JP2004278961A

JP2004278961A - 冷凍装置

Info

Publication number: JP2004278961A
Application number: JP2003072874A
Authority: JP
Inventors: Terubumi Shinkai; 光史新海; Soichi Shiraishi; 聡一白石; Katsunori Shudo; 克則首藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-03-18
Filing date: 2003-03-18
Publication date: 2004-10-07

Abstract

【課題】吸入ガスに冷媒液を噴射することにより、電動機巻線の異常過熱を防止し、圧縮機の運転範囲を拡大することができる冷凍装置を得る。
【解決手段】圧縮機の電動機巻線に設けられた巻線温度検知手段と、凝縮器の出口側と圧縮機の吸入側配管との間に設けられ冷媒液の一部を吸入側配管に噴射する冷媒液噴射配管と、冷媒液噴射配管の途中に設けられ冷媒液噴射量を制御する流量制御弁と、圧縮機吸入側の配管にそれぞれ設けられた冷媒圧力検知手段及び冷媒温度検知手段と、巻線温度検知手段が検知した巻線温度、冷媒圧力検知手段が検知した冷媒の飽和ガス温度及び飽和液温度、冷媒温度検知手段が検知した冷媒温度により、流量制御弁を開閉制御して冷媒液噴射量を制御する制御装置とを備える。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する分野】
この発明は、冷媒圧縮機の駆動用電動機の巻線冷却を吸入冷媒ガスで行う冷凍装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の冷凍装置においては、冷媒圧縮機の駆動用電動機の巻線は冷媒回路を循環する冷媒ガスにより冷却されているため、冷媒循環量が低下すると、電動機巻線の冷却効果が低下し電動機の巻線温度が上昇する。したがって、冷凍装置の高差圧運転や高負荷運転になると、吸入冷媒ガス風量が相対的に低下するため電動機の巻線温度が上昇する。電動機の巻線温度が過度に上昇した場合に、巻線保護用サーモスタットが作動して冷媒圧縮機を異常停止させてしまうため、巻線保護設定温度より低く設定した温度を検知して圧縮機連続運転を継続することにより、圧縮機の運転容量を上昇させるものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２４１７８７号公報（第１図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の冷凍装置では、電動機巻線の冷却を吸入冷媒ガスで行うため、高差圧運転や高負荷運転になると、吸入冷媒ガス風量の低下に伴って電動機巻線の過熱が起こり、巻線温度が上昇し、冷凍装置の連続運転ができなくなる。また特許文献１記載のように、巻線保護設定温度より低く設定した温度を検出して圧縮機連続運転を継続するものでは、巻線の過熱を直接的に抑制するものではないので、根本的な解決にはならないという問題点があった。
【０００５】
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、吸入冷媒ガスに冷媒液を噴射することにより、電動機巻線の異常過熱を防止し、圧縮機の運転範囲を拡大することができる冷凍装置を提供するものである。
【０００６】
また、非共沸混合冷媒固有の特性である温度勾配を利用して吸入冷媒の乾き度を検知し、冷媒液噴射量を制限することにより、液バックによる冷媒圧縮機の不具合を防止できる冷凍装置を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る冷凍装置においては、圧縮機の電動機巻線温度が過度に上昇した時、巻線保護用温度調節手段が作動して圧縮機を異常停止するようにしたものにおいて、圧縮機の電動機巻線に設けられた巻線温度検知手段と、凝縮器の出口側と圧縮機の吸入側配管との間に設けられ冷媒液の一部を吸入側配管に噴射する冷媒液噴射配管と、この冷媒液噴射配管の途中に設けられ冷媒液噴射量を制御する流量制御弁と、圧縮機の吸入側配管にそれぞれ設けられた冷媒圧力検知手段及び冷媒温度検知手段と、巻線温度検知手段が検知した巻線温度、冷媒圧力検知手段が検知した冷媒の飽和ガス温度及び飽和液温度、冷媒温度検知手段が検知した冷媒温度により、流量制御弁を開閉制御して冷媒液噴射量を制御する制御装置とを備えたものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における冷凍装置の冷媒回路図である。図において、冷媒圧縮機１、冷媒凝縮器２、膨張弁３、冷媒蒸発器４及びこれら各構成部品を順次連結接続する冷媒配管５により冷凍装置の冷媒回路を構成している。冷媒圧縮機１は電動機１ａと圧縮部１ｂとから構成され、電動機１ａには巻線保護用温度調節手段であるサーモスタット１ｃと巻線温度検知手段である巻線温度センサー１ｄが設けられている。冷媒凝縮器２には例えば冷却水管等の冷媒凝縮用熱源２ａが設けられている。