(57)【要約】【課題】膨張機をバイパスする管路を流れる冷媒は、放熱器出口から等エントロピ変化して膨張機出口冷媒と合流するため、システム効率向上には全く寄与しないということ。【解決手段】圧縮機１０１、放熱器１０２、膨張機１０３、蒸発器１０４を順次直列に接続した構成において、前記膨張機１０３の吸入管路と前記圧縮機１０１を第１の流量制御弁１０５を介して接続する第１のバイパス回路１０６に冷媒を流すことによって、「密度比＝一定」の制約を回避しつつ、放熱器１０２の冷媒循環量を増大を図り、過熱度を最適に制御させることができるので、冷凍サイクル装置全体の性能を向上させることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒が、圧縮機、放熱器、膨張機、蒸発器の順に循環し、前記圧縮機と前記膨張機とをモータに対して一軸に直結するとともに、前記膨張機の吸入管路と前記圧縮機の中間圧部を第１の流量制御弁を介して接続し、前記蒸発器を通過した冷媒の一部を前記圧縮器の中間圧部に導入する第１のバイパス回路を設けた冷凍サイクル装置。
【請求項２】
冷媒が、圧縮機、放熱器、膨張機、蒸発器の順に循環し、前記圧縮機と前記膨張機とをモータに対して一軸に直結するとともに、前記膨張機の吸入管路と吐出管路を第１の流量制御弁と気液分離器と絞り装置を介して接続する第２のバイパス回路を設け、前記気液分離器のガス側出口部と前記圧縮機の中間圧部とを第２の流量制御弁を介して接続するインジェクション回路とを設けた冷凍サイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、給湯機や空調機などの冷凍サイクル装置に関し、バイパス回路を流れる冷媒を圧縮機の吐出行程の途中にインジェクションすることにより、高い効率を実現する構成とその制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の共に容積式の圧縮機と膨張機を一軸に連結した構成の冷凍サイクル装置においては、圧縮機と膨張機とが常時同一回転数で回転することから、一定の冷媒循環量でシステムが運転される場合には、本来、膨張機による動力回収によってサイクルの高効率化を図ったにもかかわらず、必ずしも高効率運転が実現できないという課題がある。
【０００３】
図８は、このような課題を解決するためのバイパス回路を用いた冷凍サイクル構成回路を示している。このシステムにはバイパス管路１１の通路面積を増減調整する制御弁１２が設けられているので、膨張機４を通る冷媒循環量が増減調整され、圧縮機３側を通る冷媒の質量循環量と膨張機４側を通る質量循環量とが異なり、従来のような「密度比＝一定」というサイクル運転上の制約がなくなる。（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
また、特許文献２には、圧縮機と膨張機とを一軸で直結し、膨張機に直列の膨張弁と、膨張機をバイパスするバイパス弁とを有する冷凍サイクル装置において、膨張機と膨張弁の間に気液分離機を設けて、分離された冷媒気体を圧縮機の中間圧に導入することが開示されている。
【特許文献１】特開２００１−１１６３７１号公報（第１図）
【特許文献２】特開２００３−１２０１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、膨張機をバイパスする管路を流れる冷媒は、放熱器出口から等エントロピ変化して膨張機出口冷媒と合流するため、システム効率向上には全く寄与しないという課題があった。このことは、特許文献１でも２でも共通である。
【０００６】
そこで、本発明は、圧縮機、放熱器、膨張機、蒸発器を順次直列に接続した構成において、前記膨張機の吸入管路と圧縮機を第１の流量制御弁を介して接続するバイパス回路に冷媒を流すことによって、「密度比＝一定」の制約を回避しつつ、放熱器の冷媒循環量を増大させることができるので冷凍サイクル装置全体の性能を向上させることができることを目的としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するために、本発明の冷凍サイクル装置は、冷媒が、圧縮機、放熱器、膨張機、蒸発器の順に循環し、前記圧縮機と前記膨張機とをモータに対して一軸に直結するとともに、前記膨張機の吸入管路と前記圧縮機の中間圧部を第１の流量制御弁を介して接続し、前記蒸発器を通過した冷媒の一部を前記圧縮器の中間圧部に導入する第１のバイパス回路を設けたことを特徴とする。
