JP4901655B2

JP4901655B2 - 吸収冷温水機

Info

Publication number: JP4901655B2
Application number: JP2007228232A
Authority: JP
Inventors: 那加博稲垣; 剛佐々木
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2007-09-03
Filing date: 2007-09-03
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2027-09-03
Also published as: JP2009058207A

Description

本発明は、吸収冷温水機に係り、特に吸収冷温水機の加熱源の燃焼出力を制御する技術に関する。

吸収冷温水機は、再生器、凝縮器、蒸発器、及び吸収器などを配管接続することにより吸収冷凍サイクルを形成している。再生器で加熱源により加熱された希溶液（水と吸収剤の混合液）は、冷媒蒸気と濃溶液とを生成し、濃溶液は吸収器に導かれる一方、冷媒蒸気は凝縮器に導かれ、冷水伝熱管内の水と熱交換して冷媒液となる。凝縮器で液化された冷媒液は、蒸発器に導かれ、冷水伝熱管内の水と熱交換して蒸発し、この際に奪う熱によって冷水伝熱管内の水を冷却する。ここで冷却された水は、例えば、室内側の冷房負荷に循環供給される。一方、蒸発器で蒸発した冷媒は、吸収器に導かれて濃溶液に吸収される。冷媒を吸収して濃度が薄くなった希溶液は、溶液循環ポンプにより再生器に導かれて再び加熱源により加熱される。

このような吸収冷温水機においては、蒸発器で熱交換された冷水温度を検出し、この検出温度に応じて加熱源の燃焼出力を制御することが行われている。例えば、蒸発器により熱交換された冷水の温度に応じて、加熱源の出力を予め定められた出力パターンの異なる運転モードの中から最適な動作モードを選定し、その動作モードに対応する出力パターンにしたがって燃焼出力を制御するようにした吸収冷温水機が開示されている（特許文献１参照。）。

図４は、加熱源の燃焼出力の制御における冷水温度と燃焼出力（％）との関係を表した図である。従来の制御においては、燃焼出力の動作モードを冷房負荷の大きさによって高負荷モード（実線）と低負荷モード（点線）とに分けて動作させ、それぞれの動作モードへの移行は、図５に示すように冷水温度に設定温度を設けて切り替え制御するようにしていた。この場合、低負荷モードは燃焼出力が０〜５０％の範囲、高負荷モードは燃焼出力が５０％〜１００％の範囲でそれぞれ制御されている。

このような制御において、例えば、冷水温度が１５℃の場合、動作モードは高負荷モードとなり、加熱源の燃焼出力は１００％に設定される。そして、冷水温度が６℃まで低下すると、燃焼出力は５０％に切り替わり、冷水温度が上昇して６℃〜９℃の間で変動する場合、燃焼出力は５０％と１００％の繰り返し制御となる。一方、冷房負荷が小さく、冷水温度が低下した場合、５℃〜６℃の間では動作モードは高負荷モードのまま５０％の燃焼出力が維持される。さらに冷水温度が低下して５℃未満になると、加熱源の燃焼は停止され、動作モードは低負荷モードに切り替わる。

また燃焼が停止されたことにより冷水温度が１１℃まで上昇したときは、運転モードは低負荷モードのままで燃焼出力が５０％となり燃焼が再開される。この低負荷モードにおいては、８℃〜１２℃の間で燃焼停止と燃焼出力５０％の繰り返し制御となる。また燃焼出力が５０％になっても冷水温度が上昇し、１２℃を超えたときは、燃焼出力が１００％に切り替わり、高負荷モードに移行する。

このような従来の制御によれば、燃焼出力は、蒸発器で熱交換された冷水の温度、つまり冷房負荷に応じて最適な動作パターンを選ぶことができるため、冷房負荷が小さいときは低負荷モードによる省エネルギー運転、冷房負荷が大きいときは高負荷モードによる高出力運転を行うことができ、運転効率の向上を図ることができる。

