JP2009079850A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機に供給する冷媒を昇圧する過給機を備えた冷凍サイクル装置において、起動時の圧縮機への冷媒供給不足を解消する。
【解決手段】冷媒を圧縮する圧縮機１１、圧縮機１１で圧縮された冷媒を放熱させる放熱器１２、放熱器１２で放熱した冷媒を膨張させる膨張機１３、膨張機１３で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器１４、及び蒸発器１４で蒸発した冷媒を昇圧して圧縮機１１に供給する過給機１５を順次流路で接続して成る冷媒回路９と、過給機１５をバイパスするように冷媒回路９に両端が接続されたバイパス路３８と、バイパス路３８に設けられ該バイパス路３８における冷媒の流通を制御する弁と、膨張機１３で回収した動力にて過給機１５が駆動されているように膨張機１３と過給機１５とを連結する動力回収軸３１とを、冷凍サイクル装置１０に備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍サイクル装置に関する。

従来、冷凍サイクル装置において、主たる圧縮機（主圧縮機）に供給する冷媒を予備的に昇圧する副圧縮機を備えたものが知られている。例えば、特許文献１又は特許文献２では、主圧縮機に供給する冷媒を予備的に昇圧するために、膨張機で回収した動力で駆動される副圧縮機を備えた冷凍サイクル装置が示されている。

図１０は、特許文献１に記載された、従来の副圧縮機を備えた冷凍サイクル装置の一例を示す図である。

図１０に示すように、特許文献１に記載の冷凍サイクル装置１００Ａには、主圧縮機１０３と、放熱器１０４と、膨張機１０９と、蒸発器１０６と、副圧縮機１０５と、これらを順次流路で接続する循環路とを備えた冷媒回路が設けられている。冷媒の膨張エネルギーを機械エネルギーに変換する前記膨張機１０９と、変換された機械エネルギーにより仕事をする前記副圧縮機１０５とは、これらの動力軸１０８が連結されて、潤滑油を貯溜した一つの密閉容器１０１内に積層して配置されている。

図１１は、特許文献２に記載された、従来の副圧縮機を備えた冷凍サイクル装置の一例を示す図である。

図１１に示すように、特許文献２に記載の冷凍サイクル装置１００Ｂには、副圧縮機１０５の吐出口と主圧縮機１０３の吸入口との間に、冷媒を貯溜する機能を有する吸入アキュムレータ１０２が設けられている。
特開２００４−３２５０１８号公報 特開２００４−３２５０１９号公報

特許文献１に記載の冷凍サイクル装置１００Ａを起動する際、すなわち、主圧縮機１０３を起動する際に、該主圧縮機１０３は副圧縮機１０５の吐出口と主圧縮機１０３の吸入口とを接続する配管の冷媒を吸入する。このとき副圧縮機１０５は作動していないため、副圧縮機１０５の吐出口と主圧縮機１０３の吸入口とを接続する配管内の圧力が低下する。

副圧縮機１０５の吐出口と主圧縮機１０３の吸入口とを接続する配管の容積が十分でない場合には、主圧縮機１０３が起動するとき、該主圧縮機１０３が吸入すべき冷媒が不足して冷媒を昇圧することができなくなり、冷媒回路の冷媒の高低圧力差が不足して膨張機１０９が駆動されないことがある。

特に、膨張機１０９がロータリ式である場合には、膨張機１０９の動力軸１０８の位相に対して起動させるために必要な回転トルクが変動する。このため、主圧縮機１０３の起動時に、副圧縮機１０５の吐出口の圧力が低下して該副圧縮機１０５の吸入口と吐出口との間に圧力差が発生しても、動力軸１０８の回転角によれば、膨張機１０９を自立起動させるために十分な回転トルクが発生しないことがある。

また、特許文献２に記載の冷凍サイクル装置１００Ｂでは、副圧縮機１０５と主圧縮機１０３との間の流路に吸入アキュムレータ１０２を備えることにより冷凍サイクル装置１００Ｂの起動時における主圧縮機１０３の吸入冷媒量に余裕を持たせることはできるが、吸入アキュムレータ１０２の設置により冷凍サイクル装置１００Ｂの大型化を招き、また、冷凍サイクル装置１００Ｂの回路に封入される冷媒量が過剰となることがある。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであって、圧縮機に供給する冷媒を予備的に昇圧するための過給機を備えた冷凍サイクル装置において、冷凍サイクル装置の起動時に主圧縮機への冷媒供給不足を解消して、安定した確実な起動を実現するものを提供することを目的とする。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

本発明の冷凍サイクル装置は、冷媒を圧縮する圧縮機、前記圧縮機で圧縮された冷媒を放熱させる放熱器、前記放熱器で放熱した冷媒を膨張させて冷媒から動力を回収する膨張機、前記膨張機で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器、及び前記蒸発器で蒸発した冷媒を昇圧して前記圧縮機に供給する過給機を流路で順次接続して成る冷媒回路と、前記膨張機で回収された動力によって前記過給機が駆動されるように、前記膨張機と前記過給機とを連結する動力回収軸と、前記過給機をバイパスするように前記冷媒回路に両端が接続されたバイパス路と、前記バイパス路に設けられ、前記バイパス路における冷媒の流通を制御する弁と、を備えたものである。

本発明は、以下に示すような効果を奏する。

本発明によれば、冷凍サイクル装置の起動時に最初に起動される圧縮機への冷媒供給不足を解消して、安定した確実な起動を実現することができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態を図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複説明を省略する。

