JP2008106668A - Expander, expander-integrated compressor and refrigeration cycle device using same - Google Patents
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Description
本発明は、膨張機、膨張機一体型圧縮機、およびそれを用いた冷凍サイクル装置に関するものである。 The present invention relates to an expander, an expander-integrated compressor, and a refrigeration cycle apparatus using the expander.
以前より、膨張機において発生する作動流体の膨張エネルギーを回収し、圧縮機において作動流体の圧縮に利用する動力回収式の冷凍サイクル装置が提案されている。また、そのような冷凍サイクル装置として、膨張機と圧縮機とを回転軸で連結した膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクル装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。 A power recovery type refrigeration cycle apparatus that recovers expansion energy of a working fluid generated in an expander and uses it for compression of the working fluid in a compressor has been proposed. As such a refrigeration cycle apparatus, a refrigeration cycle apparatus using an expander-integrated compressor in which an expander and a compressor are connected by a rotating shaft is known (for example, see Patent Document 1).
一般に、上述のような膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクル装置は、圧縮機と、放熱器と、膨張機と、蒸発器とを順次接続する冷媒回路を備えており、この冷媒回路中の圧縮機と膨張機とが回転軸により連結されている。また、回転軸の圧縮機と膨張機との間には、回転軸を回転駆動する電動機が設けられている。作動流体は、圧縮機において中温低圧の状態から高温高圧の状態へと圧縮された後、放熱器において中温高圧状態へと冷却される。そして、膨張機において低温低圧状態へと膨張した後、蒸発器で加熱されて中温低圧状態に戻る。膨張機は、作動流体の膨張エネルギーを回収して回転軸を回転させる回転エネルギーに変換する。この回転エネルギーは圧縮機を駆動する仕事の一部として利用され、その結果、電動機の動力が低減されることとなる。 In general, a refrigeration cycle apparatus using an expander-integrated compressor as described above includes a refrigerant circuit that sequentially connects a compressor, a radiator, an expander, and an evaporator. The compressor and the expander are connected by a rotating shaft. In addition, an electric motor that rotationally drives the rotating shaft is provided between the compressor and the expander of the rotating shaft. The working fluid is compressed from a medium temperature and low pressure state to a high temperature and high pressure state in a compressor, and then cooled to a medium temperature and high pressure state in a radiator. And after expanding to a low temperature low pressure state in an expander, it is heated with an evaporator and returns to a medium temperature low pressure state. The expander recovers the expansion energy of the working fluid and converts it into rotational energy that rotates the rotating shaft. This rotational energy is used as part of the work for driving the compressor, and as a result, the power of the electric motor is reduced.
ここで、圧縮機において圧縮室が流入側から遮断された直後における該圧縮室の容積をVcs、膨張機において膨張室が流入側から遮断された直後における該膨張室の容積をVes、回転軸の回転数をNとすると、圧縮機の吸入側での作動流体の体積流量は(Vcs×N)となり、膨張機の吸入側での作動流体の体積流量は(Ves×N)となる。圧縮機での質量流量と膨張機での質量流量とは等しく、この質量流量をGとすると、圧縮機の吸入側での作動流体の密度は{G/(Vcs×N)}となり、膨張機の吸入側での作動流体の密度は{G/(Ves×N)}となる。これらの式より、圧縮機の吸入側での作動流体の密度と膨張機の吸入側の作動流体の密度との比(密度比)は、{G/(Vcs×N)}/{G/(Ves×N)}、すなわち、(Ves/Vcs)となり、一定値に拘束される。 Here, the volume of the compression chamber immediately after the compression chamber is shut off from the inflow side in the compressor is Vcs, the volume of the expansion chamber immediately after the expansion chamber is shut off from the inflow side in the expander is Ves, When the rotation speed is N, the volume flow rate of the working fluid on the suction side of the compressor is (Vcs × N), and the volume flow rate of the working fluid on the suction side of the expander is (Ves × N). The mass flow rate in the compressor is equal to the mass flow rate in the expander. If this mass flow rate is G, the density of the working fluid on the suction side of the compressor is {G / (Vcs × N)}. The density of the working fluid on the suction side is {G / (Ves × N)}. From these equations, the ratio (density ratio) between the density of the working fluid on the suction side of the compressor and the density of the working fluid on the suction side of the expander is {G / (Vcs × N)} / {G / ( Ves × N)}, that is, (Ves / Vcs), and is restricted to a constant value.
上記冷凍サイクル装置のように、圧縮機の吸入側と膨張機の吸入側とにおける作動流体の密度比が一定値に拘束されると、冷凍サイクルの自由な制御が阻害される。具体的には、冷凍サイクル装置は、所定の熱源温度において、高圧側圧力(圧縮機から吐出され膨張機に吸入されるまでの作動流体の圧力)が最適圧力(成績係数COPが最大となる圧力)となるように設計されている。一方で、冷凍サイクルの高圧側圧力および低圧側圧力(膨張機から吐出され圧縮機に吸入されるまでの作動流体の圧力)は、冷却対象や放熱対象の温度変化等の運転条件により変化する。そのため、運転条件により圧縮機の吸入側の作動流体の密度と、膨張機の吸入側の作動流体の密度との比は変動する。しかし、上述の冷凍サイクル装置では、密度比が一定値(Ves/Vcs)に拘束されるため、作動流体の温度と圧力とを自由に制御できない。そのため、運転条件が所定のものから外れると、膨張機がいわゆる過膨張や膨張不足の状態となり、膨張機において作動流体の膨張エネルギーを効率良く回収できないという問題があった。 As in the refrigeration cycle apparatus, when the density ratio of the working fluid on the suction side of the compressor and the suction side of the expander is restricted to a constant value, free control of the refrigeration cycle is hindered. Specifically, in the refrigeration cycle apparatus, at a predetermined heat source temperature, the high pressure side pressure (pressure of the working fluid from the compressor being discharged to the expander) is the optimum pressure (pressure at which the coefficient of performance COP is maximized) ). On the other hand, the high-pressure side pressure and the low-pressure side pressure of the refrigeration cycle (the pressure of the working fluid until it is discharged from the expander and sucked into the compressor) vary depending on operating conditions such as the temperature change of the cooling target and the heat dissipation target. Therefore, the ratio between the density of the working fluid on the suction side of the compressor and the density of the working fluid on the suction side of the expander varies depending on the operating conditions. However, in the above-described refrigeration cycle apparatus, the density ratio is restricted to a constant value (Ves / Vcs), so the temperature and pressure of the working fluid cannot be freely controlled. For this reason, when the operating condition deviates from a predetermined value, the expander is in a so-called overexpansion or underexpansion state, and there is a problem in that the expansion energy of the working fluid cannot be efficiently recovered in the expander.
また、このような問題は、膨張機一体型圧縮機だけではなく、分離型の圧縮機および膨張機を用いた動力回収式の冷凍サイクル装置においても発生する。分離型の膨張機を用いる場合、作動流体の膨張エネルギーは、膨張機に接続された発電機により回収される。発電機の発電効率は定格回転数から離れるほど低下するため、発電機は定格回転数の近傍で運転することが望ましい。しかし、冷凍サイクルでは、作動流体の循環量や密度が運転条件に応じて変化するため、発電機を定格回転数の近傍に保ち続けることは困難である。このため、分離型の膨張機においても、運転条件が所定のものから外れると、膨張機において作動流体の膨張エネルギーを効率良く回収できないという問題があった。 Such a problem occurs not only in the expander-integrated compressor, but also in a power recovery type refrigeration cycle apparatus using a separate compressor and expander. When a separation type expander is used, the expansion energy of the working fluid is recovered by a generator connected to the expander. Since the power generation efficiency of the generator decreases as it goes away from the rated speed, it is desirable that the generator be operated near the rated speed. However, in the refrigeration cycle, since the circulation amount and density of the working fluid change according to the operating conditions, it is difficult to keep the generator close to the rated rotational speed. For this reason, even in the separation type expander, there is a problem in that the expansion energy of the working fluid cannot be efficiently recovered in the expander when the operating condition deviates from a predetermined one.
そこで、膨張機の膨張室に、膨張室と連通する補助室を設け、運転条件に応じて補助室の容積を変更することにより膨張機の容積自体を変更可能とする膨張機が提案されている(例えば、特許文献2参照)。当該膨張機では、運転条件に応じて膨張機の容積を変更することにより、膨張機において作動流体の膨張エネルギーを効率良く回収することとしている。
しかしながら、特許文献2に開示された膨張機では、吸入過程、膨張過程、吐出過程からなる1サイクルを行う間、補助室が常に存在する。これにより、膨張過程が終了した後も補助室内の作動流体は排出されずに残留してしまう。そのため、補助室は、以降のサイクルにおいて、実質的には膨張機の容積(吸入容積)を拡大することに寄与せず、デッドボリュームとなる。したがって、上記膨張機では、実質的には作動流体の膨張エネルギーを効率よく回収できないという問題があった。
However, in the expander disclosed in
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、動力回収式の冷凍サイクル装置において、作動流体の膨張エネルギーを効率よく回収することにある。 The present invention has been made in view of such points, and an object of the present invention is to efficiently recover expansion energy of a working fluid in a power recovery type refrigeration cycle apparatus.
