冷凍システム内でコンプレッサーは何をするのですか?

コンプレッサーはあらゆる冷凍システムの心臓部です。その主な仕事は、 低圧の冷媒蒸気を圧縮して高圧、高温の蒸気にする に流れます。 凝縮ユニット 熱が周囲の環境に放出される場所。コンプレッサーが機能しないと、冷却サイクル全体が停止し、冷却も熱伝達も温度制御もできなくなります。

実際には、コンプレッサーはシステム内で冷媒を循環させるポンプとして機能します。蒸発器から戻ってくる低圧蒸気を取り込み、その圧力と温度を大幅に上昇させ、凝縮ユニット内の凝縮器コイルに向かって押し出します。この圧力差によって冷媒の移動が促進され、熱力学サイクル全体が継続的に機能することが可能になります。

コンプレッサーが全冷凍サイクルにどのように適合するか

冷凍は、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器という 4 つの主要なコンポーネントを含む蒸気圧縮サイクルで動作します。それぞれが異なる役割を果たしますが、コンプレッサーは他のすべてが依存する圧力差を生成することによってサイクルを開始し、維持します。

サイクルの流れは次のとおりです。

1. 冷媒は低圧液体として蒸発器に入り、冷却空間から熱を吸収して蒸発して蒸気になります。
2. この低圧蒸気はコンプレッサーに移動し、そこで圧縮され、圧力と温度の両方が劇的に上昇します。
3. 高圧の高温蒸気は凝縮ユニットに入り、そこで凝縮器コイルとファンが熱を外気に排出し、冷媒を凝縮させて液体に戻します。
4. 高圧の液体は膨張弁を通過し、圧力と温度が低下してから再び蒸発器に入ります。

コンプレッサーは、このループ内で冷媒にエネルギーを追加する唯一のコンポーネントです。他のすべての段階では、熱を受動的に伝達するか、圧力機構を使用します。そのため、コンプレッサーの効率がシステム全体のエネルギー消費量を直接決定します。

コンプレッサーが実際に冷媒に与える影響

冷媒蒸気が吸入圧力でコンプレッサーに入るとき、通常は 10 PSI と 70 PSI 冷媒の種類と用途に応じて、コンプレッサーはその蒸気の体積を機械的に減らします。気体の法則によれば、質量を一定に保ちながら体積を減らすと圧力が上昇します。コンプレッサーは吐出圧力をどこからでも上昇させます。 100 PSI ～ 400 PSI 以上 高温用途で。

圧力とともに温度も急激に上昇します。おそらく 20°F (-7°C) でコンプレッサーに入る冷媒蒸気は、150°F (65°C) 以上の吐出温度で出る可能性があります。この高温の加圧蒸気は、まさに凝縮ユニットが熱を周囲の空気に効果的に放出するために必要なものです。

このため、コンプレッサーと凝縮ユニットの関係は切り離せないものになります。凝縮ユニット (コンプレッサー、凝縮器コイル、凝縮器ファン、および関連する制御装置を収容) は、凝縮が効率的に起こるように適切な圧力と温度で冷媒を供給するためにコンプレッサーに依存しています。

冷凍システムで使用されるコンプレッサーの種類

すべてのコンプレッサーが同じように動作するわけではありません。凝縮ユニットに使用されるタイプは、性能、騒音レベル、メンテナンス要件、およびアプリケーションの適合性に大きな影響を与えます。

レシプロコンプレッサー

これらは、クランクシャフトによって駆動されるピストンを使用して冷媒を圧縮します。汎用性が高く、幅広い圧力と冷媒に対応します。からの商用冷凍凝縮ユニットで一般的です。 1HP～15HP 、レシプロコンプレッサーは耐久性がありますが、騒音が発生する可能性があり、定期的なバルブのメンテナンスが必要です。

スクロールコンプレッサー

スクロールコンプレッサーは、2 つの連動する螺旋状のスクロールを使用して冷媒を圧縮します。 1 つのスクロールが静止している間、もう 1 つのスクロールは回転し、ガスの体積が徐々に減少します。レシプロタイプよりも静かで効率が良く、可動部品が少なくなります。最新の住宅用および軽商業用の凝縮ユニットのほとんどはスクロール コンプレッサーを使用しています。スクロールベースのシステムの効率評価 (EER) は、多くの場合、 10 ～ 15% 高い 同等のレシプロモデルよりも優れています。

