(57)【要約】【課題】  蒸発器として作用するプレート式熱交換器の端板の表面温度を検出し、蒸発器での水の凍結を早く検出できるようにした冷凍サイクル装置を得る。【解決手段】  圧縮機１と、凝縮器として作用する熱交換器２と、減圧装置３と、水と熱交換し蒸発器として作用するプレート式熱交換器４とを順次冷媒配管により接続された冷媒回路を備えたものにおいて、圧縮機のモータの回転数を変化させるためのインバータ回路３０と、プレート式熱交換器の端板１７の表面温度を検出することのできる温度検出手段３１と、温度検出手段により検出された温度がある基準温度以下になった場合に、冷凍サイクル装置を停止させ、凍結異常発報する凍結検知装置３２とを備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機と、凝縮器として作用する熱交換器と、減圧装置と、水と熱交換し蒸発器として作用するプレート式熱交換器とを順次冷媒配管により接続された冷媒回路を備えた冷凍サイクル装置において、
前記圧縮機のモータの回転数を変化させるためのインバータ回路と、
前記プレート式熱交換器の端版の表面温度を検出することのできる温度検出手段と、
前記温度検出手段により検出された温度がある基準温度以下になった場合に、冷凍サイクル装置を停止させ、凍結異常発報する凍結検知装置と、
を備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項２】
プレート式熱交換器は、両端に配置された端板と前記端板の内側に設けられた複数の伝熱プレートにより水と冷媒の流路を交互に形成し、前記流路において最外部の流路には水が流れるように構成されたことを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル装置。
【請求項３】
圧縮機と、大気と熱交換し凝縮器として作用する空気側熱交換器と、減圧装置と、水と熱交換し蒸発器として作用するプレート式熱交換器とを順次冷媒配管により接続された冷媒回路を備えた冷凍サイクル装置において、
前記圧縮機のモータの回転数を変化させるためのインバータ回路と、
送風モータとファンからなる送風装置と、
前記空気側熱交換器の大気の吸込側に設けられた防風板と、
負荷が小さい場合に、前記インバータ回路により前記圧縮機の回転数を低下させるとともに、前記空気側熱交換器において冷媒と熱交換する大気の量を調節し、最小で無限に風速を小さくさせる送風制御装置と、
を備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項４】
圧縮機と、凝縮器として作用する第１の熱交換器と、減圧装置と、水と熱交換し蒸発器として作用する第２の熱交換器とを順次冷媒配管にて接続された冷媒回路を備えた冷凍サイクル装置において、
前記圧縮機のモータの回転数を変化させるためのインバータ回路と、
前記圧縮機のモータを流れる電流値を検出する電流検出手段と、
最大使用可能な電流値を据付段階で冷凍サイクル装置に入力できる機能を有し、前記電流検出手段により検出した電流値が前記最大使用可能な電流値以上である場合に圧縮機のモータの回転数を低下させる電流制御装置と、
を備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば産業用設備、例えばレーザー加工機等の冷却装置として使用される非共沸混合冷媒を媒体とした冷凍サイクルを用いた装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の蒸発器としてプレート式熱交換器を使用した冷凍装置は、被冷却媒体のプレート式熱交換器内での凍結により不具合が生じる場合があったため、被冷却媒体の温度又はそれと関連する代替特性を所定時間毎に計測手段で計測し、その結果から所定時間後の被冷却媒体の温度又は代替特性の値を予測し、この予測値が凍結異常設定値以下となる場合に、冷凍装置の運転を停止するようにして、確実にプレート式熱交換器の凍結による不具合を防止するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２８７２９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の冷凍装置では、プレート式熱交換器を流れる被冷却媒体である水の流量が変動した場合、あるいは水の温度が低下した場合、あるいは水の流量が少ない場合では、モータの回転数が一定で駆動する圧縮機であるために、プレート式熱交換器内部の冷媒温度が低下し、蒸発器内の水が凍結する。
