JP5599403B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

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Description

本発明は、超臨界状態となる流体等の冷媒を用いる冷凍サイクル装置に関するものであり、特に膨張過程の流体エネルギーを動力回収する膨張機を備えた冷凍サイクル装置に関するものである。
従来より、膨張過程の流体エネルギーを動力回収する膨張機を備えた冷凍サイクル装置として、例えば、電気モーターにより駆動されて冷媒を圧縮する第1の圧縮機と、前記第1の圧縮機により圧縮された前記冷媒の熱を放散する放熱器と、前記放熱器を通過した前記冷媒を減圧する膨張機と、前記膨張機により減圧された前記冷媒が蒸発する蒸発器と、前記膨張機で回収される膨張動力により駆動され、吐出側が第1の圧縮機の吸入側へ接続された第2の圧縮機と、を備えた冷凍サイクル装置がある(例えば、特許文献1参照)。
また、第1の圧縮機と、前記第1の圧縮機により圧縮された前記冷媒の熱を放散する放熱器と、前記放熱器を通過した前記冷媒を減圧する膨張機と、前記膨張機により減圧された前記冷媒が蒸発する蒸発器と、前記蒸発器で蒸発した冷媒を昇圧して前記第1の圧縮機に供給する過給機(第2の圧縮機)と、を備えた冷凍サイクル装置がある(例えば、特許文献2参照)。
特開2006−125790号公報(第4図、要約) 特開2009−79850号公報(第2図、要約)
上記特許文献1に記載の従来の冷凍サイクル装置では、膨張機の吐出側に、膨張機から流出する冷媒を過冷却する過冷却熱交換器を設け、過冷却熱交換器内において冷媒が通過する主流部と副流部のうち、副流部の一方を、前記膨張機と前記主流部とを接続する配管からバイパスしたバイパス配管に過冷却膨張弁を介して接続し、副流部の他方を第1の圧縮機の吸入側に接続している。そして、膨張機から流出する冷媒を過冷却熱交換器により過冷却することにより、冷凍サイクルの効率向上を可能としている。しかしながら、このバイパス回路で過冷却膨張弁を開いた場合、膨張機吐出側の圧力を低くすることはできず、放熱器または蒸発器として機能する室外熱交換器または室内熱交換器をバイパスする冷媒が増加すると、むしろ膨張機出口圧力は上昇することがある。
また、上記特許文献2に記載の従来の冷凍サイクル装置では、膨張機吐出側から第1の圧縮機の吸入側へ冷媒をバイパスするバイパス路を設け、前記バイパス路には開閉弁が設けられている。そして、第1の圧縮機の起動時に、膨張機の出口から第2の圧縮機の吸入口までの冷媒回路にある冷媒を、第2の圧縮機を通らずにバイパス路を通じて圧縮機に供給している。これにより、起動時の圧縮機への冷媒供給不足を防止して、膨張機の吸入側と吐出側の圧力差を大きくして、前記膨張機の起動不良を解消している。しかしながら、開閉弁は第2の圧縮機が起動したことを検知して閉じており、第2の圧縮機が起動した後も前記膨張機の吐出圧力が適正膨張圧力に至るまでは、前記第2の圧縮機及び前記膨張機の回転が不安定であるという問題点があった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、膨張機によって安定して動力回収ができる冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。
本発明に係る冷凍サイクル装置は、冷媒を圧縮する第1の圧縮機と、第1の圧縮機で圧縮された冷媒をさらに圧縮する第2の圧縮機と、第2の圧縮機により圧縮された冷媒の熱を放散する放熱器と、第2の圧縮機の駆動軸に連結され、放熱器を通過した冷媒を膨張させて冷媒から動力を回収し、回収された動力により駆動軸を介して第2の圧縮機を駆動する膨張機と、膨張機により膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器とが順次配管接続された冷凍サイクルと、一方が膨張機の吐出配管に接続され、他方が第1の圧縮機と蒸発器との間の配管に接続された第1のバイパス配管と、膨張機に吸入する冷媒の物理量を検出する物理量検出手段と、第1のバイパス配管に設けられ、冷媒の流量を調整する第1のバイパス弁と、第1のバイパス弁の開度を制御する制御手段とを備え、制御手段は、物理量検出手段により検出した物理量に基づいて膨張機の適正吐出圧力を決定し、膨張機の冷媒を吐出する圧力が、決定した適正吐出圧力より高くなったときに第1のバイパス弁を開くものである。
本発明に係る冷凍サイクル装置によれば、冷凍サイクル装置の運転状態によって膨張機の吐出圧力が適正吐出圧力より高くなった場合に、第1のバイパス弁を開き、膨張機の吐出配管から第1の圧縮機の吸入側に冷媒をバイパスさせるので、膨張機の吐出圧力を低くすることができる。これにより、膨張機が過膨張となることを防止でき、膨張機の回転を安定させることができる。
本発明の実施の形態1に係る冷凍サイクル装置を備えた、空気調和機の冷房運転時における冷媒回路図である。 図1の本発明の実施の形態1に係る、空気調和機の冷房運転動作を示すP−h線図である。 本発明の実施の形態1に係る、空気調和機の暖房運転時における冷媒回路図である。 本発明の実施の形態1に係る、空気調和機の暖房運転動作を示すP−h線図である。 本発明の実施の形態1に係る、空気調和機の第2の圧縮機と一体型のスクロール型の膨張機の断面図である。 本発明の実施の形態1に係る、空気調和機の第2の圧縮機及び膨張機の設計点での第2の圧縮機側に作用するスラスト荷重の分布と、膨張機側に作用するスラスト荷重の分布を模式的に示す図である。 本発明の実施の形態1に係る、空気調和機の膨張機が過膨張となるときの、冷房運転動作を示すP−h線図である。 本発明の実施の形態1に係る、空気調和機の膨張機が適性膨張過程となるときのP−v線図である。 本発明の実施の形態1に係る、空気調和機の膨張機が過膨張過程となるときのP−v線図である。 本発明の実施の形態1に係る、空気調和機の膨張機が過膨張過程となるときの、第2の圧縮機側に作用するスラスト荷重の分布と、膨張機側に作用するスラスト荷重の分布を模式的に示す図である。 本発明の実施の形態1に係る、空気調和機の膨張機が過膨張となることを防止する動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態1に係る、膨張機の吸入圧力と吸入温度に対する、適正吐出圧力Poの関係の一例を示す図である。 本発明の実施の形態1に係る、膨張機が過膨張となることを防止する動作を実施したときの、冷房運転時の運転状態の一例を示すP−h線図である。 本発明の実施の形態1に係る、膨張機の吸入圧力が低くなったときの膨張過程を示すP−v線図である。 本発明の実施の形態2に係る、冷凍サイクル装置を備えた空気調和機の膨張機が過膨張となることを防止する動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態2に係る、空気調和機が起動するときの高圧と膨張機吐出圧力の変化を示す図である。 本発明の実施の形態3に係る、冷凍サイクル装置を備えた空気調和機の冷房運転時における冷媒回路図である。 本発明の実施の形態3に係る、空気調和機の冷房運転動作を示すP−h線図である。
実施の形態1.
