JP2005226874A

JP2005226874A - 冷凍装置及び冷凍方法

Info

Publication number: JP2005226874A
Application number: JP2004033424A
Authority: JP
Inventors: Katsumi Hachisuga; 勝巳蜂須賀
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2004-02-10
Filing date: 2004-02-10
Publication date: 2005-08-25

Abstract

【課題】能力制御時における気液熱交換器による能力向上の効果を削減することができる冷凍装置及び冷凍方法を提供する。
【解決手段】海上レフユニットの冷媒回路２００は、圧縮機１１、凝縮器１２、断熱膨張装置である膨張弁１４、蒸発器１５により冷凍サイクルを形成し、該冷凍サイクルの液ライン配管１７Ａ中に前記膨張弁１４入口側の液冷媒と前記蒸発器１５出口側のガス冷媒とを熱交換する気液熱交換器２０を設けると共に、前記蒸発器１５と圧縮機１１との間のガスライン配管中に能力調整用のサクションモジュレーティングバルブ２１を設けた冷凍装置において、前記蒸発器１５と気液熱交換器２０との間のガス冷媒配管３１とサクションモジュレーティングバルブ２１と圧縮機１１入口との間のガス冷媒配管３２とを接続する細管３３を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、海上コンテナに装備されて広範囲にわたる温度制御を行う冷凍ユニットの冷凍装置及び冷凍方法に係り、特に、冷凍ユニットの効率的な能力制御に用いて好適な技術に関する。

従来より、船舶、トレーラー、トラック及び鉄道車両の貨車等に積載して目的地まで輸送するコンテナ（以下、「海上コンテナ」と呼ぶ）の冷凍ユニットとして、いわゆる海上レフユニットと呼ばれるものが知られている。このような海上レフユニットは、ガス冷媒を吸入圧縮する圧縮機と、高圧のガス冷媒を凝縮させるコンデンサと、高温高圧の液冷媒を減圧膨張させる絞り機構と、低温の液冷媒を蒸発させるエバポレータとを具備し、これらを順次冷媒配管で接続してなる冷凍サイクルを冷媒が循環して状態変化を繰り返すように構成されている。

海上レフユニットを装備する海上コンテナは、図９に示すように、一般的には直方体状とした中空容器である。なお、図９において、符号の１００は海上レフユニット、１０１は海上コンテナ、１０１は海上コンテナの端壁である。海上レフユニット１００は、海上コンテナ１０１の一方の端壁１０２に組み付けられる冷凍ユニットであり、全体の大きさが規定されている海上コンテナ１０１にできるだけ大きな積載容量を確保するという観点から、極力薄く小型化することが求められている。

この海上レフユニット１００は、図示しない他方の端壁に設けられている扉から海上コンテナ１０１の庫内に生鮮食料品等の貨物を収納した状態で運転される。これにより、海上コンテナ１０１は、その庫内温度を−３０℃〜＋２５℃、より好ましくは−４０℃〜＋３０℃程度の広い温度範囲にわたり、貨物に応じて任意に設定した温度を維持しながら、たとえば船舶、トレーラー、トラック、鉄道車両（貨車）等に積載して目的地まで運搬することができる。

ここで、従来における海上レフユニットの冷媒回路１００の構成を図２乃至図４に示す。また、それに対応するモリエル線図を図６乃至図８に示す。
先ず、図２に示す従来の海上レフユニットの冷媒回路１００は、圧縮機１１、凝縮器１２、レシーバ１３、絞り機構の電子膨張弁１４、蒸発器１５及びアキュムレータ１６が冷媒配管１７で接続されて閉回路の冷凍サイクルを形成し、この冷凍サイクルを冷媒が循環することで状態変化を繰り返すように構成されている。この海上レフユニット１００は、温度制御範囲の要求が他の冷凍ユニットと比較してかなり広いという特徴があり、また、冷凍ユニット（圧縮機）のＯＮ／ＯＦＦにより庫内温度の制御を実施するのではなく、安定した吹出温度に制御することで庫内温度を一定に保つことが求められている。

