JP2007024439A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷凍サイクルの膨張機の潤滑を確保し、信頼性の向上と効率向上を図る。
【解決手段】圧縮機２１と膨張機２２の密閉容器内の圧力を、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、連通管２３で接続したものであり、これによって、圧縮機２１及び膨張機２２それぞれに適正な潤滑油量を確保し摺動部を潤滑出来ると共にシール効果により圧縮機構部及び膨張機構部の性能を高めることが出来る。
【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サイクル装置に関する。

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）が不充分なため，冷凍効率を向上させる必要がある。そこで、図４に示すごとく、冷媒５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５の膨張行程を等エントロピーに近い膨張とする膨張機２２を用いることにより，冷凍効率を向上させた冷凍空調機８がある（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。上記膨張機２２には，冷媒５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。

しかしながら、膨張機２２は，摺動部，シール部等を有しているので，上記冷凍空調機８においては，上記膨張機２２に潤滑油６を供給する必要がある。しかし，上記冷凍空調機８においては，オイル分離器９２により潤滑油６を分離除去された冷媒５が圧縮機２１に供給される（図４）。即ち，圧縮機２１には潤滑油６が供給されるが，上記膨張機２２には潤滑油６が供給されない。このように，潤滑油６が膨張機２２に供給されないと，該膨張機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、図５に示す、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５とこれに含まれている潤滑油６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５から分離された潤滑油６を蒸発器１７と圧縮機２１との間へ戻すオイル戻し管と，潤滑油６を放熱器１６と膨張機２２との間へ送るオイル送り管１４とが配設した構成が提案されている（例えば、特許文献３参照）。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１０−１９４０１号公報 特開平１０−２６６９８３号公報 特開２００１−１４１３１５号公報

しかしながら、前記従来の構成によれば、オイル分離器１２のオイル分離能力が低い場合には膨張機２２や圧縮機２１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１２のオイル分離が確実に行われたとしても、冷媒５から分離された潤滑油６を蒸発器１７と圧縮機２１との間へ戻すオイル戻し管１３と，潤滑油６を放熱器１６と膨張機２２との間へ送るオイル送り管１４の、膨張機２２或いは圧縮機２１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。またオイル戻し管１３、１４とオイル分離器１２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。

さらには、圧縮機及び膨張機両方に潤滑油溜りを設けることも考えられるが、多岐にわたる運転状態で圧縮機からの潤滑油持ち出し量と膨張機からの潤滑油持ち出し量が同等レベルとなるような設定は困難であり、圧縮機もしくは膨張機の一方に溜まり込む可能性が
高く回転部分以上の油面レベルでは急激な潤滑油吐出増により冷凍サイクルの安定的な運転が困難となる欠点を有する。

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、前記圧縮機と前記膨張機の前記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潤滑油溜りを設け、連通管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、高効率な冷凍サイクル装置が得られることとなる。

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不十分な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を収納する密閉容器とで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を収納する密閉容器とで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冷媒配管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前記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潤滑油溜りを設け、前記圧縮機と前記膨張機の潤滑油面がほぼ同一面となるよう設置し潤滑油面より低い位置同士を連通管で接続したものである。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、前記圧縮機の吐出ガスの一部が前記膨張機の潤滑油溜り上部空間に連絡する均圧管を備えたものである。これによってより確実に圧縮機と膨張機の潤滑油面を同一高さに保持できるため潤滑油の偏在が無く安定的な運転が可能となり、より高い信頼性を確保した冷凍サイクル装置を供給することが出来る。

第３の発明は、膨張機の出口と蒸発器入口の間に潤滑油分離器を設け、分離された潤滑油を圧縮機の入口へ戻す潤滑油戻し機構を備えたものである。これによって膨張機構部においてシールに必要な潤滑油を供給した後、膨張機から吐出された冷媒中の潤滑油を分離でき、蒸発器の性能を損なうことなく、より高性能な冷凍サイクル装置を提供することが出来る。

第４の発明は、特に、第１〜第３の発明の、冷媒を、高圧冷媒である二酸化炭素としたものである。これによって、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用いた機器においても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。

第５の発明は、特に、第４の発明の、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。これによって、二酸化炭素とポリアルキレングリコール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。結果として、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の実施例における冷凍サイクル装置を示す構成図である。

図１において、圧縮機構部２１ａと電動機部２１ｂと密閉容器２１ｃ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５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と密閉容器２２ｃ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５を蒸発させるための蒸発器１７と、これらの間に冷媒を循環させる冷媒配管１１を有する冷凍サイクル装置１である。圧縮機２１と膨張機２２のそれぞれの密閉容器内の圧力は、圧縮機２１の吐出圧力となっている、いわゆる高圧シェルタイプとなっている。更に、それぞれに密閉容器の下部には、潤滑油溜り２１ｄ、２２ｄが形成されており連通管２３で接続されている。これらの潤滑油溜り２１ｄ、２２ｄ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。

図２は、本発明の第２の実施例における冷凍サイクル装置を示す構成図である。

図２において、均圧管２４により圧縮機内潤滑油溜り部２１ｄと膨張機内潤滑油溜り部２２ｄの圧力が等しくなり圧縮機と膨張機の潤滑油面が同一高さに保たれる。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。

図３は、本発明の第３の実施例における冷凍サイクル装置を示す構成図である。

図３において、膨張機２２出口に設置された潤滑油分離器２５により分離された潤滑油は蒸発器１７を通ることなく潤滑油送り管２６により圧縮機２１に送られる。本発明では、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５は、密閉容器２１ｃ内の空間にて潤滑油と冷媒５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５は直接冷媒配管１１に出るので、潤滑油と冷媒５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はサイクル条件の制約下で運転されるために、回転数の制御を任意に行うことが難しい。よって、膨張機２２から吐出される潤滑油を分離すれば、蒸発器１７の効率低下を抑えることができと同時に、圧縮機２１に入った潤滑油は膨張機２２内の潤滑油と往来自在に連通しているので圧縮機に潤滑油が溜まり込むことは無く、圧縮機と膨張機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出来る。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、圧縮機構部と電動機部とそれぞれを収納する密閉容器とで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それぞれを収納する密閉容器とで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冷媒配管を有する冷凍サイクル装置であって、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、圧縮機及び膨張機内の摺動部を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を示す構成図 本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置を示す構成図 本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置を示す構成図 従来の冷凍サイクル装置を示す構成図 従来の冷凍サイクル装置を示す構成図

符号の説明

１ 冷凍サイクル
５ 冷媒
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
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
２３ 連通管
２４ 均圧管
２５ 潤滑油分離器
２６ 潤滑油戻し管

Claims (5)

1. 圧縮機構部と電動機部を収納する密閉容器とで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を収納する密閉容器とで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冷媒配管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前記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潤滑油溜りを設け、前記圧縮機と前記膨張機の潤滑油面がほぼ同一面となるよう設置し潤滑油面より低い位置同士を連通管で接続したことを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記圧縮機の吐出ガスの一部が前記膨張機の潤滑油溜り上部空間に連絡する均圧管を備え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. 前記膨張機の出口と前記蒸発器入口の間に潤滑油分離器を設け、分離された潤滑油を前記圧縮機の入口へ戻す潤滑油戻し機構を備えたことを特徴とする請求項１〜２のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
4. 冷媒を、高圧冷媒である二酸化炭素とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記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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