JP2007187358A - 冷凍システムおよび保冷装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷蔵あるいは冷凍に利用する比較的蒸発温度が低い冷凍システムにおいて、放熱器の下流側にオイルセパレータを設置する簡易な構成で吐出ガス温度を抑制し、冷蔵機器あるいは冷凍機器に要求される圧縮機の耐久性を損なうことなく、冷凍システム性能の向上を図ることを目的とする。
【解決手段】前段放熱器２０の下流側にオイルセパレータ５を設けたことを特徴とする冷凍システムであるので、圧縮機１に還流する潤滑油の温度を低下させるとともに、潤滑油中に冷媒を溶解させ、その冷媒を圧縮機１へ還流した際に蒸発させることで、さらに温度低下を図ることができ、吐出ガス温度の上昇を抑制しながら、オイルセパレータ５を用いて潤滑油のシステム循環量を低減することができ、冷凍システム性能の向上を図ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷媒として二酸化炭素を使用した冷凍システムにおいて、冷蔵あるいは冷凍に利用する比較的蒸発温度が低い冷凍システムおよび、この冷凍システムを搭載する保冷装置に関するものである。

近年、冷凍システムに使用される冷媒の地球温暖化に対する影響を削減する要求が高まってきており、地球温暖化に対する影響が小さい自然冷媒として、二酸化炭素を使用した冷凍システムが提案されている。

また、二酸化炭素を使用した冷凍システムは、遷臨界サイクルである点を利用して高い出湯温度を得る給湯機に適用されるとともに、不燃性である点を利用して使用時の冷媒漏洩量が大きいカーエアコンに適用されている。

ここで、二酸化炭素の遷臨界サイクルを使用した冷凍システムは、高い外気温度においては高い高圧圧力に制御する方が高効率な運転ができるため、蒸発器出口に設置されたアキュームレータ内に滞留する液冷媒の量を調整して高圧圧力を制御する構成が適用されている（例えば、特許文献１参照）。

一方、冷蔵あるいは冷凍に利用する比較的蒸発温度が低い冷凍システムにおいては、蒸発温度の低下に伴って吐出ガス温度が非常に高くなるという問題があり、適用が進んでいない。そこで、オイルセパレータからの油戻り配管を、空冷フィン等を用いて冷却し、吐出ガス温度の上昇を抑える冷凍システムが提案されている（例えば、特許文献２あるいは特許文献３参照）。

以下、図面を参照しながら従来の冷凍システムを説明する。

図５は従来の冷凍システムの回路構成図、図６は従来の冷凍システムのモリエル線図である。

図５に示すように、従来の冷凍システムは、冷媒として二酸化炭素を使用するとともに、圧縮機１、放熱器２、膨張弁３、蒸発器４、オイルセパレータ５からなる回路構成を有する。

また、オイルセパレータ５で分離した潤滑油を圧縮機１に還流する油戻し配管６、放熱器２とオイルセパレータ５、圧縮機１を外気で空冷する放熱器ファン７、蒸発器４で生成した冷気を保冷庫の庫内（図示せず）へ循環させる蒸発器ファン８、蒸発器４の蒸発温度を検知する蒸発温度センサー９、蒸発器４から圧縮機１へ還流する吸入配管１０、吸入配管１０の入口部の温度を検知する吸入管温度センサー１１、蒸発器４へ流入する前記庫内の空気温度を検知する庫内温度センサー１２を備えている。

ここで、膨張弁３は、蒸発温度センサー９と吸入管温度センサー１１でそれぞれ検知された蒸発温度と吸入配管１０の入口部温度に基づいて、膨張弁制御装置（図示せず）によってその絞り量が最適制御されるものである。これは、圧縮機１に大量の液冷媒が還流することを防止するとともに、蒸発温度が低い場合には吸入配管１１の入口部温度を下げることによって、圧縮機１へ還流するガス冷媒の温度を下げて、吐出ガス温度の上昇を抑制するものである。

以上のように構成された従来の冷凍システムについて、以下その動作を説明する。

圧縮機１で圧縮されて吐出された高温の吐出ガス冷媒は、オイルセパレータ５で含まれる潤滑油を分離した後、放熱器２へ供給される。そして、放熱器２で外気温度近傍まで冷却された後、膨張弁３で減圧され、蒸発器４で蒸発する。さらに、蒸発器４で蒸発した比較的低温のガス冷媒は、吸入配管１０を介して圧縮機１へ還流する。

また、オイルセパレータ５で分離された潤滑油は、油戻り配管６を介して圧縮機１へ還流する。このとき、放熱器２内部の冷媒は超臨界状態にあり、放熱器２の経路内で放熱されるに従い１００℃程度の高温から外気温度まで順に温度低下していく。また、蒸発器４内部の冷媒は二相領域にあり、庫内温度が０〜５℃の冷蔵温度の場合、冷媒の蒸発温度は−２０〜−１０℃程度の比較的低温に保たれるとともに、蒸発器４の経路出口付近で乾いて蒸発温度から庫内の空気温度の間で制御される。

