JP4403300B2 - 冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍装置に係り、特に、圧縮機に液冷媒を注入して圧縮機の吐出冷媒の温度を制御する技術に関する。

冷蔵庫や冷凍庫などに利用される冷凍装置は、冷媒を圧縮機により圧縮し、圧縮された冷媒を凝縮器により凝縮し、凝縮された冷媒を減圧手段により減圧し、減圧された冷媒を蒸発させて例えば冷蔵庫内の空気を冷却する。

このような冷凍装置においては、冷媒の劣化や冷媒に含まれる冷凍機油の粘性の低下を回避するために、圧縮機から吐出されるガス冷媒の温度（以下、吐出ガス温度という。）を設定温度以下に抑える必要がある。そのため、例えば、吐出ガス温度を吐出ガス温度センサにより検出し、その検出温度が設定温度以上のときに、液インジェクション手段により圧縮機内の圧縮工程中の冷媒に液冷媒を注入することが行われている（例えば、特許文献１）。

特開平９−１５９２８８号公報

ところで、圧縮機に吸入される冷媒の圧力が低く、冷媒の密度が小さいため、圧縮機から吐出されるガス冷媒の熱容量は小さい。このため、例えば圧縮機の起動時などの非定常状態においては、吐出されたガス冷媒は、温度センサに到達する前に配管などに接触することで熱が奪われて温度が低下する。その結果、配管などの温度が定常状態に上昇するまで、温度センサによる検出温度と実際の吐出ガス温度との間に温度差が生じることになる。

しかし、特許文献１などの冷凍装置のように、吐出ガス温度センサの検出値に基づいて、圧縮機に液冷媒を注入する制御の場合、その制御の開始に遅れが生じることがあり、吐出ガス温度が一時的に設定温度を超える場合がある。

本発明の課題は、運転状態にかかわらず、吐出ガス温度を設定温度に制御することにある。

上記課題を解決するため、本発明の冷凍装置は、冷媒を吸引して圧縮する圧縮機と、圧縮機から吐出される冷媒を凝縮する凝縮器と、凝縮した冷媒を減圧する減圧手段と、減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器と、圧縮機に液冷媒を注入する液インジェクション手段と、圧縮機により吸引される冷媒の温度及び圧力と圧縮機から吐出される冷媒の圧力をそれぞれ検出するセンサと、センサの各検出値に基づいて液インジェクション手段の液冷媒の注入量を制御する制御手段とを備え、制御手段は、センサの各検出値に基づいて圧縮機から吐出されるガス冷媒の温度を推定し、その推定温度に基づいて液冷媒の注入量を制御する指令を液インジェクション手段に出力するものである。

すなわち、圧縮機に入力されるエネルギと圧縮機から出力されるエネルギの収支は等しいことから、圧縮機から吐出されるガス冷媒の温度（吐出ガス温度）については、圧縮機により吸引される冷媒の温度（吸入温度）及び圧力（吸入圧力）と、圧縮機から吐出されるガス冷媒の圧力（吐出圧力）から求めることができる。

ここで、吸入温度、吸入圧力および吐出圧力は、冷凍負荷が比較的急に変動する非定常状態においても、センサによる各検出値は実際の値とほぼ同じであることから、吸入温度及び吸入圧力、吐出圧力に基づいて吐出ガス温度を的確に推定演算することができる。また、推定した吐出ガス温度に基づき液冷媒の注入量を算出することにより、適正な液冷媒量を算出することができる。したがって、推定した吐出ガス温度が設定温度を超えているときに、液冷媒の注入量を制御することにより、非定常状態においても的確な量の液冷媒を注入することができる。

この場合において、冷凍負荷が安定に維持された定常状態においては、センサにより検出された吐出ガス温度は、実際の温度とほぼ同じになることから、定常状態のときには、センサの検出値に基づいて、圧縮機に液冷媒を注入する制御を行うものとする。具体的には、圧縮機から吐出されるガス冷媒の温度を検出する温度センサを配設し、温度センサの検出値と推定温度との偏差が設定値よりも小さいときは、温度センサの検出値に基づいて液冷媒の注入量を制御し、偏差が設定値以上のときには、推定温度に基づいて液冷媒の注入量を制御する。

