JP2010101552A - ガスインジェクション冷凍システム - Google Patents
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Abstract
【課題】熱負荷の変化や経年変化等により高圧圧力が変化したとしても、常に最適のCOPにて動作するガスインジェクション冷凍システムを提供する。
【解決手段】ガスインジェクション冷凍システムは、放熱器(14)での冷媒の高圧圧力を検知するセンサ(38)と、少なくとも冷媒の高圧圧力が冷媒の臨界圧力を超えているとき、第1膨張弁(16)の開度を変化させながらセンサ(38)によって冷媒の高圧圧力を検知し、第1膨張弁(16)の開度の変化量に対する高圧圧力の変化量の割合に基づいて、第1膨張弁(16)の開度を調整する制御装置(36)とを備える。
【選択図】図1
【解決手段】ガスインジェクション冷凍システムは、放熱器(14)での冷媒の高圧圧力を検知するセンサ(38)と、少なくとも冷媒の高圧圧力が冷媒の臨界圧力を超えているとき、第1膨張弁(16)の開度を変化させながらセンサ(38)によって冷媒の高圧圧力を検知し、第1膨張弁(16)の開度の変化量に対する高圧圧力の変化量の割合に基づいて、第1膨張弁(16)の開度を調整する制御装置(36)とを備える。
【選択図】図1
Description
本発明は、ガスインジェクション冷凍システムに関する。
近年、地球環境を考慮して二酸化炭素(CO2)が冷凍システムの冷媒に用いられている。CO2の臨界温度は低いため、冷凍システムには、ガスインジェクションサイクルを採用しているものがある。
具体的には、ガスインジェクションサイクルは、2つの圧縮機、放熱器、2つの膨張器、気液分離器、及び、蒸発器を有する。気液分離器は、2つの膨張器の間に配置され、1つ目の膨張器で膨張させられた冷媒を、気相の冷媒と液相の冷媒とに分離する。分離された気相の冷媒は、2つの圧縮機のうち、2つ目の圧縮機に供給される。
具体的には、ガスインジェクションサイクルは、2つの圧縮機、放熱器、2つの膨張器、気液分離器、及び、蒸発器を有する。気液分離器は、2つの膨張器の間に配置され、1つ目の膨張器で膨張させられた冷媒を、気相の冷媒と液相の冷媒とに分離する。分離された気相の冷媒は、2つの圧縮機のうち、2つ目の圧縮機に供給される。
この種のガスインジェクションサイクルにおいては、当然のことながら、効率良く運転することが望まれている。そこで、特許文献1が開示する冷凍サイクル装置では、放熱器の冷媒圧力(高段側圧力)が、放熱器出口側の冷媒温度、または、放熱器の周囲空気温度に応じて選定された所定の圧力範囲内におさまるように、第一減圧器かつ/または第二減圧器の減圧量が調整される。
また、特許文献1が開示する他の冷凍サイクル装置では、中間冷媒圧力が、吸熱器での蒸発温度に応じて選定された冷媒の臨界圧力以下の所定の圧力範囲内におさまるように第一減圧器かつ/または前記第二減圧器の減圧量が調整される。
具体的には、特許文献1には、中間冷媒圧力について、低段側冷媒温度(蒸発温度)が−5〜5℃であれば、5.0〜7.0MPaとし、5〜15℃であれば、6.0〜8.0MPaとする圧力範囲内におさまるように第一減圧器かつ/または第二減圧器の減圧量を調整すると良いとの記載がある。
特開2001−133058号公報(特許請求の範囲、段落番号0059等。)
具体的には、特許文献1には、中間冷媒圧力について、低段側冷媒温度(蒸発温度)が−5〜5℃であれば、5.0〜7.0MPaとし、5〜15℃であれば、6.0〜8.0MPaとする圧力範囲内におさまるように第一減圧器かつ/または第二減圧器の減圧量を調整すると良いとの記載がある。
しかしながら、特許文献1には、高段側圧力をおさめるべき所定の圧力範囲の具体的な数値の記載がない。その上、どのような場合に減圧量を大きくし、或いは小さくするのかについても記載されていない。
また、特許文献1に開示された中間冷媒圧力の圧力範囲は広すぎるため、中間冷媒圧力がこの圧力範囲内にあったとしても、必ずしもCOP(成績係数)が向上するとはいえない。
また、特許文献1に開示された中間冷媒圧力の圧力範囲は広すぎるため、中間冷媒圧力がこの圧力範囲内にあったとしても、必ずしもCOP(成績係数)が向上するとはいえない。
更に、中間冷媒圧力を変更すれば、高段側圧力も変化するため、高段側圧力及び中間冷媒圧力の両方を同時に制御することは現実には困難である。
