JP5309105B2

JP5309105B2 - 冷凍装置

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Publication number: JP5309105B2
Application number: JP2010215960A
Authority: JP
Inventors: 義文市川
Original assignee: Hitachi Appliances Inc
Current assignee: Hitachi Appliances Inc
Priority date: 2010-09-27
Filing date: 2010-09-27
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2030-09-27
Also published as: JP2012072919A

Description

本発明は、圧縮機から吐出された圧縮冷媒ガスから油を分離して再び圧縮機の必要個所に給油する油サイクルを構成した冷凍装置に関し、特に複数台のスクリュー圧縮機を備えたスクリュー冷凍機に好適なものである。

例えば冷凍装置としてのスクリュー冷凍機においては油サイクルが構成されており、圧縮機から吐出された圧縮冷媒ガス中の油は油分離器により分離され、分離された油は油タンク及び油冷却器を経て再び前記圧縮機の必要個所に給油される。

従来の冷凍装置においては、油タンク等の油溜め部にフロート等を使用した油面センサを取り付け、油面の高さで油の有無を検知することにより、装置内の油保有量が不足していないかを検知しているものがある。

図５及び図６は、それぞれ油タンクに油面センサを取付けた従来例を示すものである。
図５の例は、油面センサ１６を直接油タンク８に取り付けたもので、フロート１７を備えた油面センサ１６は、油タンク８に接続口１８及びフランジ部１９を介して取り付けられている。この油面センサ１６はフロート１７により油タンク8内の油面高さを検出し、必要な油量がある場合には前記フロート１７が浮いて、電気的接点がＯＦＦ状態になるように構成されている。油タンク8内の油が減少し油面が低下していくと、フロート１７が下がり、最下部に到達すると前記電気的接点がＯＮになるように構成されており、これを入力信号として制御盤内の制御に組込まれている。

図６に示す例は、油溜め部２０を油タンク８の外部に設けると共に、この油溜め部２０に油面センサ１６を設置し、また前記油溜め部２０と油タンク８とを液側配管２１及びガス側配管２２で接続して、油タンク８内と油溜め部２０を均圧させるようにしているものである。前記油溜め部２０の油面を前記油面センサ１６により、図５に示した例と同様に検出することにより、油タンク８内の油面の高さを判断し、油の有無を検知するようにしている。
なお、この種従来技術としては特許文献１に記載のものなどがある。

特開２００１−１２４３８８号公報

前述したスクリュー冷凍機などの冷凍装置における油サイクルでは、一般に、給油圧力（吐出側圧力）と低圧側の圧力（吸入圧力または中間圧力）との差圧で圧縮機の軸受部など必要な個所に給油する差圧給油方式が採用されている。また、圧縮機は、単段のもの或いは二段圧縮機のものが複数台搭載され、油分離器、油タンク、シェルアンドチューブ式油冷却器などにより油サイクルが構成されているものが多い。

このような冷凍装置において、その試運転時や、除霜後の運転条件が切り替わった場合の過渡期など、運転条件が変化する状況においては、圧縮機から冷媒と共に多量の油が流出し、圧縮機や油タンク内の油量が減少する所謂油上がりが増加し易く、また冷凍装置内の油の保有量も減少する場合がある。このような場合、油タンク内の油量が減少し、このため圧縮機への給油量が不足することにより、最悪の場合には圧縮機ロータ部が過熱して固渋に至るといったケースに発展することがある。

そこで、従来は前述した図５、図６に示すように油タンク８や油溜め部２０に油面センサ１６を設けるようにしているが、油タンク８などに油面センサ１６を取り付けるためには、機器の改造や油面センサでの検知を制御に組み込むなど制御の改造等が必要となり、改造項目が多く部品点数も増加する。

即ち、上記図５に示すものでは、油タンク８に油面センサ１６を取り付けるための接続口１８及びフランジ部１９を追加設置する必要があり、電気的な改造も必要になる。また、図６に示したものでも油タンク８の改造、油タンク８と油溜め部２０の接続配管２１，２２や電気的な改造も必要になる。従って、油面センサを取り付けるものでは部品点数が増加すると共に、そのための改造に多大な費用がかかるという課題がある。

