JP2007232322A - Refrigerating cycle device and control method for refrigerating cycle device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、動力を回収する膨張機構を備えた冷凍サイクル装置および冷凍サイクル装置の制御方法に関する。 The present invention relates to a refrigeration cycle apparatus having an expansion mechanism for recovering power and a control method for the refrigeration cycle apparatus.
減圧器の代わりに膨張機構を設けて、膨張時の圧力エネルギーを動力として回収し、COPを向上させる冷凍サイクル装置が提案されている(例えば特許文献1参照)。このような膨張機構は、動力回収方法の違いにより、二つに大別できる。一つは、膨張機構と圧縮機構の回転軸を一軸に連結し、膨張機構で発生した動力を機械エネルギ(回転エネルギ)として圧縮機構に伝達する形式(以下、機械エネルギ回収型と呼ぶ)であり、もう一つは、膨張機構の回転軸に発電機を連結し、膨張機構で発生した動力を電気エネルギとして回収する形式(以下、電気エネルギ回収型と呼ぶ)である。 A refrigeration cycle apparatus has been proposed in which an expansion mechanism is provided instead of a decompressor, and pressure energy at the time of expansion is recovered as power to improve COP (see, for example, Patent Document 1). Such an expansion mechanism can be roughly divided into two types depending on the power recovery method. One is a type (hereinafter referred to as a mechanical energy recovery type) in which the rotation shafts of the expansion mechanism and the compression mechanism are connected to one shaft and the power generated by the expansion mechanism is transmitted to the compression mechanism as mechanical energy (rotational energy). The other is a type in which a generator is connected to the rotating shaft of the expansion mechanism, and the power generated by the expansion mechanism is recovered as electric energy (hereinafter referred to as an electric energy recovery type).
以下、圧縮機構の回転数をHzc、膨張機構の回転数をHzeとし、また、圧縮機構と膨張機構はともに容積式であり、圧縮機のシリンダ容積をVC、膨張機構のシリンダ容積をVE、圧縮機構に流入する冷媒の密度をDC、膨張機構に流入する冷媒の密度をDEとして説明する。圧縮機構、膨張機構のそれぞれを流れる質量循環量は等しいことから、「VC×DC×Hzc=VE×DE×Hze」、すなわち、「VC/VE=(DE/DC)×(Hze/Hzc)」の関係が成立する。VC/VE(設計容積比)は機器の設計時に定まる定数であるので、DE/DC(密度比)とHze/Hzc(回転数比)の積が常に一定となるように冷凍サイクルはバランスしようとする。 Hereinafter, the rotation speed of the compression mechanism is Hzc, the rotation speed of the expansion mechanism is Hze, and both the compression mechanism and the expansion mechanism are positive displacement types. The cylinder volume of the compressor is VC and the cylinder volume of the expansion mechanism is VE. The density of the refrigerant flowing into the mechanism will be described as DC, and the density of the refrigerant flowing into the expansion mechanism will be described as DE. Since the mass circulation amounts flowing through the compression mechanism and the expansion mechanism are the same, “VC × DC × Hzc = VE × DE × Hze”, that is, “VC / VE = (DE / DC) × (Hze / Hzc)” The relationship is established. Since VC / VE (design volume ratio) is a constant determined at the time of device design, the refrigeration cycle tries to balance so that the product of DE / DC (density ratio) and Hze / Hzc (rotational speed ratio) is always constant. To do.
電気エネルギ回収型の場合には、膨張機構の回転数Hzeは、圧縮機構の回転数Hzcと無関係に設定できるので、膨張機構の回転数Hze(すなわち、発電機のトルク)を調整し、冷凍サイクル装置の高圧側圧力を最良に調整する方法が提案されている。あるいは、内部熱交換器で熱交換させることで膨張機構に流入する冷媒の密度を変更し、膨張機構に流入する循環量を制御することで、最良な高圧側圧力に調整する構成や制御方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 In the case of the electric energy recovery type, the rotation speed Hze of the expansion mechanism can be set regardless of the rotation speed Hzc of the compression mechanism. Therefore, the rotation speed Hze of the expansion mechanism (that is, the generator torque) is adjusted, and the refrigeration cycle Methods have been proposed to best adjust the high side pressure of the device. Alternatively, there is a configuration and control method for adjusting to the best high-pressure side pressure by changing the density of the refrigerant flowing into the expansion mechanism by exchanging heat with the internal heat exchanger and controlling the circulation amount flowing into the expansion mechanism. It has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
機械エネルギ回収型の場合には、圧縮機構と膨張機構は同一回転数で回転する。圧縮機構、膨張機構のそれぞれを流れる質量循環量は等しいことから、「VC×DC=VE×DE」、すなわち、「VC/VE=DE/DC」の関係が成立する。VC/VE(設計容積比)は機器の設計時に定まる定数であるので、DE/DC(密度比)が常に一定となるように冷凍サイクルはバランスしようとする。(以下、このことを、「密度比一定の制約」と呼ぶ。)
しかし、冷凍サイクル装置の使用条件は必ずしも一定でないので、設計時に想定した設計容積比と実際の運転状態での密度比が異なる場合には、「密度比一定の制約」のために、最良な高圧側圧力に調整することが困難となる。
In the case of the mechanical energy recovery type, the compression mechanism and the expansion mechanism rotate at the same rotational speed. Since the mass circulation amounts flowing through the compression mechanism and the expansion mechanism are equal, the relationship of “VC × DC = VE × DE”, that is, “VC / VE = DE / DC” is established. Since VC / VE (design volume ratio) is a constant determined at the time of designing the device, the refrigeration cycle tries to balance so that DE / DC (density ratio) is always constant. (Hereafter, this is referred to as “constant density ratio constant”.)
However, the usage conditions of the refrigeration cycle equipment are not necessarily constant. If the design volume ratio assumed at the time of design and the density ratio in the actual operation state are different, the best high pressure It becomes difficult to adjust to the side pressure.
そこで、膨張機構をバイパスするバイパス流路、膨張機構の上流や下流に減圧器を設けて、膨張機構に流入する循環量を制御することで、最良な高圧側圧力に調整する構成や制御方法が提案されている。あるいは、内部熱交換器で熱交換させることで膨張機構に流入する冷媒の密度を変更し、膨張機構に流入する循環量を制御することで、最良な高圧側圧力に調整する構成や制御方法が提案されている(例えば、特許文献2参照)。
上記特許文献1には、具体的な高圧側圧力の調整方法は何ら記載されていない。上記特許文献2には、電気エネルギ回収型の場合において、膨張機構の回転数の使用範囲外(膨張機構の信頼性上の観点から予め定められた最低回転数以下や最高回転数以上)となる場合には、どのように高圧側圧力を調整すればよいか何ら記載されていない。このため、膨張機構の信頼性を確保しつつ、冷凍サイクル装置の高効率な運転ができない場合が生じる課題があった。
Patent Document 1 does not describe any specific method for adjusting the high-pressure side pressure. In
また、上記特許文献2には、機械エネルギ回収型の場合において、高圧側圧力の調整方法として、内部熱交換器での熱交換量の変化を利用した方法、膨張機構の前に予減圧器を設ける方法、膨張機構をバイパスさせるバイパス流路を設ける方法、などが記載されている。しかし、電気エネルギ回収型の場合については、これらの方法と組み合わせるといった事柄について記載されていない。また、機械エネルギ回収型の場合においても、これらの方法をどのように使い分けるか、あるいは、組み合わせるかといった事柄については記載されていない。このため、最良な方法で高圧側圧力を調整できず、冷凍サイクル装置を効率よく運転できない場合が生じる課題があった。
Further, in the above-mentioned
そこで、本発明は、上記課題を解決するため、電気エネルギ回収型の膨張機構を備えた冷凍サイクル装置において、膨張機構の信頼性を低下させることなく、膨張機構に流入する循環量を従来技術より広い範囲で調整し、冷凍サイクル装置を高効率に運転させることを目的とする。 Therefore, in order to solve the above-described problems, the present invention provides a refrigeration cycle apparatus equipped with an electric energy recovery type expansion mechanism, which reduces the amount of circulation flowing into the expansion mechanism from the prior art without reducing the reliability of the expansion mechanism. The purpose is to adjust the refrigeration cycle apparatus over a wide range and operate it with high efficiency.
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は、圧縮機構、熱源側熱交換器、回転数が圧縮機構の回転数に独立して変更可能な動力回収を行う膨張機構、利用側熱交換器、膨張機構に流入する冷媒を減圧する予減圧器を備えたものである。これによると、膨張機構の回転数をその使用範囲外となるほど操作しなければ、高圧側圧力を望ましい圧力に調整できない場合には、予減圧器の開度を操作することで、高圧側圧力を調整できるので、膨張機構の信頼性を低下させることなく、効率の良い運転を行うことができる。 In order to solve the above-described conventional problems, a refrigeration cycle apparatus of the present invention includes a compression mechanism, a heat source side heat exchanger, an expansion mechanism that performs power recovery whose rotation speed can be changed independently of the rotation speed of the compression mechanism, and utilization A side heat exchanger and a pre-depressurizer for depressurizing the refrigerant flowing into the expansion mechanism are provided. According to this, if the high pressure side pressure cannot be adjusted to a desired pressure unless the rotation speed of the expansion mechanism is out of the range of use, the high pressure side pressure can be reduced by operating the opening of the pre-decompressor. Since it can be adjusted, efficient operation can be performed without reducing the reliability of the expansion mechanism.
また、本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機構、熱源側熱交換器、回転数が圧縮機構の回転数に独立して変更可能な動力回収を行う膨張機構、利用側熱交換器、膨張機構に流入する冷媒の一部をバイパスさせるバイパス回路を備えたものである。これによると、膨張機構の回転数をその使用範囲外となるほど操作しなければ、高圧側圧力を望ましい圧力に調整できない場合には、バイパス回路に流入させる冷媒循環量を操作することで、高圧側圧力を調整できるので、膨張機構の信頼性を低下させることなく、効率の良い運転を行うことができる。 Further, the refrigeration cycle apparatus of the present invention includes a compression mechanism, a heat source side heat exchanger, an expansion mechanism that performs power recovery whose rotation speed can be changed independently of the rotation speed of the compression mechanism, a utilization side heat exchanger, and an expansion mechanism. A bypass circuit for bypassing a part of the refrigerant flowing in is provided. According to this, if the high-pressure side pressure cannot be adjusted to a desired pressure unless the rotation speed of the expansion mechanism is out of its use range, the refrigerant circulation amount flowing into the bypass circuit is manipulated to control the high-pressure side pressure. Since the pressure can be adjusted, an efficient operation can be performed without reducing the reliability of the expansion mechanism.
