JPS6051620B2 - 複数の冷凍サイクルを組み合せて熱授受を行う方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は複数の冷凍サイクルを組み合せて熱授受を行う
方法に関するものである。

本発明において「冷凍サイクル」という場合は、冷媒を
加熱し凝縮し減圧膨脹し蒸発した後再びこれを加圧する
サイクルを指し、該サイクルの蒸発器により冷却を行う
冷凍サイクルのみならず凝縮器により加熱を行うヒート
ポンプサイクルも含めるものとする。

〔従来の技術〕

従来、冷凍又はヒートポンプ方法において油噴射式スク
リュー圧縮機を使用することは公知である。

しカル油噴射式スクリュー圧縮機のみならず油潤滑往復
動圧縮機の場合も含めて、冷凍系又はヒートポンプ系の
サイクル内、特に蒸発器や凝縮器には油が混入し、更に
冷媒がフレオンなら油が溶解し、これが熱伝導が悪くし
性能低下の原因となる。またこのような混入または溶解
した油は低温度においては凝固し、高温度においては分
解するため問題を起す。ところで液噴射式スクリュー圧
縮機は、油噴射の代りに同一冷媒液を液噴射するもので
あつて、油噴射式の場合の油がガスシール、冷却、潤滑
の三つの目的をもつているに対して、液噴射式の場合の
噴射液はガスシール、冷却の二つの目的をもつが、潤滑
は困難であるからスクリューロータを互いに金属接触し
ないようにスクリューロータ外部に同調ギヤを設けスク
リューロータの噛み合いを無接触にすることによつて無
潤滑を保つている。

しかし液噴射式では粘度が低いことを起因するスクリュ
ーロータ間の隙間のガス漏洩が油噴射式の場合より多く
、圧縮比（高圧／低圧＝Ｐ２／Ｐ１）に対しては効率が
多少落ちることが実験によつて判明している。〔発明が
解決しようとする問題点〕 従来、油噴射飲スクリュー圧縮機を使用して冷凍又は加
熱の目的を達成する場合、蒸発温度−３０゜Ｃ．．凝縮
温度＋３５℃まで位の冷凍サイクル（温度差６５゜Ｃ、
圧縮比８）は単段で運転されることが多いが、この冷凍
サイクルを冷凍目的として例えば蒸発温度−４５℃、凝
縮温度２０℃として運転し、又は加熱目的として例えば
蒸発温度０℃、凝縮温度６５℃として運転するようなと
きは、前記のような油の凝固や分解の問題が大きくクロ
ーブアツプされてくる。

また、通常は二段圧縮を行うような場合であつて該二段
圧縮としては比較的圧縮比の低い領域（圧縮比１２位）
において、油噴射式スクリュー圧縮機を二段に使用して
冷凍又は加熱の目的を達成する場合においても、前記の
ような油の凝固や油の分解の問題が起る。

本発明は前記のような点にかんがみ、油噴射式スクリュ
ー圧縮機又は油潤滑往復動圧縮機の特性と液噴射式スク
リュー圧縮機の性能の特性を互いに補完するように組み
合せることによつて、冷凍又はヒートポンプの何れの目
的にも合つた能率のよい熱授受の方法を可能とするもの
である。

〔問題点を解決するための手段〕第１の発明及び第２の
発明は、前記のように圧縮比が余り高くなく通常は単段
圧縮の冷凍サイクルにより熱授受を行う場合又は通常の
二段圧縮を行うがその圧縮比が比較的低い領域の冷凍サ
イクルにより熱授受を行う場合を、液噴射式スクリュー
圧縮機を用いる冷凍サイクルと油を潤滑油として使用す
る圧縮機を用いる冷凍サイクルをカスケード型に組み合
せ、それぞれの冷凍サイクルの圧縮比を比較的低く選定
することを可能とするとともに、油の凝固や分解の欠点
を生じない熱授受の方法とするものに関するものである
。

本発明においては、前記のように冷凍サイクルをカスケ
ード式としたから油噴射式スクリュー圧縮機自体の負担
する圧縮比もそれ程大きくないことになり、したがつて
圧縮比の広い範囲にわたり効率のよい油噴射式の代りに
油潤滑往復動圧縮機を用いても十分前記目的を達成する
ことができる。次に第１の発明すなわち冷凍の場合につ
いて説明する。

