JPH04203768A

JPH04203768A - 二元冷凍装置

Info

Publication number: JPH04203768A
Application number: JP32926490A
Authority: JP
Inventors: Kyuhei Ishihane; 久平石羽根; Hiroshi Yasuda; 弘安田; Takeo Ogawa; 尾川　健男
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1990-11-30
Filing date: 1990-11-30
Publication date: 1992-07-24

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は二元冷凍装置における低温側冷凍サイクルの圧
縮機への油戻し方法、及び、低温側冷凍サイクル用圧縮
機に関する。

〔従来の技術〕

二元冷凍サイクルは特公昭６０−２０６６９号公報に記
載のように、高温側冷凍サイクルと低温側冷凍サイクル
から成る。第９図に示されている二元冷凍サイクルにお
いて、高温側冷凍サイクルは、高温側圧縮機１．凝縮器
２．高温側膨張弁３．高温側蒸発器（カスケード熱交換
器４の蒸発部）から構成され、冷温側冷凍サイクルは、
低温側圧縮機５、低温側凝縮器（カスケード熱交換器４
の凝縮部）、蒸発器７．油分離器８．膨張タンク９．リ
リーフ弁１０．キャピラリチューブ１１から構成されて
いる。カスケード熱交換器４では、高温側冷凍サイクル
の蒸発部と低温側冷凍サイクルの凝縮部の熱交換が行わ
れることにより、高温側冷凍サイクルと低温側冷凍サイ
クルが熱的に結合されている。なお、圧縮機には、従来
レシプロ式圧縮機が用いられている。このような二元冷
凍サイクルの低温側冷凍サイクルには、特公昭６０−２
０６６９号に記載のように冷媒としてフロンＲ１３（ｃ
ｃＱＦ、）が使用されている。Ｒ１３以外では、第１０
図に示されているようにＲ１３に近い飽和蒸気圧力特性
をもつフロンＲ２３（ＣＨＦ３）などが考えられる。こ
のＲ２３はＲ１３に比べ蒸発潜熱が大きいなど冷媒とし
ての利点がある。また、Ｒ２３にはＣＱが含まれていな
いために、これが交流圏へ放出されてもオゾン層を破壊
し地球環境に悪影響を及ぼす原因とならない。しかし、
Ｒ２３は周知のようにＣＱが含まれていないために親油
性の点でＲ１３より劣っている。また、第１表に示され
ているようにＲ２３はＲ１３に比べ比容積及び比熱比が
大きいなど冷媒として用いるうえで不利な点もある。こ
のため、従来二元冷凍サイクルの低温側冷凍サイクル用
冷媒としてＲ２３が用いられなかった。なお、低温用冷
凍サイクルで特に問題となる圧縮機から冷媒Ｒ１３とと
もに吐出される冷凍機油の圧縮機への戻り性をよ（する
ために、従来は特公昭６０−２０６６９号に記載のよう
に冷凍サイクルにおける蒸発圧力において気化すること
なく液状を保持する高い沸点のフロンＲ１１（ＣＣρ、
Ｆ）、Ｒ２１（ＣＨＣβ２Ｆ）などを冷凍機油と混合し
、低温側冷凍サイクルに封入するなどの手段がとられて
いる。また、特願昭５８−３７３４１号明細書に記載の
ように、高温側冷凍サイクルの圧縮機から吐出される高
温冷媒で、低温側冷凍サイクルの蒸発器から冷媒ととも
に流出する冷凍機油を加熱することによって、冷凍機油
の流動性を向上させて圧縮機への油戻りを行うようにし
ていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記のように、従来はＲ１３とほぼ同じ飽和蒸気圧力特
性を示し、蒸発潜熱が大きいなどの利点をもつＲ２３を
使用した二元冷凍装置はなかった。

