JP2004060989A

JP2004060989A - Vapor compression type refrigerator and expander-integrated compressor

Info

Publication number: JP2004060989A
Application number: JP2002219850A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Iwanami; 岩波　重樹; Yoshiki Tada; 多田　世史紀
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2002-07-29
Filing date: 2002-07-29
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2022-07-29
Also published as: JP3888255B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To surely reduce consumption power of a compressor in a vapor compression type refrigerator. <P>SOLUTION: The expander 4 and the compressor 1 are connected through a one-way clutch 6.Thereby, the number of rotations of the expander 4 is less than that of the compressor 1, and transmission of the power is automatically blocked when the expander 4 applies braking force to the compressor. Therefore, it is possible to prevent the expander 4 from applying braking force to the compressor 1, and to prevent the power consumption of the compressor 1, i.e., the power consumption of a motor 2, from increasing. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機、及びこれに用いられる膨脹機一体型圧縮機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
膨脹機一体型圧縮機として、例えば特開２００１−１０７８８１号公報に記載の発明では、モータシャフトの一端側に圧縮機を連結し、他端側に膨脹機を連結して膨脹機で回収した膨脹エネルギーを圧縮機側に供給することにより、圧縮機の消費動力の低減を図っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記公報に記載の発明では、圧縮機と膨脹機とがモータシャフトを介して直結されているので、膨脹機にて冷媒を膨脹させる際に得られる膨脹機の回転数が圧縮機の回転数に対して低いと、膨脹機で回収した膨脹エネルギーを圧縮機側に供給することができず、圧縮機に対して膨脹機が制動力を作用させることになるので、却って、圧縮機の消費動力、つまり圧縮機を駆動する電動モータの消費電力が増大する。
【０００４】
本発明は、上記点に鑑み、第１には、従来と異なる新規な蒸気圧縮式冷凍機、及びこれに用いられる膨脹機一体型圧縮機を提供し、第２には、圧縮機の消費動力を低減することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機であって、冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１）と、圧縮機（１）から吐出した冷媒を冷却する放熱器（３）と、放熱器（３）から流出した冷媒を減圧膨脹させながら、膨脹エネルギーを回転エネルギーに変換する膨脹機（４）と、減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器（５）と、膨脹機（４）で回収した回転エネルギーを圧縮機（１）側に伝達するクラッチ（６）とを備えることを特徴とする。
【０００６】
これにより、膨脹機（４）が圧縮機（１）に対して制動力を作用させる際に動力の伝達を遮断することができる。したがって、圧縮機（１）に対して膨脹機（４）が制動力を作用させると言ったことを防止でき得るので、圧縮機（１）の消費動力が増大することを防止でき得るとともに、従来と異なる新規な蒸気圧縮式冷凍機を得ることができる。
【０００７】
請求項２に記載の発明では、クラッチ（６）は、膨脹機（４）から圧縮機（１）側に動力を伝達し、圧縮機（１）側から膨脹機（４）に動力が伝達されることを阻止するワンウェイクラッチであることを特徴とする。
【０００８】
これにより、膨脹機（４）の回転数が圧縮機（１）の回転数を下回る際には、自動的に動力の伝達が遮断されるので、圧縮機（１）に対して膨脹機（４）が制動力を作用させると言ったことを容易かつ簡便に防止することができる。
【０００９】
請求項３に記載の発明では、放熱器（３）から流出した冷媒を膨脹機（４）を迂回させて蒸発器（５）に導くバイパス通路（８）の連通状態を制御するバイパス制御弁（９ａ）と、膨脹機（４）に流入する冷媒量を制御する膨脹機制御弁（９ｂ）とを有し、放熱器（３）の出口側冷媒温度が所定温度以上のときには、膨脹機制御弁（９ｂ）を全開として、バイパス制御弁（９ａ）にてバイパス通路（８）を流れる冷媒量を制御して膨脹機（４）の作動状態を制御し、放熱器（３）の出口側冷媒温度が所定温度未満のときには、膨脹機制御弁（９ｂ）を全閉として、バイパス制御弁（９ａ）にて冷媒を減圧膨脹させることを特徴とするものである。
【００１０】
