WO2006085475A1

WO2006085475A1 - 冷凍サイクル装置

Info

Publication number: WO2006085475A1
Application number: PCT/JP2006/301804
Authority: WO
Inventors: Keizo Matsui
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date: 2005-02-10
Filing date: 2006-02-02
Publication date: 2006-08-17
Also published as: JP2008106946A

Abstract

　本発明の冷凍サイクル装置５００は、冷媒を圧縮する圧縮機５０１と、圧縮機５０１で圧縮された冷媒を冷却する放熱器５０２と、放熱器５０２を通過した冷媒を膨張させる膨張機５０３と、膨張機５０３で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器５０４と、膨張機５０３に接続されて冷媒の膨張力により発電する発電機５０７と、発電機５０７に流れる電流である発電機電流を検出する発電機電流センサ５０９と、蒸発器５０４における冷媒の蒸発温度を検出する第１温度センサ５１０と、発電機５０７の回転数を検出するコンバータ５０８と、放熱器５０２の出口温度を検出する第２温度センサ５１３とを備えている。コンバータ５０８は、発電機電流、冷媒の蒸発温度、発電機５０７回転数及び放熱器５０２の出口温度に基づき、冷凍サイクル効率を最大化するように、発電機５０７を介して膨張機５０３の回転数を制御する。

Description

明細書

冷凍サイクル装置

技術分野

[0001] 本発明は、冷凍サイクルを形成する冷凍サイクル装置に関し、特に超臨界冷媒を用いた蒸気圧縮式冷凍装置の効率を向上させる技術に関する。

背景技術

[0002] 従来の一般的な蒸気圧縮式冷凍装置を、図 8に示す。図 8の蒸気圧縮式冷凍装置は、圧縮機 101、放熱器 102、膨張弁 103、及び蒸発器 104から構成される。これらの要素は配管により連結され、冷媒が図示の白抜き矢印のように循環する。

[0003] 上記蒸気圧縮式冷凍装置の運転原理は次のとおりである。冷媒蒸気の圧力及び温度は圧縮機 101によって増大される。次いで、その冷媒蒸気が放熱器 102に入り、そこで冷却される。この後、高圧冷媒は膨張弁 103により蒸発圧力に絞られ、蒸発器 104において気化し、蒸発器 104の周囲から熱を吸収する。そして、蒸発器 104 の出口を通って冷媒蒸気は圧縮機 101に戻る。この冷媒には、例えば、オゾン層を破壊せず地球温暖化係数の小さい二酸化炭素が用いられることがある。

[0004] ただ、二酸化炭素を冷媒とする蒸気圧縮式冷凍装置は、フロンを冷媒とする冷凍装置に比べ、エネルギー効率を示す成績係数（C〇P : coefficient of performance)が低ぐ同等の冷凍能力を考えた場合、フロンを冷媒とする冷凍装置より多くの電力が必要になる。そのため、多くの化石燃料がエネルギーとして必要になり、冷媒自体の地球温暖化係数が小さくても、結果的に多くの二酸化炭素が排出される。そこで、蒸気圧縮式冷凍装置の C〇Pを向上させるために、レ、くつかの提案がなされている。

[0005] 一つの提案として、冷凍装置の運転状況に応じて冷凍サイクルを最適化する技術がある。冷凍サイクルの高圧側圧力が冷媒の臨界圧力以上となる冷凍装置では、特開 2000— 234814号公報に開示されているように、最も高い COPの得られる冷凍サイクルの高圧側圧力が運転状態に応じて定まる。そこで、 COPが最高となるように冷凍サイクルの高圧側圧力を設定するために、冷媒回路に設けられた膨張弁の開度や、膨張機をバイパスする冷媒量を変更する調節弁の開度を調節している。その際、この冷凍装置では、放熱器の出口において、冷媒の圧力を圧力センサで、冷媒の温度を温度センサでそれぞれ検出し、得られた検出値に基づいて膨張弁や調節弁の開度調節を行っている。

[0006] 他の一つの提案として、冷媒の膨張力を圧縮機の動力として直接利用する技術がある。そのような技術を採用した冷凍装置の例を、図 9に示す。この冷凍装置において、原動機 205によって駆動される圧縮機 201により、圧縮された冷媒が放熱器 202 で冷却される。その後、冷媒は、膨張比制御手段 203が取り付けられた膨張機 204 を通過する際に膨張し、主軸 213を介して圧縮機 201を駆動する。膨張機 204内で膨張した冷媒は、蒸発器 206内で外部より吸熱して気化した後、再び圧縮機 201へ戻る。このような構成の冷凍装置では、膨張機 204を使用することにより、冷媒の膨張力で圧縮機 201を補助駆動するため、総合的に使用されるエネルギー量は低減され、それにより COPを向上させている。

[0007] すなわち、図 10のモリエル線図に示すように、膨張弁を膨張手段として用いた場合には、冷媒は等ェンタルピー膨張するが、膨張機を用いることにより等エントロピー膨張する（図中の点線表示)。膨張機で回収された動力を利用することで、総合効率を向上させることができる。

[0008] また、冷媒の膨張力を電力の形で回収する技術もある。そのような技術を採用した冷凍装置の例を、図 11に示す。この冷凍装置では、原動機 405によって駆動される圧縮機 401により、圧縮された冷媒が放熱器 402で冷却され、その後、発電機 404 が取り付けられた膨張機 403を通過する際に、膨張機 403内で膨張して発電機 404 で電力を発生させ、蒸発器 406内で外部より吸熱して気化した後、再び圧縮機 401 へ戻る。冷媒の膨張力で発電機 404を回転させることにより電力を発生し、その電力を有効利用することにより総合的に使用されるエネルギー量は低減され、それにより COPを向上させている。

