JP2016031183A - 二段圧縮式冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機の仕事を減少しＣＯＰを向上させた二段圧縮式冷凍装置を提供する。
【解決手段】二段圧縮機１１、１１と、一段目の吐出部に接続されたインタークーラ３８と、二段目の吐出部に接続されたガスクーラ４６と、を備え、高圧側が超臨界状態となる冷凍回路を備えた二段圧縮式冷凍装置において、一段目の吐出部とインタークーラ３８の間に、中間圧オイルセパレータ３９を配置し、二段目の吐出部とガスクーラ４６の間に、高圧オイルセパレータ４４を配置し、高圧オイルセパレータ４４で分離したオイルを減圧して、中間圧オイルセパレータ３９に戻す、オイル減圧戻し回路を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、中間圧オイルセパレータを備えた二段圧縮式冷凍装置に関する。

従来より、多段圧縮式冷凍装置の１つとして、特許文献１に示されているような二段圧縮式冷凍装置がある。この二段圧縮式冷凍装置は、直列に接続された２つの圧縮機構を有する圧縮機と、凝縮器（ガスクーラ）と、膨張弁と、蒸発器とを有している。
上記した二段圧縮式冷凍装置では、圧縮機の前段側の圧縮機構から吐出された冷媒が圧縮機の後段側の圧縮機構に吸引されて更に圧縮されるため、圧縮機の後段側の圧縮機構から吐出する冷媒温度が高くなり、凝縮器において熱源としての空気と冷媒との温度差が大きくなってしまい、凝縮器における放熱ロスが大きくなる問題がある。
これに対し、前段側の圧縮機構から吐出された冷媒をインタークーラ（中間冷却器）により冷却し、後段側の圧縮機構から吐出される冷媒の温度を下げることが行われている。

特開２０１０−１１２５７９号公報

一般に冷凍装置においては圧縮機から冷媒回路中に流出するオイルが問題となる。例えば、冷媒回路に流出したオイルにより冷媒に圧力損失が生じ、この圧力損失により圧縮機入力が増加する。さらに熱交換器等の配管内に存在するオイルは冷媒と被冷却物との間の熱交換効率を低下させ冷却効率を悪化させる。これらの問題は、前述した中間冷却器についても同様にいえることであり、冷媒回路中に流出するオイルによって中間冷却器のメリットが減殺されることのないように、冷媒回路に流出するオイルを適切に制御する必要がある。他方、そのような仕組みを設けた場合、可能な限り装置の複雑化を避けて製造負荷や製造原価を抑える必要がある。

また、特許文献１に示された二段圧縮式冷凍装置では、前段側の圧縮機構と中間冷却器の間に第１油分離機構が、後段側の圧縮機構と凝縮器の間に第２油分離機構が配設されている。そして、第１油分離機構で分離されたオイルは第１減圧機構を介して減圧、冷却されて前段側の圧縮機構の吸込側に戻され、第２油分離機構で分離されたオイルは第２減圧機構を介して減圧、冷却されて後段側の圧縮機構の吸込側に戻される。
特許文献１の主なオイル回収は第１油分離機構による低圧循環サイクルとなり、圧縮機の仕事を増大させる要因となる。
そこで、本発明の目的は、上述した従来技術が有する課題を解消し、圧縮機の仕事を減少しＣＯＰを向上させた二段圧縮式冷凍装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、二段圧縮機と、一段目の吐出部に接続されたインタークーラと、二段目の吐出部に接続されたガスクーラと、を備え、高圧側が超臨界状態となる冷凍回路を備えた二段圧縮式冷凍装置において、一段目の吐出部とインタークーラの間に、中間圧オイルセパレータを配置し、二段目の吐出部とガスクーラの間に、高圧オイルセパレータを配置し、高圧オイルセパレータで分離したオイルを減圧して、中間圧オイルセパレータに戻す、オイル減圧戻し回路を備えたことを特徴とする。
本発明では、中間圧オイルセパレータ、及び、高圧オイルセパレータで分離したオイルは、すべて中間圧に減圧されて、圧縮機に設けたオイル戻し孔からそれぞれの圧縮機に戻されるため、従来の二段圧縮式冷凍装置と比較しても、オイル回収は低圧循環サイクルとならず、回収されたオイルを再び圧縮することがなくなり、圧縮機の仕事を減少でき、その分だけＣＯＰが向上する。

