JP4061495B2 - 冷凍装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、既使用の冷媒を、新規な別種の冷媒に置換して使用する冷凍装置に関するものである。例えば、クロロフルオロカーボン(以後、CFCという)系冷媒またはハイドロクロロフルオロカーボン(以後、HCFCという)系冷媒を、ハイドロフルオロカーボン(以後、HFCという)系冷媒に置換して使用する業務用冷媒装置に関するものである。さらに詳しくは、熱源機を新規のHFC系冷媒を用いるものに更新し、旧冷媒のCFC系冷媒またはHCFC系冷媒で用いていた既設の延長配管および/または冷却器を利用し、通常の冷凍サイクル運転を行いながら、既設の延長配管および/または冷却器に残留した旧冷媒の潤滑油およびその他の異物を冷媒回路内の一部に蓄積することにより、既設の延長配管および/または冷却器を流用可能とする業務用冷凍装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来の冷凍サイクル装置における既設配管利用の技術としては、冷凍サイクル装置における熱源機の内部に、冷媒中の潤滑油を抽出する容器と、抽出した潤滑油中から特定の潤滑油のみを吸着する機構を備えるものがあり、既設の延長配管および/または冷却器を再利用可能とするものである(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
また、従来の他の冷凍サイクル装置における既設配管利用の技術としては、熱源機ー冷却機間の接続配管部に異物捕捉手段を配置するものがあり、第二の冷媒を循環させることにより、既設の延長配管を洗浄し、利用するものである(例えば、特許文献2参照)。
【0004】
【特許文献1】
特開2002−243317号公報(第5〜11頁、図1)
【特許文献2】
特開2000−009368号公報(第8〜11頁、図1)
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献1に係る技術では、前記の油抽出容器や吸着機構および/またはそれらに付随する配管・容器類のためのスペースが熱源機のそれぞれに必要となり、熱源機の容積を増大させる要因となっていた。
【0006】
また、図5に示すように、冷凍サイクル内部に持ち出された潤滑油の大部分は、冷媒がガス相で蒸発器および吸入側延長配管部分に残留しているが、冷媒の相変化(液・ガスおよび液ーガス二相状態)による冷媒配管内部に残留する潤滑油の洗浄効果を考えた場合、ガス相のときが最も効率が悪いことと、冷凍装置の冷媒流速は空調装置に比べて低下するため、配管内部の潤滑油を押し流すためのせん断力が低下することを考慮すると、冷凍装置にこの技術を適用するためには、異なる洗浄効率の向上を図る必要があった。
【0007】
さらに、上記の手段のうち、圧縮機の下流にオイルセパレータを備えていない場合においては、既設配管に滞留していた第一の潤滑油およびその他の異物が、熱源機より既設配管に流入してきた第二の潤滑油と混合し、これにより第二の潤滑油の劣化に至るおそれがあった。
【0008】
また、上記の手段のうち、圧縮機の下流にオイルセパレータを備えている場合においては、オイルセパレータよりアキュームレータに返された前記第二の潤滑油が、油抽出容器や吸着機構を通過する前にアキュームレータに到達した第一の潤滑油およびその他の異物とアキュームレータ内で混合するため、これによって第二の潤滑油の劣化に至るおそれがあった。
【0009】
また、特許文献2に係る技術では、熱源機と同時に冷却機を新規なものに置換することを前提としているが、実際には冷却機内部の絞り装置等の一部の部品を交換する、または部品交換不要のままで第二の冷媒用の冷却機として利用できる事例も多く、省資源・省コストの面において問題となっていた。
【0010】
本発明に係る冷凍装置は、上記の課題を解決するためになされたもので、既設配管内部に残留する潤滑油およびその他の異物の回収を行う際に必要となる熱源機のスペース・コストを低減することを目的としたものである。
