JP2011038742A - 圧縮式冷凍機、及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】膨張弁の開度を適切に制御し、なお且つ蒸発器の冷媒量を適正に制御する、二重冷凍サイクルの冷凍機であって、各冷凍サイクル間での冷媒量を適正に維持できる圧縮式冷凍機、及びその運転方法を提供すること。
【解決手段】冷媒を封入した冷凍サイクルから構成され、冷凍サイクルは、被冷却流体から熱を奪って冷媒が蒸発し冷凍効果を発揮する蒸発器１１と、蒸発して蒸気となった冷媒を圧縮する圧縮機１２と、圧縮蒸気を冷却流体で冷却して凝縮させる凝縮器１３と、凝縮した冷媒液を膨張させる膨張弁１４を具備する圧縮式冷凍機において、膨張弁１４のうち、少なくともひとつの開度を蒸発器１１の冷媒液面レベルの上下変動に基づいて制御し、蒸発器１１の冷媒液面レベルを目標レベル又は目標レベル範囲内にする制御手段を設けた。
【選択図】図３

Description

本発明は、圧縮式冷凍機に関し、特に安価且つ簡便な手法により部分負荷特性の良好な圧縮式冷凍機、及びその運転方法に関するものである。

図１はこの種の圧縮式冷凍機の概略構成を示す図である。圧縮式冷凍機は蒸発器１０１、圧縮機１０２、凝縮器１０３、及び膨張弁１０４を備え、蒸発器１０１で蒸発した冷媒蒸気を圧縮機１０２で圧縮し、該圧縮した冷媒蒸気を凝縮器１０３で冷却凝縮させて液化すると共に、該液化した冷媒を、膨張弁１０４を介して蒸発器１０１に戻すことで冷凍作用を持続させている。ここで膨張弁１０４の開度は大きすぎれば、冷媒蒸気が蒸発器１０１に流れ込む、所謂「吹き抜け」を生じて、冷却効率を悪化させ、小さければ蒸発器１０１の冷媒が不足し、冷凍出力を低下させたり、蒸発器１０１内の異常低圧、或いは水管の凍結などを招いたりする。従って、膨張弁１０４の適切な開度を維持することが不可欠である。

従来、膨張弁１０４の開度は凝縮器１０３の冷媒液面レベルによる。即ち、フロート弁１０５等を用いて、凝縮器１０３内の冷媒液面レベルが上昇すると膨張弁１０４の開度を増し、低下すると開度を減じている。これにより、凝縮器１０３から冷媒蒸気の吹き抜けを抑制することができる。冷凍機が図２に示すように、エコノマイザ（中間冷却器）１０７を備えている場合であっても、やはり凝縮器１０３やエコノマイザ１０７内の冷媒液面レベルを液面検出器１０６や液面検出器１０８で検出し、該検出した冷媒液面レベルに基づいて膨張弁１０４や膨張弁１０９の開度を制御している。

特公昭６０−３６５３８号公報 特公昭６１−５２９０７号公報

しかしながら、上記従来技術において、フロート弁１０５はフロートの浮力のみで動作するため信頼性に難があり、コストも高い。フロート弁に代えて、図２に示す圧縮式冷凍機１００のように凝縮器１０３及びエコノマイザ１０７の冷媒液面レベルを液面検出器１０６や液面検出器１０８で検出し、膨張弁１０４、膨張弁１０９の開度を制御する方法もあるが、信頼性は向上するものの、コスト面では更に不利となる。このため、費用対効果の観点から、膨張弁を固定開度とするか、或いはオリフィスとすることも少なくない。この場合、開度過小の場合（異常低圧や水管凍結など）のほうが、過大である場合（効率低下など）よりも深刻な影響があるので、開度は大きめとし、吹き抜け勝手になるように設計する。従って、特に冷媒循環量が低下する部分負荷の場合に吹き抜けが生じ、冷却効率が低下する。

一方、膨張弁１０４の開度を凝縮器１０３の冷媒量を基準として制御すると、蒸発器１０１内冷媒量は、いわゆる「でたなり」となり、最適な冷媒レベルとはならない。即ち、蒸発器１０１に流出入する冷水１１０の目標温度は年間を通して殆ど変化しないため、蒸発器１０１の蒸発温度は年間を通じて殆ど変化しないが、凝縮器１０３に流出入する冷却水１１１の温度は大きく変化するため、凝縮温度は大きく変化する。このため、凝縮器１０３内の特に気相の比容積は大きく変化し、その変化の分、蒸発器１０１内の冷媒量は増減する。

蒸発器１０１はそのときの熱負荷に応じて最適な冷媒量があり、これを維持できるのが好ましいことはいうまでもない。一般に、冷媒量が不足すると上部の伝熱管に冷媒がかからなくなって伝熱が悪化し、過大であると、下部の伝熱管に液圧がかかり、沸騰が悪くなって伝熱が悪化する。また、熱負荷の大きい場合は沸騰が激しく冷媒量が少なくともよいが、熱負荷の小さい場合は冷媒量を多くしなければならない。

