JP5372880B2

JP5372880B2 - ２段圧縮冷凍装置

Info

Publication number: JP5372880B2
Application number: JP2010212013A
Authority: JP
Inventors: 昇壷井
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2010-09-22
Filing date: 2010-09-22
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2030-09-22
Also published as: KR20120031138A; JP2012067954A; CN102435018B; KR101317541B1; CN102435018A

Description

本発明は、２段圧縮冷凍装置に関する。

冷凍装置に対して、高い成績係数（ＣＯＰ）を実現するとともに、蒸発器における冷媒の蒸発温度が広い範囲に対応できることが望まれている。２段圧縮冷凍装置において高い成績係数を達成するためには、１段目の圧縮機と２段目の圧縮機との負荷の分担を最適化する必要がある。

例えば、特許文献１には、１段目の圧縮機の吐出圧力（２段目の圧縮機の吸込圧力）である中間圧力Ｐｍを、１段目の圧縮機の吸込圧力Ｐｓと２段目の圧縮機の吐出圧力Ｐｄとの積の平方根√（Ｐｓ・Ｐｄ）に一致させるように、圧縮機の行程体積を変化させることで、冷凍装置の効率低下を防止する技術が記載されている。

冷凍装置用の圧縮機としては、冷却および潤滑のために油を供給し、吐出側に油分離器を設けるタイプのものが広く用いられている。通常、２段圧縮冷凍装置では、２段目の圧縮装置の吐出流路に油分離器が配設され、その吐出圧力によって分離器が分離した油を１段目および２段目の圧縮機に環流させる。

特開２００７−１３８９１９号公報

従来の２段圧縮冷凍装置において、吸込圧力Ｐｓと吐出圧力Ｐｄとの差が大きくなると、その圧力差のために、１段目の圧縮機の低圧空間に導入された油に溶解した冷媒がフラッシュ（瞬間的に蒸発）する量が多くなる。すると、蒸発器を通過して圧縮機が吸い込むことができる冷媒の量が減少し、冷凍装置の効率が低下してしまうという問題が生じる。

前記問題点に鑑みて、本発明は、冷媒吸込圧力が低くても高い効率を維持できる冷凍装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明による冷凍装置は、冷媒循環流路に、回転数制御可能な第１段圧縮機、第１段油分離器、前記第１段圧縮機から独立して回転数制御可能な第２段圧縮機、第２段油分離器、凝縮器、膨張弁および蒸発器を介設してなり、前記第１段油分離器が分離した油を前記第１段圧縮機に環流する第１段油流路と、前記第２段油分離器が分離した油を前記第２段圧縮機に環流する第２段油流路と、前記第１段圧縮機の吸込圧力を検出する吸込圧力検出手段と、前記第１段圧縮機の吐出圧力を検出する中間圧力検出手段と、前記第２段圧縮機の吐出圧力を検出する吐出圧力検出手段と、冷凍負荷に応じて前記第１段圧縮機の回転数を制御する第１段制御手段と、前記吸込圧力検出手段の検出値と前記吐出圧力検出手段の検出値の積の平方根から理論中間圧力を算出し、前記理論中間圧力と前記吸込圧力検出手段の検出値との差が、予め定めた下限差圧よりも大きい場合は、前記中間圧力検出手段の検出値を、前記理論中間圧力に一致させるように、前記第２段圧縮機の回転数を制御し、前記理論中間圧力と前記吸込圧力検出手段の検出値との差が、前記下限差圧以下である場合は、前記中間圧力検出手段の検出値を、前記吸込圧力検出手段の検出値に前記下限差圧を加えた値に一致させるように、前記第２段圧縮機の回転数を制御する第２段制御手段とを有するものとする。

また、本発明の冷凍装置は、前記蒸発器の蒸発温度を検出する蒸発温度検出手段を備え、前記第１段制御手段は、前記蒸発温度検出手段の検出値に応じて、前記第１段圧縮機の回転数を制御してもよい。

また、本発明の冷凍装置において、前記第１段圧縮機および前記第２段圧縮機は、それぞれ、スクリュ圧縮機からなってもよい。

本発明によれば、各段の圧縮機の吐出側にそれぞれ油分離器を設けたので、それぞれの圧縮機に自身の吐出圧力の油が供給される。これにより、油の供給圧力が高くなりすぎず、油に溶解した冷媒がフラッシュして圧縮機の容量を実質的に低下させることがない（特に、蒸発器を通過して第１段圧縮機が吸い込むことができる冷媒の量が減少することがない）。また、第２段制御手段は、理論中間圧力が小さくなったときにも、実際の中間圧力と吸込圧力との差を一定の値以上に保つので、第１段圧縮機に油を供給するために必要な圧力差が確保でき、油切れによるトラブルを防止できる。

本発明の１つの実施形態の冷凍装置の構成図である。図１の冷凍装置における蒸発温度と各所の冷媒圧力との関係を示す図である。

これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１に、本発明の１つの実施形態である冷凍装置１の構成を示す。

