JP6373034B2 - 冷凍機 - Google Patents

Description

本発明は、低段圧縮部と高段圧縮部とこれら各圧縮部を駆動するモータとを備えた二段圧縮機を有する冷凍機に関するものである。

圧縮機において、使用している部品にはそれぞれ温度制約がある。

従来より、冷媒を圧縮する圧縮機を有する冷凍機において、圧縮機モータのステータの劣化及び損傷が生じるのを防止するために、冷媒を膨張手段により減圧し、低温の冷媒をモータ室内へ供給してモータを冷却する冷凍機がある（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

特許文献１には、低段圧縮部及び高段圧縮部を備えた二段圧縮機を有する冷凍機における圧縮機のモータ冷却について記載されており、モータ冷却のために用いた冷媒を、中間段、すなわち、低段吐出部と高段吸込部の間へ合流させている。また、特許文献２には、モータの発熱量に応じて膨張手段を制御し、モータ室内へ供給する冷媒量を制御することが記載されている。

特開２０１２−１０２９６７号公報（第７頁、図１） 特開平７−１３９８２０号公報（第３頁、図１）

上記特許文献１、２では、モータ冷却に用いる冷媒量を膨張手段により制御しているが、膨張手段には、例えばキャピラリーチューブや電子膨張弁などがあり、中でもより制御を実施しやすい膨張弁としてリニア式電子膨張弁がある。リニア式電子膨張弁はその構造上の理由により、運転途中において全閉にしてしまうと弁開度に誤差が生じてしまう可能性があるため、全閉に制御されない。したがって、モータ冷却に用いる膨張手段にリニア式電子膨張弁を使用した場合、モータ温度が目標冷却温度以下に下がってモータ室内への冷媒の供給が不要な運転状態においても、冷媒がモータ室内へ供給され続けることになり、必要以上に冷媒がモータ室内へ供給されるという問題が生じる。

モータ冷却用の冷媒は上述したように中間段へ戻されるため、モータ冷却に用いる冷媒量が多いほど中間段へ戻す冷媒量が多くなり、中間圧は上昇する。そして、中間圧が上昇すると、低段圧縮部の圧縮比［（低段吐出圧力＝中間圧）／低段吸込圧力］が大きくなる。

そして、低段圧縮部の圧縮比の上昇に伴い低段圧縮部の体積効率が悪化し、冷凍能力は低下し、圧縮機動力が増大する。

よって、必要以上に冷媒がモータ室内へ供給されると、結果として成績係数（冷却能力／圧縮機動力）が低下するという問題があった。

本発明はこのような点を鑑みなされたもので、必要以上にモータ冷却用の冷媒がモータに供給されることを抑制して中間圧の上昇を抑えることができ、成績係数の良好な冷凍機を提供することを目的とする。

本発明に係る冷凍機は、低段圧縮部、高段圧縮部及びこれら圧縮部を駆動するモータを有する二段圧縮機と、凝縮器と、減圧装置とを有し、冷媒が循環する冷媒回路と、凝縮器から減圧装置に向かう冷媒の一部を分岐し、二段圧縮機においてモータが設置されたモータ室に供給する冷媒流路を形成する配管と、配管に設けられたリニア式電子膨張弁と、配管に設けられた開閉弁と、モータの発熱量に応じた温度を検知する温度検知手段と、温度検知手段で検知された温度が予め設定された目標冷却温度となるようにリニア式電子膨張弁を制御する制御装置とを備え、制御装置は、リニア式電子膨張弁を制御上の最小開度に制御してもなお、温度検知手段で検知された温度が目標冷却温度よりも低い場合、開閉弁を全閉とするものである。

本発明によれば、必要以上にモータ冷却用の冷媒がモータに供給されることを抑制して中間圧の上昇を抑えることができ、成績係数の良好な冷凍機を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る二段スクリュー冷凍機の冷媒回路の概略図である。 本発明の実施の形態１に係る二段スクリュー冷凍機における二段圧縮機のモータ冷却制御方法のフローチャートである。 本発明の実施の形態２に係る二段スクリュー冷凍機の冷媒回路の概略図である。

