(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸発器と、低段圧縮機、中間圧室および高段圧縮機とを備えて前記蒸発器からの冷媒ガスを圧縮する二段圧縮機と、この二段圧縮機から吐出された冷媒ガス中の油を分離する油分離器と、この油分離器に接続された２系統の油配管と、前記吐出された冷媒ガスを凝縮液化する凝縮器と、この凝縮器に接続された２系統の冷媒配管と、冷却器とを備えた二段圧縮冷凍機であって、
前記２系統の油配管内の一方の系統の油が、前記冷却器を経て前記低段圧縮機にインジェクションされると共に、他の系統の油が前記高段圧縮機にインジェクションされ、前記２系統の冷媒配管内の一方の系統の冷媒が、前記冷却器を経て前記中間圧室にインジェクションされると共に、他の系統の冷媒が前記高段圧縮機にインジェクションされることを特徴とする二段圧縮冷凍機。
【請求項２】
低段圧縮機および高段圧縮機がシングルスクリュー圧縮機であることを特徴とする請求項１記載の二段圧縮冷凍機。
【請求項３】
蒸発器と、この蒸発器からの冷媒ガスを圧縮する低段圧縮機と、この圧縮機から吐出された冷媒ガス中の油を分離する油分離器と、この油分離器に接続された２系統の油配管と、
前記吐出された冷媒ガスを圧縮する高段圧縮機と、この圧縮機から吐出された冷媒ガスを凝縮液化する凝縮器と、この凝縮器に接続された２系統の冷媒配管と、冷却器とを備えた２段圧縮冷凍機であって、
前記２系統の油配管内の一方の系統の油が、前記冷却器を経て前記低段圧縮機にインジェクションされると共に、他の系統の油が前記高段圧縮機にインジェクションされ、前記２系統の冷媒配管内の一方の系統の冷媒が、前記冷却器を経て前記高段圧縮機にインジェクションされると共に、他の系統の冷媒が前記高段圧縮機にインジェクションされることを特徴とする二段圧縮冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は二段圧縮冷凍機に係るものであり、特に冷凍機の液冷媒インジェクションおよび油インジェクション方式に係るものである。
【０００２】
【従来の技術】
図５は例えば特開昭５１−９７８４９号公報に示された従来の二段圧縮冷凍機の低段圧縮機に液冷媒をインジェクションする方式が提案されている。この図５は二段圧縮サイクルで低段液冷媒インジェクション方式を使用した冷媒回路図であり、図において、１は二段圧縮機、２は冷媒を蒸発させる蒸発器、１ａは蒸発器２で蒸発した冷媒ガスを吸込んで中間圧まで昇圧させる低段圧縮機、１ｃは低段圧縮機１ａの冷媒ガスが吐出される中間圧室、１ｂは中間圧室１ｃの冷媒ガスを吸い込んで高圧まで昇圧させる高段圧縮機、３は高段圧縮機１ｂからの吐出ガスを凝縮液化させる凝縮器、４は高段圧縮機１ｂから冷媒ガスとともに吐出された潤滑油を気液分離する油分離器、６は凝縮液を絞り膨張させる膨張弁、７は凝縮液の一部を凝縮液から圧縮機１へ送る電磁弁または流量調整弁、９ａは油分離器４から低段圧縮機１ａへ流入する油流量を制限する低段の油噴射口、９ｂは油分離器４から高段圧縮機１ｂへ流入する油流量を制限する高段の油噴射口、１０ａは液冷媒流量を制限する低段の液冷媒噴射口である。
【０００３】
次に、冷媒回路の動作について説明する。高段圧縮機１ｂから吐出された高圧の冷媒ガスは、凝縮器３によって凝縮液化される。高圧の凝縮液の一部は、二段圧縮機１の運転と同時に電磁弁７を開けることにより、冷媒配管１２ｂを経て低段の液冷媒噴射口１０ａから低段圧縮室１ａへインジェクションされる。一方、高段圧縮機１ｂから冷媒ガスとともに吐出された潤滑油は、油分離器４で気液分離され、油配管１１ａを経て低段の油噴射口９ａと高段の油噴射口９ｂからそれぞれの圧縮室へインジェクションされる。このように低段圧縮機１ａには、圧縮ガスの冷却材として液冷媒と、スクリューロータの潤滑やすきまのシールのための潤滑油がそれぞれ液冷媒噴射口１０ａ、油噴射口９ａよりインジェクションされている。低段圧縮機１ａから吐出された冷媒ガスは高段圧縮機１ｂに吸入され、圧縮された後吐出される。この時高段圧縮機１ｂにも、スクリューロータの潤滑やすきまのシールのための潤滑油が油噴射口９ｂよりインジェクションされる。
このような冷凍機において、一般に運転の起動停止時や負荷変動時には、冷媒ガスの有効吸入量を調整して容量制御が行われている。すなわち図示を省略した低段圧縮機１ａに設けられた容量制御スライドバルブが吐出側にスライドして、圧縮機に吸い込まれた吸入ガスの一部を図示しない低段ケーシング室にバイパスして、必要なガスのみを圧縮している。
