JP2019052819A - ガス漏れ量検知方法及び冷凍装置の運転方法 - Google Patents

ガス漏れ量検知方法及び冷凍装置の運転方法 Download PDF

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Abstract

【課題】非共沸冷媒を用いた冷媒回路において当該非共沸冷媒のガス漏れ量を検知することができるガス漏れ量検知方法を提供する。【解決手段】非共沸冷媒を用いた冷媒回路１２において、当該非共沸冷媒の飽和液の液温及び液圧に基づいてガス漏れ量を検知する。【選択図】図１

Description

本発明はガス漏れ量検知方法及び冷凍装置の運転方法に関する。さらに詳しくは、非共沸冷媒を用いた冷媒回路における当該非共沸冷媒のガス漏れ量を検知する方法、及び非共沸冷媒を用いた冷凍装置の運転方法に関する。
地球温暖化を抑制するために、温室効果ガスについて地球温暖化係数（ＧＷＰ：Ｇｌｏｂａｌ Ｗａｒｍｉｎｇ Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）という指標が用いられ、基準値以下のガスを用いることが義務付けられつつある。我が国の場合、例えば、冷凍・冷蔵ユニットに用いられる冷媒については、２０２５年以降、地球温暖化係数が１５００を超える冷媒の使用が規制されることになっている。
このため、冷凍・冷蔵ユニットに用いる冷媒について、地球温暖化係数が１５００以下であり、且つ、冷却効率がよく、低コストの冷媒が種々検討、提案されている。かかる要望を満たし得る冷媒として、複数種類の冷媒を混合した非共沸冷媒がある。主に冷凍・冷蔵ユニット用の非共沸冷媒としては、例えばＲ４０７Ｈ、Ｒ４４８Ａ，Ｒ４４９Ｂ等が知られているが、これらはいずれもＲ３２を成分として含んでいる。
冷媒回路から冷媒が漏れると、その量によっては、所定の冷却能力を発揮することができなくなる。このため、非共沸冷媒を用いた冷媒回路において当該非共沸冷媒のガス漏れ量（非共沸冷媒においては、通常、複数成分の内、最も沸点が低い冷媒が蒸発してガスとして外部に漏れる）を検知することが望まれている。
また、ガス漏れが発生した場合に、漏れた冷媒の補充を含むメンテナンスを短期間で行うことができるときは冷凍・冷蔵運転への影響は少ないが、例えば船舶で用いられている冷凍・冷蔵ユニットでは、航海中に前記メンテナンスを行うことが難しい。この場合、漏れた冷媒を随時補給しつつ、ある程度のガスが漏れた状態での冷凍・冷蔵運転の最適化を図ることが望まれる。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、非共沸冷媒を用いた冷媒回路において当該非共沸冷媒のガス漏れ量を検知することができるガス漏れ量検知方法、及び、検知されたガス漏れ量に応じて運転を最適化することができる冷凍装置の運転方法を提供することを目的としている。
本発明のガス漏れ量検知方法は、
（１）非共沸冷媒を用いた冷媒回路において、当該非共沸冷媒の飽和液の液温及び液圧に基づいてガス漏れ量を検知する。
本発明のガス漏れ量検知方法では、非共沸冷媒の飽和液の液温及び液圧に基づいてガス漏れ量を検知している。非共沸冷媒の場合、飽和液の液温（液温度）と液圧（液圧力）との間には所定の関係がある。また、非共沸冷媒のうちのある成分（通常は、最も沸点が低い冷媒）が漏れると、当該非共沸冷媒の組成が変化し、この組成が変化した非共沸冷媒についても飽和液の液温と液圧との間には所定の関係がある。したがって、或る液温の飽和液について、漏れ量が多くなるに従い、前記変化した組成の非共沸冷媒の飽和液の液圧は小さくなる。これを利用して、飽和液の液温及び液圧に基づいて非共沸冷媒のガス漏れ量を検知することができる。
