JP3986487B2 - 冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、容量調整可能な油冷式圧縮機及び過冷却器を用いた冷凍装置に関するものである。

従来、容量調整可能な油冷式圧縮機及び過冷却器を用いた冷凍装置は公知である（例えば、特許文献１参照。）
特開２００３−０２１０８９号公報

特許文献１に記載の冷凍装置は、容量調整可能な油冷式圧縮機に続いて、油回収器、凝縮器、過冷却器、主膨張弁及び蒸発器が介設された冷媒循環流路を備え、上記過冷却器には、上記冷媒循環流路における上記凝縮器と上記過冷却器との間の部分から分岐し、過冷却用膨張弁を経由した分岐流路が通過し、この分岐流路は上記圧縮機の中間圧力部に通じるように設けられた冷凍装置が開示されている。そして、この冷凍装置では、過冷却器を使用した状態下で、圧縮機駆動用モータの回転数をインバータを介して制御することにより上記容量調整が行われるようになっている。

圧縮機の容量調整には、上記以外に、圧縮機内におけるガス圧縮空間の容積を変えるピストン弁、スライド弁或いはリフト弁が用いられることもあり、これらの弁による容量調整は、上記ガス圧縮空間の容積が最大である全負荷容量の場合を１００％とすると、１００〜５０％の間で容量調整が行われていた。ところが、近年、この容量調整の範囲をより拡大したいという要求の高まりとともに、上記インバータを用いた容量調整が注目されるようになってきた。このため、上記ピストン弁、スライド弁或いはリフト弁による容量調整の範囲外である５０％以下の容量調整がインバータによりなされるようになり、以下に述べる新たな問題が生じてきた。

上述した従来の冷凍装置の場合、容量調整中も過冷却器の使用が続けられており、容量調整の結果、過冷却器の負荷が低下することにより、この過冷却器に使用された中間圧力部への戻りガスの温度が低下し、圧縮機の吐出温度も低下してゆく。そして、これに伴い、油回収器内の油中に多量の冷媒が溶解し、油回収器内に回収した油のフォーミングや異常な油面上昇が引き起こされ、圧縮機の損傷事故を招くという問題が生じる。
本発明は、斯かる従来の問題をなくすことを課題としてなされたもので、圧縮機の容量調整範囲を拡大しつつ、圧縮機の吐出温度の異常低下、圧縮機の損傷事故の発生防止を可能とした冷凍装置を提供しようとするものである。

上記課題を解決するために、本発明は、容量調整可能な油冷式圧縮機に続いて、少なくとも油回収器、凝縮器、過冷却器、主膨張弁及び蒸発器が介設された冷媒循環流路を備え、上記過冷却器には、上記冷媒循環流路における上記凝縮器と上記主膨張弁との間の部分から分岐し、過冷却用開閉弁、過冷却用膨張弁を経由した分岐流路が通過し、この分岐流路は上記圧縮機の中間圧力部に通じるように設けられた冷凍装置において、上記圧縮機の吐出圧力を検出する圧力検出器と、上記圧縮機の吐出温度を検出する温度検出器と、上記圧縮機を駆動するモータの回転数をインバータを介して制御する制御部であって、上記圧力検出器から検出圧力を示す圧力信号及び上記温度検出器から検出温度を示す温度信号を受けて、上記吐出圧力に対応する吐出圧力飽和温度を求めるとともに、吐出温度から上記吐出圧力飽和温度を差し引いた温度差を求め、減少過程にある上記温度差が第１閾値に達すると、上記過冷却用開閉弁を閉じる一方、増大過程にある上記温度差が上記第１閾値よりも大きい第２閾値に達すると上記過冷却用開閉弁を開く制御をする制御部とを設けた構成とした。

さらに、本発明は、上記発明の構成に加えて、上記第１閾値が、上記油回収器内での異常現象を引き起こし始める値よりも大きい構成とした。

さらに、本発明は、上記発明の構成に加えて、上記第２閾値が、上記過冷却用開閉弁の開閉切換えのハンチングが生じることのない程度に、上記第１閾値よりも大きい構成とした。

上記構成からなる本発明に斯かる冷凍装置によれば、圧縮機の容量を拡大し、特に５０％以下の容量調整時においても、圧縮機の吐出温度の異常低下は生じず、油回収器内に回収した油のフォーミングや異常な油面上昇の発生及びこれに伴う圧縮機の損傷事故の発生防止が可能になるという効果を奏する。
また、これに加えて、圧縮機の吐出圧力及び吐出温度に基づく制御の採用により、過冷却器の能力を極限まで生かした圧縮機の容量調整が可能になるという効果を奏する。