請求項４に記載の発明では、放熱器（３）から流出した冷媒を膨脹機（４）を迂回させて蒸発器（５）に導くバイパス通路（８）の連通状態を制御するバイパス制御弁（９ａ）と、膨脹機（４）に流入する冷媒量を制御する膨脹機制御弁（９ｂ）とを有し、放熱器（３）の出口側冷媒温度が所定温度以上のときには、膨脹機制御弁（９ｂ）を全開として、バイパス制御弁（９ａ）にてバイパス通路（８）を流れる冷媒量を制御して膨脹機（４）の作動状態を制御し、放熱器（３）の出口側冷媒温度が所定温度未満のときには、バイパス制御弁（９ａ）を全閉として、膨脹機制御弁（９ｂ）にて膨脹機（４）の運転状態を制御することを特徴とするものである。
【００１１】
請求項５に記載の発明では、流体を吸入圧縮する圧縮機（１）と、高圧流体を減圧膨脹させながら、膨脹エネルギーを回転エネルギーに変換する膨脹機（４）と、膨脹機（４）で回収した回転エネルギーを圧縮機（１）側に伝達するクラッチ（６）とを有し、圧縮機（１）、膨脹機（４）及びクラッチ（６）は、１つのケーシング（７）内に収納されていることを特徴とする。
【００１２】
これにより、膨脹機（４）が圧縮機（１）に対して制動力を作用させる際に動力の伝達を遮断することができる。したがって、圧縮機（１）に対して膨脹機（４）が制動力を作用させると言ったことを防止でき得るので、圧縮機（１）の消費動力が増大することを防止でき得るとともに、従来と異なる新規な膨脹機一体型圧縮機を得ることができる。
【００１３】
請求項６に記載の発明では、圧縮機（１）を駆動する電動モータ（２）がケーシング（７）内に収納されており、さらに、電動モータ（２）のシャフト（２ａ）の一端側に圧縮機（１）が配置され、他端側にクラッチ（６）を介して膨脹機（４）が配置されていることを特徴とするものである。
【００１４】
請求項７に記載の発明では、クラッチ（６）は、膨脹機（４）から圧縮機（１）側に動力を伝達し、圧縮機（１）側から膨脹機（４）に動力が伝達されることを阻止するワンウェイクラッチであることを特徴とする。
【００１５】
これにより、膨脹機（４）の回転数が圧縮機（１）の回転数を下回る際には、自動的に動力の伝達が遮断される。したがって、圧縮機（１）に対して膨脹機（４）が制動力を作用させると言ったことを容易かつ簡便に防止することができる。
【００１６】
因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本実施形態は、本発明に係る蒸気圧縮式冷凍機を給湯装置に適用したものであって、図１は蒸気圧縮式冷凍機の模式図であり、図２は膨脹機の軸方向断面図であり、図３は図２のＡ−Ａ断面図である。
【００１８】
先ず、図１に基づいて蒸気圧縮式冷凍機の構成について述べる。
【００１９】
圧縮機１は電動式のモータ２から動力を得て冷媒を吸入圧縮し、放熱器３は圧縮機１からから吐出する冷媒と給湯水とを熱交換して給湯水を加熱する高圧側熱交換器である。
【００２０】
なお、本実施形態では、冷媒として二酸化炭素を採用しており、圧縮機１の吐出圧を冷媒の臨界圧力以上まで上昇させて必要な給湯能力（温度）を得ている。
【００２１】
膨脹機４は放熱器３から流出する高圧冷媒を等エントロピ的に減圧膨脹させながら膨脹エネルギーを回転エネルギーに変換して機械的エネルギーを回収し、その回収した機械的エネルギーをモータ２に与えることにより間接的に回収したエネルギーを圧縮機１に与えるラジアル型流体機械であり、蒸発器５は減圧膨脹された冷媒を蒸発させる低圧側熱交換器である。
【００２２】
そして、膨脹機４とモータ２とはクラッチ６を介して連結されており、このクラッチ６は、膨脹機４から圧縮機１側にのみ動力を伝達し、圧縮機１側から膨脹機４に動力が伝達されることを阻止するワンウェイクラッチ（一方向クラッチ）である。
【００２３】
因みに、本実施形態では、ローラ型のワンウェイクラッチを採用しているが、スプラグ型等のその他形式のワンウェイクラッチを採用してもよいことは言うまでもない。
【００２４】
また、本実施形態では、モータ２のシャフト２ａの一端側に圧縮機１を配置し、他端側にクラッチ６を介して膨脹機４を配置するとともに、圧縮機１、膨脹機４及びクラッチ６を１つのケーシング７内に収納することにより、圧縮機１、膨脹機４及びクラッチ６を一体化して膨脹機一体型圧縮機を構成している。
【００２５】
バイパス制御弁９ａは、放熱器３から流出した冷媒を膨脹機４を迂回させて蒸発器５に導くバイパス通路８の連通状態を制御するバルブであり、膨脹機制御弁９ｂは、膨脹機４の冷媒流れ上流側に設けられて膨脹機４に流入する冷媒量を制御する可変絞りである。
【００２６】
圧力センサ９ｃは放熱器３の冷媒入口側にて高圧側冷媒の圧力を検出する圧力検出手段であり、温度センサ９ｄは放熱器３から流出する冷媒温度検出することにより間接的に給湯水の温度を検出する温度検出手段である。
【００２７】
そして、バイパス制御弁９ａ及び膨脹機制御弁９ｂの開度は、両センサ９ｃ、９ｄの検出値に基づいて予め設定されたプログラムに従って電子制御装置（ＥＣＵ）９ｅにより制御される。
【００２８】
次に、図２、３を用いて膨脹機４の構造について述べる。
【００２９】
膨脹機４は、図２に示すように、概略、ハウジング１０、回転ライナー１１、回転シリンダ１２、プランジャ１３及びバルブ１４等からなるものである。
【００３０】
そして、回転ライナー１１は軸受１５ａを介して第１保持器１６に回転可能に支持された円筒状のものであり、回転シリンダ１２は、図３に示すように、回転ライナー１１内において、回転ライナー１１の回転中心からずれた位置に、回転ライナー１１の回転中心軸線と平行な回転中心軸線を有して回転する略円柱状のものである。
【００３１】
なお、回転シリンダ１２は、図２に示すように、軸受１５ｂ、１５ｃを介して第１保持器１６及び第２保持器１７に可能に支持されているとともに、その回転軸１２ｃにモータ２のシャフト２ａがクラッチ６を介して連結され、第１、２保持器１６、１７は、ハウジング１０内に圧入固定されている。
【００３２】
プランジャ１３は、図３に示すように、回転シリンダ１２に形成された挿入穴１２ａに摺動可能に収納された円柱状のピストンであり、その一端側１３ａは、回転ライナー１１の内壁１１ａの曲率半径より小さな曲率半径を有する曲面状に形成されているとともに、回転ライナー１１の内壁１１ａに接触している。
【００３３】
このとき、挿入穴１２ａは、プランジャ１３の断面中心を通ってプランジャ１３の摺動方向と平行なプランジャ摺動軸線ＣＬｐが、回転シリンダ１２の回転中心からずれるように回転シリンダ１２に複数本（本実施形態では、４本）形成されている。
【００３４】
