JP2010014347A - 冷凍サイクル評価システム - Google Patents

Abstract

【課題】室内外機間に落差がある種々の冷凍サイクルシステムの動作を、精度良く模擬できる冷凍サイクル評価システムを提供する。
【解決手段】
試験用室外機１と試験用室内機２とを接続する接続配管４の途中に模擬装置３を設け、その模擬装置に、前記接続配管３を流れる冷媒の密度を算出するためのパラメータを測定する密度算出用パラメータ測定機構５と、前記密度算出用パラメータ測定機構５で測定された密度算出用パラメータと評価すべき冷凍サイクルの室内外機間における冷媒の移動落差長とに基づいて、前記評価すべき冷凍サイクルでの前記冷媒移動で生じる水頭圧損失を算出する水頭圧損失算出機構６と、前記水頭圧損失算出機構６で算出された水頭圧損失となるように、前記接続配管４を流れる冷媒を減圧する減圧量制御機構７とを設けた。
【選択図】 図１

Description

この発明は、評価すべき冷凍サイクルの動作を模擬することが可能な冷凍サイクル評価システムに関するものである。

ビルに設置される空気調和装置などのような大規模冷凍サイクルシステムでは、通常の家屋や自動車に設置される空気調和装置などと異なり、室外機が屋上に置かれて、各部屋に設置される室内機との間で高さに大きな違いが出る場合がある。ところで、室外機と室内機とに高さの違い（落差）があると、高さに違いの無い場合と比べて、図８に示すように室内外機間の接続配管部分での冷媒移動に際して水頭圧損失が発生する。そして、水頭圧損失が発生すると、図９にモリエ線図を示すように、冷凍サイクルそのものが同図の点線のように変化してしまうことから、室内外機に高さの違いがない試験システムでは、実際に設置される冷凍サイクルシステムと比べて、冷媒の挙動や状態に種々の違いが生じ得、場合によっては信頼性の高い試験評価を行えないという不具合が発生する。

そこで従来、このような大規模冷凍サイクルシステムを開発・設計する場合は、実際に設置する空気調和装置と等しい規模、等しい状態の実験設備を製作して評価試験等をするようにしている。もちろん、近時では特許文献１に示すように、コンピュータを用いてある程度までシミュレーションできるようにしたものも開発されているが、模擬精度が悪く、上述したような複雑かつ大規模な冷凍サイクルシステムにおいては、やはり実物と同じ規模の実験設備を製作して試験しなければならない場合が多い。
特開２００４−３０８９７１号公報

しかしながら、ビルの規模や部屋の配置等によって配管落差等はまちまちであり、その都度、実験設備を製作するのは極めて非効率的である。また、ビルによっては、室外機と室内機との配管落差が１０ｍ以上にも及ぶ空気調和装置が存在し、それに合わせた実験設備を製作することは、スペースの問題などから極めて難しい場合もある。

本発明はかかる問題点を鑑みてなされたものであって、単なるコンピュータ上の仮想的なものではなく、実際に冷凍サイクルを構成した実機でありながら、落差に応じた液冷媒の配管内での挙動を自在に設定でき、種々の大規模冷凍サイクルシステムの液冷媒流通に係る評価試験を、実物に近い態様でなおかつ大きなスペースを必要とすることなく実現できる冷凍サイクル評価システムを提供することを主たる所期課題としたものである。

すなわち、本発明に係る冷凍サイクル評価システムは、試験用室外機と、試験用室内機と、該試験用室外機及び試験用室内機の接続配管途中に設けた模擬装置とによって試験用冷凍サイクルを形成し、前記模擬装置の設定によって評価すべき冷凍サイクルの動作を模擬可能に構成したものである。

そして前記模擬装置が、前記接続配管を流れる冷媒の密度を算出するためのパラメータを測定する密度算出用パラメータ測定機構と、前記密度算出用パラメータ測定機構で測定された密度算出用パラメータと評価すべき冷凍サイクルの室内外機間における冷媒の移動落差長とに基づいて、前記評価すべき冷凍サイクルでの前記冷媒移動で生じる水頭圧損失を算出する水頭圧損失算出機構と、前記水頭圧損失算出機構が算出した水頭圧損失となるように、前記接続配管を流れる冷媒を減圧する減圧量制御機構とを具備したものであることを特徴とする。

