JP5279105B1 - 二元冷凍装置の立ち上げ制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】立ち上げの際、低元冷媒回路の高圧異常および高元冷媒回路の低圧異常いずれも引き起こす恐れなく、定常運転までの円滑な立上げを可能とする二元冷凍装置の立ち上げ制御方法を提供する。
【解決手段】高元冷媒が循環する高元側冷媒回路１２と、中間熱交換器１６を凝縮部とし、該中間熱交換器１６において高元冷媒と低元冷媒とが熱交換する少なくとも１つの低元側冷媒回路１４とを備える二元冷凍装置１０において、低元冷媒回路１４を起動して、低元冷媒を高元冷媒回路側１２の立ち上げ初期に必要な負荷となる程度の所定第１圧力とする段階と、低元冷媒が前記所定第１圧力に達したら、低元冷媒回路１４を停止するとともに、高元冷媒回路１２を起動する段階と、低元冷媒回路１４の高元冷媒が所定第２圧力まで減圧されたら、低元冷媒回路１４を起動する段階と、を有することを特徴とする二元冷凍装置１０の立ち上げ制御方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、二元冷凍装置の立ち上げ制御方法に関し、より詳細には、立ち上げの際、低元冷媒回路の高圧異常および高元冷媒回路の低圧異常いずれも引き起こす恐れなく、定常運転までの円滑な立上げを可能とする二元冷凍装置の立ち上げ制御方法に関する。

従来から、主に、多段圧縮式冷凍装置における低段側の押しのけ量の増大を解消しつつ、定常運転時での冷媒の凝縮圧力の上昇を防止することにより、耐圧強度の高い装置を不要とする観点から、冷媒の種類を異にする二元冷凍装置が用いられている。
この二元冷凍装置は、たとえば、特許文献１ないし３に開示されているように、圧縮機と、凝縮器と、膨張機構と、中間熱交換器の蒸発部とが順に接続されて構成され、高元冷媒が循環する高元側冷媒回路と、圧縮機と、中間熱交換器の凝縮部と、膨張機構と、蒸発器とが順に接続されて構成され、低元冷媒が循環すると共に、中間熱交換器において高元冷媒と低元冷媒とが熱交換する少なくとも１つの低元側冷媒回路とを備える。

このような二元冷凍装置は、通常、たとえば、蒸発温度がー６０℃以下となるような低温負荷に対応するために用いられ、中間熱交換器におけるカスケード温度が常温より低い状態で、定常運転においては、高元側冷媒回路と低元側冷媒回路との間で安定的に熱バランスを図り、高元側冷媒回路の凝縮器において、放熱したり、低元側冷媒回路の蒸発器において、冷凍庫の冷熱源を得たりすることが可能である。
通常のー６０℃の低温用途では、定常時の中間温度が常温より低いので、常温スタートでも十分に負荷量として存在することになり、またそれに適した低沸点冷媒が用いられている。
このような二元冷凍装置の立ち上げ方法について、低元側冷媒回路の低元冷媒として、周囲温度と平衡した起動前の状態でも高元側冷媒回路の立ち上げに十分な負荷を保有するような低沸点冷媒（たとえば、Ｒ２３あるいはＲ５０８Ａ）が採用されることから、高元側冷媒回路を先起動し、それにより低元側冷媒回路を冷却し、低元冷媒圧力が圧力低下してから低元側冷媒回路を起動していた。
しかしながら、このような二元冷凍装置を、たとえば排熱回収用の高温領域で使用する際、従来の二元冷凍装置の立ち上げ方法を採用するとすれば、以下のような技術的問題点が引き起こされる。
すなわち、カスケード温度が常温近傍、あるいはそれより高くなるので、低元側冷媒回路の低元冷媒として、通常の空調用冷媒を採用する必要が生じることから、高元側冷媒回路の立ち上げにとって不十分な負荷であり、低元側冷媒回路および高元側冷媒回路を同時に起動するとすれば、高元側冷媒回路の冷媒循環量が十分に増加できず、高元側冷媒回路が低圧カットに至ったり、または高元側冷媒回路の冷媒循環量が十分に増加できない状態のまま低元側冷媒回路が起動条件に達するとすれば、低元側冷媒回路の立ち上げ速度が高元側冷媒回路のそれを上回り、低元側冷媒回路の高圧カットに至ることがあり、いずれにしても定常運転に至る前に異常停止となる恐れが高い。
特開平７−１２４３９号 特開２００１−２４１７８９号 特開２００９−１３３５３９号

