JP7571170B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、冷凍サイクル装置に関する。

冷凍サイクル装置は、主回路を有する。主回路は、圧縮機、第１熱交換器、膨張装置および第２熱交換器を環状に接続して、冷媒を流通させる。冷凍サイクル装置の主回路に、逆止弁が設置される場合がある。逆止弁は、冷媒の流通方向において圧縮機の下流側に設置される。圧縮機の下流側の主回路が高圧の状態で、圧縮機が停止される場合がある。圧縮機を安定して再起動することができる冷凍サイクル装置が求められる。

国際公開第２０２２／０５９０５４号

本発明が解決しようとする課題は、圧縮機を安定して再起動することができる冷凍サイクル装置を提供することである。

実施形態の冷凍サイクル装置は、主回路と、逆止弁と、過冷却回路と、過冷却回路膨張弁と、過冷却熱交換器と、制御部と、を持つ。主回路は、圧縮機、第１熱交換器、膨張装置および第２熱交換器を環状に接続して冷媒を流通させる。冷媒の流通方向の下流側を第１側とし、冷媒の流通方向の上流側を第２側とする。逆止弁は、圧縮機の第１側の主回路に設置される。過冷却回路は、逆止弁の第１側における主回路の第１位置と圧縮機の第２側にお ける主回路の第２位置とを接続する。過冷却回路膨張弁は、過冷却回路に設置される。過冷却熱交換器は、主回路を流通する冷媒と過冷却回路を流通する冷媒とを熱交換させる。制御部は、圧縮機の駆動電流が第１所定値を超えたことで圧縮機の運転が停止された場合に、圧力低下動作の実施を制御する。圧力低下動作は、過冷却回路膨張弁を開いて逆止弁の第１側における主回路の第１圧力を低下させる動作である。

実施形態における冷凍サイクル装置の回路図。 実施形態の第１変形例における冷凍サイクル装置の回路図。 実施形態の第２変形例における冷凍サイクル装置の回路図。

以下、実施形態の冷凍サイクル装置を、図面を参照して説明する。
図１は、実施形態における冷凍サイクル装置１の回路図である。冷凍サイクル装置１は、室外ユニット１１と、室内ユニット１０と、これらに冷媒を流通させる主回路５と、を有する。本願では、冷媒の流通方向の下流側（第１側）を単に「下流側」と呼び、冷媒の流通方向の上流側（第２側）を単に「上流側」と呼ぶ場合がある。本願では、冷媒が流通する配管を「回路」と呼ぶ場合がある。

冷凍サイクル装置１は、Ｒ４１０Ａ、Ｒ３２、Ｒ１１２３、Ｒ４５４Ｂ、Ｒ４６６Ａまたは二酸化炭素（ＣＯ_２）等の冷媒を含む。冷媒は、相変化しながら冷凍サイクル装置１を循環する。
室外ユニット１１は、圧縮機２と、逆止弁３と、四方弁１８と、室外熱交換器８と、室外膨張弁６ｂと、を有する。
室内ユニット１０は、室内熱交換器４と、室内膨張弁６ａと、を有する。

冷凍サイクル装置１が冷房運転を行う場合について説明する。
圧縮機２は、内部に取り込まれる低圧の気体冷媒を圧縮して高温・高圧の気体冷媒にする。圧縮機２から吐出された冷媒は、オイルセパレータ２ｂおよび逆止弁３を介して、四方弁１８に供給される。冷凍サイクル装置１が冷房運転を行う場合に、冷媒は四方弁１８から室外ユニット１１の室外熱交換器８に供給される。

室外熱交換器８は、凝縮器（放熱器、第１熱交換器）として機能する。凝縮器は、圧縮機２から吐出される高温・高圧の気体冷媒から放熱して、高温・高圧の気体冷媒を高圧の液体冷媒にする。室外熱交換器８は、室外ファン（ファン）８ｆを伴う。室外ファン８ｆは、室外熱交換器８に室外の空気を流通させる。

