(57)【要約】【課題】動作圧力の高い冷媒を使用する場合でも電気式膨張弁の弁体に加わる応力を小さくすることができる冷凍または空調装置を提供する。【解決手段】擬似共沸混合冷媒を使用するヒートポンプ式の冷凍または空調装置１において、圧縮機１１と、この圧縮機から吐出された冷媒の流通方向を切り換える四方弁１２と、この四方弁に接続された熱源側熱交換器１３と、この熱源側熱交換器に接続された第１のパイプ２３Ｅ及びこの第１のパイプとほぼ直交する向きに設けられた第２のパイプ２３Ｆ並びに上記第１のパイプの延長方向に直線的に電動機で駆動され、上記第１のパイプと第２のパイプ間の流通面積を制御する弁２３Ｄを有する電気式膨張弁２３と、この電気式膨張弁の上記第２のパイプと上記四方弁との間に接続された利用側熱交換器２１とを備えた構成とする。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
擬似共沸混合冷媒を使用するヒートポンプ式の冷凍または空調装置において、圧縮機と、この圧縮機から吐出された冷媒の流通方向を切り換える四方弁と、この四方弁に接続された熱源側熱交換器と、この熱源側熱交換器に接続された第１のパイプ及びこの第１のパイプとほぼ直交する向きに設けられた第２のパイプ並びに上記第１のパイプの延長方向に直線的に電動機で駆動され、上記第１のパイプと第２のパイプ間の流通面積を制御する弁を有する電気式膨張弁と、この電気式膨張弁の上記第２のパイプと上記四方弁との間に接続された利用側熱交換器とを備えた冷凍または空調装置。
【請求項２】
擬似共沸混合冷媒を使用する冷凍または空調装置において、圧縮機と、この圧縮機に接続された熱源側熱交換器と、この熱源側熱交換器に接続された電気式膨張弁と、この電気式膨張弁と上記圧縮機との間に接続された利用側熱交換器とを備え、上記電気式膨張弁は、第１のパイプ及びこの第１のパイプとほぼ直交する向きに設けられた第２のパイプ並びに上記第１のパイプの延長方向に直線的に電動機で駆動され、上記第１のパイプと第２のパイプ間の流通面積を制御する弁を有し、上記電気式膨張弁への擬似共沸混合冷媒の流通方向を第２のパイプから第１のパイプへ向う方向とすることを特徴とする冷凍または空調装置。
【請求項３】
上記電気式膨張弁の最大開度を制限する制御装置を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の冷凍または空調装置。
【請求項４】
上記制御装置は、上記利用側熱交換器の液側温度とガス側温度の差が所定値を超えた時、上記電気式膨張弁を最大開度に保持するようにされたことを特徴とする請求項３記載の冷凍または空調装置。
【請求項５】
上記制御装置は、上記四方弁の切り換えにより上記冷媒の流通方向を、上記熱源側熱交換器が凝縮器として作用する方向とした運転時に動作するようにされたことを特徴とする請求項３記載の冷凍または空調装置。
【請求項６】
上記圧縮機を容量可変の圧縮機にすると共に、上記四方弁の切り換えにより上記冷媒の流通方向を、上記熱源側熱交換器が凝縮器として作用する方向とした運転時に上記圧縮機の最大容量を制限する制御装置を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の冷凍または空調装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、冷凍または空調装置、特に凝縮圧力の高い冷媒を使用した場合においても、電気式膨張弁を破損することなく使用可能な冷凍または空調装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の冷凍または空調装置においては、圧縮機と、この圧縮機から吐出された冷媒の流通方向を切り換える四方弁と、この四方弁に接続された熱源側熱交換器と、この熱源側熱交換器に接続されると共に、電動機によって直線的に駆動される弁を有し、冷媒を減圧する電気式膨張弁と、この電気式膨張弁及び上記四方弁の間に接続された利用側熱交換器とから構成された冷媒回路に、冷媒として単一冷媒Ｒ２２や非共沸混合冷媒Ｒ４０７Ｃを使用すると共に、上記電気式膨張弁には暖房時に、高圧の液冷媒が弁の駆動方向と直交する方向のパイプから流入し、弁の駆動方向に延びるパイプから流出するようにされ、冷房時には逆の流れとなるようにされていた。