JPWO2017002377A1 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

圧縮機と、負荷側熱交換器と、内部熱交換器の高圧側流路と、膨張装置と、熱源側熱交換器とを備えた冷媒回路と、内部熱交換器と膨張装置との間から分岐して膨張装置および内部熱交換器の低圧側流路を介して圧縮機のインジェクションポートに接続されるインジェクション回路と、圧縮機の吸入温度を検知する吸入温度センサと、圧縮機の吸入圧力を検知する吸入圧力検知装置と、圧縮機の吐出温度を検知する吐出温度センサと、圧縮機の吐出圧力を検知する吐出圧力センサと、内部熱交換器の高圧側流路の出口の冷媒温度を検知する内部熱交換器出口温度センサと、吸入温度センサ、吸入圧力検知装置、吐出温度センサ、吐出圧力センサおよび内部熱交換器出口温度センサのそれぞれの検知値と、圧縮機の圧縮部におけるインジェクションポートの位置に関する情報とを用いて負荷側熱交換器の出口のサブクールを算出する制御装置とを備えたものである。

Description

本発明は、冷凍サイクル装置に関するものであり、特にガスインジェクションを行い低外気温度時の暖房能力を向上させることのできる冷凍サイクル装置に関するものである。

従来より、冷凍サイクル装置において、ガスインジェクションにより低外気温度時の暖房能力（給湯能力）を向上させることのできる技術が存在する。

この技術を使用した一例として、例えば、特許文献１の技術がある。この特許文献１では、ヒートポンプ給湯機において、低外気温度時でも暖房能力の低下を防止することを目的に、インジェクションポートを備えた圧縮機と、負荷側熱交換器と、内部熱交換器と、圧力容器と、熱源側熱交換器と、膨張装置とを有する冷媒回路を備えている。そして、負荷側熱交換器出口のサブクール（過冷却度）を算出して膨張装置の制御にフィードバックする技術内容が記載されている。

特開２００９−１８６１２１号公報

一般的に、冷凍サイクル装置では、吐出圧力センサで検知した吐出圧力の検知値と負荷側熱交換器出口に設けた温度センサで検知した冷媒温度の検知値とからサブクールを算出し、サブクールに基づいて膨張装置の制御を行い、暖房能力の制御を行っている。このため、冷凍サイクル装置の能力を発揮するには、サブクールを精度よく算出する必要がある。

上記特許文献１では、負荷側熱交換器と内部熱交換器とが別体で構成され、サブクールの算出に用いる温度検知値を検知する温度センサとして、負荷側熱交換器と内部熱交換器との間に設けた温度センサを用いている。しかしながら、負荷側熱交換器の直ぐ下流に内部熱交換器が設置されていたり、近年の小型化の要求により、将来的に負荷側熱交換器と内部熱交換器とが一体に構成されたりした場合、負荷側熱交換器と内部熱交換器との間に温度センサを取り付けることができない。この場合、サブクールを算出できないという問題点が生じる。

本発明はこのような点を鑑みなされたもので、負荷側交換器と内部熱交換器との間の冷媒温度を用いずにサブクールを算出することが可能な冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

本発明に係る冷凍サイクル装置は、圧縮機と、負荷側熱交換器と、内部熱交換器の高圧側流路と、第一膨張装置と、熱源側熱交換器とを備えた冷媒回路と、内部熱交換器と第一膨張装置との間から分岐して第二膨張装置および内部熱交換器の低圧側流路を介して圧縮機のインジェクションポートに接続されるインジェクション回路と、圧縮機の吸入温度を検知する吸入温度センサと、圧縮機の吸入圧力を検知する吸入圧力検知装置と、圧縮機の吐出温度を検知する吐出温度センサと、圧縮機の吐出圧力を検知する吐出圧力センサと、内部熱交換器の高圧側流路の出口に設けられ、高圧側流路の出口の冷媒温度を検知する内部熱交換器出口温度センサと、吸入温度センサ、吸入圧力検知装置、吐出温度センサ、吐出圧力センサおよび内部熱交換器出口温度センサのそれぞれの検知値と、圧縮機の圧縮部におけるインジェクションポートの位置に関する情報とを用いて負荷側熱交換器の出口のサブクールを算出する制御装置とを備えたものである。