また、本発明の冷凍サイクル装置の制御方法は、圧縮機構、熱源側熱交換器、動力回収を行う膨張機構、利用側熱交換器、膨張機構に流入する冷媒を減圧する予減圧器を備えた冷凍サイクル装置において、膨張機構の回転数が予め定められた最低回転数に達したにもかかわらず、高圧側圧力、圧縮機構の吐出温度、圧縮機構の吸入過熱度のいずれかが、予め定められた目標値に達しない場合には、予減圧器で冷媒を減圧するものである。これによると、膨張機構の回転数が予め定めた最低回転数としても、高圧側圧力を望ましい圧力に調整できない場合には、膨張機構の回転数を低下させるかわりに、予減圧器の開度を閉方向に操作することで、高圧側圧力を望ましい圧力に調整できるので、膨張機構の信頼性を低下させることなく、効率の良い運転を行うことができる。 In addition, the control method of the refrigeration cycle apparatus of the present invention includes a compression mechanism, a heat source side heat exchanger, an expansion mechanism that performs power recovery, a use side heat exchanger, and a pre-depressurizer that depressurizes refrigerant flowing into the expansion mechanism. In the refrigeration cycle apparatus, one of the high pressure side pressure, the discharge temperature of the compression mechanism, and the suction superheat degree of the compression mechanism is determined in advance even though the rotation speed of the expansion mechanism has reached a predetermined minimum rotation speed. When the target value is not reached, the refrigerant is depressurized by the pre-decompressor. According to this, even when the rotation speed of the expansion mechanism is the predetermined minimum rotation speed, when the high-pressure side pressure cannot be adjusted to a desired pressure, instead of decreasing the rotation speed of the expansion mechanism, the opening of the pre-reducer is reduced. By operating in the closing direction, the high-pressure side pressure can be adjusted to a desired pressure, so that an efficient operation can be performed without reducing the reliability of the expansion mechanism.
また、本発明の冷凍サイクル装置の制御方法は、圧縮機構、熱源側熱交換器、動力回収を行う膨張機構、利用側熱交換器、膨張機構に流入する冷媒の一部をバイパスさせるバイパス回路を備えた冷凍サイクル装置において、膨張機構の回転数が予め定められた最高回転数に達したにもかかわらず、高圧側圧力、圧縮機構の吐出温度、圧縮機構の吸入過熱度のいずれかが、予め定められた目標値を超える場合には、膨張機構に流入する冷媒の一部をバイパスさせるものである。これによると、膨張機構の回転数が予め定めた最高回転数としても、高圧側圧力を望ましい圧力に調整できない場合には、膨張機構の回転数を増加させるかわりに、バイパス回路に流入させる冷媒循環量を増加させることで、高圧側圧力を望ましい圧力に調整できるので、膨張機構の信頼性を低下させることなく、効率の良い運転を行うことができる。 The control method of the refrigeration cycle apparatus of the present invention includes a compression mechanism, a heat source side heat exchanger, an expansion mechanism that performs power recovery, a use side heat exchanger, and a bypass circuit that bypasses a part of the refrigerant flowing into the expansion mechanism. In the refrigeration cycle apparatus provided, the high pressure side pressure, the discharge temperature of the compression mechanism, or the suction superheat degree of the compression mechanism is determined in advance even though the rotation speed of the expansion mechanism has reached a predetermined maximum rotation speed. When the predetermined target value is exceeded, a part of the refrigerant flowing into the expansion mechanism is bypassed. According to this, even if the rotation speed of the expansion mechanism is the predetermined maximum rotation speed, if the high-pressure side pressure cannot be adjusted to a desired pressure, the refrigerant circulation that flows into the bypass circuit instead of increasing the rotation speed of the expansion mechanism By increasing the amount, the high-pressure side pressure can be adjusted to a desired pressure, so that efficient operation can be performed without reducing the reliability of the expansion mechanism.
また、本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機構、熱源側熱交換器、回転数が圧縮機構の回転数に独立して変更可能な動力回収を行う膨張機構、利用側熱交換器、膨張機構に流入する冷媒を冷却する内部熱交換器を備えたものである。これによると、膨張機構の回転数をその使用範囲外となるほど操作しなければ、高圧側圧力を望ましい圧力に調整できない場合には、内部熱交換器での熱交換量を操作することで、高圧側圧力を調整できるので、膨張機構の信頼性を低下させることなく、効率の良い運転を行うことができる。 Further, the refrigeration cycle apparatus of the present invention includes a compression mechanism, a heat source side heat exchanger, an expansion mechanism that performs power recovery whose rotation speed can be changed independently of the rotation speed of the compression mechanism, a utilization side heat exchanger, and an expansion mechanism. An internal heat exchanger for cooling the refrigerant flowing in is provided. According to this, if the high-pressure side pressure cannot be adjusted to the desired pressure unless the rotation speed of the expansion mechanism is out of its use range, the amount of heat exchange in the internal heat exchanger can be Since the side pressure can be adjusted, an efficient operation can be performed without reducing the reliability of the expansion mechanism.
また、本発明の冷凍サイクル装置の制御方法は、圧縮機構、熱源側熱交換器、動力回収を行う膨張機構、利用側熱交換器、膨張機構に流入する冷媒を冷却する内部熱交換器を備えた冷凍サイクル装置において、膨張機構の回転数が予め定められた最低回転数に達したにもかかわらず、高圧側圧力、圧縮機構の吐出温度、圧縮機構の吸入過熱度のいずれかが、予め定められた目標値に達しない場合には、内部熱交換器を実質的に作用させないものである。これによると、膨張機構の回転数が予め定めた最低回転数としても、高圧側圧力を望ましい圧力に調整できない場合には、膨張機構の回転数を低下させるかわりに、内部熱交換器での熱交換量を低下させることで、高圧側圧力を望ましい圧力に調整できるので、膨張機構の信頼性を低下させることなく、効率の良い運転を行うことができる。 The control method of the refrigeration cycle apparatus of the present invention includes a compression mechanism, a heat source side heat exchanger, an expansion mechanism that performs power recovery, a use side heat exchanger, and an internal heat exchanger that cools the refrigerant flowing into the expansion mechanism. In the refrigeration cycle apparatus, one of the high pressure side pressure, the discharge temperature of the compression mechanism, and the suction superheat degree of the compression mechanism is determined in advance even though the rotation speed of the expansion mechanism has reached a predetermined minimum rotation speed. When the set target value is not reached, the internal heat exchanger is not substantially operated. According to this, even when the rotation speed of the expansion mechanism is the predetermined minimum rotation speed, when the high-pressure side pressure cannot be adjusted to a desired pressure, instead of decreasing the rotation speed of the expansion mechanism, the heat in the internal heat exchanger is reduced. By reducing the exchange amount, the high-pressure side pressure can be adjusted to a desired pressure, so that an efficient operation can be performed without reducing the reliability of the expansion mechanism.
また、本発明の冷凍サイクル装置の制御方法は、圧縮機構、熱源側熱交換器、動力回収を行う膨張機構、利用側熱交換器、膨張機構に流入する冷媒を冷却する内部熱交換器を備えた冷凍サイクル装置において、膨張機構の回転数が予め定められた最高回転数に達したにもかかわらず、高圧側圧力、圧縮機構の吐出温度、圧縮機構の吸入過熱度のいずれかが、予め定められた目標値を超える場合には、内部熱交換器を実質的に作用させるものである。これによると、膨張機構の回転数が予め定めた最高回転数としても、高圧側圧力を望ましい圧力に調整できない場合には、膨張機構の回転数を増加させるかわりに、内部熱交換器での熱交換量を増加させることで、高圧側圧力を望ましい圧力に調整できるので、膨張機構の信頼性を低下させることなく、効率の良い運転を行うことができる。 The control method of the refrigeration cycle apparatus of the present invention includes a compression mechanism, a heat source side heat exchanger, an expansion mechanism that performs power recovery, a use side heat exchanger, and an internal heat exchanger that cools the refrigerant flowing into the expansion mechanism. In the refrigeration cycle apparatus, the high pressure side pressure, the discharge temperature of the compression mechanism, or the suction superheat degree of the compression mechanism is determined in advance, even though the rotation speed of the expansion mechanism has reached the predetermined maximum rotation speed. When the target value is exceeded, the internal heat exchanger is substantially operated. According to this, even if the rotation speed of the expansion mechanism is the maximum rotation speed determined in advance, if the high-pressure side pressure cannot be adjusted to a desired pressure, instead of increasing the rotation speed of the expansion mechanism, the heat in the internal heat exchanger is increased. By increasing the exchange amount, the high-pressure side pressure can be adjusted to a desired pressure, so that efficient operation can be performed without reducing the reliability of the expansion mechanism.
また、本発明の冷凍サイクル装置の制御方法は、圧縮機構、熱源側熱交換器、動力回収を行う膨張機構、利用側熱交換器、膨張機構に流入する冷媒を冷却する内部熱交換器を備えた冷凍サイクル装置において、内部熱交換器を実質的に作用させていないにもかかわらず、高圧側圧力、圧縮機構の吐出温度、圧縮機構の吸入過熱度のいずれかが、予め定められた目標値に達しない場合のみ、膨張機構の回転数を低下させるものである。これによると、まず内部熱交換器での内部熱交換量を減少させて、高圧側圧力を調整し、その後、内部熱交換量が実質的に最小としても、最適な高圧側圧力に調整できない場合のみ、膨張機構の回転数を低下方向に操作することで、膨張機構の信頼性を低下させるほど、膨張機構の回転数を低下させる状態が生じる頻度を低減できるので、膨張機構の信頼性を低下させることなく、効率の良い運転を行うことができる。 The control method of the refrigeration cycle apparatus of the present invention includes a compression mechanism, a heat source side heat exchanger, an expansion mechanism that performs power recovery, a use side heat exchanger, and an internal heat exchanger that cools the refrigerant flowing into the expansion mechanism. In the refrigeration cycle apparatus, any one of the high pressure side pressure, the discharge temperature of the compression mechanism, and the suction superheat degree of the compression mechanism is determined in advance even though the internal heat exchanger is not substantially operated. Only when the value does not reach, the rotational speed of the expansion mechanism is reduced. According to this, when the amount of internal heat exchange in the internal heat exchanger is first reduced and the high pressure side pressure is adjusted, and then the internal heat exchange amount is substantially minimized, it cannot be adjusted to the optimum high pressure side pressure. Only by reducing the rotation speed of the expansion mechanism in the decreasing direction, the frequency of occurrence of a state that decreases the rotation speed of the expansion mechanism can be reduced as the reliability of the expansion mechanism is decreased. It is possible to perform an efficient operation without causing it to occur.
また、本発明の冷凍サイクル装置の制御方法は、圧縮機構、熱源側熱交換器、動力回収
を行う膨張機構、利用側熱交換器、膨張機構に流入する冷媒を冷却する内部熱交換器を備えた冷凍サイクル装置において、内部熱交換器を実質的に作用させているにもかかわらず、高圧側圧力、圧縮機構の吐出温度、圧縮機構の吸入過熱度のいずれかが、予め定められた目標値を超える場合のみ、膨張機構の回転数を増加させるものである。これによると、まず内部熱交換器での内部熱交換量を増加させて、高圧側圧力を調整し、その後、内部熱交換量が実質的に最大としても、最適な高圧側圧力に調整できない場合のみ、膨張機構の回転数を増加方向に操作することで、膨張機構の信頼性を低下させるほど、膨張機構の回転数を増加させる状態が生じる頻度を低減できるので、膨張機構の信頼性を低下させることなく、効率の良い運転を行うことができる。
The control method of the refrigeration cycle apparatus of the present invention includes a compression mechanism, a heat source side heat exchanger, an expansion mechanism that performs power recovery, a use side heat exchanger, and an internal heat exchanger that cools the refrigerant flowing into the expansion mechanism. In the refrigeration cycle apparatus, any one of the high pressure side pressure, the discharge temperature of the compression mechanism, and the suction superheat degree of the compression mechanism is set to a predetermined target value even though the internal heat exchanger is substantially operated. Only when the value exceeds the value, the rotational speed of the expansion mechanism is increased. According to this, when the amount of internal heat exchange in the internal heat exchanger is first increased and the high pressure side pressure is adjusted, then even if the internal heat exchange amount is substantially maximum, it cannot be adjusted to the optimum high pressure side pressure However, by manipulating the rotation speed of the expansion mechanism in the increasing direction, the lower the reliability of the expansion mechanism, the lower the frequency with which the state of increasing the rotation speed of the expansion mechanism can occur. It is possible to perform an efficient operation without causing it to occur.
