JP5084950B2 - 冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、室外機ユニットを複数台組み合わせて使用するマルチ室外機を備えた冷凍装置に関し、特に、マルチ室外機を構成する各室外機ユニット間における冷凍機油の偏りを防止する油回路の構成及び運転制御に関するものである。

複数台の圧縮機に油（冷凍機油）を適切に供給する方法としては、例えば特許第３９３７８８４号公報（特許文献１）に記載された冷凍装置がある。この冷凍装置は、並列に接続された複数の圧縮機、凝縮器、減圧装置、蒸発器、アキュムレーターを順次接続した冷凍サイクルからなり、圧縮機内の余剰の冷凍機油をアキュムレーターに回収する油回収回路を設け、アキュムレーターに冷凍サイクルを循環する冷凍機油を保持するとともに、圧縮機内の冷凍機油をアキュムレーターに回収する油回収運転を行う際に、対象となる圧縮機の運転を停止する運転制御装置を設けたものである。または、アキュムレーター内の冷凍機油を圧縮機に供給する油戻し回路を設けたものである。

一方、冷凍機においては冷凍容量の大容量化が求められており、簡単かつ安価に大容量化を実現するために従来から存在する冷凍機を複数台組合せることで大容量化を図ることが考えられている。

上記の要請に対応する手段として、例えば特許第３９３０６５４号公報（特許文献２）に示されるような１台の室外ユニットに１台もしくは複数台の圧縮機を備えるマルチ冷凍機を、室内ユニットから延びるユニット間の配管に複数台の室外ユニットを並列につないだ形で用いようとすることが考えられる。さらに、圧縮機から吐出される高圧ガス冷媒から油分離器で分離された油を貯留するオイルタンクを、各室外機ごと連通させ均油を行っている。

特許第３９３７８８４号公報（図１） 特許第３９３０６５４号公報（図１）

大容量冷凍機の構成を、複数台の室外ユニットを並列につないだ形で用いようとする場合、単純に接続しただけでは油の分配にバラツキが生じ、油の分配量が少なくなった室外ユニットでは次第に油が減少し、やがては油が枯渇して当該室外ユニットの圧縮機が破損するという問題が生じる。この問題に対し、特許文献１に示されるように複数の圧縮機に唯一の油貯留部となるアキュムレーターを接続し、各室外機のアキュムレーターを一体化させた場合、単独で用いられる従来の室外機と共通化が図れなくなる。また、各室外機の高圧側に設置される油貯留部を連通させる方法も特許文献２に開示されているが、低圧側に油貯留部が設置される場合は油を流動させる駆動力が小さくなるため均油が難しいという問題がある。

本発明は、上述した従来の問題点に鑑み、低圧側に油貯留部を設けた大容量冷凍機を構築する際に、特定の室外ユニットの油枯渇を回避し、全ての圧縮機に油を均油供給させて運転することで、冷凍機運転の信頼性を高めると同時に、従来ある冷凍機を組み合わせることにより安価に実現する冷凍装置を提供することを目的とする。

本発明の冷凍装置は、少なくとも圧縮機、凝縮器、アキュムレーターを備える室外機を複数台、減圧手段及び蒸発器を備える室内機と並列に配管接続して冷凍サイクルを形成する冷凍装置であって、前記アキュムレーター内に貯留された冷凍機油を前記圧縮機に返油する返油管と、各アキュムレーターの相互間を接続する均油管と、前記圧縮機の運転と前記均油管に設けられた電磁弁の開閉とを制御する制御装置と、を備えるものである。

本発明では、上記のようにアキュムレーター内に貯留された冷凍機油を圧縮機に返油する返油管と、各アキュムレーターの相互間を接続する均油管と、前記圧縮機の運転と前記均油管に設けられた電磁弁の開閉とを制御する制御装置とを備えているので、全ての室外機の圧縮機に冷凍機油を均油供給することができ、圧縮機の油枯渇を防止することができる。また、従来ある冷凍機を組み合わせることにより冷凍装置を安価に実現することができる。

