JP6902729B2 - カスケード式冷凍装置 - Google Patents
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Description
このような場合、カスケード式冷凍装置は、必要な冷却機能を速やかに発揮することが難しくなる。
[1−1.全体構成]
以下、図1を参照して、カスケード式冷凍装置の全体構成の概略を説明する。
図1は、本発明の一実施形態のカスケード式冷凍装置1の冷凍回路の全体構成を示す模式図である。
第2の流路4Bを流れる過冷却側冷媒は、電動膨張弁303を流通する際に絞り膨張により低温となり、第1の流路4Aを流れるメイン側冷媒と熱交換してこのメイン側冷媒を冷却する。
これに対し、負荷が比較的大きく、メイン冷凍機Aの単独運転では必要とされる温度及び量の低温空気を生成できない場合には、制御装置5は、メイン冷凍機Aに加えて過冷却冷凍機Bを運転させる(以下、この運転を「カスケード運転」と称する)。このカスケード運転では、上述したようにカスケード熱交換器4においてメイン側冷媒が過冷却側冷媒により冷却されるので、メイン側冷媒の過冷却度を増すことができる。よって、蒸発器204においてショーケースD内の空気と交換する熱量が増え、カスケード式冷凍装置1は、必要とされる温度及び量の低温空気を生成できる。
以下、図2を参照して、冷凍回路の構成をさらに説明する。メイン側冷凍回路2と過冷却側冷凍回路3とは、共に、スプリット熱交換器を備えてスプリットサイクルを実現する回路であり、過冷却側冷凍回路3を例にとりその構成を説明する。
図2は、本発明の一実施形態に係る過冷却冷凍機B及びカスケードユニットCにより形成される過冷却側冷凍回路3の構成を示す模式図である。
また、中間タンク307の上部には、ガス配管L8の一端が接続されている。このガス配管L8の他端は、ガス戻し用絞り手段としての電動膨張弁(以下「ガス戻し弁」と称する)309の入口に接続されている。ガス配管L8は中間タンク307上部からガス冷媒を流出させ、ガス戻し弁309に流入させる。このガス戻し弁309の出口には、中間圧戻り配管L9の一端が接続されている。この中間圧戻り配管L9の他端は、圧縮機301の中間圧部に繋がる中間圧吸入配管L3に接続されている。そして、この中間圧戻り配管L9にはスプリット熱交換器308の第1の流路308Aが介在している。
以下、図3を参照して、過冷却冷凍機Bの出口冷媒圧Pを低下させるための降圧制御について説明する。
図3は、本発明の一実施形態に係る制御装置5の模式的な機能ブロック図である。
そこで、判定部50は、以下の条件1及び条件2の少なくとも一方の条件が満たされているときには、降圧制御が必要であると判断する。ここで、降圧制御とは、出口圧センサS2により検出された過冷却冷凍機Bの出口冷媒圧Pが所定圧P1を超えると(P>P1)過冷却冷凍機Bを運転させて出口冷媒圧Pを下げる制御のことである。
(条件2)メイン冷凍機Aが除霜中の場合。
条件2は、メイン冷凍機Aの除霜後に、過冷却冷凍機Bを速やかに運転させるために設定される条件である。つまり、メイン冷凍機Aの除霜中、メイン冷凍機Aが停止するか又は除霜運転を行うためメイン冷凍機Aによる冷却が行われないので、それまで冷却が行われなかった分を早期に補えるよう、過冷却冷凍機Bを運転させて急速冷却を行うために設定される条件である。
なお、判定部50は、制御装置5の内部信号である除霜指令を監視することで、メイン冷凍機Aが除霜中であることを検出できる。
すなわち、降圧制御は、安全装置が作動して過冷却冷凍機Bを強制停止させないように、出口冷媒圧Pが、強制停止圧力Ps以下である所定圧P1を超えたときに、出口冷媒圧Pを下げるための制御である。
なお、本実施形態では制御装置5が安全装置の機能を担っているが、安全装置を制御装置5とは別に設けてもよい。
そして、この信号を受信すると、メイン側圧縮機制御部51,過冷却側圧縮機制御部52及びバルブ制御部53はそれぞれ次のような制御を行う。
圧縮機301の作動開始後、出口冷媒圧Pが不安定で一時的に上昇したとしても、ガス戻し弁309を第一所定開度まで開いておけば、圧力がガス戻し弁309から中間圧吸入配管L3へと抜けるようになり、出口冷媒圧Pが下がる。
本発明の一実施形態のカスケード式冷凍装置1による作用・効果を、図4A及び図4Bを参照して説明する。
図4A及び図4Bは、本発明の一実施形態に係る過冷却冷凍機Bの出口冷媒圧Pの挙動を説明するための模式図である。
時刻t1でカスケード運転が終了した後、高い外気温Tの影響で出口冷媒圧Pが所定圧P1まで上昇すると、過冷却冷凍機Bが所定時間tだけ運転する。これにより、過冷却冷凍機Bの冷媒は、カスケード熱交換器4(図1及び図2参照)で放熱して温度が低下し出口冷媒圧Pが低下する。以降、出口冷媒圧Pが所定圧P1まで上昇するたびに、過冷却冷凍機Bは、所定時間tだけの一時的な運転を繰り返し、過冷却冷凍機Bの出口冷媒圧Pは、所定圧P1よりも低圧に維持される。
