JP2015102319A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機の吐出ガス温度を抑えながら成績係数の低下を抑制する。
【解決手段】冷凍サイクル装置１は、圧縮機２の吐出側と凝縮器４との間に設置され、高段側圧縮部２ｂから吐出される冷媒と冷媒に含まれる冷凍機油とを分離する油分離器３と、油分離器３において分離された冷凍機油を低段側圧縮部２ａ及び高段側圧縮部２ｂに返油する返油流路２０と、凝縮器４から流出した冷媒を中間圧室にインジェクションするインジェクション流路１０と、返油流路２０を流れる冷凍機油とインジェクション流路１０を流れる冷媒との間で熱交換を行う油冷却器３０とを有する。このうち、インジェクション流路１０は、凝縮器４から直接中間圧室２ｃへ冷媒をインジェクションする第１分岐配管１１と、凝縮器４から油冷却器３０を介して中間圧室２ｃへ冷媒をインジェクションする第２分岐配管１２とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、低段側圧縮部及び高段側圧縮部を有する圧縮機を備えた冷凍サイクル装置に関するものである。

従来から低段側圧縮部と高段側圧縮部を有する２段スクリュー圧縮機を用いた冷凍サイクル装置が知られている。この多段圧縮機は、低段側圧縮部において冷媒が圧縮された後に、さらに高段側圧縮部において冷媒が圧縮されるようになっている。このような２段スクリュー圧縮機に使用している部品には温度制約があり、吐出ガス温度に上限が設けられている。そこで、吐出ガス温度を低下させるために種々の手法が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。

特許文献１には、油分離器において分離した冷凍機油と、凝縮器において凝縮された冷媒との間で熱交換を行う油冷却器を有し、油冷却器において冷却された冷凍機油が低段側圧縮部へ注入されるとともに、油冷却器を流れた冷媒が中間圧室にインジェクションされる２段圧縮冷凍機が開示されている。特許文献２には、蒸発器と膨張弁との間にエコノマイザが配置されており、圧縮機の中間圧室または低段側圧縮機の吸入側へ蒸気状態の冷媒あるいは液体状態の冷媒がエコノマイザからインジェクションされる冷凍サイクル回路が開示されている。

特許第３９０３４０９号公報（図１および段落０００７） 特表２０１０−５２５２９２号公報（図１および段落００２６）

特許文献１のように、吐出ガス温度を抑えるために冷媒により冷却された冷凍機油が低段側圧縮部に注入される場合、低段側圧縮部に注入される冷凍機油の温度を低くする必要がある。冷凍機油の温度を低くするためには、油冷却器に流入する冷媒流量を多くする必要があり、中間圧室への冷媒のインジェクション量が多くなる。その結果、中間圧室の中間圧が上昇し、低段側圧縮部の圧縮比（＝低段吐出圧力（すなわち中間圧）／（低段吸込圧力））が大きくなる。この低段側圧縮部の圧縮比の上昇に伴い、低段側圧縮部の体積効率が悪化し冷凍サイクルの冷却量が低下してしまう。また、中間圧室への冷媒のインジェクション量が多くなると、高段側圧力部において吸い込む冷媒量が増大するため圧縮動力が増大する。この結果、成績係数（ＣＯＰ＝冷却能力／圧縮機動力）が低下してしまう。

そこで、本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、成績係数の低下を抑制しながら、高段側圧縮部からの吐出ガス温度を抑えることができる冷凍サイクル装置を提供することを目的としている。

本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機と、凝縮器と、膨張弁とを備えた冷凍サイクル回路を有し、圧縮機は、冷媒を圧縮する低段側圧縮部と、低段側圧縮部において圧縮された冷媒が吐出される中間圧室と、中間圧室の冷媒を吸引し圧縮する高段側圧縮部とを備えた冷凍サイクル装置であって、圧縮機の吐出側と凝縮器との間に設置され、高段側圧縮部から吐出される冷媒と冷媒に含まれる冷凍機油とを分離する油分離器と、油分離器において分離された冷凍機油を低段側圧縮部及び高段側圧縮部に返油する返油流路と、凝縮器から流出した冷媒を中間圧室にインジェクションするインジェクション流路と、返油流路を流れる冷凍機油とインジェクション流路を流れる冷媒との間で熱交換を行う油冷却器とを有し、インジェクション流路は、凝縮器から直接中間圧室へ冷媒をインジェクションする第１分岐配管と、凝縮器から油冷却器を介して中間圧室へ冷媒をインジェクションする第２分岐配管とを備えたものである。

