JP4053082B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、流体の膨張により発生するエネルギーを有効に回収する冷凍サイクル装置に関するものである。

従来、膨張弁を備えた冷凍サイクル装置においては、蒸発器の除霜を行う方法としてホットガスバイパス方式など複数の構成が提案され、一般家庭用や業務用冷凍空調機器にも広く用いられている（例えば、非特許文献１参照）。

図１２は、非特許文献１に記載された従来のホットガスバイパス方式の冷凍サイクル装置の構成図である。

この冷凍サイクル装置では、圧縮機１、放熱器２、絞り装置１４、蒸発器４が環状に接続され、圧縮機１出口と蒸発器４入口の間に開閉弁７を介してバイパス回路６が設けられている。通常運転の場合は、圧縮機１にて冷媒は吸入圧縮され、圧縮機１から吐出された冷媒は放熱器２にて冷却される。放熱器２から流出した冷媒は、絞り装置１４にて減圧膨張し、蒸発器４で蒸発気化した後、再び圧縮機１へと吸入される。除霜運転を行う場合は、開閉弁７が開制御されることによって、圧縮機１から吐出された冷媒は、放熱器２と絞り装置１４をバイパスするバイパス回路６を通して蒸発器４を流れるので、蒸発器４に高温の冷媒が流入することになり、蒸発器４の温度が上昇して除霜を行うことができる。

しかし、近年、冷凍サイクルの更なる高効率化を図る手段として、膨張弁に代えて膨張機を備え、冷媒が膨張する過程でその圧力エネルギーを膨張機によって電力又は動力の形で回収し、その回収分だけ圧縮機の入力を低減する動力回収サイクルが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図１３は、特許文献１に記載された従来の冷凍サイクル装置の構成図である。
図１３に示す冷凍サイクル装置において、圧縮機１は走行用エンジン等の駆動手段（図示せず）により駆動されて冷媒を吸入圧縮するものであり、圧縮機１から吐出された冷媒は放熱器２により冷却される。放熱器２から流出した冷媒は、膨張機３へと流入して冷媒の膨張エネルギーを機械エネルギー（回転エネルギー）に変換回収し、その回収した機械エネルギー（回転エネルギー）を発電機５に供給して電力を発生させる。そして、膨張機３にて減圧膨張した冷媒は蒸発器４で蒸発気化した後、再び圧縮機１へと吸入される。

図１４は、図１３の冷凍サイクル装置のモリエル線図である。
冷凍サイクル装置では、膨張機３にて膨張エネルギーを機械エネルギーに変換しながら冷媒を減圧するので、放熱器２から流出した冷媒は、図１４に示すように、等エントロピ線（ｃ→ｄ）に沿って相変化しながらエンタルピを低下させていく。したがって、冷媒の減圧時に膨張仕事をさせることなく単純に断熱膨張させる場合（等エンタルピ変化させる場合）と比較して、膨張仕事Δｉｅｘｐ分だけ蒸発器４におけるエンタルピを増大させることができるので、冷凍能力を増大させることが可能となる。また、膨張仕事Δｉｅｘｐ分だけ発電機５に機械エネルギー（回転エネルギー）を供給できるので、発電機５にてΔｉｅｘｐ分の電力を発生することができる。また、その電力を圧縮機１へ供給することにより圧縮機１の駆動に必要な電力を低減することができるので、冷凍サイクルのＣＯＰ（成績係数）を向上させることが可能となる。

また、上述した動力回収型冷凍サイクル装置において、分離型の膨張機と発電機を用いた回路にバイパス膨張弁を設けたものも提案されている（例えば、非特許文献２参照）。

さらに、膨張機と圧縮機を一軸に連結し、膨張機で回収したエネルギーを圧縮機で利用する冷凍サイクルも提案されており、この冷凍サイクルにおいては、密度比一定の制約を解消するため、膨張機のバイパス回路と、バイパス回路の流路面積を制御する制御弁とを設け、サイクルの起動時には、バイパス回路の制御弁を全開にしている（例えば、特許文献２参照）。

