JP2006242491A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 従来の膨張機使用の冷凍装置においては、膨張機からの回収動力を優先的に利用し、かつ簡単な構成と制御で消費電力を低減する冷媒回路構成が難しいという課題があった。
【解決手段】 本発明の膨張機使用の冷凍サイクル装置においては、第1圧縮機1、熱源側熱交換器3、膨張機4、気液分離器5、第1減圧手段6a、6b、利用側熱交換器7a、7bを順次配管で接続し、冷媒として二酸化炭素を用いる冷凍サイクル装置において、膨張機4からの回収動力のみで駆動する第2圧縮機12を介して気液分離器5のガス側出口部と第1圧縮機1の吐出部とを接続した。
【選択図】図1
【解決手段】 本発明の膨張機使用の冷凍サイクル装置においては、第1圧縮機1、熱源側熱交換器3、膨張機4、気液分離器5、第1減圧手段6a、6b、利用側熱交換器7a、7bを順次配管で接続し、冷媒として二酸化炭素を用いる冷凍サイクル装置において、膨張機4からの回収動力のみで駆動する第2圧縮機12を介して気液分離器5のガス側出口部と第1圧縮機1の吐出部とを接続した。
【選択図】図1
Description
本発明は、二酸化炭素(CO2)のような超臨界流体を冷媒として用いる冷凍サイクル装置に関するものであり、特に、膨張機を利用する冷凍サイクル装置に関するものである。
従来の膨張機を利用する冷凍装置において、如何なる運転条件においても冷凍装置の運転を可能とした上で、冷凍装置のCOPを向上させるものの例として次のものがある。
高圧冷媒の膨張により動力を発生させる膨張機と、第1電動機および膨張機と連結され、両者で発生した動力により駆動されて冷媒を圧縮する第1圧縮機と、第1圧縮機に並列に設けられるとともに第2電動機と連結され、第2電動機で発生した動力により駆動されて冷媒を圧縮する容量可変の第2圧縮機とを備え、また、膨張機の入口側と出口側を連通させるバイパス配管を有しており、前記バイパス配管には開度可変なバイパス弁が設けられている。
この従来例では、膨張機に連結されない第2圧縮機が第1圧縮機と並列に配置されており、膨張機に連結された第1圧縮機だけでは押しのけ量が不足するような運転条件においても、第2圧縮機を運転することで押しのけ量の不足分を補うことができ、適切な条件で冷凍サイクルを継続させることができるというものであった(例えば、特許文献1参照)。
高圧冷媒の膨張により動力を発生させる膨張機と、第1電動機および膨張機と連結され、両者で発生した動力により駆動されて冷媒を圧縮する第1圧縮機と、第1圧縮機に並列に設けられるとともに第2電動機と連結され、第2電動機で発生した動力により駆動されて冷媒を圧縮する容量可変の第2圧縮機とを備え、また、膨張機の入口側と出口側を連通させるバイパス配管を有しており、前記バイパス配管には開度可変なバイパス弁が設けられている。
この従来例では、膨張機に連結されない第2圧縮機が第1圧縮機と並列に配置されており、膨張機に連結された第1圧縮機だけでは押しのけ量が不足するような運転条件においても、第2圧縮機を運転することで押しのけ量の不足分を補うことができ、適切な条件で冷凍サイクルを継続させることができるというものであった(例えば、特許文献1参照)。
他の冷凍装置の従来例として、冷媒回路に膨張機と複数の利用側熱交換器が設けられた冷凍装置において、各利用側熱交換器へ適切な量の冷媒を供給可能とし、各利用側熱交換器における対象物の冷却を確実に行うものがある。
この従来例では、複数の利用側熱交換器が並列接続された冷媒回路において、利用側制御弁を各利用側熱交換器に対応して1つずつ設けているので、各利用側制御弁の開度をそれぞれ調節することにより、各利用側への冷媒供給量を適切に制御でき、各利用側熱交換器における対象物の冷却を確実に行うことができる。
また、冷媒回路に低圧冷媒を液冷媒とガス冷媒とに分離する気液分離器を設けたので、気液二相状態の冷媒ではなく、流量制御が容易な単相の液冷媒を各利用側熱交換器へ送ることが可能となり、利用側熱交換器への冷媒供給量を一層適切に制御することができるというものであった。(例えば、特許文献2参照)。
この従来例では、複数の利用側熱交換器が並列接続された冷媒回路において、利用側制御弁を各利用側熱交換器に対応して1つずつ設けているので、各利用側制御弁の開度をそれぞれ調節することにより、各利用側への冷媒供給量を適切に制御でき、各利用側熱交換器における対象物の冷却を確実に行うことができる。
また、冷媒回路に低圧冷媒を液冷媒とガス冷媒とに分離する気液分離器を設けたので、気液二相状態の冷媒ではなく、流量制御が容易な単相の液冷媒を各利用側熱交換器へ送ることが可能となり、利用側熱交換器への冷媒供給量を一層適切に制御することができるというものであった。(例えば、特許文献2参照)。
