JP6116684B2

JP6116684B2 - 冷凍装置

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Publication number: JP6116684B2
Application number: JP2015516841A
Authority: JP
Inventors: 寛也石原; 純三重野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-05-16
Filing date: 2013-05-16
Publication date: 2017-04-19
Anticipated expiration: 2033-05-16
Also published as: EP2998665A1; JPWO2014184931A1; WO2014184931A1; EP2998665B1; EP2998665A4

Description

本発明は、膨張タンク内に油が滞留するのを抑制する冷凍装置に関するものである。

従来の冷凍装置において、膨張タンクを低元側蒸発器の吸込側とアキュムレータとの間に接続している（例えば特許文献１）。

また、膨張タンクと冷凍サイクルとの間にキャピラリーと逆止弁とを設置している（例えば特許文献２）。

特許第３２７０７０６号公報実公昭６０−１５０８３号公報

上記の従来の冷凍装置における膨張タンクの設置方法では、膨張タンク内へ油が浸入して滞留する可能性がある。そして、膨張タンク内に油が滞留すると冷凍サイクル内の油が不足し、最悪の場合は圧縮機損傷に至るという課題があった。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、膨張タンク内へ油が浸入した場合でも、素早く返油することができる冷凍装置を提供することを目的としている。

本発明に係る冷凍装置は、圧縮機、凝縮器、膨張弁、及び蒸発器が順次配管接続され、冷媒が循環している冷凍サイクルと、前記冷媒を回収し、前記冷凍サイクルの圧力を下げる膨張タンクと、前記膨張タンクへ回収した前記冷媒、及び前記膨張タンク内に滞留した油を前記冷凍サイクルへ戻す返油管と、前記返油管に設けられ、開閉により前記冷媒の流れを制御する調整弁と、を備え、前記返油管は、前記圧縮機の吸入側と、前記膨張タンクの下部とを接続し、前記返油管に、前記調整弁と並列に逆止弁が設けられ、前記逆止弁は、前記圧縮機へ向かう方向を順方向とし、前記調整弁が設けられている側の径を細くし、前記逆止弁が設けられている側の径を太くしたものである。

本発明に係る冷凍装置によれば、返油管が膨張タンクの下部に接続されているため、膨張タンク内へ油が浸入した場合でも、素早く返油することができるので、冷凍サイクル内の油が不足すること、さらには圧縮機損傷を回避することができる。

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。本発明の実施の形態１に係る冷凍装置の冷媒回路の要部拡大図である。本発明の実施の形態２に係る冷凍装置の冷媒回路の要部拡大図である。本発明の実施の形態３に係る冷凍装置の冷媒回路の要部拡大図である。本発明の実施の形態４に係る冷凍装置の冷媒回路の要部拡大図である。本発明の実施の形態５に係る冷凍装置の冷媒回路の要部拡大図である。本発明の実施の形態７に係る冷凍装置の冷媒回路図である。本発明の実施の形態８に係る冷凍装置の冷媒回路図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下に説明する実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る冷凍装置の冷媒回路図である。
本発明の実施の形態１に係る冷凍装置の冷凍サイクル１００は、圧縮機１０１、凝縮器１０２、膨張弁１０３、蒸発器１０４、及び気液分離器１０５が順次配管接続され、冷媒が循環している。

また、冷凍サイクル１００の圧縮機１０１の吸入側と気液分離器１０５との間には、膨張タンク１０７が返油管１０８で接続されており、返油管１０８には電磁弁（調整弁）１０６が設けられている。

圧縮機１０１は、冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮して高温高圧の状態にするものである。
凝縮器１０２は、例えば図示省略の送風機から供給される空気と冷媒との間で熱交換を行い、冷媒を蒸発ガス化または凝縮液化するものである。
膨張弁１０３は、冷媒を減圧して膨張させるものである。
蒸発器１０４は、例えば図示省略の送風手段から供給される空気と冷媒との間で熱交換を行い、冷媒を凝縮液化または蒸発ガス化するものである。

気液分離器１０５は、流入した冷媒をガス冷媒と液冷媒とに分離する機能を有するものである。
電磁弁（調整弁）１０６は、開閉により冷媒の流れを制御するものである。
膨張タンク１０７は、冷凍サイクル１００の冷媒が完全にガス化しても、冷媒を回収することで、その圧力が許容圧力を越えないようにするためのものである。冷凍装置が運転可能の状態であれば、他冷却熱源（例えば、冷却水）による冷却によって冷媒温度を下げることが可能であり、冷凍サイクル１００の圧力を下げることが可能である。しかし、例えば停電時においては冷凍装置が運転不可能の状態であり、他冷却熱源を運転することも不可能である。そこで、膨張タンク１０７は、許容圧力を越えないように冷凍サイクル１００の圧力を下げるその他の手段として、停電時などの緊急時に用いられる。
返油管１０８は、膨張タンク１０７へ回収した冷媒、及び膨張タンク１０７内に滞留した油を冷凍サイクル１００へ戻すためのものである。

