JP7154420B2

JP7154420B2 - 冷凍サイクル装置

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Publication number: JP7154420B2
Application number: JP2021538611A
Authority: JP
Inventors: 武徳松本; 翔平竹中; 昂仁彦根; 仁隆門脇
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2019-08-07
Filing date: 2019-08-07
Publication date: 2022-10-17
Anticipated expiration: 2039-08-07
Also published as: EP4012290A1; EP4012290A4; JPWO2021024407A1; WO2021024407A1; US20220235982A1; EP4012290B1

Description

本発明は、冷媒回路内を冷媒が循環する冷凍サイクル装置に関するものである。

空冷式のチラーにおいては、一般的に、水側熱交換器の方が空気側熱交換器よりも冷媒を凝縮する効率がよいので、水側熱交換器の容積を小さくすることができる。また、冷房運転時と暖房運転時とでは、暖房運転時の方が冷凍サイクル装置に必要な冷媒量が少なくて済む。そのため、水側熱交換器が凝縮器として機能する暖房運転時においては、冷房運転時と比較して必要な冷媒量が少ないので、余剰冷媒を貯留する必要がある。そこで、このようにして生じる余剰冷媒を貯留することが可能な冷凍サイクル装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の冷凍サイクル装置は、圧縮機、四方弁などの冷媒流路切替装置、空気側熱交換器、主膨張弁、水側熱交換器、アキュムレータ、冷媒量調整タンク、冷媒流量制御弁としての２つの副膨張弁、ガス抜き回路、および、制御装置としての熱源機制御装置を含んで構成されている。また、圧縮機、冷媒流路切替装置、空気側熱交換器、主膨張弁、水側熱交換器、および、アキュムレータが冷媒配管によって環状に接続され、冷媒回路の主回路が形成されている。さらに、冷媒量調整タンク、副膨張弁、および、ガス抜き回路により、冷媒回路の副回路が形成されている。

このように、上記の冷凍サイクル装置は、主膨張弁に対して並列的に設けられ、冷房運転および暖房運転の運転状態の違いによって生じる余剰冷媒を貯留する冷媒量調整タンクを備えている。

特許第６４７９２０３号公報

特許文献１に記載の冷凍サイクル装置では、冷媒量調整タンクは機械室に収容されているが、機械室に冷媒量調整タンクの収容スペースを確保する必要があるため、装置が大型化してしまうという課題があった。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、小型化することができる冷凍サイクル装置を提供することを目的としている。

本発明に係る冷凍サイクル装置は、圧縮機、冷媒流路切替装置、空気側熱交換器、膨張弁、水側熱交換器、および、アキュムレータが冷媒配管によって接続され、冷媒が循環する冷媒回路を備え、前記空気側熱交換器と前記水側熱交換器との容積差をＧ［Ｌ］、前記冷媒回路全体の容積をＡ［Ｌ］とすると、Ｇ／Ａがあらかじめ決められた閾値χ以下であり、前記冷媒配管は、暖房運転時において、前記圧縮機の吐出側から前記水側熱交換器までを接続する高圧配管と、前記空気側熱交換器から前記圧縮機の吸入側までを接続する低圧配管とを備え、前記高圧配管の外径を２５．４［ｍｍ］とし、前記低圧配管の外径をＤ［ｍｍ］とすると、前記閾値χ＝０．００００００１４７９Ｄ ^３－０．０００００２４５６５４Ｄ ^２＋０．００００７８６９３５Ｄ＋０．２０１８２１９３００である。

本発明に係る冷凍サイクル装置によれば、Ｇ／Ａがあらかじめ決められた閾値χ以下である。そのため、空気側熱交換器と水側熱交換器との容積差分の冷媒である余剰冷媒を、を、冷媒回路内、つまり、圧縮機、空気側熱交換器、膨張弁、水側熱交換器、アキュムレータ、および、冷媒配管に溜めることができる。その結果、余剰冷媒を貯留する冷媒タンクが不要となり、機械室に冷媒タンクの収容スペースを確保する必要がなくなるため、装置を小型化することができる。

