JP5773711B2 - 冷凍機 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮機、凝縮器、絞り弁、及び蒸発器を配管接続して構成された冷媒回路を備えた冷凍機に関し、特に、その冷凍回路を循環する冷凍機油の回収制御に関する。

近年、環境汚染、特に、オゾン層破壊又は地球温暖化の問題から、塩素系フロンが使用規制の対象となり、代替冷媒として塩素を含まないＲ４０４Ａ、Ｒ４０７Ｃ及びＲ４１０Ａ等のＨＦＣ系冷媒が幅広く使用されてきている。また、これらの冷媒に対応する冷凍機油としては、相溶解性の面からエステル油又はエーテル油が採用されている。一方、デメリットとしては、圧縮機への油戻りが促進されないということがある。これに対応するために、冷媒が下方から上方に流れる場合の配管内壁に付着した冷凍機油を上昇させるために、ゼロペネトレーション流速以上になる配管内径とするというものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開平７−１７４４３９号公報（第３頁、図１）

しかしながら、近年、環境保護の観点から省エネが推奨されてきており、周波数（回転数）を可変できるインバータモーターを搭載した圧縮機が採用されている。また、能力可変範囲も省エネ効果を大きく得ることができるため、周波数範囲を拡大していく傾向があり、最小周波数と最大周波数との比率が大きくなってきている。そのため、最小周波数に対する冷媒循環量と最大周波数に対する冷媒循環量との差が大きくなり、特許文献１に示される方法ではゼロペネトレーション流速以上になる配管内径を決定するのは困難であるという問題点があった。

つまり最小周波数における冷媒流速で配管内径を決定した場合、最大周波数における冷媒流速に対しては配管内径が小さくなり過ぎてしまい、圧力損失が増大し、圧縮機の性能が低下し、システムの冷却性能の低下が懸念されるという問題点もあった。

また、最大周波数における冷媒流速で配管内径を決定した場合、最小周波数における冷媒流速に対しては、配管内径が大きくなり、ゼロペネトレーション流速以下になり、配管内径に付着した冷凍機油を上昇させることができなくなる。したがって、圧縮機に冷凍機油が戻らず潤滑油不足による圧縮機のトラブルを起こしてしまうという問題点もあった。

図８は、冷凍機の配管径に対応する蒸発温度と、ゼロペネトレーション流速となる運転周波数（以下、「ゼロペネトレーション周波数」という）との関係を示した図である。図８に示されるように、冷却器の蒸発温度が高くなるにつれて、ゼロペネトレーション流速が下がり、すなわち、そのゼロペネトレーション流速に必要となるゼロペネトレーション周波数も下がることになる。また、配管径が小さいほど、ゼロペネトレーション流速も下がる。冷凍機のユニットクーラー（負荷側）を交換する場合、ユニットクーラーとの配管の接続が必要となる。しかし、既設の接続配管を流用しようとした場合、配管径によってゼロペネトレーション流速（周波数）が異なるので、冷凍機のユニットクーラーを交換する際には、変更するユニットクーラーに合わせて接続配管も交換しなければならず、既設配管を流用できないという問題があった。

一般的に、旧冷媒として、例えば、Ｒ４０４Ａを使用している場合の配管径は、新冷媒として、例えば、Ｒ４１０Ａを使用している場合の配管径に比べると、蒸発潜熱の違いによる冷媒流速の違い等によって配管径が太い場合が多い。例えば、低圧側の接続配管は、旧冷媒でΦ３１．７５、新冷媒でΦ２２．２と配管径の違いがある。したがって、既設配管のΦ３１．７５を流用した場合、そのままでは冷媒流速が低下し、ゼロペネトレーション流速以下となり、低圧側配管で冷凍機油の滞留が発生する周波数領域が多くなるという問題点があった。

また、圧縮機から冷媒と共に吐出された冷凍機油が圧縮機へ戻ってくるか否かは、冷媒循環流速（＝流量）に依存する。
図９は、従来の冷凍機において、蒸発温度に関わらず圧縮機の運転周波数が所定の冷媒流速以下となる運転状況が所定時間（例えば、６０分）以上続いた場合にゼロペネトレーション流速以上となるものとされる所定の運転周波数によって、圧縮機に冷凍機油を戻る運転である油回収運転を示すフローチャートである。また、図１０は、蒸発温度と運転周波数との関係において、油回収運転を必要とする運転領域（油回収領域）を示す図である。

以下、図９及び図１０を参照しながら、従来の冷凍機における油回収運転動作の概略を説明する。

（Ｓ２１）
冷凍機は、圧縮機が運転中であるか否か判断する。その判断の結果、圧縮機が運転中である場合はステップＳ２２へ進み、停止中である場合はステップＳ２５へ進む。

（Ｓ２２）
冷凍機は、蒸発温度に関わらず、圧縮機の運転周波数が所定周波数以下となる状態（図１０で示される油回収領域に属する状態）が積算して６０分以上となった場合、ステップＳ２３へ進む。一方、６０分未満である場合、引き続き、所定周波数以下となる状態を監視する。

