JP4111241B2 - 冷凍装置 - Google Patents
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Description
この方法では、第二蒸発器の蒸発圧力より、圧縮機吸入の圧力を高くできるため、圧縮機の吸入の冷媒ガス密度が低下しない。このため、圧縮比が大きくならず、高効率の運転が可能となる。
図1は本発明の実施の形態の一例であり、圧縮機1、凝縮器2、第一流量調節弁3、エゼクタ4、第一蒸発器5、第二流量調節弁13、第二蒸発器6、気液分離器7が順次配管で接続され、さらに、気液分離器7には、液面の高さを検知する液面検知手段として、液面センサ8を備えた冷凍装置である。図2はエゼクタの構造図であり、エゼクタはノズル部10、ディフューザ部11から構成されている。図3は圧力−エンタルピ線図上の実施の形態の冷凍サイクル動作点である。なお、図において矢印9は冷媒の流れを示している。
図1において圧縮機1での冷媒流量をGs、第二蒸発器6での冷媒流量をGe、第二蒸発器6での冷媒流量Geと圧縮機1での冷媒流量Gsの比を流量比α(=Ge/Gs)とする。一般にエゼクタ効率ηと流量比αとエンタルピの関係は(1)式で表される。
α={(HR10−HR3)/(HR11−HR4)}η・・・・(1)
Hはエンタルピで、添え字は図3の冷凍サイクル動作点に対応している。R2→R3,R4→R11は等エントロピ変化、R2→R10は等エンタルピ変化である。(1)式からも分かる様に、HR11→HR4が小さく、HR10→HR3が大きい冷媒ほど、同じエゼクタ効率の場合は流量比αが大きくなる。その結果、第二蒸発器6での冷媒流量は大きくなり、第二蒸発器6の冷凍能力を大きくすることが可能となる。(HR10−HR3)/(HR11−HR4)は冷媒の物性で決定される値である。たとえば、第一蒸発器5での蒸発圧力Pe1と第二蒸発器6の蒸発圧力Pe2の差を50kPa一定とした場合におけるR22とR404Aの(HR10−HR3)/(HR11−HR4)と第二蒸発器6の蒸発温度との関係を図4に示す。図4でR22とR404A比較すると、R404Aの(HR10−HR3)/(HR11−HR4)はR22のそれに比べて約1.7倍大きい。同じエゼクタ効率ηを用いた場合、R404Aの方がR22より流量比αが大きくなり、第二蒸発器6での冷凍能力を大きくすることが容易になる。以上から、冷媒としてR404Aを用いた冷凍装置には物性の観点から他の冷媒と比べてエゼクタ4の効果が大きいと言える。
即ち、(HR10−HR3)/(HR11−HR4)の値が大きい冷媒、例えば、従来使われていた冷媒R22に比べて大きいR404A,R507を用いることでエゼクタを有効に利用することができる。
逆に、液面が高い時は電子膨張弁3の開度を小さくして、液面高さが低下するように制御する。その結果、冷媒量は適正に制御することができる。
また、第二蒸発器6の冷媒流量制御は、圧力を検出する圧力検知手段として、たとえば、圧力センサ18と、前記蒸発器の温度を検出する温度検知手段として、たとえば、温度センサ19を用いて、第二蒸発器出口の圧力P、温度Tを検出して、蒸発器出口の過熱度が一定になるように、第1の第二流量調節弁制御手段が電子膨張弁13で冷媒流量を制御する。
なお、起動時等、気液分離器7に液冷媒が存在しない時や不足時は、液面センサ8の検知により第2の第二流量調節弁制御手段が電子膨張弁13を全閉にして、第一蒸発器5のみの運転とする。液面センサ8により液面高さが目標値まで到達しているのを検出した後は電子膨張弁13の開度調節を行う。