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、膨張弁の開度を適切に制御し、なお且つ蒸発器の冷媒量を適正に制御し、二重冷凍サイクルの冷凍機であっては、各冷凍サイクル間での冷媒量を適正に維持できる圧縮式冷凍機、及びその運転方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、冷媒を封入した冷凍サイクルから構成され、前記冷凍サイクルは、被冷却流体から熱を奪って冷媒が蒸発し冷凍効果を発揮する蒸発器と、蒸発して蒸気となった冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮蒸気を冷却流体で冷却して凝縮させる凝縮器と、凝縮した冷媒液を膨張させる膨張弁を具備する圧縮式冷凍機において、 前記膨張弁のうち、少なくともひとつの開度を前記蒸発器の冷媒液面レベルの上下変動に基づいて制御し、前記蒸発器の冷媒液面レベルを目標レベル又は目標レベル範囲内にする制御手段を設けたことを特徴とする。

また、本発明は、上記圧縮式冷凍機において、前記制御手段は、前記蒸発器の該冷媒液面レベルが上昇すると開度を減じ、下降すると開度を増す制御をすることを特徴とする。

また、本発明は、上記圧縮式冷凍機において、前記凝縮器と前記蒸発器の間にエコノマイザを備え、前記制御手段は、前記エコノマイザの上流側膨張弁と下流側膨張弁の開度を相互に関連付けて前記蒸発器の冷媒液面レベルの上下変動に基づいて制御することを特徴とする。

また、本発明は、上記圧縮式冷凍機において、前記エコノマイザの上流側膨張弁の開度を前記蒸発器の冷媒液面レベルの上下変動に基づいて制御し、下流側膨張弁については開度を固定した固定開度膨張弁とするか、又はオリフィスとすることを特徴とする。

また、本発明は、上記圧縮式冷凍機において、前記冷凍サイクルは、低圧側冷凍サイクルと高圧側冷凍サイクルの二重冷凍サイクルを備え、前記制御手段は、各々の冷凍サイクルで前記膨張弁の開度を前記蒸発器の冷媒液面レベルの上下変動に基づいて制御し、各冷凍サイクルの蒸発器の冷媒液面レベルを目標範囲内になるように制御し、各凝縮器内の冷媒液面レベルを監視し、冷媒がいずれか一方の冷凍サイクルに偏った場合は、冷媒移動弁を制御して冷媒量の多い冷凍サイクルから冷媒量の少ない冷凍サイクルに冷媒を移動させる冷媒移動制御手段を設けたことを特徴とする。

また本発明は、上記圧縮式冷凍機において、前記冷凍サイクルは、低圧側冷凍サイクルと高圧側冷凍サイクルの二重冷凍サイクルを備え、前記制御手段は、一方の冷凍サイクルでは前記膨張弁の開度を前記蒸発器の冷媒液面レベルの上下変動に基づいて制御し、他方の冷凍サイクルでは前記膨張弁の開度を前記一方の冷凍サイクルの前記膨張弁の開度に基づいて決定する制御を行うことを特徴とする。

また、本発明は、冷媒を封入した冷凍サイクルから構成され、前記冷凍サイクルは、被冷却流体から熱を奪って冷媒が蒸発し冷凍効果を発揮する蒸発器と、蒸発して蒸気となった冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮蒸気を冷却流体で冷却して凝縮させる凝縮器と、凝縮した冷媒液を膨張させる膨張弁を具備する圧縮式冷凍機の運転方法において、前記蒸発器の冷媒液面レベルが目標範囲内にある場合は、前記膨張弁の開度をそのままとし、前記蒸発器の冷媒液面レベルが前記目標レベル範囲を超えて上昇すると前記膨張弁の開度を減じ、該冷媒液面レベルが前記目標レベル範囲を超えて下降すると前記膨張弁の開度を増す弁開度修正を行うことを特徴とする。

また、本発明は、上記圧縮式冷凍機の運転方法において、前記蒸発器の冷媒液面レベルが前記目標範囲内に復帰すると、それまでに加えた前記弁開度修正量未満の量で、一定値もしくは修正量と略比例の関係にある値を補正量とし、弁開度修正量の補正を行うことを特徴とする。

本発明によれば、冷媒循環量の増減により膨張弁の開度が適切に制御され、冷媒蒸気の吹き抜けを抑制し部分負荷特性を改善することができる。蒸発器の冷媒液面レベルを適切に制御することで、蒸発器の伝熱を良好維持できる。

また、エコノマイザを採用するエコノマイザサイクルの冷凍機でも、安価に良好な性能の圧縮式冷凍機を提供でき、二重冷凍サイクルの冷凍機であれば、良好な性能の維持に寄与することは勿論、冷媒量を適切に維持し、不純物の回収や冷媒の浄化に対しても良好な特性を有する圧縮式冷凍機を提供できる。

