JP2017172923A - 冷凍装置 - Google Patents

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裕輔 倉田
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一彦 三原
雄一 伊澤
Yuichi Izawa
雄一 伊澤
桑原　修
Osamu Kuwabara
修 桑原
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Abstract

【課題】過負荷条件時でも、冷凍機出口圧力を低減させることができ、中間冷却器における冷媒の液化を行い、冷凍能力を増大させることのできる冷凍装置を提供する。【解決手段】制御装置６０は、冷凍機２の出口圧力が臨界圧力より高くなるとき、中間冷却器３０の上流側の減圧電動弁３１の開度を小さくするように制御する。これにより、中間冷却器３０において、冷媒の気液分離により冷媒の液化が行われるので、冷凍機出口圧力を臨界圧力より低くすることができ、液冷媒をショーケース３に送ることができるようになる。その結果、ショーケース３の主絞り手段４１の入口側における冷媒の比エンタルピーが低下し、冷却効果を増大させることが可能となる。【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍装置に係り、特に、圧縮機、ガスクーラ、中間熱交換器および蒸発器から冷媒回路が構成され、高圧側が超臨界圧力となる冷凍装置に関する。
従来から、例えば、スーパーマーケットなどの大型店舗においては、多くの冷凍ショーケースや冷蔵ショーケースが設置され、これらのショーケースを冷凍機で運転する冷凍装置が多く用いられている。
このような冷凍装置として、従来、例えば、ガスクーラの下流側であって主絞り手段の上流側の冷媒回路に接続された圧力調整用絞り手段と、圧力調整用絞り手段の下流側であって主絞り手段の上流側の冷媒回路に接続された中間冷却器とを備え、制御手段により、圧力調整用絞り手段の開度を制御することにより、主絞り手段に流入する冷媒の圧力を所定の規定値に調整するようにした技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
ＷＯ２０１４／０６８９６７
しかしながら、前記特許文献１に記載の技術においては、補助絞り手段の開度を最大にしても出口圧力が規定の圧力まで低下しない場合がある。特に、例えば、真夏の日中など過負荷条件では、出口圧力が臨界圧力である７．３ＭＰａよりも高い圧力となることがあり、その際は中間冷却器内で液化ができず、液化による冷却効果の増大が得られないので冷却性能が低下するという課題がある。
本発明は、前記した事情に鑑みてなされたものであり、過負荷条件時でも、冷凍機出口圧力を低減させることができ、中間冷却器における冷媒の液化を行い、冷凍能力を増大させることのできる冷凍装置を提供することを目的とするものである。
前記目的を達成するため、本発明に係る冷凍装置は、２段圧縮の圧縮機、インタクーラ、ガスクーラ、減圧電動弁、中間冷却器およびガス戻し用電動弁を備えた冷凍機と、主絞り手段および蒸発器とを備えたショーケースと、から構成される冷凍装置において、制御装置を備え、前記制御装置は、前記冷凍機の出口圧力が臨界圧力より高くなるとき、前記中間冷却器の上流側の前記減圧電動弁の開度を小さくするように制御することを特徴とする。
これにより、中間冷却器において、冷媒の気液分離により冷媒の液化が行われるので、冷凍機出口圧力を臨界圧力より低くすることができ、液冷媒をショーケースに送ることができるようになる。これにより、ショーケースの主絞り手段の入口側における冷媒の比エンタルピーが低下し、冷却効果を増大させることが可能となる。
