專利名稱：冷凍循環(huán)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有壓縮機(jī)、利用側(cè)熱交換器、熱源側(cè)熱交換器以及膨脹機(jī)的冷凍循環(huán)裝置，特別是涉及使用二氧化碳作為構(gòu)成冷凍循環(huán)的致冷劑的冷凍循環(huán)裝置。
背景技術(shù)：
作為具有膨脹機(jī)的冷凍循環(huán)裝置，有例如在專利文獻(xiàn)1或?qū)＠墨I(xiàn)2中所記載的裝置。在專利文獻(xiàn)1的裝置中，是將由膨脹機(jī)回收的能源用于壓縮機(jī)的輔助動力。另外，在專利文獻(xiàn)2的裝置中，即使是在冷氣運(yùn)轉(zhuǎn)時或暖氣運(yùn)轉(zhuǎn)時的任意一種的情況下，在膨脹機(jī)中流動的致冷劑的方向也為一定。
特開2002-22298號公報[專利文獻(xiàn)2]特開2001-66006號公報在上述的以往例中，因為膨脹機(jī)和壓縮機(jī)為一體，所以從壓縮機(jī)到膨脹機(jī)的熱泄漏大，存在使冷凍循環(huán)裝置的效率降低的缺點(diǎn)。
另外，在冷凍循環(huán)裝置中的冷卻運(yùn)轉(zhuǎn)和加熱運(yùn)轉(zhuǎn)這兩者中，沒有考慮到適宜地保持膨脹機(jī)前后的壓力差或在膨脹機(jī)中流動的致冷劑流量，因此，也存在效率降低的課題。
作為上述壓縮機(jī)，也有采用兩級壓縮機(jī)的情況，但沒有考慮使第一級壓縮部的排出壓力(第二級壓縮部的吸入壓力)為適宜的壓力，因此，存在壓縮機(jī)的效率降低的問題。
另外，關(guān)于適宜地控制在冷凍循環(huán)中循環(huán)的致冷劑的量也沒有被考慮到，若是不適宜的致冷劑循環(huán)量，則也存在冷凍循環(huán)的效率降低的缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第1目的是降低從壓縮機(jī)到膨脹機(jī)的熱泄漏，提高冷凍循環(huán)裝置的效率。
本發(fā)明的第2目的是適宜地保持膨脹機(jī)前后的壓力差或在膨脹機(jī)中流動的致冷劑流量。
本發(fā)明的第3目的是在作為壓縮機(jī)而采用兩級壓縮機(jī)的裝置中，使第一級壓縮部的排出壓力(第二級壓縮部的吸入壓力)為適宜的壓力。
本發(fā)明的第4目的是適宜地控制在致冷劑循環(huán)中循環(huán)的致冷劑量。
為了達(dá)到上述第1目的，本發(fā)明的一種冷凍循環(huán)裝置，具有第1壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、第2壓縮機(jī)、利用側(cè)熱交換器以及熱源側(cè)熱交換器，該第2壓縮機(jī)與該膨脹機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸直接連結(jié)，在上述第1壓縮機(jī)的上游側(cè)，設(shè)置上述第2壓縮機(jī)。
根據(jù)這樣的構(gòu)成，因為是將與膨脹機(jī)直接連結(jié)的第2壓縮機(jī)設(shè)置在作為主壓縮機(jī)的第1壓縮機(jī)的上游，所以可以減小第2壓縮機(jī)的壓縮比，可以將第2壓縮機(jī)的排出溫度抑制到很低。因此，因為可以縮小膨脹機(jī)和第2壓縮機(jī)的溫度差，所以可以減少從第2壓縮機(jī)到膨脹機(jī)的熱泄漏。
為了達(dá)到上述第2目的，本發(fā)明的一種冷凍循環(huán)裝置，具有第1壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、第2壓縮機(jī)、利用側(cè)熱交換器、熱源側(cè)熱交換器以及四通閥，該第2壓縮機(jī)與該膨脹機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸直接連結(jié)，通過上述四通閥，進(jìn)行上述利用側(cè)熱交換器的冷卻運(yùn)轉(zhuǎn)和加熱運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)換，按順序連接上述第1壓縮機(jī)、四通閥、熱源側(cè)熱交換器、膨脹機(jī)、利用側(cè)熱交換器以及第2壓縮機(jī)，構(gòu)成冷凍循環(huán)，同時，具有第1膨脹閥和第2膨脹閥，該第1膨脹閥設(shè)置在上述膨脹機(jī)和上述熱源側(cè)熱交換器之間，上述第2膨脹閥設(shè)置在上述膨脹機(jī)和上述利用側(cè)熱交換器之間，在上述第1、第2膨脹閥和上述膨脹機(jī)之間，設(shè)置整流機(jī)構(gòu)，該整流機(jī)構(gòu)使致冷劑通常在膨脹機(jī)的入口側(cè)流動。
