JP5571429B2 - 気液熱交換型冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、凝縮器にて凝縮した冷媒と蒸発器にて蒸発した冷媒と気液熱交換器において互いに熱交換させて各冷媒をそれぞれ過冷却及び過熱することによって冷凍能力を高めるようにした気液熱交換型冷凍装置に関するものである。

一般に冷凍装置は、圧縮機、凝縮器、膨張弁及び蒸発器を冷媒配管によって直列に接続して閉ループの冷媒循環回路を構成するものであって、圧縮機によって圧縮された高圧のガス冷媒を凝縮器での放熱によって液化させて高圧の液冷媒とし、この液冷媒を膨張弁によって膨張（等エンタルピ膨張）させて減圧した後、沸点の下がった低圧の液冷媒を蒸発器において蒸発させ、蒸発に必要な蒸発潜熱を庫内等から奪うことによって庫内等を冷却するものである。

斯かる冷凍装置の冷凍能力或いは成績係数（ＣＯＰ）を向上させる方法として、冷媒循環回路の凝縮器と膨張弁との間に気液熱交換器を設け、凝縮器にて凝縮した冷媒と蒸発器にて蒸発した冷媒とを気液熱交換器において互いに熱交換させて各冷媒をそれぞれ過冷却及び過熱する方法が知られている。

ところで、特許文献１には、気液熱交換器を備えた冷凍空調装置において、冷媒循環回路の凝縮器と気液熱交換器の間及び気液熱交換器と蒸発器の間に膨張弁をそれぞれ設け、凝縮器出口の冷媒温度と圧縮機入口の冷媒温度に基づいて膨張弁の開度を制御し、蒸発器出口での冷媒の乾き度を所定の目標値に保つことによって高効率な運転を実現するとともに、蒸発器が乾くことに起因する露飛び等の不具合を解消する提案がなされている。

特開２００９−１６２３８８号公報

ところで、特許文献１において提案された冷凍空調装置を冷凍車のように圧縮機の回転数が大きく変動する環境下で運転した場合、気液熱交換器の熱交換性能が圧縮機の回転数の変動に伴って大きく変化する。例えば、圧縮機の回転数が低下すると冷媒循環量が減少し、気液熱交換器での熱交換量不足による冷却不良が発生し、逆に圧縮機の回転数が増加すると冷媒循環量が増大し、熱交換量過多による圧縮機出口での冷媒の吐出温度の上昇を招き、冷凍機油が劣化する等の問題が発生する。

本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、圧縮機の回転数の変動に伴う冷凍能力の変動を抑えるとともに、圧縮機出口での冷媒の吐出温度の上昇を抑えて冷凍機油の劣化を防ぐことができる気液熱交換型冷凍装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、少なくとも圧縮機、凝縮器、熱交制御弁、気液熱交換器、膨張弁及び蒸発器を冷媒配管によって直列に接続して閉ループの冷媒循環回路を構成し、前記凝縮器にて凝縮した後に前記熱交制御弁によって減圧された冷媒と前記蒸発器にて蒸発した冷媒とを前記気液熱交換器において熱交換させて各冷媒をそれぞれ過冷却及び過熱するようにした気液熱交換型冷凍装置において、前記冷媒循環回路の前記圧縮機と前記凝縮器の間に吐出温度センサを設けるとともに、前記熱交制御弁と前記気液熱交換器との間に圧力センサを設け、前記吐出温度センサによって検出される圧縮機出口の冷媒温度と前記圧力センサによって検出される熱交制御弁出口の冷媒圧力に基づいて前記熱交制御弁の開度を制御して、前記熱交制御弁を通過して前記気液熱交換器を流れる冷媒の流速を制御する制御手段を設けたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記制御手段は、前記圧縮機の回転数が低下すると前記熱交制御弁の開度を絞り、前記圧縮機の回転数が増加すると前記熱交制御弁の開度を大きくすることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記制御手段は、前記吐出温度センサによって検出される圧縮機出口の冷媒温度が設定値を超えると、前記熱交制御弁の開度を、該熱交制御弁で減圧された後に前記気液熱交換器を通過した冷媒が気液混合状態を維持する値まで絞ることを特徴とする。

