TW201312068A - 氣液熱交換型冷凍裝置 - Google Patents

Abstract

本發明的課題在於提供一種氣液熱交換型冷凍裝置，能抑制伴隨壓縮機的回轉數的變動而發生的冷凍能力的變動，並抑制在壓縮機出口處的吐出溫度的上昇，而能防止冷凍機油發生劣化。為了解決上述課題，提供一種氣液熱交換型冷凍裝置，是根據冷媒管路L1～L5，將壓縮機1、凝結器2、熱交換控制閥3、氣液熱交換器4、膨脹閥5及蒸發器6，串聯地連接，形成閉路的冷媒循環回路而構成，其中：在冷媒循環回路的壓縮機1與凝結器2之間，設置吐出溫度感測器7，並在熱交換控制閥3與氣液熱交換器4之間，設置壓力感測器8，且設有控制器(控制手段)10，所述控制器10基於根據吐出溫度感測器7所檢測出來的在壓縮機1的出口處的冷媒溫度與根據壓力感測器8所檢測出來的在熱交換控制閥3的出口處的冷媒壓力，來控制熱交換控制閥3的開度。

Description

氣液熱交換型冷凍裝置

本發明關於一種氣液熱交換型冷凍裝置，其構成：在凝結器凝結後的冷媒與在蒸發器蒸發後的冷媒，於氣液熱交換器中，互相作熱交換，使所述各冷媒分別過冷卻和過熱，藉此來提高冷凍能力。

一般來說，冷凍裝置，是根據冷媒管路，將壓縮機、凝結器、膨脹閥及蒸發器串聯地連接而構成的閉路的冷媒循環回路，根據壓縮機而被壓縮後的高壓氣態冷媒，在凝結器中放熱而液化，成為高壓的液態冷媒，然後根據膨脹閥使該液態冷媒膨脹(等焓膨脹)而減壓後，在蒸發器中，使沸點下降後的低壓液態冷媒蒸發，根據從冷凍庫內部等處奪取蒸發所需要的蒸發潛熱，來冷卻冷凍庫內部等處。

作為提高此種冷凍裝置的冷凍能力或成績係數(COP)的方法，已知有一種方法，所述方法是在冷媒循環回路的蒸發器與膨脹閥之間設置氣液熱交換器，並使在凝結器凝結後的冷媒與在蒸發器中蒸發後的冷媒，在氣液熱交換器中作熱交換，而使所述各冷媒過冷卻和過熱。

另外，在專利文獻1中，針對裝設有氣液熱交換器的冷凍空調裝置，提出一種裝置，所述裝置是在冷媒循環回路的凝結器與氣液熱交換器之間及氣液熱交換器與蒸發器之間，分別設置膨脹閥，並基於凝結器出口的冷媒溫度與壓縮機入口的冷媒溫度來控制膨脹閥的開度，根據將在蒸發器出口的冷媒的乾度保持在規定的目標值來實現高效率的運轉，並消除起因於蒸發器變乾(冷媒量少)而產生的結露水飛散等的不良情況。

[先前專利文獻]

(專利文獻)

專利文獻1：日本特開2009-162388號公報

然而，若是在如冷凍車這樣的壓縮機的回轉數會大幅地變動的環境下，使專利文獻1所提出的冷凍空調裝置運轉的情況，則氣液熱交換器的熱交換性能也會伴隨壓縮機的回轉數變動而大幅地變化。例如，若壓縮機的回轉數降低則冷媒循環量減少，由於在氣液熱交換器中的熱交換量不足而導致發生冷卻不良，相反地，若壓縮機的回轉數增加則冷媒循環量增大，由於熱交換量過多而招致在壓縮機出口處的冷媒吐出溫度上升不足，而發生冷凍機油劣化等的問題。

本發明是鑑於上述問題而開發出來，其目的在於提供一種氣液熱交換型冷凍裝置，能抑制伴隨壓縮機的回轉數的變動而發生的冷凍能力的變動，並抑制在壓縮機出口處的吐出溫度的上昇，而能防止冷凍機油發生劣化。

