JP2005257103A - 冷凍空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 マッチングに伴なう非回収動力を抑制し、高効率で安定性の高いかつ低コストな冷凍空調装置を得る。
【解決手段】 第２の圧縮機を冷媒ガスにエネルギを与えて速度を上げた後、減速することにより圧力を上昇させる速度型流体機械とし、第２圧縮機１０と電動機５０で駆動される第１圧縮機２０で二段圧縮を行ない、膨張機３０で減圧・膨張過程から回収した動力で駆動する第２圧縮機１０を低段側とし、容積型で一義的な流量／回転数関係を満たすために行なう予膨張やバイパスの量を抑制することにより、高効率の膨張動力回収可能な冷凍冷凍サイクルを構成する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、二酸化炭素など超臨界となる冷媒を用いた冷凍サイクルによる冷凍空調装置に関するものである。

従来の冷凍サイクルを構成する流体機械である膨張機内蔵圧縮機は、二酸化炭素を冷媒とし、冷媒を圧縮する圧縮機構部と、冷媒を膨張させるスクロール式の膨張機構部とを備え、膨張機構部は、駆動軸の一端部が可動スクロールに連結され、他端部が圧縮機構部に連結されている。そして、圧縮機構部の吸込み側が蒸発器に連通し、圧縮機構部の吐出側がガスクーラに連通し、膨張機構部の吸込み側がガスクーラに連通し、膨張機構部の吐出側が蒸発器に連通して冷凍サイクルが構成されている。この構成により、冷媒が膨張機構部の吸入管から吸入され、膨張機構部内で膨張し、膨張機構部の吐出管から吐出されるときの膨張過程で回収された動力が、駆動軸を介して電動機が圧縮機構部を駆動する動力の一部として用いられる（例えば、特許文献１参照）。

このような膨張機内蔵圧縮機を用いた他の従来の冷凍サイクル装置のシステムでは、膨張機と圧縮機とは電動機を介して同軸となっているので、膨張機と圧縮機は同一回転数となり、この二つについてマッチングが必要である。

ここで、圧縮機の吸入側における冷媒の比容積をvs、膨張機入口の比容積をvexi、圧縮機の行程容積をVst、膨張機の膨張前の閉じ込め容積、所謂行程容積をVexとすると、圧縮機側と膨張機側で流量が一致することから
Vex/vexi＝Vst/vs…(1)
が成り立たなければならない。vexi、vsは運転条件から決まり、様々な運転条件に対して (1)式を満たすためには、Vex、Vstが可変でないかぎり膨張機入口での冷媒の体積流量を調整する必要がある。

例えば、vexi/vs＞Vex/Vstの場合、膨張機側が圧縮機側より速く回ろうとするのでバイパスして膨張機を通過する流量を減ずる。この従来のシステムでは、バイパス管路を経由して膨張機を通過しない流量を制御弁で調整することにより、圧縮機に対して膨張機の回転数をマッチさせることができる。これは逆に言えば、制御弁でバイパス量を調整することにより、冷凍サイクルの運転条件をコントロールしていることになる（例えば、特許文献２参照）。

また、vexi/vs＜Vex/Vstの場合については、他の従来の冷凍空調機に示されるように、ガスクーラを出た冷媒が膨張機に入る前に、絞りで所定の圧力まで減圧・予膨張させて膨張機入口における体積流量を増やすことにより、回転数のバランスが可能となるようにしている（例えば、特許文献３参照）。

特開２００１−１０７８８１号公報 （段落００２４〜００３３、図１） 特開２００１−１１６３７１号公報 （段落００３０〜００３５、図１） 特開２０００−０４６４２９号公報 （段落００３８〜００３９、図４）

このように、膨張過程から動力を回収し圧縮過程の動力の一部として利用するような冷凍サイクルにおいて、膨張機構および回収膨張動力で駆動する圧縮機として、行程容積が定まった容積型の機構を用いると、マッチングのために予膨張弁やバイパス膨張弁が必要となり、予膨張するときの減圧分、バイパスする流量分については、等エンタルピー膨張するので動力回収ができないという問題がある。

また、膨張機構を圧縮機に内蔵せずに、膨張機構と回収動力で駆動される第２圧縮機部分を冷凍サイクルのメインの圧縮機と独立して配置する場合、膨張動力回収を行なわない従来の冷凍サイクル装置に較べて、圧力容器に収納した要素部品が増えることになるので、膨張動力回収に係る要素機器は低コストであることが望ましい。

また、速度型圧縮機は低流量・高ヘッドでサージングが生じやすいので、サージングが生じない安定性を備えたものが望ましい。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、膨張動力回収及び回収動力の利用にできるだけ小形・低コストの膨張機／圧縮機を用いるとともに、動力回収の対象となる流量、圧力差が予膨張やバイパスによって減じられるのを防止し、冷凍サイクルの効率を向上することができ、安定性の高い冷凍空調装置を得ることを目的とする。