次に、本発明の一実施形態を図面にしたがって説明する。
図１は、本発明に係る冷凍装置１Ａを示し、冷凍装置１Ａは、容量調整可能な油冷式圧縮機１１に続いて、油回収器１２、凝縮器１３、過冷却器１４、主開閉弁１５、主膨張弁１６及び蒸発器１７が介設された冷媒循環流路Iを備えている。圧縮機１１は、例えばスクリュ圧縮機であり、これを駆動するモータ１８と電源１９との間にはインバータ２１が介設されている。そして、モータ１８の回転数はインバータ２１を介して制御部２２により制御される。過冷却器１４には、冷媒循環流路Iにおける過冷却器１４と主膨張弁１６との間の部分から分岐し、過冷却用開閉弁２３、過冷却用膨張弁２４を経由した分岐流路IIが通過し、この分岐流路IIは圧縮機１１の中間圧力部に通じている。さらに、油回収器１２内には、油分離エレメント１２ａが設けられ、その下部は油溜まり部１２ｂになっており、この油溜まり部１２ｂの下部からは油冷却器２５が介設され、圧縮機１１内の圧縮空間部、軸受・軸封部等の給油箇所に至る油流路IIIが延びている。

この冷凍装置１Ａでは、圧縮機１１の吐出圧力を検出し、検出圧力を示す圧力信号を制御部２２に入力する圧力検出器２６と圧縮機１１の吐出温度を検出し、検出温度を示す温度信号を制御部２２に入力する温度検出器２７とが設けられている。

そして、上記構成からなる冷凍装置１Ａにおいて、圧縮機１１に吸込まれた冷媒ガスは、分岐流路IIからの気液混合状態の冷媒と油流路IIIからの油の注入下で、圧縮され、油を随伴して油回収器１２へと吐出される。油回収器１２では、油分離エレメント１２ａで冷媒ガスから油が分離され、冷媒ガスは凝縮器１３に向けて送り出される一方、分離された油は一旦油溜まり部１２ｂに溜められた後、油流路IIIの油冷却器２５で冷却された圧縮機１１内の上記給油箇所に導かれる。

凝縮器１３に導かれた冷媒ガスは、ここで熱を奪われて凝縮し、冷媒液となって過冷却器１４に至る。さらに、この冷媒液は過冷却器１４を通過した後、主開閉弁１５から主膨張弁１６へと流動してゆく冷媒液と、分岐流路IIに分流してゆく冷媒液とに分かれる。この分岐流路IIに分流した冷媒液は過冷却用開閉弁２３、過冷却用膨張弁２４を経て断熱膨張させられて温度を下げ、気液混合状態となって、過冷却器１４を通過する。そして、この過冷却器１４を通過する間に、冷媒循環流路Iと分岐流路IIとの間の熱交換の結果、分流した冷媒は冷媒循環流路I中の冷媒から熱を奪い、これを過冷却状態にし、過冷却器１４を出て、上記中間圧力部に合流する。なお、中間圧力部とは、圧縮機１１内の吸込圧力と吐出圧力との間の圧力状態にある冷媒作動空間を意味し、圧縮機１１が多段に配列した圧縮機本体を備えるタイプである場合、中間圧力部には圧縮機本体間の冷媒作動空間も含まれる。

過冷却器１４を通過した過冷却状態の冷媒液は、主開閉弁１５、主膨張弁１６を経て、断熱膨張により温度を下げ、気液混合状態となって蒸発器１７に至る。さらに、この冷媒は蒸発器１７にて周囲から熱を奪うことにより蒸発し、圧縮機１１に戻り、上記同様、循環を繰返す。

ところで、この冷凍装置１Ａでは、インバータ２１を介して制御部２２によりモータ１８の回転数が制御され、これにより圧縮機１１の容量調整がなされるとともに、以下に詳述するように、この容量調整の程度に応じて過冷却器１４を運転状態と停止状態のいずれかに切換え可能に形成されている。

モータ１８の回転数が大きく、圧縮機１１が比較的大きい容量状態に維持されている場合には、過冷却器１４を運転状態にしていてもよいが、圧縮機１１の容量が低下していった場合、過冷却器１４を運転状態にしたままでは問題が生じる。圧縮機１１が、モータ１８の回転数を最大として最大容量の状態にある場合を容量１００％とすると、例えば、過冷却器１４の運転状態下で、１００〜５０％の範囲内で容量調整を行っている限り問題がなくても、過冷却器１４の運転状態下で、容量を５０％以下とした場合、圧縮機１１の吐出温度が異常に低下し、油回収器１２内に回収した油のフォーミング現象や油面の異常上昇を招くことがある。

