JP2013088080A - Binary refrigerating device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は二元冷凍装置に関するものである。特に低元冷凍サイクル側に補助放熱器を備えた二元冷凍装置に関するものである。 The present invention relates to a binary refrigeration apparatus. In particular, the present invention relates to a binary refrigeration apparatus provided with an auxiliary radiator on the low-source refrigeration cycle side.
従来より、マイナス数十度の低温度の冷却を行うための装置として、高温側冷媒を循環するための冷凍サイクル装置である高元冷凍サイクルと低温側冷媒を循環するための冷凍サイクル装置である低元冷凍サイクルとを有する二元冷凍装置が使用されている。例えば、二元冷凍装置では、低元冷凍サイクルにおける低元側凝縮器と高元冷凍サイクルにおける高元側蒸発器とを熱交換できるように構成したカスケードコンデンサによって低元冷凍サイクルと高元冷凍サイクルとを連結している。 Conventionally, as a device for cooling at a low temperature of minus several tens of degrees, a high-source refrigeration cycle that is a refrigeration cycle device for circulating a high-temperature side refrigerant and a refrigeration cycle device for circulating a low-temperature side refrigerant A binary refrigeration device having a low refrigeration cycle is used. For example, in a binary refrigeration system, a low-source refrigeration cycle and a high-source refrigeration cycle are configured by a cascade condenser configured to exchange heat between a low-source side condenser in a low-source refrigeration cycle and a high-source side evaporator in a high-source refrigeration cycle. Are linked.
そして、このような二元冷凍装置には、例えば低元冷凍サイクルにおいてカスケードコンデンサの前段に補助放熱器を設置し、低温側圧縮機から吐出された吐出冷媒を補助放熱器で放熱させて冷却することで運転効率の向上を図っているものがある(例えば、特許文献1参照)。 In such a binary refrigeration apparatus, for example, an auxiliary radiator is installed in the preceding stage of the cascade condenser in the low refrigeration cycle, and the discharged refrigerant discharged from the low-temperature side compressor is radiated by the auxiliary radiator and cooled. In some cases, the driving efficiency is improved (see, for example, Patent Document 1).
上記の特許文献1の二元冷凍装置は、低元冷凍サイクルにおいて吐出冷媒を冷却する補助放熱器の放熱量を増大させることで、高元冷凍サイクルの冷却能力を低減して運転効率を向上するものである。ここで、補助放熱器の放熱量をどの程度まで増大できるかは、例えば屋外の空気(外気)の温度などの放熱を行う対象によって異なる。
The above-described binary refrigeration apparatus of
例えば、二元冷凍装置に対しては、年間を通して高い運転効率での運転ができることが望まれている。よって、空冷式の補助放熱器を備えた二元冷凍装置においても、例えば年間を通した外気温度変化を踏まえた上で、高い運転効率によって省エネルギーを図ることができるように補助放熱器の放熱量を制御することが望まれる。しかし、従来の二元冷凍装置において、この点については検討されているものはなかった。 For example, it is desired that a binary refrigeration apparatus can be operated with high operational efficiency throughout the year. Therefore, even in a binary refrigeration system equipped with an air-cooled auxiliary radiator, for example, the amount of heat released from the auxiliary radiator can be saved with high operating efficiency, taking into account changes in the outside air temperature throughout the year. It is desirable to control. However, none of the conventional binary refrigeration apparatuses has been studied in this regard.
本発明はこのような点に鑑みなされたもので、補助放熱器の放熱量を制御し、例えば、年間を通して省エネルギー効果を得ることが可能な二元冷凍装置を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of such a point, and it aims at providing the binary refrigeration apparatus which can control the thermal radiation amount of an auxiliary heat radiator, and can obtain the energy saving effect throughout the year, for example.
本発明に係る二元冷凍装置は、高元側圧縮機、高元側凝縮器、高元側絞り装置及び高元側蒸発器を配管接続し、冷媒を循環させる高元側冷媒回路を形成する高元冷凍サイクルと、低元側圧縮機、補助放熱器、低元側凝縮器、低元側絞り装置及び低元側蒸発器を配管接続し、冷媒を循環させる低元側冷媒回路を形成する低元冷凍サイクルと、高元側蒸発器と低元側凝縮器とにより構成し、高元側冷媒回路を流れる冷媒と低元側冷媒回路を流れる冷媒との間の熱交換を行うカスケードコンデンサと、補助放熱器を流れる冷媒と熱交換させるための屋外空気を補助放熱器に通過させる送風機と、低元冷凍サイクルにおける凝縮温度よりも、補助放熱器を通過させる屋外空気の温度の方が高いと判断すると、送風機の風量を減少させる制御を行う制御装置とを備えるものである。 A binary refrigeration apparatus according to the present invention connects a high-side compressor, a high-side condenser, a high-side throttle device, and a high-side evaporator to form a high-side refrigerant circuit that circulates refrigerant. The high-source refrigeration cycle is connected to the low-side compressor, auxiliary radiator, low-side condenser, low-side expansion device, and low-side evaporator to form a low-side refrigerant circuit that circulates the refrigerant. A cascade condenser configured by a low-source refrigeration cycle, a high-side evaporator and a low-side condenser, and performing heat exchange between the refrigerant flowing through the high-side refrigerant circuit and the refrigerant flowing through the low-side refrigerant circuit; When the temperature of the outdoor air passing through the auxiliary radiator is higher than the blower that passes outdoor air to exchange heat with the refrigerant flowing through the auxiliary radiator and the condensation temperature in the low-source refrigeration cycle If judged, control to reduce the air volume of the blower It is intended and a location.