冷凍サイクル装置１は、膨張装置６として、室外膨張弁６ｂおよび室内膨張弁６ａを有する。冷凍サイクル装置１が冷房運転を行う場合に、室外熱交換器８から吐出された冷媒は、室外膨張弁（第１膨張装置）６ｂおよび室内膨張弁（第２膨張装置）６ａを順に流通する。室外膨張弁６ｂおよび室内膨張弁６ａは、室外熱交換器８から供給される高圧の液体冷媒の圧力を下げ、高圧の液体冷媒を低温・低圧の気液二相冷媒にする。室内膨張弁６ａから吐出された冷媒は、室内熱交換器４に供給される。

室内熱交換器４は、蒸発器（吸熱器、第２熱交換器）として機能する。蒸発器は、室内膨張弁６ａから吐出された気液二相冷媒を低圧の気体冷媒にする。室内熱交換器４から吐出された冷媒は、四方弁１８に供給される。四方弁１８から吐出された冷媒は、アキュムレータ（気液分離器）２ａを介して、圧縮機２に供給される。

冷凍サイクル装置１は以上のように冷房運転を行う。主回路５は、圧縮機２、室外熱交換器８（第１熱交換器）、膨張装置６および室内熱交換器４（第２熱交換器）を順に環状に接続して、冷媒を流通させる。冷媒の流通方向に沿って圧縮機２の下流側から膨張装置６の室内膨張弁６ａまでの主回路５が、高圧回路５ａである。高圧回路５ａにおける冷媒の圧力は高い。冷媒の流通方向に沿って膨張装置６の室内膨張弁６ａから圧縮機２の上流側までの主回路５が、低圧回路５ｂである。低圧回路５ｂにおける冷媒の圧力は低い。

冷凍サイクル装置１が暖房運転を行う場合には、図１の状態から四方弁１８が切り換わる。圧縮機２から吐出された冷媒は、四方弁１８、室内熱交換器４、膨張装置６、室外熱交換器８、四方弁１８、圧縮機２の順に流通する。この場合には、室内熱交換器４が蒸発器（放熱器、第１熱交換器）として機能し、室外熱交換器８が凝縮器（吸熱器、第２熱交換器）として機能する。

冷凍サイクル装置１は以上のように暖房運転を行う。主回路５は、圧縮機２、室内熱交換器４（第１熱交換器）、膨張装置６および室外熱交換器８（第２熱交換器）を順に環状に接続して、冷媒を流通させる。室内熱交換器４から吐出された冷媒は、室内膨張弁（第１膨張装置）６ａおよび室外膨張弁（第２膨張装置）６ｂを順に流通する。冷媒の流通方向に沿って圧縮機２の下流側から膨張装置６の室外膨張弁６ｂまでの主回路５が、高圧回路５ａである。冷媒の流通方向に沿って膨張装置６の室外膨張弁６ｂから圧縮機２の上流側までの主回路５が、低圧回路５ｂである。

本願では、室外熱交換器８および室内熱交換器４のうち、凝縮器（放熱器）として機能する熱交換器を第１熱交換器と呼び、蒸発器（吸熱器）として機能する熱交換器を第２熱交換器と呼ぶ場合がある。本願では、室外膨張弁６ｂおよび室内膨張弁６ａのうち、冷媒の流通方向の上流側にある膨張弁を第１膨張装置と呼び、下流側にある膨張弁を第２膨張装置と呼ぶ場合がある。

室外ユニット１１は、吐出圧力センサ１４と、吸込圧力センサ１５と、外気温度センサ１７と、を有する。吐出圧力センサ１４は、高圧回路５ａに設置される。吐出圧力センサ１４は、圧縮機２による冷媒の吐出圧力に対応する吐出圧力信号を出力する。吸込圧力センサ１５は、低圧回路５ｂに設置される。吸込圧力センサ１５は、圧縮機２による冷媒の吸込圧力に対応する吸込圧力信号を出力する。外気温度センサ１７は、室外ユニット１１の外気が触れる場所に設置される。外気温度センサ１７は、室外熱交換器８の近くに設置される。外気温度センサ１７は、外気温度に対応する外気温度信号を出力する。

