JP5538061B2

JP5538061B2 - 冷凍装置

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Publication number: JP5538061B2
Application number: JP2010109232A
Authority: JP
Inventors: 聡一白石
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-05-11
Filing date: 2010-05-11
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2030-05-11
Also published as: JP2011237127A

Description

この発明は、冷凍サイクルの一構成要素として二段スクリュー圧縮機を搭載した冷凍装置に関するものである。

従来から、冷凍サイクルの一構成要素としてスクリュー圧縮機を搭載した冷凍装置が存在している。そのようなものとして、「１段或は複数段のスクリュ式圧縮機の他に、少なくとも凝縮器，第一膨張弁，蒸発器を含む冷媒の循環閉流路を備えるとともに、上記スクリュ圧縮機を駆動するモータを上記冷媒で冷却する冷却用流路を備えたスクリュ式冷凍機において、上記冷却用流路を、上記第一膨張弁の入口側にて上記循環閉流路から分岐させ、第二膨張弁を経て上記モータに至らせ、上記モータ内を通過させ、上記凝縮器に冷媒を送り出すスクリュ圧縮機の吸込口および吐出口に連通することのないガス閉込み空間に連通させて形成した」スクリュー式冷凍装置が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

二段スクリュー式冷凍装置は、特許文献１の図１に示されているスクリュー式冷凍装置のように、二段スクリュー圧縮機の他に、少なくとも凝縮器、第一膨張弁、蒸発器を含む冷媒の循環閉流路を備えるとともに、上記二段スクリュー圧縮機を駆動するモーターを高圧の冷媒を用いて冷却する流路を備えた構成が一般的となっている。また、この二段スクリュー式冷凍装置のように、二段スクリュー圧縮機のモーター冷却に使用した冷媒をモーター冷却後、高圧段の圧縮室に注入、もしくは、高圧段吸入部に注入するように構成するのが一般的となっている。

特開平０７−１８０９１７号公報（第２、３頁、第１図等）

特許文献１に記載されているような二段スクリュー式冷凍装置にあっては、モーター冷却に用いた冷媒を高圧段の圧縮室に注入、もしくは、高圧段吸入部に注入する構成としているので、高圧と低圧の差圧が小さい低差圧運転条件で二段スクリュー圧縮機が運転される場合には、過圧縮状態となってしまう。すなわち、高段吸入部圧力が高段吐出部の高圧より高くなる。このような運転条件では、モーター冷却用の冷媒が流れなくなり、モーターが過熱して、運転が継続できなくなる。

そのため、このような運転条件で運転するには低圧段側の圧縮機をアンローダーにしてモーター冷却用冷媒の注入位置圧力を低くする運転制御を行なうことが行なわれている。しかしながら、このような運転制御を行なうと、低差圧運転条件での冷凍機能力が小さくなってしまうという問題があった。

この発明は、以上のような問題を解決するためになされたもので、モーターの冷却が十分に行なえていないと判断される運転条件でもモーター冷却を十分に実行でき、そのような運転条件においても冷凍機能力を小さくすることなく運転が継続できる二段スクリュー圧縮機を搭載した冷凍装置を提供することを目的としている。

本発明に係る冷凍装置は、低圧段側のスクリュー圧縮機構部及び高圧段側のスクリュー圧縮機構部を有する二段スクリュー圧縮機、前記二段スクリュー圧縮機を駆動するモーターの収納ケーシング、前記二段スクリュー圧縮機から吐出された冷媒が流入する凝縮器、前記凝縮器から流出した冷媒を減圧する第一膨張弁、及び、前記第一膨張弁で減圧された冷媒が流入する蒸発器を配管接続した循環閉回路と、前記凝縮器と前記第一膨張弁との間と前記モーターの収納ケーシングとを第二膨張弁を介して接続した第１流路と、前記モーターの収納ケーシングと前記高圧段側のスクリュー圧縮機構部の圧縮室とを接続した第２流路と、前記モーターの収納ケーシングと前記低圧段側のスクリュー圧縮機構部の吸入部とを接続した第３流路と、を備え、前記第２流路及び前記第３流路のそれぞれに電磁弁を設け、前記循環閉回路の高圧と低圧との差圧に基づいて、各電磁弁の開閉を制御することにより、前記モーターを冷却した冷媒の流れを前記高圧段側のスクリュー圧縮機構部の圧縮室、又は、前記低圧段側のスクリュー圧縮機構部の吸入部に切り替えることを特徴とする。