據(jù)此，在冷卻、加熱的任意一種運(yùn)轉(zhuǎn)中，都可以使在膨脹機(jī)中流動的致冷劑的方向為一定，同時也可以適宜地保持膨脹機(jī)前后的壓力差。
另外，在這里，也可以通過第3膨脹閥，連接上述第1膨脹閥的熱源側(cè)熱交換器側(cè)和上述第2膨脹閥的利用側(cè)熱交換器側(cè)之間。若是這樣的構(gòu)成，則不僅是膨脹機(jī)前后的壓力差，由于也可以調(diào)節(jié)在膨脹機(jī)中流動的致冷劑流量，所以可以更好地達(dá)成膨脹機(jī)的高效率化。
另外，當(dāng)上述第2壓縮機(jī)的吸入溫度和與該第2壓縮機(jī)的吸入壓力相對應(yīng)的飽和溫度的差在規(guī)定值以下時，上述第1膨脹閥或第2膨脹閥的任意一方全開，同時上述第3膨脹閥全閉，當(dāng)上述第2壓縮機(jī)的吸入溫度和與該第2壓縮機(jī)的吸入壓力相對應(yīng)的飽和溫度的差在規(guī)定值以上時，上述第1膨脹閥和第2膨脹閥這兩方全開，同時將第3膨脹閥調(diào)整到全閉以外的開度，也可以以更高的效率控制冷凍循環(huán)裝置。
為了達(dá)到上述第3目的，本發(fā)明的一種冷凍循環(huán)裝置，具有兩級壓縮機(jī)、利用側(cè)熱交換器、減壓裝置、熱源側(cè)熱交換器以及四通閥，該兩級壓縮機(jī)具有第一級壓縮部以及第二級壓縮部，通過上述四通閥，進(jìn)行上述利用側(cè)熱交換器的冷卻運(yùn)轉(zhuǎn)和加熱運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)換，使上述兩級壓縮機(jī)的第一級壓縮部的排出流路分支，一方與上述第二級壓縮部的吸入流路連接，另一方與三通閥等的流路轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)連接，該三通閥等的流路轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)對流向上述利用側(cè)熱交換器的流路和流向上述熱源側(cè)熱交換器的流路進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
象這樣，因為是使第一級壓縮部的排出流路分支，一方與第二級壓縮部的吸入流路連接，另一方與流路轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)連接，進(jìn)行流向熱源側(cè)熱交換器的流路和流向利用側(cè)熱交換器的流路的轉(zhuǎn)換，所以在冷卻、加熱的任意運(yùn)轉(zhuǎn)中，可以適宜地保持兩級壓縮機(jī)的第1級和第2級的中間壓力。
為了達(dá)到上述第4目的，本發(fā)明的一種冷凍循環(huán)裝置，具有壓縮機(jī)、利用側(cè)熱交換器、熱源側(cè)熱交換器以及膨脹機(jī)構(gòu)，具有與上述膨脹機(jī)構(gòu)并列設(shè)置的致冷劑罐；用于使致冷劑出入上述致冷劑罐的2條流路；分別設(shè)置在上述流路上的閥門；溫度檢測器，該溫度檢測器設(shè)置在冷卻運(yùn)轉(zhuǎn)時的熱源側(cè)熱交換器的出口側(cè)、或加熱運(yùn)轉(zhuǎn)時的利用側(cè)熱交換器的出口側(cè)；檢測上述壓縮機(jī)的排出壓力的壓力檢測器；控制裝置，該控制裝置根據(jù)由上述溫度檢測器檢測出的溫度和由上述壓力檢測器檢測出的壓力，對上述2個閥門的開閉或開度進(jìn)行控制。
象這樣，因為通過上述控制裝置，根據(jù)上述檢測溫度和壓力，控制2個閥門的開閉或開度，該2個閥門分別設(shè)置在使致冷劑出入致冷劑罐的2條流路上，所以可以使在冷凍循環(huán)中循環(huán)的致冷劑的總量產(chǎn)生變化，可以控制壓縮機(jī)的排出壓力，使冷凍循環(huán)裝置的效率達(dá)到最高。
