JP2007024320A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷凍装置において、圧縮機の運転停止後に正常状態であれば運転復帰を可能としつつ異常状態であれば運転復帰を制限して、使い勝手と利用側熱交換器の信頼性の確保とを両立すること。
【解決手段】冷凍装置は、圧縮機１、熱源側熱交換器２、減圧装置３及び利用側冷媒熱交換器４ａを順次冷媒配管で接続した冷凍サイクル系統２０と、利用側冷媒熱交換器４ａと熱交換する被冷却媒体熱交換器４ｂ及び循環ポンプを被冷却媒体配管で接続し被冷却媒体を熱負荷に供給する被冷却媒体循環系統２１と、圧縮機１を制御する制御装置２２とを備える。制御装置２２は、圧縮機１の運転の停止後に圧縮機１の運転を自動的に復帰させる復帰手段と、圧縮機１の運転の停止中で且つ被冷却媒体熱交換器４ｂの入口側温度とその出口側温度との温度差が所定温度以上の場合に復帰手段による復帰動作を制限する復帰制限手段とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍装置に係り、特に冷凍サイクルで冷却された被冷却媒体を熱負荷に供給する冷凍装置に好適なものである。

従来の冷凍装置としては、特開平５−２８８４３７号公報（特許文献１）に示されたものがある。この冷凍装置は、圧縮機、凝縮器、減圧装置及び水冷却器を順次接続し冷媒を循環させる冷凍サイクルを構成し、水冷却器から冷水を供給するものである。この冷凍装置は、冷水の凍結を防止するために、水冷却器の冷水出口温度を検出するサーモスタット及び圧縮機の吸入配管の温度を検出するサーモスタットを装備し、これらのサーモスタットで異常状態を検出すると、そのサーモスタットが開路されることにより圧縮機を一旦停止して冷凍装置を保護し、そのサーモスタットが閉路となった時点で圧縮機始動用限時継電器に通電し、該限時継電器の設定時間経過後に圧縮機を再始動するようになっている。

特開平５−２８８４３７号公報

しかし、上述した従来の冷凍装置では、異常状態を検出して圧縮機を一旦停止した後に自動的に復帰するようになっているため、復帰時に正常状態になっていれば正常運転に戻ることができて使い勝手のよいものであるが、復帰時に異常状態が継続されていた場合には、異常運転が繰り返されることとなり、冷水の凍結が繰り返されて水冷却器が破損してしまう、という問題があった。

本発明の目的は、圧縮機の運転停止後に正常状態であれば運転復帰を可能としつつ異常状態であれば運転復帰を制限して、使い勝手と利用側熱交換器の信頼性の確保とを両立できる冷凍装置を提供することにある。

前述の目的を達成するために、本発明は、圧縮機、熱源側熱交換器、減圧装置及び利用側冷媒熱交換器を順次冷媒配管で接続し冷媒を循環させる冷凍サイクル系統と、前記利用側冷媒熱交換器と熱交換する被冷却媒体熱交換器及び循環ポンプを被冷却媒体配管で接続し被冷却媒体を熱負荷に供給する被冷却媒体循環系統と、前記圧縮機を制御する制御装置と、を備える冷凍装置であって、前記制御装置は、前記圧縮機の運転の停止後に前記圧縮機の運転を自動的に復帰させる復帰手段と、前記圧縮機の運転の停止中で且つ前記被冷却媒体熱交換器の入口側温度とその出口側温度との温度差が所定温度以上の場合に前記復帰手段による復帰動作を制限する復帰制限手段とを備える構成にしたことにある。

係る本発明のより好ましい具体的な構成例は次の通りである。
（１）前記制御装置は、装置の異常状態を判定して前記圧縮機の運転を停止する保護手段と、前記保護手段による前記圧縮機の運転の停止後に前記圧縮機の運転を自動的に復帰させる復帰手段と、前記圧縮機の運転を停止中で且つ前記被冷却媒体熱交換器の入口側温度とその出口側温度と温度差が所定温度以上の場合に前記復帰手段による復帰動作を制限する復帰制限手段とを備えること。
（２）前記利用側冷媒熱交換器と前記被冷却媒体熱交換器は、複数のプレートを並設して複数の冷媒流路と複数の被冷却媒体流路とを交互に配列し、配列された前記複数の冷媒流路および前記複数の被冷却媒体流路をそれぞれ各流路の下部と上部とで連通させたプレート式熱交換器で構成し、前記復帰制限手段は、前記被冷却媒体熱交換器の上部入口側に配置した温度検知器とその下部出口側に配置した温度検知器とで検出した温度に基づいて、前記復帰手段による復帰動作を制限するものであること。
（３）前記保護手段は利用側熱交換器の入口温度または出口温度または前記圧縮機の吸入圧力に基づいて異常状態を判定するものであること。

