KR20120031138A

KR20120031138A - 2단 압축 냉동 장치

Info

Publication number: KR20120031138A
Application number: KR1020110094959A
Authority: KR
Inventors: 노보루 쯔보이
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2010-09-22
Filing date: 2011-09-21
Publication date: 2012-03-30
Also published as: CN102435018A; CN102435018B; JP5372880B2; KR101317541B1; JP2012067954A

Abstract

본 발명의 과제는 냉매 흡입 압력이 낮아도 높은 효율을 유지할 수 있는 냉동 장치를 제공하는 것이다.
2단 압축식 냉동 장치(1)에 있어서, 제1단 압축기(2)와 제2단 압축기(3) 사이에 제1단 오일 분리기(8)를 설치하여 제1단 압축기(2)에 오일을 환류시키고, 제2단 압축기(3)의 토출측에 제2단 오일 분리기(9)를 설치하여 제2단 압축기(3)에 오일을 환류시키고, 냉동 부하에 따라서 제1단 압축기(2)의 회전수를 제어하고, 흡입 압력(Ps)과 토출 압력(Pd)의 곱의 평방근으로부터 이론 중간 압력(Pmth)을 산출하고, 이론 중간 압력(Pmth)과 흡입 압력(Ps)의 차가, 미리 정한 하한 차압(ΔPmin)보다도 큰 경우에는, 중간 압력(Pm)을 이론 중간 압력(Pmth)에 일치시키도록, 제2단 압축기(3)의 회전수를 제어하고, 이론 중간 압력(Pmth)과 흡입 압력(Ps)의 차가, 하한 차압(ΔPmin) 이하인 경우에는, 중간 압력(Pm)을 흡입 압력(Ps)에 하한 차압(ΔPmin)을 더한 값에 일치시키도록, 제2단 압축기(3)의 회전수를 제어한다.

Description

2단 압축 냉동 장치 {TWO-STAGE COMPRESSION REFRIGERATING DEVICE}

본 발명은 2단 압축 냉동 장치에 관한 것이다.

냉동 장치에 대해, 높은 성적계수(COP)를 실현하는 동시에, 증발기에 있어서의 냉매의 증발 온도를 넓은 범위에 대응할 수 있는 것이 요망되고 있다. 2단 압축 냉동 장치에 있어서 높은 성적계수를 달성하기 위해서는, 1단째의 압축기와 2단째의 압축기의 부하의 분담을 최적화할 필요가 있다.

예를 들어, 특허 문헌 1에는 1단째의 압축기의 토출 압력(2단째의 압축기의 흡입 압력)인 중간 압력(Pm)을, 1단째의 압축기의 흡입 압력(Ps)과 2단째의 압축기의 토출 압력(Pd)의 곱의 평방근√(PsㆍPd)에 일치시키도록, 압축기의 행정 체적을 변화시킴으로써, 냉동 장치의 효율 저하를 방지하는 기술이 기재되어 있다.

냉동 장치용 압축기로서는, 냉각 및 윤활을 위해 오일을 공급하고, 토출측에 오일 분리기를 설치하는 타입의 것이 널리 사용되고 있다. 통상, 2단 압축 냉동 장치에서는, 2단째의 압축 장치의 토출 유로에 오일 분리기가 배치되어, 그 토출 압력에 의해 분리기가 분리한 오일을 1단째 및 2단째의 압축기에 환류시킨다.

일본 특허 출원 공개 제2007-138919호 공보

종래의 2단 압축 냉동 장치에 있어서, 흡입 압력(Ps)과 토출 압력(Pd)의 차가 커지면, 그 압력차로 인해, 1단째의 압축기의 저압 공간에 도입된 오일에 용해된 냉매가 플래쉬(순간적으로 증발)되는 양이 많아진다. 그러면, 증발기를 통과하여 압축기가 흡입할 수 있는 냉매의 양이 감소하여, 냉동 장치의 효율이 저하되어 버린다는 문제가 발생한다.