ここで、オイルセパレータ５を用いて循環する冷媒から圧縮機１の潤滑油を分離するのは、放熱器２および蒸発器４での熱交換効率の低下を防止するためである。特に、低温となる蒸発器４内部に大量の潤滑油が流入すると、潤滑油が混入した液冷媒の粘度が増大して流動性が損なわれ、熱交換効率が著しく低下する。

また、膨張弁３の絞り量が制御されることによって、吸入配管１０の入口温度を蒸発温度より５〜１０℃程度高く保ち、これによって、圧縮機１への液冷媒の流入を防止しながら、圧縮機１へ還流する冷媒温度を下げて、吐出ガス温度を抑制することができる。

次に、従来の冷凍システムの冷媒の状態変化について図６を用いて詳細に説明する。

図６は横軸を冷媒のエンタルピーｈ、縦軸を冷媒の圧力Ｐとするモリエル線図であり、ｐ、ｑ、ｒ、ｓ、ｔで示す各点は保冷庫の庫内が所定温度まで低下した定常状態にある安定時の冷媒の状態変化を示す。

安定時において、圧縮機１から吐出された冷媒は温度Ｔ２のｐ点にあり、放熱器２で冷却されて温度Ｔ１のｑ点となる。ｑ点において冷媒は超臨界状態にあり、液化しないことが遷臨界サイクルの特長である。

次に、膨張弁３で減圧されて気液混合状態のｒ点となり、蒸発器４に供給される。蒸発器４で蒸発した冷媒は吸入管１１の入口部でｓ点となり、吸入管１１を通過する間に加熱されて温度Ｔ０のｅ点となって圧縮機１に還流する。

ここで、オイルセパレータ５における冷媒は、ｐ点の近傍のｐ’点にあり、油戻し配管６を介して圧縮機１に還流する潤滑油は、ｐ点に近い温度Ｔ２’となり、圧縮機１に還流するガス冷媒と混合することで、ガス冷媒の温度を上昇させる。

この結果、油戻し配管６を介して圧縮機１に還流する潤滑油の量が多くなる条件では、圧縮機１へ流入する冷媒温度が上昇して吐出ガス温度が異常に高くなる危険性が生じる。

そこで、油戻し配管６に空冷フィン等を設けて、圧縮機１に還流する潤滑油の温度を下げる試みが提案されている。
特表平３−５０３２０６号公報 特開２００２−１２７７３９号公報 特開２００４−１０１１１４号公報

しかしながら、上記従来の構成では、オイルセパレータ５で分離された潤滑油の温度が吐出ガス温度の近傍という高い温度にあり、容易に冷却することができず、結果として吸入配管１０の入口温度をより低下させなければ圧縮機１へ還流する冷媒の温度を抑制できないという課題があった。

この結果、蒸発器４での冷凍効果が小さくなることで効率低下を招くとともに、吸入配管１０における圧縮機１の入口部が二相域に近づきすぎて、膨張弁３の制御が困難になるという問題も発生する。これは、吸入管温度センサー１１の検知温度が蒸発温度を下回ることがないため、蒸発温度近傍の条件では液バックの検知が困難となるためである。

本発明は、従来の課題を解決するもので、冷蔵あるいは冷凍機器に要求される圧縮機の耐久性を損なうことなく、冷凍システム性能の向上を図る冷凍システムを提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明の冷凍システムおよびこれを備えた保冷装置は、放熱器の下流側にオイルセパレータを設けたことを特徴とするものである。

これによって、圧縮機に還流する潤滑油の温度を低下させるとともに、潤滑油中に冷媒を溶解させて圧縮機へ還流した際に蒸発させることで、さらに温度低下を図ることができる。

その結果、吸入管入口部の温度を下げることなく圧縮機へ流入するガス冷媒の温度上昇を抑制して、冷蔵あるいは冷凍機器に要求される圧縮機の耐久性を損なうことなく、冷凍システム性能の向上を図ることができる。

また、上記従来の課題を解決するために、本発明の冷凍システムおよびこれを備えた保冷装置は、油戻し配管に流量制御弁を設けたことを特徴とするものである。

これによって、運転状態によって返油量を調整することができ、特に吐出ガス温度が上昇する比較的厳しい運転条件において返油量を増大させることで、圧縮機に流入する冷媒温度を積極的に下げて圧縮機の耐久性を確保するとともに、吐出ガス温度が上昇しない比較的緩い運転条件では、オイルセパレータに潤滑油およびそれに溶解する冷媒を貯留させて高圧圧力等の運転条件を緩和することで、さらに冷凍システム性能の向上を図ることができる。

