JP7342269B2 - 冷熱源ユニット、および冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本開示は、冷熱源ユニット、および冷凍サイクル装置に関する。

冷媒を使用する冷凍サイクル装置には、圧縮機の冷凍機油不足を回避するために、返油機構を備えるものがある。返油機構は、圧縮機から冷媒と一緒に吐出される冷凍機油をオイルセパレータで分離して圧縮機に戻す。

従来のこの種の返油機構においては、吐出ガスから分離された冷凍機油を吸入側に戻す場合に、キャピラリーなどの減圧装置を介することで、吐出ガスの吸入側への流入を必要最小限に抑制し、冷凍サイクル効率の低下を抑制するようにしている。また、特開２００１－８２８１５号公報（特許文献１）に開示された冷凍サイクル装置のように、減圧装置を開度の調節できる絞り機構とし、油戻し流量を調節しているものもある。

特開２００１－８２８１５号公報

近年、冷凍サイクルには、地球温暖化などの環境保護の観点から自然冷媒が使用されるようになってきている。たとえば、二酸化炭素を冷凍サイクルの自然冷媒として使用する場合、運転圧力が従来のハイドロカーボン、フルオロカーボン系の冷媒に対して数倍に達する。

この場合、圧縮機密閉容器内を吐出ガスで満たす高圧シェル方式とした場合には、密閉容器の強度を維持するために容器の肉厚を高めるなど、生産性および材料コストの観点から問題となる。それに対し、密閉容器内を吐出ガスより低い圧力で満たす低圧シェル方式もしくは中間圧シェル方式では、高圧シェル方式と比べ密閉容器の強度を必要としないが、吐出ガス中に含まれる潤滑油を密閉容器内で分離することが困難であるため、吐出される潤滑油を容器内へ戻す返油機構が必要となる。

特開２００１－８２８１５号公報（特許文献１）に示される流量制御弁の絞り開度を調節する手法は、それ自体は冷媒の種類に関らず有効である。しかし、フルオロカーボン系の冷媒と比べ動作圧力が非常に高い二酸化炭素冷媒を使用する冷凍サイクルにおいては、絞り開度を従来よりも絞らなければならない。このような使い方をすると、摩耗粉やスラッジ等の堆積物が発生した場合に容易に閉塞するなど信頼性低下する可能性があり、冷凍サイクル装置の寿命の低下に大きく影響し、実用上の問題となっていた。

本開示の冷凍サイクル装置の冷熱源ユニットは、上記課題を解決するものであり、冷凍サイクル装置の返油機構の信頼性を高めることを目的とする。

本開示は、負荷装置に接続されるように構成された冷凍サイクル装置の冷熱源ユニットに関する。冷熱源ユニットは、負荷装置に接続されることによって、冷媒が循環する循環流路を形成する冷媒流路と、冷媒流路に配置される圧縮機と、冷媒流路において圧縮機の吐出口側に配置される油分離器と、油分離器から圧縮機に冷凍機油を戻す返油経路と、返油経路に配置され、返油経路に流れる流体の流量を調整可能に構成される流量調整装置と、返油経路において流量調整装置の下流に配置される温度センサと、温度センサの出力に応じて流量調整装置の開度を制御する制御装置とを備える。

本開示の冷熱源ユニット、および冷凍サイクル装置によれば、返油機構の信頼性が向上するので、圧縮機が冷凍機油不足をとなる可能性を下げることができる。

実施の形態１の冷凍サイクル装置１の全体構成図である。 運転時の流量調整装置の基本制御を説明するためのフローチャートである。 ステップＳ１における開度の算出について説明するための図である。 実施の形態１における返油経路Ｆ２の詰りを監視する処理を説明するためのフローチャートである。 実施の形態２における返油経路Ｆ２の詰りを監視する処理を説明するためのフローチャートである。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。以下では、複数の実施の形態について説明するが、各実施の形態で説明された構成を適宜組み合わせることは出願当初から予定されている。なお、図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１の冷凍サイクル装置１の全体構成図である。なお、図１では、冷凍サイクル装置における各機器の接続関係および配置構成を機能的に示しており、物理的な空間における配置を必ずしも示すものではない。

