JP5058324B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents
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Description
《機器構成》
本発明の実施の形態1における冷凍サイクル装置の構成を図1に基づいて説明する。
図1は、本発明の実施の形態1に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路とシステム系統図である。
圧縮機1は運転容量を可変することが可能な圧縮機であり、例えば、インバータにより制御されるモータによって駆動される容積式圧縮機から構成されている。図1においては、圧縮機1は1台のみとなっているが、これに限定されず、2台以上の圧縮機が並列又は直列に接続されたものであってもよい。
凝縮器2は、冷媒と被熱交換媒体が熱交換する(より詳しくは、被熱交換媒体によって冷媒を冷却する)熱交換器である。凝縮器2は、例えば、間隔をおいて並設された複数の薄板の周縁部をシールし、各薄板間に形成された空間を交互に冷媒流路及び被熱交換媒体流路としたプレート式熱交換器を用いる。この場合の被熱交換媒体は、例えば水のような流体であり、ポンプ等の送出手段(図示せず)によって凝縮器2へ供給される。
減圧手段3は、第1回路A内を流れる冷媒の流量の調節等を行うものである。減圧手段3としては、ステッピングモータ(図示せず)により絞りの開度を調整することが可能な電子膨張弁、受圧部にダイアフラムを採用した機械式膨張弁、又はキャピラリーチューブ等を用いることができる。図1においては、減圧手段3は1個のみの構成となっているが、これに限定されず2個以上の減圧手段が並列又は直列に接続されたものであってもよい。
蒸発器4は、冷媒と被冷却流体が熱交換する熱交換器であり、例えば、プレート式熱交換器である。
図1においては、蒸発器4は1個のみの構成となっているが、これに限定されず2個以上の蒸発器が並列又は直列に接続されたものであってもよい。
被冷却流体は、例えば水のような流体であり、単なる水であってもよいし、凝固点を降下させる添加物を混ぜたブライン等であってもよい。また、本実施の形態1では被冷却流体を前記のような流体としているため、被冷却流体送出手段5はポンプ等の流体送出手段としている。しかしながら、被冷却流体送出手段5は、これに限定されず、同様な役割をなすものであれば他形式の送出手段であってもよい。
冷凍サイクル装置100に用いられる冷媒(つまり第1回路Aを循環する冷媒)は、例えば、R410A、R407C、R404A等のHFC冷媒、R22、R134a等のHCFC冷媒、又は炭化水素、ヘリウムのような自然冷媒等を用いることができる。なお、冷凍サイクル装置100に用いられる冷媒は、これに限定されず、同様の冷媒作用をするものであれば上記以外のものであってもよい。
図1に示すように、冷凍サイクル装置100には、圧縮機1の吸入冷媒温度を検出する吸入冷媒温度検出手段21、蒸発器4に流入する被冷却流体の温度を検出する被冷却流体流入温度検出手段22、及び、蒸発器4から流出する被冷却流体の温度を検出する被冷却流体流出温度検出手段23が設けられている。吸入冷媒温度検出手段21は、圧縮機1の吸入側に設けられている。また、冷凍サイクル装置100には、圧縮機1の吸入側に低圧圧力検出手段11が設けられている。また、冷凍サイクル装置100には、圧縮機1の運転周波数を検出する周波数検出手段40が設けられている。
図2は、本発明の実施の形態1に係る冷凍サイクル装置の別の一例における冷媒回路とシステム系統図である。図2に示す冷凍サイクル装置100は、蒸発器4へ流入する冷媒の温度を検出する低圧冷媒温度検出手段24を蒸発器4の入口側に設け、その検出値を冷凍サイクルの蒸発温度として用いている。低圧圧力検出手段11の検出値を用いて蒸発温度を求める場合、蒸発器4の出口から圧縮機1の吸入側に至るまでの接続配管で生じる圧力損失によって、算出された蒸発温度と実際の蒸発温度との間に誤差が生じてしまう。しかしながら、図2に示すように低圧冷媒温度検出手段24を蒸発器4の入口側に設けることにより、低圧圧力検出手段11を用いて蒸発温度を算出する際に生じる誤差を排除することができるので、高精度に蒸発温度を求めることができる。
