JP7060787B2 - 製氷システムとこれに用いる蒸発温度の制御方法 - Google Patents
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Description
特許文献1には、上記の製氷システムにおいて、製氷運転中にブレード機構の駆動源の電流値を検出し、所定の電流値を超えた場合に、蒸発圧縮式の冷媒回路の冷凍サイクルを逆サイクルに切り替えることにより、定常運転に復旧する方法が記載されている。
特許文献1のように、ブレード機構の駆動源の電流値に基づいて運転モードを切り替える方法では、電流値の上昇を検出した時点で既にアイスロックが発生している。従って、アイスロックが発生するごとに、ブレード機構の各部に過大な荷重が加わって疲労が蓄積し、ブレード機構の寿命が短くなるという欠点がある。
前記循環回路は、アイスジェネレータの溶液流路と、溶液を貯める溶液タンクと、前記溶液流路に溶液を圧送するポンプとを含み、前記冷媒回路は、前記アイスジェネレータの蒸発器と、圧縮機と、凝縮器と、膨張弁とを含む。
このため、アイスロックの予兆と考えられる過冷却度の増加を契機として、事前に製氷能力を落とす運転が可能となり、アイスロックの発生を未然に回避できる。従って、ブレード機構に対する負荷を軽減でき、製氷システムの信頼性を向上することができる。
その理由は、システム起動時には未だ製氷が行われていないため、起動時から所定時間が経過するまでに、氷ができ始める時点(過冷却度の上昇時点)が存在する可能性が高いからである。
その理由は、溶液が追加投入された場合には、未だ製氷が行われていない溶液が循環回路を流れるため、追加投入時から所定時間が経過するまでに、氷ができ始める時点(過冷却度の上昇時点)が存在する可能性が高い
このようにすれば、溶液の過冷却度を正確に算出できるので、目標蒸発温度の切り替え時点を適切に判定できるようになる。
従って、本開示の制御方法は、上述の(1)~(4)に記載の製氷システムと同様の作用効果を奏する。
〔製氷システムの全体構成〕
図1は、本開示の実施形態に係る製氷システム50の概略構成図である。
本実施形態の製氷システム50は、海水タンク8に貯めた海水を原料として製氷機1U,1Lにより氷スラリーを連続的に生成し、生成した氷スラリーを海水タンク8に戻すシステムである。
本実施形態において、複数(図例では2つ)の製氷機(アイスジェネレータ)を総称する場合は参照符号「1」を用い、それらを区別する場合は参照符号「1U」及び「1L」を用いる。「第1膨張弁」の場合も同様である。
本実施形態の製氷システム50は、海水をベースとした氷スラリーを連続的に生成可能である。このため、本実施形態の製氷システム50は、例えば漁船や漁港などに設置され、海水タンク8に戻された氷スラリーは鮮魚の保冷などに利用される。
製氷システム50は、更に、当該製氷システム50に含まれる各機器の動作を制御する制御装置(コントローラ)80と、制御装置80と通信可能に接続された入出力装置90と、を備える。
第1膨張弁5は、利用側の膨張弁であり、制御信号に応じて開度の調整が可能な電子膨張弁よりなる。第2膨張弁11は、熱源側の膨張弁であり、制御信号に応じて開度の調整が可能な電子膨張弁よりなる。
ポンプ9は、海水タンク8から海水を吸い込んでアイスジェネレータ1の海水流路12Aに海水を圧送する。海水流路12Aで生成された氷スラリーは、ポンプ圧によって海水とともに海水タンク8に戻される。
従って、ポンプ9から圧送された海水は、下段側のアイスジェネレータ1Lでの製氷が行われたあと、上段側のアイスジェネレータ1Uに供給され、更に上段側のアイスジェネレータ1Uでの製氷が行われてから、海水タンク8に戻される。
過熱器6は、例えば二重管式熱交換器よりなり、各アイスジェネレータ1U,1Lに対して複数(図例では2つ)設けられている。アイスジェネレータ1U,1Lに対応する複数の過熱器6は、それぞれ外管と内管とを備える。
過熱器6の外管は、吐出側分岐管に対して直列に接続されている。吐出側分岐管に対して直列に並ぶ複数の過熱器6のうち、製氷運転において冷媒進行方向の下流側となる過熱器6の外管は、第1膨張弁5U,5Lに通じている。