また、上記従来技術のものでは油面の変動による誤作動も発生し易く、圧縮機の信頼性確保の面からも課題があった。
これらの課題のため、油面センサによる保護装置を取り付けている例は少ないのが実状である。

本発明の目的は、油タンク内の油保有量が減少し油不足となった場合、油不足であることの検知を安価に実現でき、しかも油面変動による検知の誤動作も発生し難い信頼性の高い油不足検知機能を備えた冷凍装置を得ることにある。

上記目的を達成するために、本発明は、圧縮機と、該圧縮機から吐出された冷媒から油を分離する油分離器と、前記分離された油を溜める油タンクと、該油タンクの油を冷却して前記圧縮機に供給する油冷却器とを備えた冷凍装置において、前記圧縮機は複数台設けられると共に、それぞれの圧縮機からの吐出ガスの温度を検出する吐出温度センサをそれぞれの圧縮機に設け、前記油冷却器は、該油冷却器内を流れる油の流れに対して上流側に油入口が設けられ、下流側に前記圧縮機台数以上の複数個の油出口が設けられ、これら複数個の油出口は油冷却器の上部に設けられると共に油の流れ方向上流側から下流側に順次配置され、各油出口を前記複数個の圧縮機の何れかにそれぞれ接続し、前記各圧縮機の前記吐出温度センサでそれぞれ検出された吐出温度を比較することにより前記油タンク内の油量の減少を検出することを特徴とする。

本発明によれば、油タンク内の油保有量が減少し油不足となった場合、油不足であることの検知を安価に実現でき、しかも油面変動による検知の誤動作も発生し難い信頼性の高い油不足検知機能を備えた冷凍装置を得ることができる。

本発明の冷凍装置の実施例１を示す冷凍サイクル系統図。図１に示す油冷却器の構造を示す平面図。図２に示す油冷却器の縦断面図で、油冷却器内の油の流れを説明する図。図１に示す油タンク内の油保有量が減少した際の時間の経過に対する圧縮機吐出温度の変化を説明する線図。従来の冷凍装置における油不足検知手段の一例を説明する図で、油タンクに油面センサを取り付けている例を、油タンクを一部断面で示す正面図。従来の冷凍装置における油不足検知手段の他の例を説明する図で、油タンクの外部に油面センサを備えた油溜め部を設けている例を示す概略構成図。

以下、本発明の具体的実施例を図面に基づき説明する。

図１は本発明の冷凍装置の実施例１を示す冷凍サイクル系統図で、本実施例では二段スクリュー圧縮機を備えた水冷式のスクリュー冷凍機としたもので説明する。また、圧縮機から吐出された圧縮冷媒ガスから油を分離して再び圧縮機の必要個所に給油する油サイクルを構成しているものである。

図において、１（１ａ，１ｂ，１ｃ）は圧縮機で、本実施例では二段スクリュー圧縮機で構成され、この二段スクリュー圧縮機が３台並列に接続されている。また、実線矢印は冷媒の流れを示し、また破線矢印は油（冷凍機油）の流れを示している。前記圧縮機１の低段側及び高段側で冷媒は圧縮されて高温高圧の冷媒ガスとなり、圧縮機１を潤滑した油と共に吐出されて、油分離器２に入る。ここで、冷媒ガスから油を分離した後、前記冷媒ガスは凝縮器３に流入し、凝縮器３に供給される冷却水により冷却されて凝縮し、液冷媒となる。その後冷媒は、過冷却器４で更に液温を下げられる。前記過冷却器４の下流側からは液冷媒の一部が分岐して過冷却器用膨張弁５で減圧膨張され、前記過冷却器４で主流の液冷媒を冷却後、前記圧縮機１の中間段（低段側と高段側の間）に流入する。本実施例では過冷却器４は圧縮機１の数と同じく３個設けられ、各過冷却器４で主流の冷媒を冷却後の冷媒はそれぞれに対応する圧縮機１に注入されるように構成されている。

