JP6718240B2 - 並列接続される複数の多段圧縮機を備えた冷凍サイクル - Google Patents
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Description
2段圧縮および中間圧冷媒のインジェクションによれば、1段圧縮により同じ冷凍能力を得る場合と比べて、圧縮効率を担保し、かつ圧縮機から吐出される冷媒の温度を抑制することができる。
また、冷凍能力を広範に変化させるため、並列接続された複数の2段圧縮機を備えた冷凍サイクルも知られている(特許文献1)。
そのため、複数の圧縮機のハウジング同士を配管で接続するとともに、ハウジング間に圧力差を与え、圧力差に従って複数の圧縮機のハウジング間で潤滑油を移動させる均油運転が適時に行われる。
特許文献1では、均油に必要な圧力差を与えるために、ガスインジェクション回路を利用している。特許文献1では、複数の圧縮機ハウジング内にそれぞれ中間圧の冷媒ガスを供給するガスインジェクション回路の各々に流量調整弁を設け、それらの流量調整弁の開度を制御してハウジング間に圧力差を与えることで、ハウジング内の潤滑油をハウジング間で平均化している。
しかし、それによって各ハウジング内の圧力を変化させてハウジング間に圧力差を与えることができるのは、低圧の冷媒ガスのみがハウジング内に供給される1段圧縮の圧縮機が並列接続されている場合に限られる。
低圧の冷媒ガスだけでなく、ガスインジェクション回路からの中間圧ガスが各ハウジング内に同じ流量だけ供給されていると、一部の圧縮機の回転数を上げたとしても、各ハウジング内の圧力がさほど変化しないので、潤滑油を移動させるために必要なハウジング間の圧力差を得ることが難しい。
そこで、特許文献1のように各ガスインジェクション回路に設けられた流量調整弁の開度を制御して圧縮機ハウジング内への中間圧冷媒ガスの供給量を増減させることが考えられる。しかし、中間圧冷媒ガスの供給量が減少されると、必要なインジェクション量(流量)を確保できないおそれがある。
本発明における「冷却器」は、冷媒の温度を低下させるものであり、凝縮器あるいはガスクーラを包含する。
そのため、均油運転時に限らず、ガスインジェクション回路のみを用いるインジェクションによってはハウジング内の温度および圧力や圧縮機から吐出された冷媒の温度が上限を超えるおそれのある運転条件の際に、バイパス経路を用いることができる。
つまり、バイパス経路を通じた低温冷媒のインジェクションを含め、全体として必要なインジェクション量を確保しつつ、圧縮機からそれぞれ吐出される冷媒の過熱やハウジングの温度や内圧が過大となることを防ぐことができる。
〔第1実施形態〕
図1に示す冷凍サイクル1は、並列に接続された2つの2段圧縮機11A,11B(以下、圧縮機)を備えた冷媒回路10と、2段圧縮機11A,11Bを相互に接続する均油経路17と、2つの圧縮機11A,11Bに対応して2つずつ用意されたガスインジェクション回路20A,20B、バイパス経路30A,30Bと、冷凍サイクル1の運転全般を制御する制御部40とを備えている。
11A,20A,30Aのように、末尾に「A」の符号が付されたものが互いに対応している。同様に、11B,20B,30Bのように、末尾に「B」の符号が付されたものが互いに対応している。
制御部40は、熱負荷に応じて、圧縮機11A,11Bのうちの1台のみ、あるいは2台共を動作させることにより、冷凍能力を変更する。
冷媒回路10を循環する冷媒として、本実施形態では自然冷媒であるCO2を使用している。
但し、その他の冷媒、例えば、アンモニア、プロパン、ハイドロクロロフルオロカーボン(HCFC)類、ハイドロフルオロカーボン(HFC)類等を使用することもできる。
低段側圧縮機構101として、本実施形態ではロータリーピストン型の圧縮機構が採用されている。
高段側圧縮機構102として、本実施形態ではスクロール型の圧縮機構が採用されている。
上記は一例に過ぎず、適宜に圧縮機構101,102を構成することができる。
ハウジング103A,103B内の潤滑油は、ハウジング103A,103B内の冷媒に混入された状態でハウジング103A,103B内からそれぞれ吐出され、冷媒回路10を巡ってハウジング103A,103B内へと戻ってくる。
十分な信頼性を確保するため、必要に応じて、高段側圧縮機構102により吐出された冷媒から潤滑油を分離してハウジング103A,103Bへと戻す油戻し機構が設けられる。
それは、圧縮機11A,11Bの個体差による吐出量の相違や、油戻し機構の抵抗の相違等に起因して起こる。
均油経路17は、ハウジング103A,103Bの底部の付近で、圧縮機11Aのハウジング103A内と圧縮機11Bのハウジング103B内とを連結している。