[0009] また、冷凍サイクルを最適化する技術は、図 9や図 11に示す冷凍装置にも適用される。図 9の冷凍装置では、放熱器 202の出口側の冷媒状態を温度センサ 211及び圧力センサ 212で検出している。温度センサ 211と圧力センサ 212からの信号を元に、演算手段 210は、膨張比制御手段 203を制御する。図 11の冷凍装置では、放熱器 402の出口側の冷媒状態を圧力センサ 410及び温度センサ 411で検出し、それら圧力センサ 410と温度センサ 411からの情報を元に、演算手段 409において最適圧力値を演算する。そして演算手段 409からの信号に基づいて、回転数制御手段 412は、発電機 404の回転数を制御する。このようにすれば、冷凍サイクルの高圧側圧力が最適化されて C〇Pが向上する。

発明の開示

[0010] 既に説明したように、冷凍サイクルの高圧側圧力が冷媒の臨界圧力以上となる冷凍サイクル装置では、 COPが最も高くなる冷凍サイクルの高圧側圧力がある値に定まるため、システムの効率を最高に保っためには、冷凍サイクルの高圧側圧力を制御する必要がある。冷凍サイクルの高圧側圧力を制御するには、その高圧側圧力を圧力センサで測定して、圧縮機や膨張機の回転数を制御するコントローラにフィードバックをかければょレ、と考えられる。

[0011] ところ力 s、冷凍サイクルの高圧側圧力を圧力センサで測定することが、技術的側面及び経済的側面の両側面で難しい。例えば、二酸化炭素を冷媒に用いた冷凍サイクルの高圧側圧力は数 MPaと大きぐこうした圧力範囲で使用できる小型の圧力センサは非常に高価である。また、圧力センサを配管に備え付ける場合には、冷媒漏洩の可能性があり、システムの信頼性が低くなつてしまう問題もある。こうした問題があるので、冷凍サイクルの高圧側圧力を知るために圧力センサを使用することが、必ずしも適切であるとはいえない。

[0012] 確かに、圧力センサを使用せずに冷凍サイクルの高圧側圧力を見出す方法が無いわけではない。例えば、特開 2004— 3692号公報に記載されている冷凍装置では、モータの消費電力と、蒸発器における冷媒の蒸発温度と、冷凍サイクルの高圧側圧力との相関関係を予めシミュレーションや実験で調べてテーブル化（データベース化 )しておき、そのテーブルを参照することで冷凍サイクルの高圧側圧力を推定している。

[0013] ただし、この文献に開示されている発明は、冷媒を膨張弁で膨張させる冷凍装置、あるいは膨張機と圧縮機とをシャフトで連結した型式の冷凍装置を対象としている。膨張機と圧縮機とを分離した型式の冷凍装置（図 11参照）では、回生電力を作り出す膨張機の取り扱いが問題となり、上記文献に開示された技術をそっくり適用できる力どうかは疑わしい。さらに、現実の冷凍装置では、冷媒量のバラツキや各種損失の影響が非常に大きいので、上記文献に開示されているテーブル方式では圧力推定精度を高めにくいとレ、う問題もある。

[0014] 上記のような問題に鑑み、本発明は、冷凍サイクル装置において、圧力センサを使用せずとも、冷凍サイクル効率を最大化できるようにすることを目的とする。特に、膨張機と圧縮機とを分離し、冷媒の膨張力を電力の形で回収する型式の冷凍サイクル装置に好適な技術を提供することを目的とする。

[0015] すなわち、本発明は、

冷媒を圧縮する圧縮機と、

圧縮機で圧縮された冷媒を冷却する放熱器と、

放熱器を通過した冷媒を膨張させる膨張機と、

膨張機で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器と、

膨張機に接続されて冷媒の膨張力により発電する発電機と、

発電機に流れる電流である発電機電流を検出する発電機電流検出手段と、蒸発器における冷媒の蒸発温度を検出する蒸発温度検出手段と、

発電機の回転数を識別する発電機回転数識別手段と、

放熱器の出口温度を検出する放熱器出口温度検出手段と、

発電機電流、蒸発温度、回転数及び出口温度に基づき、冷凍サイクル効率を最大化するように、発電機を介して膨張機の回転数を制御する膨張機制御手段と、を備えた、冷凍サイクル装置を提供する。

[0016] また、他の側面において本発明は、

冷媒を圧縮する圧縮機と、

圧縮機を駆動するモータと、

圧縮機で圧縮された冷媒を冷却する放熱器と、

放熱器を通過した冷媒を膨張させる膨張機構と、

膨張機構で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器と、

モータに流れる電流であるモータ電流を検出するモータ電流検出手段と、蒸発器における冷媒の蒸発温度を検出する蒸発温度検出手段と、モータの回転数を識別するモータ回転数識別手段と、

放熱器の出口温度を検出する放熱器出口温度検出手段と、

モータ電流、蒸発温度、回転数及び出口温度に基づき、冷凍サイクル効率を最大化するように、膨張機構を制御する膨張機構制御手段と、

を備えた、冷凍サイクル装置を提供する。

[0017] また、他の側面において本発明は、

冷媒を圧縮する圧縮機と、

圧縮機を駆動するモータと、

圧縮機で圧縮された冷媒を冷却する放熱器と、

放熱器を通過した冷媒を膨張させる膨張機と、

膨張機で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器と、

発電機の回転数を識別する発電機回転数識別手段と、

放熱器の出口温度を検出する放熱器出口温度検出手段と、

発電機電流、蒸発温度、回転数及び出口温度に基づき、冷凍サイクル効率を最大化するように、モータを介して圧縮機の回転数を制御する圧縮機制御手段と、を備えた、冷凍サイクル装置を提供する。

