JP2008039237A - Refrigeration 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に関する。 The present invention relates to a refrigeration cycle apparatus including an expansion mechanism that recovers power.
減圧器の代わりに膨張時の圧力エネルギーを動力として回収する膨張機構を設けた冷凍サイクルが提案されている。このような冷凍サイクル装置において、容積式の圧縮機構と膨張機構と駆動手段を一軸に連結した構成の冷凍サイクル装置では、圧縮機構のシリンダ容積をVC、膨張機構のシリンダ容積をVEとすると、VC/VE(設計容積比)により圧縮機構、膨張機構のそれぞれを流れる体積循環量の比が決定される。 A refrigeration cycle having an expansion mechanism that recovers pressure energy during expansion as power instead of a decompressor has been proposed. In such a refrigeration cycle apparatus, in a refrigeration cycle apparatus having a configuration in which a positive displacement compression mechanism, an expansion mechanism, and a drive unit are connected to one shaft, VC is a cylinder volume of the compression mechanism and VE is a cylinder volume of the expansion mechanism. / VE (design volume ratio) determines the ratio of the volume circulation amount flowing through each of the compression mechanism and the expansion mechanism.
また、蒸発器出口の冷媒(圧縮機構に流入する冷媒)の密度をDC、放熱器出口の冷媒(膨張機構に流入する冷媒)の密度をDEとすると、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。) Further, when the density of the refrigerant at the evaporator outlet (the refrigerant flowing into the compression mechanism) is DC and the density of the refrigerant at the radiator outlet (the refrigerant flowing into the expansion mechanism) is DE, the mass flowing through each of the compression mechanism and the expansion mechanism Since the circulation amounts are equal, the relationship “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”.)
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、最良な冷凍サイクルに調整することが困難となる。 However, the usage conditions of the refrigeration cycle equipment are not necessarily constant. Therefore, if the design volume ratio assumed at the time of design differs from the density ratio in the actual operating state, the best refrigeration It becomes difficult to adjust to the cycle.
そこで、膨張機構をバイパスするバイパス流路を設けて、膨張機構に流入する冷媒循環量を制御することで、最良な冷凍サイクル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)。 Therefore, a configuration and a control method for adjusting to the best refrigeration cycle by providing a bypass flow path for bypassing the expansion mechanism and controlling the refrigerant circulation amount flowing into the expansion mechanism have been proposed (for example, see Patent Document 1). ).
あるいは、駆動手段に軸により連結された主圧縮機構と、膨張機構に軸により連結された補助圧縮機構とを直列に接続し冷凍サイクルを構成した冷凍サイクル装置が提案されている(例えば特許文献2参照)。 Alternatively, there has been proposed a refrigeration cycle apparatus in which a main compression mechanism coupled to a driving means by a shaft and an auxiliary compression mechanism coupled to an expansion mechanism by a shaft are connected in series to constitute a refrigeration cycle (for example, Patent Document 2). reference).
すなわち、この冷凍サイクル装置では、膨張機構の回収動力により駆動される補助圧縮機構から吐出された冷媒は、駆動手段により駆動される主圧縮機構に吸入され、さらに圧縮される。圧縮された冷媒は放熱器(凝縮器)で放熱した後、膨張機構にて減圧される。この減圧時の回収動力は軸により連結された補助圧縮機の駆動力となる。 That is, in this refrigeration cycle apparatus, the refrigerant discharged from the auxiliary compression mechanism that is driven by the recovery power of the expansion mechanism is sucked into the main compression mechanism that is driven by the driving means and further compressed. The compressed refrigerant is radiated by a radiator (condenser) and then decompressed by an expansion mechanism. The recovered power at the time of decompression becomes the driving force of the auxiliary compressor connected by the shaft.
減圧された冷媒は蒸発器で吸熱した後、再び補助圧縮機構に吸入されるように構成されている。また、駆動手段に軸により連結された主圧縮機構と、膨張機構に軸により連結された補助圧縮機構とを並列に接続し冷凍サイクルを構成した冷凍サイクル装置が提案されている(例えば特許文献3参照)。 The depressurized refrigerant absorbs heat in the evaporator and is again sucked into the auxiliary compression mechanism. In addition, a refrigeration cycle apparatus has been proposed in which a main compression mechanism connected to a driving means by a shaft and an auxiliary compression mechanism connected to an expansion mechanism by a shaft are connected in parallel to form a refrigeration cycle (for example, Patent Document 3). reference).
すなわち、この冷凍サイクル装置では、膨張機構の回収動力により駆動される補助圧縮機構から吐出された冷媒と、駆動手段により駆動される主圧縮機構から吐出された冷媒は、ともに放熱器(凝縮器)で放熱した後、膨張機構にて減圧される。この減圧時の回収動力は軸により連結された補助圧縮機の駆動力となる。減圧された冷媒は蒸発器で吸熱した後、再び主圧縮機構、補助圧縮機構に吸入されるように構成されている。 That is, in this refrigeration cycle apparatus, both the refrigerant discharged from the auxiliary compression mechanism driven by the recovery power of the expansion mechanism and the refrigerant discharged from the main compression mechanism driven by the driving means are both radiators (condensers). After radiating heat, the pressure is reduced by the expansion mechanism. The recovered power at the time of decompression becomes the driving force of the auxiliary compressor connected by the shaft. The depressurized refrigerant absorbs heat in the evaporator and is again sucked into the main compression mechanism and the auxiliary compression mechanism.
しかし、上記特許文献2、3の冷凍サイクル装置は、駆動手段に軸により連結された主圧縮機構と、膨張機構に軸により連結された補助圧縮機構とから構成されているために、任意に膨張機構あるいは補助圧縮機構の回転数を調整できない。したがって、膨張機構のみでは最良な冷凍サイクルに調整できない。 However, since the refrigeration cycle apparatuses of Patent Documents 2 and 3 are composed of a main compression mechanism connected to the driving means by a shaft and an auxiliary compression mechanism connected to the expansion mechanism by a shaft, the refrigeration cycle devices can be arbitrarily expanded. The rotation speed of the mechanism or auxiliary compression mechanism cannot be adjusted. Therefore, the best refrigeration cycle cannot be adjusted only by the expansion mechanism.
