JP4433729B2 - 冷凍装置 - Google Patents

Description

この発明は、例えば、圧縮機と凝縮器と膨張手段と蒸発器とを順次接続した冷凍装置に関する。

従来の冷凍装置では、圧縮機と凝縮器と膨張弁と蒸発器とを順次環状に接続し、上記凝縮器と上記膨張弁との間に過冷却用熱交換器が配置されていた。そして、上記凝縮器からの液冷媒は分岐されて、一方の液冷媒は、主流液とされ、他方の液冷媒は、過冷却用膨張弁を通った後に、上記過冷却用熱交換器を介して上記主流液を過冷却し、上記圧縮機の圧縮室へ導かれていた（特開平１１−２４８２６４号公報：特許文献１参照）。

しかしながら、上記従来の冷凍装置では、上記膨張弁直前の冷媒の液過冷却度をさらに大きくすることはできず、冷凍能力およびエネルギー効率（ＣＯＰ）の向上に限度があった。
特開平１１−２４８２６４号公報（図１）

そこで、この発明の課題は、膨張手段直前の冷媒の液過冷却度をさらに大きくして、冷凍能力およびエネルギー効率（ＣＯＰ）を向上できる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、この発明の冷凍装置は、圧縮機と凝縮器と膨張手段と蒸発器とを順次接続した冷凍装置において、
上記凝縮器と上記膨張手段との間の主流路から分岐されて上記圧縮機へ接続される二つの副流路を備え、
この各副流路において、過冷却用膨張手段と、この過冷却用膨張手段の出口側の冷媒と上記主流路の冷媒とを熱交換する過冷却用熱交換器とを設け、
上記圧縮機は、スクリューロータとこのスクリューロータを両側から挟むように噛み合う一対のゲートロータとを有するシングルスクリュー圧縮機であり、
一方の上記過冷却用熱交換器が設けられた一方の上記副流路は、上記一対のゲートロータを境界とした一方側の圧縮室に接続され、他方の上記過冷却用熱交換器が設けられた他方の上記副流路は、上記一対のゲートロータを境界とした他方側の圧縮室に接続され、
上記圧縮機の吐出側の冷媒の温度および圧力を検知しこの検知結果に基づいて一方の上記副流路の上記過冷却用膨張手段の開度制御を行なう吐出側過冷却制御手段と、
他方の上記副流路における上記圧縮機の吸入側の冷媒の温度および圧力を検知しこの検知結果に基づいてこの他方の副流路の上記過冷却用膨張手段の開度制御を行なう吸入側過冷却制御手段と
を備えることを特徴としている。

この発明の冷凍装置によれば、上記過冷却用熱交換器を上記主流路に沿って少なくとも二つ設けているので、上記主流路の冷媒が上記複数の過冷却用熱交換器を通過する毎に、この冷媒の液過冷却度（ＳＣ）を大きくすることができる。

すなわち、この発明の冷凍装置は、いわゆる、三段以上の膨張のエコノマイザサイクルを有するので、従来の二段膨張のエコノマイザサイクルを有する冷凍装置に比べて、上記膨張手段直前の冷媒の液過冷却度をさらに大きくして、冷凍能力およびエネルギー効率（ＣＯＰ）を一層向上できる。

また、上記副流路および上記過冷却用熱交換器は、二つ存在するので、上記圧縮機において、上記一対のゲートロータを境界として二分割された圧縮空間毎に、エコノマイザサイクルを適用でき、いわゆる、三段膨張のエコノマイザサイクルとすることができ、性能の向上が図れる。

また、上記一方の過冷却用膨張手段を上記吐出側過冷却制御手段にて制御し、上記他方の過冷却用膨張手段を上記吸入側過冷却制御手段にて制御しているので、上記二つの過冷却用膨張手段を、それぞれ、異なる温度および圧力に基づいて制御することができる。

したがって、上記二つの過冷却用膨張手段において、共通の温度および圧力に基づいて制御することにより生じる開閉動作のハンチングを回避して、安定した冷却効果を得ることができる。

この発明の冷凍装置によれば、上記過冷却用熱交換器を上記主流路に沿って少なくとも二つ設けているので、上記膨張手段直前の冷媒の液過冷却度を大きくして、冷凍能力およびエネルギー効率を向上できる。

