JP7267063B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1は、膨張機のバイパス流路によって、密度比一定の制約を回避できるだけでなく、放熱器出口側の冷媒とバイパス流路の冷媒とで内部熱交換を行うことにより、動力回収に寄与しないバイパス流路を流れる冷媒を最小限に抑制する冷凍サイクル装置が提案されている。特許文献1の冷凍サイクル装置は、圧縮機、放熱器、内部熱交換器、膨張機、蒸発器を直列に接続した主冷媒回路と、膨張機の入口側から分岐し、第1の流量制御弁、内部熱交換器を経由して、膨張機の出口側を接続するバイパス流路とを備えている。
また、本発明者らの検討よれば、HFO-1233zd(E)などの低圧冷媒は、膨張ノズルの入口側の圧力が低いために、ノズル内で液滴が微細化されにくく、高圧冷媒を使用した場合に比べてノズル効率およびタービン効率は低い。また、膨張機において、ノズル入口の過冷却度が大きくなるほど、ノズル効率が低下する。
この場合、本発明の冷凍サイクル装置は、好ましくは、性能情報に基づいて予め設定される過冷却度に計測される過冷却度が該当するときの流量調整弁の開度を固定して運転される。
好ましくは、運転開始時において、流量調整弁の開度が固定される。
本実施形態に係る冷凍サイクル装置10は、図1に示すように、冷媒を圧縮する圧縮機11と、圧縮機11によって圧縮された高温高圧の流体である冷媒ガスを冷却水によって凝縮する凝縮器13と、凝縮器13にて凝縮された液相の冷媒(液冷媒)に対して過冷却を与えるサブクーラ15と、を備える。また、冷凍サイクル装置10は、サブクーラ15を経た液冷媒を膨張させる膨張機19と、膨張機19を経た冷媒が供給される気液分離器21と、を備えている。また、冷凍サイクル装置10は、気液分離器21で分離された液冷媒を低圧に減圧する膨張弁23と、冷凍サイクル装置10は、膨張弁23によって膨張させられた液冷媒を蒸発させると共に冷媒と冷水とを熱交換する蒸発器25と、を備えている。冷凍サイクル装置10は、圧縮機11、凝縮器13、サブクーラ15、膨張機19および蒸発器25を冷媒流路L1、L2、L3、L5、L6、L7およびL9により接続して冷凍サイクルを構成している。
また、冷凍サイクル装置10は、気液分離器21で分離・蒸発されたガス冷媒を圧縮機11に注入するインジェクション流路L8を備えている。
さらに、冷凍サイクル装置10は、各センサからの入力に応じて圧縮機11および流量調整弁17を制御する制御装置30を備えている。
2段圧縮式の圧縮機11は、低段側の圧縮機構と高段側の圧縮機構を備え、低段側の圧縮機構で圧縮された中間圧の冷媒ガスに、インジェクション流路L8を介して、気液分離器21で分離・蒸発されたガス冷媒が注入(インジェクション)される。
凝縮器13およびサブクーラ15には、これらを冷却するための図示を省略する冷却伝熱管が挿通されており、冷却水を冷却源として冷媒ガスを凝縮する。
流量調整弁17は、制御装置30の指示にしたがって、バイパス流路L4を流れる冷媒の流量を調整することにより、サブクーラ15を流れる冷媒の流量を制御する。
蒸発器25は、冷水を用いて吸熱することによって定格温度(例えば7℃)の冷媒ガスを生成する装置である。蒸発器25には、図示を省略する冷水伝熱管が挿通されている。
図2に示される本実施形態に係るモリエル線図および図1を参照しながら、冷凍サイクル装置10の冷凍サイクルの全体動作について説明する。図2に示されるP1~P8は、それぞれ図1に示すP1~P8に対応する。
圧縮機11から吐出された高温高圧のガス冷媒(P1)は、凝縮器13に流入する。凝縮器13に流入した冷媒は、本実施形態においては水と熱交換して凝縮し、凝縮器13から流出する。
膨張機19に流入した冷媒は、膨張機19によって膨張および減圧され(P3)、気液二相冷媒となり、気液分離器21に流入する。気液分離器21に流入した気液二相冷媒は、気液分離器21によって気液分離され、エンタルピの低い液冷媒(P4)は、冷媒流路L6を介して膨張弁23へ向かい、液冷媒よりもエンタルピの高いガス冷媒はインジェクション流路L8を介して圧縮機11へ向かう。
次に、図2、図3および図4を参照して、膨張機19に流入する冷媒の過冷却度を調整する手順を説明する。
