JPH02140477A - 二段式圧縮機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は低温（−３０〜−９０°Ｃ）を得る場合の冷凍
サイクルの構成要素である二段式圧縮機と冷１束サイク
ルのマツチングを図るため、負荷に応して高段圧縮機お
よび低段圧縮機の吐出量を制御して、特に低温で効率を
低下させることのない冷凍サイクルを得ることのできる
二段式圧縮機に関する。

［従来の技術］ 低温を得る冷凍機を目的とした圧縮機は、設計上の問題
から、−段のみで所要の圧縮をするのでなくて二段で圧
縮する二段式圧縮機とされることが多い。従来の二段式
圧縮機は、実開昭５９−１８４３９０号に記載のように
、１つのケーシング内で低段圧縮機と高段圧縮機を連結
し、ガスは先ず低段圧縮機で圧縮され、その吐出ガスは
ケーシング内で低段圧縮機駆動モータと高段圧縮機駆動
モータとを冷却した後、高段圧縮機に吸入されて圧縮さ
れ、ケーシング外に吐出する構造となっていた。

［発明が解決しようとする課題］ 上記従来技術は、低段圧縮機と高段圧縮機部々の１しμ
動用モータを持っている構造であるが、容量制御（吐出
量制御）、および条件の変化に対する圧縮機効率のマツ
チングの制御について配慮されておらず、運転条件が変
化する急速凍結・製氷・化学プラント等の如く使用条件
が変化する場合においては、負荷と圧縮機の効率がマツ
チングせず、使用不可能となるか又は効率低下を来たす
という問題があった。さらに敷〃ｉ説明すると、一般に
冷凍機は、大形冷蔵庫のような年間使／？］条件が一定
であるような使い方は少なく、使用条件が変化すること
が多い。使用条件の変化に追従するためには、低段・高
段再圧縮機の容量制御だけでなく、使用条件に応じ低段
圧縮機と高段圧縮機との吐出量の比を変化させることで
マツチング制御をしなければ、効率低下や使用範囲の狭
小化を招くことになる。

また、前記従来技術は、低段圧縮機吐出ガスで低段モー
タと高段モータを冷却する方式なので、高段圧縮機の効
率が低下し、これにより低段圧縮機の効率が低下する。

この事をさらに敷イメｊ説明すると、高段圧縮機では、
高段圧縮機吸入ガスのモータ冷却による加熱分が冷媒を
膨張させ、体積効率の低下をまねく。又、この体積効率
の低下は低段・高段間の中間圧力を上昇させる。この上
昇により、低段圧縮機の吐出圧力は上昇し、圧縮比が増
加し、体積効率の低下をまねく。又、前記従来技術では
、油分離器を高段圧縮機に設けているので、圧縮機全体
の寸法が大きくなる。又、この、１（１分離器から高段
及び低段各圧縮機の軸受部に給油する外部配管部が必要
となり、装置の複雑化、価格」二昇等の要因となる。

以上の従来技術の問題点に鑑み、本発明の１目的は、使
用条件の変化に良く追従して効率低下や使用範囲の狭小
化を避は得る二段式圧縮機を提供することにあり、また
他の目的は、圧縮機即動モータの加熱による高段・低段
各圧縮機の効率低下の防止と、油分離の構造、軸受給油
方式等のＷＵ素化を図った二段式圧縮機を提供すること
にある。

［課題を解決するための手段］ 上記の１目的は、低段圧縮機開動モータおよび高段圧縮
機駆動モータの少くとも１つをインバータ制御により可
変速暉動することにより達成される。

また他の目的達成のためには、低段圧縮機と高段圧縮機
および夫々の脈動モータを同一ケーシング内に設け、低
段圧縮機の吐出ガスをケーシング外に取り出し、これを
外部配管を経て高段圧縮機の吸入口へ接続し、高段圧縮
機の吐出ガスはケーシング内で高段圧縮機ｌ原動モータ
および低段圧縮機肛動モータ冷却した後ケーシング外へ
吐出するよう構成する。