バルブ１４は、回転シリンダ１２の回転中心に位置して外部、つまり放熱器３の冷媒出口側と作動室１２ｂとを連通させる吸排ポート１８を開閉する略円柱状のバルブ手段であり、このバルブ１４の外周面には、図２に示すように、回転シリンダ１２の回転角に対する吸排ポート１８の開閉時期を制御する吸入溝部１４ａ及び排出溝部１４ｂが形成され、その中心部には、放熱器３から流出した高圧の冷媒を作動室１２ｂ内に導く導入通路１４ｃが形成されている。
【００３５】
ここで、作動室１２ｂとは、プランジャ１３の他端側と挿入穴１２ａとによって形成される空間であり、本実施形態では、作動室１２ｂの体積を拡大することにより冷媒を減圧膨脹させる。
【００３６】
また、吸入溝部１４ａは作動室１２ｂに流入する際に吸排ポート１８の開閉時期を制御するものであり、排出溝部１４ｂは作動室１２ｂから流出する際に吸排ポート１８の開閉時期を制御するものである。
【００３７】
次に、本実施形態に係る膨脹機４の作動を述べる（図３参照）。
【００３８】
なお、本実施形態に係る膨脹機４の基本的作動は、周知のラジアル型流体機械と同じであるので、ここで、周知のラジアル型流体機械との相違点を中心に本実施形態に係る膨脹機４の作動を述べる。因みに、ラジアル型流体機械について記載された書籍としては、例えば「ピストンポンプ・モータの理論と実際」（オーム社）等がある。
【００３９】
放熱器３からバルブ１４に導かれた高圧冷媒は、吸入溝部１４ａと連通する吸排ポート１８に連なる作動室１２ｂ内に流入する。そして、作動室１２ｂ内に流入した冷媒は、作動室１２ｂの体積を拡大させる向きの力をプランジャ１３に作用させるので、プランジャ１３の先端側１３ａは、回転ライナー１１の内径を拡大させるような向きの力を回転ライナー１１の内壁１１ａに作用させる。
【００４０】
このとき、プランジャ１３は、回転ライナー１１の内壁１１ａから反力Ｆとして、作動室１２ｂの体積を縮小させる向きの力を受けるが、プランジャ摺動軸線ＣＬｐが回転シリンダ１２の回転中心がずれているので、回転ライナー１１の内壁１１ａからの反力Ｆが回転シリンダ１２を回転させる力となる。
【００４１】
そして、作動室１２ｂ内に流入した冷媒は、プランジャ１３を回転ライナー１１の内壁１１ａ側に押し付けて作動室１２ｂを拡大させて、自らは減圧膨脹していく。
【００４２】
なお、図３において、▲１▼に示す位置にある作動室１２ｂは、冷媒の吸入が完了した直後を示しており、反力Ｆが最も大きくなる時である。▲２▼に示す位置にある作動室１２ｂは膨脹過程の最後を示しており、▲３▼に示す位置にある作動室１２ｂは膨脹を終えた冷媒を排出する排出工程を示し、▲４▼に示す位置にある作動室１２ｂは冷媒の吸入を開始する直前の状態を示すものである。
【００４３】
次に、本実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機の特徴的作動を図４に示すフローチャートに基づいて述べる。
【００４４】
温度センサ９ｄの検出温度、つまり給水温度が所定温度ＴＢ以上であるか否かを判定し（Ｓ１０）、給水温度が所定温度ＴＢ以上であるときには、膨脹機制御弁９ｂを全開として（Ｓ２０）、バイパス制御弁９ａにてバイパス通路８を流れる冷媒量を制御して圧力センサ９ｃの検出温度、つまり高圧冷媒の圧力Ｐｈが所定の設定範囲となるように膨脹機４の作動状態を制御する（Ｓ３０〜Ｓ５０）。
【００４５】
つまり、給水温度上昇すると、膨脹機４に流入する冷媒の等エントロピ線の傾き（＝圧力の変化量／比エンタルピの変化量）が小さくなり、膨脹機４で回収される回転エネルギーが増大し、圧縮機１の回転数を増大させようとする。
【００４６】
しかし、圧縮機１の回転数、つまりモータ２の回転数は流量が所定流量となるように制御されているため、膨脹機４は増速することはできず、むしろ、圧縮機１側から減速作用を受ける。
【００４７】
そこで、本実施形態では、バイパス通路８を流れる冷媒量を制御して高圧冷媒の圧力Ｐｈが所定の設定範囲となるように膨脹機４の作動状態を制御することにより、膨脹機４が圧縮機１側から減速作用を受けないようにしながら、膨脹機４で回収した回転エネルギー（機械エネルギー）を圧縮機１側に供給している。
【００４８】
また、Ｓ１０にて給水温度が所定温度ＴＢ未満であると判定されたときには、膨脹機制御弁９ｂを全閉として（Ｓ６０）、バイパス制御弁９ａにて冷媒を減圧膨脹させながら、高圧冷媒の圧力Ｐｈが所定の設定範囲となるように絞り開度を制御する（Ｓ７０）。
【００４９】
なお、所定温度ＴＢとは、上述の説明から推察されるように、膨脹機４の回転数が圧縮機１側の回転数以上となり、膨脹機４が圧縮機に対して制動力を作用させないような温度である。
【００５０】
次に、本実施形態の作用効果を述べる。
【００５１】
本実施形態によれば、膨脹機４と圧縮機１側とがクラッチ６を介して繋がっているので、膨脹機４が圧縮機に対して制動力を作用させる際に動力の伝達を遮断することができる。したがって、圧縮機１に対して膨脹機４が制動力を作用させると言ったことを防止でき得るので、圧縮機１の消費動力、つまりモータ２の消費電力が増大することを防止でき得る。
【００５２】
また、本実施形態では、クラッチ６としてワンウェイクラッチを作用しているので、膨脹機４の回転数が圧縮機１の回転数を下回る際には、自動的に動力の伝達が遮断される。したがって、圧縮機１に対して膨脹機４が制動力を作用させると言ったことを容易かつ簡便に防止することができる。
【００５３】
なお、この説明から明らかなように、バイパス通路８、バイパス制御弁９ａ及び膨脹機制御弁９ｂを廃止しても、膨脹機４の回転数が圧縮機１の回転数を下回る際にクラッチ６により動力の伝達を遮断するれば、圧縮機１に対して膨脹機４が制動力を作用させると言ったことを防止することができる。
【００５４】
ところで、図５は本実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機の作動を示すｐ−ｈ線図であり、図６は本実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機の成績係数（ＣＯＰ）と放熱器３出口側の冷媒温度（給湯温度）との関係を示すもので、本実施形態では、放熱器３出口側の冷媒温度が４０℃未満の場合には膨脹機制御弁９ｂ閉じて膨脹機４によるエネルギー回収を停止し、放熱器３出口側の冷媒温度が４０℃以上の場合には膨脹機４によるエネルギー回収を行う。
【００５５】
