JPH0474628B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

産業上の利用分野 本発明は、近年、特に注目を浴びるようになつ
た非共沸混合冷媒および回転数可変型圧縮機を用
いた空調装置等の熱ポンプ装置に関する。 従来の技術 従来、空調装置や給湯装置等に利用されている
非共沸混合冷媒および回転数可変型圧縮機を用い
た熱ポンプ装置の冷凍サイクルは、従来からよく
知られた第４図に示すようなものであつた。第４
図において、１は回転数可変型圧縮機、２は凝縮
器、３は絞り装置、４は蒸発器で順に配管接続し
て構成されている。また、圧縮機１を駆動するた
めに、交流電源５および、周波数変換器６が電気
回路として接続されている。また、従来こういう
冷凍サイクルを運転する場合の周波数変換器６か
ら出力される周波数および電圧の関係は、第３図
に示すように、比較的低周波数では、周波数と電
圧が比例するような関係に、また、比較的高周波
数では、電圧が一定となるような関係になつてい
た。また、非共混合冷媒の沸点が低い場合には、
高低圧、冷媒循環量とも増大してモータ負荷トル
クが増し、また、逆に沸点が高い場合には、高低
圧、冷媒循環量とも減少してモータ負荷トルクが
減るため、冷凍サイクル内に沸点の低い非共沸混
合冷媒を流す時には、入力電圧を若干高めにし、
全周波数で運転し逆に沸点の高い非共沸混合冷媒
を流す時には、入力電圧を若干低めにし、全周波
数で運転して常にその冷媒に対してモータ効率の
最適となる所で運転し、そうすることによつて、
非共沸混合冷媒を使用した時のEER（冷凍出力／
電気入力）の値を、単一冷媒使用時よりも上回る
ことが可能となつていた。 発明が解決しようとする問題点 一方、近年、熱ポンプ装置の年間消費電力をさ
らに減少させようという動きの中で、回転数可変
型圧縮機と、ある決まつた組成の非共沸混合冷媒
で熱ポンプ装置を運転しても、単一冷媒使用時よ
りも、その効果は上がるものの、熱ポンプ装置の
負荷に常に対応し、年間消費電力から見てその効
果を充分に発揮できる運転というものが困難にな
つてきている。すなわち、比較的沸点の低い非共
沸混合冷媒を用いて全周波数を運転する場合、圧
縮機の吸入比容積が減少して冷媒循環量が増加す
るため、高能力が出せ、高周波数運転時、すなわ
ち、負荷の大きいところでは、非常にEERも高
く維持できたが、低周波数運転時、すなわち負荷
の小さい所では、従来のように、圧縮機への入力
電圧を調節しても、冷媒のもつ能力が大きいた
め、負荷とのつり合いがとれにくい等の問題があ
つて、EERに対して、あまり大きな効果は得ら
れなかつた。また、比較的沸点の高い非共沸混合
冷媒を用いて全周波数を運転する場合には、逆
に、吸入比容積が増加して冷媒循環量が減少する
ため、低能力が出せ、低周波数運転時、すなわ
ち、負荷の小さいところでは、EERも高く維持
できたが、高周波数運転時、すなわち、負荷の大
きいところでは、従来のように圧縮機への入力電
圧を調節しても、冷媒のもつ能力が小さいため負
荷とつり合いがとれにくい等の問題があつて
EERに対して、あまり大きな効果は得られなか
つた。 すなわち、ある沸点の非共沸混合冷媒を回転数
可変型圧縮機で運転し、かつ、従来のように回転
数可変型圧縮機への入力電圧を調節しても、その
冷媒でEERが最適となるような負荷範囲（周波
数範囲）は限られており、実際に年間で負荷が大
きく変化するような熱ポンプ装置の場合、負荷が
大きく変化しても、やむを得ず、同じ沸点を持つ
た非共沸混合冷媒を使用してEERの最適となる
圧縮機入力電圧を調節して運転していたため、年
間消費電力から考えると、その効果はあまり大き
いとは言えなかつた。 そこで、本発明は、負荷のいかなる変化に対し
ても常に負荷に対応した能力が出せ、年間消費電
力をさらに減少することのできる熱ポンプ装置を
提供することを目的とする。 問題点を解決するための手段 本発明は上記目的を達成するために、非共沸混
合冷媒を用い、回転数可変型圧縮機、凝縮器、第
一絞り装置、蒸発器を配管接続して主回路とな
し、前記主回路内の冷媒組成を可変する手段を備
え、前記回転数可変型圧縮機の運転周波数(F)と前
記回転数可変型圧縮機のモータ入力電圧(V)との比