【０００５】
凍結を防止する手段として、圧縮機のモータの回転数を変化させるためのインバータ回路を設け、プレート式熱交換器の内部の冷媒温度が低下した場合はインバータ回路により、圧縮機のモータの回転数を低下させることで冷媒の循環量を低下させ、プレート式熱交換器の内部の冷媒温度が低下を抑制あるいは上昇させるという手段がある。
【０００６】
凍結を防止するために、圧縮機のモータの回転数を変化させるという手段を採用すると、従来のようなプレート式熱交換器の出口冷媒温度の予測値が、ある値よりも小さくなった場合に凍結を検知するといった凍結異常検知方法では、プレート式熱交換器の内部の冷媒温度が低下すると、圧縮機のモータの回転数を低下させ、プレート式熱交換器の内部の冷媒温度を上昇させるために、断水等により、凍結した場合であっても予測がしにくい、したがって、凍結異常検知が遅くなる(凍結が進行する)という問題がある。
【０００７】
凍結を防止するために、圧縮機のモータの回転数を変化させるためのインバータ回路を設け、圧縮機のモータの回転数を低下させることで、プレート式熱交換器の内部の冷媒温度が低下するのを防止するという手段を設け、凝縮器に大気と熱交換し凝縮器として作用する空気熱交換器を使用した場合、圧縮機のモータの回転数が小さくなると、圧縮機に吸入される冷媒の圧力と圧縮機から吐出される冷媒の圧力との差が小さくなり、圧縮機を構成している重要部品である吐出弁の振動が発生し、圧縮機の寿命が短くなる。
【０００８】
また、圧縮機に吸入される冷媒の圧力と圧縮機から吐出される冷媒の圧力との差が小さくなるのを防止するために、空気側熱交換器において冷媒と熱交換する大気の量を無限に小さくすると、自然風の影響を受け、冷媒の分布が不安定になり、プレート式熱交換器の内部の冷媒温度が低下し、被冷却媒体である水が凍結してしまう。
【０００９】
さらに、従来のように、内蔵するモータの回転数が一定で駆動する圧縮機においては、圧縮機を流れる電流は大気温度、あるいは被冷却媒体の温度、凝縮器あるいは蒸発器の大きさ等で決定される。大気温度が高い場合には、圧縮機を流れる電流が増大し、また、被冷却媒体の温度が高い場合には、圧縮機を流れる電流は増大する。老朽化による装置の交換等が必要で、将来、装置の容量アップを計画しているが、金額面あるいは納期面において、装置への動力配線のサイズや、装置への電源供給用のブレーカ容量を容量アップできない場合(大掛かりな工事となる)、容量の小さい装置を導入せざるを得ない。
【００１０】
従来の冷凍装置は以上のように構成されているので、凍結を防止するために、圧縮機のモータの回転数を変化させるという手段を採用すると、従来のようなプレート式熱交換器の出口冷媒温度の予測値が、ある値よりも小さくなった場合に凍結異常を検知するといった凍結異常検知方法では、プレート式熱交換器の内部の冷媒温度が低下すると、圧縮機のモータの回転数を低下させるために、プレート式熱交換器の出口冷媒温度が上昇してしまう。したがって水の流量低下等により、凍結した場合であっても予測がしにくい、またプレート式熱交出口の冷媒温度が低下するのが遅れることにより、凍結異常検知が遅くなる(凍結が進行する)という問題がある。
また、圧縮機に吸入される冷媒の圧力と圧縮機から吐出される冷媒の圧力との差が小さくなるのを防止するために、空気側熱交換器において冷媒と熱交換する大気の量を無限に小さくすると、自然風の影響を受け、冷媒の分布が不安定になり、プレート式熱交換器の内部の冷媒温度が低下し、被冷却媒体である水が凍結してしまうという問題がある。
【００１１】
