JP5975742B2 - 冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数台の室外機を備え、各室外機間における冷凍機油の偏りを是正するようにした冷凍装置に関するものである。

従来から、複数台の室外機（室外ユニットともいう）を組み合わせて使用するマルチ室外機を備え、各室外機間における冷凍機油の偏りを是正するようにした冷凍装置が存在している。このような冷凍装置では、たとえば、少なくとも圧縮機、凝縮器、アキュムレーターを備える複数台の室外機を、減圧手段及び蒸発器を備える室内機（室内外ユニットともいう）と並列に配管接続して冷凍サイクルを形成し、アキュムレーター内に貯留された冷凍機油を圧縮機に返油する返油管と、各アキュムレーターの相互間を接続する均油管と、圧縮機の運転と均油管に設けられた電磁弁の開閉とを制御する制御装置と、を備えるようにしている（たとえば、特許文献１参照）。

特許文献１では、室外機を３台組み合わせた場合の均油運転について説明がされている。たとえば、通常運転時間を１時間、均油運転時間を３分間とした場合、１時間後の均油運転では、Ｎｏ．１の室外機１ａとＮｏ．２の室外機１ｂは周波数を９０Ｈｚ、Ｎｏ．３の室外機１ｃは周波数を４５Ｈｚとして行う。また、２時間後の均油運転では、Ｎｏ．１の室外機１ａとＮｏ．３の室外機１ｃは周波数を９０Ｈｚ、Ｎｏ．２の室外機１ｂは周波数を４５Ｈｚとして行う。さらに、３時間後の均油運転では、Ｎｏ．２の室外機１ｂとＮｏ．３の室外機１ｃは周波数を９０Ｈｚ、Ｎｏ．１の室外機１ａは周波数を４５Ｈｚとして行う。そして、４時間後は最初に戻って１時間目と同様の周波数で均油運転を行う。

すなわち、特許文献１では、制御装置が、すべての均油電磁弁を開放しつつ、ある特定の圧縮機をその他の圧縮機より低周波数で運転し、所定時間で低周波数運転を行う圧縮機を交代させ、全圧縮機を少なくとも一度は低周波数運転させる運転制御を行うことにより均油運転を実行している。こうすることにより、特許文献１では、アキュムレーターに常時最少限度の油量を確保しつつ、圧縮機の油量が適正油量に調整するようにしている。

ＷＯ２０１０／１１３３９５号公報（第８頁〜第１１頁）

特許文献１に記載されている技術は、圧縮機の運転積算時間が１時間毎に油タンクを兼ねた気液分離器内の油量を調整する均油運転（制御）に必ず入る構成である。特に、スーパーマーケットのショーケース、コンビニエンスストア、冷蔵庫、冷凍庫などで使用される冷凍装置は、商品の温度管理を２４時間３６５日行うことが通常である。加えて、商品の温度管理の点では、複数台の室外機を備えた冷凍装置において、少なくとも１台の圧縮機を低周波数運転させる均油制御は、庫内温度を上昇させることに繋がってしまう。よって、特許文献１に記載されている技術では、均油制御に入った際に冷凍能力が不足し、庫内温度が不安定になってしまう可能性があった。

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、各室外機の油量を調整する均油制御を必要時のみ実行することで、冷凍装置の品質を確保しつつ、庫内温度の上昇を極力抑制する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、少なくとも圧縮機、凝縮器、アキュムレーターを備え、並列に接続された複数台の室外機と、少なくとも減圧手段及び蒸発器を備える室内機と、を配管接続して冷凍サイクルを形成する冷凍装置であって、前記アキュムレーター内に貯留された冷凍機油を前記圧縮機に返油する返油管と、各アキュムレーターの相互間を接続する均油管と、各圧縮機の下部のシェル温度を検知する温度検知手段と、前記温度検知手段で検知された各圧縮機の下部のシェル温度差に基づいて前記圧縮機の運転と前記均油管に設けられた電磁弁の開閉とを制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記温度検知手段で検知された各圧縮機の下部のシェル温度差が季節に応じて変更可能に設定されている閾値以上となった場合に、各アキュムレーター内の冷凍機油に偏りが生じていると判断し、前記電磁弁を開とするものである。

本発明に係る冷凍装置は、各圧縮機内の油の温度差に基づいて圧縮機の運転と均油管に設けられた電磁弁の開閉とを制御するようにしている。そのため、本発明に係る冷凍装置によれば、各室外機の油量を調整する均油制御を必要時のみ実行することができ、庫内温度が不安定になるのを抑え、かつ信頼性の向上を図ることができる。

