JPH06101911A - 非共沸混合冷媒を用いた冷凍サイクル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】圧縮機１，凝縮器２，膨張装置３及び蒸発器４
を含む非共沸混合冷媒を用いた冷凍サイクルで、液また
は気液二相状態の非共沸混合冷媒を、一定圧力下で加熱
した場合の非共沸混合冷媒温度の変化から、飽和ガス温
度及び冷媒組成を求めるようにした飽和ガス温度及び冷
媒組成検出器を備え、また、飽和ガス温度及び冷媒組成
検出器によって検出される飽和ガス温度及び冷媒組成な
どを用いて冷媒流量制御やサイクル内を循環する冷媒の
組成を安定させる。 【効果】非共沸混合冷媒を用いた冷凍サイクルにおい
て、非共沸混合冷媒ガスの過熱度を求めて、冷媒流量制
御を行うことが可能となった。また、安定したサイクル
運転状態が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、非共沸混合冷媒を用い
た冷凍サイクル中の冷媒組成、及び、飽和ガス温度を検
出することにより、適切なサイクル制御が可能な非共沸
混合冷媒を用いた冷凍サイクルに関する。

【０００２】

【従来の技術】冷凍サイクルで冷凍効果を十分に発揮さ
せるには、冷凍サイクル内を循環する冷媒量を適切に制
御することが必要である。従来の冷凍サイクルの多くに
は、単一の冷媒が用いられているが、冷凍サイクルの冷
媒流量制御は、特公平3−77424号公報に記載されている
ように、圧縮機から吐出される冷媒ガスの過熱度が一定
となるように膨張弁の開度を調節することにより行われ
ていた。しかし、従来から多く使用されているＲ１２や
Ｒ２２などの冷媒は、オゾン層破壊の原因となるため、
これらの代替冷媒として高沸点冷媒と低沸点冷媒からな
る非共沸混合冷媒を用いた冷凍サイクルも提案されてい
る。このような混合冷媒サイクルでは、例えば、特開昭
59−24161 号公報に記載されているように、固定絞り装
置が使用されており、上述の冷媒ガス過熱度を一定とす
るような膨張弁開度調節による冷媒流量制御は行われて
いない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の単一冷媒を用い
た冷凍サイクルの膨張弁開度調節による冷媒流量制御の
場合、冷媒ガス過熱度を求めるために冷媒温度及び冷媒
飽和温度を検出していたが、非共沸混合冷媒を用いた冷
凍サイクルの場合には、冷媒飽和温度は圧力冷媒組成を
検知しなければ求めることができず、従来は冷媒組成を
検知する有効な手段がとられていなかった。また、非共
沸混合冷媒を用いた冷凍サイクルの性能は、冷凍サイク
ル内を循環する冷媒の組成の影響をうける。したがっ
て、この冷凍サイクルでは適切な組成の冷媒がサイクル
内を循環することが好ましい。このように、非共沸混合
冷媒を用いた冷凍サイクルで、適切な運転状態を得るに
は非共沸混合冷媒の飽和温度や冷媒組成を求め、その結
果にもとづいて適切なサイクル制御を行うことが重要で
あるが、従来はこれらの課題に対し有効な手段がとられ
ていなかった。

【０００４】本発明の目的は、非共沸混合冷媒を用いた
冷凍サイクルにおいて、サイクル内の冷媒組成及び飽和
温度検出手段を備え、さらに、その検出結果にもとづい
て適切なサイクル制御が可能な非共沸混合冷媒を用いた
冷凍サイクルを提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の非共沸混合冷媒
を用いた冷凍サイクルは、サイクル中の任意の箇所から
液冷媒を取り出し、その冷媒を一定圧力のもとで加熱し
た場合の冷媒温度変化から飽和ガス温度及び冷媒組成を
求めるようにしたもので、冷媒保有部，冷媒加熱手段，
冷媒温度検出手段、及び、冷媒圧力検出手段などから成
る非共沸混合冷媒の飽和ガス温度及び冷媒組成検出手段
を備えたものである。さらには、冷媒温度及び飽和ガス
温度検出結果にもとづいて、膨張装置の抵抗調節による
冷媒過熱度制御を可能とし、また、冷媒組成検出結果に
もとづいて冷凍サイクル中の任意の箇所、例えば、高沸
点冷媒が偏って溜った場合など、その箇所から圧縮機吸
入部へ冷媒を供給可能とすることにより、冷凍サイクル
内を循環する冷媒の組成を適切に制御できるようにし
た。

