JP2007212022A

JP2007212022A - 冷凍サイクル装置

Info

Publication number: JP2007212022A
Application number: JP2006030777A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Kusumaru; 雄一藥丸; Masaya Honma; 雅也本間
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-02-08
Filing date: 2006-02-08
Publication date: 2007-08-23

Abstract

【課題】膨張機のオイル吐出量が圧縮機に対し非常に大きい場合、時間が経過するにつれて膨張機の油面が徐々に低下していき、膨張機の信頼性および性能が低下するということ。
【解決手段】本発明の冷凍サイクル装置の制御方法によれば、前記第1の流量制御弁１０８出口と前記膨張機１０３のシェル上部を第2の流量制御弁１１０を介して接続する第2のバイパス回路１０９を設けることによって、膨張機１０３シェル内の圧力を低下させることができるので、より確実に膨張機１０３内に一定量のオイルを確保することを目的としてなされたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、膨張機を用いた給湯機や空調機などの冷凍サイクル装置に関し、膨張機シェル内の冷媒圧力を低下させて、膨張機内に滞留するオイル油面を上昇させることを特徴とする構成とその制御方法に関するものである。

従来の冷凍サイクル装置において、圧縮機や膨張機から吐出された冷媒はオイルとともに出ていくものであるが、膨張機から吐出されるオイルが大きいほど、膨張機内に滞留するオイル量が減るので、膨張機内部のメカ摺動ロスが発生したり、焼き付きを生じてしまうという課題がある。また、オイル量が低下すると膨張機メカの体積効率が低下するので、回収動力も低下し、システム性能の向上が小さくなるという課題がある。

図６は、このような課題を解決するための分離型膨張機システムの構成回路を示している。
このシステムの場合、膨張機内の油面を一定に安定させるために均油ライン及びドーム均圧ラインを圧縮機と連結させる手段が用いられている（例えば、非特許文献１参照）。
ダイキン・平成14年度ＮＥＤＯ成果報告書（第１.1-1図）

しかしながら、膨張機のオイル吐出量が圧縮機に対し非常に大きい場合、時間が経過するにつれて膨張機の油面が徐々に低下していき、膨張機の信頼性および性能が低下するという課題があった。

前記従来の課題を解決するために、本発明の冷凍サイクル装置の運転方法は、冷媒が、圧縮機、放熱器、膨張機、蒸発器の順に循環し、前記圧縮機と前記膨張機とを均圧管と均油管で連結するとともに、前記膨張機の吐出管路と吸入管路を第1の流量制御弁を介して接続する第1のバイパス回路を設けた構成において、前記第1の流量制御弁出口と前記膨張機のシェル上部を第2の流量制御弁を介して接続する第2のバイパス回路を設けたことを特徴とする冷凍サイクル装置及びその制御方法である。

本構成によって、膨張機シェル内の圧力を低下させることができるので、より確実に膨張機内に一定量のオイルを確保することができる。

また、本発明の冷凍サイクル装置の運転方法は、冷媒が、圧縮機、放熱器、膨張機、蒸発器の順に循環し、前記圧縮機と前記膨張機とを均圧管と均油管で連結するとともに、前記膨張機の吐出管路と吸入管路を第1の流量制御弁を介して接続する第1のバイパス回路を設けた構成において、前記圧縮機吸入部と前記膨張機のシェル上部を第２の流量制御弁を介して接続する第３のバイパス回路を設けたことを特徴とする冷凍サイクル装置及びその制御方法である。

本構成によって、膨張機シェル内の圧力をさらに低下させることができるので、より確実に膨張機内に一定量のオイルを確保することができる。
また、本発明の冷凍サイクル装置の運転方法は、膨張機回収電流検出手段を設けたことを特徴とする請求項１から２に記載の冷凍サイクル装置及びその制御方法である。
本構成によって、膨張機内の油面が低下したかどうかを膨張機回収電流によって確実に予
測することができる。
また、本発明の冷凍サイクル装置の運転方法は、膨張機シェル温度検出手段を設けたことを特徴とする請求項１から２に記載の冷凍サイクル装置及びその制御方法である。

