JP2004028574A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】機械的エネルギーを引き出すように飽和液または過冷却液をその蒸気へ高い効率で膨張させる密閉型冷凍装置を提供する。
【解決手段】飽和液または過冷却液が、エクスプレッサ２０の膨張器へ供給される。入口過程の最後の直前にまたは入口過程の完了の直後に開始して、エクスプレッサ圧縮機吐出からの高圧蒸気が、膨張進行中に捕捉領域を画定する空洞Ｃ−２へ供給される。
【選択図】　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、密閉型冷凍装置に関し、特に、エクスプレッサ容量制御装置を含む密閉型冷凍装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
全ての密閉型冷凍装置は、直列に圧縮機、凝縮器、膨張装置、蒸発器を含む。膨張装置としては、固定オリフィス、キャピラリ、温度式膨張弁、電子式膨張弁、タービン、膨張器・圧縮機（ｅｘｐａｎｄｅｒ−ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）すなわちエクスプレッサ（ｅｘｐｒｅｓｓｏｒ）などがある。各膨張装置においては、高圧液体冷媒は、圧力降下を経験しながらさっと通り（ｆｌａｓｈ）、液体冷媒の少なくとも一部が蒸気になって特定の体積の増加を引き起こす。エクスプレッサにおいては、体積増加は、随伴圧縮機を駆動するのに使用され、この随伴圧縮機は、高圧冷媒蒸気を装置圧縮機の吐出に供給し、それによって装置容量を向上させる。エクスプレッサ内で生じる圧縮過程は、電気モータではなくさっと通る液体冷媒により駆動されるので、全冷凍効率は、装置容量と同じ量だけ増加する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
冷凍機に通常適用される圧力比では、吐出圧力の吸入圧力に対する比を表す圧力比Ｐｒが、装置を制御するのに使用される。体積比Ｖｉは、圧縮の場合は吸入体積の吐出体積に対する比であり、膨張の場合は吐出体積の吸入体積に対する比である。液体膨張では、Ｖｉは、１０またはそれを超える程度である。同じ圧力比では、蒸気膨張に対するＶｉは、３または４程度に過ぎない。液体膨張と蒸気膨張との間に差がある理由は、蒸気の体積が同じ温度、圧力条件下で対応する量の液体の体積の約８０倍になるからである。また、液体を蒸気に変化させる相変化にもエネルギーが必要となる。膨張器が非常に大きな例えば１０またはそれを超えるＶｉを有する場合、入口過程の最後で液体は、膨張器の捕捉領域を画定する空洞を満たすことになる。膨張器は、さっと通るものすなわち過冷却液がない場合、あるいは、液体が膨張可能でなくてさっと通る速度が体積変化に一致しない場合は、適切に機能できない。従来技術の装置では、膨張器のＰｒまたはＶｉを大幅に低減するように前絞り（ｐｒｅ−ｔｈｒｏｔｔｌｉｎｇ）が使用される。従って、入口過程の最後では空洞領域内に２つの相が存在する。前絞りではエネルギーが利用されないのでエネルギーが浪費される。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
回転ベーンまたはツインスクリュー膨張器・圧縮機すなわちエクスプレッサ装置は、空気調和および冷凍装置において相変化を実現する膨張装置として使用される。回転ベーンまたはツインスクリューエクスプレッサは、膨張器が第１の段、圧縮機が第２の段となる二段装置が効果的であり、膨張器は、圧縮機を駆動する動力を与え、圧縮機は、装置圧縮機から凝縮器まで延びる吐出ラインへ圧縮された高圧冷媒を供給する。本発明の教示によれば、液体冷媒は、膨張器の入口へ供給される。入口過程の最後で、エクスプレッサ圧縮機吐出からの高圧蒸気は、捕捉領域へ供給される。これによって、膨張器は、液体対蒸気（ｌｉｑｕｉｄ−ｔｏ−ｖａｐｏｒ）膨張による機械的エネルギーを十分に引き出しながら、適切に機能する。始動時には、吐出ラインからの高温高圧気体の一部がエクスプレッサの膨張器へ直接供給され、それによって膨張器の回転が開始する。
