JP5766298B2 - 冷凍サイクル装置、設備機器、及び冷凍サイクル方法 - Google Patents

冷凍サイクル装置、設備機器、及び冷凍サイクル方法 Download PDF

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Description

本発明は、冷凍サイクル装置、設備機器、及び冷凍サイクル方法に関する。
冷凍サイクル装置は、循環する冷媒が、気体から液体、或いは液体から気体に相変化するときの吸熱と放熱を利用して冷風等を生成する。特許文献1は、このような冷凍サイクル装置の一例を開示する。
下記特許文献1に記載の冷凍サイクル装置は、冷媒を一時的に蓄えると共に気体冷媒と液体冷媒とを分離し、気体冷媒のみを圧縮機に戻すアキュムレータ(冷媒貯留容器、気液分離器)を備えている。アキュムレータ内には、圧縮機より吐出されて冷媒回路内を還流してきた潤滑油と液体冷媒との混合流体が貯留される。この混合流体を放置すると、圧縮機の潤滑油が不足するおそれがある。この問題を解決するため、下記特許文献1には、その実施例4において、アキュムレータ中の混合流体を気化して、圧縮機に戻す返油回路を備える冷凍サイクル装置が開示されている。
特開平8−5185号公報
上記特許文献1に記載の変油回路を備える冷凍サイクル装置においては、アキュムレータに貯留している混合流体の液面が高いほど、返油回路を流れる混合流体の流量が多くなり、液面が低いほど、返油回路を流れる冷媒の流量が少なくなる。一方、混合流体の液面が、圧縮機よりも低くなった場合には、返油回路を混合流体が流れなくなる。このため、圧縮機に潤滑油が戻らなくなってしまう。この場合、圧縮機内の潤滑油が枯渇し、圧縮機の動作が不安定となり、ひいては冷凍サイクル装置の動作が不安定となるおそれがある。
冷凍サイクル装置のこの不安定性は、その冷凍サイクル装置を使用する空気調和装置、給湯機、冷水機等の設備機器の安定動作をも阻害するおそれがある。
本発明は、上述の事情の下になされたもので、安定した動作が可能な冷凍サイクル装置、それを用いた設備機器、及び冷凍サイクル方法を提供することを目的する。
また、本発明は、貯留している混合流体中の潤滑油を圧縮機まで安定して戻すことができる冷凍サイクル装置、設備機器、及び冷凍サイクル方法を提供することを他の目的とする。
上述の目的を達成するために、本発明の冷凍サイクル装置は、
冷凍サイクルを構成し、供給された冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機の潤滑油が混入した冷媒を滞留させるとともに気体冷媒と液体冷媒とに分離させ、前記気体冷媒を前記圧縮機に送出する冷媒滞留容器と、
前記冷媒滞留容器に滞留している前記液体冷媒と前記潤滑油とを含む混合流体を搬出する搬送装置と、
前記搬送装置によって前記冷媒滞留容器から搬出された前記混合流体中の液体冷媒を気体冷媒に変化させる気化装置と、
前記冷媒滞留容器と前記圧縮機との間の冷媒配管と、前記気化装置と、をつなぐバイパス回路と、
前記気化装置から送出された前記冷媒の温度を計測する温度センサと、
前記圧縮機に流入する前記冷媒の圧力を計測する圧力センサと、
前記圧力センサが計測した圧力に基づいて、前記圧縮機に流入する冷媒の飽和温度を求め、前記温度センサが計測した温度と求めた飽和温度との差に基づいて、前記搬送装置が前記冷媒滞留容器から搬出する前記混合流体の流量を制御する制御部と、
を有し、
前記バイパス回路を経由して、前記気体冷媒を前記潤滑油とともに前記圧縮機に供給する。
本発明の冷凍サイクル装置、設備機器、及び冷凍サイクル方法は、冷媒滞留容器に滞留している液体冷媒と潤滑油とを含む混合流体を搬出する搬送装置、又は液体冷媒を搬出する搬送工程を有していることから、安定した動作が可能となるとともに、貯留している混合流体中の潤滑油を圧縮機まで安定して戻すことができる。
本発明の実施の形態1に係る空気調和装置を示す模式図である。 実施の形態1に係る空気調和装置の制御ユニットのブロック図である。 実施の形態1に係る空気調和装置の動作を説明するためのモリエル線図である。 実施の形態1に係る空気調和装置の動作を説明するためのフローチャートである。 実施の形態2に係る空気調和装置を示す模式図である。 エジェクタの断面図、及びエジェクタの入口からの距離と圧力との関係を示した図である。 実施の形態2に係る空気調和装置の動作を説明するためのモリエル線図である。 実施の形態2に係る空気調和装置の動作を説明するためのフローチャートである。 実施の形態3に係る空気調和装置を示す模式図である。 冷媒貯留容器の変形例を示す断面図である。
実施の形態1.