上記特許文献1の冷凍装置では、膨張機を利用する冷凍サイクル装置において、第1圧縮機が第1電動機および膨張機と連結されており、構造が複雑になるとともに、膨張機からの回収動力を優先する複雑な制御が必要になるという課題があった。
また、上記特許文献2の冷凍装置では、膨張機の出口側に設けた気液分離器で分離したガス冷媒を圧縮機の吸入部に戻していたので、膨張機と連結される圧縮機はガス配管や液配管などの延長配管、減圧手段、熱交換器などを通過する際の圧力損失に相当する昇圧仕事を余分に行う必要があり、消費電力が増加するという課題があった。
また、上記特許文献2の冷凍装置では、膨張機の出口側に設けた気液分離器で分離したガス冷媒を圧縮機の吸入部に戻していたので、膨張機と連結される圧縮機はガス配管や液配管などの延長配管、減圧手段、熱交換器などを通過する際の圧力損失に相当する昇圧仕事を余分に行う必要があり、消費電力が増加するという課題があった。
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、膨張機を利用する冷凍サイクル装置において、簡単な構成で膨張動力を有効に回収するとともに、消費電力を低減できる冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。
また、如何なる運転条件でも膨張動力を回収すること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。
また、如何なる運転条件でも膨張動力を回収すること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。
本発明の冷凍サイクル装置は、第1圧縮機、熱源側熱交換器、膨張機、気液分離器、第1減圧手段、利用側熱交換器を順次配管で接続するとともに、冷媒として二酸化炭素を用いる冷凍サイクル装置であって、膨張機からの回収動力のみで駆動する第2圧縮機を備え、該第2圧縮機を介して気液分離器のガス側出口部と第1圧縮機の吐出部とを接続したものである。
本発明の冷凍サイクル装置によると、膨張機からの回収動力のみで駆動する第2圧縮機を備え、該第2圧縮機を介して気液分離器のガス側出口部と第1圧縮機の吐出部とを接続したので、簡単な構成で膨張動力を有効に回収するとともに、消費電力を低減できる。
実施の形態1.
以下、本発明の実施の形態1による冷凍サイクル装置について説明する。
図1は、本発明の実施形態1に係る冷凍サイクル装置を示す模式図である。図において、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置は、熱源側ユニットである室外ユニット100、利用側ユニットである室内ユニット200a、200b、室外ユニット100と室内ユニット200a、200bとを接続する配管であるガス配管51および液配管50とにより構成されている。内部には冷媒として例えば臨界温度(約31℃)以上で超臨界状態となる二酸化炭素が封入されている。
以下、本発明の実施の形態1による冷凍サイクル装置について説明する。
図1は、本発明の実施形態1に係る冷凍サイクル装置を示す模式図である。図において、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置は、熱源側ユニットである室外ユニット100、利用側ユニットである室内ユニット200a、200b、室外ユニット100と室内ユニット200a、200bとを接続する配管であるガス配管51および液配管50とにより構成されている。内部には冷媒として例えば臨界温度(約31℃)以上で超臨界状態となる二酸化炭素が封入されている。
室外ユニット100内には、冷媒ガスを圧縮するための第1圧縮機1、冷房運転と暖房運転との第1冷媒流路切換え手段である四方弁2、熱源側熱交換器である室外熱交換器3、外気を強制的に室外熱交換器3の外表面に送風するための図示しない送風機、冷房運転と暖房運転との第2冷媒流路切換え手段である四方弁8、四方弁8を通った冷媒を減圧して二相状態の湿り蒸気とする膨張機4、気液分離器5、気液分離器5の出口部に設けられた第2減圧手段である電子膨張弁12、膨張機4と同軸に接続され膨張機4で回収した動力で駆動する第2圧縮機9、気液分離器5で分離されたガス冷媒を第2圧縮機9の吸入側へ導く吸入配管13、気液分離器5で分離されたガス冷媒を第1圧縮機1の吸入側へ導く第1バイパス配管14、第1バイパス配管中に設けられた開度変更可能な第3減圧手段である電子膨張弁10、およびこれらを接続するための配管が内蔵されている。
