JP2017180994A - 抽気装置およびこれを備えた冷凍機ならびに抽気装置の制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
すなわち、本発明にかかる抽気装置は、冷凍機から冷媒と不凝縮ガスを含む混合ガスを抽気する抽気配管と、前記抽気配管から抽気された前記混合ガスを貯留する抽気タンクと、前記抽気タンク内を冷却して前記混合ガス中の冷媒を凝縮させる冷却器と、前記抽気タンク内の液冷媒を前記冷凍機へ排出する排液配管と、前記抽気タンク内の前記混合ガス中の不凝縮ガスを外部へ排出する排気配管と、前記排気配管から排出した排出不凝縮ガス量が、前記冷凍機内に侵入した侵入不凝縮ガス量を超えた場合に、当該抽気装置の動作を停止する制御部とを備えていることを特徴とする。
排気配管から排出した排出不凝縮ガス量が、冷凍機内に侵入した侵入不凝縮ガス量を超えた場合に、抽気装置を停止することとしたので、運転停止のタイミングを適切に判断して抽気装置の過剰な運転継続を防止することができる。
図1には、本発明の抽気装置を用いた冷凍機の概略構成が示されている。同図に示すように、冷凍機1は、ターボ冷凍機とされており、冷媒を圧縮するターボ式の圧縮機11と、圧縮機11によって圧縮された高温高圧のガス冷媒を凝縮する凝縮器12と、凝縮器12からの液冷媒を膨張させる膨張弁13と、膨張弁13によって膨張させられた液冷媒を蒸発させる蒸発器14と、冷凍機1の冷媒系統内に侵入した空気(不凝縮ガス)を大気へ放出する抽気装置15と、冷凍機1が備える各部の制御を行う制御装置(制御部)16とを主な構成として備えている。
冷媒としては、例えばHFO−1233zd(E)といった低圧冷媒が用いられており、運転中には蒸発器等の低圧部が大気圧以下となる。
冷却水往き配管22aには、冷却水を送水する冷却水ポンプ(図示せず)と、冷却水入口温度Tcinを計測する冷却水入口温度センサ23aとが設けられている。冷却水戻り配管22bには、冷却水出口温度Tcoutを計測する冷却水出口温度センサ23bと、冷却水流量F2を計測する冷却水流量センサ24とが設けられている。
凝縮器12には、凝縮器12内の凝縮圧力Pcを計測する凝縮器圧力センサ25が設けられている。
これらセンサ23a,23b,24,25の計測値は、制御装置16へと送信されるようになっている。
冷水往き配管32aには、冷水を送水する冷水ポンプ(図示せず)と、冷水入口温度Tinを計測する冷水入口温度センサ33aとが設けられている。冷水戻り配管32bには、冷水出口温度Toutを計測する冷水出口温度センサ33bと、冷水流量F1を計測する冷水流量センサ34とが設けられている。
蒸発器14には、蒸発器14内の蒸発圧力Peを計測する蒸発器圧力センサ35が設けられている。
これらセンサ33a,33b,34,35の計測値は、制御装置16へと送信されるようになっている。
抽気装置15には、抽気装置15内で凝縮させた液冷媒を蒸発器14へ排出する排液配管19が接続されている。排液配管19には、液冷媒の流通および遮断を制御するための排液電磁弁(排液弁)21が設けられている。この排液電磁弁21の開閉は、制御装置16によって制御される。
抽気タンク40の上部には、抽気タンク40内のガス(主として不凝縮ガス)を排出する排気配管50が接続されている。排気配管50には、ガスの流通および遮断を制御するための排気電磁弁(排気弁)52が設けられている。この排気電磁弁52の開閉は、制御装置16によって制御される。
表1には、以下に説明する各ステップにおけるペルチェ素子、各電磁弁等の動作状態がまとめられている。下表において、○印はONまたは開を示し、●印はOFFまたは閉を示す。
差圧(凝縮器)=大気圧―凝縮圧力Pc ・・・(1)
差圧(蒸発器)=大気圧−蒸発圧力Pe ・・・(2)
そして、式(1)及び式(2)に基づき、空気侵入量(瞬時値)を下式のように算出する。
空気侵入量(瞬時値)=f(差圧) ・・・(3)
すなわち、空気侵入量(瞬時値)は差圧の関数(例えば差圧の1/2乗の関数)とされ、凝縮器12における空気侵入量と蒸発器14における空気侵入量との和とする。
そして、冷凍機1の冷媒系統に侵入した空気量(積算値)は、空気侵入量(瞬時値)を時間で積分した値として算出される。
空気侵入量(積算値)=Σ空気侵入量(瞬時値) ・・・(4)
凝縮器圧力センサ25によって得られた凝縮圧力Pcから抽気タンク用圧力センサ46によって得られた抽気タンク圧力Ptを引いた値が設定値を超えた場合に(ステップS5)、抽気電磁弁18を開とする(ステップS6)。
以下に説明するように、2通りの方法で、抽気タンク40内で凝縮されて抽気タンク40の下方に蓄積された液冷媒の液位を検知する。
