(57)【要約】【課題】冷媒温度によって高圧側圧力の精度良く推定し、簡易にして運転効率を向上することができる冷凍装置を提供する。【解決手段】冷凍装置(1)は、放熱器(6)の入口部(14)、及び出口部(16)、並びに入口部と出口部との間に位置づけられる中間部(18)の冷媒温度を検出する冷媒温度検出手段（20,22,24)と、冷媒温度検出手段にて検出された入口部、及び出口部、並びに中間部の冷媒温度に基づいて高圧経路部(2a)における冷媒の高圧側圧力を推定する高圧側圧力推定手段(26)と、高圧側圧力推定手段にて推定された冷媒の高圧側圧力を所定の目標高圧側圧力にするべく、少なくとも圧縮機(4)または膨張弁(8)のいずれか一方を制御する制御手段(26)とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機から放熱器を経て膨張弁に至る高圧経路部及び前記膨張弁から蒸発器を経て前記圧縮機に至る低圧経路部を有し、超臨界状態となりうる冷媒が封入された冷媒循環経路と、
前記放熱器の入口部、及び出口部、並びに該入口部と該出口部との間に位置づけられる中間部の冷媒温度を検出する冷媒温度検出手段と、
前記冷媒温度検出手段にて検出された前記入口部、及び前記出口部、並びに前記中間部の冷媒温度に基づいて前記高圧経路部における冷媒の高圧側圧力を推定する高圧側圧力推定手段と、
前記高圧側圧力推定手段にて推定された冷媒の高圧側圧力を所定の目標高圧側圧力にするべく、少なくとも前記圧縮機または前記膨張弁のいずれか一方を制御する制御手段と
を備えることを特徴とする冷凍装置。
【請求項２】
前記中間部は前記放熱器における冷媒の全放熱量の所定の比率の放熱がなされる部位に位置づけられ、
前記高圧側圧力推定手段は、前記冷凍装置の冷凍サイクル固有のモリエル線図に基づくデータテーブルを備え、
前記データテーブルは、前記冷媒温度検出手段にて検出された前記入口部、及び前記出口部、並びに前記中間部の冷媒温度ごとに、前記入口部及び前記出口部の冷媒のエンタルピーと、これらのエンタルピー差と、該各エンタルピー及び該エンタルピー差から前記中間部における放熱の所定の比率と同比率となる前記中間部の冷媒の中間エンタルピーとが参照可能に構成され、
前記高圧側圧力推定手段は、前記データテーブルを参照することにより、前記中間エンタルピーと前記中間部の冷媒温度とにより一義に決まる冷媒圧力を前記高圧側圧力と推定することを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
【請求項３】
前記中間部は、前記放熱器における冷媒の全放熱量の２５％以上７５％以下の放熱がなされる部位に位置づけられることを特徴とする請求項２に記載の冷凍装置。
【請求項４】
前記中間部は、前記放熱器における冷媒の全放熱量の５０％の放熱がなされる部位を含む複数の部位に位置づけられることを特徴とする請求項３に記載の冷凍装置。
【請求項５】
前記冷媒温度検出手段は、前記放熱器において冷媒が流れる冷媒管の管表面温度を測定し、該管表面温度を前記放熱器において放熱がなされる被放熱媒体の温度に応じて補正した温度を検出した前記冷媒温度とすることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の冷凍装置。
【請求項６】
前記冷媒温度検出手段は、前記放熱器において放熱がなされる被放熱媒体が流れる被放熱媒体管の管表面温度を測定し、該管表面温度を前記被放熱媒体の温度及び前記被放熱媒体管が曝される温度に応じて補正した温度を検出した前記冷媒温度とすることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍装置に係り、詳しくは、二酸化炭素冷媒を使用した空調機やヒートポンプ式給湯機に組み込まれて好適な冷凍装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の冷凍装置は、圧縮機から放熱器を経て膨張弁に至る高圧経路部及び膨張弁から蒸発器を経て圧縮機に至る低圧経路部を有し、超臨界状態となりうる二酸化炭素冷媒が封入された冷媒循環経路を備え、放熱器の入口や出口の冷媒温度を検出することにより、高圧経路部における冷媒の高圧側圧力を推定し、この推定された高圧側圧力により圧縮機の回転数や膨張弁の開度を制御している（例えば特許文献１〜３参照）。