実施の形態に係る冷凍サイクル装置が適用される空冷式ヒートポンプチラーを示す斜視図である。実施の形態に係る冷凍サイクル装置の冷房運転時の回路構成の一例を示す概略図である。実施の形態に係る冷凍サイクル装置の暖房運転時の回路構成の一例を示す概略図である。冷媒回路に用いられる一般的な高圧配管の各サイズにおける容積を示す図である。冷媒回路に用いられる一般的な低圧配管の各サイズにおける容積を示す図である。従来機における空気側熱交換器と水側熱交換器との容積差と搭載されている冷媒タンクの容積との関係を示す図である。空気側熱交換器と水側熱交換器との容積差と冷媒タンクの容積との関係を示す図である。図４および図５に示す高圧配管および低圧配管の各サイズにおける閾値を示す図である。閾値と低圧配管のサイズとの関係を示す図である。

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、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。

実施の形態．
以下、実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００について説明する。
図１は、実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００が適用される空冷式ヒートポンプチラー１０１を示す斜視図である。図２は、実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００の冷房運転時の回路構成の一例を示す概略図である。図３は、実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００の暖房運転時の回路構成の一例を示す概略図である。

実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００は、例えば、図１に示す水を冷却および加熱して冷水および温水を生成する空冷式ヒートポンプチラー１０１に適用される。なお、冷凍サイクル装置１００を、屋内の冷房および暖房に使用される空気調和装置に適用してもよい。図１に示すように、空冷式ヒートポンプチラー１０１の下部には、圧縮機１１および膨張弁１４などを収容する機械室３０が設けられている。また、機械室３０の上側には空気側熱交換器１３が設けられており、空気側熱交換器１３の上側には空気側送風機１７が設けられている。

［冷凍サイクル装置の回路構成］
図２および図３に示すように、冷凍サイクル装置１００は、圧縮機１１、冷媒流路切替装置１２、空気側熱交換器１３、膨張弁１４、水側熱交換器１５、アキュムレータ１６、空気側送風機１７、および、制御装置としての熱源機制御装置５０を備えている。

また、冷凍サイクル装置１００は、圧縮機１１、冷媒流路切替装置１２、空気側熱交換器１３、膨張弁１４、水側熱交換器１５、および、アキュムレータ１６が冷媒配管２０によって環状に順次接続されて構成された冷媒回路を備えている。この冷媒回路には、回路内を循環する冷媒が充填されている。ここで、冷媒配管は、暖房運転時において圧縮機１１の吐出側から水側熱交換器１５までを接続する高圧配管２０ａおよび空気側熱交換器１３から圧縮機１１の吸入側までを接続する低圧配管２０ｂからなるガス配管と、水側熱交換器１５から空気側熱交換器１３までを接続する液配管と、で構成されている。

また、冷媒回路に充填される冷媒としては、例えばＲ－２２、Ｒ－１３４ａなどの単一冷媒、Ｒ－４１０Ａ、Ｒ－４０４Ａなどの疑似共沸混合冷媒、Ｒ－４０７Ｃなどの非共沸混合冷媒を用いることができる。また、化学式内に二重結合を含む、ＣＦ_３ＣＦ＝ＣＨ_２などの地球温暖化係数が比較的小さい値とされている冷媒やその混合物、ＣＯ_２、プロパンなどの自然冷媒などを用いることができる。

圧縮機１１は、低温低圧の冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮して高温高圧のガス冷媒の状態にして吐出する。圧縮機１１としては、例えば、駆動周波数を任意に変化させることにより、単位時間あたりの冷媒送出量である容量を制御することが可能なインバータ圧縮機などを用いることができる。

冷媒流路切替装置１２は、冷媒の流れる方向を切り替えることにより、冷房運転および暖房運転の切り替えを行う。冷房運転時は、図２に示すように、圧縮機１１から吐出されたガス冷媒が空気側熱交換器１３に流れるように冷媒流路切替装置１２が切り替えられる。一方、暖房運転時は、図３に示すように、圧縮機１１から吐出されたガス冷媒が水側熱交換器１５に流れるように冷媒流路切替装置１２が切り替えられる。冷媒流路切替装置１２としては、例えば四方弁を用いることができるが、他の弁を組み合わせて使用してもよい。

