(57)【要約】【課題】本発明の目的は、広範囲の運転条件において高効率な冷凍サイクルを実現することにある。【解決手段】上記本発明の目的は、吸込室と背圧室とをバイパス管で連通した圧縮機と、加熱器と、膨張弁と、蒸発器とを順次接続した冷凍サイクル装置であって、前記背圧室の圧力を制御するため前記バイパス管に配設され、冷媒の流れを調整する電動弁と、前記蒸発器での蒸発温度を検出する蒸発温度センサと、前記圧縮機からの吐出圧を求めることができる情報を検出するセンサと、前記温度センサおよび前記センサからの情報に基づいて、前記電動弁の開度を制御する制御部と、を備えることにより達成される。【選択図】  図１
2011027372.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸込室と背圧室とをバイパス管で連通した圧縮機の吐出部と、加熱器と、膨張弁と、蒸発器と、前記圧縮機の吸込部とを順次接続した冷凍サイクル装置であって、
前記背圧室の圧力を制御するため前記バイパス管に配設され、冷媒の流れを調整する電動弁と、
前記蒸発器での蒸発温度を検出する蒸発温度センサと、
前記圧縮機からの吐出圧を求めることができる情報を検出するセンサと、
前記蒸発温度センサおよび前記センサからの情報に基づいて、前記電動弁の開度を制御する制御部と、
を備えた冷凍サイクル装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記センサは、前記圧縮機の吐出圧力を検出する圧力センサであることを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項３】
請求項１において、
前記センサは、前記加熱器での凝縮温度を検出する凝縮温度センサであることを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項４】
請求項１において、
前記制御部は、
前記センサからの情報により吐出圧力を算出し、前記蒸発温度センサからの情報により吸込圧力を算出して、当該算出した吐出圧力の情報と吸込圧力の情報とを用いて、吸込圧力が低いときは高いときよりも開度が大きくなるように前記電動弁の開度を演算し、前記電動弁の開度を制御することを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項５】
請求項４において、
前記制御部は、
前記背圧室の圧力である背圧を所望の圧力に制御するよう、任意の吸込圧力毎の前記電動弁の開度の近似式に基づいて前記電動弁の開度を演算し、前記電動弁の開度を制御することを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項６】
請求項１において、
前記背圧室の圧力を検出する背圧センサを備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項７】
請求項６において、
前記制御部は、
前記背圧センサからの情報により前記背圧室の圧力である背圧を算出し、前記蒸発温度センサからの情報により吸込圧力を算出して、当該算出した背圧の情報と吸込圧力の情報とを用いて、吸込圧力が高いときは低いときよりも背圧と吸込圧との差圧が大きくなるように前記電動弁を開閉制御することを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項８】
請求項７において、
前記制御部は、
任意の吸込圧力毎の背圧の近似式に基づいて前記算出された吸込圧力に対応する背圧を演算し、前記背圧センサからの情報により算出された背圧が前記演算された背圧になるよう前記電動弁を制御することを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項９】
請求項１において、
前記背圧室と前記吸込室との間に背圧制御弁を備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項１０】
吸込室と背圧室とをバイパス管で連通した圧縮機の吐出部と、加熱器と、膨張弁と、蒸発器と、前記圧縮機の吸込部とを順次接続し、湯を貯めるタンクを備えたヒートポンプ給湯機であって、
前記背圧室の圧力を制御するため前記バイパス管に配設され、冷媒の流れを調整する電動弁と、
前記蒸発器での蒸発温度を検出する蒸発温度センサと、
前記圧縮機からの吐出圧を求めることができる情報を検出するセンサと、
前記蒸発温度センサ，前記センサ，前記負荷状態検出手段からの情報に基づいて、前記電動弁の開度を制御する制御部と、
を備えたヒートポンプ給湯機。
【請求項１１】
請求項１０において、
前記ヒートポンプ給湯機の負荷状態を検出する負荷状態検出手段を備えたことを特徴とするヒートポンプ給湯機。
【請求項１２】
請求項１１において、
前記負荷状態検出手段は、外気の温度を検出する外気温センサであって、
前記負荷状態は、外気温であることを特徴とするヒートポンプ給湯機。
【請求項１３】
請求項１１において、
前記負荷状態検出手段は、リモコンであって、
前記制御部は、前記リモコンから入力された前記タンクへの目標貯湯温度を設定し、前記タンクへの目標貯湯温度に基づいて前記電動弁の開度を制御することを特徴とするヒートポンプ給湯機。
【請求項１４】
請求項１０において、
前記制御部は、前記ヒートポンプ給湯機の運転状態を検出し、当該検出した運転状態に基づいて前記電動弁の開度を制御することを特徴とするヒートポンプ給湯機。
【請求項１５】
請求項１４において、
