JP2007187332A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷凍サイクル装置において、運転状態の変化に応じた最適なオイル量を膨張機へ供給し、回収動力を高く維持する。
【解決手段】本実施形態の冷凍サイクル装置は、冷媒を高温高圧に圧縮する圧縮機２１と、高温高圧になった冷媒を冷却して周囲へ放熱させる放熱器１６と、冷媒流量を調整する絞り装置７と、冷媒を減圧膨張する膨張機２２と、冷媒が周りから熱を奪って蒸発する蒸発器１７を順次配管接続した構成であり、圧縮機２１のシェル内の下部にあるオイル溜まりと膨張機２２の下部にあるオイル溜まりがオイル送り管によって接続され、膨張機入口の冷媒温度検出手段と冷媒圧力検出手段と蒸発器１７の冷媒温度検出手段の検出値と回収動力値をもとに絞り装置７の開度と放熱器１６のファン風量と圧縮機２１の周波数を調整する制御手段８が備えられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、給湯機や空調機などに用いる、膨張機を搭載した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１２は特許文献１に記載された従来のヒートポンプ装置を示すものである。

図１２は、冷媒５を圧縮するための圧縮機２１と、圧縮機２１により圧縮された冷媒５を冷却するための放熱器１６と、放熱器１６を通過した冷媒５を膨張させるための膨張機２２と、膨張機２２により膨張した冷媒５を蒸発させるための蒸発器１７から構成される冷凍サイクル装置である。圧縮機２１と膨張機２２は一体化され、レシプロタイプの圧縮膨張機２を構成している。膨張機２２では、冷媒が膨張するときに発生する動力を回収し、圧縮機２１と接続されている駆動軸３に動力を伝達する。図１１は膨張機２２による高効率化の原理を示したモリエル線図である。図１１に示すように、圧縮機２１出口（点ｄ）から凝縮されて過冷却となった冷媒ガス（点ａ）を膨張機２２に導入し、これを膨張機２２において等エントロピー膨張によって膨張させた時、蒸発器１７（例えば冷房時の室内熱交換器）入口（点ｂ）と、従来のように膨張弁によって（点ａ）から等エンタルピ膨張させた場合における蒸発器１７入口（点ｅ）との間のエンタルピ量（ｈａ）だけ、冷媒膨張時の圧力エネルギーが動力として冷媒システム側に回収される。その結果、圧縮機２１には必要入力（ｈｂ）から上記回収動力（ｈａ）を差し引いた値（ｈｂ−ｈａ）だけを実際に入力すればよく、圧縮機２１入力の低減分だけサイクルの高効率化が実現されるものである。また、圧縮機２１と放熱器１６との間には、圧縮機２１を通過した冷媒５と冷媒５に含まれる潤滑油６とを分離するためのオイル分離器１２が配設されており、分離された潤滑油６を蒸発器１７と圧縮機２１との間の冷媒配管１１１へ戻すオイル戻し管１３と、放熱器１６と膨張機２１との間の冷媒配管１１３へ送るオイル送り管１４へ流す構成になっている。
特開２００１−１４１３１５号公報

しかしながら、オイル分離器により分離されたオイルを放熱器と膨張機との間の冷媒配管へ接続されたオイル送り管へ流す構成では、オイル分離器で分離したオイルを圧縮機出口と膨張機入口間の圧力損失分のみで流入させていることや、圧縮機から吐出されるオイル吐出量が少ないためにオイル分離器で分離されるオイル量も少ない等の理由から、膨張機の性能が発揮できる十分なオイルが供給できず、運転状態が変化した場合に回収動力を高く維持できないという課題を有していた。

本発明は前記課題に鑑みてなされたものであり、圧縮機のオイル溜まりと膨張機のオイル溜まりをオイル送り管で接続し、膨張機の冷媒流れ方向の上流側に絞り装置を直列に接続し、絞り装置の開度を最適に制御して膨張機へ十分なオイルを供給し、運転状態が変化しても回収動力を高く維持することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明においては、圧縮機と、放熱器と、第１の絞り装置と、第２の絞り装置と、蒸発器を順次配管接続し、冷媒を循環させる冷凍サイクル装置であって、第２の絞り装置は膨張機であり、圧縮機のオイル溜まりと膨張機のオイル溜まりをオイル送り管で接続し、膨張機の入口に第１の冷媒温度検出手段と第１の冷媒圧力検出手段とを設置し、蒸発器に第２の冷媒温度検出手段を設置し、第１の冷媒温度検出手段の検出値と、第１の冷媒圧力検出手段の検出値と、第２の冷媒温度検出手段の検出値と、膨張機の回収動力の検出値をもとに、第１の絞り装置の開度を制御する構成とする。

