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冷凍サイクル装置の制御方法およびそれを用いた冷凍サイクル装置 - 松下電器産業株式会社
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発明の名称 冷凍サイクル装置の制御方法およびそれを用いた冷凍サイクル装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−17014(P2007−17014A)
公開日 平成19年1月25日(2007.1.25)
出願番号 特願2005−195910(P2005−195910)
出願日 平成17年7月5日(2005.7.5)
代理人 【識別番号】100097445
【弁理士】
【氏名又は名称】岩橋 文雄
発明者 岡座 典穂 / 中谷 和生
要約 課題
膨張時の圧力エネルギーを回収可能な膨張機構を備えた冷凍サイクル装置において、効率の良い除霜運転を可能とすること。

解決手段
圧縮機構2、熱源側熱交換器6、動力回収を行う膨張機構5、利用側熱交換器3を備えた冷凍サイクル装置において、前記熱源側熱交換器6の除霜を行う除霜運転時に、前記膨張機構5の回転数を通常運転時より大きくすることを特徴とするもので、低圧側圧力が上昇し熱源側熱交換器6を流れる冷媒の温度が上昇するとともに、高温冷媒を膨張機構5で膨脹により温度低下させることなく熱源側熱交換器6に導入できるため、効率よく除霜が行える。
特許請求の範囲
【請求項1】
圧縮機構、熱源側熱交換器、動力回収を行う膨張機構、利用側熱交換器を備えた冷凍サイクル装置において、前記熱源側熱交換器の除霜を行う除霜運転時に、前記膨張機構の回転数を通常運転時より大きくすることを特徴とする冷凍サイクル装置の制御方法。
【請求項2】
圧縮機構、熱源側熱交換器、動力回収を行う膨張機構、利用側熱交換器を備えた冷凍サイクル装置において、前記熱源側熱交換器の除霜を行う除霜運転時に、前記膨張機構で動力回収を行わないことを特徴とする冷凍サイクル装置の制御方法。
【請求項3】
除霜運転時に、膨張機構を惰行運転させることを特徴とする請求項2記載の冷凍サイクル装置の制御方法。
【請求項4】
除霜運転時に、膨張機構を力行運転させることを特徴とする請求項2記載の冷凍サイクル装置の制御方法。
【請求項5】
圧縮機構、熱源側熱交換器、動力回収を行う膨張機構、利用側熱交換器を備えた冷凍サイクル装置において、前記熱源側熱交換器の除霜を行う除霜運転時に、前記圧縮機構の回転数を通常運転時より小さくすることを特徴とする冷凍サイクル装置の制御方法。
【請求項6】
圧縮機構、熱源側熱交換器、動力回収を行う膨張機構、利用側熱交換器、前記膨張機構をバイパスするバイパス流路、前記バイパス流路上に設けられた第1減圧器を備えた冷凍サイクル装置において、前記熱源側熱交換器の除霜を行う除霜運転時に、前記第1減圧器の開度を通常運転時より大きくするとともに、前記膨張機構の回転数を通常運転時より大きくすることを特徴とする冷凍サイクル装置の制御方法。
【請求項7】
圧縮機構、熱源側熱交換器、動力回収を行う膨張機構、利用側熱交換器、前記膨張機構をバイパスするバイパス流路、前記バイパス流路上に設けられた第1減圧器、前記膨張機構に流入する冷媒を減圧する第2減圧器を備えた冷凍サイクル装置において、前記熱源側熱交換器の除霜を行う除霜運転時に、前記第1減圧器の開度を通常運転時より大きくするとともに、前記第2減圧器の開度を通常運転時より小さくすることを特徴とする冷凍サイクル装置の制御方法。
【請求項8】
冷凍サイクル装置に、利用側熱交換器に利用流体を搬送する利用流体搬送手段を設け、除霜運転時に、前記利用流体搬送手段の回転数を通常運転時より小さくする、あるいは、前記利用流体搬送手段を停止させることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の冷凍サイクル装置の制御方法。
【請求項9】
請求項1〜8のいずれか1項に記載の冷凍サイクル装置の制御方法を用いた冷凍サイクル装置。
【請求項10】
バイパス流路を、圧縮機構と膨張機構との間の冷媒を、前記膨張機構と熱源側熱交換器との間へと導入するように構成するとともに、請求項6または7に記載の冷凍サイクル装置の制御方法を用いることを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項11】
バイパス流路を、圧縮機構と利用側熱交換器との間の冷媒を、前記膨張機構と熱源側熱交換器の間へと導入するように構成するとともに、請求項6または7に記載の制御方法を用いることを特徴とする冷凍サイクル装置。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、動力を回収する膨張機構を備えた冷凍サイクル装置の制御方法、および、それを用いた冷凍サイクル装置に関する。
【背景技術】
【0002】
圧縮機、利用側熱交換器、減圧器および外気を熱源とする熱源側熱交換器からなる冷凍サイクル装置において、熱源側熱交換器が蒸発器として作用する場合で、外気温度が低い場合には熱源側熱交換器に着霜が生じ、能力が低下することがある。