本発明によれば、二元冷凍装置において、低減冷凍サイクルに補助放熱器と放熱器に屋外空気を流す送風機を備え、制御装置が、低元冷凍サイクルにおける凝縮温度よりも屋外空気の温度の方が高いと判断すると送風機の風量を減少させるようにしたので、例えば、空気の温度変化を踏まえた上で運転を制御することができ、高い運転効率を達成し、省エネルギーを図ることができる。例えば屋外空気に放熱を行う際には、年間を通して高い運転効率を達成することができる。 According to the present invention, in the dual refrigeration apparatus, the reduced refrigeration cycle includes an auxiliary radiator and a blower that causes outdoor air to flow to the radiator, and the control device has a higher outdoor air temperature than the condensation temperature in the low refrigeration cycle. If it is determined that the air flow is high, the air volume of the blower is reduced. For example, it is possible to control the operation in consideration of the temperature change of the air, achieve high operation efficiency, and save energy. For example, when heat is radiated to outdoor air, high operating efficiency can be achieved throughout the year.
以下、本発明に係る二元冷凍装置の好適な実施の形態について図面を参照して説明する。 Hereinafter, a preferred embodiment of a binary refrigeration apparatus according to the present invention will be described with reference to the drawings.
実施の形態1.
図1は本発明の実施の形態1における二元冷凍装置の構成を表す図である。図1に示すように、本実施の形態における二元冷凍装置は、低元冷凍サイクル10と高元冷凍サイクル20とを有し、それぞれ独立して冷媒を循環させる冷媒回路を構成する。そして、2つの冷媒回路を多段構成するために、高元側蒸発器24と低元側凝縮器12とを、それぞれ通過する冷媒間での熱交換を可能に結合させて構成したカスケードコンデンサ(冷媒間熱交換器)Cを設けている。また、二元冷凍装置全体の運転制御を行う制御装置30を有する。ここで、温度、圧力等の高低については、特に絶対的な値との関係で高低等が定まっているものではなく、システム、装置等における状態、動作等において相対的に定まるものとする。
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a binary refrigeration apparatus according to
図1において、低元冷凍サイクル10は、低元側圧縮機11と、補助放熱器15と、低元側凝縮器12と、低元側膨張弁13と、低元側蒸発器14とを順に冷媒配管で接続して冷媒回路(以下、低元側冷媒回路という)を構成している。一方、高元冷凍サイクル20は、高元側圧縮機21と、高元側凝縮器22と、高元側膨張弁23と、高元側蒸発器24とを順に冷媒配管で接続して冷媒回路(以下、高元側冷媒回路という)を構成している。
In FIG. 1, the low-
低元冷凍サイクル10の低元側圧縮機11は、冷媒を吸入し、圧縮して高温・高圧の状態にして吐出する。ここでは、例えばインバータ回路等により回転数を制御し、高元側冷媒の吐出量を調整できるタイプの圧縮機で構成する。
The low-
補助放熱器15は、例えばガスクーラ等として機能し、屋外の空気(外気)との熱交換により低元側圧縮機11が吐出したガス冷媒を冷却する。ここで、本実施の形態における二元冷凍装置は、補助放熱器15における外気と冷媒との熱交換を促すための送風機である補助放熱器ファン16を有しているものとする。補助放熱器ファン16は補助放熱器15に空気を通過させる流れを形成する。例えばインバータ回路等により回転数を制御し、風量を調整できるタイプのファンで構成する。
The
また、低元側凝縮器12は、補助放熱器15を通過した冷媒との間で熱交換を行い、冷媒を凝縮させて液状の冷媒にする(凝縮液化させる)ものである。例えば、ここではカスケードコンデンサCにおいて低元側冷媒回路を流れる冷媒が通過する伝熱管等が低元側凝縮器12となって、高元側冷媒回路を流れる冷媒との熱交換が行われるものとする。
Further, the low-
減圧装置、絞り装置等となる低元側膨張弁13は、低元側冷媒回路を流れる冷媒を減圧して膨張させるものである。例えば電子式膨張弁等の流量制御手段、毛細管(キャピラリ)、感温式膨張弁等の冷媒流量調節手段等で構成する。低元側蒸発器14は、例えば冷却対象との熱交換により低元冷媒回路を流れる冷媒を蒸発させて気体(ガス)状の冷媒にする(蒸発ガス化させる)ものである。冷媒との熱交換により、冷却対象は、直接又は間接に冷却されることになる。
The low-
一方、高元冷凍サイクル20の高元側圧縮機21は、高元側冷媒回路を流れる冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮して高温・高圧の状態にして吐出する。高元側圧縮機21についても、例えばインバータ回路等を有し、冷媒の吐出量を調整できるタイプの圧縮機で構成する。高元側凝縮器22は、例えば、空気、ブライン等と高元側冷媒回路を流れる冷媒との間で熱交換を行い、冷媒を凝縮液化させるものである。ここで、本実施の形態では、外気と冷媒との熱交換を行うものとし、熱交換を促すための高元側凝縮器ファン25を有しているものとする。高元側凝縮器ファン25についても風量を調整できるタイプのファンで構成する。
On the other hand, the high-
減圧装置、絞り装置等となる高元側膨張弁23は、高元側冷媒回路を流れる冷媒を減圧して膨張させるものである。例えば前述した電子式膨張弁等の流量制御手段、毛細管等の冷媒流量調節手段で構成する。高元側蒸発器24は、熱交換により高元側冷媒回路を流れる冷媒を蒸発ガス化するものである。例えば、ここではカスケードコンデンサCにおいて高元側冷媒回路を流れる冷媒が通過する伝熱管等が高元側蒸発器24となって、低元側冷媒回路を流れる冷媒との熱交換が行われるものとする。
The high-