【特許文献１】特開２００７−１５５１５７号公報
【特許文献２】特開２００２−８１７６６号公報
【特許文献３】特許第２９３１６６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記各従来技術では、放熱器内において変化する冷媒からの放熱量、換言すると冷媒と被放熱媒体との熱交換量について格別な配慮がなされていないため、冷凍装置の運転状態に伴い変化する高圧側圧力を精度良く推定できず、冷凍装置を効率良く運転できないという問題がある。
そこで、高圧側圧力を圧力センサで直接に測定することが考えられるが、圧力センサーは高価であり、且つ冷凍装置の組み立てコストが高くなるため、冷凍装置のコストが高くなるという問題がある。
【０００４】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、冷媒温度によって高圧側圧力の精度良く推定し、簡易にして運転効率を向上することができる冷凍装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の目的を達成するべく、請求項１記載の冷凍装置は、圧縮機から放熱器を経て膨張弁に至る高圧経路部及び膨張弁から蒸発器を経て圧縮機に至る低圧経路部を有し、超臨界状態となりうる冷媒が封入された冷媒循環経路と、放熱器の入口部、及び出口部、並びに入口部と出口部との間に位置づけられる中間部の冷媒温度を検出する冷媒温度検出手段と、冷媒温度検出手段にて検出された入口部、及び出口部、並びに中間部の冷媒温度に基づいて高圧経路部における冷媒の高圧側圧力を推定する高圧側圧力推定手段と、高圧側圧力推定手段にて推定された冷媒の高圧側圧力を所定の目標高圧側圧力にするべく、少なくとも圧縮機または膨張弁のいずれか一方を制御する制御手段とを備えることを特徴としている。
【０００６】
また、請求項２記載の発明では、請求項１において、中間部は放熱器における冷媒の全放熱量の所定の比率の放熱がなされる部位に位置づけられ、高圧側圧力推定手段は、冷凍装置の冷凍サイクル固有のモリエル線図に基づくデータテーブルを備え、データテーブルは、冷媒温度検出手段にて検出された入口部、及び出口部、並びに中間部の冷媒温度ごとに、入口部、及び出口部の冷媒のエンタルピーと、これらのエンタルピー差と、該各エンタルピー及び該エンタルピー差から中間部における放熱の所定の比率と同比率となる中間部の冷媒の中間エンタルピーとが参照可能に構成され、高圧側圧力推定手段は、データテーブルを参照することにより、中間エンタルピーと中間部の冷媒温度とにより一義に決まる冷媒圧力を高圧側圧力と推定することを特徴としている。
【０００７】
更に、請求項３記載の発明では、請求項２において、中間部は、放熱器における冷媒の全放熱量の２５％以上７５％以下の放熱がなされる部位に位置づけられることを特徴としている。
更にまた、請求項４記載の発明では、請求項３において、中間部は、放熱器における冷媒の全放熱量の５０％の放熱がなされる部位を含む複数の部位に位置づけられることを特徴としている。
【０００８】
また、請求項５記載の発明では、請求項１乃至４の何れかにおいて、冷媒温度検出手段は、放熱器において冷媒が流れる冷媒管の管表面温度を測定し、該管表面温度を放熱器において放熱がなされる被放熱媒体の温度に応じて補正した温度を検出した冷媒温度とすることを特徴としている。
更に、請求項６記載の発明では、請求項１乃至４の何れかにおいて、冷媒温度検出手段は、放熱器において放熱がなされる被放熱媒体が流れる被放熱媒体管の管表面温度を測定し、該管表面温度を被放熱媒体の温度及び被放熱媒体管が曝される温度に応じて補正した温度を検出した冷媒温度とすることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１記載の本発明の冷凍装置によれば、高圧側経路部における冷媒の高圧側圧力を入口部、及び出口部、並びに中間部の冷媒温度に基づいて推定することにより、高圧側経路部の冷媒の圧力を直接検出しなくても、放熱器内において変化する放熱量、換言すると熱交換量を加味して高圧側圧力を精度良く推定することができるため、簡易にして冷凍装置の運転効率を向上することができる。
