JP5380987B2 - 冷凍装置 - Google Patents
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Description
本発明の実施形態1ついて説明する。本発明に係る冷凍装置は、室内の空調を行う空気調和装置(10)を構成している。空気調和装置(10)は、冷房運転と暖房運転とを切り換えて行うように構成されている。
図1に示すように、空気調和装置(10)は、冷媒回路(11)を備えている。冷媒回路(11)では、冷媒が循環することで冷凍サイクルが行われる。冷媒回路(11)には、冷媒として二酸化炭素(CO2)が充填されている。そして、冷媒回路(11)では、冷媒が臨界圧力以上まで圧縮される冷凍サイクル(いわゆる超臨界サイクル)が行われる。更に、冷媒回路(11)には、ポリアルキレングリコール(PAG)から成る油(冷凍機油)が混在している。
上記回収機構(40)の構成について図2及び図3を参照しながら更に説明する。
回収機構(40)は、油の動力(即ち、油の持つエネルギー)を回収するものである。つまり、高圧冷媒と分離された油は、圧縮機構(20)において油を昇圧させるために使われた動力を、運動エネルギー、位置エネルギー、圧力エネルギー等のエネルギーとして保有している。そこで、回収機構(40)は、このような油のエネルギーを動力として回収する。回収機構(40)の本体部(41)は、いわゆる揺動ピストン型のロータリ式流体機械で構成されている。また、出力軸(42)は、その一端が本体部(41)と連結し、その他端部が圧縮機構(20)の可動部(ピストン)と連結している。つまり、圧縮機構(20)は、回収機構(40)の出力軸(42)と連結して駆動される駆動対象を構成している。また、出力軸(42)には、主軸部(42a)と偏心部(42b)とが形成されている。偏心部(42b)は、主軸部(42a)に対して所定量だけ偏心し、且つ主軸部(42a)よりも大径に構成されている。
実施形態1に係る空気調和装置(10)の運転動作について説明する。空気調和装置(10)は、第1四方切換弁(14)及び第2四方切換弁(15)の設定に応じて、冷房運転と暖房運転とが可能となっている。まず、空気調和装置(10)の冷房運転時の基本的な動作について説明する。
上記実施形態1では、油分離器(60)で高圧冷媒中から油を分離し、この油のエネルギーを回収機構(40)で回収して圧縮機構(20)の駆動動力として利用するようにしている。このため、圧縮機構(20)で油の昇圧に要した動力を回収機構(40)で回収でき、空気調和装置(10)の省エネルギーを向上できる。
上記実施形態1では、冷媒を膨張する膨張機構として、容積型流体機械から成る膨張機構(30)を用いるようにしている。しかしながら、図8に示すように、膨張機構として開度が調節自在な電子式の膨張弁(38)を用いて冷媒を減圧するようにしても良い。
本発明の実施形態2について説明する。実施形態2では、冷媒回路(11)の構成が上記実施形態1と異なっている。図9に示すように、実施形態2の冷媒回路(11)では、圧縮機構(20)と膨張機構(30)とが一体となって膨張圧縮ユニット(C/E)に組み込まれ、回収機構(40)が油動力回収ユニット(O)に組み込まれている。
本発明の実施形態3について説明する。実施形態3では、冷媒回路(11)の構成が上記各実施形態と異なっている。図10に示すように、実施形態3の冷媒回路(11)では、圧縮機構(20)が圧縮ユニット(C)に組み込まれ、膨張機構(30)と回収機構(40)とが一体的に油動力回収型膨張ユニット(E/O)に組み込まれている。
一方、油分離器(60)で分離された油は、油クーラ(80)で冷却された後、油動力回収型膨張ユニット(E/O)の回収機構(40)へ流入する。回収機構(40)では、油室(49)の油の動力によって出力軸(42)が回転駆動され、発電機(45)が駆動される。その結果、発電機(45)で電力が発生する。
