JP7066052B2 - 熱源側ユニット及びそれを備える冷凍サイクル装置 - Google Patents
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Description
[冷凍装置の全体構成]
図1は、本開示の実施の形態1に従う熱源側ユニットが用いられる冷凍装置の全体構成図である。なお、この図1の全体構成図は、冷凍装置における各機器の接続関係及び配置構成を機能的に示したものであり、物理的な空間における配置を必ずしも示すものではない。
以下、冷媒回路RCに新たに冷媒を充填する場合において、冷媒量検出部70を用いて冷媒量の適否を判定する原理について説明する。たとえば、現地に新たに冷凍装置1を据え付ける場合、または冷蔵庫もしくはショーケースなどの既存の負荷側ユニット3に新品の熱源側ユニット2を接続する場合などが想定される。
図5は、図1の冷凍装置において、冷媒回路への冷媒の充填手順を示すフローチャートである。以下、図1および図5を参照して、冷媒充填時における冷媒充填量の制御手順について説明する。以下に説明するように、冷媒の充填手順は、初期充填、複数回の追加充填、および最終追加充填の順に進む。
(iv)蒸発器60の内容積。
上記の仕様情報は、冷媒の初期充填量の算出および最終追加充填量の算出において特に必要になる。なお、ガス延長配管900および液延長配管910の内容積に比べてそれ以外の配管の内容積は小さいので無視できる。
制御装置100は、不足冷媒量を、凝縮器20、液延長配管910、ガス延長配管900、蒸発器60、および受液器30のそれぞれの内容積、ならびに、一年間で想定される冷媒の最大密度と冷媒封入時点の冷媒密度との差分に基づいて求める。これにより、季節等による外気状況の変化で、冷媒充填量にばらつきが出てしまうことを防止して、適切な量の冷媒を充填することができる。
ΔMr=ΔMrcond+ΔMrPL+ΔMrPG+ΔMreva+ΔMrrec …(1)
によって不足冷媒量ΔMrを算出できる。ここで、ΔMrcondは、凝縮器20の不足冷媒量である。ΔMrPLは、液延長配管910の不足冷媒量である。ΔMrPGは、ガス延長配管900の不足冷媒量である。ΔMrevaは、蒸発器60の不足冷媒量である。ΔMrrecは、受液器30の不足冷媒量である。以下、各不足冷媒量の算出方法を詳細に説明する。
制御装置100は、予め設定された凝縮器20内の冷媒密度ρcondと凝縮温度(CT)との関係を用いることにより、検出された凝縮器出口温度(充填時の凝縮温度CT)から充填時の凝縮器20内の冷媒密度を算出する。制御装置100は、予め設定された基準密度と算出した充填時の凝縮器20内の冷媒密度との差分値を密度変動Δρcondとして求める。基準密度とは、温度により変動する凝縮器20内の冷媒密度の最大値である。制御装置100は、算出した密度変動Δρcondと凝縮器20の内容積Vcondとを乗算することにより、凝縮器20の不足冷媒量ΔMrcondを求める。
Δρcond=1.7×(53-CT) …(2)
によって表される。上式(2)において、CTは充填時の凝縮温度を表し、1.7は実験的に求められた係数である。
制御装置100は、予め設定された液延長配管910内の冷媒密度ρPLと液延長配管910内の冷媒温度との関係を用いることにより、検出された過冷却熱交換器の出口温度OTから充填時の液延長配管910内の冷媒密度を算出する。制御装置100は、予め設定された基準密度と算出した充填時の液延長配管910内の冷媒密度との差分値を密度変動ΔρPLとして求める。基準密度とは、温度により変動する液延長配管910内の冷媒密度の最大値である。制御装置100は、算出した密度変動ΔρPLと液延長配管910の内容積VPLとを乗算することにより、液延長配管910内の不足冷媒量ΔMrPLを求める。
ΔρPL=-5×(17-OT) …(3)
によって表される。上式(3)において、OTは充填時の過冷却熱交換器40の出口温度を表し、-5は実験的に求められた係数である。
制御装置100は、予め設定されたガス延長配管900内の冷媒密度ρPGと蒸発温度ETとの関係を用いることにより、検出された充填時の蒸発温度ETから充填時のガス延長配管900内の冷媒密度を算出する。制御装置100は、予め設定された基準密度と算出した充填時のガス延長配管900内の冷媒密度との差分値を密度変動ΔρPGとして求める。基準密度とは、温度により変動するガス延長配管900内の冷媒密度の最大値である。制御装置100は、算出した密度変動ΔρPGとガス延長配管900の内容積VPGとを乗算することにより、ガス延長配管900内の不足冷媒量ΔMrPGを求める。