【０００８】
本構成によって、前記膨張機の吸入管路と圧縮機を第１の流量制御弁を介して接続する第１のバイパス回路に冷媒を流すことによって、「密度比＝一定」の制約を回避しつつ、放熱器の冷媒循環量を増大を図ることができるので、冷凍サイクル装置全体の性能を向上
させることができる。
【０００９】
また、本発明の別の冷凍サイクル装置は、冷媒が、圧縮機、放熱器、膨張機、蒸発器の順に循環し、前記圧縮機と前記膨張機とをモータに対して一軸に直結するとともに、前記膨張機の吸入管路と吐出管路を第１の流量制御弁と気液分離器と絞り装置を介して接続する第２のバイパス回路を設け、前記気液分離器のガス側出口部と前記圧縮機の中間圧部とを第２の流量制御弁を介して接続するインジェクション回路とを設けたことを特徴とする。
【００１０】
本構成によって、気液分離器の液側を流出した冷媒の比エンタルピ値は放熱器出口の比エンタルピ値よりも小さくなるので、蒸発器入口の比エンタルピ値が低下し、蒸発器の入口出口間のエンタルピ差が増加するので冷凍能力が増加する。また、気液分離器のガス側を流出した冷媒は圧縮機に流入するので、圧縮機の信頼性を損なうことなく、「密度比＝一定」の制約を回避し、放熱器の冷媒循環量を増大を図り、冷凍サイクル装置全体の性能をさらに向上させることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の冷凍サイクル装置によれば、圧縮機、放熱器、膨張機、蒸発器を順次直列に接続した構成において、前記膨張機の吸入管路と圧縮機を第１の流量制御弁を介して接続する第１のバイパス回路に冷媒を流すことによって、「密度比＝一定」の制約を回避しつつ、放熱器の冷媒循環量を増大を図ることができるので、冷凍サイクル装置全体の性能を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下本発明の冷凍サイクル装置の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１３】
（実施の形態１）
図１は、本発明による第１実施形態の冷凍サイクル装置を示す構成図である。本実施形態の冷凍サイクル装置は、例えばフロンまたは二酸化炭素等の冷媒を作動流体とし、冷媒を昇圧する圧縮機１０１と、この圧縮機１０１で昇圧された冷媒を冷却する放熱器１０２と、この放熱器１０２よりも冷媒下流側に配置されて冷却された冷媒を減圧膨張することにより動力を取り出す膨張機１０３と、この膨張機１０３で減圧された冷媒を加熱する蒸発器１０４を順次配管接続して冷凍サイクル回路が構成されている。なお、実施形態１，２において、圧縮機１０１と膨張機１０３はモータに対して一軸で直結されている。したがって膨張機で得られた動力は圧縮機の駆動に生かされるが、冷凍システムは、密度比一定の制約を受ける。
【００１４】
また、１０６は膨張機の入口部と圧縮機１０１の中間圧部とを第１の流量制御弁１０５を介して接続するバイパス回路である。ここで、圧縮機の中間圧部は、圧縮機１０１内部の冷媒流路で、冷媒の蒸発器からの流入口と放熱器への吐出口との間に位置する。また、中間圧との意味は、低圧の冷媒流入側圧力と、高圧の冷媒吐出圧力との間の圧力であることを意味する。１０７は圧縮機吸入過熱度検出手段１１１の検出信号に応じて前記第１の流量制御弁１０５の開度を制御する制御装置である。
【００１５】
以上のように構成された冷凍サイクル装置について、図３及び図５を用いて説明する。
【００１６】
図３のモリエル線図において、膨張機を流れるメインの冷媒の流れはＡ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅ→Ｆ→Ａで示される。ここで、バイパス回路を流れる冷媒はＥ点にて分岐され、第１の流量制御弁１０５でＧ点まで減圧されたのち、Ｃ点の圧縮機１０１中間部に流入する。図７に示す１２０は、この圧縮機中間部に設けたポートの一例である。すなわち、放熱器１
０２を流れる冷媒循環量は、蒸発器１０４を流れる冷媒循環量Ｇｅと、バイパス回路１０６を流れる冷媒循環量Ｇｉの総和であるから、（Ｇｅ＋Ｇｉ）となり、放熱器での熱交換量が増加するので、「密度比＝一定」の制約を回避しつつ、冷凍サイクル装置の性能を向上させることができる。