（Ｓ２３）
冷凍機は、圧縮機の運転周波数を増加させ、ゼロペネトレーション流速以上となるとされる所定の運転周波数による油回収運転を実施する。

（Ｓ２４）
冷凍機は、油回収運転終了後、圧縮機の運転周波数が所定周波数以下となる状態の積算時間をリセットする。

（Ｓ２５）
冷凍機は、所定時間（例えば、５分）後、通常運転を再開する。

冷凍機においては、冷媒循環流速が一定以上ないと、圧縮機から冷凍サイクルに送りだされた冷凍機油は配管内に滞留し、圧縮機に戻りにくいという状態になる。このとき、上記の従来の冷凍機の油回収運転においては、蒸発温度に関わらず、圧縮機の運転周波数が所定周波数以下となる状態の時間を積算して油回収運転を実施しているので、冷凍機油の回収が不要な領域においても油回収運転を実施している場合がある。したがって、油回収運転の頻度が高くなり、油回収運転時においては冷凍機による通常の冷却運転が停止するので、負荷側のユニットクーラーの庫内温度が上昇してしまうという問題点もあった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、第１の目的は、蒸発温度に対応する圧縮機のゼロペネトレーション周波数未満での運転状況が続いた場合、油回収運転を実施する冷凍機を得ることである。
第２の目的は、運転周波数がゼロペネトレーション周波数未満の間、記憶装置に最低の蒸発温度を記憶させ、油回収運転を実施させる際、その最低の蒸発温度に対応するゼロペネトレーション周波数よりも高い運転周波数によって圧縮機を運転させる冷凍機を得ることである。

本発明に係る冷凍機は、圧縮機、放熱器、絞り装置及び冷却器が冷媒配管によって接続された冷媒回路と、前記冷却器の蒸発温度を検知する蒸発温度検知手段と、前記圧縮機の運転周波数を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記蒸発温度検知手段によって検知された前記蒸発温度に対応するゼロペネトレーション流速となる前記圧縮機の運転周波数であるゼロペネトレーション周波数を求め、前記圧縮機の運転周波数が前記ゼロペネトレーション周波数未満である状態の積算時間を計測し、該積算時間が所定時間以上となった場合、前記冷媒回路に滞留した冷凍機油を前記圧縮機へ戻す油回収運転を実施し、前記圧縮機の運転周波数が、前記蒸発温度検知手段によって検知された前記蒸発温度に対応する前記ゼロペネトレーション周波数未満であると判定した場合、前記積算時間の計測を開始し、前記ゼロペネトレーション周波数以上であると判定した場合、前記積算時間の計測を停止し、前記積算時間の計測を停止した後に、前記圧縮機の運転周波数が、前記蒸発温度検知手段によって検知された前記蒸発温度に対応する前記ゼロペネトレーション周波数以上である状態が所定時間継続した場合、前記積算時間をリセットするものである。

本発明によれば、蒸発温度に対応するゼロペネトレーション周波数未満での運転状態が続いた場合に、油回収運転を実施するので、油回収運転を実施する頻度を少なくすることができるので、冷凍機の冷却性能の低下を抑制し、通常の冷却運転の停止による負荷側の庫内温度の上昇を抑制することができる。

本発明の実施の形態１に係る冷凍機の全体構成図である。 本発明の実施の形態１に係る冷凍機における蒸発温度と運転周波数との関係において、油回収運転を必要とする領域（油回収領域）及び必要としない領域（油回収不要領域）を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る冷凍機の油回収運転を開始及び終了する動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１に係る冷凍機における蒸発温度とゼロペネトレーション周波数との関係を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る冷凍機のタイマーカウント動作の例を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る冷凍機の油回収運転を開始及び終了する動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態３に係る冷凍機の油回収運転を開始及び終了する動作を示すフローチャートである。 冷凍機の配管径に対応する蒸発温度と、ゼロペネトレーション流速となる運転周波数との関係を示した図である。 従来の冷凍機において、蒸発温度に関わらず圧縮機の運転周波数が所定の冷媒流速以下となる運転状況が所定時間以上続いた場合にゼロペネトレーション流速以上となるものとされる所定の運転周波数によって、圧縮機に冷凍機油を戻る運転である油回収運転を示すフローチャートである。 蒸発温度と運転周波数との関係において、油回収運転を必要とする運転領域（油回収領域）を示す図である。

実施の形態１．
（冷凍機の構成）
図１は、本発明の実施の形態１に係る冷凍機の全体構成図である。
図１で示されるように、本実施の形態に係る冷凍機は、熱源側ユニット２１及びユニットクーラー２２によって構成されている。

熱源側ユニット２１は、圧縮機１、オイルセパレーター２、放熱器３及びコントローラー８を備えて、屋外等に設置されている。また、ユニットクーラー２２は、絞り装置４及び冷却器５を備えている。

