| 【発明の名称】 |
超臨界蒸気圧縮サイクルの運転制御方法および装置および容量可変コンプレッサの容量制御装置および容量制御弁 |
| 【発明者】 |
【氏名】岡田 伴雄
【氏名】岡村 重男
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| 【要約】 |
【課題】炭酸ガス冷媒等を使用する超臨界蒸気圧縮サイクルの高圧側の冷媒圧力を最適密度線を超えない圧力に保ち、広域に亙って最適運転できるようにすること。
【解決手段】コンプレッサ１と放熱器２と膨張弁４と蒸発器５とを炭酸ガス等による冷媒が順に循環し、超臨界域で運転される超臨界蒸気圧縮サイクルの運転制御方法において、コンプレッサ１として容量可変コンプレッサを使用し、放熱器２の出口側の冷媒圧力、冷媒温度を検出し、放熱器２の出口側の冷媒圧力、冷媒温度に応じて容量可変コンプレッサの容量を容量制御弁３で制御する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 コンプレッサと放熱器と膨張弁と蒸発器とを炭酸ガス等による冷媒が順に循環し、超臨界域で運転される超臨界蒸気圧縮サイクルの運転制御方法において、コンプレッサとして容量可変コンプレッサを使用し、前記放熱器の出口側の冷媒圧力、冷媒温度を検出し、前記放熱器の出口側の冷媒圧力、冷媒温度に応じて前記容量可変コンプレッサの容量を制御することを特徴とする超臨界蒸気圧縮サイクルの運転制御方法。
【請求項２】 コンプレッサと放熱器と膨張弁と蒸発器とを炭酸ガス等による冷媒が順に循環し、超臨界域で運転される超臨界蒸気圧縮サイクルの運転制御装置において、コンプレッサとして容量可変コンプレッサが使用され、前記放熱器の出口側の冷媒圧力、冷媒温度を検出し、前記放熱器の出口側の冷媒圧力、冷媒温度に応じて前記容量可変コンプレッサの容量を制御する制御手段が設けられていることを特徴とする超臨界蒸気圧縮サイクルの運転制御装置。
【請求項３】 容量可変コンプレッサと放熱器と膨張弁と蒸発器とを冷媒が順に循環する冷凍サイクルで使用される容量可変コンプレッサの容量制御装置において、前記放熱器の出口側の冷媒圧力、冷媒温度を検出し、前記放熱器の出口側の冷媒圧力、冷媒温度に応じて前記容量可変コンプレッサの容量を制御することを特徴とする容量可変コンプレッサの容量制御装置。
【請求項４】 容量可変コンプレッサと放熱器と膨張弁と蒸発器とを冷媒が順に循環する冷凍サイクルで使用される容量制御弁において、前記放熱器の出口側の冷媒圧力、冷媒温度を及ぼされるガス封入ベローズと、前記流体封入ベローズにより駆動され、前記放熱器の出口側の冷媒温度が所定値の時に前記放熱器の出口側の冷媒圧力が所定値以上になれば、弁ポートを開く弁体とを有し、前記弁ポートが開かれることにより前記放熱器の出口側の冷媒を斜板式容量可変コンプレッサのクランク室に導き、斜板式容量可変コンプレッサの容量を低減することを特徴とする容量制御弁。
【請求項５】 前記ガス封入ベローズには超臨界蒸気圧縮サイクルを最適運転させる密度の冷媒が封入されていることを特徴とする請求項４記載の容量制御弁。
【請求項６】 前記ガス封入ベローズの容積を可変設定できることを特徴する請求項４または５記載の容量制御弁。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、超臨界蒸気圧縮サイクルの運転制御方法および装置および容量可変コンプレッサの容量制御装置および容量制御弁に関し、特に、炭酸ガス冷媒を使用する冷凍サイクル装置のように、超臨界域で運転される超臨界蒸気圧縮サイクルの運転制御方法および装置、およびそのような冷凍サイクルで使用される容量可変コンプレッサの容量制御装置および容量制御弁に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年では、オゾン層破壊を防ぐために、冷媒としてフロンに代えて炭酸ガス（ＣＯ2 ）を使用する研究が行われている。炭酸ガス冷媒を使用する冷凍サイクル装置では、フロン冷媒によるものとは異なって、超臨界域で運転されるため、このような冷凍サイクルは超臨界蒸気圧縮サイクルと云われ、フロン冷媒によるもののように高圧側での冷媒の凝縮が起こらない。そして、超臨界蒸気圧縮サイクルは、フロン冷媒によるものに比して、圧力変動が生じ易く、高圧側における冷媒の状況により成績係数が左右されると云う特性を有している。
