JP2006162186A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流体の膨張により発生するエネルギーを有効に回収する冷凍サイクル装置の信頼性を向上する。
【解決手段】本発明の冷凍サイクル装置では、圧縮機１と、放熱器２と、冷媒の膨張エネルギーを回収する膨張機３と、蒸発器５とを順次直列に接続して冷凍サイクルの主回路を形成し、膨張機３をバイパスする膨張弁７を配設したバイパス回路６を設けるとともに、圧縮機１の起動時にはバイパス回路６側に冷媒を通過させるように膨張弁７を制御する制御手段Ｃ１を設けることにより、圧縮機１起動時に冷凍サイクルが閉塞することがなくなり、冷凍サイクルの低圧の異常低下を回避することができるので、圧縮機１の信頼性を向上することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、流体の膨張により発生するエネルギーを有効に回収する冷凍サイクル装置に関する。

近年、冷凍サイクルの更なる高効率化を図る手段として、膨張弁に代えて膨張機を備え、冷媒が膨張する過程でその圧力エネルギーを膨張機によって電力又は動力の形で回収し、その回収分だけ圧縮機の入力を低減する動力回収サイクルが提案されている。（例えば、特許文献１参照）。
図１１は、特許文献１に記載された従来の冷凍サイクル装置の構成図である。図１１に示すように、冷凍サイクル装置は、圧縮機１と放熱器２と膨張機３と蒸発器５と発電機４とを有し、圧縮機１は走行用エンジン等の図示しない駆動手段により駆動されて冷媒を吸入圧縮するものであり、圧縮機１にて吐出された冷媒は放熱器２にて冷却される。放熱器２から流出した冷媒は、膨張機３へと流入して冷媒の膨張エネルギーを機械エネルギー（回転エネルギー）に変換回収し、その回収した機械エネルギー（回転エネルギー）を発電機４に供給して電力を発生させる。そして、膨張機３にて減圧膨張した冷媒は、蒸発器５で蒸発気化した後、再び圧縮機１へと吸入されるように構成されている。
一方、膨張機３にて膨張エネルギーを機械エネルギーに変換しながら冷媒を減圧するので、放熱器２から流出した冷媒は、図１２の従来の冷凍サイクル装置のモリエル線図に示すように、等エントロピー線（ｃ→ｄ）に沿って相変化しながらエンタルピを低下させていく。したがって、冷媒の減圧時に膨張仕事をさせることなく単純に断熱膨張させる場合（等エンタルピ変化させる場合）と比較して、膨張仕事Δｉｅｘｐ分だけ蒸発器５における比エンタルピ差を増大させることができるので、冷凍能力を増大させることが可能となる。
また、膨張仕事Δｉｅｘｐ分だけ発電機４に機械エネルギー（回転エネルギー）を供給できるので、発電機４にてΔｉｅｘｐ分の電力を発生することが可能となる。その電力を圧縮機１へ供給することにより圧縮機１の駆動に必要な電力を低減することができるので、冷凍サイクルのＣＯＰ（成績係数）を向上させることが可能となる。
特開２０００−３２９４１６号公報

しかしながら、膨張機３は冷凍サイクル内の高低圧差を利用して駆動するものであるので、上記従来の構成では、圧縮機１の起動時等の冷凍サイクルが安定していない状態、即ち高低圧差が十分に確保されていない状態では、膨張機３を駆動するのに必要なトルクが不足し、膨張機３が駆動しない状態で圧縮機１が運転し続けることとなる。このとき、冷媒の流れが止まり、冷凍サイクルは膨張機３の前後で閉塞した状態となるので、冷凍サイクルの低圧が異常低下し、圧縮機１に冷媒が供給されない状態となり、冷媒による圧縮機１の冷却効果が得られず、圧縮機１を損傷する恐れがあった。
また、膨張機３は冷凍サイクルが十分に安定する前のある程度高低圧差がとれた状態で駆動し始めるが、冷凍サイクルが十分に安定していないために、放熱器２より膨張機３へ流入する冷媒とオイルが不足した状態で膨張機３が駆動されることとなり、冷媒による冷却効果とオイルによる潤滑効果が十分に得られないので、膨張機３摺動部の損傷の恐れもあった。

したがって本発明は、上記従来の課題を解決するもので、圧縮機の起動時に冷凍サイクルが閉塞状態とならないようにし、圧縮機と膨張機の信頼性を向上した冷凍サイクル装置を提供することを目的としている。