상기 문제점을 감안하여, 본 발명은 냉매 흡입 압력이 낮아도 높은 효율을 유지할 수 있는 냉동 장치를 제공하는 것을 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 의한 냉동 장치는 냉매 순환 유로에, 회전수 제어 가능한 제1단 압축기, 제1단 오일 분리기, 상기 제1단 압축기로부터 독립하여 회전수 제어 가능한 제2단 압축기, 제2단 오일 분리기, 응축기, 팽창 밸브 및 증발기를 개재 설치하여 이루어지고, 상기 제1단 오일 분리기가 분리한 오일을 상기 제1단 압축기에 환류시키는 제1단 오일 유로와, 상기 제2단 오일 분리기가 분리한 오일을 상기 제2단 압축기에 환류시키는 제2단 오일 유로와, 상기 제1단 압축기의 흡입 압력을 검출하는 흡입 압력 검출 수단과, 상기 제1단 압축기의 토출 압력을 검출하는 중간 압력 검출 수단과, 상기 제2단 압축기의 토출 압력을 검출하는 토출 압력 검출 수단과, 냉동 부하에 따라서 상기 제1단 압축기의 회전수를 제어하는 제1단 제어 수단과, 상기 흡입 압력 검출 수단의 검출값과 상기 토출 압력 검출 수단의 검출값의 곱의 평방근으로부터 이론 중간 압력을 산출하고, 상기 이론 중간 압력과 상기 흡입 압력 검출 수단의 검출값의 차가, 미리 정한 하한 차압보다도 큰 경우에는 상기 중간 압력 검출 수단의 검출값을, 상기 이론 중간 압력에 일치시키도록, 상기 제2단 압축기의 회전수를 제어하고, 상기 이론 중간 압력과 상기 흡입 압력 검출 수단의 검출값의 차가, 상기 하한 차압 이하인 경우에는, 상기 중간 압력 검출 수단의 검출값을, 상기 흡입 압력 검출 수단의 검출값에 상기 하한 차압을 더한 값에 일치시키도록, 상기 제2단 압축기의 회전수를 제어하는 제2단 제어 수단을 갖는 것으로 한다.

또한, 본 발명의 냉동 장치는 상기 증발기의 증발 온도를 검출하는 증발 온도 검출 수단을 구비하고, 상기 제1단 제어 수단은 상기 증발 온도 검출 수단의 검출값에 따라서, 상기 제1단 압축기의 회전수를 제어해도 좋다.

또한, 본 발명의 냉동 장치에 있어서, 상기 제1단 압축기 및 상기 제2단 압축기는 각각 스크류 압축기로 이루어져도 좋다.

본 발명에 따르면, 각 단의 압축기의 토출측에 각각 오일 분리기를 설치하였으므로, 각각의 압축기에 자신의 토출 압력의 오일이 공급된다. 이에 의해, 오일의 공급 압력이 지나치게 높아지지 않고, 오일에 용해된 냉매가 플래쉬되어 압축기의 용량을 실질적으로 저하시키는 일이 없다(특히, 증발기를 통과하여 제1단 압축기가 흡입할 수 있는 냉매의 양이 감소하는 일이 없음). 또한, 제2단 제어 수단은 이론 중간 압력이 작아졌을 때에도, 실제의 중간 압력과 흡입 압력의 차를 일정한 값 이상으로 유지하므로, 제1단 압축기에 오일을 공급하기 위해 필요한 압력차를 확보할 수 있어, 오일 끊김에 의한 트러블을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태의 냉동 장치의 구성도.
도 2는 도 1의 냉동 장치에 있어서의 증발 온도와 각 처의 냉매 압력의 관계를 나타내는 도면.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대해 도면을 참조하면서 설명한다. 도 1에 본 발명의 일 실시 형태인 냉동 장치(1)의 구성을 도시한다.