均油弁171は、適時に行われる冷凍サイクル1の均油運転時に開かれる。均油運転時以外の運転時には、均油弁171は閉じられる。
均油運転時に均油経路17を通じて潤滑油を圧縮機11A,11Bの各ハウジング103A,103B間で移動させるために必要な圧力差を得るため、本実施形態では、後述するバイパス経路30A,30Bをそれぞれ通じてハウジング103A,103B内に圧力を導入可能である。
インジェクションガス冷媒の圧力は、中間圧に相当する。インジェクションガス冷媒の温度は、ハウジング103A,103B内の冷媒の温度よりも低いので、インジェクションガス冷媒がハウジング103A,103B内の冷媒と共に高段側圧縮機構102に吸入されて圧縮されることにより、高段側圧縮機構102から吐出される冷媒の温度が抑制される。
ハウジング103A,103B内の電動機コイルを使用可能な温度、潤滑油の品質維持、冷凍サイクルの効率等を考慮すると、中間圧・低温冷媒のインジェクションにより、ハウジング103A,103B内の温度および圧力、そして吐出冷媒の温度を許容限度以下に抑える必要がある。そのためには、所定以上のインジェクション量(インジェクション流量)を確保する必要がある。
バイパス経路30A,30Bは、冷却器12および第1膨張弁13の間と、対応するガスインジェクション回路20A,20Bとを接続する。
バイパス経路30A,30Bにより、冷却器12を経た冷媒が第1膨張弁13および気液分離器14を通らずに(迂回されて)ガスインジェクション回路20A,20Bへと流入し、ガスインジェクション回路20A,20Bを通じてハウジング103A,103B内の低段側圧縮機構101と高段側圧縮機構102との間に供給される。
バイパス経路30A,30Bを通じてハウジング103A,103B内へと供給される低温冷媒は、低段側圧縮機構101によりハウジング103A,103B内に吐出されるガスに対して少量であり、その吐出ガスとの混合時に蒸発し、高段側圧縮機構102へと吸入される。
気液分離器14内から抽出されたガス冷媒よりも圧力が高いバイパス冷媒が流入するため、ガスインジェクション回路20Aには逆止弁21Aが備えられ、ガスインジェクション回路20Bには逆止弁21Bが備えられている。これらの逆止弁21A,21Bにより、ガスインジェクション回路20A,20Bをハウジング103A,103Bに向けてそれぞれ流れる冷媒の逆流を防ぐことができる。
均油運転時にバイパス流量調整弁31A,31Bの各々の開度を制御部40により操作することで、圧縮機11A,11Bの各々のハウジング103A,103B内の圧力を変化させ、ハウジング103A,103B間に圧力差を与えることができる。
比較例は、図5に示すような冷媒サイクルである。
図5に示す冷凍サイクルでは、ガスインジェクション回路20Aに流量調整弁91Aが備えられ、ガスインジェクション回路20Bに流量調整弁91Bが備えられている。
均油運転時に流量調整弁91A,91Bの各々の開度を制御部90によって制御することにより、均油に必要な圧力差をハウジング103A,103B間に与えることを考える。
例えば、流量調整弁91Aにより流量が減少されると圧縮機11Aのハウジング103A内の圧力が相対的に小さくなり、流量調整弁91Aにより流量が増加されると圧縮機11Bのハウジング103B内の圧力が相対的に大きくなる。そうすると、圧縮機11A,11Bのハウジング103A,103B間の圧力差に従って、均油経路17を通じて潤滑油が移動する。
バイパス経路30A,30Bに抽出される冷媒の流量は、ハウジング103A,103B間で潤滑油を移動させるために必要な限度で足りる。
上述したように、冷却器12と第1膨張弁13との間からバイパス経路30A,30Bに抽出される冷媒は、液体あるいは液相優位の状態であり、気液分離器14内から抽出されたガス冷媒よりも圧力が高いため、バイパス経路30A,30Bに若干量を抽出すれば、バイパス流量調整弁31A,31Bの一方を全開し、他方を全閉したときを最大として、均油経路17を潤滑油が移動するために必要なハウジング103A,103B間の圧力差を確保することができる。
冷凍サイクル1の運転が長時間継続されており、圧縮機11Aのハウジング103Aと圧縮機11Bのハウジング103Bとの間で潤滑油の偏りが生じている可能性のある適宜なタイミングで、冷凍サイクル1は制御部40により均油運転に移行される。
均油運転が、所定の運転継続時間毎に行われるようにしてもよい。
そうすると、均油運転前における各ハウジング103A,103B内の潤滑油の偏りの状況によらず、圧縮機11A,11Bのハウジング103A,103B間で潤滑油が平均化される。
