JP2007170765A - 冷凍サイクル装置の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】膨張機一体型圧縮機を搭載したヒートポンプ装置の起動時において、速やかに高低圧力差を確保できスムーズに起動を行うことができる。
【解決手段】本発明の冷凍サイクル装置は、冷媒を高温高圧に圧縮する膨張機一体型圧縮機２１０の圧縮部と、高温高圧になった冷媒を冷却する放熱器２０２と、放熱器２０２よりも冷媒の流れ方向に対して下流側に配設されて冷媒を減圧膨張する膨張機一体型圧縮機２１０の膨張部と、冷媒が周りから熱を奪って蒸発する蒸発器２０４によって構成されており、膨張機一体型圧縮機２１０と並列に第２の圧縮機２１１が設置され、冷凍サイクルの起動時には補助圧縮機２１１のみを起動させて速やかに高低圧力差を確保し、その後膨張機一体型圧縮機２１０を起動させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、給湯機や空調機などに用いる、膨張機を搭載した冷凍サイクル装置の運転方法に関する

従来、冷凍サイクル装置の起動時に、外気温が高い場合や蒸発器側の負荷が大きい場合には、冷凍サイクルの高低圧力差が取れなくなり、圧縮機の運転が不安定になると共に冷凍サイクルが不安定になる。そこで、圧縮機が正常に圧縮しなくなった場合に冷凍サイクル装置内の減圧装置の開度を変化させる、つまり通常運転時より減圧させることにより、冷凍サイクル装置の圧力差をとり、圧縮機の運転状態を安定させていた。（例えば、特許文献１参照）。図８は特許文献１に記載された従来の冷凍サイクル装置を示すものである。
図８において、圧縮機２０１は吸引した冷媒を圧縮して吐出し、吐出された高温高圧の冷媒は貯湯槽２０６内から供給された液体（水）と放熱器２０２を介して熱交換される。放熱器２０２を流れる冷媒（二酸化炭素）は圧縮機２０１によって加圧されているため、放熱器２０２を通過する液体に放熱して温度低下しても凝縮（冷媒二相域）することはない。減圧装置２０３は、放熱器２０２から流出する冷媒（二酸化炭素）を減圧する装置のことで、弁開度を電気的に制御する電磁式膨張弁である。冷媒（二酸化炭素）は、この減圧装置２０３によって冷媒二相域となるまで減圧された後、蒸発器２０４によって吸熱冷媒が蒸発気化した後、再び圧縮機２０１に吸引される。また、冷凍サイクル装置にはこれに流れる電流値を検出する電流値検出手段２０９が備えられている。外気温が高い場合や、圧縮機２０１の起動時などのように蒸発器側の負荷が大きい場合には、（電流値検出手段２０９での検出値が急変して減少したり通常運転より小さい場合）冷凍サイクルの高低圧力差がとれなくなり、圧縮機２０１の運転が不安定になるため、冷凍サイクル装置内の減圧装置２０３の開度を変化させる、つまり通常運転より高低圧力差をとることにより圧縮機運転および冷凍サイクル装置の運転を安定させていた。

また、図９は特許文献２に記載された従来の冷凍サイクル装置を示すものである。

図９において、（a）が暖房運転、（b）が冷房運転を示している。図９は、モータ２２３によって駆動される圧縮機２０１は、膨張機２２０と同軸となっておらず、膨張機２２０の主軸２２２は第２圧縮機２２４を駆動するようになっている。そして、第２圧縮機は圧縮機２０１と冷媒回路において直列に配管接続され、冷媒の２段圧縮を行うように配設されている。圧縮機２０１と第２圧縮機２２４で圧縮された冷媒は、第２圧縮機２２４の吐出側に配管接続された油分離器２１９から圧縮機２０１の吸入側のアキュムレータ２２１から流出した後に分離した油を戻してから、放熱器２０２で冷却される。そして、放熱器２０２で冷却された後の高圧冷媒ガスは膨張機２２０で減圧される際に膨張動力を回収し、この回収動力は主軸２２２を伝達して第２圧縮機２２４に伝えられる。膨張機２２０にて減圧された後の冷媒は、蒸発器２０４で加熱され、余分な液冷媒を貯留するアキュムレータ２２１を経由してから、圧縮機２０１の吸入側に戻る冷媒回路で構成されている。この構成にすることにより、流量マッチングによる膨張動力の非回収分を少なくすることができるとしている。
特開2001-141315号公報 特開2003-279179号公報