また従来の冷却装置は以上のように構成されているので、凍結を防止するために、圧縮機のモータの回転数を変化させるためのインバータ回路を設け、圧縮機のモータの回転数を低下させることで、プレート式熱交換器の内部の冷媒温度が低下するのを防止するという手段を設けた場合、圧縮機のモータの回転数が低くなると、圧縮機に吸入される冷媒の圧力と圧縮機から吐出される冷媒の圧力との差が小さくなり、圧縮機を構成している重要部品である吐出弁の振動が発生し、圧縮機の寿命が短くなるという問題があった。
【００１２】
また従来の冷却装置は以上のように構成されているので、老朽化による製品交換等の必要があり、また装置を容量アップしたいという場合において、圧縮機を流れる電流が大きくなる場合には、装置の交換と同時に装置への動力配線のサイズや、装置への電源供給用のブレーカ容量が大きくする必要があり、装置のリニューアル時には、大掛かりな配線工事が必要となり、納期面あるいは金額面を考慮し、まずは装置のみ交換するということができなかった。
【００１３】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、蒸発器として作用するプレート式熱交換器の端板の表面温度を検出し、蒸発器での水の凍結を早く検出できるようにした冷凍サイクル装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この発明に係る冷凍サイクル装置は、圧縮機と、凝縮器として作用する熱交換器と、減圧装置と、水と熱交換し蒸発器として作用するプレート式熱交換器とを順次冷媒配管により接続された冷媒回路を備えたものにおいて、圧縮機のモータの回転数を変化させるためのインバータ回路と、プレート式熱交換器の端板の表面温度を検出することのできる温度検出手段と、温度検出手段により検出された温度がある基準温度以下になった場合に、冷凍サイクル装置を停止させ、凍結異常発報する凍結検知装置とを備えたものである。
【００１５】
また、プレート式熱交換器は、両端に配置された端板と前記端板の内側に設けられた複数の伝熱プレートにより水と冷媒の流路を交互に形成し、前記流路において最外部の流路には水が流れるように構成されたものである。
【００１６】
また、この発明に係る冷凍サイクル装置は、圧縮機と、大気と熱交換し凝縮器として作用する空気側熱交換器と、減圧装置と、水と熱交換し蒸発器として作用するプレート式熱交換器とを順次冷媒配管により接続された冷媒回路を備えたものにおいて、圧縮機のモータの回転数を変化させるためのインバータ回路と、送風モータとファンからなる送風装置と、空気側熱交換器の大気の吸込側に設けられた防風板と、負荷が小さい場合に、インバータ回路により圧縮機の回転数を低下させるとともに、空気側熱交換器において冷媒と熱交換する大気の量を調節し、最小で無限に風速を小さくさせる送風制御装置とを備えたものである。
【００１７】
この発明に係る冷凍サイクル装置は、圧縮機と、凝縮器として作用する第１の熱交換器と、減圧装置と、水と熱交換し蒸発器として作用する第２の熱交換器とを順次冷媒配管にて接続された冷媒回路を備えたものにおいて、圧縮機のモータの回転数を変化させるためのインバータ回路と、圧縮機のモータを流れる電流値を検出する電流検出手段と、最大使用可能な電流値を据付段階で冷凍サイクル装置に入力できる機能を有し、電流検出手段により検出した電流値が最大使用可能な電流値以上である場合に圧縮機のモータの回転数を低下させる電流制御装置とを備えたものである。
【発明の効果】
【００１８】
この発明によれば、プレート式熱交換器の端板の表面温度を検出することのできる温度検出手段を設け、温度検出手段により検出された温度がある基準温度より低い場合には、凍結異常検知し、異常発報するとともに冷凍サイクル装置を停止させる凍結検知装置を設けたので、プレート式熱交換器での水の凍結を早く検出し、凍結により熱交換器がガス漏れ等の破壊に至るのを防止することができる。
【００１９】
この発明によれば、凝縮器に大気と熱交換し凝縮器として作用する空気側熱交換器を使用した場合において、空気側熱交換器の前面に防風板と、空気側熱交換器において冷媒と熱交換する大気の量を調節し、冷媒と熱交換する大気の風速を無限に低下させることのできる送風制御装置を設けたので、低外気、低負荷時においては、自然風の影響を受けることなく、空気側熱交換器において、冷媒と熱交換する大気の風速を無限に低下させることができ、プレート式熱交換器の内部の冷媒温度が安定して高く維持し、被冷却媒体である水が凍結するのを防止できる。
