JPH0719622A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】冷凍装置は、感温筒内に冷凍サイクルの作動物
質である非共沸混合冷媒と同じ冷媒で同じ混合割合の物
質、また、低沸点冷媒割合が冷凍サイクルへ封入される
低沸点冷媒割合よりも大きい物質、さらに、これらの物
質と同じ圧力と温度の関係をもつ他の物質を充填した温
度式自動膨張弁４を用いた。また、冷凍サイクル内を循
環する非共沸混合冷媒の混合割合の変化に伴って、吐出
ガス温度が上昇するのを防止するため、液インジェクシ
ョン配管を備え、吐出ガス温度検出結果を用いて液イン
ジェクション量を調節できる構成とする。 【効果】非共沸混合冷媒を用いた冷凍サイクルでも、従
来同様の温度式自動膨張弁の使用が可能となった。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、冷凍保存庫，ショーケ
ース，環境試験装置などの冷凍装置に使用される非共沸
混合冷媒を用いる蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒流量制
御に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来は、例えば特公平1−36025号公報に
示されているように、単一成分のフロンが充填された感
温筒を有する温度式自動膨張弁を用い、感温筒内に充填
されているフロンを主体に、この冷媒よりも高沸点冷媒
を混合した非共沸混合冷媒を作動物質として用いた冷凍
装置がある。温度式自動膨張弁の開度は、蒸発圧力，温
度式自動膨張弁に内蔵されているばね力、および、蒸発
器出口冷媒の温度変化に対応して変化する感温筒内圧力
によって調節される。すなわち、蒸発器出口冷媒状態が
調節されることによって冷媒流量制御が行われる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】作動物質として非共沸
混合冷媒を用いる冷凍サイクルでは、圧縮機から吐出さ
れる冷媒、すなわち、サイクル内を循環する非共沸混合
冷媒の混合割合は常に一定になるとは限らない。運転条
件によって冷媒混合割合が異なる場合がある。この場
合、循環冷媒の混合割合が変化するのに対し、冷媒流量
制御に使用されている温度式自動膨張弁の感温筒内圧力
と温度の関係は一定であるため、温度式自動膨張弁の開
度を調節するための蒸発圧力，ばね力および感温筒内圧
力の力関係が混合割合によって変化するので、温度式自
動膨張弁の開度も変化し、蒸発器出口冷媒が湿り状態に
なったり、冷媒ガス過熱度が大きくなりすぎたりし、冷
凍サイクルが不安定な運転状態になる場合がある。蒸発
器出口冷媒が湿り状態の場合、その液冷媒がサイクル内
で滞留すると、サイクル内を循環する冷媒の混合割合
は、さらに変化しサイクル性能に影響を及ぼす。したが
って、非共沸混合冷媒を用いる冷凍サイクルでは、サイ
クル内を循環する冷媒の混合割合を十分に考慮し、蒸発
器出口で冷媒がガス状態となるように調節可能な温度式
自動膨張弁を用いる必要がある。また、非共沸混合冷媒
を用いる冷凍サイクルで蒸発器出口の冷媒をガス状態に
制御するには、冷凍サイクル内を循環する非共沸混合冷
媒の混合割合，圧力および温度を検出し、その結果から
飽和ガス温度を求め冷媒がガス状態であることを知る必
要がある。そのためには、実用的な冷媒混合割合検出
器，圧力検出器および温度検出器などが必要となり、冷
媒制御系が従来よりも複雑化する。

【０００４】本発明の目的は、温度式自動膨張弁を用い
て吸入配管を流れる非共沸混合冷媒がガス状態となるよ
うに冷媒流量制御が可能な非共沸混合冷媒を用いた冷凍
装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、冷凍サイクルへの封入冷媒と同じ種類，同
じ混合割合の非共沸混合冷媒を感温筒内に充填した温度
式自動膨張弁を用いた。

【０００６】また、冷凍サイクル内を循環する冷媒の混
合割合は、上記したように冷凍サイクルへの封入割合と
異なる場合があり、通常は低沸点冷媒割合のほうが大き
くなるので、低沸点冷媒割合が冷凍サイクルへの低沸点
冷媒の封入割合よりも大きい非共沸混合冷媒を感温筒内
へ充填した温度式自動膨張弁を用いた。

【０００７】また、前記非共沸混合冷媒と同じ圧力と温
度の関係をもつ物質を感温筒内に充填した温度式自動膨
張弁を備えた。

【０００８】さらに、冷凍サイクルへの封入冷媒の混合
割合における飽和蒸気圧力特性と同じか、または、低い
圧力特性の物質を感温筒内に充填し、蒸発圧力と感温筒
内圧力を利用して温度式自動膨張弁の開度を調節するよ
うにした。