冷凍の場合において、圧縮比の高いときは、油噴射式ス
クリュー圧縮機を低段側と高段側の何れにも使用して二
段圧縮型としたり、異なる冷媒を低段側と高段側にそれ
ぞれ使用してカスケード型とすることが考えられる。こ
こで二段圧縮型とは低段側の冷凍サイクルと高段側の冷
凍サイクルに同一冷媒を使用するものを言い、またカス
ケード型とは低段側冷凍サイクルと高段側冷凍サイクル
に異なつた冷媒を使用するものを言うことが多いが、本
発明のように油を潤滑油として使用する圧縮機、すなわ
ち油噴射式スクリュー圧縮機又は油潤滑往復動圧縮機と
液噴射式スクリュー圧縮機とを組み合せるものもカスケ
ード型に含めることとする。従来、圧縮比があまり高く
なく、したがつて通常は単段圧縮型とする場合において
も、本発明は、カスケード型を採用し、低段側には液噴
射式スクリュー圧縮機を用い、高段側には油噴射式スク
リュー圧縮機を使用し、低段側の蒸発器と凝縮器即ち低
段側の冷凍サイクルに油が全く混入しない純冷媒ガス循
環として伝熱効果を良好にする。

このようにカスケード型とすることによつて液噴射式ス
クリュー圧縮機の運転における圧縮比も”下げることが
できるので圧縮機の効率を高めることができる。また高
段側の油噴射式スクリュー圧縮機又は油潤滑往復動圧縮
機も従来単段で使用する場合よりも当然その圧縮比が小
さくてすみ、体積効率圧縮効率も上げることができるの
で、高段側における冷媒中への油の混入等によるマイナ
スをカバーすることができる。更に、環境条件の変化に
対しては高段側において圧縮機の回転制御を行うことに
よつて中間冷却器の中間圧力を最適に選び低段側の液噴
射式スクリュー圧縮機は回転を一定にして常に１００％
運転するようにすれば、更に該圧縮機側の能率を上げる
ことができる。次に第２の発明すなわちヒートポンプの
場合について説明する。ヒートポンプの場合は目的が凝
縮器の熱を利用するのであるから、凝縮器の熱交換器と
吸熱部である中間冷却器の伝熱率が特に良好であること
が望ましく、したがつて高段側の凝縮器が目的指向の対
象となり、低段側には油噴射式スクリュー圧縮機又は油
潤滑往復動圧縮機を使用し、高段側には液噴射式スクリ
ュー圧縮機を使用するカスケード型とする。特に高温ヒ
ートポンプの凝縮器が＋１００′Ｃ以上の場合は、圧縮
比も大となるので前記のようなりスケート型が好適であ
る。低段側の油噴射式スクリュー圧縮機は多少環境条件
が変動しても圧縮効率の大きな変化がないのて、該圧縮
機の回転数を増減して低段側と高段側の接合する中間冷
却器の中間圧力を制御することとし、高段側の液噴射式
スクリュー圧縮機の回転を一定とすれば、その効率が良
好となる。

そして前記のようなりスケート型としたから高段側では
冷媒中に油が混入したり溶解したりするおそれがなく、
ヒートポンプすなわち加熱目的を遂行する凝縮器が高温
であつても油が分解したりする欠点もなく、伝熱効率が
良好である。

また単段圧縮で従来運転していた場合においても本発明
のようにカスケード型として運転することにより各段の
圧縮機の圧縮比を下けることにより動力を節約すること
ができる。なお、第１及び第２の発明において、油噴射
式スクリュー圧縮機又は油潤滑往復動圧縮機を用いる冷
凍サイクルと液噴射式スクリュー圧縮機を用いる冷凍サ
イクルとを、低段側冷凍サイクルの凝縮器と高段側冷凍
サイクルの蒸発器間で熱の授受が行われるようカスケー
ド型に組み合せて熱授受の方法とする場合、その目的が
冷凍であつてもまた加熱であつても、液噴射式スクリュ
ー圧縮機は油噴射式スクリュー圧縮機より高圧力比に対
して体積効率ηｖが悪いので、前記の凝縮器と蒸発器の
組み合せからなる中間冷却器の中間圧力を調整し、液噴
射式スクリュー圧縮機を低圧縮比の状態で運転し、その
分だけ油噴射式スクリュー圧縮機の方を高圧縮比で運転
する。

