JP2017003212A - 圧縮式冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機を潤滑する潤滑油の温度を適正範囲に保ちつつ、冷媒系統に漏洩した潤滑油を安価に回収できる圧縮式冷凍機を提供する。
【解決手段】冷媒と相溶性のある潤滑油により軸受を含む摺動部を潤滑している圧縮式冷凍機において、インゼクタ１０により蒸発器３中の冷媒液を吸引し、潤滑油タンク５に注入することにより、蒸発器３中の冷媒に溶解した潤滑油を回収するように構成した圧縮式冷凍機であって、インゼクタ１０の駆動流体をインゼクタ１０に導く導管中もしくは蒸発器３から吸引される冷媒液をインゼクタに導く導管４ＢＰ中に制御弁１２を設け、潤滑油温度があらかじめ定められた温度以上になった場合に制御弁１２を開とし、上記潤滑油の回収動作を開始する。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮式冷凍機に係り、特に圧縮機を潤滑する潤滑油の温度を適正範囲に保ちつつ、冷媒系統に漏洩した潤滑油を回収できる圧縮式冷凍機に関するものである。

圧縮式の冷凍機は圧縮機を備えるが、圧縮機には多くの場合潤滑油による潤滑が必要である。この場合の潤滑油は、一般に冷媒と相溶性のあるものが選定される。このようにすると、潤滑油が冷媒に溶解することで、冷媒系統に漏洩した潤滑油は冷媒とともに機内を循環するので、回収が容易となるからである。相溶性のない潤滑油を用いると、機内の意図しないところに潤滑油が滞留しやすく、回収が難しくなる。
漏洩した潤滑油は、多くが、蒸発器の蒸発冷媒蒸気中に油滴として存在するか、蒸発器内の冷媒液中に溶存している。したがって、これらの潤滑油を回収する場合、冷媒蒸気中の油滴を捕集して回収する方法と、冷媒液中の潤滑油を蒸留して回収する方法とがある。後者の場合、濃縮装置等を用いて潤滑油濃度を高めて回収する方法と、冷媒液を直接潤滑油タンク等に導く方法とがある。

図３は、冷媒液を直接潤滑油タンクに導く方式（ここでは冷媒回収方式と称する）の従来例を示す模式図である。冷媒回収方式の場合、蒸発器の圧力は冷凍機の中で最も低く、かつ低位置にあるため、回収にはインゼクタを用いることが多い。すなわち、図３に示すように、圧縮機１の吐出口（もしくは凝縮器２）から導いた高圧の冷媒蒸気などを用いてインゼクタ１０を駆動し、蒸発器３内の冷媒液を吸い上げる。駆動に用いた冷媒蒸気と吸い上げられた冷媒液は、混合した状態で潤滑油タンク５に導かれる。潤滑油は軸受や歯車等の発熱により加熱されているため、導かれた冷媒は直ちに気化し、溶存していた潤滑油は潤滑油タンク５に残留する。潤滑油タンク５は、蒸発器３もしくは圧縮機１の吸込み口と均圧されているため、気化した冷媒は圧縮機１に吸込まれて再度循環する。

潤滑油タンク５内の潤滑油は潤滑油ポンプ６により圧縮機１に圧送されて軸受や歯車等を潤滑する。潤滑油はオイルクーラ７および潤滑油タンク５内のオイルヒータ８により温度制御されている。図１に示すような冷媒回収方式は濃縮装置等が不要で、安価に潤滑油が回収できるのが利点である。

特開２０１４−１９０６１４号公報

しかしながら、近年は軸受や歯車の損失が低減され、圧縮機の発熱量、すなわち潤滑油の加熱量は低下している。さらに近年、周波数変換器を用いた可変速駆動（いわゆるインバータ駆動）など、変速による容量制御が一般的になっているが、この場合、圧縮機の回転速度の低下により軸受等の損失も小さくなり、すなわちさらに加熱量が低下する。
このため、冷媒を直接導く前述の方式では、加熱量が足らず潤滑油温度が低下しすぎる場合がある。このため、回収する冷媒量を少なくしたり、潤滑油タンクに戻す前に冷媒液を予熱するなどの対策が必要となっている。

