JP2010007975A - エコノマイザーサイクル冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エコノマイザー出口における主冷媒の過冷却度をより大きくする。
【解決手段】エコノマイザー１３において分岐冷媒との熱交換を行った後の主冷媒の一部を、エコノマイザー用膨張弁１６で減圧した後に再度エコノマイザー１３に導入すると共に、上記主冷媒と上記分岐冷媒とを対向流にして、上記主冷媒を冷却する上記分岐冷媒として用いている。したがって、上記主冷媒が冷媒不足になってもエコノマイザー用膨張弁１６前の上記分岐冷媒が過冷却状態を維持することができ、エコノマイザー用膨張弁１６において容量不足やハンチングの発生に至ることを防止できる。さらに、上記主冷媒の過冷却度を上記従来の冷凍サイクル装置の場合よりも大きくでき、冷媒循環量が同じ場合には冷凍能力を大きくできる。
【選択図】図１

Description

この発明は、少なくとも中間インジェクションポートを有する圧縮機とエコノマイザーとエコノマイザー用の膨張弁とを含むエコノマイザーサイクル冷凍装置、および、このエコノマイザーサイクル冷凍装置における上記エコノマイザー用の膨張弁の開度を制御する膨張弁制御装置に関する。

中間インジェクション圧縮機とエコノマイザーとエコノマイザー用の膨張弁とを含む冷凍サイクル装置として、特開２００７‐２０５６１２号公報(特許文献１)に開示されているようなものがある。

この冷凍サイクル装置においては、図４に示すように、低圧段圧縮室１aと高圧段圧縮室１bとが２段に接続された圧縮機１、油分離器２、凝縮器３、エコノマイザー４、主膨張弁６、および、蒸発器７が順に連結されてなる循環冷媒流路を備えている。以下、この循環冷媒流路を循環する冷媒を主冷媒と称することにする。さらに、この冷凍サイクル装置は、凝縮器３の出力側で循環冷媒流路から分岐すると共に、第２膨張弁５で減圧された冷媒をエコノマイザー４に導入し、エコノマイザー４で上記主冷媒との熱交換を行った後に、圧縮機１の低圧段圧縮室１aに戻す分岐流路を備えている。以下、この分岐流路を通過する冷媒を分岐冷媒と称することにする。

図５は、図４に示す上記冷凍サイクル装置に係るモリエル線図を示す。図５において、「ａ」は圧縮機１の吸込口を示し、「ｂ」は圧縮機１の吐出口を示し、「ｃ」は凝縮器３の出口を示し、「ｅ」は主冷媒のエコノマイザー４の出口を示し、「ｆ」は主膨張弁６の出口を示し、「ｇ」は分岐冷媒のエコノマイザー４の出口圧力における飽和液線上の点、を示す。

上記構成において、分岐冷媒のエコノマイザー４出口圧力を取り込んでこの出口圧力における飽和液温度(図５における点「ｇ」での温度)を演算する。そして、エコノマイザー４出口の主冷媒温度と上記演算によって得られた飽和液温度との差をアプローチ温度として求め、このアプローチ温度が所望の温度になるように、電子膨張弁で成る第２膨張弁５の開度を制御することによって、エコノマイザーサイクルによる冷凍能力の増加を常に効果的に得るようにしている。

しかしながら、上記従来の冷凍サイクル装置においては、以下のような問題がある。図６は、上記主冷媒と上記分岐冷媒とに関するエコノマイザー４内における主冷媒入口側からの距離と冷媒温度との関係を示す。図４に示すように、凝縮器３を出た冷媒は、上記循環冷媒流路を流れる上記主冷媒と上記分岐流路を流れる上記分岐冷媒とに分流する。そして、上記分岐流路を流れる上記分岐冷媒は、第２膨張弁５で減圧された後に、上記循環冷媒流路を流れる上記主冷媒と共に、エコノマイザー４に流入する。

図６に示すように、上記エコノマイザー４に流入した直後の上記主冷媒と上記分岐冷媒との温度は、第２膨張弁５による上記分岐冷媒の減圧によって、大きな温度差を有している。そして、低温低圧の上記分岐冷媒は、エコノマイザー４内を図４中Ｂ１からＢ２に向かって流れながら、上記主冷媒から蒸発潜熱を奪って蒸発し、図５における点「ｉ」において飽和ガス線に至ると、上記分岐冷媒はエコノマイザー４の出口付近で過熱蒸気域に入り、図６に示すように過熱蒸気冷媒の温度が上昇する。