図１を参照して、冷凍サイクル装置１は、冷熱源ユニット２と、負荷装置３と、延長配管８３，８７とを備える。冷熱源ユニット２は、通常、室外または屋外に配置されるので、室外ユニット、または、屋外ユニットと呼ばれることがある。また冷熱源ユニット２は、本実施の形態では、熱を屋外に排出する冷熱源として動作する。

冷凍サイクル装置１の冷熱源ユニット２は、延長配管８３，８７によって、負荷装置３に接続されるように構成される。

冷熱源ユニット２は、圧縮機１０と、油分離器２０と、凝縮器３０と、配管８０～８２、８８とを備える。実施の形態１では、配管８０は、圧縮機１０の吐出ポートＧ２と油分離器２０とを接続する。配管８１は、油分離器２０と凝縮器３０とを接続する。配管８２は、凝縮器３０と延長配管８３とを接続する。

冷熱源ユニット２の冷媒流路Ｆ１は、配管８８から、圧縮機１０、配管８０、油分離器２０、配管８１、凝縮器３０、配管８２を順に経て冷熱源ユニットの冷媒出口に至る。流路Ｆ１は、負荷装置３と共に、冷媒が循環する循環流路を形成するように構成される。

冷熱源ユニット２は、配管９１，９２と、配管９１と配管９２との間に配置される流量調整装置ＬＥＶ２と、制御装置１００とをさらに備える。配管９１は、循環流路の油分離器２０の油出口から流量調整装置ＬＥＶ２に冷凍機油を流すように構成される。配管９２は、流量調整装置ＬＥＶ２から圧縮機１０の吸入ポートＧ１に冷凍機油を流すように構成される。以下において、メイン回路から分岐して流量調整装置ＬＥＶ２を経由して圧縮機１０に冷媒を送るこの流路Ｆ２を、「返油経路」と呼ぶ。

負荷装置３は、膨張装置ＬＥＶ１と、蒸発器６０と、配管８４，８５，８６とを含む。膨張装置ＬＥＶ１としては、たとえば、温度膨張弁または電子膨張弁を使用することができる。好ましくは、膨張装置ＬＥＶ１は、冷熱源ユニット２と独立して制御される温度膨張弁である。

圧縮機１０は、配管８８から吸入される冷媒を圧縮して配管８０へ吐出する。圧縮機１０は、吸入ポートＧ１および吐出ポートＧ２を有する。圧縮機１０は、蒸発器６０を通過した冷媒を吸入ポートＧ１から吸入し、吐出ポートＧ２から凝縮器３０に向けて圧縮した冷媒を吐出するように構成される。

流量調整装置ＬＥＶ２としては、たとえば、膨張弁を使用することができる。好ましくは、流量調整装置ＬＥＶ２は、制御装置１００から与えられる信号に応じて開度が変更される電子膨張弁である。

圧縮機１０は、制御装置１００からの制御信号に従って運転回転速度Ｎｃを調整するように構成される。圧縮機１０の運転回転速度Ｎｃを調整することによって冷媒の循環量が調整され、冷凍サイクル装置１の冷凍能力を調整することができる。圧縮機１０には種々のタイプのものを採用可能であり、たとえば、スクロールタイプ、ロータリータイプ、スクリュータイプ等のものを採用し得る。

凝縮器３０は、圧縮機１０から吐出され油分離器２０を通過した冷媒を凝縮して配管８２へ流す。凝縮器３０は、圧縮機１０から吐出された高温高圧のガス冷媒が外気と熱交換を行なうように構成される。この熱交換により、放熱した冷媒は凝縮して液相に変化する。図示しないファンは、凝縮器３０において冷媒が熱交換を行なう外気を凝縮器３０に供給する。ファンの回転数を調整することにより、圧縮機１０の吐出側の冷媒圧力Ｐｄを調整することができる。