本発明の実施の形態１を示す冷凍装置の冷媒回路図である。 本発明の要部であるアキュムレーターと圧縮機との接続関係を示す回路図である。 本発明の実施の形態２を示す冷凍装置の冷媒回路図である。

以下、本発明に係る冷凍装置の好適な実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。

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１００の冷媒回路図である。
本実施の形態１の冷凍装置１００は、複数台（本例では２台）の室外機（室外ユニットともいう）１ａ、１ｂを備え、室外機１ａ、１ｂは、減圧手段である膨張弁２１および蒸発器２２を有する通常複数台の室内機（室内ユニットともいう）２０に液配管２３およびガス配管２４を介して互いに並列に接続されている。各室外機１ａ、１ｂは、それぞれ、圧縮機２ａ、２ｂ、油分離器３ａ、３ｂ、凝縮器４ａ、４ｂ、アキュムレーター５ａ、５ｂ、オイルレギュレーター６ａ、６ｂを備えている。そして、凝縮器４ａ、４ｂを膨張弁２１に通じる液配管２３に、アキュムレーター５ａ、５ｂを蒸発器２２からのガス配管２４に分配器２５ａを介して接続することで、冷凍サイクルを形成して冷媒および冷媒に含まれる冷凍機油が循環する。

アキュムレーター５ａ、５ｂは、各アキュムレーター内に貯留される油量の偏りを防ぐために、均油管１０で相互に接続されている。均油管１０には油の流通を開閉する電磁弁１２ａが設けられている。ここで、均油管１０の先端部１０ａ、１０ｂは各アキュムレーター５ａ、５ｂの底部を貫通して挿入されており、均油管１０の端部流入口はアキュムレーター５ａ、５ｂの底面より所定の高さ（同じ高さ）に設置されている。これにより、アキュムレーター５ａ、５ｂ内に常時確保できる最小限度の油量を設定することができる。また、アキュムレーター５ａ、５ｂ内のガス冷媒（分離しきれなかった冷凍機油を含む）はガス吸入管７ａ、７ｂを経て圧縮機２ａ、２ｂに吸入される。ガス吸入管７ａ、７ｂは、アキュムレーター５ａ、５ｂ内に挿入される一端部がＵ字状に形成されており、そのＵ字管部分にそれぞれ油戻し穴８ａ、８ｂを有する。さらに、アキュムレーター５ａ、５ｂ内に貯留した油を圧縮機２ａ、２ｂに戻すための返油管１３ａ、１３ｂがその一端部をアキュムレーター５ａ、５ｂの底部に貫通接続され、他端部はオイルレギュレーター６ａ、６ｂに接続されている。

オイルレギュレーター６ａ、６ｂと圧縮機２ａ、２ｂとは油吸入管１４ａ、１４ｂと均圧管１５ａ、１５ｂで接続されている。オイルレギュレーター６ａ、６ｂの内部には浮き子と連動するフロート弁（不図示）が設けられている。油面が規定高さ以下の場合は、フロート弁が開放し、油が圧縮機２ａ、２ｂへ供給される。油面が規定高さとなった場合は、フロート弁が遮断し、圧縮機２ａ、２ｂへの油の供給が停止するようになっている。なお、油分離器３ａ、３ｂにて分離され貯留された油は、図示しないキャピラリーチューブを介して、またはキャピラリーチューブを介さず直接に、ガス吸入管７ａ、７ｂを経由して圧縮機２ａ、２ｂに返油されるようになっている。３０は圧縮機２ａ、２ｂの運転と均油管10に設けられた電磁弁１２ａの開閉とを制御する制御装置である。

圧縮機２ａ、２ｂはスクロール等のシェル内部が低圧となる低圧シェルタイプのインバーター圧縮機であり、圧縮機シェル内に冷凍機油が保持される構造となっている。またこの冷凍装置１００において、必要となる油量は圧縮機２ａ、２ｂ内に適量となる油量および冷凍装置１００の各部に存在する油量を合算した量となるが、充填される油量はこの油量よりも余分に油量を充填しておく。余分な油はアキュムレーター５ａ、５ｂに貯留する。圧縮機２ａ、２ｂ内の貯留された油において、油面高さ以上で圧縮機の油持ち出し量が急増し、圧縮負荷が増加する。そのため、圧縮機２ａ、２ｂ内の適切な油量は、油持ち出し量が急増せず油枯渇しない十分な油量を持つ油面高さとなる。また冷媒と冷凍機油は相溶なものが用いられる。例えば冷媒がＲ２２の場合は冷凍機油として鉱油が、また冷媒がＲ４０４Ａ、Ｒ４１０Ａの場合は冷凍機油としてエステル油が用いられる。

