JP2015141005A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、非共沸混合冷媒の循環組成に応じた運転が可能な冷凍装置を提供する。
【解決手段】沸点の異なる２種類以上の冷媒を混合した非共沸混合冷媒を用い、少なくとも圧縮機、凝縮器、減圧装置、蒸発器を順次接続した冷媒回路を備えた冷凍装置において、冷媒回路は、凝縮器で凝縮された高圧の液冷媒又は気液２相冷媒と、蒸発器で蒸発された低圧のガス冷媒又は気液２相冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器を備え、内部熱交換器には、冷媒入口から冷媒出口にかけて複数の温度検出手段を設け、温度検出手段が検出した温度Ｔ１，Ｔ２…から、内部熱交換器の温度グライドＴｇｌｉｄｅを算出し、この温度グライドＴｇｌｉｄｅから内部熱交換器入口の乾き度を算出する乾き度算出手段を備える構成とする。
【選択図】図５

Description

本発明は、非共沸混合冷媒を用いた冷凍装置に関する。

一般に、沸点の異なる２種類以上の冷媒を混合した非共沸混合冷媒を用い、少なくとも圧縮機、凝縮器、減圧装置、蒸発器を順次接続した冷媒回路を備えた冷凍装置が知られている。この種の冷凍装置では、冷媒回路中に余剰冷媒が発生した場合、この余剰冷媒に含まれる高沸点の冷媒が、例えば、冷媒回路中に設けられたアキュムレータや、凝縮器または蒸発器内に溜まり易くなる。このため、冷媒回路に封入した際の冷媒の組成比率（以下、封入組成という）と、実際に冷媒回路を循環している冷媒の組成比率（以下、循環組成という）とが異なる。
冷媒回路内の循環組成が変化すると、冷媒の圧力と飽和温度との関係が変化して冷却能力も大幅に変化する。このため、冷凍装置を安定して、かつ、所定の能力を発揮できるようにするには、循環組成を正確に把握し、この循環組成に応じて減圧装置の開度や圧縮機の周波数、凝縮器及び蒸発器の送風機の回転数を調整する必要がある。
冷媒回路内の循環組成を把握する技術として、従来、圧縮機の出入口で冷媒回路の主回路から分岐したバイパス回路を設け、このバイパス回路に非共沸混合冷媒を高沸点冷媒と低沸点冷媒とに分離する冷媒精留器及び毛細管を備え、更に、この毛細管の入口側に第１温度センサを、出口側に第１圧力検出手段と第２温度センサを設け、第１圧力検出手段により検出した圧力、第１温度センサおよび第２温度センサにより検出したそれぞれの温度を用いて冷媒回路内の循環組成を演算する組成演算手段を備えた冷凍サイクル装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許第３９７８６６０号公報

しかしながら、従来の構成では、冷媒回路の主回路から分岐したバイパス回路を設け、このバイパス回路に各種の機器を設けるといった循環組成検出を検出するための専用の機構を備えることを要し、装置構成が煩雑化するという問題があった。
本発明の目的は、上述した従来の技術が有する課題を解消し、簡単な構成で、非共沸混合冷媒の循環組成に応じた運転が可能な冷凍装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、沸点の異なる２種類以上の冷媒を混合した非共沸混合冷媒を用い、少なくとも圧縮機、凝縮器、減圧装置、蒸発器を順次接続した冷媒回路を備えた冷凍装置において、前記冷媒回路は、前記凝縮器で凝縮された高圧の液冷媒又は気液２相冷媒と、前記蒸発器で蒸発された低圧のガス冷媒又は気液２相冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器を備え、前記内部熱交換器には、冷媒入口から冷媒出口にかけて複数の温度検出手段を設け、前記温度検出手段が検出した温度から、内部熱交換器の温度グライドを算出し、この温度グライドから内部熱交換器入口の乾き度を算出する乾き度算出手段を備えたことを特徴とする。

上記構成において、前記乾き度算出手段は、予め取得した非共沸混合冷媒における温度グライドと内部熱交換器入口の乾き度との関係から、求めた温度に対応する内部熱交換器入口の乾き度を求めてもよい。