但し、第1、第2の第二流量調節弁制御手段は、共通の制御手段としてもよい。
また、第一蒸発器5のみの運転を行う時は、第二流量調節弁13、たとえば電子膨張弁13を全閉にし、第一蒸発器5の出口の圧力Pを圧力センサ20で検出し、さらに温度Tを温度センサ21で検出して、蒸発器出口の過熱度が一定になるように、第2の第一流量調節弁制御手段が電子膨張弁3で冷媒流量を制御する。
但し、第1、第2の第一流量調節弁制御手段は共通の制御手段としてもよい。
通常の運転モードでは、第一バイパス回路15の電磁弁14は閉、第一蒸発器5の電磁弁12は開にする。液面センサ8で気液分離器7に冷媒が存在しないことや不足が検出されたときは、第一開閉弁制御手段が第一蒸発器5の電磁弁12は閉、バイパス回路15の電磁弁14は開にして、第一蒸発器5を冷媒がバイパスできるようにし、液面センサ8により目標液面高さになるまで、冷媒がバイパス回路15を流れるようにする。目標液面高さに達すると、通常の運転モードにする。
また、第二蒸発器6の冷媒流量制御は、圧力を検出する手段として、例えば、圧力センサ18と、前記蒸発器の温度を検出する手段として、例えば温度センサ19を用いて、第二蒸発器出口の圧力P、温度Tを検出して、第1の第二流量調節弁制御手段が蒸発器出口の過熱度が一定になるように、電子膨張弁13で制御する。
第一蒸発器5の電磁弁12を閉、バイパス回路15の電磁弁14を開にすることで、例えば、ヒータデフロスト時等、第二蒸発器6のみの運転が可能となる。また、第一蒸発器5でヒータデフロストを行いたい時も同様に、第一蒸発器5の第一電磁弁12は閉、バイパス回路15の第二電磁弁14は開にすると、第一蒸発器5はデフロストを行い、第二蒸発器6は運転させることにより、庫内温度上昇を抑えることが可能となる。逆に、電子膨張弁13を全閉、バイパス回路15の第二電磁弁14は閉にすると、第一蒸発器5のみの運転となり、第二蒸発器6のみデフロスト状態にすることもできる。
通常の運転モードでは、電子膨張弁17の開度を全閉にし、エゼクタ4に冷媒が流れるようにし、気液分離器7の液面を液面センサ8で検出して、第1の第一流量調節弁制御手段が電子膨張弁3で冷媒量を制御する。
また、第二蒸発器6の冷媒流量制御は、圧力を検出する手段として、例えば、圧力センサ18と、前記蒸発器の温度を検出する手段として、例えば温度センサ19を用いて、第二蒸発器出口の圧力P、温度Tを検出して、第1の第二流量調節弁制御手段が蒸発器出口の過熱度が一定になるように、電子膨張弁13で制御する。
起動時などは、第1の第三流量調節弁制御手段がこの電子膨張弁3を全閉にし、さらに電子膨張弁13も全閉にして、エゼクタ4と第二蒸発器6に冷媒を流れなくする。気液分離器7の液面高さを液面センサ8にて検出しながら、エゼクタ4をバイパスする回路16の電子膨張弁17の開度を調節することで冷媒量を制御する。液面高さが目標値になるまで、電子膨張弁13は全閉にし、第一蒸発器5のみの運転とする。液面高さが目標値に達した後は通常の運転モードにする。
通常の運転モードでは、バイパス回路15の第二電磁弁14は閉、第一蒸発器5の第一電磁弁12は開にし、電子膨張弁17の開度は全閉にし、エゼクタ4に冷媒が流れるようにする。気液分離器7の液面センサ8で検知し、第1の第一流量調節弁制御手段が電子膨張弁3の開度を調節することで、冷媒量を制御する。 また、第二蒸発器6の冷媒流量制御は、圧力を検出する手段として、例えば、圧力センサ18と、前記蒸発器の温度を検出する手段として、例えば温度センサ19を用いて、第二蒸発器出口の圧力P、温度Tを検出して、第1の第二流量調節弁制御手段が蒸発器出口の過熱度が一定になるように、電子膨張弁13で制御する。