特許第３１８２６８２号公報

ところで、特許文献１の制御によれば、例えば、冷水温度が６℃まで低下して燃焼出力が１００％から５０％に切り替えられた場合、冷房負荷が小さいことにより冷水温度が５℃〜６℃の範囲に低下することがある。しかし、この温度範囲においては、燃焼出力は５０％のまま運転が維持されるため、冷房負荷に対して燃焼出力は過剰傾向となる。一般に冷水温度は例えば７℃が目標温度（定格温度）とされているのに対し、本制御では冷水温度が５℃よりも低下しない限り運転モードは高負荷モードに維持されるため、燃焼運転を停止することはできない。このように７℃以下の所定の低温領域で燃焼運転が継続された場合、吸収冷温水機の運転効率の低下を招くことになる。

本発明の第１の課題は、冷水温度の低下に伴う運転効率の低下を抑制することにある。

一方、例えば、冷水温度が１１℃まで上昇し、燃焼出力が５０％で燃焼が再開された場合、冷房負荷が大きいことにより冷水温度が１１℃〜１２℃の範囲に上昇することがある。しかし、この温度範囲においては、燃焼出力は５０％に維持されるため、燃焼出力は不足する傾向となる。

また、燃焼を再開してから冷却能力が発生、つまり冷水温度が低下し始めるまでには所定のタイムラグが生じることから、その間に冷水温度がオーバーシュートして１２℃を超えた場合、冷房負荷が小さいにも関わらず、燃焼出力が１００％に移行するため、出力が過剰の傾向となる。

このように、冷水温度を設定温度に基づいて段階的に制御する従来の制御によれば、所定の温度範囲において冷房負荷に見合った燃焼出力の制御が得られない場合があった。

本発明の第２の課題は、冷水温度の低下に伴う運転効率の低下を抑制するとともに、冷房負荷に応じて最適な燃焼出力の制御を行うことにある。

本発明の吸収冷温水機は、上記課題を解決するため、加熱源により希溶液を加熱して冷媒蒸気と濃溶液とを生成する再生器と、この再生器で生成された冷媒蒸気を凝縮する凝縮器と、この凝縮器で凝縮された冷媒液と負荷流体とを熱交換して負荷流体を冷却する蒸発器と、この蒸発器で蒸発した冷媒を再生器で生成された濃溶液に吸収させて希溶液を生成する吸収器と、この吸収器で生成された希溶液を再生器へ送る溶液循環ポンプとを接続して吸収冷凍サイクルを形成し、蒸発器で熱交換された負荷流体の温度に基づいて加熱源の燃焼出力を段階的に切り替える制御手段を備えた吸収冷温水機において、制御手段は、加熱源の燃焼出力が減少方向に切り替えられてから設定時間が経過したときに、蒸発器で熱交換された負荷流体の温度が設定温度範囲にあるときは、設定温度範囲の上限温度から負荷流体の温度を減算した値を時間積分し、この積分値が設定値を超えたときは、加熱源の燃焼出力をさらに減少方向に切り替える切替手段を備えることを特徴としている。

これによれば、加熱源の燃焼出力が減少方向に切り替わり、負荷流体の温度が例えば７℃以下の低温領域で安定したとしても、設定温度範囲において得られる積分値に基づいて燃焼出力の切り替えを行うことにより、冷房負荷に見合った適切な燃焼出力を発生させ、冷水温度の低下に伴う運転効率の低下を抑制することができる。

また本発明は、上記の前提構成を備えた吸収冷温水機において、制御手段は、加熱源の燃焼出力が減少方向に切り替えられてから第１の設定時間が経過したときに、蒸発器で熱交換された負荷流体の温度が第１の設定温度範囲にあるときは、第１の設定温度範囲の上限温度からこの負荷流体の温度を減算した値を時間積分し、この積分値が第１の設定値を超えたときは、加熱源の燃焼出力をさらに減少方向に切り替える第１の切替手段と、加熱源の燃焼出力が増加方向に切り替えられてから第２の設定時間が経過したときに、蒸発器で熱交換された負荷流体の温度が上限温度よりも高温の下限温度を有する第２の設定温度範囲にあるときは、この負荷流体の温度から下限温度を減算した値を時間積分し、この積分値が第２の設定値を超えたときは、加熱源の燃焼出力をさらに増加方向に切り替える第２の切替手段とを備えてなるようにしてもよい。