本発明に係る膨張機は、冷凍サイクル装置に用いられる膨張機であって、作動流体を流通させる流体室と、前記流体室の吸入容積を変更自在な容積変更装置と、を備え、前記容積変更装置は、前記流体室に作動流体を吸入する吸入過程と、吸入した作動流体を膨張させる膨張過程と、膨張後の作動流体を前記流体室の外部へ吐出する吐出過程とからなる1サイクルが行われる間に、前記流体室の容積を増減させるものである。 An expander according to the present invention is an expander used in a refrigeration cycle apparatus, and includes a fluid chamber for circulating a working fluid, and a volume changing device capable of changing a suction volume of the fluid chamber, and the volume change. The apparatus performs one cycle including a suction process for sucking the working fluid into the fluid chamber, an expansion process for expanding the sucked working fluid, and a discharge process for discharging the expanded working fluid to the outside of the fluid chamber. During this time, the volume of the fluid chamber is increased or decreased.
ここで、吸入容積とは、吸入過程終了時点における流体室の容積をいう。 Here, the suction volume refers to the volume of the fluid chamber at the end of the suction process.
上記膨張機は、流体室の吸入容積を変更する容積変更装置を備えている。そのため、上記膨張機によれば、流体室の吸入容積を運転条件に応じて変更することにより、作動流体の膨張エネルギーを効率良く回収することができる。加えて、本膨張機は、1サイクルが行われる間に流体室の容積を増減可能に構成されているため、従来の膨張機のようにデッドボリュームを生じさせることなく(またはデッドボリュームを抑えつつ)、流体室の吸入容積の増減が可能となる。 The expander includes a volume changing device that changes the suction volume of the fluid chamber. Therefore, according to the expander, the expansion energy of the working fluid can be efficiently recovered by changing the suction volume of the fluid chamber according to the operating conditions. In addition, since the present expander is configured so that the volume of the fluid chamber can be increased or decreased during one cycle, it does not cause a dead volume (or suppresses the dead volume as in a conventional expander). ), The suction volume of the fluid chamber can be increased or decreased.
前記流体室は、主流体室と、前記主流体室に連通可能に構成された可変容積室とを備え、前記可変容積室は、前記吸入過程中に容積が増大し、前記膨張過程中または前記吐出過程中に容積が減少して零または最小となることが好ましい。 The fluid chamber includes a main fluid chamber and a variable volume chamber configured to be able to communicate with the main fluid chamber, and the variable volume chamber increases in volume during the suction process, Preferably, the volume decreases to zero or minimum during the discharge process.
上記膨張機によれば、吸入過程中に可変容積室の容積が増大することによって、吸入容積が変更される。また、膨張過程中または吐出過程中に容積が減少することによって、デッドボリュームが抑制される。 According to the expander, the suction volume is changed by increasing the volume of the variable volume chamber during the suction process. In addition, dead volume is suppressed by reducing the volume during the expansion process or the discharge process.
前記流体室は、主流体室と、前記主流体室に連通可能に構成された可変容積室とを備え、前記可変容積室は、前記吸入過程中に前記主流体室と連通状態となって容積が増大し、前記膨張過程中に、前記主流体室と連通しつつ容積が減少した後、前記主流体室と非連通状態となる以前に容積が零または最小となり、前記吐出過程中には前記主流体室との非連通状態を維持することが好ましい。 The fluid chamber includes a main fluid chamber and a variable volume chamber configured to be able to communicate with the main fluid chamber, and the variable volume chamber is in communication with the main fluid chamber during the suction process. After the volume is reduced while communicating with the main fluid chamber during the expansion process, the volume becomes zero or minimum before the main fluid chamber is not in communication with the main fluid chamber. It is preferable to maintain a non-communication state with the main fluid chamber.
上記膨張機によれば、可変容積室は、吸入過程中、可変容積室と流体室とが連通すると発生し、膨張過程中、可変容積室と流体室とが非連通状態となるまでに消滅または最小化する。そのため、可変容積室と流体室とが非連通の状態の際に、可変容積室内に作動流体が残存することを防止することができる。したがって、上記膨張機によれば、従来の膨張機のように、流体室の容積(吸入容積)を運転条件に応じて変更しても、可変容積室内に残存する作動流体によりデッドボリュームとなることがなく、作動流体の膨張エネルギーを効率良く回収することができる。 According to the expander, the variable volume chamber is generated when the variable volume chamber and the fluid chamber communicate with each other during the suction process, and disappears or disappears before the variable volume chamber and the fluid chamber are disconnected from each other during the expansion process. Minimize. Therefore, it is possible to prevent the working fluid from remaining in the variable volume chamber when the variable volume chamber and the fluid chamber are not in communication. Therefore, according to the above expander, even if the volume of the fluid chamber (suction volume) is changed according to the operating conditions as in the conventional expander, the dead volume is caused by the working fluid remaining in the variable volume chamber. The expansion energy of the working fluid can be recovered efficiently.
前記流体室と連通する補助室を備え、前記容積変更装置は、前記補助室を、前記可変容積室と流体が封入された背圧室とに仕切るピストンと、前記背圧室内の圧力を制御する制御装置と、を備えていることが好ましい。 An auxiliary chamber communicating with the fluid chamber is provided, and the volume changing device controls a piston that partitions the auxiliary chamber into the variable volume chamber and a back pressure chamber filled with fluid, and a pressure in the back pressure chamber. And a control device.
このことにより、簡単な構成により、可変容積室を形成することができる。また、本膨張機によれば、背圧室内の圧力を制御することによって、可変容積室の容積を自動的に増減させることができる。 Thus, the variable volume chamber can be formed with a simple configuration. Further, according to the present expander, the volume of the variable volume chamber can be automatically increased or decreased by controlling the pressure in the back pressure chamber.
前記制御装置は、前記可変容積室の容積が零または最小となる際における前記背圧室内の圧力を、前記流体室に吸入される作動流体の圧力より低く、かつ、前記流体室から吐出される作動流体の圧力より高い圧力に制御することが好ましい。 The control device is configured such that the pressure in the back pressure chamber when the volume of the variable volume chamber becomes zero or minimum is lower than the pressure of the working fluid sucked into the fluid chamber and is discharged from the fluid chamber. It is preferable to control the pressure higher than the pressure of the working fluid.
このことにより、容積変更装置は、1サイクルが行われる間に自動的に流体室の容積を変更することが可能となる。また、簡単な構成により、デッドボリュームを生じることなく、流体室の容積(吸入容積)を増加させることができる。 Thus, the volume changing device can automatically change the volume of the fluid chamber while one cycle is performed. Further, the volume of the fluid chamber (suction volume) can be increased without causing a dead volume with a simple configuration.
前記背圧室には、前記流体室に吸入される作動流体の一部が供給されることが好ましい。 It is preferable that a part of the working fluid sucked into the fluid chamber is supplied to the back pressure chamber.
このことにより、別途新たに流体供給装置を設けることなく、背圧室に流体を供給し、流体室の容積(吸入容積)を増減させることが可能となる。 As a result, it is possible to increase or decrease the volume (suction volume) of the fluid chamber by supplying fluid to the back pressure chamber without providing a separate fluid supply device.
前記補助室には、前記ピストンが所定の位置から前記流体室とは反対側方向へ移動しないように規制するストッパが設けられ、前記ストッパは、前記ピストンの移動方向に位置調節可能に構成されていることが好ましい。 The auxiliary chamber is provided with a stopper for restricting the piston from moving in a direction opposite to the fluid chamber from a predetermined position, and the stopper is configured to be adjustable in the moving direction of the piston. Preferably it is.
上記膨張機によれば、ピストンのストローク量を自在に変更することができる。これにより、可変容積室による流体室の容積の追加分を自在に変更することができる。したがって、吸入容積を自由に変更することができる。 According to the expander, the stroke amount of the piston can be freely changed. Thus, the additional volume of the fluid chamber by the variable volume chamber can be freely changed. Therefore, the suction volume can be changed freely.
前記容積変更装置は、前記ピストンを前記流体室方向に付勢する付勢装置を備えていることが好ましい。 The volume changing device preferably includes a biasing device that biases the piston toward the fluid chamber.
このことにより、弾性体を設けない場合より背圧室内の流体の圧力を下げることが可能となる。 This makes it possible to lower the pressure of the fluid in the back pressure chamber than when no elastic body is provided.
前記付勢装置は、前記ピストンの前記背圧室側に設けられたコイルばねであることが好ましい。 The urging device is preferably a coil spring provided on the back pressure chamber side of the piston.
このことにより、簡単な構成によりピストンを付勢することが可能となる。 This makes it possible to bias the piston with a simple configuration.
前記膨張機は、前記容積変更装置を複数備えていることが好ましい。 The expander preferably includes a plurality of the volume changing devices.
上記膨張機によれば、例えば、容積変更装置の稼動数を変更することにより、流体室の容積(吸入容積)の増加量を変更することができる。そのため、運転状態に応じて吸入容積を適宜変更することが可能となる。したがって、当該膨張機を組み込んだ冷凍サイクル装置に対して高度な制御を行うことが可能となる。 According to the expander, for example, the amount of increase in the volume of the fluid chamber (suction volume) can be changed by changing the number of operations of the volume changing device. Therefore, the suction volume can be changed as appropriate according to the operating state. Therefore, advanced control can be performed on the refrigeration cycle apparatus incorporating the expander.
