JP7089153B2 - 製氷システム - Google Patents
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Description
特許文献1の製氷用冷凍装置では、圧縮機の吸入側には液分離器が設けられ、液分離器と製氷器は液戻り管により接続され、製氷器の冷媒出口が飽和又は湿り液となる状態で製氷運転するようなっている。また、製氷器は、満液式蒸発器を採用した二重管式のアイスジェネレータよりなる。
この問題を解消するためには、例えば二重管熱交換器よりなる過熱手段を圧縮機の吸入配管に設けるなどの方策があるが、これでは設備コストの高騰化を招くことになる。
その理由は、ポリトロープ指数が1.25以上の冷媒は、満液式蒸発器からの返油が可能な乾き度(例えば0.9)で圧縮機に吸入されても、圧縮機の吐出過熱度が10degになるからである。この冷媒の具体例としては、例えば、R410A及びR32などがある。
本開示の製氷システムによれば、制御装置が上記の膨張弁制御を実行するので、満液式蒸発器の出口乾き度を圧縮機に返油可能な乾き度に保持することができる。
従って、本開示の冷媒回路は、上述の(1)~(3)に記載の製氷システムと同様の作用効果を奏する。
〔製氷システムの全体構成〕
図1は、本開示の実施形態に係る製氷システム50の概略構成図である。
本実施形態の製氷システム50は、海水タンク8に貯めた海水を原料として製氷機1により氷スラリーを連続的に生成し、生成した氷スラリーを海水タンク8に戻すシステムである。本実施形態の製氷機(以下、「アイスジェネレータ」ともいう。)1は、例えば二重管式製氷機よりなる。
本実施形態の製氷システム50は、海水をベースとした氷スラリーを連続的に生成可能である。このため、本実施形態の製氷システム50は、例えば漁船や漁港などに設置され、海水タンク8に戻された氷スラリーは鮮魚の保冷などに利用される。
製氷システム50は、更に、当該製氷システム50に含まれる各機器の動作を制御する制御装置(コントローラ)80を備える。
第1膨張弁5は、利用側の膨張弁であり、制御信号に応じて開度の調整が可能な電子膨張弁よりなる。第2膨張弁11は、熱源側の膨張弁であり、制御信号に応じて開度の調整が可能な電子膨張弁よりなる。
ポンプ9は、海水タンク8から海水を吸い込んでアイスジェネレータ1の海水流路12Aに海水を圧送する。海水流路12Aで生成された氷スラリーは、ポンプ圧によって海水とともに海水タンク8に戻される。
図2は、アイスジェネレータ1の構成例を示す側面図である。
図2に示すように、本実施形態のアイスジェネレータ1は、内管12及び外管13を含む横置き型の二重管式製氷機よりなる。
ブレード機構15は、内管12の内周面に生成された氷粒子を内側に掻き取って内管12の内部に分散させる。内管12の軸方向一端側(図2の右端側)には、海水の流入口16が設けられている。内管12の軸方向他端側(図2の左端側)には、海水の流出口17が設けられている。
外管13の下部には、複数(図例では3つ)の冷媒の流入口18が設けられている。外管13の上部には、複数(図例では2つ)の冷媒の流出口19が設けられている。
回転軸21は、内管12と同軸心の状態で海水流路12Aに収容されている。回転軸21の軸方向両端部は、内管12の軸方向両端を封止する封止壁24の中心部に回転自在に取り付けられている。
支持バー22は、回転軸21の外周面から径方向外側に突出する棒状部材よりなる。支持バー22は、回転軸21の軸方向に所定間隔おきに配置されている。ブレード23は、各支持バー22の先端に固定されている。ブレード23は、例えば樹脂製の帯板部材よりなる。ブレード23の回転方向の前側の端縁は鋭利な先細り形状となっている。
1つのアセンブリを構成する一対のブレード23,23は、軸方向位置が同じでかつ回転方向位置が180度ずれている。アセンブリは、回転軸21の軸方向に沿って複数組(図例では6組)設けられている。
本実施形態の製氷システム50の運転モードには、通常時の製氷運転と、異常発生時に行われるデフロスト運転とが含まれる。
製氷運転では、四路切換弁4が図1の実線の状態に保持される。この場合、圧縮機2が吐出する高温高圧のガス冷媒は、製氷運転において凝縮器として機能する熱源側熱交換器3に流入する。
液化した冷媒は、第1膨張弁5により所定の低圧に減圧され、アイスジェネレータ1の流入口18(図2参照)から、製氷運転において蒸発器として機能するアイスジェネレータ1の熱交換部20に流入する。
生成された氷粒子は、ブレード機構15により掻き取られ、海水流路12Aの内部で海水と混合して氷スラリーとなる。氷スラリーは、内管12の流出口17から流出して海水タンク8に戻る。アイスジェネレータ1の熱交換部20で蒸発して気化した冷媒は、四路切換弁4を経由して圧縮機2に戻される。