過熱器6の内管は、戻り側分岐管に対して直列に接続されている。戻り側分岐管に対して直列に並ぶ複数の過熱器6のうち、製氷運転において冷媒進行方向の上流側となる過熱器6の内管は、アイスジェネレータ1の冷媒の流出口19(図2参照)に通じている。
図2は、アイスジェネレータ1の構成例を示す側面図である。
図2に示すように、本実施形態のアイスジェネレータ1は、内管12及び外管13を含む横置き型の二重管式製氷機よりなる。
ブレード機構15は、内管12の内周面に生成された氷粒子を内側に掻き取って内管12の内部に分散させる。内管12の軸方向一端側(図2の右端側)には、海水の流入口16が設けられている。内管12の軸方向他端側(図2の左端側)には、海水の流出口17が設けられている。
外管13の下部には、複数(図例では3つ)の冷媒の流入口18が設けられている。外管13の上部には、複数(図例では2つ)の冷媒の流出口19が設けられている。
回転軸21は、内管12と同軸心の状態で海水流路12Aに収容されている。回転軸21の軸方向両端部は、内管12の軸方向両端を封止する封止壁24の中心部に回転自在に取り付けられている。
支持バー22は、回転軸21の外周面から径方向外側に突出する棒状部材よりなる。支持バー22は、回転軸21の軸方向に所定間隔おきに配置されている。ブレード23は、各支持バー22の先端に固定されている。ブレード23は、例えば樹脂製の帯板部材よりなる。ブレード23の回転方向の前側の端縁は鋭利な先細り形状となっている。
1つのアセンブリを構成する一対のブレード23,23は、軸方向位置が同じでかつ回転方向位置が180度ずれている。アセンブリは、回転軸21の軸方向に沿って複数組(図例では6組)設けられている。
本実施形態の製氷システム50の運転モードには、通常時の製氷運転と、異常発生時に行われるデフロスト運転とが含まれる。
製氷運転では、四路切換弁4が図1の実線の状態に保持される。この場合、圧縮機2が吐出する高温高圧のガス冷媒は、製氷運転において凝縮器として機能する熱源側熱交換器3に流入する。
液化した冷媒は、第1膨張弁5U,5Lにより所定の低圧に減圧され、アイスジェネレータ1の流入口18(図2参照)から、製氷運転において蒸発器として機能するアイスジェネレータ1U,1Lの熱交換部20に流入する。
生成された氷粒子は、ブレード機構15により掻き取られ、海水流路12Aの内部で海水と混合して氷スラリーとなる。氷スラリーは、内管12の流出口17から流出して海水タンク8に戻る。アイスジェネレータ1U,1Lの熱交換部20で蒸発して気化した冷媒は、過熱器6の内管及び四路切換弁4を経由して、圧縮機2に戻される。
1)ポンプ9から下段側のアイスジェネレータ1Lへの原料供給
2)下段側のアイスジェネレータ1Lにおける氷スラリーの生成
3)下段側のアイスジェネレータ1Lから上段側のアイスジェネレータ1Uへの氷スラリー及び海水の移送
4)上段側のアイスジェネレータ1Uにおける氷スラリーの生成
5)上段側のアイスジェネレータ1Uから海水タンク8への氷スラリー及び海水の返送
デフロスト運転では、四路切換弁4が図1の破線の状態に保持される。この場合、圧縮機2が吐出する高温高圧のガス冷媒は、四路切換弁4及び過熱器6の内管を経由して、デフロスト運転において凝縮器として機能するアイスジェネレータ1U,1Lの熱交換部20に流入する。
図1に示すように、制御装置80は、CPUなどを含む制御部81と、揮発性メモリなどを含む記憶部82とを有する。記憶部82には、コンピュータプログラムを格納するHDD又はSSDなどのストレージも含まれる。
制御部81は、記憶部82から読み出したコンピュータプログラムを実行することにより、製氷システム50の運転に関する各種の制御を実現する。
制御装置80の制御部81は、製氷運転中に実施する制御として、以下の制御を実行可能である。なお、以下の説明では、製氷運転の場合を想定して、アイスジェネレータ1の「熱交換部20」を「蒸発器20」という。