【0003】
従来、熱源側熱交換器についた霜を除霜する方法として、利用流体搬送手段を停止するとともに減圧器の開度を通常運転時より大きくする方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
【0004】
これによれば、圧縮機で吐出された高温冷媒が利用側熱交換器で放熱する熱エネルギー量を少なくでき、かつ、減圧器での減圧による温度低下を小さくできるために、圧縮機より吐出された高温冷媒が大きく温度低下することなく熱源側熱交換器まで到達して、除霜を行うことができるとされている。
【0005】
また、別の従来の除霜方法として、利用側熱交換器を通さずに圧縮機の吐出側から熱源側熱交換器に高圧冷媒が流れるようにバイパス流路を構成し、さらにバイパス流路に電磁弁等を配置し、除霜運転時にはこの電磁弁を開とし、高温冷媒を熱源側熱交換器に導入させる除霜方法も提案されている(例えば、特許文献2参照)。
【0006】
一方、圧縮機、利用側熱交換器、減圧器および外気を熱源とする熱源側熱交換器からなる冷凍サイクル装置において、減圧器のかわりに膨張時の圧力エネルギーを回収可能な膨張機構を設けて、膨張時の圧力エネルギーを動力として回収し、COPを向上させる冷凍サイクル装置が提案されている(例えば、特許文献3)。
【特許文献1】特開2001−82802号公報
【特許文献2】特開2001−108256号公報
【特許文献3】特開昭51−65456号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
上記のような膨張時の圧力エネルギーを回収可能な膨張機構を備えた冷凍サイクル装置の場合、減圧器が設けられていないために、減圧器の開度を大きくする除霜方法は実現できないという課題があった。
【0008】
また、膨張機構を備えた冷凍サイクル装置において、電磁弁を開としバイパス流路に高温冷媒を流す除霜方法を行うと、膨張機構を備えた冷凍サイクル装置の特性から、膨張機構を用いない冷凍サイクル装置に比較して、高圧側圧力が大きく低下し、圧縮機から吐出される高温冷媒の温度が過度に低下するために効率のよい除霜が実現できないという課題があった。
【0009】
そこで、本発明は、上記課題を解決するため、膨張時の圧力エネルギーを回収可能な膨張機構を備えた冷凍サイクル装置において、効率の良い除霜運転を可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
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の制御方法は、圧縮機構、熱源側熱交換器、動力回収を行う膨張機構、利用側熱交換器を備えた冷凍サイクル装置において、前記熱源側熱交換器の除霜を行う除霜運転時に、前記膨張機構の回転数を通常運転時より大きくすることを特徴とするもので、低圧側圧力が上昇し熱源側熱交換器を流れる冷媒の温度が上昇するとともに、高温冷媒を膨張機構で膨脹により温度低下させることなく熱源側熱交換器に導入できるため、効率よく除霜が行える。
【0011】
また、本発明の冷凍サイクル装置の制御方法は、圧縮機構、熱源側熱交換器、動力回収を行う膨張機構、利用側熱交換器を備えた冷凍サイクル装置において、前記熱源側熱交換器の除霜を行う除霜運転時に、前記膨張機構で動力回収を行わないことを特徴とするもので、低圧側圧力が上昇し熱源側熱交換器を流れる冷媒の温度が上昇するとともに、高温冷媒を膨張機構で膨脹により温度低下させることなく熱源側熱交換器に導入できるため、効率よく除霜が行える。
【0012】
また、本発明の冷凍サイクル装置の制御方法は、圧縮機構、熱源側熱交換器、動力回収を行う膨張機構、利用側熱交換器を備えた冷凍サイクル装置において、前記熱源側熱交換器の除霜を行う除霜運転時に、前記圧縮機構の回転数を通常運転時より小さくすることを特徴とするもので、低圧側圧力が上昇し熱源側熱交換器を流れる冷媒の温度が上昇するとともに、高温冷媒を膨張機構で膨脹により温度低下させることなく熱源側熱交換器に導入できるため、効率よく除霜が行える。
【0013】
また、本発明の冷凍サイクル装置の制御方法は、圧縮機構、熱源側熱交換器、動力回収を行う膨張機構、利用側熱交換器、前記膨張機構をバイパスするバイパス流路、前記バイパス流路上に設けられた第1減圧器を備えた冷凍サイクル装置において、前記熱源側熱交換器の除霜を行う除霜運転時に、前記第1減圧器の開度を通常運転時より大きくするとともに、前記膨張機構の回転数を通常運転時より大きくすることを特徴とするもので、高温冷媒をバイパス流路を経て熱源側熱交換器に直接導入できるとともに、高圧側圧力の過度の低下による高温冷媒の過度の温度低下を防止できるため、効率よく除霜が行える。
【0014】
