JP5389184B2 - Refrigeration cycle equipment - Google Patents
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Description
本発明は膨張機で動力回収をおこなう冷凍サイクル装置に関するものである。 The present invention relates to a refrigeration cycle apparatus that recovers power with an expander.
例えば冷凍用や空気調和等に用いられる従来の冷凍サイクル装置において、膨張過程を容積式の膨張機で行ない、このときに回収した膨張動力を容積式の圧縮機で行なわれる圧縮過程に用いるものがある。
しかしながら、膨張機や膨張機で回収した動力により駆動される圧縮機は、回転機械であるため、その内部には摩擦抵抗や機構ロス等によって「負の動力」が発生する。このため、膨張機や膨張機で回収した動力により駆動される圧縮機を起動させるには、この「負の動力」に打ち勝つだけの動力が必要となる。このため、膨張機や膨張機で回収した動力により駆動される圧縮機の起動(回転)を妨げようとする「負の動力」の低減を図った冷凍サイクル装置や、膨張機起動時の「正の動力」(膨張機を回転させようとする動力)の増大を図った冷凍サイクル装置が提案されている。For example, in a conventional refrigeration cycle apparatus used for refrigeration or air conditioning, an expansion process is performed by a positive displacement expander, and the recovered expansion power is used for a compression process performed by a positive displacement compressor. is there.
However, since the compressor driven by the expander and the power collected by the expander is a rotary machine, “negative power” is generated inside due to frictional resistance, mechanism loss, and the like. For this reason, in order to start the expander and the compressor driven by the power recovered by the expander, power that can overcome this “negative power” is required. For this reason, a refrigeration cycle apparatus that reduces the “negative power” that tends to hinder the start-up (rotation) of the expander and the compressor driven by the power recovered by the expander, A refrigeration cycle apparatus has been proposed in which the power of the "power" (power to rotate the expander) is increased.
このような冷凍サイクル装置としては、例えば「他の圧縮機の駆動軸と膨張機構の出力軸を連係した構造となっている。他方の圧縮機のガス吸入口とガス吐出口を接続し他方の圧縮機を迂回するバイパス管を設けるとともに、バイパス管にガス吐出口からガス吸入口への冷媒流通を規制する逆止弁を設けた構造となっている。」(例えば特許文献1参照)というものが提案されている。
また、このような冷凍サイクル装置としては、膨張機の流入側と流出側の圧力差を大きくし膨張機で回収できる動力を大きくするものも提案されている(例えば特許文献2参照)。As such a refrigeration cycle apparatus, for example, “the structure is such that the drive shaft of another compressor and the output shaft of the expansion mechanism are linked. The gas suction port and the gas discharge port of the other compressor are connected and the other compressor shaft is connected. A bypass pipe that bypasses the compressor is provided, and a check valve that restricts refrigerant flow from the gas discharge port to the gas suction port is provided in the bypass pipe ”(for example, see Patent Document 1). Has been proposed.
In addition, as such a refrigeration cycle apparatus, an apparatus has been proposed in which the pressure difference between the inflow side and the outflow side of the expander is increased to increase the power that can be recovered by the expander (see, for example, Patent Document 2).
例えば特許文献1に記載の冷凍サイクル装置は、圧縮機の吐出側圧力と吸入側圧力とをバイパス管で均圧している。これにより、膨張機(膨張機構)及びこの膨張機と軸で接続された圧縮機を起動しやすいようにしている。
しかしながら、膨張機と軸で接続された圧縮機は容積式の圧縮機であるため、その内部では昇圧する。
図11は、特許文献1における、膨張機と軸で接続された圧縮機の圧縮室内の圧力変化を示す説明図である。この圧縮機の圧縮室内の圧力は、図11の矢印で示す過程で変化する。上述のようにこの圧縮機は容積式の圧縮機であるため、その内部では昇圧する。このため、この圧縮機を起動させるためには、図11に示す面積Cに相当する圧縮動力が必要となる。つまり、特許文献1に示すように圧縮機の吸入側と吐出側をバイパスしても、「負の動力」が存在する。このため、場合によっては、膨張機で得られる「正の動力」よりも「負の動力」が大きくなり、膨張機を起動できない可能性があるという問題点があった。For example, in the refrigeration cycle apparatus described in
However, since the compressor connected to the expander by the shaft is a positive displacement compressor, the pressure is increased inside the compressor.
FIG. 11 is an explanatory view showing a pressure change in a compression chamber of a compressor connected to an expander by a shaft in
また、膨張機や圧縮機を起動させる際には、膨張機や圧縮機のスラスト軸受やラジアル軸受等に作用する静摩擦も影響する。この静摩擦は、膨張機や圧縮機が駆動している際に作用する動摩擦よりも大きなものである。このため、膨張機や圧縮機を起動させるためには、膨張機や圧縮機のスラスト軸受やラジアル軸受等に作用する静摩擦に打ち勝つ「正の動力」も必要となり、膨張機や圧縮機の起動がさらに不安定となる。 Further, when starting the expander or compressor, static friction acting on the thrust bearing or radial bearing of the expander or compressor is also affected. This static friction is larger than the dynamic friction that acts when the expander or compressor is driven. For this reason, in order to start up the expander or compressor, it is necessary to have "positive power" that overcomes the static friction that acts on the thrust bearings and radial bearings of the expander and compressor. Furthermore, it becomes unstable.