本発明によれば、運転状態にかかわらず、吐出ガス温度を設定温度に制御することができる。

（第１の実施形態）本発明を適用した冷凍装置の第１の実施形態について図１及び図２を用いて説明する。図１は、本実施形態の冷凍装置の系統図である。なお、本実施形態では、本発明の冷凍装置を冷蔵庫に利用した例を説明するが、冷凍庫やエアコンなどにも適用することができる。

図１に示すように、冷蔵庫に利用される冷凍装置は、冷媒を吸引して圧縮するスクロール圧縮機（以下、圧縮機という。）１０と、圧縮機１０から吐出されるガス冷媒を凝縮して液化する凝縮器１２と、凝縮器１２により液化された冷媒を減圧する減圧手段である膨張弁１４と、膨張弁１４により減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器１６などから構成されている。また、凝縮器１２と蒸発器１６とを膨張弁１４を介して接続する冷媒配管１８が配設されている。なお、圧縮機１０はスクロール型のほか様々な形態のものを用いてもよい。

圧縮機１０の吸引側に、圧縮機１０により吸引される冷媒の温度（以下、吸入温度という。）を検出する吸入温度センサ２４と、圧縮機１０により吸引される冷媒の圧力（以下、吸入圧力という。）を検出する吸入圧力センサ２７が設けられている。また、圧縮機１０の吐出側には、圧縮機１０から吐出されるガス冷媒の圧力（以下、吐出圧力という。）を検出する吐出圧力センサ２８が配設されている。

圧縮機１０に液冷媒を注入する液インジェクション手段として液インジェクション回路が設けられている。液インジェクション回路は、冷媒配管１８から分岐し、圧縮機１０の中間圧力部に接続するインジェクション配管２０と、インジェクション配管２０に配設された流量調整手段である流量調整弁２２などから構成されている。中間圧力部とは、圧縮工程中の冷媒が存在する部分であり、その部分にインジェクション配管２０を介して液冷媒が注入される。なお、流量調整手段として、複数の固定流量調整器（例えば、キャピラリーチューブ）の切り替えや、段階的に開度を調整可能な電磁弁などを用いてもよい。そして、吸入温度センサ２４、吸入圧力センサ２７、吐出圧力センサ２８から出力される各検出値に応じ、流量調整弁２２に指令を出力する制御手段としての制御装置２６を備えている。

このように冷凍サイクルを形成する冷凍装置の基本動作について説明する。圧縮機１０に吸引された冷媒は、圧縮されて吐出される。吐出されたガス冷媒は、凝縮器１２で例えば大気と熱交換することにより凝縮される。凝縮した液冷媒は、冷媒配管１８を介して膨張弁１４に導かれて減圧される。減圧された冷媒は、蒸発器１６で２次冷媒（例えば、空気）により蒸発される。蒸発した冷媒は、圧縮機１０に戻される。蒸発器１６で冷媒により冷却された２次冷媒は、冷蔵庫内に供給される。なお、冷凍庫内を冷却する動作について説明したが、四方切換弁により冷媒の流れを逆向きにすることで熱負荷を暖める場合も基本的に同様である。

ここで、本発明の圧縮機１０に液冷媒を注入する制御について圧縮機１０の起動時を例として図２を用いて説明する。図２は、圧縮機１０に液冷媒を注入する制御を示すフローチャートである。なお、図２に示す制御プログラムは、制御装置２６に実装される。

図２に示すように、まず、各センサの検出値が取り込まれる（Ｓ１０２）。具体的には、吸入温度センサ２４により検出された吸入温度Ｔ_１と、吸入圧力センサ２７により検出された吸入圧力Ｐ_１と、吐出圧力センサ２８により検出された吐出圧力Ｐ_２が取り込まれる。次に、取り込まれた吸入温度Ｔ_１、吸入圧力Ｐ_１、吐出圧力Ｐ_２に基づいて、吐出ガス温度Ｔ_２が推定演算される（Ｓ１０４）。ここで、推定された吐出ガス温度Ｔ_２が設定温度Ｔ_０と比較される（Ｓ１０６）。なお、設定温度Ｔ_０は、冷媒の劣化や冷媒に含まれる冷凍機油の粘性が低下しないように予め設定されたものであり、例えば９０℃から１１０℃までの温度が設定される。