また、本発明の冷凍サイクル装置の制御方法は、圧縮機構、熱源側熱交換器、動力回収を行う膨張機構、利用側熱交換器、前記膨張機構をバイパスするバイパス流路、前記バイパス流路上に設けられた第1減圧器、前記膨張機構に流入する冷媒を減圧する第2減圧器を備えた冷凍サイクル装置において、前記熱源側熱交換器の除霜を行う除霜運転時に、前記第1減圧器の開度を通常運転時より大きくするとともに、前記第2減圧器の開度を通常運転時より小さくすることを特徴とするもので、高温冷媒をバイパス流路を経て熱源側熱交換器に直接導入できるとともに、高圧側圧力の過度の低下による高温冷媒の過度の温度低下を防止できるため、効率よく除霜が行える。
【発明の効果】
【0015】
本発明の冷凍サイクル装置の制御方法およびそれを用いた冷凍サイクル装置は、膨張機を備えた冷凍サイクル装置において、効率の良い除霜運転を可能とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【0016】
第1の発明は、圧縮機構、熱源側熱交換器、動力回収を行う膨張機構、利用側熱交換器を備えた冷凍サイクル装置において、熱源側熱交換器の除霜を行う除霜運転時に膨張機構の回転数を通常運転時より大きくすることにより、低圧側圧力が上昇し熱源側熱交換器を流れる冷媒の温度が上昇するとともに、高温冷媒を膨張機構で膨脹により温度低下させることなく熱源側熱交換器に導入できるため、効率よく除霜が行える。
【0017】
第2の発明は、圧縮機構、熱源側熱交換器、動力回収を行う膨張機構、利用側熱交換器を備えた冷凍サイクル装置において、熱源側熱交換器の除霜を行う除霜運転時に膨張機構で動力回収を行わないことにより、低圧側圧力が上昇し熱源側熱交換器を流れる冷媒の温度が上昇するとともに、高温冷媒を膨張機構で膨脹により温度低下させることなく熱源側熱交換器に導入できるため、効率よく除霜が行える。
【0018】
第3の発明は、特に、第2の発明の膨張機構を惰行運転させることにより、低圧側圧力が上昇し熱源側熱交換器を流れる冷媒の温度が上昇するとともに、高温冷媒を膨張機構で膨脹により温度低下させることなく熱源側熱交換器に導入できるため、効率よく除霜が行える。
【0019】
第4の発明は、特に、第2の発明の膨張機構を力行運転させることにより、低圧側圧力が上昇し熱源側熱交換器を流れる冷媒の温度が上昇するとともに、高温冷媒を膨張機構で膨脹により温度低下させることなく熱源側熱交換器に導入できるため、効率よく除霜が行える。
【0020】
第5の発明は、圧縮機構、熱源側熱交換器、動力回収を行う膨張機構、利用側熱交換器を備えた冷凍サイクル装置において、熱源側熱交換器の除霜を行う除霜運転時に圧縮機構の回転数を通常運転時より小さくすることにより、低圧側圧力が上昇し熱源側熱交換器を流れる冷媒の温度が上昇するとともに、高温冷媒を膨張機構で膨脹により温度低下させることなく熱源側熱交換器に導入できるため、効率よく除霜が行える。
【0021】
第6の発明は、圧縮機構、熱源側熱交換器、動力回収を行う膨張機構、利用側熱交換器、膨張機構をバイパスするバイパス流路、バイパス流路上に設けられた第1減圧器を備えた冷凍サイクル装置において、熱源側熱交換器の除霜を行う除霜運転時に第1減圧器の開度を通常運転時より大きくするとともに、膨張機構の回転数を通常運転時より大きくすることにより、高温冷媒をバイパス流路を経て熱源側熱交換器に直接導入できるとともに、高圧側圧力の過度の低下による高温冷媒の過度の温度低下を防止できるため、効率よく除霜が行える。
【0022】
第7の発明は、圧縮機構、熱源側熱交換器、動力回収を行う膨張機構、利用側熱交換器、膨張機構をバイパスするバイパス流路、バイパス流路上に設けられた第1減圧器、膨張機構に流入する冷媒を減圧する第2減圧器を備えた冷凍サイクル装置において、熱源側熱交換器の除霜を行う除霜運転時に前記第1減圧器の開度を通常運転時より大きくするとともに、第2減圧器の開度を通常運転時より小さくすることにより、高温冷媒をバイパス流路を経て熱源側熱交換器に直接導入できるとともに、高圧側圧力の過度の低下による高温冷媒の過度の温度低下を防止できるため、効率よく除霜が行える。
【0023】
第8の発明は、特に、第1から7のいずれかの発明の冷凍サイクル装置に、利用側熱交換器に利用流体を搬送する利用流体搬送手段を設け、除霜運転時に、前記利用流体搬送手段の回転数を通常運転時より小さくする、あるいは、前記利用流体搬送手段を停止させることを特徴とするもので、高温冷媒が利用側熱交換器で放熱してしまうことを低減できるので、さらに効率よく除霜を行うことができる。
【0024】
第9の発明は、特に、第1から8のいずれかの発明の制御方法を用いた冷凍サイクル装置であり、低圧側圧力が上昇し熱源側熱交換器を流れる冷媒の温度が上昇するとともに、高温冷媒を膨張機構で膨脹により温度低下させることなく熱源側熱交換器に導入できるため、効率よく除霜が行える。あるいは、高温冷媒をバイパス流路を経て熱源側熱交換器に直接導入できるとともに、高圧側圧力の過度の低下による高温冷媒の過度の温度低下を防止できるため、効率よく除霜が行える。あるいは、高温冷媒が利用側熱交換器で放熱して
しまうことを低減できるので、さらに効率よく除霜を行うことができる。
【0025】
