JP5330915B2 - 2元冷凍サイクル装置及びその制御方法 - Google Patents
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以下、この2元冷凍サイクル装置を図11で説明する。
冷却水は、例えば工場に敷設される工業用水系や冷却塔又は冷凍機で冷却された冷水ライン等から供給される。
冷却負荷が大きいときに電磁弁122を開き、冷却器118に10℃の冷却水を供給したときの冷媒温度等を回路中に示している。図中、括弧内は、冷却負荷が小さいときに電磁弁122を閉鎖したときの系内の温度や圧力状態を示す。
また、冷却負荷が小さいときは、電磁弁122を閉め、冷却器118への通水を遮断することにより、カスケードコンデンサ106での熱交換量を適正量に維持している。これによって、高温側冷媒回路102及び低温側冷媒回路104の冷媒流量を適正量に維持し、両回路での負圧運転を防止すると共に、低温側蒸発器116の冷媒液の滞留を防止するようにしている。
高温側冷媒回路と低温側冷媒回路とがカスケードコンデンサを介して接続されてなり、該低温側冷媒回路で冷却負荷を冷却するようにした2元冷凍サイクル装置の制御方法において、
前記低温側冷媒回路で前記カスケードコンデンサの上流側で生じた高温の低温側冷媒ガスをカスケードコンデンサの下流側に設けられた受液器に供給し、該受液器内の冷媒液と熱交換させて冷却する第1工程と、
該第1工程で冷却された低温側冷媒ガスをカスケードコンデンサに供給し、高温側冷媒と熱交換させて凝縮させる第2工程、とからなり、
該第2工程で高温側冷媒回路の圧縮機吸入側過熱度の目標値及びカスケードコンデンサでの低温側冷媒の凝縮温度と高温側冷媒の蒸発温度との温度差の目標値を設定し、これら目標値に達するように高温側冷媒回路の膨張弁の開度を制御すると共に、該膨張弁の所要操作量のうち操作量が小さいほうの目標値を選択し、選択された目標値になるように許容値以下の操作速度で該膨張弁を操作するものである。
そのため、カスケードコンデンサに供給される低温側冷媒の温度は、カスケードコンデンサでの低温側冷媒の凝縮温度と大きな差がなく、そのため、カスケードコンデンサでの低温側冷媒と高温側冷媒との熱交換は大部分潜熱熱交換となる。従って、カスケードコンデンサでの低温側冷媒の温度変動が抑えられ、ハンチング現象が起きにくくなる。
これによって、容量制御式の回転圧縮機を使用する場合に、該回転圧縮機の回転制御を利用することで、特別な機器を必要とせず低温側冷媒回路を循環する低温側冷媒の固化を防止できる。
高温側冷媒回路と低温側冷媒回路とがカスケードコンデンサを介して接続されてなり、該低温側冷媒回路で冷却負荷を冷却するようにした2元冷凍サイクル装置において、
前記低温側冷媒回路で前記カスケードコンデンサの下流側に設けられた受液器及び該受液器にカスケードコンデンサ上流側の高温の低温側冷媒を供給する冷媒流路と、
該受液器内で該低温側冷媒と受液器内の凝縮冷媒液とを熱交換させる熱交換部及び該熱交換部で冷却された低温側冷媒を該カスケードコンデンサに供給する冷媒流路と、
前記高温側冷媒回路の圧縮機吸入側過熱度の目標値及び該カスケードコンデンサでの低温側冷媒の凝縮温度と高温側冷媒の蒸発温度との温度差の目標値を設定し、これら目標値に達するように高温側冷媒回路の膨張弁の開度を制御すると共に、該膨張弁の所要操作量のうち操作量が小さいほうの目標値を選択し、選択された目標値になるように許容値以下の操作速度で該膨張弁を操作するコントローラと、を備えたものである。
また、NH3SH及びアプローチの目標値を設定し、コントローラでこれら目標値に達するまでの高温側膨張弁の操作量が小さいほうの目標値に合わせるように高温側膨張弁を操作すると共に、許容値以下の操作速度で該膨張弁を操作するようにしているので、ハンチング現象を防止できる。
本発明は、前記ベルトフリーザのように、冷却負荷が変動する2元冷凍サイクル装置に用いられて好適である。
本発明を冷却負荷として前記ベルトフリーザ等に極低温冷風を供給するNH3/CO22元冷凍サイクル装置に適用した第1実施形態を図1〜図8に基づいて説明する。
図1において、この冷凍サイクル装置10は、高温側冷媒回路12と低温側冷媒回路14とがカスケードコンデンサ16で接続されている。カスケードコンデンサ16は、乾式の蒸発器として構成されている。即ち、カスケードコンデンサ16の内部に高温側冷媒回路12と接続された熱交換管17が配設され、胴側にCO2冷媒ガスが充満する。NH3冷媒と管外のCO2冷媒ガスとが熱交換し、CO2冷媒が凝縮すると共に、カスケードコンデンサ16の出口でNH3冷媒が乾きガスとなって高温側圧縮機18に吸引される。