上記の各機器は、圧縮機１、オイルセパレーター２、放熱器３、絞り装置４、冷却器５、そして、再び圧縮機１に配管によって環状に接続され冷凍サイクルである冷媒回路が構成されている。このうち、熱源側ユニット２１に属する放熱器３と、ユニットクーラー２２に属する絞り装置４とを接続する配管のうち、熱源側ユニット２１とユニットクーラー２２とを接続部分は高圧側接続配管３１によって構成されている。また、熱源側ユニット２１に属する圧縮機１と、ユニットクーラー２２に属する冷却器５とを接続する配管のうち、熱源側ユニット２１とユニットクーラー２２とを接続する部分は低圧側接続配管３２によって構成されている。さらに、オイルセパレーター２と、低圧側接続配管３２と圧縮機１とを接続する配管とは、バイパス配管３３によって接続されている。

圧縮機１は、冷凍サイクルにおいて、冷媒を冷媒回路に吐出するものであり、インバーターによって運転周波数が制御されるインバーター圧縮機である。また、圧縮機１が冷媒を吐出すると共に、冷凍機油が冷媒回路に送り出される。

オイルセパレーター２は、フロート弁（図示せず）を備えている。圧縮機１から吐出された流入した冷凍機油が溜まることによって、フロートが浮力によって上昇し、所定高さまで上昇するとフロート弁が開き、溜まった冷凍機油が、バイパス配管３３を流通して、圧縮機１の吸入側配管に圧力差によって移動する。そして、冷凍機油が、圧縮機１の吸入側に返油されるとフロートが下がってフロート弁が閉じる。

放熱器３は、放熱器用ファン３ａを備えた熱交換器であり、圧縮機１から吐出された冷媒と、放熱器用ファン３ａによって送られてくる外気との熱交換を実施するものであり、冷媒から外気に対して放熱させるものである。

絞り装置４は、放熱器３から流出した冷媒を膨張及び減圧させるものである。

冷却器５は、冷却器用ファン５ａを備えた熱交換器であり、絞り装置４によって減圧された冷媒と、冷却器用ファン５ａによって送られてくる冷凍室内の空気との熱交換を実施するものであり、冷媒によって冷凍室内の空気を冷却するものである。

コントローラー８は、下記のセンサーからの情報に基づいて、インバーター（図示せず）によって圧縮機１の運転周波数を可変制御させ、冷媒回路の冷媒循環流量を制御するものであり、冷凍機全体を制御するものでもある。
また、熱源側ユニット２１は、低圧圧力センサー９、吸入管温度センサー１０、シェル下油温度センサー１１、高圧圧力センサー１２及び吐出管温度センサー１３を備えている。低圧圧力センサー９は、圧縮機１の吸入側配管に設置されており、その吸入側の冷媒圧力を検知するセンサーである。吸入管温度センサー１０は、圧縮機１の吸入側配管に設置されており、その吸入側の冷媒温度を検知するセンサーである。シェル下油温度センサー１１は、圧縮機１に設置されており、圧縮機１内の冷凍機油の温度を検知するセンサーである。高圧圧力センサー１２は、圧縮機１の吐出側配管に設置されており、その吐出側の冷媒圧力を検知するセンサーである。そして、吐出管温度センサー１３は、圧縮機１の吐出側配管に設置されており、その吐出側の冷媒温度を検知するセンサーである。

なお、コントローラー８は、本発明の「制御装置」に相当する。また、低圧圧力センサー９、吸入管温度センサー１０、シェル下油温度センサー１１、高圧圧力センサー１２及び吐出管温度センサー１３は、それぞれ本発明の「低圧圧力検知手段」、「吸入管温度検知手段」、「冷凍機油温度検知手段」、「高圧圧力検知手段」及び「吐出管温度検知手段」に相当する。

（冷凍機の基本動作）
次に、図１を参照しながら、本実施の形態に係る冷凍機の基本動作（冷媒の流れ）について説明する。
低温低圧の冷媒が圧縮機１によって圧縮され、高温高圧の冷媒となって吐出される。圧縮機１から吐出された高温高圧の冷媒は、オイルセパレーター２を経由して、放熱器３へ流入する。放熱器３へ流入した冷媒は、放熱器用ファン３ａによって送られてくる室外空気に対して放熱し、一部又は全部が凝縮して、気液二相状態又は液状態となり、熱源側ユニット２１から流出する。

熱源側ユニット２１から流出した冷媒は、高圧側接続配管３１を経由してユニットクーラー２２へ流入する。ユニットクーラー２２へ流入した冷媒は、絞り装置４へ流入し、膨張及び減圧されて、低温低圧の気液二相冷媒となる。絞り装置４から流出した低温低圧の気液二相冷媒は、冷却器５へ流入する。冷却器５へ流入した気液二相冷媒は、冷却器用ファン５ａによって送られてくる冷凍室内の空気を冷却（吸熱）し、蒸発して低温低圧のガス冷媒となる。冷却器５から流出したガス冷媒は、ユニットクーラー２２から流出する。

ユニットクーラー２２から流出したガス冷媒は、低圧側接続配管３２を経由して熱源側ユニット２１へ流入する。熱源側ユニット２１へ流入したガス冷媒は、圧縮機１へ吸入され、再び圧縮される。