図１は従来の圧縮式冷凍機の概略構成例を示す図である。 図２はエコノマイザを採用した従来の圧縮式冷凍機の概略構成例を示す図である。 図３は本発明に係る圧縮式冷凍機の概略構成例を示す図である。 図４は本発明に係る圧縮式冷凍機の膨張弁の開度制御を始めた直後の状態を示す図である。 図５は本発明に係るエコノマイザ採用の圧縮式冷凍機の概略構成例を示す図である。 図６は本発明に係るエコノマイザ採用の圧縮式冷凍機の概略構成例を示す図である。 図７は本発明に係る二重冷凍サイクルの圧縮式冷凍機の概略構成例を示す図である。 図８は本発明に係る二重冷凍サイクルの圧縮式冷凍機の概略構成例を示す図である。 図９は本発明に係る二重冷凍サイクルの圧縮式冷凍機の概略構成例を示す図である。 図１０は本発明に係る二重冷凍サイクルでエコノマイザ採用の圧縮式冷凍機の概略構成例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。図３は本発明に係る圧縮式冷凍機の概略構成例を示す図である。図示するように、本圧縮式冷凍機１０は、蒸発器１１、圧縮機１２、凝縮器１３、及び膨張弁１４を備え、蒸発器１１で蒸発した冷媒蒸気を圧縮機１２で圧縮し、該圧縮した冷媒蒸気を凝縮器１３で冷却凝縮させて液化すると共に、該液化した冷媒を膨張弁１４を介して蒸発器に戻すことで冷凍作用を持続させている点は、図１に示す圧縮式冷凍機と同一である。

本圧縮式冷凍機１０では、蒸発器１１の冷媒液面レベルを液面検出器１５で検出し、該検出された冷媒液面レベルに基づいて膨張弁１４の開度を制御する。全体の動作としては、蒸発器１１の冷媒液面レベルが目標範囲を超えて上昇すると膨張弁１４の開度を減じ、目標範囲を超えて低下すると開度を増す。なお、図では、蒸発器１１の液面検出器１５と膨張弁１４とが直接接続されているが、実際には間に制御装置（制御盤、マイコン、プログラマブルコントローラ、指示調節計等）を介して、液面検出器１５で検出した蒸発器１１の冷媒液面レベルで膨張弁１４の開度を制御するのがよい。なお、図３において、１６は蒸発器１１に流出入する被冷却流体である冷水を示し、１７は凝縮器１３に流出入する冷却流体である冷却水を示す。

蒸発器１１内の目標とする冷媒液面レベルは一定値としてもよく、圧縮式冷凍機１０の冷凍出力（冷凍負荷）により変化させてもよい。一定とする場合は、冷媒液面レベルを検出する手段としてレベルスイッチを使用できる。冷凍負荷は蒸発器１１の冷水１６の出入口温度差により演算して求めてもよく、その他の冷凍負荷に関連する物理量を検出することにより求めてもよい。

図４は本圧縮機式冷凍機１０において、膨張弁１４の開度制御を始めた直後の状態を示す図で、図４（ａ）は蒸発器１１の冷媒液面レベルＬの推移を、図４（ｂ）は膨張弁１４の実開度Ｖｏの変化を、図４（ｃ）は膨張弁の修正開度ΔＶｏを示す。制御開始時、膨張弁１４の開度は可能な限り大きく（膨張弁１４を可能な限り開いた）状態から始めるとよい。このとき、冷媒液は殆ど蒸発器１１に集った状態であり、即ち、蒸発器１１の冷媒液面レベルが高い状態にある。

時点ｔ１で膨張弁１４の開度制御を開始すると、まず蒸発器１１の冷媒液面レベルＬが目標範囲ΔＬを超え高いレベルにあるため、制御装置は膨張弁１４の開度Ｖｏを徐々に下げる。これにより、冷媒液が徐々に凝縮器１３に溜るようになり、蒸発器１１の冷媒液面レベルＬは低下し始める。時点ｔ２で蒸発器１１の冷媒液面レベルＬは目標レベル範囲ΔＬ内に入るが、このとき、膨張弁１４の開度を減少させることを停止すると同時に、ここではその間に加えた修正開度量ΔＶｏの半分（ΔＶｏ／２）の開度を戻す。この戻し量は半分に限定されるものではなく、修正開度量ΔＶｏに比例する量や、一定量加減した量などとしてもよいが、いずれにせよ、目標レベル範囲ΔＬを逸脱していた間に加えた修正量の範囲内で、一定量を戻すことがよい。これにより、膨張弁１４の実開度Ｖｏは図４（ｂ）に示すように時点ｔ２，ｔ４，ｔ６，ｔ８・・・と徐々に収束し、増減を周期的に繰り返す、所謂ハンチングを生じることなく、制御できるようになる。

図５は本発明に係る圧縮式冷凍機の概略構成例を示す図である。図５において、図３と同一符号を付した部分は、同一又は相当部分を示す。なお、他の図面においても同様とする。図５に示す圧縮式冷凍機１０は蒸発器１１と凝縮器１３の間にエコノマイザ１８を適用した圧縮式冷凍機を示す。エコノマイザ１８の上流側と下流側にそれぞれ膨張弁１４と膨張弁１９を設けている。このように膨張弁が複数ある場合には、そのうちの一つだけを図３に示す圧縮式冷凍機１０と同様、液面検出器１５で検出した蒸発器１１の冷媒液面レベルに基づいて制御し、それ以外の膨張弁開度は従来と同様、エコノマイザ１８の液面レベルや凝縮器１３の液面レベル、或いは各部の圧力差などに応じて開度を制御することとしても良い。例えば、上流側の膨張弁１４の開度を蒸発器１１の液面レベルにより制御し、下流側の膨張弁１９の開度はエコノマイザ１８の液面レベルにより制御する、（或いは下流側の膨張弁１９の開度を蒸発器１１の液面レベルにより制御し、上流側の膨張弁１４の開度をエコノマイザ１８の液面レベルにより制御する、）などである。