四方弁2の第1口21は圧縮機1の吐出側と、第2口22は室外熱交換器3の一端と、第3口23は圧縮機1の吸入側と、第4口24は室内ユニット200a、200bに接続されるガス配管51と、それぞれ接続されている。また、四方弁8の第1口81は室外熱交換器3の一端と、第2口82は膨張機4の入口部と、第3口83は室内ユニット200a、200bに接続される液配管50の一端と、第4口84は気液分離器5の液側出口と、それぞれ接続されている。
四方弁2の第1口21は圧縮機1の吐出側と、第2口22は室外熱交換器3の一端と、第3口23は圧縮機1の吸入側と、第4口24は室内ユニット200a、200bに接続されるガス配管51と、それぞれ接続されている。また、四方弁8の第1口81は室外熱交換器3の一端と、第2口82は膨張機4の入口部と、第3口83は室内ユニット200a、200bに接続される液配管50の一端と、第4口84は気液分離器5の液側出口と、それぞれ接続されている。
室内ユニット200a、200bには、利用側熱交換器である室内熱交換器7a、7b、室内熱交換器7a、7bへの冷媒の分配を調節する第1減圧手段である電子膨張弁6a、6b、室内空気を強制的に室内熱交換器7a、7bの外表面に送風するための図示しない送風機およびそれらを接続するための配管が内蔵されている。室内熱交換器7a、7bの一端は、電子膨張弁6a、6bを介して液配管50に接続され、他端はガス配管51に接続されている。
なお、本実施の形態では、室内ユニット200a、200bを2台としているが、3台以上としても良い。
なお、本実施の形態では、室内ユニット200a、200bを2台としているが、3台以上としても良い。
上記のように構成された冷凍サイクル装置について運転動作を説明する。まず、冷房運転について図1と図2を用いて説明する。図2は、図1の冷媒回路中に示した記号A〜Jにおける冷媒状態をP−h線図上に示したものである。冷房運転では、室外ユニット100内部の四方弁2は第1口21と第2口22が連通し、第3口23と第4口24が連通するように設定され(図1中実線)、四方弁8も同様に第1口81と第2口82が連通し、第3口83と第4口84が連通するように設定される(図1中実線)。
このとき、圧縮機1から吐出された高温高圧のガス冷媒(状態A)は、四方弁2の第1口21から第2口22を通って室外熱交換器3で被加熱媒体である空気に放熱し(状態C)、四方弁8の第1口81から第2口82を通って膨張機4に流入する。膨張機4に流入した液冷媒は低圧低温の気液二相冷媒となり(状態D)、気液分離器5に流入する。気液分離器5で分離された液冷媒(状態F)は、電子膨張弁12で減圧され(状態F´)、四方弁8の第4口84、第3口83、液配管50を順に通過して室内ユニット200a、200b内に流入する。一方、気液分離器5で分離されたガス冷媒(状態E)は、第1圧縮機1と同一吐出圧力まで第2圧縮機9で圧縮される(状態I)。第2圧縮機9から吐出されたガス冷媒は、第1圧縮機の吐出ガスと合流して状態Bとなる。
室内ユニット200a、200bに流入した液冷媒は、電子膨張弁6a、6bで各室内熱交換器7a、7bに均一に分配される。この液冷媒は、室内熱交換器7a、7bで、図示しない室内空気から吸熱し、自らは蒸発気化する(状態G)。この低温低圧のガス冷媒は、ガス配管51、四方弁2の第4口24から第3口23を経て、気液分離器5からバイパスされたガス冷媒(状態H)と合流した後(状態J)、第1圧縮機1の吸入側へ戻る。この時、図示しない室内送風機によって室内熱交換器7a、7bへ送り込まれた室内空気は、低温低圧の液冷媒により冷却されて室内へ吹き出され、室内を冷房する。
図2に示したP−h線図上の冷凍サイクルでは、第2圧縮機の吸入圧力は、第1圧縮機の吸入圧力よりΔPsだけ増加する。これは、第1圧縮機で圧縮された冷媒は、気液分離器5で分離された後、電子膨張弁12、液配管50、電子膨張弁6a、6b、室内熱交換器7a、7b、ガス配管51を通過する際に圧力損失が生じ、吸入圧力が低下するためである。したがって、第2圧縮機は上記圧力損失に相当する昇圧仕事を行う必要がなく、第2圧縮機の入力、すなわち消費電力が低減される。
つぎに、暖房運転について図3と図4に基づいて説明する。図4は、図3の冷媒回路中に示した記号A〜Jにおける冷媒状態をP−h線図上に示したものである。この場合、室外ユニット100内部の四方弁2は第1口21と第4口24が連通し、第2口22と第3口23が連通するように設定される(図3中の実線)。四方弁8も同様に第1口81と第4口84が連通し、第2口82と第3口83が連通するように設定される(図3中実線)。