【０００９】さらにまた、冷凍サイクルを循環する非共
沸混合冷媒の混合割合が変化することによる吐出ガス温
度上昇を防止するために、圧縮機内へ液冷媒を供給可能
とした。

【００１０】

【作用】非共沸混合冷媒では高沸点冷媒のほうが低沸点
冷媒よりも液化しやすいために、サイクル内の液相にお
ける高沸点冷媒割合は、高沸点冷媒の冷凍サイクルへの
封入割合よりも大きくなり、一般的に圧縮機から吐出さ
れ冷凍サイクル内を循環する冷媒の混合割合は、低沸点
冷媒のほうが高沸点冷媒よりも大きい割合となる。この
場合、非共沸混合冷媒を用いる冷凍サイクルの膨張装置
として、冷凍サイクルに封入される非共沸混合冷媒と同
じ種類，同じ封入割合の冷媒、または、この非共沸混合
冷媒と同じ圧力と温度の関係を持つ物質を充填した温度
式自動膨張弁を用いると、冷凍サイクル内を循環する冷
媒の混合割合における飽和ガス温度は、冷凍サイクルへ
の冷媒封入混合割合における飽和ガス温度より低くなる
ため、吸入配管を流れる冷媒温度を封入混合割合におけ
る飽和ガス温度よりも高くなるように、温度式自動膨張
弁の絞りを設定すれば、吸入配管内を流れる冷媒は、混
合割合の変化があっても常にガス状態にできる。

【００１１】さらに、低沸点冷媒の混合割合が、冷凍サ
イクルへの低沸点冷媒の封入割合よりも大きい非共沸混
合冷媒を感温筒内に封入した温度式自動膨張弁を用いる
と、冷凍サイクル内を循環する冷媒の混合割合における
飽和ガス温度は、冷凍サイクルへの封入混合割合におけ
る飽和ガス温度よりも低い温度となるため、吸入配管を
流れる冷媒温度を前記温度よりも高くなるように膨張弁
の絞りを設定すれば、冷凍サイクル内を循環する非共沸
混合冷媒の混合割合が変化しても、吸入配管を流れる冷
媒はガス状態となる。

【００１２】また、感温筒内に充填された非共沸混合冷
媒と同じ圧力と温度の関係を持つ物質を感温筒内に充填
した温度式自動膨張弁を用いた場合にも、上記と同様の
作用となる。

【００１３】さらに、感温筒内の圧力を冷凍サイクルへ
の封入冷媒の飽和蒸気圧力特性よりも低くした場合、循
環冷媒中の低沸点冷媒割合は、上記したように低沸点冷
媒の冷凍サイクルの封入割合よりも大きくなるため、循
環冷媒と感温筒内物質の飽和蒸気圧力の差が大きくなる
ので、蒸発器出口冷媒をガス状態にできるが、蒸発器出
口冷媒ガスの過熱度を極力小さくするために、蒸発圧力
と感温筒内圧力を利用し、ばね力は極力利用しないで、
温度式自動膨張弁の開度を調節するようにしたものであ
る。

【００１４】さらにまた、冷凍サイクルにおいて圧縮機
内へ液冷媒を供給するための液インジェクション回路を
備えることにより、もし冷凍サイクル内を循環する冷媒
の混合割合の変化に伴って冷媒過熱度が大きくなり、吐
出ガス温度が上昇する場合には、圧縮機内への液インジ
ェクションにより、圧縮機内を冷却し吐出ガス温度上昇
を防ぐことができる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の一実施例について説明する。

【００１６】図１は、非共沸混合冷媒を用いた本発明の
冷凍装置の冷凍サイクル系統を示したものである。この
冷凍サイクルは、圧縮機１，凝縮器２，蒸発器３，温度
式自動膨張弁４，アキュムレータ５が配管接続された構
成となっている。温度式自動膨張弁用感温筒４ａ内に
は、冷凍サイクル内に封入されている非共沸混合冷媒と
同じ種類、同じ混合割合の冷媒が充填され、蒸発器３の
出口配管に備え付けられている。この温度式自動膨張弁
４へ流入する非共沸混合冷媒の流量は、図２に示されて
いる温度式自動膨張弁４の作動機構図からわかるよう
に、ダイヤフラム４ｂの一方の面にかかる蒸発圧力とば
ね圧力、および、もう一方の面にかかる感温筒４ａ内の
圧力の変化によってニードル弁４ｄが上下方向に動かさ
れる結果、流路断面積が変化し調節される。

