JP3601442B2 - 冷凍装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気調和機、冷凍機等に使用される冷凍装置に係り、特に塩素を含まない混合冷媒を用いた冷凍装置に好適である。
【０００２】
【従来の技術】
従来より冷凍サイクルの動作流体としては、いわゆるＣＦＣ，ＨＣＦＣ等の塩素を含む弗化炭化水素系冷媒がその優れた熱力学的性質と安定性のために、冷媒として最適な物質として主流をなして用いられていた。
【０００３】
これらの冷媒を使用する冷凍装置としては、例えば特開平３−６３４６１号公報、特開昭５９−８４０４９号公報及び特開平５−１７２４０８号公報などに記載されているように、圧縮機の過熱を防止し、かつ幅広い運転圧力範囲を達成している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
塩素を含む弗化炭化水素系物質は、その安定性のために分解することなく、対流によって成層圏へ到達する。そして上空の強い紫外線により光分解して、オゾンと反応する塩素原子を遊離するので、オゾン層を破壊する作用があることが明らかになっている。人体に有害な紫外線を上空で遮断する働きをするオゾン層を保護するために、塩素を含む弗化炭化水素系物質の全廃が決定されている。空気調和機や冷凍機の冷媒として広く用いられているＨＣＦＣ２２もその対象であり、いわゆる特定フロンであるＣＦＣ類よりはオゾン層破壊に対する影響が小さいため、全廃までの猶予期間は長めに設定されている。この猶予期間中に代替冷媒および代替冷媒対応の冷凍装置の開発が必須となっている。
【０００５】
現在ＨＣＦＣ２２等の従来冷媒の代替候補として検討されている新冷媒として、例えばオゾン層破壊の原因である塩素を含まない弗化炭化水素系のＨＦＣ３２，ＨＦＣ１２５，ＨＦＣ１３４ａ，ＨＦＣ１４３ａ，ＨＦＣ１５２ａなどが検討されており、これらのいずれか単独あるいは複数混合冷媒が有力で、冷凍能力や効率等の性能因子や、運転圧力や温度等のサイクル状態が従来冷媒と同等か近いものを指向して開発が進められている。これは、従来冷媒製品と使い勝手が変わらないように意図されたものであり、製品仕様や製造装置等が従来のものから最小限の変更で、新冷媒対応製品への移行をはかることができることを狙っている。
【０００６】
ところで、新冷媒に対応するためには従来製品と同等の性能はもちろん、運転圧力範囲や温度等のサイクル状態を常に安定させるために圧縮機やサイクル補器部品、サイクル制御を新冷媒に対応できるようにする必要がある。また、冷媒が変わることにより、冷凍機油もそれに対応したものに変わる。すなわち、塩素は油との相容性を助ける作用があるが、前述のとおり新冷媒はオゾン層破壊の原因となる塩素を含まないがゆえに、従来冷媒に広く用いられてきた鉱物油やアルキルベンゼン等を主体とする従来冷凍機油とは相容性が著しく低下するので、従来冷凍機油とともに使用することができない。そこで、エーテル系やエステル系等分子極性により新冷媒との相容性を確保する新冷凍機油が開発されている。ところで、新冷媒を適用した冷凍サイクル中の、従来冷凍機油や従来冷媒による塩素系物質の混入は、新冷媒や新冷凍機油の化学的変化の原因となり、例えば、酸の発生による冷凍サイクル内材料の腐食を引き起こすことがあげられ、製品の信頼性を著しく低下させる問題がある。
【０００７】