以上の技術的問題点に鑑み、本発明の目的は、立ち上げの際、低元冷媒回路の高圧異常および高元冷媒回路の低圧異常いずれも引き起こす恐れなく、定常運転までの円滑な立上げを可能とする二元冷凍装置の立ち上げ制御方法を提供することにある。

上記課題を達成するために、本発明の二元冷凍装置の立ち上げ制御方法は、
圧縮機と、凝縮器と、膨張機構と、中間熱交換器の蒸発部とが順に接続されて構成され、高元冷媒が循環する高元側冷媒回路と、圧縮機と、上記中間熱交換器の凝縮部と、膨張機構と、蒸発器とが順に接続されて構成され、高元冷媒より低沸点の低元冷媒が循環すると共に、上記中間熱交換器において高元冷媒と低元冷媒とが熱交換する少なくとも１つの低元側冷媒回路とを備え、カスケード温度が常温近傍、あるいはそれより高い二元冷凍装置の立ち上げ制御方法において、
低元冷媒回路を起動して、低元冷媒を高元冷媒回路側の立ち上げ初期に必要な負荷となる程度の所定第１圧力とする段階と、
低元冷媒が前記所定第１圧力に達したら、低元冷媒回路を停止するとともに、高元冷媒回路を起動する段階と、
低元冷媒回路の低元冷媒が所定第２圧力まで減圧されたら、低元冷媒回路を起動する段階と、
有する構成としている。

以上の構成を有する二元冷凍装置の立ち上げ制御方法によれば、中間熱交換器でのカスケード温度が常温近傍、あるいはそれより高い場合に採用する低元冷媒回路の低元冷媒は、たとえば蒸発温度がー６０℃以下のような低温負荷に対する二元冷凍装置で採用する低元冷媒回路の低元冷媒に比べて、低沸点冷媒でないことから、周囲（外気）温度と平衡状態の起動前の低元冷媒回路の低元冷媒の高圧では、高元冷媒回路の立ち上げ負荷として不十分となり、低元冷媒回路および高元冷媒回路を同時に起動すれば、高元冷媒回路が低圧カットに至る可能性があるところ、低元冷媒回路を単独で先に起動することにより、高元冷媒回路側の立ち上げ初期に必要な負荷となる程度の所定第１高圧として停止した後に高元冷媒回路を起動することにより、このような高元冷媒回路の低圧カットを防止するとともに、低元冷媒回路の加熱能力が高元冷媒回路側の冷却能力に勝ち過ぎて、逆に低元冷媒回路が高圧カットに至らないように、低元冷媒回路の低元冷媒が所定第２圧力まで減圧された後に、低元冷媒回路を起動しており、以て低元冷媒回路の高圧異常および高元冷媒回路の低圧異常いずれも引き起こす恐れなく、定常運転までの円滑な立上げが可能となる。
本明細書において、定常運転とは、外乱が系に入力されない限り、負荷に応じて収束した安定な運転状態を意味し、立ち上がり運転とは、系の起動からこのような定常運転までの運転状態を意味するものとして用いる。

さらに、二元冷凍装置の起動前に、低元冷媒回路の低元冷媒の高圧圧力を検出する段階と、
検出した低元冷媒の高圧圧力が所定第３圧力より低ければ、低元冷媒回路を起動し該所定第３圧力と等しい、あるいは前記所定高圧より高ければ、高元冷媒回路を起動する段階とをさらに有するのがよい。
さらにまた、前記所定第３圧力は、前記所定第２圧力より高く、前記所定第１圧より低い。

加えて、前記低元冷媒は、通常の空調用冷媒でもよい。
さらに、前記低元冷媒は、周囲温度と平衡状態の停止中の圧力が、運転中の圧力よりも低いのでもよい。
また、前記低元冷媒は、Ｒ１３４a、前記高元冷媒は、Ｒ２４５faでもよい。

さらに、前記カスケード温度は、１０ ℃以上であってもよい。
加えて、前記二元冷凍装置は、前記低元冷媒回路の前記蒸発器を利用して、排熱回収に用いられるのでもよい。
また、前記所定第１圧力、前記所定第２圧力および前記所定第３圧力はそれぞれ、用いる冷媒の種類、圧縮機の回転数および排熱回収温度に基づいて、決定するのがよい。

本発明に係る二元冷凍装置１０の実施形態を図面を参照しながら、以下に詳細に説明する。
図１において、二元冷凍装置１０は、高元側冷媒回路１２と低元側冷媒回路１４とが中間熱交換器１６で接続されている。高元側冷媒としては、たとえば、Ｒ２４５fa、低元側冷媒としては、たとえば、Ｒ１３４aを用いてもよく、通常の空調用冷媒でもよい。低元側冷媒は、周囲温度と平衡状態の停止中の圧力が、運転中の圧力よりも低い。
高元側冷媒回路１２は、概略的には、高元側圧縮機１８の吐出側に一端が接続された高元側冷媒往管２０の他端が、凝縮器２２、膨張弁２４を介して中間熱交換器１６の１次側流路入口に接続され、１次側流路出口に一端が接続された高元側冷媒復管２６の他端が、高元側圧縮機１８の吸入側に接続され、冷媒回路を構成している。