この制御は、製氷運転中に蒸発器20の冷媒の蒸発温度を調整する制御である。本実施形態では、塩分濃度が変化しても、安定した製氷運転と所望の製氷能力とが両立する関係式を用いて、冷媒の蒸発温度を調整する制御が行われる。
この制御は、アイスジェネレータ1U,1Lにおける海水の過冷却度が所定値を超える場合に、製氷運転の制御モードを信頼性優先運転モードに設定する制御である。
3)海水温度に基づくモード切替制御(図7)
この制御は、アイスジェネレータ1U,1Lにおける海水の温度がほぼ氷結温度相当になった場合に、製氷運転の制御モードを定常運転モードに戻す制御である。
吸入圧力センサ31:圧縮機2の吸入配管に取り付けられ、吸入配管を流れる冷媒の圧力を計測する圧力センサである。吸入圧力センサ31の計測値は、冷媒回路60で行われる冷凍サイクルの低圧と実質的に等しい。
第1濃度センサ32の計測値は、下段側のアイスジェネレータ1Lに流入する海水の塩分濃度と実質的に等しい。
第1温度センサ33の計測値は、下段側のアイスジェネレータ1Lによる製氷直後の氷スラリーを含有する海水の温度と実質的に等しい。
第2濃度センサ34の計測値は、上段側のアイスジェネレータ1Uに流入する海水の塩分濃度と実質的に等しい。
第2温度センサ35の計測値は、上段側のアイスジェネレータ1Uによる製氷直後の氷スラリーを含有する海水の温度と実質的に等しい。
上記の関係式及び閾値は、入出力装置90又はこれに通信可能に接続されたユーザ端末にユーザが所定の操作入力を行うことにより、記憶部82に記録される。
入出力装置90は、制御装置80と別体の通信装置(例えば、リモコン、ノートPC、タブレット型PC或いは携帯端末など)であってもよいし、制御装置80とともに単一の筐体に収納された操作用インタフェースであってもよい。
入出力装置90は、ノートPCなどのユーザ端末と通信するための通信ポート(例えば、USBポート又はRS-232ポートなど)を備える。この場合、ユーザ端末を入出力装置90に接続すれば、ユーザ端末と制御装置80との通信が可能となる。
図3は、海水の塩分濃度と凝固点及び蒸発温度との関係を示すグラフである。
図3において、横軸は海水の塩分濃度(重量%)を示し、縦軸は温度(℃)を示す。
図3の直線L0は、海水の理論凝固点(℃)を表すグラフである。
直線Liより上側の温度範囲R0は、海水からの氷結が不能な温度範囲R1を示す。直線L0より下側は、海水からの氷結が可能な温度範囲を示す。
海水の塩分濃度をCとし、冷媒の蒸発温度をTmとすると、直線Lmは、Tm=Am×Cの一次関数で定義される。直線Lmは、製氷量を最大にした場合の塩分濃度Cごとの蒸発温度Tmを表す直線である。係数Amの値は、試験運転又はシミュレーション試験などによりアイスジェネレータ1U,1Lごとに予め決定される。
直線L1では、製氷運転中のアイスロックをなるべく回避するため、係数A1は係数Amより大きい値(絶対値が小さい値)に設定されている。係数A1の値は、試験運転又はシミュレーション試験などによりアイスジェネレータ1U,1Lごとに予め決定される。
直線L2では、定常運転モードよりもアイスロックを確実かつ未然に回避するため、係数A2は係数A1より大きい値(絶対値が小さい値)に設定されている。係数A2の値は、試験運転又はシミュレーション試験などによりアイスジェネレータ1U,1Lごとに予め決定される。
図4は、塩分濃度に基づく蒸発温度制御の一例を示すフローチャートである。
制御装置80の制御部81は、製氷運転中において、図4のフローチャートに示す蒸発温度制御を、所定の制御周期D1(例えば20~60秒)ごとに実行する。
また、制御装置80の制御部81は、図4のフローチャートに示す蒸発温度制御を、循環回路70に含まれるアイスジェネレータ1U,1Lごとに実行する。
海水の塩分濃度Cの計測値Cdは、アイスジェネレータ1U,1Lの入口配管の第1及び第2濃度センサ32,34による計測値である。
Tg:T1=A1×Cd ……(1) 定常運転モードの場合
Tg:T2=A2×Cd ……(2) 信頼性優先運転モードの場合
