JP3557299B2

JP3557299B2 - ヒートポンプシステムの潤滑油の冷却方法

Info

Publication number: JP3557299B2
Application number: JP29581295A
Authority: JP
Inventors: 政敏寺崎
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-11-14
Filing date: 1995-11-14
Publication date: 2004-08-25
Anticipated expiration: 2015-11-14
Also published as: JPH09138009A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷凍装置や冷房、暖房各モードを有するヒートポンプシステムにおいて、特に比較的高い水温を利用して運転効率を高める中、大容量のヒートポンプシステムの潤滑油の冷却方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ヒートポンプシステムは、一般に、蒸発器、凝縮器、そして、前記蒸発器で発生した冷媒ガスを加圧する圧縮機と、さらに、この圧縮機を駆動する駆動源などから構成される。また、比較的容量の大きなヒートポンプシステムにおいては、例えば暖房用の温水を取り出すため、外部から供給される比較的高い水温（２０℃前後）の熱源水を蒸発器に通し、この蒸発器で発生したガスを圧縮機により圧縮して凝縮器へ送り、この凝縮器を介して、上記蒸発器より汲み上げた熱と前記圧縮機の駆動源からの入熱を利用し、温水として供給することが行われている。かかるヒートポンプシステムでは、例えば年間を通じて運転される産業機器が併設された工場空調設備のように、産業機器を冷却することにより発生する比較的高い水温が、その熱源水として利用され、供給される温水は冬期の暖房に利用されることとなる。このことは、比較的水温の高い熱源水を用いることにより、圧縮機の所要動力を低減することが可能になるというメリットを享受出来ることによる。
【０００３】
ところで、上記のような比較的容量の大きいヒートポンプでは、冷媒ガスを加圧する圧縮機として遠心形羽根車を用い、さらに、この遠心形羽根車を増速歯車により所要回転数まで昇速させる増速装置を内蔵した密閉形のものが採用されている。これは、例えば日本冷凍協会発行「ターボ冷凍機」Ｐ１７２に記載され、既に知られている。
【０００４】
また、従来、この種の、いわゆる中、大容量のヒートポンプに用いる冷媒としては、低圧冷媒であるＣＦＣ１１が多く用いられていが、一方、近年の地球環境問題から、塩素原子を含むＣＦＣ１１等の特定フロンの生産が全面的に廃止され、これに代わる代替フロンとして、例えば高圧冷媒であるＨＦＣ１３４ａや、混合冷媒などが実用化されるに至っている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のようなヒートポンプシステムでは、上記の熱源水の温度が高いと、それに伴い、蒸発器内の圧力も上昇し、さらには、圧縮機内の冷媒ガスの圧力も上昇する。このようなガス圧力の上昇により、一般に、ガス密度は高くなり、そのため、かかる高密度の冷媒ガス中を増速歯車が回転すると、ガスと回転体の間に発生する円板摩擦損失が増加し、機械的損失が増加することとなる。さらには、圧縮機の給油系統を冷却するために用いられる油クーラの熱負荷が増大することともなる。
【０００６】
加えて、地球環境問題から、上記ＣＦＣ１１等の特定フロンに代え、代替フロンであるＨＦＣ１３４ａを用いたヒートポンプの場合には、このＨＦＣ１３４ａはＣＦＣ１１に比べ、例えば２０℃における飽和温度についての冷媒ガス密度で比較すると、約５〜６倍と高くなり、前記円板摩擦も同様の比率で増加する。このため、かかる機械的損失の増大のため、ＨＦＣ１３４ａを用いたヒートポンプの圧縮機の給油系統に設けられる油クーラでは、ＣＦＣ１１を用いたヒートポンプの圧縮機の給油系統に設けられる油クーラに比べて、その伝熱面積が大きな油クーラを採用する必要があった。すなわち、以上のように、上記の従来技術では、代替フロンである高圧冷媒を用いたことに伴い、そのヒートポンプを構成する圧縮機の給油系統に用いる油クーラを伝熱面積の大きなものにする必要があった。
