JP2009192164A

JP2009192164A - 冷凍装置

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Publication number: JP2009192164A
Application number: JP2008034164A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Kibe; 篤史岐部; Hajime Fujimoto; 肇藤本; Hiromitsu Moriyama; 浩光森山; Takashi Ikeda; 隆池田; Yuji Sata; 裕士佐多
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-02-15
Filing date: 2008-02-15
Publication date: 2009-08-27
Anticipated expiration: 2028-02-15
Also published as: JP4989507B2

Abstract

【課題】中間膨張弁を現地の運転状況に合わせて調整する手間をなくする。
【解決手段】直列多段に配置された複数の圧縮機１，２と、凝縮器３と、主膨張弁６と、蒸発器７とが順に接続された主冷媒回路と、凝縮器３と主膨張弁６との間から分岐し、中間膨張弁を介して、複数の圧縮機１，２の間に接続されたバイパス冷媒回路１０とを備えた冷凍装置において、中間膨張弁をその開度がリニアに制御可能な電子膨張弁９とし、主冷媒回路の冷媒の温度情報、または温度情報と圧力情報とに応じて電子膨張弁９の開度を制御する制御装置２０を備えた。
【選択図】図１

Description

この発明は、冷凍装置、特に冷凍倉庫などに用いられる低温冷凍装置に関する。

圧縮機が低段と高段の２段に配置された主冷媒回路を備えた冷凍装置として、中間膨張弁（外均式、キャピラリー等）および中間熱交換器を有したサブクール回路を設けて、主膨張弁に入る冷媒を熱交換させるとともに、サブクール回路からの冷媒を圧縮機の高段吸入側に導入させているものがある（例えば、特許文献１参照）。

特許第３５９９９９６号公報

上記のような冷凍装置において、高段吸入側過熱度が小さいと液バックしやすく、その過熱度が大きいと高段吐出温度が異常に高くなる。このため従来は、中間膨張弁（中間圧力膨張弁ともいう）を現地の運転状況に合わせて、その都度調整する必要があった。
また、高段吸入過熱度で制御されているため、運転条件により高段吐出温度が変化し、中間回路にバイパスする冷媒量が変化する。バイパス冷媒量が多くなると消費電力も多くなるという課題もあった。

この発明は上記の課題を解決するためになされたもので、中間膨張弁を現地の運転状況に合わせて調整する手間をなくすることを第１の目的とする。併せて、高段吸入側の液バックの防止や吐出温度異常の防止を図り、品質を向上させた冷凍装置を提供することも目的とする。
また、高段側の吐出ガス温度を最適値にすることで、どのような運転条件でも一番効率の良いバイパス冷媒量にして、省エネを図ることも目的とする。

この発明の冷凍装置は、直列多段に配置された複数の圧縮機と、凝縮器と、主膨張弁と、蒸発器とが順に接続された主冷媒回路と、前記凝縮器と前記主膨張弁との間から分岐し、中間膨張弁を介して、前記複数の圧縮機の間に接続されたバイパス冷媒回路とを備えた冷凍装置において、前記中間膨張弁をその開度がリニアに制御可能な電子膨張弁とし、前記主冷媒回路の冷媒の温度情報、または温度情報と圧力情報とに応じて前記電子膨張弁の開度を制御する制御装置を備えたものである。
この場合、前複数の圧縮機のうちの最終段の圧縮機の吐出温度を検知する第１温度検知器を備え、前記制御装置は、その第１温度検知器の検出温度と予め定めた目標温度との差が所定の範囲内になるように、前記電子膨張弁の開度を制御することが好ましい。

