JP7526958B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本開示は、冷凍サイクル装置に関する。

特許文献１は、冷媒を圧縮する直列多段に配置された複数の圧縮機と、循環する主冷媒回路の冷媒の一部を複数の圧縮機の間にバイパスするバイパス冷媒回路とを備えた冷凍装置を開示する。

主冷媒回路の冷媒の一部は、バイパス冷媒回路内に配置された電子膨張弁にて膨張され、主冷媒回路を流れる冷媒と熱交換を行った後、複数の圧縮機の間にバイパスされ、複数の圧縮機の内の低段圧縮機から吐出された冷媒と合流し、高段圧縮機に吸入される。

高段圧縮機の吐出温度を常時検出し、高段圧縮機の吐出温度が上限を超えると予想された場合は、バイパス冷媒回路内電子膨張弁の開度を一時的に大きくし、吐出温度を下げる制御を行う。

特開２００９－１９２１６４号公報

本開示は、吐出温度と吐出圧力が上昇し、運転範囲の上限となる値に近づいた場合においても、その値を超えることなく、吐出温度と吐出圧力の上昇を抑制できる信頼性の高い冷凍サイクル装置を提供する。

本開示における冷凍サイクル装置は、圧縮回転要素から構成される圧縮機構、前記圧縮回転要素から吐出された冷媒により利用側熱媒体を加熱する利用側熱交換器、中間熱交換器、第１膨張装置、及び熱源側熱交換器が配管で順次接続されて形成される主冷媒回路と、前記利用側熱交換器から前記第１膨張装置までの間の前記配管から分岐された冷媒が、第２膨張装置により減圧された後に、前記中間熱交換器で前記主冷媒回路を流れる前記冷媒と熱交換され、前記圧縮回転要素の圧縮途中の前記冷媒に合流されるバイパス冷媒回路と、前記圧縮回転要素の吐出温度を検出する吐出温度検出手段と、前記圧縮回転要素の吐出圧力を検出する吐出圧力検出手段と、制御装置と、を備え、前記圧縮回転要素の吐出圧力が所定圧力よりも高く、かつ、前記圧縮回転要素の吐出温度が所定温度よりも高い場合には、前記制御装置は、前記第１膨張装置と前記第２膨張装置の両方の開度を大きくすることを特徴とする。

本開示によれば、吐出温度と吐出圧力が上昇し、運転範囲の上限となる値に近づいた場合においても、その値を超えることなく、吐出温度と吐出圧力の上昇を抑制できる信頼性の高い冷凍サイクル装置を提供できる。

実施の形態１における冷凍サイクルの構成図 実施の形態１における冷凍サイクル装置において、第２膨張装置のみの開度を大きくした場合の圧力―エンタルピー線図（Ｐ－ｈ線図） 実施の形態１における冷凍サイクル装置において、第１膨張装置のみの開度を大きくした場合の圧力―エンタルピー線図（Ｐ－ｈ線図） 実施の形態１における冷凍サイクル装置において、第１膨張装置の開度および第２膨張装置の開度を大きくした場合の圧力―エンタルピー線図（Ｐ－ｈ線図）

以下、図面を参照しながら実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、または、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。

なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。

（実施の形態１）
以下、図１～図３を用いて、実施の形態１を説明する。

[１－1．構成]
図１において、冷凍サイクル装置は、主冷媒回路８、バイパス冷媒回路６を備える。

主冷媒回路８は、圧縮回転要素から構成される圧縮機構１、放熱器である利用側熱交換器２、中間熱交換器５、第１膨張装置３、及び蒸発器である熱源側熱交換器４が配管で順次接続されて形成され、冷媒として二酸化炭素（ＣＯ_２）を用いている。

圧縮機構１は、高段圧縮部１１と低段圧縮部１２とで構成される。利用側熱交換器２において、圧縮機構１から吐出された冷媒により、利用側熱媒体を加熱する。

なお、図１では、圧縮回転要素を、低段圧縮部１２と高段圧縮部１１とで構成される二段圧縮機構を図示しているが、単一の圧縮機構においても適用でき、単一の圧縮機構の場合には、バイパス冷媒回路６からの冷媒が吸入される位置を圧縮回転要素の圧縮途中とし、主冷媒回路８からの冷媒とバイパス冷媒回路６からの冷媒が合流する位置までの圧縮回転要素を低段圧縮部１２とし、バイパス冷媒回路６からの冷媒が合流する位置以降の圧縮回転要素を高段圧縮部１１として適用することができる。