【０００５】
本発明の目的は、機械的エネルギーを引き出すように飽和液または過冷却液のその蒸気への高い効率による膨張を提供することである。
【０００６】
本発明の別の目的は、エクスプレッサの回転速度または流量を制御することである。
【０００７】
本発明の付加的な目的は、始動時に吐出気体をエクスプレッサの膨張器へ直接供給することである。
【０００８】
本発明のさらなる目的は、エクスプレッサの膨張器へ供給される液体を前絞りする必要を除去することである。以下に明らかになるであろうこれらと他の目的は、本発明により実現される。
【０００９】
基本的には、飽和液または過冷却液がエクスプレッサの膨張器へ供給される。入口過程の最後の直前にまたは入口過程の完了の直後に開始して、エクスプレッサ圧縮機吐出からの高圧蒸気が、膨張進行中に捕捉領域を画定する空洞へ供給される。
【００１０】
本発明をより十分に理解するためには、添付の図面と関連させて以下の本発明の詳細な説明を参照する必要がある。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１において、番号１０は、全体として冷凍装置または空気調和装置を示す。装置１０は、圧縮機１２から始まって直列に吐出ライン１４、凝縮器１６、ライン１８、エクスプレッサ２０の形態の膨張装置、ライン２２、蒸発器２４、回路が完了する吸入ライン２６、を備える。図２を参照すると、エクスプレッサ２０は、回転ベーン装置として例示されており、名目上は各回転の半分が膨張器として機能し、さらに名目上は各回転の半分が圧縮機として機能し、それによって、エクスプレッサ２０は効果的に、負荷などが均衡状態にある二段装置となる。例示するように、エクスプレッサ２０は、対称的に周方向に間隔を置いた８つのベーンと回転軸Ａとを有するロータ２１を備え、これらのベーンはそれぞれＶ−１〜Ｖ−８で示される。ベーンＶ−１〜Ｖ−８は、シリンダ２０−１が画定するシリンダ壁面を遠心力によりシールでき、あるいは必要または所望ならば、シリンダ壁面に接触するようにばね付勢できる。各ベーンの吐出側に溝を形成し、ベーンスロット内の空洞が流体を捕捉しかつ流体ばねとなるのを防止する。エクスプレッサ２０のシリンダ２０−１は、軸Ｂに対して一様な半径を有する。膨張器が、エクスプレッサ２０の圧縮機に加えて蒸発器２４に供給しているので、ライン２２およびそのポート２２−１を空洞Ｃ−４とＣ−５に関して非対称にすることで、シールされた空洞Ｃ−５により規定される膨張器２０の圧縮機の入口体積は、空洞Ｃ−４の最大体積により規定されるエクスプレッサ２０の膨張器の吐出体積に比較して低減される。代替として、シリンダ２０−１の半径を変化させて、空洞Ｃ−４の最大体積よりは空洞Ｃ−５の最大体積を小さくすることができる。
【００１２】
ベーンＶ−１は、ロータ２１内のベーンＶ−１のスロット内へ十分に引き込まれているがシリンダ２０−１の壁面にはシールするよう接触するように例示されている。ベーンＶ−２は、ロータ２１内のベーンＶ−２のスロットから僅かに延びており、シリンダ２０−１の壁面にシールするように接触する。ベーンＶ−１、Ｖ−２、ロータ２１、シリンダ２０−１の壁面の間に画定される空洞Ｃ−１には、高圧液体（飽和されたまたは過冷却された）冷媒が、凝縮器１６の底部からライン１８を介して供給される。空洞Ｃ−１内の流体圧力が作用できる面積は、ベーンＶ−１よりベーンＶ−２の方が大きいので、空洞Ｃ−１内の流体が加える力であって、例示するようにロータ２１を時計回り方向に移動させる傾向のある力が存在する。空洞Ｃ−２は、空洞Ｃ−１に対して膨張過程において進んだ段階にあり、より大きな体積を有する。空洞Ｃ−１には、液体冷媒が供給されるが、空洞Ｃ−１がライン１８と連通しなくなるように動く前にライン１５４と連通するようになると、蒸気の冷媒が供給され得る。空洞Ｃ−２は、ライン１５４と流体連通し、最初にライン１５４と接触するようになってからライン１５４と接触しなくなるように動くまでに体積が増加する間に、ライン１５４から高圧蒸気を供給される。従って、空洞Ｃ−２は、空洞Ｃ−１より大きいとはいえ、増加された体積は、空洞Ｃ−２が空洞Ｃ−１位置にあったときに空洞Ｃ−２に供給されたさっと通った液体冷媒によるものではなく蒸気の冷媒が供給されたものである。空洞Ｃ−２内の流体圧力が作用できる面積は、ベーンＶ−２よりベーンＶ−３の方が大きいので、空洞Ｃ−２内の流体が加える力であって、ロータ２１を時計回り方向に移動させる傾向のある力が存在する。
