JP2015132422A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機への返油温度の変動を抑制することができる冷凍装置を得る。【解決手段】冷凍装置１では、圧縮機１１からの冷媒に含まれる油を冷媒から分離する油分離器３１が設けられている。油分離器３１で分離された油は、返油流路３２によって圧縮機１１へ導かれる。第１の油冷却器３３では、返油流路３２を流れる油と、空冷凝縮器１２１を通過した排熱風との間で熱交換される。【選択図】図１

Description

この発明は、圧縮機から出た冷媒に含まれる油を冷媒から分離して圧縮機に戻す冷凍装置に関するものである。

従来、圧縮機から出た冷媒に含まれる油を油分離器で冷媒から分離し、油分離器で分離した油を、空冷凝縮器（熱源側熱交換器）の一部で冷却した後、圧縮機に戻すようにした空気調和装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

ＷＯ２０１０／０８６９５４号公報

しかし、特許文献１に示されている従来の空気調和装置では、低外気条件で（即ち、外気温度が低くて）圧縮機に戻される油の温度（返油温度）が低くなりすぎると、油粘度上昇によって油の流動抵抗が増えたり、凝縮圧力の低下によって油を圧縮機に戻すための圧力差が小さくなったりしてしまい、圧縮機への返油量が不足してしまう可能性がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、圧縮機への返油温度の変動を抑制することができる冷凍装置を得ることを目的とする。

この発明による冷凍装置は、冷媒を圧縮する圧縮機、圧縮機からの冷媒に含まれる油を冷媒から分離する油分離器、油分離器からの冷媒を凝縮する空冷凝縮器、空冷凝縮器からの冷媒を減圧する第１の減圧装置、第１の減圧装置からの冷媒を蒸発させる蒸発器、空冷凝縮器と第１の減圧装置との間を流れる冷媒の一部をバイパス冷媒として取り出し、圧縮機の中間圧部分へバイパス冷媒を導くバイパス流路、バイパス流路に設けられ、バイパス冷媒を減圧する第２の減圧装置、第２の減圧装置で減圧された上記バイパス冷媒と、空冷凝縮器と第１の減圧装置との間を流れる冷媒との間で熱交換させるエコノマイザ、油分離器で分離された油を圧縮機へ導く返油流路、及び返油流路を流れる油と、空冷凝縮器を通過した排熱風との間で熱交換させる排熱風油冷却器を備えている。

また、この発明による冷凍装置は、冷媒を圧縮する圧縮機、圧縮機からの冷媒に含まれる油を冷媒から分離する油分離器、油分離器からの冷媒を凝縮する空冷凝縮器、空冷凝縮器からの冷媒を減圧する第１の減圧装置、第１の減圧装置からの冷媒を蒸発させる蒸発器、空冷凝縮器と第１の減圧装置との間を流れる冷媒の一部をバイパス冷媒として取り出し、圧縮機の中間圧部分へバイパス冷媒を導くバイパス流路、バイパス流路に設けられ、バイパス冷媒を減圧する第２の減圧装置、第２の減圧装置で減圧された上記バイパス冷媒と、空冷凝縮器と第１の減圧装置との間を流れる冷媒との間で熱交換させるエコノマイザ、油分離器で分離された油を圧縮機へ導く返油流路、及び返油流路を流れる油と、空冷凝縮器とエコノマイザとの間を流れる冷媒との間で熱交換させる冷媒油冷却器を備えている。

この発明による冷凍装置によれば、返油流路を流れる油が、空冷凝縮器を通過した排熱風、又は空冷凝縮器とエコノマイザとの間を流れる冷媒との間で熱交換されるので、圧縮機への返油温度の変動を抑制することができる。

この発明の実施の形態１による冷凍装置を示す構成図である。 図１の冷凍装置の冷凍サイクル動作を示すＰ−ｈ線図（圧力−エンタルピ線図）である。 図１の返油部において第１及び第２の油冷却器のそれぞれを通過したときの油の温度変化を示す説明図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による冷凍装置を示す構成図である。図において、冷凍装置１は、冷凍サイクル回路２と、バイパス部３と、返油部４とを有している。