これによれば、加熱源の燃焼出力が増加方向に切り替わり、負荷流体の温度が例えば７℃以上の所定の高温領域で安定したとしても、設定温度範囲において得られる積分値に基づいて燃焼出力の切り替えを行うことにより、冷房負荷に見合った適切な燃焼出力を発生させることができる。

この場合において、制御手段は、加熱源の燃焼出力が増加方向に切り替えられてから第３の設定時間が経過したときに、蒸発器で熱交換された負荷流体の温度が第２の設定温度範囲の上限温度以上の設定温度を超えているときは、加熱源の燃焼出力をさらに増加方向に切り替える第３の切替手段を備えていてもよい。

これによれば、燃焼出力の変化に伴う冷却能力の追従性の遅れなどにより、例えば、冷水温度が第２の設定温度範囲の上限値を超えて上昇したとしても、設定温度を超えたときは、これを検知して加熱源の燃焼出力を増加させることができるため、冷水温度のオーバーシュートを抑制することができる。

本発明によれば、冷水温度の低下に伴う運転効率の低下を抑制することができる。

以下、本発明を適用してなる吸収冷温水機の実施形態について図面を参照して説明する。なお、本実施形態では、いわゆる二重効用吸収冷温水機を一例として説明するが、本発明はこれに限られず、単効用、或いは三重効用の吸収冷温水機に適用することも可能である。

図１は、本発明を適用してなる吸収冷温水機の全体構成を示す図である。図２は、加熱源の燃焼出力の制御における冷水温度（℃）と燃焼出力（％）との関係を表した図である。図３は、加熱源の燃焼出力の動作モードと冷水温度（℃）との関係を表した図である。

吸収冷温水機１０は、高温再生器１２、分離器１４、低温再生器１６、凝縮器１８、蒸発器２０、吸収器２２、溶液循環ポンプ２４、高温及び低温溶液熱交換器２６，２８などを配管接続することにより吸収冷凍サイクルを構成している。高温再生器１２には図示しない加熱源が設けられている。吸収器２２は蒸発器２０と仕切りを介して隣接して設けられている。

高温再生器１２は、例えば、冷媒となる水と、吸収剤となる臭化リチウム（ＬｉＢｒ）などを混合してなる希溶液を加熱源により加熱する。高温再生器１２において加熱された希溶液は、冷媒蒸気と中間濃溶液とを生成し、これらは分離器１４に導かれて分離される。分離器１４で分離された中間濃溶液は、高温溶液熱交換器２６に導かれて溶液循環ポンプ２４により送液された希溶液と熱交換し、希溶液に熱を与えてこれを加熱する。この熱交換により降温された中間濃溶液は、低温再生器１６に導かれ、分離器１４で分離された冷媒蒸気と熱交換することにより再度加熱される。ここで加熱された中間濃溶液は、蒸気を放出して濃溶液となり、さらに低温溶液熱交換器２８において希溶液と再び熱交換することにより降温された状態で吸収器２２に導かれる。

分離器１４により分離された冷媒蒸気は、低温溶液熱交換器１６において中間濃溶液との熱交換により降温された状態で凝縮器１８に導かれる。また低温再生器１６において冷媒蒸気と熱交換することにより中間濃溶液から蒸発した蒸気は、冷媒蒸気とは別配管で凝縮器１８に導かれる。

凝縮器１８には、冷却水が流れる冷水伝熱管３４ａが挿通されており、これにより冷媒蒸気が凝縮され、この凝縮された冷媒液は凝縮器１８内に設けられた液冷媒貯蔵室３０に貯留される。

蒸発器２０には、液冷媒分配器３２が設けられており、凝縮器１８から蒸発器２０内に導かれた冷媒液は液冷媒分配器３２に入り、ここから蒸発器２０に挿通された冷水伝熱管３４ｂに向けて散布される。液冷媒分配器３２から散布された液冷媒は冷水伝熱管３４ｂ内を流れる被冷却対象となる水などの負荷流体と熱交換して蒸発し、その際に奪う熱によって水は冷却される。ここで冷却された水は空調負荷に循環供給される。熱交換により蒸発した冷媒は、隣接する吸収器２２に導かれる。

