JP2008106946A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【目的】高価な圧力センサなしで、冷凍サイクルを制御することを可能とし、低コストで、冷媒漏洩の可能性のない高信頼性の冷凍サイクル装置を実現する。
【構成】冷凍サイクル装置は、圧縮機５０１と、放熱器５０２と、発電機５０７を備える膨張機５０３と、蒸発器５０４とから冷凍サイクルを形成し、発電機５０７の電流を検出する発電機電流検出手段５０９と、蒸発器５０４の蒸発温度を検出する蒸発温度検出手段５１０と、発電機電流及び蒸発温度に基づいて冷凍サイクルの高圧圧力を推定する圧力推定手段５１１と、圧力推定手段５１１で推定した推定圧力値に応じて、発電機５０７を介して膨張機５０３の回転数を制御する膨張機制御手段５０８とを備えることにより、圧力センサなしで冷凍サイクルを制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、冷凍サイクルを形成する冷凍サイクル装置、特に二酸化炭素を冷媒として用いる蒸気圧縮式冷凍装置の効率向上のための制御装置に関する。

従来の一般的な蒸気圧縮式冷凍装置を、図７に示す。図７の蒸気圧縮式冷凍装置は、圧縮機１０１、放熱器１０２、膨張弁１０３、及び蒸発器１０４から構成される。これらの要素は配管により連結され、冷媒が図示の白抜き矢印のように循環する。
上記蒸気圧縮式冷凍装置の運転原理は次のとおりである。冷媒蒸気の圧力及び温度は圧縮機１０１によって増大され、次いで、その冷媒蒸気が放熱器１０２に入り、そこで冷却される。この後、高圧冷媒は膨張弁１０３により蒸発圧力に絞られ、蒸発器１０４において気化し、その周辺から熱を吸収する。そして、蒸発器１０４の出口を通って冷媒蒸気は圧縮機１０１に戻る。この冷媒には、オゾン層を破壊せず地球温暖化係数の極めて小さい二酸化炭素が用いられる。
しかし、二酸化炭素を冷媒とする蒸気圧縮式冷凍装置は、一般に使用されてきたフロンを冷媒とする冷凍装置に比べ、エネルギー効率である成績係数（ＣＯＰ）が低い。さらに、同等の冷凍能力を考えた場合、フロンを冷媒とする冷凍装置より多くの電力が必要になる。よって多くの化石燃料がエネルギーとして必要になるため、冷媒自体の地球温暖化係数が小さくても、結果的に多くの二酸化炭素が排出される。したがって、二酸化炭素を冷媒とする蒸気圧縮式冷凍装置のＣＯＰを向上させることが必要であり、既にさまざまな構成や方法が提案されている。
例えば、特許文献１に開示されている、冷凍サイクルの高圧を冷媒の臨界圧力以上に設定した冷凍装置では、冷媒の膨張機構として膨張機を備え、この膨張機と圧縮機を軸によって連結し、膨張機で得られた動力を圧縮機の駆動に利用して、ＣＯＰの向上を図っている。
また、冷凍サイクルの高圧が冷媒の臨界圧力以上となる冷凍装置では、特許文献１に開示されているように、最も高いＣＯＰの得られる冷凍サイクルの高圧の値が運転状態に応じて定まる。そこで、ＣＯＰが最高となるように冷凍サイクルの高圧を設定するために、冷媒回路に設けられた膨張弁の開度や、膨張機をバイパスする冷媒量を変更する調節弁の開度を調節している。その際、この冷凍装置では、放熱器の出口において、冷媒の圧力を圧力センサで、冷媒の温度を温度センサでそれぞれ検出し、得られた検出値に基づいて膨張弁や調節弁の開度調節を行っている。
一方、図８に示す従来の膨張機を用いた冷凍空調装置では、原動機２０５によって駆動される圧縮機２０１により、圧縮された冷媒が放熱器２０２で冷却され、その後、膨張比制御手段２０３が取り付けられた膨張機２０４を通過する際に膨張し、主軸２１３を介して圧縮機２０１を駆動する。膨張機２０４内で膨張した冷媒は、蒸発器２０６内で外部より吸熱して気化した後、再び圧縮機２０１へ戻る。この閉回路は配管２０７により連結され、性能、信頼性向上のため、オイルセパレータ２０８、アキュームレータ２０９を設ける場合もある。また、放熱器２０２の出口側の冷媒状態を検出するために温度センサ２１１と圧力センサ２１２が取り付けられている。そして温度センサ２１１と圧力センサ２１２からの信号は、演算手段２１０へ入力され、演算手段２１０は膨張比制御手段２０３を制御する。膨張機２０４は、主軸２１３で圧縮機２０１と原動機２０５とに連結されている。
このような構成の冷凍空調装置では、膨張機２０４を使用することにより、冷媒の膨張力で圧縮機２０１を補助駆動するため、総合的に使用されるエネルギー量は低減され、それによりＣＯＰを向上させている。
即ち、図９に示す、冷媒として二酸化炭素を用いた冷凍サイクルにおける冷媒の状態を表す圧力―エンタルピー状態図、いわゆるモリエル線図のように、従来の膨張弁を膨張手段として用いていた場合には、等エンタルピー膨張するが、膨張機により等エントロピー膨張させて（図中の点線表示）、膨張機で回収された動力を利用することで、総合効率を向上させることができる。
また、図１０に示す従来の膨張機を用いた別の冷凍空調装置では、原動機４０５によって駆動される圧縮機４０１により、圧縮された冷媒が放熱器４０２で冷却され、その後、発電機４０４が取り付けられた膨張機４０３を通過する際に、膨張機４０３内で膨張して発電機４０４で電力を発生させ、蒸発器４０６内で外部より吸熱して気化した後、再び圧縮機４０１へ戻る。この閉回路は配管により連結され、性能、信頼性向上のため、オイルセパレータ４０７、アキュームレータ４０８を設ける場合もある。そして、圧力センサ４１０と温度センサ４１１とは、放熱器４０２の出口側の冷媒状態を検出し、圧力センサ４１０と温度センサ４１１からの情報を元に、演算手段４０９において最適圧力値を演算する。そして演算手段４０９からの信号に基づいて、回転数制御手段４１２は、発電機４０４の回転数を制御する。
このような構成の膨張機４０３を使用することにより、冷媒の膨張による力で発電機４０４を回転させることにより電力を発生し、その電力を有効利用することにより総合的に使用されるエネルギー量は低減され、それによりＣＯＰを向上させている。
特開２０００−２３４８１４号公報