以下、本発明の実施の形態に係る二段スクリュー冷凍機について図面等を参照しながら説明する。ここで、全図において、同一の符号を付したものは、同一の又はこれに相当するものであり、これは明細書の全文において共通している。さらに、明細書全文に表れている構成要素の形態は、あくまで例示であってこれらの記載に限定されるものではない。

以下、低段圧縮部と高段圧縮部とこれら各圧縮部を駆動するモータとを備えた二段圧縮機を有する冷凍機の一例である二段スクリュー冷凍機の構成を説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る二段スクリュー冷凍機の冷媒回路の概略図である。なお、図１において実線矢印は冷媒系統を示し、破線矢印は油系統を示している。
二段スクリュー冷凍機は、二段圧縮機１と、油分離器２と、凝縮器３と、減圧装置である主膨張弁４と、蒸発器５とを備え、これらが順次冷媒配管によって接続され、冷媒回路を構成している。

二段圧縮機１は、二段シングルスクリュー圧縮機であり、図１に概略の構成を示すように、筒状のケーシング１ａと、このケーシング１ａ内に収容された低段圧縮部１０と、高段圧縮部２０と、低段圧縮部１０と高段圧縮部２０とを回転駆動させるモータ３０とを備えている。

低段圧縮部１０及び高段圧縮部２０は何れもスクリュー式の圧縮部で構成されており、低段圧縮部１０は、低段スクリューロータ１１とゲートロータ１２とを備え、高段圧縮部２０は、高段スクリューロータ２１とゲートロータ２２とを備えている。

低段スクリューロータ１１の外周部には複数の螺旋状のスクリュー溝１１ａが形成され、高段スクリューロータ２１も同様に、外周部に複数の螺旋状のスクリュー溝２１ａが形成されている。

低段圧縮部１０のゲートロータ１２は、低段スクリューロータ１１の径方向に低段スクリューロータ１１を挟むように２つ配置され、高段圧縮部２０のゲートロータ２２は高段スクリューロータ２１の径方向に１つ配置されている。また、ゲートロータ１２、２２の外周部には複数の歯部１２ａ、２２ａが形成されており、これらの歯部１２ａ、２２ａが低段スクリューロータ１１のスクリュー溝１１ａ及び高段スクリューロータ２１のスクリュー溝２１ａとそれぞれ噛み合い係合し、それぞれ低段圧縮室及び高段圧縮室を形成する。なお、ここではゲートロータを３つ設けた形態としたが、ゲートロータを４つ設け、低段スクリューロータ１１の径方向に低段スクリューロータ１１を挟むように２つ配置し、高段スクリューロータ２１の径方向に高段スクリューロータ２１を挟むように２つ配置した形態としてもよい。

モータ３０は、ケーシング１ａに内接して固定されたステータ３１と、ステータ３１の内側に配置されたモータロータ３２とを備えており、モータ室３３に配置されている。モータ３０は、その駆動回路がインバータ方式の場合は回転数が制御されるようになっている。

モータ室３３は、低段スクリューロータ１１と高段スクリューロータ２１との間の中間室４０に連通しているが、低段スクリューロータ１１の吸込み側（低圧側）とは軸シール３４によって区画されている。低段スクリューロータ１１と高段スクリューロータ２１とモータロータ３２とは互いに同一軸線上に配置されており、何れもスクリュー軸５０に固定されている。そして、モータ室３３には、例えばサーミスタ等で構成され、モータ室３３の壁温度を検出するモータ室壁温度センサ６０が配置されている。なお、このモータ室壁温度センサ６０は、モータ３０の発熱量に応じた温度を検知する、本発明の温度検知手段を構成している。