[0018] 上記本発明は、冷媒の膨張力を電力の形で回収する機能を有し、かつ膨張機と圧縮機とが分離してレ、る型式の冷凍サイクル装置を提供する。膨張機に接続された発電機を流れる電流、又は圧縮機を駆動するモータに流れる電流を検出し、検出した電流に基づいて、冷凍サイクル効率を最大化するように、膨張機 (膨張機構)又は圧縮機の回転数を制御する。このようにすれば、冷凍サイクルの高圧側圧力を測定するのに圧力センサが不要となり、低コストで、冷媒漏洩の可能性が低い、高信頼性の冷凍サイクル装置を実現できる。

図面の簡単な説明 [0019] [図 1]図 1は、本発明による第 1実施形態の冷凍サイクル装置を示すブロック図である

[図 2]図 2は、インバータとコンバータの電気的接続関係を示すブロック図である。

[図 3]図 3は、放熱器出口圧力、放熱器出口温度及び冷凍サイクル効率の関係の一例を示す図である。

[図 4]図 4は、コンバータによる最適圧力制御の手順を示すフローチャートである。

[図 5]図 5は、インバータ及びコンバータによる限界圧力制御の手順を示すフローチヤートである。

[図 6]図 6は、本発明による第 2実施形態又は第 3実施形態の冷凍サイクル装置を示すブロック図である。

[図 7]図 7は、本発明による第 4実施形態の冷凍サイクル装置を示すブロック図である

[図 8]図 8は、従来の蒸気圧縮式冷凍装置を示すブロック図である。

[図 9]図 9は、膨張機を用いた従来の冷凍空調装置を示すブロック図である。

[図 10]図 10は、冷凍サイクルにおける CO冷媒の状態を表すモリエル線図である。

[図 11]図 11は、膨張機を用いた従来の別の冷凍空調装置を示すブロック図である。発明を実施するための最良の形態

[0020] (第 1実施形態）

以下、本発明の第 1実施形態について図面を参照しながら説明する。

図 1に示す冷凍サイクル装置 500は、冷媒を圧縮する圧縮機 501と、圧縮機 501を駆動するモータ 505と、圧縮機 501で圧縮された冷媒を冷却する放熱器 502と、放熱器 502を通過した冷媒を膨張させる膨張機 503と、膨張機 503の作動により発電する発電機 507と、冷媒を蒸発させる蒸発器 504と、以上の各要素間に冷媒を循環させる配管 515とを備えている。これらの要素は、冷凍サイクルを形成する。使用する冷媒の種類は特に限定されないが、例えば、冷凍サイクルの高圧側圧力が臨界圧力以上となる二酸化炭素を挙げることができる。二酸化炭素は、オゾン層を破壊せず地球温暖化係数が小さいためフロンに替わる冷媒として好適である。

[0021] 圧縮機 501とモータ 505とは、共通のシャフト 520で連結されており、同期回転する。同様に、膨張機 503と発電機 507とは、共通のシャフト 521で連結されており、同期回転する。圧縮機 501及び膨張機 503は、例えば、ロータリ型（回転ピストン型、スィング型）である。モータ 505 (及び発電機 507)は、例えば、 DCブラシレスモータや誘導モータである。

[0022] また、冷凍サイクル装置 500は、モータ 505を介して圧縮機 501の回転数を制御する圧縮機制御手段としてのインバータ 506と、発電機 507を介して膨張機 503の回転数を制御する膨張機制御手段としてのコンバータ 508とを備えてレ、る。これらの要素は、回転駆動系を形成する。インバータ 506は、モータ 505の駆動を制御するマイクロコンピュータ等の制御系を含むインバータュニットとして構成されている。同様に、コンバータ 508は、発電機 507の駆動を制御するマイクロコンピュータ等の制御系を含むコンバータユニットとして構成されている。

[0023] 図 2に示すように、インバータ 506とコンバータ 508とは、電気的に接続されている。

インバータ 506及びコンバータ 508を含む図 2の電気回路において、交流電源 801 からの交流電力は、整流回路 802及び平滑コンデンサ 803で直流電力に変換され、スイッチング素子群 804を有するインバータ 506を介してモータ 505に供給される。これと並行して、発電機 507からの交流電力は、スイッチング素子群 805を有するコンバータ 508で直流電力に変換され、インバータ 506を介してモータ 505に供給される

[0024] さらに、冷凍サイクル装置 500は、発電機 507に流れる電流である発電機電流を検出する発電機電流センサ 509 (発電機電流検出器）と、蒸発器 504内に配置されて蒸発器 504における冷媒の蒸発温度を検出する第 1温度センサ 510 (蒸発温度検出器）と、冷凍サイクルの高圧側圧力を推定するマイクロコンピュータ 511 (圧力推定手段）と、放熱器 502と膨張機 503との間に配置されて放熱器 502の出口温度を検出する第 2温度センサ 513 (放熱器出口温度検出器）と、冷凍サイクル効率を最大にする最適圧力値を算出するマイクロコンピュータ 512 (最適圧力算出手段）とを備えている。これらの要素は、制御系を形成する。