このようなものであれば、評価すべき冷凍サイクルシステムにおける冷媒の移動落差長さえ設定入力すれば、水頭圧損失算出機構が前記移動落差長と冷媒密度に基づいて、評価すべき冷凍サイクルシステムで生じる水頭圧損失を算出するとともに、減圧量制御機構が接続配管での冷媒を減圧して、前記算出水頭圧損失が生じたと同等の作用を営ませるため、本冷凍サイクル評価システムのみで、そのハードウェア構成を変えることなく、種々の移動落差長を有した冷凍サイクルシステムの模擬・評価ができる。

前記密度算出用パラメータとしては、少なくとも冷媒の圧力及び温度があればよい。したがって、前記密度算出用パラメータ測定機構は、圧力測定手段及び温度測定手段を少なくとも有するものであればよい。

気液二相流にも対応してより精度の高い模擬動作を可能とするには、前記密度算出用パラメータとして、さらにｖｏｉｄ率が設定されており、前記密度算出用パラメータ測定機構が、ｖｏｉｄ率測定手段をさらに有するものであることが望ましい。

実際の模擬・評価試験では、冷媒を定常状態で流すだけでなく、冷媒の流量や圧力、温度が刻一刻変化させる必要がある。このような場合でも精度良い模擬動作を可能とするには、前記接続配管を流れる冷媒の流量を測定する冷媒流量測定機構をさらに設けておき、前記水頭圧損失算出機構によって、前記移動落差長を複数の区間に分割した場合の区間毎の水頭圧損失である区間水頭圧損失を、前記冷媒流量測定機構で測定した測定冷媒流量、区間毎の落差長及び前記密度算出用パラメータ測定機構で測定された密度算出用パラメータに基づいて算出させ、該各区間水頭圧損失を移動落差長の全区間に亘って積分して前記水頭圧損失を算出させるようにしておくことが好ましい。

このように構成した本発明に係る冷凍サイクル評価システムによれば、冷媒の移動落差長等を設定入力するだけで、ハードウェア構成を変えることなく、種々の移動落差長を有した冷凍サイクルシステムの模擬・評価ができるので、冷凍サイクルシステムの開発や試験における設備投資を削減できるだけでなく、試験工数を低減でき、試験効率の向上を図ることができる。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

＜第１実施形態＞
本実施形態に係る冷凍サイクル評価システム１００は、図１にその全体模式図を示すように、試験用室外機１と、試験用室内機２と、該試験用室外機１及び試験用室内機２の接続配管４の途中に設けた模擬装置３とによって試験用冷凍サイクルを形成し、前記模擬装置３の設定によって実機の動作、つまり評価すべき冷凍サイクルの動作を模擬可能に構成したものである。

前記試験用室内機２及び試験用室外機１は、圧縮機、蒸発器、膨張弁、凝縮器などの冷凍サイクル構成要素を有した通常の室内外機であり、内部の詳細な図示と説明はここでは省略する。

しかして、前記模擬装置３は、液冷媒が上方に向かって流れる接続配管４、すなわち凝縮器から蒸発器に至る接続配管４上に設置されるもので、同図に示すように、密度算出用パラメータ測定機構５、水頭圧損失算出機構６及び減圧量制御機構７を具備している。

各機構を詳述すると、前記密度算出用パラメータ測定機構５は、前記接続配管４を流れる冷媒の密度を算出するためのパラメータ、すなわち密度算出用パラメータの値を測定するもので、具体的には、接続配管４を流れる冷媒の圧力を測定する圧力測定手段たる圧力センサ５１と、前記冷媒の温度を測定する温度測定手段たるサーミスタ５２とを具備している。

前記水頭圧損失算出機構６は、前記密度算出用パラメータ測定機構５で測定された測定圧力及び測定温度に基づいて冷媒密度を算出するとともに、評価すべき冷凍サイクルの室内外機間における冷媒の移動落差長と当該試験用冷凍サイクルの試験用室内外機間における冷媒の移動落差長との差及び前記冷媒密度の乗算によって、試験用冷凍サイクルの冷媒移動で生じる水頭圧損失を基準にした場合の、前記評価すべき冷凍サイクルでの冷媒移動で生じる水頭圧損失を算出するものである。ここでは図示しないコンピュータ装置を設け、このコンピュータ装置のメモリに記憶させたプログラムに従ってＣＰＵやその周辺機器を協働させることにより、当該コンピュータ装置が水頭圧損失算出機構６としての機能を担うようにしている。