低圧圧力検出手段11、吸入冷媒温度検出手段21、被冷却流体流入温度検出手段22、被冷却流体流出温度検出手段23及び周波数検出手段40より検出された各検出値は、それぞれ測定部31へ入力される。測定部31に入力されたこれら検出値は、演算部32に入力される。そして、演算部32では予め与えられた式等を用いて、それぞれの検出値を演算し、演算結果が記憶部33へ入力され記憶される。記憶部33は、演算部32より得られた結果、予め与えられた定数、冷媒物性値(飽和圧力、飽和温度、エンタルピ等)を計算する近似式やテーブル、演算に用いる式、冷凍サイクル装置100を構成する各機器の仕様や標準運転データ等を記憶でき、必要に応じてこれらの記憶内容を参照、書き換えることが可能である。
なお、上記の構成例では上記の測定部31、演算部32、記憶部33、判定部34及び制御部35を冷凍サイクル装置に内蔵する構成としたが、冷凍サイクル装置の外部に別置きする形態等としてもよい。
続いて、実施の形態1に係る冷凍サイクル装置100の運転動作について図1に基づき説明する。圧縮機1から吐出した高温高圧のガス冷媒は、凝縮器2へ至り、被熱交換媒体と熱交換作用により凝縮液化する。凝縮液化した冷媒は、減圧手段3にて減圧された二相冷媒となり蒸発器4に送られる。蒸発器4に流入した二相冷媒は、被冷却流体送出手段5により供給される被冷却流体との熱交換作用により蒸発し、低圧のガス冷媒となる。ここで、減圧手段3は、圧縮機1の吸入側における冷媒の圧縮機吸入過熱度が所定値となるように、蒸発器4を流れる冷媒の流量を制御している。このため、蒸発器4出口のガス冷媒は所定の過熱度を有する状態となる。そして、蒸発器4にてガス化されたガス冷媒は再び圧縮機1へ戻る。なお、圧縮機吸入過熱度は、吸入冷媒温度検出手段21の値から蒸発温度を引くことにより求められる。また、蒸発温度は、低圧圧力検出手段11の圧力を飽和温度換算することにより求められる。
次に、本実施の形態1における被冷却流体の流量異常判定方法について説明する。
図6は、本発明の実施の形態1における被冷却流体の流量異常判定の流れを示すフローチャートである。以下、この図6及び図1を用いて、本実施の形態1における被冷却流体の流量異常判定方法について説明する。
冷媒循環量Gr は、例えば、圧縮機1の押しのけ量Vst[m3 ]、圧縮機1の運転周波数F[Hz]、圧縮機1が吸入する冷媒の密度ρs [kg/m3 ]、及び体積効率ηv [−]を用い、次式(1)から演算することが可能である。なお、圧縮機1が吸入する冷媒の密度ρs は、低圧圧力検出手段11と吸入冷媒温度検出手段21の検出値から演算可能である。また、圧縮機1の押しのけ量Vstは、圧縮機1の仕様により決定される値であり、記憶部33に保存されている。体積効率ηv は、0.9〜1.0程度の値をとる。体積効率ηv は、例えば、記憶部33に予め保存しておき、定数として与える等の方法により使用する。
つまり、記憶部33及び判定部34が本発明の流量異常判定手段に相当する。
また、ST10にて異常出力となって判定が終了した場合、その異常判定に基づいて、制御部35は、保護制御動作として、圧縮機1の即時運転停止、増速禁止、又は数秒経過ごとに圧縮機周波数を数Hzずつ減速等のような運転制御を実施してもよい。また、冷凍サイクル装置100の制御上において、これらの保護制御動作は単一設定(上記の運転制御の1つを行う設定)でもよいし、複数の併用設定(上記の運転制御のうちの複数を行う設定)であってもよい。保護制御動作を併用設定とする場合、例えば、被冷却流体の流量Gw に応じて各運転制御の閾値を設定し、流量低下の度合いに応じて段階的に各運転制御を行ってもよい。このように連動して保護制御動作となる各運転制御を実施することで、被冷却流体の流量異常による圧縮機1の故障等をより確実に防止することができる。
実施の形態1で算出した被冷却流体の流量Gw の補正値を以下のように設定することにより、蒸発器4(換言すると、第2回路B)を流れる被冷却流体の絶対量をより高精度に算出することが可能となる。以下、本実施の形態2に係る冷凍サイクル装置100について説明する。なお、本実施の形態2に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路及びシステム構成等は実施の形態1で示した冷凍サイクル装置と同一であるため、本実施の形態2において実施の形態1と同一の箇所については説明を割愛する。
図7は、本発明の実施の形態2における被冷却流体の流量Gw の補正方法の流れを示すフローチャートである。以下、この図7及び図1に基づいて、被冷却流体の流量Gw の補正方法を説明する。
