JP2004060602A - Compressor for refrigerating cycle device and refrigerating cycle device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷媒として二酸化炭素を使用した冷凍サイクル装置用圧縮機および冷凍サイクル装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
空調機、カーエアコン、給湯器等には、圧縮機、放熱器、減圧器、吸熱器等を接続してなる冷凍サイクル装置が使われているが、この冷凍サイクル装置内に封入される冷媒としては、フッ素原子を含有する炭化水素類(フロン類)が用いられてきた。しかし、フロン類は、オゾン層を破壊する性質を有していたり、大気中での寿命が長いために温室効果が大きいので地球温暖化に影響を与えたりと、必ずしも満足な冷媒とはいえない。
【0003】
そこでフロン類の代わりに、オゾン破壊係数がゼロであり、かつ、地球温暖化係数もフロン類に比べれば格段に小さい、二酸化炭素(以下、CO2冷媒という)やエタンなどを冷媒として用いる冷凍サイクル装置の可能性が検討されつつある。例えば、特許2132329号には、CO2冷媒を使用した冷凍サイクル装置が開示されている。
【0004】
特許2132329号に開示されている冷凍サイクル装置の構成の概略を図10を用いて説明する。図10の冷凍サイクル装置は、CO2冷媒を使用し、圧縮機1、放熱器2、低圧側流路3aと高圧側流路3bが熱交換するように構成された内部熱交換器3、減圧器4、吸熱器5を基本構成要素としている。なお、内部熱交換器3の低圧側流路3aは吸熱器5〜圧縮機1吸入の間の冷媒が流れるように構成されており、高圧側流路3bは放熱器2〜減圧器4の間の冷媒が流れるように構成されている。
【0005】
この冷凍サイクル装置の動作について説明する。なお、図中において、実線の矢印は冷媒の流れ方向を示している。圧縮機1で圧縮されたCO2冷媒は高温高圧状態となり放熱器2へ導入される。放熱器2では、CO2冷媒は超臨界状態であるので、気液二相状態とはならずに空気や水などの外部流体に放熱する。その後、CO2冷媒は、内部熱交換器3の高圧側流路3bにおいてさらに冷却される。さらに、減圧器4では減圧されて低圧の気液二相状態となり吸熱器5へ導入される。吸熱器5では、空気や水などの外部流体を冷却しCO2冷媒は吸熱する。その後、内部熱交換器3の低圧側流路3aにおいてガス状態となり、再び圧縮機1に吸入される。このようなサイクルを繰り返すことにより、放熱器2で放熱による加熱作用、例えば、暖房や水加熱、吸熱器5で吸熱による冷却作用、例えば、冷房や除湿を行うことができる。
【0006】
ここで、CO2冷媒を用いた圧縮機1の冷媒吐出温度は、従来用いられてきた冷媒であるフロン類(HCFC22やR410AやR407Cなど)に比較して、約20K程度高くなることが判明してきた。そこで、このような冷凍サイクル装置に用いられる圧縮機1については、例えば、特開2000−97177号に開示されているように、圧縮要素や電動要素などを収納した密閉容器内を冷凍サイクルにおける低圧側圧力(減圧器4出口〜吸熱器5〜内部熱交換器の低圧側流路3a〜圧縮機1吸入の圧力)と略同圧力とし、密閉容器内に収納された電動要素の絶縁材料が冷凍機油等の温度上昇によって変質することを防止し圧縮機の信頼性を向上させることが提案されている。
【0007】
なお、従来の冷媒を用いた圧縮機の電動要素の巻線の絶縁層や、電線の接続部、絶縁フィルム、結束糸などの絶縁材料には、耐冷媒特性、加工性の良さ、供給しやすさなどの点から、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレルタレート、ポリエチレンナフタレートなどの有機材料が汎用的に使用されている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、冷凍機油としてポリアルキレングリコール油やポリオールエステル油を使用し、CO2冷媒を用いた圧縮機1の密閉容器内を冷凍サイクルにおける低圧側圧力と略同圧力とすると、CO2冷媒は従来の冷媒に比べてこれらの冷凍機油に溶解する溶解量が多いために、冷凍機油の粘度が低下して、冷媒とともに密閉容器外へ吐出される冷凍機油の量(以下、オイル吐出量という)が増加してしまう。この吐出された冷凍機油によって、放熱器2や吸熱器5での熱伝達が阻害され、冷凍サイクル装置の性能が低下するといった新たな問題が生じることが明らかになった。
【0009】
このようなオイル吐出量が増加する問題を解決する手段として、従来の冷媒の場合と同様に、圧縮機1の密閉容器内を冷凍サイクルにおける高圧側圧力(圧縮機1吐出〜放熱器2〜内部熱交換器の高圧側流路3b〜減圧器4入口の圧力)と略同圧力とし、圧縮機1内の圧縮要素から冷媒とともに吐出される冷凍機油を一度、密閉容器内に吐出することで、圧縮機1の密閉容器外へ吐出されるオイル吐出量を低減することが考えられる。
【0010】
しかし、密閉容器内を冷凍サイクルにおける高圧側圧力と略同圧力とした圧縮機の電動要素の雰囲気温度は、吐出冷媒雰囲気となるため密閉容器内を冷凍サイクルにおける低圧側圧力と略同圧力とした圧縮機に比べて上昇するために、密閉容器内に封入される電動要素の絶縁材料が変質し、圧縮機の信頼性を低下させるといった問題が生じる恐れがあり、特にCO2冷媒の場合には、前述のように、吐出温度が従来のフロン類より高温となるため大きな問題となる恐れがある。
【0011】
そこで本発明は、上述した問題に対して、CO2冷媒を使用した冷凍サイクル装置用圧縮機および冷凍サイクル装置において、信頼性の低下を回避しつつ、高効率な圧縮機および冷凍サイクル装置を提供することを目的とするものである。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、第1の本発明(請求項1に対応)は、二酸化炭素を冷媒として用い、少なくとも圧縮要素と電動要素とを密閉容器内に収納し、かつ、鉱油系油、アルキルベンゼン油およびそれらの混合物から選ばれるいずれか一つを主成分とする冷凍機油を封入した冷凍サイクル装置用圧縮機において、前記密閉容器内が冷凍サイクルにおける高圧側圧力と略同圧力であり、前記電動要素の絶縁材料がポリビニルホルマール、ポリフェニレンサルファイド、ポリエステルイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリイミドのうちの少なくとも1つからなることを特徴とする圧縮機である。
また、第2の本発明(請求項2に対応)は、第1の本発明において、前記冷凍機油に含まれる水分の重量含有率が100重量ppm以下であることを特徴とする圧縮機である。
また、第3の本発明(請求項3に対応)は、第1または2の本発明において、前記冷凍機油に含まれる水分の重量含有率が50重量ppm以下であることを特徴とする圧縮機である。
また、第4の本発明(請求項4に対応)は、少なくとも、圧縮機、放熱器、減圧器、吸熱器を接続した冷凍サイクル装置において、圧縮機として第1乃至3のいずれかの本発明の圧縮機を用いたことを特徴とする冷凍サイクル装置である。また、第5の本発明(請求項5に対応)は、第4の本発明において、前記圧縮機と前記吸熱器との間の冷媒と、前記放熱器と前記減圧器との間の冷媒を熱交換させる内部熱交換器をさらに備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置である。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて説明する。
【0014】
図1は、本発明の冷凍サイクル装置用圧縮機の一例の概略を示す構成図である。図1の圧縮機は冷媒としてCO2冷媒が用いられており、密閉容器10内には冷媒を圧縮する圧縮要素11と、圧縮要素11を動作させる電動要素13が設けられ、底部には冷媒が溶解した冷凍機油14が貯留している。ここで、密閉容器10内は冷凍サイクルにおける高圧側圧力と略同圧力である。また、圧縮要素11は駆動軸15で電動要素13と連結されており、圧縮要素11の間には圧縮室110が形成されている。さらに、駆動軸15には冷凍機油経路150が形成されている。電動要素13は接続部(図示せず)を介して電源端子(図示せず)より電気を供給される。
【0015】
電動要素13は、その外周面を密閉容器10に支持された円筒状のステータ131と、ステータ131の内周面から一定の間隔を保つように駆動軸15によって支持されたロータ132によって構成されている。ステータ131は、鉄板を円筒状に積層したコア16と、コア16の円筒方向に多数形成されたスロット内を通るマグネットワイヤ17と、このコア16とマグネットワイヤ17との間、および、マグネットワイヤ17内の相関の絶縁フィルム18と、コア16の端面からはみ出したマグネットワイヤ17を縛っている結束糸(図示せず)により構成されている。ここで、ステータ131の接続部、絶縁フィルム18ならびに結束糸などの絶縁材料には、耐熱性に優れたポリビニルホルマール、ポリフェニレンサルファイド、ポリエステルイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリイミドのうち選ばれた少なくとも一つの有機材料を使用する。