本発明の冷凍装置によれば、圧縮機の運転停止後に正常状態であれば運転復帰を可能としつつ異常状態であれば運転復帰を制限して、使い勝手と利用側熱交換器の信頼性の確保とを両立できる。

以下、本発明の一実施形態の冷凍装置を図１から図６用いて説明する。本実施形態の冷凍装置は、冷凍サイクル系統２０、被冷却媒体循環系統２１、及び制御装置２２を備えて構成されている。

冷凍サイクル系統２０は、図１に示すように、圧縮機１、熱源側熱交換器２、膨張弁よりなる減圧装置３、利用側冷媒熱交換器４Ａを順に冷媒配管１２で接続して冷媒を循環させるように構成されている。なお、空気を熱源側熱交換器２に通風して強制的に熱交換させるために送風機５が設置されている。

冷凍サイクル系統２０において、圧縮機１で圧縮された高温高圧ガス冷媒は、熱源側熱交換器２により凝縮されて高温高圧の液冷媒となり、減圧装置３により減圧され、積層プレート式熱交換器で形成される利用側冷媒熱交換器４Ａにより蒸発されて低温低圧のガス冷媒となり、圧縮機１に戻る。

利用側熱交換器４は、図２に示すように、利用側冷媒熱交換器４Ａと被冷却媒体熱交換器４Ｂとから構成されている。この利用側熱交換器４は、多数のプレート８ａ，８ｂ、８ｃ、８ｄ…が横方向に積層されて流路９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ…が構成されるプレート式熱交換器であり、熱交換する冷媒と被冷却媒体とが一つおきに流路９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ…を流れ、隣接する流路と熱交換する。図示例では、利用側冷媒熱交換器４Ａが流路９ｂ、９ｄ…を構成し、被冷却媒体熱交換器４Ｂが流路９ａ、９ｃ…を構成する。本実施形態では、被冷却媒体として水を用いている。

かかる構成のプレート式熱交換器を利用側熱交換器４として用いることにより、利用側冷媒熱交換器４Ａと被冷却媒体熱交換器４Ｂを小型で熱交換性能なものとすることができる。

減圧装置３により減圧されてくる冷媒は乾き度の小さい（液冷媒が多い状態）気液二相状態で利用側冷媒熱交換器４Ａに流入し、各流路９ｂ、９ｄ…で隣接する流路９ａ、９ｃ…の被冷却媒体と熱交換し、利用側冷媒熱交換器４Ａの出口ではガス冷媒となる。そのため、利用側冷媒熱交換器４Ａを蒸発器として使用する場合は、冷媒は下側から上側へ流すこととなる。一方、被冷却媒体熱交換器４Ｂを流れる被冷却媒体は冷媒との温度差を確保するため、冷媒の流れとは逆向きの上側から下側へ流す完全対向流で熱交換するように構成されている。

被冷却媒体熱交換器４Ｂの上部入口側には入口温度検出器６が設置され、下部出口側には出口温度検出器７が設置されている。入口温度検出器６は、サーミスタで構成されており、被冷却媒体熱交換器４Ｂの入口側の被冷却媒体の温度を検出する。具体的には、流路９ａ、９ｃ…に分流する前の入口部における被冷却媒体の温度を検出する。出口温度検出器７は、サーミスタで構成されており、被冷却媒体熱交換器４Ｂの出口側の被冷却媒体の温度を検出する。具体的には、流路９ｂ、９ｄ…から合流した後の出口部における被冷却媒体の温度を検出する。

被冷却媒体循環系統２１は、図３に示すように、利用側冷媒熱交換器４Ａと熱交換する被冷却媒体熱交換器４Ｂ及び循環ポンプ１０を被冷却媒体配管１３で接続して被冷却媒体を熱負荷１１に供給するように構成されている。

被冷却媒体循環系統２１において、被冷却媒体熱交換器４Ｂにより利用側冷媒熱交換器４Ａ内の冷媒と熱交換（冷却）された被冷却媒体は、循環ポンプ１０の動作により被冷却媒体配管１３を通って熱負荷１１に送り込まれ、熱負荷１１と熱交換（熱負荷１１を冷却）して温度上昇し、循環ポンプ１０を通って被冷却媒体熱交換器４Ｂに戻される。なお、冷凍装置はポンプの運転信号を受け付けて起動する水循環ポンプインターロック機能を有している。