密閉型冷凍機，１９８１，ＩＳＢＮ４−８８９６７−０３４−３（第２７８〜２８０頁） 「エネルギー有効利用基盤技術先導研究開発 ＣＯ２空調機用二相流膨張機・圧縮機の開発」平成１４年度成果報告書、新エネルギー・産業技術総合開発機構 特開２０００−３２９４１６号公報 特開２００１−１１６３７１号公報

しかしながら、膨張機３は冷凍サイクル内の高低圧差を利用して駆動されるので、上記従来の構成は、除霜運転開始や除霜運転後の通常運転復帰等の冷凍サイクルが不安定で高低圧差が十分に確保されていない状態では、膨張機３を駆動するのに必要なトルクが不足し、膨張機３が駆動しない状態で圧縮機１が運転し続けることとなる。このとき、冷凍サイクルは膨張機３での冷媒流量がほとんどない状態となり、冷凍サイクル全体の冷媒流量が低下して蒸発器４に与える熱量が低下するので、除霜運転が長くなり快適性や効率が悪くなってしまう傾向があった。特に、ホットガスバイパス方式ではなく、高圧と低圧を切り替えて除霜運転を行うようなバイパス回路のない構成の場合には、さらにその傾向が顕著であった。

また、特許文献２には、システムの機械的損失の防止のために、起動時にバイパス制御弁を全開にすることは記載されているが、除霜時の制御については、記載されていない。

本発明は、従来技術の有するこのような問題点に鑑みてなされたものであり、除霜運転を短くして、快適性と高効率化を図ることができる信頼性の高い冷凍サイクル装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明は、圧縮機と、第１の熱交換器と、膨張機と、第２の熱交換器とを順次直列に接続して冷凍サイクルを形成する冷凍サイクル装置であって、前記膨張機に接続された発電機と、前記膨張機をバイパスするバイパス回路と、前記バイパス回路に配設された冷媒流量調整器と、前記冷媒流量調整器の開度を制御する制御器とを設け、除霜運転時に、前記制御器により前記冷媒流量調整器を開制御して前記バイパス回路に冷媒を通過させるとともに、前記発電機をモータとして用い前記膨張機の回転数を所定値に制御して、冷凍サイクルの冷媒流量を増加させるようにしたことを特徴とする。

この場合、前記制御器による前記膨張機の回転数の制御を行わない構成も可能である。

また、前記制御器は前記圧縮機の起動時からの時間を積算するタイマーを備え、前記圧縮機の起動時から所定時間経過後に、前記制御器により前記冷媒流量調整器を閉制御して前記バイパス回路を通過する冷媒を遮断することもできる。

あるいは、前記圧縮機吐出側から前記第１の熱交換器出口に至る冷凍サイクルの圧力を検知する第一の圧力検知センサを備え、前記第一の圧力検知センサが所定値以上の圧力を検知すると、前記制御器により前記冷媒流量調整器を閉制御して前記バイパス回路を通過する冷媒を遮断するようにしてもよい。

好ましくは、前記圧縮機吐出側から前記第１の熱交換器出口に至る冷凍サイクルの圧力を検知する第一の圧力検知センサと、前記膨張機出口から前記圧縮機吸込側に至る冷凍サイクルの圧力を検知する第二の圧力検知センサとを備え、前記第一の圧力検知センサにより検知された圧力と前記第二の圧力検知センサにより検知された圧力との差が所定値以上になると、前記制御器により前記冷媒流量調整器を閉制御して前記バイパス回路を通過する冷媒を遮断するのがよい。

あるいは、前記圧縮機吐出側から前記第１の熱交換器入口に至る冷凍サイクルの温度を検知する温度検知センサを備え、前記温度検知センサが所定値以上の温度を検知すると、前記制御器により前記冷媒流量調整器を閉制御して前記バイパス回路を通過する冷媒を遮断することもできる。

また、前記冷媒流量調整器を開度可変の絞り装置とし、前記制御器により前記絞り装置の開度を制御して前記バイパス回路に通過させる冷媒の流量を減少させるようにしてもよい。

前記第１の熱交換器を水冷媒熱交換器とし、前記第２の熱交換器を蒸発器としたり、あるいは、前記第１の熱交換器を室内熱交換器とし、前記第２の熱交換器を室外熱交換器として冷凍サイクルを構成することもできる。