実施の形態１

本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１０について説明する。

図１は実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の構成図である。

［冷凍サイクル装置１０の構成］
図１に示すように、冷凍サイクル装置１０は、作動流体である冷媒を圧縮する圧縮機１１と、圧縮機１１で圧縮された冷媒を放熱させる放熱器１２と、放熱器１２で放熱した冷媒を膨張させて該冷媒から動力を回収する膨張機１３と、膨張機１３で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器１４と、蒸発器１４で蒸発した冷媒を昇圧して圧縮機１１に供給する過給機１５とを備えている。これらの圧縮機１１、放熱器１２、膨張機１３、蒸発器１４、及び過給機１５が流路で順次接続されて冷媒回路９が形成されている。膨張機１３と過給機１５とは動力回収軸３１で連結されていて、膨張機１３で回収された動力によって過給機１５が駆動される。前記冷媒として、例えば、二酸化炭素冷媒が用いられている。

本実施の形態において前記流路は配管にて形成され、圧縮機１１の吐出口と放熱器１２の入口とを接続する流路３５と、放熱器１２の出口と膨張機１３の入口とを接続する流路３６と、膨張機１３の出口と蒸発器１４の入口とを接続する流路３３と、蒸発器１４と過給機１５とを接続する流路３４と、過給機１５と圧縮機１１とを接続する流路３２とが、冷凍サイクル装置１０に備えられている。

圧縮機１１は、冷媒回路９を流れる冷媒を高温高圧に圧縮するものである。圧縮機１１として、例えば、スクロール式圧縮機や、ロータリ式圧縮機を用いることができる。

本実施の形態において圧縮機１１は、圧縮機構部１１ａと、この圧縮機構部１１ａを駆動する駆動部１１ｂとで構成されている。圧縮機構部１１ａと駆動部１１ｂとは、潤滑油を貯溜した一つの密閉容器１１ｃ内に配置されている。

放熱器１２は、流路３５を介して圧縮機１１の吐出口に接続されており、圧縮機１１により圧縮された冷媒を放熱させる（冷却する）ものである。

膨張機１３は、放熱器１２の出口と流路３６を介して接続されており、放熱器１２から流出した低温高圧の冷媒を膨張させ、該冷媒の圧力エネルギーの一部を回転エネルギーとして回収するものである。

前記膨張機１３として、例えば、スクロール式膨張機、ロータリ式膨張機、又は流体圧モータを用いることができる。なお、前記流体圧モータとは、放熱器１２から冷媒を吸入する工程と吸入した冷媒を吐出する工程とを、実質的に連続して行って動力を回収する流体機械であり、この流体圧モータの内部では膨張工程が実質的に行なわれない。

本実施の形態において、膨張機１３と過給機１５は、動力回収システム２０として備えられている。動力回収システム２０は、冷凍サイクルにおける冷媒の膨張エネルギーを機械エネルギーに変換する膨張機１３と、この変換された機械エネルギー（動力）により仕事をする過給機１５とで構成され、これらは動力回収軸３１で連結されて、潤滑油を貯溜した一つの密閉容器１９内に配置されている。

蒸発器１４は、膨張機１３の出口と流路３３を介して接続されており、膨張機１３から流出した冷媒を加熱して蒸発させるものである。

過給機１５は、蒸発器１４と圧縮機１１との間に配置されて、蒸発器１４から冷媒を吸入し、予備的に昇圧して圧縮機１１側へ吐出するものである。

過給機１５として、スクロール式圧縮機、ロータリ式圧縮機、又は流体圧モータ式圧縮機を用いることができる。なお、流体圧モータ式圧縮機とは、蒸発器１４から冷媒を吸入する工程と、吸入した冷媒を圧縮機１１側へ吐出する工程とを実質的に連続して行う圧縮機である。

上記構成の冷凍サイクル装置１０には、過給機１５をバイパスするように冷媒回路９に両端が接続されたバイパス路３８と、バイパス路３８に設けられ該バイパス路３８における冷媒の流通を制御する弁（逆止弁４１）とが、備えられている。

バイパス路３８の上流端Ｈ１は、膨張機１３の出口と蒸発器１４の入口とを接続する流路３３に接続され、バイパス路３８の下流端Ｈ２は、過給機１５の吐出口と圧縮機１１の吸入口とを接続する流路３２に接続されている。つまり、バイパス路３８は、冷媒回路９において膨張機１３の出口と蒸発器１４の入口との間の部分と、過給機１５の吐出口と圧縮機１１の吸入口との間の部分とを、連絡している。

なお、バイパス路３８の上流端Ｈ１は、流路３３に限定されず、冷媒回路９において膨張機１３の出口から過給機１５の吸入口までの部分に接続することができる。但し、バイパス路３８の入口を、膨張機１３の出口と蒸発器１４の入口との間の流路３３に設ければ、冷凍サイクル装置１０の起動時に蒸発器１４の内部に液相の冷媒が溜まっていても、膨張機１３の出口から蒸発器１４の入口との間の気相の冷媒とともに液相の冷媒をバイパス路３８へ流入させることができるという点で優位である。これにより、冷凍サイクル装置１０の起動時に、バイパス路３８を通じて圧縮機１１へ液相の冷媒のみが流入して該圧縮機１１にて液圧縮が行われてしまうことを防止し、冷凍サイクル装置１０の動作の信頼性の向上に寄与できる。

バイパス路３８の上流端部（バイパス路３８上で上流端Ｈ１に近い位置）には、逆止弁４１が設けられている。逆止弁４１を設けることにより、冷媒回路９において逆止弁４１の出口側の圧力が入口側の圧力よりも高いとき、つまり、過給機１５の吐出口と圧縮機１１の吸入口との間の流路３２の冷媒の圧力が、膨張機１３の出口と蒸発器１４の吸入口との間の流路（流路３３，蒸発器１４，流路３４）の冷媒の圧力より高いときには、バイパス路３８に冷媒が流れないこととなる。

［冷凍サイクル装置１０の動作］
続いて、冷凍サイクル装置１０の動作について説明する。

冷凍サイクル装置１０を起動させるに際して、圧縮機１１が起動される。これにより、過給機１５の吐出口と圧縮機１１の吸入口との間の流路３２、及び、バイパス路３８の逆止弁４１から下流側の流路にある冷媒が圧縮機１１に吸入される。