しかし、本例では上流側の膨張弁１４は図３に示す圧縮式冷凍機１０と同様、液面検出器１５で検出した蒸発器１１の冷媒液面レベルに基づいて制御する。下流側の膨張弁１９の開度は、従来のように、エコノマイザ１８の液面等に基づくフロートやレベルセンサを使用した液面制御としても良いが、ここでは上流側の膨張弁１４の開度と同開度もしくはやや開いた開度としている。この場合、上流側の膨張弁１４と下流側の膨張弁１９は各々圧力差と冷媒液流量とを勘案して、同一開度でそれぞれの適切な流量係数となるように選定する。または、下流側の膨張弁１９の開度を上流側の膨張弁１４の開度により、加減演算、比例演算、或いはテーブル演算等により、適切な開度となるように制御する。いずれにしても本例では、エコノマイザ１８の上流側の膨張弁１４と下流側の膨張弁１９の開度は、相互に関連しあいながら蒸発器１１の冷媒液面レベルにより制御される。

図６は本発明に係る圧縮式冷凍機の概略構成例を示す図で、ここでは図５と同様エコノマイザ１８を適用した圧縮式冷凍機の構成例を示す。本圧縮式冷凍機１０は、膨張弁はエコノマイザ１８の上流側の膨張弁１４のみとし、該膨張弁１４の開度は液面検出器１５で検出した蒸発器１１の冷媒液面レベルに基づいて制御する。エコノマイザ１８の下流側にオリフィス２０を設けている。この場合、エコノマイザ１８の下流側は吹き抜け勝手となるが、凝縮器１３からの吹き抜けによる性能低下に比べて、これによる性能低下は比較的小さい。また、吹き抜け勝手ゆえに、エコノマイザ１８から冷媒液が溢れ出す液バックは起らない。

上記のように、エコノマイザ１８を適用した場合はエコノマイザ１８の上流側（凝縮器１３寄り）の膨張弁１４の開度、下流側膨張弁１９の開度のいずれを、液面検出器１５で検出した蒸発器１１の冷媒液面レベルに基づいて制御しても良いが、上流側の膨張弁１４の開度を制御する方が良い。そして下流側の膨張弁１９の開度は上流側の膨張弁１４の開度と関連付けて決定する（もっとも単純には、上流側の膨張弁１４の開度と同一開度とするか、該開度に比例させるか、或いは同一開度に一定量を加減する等により開度を決定する）のがよい。或いは下流側の膨張弁１９の開度を固定開度（又は固定開度膨張弁）とするか、オリフィス２０を設けてもよい。これは下記の理由による。

・エコノマイザ１８の上流側の膨張弁１４の開度が過大であると、凝縮器１３からの冷媒蒸気の吹き抜けが増加して冷凍効率を低下させ、過小であれば蒸発器１１の冷媒量の減少を招きはなはだ不具合なことが生じる。

・一方、エコノマイザ１８の下流側は、膨張弁１９の開度が過大である場合、エコノマイザ１８の冷媒蒸気が吹き抜けることは同じである。しかし、このためエコノマイザ１８の圧力が低下する。このときエコノマイザ１８の冷媒気化量が増え、吹き抜けた冷媒量を補う方向になる。このとき冷媒蒸気の比容積は冷媒液に比べて格段に大きいため、所謂ペーパーロック現象を生じて吹き抜け量はあまり増えない。即ち、膨張弁１９の開度が多少過大であっても、本来冷媒液の状態で蒸発器１１に流入する冷媒が、一部気化して蒸発器１１に流入することになるだけで、効率の悪化は比較的小さい。むしろ、開度が過小であると、エコノマイザ１８から冷媒液が溢れ出し、冷媒蒸気配管から圧縮機１２−１、１２−２に流入する、所謂「液バック」と呼ばれる現象が発生して不都合である。

従って、エコノマイザ１８の下流側の膨張弁１９は、上流側の膨張弁１４において冷媒が十分流せる開度になるよう、上流側の膨張弁１４の開度に応じて開度を加減制御するか、或いは固定開度、若しくは膨張弁１９に代えてオリフィス２０として、その開度（或いは流量係数）は、設計上必要な開度に対して一定の余裕を見込めば十分である。この特性は、特に蒸気の比容積が大きな低圧冷媒（水／アルコール類／ＨＣＦＣ１２３／ＨＦＣ２４５ｆａ等）でその効果が大きい。

