(57)【要約】      （修正有）【課題】冷媒管を流れる冷媒の流動抵抗を低減させてエネルギ損失を小さくし、熱交換器における熱交換効率を向上させる冷凍サイクルの運転方法を提供する。【解決手段】圧縮機２を備えたヒートポンプ１において、圧縮機２の回転速度を周期的に変化させて、圧縮機２から吐出されて冷媒管Ｒ１、Ｒ２、…を流れる冷媒を脈動させる。冷媒管Ｒ１、Ｒ２、…内で乱流の発生が抑制される。また冷媒の流速が低速になるときに熱交換器における熱交換効率が高くなるので、平均的な熱交換効率は高くなる。圧縮機２の最高回転速度または最低回転速度を変化させると、ヒートポンプ１において単位時間あたりに熱交換される熱エネルギを増減することができる。【選択図】図１
2012042117.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮された冷媒を凝縮させて外部と熱交換する凝縮器と、凝縮した冷媒の圧力を低下させる膨張弁あるいはキャピラリチューブと、圧力が低下した冷媒を蒸発させて外部と熱交換する蒸発器とを備え、前記圧縮機から圧送される冷媒が循環するようになっている冷凍サイクルにおいて、
前記圧縮機の回転速度を周期的に変化させ、該圧縮機から吐出される冷媒を脈動させることを特徴とする冷凍サイクルの運転方法。
【請求項２】
請求項１に記載の運転方法において、前記圧縮機の回転速度を高速と低速とに交互に切り換えて運転することを特徴とする冷凍サイクルの運転方法。
【請求項３】
請求項２に記載の運転方法において、前記圧縮機における前記高速時の回転速度、あるいは前記低速時の回転速度を変化させて、前記圧縮機から吐出される単位時間あたりの冷媒の流量を制御することを特徴とする冷凍サイクルの運転方法。
【請求項４】
請求項２または３に記載の運転方法において、前記圧縮機における前記高速時の運転時間と前記低速時の運転時間の比率を変化させて、前記圧縮機から吐出される単位時間あたりの冷媒の流量を制御することを特徴とする冷凍サイクルの運転方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかの項に記載の運転方法を実施する冷凍サイクル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプ、冷凍機、空調機等の冷凍サイクルの運転方法、および冷凍サイクルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ヒートポンプ等の冷凍サイクルは従来周知であり、本出願人によっても例えば特許文献１、２によって提案されている。すなわち冷凍サイクルは、圧縮機、第１、２の熱交換器、膨張弁等から構成され、これらの機器は互いに冷媒管によって接続され、冷凍サイクル内には、ノンフロン系、二酸化炭素、アンモニア等の冷媒が封入されている。従って圧縮機を起動して冷媒を第１の熱交換器、膨張弁、第２の熱交換器等の間を循環させると、冷媒が液体、気体と状態変化する。このとき第１の熱交換器は凝縮器、第２の熱交換器は蒸発器としてそれぞれ作用し、第１の熱交換器において熱が外部に放出され、第２の熱交換器において外部から熱が吸収される。従って、第１の熱交換器を加熱源、第２の熱交換器を冷却源として、冷暖房装置、給湯装置、冷凍機等として利用することができる。
【０００３】
冷凍サイクル内に冷媒を送り出す圧縮機には、レシプロ式、ロータリ式、スクロール式、等色々なタイプのものがあるが、比較的小型の冷凍サイクルにおいては容積式の圧縮機が採用されることが多い。これらのどのタイプの圧縮機であっても、圧縮機は電動機によって駆動され、電動機の回転速度は交流電圧の周波数によって制御される。つまりインバータ回路を制御して、生成される交流電圧の周波数を調整すれば、容易に圧縮機の回転速度を制御することができる。単位時間に熱交換される熱エネルギーは、冷凍サイクルを循環する冷媒の流量によって変化するので、交流電圧の周波数を調整して圧縮機の回転速度を調整し、熱交換される熱エネルギーを増減することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１７６９６３号公報