このとき、圧縮機1で圧縮され高温高圧の超臨界状態となった冷媒(状態A)は四方弁2の第1口21から第4口24、ガス配管51を経て室内熱交換器7a、7bに流入する。ここで、高温高圧の冷媒は、図示しない室内空気に放熱して室内を暖房すると共に自らは温度が低下する(状態C)。この中温高圧の冷媒は、電子膨張弁6a、6bを通過し、液配管50、四方弁8の第3口83から第2口82を経て膨張機4に流入する。膨張機4で減圧された冷媒は気液分離器5に流入する(状態D)。気液分離器5で分離された液冷媒(状態F)は、電子膨張弁12で減圧され(状態F´)、四方弁8の第4口84、第1口81を経て室外熱交換器3に流入する。
一方、気液分離器5で分離されたガス冷媒(状態E)は、第1圧縮機と同一吐出圧力まで第2圧縮機9で圧縮される(状態I)。第2圧縮機9から吐出されたガス冷媒は、第1圧縮機の吐出ガスと合流して状態Bとなる。
一方、気液分離器5で分離されたガス冷媒(状態E)は、第1圧縮機と同一吐出圧力まで第2圧縮機9で圧縮される(状態I)。第2圧縮機9から吐出されたガス冷媒は、第1圧縮機の吐出ガスと合流して状態Bとなる。
室外熱交換器3に流入した低温低圧の液冷媒(状態F´)は、図示しない室外送風機によって送り込まれる外気から吸熱するとともに自らは蒸発する(状態G)。蒸発したガス冷媒(状態G)は、四方弁2の第2口22から第3口23を経て、気液分離器5から電子膨張弁10を通ってバイパスされたガス冷媒(状態H)と合流した後(状態J)、第1圧縮機1の吸入側へ戻る。
図4に示したP−h線図上の冷凍サイクルでは、第2圧縮機の吸入圧力は、第1圧縮機の吸入圧力よりΔPsだけ増加する。これは、第1圧縮機で圧縮された冷媒は、気液分離器5で分離された後、電子膨張弁12、四方弁8、室外熱交換器3、四方弁2を通過する際に圧力損失が生じ、吸入圧力が低下するためである。したがって、第2圧縮機9は上記圧力損失に相当する昇圧仕事を行う必要がなく、第2圧縮機9の入力、すなわち消費電力が低減される。
つぎに、図5を用いて膨張機4での回収動力、気液分離器5で発生するガス発生量、第2圧縮機9での圧縮仕事を比較する。膨張機4を通過する冷媒流量をGr、膨張機4出入口でのエンタルピー差をΔH1とすれば、膨張機4での回収動力Weは以下の(1)式で表される。
We=Gr×ΔH1 (1)
同様に第2圧縮機での圧縮仕事W2は、冷媒流量をGr2、第2圧縮機9でのエンタルピー差をΔH2とすれば、以下の(2)式で表される。
W2=Gr2×ΔH2 (2)
回収動力が第2圧縮機9での圧縮仕事に等しい(We=W2)ことから、(1)、(2)式より、(3)式が得られる。
Gr2=Gr×(ΔH1/ΔH2) (3)
また、気液分離器5で分離されたガスの流量Gsは、F−E間のエンタルピー差ΔH0に対するF−D間のエンタルピー差ΔH3の比率、すなわち乾き度X(ΔH3/ΔH0)分だけ発生するから、(4)式で表される。
Gs=Gr×(ΔH3/ΔH0) (4)
ここで、(3)式中のΔH1/ΔH2は、圧縮機のエンタルピー差に対する膨張機のエンタルピー差の比であり、一般に0〜0.2程度である。また、(4)式中のΔH3/ΔH0は乾き度Xであり、冷媒がCO2の場合、一般に0.2〜0.6程度となる。したがって、(3)、(4)式よりGr2<Gsとなり、第2圧縮機9で必要な冷媒流量Gr2は気液分離器5で十分に供給することができるとともに、冷媒流量の差分(Gs−Gr2)が電子膨張弁10を通してバイパスされることになる。
We=Gr×ΔH1 (1)
同様に第2圧縮機での圧縮仕事W2は、冷媒流量をGr2、第2圧縮機9でのエンタルピー差をΔH2とすれば、以下の(2)式で表される。
W2=Gr2×ΔH2 (2)
回収動力が第2圧縮機9での圧縮仕事に等しい(We=W2)ことから、(1)、(2)式より、(3)式が得られる。
Gr2=Gr×(ΔH1/ΔH2) (3)
また、気液分離器5で分離されたガスの流量Gsは、F−E間のエンタルピー差ΔH0に対するF−D間のエンタルピー差ΔH3の比率、すなわち乾き度X(ΔH3/ΔH0)分だけ発生するから、(4)式で表される。
Gs=Gr×(ΔH3/ΔH0) (4)
ここで、(3)式中のΔH1/ΔH2は、圧縮機のエンタルピー差に対する膨張機のエンタルピー差の比であり、一般に0〜0.2程度である。また、(4)式中のΔH3/ΔH0は乾き度Xであり、冷媒がCO2の場合、一般に0.2〜0.6程度となる。したがって、(3)、(4)式よりGr2<Gsとなり、第2圧縮機9で必要な冷媒流量Gr2は気液分離器5で十分に供給することができるとともに、冷媒流量の差分(Gs−Gr2)が電子膨張弁10を通してバイパスされることになる。
一方、膨張機4と第2圧縮機9は、同軸で接続されており、第2圧縮機9は膨張機4と同一回転数で回転する。一例として、膨張機4と第2圧縮機9を両方とも押しのけ容積が一定の容積型流体機械であるスクロール型とし、それぞれの押しのけ容積比をε(=第2圧縮機排除容積/膨張機排除容積=Vc/Ve)とし、膨張機4と第2圧縮機9の吸入密度をそれぞれρe、ρcとすれば、回転数一定の条件から(5)式が得られる。