液面センサ8で気液分離器7に冷媒が存在しないことや不足が検知されたときは、第2の第三流量調節弁制御手段が第一蒸発器5の第一電磁弁12は閉、バイパス回路15の第二電磁弁14は開にし、第一蒸発器5を冷媒がバイパスさせるようにし、電子膨張弁3は全閉にしてエゼクタをバイパスする回路16の電子膨張弁17により、液面センサ8により目標液面高さになるまで、蒸発器5をバイパスさせ、目標液面高さに達すると、通常の運転モードにする。
但し、第2の第三流量調節弁制御手段は、図7を用いて説明した冷凍装置の例の第1の第三流量調節弁制御手段と共通の制御手段としてもよい。
第一蒸発器5の電磁弁12を閉、バイパス回路15の電磁弁14を開にすることで、第二蒸発器6のみの運転可能となる。また、ヒータデフロストなどを使用した時も同様に、第一蒸発器5の電磁弁12は閉、バイパス回路15の電磁弁14は開にすると、第一蒸発器5はデフロストを行い、第二蒸発器6は運転させることにより、庫内温度上昇を抑えることが可能となる。逆に、電子膨張弁13を全閉、バイパス回路15の電磁弁14は閉にすると、第一蒸発器5は運転状態、第二蒸発器6はデフロスト状態にすることもできる。
通常の運転モードでは、電子膨張弁24は全閉にし、エゼクタ4に冷媒が流れるようにする。気液分離器7に設置した液面センサ8で液面高さを検出して、第1の第一流量調節弁制御手段が電子膨張弁3により、冷媒量制御を行う。
また、第二蒸発器6の冷媒流量制御は、圧力を検出する手段として、例えば、圧力センサ18と、前記蒸発器の温度を検出する手段として、例えば温度センサ19を用いて、第二蒸発器出口の圧力P、温度Tを検出して、第1の第二流量調節弁制御手段が蒸発器出口の過熱度が一定になるように、電子膨張弁13で制御する。
気液分離器に液が存在しない時または不足時は、第1の第四流量調節弁制御手段が電子膨張弁3を全閉にして、エゼクタに冷媒が流れないようにして、バイパス回路23に冷媒を流れるようにして、目標液面高さに達するまで電子膨張弁24の開度を調節しながら運転する。気液分離器7での目標液面高さに到達した後は通常運転モードにする。
図2、図3、図10を用いて冷凍サイクル動作について説明する。圧縮機1から吐出した高温高圧の冷媒ガスR1は凝縮器2に入り、そこで凝縮して高圧の液冷媒R2となり、エゼクタ4に送り込まれる。エゼクタ4に送り込まれた冷媒はノズル部出口E2で状態R3になり、ディフューザ11の混合部へ流れ込む。混合部でE4から流れ込む状態R4の冷媒ガスと混合した後、R5の状態となった冷媒はディフューザ11によりPe2からPe1に圧力が回復し、状態R6の冷媒となる。エゼクタ4を出た冷媒は第一蒸発器5に流れ込み、湿りの状態R7となり気液分離器7に送り込まれる。気液分離器7で状態R8の冷媒ガスは圧縮機1の吸入側へ、一方状態R9の冷媒液は第二流量調節弁13で減圧され、第二蒸発器6に送り込まれ、蒸発して状態R4となって、エゼクタ5の吸引部E4に流れる。このため、通常の冷凍装置のように、二つの蒸発器があり、異なる蒸発圧力Pe1,Pe2(Pe1>Pe2)で運転している場合は、蒸発圧力Pe2に圧縮機吸入の圧力を合わせる必要があるが、エゼクタを用いることで、圧縮機吸入の圧力を蒸発圧力Pe1に合わせることができるため、圧縮機1の吸入ガス密度が低下しない。そのため圧縮比が小さくでき、高効率な運転が可能となる。