デフロスト運転では、四路切換弁4が図1の破線の状態に保持される。この場合、圧縮機2が吐出する高温高圧のガス冷媒は、四路切換弁4を経由して、デフロスト運転において凝縮器として機能するアイスジェネレータ1の熱交換部20に流入する。
図1に示すように、制御装置80は、CPU81とメモリ82とを備える。メモリ82には、EEPRON又はフラッシュメモリなどの揮発性メモリを有する。制御装置80は、コンピュータプログラムを格納するHDD又はSSDなどのストレージも備える。
制御装置80は、メモリ82に読み出したコンピュータプログラムをCPU81が実行することにより、製氷システム50の運転に関する各種の制御を実現する。
本実施形態の制御装置80は、圧縮機2の吐出過熱度に基づく膨張弁制御(図6)を実行可能である。この膨張弁制御に必要なセンサは、冷媒回路60に設けられる以下のセンサ31,32である。なお、当該膨張弁制御の詳細は後述する。
吐出温度センサ32:圧縮機2の吐出配管に取り付けられ、吐出配管の温度を計測する温度センサである。吐出温度センサ32の計測値は、圧縮機2から吐出された冷媒の温度と実質的に等しい。
以下においては、製氷運転の場合を想定して、アイスジェネレータ1の「熱交換部20」を「蒸発器20」という。
アイスジェネレータ1の蒸発器20は、一般に満液式蒸発器20Aを採用することが多い。本実施形態の製氷システム50においても、アイスジェネレータ1の蒸発器20は満液式蒸発器20Aよりなる。
これに対して、図3(b)に示すように、満液式蒸発器20Aの出口の冷媒が、例えば乾き度が0.9程度の湿り状態の場合には、冷凍機油を含む液冷媒が出口までに到達するので、冷凍機油が圧縮機2に戻り易くなり、圧縮機2の油切れを防止ないし抑制できる。
一方、アイスジェネレータ1の冷媒は一般的に「R404A」が使用される。アイスジェネレータ1などの低温機器では、空調機器と比べて蒸発温度が低い分だけ、吐出温度が空調機器よりも高いため、冷媒物性的に吐出温度が低いR404Aがよく使用される。
方策2) 圧縮機2の吸入配管にアキュムレータ(気液分離器)を設置し、満液式蒸発器20Aから戻る冷媒から冷凍機油を回収して圧縮機2に戻す。
また、満液式蒸発器20Aの場合には、比較的大量の冷媒を使用するが、例えばアキュムレータを採用する場合には、冷媒回路60に必要な冷媒量が更に増加し、この点でもコスト高になるという欠点もある。
選定条件) 満液式蒸発器20Aからの返油が可能な乾き度(例えば0.9)で圧縮機2が冷媒を吸入しても、冷媒の希釈による潤滑不良を招来しない吐出過熱度(例えば10deg)以上で圧縮機2が冷媒を吐出可能であること。
図4は、冷媒回路60に一般的に使用される、3種類の冷媒の冷凍サイクルを示すモリエル線図である。
具体的には、図4(a)は、R404Aの冷凍サイクルを示すモリエル線図である。図4(b)は、R410Aの冷凍サイクルを示すモリエル線図である。図4(c)は、R32の冷凍サイクルと示すモリエル線図である。
図4(c)に示すように、R32では、吸入乾き度xが0.9である場合には、吐出過熱度SHは25degとなる。このため、R32は、上述の選定条件を満たす冷媒であり、本実施形態の製氷システム50に採用し得る。
図5に示すように、圧縮機2の吐出過熱度SHは、ポリトロープ指数が大きくなるほど高くなる。また、吐出過熱度SHが11degであるR410Aのポリトロープ指数は1.27であり、吐出過熱度SH=10degに対応するポリトロープ指数は概ね1.25である。
従って、ポリトロープ指数が1.25以上の冷媒を採用すれば、上述の選定条件を満たすことになり、圧縮機2の信頼性を確保できる冷媒回路60が得られる。
上述の選定条件を満たす冷媒(例えば、R410A又はR32)を採用する場合、満液式蒸発器20Aの出口乾き度を概ね0.9に保持する制御が必要になる。
また、満液式蒸発器20Aと圧縮機2との間に過熱手段やアキュムレータを設置しない場合(方策1及び2を採用しない場合)には、満液式蒸発器20Aの出口乾き度xは圧縮機2の吸入乾き度とほぼ等しい。
そこで、本実施形態の制御装置80は、圧縮機2の吐出過熱度の算出値SHdが、使用する冷媒に応じて予め設定された目標範囲(下限値SHL~上限値SHU)に収束するように、第1膨張弁5の開度を調節する。
制御装置80は、製氷運転中において、図6のフローチャートに示す膨張弁制御を所定の制御周期(例えば1~10秒)ごとに実行する。
図6に示すように、制御装置80は、まず、吐出圧力センサ31の計測値と吐出温度センサ32の計測値とを読み込む(ステップS10)。