また、カスケードコンデンサCは、前述した高元側蒸発器24と低元側凝縮器12との機能を有し、高元側冷媒と低元側冷媒とを熱交換可能にする冷媒間熱交換器である。カスケードコンデンサCを介して高元側冷媒回路と低元側冷媒回路とを多段構成にし、冷媒間の熱交換を行うようにすることで、独立した冷媒回路を連携させることができる。また、制御装置30は、二元冷凍装置を構成する各機器の動作制御等を行う。外気温度検出手段31は外気温度を検出するための温度センサーである。以下、外気温度は、外気温度検出手段31の検出に係る温度であるものとする。
Further, the cascade condenser C has the functions of the high-
このような構成の二元冷凍装置においては、低元冷凍サイクル10の一部の機器(例えば低元側蒸発器14)を、例えばスーパーマーケットのショーケースなどの室内の負荷装置が有していることがある。例えば、ショーケースを配置換えなどして配管の接続変更などを行って冷媒回路が開放されると、冷媒漏れが発生する可能性が多くなる。そこで、ここでは、低元冷凍サイクル10の低元側冷媒回路を循環させる冷媒として、冷媒漏れを考慮し、地球温暖化に対する影響が小さいCO2 (二酸化炭素)を用いる。一方、高元冷凍サイクル20に用いる冷媒は、高元冷凍サイクル20は冷媒回路が開放されることがないため、例えば地球温暖化係数の高いHFC冷媒などを用いることができる。それでも、例えば、HFO冷媒(HFO1234yf、HFO1234ze等)、HC冷媒、CO2 、アンモニア、水などの地球温暖化に対する影響が小さい冷媒を用いることが望ましい。そこで、本実施の形態では、高元冷凍サイクル20の高元側冷媒回路を循環させる冷媒としてHFO冷媒を用いる。
In the binary refrigeration apparatus having such a configuration, a part of the low refrigeration cycle 10 (for example, the low original evaporator 14) is included in an indoor load device such as a supermarket showcase. There is. For example, if the refrigerant circuit is opened by changing the connection of pipes by rearranging the showcase or the like, the possibility of refrigerant leakage increases. Therefore, here, CO 2 (carbon dioxide) having a small influence on global warming is used as the refrigerant circulating in the low-side refrigerant circuit of the low-
以上のような二元冷凍装置の冷却運転における各構成機器の動作等を、各冷媒回路を循環する冷媒の流れに基づいて説明する。まず、高元冷凍サイクル20の動作について説明する。高元側圧縮機21は、HFO冷媒を吸入し、圧縮して高温・高圧の状態にして吐出する。吐出した冷媒は高元側凝縮器22へ流入する。高元側凝縮器22は、高元側凝縮器ファン25から供給される外気とHFO冷媒との間で熱交換を行い、HFO冷媒を凝縮液化する。凝縮液化した冷媒は高元側膨張弁23を通過する。高元側膨張弁23は凝縮液化した冷媒を減圧する。減圧した冷媒は高元側蒸発器24(カスケードコンデンサC)に流入する。高元側蒸発器24は、低減側凝縮器12を通過する冷媒との熱交換により冷媒を蒸発ガス化する。蒸発ガス化したHFO冷媒を高元側圧縮機21が吸入する。
The operation | movement of each component apparatus in the cooling operation of the above binary refrigeration apparatuses is demonstrated based on the flow of the refrigerant | coolant which circulates through each refrigerant circuit. First, the operation of the high-
次に、低元冷凍サイクル10の動作について説明する。低元側圧縮機11は、CO2 冷媒を吸入し、圧縮して高温・高圧の状態にして吐出する。吐出した冷媒は補助放熱器15で冷却されて低元側凝縮器12(カスケードコンデンサC)へ流入する。低元側凝縮器12は、高元側蒸発器24を通過する冷媒との熱交換により冷媒を凝縮液化する。凝縮液化した冷媒は低元側膨張弁13を通過する。低元側膨張弁13は凝縮液化した冷媒を減圧する。減圧した冷媒は低元側蒸発器14に流入する。低元側蒸発器14は冷却対象との熱交換により冷媒を蒸発ガス化する。蒸発ガス化したCO2 冷媒を高元側圧縮機21が吸入する。
Next, the operation of the low-
本実施の形態の二元冷凍装置では、例えば、高元側圧縮機21において、駆動するモータの周波数を制御し、高元冷凍サイクル20における冷却能力を制御することにより低元側冷媒回路における吐出側の圧力(高圧)を調節する。この点について以下に詳述する。
In the binary refrigeration apparatus of the present embodiment, for example, in the high-
図2は本発明の二元冷凍装置におけるエンタルピと飽和温度との関係を示す図である。本実施の形態の二元冷凍装置では、カスケードコンデンサCにおいて、低元側凝縮温度と高元側蒸発温度との温度差ΔTが生じるものとする。温度差ΔTはカスケードコンデンサCの熱交換量によって変化するが、ここでは例えば5℃程度とする。 FIG. 2 is a diagram showing the relationship between enthalpy and saturation temperature in the binary refrigeration apparatus of the present invention. In the binary refrigeration apparatus of the present embodiment, it is assumed that the cascade capacitor C has a temperature difference ΔT between the low-side condensation temperature and the high-side evaporation temperature. Although the temperature difference ΔT varies depending on the heat exchange amount of the cascade capacitor C, it is, for example, about 5 ° C. here.