これは、Ｒ２３を冷媒として用いた場合、Ｒ２３はＲ１
３より比熱比が大きいために吐出ガス温度が高くなるこ
と、また、比容積が大きいために圧縮機容量が大きくな
ること、さらには、冷凍機油との親油性が劣るためのサ
イクル低温部において冷凍機油の流動性が著しくわるく
なり圧縮機への油戻りが良好に行われないことなどの問
題点があり、これらの問題をカバーできる有効な技術が
考案されていないことなどが挙げられる。

本発明は、蒸発潜熱が大きくオゾン層破壊の原因となる
ＣＱを含んでいないというＲ２３の特徴をいかすために
吐出ガス温度制御が可能で、従来のレシプロ式圧縮機を
用いる場合よりも圧縮機容量を小さくでき、しかも、圧
縮機から冷媒とともに吐出される冷凍機油の圧縮機への
戻りが良好に行われるフロンＲ２３を二元冷凍装置の低
温側冷凍サイクル用冷媒として用いた二元冷凍装置を提
供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は二元冷凍装置の低温側冷凍サイクルにおいて、
圧縮機への油戻りを良好に行わせるために圧縮機吸入冷
媒を湿り状態に制御可能な手段を備えたものである。ま
た、この二元冷凍装置の低温側冷凍サイクル用圧縮機と
して、スクロール式圧縮機を用いたものである。さらに
、圧縮機内の油量検出のための油量検出器を備え、この
検出器の出力に応じて圧縮機吸入冷媒の状態を制御可能
としたものである。

〔作用〕

二元冷凍装置の低温側冷凍サイクル用圧縮機吸入冷媒を
湿り状態に制御すれば、蒸発器内や吸入配管などを流れ
る冷凍機油を液冷媒中に溶解させて流動させることが可
能となるので、蒸発器や吸入配管の低温部を液冷媒が蒸
発して冷媒がほとんど含まれていない状態の冷凍機油が
低温にさらされる場合よりも、冷凍機油の戻り性が向上
する。

たとえば、第１１図に示されている冷媒と冷凍機油の臨
界溶解特性かられかるように、冷媒質量分率Ｃｒ工の場
合、温度ｔ工のＡ点では冷媒と冷凍機油が完全に溶は合
う領域であるが、温度ｔ２のＢ点では殆んど全部が冷媒
である溶液と油含有割合の大きい溶液に二層分離する。

このように二層分離すると冷凍機油含有割合の大きい溶
液は、周知のように流動性がわるく、特に蒸発器や吸入
配管部に冷凍機油が溜り易くなる。しかし、温度がｔ工
でも冷媒質量分率をＣｒ２と大きくすると図中Ｃ点とな
り二層分離域外、すなわち、冷媒と冷凍機油は溶解しあ
うようになり冷凍機油の流動性が向上するため、圧縮機
への冷凍機油の戻りが良好となる。冷媒質量分率を大き
くすることは、冷媒かわき度を小さくすること、すなわ
ち、冷媒の湿リ度を大きくすることであり、圧縮機に吸
入される冷媒の湿り度を冷凍サイクル内を循環する冷凍
機油混合割合によって適宜設定すれば、温度が低くても
流動性の良好な状態で冷凍機油を圧縮機へ戻すことが可
能となる。また、上記のような圧縮機吸入冷媒を湿り制
御可能としたサイクルの圧縮機内温量又は油面を検出し
、その検出量に応じて膨張弁開度を制御すれば、圧縮機
吸入冷媒の湿り度を変えることができるので、圧縮機内
の冷凍機油を適正量に維持できる。

