CN100575817C

CN100575817C - 制冷循环装置

Info

Publication number: CN100575817C
Application number: CN200680015476A
Authority: CN
Inventors: 田村朋一郎; 本间雅也; 小森晃; 斋藤哲哉
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-05-06
Filing date: 2006-04-27
Publication date: 2009-12-30
Anticipated expiration: 2026-04-27
Also published as: JP4912308B2; US20090031738A1; US7886550B2; JPWO2006120922A1; WO2006120922A1; CN101171465A

Abstract

本发明提供一种制冷循环装置，其依次串联压缩制冷剂的压缩机(1)、使从该压缩机(1)喷出的制冷剂散热的散热器(2)、使来自该散热器(2)的制冷剂膨胀的膨胀机(3)、使来自该膨胀机(3)的制冷剂蒸发的蒸发器(5)，并且设置调节流入膨胀机(3)的制冷剂量的制冷剂流量调节机构、控制压缩机(1)和制冷剂流量调节机构的控制器，在压缩机(1)的停止时，控制器控制制冷剂流量调节机构，减少向膨胀机(3)流入的制冷剂量。

Description

制冷循环装置

技术领域

本发明涉及有效回收由制冷剂的膨胀产生的能量的制冷循环装置。

背景技术

近年，作为实现制冷循环装置的进一步高效率化的方法，提出了代替膨胀阀而设置膨胀机，在制冷剂膨胀的过程中，通过膨胀机以电力或动力的形式回收其膨胀能量，并将压缩机的输入降低其回收量的回收型制冷循环(例如，参照专利文献1)。

图10表示专利文献1中记载的以往的制冷循环装置。压缩机1由电动机或行驶用发动机等驱动机构(未图示)驱动，吸入压缩制冷剂。从该压缩机1喷出的高温高压的制冷剂由散热器2冷却。然后，从散热器2流出的制冷剂由膨胀机3减压膨胀。该膨胀机3将流入的制冷剂的膨胀能量变换为机械能量(刚体动能)，将变换的机械能量(刚体动能)提供给发电机4，由此产生电力。由膨胀机3减压膨胀的制冷剂由蒸发器5蒸发气化后，再次向压缩机1吸入。

这样的制冷循环装置将膨胀能量变换为机械能量，使膨胀机3膨胀做功，同时将制冷剂减压，所以从散热器2流出的制冷剂如图11所示，沿着等熵线(c→d)进行相变，同时使焓降低。因此，与在制冷剂的减压时不膨胀做功而单纯进行绝热膨胀的情况(等焓变化的情况)相比，能使蒸发器5的制冷剂入口侧和制冷剂出口侧的制冷剂的比焓差增大膨胀做功Δiexp量，因此能使制冷能力增大。此外，能对发电机4供给膨胀做功Δiexp量的机械能量(刚体动能)，所以用发电机4能产生(Δiexp量×发电效率)的电力。而且，将产生的电力提供给压缩机1，能降低压缩机1的驱动所需要的电力的输入，能提高制冷循环的制冷系数(COP)。

专利文献1：特开2000-329416号公报

可是，在压缩机1停止时，由于在压缩机1的运转中产生的制冷循环中的压力差，制冷剂从散热器2侧移动到蒸发器5侧。在所述以往的结构中，从散热器2侧移动的制冷剂流入膨胀机3内，与膨胀机3内的储油器中存在的油接触。膨胀机3停止时，大量的油贮存在储油器中，并且尤其在低温状态下，制冷剂大量溶解在油中。因此，再起动制冷循环装置时，制冷循环装置内的制冷循环量不足。此外，通过大量的制冷剂的进入，膨胀机3内的油粘度下降。

如果制冷循环量不足，则蒸发器5的制冷剂压力下降，从而蒸发器5的配管和散热片温度下降。而且，在温度变为0℃以下时，在蒸发器5的配管和散热片上结霜，所以蒸发器5的通风阻力增大，在最差的情况下，有可能堵塞。在蒸发器5堵塞时，蒸发器5的风量大幅度下降，热交换量极端下降。其结果，压缩机1吸入并压缩蒸发器5的液制冷剂，从而压缩机1有可能损伤。此外，膨胀机3内的油的粘度下降，由此在膨胀机3的滑动面产生损伤，有可能使膨胀机3的可靠性下降。