【０００７】
一方、上記のヒートポンプの仕様では、一般的に、夏期に冷房運転に切替える冷房モードと、冬期に暖房運転に切替える暖房モードとを含んで構成されるが、かかる各モードでの運転状況を比較すると、蒸発器内における冷媒ガスの圧力の差が大きく、このため円板摩擦による機械損失にも大きな差異が生じる。そのため、油クーラの伝熱面積を暖房モードに合わせて決定した場合、冷房モードの際には、上記油クーラの冷却能力がむしろ過大になり、そのため、給油系統により圧縮機へ供給される潤滑油の温度が規定よりも低くなってしまう。また、この油クーラの冷却能力の過大は、圧縮機内の潤滑油粘度の増加を招き、さらには、給油系統における圧力損失の増加により油量が減少して軸受が焼損に至るなどの問題を生じる可能性も指摘される。
【０００８】
そこで、本発明では、上記の従来技術における問題点に鑑み、代替フロンを採用した場合でも上記従来技術において指摘したような問題点を生じることのない、冷房及び暖房モードの運転が可能な改良されたヒートポンプシステムの潤滑油の冷却方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の目的を達成するため、熱源水により内部の冷媒を蒸発して冷媒ガスを発生する蒸発器と、前記蒸発器で発生した冷媒ガスを吸い込んで加圧する圧縮機と、前記圧縮機で加圧された冷媒ガスを放熱液化して前記蒸発器に還流する凝縮器と、前記圧縮機を駆動する駆動源を備え、さらに、前記圧縮機への給油系統を設け、この給油系統には、前記圧縮機からの潤滑油の冷却のための油クーラを設けたヒートポンプシステムの潤滑油の冷却方法であって、前記蒸発器内の冷媒と熱交換された熱源水の出口温度より負荷側の使用条件を検出し、前記使用条件に応じて前記凝縮器と前記油クーラの間に設けた電動弁を調整することにより、前記油クーラによる潤滑油の冷却能力を調整し、また変更することを特徴とするヒートポンプシステムの潤滑油の冷却方法が提案される。
【００１１】
すなわち、上記の本発明により提案されるヒートポンプシステムの潤滑油の冷却方法によれば、油クーラの伝熱面積を使用条件に応じて変更可能にすることにより、ヒートポンプシステムの各使用状態での安定した運転状態を可能にするものである。そして、以下にも詳細に説明する実施の形態に沿って説明すれば、ヒートポンプの仕様条件に応じて給油系統の油クーラ容量を適性に保持するために、油クーラを複数個、あるいは、内部に複数の伝熱面積群を有する１の油クーラを導入し、油クーラへ供給する冷却媒体を、条件に応じてその供給量をバルブ操作で調整し、又は、止めることにより、代替フロンのような高圧冷媒を使用した場合にも、給油温度を適性範囲に保持する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照し、詳細に説明する。本発明の実施の形態になるヒートポンプシステムの、特に、その冷房モードにおける構成が、添付の図１に示されている。図において、このヒートポンプシステムは、蒸発器１０と、凝縮器２０と、冷媒ガスを加圧するための圧縮機３０と、そして、この圧縮機３０を駆動するため、例えば電動モータ等によりなる駆動源４０を備えており、さらに、上記圧縮機３０は潤滑油を冷却するための給油系統６０を備えている。
【００１３】
さらに詳細に説明すると、蒸発器１０の内部には、代替フロン、例えばＨＦＣ１３４ａが封入されており、一方、配管１１を介して、例えば産業機器等を冷却することにより発生する比較的高い水温（２０℃前後）の熱源水がその内部配管１２に導かれ、ここで熱交換された後に出口配管１３から出力される。また、この蒸発器１０の上部にも配管１４が設けられ、この配管を介して、蒸発器１０内で蒸発した冷媒ガスが上記圧縮機３０へ導かれる。
【００１４】