本発明によれば、電気エネルギ回収型の膨張機構を備えた冷凍サイクル装置において、膨張機構の信頼性を低下させることなく、膨張機構に流入する循環量を従来技術より広い範囲で調整し、冷凍サイクル装置を高効率に運転させることができる。 According to the present invention, in a refrigeration cycle apparatus equipped with an expansion mechanism of an electric energy recovery type, the amount of circulation flowing into the expansion mechanism is adjusted in a wider range than in the prior art, without reducing the reliability of the expansion mechanism. The cycle apparatus can be operated with high efficiency.
第1の発明は、圧縮機構、熱源側熱交換器、回転数が圧縮機構の回転数に独立して変更可能な動力回収を行う膨張機構、利用側熱交換器、膨張機構に流入する冷媒を減圧する予減圧器を備えることにより、膨張機構の回転数をその使用範囲外となるほど操作しなければ、高圧側圧力を望ましい圧力に調整できない場合には、予減圧器の開度を操作することで、高圧側圧力を調整できるので、膨張機構の信頼性を低下させることなく、効率の良い運転を行うことができる。 The first invention includes a compression mechanism, a heat source side heat exchanger, an expansion mechanism for recovering power whose rotation speed can be changed independently of the rotation speed of the compression mechanism, a use side heat exchanger, and a refrigerant flowing into the expansion mechanism. By providing a pre-decompressor that depressurizes, if the high-pressure side pressure cannot be adjusted to a desired pressure without operating the rotation speed of the expansion mechanism to the extent that it is outside its operating range, the opening of the pre-decompressor is manipulated. Thus, since the high-pressure side pressure can be adjusted, efficient operation can be performed without reducing the reliability of the expansion mechanism.
第2の発明は、圧縮機構、熱源側熱交換器、回転数が圧縮機構の回転数に独立して変更可能な動力回収を行う膨張機構、利用側熱交換器、膨張機構に流入する冷媒の一部をバイパスさせるバイパス回路を備えることにより、膨張機構の回転数をその使用範囲外となるほど操作しなければ、高圧側圧力を望ましい圧力に調整できない場合には、バイパス回路に流入させる冷媒循環量を操作することで、高圧側圧力を調整できるので、膨張機構の信頼性を低下させることなく、効率の良い運転を行うことができる。 The second invention includes a compression mechanism, a heat source side heat exchanger, an expansion mechanism for recovering power whose rotation speed can be changed independently of the rotation speed of the compression mechanism, a use side heat exchanger, and a refrigerant flowing into the expansion mechanism. By providing a bypass circuit that bypasses a part of the refrigerant, if the high-pressure side pressure cannot be adjusted to a desired pressure without operating the rotation speed of the expansion mechanism to the extent that it is out of its use range, the refrigerant circulation amount that flows into the bypass circuit Since the high-pressure side pressure can be adjusted by operating, efficient operation can be performed without degrading the reliability of the expansion mechanism.
第3の発明は、圧縮機構、熱源側熱交換器、動力回収を行う膨張機構、利用側熱交換器、膨張機構に流入する冷媒を減圧する予減圧器を備えた冷凍サイクル装置において、膨張機構の回転数が予め定められた最低回転数に達したにもかかわらず、高圧側圧力、圧縮機構の吐出温度、圧縮機構の吸入過熱度のいずれかが、予め定められた目標値に達しない場合には、予減圧器で冷媒を減圧するように制御することにより、高圧側圧力を望ましい圧力に調整できるので、膨張機構の信頼性を低下させることなく、効率の良い運転を行うことができる。 A third invention is a refrigeration cycle apparatus including a compression mechanism, a heat source side heat exchanger, an expansion mechanism that performs power recovery, a use side heat exchanger, and a pre-depressurizer that depressurizes refrigerant flowing into the expansion mechanism. Even if the number of rotations of the engine reaches the predetermined minimum number of rotations, any of the high-pressure side pressure, the discharge temperature of the compression mechanism, and the suction superheat degree of the compression mechanism does not reach the predetermined target value In this case, the high pressure side pressure can be adjusted to a desired pressure by controlling the refrigerant to be depressurized by the pre-depressurizer, so that an efficient operation can be performed without degrading the reliability of the expansion mechanism.
第4の発明は、圧縮機構、熱源側熱交換器、動力回収を行う膨張機構、利用側熱交換器、膨張機構に流入する冷媒の一部をバイパスさせるバイパス回路を備えた冷凍サイクル装置において、膨張機構の回転数が予め定められた最高回転数に達したにもかかわらず、高圧側圧力、圧縮機構の吐出温度、圧縮機構の吸入過熱度のいずれかが、予め定められた目標値を超える場合には、膨張機構に流入する冷媒の一部をバイパスさせるように制御することにより、高圧側圧力を望ましい圧力に調整できるので、膨張機構の信頼性を低下させることなく、効率の良い運転を行うことができる。 A fourth invention is a refrigeration cycle apparatus including a compression mechanism, a heat source side heat exchanger, an expansion mechanism that performs power recovery, a use side heat exchanger, and a bypass circuit that bypasses a part of the refrigerant flowing into the expansion mechanism. Despite the rotation speed of the expansion mechanism reaching a predetermined maximum rotation speed, either the high-pressure side pressure, the discharge temperature of the compression mechanism, or the suction superheat degree of the compression mechanism exceeds a predetermined target value In this case, by controlling so that a part of the refrigerant flowing into the expansion mechanism is bypassed, the high-pressure side pressure can be adjusted to a desired pressure, so that efficient operation can be performed without reducing the reliability of the expansion mechanism. It can be carried out.
第5の発明は、圧縮機構、熱源側熱交換器、回転数が圧縮機構の回転数に独立して変更可能な動力回収を行う膨張機構、利用側熱交換器、膨張機構に流入する冷媒を冷却する内部熱交換器を備えることにより、膨張機構の回転数をその使用範囲外となるほど操作しなければ、高圧側圧力を望ましい圧力に調整できない場合には、内部熱交換器での熱交換量
を操作することで、高圧側圧力を調整できるので、膨張機構の信頼性を低下させることなく、効率の良い運転を行うことができる。
The fifth invention includes a compression mechanism, a heat source side heat exchanger, an expansion mechanism for recovering power whose rotation speed can be changed independently of the rotation speed of the compression mechanism, a use side heat exchanger, and a refrigerant flowing into the expansion mechanism. If the high-pressure side pressure cannot be adjusted to a desired pressure without operating the expansion mechanism so that the number of rotations of the expansion mechanism is out of its operating range by providing an internal heat exchanger for cooling, the amount of heat exchange in the internal heat exchanger Since the high-pressure side pressure can be adjusted by operating, efficient operation can be performed without degrading the reliability of the expansion mechanism.
第6の発明は、圧縮機構、熱源側熱交換器、動力回収を行う膨張機構、利用側熱交換器、膨張機構に流入する冷媒を冷却する内部熱交換器を備えた冷凍サイクル装置において、膨張機構の回転数が予め定められた最低回転数に達したにもかかわらず、高圧側圧力、圧縮機構の吐出温度、圧縮機構の吸入過熱度のいずれかが、予め定められた目標値に達しない場合には、内部熱交換器を実質的に作用させないように制御することにより、高圧側圧力を望ましい圧力に調整できるので、膨張機構の信頼性を低下させることなく、効率の良い運転を行うことができる。 A sixth invention relates to a refrigeration cycle apparatus including a compression mechanism, a heat source side heat exchanger, an expansion mechanism that performs power recovery, a use side heat exchanger, and an internal heat exchanger that cools refrigerant flowing into the expansion mechanism. One of the high pressure side pressure, the discharge temperature of the compression mechanism, and the suction superheat degree of the compression mechanism does not reach the predetermined target value even though the rotation speed of the mechanism reaches the predetermined minimum rotation speed. In this case, by controlling so that the internal heat exchanger does not substantially act, the high pressure side pressure can be adjusted to a desired pressure, so that an efficient operation can be performed without degrading the reliability of the expansion mechanism. Can do.
第7の発明は、圧縮機構、熱源側熱交換器、動力回収を行う膨張機構、利用側熱交換器、膨張機構に流入する冷媒を冷却する内部熱交換器を備えた冷凍サイクル装置において、膨張機構の回転数が予め定められた最高回転数に達したにもかかわらず、高圧側圧力、圧縮機構の吐出温度、圧縮機構の吸入過熱度のいずれかが、予め定められた目標値を超える場合には、内部熱交換器を実質的に作用させるように制御することにより、高圧側圧力を望ましい圧力に調整できるので、膨張機構の信頼性を低下させることなく、効率の良い運転を行うことができる。 A seventh invention is a refrigeration cycle apparatus including a compression mechanism, a heat source side heat exchanger, an expansion mechanism that performs power recovery, a use side heat exchanger, and an internal heat exchanger that cools refrigerant flowing into the expansion mechanism. When the number of rotations of the mechanism reaches a predetermined maximum number of rotations, but either the high-pressure side pressure, the discharge temperature of the compression mechanism, or the suction superheat degree of the compression mechanism exceeds a predetermined target value Therefore, by controlling the internal heat exchanger to act substantially, the high-pressure side pressure can be adjusted to a desired pressure, so that efficient operation can be performed without reducing the reliability of the expansion mechanism. it can.
第8の発明は、圧縮機構、熱源側熱交換器、動力回収を行う膨張機構、利用側熱交換器、膨張機構に流入する冷媒を冷却する内部熱交換器を備えた冷凍サイクル装置において、内部熱交換器を実質的に作用させていないにもかかわらず、高圧側圧力、圧縮機構の吐出温度、圧縮機構の吸入過熱度のいずれかが、予め定められた目標値に達しない場合のみ、膨張機構の回転数を低下させるように制御することにより、膨張機構の信頼性を低下させるほど、膨張機構の回転数を低下させる状態が生じる頻度を低減できるので、膨張機構の信頼性を低下させることなく、効率の良い運転を行うことができる。 An eighth invention is a refrigeration cycle apparatus including a compression mechanism, a heat source side heat exchanger, an expansion mechanism that performs power recovery, a use side heat exchanger, and an internal heat exchanger that cools refrigerant flowing into the expansion mechanism. Only when the high-pressure side pressure, the discharge temperature of the compression mechanism, or the suction superheat degree of the compression mechanism does not reach a predetermined target value even though the heat exchanger is not substantially operated, the expansion is performed. By controlling so as to reduce the rotation speed of the mechanism, the frequency of occurrence of a state that decreases the rotation speed of the expansion mechanism can be reduced as the reliability of the expansion mechanism is reduced, so that the reliability of the expansion mechanism is reduced. And efficient operation can be performed.