室外ユニット１１は、均圧回路２６と、均圧回路弁２７と、を有する。均圧回路２６は、逆止弁３の上流側の高圧回路５ａと、低圧回路５ｂとを接続する。均圧回路弁２７は、均圧回路２６に設置され、均圧回路２６を開閉する。均圧回路弁２７は、圧縮機２の停止中に開弁される。均圧回路２６は、逆止弁３の上流側の高圧回路５ａの圧力と、低圧回路５ｂの圧力とを均一化する。均圧回路２６は、逆止弁３の上流側の高圧回路５ａの圧力を下げる。

室外ユニット１１は、過冷却熱交換器２０と、過冷却回路（バイパス回路）２１と、過冷却回路膨張弁（バイパス回路開閉装置）２２と、を有する。
過冷却熱交換器２０は、室外膨張弁６ｂと室内膨張弁６ａとの間の主回路５に設置される。

過冷却回路２１は、逆止弁３の下流側における高圧回路５ａの第１位置２１ａと、圧縮機２の上流側における低圧回路５ｂの第２位置２１ｂとを接続する。冷凍サイクル装置１が冷房運転を行う場合に、第１位置２１ａは、室外熱交換器８の下流側であって、過冷却熱交換器２０の下流側である。第２位置２１ｂは、室内熱交換器４の下流側である。冷凍サイクル装置１が暖房運転を行う場合に、第１位置２１ａは、室内熱交換器４の下流側であって、過冷却熱交換器２０の上流側である。第２位置２１ｂは、室外熱交換器８の下流側である。

過冷却回路２１は、過冷却熱交換器２０を通る。過冷却熱交換器２０は、主回路５を流通する冷媒と、過冷却回路２１を流通する冷媒との、熱交換を実施する。過冷却回路２１を流通する冷媒は、主回路５を流通する冷媒から吸熱する。過冷却熱交換器２０は、主回路５を流通する冷媒を液化する。
過冷却回路膨張弁２２は、過冷却回路２１を流通する冷媒の圧力を下げる。過冷却回路膨張弁２２は、過冷却回路２１の開度を調整する。

冷凍サイクル装置１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、メモリ、補助記憶装置などを有する。ＣＰＵは、メモリおよび補助記憶装置に記憶されたプログラムを実行することにより、制御部１３として機能する。制御部１３は、冷凍サイクル装置１の各部の動作を制御する。制御部１３は、圧縮機２を駆動するモータの電流（圧縮機の駆動電流と言う場合がある。）を制御する。制御部１３は、吐出圧力センサ１４から出力された吐出圧力信号および外気温度センサ１７から出力された外気温度信号を受信する。制御部１３は、均圧回路弁２７および過冷却回路膨張弁２２の開閉を制御する。

以下、冷凍サイクル装置１が冷房運転を行う場合を例として説明する。
冷凍サイクル装置１の冷房運転中に、外気温度が高温になる場合がある。室外熱交換器（放熱器）８に供給される冷媒を高温にするため、圧縮機２が過負荷の状態で運転される。圧縮機２のモータに大きな電流が流れる。高圧回路５ａの冷媒が高圧になる。

高圧回路５ａの冷媒が高圧の状態で、冷凍サイクル装置１の運転が停止される場合がある。冷凍サイクル装置１の運転停止に伴って、圧縮機２の運転が停止されると共に、室外膨張弁６ｂおよび室内膨張弁６ａが閉弁される。このとき、逆止弁３の上流側における高圧回路５ａの圧力は、均圧回路弁２７を開くことにより低下する。逆止弁３の下流側における高圧回路５ａの圧力（第１圧力と言う場合がある。）は、高圧のままに維持される。

冷凍サイクル装置１の運転が再開されると、圧縮機２が再起動される。冷媒を循環させるため、圧縮機２は、冷媒の圧力を第１圧力より高圧にする。圧縮機２が急激に過負荷の状態になり、モータの脱調等が発生する可能性がある。圧縮機２を安定して再起動することが困難である。

