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CN104813120A - 冷冻装置 - Google Patents

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CN104813120A CN201280077151.6A CN201280077151A CN104813120A CN 104813120 A CN104813120 A CN 104813120A CN 201280077151 A CN201280077151 A CN 201280077151A CN 104813120 A CN104813120 A CN 104813120A
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Abstract

本发明目的是得到一种使低温侧蒸发器的蒸发温度为-80～-60℃、低GWP且可靠性高的冷冻装置。本发明的进行二元冷冻循环的冷冻装置具备：高温侧循环回路，其将高温侧压缩机、高温侧冷凝器、高温侧膨胀阀以及高温侧冷凝器串联地连接；低温侧循环回路，其将低温侧压缩机、低温侧冷凝器、低温侧膨胀阀以及低温侧冷凝器串联地连接，流动着由CO2和R32构成且R32在整体中所占的比例为50～74％的混合制冷剂；级联冷凝器，其将前述高温侧蒸发器和前述低温侧冷凝器换热地连接；和喷射回路，其从前述低温侧冷凝器和前述低温侧膨胀阀之间分支，连接到前述低温侧压缩机内。

Description

冷冻装置
技术领域
本发明涉及进行二元冷冻循环的冷冻装置。
背景技术
以往，存在由级联冷凝器连接供低温侧制冷剂循环的低温侧循环回路和供高温侧制冷剂循环的高温侧循环回路的冷冻装置。在这种冷冻装置中，提出了在低温侧循环回路中作为制冷剂使用二氧化碳(下面称为“CO2”)(专利文献1)。CO2由于是天然存在的物质，地球温暖化系数(下面称为“GWP”)小，所以，即使在意外地从冷冻循环装置泄漏的情况下，也不会破坏臭氧层，能够构成对地球环境友好的冷冻装置。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2004-190917号
发明内容
发明要解决的课题
在金枪鱼等的冷冻中，冷冻库内温度为-50℃左右，为了实现该温度，需要使低温侧蒸发器的蒸发温度在-80～-60℃左右。但是，由于CO2的三相点是-56.6℃，所以，即使使用CO2的单一制冷剂，也不能使低温侧蒸发器的蒸发温度在-80～-60℃，不能以适当的温度冷冻金枪鱼等。另一方面，虽然若在低温侧循环回路中使用R404A制冷剂，则能够使蒸发温度降低至-65℃左右，但是由于R404A的GWP是3920，所以，在万一泄漏的情况下，存在对地球温暖化造成影响的可能性。
本发明是为解决上述的课题做出的发明，其目的是得到一种使低温侧蒸发器的蒸发温度为-80～-60℃、低GWP且可靠性高的冷冻装置。
用于解决课题的手段
本发明的进行二元冷冻循环的冷冻装置具备：高温侧循环回路，其将高温侧压缩机、高温侧冷凝器、高温侧膨胀阀以及高温侧冷凝器串联地连接；低温侧循环回路，其将低温侧压缩机、低温侧冷凝器、低温侧膨胀阀以及低温侧冷凝器串联地连接，流动着由CO2和R32构成且R32在整体中所占的比例为50～74％的混合制冷剂；级联冷凝器，其将前述高温侧蒸发器和前述低温侧冷凝器换热地连接；和喷射回路，其从前述低温侧冷凝器和前述低温侧膨胀阀之间分支，连接到前述低温侧压缩机内。
发明效果