しかしながらこのような構成の冷凍機では、容量制御運転時に低段圧縮機１ａに液冷媒噴射口１０ａからインジェクションされる液冷媒が吸入側に漏れて蒸発し、蒸発器２から流入する循環の冷媒ガスが圧縮室に吸い込まれるのを阻害するという問題点を有している。
【０００４】
次に、図６は実開昭５８−２６５号公報に示される従来例である。
この例では、高段圧縮機１ｂから吐出された高圧の冷媒ガスは、凝縮器３によって凝縮液化され、その高圧の凝縮液の一部は、冷媒配管１２ｂを経て高段の液冷媒噴射口１０から高段の圧縮室へインジェクションされる。一方、高段圧縮機１ｂから冷媒ガスとともに吐出された潤滑油は、油分離器４で気液分離され油配管１１ａを経て、低段の油噴射口９ａと高段の油噴射口９ｂからそれぞれの圧縮機へインジェクションされている。しかしながらこのような冷凍機では低段圧縮機１ａに冷却材がインジェクションされていないため、運転条件によっては低段吐出ガス温度が上昇し、ロータが熱膨張して焼き付きが生じたり、あるいは焼き付きを防止するため隙間を大きく設定する必要があり、冷凍機としての能力が低下するという問題点があった。
【０００５】
このような前述の問題点を解決しようとした冷却油インジェクション方式の他の従来例がある。図７はその冷媒回路図を示すものであり、図において油分離器４からの潤滑油は冷却器５ａを経て冷却され、油配管１１ｂを通って圧縮機１ａ、１ｂにインジェクションされる。また中間圧室１ｃには、冷却器５ａを経た冷媒が冷媒配管１２ａを通ってインジェクションされている。
このような構成を有する従来の冷凍機では、冷却器５ａで処理する熱量が大きく、冷却器５ａに必要な冷媒量が増し結果的には中間圧室１ｃへ多量の冷媒ガスが注入され、中間圧が上昇し圧縮機１の性能が低下するという問題点があった。
【０００６】
この発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであり、冷凍機の容量制御運転時の能力低下がなく、またロータの焼き付きや中間圧の上昇による性能低下を防ぐ高性能な二段圧縮サイクル冷凍装置を得ることを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る二段圧縮冷凍機は、一方の系統の油が冷却器を経て低段圧縮機にインジェクションされると共に、他の系統の油が高段圧縮機にインジェクションされ、また一方の系統の冷媒が冷却器を経て中間圧室にインジェクションされると共に、他の系統の冷媒が高段圧縮機にインジェクションされるものである。
【０００８】
また、低段圧縮機から吐出された一方の系統の油が高段圧縮機を経ずに直接冷却器を経て低段圧縮機にインジェクションされると共に、他の系統の油が高段圧縮機にインジェクションされ、また一方の系統の冷媒が冷却器を経て高段圧縮機にインジェクションされると共に、他の系統の冷媒が高段圧縮機にインジェクションされるものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図１について説明する。
図において、１は二段圧縮機、２は冷媒を蒸発させる蒸発器、３は高段圧縮機１ｂからの吐出ガスを冷却、凝縮させる凝縮器、４は二段圧縮機１から冷媒ガスとともに吐出された潤滑油を分離する油分離器、５は凝縮器３の液の一部と油分離器４からの潤滑油を熱交換させて潤滑油を冷却する冷却器、１ａは蒸発器２で蒸発した冷媒ガスを吸込んで中間圧まで昇圧させる低段圧縮機、１ｃは低段圧縮機１ａからの吐出ガスと冷却器５から戻る冷媒ガスを混合する中間圧室、１ｂは中間圧室１ｃの冷媒ガスを吸い込んで高圧まで昇圧させる高段圧縮機、６は凝縮器３の液を絞り膨張させる膨張弁、７は凝縮器３の液の一部を高段圧縮機１ｂへ送る第１の電磁弁、８は凝縮器の液の一部を冷却器５へ送る第２の電磁弁、９ａは油分離器４から低段圧縮機１ａへ流入する油流量を制限する低段の油噴射口、９ｂは油分離器４から高段圧縮機１ｂへ流入する油流量を制限する高段の油噴射口、１０は凝縮器３から流入する液冷媒量を制限する高段の液冷媒噴射口、１１ａ、１１ｂは油配管で１１ｂは冷却器５を経て低段圧縮機１ａに送られる系統である。１２ａ、１２ｂは冷媒配管で１２ａは冷却器５を経て中間圧室１ｃに冷媒を送る系統で、１２ｂは凝縮器３より高段圧縮機１ｂに冷媒を送る系統である。