請求項１記載の本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機と、放熱器と、冷媒の膨張エネルギーを回収する膨張機と、蒸発器とを順次直列に接続して冷凍サイクルの主回路を形成する冷凍サイクル装置であって、
前記膨張機をバイパスするバイパス回路と、前記バイパス回路に配設する減圧手段と、前記減圧手段を制御する制御手段とを設け、前記制御手段によって、前記圧縮機の起動時には前記バイパス回路側に前記冷媒を流入させるように制御することを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載の冷凍サイクル装置において、電力を発生する発電機を備え、前記膨張機にて回収される冷媒の膨張エネルギーを前記発電機に供給することを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項１または請求項２に記載の冷凍サイクル装置において、前記膨張機の上流側に開閉弁を設け、前記バイパス回路は、前記開閉弁をバイパスすることを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項１または請求項２に記載の冷凍サイクル装置において、前記膨張機の上流側に三方弁を設け、前記バイパス回路の一端を、前記三方弁に接続したことを特徴とする。
請求項５記載の本発明は、請求項２に記載の冷凍サイクル装置において、前記発電機を流れる電流を検知する電流検知手段、または前記発電機の電力を検知する電力検知手段を設け、前記電流検知手段または前記電力検知手段が、設定値以上の前記電流値または設定値以上の前記電力値を検知すると、前記制御手段では前記バイパス回路側に流入させる前記冷媒を遮断することを特徴とする。
請求項６記載の本発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の冷凍サイクル装置において、前記制御手段にタイマーを備え、前記圧縮機が起動してから設定時間経過後に、前記制御手段では前記バイパス回路側に流入させる前記冷媒を遮断するとともに、前記膨張機側への前記冷媒の供給を開始することを特徴とする。
請求項７記載の本発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の冷凍サイクル装置において、前記圧縮機吐出側から前記放熱器出口に至る前記冷凍サイクルの高圧を検知する第一の圧力検知手段を備え、前記第一の圧力検知手段が設定圧力以上の前記高圧を検知すると、前記制御手段では前記バイパス回路側に流入させる前記冷媒を遮断するとともに、前記膨張機側への前記冷媒の供給を開始することを特徴とする。
請求項８記載の本発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の冷凍サイクル装置において、前記圧縮機吐出側から前記放熱器出口に至る前記冷凍サイクルの高圧を検知する第一の圧力検知手段と、前記膨張機出口から前記圧縮機吸込側に至る前記冷凍サイクルの低圧を検知する第二の圧力検知手段とを備え、前記第一の圧力検知手段と前記第二の圧力検知手段とが検知する圧力の差が設定値以上になると、前記制御手段では前記バイパス回路側に流入させる前記冷媒を遮断するとともに、前記膨張機側への前記冷媒の供給を開始することを特徴とする。
請求項９記載の本発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の冷凍サイクル装置において、前記圧縮機吐出側から前記放熱器入口に至る前記冷凍サイクルの温度を検知する温度検知手段を備え、前記温度検知手段が設定温度以上の前記温度を検知すると、前記制御手段では前記バイパス回路側に流入させる前記冷媒を遮断するとともに、前記膨張機側への前記冷媒の供給を開始することを特徴とする。
請求項１０記載の本発明は、請求項１から請求項９のいずれかに記載の冷凍サイクル装置において、前記冷凍サイクルの高圧側を超臨界状態にして運転することを可能とする前記冷媒を用いたことを特徴とする。

本発明の冷凍サイクル装置では、圧縮機の起動時には膨張機をバイパスするバイパス回路側に冷媒を通過させるように制御することにより冷凍サイクルの閉塞を回避するので、また膨張機の独立制御によりオイルが不足した状態での運転を防止するので、圧縮機と膨張機の信頼性を向上することができる。

