JP2013072564A - 冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、冷凍機の低負荷運転時においても冷凍機油温度を適正に制御することができる冷凍機を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、冷凍サイクルを構成する圧縮機と、前記圧縮機から流出した冷凍機油を前記圧縮機に戻す冷凍機油流路と、前記冷凍機油流路に配置されるオイルクーラと、前記冷凍サイクルの冷媒を前記オイルクーラに流して前記冷凍機油と熱交換させる冷媒流路と、前記冷媒流路における前記オイルクーラの下流側に配置される流量調整弁と、前記冷凍サイクルの運転状態量を検出する運転状態量検出手段とを備え、前記運転状態量検出手段の検出結果に基づいて、前記流量調整弁の開度を制御することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、冷凍機に関する。

一般に、圧縮機を用いた冷凍機は、圧縮機の内部を冷却あるいは冷凍するために冷凍機油の循環機構を備えている。

前記冷凍機油は、圧縮機の軸受部等で発生した摩擦損失等による熱を受け取り高温になる。冷凍機油の温度が変化すると冷凍機油の粘度や冷媒の溶け込み特性などの物性が変化するために軸受部での適正な潤滑性能を得ることができなくなり、冷凍機の損傷に至る。このため冷凍機の冷凍機油循環機構には冷凍機油を冷却し適温に保つためのオイルクーラが備えられている。

冷媒冷却式のオイルクーラの場合、定格運転時はある一定量の冷媒をオイルクーラに循環することにより冷凍機油を適温に冷却することができる。部分負荷運転に対しては、固定速圧縮機とインバータ制御等による回転数制御の圧縮機とではその制御方法が異なる。固定速圧縮機では圧縮機入口部のベーンの開度を小さくすることにより冷媒循環量を減らして、冷凍能力を小さくする。この時、圧縮機の吐出圧力は低くなり圧縮する冷媒量も減少するため、圧縮機の軸受部等で発生する摩擦損失等が減少し、冷凍機油が受け取る熱量は低下し冷凍機油の温度も低下する。一方、回転数制御の圧縮機ではインペラの回転数を下げることにより冷媒循環量を低減して、冷凍能力を小さくする。この場合も、固定速圧縮機と同様に吐出圧が低下し冷媒流量が減少するとともに、軸受部分の回転速度も低下するので、摩擦損失等が減少して冷却熱量が低下し、冷凍機油の温度が低下する。いずれにしても冷凍機油の温度が低下し、交換する熱量が小さくなるため、オイルクーラに循環する冷媒量が一定のままだと適温より低温になってしまい軸受部の潤滑性能が低下し冷凍機の運転ができなくなる。そのためオイルクーラでの熱交換量を少なくする必要がある。

従来、このような低負荷の運転時における油温度の制御には、特許文献１記載のようにオイルクーラの冷媒入口部に流量調整弁を設置し冷媒流量を調整する方式などが採られていた。

特開２００９−１９６００号公報

上記従来技術で記したオイルクーラの冷媒入口部に流量調整弁を設置して冷媒流量を調整する方式においては、低負荷時に冷凍機油の温度が低下した場合に流量調整弁により冷媒流量を絞り交換熱量を低減するように制御するが、流量調整弁における絞り比率が大きくなった場合に減圧比が大きくなり冷媒液が減圧沸騰し、冷媒の温度が低下するとともにオイルクーラ内での冷媒側の伝熱が促進され、冷凍機油の温度が過剰に低下してしまうという不具合が発生する。また、流量調整弁の開度をわずかに戻すだけで、冷媒の減圧沸騰がなくなり冷凍機油の温度が上昇するため、流量調整弁の開度に対する冷凍機油温度の変化が大きすぎて適正な制御が困難になるという不具合が発生する。さらに、流量調整弁の開度が全閉付近では開度に対する冷媒流量の変化が大きくなるような流量調整弁を用いた場合、冷却熱量および冷凍機油温度の制御が困難になるという不具合も発生する。

このような不具合を回避するために、冷凍機油の流路に流量調整弁を用いて冷凍機油温度を制御する方法が考えられる。オイルクーラを通過する冷凍機油流路とオイルクーラをバイパスする冷凍機油流路を混合して所定の温度に制御するワックス式三方弁を用いて、適正な温度の冷凍機油を圧縮機に供給する方法が考えられる。但し、ワックス式三方弁は混合する２方向の流体の片側を完全に遮断して流量を０にすることができないので、冷凍機の負荷が小さくなってオイルクーラでの冷却が不要になりオイルクーラを通過する冷凍機油の流量を０に制御する必要がある場合に、対応できないという不具合が発生する可能性がある。