請求項１及び２記載の発明によれば、圧縮機の回転数が低下すると熱交制御弁の開度を絞るようにしたため、気液熱交換器を流れる冷媒の流速が上がって熱交換量が増え、この熱交換量の増加によって、回転数低下による冷媒循環量の減少に伴う気液熱交換器での熱交換量の減少を補償することができ、熱交換量不足による冷却不良を抑制することができる。

又、圧縮機の回転数が増加すると熱交制御弁の開度を大きくするようにしたため、気液熱交換器を流れる冷媒の流速が下がって熱交換量が減少し、この熱交換量の減少によって、回転数増大による冷媒循環量の増加に伴う気液熱交換器での熱交換量の増加を補償することができ、熱交換量過多による圧縮機出口での冷媒の吐出温度の上昇を抑制することができる。

請求項３記載の発明によれば、圧縮機出口の冷媒温度が設定値を超えると、熱交制御弁で減圧された後に気液熱交換器を通過した冷媒が気液混合状態を維持する値まで熱交制御弁の開度を大きく絞るようにしたため、気液熱交換器を気液二相流として通過する冷媒と蒸発器からのガス冷媒との温度差が小さくなり、気液熱交換器での両冷媒の熱交換量が低く抑えられる。このため、圧縮機入口での冷媒の過熱度が低く抑えられ、圧縮機出口での冷媒の吐出温度の上昇が抑制されて冷凍機油の劣化が防がれる。

本発明に係る気液熱交換型冷凍装置の冷媒回路図である。 本発明に係る気液熱交換型冷凍装置において圧縮機回転数の変動に応じて熱交制御弁の開度を制御した場合の冷媒の状態変化を示すモリエル線図である。 気液熱交換器における凝縮液冷媒の流速と伝熱性能との関係を示す図である。 本発明に係る気液熱交換型冷凍装置において圧縮機出口での冷媒の吐出温度が設定値を超えたときに熱交制御弁の開度を制御した場合の冷媒の状態変化を示すモリエル線図である。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１は本発明に係る気液熱交換型冷凍装置の冷媒回路図であり、図示の気液熱交換型冷凍装置においては、圧縮機１、凝縮器２、熱交制御弁３、気液熱交換器４、膨張弁５及び蒸発器６が冷媒配管Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４,Ｌ５によって直列に接続されて閉ループの冷媒循環回路が形成されている。ここで、熱交制御弁３は、凝縮器２と気液熱交換器４とを接続する冷媒配管Ｌ２に設けられ、膨張弁５は、気液熱交換器４と蒸発器６とを接続する冷媒配管Ｌ３に設けられている。尚、熱交制御弁３は、開度が無段階に制御される電子制御弁で構成されている。

又、本発明に係る気液熱交換型冷凍装置においては、圧縮機１と凝縮器２を接続する冷媒配管Ｌ１には吐出温度センサ７が設けられ、冷媒配管Ｌ２の熱交制御弁３と気液熱交換器４の間には圧力センサ８が設けられ、蒸発器６と気液熱交換器４とを接続する冷媒配管Ｌ４には蒸発温度センサ９が設けられており、これらの吐出温度センサ７と圧力センサ８及び蒸発温度センサ９は制御手段であるコントローラ１０に電気的に接続されている。更に、電子制御弁で構成された熱交制御弁３はコントローラ１０に電気的に接続されており、後述のように熱交制御弁３はコントローラ１０からの制御信号によってその開度が制御される。

次に、本発明に係る気液熱交換型冷凍装置の作用を図２に示すモリエル線図（Ｐ−ｉ線図）を用いて以下に説明する。

圧縮機１が駆動源である不図示のエンジンによって回転駆動されると、図２にａにて示す状態（圧力Ｐ_１、エンタルピｉ_１）にあるガス冷媒が圧縮機１によって圧縮されて図２にｂにて示す状態（圧力Ｐ_２、エンタルピｉ_２）の高温高圧のガス冷媒となり（圧縮行程）、このガス冷媒は冷媒配管Ｌ１を通って凝縮器２へと導入される。尚、このときの圧縮機１の圧縮動力Ｗ（熱量換算）は（ｉ_２−ｉ_１）で表わされる。

凝縮器２では、高温高圧のガス冷媒が外気に凝縮熱Ｑ_２を放出して図２のｂ→ｃへと状態変化（相変化）して液化し（凝縮行程）、図２にｃにて示す状態（圧力Ｐ_２、エンタルピｉ３）の高圧液冷媒となる。尚、このときの放熱量（凝縮熱）Ｑ_２は（ｉ_２−ｉ_３）で表わされる。