ΔρPG=0.8×(ΔET(=5)+(ETm-ET)) …(4)
によって表される。上式(4)において、0.8は実験的に求められた係数である。
制御装置100は、予め設定された蒸発器60内の冷媒密度ρevaと蒸発温度ETと蒸発器60の入口温度との関係を用いることにより、充填時の蒸発器60内の冷媒密度を算出する。具体的に、充填時の蒸発温度ETと充填時との過冷却熱交換器40の出口温度OTとが上記の関係に代入される。制御装置100は、予め設定された基準密度と充填時の冷媒密度との差分値を密度変動Δρevaとして求める。制御装置100は、算出した密度変動Δρevaと蒸発器60の内容積Vevaとを乗算することにより、蒸発器60内の不足冷媒量ΔMrevaを求める。
Δρeva=3×(ΔET(=5)+(ETm-ET))+(OT-17)×29/28 …(5)
によって表される。上記(5)において、3および29/28は実験的に求められた係数である。
制御装置100は、予め設定された受液器30内の冷媒密度ρrecと凝縮温度(CT)との関係を用いることにより、検出された凝縮器出口温度(充填時の凝縮温度CT)から充填時の受液器30内の冷媒密度を算出する。制御装置100は、予め設定された基準密度と算出した充填時の受液器30内の冷媒密度との差分値を密度変動Δρrecとして求める。基準密度とは、温度により変動する受液器30内の冷媒密度の最大値である。制御装置100は、算出した密度変動Δρrecと受液器30の内容積Vrecとを乗算することにより、受液器30の不足冷媒量ΔMrrecを求める。
Δρrec=3.3×(60-CT) …(6)
によって表される。上式(6)において、CTは充填時の凝縮温度を表し、3.3は実験的に求められた係数である。
以上のように、本実施の形態の熱源側ユニット2では、冷媒量検出部70におけるヒータ72による冷媒の温度上昇量に基づいて、冷媒の充填量の適否が判定される。したがって、冷媒量の判定精度は、ヒータ72による冷媒の温度上昇量の検出精度に依存する。そこで、冷媒量検出部70は、温度上昇量の検出の外乱となる風の影響を受けにくい箇所に配設される。具体的には、冷媒量検出部70は、凝縮器20と比較して、気流の影響が小さい箇所に配設するのが好ましい。影響低減の対象となる風には、凝縮器20を通過した風、凝縮器20を通過する前の風、及び自然の風が含まれる。これにより、冷媒量検出部70が風の影響を受けて上記の温度上昇量に誤差が生じるのを抑制することができる。
以下、冷媒充填量の適否を判定するための他の方法と比較して、本実施の形態1の効果について説明する。図8は、その他の冷媒充填量の適否を判定する手法を説明するための図である。
図8(A)を参照して、過冷却熱交換器40の過冷却度によって、冷媒量の適否を判定することができる。ここで、過冷却度は、凝縮温度CTから過冷却熱交換器40の出口温度OTを減算することによって求められる。過冷却度が閾値Sthを超えたときに冷媒充填量が適切であると判断される。
他の方法として、過冷却熱交換器の出口における冷媒の過冷却度を、過冷却熱交換器の最大温度差で除算した値である温度効率εにより冷媒不足を判定することができる。外気で過冷却熱交換器40を冷却する場合、温度効率εは、凝縮温度CT、過冷却熱交換器40の出口温度OT、および外気温度ATを用いて、
ε=(CT-OT)/(CT-AT) …(7)
で表される。温度効率εが閾値εthを超えたときに、冷媒充填量が適切であると判断される。
冷媒量検出部が設けられるバイパス回路BCに冷媒が流れると、負荷側ユニット3の蒸発器60に流れる冷媒量が減少する。したがって、バイパス回路BCに冷媒を流し続けると、冷凍装置の性能に影響を与える可能性がある。
実施の形態3では、冷媒量検出部における熱源として、ヒータ72に代えて、圧縮機出側の高温高圧の冷媒が用いられる。これにより、ヒータ72を別途設けることなく冷媒量検出部を構成することができる。
冷媒流量G=V×R×D …(8)
ここで、Vは、圧縮機10の押しのけ量(m3)であり、すなわち、圧縮機1回転あたりの冷媒吸込み量である。Rは、圧縮機10の回転数(1/hr又は1/s)である。Dは、冷媒の密度(kg/m3)である。密度Dは、圧縮機10の吸入側の冷媒温度と圧力とによって決まる量であり、温度センサ77により検出される温度T5と、圧力センサ90により検出される圧力LPとから算出することができる。
エンタルピー差H=H3-H4 …(9)