（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−４３０４７号公報（段落００１１−００１２、図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の冷凍または空調装置は以上のように構成されているため、冷媒として擬似共沸混合冷媒Ｒ４１０Ａを使用すると、この冷媒は上述した冷媒Ｒ２２の約１．６倍の動作圧力であるため、弁体周囲に発生する圧力分布が顕著になり、その圧力差によっては、それにもとづいて生じる応力により弁体を変形に至らせることがあるという問題点があった。この場合、通常は応力がなくなれば弁体は元の状態に復帰するが、応力が加わり変形したままで弁を閉じると、弁が不閉まりとなったり、弁体等に傷をつけることがあるなどの問題点もあった。
【０００５】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、Ｒ４１０Ａのように動作圧力の高い冷媒を使用する場合でも電気式膨張弁の弁体に加わる応力を小さくすることができる冷凍または空調装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る冷凍または空調装置は、擬似共沸混合冷媒を使用するヒートポンプ式の冷凍または空調装置において、圧縮機と、この圧縮機から吐出された冷媒の流通方向を切り換える四方弁と、この四方弁に接続された熱源側熱交換器と、この熱源側熱交換器に接続された第１のパイプ及びこの第１のパイプとほぼ直交する向きに設けられた第２のパイプ並びに上記第１のパイプの延長方向に直線的に電動機で駆動され、上記第１のパイプと第２のパイプ間の流通面積を制御する弁を有する電気式膨張弁と、この電気式膨張弁の上記第２のパイプと上記四方弁との間に接続された利用側熱交換器とを備えたものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図にもとづいて説明する。図１は、実施の形態１における冷凍または空調装置の構成の一例を示す冷媒回路図である。
この図に示すように、冷凍または空調装置１は、熱源側ユニット１０と利用側ユニット２０とから構成され、熱源側ユニット１０は、圧縮機１１と、この圧縮機１１から吐出された冷媒の流通方向を切り換える四方弁１２と、この四方弁に接続された熱源側熱交換器１３と、熱源側熱交換器１３に設けられた熱源側送風手段１４と、四方弁１２及び圧縮機１１の間に接続されたアキュムレータ１５と各装置間を接続する配管１６と、上記圧縮機１１の容量を制御して、例えば冷房運転時における熱源側熱交換器１３の凝縮温度及び後述する利用側熱交換器の蒸発温度を目標値に保持するインバータ制御の制御装置１７とから構成されている。
【０００８】