そして、上述のように凝縮器２において液化した高圧液冷媒は、図２において例えばＢにて示す経路（条件）を経て状態変化する。即ち、凝縮器２において液化した高圧液冷媒は、冷媒配管Ｌ２を通って熱交制御弁３に至り、該熱交制御弁３によって圧力Ｐ_３まで減圧されて断熱膨張（等エンタルピ膨張）し（膨張行程）、図２にｄにて示す状態（圧力Ｐ_３、エンタルピｉ_３）となって、その一部がガス化する。

上述のように一部がガス化した冷媒は、冷媒配管Ｌ２を通って気液熱交換器４に導入されるが、この気液熱交換器４には後述のように蒸発器６において蒸発して気化したガス冷媒が冷媒配管Ｌ４を経て導入されているため、冷媒配管Ｌ２から気液熱交換器４へと導入された冷媒（一部がガス化した冷媒）は蒸発器６にて蒸発して冷媒配管Ｌ４から導入される温度の低いガス冷媒との熱交換によって過冷却され、図２にｅにて示す状態（圧力Ｐ_３、エンタルピｉ_４）の液冷媒となる。尚、この場合の過冷却熱量ΔＱ_２は（ｉ_３−ｉ_４）で表わされる。

そして、上述のように気液熱交換器４において過冷却された液冷媒は、膨張弁５を通過することによって再度減圧されて断熱膨張（等エンタルピ膨張）し（膨張行程）、図２のｆにて示す状態（圧力Ｐ_１、エンタルピｉ_４）へと状態変化してその一部がガス化し、減圧されることによって沸点が下がる。このように膨張弁５によって減圧されて沸点が下がった冷媒は、冷媒配管Ｌ３から蒸発器６へと導入され、該蒸発器６を流れる過程で周囲から蒸発熱Ｑ_１を奪って蒸発してｆ→ｇ（圧力Ｐ_１、エンタルピｉ_５）へと状態変化してガス化する（蒸発行程）。このときの蒸発熱量Ｑ１は（ｉ_５−ｉ_４）で表わされるが、前述のように膨張弁５で減圧される前の冷媒は気液熱交換器４においてΔＱ_２（＝ｉ_３−ｉ_４）だけ過冷却されているため、この過冷却分の熱量ΔＱ_２だけ蒸発熱量が増加し、その増加分ΔＱ_２だけ冷凍能力が高められる。

その後、蒸発器６にて蒸発した低圧ガス冷媒は、前述のように冷媒配管Ｌ４から気液熱交換器４を流れる過程で冷媒配管Ｌ２から気液熱交換器４へと導入される高圧冷媒の過冷却に供されるために温度が上昇し、圧縮機１に吸入される段階では図２に示すｇ→ａ（圧力Ｐ_１、エンタルピｉ_１）へと変化して図示の熱量ΔＱ_１（＝ｉ_１−ｉ_５）だけ過熱される。そして、この過熱されたガス冷媒は、圧縮機１によって再度圧縮され、以後は冷媒の上記と同様の状態変化が繰り返される。

而して、本発明に係る気液熱交換型冷凍装置においては、以上説明した冷凍サイクルが繰り返され、蒸発器６での低温液冷媒の蒸発に伴う吸熱によって所要の冷凍が行われるが、圧縮機１から吐出されるガス冷媒の温度は吐出温度センサ７によって検出され、凝縮器２によって凝縮された後に熱交制御弁３によって減圧された冷媒の圧力は圧力センサ８によって検出され、これらの検出値はコントローラ１０へと送信される。すると、コントローラ１０は、吐出温度センサ７によって検出される圧縮機１の出口における冷媒温度と圧力センサ８によって検出される熱交制御弁３の出口における冷媒圧力に基づいて熱交制御弁３の開度を制御する。

具体的には、圧縮機１の回転数が低下すると熱交制御弁３の開度を絞り、逆に圧縮機１の回転数が増加すると熱交制御弁３の開度を大きくする。又、吐出温度センサ７によって検出される圧縮機１の出口における冷媒温度が設定値を超えると、前記熱交制御弁３の開度を、該熱交制御弁３で減圧された後に気液熱交換器４を通過した冷媒が気液混合状態を維持する値まで絞る（図４参照）。

