JP2007187358A - Refrigerating system and cold insulation device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、冷媒として二酸化炭素を使用した冷凍システムにおいて、冷蔵あるいは冷凍に利用する比較的蒸発温度が低い冷凍システムおよび、この冷凍システムを搭載する保冷装置に関するものである。 The present invention relates to a refrigeration system having a relatively low evaporation temperature used for refrigeration or refrigeration in a refrigeration system using carbon dioxide as a refrigerant, and to a cold insulation apparatus equipped with the refrigeration system.
近年、冷凍システムに使用される冷媒の地球温暖化に対する影響を削減する要求が高まってきており、地球温暖化に対する影響が小さい自然冷媒として、二酸化炭素を使用した冷凍システムが提案されている。 In recent years, there has been an increasing demand for reducing the influence of refrigerants used in refrigeration systems on global warming, and refrigeration systems using carbon dioxide have been proposed as natural refrigerants that have little influence on global warming.
また、二酸化炭素を使用した冷凍システムは、遷臨界サイクルである点を利用して高い出湯温度を得る給湯機に適用されるとともに、不燃性である点を利用して使用時の冷媒漏洩量が大きいカーエアコンに適用されている。 In addition, a refrigeration system using carbon dioxide is applied to a hot water heater that obtains a high hot water temperature by using the transcritical cycle, and the amount of refrigerant leakage at the time of use is non-flammable. Applied to large car air conditioners.
ここで、二酸化炭素の遷臨界サイクルを使用した冷凍システムは、高い外気温度においては高い高圧圧力に制御する方が高効率な運転ができるため、蒸発器出口に設置されたアキュームレータ内に滞留する液冷媒の量を調整して高圧圧力を制御する構成が適用されている(例えば、特許文献1参照)。 Here, a refrigeration system that uses a transcritical cycle of carbon dioxide can be operated more efficiently if it is controlled at a high high pressure at a high outdoor temperature, so that the liquid staying in the accumulator installed at the outlet of the evaporator A configuration in which the amount of refrigerant is adjusted to control the high pressure is applied (see, for example, Patent Document 1).
一方、冷蔵あるいは冷凍に利用する比較的蒸発温度が低い冷凍システムにおいては、蒸発温度の低下に伴って吐出ガス温度が非常に高くなるという問題があり、適用が進んでいない。そこで、オイルセパレータからの油戻り配管を、空冷フィン等を用いて冷却し、吐出ガス温度の上昇を抑える冷凍システムが提案されている(例えば、特許文献2あるいは特許文献3参照)。
On the other hand, in a refrigeration system having a relatively low evaporation temperature used for refrigeration or freezing, there is a problem that the discharge gas temperature becomes very high as the evaporation temperature decreases, and its application has not progressed. In view of this, a refrigeration system has been proposed in which the oil return pipe from the oil separator is cooled using air-cooling fins or the like to suppress an increase in the discharge gas temperature (see, for example,
以下、図面を参照しながら従来の冷凍システムを説明する。 Hereinafter, a conventional refrigeration system will be described with reference to the drawings.
図5は従来の冷凍システムの回路構成図、図6は従来の冷凍システムのモリエル線図である。 FIG. 5 is a circuit configuration diagram of a conventional refrigeration system, and FIG. 6 is a Mollier diagram of the conventional refrigeration system.
図5に示すように、従来の冷凍システムは、冷媒として二酸化炭素を使用するとともに、圧縮機1、放熱器2、膨張弁3、蒸発器4、オイルセパレータ5からなる回路構成を有する。
As shown in FIG. 5, the conventional refrigeration system uses carbon dioxide as a refrigerant and has a circuit configuration including a
また、オイルセパレータ5で分離した潤滑油を圧縮機1に還流する油戻し配管6、放熱器2とオイルセパレータ5、圧縮機1を外気で空冷する放熱器ファン7、蒸発器4で生成した冷気を保冷庫の庫内(図示せず)へ循環させる蒸発器ファン8、蒸発器4の蒸発温度を検知する蒸発温度センサー9、蒸発器4から圧縮機1へ還流する吸入配管10、吸入配管10の入口部の温度を検知する吸入管温度センサー11、蒸発器4へ流入する前記庫内の空気温度を検知する庫内温度センサー12を備えている。
In addition, the
ここで、膨張弁3は、蒸発温度センサー9と吸入管温度センサー11でそれぞれ検知された蒸発温度と吸入配管10の入口部温度に基づいて、膨張弁制御装置(図示せず)によってその絞り量が最適制御されるものである。これは、圧縮機1に大量の液冷媒が還流することを防止するとともに、蒸発温度が低い場合には吸入配管11の入口部温度を下げることによって、圧縮機1へ還流するガス冷媒の温度を下げて、吐出ガス温度の上昇を抑制するものである。
Here, the
以上のように構成された従来の冷凍システムについて、以下その動作を説明する。 The operation of the conventional refrigeration system configured as described above will be described below.
圧縮機1で圧縮されて吐出された高温の吐出ガス冷媒は、オイルセパレータ5で含まれる潤滑油を分離した後、放熱器2へ供給される。そして、放熱器2で外気温度近傍まで冷却された後、膨張弁3で減圧され、蒸発器4で蒸発する。さらに、蒸発器4で蒸発した比較的低温のガス冷媒は、吸入配管10を介して圧縮機1へ還流する。
The high-temperature discharged gas refrigerant compressed and discharged by the
また、オイルセパレータ5で分離された潤滑油は、油戻り配管6を介して圧縮機1へ還流する。このとき、放熱器2内部の冷媒は超臨界状態にあり、放熱器2の経路内で放熱されるに従い100℃程度の高温から外気温度まで順に温度低下していく。また、蒸発器4内部の冷媒は二相領域にあり、庫内温度が0〜5℃の冷蔵温度の場合、冷媒の蒸発温度は−20〜−10℃程度の比較的低温に保たれるとともに、蒸発器4の経路出口付近で乾いて蒸発温度から庫内の空気温度の間で制御される。
Further, the lubricating oil separated by the
ここで、オイルセパレータ5を用いて循環する冷媒から圧縮機1の潤滑油を分離するのは、放熱器2および蒸発器4での熱交換効率の低下を防止するためである。特に、低温となる蒸発器4内部に大量の潤滑油が流入すると、潤滑油が混入した液冷媒の粘度が増大して流動性が損なわれ、熱交換効率が著しく低下する。
Here, the lubricating oil of the
また、膨張弁3の絞り量が制御されることによって、吸入配管10の入口温度を蒸発温度より5〜10℃程度高く保ち、これによって、圧縮機1への液冷媒の流入を防止しながら、圧縮機1へ還流する冷媒温度を下げて、吐出ガス温度を抑制することができる。
Further, by controlling the throttle amount of the
次に、従来の冷凍システムの冷媒の状態変化について図6を用いて詳細に説明する。 Next, the state change of the refrigerant in the conventional refrigeration system will be described in detail with reference to FIG.