【特許文献２】特開２０１０−０２５４１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来周知の冷凍サイクルによっても、熱源から熱エネルギを吸収して、被加熱対象に熱エネルギを放出することができる。従って、冷凍サイクル自体には問題はない。しかしながらエネルギ効率の点で改善の余地が認められる。冷媒は圧縮機によって数メガパスカル（ＭＰａ）あるいはそれ以上に圧縮されて送られるが、従来の冷凍サイクルにおいては圧縮機の回転速度を一定にして冷媒の流速が一定になるようにしている。ところで冷媒管内においては管の内径に比して冷媒の流速は高速なので、レイノルズ数が大きく乱流になってしまう。乱流になると流動抵抗が大きくなり、圧縮機はこの流動抵抗に抗して冷媒を送らなければならない。そうするとエネルギ損失は大きい。従来の冷凍サイクルにおいてはこの冷媒の流動抵抗によるエネルギ損失については格別に考慮されておらず、改善の余地が認められる。熱交換器における熱交換効率の問題もある。冷媒は第１の熱交換器で熱交換した後に、膨張弁を通過するときに圧力が低下して第２の熱交換器において気化して熱を吸収するが、冷媒の流速が速いとすぐに膨張弁に到達して第１の熱交換器で十分に熱交換することができないし、第２の熱交換器においても十分に熱を吸収することができない。そうすると単位時間に熱交換される熱エネルギーを大きくしようとして単純に圧縮機の回転速度をあげてしまうと、熱交換効率が低下してしまいエネルギ損失が大きくなってしまう。
【０００６】
本発明は、上記したような問題点を解決した冷凍サイクルにおける圧縮機の運転方法、および冷凍サイクルを提供することを目的としており、具体的には、冷媒管を流れる冷媒の流動抵抗を低減させてエネルギ損失を抑制できると共に熱交換器における熱交換効率を向上させる、圧縮機の運転方法、およびそのような運転方法を実施することができる冷凍サイクルを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
近年の研究により、血管を流れる血液のように管路内において流体の流速を周期的に変動するようにして、いわゆる脈動流を生じさせるようにすると、管路内で乱流の発生を抑制することができ流動抵抗を低減させることができることが明らかになってきた。このような研究においては、石油や天然ガスを輸送するパイプラインへの応用、つまり液体や気体として状態が変化しない流体の輸送に対する応用が検討されている。本発明においては、冷凍サイクルの冷媒に対してこの技術を応用する。冷媒は、液体と気体との間で状態変化して物理的な物性が変化するだけでなく、冷媒管内においては気相と液相とが混在する二相流、あるいは混相流になっており、気相のみ、あるいは液相のみの単相流と比して流体としての物理的特性は単純ではない。このような二相流に対して脈動流の技術を応用して、冷媒管内の乱流摩擦抵抗に起因するエネルギ損失を低減する。具体的には本発明は、前記した目的を達成するために、冷凍サイクルにおいて、冷媒を圧縮する圧縮機の回転速度を周期的に変化させて運転するように構成する。このように運転することによって、圧縮機から吐出される冷媒を脈動させる。
【０００８】
かくして、請求項１記載の発明は、上記目的を達成するために、少なくとも、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮された冷媒を凝縮させて外部と熱交換する凝縮器と、凝縮した冷媒の圧力を低下させる膨張弁あるいはキャピラリチューブと、圧力が低下した冷媒を蒸発させて外部と熱交換する蒸発器とを備え、前記圧縮機から圧送される冷媒が循環するようになっている冷凍サイクルにおいて、前記圧縮機の回転速度を周期的に変化させ、該圧縮機から吐出される冷媒を脈動させることを特徴とする冷凍サイクルの運転方法として構成される。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の運転方法において、前記圧縮機の回転速度を高速と低速とに交互に切り換えて運転するように構成される。
