JP2007205612A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低圧段圧縮室と高圧段圧縮室とが接続された圧縮機と、エコノマイザーとを備えた冷凍サイクル装置における冷凍能力を向上させる。
【解決手段】低圧段圧縮室１ａと高圧段圧縮室１ｂとが接続された圧縮機１、凝縮器３、主膨張弁６及び蒸発器７が順に連結されてなる循環冷媒流路を備えた冷凍サイクル装置であって、凝縮器３から主膨張弁６へ向かう主冷媒と、凝縮器３の出力側から分岐され第二膨張弁５で減圧された分岐冷媒との間で熱交換を行うエコノマイザー４を備え、エコノマイザー４を出た分岐冷媒を圧縮機１の低圧段圧縮室１ａに戻すようにした冷凍サイクル装置。
【選択図】図１

Description

この発明は、複数段に圧縮室を有する圧縮機を搭載した冷凍サイクル装置に関するものである。

低圧段側圧縮室と高圧段側圧縮室を有した圧縮機、凝縮器、エコノマイザー、主膨張弁および蒸発器が順に連結されてなる循環冷媒流路を備えた従来の冷凍サイクル装置において、凝縮器の出口から分岐され第二膨張弁を経てエコノマイザーに入り、そこで循環冷媒流路を通る主冷媒を冷却した分岐冷媒を、低圧段側圧縮室と高圧段側圧縮室との間の中間圧室へ戻すものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開平７−１９０５２０号公報（図１など）

図４に、上記のような従来の冷凍サイクル装置のモリエル線図の例を示す。図４で、”ａ”は圧縮機吸込口、”ｂ”は圧縮機吐出口、”ｃ”は凝縮器出口、”ｄ”及び”ｆ”は主膨張弁出口、”ｅ”は主冷媒のエコノマイザー出口、”ｇ”は分岐冷媒のエコノマイザー出口圧力における飽和液線上の各ポイントを示す。エコノマイザーのない場合の冷媒の状態変化は、ａ→ｂ→ｃ→ｄ→ａのサイクルとなるが、エコノマイザーがある場合には、ａ→ｂ→ｃ→ｅ→ｆ→ａのサイクルを辿る事になる。

このように、エコノマイザーのあるサイクルはエコノマイザーのないサイクルに比べて、主膨張弁入口のポイントを”ｃ”から”ｅ”へ移すこと、すなわち主膨張弁入口のサブクールを大きくとることができる。それによりａ−ｄであった冷凍効果が、ａ−ｆの冷凍効果まで大きくなり、冷凍機の冷凍能力を向上させることができる。

主冷媒のエコノマイザー出口”ｅ”は分岐冷媒のエコノマイザー出口圧力の飽和液温度より下がることはできず、通常、エコノマイザー出口の主冷媒温度は、分岐冷媒のエコノマイザー出口圧力の飽和液温度から数度高い値にある。このエコノマイザー出口の主冷媒温度と分岐冷媒のエコノマイザー出口圧飽和液温度との差をアプローチ温度と呼ぶ。

エコノマイザーを利用して冷凍サイクル装置を構成する場合、エコノマイザーのアプローチ温度は、ある運転条件においてある値となるように予め設計され、分岐冷媒の流量は第二膨張弁である温度式膨張弁で制御されていた。その場合、温度式膨張弁が制御対象とするのは、分岐冷媒のエコノマイザー出口温度であった。

以上のような冷凍サイクル装置において、エコノマイザー及び第二膨張弁はエコノマイザー出口における分岐冷媒の過熱度を制御しているので、分岐冷媒の圧縮機における戻り位置の圧力が高ければ高いほど、分岐冷媒が圧縮機の戻り位置へ流れる量が減少し、エコノマイザー出口の主冷媒温度が高くなる。そして、これによりエコノマイザーによる冷凍効果の増加、すなわち冷凍能力の向上は目減りすることになるという課題があった。

また、エコノマイザーを通る分岐冷媒の流量は、温度式膨張弁によりエコノマイザー出口の分岐冷媒温度を見ながら制御されているので、アプローチ温度が運転条件によって決まってしまい、その流量を適切に制御できないという課題があった。