【００１０】
次に、本実施の形態１の冷媒回路の動作について説明する。高段圧縮機１ｂから吐出された高圧の冷媒ガスは、凝縮器３によって凝縮液化される。高圧の凝縮液の一部は冷媒配管１２ａ、１２ｂによって高段圧縮機１ｂ側と冷却器５側に分岐される。すなわち、高段圧縮機側１ｂに分岐した液冷媒は、圧縮機１の運転と同時に開く第１の電磁弁７によって流量を制御され、冷却配管１２ｂを経て高段の液冷媒噴射口１０から高段圧縮機１ｂへインジェクションされる。冷却器５側に分岐された液冷媒は、二段圧縮機１の運転と同時に開く第２の電磁弁８によって流量を制御され、冷却配管１２ａを経て冷却器５に流入し、油分離器４から冷却器５に流入する潤滑油と熱交換後中間圧室１ｃに送られる。圧縮機１から冷媒ガスとともに吐出された潤滑油は、油分離器４で気液分離され、油配管１１ａ、１１ｂによって高段圧縮機１ｂ側と冷却器５側に分岐される。高段圧縮機１ｂ側に分岐する潤滑油は、油配管１１ａを経て高段の油噴射口９ｂから高段圧縮機１ｂへインジェクションされる。冷却器５側に分岐した潤滑油は液冷媒と熱交換して冷却され、油配管１１ｂを経て低段の油噴射口９ａから低段圧縮機１ａにインジェクションされる。なお、低段圧縮機１ａと高段圧縮機１ｂへの油分配量は各段の油噴射口９ａ、１０の径で調整する。
【００１１】
このように本実施の形態１の圧縮機は、低段圧縮機１ａには冷却器５で冷却された潤滑油が油配管１ｂを経てインジェクションされ、ロータの潤滑やすきまのシール、圧縮ガスの冷却を行う。一方、高段圧縮機１ｂには油分離器４からの潤滑油が油配管１１ａを経て、インジェクションされてロータの潤滑とすきまのシールを行い、また凝縮器３からの液冷媒が冷媒配管１２ｂを経てインジェクションされ圧縮ガスの冷却を行う。また前述の通り冷却器５で低段圧縮機１ａにインジェクションされる潤滑油を冷却した後の冷媒ガスは冷媒配管１２ａを経て中間圧室１ｃに送られるので、高段圧縮機１ｂには低段圧縮機１ａからの吐出ガスと冷却器５からの冷媒ガスとが吸い込まれ圧縮が行われる。
【００１２】
以上のように構成された二段圧縮機１のインジェクション方式が圧縮機性能に及ぼす作用について説明する。
まず、低段圧縮機１ａにおいては液冷媒をインジェクションしないので、容量制御時にも低段圧縮機１ａの吸入側に液冷媒が漏れず、冷媒ガスの吸入が阻害されない。一方、冷却器で冷却した潤滑油で圧縮ガスを冷却すると、潤滑油によって圧縮ガスが冷却され、等温圧縮に近づくことにより動力が低下する効果と、冷却器で潤滑油を冷却するための処理熱量が増してガス量が増加し、その結果中間圧室１ｃに送られる冷媒ガスが増大して中間圧が上昇するという効果がある。
次に、高段圧縮機１ｂのインジェクション方式の作用について述べる。一般に圧縮サイクルでは、高段圧縮機１ｂへの液冷媒インジェクションによる圧縮機の性能低下はなく、吐出温度だけを低下できる特性がある。
このようにこの実施の形態１の圧縮機全体の性能は、冷却された潤滑油によって圧縮ガスが冷却され消費動力が低下する効果と、冷媒ガス量が増大して中間圧が上昇し冷凍能力の低下をきたすとともに動力が増加する相反する効果のバランスで圧縮機全体の性能が決まる。ここで、二段圧縮機では中間圧が、理論的に高段圧縮比＝低段圧縮比となる時が最も高い性能となる。実際の圧縮機では低段の圧縮比が高段の圧縮比に比べて高くなっているので、中間圧を低くすることで性能を向上することができる。
【００１３】
ここで、吐出ガス温度が許容値以下となる条件で、冷却油だけをインジェクションする従来方式つまり図７の方式と本実施の形態１方式との性能比較を行った。その結果を図４に示す。図４（ａ）は圧縮比１４．６の場合、図４（ｂ）は圧縮比５８．３の場合である。図４から本実施の形態１の方式は従来方式に比べ中間圧が低下し、冷凍能力は大きく、また入力も若干小さくなる。さらに、図４（ａ）（ｂ）から性能差は高圧縮比運転でとくに顕著となり、圧縮比５８．３では能力が約１．４倍、入力が約０．９倍となり、圧縮機全体では１．５倍の性能になることが判った。
以上から、本実施の形態１では液冷媒インジェクションにより高段圧縮機１ｂの冷却を行うことによって、中間圧室１ｃに流入する冷媒ガスを少なくでき、中間圧が上昇しないので、高い圧縮機性能が得られる。
【００１４】
参考例．
次に、参考例について説明する。