例えば、スクロール方式の圧縮機では、スラスト軸受にかかる荷重(スラスト軸受に作用する摩擦)を低減させるため、揺動スクロールの背面側に圧縮過程の冷媒を導入することが一般的に行われている。同様に、スクロール方式の膨張機では、スラスト軸受にかかる荷重(スラスト軸受に作用する摩擦)を低減させるため、揺動スクロールの背面側に膨張過程の冷媒を導入することが一般的に行われている。しかしながら、スラスト軸受にかかる荷重(スラスト軸受に作用する摩擦)を低減させるためのこれらの方法は、揺動スクロールが回転している場合を想定したものである。つまり、スラスト軸受に作用する動摩擦を低減させるためのものである。このため、揺動スクロールが停止している状態(揺動スクロールの背面側にスラスト加重を低減する圧力が作用していない状態)では、スラスト軸受に作用する静摩擦を低減させることは期待できない。仮に、揺動スクロールが停止している状態で背面側にスラスト加重を低減する圧力が作用しているとすれば、この圧力は膨張室や圧縮室から漏洩した冷媒によるものである。このような膨張機や圧縮機は、揺動スクロールが揺動している定常状態での性能改善効果が著しく損なわれ、本来の目的(冷媒の膨張や圧縮)を達成できない。 For example, in a scroll-type compressor, in order to reduce the load applied to the thrust bearing (friction acting on the thrust bearing), it is common practice to introduce a refrigerant in the compression process on the back side of the orbiting scroll. . Similarly, in a scroll type expander, in order to reduce the load applied to the thrust bearing (friction acting on the thrust bearing), it is common practice to introduce a refrigerant in the expansion process on the back side of the orbiting scroll. Yes. However, these methods for reducing the load applied to the thrust bearing (friction acting on the thrust bearing) are based on the assumption that the orbiting scroll is rotating. That is, it is for reducing the dynamic friction which acts on a thrust bearing. For this reason, in the state where the orbiting scroll is stopped (the state where the pressure for reducing the thrust load is not acting on the back side of the orbiting scroll), it is not expected to reduce the static friction acting on the thrust bearing. If the pressure that reduces the thrust load is acting on the back side while the orbiting scroll is stopped, this pressure is due to the refrigerant leaking from the expansion chamber and the compression chamber. In such an expander or compressor, the performance improvement effect in a steady state where the swing scroll is swinging is significantly impaired, and the original purpose (expansion or compression of refrigerant) cannot be achieved.
さらに、膨張機や圧縮機が一度起動に失敗し、機構的な噛み込み(ジャミング)が生じてしまうと、それを凌駕するトルクでモーター等の駆動源を回転させる必要がある。または、駆動源を軽く逆転させて、噛み込みを解消させる必要がある。いずれにしても確実な起動方法ではない。 Furthermore, once the expander or the compressor fails to start and mechanical jamming (jamming) occurs, it is necessary to rotate a drive source such as a motor with a torque exceeding that. Alternatively, it is necessary to reverse the driving source slightly to eliminate the biting. In any case, it is not a reliable starting method.
また上記特許文献2に記載の冷凍サイクル装置は、膨張機の流入側と流出側の圧力差を大きくすることにより、膨張機を起動させやすくしている。しかしながら、膨張機は一般的に定常状態を基準に設計されるものである。つまり、膨張機は、膨張機の流入側と流出側の圧力差が小さい状態で起動されることを想定して設計されていない。
このため、起動時に(等密度曲線が疎である)高密度な冷媒が膨張機へ流入すると、図12に示すように、膨張室内の圧力変化が大きくなり、過膨張となる。つまり、膨張機の回収する動力は、「面積F−面積G」に相当する動力(負の動力)となってしまい、膨張機が駆動を継続出来なくなってしまうという問題点があった。
起動性に重点を置いて膨張機を設計することも考えられるが、定常運転時に不足膨張となり十分な性能改善効果が得られず、本来の膨張機の目的を果たせない。Moreover, the refrigeration cycle apparatus described in
For this reason, when a high-density refrigerant (with a sparse isodensity curve) flows into the expander at the start-up, as shown in FIG. 12, the pressure change in the expansion chamber becomes large, resulting in overexpansion. That is, the power collected by the expander becomes power (negative power) corresponding to “Area F−Area G”, and the expander cannot continue to drive.
Although it is conceivable to design the expander with emphasis on startability, the expansion is insufficient during steady operation and a sufficient performance improvement effect cannot be obtained, and the original expander cannot be achieved.
本発明は上述のような課題のうち少なくとも1つを解決するためになされたものであり、膨張機で動力回収をおこなう冷凍サイクル装置において、従来の冷凍サイクル装置よりも確実に膨張機を起動させることができる冷凍サイクル装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve at least one of the above-described problems, and in a refrigeration cycle apparatus that recovers power with an expander, the expander is started more reliably than a conventional refrigeration cycle apparatus. An object of the present invention is to obtain a refrigeration cycle apparatus that can perform such a process.