二段スクリュー冷凍機はさらに、凝縮器３から主膨張弁４に向かう冷媒（液冷媒）の一部を分岐し、モータ室３３に供給する冷媒流路を形成する液配管６を備えている。このように凝縮器３から主膨張弁４に向かう液冷媒の一部をモータ室３３に供給することで、モータ３０を冷却する。液配管６には、モータ室３３への冷媒供給量を制御可能なリニア式電子膨張弁７が配置されている。液配管６にはさらに、液配管６の冷媒流路を開閉可能な例えば電磁弁で構成された開閉弁８が配置されている。なお、ここでは、液配管６においてリニア式電子膨張弁７の上流に開閉弁８を配置しているが、開閉弁８の配置位置は液配管６上であればよく、リニア式電子膨張弁７の上流下流は問わない。

また、二段スクリュー冷凍機は、マイクロコンピュータ等で構成された制御装置７０を備えている。制御装置７０は、ＣＰＵと、各種データを記憶するＲＡＭと、運転制御を行うためのプログラム等を記憶するＲＯＭ（何れも図示せず）とを備えており、ＲＯＭ内のプログラムにしたがって二段スクリュー冷凍機全体を制御する。

また、制御装置７０は、モータ室壁温度センサ６０で検知されたモータ室壁温度が予め設定された目標冷却温度となるように、リニア式電子膨張弁７の弁開度を調整してモータ室３３への冷媒供給量を制御すると共に、開閉弁８を制御する。

ところで、モータ冷却用の冷媒量を制御するリニア式電子膨張弁７は、上述したようにその構造上の理由により、運転途中において全閉にしてしまうと弁開度に誤差が生じてしまう可能性があるため、全閉に制御されない。よって、リニア式電子膨張弁７では液配管６の冷媒流路を遮断することができない。このため、例えばモータ３０に対する負荷が小さく、モータ３０の発熱量が少ない場合、リニア式電子膨張弁７の弁開度を制御上の最小に設定しても、液配管６を介してモータ室３３に液冷媒が供給され続ける。この場合、モータ３０が必要以上に冷やされ、モータ室壁温度センサ６０により検知されたモータ室壁温度が目標冷却温度よりも低くなることがある。そこで、本発明では、液配管６に開閉弁８を設け、液配管６における冷媒の流れを遮断できるようにしている。

次に、本実施の形態１に係る二段シングルスクリュー圧縮機１の動作及び冷媒回路における冷媒の流れについて説明する。
電力供給源（図示せず）からステータ３１へ電力供給されることにより、モータロータ３２、スクリュー軸５０、低段スクリューロータ１１及び高段スクリューロータ２１が回転する。また、低段スクリューロータ１１及び高段スクリューロータ２１のそれぞれに係合されたゲートロータ１２、２２も回転する。これにより、低温低圧のガス冷媒が低段スクリューロータ１１のスクリュー溝１１ａとゲートロータ１２の歯部１２ａとによって形成される低段圧縮室に吸込まれ、第１段の圧縮が行われる。低段圧縮室で圧縮されたガス冷媒は、中間室４０へ吐出される。

中間室４０へ吐出されたガス冷媒は、高段スクリューロータ２１のスクリュー溝２１ａとゲートロータ２２の歯部２２ａとによって形成される高段圧縮室へ吸込まれ、第２段の圧縮が行われる。高段圧縮室で圧縮されて高温高圧となったガス冷媒は、油分離器２へ吐出される。

油分離器２へ吐出されたガス冷媒は油を含有しており、油分離器２において、ガス冷媒と油とに分離され、ガス冷媒は凝縮器３へ至る。凝縮器３において、ガス冷媒は外部熱源と熱交換されて凝縮し、高圧の液冷媒となる。

高圧の液冷媒は、主膨張弁４によって膨張して低温低圧の液冷媒となり、蒸発器５へ至る。蒸発器５において、液冷媒は外部熱源と熱交換されて蒸発し、低温低圧のガス冷媒となり、上記低段圧縮室へ吸込まれる。これが、二段スクリュー冷凍機における主な冷媒の流れである。

また、凝縮器３において凝縮された液冷媒の一部は、液配管６を経て、リニア式電子膨張弁７によって低温低圧へ膨張された状態でモータ室３３へ供給され、モータ３０を冷却する。モータ３０を冷却後の冷媒は中間室４０に流入し、低段圧縮室から吐出された冷媒と共に高段圧縮室へ吸込まれる。これ以降の冷媒の流れは上述の通りである。

