JP4335115B2 - Air refrigerant refrigeration system - Google Patents
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Description
本発明は,空気を冷媒として冷凍サイクルを形成する空気冷媒式冷凍装置に関する。 The present invention relates to an air refrigerant refrigeration apparatus that forms a refrigeration cycle using air as a refrigerant.
フロンやアンモニア等に変えて空気を冷媒として冷凍サイクルを形成する空気冷媒式冷凍装置が知られている(例えば特許文献1)。特許文献1等の空気冷媒式冷凍装置では,被冷却部に供給した低温空気を循環使用する構成とし,そのさい,被冷却部からの戻り空気のもつ冷熱を膨張機に入る前の空気に付与すべく空気対空気熱交換器を熱回収用に使用していた。この熱回収熱交換器では,圧力損失を最小にするために例えば特許文献2に記載されているようにプレート型熱交換器が使用されていた。
前記の空気冷媒式冷凍装置において,熱回収用熱交換器としてプレート型の空気対空気熱交換器を使用する場合には,コストが高いことに加えて,器内での空気の偏流が不可避であり,このために設計通りの性能が出にくいという問題と,空気の出入口の位置が固定されてしまうので,システム内のパーツとの接続の位置や方向に制約を受け,システム全体のレイアウト設計が難しくなるという問題が付随した。また,戻り空気の流量や温度の変動に追従した熱交換効率のよい制御を実現できないといった問題もあった。 When using a plate-type air-to-air heat exchanger as a heat exchanger for heat recovery in the above-described air refrigerant refrigeration system, in addition to high cost, air drift in the chamber is unavoidable. For this reason, it is difficult to achieve the performance as designed, and the position of the air inlet / outlet is fixed. Therefore, the layout design of the entire system is restricted by the position and direction of connection with the parts in the system. The problem of getting harder came along. In addition, there is a problem that it is not possible to realize control with high heat exchange efficiency that follows fluctuations in the flow rate and temperature of the return air.
この課題を解決するために,本発明によれば,空気圧縮機,空気冷却器および空気膨張機を経た空気を被冷却部に供給し,被冷却部からの戻り空気を前記の空気圧縮機に循環する空気冷媒式冷凍装置において,前記の空気冷却器と空気膨張機の間の空気経路に空気対液体熱交換器を配置すると共に,被冷却部と空気圧縮機の間の空気経路にも空気対液体熱交換器を配置し,両熱交換器の間を熱媒液体が循環する熱媒循環路を熱媒循環量の制御ができるように形成したことを特徴とする空気冷媒式冷凍装置を提供する。 In order to solve this problem, according to the present invention, air that has passed through an air compressor, an air cooler, and an air expander is supplied to a cooled portion, and return air from the cooled portion is supplied to the air compressor. In the circulating air refrigerant refrigeration system, an air-to-liquid heat exchanger is disposed in the air path between the air cooler and the air expander, and the air path between the cooled portion and the air compressor is also air. An air refrigerant refrigeration system characterized in that a heat medium circulation path in which a heat medium liquid is circulated between two heat exchangers and a heat medium circulation path is arranged so that the amount of heat medium circulation can be controlled. provide.
前記のように,特許文献1や2には,空気圧縮機,空気冷却器および空気膨張機を経た空気を被冷却部に供給し,被冷却部からの戻り空気を前記の空気圧縮機に循環する空気冷媒式冷凍装置が記載されており,そのさい,被冷却部からの戻り空気のもつ冷熱を膨張機に入る前の空気に付与する空気対空気熱交換器を使用する点も公知である。本発明は,この従来の装置で使用されていた空気対空気熱交換器に代えて,熱媒循環型の熱交換方式を採用し,かつその熱媒循環量の制御ができるようにした点に特徴がある。 As described above, in Patent Documents 1 and 2, the air that has passed through the air compressor, the air cooler, and the air expander is supplied to the cooled portion, and the return air from the cooled portion is circulated to the air compressor. It is also known that an air-to-air heat exchanger is used to apply the cold heat of the return air from the cooled part to the air before entering the expander. . The present invention adopts a heat medium circulation type heat exchange method in place of the air-to-air heat exchanger used in this conventional apparatus , and can control the amount of heat medium circulation. There are features.