前記膨張機は、内周面を有するシリンダと、前記シリンダ内に偏心した状態で回転自在に配設された筒状のピストンと、を備え、前記主流体室は、前記シリンダの内周面と前記筒状のピストンの外周面との間に区画されていることが好ましい。 The expander includes a cylinder having an inner peripheral surface, and a cylindrical piston rotatably disposed in an eccentric state in the cylinder, and the main fluid chamber includes an inner peripheral surface of the cylinder. It is preferable to partition between the outer peripheral surface of the cylindrical piston.
このことにより、デッドボリュームを生じさせることなく、吸入容積の変更が可能なロータリ式の膨張機を提供することができる。 As a result, it is possible to provide a rotary expander capable of changing the suction volume without causing a dead volume.
前記膨張機は、平板部材に渦巻状のラップが形成された一対のスクロール部材を備え、前記一対のスクロール部材は、互いのラップが噛み合わさるように配置され、前記主流体室は、前記一対のスクロール部材の互いのラップの間に区画されていることが好ましい。 The expander includes a pair of scroll members in which spiral wraps are formed on a flat plate member, the pair of scroll members are arranged so that the laps mesh with each other, and the main fluid chamber includes the pair of scroll members. It is preferable that the scroll member is partitioned between the wraps.
このことにより、デッドボリュームを生じさせることなく、吸入容積の変更が可能なスクロール式の膨張機を提供することができる。 As a result, it is possible to provide a scroll type expander capable of changing the suction volume without causing a dead volume.
前記作動流体は二酸化炭素であってもよい。 The working fluid may be carbon dioxide.
一般的に、冷凍サイクル装置の作動流体として二酸化炭素を用いた場合、冷凍効率(COP)はフロン等を作動流体としたものに比べ低下する。しかし、上記膨張機によれば、デッドボリュームを生じることなく、流体室の容積(吸入容積)を増減させることができるため、作動流体の膨張エネルギーを効率良く回収することができる。そのため、上記膨張機を用いると、作動流体として二酸化炭素を用いても、冷凍サイクル装置の冷凍効率を高く維持することが可能となる。 Generally, when carbon dioxide is used as the working fluid of the refrigeration cycle apparatus, the refrigeration efficiency (COP) is lower than that using chlorofluorocarbon or the like as the working fluid. However, according to the expander, the volume (suction volume) of the fluid chamber can be increased / decreased without causing a dead volume, so that the expansion energy of the working fluid can be efficiently recovered. Therefore, when the expander is used, the refrigeration efficiency of the refrigeration cycle apparatus can be maintained high even if carbon dioxide is used as the working fluid.
本発明に係る膨張機一体型圧縮機は、前記作動流体を圧縮する圧縮機と、前記膨張機と、前記圧縮機と前記膨張機とを連結する回転軸と、を備えたものである。 An expander-integrated compressor according to the present invention includes a compressor that compresses the working fluid, the expander, and a rotary shaft that connects the compressor and the expander.
上記膨張機一体型圧縮機によれば、膨張機の膨張エネルギーを効率よく回収し、圧縮機の圧縮に利用することが可能となる。 According to the expander-integrated compressor, the expansion energy of the expander can be efficiently recovered and used for compression of the compressor.
本発明に係る冷凍サイクル装置は、前記作動流体を圧縮する圧縮機と、前記膨張機と、前記圧縮機によって圧縮された作動流体を導く第1流路と、前記第1流路によって導かれた作動流体を放熱させる放熱器と、前記放熱器から前記膨張機に作動流体を導く第2流路と、前記膨張機で膨張した作動流体を導く第3流路と、前記第3流路によって導かれた作動流体を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器から前記圧縮機に作動流体を導く第4流路と、を備えたものである。 The refrigeration cycle apparatus according to the present invention is guided by the compressor that compresses the working fluid, the expander, a first flow path that guides the working fluid compressed by the compressor, and the first flow path. A heat radiator that radiates the working fluid, a second channel that guides the working fluid from the radiator to the expander, a third channel that guides the working fluid expanded by the expander, and the third channel An evaporator for evaporating the working fluid, and a fourth flow path for guiding the working fluid from the evaporator to the compressor.
上記冷凍サイクル装置によれば、作動流体の膨張エネルギーを効率よく回収することが可能となる。 According to the refrigeration cycle apparatus, it is possible to efficiently recover the expansion energy of the working fluid.
本発明に係る冷凍サイクル装置は、前記膨張機一体型圧縮機と、前記膨張機一体型圧縮機の前記圧縮機によって圧縮された作動流体を導く第1流路と、前記第1流路によって導かれた作動流体を放熱させる放熱器と、前記放熱器から前記膨張機一体型圧縮機の前記膨張機に作動流体を導く第2流路と、前記膨張機で膨張した作動流体を導く第3流路と、前記第3流路によって導かれた作動流体を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器から前記圧縮機に作動流体を導く第4流路と、を備えたものである。 The refrigeration cycle apparatus according to the present invention includes the expander-integrated compressor, a first flow path for guiding a working fluid compressed by the compressor of the expander-integrated compressor, and the first flow path. A radiator for radiating the working fluid, a second flow path for guiding the working fluid from the radiator to the expander of the expander-integrated compressor, and a third flow for guiding the working fluid expanded by the expander A passage, an evaporator for evaporating the working fluid guided by the third flow path, and a fourth flow path for guiding the working fluid from the evaporator to the compressor.
上記冷凍サイクル装置によれば、作動流体の膨張エネルギーを効率よく回収することが可能となる。 According to the refrigeration cycle apparatus, it is possible to efficiently recover the expansion energy of the working fluid.
本発明に係る冷凍サイクル装置は、前記第1流路を流れる作動流体の圧力を検知する圧力センサを備え、前記膨張機の前記制御装置は、前記圧力センサが検知する圧力に基づき、前記第1流路を流れる作動流体の圧力が所定の圧力となるように、前記背圧室内の圧力を制御するものである。 The refrigeration cycle apparatus according to the present invention includes a pressure sensor that detects the pressure of the working fluid flowing through the first flow path, and the control device of the expander is configured to perform the first operation based on the pressure detected by the pressure sensor. The pressure in the back pressure chamber is controlled so that the pressure of the working fluid flowing through the flow path becomes a predetermined pressure.
上記冷凍サイクル装置によれば、第1流路を流れる作動流体の圧力を好ましい圧力に保つことが可能となる。これにより、作動流体の膨張エネルギーを効率よく回収することが可能となり、冷凍効率のよい冷凍サイクル装置を提供することができる。 According to the refrigeration cycle apparatus, it is possible to maintain the pressure of the working fluid flowing through the first flow path at a preferable pressure. Thereby, it becomes possible to collect | recover efficiently the expansion energy of a working fluid, and the refrigeration cycle apparatus with sufficient refrigeration efficiency can be provided.
本発明に係る冷凍サイクル装置は、前記第1流路を流れる作動流体の温度を検知する温度センサを備え、前記膨張機の前記制御装置は、前記温度センサが検知する温度に基づき、前記第1流路を流れる作動流体の温度が所定の温度となるように、前記背圧室内の圧力を制御するものである。 The refrigeration cycle apparatus according to the present invention includes a temperature sensor that detects a temperature of the working fluid that flows through the first flow path, and the control device of the expander is configured based on the temperature detected by the temperature sensor. The pressure in the back pressure chamber is controlled so that the temperature of the working fluid flowing through the flow path becomes a predetermined temperature.
上記冷凍サイクル装置によれば、第1流路を流れる作動流体の温度を好ましい温度に保つことが可能となる。これにより、作動流体の膨張エネルギーを効率よく回収することが可能となり、冷凍効率のよい冷凍サイクル装置を提供することができる。 According to the refrigeration cycle apparatus, it is possible to maintain the temperature of the working fluid flowing through the first flow path at a preferable temperature. Thereby, it becomes possible to collect | recover efficiently the expansion energy of a working fluid, and the refrigeration cycle apparatus with sufficient refrigeration efficiency can be provided.
以上のように、本発明によれば、動力回収式の冷凍サイクル装置において、作動流体の膨張エネルギーを効率よく回収することが可能となる。 As described above, according to the present invention, in the power recovery type refrigeration cycle apparatus, it is possible to efficiently recover the expansion energy of the working fluid.