このため、例えば、上記特許文献3には、補助圧縮機構の吐出側冷媒流路に流量調整弁を設けて、流量調整弁で補助圧縮機構が吐出する冷媒循環量を少なくすることで、補助圧縮機構および膨張機構に負荷をかけ、最良な冷凍サイクルに調整する構成や制御方法が提案されている。
ところが、上記特許文献1には、実際の運転状態での密度比が設計容積比より小さい場合には、膨張機をバイパスするバイパス流路に冷媒を流すことで、最良な冷凍サイクルに調整できる構成や制御方法が記載されているが、実際の運転状態での密度比が設計容積比より大きい場合については、最良な冷凍サイクルに調整できる構成や制御方法について、何ら記載されていない。 However, in Patent Document 1, when the density ratio in the actual operation state is smaller than the design volume ratio, a configuration in which the refrigerant can be adjusted to the best refrigeration cycle by flowing the refrigerant through the bypass passage that bypasses the expander. In the case where the density ratio in the actual operation state is larger than the design volume ratio, there is no description about the configuration and the control method that can be adjusted to the best refrigeration cycle.
したがって、効率のよい冷凍サイクルの運転を行うには、設計容積比を実際の運転状態での密度比より極力小さくして設計する必要がある。例えば、CO2ヒートポンプ給湯機の場合を例にとると、標準的な運転条件では、圧縮機構の吸入密度は約100kg/m3、膨張機構の吸入密度は約800kg/m3であるので、設計容積比は、約8となる。 Therefore, in order to perform an efficient refrigeration cycle operation, the design volume ratio needs to be designed to be as small as possible than the density ratio in the actual operation state. For example, taking the case of a CO 2 heat pump water heater as an example, under standard operating conditions, the suction density of the compression mechanism is about 100 kg / m 3 and the suction density of the expansion mechanism is about 800 kg / m 3. The volume ratio is about 8.
すなわち、膨張機構のシリンダ容積(VE)を、圧縮機構のシリンダ容積(VC)の約1/8として設計する必要がある。これは、例えば、圧縮機構のシリンダ容積(VC)が、約8ccであれば、膨張機構のシリンダ容積(VE)は、約1ccとして、設計する必要があることを意味する。 That is, it is necessary to design the cylinder volume (VE) of the expansion mechanism as about 1/8 of the cylinder volume (VC) of the compression mechanism. This means that, for example, if the cylinder volume (VC) of the compression mechanism is about 8 cc, the cylinder volume (VE) of the expansion mechanism needs to be designed to be about 1 cc.
この場合には、膨張機構のシリンダを製造する上で、微細な加工が要求されるために製造コスト上昇の原因となる、あるいは、膨張機構の体積効率が低下する原因となる。このため、コストをかけなければ、冷凍サイクルを最適な状態とすることができず、冷凍サイクル装置を効率よく運転できなくなるという課題が生じていた。 In this case, when manufacturing the cylinder of the expansion mechanism, fine processing is required, which causes an increase in manufacturing cost or a decrease in volumetric efficiency of the expansion mechanism. For this reason, unless a cost is applied, the refrigeration cycle cannot be brought into an optimum state, and there is a problem that the refrigeration cycle apparatus cannot be efficiently operated.
逆に、例えば、膨張機構のシリンダ容積(VE)を約3ccとして設計するならば、圧縮機構のシリンダ容積(VC)を約24ccとして設計する必要がある。この場合には、圧縮機構に連結する駆動手段の出力不足を補うために駆動手段を大きくする必要が生じ、製造コスト上昇の原因となる。このため、コストをかけなければ、冷凍サイクルを最適な状態とすることができず、冷凍サイクル装置を効率よく運転できなくなるという課題が生じていた。 On the other hand, for example, if the cylinder volume (VE) of the expansion mechanism is designed to be about 3 cc, it is necessary to design the cylinder volume (VC) of the compression mechanism to be about 24 cc. In this case, it is necessary to enlarge the driving means in order to compensate for an insufficient output of the driving means connected to the compression mechanism, which causes an increase in manufacturing cost. For this reason, unless a cost is applied, the refrigeration cycle cannot be brought into an optimum state, and there is a problem that the refrigeration cycle apparatus cannot be efficiently operated.
あるいは、上記特許文献2、3のように駆動手段に軸により連結された主圧縮機構と、膨張機構に軸により連結された補助圧縮機構とから構成した冷凍サイクル装置では、任意に膨張機構あるいは補助圧縮機構の回転数を調整できないために、冷凍サイクルを最適な状態とすることができず、冷凍サイクル装置を効率よく運転できないという課題が生じていた。 Alternatively, in the refrigeration cycle apparatus constituted by the main compression mechanism connected to the driving means by the shaft and the auxiliary compression mechanism connected to the expansion mechanism by the shaft as in Patent Documents 2 and 3, the expansion mechanism or the auxiliary is arbitrarily set. Since the rotation speed of the compression mechanism cannot be adjusted, the refrigeration cycle cannot be brought into an optimal state, and there has been a problem that the refrigeration cycle apparatus cannot be operated efficiently.
