JP5174084B2 - 冷却機及び冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷却機及びこの冷却機に流れる冷媒流量を、冷却機内の膨張弁と膨張弁制御手段で制御する冷凍サイクル装置に関するものである。

従来の冷蔵・冷凍用途、例えば別置きショーケースや別置きクーラーなどの冷凍サイクル装置は、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器を配管で順に接続して回路を形成するが、圧縮機と凝縮器からなる熱源機と、膨張弁と蒸発器からなる冷却機に区別される。熱源機と冷却機は、凝縮器出口と膨張弁入口の間と、蒸発器出口と圧縮機入口の間とを、それぞれ延長配管で接続する。ここで熱源機と冷却機は同一メーカーの場合よりも、異なるメーカーであることが一般的である。このため、熱源機と冷却機間での冷媒情報などの相互通信は期待できず、情報伝達は冷却機発停時の低圧変化のみである。

また、熱源機と冷却機の機種選定は、設計事務所や設備業者といった熱源機メーカー、冷却機メーカーとは異なる第三者が実施する。さらに冷却機の膨張弁仕様は冷却機メーカーではなく、前述の第三者が決定するのが一般的である。

このような状況で性能や能力改善を実現するには、ハード・ソフト共にシステム全体による改善が困難であり、構成要素ごとの改善が現実的である。熱源機は圧縮機、インジェクション回路、エコノマイザ回路など、構成要素や冷媒回路で改善対象が多く含まれるが、対する冷却機は蒸発器の伝熱性能など、改善対象が限定されており、残りの膨張弁での改善はあまりない。さらに市場からのコスト削減要求が強く、性能改善に多くのコストをかける状況ではない。また従来の手法で蒸発器過熱度（以下、ＳＨという）が設定されることも想定し、設定ＳＨを今まで通り大きく設定することにも対応させる必要がある。

膨張弁は冷却機を通過する冷媒流量を規定するもので、流路抵抗が可変である温度式膨張弁や電子膨張弁がよく使用される。膨張弁の開度調整は、ＳＨを制御対象とし、ＳＨは（蒸発器出口温度）−（蒸発温度）で求めるものである。蒸発器出口温度は蒸発器出口に設けた温度センサ、蒸発温度は蒸発器内の二相冷媒が存在する箇所に設けた温度センサ、あるいは蒸発圧力を検知する圧力センサから飽和温度を演算して求める。

冷蔵・冷凍用途では、圧縮機入口の液バック状態を回避して信頼性を優先させるため、冷凍サイクル装置の運転状態を設定する前述の第三者が目標ＳＨを大きく設定して制御安定性のマージンを大きく確保することが多い。ＳＨを過大に設定するため、蒸発器内で過熱ガス領域が大きく、ただでさえ改善対象の少ない冷却機にあって、蒸発器性能が低下する。

このような問題を解決するために、蒸発器出口温度を検知する温度式膨張弁の感温筒と、検知対象である蒸発器出口配管との間に、感度調整用の部材を設けて設置することで、コストをかけずに制御安定性を向上させ、目標ＳＨを低減可能で性能改善を計る方式が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０−２３１９５０号公報（第３―４頁、図１）

特許文献１に記載の技術では、温度センサである感温筒に簡単な熱抵抗体を設けることで、温度式膨張弁の制御安定性を向上させている。しかし、感温筒と配管を接触させて温度検知をしており、制御安定性の要である感度をさらに接触部位を増やして対応するため制御安定性を本来の目標ほど得ることができず、その結果目標ＳＨは過大なままとなっている。
電子式膨張弁は構造上で目標ＳＨに制約がないが、目標ＳＨは正の値であることが必要であり、電子式膨張弁であっても同様のことが言える。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、その目的は目標ＳＨを低下させて蒸発器性能を改善し、なおかつ信頼性の確保とコストの増大を抑制することができる冷却機及び冷凍サイクル装置を提供するものである。

