| 【発明の名称】 |
冷却装置における非共沸混合冷媒の流量制御方法 |
| 【発明者】 |
【氏名】神崎 奈津夫
【氏名】田下 友和
【氏名】藤田 誠
【氏名】松井 晧
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| 【要約】 |
【課題】膨張弁の開度を精度良く制御することにより蒸発器に流入する非共沸混合冷媒の流量を制御し、完全にガス化した適度の過熱温度のガス状の非共沸混合冷媒を圧縮機に流入させる。
【解決手段】冷媒熱交換器4から蒸発器6に連通する冷媒熱交換器冷却側出口管路P3 の膨張弁5と蒸発器6との間に設けた膨張弁出口温度センサ8で膨張弁5を経て蒸発器6に流入する冷媒の過熱温度を測定し、気液分離器7から圧縮機2に連通する気液分離器ガス用出口管路P5 に冷媒熱交換器4から連通する冷媒熱交換器過熱側出口管路P7 に設けた冷媒熱交換器出口センサ9で、媒熱交換器4での熱交換でガス化した冷媒の過熱温度を測定し、これら過熱温度の温度偏差が所定の範囲内になるように、膨張弁5の開度を制御する構成とする。 |
【特許請求の範囲】
【請求項1】 圧縮機、凝縮器、冷媒熱交換器、膨張弁、蒸発器を介して冷媒を気液分離器に送り、この気液分離器で分離された液状冷媒を前記冷媒熱交換器に再供給する一方、この気液分離器で分離されたガス状冷媒を、前記冷媒熱交換器でガス化されたガス状冷媒と共に前記圧縮機に還流させる循環流路を備えた冷却装置の前記蒸発器に流入する冷媒の流量を制御する冷却装置における非共沸混合冷媒の流量制御方法において、前記循環流路の膨張弁と蒸発器との間に設けられた膨張弁出口温度センサで測定される冷媒の膨張弁出口温度と、前記冷媒熱交換器から、前記循環流路の気液分離器から圧縮器に到る戻り流路に熱交換後の冷媒を送る冷媒熱交換器出口管路に設けられた冷媒熱交換器出口温度センサで測定される冷媒熱交換器出口温度との温度偏差に基づいて、前記膨張弁の開度を制御することを特徴とする冷却装置における非共沸混合冷媒の流量制御方法。 【請求項2】 圧縮機、凝縮器、冷媒熱交換器、膨張弁、蒸発器を介して冷媒を気液分離器に送り、この気液分離器で分離された液状冷媒を前記冷媒熱交換器に再供給する一方、この気液分離器で分離されたガス状冷媒を、前記冷媒熱交換器でガス化されたガス状冷媒と共に前記圧縮機に還流させる循環流路を備えた冷却装置の前記蒸発器に流入する冷媒の流量を制御する冷却装置における非共沸混合冷媒の流量制御方法において、前記蒸発器から前記気液分離器に連通する循環流路の一部を構成する気液分離器入口流路に設けた圧損分液溜まり部内に形成される液状冷媒の液柱の液面レベルが、気液分離器の圧力損失分に相当する液面レベルになるように、前記膨張弁の開度を制御することを特徴とする冷却装置における非共沸混合冷媒の流量制御方法。
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【発明の詳細な説明】【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は、気液分離器を備えた冷却装置における非共沸混合冷媒の流量制御方法に関し、詳しくは、圧縮機に完全ガス化した非共沸混合冷媒を循環させ得るようにした冷却装置における非共沸混合冷媒の流量制御方法の技術分野に属する。 【0002】 【従来の技術】周知のとおり、非共沸混合冷媒を用いた冷却装置には、気液分離器が設けられていないものと、気液分離器が設けられているものとの2形式があることが知られている。これら2形式の冷却装置のうち、後者の気液分離器が設けられている従来例1に係る冷却装置の概要を、その回路図の図3を参照しながら説明する。 【0003】図3に示す符号51は冷却装置である。この冷却装置51は、圧縮機52、凝縮器53、冷媒熱交換器54、膨張弁55、蒸発器56および気液分離器57を備えており、これら各機器は非共沸混合冷媒を循環させる循環流路である後述する循環管路Pによって連通している。