JP2011196610A

JP2011196610A - 冷凍サイクル装置

Info

Publication number: JP2011196610A
Application number: JP2010063822A
Authority: JP
Inventors: Tomiyuki Noma; 富之野間; Yasushi Jinno; 寧神野; Yoshikimi Tazumi; 欣公田積
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2010-03-19
Filing date: 2010-03-19
Publication date: 2011-10-06

Abstract

【課題】運転中の周囲温度等の運転条件が変動しても、運転効率を最適に維持することができる冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。
【解決手段】少なくとも圧縮機１と凝縮器３と蒸発器６と受液器５を備え、受液器５内に溜まった液冷媒量を検出する受液器内液冷媒量検出手段１１と、当該冷凍サイクルにおいて運転条件毎に予め設定された適正貯留冷媒量テーブル１２と、受液器５内に溜まる液冷媒量を調整する受液器内液冷媒量調整手段１３を備え、運転条件毎に受液器内液冷媒量検出手段１１の出力を、適正貯留冷媒量テーブル１２により参照される目標貯留冷媒量とを合致させるように、受液器内液冷媒量調整手段１３を制御する構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は冷凍サイクル装置に関し、特運転条件に応じて常に最適な冷媒量で効率の良い運転を行う制御に関するものである。

従来、この種の冷凍サイクル装置は、冷媒量が適正に封入されているか否かを定量的に判定する方法として、凝縮器と蒸発器との間の配管に設けた受液器内に滞留した冷媒の液面を静電容量センサなどの電気的検出手段により検出し、冷凍サイクルに必要とされる冷媒量の値と比較し、封入されている冷媒量の過不足を定量的に演算し、表示して、メンテナンス時に、表示に基づいて人間が冷媒抜き、追加の作業を行なうことで、冷凍サイクル装置の冷媒量を適正に保ち、常に効率の良い運転を維持するようにしたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図４は、特許文献１に記載された従来の冷凍サイクル装置を示すものである。図４において、圧縮機１、四方弁２、室外熱交換器３、室外膨張弁４、受液器５、室内膨張弁４ａ、室内熱交換器６を環状に接続して構成した冷媒回路は、前記四方弁２の切換作動によって冷媒循環方向を可逆的に変更して冷房運転と暖房運転とを選択可能としている。

図４において、冷房運転時には、冷媒は実線矢印方向に循環し、圧縮機１から吐出された高温高圧のガス冷媒は、室外熱交換器３内で凝縮し高温高圧の液冷媒になる。室内膨張弁４ａが室内熱交換器６の冷房負荷に応じた循環量に調整し、余剰となる液冷媒は受液器５に溜まる。また、暖房運転時には、冷媒は破線矢印方向に循環し、圧縮機１から吐出された高温高圧のガス冷媒は、室内熱交換器６内で凝縮し高温高圧の液冷媒になり、室外膨張弁４が室外熱交換器３に応じた循環量に調整し、余剰となった液冷媒は受液器５に溜まる。

図５（Ａ）は、受液器５の構造の一例を示すもので、冷媒の流入出管５１、５２は冷媒配管に接続され、静電容量センサの極板７１、７２は絶縁部材７３を介して受液器５本体、および極板各々の間が電気的に絶縁された状態で固定されている。図５において、受液器５内の液面高さは、図５（Ｂ）に示されるように、極板７１、７２の間の静電容量の関数として表させるので、冷媒液面は静電容量センサによって検知される。

図４の装置での運転条件、例えば、冷房運転時に、室内、室外の空気条件、及び圧縮機が容量制御可能なものにあっては、圧縮機の容量が定まると、受液器５内の冷媒液面が定まる。図５（Ａ）において、液面高さがＨｏのとき冷媒量が適正であるようにあらかじめ定めておけば、受液器内の冷媒液面高さがＨｏよりも高い場合は冷媒過剰、Ｈｏよりも低い場合は冷媒不足と判定することが可能である。また、Ｈｏより高い場合には、得られた液面高さとＨｏの差に相当する冷媒量が過剰分として定量的に得ることができる。不足の場合も同様に定量的に得ることができる。

