JP2007298207A - Refrigerating cycle device and its control method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a refrigerating cycle device applying an expander of high efficiency and high reliability. <P>SOLUTION: This refrigerating cycle device comprises a compressor 1, a radiator 2, the expander 3, an evaporator 4, a suction volume control means 8 disposed at a suction side of the expander 3 for changing suction volume of a refrigerant flowing into the expander, and a control valve 8 connected with the expander 3 in series to expand the refrigerant, and by properly controlling them, electric power can be collected by the expander 3 in maximum in over load and transient time, and a degree of superheat can be surely controlled by the control valve 8. Further a stable state can be controlled more quickly with high response in comparison with a case when only the suction volume control means 9 is used, and the refrigerating cycle device of high efficiency and high reliability can be provided. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、冷媒などの膨張力を利用する膨張機を用いた動力回収装置、特に二酸化炭素を冷媒として用いる蒸気圧縮式冷凍装置の効率向上のために膨張機を用いた冷凍サイクル装置に関する。   The present invention relates to a power recovery apparatus that uses an expander that uses an expansion force such as a refrigerant, and more particularly to a refrigeration cycle apparatus that uses an expander to improve the efficiency of a vapor compression refrigeration apparatus that uses carbon dioxide as a refrigerant.

冷媒の膨張エネルギーを膨張機で回収し、圧縮機で冷媒を圧縮する仕事の一部として利用する動力回収式の冷凍サイクルとして、膨張機一体型圧縮機を用いたものが知られている。(例えば、特許文献1を参照)。   2. Description of the Related Art As a power recovery type refrigeration cycle that recovers expansion energy of a refrigerant with an expander and uses it as part of work for compressing the refrigerant with a compressor, one using an expander-integrated compressor is known. (For example, see Patent Document 1).

従来の膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクルについて説明する。図18に従来特許文献1と同じ構成の膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクルを示す。この冷凍サイクルは圧縮機1、ガスクーラ2、膨張機3、蒸発器4、電動モータ5、および、圧縮機1と膨張機3と電動モータ5を直結するシャフト6と、膨張機吸入菅11から構成されている。冷媒は、圧縮機1において常温低圧から高温高圧へと圧縮された後、ガスクーラ2において常温高圧へと冷却される。そして、膨張機3において低温低圧へと膨張した後、蒸発器4で常温まで加熱される。   A refrigeration cycle using a conventional expander-integrated compressor will be described. FIG. 18 shows a refrigeration cycle using an expander-integrated compressor having the same configuration as that of Patent Document 1. This refrigeration cycle includes a compressor 1, a gas cooler 2, an expander 3, an evaporator 4, an electric motor 5, a shaft 6 directly connecting the compressor 1, the expander 3, and the electric motor 5, and an expander suction rod 11. Has been. The refrigerant is compressed from room temperature low pressure to high temperature high pressure in the compressor 1 and then cooled to room temperature high pressure in the gas cooler 2. And after expanding to low temperature and low pressure in the expander 3, it is heated by the evaporator 4 to normal temperature.

このような冷凍サイクルシステムにおいて、膨張機3では、冷媒の膨張エネルギーを回収してシャフト6の回転エネルギーに変換し、圧縮機1を駆動する仕事の一部をとして利用することで、電動モータ5の動力を低減し、サイクルの高効率運転を実現していた。   In such a refrigeration cycle system, the expander 3 recovers the expansion energy of the refrigerant, converts it into rotational energy of the shaft 6, and uses part of the work for driving the compressor 1 as an electric motor 5. The power of the engine was reduced and high-efficiency operation of the cycle was realized.

図19には、このような冷凍サイクル装置の作動の一例として、高圧冷媒である二酸化炭素を冷媒として用いたモリエル線図を示しているが、このサイクルでは、圧縮機出口(点D)からガスクーラ2によって冷却された冷媒(点A)が膨張機3に流入し、これを前記膨張機3において等エントロピー膨張によって膨張させる。この場合、蒸発器入口「点B」と、従来のように膨張弁によって「点A」から等エンタルピー膨張させた場合における蒸発器入口「点E」との間のエンタルピー量「ha」だけ、冷凍システム側に回収される。その結果、圧縮機には、その必要入力「hb」から前記回収動力「ha」を差し引いた値「hb-ha」だけを実際に入力すればよく、圧縮機入力の低減分だけ冷凍サイクルの高効率運転が実現されるものである。   FIG. 19 shows a Mollier diagram using carbon dioxide, which is a high-pressure refrigerant, as an example of the operation of such a refrigeration cycle apparatus. In this cycle, a gas cooler is connected from the compressor outlet (point D). The refrigerant (point A) cooled by 2 flows into the expander 3 and is expanded by isentropic expansion in the expander 3. In this case, only the enthalpy amount “ha” between the evaporator inlet “point B” and the evaporator inlet “point E” in the case where the expansion valve is isoenthalpy-expanded from “point A” by an expansion valve as in the prior art, Collected on the system side. As a result, only the value “hb-ha” obtained by subtracting the recovered power “ha” from the necessary input “hb” needs to be actually input to the compressor. Efficient operation is achieved.

高圧流体の膨張により動力を発生させる上記膨張機として、例えばロータリ式膨張機などの容積型膨張機が知られている(例えば特許文献2)。この膨張機は、シリンダと、このシリンダの内周面に沿って公転するピストンとを備え、シリンダとピストンとの間に形成される作動室が吸入/膨張側と排出側とに区画されている。そして、ピストンの公転動作に伴って、作動室は吸入/膨張側であった部分が排出側に、排出側であった部分が吸入/膨張側に順に切り換わり、高圧流体の吸入/膨張作用と排出作用とが同時に並行して行われる。   A positive displacement expander such as a rotary expander is known as the expander that generates power by expanding a high-pressure fluid (for example, Patent Document 2). The expander includes a cylinder and a piston that revolves along the inner peripheral surface of the cylinder, and a working chamber formed between the cylinder and the piston is partitioned into a suction / expansion side and a discharge side. . As the piston revolves, the working chamber is switched from the suction / expansion side to the discharge side and from the discharge side to the suction / expansion side. The discharging action is performed simultaneously in parallel.

上記膨張機では、ピストンの1回転中に高圧流体がシリンダ内に供給されている吸入過程の角度範囲と、流体の膨張が行われる膨張過程の範囲があらかじめ定められている。つまり、この種の膨張機では、一般に膨張比(吸入冷媒と排出冷媒の密度比)が一定になっている。そして、吸入過程の角度範囲で高圧流体をシリンダに導入する一方、残った膨張過程の角度範囲で流体を定められた膨張比で膨張させ、回転動力を回収するようになっている。   In the expander, the angle range of the suction process in which high-pressure fluid is supplied into the cylinder during one rotation of the piston and the range of the expansion process in which the fluid is expanded are determined in advance. That is, in this type of expander, the expansion ratio (density ratio between the intake refrigerant and the exhaust refrigerant) is generally constant. The high pressure fluid is introduced into the cylinder in the angular range of the suction process, while the fluid is expanded at a predetermined expansion ratio in the remaining angular range of the expansion process, and the rotational power is recovered.

さらに特許文献3に記載の膨張機では、冷房運転と暖房運転の切り換えや外気温度の変化などの運転条件の変動により、冷凍サイクルの実際の膨張比が前記サイクルの設計膨張比ないし膨張機の固有膨張比からはずれる場合においても、前記膨張機の複数のロータリ機構部のうち互いに接続された2つでは前段側のロータリ機構部の低圧室と後段側のロータリ機構部の高圧室とが互いに連通して1つの作動室を形成する一方、高圧流体の一部を膨張過程の上記作動室に導くためのインジェクション通路と、上記インジェクション通路に設けられた流通制御機構によって、冷凍サイクルが膨張機の設計膨張比よりも小さくなる条件ときにおいても、膨張室の内圧が冷凍サイクルの低圧圧力より低くなる過膨張の状態にはならない。
特開2000−329416号公報 特開平8−338356号公報 特開2005−256667号公報
Furthermore, in the expander described in Patent Document 3, the actual expansion ratio of the refrigeration cycle varies depending on the design expansion ratio of the cycle or the uniqueness of the expander due to fluctuations in operating conditions such as switching between cooling operation and heating operation and a change in outside air temperature. Even when the expansion ratio deviates, two of the plurality of rotary mechanism portions of the expander that are connected to each other communicate the low pressure chamber of the front rotary mechanism portion with the high pressure chamber of the rear rotary mechanism portion. The refrigeration cycle is designed for expansion of the expander by an injection passage for guiding a part of the high-pressure fluid to the working chamber in the expansion process and a flow control mechanism provided in the injection passage. Even in a condition where the ratio is smaller than the ratio, the expansion chamber does not enter an overexpanded state in which the internal pressure of the expansion chamber is lower than the low pressure of the refrigeration cycle.
JP 2000-329416 A JP-A-8-338356 JP 2005-256667 A

このような膨張機では、まず設計膨張比で運転動作が行われているときに最大限の動力回収効率が得られるように構成されており、冷凍サイクルの高圧圧力と低圧圧力の比(圧力比)が小さくなると、膨張機の圧力比が小さくなるように上記インジェクションにより高圧流体を流入させることで吸入量を増加させ、冷凍サイクルの圧力比と等しくなるように制御する。しかし、起動などの過渡状態や、冬場における過負荷時においては、インジェクションによる吸入量をゼロにし、膨張機の本来の設計吸入容積である最小吸入体積で運転しても、冷媒流量をこれ以上減少させることができないため、蒸発器の出口、又は圧縮機の入口の過熱度を所定の値になるように制御することができず、液圧縮による圧縮機の損傷する恐れがあった。また、過熱度を確保できるときにおいても、最小吸入体積で運転しているときよりも冷媒流量を小さく制御できないため、過熱度が所定の値になるための応答時間が長くなるといった課題があった。   Such an expander is configured so that the maximum power recovery efficiency can be obtained when the operation is performed at the designed expansion ratio. The ratio between the high pressure and the low pressure of the refrigeration cycle (pressure ratio) ) Is reduced, the amount of suction is increased by flowing a high-pressure fluid by the injection so that the pressure ratio of the expander is reduced, and the pressure ratio is controlled to be equal to the pressure ratio of the refrigeration cycle. However, during transient conditions such as start-up and overload in winter, the refrigerant flow rate is further reduced even if the intake volume by injection is set to zero and operation is performed at the minimum intake volume that is the original designed intake volume of the expander. Therefore, the degree of superheat at the outlet of the evaporator or the inlet of the compressor cannot be controlled to a predetermined value, and the compressor may be damaged by liquid compression. In addition, even when the degree of superheat can be ensured, the refrigerant flow rate cannot be controlled to be smaller than when operating with the minimum suction volume, so there is a problem that the response time for the degree of superheat to become a predetermined value becomes longer. .