冷凍サイクル装置１０の停止時には、冷媒回路９の冷媒圧力は略均一であるが、圧縮機１１が起動し冷媒の吸入が開始されると、過給機１５の吐出口と圧縮機１１の吸入口との間の流路３２、及びバイパス路３８の逆止弁４１から下流側の流路の内部圧力が低下して、逆止弁４１が開放される。このように、冷凍サイクル装置１０の起動時に逆止弁４１が開放されることにより、流路３２の容積にかかわらず、バイパス路３８を通じて膨張機１３の出口から過給機１５の吸入口までの流路（流路３３，蒸発器１４，流路３４）に存在する冷媒を、圧縮機１１に供給可能となる。

圧縮機１１による冷媒の吸入により、膨張機１３の出口から過給機１５の吸入口までの流路（流路３３，蒸発器１４，流路３４）の冷媒が減圧され、さらに、この吸入された冷媒が圧縮機１１から吐出されて該圧縮機１１の吐出口から膨張機１３の入口までの流路（流路３５，放熱器１２，流路３６）の冷媒が昇圧されることにより、冷媒回路９の冷媒に高低圧力差が生じる。やがて、膨張機１３の出口側よりも入口側の冷媒の圧力が十分に高くなると、冷媒の高低圧力差により膨張機１３に冷媒が流れ、動力回収システム２０により過給機１５が自立起動する。過給機１５が起動すると、過給機１５を流れる前後の冷媒に圧力差が発生するため、動力回収システム２０の起動後の運転が安定する。このようにして、冷凍サイクル装置１０を起動する際に、圧縮機１１への冷媒供給不足に起因する冷媒の高低圧力差不足により膨張機１３が起動しないという起動不良を解消して、安定した確実な起動を実現することができる。

前述の通り過給機１５が起動すると、該過給機１５にて吸入側の冷媒が吸入されて、吐出側へ昇圧して吐出される。これにより、過給機１５の吐出口から圧縮機１１の吸入口までの流路３２とバイパス路３８の逆止弁４１よりも下流側の流路との冷媒の圧力が、膨張機１３の出口から過給機１５の吸入口までの流路（流路３３，蒸発器１４，流路３４）とバイパス路３８の逆止弁４１よりも上流側の流路との冷媒の圧力よりも高くなり、逆止弁４１が閉じられる。逆止弁４１が閉じられてバイパス路３８を冷媒が流れなくなると、冷凍サイクル装置１０は起動運転から定常運転に移行される。この定常運転では、逆止弁４１が閉じられた状態が維持される。

冷凍サイクル装置１０の定常運転においては、バイパス路３８は圧縮機１１への冷媒供給のバッファ空間として機能することができる。

逆止弁４１はバイパス路３８の上流側に位置しており、バイパス路３８の逆止弁４１よりも下流側と圧縮機１１に冷媒を供給する流路３２とは連通している。このバイパス路３８の逆止弁４１よりも下流側の流路は、流路３２の流路容積を拡張させるバッファ空間として機能することができる。よって、過給機１５による冷媒の吐出と、圧縮機１１による冷媒の吸入とのタイミングがずれると、流路３２において圧力脈動が発生することがあるが、バイパス路３８にて圧縮機１１の吸入前の流路容積が拡張されていることにより、圧力脈動の脈動幅の緩和が期待でき、冷凍サイクル装置１０の動作の信頼性を高めることができる。

冷凍サイクル装置１０の運転停止時には、まず、圧縮機１１が停止される。このとき、圧縮機１１の駆動回転数を漸次減少させて停止させることもできる。圧縮機１１が停止すると、冷媒回路９にある冷媒に高低圧力差がなくなり略均一圧力となる。

この実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１０では、冷凍サイクル装置１０の運転停止時には、圧縮機１１の圧縮機構部１１ａ、膨張機１３、及び過給機１５を冷媒が十分な時間をかけて移動するため、自然と冷媒回路９の冷媒の圧力が均一となって安定する。よって、バイパス路３８及びこれに設けられている逆止弁４１に関して特別な動作をさせることなく、冷凍サイクル装置１０が運転停止される。

上述の通り、本実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１０では、冷媒回路９において膨張機１３の出口から過給機１５の吸入口までの間の部分と過給機１５の吐出口から圧縮機１１の吸入口までの間の部分とを連絡するバイパス路３８を設けるとともに、バイパス路３８に逆止弁４１を設けることにより、煩雑な制御を必要とせずに、起動時に、膨張機１３の出口から過給機１５の吸入口までの冷媒回路９にある冷媒を、過給機１５を通らずにバイパス路３８を通じて圧縮機１１に供給することができる。これにより、起動時の圧縮機１１への冷媒供給不足を防止して、安定した確実な起動を実現し、よって、冷凍サイクル装置１０の信頼性の向上に寄与することができる。

実施の形態２

本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置１０について説明する。

図２は実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の構成図、図３は実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の起動制御の流れ図である。

［冷凍サイクル装置１０の構成］
図２に示すように、実施の形態２に係る冷凍サイクル装置１０の構成は、バイパス路３８を除いて実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１０と同一である。よって、バイパス路３８の構成について詳細に説明し、他は省略する。

バイパス路３８の上流端Ｈ１は、膨張機１３の出口と蒸発器１４の入口とを接続する流路３３に接続され、バイパス路３８の下流端Ｈ２は、過給機１５の吐出口と圧縮機１１の吸入口とを接続する流路３２に接続されている。つまり、バイパス路３８は、冷媒回路９において膨張機１３の出口と蒸発器１４の入口との間の部分と、過給機１５の吐出口と圧縮機１１の吸入口との間の部分とを、連絡している。

