JP5334905B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

この発明は、エジェクタを備えた冷凍サイクル装置に関するものであり、低外気環境においてインジェクション付き圧縮機による高能力運転とエジェクタの動力回収効果による高効率運転を実現する冷凍サイクル装置に関するものである。

従来のエジェクタを備えた冷凍サイクル装置は、エジェクタの駆動力不足により蒸発器への冷媒流量が低下することで蒸発能力と冷凍サイクル装置の運転効率が低下することを抑制している（例えば、特許文献１参照。）。

従来例では、エジェクタを冷房運転と暖房運転の両運転で利用するための逆止弁ブリッジ回路を備える。さらに、この逆止弁ブリッジ回路を迂回するためのバイパス回路が逆止弁ブリッチ回路の高圧側入口と低圧側出口を冷媒配管とバイパス弁で接続されている。このバイパス回路は、エジェクタでの回収動力が不足することで蒸発能力と冷凍サイクルの効率が低下したときに、バイパス弁を開放すると同時にエジェクタ内のノズルの弁開度を全閉し、エジェクタを用いない通常の膨張弁で減圧させる冷凍サイクルを構成させる。

このような構成により、エジェクタの動力回収による高効率運転が可能で、バイパス回路を取り付けることにより信頼性の高い冷凍サイクル装置を得ることができる。また、除霜運転時は負荷側の高温熱源を利用できるため、除霜運転時間の短縮を図ることができ、暖房運転の停止時間が短縮され、快適性の低下を抑える効果を得ることができる。

また、インジェクションポートを有する圧縮機を使用して暖房能力を向上させる冷凍サイクル装置については、例えば、凝縮器の出口側配管から絞り機構、内部熱交換器を介してインジェクションポートへと配管接続する構造の冷凍サイクル装置が知られている。このような構成により、絞り機構でインジェクション流量を制御するとともに、圧縮機への液インジェクションを回避するために、内部熱交換器での熱交換器により高い乾き度の冷媒をインジェクションすることで、圧縮機の信頼性を得ることができる。（例えば、特許文献２参照）

特開２００８−１１６１２４号公報（請求項１、第１図） 特開２００９−０２４９３９号公報（請求項、第１図）

従来例では、低外気条件での暖房運転時では、蒸発圧力低下により圧縮機の吸入密度が小さくなるため、冷媒循環量が減少し、暖房能力が低下する課題がある。また、暖房能力増大のために圧縮機周波数を上げて冷媒循環量を増やした場合、圧縮機の消費動力が増大し、冷凍サイクルの運転効率が低下する課題があった。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、低外気条件において暖房能力向上と効率改善を行うことができる冷凍サイクル装置を得るものである。

この発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機、凝縮器、エジェクタ、気液分離器が冷媒配管で順次接続される高圧側冷媒回路と、前記気液分離器から流出する液冷媒を第四流量調整弁および蒸発器を介して前記エジェクタの冷媒吸引部に流す低圧冷媒回路と、前記気液分離器の上部流出口と前記圧縮機の吸入口とを接続し前記気液分離器のガス冷媒を前記圧縮機に吸入させる圧縮機吸入回路と、前記高圧冷媒回路の前記凝縮器と前記エジェクタの間から第二流量調整弁を介して前記圧縮機の中間圧力部へ接続する第一のバイパス回路と、前記第一のバイパス回路の前記第二流量調整弁にて圧力が低下した冷媒と前記高圧側冷媒回路を流れる高圧冷媒と熱交換をする内部熱交換器と、前記内部熱交換器と前記エジェクタの間に配置された第一流量調整弁と前記内部熱交換器との間から高圧冷媒を第三流量調整弁を介して前記低圧冷媒回路の前記第四流量調整弁および前記蒸発器との間に接続して冷媒をバイパスさせる第二のバイパス回路と、を備え、前記第二流量調整弁を開にして前記第一のバイパス回路に冷媒を流しながら、前記第一及び第四流量調整弁を開にして前記第三流量調整弁を閉とする運転態様と、前記第二流量調整弁を開にして前記第一のバイパス回路に冷媒を流しながら、前記第一及び第四流量調整弁を閉にして前記第三流量調整弁を開とする運転態様とを有する。

この発明の冷凍サイクル装置は、第一のバイパス回路を利用して高圧側冷媒回路への冷媒循環量を増大させることで暖房能力が向上でき、エジェクタによる動力回収により高効率運転できる冷凍サイクル装置を提供できる。
さらに、冷凍サイクル装置内の不純物がエジェクタのノズル部が閉塞した場合、第ニのバイパス回路を利用することで運転停止することのない冷凍サイクル装置を得ることができる。

この発明の実施形態１を示す冷凍サイクル装置の模式図である。 この発明の実施形態１の冷凍サイクル装置に備えるエジェクタの内部構造を示す模式図である。 この発明の実施形態１に係る外気温度と暖房能力、ＣＯＰの関係を示す図である。 この発明の実施形態１に係わるモリエル線図である。 この発明の実施形態１に係わるモリエル線図である。 この発明の実施形態１に係わるモリエル線図である。 この発明の実施形態１に係わるモリエル線図である。 この発明の実施形態１を構成する第一流量調整弁の制御フロー図である。 この発明の実施形態１に係わる断熱熱落差と過冷却度の関係を示す図である。 この発明の実施形態１を構成する第二流量調整弁の制御フロー図である。 この発明の実施形態１に係わる過熱度とCOPおよび吸入流量の関係を示す図である。 この発明の実施形態１を構成する第一流量調整弁、第三流量調整弁、第四流量調整弁の制御フロー図である。 この発明の実施形態１に係わる断熱熱落差と蒸発温度の関係を示す図である。 この発明の実施形態１を構成する第一流量調整弁、第三流量調整弁、第四流量調整弁の制御フロー図である。 この発明の実施形態１を構成する第一流量調整弁、第三流量調整弁、第四流量調整弁の制御フロー図である。 この発明の実施形態１を構成する第四流量調整弁の制御フロー図である。 この発明の実施形態１に係る可変絞り機構付きのエジェクタの内部構造を示す図である。 この発明の実施形態２を示す冷凍サイクル装置の模式図である。 この発明の実施形態２に係る外気温度と暖房能力、ＣＯＰの関係を示す図である。 この発明の実施形態２に係わるモリエル線図である。 この発明の実施形態３を示す冷凍サイクル装置の模式図である。 この発明の実施形態３に係わるモリエル線図である。