この発明は上記課題に鑑みてなさなれたもので、異なる圧力の圧縮室を複数段に備えた圧縮機とエコノマイザーとを備えた冷凍サイクル装置において、その冷凍能力の向上を図ることを目的とする。

この発明の冷凍サイクル装置は、異なる圧力の圧縮室が複数段に接続された圧縮機、凝縮器、第一絞り装置及び蒸発器が順に連結されてなる循環冷媒流路を備えた冷凍サイクル装置であって、前記凝縮器から第一絞り装置へ向かう主冷媒と、前記凝縮器の出力側から分岐され第二絞り装置で減圧された分岐冷媒との間で熱交換を行うエコノマイザーを備え、前記エコノマイザーを出た分岐冷媒を前記圧縮機の低圧段側圧縮室に戻すようにしているものである。
また、前記圧縮機が低圧段圧縮室と高圧段圧縮室の２段構成となっているものである。 さらに、前記低圧段側圧縮室の分岐冷媒の戻し口は、前記分岐冷媒の前記戻し口からの噴出開始時に、前記低圧段側圧縮室の主冷媒の吸込口および吐出口と連通しない密閉空間となる位置に形成されているものである。

上記のような冷凍サイクル装置の冷凍能力は、主冷媒の循環量が同じであればエコノマイザーを出た主冷媒の温度が低いほど大きくなる。しかし、その主冷媒を冷却する分岐冷媒の流量はエコノマイザーの出口圧力、すなわち圧縮機における分岐冷媒の戻り口の圧力に依存する。この発明の冷凍サイクル装置においては、分岐冷媒を圧縮機の低圧段側圧縮室に戻すようにしているので、分岐冷媒の流量低下が抑制され、これにより、エコノマイザーにおいて分岐冷媒と主冷媒との熱交換が効率よく行われて、冷凍サイクル装置の冷凍能力が向上することになる。

実施形態１
図１はこの発明の実施形態に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路構成図である。この実施形態に係る冷凍サイクル装置は、異なる圧力の圧縮室（この例では低圧段圧縮室１ａと高圧段圧縮室１ｂ）が２段に接続された圧縮機１、油分離器２、凝縮器３、エコノマイザー４、第一絞り装置である主膨張弁６、および蒸発器７が順に連結されてなる循環冷媒流路を備えている。この循環冷媒流路を循環する冷媒を、ここでは主冷媒と称する。
この冷凍サイクル装置はまた、凝縮器３の出力側から分岐され、第二絞り装置である第二膨張弁５で減圧された冷媒をエコノマイザー４に導入し、そこで主冷媒と熱交換を行った後、圧縮機１の低圧段側圧縮室である低圧段圧縮室１ａに戻す分岐流路を備えている。この分岐流路を通過する冷媒を、ここでは分岐冷媒と称する。

圧縮機１は、スクリューロータを備えた低圧段圧縮室１ａと、スクリューロータを備えた高圧段圧縮室１ｂとが、それらの吐出口と吸入口を介して２段に接続されて構成されている。そして、低圧段圧縮室１ａの吸入口が蒸発器７の出力流路に、高圧段圧縮室１ｂの吐出口が油分離器２への流路にそれぞれ接続されている。低圧段圧縮室１ａは圧縮機の吸込ガスを圧縮して、高圧段圧縮室１ｂに入る前の中間圧まで上昇させる工程を担っているので、必然的に中間圧よりも低い圧力状態が存在する。
油分離器２は、圧縮機１から吐出された冷媒に含まれる油を冷媒と分離して、分離した油を圧縮機１に戻す作用を果たしている。

凝縮器３および蒸発器７は主冷媒の熱交換器である。エコノマイザー４は凝縮器３から出て主膨張弁６に向かう主冷媒と、凝縮器３から分岐し第二膨張弁５で減圧されて低温低圧となった分岐冷媒との間で熱交換を行う熱交換器である。主膨張弁６は、主冷媒を減圧して膨張させ低温低圧とするものである。