ステップS7に示すように、凝縮器圧力センサ25によって得られた凝縮圧力Pcから抽気タンク用圧力センサ46によって得られた抽気タンク圧力Ptを引いた値が設定値を超えた場合に、抽気タンク40内における液冷媒の液位が上昇したと判断する。この設定値は、予め試験等によって決定されている。
上記のように抽気タンク40内の液冷媒の液位の上昇を検知したら、ステップS10へと進み、排液を行う。
計算による液冷媒の液位検知では、ステップS8に示すように、冷媒凝縮量の計算を行う。
先ず、冷媒凝縮量(瞬時値)を算出するために、抽気タンク40内の温度を得る。具体的には、抽気タンク用温度センサ48によって抽気タンク温度Ttを得る。抽気タンク用温度センサ48を用いない場合には、抽気タンク用圧力センサ46によって得られる抽気タンク圧力Ptから抽気タンク温度を計算してもよい。具体的には、抽気タンク圧力Ptから得られる飽和温度を抽気タンク温度とする。
冷却器42で用いるペルチェ素子の冷却能力は、吸熱側温度と放熱温度との差、ペルチェ素子に流れる電流で決まる。放熱温度(冷却水温度または外気温度)、ペルチェ素子に流れる電流を一定とすると、吸熱側温度(≒抽気タンク内温度Tt)の関数として冷却能力Qp_W[W]が下式のように算出される。
Qp_W=f(Tt) ・・・(5)
冷媒の凝縮潜熱Q_LH[kJ/kg]は、飽和温度(飽和圧力)におけるガスエンタルピと液エンタルピとの差であるため、下式のように冷媒ごとに抽気タンク内温度Ttの関数として定義される。
Q_LH=f(Tt) ・・・(6)
上記の通り得られた冷却能力Qp_Wと凝縮潜熱Q_LHとによって、冷媒凝縮量(瞬時値)G_in_ref[kg/h]が以下の通り算出される。
G_in_ref=Qp_W/Q_LH×3600/103 ・・・(7)
上式(7)にて得られた冷媒凝縮量(瞬時値)を時間で積分することによって、冷媒凝縮量(積算値)が得られる。
冷媒凝縮量(積算値)=Σ冷媒凝縮量(瞬時値) ・・・(8)
[圧力変化による検出(ステップS12)]
ステップS10にて抽気タンク40から液冷媒を排出すると、冷却器42の冷却伝熱面42aの液没が解消されて冷却能力が回復するので、抽気タンク40内の圧力は降下することになる。しかし、抽気タンク40内に不凝縮ガスである空気が所定量以上滞留していると、空気が冷却伝熱面42aを覆い伝熱性能が阻害されることになる。したがって、液冷媒の排液後に抽気タンク40内の圧力が所定値以下まで下がらない場合には、抽気タンク40内に空気が所定量以上滞留していると判断することができる。そこで、ステップS12にて、凝縮器圧力センサ25によって得られた凝縮圧力Pcから抽気タンク用圧力センサ46によって得られた抽気タンク圧力Ptを引いた差分値が設定値を超えたままの場合、すなわち、抽気タンク圧力Ptが所定値以下に下がらない場合に、抽気タンク40内に空気が所定量以上滞留していると判断する。
抽気タンク40内に空気が所定量以上滞留していると判断した場合には、ステップS15に進み、排気の準備を行う。
ステップS13では、計算によって抽気タンク40内の空気の滞留量である抽気タンク内空気量(積算値)を得る。具体的には、上述したステップS2にて算出した空気侵入量(積算値)に基づいて算出する。そして、抽気タンク内空気量(積算値)が設定値を超えた場合(ステップS14)には、抽気タンク40内に空気が所定量以上滞留していると判断し、ステップS15に進み、排気の準備を行う。
ステップS19では、排気電磁弁52を閉として、排気を終了させる。
ステップS20では、排気配管50を介して外部(大気)へと排出した空気の総量である排出空気量(積算値)を算出する。具体的には以下の通りである。
先ず、抽気タンク40内の空気密度ρ_t_air[kg/m3]を得るために、抽気タンク40内の冷媒飽和圧力Pt_ref[MPa(abs)]を算出する。抽気タンク40内の冷媒飽和圧力Pt_refは、抽気タンク40内の温度Tt相当の飽和圧力とする。飽和圧力と飽和温度との関係式は、冷媒ごとに飽和温度の関数として下式の通り定義できる。
Pt_ref=f(Tt) ・・・(9)
そうすると、抽気タンク40内の空気分圧Pt_air[MPa(abs)]は、抽気タンク圧力Pt(全圧)を用いて、下式のように算出できる。
Pt_air=Pt−Pt_ref ・・・(10)
したがって、抽気タンク40内の空気質量w_t_air[kg]は、理想気体の状態方程式から、下式の通りとなる。
w_t_air=Pt_air×Vt×M_air/(R×Tt) ・・・(11)
ここで、Vtは抽気タンク40の容積[m3]、M_airは空気の分子量[kg/mol]、Rはガス定数、Ttは抽気タンク40内の温度[K]である。
よって、抽気タンク40内の空気密度ρ_t_airは、下式の通りとなる。
ρ_t_air=w_t_air/Vt ・・・(12)