本発明に係る冷凍サイクル装置は、第1の圧縮機、放熱器又は凝縮器となる第1の熱交換器、膨張機、及び蒸発器となる第2の熱交換器が順次配管接続された冷媒回路と、前記膨張機で回収された動力によって駆動される第2の圧縮機と、前記第2の圧縮機の流入側と前記膨張機の流入側、あるいは前記第2の圧縮機の流出側と前記膨張機の流出側のいずれか一方をバイパスするバイパス回路と、前記バイパス回路に設けられた開閉弁と、を有し、前記第2の圧縮機は容積式の圧縮機であり、前記第2の圧縮機は前記第1の圧縮機と直列に接続され、該接続箇所に前記バイパス回路の一端を有し、前記第2の圧縮機が起動されるまでは前記開閉弁を開状態として、前記第2の圧縮機の吸入側の圧力よりも前記第2の圧縮機の吐出側の圧力を低くするものである。 The refrigeration cycle apparatus according to the present invention is a refrigerant in which a first heat exchanger serving as a first compressor, a radiator or a condenser, an expander, and a second heat exchanger serving as an evaporator are sequentially connected by piping. A circuit, a second compressor driven by power recovered by the expander, an inflow side of the second compressor and an inflow side of the expander, or an outflow side of the second compressor A bypass circuit that bypasses one of the outflow sides of the expander; and an on-off valve provided in the bypass circuit, wherein the second compressor is a positive displacement compressor, and the second compressor The compressor is connected in series with the first compressor, has one end of the bypass circuit at the connection location, and opens the on-off valve until the second compressor is started, The pressure on the discharge side of the second compressor is lower than the pressure on the suction side of the second compressor. It is intended to.
本発明に係る冷凍サイクル装置は、少なくとも第2の圧縮機が起動されるまでは、第2の圧縮機の吸入側の圧力よりも第2の圧縮機の吐出側の圧力を低くする圧力調整装置を備えている。このため、従来よりも圧縮動力が低減し、従来の冷凍サイクル装置よりも確実に膨張機を起動させることができる。 The refrigeration cycle apparatus according to the present invention is a pressure adjusting device that makes the pressure on the discharge side of the second compressor lower than the pressure on the suction side of the second compressor at least until the second compressor is started. It has. For this reason, the compression power is reduced as compared with the conventional case, and the expander can be started more reliably than the conventional refrigeration cycle apparatus.
実施の形態1.
以下、本発明の実施の形態1について説明する。
図1は、本発明の実施の形態1に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。
冷凍サイクル装置1は、冷媒として二酸化炭素を用いたものであり、第1の圧縮機2、第2の圧縮機3、放熱器4、膨張機5、蒸発器6を順次冷媒配管で接続して構成されている。また、第2の圧縮機3の駆動軸と膨張機5の起動軸とは、軸7によって接続されている。なお、放熱器4や蒸発器6は、複数台設けられていてもよい。
FIG. 1 is a refrigerant circuit diagram of the refrigeration cycle apparatus according to
The
第1の圧縮機2は、例えば電力供給されて駆動するモーターを内蔵しており、膨張機5とは独立して駆動可能なものである。第2の圧縮機3は、容積式の圧縮機であり、膨張機5で回収された動力によって駆動されるものである。膨張機5は、容積式の膨張機であり、冷媒が膨張する際に回収した動力を第2の圧縮機3へ供給する。また、放熱器4の近傍には、放熱器4を流れる冷媒と熱交換を行う空気(熱媒体)を放熱器4へ搬送するファン4aが設けられている。蒸発器6の近傍には、蒸発器6を流れる冷媒と熱交換を行う空気(熱媒体)を蒸発器6へ搬送するファン6aが設けられている。
The
ここで、放熱器4が、本発明の第1の熱交換器に相当する。蒸発器6が、本発明の第2の熱交換器に相当する。ファン4aが、本発明の熱媒体搬送装置に相当する。
Here, the
冷凍サイクル装置1には、逆止弁10及びバイパス回路8も設けられている。逆止弁10は、放熱器4と膨張機5との間に設けられており、膨張機5から放熱器4へ冷媒が流れることを規制している。バイパス回路8は、一方の端部が第1の圧縮機2と第2の圧縮機3との間に接続され、他方の端部が逆止弁10と膨張機5との間に接続されている。このバイパス回路8には、バイパス回路8を開閉する開閉弁9が設けられている。
また、冷凍サイクル装置1には、第2の圧縮機3の吐出側に、冷媒温度測定装置となる温度センサー21が設けられている。
第1の圧縮機2に内蔵されたモーターの回転数、ファン4aの回転数、ファン6aの回転数、及び開閉弁9の開閉は、制御装置100によって制御される。この制御装置100は、温度センサー21の検出値も受信している。The