냉동 장치(1)는 제1단 압축기(2), 제2단 압축기(3), 응축기(4), 팽창 밸브(5) 및 증발기(6)를 개재 설치하여 이루어지고, 냉매를 봉입한 냉매 순환 유로(7)를 갖는다. 제1단 압축기(2) 및 제2단 압축기(3)는 각각 독립하여 회전수 제어 가능한 인버터 구동의 유랭식(油冷式) 스크류 압축기이다.

냉동 장치(1)는 제1단 압축기(2)와 제2단 압축기(3) 사이의 냉매 순환 유로(7)에, 제1단 압축기(2)가 토출한 냉매로부터 냉각 오일을 분리하는 제1단 오일 분리기(8)가 더 설치되고, 제2단 압축기(3)와 응축기(4) 사이의 냉매 순환 유로(7)에, 제2단 압축기(3)가 토출한 냉매로부터 냉각 오일을 분리하는 제2단 오일 분리기(9)가 설치되어 있다. 그리고, 냉동 장치(1)는 제1단 오일 분리기(8)가 분리한 냉각 오일을 제1단 압축기(2)의 흡입 및 저압부에 환류시키는 제1단 오일 유로(10)와, 제2단 오일 분리기(9)가 분리한 냉각 오일을 제2단 압축기(3)의 흡입 및 저압부에 환류시키는 제2단 오일 유로(11)를 더 구비한다.

또한, 냉동 장치(1)는 제1단 압축기(2)의 흡입 압력(Ps)을 검출하는 흡입 압력 검출기(12)와, 제1단 압축기(2)와 제2단 압축기(3) 사이의 냉매 순환 유로(7)의 압력, 즉 제1단 압축기(2)의 토출 압력이며 제2단 압축기(3)의 흡입 압력이기도 한 중간 압력(Pm)을 검출하는 중간 압력 검출기(13)와, 제2단 압축기(3)의 토출 압력(Pd)을 검출하는 토출 압력 검출기(14)와, 증발기(6)에 있어서의 냉매의 증발 온도(Te)를 검출하는 증발 온도 검출기(15)를 구비한다.

냉동 장치(1)에서는, 제1단 압축기(2)에는 중간 압력(Pm)과 흡입 압력(Ps)의 차압에 의해 제1단 오일 분리기(10)로부터 냉각 오일이 공급되고, 제2단 압축기(3)에는 토출 압력(Pd)과 중간 압력(Pm)의 차압에 의해 제2단 오일 분리기(11)로부터 냉각 오일이 공급된다.

또한, 냉동 장치(1)는 증발 온도 검출기(15)의 검출값(Te)에 기초하여, 제1단 압축기(2) 회전수를 제어하는 제1단 제어 장치(16)와, 흡입 압력 검출기(12), 중간 압력 검출기(13) 및 토출 압력 검출기(14)의 검출값(Ps, Pm, Pd)에 기초하여, 제2단 압축기(3)의 회전수를 제어하는 제어 장치(17)를 갖는다. 제어 장치(16)와 제어 장치(17)는 단일의 컴퓨터에 의해 실현되는 서로 독립된 프로그램 또는 제어 루틴이라도 좋다.

제1단 제어 장치(16)는 냉동 부하, 즉 증발 온도 검출기(15)의 검출값(Te)을 설정 온도(Ts)로 유지하도록, 제1단 압축기(2)의 회전수를, 예를 들어 공지의 PID 제어에 의해 조절한다.

제2단 제어 장치(17)는 흡입 압력 검출기(12) 및 토출 압력 검출기(14)의 검출값에 기초하여, 중간 압력(Pm)의 목표값(Pms)을 정하고, 중간 압력(Pm)을 목표값(Pms)에 일치시키도록, 공지의 PID 제어 등에 의해 제2단 압축기(2)의 회전수를 제어한다.