なお、冷媒密度の算出について付言しておくと、冷媒が液相であれば冷媒の種類に応じて圧力と温度から密度は一意的に定まるため、この実施形態では、液冷媒が流れているという仮定の下、例えば予め記憶させたテーブルを参照して測定温度と測定圧力から冷媒密度を求めるようにしている。

また、この実施形態では、試験用室内機２及び試験用室外機１間における冷媒の移動落差長は実質的にゼロ、つまり試験用室内機２及び試験用室外機１の高さを同じにして接続配管４が水平に延びるように設定してあるから、当該水頭圧損失算出機構６は、評価すべき冷凍サイクルの室内外機間における冷媒の移動落差長と冷媒密度との乗算によって、評価すべき冷凍サイクルでの前記冷媒移動で生じる水頭圧損失を算出するだけである。なお、評価すべき冷凍サイクルの室内外機間における冷媒の移動落差長は、例えばコンピュータ装置に設けた入力手段８を用いてオペレータが入力するようにしている。

減圧量制御機構７は、前記密度算出用パラメータ測定機構５よりも下流に設けられて、前記水頭圧損失算出機構６が算出した水頭圧損失による減圧量と実質的に等しい減圧を接続配管４を流れる冷媒に作用させるもので、接続配管４上に設けた減圧弁７１と、該減圧弁７１の入出力ポート間の差圧、すなわち減圧弁７１での減圧量を測定する減圧量測定手段たる差圧センサ７２と、前記差圧センサ７２による測定減圧量が前記水頭圧損失による減圧量と等しくなるように、減圧弁７１に制御信号を出力して弁開度を制御する減圧弁制御部７３とからなる。なお、この実施形態では、前記減圧弁制御部７３としての機能を前記コンピュータ装置が担うようにしている。

次に、かかる構成の冷凍サイクル評価システム１００の動作を図２を参照して説明する。
まず、オペレータが入力手段８を用いて、評価すべき冷凍サイクルの室内機及び室外機間における冷媒の移動落差長を初期条件として入力する。この情報は、前記水頭圧損失算出機構６が受信する（ステップＳ１）。

そして運転が開始されると、密度算出用パラメータ測定機構５を構成する圧力センサ５１とサーミスタ５２で測定された冷媒圧力及び冷媒温度を水頭圧損失算出機構６が取得し（ステップＳ２）、それらの値から冷媒密度を算出した後（ステップＳ３）、水頭圧損失を算出する（ステップＳ４）。

次に、減圧弁制御部７３が、前記水頭圧損失算出機構６で算出された水頭圧損失に等しい減圧量を目標減圧量に設定する（ステップＳ５）とともに、差圧センサ７２で測定された測定減圧量を取得し（ステップＳ６）する。そして、目標減圧量と測定減圧量との偏差を打ち消す方向の減圧弁操作量を算出し（ステップＳ７、Ｓ８）、減圧弁７１に制御信号を出力して弁開度をフィードバック制御する（ステップＳ９）。

この動作（ステップＳ２〜Ｓ９）を、運転終了（ステップＳ１０）に至るまで繰り返す。

しかして、このような構成によれば、評価すべき冷凍サイクルシステムにおける冷媒の移動落差長を設定入力するだけで、ハードウェア構成を変えることなく、種々の移動落差長を有した冷凍サイクルシステムの模擬・評価ができるので、冷凍サイクルシステムの開発や試験における設備投資を削減できるだけでなく、試験工数を低減でき、試験効率の向上を図ることができる。

＜第２実施形態＞
次に本発明に係る第２実施形態につき、図３、図４を参照して説明する。なお、この第２実施形態において、第１実施形態に対応する部材には同一の符号を付すこととする。

この第２実施形態では、冷媒密度をより精度良く測定し、実機、つまり評価すべき冷凍サイクルに対する模擬精度をさらに向上させるために、図３に示すように、密度算出用パラメータ測定機構５に、冷媒のｖｏｉｄ率を測定するｖｏｉｄ率測定手段５３を付加している。ｖｏｉｄ率とは、気液二相流における気相の占める容積割合のことであり、このｖｏｉｄ率がわかると、気液二相流での冷媒密度が算出できる。