また、上記特許文献3のように、補助圧縮機構の吐出側冷媒流路に流量調整弁を設けたとしても、冷凍サイクル装置の起動時など、主圧縮機構や補助圧縮機構が吐出する冷媒循環量が少ない場合には、流量調整弁で補助圧縮機構が吐出する冷媒循環量をさらに少なくして、補助圧縮機構および膨張機構に負荷をかけるのが困難となる。このため、冷凍サイクル装置の起動に時間がかかるなど、冷凍サイクル装置を効率よく運転できないという課題が生じていた。 Moreover, even if a flow rate adjusting valve is provided in the discharge side refrigerant flow path of the auxiliary compression mechanism as in Patent Document 3, the refrigerant circulation amount discharged by the main compression mechanism and the auxiliary compression mechanism, such as when the refrigeration cycle apparatus is started up When the amount is small, it becomes difficult to further reduce the refrigerant circulation amount discharged from the auxiliary compression mechanism by the flow rate adjusting valve and to load the auxiliary compression mechanism and the expansion mechanism. For this reason, the subject that the refrigeration cycle apparatus cannot be operated efficiently has occurred, for example, it takes time to start the refrigeration cycle apparatus.
あるいは、補助圧縮機構の吐出側冷媒流路に流量調整弁を設けると、製造コスト上昇の原因となる。このため、コストをかけなければ、冷凍サイクルを最適な状態とすることができず、冷凍サイクル装置を効率よく運転できなくなるという課題が生じていた。 Alternatively, providing a flow rate adjusting valve in the discharge side refrigerant flow path of the auxiliary compression mechanism causes an increase in manufacturing cost. For this reason, unless a cost is applied, the refrigeration cycle cannot be brought into an optimum state, and there is a problem that the refrigeration cycle apparatus cannot be efficiently operated.
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、第1圧縮機構と第2圧縮機構とが並列に接続され、利用側熱交換器、動力回収を行う膨張機構、熱源側熱交換器を順次接続された冷凍サイクル装置において、第1圧縮機構と第1駆動手段とが第1の軸により連結し、第2圧縮機構と膨張機構と第2駆動手段が第2の軸で連結したものである。 In order to solve the above-described conventional problems, a refrigeration cycle apparatus according to the present invention includes a first compression mechanism and a second compression mechanism connected in parallel, a use side heat exchanger, an expansion mechanism that performs power recovery, and a heat source side heat. In the refrigeration cycle apparatus in which the exchangers are sequentially connected, the first compression mechanism and the first drive means are connected by the first shaft, and the second compression mechanism, the expansion mechanism and the second drive means are connected by the second shaft. It is what.
これによると、各圧縮機構の圧縮室容積を大きくすることなく膨張機構のシリンダ容積を大きく設計できることから、製造コストの低減が可能である。あるいは、膨張機構の体積効率が低下する不具合も解消し、冷凍サイクルを最適な状態とし、冷凍サイクル装置を効率よく運転できる。 According to this, since the cylinder volume of the expansion mechanism can be designed large without increasing the compression chamber volume of each compression mechanism, the manufacturing cost can be reduced. Or the malfunction that the volume efficiency of an expansion mechanism falls is also eliminated, a refrigerating cycle is made into the optimal state, and a refrigerating cycle device can be operated efficiently.
また、本発明の冷凍サイクル装置は、第1駆動手段の回転数が、第2駆動手段の回転数以上で運転されるものである。これによると、さらに各圧縮機構の圧縮室容積を大きくすることなく膨張機構のシリンダ容積を大きく設計できることから、製造コストの低減が可能である。あるいは、膨張機構の体積効率が低下する不具合も解消し、冷凍サイクルを最適な状態とし、冷凍サイクル装置を効率よく運転できる。 In the refrigeration cycle apparatus of the present invention, the first drive means is operated at a rotational speed equal to or higher than the second drive means. According to this, since the cylinder volume of the expansion mechanism can be designed to be large without increasing the compression chamber volume of each compression mechanism, the manufacturing cost can be reduced. Or the malfunction that the volume efficiency of an expansion mechanism falls is also eliminated, a refrigerating cycle is made into the optimal state, and a refrigerating cycle device can be operated efficiently.
また、本発明の冷凍サイクル装置は、第1圧縮機構と第2圧縮機構のそれぞれの圧縮室の容積が略同一であるものである。これによると、第1圧縮機構と第2圧縮機構の構成部品の共有化や制御方法の簡略化が可能となり、さらに製造コストの低減ができる。 In the refrigeration cycle apparatus of the present invention, the volumes of the compression chambers of the first compression mechanism and the second compression mechanism are substantially the same. According to this, it becomes possible to share the components of the first compression mechanism and the second compression mechanism and simplify the control method, and further reduce the manufacturing cost.
また、本発明の冷凍サイクル装置は、第1駆動手段は第1電動機であり、第2駆動手段は第2電動機であって、第1圧縮機構と第1電動機とが第1密閉容器内に収納され、第2圧縮機構と膨張機構と第2電動機とが第2密閉容器内に収納されたことを特徴とするものである。 In the refrigeration cycle apparatus of the present invention, the first driving means is a first electric motor, the second driving means is a second electric motor, and the first compression mechanism and the first electric motor are accommodated in the first sealed container. The second compression mechanism, the expansion mechanism, and the second electric motor are housed in the second sealed container.
これによると、密閉容器の貫通部においてシール部を設ける必要がなくなり、さらに製造コストの低減ができる。あるいは、第2電動機を余剰な動力を電力として回収する発電機としても利用できるために、さらに製造コストの低減ができる。 According to this, it becomes unnecessary to provide a seal part in the penetration part of an airtight container, and also manufacturing cost can be reduced. Alternatively, since the second electric motor can be used as a generator that recovers surplus power as electric power, the manufacturing cost can be further reduced.
また、本発明の冷凍サイクル装置は、第1密閉容器と第2密閉容器とが均油管で連結されたものである。これによると、冷凍機油がどちらか一方の密閉容器に偏ることを防止できるので、冷凍サイクルが不安定になることがなくなり、冷凍サイクル装置を効率よく運転できる。 In the refrigeration cycle apparatus of the present invention, the first sealed container and the second sealed container are connected by an oil equalizing pipe. According to this, since the refrigerating machine oil can be prevented from being biased to one of the sealed containers, the refrigeration cycle does not become unstable, and the refrigeration cycle apparatus can be operated efficiently.