本発明の冷凍システムおよびこれを備えた保冷庫は、放熱器の下流側にオイルセパレータを設置する簡易な構成で吐出ガス温度を抑制することで、冷蔵あるいは冷凍機器に要求される圧縮機の耐久性を損なうことなく、冷凍システム性能の向上を図ることができる。

本発明の請求項１に記載の発明は、潤滑油を封入した圧縮機と、放熱器と、膨張弁と、蒸発器を環状に接続し、内部に冷媒を封入した冷凍サイクルにおいて、前記放熱器の下流側に、前記冷媒中に混入した潤滑油を分離するオイルセパレータを設けたものである。

上述の如く、前記放熱器の下流側にオイルセパレータを設けたことにより、圧縮機に還流する潤滑油の温度を低下させるとともに、潤滑油中に冷媒を溶解させて前記圧縮機へ還流した際に前記冷媒を蒸発させることで、さらに温度低下を図ることができ、吐出ガス温度の上昇を抑制しながら、オイルセパレータを用いて潤滑油のシステム循環量を低減することができ、冷凍システム性能の向上を図ることができる。

本発明の請求項２に記載の発明は、前記オイルセパレータと前記圧縮機の吸入配管を接続する油戻し配管を設け、この油戻し管に流量制御弁を設け、さらに、前記流量制御弁を作動させて前記オイルセパレータから前記圧縮機への返油量を調整する調整手段を設けたものである。

かかる構成とすることにより、運転状態によって返油量を調整することができ、吐出ガス温度が上昇しない比較的緩い運転条件では、適正な返油量を確保して吐出ガス温度の上昇を抑制しながら、オイルセパレータを用いて潤滑油のシステム循環量を低減することができ、冷凍システム性能の向上を図ることができる。

また、目標温度が冷凍域まで低下する特に吐出ガス温度が上昇する比較的厳しい運転条件では、返油量を増大させることで、前記圧縮機に流入する冷媒温度を積極的に下げて吐出ガス温度を低減し、圧縮機の耐久性を確保することができる。

本発明の請求項３に記載の発明は、前記圧縮機の吐出配管に吐出温度センサーを設け、前記調整手段により、吐出温度が高い場合には返油量を増加し、吐出温度が低い場合には返油量を減少させるものである。

かかる構成とすることにより、吐出ガス温度を直接検知することで、吐出ガス温度を下げる必要のない場合は、適正な返油量を確保して吐出ガス温度の上昇を抑制しながら、オイルセパレータを用いて潤滑油のシステム循環量を低減することができ、冷凍システム性能の向上を図ることができる。

また、吐出ガス温度が限界値を越えて圧縮機の耐久性確保が困難になった場合は、システムの冷媒循環量を犠牲にして返油量を増大させることで、前記圧縮機に流入する冷媒温度を積極的に下げて吐出ガス温度を低減し、圧縮機の耐久性を確保することができる。

本発明の請求項４に記載の発明は、前記冷凍サイクル周辺の環境温度を検出する外気温センサーを設け、前記調整手段により、高外気温時には返油量を増大し、低外気温時には返油量を減少させるものである。

かかる構成とすることにより、特に冷凍負荷が小さく、かつ放熱器出口の温度が低く冷凍効果が大きくなる低外気温時に、返油量を減少させてオイルセパレータに潤滑油およびそれに溶解する冷媒を貯留させて高圧圧力を緩和することで、さらに冷凍システム性能の向上を図ることができる。

本発明の請求項５に記載の発明は、前記圧縮機の回転数を増減する制御装置を設け、前記圧縮機が高速運転時には返油量を増大し、低速運転時には返油量を減少させるものである。

かかることにより、特に圧縮機内部の漏れの増大に起因して冷媒中の潤滑油濃度が増大する低速運転時において、返油量を減少させてオイルセパレータに潤滑油、およびそれに溶解する冷媒を貯留させ、高圧圧力を緩和することができ、さらに、圧縮機内部の漏れを減少させて潤滑油の冷媒中濃度を抑制し、冷凍システム性能の向上を図ることができる。

本発明の請求項６に記載の発明は、前記放熱器と前記オイルセパレータの順路を入れ替える流路切換弁を設け、この流路切換弁により、冷凍能力を優先する制御と、吐出温度を抑制する制御を選択するものである。

かかる構成とすることにより、プルダウン時等の冷凍能力を優先する制御を行う場合、蒸発温度を上げて圧縮比を低減することで吐出ガス温度を下げ、放熱器の上流側にオイルセパレータを配置し、油戻し配管を介して圧縮機に還流する冷媒量を低減している。これにより、プルダウン時の冷凍能力を確保することができる。

一方、蒸発温度が低い安定時等に吐出温度を抑制する制御を行う場合、放熱器の下流側にオイルセパレータを配置し、油戻し配管を介して圧縮機に還流する冷媒量を増大する。その結果、吐出ガス温度の上昇を抑制しながら、オイルセパレータを用いて潤滑油のシステム循環量を低減することができ、冷凍システム性能の向上を図ることができる。