空気側熱交換器１３は、近傍に設置されたファンなどの空気側送風機１７によって供給される空気と冷媒との間で熱交換を行う。具体的には、空気側熱交換器１３は、冷房運転の際に、冷媒の熱を空気に放熱して冷媒を凝縮させる凝縮器として機能する。また、空気側熱交換器１３は、暖房運転の際に、冷媒を蒸発させ、その際の気化熱により室外空気を冷却する蒸発器として機能する。この空気側熱交換器１３は、複数のプレートフィンと複数の冷媒配管とを組み合わせて構成されている。

膨張弁１４は、冷媒回路内を流れる冷媒を減圧および膨張させる機能を有する。膨張弁１４は、例えば、電子式膨張弁などの開度の制御が可能な弁で構成される。

水側熱交換器１５は、凝縮器または蒸発器として機能し、冷媒回路内を流れる冷媒と、水などの熱媒体との間で熱交換を行う。

アキュムレータ１６は、圧縮機１１の低圧側である吸入側に設けられる。アキュムレータ１６は、冷房運転および暖房運転の運転状態の違いによって生じる余剰冷媒、過渡的な運転の変化に対する余剰冷媒などを貯留する。

熱源機制御装置５０は、冷凍サイクル装置１００全体を制御する。熱源機制御装置５０は、例えば、専用のハードウェア、またはメモリに格納されるプログラムを実行するＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサともいう）で構成されている。

熱源機制御装置５０が専用のハードウェアである場合、熱源機制御装置５０は、例えば、単一回路、複合回路、ＡＳＩＣ（ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＳｐｅｃｉｆｉｃＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（ＦｉｅｌｄＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ）、またはこれらを組み合わせたものが該当する。熱源機制御装置５０が実現する各機能部のそれぞれを、個別のハードウェアで実現してもよいし、各機能部を一つのハードウェアで実現してもよい。

熱源機制御装置５０がＣＰＵの場合、熱源機制御装置５０が実行する各機能は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアおよびファームウェアは、プログラムとして記述され、メモリに格納される。ＣＰＵは、メモリに格納されたプログラムを読み出して実行することにより、熱源機制御装置５０の各機能を実現する。ここで、メモリは、例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭなどの、不揮発性または揮発性の半導体メモリである。なお、熱源機制御装置５０の機能の一部を専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェアまたはファームウェアで実現するようにしてもよい。

熱源機制御装置５０は、例えば、低圧圧力センサ（図示せず）および外気温度センサ（図示せず）などの各種検出手段から検出結果を示す情報を受け取る。そして、熱源機制御装置５０は、検出結果に基づく冷凍サイクル装置１００の運転情報、並びに使用者から指示される運転内容に基づき、圧縮機１１の駆動周波数、空気側送風機１７の回転数（ＯＮ／ＯＦＦを含む）、冷媒流路切替装置１２の切り替え、および、膨張弁１４の開度などを制御する。

ここで、冷房運転時と暖房運転時とで冷媒回路に必要な冷媒量を比較した場合、水側熱交換器１５の方が空気側熱交換器１３よりも冷媒を凝縮する効率がよいため、水側熱交換器１５における冷媒側の容積を小さくすることができる。これにより、冷房運転時よりも暖房運転時の方が、冷媒回路に必要な冷媒量が少なくて済むことになる。

すなわち、暖房運転時には、冷媒回路に必要な冷媒量が余剰となるので、従来では冷房運転時と暖房運転時での冷媒量差を埋めるために冷媒タンクを膨張弁１４に対して並列的に設け、その冷媒タンクに暖房運転時の余剰冷媒を貯留していた。

しかしながら、その冷媒タンクは機械室に収容されるが、機械室に冷媒タンクの収容スペースを確保する必要があるため、装置が大型化してしまうという課題があった。そこで、実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００では、冷媒タンクが不要な構成とした。