【0016】
次に、圧縮機の動作について説明する。電動要素13のロータ132が回転することにより、その回転動力が駆動軸15を介して圧縮要素11に伝達され、CO2冷媒は吸入管12から圧縮室110に吸入され、圧縮室110の縮小に伴いCO2冷媒は圧縮され吐出孔111から密閉容器10内に吐出される。密閉容器10内に吐出されたCO2冷媒は吐出管19を介して圧縮機外へ吐出される。一方、冷凍機油14はポンプ151により冷凍機油経路150を経由して、圧縮要素11の各摺動部に供給される。冷凍機油14は摺動部のみを潤滑すれば良いが、現実には圧縮室110内にも流れ込み、この結果、CO2冷媒とともに圧縮室110から吐出孔111を経由して吐出される。
【0017】
このように、密閉容器10内が冷凍サイクルにおける高圧側圧力と略同圧力である圧縮機の場合、吐出孔111から吐出されるCO2冷媒と冷凍機油は一度、密閉容器10内に吐出されるために、吐出された冷凍機油の大部分は、密閉容器10内で吐出管19に至るまでにCO2冷媒から分離されて再び密閉容器10底部に貯留する。したがって、吐出される冷凍機油によって、放熱器や吸熱器での熱伝達が阻害され、冷凍サイクル装置の性能を低下させることがなく、効率の良い圧縮機を実現することができる。表1に、電動要素13の絶縁材料と冷凍機油14に含まれる水分の重量含有率を変更した圧縮機を約10MPaの吐出圧力、約160℃の冷媒吐出温度という試験条件で2000時間運転し、オリゴマの抽出やブリスタの発生などの絶縁材料の変質の程度を調べた結果を示す。
【0018】
【表1】
【0019】
表1から明らかなように、電動要素13の雰囲気温度が上昇する密閉容器10内が冷凍サイクルにおける高圧側圧力と略同圧力である圧縮機であっても、絶縁材料として、従来、用いられてきたポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレルタレート、ポリエチレンナフタレートなどより、耐熱性に優れたポリビニルホルマール、ポリフェニレンサルファイド、ポリエステルイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリイミドなどを使用すると、絶縁材料が変質し、圧縮機の信頼性を低下させるといった問題が生じることがない。
【0020】
したがって、密閉容器10内を冷凍サイクルにおける高圧側圧力と略同圧力とし、電動要素13の絶縁材料をポリビニルホルマール、ポリフェニレンサルファイド、ポリエステルイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリイミドのうちの少なくとも1つとすることで、信頼性の低下を回避しつつ、高効率な圧縮機を実現できる。
【0021】
さらに、表1から明らかなように、絶縁材料の変質をさらに低減し信頼性の低下を回避しつつ高効率な圧縮機を実現する上で、冷凍機油14に含まれる水分の重量含有率は好ましくは100重量ppm以下、より好ましくは50重量ppm以下とするのが良い。また、冷凍機油14に含まれる水分の重量含有率を好ましくは100重量ppm以下、より好ましくは50重量ppm以下とするためには、表2から明らかなように吸湿性の小さい、パラフィン油やナフテン油などの鉱油系油、アルキルベンゼン油およびそれらの混合物から選ばれるいずれか一つを主成分とした冷凍機油14を用いることで水分管理が容易となる。
【0022】
【表2】
【0023】
よって、二酸化炭素を冷媒として用い、少なくとも圧縮要素と電動要素とを密閉容器内に収納し、かつ、鉱油系油、アルキルベンゼン油およびそれらの混合物から選ばれるいずれか一つを主成分とする冷凍機油を封入した冷凍サイクル装置用圧縮機において、前記密閉容器内が冷凍サイクルにおける高圧側圧力と略同圧力であり、前記電動要素の絶縁材料がポリビニルホルマール、ポリフェニレンサルファイド、ポリエステルイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリイミドのうちの少なくとも1つからなることを特徴とする圧縮機は、信頼性の低下を回避しつつ高効率な圧縮機として価値あるものである。なお、冷凍機油による摺動損失を減らすために冷凍機油の粘度を適切に設定することが好ましい。CO2冷媒は上記の冷凍機油への溶け込み量が少ない。従って、上記の冷凍機油については、40℃での動粘度を40mm2/s以下に保つことが好ましい。
【0024】
以上のような本発明の冷凍サイクル装置用圧縮機は、圧縮機、放熱器、減圧器、吸熱器を接続した冷凍サイクル装置における圧縮機として用いられる。冷凍サイクル装置が圧縮機と吸熱器との間の冷媒と、放熱器と減圧器との間の冷媒を熱交換させる内部熱交換器をさらに備えている場合、圧縮機の冷媒吐出温度はさらに上昇する傾向になるため、本発明の冷凍サイクル装置用圧縮機を使用することの効果はより高くなる。
【0025】
また、二酸化炭素を冷媒として用い、少なくとも、圧縮機、放熱器、減圧器、吸熱器を接続した冷凍サイクル装置において、前記圧縮機の冷媒吐出温度を検知する吐出温度検知器と、前記吐出温度検知器が検知した冷媒吐出温度に応じて前記減圧器の開度を操作し冷媒吐出温度を調整する減圧器吐出温度制御器と、前記放熱器の冷媒出口温度を検知する出口温度検知器と、前記出口温度検知器が検知した冷媒出口温度に応じて前記減圧器の開度を操作し高圧を調整する減圧器最適高圧制御器と、前記吐出温度検知器が検知した冷媒吐出温度に応じて前記減圧器吐出温度制御器と前記減圧器最適高圧制御器とを切り替えて前記減圧器の開度を操作する減圧器開度操作器と、前記吸熱器の冷媒蒸発温度を検知する蒸発温度検知器と、前記蒸発温度検知器が検知した冷媒蒸発温度に応じて前記圧縮機の回転数を操作し能力を調整する圧縮機能力制御器とを備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置における圧縮機として、本発明の圧縮機を用いてもよい。この冷凍サイクル装置は、減圧器吐出温度制御器、減圧器最適高圧制御器、減圧器開度操作器、圧縮機能力制御器によって減圧器と圧縮機を適正に制御することで、利用者等から要求された能力に応じ、かつ、効率の高い状態で運転を維持しながら、圧縮機の電動要素の絶縁材料が変質するほどに圧縮機の冷媒吐出温度が上昇することを防止した運転が実現できるものであり、このような冷凍サイクル装置に本発明の圧縮機を用いれば、導電要素の絶縁材料の変質による信頼性の低下は、より確実に阻止できる(以下、この冷凍サイクル装置を実施の形態Aと位置付ける)。
【0026】
図2は、この冷凍サイクル装置の概略を示す構成図である。
図2の冷凍サイクル装置は、CO2冷媒を使用し、圧縮機21、放熱器22、低圧側流路23aと高圧側流路23bが熱交換するように構成された内部熱交換器23、減圧器24、吸熱器25を基本構成要素としている。なお、内部熱交換器23の低圧側流路23aは吸熱器25〜圧縮機21吸入の間の冷媒が流れるように構成されており、高圧側流路23bは放熱器22〜減圧器24の間の冷媒が流れるように構成されている。
図2において、31は圧縮機21の冷媒吐出温度を検知する吐出温度検知器、32は吐出温度検知器31で検知された冷媒吐出温度が設定温度となるように減圧器24の開度を制御する減圧器吐出温度制御器、33は放熱器22の冷媒出口温度を検知する出口温度検知器、34は出口温度検知器33で検知された冷媒出口温度からCOP(Coefficient of Performance)が最大となる冷凍サイクルにおける高圧側圧力(圧縮機21吐出〜放熱器22〜内部熱交換器の高圧側流路23b〜減圧器24入口)(以下、最適高圧という)を演算する最適高圧演算器、35は高圧側圧力を検知する高圧検知器、36は高圧検知器35で検知された高圧側圧力が最適高圧演算器34で演算された最適高圧となるように減圧器24の開度を制御する減圧器最適高圧制御器、37は減圧器吐出温度制御器32と減圧器最適高圧制御器36の出力を吐出温度検知器31で検知された冷媒吐出温度に応じて切り替えあるいは融合して減圧器24の開度を操作する減圧器開度操作器である。また、41は吸熱器25での冷媒蒸発温度を検知する蒸発温度検知器、42は蒸発温度検知器41で検知された冷媒蒸発温度が、吸熱器25が凍結することのないようにあらかじめ定められた冷媒蒸発温度(以下、第1設定温度ともいう)以上になるように圧縮機21の回転数を制御する圧縮機フロスト制御器、43は蒸発温度検知器41で検知された冷媒蒸発温度が、利用者等から要求された能力を供給するのに必要なあらかじめ定められた冷媒蒸発温度(以下、第2設定温度という)になるように圧縮機21の回転数を制御する圧縮機能力制御器、44は圧縮機フロスト制御器42と圧縮機能力制御器43の出力を蒸発温度検知器41で検知された冷媒蒸発温度に応じて切り替えあるいは融合して圧縮機21の回転数を操作する圧縮機回転数操作器である。