ところが、このように冷凍サイクルの高圧が冷媒の臨界圧力以上となる冷凍サイクル装置では、ＣＯＰが最も高くなる冷凍サイクルの高圧圧力がある値に定まるため、システムの効率を最高に保つためには、高圧圧力を制御する必要がある。従って、その高圧圧力を最適に制御するためには、高圧圧力を検出するための圧力センサを配管に備え付ける必要があり、コストアップとなると共に、冷媒漏洩の可能性があり、システムの信頼性を低下させるものであった。
また、冷凍サイクルにおいては、高圧圧力が過剰に高くなった場合、配管の圧力シールに問題を発生させたり、圧縮機の機能の低下、膨張機の機能の低下を生じさせたりする可能性がある。そして、高圧圧力の異常上昇を防ぐためには、高圧圧力を検出するための圧力センサを配管に備え付ける必要があり、コストアップとなると共に、冷媒漏洩の可能性があり、システムの信頼性を低下させるものであった。

したがって本発明の目的は、上記の課題を解決するもので、圧力センサを備えない冷凍サイクル装置とし、低コストで、高信頼性と冷凍サイクルの効率の最大化とを実現することにある。

請求項１記載の本発明の冷凍サイクル装置は、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記冷媒を冷却する放熱器と、発電機を備えて前記冷媒を膨張させる膨張機と、前記冷媒を蒸発させる蒸発器とから冷凍サイクルを形成する冷凍サイクル装置において、前記発電機の電流を検出する発電機電流検出手段と、前記蒸発器の蒸発温度を検出する蒸発温度検出手段と、前記発電機電流及び前記蒸発温度に基づいて前記冷凍サイクルの高圧圧力を推定する圧力推定手段と、前記圧力推定手段で推定した推定圧力値に応じて前記発電機を介して前記膨張機の回転数を制御する膨張機制御手段とを備えたことを特徴とする。
請求項２記載の本発明の冷凍サイクル装置は、電動機を備えて冷媒を圧縮する圧縮機と、前記冷媒を冷却する放熱器と、発電機を備えて前記冷媒を膨張させる膨張機と、前記冷媒を蒸発させる蒸発器とから冷凍サイクルを形成する冷凍サイクル装置において、前記電動機の電流を検出する電動機電流検出手段と、前記蒸発器の蒸発温度を検出する蒸発温度検出手段と、前記電動機電流及び前記蒸発温度に基づいて前記冷凍サイクルの高圧圧力を推定する圧力推定手段と、前記圧力推定手段で推定した推定圧力値に応じて前記発電機を介して前記膨張機の回転数を制御する膨張機制御手段とを備えたことを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項１または請求項２に記載の冷凍サイクル装置において、前記放熱器の出口温度を検出する放熱器出口温度検出手段と、前記放熱器出口温度と前記推定圧力値とに応じて前記冷凍サイクルの効率を最大にする最適圧力値を算出する最適圧力算出手段とを備え、前記膨張機制御手段では、前記推定圧力値が前記最適圧力値になるように前記膨張機の回転数を制御することを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項１または請求項２に記載の冷凍サイクル装置において、前記推定圧力値が所定の限界圧力値を超えた場合には、前記膨張機制御手段によって、前記推定圧力値に応じて前記膨張機の回転数を操作することにより、前記推定圧力値を前記限界圧力値以下に制御することを特徴とする。
請求項５記載の本発明は、請求項３に記載の冷凍サイクル装置において、前記推定圧力値が前記最適圧力値より大きい場合には、前記膨張機制御手段によって前記膨張機の回転数を増加する操作を行い、前記推定圧力値が前記最適圧力値より小さい場合には、前記膨張機制御手段によって前記膨張機の回転数を低減する操作を行うことを特徴とする。
請求項６記載の本発明は、請求項４に記載の冷凍サイクル装置において、前記推定圧力値が前記限界圧力値を超えた場合には、前記膨張機制御手段によって前記膨張機の回転数を増加する操作を行うことを特徴とする。
請求項７記載の本発明の冷凍サイクル装置は、電動機を備えて冷媒を圧縮する圧縮機と、前記冷媒を冷却する放熱器と、発電機を備えて前記冷媒を膨張させる膨張機と、前記冷媒を蒸発させる蒸発器とから冷凍サイクルを形成する冷凍サイクル装置において、前記発電機の電流を検出する発電機電流検出手段と、前記蒸発器の蒸発温度を検出する蒸発温度検出手段と、前記発電機電流及び前記蒸発温度に基づいて前記冷凍サイクルの高圧圧力を推定する圧力推定手段と、前記圧力推定手段で推定した推定圧力値に応じて前記電動機を介して前記圧縮機の回転数を制御する圧縮機制御手段とを備えたことを特徴とする。
請求項８記載の本発明の冷凍サイクル装置は、電動機を備えて冷媒を圧縮する圧縮機と、前記冷媒を冷却する放熱器と、前記冷媒を膨張させる膨張機構と、前記冷媒を蒸発させる蒸発器とから冷凍サイクルを形成する冷凍サイクル装置において、前記電動機の電流を検出する電動機電流検出手段と、前記蒸発器の蒸発温度を検出する蒸発温度検出手段と、前記電動機電流及び前記蒸発温度に基づいて前記冷凍サイクルの高圧圧力を推定する圧力推定手段と、前記圧力推定手段で推定した推定圧力値に応じて前記電動機を介して前記圧縮機の回転数を制御する圧縮機制御手段とを備えたことを特徴とする。
請求項９記載の本発明は、請求項７または請求項８に記載の冷凍サイクル装置において、前記推定圧力値が所定の限界圧力値を超えた場合には、前記圧縮機制御手段によって、前記推定圧力値に応じて前記圧縮機の回転数を操作することにより、前記推定圧力値を前記限界圧力値以下に制御することを特徴とする。
請求項１０記載の本発明は、請求項９に記載の冷凍サイクル装置において、前記推定圧力値が前記限界圧力値を超えた場合には、前記圧縮機制御手段によって前記圧縮機の回転数を減少する操作を行うことを特徴とする。
請求項１１記載の本発明の冷凍サイクル装置は、電動機を備えて冷媒を圧縮する圧縮機と、前記冷媒を冷却する放熱器と、前記冷媒を膨張させる開度可変の膨張機構と、前記冷媒を蒸発させる蒸発器とから冷凍サイクルを形成する冷凍サイクル装置において、前記電動機の電流を検出する電動機電流検出手段と、前記蒸発器の蒸発温度を検出する蒸発温度検出手段と、前記電動機電流及び前記蒸発温度に基づいて前記冷凍サイクルの高圧圧力を推定する圧力推定手段と、前記圧力推定手段で推定した推定圧力値に応じて前記膨張機構の開度を制御する膨張機構制御手段とを備えたことを特徴とする。
請求項１２記載の本発明は、請求項１１に記載の冷凍サイクル装置において、前記放熱器の出口温度を検出する放熱器出口温度検出手段と、前記放熱器出口温度と前記推定圧力値とに応じて前記冷凍サイクルの効率を最大にする最適圧力値を算出する最適圧力算出手段とを備え、前記膨張機構制御手段では、前記推定圧力値が前記最適圧力値になるように前記膨張機構の開度を制御することを特徴とする。
請求項１３記載の本発明は、請求項１１に記載の冷凍サイクル装置において、前記推定圧力値が所定の限界圧力値を超えた場合には、前記膨張機構制御手段によって、前記推定圧力値に応じて前記膨張機構の開度を操作することにより、前記推定圧力値を前記限界圧力値以下に制御することを特徴とする。
請求項１４記載の本発明は、請求項１から請求項１３のいずれかに記載の冷凍サイクル装置において、前記冷媒を、二酸化炭素としたことを特徴とする。