この発明に係わる冷凍空調装置は、電動機によって駆動される第１の圧縮機、この第１の圧縮機で圧縮後の高圧冷媒ガスを冷却するガスクーラ、このガスクーラによって冷却された冷媒を減圧することにより動力を取出す膨張機、膨張後の冷媒を加熱する蒸発器及び前記第１の圧縮機と直列に配置され、前記膨張機で回収された膨張動力により駆動され、前記蒸発器で蒸発後の冷媒ガスを昇圧して前記第１の圧縮機ヘ送る第２の圧縮機を備え、前記第２の圧縮機は前記冷媒ガスにエネルギを与えて速度を上げた後、減速することにより圧力を上昇させる速度型流体機械としたものである。

この発明に係わる冷凍空調装置は、減圧・膨張過程から膨張機で回収した動力で速度型の第２圧縮機を駆動し、第２の圧縮機が冷媒ガスにエネルギを与えて速度を上げた後、減速することにより圧力を上昇させた冷媒ガスを電動機駆動の第１の圧縮機で圧縮するようにしたので、サージングを避けるのに好適な高流量・低ヘッドで速度型流体機械を用いることにより、回転数が流量に一義に依存せず、容積型の機器を用いた場合と較べて、回転数マッチングのために動力を回収せずに膨張させる量を少なく抑えることが可能となり、安定性の高い高効率の冷凍空調装置を得ることができる。

また、速度型とすることで第２圧縮機を小形・軽量化できるとともに、第１圧縮機の行程容積を第２圧縮機での圧縮分だけ小さくして容積型圧縮機の差圧を受ける部品を小さくできるので、高効率であるとともに低コストの冷凍空調装置を得ることができる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１を示す冷凍空調装置の基本構成を示す冷媒回路図で、冷媒として冷凍サイクル高圧側が超臨界圧となる二酸化炭素を用いることを想定している。図において、電動機５０によって駆動される第１圧縮機２０は、膨張機３０とは同軸となっておらず、膨張機３０の軸６１は第２圧縮機１０を駆動するように構成されている。第２圧縮機１０は第１圧縮機２０と直列に配置され二段圧縮を行なうように構成されている。

第２圧縮機１０、第１圧縮機２０で圧縮された冷媒は、第１圧縮機２０から吐出されると、ガスクーラ４１で冷却される。ガスクーラ４１で冷却後の高圧冷媒ガスは、膨張機３０で減圧する際に膨張動力を回収される。回収された動力は軸６１を介して第２圧縮機１０に伝えられ、減圧後蒸発器４２で加熱され第２圧縮機１０の吸入に戻った冷媒を、第１圧縮機２０の吸入圧まで昇圧するのに用いられるように構成されている。

上記のように構成された冷凍空調装置において、第２圧縮機１０には羽根車１７が回転することにより流体を加速し、羽根車１７を出た後に第２圧縮機１０に設けられたディフューザ（図示せず）で減速して速度エネルギを圧力の上昇に変換する遠心式の速度型流体機械が用いられている。また、膨張機３０も、膨張機構３７である羽根車が高圧流体の膨張エネルギにより回転力を得て、軸６１を介して、第２圧縮機１０の羽根車１７を駆動するように構成されている。

第２圧縮機１０が所謂速度型の流体機械であるので、容積型のように吸入側の冷媒比容積に対して回転数と流量が一義的に定まるわけではなく、回収動力による駆動力と流量、昇圧ヘッドのバランスから運転状態が決まってくる。一般に速度型の圧縮機は、図２（ａ）に示すように、ある回転数に対して流量の減少とともにヘッドが上昇し、ある点から減少するような特性を持っているが、ヘッド最大の点に近づくと、サージングが発生する（図２（ａ）の点線）ので、運転可能な流量には下限がある。また、図３（ｂ）に示すように、サージング限界以上の流量域において、流量増大に対して、膨張機側の回収動力は増大の右上がり、ヘッドの低下により第２圧縮機側の圧縮動力は概略右下がりとなり、両者のバランスから運転状態が決まる。

以上のように、この発明の実施の形態１によれば、回転数が流量に一義に依存せず、容積型の機器を用いた場合と較べて、回転数マッチングのために動力回収をせずに膨張させる量を少なく抑えることが可能となり、安定性の高い高効率の冷凍空調装置を得ることができる。

また、空調装置として冷房／暖房の切換えがある冷凍サイクルで、蒸発温度の変動により流量が大きく変化する場合でも、容積型を用いた場合よりマッチングが容易で高効率にすることができる。
さらに、速度型とすることで第２圧縮機を小形・軽量化できるとともに、第１圧縮機の行程容積を第２圧縮機での圧縮分だけ小さくして容積型圧縮機の差圧を受ける部品を小さくできるので、高効率であるとともに低コストの冷凍空調装置を得ることができる。