前記過冷却器４から出た主流の液冷媒は主膨張弁６の作用により低圧の湿りガスとなって蒸発器７に流入し、この蒸発器７内を流れる被冷却流体３０を冷却して蒸発し、前記圧縮機１へ吸入される。

一方、前記油分離器２で冷媒ガスから分離された冷凍機油は、油分離器２から油タンク８に流入し、油タンク８に溜まった油は、油冷却器９に入って冷却水により冷却される。この冷却された油は油ストレーナ１０を通過して油中の異物を除去された後、圧縮機の吐出側圧力（給油圧力）と低圧側圧力（各軸受部の圧力など一般には中間圧力となっている）との差圧を利用して、前記各圧縮機１の各軸受部など給油が必要な個所に給油される。なお、前記各軸受部などへの給油のため、圧縮機１には二段圧縮機の低段側と高段側にそれぞれ給油口が設けられており、前記油ストレーナ１０からの油はこの給油口へ給油される。

前記油分離器２から前記圧縮機１の軸受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８＞圧縮機１の各軸受部
となっており、この各部分の差圧によって、圧縮機1から吐出され油分離器２で分離された冷凍機油は、圧縮機１の各軸受部に給油される。なお、前記圧縮機１が二段スクリュー圧縮機である場合には、前記各軸受部は通常中間圧力となっているが、前記圧縮機１として単段スクリュー圧縮機を使用した場合には、前記軸受部は吸入圧力となっている。従って、前記油冷却器８からの油は油冷却器内の給油圧力（吐出側圧力）と前記中間圧力または吸入圧力との差圧で軸受部などに給油されることになる。

なお、前記各圧縮機１の吐出側の吐出配管には吐出冷媒ガスの温度を検出するための吐出温度センサ１１が設けられており、冷凍装置の運転中は各圧縮機１の吐出温度を常時検知するようにしている。

図２及び図３により図１に示す油冷却器９の構造を説明する。図２は油冷却器９の平面図であり、図３は油冷却器の縦断面図である。
これらの図に示すように、本実施例において油冷却器９は、水冷式で横型のシェルアンドチューブ式油冷却器が用いられている。また、この油冷却器９には、該油冷却器内を流れる油の流れに対して上流側に油入口１２が設けられ、下流側には図１に示す前記圧縮機１の台数以上の複数個（この例では３個）の油出口１３（１３ａ，１３ｂ，１３ｃ）が設けられている。これら複数個の油出口１３は油冷却器９の上部に設けられると共に、油の流れ方向上流側から下流側に順次配置され、各油出口１３を前記複数個の圧縮機１のいずれかにそれぞれ接続している。即ち、最も上流側の油出口１３ａは圧縮機１ａに、中央の油出口１３ｂは圧縮機１ｂに、最も下流側の油出口１３ｃは圧縮機１ｃにそれぞれ接続されている。

また、油冷却器９はシェルアンドチューブ式となっており、その内部構造は図３に示すように、シェル内の長手方向に複数本の冷却管１５が配設されて、冷却水が冷却水入口から入り、冷却水出口から排出されるように構成されている。また、シェル内には複数枚のバッフル１４がシェルの長手方向に上下交互に配置され、油入口１２から入った油がシェル内を上下に蛇行しながら油出口１３の方に向かって流れるように構成されている。前記冷却水が冷却管１５を流れる際に、前記油入口１２から入りバッフル１４により蛇行しながら流れる油と熱交換することで、油は約４０〜６０℃の温度まで冷却される。最も下流側に配置されたバッフル１４Ａはシェル内の上側に設けられ、このバッフル１４Ａよりも更に下流側の油冷却器９上部に前記複数個の油出口１３が設けられている。