【０００６】

【作用】冷凍サイクル中の任意の箇所から液冷媒を取出
し上述の冷媒保有部に溜めて、その冷媒を一定圧力のも
とで加熱した場合、液冷媒は徐々にガス化し気液二相状
態から最終的には過熱ガスとなる。この場合、加えられ
た熱は、気液二相状態では液冷媒が蒸発するための潜熱
として使用され、これに対しガス単相状態では、冷媒ガ
スが温度変化するための顕熱として使用される。このた
め気液二相状態から過熱ガスに変わる点、すなわち、飽
和ガスとなったところを境にガス単相状態では気液二相
状態での冷媒加熱の場合よりも冷媒温度の上昇速度がは
やくなる。したがって、冷媒を加熱していった場合の冷
媒温度の時間的変化を求めれば、非共沸混合冷媒が気液
二相状態からガス状態に変わるいわゆる飽和ガス状態の
ところを境に冷媒温度上昇の傾きが変化するので、飽和
ガス温度がわかる。一方、上述の冷媒保有部内を冷媒が
流れた状態で飽和ガス温度及び冷媒組成を求める場合に
は、冷媒温度検出手段を複数とし、これらの検出手段を
冷媒の流れ方向に配置し、冷媒が冷媒保有部内で気液二
相状態からガス単相状態となるように一様に加熱された
ときの、冷媒の流れ方向に対する冷媒温度分布の傾向を
求めればよい。この傾向は、前述したように気液二相で
の潜熱交換の場合、ガス単相での顕熱交換の場合とで異
なる。すなわち、冷媒流れ方向に対する冷媒温度変化の
勾配が異なるので、その勾配が変化する点の温度が飽和
ガス温度である。

【０００７】また、飽和ガス状態の場合、圧力が既知で
あれば飽和ガス温度と冷媒組成は一義的に定まるので、
この方法で飽和ガス温度を求めると同時に冷媒圧力を検
出すれば冷媒組成を求めることができる。

【０００８】さらに、前述の手段で求めた飽和ガス温度
と、圧縮機からの吐出冷媒または蒸発器出口冷媒（圧縮
機吸入冷媒）用の冷媒温度検出手段により冷媒温度を検
出すると、これらの温度差、すなわち、冷媒過熱度が一
定となるように膨張装置の抵抗を調節することにより、
冷媒流量制御が可能となる。

【０００９】さらには、前述の手段で冷凍サイクル中の
任意箇所の冷媒組成を求め、この結果をもとにこの任意
の箇所から、例えば圧縮機吸入部へ冷媒を供給してやれ
ば圧縮機から吐出され冷凍サイクル内を循環する冷媒の
組成が制御される。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の一実施例について説明する。

