JP2007170783A - オイルセパレータ付き減圧器モジュール - Google Patents

オイルセパレータ付き減圧器モジュール Download PDF

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Abstract

【課題】蒸発器の熱伝達効率が高くなるように、蒸発器に流入する潤滑油を低減すべく、冷凍サイクル内を循環する冷媒と潤滑油のうち、潤滑油のみを蒸発器手前でバイパスさせることができるようにしたオイルセパレータ付き減圧器モジュールを提供する。
【解決手段】減圧した冷媒を蒸発させて吸熱し、その蒸発した冷媒を圧縮機にて吸入圧縮する蒸気圧縮式冷凍サイクルに適用され、前記圧縮機にて圧縮された後、冷却された高圧側冷媒を減圧する減圧器に、前記圧縮機の潤滑油と冷媒を分離するオイルセパレータを一体化したことを特徴とするオイルセパレータ付き減圧器モジュール。
【選択図】図２

Description

本発明は、蒸気圧縮式の冷凍サイクルにおいて、特に自然系冷媒等の超臨界冷凍サイクルでも使用し得るオイルセパレータ付き減圧器モジュールに関する。
蒸気圧縮式の冷凍サイクルは、圧縮した冷媒を放熱器にて冷却するとともにその圧縮した冷媒を減圧器にて減圧し、低圧となった冷媒を蒸発器にて蒸発させることにより冷凍能力を得るものが一般的である（例えば、特許文献１）。
上記のような蒸気圧縮式の冷凍サイクルにおいては、従来のフロン系冷媒を使用した冷凍サイクルと比べ、二酸化炭素等の自然系冷媒を使用する冷凍サイクルでは、高圧側圧力を冷媒の臨界圧力以上まで上昇させる必要があり、圧縮機の必要動力が大きくなるため、冷凍サイクルの効率が低いという問題がある。冷凍サイクルの効率を高くする方策として、冷凍サイクルを循環する冷媒と圧縮機を潤滑するための潤滑油のうち、蒸発器での熱伝達を妨げる潤滑油を減らすものが考えられる。望ましくは、潤滑油が圧縮機内で循環し、冷凍サイクル内を循環しないほうが、蒸発器の熱伝達を促進でき、結果として冷凍サイクル効率が高くなる。したがって、蒸発器に流入する潤滑油をいかに低減するかが課題となっている。
従来の冷凍サイクルは、例えば図６に示すように構成されており、冷凍サイクル１０１は、圧縮機１０２と、圧縮機１０２から流出する冷媒を冷却する放熱器１０３と、放熱器１０３から流出する高温冷媒とアキュームレータ１０４（気液分離器を兼ねたもの）から流出する低温冷媒の熱交換を行うと共に、高温冷媒と熱交換された低温冷媒を前記圧縮機１０２に供給する内部熱交換器１０５と、内部熱交換器１０５から流出する冷媒を減圧する減圧器１０６と、減圧器１０６から流出する冷媒を蒸発させる蒸発器１０７と、蒸発器１０７から流出する液相冷媒および気相冷媒の二相冷媒を蓄えると共に、気相冷媒を前記内部熱交換器１０５に供給するアキュームレータ１０４を備えたものである。
特開平１１−１９３９６７号公報
本発明の課題は、上記のような従来技術に鑑み、冷凍サイクル効率が高くなるように、換言すると蒸発器の熱伝達効率が高くなるように、蒸発器に流入する潤滑油を低減すべく、冷凍サイクル内を循環する冷媒と潤滑油のうち、潤滑油のみを蒸発器手前でバイパスさせることができるようにしたオイルセパレータ付き減圧器モジュールを提供することにある。
加えて、オイルセパレータと減圧器、更にはフィルタをモジュール化することで、冷凍サイクルを構成するときの締結部を減らすことができ、軽量化や低価格化を見込むことが可能なオイルセパレータ付き減圧器モジュールを提供することも課題とする。
上記課題を解決するために、本発明に係るオイルセパレータ付き減圧器モジュールは、減圧した冷媒を蒸発させて吸熱し、その蒸発した冷媒を圧縮機にて吸入圧縮する蒸気圧縮式冷凍サイクルに適用され、前記圧縮機にて圧縮された後、冷却された高圧側冷媒を減圧する減圧器に、前記圧縮機の潤滑油と冷媒を分離するオイルセパレータを一体化したことを特徴とするものからなる。
このオイルセパレータ付き減圧器モジュールにおいては、減圧すべき高圧側冷媒の通路と、上記高圧側冷媒の通路から流出し蒸発器を通過した後の低圧側冷媒の通路とを備え、高圧側冷媒の通路に前記オイルセパレータと減圧器を有し、かつ、該オイルセパレータで分離された潤滑油を低圧側冷媒の通路に導く潤滑油通路を備えていることが好ましい。この低圧側冷媒の通路としては、圧縮機の手前であれば基本的に何処に形成されていてもよい。