制御部１３は、所定条件を満たして圧縮機２の運転が停止された場合に、圧力低下動作の実施を制御する。圧力低下動作は、逆止弁３の下流側における高圧回路５ａの第１圧力を低下させる動作である。

圧力低下動作は、過冷却回路膨張弁２２を開く動作である。過冷却回路膨張弁２２を開くことにより、高圧回路５ａの冷媒が過冷却回路２１を通って低圧回路５ｂに流れる。高圧回路５ａの第１圧力が低下する。これにより、圧縮機２を安定して再起動することができる。高圧回路５ａと低圧回路５ｂとの間のバイパス回路およびバイパス回路開閉装置として、過冷却回路２１および過冷却回路膨張弁２２が利用される。新たなバイパス回路およびバイパス回路開閉装置を設置する必要がないので、冷凍サイクル装置１のコスト増加が抑制される。

圧縮機２の運転停止中には、室外膨張弁６ｂおよび室内膨張弁６ａが閉じている。この状態で過冷却回路膨張弁２２を開くと、室外膨張弁（第１膨張装置）６ｂの下流側の第１圧力は低下するが、上流側の第１圧力は低下しない。圧縮機２の再起動時に、室外膨張弁６ｂを開くと、室外膨張弁６ｂの上流側の第１圧力が低下する。これにより、圧縮機２を安定して再起動することができる。制御部１３は、圧縮機２の運転停止中に、過冷却回路膨張弁２２を開くと共に、室外膨張弁６ｂを開いてもよい。

圧力低下動作は、室外ファン８ｆを運転する動作でもよい。室外ファン８ｆは、室外熱交換器８に室外の空気を流通させる。室外熱交換器８を通る高圧回路５ａの冷媒の温度が低下して、高圧回路５ａの第１圧力が低下する。これにより、圧縮機２を安定して再起動することができる。

前述されたように、制御部１３は、所定条件を満たして圧縮機２の運転が停止された場合に、圧力低下動作の実施を制御する。
所定条件は、圧縮機２の駆動電流が第１所定値を超えたことである。前述されたように、制御部１３は、圧縮機２の駆動電流を制御している。圧縮機２の駆動電流が大きいほど、高圧回路５ａの第１圧力が高い。高圧回路５ａの第１圧力が高い状態で圧縮機２が再起動されると、圧縮機２は運転停止時の駆動電流より大きい電流で駆動される。圧縮機２が大きな駆動電流により急激に再起動されると、モータの脱調等が発生する可能性がある。第１所定値は、圧縮機２の再起動を不安定にする電流値である。制御部１３は、圧縮機２の駆動電流が第１所定値を超えた状態で圧縮機２の運転が停止された場合に、圧力低下動作の実施を制御する。これにより、圧縮機２を安定して再起動することができる。

所定条件は、高圧回路５ａの第１圧力が第２所定値を超えたことでもよい。制御部１３は、吐出圧力センサ１４から出力された吐出圧力信号を受信して、高圧回路５ａの第１圧力を検知する。制御部１３は、高圧回路５ａの第１圧力が第２所定値を超えた状態で圧縮機２の運転が停止された場合に、圧力低下動作の実施を制御する。これにより、圧縮機２を安定して再起動することができる。

所定条件は、冷凍サイクル装置１の冷房運転時に外気温度が第３所定値を超えたことでもよい。制御部１３は、外気温度センサ１７から出力された外気温度信号を受信して、外気温度を検知する。外気温度が高いほど、圧縮機２の駆動電流が大きくなり、高圧回路５ａの第１圧力が高くなる。制御部１３は、冷凍サイクル装置１の冷房運転時に外気温度が第３所定値を超えた状態で圧縮機２の運転が停止された場合に、圧力低下動作の実施を制御する。これにより、圧縮機２を安定して再起動することができる。