本発明によれば、冷凍機出口圧力を臨界圧力より低くすることができ、液冷媒をショーケースに送ることができる。これにより、ショーケースの主絞り手段の入口側における冷媒の比エンタルピーが低下し、冷却効果を増大させることが可能となる。
本発明に係る冷凍装置の実施形態を示す冷凍サイクルの回路図 本実施形態における制御装置を示すブロック図 本実施形態における制御動作を示すフローチャート 本発明による制御と従来技術の制御とによるｐ−ｈ線図
第１の発明は、２段圧縮の圧縮機、インタクーラ、ガスクーラ、減圧電動弁、中間冷却器、ガス戻し用電動弁を備えた冷凍機と、主絞り手段および蒸発器とを備えたショーケースと、から構成される冷凍装置において、制御装置を備え、前記制御装置は、前記冷凍機の出口圧力が臨界圧力より高くなるとき、前記中間冷却器の上流側の前記減圧電動弁の開度を小さくするように制御することを特徴とする冷凍装置である。
これにより、中間冷却器において、冷凍機出口圧力を臨界圧力より低くすることができるので、冷媒の気液分離により冷媒の液化が行われ、液冷媒をショーケースに送ることができるようになる。これにより、ショーケースの主絞り手段の入口側における冷媒の比エンタルピーが低下し、冷却効果を増大させることが可能となる。
第２の発明は、制御装置は、圧縮機の吐出側の高圧圧力が、設計圧力との差が１ＭＰａ未満の時、圧縮機の回転量を低下させるように制御することを特徴とする冷凍装置である。
これによれば、圧縮機の回転量を低下させることで、冷凍機出口圧力を低下させることができる。この場合に、圧縮機の回転量を低下させることにより、冷媒の循環量が減少することになるが、冷媒の比エンタルピーを低下させることができるので、冷却効果が増大し、冷却能力を増大させることができる。
第３の発明は、制御装置は、圧縮機の吐出側の高圧圧力が、設計圧力との差が１ＭＰａ未満の時、圧縮機の回転量を低下させて、圧縮機の吐出側の高圧圧力と設計圧力との差を確保した後、減圧電動弁の開度を小さくするように制御することを特徴とする冷凍装置である。
これによれば、圧縮機の吐出側の高圧圧力と設計圧力との差を確保した後、減圧電動弁の開度を小さくすることで、冷凍機出口圧力を低下させることができる。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係る冷凍装置の実施形態を示す冷凍サイクルの回路図である。
図１に示すように、冷凍装置１は、冷媒を冷却する冷凍機２と、冷凍機２から送られる冷媒により冷却されるショーケース３とを備えている。ショーケース３は、例えば、コンビニエンスストアやスーパーマーケットなどの施設に設置され、陳列された冷蔵・冷凍商品を冷却するものである。
また、本実施形態においては、冷凍装置１は、高圧側の冷媒圧力（高圧圧力）がその臨界圧力以上（超臨界）となる二酸化炭素を冷媒として用いている。この二酸化炭素冷媒は、地球環境に優しく、可燃性および毒性などを考慮した自然冷媒である。
また、冷凍機２は、２段で圧縮動作される圧縮機１０を備えている。圧縮機１０には、冷凍用熱交換器１１が冷媒配管１２を介して接続されており、冷凍用熱交換器１１は、ガスクーラ１３と、インタクーラ１４と、オイルクーラ１５と、送風ファン１６とから構成されている。
圧縮機１０には、１段目の圧縮機構における第１吸入口２０および第１吐出口２１が設けられており、２段目の圧縮機構における第２吸入口２２および第２吐出口２３が設けられている。
圧縮機１０の第２吐出口２３は、冷媒配管１２を介してオイルセパレータ２４に接続されており、オイルセパレータ２４は、冷媒配管１２を介してガスクーラ１３に接続されている。圧縮機１０の第２吐出口２３に接続される冷媒配管１２の中途部には、逆止弁２５が設けられている。
オイルセパレータ２４は、冷媒中のオイルを分離するものであり、オイルセパレータ２４は、オイル管２６を介してオイルクーラ１５の入口側に接続されており、オイルセパレータ２４により分離されたオイルをオイルクーラ１５に供給するように構成されている。また、オイルクーラ１５の出口側は、オイル管２６を介して圧縮機１０の中間段に接続されている。