[0025] 各温度センサ 510， 513からの信号は、図示しない A/D変換回路で 2値化されてマイクロコンピュータ 511， 512に入力される。同様に、発電機電流センサ 509からの信号は、図示しない A/D変換回路で 2値化されてマイクロコンピュータ 511及びコンバータ 508に入力される。さらに、マイクロコンピュータ 511は、コンバータ 508力発電機 507の回転数に関する情報を取得する。そして、マイクロコンピュータ 511は、第 1温度センサ 510より得られる蒸発温度から冷凍サイクルの低圧側圧力を推定するとともに、発電機電流、低圧側圧力及び発電機 507の回転数に基づき、冷凍サイクルの高圧側圧力を推定する。冷凍サイクルの低圧側においては、冷媒が気液 2相流の状態であるため、蒸発温度と圧力とが 1対 1で対応している。例えば、蒸発温度と圧力とを対応付けたテーブルをメモリに格納しておき、このテーブルを参照することで、蒸発温度から低圧側圧力を見出すという方法を採用できる。

[0026] なお、発電機電流センサ 509は、 u相、 V相及び w相のうちの少なくとも 2相の相電流を個別に検出する構成になっている。同様の電流センサは、図 2に示すように、圧縮機 501側にも、モータ電流センサ 909として設けられている。

[0027] 一方、マイクロコンピュータ 512は、第 2温度センサ 513が検出する放熱器出口温度から、冷凍サイクル効率を最大にする最適な高圧側圧力を推定 (算出）する。図 3 に示すように、冷凍サイクル効率が最大になる高圧側圧力は、放熱器出口温度に対応して定まる。そのため、冷凍サイクル効率の最大化には、高圧側圧力が必要となる。本実施形態の冷凍サイクル装置 500においては、マイクロコンピュータ 512が推定した高圧側圧力を用い、冷凍サイクル効率が最大となるように、発電機 507を介して膨張機 503の回転数をコンバータ 508で制御する。

[0028] なお、 2つのマイクロコンピュータ 511, 512が実現するべき各機能、すなわち、冷凍サイクルの高圧側圧力を推定する機能や、冷凍サイクル効率を最大にする最適圧力値を算出する機能に対応するプログラムモジュールは、当該マイクロコンピュータ 5 11 , 512が備える記憶装置に格納されている。マイクロコンピュータ 511 , 512は、各プログラムを必要に応じて呼び出して実行することにより、各機能を実現する。また、 2つのマイクロコンピュータ 511 , 512は、一方を他方に兼用させることができる。さらに、これらの一方又は両方を、例えば、コンバータ 508に含まれるマイクロコンピュータに兼用させることができる。

[0029] 次に、冷凍サイクル装置 500の動作について説明する。図 1に示すように、インバータ 506により駆動されるモータ 505と軸結合された圧縮機 501により、圧縮された高圧の冷媒は放熱器 502で冷却され、その後、コンバータ 508が電気接続された発電機 507と軸接続された膨張機 503を通過する。このとき冷媒は膨張機 503内で膨張して低圧となり、蒸発器 504内で外部より吸熱して気化した後、再び圧縮機 501へ戻る。

[0030] コンバータ 508は、発電機電流センサ 509により検出される電流値を使用して、磁極位置に同期させて発電機 507の駆動を制御する。コンバータ 508から発電機 507 に出力される交流の周波数は、発電機 507の回転数に対応するため、発電機 507の回転数の情報はコンバータ 508において常に保有される情報となっている。つまり、コンバータ 508は、発電機 507の回転数を常時識別する発電機回転数識別手段としての役割を担う。同様の理由により、インバータ 506は、モータ 505の回転数を常時識別するモータ回転数識別手段としての役割を担う。なお、モータ 505や発電機 50 7が同期機でなく誘導機である場合、インバータ 506やコンバータ 508は、例えば、各相の卷線の誘起電圧値からモータ 505や発電機 507の回転数を推定するように構成することができる。もちろん、エンコーダ等の検出器を用いて回転数を検出及び識別するようにしてもよい。

[0031] 一方、マイクロコンピュータ 511は、コンバータ 508より発電機 507の回転数に関する情報を得て、高圧側圧力を推定する処理に利用する。コンバータ 508による発電機 507の回転数制御は、マイクロコンピュータ 511により推定した推定圧力値力マイク口コンピュータ 512により算出した最適圧力値に近づくように (好ましくは一致するように）実施される。

[0032] 次に、マイクロコンピュータ 511が実行する処理について説明する。

圧力推定手段としてのマイクロコンピュータ 511は、発電機電流センサ 509が検出する発電機電流、第 1温度センサ 510が検出する蒸発温度及びコンバータ 508から取得する発電機 507の回転数に基づいて、冷凍サイクルの高圧側圧力を推定する。冷凍サイクルの高圧側圧力を推定する処理は、発電機 507のシャフト 521に加わるトルクが、発電機電流に比例するとともに、冷凍サイクルの高圧側圧力及び低圧側圧力と、発電機 507の回転数とに応じて定まることを利用した演算による。このような手法によれば、圧力センサを用いなくとも、冷凍サイクルの高圧側圧力を相当正確に推定することが可能である。こうして求めた高圧側圧力を用いれば、冷凍サイクル効率の最大化を一層正確に行えるようになる。

[0033] 具体的に、膨張機 503のシャフト 521に加わる膨張機トルク Texpは、発電機電流センサ 509により検出した発電機 507の発電機電流 Iexpと、発電機 507に固有のトルク定数 Ktとを用いて、（式 1)の関係式から求められる。

Texp = Kt X Iexp- - - (式 1)

[0034] ここで用いる"発電機電流 Iexp"は、相電流実効値の 3^1/2倍に対応する。

[0035] 一方、冷凍サイクルの低圧側圧力 Psと、膨張機トルク Texpと、膨張機 503の吸入容積 Vexpと、断熱係数 kと、冷凍サイクルの高圧側圧力 Pdと、発電機 507の回転数 fとの間には、（式 2)の関係式が成り立つ。

