(57)【要約】【課題】負荷追従性を向上させ、如何なる温度条件においても安定した高効率の冷凍サイクルを得る。【解決手段】スクリュー圧縮機１、空気熱交換器２、過冷却器８、膨張弁５、水熱交換器６を順次配管接続すると共に、前記過冷却器と膨張弁との間から分岐し、電子膨張弁７及び前記過冷却器８を通過後、圧縮機の中間圧力室に接続される分岐管４を設ける。水熱交換器６から冷水負荷に供給される水の温度は温度センサ１０により検出され、この温度センサからの信号に基づいて電子膨張弁７が制御されて、過冷却器８へ流れる分岐冷媒量が調整される。これにより、主回路を流れる冷媒の過冷却度を調整し、負荷に合わせて冷却能力を制御する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を圧縮するスクリュー圧縮機、冷媒を凝縮液化させる空気熱交換器、凝縮された冷媒を更に冷却させる過冷却器、凝縮された冷媒を膨張させる膨張装置、及び前記膨張された冷媒と冷水負荷に供給される水とを熱交換させる水熱交換器を備えた冷凍装置において、
前記過冷却器の下流側から分岐し前記過冷却器を通過後圧縮機の中間圧力室側に接続される分岐冷媒配管と、
この分岐冷媒配管の前記過冷却器上流側に設けられた電子膨張弁と、
この電子膨張弁を前記水熱交換器から冷水負荷に供給される水の温度に基づいて制御する制御手段とを備え、かつ
前記冷媒は非共沸混合冷媒であることを特徴とする冷凍装置。
【請求項２】
冷媒ガスを圧縮する容量制御型の圧縮機、冷媒と空気を熱交換させ冷媒を凝縮液化させる空気熱交換器、凝縮液化された冷媒を更に冷却させる過冷却器、凝縮液化された冷媒を減圧・膨張させる膨張装置、及び冷水負荷に供給される水と熱交換させ冷媒を蒸発気化させる水熱交換器を配管接続して構成される冷凍装置において、
前記過冷却器と膨張弁との間の主冷媒配管から分岐され、電子膨張弁及び前記過冷却器を通過後、圧縮機の中間圧力室側に接続される分岐冷媒配管と、
前記水熱交換器から冷水負荷に供給される水の温度を検出する温度センサと、
この温度センサからの信号に基づいて前記電子膨張弁を制御して過冷却器へ流れる冷媒量を調整する制御手段とを備え、
前記冷媒として非共沸混合冷媒を用いることを特徴とする冷凍装置。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記制御手段は、前記電子膨張弁を制御することによって、分岐冷媒配管を流れる冷媒の過冷却器出口における過熱度を制御することを特徴とする冷凍装置。
【請求項４】
請求項１又は２において、前記制御手段は、前記電子膨張弁を制御することによって、主冷媒配管を流れる冷媒の前記過冷却器出口過冷却度を制御し、負荷に合わせて冷却能力を制御することを特徴とする冷凍装置。
【請求項５】
冷媒ガスを圧縮する容量制御型の圧縮機、冷媒と空気を熱交換させ冷媒を凝縮液化させる空気熱交換器、凝縮液化された冷媒を更に冷却させる過冷却器、凝縮液化された冷媒を減圧・膨張させる膨張装置、及び負荷と熱交換させる冷媒を蒸発させる熱交換器を配管接続して構成される冷凍装置において、
前記過冷却器と膨張弁との間の主冷媒配管から分岐され、電子膨張弁及び前記過冷却器を通過後、圧縮機の中間圧力室側に接続される分岐冷媒配管と、
前記圧縮機への吸入冷媒の圧力を検出する吸入圧力センサと、
前記分岐冷媒配管の過冷却器出口側の冷媒温度を検出する温度センサと、
前記中間圧力室の圧力に対応して予め設定された過熱度域に前記温度センサで検出された温度が収束するように前記電子膨張弁を制御する制御手段とを備えていることを特徴とする冷凍装置。
【請求項６】
請求項５において、圧縮機の吐出圧力を検出する吐出圧力センサと、過冷却器出口側の主冷媒配管の液冷媒温度を検出する温度センサとを備え、過冷却器出口側の主冷媒配管の液冷媒が、吐出圧力に応じて予め設定された過冷却度以上となるように前記電子膨張弁の開度調整をおこなうようにしたことを特徴とする冷凍装置。