一方、冷凍サイクル装置では、目詰まり等の経年変化により、最適なCOPが得られる高段側圧力及び中間冷媒圧力の圧力範囲が変化する。このため、特許文献1が開示するように予め高段側圧力及び中間冷媒圧力の圧力範囲を選定した場合、使用しているうちに、最適なCOPが得られなくなる虞がある。
一方、冷凍サイクル装置では、目詰まり等の経年変化により、最適なCOPが得られる高段側圧力及び中間冷媒圧力の圧力範囲が変化する。このため、特許文献1が開示するように予め高段側圧力及び中間冷媒圧力の圧力範囲を選定した場合、使用しているうちに、最適なCOPが得られなくなる虞がある。
本発明は、上述の事情に基づいてなされ、その目的とするところは、熱負荷の変化や経年変化等により高圧圧力が変化したとしても、常に最適のCOPにて動作するガスインジェクション冷凍システムを提供することにある。
上記の目的を達成するべく、本発明の一態様によれば、冷媒を圧縮する高圧圧縮機構と、前記高圧圧縮機構で圧縮された冷媒を冷却する放熱器と、前記放熱器で冷却された冷媒を膨張させる、開度可変の第1膨張弁と、前記第1膨張弁で膨張させられた冷媒を、前記高圧圧縮機構に供給される気相の冷媒と液相の冷媒とに分離する気液分離器と、前記気液分離器で分離された液相の冷媒を膨張させる第2膨張弁と、前記第2膨張弁で膨張させられた冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器で蒸発させられた冷媒を圧縮し、前記高圧圧縮機構に供給する低圧圧縮機構と、前記放熱器での前記冷媒の高圧圧力を検知するセンサと、少なくとも前記冷媒の高圧圧力が前記冷媒の臨界圧力を超えているとき、前記第1膨張弁の開度を変化させながら前記センサによって前記冷媒の高圧圧力を検知し、前記第1膨張弁の開度の変化量に対する前記高圧圧力の変化量の割合に基づいて、前記第1膨張弁の開度を調整する制御装置とを備えることを特徴とするガスインジェクション冷凍システムが提供される(請求項1)。
好ましくは、前記制御装置は、前記第1膨張弁の開度の変化量に対する前記高圧圧力の変化量の割合の最適値を予め記憶しており、前記最適値に対応する開度に合うように前記第1膨張弁の開度を調整する(請求項2)。
好ましくは、前記制御装置は、前記第1膨張弁の開度の変化量に対する前記高圧圧力の変化量の割合が変化する前記第1膨張弁の開度の変化点を演算し、当該変化点に基づいて前記第1膨張弁の開度の変化量に対する前記高圧圧力の変化量の割合の最適値を設定し、そして、前記第1膨張弁の開度を前記最適値に合うように調整する(請求項3)。
好ましくは、前記制御装置は、前記第1膨張弁の開度の変化量に対する前記高圧圧力の変化量の割合が変化する前記第1膨張弁の開度の変化点を演算し、当該変化点に基づいて前記第1膨張弁の開度の変化量に対する前記高圧圧力の変化量の割合の最適値を設定し、そして、前記第1膨張弁の開度を前記最適値に合うように調整する(請求項3)。
好ましくは、前記放熱器で冷却された冷媒の過冷却度を検知する過冷却度検知手段を有し、前記制御装置は、前記冷媒の高圧圧力が前記冷媒の臨界圧力よりも低いとき、過冷却度検知手段によって検知された前記冷媒の過冷却度に基づいて、前記第1膨張弁の開度を調整する(請求項4)。
好ましくは、前記高圧圧縮機構及び低圧圧縮機構の吐出量は、前記蒸発器での冷媒の圧力が一定になるように調整され、前記第2膨張弁の開度は、前記蒸発器の出口での前記冷媒の過熱度が一定になるよう調整される(請求項5)。
好ましくは、前記高圧圧縮機構及び低圧圧縮機構の吐出量は、前記蒸発器での冷媒の圧力が一定になるように調整され、前記第2膨張弁の開度は、前記蒸発器の出口での前記冷媒の過熱度が一定になるよう調整される(請求項5)。
請求項1のガスインジェクション冷凍システムによれば、制御装置が、第1膨張弁の開度の変化量に対する高圧圧力の変化量の割合に基づいて、第1膨張弁の開度を調整することで、最適なCOPでの当該システムの作動が実現される。
請求項2のガスインジェクション冷凍システムによれば、最適値に対応する開度に合うように第1膨張弁の開度を調整することで、最適なCOPでの当該システムの作動が確実に実現される。
請求項2のガスインジェクション冷凍システムによれば、最適値に対応する開度に合うように第1膨張弁の開度を調整することで、最適なCOPでの当該システムの作動が確実に実現される。