しかしながら、膨張弁に換えて膨張機（特に圧縮機と膨張機が一軸で直結された膨張機一体型圧縮機）を搭載したシステムにおいては、圧縮機と膨張機が一軸で直結されている、つまり圧縮機と膨張機の回転数が同じになるため、膨張機のみの回転数を下げて高低圧力差を得る（従来の膨張弁の開度を小さくする方法と同様の効果）ことができないという課題を有していた。

また、圧縮機を２台設けた特許文献２の場合にも、システムの起動時のこのような課題に対して、どのような対処をするかということは記載されていない。

本発明は前記課題に鑑みてなされたものであり、膨張機一体型圧縮機を搭載した冷凍サイクルにおいて、膨張機一体型圧縮機と並列に補助圧縮機を設け、外気温が高い場合や、圧縮機の起動時などのように蒸発器側の負荷が大きい場合には、膨張機一体型圧縮機は運転を停止し、第２の圧縮機のみを運転させて高低圧力差が所定値以上になると補助圧縮機から膨張機一体型圧縮機へ運転を切り替えて、冷凍サイクル装置の起動をスムーズに行うことを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明においては、圧縮部と膨張部を一軸で直結した膨張機一体型圧縮機の前記圧縮部と、放熱器と、膨張部と、蒸発器を順次配管接続した冷凍サイクル装置であって、膨張機一体圧縮機の圧縮部と並列に補助圧縮機を接続し、膨張機一体型圧縮機の周波数と、補助圧縮機の周波数を制御する制御手段を備え、冷凍サイクル装置の起動時に膨張機一体型圧縮機を停止させ、補助圧縮機を所定時間運転させた後、補助圧縮機から膨張機一体型圧縮機へ運転を切り替える。
本構成によって、膨張機一体型圧縮機を搭載した冷凍サイクルの起動時において、速やかに高低圧力差を確保できスムーズに起動を行うことができる。

本発明の冷凍サイクルによれば、膨張機一体型圧縮機を搭載した冷凍サイクル装置の起動時において、速やかに高低圧力差を確保できスムーズに起動を行うことができる。

本発明は、圧縮部と膨張部を一軸で直結した膨張機一体型圧縮機の前記圧縮部と、放熱器と、膨張部と、蒸発器を順次配管接続した冷凍サイクル装置であって、膨張機一体圧縮機の圧縮部と並列に補助圧縮機を接続し、膨張機一体型圧縮機の周波数と、補助圧縮機の周波数を制御する制御手段を備え、冷凍サイクル装置の起動時に膨張機一体型圧縮機を停止させ、補助圧縮機を所定時間運転させた後、補助圧縮機から膨張機一体型圧縮機へ運転を切り替える。

これにより、膨張機一体型圧縮機を搭載したヒートポンプ装置の起動時において、速やかに高低圧力差を確保できスムーズに起動を行うことができる。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、背景技術と同一構成については同一符号を付す。

図１において、本実施形態のヒートポンプ装置は、冷媒を高温高圧に圧縮する膨張機一体型圧縮機２１０の圧縮部と、第２のファン２３０が作動して高温高圧になった冷媒を冷却する放熱器２０２と、放熱器２０２よりも冷媒の流れ方向に対して下流側に配設されて冷媒を減圧膨張する膨張機一体型圧縮機２１０の膨張部と、第１のファン２２９が作動して冷媒が周りの空気から熱を奪って蒸発する蒸発器２０４によって構成されている。また
、本実施形態による冷凍サイクルは、膨張機一体型圧縮機２１０と並列に補助圧縮機２１１が設置されている。また、膨張機一体型圧縮機２１０の周波数と、補助圧縮機２１１の周波数を制御手段２１４により行う。