バイパス路３８の下流端部（バイパス路３８上で下流端Ｈ２に近い位置）には、バイパス路３８の開放と閉鎖を切り替える開閉弁４２が設けられている。開閉弁４２には、該開閉弁４２を開閉する弁開閉手段５１が設けられ、該弁開閉手段５１は制御手段５２により制御される。

制御手段５２は、マイクロコンピュータで構成され、その内部メモリに格納された制御プログラムを、そのＣＰＵが実行することにより、冷凍サイクル装置１０の制御手段として機能する。この制御手段５２には、冷凍サイクル装置１０の起動ボタンを設けたコントローラ５０を通じて操作指令が入力される。また、制御手段５２は圧縮機１１を動作させる駆動部１１ｂの動作を制御する。

さらに、冷凍サイクル装置１０には、過給機１５が起動したことを検出するための起動検出手段５３が設けられていて、該起動検出手段５３の検出出力が制御手段５２に入力される。

前記起動検出手段５３として、膨張機１３に流入する冷媒と膨張機１３から流出する冷媒との温度差を検出する温度検出手段（例えば、熱電対や温度センサ等）を設けることができる。また、前記温度検出手段に代えて、起動検出手段５３として、膨張機１３に流入する冷媒と膨張機１３から流出する冷媒との圧力差を検出する圧力検出手段を設けたり、或いは、圧縮機１１が起動してからの時間を計測する計時手段（タイマ）を備えたりすることもできる。

［冷凍サイクル装置１０の動作］
続いて、図３を用いて、冷凍サイクル装置１０の動作について説明する。なお、冷凍サイクル装置１０の定常運転時及び運転停止時においては、バイパス路３８並びに開閉弁４２に係る特別な制御を要さないので、定常運転時及び運転停止時の冷凍サイクル装置１０の動作については説明を省略する。

運転待機状態の冷凍サイクル装置１０では、圧縮機１１は停止され、バイパス路３８に設けられた開閉弁４２は閉じられている。

そして、制御手段５２は、コントローラ５０から起動指令が入力されると（ステップＳ１１）、開閉弁４２を開くために弁開閉手段５１に制御信号を出力する（ステップＳ１２）。これにより開閉弁４２が開かれてバイパス路３８が開放される。

続いて、制御手段５２は、圧縮機１１を起動するために駆動部１１ｂに制御信号を出力する（ステップＳ１３）。圧縮機１１が起動すると、過給機１５の吐出口と圧縮機１１の吸入口との間の流路３２、バイパス路３８、及び膨張機１３の出口から過給機１５の吸入口までの流路（流路３３，蒸発器１４，流路３４）にある冷媒が圧縮機１１に吸入され、圧縮されて流路３５に吐出される。このように、流路３２に加え、膨張機１３の出口から過給機１５の吸入口までの流路（流路３３，蒸発器１４，流路３４）にある冷媒をバイパス路３８を通じて圧縮機１１へ供給することができるので、圧縮機１１の起動時の冷媒供給不足を解消することができる。

上述の通り、圧縮機１１に冷媒が吸入されて流路３５に吐出されると、圧縮機１１の吐出口から膨張機１３の入口までの流路（流路３５，放熱器１２，流路３６）にある冷媒の圧力が上昇する。一方、膨張機１３の出口から過給機１５の吸入口までの流路（流路３３，蒸発器１４，流路３４）にある冷媒がバイパス路３８を通じて圧縮機１１に吸入されるので、これらの流路内の圧力が低下する。よって、膨張機１３の入口側の冷媒と出口側の冷媒との間に高低圧力差が生じることとなる。そして、膨張機１３の出口側よりも入口側の冷媒の圧力が十分に高くなったときに、冷媒の高低圧力差により膨張機１３に冷媒が流れ、動力回収システム２０により過給機１５が自立起動する。

制御手段５２は、過給機１５が起動したことを起動検出手段５３を通じて検出すると（ステップＳ１４のＹＥＳ）、開閉弁４２を閉じるために弁開閉手段５１に制御信号を送信する（ステップＳ１５）。これにより開閉弁４２が閉じられると、バイパス路３８が閉鎖されて、冷凍サイクル装置１０は起動制御を終了し、冷媒回路９を冷媒が循環する定常運転に移行される。

なお、起動検出手段５３の種類によって、「過給機１５が起動したこと」を検出する手法は異なり、例えば、次に示す（１）〜（３）の通りである。

（１）起動検出手段５３が膨張機１３に流入する冷媒と膨張機１３から流出する冷媒との温度差を検出する温度検出手段の場合は、過給機１５が起動するときの膨張機１３の入口と出口との冷媒の温度差ΔＴが実験的又は理論的に求められて制御手段５２に設定され、該制御手段５２では、温度検出手段にて検出された温度差がΔＴとなったときに「過給機１５が起動したこと」が検出される。

（２）起動検出手段５３が膨張機１３に流入する冷媒と膨張機１３から流出する冷媒との圧力差を検出する圧力検出手段の場合は、過給機１５が起動するときの膨張機１３の入口と出口との冷媒の圧力差ΔＰが実験的又は理論的に求められて制御手段５２に設定され、該制御手段５２では、圧力検出手段にて検出された圧力差がΔＰとなったときに「過給機１５が起動したこと」が検出される。

（３）起動検出手段５３が圧縮機１１が起動してからの時間を計測する計時手段（タイマ）の場合は、圧縮機１１が起動してから過給機１５が起動するまでの時間ｔが実験的又は理論的に求められて制御手段５２に設定され、該制御手段５２では圧縮機１１の駆動部１１ｂに制御信号を送信するとともに計時手段による時間計測が開始され、時間計測開始後時間ｔが経過したときに「過給機１５が起動したこと」が検出される。