次に、実施の形態１における冷凍装置１００での冷媒の流れについて説明する。冷媒の流れは、図１において、実線の矢印で示されている。
圧縮機２ａ、２ｂから吐出された高温高圧のガス冷媒は、油分離器３ａ、３ｂを経て凝縮器４ａ、４ｂで凝縮液化された後、液配管２３を経て室内機２０の膨張弁２１で減圧され二相冷媒となり、蒸発器２２で蒸発ガス化された後、ガス配管２４および分配器２５ａを経て各室外機１ａ、１ｂのアキュムレーター５ａ、５ｂに入り、さらに蒸発ガス化された冷媒はガス吸入管７ａ、７ｂを経て圧縮機２ａ、２ｂに吸入されて、循環する冷凍サイクルを形成し、冷媒と冷凍機油が循環する。

次に、実施の形態１における冷凍装置１００での冷凍機油の流れについて説明する。冷凍機油の流れは、図１において、破線の矢印で示されている。
圧縮機２ａ、２ｂからガス冷媒とともに吐出される冷凍機油のうち９０％程度は油分離器３ａ、３ｂで分離される。分離された冷凍機油は、キャピラリーチューブ（不図示）などを経てガス吸入管７ａ、７ｂに入り圧縮機２ａ、２ｂに返油される。油分離器３ａ、３ｂで分離されなかった油は、凝縮器４ａ、４ｂ、液配管２３、膨張弁２１、蒸発器２２、ガス配管２４、分配器２５ａを順次経由して、アキュムレーター５ａ、５ｂに流入する。アキュムレーター５ａ、５ｂでは冷凍機油とガス冷媒は分離され、分離された油はアキュムレーター５ａ、５ｂの底部に滞留する。アキュムレーター５ａ、５ｂに滞留する冷凍機油は、返油管１３ａ、１３ｂからオイルレギュレーター６ａ、６ｂを介して圧縮機２ａ、２ｂに供給される。オイルレギュレーター６ａ、６ｂと圧縮機２ａ、２ｂとの油面高さを等しくするため、ガスを通流させる均圧管１５ａ、１５ｂが接続されている。冷凍装置内の余剰油は、低圧部のアキュムレーター５ａ、５ｂ内に貯留される。

アキュムレーター５ａ、５ｂから圧縮機２ａ、２ｂまでの冷媒の流れには、配管内の摩擦損失による圧力損失が生じる。この圧力損失分の差圧がアキュムレーター５ａ、５ｂから圧縮機２ａ、２ｂまで油が流れる駆動力となる。また、アキュムレーター５ａ、５ｂ内の油面と圧縮機２ａ、２ｂ内の油面の高低差から生じる油面ヘッド差も、油流れに影響を与える。アキュムレーター５ａ、５ｂが圧縮機２ａ、２ｂより上部に油面があれば油供給が促進され、下部にあれば油供給は阻害される。

油分離器３ａ、３ｂで分離されなかった油は、冷媒回路内を周遊し室外機１ａ、１ｂに再び流入する。しかし、一般的に室外機が複数ある場合は油が均等に分配されず、返油される量は各室外機で異なる。本実施の形態の冷凍装置１００を長時間運転し続けた場合、アキュムレーター５ａ、５ｂの余剰油の貯留量は異なり、油が枯渇するアキュムレーターが出現する。例えばアキュムレーター５ａ内の油が枯渇した場合は、圧縮機２ａの油もまた枯渇し、圧縮機破損の原因となる。