本発明の請求項７に記載の発明は、冷媒として二酸化炭素を主成分とする自然冷媒を使用し、圧縮機に用いる潤滑油として、４０℃における粘度が５〜３００ｃＳｔであるポリアルキレングリコール冷凍機油を用いたものである。

一般に、高圧８〜１２ＭＰａ、温度２０〜４０℃となる放熱器の中間から下流側の冷媒状態においては、潤滑油に１０〜３０重量％の冷媒が飽和溶解することから、かかる構成とすることにより、放熱器の下流側に設置されたオイルセパレータ内部に潤滑油と冷媒を貯留することができる。特に吐出ガス温度が上昇する比較的厳しい運転条件においては、返油中の冷媒量を確保することで、圧縮機に流入する冷媒温度を積極的に下げて圧縮機の耐久性を確保することができ、吐出ガス温度が上昇しない比較的緩い運転条件では、オイルセパレータに潤滑油およびそれに溶解する冷媒を貯留させ、高圧圧力等の運転条件を緩和することで、さらに冷凍システム性能の向上を図ることができる。

本発明の請求項８に記載の発明は、上記冷凍システムを搭載した保冷装置とするもので、食品を冷蔵あるいは冷凍温度で保存する保冷装置としているため、特に蒸発温度が低い運転条件であっても放熱器の下流側にオイルセパレータを設置する簡易な構成で吐出ガス温度を抑制することができ、その結果、冷蔵あるいは冷凍機器に要求される圧縮機の耐久性を損なうことなく、冷凍システム性能の向上を図ることができる。

以下、本発明による冷凍システムの実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、従来と同一の構成もしくは同一の機能を果たす構成要件については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における冷凍システムの冷媒回路図、図２は同実施の形態１における冷凍システムのモリエル線図である。なお、従来と同一の構成もしくは同一の機能を果たす構成要件については同一番号を付して、詳細な説明は省略する。

図１に示すように、実施の形態１の冷凍システムは、保冷庫の場合を例に説明するもので、冷媒として二酸化炭素を使用し、潤滑油として４０℃における粘度が１００ｃＳｔであるポリアルキレングリコール冷凍機油を使用するとともに、圧縮機１、放熱器２、電動式の膨張弁３、蒸発器４、オイルセパレータ５を基本とする冷凍サイクルにおいて、圧縮機１とオイルセパレータ５の間に前段放熱器２０を有する構成となっている。

ここで、オイルセパレータ５の上流に位置する前段放熱器２０は、１枚の連続したフィンと配管経路を有する周知の構成からなるスパイラルフィンチューブであり、放熱器２と構成的には対向して配置されており、放熱器ファン７によって高温の吐出ガス冷媒と熱交換することで、出口冷媒温度を効率的に低下するものである。

また、オイルセパレータ５には、先端が圧縮機１の戻り側（吸入側）に連結された油戻し管６が設けられており、オイルセパレータ５の内部で分離した潤滑油が圧縮機１に還流するように構成されている。さらに、油戻し配管６には、圧縮機１への返油量を調整する流量調整弁２１が設けられ、また圧縮機１の出口（吐出）配管には、吐出ガス温度を検知する吐出温度センサー２２が設けられている。

ここで、流量調整弁２１の前記返油量は、蒸発温度センサー９で検出された蒸発温度および吐出温度センサー２２で検出された吐出ガス温度に基づき、流量制御装置２４によって流量調整弁２１の絞り量が制御され、これによって最適制御されるものである。

さらに、圧縮機１は、吸入管温度センサー１１および庫内温度センサー１２の温度を基本の入力情報とする運転制御装置２５によって周知の如く運転制御され、また必要に応じて蒸発温度センサー９の検出温度も入力情報として制御装置２５により運転制御される。さらに、膨張弁３についても同様に、前記基本の入力情報を基に運転制御装置２５によってその弁開度が制御される。

以上のように構成された実施の形態１の冷凍システムについて、以下その動作を説明する。

圧縮機１で圧縮されて吐出された高温の吐出ガス冷媒は、前段放熱器２０で予備冷却されてオイルセパレータ５に供給され、周知の如くオイルセパレータ５で含まれる潤滑油が分離される。その後、放熱器２へ供給され、該放熱器２で外気温度近傍まで冷却された後、膨張弁３で減圧され、蒸発器４で蒸発する。そして、蒸発器４で蒸発した比較的低温のガス冷媒は吸入配管１０を介して圧縮機１へ還流し、以下前述の流れを繰り返して庫内の冷却が行なわれる。

ここで、蒸発温度が−２０℃超と比較的高い場合には、蒸発温度センサー９がこれを検出し、流量制御装置２４によって流量調整弁２１の開度を小とする。したがって、オイルセパレータ５で分離された潤滑油は油戻り配管６を介して小流量で圧縮機１へ還流する。