次に、本実施の形態１に係る冷凍装置における動作について説明する。
圧縮機１０１より吐出された高温高圧のガス冷媒は、凝縮器１０２へ流入し、例えば外気と熱交換して凝縮液化して高圧の液冷媒となる。この高圧の液冷媒は、膨張弁１０３で減圧され、低圧の気液二相冷媒となって蒸発器１０４に流入する。蒸発器１０４に流入した低圧の気液二相冷媒は、例えば冷凍倉庫の庫内空気によって加熱され（冷凍倉庫の庫内空気を冷却し）、蒸発して低圧のガス冷媒となる。そして、蒸発器１０４を流出した低圧のガス冷媒は、圧縮機１０１へ流入し、再び圧縮される。
なお、圧縮機１０１の吸入側に気液分離器１０５が設けられているため、蒸発器１０４を流出した冷媒が低圧の気液二相状態であっても、液冷媒を気液分離器１０５内に溜め、ガス冷媒のみを圧縮機１０１へ流入させることができる。

次に、本実施の形態１に係る冷凍装置における、膨張タンク１０７への冷媒回収動作について説明する。
まず、冷凍装置が無通電時に電磁弁（調整弁）１０６が開となるように設定しておくと、停電時に無通電状態となるので電磁弁（調整弁）１０６が開となる。すると、冷媒流路の容積が返油管１０８及び膨張タンク１０７の分だけ増加し（冷凍サイクル１００の体積が一時的に増加し）、冷凍サイクル１００内の冷媒が膨張タンク１０７へ侵入することで、冷凍サイクル１００の圧力が低下する。
また、冷凍装置が通電時に電磁弁（調整弁）１０６が閉となるように設定しておくと、復電時に通電状態になるので電磁弁（調整弁）１０６が閉となる。このとき、膨張タンク１０７内には冷媒が溜っていることが想定されるため、膨張タンク１０７内の冷媒を回収してから（復電後、一定時間経過してから）、電磁弁（調整弁）１０６が閉となるように設定する。
以上のように動作させることで、停電時などの緊急時に冷凍サイクル１００が圧力上昇した場合でも、その圧力を下げることができる。

図２は、本発明の実施の形態１に係る冷凍装置の冷媒回路の要部拡大図である。
本実施の形態１では、図２に示すように返油管１０８が膨張タンク１０７の下部に接続されている。こうすることにより、返油管１０８からの油の液面高さを稼ぐことができるため、返油速度も上がる。加えて、油は冷媒よりも比重が高く、膨張タンク１０７の下部に溜まる傾向があるため、膨張タンク１０７の下部に返油管１０８を設置することで下部に溜まった油を回収することが可能となる。そのため、膨張タンク１０７からの返油を素早く確実に行うことができ、膨張タンク１０７内に油が滞留するのを抑制でき、圧縮機損傷を回避することができる。

なお、冷凍サイクル１００と膨張タンク１０７との接続位置は、冷凍サイクル１００と膨張タンク１０７との圧力差を発生させ、膨張タンク１０７から冷凍サイクル１００への返油が素早く行われるように、圧縮機１０１の低圧側（吸入側）とする。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２に係る冷凍装置の冷媒回路の要部拡大図である。
以下、本実施の形態２について説明するが、本実施の形態１と重複するものについては省略する。なお、本実施の形態１の符号１００番台は本実施の形態２では２００番台に変更している。
本実施の形態２では、図３に示すように冷凍サイクル２００と膨張タンク１０７との接続位置が、気液分離器２０５である。
こうすることにより、気液分離器２０５で分離されたガス冷媒を膨張タンク２０７へ回収することが可能である。そのため、膨張タンク１０７内への油の浸入が少なくなり、膨張タンク２０７への油の滞留を回避できる。さらに、膨張タンク２０７から気液分離器２０５へ冷媒を戻すことによる、圧縮機２０１への冷媒液戻りを抑制する効果がある。