図6は横軸を冷媒のエンタルピーh、縦軸を冷媒の圧力Pとするモリエル線図であり、p、q、r、s、tで示す各点は保冷庫の庫内が所定温度まで低下した定常状態にある安定時の冷媒の状態変化を示す。 FIG. 6 is a Mollier diagram in which the horizontal axis indicates the enthalpy h of the refrigerant and the vertical axis indicates the pressure P of the refrigerant. The points indicated by p, q, r, s, and t are lowered to a predetermined temperature in the refrigerator. The state change of the refrigerant | coolant at the time of the stable in the steady state which showed is shown.
安定時において、圧縮機1から吐出された冷媒は温度T2のp点にあり、放熱器2で冷却されて温度T1のq点となる。q点において冷媒は超臨界状態にあり、液化しないことが遷臨界サイクルの特長である。
At the stable time, the refrigerant discharged from the
次に、膨張弁3で減圧されて気液混合状態のr点となり、蒸発器4に供給される。蒸発器4で蒸発した冷媒は吸入管11の入口部でs点となり、吸入管11を通過する間に加熱されて温度T0のe点となって圧縮機1に還流する。
Next, the pressure is reduced by the
ここで、オイルセパレータ5における冷媒は、p点の近傍のp’点にあり、油戻し配管6を介して圧縮機1に還流する潤滑油は、p点に近い温度T2’となり、圧縮機1に還流するガス冷媒と混合することで、ガス冷媒の温度を上昇させる。
Here, the refrigerant in the
この結果、油戻し配管6を介して圧縮機1に還流する潤滑油の量が多くなる条件では、圧縮機1へ流入する冷媒温度が上昇して吐出ガス温度が異常に高くなる危険性が生じる。
As a result, under the condition that the amount of lubricating oil returning to the
そこで、油戻し配管6に空冷フィン等を設けて、圧縮機1に還流する潤滑油の温度を下げる試みが提案されている。
しかしながら、上記従来の構成では、オイルセパレータ5で分離された潤滑油の温度が吐出ガス温度の近傍という高い温度にあり、容易に冷却することができず、結果として吸入配管10の入口温度をより低下させなければ圧縮機1へ還流する冷媒の温度を抑制できないという課題があった。
However, in the above-described conventional configuration, the temperature of the lubricating oil separated by the
この結果、蒸発器4での冷凍効果が小さくなることで効率低下を招くとともに、吸入配管10における圧縮機1の入口部が二相域に近づきすぎて、膨張弁3の制御が困難になるという問題も発生する。これは、吸入管温度センサー11の検知温度が蒸発温度を下回ることがないため、蒸発温度近傍の条件では液バックの検知が困難となるためである。
As a result, the refrigeration effect in the
本発明は、従来の課題を解決するもので、冷蔵あるいは冷凍機器に要求される圧縮機の耐久性を損なうことなく、冷凍システム性能の向上を図る冷凍システムを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to solve the conventional problems and to provide a refrigeration system that improves the performance of the refrigeration system without impairing the durability of the compressor required for refrigeration or refrigeration equipment.
上記従来の課題を解決するために、本発明の冷凍システムおよびこれを備えた保冷装置は、放熱器の下流側にオイルセパレータを設けたことを特徴とするものである。 In order to solve the above-described conventional problems, the refrigeration system of the present invention and the cold insulation device including the refrigeration system are characterized in that an oil separator is provided on the downstream side of the radiator.
これによって、圧縮機に還流する潤滑油の温度を低下させるとともに、潤滑油中に冷媒を溶解させて圧縮機へ還流した際に蒸発させることで、さらに温度低下を図ることができる。 Accordingly, the temperature of the lubricating oil returning to the compressor can be reduced, and the refrigerant can be dissolved in the lubricating oil and evaporated when the refrigerant is returned to the compressor to further reduce the temperature.
その結果、吸入管入口部の温度を下げることなく圧縮機へ流入するガス冷媒の温度上昇を抑制して、冷蔵あるいは冷凍機器に要求される圧縮機の耐久性を損なうことなく、冷凍システム性能の向上を図ることができる。 As a result, the temperature rise of the gas refrigerant flowing into the compressor is suppressed without lowering the temperature at the inlet of the suction pipe, and the performance of the refrigeration system is reduced without impairing the durability of the compressor required for refrigeration or refrigeration equipment. Improvements can be made.
また、上記従来の課題を解決するために、本発明の冷凍システムおよびこれを備えた保冷装置は、油戻し配管に流量制御弁を設けたことを特徴とするものである。 Further, in order to solve the above-described conventional problems, the refrigeration system of the present invention and the cold insulation device provided with the refrigeration system are characterized in that a flow control valve is provided in the oil return pipe.
これによって、運転状態によって返油量を調整することができ、特に吐出ガス温度が上昇する比較的厳しい運転条件において返油量を増大させることで、圧縮機に流入する冷媒温度を積極的に下げて圧縮機の耐久性を確保するとともに、吐出ガス温度が上昇しない比較的緩い運転条件では、オイルセパレータに潤滑油およびそれに溶解する冷媒を貯留させて高圧圧力等の運転条件を緩和することで、さらに冷凍システム性能の向上を図ることができる。 As a result, the amount of oil return can be adjusted according to the operating condition, and the refrigerant temperature flowing into the compressor can be actively lowered by increasing the amount of oil return, especially under relatively severe operating conditions where the discharge gas temperature rises. In order to ensure the durability of the compressor, and under relatively loose operating conditions where the discharge gas temperature does not rise, the lubricating oil and the refrigerant dissolved in the oil separator are stored in the oil separator to ease the operating conditions such as high pressure, Furthermore, the performance of the refrigeration system can be improved.