上記構成において、前記非共沸混合冷媒は、同一圧力条件における飽和液冷媒温度と飽和ガス冷媒温度との温度グライドが１０℃以上であってもよい。

上記構成において、前記非共沸混合冷媒に含まれる少なくとも一の冷媒は、地球温暖化係数が１０未満であってもよい。

上記構成において、前記非共沸混合冷媒は、少なくともＨＦＯ１２３４ＺＥまたはＨＦＯ１２３４ＹＦを含んでもよい。

本発明によれば、内部熱交換器には、冷媒入口から冷媒出口にかけて複数の温度検出手段を設け、温度検出手段が検出した温度から、内部熱交換器の温度グライドを算出し、この温度グライドから内部熱交換器入口の乾き度を算出する乾き度算出手段を備えたため、冷媒回路の構成を煩雑にすることなく、簡単な構成で、封入組成と循環組成とで類似する乾き度を算出することができるので、この乾き度を用いることで循環組成に応じた運転が可能となる。

本発明の本実施形態に係る冷凍装置の冷媒回路図である。 非共沸混合冷媒が封入された冷媒回路のｐ−ｈ線図である。 冷媒が封入組成のまま循環したと仮定した場合におけるｐ−ｈ線図である。 乾き度の一般的な算出方法を示すグラフである。 乾き度運転処理の手順を示すフローチャートである。 内部熱交換器内の温度分布を示す図である。 温度グライドと内部熱交換器入口の乾き度との関係を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る冷凍装置１００の冷媒回路図である。
冷凍装置１００は、図１に示すように、圧縮機１１、凝縮器１３、内部熱交換器１５、膨張弁（減圧装置）１７、蒸発器１９、内部熱交換器１５、アキュムレータ２１、及び、圧縮機１１を順次環状に配管接続した冷媒回路１０を備え、この冷媒回路１０内に非共沸混合冷媒を封入して構成されている。
凝縮器１３及び蒸発器１９には、それぞれ凝縮器１３及び蒸発器１９に送風する送風機２３，２５が設けられている。
内部熱交換器１５は、凝縮器１３で凝縮された高圧の液冷媒又は気液２相冷媒と、蒸発器１９で蒸発された低圧のガス冷媒又は気液２相冷媒との間で熱交換を行うものである。本実施形態では、内部熱交換器１５として、凝縮器１３と膨張弁１７とを接続する高圧側流路２７の周囲に、蒸発器１９とアキュムレータ２１とを接続する低圧側流路２９が設けられた二重管式の熱交換器が用いられている。

内部熱交換器１５には、低圧側流路２９を流れる高圧の液冷媒の温度Ｔ１，Ｔ２…を検出する複数の温度センサ（温度検出手段）３１，３２…が設けられている。本実施形態では、内部熱交換器１５の表面であって低圧側流路２９の冷媒入口から冷媒出口にかけて、７つの温度センサ３１−３７を等間隔に設けている。これらの温度センサ３１−３７は、制御装置（乾き度算出手段）４０にそれぞれ接続されており、温度Ｔ１−Ｔ７を制御装置４０に出力する。
制御装置４０は、冷凍装置１００全体の動作の制御を司るものであり、圧縮機１１の運転周波数、膨張弁１７の開度、送風機２３，２５の回転数を制御するとともに、後述する非共沸混合冷媒の循環組成に対応した乾き度を算出する。

次に、非共沸混合冷媒について説明する。
非共沸混合冷媒は、沸点の異なる２種類以上の冷媒を混合した冷媒であり、沸点の高い冷媒が沸点の低い冷媒よりも先に凝縮する。このため、非共沸混合冷媒の等温線は、飽和液線から飽和蒸気線に向かって右下がりであり、同一圧力条件における飽和液線と飽和蒸気線には、所定の温度グライドが生じる。
一方で、近年、地球温暖化問題が注目を浴び、空気調和装置や冷凍装置で使用される冷媒に対しても、ＣＯＰが高く環境負荷がより小さいものが望まれている。特に、地球温暖化問題に対する注目度は高く、温度グライドが大きく（例えば１０℃〜４０℃）なったとしても、地球温暖化係数（Global Warming Potential）ＧＷＰのより小さい冷媒が求められている。

本実施形態では、非共沸混合冷媒として、ＣＯ₂（二酸化炭素）、ＨＦＣ３２（Ｒ３２）及びＨＦＯ１２３４ＺＥ（Ｒ１２３４ＺＥ）を所定比率で混合したものが冷媒回路１０に封入されている。
ここで、ＣＯ₂とＨＦＯ１２３４ＺＥは、地球温暖化係数ＧＷＰがそれぞれ１と６であり、地球温暖化係数ＧＷＰが１０未満の非常に小さな冷媒である。このため、これらを混合することにより、地球温暖化係数ＧＷＰの小さな非共沸混合冷媒とすることが可能となる。