冷房運転時と暖房運転時とで、空気側熱交換器１３と水側熱交換器１５との間に液冷媒が溜められる容積差が生じるが、この容積差分の冷媒である余剰冷媒の全てを冷媒回路内、つまり、空気側熱交換器１３、水側熱交換器１５、アキュムレータ１６、および、冷媒配管２０内に溜めることができれば、冷媒タンクが不要となる。

なお、余剰冷媒を冷媒配管２０内に溜めるには、液バックによる圧縮機１１の故障を防止するため、ガス配管内の冷媒を液冷媒ではなくガス冷媒にする必要がある。そして、冷媒配管２０のガス配管内の冷媒をガス冷媒として存在させるためには、冷媒回路内の圧力を一定値以下にする必要がある。冷媒回路全体の容積は、冷媒回路内の圧力に関係し、冷媒回路全体の容積が大きいほど冷媒回路内の圧力が上がりづらくなる。

そこで、空気側熱交換器１３と水側熱交換器１５との容積差をＧ［Ｌ］、冷媒回路全体の容積をＡ［Ｌ］とした場合、Ｇ／Ａがあらかじめ決められた閾値χ以下、つまりＧ／Ａ≦χという条件を満たせば、余剰冷媒の全てをガス冷媒として冷媒回路内に溜めることができ、冷媒回路に冷媒タンクを設けなくすることができる。ここで、閾値χは、余剰冷媒を貯留する冷媒タンクが不要となる閾値であり、余剰冷媒の全てをガス冷媒として冷媒回路内に溜めるための閾値である。また、冷媒回路全体の容積とは、圧縮機１１、空気側熱交換器１３、膨張弁１４、水側熱交換器１５、アキュムレータ１６、および、冷媒配管２０の合計容積である。

次に、閾値χの算出方法について説明する。
図４は、冷媒回路に用いられる一般的な高圧配管の各サイズにおける容積を示す図である。図５は、冷媒回路に用いられる一般的な低圧配管の各サイズにおける容積を示す図である。なお、ここでいう高圧配管は、冷凍サイクル装置１００と同様の冷媒回路構成に関して、暖房運転時において圧縮機の吐出側から水側熱交換器までを接続する配管であり、低圧配管は、暖房運転時において空気側熱交換器から圧縮機の吸入側までを接続する配管である。

算出条件として、空気側熱交換器と水側熱交換器との容積差は５［Ｌ］とする。また、冷媒配管の長さは、標準的な空冷式ヒートポンプチラーに用いられる１．２［ｍ］とする。また、空気側熱交換器の容積、水側熱交換器の容積、および、アキュムレータの容積は、能力に応じた値とする。また、冷媒配管のサイズ（外径）は、図４および図５に示すように、ＪＩＳ規格サイズに基づいて、高圧配管＝２５．４［ｍｍ］、２８．６［ｍｍ］、３１．７５［ｍｍ］とし、低圧配管＝２５、４［ｍｍ］、２８．６［ｍｍ］、３１．７５［ｍｍ］、３４．９３［ｍｍ］、３８．１［ｍｍ］、４１．２８［ｍｍ］、４４．４５［ｍｍ］、５０．８［ｍｍ］とする。また、液配管のサイズ（外径）は、液冷媒の冷媒圧力損失が規定値以内に収まるサイズである１２．７［ｍｍ］とする。

ここで、算出条件として、空気側熱交換器と水側熱交換器との容積差を５［Ｌ］とした理由について説明する。
図６は、従来機における空気側熱交換器と水側熱交換器との容積差と搭載されている冷媒タンクの容積との関係を示す図である。なお、図６に記載の「空気熱交」は空気側熱交換器の略称であり、「水熱交」は水側熱交換器の略称であり、以下においても同様とする。