【0011】
また、既設配管内部の潤滑油およびその他の異物を回収するために必要となる運転時間を短縮し、製品置き換えの効率向上を図ることを目的としたものである。
【0012】
さらに、更新された熱源機に封入される第二の潤滑油を劣化させることなく、既設配管内部の潤滑油およびその他の異物を効率よく回収できる手段の確立を目的としたものである。
【0013】
また、冷却機の一部、または全体の再利用を可能とし、より一層の省資源・省コストを実現するものである。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る冷凍装置は、圧縮機及び熱交換器を備えた熱源機と、絞り装置及び熱交換器を備えた冷却器とを延長配管により接続して冷凍サイクル装置を構成し、第一の冷媒と第一の潤滑油を用いた前記冷凍サイクル装置に使用していた延長配管および/または冷却器を、第二の冷媒と第二の潤滑油を用いた冷凍サイクル装置の延長配管および/または冷却器として用いる冷凍サイクル装置において、冷却器側より熱源機側に至る延長配管に油捕捉装置(300)を設け、前記油捕捉装置(300)は、前記延長配管から分岐した配管を加熱する配管加熱手段(7)と、前記分岐した配管の配管加熱手段(7)の下流側に設けられ、冷媒中に含まれる潤滑油を分離・捕捉する油分離・捕捉機構(8)と、前記油分離・捕捉機構(8)の下流側に設けられ、吸着剤として活性炭を用いて冷媒ガス中に含まれる前記第一の潤滑油を吸着する油吸着機構(11)と、前記分岐した配管の配管加熱手段(7)よりも上流側に設けられた第二の絞り装置(13)とを備え、前記延長配管および/または冷却器を、前記第二の冷媒の液流または気液二相流により洗浄するとともに、前記第二の絞り装置(13)の開度を、前記配管加熱手段(7)の下流側の配管温度と連動させて調整する。
【0015】
【発明の実施の形態】
[実施の形態1]
図1は本発明の実施の形態1に係る冷凍装置の冷媒回路図である。図において、冷媒回路は、熱源機または室外機100、および冷却機または室内機200からなり、熱源機100は、圧縮機1、オイルセパレータ2、熱源側熱交換器3、アキュームレータ6により構成され、また、冷却機200は、絞り装置4、冷却側熱交換器5によって構成されている。また、冷媒回路には、油捕捉装置300が設けられており、配管を加熱するための外部熱源による加熱手段7、冷媒中に含まれる潤滑油を分離・捕捉するための油捕捉機構8、油捕捉機構8に着脱された潤滑油を回収するための油回収容器9、油捕捉機構8と回収容器9との間の開閉弁10、旧冷媒の潤滑油を吸着する交換可能なフィルターを内蔵した油吸着機構11、油回収運転が終了した後の通常運転時に冷媒を流すための冷媒配管p12の開閉弁12、油捕捉装置300の内部において油捕捉・回収運転に用いるバイパス回路の開閉弁13、14によって構成されている。
【0016】
また、上記の各機器は冷媒配管p1〜p13によって接続されており、このうち特に冷媒配管p4は延長配管としての液管(液延長配管)であり、冷媒配管p5は延長配管としてのガス管(ガス延長配管)であり、熱源機100と冷却機200および油捕捉装置300とを接続し、冷媒回路を構成している。なお、本実施の形態では、上記の加熱手段7を外部熱源によるものとしているが、これを冷却機の除霜運転にしばしば用いられる、熱源機の高圧ガス配管部から取り出しまたは分岐させた過熱ガス配管としてもよい。
【0017】
なお、本実施の形態で用いることができる油吸着機構11は、その内部に無極性の物質を選択的に吸着する活性炭を備えたものである。また、油吸着機構11の構造の一例としては、鉛直方向に長さを有し、内部部品の交換を可能とするために二分割された容器部分がフランジ構造により接続されており、潤滑油を含んだ冷媒が上方より下方に流れるように冷媒回路に接続され、フレアナット接続により冷媒回路からの着脱が可能であり、その内部は、熱可塑性樹脂により平均細孔径が1〜10nmの活性炭を被覆した活性炭パッケージと、この活性炭パッケージを支持する弾性部材およびクッション材と、活性炭が冷媒回路に流出することを防ぐフィルターとからなり、その内部を流通する無極性の物質を選択的に吸着する特徴を有するものである。
