JP2007327696A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】膨張機（30）が圧縮機（20）に軸で機械的に連結されずに発電機（33）に接続されている冷凍装置（10）において、装置の起動時に膨張機（30）を確実に動作させてシステムの起動を保証し、起動時の立ち上がり性能を確実に制御できるようにする。
【解決手段】
圧縮機（20）と放熱器（14）と膨張機（30）と冷却器（15）とが冷媒配管で順に接続された冷媒回路（11）を備え、該圧縮機（20）の有する圧縮機構（21）に電動機の回転軸（22）が連結され、該膨張機（30）の有する膨張機構（31）に発電機（33）の回転軸（32）が連結された冷凍装置（10）において、発電機（33）を電動機として機能させるための電気入力機構（41，43）を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍サイクルの膨張機構として動力回収用の膨張機を備え、該膨張機と圧縮機とが軸で機械的に連結されずに、膨張機に発電機が連結されているタイプの冷凍装置に関するものである。

従来より、冷媒回路で冷媒を循環させて冷凍サイクルを行う冷凍装置が知られており、空調機等の用途に広く利用されている。例えば特許文献１には、冷媒を圧縮する圧縮機と、冷媒を膨張させる動力回収用の膨張機とを備えた冷凍装置が開示されている。この特許文献１の図１に記載された冷凍装置では、膨張機が圧縮機に１本の軸で機械的に連結され、膨張機で得られた動力が圧縮機の駆動に利用されるようになっている。

また、特許文献１の図６に記載された冷凍装置では、圧縮機と膨張機は機械的に連結されておらず、圧縮機に電動機が、膨張機に発電機がそれぞれ連結されて、圧縮機と膨張機が互いに独立している。この冷凍装置は、圧縮機が電動機により駆動されて冷媒を圧縮する一方、発電機が膨張機より駆動されて発電を行っている。
特開２０００−２４１０３３号公報

ここで、圧縮機と膨張機が１本の軸で機械的に連結されている場合、装置の起動時には、圧縮機に連結された電動機の駆動力により膨張機も同時に動作を開始する。しかし、圧縮機と膨張機が軸で連結されていない場合、装置の起動時には、圧縮機を電動機により動作させると膨張機の前後で差圧は発生するものの、膨張機の起動トルクが不足して、膨張機が動作しないことがある。このように圧縮機と膨張機が機械的に互いに独立したシステムでは装置を正常に起動できないことがあり、起動時の立ち上がり性能を確実には制御できない問題があった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、膨張機が圧縮機に軸で機械的に連結されずに発電機に接続されている冷凍装置において、装置の起動時に膨張機を確実に動作させてシステムの起動を保証し、起動時の立ち上がり性能を確実に制御できるようにすることである。

第１の発明は、圧縮機（20）と放熱器（14）と膨張機（30）と冷却器（15）とが冷媒配管で順に接続された冷媒回路（11）を備え、該圧縮機（20）の有する圧縮機構（21）に電動機（23）の回転軸（22）が連結され、該膨張機（30）の有する膨張機構（31）に発電機（33）の回転軸（32）が連結された冷凍装置（10）を前提としている。

そして、この冷凍装置（10）は、上記発電機（33）を電動機（23）として機能させるための電気入力機構（41，43）を備えていることを特徴としている。

この第１の発明では、例えば起動時に電気入力機構（41，43）により発電機（33）を電動機（23）として機能させることができる。そして、起動時に発電機（33）が電動機（23）として機能すると、膨張機（30）の前後の差圧には関係なく膨張機（30）が自ら回転する。したがって、装置が正常に起動する。

第２の発明は、第１の発明において、上記膨張機（30）の起動時に上記発電機（33）の電気入力機構（41，43）を動作させる制御機構（45）を備えていることを特徴としている。

この第２の発明では、制御機構（45）を設けて膨張機（30）の起動時に発電機（33）を電動機（23）として用いることにより、起動時の膨張機（30）の動作をより確実に行うことができる。また、起動後は、膨張機（30）の回転により発電機（33）で発電することにより、動力を回収することができる。