制御装置２２は、入口温度検出器６、出口温度検出器７、利用側熱交換器冷媒出口温度検出器１４、利用側熱交換器冷媒入口温度検出器１５、圧縮機入口圧力検出器１６などの検出器や、制御設定器（図示せず）などからの信号に基づいて、圧縮機１、減圧装置３及び送風機５などを制御するものである。

制御装置２２の制御動作の一例について図４から図６を参照しながら説明する。

制御設定器で運転開始指令が入力されることにより冷凍サイクル系統２０及び被冷却媒体循環系統２１の運転が開始される。運転が開始されると、まず、温度検出器６、７、１４、１５、１６により各部の温度を検出する（ステップＳ１）。

次いで、入口温度検出器６の検出温度Ｔ６が所定温度Ｔａとなったか、及び出口温度検出器７の検出温度Ｔ７が所定温度Ｔｂとなったかを判定する（ステップＳ２）。なお、図２では、入口温度検出器６の検出温度Ｔ６が所定温度Ｔａとなったかの判定を代表して示す。この判定で、検出温度Ｔ６が所定温度Ｔａ以下、または検出温度Ｔ７が所定温度Ｔｂ以下になった場合には、被冷却媒体熱交換器４Ｂによる被冷却媒体が過冷却されていると判断して圧縮機１の運転を停止し（ステップＳ３）、所定時間ｔｄに達するまで圧縮機１の運転を停止する（ステップＳ４）。ステップＳ４で所定時間ｔｄに達したら、ステップＳ７に進む。なお、ステップＳ２において、入口温度検出器６の検出温度Ｔ６と出口温度検出器７の検出温度Ｔ７との温度差が所定温度（Ｔａ’）に達したかで判定するようにしてもよい。

ステップＳ２の判定で、検出温度Ｔ６が所定温度Ｔａ以下、または検出温度Ｔ７が所定温度Ｔｂ以下になっていない場合には、利用側熱交換器冷媒出口温度検出器１４が所定温度Ｔｃ以下となったか、あるいは利用側熱交換器冷媒入口温度検出器１５の検出温度Ｔ１５が所定温度Ｔｄ以下となったか、あるいは圧縮機入口圧力検出器１６の検出圧力Ｐ１６が所定圧力Ｐａ以下となったかを判定する（ステップＳ５）。なお、図２では、利用側熱交換器冷媒出口温度検出器１４が所定温度Ｔｃ以下となったかの判定を代表して示す。この判定で、検出温度Ｔ１４が所定温度Ｔｃ以下、あるいは検出温度Ｔ１５が所定温度Ｔｄ以下、あるいは検出圧力Ｐ１６が所定圧力Ｐａ以下となっていない場合には、正常状態であると判断してステップＳ１に戻る。

ステップＳ５の判定で、検出温度Ｔ１４が所定温度Ｔｃ以下、あるいは検出温度Ｔ１５が所定温度Ｔｄ以下、あるいは検出圧力Ｐ１６が所定圧力Ｐａ以下となった場合には、異常状態であると判断して圧縮機１の運転を停止する（ステップＳ６）。すなわち、この所定温度Ｔｃ、Ｔｄ及び所定圧力Ｐａは正常状態では低下しない温度、圧力に設定されており、例えば、異物の詰まりまたはバルブの誤操作等により被冷却媒体循環系統２１の循環路が閉塞して被冷却媒体が循環しない場合などに蒸発温度、圧力が低下することを想定して設定された温度、圧力である。なお、異常状態を判定する方法として、その他の温度を用いて判定してもよく、例えば検出温度Ｔ１４が所定温度（Ｔｂ’）以下になったかで判定するようにしてもよい。

次いで、入口温度検出器６の検出温度Ｔ６と出口温度検出器７の検出温度Ｔ７との温度差が所定温度Ｔｅ以上であるかを判定する（ステップＳ７）。この所定温度は例えば１℃である。この判定で、その温度差が所定温度Ｔｅより小さくなった場合には、冷凍サイクル系統２０及び被冷却媒体循環系統２１が正常状態に復帰していると判断して圧縮機１の運転を再開し（ステップＳ８）、ステップＳ１に戻る。

