JP2000234814A - 蒸気圧縮式冷凍装置 - Google Patents
蒸気圧縮式冷凍装置Info
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- F25B2341/063—Feed forward expansion valves
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Abstract
(57)【要約】
【課題】膨張機１３を用いた蒸気圧縮式冷凍装置では、
冷媒の開度を細かく制御できないため、温度や負荷の変
化といった運転状態の変化に対して、十分な性能を確保
することができない。 【解決手段】放熱器１２の出側と蒸発器１４の入側に膨
張機１３と並列なバイパス回路１７を設け、このバイパ
ス回路１７に配設された圧力制御装置１５により、放熱
器１２の出口圧力が所定の圧力以上に昇圧すると圧力制
御装置１５内の弁の開度を大きくし、放熱器１２の出口
圧力が所定の圧力以下に減圧すると弁の開度を小さくす
る。
冷媒の開度を細かく制御できないため、温度や負荷の変
化といった運転状態の変化に対して、十分な性能を確保
することができない。 【解決手段】放熱器１２の出側と蒸発器１４の入側に膨
張機１３と並列なバイパス回路１７を設け、このバイパ
ス回路１７に配設された圧力制御装置１５により、放熱
器１２の出口圧力が所定の圧力以上に昇圧すると圧力制
御装置１５内の弁の開度を大きくし、放熱器１２の出口
圧力が所定の圧力以下に減圧すると弁の開度を小さくす
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、二酸化炭素を冷媒
として用いる蒸気圧縮式冷凍装置に関するものである。
として用いる蒸気圧縮式冷凍装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来の蒸気圧縮式冷凍装置としては、例
えば特公平０７−０１８６０２号公報に開示されている
ように図５の構成から成る。この装置は圧縮機１、放熱
器２、膨張弁３、及び蒸発器４から構成される。それら
の要素は流動閉回路に連結され、そこを冷媒が流動す
る。
えば特公平０７−０１８６０２号公報に開示されている
ように図５の構成から成る。この装置は圧縮機１、放熱
器２、膨張弁３、及び蒸発器４から構成される。それら
の要素は流動閉回路に連結され、そこを冷媒が流動す
る。
【０００３】蒸気圧縮式冷凍装置の運転原理は次のとお
りである。冷媒蒸気の圧力及び温度は圧縮機１によって
増大され、次いで、その冷媒蒸気が放熱器２に入り、そ
こで冷却及び凝縮される。この後、高圧液状冷媒は膨張
弁３により蒸発圧力、及び温度に絞られ、蒸発器４にお
いて冷媒は気化し、その周辺から熱を吸収する。蒸発器
４の出口における蒸気は圧縮機１に戻り、蒸気圧縮式冷
凍装置のサイクルが完了する。
りである。冷媒蒸気の圧力及び温度は圧縮機１によって
増大され、次いで、その冷媒蒸気が放熱器２に入り、そ
こで冷却及び凝縮される。この後、高圧液状冷媒は膨張
弁３により蒸発圧力、及び温度に絞られ、蒸発器４にお
いて冷媒は気化し、その周辺から熱を吸収する。蒸発器
４の出口における蒸気は圧縮機１に戻り、蒸気圧縮式冷
凍装置のサイクルが完了する。
【０００４】蒸気圧縮式冷凍装置の冷媒に二酸化炭素を
使用する場合、二酸化炭素は可燃性、毒性が無いことに
加え、地球温暖化係数も小さくフロンの代替冷媒と目さ
れている。
使用する場合、二酸化炭素は可燃性、毒性が無いことに
加え、地球温暖化係数も小さくフロンの代替冷媒と目さ
れている。
【０００５】二酸化炭素を使用した蒸気圧縮式冷凍装置
は、空調、冷凍用として使用する場合、従来のフロンを
冷媒として用いた蒸気圧縮式冷凍装置に比べ、同一の回