次に、この圧縮機３０内では、電動モータ等の駆動源４０により回転駆動される増速歯車３５などの増速装置、さらには、図示しない遠心形羽根車等により、その内部に導かれた冷媒ガスが圧縮される。そして、この圧縮機３０内で圧縮された冷媒は、圧縮機３０の下部に設けられた配管３１を介して凝縮器２０へ供給される。また、圧縮機３０内の潤滑油は、やはり圧縮機３０の下部に設けられた他の配管３２を介して給油系統６０へ送出されて冷却され、再び、戻ってくる構成となっている。なお、図中の符号３３は、上記給油系統６０へ潤滑液を送出するための油ポンプである。
【００１５】
凝縮器２０では、上記圧縮機３０から配管３１を介して送出された圧縮冷媒ガスは、その内部配管２１内を通る水等の冷媒へ放熱して液化し、これにより、この内部配管２２内を通る水は加熱されて、温水が供給される。また、この凝縮器２０の底部に設けられた配管２２は、上記蒸発器１０の底部に接続され、これにより、凝縮器２０内で液化された冷媒が再び蒸発器１０へ循環される。この凝縮器２０の底部には、さらに他の配管２３が設けられ、この配管２３により、凝縮器２０内の液化した冷媒が上記給油系統６０へ送出される構成となっている。
【００１６】
そして、上記の給油系統６０は、図からも明らかなように、上記の凝縮器２０からの配管２３に直列に接続された複数（この例では２個）の油クーラ６１、６２と、油ストレーナ６３と、電動弁６４とそれを駆動する電動機６５などの駆動源とから構成されている。なお、凝縮器２０からの配管２３は、その途中から２つに分岐されて２個の油クーラ６１、６２に導かれており、また、油ストレーナ６３からの潤滑油を再び圧縮機３０へ導くための戻り配管６６が設けられている。加えて、電動弁６４を駆動する電動機６５は、操作盤７０に電気的に接続され、蒸発器１０の熱源水の出口配管１３に設けられた温度を感知するセンサ７５も、また、この操作盤７０に電気的に接続されている。
【００１７】
続いて、上記に説明した構成のヒートポンプシステムにおける動作について説明すると、配管１１を介して熱源水がその内部配管１２に導かれる蒸発器１０内では、その比較的高い水温により吸熱して冷媒ガスを生じ、この冷媒ガスが配管１４を介して圧縮機３０内に導かれ、ここで圧縮された後、凝縮器２０へ送り込まれて放熱して液化され、これにより内部配管２１内を通る水を加熱して温水を供給することは、従来のヒートポンプと同様である。また、この時、上記圧縮機３０内の潤滑油が、油ポンプ３３から上記給油系統６０へ送出され、その後、再び戻ってくることも同様である。
【００１８】
ところで、本発明のヒートポンプシステムでは、圧縮機３０の油ポンプ３３から給油系統６０へ送出された潤滑油は、この給油系統６０を構成する２つの油クーラ６１、６２へ供給されるが、これら２つの油クーラ６１、６２は、配管３２を介して直列に配置されている。一方、これら２つの油クーラ６１、６２へ供給される冷媒は、凝縮器２０から配管２３を介して供給され、分岐された後、その一方は油クーラ６１へ、他の冷媒は、上記電動弁６４を経て他の油クーラ６２へ導かれており、その後は、再び合流され、配管６７を介して蒸発器１０へと導かれている。
【００１９】
上記に詳細に説明した、本発明のヒートポンプシステムにおける給油系統６０の動作について、以下に詳細に説明する。
まず、蒸発器１０の出口配管１３における熱源水の温度が規定温度（ｔ_０）以上の運転状態にある場合には、この熱源水の出口温度が、上記のセンサ１３により検出され、操作盤７０を介して、上記の電動機６５に対して、開信号が発信される。これにより、電動弁６４は開弁し、これにより、圧縮機３０の油ポンプ３３から送出された冷媒液は、まず、油クーラ６１に供給されてここで冷却され、さらに、油クーラ６２にて冷却されることとなる。
【００２０】
一方、熱源水の出口温度が、規定温度（ｔ_０）以下の運転状態にある場合には、上記センサ７５から温度検出信号を受けた操作盤７０は、上記電動機６５に対して、閉信号を発信する。これにより、電動弁６４はその弁を閉止し、これにより、油クーラ６２には上記凝縮器２０からの冷媒の供給が断たれ、そのため、油クーラ６１のみの油冷却となる。なお、上記の油クーラ６１、６２、あるいは油クーラ６１により冷却された冷媒は、その後、さらに、油ストレーナ６３を通って、再び、圧縮機３０へ戻る。ここで、油クーラ６１、６２の冷却媒体として代替フロンが用いられるが、凝縮器２０から供給された冷媒液は、油クーラ６１、６２の入口に設けた調整弁により、これら油クーラ内部で蒸発器１０の蒸発器内圧力まで膨張し、その際の潜熱により油の冷却が行われる。