第３の発明は、第１または第２の発明において、冷媒回路（11）の冷媒が二酸化炭素により構成されていることを特徴としている。

この第３の発明では、二酸化炭素を冷媒とする冷媒回路（11）で膨張機（30）を用いて動力回収をする冷凍装置（10）において、起動時には膨張機（30）に接続された発電機（33）を電動機（23）として用いて起動制御を行い、通常運転時には発電機（33）を発電機（33）として用いて動力を回収できる。

本発明によれば、電気入力機構（41，43）により発電機（33）を電動機（23）として機能させることができる。例えば起動時に発電機（33）が電動機（23）として機能すると、膨張機（30）の前後の差圧には関係なく膨張機（30）が自ら回転するから装置が正常に起動し、起動時の立ち上がり性能を確実に制御できる。

上記第２の発明によれば、上記膨張機（30）の起動時に上記発電機（33）の電気入力機構（41，43）を動作させる制御機構（45）を設けたことにより、起動時の膨張機（30）の動作をより確実に行うことができる。したがって、起動時の立ち上がり性能をより確実に制御できる。

上記第３の発明によれば、二酸化炭素を冷媒とする冷媒回路（11）で膨張機（30）を用いて動力回収をする冷凍装置（10）において、起動時には膨張機（30）に接続された発電機（33）を電動機（23）として用いて起動制御を行い、通常運転時には発電機（33）を発電機（33）として用いて動力を回収できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１に示すように、本実施形態の冷凍装置（10）は、冷媒回路（11）を備えている。この冷媒回路（11）は、圧縮機（20）と、放熱器（14）と、膨張機（30）と、冷却器（15）とが冷媒配管で順に接続されている。冷媒回路（11）には、冷媒として二酸化炭素（ＣＯ₂）が充填されている。また、圧縮機（20）と膨張機（30）は、概ね同じ高さに配置されている。

圧縮機（20）は、いわゆる高圧ドームタイプの全密閉型圧縮機である。この圧縮機（20）は、縦長の円筒形に形成された圧縮機ケーシング（24）を備えている。圧縮機ケーシング（24）の内部には、圧縮機構（21）と電動機（23）と駆動軸（回転軸）（22）とが収容されている。圧縮機構（21）は、いわゆるロータリ式の容積型流体機械により構成されている。圧縮機ケーシング（24）内では、圧縮機構（21）の上方に電動機（23）が配置されている。駆動軸（22）は、上下方向へ延びる姿勢で配置され、圧縮機構（21）と電動機（23）とを連結している。

圧縮機ケーシング（24）には、吸入管（25）と吐出管（26）が設けられている。吸入管（25）は、圧縮機ケーシング（24）の胴部の下端付近を貫通しており、その終端が圧縮機構（21）へ直接に接続されている。吐出管（26）は、圧縮機ケーシング（24）の上端付近を貫通しており、その始端が圧縮機ケーシング（24）内における電動機（23）の上側の空間に開口している。圧縮機構（21）は、吸入管（25）から吸い込んだ冷媒を圧縮して圧縮機ケーシング（24）内へ吐出する。

圧縮機ケーシング（24）の底部には、潤滑油としての冷凍機油が貯留されている。つまり、圧縮機ケーシング（24）内には、油溜まり（27）が形成されている。

駆動軸（22）は、油溜まり（27）から圧縮機構（21）へ冷凍機油を供給する給油機構を備えている。駆動軸（22）の内部には、図示しないが、その軸方向へ延びる給油通路が形成されている。この給油通路は、駆動軸（22）の下端に開口すると共に、いわゆる遠心ポンプを構成している。駆動軸（22）の下端は、油溜まり（27）に浸かった状態となっている。駆動軸（22）が回転すると、遠心ポンプの作用によって油溜まり（27）から給油通路へ冷凍機油が吸い込まれる。給油通路へ吸い込まれた冷凍機油は、圧縮機構（21）へ供給されて圧縮機構（21）の潤滑に利用される。