本発明の第１の実施の形態による冷凍サイクル装置は、圧縮機と、放熱器と、冷媒の膨張エネルギーを回収する膨張機と、蒸発器とを順次直列に接続して冷凍サイクルの主回路を形成する冷凍サイクル装置であって、
膨張機をバイパスするバイパス回路と、バイパス回路に配設する減圧手段と、減圧手段を制御する制御手段とを設け、制御手段によって、圧縮機の起動時にはバイパス回路側に冷媒を流入させるように制御するものである。本実施の形態によれば、圧縮機起動時にも冷媒が流れて冷凍サイクルが閉塞することはないので、冷凍サイクルの圧力の異常低下を回避することができ、圧縮機の信頼性を向上することができる。
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態による冷凍サイクル装置において、電力を発生する発電機を備え、膨張機にて回収される冷媒の膨張エネルギーを発電機に供給するものである。本実施の形態によれば、圧縮機と膨張機のシャフトを一軸で直結することなく膨張エネルギーを回収することができ、言い換えれば圧縮機と膨張機を独立制御することが可能となり、圧縮機起動時の冷媒による冷却効果とオイルの潤滑効果が十分に得られないという冷媒とオイルが不足した状態で、膨張機を停止することができるので、膨張機摺動部の損傷を回避することが可能となる。
本発明の第３の実施の形態は、第１または第２の実施の形態による冷凍サイクル装置において、膨張機の上流側に開閉弁を設け、バイパス回路は、開閉弁をバイパスするものである。本実施の形態によれば、圧縮機起動時には開閉弁を全閉にし、圧力差が十分に得られた時点には開閉弁を全開に制御することにより、起動時における圧縮機の信頼性を向上することができる。
本発明の第４の実施の形態は、第１または第２の実施の形態による冷凍サイクル装置において、膨張機の上流側に三方弁を設け、バイパス回路の一端を、三方弁に接続したものである。本実施の形態によれば、三方弁の切り替え制御のみで、膨張機をバイパスする冷凍サイクルの運転が可能となり、例えば、バイパス回路に配設した減圧手段をキャピラリチューブとすることができるので、安価な冷凍サイクル装置の提供が可能となる。
本発明の第５の実施の形態は、第２の実施の形態による冷凍サイクル装置において、発電機を流れる電流を検知する電流検知手段、または発電機の電力を検知する電力検知手段を設け、電流検知手段または電力検知手段が、設定値以上の電流値または設定値以上の電力値を検知すると、制御手段ではバイパス回路側に流入させる冷媒を遮断するものである。本実施の形態によれば、圧縮機起動時に膨張機をバイパスして運転する時間を最小限にすることができるので、圧縮機起動時の発電ロスを最小限に抑えることが可能となる。
本発明の第６の実施の形態は、第１から第４の実施の形態による冷凍サイクル装置において、制御手段にタイマーを備え、圧縮機が起動してから設定時間経過後に、制御手段ではバイパス回路側に流入させる冷媒を遮断するとともに、膨張機側への冷媒の供給を開始するものである。本実施の形態によれば、冷媒による冷却効果とオイルによる潤滑効果が十分に得られる状態となってから膨張機を駆動させることができるので、膨張機摺動部の損傷を回避することが可能となる。
本発明の第７の実施の形態は、第１から第４の実施の形態による冷凍サイクル装置において、圧縮機吐出側から放熱器出口に至る冷凍サイクルの高圧を検知する第一の圧力検知手段を備え、第一の圧力検知手段が設定圧力以上の高圧を検知すると、制御手段ではバイパス回路側に流入させる冷媒を遮断するとともに、膨張機側への冷媒の供給を開始するものである。本実施の形態によれば、膨張機を駆動するのに適正な高圧になってから膨張機により膨張エネルギーを回収する運転へ切り替えることで、冷凍サイクルの閉塞の回避と、冷媒による冷却効果とオイルによる潤滑効果が十分に得られる状態となってから膨張機を駆動させることによる膨張機摺動部の損傷の回避とを両立することが可能となる。
本発明の第８の実施の形態は、第１から第４の実施の形態による冷凍サイクル装置において、圧縮機吐出側から放熱器出口に至る冷凍サイクルの高圧を検知する第一の圧力検知手段と、膨張機出口から圧縮機吸込側に至る冷凍サイクルの低圧を検知する第ニの圧力検知手段とを備え、第一の圧力検知手段と第二の圧力検知手段とが検知する圧力の差が設定値以上になると、制御手段ではバイパス回路側に流入させる冷媒を遮断するとともに、膨張機側への冷媒の供給を開始するものである。本実施の形態によれば、さらに精度よく冷凍サイクルの状態を把握することができるので、より確実に膨張機を駆動するためのトルク不足による冷凍サイクルの閉塞の回避と、冷媒による冷却効果とオイルの潤滑効果が十分に得られる状態となってから膨張機を駆動させることができるので、膨張機摺動部の損傷の回避とを両立することが可能となる。
本発明の第９の実施の形態は、第１から第４の実施の形態による冷凍サイクル装置において、圧縮機吐出側から放熱器入口に至る冷凍サイクルの温度を検知する温度検知手段を備え、温度検知手段が設定温度以上の温度を検知すると、制御手段ではバイパス回路側に流入させる冷媒を遮断するとともに、膨張機側への冷媒の供給を開始するものである。本実施の形態によれば、より安価に圧縮機と膨張機の信頼性を向上する冷凍サイクルの提供が可能となる。
本発明の第１０の実施の形態は、第１から第９の実施の形態による冷凍サイクル装置において、冷凍サイクルの高圧側を超臨界状態にして運転することを可能とする冷媒を用いたものである。本実施の形態によれば、冷凍サイクル内での高低圧差が大きくなるので、膨張機を回転させるのに必要なトルクをより速やかに得ることが可能となり、圧縮機起動時に膨張機をバイパスして運転する時間を短縮できるので、圧縮機起動時の発電ロスを最小限に抑えることが可能となる。

