JP2007147179A

JP2007147179A - 冷凍サイクル装置とその運転方法

Info

Publication number: JP2007147179A
Application number: JP2005343253A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Kusumaru; 雄一藥丸; Akira Komori; 晃小森; Masaya Honma; 雅也本間
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-11-29
Filing date: 2005-11-29
Publication date: 2007-06-14

Abstract

【課題】オイルタンクやオイルポンプを設置すると、装置が大型化し、ポンプ動力を費やすためシステム効率が低下するということ。また、オイルの供給量が過小になると上記の問題が生じるが、過大になる場合も膨張機のモータ動作不良を生じてしまうということ。
【解決手段】本発明の冷凍サイクル装置の制御方法によれば、膨張機１０３の回転数を小さくした運転を一定時間行った後、圧縮機の運転を開始することで、膨張機１０３内のオイルが余剰に滞留している場合はより確実にオイルを排出することができるとともに、膨張機１０３内のオイル滞留量が不足している場合にはより確実に膨張機１０３内にオイルを供給することができるので、膨張機１０３の信頼性を確保することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体の膨張により発生するエネルギーを有効に回収する冷凍サイクル装置の冷凍サイクル構成とその運転方法に関するものである。

従来の冷凍サイクル装置において、圧縮機や膨張機から吐出された冷媒はオイルとともに出ていくものであるが、膨張機から吐出されるオイルが大きいほど、膨張機内に滞留するオイル量が減るので、膨張機内部のメカ摺動ロスが発生したり、焼き付きを生じてしまうという課題がある。また、圧縮機や膨張機から吐出されたオイルは熱交換器等の配管内に滞留するので、熱交換器の熱伝達率が低下し、十分な熱交換量が確保できないという課題がある。

図７は、このような課題を解決するためのスクリュ膨張機を用いた温水排熱熱利用発電システムの構成回路を示している。このシステムには給油パイプI、IIが設けられているので、膨張機内のシリンダ、ロータ間等の摺動面の潤滑およびシール作用及びベアリングの潤滑等を円滑に行うことができる。（例えば特許文献１参照）。
特許第２６２７００１号公報（第１図）

しかしながらオイルタンクやオイルポンプを設置すると、装置が大型化し、ポンプ動力を費やすためシステム効率が低下するという課題があった。また、オイルの供給量が過小になると上記の問題が生じるが、過大になる場合も膨張機のモータ動作不良を生じてしまうという課題があった。

そこで、本発明は、圧縮機と、放熱器と、膨張機と、蒸発器を順次直列に接続した冷凍サイクル装置において、冷凍サイクルの起動時に膨張機を低回転数で運転することによって膨張機内に滞留している余剰なオイルを規定量まで排出した後に、圧縮機の運転を開始することで確実に膨張機内に一定量のオイルを確保することを目的としてなされたものである。

前記従来の課題を解決するために、本発明の冷凍サイクル装置の運転方法は、冷媒が、圧縮機、放熱器、膨張機、蒸発器の順に循環する冷凍サイクルにおいて、前記冷凍サイクルの起動時に膨張機を運転した後に圧縮機の運転を開始することを特徴とする。

本構成によって、前記圧縮機を運転する前に前記膨張機を運転することで膨張機内に余剰に滞留するオイルを排出することができるので、膨張機のモータ動作不良を防ぐことができる。

また、本発明の冷凍サイクル装置の運転方法は、冷媒が、圧縮機、放熱器、膨張機、蒸発器の順に循環する冷凍サイクルにおいて、膨張機回転数制御手段と圧縮機回転数制御手段を設け、前記冷凍サイクルの起動時に膨張機の回転数を小さくした運転を一定時間行った後、膨張機の回転数を大きくした運転に移行するとともに圧縮機の運転を開始することを特徴とする。

本構成によって、膨張機の回転数を小さくした運転を一定時間行うことで、膨張機内の
オイルが余剰に滞留している場合はより確実にオイルを排出することができるとともに、膨張機内のオイル滞留量が不足している場合にはより確実に膨張機内にオイルを供給することができるので、膨張機の信頼性を確保することができる。

また、本発明の冷凍サイクル装置の運転方法は、冷媒が、圧縮機、放熱器、膨張機、蒸発器の順に循環する冷凍サイクルにおいて、膨張機の出力電流を検出する膨張機制御電流検出手段を設け、前記冷凍サイクルの起動時に膨張機の回転数を小さくした運転を一定時間行った後、膨張機制御電流が規定値になった時、膨張機の回転数を大きくした運転に移行するとともに圧縮機の運転を開始することを特徴とする。
本構成によって、膨張機の運転が正常に行われているかどうかを判定した後に圧縮機の運転を開始することができるので、より確実に膨張機の信頼性を確保することができる。