本構成によって、運転状態の変化に応じた最適なオイル量を膨張機へ供給することができ、回収動力を高く維持することができる。

本発明のヒートポンプ装置によれば、運転状態の変化に応じた最適なオイル量を膨張機へ供給することができ、回収動力を高く維持することができる。

本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機と、放熱器と、第１の絞り装置と、第２の絞り装置と、蒸発器を順次配管接続し、冷媒を循環させる冷凍サイクル装置であって、第２の絞り装置は膨張機であり、圧縮機のオイル溜まりと膨張機のオイル溜まりをオイル送り管で接続し、膨張機の入口に第１の冷媒温度検出手段と第１の冷媒圧力検出手段とを設置し、蒸発器に第２の冷媒温度検出手段を設置し、第１の冷媒温度検出手段の検出値と、第１の冷媒圧力検出手段の検出値と、第２の冷媒温度検出手段の検出値と、膨張機の回収動力の検出値をもとに、第１の絞り装置の開度を制御する構成とする。

これにより、運転状態の変化に応じた最適なオイル量を膨張機へ供給することができ、回収動力を高く維持することができる。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１について、図面を参照しながら詳細に説明する。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、本実施形態のヒートポンプ装置は、冷媒を高温高圧に圧縮する圧縮機２１と、高温高圧になった冷媒を貯湯タンク３０の低温水と熱交換させて高温高圧冷媒を冷却する放熱器１６と、放熱器１６よりも冷媒の流れ方向に対して下流側に配設されて冷媒流量を調整する絞り装置７と、絞り装置７よりも冷媒の流れ方向に対して下流側に配設されて冷媒を減圧膨張する膨張機２２と、冷媒が周りから熱を奪って蒸発する蒸発器１７によって構成されている。そして本実施形態による冷凍サイクルは、圧縮機２１のシェル内の下部にあるオイル溜まりと膨張機２２のオイル溜まりがオイル送り管１４によって接続されている。また、膨張機２２の入口に第１の冷媒温度検出手段９と第１の冷媒圧力検出手段１０が設置され、放熱器１６の出口には第２の冷媒圧力検出手段３１、蒸発器１７に第２の冷媒温度検出手段３０が設置されている。また、制御手段８では膨張機２２の回収動力値と第１の冷媒温度検出手段９の検出値と第１の冷媒圧力検出手段１０の検出値と第２の冷媒温度検出手段３０の検出値をもとに絞り装置７の開度と放熱器１６の水流量と圧縮機２１の周波数を制御手段８によって予め求められた所定値に調整する。また、図１はヒートポンプ給湯機を想定しているが、放熱器１６の被加熱流体が空気である空調用途にも適用できる。

まず、絞り装置の開度と理論回収動力、膨張機効率、回収動力の関係を図２をもとに説明する。

図２の（１）に示すように、絞り装置７の開度を大きくしていくと理論回収動力は大きくなる。この理由について説明する。絞り装置７の開度を大きくすると、膨張機２２入口冷媒圧力も大きくなる、つまり膨張機２２の入口と出口の圧力差が大きくなっていくため理論回収動力は大きくなる。また、絞り装置７の開度を全開にすると放熱器１６の出口冷媒圧力に等しくなり、理論回収動力は最大となる。

また、図２の（２）に示すように、絞り装置７の開度を大きくしていくと膨張機効率は小さくなる。この理由について説明する。絞り装置７の開度を大きくすると、膨張機２２の入口冷媒圧力も大きくなっていき、圧縮機２１のシェル内の圧力（圧縮機２１のシェル内は圧縮された後の高温高圧冷媒で満たされている）との圧力差が小さくなっていく。つまり、圧縮機２１のオイル溜まりからオイル送り管１４を通って膨張機２２の入口へ流れるオイルは圧縮機２１のシェル内圧力と膨張機２２の入口冷媒圧力の圧力差を駆動源として流れるため、絞り装置７の開度を大きくして膨張機２２の入口冷媒と圧縮機２１のシェル内冷媒の圧力差が小さくなるとオイルが膨張機２２へ流れにくくなり、膨張機内のオイル量は低下し、膨張機効率は低下する。

