JP2012087978A

JP2012087978A - 冷凍装置

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Publication number: JP2012087978A
Application number: JP2010234298A
Authority: JP
Inventors: Tomotaka Ishikawa; 智隆石川; Tetsuya Yamashita; 哲也山下; Takashi Ikeda; 隆池田; So Nomoto; 宗野本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-10-19
Filing date: 2010-10-19
Publication date: 2012-05-10
Anticipated expiration: 2030-10-19
Also published as: JP5323023B2

Abstract

【課題】負荷変動の大きい冷凍システムにおいても適切な冷媒の体積を維持することができる冷凍装置を提供する。
【解決手段】低元圧縮機１１、低元凝縮器１２、低元膨張弁１３、低元蒸発器１４及び低元受液器１５を有し、ＣＯ₂を冷媒として用いて循環させる低元冷凍サイクル１０と、高元圧縮機２１、高元凝縮器２２、高元膨張弁２３及び高元蒸発器２４を有し、高元側冷媒を循環させる高元冷凍サイクル２０と、低元凝縮器１２と高元蒸発器２４とを有し、ＣＯ₂と高元側冷媒との熱交換を行うカスケードコンデンサ３１とを備え、カスケードコンデンサ３１における高元側の冷媒との熱交換により、ＣＯ₂の圧力が、ＣＯ₂の臨界圧力よりも小さくなるように高元冷凍サイクル２０の高元圧縮機２１を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、二元冷凍システムを用いた冷凍装置に関するものである。

近年、冷凍システムに使用される冷媒の地球温暖化に対する影響を削減する要求が高まっており、地球温暖化に対する影響が小さい自然冷媒として、例えばＣＯ₂ を使用した冷凍システムが提案されている。
しかし、高圧が超臨界サイクルとなる冷凍サイクルにおいては、超臨界域での冷媒密度変化が連続的となり、運転条件の違いにより発生する余剰冷媒を、高圧側受液器で処理することが困難となる。

例えば、ヒートポンプ式給湯装置は超臨界冷媒のＣＯ₂ を使用した冷媒サイクルが多く使われる。このようなヒートポンプ式給湯装置は、外気温度が上昇するなどの環境条件の違いにより、凝縮側及び蒸発側の負荷変動が生じ、この負荷変動により安定する冷媒サイクルも変動する。そのため、各環境条件において必要とする冷媒量はそれぞれ異なり、ある環境条件に合わせて冷媒を充填したとしても、他の環境条件では冷媒量に過不足が生じて、適切な冷媒サイクルを維持することができなくなるおそれがあるという課題があった。

上記の課題を解決するための冷凍装置として、例えば「圧縮機１５と放熱器１６とレシーバ１８と膨張弁１９と蒸発器２０とを備える。冷媒に超臨界で使用する超臨界冷媒を用いた冷媒回路である。レシーバ１８の上流側に、放熱器１６から流出した冷媒を冷却する冷却部１７を設ける。蒸発器２０の一部を空気熱交換器として機能させてこれを冷却部１７とする。冷却部１７が蒸発器２０の出口側の冷媒と熱交換を行う。」というものがある（特許文献１参照）。

特開２００５−１２７７１１号公報（要約、図２、図４）

しかしながら、特許文献１においては、冷却部の冷却温度には限度があり、密度変化幅が小さいため、負荷変動の大きい冷凍システムでは冷媒を適切な体積となるまで冷却できない場合があるという課題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、負荷変動の大きい冷凍システムにおいても適切な冷媒の体積を維持することができる冷凍装置を提供することである。

本発明における冷凍装置は、低元圧縮機、低元凝縮器、低元減圧手段、低元蒸発器及び低元受液器を有し、ＣＯ₂を冷媒として用いて循環させる低元冷凍サイクルと、高元圧縮機、高元凝縮器、高元減圧手段及び高元蒸発器を有し、高元側冷媒を循環させる高元冷凍サイクルと、前記低元凝縮器と前記高元蒸発器とを有し、前記ＣＯ₂と前記高元側冷媒との熱交換を行うカスケードコンデンサとを備え、前記低元冷凍サイクルでは、前記低元凝縮器において前記ＣＯ₂が冷却され、冷却された前記ＣＯ₂を前記低元減圧手段を介して前記低元蒸発器へ流入させ、前記低元蒸発器において前記ＣＯ₂を気化させることにより対象物を冷却し、また、前記カスケードコンデンサにおける前記高元側の冷媒との熱交換により、前記ＣＯ₂の圧力が、ＣＯ₂の臨界圧力よりも小さくなるように前記高元冷凍サイクルの前記高元圧縮機を制御するものである。