図1は本発明の実施の形態1に係る冷凍サイクル装置を備えた空気調和機の冷房運転時における冷媒回路図である。図2は図1の空気調和機の冷房運転時における冷媒回路図である。
図1の空気調和機は、電気モーターにより駆動されて冷媒を圧縮する第1の圧縮機1と、第2の圧縮機2と、室外熱交換器4と、内部を通過する冷媒を膨張させて冷媒から動力を回収する膨張機8と、室内熱交換器32とが順次配管接続された冷凍サイクル装置を備えている。第2の圧縮機2と膨張機8とは駆動軸52により連結され、膨張機8により回収された動力により駆動軸52を介して第2の圧縮機2が駆動される。
室外熱交換器4は、冷房運転時には、内部の冷媒が熱を放散する放熱器となり、暖房運転時には、内部の冷媒が蒸発する蒸発器となる。また、室内熱交換器32は、冷房運転時には、内部の冷媒が蒸発する蒸発器となり、暖房運転時には、内部の冷媒が熱を放散する放熱器となる。
また、この空気調和機は、膨張機8の吐出配管23からアキュムレータ11の入口配管27に冷媒をバイパスさせるバイパス配管24と、バイパス配管24を流れる冷媒流量を調整するバイパス弁10とを備えている。
また、この空気調和機は、冷媒として二酸化炭素が用いられており、この二酸化炭素は従来のフロン系の冷媒と比較して、オゾン層破壊係数がゼロであり、地球温暖化係数が小さい。
本実施の形態1では、第1の圧縮機1、第2の圧縮機2、冷媒流路切替装置である第1の四方弁3、室外熱交換器4、冷媒流路切替装置である第2の四方弁6、予膨張弁7、膨張機8、バイパス弁5、バイパス弁10、アキュムレータ11を室外機101に収容している。膨張弁31a及び室内熱交換器32aを室内機102aに収容しており、膨張弁31b及び室内熱交換器32bを室内機102bに収容している。空気調和機全体の制御を統制する制御装置103も室外機101に収容されている。なお、本実施の形態1では室内機102(室内熱交換器32)の台数を2台としているが、室内機102の台数は任意である。また、室外機101と室内機102a,102bは液管28、ガス管29で接続されている。
第1の圧縮機1は電気モーター(図示せず)により駆動され、吸入した冷媒を圧縮して吐出する。第2の圧縮機2と膨張機8は容器51に収容されている。第2の圧縮機2は、駆動軸52を介して膨張機8に接続されており、膨張機8で発生した動力が、駆動軸52によって回収されて第2の圧縮機2へ伝達される。よって、第2の圧縮機2は第1の圧縮機1から吐出された冷媒を吸入してさらに圧縮することになる。
室外熱交換器4と、第2の圧縮機2と、室内熱交換器32と、アキュムレータ11との間の冷媒の流路には、第1の四方弁3が設けられている。また、室外熱交換器4と、膨張機8と、室内熱交換器32との間の冷媒の流路には、第2の四方弁6が設けられている。第1の四方弁3及び第2の四方弁6は、制御装置103の指示に基づいて、冷暖房に係る運転モードに対応して切り替えられ、冷媒の経路を切り替える。
冷房運転時には、第2の圧縮機2から室外熱交換器4、膨張機8、室内熱交換器32、アキュムレータ11、第1の圧縮機1の順に冷媒が流れ、第2の圧縮機2に戻る。
暖房運転時には、第2の圧縮機2から室内熱交換器32、膨張機8、室外熱交換器4、アキュムレータ11、第1の圧縮機1の順に冷媒が流れ、第2の圧縮機2に戻る。
第1の四方弁3及び第2の四方弁6により、膨張機8及び第2の圧縮機2を通過する冷媒の方向は、冷房運転及び暖房運転によらず同一方向になる。
室外熱交換器4は、例えば、冷媒を通過させる伝熱管及びその伝熱管を流れる冷媒と外気との間の伝熱面積を大きくするためのフィン(図示せず)を有し、冷媒と空気(外気)との熱交換を行う。例えば、暖房運転時においては蒸発器として機能し、冷媒を蒸発させてガス(気体)化させる。一方、冷房運転時においては凝縮器またはガスクーラ(以下では凝縮器とする)として機能する。場合によっては、完全にガス化、液化させず、液体とガスとの二相混合(気液二相冷媒)の状態にすることもある。アキュムレータ11は冷凍サイクル回路中の過剰な冷媒を貯留したり、第1の圧縮機1に冷媒液が多量に戻って第1の圧縮機1が破損したりするのを防止する働きがある。
第2の四方弁6と膨張機8の入口との間の冷媒の流路22には、膨張機8を通過する冷媒の流量を調整する予膨張弁7が設けられている。膨張機8の出口と第2の四方弁6との間の冷媒流路23には、冷媒の流れる方向を一方向に整える逆止弁9が設けられている。室外熱交換器4と室内熱交換器32との間の冷媒の流路には、第2の四方弁6、予膨張弁7、膨張機8及び逆止弁9をバイパスするバイパス配管25と、このバイパス配管25を通過する冷媒の流量を調整するバイパス弁5とが設けられている。バイパス弁5と予膨張弁7とを調整することで、膨張機を通過する冷媒の流量を調整して高圧側の圧力を調整し、冷凍サイクルを高効率の状態に保つことができる。なお、バイパス弁5と予膨張弁7とを調節することに限らず、その他の方法で、高圧側の圧力を調整するようにしてもよい。
膨張機8の冷媒の出口とアキュムレータ11の冷媒の入口との間には、膨張弁31と室内熱交換器32をバイパスするバイパス配管24と、このバイパス配管24を通過する冷媒の流量を調整するバイパス弁10とが設けられている。
第2の圧縮機2の冷媒の出口には、第2の圧縮機2を出た冷媒の圧力を検知する圧力センサ81が設けられ、膨張機8の冷媒の出口には、膨張機8を出た冷媒の圧力を検知する圧力センサ82が設けられ、第2の四方弁6と膨張弁31の間の冷媒の流路には、膨張弁31に入る冷媒の圧力又は膨張弁31を出た冷媒の圧力を検知する圧力センサ83が設けられ、第1の圧縮機1の冷媒の入口には、第1の圧縮機1に入る冷媒の圧力を検知する圧力センサ84が設けられ、膨張機8の冷媒の入口には、膨張機8に入る冷媒の圧力を検知する圧力センサ85が設けられている。
なお、圧力センサ81,82,83,84,85は、これらの位置に限らず、それぞれが、第2の圧縮機2を出た冷媒の圧力、膨張機8を出た冷媒の圧力、膨張弁31に入る冷媒の圧力又は膨張弁31を出た冷媒の圧力、第1の圧縮機1に入る冷媒の圧力及び膨張機8に入る冷媒の圧力を検知できる位置であればよい。また、圧力センサ81,82,83,84,85は、圧力が推定可能であれば、冷媒の温度を推定する温度センサであってもよい。
膨張機8の冷媒の入口には、膨張機8に入る冷媒の温度を検知する温度センサ91が設けられ、室外熱交換器4と第2の四方弁6及びバイパス弁5の間の配管には、室外熱交換器4を出た冷媒又は室外熱交換器4に入る冷媒の温度を検知する温度センサ92が設けられている。なお、温度センサ91,92は、これらの位置に限らず、それぞれが、膨張機8に入る冷媒の温度及び室外熱交換器4を出た冷媒又は室外熱交換器4に入る冷媒の温度を検知できる位置であればよい。
室内熱交換器32は、例えば、冷媒を通過させる伝熱管及びその伝熱管を流れる冷媒と空気との間の伝熱面積を大きくするためのフィン(図示せず)を有し、冷媒と室内空気との熱交換を行う。例えば、冷房運転時においては蒸発器として機能し、冷媒を蒸発させてガス(気体)化させる。一方、暖房運転時においては凝縮器またはガスクーラ(以下では凝縮器とする)として機能する。
室内熱交換器32aには膨張弁31aが接続され、室内熱交換器32bには膨張弁31bが接続されている。膨張弁31a,31bは、室内熱交換器32a,32bに流入する冷媒の流量を調整する。膨張機8で冷媒が十分に減圧されないときは、膨張弁31a,31bによって高低圧を調整する。
<運転モード>
次に、本実施の形態1に係る空気調和機の冷房運転時の動作について、図1の冷媒回路図と、図2のP−h線図で説明する。なお、図1と図2の記号A〜Kは、互いに対応している。なお、後述の図においても、冷媒回路とその冷媒回路に対応するP−h線図における各記号は対応しているものとする。ここで、冷凍サイクル回路等における圧力の高低については、基準となる圧力との関係により定まるものではなく、第1の圧縮機1及び第2の圧縮機2の圧縮、バイパス弁5や膨張機8の減圧等によりできる相対的な圧力として高圧、低圧として表すものとする。また、温度の高低についても同様であるものとする。また、ここではバイパス弁10は閉じられ、バイパス配管24には冷媒が流れないものとする。
冷房運転時には、まず、第1の圧縮機1に吸入された低圧の冷媒は、圧縮されて高温中圧になる(状態Aから状態B)。
第1の圧縮機1から吐出された冷媒は、第2の圧縮機2に吸入され、さらに圧縮されて高温高圧になる(状態Bから状態C)。
第2の圧縮機2を吐出された冷媒は、第1の四方弁3を通過して、室外熱交換器4に入る。
室外熱交換器4で熱を放散して室外空気に熱を伝達した冷媒は、低温高圧になる(状態Cから状態D)。