【請求項７】
請求項２又は５において、圧縮機が部分負荷運転を行う場合には、前記電子膨張弁は全閉とし、圧縮機が１００％運転に達し、さらに冷却能力が必要な場合には、電子膨張弁の開度調整を行い、前記過冷却器へ供給する分岐冷媒流量を調整することを特徴とする冷凍装置。
【請求項８】
冷媒ガスを圧縮するスクリュー圧縮機、冷媒と空気を熱交換させる空気熱交換器、凝縮液化された冷媒を減圧・膨張させる膨張装置、冷温水負荷に供給される水と冷媒の間で熱交換させる水熱交換器、系統内に循環する冷媒量を調整する冷媒量調整器、前記スクリュー圧縮機の冷媒吐出側に接続されて冷媒循環方向を切換える四方切換弁とを備えたヒートポンプ式冷温水器において、
前記冷媒として非共沸混合冷媒を用い、かつ
前記凝縮液化された冷媒からその一部を分岐させ前記スクリュー圧縮機の中間圧力室へ送る分岐冷媒配管と、
この分岐冷媒配管に設けられ、分岐冷媒を減圧・膨張させる電子膨張弁と、
前記凝縮液化された冷媒と膨張後の前記分岐冷媒とを熱交換させる過冷却器とを備え、
前記冷温水負荷に供給される水熱交換器における冷温水の温度を検出し、この温度に応じて前記過冷却器へ流れる分岐冷媒配管の流量を前記電子膨張弁で制御することにより、負荷に合わせて冷却及び加熱能力を制御するようにしたことを特徴とするヒートポンプ式冷温水機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水を冷却あるいは加熱して負荷に供給する冷凍装置またはヒートポンプ式冷温水機に係り、特に冷媒としてＲ４０７Ｃ等の非共沸混合冷媒を用いるものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の過冷却器を有する空気調和機などの冷凍装置としては、例えば特許文献１に示すように、凝縮機下流側に過冷却器を設け、この過冷却器の下流側から分岐して膨張装置を通り、過冷却器を通過後、圧縮機の中間圧力室に接続されるようにした分岐冷媒配管を設けるものが知られている。この分岐冷媒配管に設ける膨張装置としては膨張弁が使用され、また膨張弁の上流には電磁弁を配設し、電磁弁の開閉により過冷却器に分岐冷媒を流すことで、主冷媒の過冷却を大きく確保し、冷却能力を向上させている。また、例えば特許文献２に示すように、分岐冷媒配管の膨張装置として電子膨張弁を使用し、前記電磁弁の機能も兼ねているものもある。
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２４８２６４号公報（図２）
【特許文献２】特開２００１−２９６０６６号公報（図３）
【発明が解決しようとする課題】
温度勾配を持つ非共沸混合冷媒では、蒸発器入口冷媒温度は、同じ圧力下では、蒸発器入口におけるニ層状態での乾き度が小さい程温度は低くなる。したがって、冷却運転では、水と冷媒の対数平均温度差が大きくなり、熱交換性能が向上する。このことから、凝縮器において過冷却度を大きく確保した方が、効率の良い運転を行うことができるが、過冷却度を大きく与える為には、凝縮器の寸法を大きく取る必要があり製品寸法が大きくなる。また、凝縮液化させた冷媒温度は熱源温度以下には下がらない。このため、過冷却器を設けて液配管から冷媒を分岐し、この分岐した冷媒を減圧・膨張させた冷媒と、主回路の冷媒の熱交換により、主回路を流れる冷媒の過冷却度を大きく確保できる。これにより、蒸発器入口冷媒温度を下げることは、非共沸混合冷媒を使用した空気調和機では高効率サイクル運転を行う上で有効な手段である。
【０００４】
また、加熱運転においては、液配管から分岐され、過冷却器からスクリュー圧縮機中間圧力室へ戻った冷媒は、主回路からスクリュー圧縮機へ吸入された冷媒と圧縮工程の中で合流し、凝縮器となる水熱交換器へ流入するため、水熱交換器へ流入する冷媒量が増加することになり、加熱性能はその分向上することになる。
【０００５】