また、圧縮機１から冷媒と共に吐出された冷凍機油は、オイルセパレーター２内に溜まる。オイルセパレーター２内に冷凍機油が溜まることによって、フロートが浮力によって上昇し、所定高さまで上昇するとフロート弁が開き、溜まった冷凍機油がバイパス配管３３を流通して、圧縮機１の吸入側配管に圧力差によって移動し、圧縮機１に戻る。そして、冷凍機油が、圧縮機１の返油されるとフロートが下がってフロート弁が閉じる。また、オイルセパレーター２に流入した冷凍機油の全てが、バイパス配管３３を流通して圧縮機１に戻るわけではなく、一部は冷媒と共にオイルセパレーター２を通過して、放熱器３方向へ向かう。オイルセパレーター２によって採取しきれなかった冷凍機油は、放熱器３、高圧側接続配管３１、絞り装置４、冷却器５及び低圧側接続配管３２を冷媒と共に循環し、圧縮機１へ戻る。

（油回収運転）
本実施の形態の圧縮機１のようにインバーター圧縮機であって、冷却器５の蒸発温度が高い場合、低周波数の圧縮機１の運転が続く場合がある。このとき、圧縮機１の運転周波数がゼロペネトレーション周波数未満の場合、冷媒循環流量が小さいため、冷凍機油が冷却器５、及び、低圧側接続配管３２を含む吸入側配管内に滞留する。そして、一定時間、圧縮機１がゼロペネトレーション周波数未満の運転が継続した場合、運転周波数を増速させて冷媒循環流量を上げて、冷却器５、及び、低圧側接続配管３２を含む吸入側配管内に滞留した冷凍機油を圧縮機１に戻す運転、すなわち、油回収運転を実施する必要がある。この油回収運転を実施することによって、圧縮機１の運転周波数が上がるため、冷媒循環流量が多くなり、冷却器５、及び、低圧側接続配管３２を含む吸入側配管内に滞留した冷凍機油が圧縮機１に戻る。

図２は、本発明の実施の形態１に係る冷凍機における蒸発温度と運転周波数との関係において、油回収運転を必要とする領域（油回収領域）及び必要としない領域（油回収不要領域）を示す図である。
図１の冷媒回路を流れる冷媒循環流量（重量流量）は、下記の式（１）によって算出される。

Ｇ＝ＳＶ×Ｎ×ηｖ／Ｖｓ （１）
（Ｇ：冷媒循環流量［ｋｇ／ｓ］
ＳＶ：圧縮機１のストロークボリューム［ｍ３］
Ｎ：圧縮機１の周波数（回転数）［ｒｐｓ］
ηｖ：体積効率
Ｖｓ：吸入ガス冷媒の比容積［ｍ３／ｋｇ］（∝蒸発温度））

上記の式（１）において、圧縮機１のストロークボリュームＳＶ及び体積効率ηｖを一定とした場合、圧縮機１の周波数が高くなると冷媒循環流量Ｇが多くなる。また、吸入ガス冷媒の比容積Ｖｓは蒸発温度に比例するので、この比容積Ｖｓを蒸発温度に置き換えると、蒸発温度が低い状態から高い状態になるにつれて、吸入ガス冷媒の比容積Ｖｓは大きくなり（吸入ガス冷媒の密度は小さくなり）、冷媒循環流量Ｇは多くなる。したがって、図２に示される「ゼロペネトレーション流速線」のように、蒸発温度が高くなるにつれて、ゼロペネトレーション周波数は低くなり、ゼロペネトレーション流速以上となる運転周波数が低くなる。また、蒸発温度は、ユニットクーラー２２の負荷状態及び運転状態によって可変するので、本実施の形態に係る冷凍機は、ゼロペネトレーション周波数未満となった場合、以下の態様で油回収運転を実施する。

図３は、本発明の実施の形態１に係る冷凍機の油回収運転を開始及び終了する動作を示すフローチャートであり、図４は、同冷凍機における蒸発温度とゼロペネトレーション周波数との関係を示す図である。以下、図３及び図４を参照しながら、油回収運転の開始及び終了動作について説明する。冷凍機のコントローラー８は、記憶装置（図示せず）を備えており、予め、図４で示されるユニットクーラー２２における冷却器５の蒸発温度とゼロペネトレーション周波数との関係を記憶しているものとする。

（Ｓ１）
コントローラー８は、圧縮機１が運転中であるか否か判断する。その判断の結果、圧縮機１が運転中である場合はステップＳ２へ進み、停止中である場合は引き続き圧縮機１の運転状態を監視する。

（Ｓ２）
コントローラー８は、タイマーカウント積算値が所定時間（例えば、６０分）以上であるか否かを検知する。タイマーカウント積算値が所定時間以上であることを検知した場合、ステップＳ３へ進み、所定時間未満であることを検知した場合、ステップＳ４へ進む。

