JP2013160427A - 二元冷凍装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】高元側圧縮機21、高元側凝縮器22、高元側膨張弁23、高元側蒸発器24及び高元側蓄熱蒸発器25を配管接続し冷媒を循環させる高元冷凍サイクル20と、低元側圧縮機11、低元側凝縮器12、低元側受液器13、低元側膨張弁15及び低元側蒸発器16を配管接続し冷媒を循環させる低元冷凍サイクル10と、高元側蒸発器24を流れる冷媒と低元側凝縮器12を流れる冷媒とが熱交換を行うカスケードコンデンサ30と、高元側蓄熱蒸発器25と低元側受液器13とを収容し、高元側蓄熱蒸発器25によって蓄熱媒体32を冷却して冷熱を蓄熱するとともに、蓄熱媒体32に蓄熱された冷熱により低元側受液器13を冷却する蓄熱槽31とを備えた。
【選択図】図1
Description
図1は、本発明の実施の形態1に係る二元冷凍装置の冷媒回路図である。図1において、二元冷凍装置は、低元冷凍サイクル10と高元冷凍サイクル20とを有し、それぞれ独立して冷媒を循環させる冷媒回路を構成している。また、二元冷凍装置は、当該二元冷凍装置全体の運転制御を行う制御装置33を有する。
低元側受液器13は、低元側凝縮器12の下流側に設けられ冷媒を貯留するものである。
次に、上記のような構成からなる二元冷凍装置の動作の概要について説明する。まず、冷凍負荷を冷却する動作に先んじ(又は同時対応でも良い)高元冷凍サイクル20の運転を行い、蓄熱槽31の蓄熱媒体32(ブライン、水等)にその冷熱を蓄える。そして、蓄熱媒体32に蓄熱された冷熱により、低元側受液器13自体および内部の冷媒が冷却される。
まず、高元冷凍サイクル20の動作について説明する。高元側圧縮機21は、HFO冷媒を吸入し、圧縮して高温・高圧の状態にして吐出する。吐出した冷媒は高元側凝縮器22へ流入する。高元側凝縮器22は、高元側凝縮器ファンから供給される外気とHFO冷媒との間で熱交換を行い、HFO冷媒を凝縮液化する。凝縮液化した冷媒は高元側膨張弁23を通過する。高元側膨張弁23は凝縮液化した冷媒を減圧する。減圧した冷媒は高元側蒸発器24(カスケードコンデンサ30)に流入する。高元側蒸発器24は、低元側凝縮器12を通過する冷媒との熱交換により冷媒を蒸発する。さらに、蒸発した冷媒は高元側蓄熱蒸発器25(蓄熱槽31)に流入する。高元側蓄熱蒸発器25は、蓄熱槽31に収容される蓄熱媒体32との熱交換により冷媒を蒸発、ガス化する。完全に蒸発ガス化したHFO冷媒を高元側圧縮機21が吸入する。
次に、低元冷凍サイクル10の動作について説明する。低元側圧縮機11は、CO2冷媒を吸入し、圧縮して高温・高圧の状態にして吐出する。吐出した冷媒は低元側凝縮器12(カスケードコンデンサ30)へ流入する。低元側凝縮器12は、高元側蒸発器24を通過する冷媒との熱交換により冷媒を凝縮する。さらに、凝縮した冷媒は低元側受液器13(蓄熱槽31)へ流入する。低元側受液器13は、蓄熱槽31に収容される蓄熱媒体32により冷却され、内部の冷媒が凝縮する。完全に凝縮液化した冷媒は低元側膨張弁15を通過する。低元側膨張弁15は凝縮液化した冷媒を減圧する。減圧した冷媒は低元側蒸発器16に流入する。低元側蒸発器16は冷却対象との熱交換により冷媒を蒸発ガス化する。蒸発ガス化したCO2冷媒を高元側圧縮機21が吸入する。
本実施の形態における二元冷凍装置は、高元冷凍サイクル20の故障などにより運転が停止している場合であっても、低元側受液器13の温度上昇に伴う圧力上昇を回避できる。このような高元冷凍サイクル20が停止時における低元冷凍サイクル10の動作について説明する。