本発明に係る冷凍装置によれば、モーターの冷却が十分に行なえていないと判断される運転条件では低圧段側スクリュー圧縮機構部に注入するような冷媒回路を構成し、冷媒の流れを制御するので、そのような条件であってもモーター冷却用の冷媒が十分にモーターに注入され、モーターの冷却が十分に行なえる。したがって、本発明に係る冷凍装置によれば、冷凍能力を小さくすることなく運転が継続できる。

この発明の実施の形態１に係る冷凍装置の冷媒回路構成を示す概略回路構成図である。この発明の実施の形態２に係る冷凍装置の冷媒回路構成を示す概略回路構成図である。この発明の実施の形態３に係る冷凍装置の冷媒回路構成を示す概略回路構成図である。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
実施の形態１.
図１は、この発明の実施の形態１に係る冷凍装置１００の冷媒回路構成を示す概略回路構成図である。図１に基づいて、冷凍装置１００の構成及び動作について説明する。実施の形態１に係る冷凍装置１００は、冷凍サイクルの一構成要素として二段スクリュー圧縮機５０を搭載したスクリュー冷凍装置である。この冷凍装置１００は、たとえば冷蔵倉庫や冷凍倉庫、フリーザー等として利用されるものである。なお、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。

冷凍装置１００は、要素機器として、低圧段側のスクリュー圧縮機構部１、高圧段側のスクリュー圧縮機構部２、凝縮器３、第一膨張弁４、蒸発器５、第二膨張弁７、モーター８、電磁弁１１、及び、電磁弁１３を備えている。また、冷凍装置１００には、循環閉回路（冷媒回路）６と、冷却用流路（第１流路）９と、冷却用流路（第２流路）１０と、冷却用流路（第３流路）１２が形成されている。なお、低圧段側のスクリュー圧縮機構部１、及び、高圧段側のスクリュー圧縮機構部２で、二段スクリュー圧縮機を構成している。また、実施の形態１では二段スクリュー圧縮機５０及びモーター８が半密閉型のケーシングに一体的に設けられているものである。

循環閉回路６は、低圧段側のスクリュー圧縮機構部１、高圧段側のスクリュー圧縮機構部２、凝縮器３、第一膨張弁４、および、蒸発器５を配管接続することで冷媒を循環可能なように構成されている。冷却用流路９は、第一膨張弁４の入口側（凝縮器３と第一膨張弁４との間）で循環閉回路６から分岐させ、第二膨張弁７を経て、モーター８（詳しくはモーター８の収納ケーシング）に至らせるように構成されている。冷却用流路１０は、モーター８を通過させた冷媒を高圧段側のスクリュー圧縮機構部２の圧縮室に連通させるように構成されている。冷却用流路１２は、冷却用流路１０から分岐させ、モーター８を通過させた冷媒を低圧段側のスクリュー圧縮機構部１の吸入部に連通させるように構成されている。

低圧段側のスクリュー圧縮機構部１は、低圧の冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮して高圧段側のスクリュー圧縮機構部２に搬送するものである。高圧段側のスクリュー圧縮機構部２は、低圧段側のスクリュー圧縮機構部１から吐出された冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮して凝縮器３に搬送するものである。凝縮器３は、図示省略の熱媒体（たとえば、空気や水、ブライン等）と循環閉回路６を流れる冷媒との間で熱交換を行なうものである。第一膨張弁４は、循環閉回路６を流れる冷媒を減圧して膨張させるものであり、開度が可変に制御可能なもの、たとえば電子式膨張弁等で構成するとよい。

蒸発器５は、図示省略の熱媒体（たとえば、空気や水、ブライン等）と循環閉回路６を流れる冷媒との間で熱交換を行なうものである。第二膨張弁７は、冷却用流路９に設けられ、冷却用流路９を流れる冷媒を減圧して膨張させるものであり、開度が可変に制御可能なもの、たとえば電子式膨張弁等で構成するとよい。モーター８は、低圧段側のスクリュー圧縮機構部１及び高圧段側のスクリュー圧縮機構部２を駆動するものである。モーター８は、上述したように二段スクリュー圧縮機５０と一体的に半密閉型のケーシング（収納ケーシング）に設けられている。

電磁弁１１は、冷却用流路１０に設けられ、開閉が制御されることで冷却用流路１０の開閉を行なうものである。電磁弁１３は、冷却用流路１２に設けられ、開閉が制御されることで冷却用流路１２の開閉を行なうものである。電磁弁１１及び電磁弁１３の開閉は、冷凍装置１００の動作を統括制御する図示省略の制御装置が行なうようになっている。