また、上記圧縮機の二分割された圧縮空間毎にエコノマイザサイクルを適用するので、性能の向上が図れる。

また、上記二つの過冷却用膨張手段を、それぞれ、異なる温度および圧力に基づいて制御しているので、上記二つの過冷却用膨張手段における開閉動作の競り合いを防止して、安定した冷却効果を得ることができる。

以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。

図１は、この発明の冷凍装置の一実施形態である簡略構成図を示している。この冷凍装置は、圧縮機１と凝縮器２と膨張手段３と蒸発器４とを順次環状に接続して、冷媒を用いた冷凍サイクルを構成する。

この冷凍サイクルを説明すると、上記圧縮機１にて吐出される気相の冷媒は、上記凝縮器２において熱を奪われて、液相状態になり、この液相の冷媒は、上記膨張手段３により、減圧されて、気相と液相の二相状態になる。その後、この二相の冷媒（湿りガス）は、上記蒸発器４において熱を与えられて、気相状態になり、この気相の冷媒は、上記圧縮機１にて吸入されて加圧された後に、再び、上記圧縮機１にて吐出される。

上記圧縮機１としては、例えば、シングルスクリュー圧縮機を用いる。具体的に述べると、上記圧縮機１は、スクリューロータ１ａと、このスクリューロータ１ａを両側から挟むように噛み合う一対のゲートロータ１ｂ，１ｂとを備え、上記スクリューロータ１ａのスクリュー溝と上記一対のゲートロータ１ｂ，１ｂの歯部との噛み合いにより圧縮室が形成され、この圧縮室にて上記冷媒が高圧に圧縮される。

上記凝縮器２は、ファン７を備え、このファン７の空冷により、上記冷媒が冷却される。上記膨張手段３としては、例えば、電子制御された膨張弁や、キャピラリーチューブを用いる。上記蒸発器４としては、例えば、上記冷媒にて水（液熱媒体）を冷却する熱交換器を用いる。

そして、この冷凍装置は、上記凝縮器２と上記膨張手段３との間の主流路１０から分岐されて上記圧縮機１へ接続される二つの副流路１１，１１を備える。なお、上記主流路１０および上記副流路１１は、配管にて構成される。

具体的に述べると、上記主流路１０の上流側と下流側とからの分岐により、上流側の副流路１１と下流側の副流路１１とが形成される。この上流側の副流路１１は、上記一対のゲートロータ１ｂ，１ｂを境界とした一方側に接続され、この下流側の副流路１１は、上記一対のゲートロータ１ｂ，１ｂを境界とした他方側に接続されている。すなわち、上記上流側の副流路１１は、上記一対のゲートロータ１ｂ，１ｂを境界とした一方側に存在する上記圧縮室の中途部に連通し、上記下流側の副流路１１は、上記一対のゲートロータ１ｂ，１ｂを境界とした他方側に存在する上記圧縮室の中途部に連通する。

また、この各副流路１１において、過冷却用膨張手段１２と、この過冷却用膨張手段１２の出口側の冷媒と上記主流路１０の冷媒とを熱交換する過冷却用熱交換器１３とを設けている。

具体的に述べると、上記主流路１０に沿って、上流側の過冷却用熱交換器（高段のエコノマイザ）１３と下流側の過冷却用熱交換器（低段のエコノマイザ）１３とが配置される。なお、図１では、上記各副流路１１において、上記副流路１１は、上記過冷却用熱交換器１３の下流側にて上記主流路１０から分岐されているが、上記過冷却用熱交換器１３の上流側にて上記主流路１０から分岐されるようにしてもよい。

次に、上記二つの過冷却用熱交換器１３，１３の作用を説明すると、上記凝縮器２から出た上記主流路１０における液相の冷媒は、まず、上記上流側の副流路１１に分流される。この上流側の副流路１１における液相の冷媒は、上記過冷却用膨張手段１２にて減圧されて、気相と液相の二相の冷媒になり、この二相の冷媒は、上記上流側の過冷却用熱交換器１３を介して、上記主流路１０の液相の冷媒から熱を奪って、気相の冷媒になり、この気相の冷媒は、上記圧縮機１に吸入される。このとき、上記主流路１０における液相の冷媒は、上記上流側の過冷却用熱交換器１３を介して、冷却される。