本発明の実施の形態に係る冷凍装置の冷媒回路構成の一例を概略化して示す回路構成図である。 本発明の実施の形態に係る冷凍装置において室外機を３台並列に接続した場合の冷媒回路図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。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。また、図１を含め、以下の図面において、同一の符号を付したものは、同一又はこれに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通することとする。さらに、明細書全文に表わされている構成要素の形態は、あくまでも例示であって、これらの記載に限定されるものではない。

図１は、本発明の実施の形態に係る冷凍装置１００の冷媒回路構成の一例を概略化して示す回路構成図である。図１に基づいて、本発明の実施の形態に係る冷凍装置１００の構成及び動作について説明する。冷凍装置１００は、たとえばスーパーマーケットのショーケースや、コンビニエンスストア、冷蔵庫、冷凍庫などに用いられるものである。そして、冷凍装置１００は、各室外機間における冷凍機油の偏りを是正して、信頼性の向上を図るようにしたものである。

図１に示すように、冷凍装置１００は、複数台（図１では２台）の室外機１ａ、１ｂを備えている。室外機１ａ、１ｂは、減圧手段である膨張弁２１および蒸発器２２を有する室内機２０に液配管２３およびガス配管２４を介して互いに並列に接続されている。なお、図１では、室外機が２台である場合を例に示しているが、３台以上であってもよい。また、図１では、室内機が１台である場合を例に示しているが、通常、室内機は複数台接続されている。さらに、以下の説明において、室外機を室外ユニットとも称する場合があり、室内機を室内ユニットと称する場合がある

室外機１ａ、１ｂは、それぞれ、圧縮機２ａ、２ｂ、油分離器３ａ、３ｂ、凝縮器４ａ、４ｂ、アキュムレーター５ａ、５ｂ、オイルレギュレーター６ａ、６ｂを備えている。そして、冷凍装置１００では、凝縮器４ａ、４ｂを膨張弁２１に通じる液配管２３に、アキュムレーター５ａ、５ｂを蒸発器２２に通じるガス配管２４に分配器２５ａを介して接続する。このように各要素機器を配管接続することで、冷凍サイクルを形成して、冷媒および冷媒に含まれる冷凍機油が冷凍サイクル内を循環する。

圧縮機２ａ、２ｂは、冷媒を圧縮して高温・高圧の冷媒とするものである。油分離器３ａ、３ｂは、圧縮機２ａ、２ｂの吐出側に設けられ、圧縮機２ａ、２ｂから冷媒とともに吐出された冷凍機油を冷媒から分離するものである。凝縮器４ａ、４ｂは、圧縮機２ａ、２ｂから吐出された冷媒とたとえば図示省略の送風機から供給される空気との間で熱交換を行うものである。アキュムレーター５ａ、５ｂは、圧縮機２ａ、２ｂの吸入側に設置され、冷凍サイクルを循環する冷媒のうち余剰冷媒を貯留するためのものである。オイルレギュレーター６ａ、６ｂは、圧縮機２ａ、２ｂへの液戻り量を制御し、圧縮機２ａ、２ｂ内の冷凍機油量を規定量に保つためのものである。

膨張弁２１は、冷凍サイクルを循環す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２２は、膨張弁２１で減圧された冷媒とたとえば図示省略の送風機から供給される空気との間で熱交換を行うものである。

分配器２５ａは、ガス配管２４を流れて来た冷媒及び冷凍機油をアキュムレーター５ａ、５ｂに分配するものである。

アキュムレーター５ａ、５ｂは、各アキュムレーター内に貯留される油量の偏りを是正するために、均油管１０で相互に接続されている。均油管１０には油の流通を開閉する電磁弁１２ａが設けられている。ここで、均油管１０の先端部１０ａ、１０ｂは各アキュムレーター５ａ、５ｂの底部を貫通して挿入されており、均油管１０の端部流入口はアキュムレーター５ａ、５ｂの底面より所定の高さ（同じ高さ）に設置されている。これにより、アキュムレーター５ａ、５ｂ内に常時確保できる最小限度の油量を設定することができる。アキュムレーターの内の一つに常時確保できる最小限度の油量は１〜２Ｌ程度である。