（Ｖ／Ｆ）を前記主回路内の組成が低沸点成分に
富む場合には高めに、高沸点成分に富む場合には
低めに設定したものである。 作 用 上記構成によれば、熱ポンプ装置の負荷が増大
した場合、副回路からなる冷媒組成可変手段詳し
しくは、冷媒精留作用によつて主回路内は、低沸
点成分に富み、その結果、高低圧、冷媒循環量が
増大するため、モータ負荷トルクが増す。したが
つて同一周波数で若干モータへの入力電圧を高め
ることによつてモータ効率の最適となるところで
運転することができ、冷媒として最適な負荷範囲
で運転し、かつ、その時回転数可変型圧縮機とし
ても最適な運転をすることができるものである。
また、負荷が減少した場合には逆に、高沸点成分
に富んだ組成として、モータ負荷トルクも減少す
るため、若干、入力電圧を下げることによつて同
様に最適な運転を保ち得るものである。 実施例 本発明になる熱ポンプ装置の一実施例を第１図
および第２図に基づいて説明する。ここにおい
て、７は回転数可変型圧縮機（以下圧縮機と呼
ぶ）、８は凝縮機、９は第一絞り装置、１０は第
二絞り装置、１１は蒸発器であり、冷凍サイクル
の主回路では７，８，９，１１で構成されてい
る。１２は冷媒精留塔、１３は塔頂貯留器、１４
は塔底貯留器、１５ａ，ｂは電磁弁であり組成可
変手段の副回路は１０，１２，１３，１４，１５
ａ，１５ｂで構成されている。また、塔底貯留器
１４内には加熱源１６が、塔頂貯留器１３内には
冷却源１７が配置されている。また、圧縮機７を
駆動するために交流電源１８が周波数変換器１９
を通して供給されている。以上のように構成され
た熱ポンプ装置において、その作用は次のようで
あつた。圧縮機７より吐出された冷媒ガスは、実
線矢印の方向へ流れ、凝縮器８で液化し、分岐点
Ａで二方向に分流され、一方は、絞り装置９に流
入して低圧まで膨張する。もう一方は、塔底貯留
器１４に流入し、そこで加熱源１６によつて流入
冷媒が加熱され沸騰する。主回路内を高沸点成分
に富んだものとするには電磁弁１５ａを閉、１５
ｂを開とすることにより、いわゆる精留作用によ
り塔底貯留器１４内で発生した低沸点冷媒ガスが
上昇し、下降する液と熱、物質交換しながら、非
常に低沸点成分に富んだガスとなつて上昇し、冷
却源１７で冷却液化して塔頂貯留器１３内に溜ま
る。一方、低沸点成分に富んだガスが気化して残
された高沸点成分に富んだ液は、電磁弁１５ｂを
通つて第二絞り装置１０に流入して合流点Ｂで、
先に述べた第一絞り装置９を出た冷媒と合流す
る。このようにして、主回路は、高沸点成分に富
んだ冷媒組成となつていく。また、逆に、主回路
内を低沸点成分に富んだものとするには、電磁弁
１５ａを開、１５ｂを閉とすることにより、塔底
貯留器１４内に高沸点成分に富んだ冷媒が貯留さ
れて、低沸点成分に富んだ冷媒が主回路内へ流入
していき達成される。 このように、電磁弁１５ａを開放、電磁弁１５
ｂを閉止することにより、塔底貯留器１４に高沸
点冷媒が貯留され、主回路はその結果低沸点組成
に富んだ冷媒となり、また、電磁弁１５ａを閉止
し、電磁弁１５ｂを開放することにより、主回路
は高沸点成分に富んだ冷媒となる。したがつて、
組成そのものを検出しなくても、電磁弁１５ａ、
電磁弁１５ｂの開閉操作に応じて主回路内の冷媒
組成を変化させ、圧縮機７の運転周波数(F)とモー
タ入力電圧(V)との比（Ｖ／Ｆ）を変えるものであ
る。そして、 熱ポンプ装置の負荷が大きい場合には、能力が
大きく出る低沸点成分に富んだ成分で、かつ、周
波数の高い領域で運転することが、負荷との対
応、EER的にも良くその時には、前述の如く、
高低圧とも上昇し、冷媒循環量も増大するため、
モータの負荷トルクは増す。そこで、モータへの
入力電圧を若干高めにすることによつてモータ効
率の最適となる点で運転することが可能となる。
また逆に、熱ポンプ装置の負荷が小さい場合に
は、能力の少ない高沸点成分に富んだ成分で、か
つ、周波数の低い領域で運転するのが負荷対応
性、EER的にも良く、その時には、前述の如く、
高低圧ともに低下し冷媒循環量も減少するため、
モータ負荷トルクは減る。そこで、モータへの入
力電圧を若干低めにすることによつてモータ効率
の最適となる点で運転することが可能となる。 具体的には、第２図で示す如く、横に運転周波