したがって本発明は、上記の課題を解決するもので、膨張機に吸入される吸入体積を可変にできる吸入体積制御手段を持つ膨張機と制御弁を直列に配置し、吸入体積制御手段によって最小吸入体積と設定し、それに加えて制御弁を用いることにより流量をさらに小さく制御できるため、起動などの過渡状態や冬場における過負荷時に過熱度を的確に確保できる。また、過熱度を所定の値にするための応答も速くすることができ、圧縮機の信頼性と速い応答性を備え、さらには、膨張機で回収する動力をできるだけ大きくすることができる冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。   Accordingly, the present invention solves the above-described problem. An expander having a suction volume control means capable of varying the suction volume sucked into the expander and a control valve are arranged in series, and the minimum suction is achieved by the suction volume control means. By setting the volume and using a control valve in addition to that, the flow rate can be controlled to be even smaller, so that the degree of superheat can be ensured accurately in a transient state such as start-up or an overload in winter. In addition, the refrigeration cycle that can speed up the response for setting the degree of superheat to a predetermined value, has the reliability and quick response of the compressor, and can maximize the power recovered by the expander An object is to provide an apparatus.

本発明に係る膨張機を用いた冷凍サイクル装置は、
作動流体を圧縮する容積式の圧縮機と、
前記圧縮機により圧縮された冷媒を冷却する放熱器と、
作動流体を膨張させる容積式の膨張機と、
前記膨張機により膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器と、
密閉容器内において前記圧縮機と前記膨張機を一軸で連結した電動モータと、
前記圧縮機、前記放熱器、前記膨張機、前記蒸発器の順に接続され冷媒を循環させる冷媒配管と、
前記膨張機の吸入側には膨張機へ流入する冷媒の吸入体積を変更することができる吸入体積制御手段と、
前記膨張機と直列に接続された冷媒を膨張させる制御弁を設けたものである。
このように、制御弁を膨張機と直列に設けることにより、圧縮機吸入の冷媒の過熱度が所定値に維持されるので、液相冷媒が圧縮機に吸入されることが防止され、圧縮機の損傷を防ぐことができるため、構成部品の信頼性をあげることができる。さらに、制御弁を制
前記制御弁は、前記吸入体積制御手段を有する前記膨張機の上流側に配置されていてもよい。
The refrigeration cycle apparatus using the expander according to the present invention is
A positive displacement compressor that compresses the working fluid;
A radiator for cooling the refrigerant compressed by the compressor;
A positive displacement expander for expanding the working fluid;
An evaporator for evaporating the refrigerant expanded by the expander;
An electric motor that connects the compressor and the expander uniaxially in a sealed container;
A refrigerant pipe that is connected in the order of the compressor, the radiator, the expander, and the evaporator and circulates a refrigerant;
A suction volume control means capable of changing the suction volume of the refrigerant flowing into the expander on the suction side of the expander;
A control valve for expanding the refrigerant connected in series with the expander is provided.
Thus, by providing the control valve in series with the expander, the superheat degree of the refrigerant sucked by the compressor is maintained at a predetermined value, so that the liquid phase refrigerant is prevented from being sucked into the compressor, and the compressor Therefore, the reliability of the components can be improved. In addition, the control valve may be disposed upstream of the expander having the suction volume control means.

このことにより、制御弁が下流側に配置されているときよりも膨張機の回収動力を高めることができる。   Thereby, the recovery power of the expander can be increased more than when the control valve is disposed on the downstream side.

さらに、前記膨張機の出口側もしくは前記蒸発器中のいずれかに取り付けられ、冷媒の温度を検出する第1温度検出手段と、
前記蒸発器の出口と前記圧縮機の入口の間に取り付けられ、冷媒の温度を検出する第2温度検出手段と、
前記第1温度検出手段と第2温度検出手段からの信号を用いて制御する制御部と、
前記制御部からの信号により前記吸入体積制御手段と前記制御弁を制御し、冷媒の供給量を変化させ、蒸発器出口、または圧縮機入口の過熱度を所定の値になるようにしてもよい。
Furthermore, a first temperature detecting means attached to either the outlet side of the expander or in the evaporator, and detecting the temperature of the refrigerant;
A second temperature detecting means attached between the outlet of the evaporator and the inlet of the compressor and detecting the temperature of the refrigerant;
A control unit that controls using signals from the first temperature detection unit and the second temperature detection unit;
The suction volume control means and the control valve may be controlled by a signal from the control unit to change the refrigerant supply amount so that the degree of superheat at the evaporator outlet or the compressor inlet becomes a predetermined value. .

さらに、冷媒の温度を検出する前記第1温度検出手段が、冷媒の圧力を検出する圧力検出手段であり、前記圧力検出手段は前記膨張機の出口側と前記圧縮機の入口側の間に取り付けられてもよい。   Further, the first temperature detecting means for detecting the temperature of the refrigerant is a pressure detecting means for detecting the pressure of the refrigerant, and the pressure detecting means is attached between the outlet side of the expander and the inlet side of the compressor. May be.

このことにより、過熱度を確実に計算することができることにより、過熱度を確保するための信頼性を高めることができる。   This makes it possible to reliably calculate the degree of superheat, thereby increasing the reliability for ensuring the degree of superheat.

前記吸入体積制御手段による膨張機に流入する冷媒の吸入体積は、前記膨張機本来の設計吸入容積以上であることを特徴としてもよい。   The suction volume of the refrigerant flowing into the expander by the suction volume control means may be greater than or equal to the original designed suction volume of the expander.

前記第1または第2の制御部は、加熱度が所定の値よりも小さい場合、前記吸入体積制御手段によって膨張機に流入する冷媒の吸入体積を最小にした最小吸入体積のときには、過熱度を所定の値に制御するために前記制御弁を制御してもよい。   When the degree of heating is smaller than a predetermined value, the first or second control unit sets the superheat degree when the suction volume control means minimizes the suction volume of the refrigerant flowing into the expander by the suction volume control means. The control valve may be controlled to control to a predetermined value.

前記第1または第2の制御部は、前記吸入体積制御手段によって膨張機に流入する冷媒の吸入体積を最小にした最小吸入体積であり、前記制御弁の開度が最大でないときには、過熱度を所定の値に制御するために前記制御弁を制御してもよい。   The first or second control unit is a minimum suction volume that minimizes the suction volume of the refrigerant flowing into the expander by the suction volume control means. When the opening degree of the control valve is not the maximum, the degree of superheat is set. The control valve may be controlled to control to a predetermined value.

このことにより、吸入体積制御手段によって最小吸入体積に設定したときにおいても、制御弁をもちいることで質量流量を変更することができ、確実に過熱度を所定の値に確保することができ。圧縮機の信頼性を確保することができる。   Thus, even when the minimum suction volume is set by the suction volume control means, the mass flow rate can be changed by using the control valve, and the degree of superheat can be reliably ensured to a predetermined value. The reliability of the compressor can be ensured.

前記冷凍サイクル起動時には、前記電動モータを駆動し、前記制御部により前記吸入体積制御手段を制御し、最小吸入体積に設定する。   At the start of the refrigeration cycle, the electric motor is driven, and the suction volume control means is controlled by the controller to set the minimum suction volume.

前記冷凍サイクル起動時には、前記電動モータを駆動し、前記制御部により前記制御弁を制御し、高圧側の冷媒の圧力を所定の圧力に制御する。   At the start of the refrigeration cycle, the electric motor is driven, the control unit is controlled by the control unit, and the pressure of the high-pressure side refrigerant is controlled to a predetermined pressure.

このことにより、起動時において、過熱度を確保と同時に、高圧側の冷媒の圧力を所定の圧力に早い応答性で実現することが可能となる。   As a result, at the time of start-up, it is possible to ensure the degree of superheat and at the same time realize the pressure of the high-pressure side refrigerant to a predetermined pressure with quick response.

前記吸入体積制御手段は、膨張機の冷媒吸入容積を変更することができる容積可変手段であってもよい。   The suction volume control means may be a volume variable means capable of changing the refrigerant suction volume of the expander.

このことにより、膨張機に吸入する吸入容積を変更することで吸入体積を変更すること
ができる。
Thus, the suction volume can be changed by changing the suction volume sucked into the expander.

本発明の冷凍サイクル装置によれば、膨張機に流入する吸入体積を可変にできる吸入体積制御手段を持つ膨張機において、直列に制御弁を設けることで、暖房での過負荷時や起動時において、確実に過熱度を確保することができ、その他構成部品の破壊のない信頼性の高いシステムを実現できる。また、吸入体積制御機構よりも広い制御範囲を持つ特性を利用して、過渡状態においても確実にかつ応答性よく過熱度を確保することができ、さらに、膨張機で動力を回収するため高効率に運転することが可能となる。   According to the refrigeration cycle apparatus of the present invention, in an expander having suction volume control means that can change the suction volume flowing into the expander, by providing a control valve in series, at the time of overload or start-up in heating Therefore, it is possible to reliably ensure the degree of superheat and to realize a highly reliable system without destroying other components. In addition, by utilizing the characteristics with a wider control range than the suction volume control mechanism, it is possible to ensure the degree of superheat reliably and responsively even in a transient state, and furthermore, the power is recovered by the expander, so it is highly efficient It becomes possible to drive to.

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。     Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

(第1の実施形態)
図1に、本実施形態における冷凍サイクル装置の冷媒回路図を示す。また、従来例について説明図にあげた部材と同一の機能を有する部材には同一の符号を付記し、説明を省略する。
(First embodiment)
In FIG. 1, the refrigerant circuit figure of the refrigerating-cycle apparatus in this embodiment is shown. Further, members having the same functions as those shown in the explanatory diagrams of the conventional example are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

本実施形態の冷凍サイクル装置は、冷媒配管7によって、圧縮機1とガスクーラ2と膨張機3と蒸発器4とが順に接続されてなる冷媒回路10を備え、圧縮機1と膨張機3とを電動モータ5に対して一軸に連結し、矢印は冷媒の流れる方向を表している。また、ガスクーラ2と膨張機3の間に制御弁8備えている。また、この膨張機3は吸入体積を可変にできる吸入体積制御手段9を備える。この冷媒回路10には、高圧部分(圧縮機1からガスクーラ2を経て膨張機3に至る部分)において超臨界状態となる冷媒が充填されている。本実施形態では、そのような冷媒として二酸化炭素(CO)が充填されている。ただし、冷媒の種類は特に限定されるものではなく、前記冷媒回路10の冷媒は、運転時に超臨界状態とならない冷媒であってもよい。 The refrigeration cycle apparatus of this embodiment includes a refrigerant circuit 10 in which a compressor 1, a gas cooler 2, an expander 3, and an evaporator 4 are connected in order by a refrigerant pipe 7, and the compressor 1 and the expander 3 are connected to each other. The electric motor 5 is uniaxially connected, and the arrow indicates the direction in which the refrigerant flows. A control valve 8 is provided between the gas cooler 2 and the expander 3. The expander 3 includes suction volume control means 9 that can change the suction volume. The refrigerant circuit 10 is filled with a refrigerant that becomes a supercritical state in a high-pressure portion (portion from the compressor 1 through the gas cooler 2 to the expander 3). In the present embodiment, carbon dioxide (CO 2 ) is filled as such a refrigerant. However, the type of the refrigerant is not particularly limited, and the refrigerant in the refrigerant circuit 10 may be a refrigerant that does not enter a supercritical state during operation.

また、本実施形態の冷凍サイクル装置は、制御部23が制御弁8と吸入体積制御手段9を制御するための入力として、蒸発器4の中に第1温度センサ21と、蒸発器の出口側に第2温度センサ22を備えている。   Further, in the refrigeration cycle apparatus of the present embodiment, the control unit 23 uses the first temperature sensor 21 in the evaporator 4 and the outlet side of the evaporator as inputs for controlling the control valve 8 and the suction volume control means 9. The second temperature sensor 22 is provided.

