| 【発明の名称】 |
蒸気圧縮式冷凍装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】足立 義治
【氏名】櫛谷 和夫
【氏名】市川 正浩
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| 【要約】 |
【課題】二酸化炭素を冷媒とする蒸気圧縮式冷凍装置は、フロンを冷媒とする冷凍機と比べてＣＯＰが低く、また圧縮機１の入口の過熱度を制御しないと、液圧縮による圧縮機１の故障、オイルの潤滑不良を起こす。
【解決手段】蒸気圧縮式冷凍装置に冷媒が等エントロピー膨張する膨張機４を用い、膨張機４の出側もしくは前記蒸発器５の中のいずれかに取り付けられ湿り状態の冷媒の温度と、蒸発器５の出側と圧縮機１の入側の間に取り付けられ冷媒の温度から、蒸発器５の出口、又は圧縮機１の入口の過熱度を所定の値になるように制御する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機の出側に連通した放熱器と、該放熱器からの冷媒を受け膨張させる膨張機と、該膨張機に連通し前記圧縮機の入側に接続された蒸発器と、前記膨張機に取り付けられ回転数が一定のままで前記膨張機への冷媒量を変化させる膨張比制御手段と、前記膨張機の出側もしくは前記蒸発器の中のいずれかに取り付けられ、湿り状態の冷媒の温度を検出する第２温度検出手段と、前記蒸発器の出側と前記圧縮機の入側の間に取り付けられ、冷媒の温度を検出する第１温度検出手段と、前記第１温度検出手段と前記第２温度検出手段からの信号を受け取る演算手段と、該演算手段からの信号を前記膨張比制御手段に取り込み、該膨張比制御手段で膨張機への冷媒供給量を変えることで、蒸発器出口、又は圧縮機入口の過熱度を所定の値になるように制御することを特徴とする蒸気圧縮式冷凍装置。
【請求項２】 湿り状態の冷媒の温度を検出する前記第２温度検出手段が、冷媒の圧力を検出する圧力検出手段であり、前記圧力検出手段は前記膨張機の出側と前記圧縮機の入側の間に取り付けられたことを特徴とする請求項１記載の蒸気圧縮式冷凍装置。
【請求項３】 冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機の出側に連通した放熱器と、該放熱器からの冷媒を受け膨張させる膨張機と、該膨張機に連通し前記圧縮機の入側に接続された蒸発器と、前記膨張機に接続して負荷の大きさを変化させ、膨張機回転数を制御する回転数制御手段と、前記膨張機の出側もしくは前記蒸発器の中のいずれかに取り付けられ、湿り状態の冷媒の温度を検出する前記第２温度検出手段と、前記蒸発器の出側と前記圧縮機の入側の間に取り付けられ、冷媒の温度を検出する前記第１温度検出手段と、前記第１温度検出手段と前記第２温度検出手段からの信号を受け取る演算手段と、該演算手段からの信号を前記回転数制御手段に取り込み、該回転数制御手段で膨張機を通過する冷媒量を変えることで、蒸発器出口、又は圧縮機入口の過熱度を所定の値になるように制御することを特徴とする蒸気圧縮式冷凍装置。
【請求項４】 湿り状態の冷媒の温度を検出する前記第２温度検出手段が、冷媒の圧力を検出する圧力検出手段であり、前記圧力検出手段は前記膨張機の出側と前記圧縮機の入側の間に取り付けられたことを特徴とする請求項３記載の蒸気圧縮式冷凍装置。
【請求項５】 前記回転数制御手段が発電機であることを特徴とする請求項３及び４記載の蒸気圧縮式冷凍装置。
【請求項６】 前記膨張比制御手段と前記回転数制御手段の両方を備えることを特徴とする請求項１及び３記載の蒸気圧縮式冷凍装置。
【請求項７】 前記放熱器の出側と前記膨張機の入側の間に第２膨張機を設け、前記放熱器の出口圧力を高ＣＯＰとなるように制御することを特徴とする請求項１、３、６記載の蒸気圧縮式冷凍装置。