【００１０】
また、請求項２記載の発明によれば、高圧側圧力推定手段は、冷凍装置の冷凍サイクルのモリエル線図に基づくデータテーブルを備え、このデータテーブルを参照することにより、中間エンタルピーと冷媒の中間温度とにより一義に決まる冷媒圧力を高圧側圧力と推定する。これにより、データテーブル、即ちモリエル線図において、冷媒温度及びエンタルピーから冷媒圧力を読み取る際に、中間エンタルピー、換言すると中間放熱量近傍のデータを使用することとなる。ここで、一般に、中間放熱量近傍はモリエル線図上の等温線の傾きがほぼゼロで水平になることから、冷媒温度及びエンタルピーから冷媒圧力を精度良く読み取り可能であり、高圧側圧力の推定に関しては概して感度の良い領域となっていることから、中間放熱量近傍のデータを使用することにより、高圧側圧力をより一層精度良く推定することができ、冷凍装置の運転効率を更に向上することができる。
【００１１】
具体的には、請求項３記載の発明によれば、中間部は放熱器における冷媒の全放熱量の２５％以上７５％以下の放熱がなされる部位に位置づけられることにより、高圧側圧力の推定において確実に感度の良い領域を使用することができる。
更に好ましくは、請求項４記載の発明によれば、中間部は放熱器における冷媒の全放熱量の５０％の放熱がなされる部位を含む複数の部位に位置づけられることにより、推定された高圧側圧力の信頼性を高めることができるため、冷凍装置の運転効率をより一層確実に向上することができる。
【００１２】
また、請求項５記載の発明によれば、冷媒温度検出手段は、放熱器において冷媒が流れる冷媒管の管表面温度を測定し、該表面温度を放熱器において放熱がなされる被放熱媒体の温度に応じて補正した温度を検出した冷媒温度とすることにより、特に中間部の冷媒温度検出を簡素化できるため、更に簡易にして冷凍装置の運転効率を向上することができる。
【００１３】
更に、請求項６記載の発明によれば、冷媒温度検出手段は、放熱器において放熱がなされる被放熱媒体が流れる被放熱媒体管の表面温度を測定し、該表面温度を被放熱媒体の温度及び被放熱媒体管が曝される温度に応じて補正した温度を検出した冷媒温度とすることにより、この場合にも、中間部の冷媒温度検出を精度良く簡素化でき、簡易にして冷凍装置の運転効率を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面により本発明の一実施形態について説明する。
図１は、例えば車両の空調システムに組み込まれる冷凍装置１を概略的に示しており、この冷凍装置１は冷媒循環経路２を備え、冷媒循環経路２内には超臨界状態となりうる例えばＣＯ２ガス冷媒が封入され、圧縮機４、ガスクーラ（放熱器）６、膨張弁８及び蒸発器１０が順次介挿されている。そして、冷媒循環経路２は、圧縮機４からガスクーラ６を経て膨張弁８に至る部位は冷媒循環経路２の高圧経路部２ａと、膨張弁８から蒸発器１０を経て圧縮機４に至る部位は冷媒循環経路２の低圧経路部２ｂとから構成されている。
【００１５】
図２のガスクーラ６の要部拡大断面図に示されるように、ガスクーラ６にて冷媒が流れる冷媒管１２には図示しない送風機により車室内の空気が送風され、冷媒管１２を流れる冷媒と送風空気との熱交換により車室の空調が行われる。冷媒管１２の入口部１４、及び出口部１６、並びに入口部１４と出口部１６との間に位置づけられる中間部１８の各管表面１２ａには、それぞれサーミスタ（冷媒温度検出手段）２０，２２，２４がアルミテープなどで貼り付けられ、これらサーミスタ２０，２２，２４は、それぞれ各部１４，１６，１８を流れる冷媒の入口、出口、中間温度Ｔｉ，Ｔｏ，Ｔｍを間接的に測定している。
【００１６】
各サーミスタ２０，２２，２４は、圧縮機４や膨張弁８の図示しない駆動部とともに、冷凍装置１の制御ユニット（高圧側圧力推定手段、制御手段）２６に電気的に接続されており、制御ユニット２６は、冷媒温度Ｔｉ，Ｔｏ，Ｔｍに基づいて高圧経路部２ａにおける冷媒の高圧側圧力Ｐｄを推定し、この推定された高圧側圧力Ｐｄを冷凍装置１における所定の目標高圧側圧力Ｐｄｓにするべく圧縮機４の回転数や膨張弁８の開度を制御している。
【００１７】
図３に示されるように、制御ユニット２６には、冷凍装置１の冷凍サイクル固有の後述するモリエル線図（図４）に基づいて予め形成されたデータテーブル２８が格納されている。
