JP2008267707A - 多速度スクロール圧縮機およびエコノマイザ循環路を有する冷媒システム - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒システムの容量を、より厳密に外部の負荷需要に適合して容量を増減できる冷媒システムを提供する。
【解決手段】スクロール圧縮機２２が、多速度モータ２４を備えている。制御部４４は、外部の負荷需要を最も効率的かつ信頼性のある方式で満たすために、システム容量調整に関する利用可能な複数のオプションから選択すると共に、モータ２４を作動させる速度を選択する。開示する実施形態は、エコノマイザ循環路と、アンローダ機能と、任意選択の吸込調整弁とを有している。圧縮機用の多速度モータと共にこれらの機能のそれぞれを利用することによって、与えられた容量を望まれる容量に、さらに良好に適合させることができる。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、エコノマイザ機能および他の容量調整の手段を有する冷媒システムにおいて動作可能な二速度スクロール圧縮機に関する。

冷媒システムは、多くの用途で環境を調節するために利用されている。具体的には、空気調和機および熱ポンプが、環境に入る空気などの第２の流体を冷却および／または加熱するために用いられている。環境の冷房または暖房負荷は、周囲条件、占有レベル、感知しうる潜在的な負荷需要における他の変化と共に、また、温度および／または湿度の設定点が建物の占有者によって調整されるときに変化することがある。

したがって、冷媒システムには、冷却および／または加熱容量を調整するために、複雑な制御部ならびに多数の任意選択の構成要素および特徴が備えられることがある。既知のオプションには、圧縮機によって少なくとも部分的に圧縮された冷媒を元の吸込管路へ迂回させる機能がある。この機能は、アンローダバイパス機能としても知られている。運転中のこの追加工程は、システム容量を減じるために取り入れられている。

他のオプションには、いわゆるエコノマイザサイクルがある。エコノマイザサイクルにおいて、蒸発器に向かう主冷媒流は、エコノマイザ熱交換器内で過冷却される。主冷媒流は、ある中間の圧力および温度レベルに膨張され、次いでエコノマイザ熱交換器に通された分岐冷媒によって過冷却される。この分岐冷媒は次いで、圧縮サイクルの中間点で圧縮機に戻される。このように、エコノマイザサイクルは、運転中の追加工程を設けて、運転の節減モードと他のモード（または工程）との間で切換えを行うことによってシステム容量を変更する。

従来技術において、制御部は、これらのさまざまな制御機能のうちのいずれか１つを任意選択で作動させるようにプログラムすることができる。しかしながら、これらの機能によって得られる容量は、比較的大きい不連続的なステップで増減される。より厳密に外部の負荷需要に適合するためには、システムが上述の運転モードのいずれかで稼動している間に容量を変更する能力を提供することが望ましい。

冷媒システムにおいて２つの速度で圧縮機を駆動するモータ駆動装置が知られている。より高速でまたはより低速で圧縮機を駆動することによって、圧縮されシステム全体に循環される冷媒の量が変化し、したがって、システム容量をそれに応じて変化させることができる。

ますます普及している１つのタイプの圧縮機は、スクロール圧縮機である。スクロール圧縮機では、一対のスクロール部材が互いに対して旋回して、閉じ込められた冷媒を圧縮する。スクロール圧縮機のある設計構成は、エコノマイザ機能とさまざまなアンローダ機能の両方を利用する。さらに、このスクロール圧縮機は、単一の中間ポートを用いて、両機能を二者択一的にまたは同時に提供することができる。このスクロール圧縮機は、米国特許出願第５，９９６，３６４号において開示されている。

しかしながら、システムの運転および制御においてさらなる柔軟性を得るために、スクロール圧縮機が、そのモータ用の二速度駆動装置とエコノマイザサイクルとを組み合わせて利用されることはなかった。