发明内容

本发明是鉴于以往技术具有的这样的问题而提出的，其目的在于，在压缩机停止时使流入膨胀机壳内的制冷剂量降低，减少制冷剂向膨胀机壳内油的溶解量，由此实现更稳定的制冷循环装置的起动。

为了实现所述的目的，本发明的制冷循环装置的特征在于：依次串联压缩制冷剂的压缩机；使从所述压缩机喷出的制冷剂散热的散热器；使来自该散热器的制冷剂膨胀的膨胀机；使来自该膨胀机的制冷剂蒸发的蒸发器，并且还具有：调节流入膨胀机的制冷剂量的制冷剂流量调节机构；控制压缩机和制冷剂流量调节机构的控制器，在压缩机停止时，控制器控制制冷剂流量调节机构，减少向膨胀机流入的制冷剂量。

根据本发明的制冷循环装置，在压缩机停止时减少流入膨胀机内的制冷剂量，减少制冷剂向膨胀机内的油的溶解量，由此能实现制冷循环装置的更稳定的起动。

附图说明

图1是本发明实施方式1的制冷循环装置的结构图。

图2是图1的制冷循环装置中使用的内部高压型膨胀机的纵剖视图。

图3是图1的制冷循环装置的变形例的结构图。

图4是本发明实施方式2的制冷循环装置的结构图。

图5是本发明实施方式2的控制流程图。

图6是本发明实施方式3的制冷循环装置的结构图。

图7是本发明实施方式3的控制流程图。

图8是本发明实施方式4的制冷循环装置的结构图。

图9是本发明实施方式4的控制流程图。

图10是以往的制冷循环装置的结构图。

图11是制冷循环装置的莫里尔图。

符号说明

1-压缩机；2-散热器；3-膨胀机；4-发电机；5-蒸发器；6-开闭阀；7-旁通回路；8-开闭阀；9-三通阀；10-旁通回路；11-第一开闭阀；12-第二开闭阀；13-旁通回路；14-压缩机喷出温度检测器；15-开闭阀；16-室内温度检测器；17-库内温度检测器；21、22、23、24-控制器。

具体实施方式

以下，参照附图，说明本发明的实施方式。

实施方式1

图1表示本发明实施方式1的制冷循环装置的概略图。还有，关于与背景技术相同的结构，标注相同的符号。

如图1所示，依次串联地通过配管连接压缩机1、散热器2、开闭阀6、回收制冷剂的膨胀能量的膨胀机3、蒸发器5，构成实施方式1的制冷循环装置，作为制冷剂而密封有二氧化碳。此外，该制冷循环装置具有控制压缩机1和开闭阀6的控制器21，开闭阀6作为调节流入膨胀机3的制冷剂量的制冷剂流量调节机构起作用。还有，在本实施方式中，作为膨胀机3，使用内部高压型的膨胀机。

在膨胀机3中，制冷剂的膨胀能量变换为机械能量(刚体动能)。将变换的机械能量(刚体动能)提供给发电机4，产生电力，该产生的电力利用为压缩机1的驱动源等。

关于在家庭用热水器中应用了如上构成的制冷循环装置的情况，根据图11所示的莫里尔图，说明通常运转时的制冷剂的能量状态变化。

低温低压的制冷剂由压缩机1压缩，成为高温高压的制冷剂，从压缩机1喷出(a→b)。从压缩机1喷出的制冷剂由散热器2与自来水进行热交换，将自来水加热到约80℃的高温，向膨胀机3流入(b→c)。在膨胀机3进行等熵膨胀，产生机械能量，同时减压，到达蒸发器5(c→d)。这时，通过控制器21，开闭阀6变为全开状态。然后，在蒸发器5内，与屋外的空气进行热交换的制冷剂变为气体状态，然后通过吸入配管向压缩机1吸入(d→a)。

通过这样的制冷剂的状态变化，散热器2不仅作为热水器还作为制暖设备、自动贩卖机等的加热源使用时，能将由发电机4产生的电力作为压缩机1的驱动源使用，与以往的使用膨胀阀或毛细管而进行等焓膨胀的制冷循环装置比较，能降低压缩机1的动力的输入，因此效率提高。