【0027】
本冷凍サイクル装置の動作のうちCO2冷媒の流れについては以下の通りである。すなわち、図中において、実線の矢印はCO2冷媒の流れ方向を示している。圧縮機21で圧縮されたCO2冷媒は高温高圧状態となり放熱器22へ導入される。放熱器22では、CO2冷媒は超臨界状態であるので、気液二相状態とはならずに空気や水などの外部流体に放熱する。その後、CO2冷媒は、内部熱交換器23の高圧側流路23bにおいてさらに冷却される。さらに、減圧器24では減圧されて低圧の気液二相状態となり吸熱器25へ導入される。吸熱器25では、空気や水などの外部流体を冷却しCO2冷媒は吸熱する。その後、内部熱交換器23の低圧側流路23aにおいてガス状態となり、再び圧縮機21に吸入される。このようなサイクルを繰り返すことにより、放熱器22で放熱による加熱作用、例えば、暖房や水加熱、吸熱器25で吸熱による冷却作用、例えば、冷房や除湿を行うことができる。
【0028】
本冷凍サイクル装置は、CO2冷媒を用いていることと、圧縮機21を密閉容器内を冷凍サイクルにおける高圧側圧力と略同圧力とした圧縮機とした場合、従来用いられてきたフロン類を冷媒として用いた場合や、密閉容器内を冷凍サイクルにおける低圧側圧力と略同圧力とした圧縮機を用いた場合に比べて、圧縮機21の電動要素の雰囲気温度が上昇して、圧縮機21の電動要素の絶縁材料が変質し、圧縮機の信頼性を低下させるといった問題が生じる恐れがある。
【0029】
しかし、本実施の形態においては、圧縮機回転数操作器44によって圧縮機21が適切に操作され、減圧器開度操作器37によって減圧器24が適切に操作されることから、上記のような問題の発生を未然に防止することができる。図3は圧縮機回転数操作器44による圧縮機21の動作と、減圧器開度操作器37による減圧器24の動作を示すフローチャートである。以下、このフローチャートを用いて説明する。
【0030】
まず、圧縮機21の動作について説明する。蒸発温度検知器41で検知された冷媒蒸発温度と第1蒸発温度閾値Te1(例えば吸熱器25が凍結する冷媒蒸発温度をもとに設定)との比較を行い(ステップ201)、冷媒蒸発温度が第1蒸発温度閾値Te1よりも低い場合には蒸発温度メンバシップ値を0に設定し(ステップ202)、冷媒蒸発温度が第1蒸発温度閾値Te1より高い場合には第1蒸発温度閾値Te1より高い第2蒸発温度閾値Te2(例えば吸熱器25が凍結する冷媒蒸発温度より若干高い温度に設定)との比較を行い(ステップ203)、冷媒蒸発温度が第2蒸発温度閾値Te2よりも低い場合には温度に応じて0から1までの範囲で単調で連続した変化をする蒸発温度メンバシップ値を設定し(ステップ204)、冷媒蒸発温度が第2蒸発温度閾値Te2より高い場合には蒸発温度メンバシップ値を1に設定する(ステップ205)。なお、第1蒸発温度閾値は、第1設定温度と同じ温度を設定してもよいが、これにこだわる必要はなく、例えば、第1設定温度より、若干低めの温度を設定してもよい。また、第2蒸発温度閾値についても、第1蒸発温度閾値より若干高く、第1設定温度より、若干低い温度を設定してもよい。
【0031】
それから、圧縮機能力制御器43による圧縮機21の回転数と蒸発温度メンバシップ値との積量と、圧縮機フロスト制御器42による圧縮機21の回転数と1から蒸発温度メンバシップ値を減じた値との積量の和として圧縮機回転数を決定して圧縮機21を操作する(ステップ206)。ここで、圧縮機能力制御器43は、蒸発温度検知器41で検知された冷媒蒸発温度が、利用者等から要求された能力を供給するのに必要なあらかじめ定められた冷媒蒸発温度(第2設定温度)となるように、圧縮機21の回転数を決定するものである(図3中では能力制御という)。一方、圧縮機フロスト制御器42は、蒸発温度検知器41で検知された冷媒蒸発温度が、吸熱器25が凍結することのないようにあらかじめ定められた冷媒蒸発温度(第1設定温度)以上になるように、圧縮機21の回転数を決定するものである(図3中ではフロスト防止制御という)。
【0032】
すなわち、蒸発温度検知器41で検知される冷媒蒸発温度がステップ201で第1蒸発温度閾値Te1より低いと判断されたときは、冷媒蒸発温度が低く吸熱器25が凍結してしまう恐れがあることから、ステップ206では圧縮機フロスト制御器42による圧縮機回転数を最優先にして、圧縮機21の回転数を低下させて冷媒蒸発温度を上昇させる。また蒸発温度検知器41で検知される冷媒蒸発温度がステップ201で第1蒸発温度閾値Te1より高いと判断され、かつ、ステップ203で第2蒸発温度閾値Te2より高いと判断されたときには、冷媒蒸発温度は吸熱器25が凍結してしまう恐れのない状態であることから、ステップ206では圧縮機能力制御器43による圧縮機回転数を最優先にして、利用者等から要求された能力を供給するのに必要なあらかじめ定められた冷媒蒸発温度(第2設定温度)となるように、圧縮機回転数を決定する。この時、蒸発温度検知器41で検知された冷媒蒸発温度が第2設定温度よりも高いときには、能力が不足していると判断し圧縮機能力制御器43により圧縮機回転数を増加方向に決定し、冷媒循環量を増大させる。逆に蒸発温度検知器41で検知された冷媒蒸発温度が第2設定温度よりも低いときには、能力が過剰であると判断し圧縮機能力制御器43により圧縮機回転数を減少方向に決定し、冷媒循環量を減少させる。また蒸発温度検知器41で検知された冷媒蒸発温度がステップ201で第1蒸発温度閾値Te1より高いと判断され、かつ、ステップ203で第2蒸発温度閾値Te2より低いと判断されたときには、冷媒蒸発温度が低く、吸熱器25がすぐに凍結してしまう恐れはないが、あまり好ましくない状態であるので、ステップ206では圧縮機フロスト制御器42による圧縮機回転数と圧縮機能力制御器43による圧縮機回転数とを混合して圧縮機21を操作することから、吸熱器25の凍結を防止しつつ、利用者等から要求された能力に応じた冷媒蒸発温度となるような運転が実現できる。
【0033】
次に、減圧器24の動作について説明する。吐出温度検知器31で検知された冷媒吐出温度と第1吐出温度閾値Td1(例えば圧縮機21の許容使用範囲上限をもとに設定)との比較を行い(ステップ301)、冷媒吐出温度が第1吐出温度閾値Td1よりも高い場合には吐出温度メンバシップ値を0に設定し(ステップ302)、冷媒吐出温度が第1吐出温度閾値Td1より低い場合には第1吐出温度閾値Td1より低い第2吐出温度閾値Td2(例えば圧縮機21の常用使用範囲上限をもとに設定)との比較を行い(ステップ303)、冷媒吐出温度が第2吐出温度閾値Td2よりも高い場合には冷媒吐出温度に応じて0から1までの範囲で単調で連続した変化をする吐出温度メンバシップ値を設定し(ステップ304)、冷媒吐出温度が第2吐出温度閾値Td2より低い場合には吐出温度メンバシップ値を1に設定する(ステップ305)。
【0034】
それから、減圧器最適高圧制御器36による減圧器24の開度と吐出温度メンバシップ値との積量と、減圧器吐出温度制御器32による減圧器24の開度と1から吐出温度メンバシップ値を減じた値との積量の和として減圧器24の開度を決定して減圧器24の開度を操作する(ステップ306)。ここで、減圧器最適高圧制御器36は、高圧検知器35で検知された高圧側圧力が、出口温度検知器33で検知された冷媒出口温度に基づいて最適高圧演算器34で演算された最適高圧よりも高ければ減圧器24の開度を増加方向に、低ければ減圧器24の開度を減少方向に減圧器24の開度を決定するものである(図3中では最適高圧制御という)。一方、減圧器吐出温度制御器32は、吐出温度検知器31で検知された冷媒吐出温度が、あらかじめ定められた冷媒吐出温度より高ければ減圧器24の開度を増加方向に、低ければ減圧器24の開度を減少方向に減圧器24の開度を決定するものである(図3中では吐出温度制御という)。
【0035】