バイパス冷媒回路６は、利用側熱交換器２と中間熱交換器５の間の配管で主冷媒回路８から分岐され、低段圧縮部１２と高段圧縮部１１との間の圧縮途中まで配管にて接続されている。

バイパス冷媒回路６には、第２膨張装置７が設けられている。利用側熱交換器２を通過した一部の高圧冷媒は、第２膨張装置７により減圧され中間圧冷媒となり、中間熱交換器５で主冷媒回路８を流れる高圧冷媒と熱交換し、低段圧縮部１２と高段圧縮部１１との間の圧縮途中にて主冷媒回路８を流れる冷媒と合流する。

利用側熱交換器２で加熱された利用側熱媒体は、利用側端末（図示せず）で、暖房等に利用される。利用側熱媒体として水又は不凍液を用いる。

主冷媒回路８は、圧縮機構１の吐出配管には、吐出温度検出手段である吐出温度センサ１５と吐出圧力検出手段である吐出圧力センサ１６が設けられており、吐出温度センサ１５が検出した吐出温度および吐出圧力センサ１６が検出した吐出圧力は、データとして制御装置２０に取り込まれる。

制御装置２０には、冷凍サイクル装置の運転範囲の上限となる吐出温度の値より第１所定値低い値である所定温度、冷凍サイクル装置の運転範囲の上限となる吐出圧力の値より第２所定値低い値である所定圧力が、それぞれ閾値として予め設定されている。

なお、冷凍サイクル装置の運転範囲の上限となる吐出温度の値、冷凍サイクル装置の運転範囲の上限となる吐出圧力の値とは、それぞれ、制御装置２０が冷凍サイクル装置の運転を停止する値である。

制御装置２０は、吐出温度センサ１５が検出した吐出温度と吐出圧力センサ１６が検出した吐出圧力とがそれぞれ閾値を超えると、第１膨張装置３の開度および第２膨張装置７の開度を大きくするように制御する。

なお、吐出圧力センサ１６は、圧縮機構１の吐出側から第１膨張装置３の上流側までの、主冷媒回路８に設けられていて、主冷媒回路８の高圧冷媒の圧力を検出できればよい。

図２～図４は、本実施の形態１における冷凍サイクル装置において、第１膨張装置の開度や第２膨張装置の開度を大きくした場合の圧力―エンタルピー線図（Ｐ－ｈ線図）の変化を示している。

図２は、第２膨張装置７のみの開度を大きくした時の冷凍サイクルの変化を示し、開度を大きくする前の状態は実線、開度を大きくした後の状態は破線で示している。

図３は、第１膨張装置３のみの開度を大きくした時の冷凍サイクルの変化を示し、開度を大きくする前の状態は実線、開度を大きくした後の状態は破線で示している。

図４は、第１膨張装置３の開度、および、第２膨張装置７の開度を大きくした時の冷凍サイクルの変化を示し、開度を大きくする前の状態は実線、開度を大きくした後の状態は破線で示している。

図２～図４において、吐出温度および吐出圧力とも冷凍サイクル装置の運転範囲の上限となる値を破線にて示し、ａ～ｅ点、および、Ａ～Ｂ点は、図１に示す冷凍サイクル装置の構成図における各ポイントに相当する。

[１－２．動作]
以上のように構成された冷凍サイクル装置について、以下その動作、作用を説明する。

まず、図１と図２に基づいて、冷凍サイクル装置の動作を説明する。

第２膨張装置７の開度を大きくする前（実線）の冷凍サイクル装置では、高段圧縮部１１で圧縮され圧縮機構１から吐出される高圧冷媒（ａ点）は、利用側熱交換器２で放熱した後に冷媒分岐点Ａで主冷媒回路８から分岐し、第２膨張装置７により中間圧まで減圧されて中間圧冷媒（ｅ点）となり、中間熱交換器５にて熱交換し、高段圧縮部１１と低段圧縮部１２の間に位置する圧縮途中で、低段圧縮部１２で圧縮された主冷媒回路８の冷媒と合流する（Ｂ点）。