Texp = k/ (k— 1) X Ps XVexp X { (Pd/Ps) ^(k_1)A- 1 }/ (2 π f) · · · (式 2)

[0036] 冷凍サイクルの低圧側圧力 Psは、冷媒が気液 2相流の状態であるため、前述したように、飽和温度と圧力との関係を用いて、蒸発器 504の蒸発温度より蒸発圧力として求めることができる。また、膨張機 507の吸入容積 Vexpは設計値である。断熱係数 kは、冷媒の定圧比熱 Cpと定積比熱 Cvの比である。発電機 507の回転数 fは、コンバータ 508が持っている情報である。したがって、（式 1)及び（式 2)から、冷凍サイクルの高圧側圧力 Pdが求まる。

[0037] このように、冷媒の膨張力によって膨張機 507のシャフト 521に加わるトノレク Texp 力発電機電流 Iexpに比例するとともに、冷凍サイクルの高圧側圧力 Pd及び低圧側圧力 Psと、膨張機 507の吸入容積 Vexpと、断熱係数 Kと、膨張機 507の回転数 f に応じて定まることを利用した演算により、高圧側圧力 Pdを推定することができる。

[0038] 次に、マイクロコンピュータ 512が実行する処理について説明する。図 3は、放熱器出口圧力、放熱器出口温度及び冷凍サイクル効率の関係の一例を示す図である。マイクロコンピュータ 512は、放熱器 502の出口側に設けられた第 2温度センサ 513 により検出した放熱器出口温度の値と、マイクロコンピュータ 511により推定した高圧側圧力の推定圧力値 (すなわち、放熱器出口圧力に相当する値）とから、図 3に示すような最適効率圧力線のデータに従って、冷凍サイクル効率を最大にする最適圧力値を算出する。

[0039] 次に、コンバータ 508による最適圧力制御について説明する。

図 4は、コンバータ 508による最適圧力制御の手順を示すフローチャートであり、コンバータ 508における冷凍サイクル効率を最大にする膨張機回転数の制御手順を示している。

[0040] まず、ステップ 101において、コンバータ 508は、圧力推定手段としてのマイクロコンピュータ 511が推定した推定圧力値 (冷凍サイクルの高圧側圧力）を読み込む。次に、ステップ 102において、最適圧力算出手段としてのマイクロコンピュータ 512が算出した、冷凍サイクル効率を最大にする最適圧力値を読み込む。

[0041] 次に、現在の推定圧力値が、最適圧力値より大力 vj、かをステップ 103にて判定する。推定圧力値が最適圧力値よりも大きい場合には、推定圧力値を下げるように、ステップ 104にて膨張機 503の回転数が増加される。それにより、膨張機 503における入口と出口の圧力差が低減され、結果として冷凍サイクルにおける高圧側圧力が低下していく。

[0042] 一方、推定圧力値が最適圧力値よりも小さい場合には、推定圧力値を上げるように、ステップ 105にて膨張機 503の回転数が低減される。それにより、膨張機 503における入口と出口の圧力差が増加され、結果として冷凍サイクルにおける高圧側圧力が上昇していく。これらの処理が実行されることにより、放熱器 502の出口圧力、すなわち冷凍サイクルの高圧側圧力は、冷凍サイクル効率を最大にするような圧力に制御される。

[0043] (第 1実施形態の変形例）

図 4に示す処理に代えて、図 5に示す処理をコンバータ 508が実行する構成としてもよレ、。図 5のフローチャートに示す処理は、マイクロコンピュータ 511により推定した推定圧力値が所定の限界圧力値を超えた場合、その推定圧力値に応じて発電機 5 07を介して膨張機 503の回転数を操作することにより、推定圧力値を限界圧力値以下に制御するための処理である。

[0044] まず、ステップ 201において、コンバータ 508は、圧力推定手段としてのマイクロコンピュータ 511が推定した推定圧力値 (冷凍サイクルの高圧側圧力）を読み込む。次に、現在の推定圧力値が、予め決めた所定の限界圧力値より大か小かを、ステップ 2 02にて判定する。推定圧力値が限界圧力値よりも小さい場合は、制御終了に進む。

[0045] 一方、推定圧力値が限界圧力値よりも大きい場合には、ステップ 203にて、高圧側圧力を下げるように、コンバータ 508は膨張機 503の回転数を増加する制御を行う。コンバータ 508による膨張機 503の回転数制御に代えて、又はこれとともにインバータ 506が圧縮機 501の回転数を低減する制御を行うようにしてもよレ、。こうした回転数制御により、圧縮機 501における入口と出口の圧力差、及び膨張機 503における入口と出口の圧力差が低減され、結果として冷凍サイクルにおける高圧側圧力が低下していく。このようにすれば、推定圧力値が予め定めた限界圧力値を超えた場合には、圧縮機 501及び Z又は膨張機 503の回転数を増減する処理が実施されるので、冷凍サイクルの高圧側圧力が冷凍サイクル効率を最大にする最適圧力値に近づく。高価な圧力センサなしでも冷凍サイクル効率を高効率に保ちながら、高圧側圧力を限界圧力以下に制限することができ、ひいては高効率で信頼性の高い冷凍サイクル装置が実現される。

[0046] もちろん、上記ステップ 203を、インバータ 506による圧縮機 501の回転数制御と、コンバータ 508による膨張機 503の回転数制御との、一方のみ行うステップとしても、同様の限定圧力制御が可能である。

[0047] 次に、インバータ 506及びコンバータ 508の動作について説明する。

図 2に示すように、交流電源 801からの交流電圧は、整流回路 802で直流電圧に整流される。直流電圧は、平滑コンデンサ 803により平滑化されたあと、インバータ 5 06により 3相の交流電圧に変換され、この交流電圧によりモータ 505が駆動される。そして、モータ 505の駆動により圧縮機 501が圧縮機能を果たす。