吸収器２２には、高温再生器１２から、低温再生器１６、低温溶液熱交換器２８などを経由して移動してきた濃溶液が滴下され、この濃溶液に蒸発器２０から導かれた冷媒が吸収されることにより、濃溶液の濃度は薄められて希溶液となる。この希溶液は、溶液循環ポンプ２４により抜き出され、低温溶液熱交換器２８，高温溶液熱交換器２６を順次経由して高温再生器１２へと送液される。なお、吸収器２２には、冷却水が流れる冷水伝熱管３４ｃが挿通されており、これにより冷媒の吸収熱が除去される。

一方、蒸発器２０に挿通される冷水伝熱管３４ｂには、その出口側に冷水伝熱管３４ｂを流れる冷水の温度を計測する温度センサ３６が設けられている。この温度センサ３６は、制御装置３８と電気的に接続され、制御装置３８は、高温再生器１２の加熱源と電気的に接続されている。すなわち、冷水伝熱管３４ｂの出口側を流れる冷水温度の検出値は電気信号として制御装置３８に入力され、その入力値に基づいて燃焼出力の制御信号が加熱源に出力されるようになっている。

次に、加熱源の燃焼出力の制御について図２と図３を用いて説明する。本実施形態において、加熱源の燃焼出力は、蒸発器２０で熱交換された冷水伝熱管３４ｂ内を流れる冷水の出口温度、つまり温度センサ３６の検出温度に基づいて制御され、燃焼出力の動作モードは、図３に示すように、冷水温度の設定値によって高負荷モードと低負荷モードとに分けられている。図２の実線矢印は高負荷モードの動作を表し、点線矢印は低負荷モードの動作を表している。本実施形態では、図２に示すように、燃焼停止、低出力燃焼（５０％）、高出力燃焼（１００％）の３位置で段階的に燃焼出力を制御する例を説明するが、３位置に限らず、４位置以上の多位置制御においても本発明を適用することができる。ここで、本制御においては、燃焼出力を切り替える設定温度や燃焼出力の動作モードを相互に移行する設定温度について、所定の条件下、再設定を行うことを特徴としている。

ここで、制御の動作の一例について説明する。例えば、冷水の検出温度が１７℃の場合、運転モードは図３より高負荷モードと判断され、加熱源の燃焼出力は図２より１００％に設定される。燃焼開始により冷水温度が６.５℃まで低下すると、燃焼出力は５０％に切り替わる。この切り替えにより冷水温度が６.５℃〜１０.５℃の範囲で上昇すると、燃焼出力は５０％と１００％の繰り返し制御となる。

一方、冷房負荷が小さく、例えば、燃焼出力が切り替わってから設定時間が経過した時点で、冷水温度が設定温度範囲の５℃〜７℃の間にあるときは、後述する積分計算１の演算を開始し、所定の条件を満たしたときは、運転モードが低負荷モードに移行して燃焼出力が停止する。また冷房負荷が小さく、燃焼出力が５０％に切り替わってもさらに冷水温度が下がり続け、５℃未満まで低下したときは、図３より運転モードが低負荷モードに移行して燃焼出力が停止する。そして、燃焼が停止したことにより冷水温度が１０℃まで上昇すると、燃焼出力は５０％で燃焼が再開される。低負荷モードにおいては７℃〜１０℃の間で燃焼停止と燃焼出力５０％の繰り返し制御となる。

ここで、冷房負荷がやや大きく加熱源が燃焼を開始してから設定時間（Ｃ秒）経過した時点で冷水温度が設定温度範囲の１０℃〜１２℃の間にあるときは、後述する積分計算２が演算を開始し、所定の条件を満たしたときは、運転モードが高負荷モードに移行して燃焼出力が１００％に増加される。

一方、加熱源の燃焼が開始された時点で後述する補助動作が動作を開始し、この動作から設定時間（Ｄ秒）経過した時点で冷水温度が１２℃を超えている場合には運転モードは高負荷モードに移行され、燃焼出力が１００％に増加される。