また、圧縮機に吸入される冷媒の圧力と圧縮機から吐出される冷媒の圧力との差を大きくし、圧縮機を構成している重要部品である吐出弁の振動を防止し、圧縮機の寿命を長くできる。
さらに、空気側熱交換器の前面に防風板を設けることで、圧縮機のモータの回転数増加に伴う、空気側熱交換器からの高周波音を遮音できるという効果もある。
【００２０】
この発明によれば、現地での接続配線、ブレーカ等の容量に応じた最大使用可能電流値を冷凍サイクル装置本体に入力できるようにし、その電流値以内で圧縮機のモータの回転数を可変させることのできる電流制御装置を設けたので、老朽化による装置の交換時、装置を容量アップしたいという場合において、まずは装置のみ交換することができ、リニューアル時の大掛かりな工事を分散化できる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係わる冷凍サイクル装置の冷媒回路の一例である。冷媒としては非共沸混合冷媒であるＲ４０７Ｃを用いている。
図１において、冷凍サイクル装置は、商用の電源（５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚ）により、内蔵するモータの回転数が一定で駆動する圧縮機１と、大気と熱交換し、凝縮器として作用する空気側熱交換器２と、減圧装置３と、蒸発器として作用し、水と熱交換するプレ−ト式熱交換器４とを順次冷媒配管にて接続してなる冷媒回路と、圧縮機１のモータの回転数を変化させるためのインバータ回路３０と、プレート式熱交換器４の端板１７の表面温度を検出することのできる温度検出手段３１と、この温度検出手段３１により検出された温度がある基準温度以下になった場合に、冷凍サイクル装置を停止させ、凍結異常発報する凍結検知装置３２と、送風モータ３３と、ファン３４からなる送風装置と、送風モータ３３の回転数を変化させ、空気側熱交換器２において冷媒と熱交換する大気の量を増減させることのできる送風制御装置３５と、電流値を装置に入力する機構を有し、入力された電流値に対して、圧縮機１のモータを流れる電流値を検出する電流検出手段３６により検出された電流値が大きい場合は、ある一定の回転数分、圧縮機１のモータの回転数を低下させ電流制御装置３７とから構成されている。
【００２２】
また、図２はこの発明の実施の形態１に係わる冷凍サイクル装置のプレート式熱交換器の側面図とプレート式熱交換器内の冷媒と水の流れを示す断面図、図３はプレート式熱交換器の内部構造を示す分解斜視図と冷媒の流れを示す側面図である。図２、図３において、冷媒はプレート式熱交換器４の下部の冷媒入口ポート１１より流入し、プレート式熱交換器４内を上昇し、上部の冷媒出口ポート１２より流出する。それに対し水の流れは、冷媒の流れ同様、プレート式熱交換器４の下部の水入口ポート１３より流入し、プレート式熱交換器４内を上昇し、上部の水出口ポート１４より流出する。なお、１５はプレート式熱交換器４の冷媒流路貫通穴、１６はプレート式熱交換器４の水流路貫通穴、１７はプレート式熱交換器４の両側端部に設けられた端板である。
【００２３】
図４はこの発明の実施の形態１に係わる冷凍サイクル装置のプレート式熱交換器４の表面温度を検出する温度検出手段３１の構成の一例を示している。温度検出手段３１はプレート式熱交換器４の端板１７の冷媒入口接続ポート１１の近傍に設けられている。
【００２４】
図４（ａ）に示すように、プレート式熱交換器４の端板１７に、配管状の短管１８を５００℃以下の低温で溶解するろう材によりろう付けし、その短管１８に温度により抵抗が可変することを利用して温度を検出する温度検出部分１９を挿入することにより設けられている。
【００２５】
また、図４（ｂ）に示すように、予め端板１７にボルト２０を溶接したプレート式熱交換器４に平板２１を介してナット２２で締め込むことにより、端板１７と平板２１の間で温度検出部分１９を挟みこむような構成でもよい。