その後、この冷却された上記主流路１０における液相の冷媒は、上記下流側の副流路１１に分流される。この下流側の副流路１１における液相の冷媒は、上記過冷却用膨張手段１２にて減圧されて、気相と液相の二相の冷媒になり、この二相の冷媒は、上記下流側の過冷却用熱交換器１３を介して、上記主流路１０の液相の冷媒から熱を奪って、気相の冷媒になり、この気相の冷媒は、上記圧縮機１に吸入される。このとき、上記主流路１０における液相の冷媒は、上記下流側の過冷却用熱交換器１３を介して、冷却される。

上記構成の冷凍装置によれば、上記二つの過冷却用熱交換器１３，１３を設けているので、上記主流路１０の冷媒が上記二つの過冷却用熱交換器１３，１３を通過する毎に、この冷媒の液過冷却度を大きくすることができる。

すなわち、この発明の冷凍装置は、三つの膨張手段３，１２，１２と二つの過冷却用熱交換器１３，１３とから成る三段膨張のエコノマイザサイクルを有するので、従来の、二つの膨張弁と一つの過冷却用熱交換器とから成る二段膨張のエコノマイザサイクルを有する冷凍装置に比べて、上記膨張手段３直前の冷媒の液過冷却度をさらに大きくして、冷凍能力およびエネルギー効率（ＣＯＰ）を一層向上できる。

具体的に述べると、図２に示すように、実線にて示した上記発明の冷凍装置（三段膨張）では、上流側の過冷却用熱交換器（三段膨張ＥＣＯ上段）と下流側の過冷却用熱交換器（三段膨張ＥＣＯ下段）とにより、点線にて示した上記従来の冷凍装置（二段膨張）に比べて、液過冷却度（ＳＣ）が大きくなって、冷凍能力が向上する。

さらに、この発明の冷凍装置は、図１に示すように、上記圧縮機１の吐出側の冷媒の温度および圧力を検知しこの検知結果に基づいて上記下流の過冷却用膨張手段１２の開度制御を行なう吐出側過冷却制御手段１４と、上記上流側の副流路１１における上記圧縮機１の吸入側の冷媒の温度および圧力を検知しこの検知結果に基づいて上記上流の過冷却用膨張手段１２の開度制御を行なう吸入側過冷却制御手段１５とを備える。

具体的に述べると、上記吐出側過冷却制御手段１４は、上記圧縮機１の吐出配管内の冷媒の温度および高圧圧力値から現在の現ＳＨ値を算出し、予め設定された目標ＳＨ値と比較することで開度制御を行なう。上記吸入側過冷却制御手段１５は、上記上流側の過冷却用熱交換器１３の出口配管内の冷媒の温度および圧力値から現在の現ＳＨ値を算出し、予め設定された目標ＳＨ値と比較することで開度制御を行なう。ここで、上記ＳＨ値とは、過熱度（スーパーヒート）であり、飽和状態の温度との差を示す温度をいう。

上記過冷却用膨張手段１２としては、感温式膨張弁を用いており、電子膨張弁に比べて安価なものにできる。もちろん、上記過冷却用膨張手段１２として、電子膨張弁を用いてもよい。

次に、図３にて、上記吐出側過冷却制御手段１４および上記吸入側過冷却制御手段１５の作用を説明する。

まず、上記吐出側過冷却制御手段１４の制御動作について説明する。制御動作がスタートすると（Ｓ１０１）、上記現ＳＨ値（Ｂ）が上記目標ＳＨ値（Ａ）よりも大きいか否かを判断し（Ｓ１０２）、大きい場合は、上記下流側の感温式膨張弁１２の開動作を行ない（Ｓ１０３）、逆に、大きくない場合は、上記現ＳＨ値（Ｂ）が上記目標ＳＨ値（Ａ）よりも小さいか否かを判断する（Ｓ１０４）。そして、小さい場合は、上記下流側の感温式膨張弁１２の閉動作を行ない（Ｓ１０５）、逆に、小さくない場合は、上記下流側の感温式膨張弁１２の動作を行なわない（Ｓ１０６）。

次に、上記吸入側過冷却制御手段１５の制御動作について説明する。制御動作がスタートすると（Ｓ２０１）、上記現ＳＨ値（Ｄ）が上記目標ＳＨ値（Ｃ）よりも大きいか否かを判断し（Ｓ２０２）、大きい場合は、上記上流側の感温式膨張弁１２の開動作を行ない（Ｓ２０３）、逆に、大きくない場合は、上記現ＳＨ値（Ｄ）が上記目標ＳＨ値（Ｃ）よりも小さいか否かを判断する（Ｓ２０４）。そして、小さい場合は、上記上流側の感温式膨張弁１２の閉動作を行ない（Ｓ２０５）、逆に、小さくない場合は、上記上流側の感温式膨張弁１２の動作を行なわない（Ｓ２０６）。

