JP6427394B2 - 冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、油サイクルを構成する冷凍装置に関する。

本技術分野の背景技術として、特開２０１２−７２９１９号公報（特許文献１）がある。特許文献１の要約には、圧縮機と油分離器と油タンクと油タンクの油を冷却して圧縮機に供給する油冷却器とを備えた冷凍装置が記載されている。この冷凍装置では、圧縮機が複数台設けられ、各圧縮機に吐出温度センサが設けられている。油冷却器には一つの油入口と複数の油出口とが設けられている。複数の油出口は油冷却器の上部に設けられると共に、油の流れ方向の上流側から下流側に順次配置され、各油出口は複数の圧縮機のいずれかにそれぞれ接続されている。そして特許文献１の冷凍装置では、各圧縮機の吐出温度センサで検出された吐出温度を比較することにより、油タンクの油量の減少を検出している。

特開２０１２−７２９１９号公報

給油圧力と中間圧力との差圧で軸受け部への油の供給を行う給油差圧方式を採用した二段圧縮機を搭載し、油分離器、油タンク、油冷却器などと共に油サイクルを構成する冷凍装置がある。このような冷凍装置では、試運転時や、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い。油上がりが増加すると、冷凍装置内の油の保有量が減少し、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の過熱により固渋に至るケースに発展する場合がある。

このようなケースを未然に防ぐためには、油の有無を検知する、フロート等を用いた油面センサを油タンク（油溜め部）に取り付ける、或いは、油の流れを検知するセンサを給油配管に取り付けることが有効であるが、装置内の機器に対し変更が伴うことになる。例えば、油面センサを用いる場合には、油面センサ本体や油溜め部、更には油溜め部とセンサとの接続配管を設ける必要がある。さらに、油面センサでの検知を制御に組込む必要がある。油面センサや油の流れを検知するセンサを取り付ける対策では、このような機器の改造や制御の改造により、部品点数が増加し、多大な費用がかかるという課題がある。また、油面センサ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、これらの保護装置を取り付けている例は少ないのが実状である。

特許文献１では、これらの課題の解決策として、複数台の圧縮機を搭載したスクリュー冷凍機において油不足運転となった圧縮機の吐出温度だけが上昇する事象に着目し、圧縮機ごとの吐出温度の変化を比較することにより、機器の改造を行わずに油不足を検出している。しかし圧縮機を１台しか搭載していないユニットの場合では、他の比較する圧縮機がないため、油不足を検出することができなかった。

本発明の目的は、装置内の油保有量が減少し油不足となった場合に、１台の圧縮機から得られる情報に基づいて油不足の検知が可能な冷凍装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の冷凍装置は、給油圧力と中間圧力との差圧で軸受け部への油の供給を行う給油差圧方式の二段圧縮機と、油分離器と、油タンクと、油冷却器とで油サイクルを構成し、圧縮機の吐出温度を検出する吐出温度センサと、圧縮機の吐出圧力を検出する吐出圧力センサと、圧縮機の中間圧力を検出する中間圧力センサとを備えた冷凍装置において、前記吐出温度センサで検出した吐出温度と、前記吐出圧力センサで検出した吐出圧力と、前記中間圧力センサで検出した中間圧力とに基づいて、吐出圧力が許容変動幅内にあり、中間圧力が上昇傾向にあり、吐出温度が第一の異常判定値以上まで上昇した場合に、冷凍機油の不足を検知する制御を実行する。

本発明によれば、標準的な装備を用いて１台の圧縮機から得られる情報に基づいて、油不足運転の検知が可能となる。これにより、油不足運転が原因で起こる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ぐことができる。

本発明の一実施例に係る冷凍サイクルの系統図である。 油保有量が減少した際の各部の圧力及び吐出温度の変化と時間との関係を示す図である。 本発明の一実施例に係る、油不足を判定するフローチャートを示す図である。 油面センサの取り付け方法の一例を示す図である。 油面センサの取り付け方法の一例を示す図である。

以下、本発明の一実施例を、図面を用いて説明する。

本実施例では、水冷式二段冷凍機の場合について、図１により説明する。図１に、本発明の一実施例に係る冷凍サイクルの系統図を示す。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す。本発明は、圧縮機から排出された油を油冷却器にて冷却し、冷却した油を圧縮機に給油する油サイクルを有する冷凍装置を対象としている。