図２は、上記した非共沸混合冷媒が封入された冷媒回路１０におけるｐ−ｈ線図である。この図２に示す点Ａ〜Ｆは、図１の冷媒回路１０における点Ａ〜Ｆの状態を示したものである。
図２に示すように、本実施形態で使用される非共沸混合冷媒は、同一圧力条件における飽和液線４１と飽和蒸気線４３との間に１０℃以上の大きな温度グライドが生じる冷媒である。

一般に、温度グライドが大きな冷媒を用いた場合、夏期の外気温度（例えば３５℃）の下で、外気によってすべて凝縮させるには、この３５℃の等温線４２と飽和液線４１とが交差する点Ｇ（図１）と同一圧力まで圧縮する必要があり、圧縮比が高くなる傾向にある。
このため、本実施形態では、冷媒回路１０は、上記した内部熱交換器１５を備え、この内部熱交換器１５にて、凝縮器１３で凝縮された液冷媒又は気液２相冷媒と、蒸発器１９で蒸発されたガス冷媒又は気液２相冷媒との間で熱交換を行うことにより、外気温度が高い状況下にあっても、圧縮機１１の吐出圧力を点Ｇまで高くすることなく、内部熱交換器１５の出口（点Ｄ）で完全に凝縮させることができ、その分圧縮比を小さくできる。

ところで、非共沸混合冷媒が封入された冷凍装置１００では、冷媒回路１０中に余剰冷媒が発生した場合、この余剰冷媒に含まれる高沸点の冷媒が、冷媒回路１０中に設けられたアキュムレータ２１や、凝縮器１３または蒸発器１９内に溜まり易くなる。このため、冷媒回路１０に封入した際の下の封入組成と、実際に冷媒回路１０を循環している循環組成とが異なる。冷媒回路１０内の循環組成が変化すると、冷媒の圧力と飽和温度との関係が変化して冷却能力も大幅に変化することとなる。

図３は、冷媒が封入組成のまま循環したと仮定した場合におけるｐ−ｈ線図である。
通常、冷凍サイクルにおいて、膨張弁１７の前後では、冷媒は等エンタルピ変化をする（図２点Ｄ−点Ｅ参照）。しかし、上記したように、非共沸混合冷媒では、封入組成と実際の循環組成とが異なるため、封入組成と各点Ａ〜Ｆにおける冷媒温度、圧力からｐ−ｈ線図を描いた場合、図３に示すように、膨張弁１７の前後のエンタルピが異なり、点Ｄ−点Ｅを結ぶ線が傾斜してしまう。この傾向は、温度グライドの大きな冷媒ほど、顕著となるため、本実施形態のように、温度グライドの大きな非共沸混合冷媒を用いた冷凍装置１００では、冷凍装置１００を安定して、かつ、所定の能力を発揮できるようにするため、循環組成を正確に把握し、この循環組成に応じて膨張弁１７の開度や圧縮機１１の周波数、送風機２３，２５の回転数を調整する必要がある。
しかしながら、循環組成を正確に把握することは困難であるため、本実施形態では、循環組成を把握する代わりに乾き度を正確に把握している。乾き度は、冷媒における気相冷媒の比率を示すものである。

図４は、乾き度の一般的な算出方法を示すグラフである。この図において、封入組成及び循環組成での内部熱交換器１５の等圧線図を示し、横軸は乾き度（ｋｇ／ｋｇ）を、縦軸は温度（℃）を示す。
非共沸混合冷媒の等温線には所定の温度グライドがあることから、内部熱交換器１５入口の乾き度は、一般的には、内部熱交換器１５の圧力線図と、内部熱交換器１５入口の温度とから求められていた。しかしながら、非共沸混合冷媒では、封入組成と実際の循環組成とが異なるため、図４に示すように、内部熱交換器１５の圧力線図と、内部熱交換器１５入口の温度とから、循環組成における内部熱交換器１５入口の乾き度を求めると、封入組成の乾き度の値からずれてしまう。例えば、内部熱交換器１５入口の温度が０℃のとき、封入組成αでは乾き度が約０．６となるが（点Ｐα）、循環組成α’では乾き度が約０．８となる（点Ｐα’）。
そこで、本実施形態では、制御装置４０は、乾き度を正確に把握し、この乾き度に応じて膨張弁１７の開度や圧縮機１１の周波数、送風機２３，２５の回転数を調整する乾き度運転処理を実行する。

