(57)【要約】【課題】本発明は、簡易な構成で圧縮機への液インジェクション流量を実際の使用状況に合わせて適正に制御することが可能な冷凍装置を提供することを課題とする。【解決手段】本発明の冷凍装置は、液インジェクション流量制御手段が、次式：［＜設定温度における吐出ガス冷媒のエンタルピー（ｋＪ／ｋｇ）＞−＜インジェクション手段が注入する液冷媒のエンタルピー（ｋＪ／ｋｇ）＞］×＜液インジェクション量ＱINJ（ｋｇ／秒）＞＝＜圧縮機に入力されるエネルギー（ｋＪ／秒）＞−［＜設定温度における吐出ガス冷媒のエンタルピー（ｋＪ／ｋｇ）＞−＜吸入ガス冷媒のエンタルピー（ｋＪ／ｋｇ）＞］×＜冷媒循環量（ｋｇ／秒）＞に基づいて求められた液インジェクション量ＱINJとなるように液冷媒注入量液を制御する。【選択図】図１
2016044826.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機と、
前記圧縮機で圧縮されたガス冷媒を凝縮する凝縮器と、
前記凝縮器の下流側から前記圧縮機の圧縮途中の中間圧力室に液冷媒を注入する液インジェクション手段と、
前記液インジェクション手段からの液冷媒注入量を制御する液インジェクション流量制御手段と、
を備え、
前記液インジェクション流量制御手段は、次式：
［＜設定温度における前記圧縮機から吐出された吐出ガス冷媒のエンタルピー（ｋＪ／ｋｇ）＞−＜前記インジェクション手段が注入する前記液冷媒のエンタルピー（ｋＪ／ｋｇ）＞］×＜液インジェクション量ＱINJ（ｋｇ／秒）＞＝＜前記圧縮機に入力されるエネルギー（ｋＪ／秒）＞−［＜設定温度における前記圧縮機から吐出された吐出ガス冷媒のエンタルピー（ｋＪ／ｋｇ）＞−＜前記圧縮機に吸入される吸入ガス冷媒のエンタルピー（ｋＪ／ｋｇ）＞］×＜冷媒循環量（ｋｇ／秒）＞
に基づいて求められた前記液インジェクション量ＱINJとなるように液冷媒注入量液を制御する
ことを特徴とする冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は液インジェクション装置を備えた冷凍サイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１では、運転状態にかかわらず、吐出ガス温度を設定温度に制御する方法として、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器と、圧縮機により吸入される冷媒の温度及び圧力と圧縮機から吐出されるガス冷媒の圧力をそれぞれ検出するセンサと、インジェクション流路とインジェクション流路に配設された流量調整弁を有してなる液インジェクション手段と、液インジェクション量を制御する制御手段を備え、制御手段は、センサの各検出値に基づいて圧縮機から吐出されるガス冷媒の温度を推定し、その推定温度に基づいて液冷媒の注入量を制御する指令を流量調整弁に出力する冷凍装置を開示する。特許文献１の冷凍装置によれば、実測した吐出ガス温度に基づいて液インジェクション量を制御する方式に対し、非定常状態においても制御遅延を起こすことなく適正量の液冷媒を圧縮機に注入することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４４０３３００号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、実際の吐出ガス温度は、圧縮機内の摺動部や電動機の発熱などの影響により、冷媒物性から計算した吐出ガス温度より高くなる。このため、冷媒物性から推定した吐出ガス温度に基づいて液インジェクション量を制御すると、圧縮機内の温度が想定より高くなり、圧縮機の摺動部の焼き付きや冷凍機油の劣化を引き起こし、冷凍サイクル装置の信頼性を低下させるおそれがある。また、圧縮機内の温度の過昇を防ぐために液インジェクション量が多くなるよう制御した場合、圧縮機の動力が増加して冷凍サイクル装置の効率を低下させるおそれがある。
【０００５】
特許文献１には、冷媒物性から吐出ガス温度を推定することに代えて、事前に運転条件を変化させて予め吐出ガス温度を実測してデータテーブルを作成し、このデータテーブルに照合して吐出ガス温度を予測する方法が記載されている。しかしながら、冷凍装置の運転範囲を網羅したデータテーブルの作成は非常に煩雑であり、現実的には難しい。
【０００６】