即ち、圧縮機52で圧縮された冷媒は圧縮機出口管路P1 を介して凝縮器53に至り、ここで凝縮される。そして、凝縮器53で冷却された冷媒は凝縮器出口管路P2 を介して冷媒熱交換器54に至り、ここで熱交換されると共に、蒸発器56に連通する冷媒熱交換器冷却側出口管路P3 を通り、この冷媒熱交換器冷却側出口管路P3 に介装されてなる膨張弁55で断熱膨張されて冷媒ガスとなって蒸発器56に流入する。 【0004】この蒸発器56に流入した冷媒ガスは外部温と熱交換された後に、蒸発器出口管路P4 を介して気液分離器57に至り、ここで液体の冷媒とガス化した冷媒とに分離され、ガス化した冷媒、つまり冷媒ガスは気液分離器57から気液分離管ガス用出口管路P5 を介して圧縮機52に戻される一方、液状の冷媒は気液分離器液用出口管路P6 を介して冷媒熱交換器54に至り、ここで凝縮器53から流入する冷媒と熱交換されてガス化し、冷媒熱交換器過熱側出口管路P7 から気液分離管ガス用出口管路P5 に至り、前記気液分離器57から流出する冷媒ガスと共に、この気液分離管ガス用出口管路P5 を介して圧縮機52に戻り、共に圧縮機52により圧縮されるということが繰り返される。 【0005】上記従来例1に係る冷却装置51の場合には、前記冷媒熱交換器冷却側出口管路P3 の膨張弁55と蒸発器56との間に設けられた膨張弁出口温度センサ58により蒸発器56に流入する非共沸混合冷媒の過熱温度が測定され、気液分離管ガス用出口管路P5 の圧縮機52の入口付近に設けられた圧縮機入口温度センサ60により圧縮機に流入する非共沸混合冷媒の過熱温度が測定され、これら両温度センサ58,60により測定された非共沸混合冷媒の過熱温度の温度偏差により膨張弁55の開度が制御されるように構成されている。 【0006】次に、従来例2に係る冷却装置の概要を、その回路図の図4を参照しながら説明する。但し、図4と上記従来例1に係る図3との比較において良く理解されるように、この従来例2に係る冷却装置の構成機器並びに回路は上記従来例1に係る冷却装置と同等であって、その相違は冷媒の温度を測定する温度センサの配設位置が相違するだけであるから、上記従来例1と同一のものに同一符号を付して、その相違する点についてだけ以下に説明すると、この従来例2に係る冷却装置51は、膨張弁出口温度センサ58により測定された非共沸混合冷媒の過熱温度と、蒸発器出口管路P4 の蒸発器56と気液分離器57の間に設けられた蒸発器出口温度センサ59により測定された非共沸混合冷媒の過熱温度との温度偏差により膨張弁55の開度が制御されるように構成されている。 【0007】 【発明が解決しようとする課題】上記従来例1または2に係る気液分離器を有する冷却装置は、何れもそれなりに有用であると考えられる。しかしながら、条件によっては非共沸混合冷媒の温度を必ずしも高精度で測定することができず、膨張弁の開度を精度良く制御することができない。そのため、圧縮機に液状の非共沸混合冷媒が流入するようなこともあって、冷却装置の冷却性能を最大限に発揮することができなくなるという解決すべき課題が生じる。 【0008】先ず、膨張弁出口温度センサ58により測定された非共沸混合冷媒の過熱温度と、圧縮機入口温度センサ60で測定された非共沸混合冷媒の過熱温度との温度偏差により膨張弁55の開度を制御する従来例1に係る冷却装置51では、気液分離器57の分離効率が、例えば97〜98%であるとすると、圧縮器52の入口では非共沸混合冷媒の過熱温度は常に0℃または僅かではあるが0℃未満になっている。そのため、冷媒熱交換器57の出口において、ガス化した非共沸混合冷媒が少々過熱状態になっていたとしても、圧縮機52の入口の温度は極く僅かしか変化しないので、圧縮機入口温度センサ60で非共沸混合冷媒の温度変化を高精度で検出することが難しく、結果的に非共沸混合冷媒の流量を精度良く制御することが困難であるという解決すべき課題がある。 