JP6091077B2 - 冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮機、凝縮器、膨張機構、蒸発器を配管で順に連結して構成される冷媒回路に冷媒を循環させ、かつ圧縮機に吸入される冷媒ガスで圧縮機の電動機を冷却する冷凍装置に関するものである。

従来の冷凍装置として、吸入された冷媒ガスを電動機の固定子部に導いて電動機を冷却する冷凍装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、この技術では、電動機を冷却することによって、加熱・膨張した冷媒ガスが圧縮機構に吸入されるため吸入効率が低下するという課題があった。
そこで、その課題を解決するために、電動機を冷却したガス冷媒の過熱度で膨張機構を制御する技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
その従来技術は、図７に示すように、蒸発器４に流入する冷媒流量を第１膨張機構３で、電動機６を冷却する冷媒流量を第２膨張機構７でそれぞれ行う。感温筒５は、蒸発器４出口のガス冷媒の温度と圧力を検出して、その検出部での過熱度が一定となるように第１膨張機構３の弁開度を制御し、蒸発器４に流入する冷媒流量を制御する。第１膨張機構３は、液バック防止のために圧縮機１の吸入部が確実にガス冷媒になるような過熱度を制御目標とするので、蒸発器４出口のガス冷媒の様相は、図８に示すようにガス冷媒となる。

特開平１−２３７３８９号公報（第１図） 特許第３４４３４４３号公報（図２）

しかしながら、特許文献２に記載の技術では、蒸発器４を流れる冷媒流量は蒸発器４出口の過熱度が一定になるように制御しているため、蒸発器４出口のガス冷媒は一定値以上の過熱度を有している過熱ガスである必要があり、蒸発器４の伝熱面積を有効に利用するための低過熱度の制御が困難である。
また、特許文献２に記載の技術は、電動機６を冷却するために第２膨張機構７を備えた冷媒回路を付加しているが、冷凍装置の冷媒回路の部品点数や配管数が増加し、コストも増加するという課題がある。

本発明は、前述のような課題を解決するためになされたものであり、電動機を冷却するための冷媒回路を付加することなく電動機を冷却し、効率の良い運転が可能な冷凍装置を提供することを目的とする。

本発明に係る冷凍装置は、圧縮機、凝縮器、電子膨張弁、蒸発器を冷媒配管で順に連結して構成された冷媒回路を有する冷凍装置において、圧縮機を駆動する電動機を冷却した冷媒の温度を検出する第１の温度センサーと、圧縮機を駆動する電動機を冷却した冷媒の圧力を検出する第１の圧力センサーと、蒸発器の出口に設置された第２の温度センサーおよび第２の圧力センサーと、電動機の回転数を制御して圧縮機の運転容量を制御するインバータと、第１の温度センサーおよび第１の圧力センサーにより検出された温度と圧力から冷媒の過熱度を検知し、その過熱度が前記圧縮機の運転容量に応じた目標過熱度になるように、電子膨張弁の弁開度を制御するコントローラとを備え、コントローラは、第２の温度センサーおよび第２の圧力センサーにより検出された温度と圧力から蒸発器の出口の冷媒の過熱度を検知して、その冷媒に含まれる液冷媒の割合の増加を推定し、推定した液冷媒の割合に応じて電動機を冷却した冷媒の目標過熱度の値を変更する。

本発明によれば、圧縮機を駆動する電動機を冷却したガス冷媒の温度および圧力を検出してガス冷媒の過熱度を検知し、その過熱度が目標過熱度になるように膨張機構の弁開度を制御するようにしているので、蒸発器４出口のガス冷媒の過熱度が小さくなり、そのため、伝熱面積を有効に利用することができ、冷媒の蒸発圧力を高くすることによって効率の良い運転が可能となる。

実施の形態１に係る冷凍装置の冷媒回路を示す図である。 実施の形態１における蒸発器内および蒸発器出口の冷媒の様相を示す模式図である。 実施の形態２に係る冷凍装置の冷媒回路を示す図である。 圧縮機の容量を機械式制御で行った場合の冷却の能力負荷率の変化に対する入力負荷率の変化を示す曲線図である。 圧縮機の容量をインバータ式制御で行った場合の冷却の能力負荷率の変化に対する入力負荷率の変化を示す曲線図である。 実施の形態３に係る冷凍装置の冷媒回路を示す図である。 従来の冷凍装置の冷媒回路を示す図である。 従来の冷凍装置における蒸発器内および蒸発器出口の冷媒の様相を示す模式図である。