本発明によれば、負荷側交換器と内部熱交換器との間の冷媒温度を用いずにサブクールを算出することが可能な冷凍サイクル装置を得ることができる。

本発明の実施の形態１における空気調和装置のシステム構成図である。 本発明の実施の形態１における空気調和装置の暖房運転時の冷媒回路の動作を示すＰ−ｈ線図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下に説明する実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、各図において同一の符号を付したものは、同一のまたはこれに相当するものであり、これは明細書の全文において共通している。さらに、明細書全文に表れている構成要素の形態は、あくまで例示であってこれらの記載に限定されるものではない。

以下、冷凍サイクル装置の一例である空気調和装置の構成を説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における空気調和装置のシステム構成図である。この空気調和装置は、四方弁２を切り換えることによって冷房運転と暖房運転とを切り換えることができるものである。本発明は、暖房運転時に適用できるものであるため、以下では暖房運転に特化して説明する。

空気調和装置は、圧縮機１、四方弁２、負荷側熱交換器３、内部熱交換器４の高圧側流路、膨張装置５、圧力容器６、膨張装置７、および熱源側熱交換器８を備えた冷媒回路を備えている。本発明の冷凍サイクル装置の冷媒回路は、図１の冷媒回路に限られたものではない。例えば、四方弁２、圧力容器６が省略されていたり、膨張装置をここでは２つ備えているが１つの構成としたりしてもよい。要するに、本発明の冷凍サイクル装置の冷媒回路は、少なくとも、圧縮機１と、負荷側熱交換器３と、内部熱交換器４の高圧側流路と、膨張装置（第一膨張装置）と、熱源側熱交換器８とを備えた冷媒回路であればよい。

空気調和装置はさらに、内部熱交換器４と膨張装置５との間から分岐して、圧縮機１の圧縮途中に接続されるインジェクション回路１５を備えている。インジェクション回路１５には、膨張装置（第二膨張装置）９と内部熱交換器４の低圧側流路とが設けられている。

負荷側熱交換器３は室内機（図示せず）に配置され、熱源側熱交換器８は室外機（図示せず）に配置される。図１では、負荷側熱交換器３と内部熱交換器４とが別体で構成された状態を図示しているが、負荷側熱交換器３と内部熱交換器４とが一体化された構成であってもよい。

以上で述べた冷媒回路には、吐出温度センサ１１、内部熱交換器出口温度センサ１２、吸入温度センサ１３、吐出圧力センサ１４および熱源側熱交換器温度センサ１６が備えられている。吐出温度センサ１１は圧縮機１から吐出された冷媒の温度を検知する。内部熱交換器出口温度センサ１２は、内部熱交換器４の高圧側流路から流出した冷媒の温度を検知する。吸入温度センサ１３は圧縮機１に吸入される冷媒の温度を検知する。吐出圧力センサ１４は、圧縮機１から吐出された冷媒の圧力を検知する。

熱源側熱交換器温度センサ１６は、熱源側熱交換器８に配置され、熱源側熱交換器８の内部を流れる冷媒の温度を検知する。熱源側熱交換器温度センサ１６は、二相状態の蒸発温度を検知できるように熱源側熱交換器８の入口側、具体的には熱源側熱交換器８の全配管長の中間部分か中間部分よりも入口側に配置される。熱源側熱交換器温度センサ１６により検知される温度を飽和圧力換算することで圧縮機１に吸入される冷媒の吸入圧力を得ることができるため、熱源側熱交換器温度センサ１６は本発明に係る吸入圧力検知装置を構成している。

冷媒回路にはさらに、制御装置２０を備える。制御装置２０は、空気調和装置内の各種センサからの検知信号を受けることができるように各種センサに接続される。そして、制御装置２０は、各種センサからの検知信号等に基づいて負荷側熱交換器３の出口のサブクールＳＣを算出し、膨張装置５の制御にフィードバックする制御を行う。膨張装置５をサブクールＳＣに基づいて制御することで目的の空調能力を発揮することができる。制御装置２０はその機能を実現する回路デバイスのようなハードウェアで構成することもできるし、マイコンまたはＣＰＵのような演算装置と、その上で実行されるソフトウェアとにより構成することもできる。

