JP5440424B2 - 冷凍サイクル装置、流体判別方法 - Google Patents
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Description
図1は、実施の形態1に係る冷凍サイクル装置100の構成図である。冷凍サイクル装置100は、内部が低圧の冷媒で満たされた低圧シェル型の圧縮機1と、冷媒の熱を外部空気に放熱する放熱器2と、冷媒の圧力を下げる減圧装置である膨張弁3と、冷媒が外部空気から熱を吸熱する蒸発器4と、アキュームレータ5とが順次配管により接続され、冷媒が循環する冷凍サイクルを形成する。冷媒回路において放熱器2と膨張弁3との間には内部熱交換器6が設けられている。尚、本実施の形態1では冷媒として二酸化炭素を用い、冷凍機油としてPAG系の油(以下、PAG油)を用いるものとする。
圧縮機1から吐出される冷媒は直接吐出配管7を流れて放熱器2に流入する。冷媒は放熱器2で放熱し、内部熱交換器6と膨張弁3を介して蒸発器4を接続する配管8を流れる。放熱器2から配管8に流れる低温高圧冷媒は内部熱交換器6で後述する配管部を流れる流体と熱交換して配管8を流れる冷媒から流体に熱を与えた後、膨張弁3で減圧されて蒸発器4に流入する。蒸発器4に流入した冷媒は周囲から熱を受け取り高温低圧の冷媒となって、蒸発器4とアキュームレータ5を接続する流入配管9に流れる。流入配管9はアキュームレータ5の上部に接続されている。さらにアキュームレータ5の上部には流出配管10が接続されており、流出配管10の第1分岐点11から分岐した吸入配管12が圧縮機1の上部であって、下部に溜まった冷凍機油の液面より上方で圧縮機1に接続している。アキュームレータ5に溜まったガス冷媒は流出配管10と吸入配管12を介して圧縮機1に流入する。流出配管10にはアキュームレータ5から第1分岐点11の間に圧縮機1に戻るガス冷媒の量を調整するための流量調整弁13が設けられている。
尚、図1にはアキュームレータ5内にはPAG油と二酸化炭素冷媒とは相溶性が低いため、冷凍機油14と液冷媒15が2層に分離し、冷凍機油14が液冷媒15の上にある状態を示している。
圧縮機1は、シェル31が圧縮機1の外郭を形成しており、その内部の空間であるシェル内空間32と、そのシェル内空間32の下方には少なくとも冷凍機油あるいは液冷媒からなるシェル内液体33がある。さらにシェル31の内部にはロータとステータからなるモータを有する駆動部34と、駆動部34のロータの回転軸上に設けられたクランクシャフトからなる動力伝達部35と、動力伝達部35の端部に設けられたシリンダで冷媒を圧縮する圧縮部36が設けられている。さらに駆動部34には下方に突出してその端部がシェル内液体33に浸かっている給油ポンプ37が設けられており、給油ポンプ37の下端部に吸入口38を有している。給油ポンプ37は吸入口38からシェル内液体33を吸入して駆動部34や圧縮部36にシェル内液体33を供給する構成となっている。
吸入配管12はシェル31に接続され、シェル内空間32に開口している。吐出配管7はシェル内空間32には開口せず、圧縮部36と直接接続される。シェル接続配管28はシェル31の下部に接続され、シェル接続配管28とシェル31の接続箇所は吸入口38の近傍下方にある。
分離されたガス冷媒を除く冷凍機油は、シェル内空間32の下方へ落下し、シェル内液体33として存在する。駆動部34で発生させた回転エネルギーは給油ポンプ37へも伝達され、吸入口38から冷凍機油を吸い込み、図示しないそれぞれの摺動部へ給油する。給油された冷凍機油は大半がシェル内液体33へ戻り循環するが、一部は圧縮部36の過熱ガス冷媒と共に吐出配管7より吐出される。
尚、“分離”は完全に100%分離されるものではなく、表記上“分離”としているに過ぎない。以降の記載についても同様である。
まず、蒸発器4の出口付近、或いはアキュームレータ5の上端近傍に設けられてアキュームレータ5に溜まる冷媒の飽和ガス温度Tsgを検出する飽和ガス温度検出手段39と、アキュームレータ5の下部に滞留する流体の温度Tbotを検出する流体温度検出手段40がアキュームレータ5の底部に設けられている。
