JP5599403B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents
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Description
図1は本発明の実施の形態1に係る冷凍サイクル装置を備えた空気調和機の冷房運転時における冷媒回路図である。図2は図1の空気調和機の冷房運転時における冷媒回路図である。
図1の空気調和機は、電気モーターにより駆動されて冷媒を圧縮する第1の圧縮機1と、第2の圧縮機2と、室外熱交換器4と、内部を通過する冷媒を膨張させて冷媒から動力を回収する膨張機8と、室内熱交換器32とが順次配管接続された冷凍サイクル装置を備えている。第2の圧縮機2と膨張機8とは駆動軸52により連結され、膨張機8により回収された動力により駆動軸52を介して第2の圧縮機2が駆動される。
暖房運転時には、第2の圧縮機2から室内熱交換器32、膨張機8、室外熱交換器4、アキュムレータ11、第1の圧縮機1の順に冷媒が流れ、第2の圧縮機2に戻る。
第1の四方弁3及び第2の四方弁6により、膨張機8及び第2の圧縮機2を通過する冷媒の方向は、冷房運転及び暖房運転によらず同一方向になる。
次に、本実施の形態1に係る空気調和機の冷房運転時の動作について、図1の冷媒回路図と、図2のP−h線図で説明する。なお、図1と図2の記号A〜Kは、互いに対応している。なお、後述の図においても、冷媒回路とその冷媒回路に対応するP−h線図における各記号は対応しているものとする。ここで、冷凍サイクル回路等における圧力の高低については、基準となる圧力との関係により定まるものではなく、第1の圧縮機1及び第2の圧縮機2の圧縮、バイパス弁5や膨張機8の減圧等によりできる相対的な圧力として高圧、低圧として表すものとする。また、温度の高低についても同様であるものとする。また、ここではバイパス弁10は閉じられ、バイパス配管24には冷媒が流れないものとする。
第1の圧縮機1から吐出された冷媒は、第2の圧縮機2に吸入され、さらに圧縮されて高温高圧になる(状態Bから状態C)。
第2の圧縮機2を吐出された冷媒は、第1の四方弁3を通過して、室外熱交換器4に入る。
室外熱交換器4で熱を放散して室外空気に熱を伝達した冷媒は、低温高圧になる(状態Cから状態D)。
室外熱交換器4を出た冷媒は、第2の四方弁6へ向かう経路と、バイパス弁5へ向かう経路とに分岐する。
このとき、膨張機8では、冷媒の減圧に伴って動力が発生し、この動力は駆動軸52によって回収されて、第2の圧縮機2に伝達され、第2の圧縮機2による冷媒の圧縮に使用される。
膨張機8から吐出された冷媒は、逆止弁9と第2の四方弁6とを通過した後、バイパス弁5へ向かってバイパス配管25を通過した冷媒と合流し(状態Fから状態G)、室外機101を出て液管28を通過して、室内機102a,102bに入り、膨張弁31a,31bへ入る。
膨張弁31a,31bを出た冷媒は、室内熱交換器32a,32bで室内空気から吸熱して蒸発し、低圧のまま、乾き度が高い状態になる(状態Iから状態J)。
これにより、室内空気は冷却される。
室内熱交換器32a,32bを出た冷媒は、室内機102a,102bを出て、ガス管29を通過して、室外機101に入り、第1の四方弁3を通過してアキュムレータ11に入り、再び第1の圧縮機1に吸入される。
上述した動作を繰り返すことで、室内の空気の熱が室外の空気へ伝達されて、室内が冷房される。
暖房運転時には、まず、第1の圧縮機1に吸入された低圧の冷媒は、圧縮されて高温中圧となる(状態Aから状態B)。
第1の圧縮機1から吐出された冷媒は、第2の圧縮機2に吸入され、さらに圧縮されて高温高圧になる(状態Bから状態J)。
第2の圧縮機2から吐出された冷媒は、第1の四方弁3を通過して、室外機101を出る。
室内熱交換器32a,32bを出た冷媒は、膨張弁31a,31bで減圧される(状態Iから状態G)。