冷媒蒸発器４には例えばブライン配管等の冷媒蒸発用熱源４ａが設けられている。冷媒凝縮器２の出口側と冷媒圧縮機１の吸入側配管５との間には、冷媒凝縮器２で凝縮液化された冷媒液の一部を吸入側配管５に噴射する冷媒液噴射配管６が設けられ、この冷媒液噴射配管６の途中には噴射量を制御する流量制御弁７が設けられている。また、冷媒圧縮機１の吸入側配管５における冷媒液噴射配管６接続部の下流側（圧縮機側）に冷媒圧力検知手段である冷媒圧力センサー８と冷媒温度検知手段である冷媒温度センサー９が設けられている。制御装置１０は、巻線温度センサー１ｄにより電動機１ａの巻線温度が所定の設定値を超えるまで上昇した場合、流量制御弁７を予め設定された開閉速度で開閉制御して、冷媒凝縮器２で凝縮液化した冷媒液の一部を冷媒圧縮機１の吸入側配管５に噴射する。この噴射された冷媒液により、電動機１ａの巻線を冷却し巻線温度を所定の温度まで低下させることができ、より高圧差での冷凍装置の運転が可能となる。また制御装置１０は、吸入配管５の冷媒液噴射配管６接続部の下流側（圧縮機側）に設けた冷媒圧力センサー８で検出した冷媒の蒸発圧力ｐに基づいて冷媒の飽和ガス温度ｔｇ及び飽和液温度ｔｌをそれぞれ演算し、冷媒温度センサー９にて検出した冷媒温度ｔと比較する。そして、冷媒の飽和ガス温度ｔｇと飽和液温度ｔｌとの温度差と、冷媒温度センサー９で検出した冷媒温度ｔと飽和液温度ｔｌとの温度差を比較演算することにより、冷媒の乾き度ｘを推定する。この乾き度ｘが、冷媒圧縮機１が許容することができる吸入ガス乾き度以下（または未満）になった場合は、液バックによる不具合を防止するために流量制御弁７の開度を保持し冷媒液噴射量を制限する。冷媒液噴射量を制限した結果、電動機１ａの巻線温度が巻線保護用サーモスタット１ｃの作動温度まで上昇した場合は、冷媒圧縮機１の運転を停止する制御を行う。
【０００９】
図２は従来使用してきた単一冷媒の冷凍サイクル線図を示す。単一冷媒の等温度線は図２の１Ａ−１Ｂ−１Ｃ−１Ｄ、２Ａ−２Ｂ−２Ｃ−２Ｄのように示され、冷媒の蒸発工程ハにおけるｃ−１ｃ間は等温度変化となる。
【００１０】
図３は非共沸混合冷媒を使用した場合の冷凍サイクル線図を示す。非共沸混合冷媒の場合は沸点の異なる２種類以上の冷媒で構成されているため、冷媒の相変化において温度勾配を有している。このため等温度線は図３の１Ａ−１Ｂ−１Ｃ−１Ｄ、１Ａ’−１Ｂ’−１Ｃ’−１Ｄ’、２Ａ−２Ｂ−２Ｃ−２Ｄのように示され、蒸発工程ハにおいては冷媒が蒸発していく過程で温度変化が生じる。なお、図２及び図３において、アは飽和ガス線、カは飽和液線、サは等乾き度線を示す。
この発明は図３の非共沸混合冷媒を使用した冷凍装置に関するものであり、この非共沸混合冷媒を用いた冷凍装置を図１に示す冷媒回路図により説明する。
冷凍装置の高差圧運転や高負荷運転等により、冷媒圧縮機１の電動機１ａの発熱量に対して吸入ガス風量が相対的に減少し、電動機巻線温度センサー１ｄにて検出している電動機１ａの巻線温度が所定の設定値を超えるまで上昇した場合、制御装置１０により電気的に流量制御を行うことができる流量制御弁７を予め設定した開閉速度で開閉制御して、冷媒凝縮器２で凝縮液化された冷媒液の一部を冷媒圧縮機１の吸入側配管５に噴射する。そして、吸入側配管５へ冷媒液を噴射し、電動機１ａの巻線を冷却し巻線温度を所定の温度まで低下させることができ、より高差圧での冷凍装置の運転を可能にしている。
一方、電動機１ａの巻線温度及び電動機１ａの主たる冷却熱源である吸入ガス風量は、冷媒圧縮機１の容量制御状態や高低圧条件等によって異なるため、噴射する冷媒量は電動機巻線温度センサー１ｄ、制御装置１０及び流量制御弁７によって増減することになるが、容量制御時や高差圧時に吸入ガス風量が減少すると、吸入ガス風量に対する冷媒液噴射量が相対的に増加するため、冷媒圧縮機１に吸入される冷媒が気液二相状態となり、液バックによる冷媒圧縮機１の不具合が発生する場合がある。これを防止するため、この発明の実施の形態１では、冷媒液噴射配管６接続部の下流側（圧縮機側）に冷媒圧力センサー８と冷媒温度センサー９とを設け、冷媒圧力センサー８で検出した冷媒の蒸発圧力ｐに基づいて冷媒の飽和ガス温度ｔｇ及び飽和液温度ｔｌを制御装置１０で演算し、冷媒温度センサー９にて検出した冷媒温度ｔと比較する。ここで使用冷媒である非共沸混合冷媒は、図３に示すように蒸発の過程で温度勾配を持つため、冷媒温度＜冷媒圧力相当飽和ガス温度である場合は、冷媒圧縮機１に吸入される冷媒が気液二相状態であると判断することができる。また、冷媒の飽和ガス温度ｔｇと飽和液温度ｔｌとの温度差と、冷媒温度センサー９で検出した冷媒温度ｔと飽和液温度ｔｌとの温度差を比較演算することにより、冷媒の乾き度ｘを推定することができる。この乾き度ｘが、冷媒圧縮機１が許容することができる吸入ガス乾き度以下（または未満）になった場合は、液バックによる不具合を防止するために流量制御弁７の開度を保持し冷媒液噴射量を制限する。冷媒液噴射量を制限した結果、電動機１ａの巻線温度が巻線保護用サーモスタット１ｃの作動温度まで上昇した場合は、冷媒圧縮機１を異常停止する制御を行う。
【００１１】