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。 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は冷凍サイクル装置の冷媒回路1を示している。冷媒回路1には、圧縮機2と放熱器3と膨張機4と蒸発器5とが順次接続されている。本実施形態の圧縮機2と膨張機4とは回転軸6により連結され、膨張機一体型圧縮機7を構成している。圧縮機2は、吸入管8を介して蒸発器5に接続されるとともに、吐出管9を介して放熱器3に接続されている。膨張機4は、吸入管10を介して放熱器3に接続されるとともに、吐出管11を介して蒸発器5に接続されている。また、吸入管10からは配管12が分岐しており、配管12は膨張機4に接続されている。配管12の中途部には、配管12内の作動流体の圧力を減ずる減圧弁13が設けられており、減圧弁13は制御装置14により開閉制御される。また、吐出管9には、圧縮機2から吐出された作動流体の圧力を検知する圧力センサ15が設けられている。圧力センサ15は、制御装置14に接続されている。
(First embodiment)
FIG. 1 shows a refrigerant circuit 1 of a refrigeration cycle apparatus. A
この冷媒回路1には、高圧部分(圧縮機2から放熱器3を経て膨張機4に至る部分)において超臨界状態となる作動流体が充填されている。本実施形態では、そのような作動流体として二酸化炭素(CO2)が充填されている。ただし、作動流体の種類は特に限定されるものではない。冷媒回路1の作動流体は、運転時に超臨界状態とならない作動流体(例えばフロン系の作動流体等)であってもよい。
The refrigerant circuit 1 is filled with a working fluid that becomes a supercritical state in a high-pressure portion (portion from the
また、膨張機一体型圧縮機7が組み込まれる冷媒回路は、作動流体を一方向にのみ流通させる冷媒回路1に限られない。膨張機一体型圧縮機7は、作動流体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、膨張機一体型圧縮機7は、四方弁等を有することによって暖房運転および冷房運転の可能な冷媒回路に設けられていてもよい。
Further, the refrigerant circuit in which the expander-integrated
図2に示すように、膨張機一体型圧縮機7の圧縮機2および膨張機4は、密閉容器50の内部に収容されている。前述のように、圧縮機2と膨張機4とは回転軸6によって連結されており、圧縮機2と膨張機4との間には電動機23が設けられている。
As shown in FIG. 2, the
まず、膨張機4の構成を説明する。膨張機4は、下軸受42と第1膨張部30aと第2膨張部30bと上軸受41とを備えている。第1膨張部30aは、第2膨張部30bよりも下方に配置されている。また、上軸受41は、第2膨張部30bの上方に配置され、下軸受42は、第1膨張部30aの下方に配置されている。
First, the configuration of the
図3(a)に示すように、第1膨張部30aは、ロータリ式の膨張機であり、略円筒状のシリンダ31aと、シリンダ31a内に挿入された円筒状のピストン32aとを備えている。シリンダ31aの内周面とピストン32aの外周面との間には、第1流体室33aが区画されている。シリンダ31aには、第1流体室33aと連通する補助室81が設けられている。また、シリンダ31aには、径方向外側向きに延びるベーン溝34cが形成され、このベーン溝34cにはベーン34aが摺動可能に挿入されている。また、シリンダ31aのベーン34aの背面側(径方向外側)には、ベーン溝34cと連通し、径方向外側向きに延びる背面室34hが形成されている。背面室34hには、ベーン34aをピストン32aに向かって付勢するばね35aが設けられている。ベーン34aは、第1流体室33aを高圧側の流体室H1と低圧側の流体室L1とに仕切っている。
As shown in FIG. 3A, the
図3(b)に示すように、第2膨張部30bは、第1膨張部30aとほぼ同様の構成を有している。すなわち、第2膨張部30bもロータリ式の膨張機であり、略円筒状のシリンダ31bと、シリンダ31b内に挿入された円筒状のピストン32bとを備えている。シリンダ31bの内周面とピストン32bの外周面との間には、第2流体室33bが区画されている。シリンダ31bにも、径方向外側向きに延びるベーン溝34dが形成され、このベーン溝34dにはベーン34bが摺動可能に挿入されている。また、シリンダ31bのベーン34bの背面側には、ベーン溝34dと連通し、径方向外側向きに延びる背面室34iが形成されている。背面室34iには、ベーン34bをピストン32bに向かって付勢するばね35bが設けられている。ベーン34bは、第2流体室33bを高圧側の流体室H2と低圧側の流体室L2とに仕切っている。第2流体室33bは、第1流体室33aと共に膨張機4の主流体室33cを形成する。
As shown in FIG. 3B, the
図2に示すように、第1膨張部30aと第2膨張部30bとは、仕切板39によって仕切られている。仕切板39は、第1膨張部30aのシリンダ31aおよびピストン32aの上方を覆っており、第1流体室33aの上側を区画している。また、仕切板39は、第2膨張部30bのシリンダ31bおよびピストン32bの下方を覆っており、第2流体室33bの下側を区画している。
As shown in FIG. 2, the
仕切板39には、第1流体室33aの低圧側の流体室L1と第2流体室33bの高圧側の流体室H2とを連通させる連通孔40が形成されている(図3(a),(b)参照)。なお、本実施形態では、第1流体室33aの低圧側の流体室L1と、第2流体室33bの高圧側の流体室H2とは、連通孔40を通じて一つの膨張室を形成している。すなわち、高圧の作動流体は、第1流体室33aの高圧側の流体室H1に流入した後、第1流体室33aの低圧側の流体室L1と連通孔40と第2流体室33bの高圧側の流体室H2とによって形成される一つの膨張室において回転軸6を回転させながら膨張して低圧になる。そして、作動流体はやがて第2流体室33bの低圧側の流体室L2から吐出管11に吐出される。
The partition plate 39 is formed with a
図2に示すように、第2膨張部30bの上部には、上軸受41が設けられている。上軸受41は、第2膨張部30bのシリンダ31bおよびピストン32bの上方を閉塞しており、第2流体室33bの上側を区画している。また、上軸受41には吐出孔11aが形成されている(図3(b)参照)。吐出孔11aには吐出管11の一端が接続されている。一方、第1膨張部30aの下部には、下軸受42が設けられている。下軸受42は、回転軸6の下端部を支持している。また、下軸受42は、第1膨張部30aのシリンダ31aおよびピストン32aの下方を閉塞しており、第1流体室33aの下側を区画している。また、下軸受42には吸入孔10aが形成されている(図3(a)参照)。吸入孔10aには吸入管10の一端が接続されている。
As shown in FIG. 2, an upper bearing 41 is provided on the upper portion of the
また、図3(a)に示すように、膨張機4には、膨張機4内において作動流体を流通させる流体室37の吸入容積を変更する容積変更装置80が設けられている。ここで、流体室37とは、前述の主流体室33cと、後述する可変容積室83とにより形成される室を指す。容積変更装置80は、シリンダ31aに設けられた補助室81を流体が封入された背圧室82と第1流体室33aと連通する可変容積室83とに仕切るピストン84と、背圧室82内に封入された流体の圧力を制御する制御装置14とを備えている。背圧室82には前述した配管12が接続されており、放熱器3から流出した作動流体の一部が封入される。背圧室82内の圧力は、制御装置14によって制御されるが、具体的な制御については、後述する。
Further, as shown in FIG. 3A, the
図3(a)に示すように、補助室81の第1流体室33a側端部は、ピストン84が第1流体室33a内に進入しないように、他端部よりも小径に設計されている。また、ピストン84の第1流体室33a側端部は、補助室81の第1流体室33a側端部と隙間なく係合するように同形状に形成されている。
As shown in FIG. 3A, the first
ピストン84の第1流体室33a側の端面には、第1流体室33a内の圧力が作用し、他方の端面には、背圧室82内の圧力が作用する。すなわち、補助室81内におけるピストン84の位置は、これらの圧力のバランスにより定まる。例えば、第1流体室33a内の圧力が、背圧室82内の圧力よりも大きい場合には、ピストン84は第1流体室33aと反対側方向(以下、後方と称する)へ移動する。一方、第1流体室33a内の圧力が、背圧室82内の圧力よりも小さい場合には、ピストン84は第1流体室33a側方向(以下、前方と称する)へ移動する。そして、ピストン84は、第1流体室33a内の圧力と背圧室82内の圧力とが等しい位置、または、補助室81の前端部若しくは補助室81の後端部において停止する。そのため、制御装置14により、背圧室82内の圧力を調整することにより、可変容積室83の容積ひいては流体室37の容積を変更することができる。
The pressure in the first
次に圧縮機2の構成について説明する。本実施形態では、圧縮機2はスクロール式圧縮機である。なお、圧縮機2の形式等は何ら限定されない。圧縮機2として、例えば、ロータリ式圧縮機等を好適に用いることも可能である。
Next, the configuration of the
図2に示すように、圧縮機2は、密閉容器50に溶接等により接合されている。圧縮機2は、固定スクロール51と、固定スクロール51と軸方向に対向する可動スクロール52と、回転軸6の上端部を支持する軸受53とを備えている。固定スクロール51には、渦巻形状(例えばインボリュート形状等)のラップ54が形成されている。可動スクロール52には、固定スクロール51のラップ54と噛み合うラップ57が形成されている。これらラップ54およびラップ57の間に、渦巻状の圧縮室58が区画されている。固定スクロール51の中央部には、吐出孔55が設けられている。可動スクロール52の下側には、可動スクロール52の回転を防止するオルダムリング60が配置されている。回転軸6の上端部は偏心しており、可動スクロール52は偏心した回転軸6の上端部に支持されている。そのため、可動スクロール52は、回転軸6の軸心から偏心した状態で旋回する。
As shown in FIG. 2, the
固定スクロール51の上側には、カバー62が設けられている。固定スクロール51および軸受53の内部には、作動流体を流通させる上下に延びる吐出路61が形成されている。また、固定スクロール51および軸受53の外側には、作動流体を流通させる上下に延びる流通路63が形成されている。このような構成により、吐出孔55から吐出された作動流体は、カバー62内の空間にいったん吐出された後、吐出路61を通じて圧縮機2の下方に吐出される。そして、圧縮機2の下方の作動流体は、流通路63を通じて圧縮機2の上方に導かれる。