以下、本発明の実施形態に係る冷凍サイクル装置100を備える空気調和装置10について図1〜図4を用いて説明する。
本実施の形態にかかる空気調和装置10は、冷風又は温風を供給するものであり、図1に示すように、主回路100Aとバイパス回路100Bとを有する冷凍サイクル装置100と、冷凍サイクル装置100を制御する制御ユニット150とを備えている。
冷凍サイクル装置100の主回路100Aは、冷媒を還流させると共に冷媒の相変化に伴う吸熱及び放熱により冷風及び温風を生成するものであり、圧縮機101、凝縮器102、膨張弁103、蒸発器104、冷媒貯留容器(アキュムレータ)105、上記各部を接続する管状の流路を備えている。
圧縮機101は、例えば、スクロール圧縮機、スクリュー圧縮機から構成され、供給された気体冷媒を圧縮して、送出する。この圧縮により、気体冷媒の温度及び圧力が上昇する。圧縮機101は、高温高圧の気体冷媒を、流路を介して、凝縮器102に送出する。なお、圧縮機101では、可動部の動作を円滑にするため、潤滑油が用いられており、潤滑油の一部は冷媒に混入する。
凝縮器102は、流入した高温高圧の気体冷媒を、外気との熱交換によって冷却し、低温の液体冷媒に変化させ、流路を介して、膨張弁103に送出する。この凝縮器102は、例えば、空気調和装置10によって空気調和が行われる部屋の外に配置され、空気調和装置10の室外機の一部として構成される。
膨張弁103は、流入した液体冷媒を膨張させる。このとき、液体冷媒は、等エンタルピ膨張を行い、乾き度の小さい低圧冷媒に変化する。生成された低圧冷媒は、流路を介して、蒸発器104に送出される。
蒸発器104は、膨張弁103近傍に配置され、流入した低圧冷媒を、外気との熱交換によって加熱し、乾き度の大きい低圧冷媒に変化させ、流路を介して、冷媒貯留容器105に送出する。この蒸発器104は、空気調和装置10によって空気調和が行われる部屋の中に配置され、熱交換後の冷風は、この部屋に搬送される。
冷媒貯留容器105は、蒸発器104から流入した冷媒を貯留する。冷媒貯留容器105に流入した冷媒は、重力により、液相の冷媒(液体冷媒)及びそれに混入している潤滑油と、これより比重の小さい気相の冷媒(気体冷媒)とに分離される。このうち、気体媒体は、流路を介して、圧縮機101に供給される。一方、液体冷媒は、潤滑油とともに、冷媒貯留容器105の底部に貯留する。冷媒貯留容器105の底部近傍は、例えば、湾曲面として構成されている。
一方、冷凍サイクル装置100のバイパス回路100Bは、冷媒貯留容器105の底部に貯留している混合流体のうち、潤滑油を圧縮機101に返油するとともに液体冷媒を気化させて圧縮機101に供給する回路である。バイパス回路100Bは、冷媒貯留容器105の底部に接続されるとともに、圧縮機101の上流側に接続される。バイパス回路100Bは、冷媒搬送ポンプ107と、内部熱交換器108と、一対の温度センサ109a、109bとを有している。
冷媒搬送ポンプ107は、冷媒貯留容器105に滞留された液体冷媒と潤滑油とからなる混合流体を吸引して、内部熱交換器108に送出することにより、バイパス回路100B内の混合流体を一定の流量で安定して搬送する能動装置である。冷媒搬送ポンプ107は、例えば、軸流ポンプ、容積ポンプ等から構成される。冷媒搬送ポンプ107は、電源ケーブル等を介して、商用電源に接続されており、商用電源から電力が供給される。冷媒搬送ポンプ107が、一定の圧力で、冷媒貯留容器105に滞留された混合流体を吸引して、且つ押し出すため、冷媒貯留容器105内の混合流体の液面の高さや量、圧縮機101が配置された位置等に関わらず、安定して、冷媒を搬送することが可能となる。また、バイパス回路100Bを経由して、冷媒貯留容器105に滞留した潤滑油も圧縮機101に戻すことができる。
内部熱交換器108は、凝縮器102から送出された高温の液体冷媒とバイパス回路100Bを流れる混合流体との間で熱交換を行い、混合流体の温度を上昇させる。これにより、液体冷媒は蒸発して、気体冷媒に変化する。この気体冷媒は、内部熱交換器108から流路を通って、圧縮機101に戻される。
内部熱交換器108の入口側近傍及び出口側近傍には、温度センサ109a、109bがそれぞれ配置されている。温度センサ109aは、内部熱交換器108を通過する前の混合流体の温度Tjを測定する。また、温度センサ109bは、内部熱交換器108を通過した後の混合流体の温度Tkを測定する。
制御ユニット150は、冷凍サイクル装置100を制御するためのものであり、図2に示すように、CPU(Central Processing Unit)151、主記憶部152、補助記憶部153、受信ユニット154、送信ユニット155、及び上記各部を相互に接続するバス156を有している。この制御ユニット150は、例えば、空気調和装置10のリモコン等と一体に構成される。
主記憶部152は、RAM(Random Access Memory)等から構成され、CPU151の作業領域として用いられる。
補助記憶部153は、ROM(Read Only Memory)、磁気ディスク、半導体メモリ等の不揮発性メモリを含んで構成されている。補助記憶部153は、CPU151が実行するプログラム、及び各種パラメータなどを記憶している。
受信ユニット154は、ケーブル等によって、温度センサ109a、109bに接続されている。受信ユニット154は、温度センサ109a、109bからの測定温度Tj、Tkを示す信号を受信し、バス156を介して、CPU151に測定温度Tj、Tkを通知する。
送信ユニット155は、ケーブル等によって、冷媒搬送ポンプ107に接続されている。送信ユニット155は、CPU151の指示に基づいて、冷媒搬送ポンプ107が搬送する冷媒の流量を調節するための信号を、冷媒搬送ポンプ107に送信する。
CPU151は、補助記憶部153に記憶されたプログラムを実行し、上記各部の統括的な制御を行う。
次に、動作中における冷媒の状態の変化について、空気調和装置10の暖房運転を例に、図3を用いて説明する。図3のモリエル線図における横軸は、冷媒の単位質量当りのエンタルピ(比エンタルピ)を示している。また、縦軸は、冷媒の圧力を示している。また、図3の点Sa、Sb、Sc、Sd、Se、Se’、Sf、Sg、Sh、Si、Sj、Skは、図1の点Sa、Sb、Sc、Sd、Se、Se’、Sf、Sg、Sh、Si、Sj、Skの位置における冷媒の状態をそれぞれ示している。
