JP2018119746A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒漏洩による冷凍サイクル内の冷媒保有量の減少を容易に検知することができ、かつそのための改造費用が安価な冷凍装置を提供する。【解決手段】冷凍装置２１は、冷媒を圧縮する圧縮機１と、冷媒を貯留し、圧縮機１で圧縮された冷媒を水により冷却するシェルアンドチューブ式の凝縮器３と、凝縮器３から圧縮機１へ冷媒を流すための冷媒流路１１と、冷媒流路１１に設けられる電磁弁１３と、冷媒流路１１において、電磁弁１３よりも圧縮機１側に設けられ、冷媒を減圧する減圧装置１４と、減圧装置１４と圧縮機１との間を流れる冷媒の温度を検知するサーミスタ１５と、サーミスタ１５により検知される温度に基づき冷媒の漏洩を検知する制御装置２０とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、冷媒漏洩の検知機能を有する冷凍装置に関する。

冷凍サイクル内には多量の冷媒が封入されており、わずかな漏洩では即座に運転に影響を与えるものではないため、冷媒漏洩に気が付かず運転を継続させている。しかし、冷媒は漏れ続けているため、多量の冷媒が大気に排出されることになる。そして、冷凍サイクル内での冷媒漏洩は、冷凍装置の冷凍能力不足や運転不可に至る。

また、フロン排出抑制法により、冷凍装置の所有者は、製品性能の維持、冷媒の適切な管理として冷媒漏洩にかかわる簡易点検・定期点検が義務化され、製品を設置してから廃棄するまでの点検・修理・運転・調整などの履歴を記録する必要となった。

冷媒漏洩を検知する方法としては、冷媒の有無を検知するフロート等を用いた液面センサを容器または配管に取り付け冷媒液の物理的な有無を検知する方法や、冷凍装置設置場所に漏洩検知器を設置して、冷媒の漏洩を検知する方法がある。

しかし、液面センサを用いる場合には、液面センサ本体、液貯留部と液面センサの接続配管、およびこれの検知を制御に組込む等、機器の改造、部品点数の増加、制御の改造が必要であり、これらの改造に多大な費用がかかってしまう。そのため多くの冷凍装置にはこれらの保護装置が取り付けられていないのが実状である。

そこで、本発明の目的は、冷媒漏洩による冷凍サイクル内の冷媒保有量の減少を容易に検知することができ、かつそのための改造費用が安価な冷凍装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の一実施形態に係る冷凍装置は、冷媒を圧縮する圧縮機と冷媒を貯留し、前記圧縮機で圧縮された冷媒を水により冷却するシェルアンドチューブ式の凝縮器と、前記凝縮器から前記圧縮機へ冷媒を流すための冷媒流路と、前記冷媒流路に設けられる電磁弁と、前記冷媒流路において、前記電磁弁よりも前記圧縮機側に設けられ、冷媒を減圧する減圧装置と、前記減圧装置と前記圧縮機との間を流れる冷媒の温度を検知するサーミスタと、前記サーミスタにより検知される温度に基づき冷媒の漏洩を検知する制御装置と、を備える、冷凍装置。

また、本発明の一実施形態に係る冷凍装置は、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された冷媒を冷却して凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器で凝縮した冷媒の気液を分離して液冷媒を貯留する受液器と、前記受液器から前記圧縮機へ冷媒を流すための冷媒流路と、前記冷媒流路に設けられる電磁弁と、前記冷媒流路において、前記電磁弁よりも前記圧縮機側に設けられ、冷媒を減圧する減圧装置と、前記減圧装置と前記圧縮機との間を流れる冷媒の温度を検知するサーミスタと、前記サーミスタにより検知される温度に基づき冷媒の漏洩を検知する制御装置と、を備える。

本発明によれば、冷媒漏洩による冷凍サイクル内の冷媒保有量の減少を容易に検知することができ、かつそのための改造費用が安価な冷凍装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る冷凍装置の冷凍サイクル系統図を示す。 冷媒漏洩検知処理のフローチャートを示す。 サーミスタの検知温度の変化と時間経過の関係を示す図である。 凝縮器内の液面と冷媒流路導入口の高さ方向における位置関係を示す図である。 従来技術としての液面センサを取り付けた場合の例を示。