次に、制御部81は、吸入圧力センサ31の計測値Pdを読み込み(ステップS13)、計測値Pdが目標飽和圧力Psgに等しいか否かを判定する(ステップS14)。
ステップS14の判定結果が否定的(Pd≠Psg)である場合は、制御部81は、吸入圧力センサ31の計測値Pdが目標飽和圧力Psgよりも大きいか否かを判定する(ステップS16)。
ステップS15の判定結果が否定的(Pd<Psg)である場合は、制御部81は、第1膨張弁5U,5Lの開度を所定量だけ縮小する(ステップS18)。
従って、制御モードの種別ごとに異なる目標蒸発温度Tgにより、アイスジェネレータ1U,1Lの蒸発器20の蒸発温度を調整することができる。
図5は、アイスロックの発生時点を含む所定時間内のブレード電流、海水入口温度、及び海水出口温度の時間的変化の一例を示すグラフである。図5において、横軸は時間を表し、縦軸は電流値又は温度を表す。
「過冷却度」は、アイスジェネレータ1U,1Lに供給される海水の塩分濃度に対する理論氷結温度(図5の破線)から、アイスジェネレータ1U,1Lの海水出口温度を減算した温度である。
特許文献1(以下、「従来例」という。)では、電流値の上記の異常な上昇をアイスロックの発生とみなし、冷媒回路の冷凍サイクルを逆サイクルに切り替える。
一方、図4の海水出口温度のグラフに示すように、アイスロックの発生から概ね3分前の氷ができ始める時点では、過冷却度が0.5℃以上高くなる。また、過冷却度が高いほど、一気に生成される氷量が多くなるため、ブレード23に対する負荷が急激に高まる。
このように、アイスロックを未然に回避する制御モードを実行すれば、ブレード機構15に対する負荷を軽減でき、ブレード機構15の耐久性を向上することができる。
しかし、対策1では、ブレード23が壁面から浮いた状態になり、氷が即座に厚くなり易い。このため、ブレード23の支持バー22が直接氷と接触して曲げ応力が加わり、破損の要因となる場合がある。
この点、本実施形態のように、アイスロックそのものを回避する製氷運転を行えば、上記の対策1又は2を講じなくても、ブレード機構15にかかる負荷を軽減できるので、対策1又は2を採用する場合の欠点を回避できる。
図6は、過冷却度に基づくモード切替制御の一例を示すフローチャートである。
制御装置80の制御部81は、製氷運転中において、図6のフローチャートに示すモード切替制御を、蒸発温度制御(図4)の制御周期D1よりも短い所定の制御周期D2(例えば10~30秒)ごとに実行する。
また、制御装置80の制御部81は、図5のフローチャートに示すモード切替制御を、循環回路70に含まれるアイスジェネレータ1U,1Lごとに実行する。
第1期間:システム起動時点から所定時間(例えば30分)が経過するまでの期間
第2期間:海水(例えば常温の海水)の追加投入を通知する操作入力の検出時点から所定時間(例えば30分)が経過するまでの期間
第1期間を条件とする理由は、システム起動時には未だ製氷が行われていないため、起動時から所定時間が経過するまでに、氷ができ始める時点(過冷却度の上昇時点)が存在する可能性が高いからである。
第2期間を条件とする理由は、海水が追加投入された場合には、未だ製氷が行われていない海水が循環回路70を流れるため、追加投入時から所定時間が経過するまでに、氷ができ始める時点(過冷却度の上昇時点)が存在する可能性が高いからである。
前述の通り、定常運転モードでは、蒸発温度制御(図4)で用いる目標蒸発温度Tgは、Tg=T1=A1×Cdの関係式により算出される。
海水温度Twの計測値Twdは、第1又は第2温度センサ33,35による計測値である。海水の塩分濃度Cの計測値Cdは、第1又は第2濃度センサ32,34による計測値である。
具体的には、制御部81は、Ti=Ai×Cdの算出式により求まる理論氷結温度Tiを、アイスジェネレータ1U,1Lにおける氷結温度とする。
次に、制御部81は、過冷却度SCを算出する(ステップST24)。
具体的には、制御部81は、SC=Ti-Twdの算出式により求まる温度を、アイスジェネレータ1U,1Lにおける過冷却度とする。