本発明は、簡易な構成で圧縮機への液インジェクション流量を実際の使用状況に合わせて適正に制御することが可能な冷凍装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の冷凍装置は、圧縮機と、圧縮機で圧縮されたガス冷媒を凝縮する凝縮器と、凝縮器の下流側から圧縮機の圧縮途中の中間圧力室に液冷媒を注入する液インジェクション手段と、液インジェクション手段からの液冷媒注入量を制御する液インジェクション流量制御手段と、を備え、液インジェクション流量制御手段は、次式：［＜設定温度における圧縮機から吐出された吐出ガス冷媒のエンタルピー（ｋＪ／ｋｇ）＞−＜インジェクション手段が注入する液冷媒のエンタルピー（ｋＪ／ｋｇ）＞］×＜液インジェクション量ＱINJ（ｋｇ／秒）＞＝＜圧縮機に入力されるエネルギー（ｋＪ／秒）＞−［＜設定温度における圧縮機から吐出された吐出ガス冷媒のエンタルピー（ｋＪ／ｋｇ）＞−＜圧縮機に吸入される吸入ガス冷媒のエンタルピー（ｋＪ／ｋｇ）＞］×＜冷媒循環量（ｋｇ／秒）＞に基づいて求められた液インジェクション量ＱINJとなるように液冷媒注入量液を制御する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、簡易な構成で圧縮機への液インジェクション流量を実際の使用状況に合わせて適正に制御し、液インジェクション流量不足による吐出ガス温度の過昇や、液インジェクション流量過大による圧縮機動力の増加を防ぐことが可能となり、冷凍サイクル装置の信頼性と効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】サイクル系統図
【図２】インジェクション量制御のフローチャート
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の冷凍装置は、圧縮機と、圧縮機で圧縮されたガス冷媒を凝縮する凝縮器と、凝縮器の下流側から圧縮機の圧縮途中の中間圧力室に液冷媒を注入する液インジェクション手段と、液インジェクション手段からの液冷媒注入量を制御する液インジェクション流量制御手段と、を備え、液インジェクション流量制御手段は、次式：［＜設定温度における圧縮機から吐出された吐出ガス冷媒のエンタルピー（ｋＪ／ｋｇ）＞−＜インジェクション手段が注入する液冷媒のエンタルピー（ｋＪ／ｋｇ）＞］×＜液インジェクション量ＱINJ（ｋｇ／秒）＞＝＜圧縮機に入力されるエネルギー（ｋＪ／秒）＞−［＜設定温度における圧縮機から吐出された吐出ガス冷媒のエンタルピー（ｋＪ／ｋｇ）＞−＜圧縮機に吸入される吸入ガス冷媒のエンタルピー（ｋＪ／ｋｇ）＞］×＜冷媒循環量（ｋｇ／秒）＞に基づいて求められた液インジェクション量ＱINJとなるように液冷媒注入量液を制御する。本発明の冷凍装置によれば、圧縮機の実際のエネルギー収支に基づいて液インジェクション量を適切に制御できるため、簡易な構成で圧縮機への液インジェクション流量を実際の使用状況に合わせて適正に制御し、液インジェクション流量不足による吐出ガス温度の過昇や、液インジェクション流量過大による圧縮機動力の増加を防ぐことが可能となり、冷凍サイクル装置の信頼性と効率を向上させることができる。
【００１１】
以下、本発明の実施例について、図面を用いて説明する。まず、本実施例の冷凍装置について図１を用いて説明する。図１はサイクル系統図である。図１に示すように冷凍装置は、冷媒を吸入して圧縮する圧縮機１、圧縮機１から吐出されるガス冷媒を凝縮して液化する凝縮機２、凝縮機２により液化された冷媒を減圧する手段である膨張弁３、膨張弁３により減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器４、圧縮機の駆動装置７等から構成される。圧縮機１には、例えば、電動機によって駆動されるスクロール圧縮機のような容積型圧縮機が用いられ、電動機の回転数を制御することで、運転容量を可変とすることができる。
【００１２】
圧縮機１の吸入側に、圧縮機１により吸入される冷媒の圧力（以下「吸入圧力」という。）を検出する吸入圧力センサ１１、冷媒の温度（以下「吸入温度」という。）を検出する吸入温度センサ２１が設けられる。また、圧縮機１の吐出側には、圧縮機１から吐出されるガス冷媒の圧力（以下「吐出圧力」という。）を検出する吐出圧力センサ１２が配設される。
【００１３】
