JP2007263490A - 冷媒サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱器、若しくは、蒸発器として使用される熱交換器内に停滞したオイルを円滑に排出して、熱交換能力の改善を図ると共に、当該熱交換器を備えた冷媒サイクル装置のコンプレッサのオイル不足を解消する。
【解決手段】コンプレッサ１０、放熱器１５４、減圧装置としての膨張弁１５６、蒸発器１５７などから冷媒サイクルが構成された冷媒サイクル装置１において、蒸発器１５７は、冷媒入口から冷媒出口までの間に分岐した複数（２つ）の冷媒通路を備えた熱交換器から構成されており、下方に位置する冷媒通路の長さは、上方に位置する冷媒通路の長さよりも短くされている。
【選択図】図２

Description

本発明は、本発明は、コンプレッサ、放熱器、減圧装置、蒸発器などから冷媒サイクルが構成される冷媒サイクル装置に関するものである。

従来この種冷媒サイクル装置は、コンプレッサ、放熱器、膨張弁やキャピラリチューブなどの減圧装置、蒸発器等を順次環状に配管接続して冷媒サイクルが構成されている。そして、コンプレッサにて圧縮された冷媒ガスが放熱器にて放熱し、減圧装置にて減圧された後、蒸発器にて周囲と蒸発する。このとき、冷媒は周囲から吸熱することにより冷却作用を発揮するものであった（例えば、特許文献１）。
特公平７−１８６０２号公報

このような冷媒サイクル装置では、コンプレッサから吐出されたオイルが放熱器や蒸発器などの熱交換器の冷媒経路中に溜まり、当該オイルが熱交換器における熱交換性能を変化させてしまう不都合が生じていた。特に、係る熱交換器を冷媒入口から冷媒出口までの間に分岐した複数の冷媒配管を形成し、冷媒を分流して各冷媒配管内の冷媒通路に流す仕様とした場合には、分流により、流速が落ち、各冷媒配管のうち下方に位置する冷媒配管内の冷媒通路に最もオイルが溜まり易くなり、熱交換性能が著しく低下する問題が生じていた。更に、熱交換器に溜まったオイルはコンプレッサに戻らないので、コンプレッサ内のオイル量が不足して摺動性能の悪化を招いていた。

また、近年この種冷媒サイクル装置では、冷媒として自然冷媒である二酸化炭素を使用する試みがなされているが、係る二酸化炭素冷媒は他の冷媒と比べて冷媒の流速が遅いため、他の冷媒を使用した冷媒サイクル装置よりも上述した熱交換器のオイル溜まりにより熱交換性能の悪化はより深刻な問題となっていた。

本発明は、係る従来の技術的問題を解決するために成されたものであり、放熱器、若しくは、蒸発器として使用される冷媒サイクル装置の熱交換器内に溜まったオイルを円滑に排出して、熱交換能力の改善を図ると共に、当該熱交換器を備えた冷媒サイクル装置のコンプレッサのオイル不足を解消することを目的とする。

請求項１の発明の冷媒サイクル装置は、コンプレッサ、放熱器、減圧装置、蒸発器などから冷媒サイクルが構成されたものであって、放熱器、及び／又は、蒸発器は、冷媒入口から冷媒出口までの間に分岐した複数の冷媒通路を備えた熱交換器から構成されており、下方に位置する冷媒通路の長さは、上方に位置する冷媒通路の長さよりも短くされていることを特徴とする。

請求項２の発明の冷媒サイクル装置は、上記発明において冷媒として二酸化炭素が所定量封入されていることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、コンプレッサ、放熱器、減圧装置、蒸発器などから冷媒サイクルが構成された冷媒サイクル装置において、放熱器、及び／又は、蒸発器として使用される冷媒サイクル用熱交換器は、冷媒入口から冷媒出口までの間に分岐した複数の冷媒通路を備えた熱交換器から構成されており、下方に位置する冷媒通路の長さは、上方に位置する冷媒通路の長さよりも短くされているので、下方に位置する冷媒通路における流通抵抗によって生じる圧力損失が小さくなるので、下方の冷媒通路に溜まろうとするオイルが流れやすくなる。

これにより、オイルを熱交換器から円滑に排出させることが可能となるので、熱交換器の熱交換能力の改善を図ることができる。また、熱交換器から排出されたオイルはコンプレッサに帰還するため、コンプレッサのオイル不足も解消することができる。