以下、変形例について説明する。
(1)降圧制御において、出口圧センサS2で検出された過冷却冷凍機Bの出口冷媒圧Pが所定圧P1を越えるとこの出口冷媒圧Pが所定圧P1未満の所定圧力になるまで過冷却冷凍機Bを運転させるようにしてもよい。
出口冷媒圧Pが所定圧P1未満になることを直接監視するので、出口冷媒圧Pが所定圧P1を超えてしまうことを確実に抑制できる。
2 メイン側冷凍回路
3 過冷却側冷凍回路
4 カスケード熱交換器
5 制御装置
50 判定部
51 メイン側圧縮機制御部
52 過冷却側圧縮機制御部
53 バルブ制御部
203 電動膨張弁
204 蒸発器
301 圧縮機
302 ガスクーラ
303 電動膨張弁(主絞り手段)
306 電動膨張弁(圧力調整用絞り手段)
308 スプリット熱交換器
308A 第1の流路
308B 第2の流路
309 電動膨張弁(ガス戻し用絞り手段)
310 電動膨張弁
A メイン冷凍機
B 過冷却冷凍機
C カスケードユニット
D ショーケース
L1 冷媒導入配管
L2 中間圧吐出配管
L3 中間圧吸入配管
L4 高圧吐出配管
L5 ガスクーラ出口配管
L6 タンク入口配管
L7 中間タンク出口配管
L8 ガス配管
L9 中間圧戻り配管
L10 液戻し配管
P 過冷却冷凍機Bの出口冷媒圧
Pd 過冷却冷凍機Bの冷媒配管の設計圧力
P1 出口冷媒圧Pの所定圧
Ps 強制停止圧力
S1 外気温センサ(温度センサ)
S2 出口圧センサ(圧力センサ)
T 外気温
Tmax 上限温度
Claims (10)
- メイン冷凍機の冷媒と過冷却冷凍機の冷媒とをカスケード熱交換器で熱交換させて、前記メイン冷凍機の冷媒を前記過冷却冷凍機の冷媒によって冷却するカスケード式冷凍装置において、
前記過冷却冷凍機の高圧側回路に配置された第1膨張弁、および、前記第1膨張弁と前記カスケード熱交換器との間に設けられた第2膨張弁の間における冷媒圧を検出する圧力センサと、
前記圧力センサにより検出された前記冷媒圧が所定圧を越えると前記過冷却冷凍機を運転させて前記冷媒圧を下げる制御を行う制御装置と、
を備えたことを特徴とするカスケード式冷凍装置。 - 外気温を検出する温度センサを備え、
前記温度センサにより検出された前記外気温が上限温度を越えた場合に前記制御を実行する
ことを特徴とする請求項1に記載のカスケード式冷凍装置。 - 前記メイン冷凍機が除霜中となった場合に、前記制御を実行する
ことを特徴とする請求項1又は2に記載のカスケード式冷凍装置。 - 前記制御では、所定時間だけ前記過冷却冷凍機を運転させる
ことを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載のカスケード式冷凍装置。 - 前記制御では、前記冷媒圧が前記所定圧未満になるまで、前記過冷却冷凍機を運転させる
ことを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載のカスケード式冷凍装置。 - 前記過冷却冷凍機の冷媒の流通方向において前記カスケード熱交換器の上流側に設けられた主絞り手段として、前記第2膨張弁を有し、
前記過冷却冷凍機は、
圧縮機と、
前記圧縮機の下流側であって前記主絞り手段の上流側に配置されたガスクーラと、
前記ガスクーラの下流側であって、前記主絞り手段の上流側に配置された圧力調整用絞り手段としての前記第1膨張弁と、
前記圧力調整用絞り手段の下流側であって、前記主絞り手段の上流側に配置された中間タンクと、
前記中間タンクの下流側であって、前記主絞り手段の上流側に配置されたスプリット熱交換器と、
前記中間タンク上部内のガス状の冷媒を、ガス戻し用絞り手段を介して前記スプリット熱交換器の第1の流路に流した後、前記圧縮機の中間圧部に吸い込ませる補助回路と、
前記中間タンク下部から冷媒を流出させ、該冷媒を前記スプリット熱交換器の第2の流路に流し、前記第1の流路を流れる冷媒と熱交換させた後、前記主絞り手段に流出させる主回路とを有している
ことを特徴とする請求項1〜5の何れか一項に記載のカスケード式冷凍装置。 - 前記制御を開始するときに、前記ガス戻し用絞り手段を第一所定開度まで開く
ことを特徴とする請求項6に記載のカスケード式冷凍装置。 - 前記制御を開始するときに、前記圧力調整用絞り手段を第二所定開度まで絞る
ことを特徴とする請求項6又は7に記載のカスケード式冷凍装置。 - 前記過冷却冷凍機の前記冷媒が二酸化炭素であり、前記所定圧は、7MPa以上、7.
3Mpa以下の範囲内の一定の圧力である
ことを特徴とする請求項1〜8の何れか一項に記載のカスケード式冷凍装置。 - 前記冷媒圧が強制停止圧力を超えると前記過冷却冷凍機を強制停止する安全装置を備え、
前記所定圧は、前記強制停止圧力以下に設定されている
ことを特徴とする請求項1〜9の何れか一項に記載のカスケード式冷凍装置。
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