JP2010169286A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機への必要給油量を確保するとともに、冷凍能力を増加させ、消費電力の減少による高効率運転を可能にすること。
【解決手段】圧縮機１、圧縮機から吐出された冷媒から冷凍機油を分離する油分離器２、送風ファン１４を有する空冷式凝縮器３、減圧装置５及び蒸発器６を順次接続して冷凍サイクルを構成し、圧縮機１の圧縮作用により生じる高圧側の圧力と低圧側の圧力の圧力差を利用して油分離器２で分離された冷凍機油を圧縮機１に圧縮機１に給油する冷凍装置において、圧縮機１の吸入部と吐出部の圧力をそれぞれ検出する圧力検出手段１５，１６を備え、吸入部の検出圧力に応じて圧縮機１の最低必要給油量に対応する圧縮機の目標吐出圧力を設定し、吐出部の検出圧力が目標吐出圧力となるように送風ファンの回転数を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍装置に係り、特に圧縮機の圧縮作用により生じる高圧側の圧力と低圧側の圧力の圧力差を利用して給油を行う差圧給油方式の圧縮機を備えた冷凍装置に関する。

冷凍装置では、圧縮機、凝縮器、膨張弁及び蒸発器を順次冷媒配管で接続して構成される冷凍サイクルが使用されている。この冷凍サイクルにおいて、圧縮機に吸入された低圧の冷媒は、所定の高圧圧力に圧縮された後、凝縮器に導かれ、空気と熱交換して高圧液冷媒となる。この高圧液冷媒は、膨張弁に導かれて膨張された後、蒸発器に送られ、冷却すべき空気や水などの被冷却流体と熱交換して低圧ガス冷媒となる。そして、この低圧ガス冷媒は、圧縮機に吸い込まれて再び圧縮され、上述の冷凍サイクルを循環する。

このような冷凍装置では、圧縮機から吐出された冷媒を凝縮器の上流側に設けられた油分離器に導いて冷媒から冷凍機油を分離し、この分離された冷凍機油の圧力と圧縮機の吸入部の圧力（以下、吸入圧力という。）との差圧を利用することで圧縮機の軸受部などに冷凍機油を給油する差圧給油方式が採用されている。ここで、給油される冷凍機油の圧力は、圧縮機の吐出部の圧力（以下、吐出圧力という。）よりも若干（例えば０.０５ＭＰａ程度）低い圧力となっている。例えば、冷媒を２段階で圧縮する２段圧縮機の場合、２段目の圧縮機から吐出された冷媒から分離した冷凍機油の圧力と、１段目の圧縮機と２段目の圧縮機の間の中間圧力との差圧を利用することで、圧縮機の中間部位に冷凍機油を給油するようになっている。

ところで、このような差圧給油方式では、吐出圧力が下がりすぎると分離した冷凍機油の圧力も低下するために、冷凍機油の圧力と吸入圧力、あるいは冷凍機油の圧力と中間圧力との差圧が減少してしまい、圧縮機に必要な最低限の給油量（以下、最低必要給油量という。）を満たさないことがある。最低必要給油量を圧縮機に給油できなければ、圧縮機のロータ面、軸受け部などの損傷や圧縮機の寿命低下を招くおそれがある。

これに対し、圧縮機の吐出側と吸入側にそれぞれ圧力センサを設置し、吐出圧力と吸入圧力との差圧が、給油可能な圧力差の下限値に近くなるか、又はそれ以下となる場合、凝縮機用の送風ファンの回転数を減少あるいは停止させるように制御する技術が開示されている（特許文献１参照。）。これによれば、凝縮器内の冷媒圧力が上昇、つまり吐出圧力が上昇するために、差圧が大きくなって十分な給油量を確保することができ、圧縮機の給油不足を解消することができる。

特開平８−２８９７１号公報

しかしながら、上記特許文献１によれば、圧縮機の最低必要給油量を確保することについては考慮がされているが、圧縮機の運転効率を向上させることに関しては考慮がされておらず、さらなる改善の余地がある。