次に、本実施形態における吸入体積制御手段9によって体積比(吐出体積/吸入体積)が変更される動作について説明する。   Next, an operation in which the volume ratio (discharge volume / suction volume) is changed by the suction volume control means 9 in the present embodiment will be described.

図2に吸入体積制御手段9によって制御された吸入体積と体積比の関係を示す。吸入体積制御手段9によって吸入体積を最小である最小吸入体積Vminに制御すると体積比は最大γmaxとなる。一般的に冬場などの通常運転時に最小吸入体積Vminとなるように最小吸入体積Vminは設計される。また、吸入体積を増加させていくと吐出体積は一定であるため体積比は小さくなる。   FIG. 2 shows the relationship between the suction volume controlled by the suction volume control means 9 and the volume ratio. When the suction volume is controlled by the suction volume control means 9 to the minimum suction volume Vmin, the volume ratio becomes maximum γmax. Generally, the minimum suction volume Vmin is designed so as to be the minimum suction volume Vmin during normal operation such as in winter. Further, as the suction volume is increased, the volume ratio decreases because the discharge volume is constant.

上記冷凍サイクル装置の冷凍サイクルの動作について説明する。   The operation of the refrigeration cycle of the refrigeration cycle apparatus will be described.

図1において、インバータ(図示せず)により制御される電動モータ5によって圧縮機1が駆動され、圧縮機1により冷媒が圧縮される。圧縮された冷媒は、放熱器2で冷却され、その後、制御弁8、膨張機3を通過する。このとき冷媒は、制御弁8、膨張機3を通過することで膨張し、蒸発器4内で外部より吸熱して気化した後、再び圧縮機1へ戻る。   In FIG. 1, the compressor 1 is driven by an electric motor 5 controlled by an inverter (not shown), and the refrigerant is compressed by the compressor 1. The compressed refrigerant is cooled by the radiator 2 and then passes through the control valve 8 and the expander 3. At this time, the refrigerant expands by passing through the control valve 8 and the expander 3, absorbs heat from the outside in the evaporator 4 and vaporizes, and then returns to the compressor 1 again.

次に図1に示した制御弁8と吸入体積制御手段9についてその制御法と効果について示す。図3に放熱器出口圧力、放熱器出口温度に対する冷凍サイクルの効率のデータを示す
。通常の運転では放熱器出口が図3に示した最適効率圧力線上になるように吸入体積制御手段9を制御する。図4に蒸気圧縮式冷凍装置のp-h線図を示す。図4のサイクルS1に示すように通常運転時には過熱度は確保できており、高圧もまた吸入体積制御手段9により図3に示す最適効率圧力線上に適切に制御されている。つまり、このような通常運転時には制御弁8は全開となるように制御され、吸入体積制御手段9により吸入体積を変更し、放熱器の高圧側を制御している。また、この条件を満たすように膨張機の最小吸入体積Vminが設計されている。しかし、冬場などの過負荷時においては蒸発器4の出口温度が下がりサイクルが変化するため、図4に示すS2のようなサイクルとなり過熱度が設定値に確保できない。本サイクル装置ではこのような状態において過熱度を確保するために次に示すような制御が行われる。図5はその制御法のフローチャート示す。まず、第1温度センサ21と第2温度センサ22からの信号は制御部23にとり込まれる(s101)。これらの信号から図4に示すサイクルS2におけるC点が冷媒の飽和曲線と交わるE点により右側にある過熱度TSHを計算し(s102)、過熱度が設定値よりも大きいか小さいかを判断する(s103)。この制御部23の内部では第1の温度センサ21による温度T1と第2温度センサ22による温度T2の差(T2−T1)により過熱度を求めている。本実施形態による所定の過熱度は5[℃]と設定し、制御部23はもしこの設定値よりも小さい場合、吸入体積制御手段9が最小吸入体積Vminであるかを判定し(s104)、最小吸入体積Vminの場合は、これ以上膨張機の吸入容積を小さくできないため、制御弁8の開度を小さく設定する(S105)。最小吸入体積でない場合には吸入体積制御手段9により流量を少なくすることが可能であるため、吸入体積制御手段9により膨張機吸入体積を小さくする(s106)。図6はこの場合における吸入体積制御手段9により制御された吸入容積Vと制御弁8の制御タイミングについて示した図である。まず、過熱度が設定値である5[℃]以下になると次の制御タイミングにおいて吸入体積制御手段9により吸入体積が小さく設定される。この動作を繰り返し、吸入体積が最小吸入体積まで制御する。この場合でも過熱度が5[℃]以下の場合、ここで制御弁8の開度を小さく設定する。同様にこれらの動作を繰り返すことにより、過熱度が設定値より小さくなる場合でも過熱度が確保できるようになり、図4のサイクルS3に示すようなモリエル線図となる。次に、s103において過熱度が設定値よりも大きい場合、制御弁の開度が最大であるかを判定し(s107)、最大の場合には吸入体積制御手段9により吸入体積を大きくする(s108)。制御弁開度が最大でない場合には、制御弁8の開度を大きくする(s109)。これらの動作を繰り返すことにより、過熱度が設定値よりも大きい場合においても、設定過熱度に制御することができる。これらの制御により過熱度が設定値に落ち着くことにより、通常運転状態、最適効率圧力線上になるように吸入体積制御手段9を制御することになる。
Next, the control method and effects of the control valve 8 and the suction volume control means 9 shown in FIG. 1 will be described. FIG. 3 shows data on the efficiency of the refrigeration cycle with respect to the radiator outlet pressure and radiator outlet temperature. In normal operation, the suction volume control means 9 is controlled so that the radiator outlet is on the optimum efficiency pressure line shown in FIG. FIG. 4 shows a ph diagram of the vapor compression refrigeration apparatus. As shown in cycle S1 of FIG. 4, the degree of superheat is ensured during normal operation, and the high pressure is also appropriately controlled by the suction volume control means 9 on the optimum efficiency pressure line shown in FIG. That is, during such normal operation, the control valve 8 is controlled to be fully opened, and the suction volume control means 9 changes the suction volume to control the high pressure side of the radiator. Further, the minimum suction volume Vmin of the expander is designed to satisfy this condition. However, since the outlet temperature of the evaporator 4 decreases and the cycle changes during an overload such as in winter, the cycle becomes S2 shown in FIG. 4 and the degree of superheat cannot be secured at the set value. In this cycle apparatus, the following control is performed to ensure the degree of superheat in such a state. FIG. 5 shows a flowchart of the control method. First, signals from the first temperature sensor 21 and the second temperature sensor 22 are taken into the control unit 23 (s101). From these signals, the degree of superheat TSH on the right side is calculated based on point E where the point C in the cycle S2 shown in FIG. 4 intersects the refrigerant saturation curve (s102), and it is determined whether the degree of superheat is greater or smaller than the set value. (S103). Inside the controller 23, the degree of superheat is obtained from the difference (T 2 −T 1) between the temperature T 1 from the first temperature sensor 21 and the temperature T 2 from the second temperature sensor 22. The predetermined superheat degree according to the present embodiment is set to 5 [° C.], and if the control unit 23 is smaller than this set value, it is determined whether the suction volume control means 9 is the minimum suction volume Vmin (s104). In the case of the minimum suction volume Vmin, since the suction volume of the expander cannot be reduced any more, the opening degree of the control valve 8 is set small (S105). If it is not the minimum suction volume, the flow rate can be reduced by the suction volume control means 9, and therefore the expander suction volume is reduced by the suction volume control means 9 (s106). FIG. 6 is a diagram showing the suction volume V controlled by the suction volume control means 9 and the control timing of the control valve 8 in this case. First, when the degree of superheat falls below the set value of 5 [° C.], the suction volume control means 9 sets the suction volume to be small at the next control timing. This operation is repeated to control the suction volume to the minimum suction volume. Even in this case, when the degree of superheat is 5 [° C.] or less, the opening degree of the control valve 8 is set small here. Similarly, by repeating these operations, the superheat degree can be secured even when the superheat degree becomes smaller than the set value, and a Mollier diagram as shown in cycle S3 of FIG. 4 is obtained. Next, when the degree of superheat is larger than the set value in s103, it is determined whether the opening degree of the control valve is maximum (s107), and when it is maximum, the suction volume is increased by the suction volume control means 9 (s108). ). If the control valve opening is not the maximum, the opening of the control valve 8 is increased (s109). By repeating these operations, even when the superheat degree is larger than the set value, the set superheat degree can be controlled. When the degree of superheat settles to the set value by these controls, the suction volume control means 9 is controlled so as to be in the normal operation state and the optimum efficiency pressure line.

次に、本実施形態に用いる膨張機一体型圧縮機及び体積制御手段9について説明する。   Next, the expander-integrated compressor and volume control means 9 used in this embodiment will be described.

図7に膨張機一体型圧縮機の縦断面図を示す。密閉容器41の内部の上側にはスクロール式の圧縮機1、下側には2段ロータリ式の膨張機3、その間には、回転子21と固定子22から成る電動モータ5が配置されており、これらはシャフト結合部32により連結されている。   FIG. 7 shows a longitudinal sectional view of the expander-integrated compressor. A scroll compressor 1 is disposed on the upper side of the inside of the sealed container 41, a two-stage rotary expander 3 is disposed on the lower side, and an electric motor 5 including a rotor 21 and a stator 22 is disposed therebetween. These are connected by a shaft coupling portion 32.

ただし、圧縮機1及び膨張機3の形式は他の回転式圧縮機であってもよい。例えば、ロータリ式、スクロール式、マルチベーン式を好適に用いることができる。さらに、圧縮機1、膨張機3、電動モータ5の配置関係は何ら限定されない。   However, the types of the compressor 1 and the expander 3 may be other rotary compressors. For example, a rotary type, a scroll type, and a multi-vane type can be suitably used. Furthermore, the arrangement relationship of the compressor 1, the expander 3, and the electric motor 5 is not limited at all.

図7に示すように、スクロール式の圧縮機1は、固定スクロール74と、旋回スクロール73と、オルダムリング75と、軸受部材77と、マフラー79と、吸入管71と、吐出管72とから構成されている。旋回スクロール73は、圧縮機シャフト76の偏心軸に嵌合され、かつ、オルダムリング75により自転運動を拘束されている。また、旋回スクロール73は、渦巻き形状のラップ73aを有し、固定スクロール74はラップ74aを
有しており、ラップ73aとラップ74aは互いに噛み合っている。旋回スクロール73は、シャフト76の回転に伴い旋回運動を行い、ラップ73a、74aの間に形成される三日月形状の作動室80が外側から内側に移動しながら容積を縮小することで、吸入管71から吸入された作動流体を圧縮し、固定スクロール74の中央部に設けた吐出孔72aと固定スクロール74および軸受部材77に設けた流路72bから、マフラー79の内側空間79aを経由して密閉容器41の内部空間41aへと吐出する。作動流体は、内部空間41aに滞留する間に、混入した潤滑用のオイルを重力や遠心力などにより分離された後、吐出管72から冷凍サイクルへと吐出される。
As shown in FIG. 7, the scroll compressor 1 includes a fixed scroll 74, an orbiting scroll 73, an Oldham ring 75, a bearing member 77, a muffler 79, a suction pipe 71, and a discharge pipe 72. Has been. The orbiting scroll 73 is fitted to the eccentric shaft of the compressor shaft 76 and is restrained from rotating by the Oldham ring 75. The orbiting scroll 73 has a spiral wrap 73a, the fixed scroll 74 has a wrap 74a, and the wrap 73a and the wrap 74a mesh with each other. The orbiting scroll 73 performs an orbiting motion as the shaft 76 rotates, and the volume of the orbiting scroll 71 is reduced while the crescent-shaped working chamber 80 formed between the wraps 73a and 74a moves from the outside to the inside. The working fluid sucked from the air is compressed, and the sealed container is discharged from the discharge hole 72a provided at the center of the fixed scroll 74 and the flow path 72b provided in the fixed scroll 74 and the bearing member 77 via the inner space 79a of the muffler 79. 41 is discharged into the internal space 41a. While the working fluid stays in the internal space 41a, the mixed lubricating oil is separated by gravity, centrifugal force, or the like, and then discharged from the discharge pipe 72 to the refrigeration cycle.