また、流体温度検出手段40は第1回収配管17に設けられてアキュームレータ5から第1開閉弁20の間に第1回収配管17を流れる流体の温度を検出するものとしてもよい。
(1)(アキュームレータ内の冷媒が過熱状態の場合)この場合は冷媒が過熱ガス冷媒となっているのでアキュームレータ5の下部に冷凍機油が溜まり、その上に気体の過熱ガス冷媒が溜まっている。アキュームレータ5内には液冷媒は存在しない。
(2)(アキュームレータ内の冷媒が二相状態の場合)かつ(液冷媒の密度が冷凍機油の密度より小さい場合)この場合は冷凍機油の密度が冷媒の密度より大きくなっている状態であり、アキュームレータ5の下部に冷凍機油が溜まり、その冷凍機油の上に液冷媒が溜まっている。そして、その液冷媒の上に気体のガス冷媒が溜まっている。
(3)(アキュームレータ内の冷媒が二相状態の場合)かつ(液冷媒の密度が冷凍機油の密度より大きい場合)この場合は冷凍機油の密度が冷媒の密度より小さくなっている状態であり、アキュームレータ5の下部に液冷媒が溜まり、その液冷媒の上に冷凍機油が溜まっている。そして、その冷凍機油の上に気体のガス冷媒が溜まっている。
(S2)では、制御部43は、(S1)で出力された冷媒の飽和ガス温度Tsgと流体温度Tbotとの温度差(Tbot−Tsg)が、予め設定された温度(例えば、二酸化炭素冷媒とPAG油の場合は5℃)未満か否かを判定する。制御部43は、温度差(Tbot−Tsg)が5℃未満の場合、アキュームレータ5内の冷媒が二相状態((2)、(3)の場合)であると判断する。一方、制御部43は、温度差(Tbot−Tsg)が5℃以上の場合、アキュームレータ5内の冷媒が過熱状態であると判断する。そして、制御部43は、アキュームレータ5内の冷媒が二相状態であると判断した場合(S1でYes)、(S3)へ処理を進める。一方、アキュームレータ5内の冷媒が上述の(1)の状態、つまり過熱状態であると判断した場合(S1でNo)、(S4)へ処理を進める。
具体的には、制御部43は、流体温度検出手段40が検出した温度Tbotが−15℃未満であるか否かを判定する。ここで、−15℃とは、図2で示すように二酸化炭素液冷媒とPAG油との密度の高低関係が逆転する温度である。制御部43は、温度Tbotが−15℃未満の場合、液冷媒が下となり、冷凍機油が液冷媒の上に浮く状態であると判断する。一方、制御部43は、温度Tbotが−15℃以上の場合、冷凍機油が下となり、液冷媒が冷凍機油の上に浮く状態であると判断する。そして、制御部43は、冷凍機油が下となり、液冷媒が冷凍機油の上に浮く状態であると判断した場合(S3でNo)、(S4)へ処理を進める。一方、制御部43は、液冷媒が下となり、冷凍機油が液冷媒の上に浮く状態であると判断した場合(S3でYes)、(S5)へ処理を進める。
具体的には、制御部43は、第1開閉弁20、第4開閉弁29を開き、第2開閉弁21、第3開閉弁22、第5開閉弁30を閉じる。つまり、制御部43は、第2開閉弁21、第3開閉弁22を閉塞して、第2回収配管18、第3回収配管19を流体が流れないように制御し、同じく第5開閉弁30を閉塞して、シェル接続配管28を流体が流れないように制御する。そして、(S4)から(S18)へ処理を進める。
具体的には、まず(S6)で第2回収配管18から主回収配管26を流れる流体を内部熱交換器6で加熱して、その前後での温度、すなわち加熱前温度検出手段41が加熱前温度Tbeを、加熱後温度検出手段42が加熱後温度Tafをそれぞれ検出して制御部43に出力する。次いで(S7)で制御部43は、加熱後温度検出手段42が計測した加熱後温度Tafと、加熱前温度検出手段41が計測した加熱前温度Tbeとの温度差(Taf−Tbe)が、予め設定された判定温度ΔT1以下であるか否かを判定する。
(液冷媒の熱交換量)=(液冷媒の潜熱変化)×(液冷媒流量)…式1
(油の熱交換量)=(油の顕熱変化)×(油流量)…式2
(油の顕熱変化)=(油の比熱)×(油温度差)…式3
(液冷媒の熱交換量)と(油の熱交換量)が同じであるとすると、油温度差は内部熱交換器6を通過する前後での油の温度の差であり、
(油温度差)={(冷媒の潜熱変化)/(油の比熱)}×{(液冷媒流量)/(油流量)}…式4
となる。ここで、飽和温度−15℃での冷媒と油の物性に関して、冷媒は−15℃で潜熱が270(kJ/kg)となる。そして、潜熱変化を潜熱の1/20とすると、油温度差は、