なお、本発明のヒートポンプ装置は、給湯器にも適用可能である。その場合は、放熱器２０２の代わりに、水―冷媒熱交換器を設けて、水を加熱して温水を得る。

ここで、膨張機一体型圧縮機２１０のみで起動させるとスムーズに起動できないのに対して、補助圧縮機２１１で起動させるとスムーズに起動できるかについて説明する。通常の冷凍サイクルでは、膨張機構として膨張弁を用いているが、起動時には膨張弁開度を設定開度よりも小さくして起動と同時に高低圧力差が速やかに確保できるようにして圧縮機の転覆を回避し、その後設定膨張弁開度へ調整するようにしている。しかし、膨張機一体型圧縮機を搭載した冷凍サイクル装置では、起動と同時に速やかに高低圧力差を確保しようとしても、圧縮機の回転と同時に膨張機も回転してしまうため、膨張弁開度を小さくしたような状態に調整できない。よって、膨張機一体型圧縮機を搭載した冷凍サイクル装置では、起動時においては、膨張機一体型圧縮機２１０を停止させ（膨張弁を閉じた状態と同様の効果）補助圧縮機２１１のみを起動させて、高低圧力差を確保してから運転を膨張機一体型圧縮機２１０へ切り替えるようにすることでスムーズに起動できる。

次に、制御手段２１４によって行われるヒートポンプ装置の起動制御について図２のフローチャートを用いて説明する。まず、（S1）で補助圧縮機２１１を起動する。次に、補助圧縮機２１１を起動してからの経過時間tを計測し予め実験により求めておいた所定値taになっているか確認する。所定時間taの決定方法は、補助圧縮機２１１を起動した後、高低圧の圧縮比が所定値以上（例えば圧縮比が２以上）になるまでの所要時間、もしくは高圧が所定値以上（例えば8MPa）になるまでの所要時間、もしくは吐出温度が所定値以上（例えば60℃）になるまでの所要時間、もしくはスムーズに起動できていない場合は、振動や騒音があることから補助圧縮機２１１を起動した後、振動や騒音が起動開始直後より明らかに低減している状態に達するまでの時間等をもとに決定する。所定値になっていなければ所定値になるまで補助圧縮機２１１の運転を継続させる。所定値になっていれば（S2）で補助圧縮機２１１を停止する。次に、（S3）で膨張機一体型圧縮機２１０を起動する。なお、外気温条件等によって所定値taは変化するため、実験では例えば空調機を想定した場合は空調機の定格条件、夏期条件、冬期条件で各々所定値taを決定しておく必要がある。
なお、図２のフローチャートでは、補助圧縮機２１１が完全に停止してから膨張機一体型圧縮機２１０の運転へと切り替えているが、補助圧縮機２１１を完全に停止させずに周波数を徐々に下げていきながら膨張機一体型圧縮機２１０の周波数を上げていく方法でも良い。

また、圧縮機のメカ方式はスクロール圧縮機がより効果が大きい。スクロール圧縮機の場合、冷媒の高低圧力差によってハネが転覆しないように固定されているが、高低圧力差があまりついていない状態ではハネが固定されずに回転運動を行うため、冷媒を圧縮するという動作が正常に作動しないことになる。よって、スクロール圧縮機を用いた冷凍サイクル装置では、この起動時の制御を行うことによって、制御を行わない場合と比較して大きな効果を発揮する。なお、圧縮機のメカ方式としてロータリ圧縮機やレシプロ圧縮機等においてもこの起動時制御手法が適用できる。