【００１３】
空洞Ｃ−３は、空洞Ｃ−２に対して膨張過程において進んだ段階にあり、より大きな体積を有する。蒸気の冷媒は、空洞Ｃ−３が空洞Ｃ−２位置にあったときに供給されているので、前絞りの必要性なしにおよび従来技術の装置の結果として生じるエネルギー／効率の損失なしに、膨張過程が起こり得る。空洞Ｃ−３内の流体圧力が作用できる面積は、ベーンＶ−３よりベーンＶ−４の方が大きいので、空洞Ｃ−３内の流体が加える力であって、ロータ２１を時計回り方向に移動させる傾向のある力が存在する。空洞Ｃ−４は、膨張過程の最後になる。ベーンＶ−５がライン２２に曝されるとすぐに、空洞Ｃ−４からの低圧液体冷媒がライン２２に供給され、一方、低圧冷媒気体の一部が、ベーンＶ−５を通り過ぎて空洞Ｃ−５内へ流れる。通常、空洞Ｃ−４内の冷媒は、７０〜８６％程度が液体相であり、残りが蒸気相となるであろう。空洞Ｃ−５に流入する冷媒の蒸気相部分は、具体的冷媒、サイクル、装置構成によって規定されることになる。例えば、冷媒番号１３４ａの冷媒の場合、再圧縮（ｒｅｃｏｍｐｒｅｓｓ）される蒸気質量流量は、水冷冷凍機では、エクスプレッサ２０に流入する全体の液体質量流量の６％となり、空冷冷凍機では、１０％になるであろう。通常、再圧縮される蒸気は、エクスプレッサ２０に流入する全体の液体質量流量の少なくとも５％となるであろう。ポート２２−１の位置は、空洞Ｃ−５の密閉およびその最初の領域を画定する。冷媒番号１３４ａの冷媒および水冷冷凍機を想定すると、空洞Ｃ−５に供給される蒸気の冷媒は、空洞Ｃ−４からの冷媒全体の６％程度である。代替として、シリンダ２０−１の半径を変化させて、空洞Ｃ−４の最大体積よりは空洞Ｃ−５の最大体積を小さくすることができる。
【００１４】
空洞Ｃ−５は、圧縮過程の最初の段階にあり、空洞Ｃ−４、Ｃ−５がそれらの最大体積の位置にあるときに、ポート２２−１の位置により、または、空洞Ｃ−５の領域部分内のシリンダ２０−１の壁面の低減された半径により、空洞Ｃ−５は、空洞Ｃ−４より小さな体積を有する。空洞Ｃ−４、Ｃ−５内の低い圧力は、他の空洞に比較してロータ２１の回転を進めるまたは阻止するのに加える力が最小限となるが、正味の力は、時計回り方向のものとなる。空洞Ｃ−６は、圧縮の初期の段階において圧縮された気体状の冷媒の捕捉領域を表す。空洞Ｃ−６内の流体圧力が作用する面積は、ベーンＶ−７よりベーンＶ−６の方が大きいので、空洞Ｃ−６内の流体が加える力であって、ロータ２１を反時計回り方向に移動させる傾向のある力が存在する。シリンダ２０−１の壁面の低減された半径が、存在すると、流体の力に対するベーンＶ−６およびＶ−７の露出を低減する。圧縮される体積の低減によって、時計回り方向にロータ２１を移動させる傾向がある膨張器内の対応する力の相殺が防止される。
【００１５】
空洞Ｃ−７は、圧縮過程の最後の段階にある。空洞Ｃ−７内の流体圧力が作用する面積は、ベーンＶ−８よりベーンＶ−７の方が大きいので、空洞Ｃ−７内の圧縮された流体が加える力であって、ロータ２１を反時計回り方向に移動させる傾向のある力が存在する。室Ｃ−２内のより高い圧力は、この力を相殺し、それによって、ロータ２１は、時計回りに回転する。空洞Ｃ−８は、圧縮過程の吐出段階にあり、ライン１５０と連通し、名目上、圧縮機１２の吐出圧力にある。空洞Ｃ−８は、高圧冷媒をライン１４へ供給するライン１５０と流体連通する。また、ライン１５０は、圧縮機吐出圧力にある蒸気の冷媒をライン１５１へ供給し、このライン１５１は、制限されたライン１５２を介してライン１５４および空洞Ｃ−２と連続的に流体連通する。ライン１５１は、弁１６０を含むライン１５３を介してライン１５４および空洞Ｃ−２と選択的に流体連通する。弁１６０は、それを通る流量を制御するように脈動される電磁弁などのどのような適切な種類のものとすることもできる。電磁弁１６０は、液体レベル検出器１６２により検出される凝縮器１６内の液体レベルに応じてマイクロプロセッサ１７０によって制御される。