本構成によって、膨張機内の油面が低下したかどうかを膨張機シェル温度によって確実に予測することができる。

本発明の冷凍サイクル装置の運転方法によれば、冷媒が、圧縮機、放熱器、膨張機、蒸発器の順に循環し、前記圧縮機と前記膨張機とを均圧管と均油管で連結するとともに、前記膨張機の吐出管路と吸入管路を第1の流量制御弁を介して接続する第1のバイパス回路を設けた構成において、前記第1の流量制御弁出口と前記膨張機のシェル上部を第2の流量制御弁を介して接続する第2のバイパス回路を設けることによって、膨張機シェル内の圧力を低下させることができるので、より確実に膨張機内に一定量のオイルを確保することができるので、膨張機の動力回収を正常に行うことができる。

以下本発明の冷凍サイクル装置の運転方法の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明による実施の形態１の冷凍サイクル装置を示す構成図である。本実施の形態の冷凍サイクル装置は、例えばフロンまたは二酸化炭素等の冷媒を作動流体とし、冷媒を昇圧する圧縮機１０１と、この圧縮機１０１で昇圧された冷媒を冷却する放熱器１０２と、この放熱器１０２よりも冷媒下流側に配置されて冷却された冷媒を減圧膨張する膨張機１０３と、この膨張機１０３で減圧された冷媒を加熱する蒸発器１０４を順次配管接続して冷凍サイクル回路が構成されている。

また、本実施形態の冷凍サイクル装置は、膨張機１０３のシェルと、圧縮機１０１のシェルは、オイルを連通させてオイルレベルを一定に保つため、均圧管および均油管で接続されている。均油管は、通常の膨張機シェルと圧縮機シェルのオイルレベルより下で、両方のシェルを接続して連通し、オイルの輸送を行う。本実施形態では制御弁１０６が設けられ、流量制御が可能である。均圧管は、通常の膨張機シェルと圧縮機シェルのオイルレベルより上で、両方のシェルを接続して連通し、冷媒の輸送を行うことによって、両シェルの圧力を適正に保つ。本実施形態では制御弁１０５が設けられ、圧力制御が可能である。

圧縮機シェル内と膨張機シェル内とで、一般に、圧縮機シェル内のほうが圧力が高い。したがって、均油管によって両シェルをつないだだけでは、オイルが圧縮機シェルから膨張機シェルに移動しにくい。均圧管を用いて、両シェル内の圧力を均一化させることにより、均油管によるオイルを移動を円滑にすることができる。均圧管による両シェル内、特に膨張機シェル内の圧力の調整は、バルブ１０５によって、相当程度まで制御可能である。しかしながら、膨張機シェル内の圧力が上昇しすぎた場合または圧力を低下させたい場合には、バルブ１０５を制御しても、膨張機１０３シェル内の圧力を低下させるのは困難である。

そこで、本実施形態の冷凍サイクル装置では特に、膨張機１０３の吐出管路と吸入管路を第1の流量制御弁１０８を介して接続する第1のバイパス回路１０７を設け、第1の流量制御弁１０８出口と膨張機１０３のシェル上部を第2の流量制御弁１１０を介して接続する第2のバイパス回路１０９を設けている。なお、ここで、シェル上部とは、膨張機シェ
ルの油面レベルより上の位置を意味する。より正確には、膨張機の油面が通常達する最高のレベルより上部を意味する。

一般に、第１の流量制御弁１０８出口は、膨張機１０３シェル内に比べて低い圧力になっている。したがって、本実施形態の冷凍サイクル装置では、膨張機１０３シェル内の油面が低下した場合には、第２の流量制御弁１１０を開く（または開度を大きくする）ことによって、膨張機１０３シェル内の高圧の冷媒を第２のバイパス回路１０９を経由して、第１のバイパス回路１０７に逃がしてやることにより、膨張機１０３シェル内の圧力を低下させる。膨張機１０３シェル内の圧力が低下すると、圧縮機１０１シェルに比べて、相対的に膨張機１０３シェル内の圧力が低くなり、バルブ１０６が開いている場合には、均油管を経由して、圧縮機シェル内のオイルが膨張機シェル内に流入し、膨張機シェルの油面を上昇させることができる。この場合、膨張機シェルと圧縮機シェルの差圧をより大きくするために、均圧管のバルブ１０５を閉じるかまたは絞ることが有効である。

また、本実施形態の冷凍サイクル装置は、膨張機からの回収動力を電力に変換する発電機１１１と、制御回路１１２と、膨張機の出力電流を検出する膨張機出力電流検出手段１１３とを有する。