図１は、本発明の第１実施例における冷凍サイクル装置の構成図である。なお、背景技術と同一構成については同一符号を付す。
図１において、本実施例の冷凍サイクル装置は、圧縮機１と、放熱器２と、冷媒の膨張エネルギーを機械エネルギーに変換して動力を回収する膨張機３と、蒸発器５とを順次直列に配管で接続して冷凍サイクルの主回路を形成し、膨張機３をバイパスするバイパス回路６を設けるともに、バイパス回路６内に減圧手段である例えば膨張弁７を配設した構成となっている。
また、膨張機３で冷媒の膨張エネルギーを機械エネルギー（回転エネルギー）に変換回収し、その回収した機械エネルギー（回転エネルギー）を発電機４に供給して電力を発生させる構成となっており、発生した電力は圧縮機１や蒸発器５用の図示しないファンの駆動源等に利用される。そして、膨張弁７の開度を制御する制御手段Ｃ１と、発電機４を流れる電流を検知する電流検知手段８とが設けられている構成である。
なお、膨張機３にて回収された膨張エネルギーが供給されることにより電力を発生する発電機４を備える上記構成は、圧縮機１と膨張機３のシャフトを一軸で直結することなく膨張エネルギーを回収することができる構成であり、圧縮機１と膨張機３を独立制御することが可能である。

以上のように構成される冷凍サイクル装置の通常運転時の動作について、冷媒のエネルギー状態の変化から、すなわち家庭用給湯機を例に図２に示す本実施例の冷凍サイクル装置のモリエル線図で説明する。
圧縮機１に吸い込まれた低温低圧の冷媒は、圧縮機１の動作により圧縮されて高温高圧の冷媒となり吐出される（図中のＡ→Ｂ）。吐出された冷媒は、放熱器２にて図示しない水道水と熱交換し、水道水を約８０℃の高温となるまで加熱しながら放熱し、膨張機３へ流入する（Ｂ→Ｃ）。そして、膨張機３において等エントロピー膨張を行い、機械エネルギーを発生しながら減圧され、蒸発器５に至る。この時、制御手段Ｃ１の制御により膨張弁７は全閉状態となっている（Ｃ→Ｄ）。その後、蒸発器５内で、屋外の空気と熱交換した冷媒はガス状となり、吸込配管を通って圧縮機１へと吸い込まれる（Ｄ→Ａ）。
これにより、放熱器２を給湯機、暖房機、自動販売機等の加熱源として使用する場合は、発電機４で発生した電力を圧縮機１の駆動源として利用すると、成績係数ＣＯＰ＝（ｉＢ−ｉＣ）／（（ｉＢ−ｉＡ）−（ｉＥ−ｉＤ））となり、従来の膨張弁やキャピラリチューブで等エンタルピ膨張させる冷凍サイクル装置と比較して、圧縮機１の所要動力を低減することができるので効率が向上する。
なお、蒸発器５を家庭用冷蔵庫、業務用冷蔵庫、冷房機、製氷機、自動販売機等の冷却源で使用する場合は、発電機４で発生した電力を圧縮機１の駆動源として利用すると、成績係数ＣＯＰ＝（（ｉＡ−ｉＥ）＋（ｉＥ−ｉＤ））／（（ｉＢ−ｉＡ）−（ｉＥ−ｉＤ））となり、従来の膨張弁やキャピラリチューブで等エンタルピ膨張させる冷凍サイクル装置と比較して、圧縮機１の所要動力を低減し、且つ冷凍効果が増加するのでさらに効率が向上する。

次に、冷凍サイクル装置の起動時の動作、すなわち圧縮機１の起動時の制御方法について、図３に示す本実施例の冷凍サイクル装置のフローチャートを元に説明する。
圧縮機１が起動するとステップ１００へと移り、制御手段Ｃ１により膨張弁７の絞り開度を適宜制御し、バイパス回路６側の運転を開始してステップ１１０に移る。この時、膨張機３にて膨張エネルギーの回収は行われず（膨張機３は停止、またはトルクが不足で駆動していない状態）、膨張弁７にて等エンタルピ膨張させる起動運転モードとする。
ステップ１１０では、電流検知手段８により発電機４を流れる電流値Ａ１を検知し、ステップ１２０へ移る。ステップ１２０では、発電機４を流れる電流値Ａ１と予め設定された電流値ＡＸ（例えば０アンペア）が比較される。
そして、Ａ１がＡＸより小さい場合は、発電機４が発電を開始していない、すなわち膨張機３が駆動していないと判断し、冷凍サイクルの閉塞を回避するためにステップ１００に戻り、発電機４を流れる電流値Ａ１がＡＸより大きくなるまでバイパス回路６側での起動運転モードを継続する。
また、Ａ１がＡＸより大きい場合は、発電機４が発電を開始している、すなわち膨張機３が駆動していると判断し、ステップ１３０に移り、制御手段Ｃ１の制御により膨張弁７を全閉としてバイパス回路６側に流入させる冷媒を遮断し、膨張機３側のみに冷媒を供給して、膨張機３にて等エントロピー膨張させて膨張エネルギーを最大限に回収する通常運転モードとする。

