JPH0214997B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、圧縮機、凝縮器、蒸発器、膨脹弁等
よりなる逆カルノーサイクル（ヒートポンプサイ
クル、冷凍サイクル等）を遂行する装置において
圧縮機を水車によつて駆動する場合の該装置の運
転方法の改良に関する。

（従来の技術） ヒートポンプ装置、冷凍装置等において負荷に
応じて装置の制御を行なう場合、圧縮機を部分負
荷制御するにあたり、容量制御と回転数制御の２
つの制御方式がある。前者は、容積型のスクリユ
ー圧縮機においては、スライド弁の位置を移動し
てガス圧縮量を連続無段階に制御するものであ
り、レシプロ圧縮機においては、気筒数ごとにア
ンロードして段階的に制御するものである。ま
た、後者は圧縮機の回転数を負荷に応じて増減さ
せてガス圧縮量を調整するものである。

しかしながら、一般に容積型圧縮機の部分負荷
効率は機械的な容量制御よりも回転数制御の方が
特性がよいことが知られている。第１図は、スク
リユー圧縮機を部分負荷において容量制御した場
合と回転数制御した場合の圧縮機駆動のために消
費される動力を比較したものである。レシプロ圧
縮機の容量制御においては気筒数毎に段階制御す
るので第１図の容量制御の曲線が段階的になるが
概括的にみれば図中の曲線と一致する。このよう
に回転数制御の方が特性が良いので、従来は、可
変速モータ又はエンジンなど回転数を任意に増減
できる駆動源を用いて制御うる方式が実施されて
いる。

しかしながら、このような回転数制御方式は原
動機として水車を利用する場合には問題がある。

次に第２図及び第３図によりこれを説明する。
第２図は、水車により適宜の負荷を駆動する場合
に、水量を次第に減少させながら、これに対応し
て負荷の方も減少させることにより、水車の回転
数を一定に保持する場合において、水量と水車効
率との関係が水車の回転数によりどのように変化
するかについて画いたものであり、また第３図は
第２図と同様な場合において、水量と水車の発生
動力との関係が水車の回転数によりどのように変
化するかについて画いたものであつて、両図にお
ける破線の曲線は、定格回転数よりも低い２つの
互いに異なる回転数を選び、かつそれらが夫々一
定である場合を表わしたものである。

第２図に示すように、水車の効率は水量が定格
水量よりも下まわる範囲においては、水量が減少
するに従い急激に低下する。また水車回転数を変
えた場合の水車効率は回転数を下げるに従つて定
格回転数の場合よりも下まわる傾向がある。また
第３図は、水車効率を100％としたときに得られ
る動力（出力）を100％とした場合の動力を示す
ものであるが、同図から分るように、水量、回転
数が低下したときの発生動力は定格回転数のとき
の発生動力よりも下まわる傾向がある。

従つて、冷凍又はヒートポンプ装置において圧
縮機を水車によつて駆動する場合、供給水が該水
車の定格水量より小となる範囲においては、回転
数制御方式は水車の回転数が低下するに従い、水
車効率の著しい低下を招き、ひいては逆カルノー
サイクルの成績係数の著しい低下をも招くという
問題点がある。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は、圧縮機を駆動する水車に対する供給
水が該水車の定格水量より小となる範囲におい
て、水車を一定の回転数に保つような制御を行な
うこととによつて前記従来技術の問題点を解決
し、回転数を変化させる運転方法よりもヒートポ
ンプサイクル、冷凍サイクル等の成績係数を向上
させることを目的とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 本発明は圧縮機を水車により駆動する逆カルノ
ーサイクル式装置の運転方法であつて次の構成か
らなるものである。

圧縮機を駆動する水車に対する供給水が該水車
の定格水量よりも小となる範囲において、 (a) 圧縮機の容量制御を行なつて水車の回転数を
一定に保つこと（第１の発明）。

(b) 装置の二次側負荷に応じる制御の信号と水車
の回転数を一定に保つための制御の信号とを比
較し、前記水車の回転数を一定に保つための制
御の信号の方がその制御量が大なるときは、該
信号を優先的に選択し、該信号によつて水車の
容量制御を行なつて水車の回転数を一定に保
ち、二次側負荷に応じる制御の信号によつては
装置の制御を行なわないようにすること（第２
の発明）。

