JP2007187332A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】冷凍サイクル装置において、運転状態の変化に応じた最適なオイル量を膨張機へ供給し、回収動力を高く維持する。
【解決手段】本実施形態の冷凍サイクル装置は、冷媒を高温高圧に圧縮する圧縮機21と、高温高圧になった冷媒を冷却して周囲へ放熱させる放熱器16と、冷媒流量を調整する絞り装置7と、冷媒を減圧膨張する膨張機22と、冷媒が周りから熱を奪って蒸発する蒸発器17を順次配管接続した構成であり、圧縮機21のシェル内の下部にあるオイル溜まりと膨張機22の下部にあるオイル溜まりがオイル送り管によって接続され、膨張機入口の冷媒温度検出手段と冷媒圧力検出手段と蒸発器17の冷媒温度検出手段の検出値と回収動力値をもとに絞り装置7の開度と放熱器16のファン風量と圧縮機21の周波数を調整する制御手段8が備えられている。
【選択図】図1
【解決手段】本実施形態の冷凍サイクル装置は、冷媒を高温高圧に圧縮する圧縮機21と、高温高圧になった冷媒を冷却して周囲へ放熱させる放熱器16と、冷媒流量を調整する絞り装置7と、冷媒を減圧膨張する膨張機22と、冷媒が周りから熱を奪って蒸発する蒸発器17を順次配管接続した構成であり、圧縮機21のシェル内の下部にあるオイル溜まりと膨張機22の下部にあるオイル溜まりがオイル送り管によって接続され、膨張機入口の冷媒温度検出手段と冷媒圧力検出手段と蒸発器17の冷媒温度検出手段の検出値と回収動力値をもとに絞り装置7の開度と放熱器16のファン風量と圧縮機21の周波数を調整する制御手段8が備えられている。
【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に関する。
近年、冷凍サイクルの更なる高効率化を図る手段として、膨張弁に代えて膨張機を備え、冷媒が膨張する過程でその圧力エネルギーを膨張機によって電力又は動力の形で回収し、その回収分だけ圧縮機の入力を低減する動力回収サイクルが提案されている。(例えば、特許文献1参照)。図12は特許文献1に記載された従来のヒートポンプ装置を示すものである。
図12は、冷媒5を圧縮するための圧縮機21と、圧縮機21により圧縮された冷媒5を冷却するための放熱器16と、放熱器16を通過した冷媒5を膨張させるための膨張機22と、膨張機22により膨張した冷媒5を蒸発させるための蒸発器17から構成される冷凍サイクル装置である。圧縮機21と膨張機22は一体化され、レシプロタイプの圧縮膨張機2を構成している。膨張機22では、冷媒が膨張するときに発生する動力を回収し、圧縮機21と接続されている駆動軸3に動力を伝達する。図11は膨張機22による高効率化の原理を示したモリエル線図である。図11に示すように、圧縮機21出口(点d)から凝縮されて過冷却となった冷媒ガス(点a)を膨張機22に導入し、これを膨張機22において等エントロピー膨張によって膨張させた時、蒸発器17(例えば冷房時の室内熱交換器)入口(点b)と、従来のように膨張弁によって(点a)から等エンタルピ膨張させた場合における蒸発器17入口(点e)との間のエンタルピ量(ha)だけ、冷媒膨張時の圧力エネルギーが動力として冷媒システム側に回収される。その結果、圧縮機21には必要入力(hb)から上記回収動力(ha)を差し引いた値(hb−ha)だけを実際に入力すればよく、圧縮機21入力の低減分だけサイクルの高効率化が実現されるものである。また、圧縮機21と放熱器16との間には、圧縮機21を通過した冷媒5と冷媒5に含まれる潤滑油6とを分離するためのオイル分離器12が配設されており、分離された潤滑油6を蒸発器17と圧縮機21との間の冷媒配管111へ戻すオイル戻し管13と、放熱器16と膨張機21との間の冷媒配管113へ送るオイル送り管14へ流す構成になっている。
特開2001−141315号公報
しかしながら、オイル分離器により分離されたオイルを放熱器と膨張機との間の冷媒配管へ接続されたオイル送り管へ流す構成では、オイル分離器で分離したオイルを圧縮機出口と膨張機入口間の圧力損失分のみで流入させていることや、圧縮機から吐出されるオイル吐出量が少ないためにオイル分離器で分離されるオイル量も少ない等の理由から、膨張機の性能が発揮できる十分なオイルが供給できず、運転状態が変化した場合に回収動力を高く維持できないという課題を有していた。
