CN104334982A - 冷冻装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种冷冻装置。所述冷冻装置具备：高温侧压缩机(1)、高温侧冷凝器(2)、高温侧膨胀阀(3)、级联热交换器(14)的高温侧蒸发器(4)连接而构成的高温侧循环回路(A)；以及低温侧压缩机(5)、级联热交换器(14)的低温侧冷凝器(6)、积存液态制冷剂的储液器(7)、电磁阀(8)、低温侧膨胀阀(9)、低温侧蒸发器(10)连接而构成的低温侧循环回路(B)，作为低温侧循环回路(B)的制冷剂，采用了至少含有CO2和R32的非共沸混合制冷剂、即相对于非共沸混合制冷剂整体的R32的含有量为50～74质量％且GWP为500以下的制冷剂。

Description

冷冻装置
技术领域
本发明涉及进行二元制冷循环的冷冻装置。
背景技术
以往，存在用级联冷凝器来连接低温侧制冷剂循环的低温侧循环回路和高温侧制冷剂循环的高温侧循环回路的冷冻装置。提出在这种冷冻装置中，在低温侧循环回路使用二氧化碳(CO2)作为制冷剂(例如，参考专利文献1)。CO2是天然存在的物质，全球变暖潜能值(GWP)小，所以通过使用CO2，能够构成即使是不慎从制冷循环装置泄露的情况下，也不会破坏臭氧层、环保的冷冻装置。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2004-190917号(第14页，第1图)
发明内容
发明要解决的课题
从低GWP的冷冻装置的观点来看，优选采用CO2作为低温侧循环回路的制冷剂，但若采用CO2，则存在以下问题。例如，在金枪鱼等的冷冻中，冷冻库内温度为-50℃程度，为了实现此温度，低温侧蒸发器的蒸发温度需要为-80～-60℃程度。但是，在低温侧循环回路使用了CO2单一制冷剂的情况下，CO2的三相点为-56.6℃，不能实现那样的蒸发温度。即，在进行使用了CO2单一制冷剂的二元制冷循环的冷冻装置中，难以实现-80℃程度的蒸发温度。若在低温侧循环回路使用R404A，能够将蒸发温度降低到-65℃程度，但R404A的GWP为3920，在万一制冷剂泄露了的情况下，可能会对全球变暖有影响。
另外，由以往可知，在冷冻装置中，通过使用符合目的的非共沸混合制冷剂作为制冷剂，能够得到单一制冷剂所无法得到的低蒸发温度。因此，通过采用含有CO2作为混合制冷剂中的一种的非共沸混合制冷剂，可以期待得到低GWP和低蒸发温度。但是，具体来说，关于采用什么作为其他的混合制冷剂才能使蒸发温度达到80～-60℃，还没有经过了充分研究的技术。
本发明人对于这一点进行研究时，通过采用至少混合了CO2和R32的非共沸混合制冷剂作为低温侧循环回路的制冷剂，发现能够实现蒸发温度为80～-60℃的非共沸混合制冷剂的组成，从而完成本发明。
本发明是为了解决上述课题而作出的，其目的是提供采用至少混合了CO2和R32的非共沸混合制冷剂作为低温侧循环回路的制冷剂、低GWP且低温侧循环回路的低温侧蒸发器中的蒸发温度能够达到-80～-60℃的冷冻装置。
用于解决课题的手段
本发明的冷冻装置具备：高温侧压缩机、高温侧冷凝器、高温侧膨胀阀、级联热交换器的高温侧蒸发器连接而构成的高温侧循环回路，低温侧压缩机、级联热交换器的低温侧冷凝器、积存液态制冷剂的储液器、电磁阀、低温侧膨胀阀、低温侧蒸发器连接而构成的低温侧循环回路；作为低温侧循环回路的制冷剂，采用了至少含有CO2和R32的非共沸混合制冷剂、即对于非共沸混合制冷剂整体的R32的含有量为50～74质量％且GWP在500以下的制冷剂。
