JP2017125661A - 多段可変式ガス回収機及び多段可変式冷媒回収機 - Google Patents
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Abstract
Description
(V1/V2)γ=P2/P1=z(ここで断熱指数:γについては後述する)
即ち圧縮比が変わると圧縮機各段の体積比:V1/V2も変わる。
Ta/Tb=(Vb/Va)γ−1=(Pa/Pb)(γ−1)/γ の関係が成り立つ。
ここで温度と圧力は絶対温度(K)、絶対圧力である。また、断熱指数:γは構成元素数で決まる値で、一原子ガス:1.6 二原子ガス:1.4 三原子以上ガス:1.3である。
現実の断熱変化では、潤滑油の存在、温度変化に伴うわずかな周囲との熱の授受により上記の理論的断熱指数より小さい値となる。これをポリトロープ指数というが本明細書では使い分けの必要性がないため、呼称を断熱指数で表記する。
すなわち、低蒸気圧媒体を回収するときには、回収終了期の吸入圧力と凝縮圧力の比が1/25程度であるが、高蒸気圧冷媒等を回収するときには、その圧力比(圧縮比)は1/100程度になる。
単段の圧縮機でそのような高圧縮比に対処するのは困難であり、冷媒等の回収率を高くすることは困難であった。
また、高蒸気圧冷媒等を回収する際には、回収機の圧縮比が増大するため、冷媒の温度上昇が極めて大きく空気が混入した場合ヂーゼル爆発の危険がある。
この四点を付加した構成は、後述する第2の実施の形態例で説明する多段可変式ガス回収機に相当する。この多段可変式ガス回収機では、吸入圧力と凝縮圧力に加え、個別の圧縮機の吸入温度と吸入圧力、吐出温度と吐出圧力の四点を測定し、気体の断熱指数を算出し、この断熱指数と前述の算出した圧縮比より圧縮機の容積比(回転比)を算出制御する。この一連の計測、計算は瞬時に繰り返し回収開始から回収終了まで行う。
運転中の全圧縮比Zを計測、各段の圧縮比:zであり、z=Z1/nより、
Vb/Va=z1/γであるから各段の容積比を算出制御できる。このようにn段でも2段でも同様に制御できるため、以降は2段圧縮、同容積の圧縮機で代表して説明を行う。
ここで断熱指数:γを固定値とした場合の低圧圧縮機体積/高圧圧縮機体積:eは、
e=V1/V2=z1/γ
ここで設定した断熱指数γ=1、実際の気体の断熱指数が1.15の場合の、運転シミュレーションを図3に示す。
Z=P13/P10=2417kPa/100kPa=24.17の時、
z=e=24.17=24.171/2=4.92となり、各圧縮機体積を運転周波数であらわすと、低圧圧縮機周波数は111Hz、高圧圧縮機周波数は22.6Hzとなる。この時、実際の気体の断熱指数が1.15であるから、低圧段の圧縮比はe1.15=z1=6.248、高圧段の圧縮比:z2は、
z2=Z/z1=24.17/6.248=3.87となる。またこの中間段圧力P12は642kPaとなる。このように、断熱指数:γを固定値とすることで低圧段と高圧段の圧縮比は若干異なる制御となるが、全圧縮比の変動に対応した冷媒の回収運転を行うことが可能である。
{P2/P1=z,T2/T1=t}或いは{P3/P2=z,T4/T3=t}より
断熱指数:γ=1/(1―(logt/logz))が算出できるため、各段の任意の圧縮比での運転や、必要に応じて各段の出口温度を基準とした制御も可能となる。同時に空気のような異種気体の混入も「計測断熱指数γの変化」として検出できる。運転シミュレーションを図7に示す。
[1−1.ガス圧縮式フロン回収機の構成]
図1は、ガス圧縮式フロン回収機200の構成例を示す。ガス圧縮式フロン回収機200が回収する冷媒は、高蒸気圧フロンである。
被回収物10は、空調機器、給湯機などの機器であり、フロン充填部11を備える。フロン充填部11内は、異なる相のフロンが積層した状態になっている。すなわち、下側に冷凍機油と液フロンの溶解相11aがあり、その上に気相のフロン11bがある、なお、図1では1台の被回収物10を示すが、複数台の被回収物10を液相回収式冷媒回収機100に接続して、複数台の被回収物10から同時にフロンを回収するようにしてもよい。
