(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機の吐出口から吸込口に連通し、冷凍サイクルを構成する流体循環流路を備え、この流体循環流路に、油分離器、凝縮機、受液器、膨張手段、蒸発器がこの順に介装されてなる冷凍装置において、前記蒸発器の胴部であって、かつこの蒸発器内の液の液面より下位位置に、この蒸発器の内部の液を排出する排出ポートを設け、この排出ポートを、開閉弁、流量計、およびこの流量計により検出される液の流量が一定になるように調節する流量調節弁が介装されてなる液戻しラインを介して前記圧縮機の吸込口に連通させたことを特徴とする冷凍装置。
【請求項２】
圧縮機の吐出口から吸込口に連通し、冷凍サイクルを構成する流体循環流路を備え、この流体循環流路に、油分離器、凝縮機、受液器、膨張手段、蒸発器がこの順に介装され、冷媒としてＣＯ２またはＮＨ３の何れかを用いると共に、冷凍機油として前記冷媒に対して相溶性のある油を用いる冷凍装置であって、前記流体循環流路の前記膨張手段と前記蒸発器との間に低圧受液器を介装し、前記流体循環流路の前記低圧受液器の液溜まり部と前記蒸発器との間を、開閉弁、流量計、およびこの流量計により検出される液の流量が一定になるように調節する流量調節弁が介装されてなる液戻しラインを介して前記圧縮機の吸込口に連通させたことを特徴とする冷凍装置。
【請求項３】
前記流体循環流路の前記蒸発器と前記吸込口との間は、前記低圧受液器の気体空間を介してなることを特徴とする請求項２に記載の冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷凍装置の改善に係り、より詳しくは、蒸発器に大量の冷凍機油が滞留するのを防止して、安定的に冷凍性能を発揮することを可能ならしめるようにした冷凍装置の技術分野に属するものである。
【０００２】
【従来の技術】
圧縮機として、油冷式スクリュ圧縮機を備えてなる冷凍装置にあっては、この油冷式スクリュ圧縮機から冷凍機油を含む冷媒が吐出される。冷媒中に冷凍機油が含まれていると冷却性能に悪影響を及ぼすため、油冷式スクリュ圧縮機と凝縮器との間に油分離器を介装して、この油分離器により冷凍機油を除去した冷媒を凝縮器に送給するようにしている。
【０００３】
ところが、油分離器だけでは冷媒中の冷凍機油を完全に分離することができない。そのため、蒸発器に滞留する冷凍機油が次第に多くなって、蒸発器の熱交換効率が低下してしまうので、所期の冷凍性能を発揮することができなくなるという問題があった。このような問題を解決するために、油分離器を経た冷媒から微量の油分を除去する油戻し機構を備えた冷凍装置が、例えば冷凍空調便覧(日本冷凍協会)基礎編第５版(平成５年)において提案されている。以下、提案されている２例の概要を説明する。
【０００４】
従来例１に係る冷凍装置は、その模式的系統図の図３に示すように、低圧受液器中の冷媒液の一部を連続的に抽出し、この低圧受液器に流す高圧液と熱交換器にて熱交換させ、高圧液の過冷却度を大きくすると共に、抽出した冷媒液を蒸発させる。そして、分離させた冷凍機油を吸込ガス速度により吸込ラインを介して圧縮機に戻すように構成されている。なお、この冷凍装置では、冷媒として潤滑油を良く溶解するフロンを使用するものである。例えば、Ｒ２２では低温下で油の溶解度が異なる２種類の液に分れ、比重差により冷凍機油が多く溶解している液は上層に集まり易いから、同図に示すように、低圧受液器内の液の液面近くから冷媒液を抽出するようにしている。
【０００５】