A cover 62 is provided on the upper side of the fixed scroll 51. Inside the fixed scroll 51 and the
吸入管8は、密閉容器50の側部を貫通し、固定スクロール51に接続されている。これにより、吸入管8は圧縮機2の吸入側に接続されている。吐出管9は、密閉容器50の上部に接続されている。吐出管9の一端は、密閉容器50内の圧縮機2の上方の空間に開口している。
The
電動機23は、回転軸6の中途部に固定された回転子71と、回転子71の外周側に配置された固定子72とから構成されている。固定子72は、密閉容器50の側部の内壁に固定されている。固定子72は、モータ配線(図示せず)を介して端子(図示せず)に接続されている。この電動機23によって、回転軸6が駆動される。
The
次に、膨張機一体型圧縮機7の動作を説明する。本膨張機一体型圧縮機7では、電動機23が駆動されると、回転軸6が回転する。
Next, the operation of the expander-integrated
圧縮機2の動作について説明する。まず、回転軸6の回転に伴って可動スクロール52が旋回する。これにより、吸入管8から冷媒が吸入される。吸入された低圧の冷媒は、圧縮室58で圧縮された後、高圧の冷媒となって吐出孔55から吐出される。そして、吐出孔55から吐出された冷媒は、吐出路61および流通路63を通じて圧縮機2の上方に導かれ、吐出管9を通じて密閉容器50の外部に吐出される。
The operation of the
次に、膨張機4の動作について説明する。まず、回転軸6の回転に従って、ピストン32a,32bが旋回する。これにより、吸入管10から吸入された高圧の冷媒は、吸入孔10aを通じて第1流体室33aに流入する。第1流体室33aに流入した高圧の冷媒は、第1流体室33aの低圧側の流体室L1と連通孔40と第2流体室33bの高圧側の流体室H2とによって形成される一つの膨張室内で膨張し、低圧の冷媒となる。その際、作動流体は回転軸6を回転させながら膨張する。この低圧の冷媒は、吐出孔11aを通じて吐出管11に流れ込み、吐出管11を通じて密閉容器50の外部に吐出される。以下、図4を用いて1サイクル中の膨張機4および容積変更装置80の動作について詳細に説明する。
Next, the operation of the
膨張機4は、回転軸6が3回転する間に吸入過程から吐出過程までの1サイクルを行う(吸入過程、膨張過程、吐出過程の順に行う)。なお、説明の便宜上、ピストン32a,32bがシリンダ31a,31bと接した状態の回転角θを、整数n(n=0,1,2)を用いて、θ=(0+360n)°と表す。
The
図4(a)に示すように、1周目、まず、θ=0°からサイクルが開始される。そして、シリンダ31aとピストン32aとの接点が吸入孔10aを通過すると、高圧側の流体室H1と吸入孔10aとが連通し、吸入過程が始まる(図4(b)参照)。
As shown in FIG. 4A, the cycle starts from θ = 0 ° in the first round. When the contact point between the
回転軸6がさらに回転すると、シリンダ31aとピストン32aとの接点が補助室81を通過する。これにより、補助室81は高圧側の流体室H1と連通する(図4(d)参照)。そのため、ピストン84の第1流体室33a側の端面には、第1流体室33aの高圧側の流体室H1内の圧力が作用する。一方、このとき、ピストン84の他方の端面には背圧室82内の圧力が作用する。背圧室82内には、制御装置14により、背圧室82内の圧力が、第1流体室33aに吸入される作動流体(高圧側の流体室H1内の作動流体)の圧力より低く、かつ、第2流体室33bから吐出される作動流体の圧力よりも高くなるように流体が封入されている。そのため、ピストン84は後方へ移動を開始することとなる。これにより、可変容積室83が発生し、流体室37の吸入容積が増加することとなる。
When the
後方へ移動を開始したピストン84は、高圧側の流体室H1内の圧力と背圧室82内の圧力とがバランスする位置において動きを止める。また、ピストン84が後方へ移動しても、高圧側の流体室H1内の圧力が背圧室82内の圧力よりも大きいままである場合、ピストン84は補助室81の後端部まで移動する(図示なし)。
The
高圧側の流体室H1の容積は、回転角θの増加に伴ってさらに増加する。θ=360°を過ぎて2周目(n=1)が開始した後、吸入孔10aと低圧側の流体室L1との連通は絶たれ、吸入過程が終了する。それと共に、高圧側の流体室H1は低圧側の流体室L1となる(図4(b)参照)。そして、低圧側の流体室L1は連通孔40を介して第2流体室33bの高圧側の流体室H2と連通し、一つの膨張室を形成する。これにより、膨張過程が始まる(図4(b)参照)。
The volume of the fluid chamber H1 on the high pressure side further increases as the rotation angle θ increases. After θ = 360 ° and the second round (n = 1) is started, the communication between the
回転軸6がさらに回転すると、第1流体室33aの低圧側の流体室L1の容積は減少する。しかし、シリンダ31bはシリンダ31aよりも容積が大きいため(図2参照)、第2流体室33bの高圧側の流体室H1の容積は、低圧側の流体室L1の容積の減少割合よりも大きな割合で増加する。これにより、低圧側の流体室L1と連通孔40と高圧側の流体室H2とにより形成される膨張室の容積は増加し、膨張室内の作動流体が膨張する。このようにして、低圧側の流体室L1と連通孔40と高圧側の流体室H2とにより形成される膨張室内の圧力は低下する(図4(b)参照)。
When the
低圧側の流体室L1と連通孔40と高圧側の流体室H2とにより形成される膨張室内の圧力が低下し、背圧室82内の圧力よりも低くなると、ピストン84は前方に移動を開始する。これにより、吸入過程の際に発生した可変容積室83が減少する。回転軸6の回転に伴って上記膨張室内の圧力はますます低下するため、ピストン84は補助室81の前端部(以下、上死点と称する)に至るまで前方に移動し続け、やがて可変容積室83が消滅し、可変容積室83の容積は零となる(図4(c)参照)。
When the pressure in the expansion chamber formed by the low pressure side fluid chamber L1, the
シリンダ31aとピストン32aとの接点が補助室81を通過すると、補助室81と低圧側の流体室L1との連通は絶たれる。そして、補助室81は、次の高圧側の流体室H1と連通することとなる(図4(d)参照)。
When the contact point between the
回転軸6がさらに回転し、θ=720°に近づくと、シリンダ31aとピストン32aとの接点が連通孔40を通過し、第1流体室33aの低圧側の流体室L1が消滅する。また、このとき、第2膨張部30bでは、シリンダ31bとピストン32bとの接点が吐出孔11aを通過する。この時点で膨張過程は終了する。そして、第2流体室33bの高圧側の流体室H2が吐出孔11aと連通し、吐出過程が開始される。
When the
3週目(n=2)開始のθ=720°において、第2流体室33bの高圧側の流体室H2は低圧側の流体室L2となる。そして、さらに回転軸6が回転するにつれて、流体室L2の容積が減少し、作動流体が吐出孔11aから吐出される。やがて、θ=1080°で流体室L2が消滅し、吐出過程が終了する。
At θ = 720 ° starting from the third week (n = 2), the high pressure side fluid chamber H2 of the second
このように、吸入過程中には、可変容積室83と第1流体室33aとが非連通状態から連通状態となると、第1流体室33a内の圧力と背圧室82内の圧力差により、可変容積室83の容積は零から増加する。また、膨張過程に移行すると、第1流体室33a内の圧力と背圧室82内の圧力差により、可変容積室83の容積は減少し、やがて零となる。そして、可変容積室83の容積が零となった後、可変容積室83と第1流体室33aとは連通状態から非連通状態となる。
Thus, during the suction process, when the
次に、制御装置14の制御について説明する。
Next, control of the
制御装置14は、可変容積室83の容積が零となる際における背圧室82内の圧力を、第1流体室33aに吸入される作動流体の圧力より低く、かつ、第2流体室33bから吐出される作動流体の圧力より高い圧力に制御する。また、制御装置14は、圧力センサ15からの検出圧力に基づき、圧縮機2から吐出された作動流体の圧力が所定の目標値となるように背圧室82内の作動流体の圧力を制御する。これにより、制御装置14によって背圧室82内の圧力が調整され、ピストン84が補助室81内を移動すると共に、補助室81内におけるピストン84の下死点(補助室81内において、第1流体室33aと最も離れた位置)が変更される。よって、制御装置14が背圧室82内の圧力を制御することにより、ピストン84のストローク量(上死点と下死点との距離)が変更され、可変容積室83の最大容積(流体室37の容積の追加分)が変更されることとなる。
The
具体的には、検出値が目標値よりも低い場合(圧縮機2の吐出冷媒の圧力が目標値よりも低い場合)、圧縮機2を通過する冷媒の質量流量に対して膨張機4を通過する冷媒の質量流量が相対的に過大となりいわゆる膨張不足となる。そこで、制御装置14は、背圧室82内に流体をさらに送り込み、背圧室82内の圧力を上昇させる。これにより、ピストン84の下死点は補助室81の前端側に近づき、ピストンのストローク量が小さくなる。つまり、可変容積室83の最大容積を小さくして冷媒の吸入量を減少させ、膨張不足を回避する。
Specifically, when the detected value is lower than the target value (when the pressure of the refrigerant discharged from the
一方、検出値が目標値よりも高い場合(圧縮機2の吐出冷媒の圧力が目標値よりも高い場合)、圧縮機2を通過する冷媒の質量流量に対して膨張機4を通過する冷媒の質量流量が相対的に過小となりいわゆる過膨張となる。そこで、制御装置14は、背圧室82内から流体を排出し、背圧室82内の圧力を低下させる。これにより、ピストン84の下死点は補助室81の後端側に近づき、ピストンのストローク量が大きくなる。つまり、可変容積室83の最大容積を大きくして冷媒の吸入量を増加させ、過膨張を回避する。
