JP2020159665A - 冷凍装置及び冷凍装置の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機の吐出温度の上昇と冷凍能力の低下を抑制できる冷凍装置を提供する。【解決手段】冷凍装置は、凝縮器２を通過した高圧冷媒と蒸発器６を通過した低圧冷媒とを熱交換させる気液熱交換器３、凝縮器から気液熱交換器を通過して蒸発器へ向かう高圧冷媒の少なくとも一部を受け入れて気液熱交換器をバイパスするバイパス回路４、バイパス回路へ流入する高圧冷媒の流量を調整可能なバイパス開閉弁７と、凝縮器を通過した高圧冷媒の少なくとも一部を受け入れて圧縮機１へ導入する液インジェクション回路８、液インジェクション回路へ流入する高圧冷媒の流量を調整可能なインジェクション開閉弁９と、圧縮機から凝縮器へ向かう高圧冷媒の温度を測定する温度センサ１０と、温度センサで測定した温度に基づきバイパス開閉弁の開閉とインジェクション開閉弁の開閉とを制御するコントローラ１１とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍装置及び冷凍装置の運転方法に関する。

蒸発器からの低圧冷媒を用いて、凝縮器からの高圧冷媒を過冷却して冷凍能力を向上させる気液熱交換器を装着した冷凍装置が知られている。この冷凍装置は、冷凍能力制御時や高負荷時に気液熱交換器を通過する冷媒量を制限することで冷凍能力や負荷の低減を図っている（特許文献１−２）。

また、海上コンテナに装備された冷凍装置では、膨張弁の手前から圧縮機に対してバイパス回路を設けて液冷媒を供給する液インジェクションを行うことで、気液熱交換器による吸入ガス過熱度の増大に伴う吐出ガスの温度上昇を抑えている（特許文献３）。

特開２００２−３１４１７号公報 特開２０１８−９６６２１号公報 特開２００５−２２６８７４号公報

しかしながら、気液熱交換器では、低圧冷媒で高圧冷媒を過冷却するため、気液熱交換器により圧縮機の入口のガス冷媒が過熱され、圧縮機の吐出温度が上昇する。

また、液インジェクションにより吐出温度の上昇を抑制していたが、液インジェクションを行うことにより、蒸発器を通過する冷媒循環量が低下して冷凍能力が低下する。また、液インジェクションが頻繁にオンオフすると、膨張弁の過熱度制御に乱れが生じて冷凍能力が低下する。

そこで、本発明は、圧縮機の吐出温度の上昇を抑制するとともに冷凍能力の低下を抑制することができる冷凍装置及び冷凍装置の運転方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る冷凍装置は、冷媒を吐出する圧縮機、前記冷媒を凝縮して高圧冷媒を出力する凝縮器、前記高圧冷媒を膨張させる膨張弁、膨張された前記高圧冷媒を蒸発させて低圧冷媒を出力する蒸発器を備える冷凍装置であって、前記凝縮器を通過した高圧冷媒と前記蒸発器を通過した低圧冷媒とを熱交換させる気液熱交換器と、前記凝縮器から前記気液熱交換器を通過して前記蒸発器へ向かう前記高圧冷媒の少なくとも一部を受け入れて前記気液熱交換器をバイパスするバイパス回路と、前記バイパス回路へ流入する前記高圧冷媒の流量を調整可能な液流量調整部と、前記凝縮器を通過した前記高圧冷媒の少なくとも一部を受け入れて前記圧縮機へ導入する液インジェクション回路と、前記液インジェクション回路へ流入する前記高圧冷媒の流量を調整可能なインジェクション流量調整部と、前記圧縮機から前記凝縮器へ向かう高圧冷媒の温度を測定する温度センサと、前記温度センサで測定した温度に基づき前記液流量調整部の開閉弁の開閉と前記インジェクション流量調整部の開閉弁の開閉とを制御する制御部とを備える。