本発明の実施形態4について説明する。実施形態4では、冷媒回路(11)の構成が上記各実施形態と異なっている。図11に示すように、実施形態4の冷媒回路(11)では、圧縮機構(20)と膨張機構(30)と回収機構(40)とが一体的に油動力回収型膨張圧縮ユニット(C/E/O)に組み込まれている。
本発明の実施形態5について説明する。実施形態5の空気調和装置(10)は、上述した各実施形態について、油インジェクション機構(100)とコントローラ(95)とを付与したものである。
まず、実施形態5における圧縮機構(20)の概略構成と油インジェクション機構(100)の概要について説明する。なお、この例では、上述の実施形態1の空気調和装置(10)において、圧縮機構(20)に油インジェクション機構(100)を設けている。
実施形態5の空気調和装置(10)は、上記油インジェクション機構(100)を制御する制御手段として、コントローラ(95)を有している。
次に、油インジェクション動作中の噴射ノズル部(101)の開閉タイミングについて説明する。
本発明の実施形態6について説明する。実施形態6の空気調和装置(10)は、上記実施形態5と同様の油インジェクション機構(100)を有する一方、実施形態5とコントローラ(95)の構成が異なるものである。
実施形態6のコントローラ(95)は、図15のブロック図に示すように構成されている。コントローラ(95)は、入力値(諸元)読込部(96)と、測定値(または設定値)読込部(97)と、計算値決定部(98)とを有している。入力値読込部(96)と測定値読込部(97)は、計算値決定部(98)へ信号を送るため、この計算値決定部(98)と接続されている。計算値決定部(98)では、シリンダ容積Vcと、吸入ポート位置θsと、油インジェクション位置θi(以上、入力値読込部(96)のデータ)と、クランク軸(42)の回転速度ωと、クランク軸(42)の回転角度の現在値θcと、吸入ガス温度Tsと、冷媒回路(11)の低圧圧力Lpと、冷媒回路(11)の高圧圧力Hpと、インジェクション油温度Toと、インジェクション油圧力Po(以上、測定値読込部(97)のデータ)とに基づいて、油インジェクション動作のタイミングが求められる。つまり、圧縮途中の冷媒ガス温度をTrとしたときに、Tr=Toとなるインジェクション開始位置θ1と、圧縮途中の冷媒ガス圧力をPrとしたときにPr=Poとなるインジェクション終了位置θ2と、θ1からθ2に達するまでのインジェクション時間Δtとが求められて、これらの値を表す制御信号がコントローラ(95)から油インジェクション機構(100)へ送られる。そして、この制御信号に基づいてソレノイド機構(109)のオンとオフが制御され、油の噴射タイミングがコントロールされる。なお,圧縮途中の冷媒ガス温度Trと圧縮途中の冷媒ガス圧力Prは,シリンダ容積Vcや吸入ポート位置θsなどの圧縮機諸元と、吸入ガス温度Tsや冷媒回路(11)の低圧圧力Lp、冷媒回路(11)の高圧圧力Hpなどの測定値と、予めコントローラに記録された冷媒物性データとから算出する。図15中のインジェクション開始位置θ1とインジェクション終了点θ2の計算には、圧縮途中の冷媒ガス温度Trと圧縮途中の冷媒ガス圧力Prの算出過程(冷媒温度検出手段と冷媒圧力検出手段)も含まれている。
次に、油インジェクション動作中の噴射ノズル部(101)の開閉タイミングについて説明する。
実施形態7の係る空気調和装置(10)は、室内を暖房のみを行う、暖房専用型の空気調和装置である。図20に示すように、空気調和装置(10)の冷媒回路(11)には、上記実施形態1と同様にして、油動力回収型圧縮ユニット(C/O)、膨張ユニット(E)、室外熱交換器(12)、室内熱交換器(13)、油分離器(60)等が設けられている。