Further, the
The
<動作説明>
このように構成された冷凍サイクル装置1の動作について説明する。まず、定常運転時における冷凍サイクル装置1の動作について説明する。その後、起動時における冷凍サイクル装置1の動作について説明する。<Description of operation>
Operation | movement of the refrigerating-
(定常運転時の動作)
定常運転時における冷凍サイクル装置1の動作について説明する。
図2は、本発明の実施の形態1に係る冷凍サイクル装置の定常状態における冷媒流れを示す冷媒回路図である。定常状態では、開閉弁9は閉じた状態となっている。つまり、定常状態では、バイパス回路8に冷媒が流れないようになっている。なお、図2では、冷媒が流れる配管を太線で示している。(Operation during steady operation)
The operation of the
FIG. 2 is a refrigerant circuit diagram showing a refrigerant flow in a steady state of the refrigeration cycle apparatus according to
第1の圧縮機2で高温中圧に圧縮された冷媒は、第1の圧縮機2から吐出される。この高温中圧の冷媒は、第2の圧縮機3で高温高圧(超臨界状態)に圧縮され、放熱器4に流入する。放熱器4に流入した冷媒は、ファン4aに搬送された空気へ放熱し、低温高圧の冷媒となる。この低温高圧の冷媒は、第1の逆止弁10を通過し、膨張機5に流入する。膨張機5に流入した冷媒は、減圧されて低圧低乾き度の冷媒となる。この減圧過程において、膨張機5は動力を回収する。そして、回収された動力は、軸7を介して、第2の圧縮機3へ供給される。膨張機5から流出した低圧低乾き度の冷媒は、蒸発器6に流入する。蒸発器6に流入した冷媒は、ファン6aに搬送された空気から吸熱し、低圧高乾き度の冷媒又は低圧過熱ガス状の冷媒となる。蒸発器6から流出した冷媒は、第1の圧縮機2に吸入される。
The refrigerant compressed to high temperature and intermediate pressure by the
膨張機5で回収された動力が第2の圧縮機3での圧縮動力として使用されるため、その分、第1の圧縮機の必要動力が低下する。このため、冷凍サイクル装置1の省エネルギー化を図ることができる。
Since the power recovered by the
(起動時の動作)
次に、起動時における冷凍サイクル装置1の動作について説明する。
図3は、本発明の実施の形態1に係る冷凍サイクル装置の起動時における冷媒流れを示す冷媒回路図である。起動時においては、開閉弁9は開いた状態となっている。つまり、起動時においては、バイパス回路8に冷媒が流れるようになっている。なお、図3では、冷媒が流れる配管を太線で示している。(Operation at startup)
Next, operation | movement of the refrigerating-
FIG. 3 is a refrigerant circuit diagram showing a refrigerant flow at the time of starting the refrigeration cycle apparatus according to
起動時は第2の圧縮機3がまだ停止しているため、第1の圧縮機2で高温中圧に圧縮された冷媒は、バイパス回路8を通って、膨張機5へ至る。このとき、逆止弁10により、バイパス回路8から流出した冷媒が放熱器4及び第2の圧縮機3の吐出側へ流れることを防止している。つまり、第2の圧縮機3が停止している状態では、第2の圧縮機3の吸入側の圧力は、第1の圧縮機2から吐出された冷媒の圧力となり、第2の圧縮機3の吐出側の圧力よりも大きくなっていく。
なお、逆止弁10が設けられていなくとも、第2の圧縮機3が停止している状態では、第2の圧縮機3の吸入側の圧力は、第2の圧縮機3の吐出側の圧力よりも大きくなる。第1の圧縮機2が起動してから第2の圧縮機3が起動するまでの時間は数秒程度(本実施の形態1に係る冷凍サイクル装置1では、例えば2秒〜3秒程度)である。このため、第2の圧縮機3の吐出側へ流れる冷媒は放熱器4に貯留され(放熱器4がバッファーとなり)、第2の圧縮機3の吐出側の圧力上昇が鈍感となるからである。
つまり、バイパス回路8及び開閉弁9が、本発明の圧力調整装置となる。本実施の形態1では、第2の圧縮機3の吸入側圧力と吐出側圧力の差圧をより確実に得るため、逆止弁10を設けている。Since the
Even when the
That is, the
また、第1の圧縮機2が起動することにより、膨張機5の流出側の冷媒は、蒸発器6を経由して、第1の圧縮機2へ吸入される。つまり、膨張機5が停止している状態では、膨張機5の流出側の圧力は、膨張機5の流入側の圧力よりも小さくなっていく。また、膨張機5の流入側に流れてくる冷媒は、放熱器4を通過していない冷媒なので、低密度な冷媒となっている。つまり、バイパス回路8及び開閉弁9が、本発明の膨張機起動促進装置となる。なお、逆止弁10が設けられていない場合でも、第2の圧縮機3が停止している状態であれば、膨張機5の流入側に流れてくる冷媒は、放熱器4を通過していない低密度の冷媒である。このため、逆止弁10は、膨張機起動促進装置の構成でなくともよい。
Further, when the
膨張機5の流入側の圧力と膨張機5の流出側の圧力との差(以下、膨張機5の差圧ともいう)が大きくなってくると、膨張機5は起動される(駆動が開始される)。
When the difference between the pressure on the inflow side of the
このとき、膨張機5の膨張室内の圧力は図4のようになる。
図4は、本発明の実施の形態1に係る膨張機における起動時の膨張室内の圧力変化を示す説明図である。なお、膨張機5の膨張室内の圧力は、図4の矢印で示す過程で変化する。また、参考として、特許文献2に係る膨張機における起動時の膨張室内の圧力変化を破線で示す。
起動時における膨張機5の差圧は定常状態における膨張機5の差圧よりも小さいため、若干過膨張となっているが、「面積D−面積E」に相当する動力(正の動力)が得られる。このため、膨張機5の駆動を継続することができる。At this time, the pressure in the expansion chamber of the
FIG. 4 is an explanatory view showing a pressure change in the expansion chamber at the time of start-up in the expander according to
