JP2009047326A - 空調・冷凍・冷蔵システム - Google Patents

Abstract

【課題】圧力損失、消費電力を低減し、高低差限界を大幅に向上させる。
【解決手段】冷却器２で蒸発した冷媒ガスを、サクション配管４を経由して圧縮機８で圧縮して高温高圧の冷媒ガスとし、凝縮器１０で周囲の空気と熱交換して凝縮した冷媒を再び冷却器へ戻す冷媒循環流路を備えている。冷却器で冷媒が蒸発し、残溜する圧縮機オイルを溜める圧縮機オイルタンク２０が設けられる。圧縮機オイルタンクから圧縮機オイルを圧縮機に戻すためのオイル戻し専用回路２４を設置し、冷却器−圧縮機間のサクション配管を冷却器で冷媒が蒸発し、蒸発した冷媒のみを圧縮機に戻すに必要な太さの管径サイズに配管選定するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は空調・冷凍・冷蔵システムに関し、特に圧力損失を低減でき、消費電力を低減し、高低差限界を大幅に向上できる空調・冷凍・冷蔵システムに係る。

一般に、冷凍装置（本明細書では冷蔵装置を含む概念とする）は、ショーケース内部の冷却や冷蔵庫などの広い分野で使用され、従来から、図２に示すような冷凍装置が採用されている（例えば、特許文献１−５参照）。

このような冷凍装置の一般的な冷媒回路を同図を参照して説明する。すなわち、蒸発器５０で冷媒が蒸発することによって冷却（冷凍、冷蔵）機能を発揮し、蒸発器５０で蒸発した冷媒は、冷媒サクション管５２を経由してアキュームレータ５４に送られ、冷媒のうち蒸発し切れなかった冷媒液が蒸発するまで一時的に蓄えられ、蒸発した冷媒ガスのみが圧縮機５６へ送られて圧縮され、高温高圧の冷媒ガスとされる。高温高圧の冷媒ガスは凝縮器５８で周囲の空気又は水と熱交換して冷却され、凝縮する。凝縮した冷媒液は、ドライヤ６０に送られ冷媒中に存在する余分な水分がゼオライトなどの吸着材によって吸着される。その後、冷媒はキャピラリチューブ６２に通されて減圧され、冷媒液供給管６４経由して再び蒸発器５０へ送られる。

冷媒としては、ＣＦＣ（クロロフルオロカーボン）、ＨＣＦＣ（ハイドロクロロフルホロカーボン）やオゾン層を破壊しないＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）系冷媒（例えばＨＦＣ−１３４ａ）が使用されるようになっている。また、冷凍装置には圧縮機５６の潤滑のためなどに用いられる圧縮機オイルが冷媒に混合され溶け合った状態で用いられる。そして、ＨＦＣ系冷媒を使用する場合の圧縮機オイルとしては、この冷媒と相溶性のある圧縮機オイルに例えばエステル、ＰＡＧ（ポリアルキレングリコールオイル）などを用いるのが通常である。

この場合、蒸発器（冷却器）はコンビニやデパートの食品売場となる１階又は地下１階にショーケースや冷蔵庫などに設置され、圧縮機、凝縮器はスペースファクターの観点から例えば屋上に設置されるという位置関係をもつのが一般的である。

特開平１０−１４１８１２号公報 （図３） 特開平８−９４２１５号公報 （図４） 特開２００４−３７０５７号公報 （図１） 特開２００４−４４８４９号公報 （図１） 特開２００５−５５１１３号公報 （図１）

特許文献１には、蒸発器１を構成する蒸発器１５の冷媒配管１３のうちＵベント部分２９の下側には、断面積が拡大されて形成されるオイル溜まり３１が設けられ、このオイル溜まり３１の底面には導油管２８が接続され、各オイル溜まり３１からの複数の導油管２８は、一本の導油本管３３に合流し、電磁弁３５を介して、圧縮機５の上流側の冷媒配管１３に接続され、導油管２８を用いて圧縮機５へ直接に接続し、圧縮機５の働きによる負圧によって積極的に冷凍機油２５を戻すことが開示されている（段落００３１−００３２、図４、図５）。しかしながら、この文献記載のシステムは、冷却器伝熱管全部を瓢箪形の形状として加工し、必ず瓢箪形の小円部分を下側に配置する必要があり、実際の汎用冷却器への応用が困難であり、複数台の冷却器の集合冷却設備にて全体のオイル戻しに応用すると、立上り管の設計については或る管内ガス流速を必要とするという難点がある。