制御上、定量的に得られた冷媒量の過不足を、文字や音声により冷凍サイクル装置近傍に表示するように構成されており、メンテナンス時に表示に基づいて人間が冷媒抜き、追加の作業を行なうことで、冷凍サイクル装置の冷媒量を適正に保ち、常に効率の良い運転を維持するように構成されている。

特開平３−１８６１７０号公報

しかしながら、前記従来の構成では、冷凍サイクルが必要としている冷媒量に対して封入されている冷媒量の過不足を表示し、装置のメンテナンス時に冷媒追加充填や冷媒抜きの作業を行なうことで、長期的な運転効率の著しい低下や故障を防止することができるものの、あくまで機器に表示された冷媒過不足の情報に基づいて人間が冷媒抜き、追加の作業を行なう構成であり、運転中の周囲温度等、冷凍サイクルに影響を与える因子の変動に対して冷凍サイクルの効率を常に最適に保つように自動で冷媒量を調整することはできないので、冷凍サイクルの運転効率を最適に維持できないという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、冷凍サイクル装置の運転条件に応じて常に最適な冷媒量に自動調整し、運転中の周囲温度等の運転条件が変動しても、運転効率を最適に維持することができる冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の冷凍サイクル装置は、少なくとも圧縮機と凝縮器と蒸発器と受液器を備え、前記受液器内に溜まった液冷媒量を検出する受液器内液冷媒量検出手段と、当該冷凍サイクルにおいて運転条件毎に予め設定された適正貯留冷媒量テーブルと、前記受液器内に溜まる液冷媒量を調整する受液器内液冷媒量調整手段を備え、運転条件毎に前記受液器内液冷媒量検出手段の出力を、前記適正貯留冷媒量テーブルにより参照される目標貯留冷媒量とを合致させるように、前記受液器内液冷媒量調整手段を制御するようにしたものである。

これによって、受液器に溜まる冷媒量が、予め実験により求められ、運転条件毎に設定された目標貯留冷媒量に自動で調整されるので、冷凍サイクルを循環する冷媒量は、常に効率が最大となる状態に維持され、運転中の周囲温度等の運転条件が変動しても、運転効率を最適に維持することができる冷凍サイクル装置を提供することができる。

本発明の冷凍サイクル装置は、運転条件に応じて常に最適な冷媒量に自動調整し、運転中の周囲温度等の運転条件が変動しても、運転効率を最適に維持することができる。

本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の構成図（Ａ）本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の受液器の構成図（Ｂ）同受液器の状態を説明するための特性図本発明の実施の形態１におけるＣＯＰ−冷媒量の特性図従来の冷凍サイクル装置の構成図（Ａ）従来の冷凍サイクル装置の受液器の構成図（Ｂ）同受液器の状態を説明するための特性図

第１の発明は少なくとも圧縮機と凝縮器と蒸発器と受液器を備えた冷凍サイクル装置において、前記受液器内に溜まった液冷媒量を検出する受液器内液冷媒量検出手段と、当該冷凍サイクルにおいて運転条件毎に予め設定された適正貯留冷媒量テーブルと、前記受液器内に溜まる液冷媒量を調整する受液器内液冷媒量調整手段を備え、運転条件毎に前記受液器内液冷媒量検出手段の出力を、前記適正貯留冷媒量テーブルにより参照される目標貯留冷媒量とを合致させるように、前記受液器内液冷媒量調整手段を制御することにより、
受液器に溜まる冷媒量が、予め実験により求められ、運転条件毎に設定された目標貯留冷媒量に自動で調整されるので、冷凍サイクルを循環する冷媒量は、常に効率が最大となる状態に維持され、運転中の周囲温度等の運転条件が変動しても、運転効率を最適に維持することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の受液器内液冷媒量検出手段を、受液器内の冷媒液面を静電容量センサにより検出するようにすることにより、冷凍サイクル装置の制御手段が受液器内の冷媒量を、数値信号として容易に演算できる状態となり、目標貯留冷媒量と合致させるように受液器内液冷媒量調整手段を制御することを容易に実現することができる。

第３の発明は、特に、第１の発明の受液器内液冷媒量検出手段を、受液器内の冷媒液面を超音波センサにより検出するようにすることにより、第２の発明と同様の効果を得ることができる。