すなわち、特許文献１では、圧縮機の吐出圧力と吸入圧力との差圧を、圧縮機に給油可能な差圧の下限値以上に保つものであるため、現在の差圧が給油可能な差圧の下限値よりも大幅に大きいような場合は条件を満たしており、特に制御は行わないことになる。この状態では、吐出圧力を高くしておけば必要差圧を確保できるという考えのもと、必要以上に高い吐出圧力で運転がなされており、必ずしも圧縮機の運転効率がよいとはいえない。

本発明は、圧縮機への必要給油量を確保するとともに、冷凍能力を増加させ、かつ消費電力の減少による高効率運転を可能にする冷凍装置を実現することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明の冷凍装置は、圧縮機、圧縮機から吐出された冷媒から冷凍機油を分離する油分離器、送風ファンを有する空冷式凝縮器、減圧装置及び蒸発器を順次接続して冷凍サイクルを構成し、圧縮機の圧縮作用により生じる高圧側の圧力と低圧側の圧力の圧力差を利用して油分離器で分離された冷凍機油を圧縮機に給油する冷凍装置において、圧縮機の吸入部と吐出部の圧力をそれぞれ検出する圧力検出手段を備え、吸入部の検出圧力に応じて圧縮機の最低必要給油量に対応する圧縮機の目標吐出圧力を設定し、吐出部の検出圧力が目標吐出圧力となるように送風ファンの回転数を制御することを特徴とする。

この場合において、吐出部の検出圧力が目標吐出圧力よりも高いときは、送風ファンの回転数を増加させるように制御する。

すなわち、目標吐出圧力は、吸入部の検出圧力と、最低必要給油量を満たす差圧とから求めることができるため、吸入圧力に応じた目標吐出圧力の値を予め用意しておくことにより、吸入部の検出圧力に基づいて目標吐出圧力を設定することができる。ここで、例えば、圧縮機の吐出部の検出圧力が目標吐出圧力よりも高いとき、つまり最低必要給油量を満たしているときは、送風ファンの回転数を増加させ、凝縮量を増やし吐出圧力を下げることにより、吐出部の検出圧力を常に目標吐出圧力に近づけて運転を継続することができる。このように圧縮機の吐出圧力が常に目標吐出圧力となるように制御することで、吐出圧力を必要最小限に抑えた運転が可能となるため、圧縮機の消費電力が低減され、効率の高い運転が可能となる。また、凝縮器出口の冷媒温度が低くなることによりエンタルピ効果が増大するため、冷凍能力を向上させることができる。

ここで、圧縮機として冷媒を２段で圧縮する２段圧縮機を用いる場合、圧力検出手段は２段目圧縮機の吐出圧力と１段目圧縮機の吸入圧力をそれぞれ検出し、１段目圧縮機と２段目圧縮機との間に冷凍機油を給油するようにする。この場合においても、１段目圧縮機の吸入部の検出圧力と、１段目圧縮機と２段目圧縮機の間に給油するための最低必要給油量を満たす差圧とから目標吐出圧力を設定することにより、上述と同様の制御を行うことができる。

本発明によれば、圧縮機への必要給油量を確保するとともに、冷凍能力を増加させ、かつ消費電力の減少による高効率運転を可能とする冷凍装置を実現することができる。

本発明を適用してなる冷凍装置の全体構成を示す図である。 圧力連成計及び圧力センサの接続箇所を模式的に示す図である。 吐出圧力と給油量の関係を示す図である。 圧縮機の吐出冷媒圧力、吐出冷媒から分離された油の給油圧力、中間圧力及び圧縮機の吸入圧力の各圧力を、蒸発器における冷媒の蒸発温度との関係で示す図である。 吸入圧力と目標吐出圧力との関係を示す図である。 制御前の吐出圧力が高い状態と、制御後の吐出圧力を低下させた状態の冷凍サイクルを模式的に示す図である。

以下、本発明を適用してなる冷凍装置の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、本実施形態では、圧縮機として２段スクリュー圧縮機を用いる例を説明するが、本発明はこの例に限られるものではなく、単段スクリュー圧縮機等の各種圧縮機にも適用することが可能である。

図１は、本実施形態の冷凍装置の全体構成を示す図である。本実施形態の冷凍装置は、２段スクリュー圧縮機１（以下、圧縮機１と略す。）、空冷式の凝縮器３、主膨張弁５、蒸発器６等を冷媒配管で接続して冷凍サイクルを形成している。凝縮器３の近傍には、凝縮器３に熱交換用の空気を送風する送風ファン１４が設けられている。