また、特許文献２にはケース体１１に設けた冷媒流入管路１２の器内側開口端１３に、径が約３オングストロームの細孔を無数に有する合成ゼオライト製のブロック１４を下側から密着し、冷媒流出管路１５の器内側開口端１６をブロック１４から離間した部位に配設し、これらより低位となる部位にオイル戻し管１７を配管接続し、冷凍機油を含んだ冷媒は、ブロック１４に衝突しながらケース体１１に流入するので、冷媒に混入していたオイル１８が冷媒から効率良く衝突分離されて滴下し、オイル戻し管１７から圧縮機１に戻すことが開示されている（段落００１６−００１７、図１、図４）。しかしながら、この文献記載のシステムは、ゼオライトブロックを大きく製作しないと、圧力的に冷媒流入管路１２のガス圧力と冷媒流出管路１５の内部ガス圧力が大きくなり、吐出ガス自体に圧力損失が生まれ、効率ロス、消費電力増加に至るという難点がある。即ち、入口ガス圧力と出口ガス圧力に大きな差圧（損失）が生じて損失を少なくするためにはゼオライトブロックを大きくする必要があり実用向きではない。

また、特許文献３には蒸発器３０の冷媒出口側と圧縮機１０の冷媒吸入側とを繋ぐ第２オイル戻し通路８０に逆止弁８１を設けるとともに、蒸発器３０の冷媒出口側の圧力が圧縮機１０の冷媒吸入側の圧力より大きくなり、その圧力差が所定圧力差以上となったときに開くように逆止弁８１を設定して蒸発器３０内に滞留する冷凍機油を所定量以下に制御して圧縮機１０に十分な量の冷凍機油を戻すことが開示されている（段落００３０、図１）。しかしながら、この文献記載のシステムは、冷却器（蒸発器）−圧縮機を１対１の構成とし、定まった単一冷却器に関してのオイル戻し機構であって、圧縮機にオイルを戻すときは冷却効果を減少させなければならない。また、冷却能力の異なる複数台の冷却器に対してオイル戻し制御に関して難しい。

また、特許文献４には蒸発器３０の冷媒出口側と圧縮機１０の冷媒吸入側とを繋ぐオイル戻し通路７０に逆止弁７１を設けるとともに、蒸発器３０の冷媒出口側の圧力が圧縮機１０の冷媒吸入側の圧力より大きくなり、その圧力差が所定圧力差以上となったときに開くように逆止弁７１を設定して蒸発器３０内に滞留する冷凍機油を圧縮機１０に戻すことができ、気液分離器５０に多量の液相成分を蓄える必要がなく、気液分離器５０の小型化を図ることが開示されている（段落００２５、図１）。しかしながら、この文献記載のシステムは、特許文献３記載のシステム効率を上昇したもので、上記の特許文献３記載のシステムと同様の難点がある。

さらに、特許文献５には、キャピラリーチューブ（細管）やオリフィス等の絞り開度が固定された固定絞りにて構成され、オイルセパレータ７０にて分離抽出された冷凍機油を圧縮機１０の吸入側に戻すオイル戻し回路７１が開示されている（段落００４５、図１）。しかしながら、この文献記載のシステムの主目的は、自動車搭載の冷却器（カーエアコン）と圧縮機に関して起動時の過負荷防止を目的とするもので、上記の特許文献４記載のシステムを補う装置であって、特許文献３記載のシステムと同様の難点がある。

ところで冷凍設備業界では、蒸発器（冷却器）−圧縮機、凝縮器間の位置関係は高低差２５メートル（圧力損失０．０２Ｍｐａ程度発生にて）が汎用の冷凍設備では限界とされている。

