JP2008134024A - Refrigerating cycle device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、膨張機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 expander.
昨今、資源問題や地球温暖化問題の深刻化を受けて、給湯器や空気調和装置に用いられる冷凍サイクル装置の省エネルギー化に関する研究開発が活発に行われている。従来の冷凍サイクル装置は、膨張弁で冷媒を膨張させる仕組みになっているが、膨張弁に代えて膨張機を採用することにより、冷媒の膨張エネルギーを膨張機で回収し、回収したエネルギーを圧縮機の補助動力として利用する試みが提案されている。例えば、特許文献1には、圧縮機と膨張機とがシャフトで連結された、いわゆる膨張機一体型圧縮機を用いた空気調和装置が開示されている。
In recent years, research and development relating to energy saving of refrigeration cycle apparatuses used in water heaters and air conditioners have been actively conducted in response to the seriousness of resource problems and global warming problems. The conventional refrigeration cycle system has a mechanism that expands the refrigerant with an expansion valve. By using an expander instead of the expansion valve, the expansion energy of the refrigerant is recovered with the expander, and the recovered energy is compressed. Attempts have been made to use it as auxiliary power for aircraft. For example,
通常、冷凍サイクル装置では、運転条件の変化(例えば、熱交換するべき水や空気の温度変化)にともない、圧縮機または膨張機の入口における冷媒の圧力および温度が変化するため、圧縮機および膨張機のそれぞれに流入する冷媒の密度も変化する。 Usually, in the refrigeration cycle apparatus, the pressure and temperature of the refrigerant at the inlet of the compressor or expander change with changes in operating conditions (for example, changes in the temperature of water or air to be heat-exchanged). The density of refrigerant flowing into each of the machines also changes.
したがって、特許文献1に開示されている膨張機一体型圧縮機のように、圧縮機と膨張機の回転数が常に等しく、かつ圧縮機と膨張機の容積が一定である場合、圧縮機と膨張機のそれぞれにおける冷媒の体積流量にアンバランスを生じ、圧縮仕事に対する動力回収量が低下し、成績係数が却って低下する可能性すらある。この問題を回避するため、特許文献1の空気調和装置では、流量調整弁を有するバイパス経路を膨張機に対して並列に設けている。
膨張機に対して並列にバイパス経路を設けると、膨張機に流入する冷媒の体積流量を自由に変化させることが可能になるので、体積流量のアンバランスを解消することが可能である。しかしながら、体積流量を広範に変化させるには、相当量の冷媒をバイパス回路に流す必要がある。バイパス回路に流す冷媒の割合が多くなればなるほど、膨張機における動力回収効率が低下し、成績係数の向上効果を期待できなくなる。 If a bypass path is provided in parallel to the expander, the volume flow rate of the refrigerant flowing into the expander can be freely changed, so that the volume flow unbalance can be eliminated. However, in order to change the volume flow rate widely, it is necessary to flow a considerable amount of refrigerant through the bypass circuit. As the proportion of the refrigerant flowing through the bypass circuit increases, the power recovery efficiency in the expander decreases, and the effect of improving the coefficient of performance cannot be expected.
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、運転条件が変化しても、膨張機の動力回収効率を高く維持することが可能な冷凍サイクル装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a refrigeration cycle apparatus capable of maintaining high power recovery efficiency of an expander even when operating conditions change. There is to do.
すなわち、本発明は、
冷媒を圧縮する圧縮機と、
圧縮機で圧縮された冷媒を放熱させる放熱器と、
放熱器で放熱した冷媒を膨張させる膨張機と、
膨張機で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器と、
圧縮機で圧縮されて放熱器で放熱する前の冷媒の一部が、放熱器に流入することなく、放熱器から膨張機へ向かう経路または膨張機にバイパスして、放熱器で放熱した膨張前の冷媒または膨張過程にある冷媒に合流するように、始端が圧縮機または圧縮機から放熱器への経路に接続され、終端が膨張機または放熱器から膨張機へ向かう経路に接続されたバイパス回路と、
を備えた、冷凍サイクル装置を提供する。
That is, the present invention
A compressor for compressing the refrigerant;
A radiator that dissipates the refrigerant compressed by the compressor;
An expander that expands the refrigerant radiated by the radiator;
An evaporator for evaporating the refrigerant expanded by the expander;
Before expansion, a part of the refrigerant compressed by the compressor and radiated by the radiator is bypassed to the path from the radiator to the expander or the expander without flowing into the radiator and radiated by the radiator The bypass circuit has a start end connected to the path from the compressor or compressor to the radiator and a terminal end connected to the path from the expander or the radiator to the expander so as to merge with the refrigerant in the expansion process or the refrigerant in the expansion process When,
A refrigeration cycle apparatus is provided.
上記圧縮機は、冷媒を圧縮する圧縮機構、冷媒を膨張させる膨張機構、および圧縮機構と膨張機構とを連結するシャフトを有する膨張機一体型圧縮機(流体機械)の圧縮機構として構成することができる。同様に、上記膨張機は、膨張機一体型圧縮機の膨張機構として構成することができる。 The compressor may be configured as a compression mechanism of an expander-integrated compressor (fluid machine) having a compression mechanism that compresses the refrigerant, an expansion mechanism that expands the refrigerant, and a shaft that connects the compression mechanism and the expansion mechanism. it can. Similarly, the expander can be configured as an expansion mechanism of an expander-integrated compressor.
上記冷凍サイクル装置によれば、バイパス回路を設けたことにより、圧縮後の低密度かつ高エンタルピーの冷媒の一部を、膨張前または膨張過程にある高密度の冷媒に混合することができる。運転状況に応じて、バイパスさせる冷媒の流量を適切に調整することにより、圧縮機と膨張機の回転数が等しく、かつ圧縮機と膨張機の容積が一定という条件の下でも、放熱器と膨張機との間または膨張機内における冷媒の密度を適切に制御することができる。つまり、冷媒の体積流量を変化させることができるので、圧縮機と膨張機のそれぞれにおける体積流量のアンバランスを解消ないし緩和することができる。したがって、季節変動や負荷変動等によって運転条件が変動したとしても、膨張機の動力回収効率を高く維持することができ、ひいては優れた成績係数を持つ冷凍サイクル装置を提供できる。さらに、本発明によれば、膨張機(膨張機構)の容積を大きく設計することが可能である。一般に、膨張機は、容積が大きくなるにつれて冷媒の漏れ率が低下するので、効率が高まる。また、膨張機の容積を大きくすることにより、膨張機と圧縮機の容積比を小さくすることが可能である。 According to the refrigeration cycle apparatus, by providing the bypass circuit, a part of the low-density and high-enthalpy refrigerant after compression can be mixed with the high-density refrigerant before or in the expansion process. By appropriately adjusting the flow rate of the refrigerant to be bypassed according to the operating conditions, the radiator and the expansion unit can be expanded even under the condition that the rotation speeds of the compressor and the expander are equal and the volumes of the compressor and the expander are constant. It is possible to appropriately control the density of the refrigerant between the compressor and the expander. That is, since the volume flow rate of the refrigerant can be changed, the imbalance between the volume flow rates in the compressor and the expander can be eliminated or alleviated. Therefore, even if the operating conditions fluctuate due to seasonal fluctuations, load fluctuations, etc., the power recovery efficiency of the expander can be maintained high, and thus a refrigeration cycle apparatus having an excellent coefficient of performance can be provided. Furthermore, according to the present invention, the volume of the expander (expansion mechanism) can be designed to be large. In general, the expander has an increased efficiency because the leakage rate of the refrigerant decreases as the volume increases. Further, by increasing the volume of the expander, the volume ratio between the expander and the compressor can be reduced.