前記運転状態は前記圧縮機の回転数であり、回転数が高いときの前記電動弁の開度よりも、回転数が低いときの前記電動弁の開度を小さく制御することを特徴とするヒートポンプ給湯機。
【請求項１６】
請求項１４において、
前記運転状態は前記圧縮機の回転数であり、回転数が低いときの前記電動弁の開度よりも、回転数が高いときの前記電動弁の開度を大きく制御することを特徴とするヒートポンプ給湯機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍サイクル装置に係り、特に背圧室の圧力を調整する背圧制御構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
スクロール圧縮機は、固定スクロールと旋回スクロールとで形成される圧縮室内の高圧流体により、両スクロールを互いに引き離そうとする力が発生する。この時、旋回スクロールが固定スクロールから引き離されないように、旋回スクロールの背面側、すなわち反固定スクロール側に吐出圧力と吸込圧力の中間の圧力となる背圧室を設け、この背圧によって旋回スクロールを固定スクロールに押し付けている。
【０００３】
背圧は背圧室と吸込室をつなぐ連通路に設けられた圧力差制御弁（以下、背圧制御弁と称する）により調整され、背圧制御弁を用いたスクロール圧縮機として特許文献１，２が知られている。
【０００４】
特許文献１は、背圧室と吸込口の間にバイパス管路を設け、バイパス管路にバイパス弁を設置する構成の空気圧縮機を開示している。圧縮機の再起動時には、背圧室内の背圧がバイパス管路，バイパス弁を介して吸込口内に流入すると共に、油タンク内の圧力が制御圧配管，アンロード用電磁弁，吸込アンローダ等を介して吸込口内に流入し、吸込口内の吸込圧の低下が緩慢になって背圧の低下状態とのバランスがとれ、吸込圧と背圧との差圧が低下する。この結果、旋回スクロールを固定スクロール側に押し付ける押圧力を低減でき、該各スクロールのラップ部間にカジリ現象が生じるのを防止して、寿命や信頼性を向上することができる。
【０００５】
特許文献２は、圧縮室と背圧室を背圧孔で連通し、更に背圧室と吐出パイプを接続するバイパス管があり、バイパス管にはキュピラリ管及び電磁弁が設けられている。この構成とすることにより、背圧室の圧力が、ある一定レベル以上に低くなって、旋回スクロールが固定スクロールから離反し効率が低下する時、電磁弁を開き吐出パイプから背圧室にガスを流入させ背圧室の圧力を上昇させるといったものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６−６６２７０号公報
【特許文献２】特開平３−２５８９８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら特許文献１は、スクロール式空気圧縮機について開示しているのみで、冷凍サイクルを前提としていない。スクロール式空気圧縮機では吸込圧力も吐出圧力も各々一定であり、背圧も一定である。従って、背圧は適切な値になるように設計されている。この点で、段落００１０に開示されているようにバイパス弁（１３）は常閉型の電磁弁である。なお、電磁弁とは、構造上、全開か全閉のいずれかの状態しか保持できないものである。特許文献１では、起動時や再起動時に４秒程度だけバイパス弁（１３）を全開にして背圧を減圧するものである。このように特許文献１では、スクロール式空気圧縮機特有の課題に着目しており、起動時の信頼性の向上のみに注目し背圧を吸込み側に逃しているが、定常運転時の効率向上に関する背圧制御については考慮されていない。
【０００８】
特許文献２では、背圧室の圧力は、背圧孔が圧縮室に連通している間の圧縮室内圧力の平均的な圧力で決まるので、圧力変動がある。圧縮室内の圧力が低い時に電磁弁を開くと吐出パイプのガスが圧縮室内に逆流し、圧縮室内の圧力を上昇させ無駄な圧縮動力の増加を招き圧縮機効率が低下する可能性がある。
【０００９】
本発明の目的は、広範囲の運転条件において高効率な冷凍サイクルを実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記本発明の目的は、
吸込室と背圧室とをバイパス管で連通した圧縮機の吐出部と、加熱器と、膨張弁と、蒸発器と、前記圧縮機の吸込部とを順次接続した冷凍サイクル装置であって、
前記背圧室の圧力を制御するため前記バイパス管に配設され、冷媒の流れを調整する電動弁と、
前記蒸発器での蒸発温度を検出する蒸発温度センサと、
前記圧縮機からの吐出圧を求めることができる情報を検出するセンサと、
前記温度センサおよび前記センサからの情報に基づいて、前記電動弁の開度を制御する制御部と、
を備えることにより達成される。
【００１１】
また、上記本発明の目的は、
吸込室と背圧室とをバイパス管で連通した圧縮機の吐出部と、加熱器と、膨張弁と、蒸発器と、前記圧縮機の吸込部とを順次接続し、湯を貯めるタンクを備えたヒートポンプ給湯機であって、
前記背圧室の圧力を制御するため前記バイパス管に配設され、冷媒の流れを調整する電動弁と、
前記蒸発器での蒸発温度を検出する蒸発温度センサと、
前記圧縮機からの吐出圧を求めることができる情報を検出するセンサと、
前記蒸発温度センサ，前記センサ，前記負荷状態検出手段からの情報に基づいて、前記電動弁の開度を制御する制御部と、
を備えることにより達成される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、広範囲の運転条件において高効率な冷凍サイクルを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明におけるスクロール圧縮機の縦断面図。