（発明の開示）
開示する本発明の実施形態において、スクロール圧縮機が、エコノマイザ循環路を有する冷媒システム内に設けられている。スクロール圧縮機は、複数の不連続な速度で駆動できるモータを有している。説明の便宜上、以下の説明では、二速度モータを取り扱っている。しかしながら、スクロール圧縮機は、２つより多くの別個の速度で稼動することができる。選択的にエコノマイザ循環路および／または任意選択のアンローダ機能を利用することによって、制御装置は、冷媒システムの容量を増減することができる。さらに、モータの速度を変更することによって、各運転モードにおけるシステム容量は、制御がさらに柔軟になるように調整することができる。

制御装置は、所望の容量レベルを確認し、次いでこの所望の容量レベルを達成するが、これは、容量の増加が望まれる場合にはエコノマイザ循環路を作動させ、付加的な容量が望まれない場合にはエコノマイザ循環路を作動させないことによって、または、アンロードするさらなる手段を設けて容量をさらに減じ、的確な容量レベルを達成するための所望のモータ速度を決定することによってなされる。冷媒圧縮機は、効率的で信頼性のある運転を特定の速度範囲内でのみ提供するので、アンローダ機能など、容量補正のさらなる工程が、働かせるエコノマイザ循環路の有無にかかわらず望まれ、また、同様に、対応する圧縮機モータ速度の調整装置と共に利用されて、容量レベルを厳密に制御し、またはより効率的な単位動作を達成する。加えて、制御装置は、システムの効率レベルを監視し、最も望ましい運転モードおよびモータ速度を選択することができる。この場合、容量と効率の双方が考慮されて、最適な単位動作が確立される。

二速度駆動装置を前述の容量調整のオプションと組み合わせて設けることによって、本発明では、エンドユーザが、システム容量および／もしくは効率、またはこれらの２つのパラメータの組み合わせを、所望のレベルに厳密に適合させることが可能となっている。同様に周知のように、しばしば吸込調整弁（ＳＭＶ）と呼ばれる付加的な絞り装置を設けて、アンロード機構とモータ速度の減少とによって通常達成可能となるレベルよりも低いレベルに、容量をさらに減じることもできる。

本発明のこれらの特徴および他の特徴は、以下の明細書および図面から最もよく理解することができ、以下はその図面の簡単な説明である。

圧縮機２２と制御装置４４とを有する冷媒システム２０を図１Ａに示す。周知のように、圧縮機２２のモータ２４は２つの速度で駆動することができ、したがって、圧縮機２２により圧縮されシステム全体に循環される冷媒の量を変更することができる。すなわち、圧縮機は、定常運転において、ゼロでない２つの速度のうちの１つで駆動することができる。圧縮機２２は、旋回スクロール部材２６と非旋回スクロール部材２８とを有するスクロール圧縮機である。周知のように、複数の圧縮室が、２つのスクロール部材の間に画定され、旋回スクロール部材２６が電気モータ２４によって駆動されて旋回するとき、閉じ込められた冷媒を圧縮する。明らかなように、吹込管３０は冷媒を吸込室３１内に導くものであり、その吸込室３１は、モータを囲んでおり、圧縮室に通じている。冷媒が圧縮されると、その冷媒は、吐出ポート３２に通じている吐出室３３内に追いやられる。スクロール圧縮機の一般的な構造は既知である。図にも示すように、以下で開示する注入管路３４は、中間圧縮位置に配置された１つのポート（または複数のポート）５１と通じている。

圧縮機２２によって圧縮された冷媒は、吐出ポート３２から屋外の熱交換器４６へと放たれ、その熱交換器４６は、冷却モードにおいては凝縮器となる。ファン４７は、熱交換器４６の上方に空気を移動させる。凝縮器４６の下流側に、エコノマイザ熱交換器４８がある。エコノマイザ熱交換器４８は、通常の熱交換器でもよく、またフラッシュタンクタイプのものでもよい。周知のように、エコノマイザ熱交換器は、エコノマイザ膨張装置４９を通過する分岐管路４５から分岐冷媒を受け取り、また液体管路４１から主冷媒を受け取る。２つの冷媒の流れは、図１では同じ方向に流れるように示してあるが、これは単に図を簡潔にするためのものである。実際には、２つの流れが逆流の配置で流れることが一般に好ましい。