また、本発明の冷凍サイクル装置の運転方法は、冷媒が、圧縮機、放熱器、膨張機、蒸発器の順に循環する冷凍サイクルにおいて、膨張機入口部に膨張機入口圧力検出手段と、膨張機出口部に膨張機出口圧力検出手段を設け、前記冷凍サイクルの起動時に膨張機の回転数を小さくした運転を一定時間行った後、膨張機入口と出口の差圧が規定値になった時、膨張機の回転数を大きくした運転に移行するとともに圧縮機の運転を開始することを特徴とする。

本構成によって、冷凍サイクル装置全体のオイル回収運転が正常に行われているかどうかを判定した後に圧縮機の運転を開始することができるので、より確実に圧縮機及び膨張機の信頼性を確保することができる。

本発明の冷凍サイクル装置の運転方法によれば、圧縮機と、放熱器と、膨張機と、蒸発器を順次直列に接続した冷凍サイクル装置において、膨張機の回転数を小さくした運転を一定時間行った後に圧縮機の運転を開始することで、膨張機内のオイルが余剰に滞留している場合はより確実にオイルを排出することができるとともに、膨張機内のオイル滞留量が不足している場合にはより確実に膨張機内にオイルを供給することができるので、膨張機の信頼性を確保することができる。

以下本発明の冷凍サイクル装置の運転方法の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明による第１実施例の冷凍サイクル装置を示す構成図である。本実施例の冷凍サイクル装置は、例えばフロンまたは二酸化炭素等の冷媒を作動流体とし、冷媒を昇圧する圧縮機１０１と、この圧縮機１０１で昇圧された冷媒を冷却する放熱器１０２と、この放熱器１０２よりも冷媒下流側に配置されて冷却された冷媒を減圧膨張する膨張機１０３と、この膨張機１０３で減圧された冷媒を加熱する蒸発器１０４を順次配管接続して冷凍サイクル回路が構成されている。

また、１０５は膨張機に設けられた膨張機回転数制御手段であり、１０６は圧縮機に設けられた圧縮機回転数制御手段であり、１０７は制御回路であり、１０８は膨張機の出力電流を検出する膨張機制御電流検出手段であり、１１１は膨張機からの回収動力を電力に変換する発電機である。

以上のように構成された、冷凍サイクル装置について、以下その動作を説明する。

圧縮機１０１で吐出された冷媒は、放熱器１０２に入り、ここで放熱して冷却する。その後、膨張機１０３に導かれ、蒸発圧力まで減圧されて低温低圧の湿り蒸気となり、蒸発器１０４において、吸熱してガス状となり圧縮機１０１へ戻される。

本実施の形態の動作を、図２のフローチャートを用いて説明する。

リモコンのスイッチがＯＮされるなどして冷凍サイクル装置の運転が開始されると、ステップ２０１で発電機１１１をモータとして膨張機を駆動させる。このとき膨張機回転数制御手段１０５によって膨張機の回転数は小さくするようにステップ２０２に移る。ステップ２０２では、膨張機運転開始からの運転時間Ｔimeと設定値Ｔｘとが比較される。そして、ＴimeがＴｘよりも小さい場合は、ステップ２０１に戻る。また、ＴimeがＴｘよりも大きい場合は、ステップ２０３に移る。ステップ２０３では、膨張機制御電流検出手段１０８によって膨張機制御電流Ｉが検出され、制御電流Ｉと設定値Iｘとが比較される。圧縮機を停止した状態で膨張機を回転すると、膨張機出口の圧力が入口側よりも高くなり、膨張機を一定の回転数で制御しようとしたときの制御電流Ｉは時間の経過とともに増大する。そして、膨張機の制御電流は、ＩがIｘよりも小さい場合は、膨張機でのオイル回収運転が完全に行われていない状態であることを示しており、ステップ２０３に戻る。また、ＩがIｘよりも大きい場合は、膨張機でのオイル回収運転が行われていると判断され、ステップ２０４に移る。ステップ２０４では圧縮機回転数制御手段１０６によって、圧縮機の運転を開始するように制御する。圧縮機の運転が開始されると、発電機１１１により、膨張機からの回収動力を電力に変換する。

次に、図５及び図６を用いて時間経過に対する膨張機内に滞留するオイル量の変化について説明する。

図５は、運転開始前の膨張機内に滞留するオイルが規定値よりも少ない場合の時間に対するオイル油面高さの関係図であり、図６は、運転開始前の膨張機内に滞留するオイルが規定値よりも多い場合の時間に対するオイル油面高さの関係図である。