また、アキュムレーター５ａ、５ｂ内のガス冷媒（分離しきれなかった冷凍機油を含む）はガス吸入管７ａ、７ｂを経て圧縮機２ａ、２ｂに吸入される。ガス吸入管７ａ、７ｂは、アキュムレーター５ａ、５ｂ内に挿入される一端部がＵ字状に形成されており、そのＵ字管部分にそれぞれ油戻し穴８ａ、８ｂを有する。ただし、アキュムレーター５ａ、５ｂ内に挿入されるＵ字管部分は、直管状であってもよく、また直管部には油戻し穴８ａ、８ｂを備えなくてもよい。さらに、アキュムレーター５ａ、５ｂ内に貯留した油を圧縮機２ａ、２ｂに戻すための返油管１３ａ、１３ｂがその一端部をアキュムレーター５ａ、５ｂの底部に貫通接続され、他端部はオイルレギュレーター６ａ、６ｂに接続されている。

オイルレギュレーター６ａ、６ｂと圧縮機２ａ、２ｂとは油吸入管１４ａ、１４ｂと均圧管１５ａ、１５ｂで接続されている。オイルレギュレーター６ａ、６ｂの内部には浮き子と連動するフロート弁（不図示）が設けられている。油面が規定高さ以下の場合は、フロート弁が開放し、油が圧縮機２ａ、２ｂへ供給される。油面が規定高さとなった場合は、フロート弁が遮断し、圧縮機２ａ、２ｂへの油の供給が停止するようになっている。なお、油分離器３ａ、３ｂにて分離され貯留された油は、図示しないキャピラリーチューブを介して、またはキャピラリーチューブを介さず直接に、ガス吸入管７ａ、７ｂを経由して圧縮機２ａ、２ｂに返油されるようになっている。３０は圧縮機２ａ、２ｂの運転と均油管１０に設けられた電磁弁１２ａの開閉とを制御する制御装置である。

圧縮機２ａ、２ｂはスクロール等のシェル内部が低圧となる低圧シェルタイプのインバーター圧縮機であり、圧縮機シェル内に冷凍機油が保持される構造となっている。またこの冷凍装置１００において、必要となる油量は圧縮機２ａ、２ｂ内に適量となる油量および冷凍装置１００の各部に存在する油量を合算した量となるが、充填される油量はこの油量よりも余分に油量を充填しておく。余分な油はアキュムレーター５ａ、５ｂに貯留する。

圧縮機２ａ、２ｂ内の貯留された油において、油面高さ以上で圧縮機の油持ち出し量が急増し、圧縮負荷が増加する。そのため、圧縮機２ａ、２ｂ内の適切な油量は、油持ち出し量が急増せず油枯渇しない十分な油量を持つ油面高さとなる。また、圧縮機２ａ、２ｂには、それぞれの下部にシェルの温度を検知できるサーミスタ等で構成される温度検知手段５０ａ、５０ｂを備え、各温度検知手段の検知情報に基づいて圧縮機下部に溜まった油量を推定し、均油制御の必要可否を判断する。詳細の均油制御については、後述する。

次に、本実施の形態における冷凍装置１００での冷媒の流れについて説明する。冷媒の流れは、図１において、実線の矢印で示されている。
圧縮機２ａ、２ｂから吐出された高温高圧のガス冷媒は、油分離器３ａ、３ｂを経て凝縮器４ａ、４ｂで凝縮液化される。液化された冷媒は、その後、液配管２３を経て室内機２０の膨張弁２１で減圧され二相冷媒となり、蒸発器２２で蒸発ガス化される。ガス化された冷媒は、その後、ガス配管２４および分配器２５ａを経て各室外機１ａ、１ｂのアキュムレーター５ａ、５ｂに入る。アキュムレーター５ａ、５ｂに入りさらに蒸発ガス化された冷媒はガス吸入管７ａ、７ｂを経て圧縮機２ａ、２ｂに吸入される。このように、冷媒が循環する冷凍サイクルを形成し、冷媒と冷凍機油が循環する。

次に、本実施の形態における冷凍装置１００での冷凍機油の流れについて説明する。冷凍機油の流れは、図１において、破線の矢印で示されている。
圧縮機２ａ、２ｂからガス冷媒とともに吐出される冷凍機油のうち９０％程度は油分離器３ａ、３ｂで分離される。分離された冷凍機油は、キャピラリーチューブ（不図示）などを経てガス吸入管７ａ、７ｂに入り圧縮機２ａ、２ｂに返油される。油分離器３ａ、３ｂで分離されなかった油は、凝縮器４ａ、４ｂ、液配管２３、膨張弁２１、蒸発器２２、ガス配管２４、分配器２５ａを順次経由して、アキュムレーター５ａ、５ｂに流入する。