第9の発明は、圧縮機構、熱源側熱交換器、動力回収を行う膨張機構、利用側熱交換器、膨張機構に流入する冷媒を冷却する内部熱交換器を備えた冷凍サイクル装置において、内部熱交換器を実質的に作用させているにもかかわらず、高圧側圧力、圧縮機構の吐出温度、圧縮機構の吸入過熱度のいずれかが、予め定められた目標値を超える場合のみ、膨張機構の回転数を増加させるように制御することにより、膨張機構の信頼性を低下させるほど、膨張機構の回転数を増加させる状態が生じる頻度を低減できるので、膨張機構の信頼性を低下させることなく、効率の良い運転を行うことができる。 A ninth invention is a refrigeration cycle apparatus including a compression mechanism, a heat source side heat exchanger, an expansion mechanism that performs power recovery, a use side heat exchanger, and an internal heat exchanger that cools refrigerant flowing into the expansion mechanism. Only when the high-pressure side pressure, the discharge temperature of the compression mechanism, or the suction superheat degree of the compression mechanism exceeds a predetermined target value despite the fact that the heat exchanger is substantially operated, the expansion mechanism By controlling to increase the rotational speed of the expansion mechanism, the frequency of occurrence of a state that increases the rotational speed of the expansion mechanism can be reduced as the reliability of the expansion mechanism is decreased, so that the reliability of the expansion mechanism is not decreased. Efficient operation.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。例えば、以下の実施の形態では、給湯機を例にとり説明するが、本発明が給湯機に限定されるものではなく、空気調和機などであってもよい。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments. For example, in the following embodiment, a hot water heater will be described as an example, but the present invention is not limited to the hot water heater, and may be an air conditioner or the like.
(実施の形態1)
本発明の第1の実施の形態における冷凍サイクル装置を、図1に概略構成図を示す冷凍サイクル装置を用いて説明する。図1の冷凍サイクル装置は、電動機1により駆動される圧縮機構2、利用側熱交換器としての放熱器3の冷媒流路、発電機4により動力回収される膨張機構5、熱源側熱交換器としての蒸発器6などからなり、冷媒として例えばCO2冷媒が封入されている冷媒回路Aと、利用流体搬送手段としての給水ポンプ7、放熱器3の流体流路、および給湯タンク8などからなる流体回路Bとから構成されている。冷媒回路Aには、さらに以下の構成要素を備えている。熱源流体搬送手段としての送風装置9は、蒸発器6に熱源流体(例えば、外気)を送風する。予減圧器としての予膨張弁11は膨張機構5に流入する冷媒を予め減圧し、膨張機構5に流入する冷媒の密度を小さくする。
(Embodiment 1)
A refrigeration cycle apparatus according to a first embodiment of the present invention will be described using a refrigeration cycle apparatus whose schematic configuration is shown in FIG. The refrigeration cycle apparatus of FIG. 1 includes a
第1バイパス流路12は、放熱器3の冷媒出口から膨張機構5の入口までと、膨張機構5の出口から圧縮機構2の入口までとを接続し、膨張機構5を流れる冷媒をバイパスさせる。また、第1バイパス流路12には、バイパスさせる冷媒循環量を調整する第1バイパス弁13を備えている。内部熱交換器14は、高圧側流路14aを流れる放熱器3の冷媒出口から膨張機構5の入口までの冷媒が、低圧側流路14bを流れる蒸発器6の冷媒出口から圧縮機構2の入口までの冷媒により冷却されるように構成されている。
The first
吐出温度検知手段20は、圧縮機構2の吐出から放熱器3の冷媒入口までの冷媒配管上に設置され、圧縮機構2の吐出温度を検知する。膨張機構回転数制御手段21は発電機4の回転数を制御し、予膨張弁開度制御手段22は予膨張弁11の開度を調整する。第1バイパス弁開度制御手段23は第1バイパス弁13の開度を調整する。電子制御手段25は、吐出温度検知手段20などからの信号により、冷凍サイクルの状態を判断し、膨張機構回転数制御手段21、予膨張弁開度制御手段22、第1バイパス弁開度制御手段23などに指示を与える。
The discharge temperature detection means 20 is installed on the refrigerant pipe from the discharge of the
次に、上述のように構成された冷凍サイクル装置の運転時の動作について、まず、実際の運転状態での密度比と回転数比の積(DE/DC)×(Hze/Hzc)が、設計時に想定した設計容積比(VC/VE)と略同等である場合について説明する。 Next, regarding the operation at the time of operation of the refrigeration cycle apparatus configured as described above, first, the product of the density ratio and the rotation speed ratio (DE / DC) × (Hze / Hzc) in the actual operation state is designed. A case will be described in which the design volume ratio (VC / VE) that is sometimes assumed is substantially equal.
冷媒回路Aでは、CO2冷媒を、圧縮機構2で臨界圧力を越える圧力(高圧側圧力)まで圧縮する。その圧縮された冷媒は、高温高圧状態となり、放熱器3の冷媒流路を流れる際に、放熱器3の流体流路を流れる水に放熱し冷却される。その後、冷媒は、内部熱交換器14の高圧側流路14aに流入し、低圧側流路14bを流れる低圧低温の冷媒によりさらに冷却される。この場合、第1バイパス弁13は全閉状態であり、冷媒は第1バイパス流路12を流れず、すべての冷媒は全開状態の予膨張弁11を経て、膨張機構5に流入する。その後、冷媒は膨張機構5で減圧され低温低圧の気液二相状態となる。
In the refrigerant circuit A, the CO 2 refrigerant is compressed by the
この際、膨張機構5では冷媒の圧力エネルギーを動力に変換し、その動力は発電機4にて電力に変換される。このように、膨張時の圧力エネルギーを電力として回収しCOPを向上させることができる。膨張機構5で減圧された冷媒は蒸発器6に供給される。蒸発器6では、冷媒は送風装置9によって送り込まれた外気によって加熱され、気液二相またはガス状態となる。蒸発器6を流出した冷媒は、内部熱交換器14の低圧側流路14bで加熱された後、再び、圧縮機構2に吸入される。
At this time, the
一方、流体回路Bでは、給湯タンク8の底部から給水ポンプ7により放熱器3の流体流路へ送り込まれた利用流体(例えば、水)は、放熱器3の冷媒流路を流れる冷媒により加熱され、高温の流体(例えば、お湯)となり、その高温流体を給湯タンク8の頂部から貯める。このようなサイクルを繰り返すことにより、本実施の形態の冷凍サイクル装置は、給湯機として利用できる。
On the other hand, in the fluid circuit B, the use fluid (for example, water) sent from the bottom of the hot
次に、実際の運転状態での密度比と回転数比の積(DE/DC)×(Hze/Hzc)が、設計時に想定した設計容積比(VC/VE)と異なる場合について説明する。まず、実際の運転状態での密度比と回転数比の積(DE/DC)×(Hze/Hzc)が、設計時に想定した設計容積比(VC/VE)より大きい場合の動作について説明する。この場合には、回転数比が一定であるとすると、膨張機構5入口の冷媒密度(DE)が小さくなるように、冷凍サイクルは高圧側圧力を低下させた状態でバランスしようとする。
Next, the case where the product (DE / DC) × (Hze / Hzc) of the density ratio and the rotation speed ratio in the actual operation state is different from the design volume ratio (VC / VE) assumed at the time of design will be described. First, an operation when the product (DE / DC) × (Hze / Hzc) of the density ratio and the rotation speed ratio in an actual operation state is larger than the design volume ratio (VC / VE) assumed at the time of design will be described. In this case, assuming that the rotation speed ratio is constant, the refrigeration cycle tries to balance in a state where the high-pressure side pressure is reduced so that the refrigerant density (DE) at the inlet of the
ところが、高圧側圧力が望ましい圧力より低下した状態では、吐出温度が低下し冷凍サイクル装置の加熱能力が低下したり、冷凍サイクル装置の効率が低下したりする。このた
め、まず、膨張機構5の回転数を低下方向に操作し、密度比と回転数比の積(DE/DC)×(Hze/Hzc)を低下させる。これにより、高圧側圧力は低下せず最適な状態を維持できる。
However, in a state where the high-pressure side pressure is lower than the desired pressure, the discharge temperature is lowered, the heating capacity of the refrigeration cycle apparatus is lowered, and the efficiency of the refrigeration cycle apparatus is lowered. For this reason, first, the rotational speed of the
しかし、膨張機構5の回転数は、膨張機構5の信頼性の観点から、最低回転数が予め定められている。すなわち、長期間、予め定められた最低回転数を下回る運転を行うと、膨張機構の摺動部などにオイルが供給されにくくなることなどにより、摺動部に磨耗が生じるなどといった不具合が生じる恐れがある。
However, the rotation speed of the
そこで、本実施の形態の場合には、膨張機構5の回転数が予め定められた最低回転数となった場合でも、依然、実際の運転状態での密度比と回転数比の積(DE/DC)×(Hze/Hzc)が、設計時に想定した設計容積比(VC/VE)より大きい場合には、予膨張弁11を閉方向に操作し膨張機構5に流入する冷媒を減圧する。これにより、膨張機構5の最低回転数を下回ることで、膨張機構5の信頼性を低下させることなく、冷媒密度(DE)を小さくでき、高圧側圧力は低下せず最適な状態を維持できる。
Therefore, in the case of the present embodiment, even when the rotation speed of the
このように、膨張機構5の回転数が予め定めた最低回転数となった場合には、膨張機構5の回転数を低下させるかわりに、予膨張弁11の開度を閉方向に操作することで、高圧側圧力を望ましい圧力に調整できるので、膨張機構5の信頼性を低下させることなく、効率の良い運転を行うことができる。
As described above, when the rotation speed of the
逆に、実際の運転状態での密度比と回転数比の積(DE/DC)×(Hze/Hzc)が、設計時に想定した設計容積比(VC/VE)より小さい場合の動作について説明する。この場合には、回転数比が一定であるとすると、膨張機構5入口の冷媒密度(DE)が大きくなるように、冷凍サイクルは高圧側圧力を上昇させた状態でバランスしようとする。
Conversely, the operation when the product of the density ratio and the rotation speed ratio (DE / DC) × (Hze / Hzc) in the actual operation state is smaller than the design volume ratio (VC / VE) assumed at the time of design will be described. . In this case, assuming that the rotation speed ratio is constant, the refrigeration cycle tries to balance in a state where the high-pressure side pressure is increased so that the refrigerant density (DE) at the inlet of the
ところが、高圧側圧力が望ましい圧力より上昇した状態では、冷凍サイクル装置の運転効率が低下してしまう。このため、まず、膨張機構5の回転数を増加方向に操作し、密度比と回転数比の積(DE/DC)×(Hze/Hzc)を増加させる。これにより、高圧側圧力は上昇せず最適な状態を維持できる。
However, when the high-pressure side pressure is higher than the desired pressure, the operating efficiency of the refrigeration cycle apparatus is reduced. For this reason, first, the rotational speed of the
しかし、膨張機構5の回転数は、膨張機構5の信頼性の観点から、最高回転数が予め定められている。すなわち、長期間、予め定められた最高回転数を上回る運転を行うと、膨張機構の軸受けや、摺動部に磨耗が生じるなどといった不具合が生じる恐れがある。そこで、本実施の形態の場合には、膨張機構5の回転数が予め定められた最高回転数となった場合でも、依然、実際の運転状態での密度比と回転数比の積(DE/DC)×(Hze/Hzc)が、設計時に想定した設計容積比(VC/VE)より小さい場合には、第1バイパス弁13を開方向に操作し、一部の冷媒を第1バイパス流路12に流す。
However, the rotation speed of the