また、本発明の冷凍サイクル装置は、第2駆動手段の回転数を調整することで、冷凍サイクルの高圧側圧力、第1圧縮機構または第2圧縮機構の吐出温度、第1圧縮機構または第2圧縮機構の吸入過熱度のいずれかを調整するものである。 Further, the refrigeration cycle apparatus of the present invention adjusts the rotation speed of the second drive means to thereby adjust the high-pressure side pressure of the refrigeration cycle, the discharge temperature of the first compression mechanism or the second compression mechanism, the first compression mechanism or the second compression mechanism. Any one of the suction superheat degrees of the compression mechanism is adjusted.
これによると、膨張機構を流れる冷媒循環量を調整し、望ましい高圧側圧力に調整できるので、冷凍サイクル装置を効率よく運転できる。また、第2電動機の回転数を下げることで従来より広い運転範囲で膨張機構に負荷がかけられるために、冷凍サイクル装置を効率よく運転できる。 According to this, the amount of circulating refrigerant flowing through the expansion mechanism can be adjusted to a desired high-pressure side pressure, so that the refrigeration cycle apparatus can be operated efficiently. Moreover, since the load is applied to the expansion mechanism in a wider operating range than before by reducing the rotation speed of the second electric motor, the refrigeration cycle apparatus can be operated efficiently.
また、本発明の冷凍サイクル装置は、第1駆動手段の回転数を調整することで、利用側熱交換器の能力を調整するものである。これによると、第2圧縮機構の回転数が変化しても、利用側熱交換器での必要な能力を確保することができる。 Moreover, the refrigerating cycle apparatus of this invention adjusts the capability of a utilization side heat exchanger by adjusting the rotation speed of a 1st drive means. According to this, even if the rotation speed of a 2nd compression mechanism changes, the required capability in a utilization side heat exchanger is securable.
本発明の冷凍サイクル装置は、動力を回収する膨張機構を備えた冷凍サイクル装置において、膨張機構のシリンダ容積を圧縮機構のシリンダ容積に比べて、非常に小さい容積で設計する必要がなくなり、冷凍サイクル装置の製造コストの上昇を防止しつつ、効率の良い運転が可能である冷凍サイクル装置、すなわち、価格と性能のバランスの良い冷凍サイクル装置を提供できる。 The refrigeration cycle apparatus of the present invention is a refrigeration cycle apparatus having an expansion mechanism for recovering power, and it is not necessary to design the cylinder volume of the expansion mechanism to be very small compared to the cylinder volume of the compression mechanism. It is possible to provide a refrigeration cycle apparatus capable of efficient operation while preventing an increase in the manufacturing cost of the apparatus, that is, a refrigeration cycle apparatus having a good balance between price and performance.
あるいは、冷凍サイクルを最良な状態に制御するための流量調整弁などが不要になり、冷凍サイクル装置の製造コストの上昇を防止しつつ、効率の良い運転が可能である冷凍サイクル装置、すなわち、価格と性能のバランスの良い冷凍サイクル装置を提供できる。 Alternatively, a flow rate adjustment valve or the like for controlling the refrigeration cycle to the optimum state is unnecessary, and a refrigeration cycle apparatus that can be operated efficiently while preventing an increase in manufacturing cost of the refrigeration cycle apparatus, that is, a price And a refrigeration cycle apparatus with a good balance of performance can be provided.
第1の発明は、第1圧縮機構と第2圧縮機構とが並列に接続され、利用側熱交換器、動力回収を行う膨張機構、熱源側熱交換器を順次接続された冷凍サイクル装置において、第1圧縮機構と第1駆動手段とが第1の軸により連結し、第2圧縮機構と膨張機構と第2駆動手段が第2の軸で連結したものであり、膨張機構のシリンダ容積を大きく設計できることから、製造コストの低減が可能である。あるいは、膨張機構の体積効率が低下する不具合も解消し、冷凍サイクルを最適な状態とし、冷凍サイクル装置を効率よく運転できる。 A first invention is a refrigeration cycle apparatus in which a first compression mechanism and a second compression mechanism are connected in parallel, and a use side heat exchanger, an expansion mechanism that performs power recovery, and a heat source side heat exchanger are sequentially connected. The first compression mechanism and the first drive means are connected by a first shaft, and the second compression mechanism, the expansion mechanism and the second drive means are connected by a second shaft, and the cylinder volume of the expansion mechanism is increased. Since it can be designed, the manufacturing cost can be reduced. Or the malfunction that the volume efficiency of an expansion mechanism falls is also eliminated, a refrigerating cycle is made into the optimal state, and a refrigerating cycle device can be operated efficiently.
第2の発明は、第1駆動手段の回転数が、第2駆動手段の回転数以上で運転するものであり、さらに膨張機構のシリンダ容積を大きく設計できることから、製造コストの低減が可能である。あるいは、膨張機構の体積効率が低下する不具合も解消し、冷凍サイクルを最適な状態とし、冷凍サイクル装置を効率よく運転できる。 In the second aspect of the invention, the rotation speed of the first drive means is operated at a speed higher than the rotation speed of the second drive means, and the cylinder volume of the expansion mechanism can be designed to be large, so that the manufacturing cost can be reduced. . Or the malfunction that the volume efficiency of an expansion mechanism falls is also eliminated, a refrigerating cycle is made into the optimal state, and a refrigerating cycle device can be operated efficiently.
第3の発明は、第1圧縮機構と第2圧縮機構のそれぞれの圧縮室の容積が略同一であるものであり、第1圧縮機構と第2圧縮機構の構成部品の共有化や制御方法の簡略化が可能となり、さらに製造コストの低減ができる。 According to a third aspect of the invention, the compression chambers of the first compression mechanism and the second compression mechanism have substantially the same volume, and components of the first compression mechanism and the second compression mechanism are shared and a control method is provided. Simplification is possible and the manufacturing cost can be further reduced.
