JPH07324827A - 液面利用過熱防止式冷凍装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡単な構造で圧縮機における過熱を防止す
る。 【構成】 冷媒回路を形成する圧縮機１、凝縮器２、中
間ノズル３１を備えた受液器３、膨張機構４、蒸発器
５、中間ノズル３１と圧縮機１とを結合するインジェク
ション配管６を有する。蒸発器の曝される高熱源条件が
変動するときに受液器内で冷媒液が高低レベルを形成す
るような冷媒量を冷凍回路内に封入し、高低レベルの間
に中間ノズルを配設する。 【効果】 蒸発器が高温の高熱源で加熱されると、冷媒
液が早く蒸発して内部に液冷媒が少なくなると共に出口
ガスの過熱度が大きくなるが、受液器のレベルが上が
り、液冷媒が圧縮機に送られ、吸い込み過熱度を下げ
る。特別な制御部品等を設けなくても、常に圧縮機を適
正に運転できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、凝縮液冷媒の一部を、
絞り機構を介して圧縮機吸込配管又は圧縮機中間インジ
ェクションポートに導入して圧縮機の過熱を防止する形
式の冷凍装置に関し、例えば高温高湿環境から低温低湿
環境まで温湿度条件が大きく変化したり大きな発熱負荷
の有無のあるような環境試験装置等に好都合に利用され
る。

【０００２】

【従来の技術】環境試験装置等の冷凍装置では、従来、
圧縮機の過熱抑制のために図６に示すような冷凍回路が
一般的に採用されていた。この冷凍回路では、凝縮器２
から出た冷媒液を弁８及び膨張機構７で構成されるイン
ジェクション回路６´を設けると共に、図示のように圧
縮機１の吸入管、内部、吐出管もしくは恒温槽１００内
に温度センサ９を設けるか又は恒温槽の設定温度を用い
て弁８を開閉し、圧縮機冷却用の冷媒の供給又は停止を
制御することにより、圧縮機の過熱を防止するようにし
ていた。

【０００３】しかしながら、上記のような装置では、弁
８をオン／オフさせるためのセンサ等の制御用部品や制
御回路が必要になり、装置が複雑化しコスト高になると
いう問題があった。又、インジェクション冷媒のオンも
しくはオフという両極端な制御状態しか得られないの
で、冷凍能力が大幅に変動するという問題もあった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は従来技術に於
ける上記問題を解決し、低コストで簡単な構造により、
冷凍能力を大幅に変動させることなく、圧縮機における
過熱を防止することができる冷凍装置を提供することを
課題とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために、冷凍装置は、冷凍回路内に入れられた冷媒
と、前記冷凍回路を形成する圧縮機、凝縮器、中間出口
を備えた受液器、膨張機構、蒸発器及び前記中間出口と
前記蒸発器から前記圧縮機に至る配管又は前記圧縮機と
を結合するインジェクション配管とを有し、前記冷媒の
前記冷凍回路内に存在する量は、前記蒸発器内において
前記冷媒の液相状態が少ないときには前記受液器の液相
レベルを高位置にし多いときには低位置にする量であ
り、前記中間出口は、前記低位置と前記高位置との間に
位置する、ことを特徴とする。

【０００６】

【作用】環境試験装置等の冷凍装置の蒸発器は、例えば
温湿度が大幅に変化する恒温槽内に配設される。又、冷
凍装置が他の機械装置等に装備される場合でも、蒸発器
の曝される高熱源環境は、その機械装置等の使用状態に
より大きく変化する場合が多い。一方、冷凍回路が中間
インジェクションを備える場合には、蒸発器の出口の過
熱度がある程度変化してもよいので、膨張機構を例えば
キャピラリーチューブのような簡単な構造のものにして
もよい。このような膨張機構を用いると、蒸発器内に供
給される冷媒量は余り大きく変化しない。このような装
置において高熱源環境が変動すると、高熱源温度と蒸発
器内を流れる冷媒液の飽和温度との温度差が変ってくる
ので、冷媒液の蒸発状態が変化し蒸発器の内容積を占め
る液相の冷媒の割合及び蒸発器出口の冷媒ガスの過熱度
が変化する。