実施形態１．
図１は本発明の実施形態１における冷凍サイクル装置の構成を示す模式図である。本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機１０１、四方弁１０２、放熱器である凝縮器１０３、凝縮器１０３から流出した冷媒を冷却する過冷却器１０４、第一流量調整弁１０５、エジェクタ１０６、エジェクタ１０６から流出した気液二相冷媒を液冷媒とガス冷媒とに分離する気液分離器１０７、この気液分離器１０７の液冷媒側は蒸発器１０８が配管接続され、ガス冷媒側は圧縮機１０１の低圧吸入口に接続されている。蒸発器出口とエジェクタ１０６の吸引部２０４とは四方弁１０２を介して接続されている。凝縮器１０３と過冷却器１０４の間から第二流量調整弁１０９を介して過冷却器１０４の低圧側冷媒配管を通って圧縮機１０１の中間圧部分であるインジェクションポートへインジェクションする第一のバイパス回路１１０、過冷却器１０４と第一流量調整弁１０５の間から第三流量調整弁１１１を介して気液分離器の液側配管と接続する第二のバイパス回路１１２、気液分離器１０７の液側冷媒流出口に第四流量調整弁１１３が接続されて構成される。冷媒が循環する各部配管には過冷却器出口温度センサー１１６、高圧温度センサー１１９、エジェクタ吸引温度センサー１２０、蒸発器入口温度センサー１２１が設けられ、外気温度を計測する外気温度センサー１１８、圧縮機吐出側の冷媒圧力を検出する高圧圧力センサー１１７などの各種センサーからの信号が室外側に設けられた制御ユニット３００内の検出値受信部３０１に集められる。制御ユニット内にてマイコンに設けられた演算手段にて各種信号は処理され、同様に記憶された各種設定値により比較され判断されて制御信号送信部３０２から各種アクチュエータ、各種弁、圧縮機、エジェクタが制御される。

図２はエジェクタ１０６の構成図を示す。エジェクタ１０６は、ノズル部２０１、混合部２０２、ディフューザー部２０３で構成され、ノズル部２０１はさらに減圧部２０１ａ、喉部２０１ｂ、末広部２０１ｃで構成されている。
エジェクタ１０６は駆動流である高圧の冷媒を減圧部２０１ａで減圧膨張させてノズル喉部２０１ｂで音速とし、更に末広部２０１ｃで超音速として減圧・加速させる。駆動流の冷媒の状態は過冷却液でも気液二相流のどちらでもよい。このとき、吸引部２０４を通って周囲から冷媒を吸引する（吸引冷媒）。エジェクタ１０６の駆動冷媒と吸引冷媒は混合部２０２で混合し、互いの運動量交換により圧力が回復（上昇）する。さらに、ディフューザー部２０３においても流路拡大による減速効果で圧力が回復し、ディフューザー部２０３を流出する。

次に動作について、暖房運転を例に挙げて説明する。
暖房運転での外気温度と能力およびＣＯＰの関係および各温度帯で制御する流量調整弁の関係を図３に示す。図３は図１に示した冷凍サイクル装置の外気温度に対する能力と効率であるＣＯＰの関係を示す図で、上図（ａ）はインジェクションの使用とエジェクタの使用を同一の外気温度範囲Ａ−Ｂ間で行った状態を説明する概念図、下図（ｂ）は具体的な回路を含めて実際に使用される例を説明する説明図である。図において横軸は外気温度を示し、縦軸は能力とＣＯＰを示している。なお図３における破線部分はインジェクションを使用しない、またはエジェクタを使用しない状態の特性を示す。図３（ａ）においてインジェクションを使用しないと外気温度Ｂ以下では能力が低下する。一方インジェクションを利用するとＢより低い温度であるＡまで能力を維持できる。エジェクタを適正に使用した場合は使用しない場合に比べ効率を上昇させることができる。外気温度が低温（例えば２℃未満）の場合、蒸発圧力の低下により圧縮機の吸入密度が低下するため、圧縮機から吐出する冷媒流量が減少し、暖房能力が低下する。この場合、圧縮機の回転数を増加させて冷媒流量を増大すると、圧縮機の消費電力が増大するためＣＯＰは低下する。そこで、インジェクションポート付き圧縮機による暖房能力向上運転とエジェクタを利用した効率運転について図３（ｂ）と図４に示すモリエル図を用いて説明する。図４のモリエル線図の横軸は比エンタルピ、縦軸は圧力であり、線図の中のイ−オの各点は図１の冷凍サイクルの配管各点の冷媒状態を示す。

インジェクションポート付き圧縮機は、圧縮機の中間圧力へ冷媒をインジェクションさせ、凝縮器への冷媒循環量を増加させて能力向上を図る。一方、エジェクタは冷媒の膨張過程での膨張動力を回収利用することで圧縮機の消費電力を削減し、ＣＯＰ向上を図る。このとき、第一流量調整弁１０５、第二流量調整弁１０９および第四流量調整弁１１３は後述する制御に基づいた開度に設定させており、第三流量調整弁１１１は全閉されている。