本発明の目的は、オゾン層破壊の原因である塩素を含まない種々の新冷媒の使用を可能とし、機器の信頼性を確保しかつ性能を損なわない冷凍装置を得ることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明は、圧縮機と凝縮器と受液器とを備え、膨張弁を介して蒸発器へ接続されて冷凍サイクルを構成する冷凍装置において、前記冷凍サイクルの冷媒として塩素を含まない弗化炭素水素系冷媒を使用すると共に、前記冷凍サイクルの冷凍機油としてエーテル系又はエステル系の冷凍機油を使用し、前記圧縮機を液インジェクションタイプのスクロール圧縮機として、前記凝縮器下流側と前記スクロール圧縮機とを液インジェクション配管で接続し、この液インジェクション配管には前記圧縮機への液インジェクションの量を制御する構成を備えたことを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明は、上記冷凍装置の冷凍サイクルにドライヤを設け、該ドライヤに使用の乾燥剤は、結晶構造中の分子吸着空洞部に至る細孔径が塩素を含まない弗化炭化水素系冷媒の分子より小さく、かつ水の分子より大きい３ ． ３オングストローム以下の合成ゼオライトで構成したことを特徴とする。
【００１０】
上記のものにおいて、前記弗化炭素水素系冷媒は、Ｒ１２５とＲ１３４ａとを含む混合冷媒であり、且つ前記冷凍機油は、４０℃のとき２〜７０ｃＳｔ、１００℃のとき１〜９ｃＳｔの粘度を有するものとすると良い。
【００１１】
さらに、上記において、前記凝縮器へ外部空気を供給するための送風機及びそのための回転数制御可能な送風機モ−タを備え、外気温度が低い場合には送風機モ−タの回転数を低下させて送風量を減少させるようにすると良い。
【００１２】
また、前記スクロール圧縮機の吐出側温度に関連して前記液インジェクションの量が制御されるようにすると良い。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本実施例では、冷凍サイクルの冷媒として塩素を含まない弗化炭化水素のＨＦＣ１２５／ＨＦＣ１４３ａ／ＨＦＣ１３４ａ（重量比率４４／５２／４ｗｔ％）の３種混合冷媒を使用し、圧縮機として液インジェクションタイプのスクロール圧縮機を使用する。また、新冷凍機油であるエステル油を使用する。
【００１４】
以下、本発明の具体的実施例を図１により説明する。
図１に示すように、この実施例の冷凍装置は、スクロ−ル圧縮機１、凝縮器２、受液器３、ドライヤ４、膨張弁５ａ，５ｂ、蒸発器６ａ，６ｂ、ストレーナ１８、アキュームレータ７を順次接続し、冷凍サイクルを構成している。また、凝縮器２に外部の空気を供給するために送風機モータ８ａ，８ｂとプロペラファン９ａ，９ｂが図のように２組設けられている。
【００１５】
冷凍サイクルの冷媒としては、オゾン層破壊の原因である塩素を含まない弗化炭化水素系冷媒を使用している。この種冷媒としては、ＨＦＣ３２，ＨＦＣ１２５，ＨＦＣ１３４ａ，ＨＦＣ１４３ａ，ＨＦＣ１５２ａなどがあり、これらのいずれか単独あるいは複数混合冷媒として使用する。本実施例では、３種混合冷媒であるＲ１２５／Ｒ１４３ａ／Ｒ１３４ａ（重量比率４４／５２／４ｗｔ％）を使用している。また、冷凍サイクルに使用される冷凍機油も前記冷媒と相性の良いものを使用する必要がある。本実施例では冷凍機油としてエステル油を使用しており、特に前記冷凍機油は、冷凍装置の一般的な仕様範囲である−６０℃〜＋５℃の温度範囲をカバ−するものとして、粘度が４０℃のとき２〜７０ｃＳｔ、１００℃のとき１〜９ｃＳｔであり、分子中にエステル結合を少なくとも２個保有する脂肪酸のエステル油を基油としたものが良いことがわかった。
【００１６】
上記３種混合冷媒及び冷凍機油を使用した冷凍サイクルで、従来の塩素を含む冷媒を使用した冷凍装置と同様に、−６０℃〜＋５℃の温度範囲をカバ−する冷凍装置を実現するため、本実施例では更に以下の工夫をしている。
【００１７】
高圧側配管２４の圧力を検出する高圧圧力検出器３１と低圧側配管２５の圧力を検出する低圧圧力検出器３２に各々接続され、高圧圧力または低圧圧力の限界値に達したとき圧縮機モ−タの操作回路のスイッチを切断する保護開閉器２３を設けている。