室外熱交換器4を出た冷媒は、第2の四方弁6へ向かう経路と、バイパス弁5へ向かう経路とに分岐する。
第2の四方弁6を通過した冷媒は、予膨張弁7を通過して(状態Dから状態E)、膨張機8に吸入され、減圧されて低圧となり、乾き度が低い状態になる(状態Eから状態F)。
このとき、膨張機8では、冷媒の減圧に伴って動力が発生し、この動力は駆動軸52によって回収されて、第2の圧縮機2に伝達され、第2の圧縮機2による冷媒の圧縮に使用される。
膨張機8から吐出された冷媒は、逆止弁9と第2の四方弁6とを通過した後、バイパス弁5へ向かってバイパス配管25を通過した冷媒と合流し(状態Fから状態G)、室外機101を出て液管28を通過して、室内機102a,102bに入り、膨張弁31a,31bへ入る。
膨張弁31a,31bでは、冷媒はさらに減圧される(状態Gから状態I)。
膨張弁31a,31bを出た冷媒は、室内熱交換器32a,32bで室内空気から吸熱して蒸発し、低圧のまま、乾き度が高い状態になる(状態Iから状態J)。
これにより、室内空気は冷却される。
室内熱交換器32a,32bを出た冷媒は、室内機102a,102bを出て、ガス管29を通過して、室外機101に入り、第1の四方弁3を通過してアキュムレータ11に入り、再び第1の圧縮機1に吸入される。
上述した動作を繰り返すことで、室内の空気の熱が室外の空気へ伝達されて、室内が冷房される。
次に、本実施の形態1に係る空気調和機の暖房運転時の動作について、図3の冷媒回路図と、図4のP−h線図で説明する。なお、ここではバイパス弁10は閉じられ、バイパス配管24には冷媒が流れないものとする。
暖房運転時には、まず、第1の圧縮機1に吸入された低圧の冷媒は、圧縮されて高温中圧となる(状態Aから状態B)。
第1の圧縮機1から吐出された冷媒は、第2の圧縮機2に吸入され、さらに圧縮されて高温高圧になる(状態Bから状態J)。
第2の圧縮機2から吐出された冷媒は、第1の四方弁3を通過して、室外機101を出る。
室外機101を出た冷媒は、ガス管29を通過して、室内機102a,102bに入り、室内熱交換器32a,2bに入り、室内熱交換器32a,32bで熱を放散して室内空気に熱を伝達した冷媒は、低温高圧になる(状態Jから状態I)。
室内熱交換器32a,32bを出た冷媒は、膨張弁31a,31bで減圧される(状態Iから状態G)。
膨張弁31a,31bを出た冷媒は、室内機102a,102bを出て、液管28を通過して室外機101に入り、第2の四方弁6へ向かう経路と、バイパス弁5に向かう経路とに分岐する。
第2の四方弁6を通過した冷媒は、予膨張弁7を通過して(状態Gから状態E)、膨張機8に入り、減圧されて低圧となり、乾き度が低い状態になる(状態Eから状態F)。このとき、膨張機8では、冷媒の減圧に伴って動力が発生し、この動力は駆動軸52によって回収されて、第2の圧縮機2に伝達され、第2の圧縮機2による冷媒の圧縮に使用される。
膨張機8を出た冷媒は、逆止弁9と第2の四方弁6とを通過した後、バイパス弁5へ向かってバイパス配管25を通過した冷媒と合流し(状態Fから状態D)、室外熱交換器4へ入る。
室外熱交換器4では、冷媒は、室外空気から吸熱して蒸発し、低圧のまま、乾き度が高い状態になる(状態Dから状態C)。
室外熱交換器4を出た冷媒は、第1の四方弁3を通過してアキュムレータ11に入り、再び第1の圧縮機1に吸入される。
上述した動作を繰り返すことで、室外の空気の熱が室内の空気へ伝達されて、室内が暖房される。
次に、第2の圧縮機2と膨張機8の一例として、スクロール型の膨張機8とスクロール型の第2の圧縮機2の構造及び動作を説明する。なお、第2の圧縮機2及び膨張機8は、スクロール式に限らず、その他の容積式であってもよい。
図5は、第2の圧縮機2と一体型のスクロール型の膨張機8の断面図である。冷媒を膨張させ、動力を回収する膨張機8を、膨張機固定スクロール59の渦巻歯67と揺動スクロール57の下面の渦巻歯65とで構成する。また、膨張機8で回収した動力によって冷媒を圧縮する第2の圧縮機2を、圧縮機固定スクロール58の渦巻歯66と揺動スクロール57の上面の渦巻歯64とで構成する。すなわち膨張機8の渦巻歯65と第2の圧縮機2の渦巻歯64は、揺動スクロール57で共通の台板の両面に背面合わせに一体に形成しているので、揺動スクロール57が揺動したときに、一方で圧縮、一方で膨張できるようになっている。
第1の圧縮機1から吐出された高温中圧の冷媒は、第2の圧縮機2の吸入管53から吸入され、圧縮機固定スクロール58の渦巻歯66と揺動スクロール57の渦巻歯64とで形成される第2の圧縮機2の外周側に導入される。そして、揺動スクロール57の揺動により、冷媒は第2の圧縮機2を内周側に漸次移動して高温高圧に圧縮される。圧縮された冷媒は第2の圧縮機2の吐出管54から吐出される。
一方で、室外熱交換器4又は室内熱交換器32で冷却された高圧の冷媒は、膨張機8の吸入管55から吸入され、膨張機固定スクロールの渦巻歯67と揺動スクロール57の渦巻歯65とで形成される膨張機8の内周側に導入される。そして、揺動スクロール57の揺動により、冷媒は膨張機8を外周側に漸次移動して低圧に膨張する。膨張した冷媒は膨張機8の吐出管56から吐出される。膨張機8により冷媒が膨張する動力は、駆動軸52を介して回収し、第2の圧縮機2に伝達して圧縮動力としている。
第2の圧縮機2及び膨張機8を構成する前述の機構は、容器51に収容されている。
ここで、揺動スクロール57に作用するスラスト荷重(軸方向荷重)について説明する。図6は、第2の圧縮機2及び膨張機8の設計点での第2の圧縮機2側に作用するスラスト荷重の分布と、膨張機8側に作用するスラスト荷重の分布を模式的に示したものである。なお、第2の圧縮機2側に作用するスラスト荷重とは、揺動スクロール57を膨張機8の固定スクロール59の方向に押し付けようとする力である。また、膨張機8側に作用するスラスト荷重とは、揺動スクロール57を第2の圧縮機2の固定スクロール58の方向に押し付けようとする力である。
また、スクロール内部圧力分布に示した、高圧とは第2の圧縮機2の吐出圧力、中圧とは第2の圧縮機2の吸入圧力、低圧とは膨張機8の吐出圧力とする。押し付けようとする力の基準圧力は、ここでは低圧とする。
まず、第2の圧縮機2で圧縮される冷媒により第2の圧縮機2に作用するスラスト荷重を求める。揺動スクロール57が第2の圧縮機2で圧縮される冷媒から荷重を受ける面積をSc[mm2]とする。このScに、第2の圧縮機2の外周側の圧力と基準圧力との差である中圧PM−低圧PL[MPa]と、内周側の圧力と基準圧力との差である高圧PH−低圧PL[MPa]の平均値が作用するとすると、第2の圧縮機2のスラスト荷重Fthc[N]は(1)式で求められる。
Fthc=(PH+PM−2PL)/2・Sc…(1)
次に、膨張機8で膨張する冷媒により膨張機8に作用するスラスト荷重を求める。揺動スクロール57が膨張機8で膨張する冷媒から荷重を受ける面積をSe[mm2]とする。膨張機8の外周側は、基準圧力と同じ低圧であるので、内周側の圧力と基準圧力との差である高圧PH−低圧PL[MPa]の1/2がSeに作用するとすると、膨張機8のスラスト荷重Fthe[N]は(2)式で求められる。
Fthe=(PH−PL)/2・Se…(2)
揺動スクロール57を膨張機8の固定スクロール59の方向に押し付けようとするスラスト荷重Fthcの方向を正とすると、FtheはFthcとは逆方向の荷重となり、揺動スクロール57に作用するスラスト荷重Fthは、(3)式となる。
Fth=Fthc−Fthe…(3)
スラスト荷重Fthが十分に大きい場合、揺動スクロール57の渦巻歯65の歯先72が、膨張機固定スクロール59に押し付けられることによって、揺動スクロール57と膨張機固定スクロール59の摩擦が大きくなり、膨張機8で回収する動力が摩擦損失として失われてしまう。
(1)式と(2)式より、圧力分布の平均値を比較すると、
(PH+PM−2PL)/2>(PH−PL)/2…(4)
となることは明らかであるが、構造的にSe>ScとすればFthを小さくすることができる。図6の設計点では、Fthを小さくして揺動スクロール57の渦巻歯65の歯先72が、膨張機固定スクロール59に適度に押し付けられるようにして、揺動スクロール57と膨張機固定スクロール59の摩擦を小さくしている。
<膨張機が過膨張となることを防止する動作>
空気調和機が運転中に、室内機102の運転台数が変化して過渡的に負荷が変動するときなど、膨張機8と第2の圧縮機2を流れる流量のバランスが崩れ、第2の圧縮機2と膨張機8の回転が不安定になることがある。上述のような場合、例えば第2の圧縮機2と膨張機8の回転数が過渡的に低下した場合、冷媒が流通するための抵抗となるため、高圧が上昇することになる。