【図２】背圧Ｐｂ−吸込圧力Ｐｓ比と圧縮機効率の関係を示したグラフ。
【図３】吐出圧力Ｐｄ／吸込圧力Ｐｓと電動弁開度の近似式のグラフ。
【図４】吐出圧力Ｐｄ−吸込圧力Ｐｓと電動弁開度の近似式のグラフ。
【図５】図４の近似式を用いた時の制御フローチャート。
【図６】本発明第２の実施形態におけるスクロール圧縮機の縦断面図。
【図７】吐出圧力Ｐｄ−吸込圧力Ｐｓと背圧Ｐｂ−吸込圧力Ｐｓ比の近似式のグラフ。
【図８】図７の近似式を用いた時の制御フローチャート。
【図９】本発明第３の実施形態における主要部分拡大図。
【図１０】ヒートポンプ給湯機のユニット構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１５】
本発明の第１の実施形態を以下詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施形態におけるスクロール圧縮機の縦断面図、図２は背圧Ｐｂと吸込圧力Ｐｓとの差を、基準となる差圧「背圧Ｐｂ０−吸込圧力Ｐｓ０」との比で表した「背圧Ｐｂ−吸込圧力Ｐｓ」比と、圧縮機効率との関係を示したグラフ、図３は吐出圧力Ｐｄ／吸込圧力Ｐｓと電動弁開度の関係を示したグラフ、図４は吐出圧力Ｐｄ−吸込圧力Ｐｓと電動弁開度の関係を示したグラフ、図５は図４のグラフから電動弁の開度を決める制御フローチャートである。
【００１６】
スクロール圧縮機１は、渦巻状のラップ６ａとラップ５ｃを立設した旋回スクロール６及び固定スクロール５を主要部とする圧縮機構部３と、この圧縮機構部３を駆動する電動機４と、この圧縮機構部３と電動機４を収納する密閉容器２を備えている。密閉容器２内の上部には圧縮機構部３が、下部には電動機４が配置されている。そして、密閉容器２の底部には潤滑油１３が貯留されている。
【００１７】
密閉容器２は、円筒状のケース２ａに蓋チャンバ２ｂと底チャンバ２ｃが上下に溶接されて構成されている。蓋チャンバ２ｂには吸込パイプ２ｄが設けられ、ケース２ａ側面には吐出パイプ２ｅと背圧パイプ２ｇが設けられている。密閉容器２の内部は吐出圧室２ｆとなる。吐出圧室２ｆには圧縮機構部３と電動機４が収納されている。
【００１８】
圧縮機構部３は、台板５ｄ上に渦巻状のラップ５ｃを有する固定スクロール５と、同じく台板６ｂ上に渦巻状のラップ６ａを有する旋回スクロール６と、固定スクロール５にボルト８で固定されて旋回スクロール６を支持するフレーム９とを備えて構成されている。
【００１９】
固定スクロール５には、リリース弁装置１５が設けられている。固定スクロール５には相対向して旋回スクロール６が旋回自在に配置されている。
【００２０】
旋回スクロール６の上面には、固定スクロール５のラップ５ｃと噛み合う渦巻状のラップ６ａが設けられており、ラップ５ｃとラップ６ａとの間に吸込室１０と圧縮室１１が形成される。
【００２１】
フレーム９は、その外周側が溶接によって密閉容器２の内壁面に固定されている。フレーム９には、クランク軸７を回転自在に支持する主軸受９ａを備えている。
【００２２】
旋回スクロール６の下面側に、クランク軸７の偏心部７ｂが連結されている。旋回スクロール６の下面側とフレーム９の間には、オルダムリング１２が配置されており、オルダムリング１２は旋回スクロール６の下面側に形成された溝とフレーム９に形成された溝に装着されている。このオルダムリング１２は、クランク軸７の偏心部７ｂの偏心回転を旋回スクロール６に伝えるが、旋回スクロール６を自転させることなく、公転運動をさせる働きをする。
【００２３】
電動機４は、固定子４ａおよび回転子４ｂを備えている。固定子４ａは密閉容器２に圧入および溶接などにより締結されている。回転子４ｂは固定子４ａ内に回転可能に配置されている。回転子４ｂにはクランク軸７が固定されている。
【００２４】
クランク軸７は、主軸７ａと偏心部７ｂとを備えて構成されており、フレーム９に設けた主軸受９ａと下軸受１７とで支持されている。偏心部７ｂはクランク軸７の主軸７ａに対して偏心して一体に形成されており、旋回スクロール６の背面に設けた旋回軸受に嵌合されている。クランク軸７は電動機４によって駆動され、偏心部７ｂは主軸７ａに対して偏心回転運動し、旋回スクロール６を旋回運動させるようになっている。また、クランク軸７は、主軸受９ａ，下軸受１７および旋回軸受へ潤滑油１３を導く給油通路７ｃが設けられ、電動機側軸端に潤滑油１３を吸い上げて給油通路７ｃに導く給油管７ｄが装着されている。
【００２５】
旋回スクロール６の背面側とフレーム９との間には、吸込パイプ２ｄの圧力と吐出圧室２ｆの圧力との中間の圧力となる背圧室１４が形成されている。旋回スクロール６は背圧室１４の圧力、いわゆる背圧によって固定スクロール５に押し付けられラップ先端の隙間を小さくしている。背圧室１４の圧力と吐出圧室２ｆの圧力との圧力差によりクランク軸７の中心部に形成された給油通路７ｃを介して密閉容器２底部に封入した潤滑油１３が主軸受９ａなどに供給される。この背圧室１４は、密閉容器２内の潤滑油１３を圧縮機構部３の摺動部に供給する経路中に形成されていることになる。
【００２６】
この圧縮機が運転されると、冷媒ガスは、吸込パイプ２ｄから旋回スクロール６および固定スクロール５により形成される圧縮室１１に導かれ、スクロールの中心方向に移動させられるに従って圧縮される。圧縮された冷媒ガスは、固定スクロール５の台板５ｄの略中央に設けられた吐出口５ｅから密閉容器２内である吐出圧室２ｆへ吐出され、吐出パイプ２ｅから外部へと流出していく。
