JP2023060524A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】より低廉に製造することが可能な冷凍装置を提供する。【解決手段】冷凍装置は、冷媒が流通する主回路と、複数の圧縮機と、逆止弁と、凝縮器と、レシーバと、第一膨張弁と、蒸発器と、インジェクション流路と、インジェクション流路上に配置された電磁弁と、レシーバ内に貯留された冷媒の量を検知する液面検知部と、制御部と、を備え、制御部は、圧縮機を停止させる前に第一膨張弁を閉止し、液面検知部によってレシーバ内の液体成分の量が予め定められた上限値に達したことが検知された時点で電磁弁を閉止する。【選択図】図１

Description

本開示は、冷凍装置に関する。

一般的な冷凍装置は、圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、レシーバ（気液分離器）と、蒸発器と、を備えている。圧縮機によって生成された高温高圧の気体冷媒がまず凝縮器に送られる。凝縮器では冷媒と空気との熱交換が行われ、当該冷媒は高温高圧の液体冷媒となる。その後、膨張弁を通過することで、冷媒は温度と圧力が下がり、低温低圧の液体冷媒となる。さらに、蒸発器で空気と熱交換を行うことで、当該冷媒は低温低圧の気体冷媒となる。この過程で、凝縮器又は蒸発器が設置されている空間の温度が調節される。特に、冷凍装置の出力を向上させるために、近年では圧縮機を複数直列的に配置する構成が採られる場合がある（下記特許文献１参照）。つまり、低圧側の圧縮機と高圧側の圧縮機が直列に配置される。

特開２０２０－２０４４５４号公報

上記のような冷凍装置では、運転を停止する際には、配管経路上に冷媒が万遍なく存在した状態とされることが従来一般的であった。そのため、配管や各種装置の耐圧性能をいずれも一定以上に確保する必要がある。その結果、特に低圧側の圧縮機の耐圧性能を、高圧側の圧縮機の耐圧性能と同程度にする必要が生じ、コストアップの原因となっていた。

本開示は上記課題を解決するためになされたものであって、より低廉に製造することが可能な冷凍装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本開示に係る冷凍装置は、冷媒が流通する循環流路としての主回路と、該主回路上で直列に配置された複数の圧縮機と、該複数の圧縮機の間に配置された逆止弁と、前記複数の圧縮機の下流側に配置された凝縮器と、該凝縮器の下流側に配置されたレシーバと、該レシーバの下流側に配置された第一膨張弁と、該膨張弁の下流側に配置された蒸発器と、前記レシーバと、前記複数の圧縮機の間であって前記逆止弁の上流側とを接続するインジェクション流路と、該インジェクション流路上に配置された電磁弁と、前記レシーバ内に貯留された前記冷媒の液体成分の量を検知する液面検知部と、制御部と、を備え、前記制御部は、前記圧縮機を停止させる前に前記第一膨張弁を閉止し、前記液面検知部によって前記レシーバ内の前記液体成分の量が予め定められた上限値に達したことが検知された時点で前記電磁弁を閉止する。

本開示によれば、より低廉に製造することが可能な冷凍装置を提供することができる。

本開示の第一実施形態に係る冷凍装置の構成を示す回路図である。 本開示の第一実施形態に係る冷凍装置の構成を示す回路図であって、運転を停止する前の状態を示す図である。 本開示の第一実施形態に係る冷凍装置の構成を示す回路図であって、運転を停止した後の状態を示す図である。 本開示の第二実施形態に係る冷凍装置の構成を示す回路図であって、運転を停止する前の状態を示す図である。 本開示の第二実施形態に係る冷凍装置の構成を示す回路図であって、運転を停止した後の状態を示す図である。 本開示の第二実施形態に係る冷凍装置の構成を示す回路図であって、停止中にレシーバ内の冷媒を他のレシーバに移送している状態を示す図である。

＜第一実施形態＞
（冷凍装置の構成）
以下、本開示の第一実施形態に係る冷凍装置１００について、図１から図３を参照して説明する。この冷凍装置１００は冷凍サイクルによって稼働することで冷媒と空気との間で熱交換を行うヒートポンプ式の装置である。