そこで、制御部２２において、入力された圧力信号に基づき、吐出圧力に対応する吐出圧力飽和温度を求めるとともに、この吐出圧力飽和温度から上記吐出温度を差し引いた温度差Δｔ（＝吐出温度−吐出圧力飽和温度）を求め、図２（横軸：温度差Δｔ、縦軸：過冷却用開閉弁の作動状態）に示すように、この温度差Δｔが減少過程にある場合において、上記温度差が油回収器１２内での異常現象を引き起こし始める値よりも大きい第１閾値Δｔ１、例えば１０℃に達すると制御部により過冷却用開閉弁２３を閉じるように制御させ、過冷却器１４を停止状態にするようになっている。これにより、圧縮機１１の吐出温度の異常低下は阻止され、上記異常現象の発生は回避される。これに対して、上記温度差Δｔが増大過程にある場合において、過冷却用開閉弁２３の開閉切換えのハンチングが生じることのない第１閾値Δｔ１よりも大きい第２閾値Δｔ２、例えば１５℃に達すると制御部２２により過冷却用開閉弁２３を開くように制御させ、過冷却器１４を運転状態にするようになっている。この結果、上述した圧縮機１１の損傷事故発生の回避、容量調整可能な範囲が拡大に加えて、過冷却器１４の能力を極限まで利用した制御が可能となる。この結果、上記異常現象の発生に伴う圧縮機１１の損傷事故の発生も回避され、かつ圧縮機１１の容量調整可能な範囲が拡大され、約２５％程度までの容量調整が可能となる。

なお、本発明は、図１中、二点鎖線による四角形の枠で囲んで示すように、過冷却器１４を通過する分岐流路IIを過冷却器１４と主膨張弁１６との間で分岐させた冷凍装置１Ａに限定するものでなく、図３に示すように、分岐流路IIを凝縮器１３と過冷却器１４との間で分岐させた冷凍装置をも含むものである。
なお、図３中、図１と共通する部分については互いに同一番号が付してある。

本発明に係る冷凍装置の全体構成を示すブロック図である。 図１に示す冷凍装置における圧縮機の吐出側での温度差（＝吐出温度−吐出圧力飽和温度）と過冷却用開閉弁の作動状態との関係を示す図である。 本発明における過冷却器を通過する分岐流路の他の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１Ａ 冷凍装置
１１ 圧縮機
１２ 油回収器
１２ａ 油分離エレメント
１２ｂ 油溜まり部
１３ 凝縮器
１４ 過冷却器
１５ 主開閉弁
１６ 主膨張弁
１７ 蒸発器
１８ モータ
１９ 電源
２１ インバータ
２２ 制御部
２３ 過冷却用開閉弁
２４ 過冷却用膨張弁
２５ 油冷却器
２６ 圧力検出器
２７ 温度検出器
I 冷媒循環流路
II 分岐流路
III 油流路

Claims (3)

1. 容量調整可能な油冷式圧縮機に続いて、少なくとも油回収器、凝縮器、過冷却器、主膨張弁及び蒸発器が介設された冷媒循環流路を備え、
   上記過冷却器には、上記冷媒循環流路における上記凝縮器と上記主膨張弁との間の部分から分岐し、過冷却用開閉弁、過冷却用膨張弁を経由した分岐流路が通過し、
   この分岐流路は上記圧縮機の中間圧力部に通じるように設けられた冷凍装置において、
   上記圧縮機の吐出圧力を検出する圧力検出器と、
   上記圧縮機の吐出温度を検出する温度検出器と、
   上記圧縮機を駆動するモータの回転数をインバータを介して制御する制御部であって、上記圧力検出器から検出圧力を示す圧力信号及び上記温度検出器から検出温度を示す温度信号を受けて、上記吐出圧力に対応する吐出圧力飽和温度を求めるとともに、吐出温度から上記吐出圧力飽和温度を差し引いた温度差を求め、減少過程にある上記温度差が第１閾値に達すると、上記過冷却用開閉弁を閉じる一方、増大過程にある上記温度差が上記第１閾値よりも大きい第２閾値に達すると上記過冷却用開閉弁を開く制御をする制御部とを設けたことを特徴とする冷凍装置。
2. 上記第１閾値が、上記油回収器内での異常現象を引き起こし始める値よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
3. 上記第２閾値が、上記過冷却用開閉弁の開閉切換えのハンチングが生じることのない程度に、上記第１閾値よりも大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の冷凍装置。

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