本发明使用由CO2和R32构成且R32在整体中所占的比例为50～74％的混合制冷剂，具备从低温侧冷凝器和低温侧膨胀阀之间分支并连接到低温侧压缩机内的喷射回路，据此，可得到一种使低温侧蒸发器的蒸发温度为-80～-60℃、低GWP且可靠性高的冷冻装置。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1中的制冷剂回路的图。
图2是表示将2种制冷剂混合了的非共沸制冷剂的特性的气液平衡线图。
图3是在CO2混合制冷剂中，CO2摩尔分数和凝固点的关系图。
图4是对本发明的实施方式1中的以CO2和R32的混合比为基础的冷冻能力、COP进行比较的图。
图5是在图1的制冷剂回路追加了用于检测循环组成的结构的图。
图6是说明图5的组成计算器中的循环组成检查原理1的非共沸混合制冷剂的气液平衡线图。
图7是说明图5的组成计算器中的循环组成检查原理2的非共沸混合制冷剂的气液平衡线图。
具体实施方式
实施方式1
对本发明的实施方式1的制冷剂回路100进行说明。图1是表示本发明的实施方式1中的制冷剂回路100的图。
与本发明的冷冻装置相关的制冷剂回路100具备高温侧循环回路A和低温侧循环回路B。
高温侧循环回路A将高温侧压缩机1、高温侧冷凝器2、高温侧膨胀阀3和高温侧蒸发器4串联地连接而形成。在高温侧循环回路A中，作为制冷剂例如使用R410A、R134a、R32、HFO制冷剂。
低温侧循环回路B将低温侧压缩机5、低温侧冷凝器6、低温侧膨胀阀9和低温侧蒸发器10串联地连接而形成，在低温侧冷凝器6的出口部设置有积存剩余制冷剂的受液器7、HIC热交换器21和电磁阀8。再有，低温侧循环回路B具备从HIC热交换器21和电磁阀8之间分支，不经由低温侧蒸发器10而与低温侧压缩机5内连接的喷射回路24。该喷射回路24从分支点26朝向下游，具备流量调整阀22、HIC(Heat Inter Changer；内部热交换)热交换器21、喷射电磁阀23。在低温侧循环回路B中，作为制冷剂使用至少含有CO2和R32的非共沸混合制冷剂。非共沸混合制冷剂是指将2种或2种以上沸点不同的制冷剂混合了的制冷剂，CO2是低沸点制冷剂，R32是高沸点制冷剂。
低温侧压缩机5使用容积式的压缩机，HIC热交换器21例如作为二重管热交换器，使从受液器7出来的液体制冷剂在二重管的配管内穿过，向二重管的中心部的配管的外侧引导由流量调整阀22将在HIC热交换器21和电磁阀8之间被分配了的制冷剂减压了的状态的制冷剂，并在HIC热交换器21内进行热交换。若设置在低温侧压缩机5的排出部的低温侧排出温度计25在规定值以上，则控制装置20(未图示出)给与指令，以便提高喷射电磁阀23的开度。同样，若设置在低温侧压缩机5的排出部的低温侧排出温度计25在规定值以下，则控制装置20给与指令，以便降低喷射电磁阀23的开度。另外，该控制装置20还与后述的(在实施方式2中说明)循环组成相应地给与控制低温侧压缩机5的转速以及低温侧膨胀阀9的开度时的指令。
高温侧循环回路A和低温侧循环回路B共同具备级联冷凝器14，由高温侧蒸发器4和低温侧冷凝器6构成级联冷凝器14。级联冷凝器14例如是板式热交换器，进行在高温侧循环回路A循环的高温侧制冷剂和在低温侧循环回路B循环的低温侧制冷剂(例如，非共沸混合制冷剂)的热交换。
接着，使用图2，对在将非共沸混合制冷剂用于低温侧循环回路B的制冷剂回路100内循环的制冷剂组成的特征进行说明。
图2是表示混合了2种制冷剂的非共沸混合制冷剂的特性的气液平衡线图。如图2所示，纵轴表示温度，横轴表示循环组成(低沸点成分的组成比；CO2为低沸点，R32为高沸点)，参数是压力。图2表示低温侧循环回路B中的高压PH和低压PL的各自的非共沸混合制冷剂的特性。在非共沸两种混合制冷剂中，由压力确定饱和蒸气线、饱和液体线。循环组成为“0”表示仅为高沸点成分的情况，循环组成为“1”表示仅为低沸点成分的情况，在混合制冷剂中，由组成确定饱和液体线和饱和蒸气线。