【００２７】
冷凍サイクルは簡易的に示しているが、スクロール圧縮機１（吐出パイプ２ｅ），凝縮器１８，膨張弁１９，蒸発器２０，スクロール圧縮機１（吸込パイプ２ｄ）を順次接続し、冷媒が循環するよう構成されている。なお、凝縮器１８は超臨界冷凍サイクルではガスクーラーとも呼ばれる。例えば、ヒートポンプ給湯機においてはＣＯ2などを冷媒として超臨界冷凍サイクルとして運転される。この凝縮器なりガスクーラーなりを通過した流体は加熱されるので双方を含むよう加熱器と呼んでも良い。
【００２８】
圧縮機から流出した冷媒ガスは、凝縮器１８で放熱・液化し、膨張弁１９で減圧される。減圧された冷媒は蒸発器２０で吸熱・蒸発し吸込みパイプ２ｄから再び吸込室１０に吸込まれる。
【００２９】
吸込パイプ２ｄと背圧パイプ２ｇは、バイパス管２１によって連通されており、バイパス管２１には電動弁２２が設けられている。この電動弁２２の開度を調節することで背圧Ｐｂを制御する。これによれば、吐出圧Ｐｄと吸込圧Ｐｓとの中間の圧力とされる背圧を、吸込圧Ｐｓまで下げる方向に制御することができる。
【００３０】
図２は、圧力比をパラメータとし、背圧Ｐｂ−吸込圧力Ｐｓの比と圧縮機効率との関係を示したもので、実験によるものである。ここで、縦軸と横軸は圧力比２.２５のピーク効率を１とした比率で示している。つまり、図２などでいうＰｂ−Ｐｓ比とは、（Ｐｂ−Ｐｓ）／（Ｐｂ０−Ｐｓ０）のことであり、基準となるＰｂ０−Ｐｓ０からの倍率を表している。
【００３１】
この図から、Ｐｂ−Ｐｓ比は効率上適正な値が存在することが分かる。例えば、圧力比２.２５であればＰｂ−Ｐｓ比＝１.０程度（２.２５，１.０）といった具合であり、その他にも（２.５，１.２），（２.７５，１.３５），（３.０，１.０８），（３.３３，１.２５），（３.６７，１.３９）といった具合である。これら、少なくともピーク圧縮機効率を与える（Ｐｄ／Ｐｓ，Ｐｂ−Ｐｓ比）の値を圧縮比毎に制御部２５の中にデータ群０として保持しておく。この圧力比の変化は、例えば、ヒートポンプ給湯機の圧縮機の場合、外気温や目標貯湯温度などが原因となる。
【００３２】
ここで、背圧Ｐｂ−吸込圧力Ｐｓは、旋回スクロール６を固定スクロール５に押し付ける因子である。逆に、これらスクロールを引き離す力の因子は、吐出圧力Ｐｄ−吸込圧力Ｐｓである。従って、吐出圧力Ｐｄに関する情報と吸込圧力Ｐｓに関する情報とが得られれば、Ｐｂに関する情報を得ることで、後述のように背圧Ｐｂ−吸込圧力Ｐｓを、つまり押付力を制御することができる。
【００３３】
ヒートポンプ給湯機のような冷凍サイクル装置は、負荷状態や運転状態によって吸込圧力も吐出圧力も様々に変化する点でスクロール式空気圧縮機を利用したシステムとは異なる。このような様々な圧力条件において効率上適正な押付力を実現するように電動弁２２の開度を調節すると、年間を通して圧縮機の省エネルギー化を図ることができる。何故ならば、押付力を大きくしていくと、両スクロール間からの冷媒漏れによる損失を小さく押さえることはできるが、摺動摩擦による損失は大きくなってしまうからであり、逆に、押付力を小さくすると、摺動摩擦による損失を小さく押さえることはできるが、両スクロール間からの冷媒漏れによる損失は大きくなってしまうからである。
【００３４】
従って、これらのバランスを取り適切な押付力が得られるよう、背圧Ｐｂ−吸込圧力Ｐｓを制御する必要がある。なお、電動弁２２の開度によって直接制御されるのは背圧Ｐｂである。
【００３５】
次に、背圧Ｐｂ−吸込圧力Ｐｓ比の制御方法について説明する。なお、背圧Ｐｂ−吸込圧力Ｐｓ比を制御することは、実質的には「背圧Ｐｂ−吸込圧力Ｐｓ」を制御することと同じである。
【００３６】
吐出配管には吐出圧力Ｐｄを検出する吐出圧力センサ２３が、蒸発器２０には蒸発温度Ｔｅを検出する蒸発温度センサ２４が取り付けられている。スクロール圧縮機１で制御されるのは吐出圧力Ｐｄであるため、これを直接検出して制御することが好ましい。吐出圧力センサ２３は主に吐出圧Ｐｄを算出するために用いられ、蒸発温度センサ２４は主に蒸発温度Ｔｅを検出することによって吸込圧Ｐｓを算出するために用いられる。
【００３７】
検出された吐出圧力Ｐｄと蒸発温度Ｔｅは制御部２５（Ｃ／Ｕ）に入力され、制御部２５は、吐出圧Ｐｄと吸込圧Ｐｓとに基づいて、背圧Ｐｂ−吸込圧力Ｐｓが圧縮機効率の観点から適正になるように、すなわち背圧Ｐｂが適正になるように、制御部２５が電動弁２２の開度を算出する。つまり、吐出圧力センサ２３からの情報により吐出圧力を算出し、蒸発温度センサ２４からの情報により吸込圧力を算出して、当該算出した吐出圧力の情報と吸込圧力の情報とを用いて電動弁２２の開度を演算する。算出された開度は、制御部２５から電動弁２２に送られ、所望の開度になるように電動弁２２が駆動される。
【００３８】
開度の算出方法を図３乃至図５を用いて説明する。図３は図２に示した各圧力条件でのピーク効率の電動弁開度を圧力比でまとめたものであり、実験によるものである。つまり、この直線上で冷凍サイクルを運転、つまり冷凍サイクル内の圧縮機を運転すると圧縮機効率がピークとなる。図３から分かるように圧力比Ｐｄ／Ｐｓと電動弁開度％は、吸込圧力Ｐｓ毎に直線で近似でき、次式で表される。
開度＝傾き×圧力比＋定数
【００３９】