また、前記冷凍サイクルの高圧側圧力を超臨界状態にして運転することが可能な冷媒を用いるのが好ましい。

本発明にかかる冷凍サイクル装置によれば、除霜運転時に、バイパス回路に冷媒を通過させるとともに、膨張機の回転数を増加させて、冷凍サイクルの冷媒流量を増加させるようにしたので、蒸発器における冷媒流量の低下を防止して熱交換量を増大させることができ、除霜運転を短縮して快適性と高効率化を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
参考例１．
図１は、本発明の参考例１にかかる冷凍サイクル装置の構成図であり、従来技術と同一構成については同一符号を付している。

図１に示すように、本参考例にかかる冷凍サイクル装置は、圧縮機１と、第１の熱交換器としての放熱器２と、冷媒の膨張エネルギーを機械エネルギーに変換して動力を回収する膨張機３と、第２の熱交換器としての蒸発器４とを順次直列に配管で接続して形成している冷凍サイクルに、膨張機３をバイパスするバイパス回路６を設けるとともに、バイパス回路６内に配設する冷媒流量調整器としての開閉弁７と、開閉弁７の開度を制御する制御器Ｃ１とを設ける構成となっている。また、制御器Ｃ１にはタイマー（図示せず）が設けられている。

さらに、膨張機３で冷媒の膨張エネルギーを機械エネルギー（回転エネルギー）に変換して回収し、回収した機械エネルギー（回転エネルギー）を発電機５に供給して電力を発生させる構成となっている。そして、発生した電力は圧縮機１や蒸発器４用のファン（図示せず）の駆動源等に利用される。

なお、膨張機３にて回収された膨張エネルギーが供給されることにより電力を発生する発電機５を備える上記構成は、圧縮機１と膨張機３のシャフトを一軸で直結することなく膨張エネルギーを回収することができる構成であり、圧縮機１と膨張機３を独立制御することが可能である。

以上のように構成される冷凍サイクル装置の通常運転時の動作について、冷媒のエネルギー状態の変化から、家庭用給湯機を例にして、図２に示す冷凍サイクル装置のモリエル線図で説明する。

圧縮機１に吸い込まれた低温低圧の冷媒は、圧縮機１の動作により圧縮されて高温高圧の冷媒となり吐出される（図中のＡ→Ｂ）。吐出された冷媒は、放熱器２にて水道水（図示せず）と熱交換し、水道水を約８０℃の高温となるまで加熱しながら放熱し、膨張機３へ流入する（Ｂ→Ｃ）。そして、膨張機３において等エントロピ膨張を行い、機械エネルギーを発生しながら減圧され、蒸発器４に至る。この時、制御器Ｃ１の制御により開閉弁７は全閉状態となっている（Ｃ→Ｄ）。その後、蒸発器４内で、屋外の空気と熱交換した冷媒はガス状となり、吸込配管を通って圧縮機１へと吸い込まれる（Ｄ→Ａ）。

放熱器２を給湯機、暖房機、自動販売機等の加熱源として使用する場合は、発電機５で発生した電力を圧縮機１の駆動源として利用すると、成績係数ＣＯＰ＝（ｉＢ−ｉＣ）／（（ｉＢ−ｉＡ）−（ｉＥ−ｉＤ））となり、従来の膨張弁やキャピラリチューブで等エンタルピ膨張させる冷凍サイクル装置と比較して、圧縮機１の所要動力を低減することができるので効率が向上する。

なお、蒸発器４を家庭用冷蔵庫、業務用冷蔵庫、冷房機、製氷機、自動販売機等の冷却源で使用する場合は、発電機５で発生した電力を圧縮機１の駆動源として利用すると、成績係数ＣＯＰ＝（（ｉＡ−ｉＥ）＋（ｉＥ−ｉＤ））／（（ｉＢ−ｉＡ）−（ｉＥ−ｉＤ））となり、従来の膨張弁やキャピラリチューブで等エンタルピ膨張させる冷凍サイクル装置と比較して、圧縮機１の所要動力を低減し、且つ冷凍効果が増大するのでさらに効率が向上する。

次に、本参考例にかかる冷凍サイクル装置の除霜運転開始時の制御方法について説明する。

図３は、本参考例における制御器Ｃ１の制御フローチャートであり、図４は、本参考例における開閉弁７の開度制御パターンであり、除霜運転開始から終了までの開閉弁７による除霜期間を示している。