冷媒の種類や装置の運転状況にもよるが、一般に、圧縮後の冷媒の密度と、膨張前の冷媒の密度との間には、相当大きな開きがある。したがって、圧縮後の高温低密度の冷媒をほんの僅かバイパスさせるだけで、膨張前または膨張過程にある冷媒の密度を大きく変化させることが可能である。バイパスさせる冷媒は僅かでよい(例えば、圧縮後の冷媒の全量の10質量%以内)ため、放熱器の能力低下が成績係数に及ぼす影響は小さく、動力回収を行うことによる成績係数の向上を十分に期待できる。 Depending on the type of refrigerant and the operating conditions of the apparatus, there is generally a considerable gap between the density of refrigerant after compression and the density of refrigerant before expansion. Therefore, it is possible to greatly change the density of the refrigerant before expansion or in the expansion process by slightly bypassing the high-temperature and low-density refrigerant after compression. Since only a small amount of refrigerant is bypassed (for example, within 10% by mass of the total amount of refrigerant after compression), the reduction in the performance of the radiator has little effect on the coefficient of performance, and the improvement of the coefficient of performance is sufficiently achieved by recovering power. Can be expected.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1実施形態)
図1は、第1実施形態の冷凍サイクル装置の構成を示すブロック図である。冷凍サイクル装置300Aは、冷媒が循環する主冷媒回路301を備えている。主冷媒回路301は、冷媒を圧縮する圧縮機構120、圧縮機構120で圧縮された冷媒を放熱させる放熱器310、放熱器310で放熱した冷媒を膨張させる膨張機構130、膨張機構130で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器320、および、これらの要素をこの順番に接続する複数本の主配管330によって構成されている。
(First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the refrigeration cycle apparatus of the first embodiment. The
圧縮機構120、膨張機構130、シャフト127および電動機180は、それぞれ、膨張機一体型圧縮機100Aの一部を構成する。膨張機一体型圧縮機100Aにおいて、圧縮機構120と膨張機構130とは、シャフト127によって互いに連結されており、常に同期回転する。電動機180がシャフト127を回転駆動することにより、圧縮機構120が作動する。膨張機構130は、冷媒が膨張する際の膨張力をトルクに変換してシャフト127に与え、電動機180によるシャフト127の回転駆動をアシストする。冷媒の膨張エネルギーをいったん電気エネルギーに変換することなく圧縮機構120に直接伝達するこの仕組みにより、高い動力回収効率を見込める。
The
冷凍サイクル装置300Aは、さらに、主冷媒回路301から分岐したバイパス回路302を備えている。バイパス回路302は、バイパス配管360および流量調整弁350を含む。バイパス回路302の始端は、主冷媒回路301の圧縮機構120と放熱器310との間の部分(主配管330)に接続され、終端は主冷媒回路301の放熱器310と膨張機構130との間の部分(主配管330)に接続されている。圧縮機構120で圧縮されて放熱器310で放熱する前の冷媒の一部は、放熱器310に流入することなく、放熱器310から膨張機構130へ向かう経路にバイパスし、放熱器310で放熱した膨張前の冷媒に合流する。
The refrigeration cycle apparatus 300 </ b> A further includes a
流量調整弁350(流量調整器)は、バイパス回路302を流通する冷媒の流量を調整可能にする。バイパス回路302を流通する冷媒の流量を調整することにより、膨張機構130に吸入される冷媒の体積流量を自由に調整することが可能である。流量調整弁350に代えて、冷媒を圧送しうるポンプを採用してもよい。
The flow rate adjustment valve 350 (flow rate adjuster) makes it possible to adjust the flow rate of the refrigerant flowing through the
冷凍サイクル装置300Aは、さらに、第1温度センサ311、第2温度センサ313および第3温度センサ315を備えている。第1温度センサ311は、主冷媒回路301とバイパス回路302の終端との接続位置(合流位置)と、膨張機構130との間における主冷媒回路301上に設けられており、主冷媒回路301とバイパス回路302の終端との接続位置から、膨張機構130へ向かって主冷媒回路301を流通する、合流後の冷媒の温度を計測する。第2温度センサ313は、主冷媒回路301とバイパス回路302の始端との接続位置(分岐位置)と、圧縮機構120との間における主冷媒回路301上に設けられており、圧縮機構120から吐出された分岐前の冷媒の温度を計測する。第3温度センサ315は、膨張機構130と蒸発器320との間における主冷媒回路301上に設けられており、膨張機構130で膨張して蒸発器に流入する前の冷媒の温度を計測する。第3温度センサ315は、気液二相領域にある冷媒の温度を計測するので、蒸発器320の内部に設けてもよい。これらの温度センサ311,313,315は、例えば熱電対やサーミスタを用いたセンサであり、その出力信号は、図示しない増幅回路およびA/D変換回路を経由して、冷凍サイクル装置300Aの制御器305(図6参照)に与えられる。
The refrigeration cycle apparatus 300 </ b> A further includes a
図6に示すように、制御器305は、温度センサ311,313,315の計測結果や、電動機180の動作状態(回転数、電流値、消費電力)等の実測値に基づいて、冷凍サイクル装置300Aの成績係数が最大値に近づくように、流量調整弁350の開度を制御する。具体的には、上記実測値から、膨張機構130に吸入される冷媒の状態と、圧縮機構120に吸入される冷媒の状態とを推定する。推定するべき冷媒の状態は、膨張機構130に吸入される前の冷媒の密度ρeと、圧縮機構120に吸入される前の冷媒の密度ρcとでありうる。密度ρe,ρcは、それぞれ、膨張機構130の入口における冷媒の密度ρeと、圧縮機構120の入口における冷媒の密度ρcであり、これらが分かれば、成績係数が最大値に近づくように流量調整弁350の開度を制御できる。
As shown in FIG. 6, the
密度ρe,ρcを導出するには、一般に、冷媒の温度と圧力とが必要であるが、本実施形態では圧力センサを用いずに導出する方法を採用している。冷媒の密度ρe,ρcは、例えば、温度センサ311,313,315の計測結果や、電動機180の動作状態(回転数、電流値、消費電力)等の実測値を用いて推定(導出)することができる。電動機180の動作状態は、電動機180を駆動するインバータや電流センサから知ることができる。センサ等から得られる実測値と、密度ρe,ρcの推定値との対応関係を計算機シミュレーションや試験機から予め調べ、当該対応関係を見出すための相関式やデータベースを冷凍サイクル装置300Aの制御器305(図6)に持たせておく。これにより、圧力センサを使用せずに密度ρe,ρcを推定可能となる。
In order to derive the densities ρe and ρc, generally, the temperature and pressure of the refrigerant are required. In this embodiment, a method of deriving without using the pressure sensor is adopted. The density ρe and ρc of the refrigerant is estimated (derived) using, for example, measurement results of the
例えば、圧縮機構120の入口における冷媒の密度ρcは、第3温度センサ315の計測結果と、冷凍サイクルの過熱度とから推定可能である。冷凍サイクルの過熱度は、運転状況に応じて所定範囲内(例えば2℃〜5℃)に設定される値であり、例えば、ファン風量の増減により蒸発器320の熱交換量を変化させて調整することができる。膨張機構130の入口における冷媒の密度ρeは、(1)温度センサ311,313,315の3点の計測結果から推定する方法や、(2)第1温度センサ311の計測結果と電動機180の消費電力とから推定する方法がある。ただし、密度ρe,ρcを推定する方法は多様であり、これらに限定されない。