利用側熱交換器２で放熱した後の主冷媒回路８を流れる高圧冷媒は、バイパス冷媒回路６を流れる中間圧冷媒（ｅ点）と熱交換を行い冷却され、エンタルピーが低減された状態（ｂ点）で第１膨張装置３にて減圧される。

第１膨張装置３にて減圧され、気液二相状態となった主冷媒回路８の冷媒は、蒸発器４において外気からの吸熱により蒸発し気相となって、圧縮機構１の吸入側（ｄ点）に戻り、圧縮機構１の低段圧縮部１２にて圧縮される。

加熱能力を必要とする低外気温時に、高温水を出水する必要があるような運転条件下では、圧縮機構１の回転周波数を高くする必要があり、圧縮機構１の吐出温度は閾値を超えているだけでなく、圧縮機構１の吐出圧力もほぼ閾値に近い状態での運転となっている。

ここで、第２膨張装置７の開度を大きくした際の冷凍サイクルの変化を破線で示す。

第２膨張装置７の開度を大きくすると、バイパス冷媒回路６を流れる温度の低い冷媒量が増加し、バイパス冷媒回路６を流れる冷媒と主冷媒回路８を流れる冷媒が合流する圧縮途中（Ｂ点）の温度は低下する。

温度が低下し合流した冷媒は、高段圧縮部１１にて圧縮され圧縮機構１から吐出される。吐出された冷媒の吐出温度（ａ点）は低下し、閾値以下の温度にすることができ、吐出温度の上昇を抑制することができる。

しかしながら、バイパス冷媒回路６を流れる冷媒量が増加するので、圧縮機構１への流入冷媒量が増加し吐出圧力は上昇する。従って、吐出圧力は閾値を超えてしまう。

次に、図１と図３に基づいて、冷凍サイクル装置の動作を説明する。

第１膨張装置３の開度を大きくする前（実線）の冷凍サイクル装置の動作は、図２における第２膨張装置７の開度を大きくする前の動作と同様であるので説明を省略する。

加熱能力を必要とする低外気温時に、高温水を出水する必要があるような運転条件では、圧縮機構１の回転周波数を高くする必要があり、圧縮機構１の吐出圧力は閾値を超えているだけでなく、圧縮機構１の吐出温度もほぼ閾値に近い状態での運転となっている。

ここで、第１膨張装置３の開度を大きくした際の冷凍サイクルの変化を破線で示す。第１膨張装置３の開度を大きくすると、主冷媒回路８を流れる冷媒量は増加し、バイパス冷媒回路６を流れる冷媒量は低下する。従って、圧縮機構１の吐出圧力は低下し、閾値以下にすることができる。

しかしながら、バイパス冷媒回路６を流れる冷媒量が低下するので、バイパス冷媒回路６を流れる冷媒と主冷媒回路８を流れる冷媒が合流する圧縮途中（Ｂ点）の温度は上昇する。

従って、高段圧縮部１１にて圧縮され、圧縮機構１から吐出される冷媒の吐出温度（ａ点）は上昇し、閾値を超えてしまう。

このように、第２膨張装置７だけの開度を大きくすると、吐出温度は低下するが吐出圧力が上昇する。また、第１膨張装置３だけの開度を大きくすると、吐出圧力は低下するが吐出温度が上昇する。

加熱能力を必要とする低外気温時に高温水を出水する必要があるような運転条件では、吐出温度および吐出圧力ともに、冷凍サイクル装置の運転範囲の上限となる値に近い値、すなわち、吐出温度および吐出圧力ともに、それぞれの閾値を超えた状態での運転となる。

しかしながら、冷凍サイクル装置の周囲環境が変化し、吐出温度が閾値を超えたときに、第２膨張装置７の開度を大きくするだけでは、吐出圧力が閾値を超えてしまい、適切な冷凍サイクルでの運転を実現できない。