（Ｓ３）
コントローラー８は、後述するようにタイマーカウント時に記憶装置に記憶させた最低の蒸発温度に対応するゼロペネトレーション周波数よりも所定値だけ高い運転周波数（図４における「油回収運転ライン」）によって圧縮機１を運転させ、油回収運転を実施する。例えば、コントローラー８、図４で示されるように、記憶装置に記憶された最低の蒸発温度が−２０［℃］である場合、運転周波数を４２［Ｈｚ］として、油回収運転を実施する。油回収運転における圧縮機１の運転周波数をゼロペネトレーション周波数よりも高くしているのは、確実に冷凍機油を圧縮機１へ戻すためである。コントローラー８は、所定時間、油回収運転を実施後、通常運転（冷凍室の冷却運転）を実施する。その後、ステップＳ１へ戻る。

（Ｓ４）
コントローラー８は、低圧圧力センサー９によって検出された吸入側の冷媒圧力から冷却器５の蒸発温度を算出し、圧縮機１の運転周波数が、算出した蒸発温度に対応するゼロペネトレーション周波数未満であるか否かを判定する。その判定結果、運転周波数がゼロペネトレーション周波数未満である場合、ステップＳ５へ進み、ゼロペネトレーション周波数以上である場合、ステップＳ６へ進む。
なお、低圧圧力センサー９、及び、低圧圧力センサー９によって検出された冷媒圧力から蒸発温度を算出するコントローラー８の機能は、本発明の「蒸発温度検知手段」に相当する。

（Ｓ５）
コントローラー８は、タイマーカウントを開始し、運転周波数がゼロペネトレーション周波数未満である状態の時間の積算値を算出する。このとき、コントローラー８は、運転周波数がゼロペネトレーション周波数未満の間、記憶装置に、算出した蒸発温度のうち最低の蒸発温度を記憶させる。そして、ステップＳ１へ戻る。
なお、コントローラー８は、低圧圧力センサー９によって検出された吸入側の冷媒圧力から冷却器５の蒸発温度を算出するものとしたが、冷却器５に直接、蒸発温度検出する温度センサーを設置し、その検知温度を蒸発温度として用いるものとしてもよい。

（Ｓ６）
コントローラー８は、タイマーカウントを停止し、かつ、記憶装置による蒸発温度の記憶動作も停止させる。そして、ステップＳ７へ進む。

（Ｓ７）
コントローラー８は、圧縮機１の運転周波数が、算出した蒸発温度に対応するゼロペネトレーション周波数以上である状態の期間の積算値が、所定時間（例えば、５分）以上継続したか否かを判定する。その判定の結果、所定時間以上継続した場合、ステップＳ８へ進み、所定時間未満の場合、ステップＳ１へ戻る。

（Ｓ８）
コントローラー８は、タイマーカウントの積算値をリセットする。この場合、冷凍機油が冷却器５、及び、低圧側接続配管３２を含む吸入側配管から圧縮機１側へ回収されている可能性が高いからである。そして、ステップＳ１へ戻る。

図５は、本発明の実施の形態１に係る冷凍機のタイマーカウント動作の例を示す図である。図５において、実線は実際の圧縮機１の運転周波数を示し、破線はゼロペネトレーション周波数を示す。

前述の図３におけるステップＳ４及びＳ５で示したように、コントローラー８は、圧縮機１の運転周波数がゼロペネトレーション周波数未満である場合（図５における実線が破線を下回っている場合）、タイマーカウントを実施する。まず、通常運転中、蒸発温度が−２０［℃］、そして、運転周波数が２７［Ｈｚ］である場合、この蒸発温度に対応するゼロペネトレーション周波数である３７［Ｈｚ］よりも低いので、コントローラー８は、タイマーカウントを実施する。次に、蒸発温度が上昇し、蒸発温度が１０［℃］、そして、運転周波数が２７［Ｈｚ］である場合、この蒸発温度に対応するゼロペネトレーション周波数である２０［Ｈｚ］よりも高いので、コントローラー８は、タイマーカウントを停止する。このように、コントローラー８は、タイマーカウントの開始及び停止を実施し、図４で示されるステップＳ２及びＳ３にように、タイマーの積算値が所定時間以上となった場合、記憶装置に記憶してある最低の蒸発温度に対応するゼロペネトレーション周波数よりも所定値だけ高い運転周波数による油回収運転に移行する。なお、図５においては、タイマーカウント条件を満たす期間において、最低の蒸発温度は−２０［℃］であるので、コントローラー８の記憶装置には蒸発温度として−２０［℃］が記憶されていることになる。

（実施の形態１の効果）
前述のように、配管径又はユニットクーラー（負荷側）によって蒸発温度が異なり、ゼロペネトレーション流速が異なる。このとき、本実施の形態に係る冷凍機の構成及び動作のように、蒸発温度に対応するゼロペネトレーション周波数未満での運転状態が続いた場合に、油回収運転を実施するので、油回収運転を実施する頻度を少なくすることができるので、冷凍機の冷却性能の低下を抑制し、通常の冷却運転の停止による負荷側の庫内温度の上昇を抑制することができる。

また、蒸発温度に対応するゼロペネトレーション周波数未満での運転状態が続いた場合に、その状態の期間における最低の蒸発温度に対応するゼロペネトレーション周波数よりも高い運転周波数によって圧縮機１を運転させるので、冷却機又は接続配管内に滞留した冷凍機油を確実に圧縮機１に戻すことができ、圧縮機１の性能低下を抑制できる。

