運転)と冷媒を凝縮させる凝縮器として使用する場合(暖房運転など)とを切り替え可能にしているので、簡単な構成でありながら、冷房(あるいは冷凍)運転と暖房運転とを切り替えることができる。
また、本実施の形態では、冷房運転と暖房運転が切り換え可能な冷凍サイクル装置において、冷房運転時には、圧縮機1の回転数、エゼクタ3の絞り開度、絞り装置6の絞り開度を調節することで、第1負荷側熱交換器4の蒸発能力Q1、第2負荷側熱交換器7の蒸発能力Q2、第2負荷側熱交換器の出口過熱度(SH)の状態を適切に制御することができ、蒸発温度の異なる2つの蒸発器の蒸発能力を適切に制御することができる。また、暖房運転時には、エゼクタ3を単なる絞り装置として動作させることができ、暖房運転用の絞り装置を別途必要とせず、簡単な構成で冷房運転と暖房運転が切り換え可能な冷凍サイクル装置を提供することができる。
以上より、本実施の形態では、圧縮機1、四方弁8、熱源側熱交換器2、絞り開度可変のエゼクタ3、第1負荷側熱交換器4、気液分離器5、前記四方弁8、を順次環状に接続するとともに、前記気液分離器5を絞り装置6、第2負荷側熱交換器7、を介して前記エゼクタ3の吸引部側に接続される冷凍サイクルと、第1接続口9a、第2接続口9b、第3接続口9cを有する第1流路切替弁9と、第1接続口10a、第2接続口10b、第3接続口10cを有する第2流路切替弁10と、を備え、第1流路切替弁9の第1接続口9aを第1負荷側熱交換器4に接続し、第1流路切替弁9の第2接続口9bを気液分離器5に接続し、第1流路切替弁9の第3接続口9cを第2流路切替弁10の第3接続口10cに接続し、第2流路切替弁10の第1接続口10aを第2負荷側熱交換器7に接続し、第2流路切替弁10の第2接続口10bをエゼクタ3の吸引部側に接続し、第2流路切替弁10の第3接続口10cを第1流路切替弁9の第3接続口9cに接続し、冷房運転時には、第1流路切替弁9は第1接続口9aと第2接続口9bを連通し、第2流路切替弁10は第1接続口10aと第2接続口10bを連通し、暖房運転時には、第1流路切替弁9は第1接続口9aと第3接続口9cを連通し、第2流路切替弁10は第1接続口10aと第3接続口10cを連通するようにしたので、四方弁8、第1流路切替弁9、第2流路切替弁10の切替えにて、冷房運転と暖房運転を簡単に切り換え可能な冷凍サイクル装置を提供できる。
図11は、本発明の実施形態3に係る冷凍サイクル装置の別の構成を示す模式図である。図11において、実施の形態1、実施の形態2、図1〜図10と同等部分は同一の符号を付して説明は省略する。図11に示すように、本実施の形態における冷凍サイクル装置は、冷房運転および暖房運転が切り換え可能な冷凍サイクル装置であり、圧縮機1、四方弁8、熱源側熱交換器2、絞り開度が変更可能なエゼクタ3、第1負荷側熱交換器4、気液分離器5、絞り装置6、第2負荷側熱交換器7、第1三方弁9(第1接続口9a、第2接続口9b、第3接続口9cを有する)、第2三方弁10(第1接続口10a、第2接続口10b、第3接続口10cを有する)、およびそれらを接続するための配管で構成されている。
本実施の形態における冷凍サイクル装置では、気液分離器5を暖房時には余剰冷媒を貯留するアキュムレータとして使用できる冷凍サイクルを構成しており、別途アキュムレータを設けなくても液冷媒が圧縮機1に戻る現象(液バック)を抑制でき、低コストで信頼性の高い冷凍サイクル装置が得られるものである。図において、圧縮機1の吐出部に四方弁8が接続され、冷房運転時には第1流路切替弁9(第1三方弁9)は第1接続口9aが四方弁8に接続され、第2接続口9bが第1負荷側熱交換器4の出口部に接続され、第2流路切替弁10(第2三方弁10)は第1接続口10aが第2負荷側熱交換器7の出口部と接続され、第2接続口10bがエゼクタ3の吸引部に接続されている。また、暖房運転事には、第1流路切替弁9(第1三方弁9)は第1接続口9aが四方弁8に接続され、第3接続口9cが絞り装置6と第1負荷側熱交換器7の出口部との間に接続され、第2流路切替弁10(第2三方弁10)は第1接続口10aが第2負荷側熱交換器7の出口部と接続され、第3接続口10cが第1負荷側熱交換器4と第1流路切替弁9の第2接続口9bとの間に接続されている。したがって、暖房運転時には、気液分離器5が圧縮機1の吸入側に接続されることになるので、気液分離器5がアキュレータ(余剰冷媒貯留器)として機能するようになる。