【００１７】
ここで、圧縮機１０１を通る冷媒の体積循環量をＶＣ、冷媒の吸入密度をＤＣとし、また膨張機１０３を通る冷媒の体積循環量をＶＥ、冷媒の吸入密度をＤＥとし、第１流量制御弁１０５の開度を開き、バイパス回路１０６に流れる冷媒の全体に対する重量循環量比をｈとおくと、膨張機１０３を流れる冷媒の重量循環量比は（１−ｈ）で示されることから、
「ＶＣ×ＤＣ：ＶＥ×ＤＥ＝１：（１−ｈ）」
すなわち、「ＶＥ×ＤＥ＝（１−ｈ）×ＶＣ×ＤＣ」
という関係が成立する。
【００１８】
この関係により、バイパス回路１０６を流れる冷媒循環量を大きくすると、圧縮機吸入の冷媒密度ＤＣは大きくなるように冷凍サイクルがバランスする。すなわち、圧縮機の吸入過熱度を大きくしたい場合は、バイパス回路１０６に設けた第１の流量制御弁１０５の開度を大きくすればよい。
ここで、前記第１の流量制御弁１０５の動作を、図５のフローチャートを用いて説明する。
運転が開始されると、ステップ２０１で、圧縮機吸入過熱度検出手段１１１によって検出された実際の過熱度Ｔ１と、目標とする加熱度ＴＨ１が比較される。そして、Ｔ１がＴＨ１より大きい場合には、ステップ２０２に移り、第１の流量制御弁１０５の開度を小さくするように制御する。第１の流量制御弁１０５の開度を小さくすれば、第１のバイパス回路１０６を流れる冷媒流量が小さくなるので、過熱度Ｔ１は小さくなるようにバランスする。また、ステップ２０１で、Ｔ１がＴＨ１以下の場合には、ステップ２０３に移り、第１の流量制御弁１０５の開度を大きくするように制御する。このことにより、加熱度Ｔ１は大きくなるようにバランスするので、目標の値に近づくように制御することができる。そしてステップ２０１に戻る。
【００１９】
以上のように、第１の流量制御弁１０５の開度を調整し、過熱度を最適に制御することで、「密度比＝一定」の制約を回避しつつ、システム性能を高く保つことができる。
【００２０】
また、以上は、過熱度を制御することにより、流量制御弁１０５を制御する場合について説明した。同様にして、圧縮機の吐出温度センサを用いて、圧縮機吐出温度を最適化するべく、流量制御弁１０５の開度を制御することも可能である。
【００２１】
（実施の形態２）
図２は、本発明による第２実施形態の冷凍サイクル装置の構成図である。本実施形態の冷凍サイクル装置の構成について、第１実施形態と異なる点を説明する。
【００２２】
第２実施形態の冷凍サイクル装置は、前記膨張機１０３の吸入管路と吐出管路を第１の流量制御弁１０５と気液分離器１１０を介して接続する第２のバイパス回路１１３を設け、気液分離器１１０のガス側出口部と圧縮機１０１の中間圧部とを第２の流量制御弁１０８を介して接続するインジェクション回路１０９を設けた構成において、インジェクション回路１０９の流量を制御する第２の流量制御手段１０８と、圧縮機吐出冷媒の温度を検出する吐出温度検出手段１１２を設けた点である。なお、ここで、圧縮機の中間圧部とは、実施形態１の場合と同様である。
【００２３】
以上のように構成された冷凍サイクル装置について、図４及び図６を用いて説明する。
【００２４】
図４のモリエル線図において、膨張機を流れるメインの冷媒の流れはＡ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅ→Ｆ→Ｊ→Ａで示される。ここで、第２のバイパス回路１１３を流れる冷媒はＥ点にて分岐され、第１の流量制御弁１０５でＧ点まで減圧されたのち、気液分離器１１０でガス成分と液成分に分離される。液成分冷媒の状態はＨ点まで移動し、絞り装置１１４にてＩ点まで減圧され、膨張機から出た冷媒と合流してＪ点となる。また気液分離器１１０で分離されたガス成分の冷媒は圧縮機に流入してＢ点の冷媒と合流してＣ点になる。
【００２５】
ここで、インジェクション回路１０９に設けた第２の流量制御弁１０８の開度を大きくして、インジェクション回路を流れる冷媒循環量を大きくすると、Ｃ点の比エンタルピはより小さくなるので、圧縮機の吐出温度（Ｄ点）を小さくするように制御することができる。
【００２６】
すなわち、インジェクション回路１０９を流れる冷媒循環量を大きくすると、圧縮機吐出温度は小さくなるように冷凍サイクルがバランスする。すなわち、圧縮機の吐出温度を大きくしたい場合は、インジェクション回路１０９に設けた第２の流量制御弁１０８の開度を小さくすればよい。