【００２１】
このように、上記の本発明の実施の形態であるヒートポンプシステムでは、給油系統６０の油クーラを構成する２つの油クーラ６１、６２を選択的に機能させることにより、給油系統６０の油冷却能力を変え、すなわち油クーラの伝熱面積を可変にし、これにより、熱源水の温度の設定モードが変わるようなヒートポンプの仕様に対して、各々の給油温度を適性状態に保持することが可能になる。
【００２２】
上記の実施の形態では、油クーラを複数（２つ）の油クーラ６１、６２により構成し、これらを選択的に用いることにより、この油クーラの冷却能力を適宜変化させることを可能にしている。このように、油クーラを複数にするメリットは、例えば標準冷房仕様機種を用いてヒートポンプ仕様に対応させる場合に油クーラも比較的安価な量産品を使用でき、暖房モードによる油クーラ容量増加分に相当する補助クーラの追加設置で対応することによりコストの低減が図れることが挙げられる。しかしながら、本発明は、このような構成のみに限られず、この油クーラを、図２及び図３に示すように、単数に構成する、すなわち、可変容量の油クーラを１個の熱交換機により構成することも可能である。
【００２３】
すなわち、図２及び図３に示すように、この油クーラを構成する熱交換機は、いわゆる、シェルアンドチューブ式の熱交換機であり、例えば円筒形状の油クーラのケーシング本体１６０の内部には、複数の配管の束からなるチューブバンドル１６１ａ、１６１ｂを配置して構成し、これらチューブバンドル１６１ａ、１６１ｂの両端には、冷媒流入側ケース１６２と冷媒流出側ケース１６３を形成したものである。さらに、この熱交換機では、これら冷媒流入側ケース１６２と冷媒流出側ケース１６３の内部には、これらケース内部の空間を複数（この例では、２つ）に分割する仕切り板１６４、１６５が設けられ、もって、その内部において複数（２つ）に分割し、換言すれば、内部を２つの伝熱面積群に分割したものである。そして、圧縮機３０から送出された潤滑油はケーシング本体１６０の内部においてチューブバンドル１６１ａ、１６１ｂと選択的に接触して熱交換しながら冷却が行われる。また、これらの図において、上記図１と同じ符号は、図１と同様の構成要件を示している。
【００２４】
このような熱交換機を利用することにより、やはり、上記図１の実施の形態になるヒートポンプシステムと同様に、熱源水の出口温度に応じて、冷媒供給側（すなわち、凝縮器２０側）の電動弁６４を開又は閉とすることにより、内部のチューブバンドル１６１ａ、１６１ｂを両方又は片方だけを使い分けることが可能となり、これにより、給油系統６０による給油温度を適性に保持する。このように、ヒートポンプ仕様専用機種を新たに設計する場合には、油クーラを１個とし、その内部に複数の伝熱面積群を設けることにより、省スペース及びコスト低減等を図ることが可能になる。
【００２５】
また、上記に説明した実施の形態においては、給油系統６０における潤滑油冷媒の冷却能力を選択するための電動弁６４の開閉信号は、熱源水の出口温度に基づいて行うように構成されているが、本発明はこのような構成にのみ限定されず、その他に、蒸発器１０内の蒸発圧力や圧縮機３０内の増速歯車室の圧力などを感知して行ってもよい。あるいは、これらの状態値を利用する以外にも、あらかじめ、運転モード、例えば、冷房モードや暖房モードで熱源水の出口温度の設定が異なり、或る温度（ｔ_０）を境に設定温度が上下に分かれる場合には、この運転モード信号により、上記操作盤７０から電動弁６４に開閉信号を発信してもよい。具体的には、例えば、温度（ｔ_０）よりも低い冷房モードの場合には、運転前にあらかじめ操作盤７０から電動弁６４へ閉信号を発信し、電動弁６４を閉状態に保持して起動する。一方、温度（ｔ_０）よりも高い暖房モードの場合には、電動弁６４を開状態に保持して起動する。