前記中間圧オイルセパレータで分離したオイルを、前記二段圧縮機のオイルポートに戻すオイル戻し回路を備えていてもよい。
前記ガスクーラ、及び、前記インタークーラをユニット化し、このユニットを別置き型としてもよい。
前記冷凍回路にＣＯ２冷媒を充填してもよい。

本発明によれば、従来の二段圧縮式冷凍装置と比較しても、オイル回収は低圧循環サイクルとならず、回収されたオイルを再び圧縮することがなくなり、圧縮機の仕事を減少でき、その分だけＣＯＰが向上する。

本発明の実施形態に係る冷凍装置の冷媒回路図である。 本発明の別の実施形態に係る冷凍装置の冷媒回路図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
＜第１実施形態＞
図１は本発明の実施形態にかかる二段圧縮式冷凍装置Ｒの冷媒回路図である。
本実施例における二段圧縮式冷凍装置Ｒは、冷凍機ユニット３と複数のショーケースユニット５とを備え、これら冷凍機ユニット３と複数のショーケースユニット５とが、冷媒配管７及び９により連結されて所定の冷凍サイクルを構成する。
この冷凍サイクルは、高圧側の冷媒圧力（高圧圧力）が臨界圧力以上（超臨界）となる二酸化炭素を冷媒として用いる。この二酸化炭素冷媒（ＣＯ２冷媒）は、地球環境に優しく、可燃性及び毒性等を考慮した自然冷媒である。また、潤滑油としてのオイルは、例えば鉱物油（ミネラルオイル）、アルキルベンゼン油、エーテル油、エステル油、ＰＡＧ（ポリアルキルグリコール）等、既存のオイルが使用される。

冷凍機ユニット３は、並列に接続された２台の二段圧縮機１１、１１を備える。本実施形態において、二段圧縮機１１、１１は、内部中間圧型２段圧縮式ロータリ圧縮機である。二段圧縮機１１、１１は、鋼板から成る円筒状の密閉容器１２と、この密閉容器１２の内部に収納した回転圧縮機構部とを備えている。この回転圧縮機構部は、密閉容器１２の内部空間の上側に配置収納された駆動要素としての電動要素（モーター）１４と、この電動要素１４の下側に配置され、電動要素１４の回転軸（不図示）により駆動される第１の（低段側）回転圧縮要素（第１の圧縮要素）１８、及び第２の（高段側）回転圧縮要素（第２の圧縮要素）２０と、により構成されている。

第１の回転圧縮要素１８は、冷媒配管９を介して冷媒回路１の低圧側から二段圧縮機１１、１１に吸い込まれる低圧冷媒を圧縮して中間圧まで昇圧して吐出する。第２の回転圧縮要素２０は、第１の回転圧縮要素１８で圧縮されて吐出された中間圧の冷媒を更に吸い込み、圧縮して高圧まで昇圧し、冷媒回路１の高圧側に吐出する。二段圧縮機１１、１１は、周波数可変型の圧縮機であり、電動要素１４の運転周波数を変更することで、第１の回転圧縮要素１８及び第２の回転圧縮要素２０の回転数を制御可能とする。

二段圧縮機１１、１１の密閉容器１２の側面には、第１の回転圧縮要素１８に連通する低段側吸込口２２及び低段側吐出口２４と、第２の回転圧縮要素２０に連通する高段側吸込口２６及び高段側吐出口２８が形成されている。
各二段圧縮機１１、１１の低段側吸込口２２、２２には、それぞれ冷媒導入管３０が接続され、それぞれの上流側で合流し冷媒配管９に接続される。
低段側吸込口２２により第１の回転圧縮要素１８の低圧部に吸い込まれた低圧（ＬＰ：通常運転状態で４ＭＰａ程）の冷媒ガスは、当該第１の回転圧縮要素１８により中間圧（ＭＰ：通常運転状態で８ＭＰａ程）に昇圧されて密閉容器１２内に吐出される。これにより、密閉容器１２内は中間圧（ＭＰ）となる。