上述の通り、実施の形態２に係る冷凍サイクル装置１０では、冷媒回路９において膨張機１３の出口から過給機１５の吸入口までの間の部分と過給機１５の吐出口から圧縮機１１の吸入口までの間の部分とを連絡するバイパス路３８を設けるとともに、バイパス路３８に開閉弁４２を設けることにより、冷凍サイクル装置１０の起動時に、膨張機１３の出口から過給機１５の吸入口までの流路（流路３３，蒸発器１４，流路３４）にある冷媒を、過給機１５を通らずにバイパス路３８を通じて圧縮機１１に供給することができる。これにより、起動時の圧縮機１１への冷媒供給不足を防止して、安定した確実な起動を実現し、よって、冷凍サイクル装置１０の信頼性の向上に寄与することができる。

実施の形態３

本発明の実施の形態３に係る冷凍サイクル装置１０について説明する。

図４は実施の形態３に係る冷凍サイクル装置の構成図、図５は実施の形態３に係る冷凍サイクル装置の起動制御の流れ図である。

［冷凍サイクル装置１０の構成］
図４に示すように、実施の形態３に係る冷凍サイクル装置１０の構成は、バイパス路３８を除いて実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１０と同一である。よって、バイパス路３８の構成について詳細に説明し、他は省略する。

バイパス路３８の上流端Ｈ１は、膨張機１３の出口と蒸発器１４の入口とを接続する流路３３に接続され、バイパス路３８の下流端Ｈ２は、過給機１５の吐出口と圧縮機１１の吸入口とを接続する流路３２に接続されている。つまり、バイパス路３８は、冷媒回路９において膨張機１３の出口と蒸発器１４の入口との間の部分と、過給機１５の吐出口と圧縮機１１の吸入口との間の部分とを、連絡している。

バイパス路３８の下流端Ｈ２と流路３２との接合部には、三方弁４３が設けられている。三方弁４３により、（ａ）過給機１５の吐出口と圧縮機１１の吸入口とを接続する流路３２を開放してバイパス路３８を閉じた状態、（ｂ）バイパス路３８を開放して過給機１５の吐出口と圧縮機１１の吸入口とを接続する流路３２の三方弁４３から上流を閉じた状態、の二つの状態に冷媒の経路を切り替えることができる。三方弁４３には、該三方弁４３を切り替える弁切替手段５４が設けられ、該弁切替手段５４は、制御手段５２により制御される。

［冷凍サイクル装置１０の動作］
続いて、図５を用いて、冷凍サイクル装置１０の動作について説明する。なお、冷凍サイクル装置１０の定常運転時、及び運転停止時においては、バイパス路３８並びに三方弁４３に係る特別な制御を要さないので、定常運転時及び運転停止時の冷凍サイクル装置１０の動作については説明を省略する。

運転待機状態の冷凍サイクル装置１０では、圧縮機１１は停止され、（ａ）過給機１５の吐出口と圧縮機１１の吸入口とを接続する流路３２を開放してバイパス路３８を閉じた状態となっている。

そして、制御手段５２は、コントローラ５０から起動指令が入力されると（ステップＳ２１）、三方弁４３を（ｂ）バイパス路３８を開放して過給機１５の吐出口と圧縮機１１の吸入口とを接続する流路３２の三方弁４３から上流を閉じた状態に切り替えるために、弁切替手段５４に制御信号を出力する（ステップＳ２２）。これにより、過給機１５の吐出口から三方弁４３までの流路が閉じられて、バイパス路３８が開通する。

続いて、制御手段５２は、圧縮機１１を起動するために駆動部１１ｂに制御信号を出力する（ステップＳ２３）。これにより、圧縮機１１が起動されて、圧縮機１１は、バイパス路３８を通じて膨張機１３の出口から過給機１５の吸入口までの流路（流路３３，蒸発器１４，流路３４）にある冷媒を吸入して吐出する。

上述の通り、膨張機１３の出口から過給機１５の吸入口までの流路（流路３３，蒸発器１４，流路３４）にある冷媒が圧縮機１１に吸入されているので、この流路内の圧力が低下して、膨張機１３の入口側の冷媒と出口側との冷媒との間に高低圧力差が生じることとなる。そして、膨張機１３の出口側よりも入口側の冷媒の圧力が十分に高くなったときに、冷媒の高低圧力差により膨張機１３に冷媒が流れ、動力回収システム２０により過給機１５が自立起動する。

特に、実施の形態３に係る冷凍サイクル装置１０では、バイパス路３８が開かれているときには、過給機１５の吐出口から三方弁４３までの流路は閉鎖されているので、冷媒の流れはバイパス路３８から圧縮機１１の吸入口への経路に限定される。このため、圧縮機１１の吸入により過給機１５の吐出口の圧力は低下せず、過給機１５の吸入口と該過給機１５の吐出口との間に生じる圧力差はわずかとなる。これにより、過給機１５の機構内部の間隙を移動する冷媒の流れを抑制することができ、圧縮機１１の吸入工程で仕事の損失が減少し、冷凍サイクル装置１０の高効率化に寄与することができる。

制御手段５２は、起動検出手段５３を通じて過給機１５が起動したことを検出すると（ステップＳ２４のＹＥＳ）、三方弁４３を、（ａ）過給機１５の吐出口と圧縮機１１の吸入口とを接続する流路を開放してバイパス路３８を閉じた状態に切り替えるために弁切替手段５４に制御信号を出力する（ステップＳ２５）。これにより三方弁４３が切り替えられてバイパス路３８が閉鎖されると、冷凍サイクル装置１０は起動制御を終了し、冷媒回路９を冷媒が循環する定常運転に移行される。

なお、起動検出手段５３の種類によって、「過給機１５が起動したこと」を検出する手法は異なる。この「過給機１５が起動したこと」を検出する手法は、実施の形態２に記載の手法と同一であり、説明を省略する。

