JP2011058650A

JP2011058650A - 氷蓄熱式冷凍装置

Info

Publication number: JP2011058650A
Application number: JP2009205976A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Taki; 勝彦瀧
Original assignee: Hitachi Appliances Inc
Current assignee: Hitachi Appliances Inc
Priority date: 2009-09-07
Filing date: 2009-09-07
Publication date: 2011-03-24

Abstract

【課題】簡単な構成で蓄熱槽への冷媒の適正な流量調整をすることができる氷蓄熱式冷凍装置を提供する。
【解決手段】圧縮機と凝縮器を有した冷凍装置と、減圧機構と蒸発器を有した低圧側負荷用冷却器と、蓄冷熱媒体を貯留する蓄熱槽内に蓄冷運転および蓄冷利用運転可能な熱交換器を有した氷蓄熱装置とで構成される氷蓄熱式冷凍装置において、前記熱交換器の入口配管と出口配管の温度を検知する温度検知手段と、上記両温度検知手段の温度差に基いて蓄冷運転中の蓄熱槽内への冷媒流量を調整する制御信号を算出して出力する流量制御部を備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、氷蓄熱装置および氷蓄熱装置が冷媒回路に組み込まれた氷蓄熱式冷凍装置に関し、特に、氷蓄熱装置内の蓄熱槽内に熱交換器を配置した氷蓄熱装置の、熱交換器の冷媒流量調整に関する。

従来の氷蓄熱装置は、特開２００３−２８５２０のように、蓄冷運転時にも低圧側負荷用が必要な場合その必要な冷媒量を確保するため、蓄冷運転時の熱交換器への冷媒流量調整を熱交換器出口側に配置した温度検知手段で実施しているものがある。図２に従来技術の参考として、蓄冷運転中の回路構成例を示す。蓄冷運転における蓄熱槽の熱交換器の冷媒流量を適正量に調整するため、熱交換器出口部での過熱度が適正になるよう流量制御手段（熱膨張弁）１１の開度を制御している。そのためには過熱度の算出に圧力検知手段２９および熱交換器出口温度検知手段３１が必要であり、熱交換器出口圧力の飽和温度と出口温度との差を過熱度として算出するものであるが、圧力に対する飽和温度は冷媒毎に変化するので、異なった冷媒を使用する場合は制御定数の変更が必要になる。

特開２００３−２８５２０号公報

上記従来技術では、蓄冷運転時の熱交換器流量制御手段として膨張弁による開度制御をしており、熱交換器出口部での過熱度を算出して開度制御を実施していた。そのためには熱交換器出口側の圧力と温度の検知手段が必要であり、圧力センサや温度サーミスタ等の検出機器を必要とし、特に圧力センサは冷媒配管に連通する構造が必要であり、コスト的に不利であった。また、過熱度の算出式は冷媒物性により変化するので、異なった冷媒の場合、制御プログラムの変更等が必要となり手間がかかっていた。

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、簡単な構成で蓄熱槽への冷媒の適正な流量調整をすることができる氷蓄熱式冷凍装置を提供するものである。

上記課題を解決するために、本発明は、圧縮機と凝縮器を有した冷凍装置と、減圧機構と蒸発器を有した低圧側負荷用冷却器と、蓄冷熱媒体を貯留する蓄熱槽内に蓄冷運転および蓄冷利用運転可能な熱交換器を有した氷蓄熱装置とで構成される氷蓄熱式冷凍装置において、
前記熱交換器の入口配管と出口配管の温度を検知する温度検知手段と、
上記両温度検知手段の温度差に基いて蓄冷運転中の蓄熱槽内への冷媒流量を調整する制御信号を算出して出力する流量制御部を備えたことを特徴とする。

上記課題を解決するために、本発明は、上記に記載の氷蓄熱式冷凍装置において、前記流量制御部は冷媒流量を調整する制御信号を算出するに際し、前記熱交換器の圧力損失に相当する温度分の補正温度を加味して算出することを特徴とする。