このようにポンプダウン運転で冷凍装置を停止させた場合、次に冷凍装置を起動する時は気液分離器7に冷媒液が残っているために、圧縮機1に急激に冷媒が返る可能性があり、信頼性の問題がある。そこで、気液分離器7を第二蒸発器6より上の位置に据え、さらに冷凍装置が停止した場合、電子膨張弁13は全開にしておき、気液分離器7の冷媒液が第二蒸発器6に流れ込むようにする。このように冷媒液を第二蒸発器6に移動させることによって再起動時、圧縮機1に冷媒液が返りにくくなるため、信頼性が向上する。
さらに、再起動時には、第1の第二流量調節弁制御手段6aにより、電子膨張弁13を全閉にし、第二蒸発器出口の圧力センサ18、温度センサ19で過熱度を算出し、所定の過熱度に達したら、電子膨張弁13を開け、第二蒸発器6の液冷媒をなくすようにすることが望ましい。以後は所定の目標の過熱度になるように、第1の第二流量調節弁制御手段6aにより電子膨張弁13で第二蒸発器6での冷媒流量を制御する。この制御をすることで、起動時の第二蒸発器6から気液分離器7に逆流する冷媒をなくすことが可能となり、信頼性が向上する。
次に凝縮圧力制御(凝縮圧力を一定にする制御)の有効性について説明する。図11において圧縮機1での冷媒流量をGc、第二蒸発器6での冷媒流量をGe、第二蒸発器6での冷媒流量Geと圧縮機1での冷媒流量Gcの比を流量比α(=Ge/Gc)とする。一般にエゼクタ効率ηと流量比αとエンタルピの関係は(2)式で表される。
α=(HR10−HR3)・η/(HR11−HR4) ・・・・(2)
Hはエンタルピで、添え字は図3の冷凍サイクル動作点に対応している。R2→R3,R4→R11は等エントロピ変化、R2→R10は等エンタルピ変化である。(2)式からもわかる様に、HR10→HR3が大きいほど、同じエゼクタ効率の場合は流量比が大きくなる。その結果、エゼクタを有効に利用することができる。すなわち、凝縮圧力が低下すると、図3からも分かるようにエンタルピHR3は増大し、HR10−HR3も小さくなる。その結果(2)式から、流量比αは低下する。凝縮圧力を上昇させると流量比αは増加するが、圧縮比が増加するため、圧縮機の性能は低下する。その結果Gcは低下するので、第二蒸発器の冷凍能力は増加しない。すなわち凝縮圧力は適正な範囲がある。
通常の運転では、凝縮器2では目標の凝縮圧力になるように凝縮圧力制御手段2aにより風量や水量を増減させる。第一蒸発器5については、目標の第一蒸発圧力になるように第3の第一流量調節弁制御手段5aにより電子膨張弁3の制御を行い、第二蒸発器6については、目標の第二蒸発圧力になるように第3の第二流量調節弁制御手段6bにより電子膨張弁13の制御を行う。通常の運転では、エゼクタ4に流れる冷媒流量はほぼ一定であり、エゼクタ入口の状態もほぼ一定であるので、第二蒸発器6での冷凍能力はほぼ一定となる。また、第二蒸発器6の冷凍能力もほぼ一定となる。
例えば第一蒸発器5の設置されている庫内の温度が高い場合(負荷大きい場合)は気液分離器7に液がなくなる可能性がある。しかし、本発明の実施の形態のようにバイパス回路28にエゼクタ4を設け、第一蒸発器5をバイパスさせることで、常に気液分離器7に冷媒液を送り込むことができるため、気液分離器7に冷媒液を溜めることが可能となり、信頼性が向上する。
凝縮器2及び第二蒸発器6の圧力制御については、前記図13を用いて説明した例装置装置の例と同じである。
通常の運転では、エゼクタ4に流れる冷媒流量はほぼ一定であり、エゼクタ入口の状態もほぼ一定であるので、第二蒸発器6での冷凍能力はほぼ一定となる。また第一蒸発器出口の圧力センサ35、温度センサ36から第一蒸発器出口の過熱度を求め、目標の過熱度になるように電子膨張弁3の開度を調節する。本発明の実施の形態のような冷媒回路にすることで、第一蒸発器5の冷凍能力は可変、第二蒸発器6の冷凍能力は一定にすることが可能となる。このような制御及び冷媒回路を用いる冷凍装置は、第一蒸発器側の冷凍倉庫は負荷変動があるが、第二蒸発器の冷凍倉庫は負荷変動が小さい所に特に有効である。