发明的效果
根据本发明，可以提供能够实现低温侧蒸发器的蒸发温度为-80～-60℃的低GWP的冷冻装置。
附图说明
图1是本发明的一实施方式中的冷冻装置的制冷剂回路图。
图2是表示混合了两种制冷剂的非共沸混合制冷剂的特性的气液平衡线图。
图3是表示CO2混合制冷剂中CO2摩尔分数和凝固点的关系的图。
图4是比较了本发明的一实施方式中的根据CO2和R32的混合比的冷冻能力、COP的图。
图5是表示在图1的制冷剂回路中追加了用于检测循环组成的结构的结构图。
图6是说明图5的组成运算器中的循环组成检测原理1的图。
图7是说明图5的组成运算器中的循环组成检测原理2的图。
具体实施方式
图1是本发明的一实施方式中的冷冻装置的制冷剂回路图。
冷冻装置具备高温侧循环回路A和低温侧循环回路B。高温侧循环回路A通过串联高温侧压缩机1、高温侧冷凝器2、高温侧膨胀阀3和高温侧蒸发器4而形成。在高温侧循环回路A中，使用例如R410A、R134a、R32、HFO制冷剂作为制冷剂。
低温侧循环回路B通过串联低温侧压缩机5、低温侧冷凝器6、低温侧膨胀阀9和低温侧蒸发器10而形成，并且在低温侧冷凝器6的出口部，设置积存剩余制冷剂的储液器7和电磁阀8。在低温侧循环回路B中，使用至少含有CO2和R32的非共沸混合制冷剂作为制冷剂。非共沸混合制冷剂是指两种或两种以上沸点不同的制冷剂混合而成的制冷剂，CO2是低沸点制冷剂，R32是高沸点制冷剂。
高温侧循环回路A和低温侧循环回路B共同具备级联冷凝器14，级联冷凝器14由高温侧蒸发器4和低温侧冷凝器6构成。级联冷凝器14是例如板式热交换器，进行在高温侧循环回路A中循环的高温侧制冷剂和在低温侧循环回路B中循环的低温侧制冷剂(非共沸混合制冷剂)的热交换。
下面，说明在低温侧循环回路B采用了本次使用的非共沸混合制冷剂的冷冻装置的制冷循环内循环的制冷剂组成的特征。非共沸混合制冷剂具有如图2所示的特性。
图2是表示混合了两种制冷剂的非共沸混合制冷剂的特性的气液平衡线图。在图2中纵轴表示温度，横轴表示循环组成(低沸点成分的组成比；CO2是低沸点，R32是高沸点)，参数是压力。在图2中，表示低温侧循环回路B中分别在高压PH和低压PL下的非共沸混合制冷剂的特性。在非共沸两种混合制冷剂中，如图2所示，由压力确定饱和蒸气线、饱和液相线。循环组成是“0”表示只有高沸点成分，循环组成是“1”表示只有低沸点成分的情况，在混合制冷剂中，如图2所示，由组成决定饱和液相线和饱和蒸气线。
饱和蒸气线上侧是过热蒸气状态，饱和液相线下侧是过冷状态，饱和蒸气线和饱和液相线所包围的区域是气液两相状态。图2中，Z表示封入制冷循环内的制冷剂的组成，从点1到点4表示制冷循环的代表点，点1表示压缩机出口部，点2表示冷凝器出口部，点3表示蒸发器入口部，点4表示压缩机入口部。
在采用了非共沸混合制冷剂的制冷循环中，在制冷循环内循环的制冷剂的组成(循环组成)不一定与填充到制冷循环中的制冷剂组成(填充组成)一致。这是由于在图2的点A处所表示制冷循环的气液两相部中，液相组成为比循环组成Z小的X，蒸气组成为比循环组成大的Y。换言之，在点A所表示的气液两相部中，存在高沸点成分富集的液相和低沸点成分富集的蒸气。
在储液器7内，积存根据冷冻装置的运转条件、载荷条件产生的剩余液态制冷剂。储液器7内的制冷剂分离成高沸点成分富集的液态制冷剂和低沸点成分富集的气态制冷剂，高沸点成分富集的液态制冷剂贮留在储液器7内。因此若在储液器7内存在液态制冷剂，则表示相比填充组成、在低温侧循环回路B循环的循环组成的低沸点成分有变多(循环组成(低沸点成分的组成比)增加)的倾向。