【０００３】上述のような超臨界蒸気圧縮サイクルの運転方法、装置としては、特公平７−１８６０２号公報に示されているように、緩衝用冷媒レシーバの液体残量を制御して高圧側の冷媒圧力を調整して超臨界域でも所定の冷房能力を得るようにしたものや、特開平９−２６４６２２号公報に示されているように、冷媒封入のダイヤフラム室の内圧と放熱器出口側の冷媒圧力との平衡関係により動作する圧力制御弁によって放熱器の出口側圧力と出口側温度とが最適制御線に沿うように制御するものや、特開平９−１０１０６３号公報に示されているように、容量可変型圧縮機の容量を制御するものが知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】特公平７−１８６０２号公報に示されているような、緩衝用冷媒レシーバの液体残量制御は、装置が大掛かりなものになると共に制御が難しく、実用性に欠けている。特開平９−２６４６２２号公報に示されているように、冷媒封入のダイヤフラム室の内圧と放熱器出口側の冷媒圧力との平衡関係により動作する圧力制御弁によって最適制御するものでは、高圧側の制御はできるが、高圧側の冷媒密度が液相に近い状態であることから、コンプレッサ回転数が変わった時に高圧側の冷媒密度が大きく変動し、これに合わせた弁の動きで、冷凍サイクル装置の低圧側への冷媒流量が大幅に変動し、このため、蒸発器側の圧力変動が大きく、冷媒回路を安定制御することが難しい。
【０００５】特開平９−１０１０６３号公報に示されている冷凍サイクルは、炭酸ガス冷媒を使用する冷凍サイクルで、容量可変型圧縮機の容量を制御するが、その制御の具体性に欠けており、炭酸ガス冷媒を使用する冷凍サイクル装置を広域に亙って最適運転する技術を提供するには至って居ない。
【０００６】この発明は、上述の如き問題点を解消するためになされたもので、高圧側の冷媒圧力を最適密度線を超えない圧力に保ち、炭酸ガス冷媒等を使用する超臨界蒸気圧縮サイクルを広域に亙って最適運転できるようにする運転制御方法および装置、および超臨界蒸気圧縮サイクルで使用されて好適な容量可変コンプレッサの容量制御装置および容量制御弁を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するために、請求項１記載の発明による超臨界蒸気圧縮サイクルの運転制御方法は、コンプレッサと放熱器と膨張弁と蒸発器とを炭酸ガス等による冷媒が順に循環し、超臨界域で運転される超臨界蒸気圧縮サイクルの運転制御方法において、コンプレッサとして容量可変コンプレッサを使用し、前記放熱器の出口側の冷媒圧力、冷媒温度を検出し、前記放熱器の出口側の冷媒圧力、冷媒温度に応じて前記容量可変コンプレッサの容量を制御するものである。
【０００８】また、上述の目的を達成するために、請求項２記載の発明による超臨界蒸気圧縮サイクルの運転制御装置は、コンプレッサと放熱器と膨張弁と蒸発器とを炭酸ガス等による冷媒が順に循環し、超臨界域で運転される超臨界蒸気圧縮サイクルの運転制御装置において、コンプレッサとして容量可変コンプレッサが使用され、前記放熱器の出口側の冷媒圧力、冷媒温度を検出し、前記放熱器の出口側の冷媒圧力、冷媒温度に応じて前記容量可変コンプレッサの容量を制御する制御手段が設けられているものである。
【０００９】また、上述の目的を達成するために、請求項３記載の発明による容量可変コンプレッサの容量制御装置は、容量可変コンプレッサと放熱器と膨張弁と蒸発器とを冷媒が順に循環する冷凍サイクルで使用される容量可変コンプレッサの容量制御装置において、前記放熱器の出口側の冷媒圧力、冷媒温度を検出し、前記放熱器の出口側の冷媒圧力、冷媒温度に応じて前記容量可変コンプレッサの容量を制御するものである。