本発明によれば、圧縮機の吐出温度の上昇を抑制するとともに冷凍能力の低下を抑制することができる冷凍装置及び冷凍装置の運転方法を提供することができる。

第１実施形態に係る冷凍装置の構成図である。 第１実施形態に係る冷凍装置の処理を示すフローチャートである。 第２実施形態に係る冷凍装置の構成図である。 第３実施形態に係る冷凍装置の構成図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。ここで、実施形態に示す寸法、材料、その他、具体的な数値等は、例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。また、実質的に同一の機能及び構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、本発明に直接関係のない要素については図示を省略する。

以下に、本発明の冷凍装置及び冷凍装置の運転方法の実施例を図面を参照しながら、詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明に係る第１実施形態の冷凍装置の構成図である。図１に示すように、本実施形態に係る冷凍装置は、圧縮機１、凝縮器２、気液熱交換器３、バイパス回路４、膨張弁５、蒸発器６、バイパス開閉弁７、液インジェクション回路８、インジェクション開閉弁９、ファン２ａ，６ａ（送風機）、温度センサ１０、コントローラ１１を備える。

圧縮機１は、冷媒を圧縮し、圧縮した冷媒を吐出し、配管１ａを経由して凝縮器２に供給する。凝縮器２は、コンデンサであり、圧縮機１から供給される冷媒を凝縮し、凝縮された高圧冷媒を気液熱交換器３に供給する。ファン２ａは、凝縮器２に空気を供給することにより凝縮された高圧冷媒を冷却する。

気液熱交換器３は、例えば、第一配管３ａと第二配管３ａを、断面同心円状に配置した二重管式の熱交換器である。詳しくは、第一配管３ａは断面内側、第二配管３ｂは断面外側となる二重管構造である。気液熱交換器３は、凝縮器２を通過した高圧冷媒と蒸発器６を通過した低圧冷媒とを熱交換させる。

第一配管３ａは、凝縮器２から出力される高圧冷媒を通過させて、膨張弁５に供給する。第二配管３ｂは、蒸発器６から出力される低圧冷媒を通過させて圧縮機１に供給する。

気液熱交換器３の出力は、膨張弁５に接続されている。膨張弁５は、気液熱交換器３からの冷媒を膨張させることにより減圧された低圧冷媒を蒸発器６に供給する。

蒸発器６は、エバポレータであり、低圧冷媒を蒸発させて気液熱交換器３の第二配管３ｂに供給する。ファン６ａは、蒸発器６に空気を供給することにより蒸発された低圧冷媒を冷却する。気液熱交換器３の第一配管３ａには、高圧冷媒が供給されるので、両者の間で熱交換が行われる。

バイパス回路４は、気液熱交換器３の第一配管３ａに連結されており、凝縮器２から気液熱交換器３を通過して蒸発器６へ向かう高圧冷媒の少なくとも一部の高圧冷媒を受け入れて気液熱交換器３をバイパスする。バイパス開閉弁７は、本発明の液流量調整部に相当し、バイパス回路４に取り付けられた電磁弁からなり、開閉動作することで、バイパス回路４へ流入する高圧冷媒の流量を調整する。

液インジェクション回路８は、凝縮器２の出口側に接続された配管２ｂに連結され、凝縮器２を通過した高圧冷媒の少なくとも一部の高圧冷媒を受け入れて圧縮機１へ導入する。インジェクション開閉弁９は、本発明のインジェクション流量調整部に相当し、液インジェクション回路８に取り付けられた電磁弁からなり、開閉動作することで、凝縮器２から液インジェクション回路８へ流入する高圧冷媒の流量を調整する。

温度センサ１０は、圧縮機１の出口側に接続された配管１ａに取り付けられ、圧縮機１から凝縮器２へ向かう高圧冷媒の温度を測定し、検出した温度データをコントローラ１１に出力する。

コントローラ１１は、本発明の制御部に相当し、温度センサ１０で測定した温度に基づきバイパス開閉弁７の開閉とインジェクション開閉弁９の開閉とを制御する。

コントローラ１１は、温度センサ１０で測定された温度が第１所定値Ｔａ以上であるかどうかを判定し、温度が第１所定値Ｔａ以上であると判定された場合、バイパス開閉弁７を開状態にする。