この発明の冷凍装置によれば、中間膨張弁をリニアに制御可能な電子膨張弁としたことにより、その電子膨張弁の開度を、運転中の冷媒の温度情報または温度情報と圧力情報とに応じてリニアに制御できるため、各地の運転状況に合わせて行っていた調整が不要となり、据付工事の際の作業負荷が低減できる。
また、中間膨張弁の開度をリニアに制御できることから、高段吸入側の液バックや吐出温度異常の発生を未然に防止することも可能となる。
さらに、高段側の吐出ガス温度を最適値にすることで、どのような運転条件でも一番効率の良いバイパス冷媒量にして、省エネを図ることができる。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る冷凍装置の冷媒回路図である。この冷媒回路は、直列多段に配置された複数の圧縮機（ここでは第１の圧縮機１と第２の圧縮機２の２段構成）、凝縮器３、受液器４、冷媒・冷媒熱交換器（中間熱交換器）５、主膨張弁６、蒸発器７、気液分離器８が順に接続された主冷媒回路を有する。ここで、圧縮機１は低段圧縮機または第１段圧縮機と、圧縮機２は高段圧縮機または第２段圧縮機ともいう。なお、受液器４、冷媒・冷媒熱交換器５、および蒸発器７は、本発明に必須の要素ではなく、なくてもよいものである。

そして、凝縮器３と主膨張弁６との間（この例では受液器４と冷媒・冷媒熱交換器５があるためそれらの間）から、中間膨張弁であるリニアに制御が可能な電子膨張弁９を介して、圧縮機１の吐出側と圧縮機２の吸入側との間の主冷媒回路に接続されたバイパス冷媒回路（サブクール回路）１０を有している。

さらに、上記冷媒回路は、圧縮機２の吐出温度を検知する第１温度検知器１１、圧縮機２の吸入温度を検知する第２温度検知器１２、圧縮機１の吐出温度を検知する第３温度検知器１４、圧縮機１の吸入温度を検知する第４温度検知器１６、圧縮機２の吸入圧力を検知する第１圧力検知器１３、圧縮機１の吸入圧力を検知する第２圧力検知器１５、およびそれらの検知器から温度情報と圧力情報を受け取り、それらの情報に基づいて、電子制御弁９の開度を制御する制御装置２０を備えている。
なお、図１では、以下に説明する各種の制御態様において使用する温度検知器や圧力検知器を予めすべて設けた構成としているが、それぞれの制御態様に応じて特定の温度検知器や圧力検知器だけが用いられるため、適用する制御態様に応じて必要な温度検知器や圧力検知器だけを設けた構成としても良い。

上記冷媒回路を有した冷凍装置は次のような基本動作を行う。すなわち、冷媒が圧縮機１，２で圧縮された後、凝縮器３に入って凝縮される。冷媒はその後、受液器４、冷媒・冷媒熱交換器５を経て、主膨張弁６で減圧され、蒸発器７に入りそこで蒸発して周囲の空気を冷却する。その後、冷媒は気液分離器８を経て、圧縮機１に戻る。この際、主冷媒回路を流れる冷媒の状態は、前述した温度検知器１１，１２，１４，１６や圧力検知器１３，１５で検知される。

制御装置２０による電子制御弁９の制御態様はいくつか考えられるが、圧縮機２の吐出温度（（ア）部温度）を検知する第１温度検知器１１の温度情報を基に、その吐出温度が所定の範囲に収まるように電子膨張弁９を制御することは好ましい制御態様の一つである。以下において、その制御態様を図２のフローチャートを基に説明する。

