JP2008249209A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷凍装置において冷媒回路に流出するオイルを効率よく制御する。
【解決手段】ガス冷媒を圧縮する第１圧縮機１１、第１圧縮機１１で圧縮されたガス冷媒をさらに圧縮する第２圧縮機１４、第２圧縮機１４で圧縮されたガス冷媒の熱を放熱させる放熱器１５、放熱器１５から出た冷媒を第１冷媒流路と第２冷媒流路とに分流する分流器１６、第１冷媒流路を流れる冷媒を減圧する第１減圧器１７、第１減圧器１７で減圧された冷媒の蒸発作用にて第２冷媒流路を流れる冷媒を冷却する熱交換器１８、熱交換器１８で冷却された後の冷媒を第２減圧器１９で減圧させた後、蒸発器２０にて蒸発させるとともに第１圧縮機１１の吸込み側に供給する構成からなる冷凍装置１に、放熱器１５から出た冷媒に含まれているオイルを分離し、分離したオイルを第１冷媒流路を流れる冷媒とともに第１減圧器１７側に供給するオイルセパレータ１６ａを設ける。
【選択図】図１

Description

この発明は、冷凍装置に関し、とくに冷媒回路に流出するオイルを適切に制御する技術に関する。

一般に冷凍装置においては、放熱器で冷媒と熱交換する相手方物質（外気、給湯器の給水等）の温度が高い場合、蒸発器入口のエンタルピが大きくなって冷凍効果が低下する。同時に放熱温度も高くする必要があるため、冷凍サイクルの高圧側の圧力を上げる必要があるが、これにより圧縮機入力が増大して成績係数が低下してしまう。また蒸発器で冷媒と熱交換する相手方物質の温度が低い場合、低圧側の圧力を下げる必要があり、これにより圧縮機入力が増大して成績係数が低下してしまう。

このような問題を解決するための冷凍装置の構成として、例えば、特許文献１には、第１圧縮機、第１圧縮機で昇圧された冷媒をさらに昇圧する第２圧縮機、放熱器、分流器、補助膨張弁、中間熱交換器、主膨張弁、及び蒸発器を有し、放熱器から出た冷媒を２つの流路に分流し、そのうち第１冷媒流路を流れる冷媒については補助膨張弁を経て中間熱交換器の一方の流路に流すようにし、第２冷媒流路を流れる冷媒については中間熱交換器の他方の流路に流した後、主膨張弁を経由して蒸発器に流すようにすることにより中間熱交換器にて第１冷媒流路を流れる冷媒と第２冷媒流路を流れる冷媒とを熱交換させ、蒸発器から出た冷媒を圧縮機の低圧部に吸い込ませ、さらに中間熱交換機から出た第１冷媒流路を流れる冷媒を圧縮手段の中間圧部に吸い込ませるようにした、いわゆるスプリットサイクル（二段圧縮一段膨張中間冷却サイクル）が開示されている。

上記スプリットサイクルによれば、分流された第１冷媒流路を流れる冷媒と第２冷媒流路を流れる冷媒とが熱交換器で熱交換される。このため、高圧側の第１冷媒流路を流れる冷媒が冷却されて蒸発器入口におけるエンタルピが減少し、これによる冷凍効果の増大により蒸発温度が上昇し、蒸発圧の上昇による圧縮機入力の低減が見込まれることとなる。
特開２００６−２４２５５７号公報

ところで、一般に冷凍装置においては圧縮機から冷媒回路中に流出するオイルが問題となる。例えば、冷媒回路に流出したオイルにより冷媒に圧力損失が生じ、この圧力損失により圧縮機入力が増加する。さらに熱交換器等の配管内に存在するオイルは冷媒と被冷却物との間の熱交換効率を低下させ冷却効率を悪化させる。