Ｓ１０６の処理において、吐出ガス温度Ｔ_２が設定温度Ｔ_０以上であるときは、吐出ガス温度Ｔ_２を設定温度Ｔ_０よりも下げる必要があると判断され、吐出ガス温度Ｔ_２と設定温度Ｔ_０の温度差に基づいて、液冷媒の注入量である液インジェクション量Ｑ（ｋｇ／秒）が算出される（Ｓ１０８）。算出された液インジェクション量Ｑ（ｋｇ／秒）に対応した指令が、流量制御弁２２に出力される（Ｓ１１０）。入力された指令に応じて、流量制御弁２２が所定開度に調整されることにより、冷媒配管１８から液冷媒が圧縮機１０の中間圧力部に注入される。なお、Ｓ１０６の処理において、吐出ガス温度Ｔ_２が設定温度Ｔ_０よりも小さいときには、吐出ガス温度Ｔ_２と設定温度Ｔ_０の偏差に基づき液インジェクション量Ｑ（ｋｇ／秒）を減少するようにしてもよい（Ｓ１０７）。

吐出ガス温度Ｔ_２を推定する原理を説明するために、圧縮機１０のエネルギ収支に着目する。すなわち、圧縮機１０に入力される入力エネルギと、圧縮機１０から出力される出力エネルギとは等しいから、エネルギ収支は、例えば数１式の等式で表される。したがって、Ｓ１０４の処理においては、数１式からわかるように、吐出ガス温度Ｔ_２以外は、実測可能なもの、あるいは圧縮機１０の仕様により予め定められるものであるため、数１式に基づいて吐出ガス温度Ｔ_２を求めることができる。
（数１式）
＜吸入ガスのエンタルピー＞×＜冷媒循環量（ｋｇ／秒）＞＋＜圧縮に要したエネルギ＞−＜吐出ガスエンタルピー＞×＜冷媒循環量（ｋｇ／秒）＞＝＜液インジェクションで注入した液冷媒のエンタルピー＞×＜液インジェクション量Ｑ（ｋｇ／秒）＞

なお、数１式の各パラメータは、以下のように求められる。
＜吸入ガスのエンタルピー＞：吸入温度Ｔ_１、吸入圧力Ｐ_１、冷媒の物性から求められる。具体的には、冷媒の物性（例えば、Ｒ４１０などの冷媒種類）によって定まる例えばモリエル線図に、吸入温度Ｔ_１、吸入圧力Ｐ_１を適用することで求められる。モリエル線図は、冷凍サイクルをエンタルピーと圧力との関係で示したものである。
＜冷媒循環量（ｋｇ／秒）＞：圧縮機１０の吸入ガス体積（ｍ^３／秒）、体積効率（％）、吸入ガス密度（ｋｇ／ｍ^３）から求められる。ここで、吸入ガス密度は、吸入温度Ｔ_１、吸入圧力Ｐ_１、吐出圧力Ｐ_２、冷媒の物性などから算出される。なお、体積効率は、圧縮機１０に実際に吸込まれる冷媒体積が漏れなどに起因して変動する指標であり、圧縮機１０の仕様により定められる。
＜圧縮に要したエネルギ＞：圧縮機１０の全断熱圧縮効率（％）、吸入温度Ｔ_１、吸入圧力Ｐ_１、吐出圧力Ｐ_２から求められる。なお、全断熱圧縮効率（％）は圧縮機１０の仕様により定められる。また、演算により求めることに代えて、圧縮機１０に入力された電力を測定器により測定してもよい。
＜吐出ガスのエンタルピー＞：吸入圧力Ｐ_１、吐出ガス温度Ｔ_２で定められる。Ｓ１０４の処理では、吐出ガス温度Ｔ_２が推定演算される値となる。
＜液インジェクションで注入した液冷媒のエンタルピー＞：圧縮機１０に注入する液冷媒の温度、冷媒の物性から求められる。ここで、注入される液冷媒の温度は、吐出圧力Ｐ_２から求めることができるし、温度センサにより検出してもよい。
＜液インジェクション量Ｑ（ｋｇ／秒）＞：圧縮機１０の起動時では、液インジェクション量Ｑは、ゼロに初期化されている。ただし、冷凍装置の運転中においては、Ｓ１１０の処理により算出された直近の液インジェクション量Ｑ（ｋｇ／秒）を適用することができる。