［作　　　用コ 上記前者の構成において、低段圧縮機駆動モータおよび
高段圧縮機肛動モータの回転速度を夫々適切に変えるこ
とにより圧縮機のマツチング制御および容量制御を行う
ことができる。低段圧縮機原動モータの回転速度のみを
変えても上記制御な成る程度なし得る。高段圧縮機駆動
モータの回転速度のみを変えれば、容量制御はできない
がマソチンクの制御はできる。

上記後者の構成においては、ケーシング外部から吸入さ
れた低段吸入ガスは低段圧縮機で圧縮後、直ちにケーシ
ング外へ吐出され、低段圧縮機開動モータの加熱を受け
ることなく高段吸入口へ接続される。高段吸入ガスは高
段圧縮機で圧縮機ケーシング内へ吐出され、高段圧縮機
駆動モータを冷却し、さらに低段圧縮機駆動モータを冷
却後、ケーシング外部に吐出される。これらにより低段
圧縮機と高段圧縮機はいずれもモータの加熱による冷媒
ガスの体積膨張がないので体積効率の低下防止ができる
。また高段吐出ガスがケーシング内へ吐出してから、高
段圧縮邸動モータと低段圧縮駆動モータを冷却する間に
油は分隔され、ケーシング下部に溜まる。この油を高段
・低段両圧縮機へ圧力差で給油すれば、油分離器が不要
となり、給油配管等も簡素化できる。

［実　施　例］ 本発明の一実施例を第１図により説明する。蒸発器１か
ら出た低温・低圧の冷媒ガスは吸入管２を通り、スクロ
ール型圧縮機のケーシング３をてす通して低段圧縮機４
と連結する低段吸入口５がら低段圧縮機４に入り、そこ
で圧、蹟１されて中１ｉｌｉ・中間圧の冷媒ガスとなり
、低段圧縮機吐出口から、ケーシング３を貫通して圧縮
機外部と連結する低段吐出口６を通って圧縮機外部へ吐
出される。この中温・中間圧の冷媒ガスは、高段圧縮機
８の高段吸入口９へ接続されている中間配管７を通る。

その途中で、この中温・中間圧の冷媒ガスは、過冷却器
１ｏから配管１１を経て合流した低温・中間圧の冷媒ガ
スにより冷却され、低温・中間圧の冷媒ガスとなる。こ
の低温・中間圧の冷媒ガスは高段吸入口９から吸入され
、高段圧縮機８により圧縮されて高温・高圧となり、ケ
ーシング３内に吐出される。この吐出ガスは、高段モー
タ２２を冷却し、さらに低段モータ２３を冷却し、吐出
口１２からケーシング３外部へ吐出される。この吐出ガ
スは吐出管１３を通り、凝縮器１４により中温・高圧の
冷媒液となり、配管１５を経て過冷却器１０を通り、配
管１６により主膨張弁１７に接続される。過冷却器１０
から配管１６内に出た冷媒液の一部は分流し、配管１８
を通り、補助膨張弁１９により低温・中間圧の冷媒ガス
にカス化し、上記の中温・高圧の冷媒液をさらに過冷却
する。

次いで、この冷媒ガスは配管］１により配管７と合流し
、前記で述べた高段圧縮機８に吸入される。

一方、配管１６から主膨張弁１７に導かれた中温・高圧
の冷媒液は、主膨張弁によりガス化し、蒸発器１で熱交
換されて低温・低圧の冷媒ガスとなり。

この熱交換後の低温・低圧の冷媒ガスは吸入管２を通っ
て低段圧縮機４に吸入される。以上のように一連の冷凍
サイクルが構成される。

低段圧縮機、高段圧縮機の軸受その他に給油された油は
、高段圧縮機の吐出ガスと共にケーシング３内に吐出さ
れる。その大半は吐出された直後のケーシング内壁への
衝突により分離され、ケーシング３下部に溜まるが、ミ
スト状に拡散された油粒は、高段モータ冷却のための通
過の際および低段モータ冷却のための通過の際各モータ
表面及びケーシング内壁に付着し回収される。回収され
た油はケーシング下部に溜まり、給油パイプ２０゜２１
から各軸受その他に圧力差により給油される。