路構成ではサイクルの成績係数（ＣＯＰ）が低いという
問題がある。
は、空調、冷凍用として使用する場合、従来のフロンを
冷媒として用いた蒸気圧縮式冷凍装置に比べ、同一の回
路構成ではサイクルの成績係数（ＣＯＰ）が低いという
問題がある。
【０００６】そこで、ＣＯＰを向上させるために、従来
の膨張弁３に代えて膨張機を使用する構成が考えられ
る。膨張機を使用したサイクルとして、例えば特開平１
０―１９４０１号公報に開示されているように、図６の
冷凍空調機がある。ロータリーベーン式の圧縮機５と膨
張機６を一体化し、サイクルの回路上圧縮機５と膨張機
６を直列に配置した構成である。
の膨張弁３に代えて膨張機を使用する構成が考えられ
る。膨張機を使用したサイクルとして、例えば特開平１
０―１９４０１号公報に開示されているように、図６の
冷凍空調機がある。ロータリーベーン式の圧縮機５と膨
張機６を一体化し、サイクルの回路上圧縮機５と膨張機
６を直列に配置した構成である。
【０００７】この膨張機６を使用したサイクルでは、膨
張行程を等エントロピー膨張に近づけ冷凍能力を増大す
る効果と、膨張動力を回収し、圧縮機５の駆動力を低減
する効果により、ＣＯＰを向上させることができる。特
に、二酸化炭素の場合、二酸化炭素自体の熱特性および
冷媒として使用する際の温度、圧力条件から、膨張機６
の使用によるＣＯＰ向上の効果は大きい。
張行程を等エントロピー膨張に近づけ冷凍能力を増大す
る効果と、膨張動力を回収し、圧縮機５の駆動力を低減
する効果により、ＣＯＰを向上させることができる。特
に、二酸化炭素の場合、二酸化炭素自体の熱特性および
冷媒として使用する際の温度、圧力条件から、膨張機６
の使用によるＣＯＰ向上の効果は大きい。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この膨
張弁３の代わりに膨張機６を用いただけの構成では、膨
張弁３のように開度を細かく変化させることができず、
温度や負荷といった運転状態の変化に対応した制御が困
難である。
張弁３の代わりに膨張機６を用いただけの構成では、膨
張弁３のように開度を細かく変化させることができず、
温度や負荷といった運転状態の変化に対応した制御が困
難である。
【０００９】また、二酸化炭素冷媒の場合、放熱器７の
出口温度が臨界温度以上の温度となり、放熱器７によっ
て冷媒が凝縮、液化されないため、放熱器７の出口に従
来のフロン冷媒のサイクルで使用する冷媒量調整のため
のレシーバーを配置することができず、圧縮機５の吐出
する冷媒量と、膨張機６が膨張させる冷媒量を常に同一
冷媒量にしなければならない。
出口温度が臨界温度以上の温度となり、放熱器７によっ
て冷媒が凝縮、液化されないため、放熱器７の出口に従
来のフロン冷媒のサイクルで使用する冷媒量調整のため
のレシーバーを配置することができず、圧縮機５の吐出
する冷媒量と、膨張機６が膨張させる冷媒量を常に同一
冷媒量にしなければならない。
【００１０】しかし、従来の構成では外気温度、空調
機、冷凍機の負荷の変化に応じて、冷媒の圧力や温度を
適正に保つことができず、十分な性能、効率を確保する
ことができない。
機、冷凍機の負荷の変化に応じて、冷媒の圧力や温度を
適正に保つことができず、十分な性能、効率を確保する
ことができない。
【００１１】本発明は上記欠点を除くことを目的とす
る。
る。
【００１２】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、冷媒
を圧縮する圧縮機と、該圧縮機の出側に連通した放熱器
と、該放熱器からの冷媒を受け膨張させる膨張機と、該
膨張機に連通し前記圧縮機の入側に接続された蒸発器か
ら構成される回路に、前記放熱器の出側と前記蒸発器の