For example, the refrigerant density ρc at the inlet of the
また、制御器305は、必要とされる加熱能力または冷却能力が発揮される回転数で電動機180が駆動するように、インバータ317に指令を与える。インバータ317は、制御器305からの指令に基づいて電動機180を制御する。インバータ317は、マイクロコンピュータ等の制御系を含むインバータユニットとして構成することができる。したがって、制御器305の役割をインバータ317のマイクロコンピュータに兼用させてもよい。
In addition, the
図9Aに示すごとく、本実施形態の冷凍サイクル装置300Aが給湯器500に適用される場合、放熱器310は、水を温める加熱器の役割を担う。制御器305は、放熱器310の加熱能力QGCを導出するために、給湯器500に設けられた水温センサ502および湯温センサ503の出力信号と、同じく給湯器500に設けられたポンプ501からの回転数信号とを取得する。水温センサ502は、放熱器310に水を送る経路504(配管504)に設けられ、放熱器310に流入する水の温度Tinを計測する。湯温センサ503は、放熱器310から貯湯タンク506等のユースポイントへとお湯を送る経路505(配管505)に設けられ、放熱器310から流出するお湯の温度Toutを計測する。ポンプ501の回転数から放熱器310を通過した水量Vinが求まる。湯温Toutと水温Tinとの差ΔT(=Tout−Tin)、および水量Vinから放熱器310の加熱能力QGC(kW)が求まる。
As shown in FIG. 9A, when the refrigeration cycle apparatus 300 </ b> A of the present embodiment is applied to the
図2は図1に示す膨張機一体型圧縮機100Aの縦断面図であり、図3Aは図2に示すA1−A1断面図であり、図3BはB1−B1断面図である。図2に示すように、膨張機一体型圧縮機100Aは、密閉容器101、密閉容器101内に配置された圧縮機構120、同じく密閉容器101内に配置された膨張機構130、圧縮機構120と膨張機構130とを連結するシャフト127、および、シャフト127を回転駆動する電動機180を備えている。
2 is a longitudinal sectional view of the expander-integrated
圧縮機構120には、冷媒を吸入させる吸入管112と、圧縮後の冷媒を吐出させる吐出管113とが、密閉容器101の内外を貫通する形で接続されている。同様に、膨張機構130には、冷媒を吸入させる吸入管114と、膨張後の冷媒を吐出する吐出管115とが、密閉容器101の内外を貫通する形で接続されている。これら吸入管112,114および吐出管113,115は、それぞれ、図1に示す主冷媒回路301を構成する主配管330に相当する部品である。膨張機構130の吸入管114には、バイパス回路302を構成するバイパス配管360が接続され、膨張機構130の入口に冷媒がバイパスする。このように吸入管114にバイパス配管360を接続すれば、膨張機構130のシリンダの加工が不要、密閉容器101の外部での接続が可能といった構造上の利点がある。ただし、後述する第5実施形態の冷凍サイクル装置300E(図14参照)のように、膨張機構130にバイパス回路302を直結することも可能である。
A
なお、図1では、放熱器310と膨張機構130とを連絡する主配管330(吸入管114)とバイパス配管360との接続位置よりも膨張機構130側に第1温度センサ311が配置されているが、図2中では省略してある。
In FIG. 1, the
電動機180は、シャフト127に固定されたロータ181と、密閉容器101に固定されたステータ182とで構成されている。密閉容器101の上部には、端子184が設けられており、この端子184に一端が接続し、他端がステータ182に接続する配線183により、電動機180に電力が供給される。
The
圧縮機構120は、スクロール式であり、旋回スクロール124、固定スクロール122、オルダムリング128、軸受部材121、吸入管112および吐出管113を備えている。シャフト127の偏心軸127aに嵌合され、かつ、オルダムリング128により自転運動を拘束された旋回スクロール124は、渦巻き形状のラップ124aが、固定スクロール122のラップ122aと噛み合いながら、シャフト127の回転に伴って旋回運動を行い、ラップ124a,122aの間に形成される三日月形状の作動室124hが外側から内側に移動しながら容積を縮小することにより、吸入管112から吸入された冷媒を圧縮する。圧縮された冷媒は、固定スクロール122の中央部に形成された吐出ポート126を経由して、吐出管113から吐出される。
The
なお、圧縮機構120にバイパス配管360を直結する、すなわち、上記吐出ポート126からバイパス回路302を直接分岐させるようにしてもよい。
The
図2、図3Aおよび図3Bに示すごとく、膨張機構130は、2段ロータリ式であり、上軸受部材131、第1シリンダ132、中板133、第2シリンダ134、下軸受部材135、第1ローラ136(第1ピストン)、第2ローラ137(第2ピストン)、第1ベーン138、第2ベーン141、第1バネ139および第2バネ142を備えている。
As shown in FIGS. 2, 3A, and 3B, the
図2に示すごとく、第1シリンダ132は、シャフト127を支持する上軸受部材131の下部に固定されている。第1シリンダ132の下部には、中板133が固定されており、その中板133の下部に第2シリンダ134が固定されている。第1ローラ136は、第1シリンダ132内に配置されており、シャフト127の第1偏心部127bに回転可能に嵌合している。第2ローラ137は、第2シリンダ134内に配置されており、シャフト127の第2偏心部127cに回転可能に嵌合している。図3Aに示すごとく、第1ベーン138は、第1シリンダ132に形成されたベーン溝にスライド可能に配置されている。図3Bに示すごとく、第2ベーン141は、第2シリンダ134のベーン溝にスライド可能に配置されている。第1ベーン138は、第1バネ139によって第1ローラ136に押し付けられ、第1シリンダ132と第1ローラ136との間の空間を吸入側空間140(作動室A)と吐出側空間144a(作動室B)とに仕切る。第2ベーン141は、第2バネ142によって第2ローラ137に押し付けられ、第2シリンダ134と第2ローラ137との間の空間を吸入側空間144b(作動室C)と吐出側空間143(作動室D)とに仕切る。中板133には、第1シリンダ132の吐出側空間144aと、第2シリンダ134の吸入側空間144bとを連通して、両空間144a,144bによる1つの膨張室(作動室B+作動室C)を形成する連通孔145が形成されている。
As shown in FIG. 2, the
本実施形態において、第1ベーン138と第2ベーン141は、シャフト127の周りにおける角度位置が一致している。また、第1偏心部127bと第2偏心部127cの偏心方向も一致している。ただし、角度位置および/または偏心方向が、一定角度ずれた配置とすることも可能である。
In the present embodiment, the
図3A,3Bに示すごとく、吸入管114から膨張機構130に吸入された冷媒は、第1シリンダ132に形成された吸入ポート116を経由して吸入側空間140に案内される。第1シリンダ132の吸入側空間140は、シャフト127の回転にともなって、吸入ポート116との連通が遮断され、吐出側空間144aへと変化する。シャフト127がさらに回転すると、第1シリンダ132の吐出側空間144aに移動した冷媒は、中板133の連通孔145を経由して、第2シリンダ134の吸入側空間144bに案内される。シャフト127がさらに回転すると、第2シリンダ134の吸入側空間144bの容積が増加し、第1シリンダ132の吐出側空間144aの容積が減少するが、第2シリンダ134の吸入側空間144bの容積増加量が、第1シリンダ132の吐出側空間144aの容積減少量よりも大きいので、冷媒は膨張する。そしてこの際、冷媒の膨張力がシャフト127に加わるので、電動機180の負荷が軽減される。シャフト127がさらに回転すると、第1シリンダ132の吐出側空間144aと第2シリンダ134の吸入側空間144bとの連通が遮断され、第2シリンダ134の吸入側空間144bは、吐出側空間143へと変化する。第2シリンダ134の吐出側空間143に移動した冷媒は、第2シリンダ134に形成された吐出ポート146を経由して、吐出管115から吐出される。
As shown in FIGS. 3A and 3B, the refrigerant sucked into the
吸入管114は、膨張機構130の冷媒吸入部である吸入ポート116に接続されている。そして、密閉容器101の外部に引き出されている吸入管114に、バイパス配管360が接続されている。吸入管114とバイパス配管360との接続は、T字管等の継手を用いて行なうことができる。なお、密閉容器101内において、吸入管114とバイパス配管360とが接続されていてもよい。
The
なお、圧縮機構や膨張機構の型式は、本実施形態に限定されるわけではなく、スクロール式やロータリ式のような容積式の機構を適宜採用できる。 Note that the types of the compression mechanism and the expansion mechanism are not limited to the present embodiment, and a positive displacement mechanism such as a scroll type or a rotary type can be appropriately employed.
