JPWO2011135616A1 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents
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Abstract
Description
放熱器と蒸発器の入口空気温度が高くなる過負荷条件になると、高圧側圧力と低圧側圧力が高くなる。そうすると、放熱器から分岐して減圧された一方の冷媒の圧力も高くなり、超臨界状態となる場合がある。特許文献1に記載されているような蒸気圧縮式冷凍サイクルでは、過負荷条件となった場合に、冷却器の一方の冷媒の出口の過熱度を算出できず、他方の冷媒の比エンタルピを制御することができなくなる場合がある。また、一方の冷媒が超臨界状態となると、冷媒が加熱される過程で潜熱変化を伴わないので、冷却器で他方の冷媒を冷却する効果があまり期待できない。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る冷凍サイクル装置100の冷媒回路構成を模式的に表す回路構成図である。図2は、圧縮機1の断面構成を示す概略縦断面図である。図3は、放熱器2の形態の一例を説明するための説明図である。図4は、冷凍サイクル装置100の冷房運転時における冷媒の変遷を示すP−h線図である。図1〜図4に基づいて、冷凍サイクル装置100の回路構成及び動作について説明する
圧縮機1は、圧縮機1の外郭を構成するシェル101の内部に、駆動源である電気モーター102や、電気モーター102によって回転駆動される駆動軸103、駆動軸103に先端部に取り付けられ、駆動軸103とともに回転駆動する揺動スクロール104、揺動スクロール104の上側に配置され、揺動スクロール104の渦巻体と噛み合う渦巻体が形成されている固定スクロール105等が収納され、構成されている。また、シェル101には、シェル101内に冷媒を流入させる流入配管106、吐出配管16に接続される流出配管112、及び、配管15に接続されるインジェクション配管114が連接されている。
電気モーター102に通電されると、電気モーター102を構成している固定子と回転子とにトルクが発生し、駆動軸103が回転する。駆動軸103の先端部には揺動スクロール104が装着されており、揺動スクロール104が公転運動を行なう。揺動スクロール104の旋回運動とともに圧縮室が中心に向かって容積を減少させながら移動し、冷媒が圧縮される。
圧縮機1は、インバーターにより回転数が制御され容量制御されるタイプであり、冷房能力は圧縮機1の回転数によって制御される。蒸発器5を流れる冷媒流量は、蒸発器5の冷媒出口過熱度を基に、第1膨張弁4の開度で調整する。蒸発器5の冷媒出口過熱度は、圧力センサー22が検知する圧力を基に、制御装置50で演算される冷媒の飽和温度と、温度センサー23が検知する温度によって算出する。蒸発器5の過熱度は、大きすぎると蒸発器5での伝熱性能が悪化し、小さすぎると圧縮機1に多量の冷媒液が流れ込んで圧縮機1が破損する恐れがあるため、およそ2〜10℃程度とするのが望ましい。
冷凍サイクル装置100では、放熱器2から流出して第1膨張弁4に流入する前の冷媒を内部熱交換器3でさらに冷却しているため、二酸化炭素のように高圧側で超臨界状態となるような冷媒でも、蒸発器5での冷媒エンタルピ差を大きくすることができる。また、冷凍サイクル装置100では、内部熱交換器3で加熱された中間圧の冷媒を圧縮機1の圧縮行程の途中にインジェクションする。したがって、冷凍サイクル装置100は、圧縮機1では中間圧で冷媒を冷却することになり、圧縮機1の吐出温度が高くなりすぎるのを防止でき、冷凍機油やシール面等に大きな負担がかかるのを防止できる。
冷凍サイクル装置100では、圧縮機1の圧縮行程途中に冷媒をインジェクションすることにより以下のような効果が得られる。圧縮機1で低圧から吸入される冷媒流量をGsuc、インジェクションされる冷媒流量をGinj、圧縮機1から吐出される冷媒流量をGdisとすると、下記式(1)の関係が成立する。
式(1) Gdis=Gsuc+Ginj
そのため、圧縮機1に冷媒をインジェクションすることによって、放熱器2に入る冷媒流量が増加する。このため、放熱器2の放熱量が増加することになる。
ここで、冷凍サイクル装置100が過負荷条件で冷房運転をする場合について説明する。過負荷条件とは、夏期などで室外、室内共に空気温度が高くなる条件であり、例として室外空気温度45℃、室内空気温度35℃程度である場合における条件である。室外温度及び室内温度がこのような場合における冷房運転について説明する。