しかし、従来技術では、過冷却器容量と、膨張弁の容量及び開度は、規格に定められる温度条件を基準に決められる為、温度条件によっては、過熱度を維持できなくなることが考えられる。また、主回路を流れる冷媒の過冷却度が不十分となり、冷凍サイクルが安定しないことが考えられる。従って、空気調和機としての能力は、温度条件によって大きく変動し安定しない。また、過冷却器への分岐冷媒の供給は電磁弁等の遮断弁により、開閉されることにより制御されるため、冷却及び加熱能力の容量の差が大きくなり、負荷の変動に対し、追従性が悪く、負荷に対し大幅に能力過剰となる温度条件になった場合、温度調節機能を有する空気調和機では発停が頻繁に起こることになり、効率の悪い運転を行うことになるなど、温度条件に対する配慮が為されていない。
【０００６】
また、過冷却器での熱交換が不十分であると、分岐冷媒が完全に蒸発せずスクリュー圧縮器の中間圧力室へ送られてしまい、液圧縮もしくは潤滑不良を引き起こす等の要因となっていた。
【０００７】
本発明の目的は、如何なる温度条件下においても、スクリュー圧縮器の信頼性を確保しつつ、負荷への追従性を向上させ、過冷却器への供給分岐冷媒量を適切化して高性能で安定性のある冷凍サイクル運転が可能な冷凍装置及びヒートポンプ式冷温水器を得ることにある。
【０００８】
【課題を決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、冷媒を圧縮するスクリュー圧縮機、冷媒を凝縮液化させる空気熱交換器、凝縮された冷媒を更に冷却させる過冷却器、凝縮された冷媒を膨張させる膨張装置、及び前記膨張された冷媒と冷水負荷に供給される水とを熱交換させる水熱交換器を備えた冷凍装置において、前記過冷却器の下流側から分岐し前記過冷却器を通過後圧縮機の中間圧力室側に接続される分岐冷媒配管と、この分岐冷媒配管の前記過冷却器上流側に設けられた電子膨張弁と、この電子膨張弁を前記水熱交換器から冷水負荷に供給される水の温度に基づいて制御する制御手段とを備え、かつ前記冷媒は非共沸混合冷媒であることを特徴とするものである。
【０００９】
本発明の他の特徴は、冷媒ガスを圧縮する容量制御型のスクリュー圧縮機、冷媒と空気を熱交換させ冷媒を凝縮液化させる空気熱交換器、凝縮液化された冷媒を更に冷却させる過冷却器、凝縮液化された冷媒を減圧・膨張させる膨張装置、及び冷水負荷に供給される水と熱交換させ冷媒を蒸発気化させる水熱交換器を配管接続して構成される冷凍装置において、前記過冷却器と膨張弁との間の主冷媒配管から分岐され、電子膨張弁及び前記過冷却器を通過後、圧縮機の中間圧力室側に接続される分岐冷媒配管と、前記水熱交換器から冷水負荷に供給される水の温度を検出する温度センサと、この温度センサからの信号に基づいて前記電子膨張弁を制御して過冷却器へ流れる冷媒量を調整する制御手段とを備え、前記冷媒として非共沸混合冷媒を用いることにある。
【００１０】
ここで、前記制御手段は、前記電子膨張弁を制御することによって、分岐冷媒配管を流れる冷媒の過冷却器出口における過熱度を制御するようにすると良い。
【００１１】
また、前記制御手段は、前記電子膨張弁を制御することによって、主冷媒配管を流れる冷媒の前記過冷却器出口過冷却度を制御し、負荷に合わせて冷却能力を制御するようにしても良い。
【００１２】
本発明の更に他の特徴は、冷媒ガスを圧縮する容量制御型の圧縮機、冷媒と空気を熱交換させ冷媒を凝縮液化させる空気熱交換器、凝縮液化された冷媒を更に冷却させる過冷却器、凝縮液化された冷媒を減圧・膨張させる膨張装置、及び負荷と熱交換させる冷媒を蒸発させる熱交換器を配管接続して構成される冷凍装置において、前記過冷却器と膨張弁との間の主冷媒配管から分岐され、電子膨張弁及び前記過冷却器を通過後、圧縮機の中間圧力室側に接続される分岐冷媒配管と、前記圧縮機への吸入冷媒の圧力を検出する吸入圧力センサと、前記分岐冷媒配管の過冷却器出口側の冷媒温度を検出する温度センサと、前記中間圧力室の圧力に対応して予め設定された過熱度域に前記温度センサで検出された温度が収束するように前記電子膨張弁を制御する制御手段とを備えていることにある。