以上のように油サイクルが構成される。

上記の構成によれば、低段圧縮機、高段圧縮機ともにモ
ータからの加熱分による冷媒ガスの体積膨張がないので
体積効率の低下防止ができる。すなわち、モータ冷却は
、高段圧縮機吐出ガスにより高段モータと低段モータを
冷却する方式となっており、モリエル線図上吐出ガス温
度は８０〜１２０℃、各モータの耐熱温度（絶縁等級Ｆ
種相当　１５５℃）以下となり、冷却効果はある。本発
明者らの実験によれば、吐出ガス温度がモータの耐熱温
度から１５°Ｃ低ければ、モータ冷却として特に問題は
ないという結果を得ている。高段圧縮機から吐出したガ
スがケーシング３から出る吐出口１２の位置を第］−図
の如く低段モータ１１の後流にすることにより、高・低
段両モータは吐出ガスにより冷却される。

又、高段圧縮機吐出から高・低段両モータを冷却する間
に吐出ガス中の油分は、ケーシング内壁を含む各機器の
表面に付着するので油分離効果があり、従って油分離器
は、不要であり、又、ケーシング３内下部に溜まったｉ
＋１＋は、ケーシング３内が高圧なので、高段・低段両
圧縮機の各軸受その他の給油も圧力差により直ｊ妾給油
でき、油配管等は不要となるという利点がある。

低段圧縮機４と高段圧縮機８の大きさの比（吐出量比）
は、使用範囲の中央値（但し必ずしも丁度中央でなくて
もよい）に見合うように設定する。

蒸発器での蒸発温度がマイナス３０〜６０℃で凝縮器で
の凝縮温度が３０〜５０℃の冷凍機を例にとると、使用
範囲の中央値を蒸発温度マイナス４５℃凝縮層度４０℃
に選べば、低段圧縮機と高段圧縮機の吐出量比は約２対
１に設定する。更に、低段モータ２３と高段モータ２２
を回転数変化可能なインバータ開動方式とし、周波数は
４５〜９０Ｈｚに変化可能とする。したがって低段圧縮
機と高段圧縮機との吐出量比は低段１対高段１から低段
４対高段１まで変えることが出来る。上記の冷凍機の例
において、蒸発温度がマイナス３０℃で凝縮温度が３０
°Ｃという使用条件の場合は、低段圧縮機と高段圧縮機
との吐出量比を低段１対高段１に近い運転とし、逆に蒸
発温度がマイナス６０℃で凝縮温度が５０°Ｃという使
用条件の場合は該吐出量比を低段４対高段１に近い運転
とする。

これにより、使用条件に応じた両正縮機のマツチングが
できる。又、低段圧縮機と高段圧縮機との吐出量比を変
えずに高段モータと低段モータとを同時に回転数を増減
することにより、低・高両段よりなる圧縮機の容量が変
化できる（すなわち容量制御ができる）。この結果、冷
凍機の使用条件変化と容量変化に追従できる他、各条件
において効率を低下させることなく、高い効率が得られ
る。

上記制御の作用を製氷の場合を例に説明する。

製氷においては５水から氷を作り、氷が出来ると次の製
氷に入るので、条件は常に変化する。２０℃の水からマ
イナス２０℃の氷を作る場合、２０℃の水の状態では低
段圧縮機の吸入圧力が上ｆｌ−Ｌ／、低段モータの負荷
が最大となる。この状態では低段圧縮機の負担を軽減す
るために、高段モータの回転数を上昇させ、中間圧力を
下げることにより、低段の負荷をへ段に移す。又反対に
マイナス２０℃の氷の状態では低段圧縮機の吸入圧力が
低下し、低段モータの負荷が最小となる。この状態では
低段圧縮機が余裕があるので、高段モータの回転数を下
降させ、中間圧力を上げることにより、高段の負荷を低
段に移す。低段モータの回転数を変化し、それに見合っ
て高段モータの回転数を変化させることにより圧縮機全
体の容量を変えることができる。