第4の発明は、第1駆動手段は第1電動機であり、第2駆動手段は第2電動機であって、第1圧縮機構と第1電動機とが第1密閉容器内に収納され、第2圧縮機構と膨張機構と第2電動機とが第2密閉容器内に収納されたものであり、密閉容器の貫通部においてシール部を設ける必要がなくなり、さらに製造コストの低減ができる。あるいは、第2電動機を余剰な動力を電力として回収する発電機としても利用できるために、さらに製造コストの低減ができる。 According to a fourth aspect of the invention, the first driving means is a first electric motor, the second driving means is a second electric motor, the first compression mechanism and the first electric motor are accommodated in the first sealed container, Since the compression mechanism, the expansion mechanism, and the second electric motor are housed in the second sealed container, there is no need to provide a seal portion in the penetrating portion of the sealed container, and the manufacturing cost can be further reduced. Alternatively, since the second electric motor can be used as a generator that recovers surplus power as electric power, the manufacturing cost can be further reduced.
第5の発明は、第1密閉容器と第2密閉容器とが均油管で連結されたものであり、冷凍機油がどちらか一方の密閉容器に偏ることを防止できるので、冷凍サイクルが不安定になることがなくなり、冷凍サイクル装置を効率よく運転できる。 In the fifth aspect of the invention, the first sealed container and the second sealed container are connected by an oil equalizing pipe, and the refrigerating machine oil can be prevented from being biased to one of the sealed containers, so that the refrigeration cycle is unstable. The refrigeration cycle apparatus can be operated efficiently.
第6の発明は、第2駆動手段の回転数を調整することで、冷凍サイクルの高圧側圧力、第1圧縮機構または第2圧縮機構の吐出温度、第1圧縮機構または第2圧縮機構の吸入過熱度のいずれかを調整するものであり、膨張機構を流れる冷媒循環量を調整し、望ましい高圧側圧力に調整できるので、冷凍サイクル装置を効率よく運転できる。また、第2電動機の回転数を下げることで従来より広い運転範囲で膨張機構に負荷がかけられるために、冷凍サイクル装置を効率よく運転できる。 According to a sixth aspect of the present invention, by adjusting the rotational speed of the second drive means, the high-pressure side pressure of the refrigeration cycle, the discharge temperature of the first compression mechanism or the second compression mechanism, the suction of the first compression mechanism or the second compression mechanism One of the degrees of superheat is adjusted, and the amount of refrigerant circulating through the expansion mechanism can be adjusted to a desired high-pressure side pressure, so that the refrigeration cycle apparatus can be operated efficiently. Moreover, since the load is applied to the expansion mechanism in a wider operating range than before by reducing the rotation speed of the second electric motor, the refrigeration cycle apparatus can be operated efficiently.
第7の発明は、第1駆動手段の回転数を調整することで、利用側熱交換器の能力を調整するものであり、第2圧縮機構の回転数が変化しても、利用側熱交換器での必要な能力を確保することができる。 7th invention adjusts the capability of a utilization side heat exchanger by adjusting the rotation speed of a 1st drive means, and even if the rotation speed of a 2nd compression mechanism changes, utilization side heat exchange The necessary ability in the vessel can be secured.
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。
(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に概略構成図を示し、説明する。図1の冷凍サイクル装置は、冷媒回路Aと流体回路Bより構成されている。冷媒回路Aは、第1駆動手段としての第1電動機10により駆動される第1圧縮機構11、および、第2駆動手段としての第2電動機12により駆動される第2圧縮機構13、利用側熱交換器としての給湯用熱交換器(放熱器)14の冷媒流路14a、動力回収を行う膨張機構15、熱源側熱交換器としての蒸発器17などからなる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited by this embodiment. 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.
(Embodiment 1)
A refrigeration cycle apparatus according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to a schematic configuration diagram shown in FIG. The refrigeration cycle apparatus in FIG. 1 includes a refrigerant circuit A and a fluid circuit B. The refrigerant circuit A includes a
第1圧縮機構11と第2圧縮機構13とは、ともに蒸発器17を流出した冷媒を吸入し、放熱器14に圧縮した冷媒を吐出するように構成されている。第1電動機10と第1圧縮機構11とは第1の軸20により連結され、第1密閉容器30内に収納されている。第2電動機12と第2圧縮機構13と膨張機構15とは第2の軸21により連結され、第2密閉容器31内に収納されている。
Both the
さらに、第1密閉容器30と第2密閉容器31は、それぞれの容器内の冷凍機油が滞留する位置どうしを均油管32で連結されている。また、本冷凍サイクル装置は、蒸発器17に流体(例えば、外気)を搬送する熱源側流体搬送手段としての送風装置(ファン)16、第1圧縮機構11または第2圧縮機構13の吐出温度を検出する吐出温度検出手段40とを備えている。
Further, the first
吐出温度検出手段40は、例えば、第1圧縮機構11、あるいは、第2圧縮機構13の吐出から放熱器14の冷媒流路14aの入口までの配管上に設けられ配管の温度を検出する温度サーミスタである。
The discharge
また、吐出温度検出手段40の検出値に応じて膨張機構15の目標回転数、すなわち、第2電動機12の目標回転数を演算する第2電動機目標回転数演算手段41、さらに、第2電動機目標回転数演算手段41が演算した第2電動機目標回転数に応じて、第2電動機12の回転数を操作する第2電動機回転数操作手段42を備えている。
Further, the second motor target rotation speed calculation means 41 for calculating the target rotation speed of the
さらに、利用側熱交換器能力演算手段43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61に貯める流体(例えば、お湯)の温度、または、放熱器14の流体出口温度の目標値)などから利用側熱交換器14の必要能力を演算する。第1電動機目標回転数演算手段44は、利用側熱交換器能力演算手段43が演算した利用側熱交換器14の必要能力と、第2電動機回転数操作手段42が操作した第2電動機12の回転数に基づき、第1電動機10の回転数を演算する。
Further, the use side heat exchanger capacity calculating means 43 is a target boiling point set by the outside air temperature or the incoming water temperature detected by the outside air temperature detecting means (not shown), the incoming water temperature detecting means (not shown), or the like. The required capacity of the use
また、第1電動機回転数操作手段45は第1電動機目標回転数演算手段44が演算した第1電動機目標回転数に基づき、第1電動機10の回転数を操作する。 The first motor rotation speed operation means 45 operates the rotation speed of the first motor 10 based on the first motor target rotation speed calculated by the first motor target rotation speed calculation means 44.