膨張弁31a,31bを出た冷媒は、室内機102a,102bを出て、液管28を通過して室外機101に入り、第2の四方弁6へ向かう経路と、バイパス弁5に向かう経路とに分岐する。
膨張機8を出た冷媒は、逆止弁9と第2の四方弁6とを通過した後、バイパス弁5へ向かってバイパス配管25を通過した冷媒と合流し(状態Fから状態D)、室外熱交換器4へ入る。
室外熱交換器4では、冷媒は、室外空気から吸熱して蒸発し、低圧のまま、乾き度が高い状態になる(状態Dから状態C)。
室外熱交換器4を出た冷媒は、第1の四方弁3を通過してアキュムレータ11に入り、再び第1の圧縮機1に吸入される。
上述した動作を繰り返すことで、室外の空気の熱が室内の空気へ伝達されて、室内が暖房される。
Fthc=(PH+PM−2PL)/2・Sc…(1)
Fthe=(PH−PL)/2・Se…(2)
Fth=Fthc−Fthe…(3)
(PH+PM−2PL)/2>(PH−PL)/2…(4)
となることは明らかであるが、構造的にSe>ScとすればFthを小さくすることができる。図6の設計点では、Fthを小さくして揺動スクロール57の渦巻歯65の歯先72が、膨張機固定スクロール59に適度に押し付けられるようにして、揺動スクロール57と膨張機固定スクロール59の摩擦を小さくしている。
空気調和機が運転中に、室内機102の運転台数が変化して過渡的に負荷が変動するときなど、膨張機8と第2の圧縮機2を流れる流量のバランスが崩れ、第2の圧縮機2と膨張機8の回転が不安定になることがある。上述のような場合、例えば第2の圧縮機2と膨張機8の回転数が過渡的に低下した場合、冷媒が流通するための抵抗となるため、高圧が上昇することになる。
Fthc2=(PH2+PM2−2PL2)/2・Sc…(5)
Fthe2<(PH2−PL2)/2・Se…(6)
上述の構成により、膨張機8の吐出圧力が高くなってしまうような空気調和機の運転状態でも、膨張機8の吐出圧力を低くすることができる。
室外熱交換器4を出た冷媒は、第2の四方弁6へ向かう経路と、バイパス弁5へ向かう経路とに分岐する。
第2の四方弁6を通過した冷媒は、予膨張弁7を通過して(状態D3から状態E3)、膨張機8に吸入され、減圧されて低圧となり、乾き度が低い状態になる(状態E3から状態F3)。
膨張機8から吐出された冷媒は、膨張機8の吐出配管23からバイパス配管24へ流れる。そして、バイパス弁10によってさらに減圧される(状態F3から状態M)。
一方で、バイパス弁5を通過して減圧された冷媒は(状態D3から状態G3)、室外機101を出て液管28を通過して、室内機102a,102bに入り、膨張弁31a,31bへ入る。ここで、バイパス弁5を通過後の冷媒の状態G3と膨張機8を通過後の冷媒の状態F3とを比較すると、状態G3の冷媒圧力の方が高い。よって、圧力の高い方から低い方へ冷媒が流れることになるが、ここでは上述したように逆止弁9を設けているため、図1のG点とF点との間の流路に冷媒が流れることはなく、バイパス弁5を通過した冷媒は全て室内機102a,102b側へ向かう流路に流れる。
膨張弁31a,31bでは、冷媒はさらに減圧される(状態G3から状態I3)。
膨張弁31a,31bを出た冷媒は、室内熱交換器32a,32bで室内空気から吸熱して蒸発し、低圧のまま、乾き度が高い状態になる(状態I3から状態J)。
室内熱交換器32a,32bを出た冷媒は、室内機102a,102bを出て、ガス管29を通過して、室外機101に入り、第1の四方弁3を通過して、バイパス弁10を通過した冷媒と合流してアキュムレータ11に流入する(状態K)。
アキュムレータ11から出た冷媒は、再び第1の圧縮機1に吸入される。
図14に示すように、予膨張弁7の開度を小さくすることによって膨張機8の吸入圧力Pi3が入口E2点の吸入圧力Pi2よりも低くなる。これにより、膨張過程での体積変化に対する圧力変化の度合いが小さくなるため、膨張機8の吸入圧力が高いとき(Pi2)と比べて、膨張機8の吸入圧力Piと適正吐出圧力Poとの差が小さくなるので、膨張機8の吐出圧力PL3を適正吐出圧力Poに近づけやすくすることができる。