ここで、空気調和機の高圧が過渡的に上昇したときの、空気調和機の冷房運転時の運転状態を図7のP−h線図に示す。第2の圧縮機2の吐出圧力(状態C2)と室外熱交換器4の出口圧力(状態D2)とが高くなる。
ここで、膨張機8の膨張過程での圧力と体積の変化について述べる。図8は膨張機8の出口が状態Fとなる適性膨張過程のときのP−v線図、図9は膨張機8の出口が状態F2となる過膨張過程のときのP−v線図である。図8の適正膨張過程では、冷媒は膨張機固定スクロールの渦巻歯67と揺動スクロール57の渦巻歯65により、圧力PH、体積Veiの状態で吸入されて仕切られて、体積Vが増加するにつれて、仕切られた冷媒は減圧される。そして、膨張機固定スクロールの渦巻歯67と揺動スクロール57の渦巻歯65により仕切られた体積Vが最も大きくなるVoとなるときに膨張が終了して、圧力はPoとなり、このPoは膨張機内部で最も圧力が低い状態である。Poは、膨張機8の内部で断熱膨張をすると仮定すると、膨張機8の吸入圧力PHと膨張機8の膨張容積比Vi/Voにより求まる圧力である。体積VがVoとなった後、膨張機固定スクロール59の渦巻歯67と揺動スクロール57の渦巻歯65により仕切られた冷媒は、膨張機8の吐出管56を通過して低圧PLに開放される。膨張機の設計点では、膨張が終了する圧力Poと、低圧PLがほぼ等しくなるようになっている。
一方で、図9の過膨張過程では、膨張機8の吐出圧力PL2が膨張機8の膨張過程で最も圧力が低くなるPo2(適正吐出圧力)よりも高くなっている。図9の過膨張過程では、膨張機固定スクロール59の渦巻歯67と揺動スクロール57の渦巻歯65により仕切られた冷媒が、最も圧力が低くなるPo2から膨張機8の吐出管56に開放されるときに、低圧PL2まで上昇することになる。このように、膨張機8の吐出圧力PL2が適正吐出圧力Po2よりも高くなることを過膨張という。過膨張を防止するには、膨張機8の吐出圧力が適正吐出圧力よりも高くならないように、膨張機8の吐出圧力を適宜低下させる動作を行えばよい。
図10は、高圧がPH2、中圧がPM2、低圧がPL2となるときの第2の圧縮機2及び膨張機8の、第2の圧縮機2側に作用するスラスト荷重の分布と、膨張機8側に作用するスラスト荷重の分布を模式的に示したものである。このとき、揺動スクロール57の第2の圧縮機2側に作用するスラスト荷重Fthc2[N]は(1)式と同様に式(5)で求められる。
Fthc2=(PH2+PM2−2PL2)/2・Sc…(5)
しかし、揺動スクロール57の膨張機8側の外周の圧力は、膨張が終了する圧力Po2であり、低圧PL2よりも低くなる。すなわち、揺動スクロール57の外周側では、内周側とは反対方向の力が作用するため、揺動スクロール57の渦巻歯65に作用するスラスト荷重Fthe2は、不等式(6)のようになり、(2)式で求められるよりも小さくなる。
Fthe2<(PH2−PL2)/2・Se…(6)
よって、式(3)でスラスト荷重Fthが小さくなるように設計されていても、図9及び図10のように膨張機8側で過膨張過程となる場合は、Fthe2よりもFthc2が設計点より大きくなる。この結果、揺動スクロール57が膨張機固定スクロール59に押し付けられる力が増加することになる。
揺動スクロール57が膨張機固定スクロール59に押し付けられる力が増加すると、揺動スクロール57と膨張機固定スクロール59の摩擦が大きくなり、揺動スクロール57が揺動する際の抵抗となるため、膨張エネルギーを摩擦損失として失ってしまう。また、過度に摩擦が大きくなると、回転数が低下する。
また、膨張機8の膨張過程が過膨張過程となると、膨張が終了する圧力Po2から冷媒が低圧PL2に開放されるまでは、冷媒は圧縮されることになるので、その分膨張機8での回収動力が減少して第2の圧縮機2の駆動力が減少する。すると、第2の圧縮機2及び膨張機8の回転数がさらに低下することになる。
上述のように、第2の圧縮機2及び膨張機8の回転数が低下していくと、第2の圧縮機2及び膨張機8は冷媒が流通する際の抵抗となってしまうため、空気調和機の高圧PHが過上昇するという不具合を引き起こす。
そこで、本実施の形態1に係る冷凍サイクル装置である空気調和機では、以下の方法により膨張機8の吐出圧力を低下させ、膨張機8での膨張過程が過膨張となることを防止している。具体的には、膨張機8の吐出配管23から、アキュムレータ11の入口配管27に冷媒をバイパスさせるバイパス配管24を設け、バイパス配管24に冷媒のバイパス量を調整するバイパス弁10を設ける。このように、膨張機8の吐出側を冷凍サイクル内で最も低圧になる第1の圧縮機1の吸入側に接続することで、膨張機8の吐出圧力を低下させることができ、引いては膨張機8での膨張過程が過膨張となることを防止することができる。
さらに、膨張機8の吐出配管23のバイパス配管24の接続口よりも下流側に逆止弁9を設ける。逆止弁9の入口側の冷媒の状態Fと出口側の冷媒の状態Gとでは、図2から明らかなように状態Gの方が圧力が高い。よって、圧力の高い方から低い方へ冷媒が流れることになるが、これを逆止弁9により防止している。すなわち、バイパス配管25を通過した冷媒が図1のG点からF点に冷媒が流れ、バイパス配管24を通過して介してアキュムレータ11に流入するのを逆止弁9により防止している。
上述の構成により、膨張機8の吐出圧力が高くなってしまうような空気調和機の運転状態でも、膨張機8の吐出圧力を低くすることができる。
次に、本実施の形態1に係る空気調和機で、膨張機8が過膨張となることを防止する動作について説明する。図11は、本実施の形態1に係る空気調和機で、膨張機が過膨張となることを防止する動作を示すフローチャートである。なお、以下では、ある圧力センサによって検出される圧力Pを、その圧力センサの符号を用いてP(符号)(例えば圧力センサ83の場合、P(83))と標記する場合がある。
空気調和機は、通常の冷房運転や暖房運転等の定時制御中に、定期的に膨張機8の動作をチェックし、膨張機8が過膨張となることを防止する動作を行うようにしている。すなわち、制御装置103は、定時制御中に、所定時間経過したか判断する(ステップS101)。所定時間経過後、圧力センサ82によって検出される圧力P(82)の値が、適正膨張となるときの膨張機8の吐出圧力(適正吐出圧力)Poより高いか判断する(ステップS102)。この適正吐出圧力Poは、上述したように、現在の膨張機8の吸入圧力及び吸入温度と、予め制御装置103に記憶された、膨張機8の吸入圧力別の吸入温度と適正吐出圧力Poとの関係データとから決定される。
制御装置103は、ステップS102においてP(82)がPoより高いと判断した場合、ステップS104に進む。ステップS104では、制御装置103は、バイパス配管24に設けられたバイパス弁10の開度L10を、予め設定された所定量ΔL大きくして、バイパス配管24に流れる冷媒の流量を増加させる(ステップS103)。このように、バイパス弁10を開いて膨張機8から吐出側と冷凍サイクル中で最も低圧であるアキュムレータ11の吸入側とを連通させ、膨張機8から吐出した冷媒をバイパス配管24側に流し、バイパス弁10によって減圧した後、アキュムレータ11に吸入させることで、膨張機8の吐出圧力P(82)を下げることができる。
そして、制御装置102は、ステップS103においてP(82)がPoより低くなったと判断した場合、バイパス弁10を閉じて過膨張を防止する動作を終了する。
ここで、膨張機8の吸入圧力別の吸入温度と適正吐出圧力Poとの関係の一例を図12に示す。図12には、吸入圧力が10MPaと、9MPaと、8MPaのそれぞれの場合の吸入圧力と適正吐出圧力との関係を示している。膨張機8の吸入圧力と吸入温度から吸入比容積が求まる。また、膨張機8の吸入容積Viと吐出容積Voの関係は一定であるため、膨張機8の吸入比容積から膨張過程が終了するときの比容積が求まる。前記の比容積から適正吐出圧力Poをおよそ算出することができる。よって、膨張機8の吸入圧力である圧力センサ85が検知する圧力と、吸入温度である温度センサ91が検知する温度と、予め制御装置103に記憶された、図12に示す関係線図とから、膨張機8の吸入圧力と吸入温度に応じた適正吐出圧力Poをおよそ予測することができる。
ここで、膨張機8が過膨張となるのを防止するための前述の図11のフローチャートの制御を行ったときの、冷房運転時の空気調和機の運転状態について、図13のP−h線図を用いて説明する。
室外熱交換器4を出た冷媒は、第2の四方弁6へ向かう経路と、バイパス弁5へ向かう経路とに分岐する。
第2の四方弁6を通過した冷媒は、予膨張弁7を通過して(状態D3から状態E3)、膨張機8に吸入され、減圧されて低圧となり、乾き度が低い状態になる(状態E3から状態F3)。