従来例２に係る冷凍装置は、その模式的系統図の図４に示すように、低圧受液器に溜まった油分を含む冷媒を油溜めタンクに落とし込み、この油溜めタンク内の油分を含む冷媒をヒータで過熱する。そして、冷媒を蒸発させて圧縮機に吸込ませる一方、油だけを油ポンプにより圧縮機に戻すようにしたものである。なお、この油溜めタンクでは油中の冷媒を完全に追い出すために４０℃程度の温度になるように加熱する。従って、油溜めタンクから戻る冷媒蒸気の過熱除去のために、低圧受液器中の液状冷媒の一部が蒸発することとなる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来例１、または２に係る冷凍装置は、何れもそれなりに有用であると考えられる。しかしながら、低圧受液器内の液から完全に冷凍機油を除去することができないから、微量の冷凍機油を含有する冷媒が蒸発器に流入する。冷凍機油と冷媒との沸点の相違により、冷媒が蒸発するにもかかわらず、冷凍機油は蒸発しないので、蒸発器内において冷凍機油の油量が時間の経過につれて次第に増大し、やはり初期の冷凍性能を発揮できない事態となる可能性がある。
【０００７】
また、従来例１に係る冷凍装置では、低圧受液器から抽出される冷媒液の量も、受液器からの高圧液の量も、負荷状態等の様々な要因により変化するため、お互いの交換する熱量も変化することがある。そのため、所望の熱交換を行わせるには冷凍装置の運転状況に応じた微妙な調整が必要になってしまう。所望の熱交換が達成できず、熱交換器を出た冷媒が完全に気化できなければ、いわゆる液バック状態で圧縮機に冷媒が供給され、圧縮機に機械的な不具合が生じる事態を招きかねない。
【０００８】
従来例２に係る冷凍装置では、ヒータに電力を供給しなければならないから、冷凍装置のランニングコストに関して不利になるという経済上の問題もある。また、このヒータが電気ヒ―タである場合、この電気ヒータ自体に不具合を及ぼすような必要以上の過熱の虞がある。また、このヒータがスチームヒ―タである場合、長期的な使用に伴うスチーム水による腐食の虞がある。つまり、種々の不具合を回避し得る、信頼性の高い冷凍装置が望まれているのである。
【０００９】
従って、本発明の目的は、冷却性能に悪影響を及ぼすほどの冷凍機油が蒸発器に滞留するのを防止して初期の冷凍性能を発揮させることができ、しかもランニングコストが安価で信頼性の高い冷凍装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、従って上記課題を解決するために、本発明の請求項１に係る冷凍装置が採用した手段は、圧縮機の吐出口から吸込口に連通し、冷凍サイクルを構成する流体循環流路を備え、この流体循環流路に、油分離器、凝縮機、受液器、膨張手段、蒸発器がこの順に介装されてなる冷凍装置において、前記蒸発器の胴部であって、かつこの蒸発器内の液の液面より下位位置に、この蒸発器の内部の液を排出する排出ポートを設け、この排出ポートを、開閉弁、流量計、およびこの流量計により検出される液の流量が一定になるように調節する流量調節弁が介装されてなる液戻しラインを介して前記圧縮機の吸込口に連通させたことを特徴とするものである。
【００１１】
本発明の請求項２に係る冷凍装置が採用した手段は、圧縮機の吐出口から吸込口に連通し、冷凍サイクルを構成する流体循環流路を備え、この流体循環流路に、油分離器、凝縮機、受液器、膨張手段、蒸発器がこの順に介装され、冷媒としてＣＯ２またはＮＨ３の何れかを用いると共に、冷凍機油として前記冷媒に対して相溶性のある油を用いる冷凍装置であって、前記流体循環流路の前記膨張手段と前記蒸発器との間に低圧受液器を介装し、前記流体循環流路の前記低圧受液器の液溜まり部と前記蒸発器との間を、開閉弁、流量計、およびこの流量計により検出される液の流量が一定になるように調節する流量調節弁が介装されてなる液戻しラインを介して前記圧縮機の吸込口に連通させたことを特徴とするものである。
【００１２】