図2は、ガス圧縮式フロン回収機200の回収開始から回収終了までの各部の圧力変化と、2つの圧縮機211,212の圧縮動作状態の変化を示す。図2の縦軸は圧力を示し、横軸は時間を示す。
図2では、低圧圧縮機211の吸入側の圧力P11と、低圧圧縮機211の吐出側(=高圧圧縮機212の吸入側)の圧力P12と、高圧圧縮機212の吐出側の圧力P13の変化を示す。また、図2では、2つの圧縮機211,212の全圧縮比Zと、各段の圧縮比zの変化を示す。なお、低圧圧縮機211の吐出側の圧力P12は、高圧圧縮機212の吸入側の圧力でもあり、また、高圧圧縮機212の吐出側の圧力P13は、気液分離器241の圧力でもある。
この時の中間段の圧力P12は、856kPaになる。
この時の中間段の圧力P12は、782kPaになる。
図3は、図2の変化で固定断熱指数γ:1.0による回転数(周波数)設定値とその運転に基づいて実際の断熱指数γ:1.15の気体が示すシミュレーションである。
[2−1.冷媒回収機の構成]
図4は、液相回収式冷媒回収機100の構成例を示す。
液相回収式冷媒回収機100が回収する冷媒は、高蒸気圧冷媒(フロン)である。
被回収物10は、空調機器、給湯機などの機器であり、フロン充填部11を備える。フロン充填部11を備える。フロン充填部11内は、異なる相のフロンが積層した状態になっている。すなわち、下側に冷凍機油と液フロンの溶解相11aがあり、その上に気相のフロン11bがある。
冷媒フロン逸失していない被回収物10に充填されたフロンの95%は液状の溶解相に存在するため溶解相からの分離回収は重要である。
液相回収式冷媒回収機100の場合にも、複数台の被回収物10を液相回収式冷媒回収機100に接続して、複数台の被回収物10から同時にフロンを回収するようにしてもよい。
精製ユニット120内には、熱交換器である後方冷却器121が配置され、後方冷却器121を通過するフロンを冷却させる際の熱で、精製ユニット120内の溶解相120aのフロンの気化が促進される。また、精製ユニット120内には、ヒータ122が配置され、このヒータ122による加熱によっても、精製ユニット120内のフロンの気化が促進される。
精製ユニット120の下側には、自動弁AV6を有する配管162が取り付けられている。この自動弁AV6が開状態となることで、精製ユニット120のオイルが外部に排出される。自動弁AV6の開閉は、制御部145により制御される。
配管153の途中には自動弁AV2が配置され、配管163の途中には自動弁AV3が配置される。これらの自動弁AV2,AV3の開閉は、制御部145により制御される。
低圧圧縮機131で圧縮されたフロンは、配管154を介して中間冷却器111に供給される。気化ユニット110内に配置された中間冷却器111では、低圧圧縮機131での圧縮で高温になったフロンが冷却される。
後方冷却器121で冷却されたフロンは、配管157を介して凝縮器141に供給される。凝縮器141の入口の配管157には、温度センサT5が配置されている。また、配管157には、リリーフ弁SV1が配置されている。
また、冷媒回収機100内には、外気温度センサRTが設置されている。
図5のフローチャートは、冷媒回収機100で冷媒及び冷凍機油を回収する動作の流れを示す。
図5のフローチャートにおいて、ステップS11からステップS19までの処理は、被回収物10から気化ユニット110にフロンを含む冷凍機油を回収した後、精製ユニット120から冷凍機油が排出されるまでの流れを示す。また、ステップS21からステップS29までの処理は、冷媒回収の動作及び圧縮機131,132の動作制御の流れを示す。これら冷凍機油を回収して生成排出する処理と、フロン回収の動作制御処理は並行して行われる。また一般的に使用される回収容器は20L、23L、100L容器でルームエアコンであれば、20台〜120台分のフロンを回収できる。