このように本実施例の冷凍サイクル装置では、圧縮機１の起動時にはバイパス回路６側に冷媒を流入させるように制御することにより、冷凍サイクルが閉塞することはないので、冷凍サイクルの低圧の異常低下を回避することができ、圧縮機１の信頼性を向上することができる。
また、発電機４が発電を開始すると、速やかに膨張機３側へのみ冷媒の供給を開始することにより、圧縮機１起動時に膨張機３をバイパスして運転する時間を最小限にすることができるので、圧縮機１起動時の発電機４の発電ロスを最小限に抑えることが可能となる。
更に、本実施例の冷凍サイクル装置では、前述のように圧縮機１と膨張機３を独立制御することが可能であるので、圧縮機１の起動時のような冷媒による冷却効果とオイルの潤滑効果が十分に得られない状態に膨張機３を停止することができる。この停止によって膨張機３の摺動部の損傷を回避することが可能となり、膨張機３の信頼性を向上することができる。
なお、本実施例では、圧縮機１と膨張機３を個別に駆動する構成としたが、圧縮機１と膨張機３を一軸で直結駆動する構成でも良く、冷凍サイクルの閉塞を回避する効果が同様に得られる。
また、本実施例では、膨張機３の駆動状態を検知するのに電流検知手段８を用いたが、発電機４の電力を検知する電力検知手段を用いても同様の効果が得られる。

図４は、本発明の第２実施例における冷凍サイクル装置の構成図である。なお、背景技術と同一構成については同一符号を付す。
図４において、本実施例の冷凍サイクル装置は、圧縮機１と、放熱器２と、開閉弁９と、膨張エネルギー（回転エネルギー）を発電機４に供給する膨張機３と、蒸発器５とを順次直列に接続して冷凍サイクルの主回路を形成し、開閉弁９と膨張機３とをバイパスするバイパス回路６を設けるともに、バイパス回路６内に減圧手段である例えば膨張弁７を配設した構成となっている。
また、開閉弁９と膨張弁７との開度を制御する制御手段Ｃ２が備えられている。そして、この制御手段Ｃ２にはタイマーが備えられている構成である。

以上のように構成される冷凍サイクル装置の起動時及び通常時の制御方法について、図５に示す本実施例の冷凍サイクル装置のフローチャートを元に説明する。
圧縮機１が起動すると制御手段Ｃ２によりタイマーの積算がスタートし、ステップ２００に移る。このステップ２００で、制御手段Ｃ２により開閉弁９を全閉にすると共に、膨張弁７の絞り開度を適宜制御し、ステップ２１０に移る。この時、膨張機３にて膨張エネルギーの回収を行わず（膨張機３は停止状態）、膨張弁７にて等エンタルピ膨張させる起動運転モードとする。
ステップ２１０では、タイマーの積算値ＴＡと予め設定された設定時間ＴＸ１が比較される。
そして、ＴＡがＴＸ１より小さい場合は、冷凍サイクルの閉塞を回避するためにステップ２００に戻りタイマーの積算値ＴＡがＴＸ１より大きくなるまで開閉弁９を全閉にし、バイパス回路６側での起動運転モードを継続する。
また、ＴＡがＴＸ１より大きい場合は、ステップ２２０に移り、制御手段Ｃ２により開閉弁９を全開にすると共に、膨張弁７を全閉とし、膨張機３側のみに冷媒を供給して膨張エネルギーを最大限に回収する通常運転モードとする。

次に、上記の設定時間について説明する。
図６は、本実施例の冷凍サイクル装置の圧力変化線図であり、圧縮機１が起動してからの開閉弁９の入口圧力と膨張機３の出口圧力の変化を実線で、開閉弁９の入口圧力と膨張機３の出口圧力の圧力差を破線で示している。
圧縮機１の起動前の開閉弁９の入口圧力と膨張機３の出口圧力はバランスした状態であるので、それらの圧力差はほぼ０（ＭＰａ）である。圧縮機１が起動すると、開閉弁９の入口圧力は徐々に上昇、膨張機３の出口圧力は徐々に低下し、ある時間（図中のＴＸ２）経過後の圧力はそれぞれＰＧ（ＭＰａ）、ＰＥ（ＭＰａ）となり、冷凍サイクルは安定する。即ち、開閉弁９の入口圧力と膨張機３の出口圧力の圧力差も同様に圧縮機１の起動後徐々に大きくなり、ある時間経過後の圧力差Δ（ＰＧ−ＰＥ）（ＭＰａ）が略一定となり、冷凍サイクルは安定する。
一方、膨張機３では、膨張機３の出入口の圧力差がある時間（図中のＴＸ１）経過後にある一定の圧力差ΔＰＸ（ＭＰａ）、つまりある一定のトルク以上となると、例えばスクロール膨張機の場合は図示しない可動スクロールが回転し始め、冷媒が減圧膨張すると共に、膨張エネルギーが回収される。
そこで、圧縮機１が起動してから膨張機３が駆動するのに必要なトルクが得られる圧力差ΔＰＸ（ＭＰａ）となるまでの積算時間（即ち、前述の設定時間ＴＸ１）を実験的に求めておくと、図５のフローチャートで示したように、タイマーの積算値ＴＡと設定時間ＴＸ１の比較判定によってステップ２１０からステップ２２０に移り、制御手段Ｃ２により開閉弁９を全開にし、膨張弁７を全閉とした場合に、膨張機３を駆動するのに十分な圧力差（トルク）が確保されているので、膨張機３を速やかに駆動することが可能となる。