なお、ヒートポンプ装置の起動時においては、補助圧縮機の制御のみならず、放熱器のファン２３０の風量（空調用途）を小さくするもしくは止めるという制御や、蒸発器のファン２２９の風量を小さくするもしくは止めるといった制御を同時に行えばより速やかに高低圧力差を確保でき、スムーズな起動ができる。なお、給湯器の場合は、放熱器のファ
ンの風量を制御する変わりに、水の流量を小さくするもしくは０にするという制御を行えばよい。

なお、補助圧縮機２１１の吸入側と吐出側配管に開閉弁もしくは流量制御弁を設けて、補助圧縮機２１１から膨張機一体型圧縮機２１０へ運転を切り替える際に、両方の弁を閉じるようにしても良い。

以上のような手順を踏むことにより、膨張機一体型圧縮機を搭載したヒートポンプ装置の起動時において、速やかに高低圧力差を確保できスムーズに起動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について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、背景技術と同一構成については同一符号を付す。

本構成は、図３に示すように図１のヒートポンプ装置の第２の圧縮機２１１の吐出部から膨張機一体型圧縮機２１０の膨張部入口の間の任意の箇所に第１の冷媒圧力検出手段２１５を設け、膨張機一体型圧縮機２１０の膨張部出口から第２の圧縮機２１１の吸入部の間の任意の箇所に第２の冷媒圧力検出手段２１６を設けた構成になっている。

ここで、ヒートポンプ装置の起動制御について図４のフローチャートを用いて説明する。まず、（S1）で補助圧縮機を起動する。次に、（S2）で第１、第２の冷媒圧力検出手段によって圧力を検出する。次に、検出した高圧側圧力Pdと低圧側圧力Psとの比Pd/Ps（Ps/Pdでも構わない）もしくは、Pd-Ps（Ps-Pdでも構わない）が予め実験により求めておいた所定値bになっているか確認する。所定値bになっていなければ所定値になるまで補助圧縮機２１１の運転を継続させる。所定値になっていれば（S3）で補助圧縮機２１１を停止する。次に、（S4）で膨張機一体型圧縮機２１０を起動する。所定値bの求め方は、実験で本構成の冷凍サイクル装置を図４のフローチャートの順に制御を行い、起動開始からのPd/Ps（Ps/Pdでも構わない）もしくは、Pd-Ps（Ps-Pdでも構わない）をパラメータにとり、スムーズに起動できたかどうかの判定を行い決定する。なお、外気温条件等によって所定値bは変化するため、実験では例えば空調機を想定した場合は空調機の定格期条件、夏期条件、冬期条件で所定値bを決定しておく必要がある。

なお、図４のフローチャートでは、補助圧縮機が完全に停止してから膨張機一体型圧縮機の運転へと切り替えているが、補助圧縮機を完全に停止させずに周波数を徐々に下げていきながら膨張機一体型圧縮機の周波数を上げていく方法でも良い。

また、圧縮機のメカ方式はスクロール圧縮機がより効果が大きい。スクロール圧縮機の場合、冷媒の高低圧力差によってハネが転覆しないように固定されているが、高低圧力差があまりついていない状態ではハネが固定されずに回転運動を行うため、冷媒を圧縮するという動作が正常に作動しないことになる。よって、スクロール圧縮機を用いた冷凍サイクル装置では、この起動時の制御を行うことによって、制御を行わない場合と比較して大きな効果を発揮する。なお、圧縮機のメカ方式としてロータリ圧縮機やレシプロ圧縮機等においてもこの起動時制御手法が適用できる。

なお、ヒートポンプ装置の起動時においては、補助圧縮機の制御のみならず、放熱器のファン風量（空調用途）や水流量（給湯用途）を小さくするもしくは止めるという制御や、蒸発器のファン風量を小さくするもしくは止めるといった制御を同時に行えばより速やかに高低圧力差を確保でき、スムーズな起動ができる。