本発明の冷凍サイクル装置によれば、膨張機に備えられた発電機の電流を検出する発電機電流検出手段と、蒸発器における冷媒の温度を検出する蒸発温度検出手段と、少なくとも発電機電流検出手段の検出値、及び蒸発温度検出手段の検出値に基づいて、放熱器側の冷媒の圧力を推定する圧力推定手段と、圧力推定手段で推定された推定圧力値に応じて膨張機の回転数を操作する膨張機制御手段とを備えることにより、膨張機の電流の情報を使用することができるので、圧力センサを取り付ける必要がなくなり、低コストで、冷媒漏洩の可能性のない高信頼性の冷凍サイクル装置が実現される。
また、圧縮機に備えられた電動機の電流を検出する電動機電流検出手段と、蒸発器における冷媒の温度を検出する蒸発温度検出手段と、少なくとも電動機電流検出手段の検出値、及び蒸発温度検出手段の検出値に基づいて、放熱器側の冷媒の圧力を推定する圧力推定手段と、圧力推定手段で推定された推定圧力値に応じて膨張機の回転数を操作する膨張機制御手段、もしくは膨張機構の開度を操作する膨張機構制御手段とを備えることにより、圧縮機の電流の情報を使用することができるので、圧力センサを取り付ける必要がなくなり、低コストで、冷媒漏洩の可能性のない高信頼性の冷凍サイクル装置が実現される。
また、放熱器と膨張機の間の冷媒の温度を検出する放熱器出口温度検出手段と、検出された放熱器出口温度と圧力推定手段で推定された推定圧力値とに応じて効率を最大にする最適圧力値を算出する最適圧力算出手段と、圧力推定手段により推定された推定圧力値が最適圧力値になるように膨張機の回転数を操作する膨張機制御手段とを備えることにより、低コストで高信頼性のシステム構成にて、冷凍サイクル装置のシステム効率の最大化を実現することができる。
また、圧力推定手段により推定された推定圧力値が所定の限界圧力値を超えた場合、その推定圧力値に応じて膨張機の回転数を操作することにより、推定圧力値を限界圧力値以下に制御する機能を有した膨張機制御手段を備えることができるので、低コストで高信頼性のシステム構成にて、冷凍サイクル装置のシステムの信頼性アップを実現することができる。
また、膨張機に備えられた発電機の電流を検出する発電機電流検出手段と、蒸発器における冷媒の温度を検出する蒸発温度検出手段と、少なくとも発電機電流検出手段の検出値、及び蒸発温度検出手段の検出値に基づいて、放熱器側の冷媒の圧力を推定する圧力推定手段と、圧力推定手段で推定された推定圧力値に応じて圧縮機の回転数を操作する圧縮機制御手段とを備えることにより、膨張機の電流の情報を使用して圧縮機を操作することができるので、圧力センサを取り付ける必要がなくなり、低コストで、冷媒漏洩の可能性のない高信頼性の冷凍サイクル装置が実現される。
また、圧縮機に備えられた電動機の電流を検出する電動機電流検出手段と、蒸発器における冷媒の温度を検出する蒸発温度検出手段と、少なくとも電動機電流検出手段の検出値、及び蒸発温度検出手段の検出値に基づいて、放熱器側の冷媒の圧力を推定する圧力推定手段と、圧力推定手段で推定された推定圧力値に応じて圧縮機の回転数を操作する圧縮機制御手段とを備えることにより、圧縮機の電流の情報を使用して圧縮機を操作することができるので、圧力センサを取り付ける必要がなくなり、低コストで、冷媒漏洩の可能性のない高信頼性の冷凍サイクル装置が実現される。
また、圧力推定手段により推定された推定圧力値が所定の限界圧力値を超えた場合、その推定圧力値に応じて圧縮機の回転数を操作することにより推定圧力値を限界圧力値以下に制御する機能を有した圧縮機制御手段を備えることにより、低コストで高信頼性のシステム構成にて、冷凍サイクル装置のシステムの信頼性アップを実現することができる。
また、高圧圧力に対する信頼性向上によって、冷凍サイクル装置に冷媒として二酸化炭素を用いることが可能となり、地球温暖化防止に役立てることができる。