これにより、膨張機構5の最高回転数を上回ることで、膨張機構5の信頼性を低下させることなく、膨張機構5に流入する冷媒循環量を減少させることができ、高圧側圧力は上昇せず最適な状態を維持できる。
Thus, exceeding the maximum rotational speed of the
このように、膨張機構5の回転数が予め定めた最高回転数となった場合には、膨張機構5の回転数を増加させるかわりに、第1バイパス弁13を開方向に操作することで、高圧側圧力を望ましい圧力に調整できるので、膨張機構5の信頼性を低下させることなく、効率の良い運転を行うことができる。
Thus, when the rotation speed of the
次に、制御方法について説明する。圧縮機構2、実質的には駆動源である電動機1は、
外気温度検知手段(図示せず)、入水温度検知手段(図示せず)などが検知した外気温度や入水温度、利用者等が設定した目標沸上温度(給湯タンクに貯めるお湯の温度、または、放熱器3の流体出口温度の目標値)などから電子制御装置25が算出した回転数となるように、圧縮機構回転数制御手段(図示せず)により制御されている。
Next, a control method will be described. The
Outside air temperature detecting means (not shown), incoming water temperature detecting means (not shown), etc. detected by the outside air temperature, incoming water temperature, target boiling temperature set by the user (the temperature of hot water stored in the hot water tank, or It is controlled by a compression mechanism rotational speed control means (not shown) so as to be the rotational speed calculated by the
また、膨張機構5、予膨張弁11と第1バイパス弁13の具体的な操作方法として、電子制御装置25、および、膨張機構回転数制御手段21、予膨張弁開度制御手段22と第1バイパス弁開度制御手段23が行う制御について、図2に示すフローチャートに基づいて説明する。本実施の形態の制御では、計測するには高コストなセンサーが必要な高圧側圧力を計測せず、高圧側圧力と吐出温度との相関関係を利用し、比較的安価に計測の可能な吐出温度により、膨張機構5、予膨張弁11と第1バイパス弁13の制御を行う。
Further, as a specific operation method of the
冷凍サイクル装置の運転時には、吐出温度検知手段20からの検出値(吐出温度:Td)(100)が取り込まれる。予めROM等に記憶されている目標吐出温度(目標Td)と(100)で取り込んだ吐出温度(Td)とを比較する(110)。吐出温度(Td)が目標吐出温度(目標Td)より低い場合には、高圧側圧力が最適な圧力より低い傾向にあるため、まず、第1バイパス弁13が全閉となっているか否かを判定する(120)。第1バイパス弁13が全閉である場合には、膨張機構5の回転数(Hze)が、予め定められた最低回転数(最低Hze)に達しているか否かを判定する(130)。膨張機構5の回転数(Hze)が予め定められた最低回転数(最低Hze)に達している場合には、予膨張弁11を閉方向に操作し(140)、膨張機構5に流入する冷媒を減圧し、冷媒密度を低下させ、高圧側圧力および吐出温度を上昇させる。
During the operation of the refrigeration cycle apparatus, the detection value (discharge temperature: Td) (100) from the discharge
あるいは、膨張機構5の回転数(Hze)が予め定められた最低回転数(最低Hze)に達していない場合には、膨張機構5の回転数(Hze)を低下方向に操作し(150)、膨張機構5を流れる冷媒循環量を減少させ、高圧側圧力および吐出温度を上昇させる。また、ステップ120で、第1バイパス弁13が全閉でない場合には、第1バイパス弁13を閉方向に操作し(160)、膨張機構5をバイパスする第1バイパス流路12に流入する冷媒循環量を減少させ、高圧側圧力および吐出温度を上昇させる。
Alternatively, when the rotation speed (Hze) of the
逆に、ステップ110で、吐出温度(Td)が目標吐出温度(目標Td)より高い場合には、高圧側圧力が最適な圧力より高い傾向にあるため、まず、予膨張弁11が全開となっているか否かを判定する(170)。予膨張弁11が全開である場合には、膨張機構5の回転数(Hze)が、予め定められた最高回転数(最高Hze)に達しているか否かを判定する(180)。膨張機構5の回転数(Hze)が、予め定められた最高回転数(最高Hze)に達している場合には、第1バイパス弁13を開方向に操作し(190)、膨張機構5をバイパスする第1バイパス流路12に流入する冷媒循環量を増加させ、高圧側圧力および吐出温度を低下させる。
On the other hand, when the discharge temperature (Td) is higher than the target discharge temperature (target Td) in
膨張機構5の回転数(Hze)が、予め定められた最高回転数(最高Hze)に達していない場合には、膨張機構5の回転数(Hze)を増加方向に操作し(200)、膨張機構5を流れる冷媒循環量を増加させ、高圧側圧力および吐出温度を低下させる。あるいは、ステップ170で、予膨張弁11が全開でない場合には、予膨張弁11を開方向に操作し(210)、膨張機構5に流入する冷媒を減圧しないようにして、冷媒密度を低下させないようにすることで、高圧側圧力および吐出温度を低下させる。以上のステップの後、ステップ100に戻り、以後ステップ100から210まで繰り返すことにより、図3に示すように、膨張機構5の回転数と、予膨張弁11と第1バイパス弁13の開度とを連携させた制御を行う。
When the rotation speed (Hze) of the
以上説明したように、本実施の形態の構成の冷凍サイクル装置では、電気エネルギ回収
型の膨張機構を備えた冷凍サイクル装置において、膨張機構5の回転数を使用範囲内で低下させても、吐出温度(Td)が目標吐出温度(目標Td)に達しない場合には、吐出温度に基づいて予膨張弁11を閉方向に操作し、冷媒を減圧することで、膨張機構5の使用範囲を超えることなく、望ましい高圧側圧力に調整し、冷凍サイクル装置の運転効率や能力を低下させることなく運転できる。
As described above, in the refrigeration cycle apparatus having the configuration of the present embodiment, in the refrigeration cycle apparatus provided with the electric energy recovery type expansion mechanism, even if the rotation speed of the
逆に、膨張機構5の回転数を使用範囲内で増加させても、吐出温度(Td)が目標吐出温度(目標Td)を超える場合には、吐出温度に基づいて第1バイパス弁13を開方向に操作し、一部の冷媒を第1バイパス流路12に流すことで、膨張機構5に流入する冷媒循環量を減少させ、膨張機構5の使用範囲を超えることなく、望ましい高圧側圧力に調整し、冷凍サイクル装置の運転効率や能力を低下させることなく運転できる。
Conversely, if the discharge temperature (Td) exceeds the target discharge temperature (target Td) even if the rotation speed of the
(実施の形態2)
本発明の第2の実施の形態における冷凍サイクル装置を、図4に概略構成図を示す冷凍サイクル装置を用いて説明する。図4において、図1と同様の構成要素は図1と同じ番号を与え、説明を省略する。図4の冷凍サイクル装置は、内部熱交換器14の高圧側流路14aをバイパスする第2バイパス流路31、第2バイパス流路31を流れる冷媒循環量を調整する第2バイパス弁32を備えている。また、第2バイパス弁開度制御手段33は第2バイパス弁32の開度を調整する。
(Embodiment 2)
A refrigeration cycle apparatus according to a second embodiment of the present invention will be described using a refrigeration cycle apparatus whose schematic configuration is shown in FIG. 4, the same components as those in FIG. 1 are given the same reference numerals as those in FIG. The refrigeration cycle apparatus of FIG. 4 includes a
次に、上述のように構成された冷凍サイクル装置の運転時の動作について、まず、実際の運転状態での密度比と回転数比の積(DE/DC)×(Hze/Hzc)が、設計時に想定した設計容積比(VC/VE)と略同等である場合について説明する。 Next, regarding the operation at the time of operation of the refrigeration cycle apparatus configured as described above, first, the product of the density ratio and the rotation speed ratio (DE / DC) × (Hze / Hzc) in the actual operation state is designed. A case will be described in which the design volume ratio (VC / VE) that is sometimes assumed is substantially equal.
冷媒回路Aでは、CO2冷媒を、圧縮機構2で臨界圧力を越える圧力(高圧側圧力)まで圧縮する。その圧縮された冷媒は、高温高圧状態となり、放熱器3の冷媒流路を流れる際に、放熱器3の流体流路を流れる水に放熱し冷却される。その後、全閉状態である第2バイパス弁32により、冷媒は第2バイパス流路31を流れず、内部熱交換器14の高圧側流路14aに流入し、低圧側流路14bを流れる低圧低温の冷媒によりさらに冷却される。この場合、第1バイパス弁13も全閉状態であり、冷媒は第1バイパス流路12を流れず、すべての冷媒は膨張機構5に流入する。
In the refrigerant circuit A, the CO 2 refrigerant is compressed by the
その後、冷媒は膨張機構5で減圧され低温低圧の気液二相状態となる。この際、膨張機構5では冷媒の圧力エネルギーを動力に変換し、その動力は発電機4にて電力に変換される。このように、膨張時の圧力エネルギーを電力として回収しCOPを向上させることができる。膨張機構5で減圧された冷媒は蒸発器6に供給される。蒸発器6では、冷媒は送風装置9によって送り込まれた外気によって加熱され、気液二相またはガス状態となる。蒸発器6を流出した冷媒は、内部熱交換器14の低圧側流路14bで加熱された後、再び、圧縮機構2に吸入される。
Thereafter, the refrigerant is depressurized by the
次に、実際の運転状態での密度比と回転数比の積(DE/DC)×(Hze/Hzc)が、設計時に想定した設計容積比(VC/VE)と異なる場合について説明する。まず、実際の運転状態での密度比と回転数比の積(DE/DC)×(Hze/Hzc)が、設計時に想定した設計容積比(VC/VE)より大きい場合の動作について説明する。この場合には、回転数比が一定であるとすると、膨張機構5入口の冷媒密度(DE)が小さくなるように、冷凍サイクルは高圧側圧力を低下させた状態でバランスしようとする。ところが、高圧側圧力が望ましい圧力より低下した状態では、吐出温度が低下し冷凍サイクル装置の加熱能力が低下したり、冷凍サイクル装置の効率が低下したりする。このため、まず、膨張機構5の回転数を低下方向に操作し、密度比と回転数比の積(DE/DC)×(Hze/Hzc)を低下させる。これにより、高圧側圧力は低下せず最適な状態を維持でき
る。
Next, the case where the product (DE / DC) × (Hze / Hzc) of the density ratio and the rotation speed ratio in the actual operation state is different from the design volume ratio (VC / VE) assumed at the time of design will be described. First, an operation when the product (DE / DC) × (Hze / Hzc) of the density ratio and the rotation speed ratio in an actual operation state is larger than the design volume ratio (VC / VE) assumed at the time of design will be described. In this case, assuming that the rotation speed ratio is constant, the refrigeration cycle tries to balance in a state where the high-pressure side pressure is reduced so that the refrigerant density (DE) at the inlet of the
しかし、膨張機構5の回転数は、膨張機構5の信頼性の観点から、最低回転数が予め定められている。すなわち、長期間、予め定められた最低回転数を下回る運転を行うと、膨張機構の摺動部などにオイルが供給されにくくなることなどにより、摺動部に磨耗が生じるなどといった不具合が生じる恐れがある。そこで、本実施の形態の場合には、膨張機構5の回転数が予め定められた最低回転数となった場合でも、依然、実際の運転状態での密度比と回転数比の積(DE/DC)×(Hze/Hzc)が、設計時に想定した設計容積比(VC/VE)より大きい場合には、第2バイパス弁32を開方向に操作することにより、冷媒を第2バイパス流路31に流し、内部熱交換器14の高圧側流路14aに流入する冷媒循環量を低下させる。これにより、内部熱交換器14での熱交換量が減少し、膨張機構5に流入する冷媒の密度(DE)が小さくなる。したがって、膨張機構5の最低回転数を下回ることで、膨張機構5の信頼性を低下させることなく、冷媒密度(DE)を小さくでき、高圧側圧力は低下せず最適な状態を維持できる。
However, the rotation speed of the
このように、膨張機構5の回転数が予め定めた最低回転数となった場合には、膨張機構5の回転数を低下させるかわりに、第2バイパス弁32の開度を開方向に操作し、内部熱交換量を低下させることで、高圧側圧力を望ましい圧力に調整できるので、膨張機構5の信頼性を低下させることなく、効率の良い運転を行うことができる。
Thus, when the rotation speed of the
逆に、実際の運転状態での密度比と回転数比の積(DE/DC)×(Hze/Hzc)が、設計時に想定した設計容積比(VC/VE)より小さい場合の動作については、(実施の形態1)での説明と同様であるので、説明を省略する。 Conversely, for the operation when the product (DE / DC) × (Hze / Hzc) of the density ratio and the rotational speed ratio in the actual operating state is smaller than the design volume ratio (VC / VE) assumed at the time of design, The description is omitted because it is similar to the description in (Embodiment 1).
