JPH0760028B2 - 冷凍装置の制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、混合冷媒を用いた冷凍装置に関するものであ
る。

従来の技術 混合冷媒を用いた冷凍装置は、そのサイクル内部を循環
する冷媒の組成比率を可変とすることにより、能力制御
や性能改善を行なうことができる。

従来、特に非共沸混合冷媒を用いた冷媒装置のサイクル
内部を循環する冷媒組成を可変とする方式として、沸点
の違いを利用した精留分離方式が用いられている（例え
ば特開昭61−101757号公報）。

以下第７図、第８図を参照しながら、精留分離方式を用
いた冷凍装置の一例について説明する。

第７図は従来例を示す冷凍サイクル図、第８図は非共沸
混合冷媒の組成比率を変えるための精留塔の断面図であ
る。

第７図において、１は圧縮機、２は凝縮器、３は主絞り
装置、４は蒸発器で環状に接続されて主回路を構成して
いる。一方、凝縮器２の出口と精留塔６の入口とは配管
10により接続され、加熱器５が配管10と熱交換的に接続
されている。また、精留塔６の下部出口と主回路の蒸発
器４の入口とは副絞り装置７を介して配管11,12により
接続されている。また、精留塔６の上部には冷却器８と
貯溜器９とが設けられ、貯溜器９は配管13,14により精
留塔６と環状に接続されている。また、冷却器８と配管
13とが熱交換的に接続されている。ここで加熱器５およ
び冷却器８の熱源は圧縮機１の吐出ガスおよび吸入ガス
を用いている。冷媒は沸点差を有する２種類の冷媒から
なる非共沸混合冷媒を用いる。

第８図において、601は精留塔６の本体、602は充填材、
603,604は充填材保持具である。

以上のように構成された冷凍装置について、以下その動
作について説明する。

まず初めに精留分離をしない時について説明する。

凝縮器２から出た高圧液冷媒の一部が配管10により分岐
される。この時、副絞り装置７の弁開度を大きくすると
配管10に分岐する分岐冷媒流量が増大し、加熱器５の加
熱不足となるため蒸発が発生せず、精留塔６の下部入口
より液冷媒が流入する。その結果、精留作用が進行せ
ず、液冷媒は精留塔６の内部を上昇し、配管13を通って
貯溜器９に入り、配管14により再び精留塔６に戻る。そ
して副絞り装置７により減圧されて主回路側冷媒と合流
する。

このように、貯溜器９の内部の低沸点成分の組成比率が
上昇しないため、主回路の組成比率は冷媒充填比率に等
しくなる。

次に精留分離を行う場合について説明する。

上記の状態から副絞り装置７の弁開度を小さくしていく
と分岐冷媒流量が減少し、凝縮器２から出て分岐された
液冷媒は、加熱器５で加熱されて一部気化し精留塔６の
下部入口より流入する。このガス成分は精留塔６の中の
充填材602のすきまを上昇し、上部出口より配管13を通
って冷却器８へ入り、冷却液化されて貯溜器９に入る。
貯溜器９と精留塔６の戻り配管14とはあらかじめ落差Ａ
を設けてあり、その落差Ａにより貯溜器９から液冷媒の
一部が配管14を通って再び精留塔６に戻され充填材602
のすきまを下降し、途中上昇してくる蒸気と互いに気液
接触を行ない、熱交換、物質移動により精留作用をな
し、貯溜器９には低沸点成分の多い冷媒が貯えられ、精
留塔６の下部からは低沸点成分の少ない冷媒が配管11、
副絞り装置７、配管12を通って主回路に流入する。

したがって、主回路の低沸点成分比率は低下し、高沸点
成分比率は上昇する。

以上のように、副絞り装置７の弁開度を制御することに
より蒸気発生量を調整して精留分離を行い、貯溜器９内
部に蓄えられる冷媒組成比率を変化させることにより、
主回路冷媒の組成比率を可変となることができる。