本発明の第１の実施の形態による冷凍サイクル装置は、発電機の電流を検出する発電機電流検出手段と、蒸発器の蒸発温度を検出する蒸発温度検出手段と、発電機電流及び蒸発温度に基づいて冷凍サイクルの高圧圧力を推定する圧力推定手段と、圧力推定手段で推定した推定圧力値に応じて発電機を介して膨張機の回転数を制御する膨張機制御手段とを備えたものである。本実施の形態によれば、発電機の電流の情報を使用して膨張機を制御することにより、圧力センサを取り付ける必要なしに冷凍サイクルを制御することができ、低コストで、冷媒漏洩の可能性のない高信頼性の冷凍サイクル装置を実現する。
本発明の第２の実施の形態による冷凍サイクル装置は、電動機の電流を検出する電動機電流検出手段と、蒸発器の蒸発温度を検出する蒸発温度検出手段と、電動機電流及び蒸発温度に基づいて冷凍サイクルの高圧圧力を推定する圧力推定手段と、圧力推定手段で推定した推定圧力値に応じて発電機を介して膨張機の回転数を制御する膨張機制御手段とを備えたものである。本実施の形態によれば、電動機の電流の情報を使用して膨張機を制御することにより、圧力センサを取り付ける必要なしに冷凍サイクルを制御することができ、低コストで、冷媒漏洩の可能性のない高信頼性の冷凍サイクル装置を実現する。
本発明の第３の実施の形態は、第１または第２の実施の形態による冷凍サイクル装置において、放熱器の出口温度を検出する放熱器出口温度検出手段と、放熱器出口温度と推定圧力値とに応じて冷凍サイクルの効率を最大にする最適圧力値を算出する最適圧力算出手段とを備え、膨張機制御手段では、推定圧力値が最適圧力値になるように膨張機の回転数を制御するものである。本実施の形態によれば、低コストで高信頼性のシステム構成にて、冷凍サイクルの効率を最大化することができる。
本発明の第４の実施の形態は、第１または第２の実施の形態による冷凍サイクル装置において、推定圧力値が所定の限界圧力値を超えた場合には、膨張機制御手段によって、推定圧力値に応じて膨張機の回転数を操作することにより、推定圧力値を限界圧力値以下に制御するものである。本実施の形態によれば、低コストで高信頼性のシステム構成にて、冷凍サイクルの信頼性を向上することができる。
本発明の第５の実施の形態は、第３の実施の形態による冷凍サイクル装置において、推定圧力値が最適圧力値より大きい場合には、膨張機制御手段によって膨張機の回転数を増加する操作を行い、推定圧力値が前記最適圧力値より小さい場合には、膨張機制御手段によって膨張機の回転数を低減する操作を行うものである。本実施の形態によれば、膨張機回転数の増減操作で冷凍サイクル効率の最大化が得られる。
本発明の第６の実施の形態は、第４の実施の形態による冷凍サイクル装置において、推定圧力値が限界圧力値を超えた場合には、膨張機制御手段によって膨張機の回転数を増加する操作を行うものである。本実施の形態によれば、膨張機回転数の増加操作で冷凍サイクルの高信頼性が得られる。
本発明の第７の実施の形態による冷凍サイクル装置は、発電機の電流を検出する発電機電流検出手段と、蒸発器の蒸発温度を検出する蒸発温度検出手段と、発電機電流及び蒸発温度に基づいて冷凍サイクルの高圧圧力を推定する圧力推定手段と、圧力推定手段で推定した推定圧力値に応じて電動機を介して圧縮機の回転数を制御する圧縮機制御手段とを備えたものである。本実施の形態によれば、発電機の電流の情報を使用して圧縮機を制御することにより、圧力センサを取り付ける必要なしに冷凍サイクルを制御することができ、低コストで、冷媒漏洩の恐れがなく信頼性の高い冷凍サイクル装置を提供する。
本発明の第８の実施の形態による冷凍サイクル装置は、電動機の電流を検出する電動機電流検出手段と、蒸発器の蒸発温度を検出する蒸発温度検出手段と、電動機電流及び蒸発温度に基づいて冷凍サイクルの高圧圧力を推定する圧力推定手段と、圧力推定手段で推定した推定圧力値に応じて電動機を介して圧縮機の回転数を制御する圧縮機制御手段とを備えたものである。本実施の形態によれば、電動機の電流の情報を使用して圧縮機を制御することにより、圧力センサを取り付ける必要なしに冷凍サイクルを制御することができ、低コストで、冷媒漏洩の恐れがなく信頼性の高い冷凍サイクル装置を提供する。
本発明の第９の実施の形態は、第７または第８の実施の形態による冷凍サイクル装置において、推定圧力値が所定の限界圧力値を超えた場合には、圧縮機制御手段によって、推定圧力値に応じて圧縮機の回転数を操作することにより、推定圧力値を限界圧力値以下に制御するものである。本実施の形態によれば、低コストで高信頼性のシステム構成にて、冷凍サイクルの信頼性を向上することができる。
本発明の第１０の実施の形態は、第９の実施の形態による冷凍サイクル装置において、推定圧力値が限界圧力値を超えた場合には、圧縮機制御手段によって圧縮機の回転数を低減する操作を行うものである。本実施の形態によれば、圧縮機回転数の低減操作で冷凍サイクルの高信頼性が得られる。
本発明の第１１の実施の形態による冷凍サイクル装置は、電動機の電流を検出する電動機電流検出手段と、蒸発器の蒸発温度を検出する蒸発温度検出手段と、電動機電流及び蒸発温度に基づいて冷凍サイクルの高圧圧力を推定する圧力推定手段と、圧力推定手段で推定した推定圧力値に応じて膨張機構の開度を制御する膨張機構制御手段とを備えたものである。本実施の形態によれば、電動機の電流の情報を使用して膨張機構を制御することにより、圧力センサを取り付ける必要なしに冷凍サイクルを制御することができ、低コストで、冷媒漏洩の可能性のない高信頼性の冷凍サイクル装置を実現する。
本発明の第１２の実施の形態は、第１１の実施の形態による冷凍サイクル装置において、放熱器の出口温度を検出する放熱器出口温度検出手段と、放熱器出口温度と推定圧力値とに応じて冷凍サイクルの効率を最大にする最適圧力値を算出する最適圧力算出手段とを備え、膨張機構制御手段では、推定圧力値が最適圧力値になるように膨張機構の開度を制御するものである。本実施の形態によれば、低コストで高信頼性のシステム構成にて、冷凍サイクルの効率を最大化することができる。
本発明の第１３の実施の形態は、第１１の実施の形態による冷凍サイクル装置において、推定圧力値が所定の限界圧力値を超えた場合には、膨張機構制御手段によって、推定圧力値に応じて膨張機構の開度を操作することにより、推定圧力値を限界圧力値以下に制御するものである。本実施の形態によれば、低コストで高信頼性のシステム構成にて、冷凍サイクルの信頼性を向上することができる。
本発明の第１４の実施の形態は、第１から第１３の実施の形態による冷凍サイクル装置において、冷媒を、二酸化炭素としたものである。本実施の形態によれば、冷媒漏洩の可能性がなくなるので、高圧圧力が臨界圧力以上と比較的高くなる二酸化炭素を冷媒として用いて、地球温暖化防止の一助とすることができる。