各室外機間の偏油による圧縮機破損を回避するための均油方法について説明する。均油管１０はアキュムレーター５ａとアキュムレーター５ｂ間を電磁弁１２ａを介して接続されている。さらに、均油管１０の先端部１０ａ、１０ｂの流入口位置（端部位置）は各アキュムレーター５ａ、５ｂの底面より所定の高さに設置されている。
圧縮機２ａ、２ｂの通常運転中は均油管１０の電磁弁１２ａを閉鎖し、アキュムレーター５ａ、５ｂ間を接続する均油管１０を閉として運転する。このとき、オイルレギュレーター６ａ、６ｂのフロート弁が開放されている場合は、圧縮機２ａ、２ｂに油が吸引されるため、アキュムレーター５ａ、５ｂ内の油は返油管１３ａ、１３ｂを通流しオイルレギュレーター６ａ、６ｂから圧縮機２ａ、２ｂに返油される。しかし、圧縮機２ａ、２ｂに均等に返油されるわけではないのでアキュムレーター５ａ、５ｂ内の油にも偏りが生じ、やがて油が枯渇するアキュムレーターが出現することが予想される。そこで、アキュムレーターの油枯渇による圧縮機の破損を回避するために、圧縮機２ａ、２ｂの通常運転に続けて均油運転を行う。すなわち、圧縮機２ａ、２ｂの通常運転を一定時間実施し、油が枯渇する前にアキュムレーター５ａ、５ｂ内の油の偏りを減少させる均油運転を行う。この均油運転は制御装置３０によってできるだけ短時間で実施される。また、均油運転では必ずしも圧縮機を停止させる必要はないが、圧縮機を停止させて行ってもよい。なお、均油運転方法については後述する。

また、あるオイルレギュレーターのフロート弁が遮断した場合にもアキュムレーター５ａ、５ｂ内の油に偏りが生じる。例えば、室外機１ａに油が偏り、オイルレギュレーター６ａの油面が規定高さとなってフロート弁が遮断した場合は、アキュムレーター５ｂ内の油が返油管１３ｂとオイルレギュレーター６ｂを介して、圧縮機２ｂへ供給され、アキュムレーター５ｂ内の油が枯渇してくる。そこで、油枯渇となる前に均油運転を行う。

均油運転の開始のタイミングは、（１）通常運転の経過時間で決定する方法、（２）圧縮機２ａ、２ｂの合計周波数（圧縮機の運転周波数の合計）で決定する方法、がある。（１）、（２）共に、経過時間や合計周波数が設定値以上となったときに、均油運転を開始する。
また、均油運転は油戻しモードの制御を伴うこともある。油戻しモードというのは、室外機系外（室内機や延長配管等）に滞留する油を回収する運転モードのことであり、油枯渇に係る圧縮機を停止して冷媒を循環させることで油を回収する。

ここで、均油運転方法について説明する。均油運転時には、均油管１０の電磁弁１２ａを開放し、アキュムレーター５ａ、５ｂ間を接続する均油管１０を開として均油運転を行う。前述のように、例えばアキュムレーター５ｂ内の油が枯渇する場合は、アキュムレーター５ａの余剰油が均油管１０を通じてアキュムレーター５ｂへ流れ、アキュムレーター５ａ、５ｂ内の油量が均等になる。したがって、油枯渇による圧縮機の破損を回避することができる。

また、電磁弁１２ａを設けた均油管１０でアキュムレーター５ａ、５ｂ間を接続するだけであるので、単独で用いられる従来の室外機と共通化が可能となり、信頼性の高い冷凍装置１００の運転を実施することができる。

また、均油管１０は室外機１ａ、１ｂをまたぐため、返油管１３ａ、１３ｂより長くなる。このため、均油管１０の配管径を返油管１３ａ、１３ｂより大きなものとし、均油管１０の油流れにおける摩擦損失を低減する。この作用により均油管１０を流れる油流量が増大し、アキュムレーター５ａ、５ｂ間の均油に要する時間を短縮化することができる。

また、アキュムレーター５ａ、５ｂを圧縮機２ａ、２ｂより上部に設置する。アキュムレーター５ａ、５ｂが圧縮機２ａ、２ｂより上部に油面があれば均油管１０を流れる油流量が増大するため、均油運転時間の短縮化を促進することが可能である。さらに、必要となる油流路の配管径が細管化できるため、冷凍装置に充填する必要油量を削減できる。

