JP2006189185A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】膨張機の潤滑を確保する。
【解決手段】圧縮機２１と膨張機２２のそれぞれの密閉容器２１ｃ，２２ｃ内の圧力を、圧縮機２１により圧縮された冷媒の圧力とほぼ同じに保つとともに、圧縮機２１の密閉容器２１ｃ内と膨張機２２の密閉容器２２ｃ内に潤滑油溜り２１ｄ，２２ｄを設け、膨張機２２の潤滑油が不足して圧縮機２１の潤滑油面が上昇した場合に、上昇した潤滑油面が電動機部２１ｂの回転子２１ｅに接触して攪拌されるようにしたもので、これによって潤滑油が冷媒とともに膨張機２２に供給され、圧縮機２１及び膨張機２２内の摺動部を充分かつ確実に潤滑することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、膨張機を有する蒸気圧縮型の冷凍空調機に関する。

従来、環境保護の観点から、オゾン層を破壊せず地球温暖化係数のきわめて小さい二酸化炭素の冷媒を用いた冷凍空調機が開発されている。二酸化炭素の特性上、フロンを冷媒とした冷凍空調機に比べ冷凍効率（ＣＯＰ）が低いため、冷凍効率を向上させる研究が行われている。そこで、冷凍サイクルにおける冷媒の膨張行程を等エンタルピーに近い膨張とする膨張弁に代えて、冷媒の膨張行程を等エントロピーに近い膨張とする膨張機を用いることにより、冷凍効率を向上させた冷凍空調機がある（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。

図２，図３は、従来の冷凍サイクル装置の冷凍サイクル図で、図２は膨張弁を使用した冷凍サイクルを示し、図３は膨張機を使用した冷凍サイクルを示す。図において、電動機２９で駆動される圧縮機２１により圧縮された冷媒は、オイル分離器９２により潤滑油を分離されたのち放熱器９６で冷却され、膨張弁９９又は膨張機２２で減圧膨張されて蒸発器９７で吸熱して圧縮機２１に戻る。膨張機２２には、冷媒の膨張行程を制御するための負荷装置２８０が取り付けてある。また、オイル分離器９２で分離された潤滑油は、そのまま圧縮機２１に戻される。

しかしながら、図３において、膨張機２２は、摺動部、シール部等を有しているので、冷凍空調機８においては、膨張機２２に潤滑油を供給する必要がある。しかし、冷凍空調機８においては、オイル分離器９２により潤滑油を分離除去された冷媒５が圧縮機２１に供給される。即ち、圧縮機２１には潤滑油が供給されるが、膨張機２２には潤滑油が供給されない。このように、潤滑油が膨張機２２に供給されないと、膨張機２２の摺動部等の耐久性、信頼性が低下したり、ピストンリングやシール部のシール不良等により性能低下や冷媒漏れ等の問題が発生したりしていた。

上記課題を解決するために、分離した潤滑油を膨張機にも供給する冷凍サイクルが提案されている（例えば、特許文献３参照）。

図４は、従来の冷凍サイクル装置の冷凍サイクル図である。圧縮機２１と放熱器１６との間には、圧縮機２１を通過した冷媒とこれに含まれている潤滑油とを分離するオイル分離器１２が配設され、オイル分離器１２には、冷媒から分離された潤滑油を蒸発器１７と圧縮機２１との間へ戻すオイル戻し管１３に加えて、潤滑油を放熱器１６と膨張機２２との間へ送るオイル送り管１４が配設されている。この構成によれば、圧縮機のみならず膨張機にも潤滑油を充分に供給することのできる冷凍空調機を提供できる。
特開平１０−０１９４０１号公報 特開平１０−２６６９８３号公報 特開２００１−１４１３１５号公報