一方、流体回路Bは、利用側流体搬送手段としての給水ポンプ60、放熱器14の流体流路14b、給湯タンク61などからなる。
On the other hand, the fluid circuit B 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説明する。冷媒回路Aでは、冷媒である二酸化炭素(CO2)を、第1駆動手段10により駆動される第1圧縮機構11、および、第2駆動手段12により駆動される第2圧縮機構13で臨界圧力を越える圧力まで圧縮し、高温高圧状態とする。第1圧縮機構11、および、第2圧縮機構13を吐出された冷媒は、混合され、放熱器14の冷媒流路14aに流入する。これらの冷媒は、放熱器14の冷媒流路14aを流れる際に、流体流路14bを流れる流体(例えば、水)に放熱して冷却される。
Next, the operation | movement at the time of the driving | operation of the refrigerating-cycle apparatus comprised as mentioned above is demonstrated. In the refrigerant circuit A, carbon dioxide (CO 2 ), which is a refrigerant, is converted into a critical pressure by the
その後、冷媒は膨張機構15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15では冷媒の圧力エネルギーを動力に変換し、その動力は第2の軸21を介して、第2駆動手段12が第2圧縮機構13を駆動するのを補助する動力として用いられる。
Thereafter, the refrigerant is depressurized by the
このように、膨張時の圧力エネルギーを動力として回収し、圧縮動力として利用することでCOPを向上させることができる。膨張機構15で減圧された冷媒は蒸発器17に供給される。蒸発器17では、冷媒は送風装置(ファン)16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。
Thus, COP can be improved by recovering pressure energy at the time of expansion as power and using it as compression power. The refrigerant decompressed by the
これらの冷媒は、第1圧縮機構11に吸入される冷媒と、第2圧縮機構13に吸入される冷媒の2つに分流され、再び第1圧縮機構11、および、第2圧縮機構13に吸入される。
These refrigerants are divided into two refrigerants, the refrigerant sucked into the
一方、流体回路Bでは、給水ポンプ60により給湯タンク61の底部から放熱器14の流体流路14bへ送り込まれた水は、冷媒流路14aを流れる冷媒により加熱され、高温の湯となり、その湯を給湯タンク61の頂部から貯める。このような動作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 water sent from the bottom of the hot water supply tank 61 to the
さらに、第1駆動手段10の回転数が、第2駆動手段12の回転数以上で運転されることが望ましい。また、第1圧縮機構11と第2圧縮機構13のそれぞれの圧縮室の容積が略同一であることが望ましい。
Further, it is desirable that the first drive means 10 be operated at a rotational speed equal to or higher than the second drive means 12. It is desirable that the compression chambers of the
このような構成の冷凍サイクル装置の効果を以下に述べる。第1圧縮機構11のシリンダ容積をVC1、第2圧縮機構13のシリンダ容積をVC2、膨張機構15のシリンダ容積をVE、第1駆動手段10の回転数をHz1、第2駆動手段12の回転数をHz2、蒸発器17出口の冷媒の密度(第1圧縮機構11、および、第2圧縮機構13に流入する冷媒の密度)をDC、放熱器14出口の冷媒の密度(膨張機構15に流入する冷媒の密度)をDEとすると、第1圧縮機構11を吐出される冷媒と第2圧縮機構13をそれぞれ吐出される冷媒を合わせた冷媒の質量循環量と膨張機構15を流れる冷媒の質量循環量は等しいことから、「(VC1×Hz1+VC2×Hz2)×DC=VE×Hz2×DE」、すなわち、「DE/DC=(VC1×Hz1+VC2×Hz2)/(VE×Hz2)」の関係が成立する。
The effects of the refrigeration cycle apparatus having such a configuration will be described below. The cylinder volume of the
ここで、仮に、第1駆動手段10の回転数と第2駆動手段12の回転数が等しい、すなわち、「Hz1=Hz2」とすると、「DE/DC=(VC1+VC2)/VE」の関係が成立する。例えば、設計容積比が約8となるCO2ヒートポンプ給湯機の場合では、膨張機構15のシリンダ容積(VE)を、第1圧縮機構11のシリンダ容積と第2圧縮機構13の和(VC1+VC2)の約1/8として設計すればよく、これは、例えば、第1圧縮機構11のシリンダ容積(VC1)、第2圧縮機構13のシリンダ容積(VC2)がともに、約8ccであれば、膨張機構15のシリンダ容積(VE)は、約2ccとして、設計すればよい。
Here, if the rotation speed of the first drive means 10 and the rotation speed of the second drive means 12 are equal, that is, “Hz 1 = Hz 2 ”, then “DE / DC = (VC 1 + VC 2 ) / VE”. Is established. For example, in the case of a CO 2 heat pump water heater having a design volume ratio of about 8, the cylinder volume (VE) of the
このように、第1圧縮機構11のシリンダ容積(VC1)、第2圧縮機構13のシリンダ容積(VC2)を従来のものより大きくすることなく、膨張機構15のシリンダ容積(VE)を大きくすることが可能となるので、膨張機構15を製造する上でのコスト上昇が、従来の構成に比べて低減できる。さらに、シリンダ容積を大きく設計できることで、膨張機構の体積効率が低下する不具合も解消し、冷凍サイクルを最適な状態とし、冷凍サイクル装置を効率よく運転できる。
Thus, the cylinder volume of the
逆に、例えば、膨張機構15のシリンダ容積(VE)を約3ccとして設計するならば、第1圧縮機構11のシリンダ容積と第2圧縮機構13の和(VC1+VC2)を約24ccとして設計すれば良く、例えば、第1圧縮機構11のシリンダ容積(VC1)、第2圧縮機構13のシリンダ容積(VC2)ともに、12ccとすればよいので、従来の構成に比べて第1圧縮機構11のシリンダ容積(VC1)、第2圧縮機構13のシリンダ容積(VC2)を大きくする必要がないので、第1圧縮機構11や第2圧縮機構13に連結する第1駆動手段10や第2駆動手段12の出力不足を補うために駆動手段を大きくする必要性が従来の構成に比べて低減され、製造コスト上昇が低減できる。
Conversely, for example, if the cylinder volume (VE) of the
さらに、従来の課題であった第1駆動手段10や第2駆動手段12が出力不足となる不具合も解消し、冷凍サイクルを最適な状態とし、冷凍サイクル装置を効率よく運転できる。 Furthermore, the problem that the first drive means 10 and the second drive means 12 that have been problems in the prior art are also insufficient is solved, the refrigeration cycle is brought into an optimal state, and the refrigeration cycle apparatus can be operated efficiently.