図１に示す冷凍装置の油タンク８内の油保有量が、油面を形成できない程減少した場合、油が油タンク８から油冷却器９へ流れる際に冷媒ガスも一緒に巻き込んでしまう。油タンク８内の油保有量が十分な場合、油冷却器9内は油で満たされている。しかし、油タンク８内の油保有量が減少して、油冷却器９内に冷媒ガスが混入した場合、冷媒ガスは油冷却器9内ではあまり液化されず、ガスのまま油冷却器９内を下流側に流れて油出口１３から排出され、給油配管を通って圧縮機1へと供給される。

油冷却器９内で、出口側に最も近いバッフル（最も下流側のバッフル）１４Ａを通過した油は、油入口１２から油出口１３に向かう流れにより慣性が働き、更に奥（最も下流側の油出口１３ｃ側）まで流れようとする。一方、冷媒ガスは泡状になっているため前記バッフル１４Ａを通過した直後に上方に浮かび上がろうとする。本実施例では、油冷却器９の上部に複数個の油出口１３を、軸方向（油の流れ方向）に上流側から下流側に順次配置しているので、油入口１２に最も近い（最も上流側の）油出口１３ａから流れ出る油にはガス冷媒が多く含まれ、最も奥（最も下流側）の油出口１３ｃ側ほど油に含まれるガス冷媒の量は少なくなる。このため、最も上流側の前記油出口１３ａと接続されている圧縮機１ａには多量の冷媒ガスが混入し、必要な給油量が確保されないため、この圧縮機１ａの吐出温度は徐々に上昇していく。

図４は図１に示す油タンク８内の油保有量が減少した際の時間の経過に対する圧縮機吐出温度の変化を説明する線図である。図４において、点線は給油量不足となった圧縮機の吐出温度の変化を示し、実線は給油量が十分確保されている正常運転中の圧縮機の吐出温度変化を示している。

即ち、油タンク８の油保有量が減少し、油冷却器９に流入するガス冷媒の量が増加していくと、上流側の油出口１３ａから流れ出る油にはガス冷媒が多く含まれ、これに接続されている圧縮機１ａには必要な給油量が確保されず、圧縮機１ａの吐出温度は図４の点線で示すように上昇していく。下流側の油出口１３ｂ，１３ｃから流れ出る油にはガス冷媒がほとんど含まれないから、これらの油出口１３ｂ，１３ｃと接続されている圧縮機１ｂ，１ｃには必要な給油量が確保され、それらの圧縮機の吐出温度は図４の実線で示すように上昇しない（或いは油タンク８の油量が更に減少した場合、油量減少と共に吐出温度が上昇することもあるがその上昇速度は緩やかになる）。このため、給油量が不足している圧縮機１ａと、必要量給油されている圧縮機１ｂ，１ｃとではそれらの吐出温度に違いが生じ、この吐出温度の差異ΔＴを求めることにより、油タンク８の油保有量が減少し、油不足による給油不良が発生していることを判断することができる。

即ち、油タンク８内の油保有量が十分であれば、全ての圧縮機１ａ，１ｂ，１ｃに油冷却器９から必要な油量が供給されるので、何れの圧縮機の吐出温度も、図４に実線で示すようになり、ほぼ近似した吐出温度で運転される。しかし、上述したように吐出温度に温度差ΔＴが生じた場合には、油タンク８内の油保有量が十分な量確保されていないと判断できるので、この温度差ΔＴに予め許容値（一定の判定値）を決めておき、ΔＴが前記許容値を超えたまま設定時間ｔを経過した場合に、油タンク８内の油保有量が減少したと判断して、警報を発したり、或いは冷凍装置を緊急停止させるような保護制御を行う。

例えば、通常運転時の吐出温度が８０℃の場合、一台の圧縮機１ａの吐出温度が１００℃となり、他の圧縮機１ｂ，１ｃの吐出温度が８０℃のままであれば、温度差ΔＴは２０℃に達する。温度差ΔＴの許容値を２０℃とした場合、この許容値を超えてから予め決めた設定時間ｔ（例えば１０秒〜１分程度）を経過した場合に、油量不足として冷凍装置を制御する制御盤のモニタなどに油量不足の警報を発したり、前記制御盤から冷凍装置を停止させるような制御を行うようにすると良い。