（２）前記（１）のガス漏れ量検知方法において、一定の液温下における飽和液の液圧と冷媒の漏れ割合との関係と、前記冷媒回路の正規の冷媒充填量と、前記非共沸冷媒の正規の成分比とから、ガス漏れ量を検知することができる。この場合、予め求めておいた或る液温（一定の液温）下における液圧と冷媒の漏れ割合との関係に基づいて、測定された飽和液の液圧から、冷媒の漏れ割合（％）を得ることができる。また、この漏れ割合と、冷媒回路の正規の冷媒充填量と、前記非共沸冷媒の正規の成分比とから、ガス漏れ量を検知することができる。具体的に、漏れた冷媒の正規の成分比をｍ、冷媒回路の正規の冷媒充填量をｗ（ｋｇ）とすると、ガス漏れ量（ｋｇ）は、漏れ割合（％）×ｍ×ｗ÷１００で求めることができる。
（３）本発明の第１の観点に係る冷凍装置の運転方法は、非共沸冷媒を用いた冷凍装置の運転方法であって、上記（１）又は（２）のガス漏れ量検知方法により検知されたガス漏れ量に応じて、温度グラウンドを補正して冷却用膨張弁の開度を調整する。
本発明の第１の観点に係る冷凍装置の運転方法では、ガス漏れ量が多くなるに従い、蒸発器側の冷媒の温度グラウンドの傾きが小さくなることに鑑みて、漏れ量に応じて制御する温度を変えて、運転を行うことができる。
（４）本発明の第２の観点に係る冷凍装置の運転方法は、非共沸冷媒を用いた冷凍装置の運転方法であって、上記（１）又は（２）のガス漏れ量検知方法により検知されたガス漏れ量に応じて、圧縮機の周波数を小さくする。
本発明の第２の観点に係る冷凍装置の運転方法では、高圧側の圧力を正常運転時よりも下げることで、ガス漏れが発生している状態であっても、当該ガス漏れの程度を抑制することができる。
（５）本発明の第３の観点に係る冷凍装置の運転方法は、非共沸冷媒を用いた冷凍装置の運転方法であって、上記（１）又は（２）のガス漏れ量検知方法により検知されたガス漏れ量に応じて、凝縮器側のファンの風量を大きくする。
本発明の第３の観点に係る冷凍装置の運転方法では、高圧側の圧力を正常運転時よりも下げることで、ガス漏れが発生している状態であっても、当該ガス漏れの程度を抑制することができる。
（６）本発明の第４の観点に係る冷凍装置の運転方法は、非共沸冷媒を用いた冷凍装置の運転方法であって、上記（１）又は（２）のガス漏れ量検知方法により検知されたガス漏れ量に応じて、蒸発器側のファンの風量を小さくする。
本発明の第４の観点に係る冷凍装置の運転方法では、低圧側の圧力を正常運転時よりも下げることで、ガス漏れが発生している状態であっても、当該ガス漏れの程度を抑制することができる。
本発明のガス漏れ量検知方法によれば、非共沸冷媒を用いた冷媒回路において当該非共沸冷媒のガス漏れ量を検知することができることができる。また、本発明の本発明の冷凍装置の運転方法によれば、検知されたガス漏れ量に応じて運転を最適化することができる。
本発明のガス漏れ量検知方法が適用される冷凍装置の一例の説明図である。 非共沸冷媒の飽和液の漏れ割合と液圧の関係の一例を示す図である。 非共沸冷媒の一例のモリエル線図である。
以下、添付図面を参照しつつ、本発明のガス漏れ量検知方法及び冷凍装置の運転方法を詳細に説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
図１は、本発明のガス漏れ量検知方法が適用される冷凍装置１の一例の説明図である。冷凍・冷蔵ユニットである冷凍装置１は、ユニットクーラ２と、冷凍機３とで構成されている。ユニットクーラ２は、一般的な空気調和機における室内機と同等の役割を果たしており、蒸発器４と、ファン５と、冷却用膨張弁６とを備えている。一方、冷凍機３は、一般的な空気調和機における室外機と同等の役割を果たしており、インバータ圧縮機７と、四方切換弁８と、凝縮器９と、ファン１０と、レシーバ１１とを備えている。
