JP4898546B2 - 冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍装置に係り、特に、圧縮機の吐出冷媒から分離された油の圧力と、圧縮機の吸入圧力との差圧を利用して給油を行う差圧給油方式の圧縮機を備えた冷凍装置に関する。

冷凍装置は、圧縮機と、圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、凝縮された冷媒を減圧する膨張弁と、減圧された冷媒を蒸発する蒸発器などを、冷媒配管で連結して冷凍サイクルを形成している。

このような冷凍装置の例えばスクリュー圧縮機において、吐出冷媒から分離された油の圧力（吐出圧力よりも例えば０．０５ＭＰａ程度低い圧力）と、吸入圧力との差圧に応じて軸受け部への油の供給を行う差圧給油方式が知られている。また、圧縮機として冷媒を２段階で圧縮する２段圧縮機を用いる場合には、２段目圧縮機の吐出冷媒から分離した油の圧力と、１段目圧縮機と２段目圧縮機との間の中間圧力との差圧に応じて給油を行うことが知られている。

この差圧給油方式の場合、吐出圧力が下がりすぎると分離油の圧力も低下するため、分離油の圧力と吸入圧力、あるいは分離油の圧力と中間圧力との差圧が減少してしまい、圧縮機に必要な給油量を満足しないことがある。必要給油量を供給できないと、圧縮機のロータ面、軸受け摺動部、及び軸受け等の損傷あるいは寿命低下を招くおそれがある。

この問題に対して、特許文献１に記載されているように、圧縮機吐出側と吸入側にそれぞれ圧力センサを設け、吐出圧力と吸入圧力との差圧が、給油可能圧力差の下限値に近くなるか、又はそれ以下となる場合に、凝縮器用の送風機の回転数を減少あるいは停止させることが知られている。これによれば、凝縮器内の冷媒圧力が上昇、つまり吐出圧力が上昇するため、差圧が大きくなって給油量が増え、その結果、圧縮機の給油不足を解消することができるとされている。

特開平８−２８９７１号公報

しかしながら、上記特許文献１の技術は、圧縮機に最低限必要な給油量を確保することに関しては考慮されているが、圧縮機の運転効率を向上させることに関しては考慮されておらず、さらなる改善の余地を残している。

すなわち、特許文献１の技術は、圧縮機の吐出圧力と吸入圧力との差圧を、圧縮機の給油可能差圧の下限値以上に保つものであるので、例えば、現在の差圧が給油可能差圧の下限値よりも大幅に大きいような場合は条件を満たしており、特に制御を行わないこととなる。この状態は、吐出圧力を高くしておけば必要差圧は確保できるという考えのもと、必要以上に高い吐出圧力で運転がなされている状態であり、必ずしも圧縮機の運転効率がよいとはいえない。

本発明は、圧縮機への必要給油量を確保し、かつ圧縮機の運転効率を向上させた冷凍装置を実現することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明の冷凍装置は、圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器とを冷媒配管で連結して冷凍サイクルを形成し、圧縮機の吐出冷媒から分離された油の圧力と、圧縮機の吸入圧力との差圧に応じて圧縮機に油を供給する基本構成を備えている。そして、分離された油の圧力及び吸入圧力をそれぞれ検出する圧力センサと、制御周期ごとに、検出された分離油圧力と吸入圧力との差圧を求め、求められた差圧が圧縮機の最低必要給油量に対応する差圧になるように、凝縮器に空気を送風する送風ファンの回転数を制御する制御手段と、外部から入力される増速又は減速信号により送風ファンの回転数制御を行う制御盤とを備える。

ここで、制御手段は、求められた差圧が前記圧縮機の最低必要給油量に対応する差圧より低いときは、送風ファンの回転数を減少させ、求められた差圧が圧縮機の最低必要給油量に対応する差圧より高いときは、送風ファンの回転数を増加させる一方、求められた差圧が圧縮機の最低必要給油量に対応する差圧以下のときに制御盤に外部から増速信号が入力されたときには、この入力信号を無視して、求められた差圧が圧縮機の最低必要給油量に対応する差圧になるように送風ファンの回転数を減少させる制御をする。

この構成によれば、差圧が圧縮機の最低必要給油量に対応する差圧より低いとき、つまり給油量が不足するときは、送風ファンの回転数を減少させて冷媒の凝縮量を減少させることで吐出圧力及び分離油圧力を増加させ、差圧の増大及び供給油量の増加を図ることができる。その結果、圧縮機への必要給油量を確保することができる。