以下、本発明の冷凍サイクル装置の一実施例について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明による第１実施例の冷凍サイクル装置を示すブロック構成図であり、図２は、本実施例の圧縮機制御手段と膨張機制御手段の電気的接続関係を示すブロック構成図である。
図１に示す本実施例の冷凍サイクル装置は、電動機５０５を備えて冷媒を圧縮する圧縮機５０１と、冷媒を冷却する放熱器５０２と、発電機５０７を備えて冷媒を膨張させる膨張機５０３と、冷媒を蒸発させる蒸発器５０４と、以上の各要素間に冷媒を循環させる配管５１４とを備えて、冷凍サイクルを形成する。
また、圧縮機５０１と軸結合してそれを駆動する電動機５０５と、電動機５０５を介して圧縮機５０１を制御する圧縮機制御手段５０６と、膨張機５０３と軸接続してそれに駆動させられる発電機５０７と、発電機５０７を介して膨張機５０３を制御する膨張機制御手段５０８とを備えて、回転駆動系を形成する。
また、発電機５０７の電流を検出する発電機電流検出手段５０９と、蒸発器５０４に配設されて蒸発器５０４の蒸発温度を検出する蒸発温度検出手段５１０と、冷凍サイクルの高圧圧力を推定する圧力推定手段５１１と、放熱器５０２と膨張機５０３との間に配設されて放熱器５０２の出口温度を検出する放熱器出口温度検出手段５１３と、冷凍サイクルの効率を最大にする最適圧力値を算出する最適圧力算出手段５１２とを備えて、制御系を形成する。
そして、膨張機制御手段５０８は、発電機電流等の情報を用いて発電機５０７の回転数を制御する機能を有する。また、圧力推定手段５１１は、発電機電流と蒸発温度の情報を用いて、高圧圧力の推定圧力値を算出する機能を有する。また、最適圧力算出手段５１２は、推定圧力値と放熱器出口温度の情報を用いて、最適圧力値を算出する機能を有する。
さらに、図２に示すように、圧縮機制御手段５０６と膨張機制御手段５０８とを電気的に接続して、交流電源８０１から整流回路８０２及び平滑コンデンサ８０３で変換した直流電力や、発電機５０７からスイッチング素子群８０５を有する膨張機制御手段５０８で変換した直流電力を、スイッチング素子群８０４を有する圧縮機制御手段５０６を介して電動機５０５に供給する電気回路を形成する構成となっている。

次に、上記構成の動作について説明する。
図１において、圧縮機制御手段５０６により駆動される電動機５０５と軸結合された圧縮機５０１により、圧縮された高圧の冷媒は放熱器５０２で冷却され、その後、膨張機制御手段５０８が電気接続された発電機５０７と軸接続された膨張機５０３を通過する。このとき冷媒は膨張機５０３内で膨張して低圧となり、蒸発器５０４内で外部より吸熱して気化した後、再び圧縮機５０１へ戻る。
膨張機制御手段５０８は、発電機５０７を介して膨張機５０３の回転数を制御する。即ち、膨張機制御手段５０８は、発電機電流検出手段５０９により検出する発電機５０７の電流を使用して、膨張機５０３に軸接続した発電機５０７の回転数を制御する。その回転数制御は、圧力推定手段５１１により推定した推定圧力値が、最適圧力算出手段５１２により算出した最適圧力値に一致するように実施される。

次に、発電機電流等から高圧圧力を推定する圧力推定手段５１１の動作原理について説明する。
まず、膨張機５０３に加わる膨張機トルクＴｅｘｐは、発電機電流検出手段５０９により検出した発電機５０７の発電機電流Ｉｅｘｐと、発電機５０７に固有の発電機のトルク定数Ｋｔとを用いて、（式１）の関係式から求められる。
Ｔｅｘｐ＝Ｋｔ×Ｉｅｘｐ・・・ （式１）
一方、冷凍サイクルの低圧圧力Ｐｓは、冷媒が気液２相流の状態であるため、飽和温度、圧力の関係を用いて、蒸発器５０４の蒸発温度より蒸発圧力として求められる。
そして、求められた低圧圧力Ｐｓ，膨張機トルクＴｅｘｐ，膨張機５０３の設計値である吸入容積値Ｖｅｘｐ，断熱係数ｋと、高圧圧力Ｐｄとの間には、（式２）の関係式が成り立つため、逆算してＰｄを求め、高圧圧力を推定することができる。
Ｔｅｘｐ＝ｋ／（ｋ−１）×Ｐｓ×Ｖｅｘｐ×｛（Ｐｄ／Ｐｓ）（ｋ−１）／ｋ−１｝・・・ （式２）