すなわち、水頭圧損失算出機構６において、ｖｏｉｄ率から気相冷媒と液相冷媒の割合を算出しておき、気相冷媒に対しては、気体の状態方程式を当てはめるなどして、測定圧力と測定温度から冷媒密度を算出する一方、液相冷媒に対しては、前記実施形態と同じように、テーブルを利用するなどして冷媒密度を算出する。そして、気液双方の冷媒の密度と割合から、トータルとしての冷媒の密度を算出する（図４のステップＳ２’、ステップＳ３’参照）。

したがって、このような構成であれば、気液二相流であってもより正確な冷媒密度が算出できるため、その冷媒密度をパラメータとする水頭圧損失もより精度良く算出でき、結果として、評価すべき冷凍サイクルに対する模擬精度をさらに向上させることができるようになる。

＜第３実施形態＞
次に本発明に係る第３実施形態につき、図５〜図７を参照して説明する。なお、この第３実施形態において、前記第１、第２実施形態に対応する部材には同一の符号を付すこととする。

前記第１、第２実施形態では、冷媒が常に密度等が変化せず定常状態で流れていることを前提に水頭圧損失を算出している。しかし、実際の冷媒の流量や密度等は刻一刻変化しているため、接続配管４の箇所に応じて冷媒の状態が異なることとなる。そこで、この第３実施形態では、冷媒状態の時間変化をも考慮して水頭圧損失を求めることにより、さらに高い模擬精度の実現を図ったものである。

すなわち、この第３実施形態では、図５に示すように、減圧量制御機構７の上流に、接続配管４を流れる冷媒の流量を測定する冷媒流量測定機構１０をさらに設けている。この冷媒流量測定機構１０は、図６に示すように、接続配管４に連続して設けられた一定長さの液配管１０ａで生じる差圧を測定する差圧測定手段たる第２差圧センサ１０ｂと、前記ｖｏｉｄ率測定手段５３、圧力センサ５１及びサーミスタ５２（これらは前記密度算出用パラメータ測定機構５の構成要素を兼用している）と、それらにより測定された冷媒の差圧、ｖｏｉｄ率、圧力及び温度に基づいて流量を算出する流量算出部１０ｃとからなる。なお、この流量算出部１０ｃは前記コンピュータ装置がその機能を担うようにしている。また流量算出方法については周知であるのでここでは省略する。

一方、この実施形態では、前記水頭圧損失算出機構６には、前記移動落差長、つまり接続配管４を複数の区間に分割した場合の区間毎の水頭圧損失である区間水頭圧損失を、前記冷媒流量測定機構１０で測定した測定冷媒流量、区間毎の落差長及び前記密度算出用パラメータ測定機構５で測定された密度算出用パラメータに基づいて算出させ、該各区間水頭圧損失を接続配管４の全区間に亘って積分して前記水頭圧損失を算出させるようにしている。移動落差長を区間に分割した概念図を図６に示す。

次に、理解の容易のため、本実施形態に係る冷凍サイクル評価システムの具体的な動作を図７を参照しながら説明する。
まず、オペレータが入力手段８を用いて、接続配管４の内径、評価すべき冷凍サイクルの室内外機間における冷媒の移動落差長及び区間長を初期条件として入力する。この情報は、前記水頭圧損失算出機構６が受信する（ステップＳ３１）。

そして運転が開始されると、流量算出部１０ｃが、第２差圧センサ１０ｂ、ｖｏｉｄ率測定手段５３、圧力センサ５１及びサーミスタ５２からの測定信号を受信し、それら測定値に基づいて流量を算出する（ステップS３２）。

次に水頭圧損失算出機構６が、測定されたｖｏｉｄ率、圧力及び温度に基づいて、上流側の最初の区間での冷媒密度とエンタルピを算出し（ステップS３３）、その算出された冷媒密度と区間長とに基づいて、区間水頭圧損失を算出する（ステップS３４）。

さらに水頭圧損失算出機構６は、測定されたｖｏｉｄ率、圧力、温度及び算出流量に基づいて、区間摩擦損失を算出する（ステップS３５）。

そして、この区間摩擦損失を前記測定圧力から差し引くことによって次の区間における圧力を算出する（区別のため、以下算出圧力ともいう。ステップS３６）。また、この算出圧力に基づいて、等エンタルピ変化という前提の下、当該区間での冷媒密度及びｖｏｉｄ率を算出する（ステップS３７）。