第10の発明は、バイパス流路は、圧縮機構と膨張機構との間の冷媒を、膨張機構と熱源側熱交換器の間へと導入するように構成された冷凍サイクル装置であって、特に、第6または7のいずれかの発明の制御方法を用いることにより、高温冷媒をバイパス流路を経て、熱源側熱交換器に直接導入できるとともに、高圧側圧力の過度の低下による高温冷媒の過度の温度低下を防止できるため、効率よく除霜が行える。
【0026】
第11の発明は、バイパス流路は、圧縮機構と利用側熱交換器との間の冷媒を、膨張機構と熱源側熱交換器の間へと導入するように構成された冷凍サイクル装置であって、特に、第6または7のいずれかの発明の制御方法を用いることにより、高温冷媒をバイパス流路を経て熱源側熱交換器に直接導入できるとともに、高圧側圧力の過度の低下による高温冷媒の過度の温度低下を防止でき、さらに、高温冷媒が利用側熱交換器で放熱してしまうことを低減できるので、さらに効率よく除霜が行える。
【0027】
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。例えば、以下の実施の形態では、給湯機を例にとり説明するが、本発明が給湯機に限定されるものではなく、空気調和機などであってもよい。
【0028】
(実施の形態1)
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制御方法を、図1に概略構成図を示す冷凍サイクル装置を用いて説明する。
【0029】
図1の冷凍サイクル装置は、電動機1により駆動される圧縮機構2、利用側熱交換器としての放熱器3の冷媒流路、発電機4により動力回収される膨張機構5、熱源側熱交換器としての蒸発器6などからなり、冷媒として例えばCO冷媒が封入されている冷媒回路Aと、利用流体搬送手段としての給水ポンプ7、放熱器3の流体流路、および給湯タンク8などからなる流体回路Bとから構成されている。さらに、この冷凍サイクル装置は熱源流体搬送手段としての送風装置9を備えており、送風装置9は、熱源側熱交換器としての蒸発器6に熱源流体(例えば、外気)を送風する。
【0030】
また、電動機1の回転数を制御する圧縮機構制御手段10、発電機4の回転数を制御する膨張機構制御手段11を備えている。膨張機構制御手段11により、膨張機構5からの回転エネルギーを回収し電力を得る回生運転、あるいは、発電機4に電力を与えて発電機4および膨張機構5を回転させる力行運転、あるいは、発電機4および膨張機構5から電力回収もせず電力を与えもしない惰行運転のいずれかの運転を発電機4および同軸に接続された膨張機構5で行うことができる。さらに、給水ポンプ7の回転数を制御する給水ポンプ制御手段12、圧縮機構制御手段10や膨張機構制御手段11や給水ポンプ制御手段12などに制御信号により指示を与える電子制御手段13を備えている。
【0031】
次に、上述のように構成された冷凍サイクル装置の通常運転時の動作について説明する。冷媒回路Aでは、CO冷媒を、圧縮機構2で臨界圧力を越える圧力まで圧縮する。その圧縮された冷媒は、高温高圧状態となり、放熱器3の冷媒流路を流れる際に、放熱器3の流体流路を流れる水に放熱し冷却される。その後、冷媒は膨張機構5で減圧され低温低圧の気液二相状態となる。膨張機構5で回収された膨張時の圧力エネルギーは、発電機4に伝達され、電力として回収される。
【0032】
すなわち、膨張時の圧力エネルギーを動力として回収しCOPを向上させることができる。膨張機構5で減圧された冷媒は蒸発器6に供給される。蒸発器6では、冷媒は送風装
置9によって送り込まれた外気によって加熱され、気液二相またはガス状態となる。蒸発器6を流出した冷媒は、再び、圧縮機構2に吸入される。一方、流体回路Bでは、給湯タンク8の底部から給水ポンプ7により放熱器3の流体流路へ送り込まれた利用流体(例えば、水)は、放熱器3の冷媒流路を流れる冷媒により加熱され、高温の流体(例えば、お湯)となり、その高温流体を給湯タンク8の頂部から貯める。このようなサイクルを繰り返すことにより、本実施の形態の冷凍サイクル装置は、給湯機として利用できる。
【0033】
次に、除霜運転時の動作について説明する。外気温度を検知する外気温度検知手段(図示せず)や熱源側熱交換器(本実施の形態では蒸発器6)の温度を検知する熱源側熱交換器温度検知手段(図示せず)などに信号により、電子制御手段13が蒸発器6の除霜が必要と判断した場合には、通常運転から除霜運転に切り換えられ、膨張機構制御手段11に制御信号が送られる。膨張機構制御手段11は、発電機4の負荷を大きくし、膨張機構5の回転数を通常運転時より大きくなるように制御する。
【0034】
これにより、以下に説明する膨張機構5を備えた冷凍サイクル装置の特徴から、効率よく除霜を行うことができる。圧縮機構2のシリンダ容積をSc、回転数をHc、吸入密度をDc、膨張機構5のシリンダ容積をSe、回転数をHe、吸入密度をHeとすると、圧縮機構2を流れる冷媒の体積循環量Vcは「Sc×Hc」、膨張機構5を流れる冷媒の体積循環量Veは「Se×He」で表せる。
【0035】