次に、制御方法について説明する。膨張機構5、第1バイパス弁13、第2バイパス弁32の具体的な操作方法として、電子制御装置25、および、膨張機構回転数制御手段21、第1バイパス弁開度制御手段23、第2バイパス弁開度制御手段33が行う制御について、図5に示すフローチャートに基づいて説明する。
Next, a control method will be described. As specific operating methods of the
冷凍サイクル装置の運転時には、吐出温度検知手段20からの検出値(吐出温度:Td)(300)が取り込まれる。予めROM等に記憶されている目標吐出温度(目標Td)と(300)で取り込んだ吐出温度(Td)とを比較する(310)。吐出温度(Td)が目標吐出温度(目標Td)より低い場合には、高圧側圧力が最適な圧力より低い傾向にあるため、まず、第1バイパス弁13が全閉となっているか否かを判定する(320)。第1バイパス弁13が全閉である場合には、膨張機構5の回転数(Hze)が、予め定められた最低回転数(最低Hze)に達しているか否かを判定する(330)。膨張機構5の回転数(Hze)が予め定められた最低回転数(最低Hze)に達している場合には、第2バイパス弁32を開方向に操作し(340)、内部熱交換器14の高圧側流路14aに流入する冷媒循環量を低下させる。内部熱交換器14での熱交換量を減少させることで、膨張機構5に流入する冷媒密度を低下させ、高圧側圧力および吐出温度を上昇させる。
During operation of the refrigeration cycle apparatus, a detection value (discharge temperature: Td) (300) from the discharge temperature detection means 20 is taken in. The target discharge temperature (target Td) stored in advance in the ROM or the like is compared with the discharge temperature (Td) taken in at (300) (310). When the discharge temperature (Td) is lower than the target discharge temperature (target Td), the high-pressure side pressure tends to be lower than the optimum pressure. Therefore, first, it is determined whether or not the
あるいは、膨張機構5の回転数(Hze)が予め定められた最低回転数(最低Hze)に達していない場合には、膨張機構5の回転数(Hze)を低下方向に操作し(350)、膨張機構5を流れる冷媒循環量を減少させ、高圧側圧力および吐出温度を上昇させる。また、ステップ320で、第1バイパス弁13が全閉でない場合には、第1バイパス弁13を閉方向に操作し(360)、膨張機構5をバイパスする第1バイパス流路12に流入する冷媒循環量を減少させ、高圧側圧力および吐出温度を上昇させる。
Alternatively, when the rotation speed (Hze) of the
逆に、ステップ310で、吐出温度(Td)が目標吐出温度(目標Td)より高い場合には、高圧側圧力が最適な圧力より高い傾向にあるため、まず、第2バイパス弁32が全
閉となっているか否かを判定する(370)。第2バイパス弁32が全閉である場合には、膨張機構5の回転数(Hze)が、予め定められた最高回転数(最高Hze)に達しているか否かを判定する(380)。膨張機構5の回転数(Hze)が、予め定められた最高回転数(最高Hze)に達している場合には、第1バイパス弁13を開方向に操作し(390)、膨張機構5をバイパスする第1バイパス流路12に流入する冷媒循環量を増加させ、高圧側圧力および吐出温度を低下させる。膨張機構5の回転数(Hze)が、予め定められた最高回転数(最高Hze)に達していない場合には、膨張機構5の回転数(Hze)を増加方向に操作し(400)、膨張機構5を流れる冷媒循環量を増加させ、高圧側圧力および吐出温度を低下させる。
On the other hand, when the discharge temperature (Td) is higher than the target discharge temperature (target Td) in
あるいは、ステップ370で、第2バイパス弁32が全閉でない場合には、第2バイパス弁32を閉方向に操作し(410)、内部熱交換器14の高圧側流路14aに流入する冷媒循環量を増加させる。内部熱交換器14での熱交換量を増加させることで、膨張機構5に流入する冷媒密度を増加させ、高圧側圧力および吐出温度を低下させる。以上のステップの後、ステップ300に戻り、以後ステップ300から410まで繰り返すことにより、図6に示すように、膨張機構5の回転数と、第1バイパス弁13と第2バイパス弁32の開度とを連携させた制御を行う。
Alternatively, if the
以上説明したように、本実施の形態の構成の冷凍サイクル装置では、電気エネルギ回収型の膨張機構を備えた冷凍サイクル装置において、膨張機構5の回転数を使用範囲内で低下させても、吐出温度(Td)が目標吐出温度(目標Td)に達しない場合には、吐出温度に基づいて第2バイパス弁32を開方向に操作し、一部の冷媒を第2バイパス流路31に流すことで、内部熱交換器14での熱交換量を低減し、冷媒を冷却しないようにすることで、膨張機構5の使用範囲を超えることなく、望ましい高圧側圧力に調整し、冷凍サイクル装置の運転効率や能力を低下させることなく運転できる。
As described above, in the refrigeration cycle apparatus having the configuration of the present embodiment, in the refrigeration cycle apparatus provided with the electric energy recovery type expansion mechanism, even if the rotation speed of the
逆に、膨張機構5の回転数を使用範囲内で増加させても、吐出温度(Td)が目標吐出温度(目標Td)を超える場合には、吐出温度に基づいて第1バイパス弁13を開方向に操作し、一部の冷媒を第1バイパス流路12に流すことで、膨張機構5に流入する冷媒循環量を減少させ、膨張機構5の使用範囲を超えることなく、望ましい高圧側圧力に調整し、冷凍サイクル装置の運転効率や能力を低下させることなく運転できる。
Conversely, if the discharge temperature (Td) exceeds the target discharge temperature (target Td) even if the rotation speed of the
(実施の形態3)
本発明の第3の実施の形態における冷凍サイクル装置を、図7に概略構成図を示す冷凍サイクル装置を用いて説明する。図7において、図1、図4と同様の構成要素は図1、図4と同じ番号を与え、説明を省略する。冷凍サイクル装置の運転時の動作について、まず、実際の運転状態での密度比と回転数比の積(DE/DC)×(Hze/Hzc)が、設計時に想定した設計容積比(VC/VE)と略同等である場合について説明する。
(Embodiment 3)
A refrigeration cycle apparatus according to a third embodiment of the present invention will be described using a refrigeration cycle apparatus whose schematic configuration is shown in FIG. In FIG. 7, the same components as those in FIGS. 1 and 4 are given the same reference numerals as those in FIGS. 1 and 4, and the description thereof is omitted. Regarding the operation during the operation of the refrigeration cycle apparatus, first, the product of the density ratio and the rotation speed ratio (DE / DC) × (Hze / Hzc) in the actual operation state is the design volume ratio (VC / VE) assumed at the time of design. ) Will be described.
冷媒回路Aでは、CO2冷媒を、圧縮機構2で臨界圧力を越える圧力(高圧側圧力)まで圧縮する。その圧縮された冷媒は、高温高圧状態となり、放熱器3の冷媒流路を流れる際に、放熱器3の流体流路を流れる水に放熱し冷却される。その後、全開状態である第2バイパス弁32により、冷媒は内部熱交換器14の高圧側流路14aを流れずに第2バイパス流路31流入し、全開状態の予膨張弁11を経て、膨張機構5に流入する。その後、冷媒は膨張機構5で減圧され低温低圧の気液二相状態となる。この際、膨張機構5では冷媒の圧力エネルギーを動力に変換し、その動力は発電機4にて電力に変換される。
In the refrigerant circuit A, the CO 2 refrigerant is compressed by the
このように、膨張時の圧力エネルギーを電力として回収しCOPを向上させることができる。膨張機構5で減圧された冷媒は蒸発器6に供給される。蒸発器6では、冷媒は送風装置9によって送り込まれた外気によって加熱され、気液二相またはガス状態となる。蒸
発器6を流出した冷媒は内部熱交換器14の低圧側流路14bに流入するが、高圧側流路14aには冷媒がほとんど流れていないため、実質的に熱交換せず、再び、圧縮機構2に吸入される。
Thus, the pressure energy at the time of expansion can be recovered as electric power to improve COP. The refrigerant decompressed by the
次に、実際の運転状態での密度比と回転数比の積(DE/DC)×(Hze/Hzc)が、設計時に想定した設計容積比(VC/VE)と異なる場合について説明する。まず、実際の運転状態での密度比と回転数比の積(DE/DC)×(Hze/Hzc)が、設計時に想定した設計容積比(VC/VE)より大きい場合の動作については、(実施の形態1)での説明と同様であるので、説明を省略する。 Next, the case where the product (DE / DC) × (Hze / Hzc) of the density ratio and the rotation speed ratio in the actual operation state is different from the design volume ratio (VC / VE) assumed at the time of design will be described. First, regarding the operation when the product (DE / DC) × (Hze / Hzc) of the density ratio and the rotational speed ratio in the actual operation state is larger than the design volume ratio (VC / VE) assumed at the time of design, Since it is the same as the description in Embodiment 1), the description is omitted.