そして油噴射式スクリュー圧縮機の回転制御はサイリス
ターモータ駆動やエンジン駆動とし、その制御は自由で
あるから前記中間圧力点が動力が最小になる最適点とな
るように、低段側の押のけ量／高段側の押のけ量＝■Ｌ
／ＶＨを決定する。Ｋｖ，Ｌ＋Ｋぃ．＝Ｍｉｎすなわち
低段側動力＋高段側動力ニ最小値となるように中間圧力
を油噴射式スクリュー圧縮機の回転制御により決定する
ものである。〔発明の実施例〕 本発明を実施例について説明する。

図は低段側、高段側に共にスクリュー圧縮機を使用した
場合のカスケード型のフローダイヤグラムである。

先ず、低段側Ａのフローを説明する。

スクリュー圧縮機１はガスを吐出管６を経て中間冷却器
２９内の凝縮器７で凝縮し、液管８は途中に膨脹弁９を
介して低圧受液器４に連通し、液ポンプ１３を液管１２
の途中に介して蒸発器２７の熱交換器１０と連通し、負
荷熱交換器２２と熱交換し、湿り液と蒸発ガスは戻し管
１４により低圧受液器４に流入し、ガスは吸入管１１を
経てスクリュー圧縮機１に再び吸引される。また液ポン
プ１３より分岐した液噴射管１８ａが噴射孔２０ａに導
通し、油分離機１５ａは油管１６ａの途中に液ポンプ１
７ａを介して油噴射孔２１ａに導通する。次に、高段側
Ｂのフローを説明する。スクリュー圧縮機２はガスを吐
出管２８を経て凝縮器５内で外部の冷熱源より連通する
熱交換器２３により液化し、液は液管２４を経て途中に
膨脹弁２５を介して中間冷却器２９内の蒸発器３内にフ
ラッシュし、スクリュー圧縮機２によりガス管２６から
ガスを吸引されて蒸発し、熱交換器７を冷却する。液は
液ポンプ１９により液噴射管１８ｂを経て噴射孔２０ｂ
に流入するようにし、油分離機１５ｂより油管１６ｂの
途中に液ポンプ１７ｂを介して油噴射孔２１ｂに導通す
る。今、このようなりスケート型を冷凍の目的に使用す
る場合について説明する。

低段側Ａはスクリュー圧縮機１の液噴射式とし高段側Ｂ
のスクリュー圧縮機２は油噴射式とする。

低段側Ａの油分離機１５ａ１液ポンプ１７ａ１油管１６
ａは使用しない。高段側Ｂの油分離機１５ｂ１油ポンプ
１７ｂ１油管１６ｂは使用する。このような構成にした
ので低段側Ａの冷媒には油の混入や溶解が生せず冷却効
率を上げることができる。スクリュー圧縮機１は液噴射
式で冷媒液をスクリューロータの閉じ込み後の位置から
噴射するようにし、同調ギヤを用いてスクリューロータ
は無接触とする。なお、高低段の蒸発器の膨脹方式は液
ポンプ、乾式、湿式の何れの方式になつてもよい。次に
ヒートポンプの目的に使用する場合について説明する。

ヒートポンプの場合は、冷凍の場合とは反対に低段側Ａ
のスクリュー圧縮機１が油噴射式となり、油分離機１５
ａ１油ポンプ１７ａ１油管１６ａを使用し、高段側Ｂの
スクリュー圧縮機２が液噴射式となり、油分離機１５ｂ
１液ポンプ１７ｂ、油管１６ｂを使用しない。

低段側Ａは必ずしも低圧受液器４が液ポンプ１３のよう
な湿式でなく乾式てもよく、また油や圧縮ガスの冷却の
ため液噴射管１８ａを使用してもよく、このときは油冷
却器は不要となる。このことは冷凍目的の場合は高段側
Ｂにおいて同様である。前記のようにヒートポンプのと
きは高段側Ｂは液噴射式であるから、冷媒中に油が混入
したり溶解したりすることなくしたがつて凝縮器５、熱
交換器２３の伝熱効率を上げることができる。

なお、高段側Ｂにおいて、液ポンプ１９より冷媒液は液
噴射管１８ｂを経てスクリューロータの閉じ．込み後の
噴射孔２０ｂから内部に噴射される。〔発明の効果〕第
１の発明は、低段側を液噴射式スクリュー圧縮機を用い
る冷凍サイクルとしたから冷媒中に油の混入や溶解がな
く−３０℃とか−４０℃のような低．温度においても油
の凝固現象が起ることなく、したがつて前記冷凍サイク
ルの蒸発器の伝熱効率が阻害されることがない。