【００１１】図１は、非共沸混合冷媒の飽和ガス温度及
び冷媒組成検出器を、冷凍サイクルに適用した一例を示
したもので、このサイクルは圧縮機１，凝縮器２，膨張
弁３，蒸発器４，飽和ガス温度及び冷媒組成検出器５、
及び、開閉弁６などから構成されている。冷媒は非共沸
混合冷媒である。圧縮機１から吐出される高温，高圧の
冷媒ガスは、凝縮器２へ流入し常温の空気などにより冷
却されて凝縮液化する。凝縮液化した冷媒は膨張弁３に
より減圧され、蒸発器４へ流入する。ここで低温を発生
するとともに冷媒は蒸発しガス化して流出し、次に圧縮
機１に再度吸入される。飽和ガス温度及び冷媒組成検出
器５は、凝縮器２と膨張弁３を接続している液配管に開
閉弁６を介して接続され、さらに、蒸発器４と圧縮機１
を接続している吸入配管に接続されている。この飽和ガ
ス温度及び冷媒組成検出器５は、図２に示されているよ
うに冷媒保有管７，液冷媒加熱器８，冷媒圧力検出器
９，冷媒温度検出器１０、及び、冷媒圧力検出器９，冷
媒温度検出器１０からの出力信号を取り込み処理して、
サイクル制御するための駆動回路を有する制御器１１か
ら構成されている。飽和ガス温度及び冷媒組成検出器５
内の冷媒保有管７は、サイクル中の液冷媒が存在してい
る箇所及びその箇所より冷媒圧力の低い箇所にそれぞれ
接続される。飽和ガス温度及び冷媒組成検出器５では、
開閉弁６を開状態にし検出対象の冷媒が供給された後、
再度、開閉弁６を閉状態とした後、飽和ガス温度及び冷
媒組成検出器５内で以下の動作が行われて飽和ガス温度
及び冷媒組成が求められる。すなわち、冷媒保有管７に
液または気液二相状態の非共沸混合冷媒が供給され、こ
の液冷媒が一定圧力下で液冷媒加熱器８により加熱され
ると、液冷媒は徐々にガス化し気液二相状態から飽和ガ
ス状態，過熱ガス状態と変化する。なお、この場合の冷
媒圧力は、飽和ガス温度及び冷媒組成検出器５が冷凍サ
イクルの低圧側に接続されているので、その圧力で一定
となる。冷媒温度は温度検出器１０で検出され、図３の
圧力一定における温度と冷媒組成の関係図に示されてい
るように、ある冷媒組成ξの状態で徐々に上昇する。ま
ず気液二相状態の場合には、冷媒温度はガス相及び液相
の組成の変化に伴って変化するが、加えられた熱は冷媒
が液状態からガス状態に変化するため使用される、いわ
ゆる、潜熱量である。これに対しガス状態の冷媒への加
熱は、冷媒ガスの温度上昇として表れる顕熱である。し
たがって、冷媒保有管７に保有されている非共沸混合冷
媒の温度は、図４に示されているようになり、その上昇
の傾きが気液二相状態の場合とガス状態の場合とで異な
る。すなわち、冷媒温度の上昇速度が飽和ガス温度の点
を境に急激に変化する。圧力一定のもとでは、飽和ガス
温度は冷媒組成と一義的な関係となるため、冷媒圧力検
出器９により冷媒圧力を検出し、冷媒温度検出器１０に
より冷媒温度を検出し冷媒温度の時間的変化を求めれ
ば、その傾きの変化から飽和ガス温度が求められる。な
お、液冷媒加熱器８の熱源または熱源機器としては、冷
凍サイクル中の吐出ガス冷媒など高温の冷媒や電気ヒー
タなどを用いればよい。このように、冷凍サイクル中の
冷媒組成及び飽和ガス温度がわかれば、例えば、予め適
切な冷媒組成を記憶させておけば、冷凍サイクル中の冷
媒の組成が負荷に見合った組成となっているかどうかな
どの判断が可能となる。

【００１２】図５，図６，図７，図８，図９は、前記し
た飽和ガス温度及び冷媒組成検出器５を備え、この検出
器で飽和ガス温度及び冷媒組成を検出し、その結果を用
いて冷凍サイクルを制御するようにした第二ないし第六
の実施例である。これらの冷凍サイクルの主構成要素、
飽和ガス温度及び冷媒組成検出器５及びそれらの動作
は、前記した図１，図２，図３の場合と同じであるた
め、その説明は省略する。

【００１３】図５は、蒸発器４出口配管部に冷媒温度検
出用の冷媒温度検出器１２が設置されており、この結果
を飽和ガス温度及び冷媒組成検出器５に内蔵の制御器１
１に取り込み、この冷媒温度と飽和ガス温度及び冷媒組
成検出器５より検出した蒸発器４の出口圧力における飽
和ガス温度との差、すなわち、蒸発器４の出口の冷媒過
熱度が一定となるように膨張弁３の開度を調節可能とし
た非共沸混合冷媒を用いた冷凍サイクルを示したもので
ある。この冷凍サイクルによれば、冷媒として非共沸混
合冷媒を用いても、蒸発器４出口の冷媒過熱度を求めて
膨張弁３開度調節による冷媒流量制御が可能となる。

【００１４】図６に示されている例は、冷媒温度検出器
１２が圧縮機１の冷媒吐出側に取付けられ、圧縮機１か
ら吐出される冷媒の温度が検出できるようになっている
点、及び、圧縮機１の吐出冷媒圧力における飽和ガス温
度が検出できるように、飽和ガス温度及び冷媒組成検出
器５が圧縮機１と凝縮器２の接続配管に接続されている
点が図５の例と異なっている。すなわち、本実施例によ
れば圧縮機１の吐出冷媒過熱度が一定となるように膨張
弁３の開度調節による冷媒流量制御が行われるようにな
っているので、図５の場合と同様に冷媒として非共沸混
合冷媒を用いても、吐出ガスを一定とする冷媒流量制御
が可能である。