本発明に係る気液熱交換型冷凍装置を例えば冷凍車に搭載した場合、エンジンによって駆動される圧縮機１の回転数は冷凍車の走行状態によって変動する。

例えば、圧縮機１の回転数が低下すると冷媒循環回路における冷媒の循環量が減少するために冷凍能力が低下するが、この場合は前述のようにコントローラ１０は熱交制御弁３の開度を絞るようにしたため、気液熱交換器４を流れる冷媒の流速が上がって熱交換量が増え、この熱交換量の増加によって、回転数低下による冷媒循環量の減少に伴う気液熱交換器４での熱交換量の減少が補償され、熱交換量不足による冷却不良が抑制される。

ここで、凝縮器２において液化した高圧液冷媒が熱交制御弁３から気液熱交換器４を経て膨張弁５へと流れるときの状態変化を例えば図２にＢ，Ｃ，Ｄにて示す。Ｂにて示す状態で運転している場合には熱交制御弁３によって圧力がＰ_２からＰ_３へと減圧されるが、圧縮機１の回転数が低下すると、その回転数の低下の度合いに応じて熱交制御弁３を絞って図２のＣ，Ｄにて示すように圧力Ｐ_３’，Ｐ_３”（Ｐ_３＞Ｐ_３’＞Ｐ_３”）まで減圧すれば、気液熱交換器４を流れる冷媒の流速が上がって図示のように熱交換量が増えるため、前述のように熱交換量不足による冷却不良を抑制することができる。

図３に気液熱交換器４における冷媒の流速（ｍ／ｓ）と伝熱性能ＫＡ（Ｗ／Ｋ）との関係を示すが、伝熱性能（熱交換量）ＫＡは冷媒の流速の増加と共に増大することが分かる。

ここで、熱交制御弁３を用いないで気液熱交換器４において冷媒を過冷却した後に膨張弁５によって膨張させた場合の過程（条件）を図２にＡにて示すが、この過程Ａを経て冷媒を状態変化させた場合を基準として各過程Ｂ，Ｃ，Ｄを経て冷媒を状態変化させたときの冷媒の流速と気液熱交換器４での熱交換量及び性能アップ率をシミュレーションによって求めると表１に示すような結果が得られた。

表１の結果から明らかなように、圧縮機１の回転数が低下した場合に熱交制御弁３を絞ると流速が増大して気液熱交換器４での交換熱量が増え、結果的に性能がアップして冷凍能力が高められることが分かる。

逆に、圧縮機１の回転数が増加すると冷媒循環量が増大し、気液熱交換器４での交換熱量過多による圧縮機１の出口における冷媒の吐出温度が上昇し、冷凍機油が劣化する等の問題が発生するため、前述のようにコントローラ１０は熱交制御弁３を開いてその開度が大きくなるよう制御する。

例えば、図２のＤにて示す状態で運転している場合には熱交制御弁３によって圧力がＰ２からＰ３”へと減圧されるが、圧縮機１の回転数が増加すると、その回転数の増加の度合いに応じて熱交制御弁３を開いて図２のＣ，Ｂにて示すように圧力Ｐ３’，Ｐ３（Ｐ３”＜Ｐ３’＜Ｐ３）まで減圧すれば、気液熱交換器４を流れる冷媒の流速が下がって図示のように熱交換量が減少するため、熱交換量過多による圧縮機１の出口での冷媒の吐出温度の上昇が抑えられて冷凍機油の劣化が防がれる。

表１の結果から明らかなように、圧縮機１の回転数が増加した場合に熱交制御弁３を開くと流速が減少して気液熱交換器４での交換熱量が減少し、結果的に性能がダウンして冷凍能力が下がることが分かる。

そして、本発明に係る気液熱交換型冷凍装置においては、吐出温度センサ７によって検出される圧縮機１の出口での冷媒温度が設定値を超えると、前述のようにコントローラ１０は熱交制御弁３の開度を、該熱交制御弁３で減圧された後に気液熱交換器４を通過した冷媒が気液混合状態を維持する値まで絞るようにしている。