このように本実施例の冷凍サイクル装置では、圧縮機１の起動時には開閉弁９を全閉にしてバイパス回路６側にのみ冷媒を流入させるように制御し、圧力差を十分に確保してから、開閉弁９を全開にして膨張機３側への冷媒の供給を開始することにより、膨張機３が速やかに駆動するとともに、冷凍サイクルが閉塞することはないので、冷凍サイクルの低圧の異常低下を回避することができ、圧縮機１の信頼性を向上することが可能となる。

また、冷凍サイクルが安定し始める開閉弁９の入口圧力と膨張機３の出口圧力の圧力差Δ（ＰＧ−ＰＥ）（ＭＰａ）が略一定となった時は、膨張機３に十分な冷媒とオイルを供給できる状態である。そこで、圧縮機１が起動してから冷凍サイクルが安定し始めるまでの積算時間（即ち、設定時間ＴＸ２）を実験的に求めておくと、図５のフローチャートにおいて、ステップ２１０でタイマーの積算値ＴＡと予め設定された設定時間ＴＸ２を比較し、ＴＡがＴＸ２より大きい場合は、ステップ２２０に移り、制御手段Ｃ２により開閉弁９を全開とし、膨張弁７を全閉にするように制御すると、冷媒による冷却効果とオイルによる潤滑効果が十分に得られる状態となってから膨張機３を駆動させることができるので、膨張機３摺動部の損傷を回避することが可能となる。
なお、冷凍サイクルが安定するまでの開閉弁９の入口圧力と膨張機３の出口圧力の圧力差と、圧縮機１が起動してからの時間との関係は、冷凍サイクル装置が設置されている周囲温度の影響も受けるので、周囲温度別にＴＸ１またはＴＸ２を予め設定し、図示しない周囲温度検知手段により、圧縮機１の起動時にＴＸ１またはＴＸ２を適宜設定して図５のフローチャートに示すような制御を行うと、さらに確実に圧縮機１と膨張機３の信頼性を向上することが可能となる。

図７は、本発明の第３実施例における冷凍サイクル装置の構成図であり、本実施例の冷凍サイクル装置は、第２実施例の変形例である。
図７において、本実施例の冷凍サイクル装置は、圧縮機１と、放熱器２と、三方弁１０と、膨張エネルギーを発電機４に供給する膨張機３と、蒸発器５とを順次直列に接続して冷凍サイクルの主回路を形成し、三方弁１０を介して膨張機３をバイパスするバイパス回路６を設けるともに、バイパス回路６内に減圧手段である例えば膨張弁７を配設した構成となっている。また、三方弁１０の切り替えと膨張弁７の開度とを制御する制御手段Ｃ３が備えられている構成である。

次に、本実施例の冷凍サイクル装置の起動時及び通常時の制御方法について、図８に示す本実施例の冷凍サイクル装置のフローチャートを元に説明する。
圧縮機１が起動すると制御手段Ｃ３によりタイマーの積算がスタートする。ステップ３００では、制御手段Ｃ３により三方弁１０のバイパス回路６側を開放してバイパス回路６側のみに冷媒を供給するように切り替えると共に、膨張弁７の絞り開度を適宜制御し、ステップ３１０に移る。この時、膨張機３にて膨張エネルギーの回収を行わず（膨張機３は停止状態）、膨張弁７にて等エンタルピ膨張させる起動運転モードとする。
ステップ３１０では、タイマーの積算値ＴＡと予め設定された設定時間ＴＸ１が比較される。
そして、ＴＡがＴＸ１より小さい場合は、冷凍サイクルの閉塞を回避するためにステップ３００に戻り、タイマーの積算値ＴＡがＴＸ１より大きくなるまで三方弁１０のバイパス回路６側を開放し、バイパス回路６側での起動運転モードを継続する。
また、ＴＡがＴＸ１より大きい場合は、ステップ３２０に移り、制御手段Ｃ３により三方弁１０の膨張機３側を開放し、膨張機３側のみに冷媒を供給するように切り替えて膨張エネルギーを回収する通常運転モードとする。

このように本実施例の冷凍サイクル装置では、圧縮機１の起動時にはバイパス回路６側に冷媒を流入させるように制御し、圧力差を十分に確保してから膨張機３側への冷媒の供給を開始することにより、冷凍サイクルが閉塞することはないので、開閉弁９を用いた場合と同様に圧縮機１の信頼性を向上することができる。
なお、本実施例では、膨張機３側とバイパス回路６側の運転モードの切り替えは、三方弁１０の制御のみで可能であるので、膨張弁７を開度制御不要の簡略な構造のキャピラリチューブに置き換えた構成とすることができ、安価な冷凍サイクル装置の提供が可能となる。