【００１３】
ここで、圧縮機の吐出圧力を検出する吐出圧力センサと、過冷却器出口側の主冷媒配管の液冷媒温度を検出する温度センサとを備え、過冷却器出口側の主冷媒配管の液冷媒が、吐出圧力に応じて予め設定された過冷却度以上となるように前記電子膨張弁の開度調整をおこなうようにしても良い。
【００１４】
また、圧縮機が部分負荷運転を行う場合には、前記電子膨張弁は全閉とし、圧縮機が１００％運転に達し、さらに冷却能力が必要な場合には、電子膨張弁の開度調整を行い、前記過冷却器へ供給する分岐冷媒流量を調整するように制御すると良い。
【００１５】
本発明の更に他の特徴は、冷媒ガスを圧縮するスクリュー圧縮機、冷媒と空気を熱交換させる空気熱交換器、凝縮液化された冷媒を減圧・膨張させる膨張装置、冷温水負荷に供給される水と冷媒の間で熱交換させる水熱交換器、系統内に循環する冷媒量を調整する冷媒量調整器、前記スクリュー圧縮機の冷媒吐出側に接続されて冷媒循環方向を切換える四方切換弁とを備えたヒートポンプ式冷温水器において、前記冷媒として非共沸混合冷媒を用い、かつ前記凝縮液化された冷媒からその一部を分岐させ前記スクリュー圧縮機の中間圧力室側へ送る分岐冷媒配管と、この分岐冷媒配管に設けられ、分岐冷媒を減圧・膨張させる電子膨張弁と、前記凝縮液化された冷媒と膨張後の前記分岐冷媒とを熱交換させる過冷却器とを備え、前記冷温水負荷に供給される水熱交換器における冷温水の温度を検出し、この温度に応じて前記過冷却器へ流れる分岐冷媒配管の流量を前記電子膨張弁で制御することにより、負荷に合わせて冷却及び加熱能力を制御するようにしたことにある。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の具体的実施例を図１、図２を用いて説明する。図１及び図２はそれぞれ本発明を空気調和機としての冷凍装置或いはヒートポンプ式冷温水機に適用した実施例を示す冷凍サイクル系統図である。なお、図中の矢印は冷媒の流れ方向を示している。
【００１７】
図１において、１はスクリュー圧縮機、２は空気熱交換器、３は主冷媒配管、４は主冷媒配管３を流れる液冷媒の一部を分岐する分岐管（分岐冷媒配管）、５は膨張弁、６は水熱交換器、７は分岐管４に設けられた分岐冷媒用の電子膨張弁、８は過冷却器である。前記分岐管４は過冷却器８と膨張弁５との間の主冷媒配管３とスクリュー圧縮機１の中間圧力室１ｂとを接続し、その途中には前記過冷却器８が設けられている。
【００１８】
スクリュー圧縮機１から吐出された高温・高圧のガス冷媒は、空気熱交換器２により空気と熱交換されて凝縮・液化し、空気熱交換器２下流の配管３に設けられた過冷却器８で過冷却された後、膨張弁５により減圧・膨張されて水熱交換器６に流入する。この水熱交換器６で、ファンコイルユニットなどの負荷に供給される水９と熱交換されて蒸発し、再びガス冷媒となり、スクリュー圧縮器１の吸入口１ａから該圧縮機に吸入される。（以下、この冷凍サイクルの主回路を循環する冷媒を、主冷媒と略称する。）
主冷媒のうち分岐管４に分岐された液冷媒は、電子膨張弁７により減圧・膨張され、過冷却器８において主冷媒と熱交換し、蒸発されてガス冷媒となり、スクリュー圧縮機１の中間圧力室１ｂに送られ、主冷媒と混合されて該圧縮機１により再び圧縮され、その吐出口１ｃから吐出される。
【００１９】