On the other hand, when the detected value is higher than the target value (when the pressure of the refrigerant discharged from the
以上のように、本実施形態に係る膨張機4によれば、容積変更装置80により、可変容積室83の容積を増減させて、流体室37の吸入容積を増減させることができる。これにより、過膨張や不足膨張を回避することができる。そのため、システムの最適な運転が可能となり、システム効率を向上させることができる。
As described above, according to the
また、本膨張機4によれば、従来のように、膨張機4が1サイクルを行う間、可変容積室83が常に存在する訳ではなく、1サイクル中に可変容積室83の容積が増減する。すなわち、本膨張機4の可変容積室83は、吸入過程中、可変容積室83と第1流体室33aとが連通すると発生し、膨張過程中、可変容積室83と第1流体室33aとが非連通状態となるまでに消滅する。そのため、可変容積室83と第1流体室33aとが非連通の状態の際に、可変容積室83内に作動流体が残存することを防止することができる。したがって、上記膨張機4によれば、従来の膨張機と異なり、流体室37の吸入容積を運転条件に応じて変更しても、膨張過程において可変容積室83が消滅するので、可変容積室83がデッドボリュームとなることがなく、作動流体の膨張エネルギーを効率良く回収することができる。
Further, according to the
なお、本実施形態では、可変容積室83の容積は、膨張過程中、可変容積室83と第1流体室33aとが非連通状態となるまでに零となることとしている。しかし、本膨張機4によれば、可変容積室83の容積が零とならない場合であっても、可変容積室83の容積が最小となることにより、可変容積室83がデッドボリュームとなることを抑制することができる。したがって、このような場合であっても、作動流体の膨張エネルギーを効率良く回収することができる。
In the present embodiment, the volume of the
さらに、本膨張機4では、制御装置14により、可変容積室83の容積が零となる際における背圧室82内の圧力は、第1流体室33aに吸入される作動流体の圧力より低く、かつ、第2流体室33bから吐出される作動流体の圧力より高い圧力となるように制御される。そのため、可変容積室83は、背圧室82と第1流体室33aとの差圧により、吸入過程の際に自動的に発生し、膨張過程の際に減少し消滅することとなる。したがって、本膨張機4によれば、簡単な構成により、デッドボリュームを生じることなく、流体室37の吸入容積を増減させることができる。
Furthermore, in the
また、本膨張機4の背圧室82には、第1流体室33aに吸入される作動流体の一部が供給される。そのため、別途新たに流体供給装置を設けることなく、背圧室82に流体を供給することができる。なお、図5に示すように、別途新たに流体供給装置90を設け、背圧室82に流体を供給することとしてももちろんよい。
A part of the working fluid sucked into the first
さらに、本膨張機4を備える冷媒回路1には、高圧部分(圧縮機2から放熱器3を経て膨張機4に至る部分)において超臨界状態となる二酸化炭素(CO2)が充填されている。一般的に、冷凍サイクル装置の作動流体として二酸化炭素を用いた場合、冷凍効率(COP)はフロンを作動流体としたものに比べ低下する。しかし、本膨張機4によれば、デッドボリュームを生じることなく、流体室37の吸入容積を増減させることができるため、作動流体の膨張エネルギーを効率良く回収することができる。したがって、本膨張機4を備えた冷凍サイクル装置によれば、作動流体として二酸化炭素を用いた場合であっても、冷凍効率を高く維持することが可能となる。
Furthermore, the refrigerant circuit 1 including the
本冷凍サイクル装置の制御装置14は、圧力センサ15からの検出圧力に基づき、圧縮機2から吐出された作動流体の圧力が所定の目標値となるように、背圧室82内の作動流体の圧力を制御する。そのため、本冷凍サイクル装置によれば、圧縮機2から吐出された作動流体の圧力を好ましい圧力に保つことが可能となる。これにより、膨張機4の過膨張や不足膨張を防止し、作動流体の膨張エネルギーを効率よく回収することが可能となる。
The
(第2の実施形態)
第1の実施形態では、膨張機4のピストン84のストローク量を、圧縮機2から吐出された作動流体の圧力に基づき変動させることとしていた。これに代えて、本実施形態では、膨張機4のピストン84のストローク量を、圧縮機2から吐出された作動流体の温度に基づき変動させることとしたものである。
(Second Embodiment)
In the first embodiment, the stroke amount of the
具体的には、図6に示すように、吐出管9に、圧力センサ15の代わりに、圧縮機2から吐出された作動流体の温度を検知する温度センサ16を設ける。そして、背圧室82内の圧力を、制御装置14により、温度センサ16からの検出圧力に基づき、圧縮機2から吐出された作動流体の温度が所定の目標値となるように制御することとする。
Specifically, as shown in FIG. 6, a temperature sensor 16 that detects the temperature of the working fluid discharged from the
圧縮機2から吐出された作動流体の温度を目標値に保持するように制御すると、当該作動流体の圧力も所定の値に保持される。つまり、冷凍サイクル装置において、圧縮機2の吐出流体の温度を制御することにより、吐出流体の圧力を制御することができる。したがって、本実施形態によっても第1の実施形態と同様の効果を奏することが可能である。
When control is performed so that the temperature of the working fluid discharged from the
(第3の実施形態)
第1の実施形態では、ピストン84の下死点(ピストン84のストローク量)を、背圧室82内の圧力を制御することにより決定していた。本実施形態では、背圧室82内の圧力制御ではなく、ピストン84の移動を規制する規制部材を用いて下死点を決定し、流体室37の吸入容積を変更するものである。
(Third embodiment)
In the first embodiment, the bottom dead center of the piston 84 (the stroke amount of the piston 84) is determined by controlling the pressure in the
例えば、図7に示すように、補助室81内に、ピストン84の移動を規制する可動式のストッパ85を設ける。ストッパ85は、補助室81内でピストン84の移動方向に関して位置変更可能に構成する。また、ストッパ85を駆動する駆動装置86を設け、制御装置14によって駆動装置86を制御する。制御装置14は、圧力センサ15からの検出圧力に基づき、圧縮機2から吐出された作動流体の圧力が所定の目標値となるように駆動装置86の稼働量を制御し、ストッパ85の位置を変更する。
For example, as shown in FIG. 7, a
以上により、本実施形態によっても、上述の効果と同様の効果を得ることができる。また、本形態によれば、ピストン84の下死点を、第1流体室33aと背圧室82との圧力差により決定するのではなく、ストッパ85の位置により決定することができる。そのため、可変容積室83の最大容積を正確に増減させることができる。これにより、流体室37の吸入容積を正確に増減することができ、作動流体の膨張エネルギーを効率よく回収することが可能となる。
As described above, the present embodiment can provide the same effects as those described above. Further, according to this embodiment, the bottom dead center of the
なお、ストッパ85は、背圧室82を仕切ることなく、位置変更可能で、ピストン84の移動を規制できるものであれば、形状や素材等については何ら限定されない。
The shape of the
(第4の実施形態)
第1の実施形態では、ピストン84の前端面には、第1流体室33a内の圧力が作用し、後端面には背圧室82内の圧力が作用し、これらの圧力のバランスにより、補助室81内におけるピストン84の位置が定まっていた。本実施形態では、図8に示すように、第1の実施形態の構成に加え、背圧室82内に、ピストン84を前方に付勢する付勢装置としてのコイルばね84aが設けられている。コイルばね84aは背圧室82内に圧縮状態で配置されており、コイルばね84aの一端は背圧室82内に支持され、他端はピストン84の後端面に支持されている。
(Fourth embodiment)
In the first embodiment, the pressure in the first
このような構成により、ピストン84の後端面には、背圧室82内の圧力とコイルばね84aの付勢力とが作用することとなる。そのため、第1流体室33a内の圧力と、背圧室82内の圧力とコイルばね84aの付勢力との和とのバランスにより、補助室81内におけるピストン84の位置が定まることとなる。例えば、第1流体室33a内の圧力が、背圧室82内の圧力とコイルばね84aの付勢力との和よりも大きい場合には、ピストン84は後方へ移動する。一方、第1流体室33a内の圧力が、背圧室82内の圧力とコイルばね84aの付勢力との和よりも小さい場合には、ピストン84は前方へ移動する。そして、ピストン84は、第1流体室33a内の圧力と、背圧室82内の圧力とコイルばね84aの付勢力との和とが等しい位置、または、補助室81の前端部若しくは補助室81の後端部において停止することとなる。
With such a configuration, the pressure in the
また、本実施形態に係る制御装置14は、背圧室82内の圧力を、可変容積室83の容積が零となる際における背圧室82内の圧力とコイルばね84aの付勢力との和が、第1流体室33aに吸入される作動流体の圧力より低く、かつ、第2流体室33bから吐出される作動流体の圧力より高い圧力となるように制御する。これにより、本実施形態に係る膨張機4によっても、第1の実施形態と同様の効果を奏することができる。また、本膨張機4によれば、コイルばね84a等の弾性体を設けない場合より背圧室82内の流体の圧力を下げることが可能となる。
Further, the
なお、本実施形態では、ピストン84を付勢する付勢装置として、コイルばね84aを用いているが、上記付勢装置は、コイルばね84a以外の弾性体であってもよい。また、上記付勢装置は、弾性体に限らず、例えば静電気力又は磁力等によって付勢力を発生させるものであってもよい。
In the present embodiment, the
(第5の実施形態)
