JP3881184B2 - 冷凍システムの凝縮器コイルの運転状態を判定する方法および装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空冷式冷凍機に関し、特に、空冷式冷凍機のための凝縮器コイル性能の表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
簡単な一般的な空調サイクルもしくは冷凍サイクルでは、熱が冷媒へと移送された後、この冷媒が、熱が取り除かれる場所まで移送される。冷媒は、低温低圧で蒸発して熱を奪うとともに、高温高圧で凝縮して熱を放出する流体である。閉じたシステムでは、冷媒が、熱がこれに移送される元の位置まで循環する。機械的システムでは、圧縮機によって、冷媒が、低温低圧流体から高温高圧流体へと変換される。圧縮機によって冷媒が変換された後、サイクルの凝縮部分において、この流体（ガス）を冷却して液化するのに凝縮器が利用される。運転中、圧縮機からの高温放出ガス（冷媒気体）は、凝縮器コイルの頂部に流入し、熱が外部に放出されるに従って、凝縮して液化する。続いて、冷媒は、膨張弁といった調節装置を通過し、ここで、蒸発器に流入する前に低温低圧の流体へと変換される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
凝縮器では、通常、冷媒から熱を取り除くのに、水あるいは空気が用いられている。通常、空冷式凝縮器において、十分な表面積を有するコイルの全体に冷媒が流され、空気が、この表面を横断するように、ファンによって導かれるか、もしくは自然に流れる。空冷式凝縮器は、コイルに塵が付着するような比較的汚染された環境で運転される可能性がある。凝縮器コイル上の塵が多量になり過ぎると、冷凍ユニットもしくは空調ユニットの性能が激しく劣化する。従って、要求される入力電力が増大するため、ユニットを運転するためのコストが高くなる。極端な状態では、凝縮器が汚染されていることによって、暑い日に高圧安全装置が作動する可能性がある。製造者は、凝縮器コイルを清浄に保つことを勧めているが、使用者にとって、凝縮器を点検すべき頻度を知ることは容易ではない。凝縮器を点検すべき頻度は、環境やユニットが運転される頻度に依存するためである。凝縮器コイルの汚染に関する情報を実時間で得ることは、使用者が洗浄計画を最適化するのに有用である。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
簡単に述べると、アルゴリズムによって、空冷式冷却システムに対する全伝熱係数を実時間で計算し、この値を清浄な凝縮器を備えた新しい装置に対応する基準値と比較する。この比較に基づいて、表示を行うことによって、凝縮器の性能の劣化の度合いを使用者に知らせる。
【０００５】
本発明の実施例によると、冷凍システムの凝縮器コイルの運転状態を決定する方法には、冷凍システムが定常運転状態にあるかを調べるステップと、冷凍システムの飽和凝縮温度、飽和吸入温度および周囲空気温度を測定するステップと、前ステップで得られた値から、冷凍システムの凝縮器において奪われる全熱量を計算するステップと、冷凍システムの伝熱係数を計算するステップと、計算された伝熱係数を理想的な伝熱係数と比較して凝縮器コイルの運転状態を示す値を得るステップと、計算された伝熱係数と理想的な伝熱係数との比較に基づいて、冷凍システムの使用者にメッセージを出力するステップと、が含まれる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１を参照すると、ユニット１０は、凝縮器２０を備えており、これは、電子式膨張弁ＥＸＶを介して蒸発器３０に流体的に連結されている。蒸発器３０は、圧縮機４０を介して、凝縮器２０に流体的に連結されている。圧縮機は、１つしか示されていないが、複数の圧縮機を同一回路内で並列に接続することが、当該技術分野において知られている。供給空気（もしくは水）は、蒸発器３０に流入し、ここで、熱が冷媒へと移送される。冷媒回路は、１つしか示されていないが、独立した冷媒回路を２つ利用することが、当該技術分野において知られている。低温の戻り空気（もしくは水）は、冷却を要する場合に循環される。圧力変換器５０によって、冷媒の飽和凝縮圧力（saturated condensing pressure）が読み取られ、この読み取り値が飽和凝縮温度（saturated condensing temperature, ＳＣＴ）に変換される。圧力変換器６０によって、冷媒の飽和吸入圧力（saturated suction pressure）が読み取られ、この読み取り値が飽和吸入温度（saturated suction temperature, ＳＳＴ）に変換される。温度を直接に測定する周知の手段よりも高精度なことから、圧力変換器が用いられる。流入空気温度（ＯＡＴ）もしくはこれに近い周囲空気温度が、通常はサーミスタによって、直接に読み取られる。