另外，在上述中，也可以在上述膨脹機(jī)的出口上設(shè)置氣液分離器，具有流路，該流路用于將通過該氣液分離器分離的氣體噴射到上述第1壓縮機(jī)上。另外，在上述那樣構(gòu)成的冷凍循環(huán)裝置中，作為其使用的致冷劑，若使用二氧化碳，則特別有效果。即，若使用二氧化碳致冷劑，則由于放熱側(cè)可以在超臨界壓力下使用，所以可以增加通過膨脹機(jī)的能量回收量，特別有效。
本發(fā)明的其他目的、特征以及優(yōu)點(diǎn)從與附圖有關(guān)的下述本發(fā)明的實施例的記載中即可明確。


圖1是表示本發(fā)明的冷凍循環(huán)裝置的一個實施例的冷凍循環(huán)構(gòu)成圖。
圖2是說明在圖1的裝置中的膨脹·壓縮循環(huán)的作用的莫里爾焓熵圖。
圖3是說明在圖1的裝置中，通過主壓縮機(jī)，進(jìn)行中間壓力控制的情況下的作用的莫里爾焓熵圖。
圖4是說明在圖1的裝置中的致冷劑罐的效果的莫里爾焓熵圖。
圖5是說明本發(fā)明的冷凍循環(huán)裝置的其他實施例的冷凍循環(huán)構(gòu)成圖。
圖6是說明在圖5的實施例中的冷凍循環(huán)的作用的莫里爾焓熵圖。
具體實施例方式
下面，根據(jù)附圖，說明本發(fā)明的具體實施例。通過圖1的冷凍循環(huán)構(gòu)成圖，說明本發(fā)明的第1實施例。首先，根據(jù)圖1，就冷卻運(yùn)轉(zhuǎn)時(利用側(cè)熱交換器5為冷卻器)的致冷劑的流動和動作進(jìn)行說明。在圖1中，冷卻運(yùn)轉(zhuǎn)時的致冷劑的流動如實線箭頭所示。主壓縮機(jī)(第1壓縮機(jī))1是兩級壓縮機(jī)，例如為2缸的轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)。通過主壓縮機(jī)的第一級壓縮部101所壓縮的中間壓力的致冷劑，其一部分向第二級壓縮部102流動，還有其剩余的向三通閥(致冷劑轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu))18流動，從三通閥18開始，在實線箭頭所示的流路中流動，流入熱源側(cè)熱交換器(氣體冷卻器)4，通過其一部分，與空氣進(jìn)行熱交換而放熱。被吸入上述第二級壓縮部102，進(jìn)而被壓縮到高壓而排出的致冷劑，以實線箭頭的方向在四通閥6中流動，通過熱源側(cè)熱交換器4，與空氣進(jìn)行熱交換而放熱。
在這里，在致冷劑為二氧化碳致冷劑的情況下，若外氣溫度高，則超臨界狀態(tài)的致冷劑在熱源側(cè)熱交換器4內(nèi)流動。作為熱源側(cè)熱交換器4，例如使用翅片管式的致冷劑-空氣熱交換器，通過風(fēng)扇27，使空氣流動，進(jìn)行熱交換。熱源側(cè)熱交換器4也可以是致冷劑與水進(jìn)行熱交換的方式。
通過熱源側(cè)熱交換器4放熱的致冷劑，由毛細(xì)管14減壓，從主壓縮機(jī)1的中間壓力部分通過熱源側(cè)熱交換器4的一部分，與放熱的致冷劑合流。在從中間壓力部分開始的流路上設(shè)置用于防止逆流的單向閥16。合流的致冷劑通過第1電動膨脹閥7，進(jìn)行某種程度的減壓·膨脹，經(jīng)單向閥10，進(jìn)入膨脹機(jī)(膨脹·壓縮機(jī)的膨脹部)3，該致冷劑一邊將所具有的能量賦予膨脹機(jī)3的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，一邊進(jìn)行膨脹。膨脹機(jī)3的旋轉(zhuǎn)軸與副壓縮機(jī)(第2壓縮機(jī)或膨脹·壓縮機(jī)的壓縮部)2的旋轉(zhuǎn)軸直接連結(jié)，驅(qū)動副壓縮機(jī)2。也可以將膨脹機(jī)和副壓縮機(jī)放入相同的容器中。
由膨脹機(jī)3膨脹的致冷劑經(jīng)單向閥11，由第2電動膨脹閥8、毛細(xì)管15進(jìn)一步被膨脹·減壓，進(jìn)入利用側(cè)熱交換器5。4個單向閥10-13的作用是，即使在冷卻、加熱的任意運(yùn)轉(zhuǎn)中，也使在膨脹機(jī)3中流動的致冷劑的流動方向常時為一定方向。另外，在第1電動膨脹閥7的入口側(cè)和第2電動膨脹閥8的出口側(cè)之間，設(shè)置旁通流路，該旁通流路具有第3電動膨脹閥9，在啟動時等的膨脹機(jī)3的運(yùn)轉(zhuǎn)沒有穩(wěn)定時，或僅在通過流經(jīng)膨脹機(jī)3的流路中調(diào)節(jié)過度等，不能充分控制的情況等下，致冷劑也流過具有電動膨脹閥9的旁通流路，使致冷劑減壓·膨脹。進(jìn)入到利用側(cè)熱交換器5的致冷劑進(jìn)行蒸發(fā)·吸熱，冷卻作為二次致冷劑35的冷卻水等。從利用側(cè)熱交換器5出來的致冷劑進(jìn)入副壓縮機(jī)2，受到壓縮。副壓縮機(jī)2通過膨脹機(jī)3旋轉(zhuǎn)，該膨脹機(jī)3受到回收動力的驅(qū)動。由副壓縮機(jī)2壓縮的致冷劑被再次吸入主壓縮機(jī)1的第一級壓縮部101。