本実施の形態の冷凍サイクル装置の制御を、図２のフローチャートを用いて説明する。

リモコンのスイッチがＯＮされるなどして冷凍サイクル装置の運転が開始されると、ステップ２０１にすすみ、膨張機出力電流検出手段１１３によって膨張機出力電流Ｌが検出され、出力電流Ｌと設定電流値Ｌ１とが比較される。そして、ＬがＬ１よりも小さい場合は、膨張機１０３の油面が低下していることによって膨張機１０３のメカシール性が低下し、体積効率が低下することにより動力回収が完全に行われていない状態であることを示しており、ステップ２０３に移る。また、ＬがＬ１以上の場合は、膨張機１０３での動力回収運転が正常に行われていると判断され、ステップ２０２に移る。ステップ２０２では、動力回収運転が正常に行われているので、第２の流量制御弁１１０を閉じるように制御して、ステップ２０１に戻る。ステップ２０２の前から第２の流量制御弁１１０が閉じている場合は、その状態を維持する。ステップ２０３では、膨張機１０３内の油面が低下しているので第２の流量制御弁１１０を閉じていれば開く、開いている場合には開度を大きくするように制御し、膨張機１０３内の冷媒圧力が低下するように制御する。このことによって、膨張機１０３内の油面を上昇させることができるので、膨張機１０３の体積効率を向上させることができる。

以上のように、膨張機内のオイル滞留量がどのような状態でも、第２の流量制御弁の開度を調整することによって、確実に膨張機内のオイル滞留量を確保することができるので、膨張機の動力回収を正常に行うことができる。

（実施の形態２）
本実施の形態では、冷凍サイクル装置の構成としては、原則として実施の形態１と同等である。ただし、実施の形態１が、膨張機回収電流により第２の流量制御弁１１０を制御しているのに対して、本実施形態では、膨張機のシェル温度を測定してそれによって、第２の流量制御弁を制御する点が異なっている。

膨張機シェル温度検出手段の代表的な構成図を、図３（ａ）及び（ｂ）に示す。

図３（ａ）において、第１の膨張機シェル温度検出手段１１５ａは最低限膨張機が確保すべき油面レベルのシェル外郭部に設けられており、第２の膨張機シェル温度検出手段１１５ｂは膨張機の底部に設けられている。図３（ａ）では、油面が低下すると第１の膨張
機シェル温度検出手段１１５ａによって検出される値Ｔ１は、膨張機のシェル内に満たされる冷媒温度に近くなる。また、一般的に、膨張機のシェル内の圧力が高圧の場合、オイルの温度よりもシェル内の冷媒温度は高くなる。したがって、油面が高い場合には、Ｔ１は、第２の膨張機シェル温度検出手段１１５ｂによって検出される値Ｔ２とほぼ同程度であるが、油面が低下すると、Ｔ１はＴ２に比べて大きくなる。すなわち、この差温ΔＴ＝Ｔ１−Ｔ２を算出し、ΔＴがあらかじめ設定された温度Ｔｈを超えた場合は、膨張機の油面が最低限必要なレベルよりも低下していると判断することができる。

次に、図３（ｂ）においては、図３（ａ）と異なり、シェル外郭部に、最低限膨張機が確保すべき油面レベルの上下を結ぶべく連通管１１７が設けられている。これによって、第１の膨張機シェル温度検出手段１１５ａに接触するシェル外郭部付近の熱容量が小さくなるため、温度変化の有無をより迅速に判定することができる。

次に、本実施の形態の制御を、図４のフローチャートを用いて説明する。

リモコンのスイッチがＯＮされるなどして冷凍サイクル装置の運転が開始されると、ステップ３０１にすすみ、第１および第２の膨張機シェル温度検出手段１１５ａ及び１１５ｂによって膨張機シェル温度Ｔ１及びＴ２が検出され、Ｔ１とＴ２の差温ΔＴと設定温度Ｔｈが比較される。そして、ΔＴがＴｈより大きい場合は、膨張機１０３の油面が低下していることによって膨張機１０３のメカシール性が低下し、体積効率が低下することにより動力回収が完全に行われていない状態であることを示しており、ステップ３０３に移る。また、ΔＴがＴｈ以下の場合は、膨張機１０３での動力回収運転が正常に行われていると判断され、ステップ３０２に移る。ステップ３０２では、動力回収運転が正常に行われているので、第２の流量制御弁１１０を閉じるように制御して、ステップ３０１に戻る。ここで、第２の流量制御弁１１０があらかじめ閉じられている場合には、その状態を続ける。ステップ３０３では、膨張機１０３内の油面が低下しているので第２の流量制御弁１１０を閉じていれば開く、開いている場合には開度を大きくするように制御し、膨張機１０３内の冷媒圧力が低下するように制御する。このことによって、膨張機１０３内の油面を上昇させることができるので、膨張機１０３の体積効率を向上させることができる。