図２の（１）、（２）を総合すると、図２に示す（３）のようになる。つまり、絞り装置７の開度に対する理論回収動力と膨張機効率の傾向が反対であるため、回収動力が最大となる開度の最適点が存在する。

次に、回収動力に及ぼす膨張機２２の入口圧力の影響を把握するために実験を行った。その結果ついて説明する。

実験条件は、表１に示す給湯機中間期条件である。

実験は、図３のモリエル線図に示すように膨張機２２の入口圧力を８．６８ＭＰａ，７．７７ＭＰａ，７．２１ＭＰａと変化させた場合のそれぞれの回収動力を測定した。

図４に実験結果を示す。この図は回収動力に及ぼす膨張機２２の入口圧力の影響を示している。この図から給湯機中間期条件においては膨張機２２の入口圧力が７．７７ＭＰａ付近で最大になっているのがわかる。これは膨張機２２の上流側に設置した絞り装置７の開度を小さくしたことにより、膨張機２２の入口冷媒圧力と圧縮機２１の吐出圧力に差が生じ、オイル送り管１４を通って膨張機２２へ流れ込むオイル量が多くなり、膨張機効率が向上したためだと考えられる。絞り装置７の開度を小さくすることで膨張機２２の入口冷媒圧力を下げると理論回収動力は減少するが、図２で説明したように膨張機効率は増加するため、最適な絞り装置の開度即ち最適な膨張機２２の入口冷媒圧力が存在する。

次に、絞り装置７の開度制御方法について図５の制御フローチャートをもとに説明する。

まず、ステップ１で膨張機２２の入口冷媒の温度・圧力を検出する。冷媒の温度は、第１の冷媒温度検出手段９にて検出し、冷媒の圧力は、第１の冷媒圧力検出手段１０によって検出する。

ステップ２で蒸発器１７の冷媒温度を検出する。冷媒温度の検出は、第２の冷媒温度検出手段３０を用いて行う。次に、ステップ１で検出した膨張機２２の入口冷媒温度・圧力と、ステップ２での蒸発器１７の冷媒温度から、最適回収動力を導出する。ここで、最適回収動力の算出方法について説明する。給湯や空調で使用する際の膨張機２２の入口冷媒の温度・圧力範囲（例えば圧力は８〜１２ＭＰａ、温度は１０〜４０℃）において、予め実験によって絞り装置７の開度と蒸発器１７の冷媒温度（例えば０〜２０℃）の各組み合わせによる膨張機２２での最適回収動力の関係を導出する。この最適回収動力の情報は、制御手段８内にあるマイクロコンピュータに記憶させておく。ステップ１および２で導出したデータに基づき、マイクロコンピュータに記憶させた情報に参照することにより、最適回収動力を導出することができる。

ステップ３で膨張機２２での回収動力を検出する。回収動力の検出方法は種種の方法がある。電力計を用いて測定するのは直接的な方法である。その他の方法としては、たとえば、国際公開２００５／１０３５８４号パンフレットに記載されているように、膨張機に直結した発電機の電流や回転数から、回収動力を推定する方法も用いることができる。

次にステップ３での回収動力が、ステップ１及び２で導出した最適回収動力に一致しているかどうか判断する。ここで、両数値が完全に一致していない場合には、システムに応じて適切な最適回収動力範囲を設定し、その範囲内に、回収動力があれば、一致していると判断する。

ステップ３で測定した回収動力が、最適回収動力になっていればステップ４に移り運転は継続し、最適回収動力になっていなければステップ５に移り膨張機２２の上流に設置された絞り装置７の開度を変更し、最適回収動力となるように膨張機２２入口冷媒圧力を調整する。

次にステップ６で冷凍サイクルの高圧サイドに設置された第２の冷媒圧力検出手段３１での検出値が最適値になっているか判断する。ここで、圧力を測定する理由は次のとおりである。従来冷媒では高圧側は凝縮域であったため、放熱器出口の冷媒温度を決めると圧力も一義的に決まっていたが、ＣＯ２を冷媒として用いた場合高圧サイドは超臨界状態と
なり、放熱器出口の冷媒温度を決めても圧力は一義的には決まらないからである。

