JP2001272122A

JP2001272122A - 二段圧縮冷凍機

Info

Publication number: JP2001272122A
Application number: JP2000089998A
Authority: JP
Inventors: Mihoko Shimoji; 美保子下地; Eiji Koga; 英士古賀; Eiichi Ozaki; 永一尾崎; Masanori Arita; 正則有田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2000-03-29
Filing date: 2000-03-29
Publication date: 2001-10-05
Anticipated expiration: 2020-03-29
Also published as: JP3903409B2

Abstract

(57)【要約】【課題】低段圧縮機に液冷媒をインジェクションする
二段圧縮冷凍機では、起動停止や負荷変動の容量制御運
転時の液冷媒が吸入側に漏れて能力低下をきたすのを防
止する。【解決手段】低段圧縮機には冷却器を経た油をインジ
ェクションし、高段圧縮機には冷却しない油と冷媒とイ
ンジェクションし、中間圧室にも冷媒をインジェクショ
ンする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は二段圧縮冷凍機に
係るものであり、特に冷凍機の液冷媒インジェクション
および油インジェクション方式に係るものである。

【０００２】

【従来の技術】図５は例えば特開昭５１−９７８４９号
公報に示された従来の二段圧縮冷凍機の低段圧縮機に液
冷媒をインジェクションする方式が提案されている。こ
の図５は二段圧縮サイクルで低段液冷媒インジェクショ
ン方式を使用した冷媒回路図であり、図において、１は
二段圧縮機、２は冷媒を蒸発させる蒸発器、１ａは蒸発
器２で蒸発した冷媒ガスを吸込んで中間圧まで昇圧させ
る低段圧縮機、１ｃは低段圧縮機１ａの冷媒ガスが吐出
される中間圧室、１ｂは中間圧室１ｃの冷媒ガスを吸い
込んで高圧まで昇圧させる高段圧縮機、３は高段圧縮機
１ｂからの吐出ガスを凝縮液化させる凝縮器、４は高段
圧縮機１ｂから冷媒ガスとともに吐出された潤滑油を気
液分離する油分離器、６は凝縮液を絞り膨張させる膨張
弁、７は凝縮液の一部を凝縮液から圧縮機１へ送る電磁
弁または流量調整弁、９ａは油分離器４から低段圧縮機
１ａへ流入する油流量を制限する低段の油噴射口、９ｂ
は油分離器４から高段圧縮機１ｂへ流入する油流量を制
限する高段の油噴射口、１０ａは液冷媒流量を制限する
低段の液冷媒噴射口である。

【０００３】次に、冷媒回路の動作について説明する。
高段圧縮機１ｂから吐出された高圧の冷媒ガスは、凝縮
器３によって凝縮液化される。高圧の凝縮液の一部は、
二段圧縮機１の運転と同時に電磁弁７を開けることによ
り、冷媒配管１２ｂを経て低段の液冷媒噴射口１０ａか
ら低段圧縮室へインジェクションされる。一方、高段圧
縮機１ｂから冷媒ガスとともに吐出された潤滑油は、油
分離器４で気液分離され、油配管１１ａを経て低段の油
噴射口９ａと高段の油噴射口９ｂからそれぞれの圧縮室
へインジェクションされる。このように低段圧縮機に
は、圧縮ガスの冷却材として液冷媒と、スクリューロー
タの潤滑やすきまのシールのための潤滑油がそれぞれ液
冷媒噴射口１０ａ、油噴射口９ａよりインジェクション
されている。低段圧縮機１ａから吐出された冷媒ガスは
高段圧縮機１ｂに吸入され、圧縮された後吐出される。
この時高段圧縮機１ｂにも、スクリューロータの潤滑や
すきまのシールのための潤滑油が油噴射口９ｂよりイン
ジェクションされる。このような冷凍機において、一般
に運転の起動停止時や負荷変動時には、冷媒ガスの有効
吸入量を調整して容量制御が行われている。すなわち図
示を省略した低段圧縮機１ａに設けられた容量制御スラ
イドバルブが吐出側にスライドして、圧縮機に吸い込ま
れた吸入ガスの一部を図示しない低段ケーシング室にバ
イパスして、必要なガスのみを圧縮している。しかしな
がらこのような構成の冷凍機では、容量制御運転時に低
段圧縮機に液冷媒噴射口１０ａからインジェクションさ
れる液冷媒が吸入側に漏れて蒸発し、蒸発器２から流入
する循環の冷媒ガスが圧縮室に吸い込まれるのを阻害す
るという問題点を有している。