本発明により、低元冷凍サイクルの動作圧力を前記冷媒の臨界圧力以下としたため、受液器内の冷媒が超臨界とならず、負荷変動の大きい冷凍システムにおいても適切な冷媒の体積を維持することができる冷凍装置を得ることができる。

本発明の実施の形態１における冷凍装置の冷媒回路図である。本発明の実施の形態２における冷凍装置の冷媒回路図である。本発明の実施の形態３における冷凍装置の冷媒回路図である。

以下、本発明における冷凍装置の例について、図面を用いて詳細に説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における冷凍装置の冷媒回路図である。
図１に示すように、本実施の形態１における冷凍装置は、高元冷凍サイクル２０と低元冷凍サイクル１０の二つの冷媒サイクルを有する二元冷凍システムが用いられる。

低元冷凍サイクル１０は、低元圧縮機１１、低元凝縮器１２、低元膨張弁１３（本発明における低元減圧手段に相当）、低元蒸発器１４、低元受液器１５から構成される。そして、低元冷凍サイクル１０の低元蒸発器１４が冷熱源として使用される。また、冷媒としてはＣＯ₂ が用いられる。
高元冷凍サイクル２０は、高元圧縮機２１、高元凝縮器２２、高元膨張弁２３（本発明における高元減圧手段に相当）、高元蒸発器２４から構成される。なお、高元圧縮機２１は能力可変式であるものとする。
そして、低元凝縮器１２及び高元蒸発器２４は、カスケードコンデンサ３１に内蔵されており、低元冷凍サイクル１０の冷媒と高元冷凍サイクル２０の冷媒との熱交換が行われる構造とする。

なお、高元冷凍サイクル２０は、高元蒸発器２４がカスケードコンデンサ３１に内蔵されており開放されることがないので、冷媒漏れ量が少ない。そのため、高元冷凍サイクル２０の冷媒は、従来の地球温暖化係数が高いが高効率なＨＦＣ系冷媒、又はＨＣ系冷媒等を用いることで環境への影響が少なく、かつ高効率な冷凍装置とすることができる。しかし、より環境への影響を重視する場合、地球温暖化に対する影響が小さい冷媒、即ちＨＣ系冷媒、ＣＯ₂ 、水などを用いてもよい。ここで高効率な冷媒とは、例えばＣＯＰが高い冷媒を意味する。

また、高元冷凍サイクル２０は、ＨＦＣ系冷媒のような臨界点が高い冷媒を用いた場合は、高圧側に受液器を設置することにより余剰冷媒処理を行うことが望ましい。また、ＣＯ₂ 冷媒のような臨界点が低い冷媒を用いた場合は、低圧側にアキュムレーターを設置することにより余剰冷媒処理を行うことが望ましい。
また、低元冷凍サイクル１０において、膨張弁の開度は低元蒸発器１４出口の過熱度（５℃〜１０℃）を制御している。そのため、低圧側のアキュームレーターに液冷媒を貯留することができず、高圧側に低元受液器１５を設置している。

次に、本実施の形態１の冷凍装置の動作について説明する。
低元冷凍サイクル１０において、低元圧縮機１１で圧縮されて吐出された冷媒は、カスケードコンデンサ３１内の低元凝縮器１２で冷却された後、低元膨張弁１３で減圧される。そして、低元蒸発器１４で蒸発し、吸入管を介して低元圧縮機１１へ還流する。
また、高元冷凍サイクル２０において、高元圧縮機２１で圧縮されて吐出された冷媒は、空気熱交換器の高元凝縮器２２で放熱し、凝縮された後、高元膨張弁２３で減圧される。そして、カスケードコンデンサ３１内の高元蒸発器２４において、低元凝縮器１２の冷媒と熱交換しながら蒸発し、高元圧縮機２１へ還流する。

ここで、高元圧縮機２１は、低元冷凍サイクル１０の冷媒が高元冷凍サイクル２０の冷媒と熱交換して放熱することで、低元受液器１５における冷媒圧力を臨界圧力以下となるように制御される。これにより、低元受液器１５内のＣＯ₂ 冷媒は、液体とガスの飽和状態となる。
具体的には、高元冷凍サイクル２０の高元圧縮機２１は、冷却負荷が増加した場合には容量を大きくし、冷却負荷が減少した場合に容量を減少させる。これにより、冷却負荷が変動した場合でも、上記のように低元受液器１５の圧力を臨界圧力以下に維持することができる。