例えば、ある運転状態から高元側圧縮機21の運転周波数を上げて高元側の冷却能力を増大させると、高元側蒸発温度が低下する。低下した高元側蒸発温度との温度差ΔTを維持することで低元側凝縮温度(低元側高圧)も低下する。逆に、高元側の冷却能力を低減すれば低元側高圧が上昇する。
For example, when the operating frequency of the high-
また、図2から明らかなように、高元側圧縮機21の運転周波数を上げて低元冷凍サイクル10の低元側高圧が低下すると、高元側圧縮機21の入力(以下、高元側圧縮機入力という)は大きくなる(WH1<WH2)のに対し、低元側圧縮機11の入力(以下、低元側圧縮機入力という)は小さくなる(WL1>WL2)。ここで、冷凍能力Q=ΔH(エンタルピ差)×Gr(冷媒流量)である。二元冷凍装置では、外気温度に応じて冷却負荷が変化し、冷却負荷に対して冷凍能力(低元冷凍サイクル10側の蒸発能力に相当)を決定している。そして、決定した冷凍能力を一定に保つように低元側圧縮機11によりGr(冷媒流量)を制御している。例えば、ΔH(エンタルピ差)が一定であれば、Gr(冷媒流量)が一定となるように低元側圧縮機11を制御する。
Further, as apparent from FIG. 2, when the operating frequency of the high-
例えば、本実施の形態の二元冷凍装置において、低元冷凍サイクル10に使用されるCO2 冷媒は、高元冷凍サイクル20で用いられるHFO冷媒に比べて冷凍効果が小さい。そのため、大きな圧縮機動力が必要となり、高元冷凍サイクル20で用いているHFO冷媒に比べて運転効率が低くなる。そこで、高元側圧縮機21の容量を増大させて、低元側高圧を低下させることにより、低元冷凍サイクル10側の消費電力を小さくする。そして、運転効率が高いHFO冷媒を用いた高元冷凍サイクル20側の消費電力が大きくなったとしても高元冷凍サイクル20側の仕事量を増やすことで、二元冷凍装置全体の運転効率を向上させる。このように、高効率な高元冷凍サイクル20の消費電力比率を大きくすることで、二元冷凍装置全体の運転効率を最適とすることができる。このため、低元冷凍サイクル10の低元側高圧は、CO2 が超臨界状態にならないことが多くなり、低元側凝縮器12において相変化が生じる飽和温度(低元側凝縮温度)が決まっている。
For example, in the binary refrigeration apparatus of the present embodiment, the CO 2 refrigerant used in the
図3は低元側凝縮温度と圧縮機入力との関係を示す図である。図3において、横軸は低元側凝縮温度であり、縦軸は圧縮機入力である。そして、高元側圧縮機21入力と低元側圧縮機11入力とそれらの合計入力(二元冷凍装置全体の合計入力)とについて、それぞれ表している。図3に示すように、高元側圧縮機21と低元側圧縮機11のそれぞれの圧縮機入力が略同等となるときに合計入力が最も小さくなり、COP(Coefficient Of Performance:成績係数=冷凍能力/(高元側圧縮機入力+低元側圧縮機入力))が最大となることがわかる。
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the low-side condensation temperature and the compressor input. In FIG. 3, the horizontal axis is the low-side condensation temperature, and the vertical axis is the compressor input. And the high-
以上より、二元冷凍装置ではCOPが最大となるように高元側圧縮機入力と低元側圧縮機入力とを略同等とする運転制御を行っている。例えば、図2で説明すると、高元側圧縮機入力(=エンタルピ差WH1×高元冷媒流量Grh)と、低元側圧縮機入力(=エンタルピ差WL1×低元冷媒流量Grl)とが略同等となるように、制御装置30は制御を行っている。
As described above, in the two-stage refrigeration apparatus, operation control is performed so that the high-side compressor input and the low-side compressor input are substantially equal so that the COP is maximized. For example, referring to FIG. 2, the high-end compressor input (= enthalpy difference WH1 × high-source refrigerant flow rate Grh) and the low-end compressor input (= enthalpy difference WL1 × low-source refrigerant flow rate Grl) are substantially equal. Thus, the
ここで、図3を別の見方をすると、低元冷凍サイクル10の低元側凝縮温度がTcのとき合計入力が最小となり、COPが最大となる。よって、高元側圧縮機入力と低元側圧縮機入力とを略同等とする運転制御は、具体的には低元側凝縮温度を目標低元側凝縮温度Tcに保つように低元冷凍サイクル10を制御することになる。このとき、高元冷凍サイクル20側は、目標低元側凝縮温度TcよりもΔT℃低い温度を目標高元側蒸発温度として一定に保つ制御を行うことになる。このような制御を行うことにより、COPを最大とすることができる。ここで、外気温度に応じて高元側高圧(高元側凝縮温度)は異なるため、高元側圧縮機21入力も外気温度に伴い変化する。したがって、COPを最大とする目標低元側凝縮温度Tcも外気温度によって変化することになる。
Here, in another way of viewing FIG. 3, when the low-side refrigeration temperature of the low-
以上のことから、外気温度に基づいて高元側凝縮温度が決定し、高元側凝縮温度が決定すると目標低元側凝縮温度Tcが決定する。そして、目標低元側凝縮温度Tcが決定すると、高元冷凍サイクル20では高元蒸発温度を目標低元側凝縮温度Tc−ΔT℃となるようにする制御を行う。これにより高元側圧縮機入力と低元側圧縮機入力とを略同等とする運転制御を実現することができ、COPを最大とすることができる。ここで、高元冷凍サイクル20を制御をする際、目標高元側蒸発温度を定めて高元蒸発温度を制御するようにしたが、低元側凝縮温度を直接検知して制御するようにしてもよい。また、高元側圧縮機入力と低元側圧縮機入力とを直接検知して高元冷凍サイクル20を制御するようにしてもよい。
From the above, the high-side condensation temperature is determined based on the outside air temperature, and when the high-side condensation temperature is determined, the target low-side condensation temperature Tc is determined. When the target low element side condensation temperature Tc is determined, the high
以上の説明において、低効率の低元冷凍サイクル10の消費電力を抑えるために低元側高圧(低元側凝縮温度)を低下させるものとしたが、これは制御原理上の説明であって、実運転上において低元側高圧を低下させるという意味ではない。実運転上は、上述したように目標低元側凝縮温度Tcに一定に保つ制御を行うことになる。
In the above description, in order to reduce the power consumption of the low-efficiency low-
また、低元側高圧を低下させる制御原理について補足して説明すると、高元冷凍サイクル20で用いられるHFO冷媒は低元冷凍サイクル10で用いられるCO2 冷媒に比べると高効率な冷媒(高COPとなるような冷媒)である。このため、高元冷凍サイクル20において、高元側圧縮機21の運転により導かれる図2のモリエル線図上の傾きθhは低元側圧縮機11の運転による傾きθlより大きい。したがって、低元側凝縮温度を下げていっても、低元側凝縮温度が目標低元側凝縮温度Tcに至るまでは高元側圧縮機入力が低元側圧縮機入力を超えることはない。そして、目標低元側凝縮温度Tcにおいて、高元側圧縮機入力と低元側圧縮機入力とが等しくなる。
Further, to explain supplementarily the control principle for lowering the low-source side high pressure, the HFO refrigerant used in the high-
次に冷媒の運転効率について具体的に説明する。運転効率の指標であるCOP(=蒸発器のエンタルピ差/圧縮過程のエンタルピ差)が高ければ、少ない圧縮動力で大きな蒸発潜熱を得られ、高効率な冷媒となる。例えば、外気温度32℃で運転する一般の冷凍機の動作状態、すなわち蒸発温度−40℃、凝縮温度40℃(超臨界のCO2 高圧は8.8MPaとする)、吸入過熱度5℃、液過冷却度5℃の条件で各冷媒の理論上得られるCOPは、CO2 :1.25、R404A:1.76、R410A:1.91、R134a:2.01、R32:1.98、プロパン:1.99、イソブタン:2.05、HFO1234yf:1.83となる。CO2 は、HFO冷媒やHFC冷媒やHC冷媒と比較しCOPが低く、低効率な冷媒である。 Next, the operation efficiency of the refrigerant will be specifically described. If COP (= difference in enthalpy of evaporator / enthalpy difference in compression process) that is an index of operation efficiency is high, a large latent heat of evaporation can be obtained with a small amount of compression power, and a highly efficient refrigerant can be obtained. For example, the operating state of a general refrigerator operating at an outside air temperature of 32 ° C., that is, an evaporation temperature of −40 ° C., a condensation temperature of 40 ° C. (supercritical CO 2 high pressure is assumed to be 8.8 MPa), suction superheat degree of 5 ° C., liquid The theoretically obtained COP of each refrigerant under the condition of a supercooling degree of 5 ° C. is CO 2 : 1.25, R404A: 1.76, R410A: 1.91, R134a: 2.01, R32: 1.98, propane : 1.99, isobutane: 2.05, HFO1234yf: 1.83. CO 2 is a low-efficiency refrigerant having a low COP compared to HFO refrigerant, HFC refrigerant, and HC refrigerant.