【０００７】
空冷式凝縮器において奪われる全熱量は、以下の式によって近似することができる。
【０００８】
ＴＨＲ＝ＨＴＩ＊（ＳＣＴ−ＯＡＴ） …（１）
ＴＨＲは、凝縮器において奪われる全熱量（ｋＷ）、ＳＣＴは飽和凝縮温度（℃）、ＯＡＴは凝縮器コイルの流入空気温度（℃）、およびＨＴＩは全伝熱係数（ｋＷ／℃）である。空冷式冷凍機において、空気流が比較的一定である場合（すなわち、回路内のファンが動作している場合）、ＨＴＩ値は、いかなる動作状態（つまり全負荷状態もしくは部分負荷状態）でも一定（±３％）である。コイルが汚染されていたり、空気流が低下していたり、もしくは回路内に非凝縮性物質（noncondensables）が存在する場合は、ＨＴＩ値が大きく変化する。
【０００９】
ユニットの制御装置は、特に、ＳＣＴ、ＳＳＴ（飽和吸入温度）およびＳＨ（吸入過熱度、すなわち冷媒の実際の温度と飽和吸入温度との差）といった値を、実時間で監視する。回路のＴＨＲ（奪われる全熱量）は、圧縮機の動作の機械的モデルが分かっている場合には、計算することができる。圧縮機が定常状態で運転されており、過熱度が常に一定で、かつシステムの過冷却（subcooling)が所定の圧縮機モデルに対してあまり変化しない場合は、ＴＨＲがＳＣＴおよびＳＳＴの関数（つまりＴＨＲ＝ｆ（ＳＣＴ，ＳＳＴ））となる。ＴＨＲモデルがユニットの制御装置内でコード化されていれば、制御装置により、測定されたシステムの変数に基づいてＴＨＲを実時間で計算することができる。
【００１０】
ＴＨＲ、ＳＣＴおよびＯＡＴが判れば、ＨＴＩの値を実時間で計算するのは、容易である（式１）。凝縮器が汚染されていくため、ＨＴＩの値は時間とともに変化する。制御装置によって、このＨＴＩ値が清浄な凝縮器のＨＴＩ値と比較され、凝縮器の性能の劣化度が制御装置のディスプレイに表示される。
【００１１】
図２を参照すると、ＨＴＩの劣化度を決定する方法が示されている。以下の記号は、フローチャートで使用されているものである。
【００１２】
ＨＴＩｇ＝清浄な装置の（つまり「良好な」）ＨＴＩ，
ＨＴＩ’＝前回計算されたＨＴＩ，
ＨＴＩ＝現在のＨＴＩ計算値，
ＳＣＴ＝現在の飽和凝縮温度（図１の５０において測定される温度），
ＳＳＴ＝現在の飽和吸入温度（図１の６０において測定される温度），
ＯＡＴ＝現在の周囲空気温度（図１の７０において測定される温度）
ＨＴＩｇが、シミュレーションおよび工場テストに基づいて、この論理内に予め設定される。続いて、プログラムを最初に動作させるために、ステップ１１２においてＨＴＩ’がＨＴＩｇとして設定される。ユニットが定常状態で運転されており、かつファンが全てオンである場合（ステップ１１３）、ステップ１１４において、ＳＣＴ、ＳＳＴおよびＯＡＴの値が読み取られる。ステップ１１５において、各圧縮機に対するＴＨＲの値が、圧縮機の機械的モデルに基づいて計算される。続いて、ステップ１１６において、回路全体に対するＴＨＲの値が、計算される。続いて、ステップ１１７において、ＨＴＩが式（１）を用いて計算される。
【００１３】
ステップ１１８において、ＨＴＩに対するＨＴＩ’の比率が、０．９５〜１．０の範囲内にあるか否かが調べられる。このステップでは、読み取り値が期待値の範囲内にあるか否かが調べられる。例えば、突然の暴風雨が、凝縮器の性能とは無関係に、ＯＡＴの読み取り値に影響を及ぼす可能性がある。あるサイクルと次のサイクルとの間でＨＴＩが大きく異なる場合、これは、凝縮器の性能に起因したものではないと考えられる。凝縮器は、比較的ゆっくりと劣化するためである。従って、ステップ１１８において、ＨＴＩ値が５分前のＨＴＩ値であるＨＴＩ’と比較され、この比率が論理限界の範囲内にあるか否かが判断される。この比率が論理限界の範囲内にない場合、計算サイクルが再び開始される。この比率が論理限界の範囲内にある場合、ステップ１１９において、次の計算サイクルで使用するためにＨＴＩがＨＴＩ’として設定される。
【００１４】
次に、ＨＴＩｇに対するＨＴＩの比率を用いて、一連の調査が行われる。ステップ１２０において、ＨＴＩ／ＨＴＩｇの比率が０．７、すなわち望まれる値の７０％未満である場合、凝縮器コイルは非常に汚染されており、好ましくは、このような結果に対するメッセージが表示される。メッセージに加えて、もしくはメッセージに代えて、警告音が任意で使用される。ＨＴＩ／ＨＴＩｇの比率が０．７より大きい場合、この比率が０．８より小さいか否かが調べられる。この比率が０．８より小さい場合、凝縮器コイルは汚染されており、好ましくは、このような結果に対するメッセージが表示される。この比率が０．８以上である場合、この比率が０．９より小さいか否かが調べられる。この比率が０．９より小さい場合、凝縮器コイルは僅かに汚染されており、好ましくは、このような結果に対するメッセージが表示される。この比率が０．９以上である場合、凝縮器コイルは清浄であり、好ましくは、このような結果に対するメッセージが表示される。このような論理サイクルは、規則的に繰り返される。その時間間隔は、好ましくは５分であるが、使用者によって予め任意に設定される。