本発明の目的は、冷凍機の低負荷運転時においても冷凍機油温度を適正に制御することができる冷凍機を提供することである。

上記目的を達成する本発明の構成の特徴は次の通りである。

本発明は、冷凍サイクルを構成する圧縮機と、前記圧縮機から流出した冷凍機油を前記圧縮機に戻す冷凍機油流路と、前記冷凍機油流路に配置されるオイルクーラと、前記冷凍サイクルの冷媒を前記オイルクーラに流して前記冷凍機油と熱交換させる冷媒流路と、前記冷媒流路における前記オイルクーラの下流側に配置される流量調整弁と、前記冷凍サイクルの運転状態量を検出する運転状態量検出手段とを備え、前記運転状態量検出手段の検出結果に基づいて、前記流量調整弁の開度を制御することを特徴とする。

本発明によれば、冷凍機の低負荷運転時においても冷凍機油温度を適正に制御することができる冷凍機を提供することができる。

本発明の一実施例に係る冷凍機の系統図。 流量調整弁の開度を調整することのみで適正な冷凍機油温度を保とうとする場合の制御の概念図。 ワックス式三方弁のみで適切な油温度を保とうとする場合の制御の概念図。 本発明の一実施例に係る流量調整弁とワックス式三方弁による制御の概念図。

本発明の一実施例を図１を用いて説明する。

図１は、本実施例に係る冷凍機の全体構成の例を示したものである。図１に示すように、本実施例の冷凍機は、主に、冷媒を圧縮する圧縮機１と、圧縮機１から吐出された冷媒を凝縮させる凝縮器３と、凝縮器３で凝縮した冷媒を減圧する減圧装置５と、減圧装置５を出た冷媒を蒸発させる蒸発器４と、これらを接続する配管を備えるターボ冷凍機である。

圧縮機１で圧縮された冷媒ガスは、圧縮機吐出側配管１ａより凝縮器３に送られる。凝縮器３には、管内に冷却水を流す伝熱管３ａが設置されており、前記冷媒ガスが伝熱管３ａの表面で冷却水と熱交換することにより冷やされて冷媒液となる。

この冷媒液は凝縮器３の下部に配置されたサブクーラ７において、サブクーラ内に配置された伝熱管（図示せず）内を流れる冷却水に冷却されたのち、減圧装置５を備えた冷媒配管５ａ、５ｂを経由して蒸発器４に送られる。蒸発器４には管内に冷水を流す伝熱管４ａが設置されており、蒸発器４に送られた冷媒は伝熱管４ａの表面で冷水と熱交換することにより沸騰蒸発し冷媒ガスとなり、蒸発器４と圧縮機１を結ぶ圧縮機吸込側配管１ｂにより圧縮機に送られる。

また、本実施例の冷凍機は、冷凍機油循環機構６を備えている。冷凍機油循環機構６は、オイルタンク６１、オイルポンプ６２、オイルクーラ６３、ワックス式三方弁６４、流量調整弁（電動弁）６５とこれらを接続する配管からなっている。

サブクーラ７を出た冷媒液の一部は、冷媒配管６ａを経由してオイルクーラ６３に送られ、オイルクーラ６３で冷凍機油と熱交換したのち、冷媒配管６ｂ、流量調整弁６５、冷媒配管６ｃを経由して蒸発器４に送られる。

オイルタンク６１には冷凍機油が保持されており、オイルポンプ６２でオイルクーラ６３に送られサブクーラ７から冷媒配管６ａを経由して送られてきた冷媒液と熱交換して冷やされ、配管６０ｂを経由してワックス式三方弁６４に送られる。オイルポンプ６２を出た冷凍機油の一部は、分岐してバイパス配管６０ａを通ってワックス式三方弁６４に送られる。

ワックス式三方弁６４では、バイパス配管６０ａの冷凍機油と配管６０ｂの冷凍機油を混合し、この冷凍機油の混合温度があらかじめ設定された温度になるようにバイパス配管６０ａと配管６０ｂの冷凍機油の流量比率を制御する。あらかじめ設定された温度に制御された冷凍機油はワックス式三方弁６４から圧縮機１に送られて、圧縮機１内の軸受（図示せず）に供給され、軸受を冷凍機して温度上昇したのちオイルタンク６１に戻り、冷凍機油の循環回路を構成する。