(油温度差)={(270[kJ/kg]/20)/(2[kJ/kg・K])}×1.5≒10[℃]…式5
となる。潜熱変化が潜熱の1/20の場合、液冷媒時の温度差は0であるので判定温度ΔT1としては0と10℃の間の5℃とすれば良い。尚、(液冷媒流量)/(油流量)=1.5は円管の圧損の式、ブラシウスの式で同一圧損として求めている。
一方、温度差(Taf−Tbe)が、予め設定された判定温度ΔT1より大きい場合、主回収配管26を流れているのは主として冷凍機油であって、冷凍機油の顕熱変化(=冷凍機油の質量流量×比熱×温度上昇幅)が主体となる温度変化であると推定される。顕熱変化であるため、内部熱交換器6で熱交換されることで温度が大きく変化したと考えられるためである。そこで、制御部43は、温度差(Taf−Tbe)が、予め設定された判定温度ΔT1より大きい場合、第2回収配管18のアキュームレータ5との接続位置には、冷凍機油が存在すると判断する。
そして、制御部43は、第2回収配管18のアキュームレータ5との接続位置に冷凍機油が存在すると判断した場合(S7でNo)、処理を(S8)へ進める。一方、制御部43は、第2回収配管18のアキュームレータ5との接続位置に液冷媒が存在すると判断した場合(S7でYes)、処理を(S9)へ進める。
具体的には、制御部43は第2開閉弁21、第5開閉弁30を開き、第1開閉弁20、第3開閉弁22、第4開閉弁29を閉じる。
具体的には、制御部43は、加熱後温度検出手段42が計測した加熱後温度Tafと、加熱前温度検出手段41が計測した加熱前温度Tbeとの温度差(Taf−Tbe)が、予め設定された判定温度ΔT1以下であるか否かを判定する。
ここで、温度差(Taf−Tbe)が、予め設定された判定温度ΔT1以下の場合、冷媒の潜熱変化(=冷媒の質量流量×潜熱)が主体となる温度変化であると推定される。潜熱変化であるため、内部熱交換器6で熱交換されても温度が大きく変化していないと考えられるためである。そこで、制御部43は、温度差(Taf−Tbe)が、予め設定された判定温度ΔT1以下の場合、第3回収配管19のアキュームレータ5との接続位置には、液冷媒が存在すると判断する。
一方、温度差(Taf−Tbe)が、予め設定された判定温度ΔT1より大きい場合、冷凍機油あるいはガス冷媒の顕熱変化(=冷凍機油の質量流量×比熱×温度上昇幅)が主体となる温度変化であると推定される。顕熱変化であるため、内部熱交換器6で熱交換されることで温度が大きく変化したと考えられるためである。そこで、制御部43は、温度差(Taf−Tbe)が、予め設定された判定温度ΔT1より大きい場合、第3回収配管19のアキュームレータ5との接続位置には、冷凍機油あるいはガス冷媒が存在すると判断する。
そして、制御部43は、第3回収配管19のアキュームレータ5との接続位置に冷凍機油あるいはガス冷媒が存在すると判断した場合(S11でNo)、処理を(S12)へ進める。一方、制御部43は、第3回収配管19のアキュームレータ5との接続位置に液冷媒が存在すると判断した場合(S11でYes)、処理を(S13)へ進める。
具体的には、制御部43は、加熱後温度検出手段42が計測した温度Tafと、加熱前温度検出手段41が計測した温度Tbeとの温度差(Taf−Tbe)が、予め設定された判定温度ΔT2以下であるか否かを判定する。ただし、ΔT2>ΔT1とする。
ここで、温度差(Taf−Tbe)が、予め設定された判定温度ΔT2以下の場合、冷凍機油の顕熱変化(=冷凍機油の質量流量×比熱×温度上昇幅)が主体となる温度変化であると推定される。冷凍機油の比熱はガス冷媒の比熱と比較して大きいため、内部熱交換器6で熱交換されても温度が大きく変化していないと考えられるためである。そこで、制御部43は、温度差(Taf−Tbe)が、予め設定された判定温度ΔT2以下の場合、第3回収配管19のアキュームレータ5との接続位置には、冷凍機油が存在すると判断する。一方、温度差(Taf−Tbe)が、予め設定された判定温度ΔT2より大きい場合、ガス冷媒の顕熱変化(=ガス冷媒の質量流量×比熱×温度上昇幅)が主体となる温度変化であると推定される。ガス冷媒の比熱は冷凍機油の比熱と比較して小さいため、内部熱交換器6で熱交換されることで温度が大きく変化したと考えられるためである。そこで、制御部43は、温度差(Taf−Tbe)が、予め設定された判定温度ΔT2より大きい場合、第3回収配管19のアキュームレータ5との接続位置には、ガス冷媒が存在すると判断する。