また、圧縮機構2を流れる冷媒の質量循環量Gcは「Vc×Dc=Sc×Hc×Dc」、膨張機構5を流れる冷媒の質量循環量Geは「Ve×De=Se×He×De」で表せる。ここで、冷媒回路Aは閉回路であるためGcとGeは等しく、「Sc×Hc×Dc=Se×He×De」の関係が成立する。これを変形すると「(Sc/Se)×(Hc/He)=De/Dc」となる。(Sc/Se)は冷凍サイクル装置が備えている圧縮機構2と膨張機構5により決まる定数であるので、「(Hc/He)∝(De/Dc)」の関係が成立する。
【0036】
ここで、本実施の形態の制御方法では、除霜運転時には膨張機構5の回転数(He)を通常運転時より大きくなるように制御するので、圧縮機構2の回転数(Hc)が一定であれば、(Hc/He)は小さくなる。したがって、圧縮機構2の吸入密度(Dc)は大きくなるように、かつ、膨張機構5の吸入密度(De)は小さくなるように冷凍サイクルはバランスしようとする。よって、圧縮機構2の吸入圧力、すなわち、低圧側圧力は上昇し、膨張機構5の吸入圧力、すなわち、高圧側圧力は低下する。このため、低圧側圧力の上昇により、蒸発器6を流れる冷媒の温度が上昇するため、効率よく除霜を行うことができる。
【0037】
また、高圧側圧力が低下するといっても、圧縮機構2から吐出された冷媒の温度は、除霜するには十分に高い。加えて、高圧側圧力が低下するため、膨張機構5での膨張により冷媒の温度が大きく低下することを防止できる。すなわち、高温冷媒を温度低下させることなく蒸発器6に導入できるために、効率よく除霜を行うことができる。さらに、膨張機構5は回生運転を続けるため、除霜運転中であっても膨張時の圧力エネルギーを動力として回収しCOPを向上させるといった副次的なメリットを有する。
【0038】
さらに、以下のような制御方法をあわせて実施すると効果的である。除霜運転時には、電子制御手段13から膨張機構制御手段11とともに、給水ポンプ制御手段12に制御信号を送り、膨張機構5の回転数を大きくするとともに、給水ポンプ7の回転数を小さくする、あるいは、給水ポンプ7を停止させるように制御する。この場合、給水ポンプ7の回転数を小さくする、あるいは、給水ポンプ7を停止させることで、圧縮機構2から吐出された高温冷媒が、放熱器3で放熱してしまうことを低減できる。すなわち、高温冷媒を温
度低下させることなく蒸発器6に導入できるために、上述の効果に加えて、さらに効率よく除霜を行うことができる。
【0039】
なお、冷媒はCO冷媒であるとして説明したが、これ以外の冷媒であっても同様の効果が得られる。さらに、冷凍サイクル装置に、放熱器3出口と膨張機構5入口との間の冷媒と、蒸発器6出口と圧縮機構2入口との間の冷媒とを熱交換する補助熱交換器などを備えていても同様の効果が得られる。
【0040】
(実施の形態2)
本発明の第2の実施の形態における冷凍サイクル装置の制御方法を、第1の実施の形態と同様に、図1に示す冷凍サイクル装置を用いて説明する。
【0041】
除霜運転時には、電子制御手段13から膨張機構制御手段11に制御信号が送られ、発電機4および膨張機構5を通常運転時の回生運転から、電力回収もせず電力を与えもしない惰行運転になるように制御する。膨張機構5を回生運転から惰行運転にすると、圧縮機構2からみた負荷が小さくなるので、高圧側圧力が低下するとともに、低圧側圧力は上昇する。したがって、低圧側圧力の上昇により、蒸発器6を流れる冷媒の温度が上昇するため、効率よく除霜を行うことができる。
【0042】
また、高圧側圧力が低下するといっても、圧縮機構2から吐出された冷媒の温度は、除霜するには十分に高い。加えて、高圧側圧力が低下するため、膨張機構5での膨張により冷媒の温度が大きく低下することを防止できる。すなわち、高温冷媒を温度低下させることなく蒸発器6に導入できるために、効率よく除霜を行うことができる。
【0043】
本実施の形態の制御方法では、膨張機構5は動力を回収しCOPを向上させることはできないが、除霜運転時間は通常運転時間に比べて短いので大きな問題とはならず、膨張機構制御手段11が行う制御が比較的容易になるといった副次的なメリットを有する。
【0044】
さらに、以下のような制御方法をあわせて実施すると効果的である。除霜運転時には、電子制御手段13から膨張機構制御手段11とともに、給水ポンプ制御手段12に制御信号を送り、膨張機構5を惰行運転するとともに、給水ポンプ7の回転数を小さくする、あるいは、給水ポンプ7を停止させるように制御する。
【0045】
この場合、給水ポンプ7の回転数を小さくする、あるいは、給水ポンプ7を停止させることで、圧縮機構2から吐出された高温冷媒が、放熱器3で放熱してしまうことを低減できる。すなわち、高温冷媒を温度低下させることなく蒸発器6に導入できるために、上述の効果に加えて、さらに効率よく除霜を行うことができる。
【0046】
(実施の形態3)
本発明の第3の実施の形態における冷凍サイクル装置の制御方法を、第1の実施の形態と同様に、図1に示す冷凍サイクル装置を用いて説明する。
【0047】