入側に前記膨張機と並列なバイパス回路を設け、該バイ
パス回路に冷媒圧力を制御するための圧力制御装置と、
前記圧縮機の出側と前記膨張機の入側の間に配設され冷
媒の圧力と温度を検出する検出手段と、前記圧力制御装
置は前記検出手段からの信号を取り込み、前記圧力制御
装置内の弁の開度を可変とすることで、前記放熱器の出
口圧力を所定の圧力に制御することを特徴とする。
を圧縮する圧縮機と、該圧縮機の出側に連通した放熱器
と、該放熱器からの冷媒を受け膨張させる膨張機と、該
膨張機に連通し前記圧縮機の入側に接続された蒸発器か
ら構成される回路に、前記放熱器の出側と前記蒸発器の
入側に前記膨張機と並列なバイパス回路を設け、該バイ
パス回路に冷媒圧力を制御するための圧力制御装置と、
前記圧縮機の出側と前記膨張機の入側の間に配設され冷
媒の圧力と温度を検出する検出手段と、前記圧力制御装
置は前記検出手段からの信号を取り込み、前記圧力制御
装置内の弁の開度を可変とすることで、前記放熱器の出
口圧力を所定の圧力に制御することを特徴とする。
【００１３】請求項１の発明では、バイパス回路に配設
した圧力制御装置は、圧縮機および膨張機が運転してい
る状態で、放熱器の出口圧力が所定の圧力となるように
制御する。二酸化炭素を冷媒とした蒸気圧縮式冷凍サイ
クルでは、図２のｐ−ｈ線図に示すように、放熱器出口
温度が臨界温度以上の超臨界域となるため、図３に示す
ように放熱器出口温度によってＣＯＰが最高となる圧力
が異なる。各温度に対する最適圧力は、冷媒の熱物性値
から計算によって求めることができ、この圧力を圧力制
御装置の所定圧力とすることで高ＣＯＰでの運転が可能
となる。
した圧力制御装置は、圧縮機および膨張機が運転してい
る状態で、放熱器の出口圧力が所定の圧力となるように
制御する。二酸化炭素を冷媒とした蒸気圧縮式冷凍サイ
クルでは、図２のｐ−ｈ線図に示すように、放熱器出口
温度が臨界温度以上の超臨界域となるため、図３に示す
ように放熱器出口温度によってＣＯＰが最高となる圧力
が異なる。各温度に対する最適圧力は、冷媒の熱物性値
から計算によって求めることができ、この圧力を圧力制
御装置の所定圧力とすることで高ＣＯＰでの運転が可能
となる。
【００１４】請求項２の発明は、前記圧力制御装置は、
前記放熱器の出口圧力が所定の圧力以上に昇圧すると、
前記圧力制御装置内の弁の開度を大きくし、前記放熱器
出口圧力が所定の圧力以下に減圧すると、弁の開度を小
さくするよう圧力制御することを特徴とする。
前記放熱器の出口圧力が所定の圧力以上に昇圧すると、
前記圧力制御装置内の弁の開度を大きくし、前記放熱器
出口圧力が所定の圧力以下に減圧すると、弁の開度を小
さくするよう圧力制御することを特徴とする。
【００１５】請求項２の発明では、バイパス回路に配設
した圧力制御装置は、圧縮機および膨張機が運転してい
る状態で、放熱器の出口圧力が所定の圧力以上に昇圧す
ると圧力制御装置内の弁の開度を大きくし、放熱器の出
口圧力が所定の圧力以下に下がると圧力制御装置内の弁
の開度を小さくして、高ＣＯＰでの運転を可能とする。
した圧力制御装置は、圧縮機および膨張機が運転してい
る状態で、放熱器の出口圧力が所定の圧力以上に昇圧す
ると圧力制御装置内の弁の開度を大きくし、放熱器の出
口圧力が所定の圧力以下に下がると圧力制御装置内の弁
の開度を小さくして、高ＣＯＰでの運転を可能とする。
【００１６】請求項３の発明は、前記冷媒が二酸化炭素
であることを特徴とする。
であることを特徴とする。
【００１７】請求項３の発明では、蒸気圧縮式冷凍サイ
クルの冷媒に二酸化炭素を用いることにより、フロンで
指摘されているオゾン層の破壊、地球温暖化といった問
題が無くなり、また、可燃性や毒性も無いことから、取
り扱う上での危険もない。