図４は、蒸発器から回収された冷媒液を予熱する場合の例を示す模式図である。図４に示す例では、インゼクタ１０の出口に冷媒ヒータ１１を設けている。その他の構成は、図３に示す構成と同様である。冷媒ヒータ１１は圧縮機１の吐出冷媒の凝縮熱により、回収された冷媒液を加熱する。加熱された冷媒液は一部が気化し、濃縮された冷媒液と冷媒蒸気となって潤滑油タンク５に導かれる。すなわち、冷媒ヒータ１１は濃縮装置の一種として働く。しかし、これは冷凍機のコストアップにつながり、安価が身上の冷媒回収方式では特に好ましくない。また、特にインバータ駆動の圧縮式冷凍機は発熱量が大きく変化するため、冷媒ヒータの加熱量を適正に調整するのも難しい。
一方、回収冷媒量を小さくすれば、当然、比例して潤滑油の回収能力が小さくなる。このため、安価に十分な潤滑油回収能力を確保することが難しくなっている。回収能力が漏洩量を下回ると、潤滑油不足による油圧の低下など故障の原因となる。

本発明は、上述の事情に鑑みなされたもので、圧縮機を潤滑する潤滑油の温度を適正範囲に保ちつつ、冷媒系統に漏洩した潤滑油を安価に回収できる圧縮式冷凍機を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の圧縮式冷凍機は、冷媒と相溶性のある潤滑油により軸受を含む摺動部を潤滑している圧縮式冷凍機において、インゼクタにより蒸発器中の冷媒液を吸引し、潤滑油タンクに注入することにより、蒸発器中の冷媒に溶解した潤滑油を回収するように構成した圧縮式冷凍機であって、インゼクタの駆動流体をインゼクタに導く導管中もしくは蒸発器から吸引される冷媒液をインゼクタに導く導管中に制御弁を設け、潤滑油温度があらかじめ定められた温度以上になった場合に前記制御弁を開とし、上記潤滑油の回収動作を開始することを特徴とする。

本発明では、潤滑油中に冷媒を投入することを潤滑油の冷却手段の一つと考えることとした。すなわち、潤滑油温度があらかじめ設定した温度以上に上昇すると、制御弁を開き回収用のインゼクタにより、蒸発器から冷媒を回収することとした。この設定温度は、もう一つの冷却手段である潤滑油を冷却するオイルクーラが動作する温度以下とするのがよい。
このとき、あらかじめ設定する温度を潤滑油を加熱するオイルヒータの動作する温度以上とすると、オイルヒータの運転される時間を最小化でき、省エネルギーに寄与する。
一方、あらかじめ設定する温度を潤滑油を加熱するオイルヒータの動作する温度より低くすると、冷媒中の潤滑油回収量が増え、潤滑油の回収量が最大化される。

本発明の好ましい態様によれば、前記インゼクタの駆動流体は、圧縮機の吐出側もしくは凝縮器の冷媒蒸気であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記インゼクタの駆動流体は、前記潤滑油タンクから潤滑油ポンプにより圧送される潤滑油であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記制御弁は、前記あらかじめ定められた温度より所定温度低い潤滑油温度になったときに、閉とすることを特徴とする。

本発明の好ましい態様によれば、前記制御弁を開閉する潤滑油温度範囲は、潤滑油を冷却するオイルクーラが動作する温度以下に設定されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記潤滑油温度を計測する温度センサを、潤滑油タンク内もしくは、潤滑油タンクからオイルクーラに至る配管のいずれかの位置に設けたことを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記潤滑油タンク内の潤滑油を加温するオイルヒータにより、前記制御弁を開閉する潤滑油温度範囲内に潤滑油温度を保つようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、インバータ駆動等を用いているために発熱量が小さく、潤滑油の油温が低下しやすい圧縮式冷凍機であっても、十分な潤滑油の回収能力を持ちながら油温の低下を防ぐことが可能となる。したがって、潤滑油の加熱量が多い場合でも少ない場合でも、潤滑油温度を適正範囲に保ちながら、冷媒系統に漏洩した潤滑油を安価に回収することができる。

図１は、本発明に係る圧縮式冷凍機の第１の実施形態を示す模式図である。 図２は、本発明に係る圧縮式冷凍機の第２の実施形態を示す模式図である。 図３は、冷媒液を直接潤滑油タンクに導く方式の従来例を示す模式図である。 図４は、蒸発器から回収された冷媒液を予熱する場合の例を示す模式図である。

以下、本発明に係る圧縮式冷凍機の実施形態を図１および図２を参照して説明する。図１および図２において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
図１は、本発明に係る圧縮式冷凍機の第１の実施形態を示す模式図である。図１に示すように、圧縮式冷凍機は、冷媒を圧縮する圧縮機１と、圧縮された冷媒ガスを冷却水（冷却流体）で冷却して凝縮させる凝縮器２と、冷水（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３とを備え、これら各機器を冷媒が循環する冷媒配管４によって連結して構成されている。