また、「DE/DC=(VC1×Hz1+VC2×Hz2)/(VE×Hz2)」の関係から、「Hz1>Hz2」とすれば、さらに、膨張機構15のシリンダ容積(VE)は、大きく設計できるので、上述の効果が大きい。
Further, from the relationship of “DE / DC = (VC 1 × Hz 1 + VC 2 × Hz 2 ) / (VE × Hz 2 )”, if “Hz 1 > Hz 2 ”, the cylinder volume of the
さらに、第1圧縮機構11と第2圧縮機構13のそれぞれの圧縮室の容積が略同一である、すなわち、「VC1=VC2」とすることで、第1圧縮機構11と第2圧縮機構13の構成部品の共有化が可能となり、さらに製造コストの低減ができる。
Furthermore, each of the compression chamber volume of the
また、本実施の形態では、第1圧縮機構11と第1駆動手段である第1電動機10とが第1密閉容器30内に収納され、第2圧縮機構13と膨張機構15と第2駆動手段である第2電動機12とが第2密閉容器31内に収納されているので、第1圧縮機構11と第1電動機10とを連結する第1の軸20、および、第2圧縮機構12と膨張機構15と第2電動機13とを連結する第2の軸21を第1密閉容器30や第2密閉容器31を貫通させる必要が無いために、密閉容器の貫通部において冷媒と大気が混合しないようにするシール部を設ける必要がなくなり、さらに製造コストの低減ができる。あるいは、第2駆動手段12は第2電動機であるので、膨張機構15の回収動力が第2圧縮機構13の駆動力を上回った場合でも、余剰な動力を電力として回収する発電機としても利用できるために、さらに製造コストの低減ができる。
In the present embodiment, the
また、本実施の形態では、第1密閉容器30と第2密閉容器31とが均油管32で連結されていることから、第1密閉容器30と第2密閉容器31に封入された冷凍機油が、どちらか一方の密閉容器に偏ることを防止できるので、冷凍サイクルが不安定になることが防止可能で冷凍サイクル装置を効率よく運転できる。
In the present embodiment, since the first sealed
なお、さらに、第1密閉容器30と第2密閉容器31とのそれぞれの容器内の冷凍機油が滞留する位置より上部どうしを均圧管33で連結すると、より冷凍サイクルが不安定になること防止可能となり、さらに望ましい。
(実施の形態2)
本発明の第2の実施の形態は、第1の実施の形態に、冷凍サイクル装置を効率よく運転できる制御方法を追加したものである。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1の概略構成図、および、図2に示すフローチャートを用いて説明する。本実施の形態の制御では、比較的安価に計測の可能な吐出温度により、第1駆動手段である第1電動機10および第2駆動手段である第2電動機12の回転数制御を行う。
In addition, it is possible to prevent the refrigeration cycle from becoming more unstable by connecting the upper parts of the first sealed
(Embodiment 2)
In the second embodiment of the present invention, a control method capable of operating the refrigeration cycle apparatus efficiently is added to the first embodiment. A refrigeration cycle apparatus according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to the schematic configuration diagram of FIG. 1 and the flowchart shown in FIG. In the control of the present embodiment, the rotational speed control of the first electric motor 10 as the first driving means and the second
冷凍サイクル装置の運転時には、利用側熱交換器能力演算手段43が、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、利用側熱交換器14の流体出口温度の目標値)などから利用側熱交換器14の必要能力を演算する(100)。 During operation of the refrigeration cycle apparatus, the use side heat exchanger capacity calculating means 43 detects the outside air temperature, the incoming water temperature, the user, etc. detected by the outside air temperature detecting means (not shown), the incoming water temperature detecting means (not shown), etc. Is calculated from the target boiling temperature (the temperature of the hot water stored in the hot water supply tank or the target value of the fluid outlet temperature of the use side heat exchanger 14) set by (100).