クルの冷媒に二酸化炭素を用いることにより、フロンで
指摘されているオゾン層の破壊、地球温暖化といった問
題が無くなり、また、可燃性や毒性も無いことから、取
り扱う上での危険もない。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下本発明に係わる蒸気圧縮式冷
凍装置を具体的な実施例により説明する。
凍装置を具体的な実施例により説明する。
【００１９】第１実施例 本発明の第１実施例を図１に示す。蒸気圧縮式冷凍装置
は、圧縮機１１、放熱器１２、膨張機１３、蒸発器１４
の順に配設された閉回路から構成される。放熱器１２の
出側（膨張機１３の入側）から膨張機１３出側（蒸発器
１４入側）に膨張機１３と並列なバイパス回路１７を設
け、バイパス回路１７には圧力制御装置１５が配設され
る。
は、圧縮機１１、放熱器１２、膨張機１３、蒸発器１４
の順に配設された閉回路から構成される。放熱器１２の
出側（膨張機１３の入側）から膨張機１３出側（蒸発器
１４入側）に膨張機１３と並列なバイパス回路１７を設
け、バイパス回路１７には圧力制御装置１５が配設され
る。
【００２０】放熱器１２の出側と膨張機１３の入側の間
には、冷媒圧力を検出するための圧力検出手段１８と、
冷媒の温度を検出するための温度検出手段１９が配置さ
れ、圧力検出手段１８と温度検出手段１９からの信号
は、圧力制御装置１５に取り込まれる。
には、冷媒圧力を検出するための圧力検出手段１８と、
冷媒の温度を検出するための温度検出手段１９が配置さ
れ、圧力検出手段１８と温度検出手段１９からの信号
は、圧力制御装置１５に取り込まれる。
【００２１】原動機１６で駆動される圧縮機１１によっ
て、高温、高圧の超臨界状態まで昇圧された冷媒は、放
熱器１２において冷却され、それから膨張機１３におい
て減圧、膨張し、低温の二相状態となって蒸発器１４に
流入する。蒸発器１４で冷媒は蒸発し、低温の気体状態
となって再び圧縮機１１に戻る。
て、高温、高圧の超臨界状態まで昇圧された冷媒は、放
熱器１２において冷却され、それから膨張機１３におい
て減圧、膨張し、低温の二相状態となって蒸発器１４に
流入する。蒸発器１４で冷媒は蒸発し、低温の気体状態
となって再び圧縮機１１に戻る。
【００２２】本蒸気圧縮式冷凍装置の膨張機１３では、
膨張行程を等エントロピー膨張に近づけ、冷凍効果を増
大して性能向上させるとともに、膨張時のエネルギーを
動力として回収する。回収した動力は、圧縮機１１の動
力補助に使用することによってさらにＣＯＰを向上をす
ることができる。
膨張行程を等エントロピー膨張に近づけ、冷凍効果を増
大して性能向上させるとともに、膨張時のエネルギーを
動力として回収する。回収した動力は、圧縮機１１の動
力補助に使用することによってさらにＣＯＰを向上をす
ることができる。
【００２３】図７に圧力制御装置１５の圧力制御フロー
を示す。膨張機１３と並列に配設されたバイパス回路１
７の圧力制御装置１５は、圧力検出手段１８と温度検出
手段１９からの信号を受け取り、圧力制御装置１５内の
弁の開度を可変として所定の圧力に制御する。
を示す。膨張機１３と並列に配設されたバイパス回路１
７の圧力制御装置１５は、圧力検出手段１８と温度検出
手段１９からの信号を受け取り、圧力制御装置１５内の
弁の開度を可変として所定の圧力に制御する。
【００２４】放熱器１２の出口圧力が所定の圧力以上に
昇圧すると、圧力制御装置１５内の弁の開度を大きく
し、バイパス回路１７への冷媒の流量を多くすることに
より圧力の上昇を抑える。また、放熱器１２の出口圧力
が所定の圧力以下に下がると、圧力制御装置１５内の弁
の開度を小さくし、バイパス回路１７への冷媒の流量を
少なくすることにより圧力の低下を抑える。
昇圧すると、圧力制御装置１５内の弁の開度を大きく