除霜運転の開始時に、圧縮機１が起動すると、制御器Ｃ１に設けられたタイマーの積算がスタートし、ステップ１００に移行する。ステップ１００において制御器Ｃ１により、開閉弁７の開度を開くように制御し、ステップ１１０に移行する。この時、膨張機３にて膨張エネルギーの回収を行わず（膨張機３は停止状態）、開閉弁７にて等エンタルピ膨張させる冷凍サイクル運転とする。このような制御器Ｃ１による開閉弁７の開度制御により、除霜運転時の冷媒流量の低下が防止できるので、除霜運転が長くなるのを回避することができる。

ステップ１１０ではタイマーの積算値ＴＡと予め設定した設定時間ＴＸ１（この設定時間については後述する）が比較される。ＴＡがＴＸ１より大きい場合は、ステップ１２０に移行し、制御器Ｃ１により開閉弁７が全閉となるように制御し、膨張機３側のみに冷媒を供給して膨張エネルギーを最大限に回収する運転モードとする。逆に、ＴＡがＴＸ１より小さい場合は、冷凍サイクルの閉塞を回避するためにステップ１００に戻り、タイマーの積算値ＴＡがＴＸ１より大きくなるまで、バイパス回路６側の運転を継続する。

なお、除霜運転を開始する構成としては、例えば、蒸発器４の配管に温度センサを取り付け、この温度センサが所定の温度（例えば、０℃）以下を所定の時間（例えば、４０分）検出した場合に、制御器Ｃ１が蒸発器４に着霜しているものと判断し、タイマーをスタートさせる構成が考えられる。

図５は、本参考例にかかる冷凍サイクル装置の圧力変化線図であり、圧縮機１が起動してからの膨張機３の入口圧力と出口圧力の変化を実線で、膨張機３の入口圧力と出口圧力の圧力差（以下、出入口の圧力差という）を破線で示している。

図５に示すように、圧縮機１の起動前の膨張機３の入口圧力と出口圧力については、バランスした状態であるので、それらの圧力差はほぼ０（ＭＰａ）である。圧縮機１が起動すると、膨張機３の入口圧力は徐々に上昇する一方、膨張機３の出口圧力は徐々に低下する。膨張機３の出入口の圧力差がある一定の圧力差ΔＰＸ（ＭＰａ）に達し、ある一定のトルク以上となると、例えばスクロール膨張機の場合は可動スクロール（図示せず）が回転し始め、冷媒が減圧膨張するとともに、膨張エネルギーが回収される。

そして、ある時間経過後には、それぞれＰＧ（ＭＰａ）、ＰＥ（ＭＰａ）の所定の圧力となり、冷凍サイクルは安定する。また、膨張機３の出入口の圧力差も、同様に圧縮機１の起動後徐々に大きくなり、ある時間経過後に所定の圧力差のΔ（ＰＧ−ＰＥ）（ＭＰａ）となり、冷凍サイクルは安定する。

そこで、圧縮機１が起動してから膨張機３が駆動するのに必要な圧力差ΔＰＸ（ＭＰａ）に達するまでの時間ＴＸ１を実験的に求めて設定し、図３の制御フローチャートで示したように、この設定時間ＴＸ１を用いて除霜運転を終了すべきかどうかを判定し（ステップ１１０）、制御器Ｃ１により、開閉弁７を全閉した時（ステップ１２０）には、膨張機３を駆動するのに十分な圧力差（トルク）が確保されているので、膨張機３を速やかに駆動することが可能となる。

このように、本参考例にかかる冷凍サイクル装置では、除霜運転開始時、すなわち圧縮機１の起動時に、バイパス回路６側に冷媒を通過させるように制御し、圧力差を十分に確保してから膨張機３側への冷媒の供給を開始することにより、除霜運転時の冷媒流量を多くして除霜運転時間を短縮しつつ、膨張機３の動力回収効果を確実に得ることができるので、冷凍サイクル装置の効率を向上させることができる。