そこで、冷凍サイクル装置100は、運転状態が過負荷条件となるとき、内部熱交換器3で加熱された中間圧の冷媒を圧縮機1の圧縮行程の途中にインジェクションし、さらに放熱器2を分割して伝熱面積を小さくして、放熱器2での高圧側圧力を上昇させて、放熱量を増加させて冷房能力を大きくするようにしている。
放熱器2の伝熱面積を小さくする方法について述べる。前述したように、放熱器2は、第1放熱器2a、第2放熱器2bに並列に冷媒が流れるように分割されていて、伝熱面積を小さくする際は、電磁弁41a、電磁弁41bを閉止して、第1放熱器2aのみに冷媒が流れるようにする。
高圧側圧力が上昇する原理について述べる。前述したように、圧縮機1の圧縮行程の途中に冷媒をインジェクションすると、放熱器2を流れる冷媒流量が増加し、放熱量が増加する。放熱器2での放熱量を増加させるために、高圧側圧力を上昇させて冷媒と空気との温度差を大きくし、放熱器2での冷媒エンタルピ差を大きくするように冷凍サイクルが変化する。このとき、放熱器2では冷媒出口温度は空気入口温度よりも低くすることはできないため、冷媒出口温度は空気入口温度におよそ支配されることになる。また、第1放熱器2aのみに冷媒が流れるようにすることで、伝熱面積が小さくなり、冷凍サイクルのバランスにより冷媒と空気との温度差を大きくする必要があるため、高圧側圧力がさらに上昇する。
しかしながら、放熱器2の伝熱面積を小さくするのみでは、冷媒と空気との温度差が大きくなり高圧側圧力は高くなるが、放熱量はあまり大きくならないため、放熱器2での冷媒エンタルピ差を大きくすることができない。そこで、前述したように、圧縮機1の圧縮行程の途中に冷媒をインジェクションすることにより、放熱量を大きくすることができる。すなわち、冷凍サイクル装置100は、圧縮機1の圧縮行程の途中に冷媒をインジェクションすることと、放熱器2の伝熱面積を小さくすることにより、高圧側圧力を上昇させて放熱量を増加させているのである。
高圧側圧力を高くして、放熱量を増加させることによって、以下の効果がある。図4に示すP−h線図上で、超臨界状態の冷媒は、等温線上では圧力が高いほどエンタルピが低くなる性質がある。特に、温度が高くなるほど圧力に対するエンタルピの変化が大きい。また、前述したように、放熱器2での冷媒出口温度は、空気入口温度に支配される。よって、放熱器2の空気入口温度、すなわち室外空気温度が高くなる条件ほど、高圧側圧力を高くすることで、放熱量が増加する。これによって、蒸発器5の冷媒入口エンタルピも低くなり、蒸発器5での冷媒エンタルピ差が大きくなるので、冷房能力を増加させることができる。
ここで、目標高圧側圧力PHMについて説明する。図6は、インジェクション率に対する能力比と放熱器2の伝熱面積との関係を示したグラフである。図7は、インジェクション率に対するCOP比と放熱器2の伝熱面積との関係を示したグラフである。図8は、インジェクション率に対する高圧側圧力と放熱器2の伝熱面積との関係を示したグラフである。ここで、インジェクション率とは、圧縮機1で低圧から吸入される冷媒流量Gsucに対するインジェクションされる冷媒流量をGinjの比、すなわちGinj/Gsucとして定義する。また、能力とCOPの基準は、放熱器2を分割せずに伝熱面積を100%にして、インジェクションを行なわない場合とする。
実施の形態1では、中間圧が超臨界状態となるときに冷房能力を大きくするようにしたものであるが、実施の形態2では、冷凍サイクル装置の起動時に冷房能力を大きくするようにしている。実施の形態2に係る冷凍サイクル装置の基本的な構成及び動作は、実施の形態1に係る冷凍サイクル装置100と同様である。なお、実施の形態2では上述した実施の形態1との相違点を中心に説明するものとし、実施の形態1で使用した符号と同一の符号を用いて説明するものとする。
それから、制御装置50は、温度センサー32からの情報によって室内空気温度Taを検知する(ステップ302)。制御装置50は、室内空気温度Taが目標室内空気温度Tamより高いか否かを判定する(ステップ303)。室内空気温度Taが目標室内空気温度Tamより高い場合(ステップ303;Yes)、制御装置50は、電磁弁41a、電磁弁41bが開いているか否かを判定する(ステップ304)。
Claims (13)
- 冷媒を圧縮する圧縮機、前記圧縮機で圧縮された冷媒の熱を放散する放熱器、前記放熱器を通過した冷媒と前記放熱器を通過して前記圧縮機にインジェクションされる冷媒との間で熱交換させる内部熱交換器の一次側流路、前記内部熱交換器の一次側流路を通過した冷媒を減圧する第1減圧装置、前記第1減圧装置で減圧された冷媒が蒸発する蒸発器、を順に配管接続した主冷媒回路と、
前記放熱器を通過して前記圧縮機にインジェクションされる冷媒を減圧する第2減圧装置、前記内部熱交換器の二次側流路、前記圧縮機のインジェクションポートを順に配管接続したインジェクション回路と、