請求項3のガスインジェクション冷凍システムによれば、最適値に対応する開度に合うように第1膨張弁の開度を調整することで、最適なCOPでの当該システムの作動が確実に実現される。また、このシステムによれば、システムの仕様が異なっていても、仕様毎に変化点を演算し、最適値を設定することで、最適なCOPでの各システムの作動が確実に実現される。
請求項4のガスインジェクション冷凍システムによれば、制御装置が、冷媒の高圧圧力が臨界圧力よりも低いとき、放熱器で冷却された冷媒の過冷却度に基づいて第1膨張弁の開度を調整することで、最適なCOPでの当該システムの作動が確実に実現される。
請求項5のガスインジェクション冷凍システムでは、制御装置が、第1膨張弁の開度の変化量に対する高圧圧力の変化量の割合に基づいて、第1膨張弁の開度を調整することで、最適なCOPでの当該システムの作動が実現される。このため、高圧圧縮機構及び低圧圧縮機構の吐出量、並びに、第2膨張弁の開度については、格別な調整が必要ない。そこで、このシステムでは、蒸発器での冷媒の圧力が一定になるように調整され、第2膨張弁の開度が、蒸発器の出口での冷媒の過熱度が一定になるよう調整することで、簡易な構成にて、最適なCOPでの当該システムの作動が実現される。
請求項5のガスインジェクション冷凍システムでは、制御装置が、第1膨張弁の開度の変化量に対する高圧圧力の変化量の割合に基づいて、第1膨張弁の開度を調整することで、最適なCOPでの当該システムの作動が実現される。このため、高圧圧縮機構及び低圧圧縮機構の吐出量、並びに、第2膨張弁の開度については、格別な調整が必要ない。そこで、このシステムでは、蒸発器での冷媒の圧力が一定になるように調整され、第2膨張弁の開度が、蒸発器の出口での冷媒の過熱度が一定になるよう調整することで、簡易な構成にて、最適なCOPでの当該システムの作動が実現される。
請求項6のガスインジェクション冷凍システムによれば、冷媒がCO2であっても、最適なCOPでの当該システムの作動が実現される。
図1は、本発明の第1実施形態に係るガスインジェクション冷凍システム(以下、単に冷凍システムともいう)の概略構成を示している。本実施形態では、冷凍システムは、商品を冷蔵又は冷凍するためのショーケース2及びその室外機4に適用されている。
ショーケース2は店舗内に配置され、商品を陳列するための陳列室6と、陳列室6の例えば下に儲けられた機械室8とを有する。室外機4は店舗外に配置される。
ショーケース2は店舗内に配置され、商品を陳列するための陳列室6と、陳列室6の例えば下に儲けられた機械室8とを有する。室外機4は店舗外に配置される。
冷凍システムは、作動流体としての冷媒が循環させられる循環路10を有する。冷媒としては、例えばCO2(二酸化炭素)が用いられる。循環路10には、冷媒が循環する方向にて、高圧圧縮機12、放熱器14、第1膨張弁16、気液分離器18、第2膨張弁20a,20b、蒸発器22a,22b及び低圧圧縮機24がこの順序で介挿されている。
なお、高圧圧縮機12、放熱器14、第1膨張弁16、気液分離器18、第2膨張弁20a,20b、蒸発器22a,22b及び低圧圧縮機24の間は、例えば金属製のパイプによって連結することができる。
なお、高圧圧縮機12、放熱器14、第1膨張弁16、気液分離器18、第2膨張弁20a,20b、蒸発器22a,22b及び低圧圧縮機24の間は、例えば金属製のパイプによって連結することができる。
本実施形態では、2セットの第2膨張弁20a,20b及び蒸発器22a,22bが互いに並列に配置されているが、第2膨張弁及び蒸発器のセット数は、ショーケース2の仕様に合わせて、1セットであってもよいし、3セット以上であってもよい。
循環路10は、ショーケース2の機械室8から室外機4に渡っており、高圧圧縮機12、放熱器14、第1膨張弁16、気液分離器18及び低圧圧縮機24が室外機4の中に、第2膨張弁20a,20b及び蒸発器22a,22bが機械室8の中にそれぞれ収容されている。
循環路10は、ショーケース2の機械室8から室外機4に渡っており、高圧圧縮機12、放熱器14、第1膨張弁16、気液分離器18及び低圧圧縮機24が室外機4の中に、第2膨張弁20a,20b及び蒸発器22a,22bが機械室8の中にそれぞれ収容されている。
以下、図2のモリエル線図を参照して、冷凍システムの機能について説明する。
高圧圧縮機12は、図2の線分ABで示されるように、冷媒を吸入し、吸入した冷媒を圧縮し、そして圧縮した冷媒を吐出する。吐出された冷媒は、線分BCで示されるように放熱器14で冷却される。放熱器14での冷媒の圧力(高圧圧力)を以下では高圧Phともいう。