上述の通り、実施の形態３に係る冷凍サイクル装置１０では、冷媒回路９において膨張機１３の出口から過給機１５の吸入口までの間の部分と過給機１５の吐出口から圧縮機１１の吸入口までの間の部分とを連絡するバイパス路３８を設けるとともに、バイパス路３８に三方弁４３を設けることにより、冷凍サイクル装置１０の起動時に圧縮機１１への冷媒供給不足を防止して、安定した確実な起動を実現することができる。

実施の形態４

本発明の実施の形態４に係る冷凍サイクル装置１０について説明する。

図６は実施の形態４に係る冷凍サイクル装置の構成図、図７は実施の形態４に係る冷凍サイクル装置の起動制御の流れ図である。

［冷凍サイクル装置１０の構成］
図６に示すように、実施の形態４に係る冷凍サイクル装置１０の構成は、バイパス路３８を除いて実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１０と同一である。よって、バイパス路３８の構成について詳細に説明し、他は省略する。

バイパス路３８の上流端Ｈ１は、蒸発器１４の出口と過給機１５の吸入口とを接続する流路３４に接続され、バイパス路３８の下流端Ｈ２は、過給機１５の吐出口と圧縮機１１の吸入口とを接続する流路３２に接続されている。つまり、バイパス路３８は、冷凍サイクル装置１０の冷媒回路９において蒸発器１４の出口と過給機１５の吸入口との間の部分と、過給機１５の吐出口と圧縮機１１の吸入口との間の部分とを、連絡している。

バイパス路３８の下流端部（バイパス路３８上で下流端Ｈ２に近い位置）には、減圧弁４４が設けられている。減圧弁４４は、入口から入った冷媒を設定した圧力に減圧して出口から放出するものであり、絞りを調整することにより、出口から吐出される冷媒の圧力を変化させることと、弁を閉じることができる。減圧弁４４には、絞りを調整する絞り調整手段５５が設けられ、該絞り調整手段５５は制御手段５２により制御される。

［冷凍サイクル装置１０の動作］
続いて、図７を用いて、冷凍サイクル装置１０の動作について説明する。なお、冷凍サイクル装置１０の定常運転時、及び運転停止時においては、バイパス路３８並びに減圧弁４４に係る特別な制御を要さないので、定常運転時及び運転停止時の冷凍サイクル装置１０の動作については説明を省略する。

運転待機状態の冷凍サイクル装置１０では、圧縮機１１は停止され、バイパス路３８に設けられた減圧弁４４は閉じられている
そして、制御手段５２は、コントローラ５０から起動指令が入力されると（ステップＳ３１）、減圧弁４４を開くために、絞り調整手段５５に制御信号を出力する（ステップＳ３２）。

これにより減圧弁４４が開放されてバイパス路３８が開通する。このとき、減圧弁４４は、該減圧弁４４の出口側の冷媒の圧力と略等しい圧力で冷媒を放出するように調整される。

続いて、制御手段５２は、圧縮機１１を起動するために駆動部１１ｂに制御信号を出力する（ステップＳ３３）。

これにより圧縮機１１が起動されて、圧縮機１１では、過給機１５の吐出口と圧縮機１１の吸入口との間の流路３２、バイパス路３８、及び膨張機１３の出口から過給機１５の吐出口までの流路（流路３３，蒸発器１４，流路３４）にある冷媒が吸入され、圧縮されて流路３５に吐出される。このとき、流路３２に加え、バイパス路３８を通じて膨張機１３の出口から過給機１５の吐出口までの流路（流路３３，蒸発器１４，流路３４）にある冷媒を圧縮機１１へ供給することができるので、圧縮機１１の起動時の冷媒供給不足を解消することができる。

なお、冷凍サイクル装置１０の起動時に蒸発器１４の内部に液相の冷媒が溜まっている場合には、バイパス路３８の下流端Ｈ２近傍に備えた減圧弁４４にて液相の冷媒を減圧沸騰させて放出し、圧縮機１１に供給されている冷媒に気相を増やすように、減圧弁４４の絞りが調整される。このようにして、バイパス路３８を通じて圧縮機１１へ供給される冷媒が液相の冷媒のみとなることを防止して、圧縮機１１における液圧縮発生に起因する不具合が回避されている。

上述の通り、圧縮機１１が起動すると、該圧縮機１１の吐出口から膨張機１３の入口までの流路３２の圧力が上昇する。一方、バイパス路３８を通じて膨張機１３の出口から過給機１５の吐出口までの流路（流路３３，蒸発器１４，流路３４）にある冷媒が圧縮機１１に吸入されるので、これらの流路内の圧力が低下する。よって、膨張機１３の入口の冷媒と出口との冷媒との間に高低圧力差が生じることとなる。そして、膨張機１３の出口側よりも入口側の冷媒の圧力が十分に高くなったときに、冷媒の高低圧力差により膨張機１３に冷媒が流れ、動力回収システム２０により過給機１５が自立起動する。

起動検出手段５３にて、過給機１５が起動したことが検出されると（ステップＳ３４のＹＥＳ）、制御手段５２は減圧弁４４を閉じるために絞り調整手段５５に制御信号を送信する（ステップＳ３５）。

このとき、減圧弁４４は、徐々に流路面積を絞るように調整される。減圧弁４４を急激に閉じると、それまでバイパス路３８を流れていた冷媒の流れが突然停止することにより減圧弁４４にて水撃現象が発生する虞があり、この水撃現象に起因する圧力脈動が、膨張機１３の出口や過給機１５の吸入口に伝播して、動作不具合を起こす可能性があるからである。

なお、起動検出手段５３の種類によって、「過給機１５が起動したこと」を検出する手法は異なる。この「過給機１５が起動したこと」を検出する手法は、実施の形態２に記載の手法と同一であり、説明を省略する。