また、冷凍能力の向上のために、前記蒸発器１５からの低温低圧のガス冷媒を用いて、液冷媒を冷却するために、気液熱交換器２０を設け、液冷媒の過冷却度を増加させることで、冷凍能力の向上を図ることが提案されている（特許文献１）。

図６は、モリエル線図上の上記冷凍装置の冷凍サイクルを示したものである。図６中に実線で示すＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄのサイクルは、気液熱交換器２０を配設していない場合、点線で示すＡ'−Ｂ'−Ｃ'−Ｄ'のサイクルは気液熱交換器２１を配設した場合である。図６上で、Ｃ及びＣ'は、膨張弁１４の入口の冷媒状態であり、気液熱交換器２０により、液冷媒の過冷却度が増加（Ｃ〜Ｃ'の範囲で示す）することを示し、これにより、蒸発器１５は、Ｄ〜Ｄ'の範囲で示すエンタルピーの増加相当分の冷凍能力増加が得られることを示している。一方、Ａ及びＡ'は、圧縮機１１の入口の冷媒状態を示し、気液熱交換器２０により、圧縮機１１の入口のガス冷媒が加熱され、Ａ〜Ａ'の範囲で示す圧縮機１１の吸入ガスの過熱度の増大があり、この結果、圧縮機１１の吐出ガス温度は、Ｂ〜Ｂ'の範囲で示すだけの温度上昇が伴う。

また、図３に示すように、他の海上レフユニットの冷媒回路では、蒸発器１５と圧縮機１１との間に、サクションモジュレーティングバルブ２１を介装し、圧縮機１１へ送られる冷媒吸入量を調整することで、冷凍能力の制限を図って能力制御することが提案されている（特許文献２）。

図７は、図３の回路によるモリエル線図上の上記冷凍装置の冷凍サイクルを示したものである。図７に示すように、サクションモジュレーティングバルブ２１を介装して能力制御することで、圧縮機１１の入口のガス冷媒の圧力損失が生じ、Ａ〜Ａ１の範囲で示す圧縮機１１の吸入ガスの損失が生じ、この結果、圧縮機１１の吐出ガス温度は、Ｂ〜Ｂ１の範囲で示すだけの温度上昇が伴う。

特開平１０−４７７９４号公報特開２００２−３４０４６７号公報

ところで、冷凍能力の向上を図ることと能力制御とを同時に達成するために、図４に示すように、気液熱交換器２０とサクションモジュレーティングバルブ２１を併用してなる海上レフユニット１００とする場合、通常の冷凍運転状態では、気液熱交換器２０の機能が発揮されるものの、例えば５〜１０％程度の低い能力制御を行う場合には、以下のような、問題がある。

ここで、図８は図４に示す冷媒回路にかかる気液熱交換器とサクションモジュレーシュンバルブ２１とを備えて、冷凍能力の向上及び能力制御を図った際におけるモリエル線図である。
１）圧力損失による吐出ガス温度上昇の問題
サクションモジュレーシュンバルブ２１にて、能力制御のために、圧力損失を生じさせると、同じエンタルピーでも吸入過熱度が増加する。吸入加熱度が増加すると圧縮機１１からの吐出ガス温度も冷媒の特性として上昇する（Ｂ１）。

２）気液熱交換器２０の追加による吸入ガス温度上昇の問題
気液熱交換器２１により、吸入ガス過熱度の増大に伴って、圧縮機１１からの吐出ガスの温度が上昇する（Ｂ２）。
この上昇を抑えるため（Ｂ３）、膨張弁１４の手前から圧縮機１１に対して、バイパス回路２２を設け、液冷媒を供給するといういわゆる液インジェクションを行うことが提案されるが、該液インジェクションの追加により圧縮機１１の消費電力量が増加するので、能力制御の消費電力量低減に反することとなる。

３）気液熱交換器２０による能力向上の問題
冷凍能力をフルに活用する場合には、気液熱交換器はその能力向上に対しては十分に効果があるものの、能力制御時においては、逆に気液熱交換器で向上した分だけ、その能力を抑える必要がある。