ここで、積分計算１について説明する。積分計算１は運転モードが高負荷モードにおいて、燃焼出力が１００％から５０％に切り替えられたとき、例えば、設定時間が経過した時点で、冷水温度が５℃〜７℃の間で安定している場合には、制御装置３８がこれを検知して、式１に示す積分計算の演算を開始する。この積分計算は、設定温度範囲の上限値（７℃）からそのときの冷水温度を減算し、その減算した値を時間積分して得られた積分値を任意に定められたＡ値と比較することにより行われる。そして、積分値がＡ値よりも大きくなったとき、燃焼出力は停止され、運転モードは低負荷モードに切り替えられる。なお、Ａ値は吸収冷温水機の装置仕様などにより適宜定めることができる。

このように、本実施形態では、加熱源の燃焼出力が減少方向に切り替わり、冷房負荷が少し小さいため冷水温度が５℃〜７℃の設定温度範囲で安定する場合には、設定温度範囲において積分計算１を行い、その結果に基づいて、動作モードの移行及び燃焼出力の切り替えを行うようにしている。これによれば、冷房負荷に対して過剰な燃焼出力が発生することにより冷水温度が７℃未満の所定の低温領域で長時間運転されることを抑制することができ、冷房負荷の大きさに応じた適切な燃焼出力を発生させることができるため、吸収冷温水機の運転効率を向上させることができる。

次に、積分計算２について説明する。積分計算２は、運転モードが低負荷モードにおいて燃焼停止の状態から燃焼出力が５０％で燃焼が再開されたとき、燃焼開始から設定時間（Ｃ秒）経過した時点で、冷水温度が１０℃〜１２℃の間にあるときには、制御装置３８がこれを検知して式２に示す積分計算の演算を開始する。この積分計算は、そのときの冷水温度から設定温度範囲の下限値（１０℃）を減算し、その減算した値を時間積分して得られた積分値を任意に定められたＢ値と比較することにより行われる。そして、積分値がＢよりも大きくなったとき、燃焼出力は１００％に切り替えられ、運転モードは低負荷モードから高負荷モードに切り替えられる。なお、Ｂ値、Ｃ秒は吸収冷温水機の装置仕様などにより適宜設定することができる。

このように、本実施形態では、加熱源の燃焼出力が増加方向、特に燃焼停止から燃焼出力５０％の燃焼に切り替わり、冷房負荷が少し大きいため燃焼開始後Ｃ秒経過した時点で冷水温度が１０℃〜１２℃の設定温度範囲にある場合には、設定温度範囲において積分計算２を行い、その結果に基づいて、動作モードの移行及び燃焼出力の切り替えを行うようにしている。これにより、冷水温度が７℃以上の所定の高温領域で長時間運転されることを抑制することができ、冷房負荷の大きさに応じた適切な燃焼出力を発生させることができる。

一方、本実施形態では、低負荷モードにおいて加熱源の燃焼出力が増加方向に切り替えられた時点、特に燃焼が再開された時点で補助動作が起動され、設定時間（Ｄ秒）経過したときの冷水温度が、例えば、積分計算２の設定温度範囲の上限値となる１２℃の設定温度を超えているときは、加熱源の燃焼出力をさらに増加させるようにしている。このため、燃焼出力の変化に伴う冷却能力の追従性の遅れなどにより、冷水温度が１２℃を超えて上昇するときでも、冷水温度のオーバーシュートを抑制することができる。なお、この場合の設定温度は１２℃に限られず１２℃よりも高温側に設定してもよい。また、Ｄ秒は吸収冷温水機の装置仕様などにより適宜設定することができる。

以上述べたように、本実施形態によれば、加熱源の燃焼出力とその運転モードを冷房負荷に応じて適切に切り替えることができるため、冷房負荷の変動に対して高い追従性をもたせて燃焼出力を制御することができる。これにより、冷房負荷に見合った適切な燃焼出力を発生させることができ、部分負荷特性の向上と運転効率の向上を図ることができる。また燃焼出力の切り替え時において、積分計算１、２の対象となる温度管理幅、つまり設定温度範囲を広くもたせることにより、誤動作などによる動作モードや燃焼出力の頻繁な変動を抑制できるため、冷水温度を安定化させるとともに、装置寿命を向上させることができる。

また燃焼出力が増加方向に切り替えられたときに、冷房負荷が大きく、或いは燃焼出力の変化に伴う冷却能力の追従性の遅れなどにより冷水温度が上昇したときは、加熱源の燃焼出力を増加させて冷却能力を増加させることにより、冷水温度のオーバーシュートを抑制することができ、制御の安定化を図ることができる。