本発明に係る冷却機は、圧縮機及び凝縮器と冷媒配管で接続されて冷凍サイクル装置を構成する冷却機において、冷却機は、膨張弁と蒸発器とからなり、蒸発器は、この蒸発器の入口を複数のパスに分岐する分配器、キャピラリーチューブ、蒸発器の複数の蒸発器パス出口を集約するヘッダー、蒸発器出口温度センサ、及び蒸発温度相当検出手段を有し、複数のパスのうちの１つのキャピラリーチューブを他のパスのキャピラリーチューブより流路抵抗を大きく形成し、蒸発器出口温度センサは、複数の蒸発器パス出口のうち、最も流路抵抗が大きく形成されたキャピラリーチューブに対応する蒸発器パス出口に設けられ、蒸発器出口温度センサが検知する蒸発器パス出口の温度と、蒸発温度相当検出手段が検知する蒸発温度とから求められる蒸発器過熱度が所定の目標値になるように膨張弁の開度を制御する制御手段を備えたものである。
また、本発明に係る冷凍サイクル装置は、圧縮機及び凝縮器と、上記のいずれかの冷却機とを冷媒配管で接続して冷凍サイクルを構成したものである。

本発明によれば、制御安定性を確保するために膨張弁の蒸発器過熱度の目標値を大きく設定しても、蒸発器全体としての蒸発器過熱度を低減させることができ、性能を改善することができる。

本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。 本発明の実施の形態２における冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。 本発明の実施の形態３における冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。

実施の形態１．
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図である。
１は冷凍サイクル装置で、２は熱源機、１０は冷却機、７は液延長配管、８はガス延長配管であり、図に示すように接続されている。熱源機２において、３は圧縮機、４は凝縮器、５は液溜、６はアキュームレータである。冷却機１０において、１１は開閉弁、１２は制御手段を備えた温度式膨張弁、１３は蒸発器を構成する熱交換器である。温度式膨張弁１２において、１２ａは温度検知機能を備えた感温筒、１２ｂは均圧管、１２ｃはダイアフラムである。また、蒸発器１３において、１４は分配器、１５ａ〜１５ｄは複数のパス、１７はヘッダーで、各パス１５ａ〜１５ｄにおいて、１６ａ〜１６ｄはバランスキャピラリー、１８ａ〜１８ｄは各パス１５ａ〜１５ｄの蒸発器パス出口である。１８はヘッダー１７で集約された後の蒸発器の出口、１９は冷却機１０の出口で、これらは図に示すように接続されている。
なお、熱源機２と冷却機１０は離れた場所に設置されており、凝縮器４と蒸発器１３はそれぞれ雰囲気温度が異なる。

次に、上記のように構成した冷凍サイクル装置の動作について説明する。熱源機２内の圧縮機３で冷媒は圧縮され高温高圧の過熱ガスとなり、凝縮器４により図示されない凝縮器ファンによって外気が搬送されて熱交換され、冷媒は高圧低温の飽和液、また飽和液に近い状態となる。ついで、液溜５、液延長配管７を通過して冷却機１０内に至る。このとき開閉弁１１は開であり、温度式膨張弁１２を通過した冷媒は減圧され、低乾き度の二相状態となる。そして、蒸発器１３において、図示されない蒸発器ファンにより庫内空気が搬送されて冷媒と熱交換され、庫内空気が冷却されて、冷媒は低圧の過熱ガス、または高乾き度の二相状態となる。その後、出口１９からガス延長配管８、アキュームレータ６を経て圧縮機３へ至る。

蒸発器１３内の経路は、入口部において分配器１４で複数に分岐され、蒸発器１３の各パス１５ａ〜１５ｄを通過し、蒸発器１３の各パスの蒸発器パス出口１８ａ〜１８ｄからヘッダー１７に集約され、蒸発器出口１８へ至る。このように複数に分岐させたのは、蒸発器１３の圧損を低減させるためである。なお、蒸発器１３の各パス１５ａ〜１５ｄの入口にあるバランスキャピラリー１６ａ〜１６ｄは、各パス１５ａ〜１５ｄの冷媒流量を調整するために流量抵抗が異なる場合もあるし、単純に接続させる機能しか持たない場合もある。

冷却機１０はエンドユーザーが冷却を目的として使用する。冷却機１０の吸込み温度が被冷却物を収納する冷蔵庫の庫内温度であるとみなし、庫内温度がエンドユーザーが望む所定の目標値となるように冷凍サイクル装置を運転する。庫内温度がある切値より小さければ開閉弁１１を閉とし、庫内温度がある入値より大きければ開閉弁１１を開とする。庫内温度は冷却機１０の吹出し温度、または冷却機１０の吸込み温度と吹出し温度の平均値であってもよい。

開閉弁１１から圧縮機３までの経路の圧力が低下し、図示しない制御部に設定された設定値以下となると図示しない圧力スイッチが作動して圧縮機３が停止する。圧力低下分の冷媒は液溜５に収納される。その後庫内温度が上昇すると開閉弁１１が開となり、開閉弁１１から圧縮機３までの経路の圧力が上昇し、目標値以上となると図示しない圧力スイッチが作動して圧縮機３が運転を開始する。アキュームレータ６はこのような発停時や運転状態が過渡的に変化する場合に、液冷媒が圧縮機３に入らないようにして信頼性を向上させる、過渡的なバッファーの役割がある。