また、冷媒Ｒ２３を二元冷媒装置の低温側冷凍サイクル
用冷媒として用い、圧縮機吸入冷媒を湿り状態に制御可
能な二元冷凍装置において、低温側冷凍サイクル用圧縮
機としてスクロール式圧縮機を用いれば、スクロール式
圧縮機は、従来のレシプロ式圧縮機のような弁構造（吸
入弁や吐出弁）をもっていないために、圧縮室へ湿り状
態の冷媒が吸入されても液ハンマーによる弁破壊の問題
がない。さらに、スクロール式圧縮機は、運転中圧力レ
ベルの異なる複数の圧縮室が形成されるため、となり合
う圧縮室との圧力差が小さくなり圧縮室間での冷媒もれ
損失が小さいなどの理由により、体積効率が高い。しか
も、第１２図に示されているスクロール式圧縮機とレシ
プロ式圧縮機の体積効率の相対比較結果かられかるよう
に、スクロール式圧縮機は圧力比（吐出圧力／吸入圧力
）が大きくなってもあまり体積効率は低下しない。この
ため、第１表に示されているように、Ｒ１３より分子量
が小さく比容積の大きいＲ２３を二元冷凍装置の低温側
冷凍サイクル用冷媒として用いても。

低温側冷凍サイクル用圧縮機としてスクロール式圧縮機
を用いれば、従来のレシプロ式圧縮機を用いる場合のよ
うに圧縮機容量を大きくしなくてすむ。

第　　１　　表また、スクロール式圧縮機では、上記のように運転中に
は圧力レベルの異なる複数の圧縮室が形成されるが、こ
れらの圧縮室のうちサイクルの高圧と低圧の中間圧力と
なる圧縮室へ、カスケード熱交換器と低温側膨張弁間の
高圧液冷媒ラインから分岐して液冷媒をインジェクショ
ンすることが容易に行えるため、吐出ガス温度上昇の防
止が可能となる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例について説明する。

第１図の示されている例は、冷媒としてＲ２３を用いた
二元冷凍サイクルの低温側冷凍サイクル用圧縮機吸入冷
媒を湿り状態に制御可能とした二元冷凍装置の一例であ
る。高温側冷凍サイクルは、従来と同様に高温側圧縮機
１．凝縮器２．高温側膨張弁３．高温側蒸発器（カスケ
ード熱交換器４の蒸発部）から構成されている。一方、
低温側冷凍サイクルは、低温側圧縮機５．低温側凝縮器
（カスケード熱交換器４の凝縮部）、低温側膨張弁１２
．低温側膨張弁制御器工１４．蒸発器７゜湿り度検出器
１３．油分離器８などから構成されてこの二元冷凍サイ
クルが運転されると、高温側冷凍サイクルでは、高温側
圧縮機１から吐出される高温高圧の冷媒蒸気は凝縮器２
へ流入し、ここで空気などによって冷却され凝縮液化す
る。次に、この液冷媒は高温側膨張弁３により減圧され
、カスケード熱交換器４へ流入し、ここで、低温側圧縮
機５から吐出されてくる高温高圧の冷媒を冷却し自らは
蒸発し、その後、再度、高温側圧縮機１へ吸入される。

低温側冷凍サイクルは、低温側圧縮機５から吐出される
高温高圧の冷媒は、カスケ−ド熱交換器４で冷却される
ことによって、凝縮液化する。次に、この液冷媒は低温
側膨張弁１２により減圧されて蒸発器７へ流入する。こ
こで被冷却物を冷却した後、湿り度検出器１３を通り、
再度、低温側圧縮機５へ吸入される。湿り度検出器１３
は、そこを通る冷媒、すなわち、圧縮機吸入冷媒の湿り
度に応じた信号を出力する。低温側膨張弁制御器１１４
は、湿り度検出器１３からの出力信号をとり込みあらか
じめ設定されている湿り度となるように低温側膨張弁１
２開度が調節されるように動作する。本実施例によれば
、圧縮機吸入冷媒を湿り状態となるように調節できるた
め、前述したように、低温サイクルでも冷凍機油の流動
性が向上される。すなわち、低温側圧縮機５への冷凍機
油の戻り性が向上する結果、二元冷凍装置の低温側冷凍
サイクル用圧縮機の潤滑不良が防止できる。