また、油分離器２において分離された油は、油配管９を経て、上記低段圧縮部１０及び高段圧縮部２０へインジェクションされる。

図２は、本発明の実施の形態１に係る二段スクリュー冷凍機における二段圧縮機のモータ冷却制御方法のフローチャートである。図２のフローチャートは制御間隔毎に実施される。なお、ここでは開閉弁８は全開に制御されているものとする。
制御装置７０は、モータ室壁温度センサ６０により検知されたモータ室壁温度と予め設定された目標冷却温度とを比較し（Ｓ１）、モータ室壁温度が目標冷却温度よりも高ければ、リニア式電子膨張弁７を予め設定された所定開度だけ開方向に動作させる（Ｓ２）。一方、モータ室壁温度が目標冷却温度以下であれば、モータ室壁温度が目標冷却温度に一致するか否かをチェックし（Ｓ３）、一致しなければ、すなわちモータ室壁温度が目標冷却温よりも低ければ、続いてリニア式電子膨張弁７の弁開度が制御上の最小でないかどうかをチェックする（Ｓ４）。制御装置７０は、リニア式電子膨張弁７の弁開度が制御上の最小でなければ、リニア式電子膨張弁７を予め設定された所定開度だけ閉方向に動作させる（Ｓ５）。

一方、制御装置７０は、ステップＳ４においてリニア式電子膨張弁７の弁開度が制御上の最小であれば、開閉弁８を全閉にする（Ｓ６）。また、制御装置７０は、ステップＳ３においてモータ室壁温度が目標冷却温度に等しければ、リニア式電子膨張弁７を現状の開度に維持する。

以上のフローチャートの制御を制御間隔毎に繰り返すことにより、モータ室壁温度が目標冷却温度よりも高い間は、リニア式電子膨張弁７の開度が所定開度ずつ広げられ、液配管６を介してモータ室３３に供給される液冷媒の流量が増え、モータ室３３が冷却される。一方、モータ室壁温度が目標冷却温度よりも低い間は、リニア式電子膨張弁７の開度が狭められ、液配管６を介してモータ室３３に供給される液冷媒の流量が減らされ、モータ室３３の冷えすぎを改善する。そして、リニア式電子膨張弁７を制御上の最小開度にしてもなおモータ室壁温度が目標冷却温度よりも低ければ、開閉弁８が全閉され、モータ室３３への液冷媒の供給が遮断される。以上の制御により、必要以上に液冷媒がモータ室３３内へ供給されることを阻止できる。

なお、ここでは、モータ室壁温度センサ６０により検知されたモータ室壁温度が目標冷却温度となるようにリニア式電子膨張弁７を制御するとしたが、目標冷却温度を含む所定範囲内を維持するようにリニア式電子膨張弁７を制御するようにしてももちろん良い。

また、ここでは、リニア式電子膨張弁７の開度を制御間隔毎に所定開度だけ開方向又は閉方向に動作させるとしたが、他に例えば、モータ室壁温度と目標冷却温度との温度差に応じた開度となるように動作させるようにしてもよい。

以上説明したように、本実施の形態１では、モータ室３３を冷却する液冷媒が通過する液配管６に、リニア式電子膨張弁７に加えてさらに開閉弁８を設け、液配管６における冷媒の流れを遮断可能とした。これにより、リニア式電子膨張弁７の弁開度を制御上の最小としてもなおモータ室壁温度が目標冷却温度よりも低く、必要以上に液冷媒がモータ室３３に供給されている運転状態の時、開閉弁８を全閉とすることで不必要な液冷媒のモータ室３３への供給を阻止できる。その結果、中間室４０に戻るモータ冷却後のガス冷媒量が抑えられ、中間室４０の圧力を低く抑えることができ、成績係数（運転効率）の高い冷凍機を得ることができる。

さらに、図に示していないエコノマイザを冷媒回路に有し、エコノマイザサイクルを構成している冷凍機においては、中間圧が低下することによりエコノマイザにおける交換熱量が増し、冷凍効果が増大する。すなわち、冷凍能力の増大を図ることができる。