本発明は前記課題に鑑みてなされたものであり、圧縮機のオイル溜まりと膨張機のオイル溜まりをオイル送り管で接続し、膨張機の冷媒流れ方向の上流側に絞り装置を直列に接続し、絞り装置の開度を最適に制御して膨張機へ十分なオイルを供給し、運転状態が変化しても回収動力を高く維持することを目的とする。
前記課題を解決するために、本発明においては、圧縮機と、放熱器と、第1の絞り装置と、第2の絞り装置と、蒸発器を順次配管接続し、冷媒を循環させる冷凍サイクル装置であって、第2の絞り装置は膨張機であり、圧縮機のオイル溜まりと膨張機のオイル溜まりをオイル送り管で接続し、膨張機の入口に第1の冷媒温度検出手段と第1の冷媒圧力検出手段とを設置し、蒸発器に第2の冷媒温度検出手段を設置し、第1の冷媒温度検出手段の検出値と、第1の冷媒圧力検出手段の検出値と、第2の冷媒温度検出手段の検出値と、膨張機の回収動力の検出値をもとに、第1の絞り装置の開度を制御する構成とする。
本構成によって、運転状態の変化に応じた最適なオイル量を膨張機へ供給することができ、回収動力を高く維持することができる。
本発明のヒートポンプ装置によれば、運転状態の変化に応じた最適なオイル量を膨張機へ供給することができ、回収動力を高く維持することができる。
本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機と、放熱器と、第1の絞り装置と、第2の絞り装置と、蒸発器を順次配管接続し、冷媒を循環させる冷凍サイクル装置であって、第2の絞り装置は膨張機であり、圧縮機のオイル溜まりと膨張機のオイル溜まりをオイル送り管で接続し、膨張機の入口に第1の冷媒温度検出手段と第1の冷媒圧力検出手段とを設置し、蒸発器に第2の冷媒温度検出手段を設置し、第1の冷媒温度検出手段の検出値と、第1の冷媒圧力検出手段の検出値と、第2の冷媒温度検出手段の検出値と、膨張機の回収動力の検出値をもとに、第1の絞り装置の開度を制御する構成とする。
これにより、運転状態の変化に応じた最適なオイル量を膨張機へ供給することができ、回収動力を高く維持することができる。
(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。
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圧縮機21と、高温高圧になった冷媒を貯湯タンク30の低温水と熱交換させて高温高圧冷媒を冷却する放熱器16と、放熱器16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流量を調整する絞り装置7と、絞り装置7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22と、冷媒が周りから熱を奪って蒸発する蒸発器17によって構成されている。そして本実施形態による冷凍サイクルは、圧縮機21のシェル内の下部にあるオイル溜まりと膨張機22のオイル溜まりがオイル送り管14によって接続されている。また、膨張機22の入口に第1の冷媒温度検出手段9と第1の冷媒圧力検出手段10が設置され、放熱器16の出口には第2の冷媒圧力検出手段31、蒸発器17に第2の冷媒温度検出手段30が設置されている。また、制御手段8では膨張機22の回収動力値と第1の冷媒温度検出手段9の検出値と第1の冷媒圧力検出手段10の検出値と第2の冷媒温度検出手段30の検出値をもとに絞り装置7の開度と放熱器16の水流量と圧縮機21の周波数を制御手段8によって予め求められた所定値に調整する。また、図1はヒートポンプ給湯機を想定しているが、放熱器16の被加熱流体が空気である空調用途にも適用できる。
まず、絞り装置の開度と理論回収動力、膨張機効率、回収動力の関係を図2をもとに説明する。