高圧圧縮機12は、図2の線分ABで示されるように、冷媒を吸入し、吸入した冷媒を圧縮し、そして圧縮した冷媒を吐出する。吐出された冷媒は、線分BCで示されるように放熱器14で冷却される。放熱器14での冷媒の圧力(高圧圧力)を以下では高圧Phともいう。
なお、放熱器14の近傍には、放熱器ファン26が配置され、放熱器ファン26の送風によって、放熱器14を通過する冷媒は空冷される。
放熱器14で冷却された冷媒は、線分CDで示されるように第1膨張弁16で膨張させられる。膨張させられた冷媒の圧力を以下では中間圧Pmともいう。膨張させられた冷媒は、気液分離器18で、気相の冷媒と液相の冷媒とに分離される。なお、気液分離器18は、液相の冷媒を貯留する受液器としての機能を有していてもよい。
放熱器14で冷却された冷媒は、線分CDで示されるように第1膨張弁16で膨張させられる。膨張させられた冷媒の圧力を以下では中間圧Pmともいう。膨張させられた冷媒は、気液分離器18で、気相の冷媒と液相の冷媒とに分離される。なお、気液分離器18は、液相の冷媒を貯留する受液器としての機能を有していてもよい。
分離された液相の冷媒は、線分EFで示されるように第2膨張弁20a,20bで膨張させられる。膨張させられた冷媒は、線分FGで示されるように、蒸発器22a,22bで蒸発する。蒸発器22a,22bでの冷媒の圧力(低圧圧力)を以下では低圧Psともいう。
なお、第2膨張弁20a,20bは、機械式又は電子式のいずれであってもよいが、蒸発器22a,22bの出口での冷媒の過熱度SHを一定値に保つことが可能な感温式であるのが好ましい。
なお、第2膨張弁20a,20bは、機械式又は電子式のいずれであってもよいが、蒸発器22a,22bの出口での冷媒の過熱度SHを一定値に保つことが可能な感温式であるのが好ましい。
蒸発器22a,22bの近傍には、蒸発器ファン28a,28bがそれぞれ配置されている。蒸発器ファン28a,28bは、蒸発器22a,22bを通過する空気の流れを生成し、空気の流れは、冷媒に気化熱を奪われることによって冷却され、これにより冷風になる。この冷風が陳列室6内に吹き出すことで、陳列室6内の商品が冷蔵又は冷凍される。
蒸発器22a,22bで蒸発した冷媒は低圧圧縮機24に吸入される。低圧圧縮機24は、線分GHで示されるように、吸入した冷媒を圧縮し、圧縮した冷媒を吐出する。吐出された冷媒は、高圧圧縮機12に吸入される。
一方、気液分離器18で分離された気相の冷媒は、線分DAで示されるように、バイパス路30を経由して、高圧圧縮機12に吸入される。つまり、高圧圧縮機12には、低圧圧縮機24及び気液分離器18の双方から気相の冷媒が供給される。
一方、気液分離器18で分離された気相の冷媒は、線分DAで示されるように、バイパス路30を経由して、高圧圧縮機12に吸入される。つまり、高圧圧縮機12には、低圧圧縮機24及び気液分離器18の双方から気相の冷媒が供給される。
従って、バイパス路30は、第2膨張弁20a,20b、蒸発器22a,22b及び低圧圧縮機24を迂回するように、循環路10に取り付けられている。なお、バイパス路30には、好ましくは、逆止弁32が介挿される。
高圧圧縮機12及び低圧圧縮機24の吐出量は、好ましくは、蒸発器22a,22bでの冷媒の圧力、すなわち低圧Psが一定になるように調整される。高圧圧縮機12及び低圧圧縮機24の吐出量は、高圧圧縮機12及び低圧圧縮機24の吐出容量若しくは回転速度を変化させることによって調整することができる。この場合、冷凍システムは、低圧Psを検知するための低圧圧力センサ33を有し、検知された低圧Psに基づいて、高圧圧縮機12及び低圧圧縮機24の吐出量が例えばフィードバック制御される。
高圧圧縮機12及び低圧圧縮機24の吐出量は、好ましくは、蒸発器22a,22bでの冷媒の圧力、すなわち低圧Psが一定になるように調整される。高圧圧縮機12及び低圧圧縮機24の吐出量は、高圧圧縮機12及び低圧圧縮機24の吐出容量若しくは回転速度を変化させることによって調整することができる。この場合、冷凍システムは、低圧Psを検知するための低圧圧力センサ33を有し、検知された低圧Psに基づいて、高圧圧縮機12及び低圧圧縮機24の吐出量が例えばフィードバック制御される。
冷凍システムにおいては、第1膨張弁16の開度が可変である。例えば、第1膨張弁16は電子式であり、ソレノイド34を有する。ソレノイド34への通電量に応じて、第1膨張弁16の開度は変化する。ソレノイド34への通電量は、制御装置36によって制御される。制御装置36は、例えばECU(電子制御装置)等の電気回路によって構成される。