Gr2=Gr×ε×(ρc/ρe) (5)
(3)、(5)式より、(6)式が得られる。
ρc/ρe=(ΔH1/ΔH2)/ε (6)
以上から、(6)式が成立するように、第2圧縮機9の吸入密度ρc、エンタルピー差ΔH2、膨張機9の吸入密度ρe、出入口エンタルピー差ΔH1を制御する必要がある。
Gr2=Gr×ε×(ρc/ρe) (5)
(3)、(5)式より、(6)式が得られる。
ρc/ρe=(ΔH1/ΔH2)/ε (6)
以上から、(6)式が成立するように、第2圧縮機9の吸入密度ρc、エンタルピー差ΔH2、膨張機9の吸入密度ρe、出入口エンタルピー差ΔH1を制御する必要がある。
本実施の形態では、外気温度、室内温度、空調負荷などの環境条件によって気液分離器5から供給される冷媒流量Gsと第2圧縮機9の冷媒流量Gr2にアンバランスが生じた場合、その差分(Gs−Gr2)を電子膨張弁10でバイパスする。すなわち、電子膨張弁10の開度は、上記差分の冷媒流量が流れるように調節される。同様に、膨張機4の回収動力と第2圧縮機9の圧縮動力にアンバランスが生じた場合、電子膨張弁12の開度を(6)式が成立するように適正に制御する。すなわち、(6)式の右辺が大きい場合(ρc/ρe<(ΔH1/ΔH2)/ε)は、電子膨張弁12の開度を小さくし、図5に示す膨張機出口部と蒸発器入口部との圧力差ΔPeを大きくして、ρcを増加させる。このとき、(6)式右辺のΔH1/ΔH2も同時に変化するが、分母、分子ともに小さくなるため、ΔH1/ΔH2の変化は小さく、実用範囲では(6)式が成立するように動作する。一方、(6)式の左辺が大きい場合(ρc/ρe>(ΔH1/ΔH2)/ε)、電子膨張弁12の開度を大きくし、図5に示す膨張機出口部と蒸発器入口部との圧力差ΔPeを小さくして、ρcを減少させる。このとき、(6)式右辺のΔH1/ΔH2も同時に変化するが、分母、分子ともに大きくなるため、ΔH1/ΔH2の変化は小さく、(6)式が成立するように動作する。
本実施の形態では、電子膨張弁12の開度を調整して、(6)式を成立させる例を示したが、これに限るものではなく、室内ユニット200a、200b内の電子膨張弁6a、6bの開度を調整して(6)式を成立させるようにしても構成しても良い。
以上のように本実施の形態では、膨張機を利用する冷凍サイクル装置において、膨張機と連結された第2圧縮機9に電動機を設けていないため、簡単な構成と制御で膨張機の回収動力を利用できるという効果がある。
また、膨張機の回収動力で駆動する第2圧縮機は、ガス配管や液配管などの延長配管、電子膨張弁、熱交換器、四方弁などを通過する際の圧力損失に相当する昇圧仕事を行う必要なく、第2圧縮機9の入力、すなわち消費電力が低減されるという効果がある。
さらに、電子膨張弁12の開度を制御することで如何なる運転条件でも回収動力を利用可能な冷凍サイクル装置を提供できる。
また、膨張機の回収動力で駆動する第2圧縮機は、ガス配管や液配管などの延長配管、電子膨張弁、熱交換器、四方弁などを通過する際の圧力損失に相当する昇圧仕事を行う必要なく、第2圧縮機9の入力、すなわち消費電力が低減されるという効果がある。
さらに、電子膨張弁12の開度を制御することで如何なる運転条件でも回収動力を利用可能な冷凍サイクル装置を提供できる。
本実施の形態の冷凍サイクル装置は、第1圧縮機1、熱源側熱交換器3、膨張機4、気液分離器5、第1減圧手段6a、6b、利用側熱交換器7a、7bを順次配管で接続するとともに、冷媒として二酸化炭素を用いる冷凍サイクル装置であって、膨張機4からの回収動力のみで駆動する第2圧縮機9を備え、該第2圧縮機9を介して気液分離器5のガス側出口部と第1圧縮機1の吐出部とを接続したので、簡単な構成で膨張動力を有効に回収するとともに、消費電力を低減できる。
また、本実施の形態の冷凍サイクル装置は、気液分離器5の液側出口部に第2減圧手段12を設けたので、如何なる運転条件でも膨張動力を回収することができる。
また、本実施の形態の冷凍サイクル装置は、第1圧縮機1の吸入部と気液分離器5のガス側出口部とを接続する第1バイパス配管14を備え、第1バイパス配管14の途中に開度変更可能な第3減圧手段10を設けたので、気液分離器5から供給される冷媒流量と第2圧縮機9の冷媒流量にアンバランスが生じた場合でも適切に冷媒流量を調整することができる。
また、本実施の形態の冷凍サイクル装置は、第1圧縮機1の吐出部と吸入部の間に第1冷媒流路切換え手段2を設けたので、冷房運転と暖房運転の運転切換えが可能である。
また、本実施の形態の冷凍サイクル装置は、熱源側熱交換器3と利用側熱交換器7a、7bとの間に第2冷媒流路切換え手段8を設けたので、冷房運転と暖房運転の両方の運転モードで膨張機4の動力回収を行うことができる。
実施の形態2.