具体的には、制御装置80は、吐出圧力センサ31の計測値と冷媒(例えば、R410A又はR32)の物性とから、吐出圧力センサ31の計測値における冷媒の飽和温度を算出し、算出した飽和温度を吐出温度センサ32の計測値から差し引くことにより、圧縮機2の吐出過熱度を算出する。
目標範囲は、所定の下限値SHLから所定の上限値SHUまでの範囲である。下限値SLは、冷媒ごとに異なる吐出過熱度の目標値SH_tgtである。例えば、R410Aの場合は目標値SH_tgt=11であり、R32の場合は目標値SH_tgt=25degである。上限値SHUは、目標値SH_tgt+マージン量(例えば1deg)である。
制御装置80は、吐出過熱度の算出値SHdが目標範囲の上限値SHUよりも高い場合(SHd>SHU)は、第1膨張弁5の開度を所定量だけ拡大する(ステップS14)。
制御装置80は、吐出過熱度の算出値SHdが目標範囲内である場合(SHL≦SHd≦SHU)は、第1膨張弁5の開度を維持する(ステップS15)。
今回開示した実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではない。本開示の権利範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれる。
上述の実施形態では、アイスジェネレータ1を1台備えた製氷システム50を例示したが、2台以上のアイスジェネレータ1の海水流路12Aを循環回路70内で直列に接続してもよい。
冷却対象を溶液に一般化する場合には、上述の実施形態に記載の「海水」を「溶液」と読み替えればよい。
2 圧縮機
3 熱源側熱交換器(凝縮器)
4 四路切換弁
5 第1膨張弁
7 レシーバ
8 海水タンク(溶液タンク)
9 ポンプ
10 送風ファン
11 第2膨張弁
12A 海水流路(溶液流路)
12 内管
13 外管
13A 冷媒流路
15 ブレード機構
16 流入口(海水用)
17 流出口(海水用)
18 流入口(冷媒用)
19 流出口(冷媒用)
20 熱交換部(蒸発器)
20A 満液式蒸発器
21 回転軸
22 支持バー
23 ブレード
24 封止壁
25 モータ
31 吐出圧力センサ
32 吐出温度センサ
50 製氷システム
60 冷媒回路
70 循環回路
80 制御装置
81 CPU
82 メモリ
Claims (4)
- 蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷媒回路(60)と、前記冷媒回路(60)の冷却対象である溶液の循環回路(70)とを備える製氷システム(50)であって、
前記循環回路(70)は、アイスジェネレータ(1)の溶液流路(12A)と、溶液を貯める溶液タンク(8)と、前記溶液流路(12A)に溶液を圧送するポンプ(9)とを含み、
前記冷媒回路(60)は、前記アイスジェネレータ(1)の満液式蒸発器(20A)と、圧縮機(2)と、凝縮器(3)と、開度の調整が可能な膨張弁(5)とを含み、
前記膨張弁(5)の開度を調整する膨張弁制御を実行する制御装置(80)をさらに備え、
前記冷媒回路(60)の冷媒が、ポリトロープ指数が1.25以上の冷媒よりなり、
前記制御装置(80)は、前記満液式蒸発器(20A)からの返油が可能な湿り状態の乾き度で当該満液式蒸発器(20A)の流出口(19)から冷媒を流出させると共に、前記圧縮機(2)に吸入させ、かつ、当該圧縮機(2)の吐出過熱度が10deg以上となるように、前記膨張弁制御を実行する、製氷システム(50)。 - 前記圧縮機(2)の吸入させる冷媒の乾き度が0.9である、請求項1に記載の製氷システム(50)。
- 前記制御装置(80)は、前記圧縮機(2)の吐出過熱度が冷媒の種類に応じて予め定めた所定の目標範囲に収まるように、前記膨張弁制御を実行する請求項1に記載の製氷システム(50)。
- 蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷媒回路(60)を備えた製氷システムであって、
前記冷媒回路(60)が、溶液を冷却するためのアイスジェネレータ(1)の満液式蒸発器(20A)と、圧縮機(2)と、凝縮器(3)と、開度の調整が可能な膨張弁(5)とを含み、
前記膨張弁(5)の開度を調整する膨張弁制御を実行する制御装置(80)をさらに備え、
前記冷媒回路(60)の冷媒が、ポリトロープ指数が1.25以上の冷媒よりなり、
前記制御装置(80)は、前記満液式蒸発器(20A)からの返油が可能な湿り状態の乾き度で当該満液式蒸発器(20A)の流出口(19)から冷媒を流出させると共に、前記圧縮機(2)に吸入させ、かつ、当該圧縮機(2)の吐出過熱度が10deg以上となるように、前記膨張弁制御を実行する、製氷システム(50)。
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