し、バイパス回路１７への冷媒の流量を多くすることに
より圧力の上昇を抑える。また、放熱器１２の出口圧力
が所定の圧力以下に下がると、圧力制御装置１５内の弁
の開度を小さくし、バイパス回路１７への冷媒の流量を
少なくすることにより圧力の低下を抑える。
【００２５】ここで、圧力制御装置１５が制御を行う所
定の圧力を、図３に示す。放熱器の出口温度に応じてＣ
ＯＰが最も高くなる圧力に制御することで、蒸気圧縮式
冷凍装置のＣＯＰを高く維持することができる。
定の圧力を、図３に示す。放熱器の出口温度に応じてＣ
ＯＰが最も高くなる圧力に制御することで、蒸気圧縮式
冷凍装置のＣＯＰを高く維持することができる。
【００２６】図３に示すように、放熱器１２の出口温度
により、ＣＯＰが最高となる圧力が異なる。各温度に対
する最適圧力は、冷媒の熱物性値から計算によって求め
ることができ、この圧力を圧力制御装置１５の所定圧力
とすることで、高ＣＯＰでの運転が可能になる。図１で
は、オイルセパレータ２５およびアキュームレータ２６
を用いているが、必ずしも必要ではない。
により、ＣＯＰが最高となる圧力が異なる。各温度に対
する最適圧力は、冷媒の熱物性値から計算によって求め
ることができ、この圧力を圧力制御装置１５の所定圧力
とすることで、高ＣＯＰでの運転が可能になる。図１で
は、オイルセパレータ２５およびアキュームレータ２６
を用いているが、必ずしも必要ではない。
【００２７】第２実施例 第２実施例として、２段圧縮サイクルに膨張機を使用し
た蒸気圧縮式冷凍装置を図４に示す。第２実施例も第１
実施例と同様に、膨張機１３と並列にバイパス回路１７
を設け、バイパス回路１７に圧力制御装置１５を設け
る。
た蒸気圧縮式冷凍装置を図４に示す。第２実施例も第１
実施例と同様に、膨張機１３と並列にバイパス回路１７
を設け、バイパス回路１７に圧力制御装置１５を設け
る。
【００２８】放熱器１２ａの出側と膨張機１３の入側の
間には、冷媒圧力を検出するための圧力検出手段１８
と、冷媒の温度を検出するための温度検出手段１９が配
置され、圧力検出手段１８と温度検出手段１９からの信
号は、圧力制御装置１５に取り込まれる。
間には、冷媒圧力を検出するための圧力検出手段１８
と、冷媒の温度を検出するための温度検出手段１９が配
置され、圧力検出手段１８と温度検出手段１９からの信
号は、圧力制御装置１５に取り込まれる。
【００２９】図４では膨張機１３で回収した動力を２段
圧縮の一方の圧縮機１１ａの駆動動力として利用してお
り、第１実施例における１段圧縮の場合と比べて高いＣ
ＯＰが得られる。
圧縮の一方の圧縮機１１ａの駆動動力として利用してお
り、第１実施例における１段圧縮の場合と比べて高いＣ
ＯＰが得られる。
【００３０】１段目の圧縮機１１で昇圧された冷媒は、
放熱器１２で冷却され、それから２段目の圧縮機１１ａ
で更に昇圧される。昇圧された冷媒は、放熱器１２ａで
冷却され、膨張機１３で減圧、膨張して、蒸発器１４で
蒸発する。ここでバイパス回路１７に配設された圧力制
御装置１５は、第１実施例と同様に作動する。また、レ
シーバー２３、絞り装置２４は、必ずしも必要ではな
い。
放熱器１２で冷却され、それから２段目の圧縮機１１ａ
で更に昇圧される。昇圧された冷媒は、放熱器１２ａで
冷却され、膨張機１３で減圧、膨張して、蒸発器１４で
蒸発する。ここでバイパス回路１７に配設された圧力制
御装置１５は、第１実施例と同様に作動する。また、レ
シーバー２３、絞り装置２４は、必ずしも必要ではな
い。
【００３１】尚、本実施例では、放熱器１２の出口圧力
が所定の圧力以上に昇圧すると圧力制御装置１５内の弁
の開度を大きくし、放熱器１２の出口圧力が所定の圧力
以下に下がると圧力制御装置１５内の弁の開度を小さく