本発明の冷凍システムおよびこれを備えた保冷庫は、放熱器の下流側にオイルセパレータを設置する簡易な構成で吐出ガス温度を抑制することで、冷蔵あるいは冷凍機器に要求される圧縮機の耐久性を損なうことなく、冷凍システム性能の向上を図ることができる。 The refrigeration system of the present invention and a cool box equipped with the refrigeration system have a simple configuration in which an oil separator is installed on the downstream side of the radiator to suppress the discharge gas temperature, so that the durability of the compressor required for refrigeration or refrigeration equipment The performance of the refrigeration system can be improved without impairing the performance.
本発明の請求項1に記載の発明は、潤滑油を封入した圧縮機と、放熱器と、膨張弁と、蒸発器を環状に接続し、内部に冷媒を封入した冷凍サイクルにおいて、前記放熱器の下流側に、前記冷媒中に混入した潤滑油を分離するオイルセパレータを設けたものである。 According to the first aspect of the present invention, there is provided a refrigeration cycle in which a compressor enclosing a lubricating oil, a radiator, an expansion valve, and an evaporator are connected in an annular shape, and a refrigerant is enclosed therein. The oil separator which isolate | separates the lubricating oil mixed in the said refrigerant | coolant is provided in the downstream of this.
上述の如く、前記放熱器の下流側にオイルセパレータを設けたことにより、圧縮機に還流する潤滑油の温度を低下させるとともに、潤滑油中に冷媒を溶解させて前記圧縮機へ還流した際に前記冷媒を蒸発させることで、さらに温度低下を図ることができ、吐出ガス温度の上昇を抑制しながら、オイルセパレータを用いて潤滑油のシステム循環量を低減することができ、冷凍システム性能の向上を図ることができる。 As described above, when the oil separator is provided on the downstream side of the radiator, the temperature of the lubricating oil returning to the compressor is lowered, and the refrigerant is dissolved in the lubricating oil and returned to the compressor. By evaporating the refrigerant, the temperature can be further lowered, and the system circulation amount of the lubricating oil can be reduced by using an oil separator while suppressing an increase in the discharge gas temperature, thereby improving the refrigeration system performance. Can be achieved.
本発明の請求項2に記載の発明は、前記オイルセパレータと前記圧縮機の吸入配管を接続する油戻し配管を設け、この油戻し管に流量制御弁を設け、さらに、前記流量制御弁を作動させて前記オイルセパレータから前記圧縮機への返油量を調整する調整手段を設けたものである。 According to a second aspect of the present invention, an oil return pipe that connects the oil separator and the suction pipe of the compressor is provided, a flow control valve is provided in the oil return pipe, and the flow control valve is operated. And adjusting means for adjusting the amount of oil returned from the oil separator to the compressor.
かかる構成とすることにより、運転状態によって返油量を調整することができ、吐出ガス温度が上昇しない比較的緩い運転条件では、適正な返油量を確保して吐出ガス温度の上昇を抑制しながら、オイルセパレータを用いて潤滑油のシステム循環量を低減することができ、冷凍システム性能の向上を図ることができる。 By adopting such a configuration, the amount of oil return can be adjusted according to the operating state, and in a relatively loose operating condition where the discharge gas temperature does not increase, an appropriate amount of oil return is secured to prevent an increase in the discharge gas temperature. However, the oil separator system circulation amount can be reduced by using the oil separator, and the performance of the refrigeration system can be improved.
また、目標温度が冷凍域まで低下する特に吐出ガス温度が上昇する比較的厳しい運転条件では、返油量を増大させることで、前記圧縮機に流入する冷媒温度を積極的に下げて吐出ガス温度を低減し、圧縮機の耐久性を確保することができる。 Also, under relatively severe operating conditions where the target temperature decreases to the refrigeration zone, particularly when the discharge gas temperature rises, the refrigerant temperature flowing into the compressor is actively reduced by increasing the oil return amount, thereby increasing the discharge gas temperature. And the durability of the compressor can be ensured.
本発明の請求項3に記載の発明は、前記圧縮機の吐出配管に吐出温度センサーを設け、前記調整手段により、吐出温度が高い場合には返油量を増加し、吐出温度が低い場合には返油量を減少させるものである。 According to a third aspect of the present invention, when a discharge temperature sensor is provided in a discharge pipe of the compressor and the adjusting means increases the oil return amount when the discharge temperature is high and the discharge temperature is low. Reduces the oil return.
かかる構成とすることにより、吐出ガス温度を直接検知することで、吐出ガス温度を下げる必要のない場合は、適正な返油量を確保して吐出ガス温度の上昇を抑制しながら、オイルセパレータを用いて潤滑油のシステム循環量を低減することができ、冷凍システム性能の向上を図ることができる。 With this configuration, when it is not necessary to lower the discharge gas temperature by directly detecting the discharge gas temperature, the oil separator is secured while ensuring an appropriate oil return amount and suppressing an increase in the discharge gas temperature. It is possible to reduce the system circulation amount of the lubricating oil and improve the refrigeration system performance.
また、吐出ガス温度が限界値を越えて圧縮機の耐久性確保が困難になった場合は、システムの冷媒循環量を犠牲にして返油量を増大させることで、前記圧縮機に流入する冷媒温度を積極的に下げて吐出ガス温度を低減し、圧縮機の耐久性を確保することができる。 In addition, when it becomes difficult to ensure the durability of the compressor because the discharge gas temperature exceeds the limit value, the refrigerant flowing into the compressor is increased by increasing the oil return amount at the expense of the refrigerant circulation amount of the system. The temperature can be actively lowered to reduce the discharge gas temperature, and the durability of the compressor can be ensured.