冷凍サイクル回路２は、圧縮機１１と、複数（この例では、４つ）の空冷凝縮器ユニット１２と、レシーバ１３と、液開閉電磁弁１４と、第１の膨張弁（第１の減圧装置）１５と、蒸発器（室内冷却器）１６とを有している。

バイパス部３は、バイパス流路２１と、第２の膨張弁（第２の減圧装置）２２と、エコノマイザ２３とを有している。

返油部４は、油分離器３１と、返油流路３２と、第１の油冷却器（排熱風油冷却器）３３と、第２の油冷却器（冷媒油冷却器）３４とを有している。

圧縮機１１、油分離器３１、各空冷凝縮器ユニット１２、レシーバ１３、第２の油冷却器３４、エコノマイザ２３、液開閉電磁弁１４、第１の膨張弁１５、蒸発器１６は、冷媒管によって順次連結されて閉回路を形成している。これにより、冷凍装置１では、圧縮機１１が駆動されると、冷媒が、圧縮機１１、油分離器３１、各空冷凝縮器ユニット１２、レシーバ１３、第２の油冷却器３４、エコノマイザ２３、液開閉電磁弁１４、第１の膨張弁１５、蒸発器１６の順に送られ、圧縮機１１に戻るようになっている。この例では、冷媒としてＲ４１０Ａが用いられている。

バイパス部３、返油部４、圧縮機１１、各空冷凝縮器ユニット１２及びレシーバ１３は、室外ユニットであるコンデンシングユニット５に設けられている。液開閉電磁弁１４、第１の膨張弁１５及び蒸発器１６は、室内ユニットであるユニットクーラ６に設けられている。

圧縮機１１は、低段側圧縮部１１１と、低段側圧縮部１１１の下流側に設けられた高段側圧縮部１１２と、低段側圧縮部１１１及び高段側圧縮部１１２を駆動する駆動モータ（図示せず）とを有する二段圧縮機である。圧縮機１１は、ガス状の冷媒を低段側圧縮部１１１で圧縮した後、低段側圧縮部１１１で圧縮された冷媒を高段側圧縮部１１２で圧縮する。この例では、圧縮機１１の駆動モータの回転数が調整可能になっている。圧縮機１１で圧縮された冷媒は、油分離器３１へ送られる。

油分離器３１は、圧縮機１１からのガス冷媒に含まれる油（冷凍機油）を冷媒から分離する。油分離器３１で油が除去された冷媒は、各空冷凝縮器ユニット１２へ送られる。

各空冷凝縮器ユニット１２は、冷媒管によって油分離器３１に並列に接続された空冷凝縮器１２１と、空冷凝縮器１２１に外気を送る送風機（室外ファン）１２２とをそれぞれ有している。各空冷凝縮器ユニット１２では、送風機１２２によって生じた冷却風（外気）が空冷凝縮器１２１を通過する。各空冷凝縮器１２１は、空冷凝縮器１２１に対する冷却風の通過により、油分離器３１からの冷媒と、送風機１２２によって生じた冷却風との間で熱交換させる。これにより、油分離器３１からの冷媒は冷却されて凝縮し、送風機１２２によって生じた冷却風は加熱されて排熱風となる。各空冷凝縮器１２１で凝縮された冷媒は、レシーバ１３へ送られる。

レシーバ１３は、各空冷凝縮器１２１から出た液冷媒を溜める。レシーバ１３に溜められた液冷媒は、第２の油冷却器３４、エコノマイザ２３及び液開閉電磁弁１４の順に流れて第１の膨張弁１５へ送られる。

第１の膨張弁１５は、各空冷凝縮器１２１から第２の油冷却器３４、エコノマイザ２３及び液開閉電磁弁１４を経由して送られてきた冷媒を減圧する。第１の膨張弁１５で減圧された冷媒は、蒸発器１６へ送られる。

蒸発器１６は、室内ファンによって蒸発器１６を通過する室内空気と、第１の膨張弁１５からの冷媒との間で熱交換させる。これにより、第１の膨張弁１５からの冷媒は加熱されて蒸発し、室内空気は冷却される。蒸発器１６で蒸発した冷媒は、圧縮機１１へ戻る。