ところで、冷凍サイクルが安定し始める膨張機３の出入口の圧力差がΔ（ＰＧ−ＰＥ）（ＭＰａ）となった時は、膨張機３に十分な冷媒とオイルを供給できる状態である。

そこで、圧縮機１が起動してから冷凍サイクルが安定し始めるまでの時間ＴＸ２を実験的に求めて、図３の制御フローチャートにおいて時間ＴＸ１に代えて時間ＴＸ２を設定し、タイマーの積算値ＴＡとこの設定時間ＴＸ２を比較して（ステップ１１０）、ＴＡがＴＸ２より大きい場合は、制御器Ｃ１により開閉弁７が全閉となるように制御する（ステップ１２０）構成とすることもできる。この構成によって、冷媒による冷却効果とオイルによる潤滑効果が十分に得られる状態となった後に膨張機３を駆動させることができるので、膨張機３の摺動部の損傷を回避することができる。

また、冷凍サイクルが安定するまでの膨張機３の出入口の圧力差と、圧縮機１が起動してからの時間との関係は、冷凍サイクル装置が設置されている周囲温度の影響を受けるので、周囲温度別にＴＸ１及びＴＸ２を予め求めて設定し、周囲温度検知センサ（図示せず）により、圧縮機１の起動時にこの周囲温度別のＴＸ１及びＴＸ２を適宜設定して、図３の制御フローチャートに示すような制御を行う構成とすれば、さらに確実に圧縮機１と膨張機３の信頼性を向上することができる。

なお、本参考例における第１の熱交換器の放熱器２を水冷媒熱交換器とすれば、冷媒からの放熱を水加熱に利用する給湯装置（図示せず）の構成となり、この給湯装置においても、本参考例と同様に、除霜運転を短縮して快適性と高効率化を図ることが可能である。

なお、図６に示すように、第一の圧力検知センサ１１と第二の圧力検知センサ１２とを追設して、第一の圧力検知センサ１１及び第二の圧力検知センサ１２からの信号により、開閉弁７の開度を制御することにより圧縮機１の信頼性をさらに向上させることができる。

さらに詳述すると、第一の圧力検知センサ１１は、圧縮機１の吐出側から膨張機３に至る配管に配設され、冷凍サイクルの圧力（すなわち、高圧の膨張機３の入口圧力）を検知するのに対し、第二の圧力検知センサ１２は、膨張機３の出口から圧縮機１の吸込側に至る配管に配設され、冷凍サイクルの圧力（すなわち、低圧の膨張機３の出口圧力）を検知するようにしている。

上述したように、膨張機３では、膨張機３の出入口の圧力差がある一定の圧力差ΔＰＸ（ＭＰａ）に達し、ある一定のトルク以上となると、例えばスクロール膨張機の場合は可動スクロールが回転し始め、冷媒が減圧膨張するとともに、膨張エネルギーが回収される。

そこで、第一の圧力検知センサ１１と第二の圧力検知センサ１２とが検知する圧力差、すなわち膨張機３の出入口の圧力差が、設定値ΔＰＸ（ＭＰａ）未満の場合には、制御器Ｃ１により開閉弁７の開度を適宜制御し、バイパス回路６側に冷媒を通過させる運転を行う。

一方、第一の圧力検知センサ１１と第二の圧力検知センサ１２とが検知する圧力差が、設定値ΔＰＸ（ＭＰａ）以上になると、制御器Ｃ１により開閉弁７が全閉となるように制御するとともに、膨張機３側のみに冷媒を供給して膨張エネルギーを最大限に回収する運転モードとする。

この構成の冷凍サイクル装置では、冷凍サイクルの圧力を検知することにより、さらに精度よく冷凍サイクルの状態を把握することができ、膨張機３の駆動に適正な高圧になってから膨張機３により膨張エネルギーを回収する運転へ切り替えることで、膨張機３を駆動するためのトルク不足による冷凍サイクルの閉塞をより確実に回避することができ、圧縮機１の信頼性をさらに向上することが可能となる。

また、冷凍サイクルの状態を精度よく把握することによって、圧縮機１起動時に膨張機３をバイパスして運転する時間を最小限にすることができるので、圧縮機１起動時の発電ロスを最小限に抑えることができる。