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の要部拡大図である。
以下、本実施の形態３について説明するが、本実施の形態１〜２と重複するものについては省略する。なお、本実施の形態１の符号１００番台は本実施の形態３では３００番台に変更している。
本実施の形態３では、本実施の形態２に加え、図４に示すように気液分離器３０５と膨張タンク３０７とを接続している返油管３０８に、下部に穴３０９ａが形成されたトラップ３０９が設けられている。
こうすることにより、油が返油管３０８に侵入してきた場合に、トラップ３０９で油を滞留させ、トラップ３０９の下部の穴３０９ａからその油を排出することによって、膨張タンク３０７内への油侵入をさらに抑制することが可能である。

実施の形態４．
図５は、本発明の実施の形態４に係る冷凍装置の冷媒回路の要部拡大図である。
以下、本実施の形態４について説明するが、本実施の形態１〜３と重複するものについては省略する。なお、本実施の形態１の符号１００番台は本実施の形態４では４００番台に変更している。
本実施の形態４では、本実施の形態３に加え、図５に示すように気液分離器４０５と膨張タンク４０７とを接続している返油管４０８に、電磁弁（調整弁）４０６と並列に逆止弁４１０が設けられている。また、返油管４０８の電磁弁（調整弁）４０６が設けられている側、つまり、膨張タンク４０７へ油が浸入する側の径を細くし、返油管４０８の逆止弁４１０が設けられている側、つまり、膨張タンク４０７から返油する側の径を太くする。
こうすることにより、膨張タンク４０７への油侵入をさらに抑制することが可能であると同時に、返油量を増やせるため、返油をさらに素早く行うことが可能である。

実施の形態５．
図６は、本発明の実施の形態５に係る冷凍装置の冷媒回路の要部拡大図である。
以下、本実施の形態５について説明するが、本実施の形態１〜４と重複するものについては省略する。なお、本実施の形態１の符号１００番台は本実施の形態５では５００番台に変更している。
本実施の形態５では、本実施の形態４に加え、図６に示すように電磁弁（調整弁）の代わりに蒸発圧力調整弁（ＥＰＲ）５０６が設けられている。
こうすることにより、蒸発圧力調整弁５０６は両側に一定圧力差が発生するまで開とならない弁であるため、電磁弁（調整弁）の制御を簡略化することが可能である。

実施の形態６．
以下、本実施の形態６について説明するが、本実施の形態１〜５と重複するものについては省略する。
本実施の形態６では、本実施の形態２〜５において、図示省略するが本実施の形態１と同様に、返油管が膨張タンクの下部に接続されている。
こうすることにより、実施の形態２〜５の効果に加え、実施の形態１の効果も得ることが可能である。

実施の形態７．
図７は、本発明の実施の形態７に係る冷凍装置の冷媒回路図である。
以下、本実施の形態７について説明するが、本実施の形態１〜６と重複するものについては省略する。なお、本実施の形態１の符号１００番台は本実施の形態７では６００番台に変更している。
本実施の形態７では、冷凍装置の冷凍サイクル６００が二元冷凍サイクルとなっており、高元側冷凍サイクル６００ａと低元側冷凍サイクル６００ｂとで構成されている。

高元側冷凍サイクル６００ａは、高元側圧縮機６０１ａ、凝縮器６０２、高元側膨張弁６０３ａ、及びカスケード熱交換器６１１の高元側流路が順次配管接続され、冷媒が循環している。
低元側冷凍サイクル６００ｂは、低元側圧縮機６０１ｂ、カスケード熱交換器６１１の低元側流路、低元側膨張弁６０３ｂ、蒸発器６０４、及び気液分離器６０５が順次配管接続され、設計温度内で超臨界状態となる冷媒（例えば、二酸化炭素やＲ２３）が循環している。
また、低元側冷凍サイクル６００ｂの低元側圧縮機６０１ｂの吸入側と気液分離器６０５との間には、膨張タンク６０７が返油管６０８で接続されており、返油管６０８には電磁弁（調整弁）６０６が設けられている。

次に、本実施の形態７に係る冷凍装置における動作について説明する。
高元側冷凍サイクル６００ａの高元側圧縮機６０１ａより吐出された高温高圧の蒸気冷
媒は、凝縮器６０２へ流入し、例えば外気と熱交換して凝縮液化し、高圧の液冷媒となる。この高圧の液冷媒は、高元側膨張弁６０３ａで減圧され、低圧の気液二相冷媒となってカスケード熱交換器６１１の高元側流路に流入する。この低圧の気液二相状態となった高元側の冷媒は、カスケード熱交換器６１１内で低元側流路を流れる冷媒によって加熱されて蒸発し、低圧のガス冷媒となって高元側圧縮機６０１ａへ流入し、再び圧縮される。