本発明の冷凍サイクル装置によれば、油冷却器において冷却された冷凍機油が低段側圧縮部に注入されるとともに、中間圧室へのインジェクション経路が油冷却器を介する経路と、凝縮器から直接行われる経路とを有することにより、高段側圧縮部から吐出される吐出ガス温度を低下させる際に、油冷却器への冷媒の流量を増やすことなく凝縮器から直接インジェクションされる冷媒量を増やすことで吐出ガス温度を低下させることができるため、インジェクション量の増加に伴う成績係数の低下を抑制しながら、吐出ガス温度を低く抑えることができる。

本発明の実施形態１による冷凍サイクル装置を示す冷媒回路図である。 本発明の実施形態１による冷凍サイクル装置を示す冷媒回路図である。 従来の冷凍サイクル装置の一例を示す冷媒回路図である。 従来の冷凍サイクル装置の一例を示す冷媒回路図である。 本発明の実施形態２による冷凍サイクル装置を示す冷媒回路図である。 本発明の実施形態３による冷凍サイクル装置を示す冷媒回路図である。

実施形態１．
以下、本発明に係る冷凍サイクル装置の室外機の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１及び図２は本発明の実施形態１による冷凍サイクル装置を示す冷媒回路図である。図１の冷凍サイクル装置１は、圧縮機２、凝縮器４、主膨張弁５、蒸発器６が配管により接続された冷凍サイクルを形成している。この冷凍サイクル装置１に流れる冷媒として、例えばＲ３２冷媒の単一冷媒もしくはＲ３２冷媒を含む混合冷媒、もしくはＲ４１０Ａのような断熱圧縮におけるエンタルピ差が大きい冷媒、すなわち、吐出ガス温度が高温になりやすい冷媒が使用されている。

圧縮機２は、冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮して高温・高圧の状態にして吐出するものである。圧縮機２は、低段側圧縮部２ａ及び高段側圧縮部２ｂを備えており、低段側圧縮部２ａ及び高段側圧縮部２ｂが共通のモーターにより回転駆動する二段スクリュー圧縮機であって、モーターはインバータ回路により駆動される。低段側圧縮部２ａと高段側圧縮部２ｂとの間には中間圧室２ｃが設けられており、低段側圧縮部２ａは圧縮された冷媒を中間圧室２ｃへ吐出するとともに、高段側圧縮部２ｂは中間圧室２ｃの冷媒を吸引し圧縮する。また、中間圧室２ｃには、インジェクションポートが設けられ、インジェクションポートから中間圧室２ｃへ冷媒がインジェクションされるようになっている。

油分離器３は、圧縮機２の高段側圧縮部２ｂから吐出した冷媒から冷凍機油を分離するものである。そして、油分離器３は、冷凍機油を分離した冷媒を凝縮器４側へ供給するとともに、冷凍機油を圧縮機２側へ返油するようになっている。凝縮器４は、圧縮機２から吐出された冷媒と空気又は水との間で熱交換を行うものであって、例えば冷媒を通過させる伝熱管と、伝熱管を流れる冷媒と外気との間の伝熱面積を大きくするためのフィンとを備えた構造を有している。主膨張弁５は、蒸発器６を通過する冷媒の圧力を調整するものであって、例えば電子膨張弁等からなっている。蒸発器６は、冷媒と外気又は水やブラインとの間で熱交換を行うものであって、例えば冷媒を通過させる伝熱管と、伝熱管を流れる冷媒と外気との間の伝熱面積を大きくするためのフィンとを備えた構造を有している。

さらに、冷凍サイクル装置１は、凝縮器４から流出した冷媒を中間圧室２ｃにインジェクションするインジェクション流路１０と、油分離器３において分離された冷凍機油を低段側圧縮部２ａ及び高段側圧縮部２ｂに返油する返油流路２０とを有している。インジェクション流路１０は、凝縮器４と主膨張弁５との間からそれぞれ分岐した第１分岐配管１１及び第２分岐配管１２を有している。第１分岐配管１１は凝縮器４と中間圧室２ｃとを直接接続するものであり、第２分岐配管１２は油冷却器３０を介して凝縮器４と中間圧室２ｃとを接続する。この第１分岐配管１１には第１流量調整器１３が設けられており、第２分岐配管１２には第２流量調整器１４が設けられている。この第１流量調整器１３及び第２流量調整器１４は、例えば電子膨張弁からなっており、第１流量調整器１３及び第２流量調整器１４の開度が調整されることより、第１分岐配管１１及び第２分岐配管１２に流れる冷媒流量（インジェクション量）が調整される。