【００２６】
図５はこの発明の実施の形態１に係わる冷凍サイクル装置のプレート式熱交換器４の冷媒入口接続ポート１１の近傍の表面温度の変化を示している。
【００２７】
プレート式熱交換器４を流れる被冷却媒体である水の温度が低下した場合、モータの回転数が一定で駆動する圧縮機である場合、プレート式熱交換器４の内部で冷媒が蒸発しきれないために、プレート式熱交換器４の出口の冷媒温度も低下し、凍結する。
【００２８】
しかし、図５のＪ部に示すように、水の温度が低下した場合に、プレート式熱交換器４の内部の冷媒温度の低下とともにプレート式熱交換器４の出口の冷媒温度が低下するが、インバータ回路３０により、圧縮機１のモータの回転数を低下させると、冷媒の循環量が少なくなり、プレート式熱交換器４内の水と冷媒の温度差の平均(熱の伝わりやすさ)が直ぐには変化しないので、結果としてプレート式熱交換器４の出口付近の冷媒は過熱され、温度が上昇する。また、冷媒の循環量が少なくなることで、プレート式熱交換器４内での冷媒の圧力損失が小さくなり、プレート式熱交換器４の出口側の冷媒温度が上昇する。プレート式熱交換器４の出口付近の冷媒の過熱度を一定になるよう減圧装置３で調整すると、プレート式熱交換器４内部の冷媒温度も上昇し、したがって、水の温度が低下した場合等には凍結を回避することが可能となり、使用できる水温範囲が大幅に増加する。
しかしながら、図５のＫ部に示すように、圧縮機１のモータの回転数の低下では回避できないような事象、たとえば断水による水流量低下等が発生した場合について、モータの回転数が一定で駆動する圧縮機である場合、プレート式熱交換器４の内部で冷媒が蒸発しきれないために、プレート式熱交換器４の出口の冷媒温度も低下し、凍結する。
【００２９】
しかしながら、インバータ回路３０により、圧縮機１のモータの回転数を低下させると、冷媒循環量が少なくなるために、プレート式熱交換器４出口の冷媒温度は下降しない。したがって、水下流は凍結しにくくなり、プレート式熱交換器出口の冷媒温度では凍結を予測しにくいし、かなり遅れて冷媒温度が低下する。
【００３０】
しかしながら、プレート式熱交換器４の端板１７の水入口部分の表面温度は、水流量の低下とともに、最も早く、温度が変化する。これは、冷媒循環量の低下とともに、同一プレート内(プレートの積層方向に垂直な平面内)において、冷媒の分配が悪くなり、冷媒入口付近から遠い部分(図３のＬ部)は冷媒が流れにくくなるということと、前述したように水下流は凍結しにくいということから、最も早く凍結するポイントは水入口側で、かつ冷媒入口近傍であることが言える。またこの事例では部分的に凍結している。
【００３１】
図６はこの発明の実施の形態１に係わる冷凍サイクル装置の防風板３８を示す図である。空気熱交換器２の前面に空気熱交換器２を覆うように防風板３７が配置されており、下部は全面、大気の流路として開口されている
また、防風板として、風圧で作動する可動式ダンパを使用してもよい。
【００３２】
図７はこの発明の実施の形態１に係わる冷凍サイクル装置の送風制御装置３５の制御回路の一例を示している。
図７において、送風制御装置３５は、通常、大気の温度に応じて、段階的に送風モータ３３の回転数を制御している。しかしながら、負荷が小さく、圧縮機１のモータ回転数が低くなり、圧縮機１の吐出冷媒圧力がある基準圧力より小さくなった場合には、送風モータ３３の回転数をゼロに制御する。送風モータ３３の回転数がゼロになれば、空気熱交換器２内の冷媒圧力は上昇するとともに、圧縮機１の吐出冷媒圧力は上昇する。
【００３３】
圧縮機１の吐出冷媒圧力が上昇すると、圧縮機１の吸入冷媒圧力との差が大きくなる。吐出弁は圧縮機１の圧縮回路の吐出部分に設けられ、主目的は圧縮機停止時の逆流等を防止するためである。圧縮機１の吐出冷媒圧力と、圧縮機１の吸入冷媒圧力との差が小さいと、弁前後の圧力差が小さくなり、吐出弁は振動しやすくなる。送風モータ３３の回転数がゼロになれば、圧縮機１の吐出冷媒圧力は上昇するために、弁前後の圧力差が大きくなり、振動しない。
【００３４】