圧縮機１は、冷凍負荷に応じて回転数制御されており、圧縮機１の回転数信号が制御盤８に送られており、制御盤８は、この回転数に基づいて流量調整弁６５の開度を制御している。即ち、制御盤８は、運転状態量検出手段として機能し、冷凍サイクルの運転状態量として圧縮機１の回転数を検出している。

定格運転時には、流量調整弁６５は大きな開度に設定されており、冷凍機油が冷凍機油循環機構６を通ることで適切な冷凍機油温度になるようにオイルクーラ６３、ワックス式三方弁６４などの組み合わせが決められている。

一方、冷凍機の負荷が低下すると、圧縮機１の回転数が小さくなるように制御される。また、圧縮比の圧力比が小さくなったり、圧縮する冷媒の流量が少なくなるために、軸受部における摩擦損失が減少し冷凍機油の温度上昇が小さくなり、オイルタンク６１の冷凍機油温度が低下する。この時、圧縮機１の回転数信号に応じて流量調整弁６５の開度を小さくするように調整し、冷媒のオイルクーラ６３を流れる冷媒循環量を減少することによりオイルクーラ６３の交換熱量を小さくして、オイルクーラ６３で冷却された配管６０ｂの冷凍機油温度が過度に低下することがないように制御する。これにより適正な冷凍機油温度で圧縮機１へ冷凍機油を給油することができる。

また、配管６０ｂの冷凍機油温度が低下した場合でも、ワックス式三方弁６４がバイパス配管６０ａを流れる冷凍機油の流量比率を増やして適正な温度に制御した冷凍機油を圧縮機１へ給油することが可能となる。

本実施例で説明しているように、流量調整弁６５をオイルクーラ６３の下流側（若しくは出口側）に設置しているので、流量調整弁６５の開度を小さくして液冷媒が減圧沸騰した場合でも、沸騰による温度低下および冷媒流動の乱流促進による熱伝達率の上昇はオイルクーラの伝熱性能に影響を及ぼすことはなく、冷凍機油の温度制御を適正に行うことができる。

図２に流量調整弁６５の開度を調整することのみで適正な冷凍機油温度を保とうとする場合の制御の概念図を示す。横軸はオイルタンク６１の冷凍機油温度、縦軸は流量調整弁６５の開度を表している。オイルタンク６１の冷凍機油温度は冷凍機の負荷に対応しており、負荷が小さくなってオイルタンク６１の冷凍機油温度が低い領域で、流量調整弁６５の開度が全閉に近い状態になると、開度に対する冷媒流量の変化が大きくなり、圧縮機１へ供給する冷凍機油温度の制御が困難となる。

図３にワックス式三方弁６４のみで適切な油温度を保とうとする場合の制御の概念図を示す。横軸はオイルタンク６１の冷凍機油温度、縦軸はワックス式三方弁６４のオイルクーラ６３を通過した冷凍機油の流量比率を示している。オイルタンク６１の冷凍機油温度は冷凍機の負荷に対応しており、負荷が小さくなってオイルタンク６１の冷凍機油温度が低い領域で、ワックス式三方弁６４のオイルクーラ６３を通過した冷凍機油の流量比率をほとんど０に制御する必要がある場合でも、ある一定量以下には調整できないために、制御不能となる領域が存在する。

図２、図３の制御例に対して、本実施例で説明している流量調整弁６５とワックス式三方弁６４を組み合わせた制御例の概念図を図４に示す。横軸に冷凍機負荷に対応した圧縮機回転数を示し、縦軸にはワックス式三方弁６４のオイルクーラ６３を通過した冷凍機油の流量比率を示している。左に行くほど冷凍機負荷が小さくなり圧縮機１での冷凍機油の温度上昇が小さくなる。流量調整弁６５の開度は、１００％の定格負荷に近い領域で最大開度となり、負荷が小さくなるにつれて開度中、開度小と段階的に開度が小さくなるように制御する。流量調整弁のそれぞれの開度領域で、圧縮機１の回転数即ち冷凍機負荷が小さくなるほど冷凍機油の温度は低くなるので、ワックス式三方弁６４のオイルクーラ６３を通過した冷凍機油の流量比率が小さくなるように制御されて、適正な温度の冷凍機油が圧縮機１に供給される。