次に、最適圧力算出手段５１２による最適圧力値算出の動作原理について説明する。
図３は、放熱器出口圧力、温度に対する冷凍サイクルの効率の一例を示す図である。
最適圧力算出手段５１２では、放熱器５０２の出口側に設けられた放熱器出口温度検出手段５１３により検出した放熱器出口温度の値と、圧力推定手段５１１により推定した高圧圧力の推定圧力値（即ち、放熱器出口圧力に相当する値）とから、図３に示すような最適効率圧力線のデータに従って、冷凍サイクル効率を最大にする最適圧力値が算出される。

次に、膨張機制御手段５０８による最適圧力制御の動作原理について説明する。
図４は、本実施例の膨張機制御手段による最適圧力制御の手順を示すフローチャートであり、膨張機制御手段５０８における冷凍サイクル効率を最大にする膨張機回転数の制御手順を示す。
まず、ステップ１０１において、圧力推定手段５１１により推定した推定圧力値が入力される。次に、ステップ１０２において、最適圧力算出手段５１２により算出した冷凍サイクル効率を最大にする最適圧力値が入力される。
次に、現在の推定圧力値が、最適圧力値より大か小かをステップ１０３にて判定する。推定圧力値が最適圧力値よりも大きい場合には、推定圧力値を下げるように、ステップ１０４にて膨張機５０３の回転数が増加される。それにより、膨張機５０３における入口、出口の圧力差が低減され、結果として冷凍サイクルにおける高圧圧力が低下していく（ステップ１０５）。
一方、推定圧力値が最適圧力値よりも小さい場合には、推定圧力値を上げるように、ステップ１０６にて膨張機５０３の回転数が低減される。それにより、膨張機５０３における入口、出口の圧力差が増加され、結果として冷凍サイクルにおける高圧圧力が上昇していく（ステップ１０７）。
これらの制御により、放熱器５０２の出口圧力、すなわち冷凍サイクルの高圧圧力は、冷凍サイクルの効率を最大にするような圧力に制御される。

次に、圧縮機制御手段５０６及び膨張機制御手段５０８の動作について説明する。
図２において、交流電源８０１からの入力を整流回路８０２で直流に整流された直流電圧は、平滑コンデンサ８０３により電圧を平滑化されたあと、圧縮機制御手段５０６により３相の交流電圧に変換され、この交流電圧により電動機５０５が駆動される。そして、電動機５０５の駆動により圧縮機５０１が圧縮機能を果たす。
圧縮機制御手段５０６は、直流電圧を交流に変換するためのスイッチング素子群８０４などから構成されて、電動機電流、電圧などの情報を用いて、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式でスイッチング素子群８０４が所定の交流周波数を実現するようにＯＮ−ＯＦＦさせて任意の交流を出力する。
この圧縮機制御手段５０６のスイッチング動作によって、電動機５０５を介して圧縮機５０１の回転数を制御する。

一方、膨張機５０３により動力を回収するために設置された発電機５０７には、その発電機５０７により発電される３相交流電力を直流に変換するための膨張機制御手段５０８が接続されている。そして、膨張機制御手段５０８は、発電機５０７により発電される交流電力を直流に変換するとともに、発電機電流等の情報を用いて、内部に構成されたスイッチング素子群８０５をＰＷＭ方式でスイッチングすることにより、与えられる目標回転数で発電機５０７を回転させる。
この膨張機制御手段５０８による発電機５０７の回転数制御によって、発電機５０７を介して膨張機５０３の回転数を制御することが可能となり、発電機５０７に軸接続された膨張機５０３が置かれたシステムにおいて、膨張機５０３を最適な回転数で駆動する。
また、膨張機制御手段５０８からの直流出力は、整流回路８０２から平滑コンデンサ８０３を介して得られる直流電力ラインに接続されているので、膨張機制御手段５０８から回生された電力は、圧縮機制御手段５０６を経て電動機５０５の駆動エネルギーに消費される。
以上のような本実施例の冷凍サイクル装置により、圧力推定手段５１１により推定した推定圧力値が最適圧力算出手段５１２により算出した最適圧力値に一致するように、膨張機制御手段５０８により膨張機５０３の回転数が制御されるため、圧力センサなしで冷凍サイクルを制御することが可能であり、冷凍サイクルの高効率化と高信頼性化、及び冷凍サイクル装置の低コスト化を実現することができる。

以下、本発明の冷凍サイクル装置の別の実施例について図面を参照しながら説明する。
図５は、本発明による第２実施例の冷凍サイクル装置を示すブロック構成図である。
図５に示す本実施例の冷凍サイクル装置は、第１実施例の構成において、発電機電流検出手段５０９の代わりに、電動機５０５の電流を検出する電動機電流検出手段９０９を備える構成になっており、且つ、冷凍サイクルの高圧圧力を推定する動作、及び限界圧力を制御する動作が異なる。他の構成や動作は第１実施例と同じであり、その詳細説明を省略する。
即ち、本実施例の圧力推定手段５１１は、電動機電流検出手段９０９により検出した電動機５０５の電流と、蒸発器５０４に備えられた蒸発温度検出手段５１０により検出した蒸発温度との情報を用いて、冷凍サイクルの高圧圧力を推定する機能を有する。
また、圧縮機制御手段５０６は、圧力推定手段５１１により推定した推定圧力値が最適圧力値に一致するように、電動機５０５を介して圧縮機５０１の回転数を制御する。更に圧縮機制御手段５０６は、圧力推定手段５１１により推定した推定圧力値が所定の限界圧力値を超えた場合、その推定圧力値に応じて電動機５０５を介して圧縮機５０１の回転数を操作することにより、推定圧力値を限界圧力値以下に制御する機能を有する。