また、冷凍システムは、高圧Phを検知するためのセンサ(高圧センサ)38を有する。高圧センサ38によって検知された高圧Phは制御装置36に入力され、入力された高圧Phに基づいて、制御装置36は第1膨張弁16の開度を調整する。なお、高圧センサ38は、高圧圧縮機12から第1膨張弁16までの循環路10の部分であれば、どこにでも取り付けることができる。
以下、冷凍システムの使用方法として、その動作について説明する。
冷凍システムでは、高圧Phが変化したときに、冷凍システムが置かれている環境で最適則ち最大のCOPで動作するよう、制御装置36が第1膨張弁16の開度を調整する。
より詳しくは、高圧Phが変化したときに、制御装置36は、第1膨張弁16の開度を所定の範囲に亘って変化させながら高圧センサ38によって高圧Phを検知する。そして、制御装置36は、第1膨張弁16の開度の変化量Xに対する高圧Phの変化量Yの比Y/X(以下、高圧変化割合Y/Xともいう)を演算する。
冷凍システムでは、高圧Phが変化したときに、冷凍システムが置かれている環境で最適則ち最大のCOPで動作するよう、制御装置36が第1膨張弁16の開度を調整する。
より詳しくは、高圧Phが変化したときに、制御装置36は、第1膨張弁16の開度を所定の範囲に亘って変化させながら高圧センサ38によって高圧Phを検知する。そして、制御装置36は、第1膨張弁16の開度の変化量Xに対する高圧Phの変化量Yの比Y/X(以下、高圧変化割合Y/Xともいう)を演算する。
図3は、第1膨張弁16の開度と高圧変化割合Y/Xの絶対値との関係を示すグラフである。図3には、温度又は周波数が異なる3つの条件のグラフが記載されている。条件のうち温度は、放熱器14の出口での冷媒の温度である。周波数は、高圧圧縮機12及び低圧圧縮機24の電動モータに供給される電流の周波数であり、周波数が大きいほど、高圧圧縮機12及び低圧圧縮機24の回転速度が速くなり、冷媒の循環量が多くなる。
図3からわかるように、いずれの条件においても、高圧変化割合Y/Xは、変化点Rcで傾きが変化している。変化点Rcよりも第1膨張弁16の開度が小さい側では、高圧変化割合Y/Xの傾きが大きく、変化点Rcよりも第1膨張弁16の開度が大きい側では、高圧変化割合Y/Xの傾きが小さい。
本実施形態では、制御装置36は、高圧Phが変化したときに変化点Rcを演算し、変化点Rcに基づいて高圧変化割合Y/Xの最適値(最適高圧変化割合Ro)を設定する。最適高圧変化割合Roは負の値であり(Ro<0)、且つ、最適高圧変化割合Roの絶対値|Ro|は変化点Rcの絶対値|Rc|以下である(|Ro|≦|Rc|)。好ましくは、制御装置36は、絶対値|Ro|が絶対値|Rc|よりも僅かに小さくなるよう、最適高圧変化割合Roを設定する。
本実施形態では、制御装置36は、高圧Phが変化したときに変化点Rcを演算し、変化点Rcに基づいて高圧変化割合Y/Xの最適値(最適高圧変化割合Ro)を設定する。最適高圧変化割合Roは負の値であり(Ro<0)、且つ、最適高圧変化割合Roの絶対値|Ro|は変化点Rcの絶対値|Rc|以下である(|Ro|≦|Rc|)。好ましくは、制御装置36は、絶対値|Ro|が絶対値|Rc|よりも僅かに小さくなるよう、最適高圧変化割合Roを設定する。
なお正負の符号を考慮すれば、最適高圧変化割合Roは変化点Rc以上であり、好ましくは、変化点Rcよりも僅かに大きい。
そして、制御装置36は、既に求められている第1膨張弁16の開度と高圧変化割合Y/Xとの関係において、設定された最適高圧変化割合Roに対応する開度Doに合うように第1制御弁16の開度を調整する。
そして、制御装置36は、既に求められている第1膨張弁16の開度と高圧変化割合Y/Xとの関係において、設定された最適高圧変化割合Roに対応する開度Doに合うように第1制御弁16の開度を調整する。
なお、絶対値|Ro|が絶対値|Rc|よりも僅かに小さいとは、絶対値|Ro|が絶対値|Rc|の80%以上100%未満の範囲、好ましくは、93%以上97%以下の範囲に入っていることをいう。
高圧Phは、例えば、放熱器ファン26及び蒸発器ファン28a,28bの回転速度が一定であるときに、放熱器14が置かれている環境の温度(外気温度)が変化した場合や、陳列室6内の温度が変化した場合に変化する。ショーケース2の場合、通常、放熱器ファン26及び蒸発器ファン28a,28bの回転速度は一定である。