図７は本発明に係る圧縮式冷凍機の概略構成例を示す図で、本圧縮式冷凍機１０_Dは、二重冷凍サイクルを採用した圧縮式冷凍機である。圧縮式冷凍機１０_Dは低圧側冷凍サイクルと高圧側冷凍サイクルを備えている。低圧側冷凍サイクルは、低圧側蒸発器１１_L、低圧側圧縮機１２_L、低圧側凝縮器１３_L、低圧側膨張弁１４_Lを備え、低圧側蒸発器１１_Lで蒸発した冷媒蒸気を低圧側圧縮機１２_Lで圧縮し、該圧縮した冷媒蒸気を低圧側凝縮器１３_Lで冷却凝縮させて液化すると共に、該液化した冷媒を低圧側膨張弁１４_Lを介して低圧側蒸発器１１_Lに戻すことで低圧側冷凍作用を持続させている。高圧側冷凍サイクルは、高圧側蒸発器１１_H、高圧側圧縮機１２_H、高圧側凝縮器１３_H、高圧側膨張弁１４_Hを備え、高圧側蒸発器１１_Hで蒸発した冷媒蒸気を高圧側圧縮機１２_Hで圧縮し、該圧縮した冷媒蒸気を高圧側凝縮器１３_Hで冷却凝縮させて液化すると共に、該液化した冷媒を高圧側膨張弁１４_Hを介して低圧側蒸発器１１_Lに戻すことで高圧側冷凍作用を持続させている。

本圧縮式冷凍機１０_Dでは、低圧側冷凍サイクル及び高圧側冷凍サイクルのそれぞれで別々に蒸発器の冷媒液面レベルを監視し、膨張弁の開度を制御すると同時に、凝縮器の冷媒液面レベルを監視して、一方の冷媒液面レベルがもう一方の冷媒液面レベルよりも一定以上高くなると、冷媒液面レベルの高い方から低い方に冷凍サイクルの冷媒を移動させている。

即ち、低圧側蒸発器１１_Lの冷媒液面レベルを液面検出器１５_Lで監視し、該液面検出器１５_Lで検出した冷媒液面レベルに基づいて低圧側膨張弁１４_Lの開度を制御すると共に、高圧側蒸発器１１_Hの冷媒液面レベルを液面検出器１５_Hで監視し、該液面検出器１５_Hで検出した冷媒液面レベルに基づいて高圧側膨張弁１４_Hの開度を制御している。また、同時に、低圧側凝縮器１３_Lの冷媒液面レベルを液面検出器２３_Lで、高圧側凝縮器１３_Hの冷媒液面レベルを液面検出器２３_Hで監視し、その検出された冷媒液面レベルを制御装置２２に出力し、該制御装置２２ではそれぞれ検出された冷媒液面レベルに基づいて一方の冷媒液面レベル（例えば、低圧側凝縮器１３_Lの冷媒液面レベル）がもう一方の冷媒液面レベル（例えば、高圧側凝縮器１３_Hの冷媒液面レベル）よりも一定以上高くなると、冷媒液面レベルの高い方から低い方に冷媒移動弁２１、２４を介して冷凍サイクルの冷媒を移動させている。

図８は本発明に係る圧縮式冷凍機の概略構成例を示す図で、本圧縮式冷凍機１０_Dは、図７に示す圧縮式冷凍機１０_Dと同様、二重冷凍サイクルを採用し、各々のサイクルで膨張弁の開度制御を同様に行うが、全体として低圧となる一方の低圧側サイクルの低圧側凝縮器１３_Lにはオーバーフロー堰２６_Lを設け、低圧側凝縮器１３_Lの冷媒液面レベルが一定レベルを超えた場合にはもう一方のサイクル（高圧側サイクル）にオリフィス２７を介して冷媒液を高圧側蒸発器１１_Hに戻している。一方、高圧側サイクルでは高圧側凝縮器１３_Hに液面検出器２３_Hを設け、冷媒液面レベルが規定値以上となった場合に、高圧側蒸発器１１_Hから冷媒移動弁２４を介して低圧側蒸発器１１_Lに、冷媒液を戻している。

この場合、実際には低圧側凝縮器１３_Lのオーバーフロー堰２６_Lからは高圧側サイクルに常時冷媒蒸気が移動する。この冷媒蒸気は、蒸気であるから、空気由来の窒素や酸素などの不凝縮性ガスの不純物を含み、水分や油分などの凝縮性の不純物が少ない。このため、全体として不凝縮性の不純物が高圧側サイクルに集ることとなる。

一方、冷媒が全体として低圧側冷凍サイクルから高圧側冷凍サイクルに移動するため、高圧側冷凍サイクルの冷媒量が徐々に増える。本圧縮式冷凍機１０_Dでは、これら高圧側凝縮器１３_Hの冷媒液面レベルの上昇として検出する。この高圧側凝縮器１３_Hの冷媒液面レベルの上昇が液面検出器２３_Hで検出された場合、冷媒移動弁２４を開き、高圧側蒸発器１１_Hから低圧側蒸発器１１_Lに冷媒液を移動させる。この冷媒液は液であるから、不凝縮性の不純物が少なく、凝縮性の不純物が多い。このため、全体として凝縮性の不純物が低圧側サイクルに集ることになる。

一般に、圧縮式冷凍機において、不凝縮性の不純物は凝縮器に集り易く、凝縮性の不純物は蒸発器に集り易い。即ち、図８に示すように二重冷凍サイクルを構成すると、不凝縮性の不純物は高圧側凝縮器１３_Hに集り易くなり、凝縮性の不純物は低圧側蒸発器１１_Lに集り易い。従って、不凝縮性の不純物を除去する場合は不純物除去手段を高圧側凝縮器１３_Hのみに、凝縮性の不純物を除去しようとする場合は不純物除去手段を低圧側蒸発器１１_Lにのみ設けておけばよいことになる。具体的には、低圧側蒸発器１１_Lのみに潤滑油回収装置を、高圧側凝縮器１３_Hのみに抽気装置を設ければよいことになり、経済性の大幅な改善を図ることができる。