若运转条件、载荷条件变化，储液器7内贮留的制冷剂量变化，则制冷循环内的循环组成会变化。若制冷循环内的循环组成变化，从图2也可知，制冷剂的压力和饱和温度的关系将变化，并且，冷却能力也变化。因此，为了稳定地进行制冷循环并且能够发挥规定能力，有必要正确地检测出制冷循环内的循环组成，并根据检测出的循环组成，将低温侧压缩机5的转速或低温侧膨胀阀9的开度、或者这两者等控制为最佳，调整制冷剂流量。
以下的表1是总结了以CO2为混合制冷剂的一种、举出三种与CO2的组合的制冷剂的候补的CO2混合制冷剂的物理性质值的表。在表1中，表示了混合的制冷剂各个单质的GWP及阻燃性、混合的制冷剂和CO2的混合比(摩尔比、质量比)、以该混合比混合的混合制冷剂的GWP、混合制冷剂的凝固点、混合制冷剂的-70℃温度梯度。另外，图3是表示CO2混合制冷剂中CO2摩尔分数和凝固点的关系的图，图3(a)中表示与R32混合的混合制冷剂，图3(b)中表示与R125混合的混合制冷剂。
[表1]
作为能够使凝固点低于-70℃的组合，如表1所示，可以考虑R290、R32、R125等。但是，R290的阻燃性是“×”，即是可燃性的，由于在展示柜、单元冷却器等中制冷剂量变得很多，所以从安全性方面来说使用困难。
R125其单质的GWP是3500，即使与CO2混合后也超过了2000。因此，从防止全球变暖的观点来看，R125的使用很困难。
R32其单质的GWP是675，与R125相比足够小，通过与CO2混合，能够进一步降低GWP。因此，适合作为能够应对防止全球变暖的制冷剂。另外，从图3(a)中可知，若降低CO2摩尔分数、即增大混合制冷剂中R32的比例，能够使凝固点下降。
图4(a)是表示根据CO2和R32的制冷剂混合比的冷冻能力[W]的图，图4(b)是表示根据CO2和R32的制冷剂混合比的COP[-]的图。此外，在图4中，在横轴上表示能够使凝固点在-81℃以下的混合比的范围内。在图4中，低温侧(低元侧)的冷凝温度为-25℃，低温侧(低元侧)的蒸发温度为-60℃，低温侧(低元侧)压缩机5的排量以30cc来计算。另外，在图4(a)(b)中，作为比较例，记载了采用了以往的R404A的15HP的单级循环(压缩机→冷凝器→膨胀阀→蒸发器)的冷冻能力(5400W)和COP(0.701)。从该图4中可知，为了发挥R404A单级循环的相当于15HP的冷冻能力，需要60cc程度的排量。
本发明的目的、即为了使低温侧蒸发器10的蒸发温度为-80℃～-60℃、使凝固点下降，可以如上所述增加R32的比例。若增加R32的比例，从图4中可知，冷冻能力下降而COP上升。但是，若增加R32的比例，GWP将上升。对于GWP，CO2是1、R32在单质下根据表1是675，所以若例如对于非共沸制冷剂整体的R32的含有量为50质量％、则GWP为约340，若增加R32的比例到65质量％、则GWP为约440，若再增加R32的比例到74质量％、则GWP为约500。即，凝固点与GWP处于此消彼长的关系，若增加R32的比例，则能够使凝固点下降，但另一方面GWP将增加。
因此，本实施方式以下述目的来决定制冷剂混合比，即：使GWP为比R404A的GWP3920小的500以下的低GWP，并且使COP为在采用了R404A的情况的80％以上。采用了R404A的情况下的80％的COP线如图4(b)所示，只要R32的比例在50质量％以上就能够满足这一点。