発明が解決しようとする課題 しかしながら上記のような構成では、以下のような問題
点があった。

先ず第一に、精留分離するためには加熱等を行い、精留
塔下部より冷媒蒸気を流入する必要があるが、加熱器に
は高温吐出冷媒を用いるので、暖房運転時には凝縮器入
口温度が低下するため、暖房能力が低下する。

第二に、精留分離後サーモオフなど、圧縮機が停止する
と、主回路と分離回路は圧縮バランスしてしまい、回路
内の冷媒濃度は初期冷媒封入組成比率に戻るという問題
点があった。

本発明は上記問題点に鑑み、冷媒分離完了後、主回路の
冷媒濃度を一定に保ち、さらに熱損失が少なく分離性能
の良い分離回路の実現を目的とする。

課題を解決するための手段 上記問題点を解決するために本発明は、加熱器として電
気加熱ヒータを用い、精留塔の入口に二方弁を設け、精
留塔の出口に全閉可能な副絞り装置を設け、精留塔の上
部温度を検出し電気信号に変換する温度検出手段と、前
記温度検出手段から出力された電気信号を入力し、時間
に対する変化率を計算し電気信号を出力する演算手段
と、前記演算手段から出力された電気信号と設定電気信
号を比較判定して制御信号を出力する比較手段と、前記
電気加熱ヒータの通電と、前記副絞り装置と前記二方弁
の開閉を制御する出力モードを記憶した記憶手段と、前
記比較手段から出力された制御信号により、前記記憶手
段の出力モードの一つを選択する選択手段と、前記記憶
手段の出力モードに従い前記電気加熱ヒータの通電と、
前記副絞り装置と前記二方弁の開閉を制御する出力手段
により構成したものである。

作用 本発明は上記構成により、冷媒分離完了を精留塔上部温
度の時間に対する変化率で検出し、その後、電気加熱ヒ
ータの通電を止め分離回路入口の二方弁を閉め、分離回
路出口の副絞り装置を全閉にすることにより、冷媒分離
完了後、主回路の冷媒濃度を一定に保ち、さらに熱損失
の少ない分離回路の実現を図ることができる。

実施例 以下、本発明の一実施例の冷凍装置の制御装置について
図面を参考に説明する。

第１図は、本発明の実施例における冷凍サイクル図であ
る。

同図において、11は圧縮機、12は四方弁、13は室外側熱
交換器、14は主絞り装置、15は室内側熱交換器で順次環
状に接続されて主回路を構成している。一方、主絞り装
置14の入口と出口には主絞り装置14と並列に逆止弁ブリ
ッジ16を接続し、常に高圧冷媒側となる逆止弁ブリッジ
16の出口と精留塔20の入口とは、二方弁17を介して電気
加熱ヒータ18が巻かれた配管19により接続され、また、
精留塔20の下部出口と常に低圧冷媒側となる逆止弁ブリ
ッジ16の入口とは全閉可能な副絞り装置21を介して接続
され、精留塔20の上部には冷却器22と貯溜器23とが設け
られ、貯溜器23は精留塔20と環状に接続されて分離回路
24が構成されている。25は精留塔20上部の温度を検出す
る温度センサである。

次に第２図において制御回路は、冷凍装置全体を制御す
るマイクロコンピュータ（以下LSIと称す）26、精留塔2
0上部の温度を検出する温度センサ25と温度検出回路2
7、設定温度変化率αを出力する抵抗回路28、電気加熱
ヒータ18、副絞り装置21の開度を制御するステップモー
タ29および二方弁17を開閉させるコイル30により構成さ
れている。