定数は近似直線の切片である。圧力比が大きくなるほど（吸込圧力Ｐｓが低くなるほど）、開度は大きくなり、定数も大きくなることが分かる。ここでは、例えば、Ｐｓ＝３ＭＰａ，４ＭＰａ，５ＭＰａの近似式が各々求められている。おおよそではあるが、各々、冬期条件，中間期条件，夏期条件での吸込圧力Ｐｓに対応する。この近似式をＰｓの値毎に制御部２５の中にデータ群１として保持しておく。制御部２５は、背圧室の圧力である背圧を所望の圧力に制御するよう、上の近似式、つまり任意の吸込圧力毎の電動弁開度の近似式に基づいて電動弁の開度を演算し、制御する。
【００４０】
そして、実際に圧縮機を運転してみる。吐出圧力センサ２３から吐出圧Ｐｄが、蒸発温度センサ２４から吸込圧Ｐｓが分かっているので、図３の横座標を特定することができる（例えばＰｄ／Ｐｓ≒２.８５の破線）。このとき、今回の吸込圧Ｐｓの値に対応する開度ｘ１はそれらに最も近い２つの開度ａ１，ａ２を用いて比率により求める。
【００４１】
吸込圧力ＰｓがＰｓ＝３ＭＰａの近似式とＰｓ＝４ＭＰａの近似式との間にあり、例えばＰｓ＝３.５ＭＰａである場合、先ず求めたい開度ｘ１の両側の開度ａ１とａ２を、それぞれの近似式から求める。それが求まったら、求めたい開度ｘ１を次式により求める。
(ｘ１−ａ２)／(ａ１−ａ２)＝(Ｐｓ−４ＭＰａ)／(３ＭＰａ−４ＭＰａ)
∴ｘ１＝ａ２＋(Ｐｓ−４ＭＰａ)／(３ＭＰａ−４ＭＰａ)×(ａ１−ａ２)
→ｘ１＝ａ２＋(４ＭＰａ−Ｐｓ)／(４ＭＰａ−３ＭＰａ)×(ａ１−ａ２)
【００４２】
なお、最後の式は直感的に分かりやすいように±を調整しただけのものである。
【００４３】
以上のように、隣り合う第１，第２の近似式の圧力差（ｅｘ.Ｐｓ＝３ＭＰａとＰｓ＝４ＭＰａの場合は１ＭＰａ）、及び、第１，第２の近似式のうち何れか一方の吸込圧力（ｅｘ.Ｐｓ＝４ＭＰａ）と蒸発温度から算出した吸込圧力（これは圧縮機運転中の実際の吸込圧力である）との差圧（ｅｘ.４ＭＰａ−Ｐｓ）を用いて、それら圧力差，差圧の比率から開度（ｅｘ.ｘ１）を演算することができる。なお、このように求めたい開度が、他の方法から分かる開度の内側にある場合を内挿することにより求めるという。
【００４４】
また、吸込圧力Ｐｓが近似式の間になく、例えばＰｓ＝４ＭＰａの近似式とＰｓ＝５ＭＰａの近似式との間になく、Ｐｓ＝５.５ＭＰａである場合、先ず、求めたい開度ｘ４に最も近い２つの開度ａ２とａ３をそれぞれの近似式から求める。それが求まったら、求めたい開度ｘ４を次式により求める。
(ｘ４−ａ３)／(ａ２−ａ３)＝(Ｐｓ−５ＭＰａ)／(４ＭＰａ−５ＭＰａ)
∴ｘ４＝ａ３＋(Ｐｓ−５ＭＰａ)／(４ＭＰａ−５ＭＰａ)×(ａ２−ａ３)
→ｘ４＝ａ３−(Ｐｓ−５ＭＰａ)／(５ＭＰａ−４ＭＰａ)×(ａ２−ａ３)
【００４５】
なお、最後の式は直感的に分かりやすいように±を調整しただけのものである。
【００４６】
ここで、図３は開度％と圧力比Ｐｄ／Ｐｓとの関係から近似式を求めたが、図４のように圧力差Ｐｄ−Ｐｓでまとめても近似式は同様の傾向であり、上記の開度の算出方法が適用可能である。
開度＝傾き×圧力差＋定数
【００４７】
また、近似式を簡単な１次直線で表したが、ほぼ直線に近い多項式で近似しても同様の制御が可能であることは言うまでもない。更に、ここでは吐出圧力Ｐｄを検出したが、凝縮温度を検出し吐出圧力へ変換しても同様の作用効果が得られる。あるいは、超臨界冷凍サイクルであれば凝縮せず、必ずしも凝縮温度とはならないので、冷媒入口温度センサによって加熱器での冷媒入口温度を検出しても同様の作用効果が得られる。これらのように温度センサを用いることで、吐出圧力センサ２３を別個に用いるよりも安価にシステムを構築することが可能である。但し、別の目的で既に吐出圧力センサ２３が必要なのであれば、これを当該目的と共用する方が好ましいということは言うまでもない。以下、同様である。
【００４８】
以上のように、隣り合う第１，第２の近似式の圧力差（ｅｘ.Ｐｓ＝４ＭＰａとＰｓ＝５ＭＰａの場合は１ＭＰａ）、及び、第１，第２の近似式のうち求めたい開度に近い方の吸込圧力（ｅｘ.Ｐｓ＝５ＭＰａ）と蒸発温度から算出した吸込圧力（これは圧縮機運転中の実際の吸込圧力である）との差圧（ｅｘ.５ＭＰａ−Ｐｓ）を用いて、それら圧力差，差圧の比率から開度（ｅｘ.ｘ４）を演算することができる。なお、このように求めたい開度が、他の方法から分かる開度の外側にある場合を外挿することにより求めるという。
【００４９】
図４に示した近似直線を用いた場合の制御部２５の処理を図５に示した制御フローチャートで説明する。吐出圧力Ｐｄと蒸発温度Ｔｅを検出する。Ｔｅから吸込圧力Ｐｓを算出する。差Ｐｄ−Ｐｓを算出する。Ｐｓからどの近似式を利用するか判断する。開度ｘを算出する。電動弁２２に開度ｘを出力する。なお、この開度を制御するために電動弁２２にはステッピングモータが使われる。
【００５０】
この開度ｘで冷凍サイクル、つまり圧縮機を運転すれば、圧縮機効率をピークとすることができる。以上の構成とすることにより、様々な条件において効率上適正な差圧、つまり背圧Ｐｂ−吸込圧力Ｐｓ比にでき、年間を通し圧縮機の省エネルギー化が図れる。
【００５１】
このように、背圧室と吸込パイプとをバイパス管で連通しバイパス管に電動弁を設ける構成において、運転圧力条件を検知するセンサから情報を得て当該情報に基づいて背圧が適正な値になるよう、吸込圧力が低いときは高いときよりも開度が大きくなるように電動弁開度を制御することで、旋回スクロール６を固定スクロール５へ押し付ける力を過大にすることなく、様々な運転条件において圧縮機効率上適正な冷凍サイクルの運転を行うことができる。従って、広範囲の運転条件において高効率な冷凍サイクル装置を実現することができる。
【００５２】
このような冷凍サイクル装置を、例えばヒートポンプ給湯機に適用することを考える。図１０はヒートポンプ給湯機のユニット構成図である。上記と同じ符号のものは同一の作用効果をなすので説明は省略する。