【００１５】
図３を参照すると、製造者からＨＴＩｇ値（ＨＴＩｇｆｃとする）を得るか、もしくは、受け入れ工程中（つまり、凝縮器がまだ清浄な状態で、サービス技術者が最初にユニットを起動させる際）にＨＴＩｇ基準値を計算するか、を使用者に選択させる方法が示されている。ステップ１３０において、ＨＴＩｇ値の初期値が、ＨＴＩｇｆｃ（「良好な工場で得られた値」）に設定される。ステップ１３２において、工場で得られた値を受け取るか、もしくは現場測定を開始するかが使用者に問われる。現場測定は、ステップ１３４において開始され、ここでＨＴＩ’の初期値がＨＴＩｇに設定される。ユニットが定常状態にあり、かつファンが全てオン状態である場合（ステップ１３６）、ステップ１３８において、ＳＣＴ、ＳＳＴおよびＯＡＴがプログラム中に読み込まれる。ステップ１４０において、各圧縮機に対するＴＨＲが圧縮機の機械的モデルに基づいて計算され、続いて、ステップ１４２において、回路全体に対するＴＨＲの値が計算される。続いて、ステップ１４４において、ＨＴＩが式（１）を用いて計算される。ステップ１４６において、ＨＴＩに対するＨＴＩ’の比率が０．９７〜１．０の範囲内にあるか否かが調べられる。この範囲内にない場合は、ステップ１４８において、次の現場測定値計算サイクルで使用するために、ＨＴＩ’がＨＴＩに設定される。この範囲内にある場合は、ステップ１５０において、ＨＴＩｇがＨＴＩに設定されるとともに、好ましくは、ＨＴＩｇが決定されたことが表示される。ＨＴＩｇの現場測定値は、続いて、図２に示されるプログラム論理で使用される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例の冷凍システムの概略図。
【図２】冷凍システムの凝縮器コイルの運転状態を決定するための、本発明の方法を示すフローチャート。
【図３】冷凍システムの伝熱係数の初期値を得るための、本発明の方法を示すフローチャート。
【符号の説明】
１０…ユニット
２０…凝縮器
３０…蒸発器
４０…圧縮機
５０…圧力変換器
６０…圧力変換器

Claims (4)

1. 冷凍システムの凝縮器コイルの運転状態を判定する方法であって、
   ａ）前記冷凍システムが定常運転状態にあるか否かを調べるステップと、
   ｂ）前記冷凍システムの飽和凝縮温度を測定するステップと、
   ｃ）前記冷凍システムの飽和吸入温度を測定するステップと、
   ｄ）前記冷凍システムの周囲空気温度を測定するステップと、
   ｅ）ステップ（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）で得られた値から、前記冷凍システムの凝縮器コイルにおいて奪われる全熱量を計算するステップと、
   ｆ）ステップ（ｂ）、（ｄ）および（ｅ）で得られた値から、伝熱係数を計算するステップと、
   ｇ）前記の計算された伝熱係数を理想的な伝熱係数と比較して、前記凝縮器コイルの前記運転状態を示す値を前記理想的な伝熱係数に対する前記計算された伝熱係数の比率として計算することによって得るステップと、
   ｈ）ステップ（ｇ）で得られた前記比率を少なくとも１つの所定値と比較することによって、前記冷凍システムの使用者にメッセージを出力するステップと、を含むことを特徴とする方法。
2. ステップ（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）および（ｆ）によって、前記の理想的な伝熱係数を決定することを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 冷凍システムの凝縮器コイルの運転状態を判定する装置であって、
   前記冷凍システムが定常運転状態にあるか否かを調べる手段と、
   前記冷凍システムの飽和凝縮温度、飽和吸入温度および周囲空気温度を測定するステップと、
   前記飽和凝縮温度、前記飽和吸入温度および前記周囲空気温度から、前記冷凍システムの凝縮器において奪われる全熱量を計算する手段と、
   前記飽和凝縮温度、前記周囲空気温度および前記の凝縮器において奪われる全熱量から、伝熱係数を計算する手段と、
   前記の計算された伝熱係数を理想的な伝熱係数と比較して、前記凝縮器コイルの前記運転状態を示す値を前記理想的な伝熱係数に対する前記計算された伝熱係数の比率として計算することによって得る手段と、
   前記比率を少なくとも１つの所定値と比較することによって、前記冷凍システムの使用者にメッセージを出力する手段と、を備えていることを特徴とする装置。
4. 前記の理想的な伝熱係数を決定する手段を備えていることを特徴とする請求項３記載の装置。

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