また、利用側ユニット２０は、四方弁１２に接続された利用側熱交換器２１と、この利用側熱交換器２１に設けられた利用側送風手段２２と、利用側熱交換器２１及び熱源側熱交換器１３の間に接続された電気式膨張弁２３と、熱源側ユニット１０の配管１６に接続されて冷媒回路を構成する配管２４と、電気式膨張弁２３の開度を制御して冷媒流量を制御することにより利用側熱交換器２１の液側温度検出器２５とガス側温度検出器２６の検知温度にもとづいて算出されるスーパーヒートまたはサブクールが一定となるように制御する制御装置２７とから構成されている。また、この冷凍または空調装置の冷媒にはＨＦＣ３２とＨＦＣ１２５の混合冷媒である擬似共沸混合冷媒が用いられる。なお、図１では、熱源側ユニット１０が１台、利用側ユニット２０が１台それぞれ配管１６、２４によって接続された例を示しているが、利用側ユニット２０を２台以上接続してもよい。
【０００９】
次に、この実施の形態における冷媒の流れについて説明する。冷房時は、圧縮機１１から吐出された高温、高圧のガスが、四方弁１２を経て熱源側熱交換器１３へ流入し、熱源側送風手段１４による常温の空気などにより冷却されて凝縮液化する。熱源側熱交換器１３から出た冷媒は配管１６を経て熱源ユニット１０から流出し、配管２４を経て利用側ユニット２０に流入する。利用側ユニット２０では、電気式膨張弁２３で減圧され、利用側熱交換器２１へ流入する。
利用側熱交換器２１で低温を発生すると共に冷媒は蒸発しガス化して流出し、ガス冷媒が配管２４、１６及び四方弁１２を経てアキュムレータ１５へ流入し、通過した後、圧縮機１１に吸入される。
【００１０】
暖房時は、圧縮機１１から吐出された高温、高圧の冷媒ガスが、四方弁１２、配管１６、２４を経て利用側熱交換器２１へ流入し、利用側送風手段２２による常温の空気などに冷却されて凝縮液化する。利用側熱交換器２１から出た冷媒は電気式膨張弁２３で減圧され、配管２４を経て利用側ユニット２０から流出し、配管１６を経て熱源側ユニット１０の熱源側熱交換器１３へ流入する。
熱源側熱交換器１３で低温を発生すると共に冷媒は蒸発しガス化して流出し、ガス冷媒が四方弁１２、配管１６を経てアキュムレータ１５へ流入し、通過した後、圧縮機１１に吸入される。冷媒回路１内の余剰冷媒は液冷媒の形でアキュムレータ１５に収容される。
【００１１】
図２は、利用側ユニット２０の利用側熱交換器２１及び電気式膨張弁２３の詳細構造及び冷媒の流れを示す概略図である。図中の実線矢印は暖房時の冷媒の流れを示し、破線矢印は冷房時の冷媒の流れを示している。暖房時においては、利用側ユニット２０の入口側配管となるガス管２４Ａから流入した高温、高圧のガス冷媒がガス側分配器２１Ａを経て利用側熱交換器２１の各パスに分配され、実線矢印のように流れながら利用側熱交換器２１内で凝縮されて液冷媒となり、分配キャピラリ２１Ｂ、分配器２１Ｃを通って、電気式膨張弁２３で減圧されて利用側ユニット２０の出口側配管となる液管２４Ｂを通り、熱源側ユニット１０の熱源側熱交換器１３に流入する。
【００１２】
ここで、電気式膨張弁２３の内部構造図を図３に示す。モータ２３Ａの軸２３Ｂは前後に動作する仕組みになっており、図３では左右に駆動される。
モータ２３Ａの軸２３Ｂの運動がベローズ２３Ｃを介して弁２３Ｄに伝達され、弁２３Ｄが図において左右に運動することにより、熱源側熱交換器１３に接続された第１のパイプ２３Ｅと利用側熱交換器２１に接続された第２のパイプ２３Ｆとの間の流路面積を変化させて絞り量を調整するようにしている。
弁２３Ｄとモータ軸２３Ｂとはベローズ２３Ｃで絶縁されている。
【００１３】
図４は、電気式膨張弁２３の弁２３Ｄの部分を拡大して示す拡大図である。
暖房時における冷媒の流れは、図４に実線矢印で示すように、第２のパイプ２３Ｆから凝縮された液冷媒が流入し、弁２３Ｄで減圧されて第１のパイプ２３Ｅを通って電気式膨張弁２３の外方へ流出する。このとき、電気式膨張弁２３の内部における弁２３Ｄへの応力を生ずる圧力、即ち図４のＰ２部分の圧力Ｐ２と、Ｐ３部分の圧力Ｐ３との圧力差△Ｐｈ＝Ｐ２−Ｐ３と冷媒流量との関係は図５に示すようになる。この図において、Ｘ１は擬似共沸混合冷媒Ｒ４１０Ａの場合であり、Ｘ２は非共沸混合冷媒Ｒ４０７Ｃの場合である。なお、Ｃは弁が変形し始める差圧を示し、Ａは通常使用される冷媒の流量範囲を示す。この図から分かるように、冷媒流量が変化しても△Ｐｈの変動はほとんどなく、弁２３Ｄにかかる応力は小さい。従って、冷房専用機や用途の大半が冷房または暖房である機器の場合には、主たる冷媒の流れが図２、図４において実線矢印となるように設定すれば弁２３Ｄへの応力を小さくすることができる。