次に、上記構成の動作について説明する。
まず、電動機電流等から高圧圧力を推定する圧力推定手段５１１の動作原理について説明する。
圧縮機５０１に加わる圧縮機トルクＴｃｏｍｐは、電動機電流検出手段９０９により検出した電動機５０５の電動機電流Ｉｃｏｍｐと、電動機５０５に固有の電動機のトルク定数Ｋｍとを用いて、（式３）の関係式から求められる。
Ｔｃｏｍｐ＝Ｋｍ×Ｉｃｏｍｐ・・・ （式３）
一方、低圧圧力Ｐｓは、冷媒が気液２相流の状態であるため、蒸発器５０４の蒸発温度より蒸発圧力として求められる。
そして、求められた低圧圧力Ｐｓ，圧縮機トルクＴｃｏｍｐ，圧縮機５０１の設計値である吸入容積値Ｖｃｏｍｐ，断熱係数ｋと、高圧圧力Ｐｄとの間には、（式４）の関係式が成り立つため、逆算してＰｄを求め、高圧圧力を推定することができる。
Ｔｃｏｍｐ＝ｋ／（ｋ−１）×Ｐｓ×Ｖｃｏｍｐ×｛（Ｐｄ／Ｐｓ）（ｋ−１）／ｋ−１｝・・・ （式４）
なお、最適圧力算出手段５１２による最適圧力値算出の動作原理、また、膨張機制御手段５０８による最適圧力制御の動作原理については第１実施例と同様であり、その説明を省略する。

次に、圧縮機制御手段５０６及び膨張機制御手段５０８による限界圧力制御の動作原理について説明する。
図６は、本実施例の圧縮機制御手段及び膨張機制御手段による限界圧力制御の手順を示すフローチャートであり、圧縮機制御手段５０６及び膨張機制御手段５０８による推定圧力値を限界圧力値以下に制御する制御手順を示す。
まず、ステップ２０１において、圧力推定手段５１１により推定した推定圧力値が入力される。次に、現在の推定圧力値が、予め決めた所定の限界圧力値より大か小かを、ステップ２０２にて判定する。
推定圧力値が限界圧力値よりも小さい場合は、制御終了に進む。
一方、推定圧力値が限界圧力値よりも大きい場合には、ステップ２０３にて、高圧圧力を下げるように、圧縮機制御手段５０６により圧縮機５０１の回転数が低減される。さらに、膨張機制御手段５０８により膨張機５０３の回転数が増加される。それにより、圧縮機５０１における入口、出口の圧力差、及び膨張機５０３における入口、出口の圧力差が低減され、結果として冷凍サイクルにおける高圧圧力が低下していく（ステップ２０４）。
なお、上記ステップ２０３を、圧縮機制御手段５０６による圧縮機５０１の回転数制御または膨張機制御手段５０８による膨張機５０３の回転数制御の、少なくとも一方の回転数制御を行うステップとする構成でも良く、同様に限定圧力制御が可能である。
以上のような本実施例の冷凍サイクル装置により、高価な圧力センサなしでも冷凍サイクルを制御することが可能であり、冷凍サイクルの効率を最大に保ちながら、高圧を限界圧力以下に制限することができ、高効率で信頼性の高い冷凍サイクル装置が実現される。

ところで、本実施例の膨張機制御手段５０８による限界圧力制御を、前述の第１実施例の冷凍サイクル装置に取り入れる構成でも良く、本実施例と同様の作用効果が得られることは明らかである。
また、本実施例では、膨張機構として膨張機５０７を使用し、膨張機制御手段５０８により間接的に膨張機５０７の回転数を制御する構成を説明したが、開度可変の膨張機構として膨張弁（図示せず）を使用し、膨張機構制御手段（図示せず）により、直接的に膨張機構の開度を制御する構成（図示せず）でも良く、圧力センサなしで、第１及び第２実施例と同様の作用効果が得られることは明らかである。
また、本実施例では、膨張機制御手段５０８により膨張機５０７の回転数を制御する構成で説明したが、膨張機５０７に流れる電流を制御する構成でも良く、第１及び第２実施例と同様の作用効果が得られることは明らかである。

本発明にかかる冷凍サイクル装置は、高効率、高信頼性、且つ低コストの効果を有し、冷凍装置、冷暖房装置、給湯装置等として有用である。

本発明による第１実施例の冷凍サイクル装置を示すブロック構成図 本実施例の圧縮機制御手段と膨張機制御手段の電気的接続関係を示すブロック構成図 放熱器出口圧力、温度に対する冷凍サイクルの効率の一例を示す図 本実施例の膨張機制御手段による最適圧力制御の手順を示すフローチャート 本発明による第２実施例の冷凍サイクル装置を示すブロック構成図 本実施例の圧縮機制御手段及び膨張機制御手段による限界圧力制御の手順を示すフローチャート 従来の蒸気圧縮式冷凍装置を示す構成図 従来の膨張機を用いた冷凍空調装置を示す構成図 二酸化炭素を用いた冷凍サイクルにおける冷媒の状態を表すモリエル線図 従来の膨張機を用いた別の冷凍空調装置を示す構成図

符号の説明

５０１ 圧縮機
５０２ 放熱器
５０３ 膨張機
５０４ 蒸発器
５０５ 電動機
５０６ 圧縮機制御手段
５０７ 発電機
５０８ 膨張機制御手段
５０９ 発電機電流検出手段
５１０ 蒸発温度検出手段
５１１ 圧力推定手段
５１２ 最適圧力算出手段
５１３ 放熱器出口温度検出手段
５１４ 配管
８０１ 交流電源
８０２ 整流回路
８０３ 平滑コンデンサ
８０４，８０５ スイッチング素子群
９０９ 電動機電流検出手段