以下、本発明の実施形態に係る冷凍装置２１について図面を用いて説明する。

図１は、本実施形態に係る冷凍装置の冷凍サイクル系統図を示している。

本実施形態において、冷凍装置２１は水冷式二段冷凍機である。図１において、実線矢印は冷媒の流れ方向を示し、破線は冷凍機油の流れ方向を示す。

冷凍装置２１は、圧縮機１と、油分離機２と、凝縮器３と、過冷却器４と、過冷却器用膨張弁５と、主液膨張弁６と、蒸発器７と、制御装置２０とを備える。

圧縮機１は二段圧縮機であり、圧縮機１において、低段側および高段側で冷媒が圧縮され、高温高圧の冷媒ガスを冷凍機油とともに吐出する。油分離器２では、圧縮機３からの冷媒ガスと油とが分離される。

凝縮器３は水冷式のシェルアンドチューブ式凝縮器であり、凝縮器３において油分離器２からの冷媒ガスが冷却され、液冷媒となる。過冷却器４では、液冷媒の温度が下げられ、過冷却用膨張弁５は、過冷却器４へ流す液冷媒の流量を調整する。主膨張弁６では、液冷媒が低圧の湿りガス冷媒となる。蒸発器７では、湿りガス冷媒と被冷却物との間で熱交換が行われ、湿りガス冷媒がガス化する。ガス冷媒は、圧縮機１へ吸入される。

制御装置２０は、冷凍装置２１を制御し、後述の冷媒漏洩検知処理を行う。

また、冷凍装置２１は、油タンク８と、油冷却器９と、油ストレーナ１０とを備える。 油タンク８は、油分離機２にて分離された油を貯留する。油冷却器９では油が冷却され、油ストレーナ１０では、油中の異物が除去される。異物が除去された油は、給油圧力と圧縮機１の中間圧力部位である各軸受けの圧力との差圧により圧縮機給油口へ給油される。

また、冷凍装置２１は、冷媒流路１１と、電磁弁１３と、キャピラリ１４と、サーミスタ１５とをさらに備える。

冷媒流路１１は、凝縮器３から圧縮機１へ冷媒を流すために設けられ、凝縮器１１の導入口１２と圧縮機１の吸入圧力部とが、電磁弁１３およびキャピラリ１４を介して配管により接続されている。

導入口１２は、凝縮器３のシェル側面に、冷凍装置１２の運転中であって冷媒漏洩がない場合に液冷媒が液面をなす位置よりも下側に取り付けられている。電磁弁１３を開くことにより、冷媒流路１１へ冷媒が流入される。キャピラリ１４では、流入した冷媒が減圧されて蒸発する。サーミスタ１５は、冷媒流路１１におけるキャピラリ１４の二次側の配管温度を検知する。

冷媒漏洩検知運転時に電磁弁１３を開くことにより、冷媒流路１１へ冷媒が流入される。冷媒漏洩がない場合には、導入口１２よりも上側に液冷媒の液面が位置しているので、液冷媒が冷媒流路１１に流入する。減圧装置であるキャピラリ１４において、液冷媒は減圧されて蒸発し、キャピラリ１４に二次側では圧縮機１の吸入圧力飽和温度に近似した温度となる。

次に、本実施形態における冷媒漏洩の検知方法について図２〜４を参照して説明する。

図２は、冷媒漏洩検知処理のフローチャートを示している。図３は、サーミスタ１５の検知温度の変化と時間経過の関係を示す図である。図４は、凝縮器３内の液面と冷媒流路導入口１２の高さ方向における位置関係を示す図である。

冷媒漏洩検知処理は、冷凍装置２１の通常運転中に制御装置２０により実行され、管理者が手動で行ってもよいし、タイマー等を用いて定期的に自動で実行してもよい。

ステップＳ１において、冷媒漏洩検知運転が開始されると、制御装置２０は、電磁弁１３を開け、冷媒漏洩運転開始時点のサーミスタ１５の検知温度（Ｔｅ１）を取得する。Ｔｅ１は、周囲温度または外気温度に近似しているものとする。制御装置２０は、開始から所定時間Ｔを経過したか否かを判定する（Ｓ２）。所定時間Ｔは、キャピラリ１４の二次側の冷媒温度が、冷媒の流入により十分に変化するために必要な時間であり、任意に設定可能である。