综合以上，可以是比例为50～74质量％的R32和CO2混合而成的非共沸混合制冷剂。以该比例，能够使非共沸混合制冷剂的凝固点低于CO2的三相点、在-81℃以下，所以，可以构成能够实现蒸发温度在-80℃～-60℃、并且低GWP的冷冻装置。
CO2和R32的混合制冷剂是非共沸混合制冷剂，如表1所示，存在温度梯度大(11～12K)的问题。因此，为了进行适当的运转，需要正确地检测出循环组成。根据下面的图5，说明用于检测循环组成的结构。
图5是表示在图1的制冷剂回路中追加了用于检测循环组成的结构的结构图。
如图5所示，在图1的制冷剂回路中，又追加了压力检测器15、温度检测器16和组成运算器17。压力检测器15检测储液器7内的液态制冷剂的压力。温度检测器16检测储液器7内的液态制冷剂的温度。由压力检测器15和温度检测器16检测出的液态制冷剂的压力和温度，输入组成运算器17。组成运算器17基于输入的液态制冷剂的压力和温度，计算制冷循环内的非共沸混合制冷剂的循环组成。由组成运算器17运算出的循环组成，输出到进行冷冻装置整体控制的控制装置20，用于低温侧循环回路B的控制。本发明的组成运算装置具备：压力检测器15、温度检测器16和组成运算器17。
下面，说明冷冻装置的工作。
在高温侧循环回路A中，从高温侧压缩机1排出的制冷剂，在高温侧冷凝器2中冷凝而变成液态制冷剂。该液态制冷剂在高温侧膨胀阀3中减压后，在级联热交换器的高温侧蒸发器4中蒸发，变成气态制冷剂，再次被吸入到高温侧压缩机1，并反复该循环。
另一方面，在低温侧循环回路B中，在低温侧压缩机5中被压缩的高温高压的非共沸混合制冷剂的蒸气，在低温侧冷凝器6中冷凝液化，进入储液器7。从储液器7中流出来的液态制冷剂，通过打开的电磁阀8，在低温侧膨胀阀9中减压，变成低温低压的气液两相制冷剂，并流入低温侧蒸发器10(展示柜、单位冷却器)10。流入低温侧蒸发器10的制冷剂，与展示柜内的空气进行热交换并蒸发，再次回到低温侧压缩机5。通过反复该循环，在低温侧蒸发器10中生成冷却空气并将展示柜内冷却。
在以上的工作中，根据运转条件、载荷条件而产生的剩余的非共沸混合制冷剂，积存在储液器7内。而且，如上所述，若在储液器7内贮留的制冷剂量发生变化，则制冷循环内的循环组成将变化。参考下面的图6，说明用组成运算器17检测出制冷循环内的循环组成的检测原理。
图6是非共沸混合制冷剂的气液平衡线图。
组成运算器17从压力检测器15和温度检测器16获取储液器7的液态制冷剂的压力P和温度T。压力P下的非共沸混合制冷剂的饱和液相温度，根据制冷循环内的循环组成，如图6所示地变化。因此，假设储液器7内的制冷剂的状态为饱和液相，那么通过利用图6的关系，能够通过由温度检测器16和压力检测器15检测出的温度T和压力P，检测制冷循环内的循环组成Z。因此，如果预先将压力、温度和循环组成的关系存储在组成运算器17内，则能够由压力P和温度T计算循环组成Z。
循环组成的检测不限定于上述方法，也可以如以下方法求出。非共沸两种混合制冷剂的情况下，若知道制冷剂的干度X(＝制冷剂蒸气质量流量/总制冷剂流量)、该干度X的制冷剂的温度和压力，就能够检测出循环组成。即，在非共沸两种混合制冷剂中，压力P不变的基础上，包括干度X＝1的饱和蒸气线和干度X＝0的饱和液相线在内、在干度X的制冷剂的温度和循环组成Z之间，存在表示图7的两种混合制冷剂的循环组成检测原理的图7的点划线所示的关系。