膨張機8から吐出された冷媒は、膨張機8の吐出配管23からバイパス配管24へ流れる。そして、バイパス弁10によってさらに減圧される(状態F3から状態M)。
一方で、バイパス弁5を通過して減圧された冷媒は(状態D3から状態G3)、室外機101を出て液管28を通過して、室内機102a,102bに入り、膨張弁31a,31bへ入る。ここで、バイパス弁5を通過後の冷媒の状態G3と膨張機8を通過後の冷媒の状態F3とを比較すると、状態G3の冷媒圧力の方が高い。よって、圧力の高い方から低い方へ冷媒が流れることになるが、ここでは上述したように逆止弁9を設けているため、図1のG点とF点との間の流路に冷媒が流れることはなく、バイパス弁5を通過した冷媒は全て室内機102a,102b側へ向かう流路に流れる。
膨張弁31a,31bでは、冷媒はさらに減圧される(状態G3から状態I3)。
膨張弁31a,31bを出た冷媒は、室内熱交換器32a,32bで室内空気から吸熱して蒸発し、低圧のまま、乾き度が高い状態になる(状態I3から状態J)。
室内熱交換器32a,32bを出た冷媒は、室内機102a,102bを出て、ガス管29を通過して、室外機101に入り、第1の四方弁3を通過して、バイパス弁10を通過した冷媒と合流してアキュムレータ11に流入する(状態K)。
アキュムレータ11から出た冷媒は、再び第1の圧縮機1に吸入される。
このとき、バイパス弁10を開いて、膨張機8から吐出された冷媒をアキュムレータ11に流入させると、第1の圧縮機1の吸入圧力が上昇することがある。この場合は、バイパス弁10を開くときに予膨張弁7の開度を小さくして、膨張機8の吸入圧力を低くすればよい。また、予膨張弁7の開度を小さくすると膨張機8を流れる冷媒が減少するので、この場合はバイパス弁5を開けばよい。
また、膨張機8の吐出配管23のバイパス配管24の接続口よりも下流側に逆止弁9を設けているので、バイパス配管25を流れる冷媒がバイパス配管24を通過して、アキュムレータ11に流入することを防止できる。
図14は、膨張機の吸入圧力が低くなったときの膨張過程を示すP−v線図である。
図14に示すように、予膨張弁7の開度を小さくすることによって膨張機8の吸入圧力Pi3が入口E2点の吸入圧力Pi2よりも低くなる。これにより、膨張過程での体積変化に対する圧力変化の度合いが小さくなるため、膨張機8の吸入圧力が高いとき(Pi2)と比べて、膨張機8の吸入圧力Piと適正吐出圧力Poとの差が小さくなるので、膨張機8の吐出圧力PL3を適正吐出圧力Poに近づけやすくすることができる。
また、膨張機8から吐出される冷媒は、低温低圧の気液二相冷媒であり、この冷媒を第1の圧縮機1が直接吸入すると、第1の圧縮機1が液圧縮をすることになり、圧縮機の信頼性を損なう。そこで、本実施の形態にかかる空気調和機では、バイパス配管24を流れる冷媒を、アキュムレータ11の入口配管27に接続しているため、バイパス配管24に気液二相冷媒が流れても、気液二相冷媒をアキュムレータ11に貯留できるため、第1の圧縮機1が液圧縮をすることを防止できる。
また、本実施の形態1によれば、空気調和機の運転状態により過渡的に膨張機8の膨張過程が過膨張となり、第2の圧縮機2と膨張機8に作用するスラスト荷重が大きくなり、さらに第2の圧縮機2の駆動力が低下して、第2の圧縮機2及び膨張機8の回転が不安定になっても、バイパス弁10を開くことにより、膨張機8の吐出圧力を確実に下げて過膨張を防止することができる。そのため、第2の圧縮機2及び膨張機8の回転を安定させることができ、空気調和機の運転を止める必要がない。
本実施の形態1に係る空気調和機は、定時制御中において膨張機8の吐出圧力が適正吐出圧力より高くなったときのみ、バイパス弁10を開くようにしているので、膨張機8から吐出された冷媒がアキュムレータ11に無駄に流れ込むことがない。
また、上述のように冷房運転時に膨張機8の吐出圧力が高くなるとき、過膨張を防止する動作を行うようにしているが、暖房運転時でも例えば室外熱交換器4の圧力損失が大きい場合など、膨張機8の吐出圧力が高くなることがあるので、暖房運転時でも過膨張を防止する動作は有効である。暖房運転の場合では、温度センサ92が検知する温度から、冷媒の飽和圧力を算出してバイパス弁5の出口圧力とすることができる。そして、バイパス弁5の出口圧力がPoよりも低くなった時を終了条件とする。
また、本実施の形態1によれば、図11に示すように過膨張を防止する制御を、圧力センサ82の検出する圧力P(82)が、膨張機8の適正吐出圧力Poより高くなったときに開始するようにしているが、制御を始める圧力を膨張機8の適正吐出圧力Poより多少高くしてもよい。これは、膨張機8が少しでも過膨張になると直ちに空気調和機に悪影響を及ぼす訳ではないからである。制御を始める圧力を膨張機8の適正吐出圧力Poより多少高くすることで、圧力P(82)が多少の圧力変動をもっているときに、空気調和機が過膨張を防止する制御を頻繁に行うことを防止できる。
また、過膨張を防止する制御を終える終了条件を、例えば冷房運転のときは圧力センサ83が検知する圧力P(83)が膨張機8の適正吐出圧力Poよりも低くなったときとしているが、制御を終える圧力を膨張機8の適正吐出圧力Poよりも多少低くしてもよい。また、暖房運転のときは、過膨張を防止する制御を終える終了条件を、温度センサ92が検知する温度から算出する圧力をバイパス弁5の出口圧力として、バイパス弁5の出口圧力が膨張機8の適正吐出圧力Poよりも低くなったときとしているが、この場合も同様に、実際には制御を終える圧力を膨張機8の適正吐出圧力Poよりも多少低くしてもよい。上述のように、過膨張を防止する制御を始める圧力と、過膨張を防止する制御を終える圧力とに多少幅を持たせることで、過膨張を防止する制御が頻繁に繰り返されるのを防止できる。
以上のように、本実施の形態1に係る空気調和機は、膨張機8の吐出圧力が適正吐出圧力よりも高いときにバイパス弁10を開き、膨張機8が過膨張となることを防止するので、第2の圧縮機2と膨張機8のスラスト荷重を小さくすることができる。また、第2の圧縮機2と膨張機8のスラスト荷重を小さくすることができることにより、第2の圧縮機2の駆動力を得やすくなるので、膨張機8の回転数を安定させることができる。
本実施の形態1に係る空気調和機は、膨張機8の過膨張を防止する動作(バイパス弁10の開度を所定量ΔL大きくする)の開始の判断を、膨張機8の吐出圧力に基づいて行っているが、膨張機8の吐出圧力に相関する冷媒の他の物理量でもよい。例えば、第2の圧縮機2及び膨張機8の回転数が低下した場合は第2の圧縮機2の吐出圧力が上昇するため、圧力センサ81が検知する圧力P(81)を判断材料としてもよい。また、第2の圧縮機2及び膨張機8の回転数を直接検知し、この回転数を判断材料としてもよい。
また、本実施の形態1に係る空気調和機は、第1の圧縮機1と第1の四方弁3との間の冷媒の経路に第2の圧縮機2が設けられ、膨張機8から駆動軸52を介して動力が第2の圧縮機2へ伝達される。このように膨張機8によって冷媒が減圧される際に発生する動力を第2の圧縮機2が使用することができ、空気調和機の効率を向上させることができる。
また、本実施の形態1に係る空気調和機は、揺動スクロール57を一対の固定スクロール58,59間に配置し、前記揺動スクロール57を駆動軸52により揺動自在に支持して構成されている。そして、膨張機固定スクロール59と揺動スクロール57とにより膨張機8を構成して冷媒を膨張させ、圧縮機固定スクロール58と揺動スクロール57とにより第2の圧縮機2を構成して冷媒を圧縮しているので、小型、高効率の空気調和機を実現できる。
また、本実施の形態1に係る空気調和機では、室外熱交換器4と室内熱交換器32a,32bは空気と熱交換をする熱交換器としているが、水やブラインなど、他の熱媒体と熱交換をする熱交換器としてもよい。
また、本実施の形態1に係る空気調和機では、第2の圧縮機2を第1の圧縮機1の下流側に設けているが、第2の圧縮機2を第1の圧縮機1の上流側に設けてもよい。
また、本実施の形態1に係る空気調和機では、冷暖房に係る運転モードに対応した冷媒経路の切り替えを、第1の四方弁3及び第2の四方弁6によって行っているが、例えば2方弁、3方弁又は逆止弁などによって、冷媒流路の切り替えを行う構成としてもよい。
また、膨張機8から伝達される回転動力のみによって動作する第2の圧縮機2について説明したが、勿論このものに限らず、例えば、膨張機8から伝達される回転動力とともに、電気モーターからの回転動力によって動作する第2の圧縮機2であってもよい。さらに、膨張機8により回収した動力の伝達先を発電機としてもよい。
実施の形態2.
