(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、利用側熱交換器、膨張弁、熱源側熱交換器等を順次冷媒管で気密に接続して冷凍空調サイクルを構成し、この冷凍空調サイクルの作動冷媒として二酸化炭素を用いたものにおいて、
圧縮機の吐出口から膨張弁に至る高圧側の冷媒管路と膨張弁から圧縮機の吸込口に至る低圧側の冷媒管路とを開閉弁を介して連通する側路管および、膨張弁と並列に制御開閉弁付きの冷媒調整タンク及びこれらの弁の開度を調整する制御器を設け、
この弁開度制御器は、
圧縮機の停止時には側路管の開閉弁を開放し、かつ、冷媒調整タンクの制御開閉弁を閉止すると共に、
圧縮機の運転開始時には側路管の開閉弁を開放し、
圧縮機の運転開始後に圧縮機の回転数が安定した後には側路管の開閉弁を閉止し、かつ、負荷に応じた冷媒量が冷凍空調サイクルに供給されるように冷媒調整タンクの制御開閉弁の開度を調整することを特徴とする冷凍空調装置。
【請求項２】
圧縮機、利用側熱交換器、膨張弁、熱源側熱交換器等を順次冷媒管で気密に接続して冷凍空調サイクルを構成し、この冷凍空調サイクルの作動冷媒として二酸化炭素を用いたものにおいて、
圧縮機の吐出口から膨張弁に至る高圧側の冷媒管路と膨張弁から圧縮機の吸込口に至る低圧側の冷媒管路とを開閉弁を介して連通する側路管および、膨張弁と並列に制御開閉弁付きの冷媒調整タンク及びこれらの弁の開度を調整する制御器を設け、
この弁開度制御器は、
圧縮機の停止時には側路管の開閉弁を開放し、かつ、冷媒調整タンクの制御開閉弁を閉止すると共に、
圧縮機の運転開始時には側路管の開閉弁を開放し、
圧縮機の運転開始後に圧縮機の回転数が安定した後には側路管の開閉弁を閉止し、かつ、負荷に応じた冷媒量が冷凍空調サイクルに供給されるように冷媒調整タンクの制御開閉弁の開度を調整し、
運転を停止するときは、圧縮機の停止に先立って、冷媒調整タンクの制御開閉弁の開度を調整して、冷媒を冷媒調整タンク中に回収させることを特徴とする冷凍空調装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧縮機と熱交換器とを冷媒管で接続して密閉された冷媒の循環サイクルを構成し、このサイクルの作動冷媒として二酸化炭素を使用した冷凍空調装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
二酸化炭素を冷媒とする空気調和装置や冷凍機等の冷凍空調装置は、ＣＦＣ冷媒を避け、環境の安全に役立つという趣旨でいくつかの改良がなされている。二酸化炭素を冷媒とする冷凍空調サイクルと従来から広く使用されているＣＦＣやアンモニアを冷媒とする冷凍空調サイクルとの最も大きな違いは、ＣＦＣ冷媒に代表される従来の冷媒は、もっぱら臨界圧力未満で運転作動されるのに対して、二酸化炭素を冷媒とするサイクルでは、二酸化炭素の臨界温度が-31度Ｃと低いために、超臨界条件下でのサイクル運転となることである。このため、冷凍空調制御（以下調温制御という）についても、従来は、冷凍空調サイクル中の蒸発器を通過する冷媒の質量を膨張弁で制御することによって行われていたのに対して、二酸化炭素を冷媒とするサイクルでは、画一的な制御方法が定まっていない。
【０００３】
また、二酸化炭素を冷媒とする冷凍空調サイクルでは、圧縮機の吐出口につながる高圧側と圧縮機の吸込口につながる低圧側との圧力差は大きく、圧縮機にかかる負荷も従来の冷媒とは比較にならないほど大きくなるために、冷凍空調サイクルの構成を基本から見直した改善及び圧縮機やサイクルの構成部品の改良が必要とされている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような観点からなされたものであり、二酸化炭素を冷媒とする超臨界蒸気圧縮サイクルにおける圧縮機の起動性の改良による圧縮