【００１４】
しかし、冷房運転時は図２に破線矢印で示すような冷媒の流れとなり、電気式膨張弁２３の冷媒の流れは、図４に破線矢印で示すようになる。即ち、熱源側熱交換器１３から利用側ユニット２０に流入した液または気液二相の冷媒は第１のパイプ２３Ｅから流入し、弁２３Ｄで減圧されて第２のパイプ２３Ｆを通って電気式膨張弁２３の外方へ流出する。
このとき、電気式膨張弁２３の内部における弁２３Ｄへの応力を生ずる圧力、即ち図４のＰ３部分の圧力Ｐ３とＰ２部分の圧力Ｐ２との圧力差△Ｐｃ＝Ｐ３−Ｐ２と冷媒流量との関係は図６に示すようになる。この図において、Ｙ１は擬似共沸混合冷媒Ｒ４１０Ａの場合であり、Ｙ２は非共沸混合冷媒Ｒ４０７Ｃの場合である。なお、Ｃは弁が変形し始める差圧を示し、ＡはＲ４０７Ｃの場合の通常使用される冷媒の流量範囲を示す。この図から分かるように、いずれの冷媒の場合も冷媒流量の増加に従って△Ｐｃは二次関数的に増加する傾向にある。
【００１５】
また、擬似共沸混合冷媒は冷媒の圧力損失がＲ２２や非共沸混合冷媒Ｒ４０７Ｃよりも小さいため、冷房能力を確保しやすい傾向にある。そのため、圧縮機１１の容量を小さく制御することができ、冷房運転時の方が暖房運転時よりも圧縮機１１の高圧を小さくすることができるため、弁２３Ｄにかかる応力は小さくなる傾向にある。しかし、冷媒流量が増加すると図６に示すように、△Ｐｃが増加する傾向にあるため、擬似共沸混合冷媒の場合にはＹ１のように、冷媒流量によっては弁が変形し始める差圧Ｃを超え、応力増加によって弁２３Ｄを変形させてしまう可能性がある。そこで、この実施の形態では電気式膨張弁２３の開度に上限を設けて冷媒流量の範囲を図６にＢで示す範囲に制限することにより、△Ｐｃが図６のＣを超えないようにし、弁２３Ｄにある一定以上の応力がかからないようにした。なお、冷房運転あるいは冷房主体の運転時における圧縮機１１の容量を所定の最大値Ｆｍａｘ１に制限することにより、冷媒流量を制限することもできる。また、圧縮機１１の容量を別の最大値Ｆｍａｘ２に制限することにより、高圧の上昇を制限し、圧力差△Ｐｃを低減させることも可能である。
なお、Ｆｍａｘ１、Ｆｍａｘ２等の最大値の設定については後述する。
【００１６】
電気式膨張弁２３の冷房時の制御手順を図７に示すフロー図を用いて説明する。
ステップＳ１でスーパーヒートＳＨの算出を行なう。即ち、利用側熱交換器２１の液側温度検知器２５の検知温度ＴＨ１と、ガス側温度検知器２６の検知温度ＴＨ２との差ＳＨを求める。次に、ステップＳ２においてＳＨの値が所定値ＳＨｍよりも大きいかどうかをチェックする。大きいときはステップＳ３で電気式膨張弁２３の開度Ｓｊを現在の開度Ｓｊ１よりもα大きくする。このときステップＳ４において、開度Ｓｊが所定の最大値Ｓｊｍａｘより大きいかどうかをチェックする。
大きい場合は、ステップＳ５においてＳｊをＳｊｍａｘに保持し、ステップＳ１に戻る。ステップＳ２においてＳＨの値が所定値ＳＨｍよりも小さいときは、電気式膨張弁２３の開度Ｓｊを現在の開度Ｓｊ１よりもα小さくし、ステップＳ１に戻る。その後、ステップＳ１からステップＳ６を繰り返すことにより電気式膨張弁２３の開度を決定する。
【００１７】
次に、圧縮機１１の容量制御の手順を図８に示すフロー図を用いて説明する。