コントローラ１１は、温度センサ１０で測定された温度が第１所定値Ｔａよりも大きい第２所定値Ｔｂ以上であるかどうかを判定し、温度が第２所定値Ｔｂ以上であると判定された場合、インジェクション開閉弁９を開状態にする。

次に、このように構成された第１実施形態に係る冷凍装置の動作を図２に示すフローチャートを参照しながら詳細に説明する。

まず、圧縮機１により圧縮された高圧冷媒は、凝縮器２に供給される。凝縮された高圧冷媒は、気液熱交換器３と液インジェクション回路８とに供給される。高圧冷媒は、気液熱交換器３の第一配管３ａに導入される。

次に、温度センサ１０により圧縮機１の吐出温度を検出する（ステップＳ１１）。コントローラ１１は、温度センサ１０で測定された温度が第１所定値Ｔａ以上であるかどうかを判定し（ステップＳ１２）、温度が第１所定値Ｔａ以上であると判定された場合、バイパス開閉弁７を開状態にする（ステップＳ１３）。

このため、バイパス回路４は、凝縮器２から気液熱交換器３を通過して蒸発器６へ向かう高圧冷媒の少なくとも一部の高圧冷媒を受け入れて気液熱交換器３をバイパスする（ステップＳ１４）。

その後、高圧冷媒は膨張弁５に導入され、膨張弁５を適切な開度で通過することにより、高圧冷媒が減圧されるので、低圧冷媒となる。その後、低圧冷媒は、蒸発器６に導入され、冷媒は蒸発し気化する。

蒸発器６から出力される低圧冷媒は、気液熱交換器３の第二配管３ｂに導入されて、第一配管３ａを流れる高圧冷媒との間で熱交換される。第二配管３ｂを流れる低圧冷媒は気液熱交換器３から出力される。その後、低圧冷媒は、圧縮機１に導入され、再度圧縮され循環する。

このように、気液熱交換器３に流入する液冷媒の一部をバイパス回路４によりバイパスさせることにより、高圧冷媒の過冷却度を低減できる。このため、冷凍能力の大幅な低下がなく、圧縮機１の吐出温度の上昇を抑制することができる。これにより、液インジェクション回路８の動作を回避することができる。

上記バイパス回路４によるバイパス制御が継続されている状態、即ち、バイパス開閉弁７の開状態が継続された状態で、コントローラ１１は、温度センサ１０で測定された温度が第１所定値Ｔａよりも大きい第２所定値Ｔｂ以上であるかどうかを判定する（ステップＳ１５）。温度が第２所定値Ｔｂ以上であると判定された場合、インジェクション開閉弁９を開状態にする（ステップＳ１６）。

このため、凝縮器２から供給される高圧冷媒の一部の高圧冷媒が圧縮機１に導入される。液インジェクションでは、気液熱交換器３からの低圧冷媒に液インジェクション回路８からの高圧冷媒が導入されるため、圧縮機１の吐出温度の上昇を抑制することができる。

また、バイパス制御と液インジェクション制御との相乗効果により、冷凍能力の低下を抑制することができるとともに、液インジェクションの動作回数が低下し、吐出温度の変動が抑制できる。また、インジェクション開閉弁９の寿命を延ばすことができる。また、高負荷プルダウンの時間を短縮することができる。

出願人は、第１実施形態の冷凍装置について、４０℃から−２５℃に変化させる高負荷プルダウン試験を行った。この試験では、４０℃から−２５℃まで冷却するのに要した時間と、液インジェクションの回数を測定して従来の冷凍装置と実施形態の冷凍装置とを比較した。

従来の冷凍装置では、液インジェクション制御を行うのみであり、プルダウン時間が１０３時間、液インジェクション回数が１０回であった。

これに対して、実施形態の冷凍装置では、液インジェクション制御とバイパス制御を行い、プルダウン時間が８７時間、液インジェクション回数が３回であった。この試験の結果により、実施形態の冷凍装置の方が冷却時間が早く、インジェクション開閉弁９の動作回数が少ない。このため、実施形態の冷凍装置は、冷凍能力の低下を抑制することができるとともに、インジェクション開閉弁９の延命化を図ることができる。