更に、上記潤滑油通路によりオイルセパレータから低圧側冷媒の通路に導かれた潤滑油が、低圧側冷媒の通路の出口側へ流れるように、低圧側冷媒の通路が水平方向に対して、その出口側が下になるように傾斜していることが好ましい。すなわち、分離された潤滑油が逆流しないように、重力を利用して低圧側冷媒の通路の出口側へ流れるようにしたものである。
更に、高圧側冷媒の通路の入口から出口の間に、異物が通過することを防止するためのフィルタを備えていることも好ましい。
また、上記減圧器は、冷凍サイクル状態に関する情報に基づいて減圧度合が決定される機構を有することが好ましい。
また、本発明に係るオイルセパレータ付き減圧器モジュールにおいては、高圧側冷媒の通路を形成するための高圧側冷媒入口部と、高圧側冷媒出口部と、低圧側冷媒の通路を形成するための低圧側冷媒入口部と、低圧側冷媒出口部とが、一つのブロック構造体内に形成されていることも好ましい形態である。とくに、オイルセパレータ付き減圧器モジュールを単一の部品として、例えば蒸発器に直接、装脱着できる構造を有することが好ましい。
このような本発明に係るオイルセパレータ付き減圧器モジュールは、とくに自然系冷媒である二酸化炭素を使用した冷凍サイクルに用いて好適なものである。
また、本発明に係るオイルセパレータ付き減圧器モジュールは、とくに上記蒸気圧縮式冷凍サイクルが車両用空調装置の冷凍サイクルからなる場合に好適なものである。
本発明に係るオイルセパレータ付き減圧器モジュールによれば、オイルセパレータを一体化した減圧器モジュールとすることにより、蒸発器手前で冷凍サイクル内を循環する潤滑油を容易にバイパスさせることができるようになる。これにより、蒸発器における冷媒と空気の熱交換効率の向上と冷媒圧力損失の低減を達成することができ、冷凍能力の向上が図れる。ひいては、圧縮機の冷媒吐出量を低減でき、圧縮機の省動力化が図れ、冷凍サイクルの効率向上を見込むことができる。
また、オイルセパレータと減圧器、更にはフィルタをモジュール化することで、冷凍サイクルを構成するときの締結部を減らすことができ、軽量化や低価格化も見込むことができる。
以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施態様に係るオイルセパレータ付き減圧器モジュールを備えた蒸気圧縮式冷凍サイクルを示している。図１に示す冷凍サイクル１は、圧縮機２と、圧縮機２で圧縮された高温高圧の冷媒を放熱させる放熱器３と、オイルセパレータ付き減圧器モジュール４と、オイルセパレータ付き減圧器モジュール４の減圧器で減圧された低圧の冷媒を蒸発させる蒸発器５と、冷媒の気液分離器６と、放熱器３からの冷媒と気液分離器６からの冷媒との間で熱交換させる内部熱交換器７とを備えている。
冷凍サイクル１を循環している潤滑油を含む冷媒の流れにおける、特にオイルセパレータ付き減圧器モジュール４への流入および流出経路を、図２および図３に示す例に基づいて説明する。この例においては、オイルセパレータ付き減圧器モジュール４への冷媒流入および流出経路は、内部熱交換器７から流出した潤滑油を含む冷媒が、図２の高圧側冷媒入口８から流入し、冷媒のみ高圧側冷媒出口９へ流出し、蒸発器５へと流出する。次に蒸発器５から流出する冷媒が、低圧側冷媒入口１０から流入し、高圧側で分離された潤滑油とともに低圧側冷媒出口１１から流出する。高圧側冷媒通路１９と低圧側冷媒通路２０とは、ブロック状のモジュール本体１８内に形成されており、オイルセパレータ付き減圧器モジュール４全体が単一の部品として、取り扱い、装脱着できるようになっている。
例えば、図４のモリエル線図にあるように、高圧側入口冷媒が液相状態で運転される冷凍サイクルについて説明する。オイルセパレータ付き減圧器モジュール４内の冷媒および潤滑油の経路については、先ず冷凍サイクル１内を循環してきた異物を保持するフィルタ１５を通過し、次にオイルセパレータ１２内に流入しオイルセパレータ１２内を撹拌、旋回するように冷媒および潤滑油が流れる。このとき潤滑油のほうが冷媒よりも密度が大きいため、図２のオイルセパレータ１２内を旋回流動する冷媒および潤滑油は遠心分離により密度の大きい潤滑油がオイルセパレータ１２内の側面壁側に集合し、更に重力により底面付近に停滞する。一方、液冷媒はオイルセパレータ１２内のパイプ内を通ってオイルセパレータ出口から流出し、減圧器１３により減圧され二相状態となってオイルセパレータ付き減圧器モジュール４の高圧側冷媒出口９から流出する。減圧器１３は、本実施例では可変減圧器に構成されており、減圧可動部１６とバネ１７により減圧度を調整可能となっている。すなわち、図２に示した例では、図４のモリエル線図におけるＡ点あるいはその近傍で潤滑油の分離を行っていることになる。