上記課題を解決するために、本発明は、上記に記載の氷蓄熱式冷凍装置において、前記流量制御部は上記熱交換器の圧力損失に相当する温度分の補正温度を予め記憶する補正メモリを有することを特徴とする。

本発明によれば、温度検知手段のみの簡単な構成で蓄熱槽への冷媒の適正な流量調整をすることができ、かつ異なった冷媒の場合でも制御プログラムの変更等なしに実施できる。また、蓄熱槽内の熱交換器に圧力損失があっても、温度を補正することで、適正な冷媒流量に調整することができる。

本発明実施形態に係る氷蓄熱式冷凍装置の回路構成である。従来技術の蓄冷運転時の回路構成図である。本発明実施形態の蓄冷運転時の回路の動作説明図である。本発明実施形態の熱交換器入口と出口の圧力および温度の特性図（圧力損失が少ない場合）である。本発明実施形態の熱交換器入口と出口の圧力および温度の特性図（圧力損失が大きい場合）である。

以下、本発明の実施形態を図を参照して説明する。図１は、本発明に係る氷蓄熱式冷凍装置の実施例の回路構成図である。同図において、氷蓄熱式冷凍装置は、冷凍装置１、氷蓄熱装置７、冷却器２４で構成される。冷凍装置１は、圧縮機２、吐出配管３、凝縮器４、液冷媒配管５および吸込配管６で構成される。

氷蓄熱装置７は、蓄熱槽１２内に配置された熱交換器１３及び開閉弁１０、流量制御手段１１、逆止弁１５、開閉弁１８、開閉弁２１で構成される。熱交換器１３は、蓄熱槽１２内に貯留された蓄冷熱媒体の水１４に水没するように配置され、配管内の冷媒と水１４との間で熱交換する。上記流量制御手段１１は、流量を可変調整できる機構であり、電子膨張弁や可変流量弁等である。３０は熱交換器１３の入口配管に設置されたの入口温度検知手段、３１は熱交換器１３の出口配管に設置されたの出口温度検知手段である。

上記開閉弁１０と流量制御手段１１は直列接続された状態で、液冷媒入口配管８の分岐部９と上記熱交換器１３の入口配管の間に接続される。上記開閉弁１８は上記分岐部９から分かれるバイパス回路１７に設置され、上記逆止弁１５は熱交換器１３の出口配管とバイパス回路１７との液冷媒合流部１９の間に設置される。上記開閉弁２１は熱交換器１３の出口配管から吸込配管２２への流路に設置される。

冷却器２４は、膨張弁２６、蒸発器２７の主要機器で構成され、膨張弁２６は上記液冷媒合流部１９と蒸発器２７を接続する液冷媒配管２５に設置され、蒸発器２７の他方は吸込配管２８を介して圧縮機２に接続される。

また、氷蓄熱式冷凍装置には、圧縮機２の運転容量を例えばインバータ周波数を変えることによって制御する運転容量制御部４０と、流量制御手段１１の開度を調節して冷媒流量を制御する流量制御部４１が設けられている。流量制御部４１は、上記入口温度検知手段３０と出口温度検知手段３１からの温度信号Ｓ１、Ｓ２を受信し、これらの温度信号に基いて、蓄冷運転中の冷媒流量を調整する制御信号（開度信号）Ｓ３を算出し、流量制御手段１１に出力する。また、流量制御部４１は、上記熱交換器１３の圧力損失に相当する温度分の補正温度を予め記憶する補正メモリ４２を内蔵している。これら機器によって氷蓄熱式冷凍装置の冷凍サイクルが構成される。

次に、氷蓄熱装置で製氷する蓄冷運転、製氷された氷を過冷却利用して低圧側負荷を冷却する蓄冷利用運転、蓄冷および蓄冷利用せずに通常の負荷冷却を行う非利用運転について説明する。

