JP2007255781A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明は、リキッドインジェクション回路を備えた冷凍装置において、圧縮機を改良や交換することなく従来の冷媒回路にバイパス回路を追加することで、一定速ロータリ圧縮機の出力を連続的に変更させ、従来よりも省エネとなる制御を可能にし、さらに圧縮機の寿命を従来よりも長くすることを目的としている。
【解決手段】
本発明は、開閉弁を介してリキッドインジェクション回路と圧縮機の吸入部を連通するバイパス回路を備えるため、前記開閉弁の開度を制御することにより、前記圧縮機の出力を制御することができる。よって、一定速の圧縮機の出力を必要な大きさに制御することができるため、従来よりも効率よく圧縮機を運転することができる。また、ＯＮ／ＯＦＦによる出力制御ではなく、圧縮機を連続的に運転しながら出力を制御するため、従来の冷凍装置の能力制御に比べて圧縮機の寿命を長くすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮機を冷却するためのリキッドインジェクション回路を備えた冷凍装置に関するものである。

従来、冷凍装置に用いる圧縮機は低温低圧のガス冷媒を高温高圧のガス冷媒に圧縮する。しかし、圧縮により冷媒が非常に高温となった場合に摺動部の焼き付きや絶縁体や巻線芯材の変形等の問題が生じるため、冷媒が高温となることを防止する方法としてリキッドインジェクション方式が採用されている。

この冷却方式は受液器と圧縮機の圧縮要素をリキッドインジェクション回路によって連通させ、前記受液器内の液冷媒を前記圧縮要素に導入し、導入された液冷媒を蒸発させることで前記圧縮要素及び吐出冷媒の温度を低下させている（特許文献１参照）。
特開平５−２１５４１３号公報

ここで、上記のようなリキッドインジェクション回路を備えた冷凍装置において、特に回転速度が一定速である圧縮機を用いた場合、冷凍装置の冷凍能力は圧縮機のＯＮ／ＯＦＦによる運転時間によって制御されていた。

このように冷凍能力の制御を圧縮機のＯＮ／ＯＦＦによって行った場合、冷凍能力の不足が発生しないように圧縮機の運転時間を長めに制御する必要があり、運転効率の低下に繋がる問題があった。また、圧縮機がＯＮ／ＯＦＦ動作を繰り返す頻度が増すため、圧縮機の寿命が短くなるという問題も発生していた。

本発明は、リキッドインジェクション回路を備えた冷凍装置において、圧縮機を改良や交換することなく従来の冷媒回路にバイパス回路を追加することで、一定速ロータリ圧縮機の出力を連続的に変化させ、従来よりも効率的な制御を可能にし、さらに圧縮機の寿命を従来よりも長くすることを目的としている。

請求項１記載の冷凍装置は、圧縮機、凝縮器、受液器、減圧装置、蒸発器を配管接続すると共に、前記受液器から前記圧縮機の圧縮要素に冷媒を供給するリキッドインジェクション回路を有する冷凍装置において、前記リキッドインジェクション回路と前記圧縮機の吸入部を開閉弁及び流量制御弁を介して連通するバイパス回路を備えることを特徴とする。

請求項２記載の冷凍装置は請求項１記載の冷凍装置において、前記圧縮機が一定速圧縮機であることを特徴とする。

請求項３記載の冷凍装置は請求項１及び請求項２記載の冷凍装置において、前記圧縮機の低圧側圧力に応じて前記リキッドインジェクション回路及び／又は前記バイパス回路における流量制御弁の開度を制御することを特徴とする。

本発明によれば、圧縮機、凝縮器、受液器、減圧装置、蒸発器を配管接続すると共に、前記受液器から前記圧縮機の圧縮要素に冷媒を供給するリキッドインジェクション回路を有する冷凍装置において、前記リキッドインジェクション回路と前記圧縮機の吸入部を開閉弁及び流量制御弁を介して連通するバイパス回路を備えるため、前記開閉弁の開閉及び前記流量制御弁の開度を制御することにより、前記圧縮機の出力及び負荷を制御することができる。

よって、一定速の圧縮機を交換又は改良することなく、前記圧縮機の出力及び負荷を連続的に制御することができるため、前記圧縮機のＯＮ／ＯＦＦによる出力制御よりも、効率良く運転することができる。また、前記圧縮機をＯＮ／ＯＦＦせず、圧縮機を運転したまま出力及び負荷を制御するため、従来の冷凍装置の能力制御に比べて圧縮機の寿命を長くすることができる。