オイルセパレータ１２内の底面付近に停滞した潤滑油は、高圧側冷媒通路１９から低圧側冷媒通路２０へ潤滑油通路１４を通って高低圧の差圧により搬出され、低圧側冷媒と共に低圧側冷媒出口１１から流出する。したがって、この分離された潤滑油は、実質的に、図１に示したように蒸発器５をバイパスして気液分離器６、圧縮機２へと送られることになる。なお、上記潤滑油通路１４は、高圧側冷媒が低圧側冷媒通路２０に容易に流出できないように、かつ、潤滑油だけが高圧側冷媒通路１９から低圧側冷媒通路２０へと流出されやすいように、細孔形状となっている。また、潤滑油通路１４から流出された潤滑油が低圧側冷媒入口１０から蒸発器５へ流出（逆流）しないように、低圧側冷媒通路２０は入口１０から出口１１に向かって水平方向に対して傾斜されている。
図５は、他の実施例を示しており、オイルセパレータの前に減圧器が配置されている例を示している。各部の符号は、図２で用いた符号と共通のものを使用している。冷媒と潤滑油の流れを説明すると、オイルセパレータ付き減圧器モジュール４の高圧側冷媒入口８から冷媒および潤滑油が流入し、減圧器１３にて減圧された後、オイルセパレータ１２内へ流入し、冷媒と潤滑油が分離される。分離された冷媒はオイルセパレータ１２内のパイプ内を通ってオイルセパレータ出口から高圧側冷媒出口９へ流出し、他方、潤滑油はオイルセパレータ１２内の底面付近に停滞し、高圧側冷媒通路１９から低圧側冷媒通路２０へ潤滑油通路１４を通って流下し、低圧側冷媒と共に低圧側冷媒出口１１から流出する。すなわち、図５に示した例では、図４のモリエル線図におけるＢ点あるいはその近傍で潤滑油の分離を行っていることになる。
上記減圧器１３は、冷凍サイクル状態に関する情報に基づいて減圧度合が決定される機構を有することが好ましい。冷凍サイクル状態とは、例えば減圧器の入口と出口の冷媒圧力差である。図２における減圧器１３は、減圧可動部１６が減圧器１３の入口冷媒圧力とバネ１７の押し力の釣り合いにより可動することで、冷媒流路断面積が変化し、減圧度合を調節する機構を有する。
ここで、減圧器の減圧度合調節機構は冷凍サイクルの冷媒圧力、冷媒温度等から、減圧度合を一義的に決定するものでもよい。また、減圧度合調節機構にソレノイドバルブを付加し、冷凍サイクルに設けた冷媒圧力、冷媒温度、蒸発器出口空気温度等による情報に基づいて減圧度合が決定されるものでもよい。
また、オイルセパレータ付き減圧器モジュール４の本体部分は、高圧側冷媒の通路を形成するための高圧側冷媒入口部と、高圧側冷媒出口部と、低圧側冷媒の通路を形成するための低圧側冷媒入口部と、低圧側冷媒出口部とを一つの構造体に配置することで、これに繋がれる配管の接続を容易にすることが可能である。
本発明に係るオイルセパレータ付き減圧器モジュールは、冷媒を圧縮膨張させる蒸気圧縮式の冷凍サイクル、特に自然系冷媒である二酸化炭素を冷媒として使用する冷凍サイクルに好適なものであり、車両用空調装置の冷凍サイクルに用いて好適なものである。
本発明の一実施態様に係るオイルセパレータ付き減圧器モジュールを備えた蒸気圧縮式冷凍サイクルの機器系統図である。 図１の冷凍サイクルに使用されるオイルセパレータ付き減圧器モジュールの構造例を示す縦断面図である。 図２のＡ−Ａ線に沿うオイルセパレータ付き減圧器モジュールの横断面図である。 図１の冷凍サイクルのモリエル線図である。 図１の冷凍サイクルに使用されるオイルセパレータ付き減圧器モジュールの別の構造例を示す縦断面図である。 従来の蒸気圧縮式冷凍サイクルの機器系統図である。
符号の説明
１ 冷凍サイクル
２ 圧縮機
３ 放熱器
４ オイルセパレータ付き減圧器モジュール
５ 蒸発器
６ 気液分離器
７ 内部熱交換器
８ 高圧側冷媒入口
９ 高圧側冷媒出口
１０ 低圧側冷媒入口
１１ 低圧側冷媒出口
１２ オイルセパレータ
１３ 減圧器
１４ 潤滑油通路
１５ フィルタ
１６ 減圧可動部
１７ バネ
１８ モジュール本体
１９ 高圧側冷媒通路
２０ 低圧側冷媒通路