一方、上記主冷媒は、上記分岐冷媒に対して平行流であり、エコノマイザー４内を上記分岐冷媒と同じ方向に図４中Ａ１からＡ２に向かって流れる。その際に、図６に示すように、上記分岐冷媒が飽和域にある場合には、上記分岐冷媒によって蒸発潜熱を奪われて冷却され、上記主冷媒の温度は低下していく。ところが、上記分岐冷媒が過熱蒸気域に入って温度が上昇すると、上記主冷媒の温度低下は見られなくなってしまう。

そのため、上記主冷媒の過冷却度が小さくなり、冷凍効果(蒸発器７における上記主冷媒の比エンタルピー変化量「ｆ〜ａ」)が小さくなる。したがって、冷媒循環量が同じ場合は冷凍能力が小さくなるという問題がある。尚、エコノマイザー４内における上記分岐冷媒による冷却効果は、図５において「ｈ〜ｊ」である。
特開２００７‐２０５６１２号公報

そこで、この発明の課題は、エコノマイザー出口における主冷媒の過冷却度をより大きくできるエコノマイザーサイクル冷凍装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明のエコノマイザーサイクル冷凍装置は、
吸入口と吐出口と中間インジェクションポートとを有する圧縮機と、
上記圧縮機の上記吐出口から吐出された冷媒を凝縮する凝縮器と、
上記凝縮器で凝縮された冷媒を減圧する第１膨張機構と、
上記第１膨張機構で減圧された冷媒を蒸発させると共に、蒸発された冷媒を上記圧縮機の上記吸入口に戻す蒸発器と、
上記凝縮器と上記第１膨張機構との間の循環冷媒流路に一端が接続されると共に、他端が上記圧縮機の上記中間インジェクションポートに接続された分岐流路と、
上記分岐流路に介設された第２膨張機構と、
上記循環冷媒流路における上記分岐流路の接続点より上流側と、上記分岐流路における上記第２膨張機構より下流側とが、上記両流路を流れる冷媒が対向流になるように配置されて、上記両流路を流れる冷媒の間での熱交換を行うエコノマイザー熱交換器と、
上記循環冷媒流路を流れる冷媒の上記エコノマイザー熱交換器からの出口温度を検出する第１温度センサと、
上記分岐流路を流れる冷媒の上記エコノマイザー熱交換器への入口温度を検出する第２温度センサと、
上記第１温度センサの検出温度と上記第２温度センサの検出温度とに基づいて、上記第２膨張機構の開度を制御する制御装置と
を備えたことを特徴としている。

上記構成によれば、上記エコノマイザー熱交換器で上記分岐流路を流れる冷媒(以下、分岐冷媒という)との熱交換を行った後の上記循環冷媒流路を流れる冷媒(以下、主冷媒という)が、上記分岐流路に分流して再び上記エコノマイザー熱交換器に導入されて、上記主冷媒を冷却するための上記分岐冷媒として用いられる。したがって、上記主冷媒が冷媒不足になっても上記第２膨張機構前の上記分岐冷媒が過冷却状態を維持することができ、上記凝縮器で凝縮された上記主冷媒の一部を上記エコノマイザー熱交換器に導入する場合のように、上記第２膨張機構において容量不足やハンチングの発生に至ることを防止することができる。

その際に、上記エコノマイザー熱交換器での熱交換を行った後の上記主冷媒は、上記分岐冷媒に介設された上記第２膨張機構によって減圧された後に上記エコノマイザー熱交換器に上記分岐冷媒として供給される。さらに、上記エコノマイザー熱交換器内における上記主冷媒と上記分岐冷媒とは対向流になっている。したがって、上記分岐冷媒の上記エコノマイザー熱交換器に対する入口・出口温度が、上記主冷媒の上記エコノマイザー熱交換器に対する出口・入口温度よりも熱交換が可能な程度に充分低くなる。その結果、上記エコノマイザー熱交換器の出口における上記主冷媒の過冷却度を、凝縮後の上記主冷媒の一部を上記分岐冷媒として用いる場合よりも大きくすることができる。

さらに、上記第１温度センサによって検出された上記主冷媒の上記エコノマイザー熱交換器からの出口温度と、上記第２温度センサによって検出された上記分岐冷媒の上記エコノマイザー熱交換器への入口温度との差の値が、上記分岐冷媒の上記エコノマイザー熱交換器からの出口温度が上記主冷媒の上記エコノマイザー熱交換器への入口温度よりも熱交換が可能な程度に充分低くなる値になるように、上記制御装置によって上記第２膨張機構の開度を制御することが可能である。したがって、上記主冷媒の過冷却度をより大きく設定することが可能になる。