なお、各図中において同一の番号は同一または相当部分を示す。
Claims (11)
- ノズル部とディフューザ部と吸引部とを有し、前記ノズル部により高圧の冷媒を減圧するとともに、前記吸引部を介して蒸発器から流れ込む冷媒と混合し、前記ディフューザ部において冷媒の圧力を昇圧させるエゼクタと、
このエゼクタから流出した冷媒を冷媒ガスと冷媒液とに分離し、冷媒液を前記蒸発器に供給し、冷媒ガスを圧縮機に供給する気液分離器と、
前記エゼクタの上流側であって前記凝縮器との間に設けられ、全閉可能な弁と、を備え、
前記凝縮器の凝縮状態を検出し、目標の凝縮状態になるように前記凝縮器の凝縮状態を制御するとともに、停止の際に前記弁を全閉にしてポンプダウン運転を行うことを特徴とする冷凍装置。 - 前記凝縮器の凝縮状態を制御することにより前記エゼクタにおける流量比を調整する第一の制御手段を備えたことを特徴とする請求項1に記載の冷凍装置。
- 前記気液分離器と前記蒸発器との間に設けられた流量調節弁と、前記蒸発器の出口側の過熱度が目標の過熱度になるように前記流量調整弁を制御する第二の制御手段を備えたことを特徴とする請求項1又は2に記載の冷凍装置。
- 前記蒸発器の蒸発圧力を検出する圧力検出手段あるいは蒸発温度を検出する温度検出手段と、前記気液分離器と前記蒸発器との間に設けられた流量調節弁と、前記圧力検出手段の検出圧力あるいは前記温度検出手段の検出温度に基づき、前記蒸発器の蒸発圧力または蒸発温度が目標の蒸発圧力または目標の蒸発温度になるように前記流量調節弁を制御する第二の制御手段と、
を備えたことを特徴とする請求項2に記載の冷凍装置。 - 冷媒として、断熱熱落差(HR10−HR3)と、前記蒸発器出口ガスを前記ディフューザ出口圧力まで昇圧させる圧縮仕事(HR11−HR4)との比(HR10−HR3)/(HR11−HR4)が冷媒R22に比べて大きい冷媒を用いたことを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の冷凍装置。
- 冷媒として、R404AまたはR507を用いたことを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の冷凍装置。
- 前記第一の制御手段は、前記凝縮器の凝縮圧力あるいは凝縮温度が、目標の凝縮圧力あるいは目標の凝縮温度になるように前記凝縮器の凝縮状態を制御することを特徴とする請求項2から6のいずれかに記載の冷凍装置。
- 前記第一の制御手段は、前記圧力検出手段の検出圧力あるいは前記温度検出手段の検出温度に基づき、前記エゼクタにおける流量比を前記凝縮器の目標凝縮圧力で制御することを特徴とする請求項4から6のいずれかに記載の冷凍装置。
- 前記第一の制御手段は、前記エゼクタにおける流量比が低下しないように、目標圧力を下回る場合には、前記凝縮器と熱交換する風量または水量を低下させ、前記目標圧力を上回る場合には、前記風量または水量を増加させることを特徴とする請求項2から8のいずれかに記載の冷凍装置。
- 前記凝縮器と前記エゼクタとの間に、他の流量調節弁を備えたことを特徴とする請求項3から9のいずれかに記載の冷凍装置。
- 冷凍装置が停止した場合に前記気液分離器の冷媒液を前記蒸発器へ降下流入させることにより、再起動時に前記圧縮機へ冷媒液が返りにくくすることを特徴とする請求項1に記載の冷凍装置。
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