また、実施の形態１に示した冷凍サイクル装置を一般的な冷凍・空調用途に用いた場合、高低圧間の全圧縮動力に対する膨張過程で回収可能な動力の比率は略１／３以下なので、メインの第１圧縮機２０と直列に配置し、二段圧縮の低段側圧縮機とすることは、第２圧縮機１０を高流量・低ヘッドで使用することになり、低流量側にサージング限界を持つ速度型流体機械を適用するには好適である。

さらに、冷媒として二酸化炭素を用い容積型圧縮機の圧縮部品が高差圧を受ける用途では、低段側に配した第２圧縮機１０での小さな昇圧幅分の比容積変化でも、容積型の第１圧縮機２０の行程容積を減らすことにより、高差圧を受けて運動する部品を小形化して、機械損失を低減することができる。
さらにまた、膨張機３０、第２圧縮機１０ともに速度型としたことで、高速回転で用いられるので、ともに容積型を用いた場合と比較して小形・軽量化が可能となり、膨張動力の回収と利用に要するコストを抑制することができる。

また、冷媒として地球温暖化係数が１の二酸化炭素を用いたので、地球環境への悪影響の小さい冷凍空調装置を得ることができる。

実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２を示す冷凍空調装置の冷媒回路構成図である。図において実施の形態１の図１と同様に、冷媒として二酸化炭素を用い、膨張機３０と別軸の第１圧縮機２０は電動機５０によって駆動され、軸６１を介して膨張機３０により駆動される第２圧縮機１０は、第１圧縮機２０と直列に配置され二段圧縮を行なうように構成されている。

第２圧縮機１０、第１圧縮機２０で圧縮された冷媒は、第１圧縮機２０から吐出され、ガスクーラ４１で冷却され、ガスクーラ４１から出た高圧冷媒ガスが、膨張機３０で減圧する際に回収された膨張動力により、軸６１を介して第２圧縮機１０が駆動され、減圧後蒸発器４２で加熱された低圧冷媒を昇圧する。電動機駆動の第１圧縮機２０で、第２圧縮機１０の吐出圧から高圧までの圧縮を行なうように構成されている。

このように構成された冷凍空調装置において、第２圧縮機１０には羽根車１７が流体に与えた速度エネルギを減速により圧力上昇に変換する速度型の流体機械が用いられ、膨張機３０の回収動力により駆動される。膨張機３０は、膨張機構３７であるスクロール流体機械に形成された閉空間に高圧流体を閉じ込め、その膨張エネルギによる空間容積の増大を動力として回収するように構成されている。

以上のように、この発明の実施の形態２によれば、第２圧縮機１０が速度型流体機械のため、吸入側の冷媒比容積に対して回転数と流量が一義的に決まらないこと、直列・二段圧縮の低段側に用いることにより、高流量・低ヘッド域でサージングを避けて運転するのに好都合となることは、実施の形態１の場合と同様であるが、膨張機構３７に容積型の機構を用いているので、超臨界〜二相の液化を伴なう膨張過程に用いても、密度の不均一による振動など不具合が起こりにくい冷凍空調装置を得ることができる。
なお、本実施の形態では、図３に示すようにスクロール流体機械を膨張機構３７の例としているが、他の形式でもこの発明の趣旨を損なうものではない。

この発明の実施の形態１を示す冷凍空調装置の冷媒回路構成図である。 この発明の実施の形態１を示す冷凍空調装置の圧縮機の運転条件の説明図である。 この発明の実施の形態２を示す冷凍空調装置の冷媒回路構成図である。

符号の説明

１０ 第２圧縮機、１７ 羽根車、２０ 第１圧縮機、３０ ３７ 膨張機構、４１ ガスクーラ、４２ 蒸発器、５０ 電動機、６０、６１、６２ 軸。

Claims (4)

1. 電動機によって駆動される第１の圧縮機、この第１の圧縮機で圧縮後の高圧冷媒ガスを冷却するガスクーラ、このガスクーラによって冷却された冷媒を減圧することにより動力を取出す膨張機、膨張後の冷媒を加熱する蒸発器及び前記第１の圧縮機と直列に配置され、前記膨張機で回収された膨張動力により駆動され、前記蒸発器で蒸発後の冷媒ガスを昇圧して前記第１の圧縮機ヘ送る第２の圧縮機を備え、
   前記第２の圧縮機は前記冷媒ガスにエネルギを与えて速度を上げた後、減速することにより圧力を上昇させる速度型流体機械としたことを特徴とする冷凍空調装置。
2. 膨張機は冷媒の圧力エネルギを速度に変換した後に動力として取出す速度型流体機械としたことを特徴とする請求項１記載の冷凍空調装置。
3. 膨張機は冷媒を空間に吸入し、圧力により空間容積が増大することにより動力を取出す容積型流体機械としたことを特徴とする請求項１記載の冷凍空調装置。
4. 冷媒として二酸化炭素を用いたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の冷凍空調装置。
   

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