次に、本発明の要部である圧縮機２ａ、２ｂとアキュムレーター５ａ、５ｂとの油量関係について図２を参照して説明する。以下に示す数値は、あくまでも一例であり、理解を容易にするためのものである。
図２は、一方の例えば圧縮機２ａの主要接続関係を示すが、他方の圧縮機２ｂについても同様である。以下では特に断らない限り圧縮機２ａについて説明する。
まず、圧縮機２ａの初期油量Ａは１．８Ｌ（リットルの略、以下同じ。）である。クリティカル油量Ｂは０．５Ｌであり、このときオイルレギュレーター６ａに０．５Ｌある。
アキュムレーター５ａ（アキュムレーター５ｂも同じ）内の初期油量Ｃは４．５Ｌであり、均油管１０の高さＤは２Ｌの位置としている。また、ガス吸入管７ａの油戻し穴８ａの高さＥは５．２Ｌの位置としており、５．２Ｌ以上になると油戻し穴８ａから吸い込み圧縮機２ａへ返油するようにしている。なお、アキュムレーター５ａの最低部（底面高さ）はアキュムレーター５ａとオイルレギュレーター６ａとを結ぶ配管（返油管１３ａ）の高さ以上としている。

表１は、均油運転のシミュレーションにおいて、制御時間（運転時間間隔）と圧縮機運転周波数を変更した場合のアキュムレーター（Ａｃｃ）の貯油残量について調べた結果の一例を示すものである。なお、シミュレーションにおいては、例えば室外機１ａが最も油枯渇しやすい条件を設定して行った。

表１において、例えば「１２０分毎６分間」というのは、１２０分間の通常運転に続けて６分間の均油運転を行うことを意味する。また、周波数が例えば「１１０／３５」というのは、通常運転は１１０Ｈｚで、均油運転は３５Ｈｚで圧縮機を運転したことを意味する。
表１より、アキュムレーター５ａに油量４．５Ｌから最少限１Ｌを常時確保できる制御時間と圧縮機運転周波数を求めることができる。

表２は、制御時間を１２０分毎６分間としたときの、アキュムレーター５ａの均油管位置（端部流入口位置）を１Ｌから４Ｌまで変えたときのアキュムレーター５ａの残量を調べたものである。

表２より、均油管１０の端部流入口位置は２Ｌの位置が最適であることがわかる。その他の均油管１０の端部流入口位置１Ｌ、３Ｌ、４Ｌではアキュムレーター５ａの残量が０となる。なお、均油管１０の最適な端部流入口位置はアキュムレーターの容積にもよるので一概にはいえないが、少なくとも１Ｌを常時確保することを条件とした場合、アキュムレーターの容積の４０〜６０％の高さの位置がよいと考えられる。

表３は、例えば図３のように室外機１ａ、１ｂ、１ｃを３台並列に接続した場合の均油運転時の各室外機の運転周波数の一例を示すものである。なお、図３において、室外機１ｃの構成要素については各室外機１ａ、１ｂの構成要素と同じであるので、各構成要素を表す数字に符号ｃ又はｂを順番に付けてあらわしている。冷媒及び冷凍機油の流れは図１と同様である。

表３において、例えば通常運転時間を１時間、均油運転時間を３分間とした場合、１時間後の均油運転では、Ｎｏ．１の室外機１ａとＮｏ．２の室外機１ｂは周波数を９０Ｈｚ、Ｎｏ．３の室外機１ｃは周波数を４５Ｈｚとして均油運転を行い、２時間後はＮｏ．１の室外機１ａとＮｏ．３の室外機１ｃは周波数を９０Ｈｚ、Ｎｏ．２の室外機１ｂは周波数を４５Ｈｚとして均油運転を行い、３時間後はＮｏ．２の室外機１ｂとＮｏ．３の室外機１ｃは周波数を９０Ｈｚ、Ｎｏ．１の室外機１ａは周波数を４５Ｈｚとして均油運転を行うものである。そして、４時間後は最初に戻って１時間目と同様の周波数で均油運転を行うものである。