圧縮機１に液冷媒を注入する液インジェクション手段として液インジェクション回路が設けられる。液インジェクション回路は、冷媒配管５から分岐して圧縮機１の中間圧力部に接続するインジェクション配管６、インジェクション配管６に配設されたインジェクション温度センサ２３、流量調整手段である流量調整弁３１、流量制御装置３２等から構成される。中間圧力部とは、圧縮工程中の冷媒が存在する部分であり、その部分にインジェクション配管６を介して液冷媒が注入される。なお、流量調整手段として、複数の固定流量調整器（例えば、キャピラリーチューブ）の切り替えや、段階的に開度を調整可能な電磁弁等を用いてもよい。
【００１４】
駆動装置７は、圧縮機１の回転数制御を行うとともに、圧縮機１に入力される電力を測定し、測定した電力と圧縮機１の回転数指令値を流量調整装置３２へ出力する機能を備える。
【００１５】
流量制御装置３２は、吸入圧力センサ１１、吸入温度センサ２１、吐出圧力センサ１２、インジェクション温度センサ２３から出力される各検出値、及び、駆動装置７から出力される圧縮機１に入力される電力、圧縮機１の回転数に応じて、流量調整弁３１に指令を出力する。尚、流量制御装置３２は、駆動装置７とともに一体に構成してもよい。
【００１６】
上記のように冷凍サイクルを形成する冷凍装置の基本動作について説明する。圧縮機１に吸入された冷媒が圧縮されて圧縮機１から吐出される。吐出されたガス冷媒は、凝縮器２で例えば大気と熱交換することにより凝縮され、液冷媒となる。凝縮した液冷媒は、冷媒配管５を介して膨張弁３に導かれて減圧される。減圧された冷媒は、蒸発器４で二次冷媒（例えば、空気）により蒸発される。蒸発した冷媒は、圧縮機１に戻される。蒸発器４で冷媒により冷却された二次冷媒は、熱負荷側（例えば、冷蔵庫内）に供給される。なお、熱負荷を冷却する動作について説明したが、熱負荷を暖める場合も、四方切換弁により冷媒の流れを逆向きにすることで、基本的に同様の動作となる。
【００１７】
ここで、本発明の圧縮機１に液冷媒を注入する制御について、圧縮機１の起動時を例として図２を用いて説明する。図２は、圧縮機１に液冷媒を注入する制御を示すフローチャートである。なお、図２に示す制御プログラムは、流量制御装置３２に実装される。
【００１８】
図２に示すように、まず、各センサの検出値が流量制御装置３２へ取り込まれる（Ｓ１０２）。具体的には、吸入温度センサ２１により検出された吸入温度ＴS、吸入圧力センサ１１により検出された吸入圧力ＰS、吐出圧力センサ１２により検出された吐出圧力ＰD、インジェクション温度センサ２３により検出されたインジェクション温度ＴINJ、圧縮機１に入力される電力ＷI、及び、圧縮機１の回転数Ｎが取り込まれる。次に、取り込まれた吸入温度ＴS、吸入圧力ＰS、吐出圧力ＰDに基づいて、理論吐出ガス温度ＴDが推定演算される（Ｓ１０３）。続いて、推定された吐出ガス温度ＴDに、圧縮機１の摺動部や電動機の発熱を考慮してＴMを加えたＴD＋ＴMが設定温度範囲Ｔ0と比較される（Ｓ１０４）。なお、ＴMは圧縮機１の摺動部や電動機の発熱を考慮し、例えば５℃から２０℃の範囲で設定される。また、設定温度範囲Ｔ0は、圧縮機１の摺動部や電動機の過熱、冷媒に含まれる冷凍機油の粘性の低下を防止するために予め設定し、例えば８０℃から９０℃の範囲が設定される。Ｓ１０４の処理において、温度ＴD＋ＴMが設定温度範囲Ｔ0の上限より高い場合に、液インジェクション流量の制御を行う。
【００１９】
液インジェクション量制御では、（数式１）に示す圧縮機１のエネルギー収支に基づいて求められる液インジェクション量ＱINJを用いる（Ｓ１０５）。
【００２０】
（数式１）：［＜設定温度における吐出ガスのエンタルピー（ｋＪ／ｋｇ）＞−＜インジェクションする液冷媒のエンタルピー（ｋＪ／ｋｇ）＞］×＜適切な液インジェクション量ＱINJ（ｋｇ／秒）＞＝＜圧縮機１に入力されるエネルギー（ｋＪ／秒）＞−［＜設定温度における吐出ガスのエンタルピー（ｋＪ／ｋｇ）＞−＜吸入ガスのエンタルピー（ｋＪ／ｋｇ）＞］×＜冷媒循環量（ｋｇ／秒）＞
なお、（数式１）の各パラメータは、各センサの検出値と冷媒の物性により、以下のように求められる。
【００２１】
＜設定温度における吐出ガスのエンタルピー（ｋＪ／ｋｇ）＞：吐出圧力ＰD、設定温度範囲Ｔ0と冷媒の物性で定められる。この時のＴ0は、設定した温度範囲の中央値を用いることが望ましい。
【００２２】
＜インジェクションする液冷媒のエンタルピー（ｋＪ／ｋｇ）＞：吐出圧力ＰDと、吐出圧力ＰDにおける冷媒の飽和蒸気圧から求められる。
【００２３】
＜圧縮機１に入力されるエネルギー＞：圧縮機１に入力される電力ＷIである。
【００２４】