ここでこれらの問題は、前述したスプリットサイクルについても同様にいえることであり、とくにスプリットサイクルによる冷凍装置では、冷媒回路中に流出するオイルによってスプリットサイクルのメリットが減殺されることのないように、冷媒回路に流出するオイルを適切に制御する仕組みが必須となる。他方、そのような仕組みを設けた場合、可能な限り装置の複雑化を避けて製造負荷や製造原価を抑える必要もある。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたもので、冷媒回路に流出するオイルを効率よく制御することが可能な冷凍装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明のうちの主たる発明は、冷凍装置であって、ガス冷媒を圧縮する第１圧縮機と、前記第１圧縮機で圧縮されたガス冷媒をさらに圧縮する第２圧縮機と、前記第２圧縮機で圧縮された前記ガス冷媒の熱を放熱させる放熱器と、前記放熱器から出た冷媒を第１冷媒流路と第２冷媒流路とに分流する分流器と、前記第１冷媒流路を流れる冷媒を減圧する第１減圧器と、前記第１減圧器で減圧された冷媒の蒸発作用にて前記第２冷媒流路を流れる冷媒を冷却する熱交換器と、前記熱交換器で冷却された後の冷媒を第２減圧器で減圧させた後、蒸発器にて蒸発させるとともに前記第１圧縮機の吸込み側に供給するように構成し、前記放熱器から出た前記冷媒に含まれているオイルを分離し、分離した前記オイルを前記第１冷媒流路を流れる冷媒とともに前記第１減圧器側に供給するオイルセパレータとを有することとする。

本発明の冷凍装置にあっては、スプリットサイクルの構成要素である第１冷媒流路を流れる冷媒を第２圧縮機の吸込み側に供給するための冷媒回路によってオイルを圧縮機に戻す構成であるため、オイルとともに冷媒が戻されてしまうことによる流通冷媒量の減少という問題が原理的に生じない。またオイルは放熱器及び第１減圧器で冷却され、また第１減圧器において第１冷媒流路を流れる冷媒とともに減圧されるため、オイルのための熱交換器や減圧器を別途設ける必要がなく、冷凍装置の製造原価を抑えることができる。また本発明の冷凍装置によれば、第２冷媒流路を流れる冷媒とともに蒸発器に流入するオイルの量を減らすことができるため、冷媒と被冷却物との間の熱交換効率が向上する。またオイルによる圧力損失が抑えられて冷媒の蒸発温度が上昇し、これにより圧縮機入力が減って冷却効率が向上する。

本発明によれば、冷媒回路に流出するオイルを効率よく制御することができる。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。図１に本発明の一実施形態として説明する冷凍装置１の構成を示している。冷凍装置１は、二酸化炭素を冷媒とする冷凍サイクルによるものである。なお、特許請求の範囲における「ガス冷媒」とは、気相状態の冷媒、液相状態の冷媒、及びそれら２層の共存状態をなす冷媒を指している。

図１に示すように、冷凍装置１は、第１圧縮機１１、中間冷却器１２、合流器１３、第２圧縮機１４、放熱器１５、分流器１６、第１減圧器１７、内部熱交換器１８、第２減圧器１９、蒸発器２０、及びアキュムレータ２１（液分離器）を含んで構成されている。

第１圧縮機１１及び第２圧縮機１４は、冷媒（ガス冷媒）を吸入圧縮する。
中間冷却器１２は、第１圧縮機１１から吐出される冷媒を外気等と熱交換させて冷却し、第２圧縮機１４に吸込まれる冷媒の温度を低下させる。中間冷却器１２を設けることにより第２圧縮機１４から吐出される冷媒の温度上昇が抑えられて冷凍装置１の冷凍効率が向上する。なお、本発明の実施に際し、中間冷却器１２は必ずしも必須の要素ではない。第２圧縮機１４は、第１圧縮機１１で圧縮された冷媒をさらに高圧に圧縮する。

放熱器１５（ガスクーラ）は、外気等と熱交換させることにより冷媒を冷却する。分流器１６は、放熱器１５から出た冷媒を、第１冷媒流路を流れる冷媒と第２冷媒流路を流れる冷媒とに分流する。このうち第１冷媒流路を流れる冷媒は第１減圧器１７側へ、第２冷媒流路を流れる冷媒は内部熱交換器１８側へ、それぞれ供給される。