その限界理由について説明すると、冷凍・冷蔵設備では従来、冷凍機の循環は冷媒サクション管５２中を冷媒液・冷媒ガスと一緒に戻している。

したがって、冷凍機オイルを低圧配管である冷媒サクション管５２内で戻すのには、ある一定以上のガス流速（３〜１５ｍ／ｓ）が必要である。

このため、蒸発器（冷却器）−圧縮機、凝縮器間の高低差が大きくなると、冷媒サクション管５２を細くして冷凍機をパワーアップし、戻りガス速度を増して冷凍機オイルを圧縮機５６に戻している。

しかしながら、冷媒サクション管５２を細くし、冷媒のガス流速を増やすと、管内抵抗が大きくなり、冷媒サクション管５２内の圧力損失が大きくなり、冷却効率な減少を惹起することになる。

また、蒸発器（冷却器）−圧縮機、凝縮器間の高低差が大きくなると、オイル戻し用トラップを６メートル前後毎に配置する必要がある。

このような理由で冷凍冷却設備業界においては、汎用の冷凍機では蒸発器（冷却器）−圧縮機、凝縮器間の高低差限界を２５メートルとされているのである。

したがって、本発明は以上の難点を解消するためになされたもので、その目的は、圧力損失を低減でき、消費電力を減らし、高低差限界を大幅に向上できる空調・冷凍・冷蔵システムを提供しようとするものである。

上記の目的を達成するために、本発明の空調・冷凍・冷蔵システムは、冷却器で蒸発した冷媒ガスを、圧縮機で圧縮して高温高圧の冷媒ガスとし、凝縮器で周囲の空気と熱交換して凝縮した冷媒を再び冷却器へ戻す冷媒循環流路を備えている。

この空調・冷凍・冷蔵システムにおいて、冷媒には圧縮機の潤滑のための圧縮機オイルが混在している。

この空調・冷凍・冷蔵システムにおいて、冷却器で冷媒が蒸発し、残溜する圧縮機オイルを溜める圧縮機オイルタンクが冷却器の出口側に設けられる。

この空調・冷凍・冷蔵システムにおいて、圧縮機オイルタンクから圧縮機オイルを圧縮機に戻すためのオイル戻し専用回路が設置される。

この空調・冷凍・冷蔵システムにおいて、冷却器−圧縮機間のサクション配管は冷却器で冷媒が蒸発し、蒸発した冷媒のみを圧縮機に戻すに必要な太さの管径サイズに配管選定される。

この空調・冷凍・冷蔵システムにおいて、サクション配管の管径サイズを太くして圧縮機と冷却器間の垂直・水平距離に比例する圧力損失を低減することにより圧縮機はより小型のものにする。

この空調・冷凍・冷蔵システムにおいて、サクション配管の管径サイズを太くすることにより、圧縮機をより大型のものにすることなく圧縮機と冷却器間の垂直・水平距離を延長する。

本発明の空調・冷凍・冷蔵システムによれば、従来の業界高低差限界を超えての冷凍設備が可能となる。

また、本発明の空調・冷凍・冷蔵システムによれば、消費電力を低減し、従来設備２５メートル差の冷凍システム配管物件では約３Ｏ％の電気代節約が期待でき、高低差のある冷却設備の省エネ運転が可能となる。

また、本発明の空調・冷凍・冷蔵システムによれば、オイル戻し用トラップを６メートル前後毎に加工する必要がなくなる。したがって、見栄え、施工費の低減が図られ、設備製作費用及び設備製作日程の低減が望める。

さらに、本発明の空調・冷凍・冷蔵システムによれば、ＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）系冷媒としてＲ４Ｏ４Ａ冷媒ガス使用時は高低差が１ＯＯメートルでも可能となる。

また、本発明の空調・冷凍・冷蔵システムによれば、圧力損失を低減することができ、そのため、より圧縮機はより小型のものを使用できることになる。

以下、本発明の空調・冷凍・冷蔵システムを、その好ましい実施の最良の形態について、図面を参照して説明する。

図１において、本発明の空調・冷凍・冷蔵システムは、冷却器（クーリングコイル）２で蒸発した冷媒ガスを、サクション配管４、アキュムレータ６を経由して圧縮機（コンプレッサー）８で圧縮して高温高圧の冷媒ガスとし、凝縮器（コンデンサ）１０で周囲の空気と熱交換して凝縮した冷媒をレシーバタンク（受液器）１２、ドライコア１４、電磁弁１６、膨張弁を経由して再び冷却器２へ戻す冷媒循環流路１１を備えている。