【0018】
次に、本実施の形態における、CFCまたはHCFC冷媒(以後、旧冷媒という)を用いた熱源機が老朽化したときのHFC冷媒(以後、新冷媒という)用熱源機への交換の手順と、再利用する延長配管および/または冷却機内部に残留する旧冷媒の潤滑油や塩素化合物など(以後、これらを残留物という)の回収方法について説明する。冷媒回路中に封入されている旧冷媒を回収し、熱源機と、必要に応じて冷却機または冷却機構成部品の一部を新冷媒対応のものと交換する。このとき、冷媒配管p5の一部を切り離して、図1に示す油捕捉装置300を設置し、開閉弁12を閉じ、開閉弁13および開閉弁14を開いた状態で、冷媒サイクル装置のうち必要な箇所の真空引きを行い、その後、新冷媒の充填を行う。冷媒充填が完了したら、通常の冷凍サイクル運転兼残留物回収運転を行う。
【0019】
圧縮機1から吐出した高温・高圧のガス冷媒は、オイルセパレータ2を介して熱交換器3で凝縮・液化されて、冷媒配管p3、p4に流れる。このとき、ガス冷媒に含まれる新冷媒用の潤滑油は、オイルセパレータ2においてほぼ完全に冷媒と分離され、冷媒配管p13を介してアキュームレータ6に至るため、冷媒配管p3、p4に流れる新冷媒用の潤滑油はごく少量である。冷媒配管p4を液冷媒および新冷媒用の潤滑油が流れるときに、p4に滞留している旧冷媒の潤滑油や塩素化合物など(以後、これらを残留物という)の一部は液冷媒や新冷媒用の潤滑油に溶解し、共に流れ、また一部は液冷媒や新冷媒用の潤滑油の流動による剪断力により、共に流れて絞り装置4へ流入する。
【0020】
絞り装置4では、液冷媒が減圧されて低圧の気体と液体の二相状態となり、新冷媒用の潤滑油や残留物と共に流れる。ここで、冷却機側熱交換器5による熱交換を、例えば除霜運転終了後の冷却器ファン運転開始の遅延設定などを利用して、行わないように制御し、冷媒が二相状態のままで冷媒配管p5を流れるようにする。このとき、冷却機200および冷媒配管p5の内部に滞留する残留物は、冷媒や新冷媒用の潤滑油に溶解し、共に流れ、また一部は冷媒や新冷媒用の潤滑油の流動による剪断力により、共に流れて油捕捉装置300へ流入する。
【0021】
油捕捉装置300に流入した冷媒は、外部熱源による過熱手段7により蒸発し、ガス化するが、新冷媒用の潤滑油および上記の残留物の一部は、ガス冷媒の流動による剪断力により、共に流れ、油捕捉機構8に至る。油捕捉機構8は、例えば図2に示すような構造を有しており、この場合、冷媒配管p6より流入した冷媒と潤滑油および残留物の混合物は、油捕捉機構8の内部で遠心力により分離し、ガス冷媒が冷媒配管p8より流出する。冷媒配管p8より流出したガス冷媒は、回収効率をさらに高めるために、旧冷媒の潤滑油のみを吸着する特性を有する油吸着機構11に至り、ここでガス冷媒中にわずかに含まれる残留物が完全に吸着され、冷媒配管p9〜p11およびアキュームレータ6を介して圧縮機1に吸入される。
【0022】
このような回路構成を用いれば、従来、熱源機内部に配置されていた油抽出・吸着機構である油捕捉装置300を、熱源機−冷却機間の接続配管部であるガス延長配管部に配置することができ、熱源機内部の部品配置に必要な容積を低減し、熱源機の省スペースおよび冷凍サイクル装置としての省資源、ひいては同装置の省コストを実現することができる。
【0023】
また、既設の冷却機および/または延長配管において、気液二相状態の冷媒を蒸発させるための手段を油抽出、吸着機構の直前に設けることにより、冷媒がガス相で流れる部分の長さを最小化し、配管洗浄運転の効率を向上させることができる。
【0024】