図7において、2段ロータリ式の膨張機3は、第1のシリンダ42、第1のシリンダ42よりも厚みのある第2のシリンダ43、および、これらを仕切る中板57を有し、膨張機シャフト44の偏心部44aと嵌合している第1のピストン45は、第1のシリンダ42の中で偏心回転運動し、シャフト44の偏心部44bと嵌合している第2のピストン46は、第2のシリンダ43の中で偏心回転運動する。第1のベーン47(図9に記載)は、第1のシリンダ42のベーン溝42a(図9に記載)に往復動自在に保持され、先端が第1のピストン45に接し、第2のベーン(図示せず)は第2のシリンダ43の第2のベーン溝(図示せず)に往復動自在に保持され、先端が第2のピストン46に接する。第1のベーン47を押す第1のばね49(図9に記載)は第1のベーン溝42aに、第2のベーン(図示せず)を押す第2のばね(図示せず)は第2のベーン溝(図示せず)に格納される。上側端板固定部61には吸入管53と、吐出管54が設置され、上側端板固定部61と接するようにして回転する上側端板可動部62とマフラー58と接する下側端板52は、シャフト44を支える軸受を備えている。第1のシリンダ42の吐出側と、第2のシリンダ43の吸入側は、中板57に設けた連通孔57aにより連通しており、ひとつの作動室として機能する。高圧の作動流体は吸入管53から第1のシリンダ吸入経路42c(図9に記載)と上側端板可動部62に設けた第2吸入孔62fから第1のシリンダ42の作動室に流入した後、第2のシリンダ43の作動室とから形成される作動室にて膨張してシャフト44を回転させて低圧になった後、下側端板52を経てマフラー58の内部空間52cに一旦吐出され、吐出流路52bを経て吐出管54から冷凍サイクルへと吐出される。ここで、下側端板52の吐出孔52aには、吐出弁59を設けている。吐出弁59は金属の薄板であり、吐出孔52aをマフラー58の内部空間52c側から塞ぐように設置されており、吐出弁59の上流側の圧力が下流側の圧力より高くなると開く差圧弁となっている。   In FIG. 7, the two-stage rotary expander 3 includes a first cylinder 42, a second cylinder 43 that is thicker than the first cylinder 42, and an intermediate plate 57 that partitions them. The first piston 45 fitted to the eccentric portion 44a of the shaft 44 rotates eccentrically in the first cylinder 42, and the second piston 46 fitted to the eccentric portion 44b of the shaft 44 is In the second cylinder 43, an eccentric rotational movement is performed. The first vane 47 (shown in FIG. 9) is reciprocally held in the vane groove 42a (shown in FIG. 9) of the first cylinder 42, the tip is in contact with the first piston 45, and the second vane (Not shown) is reciprocally held in a second vane groove (not shown) of the second cylinder 43, and the tip contacts the second piston 46. A first spring 49 (shown in FIG. 9) that pushes the first vane 47 is in the first vane groove 42a, and a second spring (not shown) that pushes the second vane (not shown) is the second. Stored in a vane groove (not shown). The upper end plate fixing portion 61 is provided with a suction pipe 53 and a discharge pipe 54. An upper end plate movable portion 62 that rotates so as to contact the upper end plate fixing portion 61 and a lower end plate 52 that contacts the muffler 58 are provided. The bearing for supporting the shaft 44 is provided. The discharge side of the first cylinder 42 and the suction side of the second cylinder 43 communicate with each other through a communication hole 57a provided in the intermediate plate 57, and function as one working chamber. After the high-pressure working fluid flows into the working chamber of the first cylinder 42 from the suction pipe 53 through the first cylinder suction path 42c (described in FIG. 9) and the second suction hole 62f provided in the upper end plate movable portion 62. Then, after expanding in the working chamber formed from the working chamber of the second cylinder 43 and rotating the shaft 44 to become a low pressure, it is once discharged into the inner space 52c of the muffler 58 through the lower end plate 52. Then, it is discharged from the discharge pipe 54 to the refrigeration cycle via the discharge flow path 52b. Here, a discharge valve 59 is provided in the discharge hole 52 a of the lower end plate 52. The discharge valve 59 is a thin metal plate, is installed so as to close the discharge hole 52a from the inner space 52c side of the muffler 58, and is a differential pressure valve that opens when the pressure on the upstream side of the discharge valve 59 becomes higher than the pressure on the downstream side. It has become.

図8(a)は、図7の膨張機一体型圧縮機における膨張機3の上側端板固定部61の斜視図、図8(b)は、図7の膨張機一体型圧縮機における膨張機3の上側端板可動部62の斜視図、図8(c)は図7の膨張機一体型圧縮機における膨張機3の上側端板固定部61と可動部62を組んだ状態の斜視図である。   8A is a perspective view of the upper end plate fixing portion 61 of the expander 3 in the expander-integrated compressor of FIG. 7, and FIG. 8B is an expander in the expander-integrated compressor of FIG. FIG. 8C is a perspective view of the expander-integrated compressor of FIG. 7 in which the upper end plate fixing portion 61 and the movable portion 62 of the expander 3 are assembled. is there.

図8(a)に示すように、固定部61は、内側にシャフト44と同じ中心軸の円筒面61a、および、円筒面61aよりも小さな内径の円筒面61bと、その間の段差部61cを有する。また、吸入管53からの作動流体が導かれる流入路61dと、そこから縦方向に分岐した流入路61eと、吐出流路61gを備える。また、流入経路61eと連通する流路として、図9に示すように、第1のシリンダ42には、流入経路42c、および、流入経路42cと連通した第1吸入孔42dを設けている。   As shown in FIG. 8A, the fixed portion 61 has a cylindrical surface 61a having the same central axis as the shaft 44, a cylindrical surface 61b having an inner diameter smaller than the cylindrical surface 61a, and a stepped portion 61c therebetween. . In addition, an inflow path 61d through which the working fluid from the suction pipe 53 is guided, an inflow path 61e branched in the vertical direction therefrom, and a discharge flow path 61g are provided. Further, as shown in FIG. 9, the first cylinder 42 is provided with an inflow path 42c and a first suction hole 42d in communication with the inflow path 42c as a flow path communicating with the inflow path 61e.

図8(b)に示すように、可動部62は、内側にシャフト44が嵌合するシャフト孔62eを有し、外側には、固定部61の円筒面61aに嵌合する円柱面62b、および、固定部61の円筒面61bに嵌合する円柱面62cを有し、円柱面62bには円周方向の流路溝62dをシャフト44の回転方向に180度備えている。また、円柱面62cには円周方向に歯車62aを備え、流路溝62dから下側方向へ向けて第2吸入孔62fを有す
る。
As shown in FIG. 8B, the movable portion 62 has a shaft hole 62e into which the shaft 44 is fitted on the inner side, and on the outer side, a cylindrical surface 62b to be fitted to the cylindrical surface 61a of the fixed portion 61, and The cylindrical surface 62c is fitted to the cylindrical surface 61b of the fixed portion 61, and a circumferential channel groove 62d is provided 180 degrees in the rotational direction of the shaft 44 on the cylindrical surface 62b. The cylindrical surface 62c is provided with a gear 62a in the circumferential direction, and has a second suction hole 62f from the flow path groove 62d toward the lower side.

図8(c)に示すように、固定部61と可動部62は嵌合し、固定部61の内側で可動部62は回転可能に支持されている。そして、可動部62を回転させることにより、シャフト44を中心に第2吸入孔62fを回転させることができる。このとき、固定部61の段差61cと可動部62の円筒部62b、62cの間の段差(図示せず)が接触することにより、可動部62が固定部61から上側に抜け出るのを防止している。また、固定部61の下端面と可動部62の下端面は、同一平面を構成している。また、上側端板固定部61には、可動部62に設けられた歯車62aと噛み合う歯車65(図7に示す)と、それを駆動する回転電動モータ63(図7に示す)を備えており、回転電動モータ63により上側端板可動部62をシャフト44の軸まわりに回転させることができる。   As shown in FIG. 8C, the fixed portion 61 and the movable portion 62 are fitted, and the movable portion 62 is rotatably supported inside the fixed portion 61. Then, by rotating the movable portion 62, the second suction hole 62f can be rotated around the shaft 44. At this time, the step (not shown) between the step 61c of the fixed portion 61 and the cylindrical portions 62b and 62c of the movable portion 62 comes into contact with each other, thereby preventing the movable portion 62 from coming out of the fixed portion 61 upward. Yes. The lower end surface of the fixed portion 61 and the lower end surface of the movable portion 62 constitute the same plane. The upper end plate fixing portion 61 includes a gear 65 (shown in FIG. 7) that meshes with a gear 62a provided on the movable portion 62, and a rotary electric motor 63 (shown in FIG. 7) that drives the gear 65. The upper end plate movable portion 62 can be rotated around the axis of the shaft 44 by the rotary electric motor 63.

本実施形態における上側端板可動部61と固定部62は以下に示すような機能を備える。吸入管53から2段ロータリ膨張機3に流入した作動流体を、上側端板固定部61の流入経路61dから2つの経路に分けて上作動室55に流入させる吸入体積制御機構である。第1の経路は、流入経路61dから流入経路61e、第1のシリンダ42の流入経路42c、第1吸入孔42dを経る経路であり、第2の経路は、流入経路61dから可動部62の流路溝62d、第2吸入孔62fを経る経路である。つまり、この第2吸入孔の位置を制御し変化させることで、上作動室55へ流入する作動流体の吸入容積を変化させることができる。以下に可動部62の位置とその機能ついて説明する。   The upper end plate movable portion 61 and the fixed portion 62 in the present embodiment have the following functions. This is a suction volume control mechanism in which the working fluid that has flowed into the two-stage rotary expander 3 from the suction pipe 53 is divided into two paths from the inflow path 61 d of the upper end plate fixing portion 61 and flows into the upper working chamber 55. The first path is a path that passes from the inflow path 61d to the inflow path 61e, the inflow path 42c of the first cylinder 42, and the first suction hole 42d, and the second path is a flow of the movable part 62 from the inflow path 61d. This is a path through the path groove 62d and the second suction hole 62f. That is, the suction volume of the working fluid flowing into the upper working chamber 55 can be changed by controlling and changing the position of the second suction hole. Hereinafter, the position and function of the movable portion 62 will be described.