オイル管２６の中途部には、三方弁からなるオイルサービスバルブ２７およびオイル調整電動弁２８が設けられている。
圧縮機１０の第１吸入口２０は、ショーケース３から送られる冷媒を吸入し、１段目の圧縮機構により、中間圧力に圧縮して第１吐出口２１から吐出するように構成されている。
また、圧縮機１０の第１吐出口２１は、冷媒配管１２を介してインタクーラ１４の入口側に接続されており、インタクーラ１４の出口側は、冷媒配管１２を介して圧縮機１０の第２吸入口２２に接続されている。
そして、圧縮機１０の第１吐出口２１から中間圧に圧縮されて吐出された冷媒は、冷媒配管１２を介してインタクーラ１４に流入し、インタクーラ１４において、送風ファン１６を動作させることにより外気と熱交換して冷却され、圧縮機１０の第２吸入口２２に戻されるように構成されている。そして、圧縮機１０で２段目の圧縮機構により、必要な圧力に圧縮して第２吐出口２３から吐出され、オイルセパレータ２４を介してガスクーラ１３に送られるように構成されている。
また、ガスクーラ１３は、圧縮機１０から送られた冷媒を送風ファン１６を動作させることにより外気と熱交換させて冷却するものであるが、二酸化炭素冷媒は、凝縮しないので、超臨界状態で高圧の気体のまま送られるようになっている。
また、ガスクーラ１３には、冷媒配管１２を介して中間冷却器３０が接続されており、この冷媒配管１２の中途部には、ガスクーラ１３から送られる冷媒を減圧するための減圧電動弁３１が設けられている。
中間冷却器３０の出口側の冷媒配管１２には、スプリット熱交換器３２が接続されている。
スプリット熱交換器３２の出口側の冷媒配管１２には、この冷媒配管１２から分岐する分岐配管３３が接続されており、分岐配管３３は、液戻し膨張弁３４を介してスプリット熱交換器３２に接続されている。冷媒配管１２と分岐配管３３とは、冷媒の流れる方向が対向流となるように配置されるものであり、冷媒配管１２を流れる冷媒と分岐配管３３を流れる冷媒とを効率よく熱交換させることができるように構成されている。
中間冷却器３０には、ガス戻し電動弁３５を介して冷媒戻し配管３６が接続されており、冷媒戻し配管３６は、分岐配管３３に接続されている。
スプリット熱交換器３２の出口側の冷媒配管１２には、ショーケース３の蒸発器４０に冷媒を送るための出口サービスバルブ３７が接続されている。一方、圧縮機１０の第１吸入口２０に接続される冷媒配管１２には、ショーケース３の蒸発器４０からの冷媒が戻るための入口サービスバルブ３８が接続されている。
スプリット熱交換器３２の出口側の分岐配管３３は、インタクーラ１４の出口側に接続されている。
そして、液戻し膨張弁３４は、スプリット熱交換器３２の出口側の高圧冷媒を減圧させて中間圧力レベルまで膨張させるものであり、スプリット熱交換器３２により冷媒配管１２を流れる高圧冷媒と分岐配管３３を流れる減圧された冷媒とを熱交換させて高圧冷媒を冷却するように構成されている。
スプリット熱交換器３２により熱交換した冷媒は、インタクーラ１４の出口側の冷媒と合流して第２吸入口２２から圧縮機１０に送られ、圧縮機１０から吐出される冷媒の温度の最適化を図るようになっている。
また、出口サービスバルブ３７には、複数のショーケース３の蒸発器４０がそれぞれ主絞り手段４１を介して接続されており、蒸発器４０により冷媒配管１２から送られる冷媒と庫内の空気とを熱交換させ、各ショーケース３の庫内の冷却を行うように構成されている。蒸発器４０の出口側は、入口サービスバルブ３８に接続されている。
また、圧縮機１０の吐出側には、圧縮機１０から吐出される冷媒圧力を検出する高圧圧力センサ５０が設けられ、圧縮機１０の吸入側には、圧縮機１０から吸入される冷媒圧力を検出する低圧圧力センサ５１が設けられている。また、インタクーラ１４の出口側と圧縮機１０の第２吸入口２２との間には、冷媒の中間圧力を検出する中間圧圧力センサ５２が設けられている。