分流器１６は、オイルセパレータ１６ａを有する。オイルセパレータ１６ａは、放熱器１５から出た冷媒に含まれているオイルを冷媒から分離し、分離したオイルを、第１冷媒流路を流れる冷媒とともに第１減圧器１７側に供給する。オイルセパレータ１６ａは超臨界状態にある二酸化炭素から液体のオイルを分離することが可能なものであり、例えば気液分離式のものが用いられる。

第１減圧器１７は、開度（減圧量）が可変の電動膨張弁で構成され、分流器１６から流出する第１冷媒流路を流れる冷媒（オイルとの混合物）を減圧する。

内部熱交換器１８は、第１減圧器１７によって減圧された冷媒と分流器１６から流入される第２冷媒流路を流れる冷媒とを熱交換させる。すなわち、第１冷媒流路を流れる冷媒は第１減圧器１７を経て内部熱交換器１８で蒸発し、第２冷媒流路を流れる冷媒を冷却する。

第２減圧器１９は、第１減圧器１７と同様の構成を有し、内部熱交換器１８から供給される第２冷媒流路を流れる冷媒を減圧する。

蒸発器２０は、第１冷媒流路を流れる冷媒を蒸発させる。蒸発器２０としては、例えば、乾式、又は満液式のものが用いられる。アキュムレータ２１は、蒸発器２０から出た冷媒に含まれる液体成分を分離する。

合流器１３は、第１圧縮機１１で圧縮された冷媒に、内部熱交換器１８で熱交換された後の第１冷媒流路を流れる冷媒を混合して第２圧縮機１４の吸込み側に供給する。合流器１３は、オイルセパレータ１３ａを有している。内部熱交換器１８から第１冷媒流路を流れる冷媒とともに流入するオイルは、オイルセパレータ１３ａによって分離された後、第１圧縮機１１又は第２圧縮機１４のオイル溜めに収容される。

次に、この冷凍装置１のサイクルを図２に示すｐ−ｈ線図（モリエル線図）とともに説明する。同図において、ａは飽和液線、ｂは飽和蒸気線、Ｃは冷媒（二酸化炭素）の臨界点である。

まず第１圧縮機１１において冷媒が所定の圧力（以下、中間圧と称する。）まで圧縮される（符号１→２の過程）。冷媒は中間圧まで圧縮された後、中間冷却器１２で冷却されて合流器１３に流入する。合流器１３では、中間冷却器１２から流入する冷媒と、分流器１６で分流されて内部熱交換器１８から第１冷媒流路を通じて戻される冷媒とが混合される（符号２→３の過程）。また第１冷媒流路を流れる冷媒とともに内部熱交換器１８から戻されるオイルはオイルセパレータ１３ａによって分離されて第１圧縮機１１又は第２圧縮機１４のオイル溜めに収容される。

合流器１３で混合された冷媒は、次に第２圧縮機１４に流入する。従って、第１冷媒流路を流れる冷媒は、第１圧縮機１１で圧縮された後の冷媒に混合されて第２圧縮機１４の吸込み側に供給される。合流器１３から第２圧縮機１４に流入した冷媒は、第２圧縮機１４においてさらに高圧に圧縮された後、放熱器１５に流入する（符号３→４の過程）。放熱器１５に流入した冷媒は、次に外気等の相手方物質と熱交換されて所定温度まで冷却され（符号４→５の過程）、その後、分流器１６に流入する。なお、放熱器１５では、冷媒とともに冷媒に含まれているオイルも冷却される。

次に分流器１６に流入する冷媒は、第１冷媒流路を流れる冷媒と第２冷媒流路を流れる冷媒とに分離される。分離された冷媒のうち第１冷媒流路を流れる冷媒については第１減圧器１７側の冷媒回路に、また第２冷媒流路を流れる冷媒については内部熱交換器１８に繋がる冷媒回路に、それぞれ供給される。また放熱器１５から分流器１６に流入される冷媒に含まれているオイルが、オイルセパレータ１６ａによって分離される。分離されたオイルは、第１冷媒流路を流れる冷媒とともに第１減圧器１７側の冷媒回路に流出される。

第１減圧器１７に流入した第１冷媒流路を流れる冷媒（オイルとの混合物）は、第１減圧器１７において減圧されて冷却された後（符号５→７の過程）、内部熱交換器１８に流入し、ここで第２冷媒流路を流れる冷媒と熱交換する。