以下、本発明の実施の形態2による冷凍サイクル装置について説明する。図6は、本発明の実施形態2に係る冷凍サイクル装置を示す模式図である。実施の形態1と異なる点のみ説明し、その他の構成については実施の形態1と同様であるため、詳細な説明を省略する。本実施の形態では、気液分離器5で気液分離が不完全な場合の圧縮機への液戻りを防止するため、気液分離器5のガス出口部を膨張機4入口部と熱交換するように内部熱交換器15を設けている。また、内部熱交換器15をバイパスする第2バイパス配管18を備え、第2バイパス配管18の途中に開度変更可能な第5減圧手段として例えば電子膨張弁11を設けている。加えて、気液分離器5のガス側出口と第2圧縮機9の間に開度変更可能な第4減圧手段17を設けている。さらに、第2冷媒流路切換え手段である四方弁8を4つの逆止弁16a、16b、16c、16dからなるブリッジ回路で構成している。
以下、本発明の実施の形態2による冷凍サイクル装置について説明する。図6は、本発明の実施形態2に係る冷凍サイクル装置を示す模式図である。実施の形態1と異なる点のみ説明し、その他の構成については実施の形態1と同様であるため、詳細な説明を省略する。本実施の形態では、気液分離器5で気液分離が不完全な場合の圧縮機への液戻りを防止するため、気液分離器5のガス出口部を膨張機4入口部と熱交換するように内部熱交換器15を設けている。また、内部熱交換器15をバイパスする第2バイパス配管18を備え、第2バイパス配管18の途中に開度変更可能な第5減圧手段として例えば電子膨張弁11を設けている。加えて、気液分離器5のガス側出口と第2圧縮機9の間に開度変更可能な第4減圧手段17を設けている。さらに、第2冷媒流路切換え手段である四方弁8を4つの逆止弁16a、16b、16c、16dからなるブリッジ回路で構成している。
本実施の形態における動作について説明する。まず、冷房運転について図6を用いて説明する。冷房運転では、室外ユニット100内部の四方弁2は第1口21と第2口22が連通し、第3口23と第4口24が連通するように設定される(図6中実線)。
このとき、圧縮機1から吐出された高温高圧のガス冷媒は、四方弁2の第1口21から第2口22を通って室外熱交換器3で被加熱媒体である空気に放熱して中温高圧の冷媒となり、逆止弁16aを通って内部熱交換器15に流入する。内部熱交換器15で気液分離器5の低圧ガス冷媒と熱交換して低温となった冷媒は、膨張機4に流入する。膨張機4に流入した液冷媒は低圧低温の気液二相冷媒となり、気液分離器5に流入する。気液分離器5で分離された液冷媒は、電子膨張弁12で減圧され、逆止弁16d、液配管50を順に通過して室内ユニット200a、200bに流入する。
一方、気液分離器5で分離されたガス冷媒は、内部熱交換器15で中温高圧の冷媒と熱交換して温度が上昇し、電子式膨張弁17を通過した後、第1圧縮機と同一吐出圧力まで第2圧縮機9で圧縮される。このとき、気液分離器5で気液分離が不完全な場合でも内部熱交換器15で冷媒液を蒸発させることができるので、第2圧縮機への液戻りを防止することができる。
一方、気液分離器5で分離されたガス冷媒は、内部熱交換器15で中温高圧の冷媒と熱交換して温度が上昇し、電子式膨張弁17を通過した後、第1圧縮機と同一吐出圧力まで第2圧縮機9で圧縮される。このとき、気液分離器5で気液分離が不完全な場合でも内部熱交換器15で冷媒液を蒸発させることができるので、第2圧縮機への液戻りを防止することができる。
室内ユニット200a、200bに流入した液冷媒は、電子膨張弁6a、6bで各室内熱交換器7a、7bに均一に分配される。この液冷媒は、室内熱交換器7a、7bで、図示しない室内空気から吸熱し、自らは蒸発気化する。この低温低圧のガス冷媒は、ガス配管51、四方弁2の第4口24から第3口23を経て、気液分離器13から電子膨張弁10を通過してバイパスされたガス冷媒と合流した後、第1圧縮機1の吸入側へ戻る。この時、図示しない室内送風機によって室内熱交換器7a、7bへ送り込まれた室内空気は、低温低圧の液冷媒により冷却されて室内へ吹き出され、室内を冷房する。
第2圧縮機9は、電子膨張弁12、液配管50、電子膨張弁6a、6b、室内熱交換器7a、7b、ガス配管51での圧力損失に相当する昇圧仕事を行う必要がなく、第2圧縮機の入力、すなわち消費電力が低減される。
つぎに、暖房運転について説明する。暖房運転では、室外ユニット100内部の四方弁2は第1口21と第4口24が連通し、第2口22と第3口23が連通するように設定される(図6中の点線)。