図2の(1)に示すように、絞り装置7の開度を大きくしていくと理論回収動力は大きくなる。この理由について説明する。絞り装置7の開度を大きくすると、膨張機22入口冷媒圧力も大きくなる、つまり膨張機22の入口と出口の圧力差が大きくなっていくため理論回収動力は大きくなる。また、絞り装置7の開度を全開にすると放熱器16の出口冷媒圧力に等しくなり、理論回収動力は最大となる。
また、図2の(2)に示すように、絞り装置7の開度を大きくしていくと膨張機効率は小さくなる。この理由について説明する。絞り装置7の開度を大きくすると、膨張機22の入口冷媒圧力も大きくなっていき、圧縮機21のシェル内の圧力(圧縮機21のシェル内は圧縮された後の高温高圧冷媒で満たされている)との圧力差が小さくなっていく。つまり、圧縮機21のオイル溜まりからオイル送り管14を通って膨張機22の入口へ流れるオイルは圧縮機21のシェル内圧力と膨張機22の入口冷媒圧力の圧力差を駆動源として流れるため、絞り装置7の開度を大きくして膨張機22の入口冷媒と圧縮機21のシェル内冷媒の圧力差が小さくなるとオイルが膨張機22へ流れにくくなり、膨張機内のオイル量は低下し、膨張機効率は低下する。
図2の(1)、(2)を総合すると、図2に示す(3)のようになる。つまり、絞り装置7の開度に対する理論回収動力と膨張機効率の傾向が反対であるため、回収動力が最大となる開度の最適点が存在する。
次に、回収動力に及ぼす膨張機22の入口圧力の影響を把握するために実験を行った。その結果ついて説明する。
実験条件は、表1に示す給湯機中間期条件である。
実験は、図3のモリエル線図に示すように膨張機22の入口圧力を8.68MPa,7.77MPa,7.21MPaと変化させた場合のそれぞれの回収動力を測定した。
図4に実験結果を示す。この図は回収動力に及ぼす膨張機22の入口圧力の影響を示している。この図から給湯機中間期条件においては膨張機22の入口圧力が7.77MPa付近で最大になっているのがわかる。これは膨張機22の上流側に設置した絞り装置7の開度を小さくしたことにより、膨張機22の入口冷媒圧力と圧縮機21の吐出圧力に差が生じ、オイル送り管14を通って膨張機22へ流れ込むオイル量が多くなり、膨張機効率が向上したためだと考えられる。絞り装置7の開度を小さくすることで膨張機22の入口冷媒圧力を下げると理論回収動力は減少するが、図2で説明したように膨張機効率は増加するため、最適な絞り装置の開度即ち最適な膨張機22の入口冷媒圧力が存在する。
次に、絞り装置7の開度制御方法について図5の制御フローチャートをもとに説明する。
まず、ステップ1で膨張機22の入口冷媒の温度・圧力を検出する。冷媒の温度は、第1の冷媒温度検出手段9にて検出し、冷媒の圧力は、第1の冷媒圧力検出手段10によって検出する。
ステップ2で蒸発器17の冷媒温度を検出する。冷媒温度の検出は、第2の冷媒温度検出手段30を用いて行う。次に、ステップ1で検出した膨張機22の入口冷媒温度・圧力と、ステップ2での蒸発器17の冷媒温度から、最適回収動力を導出する。ここで、最適回収動力の算出方法について説明する。給湯や空調で使用する際の膨張機22の入口冷媒の温度・圧力範囲(例えば圧力は8〜12MPa、温度は10〜40℃)において、予め実験によって絞り装置7の開度と蒸発器17の冷媒温度(例えば0〜20℃)の各組み合わせによる膨張機22での最適回収動力の関係を導出する。この最適回収動力の情報は、制御手段8内にあるマイクロコンピュータに記憶させておく。ステップ1および2で導出したデータに基づき、マイクロコンピュータに記憶させた情報に参照することにより、最適回収動力を導出することができる。
ステップ3で膨張機22での回収動力を検出する。回収動力の検出方法は種種の方法がある。電力計を用いて測定するのは直接的な方法である。その他の方法としては、たとえば、国際公開2005/103584号パンフレットに記載されているように、膨張機に直結した発電機の電流や回転数から、回収動力を推定する方法も用いることができる。
次にステップ3での回収動力が、ステップ1及び2で導出した最適回収動力に一致しているかどうか判断する。ここで、両数値が完全に一致していない場合には、システムに応じて適切な最適回収動力範囲を設定し、その範囲内に、回収動力があれば、一致していると判断する。