送風制御装置３５は、通常、大気の温度に応じて、段階的に送風モータ３３の回転数を制御しているため、防風板３８が配置されることを想定し、大気温度の検出部分４０を予め空気熱交換器２の熱の影響がなく、また空気が滞留しない部分に配置しておくことにより、納入先で防風板３８を配置した場合、作業性が向上する。
【００３５】
また図８はこの発明の実施の形態１に係わる冷凍サイクル装置の電流制御回路３７の一例を示している。
【００３６】
図８において、まず、装置の使用先にて、使用先の配線サイズ、ブレーカ容量により使用できる電流値を決定する。ついで決定した電流値を装置に入力する。装置は入力された電流値に対して、圧縮機のモータを流れる電流値を検出する電流検出手段３６により検出された電流値が大きい場合は、ある一定の回転数分、圧縮機１のモータの回転数を低下させる。
また電流制御回路３７の代替として、圧縮機１のモータ回転数に比例した周波数の上限値を入力できる機能を装置に設け、前記周波数以下で圧縮機１のモータを回転させる制御を使用してもよい。
通信機能と過電流による自己保護機能を有したブレーカを使用し、前記自己保護機能が作動した場合に前記ブレーカの通信機能により本装置が前記自己保護機能が作動したことを受信し、圧縮機１のモータの回転数をある規定値低下させるといった制御手段を使用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】この発明の実施の形態１に係わる冷凍サイクル装置の冷媒回路の一例である。
【図２】この発明の実施の形態１に係わる冷凍サイクル装置のプレート式熱交換器の側面図とプレート式熱交換器内の冷媒と水の流れを示す断面図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係わる冷凍サイクル装置のプレート式熱交換器の内部構造を示す分解斜視図と冷媒の流れを示す側面図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係わる冷凍サイクル装置のプレート式熱交換器の表面温度を検出する温度検出手段の構成の一例である。
【図５】この発明の実施の形態１に係わる冷凍サイクル装置のプレート式熱交換器の冷媒入口接続ポートの近傍の表面温度の変化を示す。
【図６】この発明の実施の形態１に係わる冷凍サイクル装置の防風板３８を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態１に係わる冷凍サイクル装置の送風制御装置３５の制御回路の一例を示す。
【図８】この発明の実施の形態１に係わる冷凍サイクル装置の電流制御回路３７の一例を示す。
【符号の説明】
【００３８】
１  圧縮機、２  凝縮器（空気側熱交換器）、３  減圧装置、４  プレート式熱交換器（蒸発器）、１１  プレート式熱交換器の冷媒入口ポート、１２  プレート式熱交換器の冷媒出口ポート、１３  プレート式熱交換器の水入口ポート、１４  プレート式熱交換器の水出口ポート、１５  プレート式熱交換器の冷媒流路貫通穴、１６  プレート式熱交換器の水流路貫通穴、１７  端板、１８  短管、１９  温度検出部分、２０  ボルト、２１  平板、２２  ナット、３０  インバータ回路、３１  プレート式熱交換器端板の表面温度検出手段、３２  凍結検知装置、３３  送風モータ、３４  ファン、３５  送風制御装置、３６  電流検知手段、３７  電流制御装置、４０  大気温度の検出部分。
【図１】
2005315498.tif 000003
【図２】
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【図３】
2005315498.tif 000005
【図４】
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【図５】
2005315498.tif 000007
【図６】
2005315498.tif 000008
【図７】
2005315498.tif 000009
【図８】
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