この熱媒循環型の熱交換方式を採用した本発明の空気冷媒式冷凍装置の構成例を図1に示した。図1の装置では,空気の流れの順に,第1空気圧縮機1,第1空気冷却器2,第2空気圧縮機3,第2空気冷却器4,空気対液体熱交換器5(第3空気冷却器),空気膨張機6,捕集器7(除雪・除霜器)が配置され,これらを経た空気が被冷却部8(例えば冷凍倉庫等)に送気される。被冷却部8からの戻り空気は,空気対液体熱交換器9(加熱器)を経て第1空気圧縮機1に循環される。
A configuration example of the air refrigerant refrigeration apparatus of the present invention adopting this heat medium circulation type heat exchange system is shown in FIG. In the apparatus of FIG. 1, the first air compressor 1, the first air cooler 2, the
図示の装置において,空気圧縮機は第1と第2の空気圧縮機1と3に分割され,両者の間に第1空気冷却器2が介装されている。第2の空気圧縮機3と膨張機6は動力源を共通にして一体的に組み合わされた共軸の空気圧縮膨張装置である。図中に記した圧力と温度の値は,被冷却部8に送気されるときに圧力0.1Mpaで温度−55℃の低温空気を製造し,被冷却部8から戻る空気が圧力0.1Mpaで温度−30℃の空気である場合の各機器間の圧力と温度を例示したものである。第1冷却器2と第2冷却器3はいずれも空気対水熱交換器が用いられており,これらには外部から冷却水が通水されることにより,圧縮機を出た空気が所要の温度にまで冷却される。
In the illustrated apparatus, the air compressor is divided into first and
本発明においては,第2冷却器4を出て膨張機6に入る前の空気経路に空気対液体熱交換器5(これは第3冷却器としての機能を果たす)を配置する。他方,被冷却部8を出た戻り空気が第1圧縮機1に入る前の空気経路にも空気対液体熱交換器9(これは加熱器としての機能を果たす)を配置する。これらの空気対液体熱交換器5と9はいずれもフインチューブ型熱交換器を使用し,両者のチューブ側同士をホンプ10を介装した循環路に形成し,この循環路に熱媒としてブラインを循環させる。ポンプ10はインバーターによる回転数制御ができるものを使用するか,または開度制御ができる制御弁を該循環路に介装させることにより,熱媒の循環量を制御できる構成とする。
In the present invention, an air-to-liquid heat exchanger 5 (which functions as a third cooler) is disposed in an air path before leaving the
別の態様として,空気対液体熱交換器5と9としてシエルアンドチューブ型熱交換器を使用することもできる。この場合にも,チューブ側を互いに連結して熱媒循環路を形成し,ポンプ10によって熱媒(ブライン)を強制循環させ,その循環量をインバーターによるポンプ回転数制御または制御弁による開度制御によって行う。
Alternatively, shell and tube heat exchangers can be used as the air-to-
いずれにしても,この構成により,圧縮機を出て膨張機に入る前の高圧高温側の空気と,被冷却部から圧縮機に入る前の低圧低温側の空気とが熱媒を介して熱交換されることになり,この熱媒循環量の制御によって最適な熱交換を行わせることができる。すなわち,この熱媒循環量の制御によって,被冷却部において外部との熱の授受に変動があったり,運転条件が変化した場合でも,系内の空気の温度,圧力,流量が変動するのをできるだけ回避することができる。 In any case, with this configuration, the high-pressure and high-temperature air before leaving the compressor and entering the expander and the low-pressure and low-temperature air before entering the compressor from the cooled part are heated via the heat medium. It will be exchanged, and optimal heat exchange can be performed by controlling the circulation amount of the heat medium. In other words, by controlling the amount of circulating heat medium, the temperature, pressure, and flow rate of the air in the system fluctuate even if there is a change in the exchange of heat with the outside in the cooled part or the operating conditions change. It can be avoided as much as possible.