アキュムレーター５ａ、５ｂでは冷凍機油とガス冷媒は分離され、分離された油はアキュムレーター５ａ、５ｂの底部に滞留する。アキュムレーター５ａ、５ｂに滞留する冷凍機油は、返油管１３ａ、１３ｂからオイルレギュレーター６ａ、６ｂを介して圧縮機２ａ、２ｂに供給される。オイルレギュレーター６ａ、６ｂと圧縮機２ａ、２ｂとの油面高さを等しくするため、ガスを通流させる均圧管１５ａ、１５ｂが接続されている。冷凍装置内の余剰油は、低圧部のアキュムレーター５ａ、５ｂ内に貯留される。

アキュムレーター５ａ、５ｂから圧縮機２ａ、２ｂまでの冷媒の流れには、配管内の摩擦損失による圧力損失が生じる。この圧力損失分の差圧がアキュムレーター５ａ、５ｂから圧縮機２ａ、２ｂまで油が流れる駆動力となる。また、アキュムレーター５ａ、５ｂ内の油面と圧縮機２ａ、２ｂ内の油面の高低差から生じる油面ヘッド差も、油流れに影響を与える。アキュムレーター５ａ、５ｂが圧縮機２ａ、２ｂより上部に油面があれば油供給が促進され、下部にあれば油供給は阻害される。

油分離器３ａ、３ｂで分離されなかった油は、冷媒回路内を周遊し室外機１ａ、１ｂに再び流入する。しかし、一般的に室外機が複数ある場合は油が均等に分配されず、返油される量は各室外機で異なる。本実施の形態の冷凍装置１００を長時間運転し続けた場合、アキュムレーター５ａ、５ｂの余剰油の貯留量は異なり、油が枯渇するアキュムレーターが出現する。例えばアキュムレーター５ａ内の油が枯渇した場合は、圧縮機２ａの油もまた枯渇し、圧縮機破損の原因となる。

各室外機間の偏油による圧縮機破損を回避するための均油方法について説明する。均油管１０はアキュムレーター５ａとアキュムレーター５ｂ間を電磁弁１２ａを介して接続されている。さらに、均油管１０の先端部１０ａ、１０ｂの流入口位置（端部位置）は各アキュムレーター５ａ、５ｂの底面より所定の高さに設置されている。

圧縮機２ａ、２ｂの通常運転中は均油管１０の電磁弁１２ａを閉鎖し、アキュムレーター５ａ、５ｂ間を接続する均油管１０を閉として運転する。このとき、オイルレギュレーター６ａ、６ｂのフロート弁が開放されている場合は、圧縮機２ａ、２ｂに油が吸引されるため、アキュムレーター５ａ、５ｂ内の油は返油管１３ａ、１３ｂを通流しオイルレギュレーター６ａ、６ｂから圧縮機２ａ、２ｂに返油される。しかし、圧縮機２ａ、２ｂに均等に返油されるわけではないのでアキュムレーター５ａ、５ｂ内の油にも偏りが生じ、やがて油が枯渇するアキュムレーターが出現することが予想される。

そこで、アキュムレーターの油枯渇による圧縮機の破損を回避するために、圧縮機２ａ、２ｂの通常運転に続けて均油運転を行う。すなわち、圧縮機２ａ、２ｂの通常運転を一定時間実施し、油が枯渇する前にアキュムレーター５ａ、５ｂ内の油の偏りを減少させる均油運転を行う。この均油運転は制御装置３０によってできるだけ短時間で実施される。また、均油運転では必ずしも圧縮機を停止させる必要はないが、圧縮機を停止させて行ってもよい。

また、あるオイルレギュレーターのフロート弁が遮断した場合にもアキュムレーター５ａ、５ｂ内の油に偏りが生じる。例えば、室外機１ａに油が偏り、オイルレギュレーター６ａの油面が規定高さとなってフロート弁が遮断した場合は、アキュムレーター５ｂ内の油が返油管１３ｂとオイルレギュレーター６ｂを介して、圧縮機２ｂへ供給され、アキュムレーター５ｂ内の油が枯渇してくる。そこで、油枯渇となる前に均油運転を行う。

従来のマルチ室外機を備えた冷凍装置における均油運転の開始のタイミング方法について説明する。均油運転の開始方法は、通常運転時間を１時間、均油運転時間を３分間とし、１時間後の均油運転では、Ｎｏ．１の室外機は周波数を９０Ｈｚ、Ｎｏ．２の室外機は周波数を４５Ｈｚとして行い、２時間後の均油運転では、Ｎｏ．１の室外機は周波数４５Ｈｚ、Ｎｏ．２の室外機は周波数を９０Ｈｚとして行い、３時間後の均油運転では、最初に戻って１時間目と同様の周波数で行うものである。