【００５３】
ヒートポンプ給湯機は、ＣＯ2を冷媒とした超臨界冷凍サイクルであり、湯を貯めるタンクを備えた冷凍サイクル装置である。加熱器を利用して湯を生成し、この湯をタンクに貯めておいて、タンクからの出湯を台所や風呂などで利用する。また、上で説明した冷凍サイクル装置の構成に加え、負荷状態（目標貯湯温度，外気温，運転状態など）を加味して運転することが可能である。例えば、負荷状態検出手段として、貯湯温度を設定するためのリモコン等や、外気温センサを備えており、これらから目標貯湯温度や外気温などの情報が制御部（２５）へ入力される。
【００５４】
深夜の設定された時刻（例えば、午前３時）になるとスクロール圧縮機１が起動し、吐出パイプ２ｅから圧縮された高温高圧の冷媒が吐出される。吐出された冷媒は水−冷媒熱交換器２９で貯湯タンク３２の水と熱交換され冷却される。一方、貯湯タンク３２の水は水循環ポンプ３１で搬送され、貯湯タンク３２下部の水が水−冷媒熱交換器２９で加熱され貯湯タンク３２上部にお湯として貯められる。
【００５５】
一方、水−冷媒熱交換器２９を出た冷媒は、膨張弁１９で減圧され蒸発器２０に入り大気の熱を吸熱し蒸発される。蒸発器２０を出た冷媒は吸込パイプ２ｄからスクロール圧縮機１に吸い込まれ、ここで再び圧縮される。
【００５６】
次に、制御方法について説明する。リモコン３０で使用者が貯湯タンク３２に貯めるお湯の温度を設定する。制御部である制御ユニット２５には吐出圧力センサ２３，蒸発温度センサ２４，出湯温度センサ２８，吐出ガス温度センサ３３からの信号が入力される。出湯温度センサ２８は、水の流れにおいて、水−冷媒熱交換器２９の下流で、貯湯タンク３２の入口に配設されている。
【００５７】
出湯温度センサ２８で得られた温度がリモコン３０で設定されたお湯の温度より低い場合は、スクロール圧縮機１の回転数を上げて冷媒循環量を増加させ、吐出ガス温度センサ３３で得られた温度がリモコン３０で設定されたお湯の温度より低い場合は、膨張弁１９を絞って吐出圧力センサ２３で検出される吐出圧力を上昇させる。以上の方法により貯湯タンク３２のお湯の温度が所望の温度となるように制御し、早朝の設定された時刻（例えば、午前７時）になると運転が停止される。
【００５８】
ヒートポンプ給湯機が起動し停止するまでの間、吐出圧力センサ２３と蒸発温度センサ２４から得られた信号により、上記の制御方法でスクロール圧縮機１の背圧を効率上適正な背圧となるように電動弁２２を駆動し、高効率な冷凍サイクルとすることができる。つまり、スクロール圧縮機１の電気入力を過大にさせることが無くなるので、ヒートポンプ給湯機の省エネルギー化を図ることができる。
【００５９】
また、圧縮機の運転状態を加味することもできる。この場合は例えば、制御部内でのインバータの周波数から圧縮機の回転数を推定することで、これを加味することができる。
【００６０】
例えば、９０℃でタンクに貯湯するときと、６５℃でタンクに貯湯するときとでは、背圧Ｐｂ−吸込圧Ｐｓは大きく異なるので、旋回スクロール６が固定スクロール５に押し付けられる力が大きく異なる。６５℃貯湯時に合わせて押付力が適切になるようにすると、９０℃貯湯では当該押付力が過大となる。また、夏期や冬期でも異なるし、運転状態によっても異なるので、押付力が過大となる領域が色々と出てくる。
【００６１】
従って、上記に説明した冷凍サイクル装置の制御に加えて、負荷状態を加味して、つまり、タンクへの目標貯湯温度を加味して背圧Ｐｂを制御したり、外気温を加味して背圧Ｐｂを制御したり、運転状態を加味して背圧Ｐｂを制御することで、省エネ性の高いヒートポンプ給湯機とすることができる。また、より早く所望の背圧Ｐｂとすることも可能となる。このように、蒸発温度センサなどの情報に加えて負荷状態をも加味することで、当該押付力を適正にすることが考えられる。
【００６２】
例えば、目標貯湯温度を加味して背圧Ｐｂを制御することは、吐出圧力Ｐｄを加味して背圧Ｐｂを制御することである。つまり、ユーザーの希望使用状態，機器の使用状態に適うよう、負荷状態に応じて背圧Ｐｂを制御し、押付力を制御することである。また、外気温を加味して背圧Ｐｂを制御することは、季節や温暖地・寒冷地などを加味して吸込圧力Ｐｓを加味して背圧Ｐｂを制御することである。つまり、機器の使用条件に適うよう、負荷状態に応じて背圧Ｐｂを制御し、押付力を制御することである。
【００６３】
また、運転状態を加味して背圧Ｐｂを制御することは、例えばスクロール圧縮機１の制御部２５からのインバータの周波数などから回転数を加味して背圧Ｐｂを制御することである。つまり、押下力や摺動摩擦による損失（摩擦損失）などの機器の運転状態に適うよう、負荷状態に応じて背圧Ｐｂを制御し、押付力を制御することである。
【００６４】
回転数が高くなると、旋回スクロール６の１回転に要する時間が短くなるため、１回転あたりに冷媒が圧縮室から漏れる量が少なくなる。従って、圧力の高い圧縮室から圧力の低い圧縮室へ冷媒が漏れる量が少なくなるため、高圧の冷媒は旋回スクロール６の中心寄りに、低圧の冷媒は外側寄りに存在する。逆に、回転数が低くなると、上記に言う冷媒の漏れ量が相対的に多くなるため、高圧の冷媒が多少なりとも外側寄りに存在することになる。
【００６５】
従って、両スクロールの引き離し力、つまり、旋回スクロール６を押下げる押下力が大きくなる。これに対抗するため、回転数が高いときよりも低いときは旋回スクロール６の押上力（＝押付力）を大きくする、つまり、背圧Ｐｂを大きくする方が好ましい。背圧Ｐｂを大きくするには、具体的には、電動弁の開度を小さくする。詳細に言うと、回転数が高いときの電動弁の開度よりも、回転数が低いときの電動弁の開度を小さく制御するということである。