なお、ST23〜ST29は、実施の形態1の図6で説明したST1〜ST7と同じになるため、説明を割愛する。
冷凍サイクル装置100を使用していると、経年劣化等によって蒸発器4や被冷却流体送出手段5に異常をきたす場合がある。このため、実施の形態1又は実施の形態2で示した冷凍サイクル装置100に、以下のような流路異常判定手段を設けてもよい。なお、本実施の形態3において、特に記述しない項目については実施の形態1又は実施の形態2と同様とし、同一の機能や構成については同一の符号を用いて述べることとする。
図8は、本発明の実施の形態3における被冷却流体系統(第2回路B)の流路異常判定方法を説明するための概念図である。この図8の横軸は、蒸発器4内の位置を示している。また、この図8の縦軸は、蒸発器4を流れる冷媒及び被冷却流体の温度を示している。なお、破線矢印が正常状態における冷媒の温度を表し、実線矢印が異常状態における冷媒の温度を表している。ここで、正常状態とは蒸発器4や被冷却流体送出手段5に異常がなく、第2回路Bに所望の流量を出力している状態である。また、異常状態とは、蒸発器4の汚れや破損、又は被冷却流体送出手段5の故障により、蒸発器4の熱交換器としての機能が低下している状態である。以下、図8を用いて本実施の形態3に係る流路異常判定手段について説明する。
Claims (22)
- 冷媒を圧縮する圧縮機、該圧縮機により圧縮された前記冷媒を凝縮する凝縮器、該凝縮器によって凝縮された前記冷媒を減圧する減圧手段、及び該減圧手段によって減圧された前記冷媒を蒸発させる蒸発器が配管接続されて構成された第1回路と、
前記蒸発器、及び前記蒸発器を流れる前記冷媒と熱交換を行う被冷却流体を前記蒸発器に送出する被冷却流体送出手段が配管接続されて構成された第2回路と、
を備えた冷凍サイクル装置であって、
前記圧縮機が吸入する前記冷媒の圧力を検出する低圧圧力検出手段と、
前記圧縮機が吸入する前記冷媒の温度を検出する吸入冷媒温度検出手段と、
前記圧縮機の運転周波数を検出する周波数検出手段と、
前記蒸発器に流入する前記被冷却流体の温度である被冷却流体流入温度を検出する被冷却流体流入温度検出手段と、
前記蒸発器から流出する前記被冷却流体の温度である被冷却流体流出温度を検出する被冷却流体流出温度検出手段と、を備え、
前記低圧圧力検出手段、前記吸入冷媒温度検出手段、前記周波数検出手段、前記被冷却流体流入温度検出手段及び前記被冷却流体流出温度検出手段の検出値を用いて、前記蒸発器に流れる前記被冷却流体の流量の絶対量を算出する流量算出手段と、
を備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。 - 冷媒を圧縮する圧縮機、該圧縮機により圧縮された前記冷媒を凝縮する凝縮器、該凝縮器によって凝縮された前記冷媒を減圧する減圧手段、及び該減圧手段によって減圧された前記冷媒を蒸発させる蒸発器が配管接続されて構成された第1回路と、
前記蒸発器、及び前記蒸発器を流れる前記冷媒と熱交換を行う被冷却流体を前記蒸発器に送出する被冷却流体送出手段が配管接続されて構成された第2回路と、
を備えた冷凍サイクル装置であって、
前記圧縮機が吸入する前記冷媒の圧力を検出する低圧圧力検出手段と、
前記圧縮機が吸入する前記冷媒の温度を検出する吸入冷媒温度検出手段と、
前記圧縮機の運転周波数を検出する周波数検出手段と、
前記蒸発器を流れる低圧冷媒温度を検出する低圧冷媒温度検出手段と、
前記蒸発器に流入する前記被冷却流体の温度である被冷却流体流入温度を検出する被冷却流体流入温度検出手段と、
前記蒸発器から流出する前記被冷却流体の温度である被冷却流体流出温度を検出する被冷却流体流出温度検出手段と、を備え、
前記低圧圧力検出手段、前記吸入冷媒温度検出手段、前記周波数検出手段、前記低圧冷媒温度検出手段、前記被冷却流体流入温度検出手段及び前記被冷却流体流出温度検出手段の検出値を用いて、前記蒸発器に流れる前記被冷却流体の流量の絶対量を算出する流量算出手段と、
を備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。 - 前記流量算出手段は、
前記冷媒の冷媒側熱伝達率及び前記被冷却流体の被冷却流体側熱伝達率を算出し、
これら前記冷媒側熱伝達率及び前記被冷却流体側熱伝達率を用いて、前記蒸発器の熱通過率を算出し、