另一方面，在家庭用冰箱、业务用冰箱、制冷装置、制冰机、自动贩卖机等的冷却源中使用蒸发器5时，能将发电机4中产生的电力作为压缩机1的驱动源利用，与以往的使用膨胀阀或毛细管而进行等焓膨胀的制冷循环装置比较，能降低压缩机1的动力的输入，并且制冷效果(蒸发器5的制冷剂入口侧和制冷剂出口侧的制冷剂的比焓差)增加，所以效率进一步提高。

此外，在本实施方式1中，作为制冷剂，使用二氧化碳，所以与使用HFC制冷剂的制冷循环相比，制冷循环内的高低压力差增大，能增加膨胀机3的回收能量的量，节能效果大。

下面，说明压缩机1的停止时的控制方法。

不论制冷循环装置的用途如何，在用户选择了制冷循环装置的停止时，制冷循环装置的停止信号向控制器21输入，控制器21停止压缩机1的运转，并且对开闭阀6进行关闭控制。通过开闭阀6的关闭控制，压缩机1的运转停止后，能遮断从散热器2侧流入膨胀机3的制冷剂。此外，作为膨胀机3，使用内部高压型膨胀机，能降低从蒸发器5侧流入膨胀机3内的制冷剂。

接着，参照图2说明内部高压型膨胀机的一个例子。

如图2所示，在内部高压型膨胀机中，通过入口侧配管30，在密封容器31内吸入高压制冷剂。该高压制冷剂通过吸入孔32流入第一驱动缸33内，在第一驱动缸33内膨胀。这时，通过制冷剂的膨胀力，第一辊34旋转。在第一驱动缸33内膨胀的制冷剂通过连通孔35流入第二驱动缸36内，在第二驱动缸36内进一步膨胀，通过制冷剂的膨胀力，第二辊37旋转。然后，在第二驱动缸36内膨胀的低压制冷剂经过喷出孔38和喷出孔39，从出口侧配管40喷出。

如上所述，如果第一辊34和第二辊37旋转，则第一辊34内和第二辊37内的第一偏心部41和第二偏心部42旋转，轴43也随之旋转。其结果，发电机4的转子4a旋转，进行发电。即，制冷剂的膨胀能量作为电力回收。

即，在所述结构的内部高压型膨胀机的情况下，密封容器31由高压制冷剂充满，与蒸发器5连通的出口侧配管40处于与膨胀机的机构上高压制冷剂几乎遮断的状态，所以在压缩机1停止时对开闭阀6进行关闭控制，由此能减少流入膨胀机3内的制冷剂量，能防止制冷循环装置再起动时的制冷循环量的不足和膨胀机滑动面的损伤。

尤其，在制冷循环装置的停止时间长时，制冷剂溶解，直到在油中饱和，所以长时间停止制冷循环装置时，该效果变得显著。

压缩机1在电流停止时刻，瞬时停止，所以，即使在对压缩机1提供停止信号的同时输出开闭阀6的始动命令，也不担心会发生压缩机1的喷出压力异常上升等关于安全性的问题。因此，希望同时进行压缩机1的停止控制和开闭阀6的关闭控制，但是，如果开闭阀6的关闭动作开始是从向压缩机1的电流停止到制冷剂向膨胀机3内的油的溶解饱和的期间，则具有减少制冷剂向油的溶解量的效果。因此，作为开闭阀6，例如最希望是电磁阀等能紧急关闭的阀，但是例如膨胀阀等缓慢关闭类型也有效果。

还有，在本实施方式1中，采用了在膨胀机3将制冷剂的膨胀能量变换为机械能量(刚体动能)，将变换的机械能量(刚体动能)提供给发电机4，从而产生电力的结构，但是采用由一轴直接连接压缩机1和膨胀机3的轴，将膨胀能量作为机械能量(刚体动能)直接回收的结构时，也能取得同样的效果。

此外，在本实施方式1中，作为制冷剂，使用了二氧化碳，但是使用二氧化碳以外的自然制冷剂(例如，氨制冷剂或HC制冷剂)或HFC制冷剂时，当然也能取得同样的效果。

此外，在本实施方式1中，作为膨胀机3，使用内部高压型膨胀机，由此减少从蒸发器5侧流入膨胀机3内的制冷剂量，但是如图3所示，如果在膨胀机3的低压侧即膨胀机3和蒸发器5之间再配置开闭阀15，则在压缩机1停止时，对膨胀机3前后的2个开闭阀6、15进行关闭控制，由此能完全遮断流入膨胀机3内的制冷剂。

