JP2007071468A - 非共沸冷媒を用いた冷凍機制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】非共沸混合冷媒を用いた冷凍機において、起動時、庫内温度上昇時の立ち上がり、プルダウン能力を向上する。
【解決手段】 コンプレッサー１、コンデンサー２、エバポレーター１０を備え、エバポレーターからの戻り冷媒とコンデンサーからエバポレーターに向かう高圧冷媒との間で熱交換３を行う、非共沸冷媒を用いた単段式冷凍機において、 エバポレータの膨張弁となるキャピラリチューブ６−１〜６−４を電磁弁５−１〜５−４を立上り時などの負荷の大きい時、全開とし、庫内温度の低下に応じて順次閉じることにより冷媒ガスの圧力と流量を調整する。
庫内温度が高く、低沸点成分の凝縮が進行しない状態において、高沸点冷媒の冷凍能力を最大限に発揮することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、非共沸混合冷媒を用いた冷凍システムにおいて、特に冷凍倉庫などのように規模が大きいため、所定の冷凍庫温度に達するまでの立ち上がりに大きな能力を必要とし、或いは庫内収容物の出し入れ作業に当たって扉を広く開放するなどの必要から庫内温度の変動が大きい冷凍庫の冷凍機に関する。

食肉や魚介類などの鮮度を比較的長期にわたって劣化させずに保つことができる冷凍庫として、−５０℃以下の超低温を達成する冷凍庫が生産地漁港や物流の拠点などで用いられるようになってきているが、従来はこれらの超低温度を実現する冷凍機システムとして、沸点がこれらの領域にある低沸点冷媒を用いた冷凍機と室温環境下で作動する高沸点冷媒を用いた冷凍機とを組み合わせ、2台のコンプレッサーとコンデンサからなる2段式冷凍機システムなどが使用されてきた。
これに対し、本発明者らは超低温度を実現する低沸点冷媒と室温環境下で凝縮可能な高沸点冷媒とを組合せた非共沸冷媒による超低温度を単純な単段式コンプレッサーにより実現する冷凍機システムを提案してきた。（特許文献１）
これらの超低温度用冷凍機システムにおいては、低温度にあるエバポレーターから排出される戻り冷媒ガスとエバポレーターに向かう高圧冷媒ガスとの間で熱交換させ、戻り冷媒ガス中の高沸点冷媒の気化熱により高圧冷媒ガス中の低沸点冷媒の凝縮を行うことにより、エバポレーターの前後における非共沸冷媒の凝縮と気化のサイクルを完結させる条件を確立し、非共沸冷媒を用いて単一冷媒、或いは共沸混合冷媒を用いた場合と同様の単一のコンプレッサー及びコンデンサからなる単段式の単純な冷凍システムにより超低温度を実現した。
特開１１−９９４９８号公報

このような非共沸冷媒を用いた冷凍機システムを、比較的小容量のいわゆるストッカーなどに適用する場合は、熱容量も小さく、構造上も一般に扉を冷凍庫上面で水平に開閉する形式であるため収納物の出し入れに際して庫内冷気の換気量も少ないため、庫内温度の変動も小さく、比較的安定した運転状態を維持することができる。
しかしながら、マグロなどを解体しないままで収納・保管するなど、業務用として庫内容量が大きくなり、人が庫内に入って作業を行う必要が生じるような庫内容積数千リットル以上の冷凍庫となると、これらの作業や保管のためのスペース配分の必要などから縦型の扉開閉方式となり、容積拡大に伴う起動時の能力向上が求められるのみでなく、これらの扉を開閉、若しくは開放して収納物の出し入れ作業を行う際の外気との換気量も大きく、そのための庫内温度の維持、上昇した温度の保管温度への速やかな復帰が求められ、そのためのプルダウン性能の向上が必要となった。