そして、制御部43は、第3回収配管19のアキュームレータ5との接続位置にガス冷媒が存在すると判断した場合(S12でNo)、処理を(S15)へ進める。一方、制御部43は、第3回収配管19のアキュームレータ5との接続位置に冷凍機油が存在すると判断した場合(S12でYes)、処理を(S14)へ進める。
(油の熱交換量)=(油の比熱)×(油温度差)×(油流量)…式6
(ガス冷媒の熱交換量)=(ガス冷媒の比熱)×(ガス冷媒の温度差)×(ガス冷媒の流量)…式7
となる。熱交換量が同じであると、ガス冷媒と油の温度差の比は、
(冷媒ガスの温度差)/(油の温度差)={(油の比熱)/(ガス冷媒の比熱)}×{(油流量)/(ガス冷媒流量)}…式7
となる。ここで、飽和温度−15℃での冷媒と油の物性により、
(冷媒ガスの温度差)/(油の温度差)={(2[kJ/kg・K]/1.4[kJ/kg・K])}×3≒4…式8
となり、判定温度ΔT2としては温度差の比の中間をとり、10℃×2=20℃とすればよい。尚、(油流量)/(ガス冷媒流量)=3は円管の圧損の式、ブラシウスの式で同一圧損として求めている。
(S16)では、制御部43が図示しない保護制御装置に、異常であることを送信する。一定時間あるいは一定回数にわたり異常送信が続けば、図3のフローチャートを抜けて、保護制御に移行する。そうでない場合は、(S18)へ進む。
具体的には、制御部43は、第3開閉弁22、第5開閉弁30を開き、第1開閉弁20、第2開閉弁21、第4開閉弁29を閉じる。
(S17)では、制御部43が図示しない保護制御装置に、異常であることを送信する。一定時間あるいは一定回数にわたり異常送信が続けば、図3のフローチャートを抜けて、保護制御に移行する。そうでない場合は、(S16)へ進む。
圧縮機の負荷が一定値以下の低負荷の場合に、流出配管10から圧縮機までの圧力損失を維持できるため、第1開閉弁20、第2開閉弁21、第3開閉弁22、第4開閉弁29、第5開閉弁30の開度調整で、回収配管に一定の流量が確保でき、(S2)、(S3)、(S7)、(S11)、(S12)での温度検知精度が高く、任意の負荷に応じ制御信頼性が確保される。ΔT1とΔT2のデーブルのデータ数も低減可能である。
仮に、圧縮機内単体で、冷凍機油と液冷媒の密度変化による給油不良を解決するために内部攪拌機構を設けると、冷媒が二相状態でないと攪拌ロスが生じ、また冷凍機油も攪拌するため、圧縮機信頼性が損なわれる。冷媒が二相状態の場合のみ内部攪拌機構を制御仕様とすると、圧縮機自体がコスト高になってしまうため、アキュームレータの制御と共通化することでコスト面が改善される。
また、本実施の形態1では、主回収配管26を流れる流体を加熱する加熱器の一例として内部熱交換器6を用いた。しかし、加熱器は、電気ヒータや圧縮機を駆動するためのインバータの排熱などの別熱源であってもよいし、加熱器に限らず冷却器でもよい。つまり、主回収配管26を流れる流体と熱移動を生じる手段、或いは主回収配管26を流れる流体の温度を変化させる手段であればよい。本発明は冷凍機油の比熱比や冷媒の顕熱、潜熱に基づいて、その流体の温度変化から冷媒か冷凍機油かを判別することが可能となる。
Claims (10)
- 内部が低圧の冷媒で満たされた圧縮機、熱源側熱交換器、減圧装置、利用側熱交換器、冷媒と油が溜まる容器が接続されて冷凍サイクルを形成し、
前記容器と前記圧縮機を接続し、前記容器から前記圧縮機に流体が流れる配管部と、
前記流体の温度Tbeを検出する手段と、
前記流体との間で熱移動を生じる手段と、
熱移動が生じた前記流体の温度Tafを検出する手段と、
前記熱移動を生じる手段を通過した前記流体が冷媒か油か否かを前記温度Tbeと前記温度Tafに基づいて判別する制御部と、を備え、
前記配管部は、
前記容器の下部に接続された第1配管と、
前記第1配管に設けられた第1開閉弁と、
前記配管部は前記第1配管よりも高い位置で前記容器に接続された第2配管と、
前記第2配管に設けられた第2開閉弁と、
