JP2014081119A

JP2014081119A - 冷凍装置

Info

Publication number: JP2014081119A
Application number: JP2012228618A
Authority: JP
Inventors: Akira Fujitaka; 章藤高; Shigeyuki Inoue; 茂之井上; Yoshikazu Kawabe; 義和川邉; Kazuhiko Marumoto; 一彦丸本
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2012-10-16
Filing date: 2012-10-16
Publication date: 2014-05-08

Abstract

【課題】エネルギー効率が高く、信頼性を向上させた冷凍装置を提供すること。
【解決手段】冷媒としてＲ−３２を使用する冷凍サイクルの圧縮機１の吐出温度を検出する吐出温度センサー１０と、凝縮器の凝縮冷媒温度を検出する凝縮温度センサー１１と、回転数制御部を備え、冷凍サイクルは、４５℃を超える雰囲気温度で冷媒が凝縮するとともに、回転数制御部が吐出温度センサーからの出力に基づき圧縮機の回転数を制御して圧縮機の吐出温度を管理する構成としてある。これにより、この冷凍装置は、４５℃を超える雰囲気温度で冷媒が凝縮する場合において、吐出温度が高くなる場合、圧縮機の回転数を低減し、Ｒ−４１０Ａと同等の吐出温度としても、エネルギー効率が高く、かつ、圧縮機は湿り冷媒を吸入することを防ぐため、信頼性の向上に貢献することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍装置に関する。

現在、開発途上国の冷凍装置などの冷媒には、Ｒ−２２が使用されているが、オゾン層を破壊するＨＣＦＣであるため、モントリオール議定書により削減対象となっている。そのため、ＨＣＦＣ代替で、オゾン層を破壊しない冷媒として先進国で使用されているＨＦＣ冷媒Ｒ−４１０Ａの使用が検討されているが、Ｒ−４１０Ａを使用する冷凍装置において、雰囲気温度が４０℃以上となるような運転条件では、運転効率が低下するため、送風ファンの風速を上げ、凝縮温度を低下させて効率低下を防止している（例えば、特許文献１参照）。図３は特許文献１に記載された冷凍装置である。

特許第３６０１１３４号公報

しかしながら、上記従来の冷凍装置では、雰囲気温度が更に上昇して４５℃を超える運転条件になると、送風ファン１０１の風速を上げても、凝縮温度低減による運転効率改善と、送風ファン１０１の消費電力増加等による効率低下が相殺され、運転効率の改善につながらないという課題があった。また、Ｒ−４１０Ａの臨界温度は７１．３℃と、Ｒ２２の臨界温度と比べて、かなり低く、雰囲気温度が４５℃を超える運転条件では、凝縮器１０２におけるＲ−４１０Ａの凝縮温度が、Ｒ−４１０Ａの臨界温度（７１．３℃）近傍まで上昇し、凝縮潜熱が小さい状態で凝縮するため、凝縮器の効率が低下し、その結果、冷凍装置の性能が低下するという冷媒の熱物性に起因する課題もあった。

更に、Ｒ−４１０Ａは温暖化係数（ＧＷＰ）が２０８８と高く、冷媒が大気中に漏れた場合の温暖化影響が大きいという課題もあった。

この温暖化の課題に対処できる冷媒の一つが前記Ｒ−２２であるが、Ｒ−４１０Ａ冷媒に比べ温暖化係数（ＧＷＰ）が低く、オゾン層を破壊しないＲ−２２の代替冷媒として利用できる冷媒にＲ−３２がある。

表１は、蒸発器側乾球温度３２℃・湿球温度２３℃、凝縮器側乾球温度５５℃の条件での、冷媒をＲ−４１０Ａ、Ｒ−３２とした場合の、冷凍サイクル特性を示したものである。Ｒ−４１０Ａの実測データを基に、圧縮機の圧縮機効率を同一として、算出した。