また、１実施の形態のエコノマイザーサイクル冷凍装置では、
上記制御装置は、上記第１温度センサで検出された上記循環冷媒流路を流れる冷媒の上記エコノマイザー熱交換器からの出口温度と、上記第２温度センサで検出された上記分岐流路を流れる冷媒の上記エコノマイザー熱交換器への入口温度との差の値が、予め設定された目標値になるように、上記第２膨張機構の開度を制御する。

この実施の形態によれば、上記目標値を、例えば上記エコノマイザー熱交換器の温度効率が目標温度効率になるように設定することによって、上記エコノマイザー熱交換器の温度効率が目標とする最適温度効率になるように、上記エコノマイザー熱交換器内における上記主冷媒と上記分岐冷媒との熱交換が制御される。

すなわち、この発明によれば、上記エコノマイザー熱交換器の出口における上記主冷媒の過冷却度をより大きく設定することができ、尚且つ、上記エコノマイザー熱交換器内における上記主冷媒と上記分岐冷媒との熱交換を効率よく行うことができる。

また、１実施の形態のエコノマイザーサイクル冷凍装置では、
上記目標値は、上記エコノマイザー熱交換器内に在る上記分岐流路における出口側での冷媒が、目標乾き度の湿り蒸気となるように予め設定された固定値である。

この実施の形態によれば、上記制御装置による上記第２膨張機構の開度制御時の目標値が、上記エコノマイザー熱交換器の出口側での上記分岐冷媒が、目標乾き度の湿り蒸気となるような固定値に、設定されている。したがって、上記エコノマイザー熱交換器内における上記主冷媒と上記分岐冷媒との熱交換の際に上記分岐冷媒が過熱蒸気となることが無く、上記エコノマイザー熱交換器内における上記熱交換を効率よく行うことができる。

さらに、上記目標値は固定値である。したがって、エコノマイザーサイクルの条件に変動があっても上記目標値を変更する必要が無く、上記第２膨張機構の開度制御が容易になる。

また、１実施の形態のエコノマイザーサイクル冷凍装置では、
上記循環冷媒流路を流れる冷媒における上記エコノマイザー熱交換器の出口での過冷却度を測定する過冷却度測定部を備え、
上記目標値は、上記過冷却度測定部によって測定された上記過冷却度と、上記エコノマイザー熱交換器の目標温度効率とに基づいて予め設定された上記過冷却度に比例した値である。

この実施の形態によれば、上記目標値における上記過冷却度に対する比例定数を、上記エコノマイザー熱交換器の目標温度効率に基づく値とすることによって、上記エコノマイザー熱交換器内における上記主冷媒と上記分岐冷媒との熱交換が、上記過冷却度測定部によって測定された上記過冷却度に基づいて、上記エコノマイザー熱交換器の温度効率が目標とする最適温度効率になるように制御される。

以上より明らかなように、この発明のエコノマイザーサイクル冷凍装置は、エコノマイザー熱交換器内で上記分岐冷媒との熱交換を行った後の上記主冷媒を、上記分岐流路に分流させて再度上記エコノマイザー熱交換器に導入して上記主冷媒を冷却するための上記分岐冷媒として用いるので、上記主冷媒が冷媒不足になっても上記第２膨張機構前の上記分岐冷媒が過冷却状態を維持することができ、上記第２膨張機構において容量不足やハンチングの発生に至ることを防止することができる。

その際に、上記エコノマイザー熱交換器での熱交換を行った後の上記主冷媒を、上記第２膨張機構によって減圧された後に上記エコノマイザー熱交換器に上記分岐冷媒として供給すると共に、上記主冷媒と上記分岐冷媒とを対向流にするので、上記分岐冷媒の上記エコノマイザー熱交換器に関する入口・出口温度を、上記主冷媒の上記エコノマイザー熱交換器に関する出口・入口温度よりも熱交換が可能な程度に充分低くできる。したがって、上記エコノマイザー熱交換器の出口における上記主冷媒の過冷却度を大きくすることができる。

さらに、上記第１温度センサによって検出された上記主冷媒の上記エコノマイザー熱交換器からの出口温度と、上記第２温度センサによって検出された上記分岐冷媒の上記エコノマイザー熱交換器への入口温度との差の値が、上記分岐冷媒の上記エコノマイザー熱交換器からの出口温度が上記主冷媒の上記エコノマイザー熱交換器への入口温度よりも熱交換が可能な程度に充分低くなる値になるように、制御装置によって第２膨張機構の開度を制御することが可能であり、上記主冷媒の過冷却度をより大きく設定することが可能になる。