前記第2減圧装置の開度及び前記放熱器の伝熱面積を制御することによって、前記主冷媒回路を流れる冷媒の高圧側圧力を調整する制御装置と、を備えている
ことを特徴とする冷凍サイクル装置。 - 前記圧縮機の吐出部から前記第1減圧装置の入口までの間の冷媒の高圧側圧力を検知する第1圧力検知手段を設け、
前記制御装置は、
前記第1圧力検知手段で検知された前記高圧側圧力が所定の値よりも高いときに前記第2減圧装置の開度を小さくし、前記高圧側圧力が所定の値よりも低いときに前記第2減圧装置の開度を大きくすることで、前記主冷媒回路を流れる冷媒の高圧側圧力を調整している
ことを特徴とする請求項1に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記放熱器を流れる冷媒の流れが並列になるように前記放熱器を複数に分割し、
前記制御装置は、
少なくとも前記分割された放熱器の一部に対しての冷媒の流出入により前記放熱器の伝熱面積を制御することで、前記主冷媒回路を流れる冷媒の高圧側圧力を調整している
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記分割された放熱器の一部の出入口側に冷媒を流出入させる開閉装置を設け、
前記制御装置は、
前記開閉装置の開閉を制御することで、前記主冷媒回路を流れる冷媒の高圧側圧力を調整している
ことを特徴とする請求項3に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記開閉装置が電磁弁で構成されている
ことを特徴とする請求項4に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記開閉装置が電磁弁と逆止弁で構成されている
ことを特徴とする請求項4に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記第1減圧装置の出口から前記圧縮機の吸入部までの間の冷媒の低圧側圧力を検知する第2圧力検知手段を設け、
前記制御装置は、
前記前記高圧側圧力と前記第2圧力検知手段で検知された前記低圧側圧力とを基に中間圧を演算し、前記中間圧が冷媒の臨界圧力より高いとき、前記第2減圧装置の開度及び前記放熱器の伝熱面積を変更することで、前記主冷媒回路を流れる冷媒の高圧側圧力を調整している
ことを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記制御装置は、
前記第2減圧装置の出口から前記圧縮機のインジェクションポートまでの間の冷媒の中間圧を検知し、前記中間圧が冷媒の臨界圧力より高いとき、前記第2減圧装置の開度及び前記放熱器の伝熱面積を変更することで、前記主冷媒回路を流れる冷媒の高圧側圧力を調整している
ことを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記放熱器の入口空気温度を検知する第1温度検知手段、前記蒸発器の入口空気温度を検知する第2温度検知手段を設け、
前記制御装置は、
前記第1温度検知手段で検知された温度及び前記第2温度検知手段で検知された温度が所定の温度よりも高いとき、前記第2減圧装置の開度及び前記放熱器の伝熱面積を変更することで、前記主冷媒回路を流れる冷媒の高圧側圧力を調整している
ことを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記制御装置は、
冷房運転を開始するとき、前記蒸発器の入口空気温度が所定の温度より高い間、前記第2減圧装置の開度及び前記放熱器の伝熱面積を変更することで、前記主冷媒回路を流れる冷媒の高圧側圧力を調整している
ことを特徴とする請求項1〜9のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記放熱器に強制的に空気を通過させるファンを設け、
前記制御装置は、
前記ファンの回転数も変更することで、前記主冷媒回路を流れる冷媒の高圧側圧力を調整している
ことを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記放熱器に熱媒体を通過させる循環装置を設け、
前記制御装置は、
前記循環装置の回転数も変更することで、前記主冷媒回路を流れる冷媒の高圧側圧力を調整している
ことを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。 - 冷媒として高圧側において超臨界状態となるものを用いている
ことを特徴とする請求項1〜12のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
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