Since the differential pressure of the
一方、軸7を介して膨張機5と接続されている第2の圧縮機3は、その圧縮室内の圧力が図5のように変化する。
図5は、本発明の実施の形態1に係る第2の圧縮機における起動時の圧縮室内の圧力変化を示す説明図である。なお、第2の圧縮機3の圧縮室内の圧力は、図5の矢印で示す過程で変化する。
第2の圧縮機3の吸入側の圧力が吐出側の圧力よりも大きくなっている(逆圧となっている)ため、過圧縮となっている。このときの圧縮動力は、「面積A−面積B」に相当する動力となり、圧縮機の吐出側圧力と吸入側圧力とを均圧する従来の冷凍サイクル装置(例えば特許文献1参照)よりも小さくなっている。このため、従来の冷凍サイクル装置よりも第2の圧縮機3を起動させやすくなっている。また、逆圧の程度によっては、面積B−面積Aに相当する回収動力が得られる。この分の動力は、第2の圧縮機3の安定した起動に寄与する。On the other hand, in the
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a pressure change in the compression chamber at the time of start-up in the second compressor according to
Since the pressure on the suction side of the
膨張機5及び第2の圧縮機3が起動したら、開閉弁9を閉止しても、膨張機5及び第2の圧縮機3の駆動を継続することは可能である。しかしながら、本実施の形態1では、膨張機5及び第2の圧縮機3の駆動をより確実に継続させるため、冷凍サイクル装置1が定常状態で運転可能となるまで、開閉弁9を開いた状態にしている。
When the
より具体的には、制御装置100は以下のように開閉弁9を制御している。
第2の圧縮機3の駆動が継続されると、第2の圧縮機3から吐出される冷媒の温度が上昇する。また、第2の圧縮機3の吐出側の圧力が吸入側の圧力以上になってくる。つまり、冷凍サイクル装置1を定常状態で運転しても可能ということになる。
冷凍サイクル装置1では、第2の圧縮機3が吐出した冷媒の温度を、温度センサー21によって検出する。そして、制御装置100は、温度センサー21の検出温度がある閾値以上となったとき、冷凍サイクル装置1を定常状態で運転可能と判断し、開閉弁9を閉止する。More specifically, the
When the driving of the
In the
なお、冷凍サイクル装置1を定常状態で運転可能と判断するのが遅れた場合でも、逆止弁10があるため、第2の圧縮機3の吐出圧力が急上昇することなく、膨張機5へ冷媒が流れる。このため、高圧や高温の保護装置が働くことなく、冷凍サイクル装置1の確実な起動を実現できる。
Even when it is delayed to determine that the
以上、このように構成された冷凍サイクル装置1においては、少なくとも第2の圧縮機3が起動するまで、第2の圧縮機3の吸入側の圧力が第2の圧縮機3の吐出側の圧力よりも大きくなるようにしている。また、少なくとも膨張機5が起動するまで、膨張機5の流出側の圧力を膨張機5の流入側の圧力よりも小さくし、膨張機5の流入側に流れてくる冷媒が低密度となるようにしている。このため、従来の冷凍サイクル装置より、より確実に第2の圧縮機3及び膨張機5を起動させることができる。
As described above, in the
なお、第2の圧縮機3の吸入側の圧力が第2の圧縮機3の吐出側の圧力よりも大きくなるようにするだけでも、従来の冷凍サイクル装置より、より確実に第2の圧縮機3及び膨張機5を起動させることができるのはもちろんである。また、膨張機5の流出側の圧力を膨張機5の流入側の圧力よりも小さくし、膨張機5の流入側に流れてくる冷媒が低密度となるようにするだけでも、従来の冷凍サイクル装置より、より確実に第2の圧縮機3及び膨張機5を起動させることができるのはもちろんである。
It should be noted that the second compressor can be more reliably provided than the conventional refrigeration cycle apparatus by merely making the pressure on the suction side of the
また、冷凍サイクル装置1に四方弁を設けて冷媒流れを切り替えられるようにしても、本発明を実施することができる。
Moreover, even if it provides a four-way valve in the refrigerating
図6は、本発明の実施の形態1に係る冷凍サイクル装置の別の一例を示す冷媒回路図である。この冷凍サイクル装置51は、第2の圧縮機3の吐出側に四方弁14が設けられている。この四方弁14により、第2の圧縮機3から吐出された冷媒の流路を、放熱器4へ流れる流路又は蒸発器6へ流れる流路に切り替える。また、第1の圧縮機2へ流入する冷媒の流路を蒸発器6から流入する流路又は放熱器4から流入する流路に切り替える。なお、第2の圧縮機3から吐出された冷媒が蒸発器6へ流入する場合(放熱器4から第1の圧縮機2へ冷媒が流入する場合)、放熱器4が蒸発器となり、蒸発器6が放熱器となる。
また、膨張機5の流入側には、四方弁15が設けられている。この四方弁15により、膨張機5へ流入する冷媒の流路を、放熱器4から流入する流路又は蒸発器6から流入する流路に切り替える。FIG. 6 is a refrigerant circuit diagram illustrating another example of the refrigeration cycle apparatus according to
A four-way valve 15 is provided on the inflow side of the
このような冷凍サイクル装置51を空気調和機に用いた場合、冷房運転と暖房運転の双方が可能な空気調和機を得ることができる。
なお、膨張機5は、容積式のため、一方向しか冷媒を流せない。このため、膨張機5の流入口近傍に逆止弁10を設け、この逆止弁10と膨張機5との間にバイパス回路8を接続するとよい。When such a refrigeration cycle apparatus 51 is used for an air conditioner, an air conditioner capable of both a cooling operation and a heating operation can be obtained.