本発明の請求項4に記載の発明は、前記冷凍サイクル周辺の環境温度を検出する外気温センサーを設け、前記調整手段により、高外気温時には返油量を増大し、低外気温時には返油量を減少させるものである。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an outside air temperature sensor for detecting an ambient temperature around the refrigeration cycle, and the adjusting means increases the oil return amount at a high outside air temperature, and the oil return at a low outside air temperature. The amount is to be reduced.
かかる構成とすることにより、特に冷凍負荷が小さく、かつ放熱器出口の温度が低く冷凍効果が大きくなる低外気温時に、返油量を減少させてオイルセパレータに潤滑油およびそれに溶解する冷媒を貯留させて高圧圧力を緩和することで、さらに冷凍システム性能の向上を図ることができる。 By adopting such a configuration, especially when the refrigeration load is small and the outside temperature of the radiator is low and the refrigeration effect is large, the oil return is reduced and lubricating oil and refrigerant dissolved in the oil separator are stored. By relieving the high pressure, the performance of the refrigeration system can be further improved.
本発明の請求項5に記載の発明は、前記圧縮機の回転数を増減する制御装置を設け、前記圧縮機が高速運転時には返油量を増大し、低速運転時には返油量を減少させるものである。
The invention according to
かかることにより、特に圧縮機内部の漏れの増大に起因して冷媒中の潤滑油濃度が増大する低速運転時において、返油量を減少させてオイルセパレータに潤滑油、およびそれに溶解する冷媒を貯留させ、高圧圧力を緩和することができ、さらに、圧縮機内部の漏れを減少させて潤滑油の冷媒中濃度を抑制し、冷凍システム性能の向上を図ることができる。 As a result, especially during low speed operation where the concentration of lubricating oil in the refrigerant increases due to increased leakage inside the compressor, the amount of oil returned is reduced and lubricating oil and refrigerant dissolved therein are stored in the oil separator. Thus, the high pressure can be relieved, and further, leakage inside the compressor can be reduced to suppress the concentration of the lubricating oil in the refrigerant, thereby improving the performance of the refrigeration system.
本発明の請求項6に記載の発明は、前記放熱器と前記オイルセパレータの順路を入れ替える流路切換弁を設け、この流路切換弁により、冷凍能力を優先する制御と、吐出温度を抑制する制御を選択するものである。
The invention according to
かかる構成とすることにより、プルダウン時等の冷凍能力を優先する制御を行う場合、蒸発温度を上げて圧縮比を低減することで吐出ガス温度を下げ、放熱器の上流側にオイルセパレータを配置し、油戻し配管を介して圧縮機に還流する冷媒量を低減している。これにより、プルダウン時の冷凍能力を確保することができる。 By adopting such a configuration, when performing control giving priority to refrigeration capacity during pull-down, the discharge gas temperature is lowered by raising the evaporation temperature and reducing the compression ratio, and an oil separator is disposed upstream of the radiator. The amount of the refrigerant returning to the compressor via the oil return pipe is reduced. Thereby, the refrigerating capacity at the time of pull-down is securable.
一方、蒸発温度が低い安定時等に吐出温度を抑制する制御を行う場合、放熱器の下流側にオイルセパレータを配置し、油戻し配管を介して圧縮機に還流する冷媒量を増大する。その結果、吐出ガス温度の上昇を抑制しながら、オイルセパレータを用いて潤滑油のシステム循環量を低減することができ、冷凍システム性能の向上を図ることができる。 On the other hand, when control is performed to suppress the discharge temperature when the evaporation temperature is low or the like, an oil separator is disposed on the downstream side of the radiator to increase the amount of refrigerant that flows back to the compressor via the oil return pipe. As a result, it is possible to reduce the system circulation amount of the lubricating oil using the oil separator while suppressing an increase in the discharge gas temperature, and it is possible to improve the refrigeration system performance.
本発明の請求項7に記載の発明は、冷媒として二酸化炭素を主成分とする自然冷媒を使用し、圧縮機に用いる潤滑油として、40℃における粘度が5〜300cStであるポリアルキレングリコール冷凍機油を用いたものである。
The invention according to
一般に、高圧8〜12MPa、温度20〜40℃となる放熱器の中間から下流側の冷媒状態においては、潤滑油に10〜30重量%の冷媒が飽和溶解することから、かかる構成とすることにより、放熱器の下流側に設置されたオイルセパレータ内部に潤滑油と冷媒を貯留することができる。特に吐出ガス温度が上昇する比較的厳しい運転条件においては、返油中の冷媒量を確保することで、圧縮機に流入する冷媒温度を積極的に下げて圧縮機の耐久性を確保することができ、吐出ガス温度が上昇しない比較的緩い運転条件では、オイルセパレータに潤滑油およびそれに溶解する冷媒を貯留させ、高圧圧力等の運転条件を緩和することで、さらに冷凍システム性能の向上を図ることができる。 Generally, in the refrigerant state downstream from the middle of the radiator having a high pressure of 8 to 12 MPa and a temperature of 20 to 40 ° C., 10 to 30% by weight of the refrigerant is saturated and dissolved in the lubricating oil. Lubricating oil and refrigerant can be stored inside an oil separator installed on the downstream side of the radiator. In particular, under relatively severe operating conditions in which the discharge gas temperature rises, it is possible to ensure the durability of the compressor by actively reducing the temperature of the refrigerant flowing into the compressor by ensuring the amount of refrigerant in the oil return. In the relatively loose operating conditions where the discharge gas temperature does not rise, the lubricating oil and the refrigerant dissolved in the oil separator are stored in the oil separator, and the operating conditions such as high pressure are relaxed to further improve the refrigeration system performance. Can do.
本発明の請求項8に記載の発明は、上記冷凍システムを搭載した保冷装置とするもので、食品を冷蔵あるいは冷凍温度で保存する保冷装置としているため、特に蒸発温度が低い運転条件であっても放熱器の下流側にオイルセパレータを設置する簡易な構成で吐出ガス温度を抑制することができ、その結果、冷蔵あるいは冷凍機器に要求される圧縮機の耐久性を損なうことなく、冷凍システム性能の向上を図ることができる。
The invention described in
以下、本発明による冷凍システムの実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、従来と同一の構成もしくは同一の機能を果たす構成要件については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of a refrigeration system according to the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, about the component which performs the same structure or the same function as the past, the same code | symbol is attached | subjected and detailed description is abbreviate | omitted.