密閉容器１２内の中間圧の冷媒ガスが吐出される各二段圧縮機１１、１１の第１の回転圧縮要素１８には低段側吐出口２４、２４が設けられており、低段側吐出口２４、２４には、それぞれ中間圧吐出配管２７、２７が接続されている。中間圧吐出配管２７、２７は、それぞれの下流側で合流し、中間圧オイルセパレータ３９の吸込口３４に接続される。
この中間圧オイルセパレータ３９は、各二段圧縮機１１、１１から吐出された冷媒に混入するオイルを、当該冷媒から分離するオイルセパレータである。中間圧オイルセパレータ３９には、オイル吐出口３５が設けられており、オイル吐出口３５には、中間圧オイル配管３３の一端が接続されている。
各二段圧縮機１１、１１にはオイルポート１３３、１３３が設けられており、中間圧オイル配管３３の他端は、オイルポート１３３、１３３に接続されている。中間圧オイルセパレータ３９により分離されたオイルは、中間圧オイル配管３３を介して、二段圧縮機１１、１１のオイルポート１３３、１３３に送られる。
中間圧オイルセパレータ３９には、冷媒吐出口３６が設けられており、冷媒吐出口３６には、中間圧冷媒配管３７が接続されている。中間圧冷媒配管３７は、インタークーラ３８の一端に接続される。

インタークーラ３８は、第１の回転圧縮要素１８から吐出された中間圧の冷媒を空冷するものであり、当該インタークーラ３８の他端には、中間圧吸入管４０が接続され、この中間圧吸入管４０は２つに分岐した後に各二段圧縮機１１、１１の高段側吸込口２６、２６に接続されている。

高段側吸込口２６により第２の回転圧縮要素２０の中圧部に吸い込まれた中圧（ＭＰ）の冷媒ガスは、当該第２の回転圧縮要素２０により２段目の圧縮が行われて高温高圧（ＨＰ：通常運転状態で１２ＭＰａ程の超臨界圧力）の冷媒ガスとなる。
各二段圧縮機１１、１１の第２の回転圧縮要素２０の高圧室側には高段側吐出口２８、２８が設けられている。高段側吐出口２８、２８には、それぞれ高圧吐出配管４１、４１が接続されている。高圧吐出配管４１、４１は、それぞれの下流側で合流し、高圧オイルセパレータ４４に接続されている。
高段側吐出口２８、２８には、冷媒の吐出圧力を検出する高圧圧力センサ（高圧圧力検出手段）４８と、吐出冷媒温度を検出する吐出温度センサ（吐出温度検出手段）５０とが接続されている。また、高段側吐出口２８、２８には、ガスクーラ４６（高圧オイルセパレータ４４）に向かう方向を順方向とする逆止弁９０を備えた、冷媒調整器９１が設けられている。

高圧オイルセパレータ４４は、各二段圧縮機１１、１１により２段目の圧縮が行われて高温高圧（ＨＰ：通常運転状態で１２ＭＰａ程の超臨界圧力）として吐出された冷媒に混じるオイルを、当該冷媒から分離するオイルセパレータである。
高圧オイルセパレータ４４には、オイル吐出口４８が設けられており、オイル吐出口４８には、高圧オイル配管４９が接続されている。高圧オイル配管４９には中間圧減圧弁１４９が接続されている。高圧オイル配管４９、中間圧減圧弁１４９が、オイル減圧戻し回路を構成している。この高圧オイルセパレータ４４により分離されたオイルは、中間圧減圧弁１４９を介して、中間圧オイルセパレータ３９に送られる。そして、中間圧オイルセパレータ３９から、中間圧オイル配管３３、及び、二段圧縮機１１、１１のオイルポート１３３、１３３を介して二段圧縮機１１、１１に戻される。このとき、二段圧縮機１１、１１の中間圧に対して所定の差圧を発生させ、この差圧によって中間圧オイルセパレータ３９のオイルが二段圧縮機１１、１１の中間圧側に戻される。ここで、中間圧オイル配管３３は、オイル戻し回路を構成している。