一般的に、圧縮機の運転起動時は、高い回転数で運転するほど圧縮機内の底部に滞留しているオイルが冷媒と共に大量に吐出されるため、冷凍サイクル中にその吐出された冷媒が滞留する。また、膨張機の場合も圧縮機と同じく、起動時に高い回転数で運転すると、膨張機内の底部に滞留しているオイルが冷媒と共に大量に吐出される。したがって、冷凍サイクル内に滞留しているオイルを確実に圧縮機及び膨張機内に戻すためには、それぞれを低速で運転することが有効である。これは言い換えれば、圧縮機の回転数が圧縮機内のオイルの油面高さを決定することになる。従って、図７に示すように、ある油面高さＹになるようにするためには、膨張機の回転数をＸで運転すればよい。このように、起動時に圧縮機または膨張機の回転数を制御することによって、圧縮機または膨張機内の油面を確実に保つことができる。また、図５及び図６に示すように、低速運転開始からＴｘ以上時間が経過した後の膨張機内の油面は、適正なレベルに到達する。

すなわち、図５に示すように膨張機内に滞留するオイルが規定量よりも多い場合は、膨張機を低速で運転することによって、余剰分を確実に排出させて膨張機内に滞留するオイルを規定範囲内に収めることができる。

また、図６に示すように膨張機内に滞留するオイルが少ない場合は、冷凍サイクル中のどこかの部位（例えば熱交換器）に滞留していると想定されるので、膨張機を低速で運転することによって、確実に膨張機内に規定量以上のオイルを回収させることができる。

また、圧縮機よりも膨張機を運転した方が、高圧側と低圧側の圧力差が小さいので、オ
イルを冷凍サイクル装置全体に均一に分布させることができる。したがって、起動時は圧縮機よりも膨張機を先に運転する方が有効である。

以上のように、膨張機内のオイル滞留量がどのような状態でも、膨張機を低速で運転することによって、確実に膨張機内のオイル滞留量を規定範囲内に収めることができるので、膨張機の信頼性を確保することができる。

オイルの種類としては、フロン冷媒の場合、冷媒と相溶性のあるＰＯＥ（ポリオールエステル）オイルが一般的に用いられており、冷媒と良く溶け合う性質を有する。

また、冷媒が二酸化炭素冷媒の場合、ＰＡＧ（ポリアルキレングリコール）オイルが一般的に用いられている。フロン冷媒に対するＰＯＥオイルほどの相溶性は無いものの、冷媒と溶け合う性質を有しており、圧縮機を低速運転することによって熱交換器内に滞留するオイルが冷媒とさらに良く溶け合って圧縮機に回収させることができる。

したがって、圧縮機から吐出されるオイル量が低下すれば、熱交換器内に滞留するオイルが冷媒とさらに良く溶け合って圧縮機に回収されることになる。このように圧縮機の回転数を小さくすると、圧縮機から吐出されるオイルの絶対量及び重量循環量比が低下するので、熱交換器内に滞留するオイル量を低下させることができる。この低速運転は、一般的なルームエアコンの場合、３分程度で十分効力を発揮する。

（実施の形態２）
図３は、本発明による第２実施例の冷凍サイクル装置を示す構成図である。第２実施例の冷凍サイクル装置は、膨張機入口配管に設けられた膨張機入口圧力検出手段１０９と、膨張機出口配管に設けられた膨張機出口圧力検出手段１１０を設け、圧縮機１０１の運転は、前記膨張機入口圧力検出手段１０９によって検出された圧力と前記膨張機出口圧力検出手段１１０によって検出された圧力との差に応じて制御できるように構成されている。

本実施の形態の動作を、図４のフローチャートを用いて説明する。

リモコンのスイッチがＯＮされるなどして冷凍サイクル装置の運転が開始されると、ステップ３０１で膨張機の回転数を小さくして膨張機の運転を行い、ステップ３０２に移る。ステップ３０２では、膨張機運転開始からの運転時間Ｔimeと設定値Ｔｘとが比較される。そして、ＴimeがＴｘよりも小さい場合は、膨張機内に滞留するオイル量が規定範囲内である可能性が小さい状態であることを示しており、ステップ３０１に戻る。また、ＴimeがＴｘよりも大きい場合は、膨張機内に滞留するオイル量が規定範囲内であると判断され、ステップ３０３に移る。ステップ３０３では、膨張機入口圧力検出手段１０９と膨張機出口圧力検出手段１１０によって検出された膨張機入口圧力及び膨張機出口圧力との差圧ΔＰと設定値Ｐｘとが比較される。ここでは、圧縮機が停止しており、膨張機のみが運転しているので、通常運転の場合と異なり、膨張機出口側の圧力の方が入口側よりも高圧力となっている。ΔＰとＰｘで比較するのは絶対値だけを考えればよい。そして、ΔＰがＰｘよりも小さい場合は、オイル回収運転が十分ではないことを示しており、ステップ３０３に戻る。また、ΔＰがＰｘよりも大きい場合は、オイル回収運転が十分に行われたと判断され、ステップ３０４に移る。ステップ３０４では圧縮機の運転を開始するように制御する。