機損傷の防止と併せて、冷暖房等の調温や熱負荷に応じて、これに適した調温能力を発揮させる調整装置を設けることにより、効率の向上された二酸化炭素冷媒（以下炭酸ガス冷媒と略称する）の冷凍空調装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１に係る冷凍空調装置は、圧縮機、利用側熱交換器、膨張弁、熱源側熱交換器等を順次冷媒管で気密に接続して冷凍空調サイクルを構成し、この冷凍空調サイクルの作動冷媒として二酸化炭素を用いたものにおいて、圧縮機の吐出口から膨張弁に至る高圧側の冷媒管路と膨張弁から圧縮機の吸込口に至る低圧側の冷媒管路とを開閉弁を介して連通する側路管および、膨張弁と並列に制御開閉弁付きの冷媒調整タンク及びこれらの弁の開度を調整する制御器を設け、この弁開度制御器は、圧縮機の停止時には側路管の開閉弁を開放し、かつ、冷媒調整タンクの制御開閉弁を閉止すると共に、圧縮機の運転開始時には側路管の開閉弁を開放し、圧縮機の運転開始後に圧縮機の回転数が安定した後には側路管の開閉弁を閉止し、かつ、負荷に応じた冷媒量が冷凍空調サイクルに供給されるように冷媒調整タンクの制御開閉弁の開度を調整するようにしたものである。
【０００６】
これにより、圧縮機の始動時には、負荷がかからない状態、或いは軽い負荷状態で圧縮機になじみ運転をさせ、摺動部の潤滑機構や機械各部の温度平衡などが定常運転状態に移行した後に開閉弁を閉じて、通常の冷凍サイクルによる炭酸ガス冷媒の循環を行なえるようにしたものであり、炭酸ガス冷媒による冷凍空調サイクル運転を維持するための高い圧力差が、始動初期の圧縮機の機械各部にかかって圧縮機に損傷を生じることを未然に防ぐことができる。これにより、炭酸ガスによる冷凍空調サイクル運転を維持するための高い圧力差が圧縮機にかかって、圧縮機に障害を生じることを防ぎ、併せて、冷暖房のための空気やブラインの調温や冷凍等の熱負荷に応じた冷媒量を適宜、冷凍空調サイクルに供給、調整することにより、運転制御を安定させにくい超臨界蒸気圧縮サイクル条件下における効率的な能力制御や調温制御を可能にしたものである。
【０００７】
また、請求項２の冷凍空調装置は、請求項１と同様な冷凍空調サイクルにおいて、圧縮機の吐出口から膨張弁に至る高圧側の冷媒管路と膨張弁から圧縮機の吸込口に至る低圧側の冷媒管路とを開閉弁を介して連通する側路管および、膨張弁と並列に制御開閉弁付きの冷媒調整タンク及びこれらの弁の開度を調整する制御器を設け、この弁開度制御器は、圧縮機の停止時には側路管の開閉弁を開放し、かつ、冷媒調整タンクの制御開閉弁を閉止すると共に、圧縮機の運転開始時には側路管の開閉弁を開放し、圧縮機の運転開始後に圧縮機の回転数が安定した後には側路管の開閉弁を閉止し、かつ、負荷に応じた冷媒量が冷凍空調サイクルに供給されるように冷媒調整タンクの制御開閉弁の開度を調整し、運転を停止するときは、圧縮機の停止に先立って、冷媒調整タンクの制御開閉弁の開度を調整して、冷媒を冷媒調整タンク中に回収させるものである。
【０００８】
これにより、圧縮機の停止に先立って、冷媒を冷媒調整タンク中に回収し、冷凍空調サイクル中の冷媒量を減じ、圧縮機や側路管の開閉弁にかかる圧力的な負荷を軽減させるようにしている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の好適な実施の形態を図に基づいて説明する。
【００１０】
図１において、１は従来から広く使用されている電動機などを動力とした圧縮機であり、これにより冷凍空調サイクル２中の炭酸ガス冷媒を圧縮し循環させる。この圧縮機１の吐出口３と吸込口４とは、四方弁５を介して熱源側熱交換器６、利用側熱交換器７、膨張弁８等に冷媒管９で気密に接続されて冷凍空調サイクル２を構成している。利用側熱交換器７は空調する環境に設置され、冷媒の熱を放出して部屋の暖房したり、利用側熱交換器７の周囲の空気やブラインから熱を吸収、冷却して冷房したりする熱交換器であり、熱源側熱交換器６は屋外に設置されて暖房の熱を得たり、冷房をして冷凍空調サイクル２に取り込まれた熱を放出して冷凍空調サイクル２の継続的な運転を行なわせる熱交換器である。