一方、低元側冷凍サイクル６００ｂでは、低元側圧縮機６０１ｂより吐出された高温高圧のガス冷媒は、カスケード熱交換器６１１の低元側流路へ流入し、高元側流路を流れる冷媒に冷却されて凝縮液化し、高圧の液冷媒となる。この高圧の液冷媒は、低元側膨張弁６０３ｂに流入する。低元側膨張弁６０３ｂに流入した高圧の液冷媒は、減圧されて低圧の気液二相冷媒となって蒸発器６０４に流入する。蒸発器６０４に流入した低圧で気液二相状態の冷媒は、例えば冷凍倉庫の庫内空気によって加熱され（冷凍倉庫の庫内空気を冷却し）、蒸発して低圧のガス冷媒となる。蒸発器３１を流出した低圧のガス冷媒は、低元側圧縮機６０１ｂへ流入し、再び圧縮される。
なお、低元側圧縮機６０１ｂの吸入側に気液分離器６０５が設けられているため、蒸発器６０４を流出した冷媒が低圧の気液二相状態であっても、液冷媒を気液分離器６０５内に溜め、ガス冷媒のみを低元側圧縮機６０１ｂへ流入させることができる。

上記のように、低元側冷凍サイクル６００ｂに設計温度内で超臨界状態となる冷媒を用いた二元冷凍サイクルを採用することで、低元側の設計温度内で超臨界状態となる冷媒の量を空気冷却式単元冷凍サイクルに比べて削減可能となるため、膨張タンク６０７への油滞留量の絶対値を空気冷却式単元冷凍サイクルに比べて削減することができる。
ここで、二元冷凍サイクルが、空気冷却式単元冷凍サイクルに比べて設計温度内で超臨界状態となる冷媒量を減らすことができる理由は、二元冷凍サイクルでは低元側と高元側の熱交換器部分にカスケード熱交換器６１１を用いており、空気冷却式凝縮器を用いた単元サイクルと比べ、冷媒量を削減することが可能となるためである。
よって、油充填量を削減することが可能となり（空気冷却式凝縮器よりもカスケード熱交換器（プレート式熱交換器）６１１の方が、冷媒量が少なくて済む。）、絶対量として削減することができるため、膨張タンク６０７へ浸入した場合でも膨張タンク６０７内への油の滞留を回避できる。

なお、高元側冷凍サイクル６００ａを循環する冷媒として、例えば２，３，３，３−テトラフルオロプロペン（ＨＦＯ−１２３４ｙｆ）等のテトラフルオロプロペン、またはこのテトラフルオロプロペンを含む混合冷媒を用いるとよい。

実施の形態８．
図８は、本発明の実施の形態８に係る冷凍装置の冷媒回路図である。
以下、本実施の形態８について説明するが、本実施の形態１〜７と重複するものについては省略する。なお、本実施の形態１の符号１００番台は本実施の形態８では７００番台に変更している。
本実施の形態８では、本実施の形態７に加え、図８に示すように低元側冷凍サイクル７００ｂに低元側膨張弁７０３ｂ１、７０３ｂ２が２つ直列に配管接続されている。
このように、低元側膨張弁７０３ｂ１、７０３ｂ２を２段構成とすることによって、従来は配管内で液単相状態として存在していた部分の冷媒を、気液二相状態として存在させることができるようになる。気液二相状態で存在することによって、液単相状態で存在する場合よりも密度が低くなり、結果としてサイクル全体の冷媒量を削減可能となる。そのため、膨張タンク７０７内に油が滞留するのをさらに抑制できる。