【０００４】次に、図６は実開昭５８−２６５号公報に
示される従来例である。この例では、高段圧縮機１ｂか
ら吐出された高圧の冷媒ガスは、凝縮器３によって凝縮
液化され、その高圧の凝縮液の一部は、冷媒配管１２ｂ
を経て高段の液冷媒噴射口１０から高段の圧縮室へイン
ジェクションされる。一方、高段圧縮機１ｂから冷媒ガ
スとともに吐出された潤滑油は、油分離器４で気液分離
され油配管１１ａを経て、低段の油噴射口９ａと高段の
油噴射口９ｂからそれぞれの圧縮機へインジェクション
されている。しかしながらこのような冷凍機では低段圧
縮機１ａに冷却材がインジェクションされていないた
め、運転条件によっては低段吐出ガス温度が上昇し、ロ
ータが熱膨張して焼き付きが生じたり、あるいは焼き付
きを防止するため隙間を大きく設定する必要があり、冷
凍機としての能力が低下するという問題点があった。

【０００５】このような前述の問題点を解決しようとし
た冷却油インジェクション方式の他の従来例がある。図
７はその冷媒回路図を示すものであり、図において油分
離器４からの潤滑油は冷却器５ａを経て冷却され、油配
管１１ｂを通って圧縮機１ａ、１ｂにインジェクション
される。また中間圧室１ｃには、冷却器５ａを経た冷媒
が冷媒配管１２ａを通ってインジェクションされてい
る。このような構成を有する従来の冷凍機では、冷却器
５ａで処理する熱量が大きく、冷却器５ａに必要な冷媒
量が増し結果的には中間圧室１ｃへ多量の冷媒ガスが注
入され、中間圧が上昇し圧縮機１の性能が低下するとい
う問題点があった。

【０００６】この発明は上記のような問題点を解決する
ためになされたものであり、冷凍機の容量制御運転時の
能力低下がなく、またロータの焼き付きや中間圧の上昇
による性能低下を防ぐ高性能な二段圧縮サイクル冷凍装
置を得ることを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明に係る二段圧縮
冷凍機は、一方の系統の油が冷却器を経て低段圧縮機に
インジェクションされると共に、他の系統の油が高段圧
縮機にインジェクションされ、また一方の系統の冷媒が
冷却器を経て中間圧室にインジェクションされると共
に、他の系統の冷媒が高段圧縮機にインジェクションさ
れるものである。

【０００８】また、油が冷却器を経て低段圧縮機にイン
ジェクションされ、また、一方の系統の冷媒が冷却器を
経て中間圧室にインジェクションされると共に、他の系
統の冷媒が高段圧縮機にインジェクションされるもので
ある。

【０００９】また、低段圧縮機から吐出された一方の系
統の油が高段圧縮機を経ずに直接冷却器を経て低段圧縮
機にインジェクションされると共に、他の系統の油が高
段圧縮機にインジェクションされ、また一方の系統の冷
媒が冷却器を経て高段圧縮機にインジェクションされる
と共に、他の系統の冷媒が高段圧縮機にインジェクショ
ンされるものである。

【００１０】

【発明の実施の形態】実施の形態１．以下、この発明の
実施の形態１を図１について説明する。図において、１
は二段圧縮機、２は冷媒を蒸発させる蒸発器、３は高段
圧縮機１ｂからの吐出ガスを冷却、凝縮させる凝縮器、
４は二段圧縮機１から冷媒ガスとともに吐出された潤滑
油を分離する油分離器、５は凝縮器３の液の一部と油分
離器４からの潤滑油を熱交換させて潤滑油を冷却する冷
却器、１ａは蒸発器２で蒸発した冷媒ガスを吸込んで中
間圧まで昇圧させる低段圧縮機、１ｃは低段圧縮機１ａ
からの吐出ガスと冷却器５から戻る冷媒ガスを混合する
中間圧室、１ｂは中間圧室１ｃの冷媒ガスを吸い込んで
高圧まで昇圧させる高段圧縮機、６は凝縮器３の液を絞
り膨張させる膨張弁、７は凝縮器３の液の一部を高段圧
縮機１ｂへ送る第１の電磁弁、８は凝縮器の液の一部を
冷却器５へ送る第２の電磁弁、９ａは油分離器４から低
段圧縮機１ａへ流入する油流量を制限する低段の油噴射
口、９ｂは油分離器４から高段圧縮機１ｂへ流入する油
流量を制限する高段の油噴射口、１０は凝縮器３から流
入する液冷媒量を制限する高段の液冷媒噴射口、１１
ａ、１１ｂは油配管で１１ｂは冷却器５を経て低段圧縮
機１ａに送られる系統である。１２ａ、１２ｂは冷媒配
管で１２ａは冷却器５を経て中間圧室１ｃに冷媒を送る
系統で、１２ｂは凝縮器３より高段圧縮機１ｂに冷媒を
送る系統である。