さらに、油抽出・吸着機構を熱源機の冷媒吸込口より上流に配置することにより、延長配管および/または冷却機に滞留する第一の潤滑油およびその他の異物を、熱源機内部に至る前に回収することが可能となり、第二の潤滑油の劣化を最小限に抑えつつ、延長配管および/または冷却機の再利用を実現することができる。
【0025】
また、本回路構成では、ガス延長配管部にも冷媒が二相状態のままで流れる。ここで、図3に示すように、ガス冷媒を流す場合と比べて二相冷媒を流すほうが配管の洗浄を短時間で行えるため、効率よい残留物回収運転が可能となる。
【0026】
さらに、新冷媒用の潤滑油は熱源機内部、旧冷媒用の潤滑油はその他の部分という油の棲み分けを行い、たとえ新冷媒用の潤滑油が冷却機側に至ってもその大部分を油捕捉機構8で回収できるため、新冷媒用の潤滑油が旧冷媒用の潤滑油と混合し劣化するおそれもなく、冷凍装置の信頼性が向上する。なお、1回目の油捕捉機構8の通過で捕捉できない可能性のある、冷媒ガス中に霧状に存在する残留物は、冷媒とともに冷凍サイクル内を循環するため、最終的には油捕捉機構8で捕捉することができる。
【0027】
また、本実施の形態では、油捕捉機構8の下流に、油吸着機構11を補助的に設けた。これにより、冷媒ガス中に霧状に存在する残留物をも捕捉することができ、前項で述べた油の棲み分けをより短時間で、確実に行うことができる。
【0028】
さらに、本実施の形態では、油捕捉装置300の内部に、油捕捉機構8から捕捉した残留物を着脱・回収するための回収容器9を備えている。このように別容器に残留物を適宜回収することにより、油捕捉機構8を容易に空の状態にすることができ、1回の回収運転に必要な油捕捉機構8の容量を低減することができるだけでなく、油捕捉装置300の再利用を考えたときに、油捕捉機構8が継続的に使用できる。
【0029】
また、残留物の回収運転が終了したときには、開閉弁13・14を閉じ、開閉弁12を開くことにより、油捕捉装置300のうちバイパス回路部分の取り外しが可能となり、冷媒配管p12および開閉弁12を新たに補充することで油捕捉装置300の再利用が可能となるため、リサイクル性が向上する。このとき、冷却機200またはその一部も十分な洗浄が行われ、新冷媒用の冷凍サイクル装置として利用可能である。
【0030】
[実施の形態2]
実施の形態1では、冷媒配管p3および冷媒配管p4の内部に冷媒を液相状態で流通させたが、本実施の形態では、熱源機側熱交換器3の熱交換能力を、例えばプレートフィンチューブ式熱交換器の空気吹出し口の一部を塞ぐといった方法により一時的に低下させ、冷媒配管p3および冷媒配管p4の内部にも気液二相の冷媒が流れるような冷凍サイクルの制御をおこなう。この場合、図3に示すように、液流より二相流を流すほうが配管の洗浄をより短時間で完了させることができるため、残留物回収運転を効率よく行うことができる。
【0031】
[実施の形態3]
図4は、本発明の実施の形態3に係る冷凍装置の冷媒回路図である。本実施の形態は、冷凍装置の油捕捉装置内部に、冷媒配管p6の温度と連動してその開度を調整する、第二の絞り装置15を備えたものである。
【0032】
次に、本実施の形態における、再利用する延長配管および/または冷却機内部に残留する残留物の回収方法について説明する。なお、旧冷媒を用いた熱源機が老朽化したときの新冷媒用熱源機への交換の手順は、実施の形態1に示す例と同一である。
【0033】
圧縮機1から吐出した高温・高圧のガス冷媒は、オイルセパレータ2を介して熱交換器3で凝縮されるが、本実施の形態では、実施の形態2で示したような熱交換器の能力低下を行っているため、冷媒の一部が液化した状態で冷媒配管p3、p4に流れる。このとき、ガス冷媒に含まれる新冷媒用の潤滑油は、オイルセパレータ2においてほぼ完全に冷媒と分離され、冷媒配管p13を介してアキュームレータ6に至るため、冷媒配管p3、p4に流れる新冷媒用の潤滑油はごく少量である。冷媒配管p4を気液二相冷媒および新冷媒用の潤滑油が流れるときに、冷媒配管p4に滞留している残留物の一部は気液二相冷媒や新冷媒用の潤滑油に溶解し、共に流れ、また一部は気液二相冷媒や新冷媒用の潤滑油の流動による剪断力により、共に流れ、また一部は気液二相冷媒や新冷媒用の潤滑油の流動による剪断力により、共に流れ、絞り装置4へ流入する。