図２において、符号５→６の過程は内部熱交換器１８における第２冷媒流路を流れる冷媒が辿る過程であり、他方、符号７→３の過程は内部熱交換器１８における第１冷媒流路を流れる冷媒が辿る過程である。同図に示すように、内部熱交換器１８において第１冷媒流路を流れる冷媒と第２冷媒流路を流れる冷媒とが熱交換して第２冷媒流路を流れる冷媒のエンタルピが減少する（符号５→６の過程）。すなわち、符号８→１の過程におけるエンタルピの変化量が大きくなって、冷凍装置１の冷凍効率が向上する。なお、符号５→６の過程におけるエンタルピの減少量が符号７→３の過程におけるエンタルピの増加量よりも少ないのは、蒸発器２０に流す第２冷媒流路を流れる冷媒の流量を確保するためである。

内部熱交換器１８で第１冷媒流路を流れる冷媒と熱交換された後の後の第２冷媒流路を流れる冷媒は、次に第２減圧器１９で減圧及び冷却されて液化する（符号６→８の過程）。第２減圧器１９で減圧された第２冷媒流路を流れる冷媒は、蒸発器２０に流入する。蒸発器２０では、第２冷媒流路を流れる冷媒が外気等の相手方物質と熱交換されて気化し（符号８→１の過程）、アキュムレータ２１において液体成分が分離された後、第１圧縮機１１の吸込み側に供給される。

一方、内部熱交換器１８で第２冷媒流路を流れる冷媒と熱交換された後の第１冷媒流路を流れる冷媒は、内部熱交換器１８と合流器１３とを結ぶ冷媒回路を通って合流器１３に流入する。

ところで、従来の圧縮機の直後にオイルセパレータを設ける方式では、冷媒がオイルに混ざって戻されてしまうことにより冷媒回路を流れる冷媒量が減少し、冷凍能力が低下してしまう（例えば、特開平６−３３７１７１号公報を参照）。しかしながら、本実施形態の冷凍装置１では、スプリットサイクルの構成要素である第１冷媒流路を流れる冷媒を第２圧縮機１４に戻す冷媒回路によりオイルを圧縮機に戻すため、オイルとともに圧縮機に冷媒が戻ってしまうことによる冷媒量の減少という問題が原理的に生じない。

また従来のように圧縮機の直後にオイルセパレータを設ける方式では、オイルを冷却するための熱交換器やオイルを減圧するための減圧器を別途設ける必要があったが、本実施形態の冷凍装置１にあっては、オイルは放熱器１５及び第１減圧器１７において冷媒とともに冷却され、かつ、第１減圧器１７において第１冷媒流路を流れる冷媒とともに減圧される。このため、本実施形態の冷凍装置１では、オイルを冷却するための熱交換器や減圧のための減圧器を別途設ける必要がなく、冷凍装置１の製造負荷や製造原価を抑えることができる。

また上記冷凍装置１では、オイルセパレータを、冷媒が超臨界状態にある放熱器１５の直後に設けるようにしているので、オイルと冷媒とを容易かつ確実に分離することができる。

また以上の構成からなる冷凍装置１によれば、第２冷媒とともに蒸発器２０に流入するオイルの量が減るため、オイルが混在することによる冷媒の圧力損失や蒸発器２０における冷媒の蒸発温度の低下（図２における８→１の過程における圧力低下）が抑えられ、圧縮機入力（図２における１→４の過程における差圧）が減って冷凍装置１の冷却効率が向上する。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、以上の説明は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。

例えば、以上の実施形態では、蒸発器２０における熱交換により外気等の被冷却物質を冷却する冷凍装置１について説明したが、本発明は放熱器１５から放熱される熱を利用して給湯水の温度を上昇させる給湯器等に適用することもできる。