先ず、主回路100Aを流れる冷媒の状態の変化について説明する。
圧縮機101に高温低圧の気体冷媒(状態Sg)が流入すると、気体冷媒(状態Sg)は、圧縮機101によって圧縮される。そうすると、冷媒は、圧力及び比エンタルピが上昇し、図3に示すように、状態Sgから、高温高圧の状態(状態Sa)に変化する。そして、冷媒は、高温高圧の気体冷媒(状態Sa)として、圧縮機101から送出される。このとき、冷媒に混入している微量の潤滑油は液体の状態であり、この場合、冷媒は、ミスト状の潤滑油を含んだ混合流体として送出される。
凝縮器102に高温高圧のガスの状態(状態Sa)の混合流体が流入すると、状態Saの混合流体は、外部空気との熱交換によって凝縮する。そうすると、混合流体は、圧力一定のまま、比エンタルピが下降する。これにより、混合流体は、高温のガスの状態(状態Sa)から、低温の液体の状態(状態Sb)に変化する。そして、混合流体は、低温高圧の状態(状態Sb)の液体の混合流体として、凝縮器102から送出される。
内部熱交換器108に、低温高圧の状態(状態Sb)の液体の混合流体が流入すると、状態Sbの混合流体は、バイパス回路100Bを流れる冷媒との熱交換により、さらに冷却される。そうすると、混合流体は、圧力一定のまま、比エンタルピのみがさらに低下する。これにより、混合流体は、状態Sbから、さらに低温の状態(状態Sc)に変化する。そして、混合流体は、低温高圧の状態(状態Sc)の液体の混合流体として、内部熱交換器108から送出される。
膨張弁103に、低温高圧の状態(状態Sc)の液体の混合流体が流入すると、混合流体は、膨張弁103によって膨張する。すると、混合流体は、比エンタルピ一定のまま、圧力が低下する。これにより、混合流体は、高圧の状態(状態Sc)から、低圧の状態(状態Sd)に変化する。このときの混合流体に含まれる冷媒は、気体冷媒と、液体冷媒とを含む2相冷媒である。そして、混合流体は、低温低圧の状態(状態Sd)の混合流体として、膨張弁103から送出される。
蒸発器104に、低温低圧の状態(状態Sd)の混合流体が流入すると、混合流体は、外部空気との熱交換によって蒸発する。そうすると、混合流体の比エンタルピが上昇する。これにより、混合流体に含まれる冷媒は、乾き度の小さい冷媒の状態(状態Sd)から、乾き度の大きい冷媒の状態(状態Se)に変化する。なお、このとき、混合流体の圧力は、若干、低下する。そして、混合流体は、乾き度の大きい冷媒(状態Seの冷媒)を含んだ混合流体として、蒸発器104から送出される。このとき、混合流体は、ガスの混合流体に変化しきれなかった液体も含めて送出される。すなわち、気体冷媒と、液体冷媒との2相冷媒を含んだ混合流体として送出される。
蒸発器104から送出された状態Seの混合流体は、蒸発器104と冷媒貯留容器105とを接続する冷媒流路の内周面との摩擦により、圧力が若干低下する。これにより、混合流体は、状態Seから、状態Se’に変化する。
冷媒貯留容器105に、状態Se’の混合流体が流入すると、混合流体は、冷媒貯留容器105によって、潤滑油と密度の大きい液体冷媒とからなる状態Shの混合流体と、密度の小さい気体冷媒(状態Sf)とに分離される。状態Shの混合流体は、冷媒貯留容器105の底部近傍に滞留する。一方、状態Sfの気体冷媒は、冷媒貯留容器105の上部に移動する。そして、この状態Sfの気体冷媒は、再び、圧縮機101に戻される。
次に、バイパス回路100Bを流れる冷媒の状態の変化について説明する。
バイパス回路100Bの冷媒搬送ポンプ107は、冷媒貯留容器105の底部に滞留した状態Shの液体の混合流体を吸引し、強制的に搬送する。このとき、混合流体は、冷媒搬送ポンプ107によって、比エンタルピ一定のまま、圧力が上昇する。これにより、混合流体は、状態Shから状態Sjに変化する。そして、混合流体は、状態Sjの混合流体として、冷媒搬送ポンプ107から、内部熱交換器108に送出される。
冷媒搬送ポンプ107が、状態Sjの液体の混合流体を、内部熱交換器108に供給すると、混合流体は、主回路100Aを流れる冷媒との熱交換により、加熱される。すると、混合流体の比エンタルピが上昇する。これにより、混合流体は、状態Sjから、高温のガスの状態(状態Sk)に変化する。この状態Skのガスの混合流体には、潤滑油がミスト状となって含まれている。なお、このとき、混合流体の圧力は、若干、低下する。混合流体は、高温低圧のガスの状態(状態Sk)の混合流体として、内部熱交換器108から送出される。
ガスの状態Skの混合流体は、圧縮機101の上流側で、ガスの状態Sfの混合流体と合流する。状態Skの混合流体と状態Sfの混合流体とが混ざり合うことにより、冷媒は、状態Sgの混合流体となり、圧縮機101に送出される。この状態Sgの混合流体には、潤滑油が含まれているため、潤滑油が、主回路100A及びバイパス回路100Bを循環し、再び、圧縮機101に流入する。これにより、圧縮機101の内部に所定量の潤滑油が確保される。
次に、冷凍サイクル装置100における冷媒搬送ポンプ107及び制御ユニット150の動作について、図4を用いて説明する。図4に示されるフローチャートは、制御ユニット150のCPU151が実行する一連の処理を示している。
CPU151は、先ず、温度センサ109aを用いて、計測する(ステップS101)。具体的には、CPU151は、温度センサ109aを用いて、内部熱交換器108入口近傍の状態Sjの混合流体の温度Tjを計測する。そして、温度センサ109aを用いて、温度Tjを計測したら、CPU151は、次のステップS102へ移行する。
次に、CPU151は、温度センサ109bを用いて、計測する(ステップS102)。具体的には、CPU151は、温度センサ109bを用いて、内部熱交換器108出口近傍の状態Skの混合流体の温度Tkを計測する。そして、温度センサ109bを用いて、温度Tkを計測したら、CPU151は、次のステップS103へ移行する。
次に、CPU151は、TkからTjを減じて、温度差ΔTp1(=Tk−Tj)を算出する(ステップS103)。温度差ΔTp1を算出したら、CPU151は、次のステップS104へ移行する。
次に、CPU151は、算出した温度差ΔTp1と、あらかじめ補助記憶部153に記憶されていた設定値ΔTs1と比較し、温度差ΔTp1が、ΔTs1よりも小さいか否かを判断する(ステップS104)。温度差ΔTp1が、設定値ΔTs1よりも小さいと判断された場合には(ステップS104:Yes)、CPU151は、ステップS105に移行する。