図9(a)、(b)は図7の膨張機一体型圧縮機の膨張機のD1−D1における断面図を示す。ここでは、第1吸入孔42dと第2吸入孔62fの位置と機能の関係について説明する。   9A and 9B are cross-sectional views taken along D1-D1 of the expander of the expander-integrated compressor of FIG. Here, the relationship between the position and function of the first suction hole 42d and the second suction hole 62f will be described.

本実施形態において、第1吸入孔42dの位置は、シャフト44を中心にベーン47の位置を基準として20degに固定されているのに対し、第2吸入孔62fの位置は外部から変化させることが可能である。図4(a)は、シャフト44を中心にベーン47の位置を基準とした第2吸入孔62fの回転角φが20degの場合、(b)は90degの場合を示している。なお、第2吸入孔62fの回転角φは0degから360degまで自在に変えることができることは言うまでも無い。次に機能について説明する。上側端板可動部62の位置を制御して、第2吸入孔62fの位置φを20degにすると図9(a)となる。第2吸入孔62fは第1吸入孔42dと同じ位置にあるため、吸入容積は第1吸入孔42dのみの時と同じになる。第2吸入孔62fの位置φを90degとすると図9(b)となる。第2吸入孔62fの位置φは第1吸入孔42dよりも角度が大きいため、吸入時間が長くなり、吸入容積は図9(a)のときよりも大きくなる。図10に上側端板可動部62の角度を変化させたときの吸入容積、吐出容積、容積比(吐出容積/吸入容積)のグラフを示す。上側端板可動部62の回転角度を大きくすると吸入時間が長くなることで、吸入容積が増加する。また、吐出容積は上側端板可動部62の位置に依存しないために一定である。つまり容積比は上側端板可動部62の角度が最小となるときに最大となる。   In the present embodiment, the position of the first suction hole 42d is fixed to 20 deg around the shaft 44 with respect to the position of the vane 47, whereas the position of the second suction hole 62f can be changed from the outside. Is possible. FIG. 4A shows a case where the rotation angle φ of the second suction hole 62f is 20 deg with respect to the position of the vane 47 around the shaft 44, and FIG. 4B shows a case where it is 90 deg. Needless to say, the rotation angle φ of the second suction hole 62f can be freely changed from 0 deg to 360 deg. Next, functions will be described. When the position of the upper end plate movable portion 62 is controlled and the position φ of the second suction hole 62f is set to 20 deg, FIG. 9A is obtained. Since the second suction hole 62f is at the same position as the first suction hole 42d, the suction volume is the same as when only the first suction hole 42d is provided. When the position φ of the second suction hole 62f is 90 deg, FIG. 9B is obtained. Since the position φ of the second suction hole 62f is larger than the angle of the first suction hole 42d, the suction time becomes longer and the suction volume becomes larger than that in FIG. FIG. 10 shows a graph of suction volume, discharge volume, and volume ratio (discharge volume / suction volume) when the angle of the upper end plate movable portion 62 is changed. When the rotation angle of the upper end plate movable portion 62 is increased, the suction time is increased, thereby increasing the suction volume. Further, the discharge volume is constant because it does not depend on the position of the upper end plate movable portion 62. That is, the volume ratio is maximized when the angle of the upper end plate movable portion 62 is minimized.

以上のように、本実施形態によれば、膨張機3に設けた吸入体積制御手段9である上側端板可動部62の回転位置と膨張機と直列に接続された制御弁8を制御することで、確実に過熱度を確保することができる。さらに、液相冷媒が圧縮機1に吸入されることを防止しているので、蒸発器4の出口側に液相冷媒と気相冷媒とを分離して気相冷媒のみを圧縮気1に向けて流出させるアキュームレータの配置が必要なく、信頼性の高い冷凍サイクル装置を提供することが可能となる。また、通常運転では制御弁8を用いずに吸入体積制御手段9により最適なサイクル効率になるように制御されているため、膨張機3で動力を回収できるため、効率の高い運転が可能となる。さらに起動時には吸入体積制御手段9と制
御弁8を制御することにより、制御弁8を設置しない冷凍サイクル装置よりも、高圧側の冷媒をより早く所定の圧力に制御することができる。
As described above, according to the present embodiment, the rotational position of the upper end plate movable portion 62 that is the suction volume control means 9 provided in the expander 3 and the control valve 8 connected in series with the expander are controlled. Thus, the degree of superheat can be ensured with certainty. Further, since the liquid-phase refrigerant is prevented from being sucked into the compressor 1, the liquid-phase refrigerant and the gas-phase refrigerant are separated on the outlet side of the evaporator 4 and only the gas-phase refrigerant is directed to the compressed air 1. Therefore, it is possible to provide a highly reliable refrigeration cycle apparatus without disposing an accumulator that flows out. Further, in normal operation, control is performed by the suction volume control means 9 without using the control valve 8, so that power can be recovered by the expander 3, so that highly efficient operation is possible. . Further, by controlling the suction volume control means 9 and the control valve 8 at the time of activation, the high-pressure side refrigerant can be controlled to a predetermined pressure earlier than the refrigeration cycle apparatus in which the control valve 8 is not installed.

さらに、図1に示した冷媒回路10は、冷媒を一方向のみに流通させる冷媒回路10に限られない。膨張機一体型圧縮機は、冷媒の流通方向の変更が可能な冷媒回路に設けられていてもよい。例えば、図11に示すように、四方弁等13を有することによって暖房運転及び冷房運転の可能な冷媒回路に膨張機一体型圧縮機を設けることも可能である。   Furthermore, the refrigerant circuit 10 shown in FIG. 1 is not limited to the refrigerant circuit 10 that distributes the refrigerant in only one direction. The expander-integrated compressor may be provided in a refrigerant circuit capable of changing the refrigerant flow direction. For example, as shown in FIG. 11, it is also possible to provide an expander-integrated compressor in a refrigerant circuit capable of heating operation and cooling operation by having a four-way valve 13 or the like.

さらに本実施形態では、吸入体積制御手段9として上側端板可動部62の回転角度によって吸入容積を可変に制御できる容積可変手段について説明したが、膨張機吸入側の高圧流体を膨張機3の膨張過程の作動室へ導くためのインジェクション通路とインジェクション通路に設けられた流通制御機構により膨張機3への吸入体積を変更する構成であってもよい。この場合、図10に示した横軸である上側端板可動部62の位置をインジェクションで吸入する時間としても同じことである。
(第2の実施形態)
第1の実施形態にかかる過熱度を制御する制御部には第1温度検出手段を用いていたが、図12に示すように圧力検出手段25を膨張機3の出口と圧縮機1の入口の間に設置し、これらの信号を用いて制御部24により過熱度を計算して吸入体積制御手段9と制御弁8を制御してもよい。冷凍サイクル装置や制御方法は第1の実施形態と同じであるため省略する。
Further, in the present embodiment, the volume variable means that can variably control the suction volume according to the rotation angle of the upper end plate movable portion 62 as the suction volume control means 9 has been described. However, the high-pressure fluid on the expander suction side is expanded by the expansion of the expander 3. The structure may be such that the suction volume to the expander 3 is changed by an injection passage for guiding to the working chamber of the process and a flow control mechanism provided in the injection passage. In this case, the same applies to the time for suctioning the position of the upper end plate movable portion 62, which is the horizontal axis shown in FIG.
(Second Embodiment)
Although the first temperature detecting means is used for the control unit for controlling the degree of superheat according to the first embodiment, the pressure detecting means 25 is connected to the outlet of the expander 3 and the inlet of the compressor 1 as shown in FIG. The suction volume control means 9 and the control valve 8 may be controlled by calculating the degree of superheat by the control unit 24 using these signals. Since the refrigeration cycle apparatus and the control method are the same as those in the first embodiment, a description thereof will be omitted.

過熱度の演算方法としては、まず、圧力検出手段25により低圧側の圧力を検出し、あらかじめ用意してあるテーブルにより蒸発温度を求める。さらに、第1温度検出手段によりもとめた圧縮機吸入の温度との差をとることにより、過熱度を求めることができる。   As a method of calculating the degree of superheat, first, the pressure detection means 25 detects the pressure on the low pressure side, and obtains the evaporation temperature using a table prepared in advance. Further, the degree of superheat can be obtained by taking the difference from the compressor intake temperature obtained by the first temperature detecting means.

以上のように、本実施形態によれば、第1温度検出手段のかわりに圧力検出手段25をもちいることで、液相圧縮による圧縮機の保護ができ、信頼性の高い冷凍サイクル装置となる。   As described above, according to the present embodiment, by using the pressure detection means 25 instead of the first temperature detection means, the compressor can be protected by liquid phase compression, and a highly reliable refrigeration cycle apparatus is obtained. .

以上、第1及び第2の実施形態においては、本発明により、過熱度制御を行う場合について説明した。この他、本発明は、他の制御対象の制御を行う場合にも適用できる。すなわち、図1の構成の冷凍サイクル装置に於いて、通常運転時には制御弁8は全開となるように制御され、吸入体積制御手段9により吸入体積を変更し、放熱器の高圧側を制御する。冬場などの過負荷時や、負荷変動時など非定常時、すなわち、吸入体積制御手段9の制御だけでは、制御対象を目標制御範囲に制御が不能または困難になったときや、目標制御範囲により早く収束させたいときには、制御弁8の開度を全開より小さくすることにより、制御対象を目標制御範囲に制御する。具体的な制御方法は、図5のフローチャートにおいて、ステップS101における計測値や、ステップS102の制御対象を、目標とする制御対象に応じて選定したものとすればよい。   As described above, in the first and second embodiments, the case where the superheat degree control is performed according to the present invention has been described. In addition, the present invention can also be applied to the case of performing control of another control target. That is, in the refrigeration cycle apparatus having the configuration shown in FIG. 1, the control valve 8 is controlled to be fully opened during normal operation, and the suction volume is changed by the suction volume control means 9 to control the high pressure side of the radiator. At the time of overload such as in winter, or when it is unsteady such as when the load fluctuates, that is, the control of the controlled object within the target control range becomes impossible or difficult only by the control of the suction volume control means 9, or depending on the target control range When it is desired to converge quickly, the control target is controlled to the target control range by making the opening degree of the control valve 8 smaller than the fully open position. As a specific control method, the measurement value in step S101 and the control target in step S102 may be selected according to the target control target in the flowchart of FIG.