従来機Ａでは、空気側熱交換器の容積が１９．６［Ｌ］、水側熱交換器の容積が５．４［Ｌ］であり、空気側熱交換器と水側熱交換器との容積差は、１４．２［Ｌ］である。それに対して、従来機Ａでは、容積が８．５［Ｌ］の冷媒タンクが搭載されている。また、従来機Ｂでは、空気側熱交換器の容積が１３．９［Ｌ］、水側熱交換器の容積が５．４［Ｌ］であり、空気側熱交換器と水側熱交換器との容積差は、８．５［Ｌ］である。それに対して、従来機Ｂでは、容積が４［Ｌ］の冷媒タンクが搭載されている。

図７は、空気側熱交換器と水側熱交換器との容積差と冷媒タンクの容積との関係を示す図である。図７に示す直線の式ｙは、従来機Ａおよび従来機Ｂから求められたものである。

図７に示すように、従来機Ａおよび従来機Ｂから求められた直線の式ｙから、空気側熱交換器と水側熱交換器との容積差が３．４３［Ｌ］以下である場合、必要な冷媒タンクの容積が０、つまり冷媒タンクが不要となることが分かる。そのため、個体差のばらつきを考慮して、空気側熱交換器と水側熱交換器との容積差が４［Ｌ］以下である場合、冷媒タンクが不要となる。さらに、水側熱交換器から膨張弁までの冷媒配管に液冷媒を溜めることができる。ここで、膨張弁を空気側熱交換器の近くに配置することで、水側熱交換器から膨張弁までの冷媒配管が長くなり、溜められる冷媒の容積が多くなる。そして、膨張弁を空気側熱交換器の近くに配置することで、例えば液配管のサイズ（外径）を１２．７［ｍｍ］とした場合、水側熱交換器から膨張弁までの冷媒配管の容積がおよそ１［Ｌ］となるため、この値を空気側熱交換器と水側熱交換器との容積差に加えて、５［Ｌ］となる。以上より、算出条件として、空気側熱交換器と水側熱交換器との容積差を５［Ｌ］とした。

図８は、図４および図５に示す高圧配管および低圧配管の各サイズにおける閾値を示す図である。図９は、閾値と低圧配管のサイズとの関係を示す図である。なお、図９の縦軸は閾値を示しており、横軸は低圧配管のサイズを示している。
上記の算出条件に基づいて閾値χを算出すると、図８に示す通りとなる。

また、低圧配管のサイズ（外径）を変数Ｄ［ｍｍ］とすると、高圧配管の各サイズ（外径）に対して、閾値χは図９に示すように以下の式で求められる。

［高圧配管：２５．４ｍｍ（１インチ）］
χ＝０．００００００１４７９Ｄ^３－０．００００２４５６５４Ｄ^２＋０．００００７８６９３５Ｄ＋０．２０１８２１９３００

［高圧配管：２８．６ｍｍ（１－１／８インチ）］
χ＝０．００００００１４３２Ｄ^３－０．００００２３９３４７Ｄ^２＋０．００００７７４５７２Ｄ＋０．１９９１７０６７７１

［高圧配管：３１．７５ｍｍ（１－１／４インチ）］
χ＝０．００００００１３７６Ｄ^３－０．００００２３１７１２Ｄ^２＋０．００００７５８８１７Ｄ＋０．１９５９２２８３３７

そのため、Ｇ／Ａが上記のχ以下であれば、余剰冷媒の全てをガス冷媒として冷媒回路内に溜めることができ、冷媒回路に冷媒タンクを設けなくすることができる。

以上、実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００は、圧縮機１１、冷媒流路切替装置１２、空気側熱交換器１３、膨張弁１４、水側熱交換器１５、および、アキュムレータ１６が冷媒配管２０によって接続され、冷媒が循環する冷媒回路を備えている。そして、空気側熱交換器１３と水側熱交換器１５との容積差をＧ［Ｌ］、冷媒回路全体の容積をＡ［Ｌ］とすると、Ｇ／Ａがあらかじめ決められた閾値χ以下である。