次に、その算出された冷媒密度と区間長とに基づいて、当該区間における区間水頭圧損失を算出する（ステップS３８）。

さらに前記算出ｖｏｉｄ率、前記算出圧力、測定温度及び算出流量に基づいて、当該区間における区間摩擦損失を算出する（ステップS３９）。

そして、全区間が終了したかどうかを判断した後（ステップS４０）、途中であれば、前記区間摩擦損失を当該区間における算出圧力から差し引くことによって次の区間における圧力を算出する（ステップS４１）。そしてステップ３７に進む。

このようにして、ステップ３７からステップ４１を繰り返して、全ての区間の区間水頭圧損失を算出し、これらを積算することで、全区間の積分水頭圧損失を算出する（ステップＳ４２）。この積分水頭圧損失が、前記第１、第２実施形態における水頭圧損失に相当する。

その後の水頭圧損失に基づく減圧弁７１の制御ステップ（図３、４におけるステップＳ５以降）に関しては、前記第１、第２実施形態と同様であるから説明は省略する。

しかして、このような構成であれば、冷媒の移動落差長を複数の区間に分割して密度等を算出するようにしているので、上述したように、冷媒状態の時間変化にも対応した高い模擬精度での動作が可能になる。
なお、本発明は前記図示例や実施形態に限られず、その主旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

本発明の第１実施形態に係る冷凍サイクル評価システムの全体模式図。 同実施形態に係る冷凍サイクル評価システムの動作説明用フローチャート。 本発明の第２実施形態に係る冷凍サイクル評価システムの全体模式図。 同実施形態に係る冷凍サイクル評価システムの動作説明用フローチャート。 本発明の第３実施形態に係る冷凍サイクル評価システムの全体模式図。 同実施形態に係る冷凍サイクル評価システムの動作を説明するための補助説明図。 同実施形態に係る冷凍サイクル評価システムの動作説明用フローチャート。 評価すべき冷凍サイクルシステムでの水頭圧損失が発生するメカニズムも説明するための模式図。 水頭圧損失が発生した場合の冷凍サイクルの変化を定性的に示すモリエ線図。

符号の説明

１００・・・冷凍サイクル評価システム
１・・・試験用室外機
２・・・試験用室内機
３・・・模擬装置
４・・・接続配管
５・・・密度算出用パラメータ測定機構
５１・・・圧力測定手段（圧力センサ）
５２・・・温度測定手段（サーミスタ）
５３・・・ｖｏｉｄ率測定手段
６・・・水頭圧損失算出機構
７・・・減圧量制御機構
１０・・・冷媒流量測定機構

Claims (4)

1. 評価すべき冷凍サイクルの動作を模擬可能に構成した冷凍サイクル評価システムであって、
   試験用室外機と、試験用室内機と、該試験用室外機及び試験用室内機の接続配管途中に設けた模擬装置とによって試験用冷凍サイクルを形成してなり、
   前記模擬装置が、
   前記接続配管を流れる冷媒の密度を算出するためのパラメータを測定する密度算出用パラメータ測定機構と、
   前記密度算出用パラメータ測定機構で測定された密度算出用パラメータと評価すべき冷凍サイクルの室内外機間における冷媒の移動落差長とに基づいて、前記評価すべき冷凍サイクルでの前記冷媒移動で生じる水頭圧損失を算出する水頭圧損失算出機構と、
   前記水頭圧損失算出機構で算出された水頭圧損失となるように、前記接続配管を流れる冷媒を減圧する減圧量制御機構とを具備したものであることを特徴とする冷凍サイクル評価システム。
2. 前記密度算出用パラメータが冷媒の圧力及び温度であり、前記密度算出用パラメータ測定機構が、圧力測定手段及び温度測定手段を有するものである請求項１記載の冷凍サイクル評価システム。
3. 前記前記密度算出用パラメータとして、さらにｖｏｉｄ率が設定されており、前記密度算出用パラメータ測定機構が、ｖｏｉｄ率測定手段をさらに有するものである請求項２記載の冷凍サイクル評価システム。
4. 前記接続配管を流れる冷媒の流量を測定する冷媒流量測定機構をさらに具備し、
   前記水頭圧損失算出機構が、前記移動落差長を複数の区間に分割した場合の区間毎の水頭圧損失である区間水頭圧損失を、前記冷媒流量測定機構で測定した測定冷媒流量、区間毎の落差長及び前記密度算出用パラメータ測定機構で測定された密度算出用パラメータに基づいて算出し、算出された各区間水頭圧損失を移動落差長の全区間に亘って積分して前記水頭圧損失を算出するものである請求項１、２又は３記載の冷凍サイクル評価システム。