すなわち、吐出温度検知器31で検知される冷媒吐出温度がステップ301で第1吐出温度閾値Td1より高いと判断されたときは、冷媒吐出温度が圧縮機21の許容使用範囲をはずれており圧縮機21の信頼性を著しく損なう状態であることから、ステップ306では減圧器吐出温度制御器32による減圧器開度を最優先にして、減圧器24の開度を増加させて冷媒吐出温度を低下させる。また吐出温度検知器31で検知される冷媒吐出温度がステップ301で第1吐出温度閾値Td1より低いと判断され、かつ、ステップ303で第2吐出温度閾値Td2より低いと判断されたときには、冷媒吐出温度は圧縮機21の常用使用範囲内であり圧縮機21の信頼性には問題ない状態であることから、ステップ306では減圧器最適高圧制御器36による減圧器開度を最優先にして減圧器開度を決定する。この時、高圧検知器35で検知された冷凍サイクルにおける高圧側圧力が、出口温度検知器33で検知された冷媒出口温度に基づいて、最適高圧演算器34により演算された最適高圧よりも高いときには減圧器最適高圧制御器36により減圧器24の開度を増加方向に決定する。この結果、高圧側(圧縮機21吐出〜放熱器22〜内部熱交換器の高圧側流路23b〜減圧器24入口)の冷媒が低圧側(減圧器24出口〜吸熱器25〜内部熱交換器の低圧側流路23a〜圧縮機21吸入)へ移動して高圧側圧力が低下するので、高圧側圧力を最適高圧に一致させることができ、COPの高い状態での運転が実現できる。逆に高圧検知器35で検知された高圧側圧力が最適高圧演算器34により演算された最適高圧よりも低いときには、減圧器最適高圧制御器36により減圧器24の開度を減少方向に決定する。この結果、低圧側の冷媒が高圧側へ移動して高圧側圧力が上昇するので、高圧側圧力を最適高圧に一致させることができ、COPの高い状態での運転が実現できる。また吐出温度検知器31で検知される冷媒吐出温度がステップ301で第1吐出温度閾値Td1より低いと判断され、かつ、ステップ303で第2吐出温度閾値Td2より高いと判断されたときには、冷媒吐出温度は圧縮機21の使用許容範囲内ではあるが常用使用範囲外であり圧縮機21の信頼性の面からはあまり好ましくない状態であるので、ステップ306では減圧器吐出温度制御器32による減圧器24の開度と減圧器最適高圧制御器36による減圧器24の開度とを混合して減圧器24を操作することから、冷媒吐出温度を圧縮機21の常用使用範囲内に収めつつ、高圧側圧力を最適高圧に一致させることができ、COPの高い状態での運転が実現できる。
【0036】
以上のような操作を一定時間間隔で繰り返し行うことで、CO2冷媒を用い、圧縮機21が密閉容器内を冷凍サイクルにおける高圧側圧力と略同圧力とした圧縮機であっても、圧縮機能力制御器43による能力制御と圧縮機フロスト制御器42によるフロスト防止制御を圧縮機回転数操作器44が切り替えあるいは融合することで吸熱器25の凍結を防止しつつ、利用者等から要求された能力に応じた冷凍サイクル装置の運転が実現でき、かつ、減圧器最適高圧制御器36による最適高圧制御と減圧器吐出温度制御器32による吐出温度制御を減圧器開度操作器37が切り替えあるいは融合することで、圧縮機21の電動要素の絶縁材料が変質するほど、圧縮機21の冷媒吐出温度が上昇するのを防止しながら、冷凍サイクル装置を効率の高い状態での運転が実現できる。
【0037】
なお、吸熱器25が水冷式などの熱交換器であって、吸熱器25が凍結する恐れがない場合などでは、圧縮機フロスト制御器42を省略し、上記説明した操作から圧縮機フロスト制御器42にまつわる部分を省略することも可能である。さらに、吐出温度検知器31、出口温度検知器33、蒸発温度検知器41による冷媒吐出温度、冷媒出口温度、冷媒蒸発温度の検知は、圧縮機21や放熱器22や吸熱器25の温度を直接測定することで検知しても良いし、圧縮機21や放熱器22や吸熱器25の周囲温度を測定して間接的に検知しても良い。また、高圧検知器35についても、直接圧力を検知しても良いし、冷凍サイクルの状態の一部を検知して推定するようにしても良い。最適高圧演算器34も、出口温度検知器33が検知した温度により最適高圧を算出すると説明しているが、冷凍サイクルの状態の少なくとも一つを検知して最適高圧を算出するようにしても良い。また、本実施の形態では圧縮機21の操作による冷媒循環量の変更を、圧縮機21の回転数で行うものとして説明したが、圧縮機21により冷媒循環量を変更する他の手段、例えば、往復型圧縮機のピストンのストローク量の増減などで行っても良い。
【0038】
また、二酸化炭素を冷媒として用い、少なくとも、圧縮機、放熱器、減圧器、吸熱器を接続した冷凍サイクル装置において、前記吸熱器出口から前記圧縮機吸入までのいずれかの位置での冷媒過熱度を演算する過熱度演算器と、前記過熱度演算器が演算した冷媒過熱度に応じて前記減圧器の開度を操作し冷媒過熱度を調整する減圧器過熱度制御器と、前記放熱器の冷媒出口温度を検知する出口温度検知器と、前記出口温度検知器が検知した冷媒出口温度に応じて前記減圧器の開度を操作し高圧を調整する減圧器最適高圧制御器と、前記過熱度演算器が演算した冷媒過熱度に応じて前記減圧器過熱度制御器と前記減圧器最適高圧制御器とを切り替えて前記減圧器の開度を操作する減圧器開度操作器と、前記吸熱器の冷媒蒸発温度を検知する蒸発温度検知器と、前記蒸発温度検知器が検知した冷媒蒸発温度に応じて前記圧縮機の回転数を操作し能力を調整する圧縮機能力制御器とを備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置における圧縮機として、本発明の圧縮機を用いてもよい。この冷凍サイクル装置は、減圧器過熱度制御器、減圧器最適高圧制御器、減圧器開度操作器、圧縮機能力制御器によって減圧器と圧縮機を適正に制御することで、利用者等から要求された能力に応じ、かつ、効率の高い状態で運転を維持しながら、圧縮機の電動要素の絶縁材料が変質するほどに圧縮機の冷媒吐出温度が上昇することを防止した運転が実現できるものであり、このような冷凍サイクル装置に本発明の圧縮機を用いれば、導電要素の絶縁材料の変質による信頼性の低下は、より確実に阻止できる(以下、この冷凍サイクル装置を実施の形態Bと位置付ける)。
【0039】
図4は、この冷凍サイクル装置の概略を示す構成図である。図4においては、図2と同じ構成要素については同一の符号を付し、説明を省略する。図4において、51は吸熱器25出口での冷媒過熱度を演算する過熱度演算器(なお、冷媒過熱度は吸熱器25出口の冷媒温度と冷媒蒸発温度の差であり、検知した吸熱器25出口の温度から蒸発温度検知器41で検知した温度を引いて冷媒過熱度を演算すると良い。)、52は過熱度演算器51で演算された冷媒過熱度が設定値となるように減圧器24の開度を制御する減圧器過熱度制御器、53は減圧器過熱度制御器52と減圧器最適高圧制御器36の出力を過熱度演算器51で演算された冷媒過熱度に応じて切り替えあるいは融合して減圧器24の開度を操作する減圧器開度操作器である。
【0040】
本冷凍サイクル装置は、CO2冷媒を用いていることと、圧縮機21を密閉容器内を冷凍サイクルにおける高圧側圧力と略同圧力とした圧縮機とした場合、従来用いられてきたフロン類を冷媒として用いた場合や、密閉容器内を冷凍サイクルにおける低圧側圧力と略同圧力とした圧縮機を用いた場合に比べて、圧縮機21の電動要素の雰囲気温度が上昇して、圧縮機21の電動要素の絶縁材料が変質し、圧縮機の信頼性を低下させるといった問題が生じる恐れがある。
【0041】
しかし、本実施の形態においては、圧縮機回転数操作器44によって圧縮機21が適切に操作され、減圧器開度操作器53によって減圧器24が適切に操作されることから、上記のような問題の発生を未然に防止することができる。図5は圧縮機回転数操作器44による圧縮機21の動作と、減圧器開度操作器53による減圧器24の動作を示すフローチャートである。以下、このフローチャートを用いて説明する。
【0042】
圧縮機21の動作については(実施の形態A)と同様であるため、説明を省略する。
次に、減圧器24の動作について説明する。過熱度演算器51で演算された冷媒過熱度と第1過熱度閾値SH1(例えば圧縮機21の冷媒吐出温度が許容使用範囲上限となる冷媒過熱度をもとに設定)との比較を行い(ステップ401)、冷媒過熱度が第1過熱度閾値SH1よりも大きい場合には過熱度メンバシップ値を0に設定し(ステップ402)、冷媒過熱度が第1過熱度閾値SH1より小さい場合には第1過熱度閾値SH1より小さい第2過熱度閾値SH2(例えば圧縮機21の冷媒吐出温度が常用使用範囲上限となる冷媒過熱度をもとに設定)との比較を行い(ステップ403)、冷媒過熱度が第2過熱度閾値SH2よりも大きい場合には冷媒過熱度に応じて0から1までの範囲で単調で連続した変化をする過熱度メンバシップ値を設定し(ステップ404)、冷媒過熱度が第2過熱度閾値SH2より小さい場合には過熱度メンバシップ値を1に設定する(ステップ405)。
【0043】
それから、減圧器最適高圧制御器36による減圧器24の開度と過熱度メンバシップ値との積量と、減圧器過熱度制御器52による減圧器24の開度と1から過熱度メンバシップ値を減じた値との積量の和として減圧器24の開度を決定して減圧器24の開度を操作する(ステップ406)。ここで、減圧器最適高圧制御器36は、高圧検知器35で検知された高圧側圧力が、出口温度検知器33で検知された冷媒出口温度に基づいて最適高圧演算器34で演算された最適高圧よりも高ければ減圧器24の開度を増加方向に、低ければ減圧器24の開度を減少方向に減圧器24の開度を決定するものである(図5中では最適高圧制御という)。一方、減圧器過熱度制御器52は、過熱度演算器51で演算された過熱度が、あらかじめ定められた過熱度より大きければ減圧器24の開度を増加方向に、小さければ減圧器24の開度を減少方向に減圧器24の開度を決定するものである(図5中では過熱度制御という)。