本実施形態では、インゼクタ１０の駆動流体として圧縮機１の吐出冷媒蒸気を用い、蒸発器３から冷媒液を吸引する。圧縮機１の吐出口に接続された冷媒配管４から分岐して駆動冷媒蒸気をインゼクタ１０に導く導管４ＢＰの途中には、電磁弁（制御弁）１２が設けられている。電磁弁１２を開閉することで、蒸発器３からの冷媒液の回収（吸引）を制御できる。
一般に、冷凍機の圧縮機の潤滑油は常時一定の温度に保持されている。これは、潤滑油が冷媒と相溶性があるがゆえに、温度が低下すると冷媒が溶け込み、粘度が不足したり、溶存する冷媒が気化することで潤滑油ポンプのキャビテーションの元となったりするからである。一方で、潤滑油温度が上昇しすぎると、やはり粘度の低下や軸受の過熱を招いたりする。したがって、潤滑油には適温があり、これは一般に５０〜６０℃程度である。本実施形態では、冷凍機は潤滑油の温度を検出し、オイルクーラ７の制御により潤滑油温度を適正範囲に保っている。

上述したように、潤滑油は軸受や減速機の発熱に伴い、運転中は徐々に温度が上昇する。このため、潤滑油の温度が上昇すると凝縮器２からオイルクーラ７に冷媒液を送り込み、潤滑油を冷却させる。ここで仮に、オイルクーラ７を動作させる温度を６０℃とし、停止させる温度を５５℃とする。
本実施形態では、冷凍機の運転中、潤滑油の温度が５５℃を超えると、前述の駆動冷媒蒸気の制御用の電磁弁１２を開とし、５０℃を下回ると電磁弁１２を閉とする。圧縮機１が比較的高負荷（高回転速度）で運転している場合などで、冷媒の回収に伴う潤滑油の冷却量よりも潤滑油の加熱量が大きい場合、電磁弁１２が開となっていても潤滑油の温度は徐々に上昇し、ついには６０℃となり、オイルクーラ７が動作する。オイルクーラ７が動作すると、潤滑油温度は徐々に低下を始め、５５℃まで冷却されるとオイルクーラ７が停止する。すなわち、潤滑油の油温は５５〜６０℃の範囲内に保たれることとなる。

一方、圧縮機１が比較的低負荷（低回転速度）で運転している場合などで、冷媒の回収に伴う潤滑油の冷却量よりも潤滑油の加熱量が小さい場合、潤滑油温度は徐々に低下し、５０℃を下回る。５０℃を下回ると電磁弁１２が閉じるため、冷媒液の回収が止まり潤滑油の温度も上昇を始める。すなわち、油温は５０〜５５℃の範囲に保たれることとなる。
すなわち、冷媒液を回収するために設定する温度（５０〜５５℃）を、オイルクーラ７の動作する温度（５５〜６０℃）よりも低く設定し、なおかつ両者をともに潤滑油が潤滑条件を維持できる温度とすることで、潤滑油の加熱量が多い場合でも少ない場合でも、潤滑油の温度を適正な範囲（５０〜６０℃）に保つことができる。
なお、潤滑油の油温は潤滑油の供給温度としてもよく、潤滑油タンク５内の潤滑油の温度としてもよいが、オイルクーラ７の動作による温度の変動が小さい点で潤滑油タンク５内の潤滑油温度を用いて制御するほうがよい。また、潤滑油が潤滑油ポンプにより圧送され、オイルクーラで冷却されるまでの間の温度変化は小さいので、この間の配管のいずれかに潤滑油温度を計測する温度センサを設ければ同等の効果を得られる。本実施形態では、潤滑油タンク５内の潤滑油の温度を計測する温度センサ１３が設置されている。

また、運転中に潤滑油の温度が低下した場合、たとえば５２℃を下回ると、潤滑油タンク５内のオイルヒータ８が動作し、５５℃を超えると停止するようにしてもよい。このようにすると、回収用の電磁弁１２が動作している間、不足した加熱量をオイルヒータ８によりまかなうことで油温は上昇を始める。これにより潤滑油温度は５２〜５５℃の間で制御されることとなり、冷媒液の回収が継続される。あるいは、潤滑油の回収量を代表する量、たとえば、電磁弁１２が開となっている積算の時間、あるいは潤滑油タンク５内の潤滑油の液面をオイルヒータ８の運転条件に加えてもよい。すなわち、電磁弁１２の開時間があらかじめ設定された時間を下回っている場合、あるいは潤滑油の液面が低下している場合にのみ、オイルヒータ８を運転することとすると、オイルヒータ８によるエネルギー消費を抑えながら、潤滑油の減少によるトラブルの発生を回避することができる。