圧縮機１１には、低段側圧縮部１１１と高段側圧縮部１１２との間の中間圧部分に冷媒を注入するための冷媒用接続口１１ａと、油分離器３１で分離された油を圧縮機１１の低段側圧縮部１１１及び高段側圧縮部１１２のそれぞれに戻すための共通の油用接続口１１ｂとが設けられている。

バイパス流路２１は、エコノマイザ２３の冷媒出口の冷媒管に接続されているとともに、圧縮機１１の冷媒用接続口１１ａに接続されている。これにより、バイパス流路２１は、エコノマイザ２３から出た冷媒の一部をバイパス冷媒として取り出して、圧縮機１１の中間圧部分（即ち、低段側圧縮部１１１と高段側圧縮部１１２との間）へバイパス冷媒を導く。

第２の膨張弁２２は、バイパス流路２１に設けられている。第２の膨張弁２２は、バイパス流路２１を流れるバイパス冷媒（即ち、エコノマイザ２３から出た冷媒の一部）を減圧する。第２の膨張弁２２で減圧されたバイパス冷媒は、エコノマイザ２３へ送られる。

エコノマイザ２３は、各空冷凝縮器１２１から第１の膨張弁１５へ送られる冷媒と、第２の膨張弁２２で減圧されたバイパス冷媒との間で熱交換させる。これにより、第１の膨張弁１５へ送られる冷媒は冷却され、バイパス冷媒は加熱される。バイパス流路２１を流れる冷媒は、第２の膨張弁２２で減圧されてエコノマイザ２３で加熱された後、圧縮機１１の中間圧部分へ送られる。

返油流路３２は、油分離器３１に接続されているとともに、圧縮機１１の油用接続口１１ｂに接続されている。これにより、返油流路３２は、油分離器３１で冷媒から分離された油を圧縮機１１へ導く。

第１の油冷却器３３は、返油流路３２に設けられている。また、第１の油冷却器３３は、各空冷凝縮器１２１のいずれかを通過した排熱風（外気）と、油分離器３１で冷媒から分離された油との間で熱交換させる。これにより、油は冷却され、排熱風は加熱される。

第２の油冷却器３４は、レシーバ１３からエコノマイザ２３へ送られる冷媒と、第１の油冷却器３３で冷却された油との間で熱交換させる。これにより、油は冷却され、冷媒は加熱される。返油流路３２を流れる油は、第１の油冷却器３３及び第２の油冷却器３４の順に熱交換された後、圧縮機１１へ送られる。

次に、冷凍装置１の冷却運転時の動作について説明する。図２は、図１の冷凍装置１の冷凍サイクル動作を示すＰ−ｈ線図（圧力−エンタルピ線図）である。図１及び図２に示すように、圧縮機１１から出た高温高圧のガス冷媒（状態Ａ）は、油分離器３１へ流入し、油分離器３１で油と分離される。このとき、圧縮機１１からの吐出ガス冷媒の温度、及び冷媒から分離された油の温度は、いずれも９０℃となっている。

この後、油分離器３１からのガス冷媒は、各空冷凝縮器１２１で外気に放熱し、凝縮して高圧液冷媒（状態Ｂ）となる。各送風機１２２は、空冷凝縮器１２１への風量を調整することにより、冷媒圧力が設定値となるように空冷凝縮器１２１からの放熱量を調整している。各空冷凝縮器１２１での凝縮温度は、外気温度よりもおおよそ１０℃程度高い温度に調整される。

この後、各空冷凝縮器１２１で凝縮された高圧液冷媒は、レシーバ１３に流入する。レシーバ１３では、余剰分の液冷媒を溜めているので、液冷媒とガス冷媒との共存状態となっており、冷媒が飽和液（状態Ｂ）となっている。

この後、レシーバ１３からの高圧液冷媒の状態は、第２の油冷却器３４を通過して状態Ｃとなる。この例では、第２の油冷却器３４における油の温度と冷媒の温度との差が小さいため、第２の油冷却器３４における油と冷媒との間での熱交換量はごくわずかになっている。