なお、本実施形態では、膨脹機４によるエネルギー回収を行う際に高圧冷媒の圧力Ｐｈが所定の設定範囲となるようにバイパス制御弁９ａの絞り開度するので、実質的に放熱器３出口側の冷媒温度が４０℃以上、約５５℃以下の範囲内で膨脹機４によるエネルギー回収が行われる。
【００５６】
（第２実施形態）
本実施形態は、第１実施形態と同一構成において、両制御弁９ａ、９ｂの制御方法を変更したものである。
【００５７】
具体的には、図７に示すように、給水温度が所定温度ＴＢ以上であるか否かを判定し（Ｓ１００）、給水温度が所定温度ＴＢ以上であるときには、第１実施形態と同様に、膨脹機制御弁９ｂを全開として（Ｓ１１０）、バイパス制御弁９ａにてバイパス通路８を流れる冷媒量を制御して圧力センサ９ｃの検出温度、つまり高圧冷媒の圧力Ｐｈが所定の設定範囲となるように膨脹機４の作動状態を制御する（Ｓ１２０〜Ｓ１４０）。
【００５８】
また、Ｓ１００にて給水温度が所定温度ＴＢ未満であると判定されたときには、バイパス制御弁９ａを全閉として、高圧冷媒の圧力Ｐｈが所定の設定範囲となるように膨脹機制御弁９ｂにて膨脹機４の運転状態を制御する（Ｓ１５０、Ｓ１６０）。
【００５９】
なお、このとき、膨脹機４の回転数は圧縮機１の回転数を下回るが、クラッチ６により動力の伝達が遮断されるので、圧縮機１に対して膨脹機４が制動力を作用させることはない。
【００６０】
（その他の実施形態）
上述の実施形態に係る膨脹機４では、プランジャ摺動軸線ＣＬｐが回転シリンダ１２の回転中心からずれていたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば図８に示すように、プランジャ摺動軸線ＣＬｐを回転シリンダ１２の回転シリンダ１２の回転中心と一致させてもよい。
【００６１】
また、上述の実施形態では、クラッチ６としてワンウェイクラッチを採用したが、本発明はこれに限定されるものではなく、電磁クラッチのごとく、双方向において断続可能に動力を伝達するものであってもよい。なお、この場合には、膨脹機４の回転数が圧縮機１の回転数を下回る際に動力の伝達を遮断する必要がある。
【００６２】
また、上述の実施形態では、冷媒を二酸化炭素として高圧側圧力を臨界圧力以上としたが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００６３】
また、上述の実施形態では、給湯装置に本発明を適用したが、本発明の適用はこれに限定されるものではなく、例えば空調装置や冷凍・冷蔵庫等にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機の模式図である。
【図２】本発明の実施形態に係る膨脹機一体型圧縮機の断面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機の制御を示すフローチャートである。
【図５】本発明の第１実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機の作動を示すｐ−ｈ線図である。
【図６】本発明の第１実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機の成績係数（ＣＯＰ）と放熱器３出口側の冷媒温度（給湯温度）との関係を示すグラフである。
【図７】本発明の第２実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機の制御を示すフローチャートである。
【図８】本発明の実施形態に係る膨脹機一体型圧縮機の断面図である。
【符号の説明】
１…圧縮機、２…モータ、３…放熱器、４…膨脹機、５…蒸発器、
６…ワンウェイクラッチ。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a vapor compression refrigerator that transfers heat on a low temperature side to a high temperature side, and an expander-compressor unit used in the refrigerator.
[0002]
[Prior art]
As an expander-integrated compressor, for example, in the invention described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-107881, an expander connected to a compressor at one end of a motor shaft and an expander to the other end is collected by the expander. By supplying energy to the compressor side, power consumption of the compressor is reduced.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the invention described in the above publication, since the compressor and the expander are directly connected via the motor shaft, the rotational speed of the expander obtained when the refrigerant is expanded by the expander is equal to the rotational speed of the compressor. If the number is low, the expansion energy recovered by the expander cannot be supplied to the compressor side, and the expander exerts a braking force on the compressor. The power, that is, the power consumption of the electric motor driving the compressor increases.