図１に示すように、冷凍装置１００は、循環流路として形成された主回路９０と、第一圧縮機１（圧縮機）と、第二圧縮機２（圧縮機）と、凝縮器４と、第一膨張弁７と、レシーバ６と、液面検知部６１と、圧力検知部６２と、第二膨張弁５と、蒸発器８と、インジェクション流路１１と、電磁弁１３と、アキュムレータ１５と、逆止弁１８と、制御部８０と、を備えている。

（第一圧縮機、第二圧縮機の構成）
主回路９０内には冷媒が液体又は気体の状態で充填されている。第一圧縮機１と第二圧縮機２は、主回路９０上で直列的に配置されている。つまり、第一圧縮機１の吐出側は、第二圧縮機２の吸入側に向かっている。第一圧縮機１、及び第二圧縮機２としては例えばスクロール圧縮機やロータリ圧縮機の他、スクロータリ圧縮機を用いることが可能である。なお、以下の説明では、主回路９０上で、第一圧縮機１から見て第二圧縮機２が位置する側を下流側と呼び、その反対側を上流側と呼ぶことがある。第一圧縮機１と第二圧縮機２の間には逆止弁１８が設けられている。逆止弁１８は、上流側から下流側に向かう方向のみに冷媒を流通させるように構成されている。

（凝縮器の構成）
第二圧縮機２の下流側には、凝縮器４が配置されている。凝縮器４は、外部の空気と冷媒とを熱交換させるための熱交換器である。凝縮器４の近傍には不図示のファンが設けられており、強制的に空気と冷媒との熱交換を行うことが可能とされている。第二圧縮機２で生成された高温高圧の気体冷媒は、凝縮器４を通過することで凝縮され、高温高圧の液体冷媒となる。

凝縮器４の下流側には、第二膨張弁５が設けられている。凝縮器４から供給された高温高圧の液体冷媒は、第二膨張弁５を通過することで圧力と温度が低下し、低温低圧の液体冷媒となる。

（レシーバの構成）
第二膨張弁５の下流側には、レシーバ６が接続されている。レシーバ６は、第二膨張弁５を通過した液体冷媒の少なくとも一部を貯留するための容器である。運転条件によって主回路９０内に存在できる液体冷媒の量が変動する。レシーバ６はこの変動に対応するために設けられている。レシーバ６には、液面検知部６１と、圧力検知部６２が取り付けられている。液面検知部６１は、レシーバ６内の液体冷媒の量を検知して制御部８０に電気信号として送信する。圧力検知部６２は、レシーバ６内の圧力を検知して制御部８０に電気信号として送信する。

レシーバ６のさらに下流側には、第一膨張弁７が配置されている。第一膨張弁７は、レシーバ６を通過した低温低圧の液体冷媒の温度と圧力をさらに下げるために設けられている。なお、第二膨張弁５、及び第一膨張弁７は、外部からの電気信号によって開閉状態を切り替えることが可能な電磁膨張弁である。

（蒸発器の構成）
第一膨張弁７の下流側には、蒸発器８が設けられている。蒸発器８は、外部の空気と冷媒とを熱交換させるための熱交換器である。蒸発器８の近傍には不図示のファンが設けられており、強制的に空気と冷媒との熱交換を行うことが可能とされている。第一膨張弁７を通過してきた低温低圧の液体冷媒は、蒸発器８を通過する際に外部の空気と熱交換することで蒸発し、低温低圧の気体冷媒となる。

蒸発器８の下流側には、アキュムレータ１５が設けられている。アキュムレータ１５は、蒸発器８で蒸発しきれなかった液体冷媒を貯留するための容器である。アキュムレータ１５で液体成分が除去された後、気体冷媒は再び第一圧縮機１に送られて圧縮される。このようなサイクル（冷凍サイクル）を連続的に繰り返すことで、冷凍装置１００が運転される。