【請求項８】 前記放熱器の出側と前記膨張機の入側の間の前記第２膨張機が膨張弁であることを特徴とする請求項７記載の蒸気圧縮式冷凍装置。
【請求項９】 前記冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする請求項１〜８記載の蒸気圧縮式冷凍装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、二酸化炭素を冷媒として用いる蒸気圧縮式冷凍装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】本発明に関する蒸気圧縮式冷凍装置としては、例えば図９の特開平１０−１１５４７０号公報に開示されているものがある。
【０００３】図９では、放熱器３から流出した冷媒（二酸化炭素）を減圧するとともに、放熱器３の出口側の冷媒温度に応じて放熱器３の出口圧力を制御する第１膨張弁２４ａと、第１膨張弁２４ａから流出した冷媒を、液相冷媒と気相冷媒に分離して蓄えるレシーバー２５と、レシーバー２５から流出した冷媒を減圧するとともに、圧縮機１入側での冷媒の過熱度が所定値となるように冷媒の流量を調節する第２膨張弁２４ｂとを配設する。
【０００４】第１膨張弁２４ａにより、放熱器３の出口側での冷媒温度に応じて冷媒圧力を制御することができるので、蒸気圧縮式冷凍装置の効率を高く維持することができる。
【０００５】また、第２膨張弁２４ｂにより圧縮機１の入口側での冷媒の過熱度が所定値に維持されているので、圧縮機１に液相冷媒が吸入されることが防止される。したがって液相冷媒が吸入されることによる圧縮機１の損傷を防止することができる。
【０００６】また圧縮機１の入口側での過熱度を所定値とすることにより、液相冷媒が圧縮機１に吸入されることを防止しているので、蒸発器５の出口側に液相冷媒と気相冷媒とを分離して気相冷媒のみを圧縮機１に向けて流出させるアキュームレータを配設する必要がない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来の膨張弁を２つ使用する蒸気圧縮式冷凍装置では、一方を放熱器３の出口圧力を最適な所定の圧力に制御するのに用い、他方を蒸発器５の出口、又は圧縮機１の入口での過熱度の調整に使用することにより、液圧縮による圧縮機１の故障を防止するとはできるが、冷凍機の成績係数（ＣＯＰ）は、従来のフロンを冷媒とする冷凍機のＣＯＰに及ばない。
【０００８】また過熱度を大きく取りすぎると、冷媒を圧縮するときに温度が上昇して、オイルの潤滑不良を起こす。
【０００９】本発明は上記問題を除くことを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機の出側に連通した放熱器と、該放熱器からの冷媒を受け膨張させる膨張機と、該膨張機に連通し前記圧縮機の入側に接続された蒸発器と、前記膨張機に取り付けられ回転数が一定のままで前記膨張機への冷媒量を変化させる膨張比制御手段と、前記膨張機の出側もしくは前記蒸発器の中のいずれかに取り付けられ、湿り状態の冷媒の温度を検出する第２温度検出手段と、前記蒸発器の出側と前記圧縮機の入側の間に取り付けられ、冷媒の温度を検出する第１温度検出手段と、前記第１温度検出手段と前記第２温度検出手段からの信号を受け取る演算手段と、該演算手段からの信号を前記膨張比制御手段に取り込み、該膨張比制御手段で膨張機への冷媒供給量を変えることで、蒸発器出口、又は圧縮機入口の過熱度を所定の値になるように制御することを特徴とする。
【００１１】請求項１の発明では、膨張機に膨張比制御手段を取り付け、膨張機の回転数を一定のままで、膨張機への冷媒供給量を変化させることにより、蒸発器出口、又は圧縮機入口の過熱度を所定の値になるように制御する。