また、均油運転は油戻しモードの制御を伴うこともある。油戻しモードというのは、室外機系外（室内機や延長配管など）に滞留する油を回収する運転モードのことであり、油枯渇に係る圧縮機を停止して冷媒を循環させることで油を回収する。

ここで、従来のマルチ室外機を備えた冷凍装置における均油運転方法について説明する。なお、従来のマルチ室外機を備えた冷凍装置の回路構成については冷凍装置１００と同様であるものとし、冷凍装置１００と同様の符号を用いて説明する。均油運転時には、均油管１０の電磁弁１２ａを開放し、アキュムレーター５ａ、５ｂ間を接続する均油管１０を開として均油運転を行う。前述のように、例えばアキュムレーター５ｂ内の油が枯渇する場合は、アキュムレーター５ａの余剰油が均油管１０を通じてアキュムレーター５ｂへ流れ、アキュムレーター５ａ、５ｂ内の油量が均等になる。

このように、従来のマルチ室外機を備えた冷凍装置では、制御装置３０により、電磁弁１２ａを開放しつつ、ある特定の圧縮機をその他の圧縮機より低周波数で運転し、所定時間で低周波数運転を行う圧縮機を交代させ、全圧縮機を少なくとも一度は低周波数運転させる運転制御を行うことにより、アキュムレーターの一つに常時、最少限度の油量１〜２Ｌを確保しつつ、圧縮機の油量が適正油量に調整するようにしている。

図２は、冷凍装置１００において室外機１ａ、１ｂ、１ｃを３台並列に接続した場合の冷媒回路図である。図２において、室外機１ｃの構成要素については各室外機１ａ、１ｂの構成要素と同じであるので、各構成要素を表す数字に符号ｃ又はｂを順番に付けてあらわしている。冷媒及び冷凍機油の流れは図１と同様である。なお、均油制御運転の具体例を図２に基づいて説明するが、図１でも同様に均油制御運転を実行することができる。

表１は、Ｎｏ．１、２、３の室外機１ａ、１ｂ、１ｃにおける圧縮機２ａ、２ｂ、２ｃとオイルレギュレーター（Ｏ／Ｒ）６ａ、６ｂ、６ｃとアキュムレーター（ＡＣＣ）５ａ、５ｂ、５ｃに封入される初期油量の一例を示すものである。

表１のデットスペース内の量は、圧縮機２ａ、２ｂ、２ｃと油分離器３ａ、３ｂ、３ｃの下部に油が常に残留しており、圧縮機に有効に利用することができない油量である。初期油量とは、ガス配管２４（液配管２３でもよい。）の配管長さが０〜３０ｍまでに必要な油量であり、配管長さが長くなると運転中にガス配管に滞留する油が多くなるため、１０ｍ配管が長くなる毎に０．２Ｌ×室外機台数分の油を追加し、圧縮機の油枯渇を防ぐようにする。ただし、ここでは、上述したように初期油量を入れた場合のガス配管２４の長さが０ｍを想定し説明を行う。

表１において、Ｎｏ．１の室外機１ａの初期油量の内訳は、圧縮機２ａ内には、デットスペース０．５Ｌを含む１．８Ｌの油量、Ｏ／Ｒ６ａ内には、０．５Ｌの油量、ＡＣＣ５ａ内には、２．７Ｌの油量、油分離器３ａのデットスペース０．９Ｌの油量である。室外機１ａの初期油量は、１．８＋０．５＋２．７＋０．９＝５．９Ｌである。ただし、デットスペース内の量が１．４Ｌあるので、表１では５．９−１．４＝４．５Ｌとして表記されている。なお、Ｎｏ．１の室外機１ａの初期油量の内訳を示すが、Ｎｏ．２、３の室外機においても同様である。

また、表１のカッコ内に示す５８℃とは、外気温度３２℃、蒸発温度−４０℃、インバーター圧縮機の運転周波数１００Ｈｚで冷凍装置１００が運転した場合の圧縮機下部のシェル温度を示している。圧縮機下部のシェルの温度は、温度検知手段５０ａ、５０ｂ、５０ｃにより検知でき、通常運転中および均油運転直前に制御装置３０にデータ送信される。