在本发明中，作为膨胀机3，也能使用内部低压型膨胀机。在内部低压型膨胀机的情况下，在图2的结构中，直接连接入口侧配管30和第一驱动缸33，从喷出孔39向密闭容器31内喷出低压制冷剂，所以密封容器31由低压制冷剂充满，与散热器2连通的入口侧配管30处于与膨胀机的机构上低压制冷剂几乎遮断的状态。因此，在膨胀机3和蒸发器5之间配置开闭阀15，在压缩机1停止时对开闭阀15进行关闭控制，由此能减少流入膨胀机3内的制冷剂量，能防止制冷循环装置再起动时的制冷循环量的不足和膨胀机滑动面的损伤。

当然，使用了内部低压型膨胀机时，如图3所示，如果在膨胀机3的高压侧即膨胀机3和散热器2之间再配置开闭阀6，则在压缩机1的停止时，对膨胀机3前后的2个开闭阀6、15进行关闭控制，由此能完全遮断流入膨胀机3内的制冷剂。

此外，在本实施方式1中，作为用户选择了制冷循环装置的停止的情况，说明了压缩机1的停止动作，但是在是制暖装置时室内温度检测器检测到设定温度以上而停止压缩机1的情况等、根据压缩机1的控制规则来停止压缩机1的情况，也同样。

实施方式2

图4表示本发明实施方式2的制冷循环装置的概略图。还有，关于与背景技术相同的结构，标注相同的符号。此外，关于与图1相同的结构，省略说明。

在图4中，是如下的结构：依次串联地通过配管连接压缩制冷剂的压缩机1、使从该压缩机1喷出的制冷剂散热的散热器2、回收制冷剂的膨胀能量的膨胀机3、使来自膨胀机3的制冷剂蒸发的蒸发器5，使膨胀机3旁通的旁通回路7和配置在该旁通回路7上的开闭阀8作为调节流入膨胀机3的制冷剂量的制冷剂流量调节机构设置。此外，作为制冷剂，密封有二氧化碳。

下面，参照图5的控制流程图，说明压缩机1的停止时的控制方法。

例如，在制暖设备的情况下，在步骤S1中关闭开闭阀8的状态下，在步骤S2中，由控制器22起动压缩机1。在接着的步骤S3中，通过安装在散热器2附近的室内温度检测器(周围温度检测器)16来检测室内温度，在步骤S4中，比较由室内温度检测器16检测出的室内温度和设定温度Ta。如果判断为检测出的室内温度比设定温度Ta低，则返回到步骤S3，另一方面，如果判断为检测出的室内温度在设定温度Ta以上，则转移到步骤S5，为了调整配置在室内侧的散热器2的加热能力，由控制器22停止压缩机1。此外，几乎同时，由控制器22进行开闭阀8的开放控制。

与旁通回路7比较，膨胀机3侧的回路的流路阻力大，所以制冷剂优先流入旁通回路7侧。即，少量的制冷剂流入膨胀机3内，但是大部分制冷剂通过旁通回路7侧，所以不仅能减少流入膨胀机3内的制冷剂，还能降低散热侧压力，能提高制冷循环装置的安全性。

然后，在步骤S6中，通过室内温度检测器16检测室内温度，在步骤S7中，比较由室内温度检测器16检测出的室内温度和设定温度Ta。如果判断为检测出的室内温度为设定温度Ta以上，则返回到步骤S6，另一方面，如果判断为检测出的室内温度比设定温度Ta低，则返回到步骤S1，对开闭阀8进行关闭控制。

根据本结构，使用制冷循环装置作为制暖机时，使室内温度收敛在设定温度附近，所以在重复压缩机1的起动、停止时，也能避免制冷循环装置再起动时的制冷剂循环量不足和膨胀机3的滑动面的损伤。此外，根据本结构，能维持最佳制冷剂循环量，所以能避免制冷循环装置的效率下降，与以往例相比，具有节能效果。

还有，在本实施方式2中，作为室内温度检测器16检测到设定温度Ta以上而停止压缩机1的情况，说明了压缩机1的停止动作，但是用户选择了制冷循环装置的停止的情况，也同样。