次に、バイパス回路302によって得られる効果を詳細に説明する。
冷媒の種類は、冷凍サイクルの高圧で超臨界となる二酸化炭素であり、図1の冷凍サイクル装置300Aを給湯器500(図9A参照)に適用する場合を例にして説明を行う。なお、冷媒は二酸化炭素に限らず、冷凍サイクルの高圧が超臨界とならないフロン系の冷媒も使用可能である。
Next, the effect obtained by the
The type of the refrigerant is carbon dioxide that becomes supercritical at a high pressure in the refrigeration cycle, and the case where the
最初に、バイパス回路302に冷媒を全く流さない場合を考える。
本実施形態の膨張機一体型圧縮機100Aにおいて、圧縮機構120の容積Vcと膨張機構130の容積Veは、共にある設計値を持つ。圧縮機構120と膨張機構130の容積比(Vc/Ve)は一定であり、図4Aのモリエル線図中の点N1における冷媒の密度ρeと、点Lにおける冷媒の密度ρcとの比(ρe/ρc)に等しくなることが理想的である。密度ρeは、膨張機構130の入口における膨張前の冷媒の密度であり、密度ρcは、圧縮機構120の入口における冷媒の密度である。
First, consider a case where no refrigerant flows through the
In the expander-integrated
膨張機構130の入口における冷媒の密度ρeは、運転条件に応じて、例えば、600kg/m3〜1000kg/m3の範囲で変化する。圧縮機構120の入口における冷媒の密度ρcは、例えば、90kg/m3〜110kg/m3の範囲で変化する。密度比(ρe/ρc)に換算すると、約7〜11となる。例えば、夏季には放熱器310で暖めるべき水の温度が高いので、放熱器310から吐出される冷媒の温度も高い。すなわち、密度ρeは小さくなり、密度比(ρe/ρc)は約7となる。したがって、圧縮機構120と膨張機構130の容積比(Vc/Ve)が約7となるように設計を行えば、夏季条件では、特別な工夫を講じなくとも、LMN1O1で表される理想的な冷凍サイクルで運転を行え、高い動力回収効率を達成できる。
Density ρe of the refrigerant at the inlet of the
一方、冬季になると水温が下がってくるので、放熱器310から吐出される冷媒の温度も下がり、冷凍サイクルの点N1は低温側の点N2へとシフトする。すなわち、冷媒の密度ρeは夏季に比べて大きくなり、密度比(ρe/ρc)は上昇し、最大で約11となる。ところが、密度比(ρe/ρc)は変化するのに容積比(Vc/Ve)は変化できないため、ここで、圧縮機構120と膨張機構130のそれぞれにおける体積流量にアンバランスが生ずる。他方、バイパス回路302の存在を無視する限り、冷媒の質量流量は冷媒回路のどこで測っても一定である。結局、体積流量を無理矢理バランスさせる作用が働き、容積Veに見合う体積の冷媒が膨張機構130に入っていかなくなる。
On the other hand, since the water temperature decreases in the winter season, the temperature of the refrigerant discharged from the
膨張機構130に入っていく冷媒の体積が少なくなると、冷凍サイクルの元々の膨張過程N1O1は、図4Aに示すごとく、膨張過程N2O2へとシフトする。膨張過程N2O2は、圧力P1〜P2が動力回収に寄与する等エントロピー膨張であり、圧力P2〜P3は動力回収に寄与しない等エンタルピー膨張である。膨張機構130に入っていく体積が不足しているので、冷媒は、高圧から低圧まで等エントロピー膨張できず、膨張不足が起こる。結果的に、夏季の動力回収量(h1−h3)に比べ、冬季の動力回収量(h2−h4)は小さくなる。このことを膨張過程のP−V線図に表すと、図5Aのようになる。圧力P2〜P3は、エンタルピー一定の定積変化である。夏季と冬季の動力回収量の差は、面積S1に相当する。
When the volume of the refrigerant entering the
これに対し、バイパス回路302を用いた場合を考える。
圧縮機構120と放熱器310との間の高温低密度の冷媒を、膨張前の低温高密度の冷媒に混合すると、膨張機構130の入り口における冷媒の密度ρeは低くなる。すると、体積流量のアンバランスが緩和され、容積Veに見合う体積の冷媒が膨張機構130に入っていくようになる。図4Bのモリエル線図に示すごとく、バイパス回路302を用いる前の冷凍サイクルの膨張過程N2O2は、高エンタルピー側の膨張過程N3O3へとシフトし、膨張不足が緩和される。このときの動力回収量(h5−h6)は、夏季の動力回収量(h1−h3)に近く、バイパス回路302を無視した場合の冬季の動力回収量(h2−h4)よりも大きい。図5BのP−V線図に示すごとく、面積S2(<S1)が夏季と冬季の動力回収量の差となる。
On the other hand, consider the case where the
When the high-temperature and low-density refrigerant between the
なお、低密度の冷媒の一部をバイパスさせることにより、放熱器310を通過する冷媒の質量流量が減少し、放熱器310の能力が僅かに低下する。しかしながら、冷媒を全くバイパスさせない場合の動力回収量(h2−h4)と、冷媒をバイパスさせた場合の動力回収量(h5−h6)との差が、放熱器310の能力低下分を上回るように制御を行えば問題ない。要するに、冷媒の密度ρeが低すぎる場合に、バイパス回路302を用いて密度ρeを大きくし、成績係数を高めるという趣旨である。
Note that by bypassing a part of the low-density refrigerant, the mass flow rate of the refrigerant passing through the
図7に、制御器305による冷凍サイクル装置300Aの制御フローチャートを示す。制御器305は、本フローチャートに表される制御を定期的に実行することにより、冷凍サイクル装置300Aの成績係数(COP:coefficient of performance)を常に最適値付近に維持する。
In FIG. 7, the control flowchart of
ステップST1において、制御器305は、温度センサ311,313,315から信号を取得する。次に、ステップST2において、電動機180の電流値および回転数を特定するデータをインバータ317より取得する。
In step ST1, the
次に、ステップST3において、放熱器310の加熱能力QGCを導出する。放熱器310の加熱能力QGCは、図9Aで説明した通り、放熱器310の入口における水温Tinと出口における湯温Toutとの差ΔT、および放熱器310を通過した水量Vinから求めることができる。
Next, in step ST3, the heating capability Q GC of the
放熱器310の加熱能力QGCを導出する他の1つの方法は、次の通りである。放熱器310に流入する冷媒のエンタルピーhGC_inと放熱器310から吐出された冷媒のエンタルピーhGC_outとを推定する。推定したエンタルピーの差Δh=(hGC_in−hGC_out)に、電動機180の回転数に対応して定まる変数QCを乗ずることにより、加熱能力QGCを求めることができる(QGC=QC・Δh)。
Another method for deriving the heating capability Q GC of the
具体的には、図9Bに示すごとく、放熱器310の入口と出口のそれぞれに、温度センサ325,327および圧力センサ326,328を設け、それら温度センサ325,327および圧力センサ326,328の出力信号を制御器305に与える。放熱器310の入口側のセンサ325,326は、放熱器310と圧縮機構120との間の主冷媒回路301上に設けるとよい。放熱器310の出口側のセンサ327,328は、放熱器310と膨張機構130との間の主冷媒回路301上であって、主冷媒回路301とバイパス回路302との合流点よりも放熱器310側に設けるとよい。
Specifically, as shown in FIG. 9B,
なお、蒸発器320で空気や水を冷却する場合には、放熱器310の加熱能力QGCに代えて、蒸発器320の冷却能力QEVAを導出する。例えば、空気調和装置において、蒸発器320の冷却能力QEVAは、ファン回転数、過熱度、主冷媒回路301における冷媒の温度、電動機180の電流値や回転数のように、直接知ることができる条件の1つまたは複数を用いて求めることができる。より正確には、(1)放熱器310のファン回転数と、放熱器310の入口および出口のそれぞれにおける冷媒の温度とから、蒸発器320の入口における冷媒のエンタルピーを導出し、(2)圧縮機構120の吐出温度より過熱度を導出し、(3)電動機180の回転数から特性循環量(単位時間あたりの冷媒の循環量)を導出する。そして、これら(1)〜(3)の結果を用いて蒸発器320の能力QEVAを導出することができる。
When cooling the air or water with the
図7に戻って説明を続ける。ステップST3において、現在の加熱能力QGCを導出した後、導出した加熱能力QGCが要求能力Qreq以上であるかどうかを判断する。要求能力Qreqは、給湯器であれば貯湯タンクに溜めるべきお湯の温度や水温、空気調和装置であれば冷暖房温度や風量に応じて定まる値である。加熱能力QGCが要求能力Qreq以上である場合には、ステップST5に進み、QGCとQreqとの差の絶対値と、予め定められたしきい値φQとの大小比較を行う。QGCとQreqとの差の絶対値がしきい値φQ未満でない場合、つまり、しきい値φQ以上である場合には、ステップST6において、インバータ317(図6参照)に指令を与え、電動機180の回転数を低下する制御を行う。 Returning to FIG. 7, the description will be continued. In step ST3, the after deriving a current heating capacity Q GC, the derived heating capacity Q GC to determine if a whether the required capacity Q req above. The required capacity Q req is a value determined according to the temperature and water temperature of hot water to be stored in the hot water storage tank in the case of a water heater, and the air conditioning temperature and air volume in the case of an air conditioner. If the heating capacity Q GC is greater than or equal to the required capacity Q req , the process proceeds to step ST5, where the absolute value of the difference between Q GC and Q req is compared with a predetermined threshold value φQ. If the absolute value of the difference between Q GC and Q req is not less than threshold value φQ, that is, greater than or equal to threshold value φQ, a command is given to inverter 317 (see FIG. 6) in step ST6, and the electric motor Control to reduce the rotational speed of 180 is performed.