以上の実施の形態1は、運転中に膨張機8が過膨張となることを防止するようにしたものである。実施の形態2は、空気調和機が起動時に膨張機8が過膨張となることを防止するようにしたものである。
制御装置103は、空気調和機に運転指令が出ると(ステップS201)、空気調和機が冷房運転もしくは暖房運転になるか判断する(ステップS202)。暖房運転(ステップS204)については、ここでは省略する。ステップS202で冷房運転と判断すると(ステップS203)、第1の四方弁3及び第2の四方弁6などを冷房回路に設定する(ステップS205)。その後、バイパス弁10の開度をL10に設定する(ステップS206)。すなわち、第1の圧縮機1を起動させるときに、バイパス弁10を開いて膨張機8の吐出側と第1の圧縮機1の吸入側とを連通するようにしている。L10は、第1の圧縮機1の起動するときの周波数などを制御装置103で判断して、バイパス弁10で圧力損失があまり大きくならないように定めればよい。
以上の実施の形態1及び実施の形態2では、第1の圧縮機1から吐出された冷媒を直接第2の圧縮機2が吸入するようにしたものである。実施の形態3では、第1の圧縮機1から吐出された冷媒を中間冷却器4aで冷却してから、第2の圧縮機2に吸入するようにしたものである。また、実施の形態3は、膨張機8が過膨張となることを防止する動作として図11と図15に示した制御を行う点については実施の形態1及び実施の形態2と同様である。
第1の圧縮機1に吸入されたガス冷媒は圧縮され、中圧高温の超臨界(又はガス)冷媒として吐出される(状態Aから状態B)。
第1の圧縮機1を出た冷媒は、配管43を経て中間冷却器4aに流れる。中圧高温の冷媒は中間冷却器4a内を通過する間に外気との熱交換により冷却され、中圧中温の超臨界(又はガス)冷媒となって流出し(状態Bから状態L)、配管42、第2の圧縮機2の吸入配管21を経て、第2の圧縮機2に吸入される。
このとき、中間冷却器4aで冷却された冷媒の一部は、バイパス配管46を流れて、バイパス弁15で膨張する(状態Lから状態O)。
第2の圧縮機2に吸入された冷媒はさらに圧縮され、高圧高温の超臨界(又はガス)冷媒として吐出される(状態Lから状態C)。第2の圧縮機2を出た冷媒は、第1の四方弁3を経て、主放熱器4bに流れる。高圧高温の冷媒は主放熱器4b内を通過する間に外気との熱交換により冷却され、高圧低温の超臨界(又は液)冷媒となって流出する(状態Cから状態D)。
膨張弁31a,31bを出た冷媒は、室内熱交換器32a,32bで室内空気から吸熱して蒸発し、低圧のまま、乾き度が高い状態になる(状態Iから状態J)。
これにより、室内空気は冷却される。
室内熱交換器32a,32bを出た冷媒は、室内機102a,102bを出て、ガス管29を通過して、室外機101に入り、第1の四方弁3を通過する。その後、冷媒熱交換器14を出た他方の冷媒及びバイパス弁15を通過した冷媒と合流してアキュムレータ11に入り、再び第1の圧縮機1に吸入される。
Claims (9)
- 冷媒を圧縮する第1の圧縮機と、前記第1の圧縮機で圧縮された冷媒をさらに圧縮する第2の圧縮機と、前記第2の圧縮機により圧縮された冷媒の熱を放散する放熱器と、前記第2の圧縮機の駆動軸に連結され、前記放熱器を通過した冷媒を膨張させて冷媒から動力を回収し、回収された動力により前記駆動軸を介して前記第2の圧縮機を駆動する膨張機と、前記膨張機により膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器とが順次配管接続された冷凍サイクルと、
一方が前記膨張機の吐出配管に接続され、他方が前記第1の圧縮機と前記蒸発器との間の配管に接続された第1のバイパス配管と、
前記膨張機に吸入する冷媒の物理量を検出する物理量検出手段と、
前記第1のバイパス配管に設けられ、冷媒の流量を調整する第1のバイパス弁と、