このように、制御装置３０により、すべての電磁弁１２ａ、１２ｂを開放しつつ、ある特定の圧縮機をその他の圧縮機より低周波数で運転し、所定時間で低周波数運転を行う圧縮機を交代させ、全圧縮機を少なくとも一度は低周波数運転させる運転制御を行うことにより、アキュムレーターに常時最少限度の油量を確保しつつ、圧縮機の油量が適正油量に調整することができる。これにより、油枯渇に至ることで生じる圧縮機の破損を回避でき、信頼性の高い冷凍装置１００の運転を実施することができる。

また、実施の形態１で説明した冷凍装置１００の運転は、冷媒と冷凍機油が相溶である組み合わせであれば同じ効果を得ることができる。従って冷媒として、ＨＦＣ系冷媒、あるいはこれらの混合冷媒やＨＣ系冷媒およびこれらの混合冷媒、あるいはＣＯ₂、水などの自然冷媒を用い、油としてこれらに相溶である油、例えばＨＦＣ系冷媒の場合はエステル油、ＨＣ系冷媒の場合は鉱油、ＣＯ₂の場合はＰＡＧ油などを用いた場合においても同様の効果を得ることができる。

１ａ、１ｂ、１ｃ 室外機、２ａ、２ｂ、２ｃ 圧縮機、３ａ、３ｂ、３ｃ 油分離器、４ａ、４ｂ、４ｃ 凝縮器、５ａ、５ｂ、５ｃ アキュムレーター、６ａ、６ｂ、６ｃ オイルレギュレーター、７ａ、７ｂ、７ｃ ガス吸入管、８ａ、８ｂ、８ｃ 油戻し穴、１０ 均油管、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ 均油管の先端部、１２ａ、１２ｂ 電磁弁、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ 返油管、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ 油給入管、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ 均圧管、２０ 室内機、２１ 膨張弁、２２ 蒸発器、２３ 液配管、２４ ガス配管、２５ａ、２５ｂ 分配器、３０ 制御装置、１００ 冷凍装置。

Claims (6)

1. 少なくとも圧縮機、凝縮器、アキュムレーターを備える室外機を複数台、減圧手段及び蒸発器を備える室内機と並列に配管接続して冷凍サイクルを形成する冷凍装置であって、
   前記アキュムレーター内に貯留された冷凍機油を前記圧縮機に返油する返油管と、
   各アキュムレーターの相互間を接続する均油管と、
   前記圧縮機の運転と前記均油管に設けられた電磁弁の開閉とを制御する制御装置と、
   を備えることを特徴とする冷凍装置。
2. 前記均油管の端部流入口が、前記アキュムレーターの底面より所定の高さに設置されていることを特徴とする請求項１記載の冷凍装置。
3. 前記アキュムレーターと前記圧縮機との間に前記圧縮機に供給される油量を調節するオイルレギュレーターを備え、
   前記返油管は、前記アキュムレーターと前記オイルレギュレーターとを接続することを特徴とする請求項１または２記載の冷凍装置。
4. 前記均油管の配管径は、前記返油管の配管径より大きい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。
5. 前記アキュムレーターは、油ヘッド差が生じるように前記圧縮機より上方に設置されている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。
6. 少なくとも圧縮機、凝縮器、アキュムレーターを備える室外機を複数台、減圧手段及び蒸発器を備える室内機と並列に配管接続して冷凍サイクルを形成する冷凍装置であって、
   前記アキュムレーターと前記圧縮機との間に前記圧縮機に供給される油量を調節するオイルレギュレーターと、
   前記アキュムレーター内に貯留された冷凍機油を前記オイルレギュレーターに返油する返油管と、
   前記アキュムレーターの相互間を接続する均油管と、
   前記圧縮機の運転と前記均油管に設けられた電磁弁の開閉とを制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、全電磁弁を開放しつつ、ある特定の圧縮機をその他の圧縮機より低周波数で運転し、所定時間で低周波数運転を行う圧縮機を交代させ、全圧縮機を少なくとも一度は低周波数運転させる運転制御を行うことを特徴とする冷凍装置。

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