冷熱源ユニット２は、さらに、圧力センサ１１０，１１１と、温度センサ１２１，１２２，１２３とを備える。

圧力センサ１１０は、圧縮機１０の吸入冷媒の圧力Ｐｓを検出し、その検出値を制御装置１００へ出力する。圧力センサ１１１は、圧縮機１０の吐出冷媒の圧力Ｐｄを検出し、その検出値を制御装置１００へ出力する。

温度センサ１２１は、圧縮機１０から吐出された冷媒の温度Ｔ１を検出し、その検出値を制御装置１００へ出力する。温度センサ１２２は、冷熱源ユニット２の周囲の外気の温度Ｔａを検出し、その検出値を制御装置１００へ出力する。温度センサ１２３は、返油経路Ｆ２の流量調整装置ＬＥＶ２の下流の配管９２の温度Ｔ１を検出し、その検出値を制御装置１００へ出力する。

制御装置１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１０２と、メモリ１０４（ＲＯＭ（Read Only Memory）およびＲＡＭ（Random Access Memory））と、各種信号を入出力するための入出力バッファ（図示せず）等を含んで構成される。ＣＰＵ１０２は、ＲＯＭに格納されているプログラムをＲＡＭ等に展開して実行する。ＲＯＭに格納されるプログラムは、制御装置１００の処理手順が記されたプログラムである。制御装置１００は、これらのプログラムに従って、冷熱源ユニット２における各機器の制御を実行する。この制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア（電子回路）で処理することも可能である。

ＣＯ_２冷媒などを使用する差圧の大きい冷凍機では、油分離器からの返油経路に冷媒が多くバイパスしてしまうことを防ぐため、流量制御が必要となる。しかし流量調整装置ＬＥＶ２を配置すると、異物などが詰まった時に圧縮機１０に油枯渇が生じて圧縮機１０が故障するおそれがある。

そこで、本実施の形態では、油分離器２０から流量調整装置ＬＥＶ２を経て圧縮機１０の吸入部に冷凍機油を戻す返油経路において、流量調整装置ＬＥＶ２の下流側に温度センサ１２３を設ける。

制御装置１００は、圧縮機１０の運転中は流量調整装置ＬＥＶ２を開き、吐出圧力Ｐｄ、吸入圧力Ｐｓおよび圧縮機１０の運転回転速度Ｎｃに基づいて流量調整装置ＬＥＶ２の開度を制御し、過不足ない必要量の冷凍機油を圧縮機１０に戻す。

このときに、制御装置１００は、温度センサ１２２，１２３の出力に基づいて返油経路Ｆ２の詰りを監視する。流量調整装置ＬＥＶ２の指令開度が一定値以上であっても温度センサ１２３の検出温度Ｔ１が温度センサ１２２の検出する周囲温度Ｔａと同等であれば返油経路に冷凍機油の流れが生じておらず詰りが生じたと判断する。制御装置１００は、詰りを詰り検知したら圧縮機１０の運転周波数（Ｎｃ）を低下させ、警報を発してユーザに知らせる。

以下、フローチャートを示して、制御装置１００が実行する流量調整装置ＬＥＶ２に関する制御について説明する。

図２は、運転時の流量調整装置の基本制御を説明するためのフローチャートである。図２を参照して、制御装置１００は、ステップＳ１において圧縮機１０の吸入圧力Ｐｓ、吐出圧力Ｐｄおよび運転回転速度Ｎｃに基づいて流量調整装置ＬＥＶ２の開度を算出する。吸入圧力Ｐｓは、圧力センサ１１０によって検出され、吐出圧力Ｐｄは、圧力センサ１１１によって検出される。運転回転速度Ｎｃは、冷凍サイクル装置の制御のために制御装置１００が決定し、圧縮機１０に指令値を出力している。