次に、乾き度運転処理の手順について説明する。
図５は、乾き度算出処理の手順を示すフローチャートである。図６は、内部熱交換器１５内の温度分布を示す図である。図７は、温度グライドと内部熱交換器入口の乾き度との関係を示す図である。なお、図６において、横軸は温度センサ３１−３７の位置に対応する区間を、縦軸は温度センサ３１−３７が検出した温度Ｔ１−Ｔ７を示す。また、図７において、横軸は内部熱交換器１５内の温度グライド（Ｋ）を、縦軸は内部熱交換器入口の乾き度を示す。図７に示す温度グライドと内部熱交換器１５入口の乾き度との関係は、予め実験等によって取得されており、制御装置４０の記憶部に記憶されている。
まず、制御装置４０は、温度センサ３１，３２…から温度情報Ｔ１，Ｔ２…を取得する（ステップＳ１）。

次いで、制御装置４０は、温度情報Ｔ１，Ｔ２…から内部熱交換器１５内の温度グライドＴｇｌｉｄｅを算出する（ステップＳ２）。内部熱交換器１５では、図６に示すように、急激に温度が上昇する区間（図６の例では、区間３−４）がある。制御装置４０は、この区間において冷媒が蒸発（ドライアウト）して過熱状態になったと判断し、冷媒が蒸発したときの冷媒蒸発温度を温度グライドＴｇｌｉｄｅとして、手前の区間０−３の温度Ｔ１−Ｔ４から線形補間して算出する。具体的には、制御装置４０は、温度Ｔ１−Ｔ４を通る直線Ｌ、あるいは温度Ｔ１−Ｔ４に近似する直線Ｌを区間３−４に延長させて直線Ｌ’とし、区間３−４における直線Ｌ’の最低温度Ｔｍｉｎと最高温度Ｔｍａｘの中間温度を算出して、温度グライドＴｇｌｉｄｅとする（Ｔｇｌｉｄｅ＝（Ｔｍｉｎ＋Ｔｍａｘ）／２）。図６の例では、温度グライドＴｇｌｉｄｅは約２．５Ｋとなる。

次に、図５を参照し、制御装置４０は、記憶部を参照し、温度グライドと内部熱交換器１５入口の乾き度との関係から、算出したＴｇｌｉｄｅに対応する乾き度Ｘを求める（ステップＳ３）。図７に示すように、温度グライドと内部熱交換器１５入口の乾き度との関係は、封入組成αと循環組成α’とで類似している。したがって、制御装置４０は、温度グライドと封入組成αにおける内部熱交換器１５入口の乾き度との関係から、算出したＴｇｌｉｄｅに対応する乾き度Ｘを求めればよい。したがって、制御装置４０は、温度グライドと封入組成αにおける内部熱交換器１５入口の乾き度との関係を記憶部に備えていればよい。なお、制御装置４０は、温度グライドと循環組成α’における内部熱交換器１５入口の乾き度との関係を記憶部に備えていてもよい。図７の例では、乾き度Ｘは約０．６となる。

続いて、図５を参照し、制御装置４０は、現運転状態における乾き度Ｘと、目標の乾き度Ｘａｉｍとを比較し、現運転状態における乾き度Ｘが目標の乾き度Ｘａｉｍか否かを判別する（ステップＳ４）。
ステップＳ４の判別において、現運転状態における乾き度Ｘが目標の乾き度Ｘａｉｍである場合には（ステップＳ４：Ｙｅｓ）、制御装置４０は、処理をステップＳ１に戻す。

一方、現運転状態における乾き度Ｘが目標の乾き度Ｘａｉｍでない場合には（ステップＳ４：Ｎｏ）、制御装置４０は、現運転状態における乾き度Ｘが目標の乾き度Ｘａｉｍとなるように運転を制御して（ステップＳ５）、処理をステップＳ１に戻す。ここで、目標の乾き度Ｘａｉｍとは、冷凍装置１００を高効率に運転できるとともに、安定した運転を継続できる乾き度であり、予め実験等によって取得され、制御装置４０の記憶部に記憶されている。具体的には、制御装置４０は、（１）膨張弁１７の開度を調整し、（２）圧縮機１１の周波数を調整し、（３）送風機２３，２５の回転数を調整し、（４）（１）−（３）の複合を実行する。
このように、制御装置４０は、膨張弁１７の開度や、圧縮機１１の周波数、送風機２３，２５の回転数を最適に制御することにより、冷凍装置１００を安定して、かつ、所定の能力を発揮できる制御を実現する。制御装置４０は、上記した処理手順を定期的に行うことにより、リアルタイムに変動する循環組成α´に追従することができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、冷媒回路１０は、凝縮器１３で凝縮された高圧の液冷媒又は気液２相冷媒と、蒸発器１９で蒸発された低圧のガス冷媒又は気液２相冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器１５を備え、内部熱交換器１５には、冷媒入口から冷媒出口にかけて複数の温度センサ３１−３７を設け、温度センサ３１−３７が検出した温度から、内部熱交換器１５の温度グライドＴｇｌｉｄｅを求め、この温度グライドＴｇｌｉｄｅから乾き度Ｘを算出する制御装置４０を備える構成とした。この構成により、冷媒回路１０の構成を煩雑にすることなく、簡単な構成で、封入組成と循環組成とで類似する乾き度Ｘを算出することができるので、この乾き度Ｘを用いることで循環組成に応じた運転が可能となる。