図２は、本発明に係る圧縮式冷凍機の第２の実施形態を示す模式図である。
本実施形態では、インゼクタ１０の駆動流体として潤滑油ポンプ６の吐出液（潤滑油）を用い、蒸発器３から冷媒液を回収する導管１４の途中に電磁弁１５を設けている。また、凝縮器２からオイルクーラ７に冷媒液を送り込み、潤滑油を冷却するための導管１７に自動弁１８を設けている。オイルクーラ７の出口側に、オイルクーラ７から圧縮機１へ供給される潤滑油の温度を計測する温度センサ１９が設置されている。オイルクーラ７から圧縮機１へ供給される潤滑油の供給油温が一定となるように自動弁１８の開度が制御される。供給油温の設定温度を仮に５７℃とする。

本実施形態では、制御用の電磁弁１５は、潤滑油の温度が５５℃で開き、５０℃で閉じることとする。すなわち、冷媒の回収に伴う潤滑油の冷却量よりも潤滑油の加熱量が大きい場合、電磁弁１５が開となっていても潤滑油の温度は徐々に上昇するが、オイルクーラ７の制御により潤滑油温度はおよそ５７℃に維持される。
一方、冷媒の回収に伴う潤滑油の冷却量よりも潤滑油の加熱量が小さい場合、潤滑油温度は徐々に低下し、５０℃を下回る。５０℃を下回ると電磁弁１５が閉じるため、冷媒液の回収が止まり潤滑油の温度も上昇を始める。すなわち、潤滑油の油温は５０〜５５℃の範囲に保たれることとなる。このようにしても、潤滑油の温度は適正範囲に維持される。

これまで本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術思想の範囲内において、種々の異なる形態で実施されてよいことは勿論である。

１ 圧縮機
２ 凝縮器
３ 蒸発器
４ 冷媒配管
４ＢＰ 導管
５ 潤滑油タンク
６ 潤滑油ポンプ
７ オイルクーラ
８ オイルヒータ
１０ インゼクタ
１１ 冷媒ヒータ
１２ 電磁弁
１３ 温度センサ
１４ 導管
１５ 電磁弁
１７ 導管
１８ 自動弁
１９ 温度センサ

Claims (7)

1. 冷媒と相溶性のある潤滑油により軸受を含む摺動部を潤滑している圧縮式冷凍機において、インゼクタにより蒸発器中の冷媒液を吸引し、潤滑油タンクに注入することにより、蒸発器中の冷媒に溶解した潤滑油を回収するように構成した圧縮式冷凍機であって、
   インゼクタの駆動流体をインゼクタに導く導管中もしくは蒸発器から吸引される冷媒液をインゼクタに導く導管中に制御弁を設け、潤滑油温度があらかじめ定められた温度以上になった場合に前記制御弁を開とし、上記潤滑油の回収動作を開始することを特徴とする圧縮式冷凍機。
2. 前記インゼクタの駆動流体は、圧縮機の吐出側もしくは凝縮器の冷媒蒸気であることを特徴とする請求項１記載の圧縮式冷凍機。
3. 前記インゼクタの駆動流体は、前記潤滑油タンクから潤滑油ポンプにより圧送される潤滑油であることを特徴とする請求項１記載の圧縮式冷凍機。
4. 前記制御弁は、前記あらかじめ定められた温度より所定温度低い潤滑油温度になったときに、閉とする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圧縮式冷凍機。
5. 前記制御弁を開閉する潤滑油温度範囲は、潤滑油を冷却するオイルクーラが動作する温度以下に設定されていることを特徴とする請求項４記載の圧縮式冷凍機。
6. 前記潤滑油温度を計測する温度センサを、潤滑油タンク内もしくは、潤滑油タンクからオイルクーラに至る配管のいずれかの位置に設けたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の圧縮式冷凍機。
7. 前記潤滑油タンク内の潤滑油を加温するオイルヒータにより、前記制御弁を開閉する潤滑油温度範囲内に潤滑油温度を保つようにしたことを特徴とする請求項４乃至６のいずれか一項に記載の圧縮式冷凍機。

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