冷凍装置１は、第１段圧縮機２、第２段圧縮機３、凝縮器４、膨張弁５および蒸発器６を介設してなり、冷媒を封入した冷媒循環流路７を有する。第１段圧縮機２および第２段圧縮機３は、それぞれ、独立して回転数制御可能なインバータ駆動の油冷式スクリュ圧縮機である。

冷凍装置１は、さらに、第１段圧縮機２と第２段圧縮機３との間の冷媒循環流路７に、第１段圧縮機２が吐出した冷媒から冷却油を分離する第１段油分離器８が設けられ、第２段圧縮機３と凝縮器４との間の冷媒循環流路７に、第２段圧縮機３が吐出した冷媒から冷却油を分離する第２段油分離器９が設けられている。そして、冷凍装置１は、第１段油分離器８が分離した冷却油を第１段圧縮機２の吸込および低圧部に環流させる第１段油流路１０と、第２段油分離器９が分離した冷却油を第２段圧縮機３の吸込および低圧部に環流させる第２段油流路１１とをさらに備える。

また、冷凍装置１は、第１段圧縮機２の吸込圧力Ｐｓを検出する吸込圧力検出器１２と、第１段圧縮機２と第２段圧縮機３との間の冷媒循環流路７の圧力、つまり、第１段圧縮機２の吐出圧力であって第２段圧縮機３の吸込圧力でもある中間圧力Ｐｍを検出する中間圧力検出器１３と、第２段圧縮機３の吐出圧力Ｐｄを検出する吐出圧力検出器１４と、蒸発器６における冷媒の蒸発温度Ｔｅを検出する蒸発温度検出器１５とを備える。

冷凍装置１では、第１段圧縮機２には、中間圧力Ｐｍと吸い込み圧力Ｐｓとの差圧によって第１段油分離器１０から冷却油が供給され、第２段圧縮機３には、吐出圧力Ｐｄと中間圧力Ｐｍとの差圧によって、第２段油分離器１１から冷却油が供給される。

さらに、冷凍装置１は、蒸発温度検出器１５の検出値Ｔｅに基づいて、第１段圧縮機２回転数を制御する第１段制御装置１６と、吸込圧力検出器１２、中間圧力検出器１３および吐出圧力検出器１４の検出値Ｐｓ，Ｐｍ，Ｐｄに基づいて、第２段圧縮機３の回転数を制御する制御装置１７とを有する。制御装置１６と制御装置１７とは、単一のコンピュータによって実現される互いに独立したプログラムまたは制御ルーチンであってもよい。

第１段制御装置１６は、冷凍負荷、すなわち、蒸発温度検出器１５の検出値Ｔｅを設定温度Ｔｓに保つように、第１段圧縮機２の回転数を、例えば、公知のＰＩＤ制御によって調節する。

第２段制御装置１７は、吸込圧力検出器１２および吐出圧力検出器１４の検出値に基づいて、中間圧力Ｐｍの目標値Ｐｍｓを定め、中間圧力Ｐｍを目標値Ｐｍｓに一致させるように、公知のＰＩＤ制御等によって第２段圧縮機２の回転数を制御する。

この目標値Ｐｍｓは、次のように定められる。先ず、第２段制御装置１７は、吸込圧力検出器１２が検出した吸込圧力Ｐｓと、吐出圧力検出器１４が検出した吐出圧力Ｐｄとの積の平方根である理論中間圧力Ｐｍｔｈ＝｛√（Ｐｓ・Ｐｄ）｝を算出する。そして、第２段制御装置１７は、理論中間圧力Ｐｍｔｈと吸込圧力Ｐｓとの差ΔＰを求め、予め設定した下限差圧ΔＰｍｉｎと比較する。そして、第２段制御装置１７は、差圧ΔＰが下限差圧ΔＰｍｉｎより大きければ、目標値Ｐｍｓを理論中間圧力Ｐｍｔｈに設定し、差圧ΔＰが下限差圧ΔＰｍｉｎ以下であれば、目標値Ｐｍｓを吸込圧力検出器１２が検出した吸込圧力Ｐｓに下限差圧ΔＰｍｉｎを加えた値（Ｐｓ＋ΔＰｍｉｎ）に設定する。

下限差圧ΔＰｍｉｎは、第１段圧縮機２に必要とされる冷却油の流量を確保するために必要とされる圧力であり、第１段油流路１０の配管抵抗によって決定される。この下限差圧ΔＰｍｉｎは、通常、第１段圧縮機２の定格運転条件において決定された値に、安全率を乗じた固定値（例えば０．２ＭＰａ）であるが、第１段圧縮機２の回転数に応じて変化する値としてもよい。

図２に、吸い込み圧力Ｐｓ、中間圧力Ｐｍおよび吐出圧力Ｐｄの関係を示す。吸込圧力Ｐｓは、蒸発器６における冷媒の蒸発温度によって定められる。また、吐出圧力Ｐｄは、凝縮器４における冷媒の凝縮温度によって定められる。凝縮器４に供給される冷却水の温度が一定で、凝縮器の容量が十分に大きければ、凝縮温度が略一定になるため、本実施形態において、吐出圧力Ｐｄは略一定と考えてもよい。