【００１２】図１１のｐ−ｈ線図に示すように、Ａ点がＦ点より左側にあるときは、冷媒が湿り状態であり、このままの状態で圧縮機に流入すると圧縮機の故障の原因になる。したがって冷媒が飽和曲線の気相であるＦ点より右側にくるようにしなければならない。
【００１３】また従来の蒸気圧縮式冷凍装置の膨張弁では等エンタルピー膨張するが、膨張機を使用すると等エントロピー膨張するため、ＣＯＰは向上する。
【００１４】請求項２の発明は、湿り状態の冷媒の温度を検出する前記第２温度検出手段が、冷媒の圧力を検出する圧力検出手段であり、前記圧力検出手段は前記膨張機の出側と前記圧縮機の入側の間に取り付けられたことを特徴とする。
【００１５】請求項２の発明では、前記膨張機の出側もしくは前記蒸発器の中では、冷媒は図１１に示す飽和曲線の内側のにあり、このとき冷媒の圧力と温度は比例関係にある。そのため冷媒の圧力から冷媒の過熱度を算出して制御することができる。
【００１６】請求項３の発明は、冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機の出側に連通した放熱器と、該放熱器からの冷媒を受け膨張させる膨張機と、該膨張機に連通し前記圧縮機の入側に接続された蒸発器と、前記膨張機に接続して負荷の大きさを変化させ、膨張機回転数を制御する回転数制御手段と、前記膨張機の出側もしくは前記蒸発器の中のいずれかに取り付けられ、湿り状態の冷媒の温度を検出する前記第２温度検出手段と、前記蒸発器の出側と前記圧縮機の入側の間に取り付けられ、冷媒の温度を検出する前記第１温度検出手段と、前記第１温度検出手段と前記第２温度検出手段からの信号を受け取る演算手段と、該演算手段からの信号を前記回転数制御手段に取り込み、該回転数制御手段で膨張機を通過する冷媒量を変えることで、蒸発器出口、又は圧縮機入口の過熱度を所定の値になるように制御することを特徴とする。
【００１７】請求項３の発明では、回転数制御手段を使い膨張機負荷の大きさを変えることにより膨張機の回転数を変えて、膨張機を通過する冷媒量を調整することにより、蒸発器出口、又は圧縮機入口の過熱度を所定の値になるように制御する。
【００１８】ここで膨張機を通過する冷媒量は次式より求められる。
【００１９】
【数式１】（膨張機を通過する冷媒量）＝（膨張機への１回転当たりの冷媒供給量）×（膨張機の回転数）
ここでは膨張機の回転数を変えることにより、膨張機を通過する冷媒量を変化させる。
【００２０】請求項４の発明は、湿り状態の冷媒の温度を検出する前記第２温度検出手段が、冷媒の圧力を検出する圧力検出手段であり、前記圧力検出手段は前記膨張機の出側と前記圧縮機の入側の間に取り付けられたことを特徴とする。
【００２１】請求項４の発明では、前記膨張機の出側もしくは前記蒸発器の中では、冷媒は飽和曲線の内側のにあり、このとき冷媒の圧力と温度は比例関係にある。そのため冷媒の圧力から冷媒の過熱度を算出することができ、回転数を制御することができる。
【００２２】請求項５の発明は、前記回転数制御手段が発電機であることを特徴とする。
【００２３】請求項５の発明では、膨張機の負荷に発電機を用いることにより、負荷として得たエネルギーを、制御補記への電力供給や、圧縮機への動力として回収が可能である。したがって装置全体の効率を向上することができる。
【００２４】請求項６の発明は、前記膨張比制御手段と前記回転数制御手段の両方を備えることを特徴とする。
【００２５】請求項６の発明では、前記膨張比制御手段と前記回転数制御手段の両方を備えることにより、膨張機の運転状態に合わせて制御手段を切り換えることができる。また蒸発器出口、又は圧縮機入口の過熱度を所定の値になるように制御する幅も大きく取ることができる。