【０００７】例えば、恒温槽で槽内を高温環境にすると
きには、蒸発器と接触する循環空気が高温であるため、
冷媒液の飽和温度との間に大きな温度差を生じ、冷媒液
の蒸発が活発になって蒸発器の伝熱面積に余裕が生じ、
冷媒液が流れ方向の上流部分で蒸発してしまい、下流部
分では冷媒ガスのみが存在することになる。その結果、
蒸発器内では液相の冷媒量が少なくなると共に、蒸発器
出口の過熱度が高くなる。一方、槽内を低温環境にする
ときには、上記温度差が小さくなり、蒸発が低調になる
ため蒸発器の伝熱面積の全体が使用され、冷媒液が全て
蒸発するのは蒸発器の出口近くである。従って、蒸発器
内に冷媒液が多く存在すると共に、出口の冷媒ガスの過
熱度は小さくなる。

【０００８】冷凍回路では封入された一定量の冷媒が循
環するが、液相の冷媒は、主として、凝縮器、凝縮され
た冷媒液が導入される受液器及び蒸発器内に存在する。
従って、冷凍回路内に一定量の冷媒が封入されると、上
記の如く、蒸発器内の冷媒液の量が変化することによ
り、受液器と凝縮器とに存在する冷媒液の合計量が変化
する。この場合、ドレントラップ等が設けられ凝縮器内
の液面が一定位置に維持されるような冷凍回路では、蒸
発器内の冷媒液量の変化がそのまま受液器内の冷媒液量
の変化となって現れ、受液器の液面が変化する。又、凝
縮器の液面を維持する装置が設けられていない回路で
は、蒸発器内の冷媒液量の変化により凝縮器内の液面が
変化するが、その変化が受液器内の液面を変化させる。
即ち、何れの場合にも、蒸発器内の冷媒量の変化により
受液器内の液面が変化することになる。このような作用
の生ずる冷凍回路において、回路内に存在する冷媒量
を、蒸発器内に液相冷媒が多いときには受液器の液相レ
ベルを低位置にし少ないときには高位置にするような量
にする。そして、インジェクション用の中間出口を、前
記低位置と高位置との間にする。その結果、蒸発器出口
の過熱度の高いときには、中間出口が液面下になり、イ
ンジェクション回路には潜熱を保有し冷却効果の大きい
液相の冷媒が供給され、圧縮機における過熱即ち圧縮機
自体、潤滑油、吐出ガス等の過熱が防止される。一方、
蒸発器出口の過熱度の低いときには、中間出口が液面上
になり、インジェクション回路には冷却効果の少ない気
相の冷媒が供給される。しかしこのときには、蒸発器出
口冷媒の過熱度が小さいので、圧縮機における過熱の問
題は生じない。従って、高熱源負荷に大きな変動が生ず
る場合にも、常に圧縮機が適正に運転され、冷凍装置が
それに耐えるものとなる。

【０００９】以上のような作用は、特に制御機構を設け
なくても、冷凍装置の使用状態によって必然的に行われ
るので、きわめて簡単な構造で圧縮機の適正運転を確保
することができる。又、受液器には上部から液冷媒が噴
射されるためその液面が激しく波打った状態になってい
るので、受液器内の液面が中間出口より下になっている
ときでも中間出口からは気液混合冷媒が流れ、受液器内
の冷媒量が増加して液面が上がれば中間出口から流れる
冷媒の湿り度が大きくなり、液面が中間出口より高い一
定のレベル以上になれば中間出口からは１００％の冷媒
液が流出するという現象が生じる。そのため、負荷変動
等があっても中間出口からインジェクション回路に流出
する冷媒量が急変しないので、オン／オフ弁を設ける従
来の方式に較べて、メインラインに対するインジェクシ
ョンラインの影響が緩和され、冷凍装置の能力変動が抑
制される。

【００１０】

【実施例】図１は実施例の冷凍装置の概略構成を示す。
冷凍装置は、冷媒回路を形成する圧縮機１、凝縮器２、
中間出口である中間ノズル３１を備えた受液器３、膨張
機構４、蒸発器５、中間ノズル３１と圧縮機吸込配管と
を結合するインジェクション配管６を有する。インジェ
クション配管６には、膨張機構７が設けられている。