低元側圧縮機11は、CO2冷媒を吸入し、圧縮して高温・高圧の状態にして吐出する。吐出した冷媒は低元側凝縮器12(カスケードコンデンサ30)へ流入する。高元冷凍サイクル20が停止しているため低元側凝縮器12では、高元冷凍サイクル20を通過する冷媒との熱交換が十分に行われず、高温・高圧の状態で低元側受液器13(蓄熱槽31)へ流入する。CO2冷媒を用いた場合、周囲温度の上昇により超臨界状態で低元側受液器13へ流入される場合もある。低元側受液器13は、蓄熱槽31に収容される蓄熱媒体32により冷却され、低元側受液器13に流入した冷媒が冷却される。これにより、冷媒の温度上昇に伴う圧力上昇が抑制される。低元側受液器13から流出した冷媒は、低元側膨張弁15および低元側蒸発器16を経て、再び高元側圧縮機21に吸入される。
図2は、本発明の実施の形態2に係る二元冷凍装置の冷媒回路図である。図2において、上記実施の形態1の構成に加え、低元冷凍サイクル10は、低元側受液器13と低元側膨張弁15との間に、低元側蓄熱凝縮器14を備えている。
本実施の形態の蓄熱槽31には、低元側受液器13と低元側蓄熱凝縮器14と高元側蓄熱蒸発器25とが収容されており、高元側蓄熱蒸発器25から授与された冷熱を蓄熱槽31内の蓄熱媒体32に蓄え、この蓄熱媒体32に蓄熱された冷熱により低元側受液器13と低元側蓄熱凝縮器14とを冷却する。なお、低元側蓄熱凝縮器14は「第2蓄熱蒸発器」に相当する。
まず、高元冷凍サイクル20の動作について説明する。高元側圧縮機21は、HFO冷媒を吸入し、圧縮して高温・高圧の状態にして吐出する。吐出した冷媒は高元側凝縮器22へ流入する。高元側凝縮器22は、高元側凝縮器ファンから供給される外気とHFO冷媒との間で熱交換を行い、HFO冷媒を凝縮液化する。凝縮液化した冷媒は高元側膨張弁23を通過する。高元側膨張弁23は凝縮液化した冷媒を減圧する。減圧した冷媒は高元側蒸発器24(カスケードコンデンサ30)に流入する。高元側蒸発器24は、低元側凝縮器12を通過する冷媒との熱交換により冷媒を蒸発する。さらに、蒸発した冷媒は高元側蓄熱蒸発器25(蓄熱槽31)に流入する。高元側蓄熱蒸発器25は、蓄熱槽31に収容される蓄熱媒体32との熱交換により冷媒を蒸発、ガス化する。完全に蒸発ガス化したHFO冷媒を高元側圧縮機21が吸入する。
次に、低元冷凍サイクル10の動作について説明する。低元側圧縮機11は、CO2冷媒を吸入し、圧縮して高温・高圧の状態にして吐出する。吐出した冷媒は低元側凝縮器12(カスケードコンデンサ30)へ流入する。低元側凝縮器12は、高元側蒸発器24を通過する冷媒との熱交換により冷媒を凝縮する。凝縮した冷媒は低元側受液器13に貯留され、低元側蓄熱凝縮器14(蓄熱槽31)へ流入する。低元側蓄熱凝縮器14は、蓄熱槽31に収容される蓄熱媒体32との熱交換により冷媒を凝縮する。完全に凝縮液化した冷媒は低元側膨張弁15を通過する。低元側膨張弁15は凝縮液化した冷媒を減圧する。減圧した冷媒は低元側蒸発器16に流入する。低元側蒸発器16は冷却対象との熱交換により冷媒を蒸発ガス化する。蒸発ガス化したCO2冷媒を高元側圧縮機21が吸入する。