この結果から、Ｒ−３２はその冷凍能力およびエネルギー効率は高くなるが、吐出温度
がＲ−４１０Ａと比較して２３ｄｅｇも高くなる。

雰囲気温度が４５℃を超える運転条件で、吐出温度を低減するためには、冷凍サイクルの絞り装置のキャピラリチューブの流量を増加させる方法が一般的であるが、その場合、圧縮機入口冷媒が湿り状態となる場合もあり、圧縮機の圧縮機効率が低下し、凝縮器出口冷媒の過冷却度（サブクール）を大きくとることができない。そのため、蒸発器入口冷媒と出口冷媒のエンタルピ差が小さくなり、冷凍能力が低下し、エネルギー効率も低下する。さらに、圧縮機は湿り冷媒を吸入するため、信頼性に課題を発生する場合があった。

また、絞り装置としてキャピラリチューブを用いる場合は、冷媒流量の制御ができないため、雰囲気温度が低い場合なども、圧縮機入口冷媒が湿り状態となり、圧縮機の圧縮機効率が低下、冷凍能力が低下し、エネルギー効率も低下する。

そこで、本発明は、温暖化係数が低い冷媒を使用し、雰囲気温度が４５℃を超える運転条件や凝縮器における凝縮冷媒の飽和温度が６０℃を超える運転条件でも、運転効率の高く、圧縮機入口冷媒が湿り状態となることを防ぎ長期信頼性を確保する冷凍装置を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するため、冷媒としてＲ−３２を使用し、圧縮機、凝縮器、減圧器、蒸発器を、冷媒配管で順次接続して冷凍サイクルを構成し、前記冷凍サイクルの前記圧縮機の吐出温度を検出する吐出温度センサーと、前記凝縮器の凝縮冷媒温度を検出する凝縮温度センサーと、前記圧縮機の回転数を切り替える回転数制御部を備え、前記冷凍サイクルは、４５℃を超える雰囲気温度で冷媒が凝縮するとともに、前記回転数制御部が前記吐出温度センサーからの出力に基づき圧縮機の回転数を制御して圧縮機の吐出温度を管理する構成としたことを特徴とする。

これにより、この冷凍装置は、４５℃を超える雰囲気温度で冷媒が凝縮する場合において、吐出温度が高くなる場合、圧縮機の回転数を低減し、Ｒ−４１０Ａと同等の吐出温度としても、エネルギー効率が高く、かつ、圧縮機は湿り冷媒を吸入することを防ぐため、信頼性の向上に貢献することができる。

本発明によれば、雰囲気温度が４５℃以上の場合でも、高効率で圧縮機の吐出温度が、現在使用しているＲ−２２やＲ−４１０Ａと同等で、冷凍サイクルの信頼性を向上させることができる。また、エネルギー効率の高い運転が可能となる。さらに、温暖化係数の低い冷媒を使用するため、冷媒が大気中に漏れた場合でも温暖化影響を少なくすることができる。

本発明の実施の形態における冷凍装置の冷凍サイクル図同冷凍装置の制御装置を示す制御ブロック図従来の冷凍装置の冷凍サイクル図

第１の発明は、冷媒としてＲ−３２を使用し、圧縮機、凝縮器、減圧器、蒸発器を、冷媒配管で順次接続して冷凍サイクルを構成し、前記冷凍サイクルの前記圧縮機の吐出温度を検出する吐出温度センサーと、前記凝縮器の凝縮冷媒温度を検出する凝縮温度センサーと、前記圧縮機の回転数を切り替える回転数制御部を備え、前記冷凍サイクルは、４５℃を超える雰囲気温度で冷媒が凝縮するとともに、前記回転数制御部が前記吐出温度センサ
ーからの出力に基づき圧縮機の回転数を制御して圧縮機の吐出温度を管理する構成としてある。

第２の発明は、冷媒として、地球温暖化係数が３以上、５００以下となるように、ＨＦＯ−１２３４ｙｆやＨＦＯ−１２３４ｚｅ単一冷媒またはＲ３２／ＨＦＯ−１２３４ｙｆ混合冷媒やＲ３２／ＨＦＯ−１２３４ｚｅ混合冷媒を用い、圧縮機、凝縮器、減圧器、蒸発器を、冷媒配管で順次接続して冷凍サイクルを構成し、前記冷凍サイクルの前記圧縮機の吐出温度を検出する吐出温度センサーと、前記凝縮器の凝縮冷媒温度を検出する凝縮温度センサーと、前記圧縮機の回転数を切り替える回転数制御部を備え、前記冷凍サイクルは、４５℃を超える雰囲気温度で冷媒が凝縮するするとともに、前記回転数制御部が前記吐出温度センサーからの出力に基づき圧縮機の回転数を制御して圧縮機の吐出温度を管理する構成としてある。