饱和蒸气线的上侧成为过热蒸气状态，饱和液体线的下侧成为过冷却状态，由饱和蒸气线和饱和液体线包围的区域成为气液两相状态。在图2中，Z表示被封入制冷剂回路100内的制冷剂的组成，点1到点4表示制冷剂回路100的代表点，点1表示压缩机出口部，点2表示冷凝器出口部，点3表示蒸发器入口部，点4表示压缩机入口部。
在使用了非共沸混合制冷剂的制冷剂回路100中，在制冷剂回路100内循环的制冷剂的组成(循环组成)和被填充在制冷剂回路100中的制冷剂组成(填充组成)并不一定一致。这是因为在图2的点A所示的制冷剂回路100的气液两相部，液体组成成为比循环组成Z小的X，蒸气组成成为比循环组成大的Y。换言之，在点A所示的气液两相部存在富含高沸点成分的液体和富含低沸点成分的蒸气。
在受液器7内积存与冷冻装置的运转条件、负荷条件相应地产生的剩余的液体制冷剂。受液器7内的制冷剂被分离成富含高沸点成分的液体制冷剂和富含低沸点成分的气体制冷剂，富含高沸点成分的液体制冷剂被储存在受液器7内。由此，若受液器7内存在液体制冷剂，则表示在低温侧循环回路B循环的循环组成与填充组成相比低沸点成分变多(循环组成(低沸点成分的组成比)增加)的倾向。
若运转条件、负荷条件变化，被储存在受液器7内的制冷剂量变化，则制冷剂回路100内的循环组成变化。若制冷剂回路100内的循环组成变化，则从图2也可获知，制冷剂的压力和饱和温度的关系变化，且冷却能力也变化。因此，为了使制冷剂回路100稳定且能够发挥规定的能力，需要正确地检测制冷剂回路100内的循环组成，与检测的循环组成相应地最佳地控制低温侧压缩机5的转速或者低温侧膨胀阀9的开度或者这两者等，调整制冷剂流量。
下面的表1是使混合制冷剂的一个为CO2，列举与CO2组合的三种候选的制冷剂，将该三种制冷剂和CO2的混合制冷剂的物性值汇总的表。
表1是表示所混合的制冷剂的各自的单体的GWP以及难燃性、所混合的制冷剂和CO2的混合比(摩尔比、质量比)、以该混合比混合的混合制冷剂的GWP、混合制冷剂的凝固点、混合制冷剂的-70℃的温度梯度。另外，图3是表示CO2混合制冷剂中CO2摩尔分数和凝固点的关系的图，图3(a)对与R32的混合制冷剂进行表示，图3(b)对与R125的混合制冷剂进行表示。
[表1]
作为能够使凝固点比-70℃低的组合，如表1所示，考虑R290、R32、R125等。但是，R290的难燃性为“×”，也就是是可燃性，在陈列柜、冷却机组等中，由于制冷剂量变多，所以，从安全性方面出发，使用困难。
R125其单体的GWP是3500，即使与CO2混合，也超过2000。由此，R125从防止地球温暖化的观点出发，难以使用。
R32其单体的GWP是675，与R125比较充分小，通过与CO2混合，能够使GWP更低。据此，适合作为可应对防止地球温暖化的制冷剂。另外，从图3(a)可知，若使CO2摩尔分数低，也就是使混合制冷剂中的R32的比例多，则能够使凝固点下降。
图4(a)是表示与CO2和R32的制冷剂混合比相应的冷冻能力[W]的图，图4(b)是表示与CO2和R32的制冷剂混合比相应的COP[-]的图。另外，在图4中，将能够使凝固点在-81℃以下的混合比的范围内表示在横轴。图4中，使低温侧(低元侧)的冷凝温度为-25℃，使低温侧(低元侧)的蒸发温度为-60℃，以30cc算出低温侧(低元侧)压缩机5的排出量。另外，在图4(a)、(b)中，作为比较例，记载了使用以往的R404A的15HP的单级循环(压缩机→冷凝器→膨胀阀→蒸发器)的冷冻能力(5400W)和COP(0.701)。