【００１８】
凝縮器２の圧力を検出して、圧力が高圧設定値に達したとき圧縮機モ−タの回転数を低下させて圧縮機容量を低下させ、圧力が低圧設定値に達したとき圧縮機モ−タの回転数を増加させて圧縮機容量を増加させる圧力制御装置１５を有する。圧縮機モ−タの回転数制御は、極数変換モ−タの使用により回転数を段階的に制御したり、あるいはインバ−タ制御により圧力値に応じて連続的に制御しても良い。なお、この実施例では圧力制御装置１５により圧力が高圧設定値に達したときには同時に送風機モ−タ８ａ，８ｂの回転数も全速に制御して高圧圧力を低下させ、圧力が低圧設定値に達したときには送風機モ−タ８ａ，８ｂの回転数を低下させて高圧圧力増加させるようにしている。
【００１９】
凝縮器下流側である受液器３の液冷媒出口配管１６と前記スクロ−ル圧縮機１とを接続する液インジェクション配管１２有している。この液インジェクション配管１２にはストレーナ１１及び電子式膨張弁１０が設けられており、これらを介して液冷媒は、スクロ−ル圧縮機１の中間圧室へ注入される。また、３０は電子式膨脹弁１０及び送風機モ−タ８ａ，８ｂを制御する制御装置で、凝縮器２の液温を検知するサーミスタ２６、凝縮器２の空気吸込温度（室外空気温度）を検知するサーミスタ２７及び圧縮機１の吐出側温度を検知するサーミスタ２８からの検出値に応じて、予め入力されているプログラムにより電子式膨脹弁１０及び送風機モ−タ８ａ，８ｂの制御量を演算処理する。２９は制御装置３０からの指令により凝縮器用送風機モータ８ａ，８ｂ及び電子式膨張弁１０へ制御信号を出力する制御信号出力装置である。
【００２０】
凝縮器２は蒸発器６ａ，６ｂを構成する熱交換器の冷媒配管の径よりも細径の熱交換器を使用している。本実施例では、冷凍装置の温度範囲をカバ−させるため、特に径が約７ｍｍの細径熱交換器を凝縮器２に使用している。
【００２１】
また、吐出ガス配管１３にバイパス管２２を接続し電磁弁２０，逆止弁２１を介して、蒸発器６ａ，６ｂの出口配管（冷媒ガス配管）１７に接続されている。これは圧縮機１を起動する前に高圧のガスを低圧側へ逃すためであり、電磁弁２０をある一定時間「開」とするものである。これにより、高圧・低圧側のサイクル圧力をバランスさせ、圧縮機１の起動をスムーズに行なうことができる。
【００２２】
次に、図１により本実施例の作用を説明する。
圧縮機１で圧縮された冷媒ガスは、吐出配管１３，逆止弁１４を経て凝縮器２で凝縮され、受液器３、冷媒液配管１６、ドライヤ４を通り、膨張弁５ａ，５ｂ，蒸発器６ａ，６ｂに送られ蒸発してガスとなり、冷媒ガス配管１７，ストレーナ１８，アキュームレータ７を通り吸込配管１９から圧縮機１の吸込側に戻る。
【００２３】
液インジェクション配管１２について説明する。電子式膨張弁１０の開度調整は圧縮機１の吐出側温度により制御する。サーミスタ２８の検知により予め入力されている吐出温度の設定値と、検知された吐出温度とを比較し、設定値より高ければ弁１０の開度を大きくし、低ければ開度を小さくする。すなわち、制御装置３０、制御信号出力装置２９により連続的に膨張弁１０の開度調整を行なう。これにより、圧縮機１の吐出側温度を制御することで、過熱防止を図り安定した冷凍サイクル運転を行なうことができる。
【００２４】
外気温度が低い場合、冷媒が冷凍機油の中に溶け込む量が増えるため冷凍機油の粘度が低下している。このため、圧縮機の軸受部への潤滑油として効果が小さくなり、軸受部の摩耗を生じる。本実施例では、外気温度がある設定温度より低い場合、油の粘度を少しでも高めるためサーミスタ２７の検知により、液インジェクション配管１２の電子式膨張弁１０の開度を絞り、圧縮機１への冷媒量を減少させ、圧縮機起動時の吐出側温度を高くして冷媒の冷凍機油への溶け込み量を低下させて冷凍機油の粘度を確保するようにする。これにより圧縮機軸受部の信頼性を向上することができる。