この場合、冷却器（クーリングコイル）２はコンビニやデパートの食品売場となる１階又は地下１階にショーケースや冷蔵庫の庫内に設置され、圧縮機（コンプレッサー）８、凝縮器（コンデンサ）１０はスペースファクターの観点から例えば屋上に設置されるという位置関係をもち、したがって冷却器−圧縮機（凝縮器）間の高低差は比較的長い距離（１５ｍ以上）となる。

冷媒には圧縮機８の潤滑のための圧縮機オイルが混在しており、冷媒としては、オゾン層を破壊しないＨＦＣ（ハイドロフルホロカーボン）系冷媒（例えばＨＦＣ−１３４ａ）が使用されるようになっている。また、冷凍装置には圧縮機５６の潤滑のためなどに用いられる圧縮機オイルが冷媒に混合され溶け合った状態で用いられる。そして、ＨＦＣ系冷媒を使用する場合の圧縮機オイルとしては、この冷媒と相溶性のある圧縮機オイルに例えばエステル、ＰＡＧ（ポリアルキレングリコールオイル）等が用いられる。

本発明の空調・冷凍・冷蔵システムにおいて、冷却器２で冷媒が蒸発し、残溜する圧縮機オイルを溜める圧縮機オイルタンク２０が設けられる。

圧縮機オイルタンク２０から圧縮機オイルをオイルポンプ２６によりアキュムレータ６を経由して圧縮機８に戻すためのオイル戻し管２２を含むオイル戻し専用回路２４が設置される。

冷却器−圧縮機間のサクション配管４は、冷却器２で冷媒が蒸発し、蒸発した冷媒のみを圧縮機８に戻すに必要な太さの管径サイズに配管選定される。

ここで、冷却器−圧縮機間のサクション配管を冷却器で冷媒が蒸発し、蒸発した冷媒及び冷媒のうち蒸発し切れなかった冷媒液のみを圧縮機に戻すに必要な太さの管径サイズに配管選定するとは、冷媒ガスの圧力損失を１℃以内とする場合には、損失は２〜６％程度となる配管設計することをいう。理想的には０℃、０％であるが、実際の現実的設計では、このように慣行されている。

この空調・冷凍・冷蔵システムにおいて、サクション配管の管径サイズを太くして圧縮機と冷却器間の垂直・水平距離に比例する圧力損失を低減することにより圧縮機はより小型のものを使用可能である。

この空調・冷凍・冷蔵システムにおいて、サクション配管の管径サイズを太くすることにより、圧縮機をより大型のものにすることなく圧縮機と冷却器間の垂直・水平距離を延長可能である。

このように構成された空調・冷凍・冷蔵システムにおいて、冷却器（クーリングコイル＝蒸発器）２で冷媒が蒸発することによって冷却（冷凍、冷蔵）機能を発揮し、冷却空気が放散され、冷却器（クーリングコイル＝蒸発器）２で蒸発した冷媒は、冷媒サクション管４を経由してアキュームレータ６に送られ、冷媒のうち蒸発し切れなかった冷媒液が蒸発するまで一時的に蓄えられ、蒸発した冷媒ガスのみが圧縮機（コンプレッサー）８へ送られて圧縮され、高温高圧の冷媒ガスとされる。

この場合、アキュームレータ６から圧縮機（コンプレッサー）８に至る間の圧力は低圧ゲージ３０で測定され、冷却器が正常に動作しているか否かを確認できる。

圧縮機（コンプレッサー）８におけるオイルの量、汚れ度はオイルサイトグラス３４から観察し、圧縮機の潤滑が適正であるかが確認できる。

高温高圧の冷媒ガスは高圧管を介して凝縮器（コンデンサ）１０で周囲の空気と熱交換して冷却され、凝縮する。

凝縮した冷媒液は、高圧管を介してレシーバタンク（受液器）１２に送られ、冷媒に混在した圧縮機オイルが底部に滞留され、冷媒がドライコア１４に送られ冷媒中に存在する余分な水分がゼオライトなどの吸着材によって吸着される。