高圧Phは、例えば、放熱器ファン26及び蒸発器ファン28a,28bの回転速度が一定であるときに、放熱器14が置かれている環境の温度(外気温度)が変化した場合や、陳列室6内の温度が変化した場合に変化する。ショーケース2の場合、通常、放熱器ファン26及び蒸発器ファン28a,28bの回転速度は一定である。
外気温度が変化した場合については説明するまでもないので、陳列室6の温度が変化した場合について説明する。陳列室6の温度が変化した場合、蒸発器22a,22bにかかる熱負荷が変化し、蒸発器22a,22bの出口での冷媒の過熱度SHが変化しようとする。過熱度SHが変化しようとすると、それを抑制するように第2膨張弁20a,20bの開度が変化し、冷媒の循環量が変化するとともに、低圧Psが変化する。高圧圧縮機12及び低圧圧縮機24は、低圧Psの変化を抑制するように動作し、冷媒の循環量が変化する。この結果として、陳列室6の温度が変化した場合には高圧Phが変化する。
上述した冷凍システムは、高圧Phが変化しても、最適のCOPで動作する。理由は以下の通りである。
図4は、第1膨張弁16の開度のみを変化させたときの、第1膨張弁16の開度と、高圧Ph、中間圧Pm、低圧Ps及びCOPとの関係を示している。図4から、第1膨張弁16の開度が変化したときに、COP及び高圧Phが大きく変化することがわかる。一方、中間圧Pm及び低圧Psは、第1膨張弁16の開度が変化しても、大きく変化しないことがわかる。
図4は、第1膨張弁16の開度のみを変化させたときの、第1膨張弁16の開度と、高圧Ph、中間圧Pm、低圧Ps及びCOPとの関係を示している。図4から、第1膨張弁16の開度が変化したときに、COP及び高圧Phが大きく変化することがわかる。一方、中間圧Pm及び低圧Psは、第1膨張弁16の開度が変化しても、大きく変化しないことがわかる。
これより、第1膨張弁16の開度を調整することによって最適なCOPで冷凍システムを動作させられること、及び、第1膨張弁16の開度を調整する際の指標として、高圧Phが有効であることがわかる。
そして、図4のグラフを更に検討すると、第1膨張弁16の開度が開度DoであるときにCOPが最大となる。このため、第1膨張弁16の開度を開度Doに設定することにより、冷凍システムは、高圧Phが変化しても、最適のCOPで動作する。
そして、図4のグラフを更に検討すると、第1膨張弁16の開度が開度DoであるときにCOPが最大となる。このため、第1膨張弁16の開度を開度Doに設定することにより、冷凍システムは、高圧Phが変化しても、最適のCOPで動作する。
なお、図4から、第1膨張弁16の開度が開度Do以下のとき、高圧変化割合Y/Xは負の値であることがわかる。
図5は、中間圧Pmが一定である場合の、高圧PhとCOPとの関係をシミュレーションしたグラフを示し、図6は、高圧Phが一定である場合の、中間圧PmとCOPとの関係をシミュレーションしたグラフを示している。これら図5及び図6からも、COPは中間圧Pmには殆ど依存せず、高圧Phに強く依存していることがわかる。
図5は、中間圧Pmが一定である場合の、高圧PhとCOPとの関係をシミュレーションしたグラフを示し、図6は、高圧Phが一定である場合の、中間圧PmとCOPとの関係をシミュレーションしたグラフを示している。これら図5及び図6からも、COPは中間圧Pmには殆ど依存せず、高圧Phに強く依存していることがわかる。
かくして本実施形態の冷凍システムによれば、第1膨張弁16の開度の変化量Xに対する高圧Phの変化量Yの割合Y/Xに基づいて、第1膨張弁16の開度を調整することで、最適なCOPでの当該システムの作動が実現される。
本発明は、上述した第1実施形態に限定されることはなく、種々の変形が可能である。
例えば、第1実施形態では、変化点Rcに基づいて最適高圧変化割合Roを設定し、最適高圧変化割合Roに対応する開度Doに合うように第1膨張弁16の開度を調整したけれども、図3に示したように、変化点Rcに対応する開度Dcを設定し、開度Dc以上の値、好ましくは、開度Dcよりも僅かに大きい値を開度Doとして設定してもよい。
本発明は、上述した第1実施形態に限定されることはなく、種々の変形が可能である。
例えば、第1実施形態では、変化点Rcに基づいて最適高圧変化割合Roを設定し、最適高圧変化割合Roに対応する開度Doに合うように第1膨張弁16の開度を調整したけれども、図3に示したように、変化点Rcに対応する開度Dcを設定し、開度Dc以上の値、好ましくは、開度Dcよりも僅かに大きい値を開度Doとして設定してもよい。