分岐管路４５内の分岐冷媒は、流体管路４１内の冷媒を過冷却し、その結果、流体管路４１内の冷媒は、主膨張装置５２を通過した後、蒸発器５４に入る前により高い冷却潜在能力を有することになる。ファン５５は、蒸発器５４の上方へ空気を移動させる。蒸発器５４から、冷媒は、元の圧縮機２２に通じている吸込管路３０に戻る。任意選択の吸入調整弁６１は、圧縮機２２と蒸発器５４の間で吸入管路３０に配置することができる。分岐管路４５からの分岐冷媒は、戻り注入管路３４を通過して、圧縮機２２内の中間圧縮位置または１つの注入ポート（もしくは複数のポート）５１に入る。バイパス管路１９は、バイパス弁４０が開かれると、圧縮機２２から元の吸入管路３０へと冷媒を選択的に迂回させることができる。理解されたいこととして、エコノマイザ膨張装置４９もまた、好ましくは遮断機能を含んでいるか、または、別個の遮断装置３６が設けられている。バイパス弁４０が開かれているとき、遮断装置３６は好ましくは閉じられており、また、遮断装置３６が開かれているとき、バイパス弁４０は一般に閉じられているが、遮断弁３６とバイパス弁４０の双方を開いた状態で運転することも可能である。図示のように、注入管路３４の同じポートを、冷媒をエコノマイザ熱交換器から運ぶために、ならびに、冷媒を元の吸込管路へと迂回させるために使用することができる。もちろん、必要に応じて、バイパスおよび冷媒注入機能は、共通のポート５１の代わりに、異なるポートを利用することができる。

周知のように、バイパス弁４０は、圧縮機２２の部分負荷容量が望ましいものであるときに開かれる。したがって、部分的に圧縮された冷媒は、吸込管路３０に戻され、冷媒システムの冷却容量が減じられる。容量の増加が望まれる場合、バイパス弁４０は閉じられる。さらなる容量の拡大が望まれる場合、バイパス弁４０が閉じられ、また、エコノマイザ膨張装置４９（または遮断装置３６）が開かれてエコノマイザ機能が提供される。容量の増加は、そのときにもたらされる。

冷媒サイクル２０の制御部４４は、所望の冷却容量を確認し、バイパス機能および／またはエコノマイザ機能を必要に応じて操作することが可能である。したがって、図２Ａに示すように、従来技術のシステムは、容量の変更段階を提供する。ある段階は、節減モードでの運転に対応し、もう一つ段階は、同時に働かされる節減モードおよびバイパスモードでの運転に対応し、さらにもう一つの段階は、非節減モードに対応し、さらにもう一つの段階は、運転のバイパスモードに対応する。さらなるＳＭＶが存在する場合、図示のように、上述の運転モードの間でＳＭＶを絞ることによって、それらのモードの間で容量を調整することができる。しかしながら、ＳＭＶの操作は非効率的であり、一般には、できれば避けるべきである。

図１Ａのシステムが、二速度の圧縮機モータを有する場合、ＳＭＶの使用の有無にかかわらず、基線値の間にさらなる容量制御が存在しうる。したがって、図２Ｂに示すように、システムが、点Ｅ１（通常、節減回路が働き、圧縮機が最大速度で稼動することに対応する）で最大容量で運転していた場合、圧縮機の速度を減じることによって、容量は点Ｅ２に減じることができる。さらなる減少が望まれる場合、圧縮機速度が調整され、利用可能なアンロードのオプションの１つ（例えばバイパス）を働かせて、節減モードへの切換えがなされる。