当該熱通過率、前記低圧圧力検出手段が検出した前記冷媒の圧力を飽和温度換算した前記冷媒の蒸発温度、前記被冷却流体流入温度検出手段が検出する前記被冷却流体流入温度、及び前記被冷却流体流出温度検出手段が検出する前記被冷却流体流出温度を用いて、前記蒸発器に流れる前記被冷却流体の流量の絶対量を算出することを特徴とする請求項1に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記流量算出手段は、
前記冷媒の冷媒側熱伝達率及び前記被冷却流体の被冷却流体側熱伝達率を算出し、
これら前記冷媒側熱伝達率及び前記被冷却流体側熱伝達率を用いて、前記蒸発器の熱通過率を算出し、
当該熱通過率、前記低圧冷媒温度検出手段が検出する前記蒸発温度、前記被冷却流体流入温度検出手段が検出する前記被冷却流体流入温度、及び前記被冷却流体流出温度検出手段が検出する前記被冷却流体流出温度を用いて、前記蒸発器に流れる前記被冷却流体の流量の絶対量を算出することを特徴とする請求項2に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記流量算出手段は、
前記蒸発器を流れる前記冷媒の冷媒循環量をパラメータとする関数式により、前記冷媒側熱伝達率を算出し、
前記蒸発器を流れる前記被冷却流体の流量の仮定値をパラメータとする関数式により、前記被冷却流体側熱伝達率を算出し、
該冷媒側熱伝達率と該被冷却流体側熱伝達率を用いて、前記蒸発器の熱通過率を算出することを特徴とする請求項3又は請求項4に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記凝縮器を流れる前記冷媒の圧力を検出する高圧圧力検出手段、及び前記凝縮器を流れる高圧冷媒温度を検出する高圧冷媒温度検出手段のうちの少なくとも1つを備え、
前記流量算出手段は、
前記蒸発器の出入口における前記冷媒のエンタルピ差を前記蒸発器の標準運転データとして予め記憶しており、
前記被冷却流体流入温度、前記被冷却流体流出温度、前記冷媒循環量、及び該エンタルピ差を用いて、前記被冷却流体の前記流量の仮定値を算出することを特徴とする請求項5に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記凝縮器を流れる前記冷媒の圧力を検出する高圧圧力検出手段、及び前記凝縮器を流れる高圧冷媒温度を検出する高圧冷媒温度検出手段のうちの少なくとも1つを備え、
前記流量算出手段は、
前記蒸発器の冷却能力を前記蒸発器の運転データとして予め記憶しており、
前記被冷却流体流入温度、前記被冷却流体流出温度、及び前記蒸発器の冷却能力を用いて、前記被冷却流体の前記流量の仮定値を算出することを特徴とする請求項5に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記流量算出手段は、
前記熱通過率の初期値を予め記憶しており、
当該熱通過率の初期値、前記蒸発温度、前記被冷却流体流入温度及び前記被冷却流体流出温度を用いて、前記被冷却流体の前記流量の仮定値を算出することを特徴とする請求項5に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記流量算出手段は、
算出された前記被冷却流体の流量の絶対量と前記流量の仮定値とを比較し、
当該比較値が所定の値よりも大きい場合、前記被冷却流体の流量の絶対量を前記流量の仮定値に置き換えて、前記被冷却流体の流量の絶対量を再度算出することを特徴とする請求項5〜請求項8のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。 - 所定の運転条件において前記流量算出手段で算出された前記被冷却流体の流量の絶対量と、予め記憶された前記所定の運転条件における前記被冷却流体の標準流量値と、を比較して補正値を求め、
前記流量算出手段は、
前記流量算出手段で算出された前記被冷却流体の流量の絶対量を当該補正値により補正することを特徴とする請求項1〜請求項9のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。 - 所定の運転条件で運転した際に前記流量算出手段で算出された前記被冷却流体の流量の絶対量と、当該所定の運転条件で運転した際に前記蒸発器に実際に流れた前記被冷却流体の流量と、を比較して補正値を求め、
前記流量算出手段は、
前記流量算出手段で算出された前記被冷却流体の流量の絶対量を当該補正値により補正することを特徴とする請求項1〜請求項9のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記補正値は、