なお、例えば本実施の形態１と７、または本実施の形態２と８のように、本実施の形態１〜８を適宜組み合わせてもよい。

１００冷凍サイクル、１０１圧縮機、１０２凝縮器、１０３膨張弁、１０４蒸発器、１０５気液分離器、１０６電磁弁（調整弁）、１０７膨張タンク、１０８返油管、２００冷凍サイクル、２０１圧縮機、２０５気液分離器、２０６電磁弁（調整弁）、２０７膨張タンク、２０８返油管、３０１圧縮機、３０５気液分離器、３０６電磁弁（調整弁）、３０７膨張タンク、３０８返油管、３０９トラップ、３０９ａ穴、４０１圧縮機、４０５気液分離器、４０６電磁弁（調整弁）、４０７膨張タンク、４０８返油管、４０９トラップ、４０９ａ穴、４１０逆止弁、５０１圧縮機、５０５気液分離器、５０６蒸発圧力調整弁（ＥＰＲ）、５０７膨張タンク、５０８返油管、５０９トラップ、５０９ａ穴、５１０逆止弁、６００冷凍サイクル、６００ａ高元側冷凍サイクル、６００ｂ低元側冷凍サイクル、６０１ａ高元側圧縮機、６０１ｂ低元側圧縮機、６０２凝縮器、６０３ａ高元側膨張弁、６０３ｂ低元側膨張弁、６０４蒸発器、６０５気液分離器、６０６電磁弁（調整弁）、６０７膨張タンク、６０８返油管、６１１カスケード熱交換器、７００冷凍サイクル、７００ａ高元側冷凍サイクル、７００ｂ低元側冷凍サイクル、７０１ａ高元側圧縮機、７０１低元側圧縮機、７０２凝縮器、７０３ａ高元側膨張弁、７０３ｂ１低元側膨張弁、７０３ｂ２低元側膨張弁、７０４蒸発器、７０５気液分離器、７０６電磁弁（調整弁）、７０７膨張タンク、７０８返油管、７１１カスケード熱交換器。

Claims

圧縮機、凝縮器、膨張弁、及び蒸発器が順次配管接続され、冷媒が循環している冷凍サイクルと、
前記冷媒を回収し、前記冷凍サイクルの圧力を下げる膨張タンクと、
前記膨張タンクへ回収した前記冷媒、及び前記膨張タンク内に滞留した油を前記冷凍サイクルへ戻す返油管と、
前記返油管に設けられ、開閉により前記冷媒の流れを制御する調整弁と、を備え、
前記返油管は、
前記圧縮機の吸入側と、前記膨張タンクの下部とを接続し、
前記返油管に、前記調整弁と並列に逆止弁が設けられ、
前記逆止弁は、前記圧縮機へ向かう方向を順方向とし、
前記調整弁が設けられている側の径を細くし、前記逆止弁が設けられている側の径を太くした
ことを特徴とする冷凍装置。
高元側圧縮機、凝縮器、高元側膨張弁、及びカスケード熱交換器の高元側流路が順次配管接続され、冷媒が循環している高元側冷凍サイクルと、
低元側圧縮機、カスケード熱交換器の低元側流路、低元側膨張弁、及び蒸発器が順次配管接続され、冷媒が循環している低元側冷凍サイクルと、
で構成される冷凍サイクルと、
前記低元側冷凍サイクルを循環する冷媒を回収し、前記冷凍サイクルの圧力を下げる膨張タンクと、
前記膨張タンクへ回収した前記低元側冷凍サイクルを循環する冷媒、及び前記膨張タンク内に滞留した油を前記冷凍サイクルへ戻す返油管と、
前記返油管に設けられ、開閉により前記低元側冷凍サイクルを循環する冷媒の流れを制御する調整弁と、を備え、
前記返油管は、
前記低元側圧縮機の吸入側と前記膨張タンクの下部とを接続し、
前記返油管に、前記調整弁と並列に逆止弁が設けられ、
前記逆止弁は、前記低元側圧縮機へ向かう方向を順方向とし、
前記調整弁が設けられている側の径を細くし、前記逆止弁が設けられている側の径を太くした
ことを特徴とする冷凍装置。
前記低元側冷凍サイクルを循環する冷媒は、設計温度内で超臨界状態となる
ことを特徴とする請求項２に記載の冷凍装置。
前記低元側冷凍サイクルを循環する冷媒は、
二酸化炭素またはＲ２３である
ことを特徴とする請求項３に記載の冷凍装置。
前記低元側膨張弁が、二つ直列に設けられた
ことを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の冷凍装置。
気液分離器が前記圧縮機の吸入側に設けられ、
前記返油管は、
前記気液分離器と、前記膨張タンクの下部とを接続する
ことを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
気液分離器が前記低元側圧縮機の吸入側に設けられ、
前記返油管は、
前記気液分離器と、前記膨張タンクの下部とを接続する
ことを特徴とする請求項２〜５のいずれか一項に記載の冷凍装置。
前記返油管は、下部に穴が形成されたトラップが設けられ、
前記返油管に侵入してきた前記油を前記トラップで滞留させ、前記穴からその油を排出する
ことを特徴とする請求項６または７に記載の冷凍装置。
前記調整弁は、無通電時に開となるように設定され、通電時に閉となるように設定され、
前記膨張タンク内の前記冷媒を回収してから、または復電後、一定時間経過してから閉となるように設定された
ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の冷凍装置。
前記調整弁は、両側に一定圧力差が発生するまで開とならない蒸発圧力調整弁である
ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の冷凍装置。