所定時間Ｔが経過していない場合には（Ｓ２：Ｎｏ）、制御装置２０は当該判定を繰り返す。所定時間Ｔが経過している場合には（Ｓ２：Ｙｅｓ）、制御装置１５は、所定時間Ｔを経過した後のサーミスタ１５による検知温度（Ｔｅ２）を取得し、Ｔｅ１がＴｅ２より高いか否かを判定する（Ｓ３）。

Ｔｅ１がＴｅ２より高い場合（Ｓ３：Ｙｅｓ）、制御装置２０はステップＳ４へ進む。図４（ａ）に示すように、冷媒漏洩がなく凝縮器３に十分な液冷媒を保有している場合には、冷媒漏洩検知運転を開始すると冷媒流路１１には液冷媒が流入する。このため、図３に示すように、サーミスタ１５は、吸入圧力飽和温度に近似した温度を検知する。冷凍装置２１の通常運転においては、吸入圧力飽和温度は外気温度よりも低い温度であるのが一般的であるためこのときＴｅ１＞Ｔｅ２の関係となる。

制御装置２０は、Ｔｅ１＞Ｔｅ２の状態が、時間ｔ以上継続したか否かを判定する（Ｓ４）。Ｔｅ１＞Ｔｅ２の状態が、時間ｔ以上継続した場合、制御装置２０は冷媒漏洩はないと判定する（Ｓ５）。その後、制御装置２０は冷媒流路１１の電磁弁１３を閉じ、冷媒漏洩検知運転（Ｓ６）を終了し、通常運転に復帰する（Ｓ７）。

一方、制御装置２０は、Ｔｅ１がＴｅ２より高くない場合（Ｓ３：Ｎｏ）、冷媒漏洩があると判定する（Ｓ８）。図４（ｂ）に示すように、冷媒漏洩により冷媒保有量が減少し、凝縮器３の液面が冷媒流路１１の導入口１２よりも低い位置にあった場合は、冷媒流路１１には凝縮器３内の液面より上方に存在するガス冷媒が流入される。ガス冷媒が流入することで、減圧装置１４の二次側温度は吐出ガス温度または凝縮圧力飽和温度に近似した温度が、Ｔｅ２としてサーミスタ１５により検知される。

吐出ガス温度または凝縮圧力飽和温度は周囲温度または外気温度よりも高いため、冷媒漏洩検知運転開始時のサーミスタ１５の検知温度（Ｔｅ１）と冷媒漏洩検知運転開始し時間（ｔ）経過後のサーミスタ１５の検知温度（Ｔｅ２）との関係は、Ｔｅ１≦Ｔｅ２となる。

また、Ｔｅ１＞Ｔｅ２の状態が、時間ｔ以上継続しない場合（Ｓ４：Ｎｏ）にも、制御装置２０は、冷媒漏洩があると判定する（Ｓ８）。

このように、冷媒漏洩検知運転を開始し時間（Ｔ）後にＴｅ１＞Ｔｅ２の関係になければ、冷媒量が減少しているとみなし冷媒漏洩箇所があるものと判定する。制御装置２０は、冷媒漏洩があることを信号等で外部に発報し（Ｓ９）、管理者に状態を知らせる。ここで冷媒流路１１の電磁弁１３を閉じて冷媒漏洩検知運転を終了させ（Ｓ１０）、漏洩箇所の調査・修理（Ｓ１１）後、通常運転に復帰する（Ｓ１２）。通常運転に復帰させ運転を継続するか、冷凍装置２１を停止させるかは、管理者にて任意に設定してもよい。

なお、ステップＳ３で使用する冷媒漏洩検知運転開始時のサーミスタ１５の検知温度Ｔｅ１には、計測機器の精度、検知誤差等も考慮しマイナス側の公差（α）を持たしても良い。なおこの公差（α）は任意に変更が可能とする。この場合、ステップＳ３では、Ｔｅ１−αがＴｅ２より高いか否かを判定する。