ステップ25の判定結果が肯定的(SC>Ths)である場合は、制御部81は、制御モードを信頼性優先運転モードに設定して(ステップS26)、処理を終了する。これにより、蒸発温度制御(図4)における目標蒸発温度Tgが、Tg=T2=A2×Cdの関係式により算出されるようになる。
従って、ブレード機構15に対する負荷を軽減でき、製氷システム50の信頼性を向上することができる。
図7は、氷結温度に基づくモード切替制御の一例を示すフローチャートである。
制御装置80の制御部81は、製氷運転中において、図7のフローチャートに示すモード切替制御を、蒸発温度制御(図4)の制御周期D1よりも短い所定の制御周期D2(例えば10~30秒)ごとに実行する。
また、制御装置80の制御部81は、図7のフローチャートに示すモード切替制御を、循環回路70に含まれるアイスジェネレータ1U,1Lごとに実行する。
海水温度Twの計測値Twdは、第1又は第2温度センサ33,35による計測値である。海水の塩分濃度Cの計測値Cdは、第1又は第2濃度センサ32,34による計測値である。
具体的には、制御部81は、Ti=Ai×Cdの算出式により求まる理論氷結温度Tiを、アイスジェネレータ1U,1Lにおける氷結温度とする。
次に、制御部81は、海水温度Twの計測値Twdが算出した氷結温度Tiと同等であるか否かを判定する(ステップS33)。なお、「同等」とは、両温度の差分が所定の誤差範囲(例えば±0.02℃)に収まる場合も含む意味である。
従って、信頼性優先運転モードの実行によっていったん製氷能力が落ちても、その後に切り替わる定常運転モードによって製氷能力を回復することができる。
上述の実施形態では、海水の塩分濃度Cと冷媒の蒸発温度T1,T2との相関関係を、所定の関係式(T1=A1×C,T2=A2×C)で定義しているが、両者の関係式は一次関数に限定されるものではなく、二次関数や三次関数でもよい。また、両者の相関関係は参照テーブルで定義してもよいし、図3のようなグラフ形式で定義してもよい。
すなわち、記憶部82は、塩分濃度Cと蒸発温度T1,T2との相関関係を、関係式、テーブル形式、及びグラフ形式のうちのいずれかで記憶すればよい。理論氷結温度の算出式(Ti=Ai×C)についても同様である。
今回開示した実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではない。本開示の権利範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれる。
上述の実施形態では、アイスジェネレータ1を2台備えた製氷システム50を例示したが、アイスジェネレータ1は1台であってもよいし、3台以上であってもよい。
冷却対象を溶液に一般化する場合には、上述の実施形態に記載の「海水」を「溶液」と読み替えればよい。また、上述の実施形態に記載の海水の「塩分濃度」を溶液の「溶質濃度」と読み替えればよい。
1U 上段側の二重管製氷機(アイスジェネレータ)
1L 下段側の二重管製氷機(アイスジェネレータ)
2 圧縮機
3 熱源側熱交換器(凝縮器)
4 四路切換弁
5 第1膨張弁
5U 上段側の第1膨張弁
5L 下段側の第1膨張弁
7 レシーバ
8 海水タンク(溶液タンク)
9 ポンプ
10 送風ファン
11 第2膨張弁
12A 海水流路(溶液流路)
12 内管
13 外管
13A 冷媒流路
15 ブレード機構
16 流入口(海水用)
17 流出口(海水用)
18 流入口(冷媒用)
19 流出口(冷媒用)
20 熱交換部(蒸発器)
20A 満液式蒸発器
21 回転軸
22 支持バー
23 ブレード
24 封止壁
25 モータ
31 吸入圧力センサ
32 第1濃度センサ
33 第1温度センサ
34 第2濃度センサ
35 第2温度センサ
50 製氷システム
60 冷媒回路
70 循環回路
80 制御装置
81 制御部
82 記憶部
90 入出力装置
Ths 過冷却度の閾値
Claims (6)