【0009】また、膨張弁出口温度センサ58により測定された非共沸混合冷媒の過熱温度と、蒸発器出口温度センサ59で測定された非共沸混合冷媒の過熱温度との温度偏差により膨張弁55の開度を制御する従来例2に係る冷却装置51では、蒸発器出口温度センサ59は、ガス状の非共沸混合冷媒が0.8〜0.9で、液状の非共沸混合冷媒が0.2〜0.1の気液混合状態になっている位置に配設されている。このような気液混合状態の温度を検出することは可能ではあるが、温度偏差を0.5〜1.0℃の温度範囲(温度滑りが5℃であるとすると、実温度制御範囲は4〜4.5℃となる。)で検出しなければならないので、膨張弁の開度制御が極めて難しいという解決すべき課題がある。 【0010】さらに、液状の非共沸混合冷媒が蒸発器出口管路P4 の下部を流れ、ガス化した非共沸混合冷媒が上部を流れるので、気液混合状の非共沸混合冷媒の温度を正確に測定することが難しいという解決すべき課題もある。 【0011】従って、本発明の目的は、膨張弁の開度を精度良く制御することにより蒸発器に流入する非共沸混合冷媒の流量を制御し、完全にガス化した適度の過熱温度のガス状非共沸混合冷媒を圧縮機に流入させることを可能ならしめる冷却装置における非共沸混合冷媒の流量制御方法を提供することである。 【0012】 【課題を解決するための手段】上記課題を解決するために、本発明の請求項1に係る冷却装置における非共沸混合冷媒の流量制御方法が採用した手段は、圧縮機、凝縮器、冷媒熱交換器、膨張弁、蒸発器を介して冷媒を気液分離器に送り、この気液分離器で分離された液状冷媒を前記冷媒熱交換器に再供給する一方、この気液分離器で分離されたガス状冷媒を、前記冷媒熱交換器でガス化されたガス状冷媒と共に前記圧縮機に還流させる循環流路を備えた冷却装置の前記蒸発器に流入する冷媒の流量を制御する冷却装置における非共沸混合冷媒の流量制御方法において、前記循環流路の膨張弁と蒸発器との間に設けられた膨張弁出口温度センサで測定される冷媒の膨張弁出口温度と、前記冷媒熱交換器から、前記循環流路の気液分離器から圧縮器に到る戻り流路に熱交換後の冷媒を送る冷媒熱交換器出口管路に設けられた冷媒熱交換器出口温度センサで測定される冷媒熱交換器出口温度との温度偏差に基づいて、前記膨張弁の開度を制御することを特徴とする。 【0013】本発明の請求項2に係る冷却装置における非共沸混合冷媒の流量制御方法が採用した手段は、圧縮機、凝縮器、冷媒熱交換器、膨張弁、蒸発器を介して冷媒を気液分離器に送り、この気液分離器で分離された液状冷媒を前記冷媒熱交換器に再供給する一方、この気液分離器で分離されたガス状冷媒を、前記冷媒熱交換器でガス化されたガス状冷媒と共に前記圧縮機に還流させる循環流路を備えた冷却装置の前記蒸発器に流入する冷媒の流量を制御する冷却装置における非共沸混合冷媒の流量制御方法において、前記蒸発器から前記気液分離器に連通する循環流路の一部を構成する気液分離器入口流路に設けた圧損分液溜まり部内に形成される液状冷媒の液柱の液面レベルが、気液分離器の圧力損失分に相当する液面レベルになるように、前記膨張弁の開度を制御することを特徴とする。 【0014】 【発明の実施の形態】以下、本発明の冷却装置における非共沸混合冷媒の流量制御方法を実現する実施の形態1に係る冷却装置の概要構成を、この冷却装置が冷凍装置である場合を例として、その回路図の図1を参照しながら説明する。 【0015】図1に示す符号1は冷凍装置で、この冷凍装置1は、圧縮機2、凝縮器3、冷媒熱交換器4、膨張弁5、蒸発器6および気液分離器7を備えており、これら各機器は非共沸冷媒(以下、冷媒という。)を循環させる循環流路である後述する循環管路Pにより連通している。即ち、圧縮機2で圧縮された冷媒は圧縮機出口管路P1 を介して凝縮器3に至り、ここで凝縮される。