【００１５】図７の例は、凝縮器２と膨張弁３の間に受
液器１５が配置されており、飽和ガス温度及び冷媒組成
検出器５に、液冷媒が受液器１５から供給されるように
なっている。また、受液器１５からは圧縮機１と蒸発器
４の接続配管途中に開閉弁１３とキャピラリチューブ１
４を介して配管が接続されている。その他は図１の例と
同じ構成となっている。すなわち、受液器１５内の冷媒
組成が検出されるようになっており、この検出器５での
検出結果が、例えば、高沸点冷媒の割合が極端に大きい
混合冷媒となっている場合には、飽和ガス温度及び冷媒
組成検出器５に内蔵されている制御器１１の指令により
開閉弁１３を開状態とし、高沸点冷媒の割合の大きい冷
媒を圧縮機吸入部へバイパス供給してやることにより、
圧縮機１から吐出されて冷凍サイクル内を循環する冷媒
の組成を適切なものにしてやることが可能となる。すな
わち、冷媒組成制御を行うことにより適切なサイクル運
転状態を得ることができる。

【００１６】図８の例は、蒸発器４と圧縮機１の間にア
キュムレータ１６が配置されており、飽和ガス温度及び
冷媒組成検出器５には、液冷媒がアキュムレータ１６か
ら供給されるようになっている。また、アキュムレータ
１６からは、圧縮機１とアキュムレータ１６の接続配管
の途中に開閉弁１３を介して配管が接続されている。そ
の他は図１の例と同じ構成となっている。すなわち、ア
キュムレータ１６内の冷媒組成が検出されるようになっ
ており、検出器５での検出結果が、例えば、高沸点冷媒
の割合が極端に大きい状態で混合冷媒が溜っている場合
には、飽和ガス温度及び冷媒組成検出器５に内蔵されて
いる制御器１１の指令により開閉弁１３を開状態とし、
高沸点冷媒の割合の大きい冷媒を強制的に圧縮機吸入部
へ供給してやることにより、圧縮機１から吐出されて冷
凍サイクル内を循環する冷媒の組成を適切なものにして
やることが可能となる。すなわち、冷媒組成制御を行う
ことにより適切なサイクル運転状態を得ることができ
る。

【００１７】図９の例は、凝縮器２と膨張弁３の接続配
管から分岐した配管が、開閉弁１３及びキャピラリチュ
ーブ１４を介し、蒸発器４と圧縮機１の接続配管に接続
されている。その他は図１に示されている冷凍サイクル
と同じである。本冷凍サイクルでは、負荷の一時的な変
動などの外乱の影響によって冷媒組成が変化した場合に
飽和ガス温度及び冷媒組成検出器５に内蔵の制御器１１
の指令によって開閉弁１３を開状態とすることにより、
冷媒が圧縮機１の冷媒吸入側に供給され、冷凍サイクル
内を循環する冷媒の組成の安定化が図れる。

【００１８】また、本発明の他の実施例として、飽和ガ
ス温度及び冷媒組成検出器５を、図７，図８及び図９な
どに示されている箇所などに複数個配置し、冷凍サイク
ル中の冷媒組成分布を検出できるようにし、その結果に
もとづいて図７，図８，図９に示されている手段、すな
わち、それぞれの箇所から圧縮機の冷媒吸入側へ冷媒を
供給することにより冷凍サイクル内を循環する冷媒の組
成を安定化させることができる。

【００１９】なお、以上の実施例では図２に示されてい
る非共沸混合冷媒の飽和ガス温度及び冷媒組成検出器を
用いた場合について説明したが、図１０に示されている
飽和ガス温度及び冷媒組成検出器１７を用いてもよい。
この検出器１７は冷媒保有管７，冷媒加熱器８，冷媒圧
力検出器９，冷媒温度検出器１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，
１０ｄ，１０ｅ及び制御器１１から構成されており、飽
和ガス温度及び冷媒組成検出時には、冷媒保有管７内に
は、常時、液冷媒が供給され冷媒が流れている。冷媒温
度検出器１０は冷媒入口側から冷媒出口側に向かって複
数個配置されている。冷媒加熱器８は、冷媒保有管７内
を流れる冷媒を冷媒流れ方向に一様に加熱できるように
設置される。この飽和ガス温度及び冷媒組成検出器１７
内を流されている冷媒が冷媒加熱器８で加熱されると、
冷媒保有管７の入口側から出口側に向かって液冷媒は徐
々に蒸発し、気液二相状態からガス単相状態となって流
出する。この場合、冷媒保有管７内の冷媒温度は、複数
個配置した冷媒温度検出器１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１
０ｄ，１０ｅで検出され、図１１に示されているように
なる。すなわち、冷媒保有管７の入口側から出口側に向
かっての冷媒温度変化は、気液二相域よりガス単相域で
の冷媒温度上昇が激しく、気液二相状態からガス単相状
態へ変化する飽和点のところを境に冷媒温度変化の勾配
も変わる。したがって、この検出器１７の場合には冷媒
保有管７内に冷媒を流した状態で飽和ガス温度及び冷媒
組成が検出できる。検出器１７に使用する冷媒温度検出
器の数は、冷媒保有管７内を流す冷媒量などによって適
宜決定すればよい。