ロータリーコンプレッサー

ロータリーコンプレッサーは、シリンダー内の回転ピストンを使用して冷媒を圧縮します。コンパクトで軽量で、小型の冷凍装置やウィンドウエアコンによく使われています。シンプルな設計により低振動で静かな動作を実現しますが、以下のような小容量のアプリケーションに最適です。 2馬力 .

スクリューコンプレッサー

スクリューコンプレッサーは、ツインヘリカルローターを使用して冷媒を連続的に圧縮します。これらは、通常は次のような大規模な商業および産業用冷凍アプリケーション向けに設計されています。 20馬力～数百馬力 。冷蔵倉庫、食品加工工場、産業用冷凍機で使用される大型の凝縮ユニットに搭載されているスクリュー コンプレッサーは、一貫したパフォーマンスを提供し、容量を簡単に調整できます。

遠心圧縮機

非常に大規模な冷凍機システムで使用される遠心圧縮機は、高速回転するインペラを利用して冷媒蒸気を加速し、速度を圧力に変換します。これらは高負荷時に最も効率が高く、通常は次の負荷を超えるシステムで使用されます。 200トンの冷却能力 .

凝縮ユニット内でのコンプレッサーの役割

凝縮ユニットは、通常、コンプレッサー、凝縮器コイル、凝縮器ファン モーター、ファン ブレード、冷媒ライン、電気制御装置、および保護キャビネットを含む内蔵アセンブリです。コンプレッサーはこのユニットの内部 (通常はベース) に取り付けられており、最も多くの電気エネルギーを消費するコンポーネントです。

標準の空冷式凝縮ユニットでは、コンプレッサーが冷媒を加圧して凝縮器コイルに直接送ります。凝縮器コイルは、凝縮器ファンが周囲の空気を吸引または押し出すことができるように配置されています。凝縮器コイルでの熱除去効率は、正しい吐出圧力で冷媒を供給するコンプレッサーに直接依存します。

バルブプレートの磨耗、冷媒漏れ、電気的故障などによりコンプレッサーの性能が低下すると、凝縮ユニット全体が熱を適切に遮断する能力が失われます。これにより、システムの飽和凝縮温度が上昇し、ヘッド圧力が上昇して効率が低下し、最終的には高圧安全制御でのシステムのロックアウトにつながります。

コンプレッサーは、凝縮ユニットが消費する総電気エネルギーの約 70 ～ 90% を占めます。 通常動作中。このため、これは保守および保護すべき最も重要なコンポーネントになります。

コンプレッサーの性能がシステム効率に与える影響

コンプレッサーの効率は、成績係数 (COP) とエネルギー効率比 (EER) によって測定されます。 COP が高いほど、消費される電気エネルギー単位あたりの冷却出力が高くなります。商業用凝縮ユニットで使用される最新の高効率スクロール コンプレッサーは、次の COP を達成できます。 3.5～5.0 つまり、電気エネルギー入力 1 単位ごとに 3.5 ～ 5 単位の冷却エネルギーを供給します。

コンプレッサーの仕事の効率に影響を与える要因はいくつかあります。

• 圧縮率: 吐出圧力と吸入圧力の比。比率が高いほど、コンプレッサーがより激しく動作し、より多くのエネルギーを消費することを意味します。 (凝縮器コイルを清潔に保つことによって) 凝縮温度を低く保つと、圧縮比が低下し、効率が向上します。
• 吸入過熱度： コンプレッサーに入る冷媒は、バルブのコンポーネントを破損する可能性がある液体のスラッギングを防ぐために、わずかに過熱する必要があります（飽和蒸気温度より 5 ～ 10°F / 3 ～ 6°C 以上）。
• 周囲温度: 屋外温度が上昇すると、凝縮ユニットはより高い周囲環境に対して動作する必要があり、ヘッド圧力が増加し、コンプレッサーの効率が低下します。周囲温度 95°F (35°C) では、一般的な凝縮ユニットが消費する可能性があります。 エネルギーが 15 ～ 25% 増加 70°F (21°C) の場合よりも。
• 冷媒充填量: システムが過充電または過小充電されると、コンプレッサーが設計圧力範囲外で動作することになり、効率が低下し、機械的損傷の危険性があります。
• モーター効率: 可変速度 (インバータ駆動) コンプレッサーは、容量を 20% から 100% まで調整でき、実際の負荷需要に一致し、オン/オフ サイクルによるエネルギーの無駄を回避します。