以上のとおり、非共沸混合冷媒を使用した冷凍装置において、冷媒凝縮器２で凝縮液化された冷媒液の一部を吸入側配管５に噴射することにより、電動機１ａの巻線温度を低下させ、運転領域が拡大するとともに、過度の液噴射による液バックに起因する冷媒圧縮機１の不具合を防止することができる。
【００１２】
この発明の実施の形態１における冷媒液噴射制御の一例を図４に示すフローチャートにより説明する。巻線保護用サーモスタット１ｃの作動温度ＴＭ＞Ｔ１＞Ｔ２＞Ｔ３の関係にあるとする。なお、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３は巻線温度センサー１ｄによる各設定値である。
まずステップＳ１で冷媒圧縮機１が運転中であるかを判断する。運転中でなければ元に戻る。冷媒圧縮機１が運転中であればステップＳ２で巻線温度を検出し、巻線温度がＴ１より低ければステップＳ３に進み、流量制御弁７を開度維持（その時点での弁開度のまま保持）しながら冷媒液噴射量を制限する。このステップＳ３で冷媒液噴射量を制限した結果、電動機１ａの巻線温度が巻線保護用サーモスタット１ｃの作動温度ＴＭまで上昇した場合（ステップＳ４）は、冷媒圧縮機１を異常停止する（ステップＳ５）。ステップＳ４で巻線保護用サーモスタット１ｃの作動温度ＴＭまで達しない場合は元に戻る。一方、ステップＳ２で巻線温度がＴ１より高ければステップＳ６に進み、制御装置１０により吸入ガス乾き度を演算する。この演算結果である乾き度をステップＳ７で冷媒圧縮機１の許容値と比較する。演算結果の乾き度が冷媒圧縮機１の許容値未満であれば上記と同様にステップＳ３、Ｓ４、Ｓ５の制御を行う。ステップＳ７で演算結果の乾き度が冷媒圧縮機の許容値以上であれば、ステップＳ８に進み、流量制御弁７の開度を少し開いて冷媒液噴射量を増やす動作を行う。次にステップＳ９で巻線温度がＴ２よりも高ければ元に戻る。ステップＳ９で巻線温度がＴ２より低ければステップＳ１０に進み、ここで巻線温度がＴ３より低くなれば流量制御弁７を閉じる（ステップＳ１１）。その後元に戻る。またステップＳ１０で巻線温度がＴ３より高ければ上記と同様にステップＳ３、Ｓ４、Ｓ５の制御を行う。
【００１３】
次に、この発明の実施の形態１における吸入ガス乾き度演算の一例を図５に示すフローチャートにより説明する。ここで、冷媒圧力センサー８の計測値ｐ、冷媒温度センサー９の計測値ｔ、飽和ガス温度ｔｇ、飽和液温度ｔｌ、乾き度ｘとする。
まずステップＳ２１で冷媒圧力センサー８により圧縮機吸入側冷媒圧力を計測値ｐとして計測し、この計測値ｐに基づいてステップＳ２２で冷媒の飽和ガス温度ｔｇを、ステップＳ２３で冷媒の飽和液温度ｔｌをそれぞれ演算する。ステップＳ２４では冷媒温度センサー９により圧縮機吸入側冷媒温度を計測値ｔとして計測する。そして、ステップ２５で冷媒の飽和ガス温度ｔｇと飽和液温度ｔｌとの温度差（ｔｇ−ｔｌ）と、冷媒温度センサー９の計測値ｔと飽和液温度ｔｌとの温度差（ｔ−ｔｌ）を比較することにより、冷媒の乾き度ｘを推定演算する。
【００１４】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように、圧縮機の電動機巻線温度が過度に上昇した時、巻線保護用温度調節手段が作動して圧縮機を異常停止するようにしたものにおいて、圧縮機の電動機巻線に設けられた巻線温度検知手段と、凝縮器の出口側と圧縮機の吸入側配管との間に設けられ冷媒液の一部を吸入側配管に噴射する冷媒液噴射配管と、この冷媒液噴射配管の途中に設けられ冷媒液噴射量を制御する流量制御弁と、圧縮機の吸入側配管にそれぞれ設けられた冷媒圧力検知手段及び冷媒温度検知手段と、巻線温度検知手段が検知した巻線温度、冷媒圧力検知手段が検知した冷媒の飽和ガス温度及び飽和液温度、冷媒温度検知手段が検知した冷媒温度により、流量制御弁を開閉制御して冷媒液噴射量を制御する制御装置とを備え、吸入ガスに冷媒液を噴射することにより、電動機巻線の異常過熱を防止し、圧縮機の運転範囲を拡大することができる。
【００１５】
また、非共沸混合冷媒固有の特性である温度勾配を利用して吸入冷媒の乾き度を検知し、冷媒液噴射量を制限することにより、液バックによる冷媒圧縮機の不具合を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１を示す冷凍装置の冷媒回路図である。
【図２】従来使用してきた単一冷媒の冷凍サイクル線図である。
【図３】この発明の実施の形態１における非共沸混合冷媒を使用した場合の冷凍サイクル線図である。
【図４】この発明の実施の形態１における冷媒液噴射制御の一例を示すフローチャートである。
【図５】この発明の実施の形態１における吸入ガス乾き度演算の一例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１冷媒圧縮機
１ａ電動機
１ｂ圧縮部
１ｃ巻線保護用サーモスタット
１ｄ巻線温度センサー
２冷媒凝縮器
２ａ冷媒凝縮用熱源
３膨張弁
４冷媒蒸発器
４ａ冷媒蒸発用熱源
５冷媒配管
６冷媒液噴射配管
７流量制御弁
８冷媒圧力センサー
９冷媒温度センサー
１０制御装置