冷凍装置の動作がスタートすると（Ｓ１）、制御装置２０は第１温度検知器１１に、例えば一定の間隔で温度検出を行わせて、その温度情報Ｔ４を受け取る（Ｓ２）。続いて、その温度情報Ｔ４を基にｔ秒後の（ア）部の予想温度Ｔｔを予想する（Ｓ３）。そして、その予想温度Ｔｔと予め定めた目標温度Ｔｐとの差の絶対値が、予め定めた値α（１〜３℃程度）内の場合には電子膨張弁９の開度を維持し（Ｓ５）、予想温度Ｔｔと目標温度Ｔｐとの差が−αより小さい以下の場合には電子膨張弁９の開度を小さくし（Ｓ６）、予想温度Ｔｔと目標温度Ｔｐとの差が＋αより大きい場合には電子膨張弁９の開度を大きくする（Ｓ７）。
上記において、ｔ秒後の温度情報Ｔ４（予想温度Ｔｔ）を予想することにより、目標値への収束性を向上させることができる。例えば、現在の温度情報Ｔ４と目標値Ｔｐとにより電子膨張弁の開度を制御した場合は、温度の変化勾配が無視されてしまう。これに対して、ｔ秒後の温度情報Ｔ４を予想することにより、温度の変化勾配の要素を制御に取り込むことができ、目標値への収束性を向上させることができる。なお、「ｔ秒」は、例えば１５〜３０秒である。もちろん、現在の検知温度で電子膨張弁の開度を制御してもよい。

上記の制御において、目標温度Ｔｐは１００〜１１５℃程度とする。Ｔｐはできるだけ高くすることが望ましい。それは、Ｔｐを低く設定しすぎると電子膨張弁９に流す冷媒量が増え、圧縮機２の仕事量が増えて効率が悪くなるからである。しかし、高く設定しすぎると、圧縮機内にある冷凍機油の劣化が促進されて、冷媒回路の信頼性が低下するため、Ｔｐは１００〜１１５℃程度とするのが好ましい。
また、値αは１〜３℃程度とする。それは、αが小さすぎると電子膨張弁９がハンティングし、冷媒回路の安定性が悪くなるからである。逆にαが大きすぎると、目標の温度に収束する前に制御を止め、目標温度となりにくい。
また、高段圧縮機である圧縮機２の吸入側の過熱度（ＳＨ）が０〜３ｋ以下になった場合には、目標温度Ｔｐによらず、電子膨張弁９の開度を小さくして、圧縮機２への液バック防止することとする。逆に、Ｔｔが１２０℃〜１３０℃を超えた場合には、油の劣化を防ぐために一時的に膨張弁開度を大きくすることもできる。

図３は実施の形態１に係る冷凍装置の冷凍サイクルを示すモリエル線図である。なお、図３中の（ア）〜（カ）は、図１中の（ア）〜（カ）の位置に対応している。また、図３中のＴ₁〜Ｔ₄は、図１中の（エ）、（イ）、（ウ）、（ア）の各位置での温度を表している。図３に示すように、実施の形態１では、実際の市場や客先で使用される条件は、冷媒の凝縮温度ＣＴを４５℃程度とし、冷媒の蒸発温度ＥＴを−６０℃程度になることが多いと考えられる。図のなかで波線で示している部分は従来装置のもので、Ｔ４の温度が低くなるように設定されていることが多いため、バイパス冷媒量を多くする必要がある。特に、中間膨張弁の設定は、一番流量を必要とする高い蒸発温度で設定するため、低い蒸発温度では流し過ぎになることが多い。

上記のように制御する実施の形態１の冷凍装置によれば、中間膨張弁である電子膨張弁９の開度を、作動中の冷媒の温度情報に応じて、または冷媒の温度情報と圧力情報に応じてリニアに制御するため、現地の運転状況に合わせて予め行っていた中間膨張弁の調整が不要となる。
また、電子膨張弁９の開度をリニアに制御できることから、吐出温度異常の発生を防止することができる。さらに、圧縮機２の吸入側過熱度を、例えば吸入圧力と吸入ガス温度により監視し、その過熱度に応じて電子膨張弁９の開度を調整可能とすれば、冷媒の圧縮機２への液バックも防止できる。
また、高段側の吐出ガス温度を最適値にすることで、どのような運転条件でも一番効率の良いバイパス冷媒量にして、省エネを図ることができる。