本実施の形態の二元冷凍装置では、例えば、高元側圧縮機21において、駆動するモータの周波数を制御し、高元冷凍サイクル20における冷却能力を制御することにより低元側冷媒回路における吐出側の圧力(低元側高圧)を調節する。カスケードコンデンサ30において、低元側凝縮器12の凝縮温度(低元側凝縮温度)と高元側蒸発器24の蒸発温度(高元側蒸発温度)との温度差ΔTが生じるものとする。温度差ΔTはカスケードコンデンサ30の熱交換量によって変化するが、ここでは例えば5℃程度とする。ある運転状態から高元側圧縮機21の運転周波数を上げて高元側の冷却能力を増大させると、高元側蒸発温度が低下する。低下した高元側蒸発温度に伴い低元側凝縮温度(低元側高圧)も低下する。逆に、高元側の冷却能力が低減すれば低元側高圧も上昇する。
冷却負荷が通常時(中間期など)の場合、蓄熱槽31への蓄熱または利用を行わない通常運転モードを実施する。この通常運転モードでは、冷媒間で直接熱交換するカスケードコンデンサ30を用いて高効率運転を行う。本実施の形態においては、高元側冷媒回路は冷媒がカスケードコンデンサ30から蓄熱槽31の順に流れるように接続し、低元側冷媒回路は冷媒がカスケードコンデンサ30から蓄熱槽31の順に流れるように接続しているため、熱交換の大部分をカスケードコンデンサ30で行う。
冷却負荷が小さい場合(冬期、夜間など)、高元側冷媒回路(高元側蓄熱蒸発器25)によって蓄熱媒体32を冷却して冷熱を蓄熱する蓄熱運転モードを実施する。この蓄熱運転モードでは、冷媒間で直接熱交換するカスケードコンデンサ30を用いて高効率運転を行いつつ、高元側蓄熱蒸発器25によって蓄熱媒体32を冷却して冷熱を蓄熱する蓄熱運転を行う。冷却負荷が小さいときはカスケードコンデンサ30の熱交換量が減少するため、高元側冷媒回路の冷却能力が冷却負荷より過剰となる。このため、高元側冷媒回路の冷媒はカスケードコンデンサ30(高元側蒸発器24)において完全には蒸発せず、残った冷熱は高元側蓄熱蒸発器25において蓄熱媒体32への蓄熱分として消費される。
冷却負荷が大きい場合(夏期、昼間など)、蓄熱媒体32に蓄熱された冷熱を利用して低元側蓄熱凝縮器14を冷却する蓄熱利用運転モードを実施する。この蓄熱利用運転モードでは、冷媒間で直接熱交換するカスケードコンデンサ30を用いて高効率運転を行いつつ、蓄熱媒体32に蓄熱された冷熱により低元側蓄熱凝縮器14を冷却する蓄熱利用運転を行う。冷却負荷が大きいときはカスケードコンデンサ30の熱交換量が増大するため、高元側冷媒回路の冷却能力が冷却負荷より不足となる。このため、低元側冷媒回路の冷媒はカスケードコンデンサ30(低元側凝縮器12)において完全には凝縮せず、残った放熱量は低元側蓄熱凝縮器14において蓄熱媒体32の蓄冷熱により処理する。
ここで、冷却負荷の検知方法の一例について説明する。前述したように、冷却負荷に対して冷凍能力決定し、必要とする冷凍能力を得るために低元側圧縮機11により冷媒流量を制御している。すなわち、必要とされる冷凍能力を出力し、低元側蒸発温度を一定に保つことにより、接続される冷却対象の温度(例えばショーケースの庫内温度)を一定に保つ。具体的には、冷却負荷が高まれば冷却対象の温度(庫内温度)が上昇し、低元側蒸発温度が上昇するため、低元側圧縮機11の回転数を増大させ、所定の低元側蒸発温度とする。冷却負荷が小さくなれば低元側蒸発温度が低下するため、低元側圧縮機11の回転数を減少させ、所定の低元側蒸発温度とする。
本実施の形態における二元冷凍装置は、高元冷凍サイクル20の運転状態によらず、低元冷凍サイクル10の運転の起動が可能である。即ち本実施の形態の二元冷凍装置においては、低元冷凍サイクル10が蓄熱槽31に貯蓄された冷熱を利用するため、低元冷凍サイクル10の運転を起動させたあとに高元冷凍サイクル20の運転を起動してもよいし、高元冷凍サイクル20の運転から起動しても、または各サイクルの運転を同時に起動してもよい。