一方、低元側冷媒回路１４は、概略的には、低元側圧縮機２８の吐出側に一端が接続された低元側冷媒往管３０の他端が中間熱交換器１６の２次側流路入口に接続され、２次側流路出口に一端が接続された低元側冷媒復管３２の他端が、膨張弁３４、蒸発器３６を介して低元側圧縮機２８の吸入側に接続され、冷媒回路を構成している。
中間熱交換器１６は、乾式の蒸発器として構成され、中間熱交換器１６の内部に高元側冷媒回路１２と接続された熱交換管（図示せず）が配設され、胴側に低元側冷媒ガスが充満するようにする。これにより、高元側冷媒と管外の低元側冷媒ガスとが熱交換し、低元側冷媒が凝縮すると共に、中間熱交換器１６の出口で高元側冷媒が乾きガスとなって高元側圧縮機１８に吸引されるようにしてある。
高元側圧縮機１８は、たとえば、容量制御式の往復圧縮機または回転あるいは遠心圧縮機が用いられる。特に、往復式圧縮機であれば、潤滑剤をクランク室等の低圧チャンバーに戻し、スクリュー圧縮機であれば、圧縮機ケーシングの低圧域又は中間圧域に戻すようにする。高元側冷媒回路１２における高元側圧縮機１８の駆動用モータ３８には、インバータ装置４０を設けて駆動用モータ３８を回転数制御できるようにしてある。

高元側圧縮機１８の下流側には油分離器４２が設けられ、油分離器４２で分離された潤滑剤は高元側圧縮機１８に戻される。油分離器４２の下流側には、順に凝縮器２２及び受液器４４が設けられ、受液器４４の下流側には、運転の開始時又は停止時に高元側冷媒回路１２の開閉を行なう電磁弁（図示せず）と、膨張弁２４とが設けられている。凝縮器２２は、蒸発式、水冷式又は空冷式でもよい。高元側圧縮機１８の上流側の高元側冷媒復管２６には、冷媒ガス温度を検出する温度センサ（図示せず）と冷媒ガス圧力を検出する圧力センサ（図示せず）が設けられている。

それに対して、低元側冷媒回路１４においては、低元側圧縮機２８の上流側にアキュムレータ４６が設けられ、ここで冷媒中の液滴が除去される。
特に、低元側冷媒回路１４において、低元側冷媒がかなりの低温である場合には、低元側冷媒に混入している潤滑剤の粘性が増大していることから、潤滑剤をアキュムレータ４６の上流側冷媒流路に戻すと、潤滑剤がアキュムレータ４６に付着して、低元側冷媒回路１４の圧力損失を増大するか、あるいは低元側冷媒回路１４を閉塞するおそれがあるので、高元側圧縮機１８と同様に、油分離器を設けて、油分離器により分離された潤滑剤を低元側圧縮機２８の低圧域又はアキュムレータ４６と低元側圧縮機２８間の冷媒流路に戻してもよい。

低元側圧縮機２８は、高元側圧縮機１８と同様に、たとえば、容量制御式の往復圧縮機または回転あるいは遠心圧縮機が用いられている。特に、往復式圧縮機であれば、潤滑剤をクランク室等の低圧チャンバーに戻し、スクリュー圧縮機であれば、圧縮機ケーシングの低圧域又は中間圧域に戻すようにする。

低元側冷媒回路１４における低元側圧縮機２８の駆動用モータ４８には、高元側圧縮機１８と同様に、インバータ装置５０を設けて回転数制御をできるようにしている。なお、制御部５２により、高元側圧縮機１８のインバータ装置４０と低元側冷媒回路１４におけるインバータ装置５０とをそれぞれ制御するようにしている。

中間熱交換器１６の下流側には、受液器５４が設けられ、中間熱交換器１６で凝縮した低元側冷媒液は、受液器５４に供給される。
低元側冷媒ガスは、低元側冷媒復管３２を通って低元側圧縮機２８に吸入される。低元側冷媒復管３２には、吸入圧力調整弁（図示せず）が設けられ、ここで低元側冷媒ガスの圧縮機吸入圧が調整される。また、低元側冷媒復管３２には、圧縮機吸入圧を検出する圧力センサ（図示せず）が設けられている。
低元側冷媒復管３２と中間熱交換器１６の胴部とを接続するホットガスライン５６が設けられ、ホットガスライン５６には、ホットガス電動弁（図示せず）と、運転開始時又は停止時にホットガスライン５６を開閉するホットガス電磁弁（図示せず）が付設されている。