除霜運転時には、電子制御手段13から膨張機構制御手段11に制御信号が送られ、発電機4および膨張機構5を通常運転時の回生運転から、発電機4に電力を与えて発電機4および膨張機構5を回転させる力行運転になるように制御する。膨張機構5を回生運転から力行運転にすると、圧縮機構2からみた負荷がさらに小さくなるので、高圧側圧力が低下するとともに、低圧側圧力は上昇する。したがって、低圧側圧力の上昇により、蒸発器6を流れる冷媒の温度が上昇するため、効率よく除霜を行うことができる。
【0048】
また、高圧側圧力が低下するといっても、圧縮機構2から吐出された冷媒の温度は、除
霜するには十分に高い。加えて、高圧側圧力が低下するため、膨張機構5での膨張により冷媒の温度が大きく低下することを防止できる。すなわち、高温冷媒を温度低下させることなく蒸発器6に導入できるために、効率よく除霜を行うことができる。
【0049】
本実施の形態の制御方法では、膨張機構5は動力を回収しCOPを向上させることはできないが、除霜運転時間は通常運転時間に比べて短いので大きな問題とはならず、膨張機構制御手段11が行う制御が比較的容易になるといった副次的なメリットを有する。
【0050】
さらに、以下のような制御方法をあわせて実施すると効果的である。除霜運転時には、電子制御手段13から膨張機構制御手段11とともに、給水ポンプ制御手段12に制御信号を送り、膨張機構5を力行運転するとともに、給水ポンプ7の回転数を小さくする、あるいは、給水ポンプ7を停止させるように制御する。
【0051】
この場合、給水ポンプ7の回転数を小さくする、あるいは、給水ポンプ7を停止させることで、圧縮機構2から吐出された高温冷媒が、放熱器3で放熱してしまうことを低減できる。すなわち、高温冷媒を温度低下させることなく蒸発器6に導入できるために、上述の効果に加えて、さらに効率よく除霜を行うことができる。
【0052】
(実施の形態4)
本発明の第4の実施の形態における冷凍サイクル装置の制御方法を、第1の実施の形態と同様に、図1に示す冷凍サイクル装置を用いて説明する。
【0053】
除霜運転時には、電子制御手段13から圧縮機制御手段10に制御信号が送られ、電動機1の回転数、すなわち、圧縮機構2の回転数を通常運転時より小さくなるように制御する。圧縮機構2の回転数(Hc)が小さくなれば、膨張機構5の回転数(He)との比である(Hc/He)は小さくなるので、第1の実施の形態で説明したように、膨張機構5を備えた冷凍サイクル装置の特徴により、圧縮機構2の吸入密度(Dc)は大きくなるように、かつ、膨張機構5の吸入密度(De)は小さくなるように冷凍サイクルはバランスしようとする。
【0054】
したがって、圧縮機構2の吸入圧力、すなわち、低圧側圧力は上昇し、膨張機構5の吸入圧力、すなわち、高圧側圧力は低下する。したがって、低圧側圧力の上昇により、蒸発器6を流れる冷媒の温度が上昇するため、効率よく除霜を行うことができる。
【0055】
また、高圧側圧力が低下するといっても、圧縮機構2から吐出された冷媒の温度は、除霜するには十分に高い。加えて、高圧側圧力が低下するため、膨張機構5での膨張により冷媒の温度が大きく低下することを防止できる。すなわち、高温冷媒を温度低下させることなく蒸発器6に導入できるために、効率よく除霜を行うことができる。
【0056】
さらに、以下のような制御方法をあわせて実施すると効果的である。除霜運転時には、電子制御手段13から圧縮機制御手段10とともに、給水ポンプ制御手段12に制御信号を送り、膨張機構2の回転数を小さくするとともに、給水ポンプ7の回転数を小さくする、あるいは、給水ポンプ7を停止させるように制御する。
【0057】
この場合、給水ポンプ7の回転数を小さくする、あるいは、給水ポンプ7を停止させることで、圧縮機構2から吐出された高温冷媒が、放熱器3で放熱してしまうことを低減できる。すなわち、高温冷媒を温度低下させることなく蒸発器6に導入できるために、上述の効果に加えて、さらに効率よく除霜を行うことができる。
【0058】
なお、本実施の形態で説明した圧縮機構2の回転数を制御する制御方法と第1から第3
の実施の形態のいずれかで説明した発電機4、および、膨張機構5を制御する制御方法とを組み合わせても、効率のよい除霜運転が可能である。
【0059】
(実施の形態5)
本発明の第5の実施の形態における冷凍サイクル装置の制御方法を、図2に概略構成図を示す冷凍サイクル装置を用いて説明する。図2において、図1と同様の構成要素は図1と同じ番号を与え、説明を省略する。
【0060】
図2の冷凍サイクル装置は、放熱器3および膨張機構5をバイパスする第1バイパス流路21を備えている。第1バイパス流路21は圧縮機構2と利用側熱交換器である放熱器3との間の高温冷媒を膨張機構5と熱源側熱交換器である蒸発器6の間へと導入するように構成されている。さらに、第1バイパス流路21に設けられた第1減圧器としての第1電磁弁22、第1電磁弁22の開閉を制御する第1電磁弁制御手段23を備えている。この冷凍サイクル装置の通常運転時の動作は、第1の実施の形態で説明したものと同様であるため説明を省略する。
【0061】