Since the
また、本実施の形態1に係る冷凍サイクル装置をさらに省エネルギー化するため、例えば図7に示すように、第1の圧縮機2と第2の圧縮機3との間に中間冷却器22を設けてもよい。なお、図7は、冷凍サイクル装置1に中間冷却器22を設けた例を示している。
第1の圧縮機2から吐出された高温中圧の冷媒を冷却することにより、この冷媒は、モリエル線図上において等エントロピー線の傾きが大きくなる。つまり、第2の圧縮機3が冷媒を圧縮する際に必要な動力を減少させることができる。なお、第1の圧縮機2と第2の圧縮機3との間にあるバイパス回路8の接続部は、中間冷却器22の上流側でもよいし、中間冷却器22の下流側でもよい。前者の場合、膨張機5が起動するまでの間の第1の圧縮機2の吐出圧力の急上昇を抑制することができる。この効果は、開閉弁9を流量調整弁に置き換えて開度を調節することでも実現できる。In order to further save energy in the refrigeration cycle apparatus according to the first embodiment, an intermediate cooler 22 is provided between the
By cooling the high-temperature and medium-pressure refrigerant discharged from the
また、本実施の形態1では、放熱器4及び蒸発器6と熱交換する熱媒体を空気としたが、その他の熱媒体としてもよい。例えば、放熱器4と熱交換する熱媒体を水とし、本実施の形態1に係る冷凍サイクル装置を給湯用途に用いてもよい。また、放熱器4や蒸発器6と熱交換する熱媒体を水やブラインとし、この熱媒体を空気調和空間へ搬送し、空気調和空間の空気調和をおこなってもよい。
In the first embodiment, the heat medium that exchanges heat with the
また、本実施の形態1では、オゾン破壊係数がゼロであり、かつ地球温暖化係数もフロン類に比べれば格段に小さい二酸化炭素を冷媒として用いたが、冷媒種類は任意である。しかしながら、二酸化炭素を用いた冷凍サイクル装置は従来の冷媒を用いた冷凍サイクル装置よりも運転効率(COP)が低下する。このため、二酸化炭素を用いた冷凍サイクル装置に本発明を実施することは、非常に有効となる。なお、超臨界状態にまで圧縮されない冷媒を用いる場合、放熱器4は凝縮器として機能する。
In the first embodiment, carbon dioxide having an ozone depletion coefficient of zero and a global warming coefficient that is much smaller than that of chlorofluorocarbons is used as the refrigerant. However, the type of refrigerant is arbitrary. However, the refrigeration cycle apparatus using carbon dioxide has a lower operating efficiency (COP) than the conventional refrigeration cycle apparatus using refrigerant. For this reason, it is very effective to implement the present invention in a refrigeration cycle apparatus using carbon dioxide. In addition, when using the refrigerant | coolant which is not compressed to a supercritical state, the
また、本実施の形態1では、膨張機5と第2の圧縮機3とを機械的に(軸7で)接続したが、膨張機5と第2の圧縮機3とを電気的に接続してもよい。例えば、膨張機5と発電機を接続し、膨張機5が回収した動力を電力に変換し、この電力を第2の圧縮機3へ供給してもよい。
In
また、本実施の形態1では、冷凍サイクル装置1(冷凍サイクル装置51)が定常運転可能かを温度センサー21を用いて検出したが、冷凍サイクル装置1(冷凍サイクル装置51)が定常運転可能か否かの判断に圧力センサーを用いてもよい。より具体的には、第2の圧縮機3の吐出側と吸入側のそれぞれに圧力センサーを設ける。そして、これら圧力センサーの検出値の差がある閾値以上となった場合、冷凍サイクル装置1(冷凍サイクル装置51)が定常運転可能と判断してもよい。
Further, in the first embodiment, whether the refrigeration cycle apparatus 1 (refrigeration cycle apparatus 51) can be steadily operated is detected using the
実施の形態2.
本発明は、実施の形態1に示す冷凍サイクル装置に限らず、例えば以下のような構成の冷凍サイクル装置に実施することもできる。なお、本実施の形態2において、特に記述しない項目については実施の形態1と同様とする。
The present invention is not limited to the refrigeration cycle apparatus shown in the first embodiment, and can be implemented, for example, in a refrigeration cycle apparatus having the following configuration. In the second embodiment, items not particularly described are the same as those in the first embodiment.
図8は、本発明の実施の形態2に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。本実施の形態2に係る冷凍サイクル装置52は、実施の形態1に係る冷凍サイクル装置1と比べ、以下の点が異なっている。冷凍サイクル装置52のその他の構成は、冷凍サイクル装置1と同様である。
FIG. 8 is a refrigerant circuit diagram of the refrigeration cycle apparatus according to
まず、第1の圧縮機2と第2の圧縮機3の設置位置が逆となっている。また、逆止弁10に換えて、逆止弁13が設けられている。また、バイパス回路8及び開閉弁9に換えて、バイパス回路11及び開閉弁12が設けられている。
逆止弁13は、膨張機5と蒸発器6との間に設けられており、蒸発器6から膨張機5へ冷媒が流れることを規制している。
バイパス回路11は、一方の端部が第2の圧縮機3と第1の圧縮機2との間に接続され、他方の端部が膨張機5と逆止弁13との間に接続されている。このバイパス回路11には、バイパス回路11を開閉する開閉弁12が設けられている。First, the installation positions of the
The check valve 13 is provided between the
The bypass circuit 11 has one end connected between the
<動作説明>