致冷劑罐19設(shè)置在熱源側(cè)熱交換器4和利用側(cè)熱交換器5之間，致冷劑通過兩通閥(閥門)20以及21，進(jìn)行向罐19的出入，適當(dāng)?shù)乇３衷谘h(huán)中循環(huán)的致冷劑的總量。在致冷劑進(jìn)入罐19時，兩通閥20開啟，將通過毛細(xì)管22減壓的液態(tài)致冷劑或兩相致冷劑儲存在致冷劑罐19中，在從罐中放出致冷劑時，兩通閥21開啟，放出到循環(huán)的低壓側(cè)。若是這樣，則可以調(diào)整在冷凍循環(huán)中循環(huán)的致冷劑量。
接著，通過圖1，就加熱運(yùn)轉(zhuǎn)時的致冷劑的流動和動作進(jìn)行說明。加熱運(yùn)轉(zhuǎn)時的致冷劑的流動如虛線箭頭所示。由主壓縮機(jī)1的第一級壓縮部101壓縮的中間壓力的致冷劑的一部分，在三通閥18的虛線的流路中流動，流到利用側(cè)熱交換器5的一部分中，在這里，與溫水等的二次致冷劑35進(jìn)行熱交換而放熱。上述中間壓力的致冷劑的剩余部分受到主壓縮機(jī)1的第二級壓縮部102的壓縮而被排出，經(jīng)過四通閥6的虛線的流路，達(dá)到利用側(cè)熱交換器5。在這里，致冷劑進(jìn)行放熱，加熱溫水等的2次致冷劑。從利用側(cè)熱交換器5出來的致冷劑由毛細(xì)管15減壓，與經(jīng)上述三通閥18流來的中間壓力的致冷劑合流后，由第2電動膨脹閥8減壓·膨脹。在上述中間壓力的路徑上，設(shè)置用于防止逆流的單向閥17。
從電動膨脹閥8出來的致冷劑經(jīng)單向閥12，進(jìn)入膨脹機(jī)3，進(jìn)一步膨脹。此時，致冷劑的能量作為膨脹機(jī)3的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動被回收。這與冷卻運(yùn)轉(zhuǎn)時相同。從膨脹機(jī)3出來的致冷劑經(jīng)單向閥13，在第1電動膨脹閥7、毛細(xì)管14中進(jìn)一步被減壓，到達(dá)熱源側(cè)熱交換器4。在熱源側(cè)熱交換器4中，致冷劑一邊蒸發(fā)，一邊從空氣中吸熱。從熱源側(cè)熱交換器4出來的致冷劑經(jīng)四通閥6，被吸入副壓縮機(jī)2，受到壓縮。從副壓縮機(jī)2出來的致冷劑再次被吸入主壓縮機(jī)1的第一級壓縮部101。
致冷劑罐19設(shè)置在熱源側(cè)熱交換器4和利用側(cè)熱交換器5之間，致冷劑通過兩通閥20以及21，進(jìn)行罐的出入。在加熱運(yùn)轉(zhuǎn)時，在致冷劑進(jìn)入致冷劑罐19時，兩通閥21開啟，在從致冷劑罐19中抽取致冷劑時，兩通閥20開啟。象這樣，可以適當(dāng)?shù)乇３衷谘h(huán)中循環(huán)的致冷劑量。
通過圖2，就本實施例的冷凍循環(huán)裝置的膨脹·壓縮機(jī)的效果進(jìn)行說明。圖2表示二氧化碳致冷劑等超臨界冷凍循環(huán)的莫里爾焓熵圖(壓力-熱函線圖)。超臨界循環(huán)是指圖2的高壓側(cè)壓力(從B到C的壓力)超過了臨界點(diǎn)的壓力的循環(huán)。在圖2中，用虛線表示不具有膨脹機(jī)的以往的通常的超臨界循環(huán)。
首先，就冷卻運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行說明。膨脹過程C-D是等焓變化，與熱函軸垂直。在通過膨脹機(jī)進(jìn)行膨脹的情況下，膨脹過程為圖2的C-E，接近等熵變化。蒸發(fā)能力相對于沒有膨脹機(jī)的情況下為he，由于具有了膨脹機(jī)，而使he’增大。因為冷卻能力是用致冷劑流量Gr和蒸發(fā)器出入口的熱函差的乘積表示，所以通過設(shè)置膨脹機(jī)，可以增大冷卻能力。而且，因為通過使用由膨脹機(jī)3回收的能量，作為副壓縮機(jī)2的動力，使副壓縮機(jī)產(chǎn)生的熱函和壓力沿圖2的A-F變化，在主壓縮機(jī)1中，沿F-B變化，所以主壓縮機(jī)1的熱函差從以往循環(huán)的hcp減少至hcp1。因為主壓縮機(jī)的動力是用致冷劑流量Gr與主壓縮機(jī)的出入口的熱函差的乘積表示的，所以可以降低主壓縮機(jī)的動力。在圖2中，hcp2是由膨脹機(jī)3回收的能量中的賦予副壓縮機(jī)2的動力的量，即表示主壓縮機(jī)1的動力降低的量。象這樣，因為冷卻能力增加，壓縮機(jī)的動力降低，所以可以提高冷凍循環(huán)裝置的COP(性能系數(shù))，實現(xiàn)節(jié)能運(yùn)轉(zhuǎn)。