上記の通り減圧弁４４が閉じられると、バイパス路３８が閉鎖されて、冷凍サイクル装置１０は起動制御を終了し、冷媒回路９を冷媒が循環する定常運転に移行される。

冷凍サイクル装置１０の定常運転時には、減圧弁４４は閉じられているためバイパス路３８は冷媒が循環する流路としては機能しない。但し、冷凍サイクル装置１０の定常運転時において、バイパス路３８の内部空間は、過給機１５の吸入前空間の容積を拡張するバッファ空間として機能することができる。これにより、過給機１５の冷媒の吸入工程において発生する圧力脈動の脈動幅を低減できることが期待され、冷凍サイクル装置１０の高効率化や信頼性の向上に寄与することができる。

上述の通り、実施の形態４に係る冷凍サイクル装置１０では、蒸発器１４の出口から過給機１５の吸入口までの流路３４と、過給機１５の吐出口から圧縮機１１の吸入口までの流路３２とを連絡し、過給機１５を回避して圧縮機１１に冷媒を供給するバイパス路３８を設けるとともに、バイパス路３８に減圧弁４４を設けることにより、冷凍サイクル装置１０の起動時に圧縮機１１への冷媒供給不足を防止して、安定した確実な起動を実現することができる。

実施の形態５

本発明の実施の形態５に係る冷凍サイクル装置１０について説明する。

図８は実施の形態５に係る冷凍サイクル装置の構成図、図９は実施の形態５に係る冷凍サイクル装置の起動制御の流れ図である。

［冷凍サイクル装置１０の構成］
図８に示すように、実施の形態５に係る冷凍サイクル装置１０の構成は、バイパス路３８を除いて実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１０と同一である。よって、バイパス路３８の構成について詳細に説明し、他は省略する。

バイパス路３８の上流端Ｈ１は、放熱器１２の出口と膨張機１３の入口とを接続する流路３６に接続され、バイパス路３８の下流端Ｈ２は、過給機１５の吐出口と圧縮機１１の吸入口とを接続する流路３２に接続されている。つまり、バイパス路３８は、冷凍サイクル装置１０の冷媒回路９において放熱器１２の出口と過給機１５の入口との間の部分と、過給機１５の吐出口と圧縮機１１の吸入口との間の部分とを、連絡している。

バイパス路３８の略中央部には、絞り弁４６が備えられている。絞り弁４６は、入口から入った冷媒を設定した圧力に減圧して出口から放出するものであり、絞りを調整することにより、出口から吐出されている冷媒の圧力を変化させることと、弁を閉じることができる。絞り弁４６には、絞りを調整する絞り調整手段５６が設けられ、該絞り調整手段５６は制御手段５２により制御される。

［冷凍サイクル装置１０の動作］
続いて、図９を用いて、冷凍サイクル装置１０の動作について説明する。なお、冷凍サイクル装置１０の定常運転時、及び運転停止時においては、バイパス路３８並びに絞り弁４６に係る特別な制御を要さないので、定常運転時及び運転停止時の冷凍サイクル装置１０の動作については説明を省略する。

運転待機状態の冷凍サイクル装置１０では、圧縮機１１は停止され、バイパス路３８に設けられた絞り弁４６は閉じられている
そして、制御手段５２は、コントローラ５０から起動指令が入力されると（ステップＳ４１）、絞り弁４６を開くために、絞り調整手段５６に制御信号を出力する（ステップＳ４２）。

これにより絞り弁４６が開放されてバイパス路３８が開通する。このとき、絞り弁４６は、冷媒を通過させるが、放熱器１２の出口と膨張機１３の入口を接続する流路３６の冷媒を減圧させないように機能する。

続いて、制御手段５２は、圧縮機１１を起動するために駆動部１１ｂに制御信号を出力する（ステップＳ４３）。

これにより圧縮機１１が起動されて、圧縮機１１では、過給機１５の吐出口と圧縮機１１の吸入口との間の流路３２、バイパス路３８、及び圧縮機１１の吐出口から動力回収システム２０の入口までの流路（流路３５，放熱器１２，流路３６）にある冷媒が吸入され、圧縮されて流路３５に吐出される。このとき、過給機１５の吐出口と圧縮機１１の吸入口との間の流路３２に加え、バイパス路３８を通じて圧縮機１１の吐出口から動力回収システム２０の入口までの流路（流路３５，放熱器１２，流路３６）にある冷媒を圧縮機１１へ供給することができるので、圧縮機１１の起動時の冷媒供給不足を解消することができる。

上述の通り、圧縮機１１により冷媒が吸入され流路３５へ吐出されると、該圧縮機１１の吐出口から膨張機１３の入口までの流路の圧力が上昇する。よって、膨張機１３の入口の冷媒と出口との冷媒との間に高低圧力差が生じることとなる。なお、バイパス路３８に設けられた絞り弁４６の絞り（開度）を調整することで、動力回収システム２０の自立起動に最適な高低圧力差を生じさせることができる。そして、膨張機１３の出口側よりも入口側の冷媒の圧力が十分に高くなったときに、この高低圧力差により膨張機１３に冷媒が流れ、動力回収システム２０により過給機１５が自立起動する。

起動検出手段５３にて、過給機１５が起動したことが検出されると（ステップＳ４４のＹＥＳ）、制御手段５２は絞り弁４６を閉じるために絞り調整手段５５に制御信号を送信する（ステップＳ４５）。

このとき、絞り弁４６は、徐々に絞られるように調整される。絞り弁４６を急激に閉じると、それまでバイパス路３８を流れていた冷媒の流れが突然停止することにより絞り弁４６にて水撃現象が発生する虞があり、この水撃現象に起因する圧力脈動が、動作不具合を起こす可能性があるからである。

なお、起動検出手段５３の種類によって、「過給機１５が起動したこと」を検出する手法は異なる。この「過給機１５が起動したこと」を検出する手法は、実施の形態２に記載の手法と同一であり、説明を省略する。