以上のように、流量調整弁６５あるいはワックス式三方弁６４のどちらか一方を用いて圧縮機１へ供給する冷凍機油の温度を適正に制御しようとすると不具合が発生する可能性がある。しかし、本実施例によれば、流量調整弁６５と、オイルクーラ６３を通過する冷凍機油流量とオイルクーラバイパス流路を通過する冷凍機油流量の比率を制御する流量比率制御手段の両者を用いて、それぞれ異なる運転状態量に基づいて制御することにより、冷凍機油の温度制御を適正に行うことができる。即ち、オイルクーラ６３の冷媒出口側に設けた流量調整弁６５のみで制御するとすればこの流量調整弁６５を全閉付近で制御するような条件においても、前記オイルクーラ６３の冷媒出口側に設けた流量調整弁６５を全閉付近より開度の大きい領域で制御することができる。また、オイルクーラ６３を通過する冷凍機油流量とオイルクーラバイパス流路を通過する冷凍機油流量の比率を制御する流量比率制御手段のみで冷凍機油の供給温度を制御するとすれば、オイルクーラ６３を通過する冷凍機油流量をほぼ０にすることは困難であったとしても、オイルクーラ６３の冷媒出口側に設けた流量調整弁６５の制御を併用することにより、オイルクーラ６３を通過する冷凍機油流量の比率が大きな領域で制御することができる。

具体的には、本実施例では、流量調整弁６５の開度は圧縮機１の回転数信号に従い制御盤８からの制御信号で複数段階で制御し、ワックス式三方弁６４で冷凍機油の混合温度があらかじめ設定された適正な冷凍機油温度になるようにバイパス配管６０ａの冷凍機油流量と配管６０ｂの冷凍機油流量の比率を調節する。従って、流量調整弁６５の開度が全閉に近い状態で制御することなく、またワックス式三方弁６４のオイルクーラ６３を通過した冷凍機油の流量比率をほとんど０に制御することも回避できるため、圧縮機１へ供給する冷凍機油の温度を適正に制御することが容易となる。

また、流量調整弁６５の開度に関して複数領域間に重なる領域を持たせることで、境界での温度のハンチングなどによる流量調整弁６５の制御回数を減じることが可能である。本実施例で説明しているように、流量調整弁６５を圧縮機１の回転数信号で制御するとともに、ワックス式三方弁６４を用いて、冷凍機油の温度をあらかじめ設定された適正な温度に調整するので、冷凍機の負荷が小さくなって流量調整弁６５単独で制御する場合には、圧縮機１へ供給するので、冷凍機油の温度を適正に制御することができる。

本実施例において、オイルクーラ６３をバイパスする冷凍機油流量とオイルクーラ６３を通過する冷凍機油流量の比率を制御するためにワックス式三方弁６４を用いたが、電動式三方弁あるいはバイパス配管６０ａと配管６０ｂにそれぞれ流量調整弁を設置して、圧縮機１へ供給する冷凍機油の温度検知手段の信号に従ってこれらの弁を制御しても同様の効果を得ることができる。

本実施例においては流量調整弁６５の開度を決定するための冷凍サイクルの運転状態量としては、冷凍機負荷によって変化する回転数信号を用いたが、運転状態量としては、他にも種々のものが考えられる。例えば、オイルタンク６１あるいは冷凍機油循環機構中の冷凍機油温度や、冷水の入口温度、出口温度、流量、冷却水の入口温度、出口温度、流量など冷凍機負荷によって変化するパラメータを１個または複数個組み合わせて用いることでも制御可能である。

本実施例においては、冷凍機負荷によって変化する回転数信号によって、冷媒の流量調整弁６５の開度を段階的に制御し、オイルクーラ６３を通過する冷凍機油流量とこれをバイパスする冷凍機油流量の比率を圧縮機１に供給する冷凍機油の温度信号（即ち、冷凍機油流路の温度に関する信号）で制御するようにしたが、逆に冷凍機負荷によって変化する回転数信号によってオイルクーラ６３を通過する冷凍機油流量とこれをバイパスする冷凍機油流量の比率を段階的に制御し、圧縮機１に供給する冷凍機油の温度信号で冷媒の流量調整弁６５の開度を制御しても良い。この場合には、運転状態量検出手段は、冷凍サイクルの運転状態量として圧縮機１の回転数と、冷凍機油流路の温度とを検出している。