図９は、本発明の第４実施例における冷凍サイクル装置の構成図である。なお、背景技術と同一構成については同一符号を付す。
図９において、本実施例の冷凍サイクル装置は、第２実施例の変形例であり、第２実施例に第一の圧力検知手段１１と第二の圧力検知手段１２を追設した構成となっている。
この第一の圧力検知手段１１は、圧縮機１の吐出側から開閉弁９に至る配管に配設されて冷凍サイクルの高圧を検知する圧力検知手段であり、第二の圧力検知手段１２は、膨張機３の出口から圧縮機１の吸込側に至る配管に配設されて冷凍サイクルの低圧を検知する圧力検知手段である。そして、第一の圧力検知手段１１及び第二の圧力検知手段１２からの信号により、開閉弁９及び膨張弁７の開度の制御をする制御手段Ｃ４が備えられている構成である。
第２実施例で説明したように、膨張機３は膨張機３の出入口の圧力差がある一定の圧力差ΔＰＸ（ＭＰａ）、つまりある一定のトルク以上となると、例えばスクロール膨張機の場合は図示しない可動スクロールが回転し始め、冷媒が減圧膨張すると共に、膨張エネルギーが回収される。
そこで、第一の圧力検知手段１１と第二の圧力検出手段１２が検知する圧力の差が設定値ΔＰＸ（ＭＰａ）以下であると、制御手段Ｃ４により開閉弁９を全閉にするとともに、膨張弁７の絞り開度を適宜制御し、バイパス回路６側での起動運転モードとする。
また、第一の圧力検知手段１１と第二の圧力検出手段１２が検知する圧力の差が設定値ΔＰＸ（ＭＰａ）以上になると、制御手段Ｃ４の制御により開閉弁９を全開にすると共に、膨張弁７を全閉とし、膨張機３側のみに冷媒を供給して膨張エネルギーを最大限に回収する通常運転モードとする。

このように本実施例の冷凍サイクル装置では、冷凍サイクルの圧力を検知することにより、さらに精度よく冷凍サイクルの状態を把握することができるので、より確実に膨張機３を駆動するためのトルク不足による冷凍サイクルの閉塞を回避することができ、圧縮機１の信頼性をさらに向上することが可能となる。
また、精度よく冷凍サイクルの状態を把握することによって、圧縮機１起動時に膨張機３をバイパスして運転する時間を最小限にすることができるので、圧縮機１起動時の発電ロスを最小限に抑えることが可能となる。
また、冷凍サイクルが安定し始める時、すなわち開閉弁９の入口圧力と膨張機３の出口圧力の圧力差Δ（ＰＧ−ＰＥ）（ＭＰａ）が略一定となった時は、膨張機３に十分な冷媒とオイルを供給できる状態である。そこで、冷凍サイクルが安定し始める圧力差Δ（ＰＧ−ＰＥ）（ＭＰａ）を予め実験的に求めておき、第一の圧力検知手段１１と第二の圧力検出手段１２が検知する圧力の差が設定値Δ（ＰＧ−ＰＥ）（ＭＰａ）以上になると、バイパス回路６側に流入させる冷媒を遮断するとともに、膨張機３側への冷媒の供給を開始することにより、冷媒による冷却効果とオイルの潤滑効果が十分に得られる状態となってから膨張機３を駆動させることができるので、膨張機３摺動部の損傷を回避することが可能となる。
なお、膨張機３の出入口の圧力差は膨張機３の入口側の圧力への依存度が大きいので、第一の圧力検知手段１１の検出値のみで、膨張機３側とバイパス回路６側の運転モードの切り替えを判断することも可能である。この場合、第二の圧力検出手段１１を設けなくても良い構成となるので、安価な冷凍サイクル装置の提供が可能となる。

図１０は、本発明の第５実施例における冷凍サイクル装置の構成図である。
本実施例の冷凍サイクル装置は、第４実施例の変形例であり、図１０に示すように、圧縮機１の吐出側から放熱器２の入口に至る配管に配設されて冷凍サイクルの温度を検知する温度検知手段１３と、温度検知手段１３からの信号により、開閉弁９及び膨張弁７の開度を制御する制御手段Ｃ５とを備えた構成となっている。
そして、本実施例の冷凍サイクル装置では、圧縮機１の吐出側から開閉弁９に至る冷凍サイクルの圧力と圧縮機１の吐出側から放熱器２の入口に至る冷凍サイクルの温度との相関関係を利用して、温度検知手段１３が設定温度以上の冷凍サイクル温度を検知すると、制御手段Ｃ５により開閉弁９及び膨張弁７の開度を制御して、バイパス回路６側に流入させる冷媒を遮断するとともに、膨張機３側への冷媒の供給を開始する動作が行われる。