【００２７】
ここで、前記第２の流量制御弁１０８の動作を、図６のフローチャートを用いて説明する。
運転が開始されると、ステップ３０１で、圧縮機吸入過熱度検出手段１１１によって検出された実際の過熱度Ｔ１と、目標とする加熱度ＴＨ１が比較される。そして、Ｔ１がＴＨ１より大きい場合には、ステップ３０２に移り、第１の流量制御弁１０５の開度を小さくするように制御する。第１の流量制御弁１０５の開度を小さくすれば、第２のバイパス回路１０６を流れる冷媒流量が小さくなるので、過熱度Ｔ１は小さくなるようにバランスする。また、ステップ３０１で、Ｔ１がＴＨ１以下の場合には、ステップ３０３に移り、第１の流量制御弁１０５の開度を大きくするように制御する。このことにより、加熱度Ｔ１は大きくなるようにバランスするので、目標の値に近づくように制御することができる。そしてステップ３０４に移る。
【００２８】
ステップ３０４で、圧縮機吐出温度検出手段１１２によって検出された実際の吐出温度Ｔ２と、目標とする吐出温度ＴＨ２が比較される。そして、Ｔ２がＴＨ２より大きい場合には、ステップ３０５に移り、第２の流量制御弁１０８の開度を大きくするように制御する。第２の流量制御弁１０５の開度を大きくすれば、インジェクション回路１０９を流れる冷媒流量が大きくなるので、吐出温度Ｔ２は小さくなるようにバランスする。また、ステップ３０４で、Ｔ２がＴＨ２以下の場合には、ステップ３０６に移り、第２の流量制御弁１０８の開度を小さくするように制御する。このことにより、吐出温度Ｔ２は大きくなるようにバランスするので、目標の値に近づくように制御することができる。そしてステップ３０１に戻る。
【００２９】
以上のように、第１の流量制御弁１０５及び第２の流量制御弁１０８の開度を調整し、過熱度及び吐出温度を最適に制御することで、「密度比＝一定」の制約を回避しつつ、システム性能を高く保つことができる。
【００３０】
以上は、過熱度および圧縮機吐出温度を用いて第１および第２の流量制御弁の開度を調整する場合について説明した。過熱度と圧縮機吐出温度の組み合わせのほかに、過熱度、吐出温度、高圧圧力、蒸発器温度、コンプレッサ回転数の中から選択した適当なパラメータによって、第１および第２の流量制御弁の開度を制御することも可能である。
【００３１】
なお、実施形態１，２においては、圧縮機は１台で、その圧縮機の中間圧にバイパス回
路またはインジェクション回路を接続する場合について説明した。圧縮機２台を直列に接続し、その２台の圧縮機を接続する配管に、バイパス回路またはインジェクション回路を接続する場合も同様の効果がある。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明にかかる冷凍サイクル装置は、給湯器や空調機に限らず、食器乾燥用や生ゴミ処理用などの冷凍サイクル装置にも利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置を示す構成図
【図２】本発明の実施の形態２における冷凍サイクル装置を示す構成図
【図３】本発明の実施の形態１における冷凍サイクルを示すモリエル線図
【図４】本発明の実施の形態２における冷凍サイクルを示すモリエル線図
【図５】本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の制御フローチャート
【図６】本発明の実施の形態２における冷凍サイクル装置の制御フローチャート
【図７】圧縮機に設けたバイパスポートの一例を示す図
【図８】従来技術の冷凍サイクル装置を示す構成図
【符号の説明】
【００３４】
３  圧縮機
４  膨張機
１１  バイパス管路
１２  制御弁
１０１  圧縮機
１０２  放熱器
１０３  膨張機
１０４  蒸発器
１０５  第１の流量制御弁
１０６  第１のバイパス回路
１０７  制御装置
１０８  第２の流量制御弁
１０９  インジェクション回路
１１０  気液分離器
１１１  圧縮機吸入過熱度検出手段
１１２  圧縮機吐出温度検出手段
１１３  第２のバイパス回路
１１４  絞り装置
１２０  バイパスポート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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