[0004]
In view of the above points, the present invention provides, firstly, a novel vapor compression refrigerator different from the conventional one, and an expander-integrated compressor used for the same, and secondly, power consumption of the compressor. It aims at reducing.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the present invention, in the present invention, there is provided a vapor compression refrigerator for transferring low-temperature heat to a high-temperature side, wherein the compressor sucks and compresses a refrigerant. A radiator (3) for cooling the refrigerant discharged from the compressor (1), and an expander (4) for converting expansion energy into rotational energy while reducing and expanding the refrigerant flowing out of the radiator (3). An evaporator (5) for evaporating the depressurized refrigerant, and a clutch (6) for transmitting the rotational energy recovered by the expander (4) to the compressor (1) side.
[0006]
Thereby, when the expander (4) applies a braking force to the compressor (1), transmission of power can be cut off. Therefore, it is possible to prevent the expansion machine (4) from exerting a braking force on the compressor (1), so that it is possible to prevent the power consumption of the compressor (1) from increasing, and to reduce the power consumption of the compressor (1). And a new vapor compression refrigerator different from the above can be obtained.
[0007]
According to the second aspect of the invention, the clutch (6) transmits power from the expander (4) to the compressor (1), and transmits power from the compressor (1) to the expander (4). It is a one-way clutch that prevents the vehicle from operating.
[0008]
Thus, when the rotation speed of the expander (4) is lower than the rotation speed of the compressor (1), the transmission of power is automatically cut off, and therefore, the expansion device (4) is not connected to the compressor (1). ) Can be easily and simply prevented from acting.
[0009]
According to the third aspect of the present invention, the bypass control valve () controls the communication state of the bypass passage (8) that guides the refrigerant flowing out of the radiator (3) to the expander (4) and to the evaporator (5). 9a) and an expander control valve (9b) for controlling the amount of refrigerant flowing into the expander (4). When the outlet-side refrigerant temperature of the radiator (3) is equal to or higher than a predetermined temperature, the expander control valve With (9b) fully open, the bypass control valve (9a) controls the amount of refrigerant flowing through the bypass passage (8) to control the operating state of the expander (4), and the outlet-side refrigerant temperature of the radiator (3) When the temperature is lower than the predetermined temperature, the expander control valve (9b) is fully closed, and the refrigerant is decompressed and expanded by the bypass control valve (9a).
[0010]
According to the fourth aspect of the present invention, the bypass control valve () controls the communication state of the bypass passage (8) which guides the refrigerant flowing out of the radiator (3) to the evaporator (5) by bypassing the expander (4). 9a) and an expander control valve (9b) for controlling the amount of refrigerant flowing into the expander (4). When the outlet-side refrigerant temperature of the radiator (3) is equal to or higher than a predetermined temperature, the expander control valve With (9b) fully open, the bypass control valve (9a) controls the amount of refrigerant flowing through the bypass passage (8) to control the operating state of the expander (4), and the outlet-side refrigerant temperature of the radiator (3) When the temperature is lower than the predetermined temperature, the bypass control valve (9a) is fully closed, and the operating state of the expander (4) is controlled by the expander control valve (9b).
[0011]
According to the fifth aspect of the present invention, the compressor (1) for sucking and compressing a fluid, the expander (4) for converting expansion energy into rotational energy while decompressing and expanding a high-pressure fluid, and the expander (4). And a clutch (6) for transmitting the recovered rotational energy to the compressor (1). The compressor (1), the expander (4) and the clutch (6) are housed in one casing (7). It is characterized by having been done.
[0012]
Thereby, when the expander (4) applies a braking force to the compressor (1), transmission of power can be cut off. Therefore, it is possible to prevent the expansion machine (4) from exerting a braking force on the compressor (1), so that it is possible to prevent the power consumption of the compressor (1) from increasing, and to reduce the power consumption of the compressor (1). And a new expander-integrated compressor can be obtained.
[0013]
According to the invention described in claim 6, the electric motor (2) for driving the compressor (1) is housed in the casing (7), and is further provided at one end of the shaft (2a) of the electric motor (2). A compressor (1) is arranged, and an expander (4) is arranged on the other end side via a clutch (6).
[0014]
In the invention described in claim 7, the clutch (6) transmits power from the expander (4) to the compressor (1) side, and transmits power from the compressor (1) side to the expander (4). It is a one-way clutch that prevents the vehicle from operating.
[0015]
Thereby, when the rotation speed of the expander (4) falls below the rotation speed of the compressor (1), the transmission of power is automatically cut off. Therefore, it can be easily and simply prevented that the expander (4) exerts a braking force on the compressor (1).
[0016]
Incidentally, the reference numerals in parentheses of the respective means are examples showing the correspondence with specific means described in the embodiments described later.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(1st Embodiment)
In the present embodiment, a steam compression refrigerator according to the present invention is applied to a hot water supply device. FIG. 1 is a schematic diagram of a steam compression refrigerator, and FIG. 2 is an axial cross-sectional view of an expander. FIG. 3 is a sectional view taken along line AA of FIG.
[0018]
First, the configuration of the vapor compression refrigerator will be described with reference to FIG.
[0019]
The compressor 1 obtains power from the electric motor 2 to suck and compress the refrigerant, and the radiator 3 exchanges heat between the refrigerant discharged from the compressor 1 and the hot water to heat the hot water. It is a vessel.
[0020]
In the present embodiment, carbon dioxide is employed as the refrigerant, and the required hot water supply capacity (temperature) is obtained by increasing the discharge pressure of the compressor 1 to the critical pressure of the refrigerant or higher.