また、低元冷凍サイクル１０の低元受液器１５を臨界圧力以下に維持するために、低元冷凍サイクル１０の高圧部、例えばカスケードコンデンサ３１の出口に低元高圧圧力センサー１６を設置してもよい。そして、低元高圧圧力センサー１６の検知する圧力がＣＯ₂ の臨界圧力、即ち７．４ＭＰａを超えないように、制御装置３０は能力可変式の高元圧縮機２１の冷却能力を制御する。

また、上記の高元圧縮機２１の冷却能力の制御をするために、例えば低元冷凍サイクル１０の低圧側、例えば低元圧縮機１１の吸入部分に低元低圧圧力センサー１７を設置してもよい。
そして、低元高圧圧力センサー１６が検知する低元冷凍サイクル１０の高圧が、ＣＯ₂ の臨界圧力と低元低圧圧力センサー１７が検知する低元冷凍サイクル１０の低圧との相乗平均値となるように高元圧縮機２１の冷却能力を制御させる。
これにより、低元冷凍サイクル１０の高圧は、低元冷凍サイクル１０の低圧とＣＯ₂ 臨界圧力の中間圧力となるため、臨界圧力以下を保つことが可能となると同時に、低元圧縮機１１の吐出温度を抑制することができる。

また、本実施の形態１の冷凍装置は、低元冷凍サイクル１０にＣＯ₂ 冷媒を用いるため、低元冷凍サイクル１０において、低元圧縮機１１は動力が大きく、低効率である。よって、低元冷凍サイクル１０の高圧部分の圧力を所定量低下させ、高元冷凍サイクル２０の高元圧縮機２１の圧縮比を高くした方が、運転効率が高くなり、省エネルギーとなる。特に、高元冷凍サイクル２０で用いる冷媒を高効率なＨＦＣ系冷媒等とした場合、省エネルギー効果が大きくなる。

具体的には、外気３２℃において低元蒸発器１４の蒸発温度を−１０℃から−４０℃の範囲で使用される場合に、高元冷凍サイクル２０に用いる冷媒を、例えば高効率なＨＦＣ系冷媒のＲ４１０Ａとする。そして、上記に示した制御方法により、低元冷凍サイクル１０の高圧側圧力が、ＣＯ₂ の臨界圧力と低元低圧圧力センサー１７が検知する低元冷凍サイクル１０の低圧との相乗平均値となるように制御した場合に、運転効率は略最大となる。これにより、省エネルギー性に優れた冷凍装置を得ることができる。

以上により、低元受液器１５内のＣＯ₂ 冷媒を液体とガスの飽和状態とすることができるため、冷却負荷が変動し、余剰冷媒が生じた場合でも、低元受液器１５内の液冷媒が増加するが貯留しておくことができる。このため、負荷変動に対して低元受液器１５の液面変化のみで冷媒量を調節可能となり、冷媒回路内における適切な冷媒量を容易に維持することができるので、故障等の少ない、信頼性の高い冷凍装置を得ることができる。

また、本発明の実施の形態における冷凍装置は、運転効率向上と信頼性向上を図ることができ、冷媒のノンフロン化やフロン冷媒の削減、機器の省エネルギー化が要求されるショーケース、業務用冷凍冷蔵庫及び自動販売機等の冷蔵機器又は冷凍機器にも広く適用できる。

実施の形態２．
図２は、本発明の実施の形態２における冷凍装置の冷媒回路図である。
図２において、高元冷凍サイクル２０は、冷却手段２５を有している。冷却手段２５は例えば高元冷凍サイクル２０の配管であり、その配管を低元受液器１５内を通るように設置することで低元受液器１５内の冷媒を冷却する。
また、低元冷凍サイクル１０は、低元受液器１５と低元膨張弁１３との間に電磁弁１８を備えており、低元圧縮機１１と低元凝縮器１２との間に逆止弁１９を備えている。
なお、その他の構成については実施の形態１の図１で示したものと同様であるため、説明は省略する。

次に、本実施の形態２の冷凍装置の動作について説明する。
本実施の形態２において、通常運転時は、実施の形態１と同様に低元冷凍サイクル１０および高元冷凍サイクル２０が並行して運転している。しかし、温度制御等の関係で低元圧縮機１１が断続運転されている場合など、低元圧縮機１１が運転を停止する場合がある。
この場合、低元圧縮機１１を停止する前に、電磁弁１８を閉止することで、低元冷凍サイクル１０内の冷媒を低元冷凍サイクル１０の電磁弁１８と逆止弁１９との間の高圧部分、特に低元受液器１５に貯留させる。