(実施の形態1)
図1は本発明の実施の形態1における冷凍システムの冷媒回路図、図2は同実施の形態1における冷凍システムのモリエル線図である。なお、従来と同一の構成もしくは同一の機能を果たす構成要件については同一番号を付して、詳細な説明は省略する。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a refrigerant circuit diagram of a refrigeration system according to
図1に示すように、実施の形態1の冷凍システムは、保冷庫の場合を例に説明するもので、冷媒として二酸化炭素を使用し、潤滑油として40℃における粘度が100cStであるポリアルキレングリコール冷凍機油を使用するとともに、圧縮機1、放熱器2、電動式の膨張弁3、蒸発器4、オイルセパレータ5を基本とする冷凍サイクルにおいて、圧縮機1とオイルセパレータ5の間に前段放熱器20を有する構成となっている。
As shown in FIG. 1, the refrigeration system of
ここで、オイルセパレータ5の上流に位置する前段放熱器20は、1枚の連続したフィンと配管経路を有する周知の構成からなるスパイラルフィンチューブであり、放熱器2と構成的には対向して配置されており、放熱器ファン7によって高温の吐出ガス冷媒と熱交換することで、出口冷媒温度を効率的に低下するものである。
Here, the
また、オイルセパレータ5には、先端が圧縮機1の戻り側(吸入側)に連結された油戻し管6が設けられており、オイルセパレータ5の内部で分離した潤滑油が圧縮機1に還流するように構成されている。さらに、油戻し配管6には、圧縮機1への返油量を調整する流量調整弁21が設けられ、また圧縮機1の出口(吐出)配管には、吐出ガス温度を検知する吐出温度センサー22が設けられている。
The
ここで、流量調整弁21の前記返油量は、蒸発温度センサー9で検出された蒸発温度および吐出温度センサー22で検出された吐出ガス温度に基づき、流量制御装置24によって流量調整弁21の絞り量が制御され、これによって最適制御されるものである。
Here, the oil return amount of the flow
さらに、圧縮機1は、吸入管温度センサー11および庫内温度センサー12の温度を基本の入力情報とする運転制御装置25によって周知の如く運転制御され、また必要に応じて蒸発温度センサー9の検出温度も入力情報として制御装置25により運転制御される。さらに、膨張弁3についても同様に、前記基本の入力情報を基に運転制御装置25によってその弁開度が制御される。
Further, the
以上のように構成された実施の形態1の冷凍システムについて、以下その動作を説明する。
The operation of the refrigeration system according to
圧縮機1で圧縮されて吐出された高温の吐出ガス冷媒は、前段放熱器20で予備冷却されてオイルセパレータ5に供給され、周知の如くオイルセパレータ5で含まれる潤滑油が分離される。その後、放熱器2へ供給され、該放熱器2で外気温度近傍まで冷却された後、膨張弁3で減圧され、蒸発器4で蒸発する。そして、蒸発器4で蒸発した比較的低温のガス冷媒は吸入配管10を介して圧縮機1へ還流し、以下前述の流れを繰り返して庫内の冷却が行なわれる。
The high-temperature discharged gas refrigerant compressed and discharged by the
ここで、蒸発温度が−20℃超と比較的高い場合には、蒸発温度センサー9がこれを検出し、流量制御装置24によって流量調整弁21の開度を小とする。したがって、オイルセパレータ5で分離された潤滑油は油戻り配管6を介して小流量で圧縮機1へ還流する。
Here, when the evaporation temperature is higher than −20 ° C., the
このように、油戻り配管6を介して圧縮機1に還流する潤滑油は、前段放熱器20で予備冷却されているので、吐出ガス温度の上昇を招くことがないとともに、流量調整弁21の弁開度を小さくして圧縮機1へ還流する冷媒量も抑制しているため、蒸発器4に供給される冷媒循環量を大きく減らすこともなく、冷凍能力を確保することができる。
Thus, since the lubricating oil returning to the
また、この状態において前段放熱器20内部の冷媒は超臨界状態にあるが、前段放熱器20の経路内を通過していくにしたがって放熱が進み、100℃程度の高温から最終は外気温度+10〜15℃程度まで順次温度低下する。例えば、外気温度が25℃程度では、前段放熱器20の出口温度は40℃程度となり、オイルセパレータ5には40℃程度の潤滑油とこれに溶解した20〜30重量%の冷媒が分離貯留される。
Further, in this state, the refrigerant inside the front-
本実施の形態1においては、油戻り配管6から還流する潤滑油の温度を下げるために、返油中に溶解する冷媒量は10〜40重量%程度が望ましく、これを実現するには二酸化炭素冷媒に相溶するポリアルキレングリコール冷凍機油を使用して、オイルセパレータ5を40℃程度に保つことが最適である。
In the first embodiment, in order to lower the temperature of the lubricating oil returning from the
すなわち、前記二酸化炭素冷媒に相溶しない冷凍機油を使用すると、返油中に溶解する冷媒量が微量となり、還流する潤滑油の温度を下げる効果がなくなる。また、前記二酸化炭素冷媒との相溶性が高すぎると、オイルセパレータ5での潤滑油の分離が困難となり、潤滑油のシステム循環量が低減できないことになる。
That is, if a refrigerating machine oil that is incompatible with the carbon dioxide refrigerant is used, the amount of refrigerant dissolved in the oil return becomes very small, and the effect of lowering the temperature of the lubricating oil that circulates is lost. If the compatibility with the carbon dioxide refrigerant is too high, it becomes difficult to separate the lubricating oil in the
また、放熱器2内部の冷媒は、外気温度近傍の超臨界状態にあり、外気との温度差が小さく、熱交換効率を向上するには潤滑油の混入を防止することが望ましい。さらに蒸発器4内部の冷媒は二相領域にあり、庫内温度が0〜5℃の冷蔵温度帯の場合、冷媒の蒸発温度は−20〜−10℃程度の比較的低温に保たれるとともに、従来と同様に運転制御装置25によって膨張弁3の絞り量(弁開度)が最適値に制御されることで、蒸発器4の経路出口付近で乾いて蒸発温度から庫内の空気温度の間で制御される。
In addition, the refrigerant inside the
一方、前記庫内温度が−20〜−10℃の冷凍温度となり、蒸発器4の蒸発温度が−20℃以下と比較的低く、かつ吐出ガス温度が上昇して限界値を超えた場合には、流量調整弁21の弁開度を大として返油量を増大することで吐出ガス温度の上昇を抑制する。これによって、オイルセパレータ5の内部に貯留された比較的低温の潤滑油とそれに溶解した20〜30重量%程度の液冷媒を、圧縮機1の吸入側に大量に還流することができ、これによって吸入ガス(吸入冷媒)温度をさらに下げて吐出ガス温度の上昇を抑制することができる。
On the other hand, when the internal temperature becomes a refrigeration temperature of -20 to -10 ° C, the evaporation temperature of the
次に、実施の形態1における冷凍システムの冷媒の状態変化について図2を用いて詳細に説明する。
Next, the state change of the refrigerant in the refrigeration system in
図2は、横軸を冷媒のエンタルピーh、縦軸を冷媒の圧力Pとするモリエル線図であり、p、q、r、s、t、uで示す各点は保冷庫の庫内(図示せず)が所定温度まで低下した定常状態にある安定時の冷媒の状態変化(変化点)を示す。 FIG. 2 is a Mollier diagram in which the horizontal axis indicates the enthalpy h of the refrigerant and the vertical axis indicates the pressure P of the refrigerant, and points indicated by p, q, r, s, t, and u are inside the refrigerator (see FIG. (Not shown) indicates the state change (change point) of the refrigerant at the stable state in a steady state where the temperature is lowered to a predetermined temperature.