一方、高段側は比較的低温であるから、油の分解を生ず
るおそれはない。

また第２の発明は、高段側を液噴射式スクリュー圧縮機
を用いる冷凍サイクルとしたから、冷媒中に油の混入や
溶解がなく＋１００℃以上のような高温度になつても油
の分解等の現象が起ることなく、したがつて前記サイク
ルの凝縮器の伝熱効率が阻害されることがない。

また凝縮器の温度を十”分に大きくしてヒートポンプの
効率を向上させることが容易に可能となる。そして、低
段側に油噴射式を用いても冷凍の場合と異なり低段側の
蒸発温度が３０℃ないし６０℃と高く油が凝固したり貯
溜することはないから電熱効果も良好である。前記のよ
うに、油噴射式は冷媒中に油が混入したりフレオンガス
系は冷媒中に油が溶解したりして熱交換器の伝熱度が悪
くなり冷却効率を低下させる欠点があるが、スクリュー
ロータの潤滑性は良好であり更にスクリューロータ間の
ガス漏洩を防ぐシール効果には良好な効果を表わす。一
方、液噴射式は冷媒に油が混入したり溶解したりするこ
とは皆無であるから伝熱効果は良好であるが、ガスシー
ル効果や油潤滑性は劣つている。これらの利害得失と低
温時の油の凝固、高温時の油の分解等とを勘案し第１の
発明及び第２の発明のように蒸発器、凝縮器をそれぞれ
の目的に指向するように使用することにより冷凍又はヒ
ートポンプの熱交換器が最良の効率で働くことになる。

【図面の簡単な説明】

図は低段側、高段側に共にスクリュー圧縮機を使用して
本発明の方法を実施する場合のフローダイヤグラムであ
る。 ３・・・・・・高段側冷凍サイクルの凝縮器、５・・・
・・・高段側冷凍サイクルの凝縮器、７・・・・・・低
段側冷凍サイクルの凝縮器、２７・・・・・・低段側冷
凍サイクルの蒸発器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 圧縮比があまり高くなく通常は単段圧縮の冷凍サイ
   クルにより熱授受を行う場合又は通常の二段圧縮を行う
   がその圧縮比が比較的低い領域の冷凍サイクルにより、
   熱授受を行う場合を、液噴射式スクリュー圧縮機を用い
   る冷凍サイクルと油を潤滑油として使用する圧縮機を用
   いる冷凍サイクルをカスケード型に組合せた複数の冷凍
   サイクルにより熱授受を行う方法とするものにおいて、
   油滑油として使用する圧縮機を用いる冷凍サイクルを高
   段側に、液噴射式スクリュー圧縮機を用いる冷凍サイク
   ルを低段側にし、低段側の冷凍サイクルの凝縮器を高段
   側の冷凍サイクルの蒸発器で冷却するようカスケード型
   に組み合せて両冷凍サイクルの運転を行い、低段側の冷
   凍サイクルの蒸発器のより冷凍を行うことを特徴とする
   複数の冷凍サイクルを組み合せて冷凍を行う方法。 ２ 液噴射式スクリュー圧縮機は一定回転とし、油を潤
   滑油として使用する圧縮機は回転制御を行う特許請求の
   範囲第１項記載の複数の冷凍サイクルを組み合せて冷凍
   を行う方法。 ３ 圧縮比があまり高くなく通常は単段圧縮の冷凍サイ
   クルにより熱授受を行う場合又は通常は二段圧縮を行う
   がその圧縮比が比較的低い領域の冷凍サイクルにより熱
   授受を行う場合を、液噴射式スクリュー圧縮機を用いる
   冷凍サイクルと油を潤滑油として使用する圧縮機を用い
   る冷凍サイクルをカスケード型に組合せた複数の冷凍サ
   イクルにより熱授受を行う方法とするものにおいて、油
   を潤滑油として使用する圧縮機を用いる冷凍サイクルを
   低段側に、液噴射式スクリュー圧縮機を用いる冷凍サイ
   クルを高段側にし、低段側の冷凍サイクルの凝縮器で高
   段側の冷凍サイクルの蒸発器を加熱するようカスケード
   型に組み合せて両冷凍サイクルの運転を行い、高段側の
   冷凍サイクルの凝縮器により加熱を行うことを特徴とす
   る複数の冷凍サイクルを組み合せて加熱を行う方法。 ４ 液噴射式スクリュー圧縮機は一定回転とし、油を潤
   滑油として使用する圧縮機は回転制御を行う特許請求の
   範囲第３項記載の複数の冷凍サイクルを組み合せて加熱
   を行う方法。