- 蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷媒回路(60)と、前記冷媒回路(60)の冷却対象である溶液の循環回路(70)と、前記冷媒回路(60)の冷媒の蒸発温度制御を実行する制御装置(80)とを備える製氷システム(50)であって、
前記循環回路(70)は、
アイスジェネレータ(1)の溶液流路(12A)と、溶液を貯める溶液タンク(8)と、前記溶液流路(12A)に溶液を圧送するポンプ(9)とを含み、
前記冷媒回路(60)は、
前記アイスジェネレータ(1)の蒸発器(20)と、圧縮機(2)と、凝縮器(3)と、膨張弁(5)とを含み、
前記溶液流路(12A)には、前記溶液流路(12A)の内周面に生成された氷粒子を掻き取るブレード機構(15)が設けられ、
前記制御装置(80)は、
溶質濃度と理論氷結温度との関係式を記憶しており、
記憶した前記関係式を用いて算出した理論氷結温度に基づいて、溶液の過冷却度を算出し、
算出した溶液の過冷却度が所定の閾値(Ths)よりも大きい場合に、前記蒸発温度制御に用いる目標蒸発温度を定常運転の場合よりも高めに切り替える切替制御を実行する製氷システム(50)。 - 前記制御装置(80)は、
システム起動時から所定時間が経過するまでの第1期間に、前記切替制御を実行する請求項1に記載の製氷システム(50)。 - 前記制御装置(80)は、
溶液の追加投入を通知する操作入力の検出時点から所定時間が経過するまでの第2期間に、前記切替制御を実行する請求項1又は請求項2に記載の製氷システム(50)。 - 蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷媒回路(60)と、前記冷媒回路(60)の冷却対象である溶液の循環回路(70)と、前記冷媒回路(60)の冷媒の蒸発温度制御を実行する制御装置(80)とを備える製氷システム(50)であって、
前記循環回路(70)は、
アイスジェネレータ(1)の溶液流路(12A)と、溶液を貯める溶液タンク(8)と、前記溶液流路(12A)に溶液を圧送するポンプ(9)とを含み、
前記冷媒回路(60)は、
前記アイスジェネレータ(1)の蒸発器(20)と、圧縮機(2)と、凝縮器(3)と、膨張弁(5)とを含み、
前記制御装置(80)は、
溶質濃度と理論氷結温度との関係式を記憶しており、
記憶した前記関係式を用いて算出した理論氷結温度に基づいて、前記アイスジェネレータ(1)における溶液の過冷却度を算出し、
算出した溶液の過冷却度が所定の閾値(Ths)よりも大きい場合に、前記蒸発温度制御に用いる目標蒸発温度を定常運転の場合よりも高めに切り替える切替制御を実行する製氷システム(50)。 - 溶液を冷却対象とする蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷媒回路(60)に含まれる、アイスジェネレータ(1)の蒸発器(20)の蒸発温度を制御する方法であって、
前記アイスジェネレータ(1)の溶液流路(12A)の内周面に生成された氷粒子を、前記溶液流路(12A)に設けられているブレード機構(15)によって掻き取るステップと、
溶質濃度と理論氷結温度との関係式を用いて算出した理論氷結温度に基づいて、前記アイスジェネレータ(1)における溶液の過冷却度を算出するステップと、
算出した過冷却度が所定の閾値(Ths)よりも大きい場合に、目標蒸発温度を定常運転の場合よりも高めに切り替えるステップと、を含む蒸発温度の制御方法。 - 溶液を冷却対象とする蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷媒回路(60)に含まれる、アイスジェネレータ(1)の蒸発器(20)の蒸発温度を制御する方法であって、
溶質濃度と理論氷結温度との関係式を用いて算出した理論氷結温度に基づいて、前記アイスジェネレータ(1)における溶液の過冷却度を算出するステップと、
算出した過冷却度が所定の閾値(Ths)よりも大きい場合に、目標蒸発温度を定常運転の場合よりも高めに切り替えるステップと、を含む蒸発温度の制御方法。
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