(c) 装置の二次側負荷に応じる制御の信号と水車
の回転数を一定に保つための制御の信号とを比
較し、装置の二次負荷に応じる制御の信号の方
がその制御量が大なるときは、該信号を優先的
に選択し、該信号によつて圧縮機の容量制御を
行ない、該容量制御の結果として発生する水車
の回転数を一定に保つための制御の信号によつ
て水車の容量制御を行ない、水車の回転数を一
定に保つこと（第３の発明）。

本発明において、「定格水量」とは「設計水量」
のことで、水車によつて駆動される圧縮機が全負
荷で回転できる動力を発生し得る水量のことであ
り、「定格回転数」とは水車の効率が最大となる
回転数のことである。

（作用） 圧縮機を駆動する水車に対する供給水が該水車
の定格水量よりも小となる範囲において、圧縮機
の容量制御を行なうことにより水車の回転数を一
定に保つ運転が遂行される。

また前記の範囲において、装置の二次側負荷に
応じる制御の信号と水車の回転数を一定に保つた
めの制御の信号とを比較し、後者の制御信号の方
がその制御量が大であるときは、該信号を優先的
に選択し、該信号によつて水車の容量制御を行な
い、二次側負荷に応じる制御信号によつては装置
の制御を行なわしめないことにより水車の回転数
を一定に保つ運転が遂行される。

更にまた圧縮機を駆動する水車に対する供給水
が該水車の定格水量よりも小となる範囲におい
て、装置の二次側負荷に応じる制御の信号と水車
の回転数を一定に保つための制御の信号とを比較
し、前者の制御信号の方がその制御量が大である
ときは、該信号を優先的に選択し、該信号によつ
て圧縮機の容量制御を行ない、該容量制御の結果
として発生する水車の回転数を一定に保つための
制御信号によつて水車の容量制御を行なうことに
よつて、水車の回転数を一定に保つ運転が遂行さ
れる。

（実施例） 本発明の実施の一例を添付図面について説明す
る。第６図は水車駆動の冷凍又はヒートポンプ装
置の系統図であるが、先ずヒートポンプ装置の例
について説明する。１はスクリユー圧縮機、２は
凝縮器、３は膨脹弁、４は蒸発器であつて、スク
リユー圧縮機１で圧縮された冷媒は高圧ガス管１
８を経て凝縮器２に入り、流入管２０より凝縮器
内に流入する負荷流体に凝縮熱を与えて液化した
後、膨脹弁３を介して蒸発器４に導入され、流入
管２２より蒸発器４に流入する熱源流体より吸熱
して蒸発し低圧ガス管１９を経て再びスクリユー
圧縮機１に吸入される。２１は負荷流体の流出
管、２３は熱源流体の流出管である。６はスライ
ド弁制御用電磁弁、７はスクリユー圧縮機１のポ
テンシヨメータ、８はスクリユー圧縮機１の容量
調節器であつて、ローセレクタ９により選択され
た信号に基づいてスライド弁制御用電磁弁６を作
動し所定の容量制御を行なう。

１７は貯水槽、５は水車、１０は回転数検知
器、１１は変換器、１２は回転数調節計、１３は
ガイド弁制御用サーボモータ、１４は水車ガイド
弁ポテンシヨメータ、１５は水車の容量調節器、
１６は水位センサであつて、貯水槽１７から導水
管２４を経て導入される供給水はガイド弁制御用
サーボモータ１３の作動により水量を適当に制御
されて水車５に流入して動力を発生し、これによ
りスクリユー圧縮機１を回転させる。水車５から
流出した水は導出管２５を経て外部（河川等）へ
放出される。

なお、冬期河川水等の供給水の温度が＋５℃位
で外気温が０℃位或はそれより低ければ、ヒート
ポンプの熱源として十分に該供給水の熱を利用で
きる。このような場合は、低温の空気（外気）熱
源を利用するよりも経済的であり、熱交換器も小
さくてよいことになり霜の付着する心配もない。
一方河川放流の場所は氷と共にみぞれにして放出
することもできるので氷の潜熱として多量の熱が
得られる。従つて、このような場合には、切換弁
２６、流入管２７、弁２８を介して水車５からの
水を流入管２２に導入し蒸発器４において熱源流
体として利用することができる。