それぞれの圧縮機1の吐出側に設けられた前記吐出温度センサ１１は冷凍装置には標準的に装備されているものであり、この吐出温度センサ１１を用いて各圧縮機１の吐出温度を検出することにより、新たな吐出温度センサを追加設置することなく、本実施例を実施することが可能となる。また、冷凍装置に備えられている制御盤などの制御装置を使用し、前記各吐出温度センサ１１からの検出値から前記圧縮機１間の吐出温度の温度差ΔＴを求めたり、時間の経過を監視できるように構成すると良い。更に、前記温度差ΔＴの許容値や前記設定時間ｔの設定も前記制御装置からできるようにすると良い。このように本実施例は冷凍装置に備えられている制御盤などの制御装置を油不足検知手段として流用することが可能である。

これによって、図５及び図６に示した従来例のような、油面センサなどの新たな部品を組み込むための油タンクの改造、油面センサでの検知を制御に組み込むなどの制御の改造、油面センサのための電気的な改造などを行うことなく、本実施例を実現することができ、安価に油量不足に対する冷凍装置の保護制御が可能になる。

例えば、油量不足を検知し、警告として外部に発報させることにより、冷凍装置を緊急停止させる以前に、運転管理者による運転状況の改善が可能となり、圧縮機のロータ固渋による故障や突発的なシステムダウンを未然に防止することができる。

なお、上述した実施例では、水冷式のシェルアンドチューブ式の油冷却器とした場合について説明したが、水冷式に限られるものではなく、冷媒により油を冷却する冷媒冷却式としても良い。

また、前記圧縮機も二段スクリュー圧縮機を用いた例について説明したが、単段のスクリュー圧縮機でも同様に実施できる。圧縮機が二段スクリュー圧縮機の場合には、油冷却器からの油は、油冷却器内の給油圧力と前記圧縮機の中間圧力との差圧により、圧縮機の軸受部など必要個所に給油される。また、前記圧縮機が単段スクリュー圧縮機の場合には、前記油冷却器からの油は、油冷却器内の給油圧力と前記圧縮機の吸入圧力との差圧により、圧縮機の軸受部など必要個所に給油される。
更に、前記圧縮機はスクリュー圧縮機に限られず、ターボ圧縮機やスクロール圧縮機など他の方式の圧縮機であっても適用可能である。

また、前記油冷却器９に設けられている複数個の油出口１３は油冷却器９の最上部に設けることが好ましいが、最上部には限られず最上部から若干低い部分に設けても良く、最上流の油出口１３ａが油冷却器の上部に設けられていれば、下流側の油出口１３ｂ，１３ｃは最上流の油出口１３ａよりも下方に設けられていても良い。

以上説明したように、本実施例によれば、複数個の油出口は油冷却器の上部に設けられると共に油の流れ方向上流側から下流側に順次配置され、各油出口を前記複数個の圧縮機のいずれかにそれぞれ接続し、各圧縮機に設けられた吐出温度センサにより、特定の圧縮機１ａの吐出温度と他の圧縮機１ｂまたは１ｃの吐出温度を検出し、それらの吐出温度の温度差ΔＴが許容値を超えた場合に油不足として検知するように構成しているので、以下の効果が得られる。
（１）冷凍装置の各圧縮機に標準的に装備されている吐出温度センサ１１を用いて油タンク内に保有する油量の減少を検知できるので、最小限の費用で安価に油不足の検知が可能となる。また、油面センサを用いるものではないので、油面変動による検知の誤動作も発生し難い信頼性の高い油不足検知機能を備えた冷凍装置を得ることができる。
（２）吐出温度の異常上昇の原因としては、冷却水温が高い、冷却水量不足、熱交換器の汚れ、使用範囲を逸脱した運転等、種々の要因も考えられ、吐出温度の異常上昇のみを監視するだけでは最終的な原因調査に多くの時間を要する。これに対し、本実施例では複数台の圧縮機の吐出温度の温度差を検出することで、油不足であることを即座に検知することができる効果がある。
（３）油不足が検知された際には、それを外部に発報することにより、運転管理者による運転状況の改善を図ることが可能となり、圧縮機のロータ固渋による故障や突発的なシステムダウンを未然に防止することができる。