次に、CPU151は、冷媒搬送ポンプ107の回転数をダウンさせる(ステップS105)。例えば、CPU151は、回転数を、10%ダウンさせる。これにより、冷媒搬送ポンプ107の出力が低下し、バイパス回路100Bを流れる混合流体の流量が減少する。そうすると、内部熱交換器108で熱交換される熱量が増加し、混合流体の温度が上昇する。この結果、温度差ΔTp1が上昇する。そして、CPU151は、ステップS106に移行する。
次に、CPU151は、冷媒搬送ポンプ107の回転数をダウンさせてから経過した時間が、所定時間以上であるか否かを判断する(ステップS106)。冷媒搬送ポンプ107の回転数をダウンさせてからの経過時間が、所定時間以上と判断された場合には(ステップS106:Yes)、CPU151は、ステップS101に移行する。そして、再び、温度センサ109aを用いて計測する。冷媒搬送ポンプ107の回転数をダウンさせてからの経過時間が、所定時間より小さいと判断された場合には(ステップS106:No)、CPU151は、ステップS106に移行し、CPU151は、再び、冷媒搬送ポンプ107の回転数をダウンさせてから経過した時間が、所定時間以上であるか否かを判断する。
一方、ステップS104で、温度差ΔTp1が、設定値ΔTs1以上と判断された場合には(ステップS104:No)、CPU151は、ステップS107に移行する。
次に、CPU151は、冷媒搬送ポンプ107の回転数をアップさせる(ステップS107)。例えば、回転数を、10%アップさせる。これにより、冷媒搬送ポンプ107の出力が増加し、バイパス回路100Bを流れる混合流体の流量が増加する。そうすると、内部熱交換器108で熱交換される熱量が減少し、混合流体の温度が低下する。この結果、温度差ΔTp1が低下する。そして、CPU151は、ステップS108に移行する。
次に、CPU151は、冷媒搬送ポンプ107の回転数をアップさせてから経過した時間が、所定時間以上であるか否かを判断する(ステップS108)。冷媒搬送ポンプ107の回転数をアップさせてからの時間が、所定時間以上と判断された場合には(ステップS108:Yes)、ステップS101に移行し、CPU151は、再び、温度センサ109aを用いて計測する。冷媒搬送ポンプ107の回転数をダウンさせてからの経過時間が、所定時間より小さいと判断された場合には(ステップS108:No)、CPU151は、ステップS108に移行し、CPU151は、再び、冷媒搬送ポンプ107の回転数をダウンさせてから経過した時間が、所定時間以上であるか否かを判断する。
以上、説明したように、本実施の形態1に係る冷凍サイクル装置100のバイパス回路100Bは、冷媒貯留容器105に滞留した液体冷媒及び潤滑油を吸引して送出する冷媒搬送ポンプ107を備えている。これにより、圧縮機101と冷媒貯留容器105との位置関係に関わらず、安定した動作が可能となるとともに、貯留している混合流体中の潤滑油を圧縮機101まで安定して戻すことができる。
例えば、冷媒搬送ポンプを備えない冷凍サイクル装置の場合、冷媒貯留容器105に滞留した液体の混合流体の油面が、圧縮機101よりも低い場合には、圧縮機101に潤滑油を戻すことができず、圧縮機101内に所定量の潤滑油を確保することが困難である。このため、圧縮機101の可動部の焼付けが生じてしまい、冷凍サイクル装置の信頼性が低下するおそれがある。
これに対し、本実施の形態1に係る冷凍サイクル装置100は、冷媒貯留容器105に滞留した液体の混合流体の油面の高さが、圧縮機の高さよりも低い場合においても、圧縮機101に潤滑油を戻すことができ、圧縮機101内に所定量の潤滑油を確保することが可能になる。ひいては、潤滑油の枯渇に起因する圧縮機101の可動部の焼付けを回避でき、冷凍サイクルの信頼性を向上させることができる。また、冷媒貯留容器105の配置を圧縮機101と同じ高さ若しくは下側に設置することができ、構造設計の自由度を向上させることができる。
また、本実施の形態1に係る冷凍サイクル装置100のバイパス回路100Bは、温度センサ109a、109bを備えている。これにより、内部熱交換器108の入口側の冷媒の温度と出口側の冷媒の温度とに基づいて、冷媒搬送ポンプ107の混合流体の流量を、適正な流量に調整することが可能になる。
実施の形態2.
前記実施の形態1においては、冷媒貯留容器から液体冷媒と潤滑油の混合流体を搬出する構成として、ポンプを例示したが、混合流体を安定的に搬出できる搬送装置ならば、その構成事態は任意である。以下、搬送装置として、エジェクタを使用する実施の形態2について、図5〜図8を用いて説明する。なお、実施の形態1と同一又は同等の構成については、同一の符号を用いる。本実施形態に係る空気調和装置20は、冷媒搬送ポンプ107に代わるエジェクタ250を備えている点で、実施の形態1に係る空気調和装置10と相違している。
空気調和装置20は、図5に示すように、主回路200Aとバイパス回路200Bとを有する冷凍サイクル装置200と、冷凍サイクル装置200を制御する制御ユニット150とを備えている。
主回路200Aは、実施の形態1で説明した圧縮機101、凝縮器102、膨張弁103、蒸発器104、冷媒貯留容器105(アキュムレータ)等に加えて、圧縮機101に流入する冷媒の圧力を検出する圧力センサ201を有している。圧力センサ201の出力は、制御ユニット150の受信ユニット154に供給される。
バイパス回路200Bは、流量制御弁202と、温度センサ203と、エジェクタ250とを有している。
流量制御弁202は、冷媒貯留容器105から搬送された液体状態の混合流体の流量を制御することによって、エジェクタ250に流入する混合流体の流量を調節する。この流量制御弁202には、制御ユニット150の送信ユニット155からの出力が供給される。
温度センサ203は、内部熱交換器108の出口側近傍に配置されている。温度センサ203は、実施の形態1の温度センサ109bと同様に、内部熱交換器108を通過した後の混合流体の温度を計測する。
エジェクタ250は、図6に示すように、ノズル部251と、混合部252と、ディフューザー部253と、流入部254と、吸引部255とを有している。流入部254には、主回路200Aの凝縮器102から搬送された混合流体が流入する。吸引部255には、混合流体が流入部254から流入したときに生ずる負圧により、冷媒貯留容器105に滞留した混合流体が、バイパス回路200Bを介して流入する。