過熱度以外の代表的な制御対象としては、COPがある。より具体的には、冷凍サイクルにおけるCOPが最大となるように冷凍サイクルの高圧側の圧力を制御することである。この場合の計測値としては、図1の放熱器2出口の冷媒の温度、圧力を計測する。また、代用として、圧縮機1の吐出圧力も利用できる。
(第3の実施形態)
また、冷凍サイクル起動時は、前記電動モータ5を駆動し、制御部23により吸入体積制御手段9を制御し、最小吸入体積である膨張機吸入量を最小にしてもよい。こうすることによって、膨張機に流れる冷媒量を吸入体積手段9が制御できる吸入量よりも少なくできるため、冷媒量の制御幅を大きくすることができる。冷凍サイクル装置や制御方法は第1の実施形態と同じであるため省略する。
A typical control object other than the degree of superheat is COP. More specifically, the pressure on the high pressure side of the refrigeration cycle is controlled so that the COP in the refrigeration cycle is maximized. As measured values in this case, the temperature and pressure of the refrigerant at the outlet of the radiator 2 in FIG. 1 are measured. As an alternative, the discharge pressure of the compressor 1 can also be used.
(Third embodiment)
Further, when the refrigeration cycle is started, the electric motor 5 may be driven, and the suction volume control means 9 may be controlled by the control unit 23 to minimize the expander suction amount that is the minimum suction volume. By doing so, the amount of refrigerant flowing through the expander can be made smaller than the amount of suction that can be controlled by the suction volume means 9, so that the control range of the amount of refrigerant can be increased. Since the refrigeration cycle apparatus and the control method are the same as those in the first embodiment, a description thereof will be omitted.

以上のように、本実施形態によれば、より短い時間で放熱器出口が図3に示した最適効率圧力線上になるように制御することが可能となる。
(第4の実施形態)
また、冷凍サイクル起動時あるいは、起動後ある一定期間は制御弁8を高圧側の冷媒の圧力が所定の圧力になるように制御してもよい。こうすることによって、膨張機に流れる冷媒量を吸入体積手段9が制御できる吸入量よりも少なくできるため、冷媒量の制御幅を大きくすることができる。冷凍サイクル装置や制御方法は第1の実施形態と同じであるため省略する。
As described above, according to this embodiment, it is possible to control the radiator outlet so as to be on the optimum efficiency pressure line shown in FIG. 3 in a shorter time.
(Fourth embodiment)
Further, the control valve 8 may be controlled so that the pressure of the refrigerant on the high pressure side becomes a predetermined pressure when the refrigeration cycle is activated or for a certain period after the activation. By doing so, the amount of refrigerant flowing through the expander can be made smaller than the amount of suction that can be controlled by the suction volume means 9, so that the control range of the amount of refrigerant can be increased. Since the refrigeration cycle apparatus and the control method are the same as those in the first embodiment, a description thereof will be omitted.

以上のように、本実施形態によれば、より短い時間で放熱器2の出口圧力が図3に示した最適効率圧力線上になるように制御することが可能となる。
(第5の実施形態)
第1の実施形態にかかる制御弁8は放熱器2と膨張機3の間に設置するものであった。しかし、本発明にかかる制御弁8は膨張機3と蒸発器4の間に設置してもよい。以下に図面に基づいて詳細に説明する。また、実施形態1について説明図にあげた部材と同一の機能を有する部材には同一の符号を付記し、説明を省略する。
As described above, according to the present embodiment, it is possible to control the outlet pressure of the radiator 2 to be on the optimum efficiency pressure line shown in FIG. 3 in a shorter time.
(Fifth embodiment)
The control valve 8 according to the first embodiment is installed between the radiator 2 and the expander 3. However, the control valve 8 according to the present invention may be installed between the expander 3 and the evaporator 4. This will be described in detail below with reference to the drawings. In addition, members having the same functions as those shown in the explanatory diagrams of Embodiment 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

図13に、本実施形態における冷凍サイクル装置の冷媒回路図を示す。本実施形態の冷凍サイクル装置は、圧縮機1とガスクーラ2と膨張機3と蒸発器4とが順に接続されてなる冷媒回路10を備え、圧縮機1と膨張機3とを電動モータ5に対して一軸に連結し、矢印は冷媒の流れる方向を表している。また、膨張機3と放熱器4の間に制御弁8を備えている。図13において図1と同じ構成要素については同じ符号を用い説明を省略する。   In FIG. 13, the refrigerant circuit figure of the refrigerating-cycle apparatus in this embodiment is shown. The refrigeration cycle apparatus of the present embodiment includes a refrigerant circuit 10 in which a compressor 1, a gas cooler 2, an expander 3, and an evaporator 4 are connected in order, and the compressor 1 and the expander 3 are connected to the electric motor 5. The arrows indicate the direction in which the refrigerant flows. A control valve 8 is provided between the expander 3 and the radiator 4. In FIG. 13, the same components as those in FIG.

上記冷凍サイクル装置の冷凍サイクルの動作について説明する。   The operation of the refrigeration cycle of the refrigeration cycle apparatus will be described.

図13において、インバータ(図示せず)により制御される電動モータ5によって圧縮機1が駆動され、圧縮機1により冷媒が圧縮される。圧縮された冷媒は、放熱器2で冷却され、その後、制御弁8、膨張機3を通過する。このとき冷媒は、膨張機3、制御弁8の順で接通過することによって膨張し、蒸発器4内で外部より吸熱して気化した後、再び圧縮機1へ戻る。   In FIG. 13, the compressor 1 is driven by the electric motor 5 controlled by an inverter (not shown), and the refrigerant is compressed by the compressor 1. The compressed refrigerant is cooled by the radiator 2 and then passes through the control valve 8 and the expander 3. At this time, the refrigerant expands by passing through the expander 3 and the control valve 8 in this order, absorbs heat from the outside in the evaporator 4 and vaporizes, and then returns to the compressor 1 again.

本実施形態における膨張機一体型圧縮機については図2に示した膨張機一体型圧縮機と同用の構成とする。   The expander-integrated compressor in the present embodiment has the same configuration as the expander-integrated compressor shown in FIG.

また、図13に示した制御弁8と吸入体積制御手段9についてその制御法と効果についても実施形態1に示した内容と同様である。   Further, the control method and effects of the control valve 8 and the suction volume control means 9 shown in FIG. 13 are the same as the contents shown in the first embodiment.

以上のように、本実施形態によれば、吸入体積制御手段9を設けた膨張機3における上側端板可動部62の回転位置とその下流に直列接続された制御弁8を制御することで、確実に過熱度を確保することができる。さらに、液相冷媒が圧縮機1に吸入されることを防止しているので、蒸発器4の出口側に液相冷媒と気相冷媒とを分離して気相冷媒のみを圧縮気1に向けて流出させるアキュームレータの配置が必要なく、信頼性の高い冷凍サイクル装置を提供することが可能となる。また、通常運転では制御弁8を用いずに吸入体積制御手段9により最適なサイクル効率になるように制御されているため、膨張機3で動力を回収できるため、効率の高い運転が可能となる。
(第6の実施形態)
第1の実施形態にかかる制御弁8と膨張機3とが順に直列に設置するものであった。さらに、本発明にかかる構成として、バイパス管路15とバイパス弁16とが設けられている。以下に図面に基づいて詳細に説明する。
As described above, according to the present embodiment, by controlling the rotational position of the upper end plate movable portion 62 in the expander 3 provided with the suction volume control means 9 and the control valve 8 connected in series downstream thereof, The degree of superheat can be ensured reliably. Further, since the liquid-phase refrigerant is prevented from being sucked into the compressor 1, the liquid-phase refrigerant and the gas-phase refrigerant are separated on the outlet side of the evaporator 4 and only the gas-phase refrigerant is directed to the compressed air 1. Therefore, it is possible to provide a highly reliable refrigeration cycle apparatus without disposing an accumulator that flows out. Further, in normal operation, control is performed by the suction volume control means 9 without using the control valve 8, so that power can be recovered by the expander 3, so that highly efficient operation is possible. .
(Sixth embodiment)
The control valve 8 and the expander 3 according to the first embodiment are sequentially installed in series. Furthermore, a bypass line 15 and a bypass valve 16 are provided as a configuration according to the present invention. This will be described in detail below with reference to the drawings.

図14に、本実施形態における冷凍サイクル装置の冷媒回路図を示す。本実施形態の冷凍サイクル装置は、圧縮機1とガスクーラ2と膨張機3と蒸発器4とが順に接続されてなる冷媒回路10を備え、圧縮機1と膨張機3とを電動モータ5に対して一軸に連結し、矢印は冷媒の流れる方向を表している。また、ガスクーラ2と膨張機3の間に制御弁8備えている。図14において図1と同じ構成要素については同じ符号を用い説明を省略する。上記バイパス弁16が設置されたバイパス管路15はその一端が放熱器2と制御弁8との間に接続され、その他端が膨張機3と蒸発器4の間に接続されている。   In FIG. 14, the refrigerant circuit figure of the refrigerating-cycle apparatus in this embodiment is shown. The refrigeration cycle apparatus of the present embodiment includes a refrigerant circuit 10 in which a compressor 1, a gas cooler 2, an expander 3, and an evaporator 4 are connected in order, and the compressor 1 and the expander 3 are connected to the electric motor 5. The arrows indicate the direction in which the refrigerant flows. A control valve 8 is provided between the gas cooler 2 and the expander 3. In FIG. 14, the same components as those in FIG. One end of the bypass pipe 15 in which the bypass valve 16 is installed is connected between the radiator 2 and the control valve 8, and the other end is connected between the expander 3 and the evaporator 4.

上記冷凍サイクル装置の冷凍サイクルの動作について説明する。図14において、インバータ(図示せず)により制御される電動モータ5によって圧縮機1が駆動され、圧縮機1により冷媒が圧縮される。圧縮された冷媒は、放熱器2で冷却され、その後、制御弁8、膨張機3を通過する回路と、バイパス弁16を通過する管路に分岐され膨張される。そして、膨張した冷媒は、蒸発器4内で外部より吸熱して気化した後、再び圧縮機1へ戻る。   The operation of the refrigeration cycle of the refrigeration cycle apparatus will be described. In FIG. 14, the compressor 1 is driven by an electric motor 5 controlled by an inverter (not shown), and the refrigerant is compressed by the compressor 1. The compressed refrigerant is cooled by the radiator 2, and then is branched and expanded into a circuit that passes through the control valve 8 and the expander 3 and a pipeline that passes through the bypass valve 16. The expanded refrigerant absorbs heat from the outside in the evaporator 4 and vaporizes, and then returns to the compressor 1 again.

本実施形態における膨張機一体型圧縮機については図2に示した膨張機一体型圧縮機と同用の構成とする。   The expander-integrated compressor in the present embodiment has the same configuration as the expander-integrated compressor shown in FIG.

また、図14に示した制御弁8と吸入体積制御手段9についてその制御法と効果について説明する。通常の運転では、第1の実施形態と同じで、放熱器出口が図3に示した最適効率圧力線上になるように吸入体積制御手段である上側端板可動部62の位置を制御するため、制御弁8とバイパス弁16が動作することはなく制御弁8は全開、バイパス弁16は全閉である。しかし、過渡状態や冬場の過負荷時において、過熱度が確保できないときにおいて、本サイクル装置では過熱度を確保するために第1の実施形態と同じ制御がされる。さらに、通常運転において、放熱器出口が図3に示した最適効率圧力線より高くなったとき、バイパス弁16の開度を次第に拡大していく。このことにより、吸入体積制御手段9により最大吸入体積が決まっていても、高圧側が上昇しすぎることなく信頼性を向上させることができる。   The control method and effects of the control valve 8 and the suction volume control means 9 shown in FIG. 14 will be described. In normal operation, as in the first embodiment, in order to control the position of the upper end plate movable portion 62 that is the suction volume control means so that the radiator outlet is on the optimum efficiency pressure line shown in FIG. The control valve 8 and the bypass valve 16 do not operate, the control valve 8 is fully open, and the bypass valve 16 is fully closed. However, when the degree of superheat cannot be ensured in a transient state or overload in winter, the present cycle apparatus performs the same control as that of the first embodiment in order to ensure the degree of superheat. Further, in normal operation, when the radiator outlet becomes higher than the optimum efficiency pressure line shown in FIG. 3, the opening degree of the bypass valve 16 is gradually increased. As a result, even if the maximum suction volume is determined by the suction volume control means 9, it is possible to improve the reliability without excessively increasing the high pressure side.