本発明を適用してなる吸収冷温水機の全体構成を示す図である。燃焼出力の制御における冷水温度（℃）と燃焼出力（％）との関係を表した図である。燃焼出力の動作モードと冷水温度（℃）との関係を表した図である。従来の制御における冷水温度（℃）と燃焼出力（％）との関係を表した図である。従来の制御における燃焼出力の動作モードと冷水温度（℃）との関係を表した図である。

符号の説明

１０吸収冷温水機
１２高温再生器
１４分離器
１６低温再生器
１８凝縮器
２０蒸発器
２２吸収器
２４溶液循環ポンプ
２６高温溶液熱交換器
２８低温溶液熱交換器
３０液冷媒貯蔵室
３２液冷媒分配器
３４冷水伝熱管
３６温度センサ
３８制御装置

Claims

加熱源により希溶液を加熱して冷媒蒸気と濃溶液とを生成する再生器と、該再生器で生成された冷媒蒸気を凝縮する凝縮器と、該凝縮器で凝縮された冷媒液と負荷流体とを熱交換して負荷流体を冷却する蒸発器と、該蒸発器で蒸発した冷媒を前記再生器で生成された濃溶液に吸収させて前記希溶液を生成する吸収器と、該吸収器で生成された希溶液を前記再生器へ送る溶液循環ポンプとを接続して吸収冷凍サイクルを形成し、前記蒸発器で熱交換された前記負荷流体の温度に基づいて前記加熱源の燃焼出力を段階的に切り替える制御手段を備えた吸収冷温水機において、
前記制御手段は、前記加熱源の燃焼出力が減少方向に切り替えられてから設定時間が経過したときに、前記蒸発器で熱交換された前記負荷流体の温度が設定温度範囲にあるときは、前記設定温度範囲の上限温度から該負荷流体の温度を減算した値を時間積分し、該積分値が設定値を超えたときは、前記加熱源の燃焼出力をさらに減少方向に切り替える切替手段を備えることを特徴とする吸収冷温水機。
加熱源により希溶液を加熱して冷媒蒸気と濃溶液とを生成する再生器と、該再生器で生成された冷媒蒸気を凝縮する凝縮器と、該凝縮器で凝縮された冷媒液と負荷流体とを熱交換して負荷流体を冷却する蒸発器と、該蒸発器で蒸発した冷媒を前記再生器で生成された濃溶液に吸収させて前記希溶液を生成する吸収器と、該吸収器で生成された希溶液を前記再生器へ送る溶液循環ポンプとを接続して吸収冷凍サイクルを形成し、前記蒸発器で熱交換された前記負荷流体の温度に基づいて前記加熱源の燃焼出力を段階的に切り替える制御手段を備えた吸収冷温水機において、
前記制御手段は、前記加熱源の燃焼出力が減少方向に切り替えられてから第１の設定時間が経過したときに、前記蒸発器で熱交換された前記負荷流体の温度が第１の設定温度範囲にあるときは、前記第１の設定温度範囲の上限温度から該負荷流体の温度を減算した値を時間積分し、該積分値が第１の設定値を超えたときは、前記加熱源の燃焼出力をさらに減少方向に切り替える第１の切替手段と、
前記加熱源の燃焼出力が増加方向に切り替えられてから第２の設定時間が経過したときに、前記蒸発器で熱交換された前記負荷流体の温度が前記上限温度よりも高温の下限温度を有する第２の設定温度範囲にあるときは、該負荷流体の温度から前記下限温度を減算した値を時間積分し、該積分値が第２の設定値を超えたときは、前記加熱源の燃焼出力をさらに増加方向に切り替える第２の切替手段とを備えてなることを特徴とする吸収冷温水機。
前記制御手段は、前記加熱源の燃焼出力が増加方向に切り替えられてから第３の設定時間が経過したときに、前記蒸発器で熱交換された前記負荷流体の温度が前記第２の設定温度範囲の上限温度以上の設定温度を超えているときは、前記加熱源の燃焼出力をさらに増加方向に切り替える第３の切替手段を備えてなることを特徴とする請求項２に記載の吸収冷温水機。