なお、低段モータ２３を回転数変化可能なインバータ駆
動方式とし５周波数は４５〜９０Ｈｚに変化可能とし、
高段モータ２２は一定速とする態様も可能である。した
がってこの態様の場合、低段圧縮機と高段圧縮機との吐
出量比は、６０Ｈｚ地区では、低段１．３３対高段１か
ら低段３対高段１まで変えることが出来る。蒸発温度が
マイナス３０℃で凝縮温度が３０℃という使用条件の場
合は該吐出量比を低段１．３３対高段１に近い運転とし
、逆に蒸発温度がマイナス６０℃で凝縮温度が５０°Ｃ
という使用条件の場合は該吐出量比を低段３対高段１に
近い運転とする。これにより使用条件に応じたマツチン
グができる。又低段モータの回転数を変えることにより
、吸入するガス量が変り、容量の変化すなわち容量制御
ができる。（ただし、高段モータが一定速であるから容
量変化を目的とした場合の負荷とのマツチングについて
は、前記の如く高段・低段両モータをインバータｌ原動
とした場合の方が良い）。

また、低段モータ２３を一定速とし、高段モータ２２を
回転数変化可能なインバータ駆動方式とし、周波数は４
５〜９０１１ｚに変化可能とする態様も可能である。し
たがってこの態様の場合、低段圧縮機と高段圧縮機との
吐出量比は、６０１１ｚ地区の場合、低段１．３３対高
段１から低段３対高段１まで変えることが出来る。蒸発
温度がマイナス３０℃で凝縮温度が３０℃という使用条
件の場合は該吐出量比を低段１．３３対高段１に近い運
転とし、逆に蒸発温度がマイナス６０℃で凝縮温度が５
０°Ｃという使用条件の場合は該吐出量比を低段３対高
段１に近い運転とする。これにより使用条件に応じたマ
ツチングができる。本実施例においては、このように高
段モータの回転数を変えることにより負荷とのマツチン
グが成る程度可能である。しかし、圧縮機の容量変化は
できない。

以上の実施例で述べた様な、低段モータ、高段モータの
回転数の調整による圧縮機の負荷、使用条件に応じた容
量制御およびマツチングの制御は。

以下に述へる各実施例においても同様に実施される。（
ただし、第６図に示したものは、睡動用モータが１個で
あるので、容量制御のみ可能であり。

負荷とのマツチングのための制御は出来ない。）第２図
は他の実施例を示し、これは第１図の実施例において高
段圧縮機８と低段圧縮機４の間にてケーシング３内の上
半に支切り板３′を設けたものであり、これにより、高
段圧縮機吐出ガスの流れはケーシング上部から下部方向
に変わり、油分離効果、高段・低段両モータ冷却効果が
更に改良される。

他の実施例を第３図に示す。本実施例はケーシング中央
部に圧力隔壁２４を設け、低段圧、縮（幾４と高段圧縮
機８を分離しである。吸入口５から吸入され低段圧縮機
４からケーシング３内に吐出されたガスは、低段モータ
２３を冷却した後、低段吐出口６からケーシング３外の
中圧配管７を経て高段吸入口９から高段圧縮Ｊａ８に入
り、高段圧縮機８からの吐出ガスはケーシング３内にて
高段モータを冷却した後、高段吐出口１２からケーシン
グ外に吐出される。上記以外の点は第１図と同称である
。本実施例によれば、高段・低段とも吐出圧力に見合っ
た給油が得られる。