図９は本発明に係る圧縮式冷凍機の概略構成例を示す図で、本圧縮式冷凍機１０_Dは、図７、図８に示す圧縮式冷凍機１０_Dと同様、二重冷凍サイクルを採用している。本圧縮式冷凍機１０_Dでは、低圧側膨張弁１４_Lの開度は、低圧側蒸発器１１_Lの冷媒液面レベルに応じて制御する。一方、高圧側膨張弁１４_Hの開度は、低圧側膨張弁１４_Lの開度よりやや大きな開度とする。こうすると、高圧側凝縮器１３_Hは冷媒が吹き抜け勝手となるため冷媒液が滞留しにくくなる。一方、吹き抜け勝手であっても、吹き抜ける冷媒量は僅かな開度の違いによる僅かな量であるといってよく、冷凍効率の低下は僅かである。また、低圧側凝縮器１３_Lの缶胴側面から、オリフィス２８を介して高圧側蒸発器１１_Hへ、常時少量の冷媒蒸気を導く冷媒蒸気配管２９を設けている。更に、高圧側蒸発器１１_Hの冷媒液面レベルを液面検出器１５_Hで監視し、該冷媒液面レベルが上昇した場合には、高圧側蒸発器１１_H内の冷媒液を冷媒移動弁３０を介して低圧側蒸発器１１_Lに導くことにしている。

ここで、前記冷媒蒸気配管２９により、冷媒蒸気は定常的に低圧側凝縮器１３_Lから高圧側蒸発器１１_Hへと移動する。一方、高圧側蒸発器１１_Hに移動した冷媒は液冷媒として高圧側蒸発器１１_Hに溜まり、該高圧側蒸発器１１_Hの冷媒液面レベルを液面検出器１５_Hで監視し、一定量を超えると冷媒移動弁３０を介して低圧側蒸発器１１_Lに液冷媒として移動する。ここで、図８に示す圧縮式冷凍機１０_Dと同様の原理により、不凝縮性の不純物は高圧側凝縮器１３_Hに、凝縮性の不純物は低圧側蒸発器１１_Lに集ることになる。従って、図８に示す圧縮式冷凍機１０_Dと同様、不凝縮性の不純物を除去する場合は不純物除去手段を高圧側凝縮器１３_Hのみに、凝縮性の不純物を除去しようとする場合は不純物除去手段を低圧側蒸発器１１_Lにのみ設けておけばよいことになる。具体的には、低圧側蒸発器１１_Lのみに潤滑油回収装置を、高圧側凝縮器１３_Hのみに抽気装置を設ければよいことになり、経済性の大幅な改善を図ることができる。

ところで、従属側である高圧側凝縮器１３_Hには冷媒液が溜まりにくい。従って、従属側である高圧側冷凍サイクルの冷媒の多くは高圧側蒸発器１１_Hに集る。即ち、従属側である高圧側冷凍サイクルの冷媒の増減は、高圧側蒸発器１１_Hの冷媒液面レベルの増減により検出できる。ここで、基準側冷凍サイクルの低圧側蒸発器１１_Lの冷媒液面レベルと、従属側の冷凍サイクルの高圧側蒸発器１１_Hの冷媒液面レベルと比較し、冷媒液面レベルに差異が生じた場合は自動弁を介して冷媒液を移動させ、冷媒量の偏りを修正する。

なお、基準側である低圧側蒸発器１１_Lの冷媒液面レベルは一定に制御されているので、従属側である高圧側蒸発器１１_Hの冷媒液面レベルは比較せずとも、設定値を上回るか或いは下回ったことを以って冷媒が偏った判断してもよい。

図１０は本発明に係る圧縮式冷凍機の概略構成例を示す図で、本圧縮式冷凍機１０_Dは、図７、図８、図９に示す圧縮式冷凍機１０_Dと同様、二重冷凍サイクルを採用している。更に、本圧縮式冷凍機１０_Dは二重冷凍サイクルの各々に低圧側エコノマイザ３１_L、高圧側エコノマイザ３１_Hを備えている。低圧側エコノマイザ３１_Ｌの上流側に低圧側膨張弁１４_L、下流側に低圧側オリフィス２０_Lを設けている。また、高圧側エコノマイザ３１_Hの上流側に高圧側膨張弁１４_H、下流側に高圧側オリフィス２０_Hを設けている。

低圧側膨張弁１４_Lの開度を、液面検出器１５_Lで検出する低圧側蒸発器１１_Hの冷媒液面レベルにより制御している。また、高圧側膨張弁１４_Hの開度は、低圧側膨張弁１４_Lの開度量より若干量（数％程度）大きな開度になるように制御している。また、図９に示す圧縮式冷凍機と同様に、低圧側凝縮器１３_Lの缶胴側面から、弁３３及びオリフィス２８を介して高圧側蒸発器１１_Hへ、常時少量の冷媒蒸気を導く冷媒蒸気配管２９を設けた。即ち、低圧側冷凍サイクルから高圧側冷凍サイクルへ、定常的な冷媒蒸気の流が形成されている。