しかしながら、オイル送り管を追加したとしても、オイル分離器のオイル分離能力が低い場合には膨張機や圧縮機の摺動部を確実に潤滑させることが出来ないといった問題を有している。また、オイル分離器のオイル分離が確実に行われたとしても、冷媒から分離された潤滑油を蒸発器と圧縮機との間へ戻すオイル戻し管と、潤滑油を放熱器と膨張機との
間へ送るオイル送り管の、膨張機或いは圧縮機の負荷に応じて適切にオイル戻り量の配分を制御しなければ、圧縮機或いは膨張機の信頼性を低下させるといった問題を有していた。さらに、オイル送り管を新たに設けなければならず、生産コストが増大するといった問題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、圧縮機のみならず膨張機にも潤滑油を充分かつ確実に供給して信頼性を確保しながら、よりシンプルな構成で高効率な冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機と膨張機のそれぞれの密閉容器内の圧力を、圧縮機により圧縮された冷媒の圧力とほぼ同じに保つとともに、圧縮機の密閉容器内と膨張機の密閉容器内に潤滑油溜りを設けたものである。これによって、圧縮機のみならず膨張機にも潤滑油を充分かつ確実に供給して信頼性を確保しながら、よりシンプルな構成で高効率な冷凍サイクル装置を提供することができる。

本発明の冷凍サイクル装置は、特にフロンと比べて冷凍効率が低い二酸化炭素冷媒を用いた機器を高効率化する場合において、高い信頼性と低コストの両立を実現することができる。

第１の発明は、圧縮機構部と電動機部とを密閉容器に収納して構成された圧縮機と、圧縮機により圧縮された冷媒を冷却するための放熱器と、膨張機構部と電動機部とを密閉容器に収納して構成された膨張機と、膨張機により膨張された冷媒を蒸発させるための蒸発器と、これらの間に冷媒を循環させるために接続された冷媒配管とを有する冷凍サイクル装置であって、圧縮機と膨張機のそれぞれの密閉容器内の圧力を、圧縮機により圧縮された冷媒の圧力とほぼ同じに保つとともに、圧縮機の密閉容器内と膨張機の密閉容器内にそれぞれ潤滑油溜りを設けたものである。これによって、圧縮機及び膨張機内の摺動部を潤滑することができるので、高い信頼性を確保した冷凍サイクル装置を提供することができる。

第２の発明は、圧縮機と膨張機のそれぞれに封入されている潤滑油を足し合わせた量を、全て圧縮機又は膨張機のどちらか一方に封入した場合に、封入された側において潤滑油溜りの油面が電動機部の回転子に接触するように、圧縮機と膨張機のそれぞれに封入されている潤滑油の量を調節したものである。すなわち、冷凍サイクル運転中に、膨張機（或いは圧縮機）の潤滑油が不足した場合には、圧縮機（或いは膨張機）の潤滑油溜りの液面が上昇することとなり、液面が上昇した圧縮機（或いは膨張機）の回転する電動機部の回転子によって潤滑油面が攪拌されて、密閉容器内から多量の潤滑油が冷媒と一緒に吐出されることとなる。

これによって、膨張機（或いは圧縮機）の潤滑油が不足した場合には、圧縮機（或いは膨張機）から潤滑油が冷媒とともに供給され、圧縮機及び膨張機内の摺動部を確実に潤滑することができるので、より高い信頼性を確保した冷凍サイクル装置を提供することができる。

第３の発明は、特に第１又は第２の発明において、膨張機に封入された潤滑油の量が、圧縮機に封入された潤滑油の量に対して少なくなるようにしたものである。これによって、冷凍サイクル装置に封入される潤滑油の総量を減らして低コスト化をはかりながら、圧縮機及び膨張機内の摺動部を確実に潤滑することができるので、より高い信頼性を確保し
た冷凍サイクル装置を提供することができる。

第４の発明は、特に第１〜第３のいずれかの発明において、冷媒を二酸化炭素などの高圧冷媒としたものである。フロンを冷媒とした冷凍空調機に比べて膨張過程での絞り損失が大きい二酸化炭素冷媒を本願構成の機器に用いることにより高効率化が図れるので、地球環境を破壊することなく冷凍効率の高い冷凍サイクル装置を提供することができて好適である。