しするが、その反対に放熱器１２の出口圧力が所定の圧
力以上に昇圧すると、圧力制御装置１５内の弁の開度を
小さくし、放熱器１２の出口圧力が所定の圧力以下に下
がると、圧力制御装置１５内の弁の開度を大きくして、
放熱器１２の出口圧力を所定の圧力に制御してもよい。
が所定の圧力以上に昇圧すると圧力制御装置１５内の弁
の開度を大きくし、放熱器１２の出口圧力が所定の圧力
以下に下がると圧力制御装置１５内の弁の開度を小さく
しするが、その反対に放熱器１２の出口圧力が所定の圧
力以上に昇圧すると、圧力制御装置１５内の弁の開度を
小さくし、放熱器１２の出口圧力が所定の圧力以下に下
がると、圧力制御装置１５内の弁の開度を大きくして、
放熱器１２の出口圧力を所定の圧力に制御してもよい。
【００３２】
【発明の効果】膨張機を使用した蒸気圧縮式冷凍装置
で、バイパス回路と、圧力制御装置を用いることによ
り、放熱器の出口圧力を所定の圧力に制御することがで
き、外気温度や負荷等の変化に対応して、高ＣＯＰでの
運転が達成できる。
で、バイパス回路と、圧力制御装置を用いることによ
り、放熱器の出口圧力を所定の圧力に制御することがで
き、外気温度や負荷等の変化に対応して、高ＣＯＰでの
運転が達成できる。
【００３３】また、圧力制御装置により、冷凍サイクル
高圧側の異常な圧力上昇を防止することができ、膨張機
や圧縮機の損傷を防ぐ効果も得られる。
高圧側の異常な圧力上昇を防止することができ、膨張機
や圧縮機の損傷を防ぐ効果も得られる。
【図１】本発明の第１実施例を具現化した、蒸気圧縮式
冷凍装置の回路図である。
冷凍装置の回路図である。
【図２】蒸気圧縮式冷凍装置のｐ−ｈ線図である。
【図３】蒸気圧縮式冷凍装置を用いたときのＣＯＰの最
適圧力線図である。
適圧力線図である。
【図４】本発明の第２実施例を具現化した、蒸気圧縮式
冷凍装置の回路図である。
冷凍装置の回路図である。
【図５】従来の蒸気圧縮式冷凍装置を示す説明図であ
る。
る。
【図６】従来の蒸気圧縮式冷凍装置を示す説明図であ
る。
る。
【図７】蒸気圧縮式冷凍装置の圧力制御フロー図であ
る。
る。
１１、１１ａ…圧縮機 １２、１２ａ…放熱器 １３…膨張機 １４…蒸発器 １５…圧力制御装置 １６…原動機 １７…バイパス回路 １８…圧力検出手段（検出手段） １９…温度検出手段（検出手段） ２３…レシーバー ２４…絞り装置 ２５…オイルセパレータ ２６…アキュームレータ
Claims (3)
- 【請求項１】 冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機の出
側に連通した放熱器と、該放熱器からの冷媒を受け膨張
させる膨張機と、該膨張機に連通し前記圧縮機の入側に
接続された蒸発器から構成される回路に、前記放熱器の
出側と前記蒸発器の入側に前記膨張機と並列なバイパス
回路を設け、該バイパス回路に冷媒圧力を制御するため
の圧力制御装置と、前記圧縮機の出側と前記膨張機の入
側の間に配設され冷媒の圧力と温度を検出する検出手段
と、前記圧力制御装置は前記検出手段からの信号を取り
込み、前記圧力制御装置内の弁の開度を可変とすること
で、前記放熱器の出口圧力を所定の圧力に制御すること
を特徴とする蒸気圧縮式冷凍装置。 - 【請求項２】 前記圧力制御装置は、前記放熱器の出口
圧力が所定の圧力以上に昇圧すると、前記圧力制御装置
内の弁の開度を大きくし、前記放熱器出口圧力が所定の
圧力以下に減圧すると、弁の開度を小さくするよう圧力
制御することを特徴とする請求項１記載の蒸気圧縮式冷
凍装置。 - 【請求項３】 前記冷媒が二酸化炭素であることを特徴
とする請求項１及び２記載の蒸気圧縮式冷凍装置。
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