このステップＳ７における正常状態の判断について、図５を用いて説明する。図５は冷凍サイクル系統２０および被冷却媒体循環系統２１が正常な状態にある場合の被冷却媒体熱交換器４Ｂの入口側温度Ｔｉｎおよび出口側温度Ｔｏｕｔを示す。入口側温度Ｔｉｎは入口温度検出器６で検出した温度であり、出口側温度Ｔｏｕｔは出口温度検出器７で検出した温度である。冷凍サイクル系統２０および被冷却媒体循環系統２１が正常な運転状態にある場合には、圧縮機１及び循環ポンプ１０の運転により、被冷却媒体熱交換器４Ｂの被冷却媒体が利用側冷媒熱交換器４Ａの冷媒により冷却されて被冷却媒体熱交換器４Ｂの出口側温度Ｔｏｕｔは入口側温度Ｔｉｎより大幅に低い温度となる。そして、圧縮機１が停止すると、循環ポンプ１０の運転により循環される被冷却媒体が利用側冷媒熱交換器４Ａの冷媒により冷却されなくなるため、出口側温度Ｔｏｕｔは入口側温度Ｔｉｎにほぼ同一となる。従って、入口温度検出器６の検出温度Ｔ６と出口温度検出器７の検出温度Ｔ７との温度差が所定温度Ｔｅより小さければ、正常状態であると判定することができる。

ステップＳ７の判定で、その温度差が所定温度Ｔｅ以上になった場合には、異常状態であると判断して圧縮機１の運転の再開を制限し、運転制御器からの運転復帰指令の有無を判定し（ステップＳ９）、運転復帰指令があるまではステップＳ６に戻って圧縮機１の運転停止を継続し、運転復帰指令があればステップＳ８に進んで圧縮機１の運転を再開する。なお、ステップＳ７の判定で、異常状態であると判断した場合には、その異常状態を警報し、これに基づいて使用者が冷凍サイクル系統２０及び被冷却媒体循環系統２１の異常状態を取り除いて復帰指令を入力することができるようにすることが好ましい。

このステップＳ７における異常状態の判断例について、図６を用いて説明する。図６は冷凍サイクル系統２０及び被冷却媒体循環系統２１が正常な状態から被冷却媒体循環系統２１の循環路に異常が発生した場合における被冷却媒体熱交換器４Ｂの入口側温度Ｔｉｎおよび出口側温度Ｔｏｕｔを示す。

図６において、冷凍サイクル系統２０及び被冷却媒体循環系統２１が正常な状態では、上述したように被冷却媒体熱交換器４Ｂの出口側温度Ｔｏｕｔは入口側温度Ｔｉｎより大幅に低い温度となっている。ここで、異物の詰まりまたはバルブの誤操作等により被冷却媒体循環系統２１の循環路が閉塞して被冷却媒体が循環しなくなると、まず、被冷却媒体が完全停止するまでの被冷却媒体の流量低減により被冷却媒体の温度が若干低下し、完全に被冷却媒体の循環が停止することにより被冷却媒体の温度がそのままとなり、正常状態の停止時のように出口側温度Ｔｏｕｔが入口側温度Ｔｉｎにほぼ同一となることはない。そして、冷凍サイクル系統２０の圧縮機１の運転が停止しても、この状態が維持される。そこで、入口温度検出器６の検出温度Ｔ６と出口温度検出器７の検出温度Ｔ７との温度差が所定温度Ｔｅ以上である場合には、異常状態であると判断できる。この判定は圧縮機１の停止中での判断であり、外部環境等の影響を受けにくく、被冷却媒体の循環の異常を精度良く検知できる。なお、本実施形態では、冷凍装置の停止中に（冷水入口温度−冷水出口温度）≧１℃となった場合に、圧縮機１を再運転させない制御機能を持たせている。

上述した制御動作の結果、被冷却媒体熱交換器４Ｂの凍結およびその後の再運転による凍結繰り返しによる被冷却媒体熱交換器４Ｂの破損を防止することができる。

なお、本実施形態の本冷凍装置では、被冷却媒体側の入口、出口温度、冷媒側の入口、出口温度、冷媒側蒸発圧力等が異常となった場合、冷凍装置を停止する機能を有している。そして、被冷却媒体の循環が正常であるにも関わらず、季節風による突風等の外部環境により冷凍サイクルが大きく変化する場合等に誤検出を引き起こすことがあるため、一度の異常状態の検出で圧縮機１を完全に停止させるのではなく、冗長性の点より異常なければ再度自動的に圧縮機１の運転を開始するような制御機能を有している。