以下、図面に基づき本発明の実施形態を説明する。

なお、本実施例において使用される冷媒はＨＦＣ系を想定しているが、これに限らずＨＣ系冷媒や二酸化炭素のような自然冷媒でも同様の効果を得ることができる。

図１において、１は本発明を適用した冷凍装置の冷媒回路である。図１において、１１は一定速ロータリ圧縮機、１２は凝縮器、１３は凝縮器用冷却ファン、１４は受液器、１５はフィルタドライヤ、１６はアキュームレータである。また、２１、２２、２５、３１はサービスバルブ、２３はモイスチャーインジケータ、２４、３２はストレーナ、３３は膨張弁（減圧装置）、３４、３５は電磁弁（開閉弁）、３６は流量制御弁、４３は圧力センサである。なお、３７は圧縮機１１の圧縮要素と連通したリキッドインジェクション用開口部である。

一定速ロータリ圧縮機１１の吐出口はサービスバルブ２１を介して凝縮器１２の入口に接続され、さらに凝縮器１２の出口は受液器１４の入口に接続される。受液器１４の出口はサービスバルブ２２を介してフィルタドライヤ１５の入口に接続される。フィルタドライヤ１５の出口はモイスチャーインジケータ２３に接続され、モイスチャーインジケータ２３は図示しない低温ショーケースや空調機など室内機の入口に接続される。

前記室内機の出口はストレーナ２４を介してアキュームレータ１６の入口に接続され、アキュームレータ１６の出口はサービスバルブ２５を介して圧縮機１１の吸入口に接続される。

破線で囲まれている２はリキッドインジェクション回路であり、受液器１４からサービスバルブ３１及びストレーナ３２を介して膨張弁３３に接続される。膨張弁３３から電磁弁３４を介してリキッドインジェクション用開口部３７に接続される。

また、破線で囲まれている３はバイパス回路であり、電磁弁３４及びリキッドインジェクション用開口部３７の中間部４２は電磁弁３５及び流量制御弁３６を介して、アキュームレータ１６及びサービスバルブ２５の中間部４１とバイパス接続される。

次に、本実施例において用いられるロータリ圧縮機１１について図２を参照して説明する。図２はロータリ圧縮機１１の側断面図であり、駆動手段であるモータ５１、モータ５１の下方に設けられた圧縮手段５２等を有し、これらは密閉ケース５３内に収納されている。

圧縮手段５２は、前段圧縮要素６０と後段圧縮要素７０とから構成され、各圧縮要素６０、７０には吸入管６１、７１及び吐出管６２、７２が設けられると共に、連結管８０により前段圧縮要素６０の吐出管６２と後段圧縮要素７０の吸入管７１とが連結されている。

前段圧縮要素６０と後段圧縮要素７０は略同じ構成であり、各圧縮要素６０、７０は円筒状シリンダ６３、７３内にローラ６４、７４が配設されている。このローラ６４、７４の外側面に図示しないベーンが接するように配設されている。

クランク６５、７５はモータ５１の回転軸５５に固着され（又は一体形成され）ているため、クランク６５、７５の回転によりローラ６４、７４は偏心回転運動をするようになる。

このときローラ６４、７４における外側面の一端がシリンダ６３、７３と常に最小隙間で保持されるので、シリンダ６３、７３とローラ６４、７４との間に三日月状の空間が形成される。そして、前記ベーンがローラ６４、７４の外側面に接しているため、このベーンにより前記三日月状空間は吸入室と圧縮室に区画される。

シリンダ６３、７３の内径及びローラ６４、７４の外径は変化しないので、ローラ６４、７４が自転しても三日月状空間の容積は常に一定となる。しかし、ローラ６４、７４の回転に伴い、ローラ６４、７４とシリンダ６３、７３との最小隙間の位置が変化するため三日月状空間の容積が変化する。

一方、前記ベーンはローラ６４、７４の外側面に常に接するようにシリンダ６３、７３の半径方向に出入りするため、このベーンにより三日月状空間が区画されて形成される吸入室と圧縮室との容積比は、ローラ６４、７４の回転に従い変化し、吸入室の容積が拡張すると、圧縮室の容積は縮小する。

吐出口には図示しない吐出バルブが設けられており、圧縮室の縮小に伴い冷媒が圧縮されて、この吐出バルブで規定される吐出圧に達すると冷媒が吐出される。

なお、前段圧縮要素６０のローラ６４と後段圧縮要素７０のローラ７４とは、各ローラ６４、７４が偏心回転運動することにより発生する振動が相殺されるように、回転位相が１８０度ずれて設けられている。即ち、クランク６５とクランク７５とは、回転軸５５を中心に対称に設けられている。

以上が圧縮要素６０、７０の共通構成であるが、後段圧縮要素７０にはさらに冷媒温度調節手段であるリキッドインジェクション用開口部３７が設けられて、圧縮室における冷媒の温度及び圧力を調節するようになっている。