なお、以下の実施例では、第１図の実施例と同じ構成、
動作の部分については、その説明は省略する。

第２図の実施例は、第１図に示されている二元冷凍装置
の低温側冷凍サイクル用圧縮機としてスクロール式圧縮
機１６を用い、低温側冷凍サイクル高圧液ラインからス
クロール式圧縮機の吐出圧力と吸入圧力の中間圧力とな
る圧縮室へ液インジェクションするための回路２０を液
インジェクション流量調整弁１８を介して設けたもので
ある。

なお、液インジェクション量調整弁１８開度を制御する
ために、吐出ガス温度検出器１７．液インジェクション
量調整弁制御器１９が備えられている。このように、低
温側冷凍サイクル用圧縮機としてスクロール式圧縮機１
６を用いれば、冷媒が分子量の小さいＲ２３でも冷媒も
れ損失が小さく、しかも、従来のレシプロ式圧縮機のよ
うな吸入弁。

吐出弁などの弁構造をもっていないため、吸入冷媒を湿
り状態にしても液ハンマー等による弁破壊等の問題を生
じない。さらに、吐出ガス温度検出器１７により検出さ
れる温度が一定となるように液インジェクション量調整
弁１８の開度を調節することにより吐出ガス温度の上昇
を防止できる。

次に第３図の実施例について説明する。本実施例の低温
冷凍サイクル用圧縮機にはスクロール式圧縮機１６が用
いられており、このスクロール圧縮機１６の吐出圧力と
吸入圧力の中間圧力となる圧縮室から、低温側膨張弁１
２と蒸発器７が接続されている低圧の配管へキャピラリ
チューブ２１を介して配管２２が接続され、さらにこの
配管２２を流れる中間圧力冷媒の温度及び圧力検出用の
温度検出器２３と圧力検出器２４が備えられ、これら検
出器２３．２４の出力信号をとり込み低温側膨張弁１２
開度を制御するための低温側膨張弁制御器２５が備えら
れている。

この二元冷凍サイクルが運転されると低温側冷凍サイク
ルでは、温度検出器２３及び圧力検出器２４が設置され
ている冷媒配管２２中には、スクロール式圧縮機１６の
中間圧力の圧縮室から冷媒蒸気が流れるために、そこの
温度及び圧力を検出すれば、低温側膨張弁制御器２５で
検出された圧力における飽和温度を算出し、検出された
温度との差すなわち中間圧力冷媒の過熱度が求められる
ので、この値があらかじめ設定される冷媒過熱度となる
ように低温側膨張弁１２の開度が制御される。すなわち
、第４図に示されているように中間圧冷媒過熱度ＳＨの
場合、吸入冷媒の乾き度はＸとなる。中間圧力の設定及
び中間圧力冷媒過熱度の設定を適宜行えば、吸入冷媒の
湿り状態を変えることができる。冷媒配管２２を流れる
冷媒は、キャピラリチューブ２１で減圧された後、蒸発
器７へ流入する冷媒と合流される。したがって、本実施
例によれば、スクロール式圧縮機１６の吸入冷媒を湿り
状態に制御できるので、スクロール式圧縮機１６から冷
媒とともに吐出される冷凍機油は、低温用冷凍サイクル
で比較的低温となる蒸発器７及び吸入配管１５でも冷凍
機油の流動性が増しスクロール式圧縮機１６への冷凍機
油の戻りが良好となる。このため、スクロール式圧縮機
内の冷凍機油は無くなることがないので、吸入冷媒が過
熱蒸気の状態で運転された場合よりもスクロール式圧縮
機１６の信頼性が向上する。吸入配管の圧力損失も低減
される。また、スクロール式圧縮機１６の吸入冷媒状態
を、冷媒吸入部に近い中間圧力となる圧縮室の冷媒状態
を検出して制御するため、吐出ガス冷媒状態を検出して
制御する場合よりも応答性が向上する。