このように、油戻り配管６を介して圧縮機１に還流する潤滑油は、前段放熱器２０で予備冷却されているので、吐出ガス温度の上昇を招くことがないとともに、流量調整弁２１の弁開度を小さくして圧縮機１へ還流する冷媒量も抑制しているため、蒸発器４に供給される冷媒循環量を大きく減らすこともなく、冷凍能力を確保することができる。

また、この状態において前段放熱器２０内部の冷媒は超臨界状態にあるが、前段放熱器２０の経路内を通過していくにしたがって放熱が進み、１００℃程度の高温から最終は外気温度＋１０〜１５℃程度まで順次温度低下する。例えば、外気温度が２５℃程度では、前段放熱器２０の出口温度は４０℃程度となり、オイルセパレータ５には４０℃程度の潤滑油とこれに溶解した２０〜３０重量％の冷媒が分離貯留される。

本実施の形態１においては、油戻り配管６から還流する潤滑油の温度を下げるために、返油中に溶解する冷媒量は１０〜４０重量％程度が望ましく、これを実現するには二酸化炭素冷媒に相溶するポリアルキレングリコール冷凍機油を使用して、オイルセパレータ５を４０℃程度に保つことが最適である。

すなわち、前記二酸化炭素冷媒に相溶しない冷凍機油を使用すると、返油中に溶解する冷媒量が微量となり、還流する潤滑油の温度を下げる効果がなくなる。また、前記二酸化炭素冷媒との相溶性が高すぎると、オイルセパレータ５での潤滑油の分離が困難となり、潤滑油のシステム循環量が低減できないことになる。

また、放熱器２内部の冷媒は、外気温度近傍の超臨界状態にあり、外気との温度差が小さく、熱交換効率を向上するには潤滑油の混入を防止することが望ましい。さらに蒸発器４内部の冷媒は二相領域にあり、庫内温度が０〜５℃の冷蔵温度帯の場合、冷媒の蒸発温度は−２０〜−１０℃程度の比較的低温に保たれるとともに、従来と同様に運転制御装置２５によって膨張弁３の絞り量（弁開度）が最適値に制御されることで、蒸発器４の経路出口付近で乾いて蒸発温度から庫内の空気温度の間で制御される。

一方、前記庫内温度が−２０〜−１０℃の冷凍温度となり、蒸発器４の蒸発温度が−２０℃以下と比較的低く、かつ吐出ガス温度が上昇して限界値を超えた場合には、流量調整弁２１の弁開度を大として返油量を増大することで吐出ガス温度の上昇を抑制する。これによって、オイルセパレータ５の内部に貯留された比較的低温の潤滑油とそれに溶解した２０〜３０重量％程度の液冷媒を、圧縮機１の吸入側に大量に還流することができ、これによって吸入ガス（吸入冷媒）温度をさらに下げて吐出ガス温度の上昇を抑制することができる。

次に、実施の形態１における冷凍システムの冷媒の状態変化について図２を用いて詳細に説明する。

図２は、横軸を冷媒のエンタルピーｈ、縦軸を冷媒の圧力Ｐとするモリエル線図であり、ｐ、ｑ、ｒ、ｓ、ｔ、ｕで示す各点は保冷庫の庫内（図示せず）が所定温度まで低下した定常状態にある安定時の冷媒の状態変化（変化点）を示す。

安定時において、圧縮機１から吐出された冷媒は、温度Ｔ２のｐ点であり、前段放熱器２０で冷却されて温度Ｔ３のｕ点となる。そして、放熱器２でさらに冷却されて温度Ｔ１のｑ点となる。このｑ点において冷媒は超臨界状態にあり、液化しないことが遷臨界サイクルの特長である。

次に、前記冷媒は、膨張弁３で減圧されて気液混合状態のｒ点となり、蒸発器４に供給される。蒸発器４で蒸発した冷媒は、吸入管１１の入口部でｓ点となり、吸入管１１を通過する間に加熱されて温度Ｔ０のｅ点となって圧縮機１に還流する。

ここで、オイルセパレータ５における冷媒と潤滑油は、前段放熱器２０で冷却された温度Ｔ３のｕ点にあり、温度低下によって潤滑油中に２０〜３０重量％の冷媒が溶解している。そして、油戻し配管６を介して冷媒および冷媒中に溶解した潤滑油が、流量調整弁２１の弁開度に応じた量で圧縮機１に還流する。この圧縮機１への還流は、吸入管１１から圧縮機１に還流するガス冷媒と混合しながら、前記還流冷媒の圧力も低下するもので、この冷媒の変態に伴い、潤滑油中の冷媒が蒸発して、圧縮機１が吸入するガス冷媒の温度を抑制する。