圧縮機１０１の吸入口の状態イの低圧冷媒は圧縮機１０１により状態ロまで圧縮される。状態ロとなった冷媒は冷媒四方弁１０２を通り、凝縮器１０３にて室内空気と熱交換することで冷却し、状態ハとなる。状態ハの冷媒はエジェクタ１０６の冷媒流入口へ流れる冷媒と第一のバイパス回路１１０へ流れる冷媒とに分流する。第一のバイパス回路１１０を流れる状態ハの冷媒は第二流量調整弁１０９で減圧が低下して低温低圧の状態ルとなり、過冷却器１０４の低圧側入口へ流入する。一方、エジェクタ１０６へ流れる状態ハの高温高圧冷媒は過冷却器の高圧側入口へ流入する。過冷却器１０４では状態ルの高温高圧冷媒と状態ハの低温低圧冷媒が互いに熱交換することで、状態ルの冷媒は加熱されて状態オとなったのち、圧縮機の中間圧へインジェクションされる。また、状態ハの冷媒は冷却されて状態ニとなりエジェクタ１０６へ流入する。

エジェクタ１０６へ流入する冷媒は状態ニから第一流量調整弁１０５で減圧されて状態ホとなったのち、ノズル部２０１ａで減圧されて状態へとなり、高速の気液二相冷媒となってノズル出口から噴出する。ノズル出口直後、状態への冷媒はエジェクタ吸引部２０４から流入した状態ヌの冷媒と混合し、混合部２０２とディフューザー２０３において圧力が上昇したのち、状態トとなってエジェクタ１０６から流出する。エジェクタ１０６から流出した状態トの気液二相冷媒は気液分離器１０７で液冷媒とガス冷媒に分離される。気液分離器１０７の液冷媒流出口を流出した状態チの冷媒は第四流量調整弁１１３にて状態リとなり、蒸発器１０８へ流入する。状態リの冷媒は蒸発器１０８にて外気からの熱の吸収により、状態ヌとなってエジェクタ吸引口２０４へと流入する。一方、気液分離器１０７のガス冷媒流出口から流出する状態イの冷媒は圧縮機の１０１の吸入口へ導かれる。図示していないが、気液分離器１０７の内部のガス冷媒配管は油穴を備えたＵ字形状をしており、気液分離器１０７に滞留した油がガス冷媒とともに圧縮機１０１へ流入する。
以上の動作により冷凍サイクルが形成される。

図４の動作の説明は、インジェクションとエジェクタ１０６を同時に利用した状態、すなわち図３（ｂ）における回路２の状態である。この状態の冷凍サイクルで運転することで、エジェクタ１０６の昇圧効果により圧縮機１０１の吸入圧力がエジェクタを利用しない場合と比べて高めることができるため圧縮機１０１の消費電力が減少し、ＣＯＰが向上する。また、圧縮機へ冷媒をインジェクションすることで凝縮器１０３への冷媒流量が増大し、能力増大を図ることができる。

ここにおける外気温度Ｂ未満（例えば、２℃未満）で第一のバイパス回路１１０を利用し、この外気温度Ｂは能力向上運転を開始する温度帯に設定するとよい。この場合、図２のエジェクタ喉部２０１ｂの流路断面積、喉部末広長さが外気温度に適した絞りとなるような形状に設計するとよい。

次に外気温度がＢ以上で、圧縮機１０１へ冷媒をインジェクションしないで暖房能力を得ることができ、エジェクタで高効率運転する動作について、図５のモリエル線図を用いて説明する。このとき、第一流量調整弁１０５と第四流量調整弁１１３は後述する制御に基づいた開度に設定され、第二流量調整弁１０９、第三流量調整弁１１１は全閉している。図５における動作は図３（ｂ）における回路３の状態である。

圧縮機１０１へ流入した状態イの冷媒は高温高圧の状態ロとなる。状態ロの冷媒は凝縮器１０３にて室内空気との熱交換により冷却されて状態ハとなる。凝縮器を流出した状態ハの冷媒は過冷却器１０４の高圧側冷媒流路を通過した後、エジェクタ１０６へ流入する。このとき第ニ流量調整弁１０９は閉止しているため、第二のバイパス１１０への冷媒の流入はない。したがって、過冷却器１０４で熱交換しないため、過冷却器出口１０４の冷媒の状態は状態ハと同じである。エジェクタ１０６へ流入する冷媒は状態ニから第一流量調整弁１０５で減圧されて状態ホとなったのち、ノズル部２０１ａで減圧されて状態へとなり、高速の気液二相冷媒となってノズル出口から噴出する。ノズル出口直後、状態への冷媒はエジェクタ吸引部２０４から流入した状態ヌの冷媒と混合し状態ト´となり、混合部２０２とディフューザー２０３において圧力が上昇したのち、状態トとなってエジェクタ１０６から流出する。エジェクタ１０６から流出した状態トの気液二相冷媒は気液分離器１０７で液冷媒とガス冷媒に分離され、液冷媒は状態チ、ガス冷媒は状態イとなる。気液分離器１０７の液冷媒流出口を流出した状態チの液冷媒は第四流量調整弁１１３にて状態リとなり、蒸発器１０８へ流入する。状態リの冷媒は蒸発器１０８にて外気からの熱に吸収により、状態ヌとなってエジェクタ吸引口２０４へと流入する。一方、気液分離器１０７のガス冷媒流出口から流出する状態イのガス冷媒は圧縮機の１０１の吸入口へ導かれる。
以上の動作により冷凍サイクルが形成される。

この冷凍サイクルで運転することで、エジェクタの昇圧効果により圧縮機１０１の吸入圧力がエジェクタを利用しない場合と比べて高めることができるため圧縮機１０１の消費電力が減少し、ＣＯＰが向上する。

次に圧縮機へ冷媒をインジェクションして能力増大を要求される外気温度Ａ未満（例えば−１５℃未満）にて、エジェクタ１０６の動力回収効率が低下してエジェクタの吸引流量と昇圧量が低下して効率改善が見込めない場合、エジェクタを利用せず、能力向上運転のみを行う動作について図６のモリエル線図を用いて説明する。
このとき、第一流量調整弁１０５と第四流量調整弁１１３は全閉しており、第二流量調整弁１０９と第三流量調整弁１１１は制御に基づいた開度に調整されている。図６のモリエル線図の状態は図３（ａ）の外気温度Ａより低い温度の状態、または図３（ｂ）の回路１の状態である。