被回収物10のフロン充填部11内の溶解相のフロン11aが、気化ユニット110に吸引される(ステップS11)。気化ユニットで気化したフロンは低圧圧縮機131で圧縮されその断熱圧縮熱により、気化ユニット110内のフロンを気化させる(ステップS12)引き続きフロンは回収され回数を重ねるごとにフロンを溶解した冷凍機油は気化ユニット内に蓄積増加する。一定以上の冷凍機油の蓄積があると(ステップS13)精製ユニットが空ならば(ステップS14)、AV4を開き、気化ユニット110内の冷凍機油を、精製ユニット120に移動させる。(ステップS15)
この間、低圧圧縮機131の吸入圧力は図6の例では1616kPa〜回収終了圧力(20kPa程度)を繰り返す。一方精製ユニット120では気化ユニットで租処理された、冷凍機油のためフロンの気化は緩慢であるため、精製ユニット120の圧力P1′は回収終了圧力20kPa近辺を維持するため冷凍機から多くのフロンの回収を実現できる。
(回収モードがスタンバイ状態で、)P0が設定値より高い場合はAV1が開き低圧圧縮機131と高圧圧縮機132が起動する。気化ユニット110の圧力P1と高圧圧縮機132の吐出側の圧力P3を計測し、全体の圧縮比Z,z及び断熱指数初期値:γより各圧縮機の体積比eを算出して運転させる。さらに両圧縮機131,132の運転中は、常に圧縮比Z,zを求め、P3/P2,T4/T3の圧力比、温度比より気体の断熱指数を演算算出し、最適な運転を続ける(ステップS21,S22)。
さらに、ステップS24で、気液分離器143に液化したフロンが所定量蓄積していない場合、ステップS30で、高圧圧縮機132の吐出側の圧力P3が規定値以下か否かを判断し、圧力P3が規定値以下である場合には、ステップS24の判断に戻る。そして、ステップS30で、高圧圧縮機132の吐出側の圧力P3が規定値以上の場合には、被回収物から取り出した冷媒が高蒸気圧冷媒であり、液相回収式冷媒回収機100では回収ができないため、回収作業を終了する(ステップS31)。この場合には、高蒸気圧冷媒に対応した別の回収機を使用して回収作業を行う。
図6は、液相回収式冷媒回収機100の回収開始から回収終了近辺までの各部の圧力変化と、2つの圧縮機131,132の圧縮動作状態の変化を示す。図6の縦軸は圧力を示し、横軸は時間を示す。
図6では、低圧圧縮機131の吸入側の圧力P1と、低圧圧縮機131の吐出側(=高圧圧縮機132の吸入側)の圧力P2と、高圧圧縮機132の吐出側の圧力P3の変化を示す。また、図6は、低圧圧縮機131と高圧圧縮機132の全圧縮比Zと、各段の圧縮比z及び各段の周波数(回転数と比例)の変化を示している。なおt24は空気の混入があり気体の断熱指数γが1.2に変化した例を示す。
液相回収では、回収に従い被回収物の液相の減少、気相増加により内部で一部フロンが気化するため、若干の温度低下により低圧圧縮機131の吸入側の圧力P1は緩やかに低下する。更に回収が進むと液相は無くなり、気相のみとなるため、圧力P1は急激に低下する。
空気は凝縮しないため、気液分離機の気相や凝縮器上部に蓄積し、空気の分圧に相当する圧力分、高圧圧縮機132の吐出の圧力P3の圧力を上昇させます。
T2=T1×(P2/P1)(γ−1)/γ
T4=T3×(P3/P2)(γ−1)/γ
この式において、T2=T4とすると各段の吐出温度が同じになる制御ができる。
{P2/P1,T2/T1}或いは{P3/P2,T4/T3}いずれかの組み合わせで断熱指数を計算できるが、実施例では温度計の取付位置より{P3/P2,T4/T3}の組み合わせで算出している。圧縮機と温度計の取付位置が遠いと、圧縮機の不具合である再圧縮に吸入温度の上昇が計測できず、また外気温の影響も受けて好ましくない。
また、オイルを処理するユニットについても、気化ユニット110と精製ユニット120の2つのユニットを配置して、その2つのユニット110,120により2段でフロンを取り出すようにしため、最終的に精製ユニット120から排出されるオイルは、フロンが殆ど取り出されたものとなり、この点からも効率のよいフロンの回収ができるようになる。
なお、図6の例の液相回収式冷媒回収機100の場合にも、図1の例のガス圧縮式フロン回収機200の場合と同様に、温度を測定せず、予め断熱指数γを固定値として、各圧縮機の回転数を算出して制御するようにしてもよい。
上述した実施の形態では、フロンを回収する回収機の例を説明したが、フロン以外の気体(ガス)を扱う回収設備に同様の構成を適用してもよい。