以上に詳述されたように、実施形態の冷凍サイクル装置１は、主回路５と、逆止弁３と、制御部１３と、を持つ。逆止弁３は、圧縮機２の下流側の主回路５に設置される。制御部１３は、所定条件を満たして圧縮機２の運転が停止された場合に、圧力低下動作の実施を制御する。圧力低下動作は、逆止弁３の下流側における主回路５の第１圧力を低下させる動作である。

逆止弁３の下流側における主回路５の第１圧力を低下させることにより、圧縮機２の再起動時における急激な過負荷が抑制される。これにより、圧縮機２を安定して再起動することができる。

図２は、実施形態の第１変形例における冷凍サイクル装置１Ｂの回路図である。第１変形例の冷凍サイクル装置１Ｂは、室内ユニット１０に対して並列に接続された複数の室外ユニット１１，１２を有する点で、実施形態の冷凍サイクル装置１とは異なる。実施形態と同様である点についての第１変形例の説明は省略される場合がある。

複数の室外ユニット１１，１２は、第１室外ユニット１１と、第２室外ユニット１２と、を有する。複数の室外ユニットは、３個以上の室外ユニットを有してもよい。第１室外ユニット１１は、圧縮機２と、逆止弁３と、四方弁１８と、室外熱交換器８と、室外膨張弁６ｂと、を有する。第２室外ユニット１２は、第１室外ユニット１１と同様に構成される。室内ユニット１０は、室内熱交換器４と、室内膨張弁６ａと、を有する。

制御部１３は、室内温度および室外温度に基づいて、複数の室外ユニット１１，１２の運転台数を調整する。複数の室外ユニット１１，１２のうち、一部の室外ユニットのみが運転され、残部の室外ユニットが停止される場合がある。例えば、図２に示される暖房運転の状態で、第１室外ユニット１１のみが運転され、第２室外ユニット１２が停止される。第１室外ユニット１１の圧縮機２から吐出された高圧冷媒は、室内ユニット１０に加えて、停止中の第２室外ユニット１２にも侵入する。第２室外ユニット１２の逆止弁３は、運転中の第１室外ユニット１１から停止中の第２室外ユニット１２への高圧冷媒の侵入を阻止する。

冷凍サイクル装置１Ｂが冷房運転を行う場合は、図２の状態から四方弁１８が切り替わる。実施形態と同様に、高圧回路５ａの冷媒が高圧の状態で、圧縮機２の運転が停止される場合がある。圧縮機２を安定して再起動することが困難である。
制御部１３は、所定条件を満たして圧縮機２の運転が停止された場合に、圧力低下動作の実施を制御する。実施形態と同様に、圧力低下動作は、過冷却回路膨張弁２２を開く動作などである。所定条件は、圧縮機２の駆動電流が第１所定値を超えたことなどである。これにより、圧縮機２を安定して再起動することができる。

図３は、実施形態の第２変形例における冷凍サイクル装置１Ｃの回路図である。第２変形例の冷凍サイクル装置１Ｃは、室外ユニット１１に対して切換ユニット４０を介して並列に接続された複数の室内ユニット１０を有する点で、実施形態の冷凍サイクル装置１とは異なる。実施形態と同様である点についての第２変形例の説明は省略される場合がある。

冷凍サイクル装置１Ｃは、複数の室内ユニット１０において冷房および暖房の同時運転を可能とする、熱回収型の空調システムである。冷凍サイクル装置１Ｃは、室外ユニット１１と、複数の室内ユニット１０と、第１回路３１と、第２回路３２と、第３回路３３と、切換ユニット４０と、を有する。

室外ユニット１１は、圧縮機２、逆止弁３、四方弁１８、室外熱交換器８および室外膨張弁６ｂを含む。複数の室内ユニット１０は、それぞれが室内膨張弁６ａおよび室内熱交換器４を含む。

第１回路３１は、室外熱交換器８と室内熱交換器４との間で冷媒を流通させる。
第２回路３２は、圧縮機２から吐出された冷媒を室内熱交換器４に流入させる。
第３回路３３は、室内熱交換器４から流出した冷媒を圧縮機２に流入させる。