図２は、本発明の実施の形態１における空気調和装置の暖房運転時の冷媒回路の動作を示すＰ−ｈ線図である。横軸は比エンタルピー[ｋＪ／ｋｇ]、縦軸は冷媒圧力[ＭＰａ]を示している。図１と図２のＡ〜Ｆはそれぞれ対応している（状態Ｉ、Ｊは図１の中には示さず）。

暖房運転時の冷媒回路の動作について説明する。
暖房運転時は圧縮機１から吐出される高温高圧のガス冷媒（状態Ａ）が四方弁２を通って負荷側熱交換器３に流れる。高温高圧のガス冷媒は負荷側熱交換器３で熱交換して低温高圧の過冷却状態の液冷媒となる（状態Ｂ）。負荷側熱交換器３を流出した液冷媒は、内部熱交換器４に流入する。内部熱交換器４では、負荷側熱交換器３を流出して内部熱交換器４の高圧側流路に流入した高圧側冷媒と、内部熱交換器４の低圧側流路の低圧側冷媒とが熱交換され、内部熱交換器４の高圧側流路に流入した高圧側冷媒は冷却される（状態Ｃ）。

内部熱交換器４の高圧側流路から流出した冷媒は、その一部がインジェクション回路１５に分岐され、主流は膨張装置５に流入して減圧される（状態Ｅ）。膨張装置５で減圧された冷媒は、圧力容器６に流入する。そして、圧力容器６内で圧縮機１吸入側の低温の冷媒に熱を与えることで温度が低下し、液冷媒となって流出する（状態Ｆ）。圧力容器６から流出した冷媒は、膨張装置７で減圧（状態Ｇ）された後、熱源側熱交換器８に流入する。熱源側熱交換器８に流入した冷媒は、外気と熱交換して吸熱し、低圧ガス冷媒となる。その後、四方弁２を経て圧力容器６で高圧の冷媒と熱交換し、さらに加熱され（状態Ｈ）、圧縮機１に吸入される。

一方、インジェクション回路１５に分岐された冷媒は、膨張装置９で中間圧力まで減圧され（状態Ｄ）、内部熱交換器４の低圧側流路に流入し、高圧側流路の冷媒と熱交換して加熱される（状態Ｋ）。

圧縮機１では、圧力容器６で加熱された低圧ガス冷媒（状態Ｈ）を吸入し、中間圧まで圧縮する（状態Ｉ）。また、圧縮機１では、インジェクション回路１５からインジェクションされる冷媒（状態Ｋ）を吸入する。よって、圧縮機１では、状態Ｉの冷媒と状態Ｋの冷媒とが合流し、状態Ｊの冷媒となる。状態Ｊの冷媒は、その後、高圧まで昇圧され、圧縮機１から吐出される（状態Ａ）。

次に、冷媒の状態を決定する一つの指標であるサブクールＳＣの算出方法を説明する。一般に、負荷側熱交換器３の出口のサブクールＳＣは以下の式により算出できる。

［数１］
サブクールＳＣ＝「冷媒の凝縮温度」−「負荷側熱交換器３の出口温度：状態Ｂにおける温度」

まず、「冷媒の凝縮温度」は、吐出圧力センサ１４の検知圧力を飽和温度換算することにより得られる。

次に「状態Ｂにおける温度」は、負荷側熱交換器３と内部熱交換器４とが別体の構成の場合、負荷側熱交換器３の出口に設けた温度センサから得られる。しかし、例えば、負荷側熱交換器３と内部熱交換器４とが一体となった構造の場合、負荷側熱交換器３の出口に温度センサを取り付けることができない。また、負荷側熱交換器３と内部熱交換器４とが別体であったとしても、例えばセンサ数低減の観点から負荷側熱交換器３の出口に温度センサを取り付けない場合がある。このように温度センサを負荷側熱交換器３の出口に取り付けること無しに、「状態Ｂにおける温度」を得るには、状態Ｂの圧力と、状態Ｂのエンタルピーとが得られればよい。状態Ｂの圧力は、吐出圧力センサ１４により得られるため、以下、状態Ｂのエンタルピーを求める方法を述べる。