以上の実施の形態1は、運転中に膨張機8が過膨張となることを防止するようにしたものである。実施の形態2は、空気調和機が起動時に膨張機8が過膨張となることを防止するようにしたものである。
図15は、本発明の実施の形態2に係る、膨張機8が過膨張となることを防止する動作を示すフローチャートである。また、図16は、空気調和機が起動するときの高圧の変化と膨張機吐出圧力の変化とを示す図である。図16において、破線は、膨張機8が過膨張となることを防止する動作を行わない場合を示す。図16において、実線は、膨張機8が過膨張となることを防止する動作を行った場合、すなわち図15に示した制御を行った場合を示す。ここで、図15のフローチャートを説明するに先だって、図16について簡単に説明すると、第1の圧縮機1が起動する前は、空気調和機の高圧PHと膨張機吐出圧力は均圧しており、第1の圧縮機1を起動すると、高圧PHが徐々に上昇して、膨張機吐出圧力が徐々に低下することが示されている。
以下、図15のフローチャート及び図16を参照して、空気調和機が起動するときに膨張機8が過膨張となることを防止する動作を説明する。
制御装置103は、空気調和機に運転指令が出ると(ステップS201)、空気調和機が冷房運転もしくは暖房運転になるか判断する(ステップS202)。暖房運転(ステップS204)については、ここでは省略する。ステップS202で冷房運転と判断すると(ステップS203)、第1の四方弁3及び第2の四方弁6などを冷房回路に設定する(ステップS205)。その後、バイパス弁10の開度をL10に設定する(ステップS206)。すなわち、第1の圧縮機1を起動させるときに、バイパス弁10を開いて膨張機8の吐出側と第1の圧縮機1の吸入側とを連通するようにしている。L10は、第1の圧縮機1の起動するときの周波数などを制御装置103で判断して、バイパス弁10で圧力損失があまり大きくならないように定めればよい。
そして、制御装置103は、第1の圧縮機1を起動する(ステップS207)。このとき、バイパス弁10は既に開かれているため、膨張機8から吐出された冷媒はバイパス配管24からアキュムレータ11を介して第1の圧縮機1に流入する。制御装置103は、第1の圧縮機1の起動後、所定時間が経過したかを判断する(ステップS208)。空気調和機が起動した直後は、冷媒の温度や圧力が過渡的に変化するので、所定時間はおよそ10秒から30秒程度に短くするのがよい。
所定時間経過後、制御装置103は、膨張機8の吐出圧力である圧力センサ82の検出する圧力P(82)が、膨張機8の適正吐出圧力Poより低いか判断する(ステップS209)。この適正吐出圧力Poは、上述したように、現在の膨張機8の吸入圧力及び吸入温度と、予め制御装置103に記憶された、膨張機8の吸入圧力別の吸入温度と適正吐出圧力Poとの関係データとから決定される。ここで、空気調和機の起動時の膨張機8の吐出圧力は、図16に示すように適正吐出圧力よりも高い。よって、空気調和機の起動時は、ステップ209とステップS208とを繰り返し、所定時間が経過する毎にステップS209の判断を行うことになる。
膨張機8の吐出圧力は、第1の圧縮機1を起動したことによって図16に示すように徐々に下がっていく。そして、膨張機8の吐出圧力P(82)がPoより低くなると、制御装置103は、バイパス弁10の開度L10を、予め設定されたΔL2小さくし(ステップS210)、バイパス弁10の開度が最小開度L10minに達するまで(S211)、ステップS208からステップS210の処理を繰り返す。すなわち、制御装置103は、バイパス弁10の開度が最小開度L10minになるまで徐々にバイパス弁10を閉めていく。そして、バイパス弁10の開度が最小開度L10minに達すると、制御装置103は、定時制御に移行する(ステップS212)。定時制御に移行後の過膨張防止動作は実施の形態1と同様である。
ここで、空気調和機の起動時に、膨張機8が過膨張となることを防止する動作を行わない場合と、膨張機8が過膨張となることを防止する動作を行った場合との冷媒圧力の変化を図16に基づいて比較する。図16に示されているように、膨張機8が過膨張となることを防止する動作を行った場合の方がより早く膨張機吐出圧力を低くすることが可能となっている。すなわち、空気調和機の起動時にバイパス弁10を開いて膨張機8の吐出側と第1の圧縮機1の吸入側とを連通させているため、膨張機8から吐出した冷媒を、液管28及びガス管29を通過させて第1の圧縮機1に戻す場合(すなわち、膨張機8が過膨張となることを防止する動作を行わない場合)に比べて、膨張機吐出圧力をより早く低くすることができる。よって、空気調和機の起動時に、第2の圧縮機2及び膨張機8をより回転しやすくなる。これによって、空気調和機が起動するときに、第2の圧縮機2及び膨張機8の回転不良により高圧が上昇することを防止できる。また、第2の圧縮機2及び膨張機8の回転不良により空気調和機を停止させることなく、定時制御に移行することができる。
ところで、冷房運転時に空気調和機で冷媒が低圧となるところは、膨張機8の吐出側から第1の圧縮機1の吸入側までである。しかし、第1の圧縮機1が起動した後に、低圧側の圧力が低下するまでに時間がかかる場合がある。例えば空気調和機がビル用マルチエアコンなどであり、室内機102の台数が多かったり、液管28とガス管29の長さが例えば50mを超えるような長さであったりする場合が相当する。実施の形態2は、このような場合に好適に作用する。
また、膨張機8が過膨張となることを防止する動作を行うときは、バイパス弁10だけでなく、予膨張弁7及びバイパス弁5の開度を調整することで、バイパス配管24を流れる冷媒の流量と、室内熱交換器32を流れる冷媒の流量の比を調整することができる。
また、上述では冷房運転時の効果について述べているが、暖房運転時では容積の大きい室外熱交換器4が低圧となり、低圧側の圧力が低下しにくいため、本実施の形態2は暖房運転時でも有効である。
また、本実施の形態2に係る空気調和機では、第1の圧縮機1が起動した後に、膨張機8の吐出圧力が適正吐出圧力Poまで下がると、バイパス弁10を最小開度として冷媒が流れないようにするので、冷房運転時に冷媒が室内熱交換器32をバイパスして冷房能力を損なうことがない。また、暖房運転時に過度に冷媒液をアキュムレータ11に流入させることがない。
実施の形態3.