つぎに運転動作について説明する。本実施の形態における冷凍サイクル装置は、例えば室外に設置されて、室内に設けられた室内ユニットへ冷水または温水を送り、室内を冷房または暖房するヒートポンプ型冷温水供給装置として動作する。冷房運転では、四方弁8、第1三方弁9、第2三方弁10は実線矢印のように接続される。このとき、圧縮機1から吐出された高温・高圧のガス冷媒は、四方弁8を実線のように流れ、熱源側熱交換器2へ流入する。熱源側熱交換器2で凝縮・液化した液冷媒は、エゼクタ3で減圧されて低温・低圧の気液二相冷媒となり、第1負荷側熱交換器4へ流入する。第1負荷側熱交換器4で液冷媒の一部が蒸発した気液二相冷媒は第1三方弁9(第2接続口9b、第1接続口9a)を経て四方弁8を経由し、気液分離器5に流入する。気液分離器5に流入した気液二相冷媒のうち、ガス冷媒は圧縮機1に吸引され、液冷媒は絞り装置6で減圧されて第2負荷側熱交換器7へ流入し、第2三方弁10(第1接続口10a、第2接続口10b)を通ってエゼクタ3の吸引部へ吸引される。冷房運転時の圧縮機1、エゼクタ3、絞り装置6の制御動作については図1や図9の場合と同様であるため、詳細な説明を省略する。
暖房運転では、四方弁8、第1三方弁9、第2三方弁10は点線矢印のように接続され、絞り装置6は全閉される。また、エゼクタ3は動力回収動作を行わず、単純な絞り装置として機能する。このとき、圧縮機1から吐出された冷媒は、四方弁8、第1三方弁9(第1接続口9a、第2接続口9c)の順に流れ、絞り装置6が全閉されているため、第2負荷側熱交換器7に流入する。第2負荷側熱交換器7に流入した冷媒は、第2負荷側熱交換器7で放熱して被加熱媒体を加熱し、冷却・液化されて気液二相状態となる。この気液二相冷媒は、第2三方弁10(第1接続口10a、第3接続口10c)を通って第1負荷側熱交換器4に流入し、第1負荷側熱交換器4で放熱して被加熱媒体を加熱し、冷却・液化されて液冷媒となる。第1負荷側熱交換器4を流出した液冷媒は、エゼクタ3で減圧された後、熱源側熱交換器2で蒸発し、四方弁8と気液分離器5を経て圧縮機1へ戻る。
以上より、本実施の形態では、圧縮機1、四方弁8、熱源側熱交換器2、絞り開度可変のエゼクタ3、第1負荷側熱交換器4、前記四方弁8、気液分離器5、を順次環状に接続するとともに、前記気液分離器5を絞り装置6、第2負荷側熱交換器7、を介して前記エゼクタ3の吸引部側に接続される冷凍サイクルと、第1接続口9a、第2接続口9b、第3接続口9cを有する第1流路切替弁9と、第1接続口10a、第2接続口10b、第3接続口10cを有する第2流路切替弁10と、を備え、第1流路切替弁9の第1接続口9aを前記四方弁8に接続し、第1流路切替弁9の第2接続口9bを第1負荷側熱交換器4に接続し、第1流路切替弁9の第3接続口9cを絞り装置6と第2負荷側熱交換器7との間に接続し、第2流路切替弁10の第1接続口10aを第2負荷側熱交換器7に接続し、第2流路切替弁10の第2接続口10bをエゼクタ3の吸引部側に接続し、第2流路切替弁10の第3接続口10cを第1負荷側熱交換器4と第1流路切替弁9の第2接続口との間に接続し、冷房運転時には、第1流路切替弁9は第1接続口9aと第2接続口9bを連通し、第2流路切替弁10は第1接続口10aと第2接続口10bを連通し、暖房運転時には、第1流路切替弁9は第1接続口9aと第3接続口9cを連通し、第2流路切替弁10は第1接続口10aと第3接続口10cを連通するようにしたので、四方弁8、第1流路切替弁9、第2流路切替弁10の切替えにて、冷房運転と暖房運転を簡単に切り換え可能な冷凍サイクル装置を提供できる。
さらに、冷房運転時には、圧縮機1の回転数、エゼクタ3の絞り開度、絞り装置6の絞り開度を制御することで、第1負荷側熱交換器4の蒸発能力ET1、第2負荷側熱交換器7の蒸発能力ET2、第2負荷側熱交換器の出口過熱度SHの状態を適切に制御することにより、蒸発温度の異なる2つの蒸発器の蒸発能力を負荷に応じて適正に制御することができる。また、暖房運転時には、エゼクタ3を単なる絞り装置として動作させることができ、暖房運転用の絞り装置を別途必要としない簡単な冷凍サイクル装置を提供することができる。