さらに、冷凍サイクルが安定し始める膨張機３の出入口の圧力差がΔ（ＰＧ−ＰＥ）（ＭＰａ）となった時は、膨張機３に十分な冷媒とオイルを供給できる状態である。そこで、Δ（ＰＧ−ＰＥ）（ＭＰａ）を予め実験的に求めて設定し、第一の圧力検知センサ１１と第二の圧力検知センサ１２とが検知する圧力の差が、設定値Δ（ＰＧ−ＰＥ）（ＭＰａ）以上になると、制御器Ｃ１により開閉弁７を閉制御してバイパス回路６側に通過させる冷媒を遮断するとともに、膨張機３側への冷媒の供給を開始することにより、冷媒による冷却効果とオイルの潤滑効果が十分に得られる状態となってから膨張機３を駆動させることができるので、膨張機３摺動部の損傷を回避することが可能となる。

なお、膨張機３の出入口の圧力差は膨張機３の入口圧力の依存度が大きいので、第一の圧力検知センサ１１が検知する圧力（すなわち、膨張機３の入口圧力）のみで判断して、膨張機３側とバイパス回路６側との運転モードの切り替えを行う構成にすることもできる。この場合、第二の圧力検知センサ１１を設けなくても良いので、安価な冷凍サイクル装置を提供することができる。

また、図７に示すように、図２に示す第一及び第二の圧力検知センサ１１，１２に代えて、圧縮機１の吐出側から放熱器２の入口に至る配管に、冷凍サイクルの温度を検知する温度検知センサ１３を追設して、この温度検知センサ１３からの信号により、開閉弁７の開度を制御することにより圧縮機１の信頼性をさらに向上させることもできる。

すなわち、圧縮機１の吐出側から膨張機３に至る冷凍サイクルの圧力と、圧縮機１の吐出側から放熱器２の入口に至る冷凍サイクルの温度とには相関関係があるので、温度検知センサ１３が設定温度以上の冷凍サイクルの温度を検知すると、制御器Ｃ１により開閉弁７を閉制御して、バイパス回路６側に通過させる冷媒を遮断するとともに、膨張機３側への冷媒の供給を開始することにより、冷媒による冷却効果とオイルの潤滑効果が十分に得られる状態となってから膨張機３を駆動させることができ、膨張機３の摺動部の損傷を回避することができる。

この場合、圧力検知センサより構造が簡単な温度検知センサを使用して膨張機３側とバイパス回路６側との運転モードの切り替えが可能となるので、より安価に圧縮機１と膨張機３の信頼性を向上する冷凍サイクル装置を提供することができる。

参考例２．
図８は、本発明の参考例２にかかる冷凍サイクル装置の冷媒流量調整器の開度制御パターンである。

本参考例における冷凍サイクル装置は、参考例１の構成において、開閉弁７の代わりに開度可変の絞り装置を冷媒流量調整器として用いる構成である。他の構成は参考例１と同じなので、その説明は省略する。

本参考例では、冷媒流量調整器として開度可変の絞り装置を採用し、図８に示すように除霜運転開始から終了まで、その絞り装置の開度を段階的に小さくなるように制御する。この制御によりバイパス回路６側を通過する冷媒を徐々に減少することができるので、除霜運転終了後に膨張機３側に急激に冷媒が供給されることは無い。

このように本参考例にかかる冷凍サイクル装置では、除霜開始から終了までの冷媒流量制御をきめ細かく行うことができるとともに、除霜運転終了後の急激な冷媒流量変化を防止することができ、圧縮機の信頼性を損なうことなく立ち上がりを迅速に行い、除霜運転を短縮しつつ快適性と高効率化を図ることができる。

なお、本参考例においては、絞り装置の開度を段階的に小さくなるように制御したが、直線状あるいは曲線状に徐々に小さくなるように制御しても同様の効果を奏する。

参考例３．
図９は、本発明の参考例３にかかる冷凍サイクル装置の構成図であり、上述した参考例１の変形例として示している。

図９に示すように、本参考例にかかる冷凍サイクル装置は、圧縮機１と、四方弁１０と、第１の熱交換器としての室内熱交換器８と、膨張機３と、第２の熱交換器としての室外熱交換器９と、再び四方弁１０とを順次接続して形成した冷凍サイクルに、膨張機３をバイパスするバイパス回路６と、バイパス回路６内に配設する開閉弁７と、開閉弁７の開度を制御する制御器Ｃ１とを設ける構成となっている。また、発電機５で膨張機３の膨張エネルギーを電気エネルギーとして回収するようにしている。