ここで、H3は、圧縮機10から熱交換部78に供給される冷媒のエンタルピーであり、H4は、熱交換部78を通過した後の冷媒のエンタルピーである。
その次のステップS530において、制御装置100は、算出された熱交換部78の加熱量に基づいて、冷媒不足が生じているか否かを判定するための閾値Tth4を設定する。上記で説明したように、閾値Tth4は、熱交換部78において配管87を流れる冷媒の温度上昇量と比較するために用いられる。
Claims (12)
- 負荷側ユニットと接続されて冷凍サイクル装置を構成する熱源側ユニットであって、
前記負荷側ユニットは、冷媒の膨張機構及び蒸発器を備え、
前記熱源側ユニットは、圧縮機及び凝縮器を備え、
少なくとも前記膨張機構、前記蒸発器、前記圧縮機、及び前記凝縮器は、冷媒を順に循環させる冷媒回路を形成し、
前記熱源側ユニットはさらに、
前記凝縮器の出側の前記冷媒の一部を、前記蒸発器を通過することなく前記圧縮機へ戻すように構成されたバイパス回路と、
前記バイパス回路に流れる冷媒を加熱するように構成された加熱器、前記加熱器によって加熱された前記冷媒の温度を検出する加熱後温度センサ、及び前記加熱器によって加熱される前の前記冷媒の温度を検出する加熱前温度センサを含む冷媒量検出部と、
制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記加熱後温度センサが検出した温度と前記加熱前温度センサが検出した温度との差を温度上昇量として算出し、
前記冷媒回路に前記冷媒を充填する際に、前記制御装置は、前記温度上昇量が第1の閾値以上の場合に追加の冷媒を充填するよう指示し、
前記制御装置は、前記温度上昇量が前記第1の閾値未満の場合に、冷媒充填時において適正な冷媒量が充填されたと判定し、さらに一年間を通して冷媒不足とならないようにするために不足冷媒量を算出し、算出した前記不足冷媒量を最終的に追加すべき冷媒量としてさらに充填するように指示し、
前記不足冷媒量は、一年間を通して推定される前記冷媒の最大密度と充填時における前記冷媒の密度との差に基づいて算出される、熱源側ユニット。 - 前記熱源側ユニットは、受液器及び過冷却熱交換器をさらに備え、
前記膨張機構、前記蒸発器、前記圧縮機、前記凝縮器、前記受液器、及び前記過冷却熱交換器は、前記冷媒を順に循環させる前記冷媒回路を構成し、
前記バイパス回路は、前記受液器と前記過冷却熱交換器との間に接続される、請求項1に記載の熱源側ユニット。 - 前記熱源側ユニットは、受液器及び過冷却熱交換器をさらに備え、
前記膨張機構、前記蒸発器、前記圧縮機、前記凝縮器、前記受液器、及び前記過冷却熱交換器は、前記冷媒を順に循環させる前記冷媒回路を構成し、
前記バイパス回路は、前記受液器と前記過冷却熱交換器との間に接続され、
前記冷媒回路を構成する配管は、
前記膨張機構と前記過冷却熱交換器との間を接続する第1配管と、
前記蒸発器と前記圧縮機との間を接続する第2配管とを含み、
前記制御装置は、少なくとも前記凝縮器、前記第1配管、前記第2配管、前記蒸発器、および前記受液器の各々の内部の冷媒密度と内容積とに基づいて前記不足冷媒量を算出する、請求項1に記載の熱源側ユニット。 - 前記冷媒回路に冷媒を充填する際に、前記制御装置は、前記圧縮機を動作させるのに必要な冷媒の初期充填量を指示し、前記初期充填量の冷媒が充填された後に、前記温度上昇量と前記第1の閾値との比較に基づいて追加の冷媒を充填するように指示するか否かを判定するように構成される、請求項1~3のいずれか1項に記載の熱源側ユニット。
- 前記バイパス回路に設けられ、前記バイパス回路における冷媒の通流及び遮断を切換えるように構成された開閉弁をさらに備え、
前記制御装置は、前記冷媒回路に前記冷媒を充填する場合に前記開閉弁を開状態に制御し、前記冷媒回路への前記冷媒の充填を完了した後に、前記開閉弁を閉状態に制御する、請求項1~4のいずれか1項に記載の熱源側ユニット。 - 前記加熱器は、ヒータである、請求項1~5のいずれか1項に記載の熱源側ユニット。
- 前記加熱器は、前記圧縮機の出側の冷媒配管である、請求項1~5のいずれか1項に記載の熱源側ユニット。
- 負荷側ユニットと接続されて冷凍サイクル装置を構成する熱源側ユニットであって、
前記負荷側ユニットは、冷媒の膨張機構及び蒸発器を備え、
前記熱源側ユニットは、圧縮機及び凝縮器を備え、
少なくとも前記膨張機構、前記蒸発器、前記圧縮機、及び前記凝縮器は、冷媒を順に循環させる冷媒回路を形成し、
前記熱源側ユニットはさらに、
前記凝縮器の出側の前記冷媒の一部を、前記蒸発器を通過することなく前記圧縮機へ戻すように構成されたバイパス回路と、