低元側圧縮機２８から低元側冷媒往管３０に吐出された低元側冷媒ガスは、中間熱交換器１６に供給され、中間熱交換器１６内で高元冷媒により冷却されて凝縮し、凝縮した低元冷媒液は、さらに過冷却されて膨張弁３４に送られる。

図２に、高元側冷媒と低元側冷媒の温度バランスの一例を示す。図中、高元側冷媒飽和Ｔ１が凝縮器２２での高元側冷媒の凝縮温度、低元側冷媒飽和Ｔ１が中間熱交換器１６での低元側冷媒の凝縮温度、高元側冷媒飽和Ｔ２が中間熱交換器１６での高元側冷媒の蒸発温度、低元側冷媒飽和Ｔ２が蒸発器３６での低元側冷媒の蒸発温度である。

以上の実施形態において、低元側の蒸発器３６に負荷が接続される構成、すなわち冷却運転が行われる場合の他、高元側の凝縮器２２に負荷が接続される加熱運転（例えば、暖房や蒸気発生装置として適用する場合など）に用いたり、これらを交互に切り換え可能な構成としたりしてもよい。

中間熱交換器１６で、高元側冷媒液または気液混合は低元側冷媒ガスと熱交換されて気化し、高元側冷媒復管２６を経て高元側圧縮機１８に吸入されるが、その際、液圧縮防止の観点から、運転状態の過熱度が目標過熱度になるように調整している。

以上の構成の二元冷凍装置１０において、カスケード温度が常温近傍あるいはそれより高い場合には、高元側冷媒のみならず低元側冷媒もそれほど低沸点冷媒でないことから、立ち上げ運転において、低元冷媒回路の高圧カットの発生および高元冷媒回路の低圧カットの発生いずれも防止する観点から、以下のように運転を行っている。

図３に示すように、まず、二元冷凍装置１０の起動前に、低元冷媒回路１４の低元冷媒の高圧圧力を検出する（ステップ１）。検出した低元冷媒の高圧圧力PLが所定圧力P1より低ければ（ステップ２）、低元冷媒回路１４を起動し（ステップ３）、P１と等しい、あるいはP１より高ければ、高元冷媒回路１２を起動する（ステップ４）。次いで、低元冷媒回路１４を起動して、低元冷媒を高元冷媒回路１２側の立ち上げ初期に必要な負荷となる程度の所定圧力P2とする。すなわち、低元冷媒圧力がP2に達したら（ステップ５）、低元冷媒回路１４を停止する（ステップ６）とともに、高元冷媒回路を起動する（ステップ７）。次いで、低元冷媒回路１４の低元冷媒が所定圧力P3まで減圧されたら（ステップ８）、低元冷媒回路１４を起動する（ステップ９）。

この場合、P１は、P3より高く、P2より低い。P１、P2 およびP3はそれぞれ、用いる冷媒の種類、圧縮機の回転数および排熱回収温度に基づいて、決定するのがよい。
二元冷凍装置は、低元冷媒回路の蒸発器を利用して、排熱回収に用いられるのでもよい。

以上の構成を有する二元冷凍装置１０の立ち上げ制御方法によれば、中間熱交換器でのカスケード温度が常温近傍、あるいはそれより高い場合に採用する低元冷媒回路１４の低元冷媒は、たとえば蒸発温度がー６０℃以下のような低温負荷に対する二元冷凍装置で採用する低元冷媒回路１４の低元冷媒に比べて、低沸点冷媒でないことから、周囲（外気）温度と平衡状態の起動前の低元冷媒回路１４の低元冷媒の高圧では、高元冷媒回路１２の立ち上げ負荷として不十分となり、低元冷媒回路１４および高元冷媒回路１２を同時に起動すれば、高元冷媒回路１２が低圧カットに至る可能性があるところ、低元冷媒回路１４を単独で先に起動することにより、高元冷媒回路側１２の立ち上げ初期に必要な負荷となる程度の所定第１高圧として停止した後に高元冷媒回路１２を起動することにより、このような高元冷媒回路１２の低圧カットを防止するとともに、低元冷媒回路１４の加熱能力が高元冷媒回路１２側の冷却能力に勝ち過ぎて、逆に低元冷媒回路１４が高圧カットに至らないように、低元冷媒回路１４の低元冷媒が所定第２圧力まで減圧された後に、低元冷媒回路１４を起動しており、以て低元冷媒媒回路１４の高圧異常および高元冷媒回路１２の低圧異常いずれも引き起こす恐れなく、定常運転までの円滑な立上げが可能となる。