実施形態8に係る空気調和装置(10)は、冷房と暖房とを切り換えて行うヒートポンプ式の空気調和装置である。図21及び図22に示すように、空気調和装置(10)の冷媒回路(11)には、例えば上記実施形態1と同様、油動力回収型圧縮ユニット(C/O)、第1四方切換弁(14)、室外熱交換器(12)、室内熱交換器(13)、油分離器(60)等が設けられている。また、冷媒回路(11)では、実施形態1の膨張ユニット(E)に代わって減圧機構としての膨張弁(38)が用いられている。
上記の各実施形態については、上述した各構成以外にも以下のような変形例の構成とすることができる。
上述した各実施形態において、油分離器(60)で冷媒中から分離した油を圧縮機構(20)の圧縮途中ではなく、圧縮機構(20)の吸入側(低圧側)へ供給するようにしても良い。即ち、例えば図23に示すように、上記各実施形態の油導入路(70)は、分離後の油を圧縮機構(20)の吸入側へ供給するように構成しても良い。なお、図23の例では、上述の実施形態1について、油導入路(70)の第2導油管(72)の終端を吸入ライン(17)に接続したものである。この変形例においても、油クーラ(80)で冷却した油により、圧縮機構(20)で圧縮される冷媒を同時に冷却することができ、上述のような等温圧縮の効果を得ることができる。
上述した各実施形態において、油クーラ(80)で冷却した油を回収機構(40)へ供給するのではなく、回収機構(40)でエネルギーを回収した油を油クーラ(80)で冷却しても良い。即ち、例えば図24に示すように、上記各実施形態について、油導入路(70)において油クーラ(80)を回収機構(40)の下流側に配置しても良い。なお、図24の例では、上述の実施形態1について、回収機構(40)の下流側に油クーラ(80)を配置している。この変形例においても、回収機構(40)で油のエネルギーを回収でき、且つ油クーラ(80)で冷却した油を圧縮機構(20)へ供給することで、上述のような等温圧縮の効果を得ることができる。また、図24の変形例のようにすると、圧縮機構(20)へ供給される直前の油を油クーラ(80)で冷却することができるので、圧縮機構(20)へ安定して低温の油を供給できる。その結果、上記の等温圧縮の効果を更に向上させることができる。
上述した各実施形態において、例えば図25に示すように、冷媒回路(11)に内部熱交換器(90)を付与するようにしても良い。なお、図25の例では、上述の変形例2(図24の例)について、冷媒回路(11)に内部熱交換器(90)を接続している。
上述した各実施形態において、例えば図26に示すように、油分離器(60)を他の箇所に設けるようにしても良い。なお、図26の例は、上述の実施形態1について、変形例3で述べた高圧ライン(19)に油分離器(60)を配置している。この変形例においても、油分離器(60)には、圧縮機構(20)で昇圧された油が溜まり込むので、この油を回収機構(40)へ送ることで、この油のエネルギーを回収することができる。また、この変形例では、冷房運転時の油分離器(60)に溜まる油は、室外熱交換器(12)で放熱後の油となる。つまり、この変形例の油分離器(60)には、上記の各実施形態と比較して低温の油が溜まり込む。従って、この変形例の油インジェクション動作では、一層低温とした油を圧縮機構(20)へ供給でき、上述の等温圧縮の効果を更に向上させることができる。
上述した各実施形態では、油分離器(60)で分離した油を圧縮機構(20)へ供給することで、圧縮機構(20)の圧縮行程で冷媒を等温圧縮させるようにしている(図4を参照)。ここで、図4に示す例では、圧縮行程の一部の期間(即ち、B点からC点に至るまでの間)において、冷媒を等温圧縮させているが、圧縮行程の全期間において、冷媒を等温圧縮させても良い。また、圧縮行程の一部の期間は、図4の例に限られるものではなく、異なるタイミングであっても良い。
11 冷媒回路
12 室内熱交換器
13 室内熱交換器