ノズル部251は、略管状の部材であり、管の径が徐々に細くなっている減圧部251aと、管の径が最も細い喉部251bと、管の径が徐々に広がっている末広がり部251cとで構成されている。ノズル部251には、凝縮器102から搬送された混合流体が流入する。
次に、エジェクタ250に搬送された混合流体の圧力及び速度の変化について、図6を用いて説明する。
先ず、エジェクタ250の流入部254に、凝縮器102から流出した高圧の混合流体(状態Sbの混合流体)が流入する。流入部254は、図6の上側の図に示すように、管径が一定のため、混合流体の圧力Pbは、図6の下側の図に示すように、一定である。次に、流入部254を通過した混合流体は、ノズル部251の減圧部251aにおいて、減圧部251aの管径が小さくなっていくにしたがって、圧力が少しずつ低下する。その後、混合流体が、最も管径が小さい喉部251bを通過することで、移動速度が音速にまで上昇する。さらに、混合流体が、末広がり部251cを通過することで、移動速度が超音速にまで。このとき、冷媒の圧力は、吸引部255の冷媒の圧力Piよりも小さい圧力Pzにまで低下する。この結果、冷媒は、ノズル部251の先端部から超高速で流出する。
ノズル部251において、冷媒が、圧力Pzまで減圧されると、この圧力Pzが、吸引部の圧力Piよりも小さいため(Pz<Pi)、差圧によって、冷媒貯留容器105に滞留した混合流体が、吸引部255を介して吸引される。
ノズル部251の先端部から流出した冷媒と、吸引部255によって吸引された冷媒とは、混合部252において混ざり合う。このとき、冷媒同士の運動量交換により、冷媒の圧力が、徐々に回復していく。そして、ディフューザー部253において、エジェクタ250の管径がさらに大きくなることにより、冷媒は、さらに減速する。そして、減速にともなって、冷媒の圧力が、圧力Pjまで上昇し、エジェクタ250から、冷媒が流出する。
次に冷凍サイクル装置200の冷媒の状態の変化について、図7を用いて説明する。図7のモリエル線図における横軸は、冷媒の単位質量当りのエンタルピ(比エンタルピ)を示している。また、図5の点Sa、Sb、Sc、Sd、Se、Se’、Sf、Sg、Sh、Si、Sj、Sk、図6の点Sz、Sz’は、図7の点Sa、Sb、Sc、Sd、Se、Se’、Sf、Sg、Sh、Si、Sj、Sk、Sz、Sz’の位置における冷媒の状態をそれぞれ示している。
凝縮器102を通過して、高圧の状態(状態Sb)となった混合流体の一部は、主回路200Aからバイパス回路200Bに流入する。バイパス回路200Bに流れた混合流体は、エジェクタ250を通過することで減圧されて、状態Sbから状態Szに変化する。そして、状態Szの混合流体は、駆動冷媒として、ノズル部251の先端部から超高速で流出する。
ノズル部251から駆動冷媒が超高速で流出すると、この駆動冷媒によって、冷媒貯留容器105に滞留した状態Shの混合流体が、エジェクタ250に引き込まれる。この状態Shの混合流体は、流量制御弁202によって流量が制御されることにより、圧力が低下して、状態Shから状態Siに変化する。
状態Szの混合流体と、状態Siの混合流体とは、エジェクタ250の混合部252で、合流する。状態Szの混合流体と、状態Siの混合流体とが混ざり合うことにより、状態Sz’の混合流体となる。そして、状態Sz’の混合流体は、圧力が、エジェクタ250の混合部252とディフューザー部253において上昇することにより、状態Sz’から状態Sjに変化する。これにより、状態Sjの混合流体がエジェクタ250から送出される。
内部熱交換器108に流入した状態Sjの混合流体は、主回路200Aを流れる冷媒との熱交換により、加熱される。すると、混合流体は、比エンタルピが上昇し、混合流体は、状態Sjから、高温のガスの状態(状態Sk)に変化する。状態Skの混合流体には、潤滑油がミスト状となって含まれている。なお、このとき、混合流体の圧力は、若干、低下する。この高温のガスの状態(状態Sk)の混合流体は、内部熱交換器108から送出される。
ガスの状態Skの混合流体は、圧縮機101の上流側で、ガスの状態Sfの混合流体と合流する。状態Skの混合流体と状態Sfの混合流体とが混ざり合うことにより、状態Sgの混合流体となり、この混合流体は、圧縮機101に送出される。この状態Sgの混合流体には、潤滑油が含まれているため、潤滑油が圧縮機101に流入する。これにより、圧縮機101は、内部に所定量の潤滑油を確保する。
次に、冷凍サイクル装置200における制御ユニット150の動作について、図8を用いて説明する。図8に示されるフローチャートは、制御ユニット150のCPU151が実行する一連の処理を示している。
CPU151は、先ず、温度センサ203を用いて、計測する(ステップS201)。具体的には、CPU151は、温度センサ203を用いて、内部熱交換器108出口近傍の状態Skの混合流体の温度Tkを計測する。そして、温度センサ203を用いて、温度Tkを計測したら、CPU151は、次のステップS202へ移行する。
次に、CPU151は、圧力センサ201を用いて、計測する(ステップS202)。具体的には、CPU151は、圧力センサ201を用いて、圧縮機101の上流側の状態Sgの混合流体の圧力Pgを計測する。そして、圧力センサ201を用いて、圧力Pgを計測したら、CPU151は、次のステップS203へ移行する。
次に、CPU151は、圧力センサ201が検出した状態Sgの混合流体の圧力Pgから、飽和温度Tgを算出する(ステップS203)。飽和温度Tgを算出したら、次のステップS204へ移行する。
次に、CPU151は、ステップS203で算出した飽和温度Tgと、温度センサ203が検出した温度Tkとに基づいて、温度差ΔTp2(=Tk−Tg)を算出する(ステップS204)。温度差ΔTp2を算出したら、CPU151は、次のステップS205へ移行する。
CPU151は、算出した温度差ΔTp2と、あらかじめ補助記憶部153に記憶されている設定値ΔTs2と比較し、温度差ΔTp2が、設定値ΔTs2よりも小さいか否かを判断する(ステップS205)。温度差ΔTp2が、設定値ΔTs2よりも小さいと判断された場合には(ステップS205:Yes)、ステップS206に移行する。