ステップ６、７では、ステップ５で絞り装置７の開度を変化させて膨張機２２の入口状態を変化させると、放熱器１６出口冷媒の状態も変化するため、全体のシステムのＣＯＰが最大となるように高圧を制御する。ステップ６では、第２の冷媒圧力検出手段３１において、圧力値を検出した後、この検出値が、マイクロコンピュータに記憶された最適値に一致しているか否かを判断する。圧力の最適値は、夏期、冬期、中間期それぞれに応じて予め決められた最適な圧力をマイクロコンピュータに記憶させておく。ここで、最適値の範囲は、システムの条件に応じて、適宜判断する。

ステップ６で、第２の冷媒圧力検出手段で検出した検出値が最適値に一致していればステップ１へ戻り、一致していなければステップ７で圧縮機２１の周波数と放熱器１６の水流量もしくは風量制御により高圧を制御しステップ６へ戻る。

図５のフローチャートを繰り返すことで、冷凍サイクルに大きな変化をもたらすことなく、膨張機２２での回収動力を常に高く維持することができる。また、これら一連の流れを一定時間間隔ごと（例えば１時間ごと）に実行させるようにする。

なお、使用するオイルとしてはＰＡＧ（ポリアルキレングリコール）オイルやＰＯＥ（ポリオールエステル）オイル等が挙げられる。

特に、冷媒に二酸化炭素を用いる場合には粘性が低いことや二酸化炭素に対して溶解性が低い等の理由からＰＡＧオイルを使用するのが適している。
以上のような手順を踏むことにより、運転状態の変化に応じた最適なオイル量を膨張機へ供給することができ、回収動力を高く維持することができる。

（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、背景技術と同一構成については同一符号を付す。

図６において、本実施形態のヒートポンプ装置は、実施の形態１とほぼ同様であるが、放熱器１６の出口に設けられた第２の冷媒圧力検出手段３１に代えて外気温検出手段１５と圧縮機の周波数検出手段２０とが備えられている。

なお、絞り装置７の開度制御手法については、図５に示すフローチャートとほぼ同様であるが、ステップ３で高圧を検出する際に圧力センサーではなく外気温検出手段１５と圧縮機２１の周波数から高圧を推定するところが異なっている。その他は実施の形態１と同様である。

外気温と圧縮機周波数から放熱器１６の出口冷媒圧力を推定する方法としては、予め実験で、図７に示すような冷媒の圧力・圧縮機２１の周波数・外気温の関係を示す図を作成しておき、その情報を制御手段７のマイクロコンピュータに記憶させておく。その情報をもとに放熱器１６の出口冷媒圧力を推定し、あとは図５のフローチャートの流れに基づいて制御を行う。

以上のような手順を踏むことにより、運転状態の変化に応じた最適なオイル量を膨張機へ供給することができ、回収動力を高く維持することができる。

（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、背
景技術と同一構成については同一符号を付す。
図８において、本実施形態のヒートポンプ装置は、実施の形態２とほぼ同様であるが、圧縮機２１の周波数検出手段２０に代えて膨張機２２の周波数検出手段２３が備えられている。

なお、絞り装置７の開度制御手法については、図５に示すフローチャートとほぼ同様であるが、ステップ３で高圧を検出する際に圧力センサーではなく外気温検出手段１５と膨張機２１の周波数から高圧を推定するところが異なっている。その他は実施の形態１と同様である。

外気温と膨張機周波数から放熱器１６の出口冷媒圧力を推定する方法としては、予め実験で、図９に示すような冷媒の圧力・膨張機２２の周波数・外気温の関係を示す図を作成しておき、その情報を制御手段７のマイクロコンピュータに記憶させておく。その情報をもとに放熱器１６の出口冷媒圧力を推定し、あとは図５のフローチャートの流れに基づいて制御を行う。

以上のような手順を踏むことにより、運転状態の変化に応じた最適なオイル量を膨張機へ供給することができ、回収動力を高く維持することができる。

（実施の形態４）
以下、本発明の実施の形態２について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、背景技術と同一構成については同一符号を付す。

図１０において、本実施形態のヒートポンプ装置は、実施の形態１とほぼ同様であるが、圧縮機２１のオイル溜まりとオイル送り管１４を介して接続する部分を膨張機２２のオイル溜まりに代えて膨張機２２の入口冷媒配管としている。