本発明の請求項３に係る冷凍装置が採用した手段は、請求項２に記載の冷凍装置において、前記流体循環流路の前記蒸発器と前記吸込口との間は、前記低圧受液器の気体空間を介してなることを特徴とするものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態１に係る冷凍装置を、その圧縮機が油冷式スクリュ圧縮機であり、冷媒としてＣＯ２を用いると共に、冷凍機油としてポリオルエステルを用いる場合を例として、添付図面を参照しながら説明する。図１(ａ)は、冷凍装置の模式的系統図であり、図１(ｂ)は、蒸発器への液戻しラインの取付位置説明図である。
【００１４】
図１(ａ)に示す符号１は、本実施の形態１に係る冷凍装置である。この冷凍装置１は、油冷式スクリュ圧縮機(以下、圧縮機という。)２の吐出口２ａから吸込口２ｂに連通する、冷凍サイクルを形成する流体循環流路８を備えている。この流体循環流路８には、前記吐出口２ａから吸込口２ｂに向かって順に、油分離器３、凝縮器４、受液器５、膨張手段である膨張弁６、および蒸発器７が介装されている。前記油分離器３は、前記圧縮機２から吐出される冷媒と飛沫状の冷凍機油とからなる混合流体から冷凍機油を分離すると共に回収し、冷凍機油除去後の冷媒を凝縮器４に流入させる働きをするものである。
【００１５】
ところで、前記油分離器３により分離された冷凍機油は、この油分離器３内下方に形成されてなる油溜まり部３ａに一旦溜められる。そして、この油溜まり部３ａに溜められた冷凍機油は、図示しない油供給路を介して、前記圧縮機２の図示しない圧縮空間、雌雄一対のスクリュロータの軸を支持する軸受部、および軸封部に供給されるように構成されている。
【００１６】
前記油分離器３から流出したガス状の冷媒は、前記凝縮器４に流入して冷却液との熱交換により冷却されて凝縮して、液状の冷媒となる。この凝縮器４から流出した液状の冷媒は受液器５に溜められ、この受液器５から流出した液状の冷媒は膨張弁６により膨張され、過冷却されて蒸発器７に流入する。この蒸発器７に流入した過冷却後の冷媒は、図示しない冷却負荷(いわゆる冷凍庫等)を冷却する被冷却流体と熱交換して蒸発し、ガス状の冷媒となって蒸発器７から流出する。そして、蒸発器７から流出したガス状の冷媒は、吸込口２ａから圧縮機２内の圧縮空間に吸込まれて圧縮されるというように、前記流体循環流路８を循環して冷凍機能を発揮するように構成されている。
【００１７】
さらに、前記蒸発器７の胴部には、この蒸発器７内の液、つまり液状の冷媒を排出する排出ポート７ａが設けられている。この排出ポート７ａが設けられる位置は、図１(ｂ)に示すように、この蒸発器７内の冷媒の液面よりも下位位置であり、冷媒の液ヘッド差により蒸発器７内の液状の冷媒がこの排出ポート７ａから排出されるように構成されている。
【００１８】
前記蒸発器７の排出ポート７ａから、冷凍機油の含有率が高い冷媒を排出することができる。この蒸発器７内の冷媒中に多量の冷凍機油が含まれているのは、下記の理由による。即ち、上記のとおり、前記蒸発器７には油回収器３から冷媒が流入するが、油分離器３から流出する冷媒中には極微量の冷凍機油、具体的には、通常１００〜２００ｐｐｍの微量の冷凍機油が含まれている。冷凍機油と冷媒ガスとが非相溶性で分離するため、蒸発器７内において冷凍機油の滞留量が次第に多くなるからである。
【００１９】
冷媒中の冷凍機油の含有割合が４％を超えると、蒸発器７の冷却性能が低下することが知られている。そのため、本実施の形態１に係る冷凍装置１の場合には、冷凍機油の含有率が２％以下になるように、１００〜２００ｐｐｍの冷凍機油を含有する冷媒を補充しながら、冷凍機油を含んだ冷媒液を排出するようにしている。ところで、油分離器３から流出する冷媒中の冷凍機油の含有量は、上記のとおり、分っている。従って、蒸発器７内における冷媒中の冷凍機油の含有割合は、冷凍装置の稼働時間と蒸発器７内の冷媒の容量と液抜き量とから、冷凍機油の含有率を導出することができる。
【００２０】