圧縮機１０１の吸入口の状態イの低圧冷媒は圧縮機１０１により状態ロまで圧縮される。状態ロとなった冷媒は冷媒四方弁１０２を通り、凝縮器１０３にて室内空気と熱交換することで冷却し、状態ハとなる。状態ハの冷媒はエジェクタ１０６の冷媒流入口へ流れる冷媒と第一のバイパス回路１１０へ流れる冷媒とに分流する。第一のバイパス回路１１０を流れる状態ハの冷媒は第二流量調整弁１０９で圧力が低下して低温低圧の状態ルとなり、過冷却器１０４の低圧側入口へ流入する。第三流量調整弁１１１へ流れる状態ハの高温高圧冷媒は過冷却器の高圧側入口へ流入する。過冷却器１０４では状態ルの低温低圧冷媒と状態ハの高温高圧冷媒が互いに熱交換することで、状態ルの冷媒は加熱されて状態オとなったのち、圧縮機の中間圧へインジェクションされる。過冷却器１０４の高圧側流路に流れる状態ハの冷媒は冷却されて状態ニとなり第三流量調整弁１１１へ流入する。状態ニの冷媒は第三流量調整弁１１１で絞られたて状態リとなり、蒸発器１０８へ流入する。蒸発器１０８では、冷媒は外気と熱交換して状態ヌとなったのち、エジェクタ１０６の吸引口２０４、気液分離器１０７のガス冷媒流出口へと流れて状態イの冷媒が圧縮機１０１へ吸入される。
以上の動作により冷凍サイクルが形成され、圧縮機へ冷媒をインジェクションすることで凝縮器１０３への冷媒流量が増大し、能力増大を図ることができる。

次に外気温度がＣ以上（例えば７℃以上）において、エジェクタ１０６の動力回収効率が低下し、エジェクタ１０６の吸引流量と昇圧量が低下した場合、エジェクタ１０６とインジェクションを利用せず、従来の冷媒サイクルで運転する動作について図７のモリエル線図を用いて説明する。図７のモリエル線図の状態は図３（ａ）の外気温度Ｃ以上の状態、または図３（ｃ）の回路４の状態である。このとき、第一流量調整弁１０５、第二流量調整弁１０９と第四流量調整弁１１３は全閉しており、第三流量調整弁１１１は後述する制御に基づいて調整されている。

圧縮機１０１へ流入した状態イの冷媒は圧縮機により高温高圧の状態ロとなる。状態ロの冷媒は凝縮器１０３にて室内空気との熱交換により冷却されて状態ハとなる。凝縮器１０３を流出した状態ハの冷媒は過冷却器１０４の高圧側冷媒流路を通過した後、第三流量調整弁１１１へ流入する。このとき第ニ流量調整弁１０９は閉止しているため、第二のバイパス１１０への冷媒の流入はない。したがって、過冷却器１０４で熱交換しないため、過冷却器出口１０４の冷媒の状態二は状態ハと同じである。凝縮器１０３を流出した冷媒は、第三流量調整弁１１１で絞られて状態リとなり、蒸発器１０８へ流入する。蒸発器１０９へ流入した冷媒は外気と熱交換したとのち状態ヌとなり、エジェクタ１０６の吸引部２０４、混合部２０２を介して気液分離器１０７のガス冷媒流出口からを通過し、状態イとなった冷媒が圧縮機へ吸入される。

この運転では、エジェクタ１０６のノズル部が閉塞した場合においてもバイパス回路を利用することで、信頼性の高い冷凍サイクルを提供できる。

次に除霜運転について説明する。
暖房運転において室外熱交換器は蒸発器として機能するため、室外熱交換内を流れる冷媒の飽和温度は外気よりも低い温度となる。蒸発温度が０℃未満になると、大気中の水蒸気が霜となって室外熱交換器に付着する。室外熱交換器に霜が付着すると熱抵抗が増大して蒸発能力が低下するため、定期的に除霜運転を実施する必要がある。除霜運転では四方弁１０２が切り替わり、第一流量調整弁１０５、第二流量調整弁１０９および第四流量調整弁１１３が全閉され、第三流量調整弁１１１が開く。

除霜運転が開始すると四方弁１０２の流路が切り替わり、圧縮機１０１から送出した冷媒が室外熱交換器１０８へ流入する。高温高圧の冷媒により室外熱交換に付着した霜が融解される。この場合、室外熱交換器１０８は凝縮器として機能し、冷媒は液化したのち、第三流量調整弁１１１にて減圧し、室内熱交換器へと流入する。室内熱交換器を流入した冷媒は室内空気と熱交換して蒸発し、その後、エジェクタ１０６の吸引部２０４、混合部２０２、ディフューザー２０３、気液分離器１０７を順次通過したのち、圧縮機１０１へ吸入されることで、冷凍サイクルが成立する。冷房運転の場合も除霜運転と同一で、第三流量調整弁１１１の弁開度を適切に調整することで成立する。また、冷房運転の冷凍サイクル線図は図７と同様であるが、四方弁１０２にて冷媒の流れる方向が切り替えられるので一部の配管位置記号は図７とは異なってくる。

次に流量調整弁１０５、１０９、１１１、１１３の制御方法について説明する。
エジェクタ１０６で回収できる動力は、断熱熱落差（エジェクタノズル状態からエジェクタノズルの出口圧力まで断熱膨張したときのエンタルピ差）、エジェクタノズル部２０１へ流入する冷媒流量および動力回収効率（エジェクタ効率）の積で決まる。図９は冷媒がフロン系冷媒Ｒ４１０Ａとプロパンにおける冷媒の過冷却度と断熱熱落差の関係を示す。過冷却度が０は飽和液の状態であり、過冷却度が上昇すると、断熱熱落差は減少する。よって、図１、図４に示す点ニにおける冷媒の過冷却度を断熱熱落差が大きくなるように第一流量調整弁１０５で調整するとよい。