ST4において、加熱能力QGCが要求能力Qreq未満である場合には、ステップST7に進み、QGCとQreqとの差の絶対値と、予め定められたしきい値φQとの大小比較を行う。QGCとQreqとの差の絶対値がしきい値φQ以上である場合には、ステップST8において、インバータ317(図6参照)に指令を与え、電動機180の回転数を増加する制御を行う。このように、本実施形態では、QGCがQreqを中心として一定範囲内に収まっている限り、電動機180の回転数が変化しないようになっている、つまり、不感帯を設けている。
If the heating capacity Q GC is less than the required capacity Q req in ST4, the process proceeds to step ST7, and the magnitude comparison between the absolute value of the difference between Q GC and Q req and a predetermined threshold φQ is performed. Do. If the absolute value of the difference between Q GC and Q req is greater than or equal to the threshold value φQ, in step ST8, a command is given to the inverter 317 (see FIG. 6) to perform control to increase the rotation speed of the
QGCがQreqを中心として一定範囲内(例えばQreq±5%)に収まっていることを条件として、ステップST9に進み、冷凍サイクルの現在の密度比(ρe/ρc)と、最適密度比(ρe/ρc)OPとの大小比較を行う。膨張機構130の入口における冷媒の密度ρeと、圧縮機構120の入口における冷媒の密度ρcは、先に説明したように、温度センサ311,313,315の計測結果と、電動機180の消費電力および回転数とを用いて推定する。
On condition that Q GC is within around a Q req within a certain range (e.g., Q req ± 5%), the process proceeds to step ST9, the current density ratio of the refrigeration cycle (ρe / ρc), optimal density ratio (Ρe / ρc) Comparison with OP is performed. As described above, the refrigerant density ρe at the inlet of the
最適密度比(ρe/ρc)OPについて説明する。図10は、冷媒の密度ρe、膨張機効率ηe、バイパス開度ξbおよび成績係数(COP)の関係を示す相関図である。冷媒の密度ρeを横軸、その他を左右の縦軸にとっている。膨張機効率ηeは、(実回収動力/理論回収動力)を意味する。 The optimum density ratio (ρe / ρc) OP will be described. FIG. 10 is a correlation diagram showing the relationship among refrigerant density ρe, expander efficiency η e , bypass opening ξ b, and coefficient of performance (COP). The refrigerant density ρe is on the horizontal axis, and the other is on the left and right vertical axes. The expander efficiency η e means (actual recovery power / theoretical recovery power).
膨張機効率ηeは、冷凍サイクルの高低圧PH,PLと吸入される冷媒温度Teとによって定まり、冷媒の密度ρeが大きくなるにつれて低下することが知られている。他方、冷媒の密度ρeは、バイパス開度ξbが大きくなるにつれて大きくなるが、バイパス開度ξbを大きくしすぎると、放熱器310を流れる冷媒の量が少なくなり、逆に成績係数が低下する。したがって、成績係数カーブは、膨張機構率ηeおよびバイパス開度ξbに対応する極大点を持ち、最適密度比(ρe/ρc)OPは、成績係数の極大点に対応して予め定めることができる。
Expander efficiency eta e is high and low pressure P H of the refrigeration cycle, determined by the refrigerant temperature T e sucked and P L, is known to decrease as the density of the refrigerant ρe increases. On the other hand, the density ρe of the refrigerant is larger as the bypass opening xi] b increases, when the bypass opening xi] b is too large, the amount of the refrigerant flowing through the
図10に示すような成績係数カーブは、電動機180の回転数、過熱度、放熱器310で加熱するべき水の温度、外気温等の条件にも依存する。例えば、上記条件と最適密度比とを対応付けたデータベースを予め作成し、このデータベースを制御器305にインプットすることができる。このようにすれば、上記条件を検索キーとして用いてデータベースを参照することにより、季節や運転状況に応じた最適密度比(ρe/ρc)OPを随時選択および設定することが可能となる。
The coefficient of performance curve as shown in FIG. 10 also depends on conditions such as the number of revolutions of the
なお、圧縮機構120の入口における冷媒の密度ρcは、そう大きく変化しないので、これを一定値として予め制御器305にインプットしておき、膨張機構130の入口における冷媒の密度ρeのみを温度等の実測値から推定し、現在の密度比(ρe/ρc)を導出するようにしてもよい。
Since the refrigerant density ρc at the inlet of the
ステップST9において、現在の密度比(ρe/ρc)が最適密度比(ρe/ρc)OP以上であると判断した場合には、ステップST10に進み、現在の密度比(ρe/ρc)と最適密度比(ρe/ρc)OPとの差の絶対値と、予め定められたしきい値φ(ρe/ρc)との大小比較を行う。上記絶対値がしきい値φ(ρe/ρc)未満でない、つまり、しきい値φ(ρe/ρc)以上である場合には、ステップST11において、バイパス開度(流量調整弁350の開度)を拡大する制御を行う。 If it is determined in step ST9 that the current density ratio (ρe / ρc) is equal to or greater than the optimum density ratio (ρe / ρc) OP , the process proceeds to step ST10, where the current density ratio (ρe / ρc) and the optimum density are determined. The absolute value of the difference from the ratio (ρe / ρc) OP is compared with a predetermined threshold value φ (ρe / ρc). When the absolute value is not less than the threshold value φ (ρe / ρc), that is, not less than the threshold value φ (ρe / ρc), in step ST11, the bypass opening (the opening of the flow rate adjusting valve 350). Control to enlarge.
他方、現在の密度比(ρe/ρc)が最適密度比(ρe/ρc)OP未満である場合には、ステップST12に進み、両者の差の絶対値と、しきい値φ(ρe/ρc)との大小比較を行う。上記絶対値がしきい値φ(ρe/ρc)以上である場合には、ステップST13において、バイパス開度(流量調整弁350の開度)を縮小する制御を行う。現在の密度比(ρe/ρc)が最適密度比(ρe/ρc)OPを中心として一定範囲内に収まっている限り、流量調整弁350の開度が変化しないようになっている、つまり、不感帯を設けている。
On the other hand, if the current density ratio (ρe / ρc) is less than the optimum density ratio (ρe / ρc) OP , the process proceeds to step ST12, and the absolute value of the difference between the two and the threshold value φ (ρe / ρc) Compare size with. If the absolute value is greater than or equal to the threshold value φ (ρe / ρc), in step ST13, control is performed to reduce the bypass opening (the opening of the flow rate adjustment valve 350). As long as the current density ratio (ρe / ρc) is within a certain range centered on the optimum density ratio (ρe / ρc) OP , the opening degree of the
以上の手順により、要求能力Qreqを発揮しつつ、成績係数が最大値に近づくように、流量調整弁350の制御を行うことができる。
With the above procedure, the flow
また、図7に示すフローチャートに代えて、図8に示すフローチャートにしたがって制御を行うようにしてもよい。 Further, the control may be performed according to the flowchart shown in FIG. 8 instead of the flowchart shown in FIG.