リキッドインジェクション用開口部３７は、後段圧縮要素７０の圧縮室と連通する冷媒注入口９１と連通しており、リキッドインジェクション回路２から冷却用冷媒が流入し、後段圧縮要素７０を冷却する。

以上のような構造を持つ圧縮機１１によって圧縮され高温高圧となった冷媒は凝縮器１２に流入し、凝縮器冷却用ファン１３によって冷却される。冷却された冷媒は気・液混合状態で受液器１４に流入し、凝縮し液体となった冷媒は受液器１４に貯溜される。

受液器１４の液冷媒はフィルタドライヤ１５を通過することで冷媒に含有される水分や不純物が除去され、モイスチャーインジケータ２３を介して図示しない低温ショーケース等の室内機に流出する。なお、モイスチャーインジケータ２３はサイトグラスを備えており、冷媒中の水分量、冷媒流量、冷媒の状態を確認することができる。

前記室内機において蒸発し低温低圧となった冷媒は、ストレーナ２４を通過することで冷媒内の異物が除去され、アキュームレータ１６に流入する。圧縮機１１に液冷媒が吸入された場合、液圧縮となり圧縮機１１の破損に繋がる恐れがあるため、アキュームレータ１６において冷媒は気体と液体に分離され気体の冷媒のみが圧縮機１１に吸入される。

次に、リキッドインジェクション回路２及びバイパス回路３の動作について説明する。

前記室内機の温度上昇や外気温上昇により圧縮機が非常に高温となった場合、冷凍装置は高い出力が求められる。この時、前記室内機において冷却運転が行なわれているため、冷媒の流量は増加し、圧縮機１１の低圧側圧力は高くなる。

よって、圧力センサ４３が検知した圧力が所定値以上である場合、圧縮機１１は連続運転となるため高温となる。よって、冷凍装置は電磁弁３４を開放し、電磁弁３５を閉鎖することで、リキッドインジェクション回路２が導通され、バイパス回路３が閉塞される。

このような構成とすることで、冷媒注入口９１から流入した冷媒により後段圧縮要素７０冷却され、摺動部の焼き付き防止等の保護を図ることができる。よって連続運転下においての圧縮機１１及び冷媒回路１の安定性を向上させることができる。

前記室内機が冷却され、受液器１４内の冷媒貯溜量が増加した場合、冷凍装置の出力が過剰となり運転効率が悪化するため、圧縮機の出力を低下させる必要がある。この時、前記室内機において冷却運転は低出力であり、冷媒の流量は減少し圧縮機１１の低圧側圧力は低下する。

よって、圧力センサ４３が検知した圧力が所定値より低下した場合、圧縮機１１の出力を抑制する必要があるため、電磁弁３４を閉鎖し、電磁弁３５を開放する。これにより、リキッドインジェクション回路２が閉塞され、バイパス回路３が導通される。

この時、冷媒注入口９１はアキュームレータ１６及びサービスバルブ２５の中間部４１と連通するため、後段圧縮要素７０の冷媒が冷媒注入口９１から一部流出し、圧縮機１１から吐出される冷媒の流量は減少する。よって、流量制御弁３６の弁開度によって、圧縮機１１の出力を制御することができる。

また、冷媒注入口９１から冷媒の一部を圧縮機１１の吸入部へ戻すため、後段圧縮要素７０の圧力が低下する。後段圧縮要素７０の圧力低下により、吐出管７２から吐出されるまでの圧縮に必要な仕事も減少するため、圧縮機１１の負荷は減少する。よって、流量制御弁３６の弁開度によって圧縮機１１の負荷を制御することができる。

このように、流量制御弁３６の弁開度を制御することで、圧縮機１１の出力及び負荷を連続的に変化させ、冷凍装置が必要とする出力に応じた負荷で動作させることができる。

流量制御弁３６の弁開度は圧力センサ４３による検知圧力によってが調整される。この検知圧力が低下して行く時、冷凍装置が必要としている冷凍能力は減少しているため、圧縮機１１の出力を低下させる。流量制御弁３６の弁開度を拡大させて冷媒注入口９１から吸入部に戻す冷媒流量を増加させることで、圧縮機１１の出力及び負荷を低下させる。

この時、圧縮機の負荷低下により圧縮機１１の動作に必要なエネルギーもまた低下しており、必要な出力に応じた省エネ運転を行うことができる。

そして、検知圧力が減少し流量制御弁３６の弁開度は最大となった時、バイパス回路３を通過する冷媒流量が増大し、圧縮機１１とバイパス回路３の間を循環する短絡回路が形成される。

この循環により、圧縮機１１は実質的に仕事をせずに動作のみを行うため、運転効率は悪化してしまう。よって、圧力センサ４３の検知圧力が圧縮機停止圧力値よりも低下し、流量制御弁３６の弁開度が最大となった時、圧縮機１１を停止させる。