（第２実施形態）
図３は、第２実施形態に係る冷凍装置の構成図である。第１実施形態に係る冷凍装置は、気液熱交換器３の第一配管３ａにバイパス回路４を連結したが、第２実施形態に係る冷凍装置は、気液熱交換器３の第二配管３ｂにバイパス回路４ｂを連結した。

バイパス回路４ｂは、蒸発器６から気液熱交換器３を通過して圧縮機１へ向かう低圧冷媒の少なくとも一部を受け入れて気液熱交換器をバイパスする。図３に示すその他の構成は、図１に示す構成と同一である。なお、図３に示す冷却装置の動作は、図２に示すフローチャートで示す処理と同一であるが、以下の処理のみが異なる。

コントローラ１１は、吐出温度が第１所定値Ｔａ以上であると判定された場合、バイパス開閉弁７ｂを開状態にする。このため、バイパス回路４ｂは、蒸発器６から気液熱交換器３を通過して圧縮機１へ向かう低圧冷媒の少なくとも一部を受け入れて気液熱交換器をバイパスする。

このように、気液熱交換器３に流入する低圧冷媒の一部をバイパス回路４ｂによりバイパスさせることにより、高圧冷媒の過冷却度を低減できる。このため、冷凍能力の大幅な低下がなく、圧縮機１の吐出温度の上昇を抑制することができる。これにより、液インジェクション回路８の動作を回避することができる。

また、バイパス制御と液インジェクションとの相乗効果により、冷凍能力の低下を抑制することができるとともに、液インジェクションの動作回数が低下し、吐出温度の変動が抑制できる。また、インジェクション開閉弁９の寿命を延ばすことができる。また、プルダウンの時間を短縮できる。

（第３実施形態）
図４は、第３実施形態に係る冷凍装置の構成図である。第３実施形態に係る冷凍装置は、気液熱交換器３の第一配管３ａにバイパス回路４を連結するとともに、気液熱交換器３の第二配管３ｂにバイパス回路４ｂを連結したものである。バイパス回路４にはバイパス開閉弁７が取り付けられ、バイパス回路４ｂにはバイパス開閉弁７ｂが取り付けられている。

コントローラ１１は、温度センサ１０で測定された温度が第１所定値Ｔａ以上であるかどうかを判定し、温度が第１所定値Ｔａ以上であると判定された場合、バイパス開閉弁７とバイパス開閉弁７ｂとを開状態にする。

このため、バイパス回路４は、凝縮器２から気液熱交換器３を通過して蒸発器６へ向かう高圧冷媒の少なくとも一部の高圧冷媒を受け入れて気液熱交換器３をバイパスする。バイパス回路４ｂは、蒸発器６から気液熱交換器３を通過して圧縮機１へ向かう低圧冷媒の少なくとも一部を受け入れて気液熱交換器をバイパスする。

このように、気液熱交換器３に流入する高圧冷媒の一部をバイパス回路４によりバイパスさせ、気液熱交換器３に流入する低圧冷媒の一部をバイパス回路４ｂによりバイパスさせることにより、高圧冷媒の過冷却度を低減できる。このため、冷凍能力の大幅な低下がなく、圧縮機１の吐出温度の上昇を抑制することができる。これにより、液インジェクション回路８の動作を回避することができる。

また、バイパス制御と液インジェクションとの相乗効果により、冷凍能力の低下を抑制することができるとともに、液インジェクションの動作回数が低下し、吐出温度の変動が抑制できる。また、インジェクション開閉弁９の寿命を延ばすことができる。また、プルダウンの時間を短縮できる。

なお、第３実施形態に係る冷凍装置では、吐出温度が所定温度Ｔａ以上になった場合、バイパス回路４とバイパス回路４ｂとを同時に動作させた。例えば、吐出温度が所定温度Ｔａになった場合に、バイパス回路４とバイパス回路４ｂとの一方のバイパス回路を動作させ、吐出温度が所定温度ＴａとＴｂとの間の温度になった場合に、バイパス回路４とバイパス回路４ｂとの他方のバイパス回路を動作させてもよい。