この結果、蒸発温度が−２０℃超と比較的高い場合には、流量調整弁２１の開度を小とするので、油戻し配管６を介して圧縮機１に還流する潤滑油の量が少なくなり、これに起因して吐出ガス温度の上昇を抑制しながら、オイルセパレータを用いた潤滑油のシステム循環量の低減ができ、冷凍システム性能の向上を図ることができる。

一方、蒸発温度が−２０℃以下と比較的低く、かつ吐出ガス温度が上昇して限界値を超えた場合には、流量調整弁２１の開度を大とする。したがって、システムの冷媒循環量を犠牲にした状態ではあるが、油戻し配管６を介して圧縮機１に還流する返油量を増大させることができ、これによって、圧縮機１に流入する冷媒温度を積極的に下げて吐出ガス温度を低減し、圧縮機１の耐久性を確保することができる。

以上のように、本実施の形態１においては、前段放熱器２０の下流側にオイルセパレータ５を設置し、蒸発温度センサー９および吐出温度センサー２２でそれぞれ検知された蒸発温度と吐出ガス温度に基づいて、油戻し配管６に設けた流量制御弁２１を最適制御するもので、かかる制御により、蒸発温度が−２０℃超と比較的高い場合には、流量調整弁２１の開度を小として、適正な返油量を確保して吐出ガス温度の上昇を抑制しながら、オイルセパレータ５を用いて潤滑油のシステム循環量を低減することができ、冷凍システム性能の向上を図ることができる。

また、逆に前記蒸発温度が−２０℃以下と比較的低く、かつ吐出ガス温度が上昇して限界値を超えた場合には、流量調整弁２１の開度を大として返油量を増大する。かかる制御により、システムの冷媒循環量を犠牲にするものの、冷凍サイクル中への返油量を増大させることで、圧縮機１に流入する冷媒温度を積極的に下げて吐出ガス温度を低減し、圧縮機１の耐久性を確保することができる。

なお、本実施の形態１においては、前記蒸発温度が−２０℃以下と比較的低く、かつ吐出ガス温度が上昇して限界値を超えた場合に、圧縮機１の耐久性の確保を優先して流量調整弁２１の開度を大としたが、図１の構成に外気温度を検知するセンサーを設け、高外気温時に圧縮機１の耐久性の確保を優先して流量調整弁２１の開度を大と制御する構成としても同様の作用効果が期待できる。

さらに、圧縮機１に可変速圧縮機を用い、その運転状態を示す情報を基に、高速運転時に圧縮機１の耐久性の確保を優先して流量調整弁２１の開度を大と制御する構成としても、同様の効果が期待できる。

また、流量調整弁２１の開度を小としてオイルセパレータ５に貯留される潤滑油とそれに溶解する冷媒量を増大すると、システム内圧力、特に高圧圧力を低減する効果も期待できる。その結果、低外気温時あるいは圧縮機１の低速運転時のみ流量調整弁２１の開度を小としても、高圧圧力を緩和して冷凍システム性能を向上することができる。

なお、本実施の形態においては、オイルセパレータ５の下流側に放熱器２を設置したが、前段放熱器２０の能力を向上して放熱器２を省略しても、同様の作用、効果が期待できる。

また、本実施の形態１においては、蒸発温度が−２０℃超と比較的高い場合には従来と同様に運転制御装置（膨張弁制御装置）２５によって膨張弁３の絞り量が最適制御されることで、吐出ガス温度の上昇を抑制したが、吐出ガス温度が許される範囲で動作するように選定されたキャピラリチューブ等の固定絞り手段を用いても、蒸発温度が−２０℃以下と比較的低く、かつ吐出ガス温度が上昇して限界値を超えた場合には、流量調整弁２１の開度を大とすることで吐出ガス温度の上昇を抑制する本実施例と同様の効果が期待できる。

（実施の形態２）
図３は本発明の実施の形態２における冷凍システムの冷媒回路図、図４は同実施の形態２における冷凍システムのモリエル線図である。なお、先の実施の形態１と同一の構成あるいは同様の機能を果たす構成要件については同一番号を付して、詳細な説明は省略する。また、先の実施の形態１に示す流量制御装置２４および運転制御装置２５についても構成は省略し、各構成要件の動作内容を主に説明する。

図３に示すように、実施の形態２の冷凍システムは、冷媒として二酸化炭素を使用し、潤滑油として４０℃における粘度が１００ｃＳｔであるポリアルキレングリコール冷凍機油を使用するとともに、圧縮機１、放熱器２、電動式の膨張弁３、蒸発器４、オイルセパレータ５、前段放熱器２０を備えた回路構成を同一とし、流路切換弁２３を新たに備えた点で構成上相違する。流路切換弁２３は、圧縮機１から放熱器２へ至る経路の間において、前段放熱器２０とオイルセパレータ５の冷媒が流れ込む順路を入れ替えるものであり、周知の構成である。