安定時において、圧縮機1から吐出された冷媒は、温度T2のp点であり、前段放熱器20で冷却されて温度T3のu点となる。そして、放熱器2でさらに冷却されて温度T1のq点となる。このq点において冷媒は超臨界状態にあり、液化しないことが遷臨界サイクルの特長である。
When stable, the refrigerant discharged from the
次に、前記冷媒は、膨張弁3で減圧されて気液混合状態のr点となり、蒸発器4に供給される。蒸発器4で蒸発した冷媒は、吸入管11の入口部でs点となり、吸入管11を通過する間に加熱されて温度T0のe点となって圧縮機1に還流する。
Next, the refrigerant is decompressed by the
ここで、オイルセパレータ5における冷媒と潤滑油は、前段放熱器20で冷却された温度T3のu点にあり、温度低下によって潤滑油中に20〜30重量%の冷媒が溶解している。そして、油戻し配管6を介して冷媒および冷媒中に溶解した潤滑油が、流量調整弁21の弁開度に応じた量で圧縮機1に還流する。この圧縮機1への還流は、吸入管11から圧縮機1に還流するガス冷媒と混合しながら、前記還流冷媒の圧力も低下するもので、この冷媒の変態に伴い、潤滑油中の冷媒が蒸発して、圧縮機1が吸入するガス冷媒の温度を抑制する。
Here, the refrigerant and the lubricating oil in the
この結果、蒸発温度が−20℃超と比較的高い場合には、流量調整弁21の開度を小とするので、油戻し配管6を介して圧縮機1に還流する潤滑油の量が少なくなり、これに起因して吐出ガス温度の上昇を抑制しながら、オイルセパレータを用いた潤滑油のシステム循環量の低減ができ、冷凍システム性能の向上を図ることができる。
As a result, when the evaporation temperature is relatively high, such as over −20 ° C., the opening degree of the flow
一方、蒸発温度が−20℃以下と比較的低く、かつ吐出ガス温度が上昇して限界値を超えた場合には、流量調整弁21の開度を大とする。したがって、システムの冷媒循環量を犠牲にした状態ではあるが、油戻し配管6を介して圧縮機1に還流する返油量を増大させることができ、これによって、圧縮機1に流入する冷媒温度を積極的に下げて吐出ガス温度を低減し、圧縮機1の耐久性を確保することができる。
On the other hand, when the evaporation temperature is relatively low at −20 ° C. or lower and the discharge gas temperature rises and exceeds a limit value, the opening degree of the flow
以上のように、本実施の形態1においては、前段放熱器20の下流側にオイルセパレータ5を設置し、蒸発温度センサー9および吐出温度センサー22でそれぞれ検知された蒸発温度と吐出ガス温度に基づいて、油戻し配管6に設けた流量制御弁21を最適制御するもので、かかる制御により、蒸発温度が−20℃超と比較的高い場合には、流量調整弁21の開度を小として、適正な返油量を確保して吐出ガス温度の上昇を抑制しながら、オイルセパレータ5を用いて潤滑油のシステム循環量を低減することができ、冷凍システム性能の向上を図ることができる。
As described above, in the first embodiment, the
また、逆に前記蒸発温度が−20℃以下と比較的低く、かつ吐出ガス温度が上昇して限界値を超えた場合には、流量調整弁21の開度を大として返油量を増大する。かかる制御により、システムの冷媒循環量を犠牲にするものの、冷凍サイクル中への返油量を増大させることで、圧縮機1に流入する冷媒温度を積極的に下げて吐出ガス温度を低減し、圧縮機1の耐久性を確保することができる。
Conversely, when the evaporation temperature is relatively low at −20 ° C. or lower and the discharge gas temperature rises and exceeds a limit value, the opening degree of the flow
なお、本実施の形態1においては、前記蒸発温度が−20℃以下と比較的低く、かつ吐出ガス温度が上昇して限界値を超えた場合に、圧縮機1の耐久性の確保を優先して流量調整弁21の開度を大としたが、図1の構成に外気温度を検知するセンサーを設け、高外気温時に圧縮機1の耐久性の確保を優先して流量調整弁21の開度を大と制御する構成としても同様の作用効果が期待できる。
In
さらに、圧縮機1に可変速圧縮機を用い、その運転状態を示す情報を基に、高速運転時に圧縮機1の耐久性の確保を優先して流量調整弁21の開度を大と制御する構成としても、同様の効果が期待できる。
Further, a variable speed compressor is used as the
また、流量調整弁21の開度を小としてオイルセパレータ5に貯留される潤滑油とそれに溶解する冷媒量を増大すると、システム内圧力、特に高圧圧力を低減する効果も期待できる。その結果、低外気温時あるいは圧縮機1の低速運転時のみ流量調整弁21の開度を小としても、高圧圧力を緩和して冷凍システム性能を向上することができる。
Further, if the opening degree of the
なお、本実施の形態においては、オイルセパレータ5の下流側に放熱器2を設置したが、前段放熱器20の能力を向上して放熱器2を省略しても、同様の作用、効果が期待できる。
In the present embodiment, the
また、本実施の形態1においては、蒸発温度が−20℃超と比較的高い場合には従来と同様に運転制御装置(膨張弁制御装置)25によって膨張弁3の絞り量が最適制御されることで、吐出ガス温度の上昇を抑制したが、吐出ガス温度が許される範囲で動作するように選定されたキャピラリチューブ等の固定絞り手段を用いても、蒸発温度が−20℃以下と比較的低く、かつ吐出ガス温度が上昇して限界値を超えた場合には、流量調整弁21の開度を大とすることで吐出ガス温度の上昇を抑制する本実施例と同様の効果が期待できる。
In the first embodiment, when the evaporation temperature is relatively high, such as over −20 ° C., the throttle control amount of the
(実施の形態2)
図3は本発明の実施の形態2における冷凍システムの冷媒回路図、図4は同実施の形態2における冷凍システムのモリエル線図である。なお、先の実施の形態1と同一の構成あるいは同様の機能を果たす構成要件については同一番号を付して、詳細な説明は省略する。また、先の実施の形態1に示す流量制御装置24および運転制御装置25についても構成は省略し、各構成要件の動作内容を主に説明する。