在加熱運(yùn)轉(zhuǎn)中，因為加熱側(cè)的熱函差hc沒有根據(jù)膨脹機(jī)變化，所以加熱能力沒有改變，但主壓縮機(jī)的動力與冷卻運(yùn)轉(zhuǎn)時一樣，也是減少。因此，即使是在加熱運(yùn)轉(zhuǎn)時，因為壓縮機(jī)的動力也降低，所以可以提高冷凍循環(huán)裝置的COP(性能系數(shù))，實現(xiàn)節(jié)能運(yùn)轉(zhuǎn)。
在上述實施例中，是將主壓縮機(jī)1作為二級壓縮機(jī)，通過圖3，對其動作進(jìn)行說明(中間壓力控制循環(huán))。從主壓縮機(jī)的第一級壓縮部101的出口，即第二級壓縮部102的入口(將這部分稱為中間壓力部)，將致冷劑的一部分分配到成為高壓側(cè)的熱交換器4或5。若將在第一級壓縮部101中流動的致冷劑流量作為Gr，將從中間壓力部向高壓側(cè)熱交換器4或5分配的致冷劑流量作為Gr1，則在第二級壓縮部102中流動的致冷劑流量為Gr-Gr1，第一級壓縮部的熱函差為hcp3，第二級壓縮部的熱函差為hcp4。通過調(diào)整致冷劑流量Grl，可以在使第二級壓縮部的排出側(cè)壓力保持均等的條件下，調(diào)整第一級壓縮部的壓力差和第二級壓縮部的壓力差。通過使第一級壓縮部的壓力差和第二級壓縮部的壓力差近似相等，可以減少從第一級和第二級的各自的壓縮部中的高壓側(cè)到低壓側(cè)的致冷劑泄漏總量，由于提高了主壓縮機(jī)全體的體積效率和全隔熱效率，所以可以降低主壓縮機(jī)1的動力。通過毛細(xì)管14或15，調(diào)整由中間壓力部所分配的致冷劑的流量Grl。若用電動膨脹閥等的可變調(diào)節(jié)裝置代替毛細(xì)管，則可以根據(jù)各種運(yùn)轉(zhuǎn)條件，調(diào)整流量Grl，進(jìn)一步提高效率。
通過圖1以及圖4，說明圖1所示的致冷劑罐19和減壓機(jī)構(gòu)(毛細(xì)管)22、23的功能。致冷劑罐19通過使存留在其中的致冷劑量變化，具有調(diào)整在循環(huán)中循環(huán)的致冷劑的總量的功能。通過使致冷劑出入致冷劑罐19，高壓側(cè)的壓力產(chǎn)生變化。例如，在冷卻運(yùn)轉(zhuǎn)中，在如圖4的實線所示的循環(huán)ABCD中運(yùn)轉(zhuǎn)時，若低壓側(cè)的閥門21開啟，將致冷劑罐19的致冷劑放出到運(yùn)動的循環(huán)內(nèi)，則高壓側(cè)的壓力上升，如虛線的循環(huán)A′B′C′D′那樣變化。冷卻運(yùn)轉(zhuǎn)時，若假設(shè)成為放熱器的熱源側(cè)熱交換器的出口側(cè)溫度相同，則從C到C′的變化是沿等溫線的變化。此時，利用側(cè)熱交換器(冷卻運(yùn)轉(zhuǎn)時是蒸發(fā)器)的出入口的熱函差從圖4的Δhe變化到Δhe′，再有，壓縮機(jī)出入口的熱函差從Δhcp變化到Δhcp′。表示冷凍循環(huán)的性能的COP是蒸發(fā)器出入口的熱函差除以壓縮機(jī)出入口的熱函差，因此，COP從Δhe/Δhcp變化為Δhe′/Δhcp′。
因為圖4的等溫線的傾斜并非一定，另外壓縮時的等熱熵線的傾斜也發(fā)生變化，所以COP的值根據(jù)高壓側(cè)的壓力變化，存在COP達(dá)到最大的高壓側(cè)壓力。因此，在成為放熱器的熱交換器的出口，設(shè)置檢測溫度的溫度傳感器32、33，另外，對應(yīng)放熱器(冷卻運(yùn)轉(zhuǎn)時為熱源側(cè)熱交換器4，加熱運(yùn)轉(zhuǎn)時為利用側(cè)熱交換器5)的出口溫度，預(yù)先讀取COP達(dá)到最大的壓縮機(jī)排出壓力的數(shù)據(jù)，將其存儲到控制裝置26的記憶裝置中。將與由溫度傳感器32或33檢測出的溫度相對應(yīng)的適宜壓力，與壓縮機(jī)排出壓力傳感器24檢測出的壓力進(jìn)行比較，根據(jù)其差，調(diào)節(jié)閥門20或21的開度或開啟時間，控制罐內(nèi)的致冷劑量，使壓縮機(jī)排出壓力達(dá)到目標(biāo)值。通過這樣的控制，可以適宜地控制排出壓力，可以得到高COP。