【００１１】圧縮機１は、低圧の冷媒ガスを圧縮して高
温・高圧の冷媒ガスにする。その形式は、容積式又は遠
心式の何れであってもよい。凝縮器２は、例えば空冷式
のフィンコイルタイプのものであるが、水冷式のシェル
アンドチューブタイプその他の形式のものであってもよ
い。蒸発器５は、本実施例では、恒温槽１００の空調室
内に設けられ、図示しない送風機で槽内と空調室との間
を循環される空気によって加熱される。蒸発器５は、例
えば空冷式のフィンコイルタイプのものであるが、その
他の形式のものでもよいことは凝縮器と同様である。膨
張機構４及び７としては、例えばキャピラリチューブが
用いられる。

【００１２】図２は受液器３の構造例を示す。受液器３
には、中間部分、上部及び底部に、それぞれ圧縮機吸込
配管、凝縮器２及び蒸発器５と結合された中間ノズル３
１、入口ノズル３２及び出口ノズル３３が導入されてい
る。冷媒液は凝縮器２から入口ノズル３２を介して受液
器３内に噴射される。

【００１３】図３は、受液器３内における冷媒液の液面
位置を示す。このような液面は次のようにして形成され
る。冷媒は、図１に示すような閉鎖された冷凍回路内に
一定量封入されるが、回路中のそれぞれの位置で、その
温度及び圧力の如何によって液相又は気相の状態で存在
する。圧縮機１及びこれから凝縮器２までの配管系は冷
媒ガスで占められている。凝縮器２では、冷媒ガスが冷
却され、通過するに従って冷媒液の占める容積が多くな
り、出口では全て冷媒液になる。この冷媒液は受液器３
に流れ落ちてその中に溜る。受液器３内は、液及びその
飽和蒸気で占められている。受液器３から蒸発器５に
は、図２に示す如く出口ノズル３３が受液器３の底部ま
で導入されているので、冷媒液が送り出される。従っ
て、受液器３から膨張機構５までの配管系は、ほぼ冷媒
液で占められる。冷媒液は、膨張機構４で減圧され膨張
すると、一部分が気化して蒸発器５に導入される。

【００１４】恒温槽を高温条件にするときには、蒸発器
５には高温の循環空気が接触する。その結果、高熱源温
度と冷媒液の飽和温度との間に大きな温度差が生じ、流
入した冷媒液は蒸発器５の上流側でほとんど蒸発し、蒸
発器５内の冷媒液量が少なくなると共に、出口では大き
な過熱度の冷媒ガスとなる。一方、恒温槽が低温条件の
ときには、蒸発器５内の冷媒液量が多くなり、又、出口
の冷媒ガスの過熱度は小さくなる。

【００１５】冷凍回路における液相の冷媒は、以上のよ
うな各部に存在するが、その殆どは、凝縮器２、受液器
３及び蒸発器５内に存在する。従って、凝縮器２の液面
が一定位置に維持されるような冷凍回路では、蒸発器５
内の冷媒液量の変化がそのまま受液器３内の冷媒液量の
変化、従って液面の変化となる。又、図４に示すように
凝縮器２（例えばフィン付きプレート型）の液面が自由
に変動し得る構成になっていても、蒸発器内の冷媒液量
の変化に対応して受液器３内の液面が変化する。即ち、
両液面がバランスした状態から例えば蒸発器内の冷媒量
が少なくなったときには、凝縮器２の液面が上昇して過
冷却ゾーンが多くなり、過冷度が大きくなって凝縮器２
と受液器３との間の圧力バランスがくずれ、凝縮器２内
の冷媒液が受液器３に移動し、凝縮器２内の液面が下が
って受液器３内の液面が上がり、適当な位置で再び圧力
バランスを保つことになる。

【００１６】このような冷凍回路内に封入される冷媒量
は、図３に示す如く、蒸発器内において冷媒の液相状態
が多いときには受液器の液相レベルを低位置Ｌ₁ にし、
少ないときには高位置Ｌ₂ にするような量になってい
る。そして、インジェクション用の中間ノズル３１の位
置は、高低レベルＬ₁ 、Ｌ₂ の間になっている。