このように構成された冷凍サイクル装置52の動作について説明する。まず、定常運転時における冷凍サイクル装置52の動作について説明する。その後、起動時における冷凍サイクル装置52の動作について説明する。<Description of operation>
The operation of the
(定常運転時の動作)
定常運転時における冷凍サイクル装置52の動作について説明する。
図9は、本発明の実施の形態2に係る冷凍サイクル装置の定常状態における冷媒流れを示す冷媒回路図である。定常状態では、開閉弁12は閉じた状態となっている。つまり、定常状態では、バイパス回路11に冷媒が流れないようになっている。なお、図9では、冷媒が流れる配管を太線で示している。(Operation during steady operation)
The operation of the
FIG. 9 is a refrigerant circuit diagram showing a refrigerant flow in a steady state of the refrigeration cycle apparatus according to
第2の圧縮機3で高温中圧に圧縮された冷媒は、第2の圧縮機3から吐出される。この高温中圧の冷媒は、第1の圧縮機2で高温高圧(超臨界状態)に圧縮され、放熱器4に流入する。放熱器4に流入した冷媒は、ファン4aに搬送された空気へ放熱し、低温高圧の冷媒となる。この低温高圧の冷媒は、膨張機5に流入する。膨張機5に流入した冷媒は、減圧されて低圧低乾き度の冷媒となる。この減圧過程において、膨張機5は動力を回収する。そして、回収された動力は、軸7を介して、第2の圧縮機3へ供給される。膨張機5から流出した低圧低乾き度の冷媒は、逆止弁13を通って、蒸発器6に流入する。蒸発器6に流入した冷媒は、ファン6aに搬送された空気から吸熱し、低圧高乾き度の冷媒又は低圧過熱ガス状の冷媒となる。蒸発器6から流出した冷媒は、第2の圧縮機3に吸入される。
The refrigerant compressed to high temperature and medium pressure by the
膨張機5で回収された動力が第2の圧縮機3での圧縮動力として使用されるため、その分、第1の圧縮機の必要動力が低下する。このため、冷凍サイクル装置52の省エネルギー化を図ることができる。
Since the power recovered by the
(起動時の動作)
次に、起動時における冷凍サイクル装置1の動作について説明する。
図10は、本発明の実施の形態2に係る冷凍サイクル装置の起動時における冷媒流れを示す冷媒回路図である。起動時においては、開閉弁12は開いた状態となっている。つまり、起動時においては、バイパス回路11に冷媒が流れるようになっている。また、放熱器に空気を搬送するファン4aは、停止又は定常状態よりも小さい回転数(回転速度)となっている。なお、図10では、冷媒が流れる配管を太線で示している。(Operation at startup)
Next, operation | movement of the refrigerating-
FIG. 10 is a refrigerant circuit diagram showing a refrigerant flow at the time of activation of the refrigeration cycle apparatus according to
第1の圧縮機2で圧縮された冷媒は、放熱器4を通って、膨張機5へ至る。また、第1の圧縮機2が起動することにより、膨張機5の流出側の冷媒は、バイパス回路11を通って、第1の圧縮機2へ吸入される。このとき、逆止弁13により、第2の圧縮機3の吸入側の冷媒が第1の圧縮機2によって吸入されることを防止している。つまり、第2の圧縮機3が停止している起動時においては、第2の圧縮機3の吸入側の圧力は、第2の圧縮機3の吐出側の圧力よりも大きくなっていく。
なお、逆止弁13が設けられていなくとも、第2の圧縮機3が停止している状態では、第2の圧縮機3の吸入側の圧力は、第2の圧縮機3の吐出側の圧力よりも大きくなる。第1の圧縮機2が起動してから第2の圧縮機3が起動するまでの時間は数秒程度(本実施の形態2に係る冷凍サイクル装置52では、例えば2秒〜3秒程度)である。このため、第2の圧縮機3の吸入側から吸入される冷媒の大部分は蒸発器6に貯留された冷媒であり(蒸発器6がバッファーとなり)、第2の圧縮機3の吸入側の圧力低下が鈍感となるからである。
つまり、バイパス回路11及び開閉弁12が、本発明の圧力調整装置となる。本実施の形態2では、第2の圧縮機3の吸入側圧力と吐出側圧力の差圧をより確実に得るため、逆止弁13を設けている。The refrigerant compressed by the
Even when the check valve 13 is not provided, when the
That is, the bypass circuit 11 and the on-off valve 12 are the pressure adjusting device of the present invention. In the second embodiment, a check valve 13 is provided in order to more reliably obtain a differential pressure between the suction side pressure and the discharge side pressure of the
また、膨張機5が停止している状態では、膨張機5の流出側の圧力は、膨張機5の流入側の圧力よりも小さくなっていく。また、膨張機5の流入側に流れてくる冷媒は、放熱器4での熱交換量が少ないので、低密度な冷媒となっている。つまり、バイパス回路11及び開閉弁12、及びファン4aの回転数を制御する制御装置100が、本発明の膨張機起動促進装置となる。なお、逆止弁13は、膨張機起動促進装置の構成でなくともよい。
In addition, when the
膨張機5の差圧が大きくなってくると、膨張機5は起動される(駆動が開始される)。このとき、膨張機5の膨張室内の圧力は図4のようになる(実施の形態1と同様となる)。起動時における膨張機5の差圧は定常状態における膨張機5の差圧よりも小さいため、若干過膨張となっているが、「面積D−面積E」に相当する動力(正の動力)が得られる。このため、膨張機5の駆動を継続することができる。
When the differential pressure of the
一方、軸7を介して膨張機5と接続されている第2の圧縮機3は、その圧縮室内の圧力が図5のように変化する(実施の形態1と同様となる)。第2の圧縮機3の吸入側の圧力が吐出側の圧力よりも大きくなっている(逆圧となっている)ため、過圧縮となっている。このときの圧縮動力は、「面積A−面積B」に相当する動力となり、圧縮機の吐出側圧力と吸入側圧力とを均圧する従来の冷凍サイクル装置(例えば特許文献1参照)よりも小さくなっている。このため、従来の冷凍サイクル装置よりも第2の圧縮機3を起動させやすくなっている。また、逆圧の程度によっては、面積B−面積Aに相当する回収動力が得られる。この分の動力は、第2の圧縮機3の安定した起動に寄与する。
On the other hand, in the
膨張機5及び第2の圧縮機3が起動したら、開閉弁12を閉止しても、膨張機5及び第2の圧縮機3の駆動を継続することは可能である。しかしながら、本実施の形態2では、膨張機5及び第2の圧縮機3の駆動をより確実に継続させるため、冷凍サイクル装置52が定常状態で運転可能となるまで、開閉弁12を開いた状態にしている。