このとき、圧縮機1で圧縮され高温高圧の超臨界状態となった冷媒は四方弁2の第1口21から第4口24、ガス配管51を経て室内熱交換器7a、7bに流入する。ここで、高温高圧の冷媒は、図示しない室内空気に放熱して室内を暖房すると共に自らは温度が低下する。この中温高圧の冷媒は、電子膨張弁6a、6bを通過し、液配管50、逆止弁16cを経て内部熱交換器15に流入する。内部熱交換器15で気液分離器5の低圧ガス冷媒と熱交換して低温となった冷媒は、膨張機4に流入する。膨張機4で減圧された冷媒は気液分離器5に流入し、気液分離器5で分離された液冷媒は電子膨張弁12で減圧され、逆止弁16bを通って室外熱交換器3に流入する。
一方、気液分離器5で分離されたガス冷媒は、内部熱交換器15で中温高圧の冷媒と熱交換して温度が上昇し、電子膨張弁17を通過して第1圧縮機1と同一吐出圧力まで第2圧縮機9で圧縮される。このとき、気液分離器5で気液分離が不完全な場合でも内部熱交換器15で冷媒液を蒸発させることができるので、第2圧縮機への液戻りを防止することができる。
一方、気液分離器5で分離されたガス冷媒は、内部熱交換器15で中温高圧の冷媒と熱交換して温度が上昇し、電子膨張弁17を通過して第1圧縮機1と同一吐出圧力まで第2圧縮機9で圧縮される。このとき、気液分離器5で気液分離が不完全な場合でも内部熱交換器15で冷媒液を蒸発させることができるので、第2圧縮機への液戻りを防止することができる。
室外熱交換器3に流入した低温低圧の液冷媒は、図示しない室外送風機によって送り込まれる外気から吸熱するとともに自らは蒸発する。蒸発したガス冷媒は、四方弁2の第2口22から第3口23を経て、気液分離器5から電子膨張弁10を通過してバイパスされたガス冷媒と合流した後、第1圧縮機1の吸入側へ戻る。
第2圧縮機は、電子膨張弁12、逆止弁16b、室外熱交換器3、四方弁2を通過する際の圧力損失に相当する昇圧仕事を行う必要がなく、第2圧縮機9の入力、すなわち消費電力が低減される。
本実施の形態では、外気温度、室内温度、空調負荷などの環境条件によって気液分離器5から供給される冷媒流量Gsと第2圧縮機9の冷媒流量Gr2にアンバランスが生じた場合、その差分(Gs−Gr2)を電子膨張弁10でバイパスする。すなわち、電子膨張弁10の開度は、上記差分の冷媒流量が流れるように調節される。また、膨張機4の回収動力と第2圧縮機9の圧縮動力にアンバランスが生じた場合、電子膨張弁12および電子膨張弁17の開度を(6)式が成立するように適正に制御する。すなわち、(6)式の右辺が大きい場合は(ρc/ρe<(ΔH1/ΔH2)/ε)、電子膨張弁12の開度を小さくし、図5に示す膨張機出口部と蒸発器入口部との圧力差ΔPeを大きくして、ρcを増加させる。このとき、(6)式右辺のΔH1/ΔH2も同時に変化するが、分母、分子ともに小さくなるため、ΔH1/ΔH2の変化は小さく、実用範囲では(6)式が成立するように動作する。一方、(6)式の左辺が大きい場合(ρc/ρe>(ΔH1/ΔH2)/ε)、電子膨張弁17の開度を小さくし、第2圧縮機9の吸入圧力を低下させてρcを減少させる。このとき、(6)式右辺のΔH2も同時に増加するが、実用範囲ではΔH2の増加率に比べてρcの減少率が大きく、(6)式が成立するように動作する。
また、本実施の形態では、内部熱交換器15および内部熱交換器15をバイパスする第2バイパス配管18を備え、第2バイパス配管18の途中に電子膨張弁11を設けている。したがって、電子膨張弁11の開度制御によって内部熱交換器15の熱交換量を制御し、膨張機4の入口密度ρeを変化させて(6)式を成立させることも可能となる。すなわち、(6)式の右辺が大きい場合は(ρc/ρe<(ΔH1/ΔH2)/ε)、電子膨張弁11の開度を大きくしてバイパス流量を増加させ、内部熱交換器15での熱交換量を小さくしてρeを減少させる。このとき、(6)式右辺のΔH1も同時に増加するが、その増加率は小さく、実用範囲では(6)式が成立するように動作する。一方、(6)式の左辺が大きい場合(ρc/ρe>(ΔH1/ΔH2)/ε)、電子膨張弁11の開度を小さくしてバイパス流量を減少させ、内部熱交換器15での熱交換量を大きくしてρeを増加させる。このとき、(6)式右辺のΔH1も同時に減少するが、ΔH1の減少率に比べてρcの増加率が大きく、実用範囲では(6)式が成立するように動作する。上記の電子膨張弁11、12、17の開度制御を組合せることで、より広い範囲で膨張機の回収動力と第2圧縮機の圧縮動力をバランスさせることができ、如何なる運転条件でも膨張動力を利用可能な冷凍サイクル装置を提供できる。
本実施の形態では、気液分離器5のガス出口部を膨張機4入口部と熱交換するように内部熱交換器15を設けたので、気液分離が不完全な場合でも内部熱交換器で液冷媒を蒸発させることができ、第2圧縮機への液戻りを防止することができる。
また、内部熱交換器15をバイパスする第2バイパス配管18を備え、第2バイパス配管18の途中に開度変更可能な第5減圧手段11を設けたため、第5減圧手段11により内部熱交換器15の熱交換量を制御し、膨張機4の入口密度を変化させることで膨張機4の回収動力を第2圧縮機9の圧縮動力とバランスさせ、如何なる運転条件でも膨張動力を回収可能な冷凍サイクル装置を提供できる。