さらに、配管径又はユニットクーラー２２（負荷側）によって蒸発温度が異なるので、その運転中の蒸発温度と運転周波数との関係を記憶させ、その関係に基づいて、油回収運転における運転周波数を決定する。よって、ユニットクーラー２２を交換する場合においても、既設配管を流用することができ、この場合でも、確実に圧縮機１へ冷凍機油を戻すことができ、圧縮機の性能の低下を抑制することができる。

なお、図１で示されるように、冷凍機油を圧縮機１の吸入側配管に戻すオイルセパレーター２を備えているが、本実施の形態に係る冷凍機油は、上記のように適宜、油回収運転を実施するので、オイルセパレーター２を必ずしも備える必要はない。

実施の形態２．
本実施の形態に係る冷凍機について、実施の形態１に係る冷凍機と相違する動作を中心に説明する。なお、本実施の形態に係る冷凍機の構成は、実施の形態１に係る冷凍機の構成と同様である。

（油回収運転）
冷凍機油が冷却器５、及び、低圧側接続配管３２を含む吸入側配管内に滞留するのは冷凍機油の粘性度が高くなるためであり、冷凍機油の粘性度を把握する必要もある。これを確認する方法として、冷媒の過熱度を算出することによって確認する方法がある。ここで、過熱度とは、ある圧力のもとでそのガス冷媒の飽和温度より高い冷媒ガスになっている場合の度合い（差）のことである。過熱度は、冷却器５出口の冷媒温度と、冷却器５における飽和温度である蒸発温度との差である吸入過熱度、そして、圧縮機１から吐出された吐出冷媒の温度と、放熱器３における飽和温度である凝縮温度との差である吐出過熱度があり、単位には［Ｋ］（ケルビン）を用いる。例えば、吸入過熱度が５［Ｋ］であるということは、冷却器５における蒸発温度が７［℃］である場合、この冷却器５において蒸発したガス冷媒がさらに外部から顕熱を受けて５［℃］過熱されたガス冷媒となって１２［℃］の過熱蒸気となることである。この場合、冷却器５から流出したガス冷媒は、過熱蒸気のまま圧縮機１に吸入される。この吸入過熱度が大きくなるにつれて、冷凍機油の粘性度が高くなり、冷凍機油が冷却器５、及び、低圧側接続配管３２を含む吸入側配管内に滞留しやすくなる。一方、吸入過熱度が小さくなるにつれて、冷却器５において蒸発しきれなかった冷媒及び冷凍機油を含んだ気液二相状態となって、冷却器５から流出する。この場合、冷凍機油と冷媒液との間に働くせん断力によって、冷凍機油が押し流されると共に配管壁から剥ぎ取られて、液冷媒の界面を浮遊しながら圧縮機１まで運ばれることになる。また、この気液二相状態の冷媒のとき、配管中央部を高速で流れるガス冷媒によって液冷媒が加速されて、圧縮機１に戻ってくる（液バック）。

この液バックの状態においては、前述のように、冷凍機油が圧縮機１に戻りやすくなるが、圧縮機１内の冷凍機油が液冷媒によって希釈化されて、潤滑機能が弱まり、圧縮機１故障の原因となるので、液バックが検知された場合は、例えば、一定時間圧縮機１の運転を停止させる等の措置が必要になる場合がある。

この液バックを検知する方法としては、図１で示されるように熱源側ユニット２１に設置された低圧圧力センサー９、吸入管温度センサー１０、シェル下油温度センサー１１、高圧圧力センサー１２及び吐出管温度センサー１３によって検知された情報に基づいて、コントローラー８が判断する。コントローラー８は、例えば、下記の条件（ａ）又は（ｂ）を満たす場合に、液バックを生じているものと判断する。

（ａ）低圧圧力飽和温度（低圧圧力センサー９により検出された圧力によって温度換算）が−１０［℃］以上の場合、かつ、下記条件（ａ１）〜（ａ３）を満たす場合
（ａ１）シェル下油温度センサー１１により検出された冷凍機油温度＜現在の低圧圧力飽和温度＋１０［℃］
（ａ２）吐出過熱度（＝吐出管温度−現在の高圧圧力飽和温度）≦２０［Ｋ］
（吐出管温度＝吐出管温度センサー１３により検出された冷媒温度、
高圧圧力飽和温度
＝高圧圧力センサー１２により検出された圧力によって温度換算したもの）
（ａ３）吸入過熱度（＝吸入管温度−現在の低圧圧力飽和温度）≦５［Ｋ］
（吸入管温度＝吸入管温度センサー１０により検出された冷媒温度）

（ｂ）低圧圧力飽和温度が−１０［℃］未満の場合、かつ、下記条件（ｂ１）〜（ｂ３）を満たす場合
（ｂ１）シェル下油温度センサー１１により検出された冷凍機油温度≦０［℃］
（ｂ２）吐出過熱度（＝吐出管温度−現在の高圧圧力飽和温度）≦２０［Ｋ］
（ｂ３）吸入過熱度（＝吸入管温度−現在の低圧圧力飽和温度）≦５［Ｋ］