また、冷凍サイクル装置の周囲環境が変化し、吐出圧力が閾値を超えたときに、第１膨張装置３の開度を大きくするだけでは、吐出温度が閾値を超えてしまい、適切な冷凍サイクルでの運転が実現できない。

そのため、制御装置２０が、第１膨張装置３および第２膨張装置７の両方の開度を大きくする制御を行うことで、図４に示すように、冷凍サイクルは実線から破線の状態に変化する。

すなわち、吐出圧力と吐出温度とがそれぞれ閾値以下、すなわち、運転範囲の上限となる値を超えることなく、吐出温度と吐出圧力の上昇を抑制できる信頼性の高い冷凍サイクル装置を提供できる。

制御装置２０には、冷凍サイクル装置の運転範囲の上限となる吐出温度の値より第１所定値低い値である所定温度、冷凍サイクル装置の運転範囲の上限となる吐出圧力の値より第２所定値低い値である所定圧力が、それぞれ閾値として予め設定されている。

そして、制御装置２０は、吐出温度センサ１５が検出した吐出温度および吐出圧力センサ１６が検出した吐出圧力がそれぞれ閾値を超えると、第１膨張装置３および第２膨張装置７の開度を大きくするように制御する。

これにより、吐出温度を下げるために、第２膨張弁の開度を大きくし、温度の低い冷媒の合流量を増加させ、その際に圧縮機構１への流入冷媒流量が増加して吐出圧力が上昇しても、第１膨張弁の開度を大きくして、主冷媒回路８を流れる冷媒量は増加させることで、上昇した吐出圧力を低下させることができる。

さらに、制御装置２０は、第２膨張装置７の開度を大きくした後に、第１膨張装置３の開度を大きくするように制御を行う。

これにより、バイパス冷媒回路６から合流する低温の冷媒量を増加させてから、主冷媒回路８の減圧量を減少させることになり、主冷媒回路８の減圧量を減少させることによるバイパス冷媒回路６の冷媒流量の減少に伴う吐出温度の上昇も、吐出温度センサ１５で検出しながら、主冷媒回路８の減圧量を制御することができる。

さらに、制御装置２０は、第２膨張装置７の開度の変化量を、圧縮機構１の吐出温度が高いほど大きくする制御を行う。

これにより、圧縮機構１の吐出温度が高いほど、バイパス冷媒回路６から合流する低い温度の冷媒流量をより早く増加させることができる。

具体的には、制御装置２０は、圧縮機構１の吐出温度と閾値との温度差が大きいほど、第２膨張装置７の開度の変化量を大きくする制御を行う。

これにより、圧縮機構１の吐出温度を連続的に検出しているので、吐出温度の過昇をより早く確実に検出でき、第２膨張装置７の開度の制御を行うことができる。

[１－３．効果等]
以上のように、本実施の形態１において、冷凍サイクル装置は、圧縮回転要素から構成される圧縮機構１、圧縮回転要素から吐出された冷媒により利用側熱媒体を加熱する利用側熱交換器２、中間熱交換器５、第１膨張装置３、及び熱源側熱交換器４が配管で順次接続されて形成される主冷媒回路８と、利用側熱交換器２から第１膨張装置３までの間の配管から分岐された冷媒が、第２膨張装置７により減圧された後に、中間熱交換器５で主冷媒回路８を流れる冷媒と熱交換され、圧縮回転要素の圧縮途中の冷媒に合流されるバイパス冷媒回路６と、圧縮回転要素の吐出温度を検出する吐出温度検出手段１５と、圧縮回転要素の吐出圧力を検出する吐出圧力検出手段１６と、制御装置２０と、を備え、圧縮回転要素の吐出圧力が所定圧力よりも高く、かつ、圧縮回転要素の吐出温度が所定温度よりも高い場合には、制御装置２０は、第１膨張装置３と第２膨張装置７の両方の開度を大きくすることを特徴とする。

これにより、吐出温度と吐出圧力が上昇し、運転範囲の上限となる値に近づいた場合においても、その値を超えることなく、吐出温度と吐出圧力の上昇を抑制できる信頼性の高い冷凍サイクル装置を提供できる。