一般的なコンプレッサーの問題とそれがシステムに与える影響

コンプレッサーに問題が発生すると、その症状はコンプレッサー自体だけでなく、冷凍システム全体に現れることがよくあります。これらの故障モードを理解することは、コンプレッサーの完全な焼損につながる前に問題を診断するのに役立ちます。これは、あらゆる凝縮ユニットの修理の中で最も高価な修理の 1 つです。

バルブの故障

往復コンプレッサーでは、液体のスラッギングや経年劣化により、吸入バルブと吐出バルブに亀裂が入ったり、歪んだりすることがあります。バルブに欠陥があると、コンプレッサーの差圧を維持する能力が低下し、その結果、 吐出圧力が低く、冷却能力が低い コンプレッサーが作動しているにもかかわらず。通常、消費アンペア数は銘板の定格を下回ります。

電気的バーンアウト

巻線の故障は、過熱、電圧の不均衡、または湿気の汚染によってモーターの絶縁が破壊されると発生します。コンプレッサーが焼き切れると、冷媒回路に酸が放出されます。この酸は、交換品を取り付ける前に、サクションラインフィルタードライヤーで除去する必要があります。電気的焼損はコンプレッサーの故障のかなりの部分を占めます - 業界データによると コンプレッサーの故障の最大 30 ～ 40% 電気的な起源を持っています。

液体のスラッギング

液体冷媒またはオイルがコンプレッサーの圧縮室に入ると、圧縮できなくなり（液体は非圧縮性）、結果として生じる油圧衝撃によってピストンに亀裂が入ったり、コネクティングロッドが曲がったり、スクロールラップが損傷したりする可能性があります。これは、システムが過充電になった場合、膨張バルブが故障した場合、またはエバポレーターが冷えすぎてオフサイクル中に冷媒がコンプレッサーに戻った場合に発生します。

過熱

コンプレッサーは、戻ってくる冷媒蒸気を利用してモーター巻線から熱を運びます。吸入ラインの過熱度が高すぎる場合、たとえば上記のように 65°F (36°C) コンプレッサーの入口で - 冷媒の密度が低く、モーターを効果的に冷却できないため、過熱が発生し、最終的には巻線の故障につながります。これは多くの場合、吸引ラインのサイズが小さすぎること、システム負荷が過剰であること、または冷媒充填量が少ないことが原因で発生します。

ベアリングの摩耗

オイル潤滑式コンプレッサーは、ベアリングの潤滑を維持するために適切なオイル循環に依存しています。冷媒充填量が少ない、冷媒の移動によるオイルの希釈、または不適切なオイル粘度は、ベアリングの摩耗を加速させる可能性があります。その結果、機械的騒音（凝縮ユニットからのノック音または研削音）が増加し、最終的には機械的焼き付きが発生します。

コンプレッサーの保護: 重要なメンテナンス方法

コンプレッサーは凝縮ユニットの中で最も重要であり、通常は最も高価なコンポーネントであるため、適切なメンテナンスとシステム管理を通じてコンプレッサーを保護することが不可欠です。以下の実践は、コンプレッサーの耐用年数を直接延長します。