[0048] インバータ 506は、直流電圧を交流に変換するためのスイッチング素子群 804などから構成されており、モータ電流センサ 909 (モータ電流検出器）により検出されたモータ電流などの情報を用いて、所定の交流周波数を実現するように、 PWM (Pulse Width Modulation)方式でスイッチング素子群 804をオンオフする。

[0049] 一方、膨張機 503により動力を回収するために設置された発電機 507には、その発電機 507により発電される 3相交流電力を直流に変換するためのコンバータ 508 が接続されている。コンバータ 508は、発電機 507により発電される交流電力を直流に変換するとともに、発電機電流センサ 509により検出された発電機電流等の情報を用いて、内部に構成されたスイッチング素子群 805を PWM方式でスイッチングすることにより、設定した目標回転数で発電機 507を回転させる。コンバータ 508による発電機 507の回転数制御によって、発電機 507を介して膨張機 503の回転数を制御することが可能となり、発電機 507に軸接続された膨張機 503が置かれたシステムにおいて、膨張機 503を最適な回転数で駆動する。

[0050] また、コンバータ 508からの直流出力は、整流回路 802とインバータ 506との間の直流電力ラインに接続されているので、コンバータ 508から回生された電力は、インバータ 506を経てモータ 505の駆動エネルギーとして消費される。

[0051] (第 2実施形態）

以下、本発明の第 2実施形態について図面を参照しながら説明する。

図 6に示す冷凍サイクル装置 600は、モータ電流センサ 909が検出するモータ電流を用いて、冷凍サイクルの高圧側圧力を推定し、その推定した高圧側圧力に基づいて膨張機 503の回転数を制御するように構成されている。具体的には、マイクロコンピュータ 514が、モータ電流、冷媒の蒸発温度及びモータ 505の回転数に基づいて、冷凍サイクルの高圧側圧力を推定する圧力推定手段としての役割を担う。コンパータ 508による発電機 507の回転数制御は、マイクロコンピュータ 514により推定した推定圧力値が、マイクロコンピュータ 512により算出した最適圧力値に近づくように（好ましくは一致するように）実施される。他の構成や動作は第 1実施形態と同じであり、その詳細説明を省略する。

[0052] マイクロコンピュータ 514は、モータ電流センサ 909により検出したモータ 505を流れる電流（モータ電流）、第 1温度センサ 510により検出した蒸発温度、及びモータ 5 05の回転数の情報を用いて、冷凍サイクルの高圧側圧力を推定する。第 1実施形態で既に説明したように、まず、圧縮機トルクがモータ電流に比例することを利用する。圧縮機 501のシャフト 520に加わる圧縮機トルク Tcompは、モータ電流センサ 909 により検出したモータ電流 Icompと、モータ 505に固有のトルク定数 Kmとを用いて、 (式 3)の関係式から求められる。 Tcomp = Km X Icomp · · · (式 3)

[0053] 一方、冷凍サイクルの低圧側圧力 Psと、圧縮機トルク Tcompと、圧縮機 501の設計値である吸入容積値 Vcompと、断熱係数 kと、高圧側圧力 Pdと、モータ 505の回転数 fとの間には、（式 4)の関係式が成り立つ。

Tcomp = k/ (k- l) X Ps X Vcomp X { (Pd/Ps) ^(W)A- 1 } / (2 π f) . · · ( 式 4)

[0054] 冷凍サイクルの低圧側圧力 Psは、前述したように、蒸発器 504の蒸発温度より蒸発圧力として求めることができる。圧縮機 501の吸入容積 Vcompは設計値である。断熱係数 kも前述したように既知である。また、インバータ 506は、モータ電流センサ 90 9により検出される電流値を使用してモータ 505の磁極位置に同期させて駆動を制御している。インバータ 506からモータ 505に出力される交流の周波数力モータの回転数に対応するため、モータの回転数の情報はインバータ 506において常に保有される情報となっている。したがって、（式 3)及び（式 4)から、冷凍サイクルの高圧側圧力 Pdが求まる。なお、前述したように、モータ 505は誘導機であってもよい。

[0055] このように、モータ 505の駆動によって圧縮機 501のシャフト 520に加わるトルク Tc ompが、モータ電流 Icompに比例するとともに、冷凍サイクルの高圧側圧力 Pd及び低圧側圧力 Psと、圧縮機 501の吸入容積 Vcompと、断熱係数 Kと、モータ 505の回転数 fとに応じて定まることを利用した演算により、高圧側圧力 Pdを推定することができる。

[0056] そして、コンバータ 508は、マイクロコンピュータ 514により推定した推定圧力値が、マイクロコンピュータ 512が算出した最適圧力値に近づくように（好ましくは一致するように）、発電機 507を介して膨張機 503の回転数を制御する。こうした制御については、第 1実施形態と同様である。

[0057] (第 2実施形態の変形例）

第 1実施形態と同様に、図 5に示す処理をコンバータ 508が実行する構成としてもよい。すなわち、マイクロコンピュータ 511により推定した推定圧力値が所定の限界圧力値を超えた場合、その推定圧力値に応じて発電機 507を介して膨張機 503の回転数を操作することにより、推定圧力値を限界圧力値以下に制御する。もちろん、モータ 505を介して圧縮機 501の回転数を操作することもできる。具体的な説明は、第 1実施形態で行ったので、ここでは繰り返さない。

[0058] (第 3実施形態）

第 3実施形態の冷凍サイクル装置 700の構成は、基本的には第 2実施形態の冷凍サイクル装置 600と同様である。冷凍サイクル装置 700の特徴は、第 1実施形態の制御と、第 2実施形態の制御とを合体させたような制御を行う点にある。