例えば、ガス絶縁式の高圧変圧器から、絶縁用のガスを回収するガス回収機に、本発明を適用してもよい。
また、上述した実施の形態では、低圧圧縮機(第1の圧縮機)と高圧圧縮機(第2の圧縮機)の2つの圧縮機を備える回収機とした。これに対して、3個以上の圧縮機を備えて、順に気体を圧縮するようにしてもよい。
この場合、中間冷却器は、複数段の圧縮機の内の先頭段又は中間段の圧縮機で圧縮されたガスを冷却し、後方冷却器は、複数段の圧縮機の内の最終段の圧縮機で圧縮されたガスを冷却するようにする。そして、圧力センサは、先頭段の圧縮機の吸入側圧力と最終段の圧縮機の吐出側圧力を検出し、断熱指数を固定値として、圧力センサが検出した系の圧力変動に追随して、制御部は、全ての圧縮機又は1台を除くその他の圧縮機の回転数を連続的又は段階的に追随変動させるようにする。
また、第2の実施の形態例で説明した液相回収式冷媒回収機での処理を、ガス圧縮式回収機に適用してもよい。すなわち、ガス圧縮式回収機において、圧力センサが検出した圧力と温度センサが検出した温度から気体の断熱指数を算出して、複数段の圧縮機のそれぞれの最適な回転数の算出を行うようにしてもよい。また、ガス圧縮式回収機において、第2の実施の形態例で説明した原理で空気の混入を検知するようにしてもよい。
Claims (5)
- 被回収物からガスを回収する多段式ガス回収機において、
それぞれ回転数が可変設定され、回収したガスを順に圧縮する複数段の圧縮機と、
前記複数段の圧縮機の内の先頭段又は中間段の圧縮機で圧縮されたガスを冷却する中間冷却器と、
前記複数段の圧縮機の内の最終段の圧縮機で圧縮されたガスを冷却する後方冷却器と、
少なくとも前記先頭段の圧縮機の吸入側圧力と前記最終段の圧縮機の吐出側圧力を検出する圧力センサと、
前記圧力センサが検出した圧力に応じて、前記複数段の圧縮機の回転数を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、断熱指数を固定値として、前記圧力センサが検出した系の圧力変動に追随して、全ての圧縮機又は1台を除くその他の圧縮機の回転数を連続的又は段階的に追随変動させる
多段可変式ガス回収機。 - 前記複数段の圧縮機の内の少なくともいずれか1台の圧縮機の吸入側圧力と温度及び吐出側圧力と温度を計測し、前記制御部で断熱指数を算出し、前記複数段の圧縮機の最適な回転数の算出を行うと共に、空気の混入を検知するようにした
請求項1に記載の多段可変式ガス回収機。 - 冷凍機油に溶解した冷媒が充填された被回収物から冷媒溶解相を回収する多段可変式冷媒回収機において、
それぞれ回転数が可変設定され、回収した冷媒を順に圧縮する複数段の圧縮機と、
前記複数段の圧縮機の内の先頭段又は中間段の圧縮機で圧縮された冷媒を冷却する中間冷却器及び後方冷却器の機能を、冷媒−冷凍機油からなる溶解相と圧縮機の断熱圧縮熱の熱交換器としてのオイルユニットで同機能を各々代替し、冷却源である被回収物の溶解相を最初に受け入れるオイルユニットを気化ユニット、気化ユニットからの溶解相を受入れるオイルユニットを精製ユニットとし、各々単独で動作する圧縮機吸入弁を備え、
精製ユニットの運転圧力を回収機運転圧力の低圧域に限定した機構を有する多段可変式冷媒回収機。 - 前記複数段の圧縮機の内の少なくともいずれか1台の圧縮機の吸入側圧力と吐出側圧力の双方の圧力を検出する圧力センサと、
前記圧力センサで吸入側圧力と吐出側圧力を検出する圧縮機の吸入側温度と吐出側温度とを検出する温度センサと、
前記圧力センサが検出した圧力と前記温度センサが検出した温度から気体の断熱指数を算出して、前記複数段の圧縮機の最適な回転数の算出を行うようにした制御部とを備えた、
請求項3に記載の多段可変式冷媒回収機。 - 前記中間冷却器と前記後方冷却器のそれぞれに用意され、単独で動作する圧縮吸入弁を備え、
前記後方冷却器の弁は、前記中間冷却器の圧力より前記後方冷却器の圧力が高いときだけ、開くように制御する
請求項3又は4に記載の多段可変式冷媒回収機。
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