ここで、本実施の形態では低元冷凍サイクル10においてCO2 を冷媒として使用している。この場合、目標低元側凝縮温度Tcは外気温度よりも低くなる。具体的には、例えば高外気条件である32℃のとき、目標低元側凝縮温度Tcが約20℃となり、低外気条件である7℃のとき、目標低元側凝縮温度Tcが約0℃となる。上述したように、低元側高圧(低元側凝縮温度)を下げると、運転効率が低い低元冷凍サイクル10側における低元側圧縮機入力を下げることができるため、外気温度よりも低い温度領域内に目標低元側凝縮温度Tcが位置することになる。ここで、外気温度よりも低い温度領域内に目標低元側凝縮温度Tcが位置するのは、低元冷凍サイクル10において低効率なCO2 冷媒を適用した場合であって、低元冷凍サイクル10と高元冷凍サイクル20の冷媒種類の組み合わせによっては、この限りではない。例えば、低外気温度時は目標低元側凝縮温度Tcの方が高くなり、高外気温度時は目標低元側凝縮温度Tcの方が低くなるなど、外気温度変化に対して目標低元側凝縮温度Tcと外気温度との相対関係が変化する場合もある。
Here, in the present embodiment, CO 2 is used as a refrigerant in the low-
(低元側凝縮温度が外気温度よりも低い場合と高い場合の補助放熱器15の放熱量の違いについて)
次に、補助放熱器15の放熱量について考察する。本実施の形態の二元冷凍装置では、低元冷凍サイクル10に運転効率の低いCO2 冷媒を使用している関係から目標低元側凝縮温度Tcが外気温度よりも低くなる。補助放熱器15は冷媒が有する熱を外気に放熱するため、低元側圧縮機11から吐出された冷媒と外気とを補助放熱器15で熱交換しても、最大でも外気温度までしか冷媒の温度は下がらない。また、低元冷凍サイクル10の低元側凝縮温度が外気温度よりも低い場合と高い場合とでは吐出温度の冷媒を補助放熱器15で同じ外気温度まで下げるにあたっても、その放熱量は異なったものとなる。
(Difference in heat dissipation of
Next, the heat radiation amount of the
例えば本実施の形態の二元冷凍装置においては、制御装置30が低元側凝縮温度を目標低元側凝縮温度Tcに一定になるように制御するものである。目標低元側凝縮温度Tcは外気温度よりも低いため、低元側凝縮温度が外気温度よりも低い場合の補助放熱器15の放熱量について考察する。ここでは、比較のため、圧縮機、放熱器、膨張弁及び蒸発器を備えた一般的な冷媒回路において凝縮温度が外気温度よりも高い場合の凝縮温度での放熱量についても考察する。
For example, in the binary refrigeration apparatus of the present embodiment, the
図4は、低元側凝縮温度が外気温度よりも低い場合と高い場合の放熱量について説明するための図である。図4(1)は、凝縮温度が外気温度よりも高い場合の一般的な冷凍サイクルにおけるモリエル線図である。また、図4(2)は、低元側凝縮温度が外気温度よりも低い場合の低元冷凍サイクル10のモリエル線図である。
FIG. 4 is a diagram for explaining the heat radiation amount when the low-side condensation temperature is lower and higher than the outside air temperature. FIG. 4 (1) is a Mollier diagram in a general refrigeration cycle when the condensation temperature is higher than the outside air temperature. FIG. 4 (2) is a Mollier diagram of the low-
(1)低元側凝縮温度が外気温度よりも高い場合
低元側圧縮機11の吐出冷媒の温度(a点の温度)が例えば80〜90℃であり、外気温度が20℃で、低元側凝縮温度が25℃の場合について考える。補助放熱器15は冷媒が有する熱を外気に放熱するため、図4(1)に示すように、80〜90℃の冷媒(a点)が放熱器での外気との熱交換により、まず、ガス状態のまま凝縮温度である25℃(点b)まで下がる。そして、25℃を保ちながら凝縮して液状態となる(c点)。外気温度は20℃であるため、冷媒を更に放熱させることができ、液状態で20℃(点d)まで下げることができる。このように低元側凝縮温度が外気温度よりも高い場合は凝縮するため、相変化を伴う冷却を行うことができ、相変化を伴わない冷却を行う場合に比べて放熱量を大きくすることができる。
(1) When the low-end side condensing temperature is higher than the outside air temperature The temperature of the discharge refrigerant (point a) of the low-
(2)低元側凝縮温度が外気温度よりも低い場合
次に、低元側圧縮機11の吐出冷媒の温度(a点の温度)が例えば80〜90℃であり、外気温度が20℃で低元側凝縮温度が10℃の場合について考える。補助放熱器15は外気に熱を放熱する放熱器であるため、上述したように80〜90℃の冷媒は、補助放熱器15での外気との熱交換により、最大でも外気温度の20℃までしか下がらない。したがって、図4(2)に示すように、80〜90℃の冷媒(a点)は、補助放熱器15でガス状態のまま20℃(点b)となる。よって、20℃まで下がった冷媒を凝縮させて更に10℃(点c)まで下げるための熱交換は低元側凝縮器12側で行われることになる。このため、低元側凝縮温度が外気温度より低い場合は、補助放熱器15では相変化を伴う冷却は行えず、相変化を伴わないガス冷却を行うことになる。つまり、補助放熱器15はガス冷却域で使用されることになる。
(2) When the low-end side condensing temperature is lower than the outside air temperature Next, the temperature of the discharged refrigerant (point a) of the low-