本実施の形態によって、膨張機１０３のシェル内の圧力はさらに低くなるので、より確実に膨張機内のオイル滞留量を確保することができるので、膨張機の動力回収を正常に行うことができる。

（実施の形態３）
図５は、本発明による実施の形態３の冷凍サイクル装置を示す構成図である。本実施の形態と第１または第２の実施の形態との異なる点は、第２のバイパス回路１０９の代わりに、前記圧縮機１０１吸入部と前記膨張機１０３のシェル上部を第２の流量制御弁１１０を介して接続する第３のバイパス回路１１４を設けた点である。

本実施形態においては、第２の流量制御弁の制御１１０は、実施形態２と同様に、膨張機シェル温度検出手段１１５によって行う。ここで、膨張機シェル温度検出手段１１５とは、図３の第１および第２の膨張機シェル温度検出手段１１５ａ，１１５ｂを意味する。ただし、実施形態１と同様に、第２の流量制御弁１１０の制御は、膨張機出力電流を用いて行うこともできる。

実施形態３においても、実施形態１または２と同様に、膨張機の油面レベルの調整が可能である。

また、本実施形態においては、第３のバイパス回路を圧縮機１０１吸入部に接続する場
合について説明した。第３のバイパス回路の接続部としては、圧縮機１０１吸入部の代わりに、冷凍サイクル回路の他の低圧側に接続すれば同様の効果がある。すなわち、冷凍サイクル回路の膨張機１０３吐出側から圧縮機１０１吸入側のいずれかの位置に接続すれば、同様の効果が得られる。

なお、実施の形態１〜３において、前記第２の流量制御弁１１０は、冷媒流量を可変に制御する弁ではなく、ＯＮ／ＯＦＦを制御する開閉弁で代用してもそれなりの効果がある。この場合は、特に、冷媒流量を流量制御弁１１０の開いている時間で制御することが有効である。

また、実施の形態２または３において、膨張機シェル温度検出手段１１５は、圧縮機シェル温度検出手段１１６で代用しても構わない。

本発明にかかる冷凍サイクル装置は、給湯器や空気調和機などに利用することができる。

本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置を示す構成図本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の制御フローチャート膨張機シェル温度検出手段の一例を示す構成図本発明の実施の形態２における冷凍サイクル装置の制御フローチャート本発明の実施の形態３における冷凍サイクル装置を示す構成図従来技術の冷凍サイクル装置を示す構成図

符号の説明

１０１圧縮機
１０２放熱器
１０３膨張機
１０４蒸発器
１０５均圧管
１０６均油管
１０７第１のバイパス回路
１０８第１の流量制御弁
１０９第２のバイパス回路
１１０第２の流量制御弁
１１１発電機
１１２制御回路
１１３膨張機出力電流検出手段
１１４第３のバイパス回路
１１５ａ、１１５ｂ膨張機シェル温度検出手段
１１６圧縮機シェル温度検出手段
１１７連通管

Claims

冷媒が、圧縮機、放熱器、膨張機、蒸発器の順に循環し、前記圧縮機と前記膨張機とを均圧管と均油管で連結するとともに、前記膨張機の吐出管路と吸入管路を第1の流量制御弁を介して接続する第1のバイパス回路を設けた構成において、前記第1の流量制御弁出口と前記膨張機のシェル上部を第2の流量制御弁を介して接続する第2のバイパス回路を設けたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
冷媒が、圧縮機、放熱器、膨張機、蒸発器の順に循環し、前記圧縮機と前記膨張機とを均圧管と均油管で連結するとともに、前記膨張機の吐出管路と吸入管路を第1の流量制御弁を介して接続する第1のバイパス回路を設けた構成において、前記圧縮機吸入部と前記膨張機のシェル上部を第２の流量制御弁を介して接続する第３のバイパス回路を設けたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
膨張機回収電流検出手段を設けたことを特徴とする請求項１から２に記載の冷凍サイクル装置。
膨張機シェル温度検出手段を設けたことを特徴とする請求項１から２に記載の冷凍サイクル装置。
圧縮機シェル温度検出手段を設けたことを特徴とする請求項１から２に記載の冷凍サイクル装置。