そして、電磁弁１８の閉止後、所定時間後又は低圧側圧力が所定値以下となった場合に、低元圧縮機１１を停止させる。本実施の形態２では、例えば低圧側圧力の下限値（本発明の所定値に相当）を蒸発温度である−５５℃とし、その値を下回った場合は、低元圧縮機１１を停止させる。
仮に電磁弁１８を閉じたまま低元圧縮機１１を運転し続けると、低圧側冷媒がなくなり低圧圧力が低下して、ほぼ真空状態となる。このとき、低元圧縮機１１のモーターを冷却する冷媒を吸入できなくなるため、故障の要因となる。そのため、上記のように低圧側の圧力の下限値を設けて圧縮機を停止させる保護制御を導入している。

そして、低元圧縮機１１が停止中であっても、高元圧縮機２１は運転させる。これにより、低元凝縮器１２内の冷媒は、カスケードコンデンサ３１において高元蒸発器２４によって冷却されるため、例えば外気温度が上昇しても、低元冷凍サイクル１０内の冷媒密度を高く保ち、圧力上昇を抑制できる。

更に、低元受液器１５を冷却する冷却手段２５により、多くの冷媒を貯留する低元受液器１５を冷却できれば、効率的に冷媒を冷却することが可能なため、より圧力上昇を抑制できるという効果を得られる。

以上により、本実施の形態２においては、低元圧縮機１１が停止中であっても低元冷凍サイクル１０内の圧力上昇を抑制できるため、冷媒回路内における適切な冷媒量を容易に維持することができる。

実施の形態３．
図３は、本発明の実施の形態３における冷凍装置の冷媒回路図である。
図３において、低元受液器１５ａは、後述するように圧力が臨界圧力以下であったら冷媒を貯留可能な所定の容量としたものである。また、本実施の形態３においても、図２で示した冷却手段２５を備えていてもよい。
なお、その他の構成については実施の形態２の図２で示したものと同様であるため、説明は省略する。

高元冷凍サイクル２０において、例えば高元圧縮機２１が故障により運転停止した場合、低元冷凍サイクル１０の放熱手段がなくなるため、低元冷凍サイクル１０の圧力が上昇し、運転不可能となる。このため、実施の形態２と同様に、電磁弁１８を閉止することで低元冷凍サイクル１０内の冷媒を低元冷凍サイクル１０の高圧部分、特に低元受液器１５ａに集めた後、低元圧縮機１１を停止する。

ここで、電磁弁１８の閉止後、所定時間後又は低圧側圧力が所定値以下となった場合に、低元圧縮機１１を停止させる。実施の形態２と同様に、この所定値は蒸発温度である−５５℃とし、その値を下回った場合は、低元圧縮機１１を停止させる。

そして、低元受液器１５ａは、低元受液器１５ａ内の圧力が臨界圧力以下の場合に、液体として冷媒を貯留したときに全ての冷媒を貯留しても満液とならない容量とする。
具体的には、低元冷凍サイクル１０に封入される総冷媒量と、想定される周囲の最大温度から貯留される液冷媒の最大体積を求める。そして、冷媒貯留部分の容積、即ち逆止弁１９から電磁弁１８までの容積が、液冷媒の最大体積以上となるように低元受液器１５ａの容量を設定する。なお、冷媒貯留部は、気液二相の飽和状態となるため、圧力は温度から求められる。

また、低元受液器１５内の圧力が臨界圧力以上である場合、低元受液器１５ａ内は超臨界状態となる。このとき、低元受液器１５ａ内の圧力は、冷媒貯留部の容積、即ち逆止弁１９から電磁弁１８までの容積と、貯留する冷媒量と、温度とによって決まる。低元冷凍サイクル１０に封入される総冷媒量と、想定される周囲の最大温度において、冷媒貯留部が圧力上限値を超えないような容積となるように低元受液器１５ａの容量を設定してもよい。
なお、一般的に、周囲の最大温度をＣＯ₂ の臨界温度３１．１℃以上と想定する。

本実施の形態３により、高元冷凍サイクル２０の高元圧縮機２１が停止しても、低元冷凍サイクル１０の高圧が圧力上限値、例えば設計圧を超えることがなく、圧力の上昇による故障等の少ない、信頼性の高い冷凍装置を得ることができる。