さらに、本実施形態においては、中間冷却器３０とガス戻し電動弁３５との間には、冷凍機２からショーケース３に送られる冷媒圧力を検出する冷凍機出口圧力センサ５３が設けられている。
また、冷媒配管１２の入口側には、ショーケース３から送られる冷媒温度を検出する冷凍機入口温度センサ５４が設けられ、冷媒配管１２の出口側には、ショーケース３に送られる冷媒温度を検出する冷凍機出口温度センサ５５が設けられている。
圧縮機１０の吐出側には、冷媒の吐出温度を検出する吐出温度センサ５６が設けられ、ガスクーラ１３の出口側には、ガスクーラ１３の出口における冷媒温度を検出するガスクーラ出口温度センサ５７が設けられている。
ガスクーラ１３の近傍には、外気温度を検出する外気温度センサ５８が設けられ、スプリット熱交換器３２の出口側には、スプリット熱交換器３２の出口における冷媒温度を検出するスプリット出口温度センサ５９が設けられている。
次に、本実施形態の制御構成について説明する。
図２は、本実施形態における制御構成を示すブロック図である。
図２に示すように、本実施形態においては、冷凍機２は、各部を統括して制御する制御装置６０を備えている。
制御装置６０は、高圧圧力センサ５０、低圧圧力センサ５１、中間圧圧力センサ５２および冷凍機出口圧力センサ５３の検出値が入力されるように構成されている。また、制御装置６０は、冷媒吐出温度センサ５６、外気温度センサ５８、ガスクーラ出口温度センサ５７、冷凍機出口温度センサ５５、冷凍機入口温度センサ５４、スプリット出口温度センサ５９からの検出値が入力されるように構成されている。
制御装置６０は、これら各センサ５０〜５９からの検出値および運転設定条件に基づいて、圧縮機１０の駆動周波数、室外ファンの回転数、減圧電動弁３１、液戻し電動弁、ガス戻し電動弁３５の開度をそれぞれ制御するように構成されている。
また、本実施形態においては、制御装置６０は、冷凍機出口圧力センサ５３による冷媒の冷凍機出口圧力の検出値を入力し、冷凍機出口圧力が所定値より低いか否かを判断する。
一般に、二酸化炭素冷媒において、臨界圧力は、７．３ＭＰａであり、そのため、冷凍機出口圧力が７．３ＭＰａを超えると、中間冷却器３０において、冷媒の液化ができず、冷却性能が低下してしまう。
そのため、本実施形態においては、制御装置６０は、冷凍機出口圧力センサ５３による冷媒の冷凍機出口圧力が７．３ＭＰａに至らない所定値、例えば、７．２ＭＰａより低いか否かを判断する。なお、所定値は、７．２ＭＰａに限定されるものではなく、その他の値に任意に設定することが可能である。
そして、冷凍機出口圧力が７．２ＭＰａ以上であると判断した場合は、さらに、圧縮機１０の吐出側における冷媒の高圧圧力が所定値より低いか否かを判断する。
圧縮機１０の吐出冷媒の設計圧力は、１２ＭＰａに設定されている。そのため、多少の余裕をみて、圧縮機１０の吐出冷媒の高圧圧力が、例えば、１１ＭＰａより低いか否かを判断し、吐出冷媒の高圧圧力が、１１ＭＰａより低ければ、減圧電動弁３１の回動を減少するように制御する。なお、所定値は、１１ＭＰａに限定されるものではなく、その他の値に任意に設定することが可能である。
一方、吐出冷媒の高圧圧力が、１１ＭＰａ以上であれば、圧縮機１０の回転数を低下するように制御する。
このように制御することにより、圧縮機１０の吐出冷媒の高圧圧力が、１１ＭＰａ以上となるまでは、減圧電動弁３１の開度を調整するように制御して冷凍機出口圧力が臨界圧力を超えないように制御し、これにより、必要以上に圧縮機１０の能力を低下させることがなく、冷凍機２の冷却性能を維持することが可能となる。
そして、制御装置６０により、減圧電動弁３１または圧縮機１０の制御を行った場合に、冷凍機出口圧力センサ５３による冷媒の冷凍機出口圧力の検出値を入力し、冷凍機出口圧力が所定値より低いか否かを判断する。この場合の所定値は、例えば、７．２ＭＰａより低い６．８ＭＰａとされる。