低温側冷媒回路14ではCO2冷媒がかなりの低温であるため、CO2冷媒に混入している潤滑剤の粘性が増大している。この潤滑剤をサクションストレーナ36の上流側冷媒流路に戻すと、潤滑剤がサクションストレーナ36に付着して、低温側冷媒回路14の圧力損失を増大するか、あるいは低温側冷媒回路14を閉塞するおそれがある。そのため、1次油分離器38及び2次油分離器40で分離された潤滑剤は、低温側圧縮機34の低圧域又はサクションストレーナ36と低温側圧縮機34間の冷媒流路に戻される。
低温側圧縮機34から吐出された高温のCO2冷媒ガスは、冷媒流路14bからヘッダ44に供給され、ヘッダ44の散布口44aから高圧受液器42に貯留されたCO2凝縮液にバブリングされる。LはCO2凝縮液の液面を示す。凝縮液面Lより上方に位置して、高圧受液器42内の冷媒ガス圧力P2を検出する圧力センサ50が設けられている。
図3において、MVは電動式膨張弁28の開度を示す。NH3SHは次の算式(1)で求められる。算式(1)中、NH3冷媒の圧縮機吸入温度T1は、温度センサ30で検出される。カスケードコンデンサ16でのNH3の蒸発温度Teは、圧力センサ32で検出されたNH3冷媒の蒸発圧力P1からコントローラ70で換算され、コントローラ70で算式(1)を演算して、NH3SHが求められる。
NH3SH=(NH3冷媒の圧縮機吸入温度T1)−(NH3冷媒の蒸発温度Te)
…………(1)
アプローチ温度=(カスケードコンデンサ16でのCO2凝縮温度Tc)−(NH3冷媒の蒸発温度Te) …………(2)
図3では電動式膨張弁28が動作方向正(開方向)に動作する場合であるが、電動式膨張弁28が操舵方向負(閉方向)に動作する場合であっても同様の制御を行なう。
図5に示すように、MV出力の変動幅が図10と比べて狭まり、それによりアプローチ及びCO2Pcも比較的安定したが、完全にハンチングを抑制することはできなかった。
アプローチが3℃の場合、アプローチが狭まることによりカスケードコンデンサ16の能力が極端に落ち、その動きが短時間で起こるため、NH3冷媒液の供給が過多となり、NH3SHが急激に低下するものと推測される。また、その動きが急なため、温度センサ30の反応速度が追いつかず、電動式膨張弁28の動作も遅れて、ハンチングが続くものと推測される。
なお、フロート弁82に代わりに、微差圧発信器72を設け、該微差圧発信器72で液面レベルを検出するようにしてもよい。
また、本実施形態では、低圧受液器54及び該低圧受液器54とユニットクーラ56間に循環流路58を設け、該循環流路58にCO2冷媒を循環させるようにした液循環式を採用しているが、乾式を採用してもよい。即ち、低圧受液器54や循環流路58を設けず、高圧受液器42から冷媒流路14dを通ってユニットクーラ56にCO2冷媒を直接供給し、ユニットクーラ56の出口でCO2冷媒を乾きガスとして低温側圧縮機34に送るようにしてもよい。
次に、本発明の2元冷凍サイクル装置の第2実施形態を図9に基づいて説明する。本実施形態の2元冷凍サイクル装置90は、NH3冷媒が循環する高温側冷媒回路12及びカスケードコンデンサ16の構成は前記第1実施形態と同一構成を有する。図9において、CO2冷媒が循環する低温側冷媒回路92には圧縮機が設けられておらず、液ポンプ96でCO2冷媒を循環する2次冷媒回路を構成している。低温側冷媒回路14には受液器94とユニットクーラ98とが介設されている。受液器84は第1実施形態の高圧受液器42と同一構成を有し、ユニットクーラ98は第1実施形態のユニットクーラ56と同一構成を有する。ユニットクーラ98に流入するCO2冷媒は流量調整弁99で流量調整される。
ユニットクーラ98で冷却負荷と熱交換後のCO2冷媒ガスは、流路92aを通って受液器94に入り、そこでCO2凝縮液と熱交換する。熱交換後、カスケードコンデンサ16での凝縮温度付近まで冷却されたCO2冷媒ガスは、流路92bを通ってカスケードコンデンサ16に入る。カスケードコンデンサ16で、CO2冷媒はNH3冷媒液と大部分潜熱熱交換を行なう。
12 高温側冷媒回路
14,92 低温側冷媒回路
16 カスケードコンデンサ
17 熱交換管
18 高温側圧縮機
24,42 高圧受液器
28 電動式膨張弁
30 温度センサ