【0044】
すなわち、過熱度演算器51で演算される冷媒過熱度がステップ401で第1過熱度閾値SH1より大きいと判断されたときは、冷媒過熱度が大きいために圧縮機21の冷媒吐出温度が許容使用範囲をはずれており圧縮機21の信頼性を著しく損なう状態であることから、ステップ406では減圧器過熱度制御器52による減圧器開度を最優先にして、減圧器24の開度を増加させて冷媒過熱度を小さくすることにより冷媒吐出温度を低下させる。また過熱度演算器51で演算される冷媒過熱度がステップ401で第1過熱度閾値SH1より小さいと判断され、かつ、ステップ403で第2過熱度閾値SH2より小さいと判断されたときには、冷媒過熱度は適正値であり圧縮機21の冷媒吐出温度は圧縮機21の常用使用範囲内であり信頼性には問題ない状態であることから、ステップ406では減圧器最適高圧制御器36による減圧器開度を最優先にして減圧器開度を決定する。この時、高圧検知器35で検知された冷凍サイクルにおける高圧側圧力が、出口温度検知器33で検知された冷媒出口温度に基づいて、最適高圧演算器34により演算された最適高圧よりも高いときには減圧器最適高圧制御器36により減圧器24の開度を増加方向に決定する。この結果、高圧側の冷媒が低圧側へ移動して高圧側圧力が低下するので、高圧側圧力を最適高圧に一致させることができ、COPの高い状態での運転が実現できる。逆に高圧検知器35で検知された高圧側圧力が最適高圧演算器34により演算された最適高圧よりも低いときには、減圧器最適高圧制御器36により減圧器24の開度を減少方向に決定する。この結果、低圧側の冷媒が高圧側へ移動して高圧側圧力が上昇するので、高圧側圧力を最適高圧に一致させることができ、COPの高い状態での運転が実現できる。また過熱度演算器51で演算される冷媒過熱度がステップ401で第1過熱度閾値SH1より小さいと判断され、かつ、ステップ403で第2過熱度閾値SH2より大きいと判断されたときには、圧縮機21の冷媒吐出温度が圧縮機21の使用許容範囲内ではあるが常用使用範囲外となり圧縮機21の信頼性の面からはあまり好ましくない状態となる冷媒過熱度であるので、ステップ406では減圧器過熱度制御器52による減圧器24の開度と減圧器最適高圧制御器36による減圧器24の開度とを混合して減圧器24を操作することから、冷媒吐出温度が圧縮機21の常用使用範囲内となる冷媒過熱度を保ちつつ、高圧側圧力を最適高圧に一致させることができ、COPの高い状態での運転が実現できる。
【0045】
以上のような操作を一定時間間隔で繰り返し行うことで、CO2冷媒を用い、圧縮機21が密閉容器内を冷凍サイクルにおける高圧側圧力と略同圧力とした圧縮機であっても、圧縮機能力制御器43による能力制御と圧縮機フロスト制御器42によるフロスト防止制御を圧縮機回転数操作器44が切り替えあるいは融合することで吸熱器25の凍結を防止しつつ、利用者等から要求された能力に応じた冷凍サイクル装置の運転が実現でき、かつ、減圧器最適高圧制御器36による最適高圧制御と減圧器過熱度制御器52による過熱度制御を減圧器開度操作器53が切り替えあるいは融合することで、圧縮機21の電動要素の絶縁材料が変質するほど、圧縮機21の冷媒吐出温度が上昇するのを防止しながら、冷凍サイクル装置を効率の高い状態での運転が実現できる。
【0046】
なお、本実施の形態では過熱度演算器51は、吸熱器25出口〜内部熱交換器の低圧側流路23a入口での冷媒過熱度を演算するものとして説明したが、内部熱交換器の低圧側流路内や、内部熱交換器の低圧側流路23a出口〜圧縮機21吸入での冷媒過熱度を演算してもよい。
【0047】
また、二酸化炭素を冷媒として用い、少なくとも、圧縮機、放熱器、減圧器、吸熱器を接続した冷凍サイクル装置において、前記吸熱器出口から前記圧縮機吸入までのいずれかの位置での冷媒乾き度を演算する乾き度演算器と、前記乾き度演算器が演算した冷媒乾き度に応じて前記減圧器の開度を操作し冷媒乾き度を調整する減圧器乾き度制御器と、前記放熱器の冷媒出口温度を検知する出口温度検知器と、前記出口温度検知器が検知した冷媒出口温度に応じて前記減圧器の開度を操作し高圧を調整する減圧器最適高圧制御器と、前記乾き度演算器が演算した冷媒乾き度に応じて前記減圧器乾き度制御器と前記減圧器最適高圧制御器とを切り替えて前記減圧器の開度を操作する減圧器開度操作器と、前記吸熱器の冷媒蒸発温度を検知する蒸発温度検知器と、前記蒸発温度検知器が検知した冷媒蒸発温度に応じて前記圧縮機の回転数を操作し能力を調整する圧縮機能力制御器とを備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置における圧縮機として、本発明の圧縮機を用いてもよい。この冷凍サイクル装置は、減圧器乾き度制御器、減圧器最適高圧制御器、減圧器開度操作器、圧縮機能力制御器によって減圧器と圧縮機を適正に制御することで、利用者等から要求された能力に応じ、かつ、効率の高い状態で運転を維持しながら、圧縮機の電動要素の絶縁材料が変質するほどに圧縮機の冷媒吐出温度が上昇することを防止した運転が実現できるものであり、このような冷凍サイクル装置に本発明の圧縮機を用いれば、導電要素の絶縁材料の変質による信頼性の低下は、より確実に阻止できる(以下、この冷凍サイクル装置を実施の形態Cと位置付ける)。
【0048】
図6は、この冷凍サイクル装置の概略を示す構成図であり、図4と同じ構成要素については同一の符号を付すか図から省略し、説明を省略する。図6において、61は吸熱器25出口での冷媒乾き度を演算する乾き度演算器、62は乾き度演算器61で演算された冷媒乾き度が設定値となるように減圧器24の開度を制御する減圧器乾き度制御器、63は減圧器乾き度制御器62と減圧器最適高圧制御器36の出力を乾き度演算器61で演算された冷媒乾き度に応じて切り替えあるいは融合して減圧器24の開度を操作する減圧器開度操作器である。乾き度演算器61は、吐出温度検知器31が検知した冷媒吐出温度、高圧検知器35が検知した冷凍サイクルにおける高圧側圧力、蒸発温度検知器41が検知した冷媒蒸発温度をもとに、冷媒乾き度を演算する。すなわち、図7に示すモリエル線図から、吐出温度検知器31が検知した冷媒吐出温度Tdと高圧検知器35が検知した高圧側圧力Phから、点1が求められ、さらに、あらかじめ定められた圧縮機の効率を考慮したエントロピの傾きsの点1を通る直線と、蒸発温度検知器41が検知した冷媒蒸発温度Teを飽和温度として演算して求めた低圧側圧力Peとの交点により、点2が求められる。求められた点2のエンタルピと、冷媒蒸発温度Te、あるいは、低圧側圧力Peから演算できる点Lおよび点Vのエンタルピの関係から乾き度を求めるとよい。
【0049】
図8は圧縮機回転数操作器44による圧縮機21の動作と、減圧器開度操作器63による減圧器24の動作を示すフローチャートである。以下、このフローチャートを用いて説明する。
【0050】
圧縮機21の動作については(実施の形態A)や(実施の形態B)と同様であるため、説明を省略する。
次に、減圧器24の動作について説明する。乾き度演算器61で演算された冷媒乾き度と第1乾き度閾値χ1(例えば圧縮機21の冷媒吐出温度が許容使用範囲上限となる冷媒乾き度をもとに設定)との比較を行い(ステップ501)、冷媒乾き度が第1乾き度閾値χ1よりも大きい場合には乾き度メンバシップ値を0に設定し(ステップ502)、冷媒乾き度が第1乾き度閾値χ1より小さい場合には第1乾き度閾値χ1より小さい第2乾き度閾値χ2(例えば圧縮機21の冷媒吐出温度が常用使用範囲上限となる冷媒乾き度をもとに設定)との比較を行い(ステップ503)、冷媒乾き度が第2乾き度閾値χ2よりも大きい場合には冷媒乾き度に応じて0から1までの範囲で単調で連続した変化をする乾き度メンバシップ値を設定し(ステップ504)、冷媒乾き度が第2乾き度閾値χ2より小さい場合には乾き度メンバシップ値を1に設定する(ステップ505)。
【0051】
それから、減圧器最適高圧制御器36による減圧器24の開度と乾き度メンバシップ値との積量と、減圧器乾き度制御器62による減圧器24の開度と1から乾き度メンバシップ値を減じた値との積量の和として減圧器24の開度を決定して減圧器24の開度を操作する(ステップ506)。ここで、減圧器最適高圧制御器36は、高圧検知器35で検知された高圧側圧力が、出口温度検知器33で検知された冷媒出口温度に基づいて最適高圧演算器34で演算された最適高圧よりも高ければ減圧器24の開度を増加方向に、低ければ減圧器24の開度を減少方向に減圧器24の開度を決定するものである(図8中では最適高圧制御という)。一方、減圧器乾き度制御器62は、乾き度演算器61で演算された乾き度が、あらかじめ定められた乾き度より大きければ減圧器24の開度を増加方向に、小さければ減圧器24の開度を減少方向に減圧器24の開度を決定するものである(図8中では乾き度制御という)。