（インジェクション流路の構成）
インジェクション流路１１は、上述した逆止弁１８と第一圧縮機１（つまり、低圧側の圧縮機）の間と、レシーバ６とを接続している。インジェクション流路１１上には、電磁弁１３が設けられている。電磁弁１３は、外部からの電気信号によってその開閉状態を切り替えることが可能とされている。

（制御部の構成）
制御部８０は、上述した各弁装置の開閉状態、及び第一圧縮機１と第二圧縮機２の運転状態を電気信号によって切り替えるために設けられている。具体的には、制御部８０は、第一膨張弁７、第二膨張弁５、及び電磁弁１３の開閉状態を切り替えることが可能である。また、制御部８０は、第一圧縮機１、及び第二圧縮機２の駆動・停止を切り替えることが可能である。

（作用効果）
続いて、冷凍装置１００の動作の一例について説明する。図１に示すように、冷凍装置１００を通常運転するに当たって、制御部８０は、電磁弁１３を閉止する。これにより、インジェクション流路１１が閉止状態となり、冷媒は主回路９０のみを循環するようになる。主回路９０を循環する中途で、上述した冷凍サイクルが連続的に生じる。

次いで、図２と図３を参照して、冷凍装置１００を停止する際の動作について説明する。上記のような冷凍装置１００では、運転を停止する際には、配管経路上に冷媒が万遍なく存在した状態とされることが従来一般的であった。そのため、配管や各種装置の耐圧性能をいずれも一定以上に確保する必要がある。その結果、特に低圧側の第一圧縮機１の耐圧性能を、高圧側の第二圧縮機２の耐圧性能と同程度にする必要が生じ、コストアップの原因となっていた。

そこで、本実施形態に係る冷凍装置１００は、以下で説明する動作を行うことで、冷媒をレシーバ６内に回収するように構成されている。図２に示すように、まず制御部８０は第一膨張弁７を閉止する。これにより、主回路９０におけるレシーバ６の下流側が閉塞される。その結果、主回路９０、及びインジェクション流路１１内の冷媒が順次レシーバ６内に貯留されていく。

その後、図３に示すように、レシーバ６内が液体冷媒で満たされたこと（冷媒の量が上限値に達したこと）を液面検知部６１が検知すると、制御部８０は第二膨張弁５、及び電磁弁１３を閉止する。これにより、レシーバ６が主回路９０から切り離された状態となる。続いて、制御部８０は第一圧縮機１、及び第二圧縮機２の駆動を停止する。以上により、冷凍装置１００が停止する。

以上、説明したように、本実施形態に係る冷凍装置１００では、運転を停止するに先立って、第一膨張弁７を閉止した状態で第一圧縮機１、及び第二圧縮機２を運転することで、主回路９０や各装置内に存在している冷媒をレシーバ６内に回収することができる。したがって、冷凍装置１００の運転を停止した状態では、主回路９０や各装置に冷媒が残留しにくくなり、特に低圧側の第一圧縮機１の耐圧性能を下げることが可能となる。その結果、冷凍装置１００の製造コストやメンテナンスコストを下げることができる。

また、上記構成によれば、電磁弁１３に加えて第二膨張弁５を閉止することで、レシーバ６が主回路から切り離された状態となる。これにより、レシーバ６内に冷媒を安定的に封じ込めることができる。

以上、本開示の第一実施形態について説明した。なお、本開示の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。

＜第二実施形態＞
次に、本開示の第二実施形態に係る冷凍装置２００について、図４から図６を参照して説明する。なお、上記の第一実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

図４に示すように、本実施形態では、圧縮機の数が第一実施形態とは異なっている。具体的には、主回路９０上に、最も低圧側の第一圧縮機１に加えて、２つの高圧側の第二圧縮機２ａ、２ｂが設けられている。これら第二圧縮機２ａ、２ｂの上流側にはそれぞれ１つずつ逆止弁１８（１８ａ、１８ｂ）が設けられている。