なお、補助圧縮機２１１の吸入側と吐出側配管に開閉弁もしくは流量制御弁を設けて、
補助圧縮機２１１から膨張機一体型圧縮機２１０へ運転を切り替える際に、両方の弁を閉じるようにしても良い。

以上のような手順を踏むことにより、膨張機一体型圧縮機を搭載したヒートポンプ装置の起動時において、速やかに高低圧力差を確保できスムーズに起動を行うことができる。

（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、背景技術と同一構成については同一符号を付す。
本構成は、図５に示すように図３のヒートポンプ装置の第１の冷媒圧力検出手段をなくし、第２の冷媒圧力検出手段を冷媒温度検出手段２１７に換え、更に第２の圧縮機の周波数検出手段を設けた構成になっている。

ここで、ヒートポンプ装置の起動制御について図６のフローチャートを用いて説明する。まず、（S1）で補助圧縮機２１１を起動する。次に、（S2）で冷媒温度検出手段によって冷媒温度を検出する。次に、（S3）で補助圧縮機２１１の周波数を検出する。検出した低圧側冷媒温度から低圧を推算し、推算した低圧と検出した第２の圧縮機の周波数から高圧側圧力Pdを推算する。高圧側圧力推算方法は、図７に示すような高圧と圧縮機周波数と低圧の関係図を実験により作成し、制御装置内にあるマイクロコンピュータに記憶させておき、推算する。次に、推算した高圧側圧力Pdと低圧側圧力Psとの比Pd/Ps（Ps/Pdでも構わない）もしくは、Pd-Ps（Ps-Pdでも構わない）が予め実験により求めておいた所定値bになっているか確認する。所定値bになっていなければ所定値になるまで第２の圧縮機の運転を継続させる。所定値になっていれば（S4）で補助圧縮機２１１を停止する。次に、（S5）で膨張機一体型圧縮機を起動する。

なお、図６のフローチャートでは、補助圧縮機が完全に停止してから膨張機一体型圧縮機の運転へと切り替えているが、補助圧縮機を完全に停止させずに周波数を徐々に下げていきながら膨張機一体型圧縮機の周波数を上げていく方法でも良い。
また、圧縮機のメカ方式はスクロール圧縮機がより効果が大きい。スクロール圧縮機の場合、冷媒の高低圧力差によってハネが転覆しないように固定されているが、高低圧力差があまりついていない状態ではハネが固定されずに回転運動を行うため、冷媒を圧縮するという動作が正常に作動しないことになる。よって、スクロール圧縮機を用いた冷凍サイクル装置では、この起動時の制御を行うことによって、制御を行わない場合と比較して大きな効果を発揮する。なお、圧縮機のメカ方式としてロータリ圧縮機やレシプロ圧縮機等においてもこの起動時制御手法が適用できる。

なお、ヒートポンプ装置の起動時においては、補助圧縮機の制御のみならず、放熱器のファン風量（空調用途）や水流量（給湯用途）を小さくするもしくは止めるという制御や、蒸発器のファン風量を小さくするもしくは止めるといった制御を同時に行えばより速やかに高低圧力差を確保でき、スムーズな起動ができる。

なお、補助圧縮機２１１の吸入側と吐出側配管に開閉弁もしくは流量制御弁を設けて、補助圧縮機２１１から膨張機一体型圧縮機２１０へ運転を切り替える際に、両方の弁を閉じるようにしても良い。

以上のような手順を踏むことにより、膨張機一体型圧縮機を搭載したヒートポンプ装置の起動時において、速やかに高低圧力差を確保できスムーズに起動を行うことができる。

本発明にかかる冷凍サイクル装置は、給湯機、冷凍・空調機器や乾燥装置などのヒート
ポンプ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、ヒートポンプ装置の構成図 本発明の実施の形態１における、起動時の制御方法を示すフローチャート 本発明の実施の形態２における、ヒートポンプ装置の構成図 本発明の実施の形態２における、起動時の制御方法を示すフローチャート 本発明の実施の形態３における、ヒートポンプ装置の構成図 本発明の実施の形態３における、起動時の制御方法を示すフローチャート 本発明の実施の形態３における、高圧を推算するための図 特許文献1に記載の冷凍サイクル装置図 特許文献2に記載の冷凍サイクル装置図