Claims (14)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、前記冷媒を冷却する放熱器と、発電機を備えて前記冷媒を膨張させる膨張機と、前記冷媒を蒸発させる蒸発器とから冷凍サイクルを形成する冷凍サイクル装置において、
   前記発電機の電流を検出する発電機電流検出手段と、前記蒸発器の蒸発温度を検出する蒸発温度検出手段と、前記発電機電流及び前記蒸発温度に基づいて前記冷凍サイクルの高圧側圧力を推定する圧力推定手段と、前記圧力推定手段で推定した推定圧力値に応じて前記発電機を介して前記膨張機の回転数を制御する膨張機制御手段とを備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 電動機を備えて冷媒を圧縮する圧縮機と、前記冷媒を冷却する放熱器と、発電機を備えて前記冷媒を膨張させる膨張機と、前記冷媒を蒸発させる蒸発器とから冷凍サイクルを形成する冷凍サイクル装置において、
   前記電動機の電流を検出する電動機電流検出手段と、前記蒸発器の蒸発温度を検出する蒸発温度検出手段と、前記電動機電流及び前記蒸発温度に基づいて前記冷凍サイクルの高圧圧力を推定する圧力推定手段と、前記圧力推定手段で推定した推定圧力値に応じて前記発電機を介して前記膨張機の回転数を制御する膨張機制御手段とを備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
3. 前記放熱器の出口温度を検出する放熱器出口温度検出手段と、前記放熱器出口温度と前記推定圧力値とに応じて前記冷凍サイクルの効率を最大にする最適圧力値を算出する最適圧力算出手段とを備え、
   前記膨張機制御手段では、前記推定圧力値が前記最適圧力値になるように前記膨張機の回転数を制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記推定圧力値が所定の限界圧力値を超えた場合には、前記膨張機制御手段によって、前記推定圧力値に応じて前記膨張機の回転数を操作することにより、前記推定圧力値を前記限界圧力値以下に制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記推定圧力値が前記最適圧力値より大きい場合には、前記膨張機制御手段によって前記膨張機の回転数を増加する操作を行い、前記推定圧力値が前記最適圧力値より小さい場合には、前記膨張機制御手段によって前記膨張機の回転数を低減する操作を行うことを特徴とする請求項３に記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記推定圧力値が前記限界圧力値を超えた場合には、前記膨張機制御手段によって前記膨張機の回転数を増加する操作を行うことを特徴とする請求項４に記載の冷凍サイクル装置。
7. 電動機を備えて冷媒を圧縮する圧縮機と、前記冷媒を冷却する放熱器と、発電機を備えて前記冷媒を膨張させる膨張機と、前記冷媒を蒸発させる蒸発器とから冷凍サイクルを形成する冷凍サイクル装置において、
   前記発電機の電流を検出する発電機電流検出手段と、前記蒸発器の蒸発温度を検出する蒸発温度検出手段と、前記発電機電流及び前記蒸発温度に基づいて前記冷凍サイクルの高圧圧力を推定する圧力推定手段と、前記圧力推定手段で推定した推定圧力値に応じて前記電動機を介して前記圧縮機の回転数を制御する圧縮機制御手段とを備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
8. 電動機を備えて冷媒を圧縮する圧縮機と、前記冷媒を冷却する放熱器と、前記冷媒を膨張させる膨張機構と、前記冷媒を蒸発させる蒸発器とから冷凍サイクルを形成する冷凍サイクル装置において、
   前記電動機の電流を検出する電動機電流検出手段と、前記蒸発器の蒸発温度を検出する蒸発温度検出手段と、前記電動機電流及び前記蒸発温度に基づいて前記冷凍サイクルの高圧圧力を推定する圧力推定手段と、前記圧力推定手段で推定した推定圧力値に応じて前記電動機を介して前記圧縮機の回転数を制御する圧縮機制御手段とを備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
9. 前記推定圧力値が所定の限界圧力値を超えた場合には、前記圧縮機制御手段によって、前記推定圧力値に応じて前記圧縮機の回転数を操作することにより、前記推定圧力値を前記限界圧力値以下に制御することを特徴とする請求項７または請求項８に記載の冷凍サイクル装置。
10. 前記推定圧力値が前記限界圧力値を超えた場合には、前記圧縮機制御手段によって前記圧縮機の回転数を減少する操作を行うことを特徴とする請求項９に記載の冷凍サイクル装置。
11. 電動機を備えて冷媒を圧縮する圧縮機と、前記冷媒を冷却する放熱器と、前記冷媒を膨張させる開度可変の膨張機構と、前記冷媒を蒸発させる蒸発器とから冷凍サイクルを形成する冷凍サイクル装置において、
    前記電動機の電流を検出する電動機電流検出手段と、前記蒸発器の蒸発温度を検出する蒸発温度検出手段と、前記電動機電流及び前記蒸発温度に基づいて前記冷凍サイクルの高圧圧力を推定する圧力推定手段と、前記圧力推定手段で推定した推定圧力値に応じて前記膨張機構の開度を制御する膨張機構制御手段とを備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
12. 前記放熱器の出口温度を検出する放熱器出口温度検出手段と、前記放熱器出口温度と前記推定圧力値とに応じて前記冷凍サイクルの効率を最大にする最適圧力値を算出する最適圧力算出手段とを備え、
    前記膨張機構制御手段では、前記推定圧力値が前記最適圧力値になるように前記膨張機構の開度を制御することを特徴とする請求項１１に記載の冷凍サイクル装置。
13. 前記推定圧力値が所定の限界圧力値を超えた場合には、前記膨張機構制御手段によって、前記推定圧力値に応じて前記膨張機構の開度を操作することにより、前記推定圧力値を前記限界圧力値以下に制御することを特徴とする請求項１１に記載の冷凍サイクル装置。
14. 前記冷媒を、二酸化炭素としたことを特徴とする請求項１から請求項１３のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
    

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