そして、ステップＳ２において制御装置１００は、流量調整装置ＬＥＶ２の開度をステップＳ１で算出した開度に設定する。

図３は、ステップＳ１における開度の算出について説明するための図である。冷凍サイクル装置の設計者は、様々な運転条件において、圧縮機１０から持ち出される冷凍機油の量、油分離器２０が油を冷媒から分離する効率、差圧ΔＰ（＝Ｐｄ－Ｐｓ）に基づいて流量調整装置ＬＥＶ２の必要開度を予め計算しておく。計算結果は、図３に示すようなマップとすることができる。

制御装置１００は、図３に示すマップに検出した圧力Ｐｓ，Ｐｄ、指令値である運転回転速度Ｎｃを入力することにより、流量調整装置ＬＥＶ２の開度を算出することができる。

図４は、実施の形態１における返油経路Ｆ２の詰りを監視する処理を説明するためのフローチャートである。このフローチャートの処理は、図２の基本制御の処理と並行して適宜の頻度で実行される。

ステップＳ１１において、制御装置１００は、流量調整装置ＬＥＶ２の指令開度が全閉か否かを判断する。全閉状態に制御されている場合には（Ｓ１１でＹＥＳ）、返油経路に詰りが生じていても検出することができないので、制御装置１００は、このフローチャートの処理から抜け、ステップＳ１２以降の処理は実行しない。全閉状態に制御されていない場合には（Ｓ１１でＮＯ）、返油経路に詰りが生じた場合に検出可能であるので、制御装置１００は、ステップＳ１２以降の処理を実行する。

ステップＳ１２では、制御装置１００は、温度Ｔａ，Ｔ１をそれぞれ温度センサ１２２，１２３から取得する。返油経路Ｆ２が正常であり、適正な量の冷凍機油が流れていれば、温度Ｔ１は圧縮機１０から吐出される高温高圧の冷媒から受けた熱によって周囲温度Ｔａよりも高い温度を示す。一方、返油経路Ｆ２に詰りが生じていて冷凍機油の流れが阻害されている場合には、温度Ｔ１は、周囲温度Ｔａと同じくらいの温度になってしまう。

このような現象を利用して、ステップＳ１２において制御装置１００は、温度差｜Ｔ１－Ｔａ｜が判定値（たとえば２ケルビン）よりも小さい場合（Ｓ１２でＹＥＳ）には、詰りが生じた疑いがありと判断し、ステップＳ１３に処理を進める。温度差が判定値以上である場合（Ｓ１２でＮＯ）には、詰りがないと判断し、制御装置１００は、このフローチャートの処理から抜け、ステップＳ１３以降の処理は実行しない。

ステップＳ１３では、制御装置１００は、ステップＳ１２でＹＥＳと判定される状態が１０分以上継続しているか否かを判断する。１０分継続するまでにステップＳ１２でＹＥＳと判定される状態が解消した場合（Ｓ１３でＮＯ）、制御装置１００は、このフローチャートの処理から抜け、ステップＳ１４の処理は実行しない。一方、ステップＳ１２でＹＥＳと判定される状態が１０分以上継続している場合（Ｓ１３でＹＥＳ）、制御装置１００は、ステップＳ１４の処理を実行する。

ステップＳ１４では、制御装置１００は、圧縮機１０の運転周波数を低下させ、警報を発して詰りを検知したことをユーザに知らせる。このような制御を実行することによって、返油経路Ｆ２の詰りが発生した場合に、ユーザは、詰りを放置することなく圧縮機１０の保護、詰りの修理等を行なうことができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、返油経路に詰りが生じた場合、ユーザに報知し、修理を促した。しかし、流量調整装置ＬＥＶ２に微細な摩耗粉などが詰まった場合には、流量調整装置ＬＥＶ２をうまく制御することにより詰りが解消することもある。実施の形態２では、ユーザに報知する前に、詰りの解消を試みる。

図５は、実施の形態２における返油経路Ｆ２の詰りを監視する処理を説明するためのフローチャートである。このフローチャートの処理は、図２の基本制御の処理と並行して適宜の頻度で実行される。