以上、本発明の実施形態を詳細に説明したが、本発明の範囲から逸脱しない範囲内において、当業者であれば、種々の修正あるいは変更が可能である。
たとえば、本実施形態において、立ち上げ運転の際、低元側冷媒高圧圧力を検出し、所定圧力より低ければ、低元側冷媒回路を先起動し、高ければ高元側冷媒回路を先起動するものとして説明したが、それに限定されることなく、低元側冷媒圧力が十分に低い圧力であることが明らかな場合には、このような低元側冷媒圧力の検出を省略し、すぐに低元側冷媒回路を先起動してもよい。

本発明の実施形態に係る二元冷凍装置の全体構成図である。 本発明の実施形態に係る二元冷凍装置の温度バランスを示す線図である。 本発明の実施形態に係る二元冷凍装置において、立ち上げ運転の運転フローを示すフロー図である。

１０ 二元冷凍装置
１２ 高元側冷媒回路
１４ 低元側冷媒回路
１６ 中間熱交換器
１８ 高元側圧縮機
２０ 高元側冷媒往管
２２ 凝縮器
２４ 膨張弁
２６ 高元側冷媒復管
２８ 低元側圧縮機
３０ 低元側冷媒往管
３２ 低元側冷媒復管
３４ 膨張弁
３６ 蒸発器
３８ 駆動用モータ
４０ インバータ装置
４２ 油分離器
４４ 受液器
４６ アキュムレータ
４８ 駆動用モータ
５０ インバータ装置
５２ 制御部
５４ 受液器
５６ ホットガスライン

Claims (9)

1. 圧縮機と、凝縮器と、膨張機構と、中間熱交換器の蒸発部とが順に接続されて構成され、高元冷媒が循環する高元側冷媒回路と、圧縮機と、上記中間熱交換器の凝縮部と、膨張機構と、蒸発器とが順に接続されて構成され、高元冷媒より低沸点の低元冷媒が循環すると共に、上記中間熱交換器において高元冷媒と低元冷媒とが熱交換する少なくとも１つの低元側冷媒回路とを備え、カスケード温度が常温近傍、あるいはそれより高い二元冷凍装置の立ち上げ制御方法において、
   低元冷媒回路を起動して、低元冷媒を高元冷媒回路側の立ち上げ初期に必要な負荷となる程度の所定第１圧力とする段階と、
   低元冷媒が前記所定第１圧力に達したら、低元冷媒回路を停止するとともに、高元冷媒回路を起動する段階と、
   低元冷媒回路の低元冷媒が所定第２圧力まで減圧されたら、低元冷媒回路を起動する段階と、
   を有することを特徴とする二元冷凍装置の立ち上げ制御方法。
2. 二元冷凍装置の起動前に、低元冷媒回路の低元冷媒の高圧圧力を検出する段階と、
   検出した低元冷媒の高圧圧力が所定第３圧力より低ければ、低元冷媒回路を起動し該所定第３圧力と等しい、あるいは前記所定高圧より高ければ、高元冷媒回路を起動する段階とをさらに有する、請求項１に記載の二元冷凍装置の立ち上げ制御方法。
3. 前記所定第３圧力は、前記所定第２圧力より高く、前記所定第１圧より低い、請求項２に記載の二元冷凍装置の立ち上げ制御方法。
4. 前記低元冷媒は、通常の空調用冷媒である、請求項１に記載の二元冷凍装置の立ち上げ制御方法。
5. 前記低元冷媒は、周囲温度と平衡状態の停止中の圧力が、運転中の圧力よりも低い、請求項４に記載の二元冷凍装置の立ち上げ制御方法。
6. 前記低元冷媒は、Ｒ１３４a、前記高元冷媒は、Ｒ２４５faである、請求項５に記載の二元冷凍装置の立ち上げ制御方法。
7. 前記カスケード温度は、１０ ℃以上である、請求項５に記載の二元冷凍装置の立ち上げ制御方法。
8. 前記二元冷凍装置は、前記低元冷媒回路の前記蒸発器を利用して、排熱回収に用いられる、請求項４に記載の二元冷凍装置の立ち上げ制御方法。
9. 前記所定第１圧力、前記所定第２圧力および前記所定第３圧力はそれぞれ、用いる冷媒の種類、圧縮機の回転数および排熱回収温度に基づいて、決定する、請求項８に記載の二元冷凍装置の立ち上げ制御方法。

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