When the
より具体的には、制御装置100は以下のように開閉弁12を制御している。
第2の圧縮機3の駆動が継続されると、第2の圧縮機3から吐出される冷媒の温度が上昇する。また、第2の圧縮機3の吐出側の圧力が吸入側の圧力以上になってくる。つまり、冷凍サイクル装置52を定常状態で運転しても可能ということになる。
冷凍サイクル装置52では、第2の圧縮機3が吐出した冷媒の温度を、温度センサー21によって検出する。そして、制御装置100は、温度センサー21の検出温度がある閾値以上となったとき、冷凍サイクル装置1を定常状態で運転可能と判断し、開閉弁12を閉止する。また、ファン4aの回転数を定常状態の回転数に変更する。冷凍サイクル装置52が定常運転可能か否かの判断に圧力センサーを用いてもよい。More specifically, the
When the driving of the
In the
なお、冷凍サイクル装置52を定常状態で運転可能と判断するのが遅れた場合でも、逆止弁13があるため、第2の圧縮機3の吸入側の圧力が急低下することなく、膨張機5へ冷媒が流れる。このため、低圧や低温の保護装置が働くことなく、冷凍サイクル装置52の確実な起動を実現できる。
Even when it is delayed to determine that the
以上、このように構成された冷凍サイクル装置52においては、少なくとも第2の圧縮機3が起動するまで、第2の圧縮機3の吸入側の圧力が第2の圧縮機3の吐出側の圧力よりも大きくなるようにしている。また、少なくとも膨張機5が起動するまで、膨張機5の流出側の圧力を膨張機5の流入側の圧力よりも小さくし、膨張機5の流入側に流れてくる冷媒が低密度となるようにしている。このため、従来の冷凍サイクル装置より、より確実に第2の圧縮機3及び膨張機5を起動させることができる。
As described above, in the
なお、第2の圧縮機3の吸入側の圧力が第2の圧縮機3の吐出側の圧力よりも大きくなるようにするだけでも、従来の冷凍サイクル装置より、より確実に第2の圧縮機3及び膨張機5を起動させることができるのはもちろんである。また、膨張機5の流出側の圧力を膨張機5の流入側の圧力よりも小さくし、膨張機5の流入側に流れてくる冷媒が低密度となるようにするだけでも、従来の冷凍サイクル装置より、より確実に第2の圧縮機3及び膨張機5を起動させることができるのはもちろんである。
It should be noted that the second compressor can be more reliably provided than the conventional refrigeration cycle apparatus by merely making the pressure on the suction side of the
1 冷凍サイクル装置、2 第1の圧縮機、3 第2の圧縮機、4 放熱器、4a ファン、5 膨張機、6 蒸発器、6a ファン、7 軸、8 バイパス回路、9 開閉弁、10 逆止弁、11 バイパス回路、12 開閉弁、13 逆止弁、14 四方弁、15 四方弁、21 温度センサー、22 中間冷却器、51 冷凍サイクル装置、52 冷凍サイクル装置、100 制御装置。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記膨張機で回収された動力によって駆動される第2の圧縮機と、
前記第2の圧縮機の流入側と前記膨張機の流入側、あるいは前記第2の圧縮機の流出側と前記膨張機の流出側のいずれか一方をバイパスするバイパス回路と、
前記バイパス回路に設けられた開閉弁と、
を有し、
前記第2の圧縮機は容積式の圧縮機であり、
前記第2の圧縮機は前記第1の圧縮機と直列に接続され、該接続箇所に前記バイパス回路の一端を有し、
前記第2の圧縮機が起動されるまでは前記開閉弁を開状態として、前記第2の圧縮機の吸入側の圧力よりも前記第2の圧縮機の吐出側の圧力を低くすることを特徴とする冷凍サイクル装置。 A refrigerant circuit in which a first heat exchanger to be a first compressor, a radiator or a condenser, an expander, and a second heat exchanger to be an evaporator are sequentially connected by piping;
A second compressor driven by the power recovered by the expander ;
A bypass circuit that bypasses either the inflow side of the second compressor and the inflow side of the expander, or the outflow side of the second compressor and the outflow side of the expander;
An on-off valve provided in the bypass circuit;
Have
The second compressor is a positive displacement compressor;
The second compressor is connected in series with the first compressor, and has one end of the bypass circuit at the connection location,
The open state of the on-off valve to the second compressor is activated, the second of the than the pressure on the suction side of the compressor the second low pressure discharge side of the compressor to Turkey and A refrigeration cycle apparatus characterized by.
少なくとも前記第2の圧縮機が起動されるまでは、
前記熱媒体搬送装置の回転数を目標回転数より減少、又は前記熱媒体搬送装置を停止させることを特徴とする請求項1に記載の冷凍サイクル装置。 A heat transfer device that transfers a heat medium that exchanges heat with the refrigerant flowing through the first heat exchanger to the first heat exchanger;
At least until the second compressor is started
2. The refrigeration cycle apparatus according to claim 1 , wherein the number of rotations of the heat medium transport device is decreased from a target number of rotations or the heat medium transport device is stopped.
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