図示するように、蒸発器６における冷媒の蒸発温度が−５０℃より低くなると、理論中間圧力Ｐｍｔｈと吸込圧力Ｐｓとの差圧ΔＰが、下限差圧ΔＰｍｉｎ（０．２ＭＰａ）以下になる。このとき、第２段制御装置１７は、中間圧力Ｐｍの目標値Ｐｍｓを、吸込圧力Ｐｓよりも下限差圧ΔＰｍｉｎだけ高い圧力（Ｐｓ＋ΔＰｍｉｎ）に設定する。これにより、第１段圧縮機２に冷却油を十分に供給できるようにすることで、第１段圧縮機２のトラブルを防止する。また、同時に、第２段圧縮機への冷却油の供給圧力（Ｐｄ−Ｐｍ）が高くなりすぎることも防止され、第２段圧縮機において冷却油に溶解した冷媒がフラッシュして、能力低下を招くことが防止される。

以上の説明では、蒸発器６における冷媒の蒸発温度Ｔｅの設定値Ｔｓを変更しなければ、中間圧力Ｐｍの目標値Ｐｍｓを決定する演算式が変化しないように思えるかもしれない。しかしながら、例えば、蒸発器６が冷凍倉庫に配設されているような場合には、荷物の搬出入のためにドアを開けたまま放置すると、庫内温度、つまり、実際の蒸発温度Ｔｅが急激に上昇するため、理論中間圧力Ｐｍｔｈと吸込圧力Ｐｓとの差圧ΔＰが、下限差圧ΔＰｍｉｎよりも大きくなり得る。

したがって、蒸発温度Ｔｅの設定値Ｔｓが一定であっても、目標値Ｐｍｓの演算式を変化させることは、冷凍装置１の効率を高めるために有効な手段である。また、カスケード制御等によって、蒸発器６における冷媒の蒸発温度Ｔｅの設定値Ｔｓを変化させることが望ましい場合も考えられる。

また、上述の実施形態では、第１段圧縮器２の機械的圧縮比と第２段圧縮機３の機械的圧縮比とが等しいため、理論中間圧力Ｐｍｔｈ＝｛√（Ｐｓ・Ｐｄ）｝としたが、第１段圧縮器２の機械的圧縮比と第２段圧縮機３の機械的圧縮比との比が定数ｋで表される場合、理論中間圧力Ｐｍｔｈ＝｛√（Ｐｓ・Ｐｄ／ｋ）｝となる。つまり、本発明において、理論中間圧力Ｐｍｔｈは、吸込圧力Ｐｓ吐出圧力Ｐｄとの積の平方根に定数√ｋを乗じた値である。

１…冷凍装置
２…第１段圧縮機
３…第２段圧縮機
４…凝縮器
５…膨張弁
６…蒸発器
７…冷媒循環流路
８…第１段油分離器
９…第２段油分離器
１０…第１段油流路
１１…第２段油流路
１２…吸込圧力検出器（吸込圧力検出手段）
１３…中間圧力検出器（中間圧力検出手段）
１４…吐出圧力検出器（吐出圧力検出手段）
１５…蒸発温度検出器（蒸発温度検出手段）
１６…第１段制御装置（第１段制御手段）
１７…第２段制御装置（第２段制御手段）

Claims

冷媒循環流路に、回転数制御可能な第１段圧縮機、第１段油分離器、前記第１段圧縮機から独立して回転数制御可能な第２段圧縮機、第２段油分離器、凝縮器、膨張弁および蒸発器を介設してなり、
前記第１段油分離器が分離した油を前記第１段圧縮機に環流する第１段油流路と、
前記第２段油分離器が分離した油を前記第２段圧縮機に環流する第２段油流路と、
前記第１段圧縮機の吸込圧力を検出する吸込圧力検出手段と、
前記第１段圧縮機の吐出圧力を検出する中間圧力検出手段と、
前記第２段圧縮機の吐出圧力を検出する吐出圧力検出手段と、
冷凍負荷に応じて前記第１段圧縮機の回転数を制御する第１段制御手段と、
前記吸込圧力検出手段の検出値と前記吐出圧力検出手段の検出値の積の平方根から理論中間圧力を算出し、
前記理論中間圧力と前記吸込圧力検出手段の検出値との差が、予め定めた下限差圧よりも大きい場合は、前記中間圧力検出手段の検出値を、前記理論中間圧力に一致させるように、前記第２段圧縮機の回転数を制御し、
前記理論中間圧力と前記吸込圧力検出手段の検出値との差が、前記下限差圧以下である場合は、前記中間圧力検出手段の検出値を、前記吸込圧力検出手段の検出値に前記下限差圧を加えた値に一致させるように、前記第２段圧縮機の回転数を制御する第２段制御手段とを有することを特徴とする冷凍装置。
前記蒸発器の蒸発温度を検出する蒸発温度検出手段を備え、
前記第１段制御手段は、前記蒸発温度検出手段の検出値に応じて、前記第１段圧縮機の回転数を制御することを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
前記第１段圧縮機および前記第２段圧縮機は、それぞれ、スクリュ圧縮機からなることを特徴とする請求項１または２に記載の冷凍装置。