また、上記制御装置によって、上記第１温度センサで検出された上記主冷媒の上記エコノマイザー熱交換器からの出口温度と、上記第２温度センサで検出された上記分岐冷媒の上記エコノマイザー熱交換器への入口温度との差の値が予め設定された目標値になるように、上記第２膨張機構の開度を制御するようにすれば、上記目標値を、例えば上記エコノマイザー熱交換器の温度効率が目標温度効率になるように設定することにより、上記エコノマイザー熱交換器の温度効率が目標とする最適温度効率になるように、上記エコノマイザー熱交換器内における上記主冷媒と上記分岐冷媒との熱交換を制御することができる。

すなわち、上記エコノマイザー熱交換器の出口における上記主冷媒の過冷却度をより大きく設定することができ、尚且つ、上記エコノマイザー熱交換器内における上記主冷媒と上記分岐冷媒との熱交換を効率よく行うことができるのである。

以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。図１は、本実施の形態のエコノマイザーサイクル冷凍装置の冷媒回路図である。

このエコノマイザーサイクル冷凍装置においては、図１に示すように、中間インジェクションポート１１aを有する中間インジェクション圧縮機１１、凝縮器１２、エコノマイザー１３、上記第１膨張機構としての主膨張弁１４、および、蒸発器１５が、順に連結されてなる循環冷媒流路を備えている。以下、この循環冷媒流路を循環する冷媒を主冷媒と称することにする。さらに、このエコノマイザーサイクル冷凍装置は、エコノマイザー１３と主膨張弁１４との間で上記循環冷媒流路から分岐すると共に、上流側から順に上記第２膨張機構としてのエコノマイザー用膨張弁１６とエコノマイザー１３とが介設されて、エコノマイザー用膨張弁１６で減圧された冷媒をエコノマイザー１３に導入し、エコノマイザー１３で上記主冷媒との熱交換を行った後に、中間インジェクション圧縮機１１の中間インジェクションポート１１aに戻す分岐流路を備えている。以下、この分岐流路を通過する冷媒を分岐冷媒と称することにする。

図２は、図１に示すエコノマイザーサイクル冷凍装置に係るモリエル線図を示す。図２において、「ａ'」は中間インジェクション圧縮機１１の吸込口を示し、「ｂ'」は中間インジェクション圧縮機１１の吐出口を示し、「ｃ'」は凝縮器１２の出口を示し、「ｅ'」はエコノマイザー１３の出口を示し、「ｆ'」は主膨張弁１４の出口を示している。さらに、「ｋ」は上記分岐冷媒のエコノマイザー用膨張弁１６の出口を示し、「ｊ'」は上記分岐冷媒のエコノマイザー１３の出口を示している。

このように、本実施の形態においては、上記エコノマイザー１３において上記分岐冷媒との熱交換を行った後の上記主冷媒の一部を再度エコノマイザー１３に導入して、上記主冷媒を冷却するための上記分岐冷媒として用いている。したがって、凝縮器で凝縮された上記主冷媒の一部をエコノマイザーに導入して上記主冷媒を冷却するための上記分岐冷媒として用いる上記特許文献１に開示された従来の冷凍サイクル装置の場合に比して、上記分岐冷媒のエコノマイザー１３への導入ポイントを、図２に示すように、従来の「ｈ'」から「ｋ」へ移すことによって、エコノマイザー１３内における上記分岐冷媒による上記主冷媒の単位流量当たりの冷却効果を、従来の「ｈ'〜ｊ'」から「ｋ〜ｊ'」に高めることができるのである。

図３は、上記主冷媒と上記分岐冷媒とに関するエコノマイザー１３内における主冷媒入口側からの距離と冷媒温度との関係を示す。図１に示すように、エコノマイザー１３を出た冷媒は、上記循環冷媒流路を流れる上記主冷媒と上記分岐流路を流れる上記分岐冷媒とに分流する。そして、上記分岐流路を流れる上記分岐冷媒は、エコノマイザー用膨張弁１６で減圧された後に、上記循環冷媒流路を流れる上記主冷媒と共に、エコノマイザー１３に導入される。