（蓄冷運転）
図１において、冷凍装置１の圧縮機２で吐出された高温高圧ガス冷媒は、凝縮器４で凝縮液化される。氷蓄熱装置７の開閉弁１８は閉じられており、開閉弁１０と開閉弁２１は開かれているので、凝縮器４からの液冷媒は、流量制御手段１１で減圧されて熱交換器１３で水１４を冷却し製氷する。熱交換器１３で蒸発した低圧ガス冷媒は、破線矢印側へ流れ、吸入配管２２を介して圧縮機２へ戻る。この時、逆止弁１５によって熱交換器１３からの低圧ガス冷媒は、実線矢印側へ流れることはない。回路構成としては図２に示される。

また、蓄冷運転時に開閉弁１８を所定の開度で開くことで、蓄冷運転を実施しながら冷却器２４での負荷冷却を行うことも可能である。この場合、凝縮器４からの液冷媒の一部はバイパス回路１７を通り、膨張弁２６で減圧されて蒸発器２７で負荷を冷却する。蒸発器２７で蒸発した低圧ガス冷媒は、吸入配管２８を介して圧縮機２へ戻る。

（蓄冷利用運転）
図１において、冷凍装置１の圧縮機２で吐出された高温高圧ガス冷媒は、凝縮器４で凝縮液化される。氷蓄熱装置７の開閉弁１８および開閉弁２１は閉じられており、開閉弁１０は開かれている。凝縮器４からの高温液冷媒は、全て流量制御手段１１を経由して熱交換器１３で氷によって低温液冷媒に過冷却され、逆止弁１５を経由して液冷媒出口配管２０から冷却器２４へ送られる。

バイパス回路１７の開閉弁１８が所定の開度で開いている場合、凝縮器４からの高温液冷媒の一部が熱交換器１３で低温液冷媒に過冷却される一方、凝縮器４からの残りの高温液冷媒がバイパス配管１７を通り、合流部１９で前記熱交換器１３で過冷却された低温液冷媒と合流混合し、所定の温度の液冷媒となって冷却器２４へ送られる。このように冷却器２４の負荷容量に応じて、部分的に蓄冷利用運転が行なわれる。

（非利用運転）
所定の蓄冷を完了した際や、蓄冷利用を終了した際は、非利用運転として通常の冷却運転を実施する。図１において、冷凍装置１の圧縮機２で吐出された高温高圧ガス冷媒は、凝縮器４で凝縮液化される。氷蓄熱装置７の開閉弁１０は閉じられており、開閉弁２１は開かれている。バイパス回路１７の開閉弁１８は全開であり、凝縮器４からの液冷媒は、全てバイパス回路１７を通り、膨張弁２６で減圧されて蒸発器２７で負荷を冷却する。蒸発器２７で蒸発した低圧ガス冷媒は、吸入配管２８を介して圧縮機２へ戻る。

前述したように、図２の従来技術では、熱交換器の冷媒流量を適正量に調整するため、熱交換器出口部での過熱度が適正になるよう流量制御手段１１の開度を制御しているが、過熱度の算出に圧力検知手段２９および熱交換器出口温度検知手段３１が必要であり、さらに熱交換器出口圧力の飽和温度は冷媒毎に変化するので、異なった冷媒を使用する場合は制御定数の変更が必要になる。

本実施態様では、図３の回路図に示すように、蓄冷運転において、熱交換器１３の入口温度検知手段３０と出口温度検知手段３１からの温度信号Ｓ１、Ｓ２との温度差に基づき、流量制御手段１１の開度を制御するものである。これにより、圧力検知手段２９を必要とせず、異なった冷媒の場合でも制御定数の変更は必要としない。

すなわち、蓄冷運転において、熱交換器１３の入口温度検知手段３０と出口温度検知手段３１からの温度信号Ｓ１、Ｓ２を流量制御部４１が受信し、流量制御部４１ではこの両温度信号の温度差と制御定数に基いて、開度信号Ｓ３を算出し、流量制御手段１１に出力する。この際、上記開度信号Ｓ３を算出する制御定数は、配管構造で決められるもので、異なった冷媒の場合でも変更を必要としない。