レシーバタンク（受液器）１２内の圧力は高圧ゲージ３２で測定され、凝縮器が正常であるか否かが確認できる。

ドライコア１４通過後の冷媒は冷媒サイトグラス３６で色、フラッシュについて観察され、冷媒量及び装置内水分が適切であるか否かが確認できる。

その後、冷媒は電磁弁１６で流量が調節され、膨張弁１８で必要冷却圧力に減圧され、再び冷却器（クーリングコイル）２へ送られて冷媒循環流路１１を循環する。

この場合、冷却器−圧縮機間のサクション配管４は、冷却器２で冷媒が蒸発し、蒸発した冷媒のみを圧縮機８に戻すに必要な太さの管径サイズに配管選定される。即ち、冷媒ガスの圧力損失を１℃以内とする場合には、損失は２〜６％程度となる配管設計となっている。

この空調・冷凍・冷蔵システムにおいて、サクション配管の管径サイズを太くして圧縮機と冷却器間の垂直・水平距離に比例する圧力損失を低減することにより圧縮機はより小型のものを使用できることになる。

この空調・冷凍・冷蔵システムにおいて、サクション配管の管径サイズを太くすることにより、圧縮機をより大型のものにすることなく圧縮機と冷却器間の垂直・水平距離を延長できる。

本発明の空調・冷凍・冷蔵システムによれば、従来の業界高低差限界を超えての冷凍設備が可能となる。

また、本発明の空調・冷凍・冷蔵システムによれば、消費電力を低減し、従来設備２５メートル差の冷凍システム配管物件では約３０％の電気代節約が期待でき、高低差のある冷却設備の省エネ運転が可能となる。

また、本発明の空調・冷凍・冷蔵システムによれば、オイル戻し用トラップを６メートル前後毎に加工する必要がなくなる。したがって、見栄え、施工費の低減が図られ、設備製作費用及び設備製作日程の低減が望める。

さらに、本発明の空調・冷凍・冷蔵システムによれば、ＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）系冷媒としてＲ４Ｏ４Ａ冷媒ガス使用時は高低差が１ＯＯメートルでも可能となる。

また、本発明の空調・冷凍・冷蔵システムによれば、圧力損失を低減することができ、そのため、より圧縮機はより小型のものを使用できることになる。
実施例１
図１に示す冷媒循環流路１１及びオイル戻し専用回路２４を下記の仕様で配備して空調・冷凍・冷蔵システムを構成した。

冷却器（クーリングコイル）２の出力・・・５．５ｋＷ
圧縮機（コンプレッサー）８の出力・・・７．５ｋＷ
凝縮器（コンデンサ）１０の出力・・・２４０Ｗ
サクション配管４（低圧配管）の管径サイズ・・・φ６６．６８ｍｍ
サクション配管４（低圧配管）の圧力損失・・・１．０ｋＰa
オイル戻し管２２（低圧配管）の管径サイズ・・・φ９．５７ｍｍ
冷却器−圧縮機（凝縮器）間の水平距離・・・３０ｍ
冷却器−圧縮機（凝縮器）間の垂直距離・・・２０ｍ
この実施例によれば、サクション配管の管径サイズを太くして圧縮機と冷却器間の垂直・水平距離に比例する圧力損失を低減することにより圧縮機はより小型のものにすることができた。

比較例１
図２に示す冷媒循環流路を下記の仕様で配備して空調・冷凍・冷蔵システムを構成した。

蒸発器（冷却器）５０の出力・・・５．５ｋＷ
圧縮機５６の出力・・・１０．５ｋＷ
凝縮器５８の出力・・・３６０Ｗ
サクション管５２（低圧配管）の管径サイズ・・・φ５３．９８ｍｍ
蒸発器−圧縮機（凝縮器）間の水平距離・・・３０ｍ
蒸発器−圧縮機（凝縮器）間の高低差・・・２０ｍ
この従来構成によれば、サクション配管の管径サイズを細くするので圧縮機と冷却器間の垂直・水平距離に比例する圧力損失が大きくなり、圧縮機は大型のものとなった。