前記第1配管と前記第2配管とが接続された主回収配管と、
一端が前記主回収配管と接続され、他端が前記圧縮機の上部に接続した吸入配管と、
一端が前記主回収配管と接続され、他端が前記圧縮機の下部に接続した接続配管と、
を有し、
前記熱移動を生じる手段及び前記温度Tafを検出する手段は前記主回収配管に設けられ、
前記制御部は前記第1開閉弁又は前記第2開閉弁のいずれかを開く
ことを特徴とする冷凍サイクル装置。 - 前記配管部は前記制御部が前記第1配管を流れる流体を油と判断すると前記吸入配管に前記油を流し、前記制御部が前記第2配管を流れる流体を油と判断すると前記接続配管に前記油を流す開閉手段を有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。
- 前記制御部は前記温度Tbeと前記温度Tafの差が予め定められた第1所定値より大きい場合に前記流体を油と判断することを特徴とする請求項1又は2のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
- 前記第1所定値は前記冷媒の潜熱変化と前記油の顕熱変化から求められた値であることを特徴とする請求項3に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記配管部は、
前記第2配管よりも高い位置で前記容器に接続され、前記主回収配管と接続された第3配管と、
前記第3配管に設けられた第3開閉弁と、をさらに有し、
前記制御部は前記第3配管を流れてきた流体の前記温度Tbeと前記温度Tafの差が前記第1所定値より大きい第2所定値未満の場合は前記第3開閉弁を開くことを特徴とする請求項3又は4に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記制御部は前記第3配管を流れてきた流体の前記温度Tbeと前記温度afの差が前記第2所定値より大きい場合は前記第1開閉弁、前記第2開閉弁及び前記第3開閉弁を閉じ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。
- 前記第2所定値は前記冷媒の顕熱変化と前記油の顕熱変化から求められた値であることを特徴とする請求項6に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記熱移動を生じる手段は前記圧縮機と前記減圧装置の間に設けられた内部熱交換器であることを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
- 冷媒が二酸化炭素であり、油がPAG油、鉱油、アルキルベンゼン油のいずれかであることを特徴とする請求項1乃至8のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
- 内部が低圧の冷媒で満たされた圧縮機、熱源側熱交換器、減圧装置、利用側熱交換器、冷媒と油が溜まる容器が接続されて冷凍サイクルを形成し、
前記容器の下部に溜まった流体の温度Tbotを検出する手段と、
前記容器内の冷媒の飽和ガス温度Tsgを検出する手段と、
前記容器内下部の前記流体が二相状態の冷媒、加熱状態の冷媒若しくは油か否かを前記温度Tbotと前記飽和ガス温度Tsgに基づいて判別する制御部と、を備え、
前記配管部は、
前記容器の下部に接続された第1配管と、
前記第1配管に設けられた第1開閉弁と、
前記配管部は前記第1配管よりも高い位置で前記容器に接続された第2配管と、
前記第2配管に設けられた第2開閉弁と、
前記第1配管と前記第2配管とが接続された主回収配管と、
一端が前記主回収配管と接続され、他端が前記圧縮機の上部に接続した吸入配管と、
一端が前記主回収配管と接続され、他端が前記圧縮機の下部に接続した接続配管と、
を有し、
前記制御部は、前記容器内下部の前記流体が過熱状態の冷媒若しくは油であると判別した場合は前記第1開閉弁を開いて前記第2開閉弁を閉じて前記吸入配管から油を前記圧縮機に戻し、前記流体が2相状態であると判別した場合は前記第1開閉弁を閉じて前記第2開閉弁を開く
ことを特徴とする冷凍サイクル装置。
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