除霜運転時には、電子制御手段13から膨張機構制御手段11、第1電磁弁制御手段23に制御信号が送られ、第1電磁弁22を開とするとともに、発電機4の負荷を小さくし、膨張機構5の回転数を通常運転時より小さくなるように制御する。第1電磁弁22を開とすることにより、圧縮機構2から吐出された高温冷媒は放熱器3および膨張機構5をバイパスする第1バイパス流路21を経て、蒸発器6の入口に直接、導入できるために、高温冷媒を放熱や膨張による温度低下をさせることがないので、蒸発器6を効率よく除霜を行うことができる。
【0062】
さらに、第1電磁弁22を開とすると、通常運転時より高圧側圧力が低下するが、本実施の形態では膨張機構5の回転数を通常運転時より小さくなるように制御するため、膨張機構5を用いない冷凍サイクル装置に比べて高圧側圧力が過度に低下しすぎることを防止できる。すなわち、圧縮機構2から吐出される高温冷媒の温度が過度に低下することを防止でき、蒸発器6を効率よく除霜を行うことができる。
【0063】
なお、第1減圧器として、第1電磁弁22のかわりに開度が調整できる電動膨張弁を用いても同等の効果が得られることは明らかである。また、本実施の形態では、第1バイパス流路21は放熱器3および膨張機構5をバイパスするものとして説明したが、放熱器3はバイパスせず、放熱器3と膨張機構5との間の比較的高温の冷媒を膨張機構5と熱源側熱交換器である蒸発器6の間へと導入するように構成してもよい。
【0064】
この場合、以下のような制御方法をあわせて実施すると効果的である。除霜運転時には、電子制御手段13から膨張機構制御手段11、第1電磁弁制御手段23とともに、給水ポンプ制御手段12に制御信号を送り、第1電磁弁22を開とし、膨張機構5の回転数を小さくするとともに、給水ポンプ7の回転数を小さくする、あるいは、給水ポンプ7を停止させるように制御する。この場合、給水ポンプ7の回転数を小さくする、あるいは、給水ポンプ7を停止させることで、圧縮機構2から吐出された高温冷媒が、放熱器3で放熱してしまうことを低減できる。すなわち、高温冷媒を温度低下させることなく蒸発器6に導入できるために、上述の効果に加えて、さらに効率よく除霜を行うことができる。
【0065】
(実施の形態6)
本発明の第6の実施の形態における冷凍サイクル装置の制御方法を、図3に概略構成図を示す冷凍サイクル装置を用いて説明する。図3において、図1と同様の構成要素は図1と同じ番号を与え、説明を省略する。
【0066】
図3の冷凍サイクル装置は、電動機31により駆動される圧縮機構32、利用側熱交換器としての放熱器3の冷媒流路、圧縮機構32および電動機31と一本の軸で連結され、動力回収される膨張機構35、熱源側熱交換器としての蒸発器6などからなり、冷媒として例えばR410Aが封入されている冷媒回路Aと、利用流体搬送手段としての給水ポンプ7、放熱器3の流体流路、および給湯タンク8などからなる流体回路Bとから構成されている。
【0067】
さらに、図3の冷凍サイクル装置は、膨張機構35をバイパスする第2バイパス流路36、第2バイパス流路36に設けられた第1減圧器としての第1電動膨張弁37、膨張機構35に流入する冷媒を予め減圧する第2減圧器としての第2電動膨張弁38、第1電動膨張弁37の開度を制御する第1電動膨張弁制御手段39、第2電動膨張弁38の開度を制御する第2電動膨張弁制御手段40を備えている。
【0068】
まず、上述のように構成された冷凍サイクル装置の通常運転時の動作について説明する。圧縮機構32により圧縮された冷媒は、高温高圧状態となり、放熱器3の冷媒流路を流れる際に、放熱器3の流体流路を流れる水に放熱し冷却される。その後、必要に応じて、冷媒は第2電動膨張弁38によって適当な密度となるように中間的な圧力まで減圧され、膨張機構35に流入する。
【0069】
そこで、冷媒は膨張機構35で減圧され低温低圧の気液二相状態となる。このとき膨張機構35で回収された膨張時の圧力エネルギーは、連結された軸を通じて圧縮機構32の駆動を補助する。すなわち、膨張時の圧力エネルギーを動力として回収しCOPを向上させることができる。膨張機構35で減圧された冷媒は蒸発器6に供給される。蒸発器6では、冷媒は送風装置9によって送り込まれた外気によって加熱され、気液二相またはガス状態となる。
【0070】
蒸発器6を流出した冷媒は、再び、圧縮機構2に吸入される。一方、流体回路Bでは、給湯タンク8の底部から給水ポンプ7により放熱器3の流体流路へ送り込まれた利用流体(例えば、水)は、放熱器3の冷媒流路を流れる冷媒により加熱され、高温の流体(例えば、お湯)となり、その高温流体を給湯タンク8の頂部から貯める。このようなサイクルを繰り返すことにより、本実施の形態の冷凍サイクル装置は、給湯機として利用できる。
【0071】
次に、除霜運転時の動作について説明する。除霜運転時には、電子制御手段13から第1電動膨張弁制御手段39、第2電動膨張弁制御手段40に制御信号が送られ、第1電動膨張弁37の開度を通常運転時より大きくするとともに、第2電動膨張弁38の開度を通常運転時より小さくなるように制御する。第1電動膨張弁37の開度を大きくすることにより、圧縮機構32から吐出された高温冷媒は膨張機構35をバイパスする第2バイパス流路36を経て、蒸発器6の入口に直接、導入できるために、高温冷媒を膨張による温度低下をさせることなく、蒸発器6を効率よく除霜を行うことができる。