【００１６】
作動時は、圧縮機１２からの高温高圧冷媒が、吐出ライン１４を介して凝縮器１６へ供給され、そこで、冷媒蒸気は、凝縮して液体となる。凝縮器１６の底部からの液体冷媒は、ライン１８を介してエクスプレッサ２０へ供給され、そこで、空洞Ｃ−１からＣ−４により示される膨張過程を経験する。空洞Ｃ−４からの低圧液体／蒸気冷媒混合物は、ライン２２を介して蒸発器２４へ供給され、そこで、液体冷媒は蒸発して必要な空間を冷却し、結果として得られた気体状の冷媒は、圧縮器１２へ吸入ライン２６を介して供給され、サイクルは完了する。空洞Ｃ−４からの冷媒蒸気の一部は、エクスプレッサ２０の圧縮機の空洞Ｃ−５へ供給される。空洞Ｃ−５からＣ−８により連続的に例示される圧縮過程において、低圧冷媒蒸気は、吐出ライン１４の圧縮機１２の吐出圧力に対応する圧力に圧縮される。空洞Ｃ−８はライン１５０内へ吐出し、ライン１５０は、空洞Ｃ−８からの高圧気体状の冷媒の一部をライン１４へ供給し、そこで、この冷媒は、凝縮器１６へ供給される高温高圧冷媒の量を効果的に増加させ、それによって、装置１０の容量および効率を向上させる。ライン１５０内へ吐出された空洞Ｃ−８からの高圧蒸気の冷媒の一部は、ライン１５１へ流入し、制限されたライン１５２を介してライン１５４内へさらに空洞Ｃ−２内へ流れ、この空洞Ｃ−２は、高圧液体冷媒ライン１８からちょうど今接続を切られたばかりか、あるいは、高圧液体冷媒ライン１８に依然として接続されいているが今にも接続が切られそうになっている。制限されたライン１５２は、ロータ２１の最低限の回転速度に付随する速度で空洞Ｃ−２内へと高圧蒸気の冷媒の流れを可能にする。ライン１５３は、制限されたライン１５２に並列になっており、電磁弁１６０を含み、この電磁弁は、凝縮器１６内の液体レベル検出器１６２により検出される凝縮器１６内の液体レベルに応答してマイクロプロセッサ１７０により制御される。ロータ２１の回転速度は、弁１６０の開の程度により増加される。エクスプレッサの吐出に加えて、空洞Ｃ−２に供給されるこの高圧蒸気は、始動時にはエクスプレッサ２０を駆動するために圧縮機１２の吐出からライン１４、１５０を介して到達することができる。冷媒蒸気が膨張過程の空洞Ｃ−２部分内に存在するので、膨張器は、適切に機能でき、液体対蒸気膨張による機械的エネルギーが十分に引き出され得る。
【００１７】
ライン１８から空洞Ｃ−１内へ通じる高圧液体入口ポート１８−１が、液体対蒸気膨張Ｖｉとよく調和し、蒸気供給ポート１５４−１は、同じ圧力比における蒸気膨張Ｖｉとよく調和する。弁１６０を通して制御される高圧蒸気の流れ容量は、エクスプレッサ２０の回転速度を制御する。ロータ２１の最低限の速度および最低限の膨張の流れ容量（装置１０の冷凍容量）は、弁１６０が閉のときに生じる。弁１６０は、エクスプレッサ２０の流れ容量に対応するロータの速度を制御するのに使用される。弁１６０が十分に開のときに、ロータ２１の速度すなわちエクスプレッサ２０の流れ容量がその最大になる。
【００１８】
通常、作動時にライン１５０を通る流れは、エクスプレッサ２０の圧縮部分の吐出から吐出ライン１４へのものとなる。しかしながら、始動時は、装置１０内の圧力が少なくとも名目上均等になっていると想定すれば、吐出ライン１４へ供給される圧縮機１２の吐出の一部は、ライン１５０を介してエクスプレッサ２０へ供給できる。図２から明らかなように、ライン１５０は、空洞Ｃ−８と流体連通しているが、そこではライン１５０は、ほとんど影響を及ぼさない。しかしながら、上述したように、空洞Ｃ−２内の加圧された流体が、ロータ２１を時計回り方向に回転させる傾向がありそれによってエクスプレッサ２０の始動を容易にするように、ライン１５０は、ライン１５１、１５２、１５４を介して空洞Ｃ−２と流体連通する。
【００１９】