第２の油冷却器３４を通過した高圧液冷媒は、エコノマイザ２３を通過する。このとき、高圧液冷媒は、第２の膨張弁２２で減圧されて低温の中間圧二相冷媒（状態Ｇ）となったバイパス冷媒との間で熱交換を行って過冷却度を大きくし（状態Ｄ）、ユニットクーラ６へ流入する。

ユニットクーラ６に流入した高圧液冷媒は、液開閉電磁弁１４を通過し、第１の膨張弁１５で減圧されて低圧二相冷媒（状態Ｅ）となった後、蒸発器１６へ流入する。

蒸発器１６に流入した低圧二相冷媒は、蒸発器１６で室内空気（冷却対象）との間で熱交換を行って蒸発して低圧ガス冷媒（状態Ｆ）となる。これにより、冷却対象である室内空気が設定温度にまで冷却される。また、蒸発器１６から出る冷媒過熱度は、第１の膨張弁１５によって調整される。

蒸発器１６で蒸発して低圧ガスとなった冷媒は、圧縮機１１の低段側圧縮部１１１に吸入された後、低段側圧縮部１１１で圧縮されて中間圧ガス冷媒（状態Ｉ）となる。一方、第２の膨張弁２２で減圧されて中間圧二相冷媒となったバイパス冷媒は、エコノマイザ２３で熱交換を行った後（状態Ｈ）、圧縮機１１の中間圧部分に吸入される。圧縮機１１では、低段側圧縮部１１１で圧縮された冷媒とバイパス冷媒とが合流して生じた中間圧ガス冷媒（状態Ｊ）が高段側圧縮部１１２で圧縮され、高温高圧のガス冷媒（状態Ａ）となり、油分離器３１へ再度吐出される。圧縮機１１から出る冷媒温度は、第２の膨張弁２２によって調整される。

次に、冷凍装置１の運転制御について説明する。この例では、ユニットクーラ６が冷凍倉庫に設置されており、冷凍倉庫内の空間の目標調整温度が−３５℃に設定されている場合を考える。この場合、蒸発器１６での蒸発温度が−４０℃になるように圧縮機１１の回転数が調整される。

また、各送風機１２２の回転数は、上述のように、各空冷凝縮器１２１での凝縮温度が外気温度よりも１０℃高くなるように調整される。ただし、油分離器３１での圧力（高圧側圧力）が低下しすぎると、圧縮機１１へ返油するための圧力差（即ち、油分離器３１と圧縮機１１との間の圧力差）が小さくなり、油分離器３１から圧縮機１１への返油量が不足するおそれがあることから、外気温度が１０℃以下となるような低外気条件では、油分離器３１から圧縮機１１への返油量の不足を回避するために、各空冷凝縮器１２１での凝縮温度が３０℃を下回らないように各送風機１２２の回転数が調整される。

さらに、第１の膨張弁１５の開度は、蒸発器１６の出口での冷媒（状態Ｆ）の過熱度が１０℃程度となるように調整される。また、第２の膨張弁２２の開度は、圧縮機１１の出口でのガス冷媒（状態Ａ）の温度（吐出ガス温度）が９０℃となるように調整される。この例では、蒸発器１６での蒸発温度が−４０℃と極低温であるため、圧縮機１１に注入されるバイパス冷媒の状態が圧縮機１１の冷媒用接続口１１ａにおいて液冷媒を含む二相状態（状態Ｈ）となっている。

次に、返油部４での油の温度変化について説明する。図３は、図１の返油部４において第１及び第２の油冷却器３３，３４のそれぞれを通過したときの油の温度変化を示す説明図であり、図３（ａ）は高外気条件での油の温度変化を示す図、図３（ｂ）は低外気条件での油の温度変化を示す図である。