また、本実施の形態１において、冷凍サイクル装置は、制御装置２０は、第２膨張装置７の開度を大きくした後に、第１膨張装置３の開度を大きくすることを特徴とする。

これにより、バイパス冷媒回路６から合流する低温の冷媒量を増加させてから、主冷媒回路８の減圧量を減らすことになる。

そのため、主冷媒回路８の減圧量を減少させることによるバイパス冷媒回路６の冷媒流量の減少に伴う吐出温度の過昇も検出しながら、主冷媒回路８の減圧量を制御することができる。

そのため、吐出温度の上昇速度が速い場合においても、短時間でより効果的に吐出温度の上昇を抑え、信頼性の高い冷凍サイクル装置を提供できる。

また、本実施の形態１において、冷凍サイクル装置は、制御装置２０は、第２膨張装置７の開度の変化量を、圧縮回転要素の吐出温度が高いほど大きくすることを特徴とする。

これにより、吐出温度が高いほど、バイパス冷媒回路６から合流する低い温度の冷媒流量を早く増加させ、吐出温度をより早く低下させることができる。

そのため、吐出温度が大きく所定温度を超えている場合においても、いち早く吐出温度を下げることができ、より信頼性の高い冷凍サイクル装置を提供できる。

また、本実施の形態１において、冷凍サイクル装置は、制御装置２０は、圧縮回転要素の吐出温度と所定温度との温度差に基づいて、第２膨張装置７の開度の変化量を決定することを特徴とする。

これにより、圧縮機構１の吐出冷媒の温度を連続的に検出しているので、吐出温度の過昇をより早く確実に検出し、第２膨張装置７の制御を行うことができる。

従って、いち早く吐出温度を下げることができ、より信頼性の高い冷凍サイクル装置を提供できる。

本開示は、吐出温度と吐出圧力が上昇し、運転範囲の上限となる値に近づいた場合においても、その値を超えることなく、吐出温度と吐出圧力の上昇を抑制できる信頼性の高い冷凍サイクル装置を提供できるので、空気調和機や給湯機等に適用可能である。

１ 圧縮機構
２ 放熱器（利用側熱交換器）
３ 第１膨張装置
４ 蒸発器（熱源側熱交換器）
５ 中間熱交換器
６ バイパス冷媒回路
７ 第２膨張装置
８ 主冷媒回路
１１ 高段圧縮部
１２ 低段圧縮部
１５ 吐出温度センサ（吐出温度検出手段）
１６ 吐出圧力センサ（吐出圧力検出手段）
２０ 制御装置

Claims (4)

1. 圧縮回転要素から構成される圧縮機構、前記圧縮回転要素から吐出された冷媒により利用側熱媒体を加熱する利用側熱交換器、中間熱交換器、第１膨張装置、及び熱源側熱交換器が配管で順次接続されて形成される主冷媒回路と、
   前記利用側熱交換器から前記第１膨張装置までの間の前記配管から分岐された冷媒が、第２膨張装置により減圧された後に、前記中間熱交換器で前記主冷媒回路を流れる前記冷媒と熱交換され、前記圧縮回転要素の圧縮途中の前記冷媒に合流されるバイパス冷媒回路と、
   前記圧縮回転要素の吐出温度を検出する吐出温度検出手段と、
   前記圧縮回転要素の吐出圧力を検出する吐出圧力検出手段と、
   制御装置と、を備え、
   前記圧縮回転要素の吐出圧力が所定圧力よりも高く、かつ、前記圧縮回転要素の吐出温度が所定温度よりも高い場合には、前記制御装置は、前記第１膨張装置と前記第２膨張装置の両方の開度を大きくすることを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記制御装置は、前記第２膨張装置の開度を大きくした後に、前記第１膨張装置の開度を大きくす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. 前記制御装置は、前記第２膨張装置の開度の変化量を、前記圧縮回転要素の吐出温度が高いほど大きくする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. 前記制御装置は、前記圧縮回転要素の吐出温度と前記所定温度との温度差に基づいて、前記第２膨張装置の開度の変化量を決定することを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。