一方、差圧が、圧縮機の最低必要給油量に対応する差圧より高いとき、つまり最低給油量を満たしているときは、送風ファンの回転数を増加させて凝縮量を増加させることで吐出圧力を低下させている。これにより、圧縮比を小さくして圧縮機の体積効率及び断熱効率を高め、運転効率を向上させることができる。

特に、冬場の外気温度が低くなる寒冷地などでは、凝縮量を増加させて吐出圧力を低下させやすく、また、最低必要給油量に対応する差圧で運転する時間を長くすることができるので、長時間にわたり高効率運転が可能となる。

また、圧縮機として、冷媒を２段階で圧縮する２段圧縮機を用いる場合は、分離された油の圧力を２段目圧縮機の吐出冷媒から分離された油の圧力として、吸入圧力を、１段目圧縮機と２段目圧縮機との中間圧力とすることができる。つまり、２段目圧縮機の吐出冷媒から分離された油の圧力と、１段目圧縮機と２段目圧縮機との中間圧力との差圧を検出して、この差圧に対して上述と同様の制御を行えばよい。

本発明によれば、圧縮機への必要給油量を確保し、かつ圧縮機の運転効率を向上させた冷凍装置を実現することができる。

以下、本発明を適用してなる冷凍装置の実施形態を図１〜６を用いて説明する。なお、以下は、圧縮機として２段スクリュー圧縮機を用いた場合を例に説明するが、これに限らず、本発明は、単段スクリュー圧縮機など各種圧縮機にも適用可能である。

図１は、本実施形態の冷凍装置の全体構成を示す図である。図１に示すように、冷凍装置は、２段スクリュー圧縮機１（以下、圧縮機１という。）と、空冷式凝縮器３と、主膨張弁５と、蒸発器６などを冷媒配管で連結して冷凍サイクルを形成している。

また、圧縮機１の吐出側には、吐出冷媒から油を分離する油分離器２と、油分離機２で分離された油を冷却する油冷却器７が設けられており、空冷式凝縮器３と主膨張弁５との間には、凝縮された冷媒を冷却する過冷却器４が設けられている。また、空冷式凝縮器３の近傍には、空冷式凝縮器３に熱交換空気を送風する送風ファン１４が設けられている。

過冷却器４の後流側は、電磁弁８を介して主膨張弁５に接続される流路と、電磁弁１１及び過冷却用膨張弁１２を介して過冷却器４に接続される流路と、電磁弁１０及び油冷却用膨張弁９を介して油冷却器７に接続される流路に分配されている。過冷却器４の後流側は、圧縮機１の低段側と高段側との間に接続され、油冷却器７の後流側も同様に圧縮機１の低段側と高段側との間に接続されている。

そして、本実施形態の特徴部である制御手段１５は、圧縮機１の低段側と高段側との中間の冷媒圧力、及び油分離機２で分離された油の圧力が入力されており、これらに基づいて出力される制御信号が送風ファン１４に入力されるようになっている
ここで、圧縮機１の低段側と高段側の中間の冷媒圧力と、油分離機２で分離された油の圧力を検出する圧力センサの接続箇所を模式的に図２に示す。図２（ａ）は２段圧縮機を用いる場合、図２（ｂ）は単段圧縮機を用いる場合の圧力センサの接続箇所を示す図である。

２段圧縮機を用いる場合は、図２（ａ）に示すように、中間圧力用の圧力連成計１６及び分離油用の圧力連成計１７が設けられ、圧力連成計１６，１７のそれぞれに圧力センサ１８，１９が設けられている。この圧力センサ１８，１９の検出信号が制御手段１５に入力されるようになっている。一方、単段圧縮機２０を用いる場合は、図２（ｂ）に示すように、吸入圧力用の連成計２１及び分離油用の圧力連成計１７を設け、圧力連成計１７，２１のそれぞれに圧力センサ１９，２２を設ければよい。

次に、本実施形態の冷却装置の基本的な動作について図１を用いて説明する。図中の実線矢印は冷媒の流れ方向を示し、破線は冷凍機油の流れ方向を示している。圧縮機１の低段、高段側にて順次圧縮された高温高圧のガス冷媒は、圧縮機の潤滑油とともに吐出され油分離器２に流入し、油分離機２内で冷媒ガスと油は分離される。