＜状態Ｂのエンタルピー＞
状態Ｂのエンタルピーは、図２の状態Ｂ→Ｃにおける、内部熱交換器４での高圧側流路での熱交換量Ｑ１と、図２の状態Ｄ→Ｋにおける、内部熱交換器４での低圧側流路での熱交換量Ｑ２とが等しいと仮定して、状態Ｂのエンタルピーを算出する。

内部熱交換器４の高圧側流路の出口（状態Ｃ）におけるエンタルピーは、内部熱交換器出口温度センサ１２の検知温度と吐出圧力センサ１４の検知圧力とから得られる。また、状態Ｄのエンタルピーは状態Ｃのエンタルピーと同じである。このため、状態Ｋのエンタルピーが得られれば、内部熱交換器４での低圧側流路での熱交換量Ｑ２を得ることができる。状態Ｋのエンタルピーは、状態Ｋの冷媒と状態Ｉの冷媒とが圧縮機１内で合流することで状態Ｊとなることを用いて求めることができる。

まず、状態Ｉおよび状態Ｊのそれぞれにおけるエンタルピーは、熱源側熱交換器温度センサ１６により検知される温度を飽和圧力換算した吸入圧力と、吸入温度センサ１３により検知される吸入温度と、吐出圧力センサ１４により検知される吐出圧力と、吐出温度センサ１１により検知される吐出温度と、圧縮機１内の圧縮室におけるインジェクションポート１０の位置とを用いて得られる。「圧縮機１内の圧縮室におけるインジェクションポート１０の位置」とは、例えばスクロール型圧縮機を例にとると、圧縮室である渦巻き状のシリンダのどの位置（どの位相角度）にインジェクションポート１０があるか、を意味している。

「インジェクションポート１０の位置」が既知であれば、吸入状態からインジェクションが行われるまでの間に冷媒がどれだけ圧縮されるかがわかる。このため、状態Ｉのエンタルピーは、その情報（吸入状態からインジェクションが行われるまでの間に冷媒がどれだけ圧縮されるか）と、圧縮機１の吸入圧力と、吸入温度とから求まる。また、「インジェクションポート１０の位置」が既知であれば、状態Ｊから冷媒が吐出されるまでの間にどれだけ圧縮されるかがわかる。このため、状態Ｊでのエンタルピーは、その情報（状態Ｊから冷媒が吐出されるまでの間にどれだけ圧縮されるか）と、圧縮機１の吐出圧力と、吐出温度とを用いて、状態Ａから逆算することで求まる。

そして、状態Ｋの冷媒と状態Ｉの冷媒とが圧縮機１内で合流することで状態Ｊとなることから、状態Ｉおよび状態Ｊのエンタルピーから状態Ｋにおけるエンタルピーを求めることができる。状態Ｄのエンタルピーは、状態Ｃのエンタルピーと等しく、上記において既に得られていることから、状態Ｋにおけるエンタルピーが求まることで、内部熱交換器４での熱交換量Ｑ２が得られる。

そして、以上のようにして求めた状態Ｄ→Ｋでの熱交換量Ｑ２と状態Ｂ→Ｃでの熱交換量Ｑ１とが等しいと仮定すれば、状態Ｃのエンタルピーが得られているので、状態Ｂのエンタルピーを求めることができる。

そして、以上により算出された状態Ｂのエンタルピーと、吐出圧力センサ１４により得られた状態Ｂの圧力と、から状態Ｂにおける温度が得られるので、上記［数１］によりサブクールＳＣを求めることができる。