【００１１】次に、本実施の形態１の冷媒回路の動作に
ついて説明する。高段圧縮機１ｂから吐出された高圧の
冷媒ガスは、凝縮器３によって凝縮液化される。高圧の
凝縮液の一部は冷媒配管１２ａ、１２ｂによって高段圧
縮機１ｂ側と冷却器５側に分岐される。すなわち、高段
圧縮機側１ｂに分岐した液冷媒は、圧縮機１の運転と同
時に開く第１の電磁弁７によって流量を制御され、冷却
配管１２ｂを経て高段の液冷媒噴射口１０から高段圧縮
機１ｂへインジェクションされる。冷却器５側に分岐さ
れた液冷媒は、二段圧縮機１の運転と同時に開く第２の
電磁弁８によって流量を制御され、冷却配管１２ａを経
て冷却器５に流入し、油分離器４から冷却器５に流入す
る潤滑油と熱交換後中間圧室１ｃに送られる。圧縮機１
から冷媒ガスとともに吐出された潤滑油は、油分離器４
で気液分離され、油配管１１ａ、１１ｂによって高段圧
縮機１ｂ側と冷却器５側に分岐される。高段圧縮機１ｂ
側に分岐する潤滑油は、油配管１１ａを経て高段の油噴
射口９ｂから高段圧縮機１ｂへインジェクションされ
る。冷却器５側に分岐した潤滑油は液冷媒と熱交換して
冷却され、油配管１１ｂを経て低段の油噴射口９ａから
低段圧縮機１ａにインジェクションされる。なお、低段
圧縮機１ａと高段圧縮機１ｂへの油分配量は各段の油噴
射口９ａ、１０の径で調整する。

【００１２】このように本実施の形態１の圧縮機は、低
段圧縮機１ａには冷却器５で冷却された潤滑油が油配管
１ｂを経てインジェクションされ、ロータの潤滑やすき
まのシール、圧縮ガスの冷却を行う。一方、高段圧縮機
１ｂには油分離器４からの潤滑油が油配管１１ａを経
て、インジェクションされてロータの潤滑とすきまのシ
ールを行い、また凝縮器３からの液冷媒が冷媒配管１２
ｂを経てインジェクションされ圧縮ガスの冷却を行う。
また前述の通り冷却器５で低段圧縮機１ａにインジェク
ションされる潤滑油を冷却した後の冷媒ガスは冷媒配管
１２ａを経て中間圧室１ｃに送られるので、高段圧縮機
１ｂには低段圧縮機１ａからの吐出ガスと冷却器５から
の冷媒ガスとが吸い込まれ圧縮が行われる。

【００１３】以上のように構成された二段圧縮機１のイ
ンジェクション方式が圧縮機性能に及ぼす作用について
説明する。まず、低段圧縮機１ａにおいては液冷媒をイ
ンジェクションしないので、容量制御時にも低段圧縮機
１ａの吸入側に液冷媒が漏れず、冷媒ガスの吸入が阻害
されない。一方、冷却器で冷却した潤滑油で圧縮ガスを
冷却すると、潤滑油によって圧縮ガスが冷却され、等温
圧縮に近づくことにより動力が低下する効果と、冷却器
で潤滑油を冷却するための処理熱量が増してガス量が増
加し、その結果中間圧室１ｃに送られる冷媒ガスが増大
して中間圧が上昇するという効果がある。次に、高段圧
縮機１ｂのインジェクション方式の作用について述べ
る。一般に圧縮サイクルでは、高段圧縮機１ｂへの液冷
媒インジェクションによる圧縮機の性能低下はなく、吐
出温度だけを低下できる特性がある。このようにこの実
施の形態１の圧縮機全体の性能は、冷却された潤滑油に
よって圧縮ガスが冷却され消費動力が低下する効果と、
冷媒ガス量が増大して中間圧が上昇し冷凍能力の低下を
きたすとともに動力が増加する相反する効果のバランス
で圧縮機全体の性能が決まる。ここで、二段圧縮機では
中間圧が、理論的に高段圧縮比＝低段圧縮比となる時が
最も高い性能となる。実際の圧縮機では低段の圧縮比が
高段の圧縮比に比べて高くなっているので、中間圧を低
くすることで性能を向上することができる。