ステップＳ２１において、制御装置１００は、流量調整装置ＬＥＶ２の指令開度が全閉か否かを判断する。全閉状態に制御されている場合には（Ｓ２１でＹＥＳ）、制御装置１００は、このフローチャートの処理から抜け、ステップＳ１２以降の処理は実行しない。全閉状態に制御されていない場合には（Ｓ２１でＮＯ）、制御装置１００は、ステップＳ１２以降の処理を実行する。

ステップＳ２２では、制御装置１００は、温度Ｔａ，Ｔ１をそれぞれ温度センサ１２２，１２３から取得する。ステップＳ２２において制御装置１００は、温度差｜Ｔ１－Ｔａ｜が判定値（たとえば２ケルビン）よりも小さい場合（Ｓ２２でＹＥＳ）には、詰りが生じた疑いがありと判断し、ステップＳ２３に処理を進める。温度差が判定値以上である場合（Ｓ２２でＮＯ）には、詰りがないと判断し、制御装置１００は、このフローチャートの処理から抜け、ステップＳ２３以降の処理は実行しない。

ステップＳ２３では、制御装置１００は、流量調整装置ＬＥＶ２の開度を増加させる。増加させる割合は、適宜の割合に設定される。

続いて、ステップＳ２４において、制御装置１００は、流量調整装置ＬＥＶ２の開度が全開となっているか否かを判断する。全開でない場合（Ｓ２４でＮＯ）、制御装置１００は、まだステップＳ２５以降の処理を実行せずに、一旦このフローチャートの処理を抜ける。ただし、詰りが解消しない状態でこの処理が繰返されることによって、流量調整装置ＬＥＶ２の開度は、いずれ全開状態になる。ただし、開度が通常よりも大きく設定されることによって、全開状態になる前に途中で詰りが解消すれば、通常の図２の処理で決定される開度に流量調整装置ＬＥＶ２の開度が設定される。

一方、全開である場合（Ｓ２４でＹＥＳ）、制御装置１００は、ステップＳ２５の処理を実行する。ステップＳ２５では、制御装置１００は、ステップＳ２４でＹＥＳと判定される状態が１０分以上継続しているか否かを判断する。１０分継続するまでにステップＳ２４でＹＥＳと判定される状態が解消した場合（Ｓ２５でＮＯ）、制御装置１００は、このフローチャートの処理から抜け、ステップＳ２６の処理は実行しない。一方、ステップＳ２４でＹＥＳと判定される状態が１０分以上継続している場合（Ｓ２５でＹＥＳ）、制御装置１００は、ステップＳ２６の処理を実行する。

ステップＳ２６では、制御装置１００は、圧縮機１０の運転周波数を低下させ、警報を発して詰りを検知したことをユーザに知らせる。

実施の形態２では、実施の形態１と同様な効果が得られることに加え、さらに、冷凍サイクル装置で一旦生じた返油経路Ｆ２の詰りが解消される場合もあり、修理を行なわなくても正常に復帰できる可能性が高まる。

（まとめ）
以上説明した実施の形態について、再び図面を参照して説明する。

本開示は、負荷装置３に接続されるように構成された冷凍サイクル装置の冷熱源ユニット２に関する。冷熱源ユニット２は、負荷装置３に接続されることによって、冷媒が循環する循環流路を形成する冷媒流路Ｆ１と、冷媒流路Ｆ１に配置される圧縮機１０と、冷媒流路Ｆ１において圧縮機１０の吐出口側に配置される油分離器２０と、油分離器２０から圧縮機１０に冷凍機油を戻す返油経路Ｆ２と、返油経路Ｆ２に配置され、返油経路Ｆ２に流れる流体の流量を調整可能に構成される流量調整装置ＬＥＶ２と、返油経路Ｆ２において流量調整装置ＬＥＶ２の下流に配置される温度センサ１２３と、温度センサ１２３の出力に応じて流量調整装置ＬＥＶ２の開度を制御する制御装置１００とを備える。