ステップS1において、制御器305は、現在のバイパス開度ξbをメモリから読み出し、温度センサ311,313,315より信号を取得する。ステップS2において、電動機180の電流値および回転数を特定するデータをインバータ317より取得する。ステップS3において、現在の加熱能力QGCまたは冷却能力QEVAと電動機180の消費電力とを導出する。ステップS1〜S3の処理は、図7のフローチャートのステップST1〜ST3の処理に対応する。
In step S < b > 1, the
次に、ステップS4において、加熱能力QGCまたは冷却能力QEVAが要求能力Qreq以上であるかどうかを判断し、要求能力Qreq未満である場合には、ステップS5に進み、電動機180の回転数を増加する。ステップS4,S5の処理は、図7のフローチャートのステップST4〜ST8の処理に置き換えてもよい。
Next, in step S4, when the heating capacity Q GC or cooling capacity Q EVA it is determined whether a required capacity Q req to less than the required capacity Q req, the process proceeds to step S5, rotation of the
次に、ステップS6において、温度センサ311,313,315の計測結果と、電動機180の消費電力とから、現在の密度ρe,ρcを導出(推定)する。次に、ステップS7において、バイパス制御目標開度ξobjと、制御しきい値Δξとを導出する。成績係数が最大となるバイパス制御目標開度ξobjは、冷媒の密度ρe,ρcに対応した相関式やデータベースの形で制御器305に予めインプットされうる。したがって、ステップ7は、ステップS6で求めた密度ρe,ρcを検索キーとして用い、データベースから適切なバイパス制御目標開度ξobjを見出す処理であったり、求めた密度ρe,ρcをパラメータとして用い、予め定めた相関式からバイパス制御目標開度ξobjを見出す処理であったりする。制御しきい値Δξは、例えば、バイパス制御目標開度ξobjの±5%が割り当てられる。
Next, in step S <b> 6, current densities ρe and ρc are derived (estimated) from the measurement results of the
次に、ステップS8において、バイパス制御目標開度ξobjと、現在のバイパス開度ξbとの大小比較を行う。現在のバイパス開度ξbがバイパス制御目標開度ξobj以上の場合には、ステップS9に進み、両者の差が制御しきい値Δξ未満かどうかを判断し、しきい値Δξ未満であると判断した場合には、ステップS10において、バイパス開度(流量調整弁350の開度)を縮小する。他方、現在のバイパス開度ξbがバイパス制御目標開度ξobj以上である場合には、ステップS9に進み、両者の差がしきい値Δξ未満かどうかを判断し、しきい値Δξ未満であると判断した場合には、ステップS12において、バイパス開度(流量調整弁350の開度)を拡大する。 Next, in step S8, the bypass control target opening degree ξ obj is compared with the current bypass opening degree ξ b . If the current bypass opening ξ b is greater than or equal to the bypass control target opening ξ obj , the process proceeds to step S9, where it is determined whether or not the difference between the two is less than the control threshold value Δξ. If it is determined, the bypass opening (the opening of the flow rate adjustment valve 350) is reduced in step S10. On the other hand, if the current bypass opening ξ b is equal to or greater than the bypass control target opening ξ obj , the process proceeds to step S9 to determine whether the difference between the two is less than the threshold value Δξ. If it is determined that there is, the bypass opening (the opening of the flow rate adjusting valve 350) is increased in step S12.
(第2実施形態)
第1実施形態の冷凍サイクル装置300Aは、主冷媒回路301とバイパス回路302との接続位置よりも膨張機構130側で、冷媒の温度を計測し、密度ρeを導出する構成となっている。しかしながら、バイパス配管360を膨張機構130の吸入ポート116(図2参照)に直結するといった実施形態も考えられるし、センサ類を配置するために必要な配管の長さを十分取れなかったりすることも考えられる。そのような場合には、下記(1)〜(3)より膨張機構130に吸入される冷媒の密度ρeを間接的に導出する(推定する)ことができる。
(Second Embodiment)
The
(1)圧縮機構120の回転数(電動機180の回転数)
(2)バイパス回路302を流れた冷媒に合流する前の、放熱器310から吐出された冷媒の密度
(3)バイパス回路302を流れる冷媒の流量(流量調整弁350の開度)
(1) Rotation speed of compression mechanism 120 (rotation speed of electric motor 180)
(2) Density of refrigerant discharged from the
具体的には、図11に示す本実施形態の冷凍サイクル装置300Bのごとく、放熱器310と、主冷媒回路301とバイパス回路302の終端との接続位置との間における主冷媒回路301上に温度センサ311を設けることができる。温度センサ311により、バイパス回路302を流れた冷媒に合流する前の、放熱器310から吐出された冷媒の温度を計測する。バイパス回路302を流れる冷媒の流量は、流量調整弁350の開度から特定することが可能である。流量調整弁350の開度を特定するデータは、制御器305のメモリに常時保持させておくことができる。また、電動機180の回転数を特定するためのデータは、必要に応じてインバータ317から取得してもよいし、制御器305自身が常時保持していてもよい。
Specifically, as in the
(第3実施形態)
第1実施形態の冷凍サイクル装置300Aは、適用対象を給湯器としたが、本発明がこれに限定されるわけではない。例えば、図12に示す冷凍サイクル装置300Cは、空気調和装置を適用対象として想定したものである。本実施形態の冷凍サイクル装置300Cの構成は、四方弁380,380により、放熱器310と蒸発器320の機能が相互に切り替わるようになっている。その他は、基本的に、第1実施形態の冷凍サイクル装置300Aと共通である。
(Third embodiment)
In the
放熱器310および蒸発器320は、それぞれ、フィンアンドチューブ型の熱交換器である。放熱器310または蒸発器320として機能する2つの熱交換器のうち、一方が室内ユニットに組み込まれ、他方が室外ユニットに組み込まれる。室内を冷房する場合には、室内ユニットの熱交換器が蒸発器320、室外ユニットの熱交換器が放熱器310として機能する。室内を暖房する場合には、室内ユニットの熱交換器が放熱器310、室外ユニットの熱交換器が蒸発器320として機能する。
Each of the
もちろん、四方弁によって冷媒の流通方向を切り替える機構を、他の実施形態の冷凍サイクル装置に適用してもよい。その場合、放熱器および蒸発器は、冷媒と気体空気との熱交換を行うフィンアンドチューブ熱交換器だけでなく、冷媒と水との熱交換を行う二重管式熱交換器のような水熱交換器であってもよい。 Of course, you may apply the mechanism which switches the distribution direction of a refrigerant | coolant with a four-way valve to the refrigerating-cycle apparatus of other embodiment. In that case, the radiator and the evaporator are not only fin-and-tube heat exchangers that exchange heat between the refrigerant and gaseous air, but also water such as double-tube heat exchangers that exchange heat between the refrigerant and water. It may be a heat exchanger.
(第4実施形態)
第1実施形態の冷凍サイクル装置300Aは、圧力センサを使用せずに全ての制御を行うようにしているが、本実施形態の冷凍サイクル装置300Dに示すごとく、圧力センサ312,314を用いるようにしてもよい。第1圧力センサ312は、膨張機構130の入口における冷媒の圧力を計測し、第2圧力センサ314は、圧縮機構120の入口における冷媒の圧力を計測する。これらの圧力センサ312,314と、温度センサ311,313とを用いることにより、密度ρe,ρcを直接的に導出することができる。このような圧力センサ312,314は、例えば圧電素子を用いたセンサであり、その出力信号は、温度センサ311,313,315と同様、制御器305に与えられる。
(Fourth embodiment)
The
また、図13に示す冷凍サイクル装置300Dは、オイルセパレータ390と、ガス分離器370とをさらに備えている。オイルセパレータ390は、バイパス回路302を流通する冷媒から冷凍機油を分離し、分離した冷凍機油を主冷媒回路301における蒸発器320と圧縮機120との間に戻す。これにより、バイパス回路302に冷凍機油が流れていくことを防止できる。
The
(第5実施形態)