在作为本发明的目的的使低温侧蒸发器10的蒸发温度为-80℃～-60℃时，要使凝固点下降，像上述那样使R32的比例增加即可。若使R32的比例增加，则从图4可知，虽然冷冻能力低下，但是COP上升。但是，若使R32的比例增加，则GWP上升。就GWP而言，CO2是1，R32单体的GWP根据表1是675，因此，例如，若使R32的相对于非共沸制冷剂整体的含有量为50质量％，则GWP为约340，若使R32的比例增加，为65质量％，则GWP是约440，如进一步使R32的比例增加，为74质量％，则成为约500。即，凝固点和GWP处于折衷的关系，若使R32的比例增加，则能够使凝固点下降而GWP增加。
由此，本实施方式寻求使GWP成为比R404A的GWP3920小的500以下的低GWP，且寻求使COP为使用了R404A的情况下的80％以上，确定制冷剂混合比。使用了R404A的情况下的80％的COP的线表示在图4(b)，若R32的比例在50质量％以上，则就这点而言得到满足。
如上所述，只要使R32的比例为50～74质量％，做成与CO2混合了的非共沸混合制冷剂即可。若成为该比例，则能够使非共沸混合制冷剂的凝固点在比CO2的三相点低的-81℃以下，因此，能够实现蒸发温度-80℃～-60℃，且能够构成低GWP的冷冻装置。
接着，对制冷剂回路100的动作进行说明。
在高温侧循环回路A中，从高温侧压缩机1排出的制冷剂由高温侧冷凝器2冷凝，成为液体制冷剂。该液体制冷剂由高温侧膨胀阀3减压后，由构成级联冷凝器14的高温侧蒸发器4蒸发，成为气体制冷剂，再次被吸入高温侧压缩机1，反复该循环。
在低温侧循环回路B中，由低温侧压缩机5被压缩了的高温高压的非共沸混合制冷剂的蒸气由构成级联冷凝器14的低温侧冷凝器6冷凝液化，进入受液器7。从受液器7流出的液体制冷剂在被开放了的电磁阀8通过，由低温侧膨胀阀9减压，成为低温低压的气液两相制冷剂，向低温侧蒸发器10(陈列柜、冷却机组)流入。流入到低温侧蒸发器10的制冷剂与陈列柜内的空气进行热交换而蒸发，再次返回低温侧压缩机5。通过反复进行该循环，由低温侧蒸发器10生成冷却空气，对陈列柜内进行冷却。此时，从低温侧压缩机5排出的高温高压的排出气体为超过120℃的温度。
在喷射回路24中，从分支点26流入的液体制冷剂由流量调整阀22减压，在HIC热交换器21内与从受液器7出来的液体制冷剂进行热交换，此后，经喷射电磁阀23被注入容积式的低温侧压缩机5内。由于能够由该喷射回路24抑制来自低温侧压缩机5的排出气体的温度的上升，所以，可以提高作为冷冻回路整体的可靠性。同时，因为在HIC热交换器21内对从受液器7出来的液体制冷剂进行冷却，所以，液体制冷剂的过冷却得以实现(例如，从过冷却1K增加到20至30K)，因此，冷冻能力也增加20％左右，COP也能够增加。另外，在低温侧循环回路B具备该喷射回路24的结构并不限于在低温侧循环回路B使用CO2和R32的混合制冷剂等非共沸混合制冷剂的情况，也能够作为抑制来自低温侧压缩机5的排出气体的温度上升的手段来使用。
另外，在本实施方式1中，具备HIC热交换器21，喷射回路24在HIC热交换器21内通过，但是，并没必要一定具备HIC热交换器21。在这种情况下，从分支点26分支的喷射回路24直接连接在低温侧压缩机5内。
使用由CO2和R32构成且R32在整体中所占的比例为50～74％的混合制冷剂，HIC热交换器21和低温侧压缩机5之间由喷射回路24连接，据此，可得到一种使低温侧蒸发器10的蒸发温度为-80～-60℃，低GWP且可靠性高的冷冻装置。
实施方式2