圧縮機７の吸込側には低圧センサＰ２が配設されており、吐出側には高圧センサＰ３が配設されている。冷凍装置１の通常運転時（冷却時）におけるレシーバ１１の下流近傍には冷媒の飽和液の温度を測定する液温センサＴ１と、当該飽和液の圧力を測定する液圧センサＰ１とが配設されている。また、冷凍装置１の通常運転時における蒸発器４の入口側には入口温度センサＴ２が配設されており、蒸発器４の出口側には出口温度センサＴ３が配設されている。
圧縮機７、四方切換弁８、凝縮器９、レシーバ１１、冷却用膨張弁６、蒸発器４は、この順に配管で接続されており、冷媒回路１２を構成している。通常運転時には、図１において実線の矢印で示される経路を冷媒が流れ、蒸発器４において当該蒸発器４を流れる冷媒と熱交換された空気がファン５により供給される。一方、デフロスト時には、図１において破線の矢印で示される経路を冷媒が流れ、凝縮器として機能する蒸発器４において当該蒸発器４を流れる冷媒と熱交換された空気（温風）によりデフロストが行われる。
本実施形態に係る冷凍装置１は、冷媒として非共沸冷媒であるＲ４０７Ｈを用いている。非共沸冷媒は、複数種類の冷媒が混合された冷媒であり、例えばＲ４０７Ｈは、３２．５重量％のＲ３２、１５．０重量％のＲ１２５、及び５２．５重量％のＲ１３４ａとで構成されており、沸点は−４４．６℃で、地球温暖化係数は１４９５である。また、Ｒ４０７Ｃは、２３．０重量％のＲ３２、２５．０重量％のＲ１２５、及び５２．０重量％のＲ１３４ａとで構成されており、沸点は−４３．８℃で、地球温暖化係数は１７７０である。なお、本発明において使用可能な非共沸冷媒は、これらに限定されるものではなく、例えばＲ４４８Ｈ，Ｒ４４９Ｂ，Ｒ４５４Ａ，Ｒ４５７Ａ，Ｒ４５５Ａ等を用いることもできる。
非共沸冷媒を使用する冷凍装置１においてガス漏れが発生すると、当該非共沸冷媒を構成する複数の冷媒のうち、最も沸点が低い冷媒が蒸発しガスとして漏洩する。Ｒ４０７Ｈの場合は、まず、Ｒ３２が蒸発し、ガスとして漏洩する。非共沸冷媒を構成する冷媒（最も沸点が低い冷媒）が漏洩することにより、当該非共沸冷媒を構成する冷媒の組成比又は成分比（以下、「成分比」という）が変化する。成分比が変化することで、非共沸冷媒の特性も変化する。
本実施形態では、かかる非共沸冷媒の特性の変化を利用して、冷凍装置１における非共沸冷媒の漏れ量を検知している。非共沸冷媒の飽和液の液温と液圧との間には所定の関係があり、ある液温の飽和液の液圧は一義的に求めることができる。一方、ガス漏れが発生すると、非共沸冷媒の成分比が変化するので、前記所定の関係も変化する。
表１は、非共沸冷媒の一例であるＲ４０７Ｈについて、飽和液の液温と、液圧と、漏れ割合との関係を示している。前記のように、正規のＲ４０７Ｈは、３２．５重量％のＲ３２、１５．０重量％のＲ１２５、及び５２．５重量％のＲ１３４ａとで構成されている。このＲ４０７Ｈを用いる冷媒回路で冷媒漏れが生じると、沸点が最も低いＲ３２が蒸発して、ガスとして外部に漏れる。
Figure 2019052819
表１では、Ｒ３２が所定量（正規量）の１０％、３０％、及び５０％漏れた場合の、飽和液の液温と液圧との関係を示している。例えば、飽和液が４０℃の場合、冷媒漏れがなく、Ｒ３２が正規の成分比（０．３２５）のとき、飽和液の液圧は１．６０（ＭＰａ ａｂｓ）であり、Ｒ３２が正規の量から１０％漏れたとき、飽和液の液圧は１．５７（ＭＰａ ａｂｓ）である。同様に、種々の液温について、正規の成分比のときの液圧、及び、所定割合（表１の例では、１０％、３０％、５０％）のＲ３２が漏れたときの液圧を求めることができる。