これにより、前記第１の発明と同様、エネルギー効率が高く、かつ、圧縮機は湿り冷媒を吸入することを防ぐため、信頼性の向上に貢献することができるうえに、低ＧＷＰ冷媒でエネルギー効率の高い運転が可能なため、地球温暖化防止にも貢献することができる。

第３の発明は、第１または第２の発明において、冷凍装置は更に凝縮器における凝縮冷媒の飽和温度が６０℃を超えると凝縮温度センサーからの出力に基づき回転数制御部が圧縮機の回転数を低減させて吐出温度を低下させる構成としてある。

これにより、凝縮冷媒の飽和温度が６０℃を超える状態で使用されても、Ｒ−４１０Ａと比べてエネルギー効率が高く、同等の吐出温度となり、信頼性の向上に貢献することができる。

第４の発明は、第１〜第３の発明において、圧縮機に用いる冷凍機油として、ポリオキシアルキレングリコール類、ポリビニルエーテル類、ポリ（オキシ）アルキレングリコールまたはそのモノエーテルとポリビニルエーテルの共重合体、ポリオールエステル類、及びポリカーボネート類のいずれかの含酸素化合物を主成分とする合成油か、アルキルベンゼン類やαオレフィン類を主成分とする合成油、または鉱油を用いたものであり、冷凍装置の信頼性の向上に貢献することができる。

以下、本発明の冷凍装置の実施の形態について説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本発明の第１の実施の形態における冷凍装置の冷凍サイクル図、図２は同冷凍装置の制御装置を示す制御ブロック図である。

図１において、この冷凍装置は、冷媒を圧縮する圧縮機１、冷媒と空気の熱を交換し冷媒を凝縮させる凝縮器２、冷媒を減圧する絞り装置であるキャピラリチューブ３、冷媒と空気の熱を交換し冷媒を蒸発させる蒸発器４を環状に接続し、冷凍サイクルを構成している。

１０は圧縮機１の吐出温度を検出する吐出温度センサー、１１は凝縮器２の凝縮冷媒温
度を検出する凝縮温度センサーである。

１２は制御装置で、図２に示すように、吐出温度センサー１０及び凝縮温度センサー１１、制御設定値を記憶する記憶部１４、吐出温度センサー１０の出力信号と前記記憶部１４に記憶されている第１の設定値を比較して判断し、また、凝縮温度センサー１１の出力信号と前記記憶部１４に記憶されている第２の設定値を比較して判断する判定部１５、判定部１５の信号により動作する圧縮機１の回転数制御部１６を有す。

冷凍装置を構成する冷媒回路には、ジフルオロメタン（Ｒ−３２）を使用している。

まず、通常の冷凍装置運転時には、圧縮機１によって圧縮された冷媒は高温高圧の冷媒となって凝縮器２に送られる。そして、周囲の空気と熱交換して放熱して凝縮し、高圧の液冷媒となり、減圧器３に送られる。減圧器３では減圧されて低温低圧の二相冷媒となり、蒸発器４に送られる。蒸発器４では、冷媒は周囲の空気と熱交換して吸熱し、蒸発気化して低温のガス冷媒となる。この時周囲の空気は冷却される。さらに冷媒は圧縮機１に戻される。

次に、本実施の形態による冷凍装置の凝縮器２の雰囲気温度が４５℃以上での動作について説明する。

圧縮機１によって圧縮された冷媒は高温高圧の冷媒となって凝縮器２に送られる。その時、凝縮器２の周囲の空気の温度が高いため、冷媒は放熱するために、空気の温度より高くなるように冷凍サイクルはバランスし、凝縮温度は上昇する。その結果、圧縮機１の吸入圧力と吐出圧力の比である圧縮比が大きくなるため、吐出温度が上昇する。