次に前記実施例の運転方法について説明する。
貯水槽１７からの供給水が必要に以上にある場合
は、水車の回転数が増加するようになるので、増
加分の変位を回転数調節計１２で検知し、この変
位分を減少させるように水車５の容量調節器１５
から水車ガイド弁サーボモータ１３に指令を出し
水量を減少させる。また、水車ガイド弁ポテンシ
ヨメータ１４でガイド弁の位置を検出し、常に一
定回転に維持できるように確認することができ
る。一方、供給水が減少した場合は、前記と反対
の制御を行なうことになる。

水車への供給水が水量不足により定格水量を下
まわる場合は、次のように運転する。供給水が定
格水量を大きく下まわり、例えば水量が50％前後
あるいはそれ以下に減少し、水車ガイド弁が全開
になつた後においては、水車５の回転数は一定回
転を維持できなくなり低下することになる。この
ような場合は、二次側の負荷が変動しなくても、
水車５にかかるヒートポンプのスクリユー圧縮機
１の動力負荷を軽減させ、二次側負荷の制御指令
より優先して水車５の回転数一定制御のための制
御指令を選択するようにする。すなわち、この場
合、二次側負荷３１からの指令よりも貯水槽１７
の水位センサ１６からの指令の方をローセレクタ
９で優先的に選択し容量調節器８に信号を送り、
それによりスライド弁を作動させて容量を絞るよ
うにする。

供給水の減少が前記のもの程ではない範囲にお
いて、供給水の水量減少と二次側負荷の増減変動
とに伴ない水位センサ１６で検出する信号と二次
側負荷３１で検出する信号のどちらかを優先的に
選択するかはロールセレクタ９で判断する。

例えば二次側負荷３１からの信号が負荷を40％
減少させる指令であり、水位センサ１６からの信
号が水量を20％減少させる指令である場合は、ロ
ーセレクタ９によつて二次側負荷３１からの信号
が優先的に選択され、この信号が容量調節器８に
導入されてスクリユー圧縮機１のスライド弁はそ
の負荷減少分だけ移動して圧縮機容量を絞る。こ
の場合、水車５の回転数が増加するのでこれを回
転数検知器１０で検知し、これが回転調節計１２
を介して容量調節器１５に指令として与えられる
ことによりガイド弁制御用サーボモータ１３が作
動して水車５への供給水量を減少させ、水車５の
回転数を一定に保つ。

前記と逆に、水位センサ１６からの信号が水量
を40％減少させる指令であり、二次側負荷３１か
らの信号が負荷を20％減少させる指令であるとき
は、前記と逆に水位センサ１６からの信号が優先
的に選択され、この信号に基づいて圧縮機容量が
絞られることになる。このときは二次側負荷３１
に対応できる能力は発揮できずこの負荷要求は犠
性にされることとなる。

前記のようにローセレクタ９で選択された信号
指令をスクリユー圧縮機１の容量調節器８に与
え、容量制御の増減をスライド弁制御用電磁片６
へON、OFFの指令となし、所定の位置にスライ
ド弁を移動させ、スライド弁が所定の位置になつ
ているかどうかをポテンシヨメータ７で検出す
る。

第４図は水車が定格回転数で回転し、圧縮機は
全負荷で運転されていた状態から水量を定格水量
より次第に減少させていくとき、水車の回転数を
一定にした場合と変化（減少）させた場合で、水
量とヒートポンプ加熱能力の関係がどのように変
化するかについて画いたものである。

水車が定格回転数で回転し、圧縮機は全負荷で
運転されていた状態から水量を減少させると、圧
縮機の動力は水車の発生動力を上まわることにな
るため、圧縮機と水車の動力がバランンスすると
ころまで回転数は下る（回転数が変化する）。従
つて水量を減少させていくと、水車の回転数は次
第に下つていく。このときは第３図から分るよう
に、回転数が低下することにより水車の発生動力
が低下するので、この水車によつて運転されるヒ
ートポンプの加熱能力は第４図の破線のように低
下する。

これに対し、水車が定格回転数で回転し、圧縮
機は全負荷で運転されていた状態から、水量を減
少させたとき、圧縮機を容量制御（スライド弁に
よりバイパスを開いてガスを低圧側へ逃し、吐出
容量を減少させる）して、水車を定格回転数にな
るように調整すると、水車は水量％に対して最高
の動力を発生することになる（第４図の実線）。
水量の減少につれて圧縮機の容量制御を大きくし
ていくことにより水車は常に定格回転数に保た
れ、常に最高の動力を発生できることになる。こ
のことは前記のように回転数が減少していく場合
に比べて、圧縮機が低水量までヒートポンプの加
熱能力を発揮できることを示している。これは第
５図の「拡張領域」により示されている。