しかし、表１は、冷凍装置１００を運転する場合の理想的な油量分布である。実際の運転では、圧縮機２ａ、２ｂから吐出される高圧ガス冷媒に含まれる油量のバラツキ、分配器２５ａ、２５ｂの組み立ての際に発生する取り付け角度のバラツキなどにより、油の分配が均等ではない。また、冷凍装置１００は、室内機２０の庫内温度が＋１５〜−５５℃、蒸発器２２の蒸発温度が＋１０〜−６５℃程度で使用される。低温域で使用される蒸発器２２の熱交換器部のフィンには、霜が付き、着霜量が多くなると蒸発器２２の熱交換能力が低下し、庫内温度が上昇、庫内にある商品の品質が悪化してしまう。

よって、低温域で使用される場合、蒸発器２２の霜を１日に数回溶かす霜取り運転を行っている。霜取り運転とは、１日の内に数回（庫内の商品や温度設定により、任意で回数を決める。）入るように設定され、その１回の霜取り運転の詳細は、まず、冷凍装置１００の運転を停止（約２０〜３０分）させる。その間に、蒸発器２２のファンを停止させた状態で、熱交換器フィン内部にあるヒーターに通電することにより、付着した霜を溶かす。霜を溶かす方法は、ヒーターだけでなく、高温高圧の冷媒ガスを流す方法や蒸発器２２のファンを停止させるのみの方法もある。

霜を溶かした直後の蒸発器２２の内部は高温になっているため、すぐにファンを回転させると、高温の空気が庫内に流れ、庫内温度が上昇または、高温の空気が庫内の冷たい空気に冷やされ商品に再着霜し商品の品質に影響を与える可能性がある。そこで、霜を溶かした直後の約３〜２０分は、蒸発器２２のファンを停止させた状態にし、冷凍装置１００は、運転させる。約３〜２０分の間で、蒸発器内部の温度が冷却され、その後、蒸発器２２のファンを運転することにより、庫内温度の上昇を最小限度に防いでいる。

ただし、蒸発器２２のファンを運転していない間、冷凍装置１００は、運転している状態であり、蒸発器側で熱交換が十分ではない。冷凍装置１００では、蒸発器側で蒸発ガス化できず、二相冷媒のままである。この二相冷媒の内、特に液冷媒が、油分離器３ａ、３ｂ、３ｃで分離できなかった各１０％程度の油（言い換えるとガス配管２４に滞留している油）を冷凍装置１００に全て戻すことになる。この滞留した全ての油は、上記のバラツキの影響や霜を溶かす時間内で上昇した分の庫内温度を再冷却する過渡的な運転にて、Ｎｏ．１、２、３の室外機１ａ、１ｂ、１ｃに均等に分配できないことが考えられる。

このように実際の運転では、Ｎｏ．１、２、３の室外機１ａ、１ｂ、１ｃに均等に油の分配を図ることが難しい。かつ、従来の均油運転のように１ｈ毎に低周波数になる圧縮機を順次交代させていては、油量の多い室外機にさらに油を増やす均油運転となるため、圧縮機の油過多による品質低下に繋がってしまう可能性も高くなる。逆に、油量の少ない室外機は油を減らす均油運転となるため、圧縮機の油枯渇による品質低下にも繋がってしまう可能性も高くなる。

よって、冷凍装置１００の品質確保のときに限り圧縮機の運転を低周波数にする均油運転にて、庫内温度の上昇を極力防ぐ必要がある。最適な均油制御の方法としては、圧縮機の下部にシェルの温度を検知できる温度検知手段５０ａ、５０ｂ、５０ｃにて検知された情報に基づいて圧縮機下部に溜まった油量を推定し、均油制御の必要可否を判断するようにすることである。

まずは、実際の運転における油量と圧縮機下部のシェル温度の関係の一例について説明する。

表２は、実際の霜取り運転後の油量を示すものである。

表２では、Ｎｏ．１の室外機１ａに油量が偏っており、油量が多くなっている分、圧縮機２ａ下部のシェル温度が他の圧縮機に比べて高くなる。

表３は、表２から均油運転を１回行った直後の油量を示すものである。

表３では、均油運転にて、Ｎｏ．１の室外機１ａの運転周波数を４５Ｈｚ、他の圧縮機を９０Ｈｚに制御し、油量の多いＮｏ．１の室外機１ａから、他の室外機に油を移動していることを示している。運転状況および油の分配状態によって異なるが、１回の均油運転にて、移動する油量は０〜１Ｌ程度である。Ｎｏ．１の室外機１ａの油量が減っているため、圧縮機２ａ下部のシェル温度は下がり、逆に、他の室外機は油が多くなっている分、圧縮機下部のシェル温度が高くなる。