この冷凍サイクル装置においては、暖房時にはＡ方向に、冷房時にはＢ方向に冷媒が流れるように四方弁１０が切り替えられる。

このような冷暖房で冷媒の流れを切り替える構成の冷凍サイクル装置では、四方弁１０を切り替えて除霜運転（暖房時の室外熱交換器９の除霜）を行う場合が多いが、バイパス回路６を設け、開閉弁７の開度を制御することにより、膨張機３の出口に加わる圧力に起因する摺動部の損傷を回避することができる。したがって、冷暖両用冷凍サイクル装置においても、除霜運転を短縮して快適性と高効率化を図ることができる。

実施の形態１．
図１０は、本発明の実施の形態１にかかる冷凍サイクル装置の構成図であり、参考例１の変形例として示している。また、図１１は、本実施の形態における制御器の膨張機回転数制御パターンである。

図１０に示す本実施の形態にかかる冷凍サイクル装置は、図１の構成において、開閉弁７の開度を制御するとともに、膨張機３の回転数を制御する制御器Ｃ２を備える構成となっている。

本実施の形態では、除霜運転時には、膨張機３に接続された発電機５をモータとして用いるようにしている。

すなわち、除霜運転時には、制御器Ｃ２により開閉弁７を開制御して、バイパス回路６側に冷媒を通過させるとともに、図１１に示すように、モータ５に通電して膨張機３を駆動し、その回転数を所定値に制御して、冷凍サイクル装置の冷媒流量を増加させることにより除霜運転を短縮するようにしている。

なお、前記所定値として、例えば膨張機３の最大回転数Ｒｍａｘ（膨張機の吸込み容積が１ｃｃのときは１００Ｈｚ）あるいはその近傍の回転数を設定することができる。

除霜運転が終了すると、制御器Ｃ２により開閉弁７を閉制御してバイパス回路６側に通過させる冷媒を遮断するとともに、モータ５への通電を停止し、モータ５を再び発電機５として用いることにより、本来の動力回収型冷凍サイクル装置を構成する。

このように、本実施の形態にかかる冷凍サイクル装置では、除霜運転時に冷凍サイクルの冷媒流量を増大して、蒸発器４での熱交換量を増大させることができるので、より除霜運転を短縮して快適性と高効率化を図ることが可能となる。

また、本実施の形態は、参考例１の構成と併用することもできる。
すなわち、制御器Ｃ２にタイマーを設け、除霜運転時に圧縮機１が起動すると、タイマーの積算をスタートさせ、タイマーの積算値が所定の設定時間より大きくなると、開閉弁７を閉制御するようにしてもよい。

あるいは、膨張機３の出入口の圧力差、膨張機３の入口圧力、冷凍サイクルの温度のいずれかを検知して、検知した圧力差、圧力あるいは温度が所定値を超えた場合に開閉弁７を閉制御することもできる。

また、本実施の形態を参考例２と併用し、開閉弁７の代わりに開度可変の絞り装置を用いると、除霜運転開始から終了まで、絞り装置の開度を段階的あるいは徐々に小さくなるように制御することによりバイパス回路６側を通過する冷媒を徐々に減少することができるので、除霜運転終了後における膨張機３側への急激な冷媒の供給を回避することができる。

さらに、本実施の形態は、上述した参考例３にかかる四方弁１０を備えた冷凍サイクル装置にも適用できるものである。

なお、上述した参考例１〜３あるいは実施の形態１の冷凍サイクル装置では、例えば二酸化炭素を冷媒として使用し、冷凍サイクルの高圧側圧力を超臨界状態にして運転すると、冷凍サイクル内での高低圧差が大きくなるので、膨張機３を回転させるのに必要な圧力差（トルク）をより速やかに得ることが可能となり、圧縮機１の起動時に膨張機３をバイパスして運転する時間を短縮できるので、圧縮機１起動時の発電ロスを最小限に抑えることが可能となる。

以上のように、本発明にかかる冷凍サイクル装置は、除霜運転の開始時または圧縮機の起動時には、膨張機をバイパスする回路側に冷媒を通過させるように制御することにより、圧縮機と膨張機の信頼性を向上することができるので、給湯機、冷暖房空調機器、自動販売機、家庭用冷蔵庫、業務用冷蔵庫、製氷機等、幅広い機器への用途にも適用できる。