• コンデンサーコイルを清潔に保ちます。 凝縮ユニット内のコイルが汚れていると、ヘッド圧力が上昇し、コンプレッサーの負担が大きくなります。商業用途ではコイルを少なくとも年に 2 回洗浄する必要がありますが、ほこりの多い環境や破片の多い環境ではより頻繁に洗浄する必要があります。あ 凝縮温度が 10°F (6°C) 上昇すると、コンプレッサーの効率が 5 ～ 8% 低下する可能性があります そして寿命が短くなります。
• 正しい冷媒充填量を維持します。 過冷却と過熱の測定を使用して、冷媒の充填をチェックおよび検証します。過少料金 10% システム容量が 20% 減少し、コンプレッサーの過熱を引き起こす可能性があります。
• 動作圧力を定期的に監視します。 異常な吸入圧力または吐出圧力は、問題の発生を示す初期の兆候です。各サービス訪問中の圧力を記録し、経時的な傾向を比較します。
• 電源の品質を確認します。 以上の電圧不均衡 2% 三相コンプレッサーの相間の電流不均衡は、最大 10 倍の割合で発生し、モーターの発熱が大幅に増加し、巻線の絶縁寿命が短くなります。
• クランクケースヒーターを取り付けます。 低い周囲温度にさらされるシステムの場合、クランクケース ヒーターはオフサイクル中のコンプレッサー オイルへの冷媒の移行を防止し、始動時の液体のスラッギングを防ぎます。
• コンデンサとコンタクタをチェックします。 始動および運転コンデンサは、コンプレッサーモーターの始動および運転特性に直接影響します。コンデンサーが弱いと始動が困難になり、コンプレッサー巻線にストレスがかかります。断続的な接続の問題が発生する前に、コンタクタのピッチングを検査し、交換する必要があります。

コンプレッサーのサイズと凝縮ユニットとのマッチング

適切なコンプレッサーのサイズを選択することは、冷凍システムの設計において最も重要な決定事項の 1 つです。大型のコンプレッサーはサイクルが短く、オンとオフが頻繁すぎるため、温度の変動、過度の摩耗、非効率的な動作が発生します。小型のコンプレッサーは継続的に動作し、設定温度に到達できず、吐出温度が上昇して動作するため寿命が短くなります。

コンプレッサーのサイズは馬力 (HP) または冷凍トン数 (TR) で表されます。 1 トンの冷凍は 12,000 BTU/時の冷却能力に相当します 。適切なサイジングには、以下を考慮して冷蔵スペースの総熱負荷を計算する必要があります。

• 伝達負荷（壁、床、天井から侵入する熱）
• 浸透負荷（ドア開口部から侵入する温風）
• 製品負荷（保管されている製品から除去する必要がある熱）
• 内部負荷 (照明、モーター、空間内の人)
• プルダウン負荷 (暖かい空間を最初に設定値まで下げるために必要な追加容量)

選択される凝縮ユニットには、予想される動作条件、特に設計吸入温度 (蒸発温度に関連) および設計凝縮温度 (周囲温度と凝縮器コイル接近温度に関連) でこの総負荷を処理できる定格のコンプレッサーが含まれている必要があります。

ほとんどのコンプレッサーおよび凝縮ユニットのメーカーは、さまざまな吸入温度および凝縮温度での容量を示す性能表を発行しています。ネームプレートの定格だけでなく、常に実際の動作条件に基づいて選択してください。定格は通常、実際のアプリケーションと一致しない可能性がある標準の ARI テスト条件で与えられます。

最新の凝縮ユニットの可変速度コンプレッサー

従来のコンプレッサーは固定速度で動作し、完全にオンまたは完全にオフになります。このバイナリ操作は、フル容量が必要かどうかに関係なく、システムがオンの場合は常にフル容量で動作することを意味します。最新の凝縮ユニットでは、実際の冷却需要に合わせて速度を継続的に調整するインバーター駆動の可変速度コンプレッサーの使用が増えています。

エネルギーを大幅に節約できます。冷凍システムが定格容量の 60% しか必要としない場合、低速で動作する可変速コンプレッサーは、オンとオフを繰り返す固定速度のコンプレッサーよりも消費するエネルギーが大幅に少なくなります。研究によると、 可変速凝縮ユニットはコンプレッサーのエネルギー消費を 30 ～ 50% 削減できます。 固定速度の同等のアプリケーションと比較して、負荷プロファイルが変化するアプリケーションでの使用に適しています。