ここで第３図に示すブロック図と第２図に示す制御回路
について説明すると、第２図に示す設定温度変化率αを
出力する抵抗回路28が第３図に示す温度変化率設定値に
相当し、第２図の温度センサ25および温度検出回路27
は、第３図の温度検出手段に相当する。また、第２図の
LSI 26は、第３図の温度検出手段から出力された電気信
号Ｔを検出し、時間ｔに対する変化率T/dtを計算し電気
信号を出力する演算手段、演算手段から出力された電気
信号T/dtと設定温度変化率αとを比較判定して制御信号
を出力する比較手段、電化加熱ヒータ18の通電と、副絞
り装置21と二方弁17の開閉を制御する出力モードを記憶
した記憶手段、比較手段から出力された制御信号により
記憶手段の出力モードの一つを選択する手段に相当す
る。そして、第２図の電気加熱ヒータ18、ステップモー
タ29および二方弁17を開閉させるコイル30は、第３図の
出力手段に相当する。

以上のように構成された冷凍サイクルについて、最初
に、冷媒分離完了を精留塔上部温度の時間に対する変化
率dT/dtにより検出できることを明らかにする。

まず冷媒分離が進行していった場合の変化について述べ
る。

第５図は圧力一定の場合の冷媒温度に対する冷媒飽和温
度変化である。横軸は冷媒濃度で、右に行くほど低沸点
冷媒の濃度が高くなる。第５図より圧力一定の場合、低
沸点冷媒の濃度が高くなるに従い飽和温度は、低下す
る。

次に、冷媒分離が進行している場合の、時間ｔに対する
精留塔20上部の温度Ｔの変化を第６図に示す。ただし、
空調条件は一定とする。

時間の経過にともない分離が進行し、貯溜器23には低沸
点成分比率の高い冷媒が貯えられてゆき、貯溜器23から
精留塔20上部には低沸点成分比率の高い冷媒が戻ってく
る。精留塔20上部の温度は、その冷媒圧力に対する気相
側の飽和温度にほぼ等しいので、精留塔20上部の温度は
次第に低下する。しかし、ある程度分離が進行すると第
６図のように、時間ｔに対する温度変化率dT/dtは小さ
くなり、分離は止まってしまう。

従って、時間に対する精留塔20上部の温度変化率dT/dt
が設定値αより小さくなったことを検出することによ
り、冷媒分離の完了を検出できることが明らかとなっ
た。

次に冷媒分離をしない場合について説明する。

冷房運転の場合、圧縮機11により圧縮された冷媒蒸気は
室外側熱交換器13により冷却液化され、主絞り装置14で
減圧された後、室内側熱交換器15で蒸発して圧縮機11へ
戻る。室外側熱交換器13の出口から分岐された液冷媒
は、逆止弁ブリッチ16、二方弁17、電気加熱ヒータ18が
巻かれた配管19を通り、精留塔20下部入口へ入る。冷媒
分離をしない場合、LSI26内蔵の選択手段により記憶手
段の第１の出力モードが選択され、電気加熱ヒータ18に
は通電されない。従って蒸気が発生せず、精留塔20の下
部入口より液冷媒が流入する。その結果、精留作用が進
行せず、液冷媒は精留塔20の内部を上昇し、貯溜器23に
入り、再び精留塔20に戻る。そして副絞り装置21により
減圧されて主回路側冷媒と合流する。

このように、貯溜器23の内部の低沸点成分の組成比率が
上昇しないため、主回路の組成比率は冷媒充填比率に等
しくなる。

次に冷媒分離を行う場合について説明する。

LSI26内蔵の選択手段により記憶手段の第２の出力モー
ドが選択されて、電気加熱ヒータ18に通電すると、室外
側熱交換器13から出て分岐された液冷媒は、電気加熱ヒ
ータ18で加熱されて一部気化し、精留塔20の下部入口よ
り流入する。このガス成分は精留塔20を上昇し、上部出
口より冷却器22へ入る。そして冷却液化されて貯溜器23
に入り、再び精留塔20に戻され下降する。さらに途中上
昇してくる蒸気と互いに気液接触を行ない、熱交換、物
質移動により精留作用をなし、貯溜器23には低沸点成分
の多い冷媒が貯えられ、精留塔20の下部からは低沸点成
分の少ない冷媒が副絞り装置21、逆止弁ブリッジ16を通
って主回路に流入する。