例えば、凝縮器２において液化した高圧液冷媒が熱交制御弁３から気液熱交換器４を経て膨張弁５へと流れるときの状態変化を例えば図４にＢ，Ｃ，Ｄにて示すが、凝縮器２において液化した高圧液冷媒を熱交制御弁３を絞ることによって圧力Ｐ_２からＰ_３’，Ｐ_３”へと大きく減圧させれば、Ｂにて示す状態で運転している場合には熱交制御弁３によって圧力がＰ_２からＰ_３へと減圧されるが、圧縮機１の回転数が低下すると、その回転数の低下の度合いに応じて熱交制御弁３を絞って図２のＣ，Ｄにて示すように圧力Ｐ３’，Ｐ３”（Ｐ_３”＜Ｐ_３’＜Ｐ_３）まで減圧すれば、熱交制御弁３で減圧された後に気液熱交換器４を通過した冷媒が気液混合状態を維持する。

上述のように熱交制御弁３で減圧された後に気液熱交換器４を通過した冷媒が気液混合状態を維持すると、気液熱交換器４を気液二相流として通過する冷媒と蒸発器６から冷媒配管Ｌ４を経て気液熱交換器４へと導入されるガス冷媒との温度差が小さくなり、気液熱交換器４での両冷媒の熱交換量が低く抑えられる。このため、圧縮機１の入口での冷媒の過熱度が低く抑えられ、圧縮機１の出口での冷媒の吐出温度の上昇が抑制されて冷凍機油の劣化が防がれる。

ここで、熱交制御弁を用いないで気液熱交換器４において冷媒を過冷却した後に膨張弁５によって膨張させた場合の過程を図４にＡにて示すが、この過程Ａを経て冷媒を状態変化させた場合を基準として各過程Ｂ，Ｃ，Ｄを経て冷媒を状態変化させたときの冷媒の流速と気液熱交換器４での熱交換量及び性能アップ率をシミュレーションによって求めると表２に示すような結果が得られた。

表２の結果から明らかなように、吐出温度センサ７によって検出される圧縮機１の出口での冷媒温度が設定値を超えた場合に熱交制御弁３を大きく絞ると、冷媒の流速が増大する反面、気液熱交換器４を気液二相流として通過する冷媒と蒸発器６から冷媒配管Ｌ４を経て気液熱交換器４へと導入されるガス冷媒との温度差が小さくなるため、結果的に気液熱交換器４での両冷媒の熱交換量が低く抑えられ、冷凍能力が低下することが分かる。

以上のように、本発明によれば、圧縮機１の回転数の変動に伴う冷凍能力の変動を抑えるとともに、圧縮機１の出口での冷媒の吐出温度の上昇を抑えて冷凍機油の劣化を防ぐことができるという効果が得られる。

１ 圧縮機
２ 凝縮器
３ 熱交制御弁
４ 気液熱交換器
５ 膨張弁
６ 蒸発器
７ 吐出温度センサ
８ 圧力センサ
９ 蒸発温度センサ
１０ コントローラ（制御手段）
Ｌ１〜Ｌ５ 冷媒配管

Claims (3)

1. 少なくとも圧縮機、凝縮器、熱交制御弁、気液熱交換器、膨張弁及び蒸発器を冷媒配管によって直列に接続して閉ループの冷媒循環回路を構成し、前記凝縮器にて凝縮した後に前記熱交制御弁によって減圧された冷媒と前記蒸発器にて蒸発した冷媒とを前記気液熱交換器において熱交換させて各冷媒をそれぞれ過冷却及び過熱するようにした気液熱交換型冷凍装置において、
   前記冷媒循環回路の前記圧縮機と前記凝縮器の間に吐出温度センサを設けるとともに、前記熱交制御弁と前記気液熱交換器との間に圧力センサを設け、前記吐出温度センサによって検出される圧縮機出口の冷媒温度と前記圧力センサによって検出される熱交制御弁出口の冷媒圧力に基づいて前記熱交制御弁の開度を制御して、前記熱交制御弁を通過して前記気液熱交換器を流れる冷媒の流速を制御する制御手段を設けたことを特徴とする気液熱交換型冷凍装置。
2. 前記制御手段は、前記圧縮機の回転数が低下すると前記熱交制御弁の開度を絞り、前記圧縮機の回転数が増加すると前記熱交制御弁の開度を大きくすることを特徴とする請求項１記載の気液熱交換型冷凍装置。
3. 前記制御手段は、前記吐出温度センサによって検出される圧縮機出口の冷媒温度が設定値を超えると、前記熱交制御弁の開度を、該熱交制御弁で減圧された後に前記気液熱交換器を通過した冷媒が気液混合状態を維持する値まで絞ることを特徴とする請求項１記載の気液熱交換型冷凍装置。
   

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