＜吸入ガスのエンタルピー＞：吸入温度ＴS、吸入圧力ＰSと冷媒の物性から求められる。
【００２５】
＜冷媒循環量（ｋｇ／秒）＞：圧縮機１の吸入ガス体積（ｍ3／秒）、体積効率（％）、吸入ガス密度（ｋｇ／ｍ3）から求められる。ここで、圧縮機１がスクロール圧縮機のような容積型圧縮機の場合、その吸入ガス体積は、圧縮機１の押しのけ量（ｍ3／回転）に圧縮機１の回転数Ｎ（Ｈｚ）を乗じて算出される。吸入ガス密度は、吸入温度ＴS、吸入圧力ＰSと冷媒の物性から求められる。なお、体積効率は、圧縮機１に実際に吸込まれる冷媒体積が漏れなどに起因して変動する指標であり、圧縮機１の仕様により定められる。
【００２６】
なお、圧縮機１の起動時では、液インジェクション量ＱINJは、ゼロに初期化される。
【００２７】
Ｓ１０５で（数式１）より適切な液インジェクション量ＱINJを求め、実際の液インジェクション量ＱINJ´が液インジェクション量ＱINJとなる流量調整弁３１の弁開度を算出し、流量制御装置３２から流量調整弁３１へ指令値を出力する（Ｓ１０６）。流量調整弁３１の弁開度が規定の開度となったら、インジェクション温度センサ２３でインジェクション温度ＴINJを検出し、流量制御装置３２へ取り込んで実際の液インジェクション量ＱINJ´を算出する（Ｓ１０７）。
【００２８】
ここで、実際の液インジェクション量ＱINJ´（ｋｇ／秒）は、吐出圧力ＰD、インジェクション温度ＴINJ、流量調整手段の流路断面積から求められる。具体的には、インジェクション温度ＴINJから冷媒の飽和蒸気圧ＰINJに換算し、吐出圧力ＰDとＰINJの差圧に冷媒の密度と、流路断面積と、流量係数を乗じて算出する。流量係数は、流路断面積と差圧と冷媒密度の積に対する実際の冷媒流量の比であり、使用する流量調整手段に合わせて予め設定されている。
【００２９】
インジェクション温度ＴINJは流量調整弁３１の開度や吐出圧力ＰDにより変動し、実際の液インジェクション量ＱINJ´は流量調整弁３１の弁開度で一意に決定できない場合がある。このため、実際の液インジェクション量ＱINJ´とＳ１０５で算出した適切な液インジェクション量ＱINJを比較し、実際の液インジェクション量ＱINJ´が適切であるか確認する（Ｓ１０８）。Ｓ１０８で実際の液インジェクション量ＱINJ´と適切な液インジェクション量ＱINJに乖離がある際は、乖離した量を補正するためのフィードバックを行い、実際の液インジェクション量ＱINJ´が適切な液インジェクション量ＱINJになるよう、流量調整弁３１の弁開度を調整する。
【００３０】
本実施形態によれば、圧縮機１の実際のエネルギー収支に基づいて液インジェクション量を適切に制御できるため、液インジェクション量不足による吐出温度の過昇や、液インジェクション量の過大による圧縮動力の増加を防ぐことが可能となる。なお、吸入温度ＴS、吸入圧力ＰS、吐出圧力ＰDは、圧縮機１の起動時や熱負荷が変動した時などの非定常な状態においてもセンサの検出値と実際の値がほぼ同じになることから、制御遅れを発生させることなく常に適正な液インジェクション量で圧縮機１を運転することができる。
【００３１】
また、本実施例で示した液インジェクション量ＱINJの算出方法を用いることで、一般的に高価な質量流量計を使用することなくインジェクション流量を検出でき、コストの増大を招くことなく液インジェクション量を制御することが可能となる。
【００３２】
以上、図１及び図２に示した実施例を用いて本発明を説明したが、これに限られるものではない。例えば、冷凍サイクルを一体で構成する装置について説明したが、熱負荷である蒸発器４を別体としたコンデンシングユニットに本発明を適用しても同様の効果が得られる。また、圧縮機１が可変速でない場合も、駆動装置７に代わって圧縮機１に入力される電力を測定する装置を設ければよく、圧縮機１の回転数をあらかじめ流量制御装置３２に与えておくことで、本発明を適用できる。
【符号の説明】
【００３３】
１…圧縮機、２…凝縮器、３…膨張弁、４…蒸発器、５…冷媒配管、６…インジェクション配管、７…駆動装置、１１…吸入圧力センサ、１２…吐出圧力センサ、２１…吸入温度センサ、２２…吐出温度センサ、２３…インジェクション温度センサ、３１…流量制御弁、３２…流量制御装置
【図１】
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【図２】
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