なお、低温側膨張弁の制御方法は、スクロール式圧縮機
を用いた単元冷凍サイクルにも適用できる。

第５図、第６図、第７図の実施例は、第４図で説明した
ように、スクロール圧縮機１６の中間圧力冷媒過熱度を
検出して低温側膨張弁１２開度を調節し、圧縮機吸入冷
媒を湿り状態にも制御可能としたもので、第５図は中間
圧力冷媒を吸入配管１５へ戻した例、第６図は中間圧力
冷媒をカスケード熱交換器４の高圧側から流出する冷媒
で冷却するための熱交換器２６を通した後、キャピラリ
チューブ２１で減圧し蒸発器７人口側の配管へ戻すよう
にした例、第７図は中間圧力冷媒を高温側冷凍サイクル
のカスケード熱交換器４へ流入する冷媒で冷却するため
の熱交換器２７を通した後、キャピラリチューブ２１で
減圧し蒸発器７人口側の配管へ戻すようにした例である
。第３図、第６図、第７図の例のように中間圧力冷媒を
蒸発器入口側の配管へ戻せば、その冷媒は蒸発器７で冷
却のために有効に使われる。なお、第６図、第７図に示
されている例では、中間圧力冷媒がそ九ぞれ熱交換器２
６．熱交換器２７で冷却された後減圧されて蒸発器７人
口側の配管へ戻されているが、低温側冷凍サイクルの低
圧部及び中間圧力より低い圧力となる箇所のどこへ戻し
ても中間圧力冷媒過熱度制御は可能である。

また、第３図、第５図、第６図、第７図の例では、中間
圧力冷媒の状態は、中間圧力室から配管２２へ冷媒を流
してこの冷媒の圧力及び温度を検出して求めたが、温度
検出器はスクロール式圧縮機内の中間圧力となる圧縮室
近傍に設置してもよい。また、圧力は、圧力検出器と中
間圧力となる圧縮室が連通ずるようにして求めてもよい
。

第８図の例は、第１図に示されている二元冷凍装置の低
温側冷凍サイクル用圧縮機５に油面検知器２８を備え、
さらに、油面検知器２８と湿り度検出器１３の出力信号
により低温側膨張弁１２開度を制御するための低温側膨
張弁制御器２９を備えた構成となっている。一般に、圧
縮機５から吐出されサイクル内を循環する冷凍機油の冷
媒への溶解特性は、サイクル内を流れる冷媒中の冷凍機
油の混合割合によって異なる。このため、冷凍機油の混
合割合が大きくても小さくても湿り度を一定に設定すれ
ば、冷凍機油の混合割合が異なった場合、吸入配管１５
での冷凍機油の流動性が異なり、圧縮機５への冷凍機油
の戻り状況が変わる。

従って、圧縮機内の油量も変わってくる。本実施例によ
れば、圧縮機内の油面レベルに応じて圧縮機吸入冷媒の
設定湿り度を変えれば、より安定して圧縮機５への冷凍
機油戻りが可能となり、圧縮機信頼性もさらに向上する
。このように圧縮機内油量を検出して、その油量に応じ
て圧縮機吸入冷媒の湿り度を制御する方法は、例えば、
油面レベルによって中間圧力冷媒の設定過熱度を変更す
るなど、第３図、第５図、第６図、第７図の実施例にも
適用できる。

第２表は、冷媒Ｒ２３と各種冷凍機油と溶解特性、吸湿
性についての相性および冷媒機油の価格とを比較して示
したものである。

第　　２　　表従来のＲ１２，Ｒ２２等の冷媒に広く用いられている鉱
油は、溶解特性が不良であり、冷媒Ｒ２３用として適し
ない。

また、フッ素化油も同様の理由で適当でない。

また、合成油のうち、ポリエーテル系油は、溶解性に優
れているが、吸湿性が高く、冷凍サイクル構成部品の鉄
部品に、さびを生じさせ、信頼性を低下させるので、冷
媒Ｒ２３用冷凍機油として。