本発明は、前記問題に鑑み、能力制御時における気液熱交換器による能力向上の効果を削減することができる冷凍装置及び冷凍方法を提供することを課題とする。

上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、圧縮機、凝縮器、断熱膨張装置、蒸発器により冷凍サイクルを形成し、同冷凍サイクルの液ライン配管中に前記断熱膨張手段入口側の液冷媒と前記蒸発器出口側のガス冷媒とを熱交換する気液熱交換器を設けると共に、前記蒸発器と圧縮機との間のガスライン配管中に冷凍能力調整用のサクションモジュレーティングバルブを設けた冷凍装置において、前記蒸発器と気液熱交換器との間のガス冷媒配管とサクションモジュレーティングバルブと圧縮機入口との間のガス冷媒配管とを接続する細管を設けたことを特徴とする冷凍装置にある。

第２の発明は、圧縮機、凝縮器、断熱膨張装置、蒸発器により冷凍サイクルを形成し、同冷凍サイクルの液ライン配管中に前記断熱膨張手段入口側の液冷媒と前記蒸発器出口側のガス冷媒とを熱交換する気液熱交換器を設けると共に、前記蒸発器と圧縮機との間のガスライン配管中に能力調整用のサクションモジュレーティングバルブを設け、冷凍能力を制御しつつ冷凍する冷凍方法において、前記蒸発器と気液熱交換器との間のガス冷媒配管とサクションモジュレーティングバルブと圧縮機入口との間のガス冷媒配管とを接続する細管を設け、前記サクションモジュレーティングバルブが能力を制御する際には、その制御の度合いによる圧力損失により、液冷媒を細管に流すようにしつつ容量を制御し冷凍を行うことを特徴とする冷凍方法にある。

本発明によれば、前記蒸発器と気液熱交換器との間のガス冷媒配管とサクションモジュレーティングバルブと圧縮機入口との間のガス冷媒配管とを接続する細管を設けたので、能力制御時における気液熱交換器による能力向上の効果を削減することができ、省エネ効率を向上させることができる。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

本発明による実施例に係る冷凍装置について、図面を参照して説明する。
図１は、実施例に係る冷凍装置の一例である海上レフユニットを示す概念図である。
図１に示すように、本実施例に係る海上レフユニットの冷媒回路２００は、圧縮機１１、凝縮器１２、断熱膨張装置である膨張弁１４、蒸発器１５により冷凍サイクルを形成し、該冷凍サイクルの液ライン配管１７Ａ中に前記膨張弁１４入口側の液冷媒と前記蒸発器１５出口側のガス冷媒とを熱交換する気液熱交換器２０を設けると共に、前記蒸発器１５と圧縮機１１との間のガスライン配管中に能力調整用のサクションモジュレーティングバルブ２１を設けた冷凍装置において、前記蒸発器１５と気液熱交換器２０との間のガス冷媒配管３１とサクションモジュレーティングバルブ２１と圧縮機１１入口との間のガス冷媒配管３２とを接続する細管３３を設けたものである。

前記構成において、圧縮機１１から吐出されたガス冷媒は凝縮器１２に送られる。この凝縮器１２では、送られてきた高温のガス冷媒を凝縮液化し、得られた液冷媒を、液ライン１７Ａを通してドライヤ１９、ストレーナ１８を経た後、気液熱交換器２０を通過し、ここで熱交換されて、膨張弁１４に送られる。

膨張弁１４に入った液冷媒は、ここで絞られることにより断熱膨張して気液二相の冷媒となり、蒸発器１５に入り、ここで庫内空気を冷却することによって蒸発気化する。

そして、蒸発気化した冷媒（すなわちガス冷媒）は、ガスライン１７に設けた気液熱交換器２０を通り、アキュームレータ１６を経た後、サクションモジュレーティングバルブ２１を通り、ライン３２を通って圧縮機１１に戻る。