また、時間（Ｔ）の設定としては、冷媒流路１１に液冷媒が流入し、キャピラリ１４の二次側温度が変化する際に、（Ｔｅ１−α）よりも低い温度まで変化するのに要する時間よりも長い時間とする必要がある。

以上のように本実施形態に係る冷凍装置２１では、凝縮器３から圧縮機１へ冷媒を流すための冷媒流路１１と、冷媒流路１１に設けられる電磁弁１３と、冷媒流路１１において、電磁弁１３よりも圧縮機１側に設けられ、冷媒を減圧するキャピラリ１４と、キャピラリ１４と圧縮機１との間を流れる冷媒の温度を検知するサーミスタ１５と、サーミスタ１５により検知される温度に基づき冷媒の漏洩を検知する制御装置２０とを備える。

かかる構成によれば、冷媒漏洩検知運転において、電磁弁１３を開いて凝縮器３の冷媒をキャピラリ１４へ流して減圧し、サーミスタ１５により冷媒の温度変化を検知することができる。これにより、冷媒漏洩を容易に検知することができ、冷媒漏洩検知のために必要な部品が冷媒流路１１、電磁弁１３、キャピラリ１４、およびサーミスタ１５のみであるため改造費用を安価に抑えることができる。また、当該検知方法によれば、短時間（数分）で漏洩検知を終了することができる。

また、一般的な漏洩調査はある期間をおいて定期的に行われるが、この場合には冷媒漏洩がない状態でも配管の接続部等に漏洩があるかどうかを探す作業を行わなくてはならない。しかし、本実施形態による検知手段を使えば、必要な場合にのみ漏洩箇所の調査、特定を行えばよいため日常メンテナンスとしての漏洩調査の作業も省くことができる。

また、長期に亘り冷媒漏洩があると冷凍サイクル内の冷媒量が徐々に減少するため、運転中の凝縮器３の液面高さに変化が生じ冷媒量の減少と共に液面高さは低くなる。どの程度の漏洩量で検知させるかは凝縮器３側面に取り付けた導入口１２の高さ方向の位置を変えることで、上方に接続すれば早い段階での漏洩検知が可能となり、底部に近い下方に接続すれば、運転に影響を及ぼすほどの冷媒不足になった段階での検知となる。また、早期の段階で冷媒漏洩を検知することにより、大気へ放出されてしまう冷媒量を削減することができ、地球環境維持にも寄与することができる。

また、圧縮機１は、冷媒を二段で圧縮する二段圧縮機であり、冷媒流路１１は、圧縮機１の吸入側に接続される。このため、周囲温度または外気温度と吸入圧力飽和温度とは温度差が大きく、Ｔｅ１とＴｅ２の比較時にＴｅ２の温度変化が大きくなるため、漏洩検知を容易に行うことができる。なお、この場合には凝縮器３の液冷媒を圧縮機１の吸入側にバイパスさせているのと同じであるため、冷媒漏洩検知運転は短時間ではあるが、凝縮器３から圧縮機1の吸入側に流れる冷媒量の分だけ冷却作用に用いられる低段側冷媒循環量が減少し、若干冷凍能力が減少する。

また、制御装置２０は、冷凍装置２１の通常運転中に冷媒漏洩検知運転を行い、定期的に自動で冷媒漏洩検知運転を行うので、設備を停止させての全体的な漏洩調査は不要であり日常管理として早い段階で冷媒漏洩を発見することが可能である。

図５には従来技術としての液面センサ１６を取り付けた場合の例を示している。

図５に示す例では、冷媒液溜め部１８を凝縮器３の外部に設けるとともに、液溜め部１８に液面センサ１６を設置し、また液溜め部１６と凝縮器３とを接続配管１９にて接続し、凝縮機３内と液溜め部１８を均圧させるようにしている。