実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る冷凍装置の冷媒回路を示す図、図２は実施の形態１における蒸発器内および蒸発器出口の冷媒の様相を示す模式図である。
実施の形態１の冷凍装置は、圧縮機１、凝縮器２、膨張機構３、蒸発器４を冷媒配管１０で順に連結して構成された冷媒回路を有している。圧縮機１とこの圧縮機１を駆動する電動機６の間には、膨張機構３の弁開度を制御する感温筒５が設置されている。この感温筒５は、電動機６を冷却したガス冷媒の温度および圧力を検出して過熱度を検知し、その過熱度が目標過熱度になるように膨張機構３の弁開度を制御する。

前記のように構成された冷凍装置の動作について説明する。
この冷媒回路を循環する冷媒は、圧縮機１により高温高圧のガス冷媒となり、凝縮器２に流入して空気、水、又はブライン等の媒体と熱交換され、高温高圧の液冷媒となって膨張機構３に流入する。膨張機構３に流入した高温高圧の液冷媒は、膨張機構３の弁開度に応じて低温低圧の気液二相冷媒となり、蒸発器４に流入する。蒸発器４に流入した低温低圧の気液二相冷媒は空気、水、又はブライン等の媒体と熱交換された後、電動機６に流入して電動機６を冷却し、圧縮機１により再び高温高圧のガス冷媒となる。

一方、感温筒５は、電動機６を冷却した冷媒の温度および圧力を検出して過熱度を検知し、その過熱度が目標過熱度になるように膨張機構３の弁開度を制御する。この目標過熱度は、蒸発器４から流出された冷媒が電動機６を通過する際に、電動機６を冷却することによって加熱されて蒸発することを考慮している。そのため、蒸発器４出口の冷媒には、図４に示すように、従来技術（図８参照）と比べ、液分が多く含まれた気液二相状態である。

以上のように実施の形態１においては、電動機６を冷却した冷媒の過熱度が目標過熱度になるように膨張機構３の弁開度を制御するようにしているので、蒸発器４出口の冷媒の過熱度が小さくなり、そのため、蒸発器４の伝熱面積を有効に利用することができ、冷媒の蒸発圧力を高くすることによって効率の良い運転が可能となる。

実施の形態２．
図３は実施の形態２に係る冷凍装置の冷媒回路を示す図、図４は圧縮機の容量を機械式制御で行った場合の冷却の能力負荷率の変化に対する入力負荷率の変化を示す曲線図、図５は圧縮機の容量をインバータ式制御で行った場合の冷却の能力負荷率の変化に対する入力負荷率の変化を示す曲線図である。なお、図１に示す実施の形態１と同様の部分には同じ符号を付している。

実施の形態２は、図３に示すように、圧縮機１を駆動する電動機６の回転数を制御するインバータ１１を設け、インバータ１１による電動機６の回転数制御で、圧縮機１の運転容量を制御するようにしたものである。
圧縮機１は、蒸発器４の蒸発負荷に対応するために運転容量を制御する。この運転容量の制御は、方式によって特性が異なり、圧縮機１の後部に流入したガス冷媒を吸入側にバイパスして冷媒吐出量を制御する機械式容量制御の場合は図４のような特性を持ち、本実施の形態２のように、回転数制御を行うインバータ式容量制御の場合は図５のような特性を持つ。

機械式容量制御の場合は、図４に示すように、冷却の能力負荷率の変化に対して入力負荷率（消費電力負荷率）の変化が少ないため、圧縮機１の冷媒吐出量を減少させるような容量制御を行った場合、電動機６の発熱量に対しての冷却源である吸入冷媒流量が相対的に減少する。これによって、電動機６の通過前後でのガス冷媒の熱交換量が増加するため、電動機６を冷却したガス冷媒の過熱度が一定になるように膨張機構３を制御した場合、蒸発器４の出口から電動機６に至るまでの冷媒配管１０中の冷媒に含まれる液冷媒の割合を増加させる必要があり、冷凍装置の冷媒充填量が増加する。

圧縮機１の容量を制御しない運転状態では、電動機６の発熱量に対して吸入冷媒流量が相対的に増加するので、蒸発器４の出口から電動機６に至るまでの冷媒配管１０中の冷媒に含まれる液冷媒の量はより少なくなる。

従って、容量制御時の必要冷媒充填量では過剰傾向となるため、凝縮器２に余剰冷媒が存在することによって高圧圧力が上昇し運転効率が低下する。あるいは、容量制御時は蒸発器４出口の液冷媒の割合を減少させるために、電動機６出口の目標過熱度の値を大きくする必要がある。