図２は、液温が４０．０℃のＲ４０７Ｈの飽和液の漏れ割合と液圧の関係を示す図である。図２より、液温が４０．０℃のＲ４０７Ｈの飽和液の漏れ割合と液圧の関係は一次関数で表現できることがわかる。したがって、予め種々の液温の飽和液について、飽和液の漏れ割合と液圧との関係を示す一次関数の変数を求めておくことで、冷凍装置１の冷媒回路１２を流れる非共沸冷媒の飽和液の液温と液圧を測定することで、当該非共沸冷媒にどの程度のガス漏れが生じているのか、すなわちガス漏れ量を検知ないし推定することができる。レシーバ１１の下流近傍では、冷媒は飽和液の状態であるので、この下流近傍に配設された液温センサＴ１及び液圧センサＰ１により、非共沸冷媒の飽和液の液温と液圧をそれぞれ測定することができ、得られる液温及び液圧に基づいて漏れ割合を求まることができ、この漏れ割合（％）からガス漏れ量を検知することができる。例えば、漏れ割合（％）をｎ、漏れた冷媒の正規の成分比をｍ、冷媒回路１２の正規の冷媒充填量をｗ（ｋｇ）とすると、ガス漏れ量（ｋｇ）は、ｎ×ｍ×ｗ÷１００で求めることができる。
冷媒回路１２内に充填されている冷媒が、ある量を超えて漏洩すると、冷凍装置１の運転に支障をもたらすことになる。したがって、冷媒の漏れ量が所定の値（閾値）を超えた場合に、これを検知して警報を発することが望ましい。冷凍装置１のユーザは、この警報を受けて、漏洩箇所の探索や、漏洩した冷媒（本実施形態の場合はＲ３２）の充填作業等を行うことができる。例えば、Ｒ４０７Ｈの場合、液温が４０℃で、液圧が所定値の１．６０ＭＰａから０．２１ＭＰａ低下して１．３９ＭＰａになったときに警報を発するようにすることができる。
冷媒としてＲ４０７Ｈを用いる場合、ガス漏れが発生すると、前記のように、沸点が最も低いＲ３２が蒸発して、ガスとして漏れることから、このＲ３２を冷媒回路１２の追加充填することが望ましい。しかし、Ｒ３２単体のボンベがない場合、当該Ｒ３２を成分として含むＲ４０７Ｈ等のボンベを逆にして、Ｒ３２を冷媒回路１２に充填させることも可能である。
ガス漏れが発生した場合に、漏れた冷媒の補充を含むメンテナンスを短期間で行うことができるときは冷凍・冷蔵運転への影響は少ない。しかし、例えば、低温保存が必要な食品等を輸送する船舶で用いられている冷凍・冷蔵ユニットでは、航海中に前記メンテナンスを行うことが難しい。この場合、前記のように漏れた冷媒を随時補給しつつ、ある程度のガスが漏れた状態での冷凍・冷蔵運転の最適化を図ることが望まれる。
本実施形態では、ガスが漏れた状態での冷凍装置１の運転の最適化を図るとともに、ガス漏れを最小限にとどめる運転を行う。
共沸冷媒の場合、蒸発器４の入口温度と出口温度は同じであり、これに所定の過熱度を加えた温度を圧縮機７の吸込みガス温度とすることができる。例えば、蒸発器４の入口温度と出口温度が１０℃で、過熱度が５℃の場合、圧縮機７の吸込みガス温度は１５℃となる。これに対し、非共沸冷媒の場合、温度グラウンドは傾斜しており、その傾きはガス漏れ量が多くなるに従い徐々に小さくなる。例えば、中点が１０℃の場合、冷媒の漏れがないとき（図３の太い実線参照）、蒸発器４の入口温度が７℃であるとすると、蒸発器４の出口温度は、中点＋（中点−蒸発器４の入口温度）＝１０＋（１０−７）＝１３℃となる。これに過熱度（５℃とする）を加えた温度である１８℃が圧縮機７の吸込みガス温度となる。
冷媒が漏れると、温度グラウンドの傾き小さくなる（図３の破線参照）。中点が１０℃の場合、冷媒が漏れると、蒸発器４の入口温度は、冷媒の漏れがない場合よりも高くなり、例えば８℃となる。このとき、モリエル線図上、蒸発器４の出口温度は、１０℃＋（１０℃−８℃）＝１２℃となる。本実施形態では、これに過熱度（５℃とする）を加えた温度である１７℃が圧縮機７の吸込みガス温度となるように制御を行う。具体的に、冷却用膨張弁６の開度を調整する、すなわち上記例の場合は当該開度を大きくする制御を行う。これにより、漏れ量に応じて、制御する温度を変えて最適運転を行うことができる。