為了達成上述目的，申請專利範圍第1項的氣液熱交換型冷凍裝置，是根據冷媒管路，至少將壓縮機、凝結器、熱交換控制閥、氣液熱交換器、膨脹閥及蒸發器，串聯地連接，而構成閉路的冷媒循環回路，並使在前述凝結器中凝結且根據前述熱交換控制閥而被減壓後的冷媒與在前述蒸發器中蒸發後的冷媒，在前述氣液熱交換器中作熱交換而使所述各冷媒分別過冷卻或過熱，所述氣液熱交換型冷凍裝置的特徵在於：

在前述冷媒循環回路的前述壓縮機與前述凝結器之間，設置吐出溫度感測器，並在前述熱交換控制閥與前述氣液熱交換器之間，設置壓力感測器，且設有控制手段，所述控制手段基於根據前述吐出溫度感測器所檢測出來的在壓縮機的出口處的冷媒溫度與根據前述壓力感測器所檢測出來的在熱交換控制閥的出口處的冷媒壓力，來控制前述熱交換控制閥的開度。

申請專利範圍第2項所述的發明，是針對申請專利範圍第1項所述的發明，其中：前述控制手段，若前述壓縮機的回轉數降低則縮小前述熱交換控制閥的開度，若前述壓縮機的回轉數增加，則增大前述熱交換控制閥的開度。

申請專利範圍第3項所述的發明，是針對申請專利範圍第1項所述的發明，其中：前述控制手段，若根據前述吐出溫度感測器所檢測出來的在壓縮機的出口處的冷媒溫度超過設定值，則將前述熱交換控制閥的開度縮小至會使冷媒維持在氣液混合狀態的值為止，所述冷媒是在利用該熱交換控制閥而被減壓且通過前述氣液熱交換器後的冷媒。

根據申請專利範圍第1項和第2項所述的發明，由於若壓縮機的旋轉數降低則縮小熱交換控制閥的開度，所以流過氣液熱交換器的冷媒的流速上升，熱交換量增加，而根據此熱交換量的增加，伴隨由於回轉數降低而減少冷媒循環量所造成的在氣液熱交換器中的熱交換量的減少，會受到補償，於是可抑制由於熱交換量不足所產生的冷卻不良的情況。

又，由於若壓縮機的旋轉數增加則增大熱交換控制閥的開度，所以流過氣液熱交換器的冷媒的流速下降，熱交換量減少，而根據此熱交換量的減少，伴隨由於回轉數增大而增加冷媒循環量所造成的在氣液熱交換器中的熱交換量的增加，會受到補償，於是可抑制由於熱交換量過多所產生的在壓縮機的出口處的冷媒的吐出溫度的上升。

根據申請專利範圍第3項所述的發明，由於若壓縮機的出口處的冷媒溫度超過設定值，則大幅地縮小熱交換控制閥3的開度，以使利用熱交換控制閥而被減壓且經過氣液熱交換器後的冷媒維持在氣液混合狀態，因此以氣液二相流的形態通過氣液熱交換器的冷媒與來自蒸發器的氣態之間的溫度差會變小，於是在氣液熱交換器中的兩冷媒的熱交換量會被抑制成較低。因此，在壓縮機的入口處的冷媒過熱度會被抑制成較低，且可抑制在壓縮機的出口處的冷媒的吐出溫度的上升，而可防止冷凍機油的劣化。

以下，參照圖面來說明本發明的實施形態。

第1圖是本發明的氣液熱交換型冷凍裝置的冷媒回路圖，在圖示的氣液熱交換型冷凍裝置中，壓縮機1、凝結器2、熱交換控制閥3、氣液熱交換器4、膨脹閥5及蒸發器6，根據冷媒管路L1、L2、L3、L4、L5而串聯地連接，而構成閉路的冷媒循環回路。此處，熱交換控制閥3，被設置在冷媒管路L2上，所述冷媒管路L2是用以連接凝結器2與氣液熱交換器4；膨脹閥5，被設置在冷媒管路L3上，所述冷媒管路L3是用以連接氣液熱交換器4與蒸發器6。另外，熱交換控制閥3，是由以無段的方式來控制開度的電子控制閥所構成。