制御装置３０は、圧縮機２ａ、２ｂ、２ｃ下部のシェル温度を把握しているため、次の均油運転の低周波数にする室外機を圧縮機下部のシェル温度が高いものとする。すなわち、表３にて、２回目の均油運転は、１回目の均油運転と同じ、Ｎｏ．１の室外機１ａの運転周波数を４５Ｈｚ、他の圧縮機を９０Ｈｚに制御し、油量の多いＮｏ．１の室外機１ａから、他の室外機に油を移動する制御とする。均油運転１回にて、Ｎｏ．１の室外機１ａの油の減り量が０．５Ｌであるため、均油運転は４〜５回目で、全室外機の油量が均等になる。

従来の均油制御では、たとえば、２回目の均油運転で低周波数になる室外機がＮｏ．２の室外機、３回目の均油運転で低周波数になる室外機がＮｏ．３の室外機となり、この２回目と３回目の均油運転は、油量の少ない室外機から、油量の多いＮｏ．１室外機に油が移動していることになる。よって、従来の均油制御にて全室外機が均等になる均油運転は１２〜１５回と多くなると考えられる。実際は、１日の内数回、霜取り運転が必要であるため、全室外機が均等になるまで、さらに時間がかかってしまう。

通常、低温域で使用される冷凍装置の霜取り回数は、１日、１回〜５回程度である。よって、全室外機の油量を均等する均油運転は、少なくとも２４ｈ（１日）／５回（霜取回数）＝４．８ｈ以内が望ましい。冷凍装置１００では、表１、２に示しているように均油運転４〜５回で油量調整できているため、冷凍装置１００の品質を損なうことなく、油の偏りを是正できる。したがって、冷凍装置１００によれば、従来の均油制御より品質が向上することになる。

また、霜取回数が１日に１回程度と少ない場合では、均油運転が６回目から、油量調整ができているため、均油運転必要なしと判断し、次の１時間後の運転にて均油制御必要可否を判断するようにする。具体的には、均油運転直前の圧縮機２ａ、２ｂ、２ｃ下部のシェル温度の各差にて、夏場は１．５℃以上、冬場は１℃以上になった場合に、均油運転を実施するようにする。夏場は、外気温度で２０〜４３℃程度であり、外気温度の影響にて、シェルの温度が高くなる分を考慮し、逆に、冬場は、外気温度で−１５〜２０℃程度であり、シェルの温度が低く油量の多少を適正に判断できない可能性があるため、閾値を小さくする。なお、この閾値は、圧縮機、室外機に封入する油量などにより、異なるため、閾値は仕様に合わせ変更可能にしておくとよい。よって、均油運転６回目からは、閾値により、均油運転の必要可否を、その都度判断できるようにする。

このように、均油運転の必要可否を、その都度判断できるようにしておけば、均油運転をする必要がないときまで均油運転を実行しなくて済む。均油運転なしでは、低周波数になる圧縮機がないため、庫内温度が不安定になることがなく、室外機が油枯渇になることもない。

表４は、均油運転のシミュレーションにおいて、１日の霜取回数を多く想定し、かつ、圧縮機から吐出される高圧ガス冷媒に含まれる油量のバラツキ、分配器２５ａ、２５ｂの組み立ての際に発生する角度のバラツキ、分離効率のバラツキを考慮し、室外機１ａに最も油が返油される条件であり、室外機１ｃに最も油枯渇しやすい条件を設定して行った油量を示すものである。

表４では、Ｎｏ．１の室外機１ａに油量が偏っており、油量が多くなっている分、圧縮機２ａ下部のシェル温度が８５℃まで高くなる。また、Ｎｏ．３の室外機１ｃに油量が減っており、１．９Ｌしかない。この運転状況は、Ｎｏ．１の室外機１ａに油量が過多であり、吐き出された高温高圧のガス冷媒も異常に高くなるため、圧縮機の品質を確保できなくなるため、圧縮機下部のシェル温度が８５℃以上にて、異常停止となる。圧縮機の下部のシェル温度が７５℃以下にて、再度、圧縮機は運転を再開できる。ただし、シェル温度は、２〜４ｈ程度で、１０℃低減する程度であるため、シェル下温度８５℃での異常停止は、庫内温度の温度上昇に繋がる。