先の実施形態の冷凍サイクル装置300A,300B,300C,300Dでは、膨張機構130に接続された主配管330(吸入管114)にバイパス配管360が接続されている。しかしながら、この構成は必須でない。すなわち、図14に示す冷凍サイクル装置300Eのごとく、バイパス配管360を膨張機構130に直結してもよい。この場合、バイパス配管360を膨張機構130のどこに接続するのかが問題となる。考えられる1つの好適な構成は、第1シリンダ132の吸入ポート116(図2参照)にバイパス配管360を接続する構成である。このようにすれば、第1実施形態と同じ効果を得ることができる。
(Fifth embodiment)
In the
他の1つの好適な構成は、図15に示すごとく、膨張機一体型圧縮機100Bの第2シリンダ134にバイパス配管360を接続する構成である。図15に示す膨張機一体型圧縮機100Bは、第2シリンダ134にバイパス配管360を直結している点以外、図2に示す膨張機一体型圧縮機100Aと共通である。第1実施形態でも説明したように、ロータリ式の膨張機構130は、第1シリンダ132と第2シリンダ134とで1つの膨張室を形成し、その膨張室に冷媒を閉じこめて膨張させる仕組みになっている。したがって、その膨張室にバイパス回路302を接続し、低密度の冷媒を膨張室に直接送り込めば、膨張過程にある冷媒の密度ρeを変化させることができる。具体的には、バイパス回路302を流れた冷媒が膨張室に直接注入されるように、バイパス回路320(バイパス配管)の接続先が定められている。本実施形態では、第2シリンダ134にバイパス回路302(バイパス配管360)が接続している。
Another preferred configuration is a configuration in which a
図16Aおよび図16Bは、それぞれ、図15の膨張機一体型圧縮機100Bの膨張機構130の動作説明図である。第1シリンダ132への冷媒の吸入開始時点を0°として、各シリンダ132,134の様子をシャフト127の回転角度90°おきに時系列で示す。膨張機構130の構成は、第2シリンダ134にバイパス配管360が接続されている以外、他の実施形態と共通である。第1シリンダ132に接続された吸入管114は、ベーンとのなす角度が約45°である。バイパス配管360としての混合ノズル147は、ベーンとのなす角度が約67.5°の位置おいて第2シリンダ134に接続されている。この混合ノズル147は、第2シリンダ134に形成されている注入ポート148を介して、第2シリンダ134内に低密度かつ高エンタルピーの冷媒を噴射する機能を有する。
16A and 16B are operation explanatory diagrams of the
図16Aに示すごとく、回転角度0°のとき、冷媒201は吸入管114に準備された状態であり、第1シリンダ132の吸入側空間140の容積はゼロである。シャフト127が反時計方向に回転することにともない、第1シリンダ132の吸入側空間140への冷媒201の吸入が開始される。少なくとも回転角度が270°までは、中板133の連通孔145と吸入側空間140とが連通していないので、冷媒201は第2シリンダ134に移動しない。シャフト127の回転角度が270°から360°の間で連通孔145が開き始め、第2シリンダ134の吸入側空間144bへの冷媒201の流れ込みが始まる。
As shown in FIG. 16A, when the rotation angle is 0 °, the refrigerant 201 is prepared in the
図16Bに示すごとく、回転角度が360°になると、第1シリンダ132では冷媒201の吸入が終了する。その時点から、第1シリンダ132の吐出側空間144aおよび第2シリンダ134の吸入側空間144bに充填された冷媒201が膨張し始める。一方、第1シリンダ132では新たな冷媒202の吸入が始まる。シャフト127がさらに回転して回転角度が382.5°を超えると、バイパス回路302を流れた冷媒が、混合ノズル147および第2シリンダ134の注入ポート148を経由して吸入側空間144bに流入し始める。吸入側空間144bに低密度の冷媒が流入すると、その低密度の冷媒は、第1シリンダ132の吐出側空間144aおよび第2シリンダ134の吸入側空間144bからなる膨張室において、超臨界の液相的状態から気液二相状態へと膨張し始めた冷媒201と衝突する。これにより、気液二相への変化が促進される。第2シリンダ134においては、回転角度が630°から720°の間で、吐出側空間143aと吐出ポート146との連通が始まり、膨張後の冷媒201の吐出が始まる。
As shown in FIG. 16B, when the rotation angle reaches 360 °, the
膨張機構130は、毎秒数十回転の速さで動作するので、冷媒の膨張過程は一瞬で終了することになる。ところが、図17に示すごとく、単相から気液二相への変化が膨張機構130の動作に追いつかず、相変化遅れによる圧力低下を招来することがある。相変化遅れによる圧力低下は、斜線部に相当する動力回収ロスを伴う。
Since the
しかしながら、本実施形態によれば、膨張過程の冷媒に低密度の冷媒を混合する。つまり、超臨界(または液相)の液相的状態にある冷媒に、ガス冷媒を混合することにより、気体と液体との界面を積極的に形成する。こうした界面は、冷媒の液相から気液二相への変化を促進する。これにより、図15に示すような相変化遅れの発生が防止され、相変化遅れにともなう動力回収ロスも発生せず、より優れた成績係数が達成される。特に、膨張過程が始まってから気液二相への変化が開始するまでに上記混合を行うことが好ましい。膨張過程は、第1シリンダ132の吐出側空間144aと第2シリンダ134の吸入側空間144bとが連通孔145を介して1つにつながった時点から始まるので、混合ノズル147は、連通孔145が形成されている位置からシャフト127の回転方向に90°までの角度範囲内において、第2シリンダ134に接続していることが好ましい。場合によっては、連通孔145内にガス冷媒の注入が行えるように、中板133に注入ポートを形成し、さらに、中板133に混合ノズル147を接続するようにしてもよい。
However, according to this embodiment, a low-density refrigerant is mixed with the refrigerant in the expansion process. That is, the gas / liquid interface is positively formed by mixing the gas refrigerant with the refrigerant in the supercritical (or liquid phase) liquid phase state. Such an interface promotes the change of the refrigerant from the liquid phase to the gas-liquid two phase. Accordingly, the occurrence of a phase change delay as shown in FIG. 15 is prevented, a power recovery loss due to the phase change delay does not occur, and a better coefficient of performance is achieved. In particular, it is preferable to carry out the above mixing from the start of the expansion process to the start of the change to the gas-liquid two phase. The expansion process starts when the
(第6実施形態)
先の冷凍サイクル装置300A〜300Eは、いずれも、膨張機一体型圧縮機100A,100Bが使用されている。しかしながら、図18に示すごとく、圧縮機220と膨張機230とが分離されている冷凍サイクル装置300Fも、本発明の好適な実施形態である。冷凍サイクル装置300Fは、簡単にいえば、従来の冷凍サイクル装置の膨張弁を膨張機230で置き換えたうえで、バイパス回路302を設けた構成となっている。
(Sixth embodiment)
The
冷凍サイクル装置300Fは、圧縮機220の回転数と膨張機230の回転数とを独立して制御することにより、冷凍サイクルの高圧を制御し、冷凍サイクル効率を最適化することが可能であることが知られている。しかしながら、圧縮機220を駆動する電動機や膨張機230によって駆動される発電機の効率は、回転数に応じて大きく変化する。高効率で運転できる回転数の範囲は、そう広くない。したがって、圧縮機220や膨張機230の回転数の制御だけに頼って冷凍サイクル効率を最適化しようとしても、電動機や発電機の効率低下がネックとなり、成績係数を満足に高めることが困難となることが予測される。また、圧縮機220や膨張機230自体の効率も回転数によって変化する。
The
そこで分離型の冷凍サイクル装置300Fに本発明を適用し、圧縮機220や膨張機230の回転数を変化させることに代えて、バイパス回路302を用いることによって冷媒の密度ρeを変化させ、冷凍サイクル効率の最適化を図る制御方法を提案できる。この方法によれば、圧縮機220を駆動する電動機や膨張機230によって駆動される発電機の効率を高く保ちつつ、冷凍サイクル効率の最適化を図ることができる。もちろん、圧縮機220を駆動する電動機や膨張機230によって駆動される発電機の回転数と、バイパス回路302の冷媒流量との両方を制御し、冷凍サイクル効率の最適化を図るようにしてもよい。また、図18の例では、第1温度センサ311が、バイパス回路302と主冷媒回路301との合流点よりも放熱器310側に配置されているが、この第1温度センサ311は、上記合流点よりも膨張機230側に配置してもよい。
Therefore, the present invention is applied to the separation type
本発明にかかる冷凍サイクル装置は、動力回収効率に優れ、空気調和装置、給湯器、各種乾燥機、冷凍冷蔵庫等に有用である。 The refrigeration cycle apparatus according to the present invention is excellent in power recovery efficiency, and is useful for an air conditioner, a water heater, various dryers, a refrigerator refrigerator, and the like.