為了防止因為罐內(nèi)的劇烈的致冷劑量的變化而造成的控制不穩(wěn)定，在本實施例中，設(shè)置毛細(xì)管(減壓機(jī)構(gòu))22、23。另外，若使用電動膨脹閥代替毛細(xì)管22、23，則也可控制更微小的致冷劑量。
接著，就電動膨脹閥7、8以及9的控制進(jìn)行說明。在冷卻運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，通常是控制第1膨脹閥7的調(diào)節(jié)量，第2膨脹閥8為全開，第3膨脹閥9為全閉?？刂蒲b置26控制膨脹閥7，使由副壓縮機(jī)2的吸入致冷劑溫度傳感器25檢測出的吸入溫度，和與由副壓縮機(jī)吸入壓力傳感器28檢測出的壓力對應(yīng)的飽和溫度的差，即副壓縮機(jī)的吸入過熱達(dá)到目標(biāo)值。
即使是在膨脹閥7全開，過熱仍大于規(guī)定值的情況下，通過控制裝置26，控制旁通回路的第3膨脹閥9，據(jù)此也可控制副壓縮機(jī)的吸入過熱。
在加熱運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，通?？刂频?膨脹閥8的調(diào)節(jié)量，第1膨脹閥7為全開，第3膨脹閥9為全閉。第2膨脹閥8的調(diào)節(jié)量與冷卻運(yùn)轉(zhuǎn)的情況相同，也是根據(jù)副壓縮機(jī)2的吸入過熱來控制。即使是在第2膨脹閥8全開，過熱仍大于規(guī)定值的情況下，控制裝置26通過控制旁通回路的第3膨脹閥9，也可以控制副壓縮機(jī)的吸入過熱。
另外，可以根據(jù)副壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)或外氣溫度，設(shè)定副壓縮機(jī)的排出溫度的目標(biāo)值，以此代替副壓縮機(jī)的吸入過熱，用以控制第1膨脹閥7，使排出溫度達(dá)到目標(biāo)值，即使是在膨脹閥7全開，排出溫度仍高于目標(biāo)值的情況下，也可以通過第3膨脹閥9，控制排出溫度達(dá)到目標(biāo)值。
在本實施例中，是以將利用側(cè)熱交換器5與冷溫水進(jìn)行熱交換的形態(tài)為例進(jìn)行的說明，例如蒸汽泵式水冷單元那樣的形態(tài)，也可以如成套空調(diào)那樣，將利用側(cè)熱交換器作為與空氣進(jìn)行熱交換的熱交換器。
根據(jù)本實施例，因為是將由膨脹機(jī)3回收的能量用于副壓縮機(jī)2的動力，所以可以降低冷凍循環(huán)裝置的電力等的消耗能源。另外，因為除了主壓縮機(jī)1以外，設(shè)置有與膨脹機(jī)3直接連結(jié)的副壓縮機(jī)2，所以可以將從壓縮機(jī)側(cè)到膨脹機(jī)側(cè)的熱泄漏限制到很小，可以確保高效率。再有，根據(jù)本實施例，是通過將主壓縮機(jī)1的中間壓力部控制在適宜的壓力，也可以使壓縮機(jī)效率提高，可以降低消耗能量。另外，也可以適宜地調(diào)節(jié)冷凍循環(huán)中的致冷劑量，據(jù)此，提高冷凍循環(huán)的效率，可以尋求消耗能量的降低。
通過圖5，說明本發(fā)明的其他實施例。在圖5中，與圖1的實施例不同之處在于氣體噴射循環(huán)，該氣體噴射循環(huán)為在膨脹機(jī)3的出口設(shè)置氣液分離器29，將由該氣液分離器29分離的氣體致冷劑噴入主壓縮機(jī)1的中間壓力部，即第一級壓縮部101和第二級壓縮部102的中間。
首先，說明該氣體噴射循環(huán)在冷卻運(yùn)轉(zhuǎn)時的動作。在圖5中，實線的箭頭表示在冷卻運(yùn)轉(zhuǎn)時的致冷劑的流動。從主壓縮機(jī)1的第二級壓縮部102出來的致冷劑，以實線的方向流向四通閥6，通過熱源側(cè)熱交換器4，由外氣空氣放熱，受到冷卻。從熱源側(cè)熱交換器4出來的致冷劑穿過第1電動膨脹閥7。電動膨脹閥7調(diào)整為或是全開，或是有若干調(diào)節(jié)程度的開度。來自電動膨脹閥7的致冷劑穿過單向閥10，進(jìn)入膨脹機(jī)3，在這里一邊膨脹，一邊其能量被回收。從膨脹機(jī)3出來的致冷劑進(jìn)入氣液分離器29，被分離為氣體和液體。分離后的氣體致冷劑從氣液分離器29的中央的管路流出，經(jīng)兩通閥30、單向閥31，被噴入主壓縮機(jī)1的中間壓力部。由氣液分離器29分離出的液體致冷劑從圖的左側(cè)的管路流出，穿過單向閥11，在第2電動膨脹閥8中減壓·膨脹，在利用側(cè)熱交換器5中蒸發(fā)·吸熱，冷卻作為二次致冷劑35的冷卻水。從利用側(cè)熱交換器5出來的致冷劑穿過四通閥6的實線流路，被副壓縮機(jī)2壓縮，到達(dá)主壓縮機(jī)1。在主壓縮機(jī)1中，由第一級壓縮部101壓縮至中間的壓力，與來自氣液分離器29的致冷劑氣體合流，被吸入第二級壓縮部102，被進(jìn)一步壓縮后排出。