また、Ｎｏ．３の室外機１ｃに油量が減っているため、圧縮機２ｃに１．３Ｌ、Ｏ／Ｒ６ｃに０．５Ｌ、ＡＣＣ５ｃに０．１Ｌしかないため、ＡＣＣ最小限度油量の１Ｌを確保できず、油枯渇による圧縮機不良になる。よって、均油運転を圧縮機下部のシェル温度にて判断させることは、各バラツキや過渡的な運転を想定した場合において、各室外機内の油量を均等に調整することができるので、冷凍装置１００の信頼性を向上させることができる。

以上のように、冷凍装置１００では、圧縮機の下部にシェルの温度を検知できる温度検知手段５０ａ、５０ｂ、５０ｃを備えるようにし、圧縮機下部に溜まった油量を推定し、均油制御の必要可否を判断するように構成しているので、圧縮機内の油量を推定することができる。そのため、室外機を複数台組み合わせて使用するマルチ室外機を備えている冷凍装置においては、油の温度差がわかるため、圧縮機内の油量の偏り程度が把握できる。よって、冷凍装置１００によれば、油量の偏り程度により、均油制御の必要可否が判断できるため、均油制御の最適化を図ることができ、庫内温度が不安定になるのを抑え、庫内温度が安定し、かつ信頼性が向上するという効果が得られる。

ところで上記説明では、冷媒と油が相溶である組み合わせであれば同じ効果を得ることができる。よって、冷媒としてはＨＦＣ系冷媒、ＨＦＣ系冷媒の混合冷媒、ＨＣ系冷媒、ＨＣ系冷媒の混合冷媒、あるいはＨＦＣ系冷媒とＨＣ系冷媒の混合冷媒、また、二酸化炭素、水などの自然冷媒を用い、油としてはこれらの冷媒に相溶である油、たとえばＨＦＣ系冷媒の場合はエステル油、ＨＣ系冷媒の場合は鉱油、二酸化炭素の場合はＰＡＧ油などを用いた場合においても同様の効果を得ることができる。

１ａ 室外機、１ｂ 室外機、１ｃ 室外機、２ａ 圧縮機、２ｂ 圧縮機、２ｃ 圧縮機、３ａ 油分離器、３ｂ 油分離器、３ｃ 油分離器、４ａ 凝縮器、４ｂ 凝縮器、４ｃ 凝縮器、５ａ アキュムレーター、５ｂ アキュムレーター、５ｃ アキュムレーター、６ａ オイルレギュレーター、６ｂ オイルレギュレーター、６ｃ オイルレギュレーター、７ａ ガス吸入管、７ｂ ガス吸入管、７ｃ ガス吸入管、８ａ 油戻し穴、８ｂ 油戻し穴、８ｃ 油戻し穴、１０ 均油管、１０ａ 先端部、１０ｂ 先端部、１０ｃ 先端部、１２ａ 電磁弁、１２ｂ 電磁弁、１３ａ 返油管、１３ｂ 返油管、１３ｃ 返油管、１４ａ 油吸入管、１４ｂ 油吸入管、１４ｃ 油吸入管、１５ａ 均圧管、１５ｂ 均圧管、１５ｃ 均圧管、２０ 室内機、２１ 膨張弁、２２ 蒸発器、２３ 液配管、２４ ガス配管、２５ａ 分配器、２５ｂ 分配器、３０ 制御装置、５０ａ 温度検知手段、５０ｂ 温度検知手段、５０ｃ 温度検知手段、１００ 冷凍装置。

Claims (2)

1. 少なくとも圧縮機、凝縮器、アキュムレーターを備え、並列に接続された複数台の室外機と、
   少なくとも減圧手段及び蒸発器を備える室内機と、を配管接続して冷凍サイクルを形成する冷凍装置であって、
   前記アキュムレーター内に貯留された冷凍機油を前記圧縮機に返油する返油管と、
   各アキュムレーターの相互間を接続する均油管と、
   各圧縮機の下部のシェル温度を検知する温度検知手段と、
   前記温度検知手段で検知された各圧縮機の下部のシェル温度差に基づいて前記圧縮機の運転と前記均油管に設けられた電磁弁の開閉とを制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、
   前記温度検知手段で検知された各圧縮機の下部のシェル温度差が季節に応じて変更可能に設定されている閾値以上となった場合に、各アキュムレーター内の冷凍機油に偏りが生じていると判断し、前記電磁弁を開とする
   ことを特徴とする冷凍装置。
2. 前記制御装置は、
   各アキュムレーター内の冷凍機油に偏りが生じていると判断するたびに、
   全電磁弁を開放しつつ、前記温度検知手段によって検知された温度のうち最も高い温度の圧縮機をその他の圧縮機よりも低周波数で運転させる運転制御を行う
   ことを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。

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