一方、圧縮機１の冷媒吐出量を減少させるための容量制御を、インバータ１１による電動機６の回転数制御で行った場合は、図５に示すように、能力負荷率の変化と入力負荷率の変化がほぼ同じ割合で変化する。
このため、電動機６を冷却した冷媒の過熱度が一定になるように、感温筒５で制御した場合でも、蒸発器４の出口の液冷媒の割合が大きく変化することがない。そのため、必要冷媒充填量の変化も小さく、広範囲に亘って同一の目標過熱度で膨張機構３を制御することができ、効率の良い運転が可能となる。

実施の形態３．
図６は実施の形態３に係る冷凍装置の冷媒回路を示す図である。なお、図３に示す実施の形態２と同様の部分には同じ符号を付している。また、図中には温度センサー５ｃと圧力センサー５ｄを示しているが、本実施の形態の変形例として記載している。

実施の形態３に係る冷凍装置の冷媒回路には、膨張機構３に代えて電子膨張弁３が使用され、感温筒５に代えて温度センサー５ａおよび圧力センサー５ｂが使用されている。また、温度センサー５ａおよび圧力センサー５ｂにより検出された温度と圧力から、電動機６を冷却した冷媒の過熱度を検知し、その過熱度が圧縮機１の運転容量に応じた目標過熱度になるように、電子膨張弁３の弁開度を制御するコントローラ１２を備えている。

圧縮機１の運転容量の制御を行う場合は、実施の形態２で述べたように、広範囲に亘って同一の目標過熱度で膨張機構３を制御することができるが、負荷率によって同一の目標過熱度での制御が困難となった場合には、コントローラ１２にて目標過熱度の値を変更し、電子膨張弁３を制御する。

目標過熱度の設定値の変更は、コントローラ１２に手動で入力する方法や、圧縮機１の運転容量の制御状態に応じた最適な目標過熱度を予めコントローラ１２に記憶させておく方法などがある。

本実施の形態３においては、電動機６の発熱量に対して吸入冷媒量が相対的に減少するような圧縮機１の容量を制御する運転時には、目標過熱度を維持しようとすると蒸発器４出口の冷媒に含まれる液冷媒の割合が増加し、冷媒充填量も増加する。このような場合に目標過熱度を高い値に設定変更することによって、蒸発器４出口の液冷媒の割合の増加・冷媒充填量の増加を抑制することができる。このため、効率の良い運転が可能となる。
なお、実施の形態３では、目標過熱度の設定値の変更は、コントローラ１２に手動で入力する方法や、圧縮機１の運転容量の制御状態に応じた最適な目標過熱度を予めコントローラ１２に記憶させておくことについて説明したが、これに限定されるものではない。

例えば図６に示すように、蒸発器４の出口に温度センサー５ｃと圧力センサー５ｄを設置し、蒸発器４出口の冷媒の過熱度を検知して液冷媒の割合を推定し、その液冷媒の割合に応じて目標過熱度の値を変更するようにしても良い。

１ 圧縮機、２ 凝縮器、３ 膨張機構、４ 蒸発器、５ 感温筒、５ａ、５ｃ 温度センサー、５ｂ、５ｄ 圧力センサー、６ 電動機、７ 膨張機構、８ 感温筒、１０ 冷媒配管、１１ インバータ、１２ コントローラ。

Claims (1)

1. 圧縮機、凝縮器、電子膨張弁、蒸発器を冷媒配管で順に連結して構成された冷媒回路を有する冷凍装置において、
   前記圧縮機を駆動する電動機を冷却した冷媒の温度を検出する第１の温度センサーと、
   前記圧縮機を駆動する電動機を冷却した冷媒の圧力を検出する第１の圧力センサーと、
   前記蒸発器の出口に設置された第２の温度センサーおよび第２の圧力センサーと、
   前記電動機の回転数を制御して前記圧縮機の運転容量を制御するインバータと、
   前記第１の温度センサーおよび前記第１の圧力センサーにより検出された温度と圧力から前記冷媒の過熱度を検知し、該過熱度が前記圧縮機の運転容量に応じた目標過熱度になるように、前記電子膨張弁の弁開度を制御するコントローラと
   を備え、
   前記コントローラは、前記第２の温度センサーおよび前記第２の圧力センサーにより検出された温度と圧力から前記蒸発器の出口の冷媒の過熱度を検知して、当該冷媒に含まれる液冷媒の割合の増加を推定し、推定した液冷媒の割合に応じて前記電動機を冷却した冷媒の前記目標過熱度の値を変更することを特徴とする冷凍装置。

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