以上のように構成された実施の形態２の冷凍システムについて、以下その動作を説明する。

プルダウン時等の冷凍能力を優先する制御を行う場合、前段放熱器２０がオイルセパレータ５の下流側になるように流路切換弁２３を設定する。このとき、圧縮機１で圧縮され、吐出された高温の吐出ガス冷媒は、オイルセパレータ５で含まれる潤滑油を分離した後、前段放熱器２０を介して放熱器２へ供給され、該放熱器２で外気温度近傍まで冷却された後、膨張弁３で減圧されて、蒸発器４で蒸発する。そして、蒸発器４で蒸発した比較的低温のガス冷媒は、吸入配管１０を介して圧縮機１へ還流する。

この結果、オイルセパレータ５は吐出ガス温度に近い高温に維持され、滞留する潤滑油中に冷媒がほとんど溶解することがない。その結果、油戻し配管６を介して圧縮機１に還流する冷媒量を低減することができ、それに伴う冷凍能力の低下を抑制することができる。また、このようなプルダウン時等の負荷が大きい場合は、蒸発器４の蒸発温度を高めるとともに、膨張弁３の絞り度合いを調整する等して吸入管１０の入口温度を最適に制御すれば、吐出ガス温度の上昇を抑制することができる。

一方、蒸発温度が低い安定時等に吐出温度を抑制する制御を行う場合、前段放熱器２０をオイルセパレータ５の上流側になるように流路切換弁２３を設定する。

その結果、圧縮機１で圧縮され、吐出された高温の吐出ガス冷媒は、前段放熱器２０で予備冷却されてオイルセパレータ５に供給され、該オイルセパレータ５によって含まれる潤滑油を分離した後、放熱器２へ供給される。そして、放熱器２で外気温度近傍まで冷却された後、膨張弁３で減圧され、蒸発器４で蒸発する。そして、蒸発器４で蒸発した比較的低温のガス冷媒は、吸入配管１０を介して圧縮機１へ還流する。以下、前述の流れを繰り返すことにより、保冷庫内部を冷却することができる。

したがって、オイルセパレータ５は、前段放熱器２０で冷却され、滞留する潤滑油の温度が低下するとともに、滞留する潤滑油中に冷媒が溶解し、油戻し配管６を介して圧縮機１に還流する際にその冷媒が蒸発することで吐出ガス温度の上昇を抑制することができる。同時に、オイルセパレータ５の内部に冷媒が貯留されることから、高圧圧力を緩和して冷凍システム性能を向上する効果も期待できる。

なお、流路切換弁２３をどちらに切り換えても、オイルセパレータ５によって潤滑油のシステム循環量を低減することができ、冷凍システム性能の向上を図ることができる。

次に、実施の形態２における冷凍システムの冷媒の状態変化について図４を用いて詳細に説明する。

図４は横軸を冷媒のエンタルピーｈ、縦軸を冷媒の圧力Ｐとするモリエル線図であり、ｐ、ｑ、ｒ、ｓ、ｔ、ｕで示す各点は、保冷庫の庫内（図示せず）が所定温度まで低下した定常状態にある安定時の冷媒の状態変化（変化点）を示す。

プルダウン時等の冷凍能力を優先する制御を行う場合、前段放熱器２０をオイルセパレータ５の下流側になるように流路切換弁２３を設定する。このとき、オイルセパレータ５内の冷媒は、圧縮機１から吐出された冷媒が温度Ｔ２のｐ点の近傍にあるｐ’点で示される。そして、オイルセパレータ５に滞留する潤滑油も高温となり、ほとんど冷媒が溶解しない状態にある。

一方、蒸発温度が低い安定時等に吐出温度を抑制する制御を行う場合は、前段放熱器２０をオイルセパレータ５の上流側になるように流路切換弁２３を設定する。このとき、オイルセパレータ５内の冷媒と潤滑油は、前段放熱器２０で冷却された温度Ｔ３のｕ点にあり、温度低下によって潤滑油中に２０〜３０重量％の冷媒が溶解している。

ここで、油戻り配管６から冷媒循環回路（冷凍サイクル）中に還流する潤滑油の温度を下げるためには、返油中に溶解する冷媒量を１０〜４０重量％程度とすることが望ましく、これを実現するには、前記二酸化炭素冷媒に相溶するポリアルキレングリコール冷凍機油を使用して、オイルセパレータ５を４０℃程度に保つことが最適である。

前記二酸化炭素冷媒に相溶しない冷凍機油を使用すると、返油中に溶解する冷媒量が微量となり、還流する潤滑油の温度を下げる効果がなくなる。また、前記二酸化炭素冷媒との相溶性が高すぎると、オイルセパレータ５での潤滑油の分離が困難となり、潤滑油のシステム循環量が低減できない。