(Embodiment 2)
FIG. 3 is a refrigerant circuit diagram of the refrigeration system in the second embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a Mollier diagram of the refrigeration system in the second embodiment. In addition, the same number is attached | subjected about the component which performs the same structure as the
図3に示すように、実施の形態2の冷凍システムは、冷媒として二酸化炭素を使用し、潤滑油として40℃における粘度が100cStであるポリアルキレングリコール冷凍機油を使用するとともに、圧縮機1、放熱器2、電動式の膨張弁3、蒸発器4、オイルセパレータ5、前段放熱器20を備えた回路構成を同一とし、流路切換弁23を新たに備えた点で構成上相違する。流路切換弁23は、圧縮機1から放熱器2へ至る経路の間において、前段放熱器20とオイルセパレータ5の冷媒が流れ込む順路を入れ替えるものであり、周知の構成である。
As shown in FIG. 3, the refrigeration system according to the second embodiment uses carbon dioxide as a refrigerant and polyalkylene glycol refrigeration oil having a viscosity of 100 cSt at 40 ° C. as a lubricating oil. The circuit configuration including the
以上のように構成された実施の形態2の冷凍システムについて、以下その動作を説明する。
The operation of the refrigeration system of
プルダウン時等の冷凍能力を優先する制御を行う場合、前段放熱器20がオイルセパレータ5の下流側になるように流路切換弁23を設定する。このとき、圧縮機1で圧縮され、吐出された高温の吐出ガス冷媒は、オイルセパレータ5で含まれる潤滑油を分離した後、前段放熱器20を介して放熱器2へ供給され、該放熱器2で外気温度近傍まで冷却された後、膨張弁3で減圧されて、蒸発器4で蒸発する。そして、蒸発器4で蒸発した比較的低温のガス冷媒は、吸入配管10を介して圧縮機1へ還流する。
When performing control giving priority to the refrigerating capacity at the time of pull-down or the like, the flow
この結果、オイルセパレータ5は吐出ガス温度に近い高温に維持され、滞留する潤滑油中に冷媒がほとんど溶解することがない。その結果、油戻し配管6を介して圧縮機1に還流する冷媒量を低減することができ、それに伴う冷凍能力の低下を抑制することができる。また、このようなプルダウン時等の負荷が大きい場合は、蒸発器4の蒸発温度を高めるとともに、膨張弁3の絞り度合いを調整する等して吸入管10の入口温度を最適に制御すれば、吐出ガス温度の上昇を抑制することができる。
As a result, the
一方、蒸発温度が低い安定時等に吐出温度を抑制する制御を行う場合、前段放熱器20をオイルセパレータ5の上流側になるように流路切換弁23を設定する。
On the other hand, when performing control to suppress the discharge temperature when the evaporation temperature is low, the flow
その結果、圧縮機1で圧縮され、吐出された高温の吐出ガス冷媒は、前段放熱器20で予備冷却されてオイルセパレータ5に供給され、該オイルセパレータ5によって含まれる潤滑油を分離した後、放熱器2へ供給される。そして、放熱器2で外気温度近傍まで冷却された後、膨張弁3で減圧され、蒸発器4で蒸発する。そして、蒸発器4で蒸発した比較的低温のガス冷媒は、吸入配管10を介して圧縮機1へ還流する。以下、前述の流れを繰り返すことにより、保冷庫内部を冷却することができる。
As a result, the high-temperature discharged gas refrigerant compressed and discharged by the
したがって、オイルセパレータ5は、前段放熱器20で冷却され、滞留する潤滑油の温度が低下するとともに、滞留する潤滑油中に冷媒が溶解し、油戻し配管6を介して圧縮機1に還流する際にその冷媒が蒸発することで吐出ガス温度の上昇を抑制することができる。同時に、オイルセパレータ5の内部に冷媒が貯留されることから、高圧圧力を緩和して冷凍システム性能を向上する効果も期待できる。
Therefore, the
なお、流路切換弁23をどちらに切り換えても、オイルセパレータ5によって潤滑油のシステム循環量を低減することができ、冷凍システム性能の向上を図ることができる。
It should be noted that the system circulation amount of the lubricating oil can be reduced by the
次に、実施の形態2における冷凍システムの冷媒の状態変化について図4を用いて詳細に説明する。
Next, the state change of the refrigerant in the refrigeration system in
図4は横軸を冷媒のエンタルピーh、縦軸を冷媒の圧力Pとするモリエル線図であり、p、q、r、s、t、uで示す各点は、保冷庫の庫内(図示せず)が所定温度まで低下した定常状態にある安定時の冷媒の状態変化(変化点)を示す。 FIG. 4 is a Mollier diagram in which the horizontal axis represents the enthalpy h of the refrigerant and the vertical axis represents the pressure P of the refrigerant. Each point indicated by p, q, r, s, t, u represents the inside of the cool box (see FIG. (Not shown) indicates the state change (change point) of the refrigerant at the stable state in a steady state where the temperature is lowered to a predetermined temperature.