返油流路２０は、油分離器３における冷凍機油の出口側と低段側圧縮部２ａ及び高段側圧縮部２ｂとをそれぞれ接続する低段側返油配管２１及び高段側返油配管２２を有している。低段側返油配管２１は、油分離器３から油冷却器３０を介して冷凍機油を低段側圧縮部２ａに返油するものであり、高段側返油配管２２は、油分離器３から直接高段側圧縮部２ｂに返油するものである。

また、冷凍サイクル装置１には、第２分岐配管１２を流れる冷媒と、返油流路２０における低段側圧縮部２ａへ流入する冷凍機油との間で熱交換を行う油冷却器３０が設けられている。すなわち、油冷却器３０は、第２分岐配管１２と低段側返油配管２１とを結合し、中間圧室２ｃへインジェクションされる冷媒を用いて冷凍機油を冷却するものである。したがって、冷凍機油は油冷却器３０により冷却された状態で高段側圧縮部２ｂに返油されることになる。

第１流量調整器１３及び第２流量調整器１４の開度は、開度制御部４０により制御されている。開度制御部４０は、高段側圧縮部２ｂから吐出される冷媒の吐出ガス温度が目標吐出温度（例えば８５℃）になるように、第１流量調整器１３及び第２流量調整器１４の開度を制御する。すなわち、第１流量調整器１３の開度が大きくなればなるほど、凝縮器４から中間圧室２ｃへ直接インジェクションされる冷媒量が増加する。また、第２流量調整器１４の開度が大きくなればなるほど、返油される冷凍機油の温度が低下するとともに中間圧室２ｃへインジェクションされる冷媒量が増加する。例えば高段側圧縮部２ｂの吐出側に吐出ガス温度を検出する図示しない温度センサが設置され、開度制御部４０には吐出ガス温度と第１流量調整器１３及び第２流量調整器１４の開度とを関連付けたテーブルが記憶されており、開度制御部４０は吐出ガス温度に基づいて第１流量調整器１３及び第２流量調整器１４の開度を制御するようになっている。

次に、図１及び図２を参照して冷凍サイクル装置１の動作例について説明する。なお、第１流量調整器１３及び第２流量調整器１４は圧縮機２の運転と同時に開く。まず、高段側圧縮部２ｂから吐出された高圧の冷媒ガスは、まず、低圧ガスの冷媒が圧縮機２において圧縮され高温高圧のガス状態になる。高圧ガス状態の冷媒は、凝縮器４において外気又は水と熱交換され、冷媒のエネルギーを熱源（空気又は水）に伝達することで凝縮し高圧液冷媒となる。その後、冷媒は主膨張弁５で減圧され低圧二相状態となり蒸発器６に入る。

蒸発器６において、冷媒は外気又は水等のエネルギーを吸収して蒸発し低圧ガスとなる。このとき、冷媒と熱交換された外気又は水等は冷却される。その後、蒸発器６から流出した低温低圧の冷媒ガスは圧縮機２の低段側圧縮部２ａに吸込まれ、第１段の圧縮が行われる。さらに、低段側圧縮部２ａにおいて圧縮された冷媒ガスは、中間圧室２ｃへ吐出される。この中間圧室２ｃにおいて、吐出された冷媒ガスは高段側圧縮部２ｂへ吸込まれて第２段の圧縮が行われる。

このとき、凝縮器４と主膨張弁５との間から高圧低温の液冷媒の一部が第１分岐配管１１及び第２分岐配管１２を介して中間圧室２ｃに液インジェクションされる。一方、油分離器３の冷凍機油は、低段側返油配管２１から直接高段側圧縮部２ｂ側に返油され、高段側返油配管２２から油冷却器３０を介して低段側圧縮部２ａに返油される。この油冷却器３０において、第２分岐配管１２を流れる冷媒と、高段側返油配管２２を流れる冷凍機油とが熱交換され、冷凍機油が冷却された状態で低段側圧縮部２ａに返油される。この際、高段側圧縮部２ｂから吐出される冷媒の吐出ガス温度が目標吐出温度（例えば８５℃）になるように、開度制御部４０により第１流量調整器１３及び第２流量調整器１４の開度が制御される。