在加熱運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，致冷劑向如圖5的虛線所示的箭頭方向流動，致冷劑由利用側(cè)熱交換器5放熱，由熱源側(cè)熱交換器4蒸發(fā)·吸熱。由于基本的動作與上述冷卻運(yùn)轉(zhuǎn)的情況相同，所以省略其說明。
通過圖6的莫里爾焓熵圖，說明在圖5的實施例中的膨脹機(jī)3和氣體噴射回路的效果。假定致冷劑為二氧化碳致冷劑等在高壓側(cè)為超臨界的致冷劑。圖6所示的虛線表示沒有膨脹機(jī)或噴射回路的以往的冷凍循環(huán)裝置的情況，因為與圖2的說明相同，所以在這里省略說明。圖6中實線所示為本實施例，在該圖中，A點(diǎn)相當(dāng)于副壓縮機(jī)2的吸入。在副壓縮機(jī)2中，從A壓縮到F，再有由主壓縮機(jī)1的第一級壓縮部101從圖的F點(diǎn)壓縮到G點(diǎn)。在第一級壓縮部101的出口中，與來自氣液分離器29的致冷劑氣體合流，達(dá)到J點(diǎn)之前，熱函較低。從這里開始，在主壓縮機(jī)1的第二級壓縮部102中進(jìn)行進(jìn)一步的壓縮，達(dá)到K點(diǎn)。從K點(diǎn)到C點(diǎn)，在冷卻運(yùn)轉(zhuǎn)時，致冷劑在熱源側(cè)熱交換器4中放熱，在加熱運(yùn)轉(zhuǎn)時，在利用側(cè)熱交換器5中放熱。接著，在膨脹機(jī)3中膨脹，熱函和壓力降低，直至到達(dá)H點(diǎn)。
由氣液分離器29分離的氣體致冷劑被噴射到主壓縮機(jī)1的中間壓力部。這用從H到J的路徑表示。液體致冷劑熱函降低，達(dá)到L點(diǎn)，進(jìn)一步通過電動膨脹閥7或8膨脹·減壓，達(dá)到E點(diǎn)。從E點(diǎn)到A點(diǎn)，冷卻運(yùn)轉(zhuǎn)時，在利用側(cè)熱交換器5中蒸發(fā)·吸熱，在加熱運(yùn)轉(zhuǎn)時，在熱源側(cè)熱交換器4中蒸發(fā)·吸熱，到達(dá)A點(diǎn)，完成1個循環(huán)。
根據(jù)本實施例，在冷卻運(yùn)轉(zhuǎn)中具有以下的效果。即，在圖6中，低壓側(cè)(利用側(cè)熱交換器5)的致冷劑流量與以往的循環(huán)相同，為Gr，在以往的循環(huán)的利用側(cè)熱交換器中的出入口的熱函差he僅增加了膨脹機(jī)3產(chǎn)生的效果hexp和氣體噴射產(chǎn)生的效果hinj之和的量，為he′。因此，冷卻能力增加，該冷卻能力為蒸發(fā)器出入口的熱函差和致冷劑流量的乘積。
另一方面，主壓縮機(jī)的第一級壓縮部101的熱函差與以往的循環(huán)相比有所減少，為hcp3，可以減少主壓縮機(jī)的第一級壓縮部的輸入，在該以往的循環(huán)中，副壓縮機(jī)2的動力僅為由膨脹機(jī)回收之中的有效部分的hcp1。在主壓縮機(jī)的第二級壓縮部102中，致冷劑流量從以往的循環(huán)的Gr增加到Gr+Grl，另一方面，熱函差從hcp4減少到hcp5。因為輸入(壓縮機(jī)動力)是致冷劑流量和壓縮機(jī)出入口的熱函差的乘積，所以也可以減少第一級和第二級的壓縮部的合計輸入。因為冷卻能力增加，主壓縮機(jī)的輸入減少，所以可以提高COP(性能系數(shù))，實現(xiàn)節(jié)能運(yùn)轉(zhuǎn)。
在加熱運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，高壓側(cè)(利用側(cè)熱交換器5)的致冷劑循環(huán)量從Gr增加到Gr+Grl，熱函差從hc減少到hc′。通常，因為致冷劑循環(huán)量的增加比例大于熱函的減少比例，所以也增加了加熱能力。對于輸入，則與冷卻運(yùn)轉(zhuǎn)的情況相同，是減少。因此，在加熱運(yùn)轉(zhuǎn)時，也可以提高COP，實現(xiàn)節(jié)能運(yùn)轉(zhuǎn)。