圧縮機１１が停止した状態で、圧力センサ４３の検知圧力が圧縮機停止圧力値以上に上昇した時、電磁弁３４を閉鎖し、電磁弁３５を開放した状態で圧縮機１１を始動させる。この時、流量制御弁３６の弁開度は全開とする。

圧力センサ４３の検知圧力が上昇している時、冷凍装置が必要とする冷凍能力は増加しているため、圧縮機１１の出力を増加させる。流量制御弁３６の弁開度を減少させることで中間圧力部から吸入部に戻す冷媒流量を減少させ、圧縮機１１の出力及び負荷を上昇させる。

そして、検知圧力が前記所定値以上に上昇し流量制御弁３６の弁開度が最小となった場合、前述のように電磁弁３５を閉鎖し、電磁弁３４を開放することで、リキッドインジェクション回路２が導通され、バイパス回路３は閉塞される。

この時、冷凍装置が必要としている冷凍能力は最大となっているため、圧縮機１１は連続運転となるが、リキッドインジェクションにより冷却されるため、圧縮機１１は安定に動作することができる。

さらに、外気温の上昇等によって圧縮機１１がより高温となる時、電磁弁３４及び３５を同時に開くことで中間圧力部及び吸入部の両方から圧縮機を冷却することができる。この時、流量制御弁３６の弁開度によって冷媒注入口９１と吸入部の冷却の割合を制御することができる。

本実施例において、流量制御弁として電子膨張弁等を代用することもできる。また、本発明はロータリ圧縮機に限らず、スロール圧縮機等のリキッドインジェクションが可能な圧縮機であれば適用できる。

また、リキッドインジェクションによる冷却対象について、本実施例のように後段圧縮要素ではなく、前段圧縮要素又は前段圧縮要素及び後段圧縮要素の両要素を冷却しても良い。

また、圧力センサ４３が検知した圧力によって電磁弁３４、３５や膨張弁３３や流量制御弁３６などの制御を行っているが、これに限らずショーケース等（室内機）の庫内温度等によって同様の制御を行うことができる。

前記室内機の冷却状況が圧力センサ４３の検知圧力に反映されるまでには時間を要するため、冷凍装置の出力制御にも遅れが出てしまう。よって、前記室内機の状況を監視することで、より効率良く圧縮機を運転することができる。

圧力センサ４３の検知圧力は、前記室内機からの配管の状況によっても変化するため、冷凍装置の制御に誤差が出てしまう。よって、前記室内機の状況を直接入力することで、前記配管の状況によらず、この室内機が必要とする冷凍能力を正確に出力できる。

本発明を適用した冷凍装置の冷媒回路図 一定速ロータリ圧縮機の側断面図

符号の説明

１ 冷媒回路
２ リキッドインジェクション回路
３ バイパス回路
１１ 圧縮機
１２ 凝縮器
１３ 凝縮器用冷却ファン
１４ 受液器
１５ フィルタドライヤ
１６ アキュームレータ
２１、２２、２５、３１ サービスバルブ
２３ モイスチャーインジケータ
２４、３２ ストレーナ
３３ 膨張弁
３４、３５ 電磁弁
３６ 流量制御弁
３７ リキッドインジェクション用開口部
４３ 圧力センサ
５１ モータ
５２ 圧縮手段
５３ 密閉ケース
５５ 回転軸
６０ 前段圧縮要素
６１ 吸入管（前段圧縮要素）
６２ 吐出管（前段圧縮要素）
６３ 円筒状シリンダ（前段圧縮要素）
６４ ローラ（前段圧縮要素）
６５ クランク（前段圧縮要素）
７０ 後段圧縮要素
７１ 吸入管（後段圧縮要素）
７２ 吐出管（後段圧縮要素）
７３ 円筒状シリンダ（後段圧縮要素）
７４ ローラ（後段圧縮要素）
７５ クランク（後段圧縮要素）
８０ 連結管
９１ 冷媒注入口

Claims (3)

1. 圧縮機、凝縮器、受液器、減圧装置、蒸発器を配管接続すると共に、前記受液器から前記圧縮機の圧縮要素に冷媒を供給するリキッドインジェクション回路を有する冷凍装置において、
   前記リキッドインジェクション回路と前記圧縮機の吸入部を開閉弁及び流量制御弁を介して連通するバイパス回路を備えることを特徴とする冷凍装置。
2. 前記圧縮機が一定速圧縮機であることを特徴とする請求項１の冷凍装置。
3. 前記圧縮機の低圧側圧力に応じて前記リキッドインジェクション回路及び／又は前記バイパス回路における流量制御弁の開度を制御することを特徴とする請求項１及び請求項２記載の冷凍装置。