第４の発明は、特に、第１〜３のいずれか１つの発明の受液器内液冷媒量調整手段を、凝縮器と蒸発器の間の配管に直列に２個の膨張弁を備え、該膨張弁に挟まれた配管に受液器を備えた構成であって、２個の膨張弁の開度を制御するものとすることにより、従来からある構成要素である膨張弁を用いて受液器内の冷媒量を制御できるので、簡素な制御アルゴリズムで第１〜３のいずれか１つの発明の効果を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における冷凍サイクル装置の構成図を示すものである。図１において、圧縮機１、四方弁２、室外熱交換器３、膨張弁４１、４２、室内熱交換器６は、冷媒配管８で環状に接続され、膨張弁４１、４２の間の冷媒配管からＴ字状に分岐した導入管５１に受液器５が取り付けられて冷凍サイクルを形成している。受液器５の内部には、図２（Ａ）に示す静電容量センサの極板７１、７２は絶縁部材７３を介して受液器５本体、および極板各々の間が電気的に絶縁された状態で取り付けられており、本実施の形態における受液器内液冷媒量検出手段１１を構成している。

図１において、冷媒は、冷房運転時には圧縮機１から順に、四方弁２、室外熱交換器３、膨張弁４１、４２、室内熱交換器６、四方弁２を経て圧縮機１に戻るように循環し、暖房運転時には圧縮機１から順に、四方弁２、室内熱交換器６、膨張弁４２、４１、室外熱交換器３、四方弁２を経て、圧縮機１に戻るように循環する。この冷媒の循環において、余った冷媒は一時的に受液器５に溜まる。受液器５に溜まる液冷媒量は、図２（Ｂ）に示すように、液面高さが静電容量の関数として表させるので、冷媒液面は静電容量センサによって検知され、受液器５の内径を乗じることで算出できる。

また、受液器５に冷媒が溜まるか否かは、図１の導入管５１部分にある冷媒の温度圧力状態に依存する。本実施の形態では、導入管５１部分にある冷媒の圧力を制御すべく、膨張弁を２個直列に配設して、上流側の膨張弁と下流側の膨張弁の開度を調整するようにして受液器内液冷媒量調整手段１３を構成している。例えば冷房運転時に、下流側の膨張弁４２を上流側の膨張弁４１に対して絞り気味にした場合には、導入管５１部分の冷媒圧力が上昇、液寄りの状態になるために受液器５に溜まる液冷媒量は増し、逆に下流側の膨張弁４２を上流側の膨張弁４１よりも開き気味にした場合には、導入管５１部分の冷媒圧力が低下、ガス寄りの状態になるために受液器５に溜まる液冷媒量は減る、という具合に受液器５内に溜まる冷媒量を調整することができる。

一方、冷凍サイクルの効率は、冷媒循環量が適正な状態にあるときに最大となり、適正な冷媒循環量は凝縮器や蒸発器の周囲温度等の条件により変化する。冷凍サイクルの効率を重視する機器を設計開発する際には、冷媒量が少ない状態から多い状態まで変化させて実際に運転し、ＣＯＰ（冷暖房能力を消費電力で除したもの）の変化を測定するのが一般的である。例えば冷房運転で室外熱交換器の環境温度（外気温）を変化させた場合、図３に示すように外気温によってＣＯＰが最大となる冷媒量が異なることが分かる。この場合は、外気温によって凝縮器として作用する室外熱交換器内に滞留する液冷媒の量が変化して、室外熱交換器内に多量の液冷媒が滞留する低外気温時（図中では３０℃）には冷媒量が多めのｃ状態でＣＯＰが最大となり、逆に室外熱交換器内に少量の液冷媒しか滞留しない高外気温時（図中では４０℃）には冷媒量が少なめのａ状態で、また中間の外気温３５℃ではｂ状態の冷媒量でＣＯＰが最大となる傾向が分かる。