また、第1実施形態では、変化点Rcを演算し、演算した変化点Rcに基づいて最適高圧変化割合Roを設定したけれども、制御装置36に予め設定された最適高圧変化割合Roを記憶させておいてもよい。なお、最適高圧変化割合Roは、実験データに基づいて予め決定可能である。
この場合、例えば冷凍システムの出荷前に変化点Rcを演算し、演算した変化点Rcに基づいて最適高圧変化割合Roを設定し、そして、設定した最適高圧変化割合Roを目標値として制御装置36に記憶させればよい。この場合も、第1実施形態の場合と同様に、記憶した最適高圧変化割合Roに対応する開度Doに第1膨張弁16の開度が調整され、高圧変化量Y/Xが最適高圧変化割合Roに近付けられる。
この場合、例えば冷凍システムの出荷前に変化点Rcを演算し、演算した変化点Rcに基づいて最適高圧変化割合Roを設定し、そして、設定した最適高圧変化割合Roを目標値として制御装置36に記憶させればよい。この場合も、第1実施形態の場合と同様に、記憶した最適高圧変化割合Roに対応する開度Doに第1膨張弁16の開度が調整され、高圧変化量Y/Xが最適高圧変化割合Roに近付けられる。
なお、最適な開度Doは、冷凍システムが置かれている環境の変化や、パイプの目詰まり等の冷凍システムの経年変化によって変化するが、最適高圧変化割合Roは、これらの変化によっては変化しない。このため、最適高圧変化割合Roを予め設定しておいても、冷凍システムは、最適なCOPで確実に動作する。
以下、第2実施形態に係る冷凍システムについて説明する。
以下、第2実施形態に係る冷凍システムについて説明する。
第1実施形態では、放熱器14での冷媒の温度に係わらず、最適高圧変化割合Roに対応する開度Doに第1膨張弁16の開度が調整されていた。第2実施形態でも、放熱器14での冷媒の温度が臨界温度よりも高いときには第1実施形態の場合と同様にして第1膨張弁16の開度が調整される。第2実施形態が第1実施形態と異なる点は、放熱器14での冷媒の温度が臨界温度以下、即ち、高圧Phが臨界圧力以下のときに、放熱器14出口での冷媒の過冷度Scに基づいて、制御装置36によって第1膨張弁16の開度が調整されることである。
図7は、高圧Phが臨界圧力以下のときのモリエル線図を示しており、図8は、高圧Phが臨界圧力以下のときの、第1膨張弁16の開度と、過冷却度SCと、COPとの関係を示すグラフである。
図8から、高圧Phが臨界圧力以下のときには、過冷却度SCに基づいて、制御装置36によって第1膨張弁16の開度を調整可能であることがわかる。
図8から、高圧Phが臨界圧力以下のときには、過冷却度SCに基づいて、制御装置36によって第1膨張弁16の開度を調整可能であることがわかる。
なお、第2実施形態では、過冷却度SCを検知するために、例えば図9に示したように放熱器14での冷媒の温度を検知するセンサ(温度センサ)40が、放熱器14の出口に取り付けられる。温度センサ40によって検知された冷媒の温度は制御装置36に入力され、制御装置36は、入力された冷媒の温度と、高圧Phでの飽和液温度とから、過冷却度SCを演算することができる。
以下、第3実施形態に係る冷凍システムについて説明する。
第3実施形態に係る冷凍システムは、図10に示したように、内部熱交換器42及びアキュムレータ44を有する点において、第1実施形態若しくは第2実施形態とは異なる。
内部熱交換器42は、気液分離器18から第2膨張弁20a,20bに向かう冷媒と、蒸発器22a,22bからアキュムレータ44に向かう冷媒との間で熱交換を行うものである。すなわち、内部熱交換器42によって、気液分離器18から第2膨張弁20a,20bに向かう冷媒が冷却され、これによって更にCOPが向上する。
第3実施形態に係る冷凍システムは、図10に示したように、内部熱交換器42及びアキュムレータ44を有する点において、第1実施形態若しくは第2実施形態とは異なる。
内部熱交換器42は、気液分離器18から第2膨張弁20a,20bに向かう冷媒と、蒸発器22a,22bからアキュムレータ44に向かう冷媒との間で熱交換を行うものである。すなわち、内部熱交換器42によって、気液分離器18から第2膨張弁20a,20bに向かう冷媒が冷却され、これによって更にCOPが向上する。