前記第1のバイパス弁の開度を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記物理量検出手段により検出した物理量に基づいて前記膨張機の適正吐出圧力を決定し、前記膨張機の冷媒を吐出する圧力が、前記決定した適正吐出圧力より高くなったときに前記第1のバイパス弁を開くことを特徴とする冷凍サイクル装置。 - 前記膨張機の吐出配管には、冷媒の流れを一方向に整えるための逆止弁が設けられていることを特徴とする請求項1記載の冷凍サイクル装置。
- 前記放熱器と前記蒸発器との間に、前記放熱器を通過した冷媒の一部を前記蒸発器の入口側にバイパスする、第2のバイパス弁を有する第2のバイパス配管を設け、
前記第2のバイパス弁を通過して前記蒸発器に向かう冷媒と、前記第1のバイパス弁を通過して前記第1の圧縮機に向かう冷媒との間で熱交換を行う冷媒熱交換器を備えたことを特徴とする請求項1又は請求項2記載の冷凍サイクル装置。 - 前記制御手段は、前記第1の圧縮機を起動させる前に前記第1のバイパス弁を開くことを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか一項に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記第1の圧縮機の吐出管に一方が接続され、他方が前記第1の圧縮機の吸入配管に接続された第3のバイパス配管を備え、
前記第3のバイパス配管には、冷媒の流量を調整する第3のバイパス弁が設けられていることを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れか一項に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記放熱器は、前記第1の圧縮機から吐出された冷媒を、前記第2の圧縮機に吸入する前に冷却する中間冷却器と、前記第2の圧縮機から吐出された冷媒を冷却する主放熱器とを備えたことを特徴とする請求項1乃至請求項5の何れか一項に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記冷媒は、二酸化炭素であることを特徴とする請求項1乃至請求項6の何れか一項に記載の冷凍サイクル装置。
- 冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機により圧縮された冷媒の熱を放散する放熱器と、前記放熱器を通過した冷媒を膨張させて冷媒から動力を回収する膨張機と、前記膨張機により膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器とが順次配管接続された冷凍サイクルと、
一方が前記膨張機の吐出配管に接続され、他方が前記圧縮機と前記蒸発器との間の配管に接続された第1のバイパス配管と、
前記膨張機に吸入する冷媒の物理量を検出する物理量検出手段と、
前記第1のバイパス配管に設けられ、冷媒の流量を調整する第1のバイパス弁と、
前記放熱器と前記蒸発器との間に設けられ、前記放熱器を通過した冷媒の一部を前記蒸発器の入口側にバイパスする、第2のバイパス弁を有する第2のバイパス配管と、
前記第2のバイパス弁を通過して前記蒸発器に向かう冷媒と、前記第1のバイパス弁を通過して前記圧縮機に向かう冷媒との間で熱交換を行う冷媒熱交換器と、
前記第1のバイパス弁の開度を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記物理量検出手段により検出した物理量に基づいて前記膨張機の適正吐出圧力を決定し、前記膨張機の冷媒を吐出する圧力が、前記決定した適正吐出圧力より高くなったときに前記第1のバイパス弁を開くことを特徴とする冷凍サイクル装置。 - 前記膨張機の吐出配管には、冷媒の流れを一方向に整えるための逆止弁が設けられていることを特徴とする請求項8記載の冷凍サイクル装置。
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