逆に、実際の運転状態での密度比と回転数比の積(DE/DC)×(Hze/Hzc)が、設計時に想定した設計容積比(VC/VE)より小さい場合の動作について説明する。この場合には、回転数比が一定であるとすると、膨張機構5入口の冷媒密度(DE)が大きくなるように、冷凍サイクルは高圧側圧力を上昇させた状態でバランスしようとする。ところが、高圧側圧力が望ましい圧力より上昇した状態では、冷凍サイクル装置の運転効率が低下してしまう。このため、まず、膨張機構5の回転数を増加方向に操作し、密度比と回転数比の積(DE/DC)×(Hze/Hzc)を増加させる。これにより、高圧側圧力は上昇せず最適な状態を維持できる。
Conversely, the operation when the product of the density ratio and the rotation speed ratio (DE / DC) × (Hze / Hzc) in the actual operation state is smaller than the design volume ratio (VC / VE) assumed at the time of design will be described. . In this case, assuming that the rotation speed ratio is constant, the refrigeration cycle tries to balance in a state where the high-pressure side pressure is increased so that the refrigerant density (DE) at the inlet of the
しかし、膨張機構5の回転数は、膨張機構5の信頼性の観点から、最高回転数が予め定められている。すなわち、長期間、予め定められた最高回転数を上回る運転を行うと、膨張機構の軸受けや、摺動部に磨耗が生じるなどといった不具合が生じる恐れがある。そこで、本実施の形態の場合には、膨張機構5の回転数が予め定められた最高回転数となった場合でも、依然、実際の運転状態での密度比と回転数比の積(DE/DC)×(Hze/Hzc)が、設計時に想定した設計容積比(VC/VE)より小さい場合には、第2バイパス弁32を閉方向に操作することにより、内部熱交換器14の高圧側回路14aに流入する冷媒循環量を増加させる。これにより、内部熱交換器14での熱交換量が増加し、膨張機構5に流入する冷媒の密度(DE)が大きくなる。したがって、膨張機構5の最高回転数を上回ることで、膨張機構5の信頼性を低下させることなく、冷媒密度(DE)を大きくでき、高圧側圧力は上昇せず最適な状態を維持できる。
However, the rotation speed of the
このように、膨張機構5の回転数が予め定めた最高回転数となった場合には、膨張機構5の回転数を増加させるかわりに、第2バイパス弁32を閉方向に操作し、内部熱交換量を増加させることで、高圧側圧力を望ましい圧力に調整できるので、膨張機構5の信頼性を低下させることなく、効率の良い運転を行うことができる。
Thus, when the rotation speed of the
次に、制御方法について説明する。膨張機構5、予膨張弁11、第2バイパス弁32の具体的な操作方法として、電子制御装置25、および、膨張機構回転数制御手段21、予膨張弁開度制御手段22、第2バイパス弁開度制御手段33が行う制御について、図8に示すフローチャートに基づいて説明する。冷凍サイクル装置の運転時には、吐出温度検知手段20からの検出値(吐出温度:Td)(500)が取り込まれる。予めROM等に記憶されている目標吐出温度(目標Td)と(500)で取り込んだ吐出温度(Td)とを比較する(510)。吐出温度(Td)が目標吐出温度(目標Td)より低い場合には、高圧側圧力が最適な圧力より低い傾向にあるため、まず、第2バイパス弁32が全開となっているか否かを判定する(520)。第2バイパス弁32が全開である場合には、膨張機構5の回転数(Hze)が、予め定められた最低回転数(最低Hze)に達しているか否かを判定する(530)。膨張機構5の回転数(Hze)が予め定められた最低回転数(最低Hze)に達している場合には、予膨張弁11を閉方向に操作し(540)、膨張機構5に流入する冷媒を減圧し、冷媒密度を低下させ、高圧側圧力および吐出温度を上昇させる。
Next, a control method will be described. As specific operating methods of the
あるいは、膨張機構5の回転数(Hze)が予め定められた最低回転数(最低Hze)に達していない場合には、膨張機構5の回転数(Hze)を低下方向に操作し(550)、膨張機構5を流れる冷媒循環量を減少させ、高圧側圧力および吐出温度を上昇させる。また、ステップ520で、第2バイパス弁32が全開でない場合には、第2バイパス弁32を開方向に操作し(560)、内部熱交換器14の高圧側流路14aに流入する冷媒循環量を低下させる。内部熱交換器14での熱交換量を減少させることで、膨張機構5に流入する冷媒密度を低下させ、高圧側圧力および吐出温度を上昇させる。
Alternatively, when the rotation speed (Hze) of the
逆に、ステップ510で、吐出温度(Td)が目標吐出温度(目標Td)より高い場合には、高圧側圧力が最適な圧力より高い傾向にあるため、まず、予膨張弁11が全開となっているか否かを判定する(570)。予膨張弁11が全開である場合には、膨張機構5の回転数(Hze)が、予め定められた最高回転数(最高Hze)に達しているか否かを判定する(580)。膨張機構5の回転数(Hze)が、予め定められた最高回転数(最高Hze)に達している場合には、第2バイパス弁32を閉方向に操作し(590)、膨張機構5に流入する冷媒を内部熱交換器14で冷却するようにして、冷媒密度を増加させることで、高圧側圧力および吐出温度を低下させる。膨張機構5の回転数(Hze)が、予め定められた最高回転数(最高Hze)に達していない場合には、膨張機構5の回転数(Hze)を増加方向に操作し(600)、膨張機構5を流れる冷媒循環量を増加させ、高圧側圧力および吐出温度を低下させる。
On the other hand, when the discharge temperature (Td) is higher than the target discharge temperature (target Td) in
あるいは、ステップ570で、予膨張弁11が全開でない場合には、予膨張弁11を開方向に操作し(610)、膨張機構5に流入する冷媒を減圧しないようにして、冷媒密度を低下させないようにすることで、高圧側圧力および吐出温度を低下させる。以上のステップの後、ステップ500に戻り、以後ステップ500から610まで繰り返すことにより、図9に示すように、膨張機構5の回転数と、予膨張弁11と第2バイパス弁32の開度とを連携させた制御を行う。
Alternatively, if the
以上説明したように、本実施の形態の構成の冷凍サイクル装置では、電気エネルギ回収型の膨張機構を備えた冷凍サイクル装置において、膨張機構5の回転数を使用範囲内で低下させても、吐出温度(Td)が目標吐出温度(目標Td)に達しない場合には、吐出温度に基づいて予膨張弁11を閉方向に操作し、冷媒を減圧することで、膨張機構5の使用範囲を超えることなく、望ましい高圧側圧力に調整し、冷凍サイクル装置の運転効率や能力を低下させることなく運転できる。
As described above, in the refrigeration cycle apparatus having the configuration of the present embodiment, in the refrigeration cycle apparatus provided with the electric energy recovery type expansion mechanism, even if the rotation speed of the
逆に、膨張機構5の回転数を使用範囲内で増加させても、吐出温度(Td)が目標吐出温度(目標Td)を超える場合には、吐出温度に基づいて第2バイパス弁32を閉方向に操作し、内部熱交換器14での熱交換量を増加させ、冷媒を冷却することで、膨張機構5の使用範囲を超えることなく、望ましい高圧側圧力に調整し、冷凍サイクル装置の運転効率や能力を低下させることなく運転できる。
Conversely, if the discharge temperature (Td) exceeds the target discharge temperature (target Td) even if the rotation speed of the
(実施の形態4)
本発明の第4の実施の形態における冷凍サイクル装置を、図10に概略構成図を示す冷凍サイクル装置を用いて説明する。図10において、図4と同様の構成要素は図4と同じ番号を与え、説明を省略する。冷凍サイクル装置の運転時の動作について、まず、実際の運転状態での密度比と回転数比の積(DE/DC)×(Hze/Hzc)が、設計時に想定した設計容積比(VC/VE)と略同等である場合について説明する。
(Embodiment 4)
A refrigeration cycle apparatus according to a fourth embodiment of the present invention will be described using a refrigeration cycle apparatus whose schematic configuration is shown in FIG. 10, components similar to those in FIG. 4 are given the same numbers as in FIG. 4, and descriptions thereof are omitted. Regarding the operation during the operation of the refrigeration cycle apparatus, first, the product of the density ratio and the rotation speed ratio (DE / DC) × (Hze / Hzc) in the actual operation state is the design volume ratio (VC / VE) assumed at the time of design. ) Will be described.
冷媒回路Aでは、CO2冷媒を、圧縮機構2で臨界圧力を越える圧力(高圧側圧力)まで圧縮する。その圧縮された冷媒は、高温高圧状態となり、放熱器3の冷媒流路を流れる
際に、放熱器3の流体流路を流れる水に放熱し冷却される。その後、半開状態である第2バイパス弁32により、一部の冷媒は第2バイパス流路31を流れ、その他の冷媒は内部熱交換器14の高圧側流路14aに流入し、低圧側流路14bを流れる低圧低温の冷媒によりさらに冷却される。その後、冷媒は膨張機構5に流入し、膨張機構5で減圧され低温低圧の気液二相状態となる。この際、膨張機構5では冷媒の圧力エネルギーを動力に変換し、その動力は発電機4にて電力に変換される。
In the refrigerant circuit A, the CO 2 refrigerant is compressed by the
このように、膨張時の圧力エネルギーを電力として回収しCOPを向上させることができる。膨張機構5で減圧された冷媒は蒸発器6に供給される。蒸発器6では、冷媒は送風装置9によって送り込まれた外気によって加熱され、気液二相またはガス状態となる。蒸発器6を流出した冷媒は、内部熱交換器14の低圧側流路14bで加熱された後、再び、圧縮機構2に吸入される。
Thus, the pressure energy at the time of expansion can be recovered as electric power to improve COP. The refrigerant decompressed by the
次に、実際の運転状態での密度比と回転数比の積(DE/DC)×(Hze/Hzc)が、設計時に想定した設計容積比(VC/VE)と異なる場合について説明する。まず、実際の運転状態での密度比と回転数比の積(DE/DC)×(Hze/Hzc)が、設計時に想定した設計容積比(VC/VE)より大きい場合の動作について説明する。この場合には、回転数比が一定であるとすると、膨張機構5入口の冷媒密度(DE)が小さくなるように、冷凍サイクルは高圧側圧力を低下させた状態でバランスしようとする。ところが、高圧側圧力が望ましい圧力より低下した状態では、吐出温度が低下し冷凍サイクル装置の加熱能力が低下したり、冷凍サイクル装置の効率が低下したりする。
Next, the case where the product (DE / DC) × (Hze / Hzc) of the density ratio and the rotation speed ratio in the actual operation state is different from the design volume ratio (VC / VE) assumed at the time of design will be described. First, an operation when the product (DE / DC) × (Hze / Hzc) of the density ratio and the rotation speed ratio in an actual operation state is larger than the design volume ratio (VC / VE) assumed at the time of design will be described. In this case, assuming that the rotation speed ratio is constant, the refrigeration cycle tries to balance in a state where the high-pressure side pressure is reduced so that the refrigerant density (DE) at the inlet of the
このため、まず、第2バイパス弁32を開方向に操作することにより、第2バイパス流路31に流れる冷媒循環量を増加させ、内部熱交換器14の高圧側流路14aに流入する冷媒循環量を低下させる。これにより、内部熱交換器14での熱交換量が減少し、膨張機構5に流入する冷媒の密度(DE)が小さくでき、高圧側圧力は低下せず最適な状態を維持できる。しかし、第2バイパス弁32が全開となった場合でも、依然、実際の運転状態での密度比と回転数比の積(DE/DC)×(Hze/Hzc)が、設計時に想定した設計容積比(VC/VE)より大きい場合には、膨張機構5の回転数を低下方向に操作し、密度比と回転数比の積(DE/DC)×(Hze/Hzc)を低下させ、高圧側圧力を最適な状態を維持する。
For this reason, first, by operating the
このように、まず第2バイパス弁32の開方向に操作することで、内部熱交換器14での内部熱交換量を減少させて、高圧側圧力を調整し、第2バイパス弁32が全開となっても、最適な高圧側圧力に調整できない場合のみ、膨張機構5の回転数を低下方向に操作することで、膨張機構5の信頼性を低下させるほど、膨張機構5の回転数を低下させる状態が生じる頻度を低減できる。したがって、膨張機構5の信頼性を低下させることなく、効率の良い運転を行うことができる。