本実施例で用いられる圧縮機は、給油圧力と中間圧力との差圧で軸受け部への油の供給を行う給油差圧方式を採用した二段圧縮機である。二段圧縮機（以下圧縮機という）１の低段、高段側にて冷媒は圧縮され、高温高圧のガスとなって油とともに吐出され、油分離器２内にて冷媒ガスと油とに分離される。冷媒ガスは凝縮器３にて冷却されて液冷媒となり、過冷却器４にて液温を下げ、主液膨張弁６の作用により低圧の湿りガスとなり、蒸発器７内で蒸発して被冷却物の冷却を行ったのち、圧縮機１へ吸入される。圧縮機１から油分離器２までの配管は実線で示しているが、この配管には冷媒と冷凍機油とが流れる。

一方、油分離器２にて分離した冷凍機油は、油分離器２から油タンク８に溜まり、油冷却器９に入って冷却水により冷却される。冷却された油は油ストレーナ１０にて油中の異物を除去された後、給油圧力と圧縮機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へ給油される。油分離器２から圧縮機１の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の圧力＞油冷却器８の圧力＞圧縮機１の軸受け部の圧力
となっており、圧縮機1にて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の軸受け部に給油されることになる。

図２に、吐出温度の上昇と中間圧力、吐出圧力の変化の時間経過の関係を示す。

給油量が確保されていない場合、圧縮機1の吐出温度が上昇する。しかし、吐出温度が上昇する他の原因として、運転条件の変化、冷却水の水温の上昇、水量の不足等が関係する。これの原因には、以下のような特徴がある。

冷却負荷の増加により吸入圧力が上昇したり、冷却水量が不足しているまたは冷却水温が高い場合には吐出圧力に変化が現れる。逆を言えば、運転条件、冷却水の水量及び温度が安定している状況では、運転中の各部圧力及び温度に大きな変化は見られない。

ここで冷凍装置の油タンク８内に油面を形成できない程、油保有量が減少して油面が低下した場合では、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。本来であれば油冷却器９内は油で満たされている。しかし、油冷却器９内に冷媒ガスが混入することがある。油冷却器９は通常は油の入口９ａと出口９ｂとがそれぞれ１箇所であるため、冷媒ガスが混入した場合に、冷媒ガスは油冷却器９内では完全に液化されず、ガスのまま油冷却器９の油出口９ｂより排出され、給油配管を通って圧縮機1へと供給されてしまう。

この油サイクルの系統は油冷却器９の構造にかかわらず、シェルアンドチューブ式、二重管式或いはプレート式でも同じである。

更に油保有量が減少し、油タンク８から油冷却器９に流れるガス冷媒が増えるほど、油冷却器９の出口９ｂを通過して圧縮機1に供給される油の量は減少するので、油による冷却作用は減少し、吐出温度は図２の２０１に示すように更に上昇することになる。

圧縮機１の各軸受部は中間圧力部と通じているため、油保有量が減少して圧縮機1の油配管から供給されるガス冷媒量が増加することは、中間圧力の上昇に繋がる。これにより油保有量が減少した場合には、図２の２０２に示すように中間圧の上昇が見られ、かつ図２の２０１に示すように吐出温度が上昇する現象が発生する。一方、吐出圧力は、運転条件、冷却水の水量及び温度が安定している状況では、図２の２０３に示すように、大きな変化は見られず、ほぼ一定である。

これらにより、吐出圧力に変化が無くかつ中間圧力が上昇傾向にある場合に吐出温度が上昇すれば、これは油不足による給油不良が発生していると判断することができる。

一般的には二段圧縮機1の吐出温度は８０℃程度で運転されており、運転中の吐出温度をＴＤとする。これが何らかの不具合で吐出温度が上昇する場合の異常判定値を１１０℃（第二の異常判定値）に設定している。この第二の異常判定値は、冷却水側に異常があった場合と油不足の場合とを区別することなく設定される。

冷却水側に不具合が発生して吐出温度が上昇する場合には、油不足とはなっていないので圧縮機１の軸受け部には必要量の油が給油されており、即座に故障に繋がるケースは少ない。しかし、冷却水側に不具合は無い状態で油不足による運転を継続すると、圧縮機１の軸受け部の冷却と潤滑が出来なくなり、圧縮機内部温度が上昇し、熱膨張によりロータ固渋に至る場合がある。

圧縮機１の内部温度は吐出温度では判別できず、吐出温度が異常値に達する前にロータ固渋に至るケースも考えられ、油不足が発生している場合は早い時間で油不足を判断し、ユニットを停止させる必要がある。保護装置には、油不足をその発生から短時間で検出できる性能が要求される。そのため油不足の発生を検出するための吐出温度の判定値（第一の異常判定値）は、１１０℃よりも低い値（例えば１００℃）に設定しておく。この設定値をＴＤ１とする。