ここで、図4(2)の点aから点bまでの放熱はガス状態での放熱であるため、同じ外気温度20℃まで温度を下げるにしても、凝縮させて20℃まで下げる上記(1)の場合に比べて補助放熱器15での放熱量を大きくすることができない。よって、低元側凝縮温度が外気温度より低い場合は、補助放熱器15の補助放熱器ファン16の風量を多くする、補助放熱器15を伝熱面積の大きな放熱器を採用するなどしても、補助放熱器15の放熱量を増やすことはできない。最大でも吐出冷媒がガス状態のまま外気温度に低下するまでの放熱量となる。
Here, since the heat radiation from the point a to the point b in FIG. 4 (2) is a heat radiation in a gas state, even if the temperature is lowered to the same
以上のことから、本実施の形態の二元冷凍装置では、補助放熱器15をガス冷却域での放熱に使用することとなり、その放熱量は最大でも吐出冷媒がガス状態のまま外気温度に低下するまでに放熱する放熱量となる。
From the above, in the binary refrigeration apparatus of the present embodiment, the
(補助放熱器15の放熱量とCOPとの関係)
図5は、補助放熱器15の放熱量とCOPとの関係を説明するための図である。図5は低元冷凍サイクル10のモリエル線図を示している。低元冷凍サイクル10を構成するにあたり、補助放熱器15での放熱量を、図5のQsub1にした場合とQsub2にした場合とを比較すると、Qsub2にした場合の方が、対応する低元側凝縮器12の放熱量Qc2(<Qc1)を少なくすることができる。カスケードコンデンサCでは、高元側蒸発器24と低元側凝縮器12とにおける熱交換量は等しくなる。よって、高元冷凍サイクル20側は、低元側凝縮器12での放熱量Qc2とのバランスを図ればよいため、補助放熱器15の放熱量がQsub1である場合に比べて高元側圧縮機入力を小さくできる。
(Relationship between heat dissipation of
FIG. 5 is a diagram for explaining the relationship between the heat dissipation amount of the
二元冷凍装置では冷凍能力一定の制御が行われており、COP=冷凍能力/(高元側圧縮機入力+低元側圧縮機入力)であるため、高元側圧縮機入力を小さくすることができると、COPを大きくすることができる。 In the dual refrigeration system, constant refrigeration capacity is controlled, and COP = refrigeration capacity / (high source side compressor input + low side compressor input), so the high side compressor input must be reduced. If it is possible, the COP can be increased.
以上の内容を整理すると、高元側圧縮機入力と低元側圧縮機入力とを同じとする運転制御によりCOPを最大とすることができる。また、補助放熱器15の放熱量を多くするほど、COPの値を大きくすることができる。
If the above content is arranged, COP can be maximized by the operation control in which the high-side compressor input and the low-side compressor input are made the same. Further, the COP value can be increased as the heat radiation amount of the
ここで、二元冷凍装置の消費電力は圧縮機入力がほとんどを占めるため、二元冷凍装置全体の運転効率の指標であるCOP=冷凍能力/(高元側圧縮機入力+低元側圧縮機入力)と定義した。ただ、二元冷凍装置において、本来は、放熱器に外気を送風する補助放熱器ファン16及び高元側凝縮器ファン25を運転する動力にも、電力の一部を消費するため、正確には各送風機の入力を考慮する必要がある。そこで、COP=冷凍能力/(高元側圧縮機入力+低元側圧縮機入力+高元側凝縮器ファン入力+補助放熱器ファン入力)と再定義する。
Here, since the compressor power occupies most of the power consumption of the binary refrigeration system, COP = refrigeration capacity / (high source side compressor input + low source side compressor), which is an index of the operation efficiency of the entire binary refrigeration system Input). However, in the two-stage refrigeration system, originally, a part of the electric power is consumed for the driving power of the
本実施の形態の二元冷凍装置では、上述したように補助放熱器15はガス冷却域で使用されるため、補助放熱器15の伝熱面積の大きさ等の構造に関わらず、最大放熱できても吐出温度の冷媒を外気温度に下げるまでである。また、上述したように補助放熱器15の放熱量を多くするほど、COPを大きくすることができる。よって、補助放熱器15で吐出温度の冷媒を外気温度近くまで温度を下げられる程度に補助放熱器15の放熱量を確保するようにする。以下、この放熱量を所要放熱量という。所要放熱量を達成するには、例えば、補助放熱器ファン16の風量を制御したり、補助放熱器15自体の構造的な設計を行ったりすることになる。このように補助放熱器15の放熱量を所要放熱量とすることにより、所要放熱量よりも少ない放熱量とした場合に比べてCOPを大きくすることができる。
In the dual refrigeration system of the present embodiment, as described above, the