特に、上記各発明を請求項２の発明の如く二酸化炭素冷媒が所定量封入された冷媒サイクル装置に適用することで、熱交換器における熱交換性能が著しく悪化する不都合を解消することが可能となり、二酸化炭素冷媒を用いた冷媒サイクル装置の性能を向上させることができる。

本発明は、コンプレッサから流出したオイルが熱交換器内に溜まって、当該熱交換器内における冷媒の円滑な熱交換を阻害する不都合を改善し、且つ、コンプレッサのオイル不足による摺動性の低下を解消するためになされたものである。冷媒サイクル装置の熱交換器におけるオイルの停滞と、コンプレッサのオイル不足を解消するという目的を、冷媒入口から冷媒出口までの間に分岐した複数の冷媒通路を備えた熱交換器から成る放熱器、及び／又は、蒸発器の下方に位置する冷媒通路の長さを、上方に位置する冷媒通路の長さよりも短くすることにより実現した。

以下、図面に基づき本発明の実施形態を詳述する。図１は本発明の一実施例の冷媒サイクル装置の冷媒回路図を示している。図１の冷媒サイクル装置１は、コンプレッサ１０、放熱器１５４、減圧装置としての膨張弁１５６、及び蒸発器１５７等を順次環状に配管接続して所定の冷媒回路が構成されている。当該冷媒回路内には冷媒として二酸化炭素（ＣＯ₂）が所定量封入されている。実施例のコンプレッサ１０は、密閉容器１２内に駆動要素としての電動要素１４と、この電動要素１４の回転軸１６にて駆動される第１の回転圧縮要素３２と第２の回転圧縮要素３４とを備えた内部中間圧型の多段（２段）圧縮式ロータリコンプレッサである。そして、冷媒導入管９４から吸い込んだ冷媒（ＣＯ₂）を第１の回転圧縮要素３２で圧縮し、この圧縮した中間圧の冷媒ガスを密閉容器内に吐出した後、冷媒導入管９２を介して第２の回転圧縮要素３４に吸い込んで圧縮し、冷媒導入管９６に吐出する構成とされている。

前記冷媒導入管９４はコンプレッサの第１の回転圧縮要素３２に冷媒を導入するための冷媒配管であり、当該冷媒導入管９４の一端は当該第１の回転圧縮要素３２の吸込側に接続され、他端は蒸発器１５７の出口（冷媒出口１５７Ｂ）に接続されている。

前記冷媒吐出管９６は第２の回転圧縮要素３４で圧縮された冷媒を放熱器１５４に吐出させるための冷媒配管であり、この冷媒吐出管９６の一端は第２の回転圧縮要素３４の吐出側に接続され、他端は放熱器１５４の入口に接続されている。

また、冷媒導入管９２は密閉容器１２内と第２の回転圧縮要素３４の吸込側とを接続する冷媒配管であり、この冷媒導入管９２は、コンプレッサ１０の外部の放熱器１５４を通過するように配設されている。即ち、コンプレッサ１０の第１の回転圧縮要素３２にて圧縮され、密閉容器１２内に吐出された中間圧の冷媒は、冷媒導入管９２に流入し、放熱器１５４を通過する過程で、ファン１１１の通風を受けて放熱した後、第２の回転圧縮要素３４に吸い込まれるものとされている。

そして、当該コンプレッサ１０の密閉容器１２内底部には、オイル溜めが構成されており、当該オイル溜め内に収納されたオイルが回転軸１６の下端に取り付けられた図示しないオイルポンプにより第１及び第２の回転圧縮要素３２、３４の摺動部等に供給されて潤滑とシールを行っている。尚、本実施例では冷媒として高低圧差の大きい二酸化炭素を使用する関係上、オイルは耐久性を考慮して従来のＨＦＣ系冷媒で使用するオイルよりも高粘度のものを使用する。例えば、本実施例では、粘度が＋４０℃で６０ｃｓｔ以上のＰＡＧ（ポリアルキルグリコール）を使用するものとする。尚、実施例の冷媒サイクル装置１に使用するオイルは、上記ＰＡＧに限らず、その他の高粘度のオイルであっても構わない。また、ここで使用される高粘度のオイルとは、流動点がー４０℃以上、粘度が＋４０℃で４０乃至１２０ｃｓｔを満たすものであり、好ましくは、＋４０℃で６０乃至８０ｃｓｔの粘度のオイルを使用こととする。

一方、前記放熱器１５４の出口は、減圧装置として膨張弁１５６に至る冷媒配管と接続されている。尚、本実施例の冷媒サイクル装置１では、減圧装置として膨張弁１５６を用いるものとしたが、これ以外に、キャピラリチューブやその他、冷媒を減圧することができるものであればどのような装置を用いても構わない。