以上のように、本実施形態によれば、バイパス弁16が設置されたバイパス管路15を配置し、制御弁8、吸入体積制御手段9、バイパス弁16を制御することで幅広い冷凍サイクル条件での運転が可能となり、高圧側の圧力上昇に伴う熱交換器の保護、液相圧縮による圧縮機の保護ができ、信頼性の高い冷凍サイクル装置となる。
(第7の実施形態)
第5の実施形態にかかる膨張機3と制御弁8とが順に直列に設置するものであった。さらに、本発明にかかる構成として、バイパス管路15とバイパス弁16とが設けられている。以下に図面に基づいて詳細に説明する。
As described above, according to the present embodiment, the bypass pipe line 15 in which the bypass valve 16 is installed is arranged, and the control valve 8, the suction volume control means 9, and the bypass valve 16 are controlled, so that it can be used in a wide range of refrigeration cycle conditions. Therefore, the heat exchanger can be protected along with the increase in pressure on the high pressure side, and the compressor can be protected by liquid phase compression, so that a highly reliable refrigeration cycle apparatus can be obtained.
(Seventh embodiment)
The expander 3 and the control valve 8 according to the fifth embodiment are sequentially installed in series. Furthermore, a bypass line 15 and a bypass valve 16 are provided as a configuration according to the present invention. This will be described in detail below with reference to the drawings.

図15に、本実施形態における冷凍サイクル装置の冷媒回路図を示す。本実施形態の冷凍サイクル装置は、圧縮機1とガスクーラ2と膨張機3と蒸発器4とが順に接続されてなる冷媒回路10を備え、圧縮機1と膨張機3とを電動モータ5に対して一軸に連結し、矢印は冷媒の流れる方向を表している。また、ガスクーラ2と膨張機3の間に制御弁8備えている。図15において図1と同じ構成要素については同じ符号を用い説明を省略する。上記バイパス弁16が設置されたバイパス管路15はその一端が放熱器2と膨張機3との間に接続され、その他端が制御弁8と蒸発器4の間に接続されている。   In FIG. 15, the refrigerant circuit figure of the refrigerating-cycle apparatus in this embodiment is shown. The refrigeration cycle apparatus of the present embodiment includes a refrigerant circuit 10 in which a compressor 1, a gas cooler 2, an expander 3, and an evaporator 4 are connected in order, and the compressor 1 and the expander 3 are connected to the electric motor 5. The arrows indicate the direction in which the refrigerant flows. A control valve 8 is provided between the gas cooler 2 and the expander 3. In FIG. 15, the same components as those in FIG. One end of the bypass pipe 15 in which the bypass valve 16 is installed is connected between the radiator 2 and the expander 3, and the other end is connected between the control valve 8 and the evaporator 4.

上記冷凍サイクル装置の冷凍サイクルの動作について説明する。図15において、インバータ(図示せず)により制御される電動モータ5によって圧縮機1が駆動され、圧縮機1により冷媒が圧縮される。圧縮された冷媒は、放熱器2で冷却され、その後、制御弁8
、膨張機3を通過する回路と、バイパス弁16を通過する管路に分岐され膨張される。そして、膨張した冷媒は、蒸発器4内で外部より吸熱して気化した後、再び圧縮機1へ戻る。
The operation of the refrigeration cycle of the refrigeration cycle apparatus will be described. In FIG. 15, the compressor 1 is driven by an electric motor 5 controlled by an inverter (not shown), and the refrigerant is compressed by the compressor 1. The compressed refrigerant is cooled by the radiator 2, and then the control valve 8
A circuit that passes through the expander 3 and a pipe that passes through the bypass valve 16 are branched and expanded. The expanded refrigerant absorbs heat from the outside in the evaporator 4 and vaporizes, and then returns to the compressor 1 again.

本実施形態における膨張機一体型圧縮機については図2に示した膨張機一体型圧縮機と同用の構成とする。   The expander-integrated compressor in the present embodiment has the same configuration as the expander-integrated compressor shown in FIG.

また、図15に示した制御弁8と吸入体積制御手段9についてその制御法と効果について説明する。通常の運転では、第1の実施形態と同じで、放熱器出口が図3に示した最適効率圧力線上になるように吸入体積制御手段である上側端板可動部62の位置を制御するため、制御弁8とバイパス弁16が動作することはなく制御弁8は全開、バイパス弁16は全閉である。しかし、過渡状態や冬場の過負荷時において、過熱度が確保できないときにおいて、本サイクル装置では過熱度を確保するために第1の実施形態と同じ制御がされる。さらに、通常運転において、放熱器出口が図3に示した最適効率圧力線より高くなったとき、バイパス弁16の開度を次第に拡大していく。このことにより、吸入体積制御手段9により最大吸入体積が決まっていても、高圧側が上昇しすぎることなく信頼性を向上させることができる。   The control method and effects of the control valve 8 and the suction volume control means 9 shown in FIG. 15 will be described. In normal operation, as in the first embodiment, in order to control the position of the upper end plate movable portion 62 that is the suction volume control means so that the radiator outlet is on the optimum efficiency pressure line shown in FIG. The control valve 8 and the bypass valve 16 do not operate, the control valve 8 is fully open, and the bypass valve 16 is fully closed. However, when the degree of superheat cannot be ensured in a transient state or overload in winter, the present cycle apparatus performs the same control as that of the first embodiment in order to ensure the degree of superheat. Further, in normal operation, when the radiator outlet becomes higher than the optimum efficiency pressure line shown in FIG. 3, the opening degree of the bypass valve 16 is gradually increased. As a result, even if the maximum suction volume is determined by the suction volume control means 9, it is possible to improve the reliability without excessively increasing the high pressure side.

以上のように、本実施形態によれば、バイパス弁16が設置されたバイパス管路15を配置し、制御弁8、吸入体積制御手段9、バイパス弁16を制御することで幅広い冷凍サイクル条件での運転が可能となり、高圧側の圧力上昇に伴う熱交換器の保護、液相圧縮による圧縮機の保護ができ、信頼性の高い冷凍サイクル装置となる。
(第8の実施形態)
第3の実施形態にかかる制御弁8はバイパス管路15と膨張機への吸入経路との分岐後に設置されていたが、制御弁8はバイパス管路15と膨張機への吸入経路との分岐前に設置してもよい。
As described above, according to the present embodiment, the bypass pipe line 15 in which the bypass valve 16 is installed is arranged, and the control valve 8, the suction volume control means 9, and the bypass valve 16 are controlled, so that it can be used in a wide range of refrigeration cycle conditions. Therefore, the heat exchanger can be protected along with the increase in pressure on the high pressure side, and the compressor can be protected by liquid phase compression, so that a highly reliable refrigeration cycle apparatus can be obtained.
(Eighth embodiment)
Although the control valve 8 according to the third embodiment is installed after the bypass pipe 15 and the suction path to the expander are branched, the control valve 8 is branched between the bypass pipe 15 and the suction path to the expander. It may be installed in front.

図16に、本実施形態における冷凍サイクル装置の冷媒回路図を示す。本実施形態の冷凍サイクル装置は、圧縮機1とガスクーラ2と膨張機3と蒸発器4とが順に接続されてなる冷媒回路10を備え、圧縮機1と膨張機3とを電動モータ5に対して一軸に連結し、矢印は冷媒の流れる方向を表している。また、ガスクーラ2と膨張機3の間に制御弁8備えている。図16において図1と同じ構成要素については同じ符号を用い説明を省略する。上記バイパス弁16が設置されたバイパス管路15はその一端が制御弁8と膨張機3との間に接続され、その他端が膨張機3と蒸発器4の間に接続されている。その他の構成、制御方法は第3の実施の形態と同じである。
(第9の実施形態)
第4の実施形態にかかる制御弁8はバイパス管路15と膨張機からの吸入経路との合流前に設置されていたが、バイパス管路15と膨張機からの吸入経路との合流後に設置してもよい。
In FIG. 16, the refrigerant circuit figure of the refrigerating-cycle apparatus in this embodiment is shown. The refrigeration cycle apparatus of the present embodiment includes a refrigerant circuit 10 in which a compressor 1, a gas cooler 2, an expander 3, and an evaporator 4 are connected in order, and the compressor 1 and the expander 3 are connected to the electric motor 5. The arrows indicate the direction in which the refrigerant flows. A control valve 8 is provided between the gas cooler 2 and the expander 3. In FIG. 16, the same components as those in FIG. One end of the bypass pipe 15 in which the bypass valve 16 is installed is connected between the control valve 8 and the expander 3, and the other end is connected between the expander 3 and the evaporator 4. Other configurations and control methods are the same as those in the third embodiment.
(Ninth embodiment)
The control valve 8 according to the fourth embodiment is installed before the bypass pipe 15 and the suction path from the expander are merged, but is installed after the bypass pipe 15 and the suction path from the expander are merged. May be.

図17に、本実施形態における冷凍サイクル装置の冷媒回路図を示す。本実施形態の冷凍サイクル装置は、圧縮機1とガスクーラ2と膨張機3と蒸発器4とが順に接続されてなる冷媒回路10を備え、圧縮機1と膨張機3とを電動モータ5に対して一軸に連結し、矢印は冷媒の流れる方向を表している。また、ガスクーラ2と膨張機3の間に制御弁8備えている。図17において図1と同じ構成要素については同じ符号を用い説明を省略する。上記バイパス弁16が設置されたバイパス管路15はその一端が放熱器2と膨張機3との間に接続され、その他端が膨張機3と制御弁8の間に接続されている。その他の構成、制御方法は第4の実施の形態と同じである。   In FIG. 17, the refrigerant circuit figure of the refrigerating-cycle apparatus in this embodiment is shown. The refrigeration cycle apparatus of the present embodiment includes a refrigerant circuit 10 in which a compressor 1, a gas cooler 2, an expander 3, and an evaporator 4 are connected in order, and the compressor 1 and the expander 3 are connected to the electric motor 5. The arrows indicate the direction in which the refrigerant flows. A control valve 8 is provided between the gas cooler 2 and the expander 3. In FIG. 17, the same components as those in FIG. One end of the bypass pipe 15 in which the bypass valve 16 is installed is connected between the radiator 2 and the expander 3, and the other end is connected between the expander 3 and the control valve 8. Other configurations and control methods are the same as those in the fourth embodiment.

以上のように、本発明の膨張機を用いた冷凍サイクル装置は、吸入体積制御手段を設けた膨張機による高効率な冷凍サイクルだけでなく、構成部品の破壊がなく信頼性、応答性を高める効果を有し、冷暖房装置や給湯機などのヒートポンプ式冷凍装置などに有用である。   As described above, the refrigeration cycle apparatus using the expander of the present invention improves not only the high-efficiency refrigeration cycle by the expander provided with the suction volume control means but also the reliability and responsiveness without destruction of components. It has an effect and is useful for a heat pump refrigeration apparatus such as an air conditioner or a water heater.