さらに、前記排出ポート７ａから前記流体循環流路８の前記蒸発器７と圧縮機２の吸込口２ｂとの間に液戻しライン１０が介装されている。この液戻しライン１０には、排出ポート７ａ側から前記流体循環流路８との連通部側に向かって順に、流量調節弁１１、流量計１２、および開閉弁１３が介装されている。前記流量調節弁１１の開度は、前記流量計１２により検出される液の流量が一定になるように、図示しない制御器により制御されるものである。また、前記開閉弁１３は電気信号により開閉されるものである。
【００２１】
なお、本実施の形態１に係る冷凍装置１の場合には、液戻しライン１０を流体循環流路８に連通させているが、圧縮機２の吸込口２ｂに直接連通させるようにしても良い。また、この液戻しライン１０に液の流れを監視する覗き窓(サイトグラス)を設け、この覗き窓から液戻しライン１０を流れる液の流れ状況を監視し得る構成にするのがより好ましい。
【００２２】
以下、本実施の形態１に係る冷凍装置１の使用態様を説明すると、この冷凍装置１の運転時間の経過に連れて、冷凍機油と冷媒との沸点の相違により、蒸発器７内における冷媒中の冷凍機油の含有率が次第に上昇する。さらなる運転の継続により、蒸発器７内における冷媒中の冷凍機油の含有率が２％になると、蒸発器７内における冷凍機油の含有率が２％を超えることのない冷媒の排出量が決められ、開閉弁１３が開弁される。開閉弁１３が開弁されると、冷凍装置１の運転中を継続して、蒸発器７内の冷媒の液ヘッド差により排出ポート７ａから流出する冷媒の流量が流量計１２により検出される。
【００２３】
そして、流量計１２で検出される冷媒の流量が前記排出量になるように流量調節弁１１の開度が制御され、液戻しライン１０を介して時間当たり一定量の冷凍機油を含有する冷媒が圧縮機２の吸込口２ｂに戻され続ける。このような冷媒の排出中においては、蒸発器７内の冷媒の液面レベルが一定になるように、受液器５から、１００〜２００ｐｐｍの冷凍機油を含有する冷媒が供給され続ける。なお、この冷凍装置１の運転が停止された場合には、この冷凍装置１を保護するために開閉弁１３が閉弁され、圧縮機２の吸込口への冷媒の供給が停止されるものである。
【００２４】
本実施の形態１に係る冷凍装置１によれば、上記のとおり、蒸発器７から圧縮機２の吸込口２ｂに、冷凍機油を含んだ冷媒液を単位時間当たり一定量ずつ戻すことができる。そして、蒸発器７内における冷媒中の冷凍機油の含有率が２％以上になるのを防止することができる。従って、本実施の形態１に係る冷凍装置１によれば、下記のとおりの効果を得ることができる。
（１）蒸発器７内における冷媒中の冷凍機油の含有率が２％以下に維持され続け、冷却性能の低下を来す４％以上になるようなことがないから、所期の冷却性能を発揮し続けることができる。
（２）従来例のように熱交換器やヒータを設ける必要がなく液戻しラインの構成がシンプルであるから、信頼性が向上するのに加えて、冷凍装置のランニングコストに関しても有利である。
【００２５】
次に、本発明の実施の形態２に係る冷凍装置を、上記実施の形態１に係る冷凍装置の場合と同様に、圧縮機が油冷式スクリュ圧縮機である場合を例として、その模式的系統図の図２を参照しながら説明する。ところで、構成に関して、本実施の形態２が上記実施の形態１と相違するところは、低圧受液器が設けられている点と、液戻しラインの基端部の接続位置が相違する点にある。従って、上記実施の形態１と同一のもの、並びに同一機能を有するものに同一符号を付して、その相違する点について説明する。
【００２６】
本実施の形態２に係る冷凍装置１もまた、冷媒としてＣＯ２を用いると共に、冷凍機油としてＣＯ２に対して相溶性があるポリオルエステルを用いるものを示す。この冷凍装置１では、流体循環流路８の膨張手段である膨張弁６と蒸発器７との間に低圧受液器１４が介装されている。また、前記流体循環流路８の低圧受液器１４と蒸発器７との間に液ポンプ１５が介装されると共に、この流体循環流路８の前記蒸発器７と圧縮機２の吸込口２ｂとの間は、前記低圧受液器１４の気体空間１４ｂを介している。なお、この低圧受液器１４の気体空間１４ｂは、図示しない流路を介して流体循環流路８に連通させるように構成しても良い。