他方、膨張弁１５６の出口に接続された配管１５６Ａは蒸発器１５７の冷媒入口１５７Ａに接続され、蒸発器１５７の冷媒出口１５７Ｂは前記冷媒導入管９４と接続されている。

ここで、上記蒸発器１５７について図２に示す蒸発器１５７の正面図を用いて説明する。蒸発器１５７は、所謂フィンアンドチューブ型の熱交換器であり、一対の管板１２１、１２１と、両管板１２１、１２１間に所定間隔を存して複数配設されたアルミ薄板から成る熱交換用のフィン１２２・・と、これら管板１２１、１２１及びフィン１２２・・をそれぞれ貫通する複数系統（実施例では二系統）の冷媒配管１０２、１０６から構成されている。冷媒配管１０２は、例えば前記両管板１２１、１２１にて保持される直管１０３Ａとベンド配管１０３Ｂからなり、当該直管１０３Ａの両端部を交互にベンド配管１０３Ｂにて連結してターン部分を構成することにより、全体として蛇行状とされている。同様に冷媒配管１０６も両管板１２１、１２１にて保持される直管１０７Ａとベンド配管１０７Ｂとからなり、直管１０７Ａの両端部を交互にベンド配管１０７Ｂにて連結することにより、全体として蛇行状とされている。尚、直管１０３Ａ、１０７Ａをヘアピン形状として、一方の端部のみをベンド配管１０３Ｂ、１０７Ｂにて連結してもよい。

各冷媒配管１０２、１０６は蒸発器１５７の一側に位置する冷媒入口１５７Ａの分岐点Ｔ１からそれぞれ上下に分岐しており、冷媒配管１０２は分岐点Ｔ１から上方に向かい、冷媒配管１０６は分岐点Ｔ１より下方に向かう。そして、冷媒配管１０２は蒸発器１５７内の上部を蛇行状に通過し、冷媒配管１０６は蒸発器１５７の下部を蛇行状に通過した後、両冷媒配管１０２、１０６は蒸発器１５７他側下部に位置する冷媒出口１５７Ｂの合流点Ｔ２にて合流している。これにより、蒸発器１５７の冷媒入口１５７Ａと冷媒出口１５７Ｂの間に分岐した複数（実施例では二系統）の冷媒通路が各冷媒配管１０２、１０６内に構成され、冷媒配管１０６内の冷媒通路は冷媒配管１０２内の冷媒通路の下方（直下）に位置し、冷媒配管１０２内の冷媒通路は冷媒配管１０６内の冷媒通路の上方（直上）に位置することになる。

また、冷媒配管１０２の内径は当該冷媒配管１０２の全域に渡って同一とされており、同様に冷媒配管１０６の内径も当該冷媒配管１０６の全域に渡って同一とされている。更に両冷媒配管１０２、１０６の内径も同一とされている。但し、下方に位置する冷媒配管１０６の長さ（全長）は、上方に位置する冷媒配管１０２の長さ（全長）よりも短くされ、それによって、下方に位置する冷媒配管１０６内の冷媒通路の長さは上方に位置する冷媒配管１０２内の冷媒通路よりも短く設定されている。本実施例の蒸発器１５７では、両冷媒配管１０２、１０６の直管１０３Ａ、１０７Ａの長さ寸法は全て略同一とされ、ベンド配管１０３Ｂ、１０７Ｂの長さ寸法も全て略同一のものを使用しているため、冷媒配管１０６のターン数を冷媒配管１０２のターン数より少なくすることで、冷媒配管１０６の長さ（全長）を冷媒配管１０２の長さ（全長）よりも短くしている。即ち、冷媒配管１０２では、直管１０３Ａを７本、ベンド配管１０３Ｂを６本使用してターン数を３つとしているが、冷媒配管１０６では、直管１０７Ａを５本、ベンド配管１０７Ｂを４本使用してターン数を２つとすることで、当該冷媒配管１０６の長さを冷媒配管１０２の長さより短くしている。

このように下方に位置する冷媒配管１０６の長さを上方に位置する冷媒配管１０２の長さより短くすることで、後述の如き両冷媒配管１０２、１０６に均等に冷媒が流れることによって、下方に位置する冷媒配管１０６内の冷媒通路における冷媒の流通抵抗によって生じる圧力損失が小さくなるので、その分、下方の冷媒配管１０６の冷媒通路内にオイルが溜まり難くなり、下方の冷媒配管１０６の冷媒通路内に溜まろうとするオイルが蒸発器１５７から流出し易くなる。