[0021]
The expander 4 recovers mechanical energy by converting expansion energy into rotational energy while isotropically reducing and expanding the high-pressure refrigerant flowing out of the radiator 3 in an isentropic manner, and applying the recovered mechanical energy to the motor 2. The evaporator 5 is a low-pressure side heat exchanger that evaporates the refrigerant that has been expanded under reduced pressure.
[0022]
The expander 4 and the motor 2 are connected via a clutch 6. The clutch 6 transmits power only from the expander 4 to the compressor 1, and transmits power from the compressor 1 to the expander 4. Is prevented from being transmitted by a one-way clutch (one-way clutch).
[0023]
Incidentally, in the present embodiment, a roller type one-way clutch is employed, but it goes without saying that other types of one-way clutches such as a sprag type may be employed.
[0024]
In the present embodiment, the compressor 1 is disposed at one end of the shaft 2a of the motor 2, and the expander 4 is disposed at the other end via the clutch 6, and the compressor 1, the expander 4, and the clutch 6 are arranged. Is accommodated in one casing 7, so that the compressor 1, the expander 4 and the clutch 6 are integrated to constitute an expander-compressor unit.
[0025]
The bypass control valve 9a is a valve that controls the communication state of a bypass passage 8 that guides the refrigerant flowing out of the radiator 3 to the evaporator 5 by bypassing the expander 4, and the expander control valve 9b controls the communication state of the expander 4. The variable throttle is provided on the upstream side of the refrigerant flow and controls the amount of the refrigerant flowing into the expander 4.
[0026]
The pressure sensor 9c is pressure detection means for detecting the pressure of the high-pressure side refrigerant at the refrigerant inlet side of the radiator 3, and the temperature sensor 9d indirectly detects the temperature of the hot water by detecting the temperature of the refrigerant flowing out of the radiator 3. Is a temperature detecting means for detecting the temperature.
[0027]
Then, the opening degrees of the bypass control valve 9a and the expander control valve 9b are controlled by an electronic control unit (ECU) 9e in accordance with a preset program based on the detection values of both sensors 9c and 9d.
[0028]
Next, the structure of the expander 4 will be described with reference to FIGS.
[0029]
As shown in FIG. 2, the expander 4 generally includes a housing 10, a rotary liner 11, a rotary cylinder 12, a plunger 13, a valve 14, and the like.
[0030]
The rotating liner 11 is a cylindrical member rotatably supported by the first retainer 16 via a bearing 15a, and the rotating cylinder 12 is, as shown in FIG. The rotary liner 11 has a substantially cylindrical shape which rotates at a position deviated from the rotation center of the rotation liner and has a rotation center axis parallel to the rotation center axis of the rotation liner 11.
[0031]
As shown in FIG. 2, the rotary cylinder 12 is supported by the first cage 16 and the second cage 17 via bearings 15b and 15c so as to be able to rotate. 2a is connected via a clutch 6, and the first and second retainers 16, 17 are press-fitted and fixed in the housing 10.
[0032]
As shown in FIG. 3, the plunger 13 is a cylindrical piston slidably housed in an insertion hole 12a formed in the rotary cylinder 12, and one end 13a of the plunger 13 has a curvature of the inner wall 11a of the rotary liner 11. It is formed into a curved surface having a radius of curvature smaller than the radius, and is in contact with the inner wall 11 a of the rotating liner 11.
[0033]
At this time, the plurality of insertion holes 12a are formed in the rotary cylinder 12 so that the plunger sliding axis CLp parallel to the sliding direction of the plunger 13 through the cross-sectional center of the plunger 13 is shifted from the rotation center of the rotary cylinder 12. In the embodiment, four) are formed.
[0034]
The valve 14 is a substantially cylindrical valve means which is located at the center of rotation of the rotary cylinder 12 and opens and closes a suction / discharge port 18 for communicating the outside, that is, the refrigerant outlet side of the radiator 3 with the working chamber 12b. As shown in FIG. 2, a suction groove 14 a and a discharge groove 14 b for controlling the opening / closing timing of the suction / discharge port 18 with respect to the rotation angle of the rotary cylinder 12 are formed on the outer peripheral surface of the radiator 3. An introduction passage 14c for guiding the outflowing high-pressure refrigerant into the working chamber 12b is formed.
[0035]
Here, the working chamber 12b is a space formed by the other end of the plunger 13 and the insertion hole 12a. In the present embodiment, the refrigerant is decompressed and expanded by increasing the volume of the working chamber 12b.
[0036]
The suction groove 14a controls the opening / closing timing of the suction / discharge port 18 when flowing into the working chamber 12b, and the discharge groove 14b controls the opening / closing timing of the suction / discharge port 18 when flowing out of the working chamber 12b. is there.
[0037]
Next, the operation of the expander 4 according to the present embodiment will be described (see FIG. 3).
[0038]
Since the basic operation of the expander 4 according to the present embodiment is the same as that of a known radial type fluid machine, the expansion according to the present embodiment will be described focusing on the differences from the known radial type fluid machine. The operation of the machine 4 will be described. Incidentally, books describing the radial type fluid machine include, for example, "Theory and Practice of Piston Pumps and Motors" (Ohm).
[0039]
The high-pressure refrigerant guided from the radiator 3 to the valve 14 flows into the working chamber 12b connected to the suction / discharge port 18 communicating with the suction groove 14a. The refrigerant flowing into the working chamber 12b exerts a force on the plunger 13 in a direction to increase the volume of the working chamber 12b. Is applied to the inner wall 11a of the rotating liner 11.