【００２６】請求項７の発明は、前記放熱器の出側と前記膨張機の入側の間に第２膨張機を設け、前記放熱器の出口圧力を高ＣＯＰとなるように制御することを特徴とする。
【００２７】請求項７の発明では、放熱器３の出側に配設した第２膨張機は、高ＣＯＰとなる最適な所定の圧力に制御するのに用い、前記膨張機の入側の間に設けた膨張機により圧縮機１の入口での過熱度の調整に使用することができる。
【００２８】従来の膨張弁に変えて、冷媒を等エントロピー膨張する膨張機を用いることにより、液圧縮による圧縮機の故障を防止しながらＣＯＰを向上することができる。また、等エントロピー膨張する第２膨張機を配設することにより、放熱器の出口圧力を所定の圧力に制御することが可能で、さらにＣＯＰを向上することができる。
【００２９】請求項８の発明は、前記放熱器の出側と前記膨張機の入側の間の前記第２膨張機が膨張弁であることを特徴とする。
【００３０】請求項８の発明では、前記請求項７の第２膨張機に変えて構造の簡単な膨張弁を使用することにより、装置全体を低コスト、コンパクトにすることが可能である。
【００３１】請求項９の発明は、前記冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする。
【００３２】請求項９の発明では、蒸気圧縮式冷凍装置の冷媒に二酸化炭素を用いることにより、フロンで指摘されているオゾン層の破壊、地球温暖化といった問題が無くなり、また、可燃性や毒性も無いことから、取り扱う上での危険もない。
【００３３】
【発明の実施の形態】以下本発明に係わる蒸気圧縮式冷凍装置を具体的な実施例により説明する。
【００３４】第１実施例図１は本発明の第１実施例で、冷媒には二酸化炭素を使用する。原動機１２により駆動される圧縮機１により圧縮された冷媒は、放熱器３で冷却され、その後、膨張比制御手段１０が取り付けられた膨張機４を通過する際に主軸１１を駆動する。このとき冷媒は膨張機４内で等エントロピー膨張し、蒸発器５内で外部より吸熱して気化した後、再び圧縮機１へ戻る。この閉回路は配管１３により連結され、性能、信頼性向上のためオイルセパレータ２、アキュームレータ６を設ける場合もある。
【００３５】膨張比制御手段１０を制御する為の演算手段９への入力として、蒸発器５の出側に第１温度センサ７ａ、蒸発器５の中に第２温度センサ７ｂが取り付けられる。膨張機４は、主軸１１で圧縮機１、原動機１２と連結する。
【００３６】蒸発器５の出側に配設された第１温度センサ７ａと、蒸発器５の中に配設された第２温度センサ７ｂからの信号は演算手段９に取り込まれる。この取り込まれた信号から図１１のｐ−ｈ線図に示すＡ点が冷媒の飽和曲線と交わるＦ点より右側にあるかどうかの過熱度を判断する。
【００３７】このとき過熱度が設定値より小さいと判断すると、図１３の膨張比制御フローに示すように、膨張機４への１回転当たりの冷媒供給量を少なくして膨張機４を通過する冷媒量を少なくする。また、過熱度が設定値より大きいと判断すると、膨張機４への１回転当たりの冷媒供給量を多くして膨張機４を通過する冷媒量を多くする。
【００３８】上記制御をすることで圧縮機１に湿り冷媒の流入を防止することが可能であり、また膨張機４を使用するため図１１の点線で示す膨張機での膨張のようになり、ＣＯＰを高めることができる。
【００３９】図２は、本発明を具現化した膨張機４の断面図である。４気筒のシリンダ１５へ冷媒を出し入れするロータリーバルブ２７内の回転弁１４が、主軸１１により回転するように取り付けられる。膨張比制御手段１０は圧縮機４の右端部に取り付けられ、膨張比制御手段１０とロータリーバルブ２７内の回転弁１４は連結棒２８で連結される。