本発明による第1の実施形態の冷凍サイクル装置を示すブロック構成図The block block diagram which shows the refrigerating-cycle apparatus of 1st Embodiment by this invention. 本発明による第1の実施形態の吸入容積変化時における容積比の関係を示す図The figure which shows the relationship of the volume ratio at the time of the suction | inhalation volume change of 1st Embodiment by this invention. 放熱器出口圧力、温度に対する冷凍サイクルの効率の一例を示す図The figure which shows an example of the efficiency of the refrigerating cycle with respect to radiator outlet pressure and temperature 本発明による第1の実施形態におけるモリエル線図Mollier diagram in the first embodiment of the present invention 制御弁と吸入体積制御手段制御のフローチャートFlow chart of control valve and suction volume control means control 吸入体積制御手段によって制御された吸入容積と制御弁の制御タイミングを表す特性図Characteristic diagram showing control timing of suction volume and control valve controlled by suction volume control means 本発明による第1の実施形態の吸入体積制御手段を設けた膨張機一体型圧縮機An expander-integrated compressor provided with suction volume control means according to the first embodiment of the present invention (a)図7における膨張機の上側端板固定部の斜視図(b)図7における膨張機の上側端板可動部の斜視図(c)図7における膨張機の上側端板の斜視図(A) Perspective view of upper end plate fixing portion of expander in FIG. 7 (b) Perspective view of upper end plate movable portion of expander in FIG. 7 (c) Perspective view of upper end plate of expander in FIG. (a)φ=20degにおける図7の膨張機一体型圧縮機の膨張機のD1−D1断面の拡大横断面図(b)φ=90degにおける図7の膨張機一体型圧縮機の膨張機のD1−D1断面の拡大横断面図(A) An enlarged cross-sectional view of the D1-D1 cross section of the expander of the expander-integrated compressor of FIG. 7 at φ = 20 deg. (B) D1 of the expander of the expander-integrated compressor of FIG. 7 at φ = 90 deg. -D1 cross-sectional enlarged view (a)吸入体積制御手段位置における吸入/吐出容積を示す図(b)吸入体積制御手段位置における容積比を示す図(A) Diagram showing suction / discharge volume at the suction volume control means position (b) Diagram showing volume ratio at the suction volume control means position 四方弁を用いた本発明第1の実施形態における冷凍サイクル装置の冷媒回路図Refrigerant circuit diagram of the refrigeration cycle apparatus in the first embodiment of the present invention using a four-way valve 圧力検出手段を用いた本発明による第1の実施形態の冷凍サイクル装置を示すブロック構成図The block block diagram which shows the refrigerating cycle apparatus of 1st Embodiment by this invention using a pressure detection means. 本発明による第5の実施形態の冷凍サイクル装置を示すブロック構成図The block block diagram which shows the refrigerating-cycle apparatus of 5th Embodiment by this invention. 本発明による第6の実施形態の冷凍サイクル装置を示すブロック構成図The block block diagram which shows the refrigerating-cycle apparatus of the 6th Embodiment by this invention. 本発明による第7の実施形態の冷凍サイクル装置を示すブロック構成図The block block diagram which shows the refrigerating-cycle apparatus of 7th Embodiment by this invention. 本発明による第8の実施形態の冷凍サイクル装置を示すブロック構成図The block block diagram which shows the refrigerating-cycle apparatus of 8th Embodiment by this invention. 本発明による第9の実施形態の冷凍サイクル装置を示すブロック構成図The block block diagram which shows the refrigerating-cycle apparatus of 9th Embodiment by this invention. 膨張機一体型圧縮機とバイパス回路を示すブロック構成図Block diagram showing the expander-integrated compressor and bypass circuit 膨張機による動力回収をしめしたモリエル線図Mollier diagram showing power recovery by expander

符号の説明Explanation of symbols

1 圧縮機
2 放熱器
3 膨張機
4 蒸発器
5 電動モータ
6 シャフト
7 冷媒配管
8 制御弁
9 吸入体積制御手段
15 バイパス管路
16 バイパス弁
61 上側端板固定部
62 上側端板可動部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Compressor 2 Radiator 3 Expander 4 Evaporator 5 Electric motor 6 Shaft 7 Refrigerant piping 8 Control valve 9 Suction volume control means 15 Bypass pipe 16 Bypass valve 61 Upper end plate fixed part 62 Upper end plate movable part

Claims (10)

作動流体を圧縮する容積式の圧縮機と、
前記圧縮機により圧縮された冷媒を冷却する放熱器と、
作動流体を膨張させる容積式の膨張機と、
前記膨張機により膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器と、
密閉容器の内部で前記圧縮機と前記膨張機を一軸で連結した電動モータと、
前記圧縮機、前記放熱器、前記膨張機、前記蒸発器の順に接続され、冷媒を循環させる冷媒配管と、
前記膨張機の吸入側には膨張機へ流入する冷媒の吸入体積を変更することができる吸入体積制御手段と、
前記膨張機と直列に接続された冷媒を膨張させる制御弁とを有する冷凍サイクル装置
A positive displacement compressor that compresses the working fluid;
A radiator for cooling the refrigerant compressed by the compressor;
A positive displacement expander for expanding the working fluid;
An evaporator for evaporating the refrigerant expanded by the expander;
An electric motor that connects the compressor and the expander uniaxially in an airtight container;
A refrigerant pipe connected to the compressor, the radiator, the expander, and the evaporator in order and circulating a refrigerant;
A suction volume control means capable of changing the suction volume of the refrigerant flowing into the expander on the suction side of the expander;
A refrigeration cycle apparatus having a control valve for expanding the refrigerant connected in series with the expander
前記制御弁は、前記吸入体積制御手段を有する前記膨張機の上流側に配置されている請求項1に記載の冷凍サイクル装置   The refrigeration cycle apparatus according to claim 1, wherein the control valve is disposed upstream of the expander having the suction volume control means. 前記膨張機の出口側もしくは前記蒸発器中のいずれかに取り付けられ、冷媒の温度を検出する第1温度検出手段と、
前記蒸発器の出口と前記圧縮機の入口の間に取り付けられ、冷媒の温度を検出する第2温度検出手段と、
前記第1温度検出手段と第2温度検出手段からの信号を用いて制御する第1制御部と、
前記制御部からの信号により前記吸入体積制御手段と前記制御弁を制御し、冷媒の供給量を変化させ、蒸発器出口、または圧縮機入口の過熱度を所定の値になるように制御する請求項1から請求項2のいずれかに記載の冷凍サイクル装置
A first temperature detecting means attached to either the outlet side of the expander or in the evaporator, for detecting the temperature of the refrigerant;
A second temperature detecting means attached between the outlet of the evaporator and the inlet of the compressor and detecting the temperature of the refrigerant;
A first control unit that controls using signals from the first temperature detection unit and the second temperature detection unit;
The suction volume control means and the control valve are controlled by a signal from the control unit, the supply amount of the refrigerant is changed, and the superheat degree at the evaporator outlet or the compressor inlet is controlled to a predetermined value. The refrigeration cycle apparatus according to any one of claims 1 to 2.
前記膨張機の出口と前記圧縮機の入口の間に取り付けられ、冷媒の圧力を検出する圧力検出手段と、
前記蒸発器の出口と前記圧縮機の入口の間に取り付けられ冷媒の温度を検出する第2温度検出手段と、
前記圧力検出手段と第2温度検出手段からの信号を用いて制御する第2の制御部と、
前記制御部からの信号により前記吸入体積制御手段と前記制御弁を制御し、冷媒の供給量を変化させ、蒸発器出口、または圧縮機入口の過熱度を所定の値になるように制御する請求項1から請求項2のいずれかに記載の冷凍サイクル装置
A pressure detecting means attached between the outlet of the expander and the inlet of the compressor, for detecting the pressure of the refrigerant;
A second temperature detecting means attached between the outlet of the evaporator and the inlet of the compressor for detecting the temperature of the refrigerant;
A second control unit that controls using signals from the pressure detection means and the second temperature detection means;
The suction volume control means and the control valve are controlled by a signal from the control unit, the supply amount of the refrigerant is changed, and the superheat degree at the evaporator outlet or the compressor inlet is controlled to a predetermined value. The refrigeration cycle apparatus according to any one of claims 1 to 2.
前記吸入体積制御手段による膨張機に流入する冷媒の吸入体積は、前記膨張機本来の設計吸入容積以上である請求項1から請求項4のいずれかに記載の冷凍サイクル装置   5. The refrigeration cycle apparatus according to claim 1, wherein an intake volume of the refrigerant flowing into the expander by the intake volume control means is equal to or greater than an original design intake volume of the expander. 前記第1または第2の制御部は、加熱度が所定の値よりも小さい場合、前記吸入体積制御手段によって膨張機に流入する冷媒の吸入体積を最小にした最小吸入体積のときには、過熱度を所定の値に制御するために前記制御弁を制御する請求項3から請求項5のいずれかに記載の冷凍サイクル装置   When the degree of heating is smaller than a predetermined value, the first or second control unit sets the superheat degree when the suction volume control means minimizes the suction volume of the refrigerant flowing into the expander by the suction volume control means. The refrigeration cycle apparatus according to any one of claims 3 to 5, wherein the control valve is controlled to control to a predetermined value. 前記第1または第2の制御部は、前記吸入体積制御手段によって膨張機に流入する冷媒の吸入体積を最小にした最小吸入体積であり、前記制御弁の開度が最大でないときには、過熱度を所定の値に制御するために前記制御弁を制御する請求項3から請求項6のいずれかに記載の冷凍サイクル装置   The first or second control unit is a minimum suction volume that minimizes the suction volume of the refrigerant flowing into the expander by the suction volume control means. When the opening degree of the control valve is not the maximum, the degree of superheat is set. The refrigeration cycle apparatus according to any one of claims 3 to 6, wherein the control valve is controlled to control to a predetermined value. 前記冷凍サイクル起動時には、前記電動モータを駆動し、前記第1または第2の制御部により前記吸入体積制御手段を制御し、最小吸入体積に設定した請求項1から請求項7のいずれかに記載の冷凍サイクル装置   The said electric motor is driven at the time of the said refrigerating cycle start, The said suction volume control means is controlled by the said 1st or 2nd control part, and it set to the minimum suction volume. Refrigeration cycle equipment 前記冷凍サイクル起動時には、前記電動モータを駆動し、前記第1または第2の制御部により前記制御弁を制御し、高圧側の冷媒の圧力を所定の圧力に制御する請求項1から請求項8のいずれかに記載の冷凍サイクル装置   The said electric motor is driven at the time of the said refrigerating cycle start, The said control valve is controlled by the said 1st or 2nd control part, The pressure of the refrigerant | coolant of a high voltage | pressure side is controlled to a predetermined pressure. The refrigeration cycle apparatus according to any one of (吸入容積可変手段が容積可変手段とする)
前記吸入体積制御手段は、膨張機の冷媒吸入容積を変更することができる容積可変手段である請求項1から請求項9のいずれかに記載の冷凍サイクル装置
(The suction volume variable means is the volume variable means)
The refrigeration cycle apparatus according to any one of claims 1 to 9, wherein the suction volume control means is a volume variable means capable of changing a refrigerant suction volume of an expander.
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