次に、CPU151は、流量制御弁202の開度を小さくする(ステップS206)。これにより、バイパス回路200Bを流れる流量が小さくなり、温度差ΔTp2が上昇する。そして、ステップS207に移行する。
次に、CPU151は、流量制御弁202の開度を小さくしてから経過した時間が、所定時間以上であるか否かを判断する(ステップS207)。流量制御弁202の開度を小さくしてから経過した時間が、所定時間以上と判断された場合には(ステップS207:Yes)、ステップS201に移行し、CPU151は、再び、温度センサ203を用いて、計測する。一方、流量制御弁202の開度を大きくしてから経過した時間が、所定時間より小さいと判断された場合には(ステップS207:No)、ステップS207に移行し、CPU151は、再び、流量制御弁202の開度を大きくしてから経過した時間が、所定時間以上であるか否かを判断する。
一方、ステップS205で、温度差ΔTp2が、設定値ΔTs2以上と判断された場合には(ステップS205:No)、ステップS208に移行する。
次に、CPU151は、流量制御弁202の開度を大きくする(ステップS208)。これにより、バイパス回路200Bを流れる流量が大きくなり、温度差ΔTp2が低下する。そして、ステップS209に移行する。
次に、CPU151は、流量制御弁202の開度を大きくしてから経過した時間が、所定時間以上であるか否かを判断する(ステップS209)。流量制御弁202の開度を大きくしてから経過した時間が、所定時間以上と判断された場合には(ステップS209:Yes)、ステップS101に移行し、CPU151は、再び、温度センサ203を用いて、計測する。一方、流量制御弁202の開度を大きくしてから経過した時間が、所定時間より小さいと判断された場合には(ステップS209:No)、ステップS209に移行し、CPU151は、再び、流量制御弁202の開度を大きくしてから経過した時間が、所定時間以上であるか否かを判断する。
以上、説明したように、本実施の形態2に係る冷凍サイクル装置200のバイパス回路200Bは、冷媒貯留容器105に滞留した液体冷媒及び潤滑油を吸引して送出するエジェクタ250を備えている。これにより、圧縮機101と冷媒貯留容器105との位置関係に関わらず、潤滑油を圧縮機101まで良好に戻すことができ、圧縮機101内に所定量の潤滑油を確保することが可能になる。ひいては、潤滑油の枯渇に起因する圧縮機101の可動部の焼付けを回避でき、冷凍サイクル装置200の信頼性を向上させることができる。また、冷媒貯留容器105の配置を圧縮機101と同じ高さ若しくは下側に設置することができ、構造設計の自由度を向上させることができる。
また、本実施の形態2においては、エジェクタ250が、冷媒貯留容器105に滞留した液体冷媒及び潤滑油を吸引している。このため、例えば、搬送ポンプ等と異なり、液体冷媒及び潤滑油の吸引に用いる電源を不要とすることができ、冷凍サイクル装置200の動作に必要なコストを低減させることができる。
また、本実施の形態2に係る冷凍サイクル装置200の主回路200Aは、圧力センサ201を備え、バイパス回路200Bは、温度センサ203を備えている。これにより、流量制御弁202を流れる混合流体の流量が変化した場合においても、圧力センサ201及び温度センサ203の検出結果に基づいて、適正な流量に調整することが可能になる。したがって、仮に、冷媒貯留容器105に滞留した混合流体の粘度が高かった場合においても、流量が著しく低下してしまうことを防ぐことができる。
例えば、冷媒貯留容器105に滞留した混合流体中の潤滑油の相対量が、比較的、多い場合、混合流体の粘度が高くなってしまう。そして、この混合流体が、バイパス回路200Bを流れると、管の内周壁との摩擦によって、著しく、混合流体の流量が低下してしまうおそれがある。これに対し、本実施の形態2においては、圧力センサ201及び温度センサ203の検出結果に基づいて、流量制御弁202を流れる混合流体の流量を、適正な流量に調整することができる。これにより、バイパス回路200Bに流れる冷媒の流量の著しい低下を防ぐことができる。
実施の形態3.
次に、本発明の実施の形態3の空気調和装置30について、図9を用いて説明する。なお、上記各実施の形態と同一又は同等の構成については、同一の符号を用いるとともに、その説明を省略又は簡略する。本実施形態に係る空気調和装置30は、冷媒搬送ポンプ107等に代わる膨張機301を備えている点で、実施の形態1に係る空気調和装置10と相違している。
空気調和装置30は、図9に示すように、主回路300Aとバイパス回路300Bとを有する冷凍サイクル装置300と、冷凍サイクル装置300を制御する制御ユニット150とを備えている。
主回路300Aは、実施の形態1又は2で説明した圧縮機101、凝縮器102、膨張弁103、蒸発器104、冷媒貯留容器105(アキュムレータ)、圧力センサ201を有している。
バイパス回路300Bは、流量制御弁202と、温度センサ203と、膨張機301とを有している。膨張機301は、凝縮器102より送出された冷媒を膨張させて、このときに生ずる膨張エネルギーを利用して、滞留した液体冷媒及び潤滑油を吸引する装置である。この膨張機301は、実施の形態2におけるエジェクタ250と同等の動作をする。
具体的には、膨張機301は、凝縮器102より送出された状態Sbの混合流体を吸引して、膨張させる。このときに生ずる状態Sbの混合流体の膨張エネルギーによって、冷媒貯留容器105の底部に滞留した状態Shの混合流体を吸引する。状態Shの混合流体は、流量制御弁202を経由することにより、状態Siに変化してから、膨張機301に流入する。膨張機301に流入した混合流体は、圧力等が上昇し、状態Siから状態Sjに変化する。これにより、状態Sjの混合流体が、内部熱交換器108に送出される。
以上、説明したように、本実施の形態3に係る冷凍サイクル装置300のバイパス回路300Bは、冷媒貯留容器105に滞留した液体冷媒及び潤滑油を吸引して送出する膨張機301を備えている。これにより、実施の形態1及び2と同様に、圧縮機101と冷媒貯留容器105との位置関係に関わらず、潤滑油を圧縮機101まで良好に戻すことができ、圧縮機101内に所定量の潤滑油を確保することが可能になる。ひいては、潤滑油の枯渇に起因する圧縮機101の可動部の焼付けを回避でき、冷凍サイクルの信頼性を向上させることができる。また、冷媒貯留容器105の配置を圧縮機101と同じ高さ若しくは下側に設置することができ、構造設計の自由度を向上させることができる。