図２は、参考例を示す冷媒回路図で、構成および動作は、実施の形態１とほぼ同じであるので省略する。実施の形態１では、高段圧縮機１ｂに潤滑油をインジェクションするのに対し、この参考例では高段圧縮機１ｂに油をインジェクションせず、液冷媒のみを冷媒配管１２ｂを経てインジェクションするようにしている。
以上のように構成された二段圧縮機１のインジェクション方式が圧縮機性能に及ぼす作用については実施の形態１とほぼ同様であるが、高段圧縮機１ｂに油をインジェクションしないので実施の形態１に比べて、高段圧縮機１ｂへの油インジェクション回路を簡略化できる。
【００１５】
実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２を図３を参照して説明する。
図３は、実施の形態２を示す冷媒回路図で、異なる形式の圧縮機で構成された二段圧縮機の例である。図において、１ｄは冷媒ガスを吸込んで中間圧まで昇圧させる低段圧縮機で本実施の形態ではスクリュー圧縮機である。１ｅは低段圧縮機から吐出された冷媒ガスを吸い込んで中間圧から高圧まで昇圧させる高段圧縮機で本実施の形態ではスクロール圧縮機である。４は低段圧縮機から冷媒ガスとともに吐出される油を気液分離する油分離器、１０ａは冷却器からの冷媒ガスを高段圧縮機１ｅへ導く冷媒ガス噴射口、９ａは低段の油噴射口、９ｂは高段の油噴射口、１０は高段の液冷媒噴射口である。
以上のように構成された実施の形態２による二段圧縮機のインジェクション方式では、低段圧縮機１ｄから吐出された潤滑油を冷却するシステムであるので、低段吐出温度からインジェクション温度までの冷却分となり、冷却器５での処理冷却量を少なくできる。従って、冷却器５から中間圧室へ送る冷媒ガス量を少なくでき、中間圧が低下して圧縮機の性能が向上する。
【００１６】
上記実施の形態１では、低段圧縮機、高段圧縮機ともシングルスクリュー圧縮機について説明したが、低段圧縮機および高段圧縮機として、ツインスクリューやスクロール、ロータリなど他方式の圧縮機で構成することもできる。
また、上記実施の形態２に示すように、高段圧縮機と低段圧縮機を異なる圧縮機で構成してもよい。
【００１７】
【発明の効果】
この発明は以上述べたように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。
【００１８】
一方の系統の油が冷却器を経て低段圧縮機にインジェクションされると共に、他系統の油が高段圧縮機にインジェクションされ、また、一方の系統の冷媒が冷却器を経て中間圧室にインジェクションされると共に、他系統の冷媒が高段圧縮機にインジェクションされているので、冷凍機の容量制御運転時の能力低下がなく、中間圧の上昇を防止して性能低下をなくすることが可能となり、高性能な、特に高い圧縮比の場合には、能力が格段に上昇した二段圧縮機が得られる。
【００１９】
また、低段圧縮機から吐出された油の一方の系統の油が高段圧縮機を経ずに直接冷却器を経て低段圧縮機にインジェクションされると共に、他系統の油が高段圧縮機にインジェクションされ、さらに一方の系統の冷媒が冷却器を経て高段圧縮機にインジェクションされると共に、他系統の冷媒が凝縮器より高段圧縮機にインジェクションされるシステムであるので、冷却器での処理冷却量を少なくすることができ、従って冷却器から中間圧室へ送る冷媒ガス量を少なくなり、中間圧が低下して圧縮機の性能が向上するという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１を示す冷媒回路図である。
【図２】  参考例を示す冷媒回路図である。
【図３】  この発明の実施の形態２を示す冷媒回路図である。
【図４】  この発明の実施の形態１と従来例との性能比較図である。
【図５】  従来の低段液冷媒インジェクション方式冷凍機の冷媒回路図である。
【図６】  従来の高段液冷媒インジェクション方式冷凍機の冷媒回路図である。
【図７】  従来の冷却油インジェクション方式冷凍機の冷媒回路図である。
【符号の説明】
１  二段圧縮機、１ａ，１ｄ  低段圧縮機、１ｂ，１ｅ  高段圧縮機、
１ｃ  中間圧室、２  蒸発器、３  凝縮器、４  油分離器、５  冷却器、
１１ａ，１１ｂ  油配管、１２ａ，１２ｂ  冷媒配管。
【図１】
0003903409.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003903409.tif 000008