高圧側蒸発器１１_Hにはオーバーフロー堰３４を設けている。これにより、低圧側凝縮器１３_Lから高圧側蒸発器１１_Hに移動した冷媒により、高圧側蒸発器１１_Hの冷媒液面レベルが所定以上上昇すると、オーバーフロー堰３４を溢れた冷媒液はオリフィス３５を介して低圧側蒸発器１１_L、即ち低圧側冷凍サイクルに戻るようになっている。これにより、図８、図９に示す圧縮式冷凍機１０_Dと同様、冷媒量が各々の冷凍サイクルで適切に維持されると同時に不純物の回収が容易となる。即ち、低圧側蒸発器１１_Lのみに潤滑油回収装置を、高圧側凝縮器１３_Hのみに抽気装置を設ければよいことになり、経済性の大幅な改善を図ることができる。

圧縮式冷凍機を二重冷凍サイクルとする場合、図７に示す圧縮式冷凍機のように、先ずそれぞれの冷凍サイクルを別サイクルとみなし、低圧側冷凍サイクル及び高圧側冷凍サイクルの各々の冷凍サイクルにおいて、低圧側膨張弁１４_L、高圧側膨張弁１４_Hの開度を制御するとよい。この場合、冷媒は低圧側凝縮器１３_L、高圧側凝縮器１３_Hに溜まるため、各凝縮器の冷媒液面レベルを液面検出器２３_L、２３_Hで検出することで、２つの冷凍サイクルで冷媒液面レベルに差異を生じた場合に制御装置２２により、一方の冷媒液面レベルがもう一方の冷媒液面レベルよりも一定以上高くなると、冷媒液面レベルの高い方から低い方に冷媒移動弁２１、２４を介して冷凍サイクルの冷媒を移動させることで、２つの冷凍サイクルでの冷媒の偏りを解消することができる。

また、図８に示す圧縮式冷凍機１０_Dのように、低圧側凝縮器１３_Lにオーバーフロー堰２６_Lを設け、オーバーフローした冷媒をオリフィス２７等を介して相対する冷凍サイクルである高圧側蒸発器１１_Hに若しくは図１０に示す圧縮式冷凍機１０_Dのように、低圧側エコノマイザ３１_Lに戻してやることで、冷媒液面レベルを検出せずとも冷媒の偏在を自動的に調整することができる。

また、従属側を高圧側冷凍サイクル、基準側を低圧側冷凍サイクルとすると、図１０に示すように、従属側である高圧側蒸発器１１_Hにオーバーフロー堰３４を設け、該オーバーフロー堰３４を溢れた冷媒を低圧側蒸発器１１_Lに戻す構造としてもよい。

この構造の場合、冷媒液が恒常的に高圧側蒸発器１１_Hから低圧側蒸発器_Lに移動することになり、冷媒中の潤滑油などの、不凝縮性の不純物が低圧側蒸発器１１_Lに移動することになり、冷媒中の潤滑油等の不凝縮性の不純物が低圧側蒸発器１１_Lに集ることになる。これは、潤滑油の回収や冷媒の浄化に大変好ましい特性である。この場合、冷媒蒸気が低圧側冷凍サイクルから高圧側冷凍サイクルに一定量漏出するように設計することで、安定的に動作する。具体的には、図９及び図１０に示す圧縮式冷凍機１０_Dのように、低圧側凝縮器１３_Lから不凝縮性ガスを冷媒蒸気と共に抽出し、高圧側蒸発器１１_Hや高圧側エコノマイザ３１_Hに導入する方法がある。

また、図９に示す圧縮式冷凍機１０_Dのように、一方の冷凍サイクル（ここでは低圧側冷凍サイクル）を基準側とし、低圧側膨張弁１４_Lの開度を前記の方法で制御する。もう一方（ここでは高圧側冷凍サイクル）は従属側とし、高圧側膨張弁１４_Hは基準側である低圧側膨張弁１４_Lの開度に基づいて決定する。即ち、基準側である低圧側膨張弁１４_Lの開度に一定量を加えるか、一定数を乗じるかして、いずれにせよ基準側の開度より僅かに大きな開度とする。このようにすると、従属側である高圧側膨張弁１４_Hはやや吹き抜け勝手となるが、吹き抜け量もそれほど増えないため、冷凍効率の低下は僅かである。

以上、本発明の実施形態例を説明したが、本発明は上記実施形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。

本発明は、冷媒循環量の増減により膨張弁の開度が適切に制御され、冷媒蒸気の吹き抜けを抑制し部分負荷特性を改善し、蒸発器の冷媒液面レベルを適切に制御することで、蒸発器の伝熱を良好維持できる圧縮式冷凍機として利用できる。また、エコノマイザを採用するエコノマイザサイクルの冷凍機でも、安価で良好な性能にでき、二重冷凍サイクルの冷凍機であれば、冷媒量を適切に維持し、不純物の回収や冷媒の浄化に対しても良好な特性を有する圧縮式冷凍機として利用できる。