排出ガス体積V_ex[m3]は、抽気タンク40内の圧力Ptと大気圧Paとの差圧と、ステップS17において排気電磁弁52を開としていた時間Time_ex[sec]から推定する。
V_ex=f(Pt−Pa,Time_ex) ・・・(13)
なお、排出ガス体積V_exは、上式(13)に代えて、抽気タンク40の容積Vtと、排気前後の圧力差から求めても良い。
上式で得られた排出ガス体積V_exと抽気タンク40内の空気密度ρ_t_airを用いて、排出空気量w_ex_airを下式のように算出する。
w_ex_air=V_ex×ρ_t_air ・・・(14)
排出空気量(積算値)=w_ex_air×n ・・・(15)
このように排出空気量(積算値)が得られると、ステップS21へ進む。
排出空気量(積算値)が侵入空気量(積算値)を超えた場合は、十分に排気が行われたとして、ステップS23へと進み、抽気装置15の停止を行う。
また、排出空気量(積算値)が侵入空気量(積算値)を超えなかった場合であっても、ステップS22に示すように、予め設定された一定時間内の抽気タンク40内の空気分圧Pt_air(式(10)参照)の上昇が設定値以下の場合には、ステップS23へと進み、抽気装置15の停止を行う。このステップS22は、何らかの理由で、排出空気量(積算値)や侵入空気量(積算値)の計算が不正確であった場合であっても、抽気タンク40内の空気分圧の上昇が設定値以下であれば、抽気タンク40内の空気は略排気されていると判断できるからである。
ステップS20及びS21にて説明したように、排気配管50から排出した排出空気量(積算値)が、冷凍機1内に侵入した侵入空気量(積算値)を超えた場合に、抽気装置15を停止することとしたので、運転停止のタイミングを適切に判断して抽気装置15の過剰な運転継続を防止することができる。
11 圧縮機
12 凝縮器
13 膨張弁
14 蒸発器
15 抽気装置
16 制御装置(制御部)
17 抽気配管
18 抽気電磁弁(抽気弁)
19 排液配管
20 インバータモータ
21 排液電磁弁(排液弁)
22a 冷却水往き配管
22b 冷却水戻り配管
23a 冷却水入口温度センサ
23b 冷却水出口温度センサ
24 冷却水流量センサ
25 凝縮器圧力センサ
32a 冷水往き配管
32b 冷水戻り配管
33a 冷水入口温度センサ
33b 冷水出口温度センサ
34 冷水流量センサ
35 蒸発器圧力センサ
40 抽気タンク
42 冷却器
44 ヒータ
46 抽気タンク用圧力センサ
48 抽気タンク用温度センサ
50 排気配管
52 排気電磁弁(排気弁)
Claims (6)
- 冷凍機から冷媒と不凝縮ガスを含む混合ガスを抽気する抽気配管と、
前記抽気配管から抽気された前記混合ガスを貯留する抽気タンクと、
前記抽気タンク内を冷却して前記混合ガス中の冷媒を凝縮させる冷却器と、
前記抽気タンク内の液冷媒を前記冷凍機へ排出する排液配管と、
前記抽気タンク内の前記混合ガス中の不凝縮ガスを外部へ排出する排気配管と、
前記排気配管から排出した排出不凝縮ガス量が、前記冷凍機内に侵入した侵入不凝縮ガス量を超えた場合に、当該抽気装置の動作を停止する制御部と、
を備えていることを特徴とする抽気装置。 - 前記制御部は、前記抽気タンク内の温度および圧力から得られた該抽気タンク内の不凝縮ガス密度と、前記排気配管からの排出ガス量とから、前記排出不凝縮ガス量を得ることを特徴とする請求項1に記載の抽気装置。
- 前記制御部は、前記冷凍機の冷媒系統内の圧力と冷凍機外の圧力との差圧に基づいて、前記侵入不凝縮ガス量を得ることを特徴とする請求項1又は2に記載の抽気装置。
- 前記制御部は、予め設定された一定時間内における前記抽気タンク内の不凝縮ガスの分圧の上昇が設定値以下の場合に、当該抽気装置の動作を停止することを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の抽気装置。
- 請求項1から4のいずれかに記載の抽気装置を備えていることを特徴とする冷凍機。
- 冷凍機から冷媒と不凝縮ガスを含む混合ガスを抽気する抽気配管と、
前記抽気配管から抽気された前記混合ガスを貯留する抽気タンクと、
前記抽気タンク内を冷却して前記混合ガス中の冷媒を凝縮させる冷却器と、
前記抽気タンク内の液冷媒を前記冷凍機へ排出する排液配管と、
前記抽気タンク内の前記混合ガス中の不凝縮ガスを外部へ排出する排気配管と、
を備えた抽気装置の制御方法であって、
前記排気配管から排出した排出不凝縮ガス量が、前記冷凍機内に侵入した侵入不凝縮ガス量を超えた場合に、当該抽気装置の動作を停止することを特徴とする抽気装置の制御方法。
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