次に、温度式膨張弁１２の動作について説明する。感温筒１２ａは蒸発器１３の１つのパス１５ａの蒸発器パス出口１８ａに設置され、冷媒温度を検知する（以下の説明では、感温筒１２ａを蒸発器出口温度センサと記すことがある）。均圧管１２ｂは各蒸発器パス出口１８ａ〜１８ｄが集約されたヘッダー１７ａの後の蒸発器出口１８に接続される。感温筒１２ａとダイアフラム１２ｃとは配管で接続されており、冷凍サイクルとは異なる冷媒が封入されている。そして、（感温筒１２ａの検知温度により決定されるダイアフラム１２ｃ内の圧力）と、（蒸発温度に関連する均圧管１２ｂ内の圧力）＋（温度式膨張弁１２内の図示しないばねによる力）÷（ダイアフラムの受圧面積）の大小によって、温度式膨張弁１２の開度が決定される。前述のばねによる力は、第三者が調整するものであり、目標ＳＨに相当する（以下の説明では、均圧管１２ｂを蒸発温度相当検出手段と記すことがある）。感温筒１２ａと均圧管１２ｂにより機械的に演算されるＳＨが目標ＳＨより大きい場合は、温度式膨張弁１２の流路抵抗が低下し、冷媒循環量が増大することで、ＳＨが減少して目標ＳＨに近づく。逆にＳＨが目標ＳＨより小さい場合は、温度式膨張弁１２の流路抵抗が増大し、冷媒循環量が減少することで、ＳＨが増加して目標ＳＨに近づく。このように、膨張弁の制御手段が機械的に温度式膨張弁１２に組み込まれている。

ここで感温筒１２ａが設置されている蒸発器１３のパス１５ａに対応するバランスキャピラリー１６ａは、他のパスのバランスキャピラリー１６ｂ〜１６ｄと比較して流路抵抗が大きくなるように、キャピラリー長が大きい。このため、パス１５ａの冷媒循環量は、他のパス１５ｂ〜１５ｄの冷媒循環量より小さく、その結果蒸発器パス出口１８ａでのＳＨは、他の蒸発器パス出口１８ｂ〜１８ｄでのＳＨより大きい。また蒸発器パス出口１８ａでのＳＨは、集約した箇所の蒸発器出口１８におけるＳＨより大きい。

以上のように、感温筒１２ａが設置された蒸発器１３のパス１５ａにおけるバランスキャピラリー１６ａを他のバランスキャピラリー１６ｂ〜１６ｄよりキャピラリー長さを大きく設定したので、温度式膨張弁１２の制御対象であるＳＨは従来通り大きいままで、蒸発器１３全体のＳＨを小さくすることができる。このため、蒸発器ＳＨを小さくしても制御安定性が確保できるので、冷却機１０の能力拡大、冷凍サイクル装置の性能改善が実現できる。
また、１つのバランスキャピラリー１６ａのキャピラリー長さを増加させるだけなので、コスト低減効果が十分大きいし、温度式膨張弁１２自体は変更がないので、市場流通性がよく、コスト低減効果を得ることができる。
さらに、温度式膨張弁１２の制御対象であるＳＨと、蒸発器１３全体のＳＨとは相関があるので、第三者が容易に設定できる。この場合、温度式膨張弁１２のＳＨと蒸発器１３全体のＳＨの相関をあらかじめ把握しておき、この関係を示した相関表を準備しておけば、冷凍サイクル装置１の調整を行う設備業者は、温度式膨張弁１２のＳＨを調整すれば、望むべき蒸発器１３全体のＳＨを実施することができる。
また感温筒１２ａを全体の蒸発器出口１８に設置しなおすことで、従来の手法が実現できる。

上記の説明では、熱源機２や冷却機１０が１台の場合であるが、熱源機２が複数台並列に接続され、冷却機１０が複数台並列に接続される場合であっても同様の効果を得ることができる。また、バランスキャピラリー１６ａの流路抵抗を変化させるためにキャピラリー長さを変化させたが、キャピラリーの内径を変化させてもよい。また、均圧管１２ｂの接続箇所は、蒸発器パス出口１８ａであってもよい。なお、凝縮器４は空冷を想定しているが、水冷であってもよく、さらには凝縮器４を熱源機２から離れた場所に設置してもよい。