さらに、本実施形態では、第一実施形態で説明したレシーバ６、第一膨張弁７、インジェクション流路１１、及び電磁弁１３がそれぞれ複数組（２組）ずつ設けられている。以下の説明では、主回路９０上で相対的に下流側に位置するレシーバ６、第一膨張弁７、インジェクション流路１１、及び電磁弁１３を、下流側レシーバ６ａ、下流側第一膨張弁７ａ、下流側インジェクション流路１１ａ、及び下流側電磁弁１３ａと呼ぶ。また、相対的に上流側に位置するこれらの装置を、上流側レシーバ６ｂ、上流側第一膨張弁７ｂ、上流側インジェクション流路１１ｂ、及び上流側電磁弁１３ｂと呼ぶ。

下流側インジェクション流路１１ａは、下流側レシーバ６ａと、第一圧縮機１と逆止弁１８ａとの間を接続している。上流側インジェクション流路１１ｂは、上流側レシーバ６ｂと、第二圧縮機２ａと逆止弁１８ｂとの間を接続している。

続いて、冷凍装置２００を停止させる際の動作について説明する。図４に示すように、停止に先立って、制御部８０はまず下流側第一膨張弁７ａを閉止する。これにより、主回路９０上における下流側第一膨張弁７ａよりも下流側の冷媒が、下流側レシーバ６ａに順次回収される。

その後、下流側レシーバ６ａが冷媒で満たされたことが検知されると、図５に示すように、制御部８０は上流側第一膨張弁７ｂ、及び下流側電磁弁１３ａを閉止する。これにより、下流側レシーバ６ａが主回路９０から切り離された状態となる。その後、なおも主回路９０上に残留している冷媒は、上流側レシーバ６ｂに貯留されていく。最後に、上流側レシーバ６ｂも冷媒で満たされたことが検知されると、制御部８０は第二膨張弁５、及び上流側電磁弁１３ｂを閉止する。これにより、上流側レシーバ６ｂも主回路９０から切り離された状態となる。その後、制御部８０は第一圧縮機１、第二圧縮機２ａ，２ｂを呈する。以上により、冷凍装置２００が停止する。

このように、複数のレシーバ６に対して、冷媒を下流側のレシーバ６から上流側のレシーバ６にかけて順次貯留していくことで、主回路９０、及び各装置内の冷媒が回収される。

ところで、上記のように冷凍装置２００が停止している際に、外気温の影響を受けてレシーバ６内の圧力が上昇することがある。例えば下流側レシーバ６ａ内の圧力が予め定められた上限圧力以上となったことを圧力検知部６２が検知した場合を考える。この場合、図６に示すように、制御部８０は、下流側電磁弁１３ａと第二膨張弁５のみを開放する。この状態で、制御部８０は第一圧縮機１、及び第二圧縮機２ａ、２ｂを駆動する。すると、下流側レシーバ６ａ内の冷媒が、下流側インジェクション流路１１ａと主回路９０を通じて上流側レシーバ６ｂに向かって流れる。下流側レシーバ６ａ内の圧力が上限圧力未満となるまで制御部８０はこの動作を継続する。

以上、説明したように、上記構成によれば、複数のレシーバ６を備える冷凍装置２００において、これらレシーバ６を下流側から上流側にかけて順次冷媒によって満たすことができる。これにより、より多くの冷媒を複数のレシーバ６内に貯留することができる。

また、上記構成によれば、冷凍装置２００の停止中にレシーバ６内の圧力が上昇した場合に、下流側に位置するレシーバ６に接続されたインジェクション流路１１を開通させた状態で圧縮機を駆動することで、当該下流側に位置するレシーバ６内の冷媒を、上流側に位置する他のレシーバ６に移送することができる。これにより、各レシーバ６内の圧力を上限圧力以下に維持することができる。

以上、本開示の各実施形態について説明した。なお、本開示の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば、上記各実施形態では、第一圧縮機１と第二圧縮機２を備える２段圧縮の冷凍装置１００と、第一圧縮機１と第二圧縮機２ａ、２ｂとを備える３段圧縮の冷凍装置２００について説明した。しかしながら、圧縮機の数は上記実施形態によっては限定されず、４段以上の圧縮を行う構成を採ることが可能である。４段圧縮の冷凍装置として具体的には、２つのスクロータリ圧縮機を用いる構成が挙げられる。このような構成でも、上記第二実施形態で説明した書く動作を実現することが可能である。