以上の構成で、次に本発明の冷媒サイクル装置１の動作を説明する。図示しない制御装置からコンプレッサ１０の電動要素１４に通電されると、当該電動要素１４が起動する。これにより、コンプレッサ２０の第１の回転圧縮要素３２に低温低圧の冷媒ガスが吸い込まれて圧縮され、中間圧となり、密閉容器１２内に吐出される。密閉容器１２内に吐出された中間圧の冷媒ガスは冷媒導入管９２に入り、当該冷媒導入管９２が放熱器１５４を通過する過程で放熱器１５４のファン１１１により空冷方式で放熱する。

そして、空気と熱交換して冷却された中間圧の冷媒ガスは冷媒導入管９２から第２の回転圧縮要素３４に吸入され、２段目の圧縮が行われて高温高圧の冷媒ガスとなり、冷媒吐出管９６よりコンプレッサ１０の外部に吐出される。このとき、後述するように当該冷媒ガスと共に第２の回転圧縮要素３４の摺動部に供給されたオイルも吐出される。コンプレッサ１０から吐出された冷媒ガス及びオイルは冷媒吐出管９６から放熱器１５４内に流入し、そこでファン１１１により空冷方式で放熱した後、放熱器１５４から出て膨張弁１５６にて減圧された後、配管１５６Ａを経て冷媒入口１５７Ａから蒸発器１５７内に流入する。

そして、蒸発器１５７に流入した冷媒は分岐点Ｔ１から上方に位置する冷媒配管１０２と下方に位置する冷媒配管１０６とに均等に分流される。即ち、上方に位置する冷媒配管１０２と下方に位置する冷媒配管１０６とに冷媒は均等に分配されることとなる。各冷媒配管１０２、１０６に分流された冷媒は各冷媒配管１０２、１０６を流れる過程で蒸発し、空気から吸熱することにより冷却作用を発揮する。このように蒸発器１５７の各冷媒配管１０２、１０６を通過する過程で蒸発した冷媒は、その後、合流点Ｔ２で合流し、蒸発器１５７から出て冷媒導入管９４に入り、コンプレッサ１０の第１の回転圧縮要素３２に吸い込まれるサイクルを繰り返す。

ここで、コンプレッサ１０の第１及び第２の回転圧縮要素３２、３４の摺動部にはオイルが供給され、潤滑とシールを行う関係上、当該各回転圧縮要素３２、３４に供給されたオイルが冷媒と共に圧縮され、コンプレッサ１０外部に吐出されることとなるが、当該オイルが冷媒経路中の放熱器１５４や蒸発器１５７等の熱交換器内に溜まる場合がある。特に、温度が低くなる蒸発器１５７では、冷媒配管内のオイルは低粘度となり、また、分流により流速が落ちたことにより、冷媒入口１５７Ａの分岐点Ｔ１から上方に向かう冷媒配管１０２よりも、下方に向かう冷媒配管１０６内に多量のオイルが流下し易い。そのため、下方に位置する冷媒配管１０６の冷媒通路内にはオイルが溜まり易い状況となる。

このように、蒸発器１５７の冷媒配管１０６の冷媒通路にオイルが溜まると当該オイルにより冷媒配管１０６の熱伝達率も悪化してしまう。従来の熱交換器では冷媒入口から冷媒出口までの間に分岐される全ての冷媒通路の長さ寸法が同一であったため、各冷媒通路ごとに熱交換効率が異なることとなり、最も下方に位置する冷媒通路に分流された冷媒は熱交換能力が著しく低下する問題が生じていた。特に、冷媒として二酸化炭素を使用した場合には、当該二酸化炭素が高低圧差の大きい冷媒であり、耐久性を考慮して、高粘度のオイルが使用されることと、二酸化炭素冷媒は他の冷媒と比べて冷媒密度が高いため、冷媒の流速が遅いことから、他の冷媒を使用した冷媒サイクル装置より熱交換器のオイル溜まりによる熱交換性能の悪化はより深刻であった。

そこで、本発明では下方に位置する冷媒配管１０６の長さを、上方に位置する冷媒配管１０２の長さより短くすることで、即ち、当該冷媒配管１０６内に構成される冷媒通路の長さを冷媒配管１０２内に構成される冷媒通路の長さより短くすることで、下方に位置する冷媒配管１０６内の冷媒通路における冷媒の流通抵抗によって生じる圧力損失を小さくしているので、下方の冷媒配管１０６にオイルが溜まり難くなり、蒸発器１５７から円滑に排出させることができるようになる。