【００１７】冷凍回路を以上のように構成することによ
り、恒温槽が高温で圧縮機に導入される冷媒ガスの過熱
度が高いときには、図３（ａ）に示す如く、中間ノズル
３１が液面下になり、主として冷媒液が圧縮機の吸い込
み側に供給され、吸い込み過熱度を低下させ、圧縮機各
部や吐出ガス温度等を適正範囲内の温度に維持する。一
方、恒温槽が低温で圧縮機に導入される冷媒の過熱度が
低いときには、図３ｂに示す如く、中間ノズル３１が液
面上に出て、圧縮機吸い込み側には主として冷媒ガスが
供給される。この場合には、インジェクションによる冷
却効果は少ないが、蒸発器からの冷媒ガスの過熱度が低
いので、同様に圧縮機は適正に運転される。なお、この
ようにインジェクション回路を圧縮機の吸い込み側に結
合するときには、中間ノズル３１の位置やインジェクシ
ョン冷媒量は、蒸発器からの冷媒ガスの過熱度を低下さ
せるが、圧縮機吸込では液相の冷媒が残留しないように
決定される。

【００１８】以上のような冷凍装置において、冷媒量や
過熱度等を概略計算した結果の一例を示す。恒温槽に用
いる容量０．３冷凍トンの冷凍装置において、回路中に
冷媒を約１１００ｇ封入すると、恒温槽を高温の９５°
Ｃ及び低温の−４０°Ｃにしたときには、それぞれ、蒸
発器５内の冷媒量は約４０ｇ及び７００ｇ、出口の過熱
度は約１３０°Ｃ及び５°Ｃ、受液器の高低レベルＬ₁
及びＬ₂ は約４０ｍｍ及び１１０ｍｍ、高レベル時の冷
媒液及び冷媒ガスのインジェクション量は１７０kcal/h
及び５kcal/h、そしてインジェクション効果による圧縮
機入口の過熱度は約７０°Ｃ及び３５°Ｃとなった。こ
の場合、中間ノズルは高低レベルのほぼ中央に設定し
た。恒温槽の高温／低温何れの使用状態でも、圧縮吸い
込み過熱度は適当な値になった。又、このような両極端
な負荷条件においてインジェクションされる冷媒が殆ど
ガスである場合にも、ある程度の熱量（液１００％の場
合の約３％）が流れるので、実施例のような冷凍装置に
よれば、通常の負荷変動時には中間インジェクションの
冷凍能力への影響は十分緩和されることになる。

【００１９】図５は他の実施例を示す。このような中間
インジェクションポート付の圧縮機を持つ冷凍回路に対
しても、本発明を適用することができる。

【００２０】

【発明の効果】以上の如く本発明によれば、蒸発器内の
液相冷媒の量によって受液器内に高低レベルが形成され
るように回路内に冷媒を入れ、高低レベルの間にインジ
ェクション用の中間出口を位置させるので、特別な制御
部品や制御回路等を設けることなく、低コストで簡単な
構造により、高熱源条件が変動しても常に圧縮機におけ
る過熱を防止し、冷凍装置の適正な運転を確保すること
ができる。又、インジェクション配管中に冷媒の流れを
オン／オフさせる弁等を設ける必要がないので、インジ
ェクション配管中に常に冷媒を流すことができ、冷凍能
力の大幅な変動を緩和することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の冷凍装置の全体構成を示す説明図であ
る。

【図２】上記装置の受液器の構造を示す断面図である。

【図３】（ａ）及び（ｂ）は上記受液器の液面位置を示
す断面図である。

【図４】凝縮器と受液器との配置、配管例を示す説明図
である。

【図５】他の実施例の冷凍装置の全体構成を示す説明図
である。

【図６】従来の冷凍装置の全体構成の一例を示す説明図
である。

【符号の説明】

１ 圧縮機 ２ 凝縮器 ３ 受液器 ４ 膨張機構 ５ 蒸発器 ６ インジェクション配管 ３１ 中間ノズル（中間出口）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷凍回路内に入れられた冷媒と、前記冷
   凍回路を形成する圧縮機、凝縮器、中間出口を備えた受
   液器、膨張機構、蒸発器及び前記中間出口と前記蒸発器
   から前記圧縮機に至る配管又は前記圧縮機とを結合する
   インジェクション配管とを有し、前記冷媒の前記冷凍回
   路内に存在する量は、前記蒸発器内において前記冷媒の
   液相状態が少ないときには前記受液器の液相レベルを高
   位置にし多いときには低位置にする量であり、前記中間
   出口は、前記低位置と前記高位置との間に位置する、こ
   とを特徴とする冷凍装置。