又，在本發明的氣液熱交換型冷凍裝置中，吐出溫度感測器7被設置在用以連接壓縮機1與凝結器2的冷媒管路L1上，壓力感測器8被設置在冷媒管路L2的熱交換控制閥3與氣液熱交換器4之間，蒸發溫度感測器9則被設置在用以連接蒸發器6與氣液熱交換器4的冷媒管路L4上，這些吐出溫度感測器7、壓力感測器8及蒸發溫度感測器9，被電連接至控制手段即控制器10上。進而，由電子控制閥所構成的熱交換控制閥3，被電連接至控制器10，如後所述，熱交換控制閥3根據來自控制器10的控制信號來控制其開度。

繼而，以下，使用第2圖所示的莫里爾圖(P-i線圖、P-h線圖)來說明本發明的氣液熱交換型冷凍裝置的作用。

若壓縮機1根據驅動源即未圖示的引擎而被回轉驅動，則位於第2圖的a處所示的狀態(壓力P₁、焓i₁)的氣態冷媒，根據壓縮機1而被壓縮，成為在第2圖的b處所示的狀態(壓力P₂、焓i₂)的高溫高壓氣態冷媒(壓縮行程)，此氣態冷媒通過冷媒管路L1而被導入凝結器2內。另外，此時的壓縮機1的壓縮動力W(換算成熱量)以(i₂-i₁)來表示。

在凝結器2中，高溫高壓的氣態冷媒，將凝結熱Q₂放出至外氣中，由第2圖的b處的狀態變化成c處的狀態(相變化)而液化(凝結行程)，成為在第2圖的c處所示的狀態(壓力P₂、焓i₃)的高壓液態冷媒。另外，此時的放熱量(凝結熱)Q₂以(i₂-i₃)來表示。

然後，如上述，在凝結器2中液化而成的高壓液態冷媒，在第2圖中，例如經過以B表示的路徑(條件)而作狀態變化。即，在凝結器2中液化而成的高壓液態冷媒，通過冷媒管路L2而到達熱交換控制閥3，根據該熱交換控制閥3，被減壓至壓力P₃為止來進行絕熱膨脹(等焓膨脹)(膨脹行程)，成為在第2圖的d處所示的狀態(壓力P₃、焓i₃)，其一部分的冷媒會氣化。

如上述，一部分氣化後的冷媒，會通過冷媒管路L2而被導入氣液熱交換器4中，在此氣液熱交換器4中，如後述，在蒸發器6中蒸發而氣化後的氣態冷媒，由於經過冷媒管路L4而被導入，所以從冷媒管路L2而往氣液熱交換器4導入的冷媒(一部分氣化後的冷媒)，會與在蒸發器6中蒸發而從冷媒管路L4導入的低溫氣態冷媒作熱交換，藉此而被過冷卻，成為在第2圖的e處所示的狀態(壓力P₃、焓i₄)的液態冷媒。另外，此情況的過冷卻熱量ΔQ₂以(i₃-i₄)來表示。

然後，如上述，在氣液熱交換器4中被過冷卻後的冷媒，根據通過膨脹閥5而被再度減壓來進行絕熱膨脹(等焓膨脹)(膨脹行程)，狀態變化成在第2圖的f處所示的狀態(壓力P₁、焓i₄)，於是其一部分的冷媒氣化，並根據被減壓而降低沸點。如此，根據膨脹閥5而被減壓且沸點降低後的冷媒，從冷媒管路L3而被導入蒸發器6，在流過該蒸發器6的過程中，該冷媒會從周圍奪取蒸發熱Q₁而蒸發，從在所述f處所示的狀態，變化成在g處所示的狀態(壓力P₁、焓i₅)而氣化(蒸發行程)。此時的蒸發熱Q₁以(i₅-i₄)來表示，但是如前述，要被膨脹閥5減壓前的冷媒，在氣液熱交換器4中，會被過冷卻ΔQ₂(=i₃-i₄)，所以蒸發熱會增加此過冷卻量的熱量ΔQ₂，於是冷凍能力也會增加相當於ΔQ₂的量。