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の運転方法において、前記圧縮機における前記高速時の回転速度、あるいは前記低速時の回転速度を変化させて、前記圧縮機から吐出される単位時間あたりの冷媒の流量を制御するように構成される。
請求項４に記載の発明は、請求項２または３に記載の運転方法において、前記圧縮機における前記高速時の運転時間と前記低速時の運転時間の比率を変化させて、前記圧縮機から吐出される単位時間あたりの冷媒の流量を制御するように構成される。
そして請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれかの項に記載の運転方法を実施する冷凍サイクルとして構成される。
【発明の効果】
【０００９】
以上のように本発明によると、冷凍サイクルにおいて冷媒を圧縮する圧縮機の回転速度を周期的に変化させ、該圧縮機から吐出される冷媒を脈動させるので、冷媒管を流れる冷媒の流速は周期的に変動する。また熱交換器内を流れる冷媒の流速も周期的に変動する。流速が低速のときにはレイノルズ数は小さいので層流になるが、流速が高速になってレイノルズ数が高くなってもその時間は短時間であるので、乱流に遷移し難く実質的に層流状態が維持される。従って冷媒管を流れる冷媒の単位時間あたりの流量は低下することなく、冷媒管と熱交換器における管路抵抗を低減させてエネルギ損失を小さくすることができる。圧縮機が外部に対してする仕事は、圧縮機を駆動する電動機に供給される交流電流の電力の積分値と等しいので、管路抵抗によるエネルギ損失が小さくなると消費電力も少なくて済む。また、冷媒が低速で流れるときには、熱交換器や膨張弁をゆっくりと冷媒が流れるので、熱交換効率を向上させることができる。冷媒が高速で流れる時間は短いので、全体として熱交換効率は高い。他の発明によると、圧縮機の回転速度を高速と低速とに交互に切り換えて運転するだけで済むので、動作が単純であり安価なコントローラによっても運転することができる。他の発明によると、圧縮機における前記高速時の回転速度、あるいは前記低速時の回転速度を変化させて、前記圧縮機から吐出される単位時間あたりの冷媒の流量を制御する。同様に他の発明によると前記圧縮機における前記高速時の運転時間と前記低速時の運転時間の比率を変化させて、前記圧縮機から吐出される単位時間あたりの冷媒の流量を制御する。従って、いずれの発明においても単位時間あたりの冷媒の流量を容易に増減することができるので、冷凍サイクルの出力を容易に調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態に係る冷凍サイクルを模式的に示す冷媒配管フロー図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る冷凍サイクルの運転方法を模式的に説明するグラフであり、その（ア）はインバータ回路で生成する交流電流の周波数を、その（イ）は圧縮機の回転速度を、その（ウ）は冷媒管内の冷媒の流速を、それぞれ時間経過と共に示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明は冷凍サイクルの運転方法に関するものであり、ほとんどの冷凍サイクルに適用することができる。例えば次に説明するように、熱交換器を２個だけ備えた比較的シンプルなヒートポンプにも適用することもできるし、３個以上の熱交換器と切換弁とを備え、冷媒の流路を切り変えて冷媒を流す熱交換器を適宜選択して、冷暖房、給湯、あるいは床暖房を切換運転することができる複雑なヒートポンプにも適用することができる。さらには、冷凍機にも適用することができる。以下、図１に示されている比較的シンプルなヒートポンプ１を例に説明する。
【００１２】