膨張機（30）は、縦長の円筒形に形成された膨張機ケーシング（34）を備えている。膨張機ケーシング（34）の内部には、膨張機構（31）と発電機（33）と出力軸（回転軸）（32）とが収容されている。膨張機構（31）は、いわゆるロータリ式の容積型流体機械により構成されている。膨張機ケーシング（34）内では、膨張機構（31）の下方に発電機（33）が配置されている。出力軸（32）は、上下方向へ延びる姿勢で配置され、膨張機構（31）と発電機（33）を連結している。

膨張機ケーシング（34）には、流入管（35）と流出管（36）が設けられている。流入管（35）と流出管（36）は、いずれも膨張機ケーシング（34）の胴部の上端付近を貫通している。流入管（35）は、その終端が膨張機構（31）へ直接に接続されている。流出管（36）は、その始端が膨張機構（31）へ直接に接続されている。膨張機構（31）は、流入管（35）を通って流入した冷媒を膨張させ、膨張後の冷媒を流出管（36）へ送り出す。つまり、膨張機（30）を通過する冷媒は、膨張機ケーシング（34）の内部空間へは流れ込まずに膨張機構（31）だけを通過する。

膨張機ケーシング（34）の底部には、潤滑油としての冷凍機油が貯留されている。つまり、膨張機ケーシング（34）内には、油溜まり（37）が形成されている。

出力軸（32）は、油溜まり（37）から膨張機構（31）へ冷凍機油を供給する給油機構を備えている。出力軸（32）の内部には、図示しないが、その軸方向へ延びる給油通路が形成されている。この給油通路は、出力軸（32）の下端に開口すると共に、いわゆる遠心ポンプを構成している。出力軸（32）の下端は、油溜まり（37）に浸かった状態となっている。出力軸（32）が回転すると、遠心ポンプ作用によって油溜まり（37）から給油通路へ冷凍機油が吸い込まれる。給油通路へ吸い込まれた冷凍機油は、膨張機構（31）へ供給されて膨張機構（31）の潤滑に利用される。

次に、冷媒回路（11）の構成について説明する。圧縮機（20）の吐出管（26）には第１高圧配管（P1）の一端が接続され、この第１高圧配管（P1）の他端は膨張機ケーシング（34）における発電機（33）の上方の位置に接続されている。膨張機ケーシング（34）における発電機（33）の下方の位置には、第２高圧配管（P2）の一端が接続され、この第２高圧配管（P2）の他端は放熱器（14）の一端に接続されている。

放熱器（14）の他端には第３高圧配管（P3）の一端が接続され、第３高圧配管（P3）の他端は膨張機（30）の流入管（35）に接続されている。膨張機（30）の流出管（36）には第１低圧配管（P4）の一端が接続され、第１低圧配管（P4）の他端は冷却器（15）の一端に接続されている。冷却器（15）の他端には第２低圧配管（P5）の一端が接続され、第２低圧配管（P5）の他端は圧縮機（20）の吸入管（25）に接続されている。

放熱器（14）は、冷媒を第１の空気流（例えば室外空気）と熱交換させるための空気熱交換器（例えば室外熱交換器）である。冷却器（15）は、冷媒を第２の空気流（例えば室内空気）と熱交換させるための空気熱交換器（例えば室内熱交換器）である。

なお、圧縮機ケーシング（24）と膨張機ケーシング（34）の間には、圧縮機ケーシング（24）内の油溜まり（27）と膨張機ケーシング（34）内の油溜まり（37）とを接続する均油管（38）が設けられている。また、膨張機（30）には油面センサ（39）が設けられている。

この冷凍装置（10）には、配電盤（40）が設けられている。この配電盤（40）は、外部交流電源（50）と、圧縮機（20）の電動機（23）と、膨張機（30）の発電機（33）とに接続されている。上記配電盤（40）は、発電機（33）を電動機としても機能させるための電気入力機構（41，43）としての機能を備えている。また、上記配電盤（40）は、上記圧縮機（20）の起動時に上記発電機（33）の電気入力機構（41，43）を動作させるコントローラ（制御機構）（45）を備えている。