第５の発明は、特に第４の発明において、潤滑油としてポリアルキレングリコールを主成分とする潤滑油を用いたものである。二酸化炭素とポリアルキレングリコールとは相溶性が低いので、密閉容器内の潤滑油の液面は冷媒が溶け込むことによる上昇を少なく抑えることができるので、定常運転時の潤滑油の循環率を小さくすることができる。これによって、放熱器や蒸発器の性能を高めることができるので、より高効率な冷凍サイクル装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における冷凍サイクル装置の冷凍サイクル図である。冷凍サイクル装置１は、圧縮機構部２１ａと電動機部２１ｂとそれらを収納する密閉容器２１ｃとから構成される圧縮機２１と、圧縮機２１により圧縮された冷媒を冷却するための放熱器１６と、膨張機構部２２ａと電動機部２２ｂとそれらを収納する密閉容器２２ｃとから構成される膨張機２２と、膨張機２２により膨張された冷媒を蒸発させるための蒸発器１７とが、これらの間に冷媒を循環させるように冷媒配管１１により接続されている。圧縮機２１の密閉容器２１ｃの内部の圧力は吐出圧力であり、膨張機２２の密閉容器２２ｃの内部の圧力もほぼ圧縮機２１の吐出圧力であり、いわゆる高圧シェルタイプとなっている。更に、それぞれの密閉容器２１ｃ，２２ｃの下部には、潤滑油溜り２１ｄ，２２ｄが形成されている。これらの潤滑油溜り２１ｄ，２２ｄに溜まった潤滑油によって圧縮機２１及び膨張機２２内の摺動部を潤滑することができる。

一方、圧縮機２１と膨張機２２のそれぞれに封入されている潤滑油を足し合わせた量を、全て圧縮機２１に封入した場合に、潤滑油溜り２１ｃの油面と電動機部の回転子２１ｅが接触するように、また膨張機２２に封入した場合も同様に回転子に油面が接触するように、圧縮機２１と膨張機２２のそれぞれに封入されている潤滑油の量を調節している。

これによって、冷凍サイクル運転中に、膨張機２２の潤滑油が不足した場合には、圧縮機２１の潤滑油溜りの液面２１ｄがその分だけ上昇する。その場合は、液面が上昇した圧縮機２１の回転する回転子２１ｅによって潤滑油面が攪拌されて、密閉容器内から多量の潤滑油が冷媒と一緒に吐出されることとなる。結果として、膨張機２２の潤滑油が不足した場合には、圧縮機２１から潤滑油が冷媒とともに供給される。逆に、圧縮機２１の潤滑油が不足した時には膨張機２２から潤滑油が冷媒とともに供給される。このように、冷凍サイクル運転中においては、圧縮機２１及び膨張機２２の潤滑油の量を常にバランスさせて潤滑油溜り２１ｄ、２２ｄを確保させることが可能となるので、圧縮機２１及び膨張機２２内の摺動部を確実に潤滑することができる。

一方、本実施の形態１では、膨張機２２に封入された潤滑油の量が、圧縮機２１に封入された潤滑油の量に対して少なくなるようにしている。圧縮機２１と膨張機２２ともに高圧シェルタイプを採用しているので、圧縮機２１側から見れば圧縮機構部２１ａから吐出された冷媒は、密閉容器２１ｃ内の空間にて潤滑油と冷媒とを効果的に分離して、潤滑油
の持ち出し量を小さくすることが可能であるが、膨張機２２側から見れば膨張機構部２２ａから吐出された冷媒は直接冷媒配管１１に出るので、潤滑油と冷媒とを効果的に分離しにくい構成になっている。

また、膨張機２２はサイクル条件によって冷凍サイクルの効率が向上するように制御された制約下で運転されるために、回転数の制御を潤滑油量に合わせて行うことが難しい。よって、膨張機２２に封入された潤滑油の量が、圧縮機２１に封入された潤滑油の量に対して少なくなるようにしておけば、膨張機２２から吐出される潤滑油の絶対量を抑えて、放熱器１６や蒸発器１７の効率低下を抑えることができると同時に、圧縮機２１の潤滑油溜り２１ｄの油面が上昇したときには、密閉容器２１ｃ外への潤滑油の持ち出しが速やかに大きくなり、膨張機２２の潤滑油不足に対しては素早くバランスさせることが可能となるので、圧縮機２１及び膨張機２２内の摺動部を確実に潤滑することができる。