【００６６】
また、回転数が高くなると、両スクロールで接している全ての箇所（鏡板，歯先，歯側面など）での摩擦損失が増加する。回転数に対して１次よりも大きい次数で、この摩擦損失が増加することが知られている。従って、回転数が高い状態では、背圧Ｐｂを低くして摩擦損失を抑えることが機器全体としては得策である。背圧Ｐｂを低くするには、具体的には、電動弁の開度を大きくする。詳細に言うと、回転数が低いときの電動弁の開度よりも、回転数が高いときの電動弁の開度を大きく制御するということである。
【００６７】
これらは以下の実施例においても同様である。
【実施例２】
【００６８】
本発明の第２の実施形態を以下詳細に説明する。図６は本発明の第２の実施形態におけるスクロール圧縮機の縦断面図、図７は吐出圧力Ｐｄ−吸込圧力Ｐｓと背圧Ｐｂ−吸込圧力Ｐｓ比との関係を示したグラフ、図８は図７のグラフから電動弁の開度を決める制御フローチャートである。実施例１と同じ符号のものは同一の作用効果をなすので説明は省略する。
【００６９】
図６のバイパス管２１には背圧を検出する背圧センサ２６が設けられている。制御部２５には、吐出圧力Ｐｄと、蒸発温度Ｔｅと、背圧Ｐｂとが入力され、蒸発温度から吸込圧力Ｐｓを算出し、吐出圧力Ｐｄと吸込圧力Ｐｓから効率上適正な背圧Ｐｂ−吸込圧力Ｐｓ（比）を算出する。この考え方は実施例１におけるものと同様であり、実施例１におけるデータ群０を基に行う。
【００７０】
制御部２５に保持された背圧Ｐｂ−吸込圧力Ｐｓ比と、冷凍サイクルの運転によって今回制御部２５に入力された背圧Ｐｂ−吸込圧力Ｐｓ比を比較して、両者が等しくなるように電動弁２２を駆動する。なお、今回制御部２５に入力された、背圧Ｐｂは背圧センサ２６によって検出されたもの、吸込圧力Ｐｓは蒸発温度Ｔｅから算出されたものである。制御部２５は、この背圧センサ２６からの情報により背圧室の圧力である背圧を算出し、蒸発温度センサ２４からの情報により吸込圧力を算出して、当該算出した背圧の情報と吸込圧力の情報とを用いて電動弁２２を開閉制御する。
【００７１】
開度の算出方法を図７と図８を用いて説明する。図７は図２に示した各圧力条件でのピーク効率の背圧Ｐｂ−吸込圧力Ｐｓを圧力差でまとめたもので、実験によるものである。図３と同様、図７から分かるように圧力差「Ｐｄ−Ｐｓ」と圧力差「Ｐｂ−Ｐｓ」は、吸込圧力Ｐｓ毎に直線で近似でき、次式で表される。
Ｐｂ−Ｐｓ＝傾き×（Ｐｄ−Ｐｓ）＋定数
【００７２】
ここで、定数は図３に示した近似式とは逆に、吸込圧力Ｐｓが高くなるほど、圧力差「Ｐｂ−Ｐｓ」は大きくなることが分かる。ここでは、第１の実施例と同様に、Ｐｓ＝３ＭＰａ，４ＭＰａ，５ＭＰａの近似式が各々求められている。この近似式をＰｓの値毎に制御部２５の中にデータ群２として保持しておく。制御部２５は、上の近似式、つまり、任意の吸込圧力毎の背圧と吸込圧との差圧の近似式に基づいて算出された吸込圧力に対応する当該差圧を演算し、背圧センサからの情報により算出された背圧が演算された背圧になるよう電動弁２２を開閉制御する。
【００７３】
そして、実際に圧縮機を運転してみる。吐出圧力センサ２３から吐出圧Ｐｄが、蒸発温度センサ２４から吸込圧Ｐｓが分かっているので、図７の横座標を特定することができる（例えばＰｄ−Ｐｓ≒６.５の破線）。このとき、今回の吸込圧Ｐｓの値に対応する差圧ｘ１０はそれらに最も近い２つの差圧からの比率により求める。
【００７４】
吸込圧力ＰｓがＰｓ＝３ＭＰａの近似式とＰｓ＝４ＭＰａの近似式との間にあり、例えばＰｓ＝３.５ＭＰａである場合、先ず求めたい差圧ｘ１０の両側の差圧ａ８とａ９を、それぞれの近似式から求める。それが求まったら、求めたい差圧ｘ１０を次式により求める。
(ｘ１０−ａ９)／(ａ８−ａ９)＝(Ｐｓ−３ＭＰａ)／(４ＭＰａ−３ＭＰａ)
∴ｘ１０＝ａ９＋(Ｐｓ−３ＭＰａ)／(４ＭＰａ−３ＭＰａ)×(ａ８−ａ９)
→ｘ１０＝ａ９＋(Ｐｓ−３ＭＰａ)／(４ＭＰａ−３ＭＰａ)×(ａ８−ａ９)
【００７５】
なお、最後の式は直感的に分かりやすいように±を調整しただけのものである。しかし、内容も表現形式も、その上の式と同一である。このように内挿することにより開度を求めるのは実施例１と同様である。
【００７６】
また、吸込圧力Ｐｓが近似式の間になく、例えばＰｓ＝４ＭＰａの近似式とＰｓ＝５ＭＰａの近似式との間になく、Ｐｓ＝５.５ＭＰａである場合、先ず、求めたい差圧ｘ１１に最も近い２つの差圧ａ７とａ８をそれぞれの近似式から求める。それが求まったら、求めたい差圧ｘ１１を次式により求める。
(ｘ１１−ａ７)／(ａ８−ａ７)＝(Ｐｓ−５ＭＰａ)／(４ＭＰａ−５ＭＰａ)
∴ｘ１１＝ａ７＋(Ｐｓ−５ＭＰａ)／(４ＭＰａ−５ＭＰａ)×(ａ８−ａ７)
→ｘ１１＝ａ７＋(Ｐｓ−５ＭＰａ)／(５ＭＰａ−４ＭＰａ)×(ａ７−ａ８)
【００７７】
なお、最後の式は直感的に分かりやすいように±を調整しただけのものである。このように外挿することにより開度を求めるのは実施例１と同様である。
【００７８】
図７に示した近似直線を用いた場合の制御部２５の処理を図８に示した制御フローチャートで説明する。吐出圧力Ｐｄと蒸発温度Ｔｅを検出する。Ｔｅから吸込圧力Ｐｓを算出する。そして、Ｐｄ−Ｐｓを算出する。Ｐｓからどの近似式を利用するか判断する。そして、差圧ｘを算出する。差圧ｘがＰｂ−Ｐｓより小さい時は弁を開き、差圧ｘがＰｂ−Ｐｓより大きい時は弁を閉じる。この動作はフィードバック制御とする。なお、所望の貯湯温度が変更されることにより、圧縮機の吐出圧力Ｐｄが変更された場合は、先ず実施例１の方法で動作させ、その後、実施例２によるフィードバック制御としても良い。