図3は、膨張機19における過冷却度に関する性能情報の一例である過冷却度とノズル効率との関係を示している。図3に示すように、過冷却度が高くなるとノズル効率が低下し、膨張機19における特性も低下する。図3に示される過冷却度とノズル効率の傾向は、HFO-1233zd(E)などの低圧冷媒に固有のものである。一方で、過冷却度を大きくすると蒸発器25における熱交換量が増加し、冷凍サイクル装置10におけるサイクル性能は向上する。したがって、膨張機19における特性と蒸発器25における特性とを考慮すると、適切な過冷却度で冷凍サイクル装置10が運転される必要があり、膨張機19を適用したことにより性能向上の効果を享受できない。
一方、凝縮圧力が設定圧力未満の圧力であれば(S101 YES)、冷凍サイクル装置10を流れる冷媒は低圧冷媒であるから、図3のS103以降の過冷却度の調整手順が実行される。
同様に、本実施形態は実線の矢印Aで示され、図2においては、凝縮を示すX軸方向の線分と飽和液線との交点と矢印Aの始点とが一致するように描かれている。この図2における矢印Aの始点の位置は、過冷却度によって図中の右または左にずれる。つまり、過冷却度が低くなるとこの始点は図中の右側にずれ、過冷却度が高くなるとこの始点は図中の左側にずれる。
図3に示したように、膨張機19におけるノズル効率は過冷却度が大きくなると低くなる傾向がある。一方で、蒸発器25での熱交換量は過冷却度を大きくなると増加し、冷凍サイクルの性能は向上する傾向がある。この過冷却度に関して二つの相反する傾向を考慮して、設定SCが定められる。この設定SCは、制御装置30に予め保持されており、計測されるSCと比較される。
計測される過冷却度(SC)が設定される過冷却度(設定SC)未満であれば(S105 YES)であれば、制御装置30は流量調整弁17を閉じて弁開度を小さくする(S107)。流量調整弁17の開度を小さくすると、サブクーラ15を通過する冷媒の量が増えるので、膨張機19に流入する冷媒の過冷却度が大きくなる。
次に、冷凍サイクル装置10が奏する効果を説明する。
冷凍サイクル装置10は、流量調整弁17を備えるバイパス流路L4をサブクーラ15と並行に設け、膨張機19の入口における過冷却度を調整できる。したがって、冷凍サイクル装置10は、冷凍サイクル装置10の効率を維持しつつ、膨張機19においてノズル効率が低下しない程度の過冷却度で冷凍サイクル装置10を運転できる。
冷凍サイクル装置20においても、流量調整弁17の開度を調整することにより、サブクーラ15を流れる冷媒の量を制御できる。この冷凍サイクル装置20においても、膨張機19に流入する冷媒の過冷却度を、冷凍サイクル装置20の運転にとって最適に制御できる。
11 圧縮機
13 凝縮器
15 サブクーラ
17 流量調整弁
19 膨張機
21 気液分離器
23 膨張弁
25 蒸発器
30 制御装置
L4,L10 バイパス流路
L8 インジェクション流路
Claims (3)
- 圧縮機と、
前記圧縮機から吐出された冷媒を凝縮させる凝縮器と、
前記凝縮器から流出した前記冷媒に過冷却度を与えるサブクーラと、
前記サブクーラから流出した前記冷媒を減圧させて気液二相冷媒にする膨張機と、
前記膨張機に流入する前記冷媒の過冷却度を調整する過冷却度調整機構と、
前記膨張機から流出した前記気液二相冷媒を気液分離する気液分離器と、
前記気液分離器によって気液分離された液冷媒を減圧させる膨張弁と、
前記膨張弁から流出した前記液冷媒を蒸発させ、かつ、流出した前記冷媒が前記圧縮機に吸入される蒸発器と、
前記凝縮器と前記膨張機を接続し、前記サブクーラが設けられる冷媒流路と、を備え、
前記過冷却度調整機構は、
前記冷媒流路に並行に設けられるバイパス流路と、
前記バイパス流路に設けられ、前記バイパス流路を流れる前記冷媒の流量を調整する流量調整弁と、を備え、
前記流量調整弁は、
前記膨張機における過冷却度に関する性能情報に基づいて、その開度が調整される、
冷凍サイクル装置。
- 前記性能情報に基づいて予め設定される過冷却度に計測される過冷却度が該当するときの前記流量調整弁の前記開度を固定して運転される、
請求項1に記載の冷凍サイクル装置。
- 運転開始時において、前記流量調整弁の前記開度を固定する、
請求項2に記載の冷凍サイクル装置。
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