そして、吐出温度が第１の設定温度より高くなると、吐出温度センサー１０の出力信号と記憶部１４の第１の設定温度（例えば１１０℃）を判定部１５により比較し、判定部１５から信号が出力され、圧縮機１の回転数制御部１６により、圧縮機１の回転数を低減する。その結果、圧縮比が低下し、吐出温度が低下する。これにより、Ｒ−４１０Ａと同等の吐出温度としても、エネルギー効率が高い運転が可能となるとともに、圧縮機１は湿り冷媒を吸入することを防ぐため、信頼性の向上に貢献することができる。

また、冷媒を減圧する絞り装置であるキャピラリチューブ３の流量を増加させて吐出温度を低減しないため、吐出温度が低下した場合や雰囲気温度が４５℃より低い温度の場合、圧縮機１の回転数をもとの回転数に戻すことにより、冷凍能力を増加させ、エネルギー効率の高い運転が可能となる。

また、凝縮器２に設けられた凝縮温度センサー１１により凝縮温度を検出することにより、凝縮温度が第２の設定値（例えば６０℃）を超える状態で使用されても、圧縮機１の回転数を低減する。その結果、圧縮比が低下し、吐出温度が低下する。

さらに、この冷凍装置ではＲ−２２やＲ−４１０Ａと同等の吐出温度に制御するため、Ｒ−２２やＲ−４１０Ａの冷凍装置で使用していたＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルム、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）フィルムやＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）フィルム等の圧縮機１のモータ用耐熱絶縁材料や、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）又はポリイミド等のモータ巻線の耐熱絶縁被覆材料、弁などに使用されている樹脂材料やエラストマー等がそのまま使用できる。

なお、圧縮機１に用いる冷凍機油として、ポリオキシアルキレングリコール類、ポリビニルエーテル類、ポリ（オキシ）アルキレングリコールまたはそのモノエーテルとポリビ
ニルエーテルの共重合体、ポリオールエステル類、及びポリカーボネート類のいずれかの含酸素化合物を主成分とする合成油か、アルキルベンゼン類やαオレフィン類を主成分とする合成油、または鉱油を用いるもので、冷凍装置の信頼性のさらなる向上に貢献することができる。

（実施の形態２）
表２は室内乾球温度３２℃・湿球温度２３℃、室外乾球温度５５℃の条件での、冷媒をＲ−４１０Ａ、Ｒ−３２、Ｒ−３２／ＨＦＯ−１２３４ｙｆを７０／３０ｗｔ％とした場合の、冷凍サイクル特性を示したものである。Ｒ−４１０Ａの実測データを基に、圧縮機１の圧縮機効率を同一として、算出した。

この結果から、効率はＲ−３２が最も高いが、吐出温度が、Ｒ−４１０Ａと比較して２３ｄｅｇも高くなる。Ｒ３２／ＨＦＯ−１２３４ｙｆ混合冷媒（７０／３０ｗｔ％）は、効率は１７％高くなるが、やはり吐出温度がＲ−４１０Ａより８ｄｅｇ高くなる。

従って、Ｒ３２／ＨＦＯ−１２３４ｙｆ混合冷媒は、Ｒ−３２より吐出温度は低くなるがＲ−４１０Ａより高いため、実施の形態１と同様に、冷凍装置の凝縮器２の雰囲気温度が高い場合の運転時に、吐出温度センサー１０で検出した吐出温度が第１の設定値（例えば１１０℃）より高くなった場合、圧縮機１の回転数を低減し、吐出温度を低下させる。

これにより、Ｒ−４１０Ａと同等の吐出温度としても、エネルギー効率が高い運転が可能となるとともに、圧縮機１は湿り冷媒を吸入することを防ぐため、信頼性の向上に貢献することができる。

さらに、この冷凍装置はＲ−２２やＲ−４１０Ａと同等の吐出温度に制御するため、Ｒ−２２やＲ−４１０Ａの冷凍装置で使用していたＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルム、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）フィルムやＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）フィルム等の圧縮機１のモータ用耐熱絶縁材料や、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）又はポリイミド等のモータ巻線の耐熱絶縁被覆材料、弁などに使用されている樹脂材料やエラストマー等がそのまま使用できる。