符号の説明

２０１ 圧縮機
２０２ ヒートポンプ装置：放熱器、貯湯装置：吸熱器
２０３ 減圧装置
２０４ 蒸発器
２０５ 冷媒配管
２０６ 貯湯槽
２０７ ポンプ（ウォーターポンプ）
２０８ 水配管
２０９ 電流制御手段（制御部）
２１０ 膨張機一体型圧縮機
２１１ 補助圧縮機
２１２ 第１の開閉弁
２１３ 第２の開閉弁
２１４ 制御手段
２１５ 第１の冷媒圧力検出手段
２１６ 第２の冷媒圧力検出手段
２１７ 冷媒温度検出手段
２１８ 圧縮機周波数検出手段
２１９ 油分離器
２２０ 膨張機
２２１ アキュムレータ
２２２ 主軸
２２３ モータ
２２４ 第２圧縮機
２２５ 第２減圧手段
２２６ 流量制御手段
２２７ 逆流防止手段
２２８ 四方弁
２２９ 第１のファン
２３０ 第２のファン

Claims (5)

1. 圧縮部と膨張部を一軸で直結した膨張機一体型圧縮機の前記圧縮部と、放熱器と、前記膨張部と、蒸発器を順次配管接続した冷凍サイクル装置であって、
   前記膨張機一体型圧縮機の圧縮部と並列に補助圧縮機を接続し、前記膨張機一体型圧縮機の周波数と、前記補助圧縮機の周波数を制御する制御手段を備え、
   前記冷凍サイクル装置の起動時に前記膨張機一体型圧縮機を停止させ、前記補助圧縮機を所定時間運転させた後、前記補助圧縮機から前記膨張機一体型圧縮機へ運転を切り替える冷凍サイクル装置の運転方法。
2. 請求項１に記載の冷凍サイクル装置において、前記補助圧縮機の吐出部と前記膨張部の間の配管に第１の冷媒圧力検出手段を設け、前記膨張部と前記補助圧縮機の吸入部の間の配管に第２の冷媒圧力検出手段を設け、前記冷凍サイクルの起動時に前記膨張機一体型圧縮機を停止させ、前記補助圧縮機を前記第１の冷媒圧力検出手段と前記第２の冷媒圧力検出手段の検出値の比が所定値になるまで運転させた後、前記補助圧縮機から前記膨張機一体型圧縮機へ運転を切り替える冷凍サイクル装置の運転方法。
3. 請求項２に記載の冷凍サイクル装置の運転方法において、前記補助圧縮機を前記第１の冷媒圧力検出手段と前記第２の冷媒圧力検出手段の検出値の差が所定値になるまで運転させた後、前記補助圧縮機から前記膨張機一体型圧縮機へ運転を切り替える冷凍サイクル装置の運転方法。
4. 請求項１〜３に記載の冷凍サイクル装置において、前記蒸発器の冷媒温度を検出する冷媒温度検出手段と前記補助圧縮機の周波数を検出する補助圧縮機周波数検出手段を設け、前記冷凍サイクルの起動時に前記膨張機一体型圧縮機を停止させ、前記補助圧縮機を推算された高圧と低圧の比が所定値になるまで運転させた後、前記補助圧縮機から前記膨張機一体型圧縮機へ運転を切り替える冷凍サイクル装置の運転方法。
5. 請求項４に記載の冷凍サイクル装置の運転方法において、前記冷凍サイクルの起動時に前記膨張機一体型圧縮機を停止させ、前記補助圧縮機を推算された高圧と低圧の差が所定値になるまで運転させた後、前記補助圧縮機から前記膨張機一体型圧縮機へ運転を切り替える冷凍サイクル装置の運転方法。

Images