従って、次第に主回路の低沸点成分比率は低下し、高沸
点成分比率は上昇してゆく。

そして、ある程度分離が進行してゆくと、時間ｔに対す
る精留塔20上部の温度変化率dT/dtが小さくなって行
き、設定温度変化率αより小さくなると、LSI26の比較
手段より分離完了の制御信号が出力され、記憶回路の第
３の出力モードが選択され、二方弁17を閉じるようにコ
イル30に通電され、副絞り装置21を全閉するようにステ
ップモータ29へ制御信号が出力され、電気加熱ヒータへ
の通電がとまる。

その結果、主回路側の冷媒濃度を一定に保ち、さらに熱
損失の少ない冷媒分離回路を実現できる。なお、本実施
例では精留して低沸点冷媒を貯溜する場合について述べ
ているが、たとえば精留塔20下部に配置した貯溜器に高
沸点冷媒を貯溜する冷凍サイクル（図示せず）の場合も
同様な効果を有するものである。

発明の効果 以上のように本発明は、冷媒分離完了を精留塔上部温度
の時間に対する変化率で検出し、その後、電気加熱ヒー
タの通電を止め、また分離回路入口に二方弁を閉め、分
離回路出口の副絞り装置を全閉にすることにより、冷媒
分離完了後における主回路の冷媒濃度を一定に保ち、さ
らに熱損失の少ない分離回路の実現を図ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における冷凍装置の冷凍サイ
クル図、第２図は同冷凍装置の制御装置を具体化した制
御回路図、第３図は同制御装置を機能実現手段で表現し
たブロック図、第４図は同制御装置のフローチャート
図、第５図は圧力一定の場合の冷媒濃度に対する冷媒飽
和温度変化図、第６図は冷媒分離が進行している場合の
時間に対する精留塔上部の温度変化図、第７図は従来例
における冷凍サイクル図、第８図は同精留塔の詳細断面
図である。 11……圧縮機、12……四方弁、13……室外側熱交換器、
14……主絞り装置、15……室内主熱交換器、16……逆止
弁ブリッジ、17……二方弁、18……電気加熱ヒータ、19
……配管、20……精留塔、21……副絞り装置、22……冷
却器、23……貯溜器、24……分離回路、25……温度セン
サ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】非共沸混合冷媒を用い、圧縮機、四方弁、
   室外側熱交換器、主絞り装置、室内側熱交換器が環状に
   接続されて主回路を構成し、主絞り装置の入口と出口に
   は主絞り装置と並列に逆止弁ブリッジを接続し、常に高
   圧冷媒側となる逆止弁ブリッジの出口と精留塔の入口と
   は、二方弁を介して電気加熱ヒータが巻かれた配管によ
   り接続され、また、精留塔の下部出口と常に低圧冷媒側
   となる逆止弁ブリッジの入口とは全閉可能な副絞り装置
   を介して接続され、精留塔の上部には冷却器と貯溜器と
   が設けられ、貯溜器は精留塔と環状に接続された分離回
   路により冷凍装置を構成し、精留塔の上部温度を検出し
   電気信号に変換する温度検出手段と、前記温度検出手段
   から出力された電気信号を入力し、時間に対する変化率
   を計算して電気信号を出力する演算手段と、前記演算手
   段から出力された電気信号と設定電気信号を比較判定し
   て制御信号を出力する比較手段と、前記電気加熱ヒータ
   の通電と、前記副絞り装置と前記二方弁の開閉を制御す
   る出力モードを記憶した記憶手段と、前記比較手段から
   出力された制御信号により、前記記憶手段の出力モード
   の一つを選択する選択手段と、前記記憶手段の出力モー
   ドに従い前記電気加熱ヒータの通電と、前記副絞り装置
   と前記二方弁の開閉を制御する出力手段により構成され
   た冷凍装置の制御装置。