ステップ3で測定した回収動力が、最適回収動力になっていればステップ4に移り運転は継続し、最適回収動力になっていなければステップ5に移り膨張機22の上流に設置された絞り装置7の開度を変更し、最適回収動力となるように膨張機22入口冷媒圧力を調整する。
次にステップ6で冷凍サイクルの高圧サイドに設置された第2の冷媒圧力検出手段31での検出値が最適値になっているか判断する。ここで、圧力を測定する理由は次のとおりである。従来冷媒では高圧側は凝縮域であったため、放熱器出口の冷媒温度を決めると圧力も一義的に決まっていたが、CO2を冷媒として用いた場合高圧サイドは超臨界状態と
なり、放熱器出口の冷媒温度を決めても圧力は一義的には決まらないからである。
なり、放熱器出口の冷媒温度を決めても圧力は一義的には決まらないからである。
ステップ6、7では、ステップ5で絞り装置7の開度を変化させて膨張機22の入口状態を変化させると、放熱器16出口冷媒の状態も変化するため、全体のシステムのCOPが最大となるように高圧を制御する。ステップ6では、第2の冷媒圧力検出手段31において、圧力値を検出した後、この検出値が、マイクロコンピュータに記憶された最適値に一致しているか否かを判断する。圧力の最適値は、夏期、冬期、中間期それぞれに応じて予め決められた最適な圧力をマイクロコンピュータに記憶させておく。ここで、最適値の範囲は、システムの条件に応じて、適宜判断する。
ステップ6で、第2の冷媒圧力検出手段で検出した検出値が最適値に一致していればステップ1へ戻り、一致していなければステップ7で圧縮機21の周波数と放熱器16の水流量もしくは風量制御により高圧を制御しステップ6へ戻る。
図5のフローチャートを繰り返すことで、冷凍サイクルに大きな変化をもたらすことなく、膨張機22での回収動力を常に高く維持することができる。また、これら一連の流れを一定時間間隔ごと(例えば1時間ごと)に実行させるようにする。
なお、使用するオイルとしてはPAG(ポリアルキレングリコール)オイルやPOE(ポリオールエステル)オイル等が挙げられる。
特に、冷媒に二酸化炭素を用いる場合には粘性が低いことや二酸化炭素に対して溶解性が低い等の理由からPAGオイルを使用するのが適している。
以上のような手順を踏むことにより、運転状態の変化に応じた最適なオイル量を膨張機へ供給することができ、回収動力を高く維持することができる。
以上のような手順を踏むことにより、運転状態の変化に応じた最適なオイル量を膨張機へ供給することができ、回収動力を高く維持することができる。
(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。
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。
図6において、本実施形態のヒートポンプ装置は、実施の形態1とほぼ同様であるが、放熱器16の出口に設けられた第2の冷媒圧力検出手段31に代えて外気温検出手段15と圧縮機の周波数検出手段20とが備えられている。
なお、絞り装置7の開度制御手法については、図5に示すフローチャートとほぼ同様であるが、ステップ3で高圧を検出する際に圧力センサーではなく外気温検出手段15と圧縮機21の周波数から高圧を推定するところが異なっている。その他は実施の形態1と同様である。
外気温と圧縮機周波数から放熱器16の出口冷媒圧力を推定する方法としては、予め実験で、図7に示すような冷媒の圧力・圧縮機21の周波数・外気温の関係を示す図を作成しておき、その情報を制御手段7のマイクロコンピュータに記憶させておく。その情報をもとに放熱器16の出口冷媒圧力を推定し、あとは図5のフローチャートの流れに基づいて制御を行う。
以上のような手順を踏むことにより、運転状態の変化に応じた最適なオイル量を膨張機へ供給することができ、回収動力を高く維持することができる。
(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。
図8において、本実施形態のヒートポンプ装置は、実施の形態2とほぼ同様であるが、圧縮機21の周波数検出手段20に代えて膨張機22の周波数検出手段23が備えられている。