100A,100B 膨張機一体型圧縮機
120 圧縮機構
127 シャフト
130 膨張機構
132 第1シリンダ
133 中板
134 第2シリンダ
136 第1ピストン
137 第2ピストン
138 第1ベーン
141 第2ベーン
140,144b 吸入側空間
144a,143 吐出側空間
145 連通孔
180 電動機
300A,300B,300C,300D,300E,300F 冷凍サイクル装置
301 主冷媒回路
302 バイパス回路
305 制御器
311 第1温度センサ
313 第2温度センサ
315 第3温度センサ
310 放熱器
320 蒸発器
330 主配管
350 流量調整弁
360 バイパス配管
100A, 100B Expander-integrated
Claims (10)
前記圧縮機で圧縮された前記冷媒を放熱させる放熱器と、
前記放熱器で放熱した前記冷媒を膨張させる膨張機と、
前記膨張機で膨張した前記冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記圧縮機で圧縮されて前記放熱器で放熱する前の前記冷媒の一部が、前記放熱器に流入することなく、前記放熱器から前記膨張機へ向かう経路または前記膨張機にバイパスして、前記放熱器で放熱した膨張前の前記冷媒または膨張過程にある前記冷媒に合流するように、始端が前記圧縮機または前記圧縮機から前記放熱器への経路に接続され、終端が前記膨張機または前記放熱器から前記膨張機へ向かう経路に接続されたバイパス回路と、
を備えた、冷凍サイクル装置。 A compressor for compressing the refrigerant;
A radiator that dissipates heat of the refrigerant compressed by the compressor;
An expander for expanding the refrigerant radiated by the radiator;
An evaporator for evaporating the refrigerant expanded by the expander;
A part of the refrigerant before being compressed by the compressor and radiating heat by the radiator is bypassed to the path from the radiator to the expander or the expander without flowing into the radiator. The starting end is connected to the compressor or a path from the compressor to the radiator so as to join the refrigerant before expansion radiated by the radiator or the refrigerant in the expansion process, and the terminal end is the expander or A bypass circuit connected to a path from the radiator to the expander;
A refrigeration cycle apparatus comprising:
当該冷凍サイクル装置の成績係数が最大値に近づくように、前記流量調整器を制御する制御器をさらに備えた、請求項1記載の冷凍サイクル装置。 The bypass circuit includes a flow regulator for adjusting the flow rate of the refrigerant flowing through the bypass circuit;
The refrigeration cycle apparatus according to claim 1, further comprising a controller that controls the flow rate regulator so that the coefficient of performance of the refrigeration cycle apparatus approaches a maximum value.
前記制御器は、前記主冷媒回路における前記冷媒の状態に応じて前記流量調整器を制御する、請求項2記載の冷凍サイクル装置。 The compressor, the radiator, the expander and the evaporator are connected in this order, further comprising a main pipe constituting a main refrigerant circuit together with these elements,
The refrigeration cycle apparatus according to claim 2, wherein the controller controls the flow rate regulator in accordance with a state of the refrigerant in the main refrigerant circuit.
前記制御器は、前記主冷媒回路と前記バイパス回路の前記終端との接続位置から、前記膨張機へ向かって前記主冷媒回路を流通する、合流後の前記冷媒の状態に応じて、前記流量調整器を制御する、請求項3記載の冷凍サイクル装置。 The end of the bypass circuit is connected to the main pipe which is a portion between the radiator and the expander of the main refrigerant circuit,
The controller adjusts the flow rate according to the state of the refrigerant after merging, which flows through the main refrigerant circuit from the connection position of the main refrigerant circuit and the end of the bypass circuit toward the expander. The refrigeration cycle apparatus according to claim 3, wherein the refrigeration cycle apparatus is controlled.
前記制御器は、前記温度センサの計測結果を用いて前記膨張機の入口における前記冷媒の状態を推定し、その推定結果に基づいて、前記流量調整器を制御する、請求項4記載の冷凍サイクル装置。 A temperature sensor that is provided on the main refrigerant circuit between the main refrigerant circuit and the end of the bypass circuit and the expander, and that measures the temperature of the refrigerant after merging;
The refrigeration cycle according to claim 4, wherein the controller estimates a state of the refrigerant at an inlet of the expander using a measurement result of the temperature sensor, and controls the flow rate regulator based on the estimation result. apparatus.
前記膨張機が、前記膨張機一体型圧縮機の前記膨張機構として構成されている、請求項1記載の冷凍サイクル装置。 The compressor is configured as the compression mechanism of an expander-integrated compressor having a compression mechanism that compresses the refrigerant, an expansion mechanism that expands the refrigerant, and a shaft that connects the compression mechanism and the expansion mechanism.
The refrigeration cycle apparatus according to claim 1, wherein the expander is configured as the expansion mechanism of the expander-integrated compressor.
前記バイパス回路を流れた前記冷媒が前記吸入側空間に直接注入されるように、前記シリンダに前記バイパス回路が接続している、請求項1記載の冷凍サイクル装置。 The expander includes a cylinder, a shaft penetrating the inside and outside of the cylinder, a piston attached to the shaft and rotating eccentrically in the cylinder, and a space formed between the cylinder and the piston as a suction side space. And a rotary expander provided with a partition member that partitions into a discharge side space,
The refrigeration cycle apparatus according to claim 1, wherein the bypass circuit is connected to the cylinder so that the refrigerant flowing through the bypass circuit is directly injected into the suction side space.
第1シリンダと、
前記第1シリンダの内外を貫くシャフトと、
前記シャフトに取り付けられて前記第1シリンダ内を偏心回転する第1ピストンと、
前記シャフトを共有する形で前記第1シリンダと同心状に配置された第2シリンダと、
前記シャフトに取り付けられて前記第2シリンダ内を偏心回転する第2ピストンと、
前記第1シリンダと前記第1ピストンとの間に形成される空間を第1吸入側空間と第1吐出側空間とに仕切る第1仕切り部材と、
前記第2シリンダと前記第2ピストンとの間に形成される空間を第2吸入側空間と第2吐出側空間とに仕切る第2仕切り部材と、
前記第1吐出側空間と前記第2吸入側空間とを連通して1つの膨張室を形成する連通孔を有するとともに、前記第1シリンダと前記第2シリンダとを隔てる中板とを備え、前記膨張室において前記冷媒を膨張させる多段ロータリ膨張機とされ、
前記バイパス回路を流れた前記冷媒が前記膨張室に直接注入されるように、前記バイパス回路の接続先が定められている、請求項1記載の冷凍サイクル装置。 The expander is
A first cylinder;
A shaft penetrating the inside and outside of the first cylinder;
A first piston attached to the shaft and rotating eccentrically in the first cylinder;
A second cylinder disposed concentrically with the first cylinder so as to share the shaft;
A second piston attached to the shaft and rotating eccentrically in the second cylinder;
A first partition member that partitions a space formed between the first cylinder and the first piston into a first suction side space and a first discharge side space;
A second partition member that partitions a space formed between the second cylinder and the second piston into a second suction side space and a second discharge side space;
The first discharge side space and the second suction side space communicate with each other to form a single expansion chamber, and include an intermediate plate that separates the first cylinder and the second cylinder, A multi-stage rotary expander that expands the refrigerant in an expansion chamber;
The refrigeration cycle apparatus according to claim 1, wherein a connection destination of the bypass circuit is determined so that the refrigerant that has flowed through the bypass circuit is directly injected into the expansion chamber.
前記制御器は、前記放熱器から、前記主冷媒回路と前記バイパス回路の前記終端との接続位置へ向かって前記主冷媒回路を流通する、合流前の前記冷媒の状態に応じて、前記流量調整器を制御する、請求項3記載の冷凍サイクル装置。 The end of the bypass circuit is connected to the main pipe which is a portion between the radiator and the expander of the main refrigerant circuit,
The controller adjusts the flow rate according to the state of the refrigerant before merging through the main refrigerant circuit from the radiator toward the connection position between the main refrigerant circuit and the end of the bypass circuit. The refrigeration cycle apparatus according to claim 3, wherein the refrigeration cycle apparatus is controlled.
前記制御器は、前記温度センサの計測結果を用いて前記膨張機の入口における前記冷媒の状態を推定し、その推定結果に基づいて、前記流量調整器を制御する、請求項9記載の冷凍サイクル装置。 A temperature sensor that is provided on the main refrigerant circuit between the radiator and the connection position of the main refrigerant circuit and the end of the bypass circuit, and further measures the temperature of the refrigerant before joining;
The refrigeration cycle according to claim 9, wherein the controller estimates a state of the refrigerant at an inlet of the expander using a measurement result of the temperature sensor, and controls the flow rate controller based on the estimation result. apparatus.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2006321736A JP2008134024A (en) | 2006-11-29 | 2006-11-29 | Refrigerating cycle device |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2016538455A (en) * | 2013-10-28 | 2016-12-08 | グリー グリーン リフリジレーション テクノロジー センター カンパニー リミテッド オブ ズーハイGree Green Refrigeration Technology Center Co., Ltd. Of Zhuhai | Expansion and compression device and air conditioner provided with the same |
-
2006
- 2006-11-29 JP JP2006321736A patent/JP2008134024A/en active Pending
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JP2016538455A (en) * | 2013-10-28 | 2016-12-08 | グリー グリーン リフリジレーション テクノロジー センター カンパニー リミテッド オブ ズーハイGree Green Refrigeration Technology Center Co., Ltd. Of Zhuhai | Expansion and compression device and air conditioner provided with the same |
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