第一流量調整弁１０５の制御フローを図８に示す。
ＳＴ１０１では、内部熱交換器である過冷却器１０４の出口に取り付けた温度センサー１１６を検出する。ＳＴ１０２にて、圧縮機１０１の吐出配管に取り付けた圧力センター１１７を検出する。ＳＴ１０３にて、ＳＴ１０２の圧力検出値より冷媒の飽和温度を演算し、ＳＴ１０４にて、冷媒の飽和温度の演算値と過冷却器出口の温度検出値の差より過冷却器１０４出口における点ニの過冷却度を演算する。この過冷却度の演算値をＳＴ１０５で判定し、第一流量調整弁１０５の開度を制御する。

過冷却度の演算値が目標値より小さい場合は、ＳＴ１０６−１にて第一流量調整弁１０５の開度を小さくして冷媒流量を減少（ＳＴ１０６−１ａ）させことで過冷却度が上昇する（ＳＴ１０６−１ｂ）。過冷却度の目標値が大きい場合は、ＳＴ１０６−２にて第一流量調整弁１０５の開度を大きくして冷媒流量を増大（ＳＴ１０６−２ａ）させることで過冷却度が低下する（ＳＴ１０３−２ｂ）。この制御を周期的に繰り返して過冷却器１０４の出口の点ニにおける冷媒の過冷却度を調整することができる。過冷却度の目標値は、図９より、小さくする方が望ましいが、過熱度を演算する際に利用する温度センサーの検出値の分解能が１℃程度とすると、２〜５℃程度にすると断熱熱落差が大きくなり、エジェクタ１０６での回収動力が大きくなる。

次に第二流量調整弁１０９の制御について図１０を用いて説明する。
第二流量調整弁１０９は、ＳＴ２０１にて外気温度センサー１１８により外気温度を検出し、この検出値にもとづいてＳＴ２０２で開閉の判断を行う。外気温度センサー１１８の検出値が第一設定値未満では第二流量調整弁１０９を開き、第一の設定値以上では、第二流量調整弁１０９を閉じる。なお第一設定値は、第二流量調整弁１０９が閉止状態にて、暖房能力が低下し始める温度に設定するとよい。

ＳＴ２０２にて、第一設定値未満で第二流量調整弁１０９を開くと判断した場合、ＳＴ２０３にて、圧縮機１０１の吐出過熱度の演算値により開度を制御させる。この圧縮機１０１の吐出過熱度は圧縮機１０１の吐出配管に取り付けた温度センサー１１９の検出値と圧縮機１０１の吐出配管に取り付けた圧力センサー１１７の検出値から求まる冷媒の飽和温度の差より演算される。ＳＴ２０３にて過熱度が第二設定値未満の場合は、ＳＴ２０４−1にて第二流量調整弁１０９の開度を下げて第一のバイパス回路１１０への冷媒流量を減らして（ＳＴ２０４−１ａ）過熱度を上昇させる（ＳＴ２０４−１ｂ）。ＳＴ２０３にて過熱度が第二設定値以上の場合は、ＳＴ２０４−２にて第二流量調整弁１０９の開度を上げて、第一のバイパス回路１１０への冷媒量を増やして（ＳＴ２０４−２ａ）過熱度を低下させる（ＳＴ２０４−２ｂ）。この制御を周期的に繰り返して圧縮機１０４の点ロにおける吐出過熱度出を調整する。

第二設定値を小さく設定すると、第一のバイパス回路１１０への冷媒流量が増大し、過冷却器を流れる低圧冷媒が十分蒸発しきれず、液冷媒が多い状態で圧縮機１０１の中間圧力へインジェクションされるため、圧縮機の故障の原因となる。そのため、第二設定値は圧縮機の信頼性を考慮して決定するとよい。

次に第三流量調整弁１１１の制御について説明する。
図１１は実機試験により得たエジェクタ吸引部２０４の過熱度と吸引流量およびＣＯＰの関係を示したものである。この図より、吸引流量は過熱度の増大とともに単調減少し、ＣＯＰはエジェクタ吸引部２０４の過熱度が６℃でピーク値を示したのち急激に低下する。このことから、過熱度が６Ｋより高い値（例えば、１０Ｋ）ではエジェクタ１０６による動力回収運転を停止し、第三流量調整弁１１１を開放して第二のバイパス回路１１２を利用した冷凍サイクルで運転させた方が高効率で運転できる。

図１２は第三流量調整弁１１１の制御フロー図を示す。ＳＴ３０１にてエジェクタ吸引部２０４の点ヌにおける冷媒温度を温度センサー１２０にて検出する。ＳＴ３０２にて温度センサー１２１で蒸発器入口温度を検出した後、ＳＴ３０３でＳＴ３０１とＳＴ３０２の検出値の差を演算し、エジェクタ吸引部２０４の過熱度とする。
ＳＴ３０４にて過熱度が第三設定値未満の場合は、エジェクタ１０６は冷媒を吸引していると判断して、第一流量調整弁１０５を開放（ＳＴ３０５−１）、第三流量調整弁１１１を閉止（ＳＴ３０６-１）、第四流量調整弁１１３を開放（ＳＴ３０７−1）し、エジェクタ１０６へ冷媒流入（ＳＴ３０８−１）させてエジェクタ１０６を利用した効率運転を行う。一方、ＳＴ３０４にて過熱度が第三設定値以上の場合は、エジェクタ１０６の吸引流量が低下しており、異常と判断して、第一流量調整弁１０５を閉止（ＳＴ３０５−２）、第三流量調整弁１１１を開放（ＳＴ３０６-２）、第四流量調整弁１１３を閉止（ＳＴ３０７−２）し、エジェクタ１０６への冷媒流入を停止、第ニのバイパス回路１１２に冷媒を流入（ＳＴ３０８−２）させてエジェクタ１０６をバイパスさせる回路を利用した運転に切り替える。

第三設定値は図１１に示すようにＣＯＰが低下する６℃以下と定めてもよいが、これに限らず、エジェクタ１０６の吸引流量を増大させて蒸発能力を得たい場合は、６℃より小さい値に設定してもよい。