図３に、油不足を判定するフローチャートを示す。

冷凍機の運転中、吐出温度ＴＤを監視する。これは、Ｓ３０１において、吐出温度ＴＤが第一の異常判定値ＴＤ１に達しているかどうかを判定することにより行う。吐出温度ＴＤが第一の異常判定値ＴＤ１に達していなければ、Ｓ３０１を繰り返す。

吐出温度ＴＤが第一の異常判定値ＴＤ１以上になると、Ｓ３０２に進み、吐出圧力が一定であるかどうかを判定する。これは、吐出圧力が許容変動幅（許容範囲）内に収まっているかどうかで判定できる。吐出圧力が許容変動幅から外れて変化している場合は、Ｓ３０６のように、運転条件の変化或いは冷却水側の不具合が発生している可能性がある。これについては後述する。

吐出圧力が一定である場合、Ｓ３０４に進み、中間圧力の変化量ΔＰが設定値ΔＰ１に達しているかどうかを判定する。中間圧力の変化量ΔＰは以下のようにして算出される。

運転中に検知する中間圧力をＰｍ（ｎ）（ｎ＝１，２，３・・・）とし、このＰｍ（ｎ）は一定時間ｔ毎に定期的に検知するものとする。中間圧力Ｐｍ（ｎ）とｔ時間前のＰｍ（ｎ-1）を比較し、Ｐｍ（ｎ）とＰｍ（ｎ−１）の圧力差を変化量ΔＰとする。すなわち、ΔＰは式（１）で表される。

ΔＰ＝Ｐｍ（ｎ）−Ｐｍ（ｎ−１） （式１）
ΔＰ≦０の場合には中間圧力が変化していないか低下したものであり、ΔＰ＝０と判定する。

Ｓ３０４において、圧力差ΔＰが設定値ΔＰ１に達していなければ、Ｓ３０６のように、運転条件の変化或いは冷却水側の不具合が発生している可能性がある。これについては後述する。Ｓ３０４において、圧力差ΔＰが設定値ΔＰ１以上であると判定された場合、装置内の油保有量が減少しているものと判断する。すなわち、吐出温度ＴＤがＴＤ１に達した際に、吐出圧力に変化が無くかつこの圧力差ΔＰが設定値（ΔＰ１）以上であった場合には、装置内の油保有量が減少しているものと判断して、ユニットを緊急停止させる。なおΔＰ１はΔＰ１＞０の範囲で設定される。

油の減少具合は運転状態により異なるため、Ｐｍ（ｎ）を検知する時間ｔとΔＰ1の設定値は可変としておき、状況により設定を変更できるようにするとよい。

Ｓ３０２又はＳ３０３からＳ３０６に進んだ場合、運転条件の変化であれば、吐出温度ＴＤが第二の異常判定値（１１０℃）を超えることはない。冷却水側の不具合が発生している場合、吐出温度ＴＤがさらに上昇することが考えられる。そこで、Ｓ３０７において、吐出温度ＴＤが第一の異常判定値ＴＤ１よりも大きいかどうかを判定する。吐出温度ＴＤが第一の異常判定値ＴＤ１以下であれば、Ｓ３０１に戻り、吐出温度ＴＤの監視を継続する。吐出温度ＴＤが第一の異常判定値ＴＤ１よりも大きければ、Ｓ３０８に進み、吐出温度ＴＤが第二の異常判定値（１１０℃）以上であるかどうかを判定する。吐出温度ＴＤが第二の異常判定値（１１０℃）よりも小さければ、Ｓ３０７に戻り、吐出温度ＴＤの監視を継続する。吐出温度ＴＤが第二の異常判定値（１１０℃）以上であれば、冷却水側に不具合が発生しているものと判断して警報を発し、ユニットを停止する。

本実施例において、圧縮機1の吐出温度を検知するセンサ１１、吐出圧力を検知するセンサ１２及び中間圧力を検知するセンサ１３は標準的に装備されているものであり、上述した保護制御を実行するために、新たな部品の追加や油タンク８の配管接続口の追加改造、油面センサ１４との接続配管、制御盤内の電気的な改造を行う必要が無い。

また緊急停止させる以前に、警告を外部に発することにより、運転管理者による運転状況の改善が図られ、圧縮機１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ぐことができる。