以上の実施の形態1及び実施の形態2では、第1の圧縮機1から吐出された冷媒を直接第2の圧縮機2が吸入するようにしたものである。実施の形態3では、第1の圧縮機1から吐出された冷媒を中間冷却器4aで冷却してから、第2の圧縮機2に吸入するようにしたものである。また、実施の形態3は、膨張機8が過膨張となることを防止する動作として図11と図15に示した制御を行う点については実施の形態1及び実施の形態2と同様である。
図17は、本実施の形態3に係る空気調和機の冷房運転時における冷媒回路図である。膨張機8の吐出配管23からアキュムレータ11の入口配管にバイパスする冷媒(第1のバイパス弁10を通過して第1の圧縮機1に戻る冷媒)と、バイパス弁5を通過した冷媒(主放熱器4bから蒸発器として機能する室内熱交換器102にバイパスされる冷媒)とを熱交換させるための冷媒熱交換器14を設けている。
冷媒熱交換器14は、バイパス弁5を通過した冷媒が通過する一方の流路と、膨張機8の吐出配管23からアキュムレータ11の入口配管にバイパスされるバイパス配管24のバイパス弁10を通過後の冷媒が通過する他方の流路とを有している。一方の流路の流入口はバイパス弁5及び第2の四方弁6と接続され、流出口は膨張弁31a,31bと接続されている。他方の流路の流入口はバイパス弁10と接続され、流出口はアキュムレータ11と接続されている。
さらに、一端が第2の圧縮機2の吸入配管21に接続され、他端がアキュムレータ11の入口配管に接続されるバイパス配管46が設けられており、バイパス配管46にはバイパス弁15が設けられている。バイパス弁15は、膨張機8が過膨張となることを防止する動作のときに開かれる。
室外熱交換器4は、2つの熱交換器4a,4bに分割されており、室外熱交換器4が主として放熱器として機能する冷房運転時には、熱交換器4aは中間冷却器として機能し、熱交換器4bは主放熱器として機能する。また、空気調和機が暖房運転時には、熱交換器4a,4bは共に蒸発器として機能する。空気調和機の冷房運転時と暖房運転時とで室外熱交換器4に流入する冷媒経路を変えるために、開閉弁12a,12b,13a,13b,13cを設けている。
冷房運転時は、開閉弁12a,12bを開放して、開閉弁13a,13b,13cを閉止する。これにより、第1の圧縮機1から吐出された冷媒は中間冷却器4aを通過した後、第2の圧縮機2に流入する。このように、第1の圧縮機1から吐出された冷媒を、第2の圧縮機2が吸入する前に、一旦冷却する。そして、第2の圧縮機2から吐出された冷媒は主放熱器4bを通過した後、膨張機8に流入する。このように第2の圧縮機2から吐出された冷媒を主放熱器4bを通過させることで、第2の圧縮機2から吐出された冷媒を冷却する。
暖房運転時は、開閉弁12a,12bを閉止して、開閉弁13a,13b,13cを開放する。これにより、第1の圧縮機1から吐出された冷媒は第2の圧縮機2に吸入される。また、室外熱交換器4に流入した冷媒は、熱交換器4aと熱交換器4bとのそれぞれに並列に流れた後、第1の圧縮機1に向かう。熱交換器4aと熱交換器4bは、上述したように暖房運転時は蒸発器として機能する。
次に、本実施の形態3に係る空気調和機の冷房運転時の動作について、図17の冷媒回路図と、図18のP−h線図で説明する。ここでは、実施の形態1で説明したように、膨張機8が過膨張となることを防止する動作としてバイパス弁10を開いた状態における空気調和機の動作を説明する。なお、バイパス弁10を開いた場合に、図17のF点とG点との間の流路には逆止弁9により冷媒が流れない点は実施の形態1と同様である。
第1の圧縮機1に吸入されたガス冷媒は圧縮され、中圧高温の超臨界(又はガス)冷媒として吐出される(状態Aから状態B)。
第1の圧縮機1を出た冷媒は、配管43を経て中間冷却器4aに流れる。中圧高温の冷媒は中間冷却器4a内を通過する間に外気との熱交換により冷却され、中圧中温の超臨界(又はガス)冷媒となって流出し(状態Bから状態L)、配管42、第2の圧縮機2の吸入配管21を経て、第2の圧縮機2に吸入される。
このとき、中間冷却器4aで冷却された冷媒の一部は、バイパス配管46を流れて、バイパス弁15で膨張する(状態Lから状態O)。
第2の圧縮機2に吸入された冷媒はさらに圧縮され、高圧高温の超臨界(又はガス)冷媒として吐出される(状態Lから状態C)。第2の圧縮機2を出た冷媒は、第1の四方弁3を経て、主放熱器4bに流れる。高圧高温の冷媒は主放熱器4b内を通過する間に外気との熱交換により冷却され、高圧低温の超臨界(又は液)冷媒となって流出する(状態Cから状態D)。
主放熱器4bを出た冷媒は、第2の四方弁6へ向かう経路と、バイパス弁5へ向かう経路とに分岐する。第2の四方弁6を通過した冷媒は、予膨張弁7を通過して(状態Dから状態E)、膨張機8に吸入され、減圧されて低圧となり、乾き度が低い状態になる(状態Eから状態F)。このとき、膨張機8では、冷媒の減圧に伴って動力が発生し、この動力は駆動軸52によって回収されて、第2の圧縮機2に伝達され、第2の圧縮機2による冷媒の圧縮に使用される。
膨張機8から吐出された冷媒は、膨張機8の吐出配管23からバイパス配管24に入り、バイパス弁10で減圧され(状態Fから状態M)、冷媒熱交換器14の他方の流路の流入口から冷媒熱交換器14に入る。一方、室外熱交換器4から流出してバイパス配管25に流入した冷媒はバイパス弁5により減圧され(状態Fから状態G)、冷媒熱交換器14の一方の流路の流入口から冷媒熱交換器14に入る。
ここで、冷媒熱交換器14における一方側の流路と他方側の流路のそれぞれにおいて、流入する冷媒同士の状態を比較すると、一方側の流路に流入する状態Gの冷媒よりも、他方側の流路に流入する状態Mの冷媒の方が、より低圧低温である。よって、バイパス弁10を経て冷媒熱交換器14に流入した他方側の冷媒は、一方側の冷媒と熱交換することにより加熱されてより乾き度の高い状態となる(状態Mから状態N)。一方、バイパス弁5を経て冷媒熱交換器14に流れた一方側の冷媒は、他方側の冷媒と熱交換することにより冷却されてより乾き度の低い状態となる(状態Gから状態H)。
冷媒熱交換器14から出た一方側の冷媒は、室外機101を出て液管28を通過して、室内機102a,102bに入り、膨張弁31a,31bへ入る。膨張弁31a,31bでは、冷媒はさらに減圧される(状態Hから状態I)。
膨張弁31a,31bを出た冷媒は、室内熱交換器32a,32bで室内空気から吸熱して蒸発し、低圧のまま、乾き度が高い状態になる(状態Iから状態J)。
これにより、室内空気は冷却される。
室内熱交換器32a,32bを出た冷媒は、室内機102a,102bを出て、ガス管29を通過して、室外機101に入り、第1の四方弁3を通過する。その後、冷媒熱交換器14を出た他方の冷媒及びバイパス弁15を通過した冷媒と合流してアキュムレータ11に入り、再び第1の圧縮機1に吸入される。
実施の形態3の空気調和機では、実施の形態1と同様に、膨張機8が過膨張となることを防止する動作のときにバイパス弁10を開くようにしており、このとき、さらにバイパス弁15も開いてバイパス配管46に冷媒を流すようにしている。バイパス弁15を開くことにより、第2の圧縮機2の吐出圧力を調整することができる。このため、膨張機8を通過する冷媒の流量が減少して膨張機8と第2の圧縮機2の回転数が低下したとき、バイパス弁15を開くことにより、第2の圧縮機2の吐出圧力が高くなりすぎることを防止できる。バイパス弁15の開度は、例えば第2の圧縮機2の吐出圧力である圧力センサ81が検知する圧力P(81)に基づいて調整するようにする。
本実施の形態3に係る空気調和機によれば、冷房運転時には第1の圧縮機1から吐出された中圧高温の冷媒を、中間冷却器4aで一旦冷却してから第2の圧縮機2でさらに圧縮している。このため、中圧の冷媒を冷却しないで第2の圧縮機2で高圧に圧縮する場合と比べて、第2の圧縮機2の圧縮過程では、ある圧縮比あたりに必要な動力が小さくて済む。膨張機8で回収した動力を同じ大きさとすれば、第2の圧縮機2での昇圧量を大きくすることができるため、第1の圧縮機1の昇圧量が小さくなる。すなわち、第1の圧縮機1で消費される電力が減少して、空気調和機をより省エネにすることができる。
また、本実施の形態3に係る空気調和機によれば、冷房運転時には中間冷却器4aと主放熱器4bを直列に接続しているので、伝熱性能が向上して放熱することができ、暖房運転時には並列に接続しているので、圧力損失を低減させることができる。
また、本実施の形態3に係る空気調和機によれば、空気調和機が起動するときに、バイパス弁5とバイパス弁15を調整している。このため、空気調和機が起動するときに、第2の圧縮機2及び膨張機8の冷媒流量が合わずに回転が不安定になるときも、第2の圧縮機2及び膨張機8を流れるそれぞれの冷媒を、適宜バイパスさせながら起動することができる。