上記の通り絞り弁４６が閉じられると、バイパス路３８が閉鎖されて、冷凍サイクル装置１０は起動制御を終了し、冷媒回路９を冷媒が循環する定常運転に移行される。

なお、定常運転時には、絞り弁４６がバイパス路３８の略中央部に設けられているので、該バイパス路３８の内部空間は、膨張機１３の入口側及び圧縮機１１の吸入側のそれぞれにおいてバッファ空間として機能することができ、これにより、膨張機１３及び圧縮機１１にて発生する圧力脈動の脈動幅の緩和が期待できる。

上述の通り、実施の形態５に係る冷凍サイクル装置１０では、冷媒回路９において放熱器１２の出口から膨張機１３の入口まで間の部分と、過給機１５の吐出口から圧縮機１１の吸入口までの間の部分とを連絡し、過給機１５を回避して圧縮機１１に冷媒を供給するバイパス路３８を備えるとともに、バイパス路３８に絞り弁４６を設けることにより、冷凍サイクル装置１０の起動時に圧縮機１１への冷媒供給不足を防止して、安定した確実な起動を実現することができる。

本発明冷凍サイクル装置は、圧縮機の起動時における冷媒の供給不足を解消可能な冷凍サイクル装置等として有用である。

実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の構成図である。 実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の構成図である。 実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の起動制御の流れ図である。 実施の形態３に係る冷凍サイクル装置の構成図である。 実施の形態３に係る冷凍サイクル装置の起動制御の流れ図である。 実施の形態４に係る冷凍サイクル装置の構成図である。 実施の形態４に係る冷凍サイクル装置の起動制御の流れ図である。 実施の形態５に係る冷凍サイクル装置の構成図である。 実施の形態５に係る冷凍サイクル装置の起動制御の流れ図である。 従来の副圧縮機を備えた冷凍サイクル装置の一例を示す図である。 従来の副圧縮機を備えた冷凍サイクル装置の一例を示す図である。

符号の説明

９ 冷媒回路
１０ 冷凍サイクル装置
１１ 圧縮機
１２ 放熱器
１３ 膨張機
１４ 蒸発器
１５ 過給機
１９ 密閉容器
２０ 動力回収システム
３１ 動力軸
３８ バイパス路
４１ 逆止弁
４２ 開閉弁
４３ 三方弁
４４ 減圧弁
４６ 絞り弁
５０ コントローラ
５１ 弁開閉手段
５２ 制御手段
５３ 起動検出手段
５４ 弁切替手段
５５ 絞り調整手段
５６ 絞り調整手段

Claims (16)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機、前記圧縮機で圧縮された冷媒を放熱させる放熱器、前記放熱器で放熱した冷媒を膨張させて冷媒から動力を回収する膨張機、前記膨張機で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器、及び前記蒸発器で蒸発した冷媒を昇圧して前記圧縮機に供給する過給機を流路で順次接続して成る冷媒回路と、
   前記膨張機で回収された動力によって前記過給機が駆動されるように、前記膨張機と前記過給機とを連結する動力回収軸と、
   前記過給機をバイパスするように前記冷媒回路に両端が接続されたバイパス路と、
   前記バイパス路に設けられ、前記バイパス路における冷媒の流通を制御する弁と、
   を備えた、冷凍サイクル装置。
2. 前記バイパス路の上流端は、前記膨張機の出口から前記過給機の吸入口までの前記冷媒回路に接続され、
   前記バイパス路の下流端は、前記過給機の吐出口から前記圧縮機の吸入口までの前記冷媒回路に接続されている、
   請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記バイパス路の上流端は、前記膨張機の出口から前記蒸発器の入口までの前記冷媒回路に接続され、
   前記バイパス路の下流端は、前記過給機の吐出口から前記圧縮機の吸入口までの前記冷媒回路に接続されている、
   請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記バイパス路に備える弁は、前記バイパス路の上流端部に設けられている、
   請求項２または３に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記バイパス路に備える弁は、前記バイパス路の下流端部に設けられている、
   請求項２または３に記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記バイパス路に備える弁は、逆止弁である、
   請求項１〜５のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
7. 前記バイパス路に備える弁は、開閉弁である、
   請求項１〜５のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
8. 前記バイパス路に備える弁は、三方弁である、
   請求項１〜５のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
9. 前記バイパス路に備える弁は、減圧弁である、
   請求項１〜５のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
10. 前記圧縮機の起動前に、前記バイパス路を開通させる、
    請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
11. 前記過給機の起動後に、前記バイパス路を閉鎖させる、
    請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
12. 前記冷凍サイクル装置に、前記過給機の起動を検出する起動検出手段と、該起動検出手段からの検出信号を受けてバイパス路に備える弁の開閉を制御する制御手段とを備え、
    前記制御手段は、前記起動検出手段からの検出信号を受けて過給機の起動を検出し、前記バイパス路を閉鎖するように構成されている、
    請求項１１に記載の冷凍サイクル装置。
13. 前記起動検出手段は、前記膨張機に流入する冷媒と前記膨張機から流出する冷媒との温度差を検出する温度検出手段であり、
    前記制御手段は、前記温度検出手段にて検出された温度差が所定の値となったことで、前記過給機の起動を検出するように構成されている、
    請求項１２に記載の冷凍サイクル装置。
14. 前記起動検出手段は、前記膨張機に流入する冷媒と前記膨張機から流出する冷媒との圧力差を検出する圧力検出手段であり、
    前記制御手段は、前記圧力検出手段にて検出された圧力差が所定の値となったことで、前記過給機の起動を検出するように構成されている、
    請求項１２に記載の冷凍サイクル装置。
15. 前記起動検出手段は、前記圧縮機が起動してからの時間を計測する計時手段であり、
    前記制御手段は、前記計時手段にて圧縮機が起動してから所定時間が経過したことで、前記過給機の起動を検出するように構成されている、
    請求項１２に記載の冷凍サイクル装置。
16. 前記膨張機と前記過給機とが一つの密閉容器に収容されている、
    請求項１〜１５のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。

Images