[0040]
At this time, the plunger 13 receives a reaction force F from the inner wall 11a of the rotary liner 11 in a direction to reduce the volume of the working chamber 12b, but the plunger sliding axis CLp is shifted from the rotation center of the rotary cylinder 12. Therefore, the reaction force F from the inner wall 11a of the rotating liner 11 becomes a force for rotating the rotating cylinder 12.
[0041]
Then, the refrigerant flowing into the working chamber 12b presses the plunger 13 against the inner wall 11a of the rotary liner 11 to expand the working chamber 12b, and expands itself under reduced pressure.
[0042]
In FIG. 3, the working chamber 12b at the position indicated by (1) shows a state immediately after the completion of the suction of the refrigerant, and is a time when the reaction force F becomes maximum. The working chamber 12b at the position indicated by (2) indicates the end of the expansion process, the working chamber 12b at the position indicated by (3) indicates a discharge step for discharging the refrigerant after expansion, and (4) indicates The working chamber 12b at the position shown shows the state immediately before the start of the suction of the refrigerant.
[0043]
Next, the characteristic operation of the vapor compression refrigerator according to the present embodiment will be described based on the flowchart shown in FIG.
[0044]
It is determined whether or not the temperature detected by the temperature sensor 9d, that is, the feedwater temperature is equal to or higher than a predetermined temperature TB (S10). When the feedwater temperature is equal to or higher than the predetermined temperature TB, the expander control valve 9b is fully opened (S20). The operation state of the expander 4 is controlled by controlling the amount of refrigerant flowing through the bypass passage 8 by the bypass control valve 9a so that the temperature detected by the pressure sensor 9c, that is, the pressure Ph of the high-pressure refrigerant is within a predetermined set range (S30). To S50).
[0045]
That is, when the supply water temperature rises, the gradient of the isentropic line of the refrigerant flowing into the expander 4 (= the amount of change in the pressure / the amount of change in the specific enthalpy) decreases, and the rotational energy recovered by the expander 4 increases. Attempts to increase the rotation speed of the compressor 1.
[0046]
However, since the rotation speed of the compressor 1, that is, the rotation speed of the motor 2, is controlled so that the flow rate becomes a predetermined flow rate, the speed of the expander 4 cannot be increased. Be affected.
[0047]
Accordingly, in the present embodiment, the amount of refrigerant flowing through the bypass passage 8 is controlled to control the operating state of the expander 4 so that the pressure Ph of the high-pressure refrigerant is within a predetermined set range, so that the expander 4 Rotational energy (mechanical energy) recovered by the expander 4 is supplied to the compressor 1 while not receiving a deceleration effect from the first side.
[0048]
When it is determined in S10 that the feedwater temperature is lower than the predetermined temperature TB, the expander control valve 9b is fully closed (S60), and the pressure of the high-pressure refrigerant is increased while the refrigerant is decompressed and expanded by the bypass control valve 9a. The throttle opening is controlled so that Ph falls within a predetermined setting range (S70).
[0049]
The predetermined temperature TB is, as inferred from the above description, such that the rotational speed of the expander 4 is equal to or higher than the rotational speed of the compressor 1 and the expander 4 does not apply a braking force to the compressor. Temperature.
[0050]
Next, the operation and effect of the present embodiment will be described.
[0051]
According to the present embodiment, since the expander 4 and the compressor 1 are connected via the clutch 6, the transmission of power when the expander 4 applies a braking force to the compressor is cut off. Can be. Therefore, it can be prevented that the expander 4 exerts a braking force on the compressor 1, so that the power consumption of the compressor 1, that is, the power consumption of the motor 2 can be prevented from increasing.
[0052]
Further, in the present embodiment, since a one-way clutch acts as the clutch 6, when the rotation speed of the expander 4 becomes lower than the rotation speed of the compressor 1, the transmission of power is automatically cut off. Therefore, it is possible to easily and easily prevent the expansion machine 4 from applying a braking force to the compressor 1.
[0053]
As is apparent from this description, even if the bypass passage 8, the bypass control valve 9a, and the expander control valve 9b are abolished, when the rotational speed of the expander 4 becomes lower than the rotational speed of the compressor 1, the clutch 6 operates. If the transmission of power is cut off, it can be prevented that the expander 4 exerts a braking force on the compressor 1.
[0054]
FIG. 5 is a ph diagram showing the operation of the vapor compression refrigerator according to the present embodiment, and FIG. 6 shows the coefficient of performance (COP) and the radiator 3 of the vapor compression refrigerator according to the embodiment. In this embodiment, when the refrigerant temperature at the outlet side of the radiator 3 is lower than 40 ° C., the expander control valve 9 b is closed and the energy generated by the expander 4 is shown. The recovery is stopped, and when the refrigerant temperature at the outlet side of the radiator 3 is 40 ° C. or higher, energy recovery by the expander 4 is performed.
[0055]
In the present embodiment, the throttle opening of the bypass control valve 9a is adjusted so that the pressure Ph of the high-pressure refrigerant is within a predetermined setting range when the energy is recovered by the expander 4. Therefore, the outlet side of the radiator 3 is substantially located. The energy is recovered by the expander 4 when the refrigerant temperature is in the range of 40 ° C. or more and about 55 ° C. or less.
[0056]
(2nd Embodiment)
This embodiment is the same as the first embodiment except that the control method of the control valves 9a and 9b is changed.
[0057]
Specifically, as shown in FIG. 7, it is determined whether or not the feedwater temperature is equal to or higher than a predetermined temperature TB (S100). When the feedwater temperature is equal to or higher than the predetermined temperature TB, as in the first embodiment, The expander control valve 9b is fully opened (S110), and the amount of refrigerant flowing through the bypass passage 8 is controlled by the bypass control valve 9a so that the temperature detected by the pressure sensor 9c, that is, the pressure Ph of the high-pressure refrigerant is within a predetermined set range. Next, the operation state of the expander 4 is controlled (S120 to S140).