【００２５】
外気温度が高い場合、高圧側圧力が高くなるため高圧圧力の制御を行なう。すなわち、サーミスタ２６の検知により、凝縮器２の出口液冷媒温度が高い場合には、凝縮器用送風機モータ８ａ，８ｂの回転数を増加させ送風量を増やして高圧圧力を低下させる。また、凝縮器２の出口液冷媒温度が低い場合には、凝縮器用送風機モータ８ａ，８ｂの回転数を減少させ高圧圧力を増加させる。
【００２６】
さらに、サーミスタ２７の検知により、外気温度が高い場合にも凝縮器用送風機モータ８ａ，８ｂの回転数を増加させ送風量を増やして高圧圧力を低下させ、外気温度が低い場合には送風量を減少させて高圧圧力を増加させる。
【００２７】
これらの制御は、制御装置３０と制御信号出力装置２９により送風機モータ８ａ，８ｂの回転数を制御して行なう。
【００２８】
また、凝縮器２の圧力が設定値より高くなった場合、圧力制御装置１５の作動によりスクロ−ル圧縮機１の容量をダウンさせて容量制御を行ない、また送風機モ−タ８ａ，８ｂの回転数を全速にして、高圧圧力を低下させる。凝縮器２の圧力が設定値より低くなった場合にも圧力制御装置１５の作動によりスクロ−ル圧縮機１の容量を増加させ、送風機モ−タ８ａ，８ｂの回転数も低下させて、高圧圧力を増加させるように制御する。
【００２９】
なお、受液器３には冷媒が過熱し過ぎたときに冷媒を放出する作用のある可溶栓３３を設けている。
【００３０】
ドライヤ４は冷凍サイクル中に水分が混入したとき、これを除去することを目的としたものである。塩素を含まない弗化炭化水素系冷媒を作動冷媒とする前記冷凍サイクルにおいて、ドライヤ４に使用の乾燥剤は、結晶構造中の分子吸着空洞部に至る細孔径が塩素を含まない弗化炭化水素系冷媒の分子より小さく、かつ水の分子より大きい３．３オングストローム以下の合成ゼオライトで構成されている。ドライヤ４の取付位置は圧縮機１内の油溜り部または油分離装置の油溜り部、あるいはアキュームレータ７の内部に設置してもよく、この場合には冷凍サイクル配管に接続した場合に比べ部品点数を少なくでき、製造コストの低減、及び取付不良によるガス漏れの低減を図ることができる。
【００３１】
前記冷凍サイクルでは温度の検知手段としてサーミスタ２６〜２８を使用したが、サーミスタの代わりにサーモスタットによるＯＮ／ＯＦＦ制御にしても良い。サーミスタを使用すれば連続的な制御が可能であるが、サーモスタットを使用した場合ＯＮ／ＯＦＦ制御になる。また、温度検知ではなく圧力検知を行なって制御装置３０、制御信号出力装置２９により、制御を行なうこともできる。
【００３２】
次に、図１に記載した実施例における液インジェクションの部分の他の例を図２〜図５により説明する。
図２の例では、液インジェクション制御を電磁弁３４ａ，３４ｂとキャピラリ３５ａ，３５ｂで行なうようにしたものである。圧縮機１の起動と同時に電磁弁３４ａを開とし、圧縮機１吐出側温度上昇防止を行なう。さらに吐出側温度が高くなると、サーミスタ２８で検知し設定温度と比較し高い場合、電磁弁３４ｂを開とし、液インジェクション量を増やすことにより、圧縮機１の過熱防止を行なうことができる。
【００３３】
次に図３の例について説明する。図２と異なるのは、液インジェクション配管１２の接続位置を、受液器３の下部液溜まり部に接続したものである。これにより、液冷媒を常に安定して液インジェクション制御用として使うことが可能となる。
【００３４】