データテーブル２８は、モリエル線図の等温線上のエンタルピーデータを利用することにより、冷媒温度Ｔｉ，Ｔｏ，Ｔｍごとに、入口部１４の入口エンタルピーＨｉ、出口部１６の出口エンタルピーＨｏと、これらのエンタルピー差ΔＨとが参照可能に構成され、更に、これらＨｉ，Ｈｏ，ΔＨのエンタルピーデータにより中間部１８の中間エンタルピーＨｍ、ひいては高圧側圧力Ｐｄを推定可能に構成されている。
【００１８】
詳しくは、中間部１８はガスクーラ６における冷媒の全放熱量Ｑの５０％の所定の比率の放熱（放熱量Ｑ／２）がなされる部位に位置づけられており、この位置はガスクーラ６における熱交換シミュレーションなどの実験により予め決定される。そして、データテーブル２８では、入口及び出口エンタルピーＨｉ，Ｈｏ及びエンタルピー差ΔＨから中間部１８における全放熱量Ｑに対する中間放熱量Ｑ／２の比率５０％と同比率となる中間エンタルピーＨｍ（＝Ｈｏ＋ΔＨ／２）が算出される。
【００１９】
具体的には、サーミスタ２０，２２により、入口部１４の冷媒温度である入口温度Ｔｉが９０℃、出口部１６の冷媒温度である出口温度Ｔｏが２０℃として検出された場合、データテーブル２８を構成する複数のテーブルのうち、Ｔｉ＝９０℃、Ｔｏ＝２０℃のデータが掲載されたテーブルを参照し、更に、サーミスタ２４により、中間部１８の冷媒温度である中間温度Ｔｍが４６℃として検出されたと仮定する。この場合には、データテーブル２８から、入口エンタルピーＨｉは４８５ｋＪ／ｋｇ、出口エンタルピーＨｏは２４０ｋＪ／ｋｇ、中間エンタルピーＨｍは３６３ｋＪ／ｋｇとなり、ひいては高圧側圧力Ｐｄが１０ｍＰａとなることが推定される。即ち、冷媒温度Ｔｉ，Ｔｏ，Ｔｍが検出されれば、データテーブル２８を参照することにより、中間部１８が放熱量Ｑ／２の放熱がなされる部位に位置づけられる以上、検出された中間温度Ｔｍ、及び算出された中間エンタルピーＨｍにより一義に決まる冷媒圧力Ｐが高圧側圧力Ｐｄと推定される。
【００２０】
このことは、図４のデータテーブル２８の基準となる冷凍装置１の冷凍サイクルを示すモリエル線図からも明らかであり、この線図を参照すると、中間部１８のガスクーラ６の放熱量が中間放熱量Ｑ／２、即ち冷媒のエンタルピーＨが中間エンタルピーＨｍとなる領域は、モリエル線図上の等温線の傾きがほぼゼロで水平になる部分が多いことがわかる。これより、中間エンタルピーＨｍ近傍は、この部分の各データを補間処理を施して使用することにより、冷媒の圧力Ｐを精度良く読み取り可能であって、高圧側圧力Ｐｄの推定に関して感度の良い領域となっている。
【００２１】
ここで、図４中において、丸印は入口部１４、三角印は出口部１６、黒塗り丸印は中間部１８の冷媒状態を示しており、図３の例のように、中間放熱量Ｑ／２となる部位に中間部１８を位置づけるのみならず、図４に示す如く、全放熱量Ｑの２５％及び７５％の放熱がなされる中間放熱量Ｑ／４、３Ｑ／４となる部位を含む合計３箇所に中間部１８、ひいてはサーミスタ２４を設け、圧力Ｐごとに合計５点のエンタルピーデータをデータテーブル２８に掲載するようにしても良い。
【００２２】
また、これに限らず、中間部１８、ひいてはサーミスタ２４を全放熱量Ｑの２５％以上７５％以下の放熱がなされる部位に複数或いは一つだけ位置づけることにより、高圧側圧力Ｐｄの推定に関して感度の良い領域を使用できて好ましい。
更に、本実施形態では、サーミスタ２０，２２，２４にて測定された管表面１２ａの温度を冷媒管２２が曝される送風空気の温度を含めた外気温度に応じて制御ユニット２６にて補正し、この補正後のデータを各冷媒温度Ｔｉ，Ｔｏ，Ｔｍの検出結果として使用している。
【００２３】
例えば、実際にはサーミスタ２４によりＴｍ＝４８℃と測定された場合であっても、冷媒管１２の断熱効果により温度低下した分を補正することにより、実際の冷媒温度に近づけるべく例えばＴｍ＝５０℃に補正され、この値が中間温度Ｔｍの検出結果として制御ユニット２６にて使用される。なお、この補正に係る補正係数はガスクーラ６における断熱シミュレーションなどの実験により予め決定される。
【００２４】