図４は実施の形態１に係る冷凍装置の効果の説明図である。図４に示したように、上記の制御による実施の形態１の冷凍装置の場合には、従来の冷凍装置に比べて、低蒸発温度で、２０〜４０％の効率アップが達成された。これは、中間膨張弁である電子膨張弁９の開度が、作動中の冷媒の温度情報に応じて、または冷媒の温度情報と圧力情報に応じてリニアに制御されて、低蒸発温度でのバイパス冷媒量の流し過ぎが防止されるからである。特に従来機では、高蒸発温度帯で電子膨張弁の開度が調整されるため、低温度帯ではバイパス冷媒量が多くなり、効率低下につながっている。

なお、電子膨張弁９の制御は、圧縮機２の吐出温度に基づいた上記制御に代えて、次に示す（ａ）、（ｂ）のような制御を行っても良い。
（ａ）第１圧力検知器１３の検出圧力の飽和温度と第２温度検知器１２の検出温度との差である過熱度が一定となるように電子膨張弁９の開度を制御する。これによれば、第２の圧縮機２には必ず過熱度が一定のガス冷媒が吸入されるため、圧縮機が液冷媒を吸入するのを防止できる。
（ｂ）第２圧力検知器１５の検出圧力の飽和温度と第４温度検知器１６の検出温度との差である過熱度が一定となるように電子膨張弁９の開度を制御する。これによれば、（ａ）と同様、第２の圧縮機２への液戻りを防止できるとともに、第１の圧縮機１への液戻りも防止できる。

実施の形態２．
図５は本発明の実施の形態２に係る冷凍装置の冷媒回路図である。図５において図１と同じ符号は同一物または相当物を表している。図５の図１との回路構成上の相違点は、バイパス冷媒回路１０が冷媒・冷媒熱交換器５の流路の途中で、第１冷媒回路１０ａと第２冷媒回路１０ｂとに分岐されている点である。すなわち、第１冷媒回路１０ａは冷媒・冷媒熱交換器５のバイパス側熱交換流路の途中から分岐し、第１電磁弁（開閉弁）２１を経て圧縮機１，２の間に接続されており、第２冷媒回路１０ｂは冷媒・冷媒熱交換器５のバイパス側熱交換流路の終端部を通り、第２電磁弁（開閉弁）２２を経て圧縮機１，２の間に接続されている。
なお、冷媒・冷媒熱交換器５の熱交換流路を途中で分岐することに代えて、別体の２つの冷媒・冷媒熱交換器を利用して同様に構成しても、同じ効果が得られる。

図５の冷凍装置でも、制御装置２０は実施の形態１で説明したようにして電子膨張弁９を制御する。
実施の形態２ではそれに加えて、制御装置２０が、第１温度検知器１１の検出温度に応じて、第１電磁弁２１と第２電磁弁２２との開閉を切り替えるように制御する。すなわち、温度検知器１の検出温度が上がり易い条件では第１電磁弁２１のみを開として、主冷媒回路の冷媒の熱交換量を少なくする。これに対して、温度検知器１の検出温度が下がり易い条件では第２電磁弁２２のみを開として、主冷媒回路の冷媒の熱交換量を多くする。
温度検知器１の検出温度が上がり易い条件とは、高圧と低圧の圧力差が大きいときで、例えば、夏場に蒸発温度が低く設定された場合などが該当する。また、絞り装置６を構成している膨張弁の過熱度が大きく設定されて、第１の圧縮機１に吸入される冷媒温度が非常に高い場合なども、温度検知器１の検出温度が上がり易い。
これに対して、温度検知器１の検出温度が下がり易い条件とは、高圧と低圧の圧力差が小さいときで、例えば、冬場に蒸発温度が高く設定された場合などが該当する。また、第１の圧縮機１に吸入される冷媒温度が非常に低い場合なども、温度検知器１の検出温度が下がり易い。
電子膨張弁９の開度制御に加えて、第１電磁弁２１と第２電磁弁２２の開閉制御を行うことで、電子膨張弁９の制御だけでは不十分となる場合でも、圧縮機２への液バックの防止、冷凍装置の能力アップ、および消費電力の削減が図れることになる。