实施方式3

图6表示本发明实施方式3的制冷循环装置的概略图。还有，关于与背景技术相同的结构，标注相同的符号。此外，关于与图1相同的构成要素，省略说明。

在图6中，是如下的结构：依次串联地通过配管连接压缩制冷剂的压缩机1、使从该压缩机1喷出的制冷剂散热的散热器2、回收制冷剂的膨胀能量的膨胀机3、使来自膨胀机3的制冷剂蒸发的蒸发器5，使膨胀机3旁通的旁通回路10、切换经由旁通回路10的流路和经由膨胀机3的流路的三通阀9作为调节流入膨胀机3的制冷剂量的制冷剂流量调节机构设置。此外，作为制冷剂，密封有二氧化碳。

下面，参照图7的控制流程图，说明压缩机1的停止时的控制方法。

例如，在冷气装置时，在步骤S11中，在将三通阀9控制为关闭旁通回路10侧的流路并开放膨胀机3侧的流路的状态下，在步骤S12中，由控制器23起动压缩机1。在步骤S13中，通过安装在蒸发器5附近的库内温度检测器(周围温度检测器)17检测库内温度，在步骤S14中，比较由库内温度检测器17检测出的库内温度和设定温度Tb。如果判断为检测出的库内温度为设定温度Tb以上，则返回到步骤S13，另一方面，如果判断为检测出的库内温度比设定温度Tb低，则转移到步骤S15，为了调整配置在库内侧的蒸发器5的冷却能力，由控制器23停止压缩机1。此外，几乎同时，由控制器23控制三通阀9，将三通阀9切换为开放旁通回路10侧的流路并关闭膨胀机3侧的流路。

于是，在压缩机1停止时，遮断膨胀机3侧的回路，使制冷剂通过旁通回路10侧而进行控制，从而在压缩机1停止时，能遮断流入膨胀机3内的制冷剂，所以与以往例比较，能大幅度降低在膨胀机3内的油中溶解的制冷剂量，并且散热器侧压力也下降，能提高制冷循环装置的安全性。

然后，在步骤S16中，由库内温度检测器17检测库内温度，在步骤S17中，比较由库内温度检测器17检测出的库内温度和设定温度Tb。如果判断为检测出的库内温度比设定温度Tb低，则返回到步骤S16，另一方面，如果判断为检测出的库内温度为设定温度Tb以上，则返回到步骤S11，控制三通阀9。

因此，将制冷循环装置作为制冷机使用时，使库内温度收敛在设定温度附近，所以在重复压缩机1的起动、停止时，也能避免制冷循环装置再起动时的制冷剂循环量不足和膨胀机3的滑动面的损伤。

还有，在本实施方式3中，检测了库内温度，但是也能设置检测蒸发器5的制冷剂的蒸发温度的蒸发温度检测器，代替库内温度检测器。

此外，在本实施方式3中，作为库内温度检测器检测到设定温度以上的情况，说明了压缩机1的停止动作，但是用户选择了制冷循环装置的停止的情况，也同样。

实施方式4

图8表示本发明实施方式4的制冷循环装置的概略图。还有，关于与背景技术相同的结构，标注相同的符号。此外，关于与图1相同的构成要素，省略说明。

在图8中，是如下的结构：依次串联地通过配管连接压缩制冷剂的压缩机1、使从该压缩机1喷出的制冷剂散热的散热器2、第一开闭阀11、回收制冷剂的膨胀能量的膨胀机3、使来自膨胀机3的制冷剂蒸发的蒸发器5，设置使膨胀机3旁通的旁通回路13，并且在旁通回路13上设置第二开闭阀12。在本实施方式中，第一开闭阀11、第二开闭阀12和旁通回路13作为调节流入膨胀机3的制冷剂量的制冷剂流量调节机构起作用。此外，在压缩机1和散热器2之间设置压缩机喷出温度检测器14，检测压缩机1的喷出温度。此外，作为制冷剂，密封有二氧化碳。