実施例２
図１に示す冷媒循環流路１１及びオイル戻し専用回路２４を下記の仕様で配備して空調・冷凍・冷蔵システムを構成した。

冷却器（クーリングコイル）２の出力・・・１０ｋＷ
圧縮機（コンプレッサー）８の出力・・・１５．０ｋＷ
凝縮器（コンデンサ）１０の出力・・・４８０Ｗ
サクション配管４（低圧配管）の管径サイズ・・・φ７９．３８ｍｍ
サクション配管４（低圧配管）の圧力損失・・・２．０ｋＰa
オイル戻し管２２（低圧配管）の管径サイズ・・・φ９．５２ｍｍ
冷却器−圧縮機（凝縮器）間の水平距離・・・３０ｍ
冷却器−圧縮機（凝縮器）間の垂直距離・・・６０ｍ
この実施例によれば、サクション配管の管径サイズを太くすることにより、圧縮機をより大型のものにすることなく圧縮機と冷却器間の垂直・水平距離を延長することができた。

比較例２
図２に示す冷媒循環流路を下記の仕様で配備して空調・冷凍・冷蔵システムを構成した。

蒸発器（冷却器）５０の出力・・・１０ｋＷ
圧縮機５６の出力・・・１８．７５ｋＷ
凝縮器５８の出力・・・４８０Ｗ
サクション管５２（低圧配管）の管径サイズ・・・φ６６．６８ｍｍ
蒸発器−圧縮機（凝縮器）間の水平距離・・・３０ｍ
蒸発器−圧縮機（凝縮器）間の高低差・・・２５ｍ

この従来構成によれば、サクション配管の管径サイズを細くするので、圧縮機を大型のものにしなければならず、圧縮機と冷却器間の垂直・水平距離を延長することに限界があった。

以上の本発明の実施例においては、冷凍・冷蔵システムについて説明したが、本発明は空調・冷房機を室内に設ける空調システムについても等しく適用できるものである。

また、以上の本発明の実施例においては、図１に示すように冷却器（蒸発器）２−圧縮機８を１対１の構成としたが、冷却器（蒸発器）２を複数台並列接続し、圧縮機８を並列接続した複数台の冷却器（蒸発器）２に見合ったパワーとすることができる。この場合においても、複数台の冷却器（蒸発器）２−圧縮機８間のサクション配管４は複数台の冷却器（蒸発器）２で冷媒が蒸発し、蒸発した冷媒のみを圧縮機８に戻すに必要な太さの管径サイズに配管選定される。

本発明の空調・冷凍・冷蔵システムによれば、大型店舗、倉庫、施設等の空調・冷凍・冷蔵設備として利用できる。ここに、「大型」とは、７．５ｋＷ以上の動力規模をいう。

本発明の空調・冷凍・冷蔵システムを示す説明図である。 従来の冷凍システムを示す説明図である。

符号の説明

２・・・冷却器
４・・・サクション配管
８・・・圧縮機
１０・・・凝縮器
１１・・・冷媒循環流路
２０・・・圧縮機オイルタンク
２４・・・オイル戻し専用回路

Claims (3)

1. 冷却器で蒸発した冷媒ガスを、圧縮機で圧縮して高温高圧の冷媒ガスとし、凝縮器で周囲の空気と熱交換して凝縮した冷媒を再び前記冷却器へ戻す冷媒循環流路を備え、
   前記冷媒には前記圧縮機の潤滑のための圧縮機オイルが混在しており、
   前記冷却器で冷媒が蒸発し、残溜する圧縮機オイルを溜める圧縮機オイルタンクを前記冷却器の出口側に設け、
   前記圧縮機オイルタンクから圧縮機オイルを前記圧縮機に戻すためのオイル戻し専用回路を設置し、
   前記冷却器−前記圧縮機間のサクション配管を前記冷却器で冷媒が蒸発し、蒸発した冷媒のみを前記圧縮機に戻すに必要な太さの管径サイズに配管選定することを特徴とする空調・冷凍・冷蔵システム。
2. 前記サクション配管の前記管径サイズを太くして前記圧縮機と前記冷却器間の垂直・水平距離に比例する圧力損失を低減することにより前記圧縮機をより小型のものにすることを特徴とする請求項１記載の空調・冷凍・冷蔵システム。
3. 前記サクション配管の前記管径サイズを太くすることにより、前記圧縮機をより大型のものにすることなく前記圧縮機と前記冷却器間の垂直・水平距離を延長することを特徴とする請求項１記載の空調・冷凍・冷蔵システム。

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