以上の実施形態の説明で、気液熱交換器３は、第一配管３ａに凝縮器２を通過した高圧冷媒を導入し、第二配管３ｂに蒸発器を通過した低圧冷媒を導入する構成としたが、第一配管３ａに蒸発器を通過した低圧冷媒を導入し、第二配管３ｂに凝縮器２を通過した高圧冷媒を導入する構成としてもよい。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

１ 圧縮機
１ａ 配管
２ 凝縮器
２ａ ファン
２ｂ 配管
３ 気液熱交換器
３ａ 第一配管
３ｂ 第二配管
４ バイパス回路
５ 膨張弁
６ 蒸発器
６ａ ファン
７ バイパス開閉弁
８ 液インジェクション回路
９ インジェクション開閉弁
１０ 温度センサ
１１ コントローラ

Claims (7)

1. 冷媒を吐出する圧縮機、前記冷媒を凝縮して高圧冷媒を出力する凝縮器、前記高圧冷媒を膨張させる膨張弁、膨張された前記高圧冷媒を蒸発させて低圧冷媒を出力する蒸発器を備える冷凍装置であって、
   前記凝縮器を通過した高圧冷媒と前記蒸発器を通過した低圧冷媒とを熱交換させる気液熱交換器と、
   前記凝縮器から前記気液熱交換器を通過して前記蒸発器へ向かう前記高圧冷媒の少なくとも一部を受け入れて前記気液熱交換器をバイパスするバイパス回路と、
   前記バイパス回路へ流入する前記高圧冷媒の流量を調整可能な液流量調整部と、
   前記凝縮器を通過した前記高圧冷媒の少なくとも一部を受け入れて前記圧縮機へ導入する液インジェクション回路と、
   前記液インジェクション回路へ流入する前記高圧冷媒の流量を調整可能なインジェクション流量調整部と、
   前記圧縮機から前記凝縮器へ向かう高圧冷媒の温度を測定する温度センサと、
   前記温度センサで測定した温度に基づき前記液流量調整部の開閉弁の開閉と前記インジェクション流量調整部の開閉弁の開閉とを制御する制御部と、
   を備える冷凍装置。
2. 冷媒を吐出する圧縮機、前記冷媒を凝縮して高圧冷媒を出力する凝縮器、前記高圧冷媒を膨張させる膨張弁、膨張された前記高圧冷媒を蒸発させて低圧冷媒を出力する蒸発器を備える冷凍装置であって、
   前記凝縮器を通過した高圧冷媒と前記蒸発器を通過した低圧冷媒とを熱交換させる気液熱交換器と、
   前記蒸発器から前記気液熱交換器を通過して前記圧縮機へ向かう前記低圧冷媒の少なくとも一部を受け入れて前記気液熱交換器をバイパスするバイパス回路と、
   前記バイパス回路へ流入する前記低圧冷媒の流量を調整可能な液流量調整部と、
   前記凝縮器を通過した前記高圧冷媒の少なくとも一部を受け入れて前記圧縮機へ導入する液インジェクション回路と、
   前記液インジェクション回路へ流入する前記高圧冷媒の流量を調整可能なインジェクション流量調整部と、
   前記圧縮機から前記凝縮器へ向かう高圧冷媒の温度を測定する温度センサと、
   前記温度センサで測定した温度に基づき前記液流量調整部の開閉弁の開閉と前記インジェクション流量調整部の開閉弁の開閉とを制御する制御部と、
   を備える冷凍装置。
3. 前記制御部は、前記温度センサで測定された前記温度が第１所定値以上であるかどうかを判定し、前記温度が第１所定値以上であると判定された場合、前記液流量調整部の開閉弁を開状態にし、前記液流量調整部の開閉弁の開状態を継続した状態で、前記温度が前記第１所定値よりも大きい第２所定値以上であるかどうかを判定し、前記温度が前記第２所定値以上であると判定された場合、前記インジェクション流量調整部の開閉弁を開状態にする請求項１又は２記載の冷凍装置。
4. 前記気液熱交換器は、前記凝縮器からの高圧冷媒を通過させる第一配管と前記蒸発器からの低圧冷媒を通過させる第二配管とを有し、