エコノマイザー４の役割は凝縮器３を出た主冷媒のサブクールを大きくすることにある。サブクールを大きくとることにより冷凍効果が大きくなり、冷凍サイクル装置の冷凍能力を向上させることができる。

図２は図１の冷凍サイクル装置に係るモリエル線図を示したものである。図２において、”ａ”は圧縮機吸込口、”ｂ”は圧縮機吐出口、”ｃ”は凝縮器出口、”ｄ”はエコノマイザーがない場合の主膨張弁出口、”ｅ’”は主冷媒のエコノマイザー出口、”ｆ’”はエコノマイザー４があった場合の主膨張弁出口、”ｇ’”は分岐冷媒のエコノマイザー出口圧力における飽和液線上の各ポイントをそれぞれ示す。分岐冷媒のエコノマイザー出口圧力が、低圧段圧縮室１ａと高圧段圧縮室１ｂとの間の中間圧よりも低くなることで、”ｇ’”のポイントが、図４の”ｇ”に比べ、低エンタルピ側へ移動している。これにより、エコノマイザー４の出口の主冷媒温度を低く設定できることになり、冷凍サイクル装置の冷凍効果を従来よりも増大させることができる。

ところで、低圧段圧縮室１ａにおける分岐冷媒の戻し口は、分岐冷媒の該戻し口からの噴出開始時に、低圧段圧縮室１ａにおける主冷媒の吸込口および吐出口と連通しない密閉空間となる位置に形成して、低圧段圧縮室１ａへの分岐冷媒の噴射によって、主冷媒の吸込および吐出が妨げられないようにする。ただし、圧縮が進んだ場合には、分岐冷媒の戻し口と低圧段圧縮室１ａの吐出口とは連通することとなってもよい。

図３は低圧段圧縮室１ａを構成するスクリューロータのスクリュー歯溝の展開図（ａ）とスクリュー模式図（ｂ）である。これらの図の網掛けをした歯溝に注目すると、この歯溝は吸込ガスを閉じ込めた瞬間にあり、これからスクリューの回転が進むと吸込ガスが圧縮されていくことになる。分岐冷媒の戻し口である低圧段圧縮室１ａにおける分岐冷媒注入口８は、吸込ガスが歯溝に閉じ込まれる瞬間までその歯溝には連通しない位置に開いており（図３（ａ）参照）、スクリュー歯溝の吸込工程を妨げないようになっている。なお、図３中の符号９は、スクリューロータに噛み合うゲートロータを示している。

また、分岐冷媒注入口８は、低圧段圧縮室１ａを構成するスクリューの二つ以上の歯溝に跨らないような位置及び大きさとなっていることが望ましい。もし、分岐冷媒注入口８が二つの歯溝に跨った場合、圧縮の進行状況が異なる隣り合う歯溝、すなわち圧力の異なる歯溝同士を繋げる穴となってしまい、高圧の歯溝から低圧の歯溝へと冷媒が洩れることになり、冷媒が歯溝間を洩れると再圧縮のための動力を必要とし、冷凍機の性能を低下させる原因となるからである。

上記実施形態の冷凍サイクル装置は、主冷媒と熱交換を行ってエコノマイザー４を出た分岐冷媒を圧縮機１の低圧段圧縮室１ａに戻すようにしているので、分岐冷媒の流量が適正確保され、主冷媒を更に冷却でき、それによって冷凍効果を高めることができる。
また、エコノマイザー４から圧縮機１へ戻る冷媒の戻し口を、低圧段圧縮室１ａの吸込口へ連通させていないため、分岐冷媒が圧縮室１のガス冷媒吸込を妨げることも防止できる。
また、この冷凍サイクル装置の冷却能力は、主冷媒の循環量と冷凍効果との積となるので、以上のような理由から本実施形態の冷凍サイクル装置は冷却能力がより増大する。