１０ 圧縮式冷凍機
１１ 蒸発器
１２ 圧縮機
１３ 凝縮器
１４ 膨張弁
１５ 液面検出器
１０_D 圧縮式冷凍機
１１_L 低圧側蒸発器
１２_L 低圧側圧縮機
１３_L 低圧側凝縮器
１４_L 低圧側膨張弁
１５_L 液面検出器
１１_H 高圧側蒸発器
１２_H 高圧側圧縮機
１３_H 高圧側凝縮器
１４_H 高圧側膨張弁
１５_H 液面検出器
１６ 冷水
１７ 冷却水
１８ エコノマイザ
１９ 膨張弁
２０ オリフィス
２１ 冷媒移動弁
２０_L 低圧側オリフィス
２０_H 高圧側オリフィス
２２ 制御装置
２３_L 液面検出器
２３_H 液面検出器
２４ 冷媒移動弁
２６_L オーバーフロー堰
２７ オリフィス
２８ オリフィス
２９ 冷媒蒸気配管
３０ 冷媒移動弁
３３ 弁
３４ オーバーフロー堰
３５ オリフィス
３１_L 低圧側エコノマイザ
３１_H 高圧側エコノマイザ

Claims (8)

1. 冷媒を封入した冷凍サイクルから構成され、前記冷凍サイクルは、被冷却流体から熱を奪って冷媒が蒸発し冷凍効果を発揮する蒸発器と、蒸発して蒸気となった冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮蒸気を冷却流体で冷却して凝縮させる凝縮器と、凝縮した冷媒液を膨張させる膨張弁を具備する圧縮式冷凍機において、
   前記膨張弁のうち、少なくともひとつの開度を前記蒸発器の冷媒液面レベルの上下変動に基づいて制御し、前記蒸発器の冷媒液面レベルを目標レベル又は目標レベル範囲内にする制御手段を設けたことを特徴とする圧縮式冷凍機。
2. 請求項１に記載の圧縮式冷凍機において、
   前記制御手段は、前記蒸発器の該冷媒液面レベルが上昇すると開度を減じ、下降すると開度を増す制御をすることを特徴とする圧縮式冷凍機。
3. 請求項１又は２に記載の圧縮式冷凍機において、
   前記凝縮器と前記蒸発器の間にエコノマイザを備え、
   前記制御手段は、前記エコノマイザの上流側膨張弁と下流側膨張弁の開度を相互に関連付けて前記蒸発器の冷媒液面レベルの上下変動に基づいて制御することを特徴とする圧縮式冷凍機。
4. 請求項１又は２に記載の圧縮式冷凍機において、
   前記エコノマイザの上流側膨張弁の開度を前記蒸発器の冷媒液面レベルの上下変動に基づいて制御し、下流側膨張弁については開度を固定した固定開度膨張弁とするか、又はオリフィスとすることを特徴とする圧縮式冷凍機。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧縮式冷凍機において、
   前記冷凍サイクルは、低圧側冷凍サイクルと高圧側冷凍サイクルの二重冷凍サイクルを備え、
   前記制御手段は、各々の冷凍サイクルで前記膨張弁の開度を前記蒸発器の冷媒液面レベルの上下変動に基づいて制御し、各冷凍サイクルの蒸発器の冷媒液面レベルを目標範囲内になるように制御し、
   各凝縮器内の冷媒液面レベルを監視し、冷媒がいずれか一方の冷凍サイクルに偏った場合は、冷媒移動弁を制御して冷媒量の多い冷凍サイクルから冷媒量の少ない冷凍サイクルに冷媒を移動させる冷媒移動制御手段を設けたことを特徴とする圧縮式冷凍機。
6. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧縮式冷凍機において、
   前記冷凍サイクルは、低圧側冷凍サイクルと高圧側冷凍サイクルの二重冷凍サイクルを備え、
   前記制御手段は、一方の冷凍サイクルでは前記膨張弁の開度を前記蒸発器の冷媒液面レベルの上下変動に基づいて制御し、他方の冷凍サイクルでは前記膨張弁の開度を前記一方の冷凍サイクルの前記膨張弁の開度に基づいて決定する制御を行うことを特徴とする圧縮式冷凍機。
7. 冷媒を封入した冷凍サイクルから構成され、前記冷凍サイクルは、被冷却流体から熱を奪って冷媒が蒸発し冷凍効果を発揮する蒸発器と、蒸発して蒸気となった冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮蒸気を冷却流体で冷却して凝縮させる凝縮器と、凝縮した冷媒液を膨張させる膨張弁を具備する圧縮式冷凍機の運転方法において、
   前記蒸発器の冷媒液面レベルが目標範囲内にある場合は、前記膨張弁の開度をそのままとし、
   前記蒸発器の冷媒液面レベルが前記目標レベル範囲を超えて上昇すると前記膨張弁の開度を減じ、該冷媒液面レベルが前記目標レベル範囲を超えて下降すると前記膨張弁の開度を増す弁開度修正を行うことを特徴とする圧縮式冷凍機の運転方法。
8. 請求項７に記載の圧縮式冷凍機の運転方法において、
   前記蒸発器の冷媒液面レベルが前記目標範囲内に復帰すると、それまでに加えた前記弁開度修正量未満の量で、一定値もしくは修正量と略比例の関係にある値を補正量とし、弁開度修正量の補正を行うことを特徴とする圧縮式冷凍機の運転方法。

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