なお、絞り装置７の開度制御手法については実施の形態１〜３と同様であるので省略する。

以上のような手順を踏むことにより、運転状態の変化に応じた最適なオイル量を膨張機へ供給することができ、回収動力を高く維持することができる。

本発明にかかる冷凍サイクル装置は、給湯機、冷凍・空調機器や乾燥装置などのヒートポンプ装置として利用することができる。

本発明の実施の形態１における、ヒートポンプ装置の構成図 本発明の実施の形態１における、絞り装置の開度と膨張機における回収動力の関係を示す図 本発明の実施の形態１における、膨張機入口冷媒圧力に対する回収動力の実験結果を示す図 本発明の実施の形態１における、膨張機入口冷媒圧力に対する回収動力の実験結果を示す図 本発明の実施の形態１における、絞り装置の制御方法を示すフローチャート 本発明の実施の形態２における、ヒートポンプ装置の構成図 本発明の実施の形態２における、外気温と圧縮機周波数から膨張機入口冷媒圧力を推算するための図 本発明の実施の形態３における、ヒートポンプ装置の構成図 本発明の実施の形態３における、外気温と膨張機周波数から膨張機入口冷媒圧力を推算するための図 本発明の実施の形態４における、ヒートポンプ装置の構成図 膨張機を冷凍サイクルに搭載した場合のモリエル線図 従来の冷凍サイクル装置図

符号の説明

１ 冷凍空調機
２ 圧縮膨張機
３ 駆動軸
５ 冷媒
６ 潤滑油
７ 絞り装置
８ 制御手段
９ 冷媒温度検出手段
１０ 冷媒圧力検出手段
１１，１１１，１１２， １１３，１１４ 冷媒配管
１２ オイル分離器
１３ オイル戻し管
１４ オイル送り管
１５ 外気温検出手段
１６ 放熱器
１７ 蒸発器
１８ アキュームレータ
１９ オイル供給管
２０ 圧縮機周波数検出手段
２１ 圧縮機
２２ 膨張機
２３ 膨張機周波数検出手段
２９ 原動機
３０ 貯湯タンク
３１ 放熱器能力制御手段
１３１ 可変の絞り
１４１ 可変の絞り
１９１ 調整弁

Claims (6)

1. 圧縮機と、放熱器と、第１の絞り装置と、第２の絞り装置と、蒸発器を順次配管接続し、冷媒を循環させる冷凍サイクル装置であって、
   前記第２の絞り装置は膨張機であり、
   前記圧縮機のオイル溜まりと前記膨張機のオイル溜まりをオイル送り管で接続し、
   前記膨張機の入口に第１の冷媒温度検出手段と第１の冷媒圧力検出手段とを設置し、
   前記蒸発器に第２の冷媒温度検出手段を設置し、
   前記第１の冷媒温度検出手段の検出値と、前記第１の冷媒圧力検出手段の検出値と、前記第２の冷媒温度検出手段の検出値と、前記膨張機の回収動力の検出値をもとに、前記第１の絞り装置の開度を制御する冷凍サイクル装置。
2. 請求項１記載の冷凍サイクル装置において、
   さらに、前記放熱器出口に第２の冷媒圧力検出手段と、前記放熱器の放熱能力制御手段とを有し、前記第２の冷媒圧力検出手段の検出値に基づいて、前記圧縮機の周波数または前記放熱能力制御手段を制御する冷凍サイクル装置。
3. 請求項１記載の冷凍サイクル装置において、
   さらに、外気温検出手段と前記圧縮機の周波数検出手段を有し、前記外気温検出手段の検出値および前記圧縮機の周波数検出手段で検出した周波数に基づいて、前記圧縮機の周波数または前記放熱能力制御手段を制御する冷凍サイクル装置。
4. 請求項１記載の冷凍サイクル装置において、
   さらに、外気温検出手段と前記膨張機の周波数検出手段を有し、前記外気温検出手段の検出値および前記膨張機の周波数検出手段で検出した周波数に基づいて、前記膨張機の周波数または前記放熱能力制御手段を制御する冷凍サイクル装置。
5. 前記冷凍サイクルは、放熱器において、冷媒と水とで熱交換を行い、温水を供給可能なものであり、前記放熱能力制御手段は、前記水の流量を制御することにより制御される請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
6. 請求項１〜５に記載の冷凍サイクル装置において、前記圧縮機のオイル溜まりと接続する部分を前記膨張機の入口に代えた冷凍サイクル装置。

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