圧縮機１の吐出側には、圧縮機１から吐出された冷媒から冷凍機油（以下、油と略す。）を分離する油分離器２が設けられ、この油分離器２で冷媒と分離された油は、油冷却器７を経由して配管経路ａを通じて圧縮機１へ戻されるようになっている。凝縮器３と主膨張弁５との間には、凝縮器３で凝縮された冷媒を冷却する過冷却器４が設けられている。

過冷却器４の下流側は、電磁弁８、主膨張弁５を順次配設して蒸発器６と接続される配管系路ｂと、電磁弁８の上流側で配管系路ｂから分岐され、電磁弁１１、過冷却用膨張弁１２、過冷却器４を順次配設して圧縮機１と接続される配管系路ｃと、配管系路ｃが配管系路ｂから分岐される分岐点の上流側で配管系路ｂから分岐され、電磁弁１０、油冷却用膨張弁９、油冷却器７を順次配設して圧縮機１に接続される配管系路ｄとに分配されている。ここで、配管系路ｃ、配管系路ｄは、いずれも圧縮機１の低段側と高段側との間に接続されている。

圧縮機１の吸入側には、吸入圧力を検出するための圧力センサ１５が設けられ、吐出側には、吐出圧力を検出するための圧力センサ１６が設けられている。圧力センサ１５，１６及び送風ファン１４は、制御装置１７と電気的に接続されており、圧力センサ１５，１６からの信号に基づいて制御装置１７から出力される制御信号が送風ファン１４に入力されるようになっている。

図２は、圧縮機１の圧力センサの接続箇所を模式的に表した図であり、図２（ａ）は本実施形態の２段圧縮機、図２（ｂ）は単段圧縮機を用いた場合の圧力センサの接続箇所を示している。

２段圧縮機１では、図２（ａ）に示すように、圧縮機１の吸入側の端面に一端が接続された冷媒戻り配管２１に配管２３を介して低圧側の圧力連成計２５が接続され、その配管２３を途中で分岐させた先に圧力センサ１５が接続されている。また、圧縮機１の吐出側の端面に一端が接続された冷媒吐出配管２７に配管２９を介して圧力センサ１６が接続されている。圧縮機１の長手方向の略中央部、つまり圧縮機１の低段側と高段側との間の部位には、給油配管３１が接続されている。圧力センサ１５，１６の検出信号は制御装置１７に入力されるようになっている。

一方、単段圧縮機２０を用いる場合は、図２（ｂ）に示すように、圧縮機２０の吸入側の端面に一端が接続された冷媒戻り配管２１に配管２３を介して低圧側の圧力連成計２５が接続され、その配管２３を途中で分岐させた先に圧力センサ１５が接続されている。また、圧縮機２０の吐出側の端面に一端が接続された冷媒吐出配管２７に配管２９を介して圧力センサ１６が接続されている。圧縮機２０の吐出側には給油配管３１が接続されている。なお、本実施の形態では、圧力センサ１５，１６は、それぞれ冷媒戻り配管２１，冷媒吐出配管２７に配管を介して接続されているが、圧縮機の吸入ポートと吐出ポートにそれぞれ配管を介して直接接続されていてもよい。

次に、本実施形態の冷凍装置の基本的な動作について図１を用いて説明する。図中の実線矢印は冷媒の流れ方向を示し、破線矢印は冷凍機油の流れ方向を示している。

圧縮機１の低段、高段側にて順次圧縮された冷媒は高温高圧の冷媒ガスとなり、油とともに圧縮機１から吐出された後、油分離器２に導かれ、ここにおいて油が冷媒ガスから分離される。冷媒ガスは凝縮器３に導かれると、空気と熱交換して冷却、凝縮されて液冷媒となる。この液冷媒が過冷却器４に導かれると、過冷却用膨張弁１２で減圧された冷媒と熱交換してさらに冷却された後、主膨張弁５の作用により低圧の湿りガスとなる。続いて、蒸発器６に導かれた低温の液冷媒は、被冷却流体を冷却して蒸発した後、圧縮機１へ吸入される。

