JP6439514B2

JP6439514B2 - 冷凍装置における蒸発器出入口の目標温度差設定方法及び装置、並びに冷凍装置の制御装置

Info

Publication number: JP6439514B2
Application number: JP2015048609A
Authority: JP
Inventors: 喜記山野井; 正務原; 祐香小坂
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2015-03-11
Filing date: 2015-03-11
Publication date: 2018-12-19
Anticipated expiration: 2035-03-11
Also published as: JP2016169891A

Description

本発明は、冷凍装置における蒸発器出入口の目標温度差設定方法及び装置、並びに冷凍装置の制御装置に関する。

従来、凝縮器によって過冷却域まで凝縮された液冷媒を冷媒ポンプによって昇圧し、その後、減圧弁で減圧された液冷媒を蒸発器によって過熱域まで蒸発させ、さらに、減圧されたガス冷媒を再び凝縮器によって凝縮させるといった冷凍サイクルを行う冷凍装置が知られている（特許文献１参照）。
この種の冷凍装置において、蒸発器の出口における冷媒の過熱度を管理することは、熱交換効率を維持するために重要である。特許文献１記載の技術においては、蒸発器出口における冷媒の圧力と冷媒の温度とから過熱度を求め、この過熱度が目標値となるように冷媒ポンプの循環量を制御している。

特開２０１２−６７９４４号公報

ところで、一般のデータセンタでは、年間を通じて負荷変動が小さい。このような使用環境では、蒸発器の入口温度と出口温度との温度差を目標値に近づけるように制御することで、冷媒の過熱度を管理することが可能になると考えられる。

この場合、冷凍装置の据付状況等によって温度差の目標値は異なるため、冷凍装置の据付施工時に試運転を行い、蒸発器の入口温度及び出口温度を実測したうえで目標値を設定する必要がある。しかし、このような目標値の設定のため試運転の実施者の拘束時間が長くなることは好ましくない。

本発明は、短時間で目標値の設定を可能とする設定方法及び装置、並びに冷凍装置の制御装置を提供することを目的とする。

（１）本発明は、冷媒ポンプによる冷媒の循環によって過冷却域から過熱域の範囲で蒸発工程を行う冷媒回路において、蒸発工程後の冷媒の過熱度を管理するために蒸発器の入口温度と出口温度との温度差の目標値を設定する方法であって、
循環量を段階的に増加させながら冷媒回路に冷媒を循環させるステップ、
各段階の循環量で、蒸発器の入口温度と出口温度とを測定するステップ、
前記入口温度と前記出口温度の温度差を算出するステップ、及び
循環量を増加させる前と後との間の前記温度差の変化量が所定の閾値以下となった場合に、当該温度差に基づいて前記目標値を設定するステップと、を含む。

（２）また、本発明は、冷媒ポンプによる冷媒の循環によって過冷却域から過熱域の範囲で蒸発工程を行う冷媒回路において、蒸発工程後の冷媒の過熱度を管理するために蒸発器の入口温度と出口温度との温度差の目標値を設定する装置であって、
段階的に循環量を増加させながら冷媒回路に冷媒を循環させるように冷媒ポンプを制御する循環量制御部と、
各段階の循環量で、測定された蒸発器の入口温度と出口温度とを取得する取得部と、
前記入口温度と前記出口温度の温度差を算出する演算部と、
循環量を増加させる前と後との間の前記温度差の変化量が所定の閾値以下となった場合に、当該温度差に基づいて前記目標値を設定する設定部と、を備えている。

冷凍装置における蒸発器の入口温度と出口温度との温度差の目標値（目標温度差）を求めるには、冷媒の循環量を予め設定された範囲で段階的に変化させながら、各段階の循環量で入口温度と出口温度との温度差を取得し、そのなかから最適な温度差を用いて目標温度差を求めることが考えられる。冷媒の循環量が少ないときは、蒸発器の出口における過熱度が大きいため、入口温度との温度差は大きくなるが、冷媒の循環量が多くなると徐々に過熱度は小さくなり、蒸発器出口で飽和蒸気となればそれ以降は出口温度はほとんど変化せず、入口温度との温度差は略一定となる。したがって、予め設定された循環量の範囲内で取得された最も小さい温度差を基準とし、その温度差に、所望の過熱度に相当する温度を加えることによって、目標温度差を設定することが可能である。