ところが、これらの能力向上をコンプレッサー、コンデンサなどの冷凍機の個別要素の容量増大で対処しようとすると、これらの設備の容量増大にともなうコスト増が大きい負担となるばかりでなく、定常運転時の条件からすれば過大な設備能力となる。
また、これらの一時的な負荷の増大に対してはコンプレッサーの出力を上げて対処するが、これらの温度変化に対する立上りや追従性が悪く、出力に応じた冷却能力が発揮されていない。
特に、冷凍庫の収容物の出し入れが頻繁で、庫内温度の変動が著しい場合など、速やかに定常状態の温度に復帰せず、安定した庫内温度が維持困難であった。
本発明者らは、その原因について種々考察したところ、以下のような非共沸冷媒固有の特性によるものであることが突き止められた。
すなわち、
冷凍機の起動時や、庫内換気量が大きく、庫内温度が大幅に上昇した場合など、冷凍機の冷却能力をフルに発揮することが必要であるが、定常運転状態になるまでの庫内温度が高い状態においては、熱交換器における戻り冷媒の温度も高く、非共沸冷媒中の凝縮した高沸点冷媒成分が気化して高圧側冷媒を冷却しても充分に温度を下げることができず、低沸点冷媒成分は凝縮しないまま冷凍機内を循環する。このため圧縮機からの吐出圧力が上昇するが低沸点成分の凝縮には至らず、他方キャピラリチューブなどの減圧器の抵抗により流量が抑制されるため、凝縮器からの放熱量も抑制される。
このように非共沸冷媒中の低沸点成分が凝縮されず、気体状態のままで冷凍機システム中を循環すると、コンプレッサーで高圧に圧縮しても凝縮器から熱交換器を経て蒸発器にいたるまでこれらの低沸点成分が気体状態のままであるため、コンプレッサーの負荷が大きく、しかもコンプレッサーの過負荷運転によって圧力が上昇しても、上記のように凝縮器からの放熱量は増大しないから、全体としての冷却能力も増大せず、庫内温度もなかなか低下しない。すなわち、これらの過渡的状態における冷却効果は、主として高沸点成分の凝縮・気化によるものであるから、これら冷媒の循環量が確保できないためにこれらによる冷却能力が維持・発揮できないこととなる。
これらの過渡的状態においては、低沸点成分は十分な温度に冷却されないまま、その超低温度冷却能力を発揮できないばかりか、コンプレッサーによる圧力が上昇しても凝縮せず、冷媒全体の循環、ひいては冷却能力の増大、定常運転状態への復帰を阻害しているのである。

非共沸冷媒を用いた単段式冷凍システムにおいて、
起動時、庫内温度上昇時などの低沸点成分の凝縮が進行しない状態における冷媒の流量を増大させて冷却能力を向上し、庫内温度が低下して定常運転状態となるまでの間の負荷変動を抑制し、安定した運転を可能とする。

本発明は、コンプレッサー、コンデンサー、エバポレーター及びエバポレーターからの戻り冷媒とコンデンサーからエバポレーターに向かう高圧冷媒との間で熱交換を行う、非共沸混合冷媒を用いた単段式冷凍機において、
エバポレータの膨張弁の開度により冷媒ガスの圧力と流量を調整可能とし、
起動時、或いは庫内温度が高く、低沸点成分の凝縮が進行しない状態において、
エバポレータの膨張弁を開放して高沸点成分の凝縮条件に合わせた圧力を維持して高沸点成分による冷却能力を向上し、
庫内温度が低下して、低沸点成分の凝縮が進行するにつれて、
エバポレータの膨張弁を絞って順次低沸点成分の凝縮条件を満たす圧力とすることにより定常運転状態とすることを特徴とする、非共沸混合冷媒を用いた冷凍システムであり、
特に、エバポレータの膨張弁としてキャピラリーチューブを複数並列に設けて、それらの開閉数により上記流量の制御を行うことを特徴とする。

本発明によれば、非共沸冷媒を用いた単段式冷凍システムにおいて、起動時や庫内温度の上昇時などの冷凍システムの運転温度が高く、非共沸冷媒中の低沸点成分の凝縮が不十分な状態からの立ち上げに際して、冷却能力を最大限に発揮し、スムーズに定常状態まで庫内温度を低下することが可能であり、かつ冷凍システムのコンプレッサーの負荷を低減することができる。

本発明の冷凍機に使用する冷媒は非共沸混合冷媒であって、特にー５０℃以下の超低温度を達成するため、−５０℃以下の標準沸点を有する低沸点冷媒成分と室温下の環境で凝縮し、コンデンサーからの放熱を可能とする高沸点でかつ蒸気圧の低い高沸点冷媒の組合せからなり、コンデンサーからエバポレータに向かう高温高圧状態の冷媒とエバポレータからコンプレッサーに向かう低圧低温度の冷媒との間で熱交換を行って、エバポレータに向かう高圧冷媒をその圧力下での沸点以下に冷却し、コンプレッサーに吸入されるガスをその圧力における露点以上に加熱する条件で運転される。
冷凍機の構成において、上記の条件を達成するため、コンプレッサー、コンデンサー、絞り弁、エバポレータ、コンプレッサーからなり、コンデンサーと絞り弁、及びエバポレータとコンプレッサーの間に熱交換器を設けて、上記の熱交換条件を達成するが、絞り弁の開度を調整可能とし、庫内温度を測定するセンサーとその検出した温度によって絞り弁の開度を調整する制御機構を設ける。
冷凍機の起動時、或いは冷凍庫内容物の出し入れによって庫内温度が一定値以上に上昇したとき、該絞り弁の開度を最大とし、庫内温度が低下するのに対応して順次絞り弁の開度を絞って冷媒流量を減少させ、庫内温度が所定温度以下となったとき、絞り弁の開度を最小とする。
非共沸混合冷媒の絞り弁として、より好適には複数のキャピラリーチューブを並列に設け、庫内温度に応じてこれらのキャピラリーチューブを電磁弁で順次開閉することによって、冷媒流量を制御する。