20 圧縮機構
30 膨張機構
40 回収機構
42 出力軸
45 発電機
50 ピストン(可動部)
60 油分離器(油分離手段)
70 油導入管(油供給回路)
80 油クーラ(油冷却熱交換器)
80a 室内側油クーラ(第1の油冷却熱交換器)
80b 室外側油クーラ(第2の油冷却熱交換器)
Claims (11)
- 圧縮機構(20)が接続されて冷凍サイクルを行う冷媒回路(11)を備えた冷凍装置であって、
上記冷媒回路(11)には、上記圧縮機構(20)で圧縮した高圧冷媒中から油を分離する油分離手段(60)と、上記圧縮機構(20)の圧縮行程中の冷媒を冷却するように上記油分離手段(60)で分離した油を圧縮機構(20)へ供給する油供給回路(70)とが設けられ、
上記油供給回路(70)には、該油供給回路(70)を流れる油のエネルギーを回収する回収機構(40)が設けられ、
上記油供給回路(70)は、上記圧縮機構(20)の圧縮行程の少なくとも一部の期間で冷媒が等温圧縮されるように圧縮機構(20)へ油を供給するとともに、該等温圧縮による圧縮機構(20)での冷媒の圧縮動力の削減量よりも油の昇圧に要する動力の方が大きくなる量の油を該圧縮機構(20)へ供給するように構成されることを特徴とする冷凍装置。 - 請求項1において、
上記冷媒回路(11)は、上記圧縮機構(20)によって冷媒を臨界圧力まで圧縮する冷凍サイクルを行うように構成されていることを特徴とする冷凍装置。 - 請求項1又は2において、
上記油供給回路(70)は、上記圧縮機構(20)の圧縮行程の途中に油を供給するように構成されていることを特徴とする冷凍装置。 - 請求項1又は2において、
上記油供給回路(70)は、上記圧縮機構(20)の吸入側に油を供給するように構成されていることを特徴とする冷凍装置。 - 請求項1乃至4のいずれか1つにおいて、
上記回収機構(40)は、油によって回転駆動される可動部(50)と、該可動部(50)に連結する出力軸(42)とを有することを特徴とする冷凍装置。 - 請求項5において、
上記圧縮機構(20)は、上記回収機構(40)の出力軸(42)と連結して駆動されるように構成されていることを特徴とする冷凍装置。 - 請求項5又は6において、
上記冷媒回路(11)には、冷媒によって回転駆動されると共に上記回収機構(40)の出力軸(42)と連結する可動部を有する膨張機構(30)が設けられていることを特徴とする冷凍装置。 - 請求項5乃至7のいずれか1つにおいて、
上記回収機構(40)の出力軸(42)と連結して駆動される発電機(45)を備えていることを特徴とする冷凍装置。 - 請求項1乃至8のいずれか1つにおいて、
上記油供給回路(70)には、油分離手段(60)で分離した油を冷却するための油冷却熱交換器(80)が接続されていることを特徴とする冷凍装置。 - 請求項9において、
上記冷媒回路(11)は、室内に設置される室内熱交換器(13)を有して該室内熱交換器(13)を流れる冷媒で室内空気を加熱する暖房動作を行うように構成され、
上記油冷却熱交換器(80)は、室内に設置されて上記暖房動作中に油の熱を室内空気へ放出するように構成されていることを特徴とする冷凍装置。 - 請求項9において、
上記冷媒回路(11)は、室内に設置される室内熱交換器(13)を有して該室内熱交換器(13)を流れる冷媒で室内空気を加熱する暖房動作と、該室内熱交換器(13)を流れる冷媒で室内空気を冷却する冷房動作とを切り換えて行うように構成され、
上記油供給回路(70)には、室内に設置されて上記暖房動作中に油の熱を室内空気へ放出する第1の油冷却熱交換器(80a)と、室外に設置されて上記冷房動作中に油の熱を室内空気へ放出する第2の油冷却熱交換器(80b)とが接続されていることを特徴とする冷凍装置。
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