【００２０】

【発明の効果】本発明によれば、非共沸混合冷媒を用い
た冷凍サイクルにおいて、冷凍サイクルの高圧側圧力及
び低圧側圧力における非共沸混合冷媒の飽和ガス温度及
び冷媒組成の検出が可能であるため、蒸発器出口冷媒
（圧縮機吸入冷媒）または圧縮機吐出冷媒の過熱度が一
定となるように、膨張装置の抵抗調節による冷媒流量制
御ができるので、冷凍負荷の変化があっても能力不足な
どを生じることもなく、安定したサイクル性能が得られ
る。

【００２１】また、冷凍サイクル内の冷媒組成が検出で
きるために、冷凍サイクル内を循環する冷媒の組成が適
切となっているかどうかや、冷媒洩れによる冷媒組成変
化がないか等の判断が可能となる。さらに、受液器やア
キュムレータなどに偏って高沸点冷媒割合の大きい混合
冷媒が溜っているかどうかの判断をし、もし偏っていた
ならばその冷媒を圧縮機の吸入部へ供給できるので、冷
凍サイクル内を循環する冷媒の組成が安定し、良好な運
転状態が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例で非共沸混合冷媒を用いた冷
凍サイクルのサイクル系統図。

【図２】非共沸混合冷媒の飽和ガス温度及び冷媒組成検
出器の説明図。

【図３】非共沸混合冷媒の飽和ガス温度の検出方法の説
明図。

【図４】非共沸混合冷媒の冷媒組成の検出方法の説明
図。

【図５】本発明の第二の実施例で非共沸混合冷媒を用い
た冷凍サイクルのサイクル系統図。

【図６】本発明の第三の実施例で非共沸混合冷媒を用い
た冷凍サイクルのサイクル系統図。

【図７】本発明の第四の実施例で非共沸混合冷媒を用い
た冷凍サイクルのサイクル系統図。

【図８】本発明の第五の実施例で非共沸混合冷媒を用い
た冷凍サイクルのサイクル系統図。

【図９】本発明の第六の実施例で非共沸混合冷媒を用い
た冷凍サイクルのサイクル系統図。

【図１０】非共沸混合冷媒の飽和ガス温度及び冷媒組成
検出器の説明図。

【図１１】非共沸混合冷媒の飽和ガス温度及び冷媒組成
の検出方法の説明図。

【符号の説明】

１…圧縮機、２…凝縮器、３…膨張装置、４…蒸発器、
５，１７…飽和ガス温度及び冷媒組成検出器、８…冷媒
加熱器、９…冷媒圧力検出器、１０，１２…冷媒温度検
出器、１１…制御器、１５…受液器、１６…アキュムレ
ータ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧縮機，凝縮器，蒸発器、及び、膨張装置
   を含み、高沸点冷媒と低沸点冷媒から成る非共沸混合冷
   媒を用いた冷凍サイクルにおいて、冷媒保有部，冷媒加
   熱手段，冷媒圧力検出手段，冷媒温度検出手段、及び、
   前記冷媒圧力検出手段と前記冷媒温度検出手段により検
   出された出力信号を処理する制御器を備え、前記冷凍サ
   イクル中の任意の箇所から前記冷媒保有部に液冷媒の供
   給を受けて、前記冷媒を一定圧力下で前記冷媒加熱手段
   により加熱し、冷媒温度変化から前記一定圧力における
   非共沸混合冷媒の飽和ガス温度及び冷媒組成を求めるよ
   うにしたことを特徴とする非共沸混合冷媒を用いた冷凍
   サイクル。