しかし、蒸発器の入口温度及び出口温度を正確に測定するには、循環量を変えてから安定状態となるまでしばらく冷媒を循環させなければならないので、設定範囲内の全て循環量について出入口温度の温度差を求めようとすると、非常に長い時間が必要となる。
上記の（１）（２）に示す本発明では、予め設定された循環量の全てについて温度差を求めるのではなく、温度差の変化量が所定の閾値以下となったときに蒸発器出口で飽和蒸気になったと推定し、そのときの温度差に基づいて目標温度差を求めているので、少ない測定回数で短時間に目標温度差を求めることができる。

（３）また、本発明は、冷媒ポンプによる冷媒の循環によって過冷却域から過熱域の範囲で蒸発工程を行う冷媒回路を備えている冷凍装置を、上記の（１）又は（２）に記載の設定方法及び設定装置によって求められた温度差の目標値を用いて制御する制御装置であって、
蒸発器における入口温度と出口温度の温度差が、所定の目標値となるように冷媒の循環量を制御する制御部を備えている。

このような構成によって蒸発器の出口における冷媒の過熱度を容易に管理することができる。

本発明によれば、蒸発器の出入口における温度差の目標値を短時間で設定することができる。

本発明の一実施の形態における冷凍装置としての空気調和装置の概略構成図である。空気調和装置及び設定装置を示すブロック図である。空気調和装置の冷凍サイクルを示すＰ−Ｈ線図である。冷媒循環量と利用側熱交換器における冷媒の温度変化との関係を説明するグラフである。冷媒循環量と利用側熱交換器における出入口温度差との関係を示すグラフである。冷媒循環量と利用側熱交換器における出入口温度差との関係を示すグラフである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の一実施の形態に係る冷凍装置としての空気調和装置の概略構成図である。
本実施の形態の空気調和装置１０は、例えばデータセンタのように、比較的負荷の変化が小さい室内を一定の温度に維持するために用いられる。また、本実施の形態の空気調和装置１０は、１次側の冷媒回路５０との間で熱交換を行う冷媒ポンプ循環式の冷媒回路を備えた二次冷媒空気調和装置とされている。

空気調和装置１０は、室外ユニット１１と室内ユニット１２とを備えている。室外ユニット１１と室内ユニット１２とは液冷媒連絡管１３及びガス冷媒連絡管１４によって接続されている。
室外ユニット１１には、冷媒ポンプ２１、膨張機構２２、熱源側熱交換器２３、レシーバ２４、制御装置２５等が設けられている。室内ユニット１２には、利用側熱交換器３１、温度センサ３２，３３等が設けられている。

熱源側熱交換器２３は、水等の１次冷却熱源との間で熱交換を行うことによって冷媒を凝縮させる凝縮器として機能する。
冷媒ポンプ２１は、凝縮器によって凝縮された液冷媒を昇圧して搬送する。冷媒ポンプ２１は、制御装置２５によって回転周波数がインバータ制御され、冷媒回路における冷媒の循環量を調整することができる。

膨張機構２２は、キャピラリチューブ２７と電動膨張弁２８とを備えている。キャピラリチューブ２７と電動膨張弁２８とは並列に設けられている。キャピラリチューブ２７は、冷媒ポンプ２１によって昇圧された冷媒を減圧し、流量を略一定に調整するためのものである。

また、電動膨張弁２８は、冷媒ポンプ２１によって昇圧された冷媒を減圧するとともに、冷媒の流量を調整するためのものであり、その開度が調整可能に構成されている。そして、電動膨張弁２８の開度を調整することによって冷媒回路における冷媒の循環量を調整することができる。

電動膨張弁２８は、制御装置２５によって開度が調整される。本実施の形態の空気調和装置１０は、冷媒ポンプ２１だけでなく電動膨張弁２８によって冷媒の循環量を調整することができるので、より細かな循環量の制御が可能となる。

熱源側熱交換器２３は、例えば、プレート式熱交換器とされている。この熱源側熱交換器２３において、冷媒は、水等の１次側の熱源によって凝縮され、液冷媒とされる。

レシーバ２４は、凝縮器から流入した冷媒中のガスと液とを分離するためのものである。分離された液冷媒は冷媒ポンプ２１に吸入され、分離されたガスはレシーバ２４内に貯留される。レシーバ２４は、熱源側熱交換器２３の上流側とバイパス配管２６で接続され、このバイパス配管２６には、電磁弁（開閉弁）２９が設けられている。レシーバ２４内のガス冷媒は、必要に応じて電磁弁２９を開閉することでバイパス配管２６を介して熱源側熱交換器２３の上流側に戻される。