冷媒ガスは空冷式凝縮器３に流入して、熱交換空気と熱交換して冷却・凝縮して液冷媒となる。この液冷媒は、過冷却器４において、過冷却用膨張弁１２で減圧された冷媒と熱交換することによってさらに冷却された後、主液膨張弁５の作用により低圧の湿りガスとなる。そして、蒸発器６内で蒸発して被冷却物の冷却を行った後、圧縮機１へ吸入される。

一方、油分離器２にて分離した冷凍機油は、油分離器２底部に溜まり、油分離器２から油冷却器７に流入し、油冷却器７において、油冷却用膨張弁９で減圧された冷媒と熱交換して冷却される。冷却された油は、油ストレーナにて油中の異物を除去された後、油の圧力と圧縮機１の中間圧力部位である各軸受けの圧力との差圧により圧縮機給油口１３へ給油される。

油分離器２〜圧縮機１軸受け部までの給油系統における圧力の関係は、油分離器２＞油冷却器７＞圧縮機１軸受け部となっており、圧縮機1から吐き出され油分離器２にて分離された冷凍機油は、この差圧によって圧縮機１軸受け部に給油されることになる。

ここで、図３を用いて分離油圧力と中間圧力との差圧に対する給油量の関係を示す。横軸に示す給油差圧（圧縮機の吐出冷媒から分離された油の圧力と圧縮機の中間圧力との差圧）と、縦軸に示す給油量との関係は、略比例関係にあり、給油差圧が大きいほど給油量は増加し、小さいほど減少する。また、圧縮機ごとに最低必要給油量Ｑは予め設定されているため、これに対応する最低必要差圧ΔＰも予め設定することができる。そのため、最低必要差圧ΔＰを最低限確保しておけば、圧縮機１に必要な給油量を満たすことができる。

続いて、図４に圧縮機１の吐出冷媒圧力（Ｐｄ）、吐出冷媒から分離した油の圧力（Ｐｏ）、中間圧力（Ｐｍ）、及び圧縮機１の吸入圧力（Ｐｓ）の各圧力を、蒸発器６における冷媒の蒸発温度との関係で示す。実際には圧縮機への給油量Ｑは給油圧力と中間圧力との差圧によって決定される。したがって、吸入圧力が同じであるならば吐出圧力が高ければ分離油圧力も高い状態であるため、分離油圧力と中間圧力との差圧が大きくなり給油量は増加し、逆に吐出圧力が低ければ分離油圧力も低い状態になり、分離油圧力と中間圧力との差圧が小さくなり給油量は減少する。また吐出圧力を同じとするならば、吸入圧力が低いほど給油差圧が大きくなり給油量は増加する。

そこで、本実施形態では、分離油圧力及び中間圧力の圧力値を各々の圧力センサ１９，１８にて検知し、これらの給油差圧（Ｐｏ−Ｐｍ）が最低必要差圧（ΔＰ）になるように送風ファン１４の回転数制御を行う。具体的には、制御手段１５は、制御周期ごとに、運転中における分離油圧力（Ｐｏ）と中間圧力（Ｐｍ）とを検出して実際の差圧を求める。そして、この差圧をΔＰ´とすると、ΔＰ´＞ΔＰであれば、ΔＰ´をΔＰに近づけるように送風ファン１４の回転数を増速し吐出圧力を低下させる。逆にΔＰ´＜ΔＰであれば必要給油量が確保されていないため、送風ファン１４の回転数を減速させて吐出圧力を上昇させ必要差圧を確保する制御を行う。

図５に、吐出圧力が必要以上に高いΔＰ´＞ΔＰの状態（破線）と、ΔＰ´をΔＰに近づけるように送風ファン１４の回転数を増速し吐出圧力を低下させた状態（実線）の冷凍サイクルを模式的に示す。このように、吐出圧力を（Ｐｄ２）から（Ｐｄ１）へ低下させることにより、凝縮器３出口の液温度及び過冷却器出口４の液温度が低下し、エンタルピ効果が増加し冷凍能力が向上する。また吐出圧力が低下することにより圧縮機１の消費電力も減少するため従来での制御方法による運転よりもＣＯＰの高い運転が可能になる。

また、吐出圧力が低下することにより圧縮機１の軸受け負荷が減少するため軸受けの長寿命化や小型化が図られ、さらにはオーバーホール時間の延長，メンテナンスコストの削減が可能となる。また、各圧力センサ１８，１９で給油に必要な差圧を常時監視しているため、信頼性が向上し、給油に関して不具合が発生した場合にも外部への表示等により迅速に処置、対応することが可能となる。