この配電盤（40）の構成を、図２のブロック図を用いて説明する。配電盤（40）には、第１変換器（41）と、第２変換器（42）と、第３変換器（43）とが設けられている。第１変換器（41）は、交流電流を直流電流に変換するＡ−Ｄコンバータ（ＣＯＮ１）の機能を有している。第２変換器（42）は、直流電流を周波数制御した交流電流に変換するインバータ（ＩＮＶ１）の機能を有している。第３変換器（43）は、Ａ−Ｄコンバータ（ＣＯＮ２）の機能とインバータ（ＩＮＶ２）の機能の両方を有している。

外部交流電源（50）は、第１変換器（41）に交流電流を供給するように接続されている。第１変換器（41）は、第２変換器（42）に直流電流を供給するように接続されている。第２変換器（42）は、圧縮機（20）の電動機（23）に周波数制御した交流電流を供給するように接続されている。このことにより、電動機（23）の回転数を制御し、圧縮機構（20）の運転容量を調整することができる。

第１変換器（41）には、第２変換器（42）と並列に、第３変換器（43）も接続されている。第３変換器（43）は、膨張機（30）の発電機（33）に電気的に接続されている。通常運転時には、発電機（33）で発電された交流電流が第３変換器（43）のＡ−Ｄコンバータ（ＣＯＮ２）を介して直流電流に変換され、第１変換器（41）からの直流電流とともに第２変換器（42）に供給される。第２変換器（42）のインバータ（ＩＮＶ１）では、外部交流電源（50）から第１変換器（41）で処理された直流電流とともに、第３変換器（43）からの直流電流を交流電流に変換し、圧縮機（20）の電動機（23）に供給する。

装置（10）の起動時には、外部交流電源（50）の交流電流が圧縮機（20）の電動機（23）に供給されるとともに、膨張機（30）の発電機（33）にも供給される。その際、第１変換器（41）のＡ−Ｄコンバータ（ＣＯＮ１）により変換された直流電流が、第２変換器（42）のインバータ（ＩＮＶ１）と第３変換器（43）のインバータ（ＩＮＶ２）の両方で周波数制御された交流に変換される。そして、これらの交流電流が、圧縮機（20）の電動機（23）と膨張機（30）の発電機（33）に供給される。

その際、第２変換器（42）には圧縮機（20）の回転数指令が入力され、第３変換器（43）には膨張機（30）の回転数指令が入力される。そして、これらの入力指令に基づいて、電動機（23）及び発電機（33）に供給される交流電流の周波数が制御される。

−運転動作−
次に、上記冷凍装置（10）の動作について説明する。

〈通常運転〉
上記冷凍装置（10）の運転時には、冷媒回路（11）で冷媒が循環して蒸気圧縮冷凍サイクルが行われる。この冷媒回路（11）で行われる冷凍サイクルは、その高圧圧力が、冷媒である二酸化炭素の臨界圧力よりも高い値になるように設定されている。

圧縮機（20）では、電動機（23）によって圧縮機構（21）が回転駆動される。圧縮機構（21）は、吸入管（25）から吸い込んだ冷媒を圧縮して圧縮機ケーシング（24）内へ吐出する。圧縮機ケーシング（24）内の高圧冷媒は、吐出管（26）を通って圧縮機（20）から吐出される。圧縮機（20）から吐出された冷媒は、膨張機ケーシング（34）内に充満した後、放熱器（14）へ送られて第１の空気流（室外空気）へ放熱する。放熱器（14）で放熱した高圧冷媒は、膨張機（30）の膨張機構（31）へ流入する。