【００１０】また、上述の目的を達成するために、請求項４記載の発明による容量制御弁は、容量可変コンプレッサと放熱器と膨張弁と蒸発器とを冷媒が順に循環する冷凍サイクルで使用される容量制御弁において、前記放熱器の出口側の冷媒圧力、冷媒温度を及ぼされるガス封入ベローズと、前記流体封入ベローズにより駆動され、前記放熱器の出口側の冷媒温度が所定値の時に前記放熱器の出口側の冷媒圧力が所定値以上になれば、弁ポートを開く弁体とを有し、前記弁ポートが開かれることにより前記放熱器の出口側の冷媒を斜板式容量可変コンプレッサのクランク室に導き、斜板式容量可変コンプレッサの容量を低減するものである。
【００１１】請求項５記載の容量制御弁は、前記ガス封入ベローズに超臨界蒸気圧縮サイクルを最適運転させる密度の冷媒が封入されているものである。
【００１２】請求項６記載の容量制御弁は、前記ガス封入ベローズの容積を可変設定できるものである。
【００１３】請求項１記載の発明による超臨界蒸気圧縮サイクルの運転制御方法では、コンプレッサとして容量可変コンプレッサを使用し、放熱器の出口側の冷媒圧力、冷媒温度に応じて容量可変コンプレッサの容量制御を行う。
【００１４】請求項２記載の発明による超臨界蒸気圧縮サイクルの運転制御装置では、コンプレッサとして容量可変コンプレッサが使用され、放熱器の出口側の冷媒圧力、冷媒温度に応じて容量可変コンプレッサの容量制御が行われる。
【００１５】請求項３記載の発明による容量可変コンプレッサの容量制御装置では、放熱器の出口側の冷媒圧力、冷媒温度に応じて容量可変コンプレッサの容量制御が行われる。
【００１６】請求項４記載の発明による容量制御弁では、ガス封入ベローズに放熱器の出口側の冷媒圧力が作用し、放熱器の出口側の冷媒温度が所定値の時に前記放熱器の出口側の冷媒圧力が所定値以上になれば、ガス封入ベローズが収縮して弁体が弁ポートを開き、放熱器の出口側の冷媒が斜板式容量可変コンプレッサのクランク室に入り、斜板式容量可変コンプレッサの容量が低減する。
【００１７】請求項５記載の容量制御弁では、ガス封入ベローズに超臨界蒸気圧縮サイクルを最適運転させる密度の冷媒が封入されており、ガス封入ベローズはその冷媒による内圧と放熱器の出口側の冷媒圧力との平衡関係により動作する。
【００１８】請求項６記載の容量制御弁では、ガス封入ベローズの容積を可変設定することで、ベローズ内部の冷媒密度が変化する。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下に添付の図を参照してこの発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００２０】図１はこの発明による超臨界蒸気圧縮サイクルの運転制御装置および容量可変コンプレッサの容量制御装置の一つの実施の形態を示している。
【００２１】この超臨界蒸気圧縮サイクルは、コンプレッサとして容量可変コンプレッサ１が使用され、容量可変コンプレッサ１と、放熱器（ガスクーラ）２と、容量制御弁３と、膨張弁４と、蒸発器５が冷媒通路（配管）６、７、８、９、１０によりループ状に連通接続され、この閉ループに封入された炭酸ガス等による冷媒が循環する。
【００２２】容量可変コンプレッサ１は、斜板式のものであり、圧縮機ハウジング１１により画定されたクランク室１２と、各々一方のストロークエンド部にてクランク室１２に連通している複数個のシリンダ室１３とを有している。シリンダ室１３の各々にはピストン１４が軸線方向に摺動自在に嵌合しており、各ピストン１４のクランク室１２側にピスントロッド１５の一端が連結されている。
【００２３】圧縮機ハウジング１１は駆動軸１６を回転可能に支持しており、駆動軸１６は、プーリ１７に掛け渡された図示されていない駆動ベルトにより図示されていないエンジンと駆動連結され、エンジンによって回転駆動される。