高外気条件（例えば、外気温度が３５℃である条件）では、図３（ａ）に示すように、各空冷凝縮器１２１での凝縮温度が４５℃程度になるように送風機１２２の回転数が調整される。このとき、空冷凝縮器１２１を通過した排熱風の温度は、４２℃程度になる。油分離器３１からの９０℃の油は、第１の油冷却器３３において４２℃の排熱風と熱交換を行い、５６℃まで冷却される。即ち、第１の油冷却器３３では、空冷凝縮器１２１を通過した排熱風が油の冷却熱源となっている。この後、第１の油冷却器３３で５６℃に冷却された油は、第２の油冷却器３４において４５℃（高圧飽和温度）の液冷媒と熱交換を行い、４８℃まで冷却される。即ち、第２の油冷却器３４では、空冷凝縮器１２１から出た高圧飽和液冷媒が油の冷却熱源となっている。この後、第２の油冷却器３４で冷却された油は、圧縮機１１へ戻される。

低外気条件（例えば、外気温度が０℃である条件）では、図３（ｂ）に示すように、各空冷凝縮器１２１での凝縮温度が低下しすぎないように各送風機１２２の回転が減速され、凝縮温度が３０℃程度になるように調整される。このとき、空冷凝縮器１２１を通過する外気の速度が低下することから、空冷凝縮器１２１を通過した排熱風の温度は凝縮温度にかなり近い温度である２７℃程度になる。油分離器３１からの９０℃の油は、第１の油冷却器３３において２７℃の排熱風と熱交換を行い、４６℃まで冷却される。この後、第１の油冷却器３３で４６℃に冷却された油は、第２の油冷却器３４における３０℃（高圧飽和温度）の液冷媒との熱交換によって３５℃まで冷却された後、圧縮機１１へ戻される。

このような冷凍装置１では、油分離器３１で冷媒から分離された油を、空冷凝縮器１２１を通過した排熱風によって冷却する第１の油冷却器３３が設けられているので、外気温度に大きな差がある２つの条件下であっても、空冷凝縮器１２１を外気が通過することによって排熱風の温度差を小さくすることができ、油分離器３１から圧縮機１１に戻される油の温度を空冷凝縮器１２１での凝縮温度に近づけることができる。これにより、外気温度が大きく変動しても、圧縮機１１への返油温度の変動を抑制することができ、返油温度が低くなりすぎることによる不具合（即ち、圧縮機１１への返油量不足）の発生を防止することができる。

また、油分離器３１で冷媒から分離された油を、空冷凝縮器１２１から出た高圧飽和液冷媒で冷却する第２の油冷却器３４が設けられているので、上記と同様に、外気温度に大きな差がある２つの条件下であっても、油分離器３１から圧縮機１１に戻される油の温度を空冷凝縮器１２１での凝縮温度に近づけることができる。これにより、外気温度が大きく変動しても、圧縮機１１への返油温度の変動を抑制することができ、返油温度が低くなりすぎることによる不具合（即ち、圧縮機１１への返油量不足）の発生を防止することができる。また、第１及び第２の油冷却器３３，３４のそれぞれを併用することによって圧縮機１１への返油温度の変動をさらに抑制することができる。

また、第１の油冷却器３３及び第２の油冷却器３４で冷却された油を圧縮機１１へ戻すので、吐出ガス冷媒の温度調整のために圧縮機１１の中間圧部分に注入されるバイパス冷媒の注入量を、第１及び第２の油冷却器３３，３４での熱交換量の分だけ少なくすることができる。これにより、圧縮機１１の圧縮動力を低減することができる。

また、圧縮機１１への返油温度が極端に低くなると、圧縮機１１の吐出ガス温度が返油だけで十分に冷却されてしまい、圧縮機１１の中間圧部分へのバイパス冷媒の注入量が低下することによって、エコノマイザ２３が十分に機能しなくなってしまうおそれがある。本実施の形態では、圧縮機１１への返油温度が極端に低くなることを防止することができるので、このようなエコノマイザ２３の性能の悪化を回避することもできる。

また、圧縮機１１の回転数は調整可能になっているので、圧縮機１１の回転数の調整により蒸発器１６での蒸発温度を調整することができ、冷却対象空間の温度設定を容易に調整することができる。