一方、油分離器２で分離され、油分離器２の底部に溜まった油は、圧力の作用により、油冷却器７に流れ込む。油冷却器７に導入された油は、油冷却用膨張弁９で減圧された冷媒と熱交換して冷却される。冷却された油は、油ストレーナにて油中の異物が除去された後、油の圧力と圧縮機１の中間圧力部位である各軸受け部の圧力との差圧により圧縮機給油口１３へ給油される。

油分離器２から圧縮機１の軸受け部までの給油系統（配管経路ａを含む）における圧力の関係は、油分離器２＞油冷却器７＞圧縮機１の軸受け部となっており、圧縮機１から吐き出され油分離器２にて分離された油は、差圧によって圧縮機１の軸受け部に給油されることになる。

図３に、圧縮機１の吐出圧力と圧縮機１に給油される油の給油量との関係を示す。吐出圧力は圧力センサ１６で検出することができる。図に示すように、横軸の吐出圧力と縦軸の給油量は略比例関係となり、吸入圧力を一定とした場合、吐出圧力が高いほど給油差圧が大きくなるため、給油量は増加し、吐出圧力が低いほど給油差圧が小さくなるため、給油量は減少する。また、圧縮機ごとに最低必要給油量は予め設定されているため、この最低必要給油量を満たすための最低必要差圧も予め設定することができる。そのため、油の圧力が最低必要差圧となるときの吐出圧力ＰＤが吐出圧力の下限、つまり目標吐出圧力となる。ここで、吸入圧力が変動すれば、最低必要差圧を確保できる吐出圧力も変動するため、吸入圧力に応じて最低必要差圧に対応する目標吐出圧力を予め設定しておく。吐出圧力が目標吐出圧力となるように運転すれば、圧縮機１に必要な給油量、つまり最低必要給油量を確保することができる。

続いて、図４に、圧縮機１の吐出圧力（細線）、吐出冷媒から分離された油の給油圧力（点線）、軸受け部における中間圧力（一点鎖線）及び圧縮機１の吸入圧力（太線）の各圧力を、蒸発器６における冷媒の蒸発温度との関係で示す。ここで、給油圧力とは、油分離器２で分離された油の圧力であり、例えば、油分離器２の底部に溜まった油にかかる圧力をいう。給油圧力は、吐出圧力に対して所定の圧力損失分（例えば、約０．０５ＭＰａ）だけ低い圧力であり、吐出圧力に追従して変動する。また、中間圧力は、圧縮機１の１段目と２段目との中間圧力部位である各軸受け部の圧力であり、例えば、圧縮機１の１段目の吐出圧力と略等しい圧力となっている。本実施形態においては、給油圧力と中間圧力を圧力計で検出することはなく、いずれも推定の圧力として扱っている。

実際には、圧縮機１への給油量は給油圧力と中間圧力との差圧（ΔＰ）により変化するが、本実施形態では、吐出圧力を制御して所定量の差圧を確保することにより、最低必要給油量を確保するようになっている。すなわち、吸入圧力が一定であるとした場合、吐出圧力が高ければ給油圧力も高い状態にあるため、給油圧力と中間圧力との差圧が大きくなり給油量は増加し、逆に吐出圧力が低ければ給油圧力も低い状態にあるため、給油圧力と中間圧力との差圧が小さくなり給油量は減少する。なお、吐出圧力を一定とするならば、吸入圧力が低いほど給油差圧が大きくなり給油量は増加する。

図５には、任意の吸入圧力に応じた目標吐出圧力の値を示す。任意の吸入圧力をＰＳ１，ＰＳ２・・・とし、ＰＳ１の目標吐出圧力をＰＤ１，ＰＤ２の目標吐出圧力をＰＤ２・・・と設定しておく。このとき目標吐出圧力は、従来の制御で運転させた場合の吐出圧力（点線）よりも低い値で設定（実線）されている。このようにして設定された目標吐出圧力は、吸入圧力と略比例関係となる。

ここで、任意の吸入圧力（圧力センサ１５で検出された圧力）における目標吐出圧力をＰＤとし、運転中に圧力センサ１６で検出された吐出圧力をＰＤ´とした場合、冷凍装置を運転させたときに、ＰＤ＜ＰＤ´であれば、ＰＤ´をＰＤに近づけるように送風ファン１４の回転数を増速させて吐出圧力を低下させ、ＰＤ＞ＰＤ´であれば、送風ファン１４の回転数を減速させて吐出圧力を上昇させるように制御する。また、ＰＤ≒ＰＤ´であれば、送風ファン１４の回転数を維持し吐出圧力を変化させないように制御する。