根據(jù)圖5的實施例，因為是將由膨脹機(jī)回收的能量用于副壓縮機(jī)的動力，所以可以降低冷凍循環(huán)裝置的消耗能量。另外，根據(jù)本實施例，因為是將由氣液分離器分離的氣體致冷劑噴入主壓縮機(jī)的中間壓力部分，所以可以提高冷凍循環(huán)的效率，降低能量消耗，該氣液分離器設(shè)置在膨脹機(jī)的出口上。
如上所說明的那樣，根據(jù)本發(fā)明，因為是利用由膨脹機(jī)回收的能量，驅(qū)動副壓縮機(jī)，該副壓縮機(jī)與主壓縮機(jī)分別設(shè)置，所以可以降低從主壓縮機(jī)到膨脹機(jī)的熱泄漏，同時也可以大幅提高冷凍循環(huán)裝置的效率，其結(jié)果是具有可以實現(xiàn)節(jié)能運(yùn)轉(zhuǎn)的效果。
另外，通過設(shè)置第1-第3膨脹閥并進(jìn)行控制，可以適宜地保持膨脹機(jī)前后的壓力差或在膨脹機(jī)中流動的致冷劑流量。
再有，在作為主壓縮機(jī)而采用的二級壓縮機(jī)中，或是通過將第一級壓縮部的排出壓力(中間壓力部)的一部分旁通到放熱器側(cè)，或是在膨脹機(jī)下游，將被氣液分離的氣體致冷劑噴入上述中間壓力部，就可以使主壓縮機(jī)排出側(cè)壓力為適宜的壓力。
另外，通過設(shè)置致冷劑罐，也可以適宜地控制在冷凍循環(huán)中循環(huán)的致冷劑量。
雖然上述的記載是就實施例進(jìn)行的，但本行業(yè)的人員明白，本發(fā)明可以在其主旨和隨附的權(quán)利要求的范圍內(nèi)進(jìn)行各種的變更以及修改。
權(quán)利要求
1.一種冷凍循環(huán)裝置，具有兩級壓縮機(jī)、利用側(cè)熱交換器、減壓裝置、熱源側(cè)熱交換器以及四通閥，該兩級壓縮機(jī)具有第一級壓縮部以及第二級壓縮部，通過上述四通閥進(jìn)行上述利用側(cè)熱交換器的冷卻運(yùn)轉(zhuǎn)和加熱運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)換，其特征在于，使上述兩級壓縮機(jī)的第一級壓縮部的排出流路分支，一方與上述第二級壓縮部的吸入流路連接，另一方與流路轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)連接，該流路轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)對流向上述利用側(cè)熱交換器的流路和流向上述熱源側(cè)熱交換器的流路進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
2.如權(quán)利要求1所述的冷凍循環(huán)裝置，其特征在于，作為構(gòu)成冷凍循環(huán)的致冷劑使用二氧化碳。
全文摘要
一種冷凍循環(huán)裝置，具有兩級壓縮機(jī)、利用側(cè)熱交換器、減壓裝置、熱源側(cè)熱交換器以及四通閥，該兩級壓縮機(jī)具有第一級壓縮部以及第二級壓縮部，通過上述四通閥進(jìn)行上述利用側(cè)熱交換器的冷卻運(yùn)轉(zhuǎn)和加熱運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)換，使上述兩級壓縮機(jī)的第一級壓縮部的排出流路分支，一方與上述第二級壓縮部的吸入流路連接，另一方與流路轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)連接，該流路轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)對流向上述利用側(cè)熱交換器的流路和流向上述熱源側(cè)熱交換器的流路進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
文檔編號F25B11/02GK1808016SQ200610005090
公開日2006年7月26日 申請日期2004年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月9日
發(fā)明者舟越砂穗, 香曾我部弘勝, 遠(yuǎn)藤和廣, 東條健司, 松島弘章 申請人:株式會社日立制作所, 日立空調(diào)系統(tǒng)株式會社