高圧オイルセパレータ４４には、高圧冷媒配管４３が接続されており、高圧冷媒配管４３は、ガスクーラ４６の一端に接続されている。
ガスクーラ４６は、二段圧縮機１１、１１から吐出された高圧の吐出冷媒を冷却するものであり、ガスクーラ４６の近傍には当該ガスクーラ４６を空冷するガスクーラ用送風機４７が配設されている。本実施の形態では、ガスクーラ４６はインタークーラ３８と並設されており、これらは同一の風路４５に配設されている。当該風路４５には、当該冷凍機ユニット３が配設される外気温度を検出する、不図示の外気温度センサ（外気温度検出手段）が設けられている。同一の風路４５に配設されたガスクーラ４６等は、リモート式空冷コンデンサー１４７と呼称される。

ガスクーラ４６の他端には、冷媒配管７が接続されており、冷媒配管７には、減圧弁１５１が接続されている。そして、減圧弁１５１は、冷媒配管７を介して、ショーケース５１の一端に接続されている。
ショーケース５１の他端は、冷媒配管９に接続されており、冷媒配管９は、上述したように、冷媒導入管３０を介して各二段圧縮機１１、１１の第１の回転圧縮要素１８に連通する低段側吸込口２２に接続されている。これにより、本実施の形態における二段圧縮式冷凍装置Ｒの冷媒回路１が構成される。

本実施の形態では、二段圧縮機１１、１１と、一段目の吐出部に接続されたインタークーラ３８と、二段目の吐出部に接続されたガスクーラ４６と、を備えている。
そして、一段目の吐出部とインタークーラ３８の間に、中間圧オイルセパレータ３９が配置されると共に、二段目の吐出部とガスクーラ４６の間に、高圧オイルセパレータ４４が配置されている。
さらに、高圧オイルセパレータ４４で分離したオイルが、中間圧減圧弁１４９を介して減圧されて、中間圧オイルセパレータ３９に戻される。中間圧のオイルは、中間圧オイルセパレータ３９から、二段圧縮機１１、１１のオイルポート１３３、１３３を介して二段圧縮機１１、１１に戻される。

本実施の形態では、一段目の吐出部に中間圧オイルセパレータ３９が配置され、二段目の吐出部に高圧オイルセパレータ４４が配置されるため、二段階でオイルを分離でき、二段圧縮機１１、１１から冷媒回路中に流出するオイル量を低減できる。したがって、冷媒回路内のオイルに起因した圧力損失を抑えることができ、この圧力損失の抑制分だけ、圧縮機入力の電力量の増加を防止できる。
冷媒回路中に流出するオイル量を低減できるため、ガスクーラ４６等の配管内に存在するオイルと冷媒との間の熱交換効率を向上できる。これらメリットは、インタークーラ３８についても同様にいえることであり、冷媒回路中に流出するオイルによってインタークーラ３８の熱交換効率が低下することがない。

本実施の形態では、中間圧オイルセパレータ３９、及び、高圧オイルセパレータ４４で分離したオイルは、すべて中間圧に減圧されて、圧縮機に設けたオイルポート１３３、１３３からそれぞれの二段圧縮機１１、１１に戻される。
そのため、特許文献１の二段圧縮式冷凍装置と比較しても、オイル回収は低圧循環サイクルとならず、回収されたオイルを再び圧縮することがなくなり、圧縮機の仕事を減少でき、その分だけＣＯＰが向上する。
また、本実施の形態では、上述のように中間圧オイルセパレータ３９と高圧オイルセパレータ４４とを、高圧オイル配管４９で接続し、高圧オイル配管４９に、中間圧減圧弁１４９を接続するだけの構成であり、装置の複雑化が避けられ、製造負荷や製造原価を抑えることが可能となる。

リモート式空冷コンデンサー１４７を用いた場合には、中間圧冷媒配管３７、中間圧吸入管４０、高圧冷媒配管４３の長さが１００ｍ程度に長くなる場合がある。
本実施の形態では、インタークーラ３８やガスクーラ４６に流入するオイル量を低減できるため、中間圧冷媒配管３７、中間圧吸入管４０、高圧冷媒配管４３の長くなる、リモート式空冷コンデンサー１４７を用いたシステムに特に高い効果が得られる。