図３を参照すると、エクスプレッサ２０’は、エクスプレッサ２０のツインスクリューロータ同等物である。エクスプレッサ２０’の構造の全ては、エクスプレッサ２０の同等構造と同じに符号を付けてある。ロータ２１’が１つだけ例示されているとはいえ、明らかなように、空洞Ｃ−１からＣ−４は、体積が連続的に増加して、エクスプレッサの膨張器部分を規定しており、空洞Ｃ−５から空洞Ｃ−８は、体積が連続的に減少して、エクスプレッサの圧縮機部分を規定している。ポート２２−１の位置は、空洞Ｃ−５が閉じるのを遅らせ、それによって、空洞Ｃ−４の最大閉体積に対する空洞Ｃ−５の最大閉体積が低減する。必要または望ましいならば、ポート２２−１は、空洞Ｃ−６内で圧縮過程の第１の捕捉領域が閉じることが生じるように、第１の捕捉領域が閉じるのを遅らせることができる。
【００２０】
図４は、空洞が上述した空洞Ｃ−１位置から空洞Ｃ−８位置まで進行する間のエクスプレッサ２０、２０’内の膨張・圧縮過程を示すグラフである。低圧液体／蒸気吐出と呼ばれる中央領域部分は、図２に例示されたそれぞれの位置における空洞Ｃ−４、Ｃ−５に対応する。
【００２１】
本発明の好ましい実施態様を例示、説明したが、当業者により他の変更もなされるであろう。従って、本発明の範囲は、特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を利用する冷凍装置または空気調和装置の概略図である。
【図２】エクスプレッサが回転ベーン装置である図１の装置のエクスプレッサの簡略図である。
【図３】エクスプレッサがツインスクリュー装置である図１の装置のエクスプレッサの簡略図である。
【図４】エクスプレッサ内の膨張・圧縮過程中の体積変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１８…ライン
１８−１…高圧液体入口ポート
２０…エクスプレッサ
２０−１…シリンダ
２１…ロータ
２２…ライン
２２−１…ポート
１５０、１５１、１５３、１５４…ライン
１５２…制限されたライン
１５４−１…蒸気供給ポート
１６０…弁
Ａ、Ｂ…軸
Ｃ−１〜Ｃ−８…空洞
Ｖ−１〜Ｖ−８…ベーン

Claims (6)

1. 直列に主圧縮機、吐出ライン、凝縮器、エクスプレッサ、蒸発器、吸入ラインを含む密閉型冷凍装置であって、
   前記エクスプレッサは、各サイクルの半分の間に膨張器として機能する部分と、各サイクルの他の半分の間に圧縮機として機能する部分とを有し、
   各サイクルの前記半分の前記膨張器部分は、体積が増加する複数の捕捉領域を含み、これらの捕捉領域は、前記凝縮器から液体冷媒を供給する手段と、前記エクスプレッサの前記圧縮機から吐出圧力を供給する手段と、前記蒸発器へおよび前記エクスプレッサの前記圧縮機へ排出する手段とに連続的に接続され、
   各サイクルの前記他の半分の前記圧縮機部分は、複数の捕捉領域を含み、これらの捕捉領域は、各サイクルの前記他の半分の間に連続的に体積が減少することを特徴とする密閉型冷凍装置。
2. 前記膨張器部分の中の最大の捕捉領域は、前記圧縮機部分の中の最大の捕捉領域より体積が大きいことを特徴とする請求項１記載の密閉型冷凍装置。
3. 前記エクスプレッサは、回転ベーン装置であることを特徴とする請求項１記載の密閉型冷凍装置。
4. 前記膨張器部分の捕捉領域への前記エクスプレッサの前記圧縮機部分からの吐出圧力の前記供給を調整する手段をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の密閉型冷凍装置。
5. 前記エクスプレッサはスクリュー装置であることを特徴とする請求項１記載の密閉型冷凍装置。
6. 前記密閉型冷凍装置は、始動時に前記吐出ラインを前記膨張器部分へ接続する手段をさらに含み、それによって、前記主圧縮機が、始動状態の間に前記エクスプレッサを駆動するように加圧冷媒蒸気を前記膨張器部分へ供給することを特徴とする請求項１記載の密閉型冷凍装置。

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