また、空冷凝縮器１２１での凝縮温度が、送風機１２２で空冷凝縮器１２１へ送られる風量の調整によって調整され、蒸発器１６から出る冷媒の過熱度が第１の膨張弁１５によって調整され、圧縮機１１から出る冷媒の温度が第２の膨張弁２２によって調整されるので、外気温度が大きく変動しても、油分離器３１から圧縮機１１へ油を戻すための圧力差を確保することができ、圧縮機１１への返油量の不足をさらに確実に回避することができる。

なお、上記の例では、第１の油冷却器３３において、複数の空冷凝縮器１２１の１つを通過した排熱風と油との間で熱交換が行われているが、２つ以上の空冷凝縮器１２１を通過した排熱風と油との間での熱交換を第１の油冷却器３３で行うようにしてもよい。

また、上記の例では、油分離器３１で冷媒から分離された油が、第１の油冷却器３３及び第２の油冷却器３４のそれぞれで冷却されるようになっているが、油分離器３１で冷媒から分離された油を、第１の油冷却器３３のみで冷却させるようにしてもよいし、第２の油冷却器３４のみで冷却させるようにしてもよい。

１ 冷凍装置、１１ 圧縮機、１５ 第１の膨張弁（第１の減圧装置）、１６ 蒸発器、２１ バイパス流路、２２ 第２の膨張弁（第２の膨張弁）、２３ エコノマイザ、３１ 油分離器、３２ 返油流路、３３ 第１の油冷却器（排熱風油冷却器）、３４ 第２の油冷却器（冷媒油冷却器）、１２１ 空冷凝縮器、１２２ 送風機。

Claims (4)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機、
   上記圧縮機からの冷媒に含まれる油を冷媒から分離する油分離器、
   上記油分離器からの冷媒を凝縮する空冷凝縮器、
   上記空冷凝縮器からの冷媒を減圧する第１の減圧装置、
   上記第１の減圧装置からの冷媒を蒸発させる蒸発器、
   上記空冷凝縮器と上記第１の減圧装置との間を流れる冷媒の一部をバイパス冷媒として取り出し、上記圧縮機の中間圧部分へ上記バイパス冷媒を導くバイパス流路、
   上記バイパス流路に設けられ、上記バイパス冷媒を減圧する第２の減圧装置、
   上記第２の減圧装置で減圧された上記バイパス冷媒と、上記空冷凝縮器と上記第１の減圧装置との間を流れる冷媒との間で熱交換させるエコノマイザ、
   上記油分離器で分離された油を上記圧縮機へ導く返油流路、及び
   上記返油流路を流れる油と、上記空冷凝縮器を通過した排熱風との間で熱交換させる排熱風油冷却器
   を備えている冷凍装置。
2. 冷媒を圧縮する圧縮機、
   上記圧縮機からの冷媒に含まれる油を冷媒から分離する油分離器、
   上記油分離器からの冷媒を凝縮する空冷凝縮器、
   上記空冷凝縮器からの冷媒を減圧する第１の減圧装置、
   上記第１の減圧装置からの冷媒を蒸発させる蒸発器、
   上記空冷凝縮器と上記第１の減圧装置との間を流れる冷媒の一部をバイパス冷媒として取り出し、上記圧縮機の中間圧部分へ上記バイパス冷媒を導くバイパス流路、
   上記バイパス流路に設けられ、上記バイパス冷媒を減圧する第２の減圧装置、
   上記第２の減圧装置で減圧された上記バイパス冷媒と、上記空冷凝縮器と上記第１の減圧装置との間を流れる冷媒との間で熱交換させるエコノマイザ、
   上記油分離器で分離された油を上記圧縮機へ導く返油流路、及び
   上記返油流路を流れる油と、上記空冷凝縮器と上記エコノマイザとの間を流れる冷媒との間で熱交換させる冷媒油冷却器
   を備えている冷凍装置。
3. 上記圧縮機の回転数は調整可能になっている請求項１又は請求項２に記載の冷凍装置。
4. 上記空冷凝縮器での凝縮温度は、送風機で上記空冷凝縮器へ送られる風量の調整によって調整され、
   上記蒸発器から出る冷媒過熱度は、上記第１の膨張装置によって調整され、
   上記圧縮機から出る冷媒温度は、上記第２の膨張装置によって調整される請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の冷凍装置。

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