制御装置６０は、冷凍機出口圧力が６．８ＭＰａより高い場合は、再度、７．２ＭＰａより低いか否かを判断するとともに、圧縮機１０の吐出冷媒の高圧圧力が１１ＭＰａより低いか否かを判断する。
その判断結果に基づいて、前述のように、減圧電動弁３１の開度または圧縮機１０の回転数を制御するように構成されている。
次に、本実施形態の動作について説明する。
まず、圧縮機１０を動作させることにより、圧縮機１０の第１吸入口２０によりショーケース３から送られる冷媒を吸入し、この冷媒は、１段目の圧縮機構により、中間圧力に圧縮されて第１吐出口２１から吐出される。
また、圧縮機１０の第１吐出口２１から吐出された冷媒は、冷媒配管１２を介してインタクーラ１４に流入する。このインタクーラ１４で送風ファン１６により外気と熱交換して冷却され、圧縮機１０の第２吸入口２２にそれぞれ戻される。
インタクーラ１４から戻された冷媒は、圧縮機１０で２段目の圧縮機構により必要な圧力に圧縮して第２吐出口２３から吐出され、オイルセパレータ２４を介してガスクーラ１３に送られる。
圧縮機１０から送られた冷媒は、ガスクーラ１３１５で送風ファン１６により外気と熱交換させて冷却して中間冷却器３０に送られる。
この冷媒は、中間冷却器３０で冷却された冷媒は、スプリット熱交換器３２で冷媒配管１２から分岐して液戻し膨張弁３４を介して減圧された冷媒と熱交換して冷却され、出口サービスバルブ３７を介してショーケース３に送られる。
そして、ショーケース３に送られた冷媒は、主絞り手段４１３４により所定の圧力に減圧され、蒸発器４０において熱交換して、庫内を所定温度に冷却するようになっている。
蒸発器４０から流出した冷媒は、入口サービスバルブ３８および冷媒配管１２を介して圧縮機１０に戻される。
次に、本実施形態の制御動作について、図３に示すフローチャートを参照して説明する。
図３は、本実施形態の制御動作を示すフローチャートである。
図３に示すように、運転開始している状態で、制御装置６０は、冷凍機出口圧力センサ５３による冷媒の冷凍機出口圧力の検出値を入力し、冷凍機出口圧力が７．２ＭＰａより低いか否かを判断する（ＳＴ１）。冷凍機出口圧力が７．２ＭＰａより低いと判断した場合は（ＳＴ１：ＹＥＳ）、制御装置６０により、通常の制御を行う（ＳＴ２）。
冷凍機出口圧力が７．２ＭＰａ以上であると判断した場合は（ＳＴ１：ＮＯ）、制御装置６０は、圧縮機１０の吐出冷媒の高圧圧力が、１１ＭＰａより低いか否かを判断する（ＳＴ３）。そして、吐出冷媒の高圧圧力が、１１ＭＰａより低ければ（ＳＴ３：ＹＥＳ）、減圧電動弁３１の開度を減少するように制御する（ＳＴ４）。
一方、吐出冷媒の高圧圧力が、１１ＭＰａ以上であれば（ＳＴ３：ＮＯ）、制御装置６０は、圧縮機１０の回転数を低下するように制御する（ＳＴ５）。
そして、制御装置６０により、減圧電動弁３１または圧縮機１０の制御を行った後、冷凍機出口圧力センサ５３による冷媒の冷凍機出口圧力の検出値を入力し、冷凍機出口圧力が６．８ＭＰａより低いか否かを判断する（ＳＴ６）。
冷凍機出口圧力が６．８ＭＰａより低いと判断した場合は（ＳＴ６：ＹＥＳ）、制御装置６０により、通常の制御を行う（ＳＴ２）。
一方、冷凍機出口圧力が６．８ＭＰａ以上であると判断した場合は（ＳＴ６：ＮＯ）、制御装置６０は、一定時間、減圧電動弁３１の開度および圧縮機１０の回転数を維持した状態で（ＳＴ７）、再度、冷凍機出口圧力センサ５３により、冷凍機出口圧力が７．２ＭＰａより低いか否かを判断する（ＳＴ１）。
制御装置６０は、判断結果に基づいて、前述のように、減圧電動弁３１の開度または圧縮機１０の回転数を制御する。これを冷凍機出口圧力が臨界圧力より低くなるまで、繰り返して行う。
以上説明したように、本実施形態によれば、制御装置６０は、冷凍機２の出口圧力が臨界圧力より高くなるとき、中間冷却器３０の上流側の減圧電動弁３１の開度を小さくするように制御する。