また、本実施の形態3に係る空気調和機によれば、冷房運転時に膨張機8が過膨張となることを防止する動作のときに、バイパス配管24を流れる冷媒と、室内熱交換器32a,32bに流れ込む冷媒とを冷媒熱交換器14において熱交換するようにしている。このため、室内熱交換器32a,32bでは、冷凍効果を大きくすることができる。さらに、バイパス配管24を流れる冷媒の乾き度をより大きくすることができるため、アキュムレータ11に流れ込む液冷媒の量をより小さくすることができる。
また、暖房運転時には室外熱交換器4に流れ込む冷媒が、室外熱交換器4に流れ込む前に冷媒熱交換器14にて冷却されるため、室外熱交換器4に流れ込む冷媒の乾き度をより小さくすることができる。このため、室外熱交換器4での冷媒の圧力損失をより小さくしたり、室外熱交換器4での冷媒の分配性能をよりよくしたりすることができる。
また、本実施の形態3に係る空気調和機によれば、冷媒熱交換器14は冷房運転時に冷媒同士が対向流となるように冷媒を流しているため、冷房運転時に室内熱交換器32a,32bに流れ込む冷媒のエンタルピを小さくするように熱交換ができるようになっている。
また、本実施の形態3に係る空気調和機によれば、膨張機8が過膨張となることを防止する動作のときに、バイパス弁15の開度を調整して第2の圧縮機2の吐出圧力を調整している。このため、膨張機8を通過する冷媒の流量が減少して膨張機8と第2の圧縮機2の回転数が低下したとき、第2の圧縮機2の吐出圧力が高くなりすぎることを防止できる。なお、バイパス弁15及びバイパス配管46は、図1に示した実施の形態1の冷媒回路に設けても良く、この場合も同様の効果が得られる。
また、本実施の形態3に係る空気調和機は、冷房運転時のみ第1の圧縮機1から吐出された中圧高温の冷媒を中間冷却器4aで冷却するようにしているが、暖房運転時にも中間冷却するような構成としてもよい。
また、本実施の形態3に係る空気調和機は、バイパス配管46を第2の圧縮機2の吸入配管21に接続して、中間冷却器4aを出た冷媒をアキュムレータ11にバイパスするようにしているが、第1の圧縮機1から吐出された冷媒をバイパスするようにしてもよい。
また、本実施の形態3に係る空気調和機では、第2の圧縮機2を第1の圧縮機1の下流側に設けているが、第2の圧縮機2を第1の圧縮機1の上流側に設けてもよい。
また、上記各実施の形態1〜3では、膨張機8により回収された動力を第2の圧縮機2の動力として使用する形態を例示したが、動力の使用先は必ずしも第2の圧縮機2に限られたものではない。例えば、第1の圧縮機1の動力又は冷凍サイクルの駆動に使用される発電機の動力として使用するようにしてもよい。
1 第1の圧縮機、2 第2の圧縮機、3 第1の四方弁、4 室外熱交換器、5 バイパス弁、6 第2の四方弁、7 予膨張弁、8 膨張機、9 逆止弁、10 バイパス弁、11 アキュムレータ、12a,12b 開閉弁、13a,13b,13c 開閉弁、14 冷媒熱交換器、15 バイパス弁、21 第2の圧縮機2の吸入配管、22 膨張機8の吸入配管、23 膨張機8の吐出配管、24 バイパス配管、25 バイパス配管、26 冷媒配管、27 アキュムレータ11の入口配管、28 液管、29 ガス管、31a,31b 膨張弁、32a,32b 室内熱交換器、41,42,43,44,45 冷媒配管、46 バイパス配管、51 容器、52 駆動軸、53 第2の圧縮機2の吸入管、54 第2の圧縮機2の吐出管、55 膨張機8の吸入管、56 膨張機8の吐出管、57 揺動スクロール、58 圧縮機固定スクロール、59 膨張機固定スクロール、60 オルダムリング、61 スライダ、62 軸嵌入孔、63 揺動軸受部、64 揺動スクロール57上面の渦巻歯、65 揺動スクロール57下面の渦巻歯、66 圧縮機固定スクロール58の渦巻歯、67 膨張機固定スクロール59の渦巻歯、68 油ポンプ、69 潤滑油、70 バランサ、71 渦巻歯64の歯先、72 渦巻歯65の歯先、81,82,83,84,85 圧力センサ、91,92 温度センサ、101 室外機、102a,102b 室内機、103 制御装置。

Claims (9)

  1. 冷媒を圧縮する第1の圧縮機と、前記第1の圧縮機で圧縮された冷媒をさらに圧縮する第2の圧縮機と、前記第2の圧縮機により圧縮された冷媒の熱を放散する放熱器と、前記第2の圧縮機の駆動軸に連結され、前記放熱器を通過した冷媒を膨張させて冷媒から動力を回収し、回収された動力により前記駆動軸を介して前記第2の圧縮機を駆動する膨張機と、前記膨張機により膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器とが順次配管接続された冷凍サイクルと、
    一方が前記膨張機の吐出配管に接続され、他方が前記第1の圧縮機と前記蒸発器との間の配管に接続された第1のバイパス配管と、
    前記膨張機に吸入する冷媒の物理量を検出する物理量検出手段と、
    前記第1のバイパス配管に設けられ、冷媒の流量を調整する第1のバイパス弁と、
    前記第1のバイパス弁の開度を制御する制御手段とを備え、
    前記制御手段は、前記物理量検出手段により検出した物理量に基づいて前記膨張機の適正吐出圧力を決定し、前記膨張機の冷媒を吐出する圧力が、前記決定した適正吐出圧力より高くなったときに前記第1のバイパス弁を開くことを特徴とする冷凍サイクル装置。
  2. 前記膨張機の吐出配管には、冷媒の流れを一方向に整えるための逆止弁が設けられていることを特徴とする請求項1記載の冷凍サイクル装置。
  3. 前記放熱器と前記蒸発器との間に、前記放熱器を通過した冷媒の一部を前記蒸発器の入口側にバイパスする、第2のバイパス弁を有する第2のバイパス配管を設け、
    前記第2のバイパス弁を通過して前記蒸発器に向かう冷媒と、前記第1のバイパス弁を通過して前記第1の圧縮機に向かう冷媒との間で熱交換を行う冷媒熱交換器を備えたことを特徴とする請求項1又は請求項2記載の冷凍サイクル装置。
  4. 前記制御手段は、前記第1の圧縮機を起動させる前に前記第1のバイパス弁を開くことを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか一項に記載の冷凍サイクル装置。
  5. 前記第1の圧縮機の吐出管に一方が接続され、他方が前記第1の圧縮機の吸入配管に接続された第3のバイパス配管を備え、
    前記第3のバイパス配管には、冷媒の流量を調整する第3のバイパス弁が設けられていることを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れか一項に記載の冷凍サイクル装置。
  6. 前記放熱器は、前記第1の圧縮機から吐出された冷媒を、前記第2の圧縮機に吸入する前に冷却する中間冷却器と、前記第2の圧縮機から吐出された冷媒を冷却する主放熱器とを備えたことを特徴とする請求項1乃至請求項5の何れか一項に記載の冷凍サイクル装置。
  7. 前記冷媒は、二酸化炭素であることを特徴とする請求項1乃至請求項の何れか一項に記載の冷凍サイクル装置。
  8. 冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機により圧縮された冷媒の熱を放散する放熱器と、前記放熱器を通過した冷媒を膨張させて冷媒から動力を回収する膨張機と、前記膨張機により膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器とが順次配管接続された冷凍サイクルと、
    一方が前記膨張機の吐出配管に接続され、他方が前記圧縮機と前記蒸発器との間の配管に接続された第1のバイパス配管と、
    前記膨張機に吸入する冷媒の物理量を検出する物理量検出手段と、
    前記第1のバイパス配管に設けられ、冷媒の流量を調整する第1のバイパス弁と、
    前記放熱器と前記蒸発器との間に設けられ、前記放熱器を通過した冷媒の一部を前記蒸発器の入口側にバイパスする、第2のバイパス弁を有する第2のバイパス配管と、
    前記第2のバイパス弁を通過して前記蒸発器に向かう冷媒と、前記第1のバイパス弁を通過して前記圧縮機に向かう冷媒との間で熱交換を行う冷媒熱交換器と、
    前記第1のバイパス弁の開度を制御する制御手段とを備え、
    前記制御手段は、前記物理量検出手段により検出した物理量に基づいて前記膨張機の適正吐出圧力を決定し、前記膨張機の冷媒を吐出する圧力が、前記決定した適正吐出圧力より高くなったときに前記第1のバイパス弁を開くことを特徴とする冷凍サイクル装置。
  9. 前記膨張機の吐出配管には、冷媒の流れを一方向に整えるための逆止弁が設けられていることを特徴とする請求項8記載の冷凍サイクル装置。
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