之後，在蒸發器6中蒸發而成的低壓氣態冷媒，如前述，在從冷媒管路L4流過氣液熱交換器4的過程中，用來使從冷媒管路L2被導入至氣液熱交換器4中的高壓冷媒過冷卻，所以所述低壓氣態冷媒的溫度上升，在被吸入壓縮機1中的階段，從第2圖的g處所示的狀態變化成為在a處所示的狀態(壓力P₁、焓i₁)，而僅被過熱該圖所示的熱量ΔQ₁。然後，此過熱的氣態冷媒，根據壓縮機1而再度被壓縮，以後，冷媒反復進行與上述同樣的狀態變化。

而且，在本發明的氣液熱交換型冷凍裝置中，以上說明的冷凍循環反復進行，根據伴隨在蒸發器6中的低溫液態冷媒的蒸發而吸收熱量來實行所需要的冷凍運轉，從壓縮機1被吐出的氣態冷媒的溫度，是根據吐出溫度感測器7而被檢測出來，所述被吐出的氣態冷媒在根據凝結器2而被凝結後，根據熱交換控制閥3而被減壓，所述被減壓後的冷媒的壓力，是根據壓力感測器8而被檢測出來，這些檢測值會被傳送到控制器10。於是，控制器10，基於根據吐出溫度感測器7所檢測出來的壓縮機1的出口處的冷媒溫度與根據壓力感測器8所檢測出來的熱交換控制閥3的出口處的冷媒壓力，來控制熱交換控制閥3的開度。

具體來說，若壓縮機1的回轉數降低，則縮小熱交換控制閥3的開度，相反地，若壓縮機1的回轉數增加，則增大熱交換控制閥3的開度。又，根據吐出溫度感測器7而被檢測出來的壓縮機1的出口處的冷媒溫度，若超過設定值，則將前述熱交換控制閥3的開度，縮小至會使冷媒維持在氣液混合狀態的值為止，所述冷媒是在利用該熱交換控制閥3而被減壓且通過氣液熱交換器4後的冷媒(參照第4圖)。

將本發明的氣液熱交換型冷凍裝置，例如安裝在冷凍車上的情況，根據引擎而被驅動的壓縮機1的旋轉數，會根據冷凍車的行進狀態而變動。

例如，若壓縮機1的旋轉數降低則在冷凍循環回路中的冷媒的循環量會減少，因此冷凍能力下降，在此情況下，如前述，因為控制器10縮小熱交換控制閥3的開度，所以流過氣液熱交換器4的冷媒的流速上升，熱交換量增加，而根據此熱交換量的增加，伴隨由於回轉數降低而減少冷媒循環量所造成的在氣液熱交換器4中的熱交換量的減少，會受到補償，於是可抑制由於熱交換量不足所產生的冷卻不良的情況。

此處，在凝結器2中液化而成的高壓液態冷媒，從熱交換控制閥3經過氣液熱交換器4而往膨脹閥5流動時的狀態變化，例如以第2圖的B、C、D過程來表示。在以B過程所示的狀態來進行運轉的情況，根據熱交換控制閥3，所述高壓液態冷媒的壓力從P₂被減壓成P₃，若壓縮機1的回轉數降低，則按照該回轉數的降低程度，使熱交換控制閥3的開度縮小，如第2圖的C、D過程所示，將所述高壓液態冷媒的壓力減壓至P₃’、P₃”(P₃>P₃’>P₃”)，來提高流過氣液熱交換器4中的冷媒的流速，便能如圖示般地增加熱交換量，所以能抑制前述由於熱交換量不足所產生的冷卻不良的情況。

在第3圖中表示氣液熱交換器4中的冷媒的流速(m/s)與傳熱性能KA(W/K)的關係，由此圖可知，傳熱性能(熱交換量)會隨著冷媒流速的增加而增大。

此處，在第2圖中的A過程，表示沒有使用熱交換控制閥3而使冷媒在氣液熱交換器4中過冷卻後，根據膨脹閥5而膨脹的情況的過程(條件)，將經過此過程A來使冷媒作狀態變化的情況作為基準，根據模擬來求出使冷媒經過各過程B、C、D而作狀態變化時的冷媒流速、在氣液熱交換器4中的熱交換量、及性能提升率，而得到表1所示的結果。