前記被冷却流体流入温度検出手段、前記被冷却流体流出温度検出手段及び前記低圧圧力検出手段の各検出値のうち、少なくとも1つの検出値を補正する補正値であることを特徴とする請求項1に従属する請求項10又は請求項11に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記補正値は、
前記被冷却流体流入温度検出手段、前記被冷却流体流出温度検出手段及び前記低圧冷媒温度検出手段の各検出値のうち、少なくとも1つの検出値を補正する補正値であることを特徴とする請求項2に従属する請求項10又は請求項11に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記補正値は、
前記被冷却流体流入温度検出手段、前記被冷却流体流出温度検出手段及び前記低圧圧力検出手段の各検出値を用いて演算した演算値を補正する補正値であることを特徴とする請求項1に従属する請求項10又は請求項11に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記補正値は、
前記被冷却流体流入温度検出手段、前記被冷却流体流出温度検出手段及び前記低圧冷媒温度検出手段の各検出値を用いて演算した演算値を補正する補正値であることを特徴とする請求項2に従属する請求項10又は請求項11に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記蒸発器に流れる前記被冷却流体の流量が異常であるか否かを判定する流量異常判定手段を備え、
当該流量異常判定手段は、
前記被冷却流体の流量の絶対量と予め記憶されている判定基準流量値とを比較することにより、前記蒸発器に流れる前記被冷却流体の流量が異常であるか否かを判定することを特徴とする請求項1〜請求項15に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記第2回路が異常であるか否かを判定する流路異常判定手段を備え、
前記流路異常判定手段は、
「前記低圧圧力検出手段が検出した前記冷媒の圧力を飽和温度換算した前記冷媒の蒸発温度」と「前記被冷却流体流入温度と前記被冷却流体流出温度の平均値」との差に基づいて前記第2回路が異常であるか否かを判定することを特徴とする請求項1、請求項3、請求項1に従属する請求項5〜請求項11、請求項12、請求項14、又は請求項1に従属する請求項16のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記第2回路が異常であるか否かを判定する流路異常判定手段を備え、
前記流路異常判定手段は、
「前記低圧冷媒温度検出手段が検出した前記蒸発温度」と「前記被冷却流体流入温度と前記被冷却流体流出温度の平均値」との差に基づいて前記第2回路が異常であるか否かを判定することを特徴とする請求項2、請求項4、請求項2に従属する請求項5〜請求項11、請求項13、請求項15、又は請求項2に従属する請求項16のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記蒸発器に流れる前記被冷却流体の流量が異常であると前記流量異常判定手段が判断した場合に、前記圧縮機、前記減圧手段、前記被冷却流体送出手段のうち、少なくとも1つの動作を制御する制御手段を備えたことを特徴とする請求項16に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記第2回路が異常であると前記流路異常判定手段が判断した場合に、前記圧縮機、前記減圧手段、前記被冷却流体送出手段のうち、少なくとも1つの動作を制御する制御手段を備えたことを特徴とする請求項17又は請求項18に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記流量異常判定手段の判定結果を報知するとともに、前記被冷却流体の流量の絶対量を報知する報知手段を備えたことを特徴とする請求項16又は請求項19に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記流路異常判定手段の判定結果を報知するとともに、前記被冷却流体の流量の絶対量を報知する報知手段を備えたことを特徴とする請求項17、請求項18又は請求項20に記載の冷凍サイクル装置。
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