なお、冷媒を、高圧冷媒、例えば二酸化炭素とした場合には、フロンを冷媒とした冷凍空調機に比べて膨張過程での絞り損失が大きい。この場合において、膨張機２２の信頼性を高めて運転できる本構成を用いれば、二酸化炭素冷媒を用いても機器の高効率化が図れるので、地球環境を破壊することなく冷凍効率の高い冷凍サイクル装置を提供することができる。

なお、潤滑油としてポリアルキレングリコールを主成分とする潤滑油を用いた場合には、二酸化炭素とポリアルキレングリコールとは相溶性が低いので、冷媒の溶け込みによる密閉容器内の潤滑油の液面の上昇を抑えることができるので、運転条件や圧力によって潤滑油溜りの液面が変化することを少なくすることができる。よって、相溶性が高い潤滑油の場合に想定される、圧縮機２１と膨張機２２のどちらの潤滑油溜り２１ｄ，２２ｄの液面も上昇して密閉容器外で循環する潤滑油の総量が増えて、放熱器１６や蒸発器１７の性能を低下させるといった問題を回避することができるので、より高効率な冷凍サイクル装置を提供することができる。

以上のように、本発明にかかる冷凍サイクル装置は、圧縮機と膨張機の密閉容器内の圧力を、圧縮機により圧縮された冷媒の圧力とほぼ同じに保つとともに、圧縮機の密閉容器内と膨張機のそれぞれの密閉容器内に潤滑油溜りを設けたことによって、圧縮機及び膨張機内の摺動部を充分かつ確実に潤滑することができ、高い信頼性を確保した冷凍サイクル装置を提供することができるので、空調機、給湯機、カークーラー等の冷凍サイクル装置の用途に適応できる。また、圧縮機及び膨張機としては、例えばレシプロタイプ、スクリュータイプ、ベーンロータリタイプ、スクロールタイプ、ローリングピストンタイプ、スイングピストンタイプ等のさまざまな様式に用いても共通に適応可能である。

本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の模式図 従来の冷凍サイクル装置の膨張弁を使用した冷凍サイクル図 同膨張機を使用した冷凍サイクル図 従来の冷凍サイクル装置の冷凍サイクル図

符号の説明

１ 冷凍サイクル装置
１１ 冷媒配管
１６ 放熱器
１７ 蒸発器
２１ 圧縮機
２１ａ 圧縮機構部
２１ｂ 電動機部
２１ｃ 密閉容器
２１ｄ 潤滑油溜り
２１ｅ 回転子
２２ 膨張機
２２ａ 圧縮機構部
２２ｂ 電動機部
２２ｃ 密閉容器
２２ｄ 潤滑油溜り

Claims (5)

1. 圧縮機構部と電動機部とを密閉容器に収納して構成された圧縮機と、前記圧縮機により圧縮された冷媒を冷却するための放熱器と、膨張機構部と電動機部とを密閉容器に収納して構成された膨張機と、前記膨張機により膨張された冷媒を蒸発させるための蒸発器と、これらの間に冷媒を循環させるために接続された冷媒配管とを有する冷凍サイクル装置であって、前記圧縮機と前記膨張機のそれぞれの密閉容器内の圧力を、前記圧縮機により圧縮された冷媒の圧力とほぼ同じに保つとともに、前記圧縮機の密閉容器内と前記膨張機の密閉容器内にそれぞれ潤滑油溜りを設けたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 圧縮機と膨張機のそれぞれに封入されている潤滑油を足し合わせた量を、全て前記圧縮機又は前記膨張機のどちらか一方に封入した場合に、封入された側において潤滑油溜りの油面が電動機部の回転子に接触するように、前記圧縮機と前記膨張機のそれぞれに封入されている前記潤滑油の量を調節したことを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 膨張機に封入された潤滑油の量が、圧縮機に封入された潤滑油の量に対して少なくなるようにしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 冷媒を、高圧冷媒、例えば二酸化炭素とすることを特徴とする請求項１から３のうちいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
5. ポリアルキレングリコールを主成分とする潤滑油を用いたことを特徴とする請求項４に記載の冷凍サイクル装置。
   
   

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