実施形態２
実施形態２の冷凍サイクル装置は、基本的には実施形態１のそれと同じ構成であるが、分岐冷媒の流量制御を、電子膨張弁を利用して行い、かつその制御対象をアプローチ温度としたものである
アプローチ温度を演算するために必要な運転中のデータは、分岐冷媒のエコノマイザー４出口圧力とエコノマイザー４出口の主冷媒温度である。分岐冷媒のエコノマイザー出口圧力を取り込み、その圧力における飽和液温度を演算する。そして、エコノマイザー出口の主冷媒温度と演算して得られた飽和液温度との差がアプローチ温度となる。
分岐冷媒の流量制御の制御対象をアプローチ温度にすることで、温度式膨張弁を利用した分岐冷媒のエコノマイザー出口温度制御に比べ、エコノマイザーサイクルによる冷凍能力の増加を常に効果的に得ることができる。

実施形態３
ここでは、アプローチ温度を冷凍サイクル装置運転中の負荷に合わせて変更するようにしたものである。すなわち、冷凍負荷に対して能力が足りない場合には、アプローチ温度が小さくなるように、分岐冷媒の流量を制御する電子膨張弁を開き、逆に能力が出過ぎている場合には、アプローチ温度が大きくなるように電子膨張弁を閉じるようにする。
アプローチ温度を小さくすれば、主冷媒の循環量は変わらずに冷凍効果を大きくでき、逆にアプローチ温度を大きくすれば主冷媒の循環量は変わらずに冷凍効果を小さくすることができる。このようにすることで、圧縮機の容量制御を行うことと同じ効果が得られ、且つその制御は圧縮機のステップ制御のような段階的な容量制御ではなく、連続的な制御が行えるという効果も得られる。

更に、アプローチ温度による連続容量制御を行うと、圧縮機は最も効率の良い１００％容量での運転を続けられるので、スライドバルブを動かして行う圧縮機の連続容量制御に比べても、高効率の冷凍サイクルを得ることができる。

この発明の実施形態に係る冷凍サイクル装置の概略構成図。 図１の冷凍サイクル装置に係るモリエル線図。 この発明の低圧段圧縮室における分岐冷媒の戻し口の位置説明図。 従来の冷凍サイクル装置に係るモリエル線図。

符号の説明

１ 圧縮機、１ａ 低圧段圧縮室、１ｂ 高圧段圧縮室、２ 油分離器、３ 凝縮器、４ エコノマイザー、５ 第二膨張弁、６ 主膨張弁、７ 蒸発器、８ 分岐冷媒注入口（分岐冷媒の戻し口）、９ ゲートロータ。

Claims (5)

1. 異なる圧力の圧縮室が複数段に接続された圧縮機、凝縮器、第一絞り装置及び蒸発器が順に連結されてなる循環冷媒流路を備えた冷凍サイクル装置であって、
   前記凝縮器から第一絞り装置へ向かう主冷媒と、前記凝縮器の出力側から分岐され第二絞り装置で減圧された分岐冷媒との間で熱交換を行うエコノマイザーを備え、
   前記エコノマイザーを出た分岐冷媒を前記圧縮機の低圧段側圧縮室に戻すようにしていることを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 請求項１に記載の冷凍サイクル装置において、前記圧縮機が低圧段圧縮室と高圧段圧縮室との２段構成となっていることを特徴とする冷凍サイクル装置。
3. 請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置において、前記低圧段側圧縮室の分岐冷媒の戻し口は、前記分岐冷媒の前記戻し口からの噴出開始時に、前記低圧段側圧縮室の主冷媒の吸込口および吐出口と連通しない密閉空間となる位置に形成されていることを特徴とする冷凍サイクル装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の冷凍サイクル装置において、前記エコノマイザーから前記戻し口へ向かう分岐冷媒の流量を電子膨張弁にて制御し、その制御を前記エコノマイザーの出口圧力飽和液温度と前記エコノマイザーの出口主冷媒温度との差であるアプローチ温度に基づいて行うことを特徴とした冷凍サイクル装置。
5. 請求項４に記載の冷凍サイクル装置において、前記アプローチ温度を冷凍負荷に応じて変更するようにしたことを特徴とした冷凍サイクル装置。
   

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