第1の実施形態では、容積変更装置80は一つだけ設けられていた。図9に示すように、本実施形態に係る膨張機4は、当該容積変更装置80を複数設けたものである。なお、図9では、内径が異なるため容積が異なる容積変更装置80を2つ設けた場合を示している。なお、他の構成は第1の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
(Fifth embodiment)
In the first embodiment, only one volume changing device 80 is provided. As shown in FIG. 9, the
本実施形態に係る膨張機4によっても、第1の実施形態と同様の効果を奏することができる。また、本実施形態によれば、いずれの容積変更装置80を用いるかを選択することにより、可変容積室83の容積の最大値を容易に変更することができる。つまり、流体室37の吸入容積を容易に変更することができる。
The
また、同容積の容積変更装置80を複数設けることとしてもよい。この場合、稼働させる容積変更装置80の個数を増減することにより、可変容積室83の容積の最大値(複数の可変容積室83の和)を容易に変更することができる。このような形態によれば、流体室37の吸入容積を変更させる際において、微調節を行うことができるため、制御性を向上させることができる。
A plurality of volume changing devices 80 having the same volume may be provided. In this case, the maximum value of the volume of the variable volume chamber 83 (the sum of the plurality of variable volume chambers 83) can be easily changed by increasing or decreasing the number of volume changing devices 80 to be operated. According to such an embodiment, when the suction volume of the
さらに、第1の実施形態のような容積変更装置80(固定ストローク型)と、第3の実施形態のような容積変更装置80のように、可動式のストッパ85により、可変容積室83の容積の最大値を変更することができる容積変更装置80(可変ストローク型)と、を組み合わせて用いることももちろん可能である。
Further, as in the volume changing device 80 (fixed stroke type) as in the first embodiment and the volume changing device 80 as in the third embodiment, the volume of the
このような場合、まず、可変ストローク型の容積変更装置80を単独で使用し、背圧室82内の圧力制御によりピストン84の下死点を変動させる差圧制御を行う。そして、差圧制御の範囲を超えた場合(例えば、第1流体室33a内の圧力が、背圧室82内の圧力として想定されている範囲から超えた場合等)、固定ストローク型を稼動させる。そして、再び可変ストロークで制御する。このような形態によれば、差圧制御が可能となる第1流体室33a内の圧力の範囲が広くなり、制御性の向上を図ることができる。
In such a case, first, the variable stroke type volume changing device 80 is used alone, and the differential pressure control for changing the bottom dead center of the
(第6の実施形態)
第1の実施形態において、補助室81はシリンダ31a内に側方に延びるように設けられていた。これに対し、本実施形態では、図10に概念的に示すように、補助室81はシリンダ31aの下方に設けられ、第1流体室33aの下側を区画する下軸受42(図2参照)内に設けられている。また、本実施形態に係る補助室81は、鉛直方向に延びるように設けられている。なお、その他の構成は第1の実施形態と同様である。
(Sixth embodiment)
In the first embodiment, the
本実施形態のように、補助室81をこのように下軸受42内に鉛直方向延びるように配置しても、第1の実施形態と同様の効果を奏することができる。
Even if the
また、本実施形態において、第1流体室33aと補助室81とを連通する連通孔81aの径を第1流体室33aの最大幅よりも大きく形成する。このように連通孔81aを形成すると、連通孔81aの一部は常にピストン32aの一部と重なることとなる(図10(a)参照)。そのため、本実施形態に係る容積変更装置80のピストン84は、連通孔81aまで移動すると必ずピストン32aに当接し、ピストン32aによってそれ以上の移動が規制される(図10(b)参照)。
In the present embodiment, the diameter of the
したがって、本実施形態の膨張機4によれば、第1の実施形態のように、補助室81の第1流体室33a側端部を他端部よりも小径に設計しなくても、ピストン84が第1流体室33a内に進入することを防止することができる。また、これに伴い、ピストン84の第1流体室33a側端部を、補助室81の第1流体室33a側端部と同形状に形成する必要もない。そのため、本実施形態によれば、補助室81およびピストン84の加工の手間を省くことができ、容易に製作することができる。
Therefore, according to the
(第7の実施形態)
第1の実施形態の膨張機4は、上下2段のいわゆるロータリ式の膨張機であった。図11に示すように、本実施形態に係る膨張機一体型圧縮機7では、当該ロータリ式の膨張機に代えて、スクロール式の膨張機を用いている。
(Seventh embodiment)
The
具体的には、膨張機4は、固定スクロール91と、固定スクロール91と軸方向に対向する可動スクロール92と、を備えている。固定スクロール91は、平板状の固定鏡板(図示省略)と、固定鏡板の一方の面に設けられた渦巻形状(例えばインボリュート形状等)のラップ94とを備えている。一方、可動スクロール92は、平板状の可動鏡板(図示省略)と、可動鏡板の一方の面に設けられ、固定スクロール91のラップ94と噛み合うラップ97と、を備えている。これらラップ94およびラップ97の間に、渦巻状の流体室98が区画されている。
Specifically, the
固定スクロール91の中央部には、吸入孔95が設けられている。流体室98の巻き終わり側の端部には吐出孔99が設けられている。図示しないが、吸入孔95は吸入管10に接続され、吐出孔99は吐出管11に接続されている。また、可動スクロール92は回転軸6(図2参照)の下端部に設けられた偏心部に支持されている。そのため、可動スクロール92は、回転軸6の軸心から偏心した状態で旋回する。
A
また、固定スクロール91には、連通孔81a,81bが設けられている。また、本実施形態においても、下軸受42に、第6の実施形態に係る補助室81と同様の補助室81が接続されている。また、連通孔81a,81bは、補助室81と連通可能に接続されている。補助室81は、第1の実施形態と同様に、吸入過程中、連通孔81a,81bと連通し、膨張過程の終了時にはこれらの連通は解除される。
The fixed
このような形態によっても、第1の実施形態と同様に、補助室81の可変容積室83の容積を制御することができ、過膨張や不足膨張を回避することができる。また、本実施形態によっても、第1の実施形態に係る冷媒回路1と同様の効果を奏することができる。
Even in such a form, the volume of the
(第8の実施形態)
図12に示すように、本実施形態に係る冷凍サイクル装置は、図1に示す第1の実施形態に係る冷凍サイクル装置の膨張機一体型圧縮機7に代えて、分離型の圧縮機2bと、膨張機4bとを用いたものである。なお、膨張機4bは、第1の実施形態に係る膨張機4と同様の構成を有するものである。
(Eighth embodiment)
As shown in FIG. 12, the refrigeration cycle apparatus according to the present embodiment includes a
本実施形態に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路1は、第1の実施形態に係る膨張機一体型圧縮機7に代えて、上述の分離型の圧縮機2bおよび膨張機4bと、回転軸17を介して圧縮機2bに接続された電動機23bと、回転軸18を介して膨張機4bに接続された発電機19とを備えている。圧縮機2bは、電動機23bにより駆動され、膨張機4bでは作動流体の膨張エネルギーが発電機19により電気エネルギーに変換される。この電気エネルギーは、電動機23bの入力の一部に用いられる。
The refrigerant circuit 1 of the refrigeration cycle apparatus according to the present embodiment includes the above-described
ところで、一般的に、発電機19は、所定の定格回転数で発電効率が最も高くなるように設計されている。そのため、回転軸18の回転数が定格回転数から離れるほど発電効率が低下する。これにより、発電機19の回転数は、できるだけ定格回転数に近いものとなるようにすることが好ましい。しかし、冷凍サイクル装置では、運転条件等により作動流体の循環量や密度が変化する。そのため、吸入容積が一定の膨張機では、発電機19の回転数を定格回転数の付近に保つことは困難である。
Incidentally, the
しかし、本実施形態に係る冷凍サイクル装置によれば、第1の実施形態に係る膨張機4と同様の構成を有する膨張機4bを用いている。そのため、容積変更装置80の可変容積室83の容積を変動させることにより、流体室37の吸入容積を調整することができる。したがって、本実施形態に係る冷凍サイクル装置によれば、発電機19の回転数を定格回転数付近に制御することが可能となり、膨張エネルギーを効率よく回収することが可能となる。
However, according to the refrigeration cycle apparatus according to the present embodiment, the
以上説明したように、本発明は、膨張機、膨張機一体型圧縮機、およびそれを用いた冷凍サイクル装置(冷凍装置、空気調和装置、給湯機等)について有用である。 As described above, the present invention is useful for an expander, an expander-integrated compressor, and a refrigeration cycle apparatus (a refrigeration apparatus, an air conditioner, a water heater, etc.) using the expander.