【0052】
すなわち、乾き度演算器61で演算される冷媒乾き度がステップ501で第1乾き度閾値χ1より大きいと判断されたときは、冷媒乾き度が大きいために圧縮機21の冷媒吐出温度が許容使用範囲をはずれており圧縮機21の信頼性を著しく損なう状態であることから、ステップ506では減圧器乾き度制御器62による減圧器開度を最優先にして、減圧器24の開度を増加させて冷媒乾き度を小さくすることにより冷媒吐出温度を低下させる。また乾き度演算器61で演算される冷媒乾き度がステップ501で第1乾き度閾値χ1より小さいと判断され、かつ、ステップ503で第2乾き度閾値χ2より小さいと判断されたときには、冷媒乾き度は適正値であり圧縮機21の冷媒吐出温度は圧縮機21の常用使用範囲内であり信頼性には問題ない状態であることから、ステップ506では減圧器最適高圧制御器36による減圧器開度を最優先にして減圧器開度を決定する。この時、高圧検知器35で検知された冷凍サイクルにおける高圧側圧力が、出口温度検知器33で検知された冷媒出口温度に基づいて、最適高圧演算器34により演算された最適高圧よりも高いときには減圧器最適高圧制御器36により減圧器24の開度を増加方向に決定する。この結果、高圧側の冷媒が低圧側へ移動して高圧側圧力が低下するので、高圧側圧力を最適高圧に一致させることができ、COPの高い状態での運転が実現できる。逆に高圧検知器35で検知された高圧側圧力が最適高圧演算器34により演算された最適高圧よりも低いときには、減圧器最適高圧制御器36により減圧器24の開度を減少方向に決定する。この結果、低圧側の冷媒が高圧側へ移動して高圧側圧力が上昇するので、高圧側圧力を最適高圧に一致させることができ、COPの高い状態での運転が実現できる。また乾き度演算器61で演算される冷媒乾き度がステップ501で第1乾き度閾値χ1より小さいと判断され、かつ、ステップ503で第2乾き度閾値χ2より大きいと判断されたときには、圧縮機21の冷媒吐出温度が圧縮機21の使用許容範囲内ではあるが常用使用範囲外となり圧縮機21の信頼性の面からはあまり好ましくない状態となる冷媒乾き度であるので、ステップ506では減圧器乾き度制御器62による減圧器24の開度と減圧器最適高圧制御器36による減圧器24の開度とを混合して減圧器24を操作することから、冷媒吐出温度が圧縮機21の常用使用範囲内となる冷媒乾き度を保ちつつ、高圧側圧力を最適高圧に一致させることができ、COPの高い状態での運転が実現できる。
【0053】
すなわち、本実施の形態においては、(実施の形態A)や(実施の形態B)と同様に、減圧器開度操作器63によって減圧器24が適切に操作されるために、CO2冷媒を用い、圧縮機21が密閉容器内を冷凍サイクルにおける高圧側圧力と略同圧力とした圧縮機であっても、圧縮機能力制御器43による能力制御と圧縮機フロスト制御器42によるフロスト防止制御を圧縮機回転数操作器44が切り替えあるいは融合することで吸熱器25の凍結を防止しつつ、利用者等から要求された能力に応じた冷凍サイクル装置の運転が実現でき、かつ、減圧器最適高圧制御器36による最適高圧制御と減圧器乾き度制御器62による乾き度制御を減圧器開度操作器63が切り替えあるいは融合することで、圧縮機21の電動要素の絶縁材料が変質するほど、圧縮機21の冷媒吐出温度が上昇するのを防止しながら、冷凍サイクル装置を効率の高い状態での運転が実現できる。
【0054】
(実施の形態B)のような構成の冷凍サイクル装置と(実施の形態C)のような構成の冷凍サイクル装置で評価を行い、図9(a)に示すような吸熱器25出口の冷媒過熱度または冷媒乾き度と圧縮機21の冷媒吐出温度の関係を得た。図9(a)の縦軸は冷媒過熱度が0Kでの冷媒吐出温度を基準にした差であり、横軸は冷媒過熱度が0Kでの吸入エンタルピを基準にした差の軸に、冷媒過熱度と冷媒乾き度の軸を併せて表示している。図9(a)より冷媒過熱度を0K以上(すなわち冷媒乾き度1.0以上)の領域では、冷媒乾き度1.0以下(すなわち冷媒過熱度0K以下)の領域より、吸入エンタルピの増加に対する冷媒吐出温度の上昇が大きいことがわかる。すなわち、冷媒吐出温度の上昇を低減し、圧縮機21の電動要素の絶縁材料が変質するのを防止するには、吸熱器25出口の冷媒過熱度を0K以下、すなわち、冷媒乾き度を1.0以下となるように制御することが望ましい。次に、能力測定の結果を図9(b)に示す。図9(b)の縦軸は、冷媒過熱度が0Kでの能力を100とした比である。図9(b)より吸熱器25出口における冷媒乾き度が0.8以下の場合には、吸熱器25の入口と出口のエンタルピ差が減少するため、圧縮機能力制御器43により圧縮機回転数を調整しているにも関わらず、能力が低下し冷凍サイクル装置として十分に機能しないことがわかる。したがって、これら両方の特性を考慮すると、冷媒乾き度を0.8以上1.0以下となるように制御することが望ましい。
【0055】
【発明の効果】
以上述べたところから明らかなように、本発明によれば、二酸化炭素を冷媒として用い、少なくとも圧縮要素と電動要素とを密閉容器内に収納し、前記密閉容器内が冷凍サイクルにおける高圧側圧力と略同圧力である冷凍サイクル装置用圧縮機であっても、絶縁材料として耐熱性に優れたポリビニルホルマール、ポリフェニレンサルファイド、ポリエステルイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリイミドのうちの少なくとも1つを使用し、かつ、鉱油系油、アルキルベンゼン油およびそれらの混合物から選ばれるいずれか一つを主成分とする冷凍機油を使用しているために、電動要素の雰囲気温度が上昇して絶縁材料が変質し、その結果、圧縮機の信頼性が低下してしまうといったことがなく、高効率な圧縮機を実現できる。
さらに、圧縮機に封入される冷凍機油に含まれる水分の重量含有率を100重量ppm以下、望ましくは50重量ppm以下とすると、絶縁材料が変質し圧縮機の信頼性が低下してしまうことをさらに防止できる。
ここで、吸湿性の小さい、鉱油系油、アルキルベンゼン油およびそれらの混合物から選ばれるいずれか一つを主成分とする冷凍機油を用いることで、冷凍機油に含まれる水分の重量含有率を100重量ppm以下、望ましくは50重量ppm以下とすることが水分管理上容易となる。
また、上記圧縮機を用いれば、圧縮機の信頼性を低下させることなく、かつ、CO2冷媒とともに吐出される冷凍機油を低減できるために、吐出される冷凍機油によって、放熱器や吸熱器での熱伝達が阻害され、冷凍サイクル装置の性能を低下させることがない効率の高い冷凍サイクル装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の冷凍サイクル装置用圧縮機の一例の概略を示す構成図
【図2】本発明の冷凍サイクル装置用圧縮機が好適に用いられる冷凍サイクル装置(実施の形態A)の概略を示す構成図
【図3】この冷凍サイクル装置の動作を示すフローチャート
【図4】本発明の冷凍サイクル装置用圧縮機が好適に用いられる冷凍サイクル装置(実施の形態B)の概略を示す構成図
【図5】この冷凍サイクル装置の動作を示すフローチャート
【図6】本発明の冷凍サイクル装置用圧縮機が好適に用いられる冷凍サイクル装置(実施の形態C)の概略を示す構成図
【図7】冷媒過熱度または冷媒乾き度と冷媒吐出温度、高圧、低圧の関係を示すモリエル線図
【図8】この冷凍サイクル装置の動作を示すフローチャート
【図9】冷媒過熱度または冷媒乾き度と冷媒吐出温度の関係
【図10】従来の冷凍サイクル装置の概略を示す構成図
【符号の説明】
1、21 圧縮機
2、22 放熱器
3、23 内部熱交換器
4、24 減圧器
5、25 吸熱器
10 密閉容器
11 圧縮要素
110 圧縮室
111 吐出孔
12 吸入管
13 電動要素
131 ステータ
132 ロータ
14 冷凍機油
15 駆動軸
150 冷凍機油経路
151 ポンプ
16 コア
17 マグネットワイヤ
18 絶縁フィルム
19 吐出管
31 吐出温度検知器
32 減圧器吐出温度制御器
33 出口温度検知器
34 最適高圧演算器
35 高圧検知器
36 減圧器最適高圧制御器
37、53、63 減圧器開度操作器
41 蒸発温度検知器
42 圧縮機フロスト制御器
43 圧縮機能力制御器
44 圧縮機回転数操作器
51 過熱度演算器
52 減圧器過熱度制御器
61 乾き度演算器
62 減圧器乾き度制御器[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a compressor for a refrigeration cycle device using carbon dioxide as a refrigerant and a refrigeration cycle device.