図３に示すように、上記エコノマイザー１３に導入された直後の位置Ｂ１での上記分岐冷媒の温度は、エコノマイザー用膨張弁１６による減圧によって、エコノマイザー１３から出た位置Ａ２での上記主冷媒の温度よりも低くなっている。そして、低温低圧の上記分岐冷媒は、エコノマイザー１３内を図１中Ｂ１からＢ２に向かって(つまり、上記循環冷媒流路の下流側から上流側に向かって)流れながら、上記主冷媒から蒸発潜熱を奪って蒸発し、図２における点「ｉ'」において飽和ガス線に至ると、上記分岐冷媒はエコノマイザー１３の出口付近で過熱蒸気域に入り、図３に示すように過熱蒸気冷媒の温度が上昇する。

一方、上記主冷媒は、上記分岐冷媒に対して対向流であり、エコノマイザー１３内を上記分岐冷媒とは逆方向に図１中Ａ１からＡ２に向かって流れる。その際に、図３に示すように、上記分岐冷媒の温度が上昇する過熱蒸気域はエコノマイザー１３の出口付近であって、上記主冷媒ではエコノマイザー１３の入口付近である。そして、過熱蒸気域にある上記分岐冷媒の温度は、上記主冷媒におけるエコノマイザー１３の入口付近での温度よりも十分に低く、上記主冷媒は上記分岐冷媒によって冷却されてその温度は低下していく。さらに、上記分岐冷媒の過熱蒸気域を抜け出して飽和域に入ると、上記分岐冷媒によって蒸発潜熱を奪われてさらに冷却され、上記主冷媒の温度はさらに低下していくことになる。

そのため、本実施の形態によれば、上記主冷媒の過冷却度を、上記特許文献１に開示された従来の冷凍サイクル装置の場合よりも大きくでき、冷凍効果(蒸発器１５における上記主冷媒の比エンタルピー変化量「ｆ'〜ａ'」)を大きくできる。したがって、冷媒循環量が同じ場合は冷凍能力を大きくすることができるのである。

ところで、上記特許文献１に開示された従来の冷凍サイクル装置の場合のごとく、凝縮器で凝縮された上記主冷媒の一部をエコノマイザーに導入して上記主冷媒を冷却するための上記分岐冷媒として用いる場合には、上記凝縮器の出口付近でフラッシュすると(気液二相状態になると)その状態の冷媒が第２膨張弁に流入するため、上記第２膨張弁において容量不足やハンチングの発生に至ることになる。これに対して、本実施の形態においては、上記分岐冷媒はエコノマイザー１３において熱交換を行った後に分岐しているため、上記主冷媒が冷媒不足になってもエコノマイザー用膨張弁１６前の上記分岐冷媒が過冷却状態を維持することができ、エコノマイザー用膨張弁１６において容量不足やハンチングの発生に至ることはないのである。

さらに、本実施の形態におけるエコノマイザーサイクル冷凍装置においては、上記循環冷媒流路におけるエコノマイザー１３の出口(Ａ２)に、上記主冷媒の液温度を検出する第１温度センサ１７を取り付けている。また、上記分岐流路におけるエコノマイザー１３の入口(Ｂ１)に、上記分岐冷媒の温度を検出する第２温度センサ１８を取り付けている。そして、第１温度センサ１７からの温度信号と第２温度センサ１８からの温度信号とに基づいて、制御装置１９によって、上記主冷媒におけるエコノマイザー１３の出口温度と上記分岐冷媒におけるエコノマイザー１３の入口温度との差をアプローチ温度として求め、このアプローチ温度が所望の温度になるように、電子膨張弁で成るエコノマイザー用膨張弁１６の開度を制御するようにしている。

このように、上記制御装置１９によって、上記主冷媒におけるエコノマイザー１３の出口温度と、上記分岐冷媒におけるエコノマイザー１３の入口温度と、の差が所望の温度Ｔ１になるように、エコノマイザー用膨張弁１６の開度を制御することによって、図３から分かるように、エコノマイザー１３内での上記分岐冷媒による上記主冷媒の冷却効果を、所望の値に設定することが可能になる。したがって、本実施の形態によれば、上記主冷媒の過冷却度をより大きく設定することが可能になり、上記冷凍効果および冷凍能力をより大きくすることが可能になる。