＜第２実施形態＞
図２は、オイルクーラを用いた二段圧縮式冷凍装置２Ｒを示す図である。なお、図２に示す二段圧縮式冷凍装置２Ｒにおいて、図１に示す二段圧縮式冷凍装置Ｒと同様の構成については同一の符号を付し、その説明を省略した。
図１に示した二段圧縮式冷凍装置Ｒでは、中間圧オイルセパレータ３９は、中間圧オイル配管３３を介して二段圧縮機１１、１１に接続されているが、図２に示したオイルクーラを用いた二段圧縮式冷凍装置２Ｒでは、中間圧オイルセパレータ３９は、オイルクーラ５３、中間圧オイル配管３３を介して二段圧縮機１１、１１に接続されている。すなわち、中間圧オイルセパレータ３９は、中間圧オイルセパレータ３９のオイル吐出口３５から、オイル戻し配管５４によりオイルクーラ５３に接続され、オイルクーラ５３には、中間圧オイル配管３３が接続されている。中間圧オイル配管３３は、二段圧縮機１１、１１のオイルポート１３３、１３３に接続されている。
また、オイルクーラ５３は、ガスクーラ４６およびインタークーラ３８と並設されており、これらは同一の風路４５に配設されている。

この構成によれば、中間圧オイルセパレータ３９により分離されたオイルは、オイル戻し配管５４を介してオイルクーラ５３に運ばれる。そして、オイルクーラ５３により冷却され、中間圧オイル配管３３、及び、二段圧縮機１１、１１のオイルポート１３３、１３３を介して二段圧縮機１１、１１に戻される。このとき、二段圧縮機１１、１１の中間圧に対して所定の差圧を発生させ、この差圧によって中間圧オイルセパレータ３９のオイルが二段圧縮機１１、１１の中間圧側に戻される。オイル戻し配管５４、オイルクーラ５３、中間圧オイル配管３３は、オイル戻し回路を構成している。

本実施の形態では、中間圧オイルセパレータ３９、及び、高圧オイルセパレータ４４で分離したオイルは、すべて中間圧に減圧され、さらに、オイルクーラ５３により冷却されて、二段圧縮機１１、１１に設けたオイルポート１３３、１３３からそれぞれの二段圧縮機１１、１１に戻される。
そのため、特許文献１の二段圧縮式冷凍装置と比較しても、オイル回収は低圧循環サイクルとならず、回収されたオイルを再び圧縮することがなくなり、しかも、オイルクーラ５３により冷却してオイルを二段圧縮機１１、１１に戻すため、圧縮機の仕事を減少でき、その分だけＣＯＰが向上する。

以上、本実施の形態に基づいて本発明を説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。あくまでも本発明の一実施の態様を例示するものであるから、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で任意に変更、及び応用が可能である。

３ 冷凍機ユニット
５ ショーケースユニット
１１ 二段圧縮機
１２ 密閉容器
１４ 電動要素
１８ 第１の回転圧縮要素
２０ 第２の回転圧縮要素
３９ 中間圧オイルセパレータ
３３ 中間圧オイル配管
３８ インタークーラ
４４ 高圧オイルセパレータ
４９ 高圧オイル配管
１３３ オイルポート
１４９ 中間圧減圧弁

Claims (4)

1. 二段圧縮機と、一段目の吐出部に接続されたインタークーラと、二段目の吐出部に接続されたガスクーラと、を備え、高圧側が超臨界状態となる冷凍回路を備えた二段圧縮式冷凍装置において、一段目の吐出部とインタークーラの間に、中間圧オイルセパレータを配置し、二段目の吐出部とガスクーラの間に、高圧オイルセパレータを配置し、高圧オイルセパレータで分離したオイルを減圧して、中間圧オイルセパレータに戻す、オイル減圧戻し回路を備えたことを特徴とする二段圧縮式冷凍装置。
2. 前記中間圧オイルセパレータで分離したオイルを、前記二段圧縮機のオイルポートに戻すオイル戻し回路を備えたことを特徴とする請求項１に記載の二段圧縮式冷凍装置。
3. 前記ガスクーラ、及び、前記インタークーラをユニット化し、このユニットを別置き型としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の二段圧縮式冷凍装置。
4. 前記冷凍回路にＣＯ２冷媒を充填したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の二段圧縮式冷凍装置。