可変速コンプレッサーのその他の利点は次のとおりです。

• オン/オフサイクルによる温度変動の代わりに容量を調整することにより、冷蔵空間の温度がより安定します。
• 頻繁な始動/停止サイクルを排除することで機械的摩耗を軽減
• 起動時のピーク電流の低下により、公共料金のデマンド料金が削減されます
• 精密冷却用途における湿度制御の向上

可変速コンプレッサーには、初期コストが高く、より複雑な電子制御が必要ですが、商用アプリケーションでの運用コストの節約により、通常、回収期間は長くなります。 2～4年 営業時間と地域の電気料金によって異なります。

コンプレッサー診断の読み取り: 圧力、温度、アンペア数

技術者や施設管理者にとって、通常のコンプレッサーの動作パラメータがどのようなものかを理解することで、問題の診断がはるかに簡単になります。吸入圧力、吐出圧力、消費アンペア数という 3 つの測定が重要です。

吸引圧力

吸引圧力は蒸発温度に対応します。ボックス温度 35°F (2°C) で R-404A を使用する中温冷凍アプリケーションの場合、吸引圧力は通常約 45 ～ 55 PSI 、約 20 ～ 25°F (-7 ～ -4°C) の蒸発温度に相当します。吸入圧力が低い場合は、通常、冷媒充填量が少ない、計量装置が制限されている、またはコンプレッサーが大きすぎることを示します。吸入圧力が高い場合は、冷媒の過充填、製品負荷の高さ、またはコンプレッサーバルブの故障を示している可能性があります。

吐出圧力

吐出圧力は、凝縮ユニットの凝縮器コイル内の凝縮温度を反映します。 R-404A の周囲温度 95°F (35°C) で適切に清浄な凝縮器を使用した場合、吐出圧力はおよそ 250 ～ 280 PSI 。吐出圧力の上昇 (このシナリオでは 300 PSI 以上) は、凝縮器コイルの汚れ、凝縮ユニット周囲の不適切な空気流、冷媒の過充填、またはシステム内の非凝縮性ガスを示しています。

アンペア数の描画

測定されたアンペア数をコンプレッサーの銘板 RLA (定格負荷アンペア数) と比較することは、簡単な健康チェックです。アンペア数が RLA を大幅に上回る場合は、通常、高い吐出圧力または機械的問題により、コンプレッサーが過剰に動作していることを示します。 RLA を大幅に下回るアンペア数は、吸入圧力が低いか、効果的な圧縮仕事を減少させる吐出バルブの故障を示唆しています。

凝縮ユニットのコンプレッサーの交換時期と修理時期

コンプレッサーの交換には費用がかかります。通常、次のような費用がかかります。 500ドルから3,000ドル以上 コンプレッサーのみと人件費がかかります。交換か修理 (または凝縮ユニット全体を交換) の決定は、いくつかの要因によって異なります。

• 凝縮ユニットの使用年数: 以上の単位の場合 10～12歳 、コンプレッサーだけを交換するのは経済的に合理的ではない可能性があります。凝縮器コイル、ファンモーター、制御装置などの他のコンポーネントも老朽化しており、コンプレッサー交換後すぐに故障する可能性があります。
• 障害の種類: 冷媒回路が汚染されていない機械的故障 (バルブの破損、ベアリングの磨耗) であれば、コンプレッサーのみを新しいユニットに交換することが正当化される場合があります。システム全体に酸が広がった電気的焼損の場合は、徹底的な清掃が必要であり、多くの場合、ユニット全体を交換する方が現実的です。
• 冷媒の種類: R-22 や R-404A などの段階的に廃止された冷媒を使用しているユニットは、R-448A や R-454C などの低 GWP 冷媒で動作する新しい高効率の凝縮ユニットに完全に置き換えたほうがよい場合があり、継続的な供給コストとコンプライアンス コストを回避できます。
• 根本原因の特定: コンプレッサーを交換する前に、故障の根本的な原因を特定して修正する必要があります。同じ根本的な問題 (凝縮器コイルの汚れ、不適切な冷媒充填、電圧の問題) を抱えたシステムに新しいコンプレッサーを取り付けると、交換も早期に失敗することが保証されます。