以下に本発明実施例の冷凍システム概要と諸元を挙げる。
図１は、本発明の冷凍機のシステム構成概念図で、
コンプレッサー１で圧縮された冷媒ガスは、コンデンサー２で大気中に放熱した後、熱交換器３を経由して４本に分岐され、電磁弁５−１〜５−４によりキャピラリーチューブ６−１〜６−４に導かれて膨張し、冷凍庫内壁に沿って配置されたエバポレーター１０内で気化し、冷凍庫７を冷却する。
エバポレータ内では、庫内温度、圧力に応じて一部（高沸点冷媒成分）が凝縮状態で戻りガスに伴われて熱交換器に送られ、主としてその気化により高温・高圧の冷媒を冷却し、低沸点冷媒成分の凝縮をおこなう。
冷凍庫内温度は温度センサー１１により検出され、制御装置１２により予め設定された温度に応じて５−１〜５−４の電磁弁を開閉して、冷媒の導通するキャピラリーチューブ数を制御する。
起動時、及び庫内温度が一定以上高い状態において、各電磁弁はすべて開かれ、すべてのキャピラリチューブに冷媒が導通する。
庫内温度が一定の設定温度以上になると順次電磁弁を閉じて、庫内温度に応じた冷媒循環量とコンプレッサー吐出圧力に制御し、庫内温度が予め設定された定常状態に達すると、キャピラリーチューブ１本のみで運転される。
実機の諸元は、次のとおりである。
冷凍庫構造：観音開き式扉を備えたプレハブ構造
冷凍庫内容積：４２７５リットル
常用温度：−５０℃以下、最大−６０℃
冷媒：EP-53Pを４４００ｇ封入して使用した。混合冷媒の成分ガスの諸元は表１のとおりである。非共沸冷媒EP-５３Pの組成は、ＨＦＣ−２３：４０重量％、ＨＦＣ−１３４a：６０重量％のものを使用した。

図１のシステム構成において、キャピラリーチューブ１本として、起動した場 合の庫内温度変化を表２に示す。庫内温度は、冷凍庫上段で計測した。
室温３４℃から設定温度―５０℃に到達するまでの所要時間は、約５時間であった。

次に、キャピラリチューブ4本を用いた実施例の庫内温度変化を表３に示す。
庫内温度は冷凍庫上段で測定し、4本のキャピラリチューブ切り替え温度：０℃、-１０℃、−２５℃において順次電磁弁を閉じ、それ以下の温度域でキャピラリーチューブ１を常時ONとして運転した。結果を表３に示す。
―５０℃の設定温度に到達するまでの所要時間は、約４時間であった。

以上の結果を運転時間に対する庫内温度変化として図２に示す。
図２に示すとおり、キャピラリーチューブ４本として庫内温度に応じて順次キャピラリーチューブを閉じて冷媒の流量と圧力を制御した場合、室温からの庫内温度が急激に低下し、立上りが極めて大きいことが解る。この立上りの大きいことは−５０℃の定常運転温度に達するまでの所要時間が小さいことと相俟って、温度変化に対する応答が速やかであることを示す。
定常運転状態において行われる収容物の出し入れによる設定温度からの温度変化に対しては、庫内壁や予め冷凍状態にある収容物は既に設定温度にあって、扉を開けたことによる換気効果によって大きく上昇した庫内雰囲気と新たな収容物が冷却対象となる。したがって、熱容量からみた冷却についての負荷は比較的小さいが、冷却温度幅は大きいという関係にあり、庫内温度変化に対する応答の速やかな本発明の冷凍システムは、このような冷凍庫内の収容物出し入れなどに伴う温度変化に対する、定常運転温度への速やかな復帰を可能とし、冷凍庫の使用実態に対しても好適である。

本発明の冷凍システムの概念図である。 キャピラリ数と冷却速度との関係を示す冷却速度曲線

符号の説明

１ 圧縮機
２ 凝縮器（コンデンサー）
３ 熱交換器
５−１〜５−５ 電磁弁
６−１〜６−５ 絞り弁（キャピラリ‐）
７ 冷凍庫
１０ 蒸発器（エバポレータ）
１１ 温度検知器
１２ 制御機器

Claims (2)

1. コンプレッサー、コンデンサー、エバポレーター及びエバポレーターからの戻り冷媒とコンデンサーからエバポレーターに向かう高圧冷媒との間で熱交換を行う、非共沸冷媒を用いた単段式冷凍機において、
   エバポレータの膨張弁の開度により冷媒ガスの圧力と流量を調整可能とし、
   起動時、或いは庫内温度が高く、低沸点成分の凝縮が進行しない状態において、
   エバポレータの膨張弁を開放して高沸点成分の凝縮条件に合わせた圧力を維持して高沸点成分による冷却能力を向上し、
   庫内温度が低下して、低沸点成分の凝縮が進行するにつれて、
   エバポレータの膨張弁を絞って順次低沸点成分の凝縮条件を満たす圧力とすることにより定常運転状態とすることを特徴とする、非共沸冷媒を用いた冷凍システム。
2. エバポレータの膨張弁としてキャピラリーチューブを複数並列に設けて、それらの開閉数により上記流量の制御を行うことを特徴とする、請求項1記載の非共沸冷媒を用いた冷凍機。
   
   
   

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