【0034】
ここで、あらかじめ絞り装置4の調整手段を一時的に無効化させておくことにより、冷媒を高温高圧の気液二相状態のまま冷却機側熱交換器5に流入させる。ここで、冷却機側熱交換器5による熱交換を行わないように制御し、冷媒が高温高圧の気液二相状態のままで冷媒配管p5を流れるようにする。このとき、冷却機200および冷媒配管p5の内部に滞留する残留物は、冷媒や新冷媒用の潤滑油に溶解し、共に流れ、また一部は冷媒や新冷媒用の潤滑油の流動による剪断力により、共に流れ、油捕捉装置300へ流入する。
【0035】
油捕捉装置300に流入した冷媒は、第二の絞り装置15により低温、低圧の気液二相状態へ変化した後、加熱手段7により蒸発し、ガス化するが、新冷媒用の潤滑油および上記の残留物の一部は、ガス冷媒の流動による剪断力により、共に流れ、油捕捉機構8に至る。油捕捉機構8は、図2に示すような構造であるため、冷媒配管p6より流入した冷媒と潤滑油および残留物の混合物は、油捕捉機構8の内部で遠心力により分離し、ガス冷媒が冷媒配管p8より流出する。冷媒配管p8より流出したガス冷媒は、旧冷媒の潤滑油のみを吸着する特性を有する油吸着機構11に至り、ここでガス冷媒中にわずかに含まれる残留物が完全に吸着され、冷媒配管p9〜p11およびアキュームレータ6を介して圧縮機1に吸入される。
【0036】
このような回路構成を用いれば、洗浄対象となる冷媒配管p4から冷媒配管p5に至る一連の回路部品の内部を、高温の気液二相冷媒が流れるため、実施の形態2で説明した気液二相冷媒流による残留物回収運転時間の短縮に加え、高温冷媒の影響で潤滑油の粘度が低下するため潤滑油が流動しやすくなり、より高い洗浄効果が得られ、さらなる残留物回収運転時間の短縮が実現できる。
【0037】
また、本実施の形態で用いる油吸着機構に内蔵されている活性炭は、温度上昇に伴ってその吸着効率が低下し、圧力上昇に伴ってその吸着効率が上昇するという特性を持つため、その最適バランスを保つような調整を絞り装置15で行うことにより、油吸着機構11の吸着効率の上昇が実現できる。
【0038】
【発明の効果】
本発明では、第一の冷媒と第一の潤滑油を用いた冷凍サイクル装置に使用していた延長配管および/または冷却器を、第二の冷媒と第二の潤滑油を用いた冷凍サイクル装置の延長配管および/または冷却器として用いる冷凍サイクル装置において、冷却機側より熱源機側に至る接続配管に、配管を加熱する加熱手段と、冷媒中に含まれる潤滑油を分離・捕捉する機構からなる油捕捉装置を備えた。これにより、熱源機内部の部品配置に必要な容積を低減し、熱源機の省スペースおよび冷凍サイクル装置としての省資源、ひいては同装置の省コストを実現する。また、従来ガス冷媒を流していた吸入側延長配管部分に液ガス二相冷媒を流すことにより、配管洗浄運転の効率が向上する。また、延長配管および/または冷却機に滞留する鉱油およびその他の異物を、熱源機内部に至る前に回収することが可能となり、第二の潤滑油の劣化を最小限に抑えることができる。さらに、冷却機全体またはその一部に十分な洗浄を行って置き換え不要とすることと、油捕捉装置のうち、通常の冷凍サイクル運転には必要ない部分を取り外し、再利用することにより、部品のリサイクル性を高め、さらなる省資源、省コストを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態1に係る業務用冷凍装置の冷媒回路図である。
【図2】 図1に用いる油分離・捕捉装置の構成図である。
【図3】 図1に示す業務用冷凍装置による配管残油量と洗浄時間の関係を示す線図である。
【図4】 本発明の実施の形態3に係る業務用冷凍装置の冷媒回路図である。
【図5】 HFC冷媒を用いた冷凍サイクル装置の各部品に滞留する潤滑油量を示した線図である。