また、本実施の形態3においては、膨張機301が、冷媒貯留容器105に滞留した液体冷媒及び潤滑油を吸引している。このため、例えば、搬送ポンプ等と異なり、液体冷媒及び潤滑油の吸引に用いる電源を不要とすることができ、冷凍サイクル装置300の動作に必要なコストを低減させることができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態等によって限定されるものではない。
例えば、本実施の形態1〜3においては、空気調和装置10、20、30は、バイパス回路を搬送される混合流体中の液体冷媒を気化するための構成として内部熱交換器108を備えている。しかしながら、液体冷媒を気化する気化装置であれば、内部熱交換器108に限らず、外気との間で熱を交換する装置等、他の構成であってもよい。
上記実施の形態で構成、フローチャートなどは適宜変更可能である。
例えば、図4の例では、温度差ΔTp1と設定値ΔTs1との大小関係により冷媒搬送ポンプ107の回転数を制御し、図8の例では、温度差ΔTp2と設定値ΔTs2との大小関係により流量制御弁202の開度を制御したが、制御の手法自体は任意である。例えば、所謂PID(Proportional Integral Differential)制御により、α・ΔTp1+β・∫Tp1dt+γ・dTp1/dt+ε、α・(ΔTp1−ΔTs1)+β・∫(Tp1dt−ΔTs1)+γ・d(Tp1−ΔTs1)/dt+ε、α・ΔTp2+β・∫Tp2dt+γ・dTp2/dt+ε、α・(ΔTp2−ΔTs2)+β・∫(Tp2dt−ΔTs2)+γ・d(Tp2−ΔTs2)/dt+εに基づいて冷媒搬送ポンプ107の回転数や流量制御弁202の開度を制御してもよい。なお、α、β、γ、εは任意の定数又は変数である。
また、本実施の形態1〜3においては、冷凍サイクル装置100、200、300の冷媒貯留容器105の底面は、水平な面として構成されているが、これに限らず、図10に示すように、冷媒貯留容器105の底部を、テーパ状としてもよい。これにより、冷媒貯留容器105に貯留されている液体冷媒及びそれに混入している潤滑油が、円錐形状のテーパ面に案内されて、流出しやすくなる。ひいては、冷凍サイクル装置の安定した動作が可能になる。また、冷媒貯留容器105の底部を、すり鉢形状としてもよい。
上記の実施形態で用いられるプログラムは、フレキシブルディスク(磁気記録ディスク等)、CD−ROM(Compact Disk Read-Only Memory)、DVD(Digital Versatile Disk)、MO(Magneto-Optical disk)等の記録媒体(コンピュータで読み取り可能な記録媒体)に格納されて配布可能にされたものであってもよい。この場合、そのプログラムを所定のコンピュータにインストールすることにより、上述の処理を実行することができる。また、上記の実施形態のプログラムは、通信ネットワーク(例えばインターネットやイントラネット等)上に設けられたサーバの記憶装置(ハードディスク等)に格納され、例えば搬送波に重畳されてローカルコンピュータにダウンロードされるものであっても、又は随時サーバから読み出されてローカルコンピュータで起動実行されるものであってもよい。なお、機能の一部をOS(Operating System)が担う場合には、OSが担う機能以外の部分のみを配布又は転送するようにしてもよい。
また、冷凍サイクル装置を空気調和装置に使用する例について説明したが、熱交換を必要とする他の任意の設備機器に利用可能である。例えば、給湯機、冷水機等の設備機器にも適用可能である。
本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施形態及び変形が可能とされるものである。上述した実施形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。
本発明の冷凍サイクル装置、設備機器、及び冷凍サイクル方法は、温調対象の温調に適している。
10、20、30 空気調和装置
100、200、300 冷凍サイクル装置
100A、200A、300A 主回路
100B、200B、300B バイパス回路
101 圧縮機
102 凝縮器
103 膨張弁
104 蒸発器
105 冷媒貯留容器
107 冷媒搬送ポンプ(搬送装置)
108 内部熱交換器(気化装置)
109a、109b 温度センサ
150 制御ユニット(制御部)
151 CPU
152 主記憶部
153 補助記憶部
154 受信ユニット
155 送信ユニット
156 バス
201 圧力センサ
202 流量制御弁
203 温度センサ
250 エジェクタ
251 ノズル部
251a 減圧部
251b 喉部
251c 末広がり部
252 混合部
253 ディフューザー部
254 流入部
255 吸引部
301 膨張機
Tk、Tj 温度
Tg 飽和温度
Pb、Pg、Pi、Pz 圧力
ΔTp1、ΔTp2 温度差
ΔTs1、ΔTs2 設定値

Claims (12)

  1. 冷凍サイクルを構成し、供給された冷媒を圧縮する圧縮機と、
    前記圧縮機の潤滑油が混入した冷媒を滞留させるとともに気体冷媒と液体冷媒とに分離させ、前記気体冷媒を前記圧縮機に送出する冷媒滞留容器と、
    前記冷媒滞留容器に滞留している前記液体冷媒と前記潤滑油とを含む混合流体を搬出する搬送装置と、
    前記搬送装置によって前記冷媒滞留容器から搬出された前記混合流体中の液体冷媒を気体冷媒に変化させる気化装置と、
    前記冷媒滞留容器と前記圧縮機との間の冷媒配管と、前記気化装置と、をつなぐバイパス回路と、
    前記気化装置から送出された前記冷媒の温度を計測する温度センサと、
    前記圧縮機に流入する前記冷媒の圧力を計測する圧力センサと、
    前記圧力センサが計測した圧力に基づいて、前記圧縮機に流入する冷媒の飽和温度を求め、前記温度センサが計測した温度と求めた飽和温度との差に基づいて、前記搬送装置が前記冷媒滞留容器から搬出する前記混合流体の流量を制御する制御部と、
    を有し、
    前記バイパス回路を経由して、前記気体冷媒を前記潤滑油とともに前記圧縮機に供給する冷凍サイクル装置。
  2. 冷凍サイクルを構成し、供給された冷媒を圧縮する圧縮機と、
    前記圧縮機の潤滑油が混入した冷媒を滞留させるとともに気体冷媒と液体冷媒とに分離させ、前記気体冷媒を前記圧縮機に送出する冷媒滞留容器と、