図４、図５に本実施形態に係わる熱交換器１３の入口と出口の圧力および温度の特性図を示す。図４は熱交換器１３の圧力損失が少ない場合であり、図５は熱交換器１３の圧力損失が大きい場合である。

熱交換器１３の入口温度検知手段３０および出口温度検知手段３１の温度差で、従来の出口過熱度相当を算出する場合、図４のような熱交換器１３の圧力損失が少ない場合は、出口圧力が入口圧力とほぼ同じなので、「過熱度＝入口温度（−１５℃）−出口温度（−１０℃）」にて過熱度（５℃）相当を算出することができる（実線で示す）。

しかし、図５のような熱交換器１３の圧力損失が大きい場合、圧力損失を補うために熱交換器１３の入口圧力が上昇して入口温度が上昇するので、「過熱度≠入口温度（−１０℃）−出口温度（−１０℃）」となり、温度差では差が無く、過熱度相当を算出することができない。

そこで、本実施形態では、「過熱度＝入口温度−出口温度＋補正温度」とし、熱交換器１３の圧力損失（ΔＰ＝０．０７ＭＰａ）に相当する温度分（５℃）を補正することで、適正な過熱度相当を算出してこれに対応した開度信号を作り出している。この補正温度は、熱交換器１３の構造で決まる圧力損失に基くものであり、異なった冷媒の場合でも変更を必要としない。実際には熱交換器１３の圧力損失は必ずあるので、予め熱交換器１３の構造に基いて上記補正温度を求めておき、上記補正メモリ４２に記憶させておく。

１…冷凍装置、２…圧縮機、３…吐出配管、４…凝縮器、５…液冷媒配管、６…吸入配管、７…氷蓄熱装置、８…液冷媒入口配管、９…液冷媒配管分岐部、１０…開閉弁、１１…流量制御手段、１２…蓄熱槽、１３…熱交換器、１４…水（蓄冷熱媒体）、１５…逆止弁、１６…液冷媒配管、１７…バイパス回路、１８…開閉弁、１９…液冷媒合流部、２０…液冷媒出口配管、２１…開閉弁、２２…吸入配管、２３…吸入配管、２４…冷却器、２５…液冷媒配管、２６…膨張弁、２７…蒸発器、２８…吸入配管、２９…圧力検知手段、３０…熱交換器の入口温度検知手段、３１…熱交換器の出口温度検知手段、４０…運転容量制御部、４１…流量制御部、４２…補正メモリ、Ｓ１…入口温度検知手段からの温度信号、Ｓ２…出口温度検知手段からの温度信号、Ｓ３…制御信号・開度信号。

Claims

圧縮機と凝縮器を有した冷凍装置と、減圧機構と蒸発器を有した低圧側負荷用冷却器と、蓄冷熱媒体を貯留する蓄熱槽内に蓄冷運転および蓄冷利用運転可能な熱交換器を有した氷蓄熱装置とで構成される氷蓄熱式冷凍装置において、
前記熱交換器の入口配管と出口配管の温度を検知する温度検知手段と、
上記両温度検知手段の温度差に基いて蓄冷運転中の蓄熱槽内への冷媒流量を調整する制御信号を算出して出力する流量制御部を備えたことを特徴とする氷蓄熱式冷凍装置。
請求項１に記載の氷蓄熱式冷凍装置において、前記流量制御部は冷媒流量を調整する制御信号を算出するに際し、前記熱交換器の圧力損失に相当する温度分の補正温度を加味して算出することを特徴とすることを特徴とする氷蓄熱式冷凍装置。
請求項２に記載の氷蓄熱式冷凍装置において、前記流量制御部は上記熱交換器の圧力損失に相当する温度分の補正温度を予め記憶する補正メモリを有することを特徴とする氷蓄熱式冷凍装置。