JP2008070029A - 油分離装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒回路内の二酸化炭素に含まれる有極性の油を効率的に分離することができる油分離装置を提供する。
【解決手段】圧縮機（11）の吐出管（11a）には、油分離装置（20）が設けられる。油分離装置（20）の容器本体（21）内には、冷媒流出管（23）の流入端近傍に、永久磁石から成る磁気発生部材（25）が設けられる。磁気発生部材（25）では、無極性の二酸化炭素中に含まれる有極性の油が、磁気によって選択的に誘引され、この油が油捕捉面（25a,25b）に捕捉される。
【選択図】図２

Description

本発明は、二酸化炭素から成る冷媒中に含まれる有極性の油を分離するための油分離装置に関するものである。

従来より、空気調和装置等の冷媒回路には、圧縮機の潤滑油を冷媒中から分離するための油分離装置が適用されている。

例えば特許文献１には、この種の油分離装置として、いわゆるサイクロン式の油分離器が開示されている。この油分離装置は、円筒状の容器本体に、冷媒流入管と冷媒流出管と油排出管とが接続されている。圧縮機から吐出された冷媒は油を含んだ状態で、冷媒流入管から容器本体内に流入する。この冷媒は、容器本体の内部で周方向に旋回して渦流となる。その結果、冷媒に含まれる油は遠心力によって径方向外側に飛散し、冷媒と油とが分離する。以上のようにして分離された油は、容器本体内の下部に溜まり込んで油排出管より流出し、圧縮機の吸入側に戻される。一方、分離後の冷媒は、冷媒流出管より流出し、冷媒回路における冷凍サイクルに利用される。
特開２００５−９８５３４号公報

ところで、空気調和装置や給湯器等では、冷媒としての二酸化炭素を臨界圧力以上まで圧縮して冷凍サイクルを行うものが知られている。ここで、冷媒が二酸化炭素である場合には、この冷媒中に含まれる圧縮機の潤滑油として、ＰＡＧ（ポリアルキレングリコール）やＰＯＥ（ポリオールエステル）等の比較的高粘度の有極性の油を用いるのが一般的である。ところが、このような有極性の油は、二酸化炭素に対して相溶性が低く、且つ低温条件下でも粘度が比較的高いため、この油が蒸発器等の配管内に留まってしまうことがある。その結果、蒸発器等の冷媒配管内部の熱伝達率が低下してしまうと共に、圧縮機の返油量も不足してしまうという問題が生じる。

また、冷媒を二酸化炭素とした場合、油分離装置の容器本体に流入する高圧冷媒の密度は、例えばＨＦＣ系冷媒と比較して高くなる。このため、容器本体内における冷媒と油との密度差は小さくなる。従って、油分離装置では、上述のようにして油を遠心分離することが困難となり、この油分離装置の油分離効率が低下してしまう。以上のような理由により、二酸化炭素を用いた冷媒回路に設けられる油分離装置では、油分離効率の高効率化が特に望まれている。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、二酸化炭素に含まれる有極性の油を効率的に分離することができる油分離装置を提供することである。

第１の発明は、冷媒として二酸化炭素が充填されると共に圧縮機（11）の潤滑油として有極性の油が用いられる冷媒回路（10）に設けられ、冷媒中の油を分離する油分離装置を前提としている。そして、この油分離装置は、冷媒中の油を磁気によって捕捉する磁気発生部材（25）を備えていることを特徴とするものである。

第１の発明の油分離装置は、二酸化炭素を冷媒とする冷媒回路（10）に設けられる。冷媒中には、圧縮機（11）の潤滑油として、例えばＰＡＧやＰＯＥに代表されるような有極性の油が含まれる。この油分離装置は、磁気発生部材（25）によって冷媒中の有極性の油を捕捉する。

具体的には、磁気発生部材（25）は、有極性の油を含む冷媒に対して磁気を発生させる。ここで、冷媒としての二酸化炭素は、無極性分子から成る流体であるのに対し、油は有極性分子から成る流体である。このため、磁気発生部材（25）から磁気が発生すると、無極性である冷媒よりも有極性である油の方が、磁気発生部材（25）に誘引され易くなる。従って、本発明では、冷媒中の油が磁気発生部材（25）に選択的に引き寄せられ、この油が磁気発生部材（25）に捕捉され、冷媒と油とが分離する。