なお、上記の条件（ａ）及び（ｂ）は、液バックを検出するための条件としての例示であり、例えば、条件（ａ）及び（ｂ）中の具体的数値については、これらに限定されるものでもないことを付言しておく。

図６は、本発明の実施の形態２に係る冷凍機の油回収運転を開始及び終了する動作を示すフローチャートである。以下、図６を参照しながら、図３で示される実施の形態１に係る冷凍機における油回収運転の開始及び終了動作と相違する点を中心に説明する。

（Ｓ２）
コントローラー８は、タイマーカウント積算値が所定時間（例えば、６０分）以上であるか否かを検知する。タイマーカウント積算値が所定時間以上であることを検知した場合、ステップＳ３へ進み、所定時間未満であることを検知した場合、ステップＳ９へ進む。

（Ｓ９）
コントローラー８は、上記の液バックを検知するための条件（ａ）又は（ｂ）を満たすか否かを判断する。その判断の結果、条件（ａ）又は（ｂ）を満たす場合、ステップＳ１へ戻る。一方、条件（ａ）及び（ｂ）を満たさない場合、ステップＳ４へ進む。すなわち、実施の形態１の冷凍機におけるタイマーカウントの開始条件として、条件（ａ）又は（ｂ）を加えた動作となる。よって、液バックによる圧縮機１への返油動作が実施されない場合に、コントローラー８はタイマーカウントを実施する。これは、液バックが発生している場合に、油回収運転を実施してしまうと、圧縮機１内の冷凍機油が液冷媒によって希釈化されて、潤滑機能が弱まっており、圧縮機１故障の原因となるためである。

なお、ステップＳ１、Ｓ３〜Ｓ８は、実施の形態１における動作と同様である。

（実施の形態２の効果）
以上の動作によって、実施の形態１の効果を有することに加え、油回収運転をするためのタイマーカウントを実施する条件として、液バックが発生しているか否かの判断を追加することによって、液バックが生じている場合は、タイマーカウントを実施せず、すなわち、油回収運転を実施しないので、さらに、油回収運転を実施する頻度を少なくすることができる。これによって、冷凍機の冷却性能の低下を抑制し、通常の冷却運転の停止による負荷側の庫内温度の上昇を抑制することができる。

また、液バックが発生している場合に、油回収運転を実施してしまうと、圧縮機１内の冷凍機油が液冷媒によって希釈化されて、潤滑機能が弱まっており、圧縮機１故障の原因となるが、液バックが検知された場合、タイマーカウントは実施されず、油回収運転は実施しないので、圧縮機１の故障を抑制することができる。

実施の形態３．
本実施の形態に係る冷凍機について、実施の形態２に係る冷凍機と相違する動作を中心に説明する。なお、本実施の形態に係る冷凍機の構成は、実施の形態１に係る冷凍機の構成と同様である。

（油回収運転）
図７は、本発明の実施の形態３に係る冷凍機の油回収運転を開始及び終了する動作を示すフローチャートである。以下、図７を参照しながら、図６で示される実施の形態２に係る冷凍機における油回収運転の開始及び終了動作と相違する点を中心に説明する。

（Ｓ３）
コントローラー８は、タイマーカウント時に記憶装置に記憶させた最低の蒸発温度に対応するゼロペネトレーション周波数よりも所定値だけ高い運転周波数（図４における「油回収運転ライン」）によって圧縮機１を運転させ、油回収運転を開始する。そして、ステップＳ１０へ進む。

（Ｓ１０）
コントローラー８は、上記の液バックを検知するための条件（ａ）又は（ｂ）を満たしている状態が所定時間（例えば、１分間）連続していることを検知した場合、ステップＳ１１へ進む。一方、条件（ａ）及び（ｂ）を満たしていない場合、ステップＳ１２へ進む。

（Ｓ１１）
コントローラー８は、油回収運転を終了させる。これは、条件（ａ）及び（ｂ）を満たしており、液バックが発生している場合に、油回収運転を実施してしまうと、圧縮機１内の冷凍機油が液冷媒によって希釈化されて、潤滑機能が弱まっており、圧縮機１故障の原因となるためである。そして、ステップＳ１へ戻る。

（Ｓ１２）
コントローラー８は、油回収運転を所定時間（例えば、５分間）実施した後、終了する。

なお、油回収運転の終了条件としては、上記のステップＳ１１及びＳ１２で示したものに限定されるものではなく、例えば、冷凍機の運転スイッチがＯＦＦとなった場合、又は、運転中に圧縮機１の異常を検知した場合等に油回収運転を終了するものとしてもよい。

（実施の形態３の効果）
以上の動作によって、実施の形態１及び実施の形態２の効果を有することに加え、油回収運転を実施中に、液バックの発生の有無を検知し、液バックが発生している状態が所定時間継続した場合には、油回収運転を終了させることによって、圧縮機１の故障を抑制することができる。