【００２４】駆動軸１６にはクランク室１２内においてウオブル板（斜板）１８が公知の連繋機構（図示省略）により取付角度変更可能にトルク伝達関係にて連結されており、ウオブル板１８のシリンダ室１３側の板面にはピスントロッド１５が軸力伝達可能に係合している。
【００２５】ウオブル板１８が傾斜状態にて駆動軸１６により回転駆動されることにより、各シリンダ室１３のピストン１４はウオブル板１８の傾斜角に応じたストロークをもって往復動し、その傾斜角がクランク室１２の圧力と各シリンダ室１３の吸入圧力（圧縮機吸入圧力）との差圧に応じて調整される。
【００２６】この場合、容量可変コンプレッサ１は、クランク室１２の圧力の上昇に応じてウオブル板１８の傾斜角が減少してピストン１４のストロークが低減することにより吐出容量を低減し、クランク室１２の圧力の低下に応じてウオブル板１８の傾斜角が増大してピストン１４のストロークが増大することにより吐出容量を増大し、クランク室１２の圧力が各シリンダ室１３の吸入圧力に実質的に等しい圧力になることによってフルロード運転状態になる。
【００２７】各シリンダ室１３には各々一方向弁による吸入弁、吐出弁（図示省略）を有する吸入ポート１９と吐出ポート２０とが形成されており、各シリンダ室４の吸入ポート１９は吸入通路２１によって吸入接続ポート２３に連通し、吐出ポート２０は吐出通路２４によって吐出接続ポート２５に連通しており、吸入接続ポート２３は冷媒通路１０によって蒸発器５の出力側に接続され、吐出接続ポート２４は冷媒通路６によって放熱器２の入口側に接続されている。
【００２８】容量制御弁３は、放熱器２の出口側の冷媒圧力、冷媒温度を検出し、放熱器２の出口側の冷媒圧力、冷媒温度に応じて開閉し、放熱器２の出口側の冷媒を導管２５によって容量可変コンプレッサ１のクランク室接続ポート２６に与えるようになっている。クランク室接続ポート２６は圧縮機ハウジング１１に形成された通路２７によってクランク室１２に連通している。
【００２９】容量制御弁３が開弁することにより、放熱器２の出口側の冷媒がクランク室１２に供給されると、クランク室１２の圧力が上昇し、容量可変コンプレッサ１の容量が低減する。
【００３０】このコンプレッサ容量制御により、高圧側の冷媒圧力を最適密度線上の圧力に保って放熱器２の出口側の冷媒圧力を最適状態に制御することがでる。なお、蒸発器５側は蒸発器５の出口側の冷媒温度に感応する感温式の膨張弁４によって最適状態に制御される。
【００３１】次に、図２を参照して容量制御弁３の具体的構成について説明する。
【００３２】容量制御弁３は、ハウジング３１と、ハウジング３１のボアー３２にＯリング３３、３４等を介して気密装着されて止め輪３５により固定された内部ボティ３６とを有している。
【００３３】内部ボティ３６は内部に弁室３７を画定している。弁室３７は、一方において、連通孔３８、ポート３９によって冷媒通路７と連通し、他方において、連通孔４０、ポート４１によって冷媒通路８と連通し、放熱器２の出口側の通路の一部をなしている。
【００３４】内部ボティ３６には弁室３７とポート４２、４３とを連通接続する弁ポート４４が形成されており、弁ポート４４はボール弁体４５により開閉される。ポート４２、４３には導管２５が接続されている。
【００３５】内部ボティ３６には、下部エンドフランジ４６、ベローズ本体４７、上部エンドフランジ４８による流体封入ベローズ４９が配置されており、上部エンドフランジ４８にボール弁体４５が固着されている。下部エンドフランジ４６は内部ボティ３６にねじ係合している調整ねじ部材５０により内部ボティ３６に固定されている。
【００３６】下部エンドフランジ４６には冷媒充填口５１が形成されており、冷媒充填口５１はベローズ本体４７の内部に冷媒を充填した後にプラグ５２により密封される。これにより、ベローズ本体４７の内部に冷媒が封入される。炭酸ガス冷媒を使用する超臨界蒸気圧縮サイクルでは、超臨界蒸気圧縮サイクルを最適運転させる密度の冷媒が封入される。