この液面センサ１６は、フロート１７により液面の高さを検出し、必要な冷媒量（液面高さ）がある場合にはフロート１７が浮いて電気的接点がＯＦＦ状態となるように構成されている。凝縮器３内の液面が低下していくと液溜め部１７の液面も低下するためフロート１６が下がり最下部に到達すると電気的接点がＯＮになるように構成されており、これを入力信号として制御盤内の制御に組み込まれている。

このように、従来技術では液溜め部１８を設けるために、容器や液面センサ１６、これと接続する配管１９および容器を固定するためのステー類等が必要になる。このため、装置としての大幅な改造や部品の追加が必要となりコストアップの要因にもなる。

なお、本発明は、上述した実施例に限定されない。当業者であれば、本発明の範囲内で、種々の追加や変更等を行うことができる。

例えば、上記の実施形態では、水冷式のシェルアンドチューブ式凝縮器を使用する冷凍サイクルを示したが、当該凝縮器に代えて、受液器を使用する空冷式凝縮器を用いてもよい。この場合には、冷媒流路１１は、受液器から圧縮機１へ冷媒を流すために設けられ、冷媒の導入口１２は受液器に設けられる。当該構成によっても、上記の実施形態と同様の効果を奏する。

また、上記の実施形態では、冷媒流路１１を圧縮機１の吸入側に接続したが、圧縮機１の中間圧部に接続してもよい。かかる構成によれば、圧縮機１の吸入側に接続した場合よりも、中間圧力飽和温度と周囲温度または外気温度との温度差は小さくなるため、温度変化の検知としては判定が若干困難になるが、低段側の冷媒循環量が減少しないため冷凍能力への影響を抑えることができる。

また、圧縮機１は、単段圧縮機であってもよい。

１：圧縮機
３：凝縮器
１１：冷媒流路
１２：導入口
１３：電磁弁
１４：減圧装置
１５：サーミスタ
２０：制御装置
２１：冷凍装置

Claims (7)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、
   冷媒を貯留し、前記圧縮機で圧縮された冷媒を水により冷却するシェルアンドチューブ式の凝縮器と、
   前記凝縮器から前記圧縮機へ冷媒を流すための冷媒流路と、
   前記冷媒流路に設けられる電磁弁と、
   前記冷媒流路において、前記電磁弁よりも前記圧縮機側に設けられ、冷媒を減圧する減圧装置と、
   前記減圧装置と前記圧縮機との間を流れる冷媒の温度を検知するサーミスタと、
   前記サーミスタにより検知される温度に基づき冷媒の漏洩を検知する制御装置と、を備える、冷凍装置。
2. 冷媒を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機で圧縮された冷媒を冷却して凝縮させる凝縮器と、
   前記凝縮器で凝縮した冷媒の気液を分離して液冷媒を貯留する受液器と、
   前記受液器から前記圧縮機へ冷媒を流すための冷媒流路と、
   前記冷媒流路に設けられる電磁弁と、
   前記冷媒流路において、前記電磁弁よりも前記圧縮機側に設けられ、冷媒を減圧する減圧装置と、
   前記減圧装置と前記圧縮機との間を流れる冷媒の温度を検知するサーミスタと、
   前記サーミスタにより検知される温度に基づき冷媒の漏洩を検知する制御装置と、を備える、冷凍装置。
3. 前記制御装置は、前記電磁弁を開いて冷媒を前記減圧装置へ流して減圧し、前記サーミスタにより冷媒の温度変化を検知して冷媒漏洩を判定する冷媒漏洩検知運転を行う、請求項１または請求項２に記載の冷凍装置。
4. 前記圧縮機は、冷媒を二段で圧縮する二段圧縮機であり、
   前記冷媒流路は、前記圧縮機の吸入側に接続される、請求項３に記載の冷凍装置。
5. 前記圧縮機は、冷媒を二段で圧縮する二段圧縮機であり、
   前記冷媒流路は、前記圧縮機の中間圧部に接続される、請求項３に記載の冷凍装置。
6. 前記制御装置は、前記冷凍装置の通常運転中に前記冷媒漏洩検知運転を行う、請求項３から請求項５のいずれか一項に記載の冷凍装置。
7. 前記制御装置は、定期的に自動で前記冷媒漏洩検知運転を行う、請求項６に記載の冷凍装置。
   
   

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