[0059] 冷凍サイクル装置 700のマイクロコンピュータ 516は、まず、発電機 507を流れる発電機電流、冷媒の蒸発温度及び発電機 507の回転数に基づいて、冷凍サイクルの高圧側圧力を推定する。この点については、第 1実施形態と同様である。すなわち、マイクロコンピュータ 516は、冷媒の膨張力によって膨張機 503のシャフト 521に加わるトノレクが、発電機電流に比例するとともに、冷凍サイクルの高圧側圧力及び低圧側圧力と、回転数とに応じて定まることを利用した演算により、高圧側圧力を推定する。

[0060] 一方、圧縮機制御手段としてのインバータ 506は、マイクロコンピュータ 516による推定圧力値が冷凍サイクル効率を最大にする最適圧力値に近づくように (好ましくは一致するように）、圧縮機 501の回転数を制御する。この点については、第 2実施形態と同様である。このような構成の冷凍サイクル装置 700によっても、圧力センサなしで冷凍サイクルを制御する（最適化する）ことが可能であり、冷凍サイクルの高効率化と高信頼性化、及び冷凍サイクル装置の低コスト化を実現することができる。

[0061] なお、図 5に示す処理は、インバータ 506が実行する構成としてもよレ、。すなわち、マイクロコンピュータ 516により推定した推定圧力値が所定の限界圧力値を超えた場合、インバータ 506は、その推定圧力値に応じてモータ 505を介して圧縮機 501の回転数を操作することにより、推定圧力値を限界圧力値以下に制御する。具体的な説明は、第 1実施形態を援用する。

[0062] 以上、本実施形態では、コンバータ 508により膨張機 507の回転数を制御する構成、又はインバータ 506により圧縮機 501の回転数を制御する構成で説明したが、発電機 507及び/又はモータ 505に流れる電流を直接制御する構成としても、第 1 及び第 2実施形態と同様の作用効果が得られる。

[0063] (第 4実施形態）これまで説明してきた構成は、動力回収を行わない冷凍サイクル装置、すなわち、膨張機の代わりに膨張弁を用いた冷凍サイクル装置にも好適に採用できる。図 7に示す冷凍サイクル装置 800は、膨張機構として、膨張機の代わりに膨張弁 802を用レ、ている。膨張弁 802は、開度が可変であり、膨張機構制御手段としてのマイクロコンピュータ 804によって開度が制御される。圧力推定手段としてのマイクロコンピュータ 514は、モータ電流、冷媒の蒸発温度及びモータ 505の回転数に基づいて、冷凍サイクルの高圧側圧力を推定し、マイクロコンピュータ 804に渡す。マイクロコンピュータ 804は、取得した推定圧力値が冷凍サイクル効率を最大にする最適圧力値に近づくように、膨張弁 802の開度を制御する。高圧側圧力を推定する手順等は、既に説明した通りである。なお、図 7中に示す 3つのマイクロコンピュータ 512, 514, 804 は、 1つに集約することが望ましい。

[0064] さらに、冷凍サイクル装置 800において、先の実施形態で既に説明した限界圧力制御を行うようにしてもよレ、。すなわち、マイクロコンピュータ 514による推定圧力値が所定の限界圧力値を超えた場合には、その推定圧力値が限界圧力値以下となるように、推定圧力値に応じて膨張弁 802の開度を増加する制御を実施する。このような冷凍サイクル装置 800によっても、圧力センサなしで、第 1、第 2及び第 3実施形態と同様の利益を得ることができる。

産業上の利用可能性

[0065] 本発明にかかる冷凍サイクル装置は、高効率、高信頼性、且つ低コストであり、冷凍装置、冷暖房装置、給湯装置、洗濯乾燥機、食器乾燥機、浴室乾燥機、ゴミ処理装置等に好適に採用できる。

Claims

請求の範囲

[1] 冷媒を圧縮する圧縮機と、

前記圧縮機で圧縮された前記冷媒を冷却する放熱器と、

前記放熱器を通過した前記冷媒を膨張させる膨張機と、

前記膨張機で膨張した前記冷媒を蒸発させる蒸発器と、

前記膨張機に接続されて前記冷媒の膨張力により発電する発電機と、前記発電機に流れる電流である発電機電流を検出する発電機電流検出手段と、前記蒸発器における前記冷媒の蒸発温度を検出する蒸発温度検出手段と、前記発電機の回転数を検出する発電機回転数検出手段と、

前記放熱器の出口温度を検出する放熱器出口温度検出手段と、

前記発電機電流、前記蒸発温度、前記回転数及び前記出口温度に基づき、冷凍サイクル効率を最大化するように、前記発電機を介して前記膨張機の回転数を制御する膨張機制御手段と、

を備えた、冷凍サイクル装置。

[2] 前記発電機電流、前記蒸発温度及び前記回転数に基づいて、冷凍サイクルの高圧側圧力を推定する圧力推定手段をさらに備え、

前記膨張機制御手段は、前記圧力推定手段による推定圧力値が冷凍サイクル効率を最大にする最適圧力値に近づくように、前記膨張機の回転数を制御する、請求項 1記載の冷凍サイクル装置。

[3] 前記圧力推定手段は、前記冷媒の膨張力によって前記膨張機のシャフトに加わるトルクが、前記発電機電流に比例するとともに、冷凍サイクルの高圧側圧力及び低圧側圧力と、前記回転数とに応じて定まることを利用した演算により、前記高圧側圧力を推定する、請求項 2記載の冷凍サイクル装置。