【００７９】
この差圧ｘで冷凍サイクル、つまり圧縮機を運転すれば、圧縮機効率をピークとすることができる。以上の構成とすることにより、様々な条件において効率上適正な差圧、つまり背圧Ｐｂ−吸込圧力Ｐｓ比にでき、年間を通して機器の省エネルギー化が図れる。
【００８０】
このように、背圧室と吸込パイプとをバイパス管で連通しバイパス管に電動弁を設ける構成において、運転圧力条件を検知するセンサから情報を得て当該情報に基づいて背圧が適正な値になるよう、吸込圧力が高いときは低いときよりも背圧と吸込圧との差圧が大きくなるように電動弁開度を制御することで、様々な運転条件において圧縮機効率上適正な冷凍サイクルの運転を行うことができる。従って、広範囲の運転条件において高効率な冷凍サイクル装置を実現することができる。
【００８１】
なお、実施例１では開度を制御することによって差圧を制御するが、実施例２では直接差圧を制御する構成としている。この構成では、背圧を検出し適正な差圧、つまり背圧Ｐｂ−吸込圧力Ｐｓ（比）と比較して電動弁２２の開閉を行うので、経年変化や、ゴミが堆積する、詰まる等により、仮に電動弁２２部分の流路断面積が当初から変化したとしても適正な差圧、つまり背圧Ｐｂ−吸込圧力Ｐｓ比に制御可能である。また、背圧Ｐｂそのものを検出して制御するので、精度良く押付力を制御することができる。
【実施例３】
【００８２】
本発明の第３の実施形態を図９を用いて説明する。本実施形態は、図１および図６に示したスクロール圧縮機に図９に示す背圧制御弁を設けている。背圧制御弁１６について説明する。固定スクロール５に、ばね収納穴５ｆが形成されている。ばね収納穴５ｆの背圧室１４側に貫通穴５ｇが形成されており、この貫通穴５ｇにはピース１６ａが圧入されている。ピース１６ａには前記ばね収納穴５ｆと背圧室１４を連通する連通穴１６ｂが形成されている。
【００８３】
ばね収納穴５ｆには前記連通穴１６ｂを塞ぐように弁体１６ｃが、ばね１６ｄによって押し付けられている。ばね１６ｄはシール部材１６ｅに取り付けられており、シール部材１６ｅは、ばね収納穴５ｆと吐出圧室２ｆを区画するように固定スクロール５に圧入されている。ばね収納穴５ｆの側面には固定スクロール５端面部に形成されたＲ溝５ｈと連通する導通路５ｉが形成されている。Ｒ溝５ｈは吸込室１０と連通している。
【００８４】
次に動作について説明する。密閉容器２下部に溜められた潤滑油１３は密閉容器２と背圧室１４の圧力差により給油管７ｄと給油通路７ｃを通って各軸受部に給油される。軸受部に給油された潤滑油１３は背圧室１４に入り、ここで潤滑油１３内に溶け込んでいた冷媒が発泡し背圧室１４の圧力を上昇させる。背圧室１４とばね収納穴５ｆの圧力差がばね１６ｄの付勢力より大きくなると弁体１６ｃが開き、背圧室１４内の潤滑油１３は導通路５ｉとＲ溝５ｈを通って吸込室１０に供給される。すなわち、背圧室１４の圧力は、吸込圧力＋一定値（この一定値は、ばね力によって決まる）となる。
【００８５】
電動弁２２が万一の故障等により全閉で停止したような場合、背圧室１４からガスを抜く通路がなくなるので背圧Ｐｂの圧力は吐出圧力Ｐｄになってしまう。背圧室１４の圧力が吐出圧力Ｐｄになると軸受に給油できなくなりカジリ現象が起きることも想像できる。しかし、背圧制御弁１６を設け、ばね力を運転される範囲の中で最も高い背圧Ｐｂ−吸込圧力Ｐｓに設定することにより、万が一、電動弁２２が故障した場合でも圧縮機は運転を続けることができる。すなわち、背圧制御弁１６を動作させることで、背圧Ｐｂを吐出圧力Ｐｄと吸込圧力Ｐｓの中間の圧力とし、確実に給油できカジリ現象を回避できる。
【符号の説明】
【００８６】
１  スクロール圧縮機
２  密閉容器
２ａ  ケース
２ｂ  蓋チャンバ
２ｃ  底チャンバ
２ｄ  吸込パイプ
２ｅ  吐出パイプ
２ｆ  吐出圧室
２ｇ  背圧パイプ
３  圧縮機構部
４  電動機
４ａ  固定子
４ｂ  回転子
５  固定スクロール
５ｃ，６ａ  ラップ
５ｄ，６ｂ  台板
５ｅ  吐出口
５ｆ  ばね収納穴
５ｇ  貫通穴
５ｈ  Ｒ溝
５ｉ  導通路
６  旋回スクロール
７  クランク軸
７ａ  主軸
７ｂ  偏心部
７ｃ  給油通路
７ｄ  給油管
８  ボルト
９  フレーム
９ａ  主軸受
１０  吸込室
１１  圧縮室
１２  オルダムリング
１３  潤滑油
１４  背圧室
１５  リリース弁装置
１６  背圧制御弁
１６ａ  ピース
１６ｂ  連通穴
１６ｃ  弁体
１６ｄ  ばね
１６ｅ  シール部材
１７  下軸受
１８  凝縮器
１９  膨張弁
２０  蒸発器
２１  バイパス管
２２  電動弁
２３  吐出圧力センサ
２４  蒸発温度センサ
２５  制御部
【図１】
2011027372.tif 000003
【図２】
2011027372.tif 000004
【図３】
2011027372.tif 000005
【図４】
2011027372.tif 000006
【図５】
2011027372.tif 000007
【図６】
2011027372.tif 000008
【図７】
2011027372.tif 000009
【図８】
2011027372.tif 000010
【図９】
2011027372.tif 000011
【図１０】
2011027372.tif 000012