このように、下方に位置する冷媒配管１０６の長さを、上方に位置する冷媒配管１０２の長さより短くすることで、オイルを蒸発器１５７から円滑に排出させることができるようになるので、冷媒配管１０６内を流れる冷媒がオイルにより熱交換を阻害される不都合を回避することができる。これにより、蒸発器１５７の熱交換性能が改善され、良好な熱交換を行うことができるようになる。

更に、蒸発器１５７からオイルを排出させることにより、当該排出されたオイルは冷媒と共に冷媒出口１５７Ｂから出て冷媒導入管９４からコンプレッサ１０内に円滑に帰還するようになるので、コンプレッサ１０がオイル不足に陥る不都合も解消することができる。

以上に詳述した如く、本発明により蒸発器１５７内に溜まったオイルを円滑に排出して熱交換能力の改善を図ることが可能となると共に、コンプレッサ１０のオイル不足を解消することができるようになる。従って、本発明により冷媒サイクル装置１の性能及び信頼性の向上を図ることができるようになる。

尚、本実施例では蒸発器１５７に本発明を適用するものとしたが、これに限らず、放熱器に本発明を適用しても良いし、放熱器と蒸発器の両方に本発明を適用しても差し支えない。また、蒸発器１５７は、冷媒入口から冷媒出口までの間に分岐した２つの冷媒通路（冷媒配管１０２及び冷媒配管１０６）を備えて、下方に位置する冷媒配管１０６の長さを、上方に位置する冷媒配管１０２の長さより短くするものとしたが、これに限らず、本発明は冷媒入口から冷媒出口までの間に分岐した２つ以上の複数の冷媒通路を備えるものであれば適用可能である。

また、本実施例では両冷媒配管１０２、１０６の直管１０３Ａ、１０７Ａの長さ寸法は全て略同一とされ、ベンド配管１０３Ｂ、１０７Ｂの長さ寸法も全て略同一のものを使用して、冷媒配管１０６のターン数を冷媒配管１０２のターン数より少なくすくすることで、冷媒配管１０６の長さ（全長）を冷媒配管１０２の長さ（全長）よりも短くするものとしたが、本発明はこれに限定されるものでなく、直管１０７の長さを直管１０３Ａの長さより短くすることで冷媒配管１０６の長さを冷媒配管１０２の長さよりも短くしても良く、その他にも、ベンド配管１０７Ｂの長さをベンド配管１０３Ｂの長さより短くすることで冷媒配管１０６の長さを冷媒配管１０２の長さよりも短くしても構わない。

更に、実施例では蒸発器１５７としてフィンアンドチューブ型の熱交換器を用いて説明したが、他の熱交換器、例えば、マイクロチューブ型の熱交換器に本発明を適用しても構わない。

更にまた、本実施例では、冷媒サイクル装置１の冷媒として二酸化炭素を使用するものとしたが、請求項１の発明はこれに限定されるものでなく、他の冷媒を用いた冷媒サイクル装置にも有効である。

本発明を適用した実施例の冷媒サイクル装置の冷媒回路図である。 図１の蒸発器の正面図である。

符号の説明

１ 冷媒サイクル装置
１０ コンプレッサ
１２ 密閉容器
１４ 電動要素
３２ 第１の回転圧縮要素
３４ 第２の回転圧縮要素
９２、９４ 冷媒導入管
９６ 冷媒吐出管
１０２、１０６ 冷媒配管（冷媒通路）
１０３Ａ、１０７Ａ 直管
１０３Ｂ、１０７Ｂ ベンド配管
１１１、１２３ ファン
１２１ 管板
１２２ フィン
１５４ 放熱器
１５６ 膨張弁
１５７ 蒸発器

Claims (2)

1. コンプレッサ、放熱器、減圧装置、蒸発器などから冷媒サイクルが構成された冷媒サイクル装置において、
   前記放熱器、及び／又は、前記蒸発器は、冷媒入口から冷媒出口までの間に分岐した複数の冷媒通路を備えた熱交換器から構成されており、下方に位置する前記冷媒通路の長さは、上方に位置する前記冷媒通路の長さよりも短くされていることを特徴とする冷媒サイクル装置。
2. 冷媒として二酸化炭素が所定量封入されていることを特徴とする請求項１に記載の冷媒サイクル装置。

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