図４及び図５に、特許文献１に記載された油タンク８に油面センサ１４を取り付けた例を示す。

図４は油タンク８に直接油面センサ１４を取り付けたもので、フロート１５を備えた油面センサ１４は油タンク８にフランジを介して取り付けられている。この油面センサ１４はフロート１５により油面の高さを検出し、必要な油量がある場合にはフロート１５が浮いて電気的接点がＯＦＦ状態となるように構成されている。油タンク８内の油量が減少し油面が低下していくとフロート１５が下がり最下部に到達すると電気的接点が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保護制御に入力するように構成されている。

図５に示す例は油溜め部１７を油タンク８の外部に設けるとともに、この油溜め部１７に油面センサ１４を設置し、また油溜め部１７と油タンク８とを接続配管１６にて接続し、油タンク８内の圧力と油溜め部１７の圧力とを均衡させるようにしているものである。油溜め部１７の油面を油面センサ１４により図４に示した例と同様に検出することにより、油タンク８内の油面高さを判断して油の有無を検知している。

図４の例では油面センサ１４及びフロート１５等が必要であり、図５の例では油面センサ１４、油溜め部１７、油溜め部１７と油タンク８との接続配管１６等が必要であり、これらの部品を取り付けるための機器の改造が必要である。

本実施例によれば、圧縮機を１台のみ搭載したスクリュー冷凍機においても、装置内の油保有量が減少し油不足となった場合に、油不足の検知が可能でかつ改造費用のかからない安価な冷凍装置を提供することができる。

本実施例によれば、冷凍装置内に保有する油量が減少した際におきる異常な運転状態を、標準的な装備のみで改造費用を掛けずに検知することが可能である。吐出温度の異常上昇の原因としては、冷却水温の上昇、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が考えられ、最終的な原因の判断にも時間を要する。しかし、本実施例の制御により検知した場合には、油不足を即座に断定することができ、原因の調査時間を短縮することができる。

なお、本実施例は圧縮機を複数台搭載したスクリュー冷凍機にも適用できる。この場合、油サイクルに複数台の圧縮機を設け、圧縮機毎に吐出温度と吐出圧力と中間圧力とを検出して油不足を検出する制御を実行するとよい。圧縮機の搭載台数にかかわらず、共通の制御において油不足運転の検知が可能となる。

また、本実施例の制御により異常な運転状態が検知された際には、それを外部に警報を発することで運転状況の改善を図ることができ、油不足運転が原因で起こる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ぐことが可能である。

１…スクリュー二段圧縮機、２…油分離器、３…凝縮器、４…過冷却器、５…過冷却器用膨張弁、６…主液膨張弁、７…蒸発器、８…油タンク、９…油冷却器、９ａ…油冷却器入口、９ｂ…油冷却器出口、１０…油ストレーナ、１１…吐出温度検知用温度センサ、１２…吐出圧力検知用センサ、１３…中間圧力検知用センサ、１４…油面センサ、１５…フロート、１６…油面センサ接続配管、１７…油面センサ用油溜め部。

Claims (5)

1. 給油圧力と中間圧力との差圧で軸受け部への油の供給を行う給油差圧方式の二段圧縮機と、油分離器と、油タンクと、油冷却器とで油サイクルを構成し、圧縮機の吐出温度を検出する吐出温度センサと、圧縮機の吐出圧力を検出する吐出圧力センサと、圧縮機の中間圧力を検出する中間圧力センサとを備えた冷凍装置において、
   前記吐出温度センサで検出した吐出温度と、前記吐出圧力センサで検出した吐出圧力と、前記中間圧力センサで検出した中間圧力とに基づいて、吐出圧力が許容変動幅内にあり、中間圧力が上昇傾向にあり、吐出温度が第一の異常判定値以上まで上昇した場合に、冷凍機油の不足を検知する制御を実行することを特徴とする冷凍装置。
2. 請求項１に記載の冷凍装置において、
   前記制御は、１台の圧縮機から得られる吐出温度と吐出圧力と中間圧力とに基づいて、冷凍機油の不足を検知することを特徴とする冷凍装置。
3. 請求項２に記載の冷凍装置において、
   前記制御は、前記第一の異常判定値よりも高い温度に設定される第二の異常判定値を有し、吐出温度が前記第二の異常判定値を超えた場合に、冷却水の不具合を検出することを特徴とする冷凍装置。
4. 請求項３に記載の冷凍装置において、
   前記油サイクルに複数台の圧縮機が設けられ、圧縮機毎に吐出温度と吐出圧力と中間圧力とを検出して前記制御を実行することを特徴とする冷凍装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の冷凍装置において、
   前記油冷却器は、シェルアンドチューブ式、プレート式又は二重管式のいずれかであることを特徴とする冷凍装置。

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