以上のように、水量の不足する範囲において、
第４図、第５図に示すように、水車の回転数を一
定にする運転を行なうことにより、水車の回転数
を変化させる場合に比べて、水車の効率を高く保
つことができるので、水車の出力を二次負荷の広
い領域に亙つて大きく保つことができ、ひいては
ヒートポンプの成績係数も常に高く保つことがで
きる。

なお、前記の説明はヒートポンプ装置について
されたが、冷凍装置についても全く同様である。
なおまた、冷凍装置として運転するに際しては、
水車を駆動した後の水が低温度である場合には、
切換弁２６、流入管２７、流入管２９、弁３０を
介して流入管２０に導入し、凝縮器２において冷
却用流体として利用することにより冷凍効果を向
上させることができる。

また、本発明において使用する圧縮機はスクリ
ユー圧縮機のような容積型に限らず、レシプロ圧
縮機であつてもよく、該圧縮機であつてもその回
転数を制御するよりもその容量を制御する方が良
いことは前記のとおりであるからスクリユー圧縮
機と同様に本発明の運転方法に使用できるもので
ある。

〔発明の効果〕

本発明によれば、圧縮機を駆動する水車に対す
る供給水が該水車の定格水車より小なる範囲にお
いて、水車の回転数制御を行なうことなく、水車
の回転数を一定に保つように装置を運転すること
により、水車に対する供給水の水量の増減変動す
る広い範囲に亘つて逆カルノーサイクル装置の成
績係数を高く保持することができ、従つて装置の
運転可能な水量領域を拡張できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はスクリユー圧縮機の部分負荷特性図、
第２図は水車の効率図、第３図は水車の発生動力
図、第４図はヒートポンプの加熱能力図、第５図
は水車駆動の逆カルノーサイクルの成績係数図、
第６図は本発明の運転方法の実施に使用される水
車駆動の逆カルノーサイクルの系統図である。 １……圧縮機としてのスクリユー圧縮機、２…
…凝縮器、３……膨脹弁、４……蒸発器、５……
水車、８……スクリユー圧縮機の容量調節器、９
……ローセレクタ、１５……水車の容量調節器、
３１……二次側負荷。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 圧縮機を駆動する水車に対する供給水が該水
   車の定格水量よりも小となる範囲において、圧縮
   機の容量制御を行なつて水車の回転数を一定に保
   つことを特徴とする圧縮機を水車により駆動する
   逆カルノーサイクル式装置の運転方法。 ２ 圧縮機を駆動する水車に対する供給水が該水
   車の定格水量よりも小となる範囲において、装置
   の二次側負荷に応じる制御の信号と水車の回転数
   を一定に保つための制御の信号とを比較し、前記
   水車の回転数を一定に保つための制御の信号の方
   がその制御量が大なるときは、該信号を優先的に
   選択し、該信号によつて水車の容量制御を行なつ
   て水車の回転数を一定に保ち、二次側負荷に応じ
   る制御の信号によつては装置の制御を行なわない
   ことを特徴とする圧縮機を水車により駆動する逆
   カルノーサイクル式装置の運転方法。 ３ 圧縮機を駆動する水車に対する供給水が該水
   車の定格水量よりも小となる範囲において、装置
   の二次側負荷に応じる制御の信号と水車の回転数
   を一定に保つための制御の信号とを比較し、装置
   の二次側負荷に応じる制御の信号の方がその制御
   量が大なるときは、該信号を優先的に選択し、該
   信号によつて圧縮機の容量制御を行ない、該容量
   制御の結果として発生する水車の回転数を一定に
   保つための制御の信号によつて水車の容量制御を
   行ない、水車の回転数を一定に保つことを特徴と
   する圧縮機を水車により駆動する逆カルノーサイ
   クル式装置の運転方法。 ４ 水車を駆動した後の水をヒートポンプサイク
   ルの蒸発器に供給して給熱源として利用すること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第３項
   のいずれかに記載の圧縮機を水車により駆動する
   逆カルノーサイクル式装置の運転方法。 ５ 水車を駆動した後の水を冷凍サイクルの凝縮
   器に供給して冷却源として利用することを特徴と
   する特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれ
   かに記載の圧縮機を水車により駆動する逆カルノ
   ーサイクル式装置の運転方法。