【００２７】
そして、前記流体循環流路８の前記液ポンプ１５と蒸発器７との間は、液戻しライン１０を介して前記流体循環流路８の前記蒸発器７と圧縮機２の吸込口２ｂとの間に連通している。前記液戻しライン１０には、上記実施の形態１の場合と同様に、流量調節弁１１、流量計１２、および開閉弁１３が介装されている。
【００２８】
この実施の形態２に係る冷凍装置１の作用態様を説明する。即ち、前記低圧受液器１４の液溜まり部１４ａに、冷凍機油を含む過冷却された冷媒が溜まる。この場合、冷媒はＣＯ２であり、そして冷凍機油はＣＯ２に対して相溶性があるポリオルエステルであるから、このポリオルエステルはＣＯ２に均一に溶解している。このような冷媒が液ポンプ１５の駆動により蒸発器７に供給される一方、液戻しライン１０を介して所定量ずつ圧縮機２に戻され続け、運転中を通じてポリオルエステルが所定量ずつ回収され続ける。
【００２９】
そのため、蒸発器７に、ポリオルエステルが低濃度のＣＯ２が供給されるのに加えて、非相溶性の冷凍機油のようにＣＯ２と分離して蒸発器に溜まるようなことがない。従って、ポリオルエステルによって蒸発器７の熱交換性能が低下するようなことがないから、本実施の形態２は、冷却性能の安定維持等に関して上記実施の形態１と同等の効果がある。
さらに、自然界に存在するＣＯ２を冷媒として用いるのであるから、環境問題、特に脱フロンという社会的な要請に応えることができるという優れた効果を期待することができる。
【００３０】
なお、本実施の形態１および２では、ポリオルエステルと相溶性があるＣＯ２を冷媒として用いる場合の例を説明したが、ＮＨ３を冷媒として用い、それに対して相溶性がある油、例えばポリアルキレングリコールを冷凍機油として用いても良い。
【００３１】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の請求項１乃至３に係る冷凍装置によれば、蒸発器内において冷媒中の冷凍機油の含有率が高くなるようなことがなく、また冷凍機油の分離のために、従来例のように熱交換器やヒータを用いる必要がない。従って、所期の冷却性能を発揮し続けることができ、また液戻しラインの構成がシンプルであるから、信頼性が向上するのに加えて、冷凍装置のランニングコストに関して有利になる。
【００３２】
さらに、本発明の請求項２または３に係る冷凍装置によれば、上記効果に加えて、さらに自然界に存在するＣＯ２やオゾン層を破壊せず、温暖化に対する寄与も小さいＮＨ３を冷媒として用いるので、環境問題、特に脱フロンという社会的な要請に応えることができるという優れた効果を期待することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態１に係り、図１(ａ)は冷凍装置の模式的系統図、図１(ｂ)は蒸発器への液戻しラインの取付位置説明図である。
【図２】  本発明の実施の形態２に係る冷凍装置の模式的系統図である。
【図３】  従来例１に係る冷凍装置の模式的系統図である。
【図４】  従来例２に係る冷凍装置の模式的系統図である。
【符号の説明】
１…冷凍装置、２…圧縮機(油冷式スクリュ圧縮機)、２ａ…吐出口、２ｂ…吸込口、３…油分離器、３ａ…油溜まり部、４…凝縮器、５…受液器、６…膨張弁、７…蒸発器、７ａ…排出ポート、８…流体循環流路
１０…液戻しライン、１１…流量調節弁、１２…流量計、１３…開閉弁、１４…低圧受液器、１４ａ…液溜まり部、１４ｂ…気体空間、１５…液ポンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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