実施の形態２．
図２は本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。なお、実施の形態１と同じ部分には同じ符号を付し、説明を省略する。
２０は高低圧熱交換器であり、高圧部が開閉弁１１と温度式膨張弁１２の間に接続され、低圧部は、感温筒１２ａが設けてある蒸発器のパス１５ａにおける蒸発器パス出口１８ａとヘッダー１７との間に接続される。なお、感温筒１２ａは内部熱交換器２０の低圧部とヘッダー１７の間に設けられる。

次に動作について説明する。実施の形態１と同一の動作については説明を省略する。高低圧熱交換器２０において、高圧の液冷媒と、蒸発器パス出口１８ａを出た低圧冷媒とは熱交換されて高圧液冷媒は冷却され、低圧冷媒は加熱される。このため、感温筒１２aが設置された蒸発器パス出口１８ａの出口ＳＨは小さいが、温度式膨張弁１２が検知するＳＨは大きく、全体の蒸発器ＳＨは小さい。

以上のように、感温筒１２ａが設置された蒸発器のパス１５ａを通過する冷媒を高低圧熱交換器２０で加熱させるので、温度式膨張弁１２の制御対象であるＳＨは従来通り大きいままで、蒸発器全体のＳＨを小さくすることができる。このため、蒸発器ＳＨを小さくしても制御安定性が確保できるので、冷却機１０の能力拡大、冷凍サイクル装置の性能改善が実現でき、すべてのパス１５ａ〜１５ｄのＳＨが小さいので、さらに効果が大きい。
また、高低圧熱交換器２０の大きさは、圧力損失と熱伝達の観点から高圧液部よりも低圧ガス部が支配的である。よって１つのパスの冷媒循環量に対応する高低圧熱交換器２０があればよく、コスト増大を抑制できる。

実施の形態３．
図３は本発明の実施の形態３に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。なお、他の実施の形態と同じ部分には同じ番号を付し、説明は省略する。
３１は電子式膨張弁で、２１は温度センサ、２２は圧力センサであり、冷却機１０の出口１９かそれより上流側に設けてある。３０は電子式膨張弁３１が備えた膨張弁演算装置であり、電気的に温度センサ２１、圧力センサ２２、電子式膨張弁３１と接続されている。そして、高低圧熱交換器２０の高圧部が開閉弁１１と電子式膨張弁３１の間に接続され、低圧部は全体の蒸発器出口１８と温度センサ２１の位置との間に接続される。

次に動作について説明する。なお、他の実施の形態と同一の動作については説明を省略する。膨張弁演算装置３０では、ＳＨ＝（温度センサ２１の検知値）−（圧力センサ２２の検知値を演算処理して求めた飽和温度）よりＳＨを演算する。そしてＳＨ＞目標ＳＨであれば電子式膨張弁３１の流路抵抗を減少させ、冷媒循環量を増大することで目標ＳＨに近づけ、逆に目標ＳＨ＞ＳＨであれば電子式膨張弁３１の流路抵抗を増加させ、冷媒循環量を減少させることで目標ＳＨに近づける。
高低圧熱交換器２０において、高圧の液冷媒と、蒸発器出口１８を出た低圧冷媒は熱交換され、高圧液冷媒は冷却され、低圧冷媒は加熱される。このため、蒸発器出口１８でのＳＨは小さいが、温度センサ２１で検値するＳＨは大きい。

なお、電子式膨張弁３１の制御対象であるＳＨと蒸発器出口１８におけるＳＨとは相関がある。この相関を予め把握して膨張弁演算装置３０に記憶させておけば、冷凍サイクル装置１の調整を行う設備業者は、蒸発器出口１８におけるＳＨの目標値を設定するだけで、膨張弁演算装置３０が制御対象であるＳＨを制御することで、蒸発器出口１８におけるＳＨを実現することができる。

本実施の形態は上記のように構成されているので、電子式膨張弁３１の制御対象であるＳＨは従来通り大きいままで、蒸発器全体のＳＨを小さくすることができる。また、内部熱交換器２０の高圧部で液冷媒が冷却されることで、蒸発器１３の入口乾き度が低下するため、蒸発器１３の各パス１５ａ〜１５ｄの分配が向上する。また、高低圧熱交換器２０の低圧部で低圧冷媒が加熱され、さらに、蒸発器１３の出口乾き度を若干湿り気味にすることで蒸発器１３の性能を改善できるし、出口乾き部で冷凍機油が滞留することがないので、圧縮機３の信頼性が向上する。