なお、図示省略の制御装置は、マイコン等で構成されており、リモコン等からの指示に基づいて、各種アクチュエーター（たとえば、モーター８、凝縮器３や蒸発器５の近傍に送風機が設けられている場合にはその送風機、電磁弁１１、電磁弁１３等）を制御し、冷媒の流れを調節するようになっている。

また、冷凍装置１００には、感温筒１４及び感温筒１５が設けられている。感温筒１４は、蒸発器５の出口側（蒸発器５と低圧段側のスクリュー圧縮機構部１との間）の循環閉回路６に設けられ、その箇所の温度、圧力を検出して検出部での過熱度が一定になるように第一膨張弁４の開度を調節するものである。感温筒１５は、モーター８と二段スクリュー圧縮機５０との間の冷却用流路１０に設けられ、その箇所の温度、圧力を検出して検出部での過熱度が一定になるように第二膨張弁７の開度を調節するものである。

冷凍装置１００の動作について説明する。
モーター８に電力が供給されると、二段スクリュー圧縮機５０が運転を開始する。二段スクリュー圧縮機５０が運転を開始すると、循環閉回路６を流れる冷媒が低圧段側のスクリュー圧縮機構部１に吸入される。この冷媒は、低圧段側のスクリュー圧縮機構部１で圧縮されてから吐出される。低圧段側のスクリュー圧縮機構部１から吐出された冷媒は、高圧段側のスクリュー圧縮機構部２に吸入される。この冷媒は、高圧段側のスクリュー圧縮機構部２で圧縮されてから吐出される。

高圧段側のスクリュー圧縮機構部２から吐出された冷媒は、凝縮器３に流入する。凝縮器３に流入した冷媒は、熱媒体に放熱しながら凝縮される。凝縮器３から流出した冷媒の一部は、第一膨張弁４で減圧される。第一膨張弁４から流出した冷媒は、蒸発器５に流入し、熱媒体から吸熱しながら蒸発される。蒸発器５から流出した冷媒は、二段スクリュー圧縮機５０に再度吸入される。一方、凝縮器３から流出した冷媒の残りの一部は、冷却用流路９に流入して第二膨張弁７で減圧される。第二膨張弁７から流出した冷媒は、モーター８の収納ケーシングに流入し、モーター８を冷却した後、モーター８の収納ケーシングから流出する。

モーター８の収納ケーシングから流出した冷媒は、冷却用流路１０に流入し、モーター８の冷却に応じて冷却用流路１２を流れる冷媒と、冷却用流路１０をそのまま流れる冷媒と、に分流される。冷凍装置１００では、通常運転時においては、電磁弁１１が開、電磁弁１３が閉に制御されている。しかしながら、モーター８の冷却が十分に行なえない低差圧条件（高圧と低圧の差圧が小さい条件）での運転時においては、冷凍装置１００では、電磁弁１１が閉、電磁弁１３が開に制御される。すなわち、冷凍装置１００は、通常運転時では電磁弁１１を開、電磁弁１３を閉に制御するが、高圧と低圧の差圧がモーター８の冷却が十分に行なえないと想定する所定の値より小さくなった場合には電磁弁１１を閉、電磁弁１３を開に制御することで冷媒の流れを切り替えるようにしている。

以上のように、冷凍装置１００は、モーター８を冷却した冷媒を従来位置に注入する流路（第２流路）に加え、低圧段側のスクリュー圧縮機構部１の吸入部に注入する流路（第３流路）を追設し、モーター８の冷却が十分に行なえない低差圧条件においてモーター８の冷却に用いた冷媒の注入先を従来位置から低圧段側のスクリュー圧縮機構部１の吸入部に切り替えて運転できるようにしている。

したがって、冷凍装置１００では、モーター８の冷却用に用いた冷媒を低差圧条件では低圧段側のスクリュー圧縮機構部１に注入するような冷媒回路を構成し、冷媒の流れを制御するので、低差圧条件であってもモーター８冷却用の冷媒が十分にモーター８に注入され、モーター８の冷却が十分に行なえる。これにより、冷凍装置１００においては、低差圧条件であっても低圧段側のスクリュー圧縮機構部１をアンローダーせずに、冷凍能力を小さくすることなく、二段スクリュー圧縮機５０の運転が継続できる。

実施の形態２．
図２は、この発明の実施の形態２に係る冷凍装置１００ａの冷媒回路構成を示す概略回路構成図である。図２に基づいて、冷凍装置１００ａの構成及び動作について説明する。実施の形態２に係る冷凍装置１００ａは、冷凍サイクルの一構成要素として二段スクリュー圧縮機５０を搭載したスクリュー冷凍装置である。この冷凍装置１００ａは、たとえば冷蔵倉庫や冷凍倉庫、フリーザー等として利用されるものである。なお、実施の形態２では実施の形態１との相違点を中心に説明し、実施の形態１と同一部分には、同一符号を付して説明を省略するものとする。