이 목표값(Pms)은 다음과 같이 정해진다. 우선, 제2단 제어 장치(17)는 흡입 압력 검출기(12)가 검출한 흡입 압력(Ps)과, 토출 압력 검출기(14)가 검출한 토출 압력(Pd)의 곱의 평방근인 이론 중간 압력(Pmth)＝{√(PsㆍPd)}을 산출한다. 그리고, 제2단 제어 장치(17)는 이론 중간 압력(Pmth)과 흡입 압력(Ps)의 차(ΔP)를 구하여, 미리 설정한 하한 차압(ΔPmin)과 비교한다. 그리고, 제2단 제어 장치(17)는 차압(ΔP)이 하한 차압(ΔPmin)보다 크면, 목표값(Pms)을 이론 중간 압력(Pmth)으로 설정하고, 차압(ΔP)이 하한 차압(ΔPmin) 이하이면, 목표값(Pms)을 흡입 압력 검출기(12)가 검출한 흡입 압력(Ps)에 하한 차압(ΔPmin)을 더한 값(Ps＋ΔPmin)으로 설정한다.

하한 차압(ΔPmin)은 제1단 압축기(2)에 필요로 하는 냉각 오일의 유량을 확보하기 위해 필요로 하는 압력이고, 제1단 오일 유로(10)의 배관 저항에 의해 결정된다. 이 하한 차압(ΔPmin)은, 통상, 제1단 압축기(2)의 정격 운전 조건에 있어서 결정된 값에, 안전율을 곱한 고정값(예를 들어, 0.2㎫)이지만, 제1단 압축기(2)의 회전수에 따라서 변화되는 값으로 해도 좋다.

도 2에 흡입 압력(Ps), 중간 압력(Pm) 및 토출 압력(Pd)의 관계를 나타낸다. 흡입 압력(Ps)은 증발기(6)에 있어서의 냉매의 증발 온도에 의해 정해진다. 또한, 토출 압력(Pd)은 응축기(4)에 있어서의 냉매의 응축 온도에 의해 정해진다. 응축기(4)에 공급되는 냉각수의 온도가 일정하고, 응축기의 용량이 충분히 크면, 응축 온도가 대략 일정해지므로, 본 실시 형태에 있어서, 토출 압력(Pd)은 대략 일정하다고 생각해도 좋다.

도시한 바와 같이, 증발기(6)에 있어서의 냉매의 증발 온도가 ?50℃보다 낮아지면, 이론 중간 압력(Pmth)과 흡입 압력(Ps)의 차압(ΔP)이, 하한 차압(ΔPmin)(0.2㎫) 이하로 된다. 이때, 제2단 제어 장치(17)는 중간 압력(Pm)의 목표값(Pms)을, 흡입 압력(Ps)보다도 하한 차압(ΔPmin)만큼 높은 압력(Ps＋ΔPmin)으로 설정한다. 이에 의해, 제1단 압축기(2)에 냉각 오일을 충분히 공급할 수 있도록 함으로써, 제1단 압축기(2)의 트러블을 방지한다. 또한, 동시에, 제2단 압축기로의 냉각 오일의 공급 압력(Pd－Pm)이 지나치게 높아지는 것도 방지되고, 제2단 압축기에 있어서 냉각 오일에 용해된 냉매가 플래쉬되어, 능력 저하를 초래하는 것이 방지된다.

이상의 설명에서는, 증발기(6)에 있어서의 냉매의 증발 온도(Te)의 설정값(Ts)을 변경하지 않으면, 중간 압력(Pm)의 목표값(Pms)을 결정하는 연산식이 변화되지 않는 것처럼 생각될지도 모른다. 그러나, 예를 들어, 증발기(6)가 냉동 창고에 배치되어 있는 경우에는 짐의 반출입을 위해 도어를 개방한 채 방치하면, 고내 온도, 즉 실제의 증발 온도(Te)가 급격하게 상승하므로, 이론 중간 압력(Pmth)과 흡입 압력(Ps)의 차압(ΔP)이, 하한 차압(ΔPmin)보다도 커질 수 있다.

따라서, 증발 온도(Te)의 설정값(Ts)이 일정해도, 목표값(Pms)의 연산식을 변화시키는 것은 냉동 장치(1)의 효율을 높이기 위해 유효한 수단이다. 또한, 캐스케이드 제어 등에 의해, 증발기(6)에 있어서의 냉매의 증발 온도(Te)의 설정값(Ts)을 변화시키는 것이 바람직한 경우도 생각된다.