【００１４】ここで、吐出ガス温度が許容値以下となる
条件で、冷却油だけをインジェクションする従来方式つ
まり図７の方式と本実施の形態１方式との性能比較を行
った。その結果を図４に示す。図４（ａ）は圧縮比１
４．６の場合、図４（ｂ）は圧縮比５８．３の場合であ
る。図４から本実施の形態１の方式は従来方式に比べ中
間圧が低下し、冷凍能力は大きく、また入力も若干小さ
くなる。さらに、図４（ａ）（ｂ）から性能差は高圧縮
比運転でとくに顕著となり、圧縮比５８．３では能力が
約１．４倍、入力が約０．９倍となり、圧縮機全体では
１．５倍の性能になることが判った。以上から、本実施
の形態１では液冷媒インジェクションにより高段圧縮機
１ｂの冷却を行うことによって、中間圧室１ｃに流入す
る冷媒ガスを少なくでき、中間圧が上昇しないので、高
い圧縮機性能が得られる。

【００１５】実施の形態２．次に、この発明の実施の形
態２を図２を参照して説明する。図２は、実施の形態２
を示す冷媒回路図で、構成および動作は、実施の形態１
とほぼ同じであるので省略する。実施の形態１では、高
段圧縮機１ｂに潤滑油をインジェクションするのに対
し、この実施の形態２では高段圧縮機１ｂに油をインジ
ェクションせず、液冷媒のみを冷媒配管１２ｂを経てイ
ンジェクションするようにしている。以上のように構成
された二段圧縮機１のインジェクション方式が圧縮機性
能に及ぼす作用については実施の形態１とほぼ同様であ
るが、高段圧縮機１ｂに油をインジェクションしないの
で実施の形態１に比べて、高段圧縮機１ｂへの油インジ
ェクション回路を簡略化できる。

【００１６】実施の形態３．次に、この発明の実施の形
態３を図３を参照して説明する。図３は、実施の形態３
を示す冷媒回路図で、異なる形式の圧縮機で構成された
二段圧縮機の例である。図において、１ｄは冷媒ガスを
吸込んで中間圧まで昇圧させる低段圧縮機で本実施の形
態ではスクリュー圧縮機である。１ｅは低段圧縮機から
吐出された冷媒ガスを吸い込んで中間圧から高圧まで昇
圧させる高段圧縮機で本実施の形態ではスクロール圧縮
機である。４は低段圧縮機から冷媒ガスとともに吐出さ
れる油を気液分離する油分離器、１０ａは冷却器からの
冷媒ガスを高段圧縮機１ｅへ導く冷媒ガス噴射口、９ａ
は低段の油噴射口、９ｂは高段の油噴射口、１０は高段
の液冷媒噴射口である。以上のように構成された実施の
形態３による二段圧縮機のインジェクション方式では、
低段圧縮機１ｄから吐出された潤滑油を冷却するシステ
ムであるので、低段吐出温度からインジェクション温度
までの冷却分となり、冷却器５での処理冷却量を少なく
できる。従って、冷却器５から中間圧室へ送る冷媒ガス
量を少なくでき、中間圧が低下して圧縮機の性能が向上
する。

【００１７】上記実施の形態１および２では、低段圧縮
機、高段圧縮機ともシングルスクリュー圧縮機について
説明したが、低段圧縮機および高段圧縮機として、ツイ
ンスクリューやスクロール、ロータリなど他方式の圧縮
機で構成することもできる。また、上記実施の形態３に
示すように、高段圧縮機と低段圧縮機を異なる圧縮機で
構成してもよい。

【００１８】

【発明の効果】この発明は以上述べたように構成されて
いるので、以下に示すような効果を奏する。

【００１９】一方の系統の油が冷却器を経て低段圧縮機
にインジェクションされると共に、他系統の油が高段圧
縮機にインジェクションされ、また、一方の系統の冷媒
が冷却器を経て中間圧室にインジェクションされると共
に、他系統の冷媒が高段圧縮機にインジェクションされ
ているので、冷凍機の容量制御運転時の能力低下がな
く、中間圧の上昇を防止して性能低下をなくすることが
可能となり、高性能な、特に高い圧縮比の場合には、能
力が格段に上昇した二段圧縮機が得られる。

【００２０】また冷却器を経た油が低段圧縮機にインジ
ェクションされ、一方の系統の冷媒が冷却器を経て中間
圧室にインジェクションされると共に、他系統の冷媒が
高段圧縮機にインジェクションされるシステムであるの
で、高段圧縮機への油インジェクション回路を省略でき
て、低価格の二段圧縮機が得られる。