すなわち、本実施の形態によれば、エコノマイザーサイクルによる冷凍能力の増加を、常に効果的に得るようにすることが可能になるのである。

ところで、上記アプローチ温度は、具体的には、エコノマイザー１３を最高効率点で使用できるように決定する。

通常、上記エコノマイザー用膨張弁１６の開度を制御する際には、エコノマイザーサイクルにおける低圧側の圧力がより低く高圧側の圧力がより高い条件で使用する場合に中間インジェクション圧縮機１１の吐出ガス温度が高くなり過ぎるのを防止するために、吐出管温度に応じて中間インジェクションポート１１aから液冷媒が混じった湿り冷媒を供給して圧縮機温度を低下させる圧縮機保護制御を併用するようにしている。ところが、吐出管温度による圧縮機保護制御の応答性が悪いためにハンチングが発生しやすく、中間インジェクション圧縮機１１が過熱状態と湿り状態とを繰り返すことになり、中間インジェクション圧縮機１１の信頼性が低下する恐れがある。

そこで、本実施の形態においては、上記エコノマイザー１３を最高効率点で使用できるようにエコノマイザー用膨張弁１６の開度を制御するのである。こうすることによって、上記分岐流路におけるエコノマイザー１３の出口側における上記分岐冷媒の状態は、乾き度が「０.８」程度の気液２相状態となるため、吐出管温度による圧縮機保護制御が干渉することが無くなり、エコノマイザー用膨張弁１６の開度が安定することになる。

より具体的には、例えば、温度効率が「０.８５〜０.９０」となるようにエコノマイザー１３を設計した場合には、エコノマイザー１３の温度効率が「０.８」になるように、上記アプローチ温度の目標値を決定するのである。ここで、「温度効率η」は、「上記主冷媒におけるエコノマイザー１３の出口での過冷却度ＳＣ」と、「(上記主冷媒におけるエコノマイザー１３の出口温度ＴＬ)−(上記分岐冷媒におけるエコノマイザー１３の入口温度Ｔｍ)＝温度差α」と、で表すことができる。そこで、「温度差α」を「過冷却度ＳＣ」と「温度効率η」とで表すと共に、「温度効率η」を「０.８」とすると、「温度差α＝過冷却度ＳＣ×(１/４)」となる。

すなわち、本実施の形態においては、上記制御装置１９は、上記主冷媒におけるエコノマイザー１３の出口温度と上記分岐冷媒におけるエコノマイザー１３の入口温度との差であるアプローチ温度が、上記循環冷媒流路におけるエコノマイザー１３の出口での過冷却度ＳＣの１/４になるように、エコノマイザー用膨張弁１６の開度を制御するのである。こうすることによって、上記分岐流路におけるエコノマイザー１３の出口側での上記分岐冷媒は乾き度が「０.８」程度の気液２相状態となるため、図３に示す過熱蒸気域が無くなり、エコノマイザー１３内の上記分岐流路全域が飽和域となる。したがって、エコノマイザー１３内での上記主冷媒と上記分岐冷媒との熱交換を、さらに効率よく行うことができる。さらに、吐出管温度による圧縮機保護制御による干渉が無くなり、エコノマイザー用膨張弁１６の開度を安定させることができる。

尚、上記「エコノマイザー１３内における上記循環冷媒流路の出口での過冷却度ＳＣ」は、上記循環冷媒流路における凝縮器１２の出口に第３の温度センサ(図示せず)を取り付け、この第３の温度センサで検出された上記主冷媒における凝縮器１２の出口温度と、第１温度センサ１７で検出された上記主冷媒におけるエコノマイザー１３の出口温度との差を、制御装置１９で求めることによって得ることができる。すなわち、本実施の形態においては、第１温度センサ１７と上記第３の温度センサと制御装置１９とで、上記過冷却度測定部を構成するのである。

ところで、上述においては、上記制御装置１９は、上記アプローチ温度として、「上記主冷媒におけるエコノマイザー１３の出口温度」と「上記分岐冷媒におけるエコノマイザー１３の入口温度」との差を算出している。しかしながら、エコノマイザー用膨張弁１６の開度制御をより厳密に行う場合には、上記分岐冷媒の温度を検出する第２温度センサ１８に換えて、上記分岐流路におけるエコノマイザー１３の入口圧力を検出する圧力センサを取り付ける。そして、制御装置１９は、先ず、上記圧力センサからの圧力信号に基づいて、例えば制御装置１９内に設けられたＲＯＭ(リード・オンリー・メモリ)(図示せず)に格納されたテーブルを用いて「上記分岐冷媒におけるエコノマイザー１３の入口圧力相当の飽和液温度」を算出する。そして、次に、「上記主冷媒におけるエコノマイザー１３の出口温度」と「上記分岐冷媒におけるエコノマイザー１３の入口圧力相当の飽和液温度」との差を算出して、上記アプローチ温度とすることが望ましい。