図６に、吐出圧力が目標吐出圧力よりも高い状態（破線）と、吐出圧力が目標吐出圧力に近づけるように送風ファン１４の回転数を増速し吐出圧力を低下させた状態（実線）の冷凍サイクルを模式的に示す。図に示すように、吐出圧力をＰｄ２からＰｄ１へ低下させることにより、凝縮器３の出口の液温度及び過冷却器４の出口の液温度が低下し、エンタルピ効果が増加し冷凍能力が向上する。また、吐出圧力が低下することにより、圧縮機１の消費電力も大幅に減少するため、極めて効率の高い運転が可能になる。

また、吐出圧力が低下することにより、圧縮機１の軸受け負荷が減少するため、軸受け長寿命化や小型化が図られ、さらにはオーバーホール時間の延長、メンテナンスコストの低減が可能となる。また、制御装置１７では、吸入圧力と吐出圧力を常時監視して吐出圧力が制御されるため、信頼性が向上し、給油に関して不具合が発生した場合にも外部への表示等で迅速に処置、対応をすることが可能となる。

本実施形態の制御は、例えば寒冷地などのように外気温度が低いほど凝縮温度を低くさせ易く、送風ファン１４を増速させることにより吐出圧力の低下をより容易に行うことができる。外気温度が低いほど吐出圧力を最低限値（目標吐出圧力）で運転できる時間が長くなり長時間にわたり高効率運転が可能になる。また冷凍能力も大幅に増加するため、使用条件によっては機器の容量ダウンも可能になる。また、寒冷地でなくても中間期や夜間など昼間よりも外気温度が下がる条件では、本実施形態のように吐出圧力を最低限値まで下げて運転することができるため、この場合でも大幅な効果を得ることができる。

また、本実施形態では、スクリュー式の圧縮機を用いる例を説明したが、本発明はこの例に限られるものではなく、例えば、スクロール式の圧縮機にも適用することが可能である。

なお、本実施形態では、吐出圧力を調整するために送風ファン１４の回転数を制御する例について説明したが、その他の参考例として、例えば、凝縮器３に水冷方式を取り入れ、凝縮器３を冷却するための液冷媒の温度や流量を制御することにより吐出圧力を制御することも可能である。

１ ２段スクリュー圧縮機（圧縮機）
２ 油分離器
３ 空冷式凝縮器
４ 過冷却器
５ 主膨張弁
６ 蒸発器
７ 油冷却器
８，１０，１１ 電磁弁
１２ 過冷却用膨張弁
１３ 圧縮機給油口
１４ 送風ファン
１５，１６ 圧力センサ
１７ 制御装置

Claims (3)

1. 圧縮機、該圧縮機から吐出された冷媒から冷凍機油を分離する油分離器、送風ファンを有する空冷式凝縮器、減圧装置及び蒸発器を順次接続して冷凍サイクルを構成し、前記圧縮機の圧縮作用により生じる高圧側の圧力と低圧側の圧力の圧力差を利用して前記油分離器で分離された前記冷凍機油を前記圧縮機に給油する冷凍装置において、
   前記圧縮機の吸入部と吐出部の圧力をそれぞれ検出する圧力検出手段を備え、
   前記吸入部の検出圧力に応じて前記圧縮機の最低必要給油量に対応する該圧縮機の目標吐出圧力を設定し、前記吐出部の検出圧力が前記目標吐出圧力となるように前記送風ファンの回転数を制御することを特徴とする冷凍装置。
2. 前記吐出部の検出圧力が前記目標吐出圧力よりも高いとき、前記送風ファンの回転数を増加させることを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
3. 前記圧縮機は冷媒を２段で圧縮する２段圧縮機であり、
   前記圧力検出手段は２段目圧縮機の吐出圧力と１段目圧縮機の吸入圧力をそれぞれ検出するものであり、
   前記１段目圧縮機と前記２段目圧縮機との間に前記冷凍機油を給油する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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