好ましくない。

合成油のエステル系油は、溶解特性、吸湿性および価格
の点で、冷媒Ｒ２３に適した冷凍機油と考えられる。こ
の冷凍機油を用いれば、溶解特性が良好なため前述の実
施例の第１図、第２図、第３図、第５図、第６図、第７
図、第８図に示した様な湿り度制御を行わなくても、良
好な油戻りが期待できる。前述の実施例を並用すれば、
さらに良好な油戻り特性が得られる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、低温側冷凍サイクルの圧縮機吸入冷媒
を湿り状態に制御できるので、圧縮機から冷媒とともに
吐出される冷凍機油の蒸発器や吸入配管などの低温部で
の流動性が向上するため圧縮機への油戻りが良好となる
。この結果、圧縮機内の油不足（潤滑不足）による圧縮
機焼損などが防止できる。吸入配管などの圧力損失も低
減される。なお、スクロール圧縮機の中間圧力となる圧
縮室の設定冷媒過熱度を適宜決定すれば、吸入冷媒の湿
り度を変えることができる。さらに圧縮機内冷凍機油量
を検出して、圧縮機内油が不足状態にならないように、
スクロール式圧縮機の中間圧力冷媒の設定過熱度を適宜
変えることにより、スクロール式圧縮機吸入冷媒の状態
を変えることができるため、圧縮機の信頼性がさらに向
上する。

また、低温側冷凍サイクル用圧縮機としてスクロール式
圧縮機を用いれば、冷媒としてフロンＲ１３より分子量
が小さく、比容積、比熱比の大きいフロン２３を用いて
も、従来のレシプロ式などの圧縮機を用いる場合に比べ
、容易にしかも効果的に吐出ガス温度上昇を防止でき、
さらに圧縮機容量を大きくしなくてすむ。さらにまた、
スクロール圧縮機は弁構造（吸入弁、吐出弁）を有して
いないために吸入冷媒を湿り状態とする運転を容易に可
能とした。

このように、二元冷凍装置の低温側冷凍サイクルにおい
て、低温側冷凍サイクルの吸入冷媒を湿り状態に制御可
能としたこと、及び、低温側冷凍サイクル用圧縮機とし
てスクロール式圧縮機を用いることなどにより、フロン
Ｒ２３を低温側冷凍サイクル用冷媒として用いることが
可能となり、フロンＲ２３の利点、即ち、蒸発潜熱が大
きいこと、あるいは、大気中へ放出されるとオゾン層破
壊の原因となるＣＱを含んでいないなどの特徴をいかし
た二元冷凍装置が可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は本発明の異なる実施例の二元冷凍サイ
クルの系統図、第３図はモリエル線図、第４図から第８
図は他の異なる実施例の二元冷凍サイクルの系統図、第
９図は、従来の二元冷凍サイクル系統図、第１０図はＲ
１３とＲ２３の飽和蒸気圧特性、第１１図は冷媒と冷凍
機油の臨界溶解曲線図、第１２図はスクロール式圧縮機
とレシプロ式圧縮機の体積効率の相対比較説明図である
。１・・・高温側圧縮機、２・・・凝縮器、３・・・高温
側膨張弁、４・・・カスケード熱交換器、５・・・低温
側圧縮機、７・・・蒸発器、８・・・油分離器、１２・
・・低温側膨張弁、１３・・・湿り度検出器、１４・・
・低温側膨張弁制御器■、１５・・・吸入配管、１６・
・・スクロール式圧縮機。 ′８３図第４−口Ｌレヲルこ。第６図第７　図第８図３／２ぽ昌〜　／ｌ　　　（・こ）

Claims

【特許請求の範囲】

１、高温側冷凍サイクルの蒸発部と低温側冷凍サイクル
の凝縮部が熱交換するためのカスケード熱交換器で前記
高温側冷凍サイクルと低温側冷凍サイクルが結合される
二元冷凍装置において、前記二元冷凍装置の低温側冷凍
サイクル用冷媒としてフロンＲ２３を用い、前記低温側
冷凍サイクル用の圧縮機吸込冷媒を湿り状態に制御可能
としたことを特徴とする二元冷凍装置。