そして、凝縮器3で冷却された冷媒は凝縮器出口管路P2 を介して冷媒熱交換器4に至り、ここで熱交換されると共に、蒸発器6に連通する冷媒熱交換器冷却側出口管路P3 を通り、この冷媒熱交換器冷却側出口管路P3 に介装されてなる膨張弁55で断熱膨張されて冷媒ガスとなって蒸発器6に流入する。 【0016】この蒸発器6に流入した冷媒ガスは外部温と熱交換された後に、蒸発器出口管路P4 を介して気液分離器7に至り、ここで液体の冷媒とガス化した冷媒とに分離され、ガス化した冷媒、つまり冷媒ガスは気液分離器7から気液分離器ガス用出口管路P5 を介して圧縮機2に戻される一方、液状の冷媒は気液分離器液用出口管路P6 を介して冷媒熱交換器54に至り、ここで凝縮器3から流入する冷媒と熱交換されてガス化し、冷媒熱交換器過熱側出口管路P7 から気液分離管ガス用出口管路P5 に至り、前記気液分離器7から流出する冷媒ガスと共に、この気液分離管ガス用出口管路P5 を介して圧縮機2に戻り、共に圧縮機52により圧縮されるように構成されている。 【0017】以上の構成に係る説明から良く理解されるように、本実施の形態1に係る冷凍装置1の主要構成は、上記従来例1または2に係る冷却装置の主要構成と同構成になるものである。 【0018】そして、この実施の形態1に係る冷凍装置1では、蒸発器6に流入する冷媒の過冷却度を、前記冷媒熱交換器冷却側出口管路P3 の膨張弁5と蒸発器6との間に設けた膨張弁出口温度センサ8で測定された測定温度と、冷媒熱交換器過熱側出口管路P7 の冷媒熱交換器4と気液分離器ガス用出口管路P5 への連通部との間に設けた冷媒熱交換器出口温度センサ9で測定された測定温度との温度偏差により膨張弁5の開度が制御されるように構成されている。なお、冷媒熱交換器出口温度センサ9の配設位置は、冷媒熱交換器過熱側出口管路P7 の何れの位置であっても良い。 【0019】この場合、膨張弁5の開度を制御すると、蒸発器6でのガス状冷媒中の液状冷媒の量が変化するが、例えば液状冷媒の量が多いと、必然的に気液分離器7で分離される液状冷媒の量が多くなり、冷媒熱交換器4で熱交換された際に、液状冷媒が蒸発せずに残っていると、冷媒はマイナス過熱となってしまうので、圧縮機2に液状冷媒が流入する恐れが生じる。そこで、蒸発器6に流入する液状冷媒の量を制御し、蒸発器6で完全に蒸発し得るように、蒸発器6に流入する冷媒の流量を制御するようにしたものである。 【0020】例えば、冷媒熱交換器出口温度センサ9の位置における冷媒の過熱温度が5〜10℃の範囲になるように膨張弁5の開度を制御するようにすると、温度滑りを見込んだ制御温度範囲は10〜15℃となるので、膨張弁5の開度を極めて容易に制御することが可能になる。 【0021】上記のとおり、蒸発器6に流入する冷媒の流量を制御するものであるが、気液分離器7で確実に97〜98%が分離(圧縮機に2〜3%の液状冷媒のミストが直接流入しても何ら問題は生じない。)され、そして冷媒熱交換器4における冷媒の過熱温度を適正に確保することができれば、基本的に蒸発器6から圧縮機2への液状冷媒の流入を防止することができる。 【0022】蒸発器6から圧縮機2への液状冷媒の流入を防止するためには、冷媒熱交換器4における冷媒の過熱温度を5〜10℃に保持する必要がある。つまり、過熱温度0℃で冷媒が完全にガス状になったとしても液状冷媒が残っている可能性があるが、5〜10℃であれば液状冷媒が存在している可能性がなく、そして冷媒熱交換器4から冷媒熱交換器過熱側出口管路P7 を介して流出する過熱温度が5〜10℃のガス状冷媒が、気液分離器7から気液分離器ガス用出口管路P5 を介して流出する過熱温度0℃のガス状冷媒と混合され、適度の過熱温度のガス状冷媒となって圧縮器2に流入することになるからである。一方、ガス状冷媒の過熱温度が10℃を越えると、圧縮機2のガス比容積が減少し、また吐出冷媒の温度が上昇し、冷凍装置1の冷却能率が低下するので好ましくない。 