【００１７】圧縮機１から吐出される非共沸混合冷媒
は、凝縮器２で冷却され凝縮液化する。次に液冷媒は温
度式自動膨張弁４によって減圧され蒸発器３へ流入され
る。ここで液冷媒は、周囲から吸熱することによって蒸
発し、ガス冷媒となって蒸発器３から流出する。ガス冷
媒は再度圧縮機１へ吸入される。ここで蒸発器３での非
共沸混合冷媒の状態変化は、図３に示されているように
温度式自動膨張弁４へ流入してくる循環冷媒の混合割合
ｎの線上をａからｃまで変化する。すなわち、温度式自
動膨張弁４によって減圧された冷媒は、気液二相の状態
ａで蒸発器３へ流入し、徐々に蒸発しながら飽和ガス状
態ｂとなり、最終的には過熱ガス状態ｃとなって蒸発器
３から流出し、感温筒４ａ取付け部へ流れる。気液二相
部の液相の混合割合は、液相線上のａ₁からｂ₁まで変化
する。すなわち、液相中の低沸点冷媒割合は、蒸発器３
へ流入してくる循環冷媒の低沸点冷媒割合ｎよりも小さ
い。凝縮器２でも同じように液相中の低沸点冷媒割合は
小さくなる。気相の混合割合は、気相線上をａ₂ からｂ
まで変化する。すなわち、気相中の低沸点冷媒割合は、
循環冷媒の低沸点冷媒割合よりも大きくなる。このよう
に冷凍サイクル内の液相部における低沸点冷媒割合は大
きいために、冷凍サイクル内に液相部があるかぎり、圧
縮機から吐出され冷凍サイクル内を循環する低沸点冷媒
割合は、冷凍サイクル内への低沸点冷媒の封入割合より
も大きくなる。冷凍サイクル内に液冷媒が滞留する場所
があれば、さらに循環冷媒中の低沸点冷媒割合が大きく
なる。したがって、冷凍サイクル装置への封入冷媒と同
じ種類の冷媒を同じ混合割合で感温筒４ａ内に充填した
温度式自動膨張弁４を用いると、温度式自動膨張弁４を
開けようとする感温筒４ａ内の圧力，温度式自動膨張弁
４開度を閉じようとする循環冷媒圧力（蒸発圧力）、お
よび、循環冷媒圧力とばね圧力の和は、図４に示されて
いるようになる。例えば、蒸発圧力Ｐ₁ で安定運転され
ているとすれば、蒸発圧力Ｐ₁ とばね圧力の和と感温筒
４ａ内の圧力はバランスがとれＰ₂ となる。この場合、
感温筒４ａは蒸発器３の冷媒出口側の配管に設置されて
いるため、蒸発器３出口冷媒温度は感温筒４ａ内物質の
温度と同じＴ₂ となり、循環冷媒の飽和ガス温度Ｔ₁ よ
りも高くなる。すなわち、吸入配管内を流れる冷媒は過
熱ガス状態となる。

【００１８】図５および図６は、感温筒４ａ内物質の圧
力と温度の関係が、冷凍サイクルへの冷媒封入割合の場
合よりも、同一温度において圧力が高くなる特性の物質
を用いた場合の例で、ばね圧力は感温筒４ａ内圧力と冷
凍サイクルへの冷媒封入割合における飽和蒸気圧力の差
以上となるように調節されている。図５は循環冷媒の飽
和蒸気圧特性が、感温筒４ａ内の圧力特性より高い場
合、図６は感温筒４ａ内の圧力特性と冷凍装置への封入
割合における飽和蒸気圧特性の中間の場合をそれぞれ示
している。いずれの場合も、循環冷媒の飽和ガス温度Ｔ
₁ よりも感温筒４ａ内物質の温度、すなわち、蒸発器出
口の冷媒温度Ｔ₂ は高くなり過熱ガス状態となる。も
し、循環冷媒の飽和蒸気圧特性が、冷凍サイクルへの封
入割合における飽和蒸気圧特性と同じになった場合で
も、循環冷媒の飽和ガス温度Ｔ₁ と蒸発器出口の冷媒温
度Ｔ₂ は同じになるため、蒸発器３出口冷媒は飽和ガス
状態となる。