前記バイパス回路に流れる冷媒を加熱するように構成された加熱器、前記加熱器によって加熱された前記冷媒の温度を検出する加熱後温度センサ、及び前記加熱器によって加熱される前の前記冷媒の温度を検出する加熱前温度センサを含む冷媒量検出部と、
制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記加熱後温度センサが検出した温度と前記加熱前温度センサが検出した温度との差を温度上昇量として算出し、
前記冷媒回路に前記冷媒を充填する際に、前記制御装置は、前記温度上昇量が第1の閾値以上の場合に追加の冷媒を充填するよう指示し、
前記加熱器は、前記圧縮機の出側の冷媒配管であり、
前記制御装置は、前記加熱器の加熱量を推定し、推定した加熱量に応じて前記第1の閾値を変更する、熱源側ユニット。 - 負荷側ユニットと接続されて冷凍サイクル装置を構成する熱源側ユニットであって、
前記負荷側ユニットは、冷媒の膨張機構及び蒸発器を備え、
前記熱源側ユニットは、圧縮機及び凝縮器を備え、
少なくとも前記膨張機構、前記蒸発器、前記圧縮機、及び前記凝縮器は、冷媒を順に循環させる冷媒回路を形成し、
前記熱源側ユニットはさらに、
前記凝縮器の出側の前記冷媒の一部を、前記蒸発器を通過することなく前記圧縮機へ戻すように構成されたバイパス回路と、
前記バイパス回路に流れる冷媒を加熱するように構成された加熱器、前記加熱器によって加熱された前記冷媒の温度を検出する加熱後温度センサ、及び前記加熱器によって加熱される前の前記冷媒の温度を検出する加熱前温度センサを含む冷媒量検出部と、
制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記加熱後温度センサが検出した温度と前記加熱前温度センサが検出した温度との差を温度上昇量として算出し、
前記冷媒回路に前記冷媒を充填する際に、前記制御装置は、前記温度上昇量が第1の閾値以上の場合に追加の冷媒を充填するよう指示し、
前記加熱器は、ヒータであり、
前記制御装置は、前記バイパス回路に前記冷媒を流していない状態で、前記加熱器としての前記ヒータをオンしたときに、前記加熱前温度センサおよび前記加熱後温度センサの少なくとも一方で検出される温度が、前記第1の閾値よりも大きい第2の閾値未満のとき、前記ヒータが故障していると判定する、熱源側ユニット。 - 負荷側ユニットと接続されて冷凍サイクル装置を構成する熱源側ユニットであって、
前記負荷側ユニットは、冷媒の膨張機構及び蒸発器を備え、
前記熱源側ユニットは、圧縮機及び凝縮器を備え、
少なくとも前記膨張機構、前記蒸発器、前記圧縮機、及び前記凝縮器は、冷媒を順に循環させる冷媒回路を形成し、
前記熱源側ユニットはさらに、
前記凝縮器の出側の前記冷媒の一部を、前記蒸発器を通過することなく前記圧縮機へ戻すように構成されたバイパス回路と、
前記バイパス回路に流れる冷媒を加熱するように構成された加熱器、前記加熱器によって加熱された前記冷媒の温度を検出する加熱後温度センサ、及び前記加熱器によって加熱される前の前記冷媒の温度を検出する加熱前温度センサを含む冷媒量検出部と、
制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記加熱後温度センサが検出した温度と前記加熱前温度センサが検出した温度との差を温度上昇量として算出し、
前記冷媒回路に前記冷媒を充填する際に、前記制御装置は、前記温度上昇量が第1の閾値以上の場合に追加の冷媒を充填するよう指示し、
前記熱源側ユニットは、前記バイパス回路に設けられ、前記バイパス回路における冷媒の通流及び遮断を切換えるように構成された開閉弁をさらに備え、
前記制御装置は、前記冷媒回路に前記冷媒を充填する場合に前記開閉弁を開状態に制御し、前記冷媒回路への前記冷媒の充填を完了した後に、前記開閉弁を閉状態に制御し、
前記制御装置は、前記開閉弁を開状態に制御した状態で前記加熱器によって前記冷媒を加熱しているときに、前記加熱前温度センサおよび前記加熱後温度センサの少なくとも一方で検出される温度が、前記第1の閾値よりも大きい第3の閾値を超えるとき、前記開閉弁が閉故障していると判定する、熱源側ユニット。 - 前記冷媒量検出部は、前記凝縮器と比較して気流の影響が小さい箇所に設けられる、請求項1~10のいずれか1項に記載の熱源側ユニット。
- 請求項1~11のいずれか1項に記載の熱源側ユニットと、
前記熱源側ユニットに接続される負荷側ユニットとを備える冷凍サイクル装置。
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