これによれば、中間冷却器３０において、冷媒の気液分離により冷媒の液化が行われるので、冷凍機出口圧力を臨界圧力より低くすることができ、液冷媒をショーケース３に送ることができるようになる。これにより、ショーケース３の主絞り手段４１の入口側における冷媒の比エンタルピーが低下し、冷却効果を増大させることが可能となる。
図４は本発明による制御と従来の制御とによるｐ−ｈ線図である。
図４に示すように、従来の制御により冷凍機出口圧力が７．３ＭＰａより高い場合、気液分離が行われず、比エンタルピーを低下させることができない。
これに対して、本発明による制御においては、冷凍機出口圧力を７．３ＭＰａより低くすることで、中間冷却器３０で気液分離できるようになり、冷媒が液化したことで、主絞り手段４１の入口側での冷媒の比エンタルピーを低下させることが可能となる。これにより、冷却効果を増大させることができる。
また、本実施形態においては、制御装置６０は、圧縮機１０の吐出側の高圧圧力が、設計圧力との差が１ＭＰａ未満の時、圧縮機１０の回転量を低下させるように制御する。
これによれば、圧縮機１０の回転量を低下させることで、冷凍機出口圧力を低下させることができる。
この場合に、圧縮機１０の回転量を低下させることにより、冷媒の循環量が減少することになるが、冷媒の比エンタルピーを低下させることができるので、冷却効果が増大し、冷却能力を増大させることができる。
本実施形態においては、制御装置６０は、圧縮機１０の吐出側の高圧圧力が、設計圧力との差が１ＭＰａ未満の時、圧縮機１０の回転量を低下させて、圧縮機１０の吐出側の高圧圧力と設計圧力との差を確保した後、減圧電動弁３１の開度を小さくするように制御する。
これによれば、圧縮機１０の吐出側の高圧圧力と設計圧力との差を確保した後、減圧電動弁３１の開度を小さくすることで、冷凍機出口圧力を低下させることができる。
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々変更が可能である。
１ 冷凍装置
２ 冷凍機
３ ショーケース
１０ 圧縮機
１１ 冷凍用熱交換器
１３ ガスクーラ
１４ インタクーラ
１５ オイルクーラ
１６ 送風ファン
２６ オイル管
２８ オイル調整電動弁
３０ 中間熱交換器
３１ 減圧電動弁
３２ スプリット熱交換器
３３ 分岐配管
３４ 液戻し膨張弁
３５ ガス戻し電動弁
４０ 蒸発器
４１ 主絞り手段
５０ 高圧圧力センサ
５１ 低圧圧力センサ
５２ 中間圧圧力センサ
５３ 冷凍機出口圧力センサ
５４ 冷凍機入口温度センサ
５５ 冷凍機出口温度センサ
５６ 吐出温度センサ
５７ ガスクーラ出口温度センサ
５８ 外気温度センサ
５９ スプリット出口温度センサ
６０ 制御装置

Claims (3)

  1. ２段圧縮の圧縮機、インタクーラ、ガスクーラ、減圧電動弁、中間冷却器およびガス戻し用電動弁を備えた冷凍機と、主絞り手段および蒸発器とを備えたショーケースと、から構成される冷凍装置において、
    制御装置を備え、前記制御装置は、前記冷凍機の出口圧力が臨界圧力より高くなるとき、前記中間冷却器の上流側の前記減圧電動弁の開度を小さくするように制御することを特徴とする冷凍装置。
  2. 前記制御装置は、前記圧縮機の吐出側の高圧圧力が、設計圧力との差が１ＭＰａ未満の時、前記圧縮機の回転量を低下させるように制御することを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
  3. 前記制御装置は、前記圧縮機の吐出側の高圧圧力が、設計圧力との差が１ＭＰａ未満の時、前記圧縮機の回転量を低下させて、圧縮機の吐出側の高圧圧力と設計圧力との差を確保した後、前記減圧電動弁の開度を小さくするように制御することを特徴とする請求項２に記載の冷凍装置。
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