以上のように、本実施の形態２においては、前段放熱器２０とオイルセパレータ５の順路を入れ替える流路切換弁２３を設け、冷凍能力を優先する制御と吐出温度を抑制する制御で異なる順路を選択すればよい。

そして、プルダウン時等の冷凍能力を優先する制御を行う場合は、オイルセパレータ５を吐出ガス温度に近い高温に維持することにより、滞留する潤滑油中に冷媒がほとんど溶解することがなく、したがって、油戻し配管６を介して圧縮機１に還流する冷媒量を低減することができる。さらに、それに伴う冷凍能力の低下を抑制することができる。

また、蒸発温度が低い安定時等に吐出温度を抑制する制御を行う場合は、オイルセパレータ５を前段放熱器２０で冷却されるようにし、これによって滞留する潤滑油の温度を低下させるもので、かかることにより、滞留する潤滑油中に冷媒が溶解し、油戻し配管６を介して圧縮機１に還流する際にその冷媒が蒸発することで吐出ガス温度の上昇を抑制することができる。

なお、本実施の形態２においては、流路切換弁２３の下流側に放熱器２を設置したが、前段放熱器２０の能力を向上して放熱器２を省略しても、同様の効果が期待できる。

また、本実施の形態２においては、プルダウン時等の冷凍能力を優先する制御を行う場合、従来と同様に運転制御装置の機能である膨張弁制御機能によって膨張弁３の絞り量を最適制御し、これによって吐出ガス温度の上昇を抑制したが、吐出ガス温度が許される範囲で動作するように選定されたキャピラリチューブ等の固定絞り手段を用いてもよい。すなわち、蒸発温度が低い安定時等に吐出温度を抑制する制御を行う場合、前段放熱器２０をオイルセパレータ５の上流側になるように流路切換弁２３を設定することで、吐出ガス温度の上昇を抑制することができ、同様の効果が期待できる。

以上のように、本発明にかかる冷凍システムおよびこれを備えた保冷装置庫は、オイルセパレータを用いて潤滑油のシステム循環量を低減しながら、還流する潤滑油による吐出ガス温度の上昇を抑制して冷凍システム性能の向上を図ることができるので、冷媒のノンフロン化と機器の省エネルギー化が要求されるショーケースや業務用冷凍冷蔵庫、自動販売機等の冷蔵機器あるいは冷凍機器として広く適用できるものである。

本発明の実施の形態１による冷凍システムの冷媒回路図 本発明の実施の形態１による冷凍システムのモリエル線図 本発明の実施の形態２による冷凍システムの冷媒回路図 本発明の実施の形態２による冷凍システムのモリエル線図 従来の冷凍システムの冷媒回路図 従来の冷凍システムのモリエル線図

符号の説明

１ 圧縮機
２ 放熱器
３ 膨張弁
４ 蒸発器
５ オイルセパレータ
６ 油戻し管
２０ 前段放熱器
２１ 流量調整弁
２２ 吐出温度センサー
２３ 流路切換弁

Claims (8)

1. 潤滑油を封入した圧縮機と、放熱器と、膨張弁と、蒸発器を環状に接続し、内部に冷媒を封入した冷凍サイクルにおいて、前記放熱器の下流側に、前記冷媒中に混入した潤滑油を分離するオイルセパレータを設けた冷凍システム。
2. 前記オイルセパレータと前記圧縮機の吸入配管を接続する油戻し配管を設け、この油戻し管に流量制御弁を設け、さらに、前記流量制御弁を作動させて前記オイルセパレータから前記圧縮機への返油量を調整する調整手段を設けた請求項１に記載の冷凍システム。
3. 前記圧縮機の吐出配管に吐出温度センサーを設け、前記調整手段により、吐出温度が高い場合には返油量を増加し、吐出温度が低い場合には返油量を減少させる請求項２に記載の冷凍システム。
4. 前記冷凍サイクル周辺の環境温度を検出する外気温センサーを設け、前記調整手段により、高外気温時には返油量を増大し、低外気温時には返油量を減少させる請求項２または請求項３に記載の冷凍システム。
5. 前記圧縮機の回転数を増減する制御装置を設け、前記圧縮機が高速運転時には返油量を増大し、低速運転時には返油量を減少させる請求項２から請求項４のいずれか一項に記載の冷凍システム。
6. 前記放熱器と前記オイルセパレータの順路を入れ替える流路切換弁を設け、この流路切換弁により、冷凍能力を優先する制御と、吐出温度を抑制する制御を選択する請求項２から請求項５のいずれか一項に記載の冷凍システム。
7. 冷媒として二酸化炭素を主成分とする自然冷媒を使用し、圧縮機に用いる潤滑油として、４０℃における粘度が５〜３００ｃＳｔであるポリアルキレングリコール冷凍機油を用いた請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の冷凍システム。
8. 請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の冷凍システムを搭載した保冷装置。

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