このような本実施例の冷凍サイクル装置により、圧力検知手段を設けずに膨張機３側とバイパス回路６側の運転モードの切り替えが可能となるので、より安価に圧縮機１と膨張機３の信頼性を向上する冷凍サイクル装置の提供が可能となる。
ところで、例えば二酸化炭素を冷媒として使用し、高圧側を超臨界状態にして運転することにより、冷凍サイクル内での高低圧差が大きくなるので、膨張機３を回転させるのに必要な圧力差（トルク）をより速やかに得ることが可能となり、圧縮機１の起動時に膨張機３をバイパスして運転する時間を短縮できるので、圧縮機１起動時の発電ロスを最小限に抑えられる冷凍サイクル装置の提供が可能となる。

以上のように、本発明にかかる冷凍サイクル装置は、圧縮機の起動時は膨張機をバイパスする回路側に冷媒を通過させるように制御することにより、圧縮機と膨張機の信頼性を向上することができるので、給湯機、冷暖房空調機器、自動販売機、家庭用冷蔵庫、業務用冷蔵庫、製氷機、等幅広い機器への用途にも適用できる。

本発明の第１実施例における冷凍サイクル装置の構成図 本実施例の冷凍サイクル装置のモリエル線図 本実施例の冷凍サイクル装置のフローチャート 本発明の第２実施例における冷凍サイクル装置の構成図 本実施例の冷凍サイクル装置のフローチャート 本実施例の冷凍サイクル装置の圧力変化線図 本発明の第３実施例における冷凍サイクル装置の構成図 本実施例の冷凍サイクル装置のフローチャート 本発明の第４実施例における冷凍サイクル装置の構成図 本発明の第５実施例における冷凍サイクル装置の構成図 従来の冷凍サイクル装置の構成図 従来の冷凍サイクル装置のモリエル線図

符号の説明

１ 圧縮機
２ 放熱器
３ 膨張機
４ 発電機
５ 蒸発器
６ バイパス回路
７ 膨張弁
８ 電流検知手段
９ 開閉弁
１０ 三方弁
１１ 第一の圧力検出手段
１２ 第二の圧力検出手段
１３ 温度検知手段
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５ 制御手段

Claims (10)

1. 圧縮機と、放熱器と、冷媒の膨張エネルギーを回収する膨張機と、蒸発器とを順次直列に接続して冷凍サイクルの主回路を形成する冷凍サイクル装置であって、
   前記膨張機をバイパスするバイパス回路と、前記バイパス回路に配設する減圧手段と、前記減圧手段を制御する制御手段とを設け、前記制御手段によって、前記圧縮機の起動時には前記バイパス回路側に前記冷媒を流入させるように制御することを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 電力を発生する発電機を備え、前記膨張機にて回収される冷媒の膨張エネルギーを前記発電機に供給することを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記膨張機の上流側に開閉弁を設け、前記バイパス回路は、前記開閉弁をバイパスすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記膨張機の上流側に三方弁を設け、前記バイパス回路の一端を、前記三方弁に接続したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記発電機を流れる電流を検知する電流検知手段、または前記発電機の電力を検知する電力検知手段を設け、前記電流検知手段または前記電力検知手段が、設定値以上の前記電流値または設定値以上の前記電力値を検知すると、前記制御手段では前記バイパス回路側に流入させる前記冷媒を遮断することを特徴とする請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記制御手段にタイマーを備え、前記圧縮機が起動してから設定時間経過後に、前記制御手段では前記バイパス回路側に流入させる前記冷媒を遮断するとともに、前記膨張機側への前記冷媒の供給を開始することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
7. 前記圧縮機吐出側から前記放熱器出口に至る前記冷凍サイクルの高圧を検知する第一の圧力検知手段を備え、前記第一の圧力検知手段が設定圧力以上の前記高圧を検知すると、前記制御手段では前記バイパス回路側に流入させる前記冷媒を遮断するとともに、前記膨張機側への前記冷媒の供給を開始することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
8. 前記圧縮機吐出側から前記放熱器出口に至る前記冷凍サイクルの高圧を検知する第一の圧力検知手段と、前記膨張機出口から前記圧縮機吸込側に至る前記冷凍サイクルの低圧を検知する第二の圧力検知手段とを備え、前記第一の圧力検知手段と前記第二の圧力検知手段とが検知する圧力の差が設定値以上になると、前記制御手段では前記バイパス回路側に流入させる前記冷媒を遮断するとともに、前記膨張機側への前記冷媒の供給を開始することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
9. 前記圧縮機吐出側から前記放熱器入口に至る前記冷凍サイクルの温度を検知する温度検知手段を備え、前記温度検知手段が設定温度以上の前記温度を検知すると、前記制御手段では前記バイパス回路側に流入させる前記冷媒を遮断するとともに、前記膨張機側への前記冷媒の供給を開始することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
10. 前記冷凍サイクルの高圧側を超臨界状態にして運転することを可能とする前記冷媒を用いたことを特徴とする請求項１から請求項９のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
    

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