【００２１】また、低段圧縮機から吐出された油の一方
の系統の油が高段圧縮機を経ずに直接冷却器を経て低段
圧縮機にインジェクションされると共に、他系統の油が
高段圧縮機にインジェクションされ、さらに一方の系統
の冷媒が冷却器を経て高段圧縮機にインジェクションさ
れると共に、他系統の冷媒が凝縮器より高段圧縮機にイ
ンジェクションされるシステムであるので、冷却器での
処理冷却量を少なくすることができ、従って冷却器から
中間圧室へ送る冷媒ガス量を少なくなり、中間圧が低下
して圧縮機の性能が向上するという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１を示す冷媒回路図で
ある。

【図２】この発明の実施の形態２を示す冷媒回路図で
ある。

【図３】この発明の実施の形態３を示す冷媒回路図で
ある。

【図４】この発明の実施の形態１と従来例との性能比
較図である。

【図５】従来の低段液冷媒インジェクション方式冷凍
機の冷媒回路図である。

【図６】従来の高段液冷媒インジェクション方式冷凍
機の冷媒回路図である。

【図７】従来の冷却油インジェクション方式冷凍機の
冷媒回路図である。

【符号の説明】

１二段圧縮機、１ａ，１ｄ低段圧縮機、１ｂ，１ｅ
高段圧縮機、１ｃ中間圧室、２蒸発器、３凝縮
器、４油分離器、５冷却器、１１ａ，１１ｂ油配
管、１２ａ，１２ｂ冷媒配管。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者尾崎永一東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内 (72)発明者有田正則東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】蒸発器と、低段圧縮機、中間圧室および
高段圧縮機とを備えて前記蒸発器からの冷媒ガスを圧縮
する二段圧縮機と、この二段圧縮機から吐出された冷媒
ガス中の油を分離する油分離器と、この油分離器に接続
された２系統の油配管と、前記吐出された冷媒ガスを凝
縮液化する凝縮器と、この凝縮器に接続された２系統の
冷媒配管と、冷却器とを備えた二段圧縮冷凍機であっ
て、前記２系統の油配管内の一方の系統の油が、前記冷却器
を経て前記低段圧縮機にインジェクションされると共
に、他の系統の油が前記高段圧縮機にインジェクション
され、前記２系統の冷媒配管内の一方の系統の冷媒が、
前記冷却器を経て前記中間圧室にインジェクションされ
ると共に、他の系統の冷媒が前記高段圧縮機にインジェ
クションされることを特徴とする二段圧縮冷凍機。
【請求項２】蒸発器と、低段圧縮機、中間圧室および
高段圧縮機とを備えて前記蒸発器からの冷媒ガスを圧縮
する二段圧縮機と、この二段圧縮機から吐出された冷媒
ガス中の油を分離する油分離器と、この油分離器に接続
された油配管と、前記吐出された冷媒ガスを凝縮液化す
る凝縮器と、この凝縮器に接続された２系統の冷媒配管
と、冷却器とを備えた二段圧縮冷凍機であって、前記油配管内の油が前記冷却器を経て前記低段圧縮機に
インジェクションされ、前記２系統の冷媒配管内の一方
の系統の冷媒が、前記冷却器を経て前記中間圧室にイン
ジェクションされると共に、他の系統の冷媒が前記高段
圧縮機にインジェクションされることを特徴とする二段
圧縮冷凍機。
【請求項３】低段圧縮機および高段圧縮機がシングル
スクリュー圧縮機であることを特徴とする請求項１また
は請求項２記載の二段圧縮冷凍機。
【請求項４】蒸発器と、この蒸発器からの冷媒ガスを
圧縮する低段圧縮機と、この圧縮機から吐出された冷媒
ガス中の油を分離する油分離器と、この油分離器に接続
された２系統の油配管と、前記吐出された冷媒ガスを圧縮する高段圧縮機と、この
圧縮機から吐出された冷媒ガスを凝縮液化する凝縮器
と、この凝縮器に接続された２系統の冷媒配管と、冷却
器とを備えた２段圧縮冷凍機であって、前記２系統の油配管内の一方の系統の油が、前記冷却器
を経て前記低段圧縮機にインジェクションされると共
に、他の系統の油が前記高段圧縮機にインジェクション
され、前記２系統の冷媒配管内の一方の系統の冷媒が、
前記冷却器を経て前記高段圧縮機にインジェクションさ
れると共に、他の系統の冷媒が前記高段圧縮機にインジ
ェクションされることを特徴とする二段圧縮冷凍機。