本実施形態の制御部40は、均油運転時には限らず、バイパス流量調整弁31A,31Bの開度を制御することにより、バイパス経路30A,30Bを通じた低温冷媒のインジェクションを行う。
そのために、冷媒回路10には、圧縮機11Aから吐出された冷媒の温度を検知する温度センサ32Aと、圧縮機11Bから吐出された冷媒の温度を検知する温度センサ32Bとが備えられている。
以下、圧縮機11A,11Bからそれぞれ吐出された冷媒の温度のことを「吐出温度」と称する。
制御部40の吐出温度取得部41は、温度センサ32A,32Bによりそれぞれ検知された吐出温度を取得する。
次に、制御部40の判定部42は、取得された圧縮機11A,11Bの吐出温度がそれぞれ所定の閾値を超えているか否かを判定する。
そして、制御部40の開度設定部43は、吐出温度が閾値を超えている場合に、閾値を超えている吐出温度に対応する圧縮機のハウジング(103A,103Bの一方または両方)に接続されたバイパス経路のバイパス流量調整弁(31A,31Bの一方または両方)を所定の開度で開く。
また、圧縮機11Bの吐出温度が閾値を超えているならば、開度設定部43は、バイパス流量調整弁31Bを開いて低温の冷媒を圧縮機11Bのハウジング103B内に供給し、圧縮機11Bの吐出温度を抑制する。
閾値温度に対する吐出温度の偏差が大きい程、バイパス流量調整弁31A,31Bを大きい開度に設定することが好ましい。それにより、吐出温度を迅速に閾値以下に抑えることができる。
吐出温度が閾値以下である場合は、吐出温度を抑制するためにバイパス流量調整弁31A,31Bを開く必要はない。
吐出温度の代わりにハウジング103A,103Bの温度や内圧等の検出値を用いて、あるいは、運転条件に応じて決められた所定の開度にて、バイパス流量調整弁31A,31Bを制御することもできる。
この構成により、均油運転時には、圧縮機11Aと圧縮機11Bとのハウジング103A,103B間に圧力差を与えて均油を図ることができる。
また、均油運転時に限らず、バイパス経路30A,30Bを通じた低温冷媒のインジェクションにより、ガスインジェクション回路20A,20Bを通じたインジェクションと合わせた全体として、必要なインジェクション量を確保しつつ、圧縮機11A,11Bからそれぞれ吐出される冷媒の過熱やハウジング103A,103Bの温度や内圧が過大となることを防ぐことができる。
次に、図2を参照し、本発明の第2実施形態について説明する。
第2実施形態は、インジェクションガス冷媒よりも温度が低い冷媒を圧縮機11A,11Bのハウジング103A,103Bに供給するためのより基本的な回路を示している。
図2に示す冷凍サイクル2では、バイパス経路30A,30Bがガスインジェクション回路20A,20Bには接続されておらず、ハウジング103A,103B内に直接接続されている。
ガスインジェクション回路20A,20Bに備えられた逆止弁21A,21Bにより、ガスインジェクション回路20A,20Bにおける冷媒の逆流を防いでいる。 図2に示す構成によっても、バイパス流量調整弁31A,31Bの開度を制御部40により制御してバイパス経路30A,30Bに流量差を与えることで、均油に必要なハウジング103A,103B間の圧力差を得ることができる。
また、吐出温度等の許容値に対して厳しい運転条件であっても、バイパス経路30A,30Bを通じてハウジング103A,103B内にそれぞれ供給されるインジェクション冷媒により、過熱を防ぐために必要なインジェクション量を確保することができる。
制御部40は、圧力センサ33A,33Bによりそれぞれ検知される圧力に基づいて、バイパス経路30A,30Bに必要十分な流量差が付くようにバイパス流量調整弁31A,31Bの開度を制御することができる。そうすることで、均油に必要なハウジング103A,103B間の圧力差をより確実に得ることができる。
図1の冷凍サイクル1のバイパス流量調整弁31A,31Bに代えて、オンオフ弁を用いることもできる。制御部40により、例えば、バイパス経路30Aに対応するオンオフ弁を開き、バイパス経路30Bに対応するオンオフ弁を閉じることにより、圧縮機11A,11Bの各ハウジング103A,103B間に、潤滑油の移動に必要な圧力差を持たせることができる。
また、圧縮機11A,11Bからの吐出温度が閾値を超えていたならば、吐出温度が閾値を超えている圧縮機に対応するバイパス経路のオンオフ弁を開くことにより、吐出温度等の制限を守ることができる。
したがって、本発明の冷凍サイクルにおいては、複数の圧縮機の各ハウジングに対応するバイパス経路30A,30Bのうち流量の変更が必要であるものにだけバイパス弁を設けることができ、必ずしも、バイパス経路30A,30Bにそれぞれバイパス弁を設ける必要はない。