【００１１】
１０は、圧縮機１の吐出口３側の管路と吸込口４側の管路とを開閉弁１１を介して連通する側路管であり、１２は、膨張弁８と並列に制御開閉弁１３、１４を介して接続された冷媒調整タンクである。これらの制御開閉弁１３、１４、側路管１０の開閉弁１１及び膨張弁８はいずれも弁開度制御器１５に電気的に接続され、弁開度制御器１５は、例えば、利用側熱交換器７に設けられたセンサ１６からの信号や圧縮機１からの運転信号（図示省略）を受けて、次のようにそれぞれの弁８、１１、１３、１４の制御をするものである。
【００１２】
先ず、冷凍空調サイクル２が運転を開始するために、圧縮機１の運転を開始するときは、弁開度制御器１５は、開閉弁１１を開放状態で運転開始させ、圧縮機１の回転数や各摺動部への給油が安定した後に弁１１を閉止させる。このようにして、冷凍空調サイクル２を炭酸ガス冷媒が循環を始め、ほぼ定常運転に近くなり、利用側熱交換器７による調温が開始されてから後に、冷媒調整タンク１２の制御開閉弁１３、１４の開度を調整して、冷媒調整タンク１２中の冷媒を冷凍空調サイクル２中に補充したり、冷凍空調サイクル２から冷媒を冷媒調整タンク１２に戻す等の冷媒量の調整をして、冷凍空調サイクル２中の冷媒量が負荷に適合した量になるよう、負荷が大きいときは、サイクル中の冷媒量を増大させ、負荷が小さいときは、冷媒調整タンク１２に冷媒を回収してサイクル中の冷媒量を減らして冷凍空調負荷とのバランスを取るようにするものである。
【００１３】
例えば、負荷が小さいときは、センサ１６が負荷よりも大きな調温能力を得ているという信号を制御器１５に送るので、制御器１５は、膨張弁８を開放の方向に、制御開閉弁１３を開放方向に、制御開閉弁１４を閉止方向にそれぞれ制御し、冷媒調整タンク１２に炭酸ガス冷媒を貯えて、冷凍空調サイクル２中の冷媒量が負荷に適合した量になるように減少させて調温能力を低下させる。逆に、負荷が大きいとき、或いは大きくなる傾向にあるとセンサ１６からの信号を制御器１５が受けるときは、膨張弁８を絞る方向に、制御開閉弁１３を閉止の方向に、制御開閉弁１４を開放方向にそれぞれ制御して、冷凍空調サイクル２中に冷媒を供給し、冷媒量を増大させることによって、冷凍空調サイクル２中の冷媒量を増大させ、負荷に適合させるものである。
【００１４】
このように、膨張弁８は、従来の冷凍空調サイクル２の制御と同様に制御器で制御されるのであるが、炭酸ガス冷媒による冷凍空調サイクルは超臨界サイクル条件下にあるので、冷媒は凝縮器として働いている熱交換器においてもガスと液の二相混合状態にあり、能力制御が限られるのであるが、本発明のように、高低圧差をなくした状態で圧縮機の運転を開始させ、圧縮機１の摺動部の潤滑や機械各部の温度的な平衡が定常運転の状態に移行した後に冷媒調整タンク１２により、冷媒量を調整する制御をするように弁の制御を併用すれば、圧縮機１に過大な負荷をかけずに圧縮機１の始動を行なうことができ、冷凍空調サイクル２が調温運転に至った後は、調温負荷に適合させた効率の良い炭酸ガス冷媒による冷凍空調運転に移行できるものである。
【００１５】
次に、冷凍空調サイクル２が運転を停止するときは、圧縮機１の停止に先立って、弁開度制御器１５は、冷媒調整タンク１２の制御開閉弁１３、１４の開度を調整して、炭酸ガス冷媒を冷媒調整タンク１２中に回収し、冷凍空調サイクル２中の冷媒量を減じ、圧縮機１や側路管１０の開閉弁１１にかかる圧力的な負荷を軽減させるようにした後に、制御開閉弁１３、１４を閉じ、次に、開閉弁１１を開き圧縮機１を停止させる。このとき、開閉弁１１を開いてから圧縮機１を停止すれば、圧縮機１の停止後に高圧がかからない反面、側路管１０の開閉弁１１の開放時に騒音などの弊害を生じるおそれがあり、逆に圧縮機１を停止してから開閉弁１１を開くときは開閉弁１１の開放による弊害がない代りに、圧縮機１中に不測の弊害を伴うおそれもある。いずれを先に機能させるかは、冷凍空調サイクル２の使用環境によって適宜選択されるものであるが、運転停止は最終的には、側路管の開閉弁１１の開放状態、冷媒調整タンク１２の制御開閉弁１３、１４の閉止状態となる。