１ 冷凍サイクル装置、２ 熱源機、３ 圧縮機、４ 凝縮器、５ 液溜、６ アキュームレータ、７ 液延長配管、８ ガス延長配管、１０ 冷却機、１１ 開閉弁、１２ 温度式膨張弁、１２ａ 感温筒（蒸発器出口温度センサ）、１２ｂ 均圧管（蒸発温度相当検出手段）、１２ｃ ダイアフラム、１３ 蒸発器、１４ 分配器、１５ａ〜１５ｄ 蒸発器の各パス、１６ａ〜１６ｄ バランスキャピラリー、１７ ヘッダー、１８ 蒸発器の出口、１８ａ〜１８ｄ 蒸発器の各パスの出口、１９ 冷却機の出口、２０ 高低圧熱交換器、２１ 温度センサ、２２ 圧力センサ、３０ 膨張弁演算装置、３１ 電子式膨張弁。

Claims (9)

1. 圧縮機及び凝縮器と冷媒配管で接続されて冷凍サイクル装置を構成する冷却機において、
   該冷却機は、膨張弁と蒸発器とからなり、
   前記蒸発器は、該蒸発器の入口を複数のパスに分岐する分配器、キャピラリーチューブ、前記蒸発器の複数の蒸発器パス出口を集約するヘッダー、蒸発器出口温度センサ、及び蒸発温度相当検出手段を有し、
   前記複数のパスのうちの１つのキャピラリーチューブを他のパスのキャピラリーチューブより流路抵抗を大きく形成し、
   前記蒸発器出口温度センサは、前記複数の蒸発器パス出口のうち、最も流路抵抗が大きく形成されたキャピラリーチューブに対応する蒸発器パス出口に設けられ、
   前記蒸発器出口温度センサが検知する蒸発器パス出口の温度と、前記蒸発温度相当検出手段が検知する蒸発温度とから求められる蒸発器過熱度が所定の目標値になるように前記膨張弁の開度を制御する制御手段を備えた
   ことを特徴とする冷却機。
2. 圧縮機及び凝縮器と冷媒配管で接続されて冷凍サイクル装置を構成する冷却機において、
   該冷却機は、膨張弁と蒸発器とからなり、
   前記蒸発器は、該蒸発器の入口を複数のパスに分岐する分配器、キャピラリーチューブ、前記蒸発器の複数の蒸発器パス出口を集約するヘッダー、蒸発器出口温度センサ、及び蒸発温度相当検出手段を有し、
   前記冷却機内に高低圧熱交換器を設け、該高低圧熱交換器の高圧部が前記凝縮器と膨張弁との間に接続され、前記高低圧熱交換器の低圧部が前記蒸発器とヘッダーとの間の１つのパスに接続され、前記高低圧熱交換器の低圧部とヘッダーとの間に前記蒸発器出口温度センサを設置し、
   前記蒸発器出口温度センサが検知する蒸発器出口温度と、蒸発温度相当検出手段が検知する蒸発温度とから求められる蒸発器過熱度が所定の目標値になるように前記膨張弁の開度を制御することを特徴とする冷却機。
3. 前記所定の目標値が、前記ヘッダーの出口温度より定まる過熱度が正になるように設定されることを特徴とする請求項１または２記載の冷却機。
4. 前記蒸発器出口温度センサは前記蒸発器の出口部に設置位置を変更することができるように構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の冷却機。
5. 前記膨張弁は、温度式膨張弁であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の冷却機。
6. 前記所定の目標値と、前記ヘッダーの出口温度から定まる前記蒸発器の過熱度または前記ヘッダーの出口の冷媒状態との相関を予め把握した相関表を作成し、該相関表に基づいて所定目標値を定めることを特徴とする請求項５に記載の冷却機。
7. 前記膨張弁は、電気的に開度を変更できる電子式膨張弁であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の冷却機。
8. 前記所定の目標値と、
   前記ヘッダーの出口温度から定まる前記蒸発器の過熱度または前記ヘッダーの出口の冷媒状態との相関を予め把握して膨張弁演算装置に記憶させ、該膨張弁演算装置により所定目標値を定めることを特徴とする、請求項７に記載の冷却機。
9. 圧縮機及び凝縮器と、請求項１〜８のいずれかに記載の冷却機とを冷媒配管で接続して冷凍サイクルを構成したことを特徴とする冷凍サイクル装置。

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