ここで、高元冷凍サイクル20が停止時において低元冷凍サイクル10の運転を起動した場合の動作について説明する。なお、高元冷凍サイクル20から起動する場合または同時に起動する場合は、上述した動作となる。
制御装置33は、各冷凍サイクルの冷凍能力を逐次算出し、運転時間を乗算する。そして、上記式を満たすように、高元冷凍サイクル20及び低元冷凍サイクル10の運転を起動又は停止させる制御を行う。例えば、高元冷凍サイクル20による蓄熱運転を行ったあと、高元冷凍サイクル20を停止し、低元冷凍サイクル10のみを運転した場合、上記式の右辺が左辺より大きくなった場合、制御装置33は、高元冷凍サイクル20の運転を起動し、上記式を満たすように制御する。
図3は、本発明の実施の形態3に係る二元冷凍装置の冷媒回路図である。図3において、上記実施の形態2の構成に加え、高元冷凍サイクル20は、高元側蓄熱蒸発器25をバイパスする高元側蓄熱バイパス管26を備え、低元冷凍サイクル10は、低元側蓄熱凝縮器14をバイパスする低元側蓄熱バイパス管17を備えている。
また、蓄熱を行う蓄熱運転モード時には、高元側蓄熱バイパス管26の流路を遮断し、一方の蓄熱槽31へ接続する配管を開放する。この場合は、上述した実施の形態2と同様の動作となる。
また、蓄熱を行う蓄熱運転モード時には、低元側蓄熱バイパス管17の流路を遮断し、一方の蓄熱槽31へ接続する配管を開放する。この場合は、上述した実施の形態2と同様の動作となる。
Claims (6)
- 第1圧縮機、第1凝縮器、第1絞り装置、第1蒸発器、及び第1蓄熱蒸発器を配管接続し、冷媒を循環させる第1冷媒回路と、
第2圧縮機、第2凝縮器、受液器、第2絞り装置、及び第2蒸発器を配管接続し、冷媒を循環させる第2冷媒回路と、
前記第1蒸発器と前記第2凝縮器とにより構成され、前記第1蒸発器を流れる冷媒と前記第2凝縮器を流れる冷媒とが熱交換を行うカスケードコンデンサと、
前記第1蓄熱蒸発器と前記受液器とを収容し、前記第1蓄熱蒸発器によって蓄熱媒体を冷却して冷熱を蓄熱するとともに、前記蓄熱媒体に蓄熱された冷熱により前記受液器を冷却する蓄熱槽とを備えた
ことを特徴とする二元冷凍装置。 - 前記第2冷媒回路は、前記受液器と前記第2絞り装置との間に、第2蓄熱凝縮器を備え、
前記蓄熱槽は、前記第2蓄熱凝縮器を収容し、前記蓄熱媒体に蓄熱された冷熱により前記第2蓄熱凝縮器を冷却する
ことを特徴とする請求項1記載の二元冷凍装置。 - 前記第1冷媒回路の運転状態によらず、前記第2冷媒回路の運転の起動が可能である
ことを特徴とする請求項1又は2記載の二元冷凍装置。 - 前記第2冷媒回路の運転を起動させたあと、前記第1冷媒回路の運転を起動させる
ことを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の二元冷凍装置。 - 前記第1冷媒回路の冷凍能力と当該第1冷媒回路の運転時間とを乗算した値が、前記第2冷媒回路の冷凍能力と当該第2冷媒回路の運転時間とを乗算した値以上となるように、
前記第1及び第2冷媒回路の運転を起動又は停止させる
ことを特徴とする請求項1〜4の何れか一項に記載の二元冷凍装置。 - 前記第2冷媒回路の前記冷媒として、二酸化炭素を用いた
ことを特徴とする請求項1〜5の何れか一項に記載の二元冷凍装置。
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