32、50、63 圧力センサ
34 低温側圧縮機
36 サクションストレーナ
38 1次油分離器
40 2次油分離器
46 凝縮液落下管
48 液ポット
52 給液電動弁
54 低圧受液器
56,98 ユニットクーラ
58 循環流路
60,96 液ポンプ
64 ホットガスライン
70 コントローラ
72 微差圧発信器
74 NH3冷媒液タンク
76 循環管路
82 フロート弁
Claims (7)
- 高温側冷媒回路と低温側冷媒回路とがカスケードコンデンサを介して接続されてなり、該低温側冷媒回路で冷却負荷を冷却するようにした2元冷凍サイクル装置の制御方法において、
前記低温側冷媒回路で前記カスケードコンデンサの上流側で生じた高温の低温側冷媒ガスをカスケードコンデンサの下流側に設けられた受液器に供給し、該受液器内の冷媒液と熱交換させて冷却する第1工程と、
該第1工程で冷却された低温側冷媒ガスをカスケードコンデンサに供給し、高温側冷媒と熱交換させて凝縮させる第2工程、とからなり、
該第2工程で高温側冷媒回路の圧縮機吸入側過熱度の目標値及びカスケードコンデンサでの低温側冷媒の凝縮温度と高温側冷媒の蒸発温度との温度差の目標値を設定し、これら目標値に達するように高温側冷媒回路の膨張弁の開度を制御すると共に、該膨張弁の所要操作量のうち操作量が小さいほうの目標値を選択し、選択された目標値になるように許容値以下の操作速度で該膨張弁を操作することを特徴とする2元冷凍サイクル装置の制御方法。 - 前記低温側冷媒回路に設けられた圧縮機が容量制御式の回転圧縮機であり、該回転圧縮機により低温側冷媒の循環量を制御することにより、低温側冷媒を三重点以上の温度に保持し低温側冷媒の固化を防止するようにしたことを特徴とする請求項1に記載の2元冷凍サイクル装置の制御方法。
- 前記低温側冷媒回路において、前記カスケードコンデンサ又は受液器内の低温側冷媒を圧縮機吸入側冷媒流路に供給することにより、低温側冷媒を三重点を超える温度に保持し、低温側冷媒の固化を防止するようにしたことを特徴とする請求項1に記載の2元冷凍サイクル装置の制御方法。
- 前記低温側冷媒回路において、圧縮機の吐出側冷媒流路から分離した潤滑剤を該圧縮機の低圧域又は該圧縮機の吸入側冷媒流路に介設されたサクションストレーナの下流側冷媒流路に戻すようにしたことを特徴とする請求項1に記載の2元冷凍サイクル装置の制御方法。
- 前記高温側冷媒がNH3であって、前記低温側冷媒がCO2であり、前記カスケードコンデンサでのCO2冷媒の飽和温度とNH3冷媒の蒸発温度との温度差の目標値を4〜7℃としたことを特徴とする請求項1に記載の2元冷凍サイクル装置の制御方法。
- 高温側冷媒回路と低温側冷媒回路とがカスケードコンデンサを介して接続されてなり、該低温側冷媒回路で冷却負荷を冷却するようにした2元冷凍サイクル装置において、
前記低温側冷媒回路で前記カスケードコンデンサの下流側に設けられた受液器及び該受液器にカスケードコンデンサ上流側の高温の低温側冷媒を供給する冷媒流路と、
該受液器内で該低温側冷媒と受液器内の凝縮冷媒液とを熱交換させる熱交換部及び該熱交換部で冷却された低温側冷媒を該カスケードコンデンサに供給する冷媒流路と、
前記高温側冷媒回路の圧縮機吸入側過熱度の目標値及び該カスケードコンデンサでの低温側冷媒の凝縮温度と高温側冷媒の蒸発温度との温度差の目標値を設定し、これら目標値に達するように高温側冷媒回路の膨張弁の開度を制御すると共に、該膨張弁の所要操作量のうち操作量が小さいほうの目標値を選択し、選択された目標値になるように許容値以下の操作速度で該膨張弁を操作するコントローラと、を備えたことを特徴とする2元冷凍サイクル装置。 - 前記高温側冷媒回路の圧縮機吸入側冷媒流路に高温側冷媒温度を検出する第1温度センサと高温側冷媒圧力を検出する第1圧力センサを設けると共に、前記カスケードコンデンサ又は受液器に低温側冷媒の気相圧力を検出する第2圧力センサを設け、
前記コントローラで前記第1圧力センサで検出した高温側冷媒圧力から高温側冷媒の蒸発温度を換算し、前記第1温度センサで検出した高温側冷媒温度と該蒸発温度との差から高温側冷媒の過熱度を算出すると共に、前記第2圧力センサで検出した低温側冷媒の気相圧力から低温側冷媒の凝縮温度を換算し、該凝縮温度と高温側冷媒の前記蒸発温度との温度差を求めるようにしたことを特徴とする請求項6に記載の2元冷凍サイクル装置。
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