また、第三流量調整弁１１１の制御は外気温度で判断してもよい。図１３は過冷却器出口の点ニにおける圧力と温度が実際の運転状態に近い場合において、外気温度が変化して冷凍サイクルの蒸発温度が変化したときの断熱熱落差の関係を示す。図１３より、蒸発温度が上昇した場合、断熱熱落差は小さくなるため、エジェクタの回収動力が低下し、結果、エジェクタの吸引流量と昇圧量が低下することでＣＯＰが低下する。

なお、エジェクタ吸引部２０４の過熱度は、蒸発器１０８の冷媒入り口に圧力センサーを設けることにより、この圧力センサーの検出値と、エジェクタの吸引部の温度センサー１２０の検出値からも算出することができる。

一方、低外気では、エジェクタが冷凍サイクルの適正膨張から外れて動力回収効率が低下し、図３に示すように、エジェクタを利用した運転のＣＯＰが通常サイクルで運転した場合よりも低くなる。このときは、エジェクタを利用しない運転にする。

図１４は外気温度により第三流量調整弁１１１の制御するフロー図を示しており、ＳＴ４０１にて外気温度センサー１１８にて外気温度を検出し、ＳＴ４０２にて第一外気温度以上の場合は、エジェクタを利用しないで第二のバイパス回路１１２で運転させる。このとき、ＳＴ４０４−２にて第一流量調整弁１０５を閉止させ、ＳＴ４０５−２にて第三流量調整弁１１１を開放し、ＳＴ４０６−２にて第四流量調整弁１１３を閉止しバイパス回路に冷媒が流入（ＳＴ４０７−２）する。また、外気温度が第一外気温度未満であったとしても、さらに外気温度センサー１１８の検出値が第二外気温度未満の場合においても先に説明したＳＴ４０４−２、ＳＴ４０５−２、ＳＴ４０６−２、ＳＴ４０７−２により各制御弁を制御する。温度検センサー１１８の検出値が第一外気温度未満、第二外気温度以上では、ＳＴ４０４-１にて第一流量調整弁１０５を開放、ＳＴ４０５−２にて第三流量調整弁を閉止、ＳＴ４０５−３に第四流量調整弁１１３を開放させて、エジェクタに冷媒を流入（ＳＴ４０７−１）させて、エジェクタ１０６を利用した動力回収運転で冷凍サイクルを運転させる。

第一外気温度と第二外気温度設定値は、エジェクタにより効率改善を図りたい温度帯に設定し、この温度帯でエジェクタの動力回収効率が最大値となるようにエジェクタを設計するとよい。

さらに、第三流量調整弁１１１の開閉を圧縮機１０１の回転数より判断してもよい。エジェクタ１０６の回収動力は、断熱熱落差、エジェクタ駆動冷媒流量および動力回収効率の積で決まる。このため、エジェクタ駆動冷媒流量が多い場合、すなわち圧縮機１０１の回転数が高い運転条件ではエジェクタによる高効率運転を行う。冷媒流量が少ない場合は、回収動力が小さなくなるため、エジェクタ１０６の吸引冷媒流量が減少し、エジェクタ吸引部の過熱度が上昇して図１１に示すようにＣＯＰが低下する。よって、圧縮機１０１の回転数が第四設定値以下では、エジェクタ１０６の異常と判断してエジェクタ１０６を利用せず、第三流量調整弁１１１を利用した冷凍サイクルで運転する。

図１５は圧縮機１０１の回転数で第三流量調整弁１１１の開閉を制御した場合の制御フロー図を示す。
ＳＴ５０１にて圧縮機回転数の検出手段により回転数を検出し、ＳＴ５０２にて圧縮機の回転数により流量調整弁１０５、１１１、１１３の開閉を判断する。圧縮機回転数が第四設定値以上の場合、ＳＴ５０３−１にて第一流量制御１０５を開放させ、ＳＴ５０４−１にて第三流量調整弁１１１を閉止し、ＳＴ５０５−１にて第四流量調整弁１１３を開放し、エジェクタ１０６に冷媒が流入する（ＳＴ５０６−１）。
一方、圧縮機回転数の検出値が第四設定値未満の場合は、ＳＴ５０３-２にて第一流量制御１０５を閉止させ、ＳＴ５０４-２にて第三流量調整弁１１１を開放し、ＳＴ５０５−２にて第四流量調整弁１１３を閉止し、第ニのバイパス回路に冷媒が流入する（ＳＴ５０６−２）。

次に第四流量調整弁１１３の制御について説明する。
図１１に示すようにエジェクタ吸引部２０４が二相状態（図１１の乾き度＝０．９５の点）では、エジェクタの回収動力が高く、エジェクタが過剰に冷媒を吸引している。このことから、第四流量調整弁１１３の弁開度でエジェクタの吸引冷媒量を調整することでＣＯＰが最大値となる状態で冷凍サイクルを運転できる。

図１６は第四流量調整弁１１３の制御フロー図を示す。ＳＴ６０１では、エジェクタ１０６の吸引部２０４に取り付けた温度センサー１２０の検出値を読み取り、ＳＴ６０２にて蒸発器入口に取り付けた温度センサー１２１の温度を検出する。ＳＴ６０１とＳＴ６０２で検出した温度の差分を図１の点ヌにおける冷媒の過熱度とし、ＳＴ６０４にてこの過熱度が第五設定値以上（例えば５℃未満）の場合、ＳＴ６０５−1にて第四流量調整弁１１３の開度を上げてエジェクタ吸引部の冷媒量を増加（ＳＴ６０６−１）させ、エジェクタ吸引部の過熱度低下させる（ＳＴ６０７−１）。一方、ＳＴ６０４にて過熱度が第五設定値未満と判定した場合、ＳＴ６０５−２にて第四流量調整弁１１３の開度を下げてエジェクタ吸引部の冷媒量を減少（ＳＴ６０６−２）させ、エジェクタ吸引部の過熱度を上昇させる（ＳＴ６０７−２）。第五設定値は第四設定値より小さい値に設定すると、ＣＯＰの高い運転ができる。