制御装置２５は、図２にも示すように、冷媒ポンプ２１のインバータ制御や電動膨張弁２８の開度制御等を行うためのものである。制御装置２５は、ＣＰＵや記憶部等を備えたマイクロコンピュータ等によって構成することができる。制御装置２５は、記憶部に格納されたプログラムをＣＰＵが実行することによって、冷媒ポンプ２１をインバータ制御するためのポンプ制御部、及び電動膨張弁２８を開度制御するための膨張弁制御部として機能する。

図１に示すように、室内ユニット１２において、利用側熱交換器３１には、室外ユニット１１の膨張機構２２を通った冷媒が液冷媒連絡管１３を介して流入する。そして、利用側熱交換器３１において、液冷媒は室内の空気との間で熱交換され、蒸発する。したがって、本実施の形態における利用側熱交換器３１は、蒸発器として機能する。

温度センサ３２，３３は、利用側熱交換器３１の入口側の冷媒温度を測定する入口側温度センサ３２と、利用側熱交換器３１の出口側の冷媒温度を測定する出口側温度センサ３３とを備えている。これらの温度センサ３２，３３の測定信号は、制御装置２５に送信され、冷媒ポンプ２１及び電動膨張弁２８の制御のために利用される。

図３は、空気調和装置の冷凍サイクルを示すＰ−Ｈ線図である。図３におけるａ〜ｅの符号は、図１におけるａ〜ｅの各点における冷媒の状態を示している。
冷媒ポンプ２１に吸入される前の冷媒は、過冷却域の低温低圧の液冷媒であり（点ａ）、冷媒ポンプ２１に吸入・吐出されることによって昇圧される（点ｂ）。そして、液冷媒は、膨張機構２２を通過することによってある程度減圧され（点ｃ）、利用側熱交換器（蒸発器）３１に流入する。利用側熱交換器３１では、過冷却域の液冷媒が蒸発し、気液二相状態を経て過熱され、高温高圧のガス冷媒となって利用側熱交換器３１から流出する（点ｄ）。

利用側熱交換器３１から流出したガス冷媒は、管路抵抗等によって減圧され（点ｅ）、熱源側熱交換器（凝縮器）２３に流入する。
熱源側熱交換器２３では、過熱域のガス冷媒が凝縮し、気液二相状態を経て過冷却され、低温低圧の液冷媒となって熱源側熱交換器２３から流出する（点ａ）。以上のようなサイクルを繰り返すことによって、冷房運転が行われる。

一般に、空気調和装置１０は、利用側熱交換器（蒸発器）３１から流出した後の冷媒の過熱度が所定に維持されるように、冷媒の循環量を調整している。冷媒の過熱度は、例えば、利用側熱交換器３１の出口側における冷媒の圧力と冷媒の温度とから取得することができる。
一方、データセンタのように比較的負荷の変化が少ない環境では、利用側熱交換器３１に流入する前（点ｃ）の冷媒の温度と、利用側熱交換器３１から流出した後（点ｄ）の冷媒の温度との温度差を所定に維持することによって、冷媒の過熱度や過冷却度を所定に維持することが可能である。したがって、本実施の形態では、利用側熱交換器３１の出入口における冷媒の温度差が所定の目標温度差となるように、冷媒回路における冷媒の循環量を調整するようにしている。そして、本実施の形態においては、利用側熱交換器３１の出入口における冷媒の目標温度差を次の方法で設定している。

〔冷媒の目標温度差の設定方法〕
冷媒の目標温度差は、空気調和装置１０の据付状況等に応じて様々であるため、据付施工時に試運転を行い、実際に冷媒を循環させた状態で温度センサ３２，３３により利用側熱交換器３１の出入口における冷媒の温度を測定し、その温度差に基づいて最適な過熱度を求めるようにする。

図４は、冷媒の循環量と利用側熱交換器における冷媒の温度変化との関係を説明するグラフである。図４（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ冷媒の循環量の程度として、低循環量領域、中循環量領域、高循環量領域を示している。また、各グラフにおいて、横軸の左端は利用側熱交換器３１の入口を示し、右端は利用側熱交換器３１の出口を示し、その間は、入口から出口に到るまでの利用側熱交換器３１内の冷媒流路を示している。