【００３７】流体封入ベローズ４９内には、ベローズ本体４７を伸長方向に付勢する圧縮コイルばね５３と、ベローズ本体４７の最大収縮量を規制するためめストッパ５４が設けられてる。
【００３８】流体封入ベローズ４９は、弁室３７内にあって放熱器２の出口側の冷媒圧力および冷媒温度に感応し、超臨界状態の冷媒の温度に相応するよる、内圧およびバイアスばねとして作用する圧縮コイルばね５３のばね力の圧力と放熱器２の出口側の冷媒圧力との平衡関係により動作し、放熱器２の出口側の冷媒温度が所定値で、放熱器２の出口側の冷媒圧力が所定値（最適圧）以下である状態下では、流体封入ベローズ４９は伸長状態を保ち、ボール弁体４５を弁座部４４ａに押し付けて弁ポート４４を閉じる。この状態では、容量可変コンプレッサ１はフルロード運転状態になる。
【００３９】放熱器２の出口側の冷媒温度が所定値の状態下で、放熱器２の出口側の冷冷媒圧力が所定値（最適圧）より高くなると、流体封入ベローズ４９が収縮し、ボール弁体４５が弁座部４４ａより離れて弁ポート４４が開かれる。弁ポート４４が開かれると、弁室３７、弁ポート４４、ポート４２、４３、導管２５を通って容量可変コンプレッサ１のクランク室１２に放熱器２の出口側の冷媒が導入され、クランク室１２の圧力が上昇する。これにより、容量可変コンプレッサ１の容量が低減し、放熱器２の出口側の冷媒圧力が最適密度線以上の圧力にならないように保たれる。
【００４０】超臨界状態での運転では、エンジン回転数の変化により、高圧側の冷媒圧力（高圧冷媒密度が高いため）が比較的大幅に急変するが、流体封入ベローズ４９は瞬時に応答することができるので、冷媒圧力の急変に適切に対応できる。
【００４１】また、調整ねじ部材５０の内部ボティ３６に対するねじ係合位置を調整することにより、流体封入ベローズ４９の容積が可変設定される。この流体封入ベローズ４９の容積の可変設定により、ベローズ本体４７の内部の冷媒密度が変化する。
【００４２】これにより、図３に示されているように、最適密度線の特性を選択的に得ることができる。
【００４３】
【発明の効果】以上の説明から理解される如く、請求項１記載の発明による超臨界蒸気圧縮サイクルの運転制御方法によれば、コンプレッサと放熱器と膨張弁と蒸発器とを炭酸ガス等による冷媒が順に循環し、超臨界域で運転される超臨界蒸気圧縮サイクルの運転制御方法において、コンプレッサとして容量可変コンプレッサを使用し、放熱器の出口側の冷媒圧力、冷媒温度を検出し、放熱器の出口側の冷媒圧力、冷媒温度に応じて前記容量可変コンプレッサの容量を制御するものとした。
【００４４】このため、放熱器の出口側の冷媒状態（圧力、温度）に応じて容量可変コンプレッサの容量制御が行われ、放熱器の出口側の冷媒圧力をサイクル特性上の最適圧に保つことができ、超臨界蒸気圧縮サイクルを広域に亙って最適運転できるようになる。
【００４５】請求項２記載の発明による超臨界蒸気圧縮サイクルの運転制御装置によれば、コンプレッサと放熱器と膨張弁と蒸発器とを炭酸ガス等による冷媒が順に循環し、超臨界域で運転される超臨界蒸気圧縮サイクルの運転制御装置において、コンプレッサとして容量可変コンプレッサが使用され、前記放熱器の出口側の冷媒圧力、冷媒温度を検出し、前記放熱器の出口側の冷媒圧力、冷媒温度に応じて前記容量可変コンプレッサの容量を制御する制御手段が設けられているものとした。
【００４６】このため、放熱器の出口側の冷媒状態に応じて容量可変コンプレッサの容量制御が行われ、放熱器の出口側の冷媒圧力をサイクル特性上の最適圧に保つことができ、高圧側の冷媒圧力を最適密度線上の圧力に保って超臨界蒸気圧縮サイクルを広域に亙って最適運転できるようになる。
【００４７】請求項３記載の発明による容量可変コンプレッサの容量制御装置によれば、容量可変コンプレッサと放熱器と膨張弁と蒸発器とを冷媒が順に循環する冷凍サイクル装置で使用される容量可変コンプレッサの容量制御装置において、前記放熱器の出口側の冷媒圧力、冷媒温度を検出し、前記放熱器の出口側の冷媒圧力、冷媒温度に応じて前記容量可変コンプレッサの容量を制御するものとした。