【0072】
さらに、第1電動膨張弁37を開とすると、通常運転時より高圧側圧力が低下するが、本実施の形態では第2電動膨張弁38の開度を通常運転時より小さくなるように制御するため、膨張機構35を用いない冷凍サイクル装置に比べて高圧側圧力が過度に低下しすぎることを防止できる。すなわち、圧縮機構32から吐出される高温冷媒の温度が過度に低下することを防止でき、蒸発器6を効率よく除霜を行うことができる。
【0073】
さらに、以下のような制御方法をあわせて実施すると効果的である。除霜運転時には、電子制御手段13から第1電動膨張弁制御手段39、第2電動膨張弁制御手段40とともに、給水ポンプ制御手段12に制御信号を送り、第1電動膨張弁37を開とし、第2電動膨張弁38の開度を小さくするとともに、給水ポンプ7の回転数を小さくする、あるいは
、給水ポンプ7を停止させるように制御する。
【0074】
この場合、給水ポンプ7の回転数を小さくする、あるいは、給水ポンプ7を停止させることで、圧縮機構32から吐出された高温冷媒が、放熱器3で放熱してしまうことを低減できる。すなわち、高温冷媒を温度低下させることなく蒸発器6に導入できるために、上述の効果に加えて、さらに効率よく除霜を行うことができる。
【0075】
なお、第1減圧器として第1電動膨張弁37のかわりに開か閉かのいずれかにしか調節できない電磁弁を用いても同等の効果が得られることは明らかである。また、冷媒はR410Aであるとして説明したが、これ以外の冷媒であっても同様の効果が得られる。
【0076】
(実施の形態7)
本発明の第7の実施の形態における冷凍サイクル装置の制御方法を、図4に概略構成図を示す冷凍サイクル装置を用いて説明する。図4において、図3と同様の構成要素は図3と同じ番号を与え、説明を省略する。
【0077】
図4の冷凍サイクル装置は、放熱器3および膨張機構35をバイパスする第3バイパス流路51を備えている。第3バイパス流路51は、圧縮機構32と利用側熱交換器である放熱器3との間の高温冷媒を膨張機構35と熱源側熱交換器である蒸発器6の間へと導入するように構成されている。さらに、第3バイパス流路51に設けられた第1減圧器としての第2電磁弁52、第2電磁弁52の開閉を制御する第2電磁弁制御手段53を備えている。
【0078】
除霜運転時には、電子制御手段13から第2電動膨張弁制御手段40、第2電磁弁制御手段53に制御信号が送られ、第2電磁弁52の開度を開とするとともに、第2電動膨張弁38の開度を通常運転時より小さくなるように制御する。第2電磁弁52を開とすることにより、圧縮機構32から吐出された高温冷媒は膨張機構35をバイパスする第3バイパス流路51を経て、蒸発器6の入口に直接、導入できるために、高温冷媒を放熱や膨張による温度低下をさせることなく、蒸発器6を効率よく除霜を行うことができる。
【0079】
さらに、第2電磁弁52を開とすると、通常運転時より高圧側圧力が低下するが、本実施の形態では第2電動膨張弁38の開度を通常運転時より小さくなるように制御するため、膨張機構35を用いない冷凍サイクル装置に比べて高圧側圧力が過度に低下しすぎることを防止できる。すなわち、圧縮機構32から吐出される高温冷媒の温度が過度に低下することを防止でき、蒸発器6を効率よく除霜を行うことができる。
【0080】
なお、第1減圧器として第2電磁弁52のかわりに開度が調整できる電動膨張弁を用いても同等の効果が得られることは明らかである。
【産業上の利用可能性】
【0081】
本発明の冷凍サイクル装置の制御方法およびそれを用いた冷凍サイクル装置は、膨張機構を備えた冷凍サイクル装置において、効率の良い除霜運転を可能となるため、膨張機構を備えた給湯機、空気調和機などの用途に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【0082】
【図1】本発明の実施の形態1〜4における冷凍サイクル装置を示す構成図
【図2】本発明の実施の形態5における冷凍サイクル装置を示す構成図
【図3】本発明の実施の形態6における冷凍サイクル装置を示す構成図
【図4】本発明の実施の形態7における冷凍サイクル装置を示す構成図
【符号の説明】
【0083】
1、31 電動機
2、32 圧縮機構
3 利用側熱交換器(放熱器)
4 発電機
5、35 膨張機構
6 熱源側熱交換器(蒸発器)
7 利用流体搬送手段(給水ポンプ)
8 給湯タンク
9 熱源流体搬送手段(送風装置)
10 圧縮機構制御手段
11 膨張機構制御手段
12 給水ポンプ制御手段
13 電子制御手段
21 第1バイパス流路
22 第1電磁弁
23 第1電磁弁制御手段
36 第2バイパス流路
37 第1電動膨張弁
38 第2電動膨張弁
39 第1電動膨張弁制御手段
40 第2電動膨張弁制御手段
51 第3バイパス流路
52 第2電磁弁
53 第2電磁弁制御手段
A 冷媒回路
B 流体回路







 

 


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