実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００によれば、Ｇ／Ａがあらかじめ決められた閾値χ以下である。そのため、空気側熱交換器１３と水側熱交換器１５との容積差分の冷媒である余剰冷媒を、冷媒回路内、つまり、圧縮機１１、空気側熱交換器１３、膨張弁１４、水側熱交換器１５、アキュムレータ１６、および、冷媒配管２０に溜めることができる。その結果、冷媒貯留タンクが不要となり、機械室に冷媒量調整タンクの収容スペースを確保する必要がなくなるため、装置を小型化することができる。

また、冷媒貯留タンクが不要となり、機械室に冷媒量調整タンクを設置する必要がなくなるため、メンテナンス性を向上させることができる。

１１圧縮機、１２冷媒流路切替装置、１３空気側熱交換器、１４膨張弁、１５水側熱交換器、１６アキュムレータ、１７空気側送風機、２０冷媒配管、２０ａ高圧配管、２０ｂ低圧配管、３０機械室、５０熱源機制御装置、１００冷凍サイクル装置、１０１空冷式ヒートポンプチラー。

Claims

圧縮機、冷媒流路切替装置、空気側熱交換器、膨張弁、水側熱交換器、および、アキュムレータが冷媒配管によって接続され、冷媒が循環する冷媒回路を備え、
前記空気側熱交換器と前記水側熱交換器との容積差をＧ［Ｌ］、前記冷媒回路全体の容積をＡ［Ｌ］とすると、Ｇ／Ａがあらかじめ決められた閾値χ以下であり、
前記冷媒配管は、暖房運転時において、前記圧縮機の吐出側から前記水側熱交換器までを接続する高圧配管と、前記空気側熱交換器から前記圧縮機の吸入側までを接続する低圧配管とを備え、
前記高圧配管の外径を２５．４［ｍｍ］とし、前記低圧配管の外径をＤ［ｍｍ］とすると、
前記閾値χ＝０．００００００１４７９Ｄ ^３－０．０００００２４５６５４Ｄ ^２＋０．００００７８６９３５Ｄ＋０．２０１８２１９３００である
冷凍サイクル装置。
圧縮機、冷媒流路切替装置、空気側熱交換器、膨張弁、水側熱交換器、および、アキュムレータが冷媒配管によって接続され、冷媒が循環する冷媒回路を備え、
前記空気側熱交換器と前記水側熱交換器との容積差をＧ［Ｌ］、前記冷媒回路全体の容積をＡ［Ｌ］とすると、Ｇ／Ａがあらかじめ決められた閾値χ以下であり、
前記冷媒配管は、暖房運転時において、前記圧縮機の吐出側から前記水側熱交換器までを接続する高圧配管と、前記空気側熱交換器から前記圧縮機の吸入側までを接続する低圧配管とを備え、
前記高圧配管の外径を２８．６［ｍｍ］とし、前記低圧配管の外径をＤ［ｍｍ］とすると、
前記閾値χ＝０．００００００１４３２Ｄ ^３－０．０００００２３９３４７Ｄ ^２＋０．００００７７４５７２Ｄ＋０．１９９１７０６７７１である
冷凍サイクル装置。
圧縮機、冷媒流路切替装置、空気側熱交換器、膨張弁、水側熱交換器、および、アキュムレータが冷媒配管によって接続され、冷媒が循環する冷媒回路を備え、
前記空気側熱交換器と前記水側熱交換器との容積差をＧ［Ｌ］、前記冷媒回路全体の容積をＡ［Ｌ］とすると、Ｇ／Ａがあらかじめ決められた閾値χ以下であり、
前記冷媒配管は、暖房運転時において、前記圧縮機の吐出側から前記水側熱交換器までを接続する高圧配管と、前記空気側熱交換器から前記圧縮機の吸入側までを接続する低圧配管とを備え、
前記高圧配管の外径を３１．７５［ｍｍ］とし、前記低圧配管の外径をＤ［ｍｍ］とすると、
前記閾値χ＝０．００００００１３７６Ｄ ^３－０．０００００２３１７１２Ｄ ^２＋０．００００７５８８１７Ｄ＋０．１９５９２２８３３７である
冷凍サイクル装置。