[0002]
[Prior art]
Air conditioners, car air conditioners, water heaters, etc. use a refrigeration cycle device that connects a compressor, a radiator, a decompressor, a heat absorber, etc. For these, hydrocarbons containing fluorine atoms (fluorocarbons) have been used. However, fluorocarbons are not necessarily satisfactory refrigerants because they have the property of destroying the ozone layer, and have a long greenhouse effect in the atmosphere, which has a large greenhouse effect and affects global warming. .
[0003]
Therefore, instead of CFCs, carbon dioxide (hereinafter referred to as CO2) has an ozone depletion potential of zero and a significantly lower global warming potential than CFCs. 2 The possibility of a refrigeration cycle device using ethane or the like as a refrigerant is being studied. For example, Japanese Patent No. 2 A refrigeration cycle device using a refrigerant is disclosed.
[0004]
The outline of the configuration of the refrigeration cycle apparatus disclosed in Japanese Patent No. 2132329 will be described with reference to FIG. The refrigeration cycle apparatus of FIG. 2 Basic components including a
[0005]
The operation of the refrigeration cycle device will be described. In the drawings, solid arrows indicate the flow direction of the refrigerant. CO compressed by
[0006]
Where CO 2 It has been found that the refrigerant discharge temperature of the
[0007]
Insulating layers such as windings of electric elements of compressors using conventional refrigerants and insulating materials such as connection portions of electric wires, insulating films, tying yarns, etc., have refrigerant resistance characteristics, good workability, and easy supply. From the viewpoint of the quality, organic materials such as polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, and polyethylene naphthalate are widely used.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, when polyalkylene glycol oil or polyol ester oil is used as a refrigerator oil, 2 Assuming that the pressure in the closed vessel of the
[0009]
As a means for solving such a problem that the oil discharge amount increases, as in the case of the conventional refrigerant, the inside of the closed vessel of the
[0010]
However, the ambient temperature of the electric element of the compressor, in which the inside of the closed vessel is substantially the same as the high-pressure side pressure in the refrigeration cycle, is the same as the low-pressure side pressure in the refrigeration cycle, because the atmosphere of the compressor is a discharged refrigerant atmosphere. Since the temperature rises as compared with the compressor, the insulating material of the electric element sealed in the sealed container may be deteriorated, which may cause a problem that the reliability of the compressor is reduced. 2 In the case of the refrigerant, as described above, the discharge temperature is higher than that of the conventional fluorocarbons, which may cause a serious problem.
[0011]
Therefore, the present invention solves the above-described problem by reducing CO2 2 An object of the present invention is to provide a compressor and a refrigeration cycle device that use a refrigerant and that are highly efficient while avoiding a decrease in reliability in a compressor for a refrigeration cycle device and a refrigeration cycle device.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, a first aspect of the present invention (corresponding to claim 1) uses carbon dioxide as a refrigerant, stores at least a compression element and an electric element in a closed container, and uses a mineral oil-based oil. In a compressor for a refrigerating cycle device, which contains a refrigerating machine oil containing at least one selected from an alkylbenzene oil and a mixture thereof, the pressure in the closed vessel is substantially the same as the high-pressure side pressure in the refrigerating cycle, A compressor characterized in that an insulating material of the electric element is made of at least one of polyvinyl formal, polyphenylene sulfide, polyester imide, polyamide, polyamide imide and polyimide.
A second aspect of the present invention (corresponding to claim 2) is the compressor according to the first aspect, wherein the weight content of water contained in the refrigerating machine oil is 100 ppm by weight or less. .
A third aspect of the present invention (corresponding to claim 3) is the compressor according to the first or second aspect, wherein the weight content of water contained in the refrigerating machine oil is 50 ppm by weight or less. It is.
Further, a fourth invention (corresponding to claim 4) provides a refrigeration cycle apparatus in which at least a compressor, a radiator, a decompressor, and a heat absorber are connected, and the compressor according to any one of the first to third inventions as a compressor. A refrigeration cycle apparatus characterized by using the compressor of (1). A fifth aspect of the present invention (corresponding to claim 5) is the fourth aspect of the present invention, wherein the refrigerant between the compressor and the heat absorber and the refrigerant between the radiator and the pressure reducer are different from each other. A refrigeration cycle apparatus further comprising an internal heat exchanger for exchanging heat.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0014]
FIG. 1 is a configuration diagram schematically illustrating an example of a compressor for a refrigeration cycle device of the present invention. The compressor shown in FIG. 2 A refrigerant is used, and a
[0015]
The
[0016]
Next, the operation of the compressor will be described. When the
[0017]
As described above, in the case of the compressor in which the pressure in the
[0018]
[Table 1]
[0019]
As is evident from Table 1, even if the inside of the
[0020]
Therefore, the inside of the
[0021]
Further, as is apparent from Table 1, the weight content of the water contained in the refrigerating
[0022]
[Table 2]
[0023]
Accordingly, using carbon dioxide as a refrigerant, at least the compression element and the electric element are housed in a closed container, and a refrigerating machine oil containing, as a main component, any one selected from a mineral oil, an alkylbenzene oil, and a mixture thereof. In the compressor for a refrigeration cycle device, the inside of the closed vessel is substantially the same pressure as the high pressure side pressure in the refrigeration cycle, and the insulating material of the electric element is polyvinyl formal, polyphenylene sulfide, polyester imide, polyamide, polyamide imide, A compressor characterized by being made of at least one of polyimide is valuable as a highly efficient compressor while avoiding a decrease in reliability. Preferably, the viscosity of the refrigerating machine oil is appropriately set in order to reduce sliding loss due to the refrigerating machine oil. CO 2 The amount of the refrigerant dissolved in the refrigerating machine oil is small. Therefore, for the above refrigerating machine oil, the kinematic viscosity at 40 ° C. is 40 mm. 2 / S or less.
[0024]
The compressor for a refrigeration cycle device of the present invention as described above is used as a compressor in a refrigeration cycle device in which a compressor, a radiator, a decompressor, and a heat absorber are connected. When the refrigeration cycle apparatus further includes an internal heat exchanger that exchanges heat between the refrigerant between the compressor and the heat absorber and the refrigerant between the radiator and the pressure reducer, the refrigerant discharge temperature of the compressor further increases. Therefore, the effect of using the compressor for a refrigeration cycle device of the present invention becomes higher.
[0025]
Also, in a refrigeration cycle apparatus using carbon dioxide as a refrigerant and connecting at least a compressor, a radiator, a decompressor, and a heat sink, a discharge temperature detector for detecting a refrigerant discharge temperature of the compressor; A decompressor discharge temperature controller for adjusting the refrigerant discharge temperature by operating the degree of opening of the decompressor in accordance with the refrigerant discharge temperature detected by the device, an outlet temperature detector for detecting a refrigerant outlet temperature of the radiator, and A decompressor optimal high-pressure controller for adjusting the high pressure by operating the opening of the decompressor in accordance with the refrigerant outlet temperature detected by the outlet temperature detector, and the decompression in accordance with the refrigerant discharge temperature detected by the discharge temperature detector A pressure-reducing device opening degree operating device that switches the device discharge temperature controller and the pressure-reducing device optimal high-pressure controller to control the opening degree of the pressure reducing device, and an evaporation temperature detector that detects a refrigerant evaporation temperature of the heat absorber. The evaporation temperature A compressor according to the present invention as a compressor in a refrigeration cycle device, comprising: a compression function force controller that controls the rotation speed of the compressor according to the refrigerant evaporation temperature detected by the sensor to adjust the capacity. Machine may be used. This refrigeration cycle device is designed to control the decompressor and the compressor properly by the decompressor discharge temperature controller, depressurizer optimal high-pressure controller, decompressor opening controller, and compression function force controller, so that users and the like can According to the required capacity and while maintaining the operation in a state of high efficiency, it is possible to realize an operation in which the refrigerant discharge temperature of the compressor is prevented from rising as the insulating material of the electric element of the compressor is deteriorated. When the compressor of the present invention is used in such a refrigeration cycle apparatus, a decrease in reliability due to deterioration of the insulating material of the conductive element can be more reliably prevented (hereinafter, this refrigeration cycle apparatus according to the embodiment will be described). A).
[0026]
FIG. 2 is a configuration diagram schematically showing the refrigeration cycle apparatus.