この熱媒循環量制御の例を図2〜4に示した。図2はポンプ10の回転数をインバータ制御によって行う例を示している。この場合,熱交換器5の空気出入口付近に温度センサーT1,T2を設置すると共に,熱交換器9の空気出入口付近にも温度センサーT3,T4を設置し,これらの検出値を制御盤11に送信する。制御盤11は,これらの温度センサーで検出される値が設定値の範囲内となるようにインバーター12に指令を発してフイードバック制御を行う。温度センサーT1,T2,T3,T4に代えて,空気の圧力を検出する圧力センサーP1,P2,P3,P4を設置して同様の制御を行うこともできる。また,図示しないが,熱交換器5と9の各空気路に流量計を設置して,これらの空気路の空気流量を検出して,この値を制御盤11に入力して熱媒循環量の制御に利用することもできる。また,熱媒循環路に流量計13を設置し,この流量検出値が所定の値となるような制御を行うこともできる。
Examples of this heat medium circulation rate control are shown in FIGS. FIG. 2 shows an example in which the rotation speed of the
図3は,インバータ制御に代えて,熱媒循環路に介装した制御弁14の開度制御によって熱媒循環量を制御する例を示している。制御弁14は制御盤11からの指令によりその開度が自動調整されるが,制御盤11に送信される温度センサー,圧力センサーまたは風量センサー等の検出信号などは図2の場合と同様の態様で検出することができる。
FIG. 3 shows an example in which the heat medium circulation amount is controlled by opening control of the
図4は,インバータ制御方式に代えて,バイパス路15を設けたうえ,このバイパス路15に流れる熱媒量を制御弁16と17の開度制御によって制御するようにした例を示している。各制御弁16と17は制御盤11からの指令によりその開度が自動調整される。制御盤11に送信される温度センサー,圧力センサーまたは風量センサー等の検出信号などは図2の場合と同様の態様で検出することができる。
FIG. 4 shows an example in which a
いずれにしても,各センサーでの入力値から,熱交換量,熱交換効率を算出し,熱交換効率が最大になるように,熱媒の流量制御を行うことができる。例えば,温度センサーを用いる制御では,各センサーで検出される値から(T4−T3)/(T1−T2)の値を計算し(この値は熱交換効率に対応する),この値が最も高くなるように熱媒の循環量の制御を行う。圧力センサーを用いる場合も同様である。 In any case, the heat exchange amount and the heat exchange efficiency can be calculated from the input values of each sensor, and the flow rate of the heat medium can be controlled so as to maximize the heat exchange efficiency. For example, in control using a temperature sensor, the value of (T4-T3) / (T1-T2) is calculated from the values detected by each sensor (this value corresponds to the heat exchange efficiency), and this value is the highest. The amount of circulation of the heat medium is controlled so that The same applies when a pressure sensor is used.
このようにして本発明によると,空気を冷媒として冷凍サイクルを形成する空気冷媒式冷凍装置において,被冷却部からの戻り空気(低温低圧空気)と膨張機に入る前の(高温高圧空気)とを熱交換するさいに,空気対液体熱交換器を両空気路に設置し,両者の間を液熱媒が循環するように構成し,その熱媒循環量を制御できるようにしたので,系内の温度・圧力・流量などの変動があっても,熱交換効率が最大となるように熱交換できることに加えて,特許文献1や2の場合に比べると次のような有利な効果を奏する。 Thus, according to the present invention, in the air refrigerant type refrigeration apparatus that forms a refrigeration cycle using air as a refrigerant, return air (low-temperature low-pressure air) from the cooled part and (high-temperature high-pressure air) before entering the expander When heat is exchanged, an air-to-liquid heat exchanger is installed in both air passages so that the liquid heat medium circulates between the two and the heat medium circulation rate can be controlled. Even if there are fluctuations in temperature, pressure, flow rate, etc., in addition to being able to exchange heat so that the heat exchange efficiency is maximized, the following advantageous effects can be obtained compared to the cases of Patent Documents 1 and 2. .
(1) 熱交換器を2つに分けたことにより,システムのレイアウトに自由度ができ,装置構成がコンパクトになる。
(2) 空気対空気熱交換器に比べると,各空気対液体熱交換器5と9の内部に液熱媒が通液するさいにその流量分布や温度分布の偏りが小さくなるので,空気側での温度分布も小さくなって熱交換効率を高くすることができる。
(3) 空気対空気熱交換器では,高圧側の器内では露点が上がるので空気中の湿分が凝縮し易く(特に空気の温度分布の偏りが大きいと平均温度より低くなった空気中では湿分が凝縮し易く),これが氷となって系を閉塞させたり,熱交換効率を落としたりするが,液熱媒を循環させる場合には(2) のように温度分布の偏りが小さいので,結氷が起こりにくくなる。
(1) By dividing the heat exchanger into two, the layout of the system is free and the equipment configuration is compact.
(2) Compared to air-to-air heat exchangers, the flow rate and temperature distribution are less biased when the liquid heat medium passes through the air-to-
(3) In an air-to-air heat exchanger, the dew point rises in the high-pressure side of the air exchanger, so moisture in the air tends to condense (especially in air where the temperature is lower than the average temperature if the air temperature distribution is large). Moisture tends to condense), which can become ice and block the system or reduce the heat exchange efficiency. However, when circulating the liquid heat medium, the temperature distribution is less , Freezing is unlikely to occur.
1 第1の空気圧縮機
2 第1冷却器
3 第2の空気圧縮機
4 第2冷却器
5 空気対液体熱交換器(第3冷却器)
6 膨張機
7 捕集器
8 被冷却部
9 空気対液体熱交換器(加熱器)
10 ポンプ
11 制御盤
12 インバーター制御器
13 流量計
14 制御弁
15 バイパス路
16 制御弁
17 制御弁
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st air compressor 2 1st cooler 3
6
10 Pump
11 Control panel
12 Inverter controller
13 Flow meter
14 Control valve
15 Bypass
16 Control valve
17 Control valve
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