第２の発明は、第１の発明の油分離装置において、容器本体（21）と、該容器本体（21）へ冷媒を流入させる冷媒流入管（22）と、上記容器本体（21）で分離した後の冷媒を流出させる冷媒流出管（23）と、該容器本体（21）の下部に接続されて容器本体（21）で分離した油を流出させる油排出管（24）とを備え、上記磁気発生部材（25）は、上記容器本体（21）内に配置されていること特徴とするものである。

第２の発明では、油分離装置の容器本体（21）の内部に、冷媒と油とを分離するための空間が形成される。冷媒流入管（22）より容器本体（21）の内部へ冷媒が流入すると、この冷媒は磁気発生部材（25）の周囲を流れる。磁気発生部材（25）は、上述のようにして、冷媒中の有極性の油を捕捉し、冷媒と油とが分離する。分離後の冷媒は、冷媒流出管（23）より容器本体（21）の外部へ流出する。一方、磁気発生部材（25）に捕捉された油は、磁気発生部材（25）に付着した油粒子が徐々に肥大化することで落下し、容器本体（21）内の下部に溜まり込む。この油は、油排出管（24）より容器本体（21）の外部へ流出する。

第３の発明は、第２の発明において、上記磁気発生部材（25）が、上記冷媒流出管（23）の流入端の近傍に配置されていることを特徴とするものである。

第３の発明では、冷媒が流出する冷媒流出管（23）の流入端の近傍に磁気発生部材（25）が設けられる。このため、磁気発生部材（25）の周囲には、確実に冷媒が流れ込むため、この冷媒中に含まれる油が磁気発生部材（25）に捕捉され易くなる。

第４の発明は、第２又は第３の発明の油分離装置において、上記磁気発生部材（25）では、磁気によって捕捉された油が付着する油捕捉面（25a,25b）が鉛直に形成されていることを特徴とするものである。

第４の発明の磁気発生部材（25）には、油捕捉面（25a,25b）が鉛直に形成される。このため、この油捕捉面（25a,25b）に付着した油は、自重によって鉛直下方に落下し易くなる。従って、磁気発生部材（25）で捕捉した油を速やかに容器本体（21）の下部に落下させ、油排出管（24）に流出させることができる。

第５の発明は、第１乃至第４のいずれか１つの発明の油分離装置において、上記磁気発生部材（25）が、永久磁石によって構成されていることを特徴とするものである。

第５の発明では、冷媒中に含まれる油が、永久磁石としての磁気発生部材（25）の磁気によって捕捉される。

本発明によれば、磁気発生部材（25）の磁気を利用して冷媒中の油を捕捉するようにしている。ここで、無極性の二酸化炭素と比較して有極性の油は磁気によって誘引され易い。このため、本発明によれば、冷媒中から有極性の油を選択的に分離することができ、この油分離装置の油分離効率の向上を図ることができる。

第２の発明では、容器本体（21）の内部に磁気発生部材（25）を配置するようにしたので、磁気発生部材（25）で捕捉した油を容器本体（21）内の下部に回収し、油排出管（24）より容器本体（21）の外部へ流出させることができる。また、本発明によれば、冷媒流入管（22）から容器本体（21）へ流入した冷媒が旋回流となることで、遠心力を利用して冷媒と油を分離することができる。

第３の発明では、冷媒流出管（23）の流入端の近傍に配置することで、磁気発生部材（25）の周囲に冷媒を確実に流すようにしている。このため、本発明によれば、磁気発生部材（25）の磁気によって有極性の油を効果的に捕捉することができ、この油分離装置の油分離効率を向上できる。

第４の発明によれば、磁気発生部材（25）の油捕捉面（25a,25b）を鉛直に形成したため、この油捕捉面（25a,25b）に捕捉された油を速やかに落下させることができる。このため、油捕捉面（25a,25b）の表面が油で覆われてしまうことがなく、有極性の油に対する磁気発生部材（25）の誘引力が低下してしまうのを未然に回避できる。また、油捕捉面（25a,25b）に捕捉した油を速やかに油排出管（24）より流出させることができるので、圧縮機（11）の返油量が不足してしまうのを防止できる。

第５の発明によれば、磁気発生部材（25）を永久磁石としたので、この磁気発生部材（25）を単純に構成することができる。また、磁気を発生させるための電力も不要となり、この磁気発生部材（25）を半永久的に使用することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

本発明の実施形態に係る油分離装置（20）は、室内の空調を行う空気調和装置（1）に適用されるものである。この空気調和装置（1）は、室内の冷房と暖房とを切り換えて行うように構成されている。