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。
図8において、本実施形態のヒートポンプ装置は、実施の形態2とほぼ同様であるが、圧縮機21の周波数検出手段20に代えて膨張機22の周波数検出手段23が備えられている。
なお、絞り装置7の開度制御手法については、図5に示すフローチャートとほぼ同様であるが、ステップ3で高圧を検出する際に圧力センサーではなく外気温検出手段15と膨張機21の周波数から高圧を推定するところが異なっている。その他は実施の形態1と同様である。
外気温と膨張機周波数から放熱器16の出口冷媒圧力を推定する方法としては、予め実験で、図9に示すような冷媒の圧力・膨張機22の周波数・外気温の関係を示す図を作成しておき、その情報を制御手段7のマイクロコンピュータに記憶させておく。その情報をもとに放熱器16の出口冷媒圧力を推定し、あとは図5のフローチャートの流れに基づいて制御を行う。
以上のような手順を踏むことにより、運転状態の変化に応じた最適なオイル量を膨張機へ供給することができ、回収動力を高く維持することができる。
(実施の形態4)
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。
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。
図10において、本実施形態のヒートポンプ装置は、実施の形態1とほぼ同様であるが、圧縮機21のオイル溜まりとオイル送り管14を介して接続する部分を膨張機22のオイル溜まりに代えて膨張機22の入口冷媒配管としている。
なお、絞り装置7の開度制御手法については実施の形態1〜3と同様であるので省略する。
以上のような手順を踏むことにより、運転状態の変化に応じた最適なオイル量を膨張機へ供給することができ、回収動力を高く維持することができる。
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。
1 冷凍空調機
2 圧縮膨張機
3 駆動軸
5 冷媒
6 潤滑油
7 絞り装置
8 制御手段
9 冷媒温度検出手段
10 冷媒圧力検出手段
11,111,112, 113,114 冷媒配管
12 オイル分離器
13 オイル戻し管
14 オイル送り管
15 外気温検出手段
16 放熱器
17 蒸発器
18 アキュームレータ
19 オイル供給管
20 圧縮機周波数検出手段
21 圧縮機
22 膨張機
23 膨張機周波数検出手段
29 原動機
30 貯湯タンク
31 放熱器能力制御手段
131 可変の絞り
141 可変の絞り
191 調整弁
2 圧縮膨張機
3 駆動軸
5 冷媒
6 潤滑油
7 絞り装置
8 制御手段
9 冷媒温度検出手段
10 冷媒圧力検出手段
11,111,112, 113,114 冷媒配管
12 オイル分離器
13 オイル戻し管
14 オイル送り管
15 外気温検出手段
16 放熱器
17 蒸発器
18 アキュームレータ
19 オイル供給管
20 圧縮機周波数検出手段
21 圧縮機
22 膨張機
23 膨張機周波数検出手段
29 原動機
30 貯湯タンク
31 放熱器能力制御手段
131 可変の絞り
141 可変の絞り
191 調整弁
Claims (6)
- 圧縮機と、放熱器と、第1の絞り装置と、第2の絞り装置と、蒸発器を順次配管接続し、冷媒を循環させる冷凍サイクル装置であって、
前記第2の絞り装置は膨張機であり、
前記圧縮機のオイル溜まりと前記膨張機のオイル溜まりをオイル送り管で接続し、
前記膨張機の入口に第1の冷媒温度検出手段と第1の冷媒圧力検出手段とを設置し、
前記蒸発器に第2の冷媒温度検出手段を設置し、
前記第1の冷媒温度検出手段の検出値と、前記第1の冷媒圧力検出手段の検出値と、前記第2の冷媒温度検出手段の検出値と、前記膨張機の回収動力の検出値をもとに、前記第1の絞り装置の開度を制御する冷凍サイクル装置。 - 請求項1記載の冷凍サイクル装置において、