Claims

圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器等を冷媒配管により順次連結接続して冷媒回路を構成し、前記圧縮機の電動機巻線に巻線保護用温度調節手段を設け、電動機巻線温度が過度に上昇した時、前記温度調節手段が作動して圧縮機を異常停止するようにした冷凍装置において、前記圧縮機の電動機巻線に設けられた巻線温度検知手段と、前記凝縮器の出口側と圧縮機の吸入側配管との間に設けられ冷媒液の一部を吸入側配管に噴射する冷媒液噴射配管と、この冷媒液噴射配管の途中に設けられ冷媒液噴射量を制御する流量制御弁と、前記圧縮機の吸入側配管にそれぞれ設けられた冷媒圧力検知手段及び冷媒温度検知手段と、前記巻線温度検知手段が検知した巻線温度、前記冷媒圧力検知手段が検知した冷媒の飽和ガス温度及び飽和液温度、前記冷媒温度検知手段が検知した冷媒温度により、前記流量制御弁を開閉制御して前記冷媒液噴射量を制御する制御装置とを備えたことを特徴とする冷凍装置。
冷媒として非共沸混合冷媒を用いたことを特徴とする請求項１記載の冷凍装置。
制御装置は、冷媒圧力検知手段が検知した冷媒の飽和ガス温度と飽和液温度との温度差と、冷媒温度検知手段が検知した冷媒温度とを比較して冷媒の乾き度を演算し、この冷媒の乾き度に応じて流量制御弁を開閉制御して冷媒液噴射量を制限することを特徴とする請求項２記載の冷凍装置。