本実施形態の利用側熱交換器４では、被冷却媒体を上側から下側へ流す場合について述べたが、下側から上側へ流す場合にも同様の制御をすることが可能である。

本実施形態によれば、圧縮機１、熱源側熱交換器２、減圧装置３及び利用側冷媒熱交換器４ａを順次冷媒配管で接続し冷媒を循環させる冷凍サイクル系統２０と、利用側冷媒熱交換器４ａと熱交換する被冷却媒体熱交換器４ｂ及び循環ポンプ１０を被冷却媒体配管１３で接続し被冷却媒体を熱負荷１１に供給する被冷却媒体循環系統２１と、圧縮機１を制御する制御装置２２と、を備える冷凍装置であって、制御装置２２は、圧縮機１の運転の停止後に圧縮機１の運転を自動的に復帰させる復帰手段と、圧縮機１の運転の停止中で且つ被冷却媒体熱交換器４ｂの入口側温度Ｔｉｎとその出口側温度Ｔｏｕｔとの温度差が所定温度Ｔｅ以上の場合に復帰手段による復帰動作を制限する復帰制限手段とを備えているので、圧縮機１の運転停止後に正常状態であれば運転復帰を可能としつつ、異常状態であれば運転復帰を制限することができ、使い勝手と利用側熱交換器４の信頼性の確保とを両立できる。

本発明による一実施形態の冷凍装置の冷凍サイクル系統図である。 図１の冷凍装置の利用側熱交換器の断面図である。 図１の冷凍装置の被冷却媒体系統図である。 図１の冷凍装置の動作例を示すフローチャート図である。 図１の冷凍装置の正常状態における被冷却媒体の温度変化を示す図である。 図１の冷凍装置の正常状態から異常状態に移行した場合における被冷却媒体の温度変化を示す図である。

符号の説明

１…圧縮機、２…熱源側熱交換器、３…減圧装置、４…利用側熱交換器、４Ａ…冷媒用熱交換器、４Ｂ…被冷却媒体熱交換器、５…送風機、６…被冷却媒体入口温度検出器、７…被冷却媒体出口温度検出器、８…伝熱プレート、９…利用側熱交換器の冷媒流路、１０…循環ポンプ、１１…熱負荷、１２…冷媒配管、１３…被冷却媒体配管、１４…利用側熱交換器冷媒出口温度検出器、１５…利用側熱交換器冷媒入口温度検出器、１６…圧縮機入口圧力検出器、２０…冷凍サイクル系統、２１…被冷却媒体循環系統、２２…制御装置。

Claims (4)

1. 圧縮機、熱源側熱交換器、減圧装置及び利用側冷媒熱交換器を順次冷媒配管で接続し冷媒を循環させる冷凍サイクル系統と、
   前記利用側冷媒熱交換器と熱交換する被冷却媒体熱交換器及び循環ポンプを被冷却媒体配管で接続し被冷却媒体を熱負荷に供給する被冷却媒体循環系統と、
   前記圧縮機を制御する制御装置と、を備える冷凍装置であって、
   前記制御装置は、前記圧縮機の運転の停止後に前記圧縮機の運転を自動的に復帰させる復帰手段と、前記圧縮機の運転の停止中で且つ前記被冷却媒体熱交換器の入口側温度とその出口側温度との温度差が所定温度以上の場合に前記復帰手段による復帰動作を制限する復帰制限手段とを備える
   ことを特徴とする冷凍装置。
2. 請求項１に記載の冷凍装置において、前記制御装置は、装置の異常状態を判定して前記圧縮機の運転を停止する保護手段と、前記保護手段による前記圧縮機の運転の停止後に前記圧縮機の運転を自動的に復帰させる復帰手段と、前記圧縮機の運転を停止中で且つ前記被冷却媒体熱交換器の入口側温度とその出口側温度と温度差が所定温度以上の場合に前記復帰手段による復帰動作を制限する復帰制限手段とを備えることを特徴とする冷凍装置。
3. 請求項１または２に記載の冷凍装置において、前記利用側冷媒熱交換器と前記被冷却媒体熱交換器は、複数のプレートを並設して複数の冷媒流路と複数の被冷却媒体流路とを交互に配列し、配列された前記複数の冷媒流路および前記複数の被冷却媒体流路をそれぞれ各流路の下部と上部とで連通させたプレート式熱交換器で構成し、前記復帰制限手段は、前記被冷却媒体熱交換器の上部入口側に配置した温度検知器とその下部出口側に配置した温度検知器とで検出した温度に基づいて、前記復帰手段による復帰動作を制限するものであることを特徴とする冷凍装置。
4. 請求項２に記載の冷凍装置において、前記保護手段は利用側熱交換器の入口温度または出口温度または前記圧縮機の吸入圧力に基づいて異常状態を判定するものであることを特徴とする冷凍装置。
   

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