例えば、図4に示す冷凍サイクル4のように、バイパス経路30A,30Bの口径に差を与えてバイパス経路30A,30Bの流量を互いに相違させるとともに、流量が大きい一方のバイパス経路30Aにだけオンオフ弁35を設けることができる。
上記構成においては、オンオフ弁35を開放することによって、あるいは、オンオフ弁35を閉じることによって、ハウジング103A,103B間に均油のための圧力差を与えることができる。
10 冷媒回路
11A,11B 圧縮機(多段圧縮機)
12 冷却器
13 第1膨張弁(第1減圧部)
14 気液分離器
15 膨張弁(第2減圧部)
16 蒸発器
17 均油経路
20A,20B ガスインジェクション回路
21A,21B 逆止弁
30A,30B バイパス経路
31A,31B バイパス流量調整弁(バイパス弁)
32A,32B 温度センサ(吐出温度センサ)
33A,33B 圧力センサ
35 オンオフ弁
40 制御部
41 吐出温度取得部
42 判定部
43 開度設定部
90 制御部
91A,91B 流量調整弁
101 低段側圧縮機構
102 高段側圧縮機構
103A,103B ハウジング
171 均油弁
P1 吸入ポート
P2 吐出ポート
P3 インジェクションポート
Claims (5)
- 低段側圧縮機構および高段側圧縮機構が含まれる多段の圧縮機構を収容するハウジングをそれぞれ備え、並列に接続される複数の多段圧縮機を備えた冷凍サイクルであって、
前記複数の多段圧縮機、冷却器、第1減圧部、気液分離器、第2減圧部、および蒸発器が順次接続されることにより冷媒回路が構成され、
前記複数の多段圧縮機の前記ハウジング同士を連結する均油経路と、
前記気液分離器内のガス冷媒を、対応する前記多段圧縮機の前記ハウジング内の前記低段側圧縮機構と前記高段側圧縮機構との間に供給する複数のガスインジェクション回路と、
前記冷却器および前記第1減圧部の間から抽出された冷媒を、対応する前記多段圧縮機の前記ハウジング内の前記低段側圧縮機構と前記高段側圧縮機構との間に供給する複数のバイパス経路と、
前記複数の多段圧縮機のそれぞれの前記バイパス経路の少なくともいずれかの流量を変更可能なバイパス弁と、
前記ガスインジェクション回路に備えられ、前記ハウジング内に向けて流れる前記ガス冷媒の逆流を防ぐ逆止弁と、
前記バイパス弁の開度を制御する制御部と、を備え、
前記バイパス経路は、
前記冷却器および前記第1減圧部の間から抽出された冷媒を前記ガスインジェクション回路へと流入させる、
ことを特徴とする冷凍サイクル。 - 低段側圧縮機構および高段側圧縮機構が含まれる多段の圧縮機構を収容するハウジングをそれぞれ備え、並列に接続される複数の多段圧縮機を備えた冷凍サイクルであって、
前記複数の多段圧縮機、冷却器、第1減圧部、気液分離器、第2減圧部、および蒸発器が順次接続されることにより冷媒回路が構成され、
前記複数の多段圧縮機の前記ハウジング同士を連結する均油経路と、
前記気液分離器内のガス冷媒を、対応する前記多段圧縮機の前記ハウジング内の前記低段側圧縮機構と前記高段側圧縮機構との間に供給する複数のガスインジェクション回路と、
前記冷却器および前記第1減圧部の間から抽出された冷媒を、対応する前記多段圧縮機の前記ハウジング内の前記低段側圧縮機構と前記高段側圧縮機構との間に供給する複数のバイパス経路と、
前記複数の多段圧縮機のそれぞれの前記バイパス経路の少なくともいずれかの流量を変更可能なバイパス弁と、
前記ガスインジェクション回路に備えられ、前記ハウジング内に向けて流れる前記ガス冷媒の逆流を防ぐ逆止弁と、
前記バイパス弁の開度を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
少なくとも、前記均油経路を通じて前記複数の多段圧縮機の各々の前記ハウジング間で潤滑油を移動させる均油運転時に、前記バイパス弁の開度を制御する、
ことを特徴とする冷凍サイクル。 - 前記多段圧縮機から吐出された冷媒の温度である吐出温度を検知する吐出温度センサを備え、
前記制御部は、
前記吐出温度を用いて前記バイパス弁の開度を制御する、
ことを特徴とする請求項1または2に記載の冷凍サイクル。 - 前記バイパス弁は、
流量を調整可能な流量調整弁であり、
前記複数のバイパス経路のそれぞれに備えられている、ことを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の冷凍サイクル。 - 前記冷媒回路を循環する冷媒としてCO2が用いられている、ことを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の冷凍サイクル。
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