実施の形態３．
図６は本発明の実施の形態３に係る冷凍装置の冷媒回路図である。図６において図１と同じ符号は同一物または相当物を表している。図６の図１との回路構成との相違点は、図１のバイパス冷媒回路１０が、第１バイパス冷媒回路１０Ａと第２バイパス冷媒回路１０Ｂとから構成されている点である。第１バイパス冷媒回路１０Ａは第１電子膨張弁９Ａを有したもので、実施の形態１のバイパス冷媒回路１０から熱交換部分を除いたものとみなしてよい。一方、第２バイパス冷媒回路１０Ｂは実施の形態１のバイパス冷媒回路１０とは別に、新たに追加されたバイパス回路とみることができ、冷媒・冷媒熱交換機５の入口側で主冷媒回路から分岐し、第２電子膨張弁９Ｂおよび冷媒・冷媒熱交換機５のバイパス側熱交換流路を介して、圧縮機１の入力側に接続されている。

図６の冷凍装置でも、制御装置２０は実施の形態１で説明したようにして電子膨張弁９Ａを制御する。
実施の形態３ではそれに加えて、制御装置２０が、第５温度検知器２３の検出温度と第６温度検知器２４の検出温度との差が一定となるように制御する。これにより、主冷媒回路の冷媒・冷媒熱交換機５の出口側のサブクール（ＳＣ）が一定となり、冷凍能力の変動を少なくできる。
また、冷媒・冷媒熱交換機５での熱交換量に左右されずに圧縮機２への冷媒インジェクション量が調整できるので、圧縮機２の吐出温度の安定性が図れて信頼性が向上する。

実施の形態４．
上記各実施の形態では圧縮機を２段構成にした例を基に説明したが、本発明は２段以上の多段圧縮機の構成とした場合にも適用可能である。図７は圧縮機を３段構成にした図１に対応する冷媒回路図である。なお、点線で囲んだ熱交換器の部分は他の部分と別体に設けても良い。また、図７で省略している部分は図１と同様の構成とみなして良い。
この場合、基本的な制御では、一方の電子膨張弁９は第１温度検出器１１の検出温度に基づいてその開度を決定し、他方の電子膨張弁２６は第３温度検出器１４の検出温度に基づいてその開度を決定する。
また、応用的な制御では、一方の電子膨張弁９は第２温度検出器１２と第１圧力検出器１３の検出値から計算される過熱度を一定にするようにその開度を決定し、他方の電子膨張弁２６は第７温度検出器２７と第３圧力検出器２８の検出値から計算される過熱度を一定にするようにその開度を決定する。
以上のように電子膨張弁９、２６を制御することにより、圧縮機を３段構成にした冷凍装置においても、実施の形態１で説明したような効果を奏することができる。

なお、各実施の形態においては、Ｒ２２、Ｒ４０４Ａ、Ｒ４１０Ａ等のＨＦＣ、ＨＣＦＣ冷媒の他、ＣＯ₂等の自然冷媒が使用できる。

実施の形態１に係る冷凍装置の冷媒回路図。実施の形態１に係る冷凍装置の制御の一例を示すフローチャート。実施の形態１に係る冷凍装置のモリエル線図。実施の形態１に係る冷凍装置の効果の説明図。実施の形態２に係る冷凍装置の冷媒回路図。実施の形態３に係る冷凍装置の冷媒回路図。実施の形態４に係る冷凍装置の冷媒回路図。