本実施形態によれば、吸入温度Ｔ_１、吸入圧力Ｐ_１、吐出圧力Ｐ_２は、圧縮機１０の起動時などの非定常状態においてもセンサの検出値と実際の値がほぼ同じになることから、吸入温度Ｔ_１、吸入圧力Ｐ_１、吐出圧力Ｐ_２に基づいて実際の吐出ガス温度Ｔ_２を推定（予測）することができる。したがって、推定した吐出ガス温度Ｔ_２が設定温度Ｔ_０を超えているときに、液インジェクション量Ｑを制御することにより、非定常状態においても的確に液冷媒を注入することができる。また、推定した吐出ガス温度Ｔ_２に基づき液インジェクション量Ｑを算出することにより、適正な液冷媒量を圧縮機１０に注入することができる。

すなわち、本実施形態では、予測した吐出ガス温度に基づき液インジェクション量Ｑ（ｋｇ／秒）を制御する予測制御が行われる。これにより、吐出ガスがセンサなどの計測部に到達するまでの過程で触れた部品（例えば、配管）により熱を奪われて温度が低下するときでも、吐出ガス温度の的確な制御が可能となるから、冷媒ガスの過熱による冷媒や冷凍機油の劣化が防止される。したがって、圧縮機１０のしゅう動部の潤滑性が確保されるため、圧縮機１０の焼きつきなどを抑制できる。また、温度センサ自体の検出遅れによる影響も受けない。

ここで、冷凍装置の運転中に吐出ガス温度Ｔ_２を推定し、その推定温度に基づいて液インジェクション量Ｑ（ｋｇ／秒）を制御することに代えて、冷凍装置の運転前に、吸入温度Ｔ_１、吸入圧力Ｐ_１、吐出圧力Ｐ_２を徐々に可変させたときの吐出ガス温度Ｔ_２を予め実測し、その実測値をデータテーブルとして制御装置２６のメモリなどに記憶することもできる。そして、冷凍装置の運転中では、検出された吸入温度Ｔ_１、吸入圧力Ｐ_１、吐出圧力Ｐ_２をデータテーブルに照合することにより、吐出ガス温度Ｔ_２を予測して液インジェクション量Ｑ（ｋｇ／秒）を制御すればよい。

また、本実施形態のほかに、温度センサを圧縮機１０内の圧縮工程直後に配設することで制御遅延を低減することが考えられるが、耐圧容器内にあるため、その部分に温度センサを配設するには構造が煩雑になったり、シール性が低下して圧縮機１０の信頼性が悪くなったりするおそれがある。この点、本実施形態によれば、温度センサを配設しなくても、圧縮機１０から吐出されるガス冷媒を予測することができる。

また、本実施形態では、冷媒としてＲ４１０（Ｒ３２：５０％／Ｒ１２５：５０％重量比）を用いた例を説明したが、様々な冷媒を用いることができる。ただし、Ｒ４１０Ａは、例えばＲ２２、Ｒ１２などの塩素原子を含む冷媒に比べて潤滑性がそれほど高くなく、また、Ｒ４０４Ａ（Ｒ１２５：４４％／Ｒ１４３ａ：５２％／Ｒ１３４ａ：４％重量比）などの冷媒に比べて吐出ガス温度が高くなり易いという特性を有する。したがって、Ｒ４１０Ａを使用する冷凍装置に適用することにより、本発明の効果を一層得ることができる。

（第２の実施形態）本発明を適用した冷凍装置の第２の実施形態について図３を用いて説明する。図３は、本実施形態の冷凍装置の系統図である。本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、定常状態と非定常状態を判定し、判定結果に基づいて液インジェクション量の制御を切り替えることにある。

図３に示すように、図１の冷凍装置の圧縮機１０の吐出側に吐出温度センサ３０が配設される。本実施形態では、吐出ガス温度Ｔ_３の検出値が制御装置２６に入力される。また、第１の実施形態と同様に、吐出ガス温度Ｔ_２が制御装置２６により推定される。そして、吐出ガス温度Ｔ_３と吐出ガス温度Ｔ_２の温度差が求められる。求められた温度差が予め設定された値よりも小さいときは、冷凍装置が定常状態にあると判断される。したがって、吐出温度センサ３０により検出された吐出ガス温度Ｔ_３に基づいて、液インジェクション量Ｑ（ｋｇ／秒）が制御される。なお、定常状態とは、冷凍装置が安定に稼動している状態であり、例えば、吐出ガスの温度と、吐出ガスと接触する配管などの温度がほぼ同じ状態である。