The refrigeration cycle apparatus of FIG. 2 Basic components including a
In FIG. 2,
[0027]
Of the operation of this refrigeration cycle device, CO 2 The flow of the refrigerant is as follows. That is, in the figure, the solid arrow indicates
[0028]
This refrigeration cycle apparatus 2 In the case where the refrigerant is used and the
[0029]
However, in the present embodiment, since the
[0030]
First, the operation of the
[0031]
Then, the evaporation temperature membership value is subtracted from the product of the rotation speed of the
[0032]
That is, when it is determined in
[0033]
Next, the operation of the
[0034]
Then, the product of the opening degree of the
[0035]
That is, when it is determined in
[0036]
By repeating the above operation at regular time intervals, CO2 2 Even if the
[0037]
When the
[0038]
Further, in a refrigeration cycle apparatus using carbon dioxide as a refrigerant and connecting at least a compressor, a radiator, a decompressor, and a heat absorber, the degree of superheat of the refrigerant at any position from the outlet of the heat absorber to the suction of the compressor. A superheat degree calculator that calculates the degree of superheat degree, a depressurizer superheat degree controller that operates the opening degree of the decompressor according to the refrigerant superheat degree calculated by the superheat degree calculator to adjust the refrigerant superheat degree, and the radiator An outlet temperature detector that detects a refrigerant outlet temperature, a decompressor optimal high-pressure controller that controls an opening degree of the decompressor and adjusts a high pressure according to the refrigerant outlet temperature detected by the outlet temperature detector, and the superheat degree A decompressor opening degree manipulator for operating the opening degree of the decompressor by switching between the decompressor superheat degree controller and the decompressor optimum high-pressure controller in accordance with the refrigerant superheat degree calculated by an arithmetic unit, and the heat absorber To detect refrigerant evaporation temperature A refrigeration cycle device comprising: a temperature detector; and a compression function force controller that controls the number of revolutions of the compressor and adjusts the performance in accordance with the refrigerant evaporation temperature detected by the evaporation temperature detector. The compressor of the present invention may be used as a compressor. This refrigeration cycle device is designed to properly control the decompressor and compressor by the decompressor superheat degree controller, depressurizer optimal high-pressure controller, depressor opening controller, and compression function force controller. According to the required capacity and while maintaining the operation in a state of high efficiency, it is possible to realize an operation in which the refrigerant discharge temperature of the compressor is prevented from rising as the insulating material of the electric element of the compressor is deteriorated. When the compressor of the present invention is used in such a refrigeration cycle apparatus, a decrease in reliability due to deterioration of the insulating material of the conductive element can be more reliably prevented (hereinafter, this refrigeration cycle apparatus according to the embodiment will be described). B)).
[0039]
FIG. 4 is a configuration diagram schematically showing the refrigeration cycle apparatus. 4, the same components as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted. In FIG. 4,
[0040]
This refrigeration cycle apparatus 2 In the case where the refrigerant is used and the
[0041]
However, in the present embodiment, the
[0042]
The operation of the
Next, the operation of the
[0043]
Then, the product of the opening degree of the
[0044]
That is, when it is determined in
[0045]
By repeating the above operation at regular time intervals, CO2 2 Even if the
[0046]
In the present embodiment, the
[0047]
Further, in a refrigeration cycle apparatus using carbon dioxide as a refrigerant and connecting at least a compressor, a radiator, a decompressor, and a heat sink, the refrigerant dryness at any position from the heat sink outlet to the compressor suction. A dryness calculator that calculates the dryness calculator, a pressure reducer dryness controller that controls the degree of dryness of the refrigerant by operating the opening degree of the pressure reducer according to the refrigerant dryness calculated by the dryness calculator, and An outlet temperature detector for detecting a refrigerant outlet temperature, a decompressor optimum high-pressure controller for adjusting the high pressure by operating the opening of the decompressor in accordance with the refrigerant outlet temperature detected by the outlet temperature detector, and the dryness A decompressor opening operation device for switching the decompressor dryness controller and the decompressor optimum high-pressure controller in accordance with the refrigerant dryness calculated by the computing unit to operate the opening of the decompressor; and the heat absorber To detect refrigerant evaporation temperature A refrigeration cycle device comprising: a temperature detector; and a compression function force controller that controls the number of revolutions of the compressor and adjusts the performance in accordance with the refrigerant evaporation temperature detected by the evaporation temperature detector. The compressor of the present invention may be used as a compressor. This refrigeration cycle device is designed to control the decompressor and the compressor properly by the decompressor dryness controller, decompressor optimal high-pressure controller, decompressor opening controller, and compression function force controller. According to the required capacity and while maintaining the operation in a state of high efficiency, it is possible to realize an operation in which the refrigerant discharge temperature of the compressor is prevented from rising as the insulating material of the electric element of the compressor is deteriorated. When the compressor of the present invention is used in such a refrigeration cycle apparatus, a decrease in reliability due to deterioration of the insulating material of the conductive element can be more reliably prevented (hereinafter, this refrigeration cycle apparatus according to the embodiment will be described). C).
[0048]
FIG. 6 is a configuration diagram schematically showing the refrigeration cycle apparatus. The same components as those in FIG. 4 are denoted by the same reference numerals or are omitted from the drawing, and description thereof is omitted. In FIG. 6,
[0049]
FIG. 8 is a flowchart showing the operation of the
[0050]
The operation of the
Next, the operation of the
[0051]
Then, the product of the opening degree of the
[0052]
That is, when it is determined in
[0053]
That is, in the present embodiment, similarly to (Embodiment A) and (Embodiment B), since the
[0054]
An evaluation was performed by using a refrigeration cycle apparatus having the configuration as in (Embodiment B) and a refrigeration cycle apparatus having a configuration as in (Embodiment C), and the refrigerant was superheated at the outlet of the
[0055]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, according to the present invention, carbon dioxide is used as a refrigerant, at least the compression element and the electric element are housed in a closed vessel, and the inside of the closed vessel is at a high pressure side pressure in a refrigeration cycle. Even a compressor for a refrigeration cycle device having substantially the same pressure, using at least one of polyvinyl formal, polyphenylene sulfide, polyester imide, polyamide, polyamide imide, polyimide excellent in heat resistance as an insulating material, and The use of refrigerating machine oil containing at least one selected from the group consisting of mineral oil, alkylbenzene oil and a mixture thereof increases the ambient temperature of the electric element and alters the insulating material. Thus, a highly efficient compressor can be realized without lowering the reliability of the compressor.
Further, when the weight content of water contained in the refrigerating machine oil enclosed in the compressor is 100 wt ppm or less, preferably 50 wt ppm or less, the insulating material is deteriorated and the reliability of the compressor is reduced. It can be further prevented.
Here, by using a refrigerating machine oil having as a main component any one selected from a mineral oil-based oil, an alkylbenzene oil and a mixture thereof having a low hygroscopicity, the weight content of water contained in the refrigerating machine oil can be reduced to 100% by weight. ppm or less, desirably 50 ppm by weight or less facilitates moisture management.
Further, if the compressor is used, the reliability of the compressor is not reduced and CO2 is reduced. 2 Since the refrigerating machine oil discharged together with the refrigerant can be reduced, the refrigerating machine oil discharged disturbs the heat transfer in the radiator and the heat sink, and does not reduce the performance of the refrigerating cycle device. Can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram schematically showing an example of a compressor for a refrigeration cycle device of the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram schematically showing a refrigeration cycle apparatus (Embodiment A) in which the compressor for a refrigeration cycle apparatus of the present invention is suitably used.
FIG. 3 is a flowchart showing the operation of the refrigeration cycle apparatus.
FIG. 4 is a configuration diagram schematically showing a refrigeration cycle apparatus (Embodiment B) in which the compressor for a refrigeration cycle apparatus of the present invention is preferably used.
FIG. 5 is a flowchart showing the operation of the refrigeration cycle apparatus.
FIG. 6 is a configuration diagram schematically showing a refrigeration cycle apparatus (Embodiment C) in which the compressor for a refrigeration cycle apparatus of the present invention is preferably used.
FIG. 7 is a Mollier diagram showing the relationship between refrigerant superheat or refrigerant dryness and refrigerant discharge temperature, high pressure, and low pressure.
FIG. 8 is a flowchart showing the operation of the refrigeration cycle apparatus.
FIG. 9 shows the relationship between refrigerant superheat or refrigerant dryness and refrigerant discharge temperature.
FIG. 10 is a configuration diagram schematically showing a conventional refrigeration cycle device.
[Explanation of symbols]
1,21 Compressor
2,22 radiator
3,23 Internal heat exchanger
4, 24 decompressor
5, 25 heat absorber
10 Closed container
11 Compression element
110 Compression chamber
111 discharge hole
12 suction pipe
13 Electric elements
131 Stator
132 rotor
14 Refrigeration oil
15 Drive shaft
150 Refrigerator oil path
151 pump
16 cores
17 Magnet wire
18 Insulating film
19 Discharge pipe
31 Discharge temperature detector
32 Decompressor discharge temperature controller
33 outlet temperature detector
34 Optimal high-pressure calculator
35 High pressure detector
36 Optimal high pressure controller for pressure reducer
37, 53, 63 Pressure reducer opening degree controller
41 Evaporation temperature detector
42 Compressor frost controller
43 Compression function force controller
44 Compressor speed controller
51 Superheat degree calculator
52 Decompressor superheat controller
61 Dryness calculator
62 Decompressor dryness controller
Claims (5)
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Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
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- 2002-07-31 JP JP2002223402A patent/JP2004060602A/en active Pending
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