【符号の説明】
100 熱源機、200 冷却機、300 油捕捉装置、1 圧縮機、2 オイルセパレータ、3 熱源機側熱交換器、4 絞り装置、5 冷却機側熱交換器、6 アキュームレータ、7 加熱手段、8 油分離・捕捉機構、9 油回収容器、10 開閉弁、11 油吸着機構、12〜14 開閉弁、15 第二の絞り装置、p1〜p13 冷媒配管。
Claims (13)
- 圧縮機及び熱交換器を備えた熱源機と、絞り装置及び熱交換器を備えた冷却器とを延長配管により接続して冷凍サイクル装置を構成し、第一の冷媒と第一の潤滑油を用いた前記冷凍サイクル装置に使用していた延長配管および/または冷却器を、第二の冷媒と第二の潤滑油を用いた冷凍サイクル装置の延長配管および/または冷却器として用いる冷凍サイクル装置において、
冷却器側より熱源機側に至る延長配管に油捕捉装置(300)を設け、
前記油捕捉装置(300)は、
前記延長配管から分岐した配管を加熱する配管加熱手段(7)と、
前記分岐した配管の配管加熱手段(7)の下流側に設けられ、冷媒中に含まれる潤滑油を分離・捕捉する油分離・捕捉機構(8)と、
前記油分離・捕捉機構(8)の下流側に設けられ、吸着剤として活性炭を用いて冷媒ガス中に含まれる前記第一の潤滑油を吸着する油吸着機構(11)と、
前記分岐した配管の配管加熱手段(7)よりも上流側に設けられた第二の絞り装置(13)と
を備え、
前記延長配管および/または冷却器を、前記第二の冷媒の液流または気液二相流により洗浄するとともに、
前記第二の絞り装置(13)の開度を、前記配管加熱手段(7)の下流側の配管温度と連動させて調整する、
ことを特徴とする冷凍装置。 - 前記加熱手段を、電気ヒータからなる外部熱源手段としたことを特徴とする請求項1に記載の冷凍装置。
- 前記加熱手段を、冷媒回路における高圧ガス配管から取り出しまたは分岐した過熱ガス配管としたことを特徴とする請求項1に記載の冷凍装置。
- 前記油吸着機構は、前記油分離・捕捉機構に蓄積された潤滑油を着脱させることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の冷凍装置。
- 前記油吸着機構は、潤滑油が垂直方向の上方から下方に向かって流れるように配置されたことを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の冷凍装置。
- 前記油吸着機構は、前記冷媒回路に対し、着脱可能な手段によって結合されたことを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の冷凍装置。
- 前記活性炭の平均細孔径が1〜10nmであることを特徴とする請求項1乃至6の何れかに記載の冷凍装置。
- 前記活性炭を、熱可塑性樹脂で結合させたことを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の冷凍装置。
- 前記油吸着機構は、油吸着剤としての活性炭が冷媒回路に流出することを防ぐフィルターを備えたことを特徴とする請求項1乃至8のいずれかに記載の冷凍装置。
- 前記油吸着剤としての活性炭を熱可塑性樹脂で被覆したことを特徴とする請求項1乃至9のいずれかに記載の冷凍装置。
- 前記油吸着機構は、前記活性炭を、容器内に着脱自在に支持したことを特徴とする請求項1乃至10の何れかに記載の冷凍装置。
- 前記油吸着機構は、前記活性炭を、容器内に弾性部材で支持したことを特徴とする請求項11に記載の冷凍装置。
- 前記第一の冷媒がクロロフルオロカーボン系冷媒またはハイドロクロロフルオロカーボン系冷媒で、前記第一の潤滑油が鉱油であり、前記第二の冷媒としてハイドロフルオロカーボン系冷媒を用い、前記第二の潤滑油としてエステル油またはエーテル油を用いることを特徴とする請求項1乃至12のいずれかに記載の冷凍装置。
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