本発明にかかる冷凍サイクル装置は、給湯器や空気調和機の他に、食器乾燥用や洗濯乾燥機用など、他の用途の冷凍サイクル装置として利用することができる。

本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置を示す構成図本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の制御フローチャート本発明の実施の形態２における冷凍サイクル装置を示す構成図本発明の実施の形態２における冷凍サイクル装置の制御フローチャート本発明の実施の形態１における時間に対する膨張機オイル油面高さの関係図（初期の膨張機内のオイル滞留量が多い場合）本発明の実施の形態１における時間に対する膨張機オイル油面高さの関係図（初期の膨張機内のオイル滞留量が少ない場合）膨張機回転数と膨張機内のオイル油面の関係図従来技術の冷凍サイクル装置を示す構成図

符号の説明

１０１圧縮機
１０２放熱器
１０３膨張機
１０４蒸発器
１０５膨張機回転数制御手段
１０６圧縮機回転数制御手段
１０７制御回路
１０８膨張機制御電流検出手段
１０９膨張機入口圧力検出手段
１１０膨張機出口圧力検出手段
１１１発電機

Claims

冷媒が、圧縮機、放熱器、膨張機、蒸発器の順に循環する冷凍サイクルにおいて、前記冷凍サイクルの起動時に膨張機を運転した後に圧縮機の運転を開始することを特徴とする冷凍サイクル装置。
冷媒が、圧縮機、放熱器、膨張機、蒸発器の順に循環する冷凍サイクルにおいて、膨張機回転数制御手段と圧縮機回転数制御手段を設け、前記冷凍サイクルの起動時に膨張機の回転数を小さくした運転を一定時間行った後、膨張機の回転数を大きくした運転に移行するとともに圧縮機の運転を開始することを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
冷媒が、圧縮機、放熱器、膨張機、蒸発器の順に循環する冷凍サイクルにおいて、膨張機の出力電流を検出する膨張機制御電流検出手段を設け、前記冷凍サイクルの起動時に膨張機の回転数を小さくした運転を一定時間行った後、膨張機制御電流が規定値になった時、膨張機の回転数を大きくした運転に移行するとともに圧縮機の運転を開始することを特徴とする請求項１から２に記載の冷凍サイクル装置。
冷媒が、圧縮機、放熱器、膨張機、蒸発器の順に循環する冷凍サイクルにおいて、膨張機入口部に膨張機入口圧力検出手段と、膨張機出口部に膨張機出口圧力検出手段を設け、前記冷凍サイクルの起動時に膨張機の回転数を小さくした運転を一定時間行った後、膨張機入口と出口の差圧が規定値になった時、膨張機の回転数を大きくした運転に移行するとともに圧縮機の運転を開始することを特徴とする請求項１から３に記載の冷凍サイクル装置。
冷媒が、圧縮機、放熱器、膨張機、蒸発器の順に循環する冷凍サイクルにおいて、前記冷凍サイクルの起動時に膨張機を運転した後に圧縮機の運転を開始することを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置の運転方法。
冷媒が、圧縮機、放熱器、膨張機、蒸発器の順に循環する冷凍サイクルにおいて、前記冷凍サイクルの起動時に膨張機の回転数を小さくした運転を一定時間行った後、膨張機の回転数を大きくした運転に移行するとともに圧縮機の運転を開始することを特徴とする請求項１から２に記載の冷凍サイクル装置の運転方法。
冷媒が、圧縮機、放熱器、膨張機、蒸発器の順に循環する冷凍サイクルにおいて、前記冷凍サイクルの起動時に膨張機の回転数を小さくした運転を一定時間行った後、膨張機制御電流が規定値になった時、膨張機の回転数を大きくした運転に移行するとともに圧縮機の運転を開始することを特徴とする請求項１から３に記載の冷凍サイクル装置の運転方法。
冷媒が、圧縮機、放熱器、膨張機、蒸発器の順に循環する冷凍サイクルにおいて、膨張機入口部に膨張機入口圧力検出手段と、膨張機出口部に膨張機出口圧力検出手段を設け、前記冷凍サイクルの起動時に膨張機の回転数を小さくした運転を一定時間行った後、膨張機入口と出口の差圧が規定値になった時、膨張機の回転数を大きくした運転に移行するとともに圧縮機の運転を開始することを特徴とする請求項１から４に記載の冷凍サイクル装置の運転方法。