上述した第1実施形態乃至第3実施形態に係る冷凍システムにおいては、第1膨張弁16の開度を変化させる態様は特には限定されず、第1膨張弁16の開度を十分に小さい開度に設定してから徐々に大きくしても、第1膨張弁16の開度を十分に大きい開度に設定してから徐々に小さくしてもよい。また、予め最適高圧変化割合Roが設定されている場合には、第1膨張弁16の開度と高圧変化割合Y/Xとの関係を広範囲にわたって求める必要がない。従ってこの場合、高圧変化割合Y/Xが最適高圧変化割合Roになったところで、第1膨張弁16の開度を変化させるのを停止させてもよい。
第1実施形態乃至第3実施形態に係る冷凍システムでは、CO2以外の冷媒を用いることも可能であるのは勿論である。
第1実施形態乃至第3実施形態に係る冷凍システムは、高圧圧縮機12と低圧圧縮機24とを有していたけれども、高圧圧縮機12及び低圧圧縮機24に代えて、コンパウンド圧縮機を用いてもよい。すなわち、冷凍システムは、低圧Psの冷媒を吸入して圧縮する低圧圧縮機構と、低圧圧縮機構から吐出された冷媒と気液分離器18からの冷媒とを吸入して圧縮する高圧圧縮機構とを有していればよい。
第1実施形態乃至第3実施形態に係る冷凍システムは、高圧圧縮機12と低圧圧縮機24とを有していたけれども、高圧圧縮機12及び低圧圧縮機24に代えて、コンパウンド圧縮機を用いてもよい。すなわち、冷凍システムは、低圧Psの冷媒を吸入して圧縮する低圧圧縮機構と、低圧圧縮機構から吐出された冷媒と気液分離器18からの冷媒とを吸入して圧縮する高圧圧縮機構とを有していればよい。
最後に本発明に係るガスインジェクション冷凍システムは、商品を冷凍若しくは冷蔵しながら陳列するためのショーケース2の他、単に商品を保管するのみの冷蔵庫若しくは冷凍庫や、車両用空調システム若しくは室内用空調システムにも適用可能である。
14 放熱器
36 制御装置
38 センサ
36 制御装置
38 センサ
Claims (6)
- 冷媒を圧縮する高圧圧縮機構と、
前記高圧圧縮機構で圧縮された冷媒を冷却する放熱器と、
前記放熱器で冷却された冷媒を膨張させる、開度可変の第1膨張弁と、
前記第1膨張弁で膨張させられた冷媒を、前記高圧圧縮機構に供給される気相の冷媒と液相の冷媒とに分離する気液分離器と、
前記気液分離器で分離された液相の冷媒を膨張させる第2膨張弁と、
前記第2膨張弁で膨張させられた冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器で蒸発させられた冷媒を圧縮し、前記高圧圧縮機構に供給する低圧圧縮機構と、
前記放熱器での前記冷媒の高圧圧力を検知するセンサと、
少なくとも前記冷媒の高圧圧力が前記冷媒の臨界圧力を超えているとき、前記第1膨張弁の開度を変化させながら前記センサによって前記冷媒の高圧圧力を検知し、前記第1膨張弁の開度の変化量に対する前記高圧圧力の変化量の割合に基づいて、前記第1膨張弁の開度を調整する制御装置と
を備えることを特徴とするガスインジェクション冷凍システム。 - 前記制御装置は、前記第1膨張弁の開度の変化量に対する前記高圧圧力の変化量の割合の最適値を予め記憶しており、前記最適値に対応する開度に合うように前記第1膨張弁の開度を調整することを特徴とする請求項1に記載のガスインジェクション冷凍システム。
- 前記制御装置は、前記第1膨張弁の開度の変化量に対する前記高圧圧力の変化量の割合が変化する前記第1膨張弁の開度の変化点を演算し、当該変化点に基づいて前記第1膨張弁の開度の変化量に対する前記高圧圧力の変化量の割合の最適値を設定し、そして、前記第1膨張弁の開度を前記最適値に合うように調整することを特徴とする請求項1に記載のガスインジェクション冷凍システム。
- 前記放熱器で冷却された冷媒の過冷却度を検知する過冷却度検知手段を有し、
前記制御装置は、前記冷媒の高圧圧力が前記冷媒の臨界圧力よりも低いとき、過冷却度検知手段によって検知された前記冷媒の過冷却度に基づいて、前記第1膨張弁の開度を調整することを特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載のガスインジェクション冷凍システム。 - 前記高圧圧縮機構及び低圧圧縮機構の吐出量は、前記蒸発器での冷媒の圧力が一定になるように調整され、
前記第2膨張弁の開度は、前記蒸発器の出口での前記冷媒の過熱度が一定になるよう調整されることを特徴とする請求項1乃至4の何れかに記載のガスインジェクション冷凍システム。 - 前記冷媒はCO2であることを特徴とする請求項1乃至5の何れかに記載のガスインジェクション冷凍システム。
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