１０低元冷凍サイクル、１１低元圧縮機、１２低元凝縮器、１３低元膨張弁、１４低元蒸発器、１５、１５ａ低元受液器、１６低元高圧圧力センサー、１７低元低圧圧力センサー、１８電磁弁、１９逆止弁、２０高元冷凍サイクル、２１高元圧縮機、２２高元凝縮器、２３高元膨張弁、２４高元蒸発器、２５冷却手段、３０制御装置、３１カスケードコンデンサ。

Claims

低元圧縮機、低元凝縮器、低元減圧手段、低元蒸発器及び低元受液器を有し、ＣＯ₂を冷媒として用いて循環させる低元冷凍サイクルと、
高元圧縮機、高元凝縮器、高元減圧手段及び高元蒸発器を有し、高元側冷媒を循環させる高元冷凍サイクルと、
前記低元凝縮器と前記高元蒸発器とを有し、前記ＣＯ₂と前記高元側冷媒との熱交換を行うカスケードコンデンサと、
を備え、
前記低元冷凍サイクルでは、前記低元凝縮器において前記ＣＯ₂が冷却され、冷却された前記ＣＯ₂を前記低元減圧手段を介して前記低元蒸発器へ流入させ、前記低元蒸発器において前記ＣＯ₂を気化させることにより対象物を冷却し、
また、前記カスケードコンデンサにおける前記高元側の冷媒との熱交換により、前記ＣＯ₂の圧力が、ＣＯ₂の臨界圧力よりも小さくなるように前記高元冷凍サイクルの前記高元圧縮機を制御することを特徴とする冷凍装置。
前記高元冷凍サイクルの前記高元圧縮機は、
冷却負荷が増加した場合には容量が増加し、冷却負荷が減少した場合に容量が減少するように制御されることを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
前記低元冷凍サイクルは、
高圧側の圧力を測定する低元高圧圧力センサーと、
低圧側の圧力を測定する低元低圧圧力センサーと、
を有し、
前記高元圧縮機は、
前記低元高圧圧力センサーで測定された圧力が、前記ＣＯ₂の臨界圧力と低元低圧圧力センサーで測定された圧力との相乗平均値となるように制御されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の冷凍装置。
前記低元圧縮機が停止中であっても、前記高元圧縮機を動作させることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の冷凍装置。
前記低元冷凍サイクルは、
前記低元受液器と前記低元減圧手段との間に配置される開閉弁と、
前記低元圧縮機と前記低元凝縮器との間に配置される逆止弁と、
を有し、
前記低元冷凍サイクルの前記低元圧縮機が停止する場合、前記開閉弁を閉状態にすることで前記ＣＯ₂を前記開閉弁と前記逆止弁との間に集め、その所定時間後又は前記低圧側圧力が所定値以下となった場合に前記低元圧縮機を停止させることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の冷凍装置。
前記低元冷凍サイクルは、
前記低元受液器と前記低元減圧手段との間に配置される開閉弁と、
前記低元圧縮機と前記低元凝縮器との間に配置される逆止弁と、
を有し、
前記低元冷凍サイクルの前記低元受液器は、臨界圧力以下における前記ＣＯ₂の最大体積を収容可能な容量であり、
前記低元冷凍サイクルは、
前記高元冷凍サイクルの前記高元圧縮機が停止した場合、前記開閉弁を閉状態にすることで前記ＣＯ₂を前記開閉弁と前記逆止弁との間に集め、その所定時間後又は前記低圧側圧力が所定値以下となった場合に前記低元圧縮機を停止させることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の冷凍装置。
前記低元冷凍サイクルの前記低元受液器は、臨界圧力以下における前記ＣＯ₂の最大体積を収容可能な容量であり、
前記低元冷凍サイクルは、
前記高元冷凍サイクルの前記高元圧縮機が停止した場合、前記開閉弁を閉状態にすることで前記ＣＯ₂を前記開閉弁と前記逆止弁との間に集め、その後前記低元圧縮機を停止させることを特徴とする請求項５に記載の冷凍装置。
前記高元冷凍サイクルは、
前記低元受液器内の冷媒を冷却する冷却手段を有し、
前記低元冷凍サイクルは、
前記冷却手段により前記ＣＯ₂が冷却されることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載の冷凍装置。
前記高元冷凍サイクルは、
前記低元冷凍サイクルに用いられる前記ＣＯ₂よりも運転効率を高められる冷媒が用いられることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれかに記載の冷凍装置。