なお、圧縮機１に用いる冷凍機油として、ポリオキシアルキレングリコール類、ポリビニルエーテル類、ポリ（オキシ）アルキレングリコールまたはそのモノエーテルとポリビニルエーテルの共重合体、ポリオールエステル類、及びポリカーボネート類のいずれかの含酸素化合物を主成分とする合成油か、アルキルベンゼン類やαオレフィン類を主成分とする合成油、または鉱油を用いるもので、冷凍装置の信頼性のさらなる向上に貢献することができる。

なお、ＨＦＯ−１２３４ｙｆやＨＦＯ−１２３４ｚｅ単一冷媒またはＲ３２／ＨＦＯ−１２３４ｙｆ混合冷媒やＲ３２／ＨＦＯ−１２３４ｚｅ混合冷媒等の地球温暖化係数が３以上、５００以下、望ましくは３５０以下、さらに望ましくは１５０以下となるような冷媒を用いても同様の効果を奏す。

本発明によれば、凝縮温度が高い過負荷運転条件において、エネルギー効率の向上と信頼性の向上を図ることができ、低ＧＷＰ冷媒を使用する冷凍サイクルを有す空気調和機、ヒートポンプ温水暖房機等さまざまな機器に搭載可能であり、温暖化防止に貢献することができる。

１圧縮機
２凝縮器
３減圧器（キャピラリチューブ）
４蒸発器
１０吐出温度センサー
１１凝縮温度センサー
１２制御装置
１４記憶部
１５判定部
１６回転数制御部

Claims

冷媒としてＲ３２を使用し、圧縮機、凝縮器、減圧器、蒸発器を、冷媒配管で順次接続して冷凍サイクルを構成し、前記冷凍サイクルの前記圧縮機の吐出温度を検出する吐出温度センサーと、前記凝縮器の凝縮冷媒温度を検出する凝縮温度センサーと、前記圧縮機の回転数を切り替える回転数制御部を備え、前記冷凍サイクルは、４５℃を超える雰囲気温で冷媒が凝縮するとともに、前記回転数制御部が前記吐出温度センサーからの出力に基づき圧縮機の回転数を制御して圧縮機の吐出温度を管理することを特徴とする冷凍装置。
冷媒として、地球温暖化係数が３以上、５００以下となるように、ＨＦＯ−１２３４ｙｆやＨＦＯ−１２３４ｚｅ単一冷媒またはＲ３２／ＨＦＯ−１２３４ｙｆ混合冷媒やＲ３２／ＨＦＯ−１２３４ｚｅ混合冷媒を用い、圧縮機、凝縮器、減圧器、蒸発器を、冷媒配管で順次接続して冷凍サイクルを構成し、前記冷凍サイクルの前記圧縮機の吐出温度を検出する吐出温度センサーと、前記凝縮器の凝縮冷媒温度を検出する凝縮温度センサーと、前記圧縮機の回転数を切り替える回転数制御部を備え、前記冷凍サイクルは、４５℃を超える雰囲気温度で冷媒が凝縮するとともに、前記回転数制御部が前記吐出温度センサーからの出力に基づき圧縮機の回転数を制御して圧縮機の吐出温度を管理することを特徴とする冷凍装置。
冷凍装置は更に凝縮器における凝縮冷媒の飽和温度が６０℃を超えると、凝縮温度センサーからの出力に基づき回転数制御部が圧縮機の回転数を低減させて吐出温度を低下させる構成としたことを特徴とする請求項１または２に記載の冷凍装置。
圧縮機に用いる冷凍機油として、ポリオキシアルキレングリコール類、ポリビニルエーテル類、ポリ（オキシ）アルキレングリコールまたはそのモノエーテルとポリビニルエーテルの共重合体、ポリオールエステル類、及びポリカーボネート類のいずれかの含酸素化合物を主成分とする合成油か、アルキルベンゼン類やαオレフィン類を主成分とする合成油、または鉱油を用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷凍装置。