本実施例においては、冷凍機負荷によって変化する回転数信号によって、冷媒の流量調整弁６５の開度を段階的に制御し、オイルクーラ６３を通過する冷凍機油流量とこれをバイパスする冷凍機油流量の比率を圧縮機１に供給する冷凍機油の温度信号で制御するようにしたが、冷媒の流量調整弁６５だけを用いて、これを圧縮機１に供給する冷凍機油の温度信号で制御するようにしても良い。

本実施例においては、冷凍機負荷によって変化する回転数信号によって、冷媒の流量調整弁６５の開度を段階的に制御し、オイルクーラ６３を通過する冷凍機油流量とこれをバイパスする冷凍機油流量の比率を圧縮機１に供給する冷凍機油の温度信号で制御するようにしたが、オイルクーラ６３をバイパスする冷凍機油流量とオイルクーラ６３を通過する冷凍機油流量の比率を制御する電動式三方弁あるいはバイパス配管６０ａと配管６０ｂにそれぞれ流量調整弁を設置して、これらだけを圧縮機１に供給する冷凍機油の温度信号で制御するようにしても良い。

本実施例においては、冷媒の流量調整弁６５の開度を段階的に制御しているが、連続的な制御を行っても良い。即ち、本実施例では、流量調整弁６５による段階制御とワックス式三方弁６４や電動式三方弁等の三方弁による連続制御とを組み合わせているが、流量調整弁６５及びワックス式三方弁６４の両方を連続的に制御しても良い。

１ 圧縮機
１ａ 圧縮機吐出側配管
１ｂ 圧縮機吸込側配管
３ 凝縮器
３ａ、４ａ 伝熱管
４ 蒸発器
５ 減圧装置
５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂ、６ｃ 冷媒配管
６ 冷凍機油循環機構
７ サブクーラ
８ 制御盤
６０ａ バイパス配管
６０ｂ 配管
６１ オイルタンク
６２ オイルポンプ
６３ オイルクーラ
６４ ワックス式三方弁
６５ 流量調整弁

Claims (7)

1. 冷凍サイクルを構成する圧縮機と、前記圧縮機から流出した冷凍機油を前記圧縮機に戻す冷凍機油流路と、前記冷凍機油流路に配置されるオイルクーラと、前記冷凍サイクルの冷媒を前記オイルクーラに流して前記冷凍機油と熱交換させる冷媒流路と、前記冷媒流路における前記オイルクーラの下流側に配置される流量調整弁と、前記冷凍サイクルの運転状態量を検出する運転状態量検出手段とを備え、
   前記運転状態量検出手段の検出結果に基づいて、前記流量調整弁の開度を制御することを特徴とする冷凍機。
2. 請求項１に記載の冷凍機において、
   前記オイルクーラをバイパスするオイルクーラバイパス流路と、前記オイルクーラを通過する冷凍機油流量と前記オイルクーラバイパス流路を流れる冷凍機油流量との比率を制御する流量比率制御手段とを備えることを特徴とする冷凍機。
3. 請求項２に記載の冷凍機において、
   前記運転状態量検出手段は、複数の運転状態量を検出し、
   前記流量調整弁と前記流量比率制御手段とは、それぞれ異なる運転状態量に基づいて制御されることを特徴とする冷凍機。
4. 請求項２に記載の冷凍機において、
   前記流量比率制御手段は、前記冷凍機油流路とオイルクーラバイパス流路との合流部に配置される三方弁であることを特徴とする冷凍機。
5. 請求項４に記載の冷凍機において、
   前記運転状態量検出手段は、前記運転状態量として前記冷凍機油流路の温度を検出し、
   前記流量調整弁及び前記流量比率制御手段のいずれか一方は、前記冷凍機油流路の温度に基づいて制御されることを特徴とする冷凍機。
6. 請求項１に記載の冷凍機において、
   前記圧縮機は、回転数制御される圧縮機であり、
   前記運転状態量検出手段は、前記圧縮機の回転数を検出することを特徴とする冷凍機。
7. 請求項１に記載の冷凍機において、
   前記運転状態量検出手段は、前記冷凍機油流路の温度を検出することを特徴とする冷凍機。