プルダウン時等の冷凍能力を優先する制御を行う場合、前段放熱器20をオイルセパレータ5の下流側になるように流路切換弁23を設定する。このとき、オイルセパレータ5内の冷媒は、圧縮機1から吐出された冷媒が温度T2のp点の近傍にあるp’点で示される。そして、オイルセパレータ5に滞留する潤滑油も高温となり、ほとんど冷媒が溶解しない状態にある。
When performing control giving priority to the refrigerating capacity at the time of pull-down or the like, the flow
一方、蒸発温度が低い安定時等に吐出温度を抑制する制御を行う場合は、前段放熱器20をオイルセパレータ5の上流側になるように流路切換弁23を設定する。このとき、オイルセパレータ5内の冷媒と潤滑油は、前段放熱器20で冷却された温度T3のu点にあり、温度低下によって潤滑油中に20〜30重量%の冷媒が溶解している。
On the other hand, when performing control to suppress the discharge temperature when the evaporation temperature is low, the flow
ここで、油戻り配管6から冷媒循環回路(冷凍サイクル)中に還流する潤滑油の温度を下げるためには、返油中に溶解する冷媒量を10〜40重量%程度とすることが望ましく、これを実現するには、前記二酸化炭素冷媒に相溶するポリアルキレングリコール冷凍機油を使用して、オイルセパレータ5を40℃程度に保つことが最適である。
Here, in order to lower the temperature of the lubricating oil returning from the
前記二酸化炭素冷媒に相溶しない冷凍機油を使用すると、返油中に溶解する冷媒量が微量となり、還流する潤滑油の温度を下げる効果がなくなる。また、前記二酸化炭素冷媒との相溶性が高すぎると、オイルセパレータ5での潤滑油の分離が困難となり、潤滑油のシステム循環量が低減できない。
If a refrigerating machine oil that is incompatible with the carbon dioxide refrigerant is used, the amount of refrigerant that dissolves in the return oil becomes very small, and the effect of lowering the temperature of the refluxing lubricating oil is lost. If the compatibility with the carbon dioxide refrigerant is too high, it becomes difficult to separate the lubricating oil in the
以上のように、本実施の形態2においては、前段放熱器20とオイルセパレータ5の順路を入れ替える流路切換弁23を設け、冷凍能力を優先する制御と吐出温度を抑制する制御で異なる順路を選択すればよい。
As described above, in the second embodiment, the flow
そして、プルダウン時等の冷凍能力を優先する制御を行う場合は、オイルセパレータ5を吐出ガス温度に近い高温に維持することにより、滞留する潤滑油中に冷媒がほとんど溶解することがなく、したがって、油戻し配管6を介して圧縮機1に還流する冷媒量を低減することができる。さらに、それに伴う冷凍能力の低下を抑制することができる。
And when performing control giving priority to the refrigerating capacity at the time of pull-down or the like, the refrigerant is hardly dissolved in the staying lubricating oil by maintaining the
また、蒸発温度が低い安定時等に吐出温度を抑制する制御を行う場合は、オイルセパレータ5を前段放熱器20で冷却されるようにし、これによって滞留する潤滑油の温度を低下させるもので、かかることにより、滞留する潤滑油中に冷媒が溶解し、油戻し配管6を介して圧縮機1に還流する際にその冷媒が蒸発することで吐出ガス温度の上昇を抑制することができる。
Also, when performing control to suppress the discharge temperature when the evaporation temperature is low, etc., the
なお、本実施の形態2においては、流路切換弁23の下流側に放熱器2を設置したが、前段放熱器20の能力を向上して放熱器2を省略しても、同様の効果が期待できる。
In the second embodiment, the
また、本実施の形態2においては、プルダウン時等の冷凍能力を優先する制御を行う場合、従来と同様に運転制御装置の機能である膨張弁制御機能によって膨張弁3の絞り量を最適制御し、これによって吐出ガス温度の上昇を抑制したが、吐出ガス温度が許される範囲で動作するように選定されたキャピラリチューブ等の固定絞り手段を用いてもよい。すなわち、蒸発温度が低い安定時等に吐出温度を抑制する制御を行う場合、前段放熱器20をオイルセパレータ5の上流側になるように流路切換弁23を設定することで、吐出ガス温度の上昇を抑制することができ、同様の効果が期待できる。
Further, in the second embodiment, when priority is given to the refrigerating capacity at the time of pull-down or the like, the throttle amount of the
以上のように、本発明にかかる冷凍システムおよびこれを備えた保冷装置庫は、オイルセパレータを用いて潤滑油のシステム循環量を低減しながら、還流する潤滑油による吐出ガス温度の上昇を抑制して冷凍システム性能の向上を図ることができるので、冷媒のノンフロン化と機器の省エネルギー化が要求されるショーケースや業務用冷凍冷蔵庫、自動販売機等の冷蔵機器あるいは冷凍機器として広く適用できるものである。 As described above, the refrigeration system according to the present invention and the cold storage apparatus equipped with the refrigeration system suppress an increase in the discharge gas temperature due to the recirculating lubricating oil while reducing the system circulation amount of the lubricating oil using the oil separator. Therefore, it can be widely applied as refrigeration equipment or refrigeration equipment such as showcases, commercial refrigerators and vending machines that require non-fluorocarbon refrigerants and energy saving equipment. is there.
1 圧縮機
2 放熱器
3 膨張弁
4 蒸発器
5 オイルセパレータ
6 油戻し管
20 前段放熱器
21 流量調整弁
22 吐出温度センサー
23 流路切換弁
DESCRIPTION OF
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JP2006004494A JP2007187358A (en) | 2006-01-12 | 2006-01-12 | Refrigerating system and cold insulation device |
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