由表1的結果可知，在壓縮機1的回轉數降低的情況，若縮小熱交換控制閥3的開度，則冷媒的流速增大，於是在氣液熱交換器4中的熱交換量增加，結果，性能提升而可提高冷凍能力。

相反地，若增加壓縮機1的回轉數而增大冷媒循環量，則由於在氣液熱交換器4中的交換熱量過多而造成在壓縮機1的出口處的冷媒的吐出溫度上升，發生冷凍機油劣化等的問題，因此，如前述，控制器10以使熱交換控制閥3的開度增大的方式來進行控制。

例如，在以第2圖的D過程所示的狀態下進行運轉的情況，根據熱交換控制閥3，所述高壓液態冷媒的壓力從P₂被減壓成P₃”，若壓縮機1的回轉數增加，則按照該回轉數的增加程度，使熱交換控制閥3的開度增大，如第2圖的C、B過程所示，將所述高壓液態冷媒的壓力只減壓至P₃’、P₃(P₃”<P₃’<P₃)，來降低流過氣液熱交換器4中的冷媒的流速，便能如圖示般地減少熱交換量，於是由於熱交換量過多而造成的在壓縮機1的出口處的冷媒的吐出溫度上升的情況會受到抑制，而可防止冷凍油的劣化。

由表1的結果可知，在壓縮機1的回轉數增加的情況，若增大熱交換控制閥3的開度，則冷媒的流速降低，於是在氣液熱交換器4中的熱交換量減少，結果，性能下降而降低冷凍能力。

而且，在本發明的氣液熱交換型冷凍裝置中，根據吐出溫度感測器7而被檢測出來的壓縮機1的出口處的冷媒溫度，若超過設定值，則如前述，控制器10將熱交換控制閥3的開度，縮小至會使冷媒維持在氣液混合狀態的值為止，所述冷媒是在利用該熱交換控制閥3而被減壓且通過氣液熱交換器4後的冷媒。

例如，在凝結器2中液化而成的高壓液態冷媒，從熱交換控制閥3經過氣液熱交換器4而往膨脹閥5流動時的狀態變化，例如以第4圖的B、C、D過程來表示，若根據縮小熱交換控制閥3的開度，來將在凝結器2中液化而成的高壓液態冷媒，從壓力P₂大幅地減壓至P₃’、P₃”，則可將在利用該熱交換控制閥3而被減壓且通過氣液熱交換器4後的冷媒，維持在氣液混合狀態，也就是說，在以B過程所示的狀態來進行運轉的情況，所述高壓液態冷媒的壓力是根據熱交換控制閥3而從P₂被減壓至P₃，若壓縮機1的回轉數降低，則按照該回轉數的降低程度，使熱交換控制閥3的開度縮小，如第2圖的C、D過程所示，將所述高壓液態冷媒的壓力減壓至P₃’、P₃”(P₃”<P3’<P₃)，使在利用該熱交換控制閥3而被減壓且通過氣液熱交換器4後的冷媒，維持在氣液混合狀態。

如上述，利用熱交換控制閥3而被減壓且通過氣液熱交換器4後的冷媒，若維持在氣液混合狀態，則以氣液二相流的形態通過氣液熱交換器4的冷媒與從蒸發器6經由冷媒管路L4而被導入氣液熱交換器4中的氣態冷媒之間的溫度差變小，可抑制在氣液熱交換器4中的兩冷媒的熱交換量。因此，在壓縮機1的入口處的冷媒的過熱度會受到抑制，且在壓縮機1的出口處的冷媒的吐出溫度的上升受到抑制，可防止冷凍機油的劣化。

此處，在第4圖中的A過程，表示沒有使用熱交換控制閥3而使冷媒在氣液熱交換器4中過冷卻後，根據膨脹閥5而膨脹的情況的過程，將經過此過程A來使冷媒作狀態變化的情況作為基準，根據模擬來求出使冷媒經過各過程B、C、D而作狀態變化時的冷媒流速、在氣液熱交換器4中的熱交換量、及性能提升率，而得到表2所示的結果。