本発明の参考例１にかかる冷凍サイクル装置の構成図 図１の冷凍サイクル装置のモリエル線図 図１の冷凍サイクル装置の制御を示すフローチャート 図１の冷凍サイクル装置に設けられた開閉弁の開度制御パターン 図１の冷凍サイクル装置の圧力変化線図 図１の冷凍サイクル装置の変形例の構成図 図１の冷凍サイクル装置の別の変形例の構成図 本発明の参考例２にかかる冷凍サイクル装置に設けられた絞り装置の開度制御パターン 本発明の参考例３にかかる冷凍サイクル装置の構成図 本発明の実施の形態１にかかる冷凍サイクル装置の構成図 図１０の冷凍サイクル装置に設けられた膨張機の回転数制御パターン 従来のホットガスバイパス方式の冷凍サイクル装置の構成図 従来の冷凍サイクル装置の構成図 従来の冷凍サイクル装置のモリエル線図

符号の説明

１ 圧縮機
２ 放熱器
３ 膨張機
４ 蒸発器
５ 発電機
６ バイパス回路
７ 開閉弁
８ 室内熱交換器
９ 室外熱交換器
１０ 四方弁
１１ 第一の圧力検知センサ
１２ 第二の圧力検知センサ
１３ 温度検知センサ
Ｃ１，Ｃ２ 制御器

Claims (9)

1. 圧縮機と、第１の熱交換器と、膨張機と、第２の熱交換器とを順次直列に接続して冷凍サイクルを形成する冷凍サイクル装置であって、
   前記膨張機に接続された発電機と、
   前記膨張機をバイパスするバイパス回路と、
   前記バイパス回路に配設された冷媒流量調整器と、
   前記冷媒流量調整器の開度を制御する制御器とを設け、
   除霜運転時に、前記制御器により前記冷媒流量調整器を開制御して前記バイパス回路に冷媒を通過させるとともに、前記発電機をモータとして用い前記膨張機の回転数を所定値に制御して、冷凍サイクルの冷媒流量を増加させるようにした冷凍サイクル装置。
2. 前記制御器は前記圧縮機の起動時からの時間を積算するタイマーを備え、前記圧縮機の起動時から所定時間経過後に、前記制御器により前記冷媒流量調整器を閉制御して前記バイパス回路を通過する冷媒を遮断するようにした請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記圧縮機吐出側から前記第１の熱交換器出口に至る冷凍サイクルの圧力を検知する第一の圧力検知センサを備え、前記第一の圧力検知センサが所定値以上の圧力を検知すると、前記制御器により前記冷媒流量調整器を閉制御して前記バイパス回路を通過する冷媒を遮断するようにした請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記圧縮機吐出側から前記第１の熱交換器出口に至る冷凍サイクルの圧力を検知する第一の圧力検知センサと、前記膨張機出口から前記圧縮機吸込側に至る冷凍サイクルの圧力を検知する第二の圧力検知センサとを備え、前記第一の圧力検知センサにより検知された圧力と前記第二の圧力検知センサにより検知された圧力との差が所定値以上になると、前記制御器により前記冷媒流量調整器を閉制御して前記バイパス回路を通過する冷媒を遮断するようにした請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記圧縮機吐出側から前記第１の熱交換器入口に至る冷凍サイクルの温度を検知する温度検知センサを備え、前記温度検知センサが所定値以上の温度を検知すると、前記制御器により前記冷媒流量調整器を閉制御して前記バイパス回路を通過する冷媒を遮断するようにした請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記冷媒流量調整器を開度可変の絞り装置とし、前記制御器により前記絞り装置の開度を制御して前記バイパス回路に通過させる冷媒の流量を減少させるようにした請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
7. 前記第１の熱交換器を水冷媒熱交換器とし、前記第２の熱交換器を蒸発器とした請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
8. 前記第１の熱交換器を室内熱交換器とし、前記第２の熱交換器を室外熱交換器とした請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
9. 前記冷凍サイクルの高圧側圧力を超臨界状態にして運転することが可能な冷媒を用いた請求項１に記載の冷凍サイクル装置。

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