さらに、前記放熱器出口に第2の冷媒圧力検出手段と、前記放熱器の放熱能力制御手段とを有し、前記第2の冷媒圧力検出手段の検出値に基づいて、前記圧縮機の周波数または前記放熱能力制御手段を制御する冷凍サイクル装置。 - 請求項1記載の冷凍サイクル装置において、
さらに、外気温検出手段と前記圧縮機の周波数検出手段を有し、前記外気温検出手段の検出値および前記圧縮機の周波数検出手段で検出した周波数に基づいて、前記圧縮機の周波数または前記放熱能力制御手段を制御する冷凍サイクル装置。 - 請求項1記載の冷凍サイクル装置において、
さらに、外気温検出手段と前記膨張機の周波数検出手段を有し、前記外気温検出手段の検出値および前記膨張機の周波数検出手段で検出した周波数に基づいて、前記膨張機の周波数または前記放熱能力制御手段を制御する冷凍サイクル装置。 - 前記冷凍サイクルは、放熱器において、冷媒と水とで熱交換を行い、温水を供給可能なものであり、前記放熱能力制御手段は、前記水の流量を制御することにより制御される請求項2に記載の冷凍サイクル装置。
- 請求項1〜5に記載の冷凍サイクル装置において、前記圧縮機のオイル溜まりと接続する部分を前記膨張機の入口に代えた冷凍サイクル装置。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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Applications Claiming Priority (1)
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---|---|
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Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2006003372A Pending JP2007187332A (ja) | 2006-01-11 | 2006-01-11 | 冷凍サイクル装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP2007187332A (ja) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010190186A (ja) * | 2009-02-20 | 2010-09-02 | Nissan Motor Co Ltd | 廃熱回収装置搭載車両 |
US7918096B2 (en) * | 2006-04-20 | 2011-04-05 | Daikin Industries, Ltd. | Refrigeration system |
CN110081568A (zh) * | 2019-05-22 | 2019-08-02 | 广东美的制冷设备有限公司 | 空调器及其空调控制方法、控制装置和可读存储介质 |
CN112944618A (zh) * | 2021-02-05 | 2021-06-11 | 青岛海信日立空调***有限公司 | 一种空调能力估算方法及空调器 |
-
2006
- 2006-01-11 JP JP2006003372A patent/JP2007187332A/ja active Pending
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US7918096B2 (en) * | 2006-04-20 | 2011-04-05 | Daikin Industries, Ltd. | Refrigeration system |
JP2010190186A (ja) * | 2009-02-20 | 2010-09-02 | Nissan Motor Co Ltd | 廃熱回収装置搭載車両 |
CN110081568A (zh) * | 2019-05-22 | 2019-08-02 | 广东美的制冷设备有限公司 | 空调器及其空调控制方法、控制装置和可读存储介质 |
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