ところで、所要放熱量は外気温度によって異なる。よって、年間を通じて大きなCOPを確保するには、低外気条件のときの所要放熱量と高外気条件のときの所要放熱量を把握しておく必要がある。本実施の形態における二元冷凍装置では、上述のように補助放熱器15はガス冷却域で使用され所要放熱量は小さい。しかし、起動時、冷却負荷変動時、外気温度変動時などにおいて、過渡的に低元側凝縮温度が外気温度よりも高い場合がある。このような場合には所要放熱量は増大する。ここで、前述したように、低元冷凍サイクル10と高元冷凍サイクル20とにおける冷媒種類の組み合わせによっては、例えば低外気温度時は目標低元側凝縮温度Tcの方が高くなり、高外気温度時は目標低元側凝縮温度Tcの方が低くなることがある。このため、外気温度変化に対して目標低元側凝縮温度Tcとの相対関係が変化し、所要放熱量が変化する。
By the way, the required heat dissipation varies depending on the outside air temperature. Therefore, in order to secure a large COP throughout the year, it is necessary to grasp the required heat dissipation amount under low outdoor air conditions and the required heat dissipation amount under high outdoor air conditions. In the binary refrigeration apparatus in the present embodiment, the
例えば、低元側凝縮温度が外気温度より低い場合は、補助放熱器15では相変化を伴う冷却は行えず、所要放熱量は低下する。このとき、最大でも吐出冷媒がガス状態のまま外気温度に低下するまでに放熱する放熱量となるため、補助放熱器ファン16の風量を多くしても、補助放熱器15の放熱量を増やすことはできない。逆に、補助放熱器ファン16の回転数を抑制し、風量を最適化しなければ、無駄に補助放熱器ファン16の入力を消費することになり、COP低下の要因となる。よって、低元側凝縮温度が外気温度より低い場合は、所要放熱量が小さいため、補助放熱器ファン16の風量を減少させることで補助放熱器ファン入力を最適化し、二元冷凍装置全体のCOPを向上させることが可能である。
For example, when the low-source side condensation temperature is lower than the outside air temperature, the
一方、低元側凝縮温度が外気温度より高い場合は、補助放熱器15で相変化を伴う冷却を行い、所要放熱量は増大する。このときは所要放熱量増大に伴い補助放熱器ファン16の風量を増大させ、補助放熱器15の放熱量を増やすことにより、二元冷凍装置全体のCOPを向上させることが可能である。
On the other hand, when the low-side condensation temperature is higher than the outside air temperature, the
所要放熱量の変化に対して補助放熱器ファン16の風量を制御するにあたり、補助放熱器15の出口冷媒温度と外気温度との温度差が所定値(ここでは2℃程度)となるような制御を行うと、補助放熱器ファン16の風量を適切に調節し、二元冷凍装置全体のCOPを向上させることができる。具体的には、低元側凝縮温度が外気温度より低い場合は、所要放熱量が小さいため、無駄にファン入力を増大させることなく補助放熱器15で吐出温度の冷媒を外気温度近くまで温度を下げられる程度に補助放熱器15の放熱量を確保する。一方、低元側凝縮温度が外気温度より高い場合は、冷媒の冷却過程において凝縮が生じるため凝縮温度を一定に保つ。このため、冷媒温度が低下せず、補助放熱器ファン16の風量を増大させ続け最大風量を得ることができる。
In controlling the air volume of the
補助放熱器ファン16によって、外気温度に対する補助放熱器15の放熱量を適切に制御することで、年間を通して高い省エネルギー効果を得ることができる。
By appropriately controlling the heat dissipation amount of the
補助放熱器15は、所要放熱量が小さいガス冷却域で使用されることを想定した場合、高元側凝縮器22の伝熱面積の10〜20%程度で充分な大きさとなる。一方、所要放熱量が大きい相変化を伴う放熱を行うことを想定した場合、補助放熱器15の伝熱面積は高元側凝縮器22の略同等まで拡大し、補助放熱器15の放熱量を大きく増大させることで二元冷凍装置全体のCOPを向上させることが可能である。また、補助放熱器15と高元側凝縮器22を同等とすることで部品の共通化を図ることができ、コスト低減も可能となる。
Assuming that the
補助放熱器15の伝熱面積を高元側凝縮器22の略同等とした場合、所要放熱量の増大に伴い補助放熱器ファン16の風量を増大させ、補助放熱器15の放熱量を大きく増やすことができる。このとき、カスケードコンデンサCの低元側凝縮器12での放熱量が低下し、高元側の冷却能力も減少するため、高元側の冷却能力によって低元側凝縮器12の放熱を促して低元側凝縮温度を制御することはできない。補助放熱器15の放熱量が低元側凝縮器12の放熱量を大きく上回るとき、低元側凝縮温度は補助放熱器15の放熱量に依存する。
When the heat transfer area of the
上記の場合、高元冷凍サイクル20側の冷却能力の減少に伴い高元側凝縮器ファン25の風量も低下させる。このため、二元冷凍装置全体の消費電力は、低元側圧縮機入力と補助放熱器ファン16の入力とがほとんどを占める。このため、COPは、冷凍能力/(低元側圧縮機入力+補助放熱器ファン入力)とほぼ同じとなり、低元側圧縮機入力と補助放熱器ファン16の入力とを最適化すればCOP向上を図ることが可能となる。
In the above case, the air volume of the high-
補助放熱器ファン16の風量を増大させればファン入力が増大するが、低元側凝縮温度を低下させることができるため、低元側圧縮機入力を低減することができる。低元側凝縮温度が外気温度に近づけば、補助放熱器ファン16の風量を増大させても低元側凝縮温度が低下しなくなるため、無駄にファン入力が消費されてしまう。そこで、補助放熱器ファン16によって低元側凝縮温度を制御し、低元側凝縮温度を外気温度より所定温度差(ここでは10℃程度)となるようにすれば、低元側圧縮機入力と補助放熱器ファン入力を最適化することができ、二元冷凍装置全体のCOPを向上させることが可能である。
If the air volume of the
実施の形態2.