実施の形態２．
実施の形態２は、実施の形態１のモータ室壁温度センサ６０に代えて、モータ３０のステータ３１の巻き線温度を検知する巻き線温度センサ６１を設けたものである。この巻き線温度センサ６１はモータ３０の発熱量に応じた温度を検知する、本発明の温度検知手段を構成している。それ以外の冷媒回路の構成、動作、図２に示したモータ冷却制御の流れ等は実施の形態１と同様である。また、実施の形態１の構成部分において適用された変形例は、実施の形態２の同様の構成部分においても同様に適用される。

図３は、本発明の実施の形態２に係る二段スクリュー冷凍機の冷媒回路の概略図である。なお、図３において実線矢印は冷媒系統を示し、破線矢印は油系統を示している。
実施の形態２の二段スクリュー冷凍機の二段圧縮機１において、巻き線温度センサ６１は、ステータ３１内部に埋め込まれた状態で配置され、巻き線の温度を検知し、検知温度を制御装置７０に出力する。制御装置７０は、巻き線温度が予め設定された目標冷却温度となるように、実施の形態１と同様にリニア式電子膨張弁７及び開閉弁８の制御を行う。

本実施の形態２によれば、実施の形態１と同様の効果が得られると共に以下の効果が得られる。すなわち、巻き線温度センサ６１はステータ３１の内部に埋め込まれて配置されているため、実施の形態１のモータ室壁で温度検知するよりも温度応答性に優れ、実施の形態１よりも精度の高いモータ冷却制御を実現できる。

なお、上記実施の形態１、２では、低段圧縮部１０及び高段圧縮部２０が共にシングルスクリュー圧縮部であるが、ツインスクリューやスクロール、ロータリ、レシプロなど他方式の圧縮部で構成することもできる。

また、上記実施の形態１、２では、蒸発器５が冷凍機に備えている形態を示したが、蒸発器５は設備側に設けた形態であってもよい。

１ 二段圧縮機、１ａ ケーシング、２ 油分離器、３ 凝縮器、４ 主膨張弁、５ 蒸発器、６ 液配管（配管）、７ リニア式電子膨張弁、８ 開閉弁、９ 油配管、１０ 低段圧縮部、１１ 低段スクリューロータ、１１ａ スクリュー溝、１２ ゲートロータ、１２ａ 歯部、２０ 高段圧縮部、２１ 高段スクリューロータ、２１ａ スクリュー溝、２２ ゲートロータ、２２ａ 歯部、３０ モータ、３１ ステータ、３２ モータロータ、３３ モータ室、３４ 軸シール、４０ 中間室、５０ スクリュー軸、６０ モータ室壁温度センサ、６１ 巻き線温度センサ、７０ 制御装置。

Claims (4)

1. 低段圧縮部、高段圧縮部及びこれら圧縮部を駆動するモータを有する二段圧縮機と、凝縮器と、減圧装置とを有し、冷媒が循環する冷媒回路と、
   前記凝縮器から前記減圧装置に向かう冷媒の一部を分岐し、前記二段圧縮機において前記モータが設置されたモータ室に供給する冷媒流路を形成する配管と、
   前記配管に設けられたリニア式電子膨張弁と、
   前記配管に設けられた開閉弁と、
   前記モータの発熱量に応じた温度を検知する温度検知手段と、
   前記温度検知手段で検知された温度が予め設定された目標冷却温度となるように前記リニア式電子膨張弁を制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記リニア式電子膨張弁を制御上の最小開度に制御してもなお、前記温度検知手段で検知された温度が前記目標冷却温度よりも低い場合、前記開閉弁を全閉とする
   ことを特徴とする冷凍機。
2. 前記温度検知手段は、前記モータ室の壁面の温度を検知する
   ことを特徴とする請求項１記載の冷凍機。
3. 前記温度検知手段は、前記モータの巻き線温度を検知する
   ことを特徴とする請求項１記載の冷凍機。
4. 前記低段圧縮部及び前記高段圧縮部は共にスクリュー式の圧縮部で構成されている
   ことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の冷凍機。

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