但し、上記第２温度センサ１８を用いる方が、上記圧力センサを用いる場合よりもコストの点からメリットが大きい。

尚、上述においては、上記アプローチ温度の目標値を「過冷却度ＳＣの１/４」としている。このように、上記目標値を過冷却度ＳＣの関数とした場合は、エコノマイザー１３の大きさと冷媒の循環量とのバランスによって過冷却度ＳＣが変わるために条件に応じて上記目標値を変化させる必要があり、エコノマイザー用膨張弁１６の開度制御が複雑になる。そこで、本エコノマイザーサイクル冷凍装置において出現する過冷却度ＳＣの最大値ＳＣmaxから、上記「温度差α＝過冷却度ＳＣ×(１/４)」の関係式を用いて「温度差α」を求め、この求められた「温度差α」の値を上記アプローチ温度の目標値とすることによって、上記目標値を固定値とすることも可能である。例えば、過冷却度ＳＣが最大となる湿り限界において最大値ＳＣmax＝３２℃であるとすると、３２/４℃＝８℃を、上記アプローチ温度の目標値とするのである。

以上のごとく、本実施の形態においては、上記エコノマイザー１３において上記分岐冷媒との熱交換を行った後の上記主冷媒の一部を再度エコノマイザー１３に導入して、上記主冷媒を冷却するための上記分岐冷媒として用いている。したがって、上記主冷媒が冷媒不足になってもエコノマイザー用膨張弁１６前の上記分岐冷媒が過冷却状態を維持することができ、凝縮器で凝縮された上記主冷媒の一部をエコノマイザーに導入する場合のように、エコノマイザー用膨張弁１６において容量不足やハンチングの発生に至ることを防止できる。さらに、エコノマイザー１３内で上記分岐冷媒との熱交換を行った後の上記主冷媒の一部を、エコノマイザー用膨張弁１６で減圧した後に再度エコノマイザー１３に導入すると共に、上記主冷媒と上記分岐冷媒とを対向流にしている。したがって、上記主冷媒の過冷却度を上記特許文献１に開示された従来の冷凍サイクル装置の場合よりも大きくでき、冷媒循環量が同じ場合には冷凍能力を大きくできる。

また、上記制御装置１９によって、上記主冷媒におけるエコノマイザー１３の出口温度と、上記分岐冷媒におけるエコノマイザー１３の入口温度と、の差が所望の温度になるように、エコノマイザー用膨張弁１６の開度を制御するようにしている。したがって、エコノマイザー１３内での上記分岐冷媒による上記主冷媒の冷却効果を、所望の値に設定することが可能になる。すなわち、上記主冷媒の過冷却度をより大きく設定することが可能になり、上記冷凍効果および冷凍能力をより大きくすることが可能になる。

また、上記制御装置１９によるエコノマイザー用膨張弁１６の開度制御のアプローチ温度を、上記循環冷媒流路におけるエコノマイザー１３の出口での過冷却度ＳＣの１/４に設定するようにしている。したがって、上記分岐流路におけるエコノマイザー１３の出口側での上記分岐冷媒は乾き度が「０.８」程度の気液２相状態(つまり湿り蒸気)となり、エコノマイザー１３内での上記主冷媒と上記分岐冷媒との熱交換を、さらに効率よく行うことができる。さらに、吐出管温度による圧縮機保護制御による干渉が無くなるため、エコノマイザー用膨張弁１６の開度を安定させることができる。

また、上記アプローチ温度を、出現する過冷却度ＳＣの最大値ＳＣmaxを用いて「最大値ＳＣmax×(１/４)」にすれば、上記目標値を固定値とすることができ、エコノマイザー用膨張弁１６の開度制御を簡単にすることができる。

尚、上記実施の形態においては、上記アプローチ温度を「過冷却度ＳＣの１/４」あるいは「過冷却度の最大値ＳＣmaxの１/４」に設定しているが、この発明は上記「１/４」に限定するものではなく、エコノマイザー１３の設計温度効率に応じて、エコノマイザー１３の出口側での上記分岐冷媒の乾き度が「０.８」程度になるように適宜設定すればよい。さらに、上記アプローチ温度は「過冷却度ＳＣやその最大値ＳＣmaxに比例した値」に限定されるものでもなく、上記分岐流路におけるエコノマイザー１３の出口側での上記分岐冷媒が乾き度「０.８」程度の湿り蒸気になるような「上記主冷媒におけるエコノマイザー１３の出口温度と、上記分岐冷媒におけるエコノマイザー１３の入口温度との、温度差」であればよいのである。