図４（ａ）に示すように、低循環量領域においては、過冷却域で冷媒の温度が徐々に上昇し、相変化域では冷媒の温度が飽和温度のまま略一定となり、過熱領域では再び冷媒の温度が上昇している。低循環量領域の場合、冷媒の蒸発が促進されるため、より早期に過熱域に到達する。

これに対して、中循環量領域では、図４（ｂ）に示すように、低循環量領域の場合に比べて、より出口側で冷媒が過熱域に到達する。
また、高循環量領域では、図４（ｃ）に示すように、利用側熱交換器３１の出口に到っても冷媒は過熱域には到達せず、飽和温度のまま利用側熱交換器３１の出口から流出する。

したがって、冷媒は、循環量を大きくするほど過熱域への到達時期が遅くなり、ある循環量を超えたところで過熱域には到達せず、飽和蒸気又は気液二相のまま利用側熱交換器３１から流出される。そのため、利用側熱交換器３１の入口温度と出口温度との温度差は、低循環量から中循環量にかけて徐々に小さくなり、高循環量領域になると略一定の状態で維持されることになる。冷媒循環量と利用側熱交換器３１の出入口温度の温度差との関係を図５に示す。このグラフにおける（ａ）〜（ｃ）の符号は、図４における（ａ）〜（ｃ）（低循環量領域〜高循環量領域）にほぼ対応している。

本実施の形態では、以上のような温度差の変化を利用することによって利用側熱交換器３１の出入口における目標温度差を設定する。具体的には、次に説明する設定装置によって目標温度差を設定する。

図２に示すように、設定装置４０は、その機能構成として、循環量制御部４１と、取得部４２と、演算部４３と、設定部４４とを備えている。また、設定装置４０は、例えばＣＰＵ及び記憶部等を備えたパーソナルコンピュータによって構成されており、記憶部に格納された設定用プログラムをＣＰＵが実行することによって、循環量制御部４１、取得部４２、演算部４３、及び設定部４４の各機能を実現する。

循環量制御部４１は、目標温度差の設定のための試運転時に、冷媒の循環量を段階的に増加させるように冷媒ポンプ２１及び電動膨張弁２８を制御する。具体的には、循環量制御部４１は、冷媒の循環量についての指示を制御装置２５に与え、この指示に従って制御装置２５が冷媒ポンプ２１及び電動膨張弁２８を制御する。循環量制御部４１は、図６に示すように、冷媒の循環量の制御範囲内において、例えば１０段階で循環量を段階的に増加させる。図６のグラフ上には、各段階を表す数を示している。

取得部４２は、各段階の循環量について利用側熱交換器３１の入口側温度と出口側温度とを取得する。具体的に、取得部４２には、室内ユニット１２に設けられた入口側温度センサ３２の測定信号と、出口側温度センサ３３の測定信号とがそれぞれ入力される。

演算部４３は、取得部４２によって取得された入口側温度と出口側温度の温度差を演算により求める。
設定部４４は、演算部４３により求められた温度差を用いて目標温度を設定する。具体的には、各段階の循環量における温度差の変化量を求め、その温度差の変化量が所定の閾値以下となったときに、その温度差を基に目標温度差を設定する。

例えば、図６において、第ｎ段階目の循環量における利用側熱交換器３１の出入口の冷媒の温度差をｔ_ｎとし、所定の閾値をｔ_０としたとき、設定部４４は、次の式（１）を満たすか否かを判定する。
｜ｔ_ｎ−ｔ_ｎ＋１｜≦ｔ_０・・・（１）
閾値ｔ_０は、例えば、０．１℃〜０．５℃の範囲で設定することができるが、これに限定されるものではない。

そして、設定部４４は、式（１）を満たす温度差ｔ_ｎ＋１を基準温度差として決定し、その基準温度差ｔ_ｎ＋１に所定の過熱度ｔ_ｓを足し合わせた温度差を目標温度差に設定する。すなわち、目標温度差ｔ_ｔｓは、次の式（２）により求めることができる。
ｔ_ｔｓ＝ｔ_ｎ＋１＋ｔ_ｓ・・・（２）
過熱度ｔ_ｓは、例えば、２．０℃〜５．０℃の範囲で設定することができるが、これに限定されるものではない。また、目標温度差ｔ_ｔｓは、ｔ_ｎに基づいて設定することも可能である。