In this way, by first operating in the opening direction of the
逆に、実際の運転状態での密度比と回転数比の積(DE/DC)×(Hze/Hzc)が、設計時に想定した設計容積比(VC/VE)より小さい場合の動作について説明する。この場合には、回転数比が一定であるとすると、膨張機構5入口の冷媒密度(DE)が大きくなるように、冷凍サイクルは高圧側圧力を上昇させた状態でバランスしようとする。ところが、高圧側圧力が望ましい圧力より上昇した状態では、冷凍サイクル装置の運転効率が低下してしまう。
Conversely, the operation when the product of the density ratio and the rotation speed ratio (DE / DC) × (Hze / Hzc) in the actual operation state is smaller than the design volume ratio (VC / VE) assumed at the time of design will be described. . In this case, assuming that the rotation speed ratio is constant, the refrigeration cycle tries to balance in a state where the high-pressure side pressure is increased so that the refrigerant density (DE) at the inlet of the
このため、まず、第2バイパス弁32を閉方向に操作することにより、第2バイパス流路31に流れる冷媒循環量を低下させ、内部熱交換器14の高圧側流路14aに流入する冷媒循環量を増加させる。これにより、内部熱交換器14での熱交換量が増加し、膨張機構5に流入する冷媒の密度(DE)が大きくでき、高圧側圧力は上昇せず最適な状態を維
持できる。しかし、第2バイパス弁32が全閉となった場合でも、依然、実際の運転状態での密度比と回転数比の積(DE/DC)×(Hze/Hzc)が、設計時に想定した設計容積比(VC/VE)より小さい場合には、膨張機構5の回転数を増加方向に操作し、密度比と回転数比の積(DE/DC)×(Hze/Hzc)を増加させ、高圧側圧力を最適な状態を維持する。
For this reason, first, by operating the
このように、まず第2バイパス弁32の閉方向に操作することで、内部熱交換器14での内部熱交換量を増加させて、高圧側圧力を調整し、第2バイパス弁32が全閉となっても、最適な高圧側圧力に調整できない場合のみ、膨張機構5の回転数を増加方向に操作することで、膨張機構5の信頼性を低下させるほど、膨張機構5の回転数を増加させる状態が生じる頻度を低減できる。したがって、膨張機構5の信頼性を低下させることなく、効率の良い運転を行うことができる。
Thus, by first operating the
次に、制御方法について説明する。膨張機構5、第2バイパス弁32の具体的な操作方法として、電子制御装置25、および、膨張機構回転数制御手段21、第2バイパス弁開度制御手段33が行う制御について、図11に示すフローチャートに基づいて説明する。冷凍サイクル装置の運転時には、吐出温度検知手段20からの検出値(吐出温度:Td)(700)が取り込まれる。予めROM等に記憶されている目標吐出温度(目標Td)と(700)で取り込んだ吐出温度(Td)とを比較する(710)。吐出温度(Td)が目標吐出温度(目標Td)より低い場合には、高圧側圧力が最適な圧力より低い傾向にあるため、まず、第2バイパス弁32が全開となっているか否かを判定する(720)。
Next, a control method will be described. As a specific operation method of the
第2バイパス弁32が全開である場合には、膨張機構5の回転数(Hze)を低下方向に操作し(730)、膨張機構5を流れる冷媒循環量を減少させ、高圧側圧力および吐出温度を上昇させる。あるいは、第2バイパス弁32が全開でない場合には、第2バイパス弁32を開方向に操作し(740)、内部熱交換器14の高圧側流路14aに流入する冷媒循環量を低下させる。内部熱交換器14での熱交換量を減少させることで、膨張機構5に流入する冷媒密度を低下させ、高圧側圧力および吐出温度を上昇させる。
When the
逆に、ステップ710で、吐出温度(Td)が目標吐出温度(目標Td)より高い場合には、高圧側圧力が最適な圧力より高い傾向にあるため、まず、第2バイパス弁32が全閉となっているか否かを判定する(750)。第2バイパス弁32が全閉である場合には、膨張機構5の回転数(Hze)を増加方向に操作し(760)、膨張機構5を流れる冷媒循環量を増加させ、高圧側圧力および吐出温度を低下させる。
On the other hand, when the discharge temperature (Td) is higher than the target discharge temperature (target Td) in
あるいは、ステップ750で、第2バイパス弁32が全閉でない場合には、第2バイパス弁32を閉方向に操作し(770)、内部熱交換器14の高圧側流路14aに流入する冷媒循環量を増加させる。内部熱交換器14での熱交換量を増加させることで、膨張機構5に流入する冷媒密度を増加させ、高圧側圧力および吐出温度を低下させる。以上のステップの後、ステップ700に戻り、以後ステップ700から770まで繰り返すことにより、図12に示すように、膨張機構5の回転数と、第2バイパス弁32の開度とを連携させた制御を行う。
Alternatively, if the
以上説明したように、本実施の形態の構成の冷凍サイクル装置では、電気エネルギ回収型の膨張機構を備えた冷凍サイクル装置において、まず、第2バイパス弁32の開方向に操作し、内部熱交換器14での内部熱交換量を増加させる。次に、第2バイパス弁32が全開となっても、吐出温度(Td)が目標吐出温度(目標Td)に達しない場合のみ、吐出温度に基づいて膨張機構5の回転数を低下方向に操作することで、膨張機構5の信頼性を低下させるほど、膨張機構5の回転数を低下させる状態が生じる頻度を低減できる。したがって、膨張機構5の信頼性を低下させることなく、効率の良い運転を行うことができ
る。
As described above, in the refrigeration cycle apparatus having the configuration of the present embodiment, in the refrigeration cycle apparatus provided with the expansion mechanism of the electric energy recovery type, first, the
あるいは、まず、第2バイパス弁32の閉方向に操作し、内部熱交換器14での内部熱交換量を低下させる。次に、第2バイパス弁32が全閉となっても、吐出温度(Td)が目標吐出温度(目標Td)に達しない場合のみ、吐出温度に基づいて膨張機構5の回転数を増加方向に操作することで、膨張機構5の信頼性を低下させるほど、膨張機構5の回転数を増加させる状態が生じる頻度を低減できる。したがって、膨張機構5の信頼性を低下させることなく、効率の良い運転を行うことができる。
Alternatively, first, the
なお、以上の実施の形態において、予膨張弁11や、第1バイパス弁13や、第2バイパス弁32が全開、または、全閉であるとの判定は、物理的に弁が全開、または、全閉となっていなくてもよく、弁の信頼性等を考慮して予め定めた全開、または、全閉に近い最大開度、または、最小開度となったことで判定してもよい。また、膨張機構5の回転数は、実際の回転数で判定しても良いし、膨張機構回転数制御手段21の設定値で判定しても良い。また、冷凍サイクルの状態の安定性を増すために、吐出温度がある一定の温度範囲となるように目標吐出温度(目標Td)に微少値を加算または減算して制御してもよい。
In the above embodiment, the determination that the
さらに、本実施の形態の制御では、吐出温度により膨張機構5の回転数や、予膨張弁11や、第1バイパス弁13や、第2バイパス弁32の開度の制御を行うとして説明したが、高圧側圧力を直接検知して、その値を用いて制御しても良いし、あるいは、高圧側圧力と相関関係がある冷凍サイクル装置上の温度を検知した検知値やそれらの検知値を用いた計算値を用いて制御してもよい。例えば、圧縮機構2の吸入過熱度や、蒸発器3出口の過熱度を用いて制御してもよい。
Further, in the control of the present embodiment, it has been described that the rotation speed of the
また、内部熱交換器14は、高圧側流路14aを流れる放熱器3の冷媒出口から膨張機構5の入口までの冷媒が、低圧側流路14bを流れる蒸発器6の冷媒出口から圧縮機構2の入口までの冷媒により冷却されるように構成されていると説明したが、高圧側流路14aを流れる放熱器3の冷媒出口から膨張機構5の入口までの冷媒が、低圧側流路14bを流れる他の低圧冷媒、例えば、膨張機構5の入口の冷媒を一部分岐し、減圧して低温低圧とした冷媒により冷却される構成であってもよい。さらに、第2バイパス流路31は内部熱交換器14の高圧側流路14aをバイパスする構成として説明したが、低圧側流路14bをバイパスする構成としても同様の効果が得られる。
Further, the internal heat exchanger 14 is configured such that the refrigerant from the refrigerant outlet of the radiator 3 flowing through the high-
また、冷媒は二酸化炭素(CO2)であるとして説明したが、他の冷媒、例えば、R410A等でも同様の効果が得られる。 The refrigerant has been described as a carbon dioxide (CO 2), and other refrigerants, for example, the same effect can R410A, etc. is obtained.
本発明の冷凍サイクル装置および冷凍サイクル装置の制御方法は、回転数が圧縮機構の回転数に独立して変更可能な膨張機構を備えた冷凍サイクル装置において、膨張機構の信頼性を低下させることなく、膨張機構に流入する循環量をより広い範囲で調整し、冷凍サイクル装置を高効率に運転させることが可能となるため、膨張機構を備えた給湯機、空気調和機などの用途に適用できる。 The refrigeration cycle apparatus and the control method for the refrigeration cycle apparatus according to the present invention include a refrigeration cycle apparatus having an expansion mechanism whose rotation speed can be changed independently of the rotation speed of the compression mechanism without reducing the reliability of the expansion mechanism. Since the circulation amount flowing into the expansion mechanism can be adjusted in a wider range and the refrigeration cycle apparatus can be operated with high efficiency, it can be applied to uses such as a water heater and an air conditioner equipped with the expansion mechanism.
1 電動機
2 圧縮機構
3 利用側熱交換器(放熱器)
4 発電機
5 膨張機構
6 熱源側熱交換器(蒸発器)
7 利用流体搬送手段(給水ポンプ)
8 給湯タンク
9 熱源流体搬送手段(送風装置)
11 予減圧器(予膨張弁)
12 第1バイパス流路
13 第1バイパス弁
14 内部熱交換器
14a 高圧側流路
14b 低圧側流路
20 吐出温度検知手段
21 膨張機構回転数制御手段
22 予膨張弁開度制御手段
23 第1バイパス弁開度制御手段
25 電子制御手段
31 第2バイパス流路
32 第2バイパス弁
33 第2バイパス弁開度制御手段
A 冷媒回路
B 流体回路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
4
7 Fluid transport means (water supply pump)
8 Hot water tank 9 Heat source fluid transfer means (blower)
11 Pre-reducer (pre-expansion valve)
12 First
Claims (9)
膨張機構に流入する冷媒を冷却する内部熱交換器を備えた冷凍サイクル装置において、前記内部熱交換器を実質的に作用させているにもかかわらず、高圧側圧力、前記圧縮機構の吐出温度、前記圧縮機構の吸入過熱度のいずれかが、予め定められた目標値を超える場合には、前記膨張機構の回転数を増加させることを特徴とする冷凍サイクル装置の制御方法。 In the refrigeration cycle apparatus comprising at least a compression mechanism, a heat source side heat exchanger, an expansion mechanism that performs power recovery, a use side heat exchanger, and an internal heat exchanger that cools refrigerant flowing into the expansion mechanism, the internal heat exchanger If any one of the high-pressure side pressure, the discharge temperature of the compression mechanism, and the suction superheat degree of the compression mechanism exceeds a predetermined target value, the expansion is performed. A control method for a refrigeration cycle apparatus, wherein the number of rotations of the mechanism is increased.
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