１（１ａ，１ｂ，１ｃ）…圧縮機
２…油分離器
３…凝縮器
４…過冷却器
５…過冷却器用膨張弁
６…主膨張弁
７…蒸発器
８…油タンク
９…油冷却器
１０…油ストレーナ
１１…吐出温度センサ
１２…油入口、１３（１３ａ，１３ｂ，１３ｃ）…油出口
１４…バッフル、１５…冷却管
１６…油面センサ、１７…フロート
１８…接続口、１９…フランジ部
２０…油溜め部
２１…液側配管、２２…ガス側配管。

Claims

圧縮機と、該圧縮機から吐出された冷媒から油を分離する油分離器と、前記分離された油を溜める油タンクと、該油タンクの油を冷却して前記圧縮機に供給する油冷却器とを備えた冷凍装置において、
前記圧縮機は複数台設けられると共に、それぞれの圧縮機からの吐出ガスの温度を検出する吐出温度センサをそれぞれの圧縮機に設け、
前記油冷却器は、該油冷却器内を流れる油の流れに対して上流側に油入口が設けられ、下流側に前記圧縮機台数以上の複数個の油出口が設けられ、これら複数個の油出口は油冷却器の上部に設けられると共に油の流れ方向上流側から下流側に順次配置され、各油出口を前記複数個の圧縮機の何れかにそれぞれ接続し、
前記各圧縮機の前記吐出温度センサでそれぞれ検出された吐出温度を比較することにより前記油タンク内の油量の減少を検出することを特徴とする冷凍装置。
請求項１に記載の冷凍装置において、前記各圧縮機の前記吐出温度センサでそれぞれ検出された吐出温度を比較し、その温度差が許容値以上となった時に油不足と判断して警報を発する油不足検知手段を備えていることを特徴とする冷凍装置。
請求項２に記載の冷凍装置において、前記油不足検知手段は、各吐出温度センサで検出された前記温度差が許容値以上となった状態が一定時間以上継続した場合に油不足と判断することを特徴とする冷凍装置。
請求項１〜３の何れかに記載の冷凍装置において、前記吐出温度センサは各々の圧縮機の吐出配管に設けられ、前記油冷却器に設けられた最も上流側の油出口に接続された圧縮機の吐出温度が、他の圧縮機の吐出温度より所定値以上上昇した場合に、油不足と判断することを特徴とする冷凍装置。
請求項１〜４の何れかに記載の冷凍装置において、前記圧縮機は二段スクリュー圧縮機であり、前記油冷却器からの油は、油冷却器内の給油圧力と前記圧縮機の中間圧力との差圧により、圧縮機の軸受部など必要個所に給油されることを特徴とする冷凍装置。
請求項１〜４の何れかに記載の冷凍装置において、前記圧縮機は単段スクリュー圧縮機であり、前記油冷却器からの油は、油冷却器内の給油圧力と前記圧縮機の吸入圧力との差圧により、圧縮機の軸受部など必要個所に給油されることを特徴とする冷凍装置。
請求項１〜６の何れかに記載の冷凍装置において、前記油冷却器は横型のシェルアンドチューブ式油冷却器であることを特徴とする冷凍装置。
請求項７に記載の冷凍装置において、前記シェルアンドチューブ式油冷却器は、そのシェル内に複数枚のバッフルがシェルの長手方向に上下交互に配置され、油入口から入った油がシェル内を上下に蛇行しながら油出口の方に向かって流れるように構成され、最も下流側に配置されたバッフルはシェル内の上側に設けられ、この最下流側のバッフルよりも更に下流側の油冷却器最上部に前記複数個の油出口が設けられていることを特徴とする冷凍装置。