以上説明したように、本発明の実施の形態１によれば、負荷側熱交換器３と内部熱交換器４との間の冷媒温度を用いること無しに、吐出温度センサ１１、内部熱交換器出口温度センサ１２、吸入温度センサ１３、吐出圧力センサ１４および熱源側熱交換器温度センサ１６のそれぞれの検知値と、インジェクションポート１０の位置とを用いてサブクールＳＣを算出できる。よって、負荷側熱交換器３の直ぐ下流に内部熱交換器４が設置されていたり、負荷側熱交換器３と内部熱交換器４とが一体に構成されていたりして、負荷側熱交換器３と内部熱交換器４との間に温度センサを設けられない構成においても、サブクールＳＣを算出できる。

このようにサブクールＳＣを算出することができるため、空気調和装置の能力を十分に発揮することができる。

また、本発明の実施の形態１では、空気調和装置を例にとって説明したが、他の任意の設備機器にも利用可能である。例えば、給湯機、冷水機等の設備機器にも適用可能である。

本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態および変形が可能とされるものである。上述した実施の形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。具体的には例えば、上記では、熱源側熱交換器温度センサ１６が本発明の吸入圧力検知装置を構成しているとしたが、吸入圧力検知装置を次の構成としてもよい。すなわち、図１に点線で示したように、圧縮機１の吸入側に、圧縮機１に吸入される冷媒の吸入圧力を検知する吸入圧力センサ１７を設け、吸入圧力センサ１７で本発明の吸入圧力検知装置を構成してもよい。また、図１において吸入圧力センサ１７は、圧縮機１と圧力容器６との間に備えられているが、これを圧力容器６と四方弁２との間や、暖房運転に限定すれば四方弁２と熱源側熱交換器８との間に備えられていてもよい。

１ 圧縮機、２ 四方弁、３ 負荷側熱交換器、４ 内部熱交換器、５ 膨張装置、６ 圧力容器、７ 膨張装置、８ 熱源側熱交換器、９ 膨張装置、１０ インジェクションポート、１１ 吐出温度センサ、１２ 内部熱交換器出口温度センサ、１３ 吸入温度センサ、１４ 吐出圧力センサ、１５ インジェクション回路、１６ 熱源側熱交換器温度センサ、１７ 吸入圧力センサ、２０ 制御装置。

Claims (4)

1. 圧縮機と、負荷側熱交換器と、内部熱交換器の高圧側流路と、第一膨張装置と、熱源側熱交換器とを備えた冷媒回路と、
   前記内部熱交換器と前記第一膨張装置との間から分岐して第二膨張装置および前記内部熱交換器の低圧側流路を介して前記圧縮機のインジェクションポートに接続されるインジェクション回路と、
   前記圧縮機の吸入温度を検知する吸入温度センサと、
   前記圧縮機の吸入圧力を検知する吸入圧力検知装置と、
   前記圧縮機の吐出温度を検知する吐出温度センサと、
   前記圧縮機の吐出圧力を検知する吐出圧力センサと、
   前記内部熱交換器の前記高圧側流路の出口に設けられ、前記高圧側流路の出口の冷媒温度を検知する内部熱交換器出口温度センサと、
   前記吸入温度センサ、前記吸入圧力検知装置、前記吐出温度センサ、前記吐出圧力センサおよび前記内部熱交換器出口温度センサのそれぞれの検知値と、前記圧縮機の圧縮部における前記インジェクションポートの位置に関する情報とを用いて前記負荷側熱交換器の出口のサブクールを算出する制御装置とを備えた冷凍サイクル装置。
2. 前記制御装置は、前記内部熱交換器の前記低圧側流路での熱交換量と、前記内部熱交換器の前記高圧側流路での熱交換量とが等しいことを用いて前記サブクールを算出する請求項１記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記吸入圧力検知装置は、前記熱源側熱交換器の入口側の冷媒温度を検知する熱源側熱交換器温度センサを備え、熱源側熱交換器温度センサの検知温度を飽和換算して前記吸入圧力を検知する請求項１または請求項２記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記吸入圧力検知装置は、前記圧縮機の吸入圧力を検知する吸入圧力センサである請求項１または請求項２記載の冷凍サイクル装置。

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