また、四方弁8、第1三方弁9、第2三方弁10の冷媒流路を切り替えて熱源側熱交換器2内の冷媒の流れ方向を反転させることによって、暖房運転時には気液分離器5を圧縮機1への液バックを抑制するアキュムレータとして使用するようにしているので、気液分離器5を暖房時にはアキュムレータとして使用でき、別途アキュムレータを設けなくて圧縮機1への液バック耐力を向上でき、低コストで信頼性の高い冷凍サイクル装置を得ることができる。
本実施の形態では、第1流路切替弁9として第1三方弁9を使用し、第2流路切替弁10として第2三方弁10を使用する構成を示したが、これに限るものではなく、流路切替弁としては、三方弁9、10のそれぞれの代わりに開閉弁を2個使用してもよいし、開閉弁1個と逆止弁1を組合せて使用しても同等の機能や効果を得ることができる。図12は第1流路切替弁9の別の実施例を説明するための図であり、図12(a)は開閉弁(電磁弁)を2個使用した場合の模式図、図12(b)は開閉弁を1個と逆止弁を1個組合せて使用した場合の模式図である。図12における第1接続口9a、第2接続口9b、第3接続口9cが、図9や図11で説明した第1流路切替弁(第1三方弁)9の第1接続口9a、第2接続口9b、第3接続口9cにそれぞれ対応している。
図12(a)では、第1接続口9a、第2接続口9b、第3接続口9cは分岐部9dで接続されており、開閉弁(電磁弁)51が第2接続口9bと分岐部9dとの間に設けられ、開閉弁(電磁弁)52が第3接続口9cと分岐部9dとの間に設けられている。また、図12(b)では、第1接続口9a、第2接続口9b、第3接続口9cは分岐部9dで接続されており、逆止弁53が第2接続口9bと分岐部9dとの間に設けられ、開閉弁(電磁弁)52が第3接続口9cと分岐部9dとの間に設けられている。このようにしても開閉弁51、52の開閉制御を行うことで、第1流路切替弁9と同等の機能・効果が得られる。また、電磁弁51の代わりに逆止弁53を用いると電磁弁51の電磁コイル部分が不要となり,低コスト化が図れるという効果もある。ここでは、第1流路切替弁9の代わりに図12の開閉弁51、52、逆止弁53を使用する例について説明したが、第2流路切替弁の代わりに図12の開閉弁51、52、逆止弁53を使用しても同等の機能・効果が得られる。
本実施の形態では、HFC系冷媒として高圧と低圧の圧力差を大きく利用できるR410Aを用いる例を示したが、R407CやR404Aを用いても同様の効果を発揮する。また、炭化水素(HC)系冷媒であるプロパン(R290)やイソブタン(R600a)でも有効であり、特に二酸化炭素(CO2)では断熱熱落差(等エントロピー膨張時のエンタルピーと等エンタルピー膨張時のエンタルピーとの差)が大きく、エゼクタ利用時の効果が大きく省エネルギーな冷凍サイクル装置を提供できる。
本発明の実施の形態1に係る冷凍サイクル装置の構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態1に係る冷凍サイクル装置に使用されるエザクタの構造と圧力変化の関係を表した図である。 本発明の実施の形態1を表す冷凍サイクル装置の圧力とエンタルピの関係を表した図である。 本発明の実施の形態1を表す冷凍サイクル装置の制御フロー図である。 本発明の実施の形態1に係る冷凍サイクル装置における第1負荷側熱交換器での蒸発能力と蒸発温度の関係を示す図である。 本発明の実施の形態1を表す冷凍サイクル装置の別の制御フロー図である。 本発明の実施の形態1に係る冷凍サイクル装置のエゼクタの吸引流量と圧力差の関係を示す図である。 本発明の実施の形態2を表す冷凍サイクル装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態3に係る冷凍サイクル装置の構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態3に係る冷凍サイクル装置の成績係数(COP)と第1負荷側熱交換器4の負荷側出口温度の関係を表した図である。 本発明の実施形態3に係る冷凍サイクル装置の別の構成を示す模式図である。 本発明の実施形態3に係る冷凍サイクル装置の流路切替弁の別の実施例を説明するための図である。