    前記冷媒滞留容器に滞留している前記液体冷媒と前記潤滑油とを含む混合流体を搬出する搬送装置と、
    前記搬送装置によって前記冷媒滞留容器から搬出された前記混合流体中の液体冷媒を気体冷媒に変化させる気化装置と、
    前記冷媒滞留容器と前記圧縮機との間の冷媒配管と、前記気化装置と、をつなぐバイパス回路と、
    を有し、
    前記バイパス回路を経由して、前記気体冷媒を前記潤滑油とともに前記圧縮機に供給し、
    前記搬送装置は、液体を搬送する搬送ポンプから構成されている、冷凍サイクル装置。
  3. 前記搬送装置は、前記圧縮機より送出された前記冷媒をノズル部から噴射することにより負圧を発生させ、前記負圧を利用して、前記冷媒滞留容器内に滞留している混合流体を吸引するエジェクタから構成されている、請求項1に記載の冷凍サイクル装置。
  4. 冷凍サイクルを構成し、供給された冷媒を圧縮する圧縮機と、
    前記圧縮機の潤滑油が混入した冷媒を滞留させるとともに気体冷媒と液体冷媒とに分離させ、前記気体冷媒を前記圧縮機に送出する冷媒滞留容器と、
    前記冷媒滞留容器に滞留している前記液体冷媒と前記潤滑油とを含む混合流体を搬出する搬送装置と、
    前記搬送装置によって前記冷媒滞留容器から搬出された前記混合流体中の液体冷媒を気体冷媒に変化させる気化装置と、
    前記冷媒滞留容器と前記圧縮機との間の冷媒配管と、前記気化装置と、をつなぐバイパス回路と、
    を有し、
    前記バイパス回路を経由して、前記気体冷媒を前記潤滑油とともに前記圧縮機に供給し、
    前記搬送装置は、前記圧縮機より送出された前記冷媒を膨張させるときに生ずる膨張エネルギーを利用して、前記冷媒滞留容器内に滞留している前記混合流体を吸引する膨張機から構成されている、冷凍サイクル装置。
  5. 前記搬送装置を流れる前記混合流体の流量を調節する流量調整弁をさらに備える、請求項又はに記載の冷凍サイクル装置。
  6. 前記圧縮機より送出された前記冷媒を凝縮する凝縮器と、
    前記凝縮器より送出された前記冷媒を膨張させる膨張弁と、
    前記膨張弁より送出された前記冷媒を蒸発させる蒸発器と、
    をさらに有し、
    前記冷媒滞留容器は、前記蒸発器より送出された前記冷媒を、前記気体冷媒と、前記液体冷媒及び前記潤滑油とに分離させる、
    請求項1からのいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
  7. 前記気化装置は、前記凝縮器によって凝縮された前記冷媒との熱交換により、前記搬送装置によって搬送されている前記混合流体の温度を上昇させる熱交換器から構成されている、
    請求項に記載の冷凍サイクル装置。
  8. 請求項1からのいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置を備える設備機器。
  9. 前記設備機器は、空間の温度を調和する空気調和装置から構成されている請求項に記載の設備機器。
  10. 供給された冷媒を圧縮する圧縮工程と、
    前記圧縮工程により圧縮された前記冷媒を凝縮する凝縮工程と、
    前記凝縮工程により凝縮された前記冷媒を膨張させる膨張行程と、
    前記膨張行程により膨張した前記冷媒を蒸発させる蒸発工程と、
    前記蒸発工程により蒸発した前記冷媒を、気体冷媒と、液体冷媒及び潤滑油とに分離させ、前記気体冷媒を圧縮機に送出するとともに、前記液体冷媒を前記潤滑油とともに滞留させる冷媒滞留工程と、
    前記冷媒滞留工程により滞留している前記液体冷媒を搬出する搬送工程と、
    前記搬送工程によって冷媒滞留容器から搬出された前記液体冷媒を気体冷媒に変化させ、前記圧縮工程による圧縮に供する気化工程と、
    前記気化工程で用いられる気化装置から送出された前記冷媒の温度を計測する温度計測工程と、
    前記圧縮機に流入する前記冷媒の圧力を計測する圧力計測工程と、
    前記圧力計測工程で計測された圧力に基づいて、前記圧縮機に流入する冷媒の飽和温度を求め、前記温度計測工程で計測された温度と求めた飽和温度との差に基づいて、前記搬送工程で冷媒滞留容器から搬出する前記液体冷媒の流量を制御する流量制御工程と、
    を有する冷凍サイクル方法。
  11. 供給された冷媒を圧縮する圧縮工程と、
    前記圧縮工程により圧縮された前記冷媒を凝縮する凝縮工程と、
    前記凝縮工程により凝縮された前記冷媒を膨張させる膨張行程と、
    前記膨張行程により膨張した前記冷媒を蒸発させる蒸発工程と、
    前記蒸発工程により蒸発した前記冷媒を、気体冷媒と、液体冷媒及び潤滑油とに分離させ、前記気体冷媒を圧縮機に送出するとともに、前記液体冷媒を前記潤滑油とともに滞留させる冷媒滞留工程と、
    前記冷媒滞留工程により滞留している前記液体冷媒を搬出する搬送工程と、
    前記搬送工程によって冷媒滞留容器から搬出された前記液体冷媒を気体冷媒に変化させ、前記圧縮工程による圧縮に供する気化工程と、
    を有し、
    前記搬送工程で用いられる搬送装置は、液体を搬送する搬送ポンプから構成されている、冷凍サイクル方法。
  12. 供給された冷媒を圧縮する圧縮工程と、
    前記圧縮工程により圧縮された前記冷媒を凝縮する凝縮工程と、
    前記凝縮工程により凝縮された前記冷媒を膨張させる膨張行程と、
    前記膨張行程により膨張した前記冷媒を蒸発させる蒸発工程と、
    前記蒸発工程により蒸発した前記冷媒を、気体冷媒と、液体冷媒及び潤滑油とに分離させ、前記気体冷媒を圧縮機に送出するとともに、前記液体冷媒を前記潤滑油とともに滞留させる冷媒滞留工程と、
    前記冷媒滞留工程により滞留している前記液体冷媒を搬出する搬送工程と、
    前記搬送工程によって冷媒滞留容器から搬出された前記液体冷媒を気体冷媒に変化させ、前記圧縮工程による圧縮に供する気化工程と、
    を有し、
    前記搬送工程で用いられる搬送装置は、前記圧縮機より送出された前記冷媒を膨張させるときに生ずる膨張エネルギーを利用して、前記冷媒滞留容器内に滞留している前記液体冷媒を前記潤滑油とともに吸引する膨張機から構成されている、冷凍サイクル方法。
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