【００４０】高圧の冷媒が放熱器３より高圧ポートを流動してロータリーバルブ２７に流入する。ロータリーバルブ２７に流入した高圧の冷媒は給排気孔を通り、シリンダ１５に送られる。シリンダ１５に送られた冷媒はここで等エントロピー膨張して再び給排気孔を通り、ロータリーバルブ２７に送られる。ロータリーバルブ２７に送られた低圧の冷媒は、低圧ポートを通り、低圧ポートから蒸発器５に送られる。
【００４１】図３は図２のロータリーバルブ２７の断面図である。ロータリーバルブ２７内の回転弁１４が回転すると、断面Ａ−Ａに示すように、各シリンダー１５に取り付けられた給排気孔１６と、回転弁１４に刻まれた高圧流路１８と低圧流路１９は交互に連通され、冷媒が給排気する。
【００４２】本実施例では４気筒のシリンダー１５から構成されるため、各シリンダーは９０°の位相差で冷媒の給排気が行われる。回転弁１４は、膨張比制御手段１０と連結しており、軸方向への移動が可能になっている。
【００４３】図４は、ロータリーバルブ２７の回転弁１４を平面展開した動作説明図である。図４の（ａ）に示す回転弁１４は、連結している主軸１１により回転し、（ｃ）の回転弁を平面展開した図に示すように、給排気孔１６は回転弁１４に刻まれた高圧流路１８と低圧流路１９に交互に連通して、排気−吸入−膨張−排気の順にサイクルを繰り返す。
【００４４】膨張機４は、図２に示すピストン２０が吸入（上死点、又は上死点近く）から膨張終了（下死点、又は下死点近く）まで移動する間に動力を発生する。これが位相のずれた複数のシリンダ１５内で順番に行われる。放熱器３の出口圧力は、（ｃ）に示すように給排気孔１６と高圧流路１８の重なっている長さ（吸入している長さ）Ｘ１、Ｘ２により変化する。
【００４５】吸入長さを長くすると膨張機４を通過する冷媒量は増えるので、放熱器３の出口圧力は下がり、逆に吸入長さを短くすれば膨張機４を通過する冷媒量は減少するため、放熱器３の出口圧力は高くなる。
【００４６】そこで、回転弁１４を膨張比制御手段１０を使い、軸方向（Ｙ１、Ｙ２方向）へ移動させて給排気孔１６と高圧流路１８の相対位置を変えることで、給排気孔１６と高圧流路１８の重なり長さ（吸入長さ）Ｘ１、Ｘ２が変化して、放熱器３の出口圧力を変えることができる。
【００４７】図４の（ｂ）、（ｄ）は、給排気孔１６がそれぞれ軸方向Ｙ２、Ｙ１の位置にあるときの、図２のシリンダ１５内での冷媒の状態を示すものである。給排気孔１６が軸方向がＹ２で、回転方向がＦの位置にあるとき、給排気孔１６は閉じており、シリンダ１５内の高圧の冷媒は、ピストン２０により膨張する。また、給排気孔１６が軸方向がＹ１で、回転方向がＦの位置にあるとき、給排気孔１６は開で、高圧の冷媒はシリンダ１５に流入する。
【００４８】したがって回転弁１４を軸方向に移動させ、給排気孔１６と回転弁１４の相対位置を変えることにより膨張機への１回転当たりの冷媒供給量を変えることができる。
【００４９】上記の第１実施例は、膨張比を機械的に可変する一例であるが、図５のようにシリンダ１５に電磁弁である吸入弁２１、排気弁２２を設け、吸入弁２１と排気弁２２を電気的に開閉制御する手段もある。
【００５０】尚、本実施例では冷媒の過熱度を制御するのに、膨張比制御手段１０を制御する為の演算手段９への入力として、蒸発器５の出側に第１温度センサ７ａ、蒸発器５の中に第２温度センサ７ｂを用いているが、図８に示すように第２温度センサ７ｂの代わりに、膨張機４の出側と圧縮機１の入側の間に配設された圧力センサ８により過熱度を算出し制御してもよい。
【００５１】第２実施例次に図６の第２実施例について詳述する。図６は図１の膨張機４の主軸１１に負荷の大きさを可変できる発電機１３を設けたものである。負荷の大きさを可変できる機器としては、ファン、ポンプ等の電動機、冷媒回路用のサブ圧縮機等でもよい。