冷凍装置１００ａには、モーター８の冷却状態を検出するための温度センサー１６が設けられている。温度センサー１６は、モーター８の温度を検出できる位置に取り付けられている。この温度センサー１６で検出された温度は、冷凍装置１００の動作を統括制御する図示省略の制御装置に送られるようになっている。制御装置は、温度センサー１６から送られた温度情報に基づいて電磁弁１１及び電磁弁１３の開閉を制御するようになっている。

冷凍装置１００ａでは、通常運転時においては、電磁弁１１が開、電磁弁１３が閉に制御されている。しかしながら、モーター８の冷却が十分に行なえない条件（温度センサー１６での検出温度が予め設定されている所定値よりも大きい条件）での運転時においては、冷凍装置１００では、電磁弁１１が閉、電磁弁１３が開に制御される。すなわち、冷凍装置１００は、通常運転時では電磁弁１１を開、電磁弁１３を閉に制御するが、温度センサー１６での検出温度がモーター８の冷却が十分に行なえないと想定する所定値よりも大きくなった場合には電磁弁１１を閉、電磁弁１３を開に制御することで冷媒の流れを切り替えるようにしている。

以上のように、冷凍装置１００ａは、モーター８を冷却した冷媒を従来位置に注入する流路（第２流路）に加え、低圧段側のスクリュー圧縮機構部１の吸入部に注入する流路（第３流路）を追設し、モーター８の冷却が十分に行なえない低差圧条件においてモーター８の冷却に用いた冷媒の注入先を従来位置から低圧段側のスクリュー圧縮機構部１の吸入部に切り替えて運転できるようにしている。

したがって、冷凍装置１００ａでは、モーター８の冷却が十分に行なえていないと判断される運転条件では低圧段側のスクリュー圧縮機構部１に注入するような冷媒回路を構成し、冷媒の流れを制御するので、そのような条件であってもモーター８冷却用の冷媒が十分にモーター８に注入され、モーター８の冷却が十分に行なえる。これにより、冷凍装置１００ａにおいては、モーター８の冷却が十分に行なえていない条件、つまりモーター８の温度が所定値よりも大きくなった条件であっても低圧段側のスクリュー圧縮機構部１をアンローダーせずに、冷凍能力を小さくすることなく、二段スクリュー圧縮機５０の運転が継続できる。

実施の形態３．
図３は、この発明の実施の形態３に係る冷凍装置１００ｂの冷媒回路構成を示す概略回路構成図である。図３に基づいて、冷凍装置１００ｂの構成及び動作について説明する。実施の形態３に係る冷凍装置１００ｂは、冷凍サイクルの一構成要素として二段スクリュー圧縮機５０を搭載したスクリュー冷凍装置である。この冷凍装置１００ｂは、たとえば冷蔵倉庫や冷凍倉庫、フリーザー等として利用されるものである。なお、実施の形態３では実施の形態１及び実施の形態２との相違点を中心に説明し、実施の形態１及び実施の形態２と同一部分には、同一符号を付して説明を省略するものとする。

実施の形態１及び実施の形態２では、２つの電磁弁（電磁弁１１及び電磁弁１３）を用いてモーター８の冷却に用いた冷媒の注入先を切り替えるようにした例を説明したが、実施の形態３で、１つの三方電磁弁１７を用いてモーター８の冷却に用いた冷媒の注入先を切り替えるようにした例を説明する。つまり、冷凍装置１００ｂには、電磁弁１１及び電磁弁１３を設けずに、三方電磁弁１７を設けているのである。三方電磁弁１７は、冷却用流路１０と冷却用流路１２との接続部分に設けられている。

三方電磁弁１７は、三方のうちの一つが冷却用流路１０を介してモーター８の収納ケーシングに、三方のうちの一つが冷却用流路１０を介して高圧段側のスクリュー圧縮機構部２の圧縮室に、三方のうちの一つが冷却用流路１２を介して低圧段側のスクリュー圧縮機構部１の吸入部に、それぞれ接続されている。したがって、三方電磁弁１７は、冷媒流路が切り替え制御されることで、モーター８の冷却に用いた冷媒を冷却用流路１０を介して高圧段側のスクリュー圧縮機構部２に注入させたり、モーター８の冷却に用いた冷媒を冷却用流路１２を介して低圧段側のスクリュー圧縮機構部１に注入させたりするようになっている。