【0023】具体的には、冷媒熱交換器4の出口のガス状冷媒の過熱温度を膨張弁出口温度センサ8により測定すると共に、冷媒熱交換器4で熱交換されてガス化し、気液分離器ガス用出口管路P5 を通して流出するガス状冷媒の過熱温度を冷媒熱交換器出口温度センサ9により測定するが、いま出口温度センサ8により測定される冷媒の気液混合流の温度が3℃であるとすると、冷媒熱交換器出口温度センサ9により測定されるガス状冷媒の過熱温度が8℃となるが、このままでは液状冷媒が圧縮機2に流入する恐れがあるので、冷媒熱交換器4でさらに5℃の過熱温度とり、冷媒熱交換器出口温度センサ9により測定されるガス状冷媒の過熱温度が13℃となるように設定し、これら両温度センサ8,9により測定される冷媒の過熱温度の温度偏差が10℃になるように、膨張弁5の開度を制御するようにしたものである。 【0024】従って、本実施の形態1に係る冷凍装置1によれば、両温度センサ8,9により測定される冷媒の過熱温度の温度偏差が10℃になるように、膨張弁5の開度を制御するので、圧縮機の入口の温度が極く僅かしか変化しない従来例1よりも遙に高精度で膨張弁の開度を制御することができ、また温度滑りが5℃を見込んでも4〜4.5℃になるように膨張弁の開度を制御する従来例2よりも遙に高精度で膨張弁の開度を制御することができる。 【0025】さらに、上記のとおり、圧縮機2に液状冷媒が流入することがなく、また流入するガス状冷媒の過熱温度も適正であるため、圧縮機2の圧縮性能が効果的に発揮され、所定量の圧縮冷媒を蒸発器6に供給することができるので、冷凍装置1に優れた冷却性能を発揮させることができる。 【0026】なお、気液分離器7で分離された80〜90%のガス状冷媒が気液分離器ガス用出口管路P7 に流入し、残りの10〜20%の液状冷媒が冷媒熱交換器に流入して熱交換され、5〜10℃の過熱温度のガス状冷媒となって冷媒熱交換器過熱側出口管路P7 を経てガス状冷媒が気液分離器ガス用出口管路P7 に流入して混合状態で圧縮機2に流入する場合におけるガス状冷媒の過熱温度は0〜1℃で液状冷媒がほぼなく、かつ高温過ぎない状態になっており、圧縮機2にとって好ましい適度の過熱温度になっていることを確認した。 【0027】次に、本発明の冷凍装置における冷媒の流量制御方法を実現する実施の形態2に係る冷凍装置を、その主要部回路図の図2(a),(b)を参照しながら説明する。但し、本実施の形態2が上記実施の形態1と相違するところは、膨張弁の開度制御方法の相違にあり、他の構成は全く同じであるから、同一のものには同一符号を付し、また同一名称を以てその相違する点について説明すると、冷媒熱交換器4の液状冷媒が流出する気液分離器液用出口管路P6 に圧損分液溜まり部10を設け、この圧損分液溜まり部10に流入した液状冷媒の液面レベルを制御するようにしたものである。 【0028】より具体的には、圧損分液溜まり部10に液状冷媒の液柱10aを立て、この液柱高さと、冷媒熱交換器4の出口高さである冷媒熱交換器4の冷媒熱交換器過熱側出口管路P7 との接続位置高さとの高さ偏差(冷媒熱交換器4の圧力損失に見合う高さ分)が予め設定した設定範囲になるように、膨張弁5の開度を制御するようにしたものである。 【0029】例えば、図2(a)には、圧損分液溜まり部10に冷媒熱交換器4の圧力損失相当分以上の高さAの液柱10aが形成されている例が示されているが、この例の場合には、冷媒熱交換器4に液状冷媒がほぼ満杯の運転状態になっている。従って、冷媒熱交換器出口温度センサ9で測定される冷媒の過熱温度は0℃であり、圧縮機2に液状冷媒が流入する恐れがある。 【0030】そこで、図2(b)に示すように、圧損分液溜まり部10に冷媒熱交換器4の圧力損失相当分の高さBの液柱10aを形成させ、例えば冷媒熱交換器出口温度センサ9で測定される冷媒の過熱温度が5℃になるようにする。つまり、冷媒熱交換器4に流入した液状冷媒が、冷媒熱交換器4内で熱交換によって蒸発し、この冷媒熱交換器4内の中間位置において完全にガス化し、そして冷媒熱交換器4の出口で過熱温度5℃のガス状冷媒となるようにするものである。 