このように、吐出ガス温度が目標吐出温度になるように制御されるため、部品の温度上限制約を超えないように、高段側圧縮部２ｂから吐出される冷媒の吐出ガス温度を抑えることができる。この際、冷凍機油が冷却された後に低段側圧縮部２ａに返油されるために消費動力を低下させることができ、成績係数（ＣＯＰ）の低下を抑えることができる。また、冷凍機油の温度が高い状態で油冷却器３０に流入する場合であっても、図３及び図４に示す従来の冷凍サイクル装置のように、油冷却器３０に流通する冷媒量のみを増加させて吐出ガス温度を下げるのではなく、第１分岐配管１１側から中間圧室２ｃへのインジェクションも加味して吐出ガス温度が目標吐出温度になるように制御される。このため、インジェクション量の増大による冷却能力の低下を抑え成績係数（ＣＯＰ）の低下を抑制することができる。

すなわち、従来のように、冷凍機油の冷却のために中間圧室２ｃへのインジェクション量を増加させる必要がなく中間圧室２ｃの中間圧が低く抑えられるため、低段側圧縮部２ａの圧縮比を低く抑えることができ、圧縮過程における漏れ損失が低減される。つまり、低段側圧縮部２ａの体積効率が向上し、冷却能力が向上する。さらに、中間圧室２ｃにおいて合流する冷凍機油量を冷却した冷媒の量が減少するため、高段側圧縮部２ｂの圧縮動力が低下するので、圧縮機動力の低減を図ることができる。

特に、圧縮機２のモーターがインバータによって駆動される場合、５０Ｈｚを下回る周波数で運転する減速領域において、漏れ損失低減の効果が大きくなり、成績係数を大幅に向上させることができる。

さらに、冷媒としてＲ３２またはＲ４１０Ａに代表される断熱圧縮におけるエンタルピ差が大きい冷媒、すなわち、吐出ガス温度が高温になりやすい冷媒を使用する場合、上述した吐出ガス温度が目標吐出温度になるように制御した際の成績係数（ＣＯＰ）の低減効果が大きくなる。

実施形態２．
図５は、本発明の冷凍サイクル装置の実施形態２を示す冷媒回路図であり、図５を参照して冷凍サイクル装置１００について説明する。なお、図５の冷凍サイクル装置１００において図１及び図２の冷凍サイクル装置１と同一の構成を有する部位には同一の符号を付してその説明を省略する。図５の冷凍サイクル装置１００が図１及び図２の冷凍サイクル装置１と異なる点は、返油流路１２０は、高段側圧縮部２ｂにも油冷却器３０において冷却された冷凍機油を返油する点である。

図５の返油流路１２０は、油冷却器３０の出口側において低段側返油配管２１及び高段側返油配管１２２に分岐し、それぞれ低段側圧縮部２ａ及び高段側圧縮部２ｂへ冷凍機油を返油する。つまり、高段側圧縮部２ｂにも油冷却器３０において冷却された冷凍機油が高段側返油配管１２２から返油されることになる。この場合であっても、高段側圧縮部２ｂ側にも冷却された冷凍機油が注入されるため、吐出ガス温度を下げることができ、吐出ガス温度を低減しながら成績係数（ＣＯＰ）の低下を抑えることができる。

実施形態３．
図６は、本発明の冷凍サイクル装置の実施形態３を示す冷媒回路図であり、図６を参照して冷凍サイクル装置２００について説明する。なお、図６の冷凍サイクル装置２００において図１及び図２の冷凍サイクル装置１と同一の構成を有する部位には同一の符号を付してその説明を省略する。図６の冷凍サイクル装置２００が図１及び図２の冷凍サイクル装置１と異なる点は、冷凍サイクル装置２００がエコノマイザ（中間熱交換器）２０１を有しており、エコノマイザサイクルが構成されている点である。

図６の冷凍サイクル装置２００は、凝縮器４において凝縮した冷媒の一部を膨張させる副膨張弁２０２と、凝縮器４において凝縮した液冷媒と、副膨張弁２０２において膨張させた冷媒との間で熱交換を行うエコノマイザ２０１を有している。エコノマイザ２０１は、凝縮器４からバイパスした冷媒が主膨張弁５側へ流出し、主膨張弁５を出て分岐した冷媒が第１分岐配管１１及び第２分岐配管１２に流出するように接続されている。したがって、第１分岐配管１１及び第２分岐配管１２には過冷却度が大きい液冷媒が流れることになる。

この場合であっても、高段側圧縮部２ｂ側にも冷却された冷凍機油が注入されるため、吐出ガス温度を下げることができ、吐出ガス温度を低減しながら成績係数（ＣＯＰ）の低下を抑えることができる。特に、エコノマイザ２０１により第１分岐配管１１及び第２分岐配管１２に過冷却の冷媒を流すことができるため、中間圧室２ｃにインジェクションする冷媒量を少なくすることができ、成績係数（ＣＯＰ）の低減をさらに抑制することができる。なお、図６の冷凍サイクル装置２００において、図１の返油流路２０を有する場合について例示しているが、図５に示すような返油流路１２０を有するものであってもよい。