このように、上記下流側の過冷却用膨張手段１２を上記吐出側過冷却制御手段１４にて制御し、上記上流側の過冷却用膨張手段１２を上記吸入側過冷却制御手段１５にて制御しているので、上記二つの過冷却用膨張手段１２，１２を、それぞれ、異なる温度および圧力に基づいて制御することができる。

したがって、上記二つの過冷却用膨張手段１２，１２において、共通の温度および圧力に基づいて制御することにより生じる開閉動作のハンチングを回避して、安定した冷却効果を得ることができる。例えば、上記二つの過冷却用膨張手段１２，１２を上記吐出側過冷却制御手段１４にて制御する場合、上記二つの過冷却用膨張手段１２，１２は、共通の圧力および温度により制御されることになるので、開閉動作がハンチングして、安定した冷却効果が得られない可能性がある。

なお、この発明は上述の実施形態に限定されず、この発明の要旨を逸脱しない範囲で設計変更可能である。例えば、上記上流側の過冷却用膨張手段１２を上記吐出側過冷却制御手段１４にて制御し、上記下流側の過冷却用膨張手段１２を上記下流側の副流路１１に別途設けた吸入側過冷却制御手段１５にて制御するようにしてもよい。また、上記副流路１１と上記過冷却用膨張手段１２と上記過冷却用熱交換器１３とを、それぞれ、三つ以上設けてもよく、この場合、一つの上記過冷却用膨張手段１２を上記吐出側過冷却制御手段１４にて制御し、その他の上記過冷却用膨張手段１２を、それぞれ、各上記副流路１１に設けた吸入側過冷却制御手段１５にて制御するようにする。

本発明の冷凍装置の一実施形態を示す簡略構成図である。 本発明の冷凍装置と従来の冷凍装置とを比較したＰＨ線図である。 吐出側過冷却制御手段および吸入側過冷却制御手段の制御を示すフローチャートである。

１ 圧縮機
１ａ スクリューロータ
１ｂ ゲートロータ
２ 凝縮器
３ 膨張手段
４ 蒸発器
１０ 主流路
１１ 副流路
１２ 過冷却用膨張手段
１３ 過冷却用熱交換器
１４ 吐出側過冷却制御手段
１５ 吸入側過冷却制御手段

Claims (1)

1. 圧縮機（１）と凝縮器（２）と膨張手段（３）と蒸発器（４）とを順次接続した冷凍装置において、
   上記凝縮器（２）と上記膨張手段（３）との間の主流路（１０）から分岐されて上記圧縮機（１）へ接続される二つの副流路（１１）を備え、
   この各副流路（１１）において、過冷却用膨張手段（１２）と、この過冷却用膨張手段（１２）の出口側の冷媒と上記主流路（１０）の冷媒とを熱交換する過冷却用熱交換器（１３）とを設け、
   上記圧縮機（１）は、スクリューロータ（１ａ）とこのスクリューロータ（１ａ）を両側から挟むように噛み合う一対のゲートロータ（１ｂ，１ｂ）とを有するシングルスクリュー圧縮機であり、
   一方の上記過冷却用熱交換器（１３）が設けられた一方の上記副流路（１１）は、上記一対のゲートロータ（１ｂ，１ｂ）を境界とした一方側の圧縮室に接続され、他方の上記過冷却用熱交換器（１３）が設けられた他方の上記副流路（１１）は、上記一対のゲートロータ（１ｂ，１ｂ）を境界とした他方側の圧縮室に接続され、
   上記圧縮機（１）の吐出側の冷媒の温度および圧力を検知しこの検知結果に基づいて一方の上記副流路（１１）の上記過冷却用膨張手段（１２）の開度制御を行なう吐出側過冷却制御手段（１４）と、
   他方の上記副流路（１１）における上記圧縮機（１）の吸入側の冷媒の温度および圧力を検知しこの検知結果に基づいてこの他方の副流路（１１）の上記過冷却用膨張手段（１２）の開度制御を行なう吸入側過冷却制御手段（１５）と
   を備えることを特徴とする冷凍装置。

Images