下面，参照图9的控制流程图，说明压缩机1的停止时的控制方法。

在步骤S21中，在开放第一开闭阀11并关闭第二开闭阀12的状态下，在步骤S22中，由控制器24起动压缩机1。在接着的步骤S23中，由压缩机喷出温度检测器14检测压缩机1的喷出温度，在步骤S24中，比较由压缩机喷出温度检测器14检测出的喷出温度和设定温度Tc。如果判断为检测出的喷出温度比设定温度Tc低，则返回到步骤S23，另一方面，如果判断为检测出的喷出温度为设定温度Tc以上，则转移到步骤S25，为了保护压缩机，由控制器24停止压缩机1。此外，几乎同时，进行第一开闭阀11的关闭控制和第二开闭阀12的开放控制。

由此，遮断流入膨胀机3的制冷剂的流路，制冷剂通过旁通回路13，流入蒸发器5。因此，在压缩机1的停止时，能遮断流入膨胀机3内的制冷剂，所以与以往例比较，能大幅度降低在膨胀机3内的油中溶解的制冷剂量。

然后，在步骤S26中，由压缩机喷出温度检测器14检测压缩机1的喷出温度，在步骤S27中，比较由压缩机喷出温度检测器14检测出的喷出温度和设定温度Tc。如果判断为检测出的喷出温度为设定温度Tc以上，则返回到步骤S26，另一方面，如果判断为检测出的喷出温度比设定温度Tc低，则返回到步骤S21，控制第一开闭阀11和第二开闭阀12。

根据本结构，制冷循环装置在进行了压缩机1的保护控制时，也能避免避免制冷循环装置再起动时的制冷剂循环量不足和膨胀机3的滑动面的损伤。

还有，在本实施方式4中，作为压缩机喷出温度检测器14检测到设定温度以上的情况，说明了压缩机1的停止动作，但是用户选择了制冷循环装置的停止的情况，也同样。

此外，在本实施方式4中，在压缩机1和散热器2之间设置压缩机喷出温度检测器14，根据由压缩机喷出温度检测器14检测出的压缩机1的喷出温度，控制压缩机1和第一以及第二开闭阀11、12，但是也能代替压缩机喷出温度检测器14，在压缩机1和散热器2之间设置压缩机喷出压力检测器，根据由压缩机喷出压力检测器检测出的压缩机1的喷出压力，控制压缩机1和第一以及第二开闭阀11、12。

此外，在所述实施方式2中，根据由室内温度检测器16检测出的室内温度，在所述实施方式3中，根据由库内温度检测器17检测出的库内温度，在所述实施方式4中，根据由压缩机喷出温度检测器14检测出的压缩机1的喷出温度或由压缩机喷出压力检测器检测出的压缩机1的喷出压力，减少流入膨胀机3的制冷剂量，但是这些检测器不仅能应用于实施方式2～4中的任意一个，也能使用多个检测器，减少流入膨胀机3的制冷剂量。

工业上的可利用性

如上所述，本发明的制冷循环装置与以往例相比，能减少在压缩机停止时流入膨胀机内而溶解在油中的制冷剂量，能避免压缩机再起动时的制冷剂循环量不足和膨胀机滑动面的损伤，所以能向热水器、制冷制暖空调机、自动贩卖机、家庭用冰箱、业务用冰箱、制冷库、制冰机等范围广的机器中应用。

Claims

1.一种制冷循环装置，其依次串联：

压缩制冷剂的压缩机；

使从所述压缩机喷出的制冷剂散热的散热器；

使来自所述散热器的制冷剂膨胀的膨胀机；

使来自所述膨胀机的制冷剂蒸发的蒸发器，

并且还具有：

制冷剂流量调节机构，其具有使所述膨胀机旁通的旁通回路和配置在所述旁通回路上的开闭阀，并调节流入所述膨胀机的制冷剂量；

控制器，其控制所述压缩机和所述制冷剂流量调节机构；

检测所述压缩机的喷出温度的压缩机喷出温度检测器和检测所述压缩机的喷出压力的压缩机喷出压力检测器的至少之一，

所述膨胀机侧的回路的流路阻力大于所述旁通回路的流路阻力，

根据所述压缩机喷出温度检测器检测出的所述压缩机的喷出温度或所述压缩机喷出压力检测器检测出的所述压缩机的喷出压力，所述控制器控制所述制冷剂流量调节机构，并且在所述压缩机停止时，所述控制器在输入停止信号后对所述开闭阀进行开放控制，减少向所述膨胀机流入的制冷剂量。