＜付記＞
各実施形態に記載の冷凍装置１００、及び冷凍装置２００は、例えば以下のように把握される。

（１）第１の態様に係る冷凍装置１００は、冷媒が流通する循環流路としての主回路９０と、該主回路９０上で直列に配置された複数の圧縮機（第一圧縮機１と第二圧縮機２）と、該複数の圧縮機の間に配置された逆止弁１８と、前記複数の圧縮機の下流側に配置された凝縮器４と、該凝縮器４の下流側に配置されたレシーバ６と、該レシーバ６の下流側に配置された第一膨張弁７と、該第一膨張弁７の下流側に配置された蒸発器８と、前記レシーバ６と、前記複数の圧縮機の間であって前記逆止弁１８の上流側とを接続するインジェクション流路１１と、該インジェクション流路１１上に配置された電磁弁１３と、前記レシーバ６内に貯留された前記冷媒の液体成分の量を検知する液面検知部６１と、制御部８０と、を備え、前記制御部８０は、前記圧縮機を停止させる前に前記第一膨張弁７を閉止し、前記液面検知部６１によって前記レシーバ６内の前記液体成分の量が予め定められた上限値に達したことが検知された時点で前記電磁弁１３を閉止する。

上記構成によれば、冷凍装置１００の運転を停止するに先立って、第一膨張弁７を閉止した状態で圧縮機を運転することで、主回路９０や各装置内に存在している冷媒をレシーバ６内に回収することができる。したがって、冷凍装置１００の運転を停止した状態では、主回路９０や各装置に冷媒が残留しにくくなり、特に低圧側の圧縮機の耐圧性能を下げることが可能となる。

（２）第２の態様に係る冷凍装置２００は、前記主回路９０上で直列に配置された複数組の前記レシーバ６、前記第一膨張弁７、前記インジェクション流路１１、及び前記電磁弁１３を備え、前記制御部８０は、前記圧縮機を停止させる前に前記第一膨張弁７を閉止し、前記液面検知部６１によって前記レシーバ６内の前記液体成分の量が前記上限値に達したことが検知された時点で前記電磁弁１３を閉止する制御を、前記複数組の前記第一膨張弁７、及び前記電磁弁１３のうち最も下流側に位置する前記第一膨張弁７、及び前記電磁弁１３から最も上流側に位置する前記第一膨張弁７、及び前記電磁弁１３まで順次行う。

上記構成によれば、複数のレシーバ６を備える冷凍装置２００において、これらレシーバ６を下流側から上流側にかけて順次冷媒によって満たすことができる。これにより、より多くの冷媒を複数のレシーバ６内に貯留することができる。

（３）第３の態様に係る冷凍装置２００は、前記レシーバ６内の圧力を検知する圧力検知部６２をさらに備え、前記制御部８０は、前記圧縮機の停止中に、前記圧力検知部６２によって、前記複数のレシーバ６のうち相対的に上流側に位置する前記レシーバ６内の圧力が予め定められた上限圧力以上となったことが検知された場合に、前記相対的に上流側に位置する前記レシーバ６に接続された前記インジェクション流路１１上の前記電磁弁１３を閉止し、相対的に下流側に位置する前記レシーバ６に接続された前記インジェクション流路１１上の前記電磁弁１３を開放するとともに、前記圧縮機を駆動する。

ここで、冷凍装置２００の停止中に、外気温の影響を受けてレシーバ６内の圧力が上昇することがある。上記構成によれば、このような場合に、下流側に位置するレシーバ６に接続されたインジェクション流路１１を開通させた状態で圧縮機を駆動することで、当該下流側に位置するレシーバ６内の冷媒を、上流側に位置する他のレシーバ６に移送することができる。これにより、各レシーバ６内の圧力を上限圧力以下に維持することができる。