本実施形態の制御は、例えば寒冷地などのように外気温度が低いほど凝縮温度を低くさせ易く、送風ファンを増速させることにより吐出圧力の低下をより容易に行うことができる。ただし、寒冷地でなくとも中間期や夜間など昼間よりも外気温度が下がる条件では、本実施形態のように吐出圧力を従来の方式よりも下げて運転することができるため、この場合でも大幅な効果を得ることができる。

次に、図６に外部からの入力信号により送風ファンの回転数制御を行う場合を示す。上述の実施形態では、送風ファン１４の制御を、分離油の圧力（Ｐｏ）と中間圧力（Ｐｍ）との差圧に応じて行う場合を示したが、これに限らず他の制御要因による回転数制御を組み合わせることもできる。

例えば、蒸発器６が設置されている現地での運転条件に応じて送風ファン１４の制御を行う場合には、空冷式スクリュー冷凍機２３の制御盤２４に送風ファンの増速又は減速信号を入力して、その信号により送風ファンの回転数制御を行えばよい。運転中の吐出圧力を下げて運転をさせたい場合には、制御盤２４に増速信号を入力すれば送風ファン回転数が増速し吐出圧力を低下させることができる。

ただし、そのときの運転にて分離油圧力と中間圧力との差圧ΔＰ´が必要最低差圧ΔＰに達していれば、現在の回転数からの増速は行わないようにすることができる。また、ΔＰ´がΔＰ以下になれば、外部からの入力信号を無視して差圧がΔＰになるように送風ファンの回転数を減速させるようにすることができる。これにより、吐出圧力を上昇させ圧縮機としての必要な給油量は確保し、かつ圧縮機の運転効率の向上を図ることができる。

本実施形態の冷凍装置の全体構成を示す図である。 圧力連成計及び圧力センサの接続箇所を模式的に示す図である。 分離油圧力と中間圧力との差圧に対する給油量の関係を示す 圧縮機の吐出冷媒圧力（Ｐｄ）、吐出冷媒から分離した油の圧力（Ｐｏ）、中間圧力（Ｐｍ）、及び圧縮機の吸入圧力（Ｐｓ）の各圧力を、蒸発器における冷媒の蒸発温度との関係で示す図である。 制御前の吐出圧力が高い状態（破線）と、制御後の吐出圧力を低下させた状態（実線）の冷凍サイクルを模式的に示す図である。 外部からの入力信号により送風ファンの回転数制御を行う場合を示す図である。

符号の説明

１ ２段スクリュー圧縮機
２ 油分離器
３ 空冷式凝縮器
４ 過冷却器
５ 主膨張弁
６ 蒸発器
７ 油冷却器
８，１０，１１電磁弁
９ 油冷却用膨張弁
１２ 過冷却用膨張弁
１４ 送風ファン
１５ 制御手段
１６，１７，２１ 圧力連成計
１８，１９，２２ 圧力センサ

Claims (2)

1. 圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器とを冷媒配管で連結して冷凍サイクルを形成してなり、前記圧縮機の吐出冷媒から分離された油の圧力と、前記圧縮機の吸入圧力との差圧に応じて圧縮機に油を供給する冷凍装置であって、
   前記分離された油の圧力及び吸入圧力をそれぞれ検出する圧力センサと、
   制御周期ごとに、検出された分離油圧力と吸入圧力との差圧を求め、求められた差圧が前記圧縮機の最低必要給油量に対応する差圧になるように、前記凝縮器に空気を送風する送風ファンの回転数を制御する制御手段と、
   外部から入力される増速又は減速信号により送風ファンの回転数制御を行う制御盤とを備え、
   前記制御手段は、前記求められた差圧が前記圧縮機の最低必要給油量に対応する差圧より低いときは、前記送風ファンの回転数を減少させ、前記求められた差圧が前記圧縮機の最低必要給油量に対応する差圧より高いときは、前記送風ファンの回転数を増加させる一方、前記求められた差圧が前記圧縮機の最低必要給油量に対応する差圧以下のときに前記制御盤に外部から増速信号が入力されたときには、該入力信号を無視して、前記求められた差圧が前記圧縮機の最低必要給油量に対応する差圧になるように前記送風ファンの回転数を減少させることを特徴とする冷凍装置。
2. 前記圧縮機は、冷媒を２段階で圧縮する２段圧縮機であり、前記分離された油の圧力は２段目圧縮機の吐出冷媒から分離された油の圧力であり、前記吸入圧力は、１段目圧縮機と２段目圧縮機との中間圧力であることを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。

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