さらに、本実施形態によれば、冷媒回路１０は、凝縮器１３で凝縮された高圧の液冷媒又は気液２相冷媒と、蒸発器１９で蒸発された低圧のガス冷媒又は気液２相冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器１５を備えたため、外気温度が高い状況下にあっても、圧縮機１１の吐出圧力を、外気温度と飽和液線とが公差する圧力以上に高めることなく、内部熱交換器１５の出口で完全に凝縮させることができ、その分圧縮比を小さくできる。この構成は、温度グライドの大きな（１０℃以上の）冷媒ではより効果的である。

また、本実施の形態によれば、非共沸混合冷媒に含まれる少なくとも一の冷媒は、地球温暖化係数ＧＷＰが１０未満であるため、これらを混合することにより、地球温暖化係数ＧＷＰの小さな非共沸混合冷媒とすることが可能となる。

但し、上記実施の形態は本発明の一態様であり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能であるのは勿論である。
例えば、非共沸混合冷媒に混合される冷媒の種類、及び、比率は、冷凍装置１００の環境、負荷等に応じて適宜変更することができる。
また、上記実施形態では、非共沸混合冷媒に混合される冷媒の一つとして、ＨＦＯ１２３４ＺＥを例示したが、これに限るものではなく、同様な特性を有するものであれば、例えば、ＨＦＯ１２３４ＹＦを含む構成としても良い。

また、上記実施の形態では、７つの温度センサ３１−３７を設けたが、これに限定されるものではなく、内部熱交換器１５の冷媒入口から冷媒出口にかけて少なくとも３つの温度センサ３１，３２…を設ければよい。
また、上記実施の形態では、温度センサ３１，３２…を等間隔に設けたが、温度センサ３１，３２…を設ける間隔は等間隔でなくてもよい。

また、上記実施の形態では、内部熱交換器１５として二重管式の熱交換器を設けたが、これに限定されるものではなく、内部熱交換器としてプレート熱交換器を設けてもよい。

１０ 冷媒回路
１１ 圧縮機
１３ 凝縮器
１５ 内部熱交換器
１７ 膨張弁（減圧装置）
１９ 蒸発器
３１ 温度センサ（温度検出手段）
４０ 制御装置（乾き度算出手段）
１００ 冷凍装置
Ｘ 乾き度
α 封入組成
α´ 循環組成

Claims (5)

1. 沸点の異なる２種類以上の冷媒を混合した非共沸混合冷媒を用い、少なくとも圧縮機、凝縮器、減圧装置、蒸発器を順次接続した冷媒回路を備えた冷凍装置において、
   前記冷媒回路は、前記凝縮器で凝縮された高圧の液冷媒又は気液２相冷媒と、前記蒸発器で蒸発された低圧のガス冷媒又は気液２相冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器を備え、
   前記内部熱交換器には、冷媒入口から冷媒出口にかけて複数の温度検出手段を設け、
   前記温度検出手段が検出した温度から、内部熱交換器の温度グライドを算出し、この温度グライドから内部熱交換器入口の乾き度を算出する乾き度算出手段を備えたことを特徴とする冷凍装置。
2. 前記乾き度算出手段は、予め取得した非共沸混合冷媒における温度グライドと内部熱交換器入口の乾き度との関係から、求めた温度に対応する内部熱交換器入口の乾き度を求めることを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
3. 前記非共沸混合冷媒は、同一圧力条件における飽和液冷媒温度と飽和ガス冷媒温度との温度グライドが１０℃以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の冷凍装置。
4. 前記非共沸混合冷媒に含まれる少なくとも一の冷媒は、地球温暖化係数が１０未満であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の冷凍装置。
5. 前記非共沸混合冷媒は、少なくともＨＦＯ１２３４ＺＥまたはＨＦＯ１２３４ＹＦを含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の冷凍装置。

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