更に他の実施例を第３図に示す。本実施例はケーシング
内部を低圧（低段圧縮機の吸入圧）としたものである。

すなわち、低圧低温ガスはケーシング３の高段側に設け
た吸入口５からケーシング３内に入り、高段モータ２２
および低段モータ２３を冷却した後、低段圧縮機４に入
って圧縮され、低段圧縮機４からの吐出ガスは低段吐出
口６からケーシング３外の中間圧配管７を経て高段吸入
口９から高段圧縮機８に吸入され、高段圧縮機８からの
吐出ガスは高段吐出口１２からケーシング３外に吐出さ
・れる。その他の点は第１図と同体である。本実施例で
は低段・高段両モータの冷却が低圧低温の低段吸入ガス
の通過で行われるので冷却効果が大きい。

更に他の実施例を第５図に示す。本実施例はケーシング
３の内部を中間圧（低段圧縮機の吐出圧）としたもので
ある。すなわち、低段吸入口から入って低段圧縮機４か
らケーシング；３内に吐出された中間圧のガスは、過冷
却器から配管１１を経た中間圧のガスとケーシング３内
で合流し、低段モータ２３および高段モータ２２を冷却
してケーシング３内で高段圧縮機８に吸入され、高段圧
縮機８の吐出ガスは高段吐出口１２からケーシング外に
導かれる。他の点は第１図と同様である。本実施例によ
れば、第１図に示したケーシング外部の中間圧配管７は
不要となり、簡素化が図れる。

なお、第４図又は第５図に示した実施例において、高段
モータ２２と低段モータ２３との間に、第２図の如き上
部支切り板３′を設けることもできる。

別の実施例を第６図に示す。本実施例はケーシングの中
央に設けた１つのモータ２５で、低段圧縮機４と高段圧
縮機８を同時に即動するものである。これにより圧縮機
の小形化が図れる。但し、本実施例９は、上述の他の各
実施例と異なり、モータ２５の回転速度のインバータに
よる制御により容量制御を行うことはできるか高段・低
段圧、Ｍ　ＩＩの負荷に応じたマツチング制御はできな
い。しかしながら、第６図に示す本実施例では、前記第
１図で述べた実施例と同様、モータからの加熱分による
低段・高段両圧縮機の体積効率の低下の防止効果、なら
びに、油分離効果および圧力差による給油効果は期待し
得る。

なお、第４図又は第５図に示した実施例において、低段
圧縮機と高段圧縮機の両者をその中間に在る共通のモー
タで駆動する態様も可能である。

［発明の効果コ 本発明によれば、冷凍機の使用条件の変化に応し、低段
モータと高段モータの回転数を夫々変えることにより１
条件変化に追従する圧縮機が得られ、各使用条件で高い
効率が得られるマツチング制御かできる。又、８址の変
化に対しても、低段モータと高段モータを同時に回転数
を変えることにより、効率を下げることなく容量調整可
能となる。これらにより、使用範囲は拡大し、冷凍機と
圧縮機がマツチングする二段式圧縮機が得られる。

よるスクロール二段式圧縮機の縦断面構造とそれを用い
た冷凍サイクルの構成［Ａである。

■　・蒸発器　　　　　　３・・ケーシング４・・・低
段圧縮機　　　　７・・中間圧配管８・高段圧縮機　　
　１０　・過冷却器１４　凝縮器　　　　　１７・・・
主膨張弁１つ・補助膨張弁　　　２２・高段モータ２３
・低段モータ　　　２４　圧力隔壁２５・・モータ また本発明によれば、低段・高段両圧縮機ともモータ冷
却に伴う冷媒ガスの加熱膨張による体積効率の低下防止
ができる。又、高段吐出ガスで高段・低段両モータを冷
却するとともに、油分離効果があるので、油分離器は不
要となり、又、高圧の油溜から圧力差で給油することが
でき、コンバク１−な二段式圧縮機が得られる。