数、縦にモータ入力電圧をとれば、図の実線で示
したような主回路組成、および周波数に対する電
圧で運転する方法が最良である。すなわち、熱ポ
ンプ装置の負荷、言いかえれば運転周波数(F)に応
じて、主回路内に流れる冷媒組成を可変にし、圧
縮機７の運転周波数(F)とモータ入力電圧(V)との比
（Ｖ／Ｆ）を主回路内の組成が低沸点成分に富む
場合には高めに、高沸点成分に富む場合には低め
に設定することによつて、その時の負荷に対応し
た最適な冷媒組成およびモータ入力電圧で運転で
き、EERは常に最適となる。 また、本発明を実験的に検証するために、非共
沸混合冷媒として低沸点成分のR22と高沸点成分
のR12を用い、一台の空冷の冷凍サイクル（エア
コン）を用い、組成を可変するバイパス回路を付
加せずに運転する。この場合、冷媒としては冷媒
R22を20％および冷媒R12を80％それぞれ混合し
た混合冷媒Ａと、冷媒R22を60％および冷媒R12
を40％それぞれ混合した混合冷媒Ｂとを別々に封
入した。すなわち、組成を可変するバイパス回路
を付加して運転した場合に起こる主回路の組成変
化（ＡからＢ）を別々の混合冷媒を封入して確認
した結果を表に示している。表から明らかなよう
に、低負荷時（30Hz運転時）においては、混合冷
媒Ａで運転すると電圧が51VでEERがその周波
数、その組成での最大値3.95になり、混合冷媒Ｂ
で運転すると電圧が58VでEERがその周波数、そ
の組成での最大値3.84となつた。すなわち、圧縮
機７の運転周波数(F)とモータ入力電圧(V)との比
（Ｖ／Ｆ）の値は、低沸点組成に富んだ混合冷媒
Ｂのときの方が混合冷媒Ａのときよりも高めに設
定することによつてEERもそのときの最大値に
なることを示す。同様に高負荷時（75Hz運転時）
については、組成を可変するバイパス回路を付加
して運転した場合には、Ｖ／Ｆの値を高沸点組成
に富んでいる場合より高めに設定することによ
り、EERが最大となることを示す。ここでは、
周波数を一定にした実験で比較しているので、能
力は若干の差異が出るが、能力を合わせた実験を
行なつても同様の結果を得ており、本実験によ
り、本発明の効果が検証できた。

【表】 発明の効果 以上述べた如く、本発明は、非共沸混合冷媒を
用い、負荷に応じて主回路内を流れる冷媒組成を
可変し、その時の回転数可変型圧縮機の運転周波
数に応じて、入力電圧を可変することにより、常
にEERを最適に保つ効果がある。また、モータ
効率を高く維持することが可能となるので、モー
タの発熱の低下、振動の減少等、信頼性の向上に
寄与する効果も大となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における熱ポンプ装
置の原理図、第２図は本発明の一実施例における
熱ポンプ装置の回転数可変型圧縮機への入力電圧
を周波数および主回路内を流れる冷媒組成に対し
て示した特性図、第３図は従来の回転数可変型圧
縮機への入力電圧を周波数および熱ポンプ装置内
冷媒組成に対して示した特性図、第４図は従来の
非共沸混合冷媒、および回転数可変型圧縮機を用
いた熱ポンプ装置の原理図である。 ７……回転数可変型圧縮機、８……凝縮機、９
……第一絞り装置、１０……第二絞り装置、１１
……蒸発器、１２……冷媒精留塔、１３……塔頂
貯留器、１４……塔底貯留器、１５……電磁弁、
１６……加熱源、１７……冷却器、１８……交流
電源、１９……周波数変換器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 非共沸混合冷媒を用い、回転数可変型圧縮
   機、凝縮器、第一絞り装置、蒸発器を配管接続し
   て主回路となし、前記主回路内の冷媒組成を可変
   する手段を備え、前記回転数可変型圧縮機の運転
   周波数(F)と前記回転数可変型圧縮機のモータ入力
   電圧(V)との比（Ｖ／Ｆ）を前記主回路内の組成が
   低沸点成分に富む場合には高めに、高沸点成分に
   富む場合には低めに設定した熱ポンプ装置。 ２ 冷媒組成を可変する手段は、冷媒精留塔、塔
   頂貯留器、第二絞り装置、電磁弁を配管接続する
   とともに主回路の凝縮器の出口と蒸発器の入口と
   をバイパスする回路からなる特許請求の範囲第１
   項記載の熱ポンプ装置。