即，压力P下的干度X的气液两相状态的非共沸混合制冷剂的温度，根据制冷循环内的循环组成，如图7所示地变化。因此若利用该关系，只要知道包括饱和蒸气和饱和液相在内的气液两相状态的制冷剂的压力、温度、干度，就能够检测出制冷循环内的循环组成。即，使用由温度检测器16检测出的温度T、由压力检测器15检测出的压力P、和储液器7内的干度，能够检测出制冷循环内的循环组成。
此外，在本实施方式中，在储液器7设置了压力检测器15，但也可以在低温侧压缩机5的排出侧设置压力检测器15来检测低温侧压缩机5的排出压力，将对低温侧冷凝器6的压力损失进行换算而求得的压力作为流入储液器7的液态制冷剂的压力。另外，在本实施方式中，在储液器7设置了温度检测器16，但也可以设置在低温侧冷凝器6的出口，将低温侧冷凝器6的出口液体温度作为流入储液器7的液态制冷剂的温度。
这样，就能够正确地检测在低温侧循环回路B采用了CO2和R32的非共沸两种混合制冷剂的情况下的循环组成。因此，能够根据循环组成，将低温侧循环回路B的低温侧压缩机5的转速或低温侧膨胀阀9的开度、或者这两者控制为最佳，能够实现低GWP、且蒸发温度约-80～-60℃的超低温的冷冻库(金枪鱼的保存等)。
如上说明，在本实施方式中，作为低温侧循环回路B的制冷剂，至少含有CO2和R32的非共沸混合制冷剂、GWP在500以下且R32的混合比例为50～74质量％。由此，可以得到能够使低温侧蒸发器10的蒸发温度在-80～-60℃的低GWP的冷冻装置。通过该冷冻装置，能够实现冷冻库内温度为-50℃程度的超低温的冷冻库(金枪鱼的保存等)。
另外，由于能够正确地检测循环组成，所以能够针对低温侧循环回路B内的循环组成的变化，来控制低温侧压缩机5的转速或低温侧膨胀阀9的开度、或者这两者。因此，可以得到能够根据循环组成进行最佳控制、并能够稳定地运转的冷冻装置。
附图标记说明
1 高温侧压缩机，2 高温侧冷凝器，3 高温侧膨胀阀，4 高温侧蒸发器，5 低温侧压缩机，6 低温侧冷凝器，7 储液器，8 电磁阀，9 低温侧膨胀阀，10 低温侧蒸发器，14 级联冷凝器，15 压力检测器，16 温度检测器，17 组成运算器，20 控制装置，A 高温侧循环回路，B 低温侧循环回路。

Claims (3)

1.一种冷冻装置，其特征在于，
所述冷冻装置具备：
高温侧循环回路，所述高温侧循环回路由高温侧压缩机、高温侧冷凝器、高温侧膨胀阀和级联热交换器的高温侧蒸发器连接而构成；以及
低温侧循环回路，所述低温侧循环回路由低温侧压缩机、所述级联热交换器的低温侧冷凝器、积存液态制冷剂的储液器、电磁阀、低温侧膨胀阀和低温侧蒸发器连接而构成，
作为所述低温侧循环回路的制冷剂，采用了至少含有CO2和R32的非共沸混合制冷剂、且相对于非共沸混合制冷剂整体的R32的含有量为50～74质量％且GWP为500以下的制冷剂。
2.根据权利要求1所述的冷冻装置，其特征在于，
所述冷冻装置还具备：
组成运算装置，所述组成运算装置求出在所述低温侧循环回路中循环的所述制冷剂的组成；以及
控制装置，所述控制装置基于由所述组成运算装置求出的所述制冷剂的组成，控制所述低温侧循环回路。
3.根据权利要求2所述的冷冻装置，其特征在于，
所述组成运算装置具备：
压力检测器，所述压力检测器检测所述储液器内的液态制冷剂的压力；
温度检测器，所述温度检测器检测所述储液器内的液态制冷剂的温度；以及
组成运算器，所述组成运算器基于由所述压力检测器检测出的压力和由所述温度检测器检测出的温度，求出在所述低温侧循环回路中循环的所述制冷剂的组成。
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