図１に示すように、空気調和装置（1）は、冷媒が充填される冷媒回路（10）を備えている。冷媒回路（10）には、冷媒として二酸化炭素が充填されている。また、冷媒中には、圧縮機（11）の各摺動部を潤滑するための潤滑油として、有極性の油であるＰＡＧ（ポリアルキレングリコール）が含まれている。冷媒回路（10）では、二酸化炭素を臨界圧力以上まで圧縮する冷凍サイクルが行われる。

冷媒回路（10）には、圧縮機（11）と室外熱交換器（12）と室内熱交換器（13）と膨張弁（14）とが設けられている。

上記圧縮機（11）は、例えばスクロール型の圧縮機で構成されている。圧縮機（11）には、圧縮機構の吐出冷媒が流出する吐出管（11a）と、圧縮機構の吸入冷媒が流入する吸入管（11b）とが接続されている。上記室外熱交換器（12）は、室外空間に配置されている。室外熱交換器（12）は、例えばフィンアンドチューブ式の熱交換器で構成されている。室外熱交換器（12）では、その内部を流れる冷媒と室外空気とが熱交換する。上記室内熱交換器（13）は、室内空間に配置されている。室内熱交換器（13）は、例えばフィンアンドチューブ式の熱交換器で構成されている。室内熱交換器（13）では、その内部を流れる冷媒と室内空気とが熱交換する。膨張弁（14）は、室外熱交換器（12）と室内熱交換器（13）との間に接続されている。膨張弁（14）は、例えば電子膨張弁で構成されている。

また、冷媒回路（10）には、四路切換弁（15）が設けられている。四路切換弁（15）は、第１から第４までの４つのポートを備えている。四路切換弁（15）では、第１ポートが室外熱交換器（12）と繋がり、第２ポートが圧縮機（11）の吸入側と繋がり、第３ポートが圧縮機（11）の吐出側と繋がり、第４ポートが室内熱交換器（13）と繋がっている。四路切換弁（15）は、第１ポートと第３ポートとを連通させると同時に第２ポートと第４ポートとを連通させる第１状態（図１の実線の状態）と、第１ポートと第２ポートとを連通させると同時に第３ポートと第４ポートとを連通させる第２状態（図１の破線の状態）とに切換可能となっている。

更に、冷媒回路（10）には、油分離装置（20）が設けられている。油分離装置（20）は、圧縮機（11）の吐出管（11a）に接続されている。この油分離装置（20）は、圧縮機（11）から吐出された冷媒中から油を分離し、この油を圧縮機（11）の吸入側に戻すものである。

図２に示すように、油分離装置（20）は、中空円筒状の密閉型の容器本体（21）を備えている。この容器本体（21）内には、その底部に分離後の油が溜まる油溜め部（21a）が形成される。また、容器本体（21）には、冷媒流入管（22）と冷媒流出管（23）と油排出管（24）とが接続されている。

上記冷媒流入管（22）は、一端が容器本体（21）の側壁の上部寄りの部位に接続され、他端が上記圧縮機（11）の吐出管（11a）に接続されている。冷媒流入管（22）は、圧縮機（11）の吐出冷媒を容器本体（21）内に流入させる。上記冷媒流出管（23）は、一端が容器本体（21）の上端部の中心部位に接続され、他端が上記四路切換弁（15）と繋がっている。また、冷媒流出管（23）は、容器本体（21）の上端部を貫通しており、その一端側の流入端が容器本体（21）内の上部寄りの空間に臨んでいる。冷媒流出管（23）は、容器本体（21）内で分離した冷媒を該容器本体（21）の外部へ流出させる。油排出管（24）は、一端が容器本体（21）の下端部に接続され、他端が上記圧縮機（11）の吸入管（11b）に接続されている。油排出管（24）は、その一端側の流入端が上記油溜め部（21a）に開口している。

容器本体（21）内には、本発明の特徴である磁気発生部材（25）が設けられている。本実施形態において、磁気発生部材（25）は、永久磁石で構成されている。磁気発生部材（25）は、容器本体（21）の上部寄りの空間であって、冷媒流出管（23）の流入端の近傍に配置されている。磁気発生部材（25）は、筒状に形成されており、その軸心が上記冷媒流出管（23）とほぼ一致している。そして、磁気発生部材（25）は、冷媒流出管（23）の周囲を覆っている。