さらに、冷凍サイクルに封入されている総冷媒量から受液器５に溜まった冷媒量を差し引いた量が冷凍サイクルを循環する冷媒量であることから、冷凍サイクルに封入されている冷媒が漏洩していない限り、受液器５に溜まる液冷媒量を調整すれば、冷凍サイクルを循環する冷媒量を調整することになる。したがって、上記の実験により求めた運転条件毎の最適冷媒循環量を、冷凍サイクルに封入されている総冷媒量から差し引いた、受液器５に溜まる液冷媒量を適正貯留冷媒量テーブル１２として制御に組み込み、実際に冷凍サイクルが運転する状態で、図１における外気温センサ１０により外気温を計測し、外気温に応じた適正貯留冷媒量を適正貯留冷媒量テーブル１２から参照し、受液器内液冷媒量調整手段１３により、受液器５に溜まる冷媒量を調整しながら運転すれば、たとえ外気温が変化しても、常に最大のＣＯＰを維持するように冷凍サイクルを運転することができる。

また、本実施の形態では、受液器内に溜まる液冷媒量を調整するために、凝縮器と蒸発器の間の液配管に膨張弁を２個直列に配設して、２個の膨張弁に挟まれた配管からＴ字に分岐させた枝管に受液器を備えた構成としたが、従来の受液器と同様に受液器本体に冷媒導入管、導出管の２本を備え、液配管に直結した受液器を２つの膨張弁に挟んだ構成でも、同等の効果を得ることができる。

また、本実施の形態においては、常にＣＯＰが最大となるように構成した適正貯留冷媒量テーブル１２により、常に運転効率が最大となる動作を記載したが、例えば極端に外気温が低い場合の冷房時や、逆に極端に外気温が高い場合の冷房時に、室外熱交換器に滞留する冷媒量に変化に応じて、受液器に溜まる冷媒量を調整することで、冷凍サイクルの高圧圧力の極端な低下や上昇から保護するために能力を抑えた運転をせざるを得ない場合の冷房能力をむやみに抑制しない冷房運転を行なうことができる。また、低外気温時の暖房では、冷凍サイクルを循環する冷媒量を多めにコントロールすることで、通常の冷媒量で暖房運転するよりも高圧圧力が上昇しやすくなり、暖房能力を高める運転を行うことができる。

以上のように、本発明にかかる冷凍サイクル装置は、運転条件に応じて常に最適な冷媒量に自動調整し、運転中の周囲温度等の運転条件が変動しても、運転効率を最適に維持することが可能となるので、本文中では空気調和機の例を挙げたが、冷蔵庫や自動販売機など小型の密閉型圧縮機を使用する冷凍サイクルには、同様の効果を得る目的で搭載することができる。

１圧縮機
２四方弁
３室外熱交換器
４膨張弁
４ａ室内膨張弁
４１膨張弁
４２膨張弁
５受液器
６室内熱交換器
８冷媒配管
１０外気温センサ
１１受液器内液冷媒量検出手段
１２適正貯留冷媒量テーブル
１３受液器内液冷媒量調整手段
５１、５２流入出管
７１、７２極板
７３絶縁部材

Claims

少なくとも圧縮機と凝縮器と蒸発器と受液器を備えた冷凍サイクル装置において、前記受液器内に溜まった液冷媒量を検出する受液器内液冷媒量検出手段と、当該冷凍サイクルにおいて運転条件毎に予め設定された適正貯留冷媒量テーブルと、前記受液器内に溜まる液冷媒量を調整する受液器内液冷媒量調整手段を備え、運転条件毎に前記受液器内液冷媒量検出手段の出力を、前記適正貯留冷媒量テーブルにより参照される目標貯留冷媒量とを合致させるように、前記受液器内液冷媒量調整手段を制御することを特徴とする冷凍サイクル装置。
受液器内液冷媒量検出手段は、受液器内の冷媒液面を静電容量センサにより検出するようにした請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
受液器内液冷媒量検出手段は、受液器内の冷媒液面を超音波センサにより検出するようにした請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
受液器内液冷媒量調整手段は、凝縮器と蒸発器の間の配管に直列に２個の膨張弁を備え、該膨張弁に挟まれた配管に受液器を備えた構成であって、２個の膨張弁の開度を制御するものである請求項１に記載の冷凍サイクル装置。