符号の説明
1 圧縮機、2 熱源側熱交換器、3 エゼクタ、4 第1負荷側熱交換器、5 気液分離器、6 絞り装置、7 第2負荷側熱交換器、8 四方弁、9 第1流路切替弁、10 第2流路切替弁、11 室外送風機、12 開閉弁、21 第1温度検出手段、22 第2温度検出手段、23 第3温度検出手段、24 第4温度検出手段、25 第5温度検出手段、26 第6温度検出手段、31 制御手段、41 電磁コイル部、42 ニードル部、43 ノズル部、43a 減圧部、43b 末広部、44 圧力回復部、45 ディフューザ部、51、52 開閉弁、53 逆止弁、100 室外ユニット、101、102 室内ユニット。

Claims (5)

  1. 圧縮機、四方弁、熱源側熱交換器、絞り機構を備えたエゼクタ、第1負荷側熱交換器、気液分離器、を順次接続するとともに、前記気液分離器を絞り装置、第2負荷側熱交換器を介して前記エゼクタの吸引部側に接続し、前記四方弁を切り替えることによって前記熱源側熱交換器内の冷媒の流れ方向を反転させて、前記第1負荷側熱交換器、第2負荷側熱交換器を、冷媒を蒸発させる蒸発器として使用する場合と冷媒を凝縮させる凝縮器として使用する場合とを切り替え可能にし、暖房運転時には前記エゼクタを単なる絞り装置として動作させるように構成された冷凍サイクルを備え、前記第1負荷側熱交換器、前記第2負荷側熱交換器の順で直列に被冷却媒体を流すとともに、前記第1負荷側熱交換器の被冷却媒体出口温度、前記第2負荷側熱交換器の被冷却媒体出口温度、を検出し、前記第1負荷側熱交換器の被冷却媒体出口温度と、前記第2負荷側熱交換器の被冷却媒体出口温度と、が、目標温度となるように、前記圧縮機の回転数、前記絞り機構の絞り開度を制御するようにしたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
  2. 圧縮機、熱源側熱交換器、ゼクタ、第1負荷側熱交換器、気液分離器、を順次接続するとともに、前記気液分離器を絞り装置、第2負荷側熱交換器を介して前記エゼクタの吸引部側に接続して構成された冷凍サイクルと、前記第1負荷側熱交換器、前記第2負荷側熱交換器の順で直列に被冷却媒体を流すとともに、前記第1負荷側熱交換器の被冷却媒体入口温度を検出する温度検出手段と、前記第1負荷側熱交換器の被冷却媒体出口温度を検出する温度検出手段と、前記第2負荷側熱交換器の被冷却媒体出口温度を検出する温度検出手段と、を備え、前記第1負荷側熱交換器の被冷却媒体出口温度の目標温度を前記第1負荷側熱交換器の被冷却媒体入口温度と前記第2負荷側熱交換器の被冷却媒体出口温度との算術平均値とし前記第1負荷側熱交換器の被冷却媒体出口温度が前記目標温度となるように制御するようにしたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
  3. 前記エゼクタは、前記冷凍サイクル内を流れる冷媒を減圧すると、前記冷凍サイクル内の冷媒を圧力差により吸引する吸引部と、前記絞り部で減圧された冷媒と前記吸引部で吸引された冷媒とを混合する混合部と、を備え、前記の絞り開度を変更可能としたことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の冷凍サイクル装置。
  4. 前記圧縮機と前記熱源側熱交換器との間に四方弁を設けて冷媒流路を切り替えることによって、前記熱源側熱交換器内の冷媒の流れ方向を反転させることによって、前記第1負荷側熱交換器、第2負荷側熱交換器を、冷媒を蒸発させる蒸発器として使用する場合と冷媒を凝縮させる凝縮器として使用する場合とを切り替え可能にしたことを特徴とする請求項2または請求項3に記載の冷凍サイクル装置。
  5. 前記四方弁により冷媒流路を切り替えて前記熱源側熱交換器内の冷媒の流れ方向を反転させることによって、暖房運転時には前記気液分離器を前記圧縮機への液バックを抑制するアキュムレータとして使用するようにしたことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
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