由表2的結果可知，在根據吐出溫度感測器7而被檢測出來的壓縮機1的出口處的冷媒溫度超過設定值的情況，若大幅地縮小熱交換控制閥3的開度，冷媒的流速會增大，另一方面，此時以氣液二相流的形態通過氣液熱交換器4的冷媒與從蒸發器6經由冷媒管路L4而被導入氣液熱交換器4中的氣態冷媒之間的溫度差會變小，結果，可抑制在氣液熱交換器4中的兩冷媒的熱交換量，冷凍能力降低。

以上，若根據本發明，可得到以下的效果。即，不但能抑制伴隨壓縮機1的回轉數的變動而發生的冷凍能力的變動，並可抑制在壓縮機1的出口處的吐出溫度的上昇，而能防止冷凍機油發生劣化。

1．．．壓縮機

2．．．凝結器

3．．．熱交換控制閥

4．．．氣液熱交換器

5．．．膨脹閥

6．．．蒸發器

7．．．吐出溫度感測器

8．．．壓力感測器

9．．．蒸發溫度感測器

10．．．控制器(控制手段)

L1～L5．．．冷媒管路

第1圖是本發明的氣液熱交換型冷凍裝置的冷媒回路圖。

第2圖是表示在本發明的氣液熱交換型冷凍裝置中，對應壓縮機回轉數的變動來控制熱交換控制閥的開度的情況的冷媒狀態變化的莫里爾圖。

第3圖是表示在氣液熱交換器中的凝結液冷媒的流速與傳熱性能的關係圖。

第4圖是表示在本發明的氣液熱交換型冷凍裝置中，當在壓縮機出口處的冷媒的吐出溫度超過設定值時，控制熱交換控制閥的開度後的情況的冷媒狀態變化的莫里爾圖。

1．．．壓縮機

2．．．凝結器

3．．．熱交換控制閥

4．．．氣液熱交換器

5．．．膨脹閥

6．．．蒸發器

7．．．吐出溫度感測器

8．．．壓力感測器

9．．．蒸發溫度感測器

10．．．控制器(控制手段)

L1～L5．．．冷媒管路

Claims (3)

1. 一種氣液熱交換型冷凍裝置，是根據冷媒管路，至少將壓縮機、凝結器、熱交換控制閥、氣液熱交換器、膨脹閥及蒸發器，串聯地連接，而構成閉路的冷媒循環回路，並使在前述凝結器中凝結且根據前述熱交換控制閥而被減壓後的冷媒與在前述蒸發器中蒸發後的冷媒，在前述氣液熱交換器中作熱交換而使所述各冷媒分別過冷卻或過熱，所述氣液熱交換型冷凍裝置的特徵在於：在前述冷媒循環回路的前述壓縮機與前述凝結器之間，設置吐出溫度感測器，並在前述熱交換控制閥與前述氣液熱交換器之間，設置壓力感測器，且設有控制手段，所述控制手段基於根據前述吐出溫度感測器所檢測出來的在壓縮機的出口處的冷媒溫度與根據前述壓力感測器所檢測出來的在熱交換控制閥的出口處的冷媒壓力，來控制前述熱交換控制閥的開度。
2. 如申請專利範圍第1項所述的氣液熱交換型冷凍裝置，其中：前述控制手段，若前述壓縮機的回轉數降低則縮小前述熱交換控制閥的開度，若前述壓縮機的回轉數增加，則增大前述熱交換控制閥的開度。
3. 如申請專利範圍第1項所述的氣液熱交換型冷凍裝置，其中：前述控制手段，若根據前述吐出溫度感測器所檢測出來的在壓縮機的出口處的冷媒溫度超過設定值，則將前述熱交換控制閥的開度縮小至會使冷媒維持在氣液混合狀態的值為止，所述冷媒是在利用該熱交換控制閥而被減壓且通過前述氣液熱交換器後的冷媒。