膨張機（30）では、流入管（35）を通って膨張機構（31）へ流入した高圧冷媒が膨張し、それによって発電機（33）が回転駆動される。発電機（33）で発生した電力は、圧縮機（20）の電動機（23）へ供給される。膨張機構（31）で膨張した冷媒は、流出管（36）を通って膨張機（30）から送り出される。膨張機（30）から送出された冷媒は、冷却器（15）へ送られる。冷却器（15）では、流入した冷媒が第２の空気流（室内空気）から吸熱して蒸発し、この第２の空気流が冷却される。冷却器（15）から出た低圧冷媒は、圧縮機（20）の吸入管（25）へ流入する。

また、この通常運転時には、外部交流電源（50）の交流電流が第１変換器（41）と第２変換器（42）を介して周波数変換されて圧縮機（20）の電動機（23）に供給されるとともに、膨張機（30）の発電機（33）で発電した交流電流も第２変換器（42）を介して周波数変換されて圧縮機（20）の電動機（23）に供給される。このため、外部交流電源（50）からの供給電力量を抑えることができる。

〈起動時の動作〉
起動時には、コントローラ（45）から、膨張機（30）に接続された発電機（33）を電動機（23）として使用する指令が出力される。これに伴って、外部交流電源（50）の交流電流が第１変換器（41）と第２変換器（42）において周波数変換されて圧縮機（20）の電動機（23）に供給されるとともに、上記外部交流電源（50）の交流電流は第１変換器（41）と第３変換器（43）においても周波数変換されて、このときは電動機となる膨張機（30）の発電機（33）にも供給される。

したがって、圧縮機（20）を起動できると同時に膨張機（30）も確実に起動できる。

−実施形態の効果−
本実施形態によれば、電気入力機構（41，43）により膨張機（30）の発電機（33）を電動機として機能させることができる。起動時に発電機（33）が電動機として機能すると、膨張機（30）の前後の差圧には関係なく膨張機（30）が自ら回転するから装置（10）が正常に起動し、起動時の立ち上がり性能を確実に制御できる。

《その他の実施形態》
上記実施形態については、以下のような構成としてもよい。

例えば、上記実施形態では冷媒が一方向にのみ循環する冷媒回路について説明したが、本発明は、冷媒の循環方向が反転可能な冷媒回路に適用してもよい。また、実施形態における冷媒回路は基本的な回路構成のみを示したものであって、製品設計の際には種々の付属機器を用いて回路が構成される。

なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

以上説明したように、本発明は、冷凍サイクルの膨張機構として動力回収用の膨張機を備え、該膨張機と圧縮機とが軸で機械的に連結されずに、膨張機に発電機が連結されているタイプの冷凍装置について有用である。

本発明の実施形態に係る冷凍装置の冷媒回路図である。 圧縮機の電動機と膨張機の発電機の電気制御を示すブロック図である。

符号の説明

10 冷凍装置
11 冷媒回路
14 放熱器
15 冷却器
20 圧縮機
21 圧縮機構
22 駆動軸（回転軸）
23 電動機
30 膨張機
31 膨張機構
32 出力軸（回転軸）
33 発電機
41 第１変換器（電気入力機構）
42 第２変換器
43 第３変換器（電気入力機構）
45 コントローラ（制御機構）

Claims (3)

1. 圧縮機（20）と放熱器（14）と膨張機（30）と冷却器（15）とが冷媒配管で順に接続された冷媒回路（11）を備え、該圧縮機（20）の有する圧縮機構（21）に電動機（23）の回転軸（22）が連結され、該膨張機（30）の有する膨張機構（31）に発電機（33）の回転軸（32）が連結された冷凍装置であって、
   上記発電機（33）を電動機（23）として機能させるための電気入力機構（41，43）を備えていることを特徴とする冷凍装置。
2. 請求項１において、
   上記膨張機（30）の起動時に上記発電機（33）の電気入力機構（41，43）を動作させる制御機構（45）を備えていることを特徴とする冷凍装置。
3. 請求項１または２において、
   冷媒回路（11）の冷媒が二酸化炭素により構成されていることを特徴とする冷凍装置。

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