このような構成とすることによって、返油経路Ｆ２の詰りが発生した場合に、ユーザは、放置することなく圧縮機１０の保護、詰りの修理等を行なうことができる。

好ましくは、流量調整装置ＬＥＶ２は、電子膨張弁を用いることができる。
好ましくは、流量調整装置ＬＥＶ２は、開度を変更することが可能に構成される。制御装置１００は、温度センサ１２３で検出した温度Ｔ１と周囲温度Ｔａとの差が判定値（たとえば２ケルビン）よりも小さい場合に、流量調整装置ＬＥＶ２の開度を可変範囲内で増加させた後、差が判定値よりも小さいか否かを判断する。

たとえば、流量調整装置ＬＥＶ２として電子膨張弁を使用すれば、徐々に開度を変化させることができる。このように、徐々に開度を増加させることにより、弁に挟まっていた異物が流れ、詰りが解消する場合もあるため、ユーザの修理の手間を減らすことができる。

より好ましくは、制御装置１００は、流量調整装置ＬＥＶ２の開度が上限値に到達した場合に、返油経路Ｆ２に詰りが生じた旨の警告を発する。

これにより、ユーザは、圧縮機１０が損傷したり、冷蔵物などが傷んだりする前に速やかに適切な措置を講ずることができる。

限定されないが、冷媒が、二酸化炭素のような圧力差が大きい特性を有する冷媒の場合に、本実施の形態の冷熱源ユニットは、より効果が発揮できる。

本開示は、他の局面では、上記いずれかの冷熱源ユニット２と、負荷装置３とを備える冷凍サイクル装置１に関する。

以上説明したように、本実施の形態の冷凍サイクル装置では、返油経路に流量調整装置を設けるので、適正開度とすることにより返油経路からの冷媒バイパス量を削減することができバイパスする冷媒の損失が縮小し、省エネ効果を得ることができる。さらに、返油経路が詰まっても圧縮機が故障しにくい信頼性の高い冷凍機を実現することができる。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 冷凍サイクル装置、２ 冷熱源ユニット、３ 負荷装置、１０ 圧縮機、２０ 油分離器、３０ 凝縮器、６０ 蒸発器、８０～８６，８８，９１，９２ 配管、８３，８７ 延長配管、１００ 制御装置、１０２ ＣＰＵ、１０４ メモリ、１１０，１１１ 圧力センサ、１２１，１２２，１２３ 温度センサ、Ｆ１ 流路、Ｆ２ 返油経路、Ｇ１ 吸入ポート、Ｇ２ 吐出ポート、ＬＥＶ１ 膨張装置、ＬＥＶ２ 流量調整装置。

Claims (5)

1. 負荷装置に接続されるように構成された冷凍サイクル装置の冷熱源ユニットであって、
   前記負荷装置に接続されることによって、冷媒が循環する循環流路を形成する冷媒流路と、
   前記冷媒流路に配置される圧縮機と、
   前記冷媒流路において前記圧縮機の吐出口側に配置される油分離器と、
   前記油分離器から前記圧縮機に冷凍機油を戻す返油経路と、
   前記返油経路に配置され、前記返油経路に流れる流体の流量を調整可能に構成される流量調整装置と、
   前記返油経路において前記流量調整装置の下流に配置される温度センサと、
   前記温度センサの出力に応じて前記流量調整装置の開度を制御する制御装置とを備え、
   前記流量調整装置は、開度を変更することが可能に構成され、
   前記制御装置は、前記温度センサで検出した温度と周囲温度との差が判定値よりも小さい場合に、前記流量調整装置の開度を可変範囲内で増加させた後、前記差が前記判定値よりも小さいか否かを判断する、冷熱源ユニット。
2. 前記流量調整装置は、電子膨張弁を備える、請求項１に記載の冷熱源ユニット。
3. 前記制御装置は、前記流量調整装置の開度が上限値に到達した場合に、前記返油経路に詰りが生じた旨の警告を発する、請求項１に記載の冷熱源ユニット。
4. 前記冷媒は、二酸化炭素である、請求項１に記載の冷熱源ユニット。
5. 請求項１～４のいずれか１項に記載の冷熱源ユニットと、前記負荷装置とを備える冷凍サイクル装置。

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