以上のように、本実施形態では、インジェクションポート付き圧縮機１０１により低外気運転での高能力運転とエジェクタ１０６による動力回収により高効率運転が可能である。また、流量調整弁の開閉により冷媒回路の運転状態に多様性を持たすことが可能であり、外気温度や圧縮機の周波数が変化することでエジェクタの回収動力が低減した場合は、エジェクタを利用せずに、第二のバイパス回路１１２を用いて運転することができる。また、エジェクタのノズル部が閉塞した場合には、エジェクタと並列して設置した第二のバイパス回路１１２を利用することで効率が良く信頼性の高い冷凍サイクル装置を提供できるという効果がある。

本実施形態では、エジェクタ１０６の上流側に第一流量調整弁１０５を備えた構成であるが、図１７に示すようにエジェクタ１０６と可動式のニードル弁２０５を一体構造としたエジェクタを利用してもよい。図１７（ａ）はニードル弁付きのエジェクタの全体図を示し、図１７（ｂ）はニードル弁２０５の構造を示す。ニードル弁２０５はコイル部２０５ａ、ローター部２０５ｂ、ニードル部２０５ｃで構成される。コイル部２０５ａは、制御信号送信部３０３からケーブル２０５ｄを介してパルス信号を受信すると、磁極を発生し、コイル内部のローター部２０５ｂが回転する。ローター部２０５ｂの回転軸には、ねじとニードルが加工してあり、ねじの回転が軸方向の動きとなり、ニードル２０５ｃが移動する。このニードル２０５ｃを図の左右方向に動かして凝縮器１０３から流入する駆動流量の調整を行える構造にすることにより、第一流量調整弁１０５の機能を可動式のニードル２０５で置き換えることができる。これにより、エジェクタ１０６と第一流量調整弁１０５を一体構造化できるため、両者を接続する配管がなくなり、コストを削減することができる。

また、本実施形態ではインジェクションポート付きの圧縮機を実施例として使用したが、本発明はインジェクションポート付き圧縮機に限らず、二段圧縮機や複数の圧縮機を直列に接続し、１機目の圧縮機から吐出された冷媒と過冷却器１０４の低圧側冷媒とを混合させて２機目の圧縮機へ吸入させるなど同等の構成を使用しても同じ効果が得られる。

実施形態２.
図１８は本発明を適用した別の構成の冷凍サイクル装置である。
実施形態１では蒸発器１０８にあたる熱交換器が空気熱交換器であったが、実施形態２は水熱交換で構成されている。その他の構成図や特性図にて同じ符号を付した部品などの構造や動作は実施形態１と同様である。気液分離器１０７の液冷媒流出口には流量調整弁１１３の代わりに逆止弁１１４で構成することで、コスト低減できる。さらに、第二流量調整弁１０９が過冷却器１０４入口のかわりに出口に取り付けられている。過冷却器の性能は取り付け位置に影響しないため、現地にて据え付けられる室外ユニット内の冷媒配管の取り回しにより決定してよい。

図２０は実施形態２のモリエル線図を示す。線図の中のイ−オの各点は図１８の冷凍サイクルの配管各点の冷媒状態を示す。実施形態２では、第一流量調整弁１０５へ流入する状態ニと第二流量調整弁１０９へ流入する状態ハが同じであり、それ以外は実施形態１と同じである。

本実施形態において、蒸発器での冷水の生成温度が、例えば、給水温度が１２℃で流出温度が５℃の場合、圧縮機１０１への冷媒をインジェクションせずに高能力運転が可能である。このような運転では、エジェクタを利用する温度領域を図１９に示すように高温度領域Ａ−Ｃ間に設定して、高効率運転を図ることができる。図１９は図３（ａ）と同様に横軸は外気温度、縦軸は能力とＣＯＰを表している。また、蒸発器へ流れる水はブラインでも良く、ブラインでの生成温度が低温（例えばマイナス５℃）の場合には、圧縮機１０１に冷媒をインジェクションして高能力運転とエジェクタによる高効率運転が可能である。

実施形態３.
図２１は本発明を適用した別の構成の冷凍サイクル装置である。
実施形態１では凝縮器１０３にあたる熱交換器が空気熱交換器であったが、実施形態３は温水生成（給湯器）するための水熱交換で構成されている。その他の構成図や特性図にて同じ符号を付した部品などの構造や動作は実施形態１と同様である。

図２２は実施形態３のモリエル線図を示す。線図の中のイ−オの各点は図２１の冷凍サイクルの配管各点の冷媒状態を示す。実施形態３では、凝縮器１０３より流出した状態ハの冷媒が過冷却で冷却されて状態ハ´となり、第二の過冷却１０４ａで気液分離器１０７のガス冷媒流出口から流出した低温低圧の状態ト´の冷媒と熱交換することで、さらに冷却されて状態ニとなる。状態ニとなった冷媒はエジェクタ１０６へと流入する。気液分離器１０７のガス冷媒流出口における状態イ´のガス冷媒は第二の過冷却器にて状態ハ´の高温高圧冷媒と熱交換により加熱さて、状態イとなって圧縮機１０１へ吸入される。一方、気液分離器１０７の液冷媒流出口における状態チの冷媒は、開閉弁１１５を通って状態リとなり、蒸発器１０８にて外気からの熱の吸収により状態ヌとなった後、エジェクタ１０６の吸引部２０４へ流入する。

本実施形態の構成では、気液分離器１０７の液冷媒流出口に接続する流量調整弁１０５の代わりに開閉弁１１５で構成し、圧力損失を低減している。また、実施形態１の構成では、気液分離器１０７の分離効率が悪く液冷媒が圧縮機吸入へ流入し、圧縮機内の冷凍機油の濃度低下や液圧縮による焼付きが生じる可能性がある。本実施形態では、第二の過冷却器１０４ａを設けて気液分離器１０７から流出する気液二相冷媒を完全に蒸発させて圧縮機に吸入させることで、圧縮機の信頼性を得ることができる。