制御部４４は、これらのオプションのそれぞれを制御し、２つの使用可能な速度の間で圧縮機モータの速度（図３参照）を変化させて、必要とされる容量に緊密に一致する容量を達成する。制御部は、最も望まれる運転を決定できる任意のアルゴリズムの下で、モードまたは速度を変更できるが、最も好まれる制御論理は、効率および信頼性の考慮に基づいたものであろう。本発明はしたがって、与えられた容量を必要とされる容量により良好に適合させ、これらの複数のオプションのそれぞれを利用することによって外部の負荷需要を満たすことが可能である。

図１Ｂは他の実施形態を示しており、この図１Ｂにおいて、圧縮機１２２は概略的に示されているが、エコノマイザ注入管路１３４およびアンローダ管路１３６は、圧縮機１２２内で別個のポートに通じている。この図は、この特徴を幾分か概略的に示しているが（圧縮機１２２の吸込および吐出ポートは示されていないことに留意）、当業者には、この構造を達成する方法が理解されよう。

さらなる態様において、エコノマイザおよびアンローダ機能を連続的に調整可能にすることが知られている。しかし、二速度圧縮機を設けることによって、さらに柔軟で信頼性があり効率的な運転を達成することが可能となる。また、上述のように、多速度モータ（二速度モータの代わりに）を圧縮機設計に組み込んで、さらなる程度の柔軟性を得ることができる。

本発明の好ましい実施形態について開示したが、特定の修正が本発明の範囲に含まれることが、当業者には理解されよう。したがって、先の特許請求の範囲は、本発明の真の範囲および内容を定めるために検討されるべきである。

図１Ａは、第１の実施形態の冷媒サイクルを示す。 図１Ｂは、他の実施形態である。 図２Ａは、従来技術によってもたらされる容量のグラフを示す。 図２Ｂは、本発明によってもたらされる容量のグラフを示す。 図３は、流れ図である。

Claims (24)