Claims (8)

  1. 減圧した冷媒を蒸発させて吸熱し、その蒸発した冷媒を圧縮機にて吸入圧縮する蒸気圧縮式冷凍サイクルに適用され、前記圧縮機にて圧縮された後、冷却された高圧側冷媒を減圧する減圧器に、前記圧縮機の潤滑油と冷媒を分離するオイルセパレータを一体化したことを特徴とするオイルセパレータ付き減圧器モジュール。
  2. 減圧すべき高圧側冷媒の通路と、前記高圧側冷媒の通路から流出し蒸発器を通過した後の低圧側冷媒の通路とを備え、高圧側冷媒の通路に前記オイルセパレータと減圧器を有し、かつ、該オイルセパレータで分離された潤滑油を低圧側冷媒の通路に導く潤滑油通路を備えたことを特徴とする、請求項１に記載のオイルセパレータ付き減圧器モジュール。
  3. 更に、前記潤滑油通路によりオイルセパレータから低圧側冷媒の通路に導かれた潤滑油が、低圧側冷媒の通路の出口側へ流れるように、低圧側冷媒の通路が水平方向に対して、その出口側が下になるように傾斜していることを特徴とする、請求項２に記載のオイルセパレータ付き減圧器モジュール。
  4. 更に、高圧側冷媒の通路の入口から出口の間に、異物が通過することを防止するためのフィルタを備えたことを特徴とする、請求項２または３に記載のオイルセパレータ付き減圧器モジュール。
  5. 前記減圧器が冷凍サイクル状態に関する情報に基づいて減圧度合が決定される機構を有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のオイルセパレータ付き減圧器モジュール。
  6. 高圧側冷媒の通路を形成するための高圧側冷媒入口部と、高圧側冷媒出口部と、低圧側冷媒の通路を形成するための低圧側冷媒入口部と、低圧側冷媒出口部とが、一つのブロック構造体内に形成されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載のオイルセパレータ付き減圧器モジュール。
  7. 前記冷媒が二酸化炭素からなる、請求項１〜６のいずれかに記載のオイルセパレータ付き減圧器モジュール。
  8. 前記蒸気圧縮式冷凍サイクルが車両用空調装置の冷凍サイクルからなる、請求項１〜７のいずれかに記載のオイルセパレータ付き減圧器モジュール。
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