本発明の実施形態は、上記実施形態１〜３に限定されない。例えば、上記実施形態１〜３において、第１流量調整器１３及び第２流量調整器１４の双方が電子膨張弁からなっている場合について例示しているが、第１流量調整器１３及び第２流量調整器１４のいずれか一方もしくは双方が温度式膨張弁からなっていてもよい。これにより、開度制御を簡便に行うことができる。また、第１流量調整器１３及び第２流量調整器１４のいずれか一方もしくは双方が、吐出ガス温度が目標吐出温度になるような開度に設定された固定絞りからなっていてもよい。これにより、吐出ガス温度の低減及び成績係数の低減を安価に実現することができる。

この際、第１流量調整器１３及び第２流量調整器１４は、電子膨張弁、温度式膨張弁または固定絞りのいずれの組み合わせからなるものであってもよい。たとえば第１流量調整器１３及び第２流量調整器１４が、電子膨張弁又は温度式膨張弁と固定絞りとの組み合わせである場合、精度の高い制御を安価に実現することができる。

１、１００、２００ 冷凍サイクル装置、２ 圧縮機、２ａ 低段側圧縮部、２ｂ 高段側圧縮部、２ｃ 中間圧室、３ 油分離器、４ 凝縮器、５ 主膨張弁、６ 蒸発器、１０ インジェクション流路、１１ 第１分岐配管、１２ 第２分岐配管、１３ 第１流量調整器、１４ 第２流量調整器、２０、１２０ 返油流路、２１ 低段側返油配管、２２ 高段側返油配管、３０ 油冷却器、４０ 開度制御部、１２２ 高段側返油配管、２０１ エコノマイザ、２０２ 副膨張弁。

Claims (8)

1. 圧縮機と、凝縮器と、膨張弁とを備えた冷凍サイクル回路を有し、前記圧縮機は、冷媒を圧縮する低段側圧縮部と、前記低段側圧縮部において圧縮された冷媒が吐出される中間圧室と、前記中間圧室の冷媒を吸引し圧縮する高段側圧縮部とを備えた冷凍サイクル装置であって、
   前記圧縮機の吐出側と前記凝縮器との間に設置され、前記高段側圧縮部から吐出される冷媒と冷媒に含まれる冷凍機油とを分離する油分離器と、
   前記油分離器において分離された冷凍機油を前記低段側圧縮部及び前記高段側圧縮部に返油する返油流路と、
   前記凝縮器から流出した冷媒を前記中間圧室にインジェクションするインジェクション流路と、
   前記返油流路を流れる冷凍機油と前記インジェクション流路を流れる冷媒との間で熱交換を行う油冷却器と
   を有し、
   前記インジェクション流路は、
   前記凝縮器から直接前記中間圧室へ冷媒をインジェクションする第１分岐配管と、
   前記凝縮器から前記油冷却器を介して前記中間圧室へ冷媒をインジェクションする第２分岐配管と
   を備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記第１分岐配管に設けられ、前記第１分岐配管内を流れる冷媒流量を調整する第１流量調整器と、
   前記第２分岐配管に設けられ、前記第２分岐配管内を流れる冷媒流量を調整する第２流量調整器と
   をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記高段側圧縮部から吐出される冷媒の吐出ガス温度が設定された目標吐出温度になるように、前記第１流量調整器又は前記第２流量調整器の開度を制御する開度制御部をさらに備えたことを特徴とする請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記返油流路は、前記油分離器から直接前記高段側圧縮部に冷凍機油を返油する高段側返油配管と、前記油分離器から前記油冷却器を介して冷凍機油を前記高段側圧縮部に返油する低段側返油配管とを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記返油流路は、前記油分離器から前記油冷却器を通った冷凍機油を分岐して前記低段側圧縮部及び前記高段側圧縮部にそれぞれ返油する低段側返油配管及び前記高段側圧縮部を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記凝縮器から流出した冷媒の一部を膨張する副膨張弁と、
   前記副膨張弁により膨張した冷媒を前記凝縮器から流出した冷媒の間で熱交換を行った後に前記第１分岐配管及び前記第２分岐配管に流出するエコノマイザと
   をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
7. 前記圧縮機は、インバータによって駆動されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
8. 冷媒は、Ｒ３２もしくはＲ４１０Ａからなることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。

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