ステップＳ１１で熱源側熱交換器１３の凝縮温度Ｔｅが所定値Ｔｅｍよりも大きいかどうかをチェックする。大きいときは、ステップＳ１２で圧縮機１１の周波数Ｆを現在の周波数Ｆ１よりもβ大きくする。このときステップＳ１３において、Ｆが設定された所定の最大値Ｆｍａｘより大きいかどうかをチェックする。大きい場合は、ステップＳ１４でＦをＦｍａｘに保持し、ステップＳ１１に戻る。
ステップＳ１１において凝縮温度Ｔｅが所定値Ｔｅｍよりも小さいときは、ステップＳ１５で圧縮機１１の周波数Ｆを現在の周波数Ｆ１よりもβ小さくし、ステップＳ１１に戻る。その後、ステップＳ１１からステップＳ１５を繰り返すことにより圧縮機１１の周波数Ｆを決定し、圧縮機の容量を決定する。
周波数の最大値Ｆｍａｘの値は適宜設定することができる。
【００１８】
この実施の形態は以上のように、擬似共沸混合冷媒を使用した場合を例示しているが、弁が変形し始める弁体周り差圧△Ｐｃ＝２３．０［ｋＰａ］と非共沸混合冷媒Ｒ４０７Ｃの実使用範囲における△Ｐｃの最大値である１８．６［ｋＰａ］との比が１．２４であるため、凝縮圧力が非共沸混合冷媒よりも１．２４倍以上高い冷媒を使用した場合にも同様の効果を得ることができる。
例えば、４３℃における飽和圧力は、非共沸混合冷媒Ｒ４０７Ｃで１．７８ＭＰａであるのに対し、単一冷媒Ｒ２２は１．６１ＭＰａで０．９倍、擬似共沸混合冷媒Ｒ４１０Ａは２．５０ＭＰａで１．４０倍であるため、単一冷媒Ｒ２２は該当しないが、擬似共沸混合冷媒Ｒ４１０Ａは該当することが確認できる。
【００１９】
【発明の効果】
この発明に係る冷凍または空調装置は、擬似共沸混合冷媒を使用するヒートポンプ式の冷凍または空調装置において、圧縮機と、この圧縮機から吐出された冷媒の流通方向を切り換える四方弁と、この四方弁に接続された熱源側熱交換器と、この熱源側熱交換器に接続された第１のパイプ及びこの第１のパイプとほぼ直交する向きに設けられた第２のパイプ並びに上記第１のパイプの延長方向に直線的に電動機で駆動され、上記第１のパイプと第２のパイプ間の流通面積を制御する弁を有する電気式膨張弁と、この電気式膨張弁の上記第２のパイプと上記四方弁との間に接続された利用側熱交換器とを備えたものであるため、電気式膨張弁の弁体にかかる応力を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１における冷凍または空調装置の構成を示す冷媒回路図である。
【図２】実施の形態１における利用側熱交換器及び電気式膨張弁の詳細構造及び冷媒の流れを示す概略図である。
【図３】実施の形態１における電気式膨張弁の内部構造を示す説明図である。
【図４】図３に示す電気式膨張弁の弁体部分の拡大図である。
【図５】暖房時における電気式膨張弁の弁体周りの差圧と冷媒流量との関係を示すグラフである。
【図６】冷房時における電気式膨張弁の弁体周りの差圧と冷媒流量との関係を示すグラフである。
【図７】実施の形態１における電気式膨張弁の制御手順を示すフロー図である。
【図８】実施の形態１における圧縮機の容量制御の手順を示すフロー図である。
【符号の説明】
１  冷凍または空調装置、      １０  熱源側ユニット、  １１  圧縮機、
１２  四方弁、      １３  熱源側熱交換器、      １４  熱源側送風手段、
１５  アキュムレータ、      １６  配管、      １７  熱源側制御装置、
２０  利用側ユニット、      ２１  利用側熱交換器、
２２  利用側送風手段、      ２３  電気式膨張弁、      ２４  配管、
２５  液側温度検出器、      ２６  ガス側温度検出器、
２７  利用側制御装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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