次に、第1電動機目標回転数演算手段44が、利用側熱交換器能力演算手段43が演算した利用側熱交換器14の必要能力と、後述する第2電動機回転数操作手段42が操作した第2電動機12の回転数にもとづき、第1電動機10の回転数を演算する(ステップ110)。次に、第1電動機回転数操作手段45は第1電動機目標回転数演算手段44が演算した第1電動機目標回転数(Hz1)にもとづき、第1電動機10の回転数を操作する(ステップ120)。
Next, the first motor target rotational speed calculation means 44 is operated by the necessary capacity of the usage-
さらに、吐出温度検知手段40からの検出値(吐出温度:Td)が取り込まれる(ステップ130)。予めROM等に記憶されている目標吐出温度(目標Td)とステップ130で取り込んだ吐出温度(Td)とを比較する(ステップ140)。
Further, a detection value (discharge temperature: Td) from the discharge
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、膨張機構15、すなわち、第2電動機12の回転数(Hz2)を低下方向に操作し(ステップ150)、膨張機構15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。
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, so the rotation speed (Hz2) of the
逆に、ステップ140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膨張機構15、すなわち、第2電動機12の回転数(Hz2)を増加方向に操作し(ステップ160)、膨張機構15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。
Conversely, when the discharge temperature (Td) is higher than the target discharge temperature (target Td) in
ステップ150、あるいは、ステップ160で、第2電動機12の回転数(Hz2)を操作すると、膨張機構15の回転数だけではなく、第2圧縮機構13の回転数も変化する。このため、ステップ110にもどり、再び、利用側熱交換器能力演算手段43が演算した利用側熱交換器14の必要能力と、第2電動機回転数操作手段42が操作した第2電動機12の回転数にもとづき、第1電動機10の回転数を演算することで、第2電動機12の回転数変化による第2圧縮機構13の冷媒循環量の変化を調整する。以上のように、第1電動機10の回転数と、第2電動機12の回転数とを連携させた制御を行う。
When the rotation speed (Hz 2 ) of the second
これにより、本実施の形態の構成の冷凍サイクル装置では、従来のように流量調整弁を設けることなく、第2電動機12の回転数を調整することにより、膨張機構15を流れる冷媒循環量を調整し、望ましい高圧側圧力に調整できるので、冷凍サイクル装置を効率よく運転できる。また、従来のように冷媒循環量が少なく流量調整弁で負荷がかけられない場合でも、第2電動機12の回転数を下げることで、従来より負荷がかけられるために、冷凍サイクル装置を効率よく運転できる。
Thereby, in the refrigeration cycle apparatus having the configuration of the present embodiment, the refrigerant circulation amount flowing through the
さらに、第2電動機12の回転数を調整したのち、利用側熱交換器14の必要能力から、再度、第1圧縮機構11の回転数を調整しているために、第2圧縮機構13の回転数が変化しても、利用側熱交換器14での必要な能力を確保することができる。
Further, after adjusting the rotation speed of the second
さらに、第1圧縮機構11と第2圧縮機構13のそれぞれの圧縮室の容積が略同一である場合には、制御方法が簡略化できるので、さらに製造コストの低減ができるので望ましい。
Furthermore, when the volume of each compression chamber of the
すなわち、この場合に利用側熱交換器14での能力を同等に維持するには、例えば、ステップ150で第1電動機10の回転数を2Hz低下させた場合には、ステップ110で第2電動機12の目標回転数を2Hz増加させればよく、逆に、ステップ160で第1電動機10の回転数を2Hz増加させた場合には、ステップ110で第2電動機12の目標回転数を2Hz低下させればよいので、ステップ110での演算を簡略化できる。
That is, in this case, in order to maintain the same performance in the use-
なお、第2電動機12の回転数は、第2電動機回転数操作手段42の操作値から求めるものとして説明したが、実際の回転数をセンサ等で測定するものとしてもよいし、第2電動機目標回転数41の目標値から求めるものとしてもよい。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。
The rotation speed of the
さらに、本実施の形態の制御では、吐出温度により第2電動機12の回転数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、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、第1圧縮機構11、あるいは、第2圧縮機構13の吸入過熱度や、蒸発器17出口の過熱度を用いて制御してもよい。
Furthermore, in the control of the present embodiment, it has been described that the number of revolutions of the second
本発明の冷凍サイクル装置は、動力回収を行う膨張機構を備えた冷凍サイクル装置において、膨張機構のシリンダ容積を圧縮機構のシリンダ容積に比べて、非常に小さい容積で設計する必要がなくなり、あるいは、冷凍サイクルを最良な状態に制御するための流量調整弁などが不要となり、冷凍サイクル装置の製造コストの上昇を防止しつつ、効率の良い運転が可能である冷凍サイクル装置、すなわち、価格と性能のバランスの良い冷凍サイクル装置となるので、膨張機構15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 of the present invention, in the refrigeration cycle apparatus provided with an expansion mechanism that performs power recovery, eliminates the need to design the cylinder volume of the expansion mechanism with a very small volume compared to the cylinder volume of the compression mechanism, or A flow control valve for controlling the refrigeration cycle to the optimum state is not necessary, and a refrigeration cycle device that can operate efficiently while preventing an increase in the manufacturing cost of the refrigeration cycle device. Since it becomes a well-balanced refrigeration cycle apparatus, it can be applied to uses such as a water heater and an air conditioner equipped with the
10 第1駆動手段(第1電動機)
11 第1圧縮機構
12 第2駆動手段(第2電動機)
13 第2圧縮機構
14 利用側熱交換器(放熱器、給湯用熱交換器)
14a 冷媒流路
14b 流体流路
15 膨張機構
16 熱源側流体搬送手段(送風装置、ファン)
17 熱源側熱交換器(蒸発器)
20 第1の軸
21 第2の軸
30 第1密閉容器
31 第2密閉容器
32 均油管
33 均圧管
40 吐出温度検出手段
41 第2電動機目標回転数演算手段
42 第2電動機回転数操作手段
43 利用側熱交換器能力演算手段
44 第1電動機目標回転数演算手段
45 第1電動機回転数操作手段
60 利用側流体搬送手段(給水ポンプ)
61 給湯タンク
A 冷媒回路
B 流体回路
10 First driving means (first electric motor)
11
13
14a
17 Heat source side heat exchanger (evaporator)
DESCRIPTION OF
61 Hot water tank A Refrigerant circuit B Fluid circuit
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