また、前記細管１１は、例えばガス配管の管径が１に対して、０．１〜０．３、好ましくは０．２程度とするのがよい。

これにより、サクションモジュレーティングバルブ２１を調整して能力制御をする場合において、その圧損に応じて、ガス冷媒が該細管３３中を流れることとなる。
これにより、能力制御時における気液熱交換器の能力向上の効果を抑制することができ、省エネを図ることができる。

すなわち、サクションモジュレーティングバルブ２１が全開の場合には、前記細管３３に流れる冷媒量は極僅かであり、能力へ与える影響は非常に小さくてすむ。

また、サクションモジュレーティングバルブ２１の制御時の場合には、その制御の度合いによる圧力損失により、細管にガス冷媒が流れるようになり、以下の効果が発揮される。
１）気液熱交換器２０を通過しないこととなるので、気液熱交換器による能力向上を抑制することができる。
２）気液熱交換器２０を通過しないので、気液熱交換器による吸入ガス温度の上昇を防止することができる。
３）前記２）の効果により、液インジェクションによる液冷媒を供給することも防止することができる。

ここで、図５は本実施例にかかる気液熱交換器とサクションモジュレーシュンバルブ２１とを備え、細管３３を設けた場合におけるモリエル線図である。
図５の上段のグラフは図７のグラフに対応するものであり、図５下段は本実施例にかかるものである。
図５に示すように、細管３３を設けることにより、吸入ガス温度の低下を図ることができ、吐出ガス温度の低下を図ることができる。

以上のように、本発明にかかる冷凍装置は、能力制御時における気液熱交換器による能力向上の効果を削減することができ、省エネ効率を向上させることができ、例えば長期間に亙って一定温度の冷凍条件を維持する海上レフユニットの冷凍設備に用いて適している。

実施例にかかる海上レフユニットの冷媒回路図である。従来技術にかかる海上レフユニットの冷媒回路図である。従来技術にかかる海上レフユニットの冷媒回路図である。従来技術にかかる海上レフユニットの冷媒回路図である。従来技術及び実施例のモリエル線図である。従来技術のモリエル線図である。従来技術の他のモリエル線図である。従来技術の他のモリエル線図である。海上レフコンテナの概略図である。

符号の説明

１００，２００海上レフユニット
１１圧縮機
１２凝縮器
１４膨張弁
１５蒸発器
１７Ａ液ライン
１８ストレーナ
１９ドライヤ
２０気液熱交換器
２１サクションモジュレーティングバルブ
３１ガス冷媒配管
３２ガス冷媒配管
３３細管

Claims

圧縮機、凝縮器、断熱膨張装置、蒸発器により冷凍サイクルを形成し、同冷凍サイクルの液ライン配管中に前記断熱膨張手段入口側の液冷媒と前記蒸発器出口側のガス冷媒とを熱交換する気液熱交換器を設けると共に、前記蒸発器と圧縮機との間のガスライン配管中に冷凍能力調整用のサクションモジュレーティングバルブを設けた冷凍装置において、
前記蒸発器と気液熱交換器との間のガス冷媒配管とサクションモジュレーティングバルブと圧縮機入口との間のガス冷媒配管とを接続する細管を設けたことを特徴とする冷凍装置。
圧縮機、凝縮器、断熱膨張装置、蒸発器により冷凍サイクルを形成し、同冷凍サイクルの液ライン配管中に前記断熱膨張手段入口側の液冷媒と前記蒸発器出口側のガス冷媒とを熱交換する気液熱交換器を設けると共に、前記蒸発器と圧縮機との間のガスライン配管中に冷凍能力調整用のサクションモジュレーティングバルブを設け、冷凍能力を制御しつつ冷凍する冷凍方法において、
前記蒸発器と気液熱交換器との間のガス冷媒配管とサクションモジュレーティングバルブと圧縮機入口との間のガス冷媒配管とを接続する細管を設け、
前記サクションモジュレーティングバルブが冷凍能力を制御する際には、その制御の度合いによる圧力損失により、ガス冷媒を細管に流すようにしつつ冷凍能力を制御し冷凍を行うことを特徴とする冷凍方法。