   前記バイパス回路は、前記前記気液熱交換器の前記第一配管に連結される請求項１記載の冷凍装置。
5. 前記気液熱交換器は、前記凝縮器からの高圧冷媒を通過させる第一配管と前記蒸発器からの低圧冷媒を通過させる第二配管とを有し、
   前記バイパス回路は、前記前記気液熱交換器の前記第二配管に連結される請求項２記載の冷凍装置。
6. 冷媒を吐出する圧縮機、前記冷媒を凝縮して高圧冷媒を出力する凝縮器、前記高圧冷媒を膨張させる膨張弁、膨張された前記高圧冷媒を蒸発させて低圧冷媒を出力する蒸発器、前記凝縮器を通過した高圧冷媒と前記蒸発器を通過した低圧冷媒とを熱交換させる気液熱交換器、前記凝縮器から前記気液熱交換器を通過して前記蒸発器へ向かう前記高圧冷媒の少なくとも一部を受け入れて前記気液熱交換器をバイパスするバイパス回路、前記バイパス回路へ流入する前記高圧冷媒の流量を調整可能な液流量調整部、前記凝縮器を通過した前記高圧冷媒の少なくとも一部を受け入れて前記圧縮機へ導入する液インジェクション回路、前記液インジェクション回路へ流入する前記高圧冷媒の流量を調整可能なインジェクション流量調整部、前記圧縮機から前記凝縮器へ向かう高圧冷媒の温度を測定する温度センサ、前記温度センサで測定した温度に基づき前記液流量調整部の開閉弁の開閉と前記インジェクション流量調整部の開閉弁の開閉とを制御する制御部を備え冷凍装置の運転方法であって、
   前記温度センサで測定された温度が第１所定値以上であるかどうかを判定する第１判定ステップと、
   前記温度が前記第１所定値以上であると判定された場合、前記液流量調整部の開閉弁を開状態とする第１弁開ステップと、
   前記液流量調整部の開閉弁の開状態を継続した状態で、前記温度が前記第１所定値よりも大きい第２所定値以上であるかどうかを判定する第２判定ステップと、
   前記温度が前記第２所定値以上であると判定された場合、前記インジェクション流量調整部の開閉弁を開状態とする第２弁開ステップとを含む冷凍装置の運転方法。
7. 冷媒を吐出する圧縮機、前記冷媒を凝縮して高圧冷媒を出力する凝縮器、前記高圧冷媒を膨張させる膨張弁、膨張された前記高圧冷媒を蒸発させて低圧冷媒を出力する蒸発器、前記凝縮器を通過した高圧冷媒と前記蒸発器を通過した低圧冷媒とを熱交換させる気液熱交換器、前記蒸発器から前記気液熱交換器を通過して前記圧縮機へ向かう前記低圧冷媒の少なくとも一部を受け入れて前記気液熱交換器をバイパスするバイパス回路、前記バイパス回路へ流入する前記低圧冷媒の流量を調整可能な液流量調整部、前記凝縮器を通過した前記高圧冷媒の少なくとも一部を受け入れて前記圧縮機へ導入する液インジェクション回路、前記液インジェクション回路へ流入する前記高圧冷媒の流量を調整可能なインジェクション流量調整部、前記圧縮機から前記凝縮器へ向かう高圧冷媒の温度を測定する温度センサ、前記温度センサで測定した温度に基づき前記液流量調整部の開閉弁の開閉と前記インジェクション流量調整部の開閉弁の開閉とを制御する制御部を備え冷凍装置の運転方法であって、
   前記温度センサで測定された温度が第１所定値以上であるかどうかを判定する第１判定ステップと、
   前記温度が前記第１所定値以上であると判定された場合、前記液流量調整部の開閉弁を開状態とする第１弁開ステップと、
   前記液流量調整部の開閉弁の開状態を継続した状態で、前記温度が前記第１所定値よりも大きい第２所定値以上であるかどうかを判定する第２判定ステップと、
   前記温度が前記第２所定値以上であると判定された場合、前記インジェクション流量調整部の開閉弁を開状態とする第２弁開ステップとを含む冷凍装置の運転方法。
   
   
   
   
   

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