1 冷媒回路
2 圧縮機
3 放熱器
4 膨張機
5 蒸発器
6 回転軸
7 膨張機一体型圧縮機
8 吸入管(第1流路)
9 吐出管(第2流路)
10 吸入管(第3流路)
11 吐出管(第4流路)
12 配管
13 減圧弁
14 制御装置
15 圧力センサ
16 温度センサ
31a,31b シリンダ
32a,31b ピストン(筒状のピストン)
33a 第1の流体室(流体室、主流体室)
33b 第2の流体室(流体室、主流体室)
33c 主流体室
80 容積変更装置
81 補助室
82 背圧室
83 可変容積室(流体室、可変容積室)
84 ピストン
85 ストッパ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
9 Discharge pipe (second flow path)
10 Suction pipe (third flow path)
11 Discharge pipe (fourth flow path)
12 piping 13
33a First fluid chamber (fluid chamber, main fluid chamber)
33b Second fluid chamber (fluid chamber, main fluid chamber)
33c Main fluid chamber 80
84
Claims (18)
作動流体を流通させる流体室と、
前記流体室の吸入容積を変更自在な容積変更装置と、を備え、
前記容積変更装置は、前記流体室に作動流体を吸入する吸入過程と、吸入した作動流体を膨張させる膨張過程と、膨張後の作動流体を前記流体室の外部へ吐出する吐出過程とからなる1サイクルが行われる間に、前記流体室の容積を増減させる、膨張機。 An expander used in a refrigeration cycle apparatus,
A fluid chamber for circulating a working fluid;
A volume changing device capable of changing the suction volume of the fluid chamber,
The volume changing device includes a suction process for sucking the working fluid into the fluid chamber, an expansion process for expanding the sucked working fluid, and a discharge process for discharging the expanded working fluid to the outside of the fluid chamber. An expander that increases or decreases the volume of the fluid chamber during a cycle.
前記可変容積室は、前記吸入過程中に容積が増大し、前記膨張過程中または前記吐出過程中に容積が減少して零または最小となる、請求項1に記載の膨張機。 The fluid chamber includes a main fluid chamber and a variable volume chamber configured to communicate with the main fluid chamber,
The expander according to claim 1, wherein the variable volume chamber increases in volume during the suction process and decreases to zero or minimum during the expansion process or the discharge process.
前記可変容積室は、
前記吸入過程中に前記主流体室と連通状態となって容積が増大し、
前記膨張過程中に、前記主流体室と連通しつつ容積が減少した後、前記主流体室と非連通状態となる以前に容積が零または最小となり、
前記吐出過程中には前記主流体室との非連通状態を維持する、
請求項1に記載の膨張機。 The fluid chamber includes a main fluid chamber and a variable volume chamber configured to communicate with the main fluid chamber,
The variable volume chamber is
During the inhalation process, the volume increases in communication with the main fluid chamber,
During the expansion process, after the volume is reduced while communicating with the main fluid chamber, the volume becomes zero or minimum before the main fluid chamber is not in communication with the main fluid chamber,
Maintaining a non-communication state with the main fluid chamber during the discharge process;
The expander according to claim 1.
前記容積変更装置は、
前記補助室を、前記可変容積室と流体が封入された背圧室とに仕切るピストンと、
前記背圧室内の圧力を制御する制御装置と、
を備えている、請求項2または3に記載の膨張機。 An auxiliary chamber communicating with the fluid chamber;
The volume changing device is
A piston that partitions the auxiliary chamber into the variable volume chamber and a back pressure chamber filled with fluid;
A control device for controlling the pressure in the back pressure chamber;
The expander according to claim 2, comprising:
前記ストッパは、前記ピストンの移動方向に位置調節可能に構成されている、請求項4〜6のいずれか一つに記載の膨張機。 The auxiliary chamber is provided with a stopper for restricting the piston from moving in a direction opposite to the fluid chamber from a predetermined position.
The expander according to any one of claims 4 to 6, wherein the stopper is configured to be adjustable in a moving direction of the piston.
前記シリンダ内に偏心した状態で回転自在に配設された筒状のピストンと、を備え、
前記主流体室は、前記シリンダの内周面と前記筒状のピストンの外周面との間に区画されている、請求項2〜10のいずれか1つに記載の膨張機。 A cylinder having an inner peripheral surface;
A cylindrical piston rotatably arranged in an eccentric state in the cylinder,
The expander according to any one of claims 2 to 10, wherein the main fluid chamber is partitioned between an inner peripheral surface of the cylinder and an outer peripheral surface of the cylindrical piston.
前記一対のスクロール部材は、互いのラップが噛み合わさるように配置され、
前記主流体室は、前記一対のスクロール部材の互いのラップの間に区画されている、請求項2〜10のいずれか1つに記載の膨張機。 A pair of scroll members in which spiral wraps are formed on the flat plate member;
The pair of scroll members are arranged so that their laps mesh with each other,
The expander according to any one of claims 2 to 10, wherein the main fluid chamber is defined between laps of the pair of scroll members.
請求項1〜13のいずれか一つに記載の膨張機と、
前記圧縮機と前記膨張機とを連結する回転軸と、を備えた膨張機一体型圧縮機。 A compressor for compressing the working fluid;
An expander according to any one of claims 1 to 13,
An expander-integrated compressor comprising: a rotary shaft that connects the compressor and the expander.
請求項4〜13のいずれか一つに記載の膨張機と、
前記圧縮機によって圧縮された作動流体を導く第1流路と、
前記第1流路によって導かれた作動流体を放熱させる放熱器と、
前記放熱器から前記膨張機に作動流体を導く第2流路と、
前記膨張機で膨張した作動流体を導く第3流路と、
前記第3流路によって導かれた作動流体を蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器から前記圧縮機に作動流体を導く第4流路と、
を備えた冷凍サイクル装置。 A compressor for compressing the working fluid;
An expander according to any one of claims 4 to 13,
A first flow path for guiding the working fluid compressed by the compressor;
A radiator that radiates the working fluid guided by the first flow path;
A second flow path for guiding a working fluid from the radiator to the expander;
A third flow path for guiding the working fluid expanded by the expander;
An evaporator for evaporating the working fluid guided by the third flow path;
A fourth flow path for leading a working fluid from the evaporator to the compressor;
A refrigeration cycle apparatus comprising:
前記膨張機一体型圧縮機の前記圧縮機によって圧縮された作動流体を導く第1流路と、
前記第1流路によって導かれた作動流体を放熱させる放熱器と、
前記放熱器から前記膨張機一体型圧縮機の前記膨張機に作動流体を導く第2流路と、
前記膨張機で膨張した作動流体を導く第3流路と、
前記第3流路によって導かれた作動流体を蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器から前記圧縮機に作動流体を導く第4流路と、
を備えた冷凍サイクル装置。 An expander-integrated compressor according to claim 14,
A first flow path for guiding the working fluid compressed by the compressor of the expander-integrated compressor;
A radiator that radiates the working fluid guided by the first flow path;
A second flow path for guiding a working fluid from the radiator to the expander of the expander-integrated compressor;
A third flow path for guiding the working fluid expanded by the expander;
An evaporator for evaporating the working fluid guided by the third flow path;
A fourth flow path for leading a working fluid from the evaporator to the compressor;
A refrigeration cycle apparatus comprising:
前記膨張機の前記制御装置は、前記圧力センサが検知する圧力に基づき、前記第1流路を流れる作動流体の圧力が所定の圧力となるように、前記背圧室内の圧力を制御する、請求項15に記載の冷凍サイクル装置。 A pressure sensor for detecting the pressure of the working fluid flowing through the first flow path;
The control device of the expander controls the pressure in the back pressure chamber based on the pressure detected by the pressure sensor so that the pressure of the working fluid flowing through the first flow path becomes a predetermined pressure. Item 16. The refrigeration cycle apparatus according to Item 15.
前記膨張機の前記制御装置は、前記温度センサが検知する温度に基づき、前記第1流路を流れる作動流体の温度が所定の温度となるように、前記背圧室内の圧力を制御する、請求項15に記載の冷凍サイクル装置。 A temperature sensor for detecting the temperature of the working fluid flowing through the first flow path;
The said control apparatus of the said expander controls the pressure in the said back pressure chamber so that the temperature of the working fluid which flows through the said 1st flow path may become predetermined | prescribed temperature based on the temperature which the said temperature sensor detects. Item 16. The refrigeration cycle apparatus according to Item 15.
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