切換ユニット４０は、複数の室内ユニット１０ごとに、第２回路３２および第３回路３３の室内熱交換器４への接続を切り換える。切換ユニット４０は、第２回路弁４２および第３回路弁４３を有する。第２回路弁４２は、第２回路３２を開閉する。第３回路弁４３は、第３回路３３を開閉する。

制御部１３は、ユーザのコマンド入力に基づいて、四方弁１８の切り替えを制御すると共に、第２回路弁４２および第３回路弁４３の開閉を制御する。これにより、複数の室内ユニット１０において、冷房および暖房の同時運転が可能である。

実施形態と同様に、高圧回路５ａの冷媒が高圧の状態で、圧縮機２の運転が停止される場合がある。圧縮機２を安定して再起動することが困難である。
制御部１３は、所定条件を満たして圧縮機２の運転が停止された場合に、圧力低下動作の実施を制御する。実施形態と同様に、圧力低下動作は、過冷却回路膨張弁２２を開く動作などである。所定条件は、圧縮機２の駆動電流が第１所定値を超えたことなどである。これにより、圧縮機２を安定して再起動することができる。

実施形態では、高圧回路５ａと低圧回路５ｂとの間のバイパス回路およびバイパス回路開閉装置として、過冷却回路２１および過冷却回路膨張弁２２が利用される。これに対して、過冷却回路２１および過冷却回路膨張弁２２とは別の、新たなバイパス回路およびバイパス回路開閉装置が設置されてもよい。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、所定条件を満たして圧縮機２の運転が停止された場合に、圧力低下動作の実施を制御する制御部１３を持つ。圧力低下動作は、逆止弁３の下流側における主回路５の第１圧力を低下させる動作である。これにより、圧縮機２を安定して再起動することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１，１Ｂ，１Ｃ…冷凍サイクル装置、２…圧縮機、３…逆止弁、４…室内熱交換器（第２熱交換器、第１熱交換器）、５…主回路、６…膨張装置、６ａ…室内膨張弁（第２膨張装置、第１膨張装置）、６ｂ…室外膨張弁（第１膨張装置、第２膨張装置）、８…室外熱交換器（第１熱交換器、第２熱交換器）、８ｆ…室外ファン（ファン）、２１…過冷却回路（バイパス回路）、２１ａ…第１位置、２１ｂ…第２位置、２２…過冷却回路膨張弁（バイパス回路開閉装置）。

Claims (3)

1. 圧縮機、第１熱交換器、膨張装置および第２熱交換器を環状に接続して冷媒を流通させる主回路と、
   前記冷媒の流通方向の下流側を第１側とし、前記冷媒の流通方向の上流側を第２側としたとき、前記圧縮機の前記第１側の前記主回路に設置された逆止弁と、
   前記逆止弁の前記第１側における前記主回路の第１位置と前記圧縮機の前記第２側にお ける前記主回路の第２位置とを接続する過冷却回路と、
   前記過冷却回路に設置された過冷却回路膨張弁と、
   前記主回路を流通する冷媒と前記過冷却回路を流通する冷媒とを熱交換させる過冷却熱交換器と、
   前記圧縮機の駆動電流が第１所定値を超えたことで前記圧縮機の運転が停止された場合に、前記過冷却回路膨張弁を開いて前記逆止弁の前記第１側における前記主回路の第１圧力を低下させる、圧力低下動作の実施を制御する制御部と、を有する、
   冷凍サイクル装置。
2. 前記膨張装置は、第１膨張装置と、前記第１膨張装置の前記第１側にある第２膨張装置と、を有し、
   前記第１位置は、前記第１熱交換器と前記第２膨張装置との間の位置であり、
   前記第２位置は、前記第２熱交換器と前記圧縮機との間の位置である、
   請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記圧縮機と、前記逆止弁と、前記第１熱交換器および前記第２熱交換器のうち一方とを含む複数の室外ユニットが、前記第１熱交換器および前記第２熱交換器のうち他方を含む室内ユニットに対して、並列に接続されている、
   請求項２に記載の冷凍サイクル装置。

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