また、上記中間インジェクション圧縮機１１は、上記特許文献１に開示された従来の冷凍サイクル装置のごとく２段圧縮室を有する圧縮機でもよいし、単段の中間インジェクション圧縮機でもよい。すなわち、中間インジェクションポートを有する圧縮機であればよく、特に圧縮機の形式を限定する必要はない。さらに、中間インジェクション圧縮機の代わりに、２台の圧縮機および中間インジェクションポートで構成した２段圧縮サイクルでも同様の効果を得ることができる。

この発明のエコノマイザーサイクル冷凍装置における冷媒回路図である。 図１に示すエコノマイザーサイクル冷凍装置に係るモリエル線図である。 図１における主冷媒と分岐冷媒とに関するエコノマイザー内における主冷媒入口側からの距離と冷媒温度との関係を示す図である。 従来の冷凍サイクル装置における冷媒回路図である。 図４に示す冷凍サイクル装置に係るモリエル線図である。 図４における主冷媒と分岐冷媒とに関するエコノマイザー内における主冷媒入口側からの距離と冷媒温度との関係を示す図である。

符号の説明

１１…中間インジェクション圧縮機、
１１a…中間インジェクションポート、
１２…凝縮器、
１３…エコノマイザー、
１４…主膨張弁、
１５…蒸発器、
１６…エコノマイザー用膨張弁、
１７…第１温度センサ、
１８…第２温度センサ、
１９…制御装置。

Claims (4)

1. 吸入口と吐出口と中間インジェクションポート(１１a)とを有する圧縮機(１１)と、
   上記圧縮機(１１)の上記吐出口から吐出された冷媒を凝縮する凝縮器(１２)と、
   上記凝縮器(１２)で凝縮された冷媒を減圧する第１膨張機構(１４)と、
   上記第１膨張機構(１４)で減圧された冷媒を蒸発させると共に、蒸発された冷媒を上記圧縮機(１１)の上記吸入口に戻す蒸発器(１５)と、
   上記凝縮器(１２)と上記第１膨張機構(１４)との間の循環冷媒流路に一端が接続されると共に、他端が上記圧縮機(１１)の上記中間インジェクションポート(１１a)に接続された分岐流路と、
   上記分岐流路に介設された第２膨張機構(１６)と、
   上記循環冷媒流路における上記分岐流路の接続点より上流側と、上記分岐流路における上記第２膨張機構(１６)より下流側とが、上記両流路を流れる冷媒が対向流になるように配置されて、上記両流路を流れる冷媒の間での熱交換を行うエコノマイザー熱交換器(１３)と、
   上記循環冷媒流路を流れる冷媒の上記エコノマイザー熱交換器(１３)からの出口温度を検出する第１温度センサ(１７)と、
   上記分岐流路を流れる冷媒の上記エコノマイザー熱交換器(１３)への入口温度を検出する第２温度センサ(１８)と、
   上記第１温度センサ(１７)の検出温度と上記第２温度センサ(１８)の検出温度とに基づいて、上記第２膨張機構(１６)の開度を制御する制御装置(１９)と
   を備えたことを特徴とするエコノマイザーサイクル冷凍装置。
2. 請求項１に記載のエコノマイザーサイクル冷凍装置において、
   上記制御装置(１９)は、上記第１温度センサ(１７)によって検出された上記循環冷媒流路を流れる冷媒の上記エコノマイザー熱交換器(１３)からの出口温度と、上記第２温度センサ(１８)によって検出された上記分岐流路を流れる冷媒の上記エコノマイザー熱交換器(１３)への入口温度との差の値が、予め設定された目標値になるように、上記第２膨張機構(１６)の開度を制御する
   ことを特徴とするエコノマイザーサイクル冷凍装置。
3. 請求項２に記載のエコノマイザーサイクル冷凍装置において、
   上記目標値は、上記エコノマイザー熱交換器(１３)内に在る上記分岐流路における出口側での冷媒が、目標乾き度の湿り蒸気となるように予め設定された固定値であることを特徴とするエコノマイザーサイクル冷凍装置。
4. 請求項２に記載のエコノマイザーサイクル冷凍装置において、
   上記循環冷媒流路を流れる冷媒における上記エコノマイザー熱交換器(１３)の出口での過冷却度を測定する過冷却度測定部を備え、
   上記目標値は、上記過冷却度測定部によって測定された上記過冷却度と、上記エコノマイザー熱交換器(１３)の目標温度効率とに基づいて予め設定された上記過冷却度に比例した値であることを特徴とするエコノマイザーサイクル冷凍装置。

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