加えて、気液分離器5のガス側出口と第2圧縮機9の間に開度変更可能な第4減圧手段17を設け、第2圧縮機9の吸入圧力(吸入密度)を変化させることで膨張機4の回収動力と第2圧縮機9の圧縮動力をバランスさせ、如何なる運転条件でも膨張動力を利用可能な冷凍サイクル装置を提供できる。
なお、実施の形態1の冷凍サイクル装置においても、気液分離器5のガス側出口と第2圧縮機9の間に開度変更可能な第4減圧手段17を設け、第2圧縮機9の吸入圧力(吸入密度)を変化させることで膨張機4の回収動力と第2圧縮機9の圧縮動力をバランスさせるようにしてもよい。
また、内部熱交換器15をバイパスする第2バイパス配管18を備え、第2バイパス配管18の途中に開度変更可能な第5減圧手段11を設けたため、第5減圧手段11により内部熱交換器15の熱交換量を制御し、膨張機4の入口密度を変化させることで膨張機4の回収動力を第2圧縮機9の圧縮動力とバランスさせ、如何なる運転条件でも膨張動力を回収可能な冷凍サイクル装置を提供できる。
加えて、気液分離器5のガス側出口と第2圧縮機9の間に開度変更可能な第4減圧手段17を設け、第2圧縮機9の吸入圧力(吸入密度)を変化させることで膨張機4の回収動力と第2圧縮機9の圧縮動力をバランスさせ、如何なる運転条件でも膨張動力を利用可能な冷凍サイクル装置を提供できる。
なお、実施の形態1の冷凍サイクル装置においても、気液分離器5のガス側出口と第2圧縮機9の間に開度変更可能な第4減圧手段17を設け、第2圧縮機9の吸入圧力(吸入密度)を変化させることで膨張機4の回収動力と第2圧縮機9の圧縮動力をバランスさせるようにしてもよい。
本実施の形態の冷凍サイクル装置は、気液分離器5のガス側出口部と膨張機4の入口部とを熱交換する内部熱交換器15を設けたので、気液分離器5の気液分離が不完全な場合でも第2圧縮機9への液戻りを防止することができる。
また、本実施の形態の冷凍サイクル装置は、内部熱交換器15をバイパスする第2バイパス配管18を備え、第2バイパス配管18の途中に開度変更可能な第5減圧手段11を設けたので、膨張機4での回収動力と第2圧縮機9の圧縮動力にアンバランスが生じた場合でも適切に動力を調整することができる。
1 第1圧縮機、2 第1冷媒流路切換え手段、3 熱源側熱交換器、4 膨張機、5 気液分離器、6a、6b 第1減圧手段、7a、7b 利用側熱交換器、8 第2冷媒流路切換え手段、9 第2圧縮機、10 第3減圧手段、11 第5減圧手段、12 第2減圧手段、14 第1バイパス配管、15 内部熱交換器、17 第4減圧手段、18 第2バイパス配管。
Claims (8)
- 第1圧縮機、熱源側熱交換器、膨張機、気液分離器、第1減圧手段、利用側熱交換器を順次配管で接続するとともに、冷媒として二酸化炭素を用いる冷凍サイクル装置において、
膨張機からの回収動力のみで駆動する第2圧縮機を備え、該第2圧縮機を介して前記気液分離器のガス側出口部と前記第1圧縮機の吐出部とを接続したことを特徴とする冷凍サイクル装置。 - 前記気液分離器の液側出口部に第2減圧手段を設けたことを特徴とする請求項1記載の冷凍サイクル装置。
- 前記第1圧縮機の吸入部と前記気液分離器のガス側出口部とを接続する第1バイパス配管を備え、前記第1バイパス配管の途中に開度変更可能な第3減圧手段を設けたことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記気液分離器のガス側出口部と前記第2圧縮機の吸入部との間に、開度変更可能な第4減圧手段を設けたことを特徴とする請求項1〜請求項3に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記気液分離器のガス側出口部と前記膨張機の入口部とを熱交換する内部熱交換器を設けたことを特徴とする請求項1〜請求項4に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記内部熱交換器をバイパスする第2バイパス配管を備え、前記第2バイパス配管の途中に開度変更可能な第5減圧手段を設けたことを特徴とする請求項5に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記第1圧縮機の吐出部と吸入部の間に第1冷媒流路切換え手段を設けたことを特徴とする請求項1〜請求項6に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記熱源側熱交換器と利用側熱交換器との間に第2冷媒流路切換え手段を設けたことを特徴とする請求項1〜請求項7に記載の冷凍サイクル装置。
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