本実施の形態に係るヒートポンプ１も、従来のヒートポンプと同様に、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機２と、この圧縮機２から吐出される冷媒を凝縮させて外部に熱を放出する第１の熱交換器３と、この第１の熱交換器３の下流において冷媒の圧力を低下させる膨張弁５と、膨張弁５の下流で冷媒を気化させて外部から熱を吸収する第２の熱交換器６と、第２の熱交換器６から流れる冷媒を気液分離して気体の冷媒を圧縮機２に供給するアキュムレータ８とから構成され、これらの機器は冷媒管Ｒ１〜Ｒ５によって接続されている。図１には示されていないが、圧縮機２は交流電流で駆動される電動機によって運転され、コントローラによって制御されるインバータ回路によって、この交流電流が生成されるようになっている。従ってコントローラがインバータ回路を制御すると、任意の周波数の交流電流を生成することができ、それによって電動機の回転速度、すなわち圧縮機２の回転速度を制御することができるようになっている。
【００１３】
本実施の形態に係るヒートポンプ１において圧縮機２を駆動すると、アキュムレータ８から供給される冷媒は圧縮機２によって圧縮されて第１の熱交換器３に供給される。第１の熱交換器３には、ファン９が設けられていて強制的に外気が送られるようになっている。冷媒は第１の熱交換器３において凝縮して潜熱を発生し、熱を外気に放出する。液化した冷媒は膨張弁５を通って減圧され、第２の熱交換器６に送られる。第２の熱交換器６には冷水管１０が設けられて冷房用の冷水が循環しており、冷媒が気化するときに冷水から熱エネルギを吸収するので冷水は冷却される。従って冷却水を室内に循環すると冷房することができる。気化した冷媒はアキュムレータ８に送られ、再び圧縮機２によって圧縮される。
【００１４】
本実施の形態に係るヒートポンプ１においては圧縮機２の運転方法に特徴がある。本実施の形態に係る運転方法を説明する。インバータ回路を制御して、図２の（ア）に示されているように、電動機に供給する交流電流の周波数を所定の周期Ｎで変更する。つまり周期Ｎのうち、高周波数運転時間においては交流電流の周波数を高周波数にし、低周波数運転時間においては低周波数にして交互に周波数を変更する。電動機によって駆動される圧縮機２は、図２の（イ）に示されているように運転され、最高回転速度と最低回転速度とを周期Ｎで交互に繰り返す。そうすると、冷媒管Ｒ１、Ｒ２、…を流れる冷媒の流速は図２の（ウ）に示されているように変化する。すなわち冷媒の流れは脈動流になる。冷媒管Ｒ１、Ｒ２、…内において乱流の発生が抑制され管内抵抗は小さい。同様に第１の熱交換器３内における冷媒も乱流の発生が抑制され管内抵抗は小さい。従って管内抵抗によるエネルギ損失は小さい。また第１、２の熱交換器３、６において、冷媒の流速が小さいときには熱交換効率が高くなるので、平均的な熱交換効率も高い。従って本実施の形態に係る運転方法を実施すると、圧縮機２に要するエネルギは少なくて済むと共に、高い熱交換効率で熱交換することができる。
【００１５】
ヒートポンプ１において単位時間あたりに熱交換される熱エネルギを増減するには、冷媒の平均流量を増減すればよい。冷媒の平均流量を増減するには圧縮機２の平均回転速度を変更すればよく、いくつかの方法がある。例えば、交流電流の周波数において高周波数を変更して圧縮機２の最大回転速度を調整することもできるし、低周波数を変更して最低回転速度を調整することもできる。また高周波数と低周波数のいずれも変更して、圧縮機２の最大回転速度と最低速度を同時に調整することもできる。さらには、交流電流の周波数において高周波数で運転する高周波数運転時間と、低周波数で運転する低周波数運転時間の比率を変更してもよい。このようにしても、圧縮機２の平均回転速度を調整することができる。
【００１６】
本実施の形態については色々な変形が可能である。例えば交流電流の周波数は、高周波数と低周波数とで交互に運転するように説明したが、中間の周波数を設けて周波数を３段階以上にして、周波数を順次切り替えて運転してもよい。また、交流電流の周波数を滑らかに変化させるようにしてもよく、このようにすると圧縮機２の回転速度は滑らかに変化し、その結果冷媒管内の冷媒の流速が滑らかに変動する。
【符号の説明】
【００１７】
１    ヒートポンプ                  ２    圧縮機
３    第１の熱交換器                ５    膨張弁
６    第２の熱交換器                ８    アキュムレータ
Ｒ１〜Ｒ５  冷媒管
【図１】
2012042117.tif 000003
【図２】
2012042117.tif 000004