[4] 前記発電機電流、前記蒸発温度及び前記回転数に基づいて、冷凍サイクルの高圧側圧力を推定する圧力推定手段をさらに備え、

前記膨張機制御手段は、前記圧力推定手段による推定圧力値が所定の限界圧力値を超えた場合には、前記推定圧力値が前記限界圧力値以下となるように、前記推定圧力値に応じて前記膨張機の回転数を制御する、請求項 1記載の冷凍サイクル装置。

[5] 前記膨張機制御手段は、前記推定圧力値が前記限界圧力値を超えた場合には、前記膨張機の回転数を増加する制御を実施する、請求項 4記載の冷凍サイクル装置

[6] 冷媒を圧縮する圧縮機と、

前記圧縮機を駆動するモータと、

前記圧縮機で圧縮された前記冷媒を冷却する放熱器と、

前記放熱器を通過した前記冷媒を膨張させる膨張機構と、

前記膨張機構で膨張した前記冷媒を蒸発させる蒸発器と、

前記モータに流れる電流であるモータ電流を検出するモータ電流検出手段と、前記蒸発器における前記冷媒の蒸発温度を検出する蒸発温度検出手段と、前記モータの回転数を検出するモータ回転数検出手段と、

前記モータ電流、前記蒸発温度、前記回転数及び前記出口温度に基づき、冷凍サイクル効率を最大化するように、前記膨張機構を制御する膨張機構制御手段と、を備えた、冷凍サイクル装置。

[7] 前記モータ電流、前記蒸発温度及び前記回転数に基づいて、冷凍サイクルの高圧側圧力を推定する圧力推定手段をさらに備え、

前記膨張機構が、膨張機であり、

前記膨張機構制御手段は、前記圧力推定手段による推定圧力値が冷凍サイクル効率を最大にする最適圧力値に近づくように、前記膨張機の回転数を制御する、請求項 6記載の冷凍サイクル装置。

[8] 前記モータ電流、前記蒸発温度及び前記回転数に基づいて、冷凍サイクルの高圧側圧力を推定する圧力推定手段をさらに備え、

前記膨張機構が、膨張弁であり、

前記膨張機構制御手段は、前記圧力推定手段による推定圧力値が冷凍サイクル効率を最大にする最適圧力値に近づくように、前記膨張弁の開度を制御する、請求項 6記載の冷凍サイクル装置。

[9] 前記圧力推定手段は、前記モータの駆動によって前記圧縮機のシャフトに加わるトルクが、前記モータ電流に比例するとともに、冷凍サイクルの高圧側圧力及び低圧側圧力と、前記回転数とに応じて定まることを利用した演算により、前記高圧側圧力を推定する、請求項 7記載の冷凍サイクル装置。

[10] 前記モータ電流、前記蒸発温度及び前記回転数に基づいて、冷凍サイクルの高圧側圧力を推定する圧力推定手段をさらに備え、

前記膨張機構が、膨張機または膨張弁であり、

前記膨張機構制御手段は、前記圧力推定手段による推定圧力値が所定の限界圧力値を超えた場合には、前記推定圧力値が前記限界圧力値以下となるように、前記推定圧力値に応じて前記膨張機の回転数または前記膨張弁の開度を制御する、請求項 6記載の冷凍サイクル装置。

[11] 前記膨張機構制御手段は、前記推定圧力値が前記限界圧力値を超えた場合には、前記膨張機の回転数を増加する、または前記膨張弁の開度を増加する制御を実施する、請求項 10記載の冷凍サイクル装置。

[12] 冷媒を圧縮する圧縮機と、

前記圧縮機を駆動するモータと、

前記圧縮機で圧縮された前記冷媒を冷却する放熱器と、

前記放熱器を通過した前記冷媒を膨張させる膨張機と、

前記膨張機で膨張した前記冷媒を蒸発させる蒸発器と、

前記発電機電流、前記蒸発温度、前記回転数及び前記出口温度に基づき、冷凍サイクル効率を最大化するように、前記モータを介して前記圧縮機の回転数を制御する圧縮機制御手段と、

を備えた、冷凍サイクル装置。

[13] 前記発電機電流、前記蒸発温度及び前記回転数に基づいて、冷凍サイクルの高圧側圧力を推定する圧力推定手段をさらに備え、

前記圧縮機制御手段は、前記圧力推定手段による推定圧力値が冷凍サイクル効率を最大にする最適圧力値に近づくように、前記圧縮機の回転数を制御する、請求項 12記載の冷凍サイクル装置。

[14] 前記圧力推定手段は、前記冷媒の膨張力によって前記膨張機のシャフトに加わるトルクが、前記発電機電流に比例するとともに、冷凍サイクルの高圧側圧力及び低圧側圧力と、前記回転数とに応じて定まることを利用した演算により、前記高圧側圧力を推定する、請求項 13記載の冷凍サイクル装置。

[15] 前記発電機電流、前記蒸発温度及び前記回転数に基づいて、冷凍サイクルの高圧側圧力を推定する圧力推定手段をさらに備え、

前記圧縮機制御手段は、前記圧力推定手段による推定圧力値が所定の限界圧力値を超えた場合には、前記推定圧力値が前記限界圧力値以下となるように、前記推定圧力値に応じて前記圧縮機の回転数を制御する、請求項 12記載の冷凍サイクル装置。

[16] 前記圧縮機制御手段は、前記推定圧力値が前記限界圧力値を超えた場合には、前記圧縮機の回転数を増加する制御を実施する、請求項 15記載の冷凍サイクル装置。

[17] 前記冷媒が二酸化炭素である、請求項 1、請求項 6又は請求項 12に記載の冷凍サイタル装置。