一方、吐出ガス温度Ｔ_３と吐出ガス温度Ｔ_２の温度差が、設定値以上のときには、冷凍装置が非定常状態にあると判断される。したがって、第１の実施形態で示したように、吸入温度Ｔ_１、吸入圧力Ｐ_１、吐出圧力Ｐ_２に基づいて実際の吐出ガス温度Ｔ_２が推定される。推定された吐出ガス温度Ｔ_２に基づいて、液インジェクション量Ｑ（ｋｇ／秒）が制御される。

すなわち、冷凍装置が定常状態のときは、検出値である吐出ガス温度Ｔ_３が、吐出ガス温度Ｔ_２よりも実際の吐出ガス温度に近くなることが多いことから、吐出ガス温度Ｔ_３に基づく制御が優先して行われる。一方、冷凍装置が非定常状態にあるときには、推定値である吐出ガス温度Ｔ_２が、吐出ガス温度Ｔ_３よりも実際の吐出ガス温度に近くなることから、第１の実施形態に示した予測制御が優先して行われる。

本実施形態によれば、冷凍装置が定常状態から非定常状態に、また非定常状態から定常状態に繰り返して状態遷移するときでも、圧縮機１０に適正量の液冷媒を的確に注入することができるから、吐出ガス温度が設定温度Ｔ_０を越えることを一層抑制することができる。

以上、第１及び第２の実施形態に基づいて本発明を説明したが、これらに限られるものではない。例えば、非定常状態として圧縮機１０の起動時を例に説明したが、冷蔵庫のケースが開閉されたときにも本発明が適用される。要するに、冷凍負荷が比較的急に変動して圧縮機１０に吸引される冷媒の圧力や温度が変動するときに本発明を適用すればよい。

また、冷凍装置に圧縮機１０を複数配設する場合や、冷凍装置を複数配設するマルチシステムの形態に構成される場合、冷凍負荷に応じて各圧縮機の発停が繰り返されたり、冷凍装置の稼動数が増減して循環冷媒量が急に変動したりするから、本発明を適用することにより、吐出ガス温度が設定温度Ｔ_０を越えることを一層抑制することができる。

本発明を適用した第１の実施形態の冷凍装置の系統図である。 圧縮機に液冷媒を注入する制御を示すフローチャートである。 本発明を適用した第２の実施形態の冷凍装置の系統図である。

符号の説明

１０ 圧縮機
１２ 凝縮器
１４ 膨張弁
１６ 蒸発器
１８ 冷媒配管
２０ インジェクション配管
２２ 流量制御弁
２４ 吸入温度センサ
２６ 制御装置
２７ 吸入圧力センサ
２８ 吐出圧力センサ
３０ 吐出温度センサ

Claims (3)

1. 冷媒を吸引して圧縮する圧縮機と、該圧縮機から吐出される冷媒を凝縮する凝縮器と、凝縮した冷媒を減圧する減圧手段と、減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記圧縮機に液冷媒を注入する液インジェクション手段と、前記圧縮機により吸引される冷媒の温度及び圧力と前記圧縮機から吐出される冷媒の圧力をそれぞれ検出するセンサと、該センサの各検出値に基づいて前記液インジェクション手段の前記液冷媒の注入量を制御する制御手段とを備え、
   該制御手段は、前記センサの各検出値に基づいて前記圧縮機から吐出されるガス冷媒の温度を推定し、該推定温度に基づいて前記液冷媒の注入量を制御する指令を前記液インジェクション手段に出力するものであり、
   前記圧縮機から吐出されるガス冷媒の温度を検出する温度センサを配設し、前記制御手段は、前記温度センサの検出値と前記推定温度との偏差が設定値よりも小さいときは、前記温度センサの検出値に基づいて前記液冷媒の注入量を制御し、前記偏差が設定値以上のときには、前記推定温度に基づいて前記液冷媒の注入量を制御することを特徴とする冷凍装置。
2. 前記制御手段は、前記推定温度と設定温度を比較する手段と、前記推定温度が前記設定温度よりも高いときに、前記推定温度に基づいて前記液冷媒の注入量を算出する手段を有することを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
3. 前記液インジェクション手段は、前記液冷媒が通流するインジェクション流路と、該インジェクション流路に配設された流量調整手段とを有し、前記流量調整手段は、前記制御手段から出力される指令に応じて前記液冷媒の前記注入量を可変することを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。

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