スクリュー圧縮機１は容量制御機能（インバータ等による回転数制御機能や機械的な容量制御機能）を有しており、水出口温度センサ１０により検知した水熱交換器６の水出口温度によって容量制御運転を行う。スクリュー圧縮機１が部分負荷運転を行う場合には、電子膨張弁７は全閉とし、スクリュー圧縮機１が１００％運転に達し、さらに冷却能力が必要な場合には、電子膨張弁の開度調整を行い、過冷却器８へ供給する分岐冷媒流量を調整する。これにより、主冷媒の過冷却度を大きく確保し、エンタルピ差、及び水と冷媒の対数平均温度差を拡大し、冷却能力容量を制御することが可能となる。これにより、スクリュー圧縮機１が有する容量制御幅にさらに過冷却器による容量制御幅が追加され、空気調和機としての容量制御幅は拡大されることになり、より高精度な水温制御が可能となる。
【００２０】
図２の実施例は図１と基本構造は同じであるが、図１のものに対して更に、吸入圧力センサ１１、吐出圧力センサ１２、過冷却器主回路出口液配管に設けられた温度センサ１３、分岐管４の過冷却器８出口の温度を測定する温度センサ１４を備え、これらの温度情報に基づきコントローラ１５で分岐管４に設けた電子膨張弁７の開度を制御するようにしたものである。
【００２１】
スクリュー圧縮機１の吸入冷媒圧力は吸入圧力センサ１１により検知され、その検知された吸入圧力値はコントローラ１５に入力され、コントローラ１５内でスクリュー圧縮機中間圧力室の圧力に換算する。中間室圧力は、スクリュー圧縮機吸入圧力と、中間圧力室入口ポート１ｂの位置により、演算式が定義され、計算で求められる。過冷却器分岐冷媒出口温度は、分岐管４の過冷却器下流側に設けた分岐管出口温度センサ１４により検知され、コントローラ１５に入力され、前記中間圧力室に対応して予め設定された過熱度域に収束するように、電子膨張弁７の開度調整が行なわれる。これにより、如何なる温度条件においても、スクリュー圧縮機の中間圧力室１ｂに流れる冷媒の過熱度が安定化でき、圧縮機の信頼性を向上させることができる。
【００２２】
スクリュー圧縮機１の吐出ガス冷媒圧力は吐出圧力センサ１２により検知され、また過冷却器出口の主冷媒配管を流れる液冷媒の温度は温度センサ１３で検知されて、それぞれコントローラ１５に入力される。これにより、前記吐出圧力に対応して予め設定された過冷却度以上となるように電子膨張弁７の開度調整を行なうことができ、それによって如何なる温度条件においても、主冷媒配管３を流れる液冷媒の過冷却度を安定化させ、冷却能力を安定させることができる。なお、この時、前記分岐管４の過冷却器出口冷媒温度の過熱度も制御する。
【００２３】
本実施例によれば、分岐管４に設けた分岐冷媒用の膨張装置を電子膨張弁７としたことにより、安定性のある冷凍サイクルを得ることができ、また空気調和機などの冷凍装置としての容量制御幅を拡大することも可能になり、ヒートポンプ式冷温水機として使用した場合には、高精度水温制御が可能となる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、分岐冷媒側の膨張装置を電子膨張弁としたことにより、負荷に合わせて過冷却器へ供給する分岐冷媒量を最適に調整することができ、これによって空気調和機としての容量制御幅を拡大することが可能になる。特に、容量制御型の圧縮機を併用することにより更に容量制御幅を拡大できる。
【００２５】
また、あらゆる温度条件で、過冷却器における熱交換量を安定化でき、主冷媒配管での過冷却度も安定化させることができ、安定性のある冷凍サイクルの運転が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す冷凍サイクル系統図である。
【図２】本発明の他の実施例を示す冷凍サイクル系統図である。
【符号の説明】
１…スクリュー圧縮機、１ａ…圧縮機吸入口、１ｂ…中間圧力室入口ポート、１ｃ…圧縮機吐出口、２…空気熱交換器、３…主冷媒配管、４…分岐管（分岐冷媒配管）、５…膨張弁、６…水熱交換器、７…分岐冷媒用の電子膨張弁、８…過冷却器、９…水、１０…水出口温度センサ、１１…吸入圧力センサ、１２…吐出圧力センサ、１３，１４…温度センサ、１５…コントローラ（制御手段）。
【図１】
2004286266.tif 000003
【図２】
2004286266.tif 000004