对本发明的实施方式2的制冷剂回路100进行说明。图5是在图1的制冷剂回路100中追加了用于检测循环组成的结构的图。另外，参照图6以及图7，对由组成计算器17检测在制冷剂回路100内流动的制冷剂的循环组成的检测原理进行说明。图6是说明图5的组成计算器17中的循环组成检查原理1的非共沸混合制冷剂的气液平衡线图，图7是说明图5的组成计算器17中的循环组成检查原理2的非共沸混合制冷剂的气液平衡线图。另外，针对本实施方式2，以与实施方式1的不同点为中心进行说明，针对相同的结构，使用相同的附图标记。
如图5所示，实施方式2的冷冻装置在受液器7设置有压力检测器15和温度检测器16，它们的信号被输入组成计算器17。
组成计算器17从压力检测器15以及温度检测器16读入受液器7的液体制冷剂的压力P以及温度T。再有，组成计算器17存储混合制冷剂的气液平衡关系。压力P中的非共沸混合制冷剂的饱和液体线与制冷剂回路100内的循环组成相应地像图6所示那样变化。若将受液器7内的制冷剂的状态假定为饱和液体，则能够通过由压力检测器15和温度检测器16检测的压力P和温度T，计算制冷剂回路100内的循环组成Z。另外，当然不限于饱和液体线，也可以使用饱和蒸气线来计算。
此外，循环组成的检查也不限于上述的方法，也可以像下面所示的那样求出。在为非共沸2种混合制冷剂的情况下，若获知制冷剂的干燥度X(＝制冷剂蒸气质量流量/全制冷剂流量)和该干燥度X的制冷剂的温度以及压力，则能够计算循环组成。即，在非共沸2种混合制冷剂中，在压力P一定的基础上，也包括成为干燥度X＝1的饱和蒸气线以及成为干燥度X＝0的饱和液体线，在干燥度X时的制冷剂的温度和循环组成之间存在图7的单点划线所示那样的关系。
也就是说，压力P时的干燥度X的气液两相状态的非共沸混合制冷剂的温度根据制冷剂回路100内的循环组成像图7所示那样变化。因此，如果使用该关系，若获知也包括饱和蒸气以及饱和液体的气液两相状态的制冷剂的压力、温度、干燥度，则能够检测制冷剂回路100内的循环组成。也就是说，能够使用由温度检测器16检测的温度T、由压力检测器15检测的压力P和受液器7内的干燥度X检测制冷剂回路100内的循环组成。
另外，在本实施方式2中，在受液器7设置了压力检测器15，但是，也可以在低温侧压缩机5的排出侧设置压力检测器15，检查低温侧压缩机5的排出压力，将对低温侧冷凝器6的压力损失进行换算而求出的压力作为流入到受液器7的液体制冷剂的压力。另外，在本实施方式中，在受液器7设置温度检测器16，但是，也可以设置在低温侧冷凝器6的出口，将低温侧冷凝器6的出口液体温度作为流入到受液器7的液体制冷剂的温度。
非共沸混合制冷剂具有若温度改变则组成改变这样的特性。另外，如表1所示，CO2和R32的混合制冷剂由于温度梯度大(11K～12K)，所以，需要正确地检查循环组成。
若使用本实施方式2的冷冻装置，则能够正确地检查在低温侧循环回路B使用了CO2和R32的非共沸2种混合制冷剂的情况下的循环组成，因此，能够与循环组成相应地最佳地控制低温侧循环回路B的低温侧压缩机5的转速或者低温侧膨胀阀9的开度或者这两者。
使用由CO2和R32构成且R32在整体中所占的比例为50～74％的混合制冷剂，HIC热交换器21和低温侧压缩机5之间由喷射回路24连接，据此，可得到一种正确地将低温侧蒸发器10的蒸发温度控制在-80～-60℃，低GWP且可靠性高的冷冻装置。再有，通过正确地控制循环组成，能够正确地控制低温侧蒸发器10的温度，所以，能够在陈列柜内将该温度控制在所期望的温度。