冷凍装置１００ｂでは、通常運転時においては、三方電磁弁１７がモーター８の冷却に用いた冷媒が高圧段側のスクリュー圧縮機構部２に注入されるよう操作される。しかしながら、モーター８の冷却が十分に行なえない条件（低差圧条件や温度センサー１６での検出温度が予め設定されている所定値よりも大きい条件）での運転時においては、冷凍装置１００では、三方電磁弁１７がモーター８の冷却に用いた冷媒が低圧段側のスクリュー圧縮機構部１の吸入側に注入されるように操作される。

以上のように、冷凍装置１００ｂは、モーター８を冷却した冷媒を従来位置に注入する流路（第２流路）に加え、低圧段側のスクリュー圧縮機構部１の吸入部に注入する流路（第３流路）を追設し、モーター８の冷却が十分に行なえない低差圧条件においてモーター８の冷却に用いた冷媒の注入先を従来位置から低圧段側のスクリュー圧縮機構部１の吸入部に切り替えて運転できるようにしている。

したがって、冷凍装置１００ｂでは、モーター８の冷却が十分に行なえていないと判断される運転条件では低圧段側のスクリュー圧縮機構部１に注入するような冷媒回路を構成し、冷媒の流れを制御するので、そのような条件であってもモーター８冷却用の冷媒が十分にモーター８に注入され、モーター８の冷却が十分に行なえる。これにより、冷凍装置１００ｂにおいては、モーター８の冷却が十分に行なえていない条件（たとえば、低差圧条件やモーター８の温度が所定値よりも大きくなった条件）であっても低圧段側のスクリュー圧縮機構部１をアンローダーせずに、冷凍能力を小さくすることなく、二段スクリュー圧縮機５０の運転が継続できる。

また、実施の形態１及び実施の形態２に係る冷凍装置に比べ、実施の形態３に係る冷凍装置１００ｂでは電磁弁の数が２個から１個に減ることにより部品点数が削減でき、その分のコストが低減できる。

なお、本発明に係る冷凍装置の実施の形態を構成の違いに分けて説明したが、各実施の形態の特徴事項を適宜組み合わせて冷凍装置を構成するようにしてもよい。各実施の形態を適宜組み合わせるようにすれば、各実施の形態の特徴事項による効果を重畳的に得ることができる。

１低圧段側のスクリュー圧縮機構部、２高圧段側のスクリュー圧縮機構部、３凝縮器、４第一膨張弁、５蒸発器、６循環閉回路、７第二膨張弁、８モーター、９冷却用流路（第１流路）、１０冷却用流路（第２流路）、１１電磁弁、１２冷却用流路（第３流路）、１３電磁弁、１４感温筒、１５感温筒、１６温度センサー、１７三方電磁弁、５０二段スクリュー圧縮機、１００冷凍装置、１００ａ冷凍装置、１００ｂ冷凍装置。

Claims

低圧段側のスクリュー圧縮機構部及び高圧段側のスクリュー圧縮機構部を有する二段スクリュー圧縮機、前記二段スクリュー圧縮機を駆動するモーターの収納ケーシング、前記二段スクリュー圧縮機から吐出された冷媒が流入する凝縮器、前記凝縮器から流出した冷媒を減圧する第一膨張弁、及び、前記第一膨張弁で減圧された冷媒が流入する蒸発器を配管接続した循環閉回路と、
前記凝縮器と前記第一膨張弁との間と前記モーターの収納ケーシングとを第二膨張弁を介して接続した第１流路と、
前記モーターの収納ケーシングと前記高圧段側のスクリュー圧縮機構部の圧縮室とを接続した第２流路と、
前記モーターの収納ケーシングと前記低圧段側のスクリュー圧縮機構部の吸入部とを接続した第３流路と、を備え、
前記第２流路及び前記第３流路のそれぞれに電磁弁を設け、
前記循環閉回路の高圧と低圧との差圧に基づいて、各電磁弁の開閉を制御することにより、前記モーターを冷却した冷媒の流れを前記高圧段側のスクリュー圧縮機構部の圧縮室、又は、前記低圧段側のスクリュー圧縮機構部の吸入部に切り替える
ことを特徴とする冷凍装置。
前記第２流路と前記第３流路とを三方電磁弁を介して接続し、
前記三方電磁弁を制御することにより、前記モーターを冷却した冷媒の流れを前記高圧段側のスクリュー圧縮機構部の圧縮室、又は、前記低圧段側のスクリュー圧縮機構部の吸入部に切り替える
ことを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。