【００１９】図７は、蒸発圧力と感温筒４ａ内圧力で温
度式自動膨張弁開度を調節する場合の例で、感温筒４ａ
内物質の圧力特性が、冷凍サイクルへの冷媒封入割合に
おける非共沸混合冷媒の圧力特性よりも低くなってい
る。この場合、冷凍サイクルが安定しているとすれば、
循環冷媒の圧力Ｐ₁と感温筒４ａ内の圧力Ｐ₂は等しくな
るが、感温筒４ａ内物質の温度、すなわち、蒸発器３出
口冷媒温度はＴ₂ となり、循環冷媒の飽和ガス温度Ｔ₁
よりも高く、蒸発器３出口冷媒は過熱ガス状態となる。
従来から使用されている開度調節にばね圧力も利用する
温度式自動膨張弁４を利用する場合には、ばね圧力を極
力小さくなるように調節すれば、蒸発器３出口冷媒ガス
過熱度を小さくできる。

【００２０】以上で述べたことは、三種類以上の冷媒を
混合した非共沸混合冷媒の場合でも適用できる。

【００２１】図８は他の実施例を示したものである。こ
の冷凍サイクルの基本的構成は、図１に示されている冷
凍サイクルと同じであるが、凝縮器２と温度式自動膨張
弁４を結ぶ液配管１０から圧縮機１へ、冷媒流量調整弁
６を介して液インジェクション管１１が接続され、圧縮
機１と凝縮器２を結ぶ吐出配管９には温度検出器７、お
よび、温度検出器７からの出力信号を用いて冷媒流量調
整弁６の開度を調節するための制御器８が設けられてい
る。この冷凍サイクルで、例えば、蒸発器３および凝縮
器２の負荷が変化し、圧縮機１から吐出され冷凍サイク
ル内を循環する非共沸混合冷媒の低沸点冷媒割合が大き
くなるように変化した場合、冷凍サイクルの高圧側圧力
が高くなり吐出ガス温度が上昇するが、本サイクルでは
温度検出器７による温度検出結果に応じて、冷媒流量調
整弁６の開度が調節され液冷媒が圧縮機１内へ供給され
て圧縮機１が冷却されるので、吐出ガス温度の上昇を防
止できる。本実施例によれば、循環冷媒の混合割合に変
化があっても、上記手段により吐出ガス温度の上昇を防
止できるので、冷媒の分解，圧縮機の摺動部の潤滑のた
めに封入されている冷凍機油の劣化の防止、および、圧
縮機用モータの焼損などを防止することが可能となる。

【００２２】

【発明の効果】本発明によれば、冷凍サイクル内を循環
する非共沸混合冷媒の混合割合が変化しても、温度式自
動膨張弁によって吸入配管での冷媒状態をガス状態に制
御することが可能である。

【００２３】また、循環冷媒の混合割合の変化による吐
出ガス温度上昇は、圧縮機へ液冷媒を供給することによ
って防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】温度式自動膨張弁を用いた本発明の非共沸混合
冷媒サイクルのブロック図。

【図２】非共沸混合冷媒を用いる冷凍サイクル用温度式
自動膨張弁の作動説明図。

【図３】蒸発器での冷媒状態変化を示した温度−混合割
合線図。

【図４】非共沸混合冷媒を用いる冷凍サイクル用温度式
自動膨張弁の作動状況を表わす圧力−温度線図。

【図５】非共沸混合冷媒を用いる冷凍サイクル用温度式
自動膨張弁の作動状況を表わす圧力−温度線図。

【図６】非共沸混合冷媒を用いる冷凍サイクル用温度式
自動膨張弁の作動状況を表わす圧力−温度線図。

【図７】本発明の他の実施例の冷凍サイクル系統を示し
たブロック図。

【符号の説明】

１…圧縮機、２…凝縮器、３…蒸発器、４…温度式自動
膨張弁、４ａ…温度式自動膨張弁用感温筒、５…アキュ
ムレータ、６…冷媒流量制御弁、７…温度検出器、８…
制御器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤田 誠 静岡県清水市村松390番地 株式会社日立 製作所清水工場内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧縮機，凝縮器，膨張装置，蒸発器および
   アキュムレータ等が、順次、配管接続され、冷媒として
   非共沸混合冷媒を用いた蒸気圧縮式冷凍サイクルを有す
   る冷凍装置において、前記膨張装置として前記蒸気圧縮
   式冷凍サイクルへの封入冷媒と同じ種類，同じ混合割合
   の非共沸混合冷媒、または、前記非共沸混合冷媒と同じ
   圧力と温度の関係をもつ物質を感温筒内に充填した温度
   式自動膨張弁を備えたことを特徴とする冷凍装置。