1. 冷媒システムであって、
   複数の速度を圧縮機に与えるための多速度駆動装置を有する少なくとも１つの圧縮機であって、吸込ポートと、中間圧力ポートと、吐出ポートとを設けられた圧縮機と、
   前記圧縮機の下流側の凝縮器、前記凝縮器の下流側の主膨張装置、前記主膨張装置の下流側の蒸発器、および、エコノマイザ膨張装置とエコノマイザ熱交換器とを含むエコノマイザ循環路であって、前記凝縮器および前記蒸発器の中間に配置されており、分岐冷媒を前記圧縮機に選択的に戻すエコノマイザ循環路と、
   前記エコノマイザ循環路を選択的に操作して、分岐冷媒を前記エコノマイザ熱交換器を介して元の前記圧縮機に送るための制御部であって、前記圧縮機の速度を選択してさまざまなレベルの容量を達成するように動作することもできる制御部と、
   を備える冷媒システム。
2. 請求項１に記載の冷媒システムであって、多速度駆動装置が二速度駆動装置である冷媒システム。
3. 請求項１に記載の冷媒システムであって、前記圧縮機が、部分的に圧縮された冷媒の少なくとも一部を、前記圧縮機から元の前記圧縮機の吸込管路へと選択的に迂回させるためにバイパスポートがさらに設けられている冷媒システム。
4. 請求項３に記載の冷媒システムであって、前記バイパスポートおよび前記中間圧力ポートが、同じポートによって提供される冷媒システム。
5. 請求項４に記載の冷媒システムであって、前記バイパスポートが、前記分岐冷媒を受け取る中間圧力管路を、前記圧縮機に通じる元の吸込管路に選択的に連結する冷媒システム。
6. 請求項３に記載の冷媒システムであって、前記バイパス冷媒の送出しが、流量制御装置によって制御される冷媒システム。
7. 請求項１に記載の冷媒システムであって、前記圧縮機がスクロール圧縮機である冷媒システム。
8. 請求項１に記載の冷媒システムであって、前記分岐冷媒が、前記中間圧縮ポートに戻される冷媒システム。
9. 請求項１に記載の冷媒システムであって、前記分岐冷媒の送り出しが、流量制御装置によって制御される冷媒システム。
10. 請求項１に記載の冷媒システムであって、前記蒸発器の下流側に吸込調整弁が配置されている冷媒システム。
11. 請求項１に記載の冷媒システムであって、前記制御部が、運転モードシーケンスの下で動作して、多速度駆動装置およびエコノマイザ循環路を効率および信頼性の考慮に基づいて利用する冷媒システム。
12. 少なくとも１つの多速度圧縮機と少なくとも１つのエコノマイザ循環路とを有する冷媒システムを運転する方法であって、
    前記冷媒システムに対する所望の負荷を決定し、前記所望の負荷を満たすために前記エコノマイザ循環路を働かせるべきかどうかを決定するステップと、
    前記所望の負荷を満たすように前記圧縮機の速度を変更するステップと、
    を含む方法。
13. 請求項１２に記載の方法であって、前記多速度圧縮機が二速度圧縮機である方法。
14. 請求項１２に記載の方法であって、前記圧縮機が、アンローダ機能をさらに備えており、前記アンローダ機能と前記エコノマイザ循環路の双方が、前記所望の負荷を満たすモードを提供する方法。
15. 請求項１２に記載の方法であって、吸込調整弁がさらに設けられており、冷媒システムの運転機能を変更して前記所望の負荷を満たすように作動される方法。
16. 請求項１２に記載の方法であって、制御部が、前記エコノマイザ循環路および前記多速度圧縮機を操作し、効率および信頼性の考慮に基づいた運転モードシーケンスを利用する方法。
17. スクロール圧縮機であって、
    スクロール圧縮機ハウジングと、
    前記ハウジング内に装着された圧縮ポンプユニットであって、旋回スクロールと非旋回スクロールとを有し、前記旋回スクロールおよび非旋回スクロールのそれぞれが、基部と、前記基部から延びる概ね渦巻き形のラップとを有し、前記ラップが組み合わさって圧縮室を画定する圧縮ポンプユニットと、
    前記圧縮機を駆動するためのモータであって、複数の別個の速度で動作可能であるモータと、
    冷媒をエコノマイザ循環路から元の前記圧縮室へと注入するためのエコノマイザ注入ポートであって、前記ハウジング内へ、また、前記旋回スクロール部材および非旋回スクロール部材の少なくとも一方を通じて前記圧縮室の１つ内へ延びるエコノマイザ注入ポートと、
    前記スクロール圧縮機に関連付けられたエコノマイザ循環路を任意選択で操作すると共に、前記圧縮機を前記２つの速度のそれぞれで選択的に作動させる制御部と、
    を備えるスクロール圧縮機。
18. 請求項１７に記載のスクロール圧縮機であって、前記圧縮機から元の前記圧縮機の吸込管路へと冷媒を選択的に迂回させるためにバイパスポートがまた設けられており、前記制御部が、前記圧縮機の速度を選択してさまざまなレベルの容量を実現するように動作可能であるスクロール圧縮機。
19. 請求項１８に記載のスクロール圧縮機であって、前記バイパスポートおよび前記中間圧力ポートが、同じポートによって提供されるスクロール圧縮機。
20. 請求項２１に記載のスクロール圧縮機であって、前記バイパスポートが、前記分岐冷媒を受け取る中間圧力管路を、前記圧縮機に通じる元の吸込管路に選択的に連結するスクロール圧縮機。
21. 請求項１８に記載のスクロール圧縮機であって、前記バイパス冷媒の送り出しが、流量制御装置によって制御されるスクロール圧縮機。
22. 請求項１７に記載のスクロール圧縮機であって、前記バイパスポートおよび前記中間圧力ポートが、２つの別個のポートによって提供されるスクロール圧縮機。
23. 請求項１７に記載のスクロール圧縮機であって、前記モータが、２つのみの速度を提供するスクロール圧縮機。
24. 請求項１７に記載のスクロール圧縮機であって、前記制御部が、運転モードシーケンスの下で動作して、多速度駆動装置およびエコノマイザ循環路を効率および信頼性の考慮に基づいて利用するスクロール圧縮機。

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