【００４８】このため、放熱器の出口側の冷媒状態に応じて容量可変コンプレッサの容量制御が行われ、放熱器の出口側の冷媒圧力をサイクル特性上の最適圧に保つことができ、高圧側の冷媒圧力を最適密度線を超えない圧力に保って超臨界蒸気圧縮サイクル等の冷凍サイクルを広域に亙って最適運転できるようになる。
【００４９】請求項４記載の発明による容量制御弁によれば、容量可変コンプレッサと放熱器と膨張弁と蒸発器とを冷媒が順に循環する冷凍サイクル装置で使用される容量制御弁において、放熱器の出口側の冷媒圧力、冷媒温度を及ぼされるガス封入ベローズと、流体封入ベローズにより駆動され、放熱器の出口側の冷媒温度が所定値の時に放熱器の出口側の冷媒圧力が所定値以上になれば弁ポートを開く弁体とを有し、弁ポートが開かれることにより前記放熱器の出口側の冷媒を斜板式容量可変コンプレッサのクランク室に導き、斜板式容量可変コンプレッサの容量を低減するものとした。
【００５０】このため、ガス封入ベローズに放熱器の出口側の冷媒圧力、冷媒温度が作用し、放熱器の出口側の冷媒温度が所定値の時に放熱器の出口側の冷媒圧力が所定値以上になれば、ガス封入ベローズが収縮して弁体が弁ポートを開き、放熱器の出口側の冷媒が斜板式容量可変コンプレッサのクランク室に入り、斜板式容量可変コンプレッサの容量が低減し、放熱器の出口側の冷媒圧力に応じて容量可変コンプレッサの容量制御が行われ、放熱器の出口側の冷媒圧力を放熱器の出口側の冷媒温度に相応したサイクル特性上の最適圧に保つことができ、高圧側の冷媒圧力を最適密度線を超えない圧力に保って超臨界蒸気圧縮サイクル等の冷凍サイクルを広域に亙って最適運転できるようになる。
【００５１】請求項５記載の容量制御弁によれば、前記ガス封入ベローズには超臨界蒸気圧縮サイクルを最適運転させる密度の冷媒が封入されているものとした。
【００５２】このため、ガス封入ベローズは超臨界蒸気圧縮サイクルを最適運転させる密度の冷媒による内圧と放熱器の出口側の冷媒圧力との平衡関係により動作し、高圧側の冷媒圧力を最適密度線を超えない圧力に保って炭酸ガス冷媒等を使用する超臨界蒸気圧縮サイクルを広域に亙って最適運転できるようなる。
【００５３】請求項６記載の容量制御弁によれば、ガス封入ベローズに超臨界蒸気圧縮サイクルを最適運転させる密度の冷媒が封入されており、ガス封入ベローズはその冷媒による内圧と放熱器の出口側の冷媒圧力との平衡関係により動作するものとした。
【００５４】このため、ガス封入ベローズの容積を可変設定することで、ベローズ内部の冷媒密度が変化し、最適密度線の特性を選択的に得ることができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００１４３９４９
【氏名又は名称】株式会社鷺宮製作所
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| 【出願日】 |
平成１１年５月２５日（１９９９．５．２５） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００６０６９０
【弁理士】
【氏名又は名称】瀧野 秀雄 （外１名）
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| 【公開番号】 |
特開２０００−３３７７２３（Ｐ２０００−３３７７２３Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年１２月８日（２０００．１２．８） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−１４４４１０ |
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