以上のように、利用側熱交換器３１の出入口における温度を測定して目標温度差を求める場合、循環量の制御範囲内における全ての段階（図６における第１〜１０段階）について利用側熱交換器３１の出入口における温度差を求め、そのなかから、確実に利用側熱交換器３１の出口で飽和蒸気又は気液二相冷媒になっていると考えられる最も小さい温度差を基準温度差として採用し、この基準温度差に基づいて目標温度差を求めることも可能である。しかし、この場合、全ての段階における温度の測定及び演算が必要となるため、目標温度差を求めるために長い時間を要する。特に、冷媒の循環量を変えた後、冷凍サイクルが安定するまでには数十分かかる場合もあるため、全ての段階の循環量について温度差を求めようとすると多大な時間が必要となる。

これに対して、本実施の形態では、上記の式（１）の条件を用いて基準温度差を求めているので、循環量を段階的に増加させながら蒸発器の出入口の温度差を求め、その温度差が式（１）の条件を満たした段階で基準温度差を決定して目標温度差を求めることができる。したがって、循環量の制御範囲内における全ての段階について出入口温度の温度差を求める必要が無く、目標温度差を求めるための作業を可及的に短時間で終了させることができ、作業実施者の拘束時間を短くすることができる。

また、本実施の形態の空気調和装置１０においては、利用側熱交換器３１の出入口における冷媒の温度差を用いて冷媒の循環量の調整を行っているので、利用側熱交換器３１の出口側の冷媒圧力を測定する必要が無く、その調整を容易に行うことができる。

本発明は、上記実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内において適宜変更することができる。
例えば、本発明は、上記構成の冷凍装置に限定されるものではなく、蒸発工程において、過冷却領域から過熱領域の範囲で冷媒が状態変化するものであれば、あらゆる冷凍装置に適用することができる。

また、冷媒回路の構成も上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、冷媒回路中に油分離器やアキュムレータ等の他の付属機器が含まれていてもよい。
上記実施の形態において、冷媒の循環量の調整には冷媒ポンプと電動膨張弁との両方が用いられていたが、冷媒ポンプのみの調整であってもよい。この場合、膨張機構としての電動膨張弁を省略することができる。

１０：空気調和装置（冷凍装置）
２１：冷媒ポンプ
２２：膨張機構
２５：制御装置
２８：電動膨張弁
３１：利用側熱交換器（蒸発器）
３２：入口側温度センサ
３３：出口側温度センサ
４０：設定装置
４１：循環量制御部
４２：取得部
４３：演算部
４４：設定部
ｔ_ｓ：過熱度

Claims

冷媒ポンプ（２１）による冷媒の循環によって過冷却域から過熱域の範囲で蒸発工程を行う冷媒回路において、蒸発工程後の冷媒の過熱度を管理するために蒸発器（３１）の入口温度と出口温度との温度差の目標値を設定する方法であって、
循環量を段階的に増加させながら冷媒回路に冷媒を循環させるステップ、
各段階の循環量で、蒸発器（３１）の入口温度と出口温度とを測定するステップ、
前記入口温度と前記出口温度の温度差を算出するステップ、及び
循環量を増加させる前と後との前記温度差の変化量が所定の閾値以下となった場合に、当該温度差に基づいて前記目標値を設定するステップと、を含む、冷凍装置における蒸発器出入口の目標温度差設定方法。
冷媒ポンプ（２１）による冷媒の循環によって過冷却域から過熱域の範囲で蒸発工程を行う冷媒回路において、蒸発工程後の冷媒の過熱度を管理するために蒸発器（３１）の入口温度と出口温度との温度差の目標値を設定する装置であって、
段階的に循環量を増加させながら冷媒回路に冷媒を循環させるように冷媒ポンプ（２１）を制御する循環量制御部（４１）と、
各段階の循環量で、蒸発器（３１）の入口温度と出口温度とを取得する取得部（４２）と、
前記入口温度と前記出口温度の温度差を算出する演算部（４３）と、
循環量を増加させる前と後との前記温度差の変化量が所定の閾値以下となった場合に、当該温度差に基づいて前記目標値を設定する設定部（４４）と、を備えている、冷凍装置における蒸発器出入口の目標温度差設定装置。
冷媒ポンプ（２１）による冷媒の循環によって過冷却域から過熱域の範囲で蒸発工程を行う冷媒回路を備えている冷凍装置（１０）を、請求項１に記載の設定方法又は請求項２に記載の設定装置（４０）によって求められた温度差の目標値を用いて制御する制御装置であって、
蒸発器（３１）における入口温度と出口温度の温度差が、所定の目標値となるように冷媒の循環量を制御する制御部を備えている、冷凍装置の制御装置。