このようにして推定された高圧側圧力Ｐｄが目標高圧側圧力Ｐｄｓより小さい場合には、制御ユニット２６は、例えば圧縮機４の回転数を増加させ、一方、高圧側圧力Ｐｄが目標高圧側圧力Ｐｄｓより大きい場合には、圧縮機４の回転数を減少させることにより、冷凍装置１が最適な実高圧側圧力Ｐｄｒにて運転される。
以上のように、本実施形態では、高圧側経路部２ａにおける冷媒の高圧側圧力Ｐｄを入口部１４、及び出口部１６、並びに中間部１８の冷媒温度Ｔｉ，Ｔｏ，Ｔｍに基づいて推定することにより、高圧側経路部２ａの冷媒の圧力を直接検出しなくても、ガスクーラ６内において変化する放熱量、換言すると熱交換量を加味して高圧側圧力Ｐｄを精度良く推定することができるため、簡易にして冷凍装置１の運転効率を向上することができる。
【００２５】
詳しくは、冷凍装置１の冷凍サイクルを示したモリエル線図に基づくデータテーブル２８をを参照することにより、中間エンタルピーＨｍと中間温度Ｔｍとにより一義に決まる冷媒圧力Ｐを高圧側圧力Ｐｄと推定する。これにより、データテーブル２８、即ちモリエル線図において、高圧側圧力Ｐｄの推定に関し、モリエル線図上の等温線の傾きがほぼゼロで水平になる感度の良い領域を使用することができ、高圧側圧力Ｐｄをより一層精度良く推定することができるため、冷凍装置１の運転効率を更に向上することができる。
【００２６】
具体的には、中間部１８がガスクーラ６における冷媒の全放熱量Ｑの２５％以上７５％以下の放熱がなされる部位に位置づけられることにより、高圧側圧力Ｐｄの推定において確実に感度の良い領域を使用することができる。
更に好ましくは、中間部１８がガスクーラ６における冷媒の全放熱量Ｑの５０％の放熱がなされる部位を含む複数の部位に位置づけられることにより、推定された高圧側圧力Ｐｄの信頼性を高めることができるため、冷凍装置１の運転効率をより一層確実に向上することができる。
【００２７】
また、各サーミスタ２０，２２，２４は、ガスクーラ６において冷媒が流れる冷媒管１２の管表面温度を測定し、該管表面温度をガスクーラ６において放熱がなされる送風空気の温度に応じて補正した温度を検出した冷媒温度Ｔｉ，Ｔｏ，Ｔｍとすることにより、特に中間部１８の冷媒温度検出を簡素化できるため、更に簡易にして冷凍装置１の運転効率を向上することができる。
【００２８】
以上で本発明の一実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。
例えば、上記実施形態では、冷凍装置１は車両の空調システムに組み込まれるが、図５に示されるように、家庭用の給湯システムに組み込んでも良い。この場合には、ガスクーラ６において放熱がなされる水が流れる給湯管（被放熱媒体管）３０の管表面３０ａにサーミスタ２４を貼り付けて管表面３０ａの温度を測定し、この表面温度を中間部１８を流れる水温度及び給湯管３０が曝される外気温度に応じて補正した温度を中間温度Ｔｍとして使用する。従って、この場合にも、上記と同様に中間部１８の冷媒温度検出を精度良く簡素化することができ、簡易にして冷凍装置１の運転効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態に係る冷凍装置を概略的に示した模式図である。
【図２】図１のガスクーラの要部断面図と冷凍装置を制御する制御ユニットとを示した図である。
【図３】図２の制御ユニットに格納されるデータテーブルを示した図である。
【図４】図３のデータテーブルの基準となる冷凍装置の冷凍サイクルを示したモリエル線図である。
【図５】図２のガスクーラの変形例を示した要部断面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１    冷凍装置
２    冷媒循環経路
２ａ  高圧経路部
２ｂ  低圧経路部
４    圧縮機
６    ガスクーラ（放熱器）
８    膨張弁
１０  蒸発器
１２  冷媒管
１４  入口部
１６  出口部
１８  中間部
２０，２２，２４  サーミスタ（冷媒温度検出手段）
２６  制御ユニット（高圧側圧力推定手段、制御手段）
２８  データテーブル
３０  給湯管（被放熱媒体管）
【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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