次に、図４の例について説明する。図１の例と異なるのは、液インジェクション制御のみである。図４の例では液インジェクション制御を、インジェクションバルブ３６のライン、および電磁弁３４ａとキャピラリ３５ａのラインを使い分けて行なう。圧縮機１の起動と同時に電磁弁３４ａを開とし、圧縮機１の吐出側温度上昇防止を行なう。さらに、吐出配管１３に接続された温度または圧力検知３７により設定温度または圧力より高くなった場合は、インジェクションバルブ３６が開き、低い場合は閉じる動作を行なう。これにより、圧縮機１の過熱防止運転を行ない、安定した冷凍サイクル運転を実施することができる。
【００３５】
次に、図５の例について説明する。図４の例と異なるのは、液インジェクション配管１２の接続位置を、受液器３の下部液溜まり部に接続したもので、これにより、液冷媒を常に不足なく液インジェクション制御用として使うことができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、オゾン層破壊の原因である塩素を含まない種々の新冷媒の使用が可能となり、機器の信頼性を確保しかつ性能を損なわない冷凍装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す冷凍装置の系統図である。
【図２】図１における液インジェクション構成部分の別の例を示す要部系統図である。
【図３】図１における液インジェクション構成部分のさらに別の例を示す要部系統図である。
【図４】図１における液インジェクション構成部分のさらに別の例を示す要部系統図である。
【図５】図１における液インジェクション構成部分のさらに別の例を示す要部系統図である。
【符号の説明】
１…圧縮機、２…凝縮器、３…受液器、４…ドライヤ、６ａ，６ｂ…蒸発器、７…アキュームレータ，８ａ，８ｂ…送風機モータ，９ａ，９ｂ…プロペラファン、１０…電子式膨張弁、１５…圧力開閉器、２６…凝縮器液温検知用サーミスタ、２７…外気温度検知用サーミスタ、２８…圧縮機吐出側温度検知用サーミスタ、２９…制御信号出力装置、３０…制御装置、３４ａ，３４ｂ…電磁弁、３５ａ，３５ｂ…キャピラリ、３６…インジェクションバルブ、３７…温度または圧力検出装置。

Claims (4)

1. 圧縮機と凝縮器と受液器とを備え、膨張弁を介して蒸発器へ接続されて冷凍サイクルを構成する冷凍装置において、
   前記冷凍サイクルの冷媒として塩素を含まない弗化炭化水素系冷媒を使用すると共に、
   前記冷凍サイクルの冷凍機油としてエーテル系又はエステル系の冷凍機油を使用し、
   前記圧縮機を液インジェクションタイプのスクロール圧縮機として、前記凝縮器下流側と前記スクロール圧縮機とを液インジェクション配管で接続し、
   この液インジェクション配管には前記圧縮機への液インジェクションの量を制御する構成を備え、
   前記冷凍サイクルにはドライヤが設けられ、該ドライヤに使用の乾燥剤は、結晶構造中の分子吸着空洞部に至る細孔径が塩素を含まない弗化炭化水素系冷媒の分子より小さく、かつ水の分子より大きい３ . ３オングストローム以下の合成ゼオライトで構成され、
   更に前記弗化炭化水素系冷媒はＲ１２５を含む冷媒である
   ことを特徴とする冷凍装置。
2. 請求項１において、前記弗化炭化水素系冷媒は、Ｒ１２５とＲ１３４ａとを含む混合冷媒であり、且つ前記冷凍機油は、４０℃のとき２〜７０ｃＳｔ、１００℃のとき１〜９ｃＳｔの粘度を有するものであることを特徴とする冷凍装置。
3. 請求項１または２において、前記凝縮器へ外部空気を供給するための送風機及びそのための回転数制御可能な送風機モ−タを備え、外気温度が低い場合には前記送風機モ−タの回転数を低下させて送風量を減少させるようにした冷凍装置。
4. 請求項１〜３の何れかにおいて、前記スクロール圧縮機の吐出側温度に関連して前記液インジェクションの量が制御されることを特徴とする冷凍装置。

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