【００１６】
なお、上記の内容は、本発明の最も好ましい実施の形態について説明したものであるが、本発明の基本的な思想としては、弁開度制御器１５をいわゆる弁開閉制御器とし、炭酸ガス冷媒を用いた冷凍空調サイクル２の圧縮機１の吐出口３から膨張弁８に至る高圧側の冷媒管路と、膨張弁８から圧縮機１の吸込口４に至る低圧側の冷媒管路とを連通する側路管１０に設けられた開閉弁１１の開閉を、圧縮機１の停止時には開放し、かつ、圧縮機１の運転開始時には圧縮機１の運転が定常運転に移行した後に閉止するように作動させればよいものである。
【００１７】
また、開閉弁１１や冷媒調整タンクの制御開閉弁１３、１４は、圧縮機１の運転の開始、運転中、運転停止時においてそれぞれ上述のような形で機能するので、その配管接続は、図１に示した構成に限らない。例えば、側路管の開閉弁１１及び冷媒調整タンク１２は、いずれも、圧縮機１の吐出口３から膨張弁８に至る高圧側の冷媒管路と膨張弁８から圧縮機１の吸込口４に至る低圧側の冷媒管路とを連通する側路管１０に設けられれば、上述の機能を発揮できるものであり、開閉弁１１に関していえば、この開閉弁１１と同様な機構が圧縮機１の内部に組込まれていても構わないものである。
【００１８】
更に、冷媒調整タンク１２の設置も、この冷媒調整タンク１２と冷凍空調サイクル２との間の冷媒の授受に最も適した位置として、膨張弁８と並列に取り付けられたものであり、側路管１０の開閉弁１１と組み合わされて上述の機能を有するものであれば、多少の取付位置の変更は、本発明の趣旨を逸脱するものではない。
【００１９】
更にまた、冷媒調整タンク１２の制御開閉弁１３、１４についても、必ず二つ必要というわけではなく、二つの弁が持つ上述の機能を一つの弁で機能させ、これを冷媒調整タンク１２の中に組込まれても本発明の実施構造であることはいうまでもない。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、炭酸ガス冷媒を使用した冷凍空調サイクルにおいて、開閉弁と冷媒調整タンクおよび制御弁とを配設し、弁の開閉制御器によってこれらの弁を制御することによって、圧縮機の始動時は圧縮機に過大な負荷がかからず、定常運転になるに従って負荷に見合った冷媒量を冷凍空調サイクルに供給、調整するようにしたので、炭酸ガス冷媒の機構を単純化し、圧縮機の損傷を少なくしてその起動性の改良を図ることができる。またこれと併せて、冷暖房等の調温や冷凍の熱負荷に応じて、これに適した調温制御を効率良く行なう、機能の向上された炭酸ガス冷媒の冷凍空調装置を提供することができるものである。また、このような冷凍サイクルを用いることにより、フロン等を冷媒とする圧縮機と同様な圧縮機でも炭酸ガス冷媒を使った冷凍サイクルに使用できる可能性が見出せるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態に係る冷凍空調サイクルの概略構成図である。
【符号の説明】
１  圧縮機
２  冷凍空調サイクル
３  吐出口
４  吸込口
６  熱源側熱交換器
７  利用側熱交換器
８  膨張弁
９  冷媒管
１０  側路管
１１  開閉弁
１２  冷媒調整タンク
１３、１４  制御開閉弁
１５  弁開度制御器
【図１】
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