【００２６】
さらに、上記の実施の形態では、上記油クーラの冷却媒体として、冷凍サイクル内の冷媒、より具体的には、上記凝縮器２０内の冷媒を用いる構造について説明したが、しかしながら、本発明は、かかる構造に限定されることなく、この他、この冷凍サイクル内の冷媒に代えて、例えば上記の熱源水を利用することも可能である。図４はその令を示したもので、冷却媒体として熱源水を用いるため、熱源水の入口配管１１から分岐した配管２３’を介して給油系統６０の油クーラ６１、６２に熱源水を供給し、熱交換の後、配管６７’を介して熱源水の出口配管１３に合流させる構成としている。さらに、油クーラの容量を切替える手段として、冷却媒体の供給を汎用性のあるバルブを用いて切替え、配管類も成形配管の多用により簡素化することも可能である。
【００２７】
【発明の効果】
以上の詳細な説明からも明らかなように、本発明になるヒートポンプシステムの潤滑油の冷却方法によれば、高圧冷媒を用い、かつ、比較的温度の高い熱源水を利用することにより、蒸発器内の圧力が高い中、大容量のヒートポンプシステムにおいても、冷房及び暖房モードの運転切替が可能で、それに伴う圧縮機の潤滑油の冷却における不具合を比較的安価な手段で解消し、近年の地球環境問題から全面的に廃止される特定フロンに代わる代替フロンの使用を可能にするという、技術的にも極めて優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態になるヒートポンプシステムの全体構成を示すブロック図である。
【図２】上記ヒートポンプシステムにおける給油系統の他の例になる構造を示すブロック図である。
【図３】上記図２に示した給油系統の油クーラの詳細構造を示す一部展開斜視図である。
【図４】本発明の他の実施の形態になるヒートポンプシステムの全体構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０蒸発器
２０凝縮器
３０圧縮機
４０駆動源
３５増速装置
６０給油系統
３３油ポンプ
６３油ストレーナ
６１、６２油クーラ
６４電動弁
６５電動機
７０操作盤
７５温度センサ
１１〜１４、２１〜２３、２３’、３２、６６〜６７、６７’ 配管
１６０油クーラ本体ハウジング
１６１ａ、ｂチューブバンドル
１６２、１６３冷媒流入側、流出側ケース
１６４，１６５仕切り板

Claims

熱源水により内部の冷媒を蒸発して冷媒ガスを発生する蒸発器と、前記蒸発器で発生した冷媒ガスを吸い込んで加圧する圧縮機と、前記圧縮機で加圧された冷媒ガスを放熱液化して前記蒸発器に還流する凝縮器と、前記圧縮機を駆動する駆動源を備え、さらに、前記圧縮機への給油系統を設け、この給油系統には、前記圧縮機からの潤滑油の冷却のための油クーラを設けたヒートポンプシステムの潤滑油の冷却方法であって、前記蒸発器内の冷媒と熱交換された熱源水の出口温度より負荷側の使用条件を検出し、前記使用条件に応じて前記凝縮器と前記油クーラの間に設けた電動弁を調整することにより、前記油クーラによる潤滑油の冷却能力を調整し、また変更することを特徴とするヒートポンプシステムの潤滑油の冷却方法。
前記油クーラの冷却能力を変更するため、潤滑油の冷却のための冷媒と前記圧縮機からの潤滑油との間の伝熱面積を可変に構成したことを特徴とするヒートポンプシステム潤滑油の冷却方法。
請求項１に記載のヒートポンプシステムの潤滑油の冷却方法において、前記油クーラの冷却能力を変更するため、複数組の配管の束を１のケーシング内に配列し、これら複数組の配管の束には、選択的に、前記潤滑油の冷却のための冷媒を供給するように構成したことを特徴とするヒートポンプシステムの潤滑油の冷却方法。
請求項１に記載のヒートポンプシステムの潤滑油の冷却方法において、前記潤滑油の冷却のための冷媒として、ヒートポンプシステムのサイクル内を循環する冷媒を使用したことを特徴とするヒートポンプシステムの潤滑油の冷却方法。
請求項１に記載のヒートポンプシステムの潤滑油の冷却方法において、前記潤滑油の冷却のための冷媒として、前記蒸発器に導かれる熱源水を利用したことを特徴とするヒートポンプシステムの潤滑油の冷却方法。