１ 圧縮機、２ オイルセパレーター、３ 放熱器、３ａ 放熱器用ファン、４ 絞り装置、５ 冷却器、５ａ 冷却器用ファン、８ コントローラー、９ 低圧圧力センサー、１０ 吸入管温度センサー、１１ シェル下油温度センサー、１２ 高圧圧力センサー、１３ 吐出管温度センサー、２１ 熱源側ユニット、２２ ユニットクーラー、３１ 高圧側接続配管、３２ 低圧側接続配管、３３ バイパス配管。

Claims (8)

1. 圧縮機、放熱器、絞り装置及び冷却器が冷媒配管によって接続された冷媒回路と、
   前記冷却器の蒸発温度を検知する蒸発温度検知手段と、
   前記圧縮機の運転周波数を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、
   前記蒸発温度検知手段によって検知された前記蒸発温度に対応するゼロペネトレーション流速となる前記圧縮機の運転周波数であるゼロペネトレーション周波数を求め、
   前記圧縮機の運転周波数が前記ゼロペネトレーション周波数未満である状態の積算時間を計測し、該積算時間が所定時間以上となった場合、前記冷媒回路に滞留した冷凍機油を前記圧縮機へ戻す油回収運転を実施し、
   前記圧縮機の運転周波数が、前記蒸発温度検知手段によって検知された前記蒸発温度に対応する前記ゼロペネトレーション周波数未満であると判定した場合、前記積算時間の計測を開始し、前記ゼロペネトレーション周波数以上であると判定した場合、前記積算時間の計測を停止し、
   前記積算時間の計測を停止した後に、前記圧縮機の運転周波数が、前記蒸発温度検知手段によって検知された前記蒸発温度に対応する前記ゼロペネトレーション周波数以上である状態が所定時間継続した場合、前記積算時間をリセットするものである
   ことを特徴とする冷凍機。
2. 前記蒸発温度と、前記ゼロペネトレーション周波数との関係を記憶する記憶装置を備え、
   前記制御装置は、前記記憶装置に記憶された蒸発温度と前記ゼロペネトレーション周波数との関係に基づいて、前記蒸発温度検知手段によって検知された前記蒸発温度に対応する前記ゼロペネトレーション周波数を求める
   ことを特徴とする請求項１記載の冷凍機。
3. 前記制御装置は、
   前記積算時間の計測中に、前記蒸発温度検知手段によって検知された前記蒸発温度の最低温度を前記記憶装置に記憶させ、
   前記油回収運転の実施時において、前記最低温度に対応する前記ゼロペネトレーション周波数よりも所定値高い運転周波数によって前記圧縮機を駆動させる
   ことを特徴とする請求項２記載の冷凍機。
4. 前記圧縮機に液相状態の冷媒が吸入される液バックの発生の有無を判定するための物理量を検出する液バック判定用検知手段を備え、
   前記制御装置は、前記液バック判定用検知手段によって検知された前記物理量に基づいて、前記液バックが発生していると判定した場合、前記油回収運転を実施しない
   ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の冷凍機。
5. 前記制御装置は、前記油回収運転を開始した後に、
   前記液バック判定用検知手段によって検知された前記物理量に基づいて、前記液バックが所定時間連続して発生していると判定した場合、前記油回収運転を終了し、
   前記液バック判定用検知手段によって検知された前記物理量に基づいて、前記液バックが発生していないと判定した場合、所定時間後に前記油回収運転を終了する
   ことを特徴とする請求項４記載の冷凍機。
6. 前記液バック判定用検知手段は、前記圧縮機の吸入側の冷媒圧力を検知する低圧圧力検知手段と、前記圧縮機の吸入側の冷媒温度を検知する吸入管温度検知手段と、前記圧縮機の吐出側の冷媒圧力を検知する高圧圧力検知手段と、前記圧縮機の吐出側の冷媒温度を検知する吐出管温度検知手段と、前記圧縮機内の冷凍機油の温度を検知する冷凍機油温度検知手段とによって構成され、
   前記制御装置は、前記低圧圧力検知手段、前記吸入管温度検知手段、前記高圧圧力検知手段、前記吐出管温度検知手段及び前記冷凍機油温度検知手段によって検知された検知情報に基づいて、前記液バックの発生の有無を判定する
   ことを特徴とする請求項４又は請求項５記載の冷凍機。
7. 前記圧縮機と前記放熱器との間の冷媒配管に設置され、前記圧縮機から吐出された冷凍機油を貯留し、その貯留した冷凍機油が所定量に達した場合に、その貯留した冷凍機油を前記圧縮機の吐出側に延設された配管を介して、前記圧縮機の吸入側に戻すオイルセパレーターを備えた
   ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の冷凍機。
8. 前記圧縮機、前記放熱器及び前記制御装置を備えた熱源側ユニットと、
   前記絞り装置及び前記冷却器を備えたユニットクーラーと、
   を備え、
   前記熱源側ユニットと前記ユニットクーラーとは２本の接続配管によって接続され、
   前記ユニットクーラーは交換可能とした
   ことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の冷凍機。

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