磁気発生部材（25）は、その内周側に第１油捕捉面（25a）が形成され、その外周側に第２油捕捉面（25b）が形成されている。各油捕捉面（25a,25b）は、それぞれ鉛直な面となっている。各油捕捉面（25a,25b）は、その近傍を流れる冷媒中の油を磁気により捕捉するように構成されている。

−運転動作−
次に、本発明に係る実施形態の空気調和装置（1）の運転動作について説明する。空気調和装置（1）の冷媒回路（10）では、上記四路切換弁（15）の設定に応じて、冷媒の循環方向が切り換わる。具体的には、四路切換弁（15）は、冷房運転において図１の実線で示す状態となり、暖房運転において図１の破線で示す状態となる。以下には、空気調和装置（1）の運転動作として、冷房運転を代表に説明する。

図１に示す冷媒回路（10）において、圧縮機（11）で臨界圧力以上まで圧縮された冷媒は、吐出管（11a）及び冷媒流入管（22）を介して油分離装置（20）の容器本体（21）内へ流入する。油分離装置（20）では、詳細は後述する油分離動作によって、冷媒中から油が分離される。油分離装置（20）で油が分離された後の冷媒は、室外熱交換器（12）を流れる。室外熱交換器（12）では、高圧冷媒が室外空気へ放熱する。室外熱交換器（12）で放熱した後の高圧冷媒は、膨張弁（14）を通過する際に減圧されて、低圧冷媒となる。その後、冷媒は室内熱交換器（13）を流れる。室内熱交換器（13）では、冷媒が室内空気から吸熱して蒸発する。その結果、室内の冷房が行われる。室内熱交換器（13）で蒸発した冷媒は、吸入管（11b）を流れる。この冷媒は、油分離装置（20）で分離された油と共に圧縮機（11）へ吸入される。

−油分離装置における油分離動作−
上述した冷房運転や、説明を省略した暖房運転では、油分離装置（20）で以下のような油分離動作が行われる。

図２に示すように、油分離装置（20）では、冷媒が冷媒流入管（22）より容器本体（21）内へ流入する。この冷媒中には、圧縮機（11）の各摺動部の潤滑に利用された油が含まれている。容器本体（21）内に流入した冷媒は、容器本体（21）の内壁に沿うようにして周方向に旋回する。その結果、容器本体（21）では、渦流の発生に伴う遠心力によって冷媒中の油が径方向に飛散し、この油が油溜め部（21a）に回収される。一方、本実施形態では、冷媒として二酸化炭素を用いているため、容器本体（21）内の冷媒と油との密度差は、ＨＦＣ系の冷媒と比較して小さくなっている。このため、油分離装置（20）においては、遠心力を利用するだけでは冷媒中から油を充分に分離することができない。そこで、本実施形態では、磁気発生部材（25）の磁気を利用して冷媒中の油を更に分離するようにしている。

具体的には、容器本体（21）内の冷媒が、冷媒流出管（23）の流入端近傍を流れると、冷媒及び油に対して磁気発生部材（20）の磁気が作用する。ここで、冷媒である二酸化炭素が無極性分子であるのに対し、油であるＰＡＧは有極性分子である。このため、磁気発生部材（25）から磁気が発生すると、無極性である冷媒よりも有極性である油の方が、磁気発生部材（25）に誘引され易くなる。従って、冷媒中の油は、磁気発生部材（25）に選択的に引き寄せられ、この油が油捕捉面（25a,25b）に付着する。その結果、磁気発生部材（25）の近傍では、冷媒中の油が効果的に分離される。

各油捕捉面（25a,25）に誘引された油は、微小な粒子の状態で各油捕捉面（25a,25）に付着する。このようにして、各油捕捉面（25a,25b）に油粒子が付着していくと、付着した油の粒子が徐々に肥大化していく。その結果、肥大化した油粒子は、磁気による誘引力に反して自重により落下し、油溜め部（21a）に回収されていく。

以上のようにして、油が分離された後の冷媒は、冷媒流出管（23）より容器本体（21）の外部へ流出し、冷房運転や暖房運転の冷凍サイクルに利用される。一方、油溜め部（21a）に回収された油は、油排出管（24）より容器本体（21）の外部へ流出し、圧縮機（11）の吸入側に戻される。

−実施形態の効果−
上記実施形態によれば、磁気発生部材（25）の磁気を利用して冷媒中の油を捕捉するようにしている。このため、上記実施形態によれば、無極性の冷媒中から有極性の油を選択的に分離することができ、この油分離装置（20）の油分離効率を向上できる。