【図面の簡単な説明】

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　同一ケーシング内の一方に低段圧縮機およびその駆
   動用モータ、他方に高段圧縮機およびその駆動用モータ
   を設け、低段圧縮機の駆動用モータおよび高段圧縮機の
   駆動用モータの少くとも一者をインバータ制御により可
   変速駆動する様に構成したことを特徴とする二段式圧縮
   機。 ２　低段圧縮機の駆動用モータおよび高段圧縮機の駆動
   用モータを夫々インバータ制御により可変速駆動する様
   に構成した請求項１記載の二段式圧縮機。 ３　低段圧縮機の駆動用モータおよび高段圧縮機の駆動
   用モータのいずれか一者をインバータ制御により可変速
   駆動し、他者を一定速駆動する様に構成した請求項１記
   載の二段式圧縮機。 ４　同一ケーシング内の一方に低段圧縮機、他方に高段
   圧縮機、中間に該両圧縮機の共通の駆動用モータを設け
   、該駆動用モータをインバータ制御により可変速駆動す
   る様に構成したことを特徴とする二段式圧縮機。 ５　前記ケーシング内を、低段圧縮機およびその駆動用
   モータを収容する第１室と、高段圧縮機およびその駆動
   用モータを収容する第２室とに圧力隔壁によって区画し
   、ケーシング外と連通する低段吸入口を低段圧縮機に設
   け、低段圧縮機から第１室内に吐出されたガスを低段圧
   縮機の駆動用モータ通過後第１室内からケーシング外へ
   吐出する低段吐出口をケーシングに設けると共に、高段
   圧縮機にケーシング外と連通する高段吸入口を設け、高
   段圧縮機から第２室内に吐出されたガスを高段圧縮機の
   駆動用モータ通過後第２室内からケーシング外へ吐出す
   る高段吐出口をケーシングに設けた請求項１、２又は３
   記載の二段式圧縮機。 ６　高段圧縮機の近傍にてケーシング外と連通する低段
   吸入口をケーシングに設け、該低段吸入口からケーシン
   グ内に吸入された低段吸入ガスが高段圧縮機の駆動用モ
   ータおよび低段圧縮機の駆動用モータまたは該両圧縮機
   の共通の駆動用モータを通過後ケーシング内にて低段圧
   縮機に吸入されるようになし、低段圧縮機にケーシング
   外部と連通する低段吐出口を設けると共に、高段圧縮機
   にはケーシング外と連通する高段吸入口および高段吐出
   口を設けた請求項１、２、３又は４記載の二段式圧縮機
   。 ７　低段圧縮機にケーシング外と連通する低段吸入口を
   設け、ケーシングに低段圧縮機近傍にてケーシング外の
   中間圧ガスを導入する中間吸入口を設け、該中間吸入口
   からケーシング内に導入された中間圧ガスが低段圧縮機
   からケーシング内に吐出されたガスと合流して低段圧縮
   機の駆動用モータおよび高段圧縮機の駆動用モータまた
   は該両圧縮機の共通の駆動用モータを通過後ケーシング
   内にて高段圧縮機に吸入されるようになし、高段圧縮機
   にはケーシング外に連通する高段吐出口を設けた請求項
   １、２、３又は４記載の二段式圧縮機。 ８　同一ケーシング内の一方に低段圧縮機およびその駆
   動用モータ、他方に高段圧縮機およびその駆動用モータ
   を設け、または、同一ケーシング内の一方に低段圧縮機
   、他方に高段圧縮機、その中間に該両圧縮機の共通の駆
   動用モータを設け、低段圧縮機にはケーシング外と夫々
   連通する低段吸入口および低段吐出口を設け、高段圧縮
   機にはケーシング外と連通する高段吸入口を設け、高段
   圧縮機からケーシング内に吐出された高段吐出ガスが高
   段圧縮機の駆動用モータおよび低段圧縮機の駆動用モー
   タまたは該両圧縮の共通の駆動用モータを通過後ケーシ
   ング外へ吐出する高段吐出口をケーシングに設けたこと
   を特徴とする二段式圧縮機。 ９　低段圧縮機の駆動用モータおよび高段圧縮機の駆動
   用モータの少くとも一者または該両圧縮機の共通の駆動
   用モータをインバータ制御により可変速駆動する様に構
   成した請求項８記載の二段式圧縮機。