【0031】従って、圧損分液溜まり部10の液柱10aの液面レベルが冷媒熱交換器4の圧力損失相当分のC位置になるように膨張弁5の開度を制御することにより、上記実施の形態1の場合と同様に、従来例1または2よりも膨張弁5の開度を高精度で制御することができる。 【0032】圧損分液溜まり部10の液柱10aの液面レベルCの制御には、フロート式、あるいは圧力差検出式の液面レベルセンサを用いて、液柱10aの液面レベルがC位置を越えれば膨張弁5の開度を閉弁方向に制御して蒸発器6への冷媒の流入量を少なくし、逆に液柱10aの液面レベルがC位置よりも下がれば膨張弁5の開度を開弁方向に制御して蒸発器6への冷媒の流入量を多くするように膨張弁5の開度を制御するものである。因みに、液状冷媒の密度は1200kgf/m3であるから、冷媒熱交換器4の圧力損失が0.05kgf/cm2 であるとすると、圧損分液溜まり部10に0.42m高さの液柱10aが形成されるので、液柱10aの液面レベルCを容易に制御することができる。 【0033】なお、上記実施の形態1または2においては、本発明の技術的思想を冷凍装置に適用した場合を例として説明したが、特にこれに限ることなく、例えば冷却装置、製氷装置、空調装置等に対しても本発明の技術的思想を適用することができるので、上記実施の形態1または2によって本発明の技術的思想の用途範囲が限定されるものではない。 【0034】 【発明の効果】以上述べたように、本発明の請求項1に係る冷却装置における冷媒の流量制御方法によれば、膨張弁を経て蒸発器に流入する冷媒の過熱温度が膨張弁出口温度センサにより測定され、また冷媒熱交換器で熱交換された熱交換後の冷媒の過熱温度が冷媒熱交換器出口温度センサで測定されるが、これら両温度センサにより測定される冷媒の過熱温度の温度偏差が大きいので、圧縮機の入口の温度が極く僅かしか変化しない従来例1よりも遙に高精度で膨張弁の開度を制御することができ、また温度滑りが5℃を見込んでも4〜4.5℃になるように膨張弁の開度を制御する従来例2よりも遙に高精度で膨張弁の開度を制御することができるという優れた効果がある。 【0035】本発明の請求項2に係る冷却装置における冷媒の流量制御方法によれば、蒸発器から前記気液分離器に連通する循環流路の一部を構成する気液分離器入口流路に設けた圧損分液溜まり部内に形成される液状冷媒の液柱の液面レベルが、気液分離器の圧力損失分に相当する液面レベルになるように、膨張弁の開度が制御されるが、液状冷媒の密度と冷媒熱交換器4の圧力損失との関係から、圧損分液溜まり部に高さの高い液状冷媒の液柱が形成され、この液柱の液面レベルの制御が容易であるため、圧縮機の入口の温度が極く僅かしか変化しない従来例1よりも遙に高精度で膨張弁の開度を制御することができ、また温度滑りが5℃を見込んでも4〜4.5℃になるように膨張弁の開度を制御する従来例2よりも遙に高精度で膨張弁の開度を制御することができるという優れた効果がある。
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| 【出願人】 |
【識別番号】000001199 【氏名又は名称】株式会社神戸製鋼所
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| 【出願日】 |
平成11年2月26日(1999.2.26) |
| 【代理人】 |
【識別番号】100105692 【弁理士】 【氏名又は名称】明田 莞
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| 【公開番号】 |
特開2000−249409(P2000−249409A) |
| 【公開日】 |
平成12年9月14日(2000.9.14) |
| 【出願番号】 |
特願平11−49831 |
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