또한, 상술한 실시 형태에서는, 제1단 압축기(2)의 기계적 압축비와 제2단 압축기(3)의 기계적 압축비가 동등하므로, 이론 중간 압력(Pmth)＝{√(PsㆍPd)}으로 하였지만, 제1단 압축기(2)의 기계적 압축비와 제2단 압축기(3)의 기계적 압축비의 비가 상수(k)로 나타내어지는 경우, 이론 중간 압력(Pmth)＝{√(PsㆍPd/k)}으로 된다. 즉, 본 발명에 있어서, 이론 중간 압력(Pmth)은 흡입 압력(Ps)과 토출 압력(Pd)의 곱의 평방근에 상수 √k를 곱한 값이다.

1 : 냉동 장치
2 : 제1단 압축기
3 : 제2단 압축기
4 : 응축기
5 : 팽창 밸브
6 : 증발기
7 : 냉매 순환 유로
8 : 제1단 오일 분리기
9 : 제2단 오일 분리기
10 : 제1단 오일 유로
11 : 제2단 오일 유로
12 : 흡입 압력 검출기(흡입 압력 검출 수단)
13 : 중간 압력 검출기(중간 압력 검출 수단)
14 : 토출 압력 검출기(토출 압력 검출 수단)
15 : 증발 온도 검출기(증발 온도 검출 수단)
16 : 제1단 제어 장치(제1단 제어 수단)
17 : 제2단 제어 장치(제2단 제어 수단)

Claims

냉매 순환 유로에, 회전수 제어 가능한 제1단 압축기, 제1단 오일 분리기, 상기 제1단 압축기로부터 독립하여 회전수 제어 가능한 제2단 압축기, 제2단 오일 분리기, 응축기, 팽창 밸브 및 증발기를 개재 설치하여 이루어지고,
상기 제1단 오일 분리기가 분리한 오일을 상기 제1단 압축기에 환류시키는 제1단 오일 유로와,
상기 제2단 오일 분리기가 분리한 오일을 상기 제2단 압축기에 환류시키는 제2단 오일 유로와,
상기 제1단 압축기의 흡입 압력을 검출하는 흡입 압력 검출 수단과,
상기 제1단 압축기의 토출 압력을 검출하는 중간 압력 검출 수단과,
상기 제2단 압축기의 토출 압력을 검출하는 토출 압력 검출 수단과,
냉동 부하에 따라서 상기 제1단 압축기의 회전수를 제어하는 제1단 제어 수단과,
상기 흡입 압력 검출 수단의 검출값과 상기 토출 압력 검출 수단의 검출값의 곱의 평방근으로부터 이론 중간 압력을 산출하고,
상기 이론 중간 압력과 상기 흡입 압력 검출 수단의 검출값의 차가, 미리 정한 하한 차압보다도 큰 경우에는, 상기 중간 압력 검출 수단의 검출값을, 상기 이론 중간 압력에 일치시키도록, 상기 제2단 압축기의 회전수를 제어하고,
상기 이론 중간 압력과 상기 흡입 압력 검출 수단의 검출값의 차가, 상기 하한 차압 이하인 경우에는, 상기 중간 압력 검출 수단의 검출값을, 상기 흡입 압력 검출 수단의 검출값에 상기 하한 차압을 더한 값에 일치시키도록, 상기 제2단 압축기의 회전수를 제어하는 제2단 제어 수단을 갖는 것을 특징으로 하는, 냉동 장치.
제1항에 있어서, 상기 증발기의 증발 온도를 검출하는 증발 온도 검출 수단을 구비하고,
상기 제1단 제어 수단은 상기 증발 온도 검출 수단의 검출값에 따라서, 상기 제1단 압축기의 회전수를 제어하는 것을 특징으로 하는, 냉동 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1단 압축기 및 상기 제2단 압축기는 각각 스크류 압축기로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 냉동 장치.