符号の説明

１第１の圧縮機、２第２の圧縮機、３凝縮器、４受液器、５冷媒・冷媒熱交換器（中間熱交換器）、６絞り装置、７蒸発器、８気液分離器、９電子膨張弁（中間膨張弁）、９Ａ第１電子膨張弁、９Ｂ第２電子膨張弁、１０バイパス冷媒回路（サブクール回路）、１０Ａ第１バイパス冷媒回路、１０Ｂ第２バイパス冷媒回路、１１第１温度検知器、１２第２温度検知器、１３第１圧力検知器、１４第３温度検知器、１５第２圧力検知器、１６第４温度検知器、２０制御装置、２１第１電磁弁、２２第２電磁弁、２３第５温度検知器、２４第６温度検知器、２５第３の圧縮機、２６電子膨張弁、２７第７温度検知器、２８第３圧力検知器。

Claims

直列多段に配置された複数の圧縮機と、凝縮器と、主膨張弁と、蒸発器とが順に接続された主冷媒回路と、前記凝縮器と前記主膨張弁との間から分岐し、中間膨張弁を介して、前記複数の圧縮機の間に接続されたバイパス冷媒回路とを備えた冷凍装置において、
前記中間膨張弁をその開度がリニアに制御可能な電子膨張弁とし、
前記主冷媒回路の冷媒の温度情報、または温度情報と圧力情報とに応じて前記電子膨張弁の開度を制御する制御装置を備えたことを特徴とする冷凍装置。
前複数の圧縮機のうちの最終段の圧縮機の吐出温度を検知する第１温度検知器を備え、前記制御装置は、前記第１温度検知器の検出温度と予め定めた目標温度との差に応じて、前記電子膨張弁の開度を制御することを特徴とする請求項１記載の冷凍装置。
前記バイパス冷媒回路が接続された主冷媒回路の高段側の前記圧縮機の吸入温度を検知する第２温度検知器と、該圧縮機の吸入圧力を検知する第１圧力検知器とを備え、
前記制御装置は、前記第１圧力検知器の検出圧力の飽和温度と前記第２温度検知器の検出温度との差が一定となるように、前記電子膨張弁の開度を制御することを特徴とする請求項１記載の冷凍装置。
前記バイパス冷媒回路が接続された主冷媒回路の低段側の前記圧縮機の吸入温度を検知する第４温度検知器と、該圧縮機の吸入圧力を検知する第２圧力検知器とを備え、
前記制御装置は、前記第２圧力検知器の検出圧力の飽和温度と前記第４温度検知器との検出温度との差が一定となるように、前記電子膨張弁の開度を制御することを特徴とする請求項１記載の冷凍装置。
２つの流路を有し一方の流路が前記凝縮器と前記主膨張弁との間における前記バイパス冷媒回路の分岐部と前記主膨張弁の間に配置され、他方の流路が前記バイパス冷媒回路の一部を形成する冷媒・冷媒熱交換機を備え、
前記バイパス冷媒回路は、前記冷媒・冷媒熱交換機の流路の途中から分岐し、第１開閉弁を介して前記複数の圧縮機の間に接続された第１冷媒回路と、前記冷媒・冷媒熱交換機の流路の終端部から第２開閉弁を介して前記複数の圧縮機の間に接続された第２冷媒回路とを有し、
前記制御装置は、前記第１温度検知器の検出温度に応じて、前記第１開閉弁と第２開閉弁の開閉を切り替えるように制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の冷凍装置。
２つの流路を有し一方の流路が前記凝縮器と前記主膨張弁との間における前記バイパス冷媒回路の分岐部と前記主膨張弁の間に配置された冷媒・冷媒熱交換機と、
前記冷媒・冷媒熱交換機の入口側で分岐し、第２電子膨張弁および前記冷媒・冷媒熱交換機の他方の流路を介して、前記複数の圧縮機のうちの第１段の圧縮機の吸入側に接続された第２バイパス冷媒回路と、
前記主冷媒回路の前記冷媒・冷媒熱交換機の入口と出口に設けられた第５温度検知器および第６温度検知器とを備え、
前記制御装置は、前記第５温度検知器の検出温度と前記第６温度検知器の検出温度との差が一定となるように制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の冷凍装置。