（４）第４の態様に係る冷凍装置１００は、前記凝縮器４と前記レシーバ６との間に配置された第二膨張弁５をさらに備え、前記制御部８０は、前記液面検知部６１によって前記レシーバ６内の前記冷媒の量が予め定められた上限値に達したことが検知された時点で、前記電磁弁１３、及び前記第二膨張弁５を閉止する。

上記構成によれば、電磁弁１３に加えて第二膨張弁５を閉止することで、レシーバ６が主回路から切り離された状態となる。これにより、レシーバ６内に冷媒を安定的に封じ込めることができる。

１００，２００ 冷凍装置
９０ 主回路
８０ 制御部
１ 第一圧縮機
２，２ａ，２ｂ 第二圧縮機
４ 凝縮器
５ 第二膨張弁
６ レシーバ
６ａ 下流側レシーバ
６ｂ 上流側レシーバ
７ 第一膨張弁
７ａ 下流側第一膨張弁
７ｂ 上流側第一膨張弁
８ 蒸発器
１１ インジェクション流路
１１ａ 下流側インジェクション流路
１１ｂ 上流側インジェクション流路
１３ 電磁弁
１３ａ 下流側電磁弁
１３ｂ 上流側電磁弁
１５ アキュムレータ
１８，１８ａ，１８ｂ 逆止弁

Claims (4)

1. 冷媒が流通する循環流路としての主回路と、
   該主回路上で直列に配置された複数の圧縮機と、
   該複数の圧縮機の間に配置された逆止弁と、
   前記複数の圧縮機の下流側に配置された凝縮器と、
   該凝縮器の下流側に配置されたレシーバと、
   該レシーバの下流側に配置された第一膨張弁と、
   該第一膨張弁の下流側に配置された蒸発器と、
   前記レシーバと、前記複数の圧縮機の間であって前記逆止弁の上流側とを接続するインジェクション流路と、
   該インジェクション流路上に配置された電磁弁と、
   前記レシーバ内に貯留された前記冷媒の液体成分の量を検知する液面検知部と、
   制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記圧縮機を停止させる前に前記第一膨張弁を閉止し、前記液面検知部によって前記レシーバ内の前記液体成分の量が予め定められた上限値に達したことが検知された時点で前記電磁弁を閉止する冷凍装置。
2. 前記主回路上で直列に配置された複数組の前記レシーバ、前記第一膨張弁、前記インジェクション流路、及び前記電磁弁を備え、
   前記制御部は、前記圧縮機を停止させる前に前記第一膨張弁を閉止し、前記液面検知部によって前記レシーバ内の前記液体成分の量が前記上限値に達したことが検知された時点で前記電磁弁を閉止する制御を、前記複数組の前記第一膨張弁、及び前記電磁弁のうち最も下流側に位置する前記第一膨張弁、及び前記電磁弁から最も上流側に位置する前記第一膨張弁、及び前記電磁弁まで順次行う請求項１に記載の冷凍装置。
3. 前記レシーバ内の圧力を検知する圧力検知部をさらに備え、
   前記制御部は、前記圧縮機の停止中に、前記圧力検知部によって、前記複数のレシーバのうち相対的に上流側に位置する前記レシーバ内の圧力が予め定められた上限圧力以上となったことが検知された場合に、前記相対的に上流側に位置する前記レシーバに接続された前記インジェクション流路上の前記電磁弁を閉止し、相対的に下流側に位置する前記レシーバに接続された前記インジェクション流路上の前記電磁弁を開放するとともに、前記圧縮機を駆動する請求項２に記載の冷凍装置。
4. 前記凝縮器と前記レシーバとの間に配置された第二膨張弁をさらに備え、
   前記制御部は、前記液面検知部によって前記レシーバ内の前記冷媒の量が予め定められた上限値に達したことが検知された時点で、前記電磁弁、及び前記第二膨張弁を閉止する請求項１から３のいずれか一項に記載の冷凍装置。

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