（実施形態１の後ろからここへ移動）
本実施形態１−３の冷凍サイクルに用いる冷媒はＲ４１０Ａなどのフロン系冷媒や、プロパン、二酸化炭素などの自然冷媒を用いてもよい。プロパンまたはＣＯ２を利用した場合においても、本実施形態と同じ効果を得ることができる。この場合、プロパンは可燃性冷媒であるが、蒸発器と凝縮器を同じ筐体内に収納して隔離して設置し、実施形態２または３に示したような水熱交換器で熱交換した温水または冷水を循環させることで、安全な冷凍サイクル装置を得る事ができる。また、低ＧＷＰ冷媒のＨＦＯ系冷媒やその混合冷媒を用いても同様の効果を得ることができる。

本発明の冷凍サイクル装置は、外気温度が低い運転条件にて能力と効率が低下する課題をインジェクタション付き圧縮機とエジェクタの利用により、高能力運転と高効率運転か可能な冷凍サイクル装置を提供できる。また、空調機、チラー、給湯器においても、年間の消費電力に最も寄与する運転条件でエジェクタを最適設計することで、年間消費電力を削減することができる。

１０１ 圧縮機
１０２ 四方弁
１０３ 凝縮器
１０４ 過冷却器
１０４ａ 第二の過冷却器
１０５ 第一流量調整弁
１０６ エジェクタ
１０７ 気液分離器
１０８ 蒸発器
１０９ 第二流量調整弁
１１０ 第一のバイパス回路
１１１ 第三流量調整弁
１１２ 第二のバイパス回路
１１３ 第四流量調整弁
１１４ 逆止弁
１１５ 開閉弁
１１６、１１８、１１９、１２０、１２１ 温度センサー
１１７ 圧力センサー
２０１ ノズル
２０１ａ 絞り部
２０１ｂ 喉部
２０１ｃ 末広部
２０２ 混合部
２０３ ディフューザー
２０４ 吸引部
２０５ ニードル弁
２０５ａ コイル
２０５ｂ ローター部
２０５ｃ ニードル部
２０５ｄ 信号ケーブル
３００ 制御ユニット
３０１ 検出値受信部
３０２ 制御信号送信部

Claims (9)

1. 圧縮機、凝縮器、エジェクタ、気液分離器が冷媒配管で順次接続される高圧側冷媒回路と、
   前記気液分離器から流出する液冷媒を第四流量調整弁および蒸発器を介して前記エジェクタの冷媒吸引部に流す低圧冷媒回路と、
   前記気液分離器の上部流出口と前記圧縮機の吸入口とを接続し前記気液分離器のガス冷媒を前記圧縮機に吸入させる圧縮機吸入回路と、
   前記高圧冷媒回路の前記凝縮器と前記エジェクタの間から第二流量調整弁を介して前記圧縮機の中間圧力部へ接続する第一のバイパス回路と、
   前記第一のバイパス回路の前記第二流量調整弁にて圧力が低下した冷媒と前記高圧側冷媒回路を流れる高圧冷媒と熱交換をする内部熱交換器と、
   前記内部熱交換器と前記エジェクタの間に配置された第一流量調整弁と前記内部熱交換器との間から高圧冷媒を第三流量調整弁を介して前記低圧冷媒回路の前記第四流量調整弁および前記蒸発器との間に接続して冷媒をバイパスさせる第二のバイパス回路と、
   を備え、
   前記第二流量調整弁を開にして前記第一のバイパス回路に冷媒を流しながら、前記第一及び第四流量調整弁を開にして前記第三流量調整弁を閉とする運転態様と、前記第二流量調整弁を開にして前記第一のバイパス回路に冷媒を流しながら、前記第一及び第四流量調整弁を閉にして前記第三流量調整弁を開とする運転態様とを有する、ことを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 外気温度検出器の検出値が第一の外気温度以上かつ前記第一の外気温度よりも高い第二の外気温度未満の場合には、前記第一流量調整弁は、前記高圧側冷媒回路の前記内部熱交換器の冷媒流出口に備えた温度検出器の検出値と前記圧縮機の出口に備えた圧力検出器の検出値より演算した飽和温度の差が目標過冷却度になるように弁開度が調整され、
   前記外気温度検出器の検出値が前記第一の外気温度未満の場合には、前記第二流量調整弁は、前記第一のバイパス回路に冷媒が流れるように開に調整され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。
3. 前記エジェクタ吸引部に取り付けた温度検出器と前記蒸発器の入口に取り付けた温度検出器の差で求めた冷媒過熱度が第三の設定値以上で異常とする異常検出手段を設け、
   前記異常検出手段が異常を検出した場合、前記第一流量調整弁と前記第四流量調整弁は全閉するとともに前記第三流量調整弁は開いて前記第一のバイパス回路へ冷媒が流れるようにしたことを特徴とする請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記圧縮機の回転数があらかじめ設定された回転数以下のときを異常とする異常検出手段を設け、
   前記異常検出手段が異常を検出した場合、前記第一流量調整弁と前記第四流量調整弁は全閉するとともに前記第三流量調整弁は開いて前記第二のバイパス回路へ冷媒が流れるようにしたことを特徴とする請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記第二流量調整弁は、前記圧縮機の吐出口に取り付けた温度検出器から検出した検出値と前記圧縮機の吐出口に取り付けた圧力検出器から検出した検出値より演算した飽和温度の差で計算した前記圧縮機の吐出口の過熱度が、あらかじめ設定された値になるように開度が調整されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記第四流量調整弁は、前記エジェクタの冷媒吸引口の冷媒過熱度があらかじめ設定された値となるように、流量を調整されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
7. 前記気液分離器からの液冷媒の出口に設けられた前記第四流量調整弁の代わりに逆止弁を設けたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
8. 前記気液分離器からの液冷媒の出口に設けられた前記第四流量調整弁の代わりに開閉弁を設けたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
9. 前記気液分離器の上流出口から前記圧縮機へ吸入する間の回路に第二の過冷却器を設けたことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。

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