図6は本発明の実施の形態2における二元冷凍装置の構成を表す図である。構成機器については実施の形態1と同様である。ただ、制御によって、二元冷凍装置の高元冷凍サイクル20を停止させるものである。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 6 is a diagram showing the configuration of the binary refrigeration apparatus in Embodiment 2 of the present invention. The constituent devices are the same as those in the first embodiment. However, the high-
例えば二元冷凍装置を低外気温度で運転させると、高元側凝縮温度が低下し、それに伴って低元側凝縮温度も低下する。低元冷凍サイクル10と高元冷凍サイクル20とは低圧縮比の運転となり、圧縮機の性能が低下するとともに、圧縮機で定められた運転範囲を逸脱し、信頼性を保持できない。また、二元冷凍装置ではカスケードコンデンサCにおいて温度差ΔTが生じるために高元側蒸発温度が低下し、低元側凝縮温度が上昇するためCOPが低下することとなり、低圧縮比運転時は特に影響が大きくなる。
For example, when the binary refrigeration apparatus is operated at a low outside air temperature, the high-side condensing temperature is lowered, and accordingly, the low-side condensing temperature is also lowered. The low-
そこで、本実施の形態の二元冷凍装置では、上記のような性能低下と信頼性低下とを回避するため、制御装置30が、低圧縮比運転となるような所定の外気温度に低下したものと判断すると、高元冷凍サイクル20を停止させ、低元冷凍サイクル10のみ運転させるようにする。具体的には、低元側圧縮機11で圧縮されて吐出された冷媒を、補助放熱器15のみで冷却するようにし、低元側膨張弁13で減圧し、低元側蒸発器14で蒸発して、低元側圧縮機11へ還流するようにする。
Therefore, in the binary refrigeration apparatus of the present embodiment, in order to avoid the above-described performance degradation and reliability degradation, the
上記のような運転を行うことにより、低元側圧縮機11は適正な圧縮比を保ち、性能と信頼性を確保することができる。また、二元冷凍装置の特徴であるカスケードコンデンサCの温度差ΔTによる性能低下も同時に回避可能となる。よって、低外気温度時の運転制御適正化により、通年を通して高い省エネルギー性を実現可能とする。
By performing the operation as described above, the low-
ここで、低元冷凍サイクル10のみの運転の場合、補助放熱器15にて全熱量を放熱する必要がある。このため、補助放熱器15の伝熱面積を拡大した方がより放熱量を増大することができる。例えば、高元側凝縮器22と同等の大きさに拡大すれば部品の共通化を図ることができ、コスト低減も可能となる。
Here, in the case of operation of only the low-
補助放熱器15の放熱量の増加に伴い、補助放熱器ファン16の風量を増大させ、補助放熱器15の放熱量を大きく増やす。補助放熱器ファン16の風量を増大させればファン入力が増大するが、低元側凝縮温度を低下させて低元側圧縮機入力を低減することができる。低元側凝縮温度が外気温度に近づけば、補助放熱器ファン16の風量を増大させても低元側凝縮温度が低下しなくなるため、無駄にファン入力が消費されてしまう。
As the heat dissipation amount of the
そこで、補助放熱器ファン16によって低元側凝縮温度を制御し、低元側凝縮温度を外気温度より所定温度差(ここでは10℃程度)となるようにすれば、低元側圧縮機入力と補助放熱器ファン16の入力を最適化することができる。このため、低元冷凍サイクル10のみを運転させたときのCOPを向上させることが可能である。
Therefore, if the low-side condensation temperature is controlled by the
本実施の形態の二元冷凍装置は、冷媒のノンフロン化やフロン冷媒の削減、機器の省エネルギー化が要求されるショーケースや業務用冷凍冷蔵庫、自動販売機等の冷蔵あるいは冷凍機器にも広く適用できる。 The binary refrigeration apparatus of this embodiment is widely applicable to refrigeration or refrigeration equipment such as showcases, commercial refrigerators, and vending machines that require non-CFC refrigerants, CFC refrigerant reduction, and equipment energy saving. it can.
10 低元冷凍サイクル、11 低元側圧縮機、12 低元側凝縮器、13 低元側膨張弁、14 低元側蒸発器、15 補助放熱器、16 補助放熱器ファン、20 高元冷凍サイクル、21 高元側圧縮機、22 高元側凝縮器、23 高元側膨張弁、24 高元側蒸発器、25 高元側凝縮器ファン、30 制御装置、31 外気温度検出手段、C カスケードコンデンサ。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
低元側圧縮機、補助放熱器、低元側凝縮器、低元側絞り装置及び低元側蒸発器を配管接続し、冷媒を循環させる低元側冷媒回路を形成する低元冷凍サイクルと、
前記高元側蒸発器と前記低元側凝縮器とにより構成し、前記高元側冷媒回路を流れる冷媒と前記低元側冷媒回路を流れる冷媒との間の熱交換を行うカスケードコンデンサと、
前記補助放熱器を流れる冷媒と熱交換させるための屋外空気を前記補助放熱器に通過させる送風機と、
前記低元冷凍サイクルにおける凝縮温度よりも、前記補助放熱器を通過させる前記屋外空気の温度の方が高いと判断すると、前記送風機の風量を減少させる制御を行う制御装置と
を備えることを特徴とする二元冷凍装置。 A high-source refrigeration cycle that forms a high-side refrigerant circuit that circulates refrigerant by pipe-connecting a high-source side compressor, a high-source side condenser, a high-end side expansion device, and a high-end side evaporator,
A low-source refrigeration cycle that forms a low-source-side refrigerant circuit that circulates refrigerant by pipe-connecting a low-source compressor, an auxiliary radiator, a low-source condenser, a low-source throttle device, and a low-generator evaporator;
A cascade capacitor configured by the high-side evaporator and the low-side condenser, and performing heat exchange between the refrigerant flowing through the high-side refrigerant circuit and the refrigerant flowing through the low-side refrigerant circuit;
A blower for allowing outdoor air to pass through the auxiliary radiator to exchange heat with the refrigerant flowing through the auxiliary radiator;
And a control device that performs control to reduce the air volume of the blower when it is determined that the temperature of the outdoor air passing through the auxiliary radiator is higher than the condensation temperature in the low-source refrigeration cycle. Dual refrigeration equipment.
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