另外，在上述中，在低温侧循环回路B使用了CO2和R32的混合制冷剂，若还加入HFO1234yf或HFO1234ze，做成混合了3种的非共沸混合制冷剂，则GWP更低，且能够实现蒸发温度约-80～-60℃。在为混合了2种的非共沸混合制冷剂的情况下，若获知温度、压力以及干燥度，则确定第1成分的组成Z1。若获知第1成分的组成Z1，则确定第2成分的组成Z2为(1-Z1)。但是，在为混合了3种的非共沸混合制冷剂的情况下，即使仅获知第1成分的组成Z1，则也无限存在第2成分的组成Z2和第3成分的组成Z3的组合，不能确定整体的组成。但是，由于通过增加温度检测器16以及压力检测器15来获知该部分的温度、压力，所以，即使所混合的制冷剂的种类增加，也可以通过增加温度检测器16以及压力检测器15的数量来应对。
附图标记说明
1：高温侧压缩机；2：高温侧冷凝器；3：高温侧膨胀阀；4：高温侧蒸发器；5：低温侧压缩机；6：低温侧冷凝器；7：受液器；8：电磁阀；9：低温侧膨胀阀；10：低温侧蒸发器；14：级联冷凝器；15：压力检测器；16：温度检测器；17：组成计算器；20：控制装置；21：HIC热交换器；22：流量调整阀；23：喷射电磁阀；24：喷射回路；25：低温侧排出温度计；26：分支点；A：高温侧循环回路；B：低温侧循环回路；100：制冷剂回路。

Claims (6)

1.一种冷冻装置，其特征在于，具备：
高温侧循环回路，其将高温侧压缩机、高温侧冷凝器、高温侧膨胀阀以及高温侧冷凝器串联地连接；
低温侧循环回路，其将低温侧压缩机、低温侧冷凝器、低温侧膨胀阀以及低温侧冷凝器串联地连接，流动着由CO2和R32构成且R32在整体中所占的比例为50～74％的混合制冷剂；
级联冷凝器，其将前述高温侧蒸发器和前述低温侧冷凝器换热地连接；和
喷射回路，其从前述低温侧冷凝器和前述低温侧膨胀阀之间分支，连接到前述低温侧压缩机内。
2.一种冷冻装置，其特征在于，具备：
高温侧循环回路，其将高温侧压缩机、高温侧冷凝器、高温侧膨胀阀以及高温侧冷凝器串联地连接；
低温侧循环回路，其将低温侧压缩机、低温侧冷凝器、HIC热交换器、低温侧膨胀阀以及低温侧冷凝器串联地连接，流动着由CO2和R32构成且R32在整体中所占的比例为50～74％的混合制冷剂；
级联冷凝器，其将前述高温侧蒸发器和前述低温侧冷凝器换热地连接；和
喷射回路，其从前述HIC热交换器和前述低温侧膨胀阀之间分支，连接到前述低温侧压缩机内，
在前述喷射回路和前述HIC热交换器之间进行热交换。
3.如权利要求2所述的冷冻装置，其特征在于，具备调整流入到前述喷射回路的制冷剂的压力的流量调整阀。
4.如权利要求3所述的冷冻装置，其特征在于，具备：
低温侧排出温度计，其测定从前述低温侧压缩机排出的气体的温度；
喷射电磁阀，其被设置在前述喷射回路，调整向前述低温侧压缩机流入的制冷剂的量；和
控制装置，其与前述低温侧排出温度计的测定值相应地给与前述喷射电磁阀指令，
前述控制装置在前述低温侧排出温度计的测定值超过规定的值时，提高前述喷射电磁阀的开度，在前述低温侧排出温度计的测定值低于规定的值时，降低前述喷射电磁阀的开度。
5.如权利要求2至4中的任一项所述的冷冻装置，其特征在于，具备：
受液器，其被连接在前述低温侧冷凝器和前述HIC热交换器之间，
压力检测器，其检测前述受液器的压力；
温度检测器，其检测前述受液器的温度；
组成计算器，其存储前述混合制冷剂的气液平衡关系，根据来自前述压力检测器的压力信息以及来自前述温度检测器的温度信息，计算在前述低温侧循环回路流动的前述混合制冷剂的组成。
6.如权利要求5所述的冷冻装置，其特征在于，前述控制装置与由前述组成计算器计算的组成相应地控制前述低温侧压缩机的转速或者前述低温侧膨胀阀的开度。
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