[0058]
When it is determined in S100 that the feedwater temperature is lower than the predetermined temperature TB, the bypass control valve 9a is fully closed and the expansion device control valve 9b is controlled so that the pressure Ph of the high-pressure refrigerant falls within a predetermined setting range. The operation state of the expander 4 is controlled (S150, S160).
[0059]
At this time, although the rotation speed of the expander 4 is lower than the rotation speed of the compressor 1, the transmission of power is interrupted by the clutch 6, so that the expander 4 applies a braking force to the compressor 1. There is no.
[0060]
(Other embodiments)
In the expander 4 according to the above-described embodiment, the plunger sliding axis CLp is shifted from the rotation center of the rotary cylinder 12, but the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIG. The sliding axis CLp may be coincident with the rotation center of the rotary cylinder 12 of the rotary cylinder 12.
[0061]
Further, in the above-described embodiment, a one-way clutch is employed as the clutch 6, but the present invention is not limited to this, and may be a two-way intermittently transmitting power like an electromagnetic clutch. Good. In this case, it is necessary to interrupt the transmission of power when the rotation speed of the expander 4 is lower than the rotation speed of the compressor 1.
[0062]
In the above-described embodiment, the refrigerant is carbon dioxide and the high pressure side pressure is equal to or higher than the critical pressure. However, the present invention is not limited to this.
[0063]
Further, in the above-described embodiment, the present invention is applied to the hot water supply device. However, the application of the present invention is not limited to this.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of a vapor compression refrigerator according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of the expander-compressor unit according to the embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a sectional view taken along line AA of FIG. 2;
FIG. 4 is a flowchart showing control of the vapor compression refrigerator according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a ph diagram showing an operation of the vapor compression refrigerator according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the coefficient of performance (COP) of the vapor compression refrigerator according to the first embodiment of the present invention and the refrigerant temperature (hot water supply temperature) at the outlet side of the radiator 3;
FIG. 7 is a flowchart showing control of a vapor compression refrigerator according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a cross-sectional view of the expander-compressor unit according to the embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Compressor, 2 ... Motor, 3 ... Radiator, 4 ... Expander, 5 ... Evaporator,
6 ... One-way clutch.

Claims

A vapor compression refrigerator that transfers heat on the low temperature side to the high temperature side,
A compressor (1) for sucking and compressing a refrigerant;
A radiator (3) for cooling a refrigerant discharged from the compressor (1);
An expander (4) for converting expansion energy into rotational energy while decompressing and expanding the refrigerant flowing out of the radiator (3);
An evaporator (5) for evaporating the depressurized refrigerant;
And a clutch (6) for transmitting the rotational energy recovered by the expander (4) to the compressor (1) side.

The clutch (6) transmits power from the expander (4) to the compressor (1), and prevents power from being transmitted from the compressor (1) to the expander (4). The steam compression refrigerator according to claim 1, wherein the refrigerator is a one-way clutch.

A bypass control valve (9a) for controlling a communication state of a bypass passage (8) for leading the refrigerant flowing out of the radiator (3) to the expander (4) and leading to the evaporator (5);
An expander control valve (9b) for controlling an amount of refrigerant flowing into the expander (4),
When the outlet-side refrigerant temperature of the radiator (3) is equal to or higher than a predetermined temperature, the expander control valve (9b) is fully opened, and the amount of refrigerant flowing through the bypass passage (8) by the bypass control valve (9a) is reduced. Controlling the operating state of the expander (4),
When the outlet-side refrigerant temperature of the radiator (3) is lower than a predetermined temperature, the expander control valve (9b) is fully closed, and the refrigerant is decompressed and expanded by the bypass control valve (9a). The vapor compression refrigerator according to claim 1.

A bypass control valve (9a) for controlling a communication state of a bypass passage (8) for leading the refrigerant flowing out of the radiator (3) to the expander (4) and leading to the evaporator (5);
An expander control valve (9b) for controlling an amount of refrigerant flowing into the expander (4),
When the outlet-side refrigerant temperature of the radiator (3) is equal to or higher than a predetermined temperature, the expander control valve (9b) is fully opened, and the amount of refrigerant flowing through the bypass passage (8) by the bypass control valve (9a) is reduced. Controlling the operating state of the expander (4),
When the outlet-side refrigerant temperature of the radiator (3) is lower than a predetermined temperature, the bypass control valve (9a) is fully closed, and the operating state of the expander (4) is controlled by the expander control valve (9b). The vapor compression refrigerator according to claim 1 or 2, wherein the refrigerator is controlled.

A compressor (1) for sucking and compressing a fluid;
An expander (4) that converts expansion energy into rotational energy while decompressing and expanding the high-pressure fluid;
A clutch (6) for transmitting rotational energy recovered by the expander (4) to the compressor (1) side;
The compressor (1), wherein the compressor (1), the expander (4) and the clutch (6) are housed in a single casing (7).

An electric motor (2) for driving the compressor (1) is housed in the casing (7),
Further, the compressor (1) is arranged at one end of a shaft (2a) of the electric motor (2), and the expander (4) is arranged at the other end via the clutch (6). The expander-integrated compressor according to claim 5, wherein:

The clutch (6) transmits power from the expander (4) to the compressor (1), and prevents power from being transmitted from the compressor (1) to the expander (4). The expander-integrated compressor according to claim 5 or 6, wherein the compressor is a one-way clutch.