また、冷媒回路１２内の冷媒の圧力が高いほど、冷媒の漏れ量が多くなることに鑑み、本実施形態では、当該冷媒の圧力を下げて冷媒漏れ量を最小限にする制御を行っている。
具体的に、以下の（１）〜（３）の少なくとも１つを採用することで冷媒の圧力を下げて冷媒漏れ量を最小限にすることができる。
（１）ガス漏れ量に応じて、圧縮機７の周波数を小さくする。圧縮機７の周波数を小さくすることで、高圧側の圧力を正常運転時よりも下げることができる。これにより、ガス漏れが発生している状態であっても、当該ガス漏れの程度を抑制することができる。
（２）凝縮器９のファン１０の風量を大きくする。凝縮器９のファン１０の風量を大きくすることで、高圧側の圧力を正常運転時よりも下げることができる。これにより、ガス漏れが発生している状態であっても、当該ガス漏れの程度を抑制することができる。
（３）蒸発器４のファン５の風量を小さくする。蒸発器４のファン５の風量を小さくすることで、低圧側の圧力を正常運転時よりも下げることができる。これにより、ガス漏れが発生している状態であっても、当該ガス漏れの程度を抑制することができる。
〔その他の変形例〕
本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内において種々の変更が可能である。
例えば、前述した実施形態では、Ｒ４０７Ｈを例にとって、非共沸冷媒の液温と、液圧と、漏れ割合との関係について説明したが、同様のことは、Ｒ４０７Ｃ等の他の非共沸冷媒についても当てはまる。即ち、例えばＲ４０７Ｃについても、測定した飽和液の液温及び液圧に基づいてガス漏れ量を検知することができる。
１ ：冷凍装置
２ ：ユニットクーラ
３ ：冷凍機
４ ：蒸発器
５ ：ファン
６ ：冷却用膨張弁
７ ：圧縮機
８ ：四方切換弁
９ ：凝縮器
１０ ：ファン
１１ ：レシーバ
１２ ：冷媒回路
Ｐ１ ：液圧センサ
Ｐ２ ：低圧センサ
Ｐ３ ：高圧センサ
Ｔ１ ：液温センサ
Ｔ２ ：入口温度センサ
Ｔ３ ：出口温度センサ

Claims (6)

  1. 非共沸冷媒を用いた冷媒回路（１２）において、当該非共沸冷媒の飽和液の液温及び液圧に基づいてガス漏れ量を検知するガス漏れ量検知方法。
  2. 一定の液温下における飽和液の液圧と冷媒の漏れ割合との関係と、前記冷媒回路（１２）の正規の冷媒充填量と、前記非共沸冷媒の正規の成分比とから、ガス漏れ量を検知する、請求項１に記載のガス漏れ量検知方法。
  3. 非共沸冷媒を用いた冷凍装置（１）の運転方法であって、請求項１又は請求項２に記載のガス漏れ量検知方法により検知されたガス漏れ量に応じて、温度グラウンドを補正して冷却用膨張弁（６）の開度を調整する、冷凍装置（１）の運転方法。
  4. 非共沸冷媒を用いた冷凍装置（１）の運転方法であって、請求項１又は請求項２に記載のガス漏れ量検知方法により検知されたガス漏れ量に応じて、圧縮機（７）の周波数を小さくする、冷凍装置（１）の運転方法。
  5. 非共沸冷媒を用いた冷凍装置（１）の運転方法であって、請求項１又は請求項２に記載のガス漏れ量検知方法により検知されたガス漏れ量に応じて、凝縮器（９）側のファン（１０）の風量を大きくする、冷凍装置（１）の運転方法。
  6. 非共沸冷媒を用いた冷凍装置（１）の運転方法であって、請求項１又は請求項２に記載のガス漏れ量検知方法により検知されたガス漏れ量に応じて、蒸発器（４）側のファン（５）の風量を小さくする、冷凍装置（１）の運転方法。




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