上記実施形態では、容器本体（21）内で冷媒を旋回させるようにすることで、冷媒中の油を遠心分離することができる。即ち、上記実施形態では、磁気発生部材（25）の磁気による油分離と、遠心力を利用した油分離との双方が行われるので、この油分離装置（20）の油分離効率を更に高めることができる。

上記実施形態では、冷媒流出管（23）の流入端の近傍に磁気発生部材（25）を配置することで、磁気発生部材（25）の周囲に冷媒を確実に流すようにしている。このため、上記実施形態によれば、磁気発生部材（25）の磁気によって有極性の油を効果的に捕捉することができる。

上記実施形態では、磁気発生部材（25）の各油捕捉面（25a,25b）を鉛直に形成したため、各油捕捉面（25a,25b）に捕捉された油を速やかに落下させることができる。このため、各油捕捉面（25a,25b）の表面が油で覆われてしまうことがなく、有極性の油に対する磁気発生部材（25）の誘引力が低下してしまうのを未然に回避できる。また、各油捕捉面（25a,25b）に捕捉した油を速やかに油排出管（24）より流出させることができるので、圧縮機（11）の返油量が不足してしまうのを防止できる。

上記実施形態では、磁気発生部材（25）を永久磁石としたので、この磁気発生部材（25）を単純に構成することができる。また、磁気を発生させるための電力も不要となり、この磁気発生部材（25）を半永久的に使用することができる。

《その他の実施形態》
上記実施形態については、以下のような構成としてもよい。

例えば図３に示すように、上記実施形態の磁気発生部材（25）を容器本体（21）の内壁に支持させるようにしても良い。この場合には、磁気発生部材（25）の内周側の油捕捉面（25a）で有極性の油を捕捉して、冷媒中から油を分離することができる。

また、上記実施形態では、磁気発生部材（25）として永久磁石を用いるようにしているが、例えば電磁石等、磁気を発生するものであれば、如何なるものを用いても良い。

更に、上記実施形態では、有極性の油としてＰＡＧを用いるようにしているが、ＰＯＥ等の他の有極性の油を用いるようにしても良い。

また、上記実施形態では、圧縮機（11）の吐出冷媒中に含まれる油を油分離装置（20）により分離するようにしている。しかしながら、冷媒回路（10）に例えば圧縮機構と膨張機構とが駆動軸を介して連結された、いわゆる一軸連結式の膨張圧縮機を設け、圧縮機構の吐出冷媒や、膨張機構から流出した冷媒に含まれる油を上記油分離装置（20）で分離するようにしても良い。

なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

以上説明したように、本発明は、二酸化炭素から成る冷媒中に含まれる有極性の油を分離するための油分離装置について有用である。

図１は、実施形態に係る空気調和装置の冷媒回路の配管系統図である。 図２は、実施形態に係る油分離装置の概略構成図である。 図３は、その他の実施形態に係る油分離装置の概略構成図である。

符号の説明

1 空気調和装置
10 冷媒回路
11 圧縮機
20 油分離装置
22 冷媒流入管
23 冷媒流出管
24 油排出管
25 磁気発生部材
25a 第１油捕捉面
25b 第２油捕捉面

Claims (5)

1. 冷媒として二酸化炭素が充填されると共に圧縮機（11）の潤滑油として有極性の油が用いられる冷媒回路（10）に設けられ、冷媒中の油を分離する油分離装置であって、
   冷媒中の油を磁気によって捕捉する磁気発生部材（25）を備えていることを特徴とする油分離装置。
2. 請求項１において、
   容器本体（21）と、該容器本体（21）へ冷媒を流入させる冷媒流入管（22）と、上記容器本体（21）で分離した後の冷媒を流出させる冷媒流出管（23）と、該容器本体（21）の下部に接続されて容器本体（21）で分離した油を流出させる油排出管（24）とを備え、
   上記磁気発生部材（25）は、上記容器本体（21）内に配置されていること特徴とする油分離装置。
3. 請求項２において、
   上記磁気発生部材（25）は、上記冷媒流出管（23）の流入端の近傍に配置されていることを特徴とする油分離装置。
4. 請求項２又は３において、
   上記磁気発生部材（25）では、磁気によって捕捉された油が付着する油捕捉面（25a,25b）が鉛直に形成されていることを特徴とする油分離装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１つにおいて、
   上記磁気発生部材（25）は、永久磁石によって構成されていることを特徴とする油分離装置。

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