【００５２】発電機１３を制御する為の演算手段９への入力として、蒸発器５の出側に第１温度センサ７ａ、蒸発器５の中に第２温度センサ７ｂが取り付けられる。蒸発器５の出側に配設された第１温度センサ７ａと、蒸発器５の中に配設された第２温度センサ７ｂからの信号は演算手段９に取り込まれる。この取り込まれた信号から図１１のｐ−ｈ線図に示すＡ点が冷媒の飽和曲線と交わるＦ点より右側にあるかどうかの過熱度を判断する。
【００５３】このとき過熱度が設定値より小さいと判断すると、演算手段９から回転数制御手段２３に信号が送られ、発電機１３の発電量（負荷）を変えて過熱度を制御する。
【００５４】図１４の回転数制御フローに示すように、設定値より計測値（過熱度）が小さいと、発電機１３の負荷を増やして膨張機４の回転数を小さくし、膨張機４を通過する冷媒量を少なくする。また、過熱度が設定値より大きいと判断すると、発電機１３の負荷を減らして膨張機４の回転数を大きくし、膨張機４を通過する冷媒量を多くする。
【００５５】上記制御をすることで圧縮機１に湿り冷媒の流入を防止することが可能であり、また膨張機４を使用するため図１１の点線で示す膨張機での膨張のようになり、ＣＯＰを高めることができる。
【００５６】尚、本実施例では冷媒の過熱度を制御するのに、回転数制御手段２３を制御する為の演算手段９への入力として、蒸発器５の出側に第１温度センサ７ａ、蒸発器５の中に第２温度センサ７ｂを用いているが、第２温度センサ７ｂの代わりに、膨張機４の出側と圧縮機１の入側の間に圧力センサ８を配設して過熱度を算出し制御してもよい。
【００５７】第３実施例次に図７の第３実施例を詳述する。図７は図６の膨張機４に膨張比制御手段１０を取り付けたもので、膨張比制御手段１０と回転数制御手段２３の両方を備える。
【００５８】本実施例では蒸発器５の出口、又は圧縮機１の入口での過熱度制御範囲を広くでき、より広い負荷に対応できる。
【００５９】第４実施例図１２は第４実施例で、放熱器３の出側と膨張機４の間に第２膨張機２９を配設する。放熱器３の出側に配設した第２膨張機２９は、図１０に示すＣＯＰ最適圧力線となるように放熱器３の出口圧力を制御し、膨張機４は圧縮機１への過熱度の制御に使用する。
【００６０】本実施例では液圧縮による圧縮機１の故障を防止しながら高ＣＯＰでの稼動が可能となる。
【００６１】尚、第４実施例では、放熱器３の出側と膨張機４の間に第２膨張機２９を配設したが、機械式あるいは電気式の膨張弁を用いてもよい。
【００６２】
【発明の効果】本発明の膨張機を使用する蒸気圧縮式冷凍装置によれば、圧縮機入口の過熱度を制御しながら、高ＣＯＰでの運転が可能である。したがって液圧縮による圧縮機の故障、過熱度を大きく取りすぎることにより、オイル温度の上昇による潤滑不良を防止することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００００１１
【氏名又は名称】アイシン精機株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年２月２５日（１９９９．２．２５） |
| 【代理人】 |
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| 【公開番号】 |
特開２０００−２４９４１１（Ｐ２０００−２４９４１１Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年９月１４日（２０００．９．１４） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−４８６５５ |
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