また第１圧縮機１１、合流器１３、オイルセパレータ１３ａ、及び第２圧縮機１４により実現される機能は、図３に示すように密閉容器３０（シェル）に第１圧縮機１１及び第２圧縮機１４を収容した構成を有する内部中間圧二段圧縮機１００によって実現することもできる。同図において、第１圧縮機１１の吸込み側にはアキュムレータ２１から出た冷媒が密閉容器３０の外側から供給される。第１圧縮機１１に取り込まれた冷媒は、ここで中間圧まで昇圧された後（図２の符号１→２の過程）、密閉容器３０の内部空間３１に吐出される。一方、内部空間３１には、内部熱交換器１８から送られてくる第１冷媒流路を流れる冷媒（オイルとの混合物）が流入し、第１圧縮機１１から吐出された冷媒と混合される（図２の符号２→３の過程）。

このような構成からなる内部中間圧二段圧縮機１００を用いた場合、前述した合流器１３は不要である。またオイルは密閉容器３０の下方に設けられたオイル溜３２に収容されるのでオイルセパレータ１３ａも不要である。

内部空間３１の冷媒は、密閉容器３０の外部に設けた配管３３を通じて第２圧縮機１４の吸込み側に供給される。この際、冷媒は配管３３の途中に設けた中間冷却器１２によって冷却される。なお、本発明を実現するに際し中間冷却器１２は必ずしも必須の要素ではない。第２圧縮機１４に流入された冷媒は、ここでさらに所定の圧力まで昇圧される（図２の符号３→４の過程）。第２圧縮機１４から吐出された冷媒は、放熱器１５に供給される。

図４は内部中間圧二段圧縮機１００の他の構成例である。図３に示した内部中間圧二段圧縮機１００の構成では、第１圧縮機１１から吐出される冷媒を密閉容器３０の内部空間３１に直接流入させるようにしているが、図４に示す内部中間圧二段圧縮機１００では、第１圧縮機１１から吐出される冷媒を密閉容器３０の外部に設けた配管３４を通じて内部空間３１に流入させるようにしている。

同図において、第１圧縮機１１の吸込み側には、アキュムレータ２１から出た冷媒が密閉容器３０の外側から供給される。第１圧縮機１１に取り込まれた冷媒は、ここで中間圧まで昇圧された後（図２の符号１→２の過程）、配管３４を経由して内部空間３１に流入する。この際、冷媒は配管３４の途中に設けた中間冷却器１２によって冷却される。なお、本発明を実現するに際し中間冷却器１２は必ずしも必須の要素ではない。

一方、内部空間３１には内部熱交換器１８から第１冷媒流路を通じて冷媒（オイルとの混合物）が流入され、この冷媒は第１圧縮機１１から吐出される冷媒と混合される（図２の符号２→３の過程）。

このような構成からなる内部中間圧二段圧縮機１００を用いた場合、前述した合流器１３は不要である。またオイルは密閉容器３０の下方に設けられたオイル溜３２に収容されるのでオイルセパレータ１３ａも不要である。

内部空間３１の冷媒は、内部空間３１において直接第２圧縮機１４の吸込み側に取り込まれる。第２圧縮機１４に取り込まれた冷媒はここでさらに所定の圧力まで昇圧される（図２の符号３→４の過程）。第２圧縮機１４から吐出された冷媒は、放熱器１５に供給される。

以上のように、図３又は図４に示す構成からなる内部中間圧二段圧縮機１００を用いた場合、合流器１３やオイルセパレータ１３ａが不要となり、部品点数が減って製造工程の簡素化や製造コストの低廉化を図ることができる。

本発明の一実施形態として説明する冷凍装置１の構成を示す図である。 本発明の一実施形態として説明する冷凍装置１のサイクルを説明するｐ−ｈ線図（モリエル線図）である。 本発明の一実施形態として示す内部中間圧二段圧縮機１００の一例である。 本発明の一実施形態として示す内部中間圧二段圧縮機１００の一例である。

符号の説明

１ 冷凍装置
１１ 第１圧縮機
１２ 中間冷却器
１３ 合流器
１４ 第２圧縮機
１５ 放熱器
１６ 分流器
１７ 第１減圧器
１８ 内部熱交換器
１９ 第２減圧器
２０ 蒸発器
２１ アキュムレータ

Claims (5)

1. ガス冷媒を圧縮する第１圧縮機と、
   前記第１圧縮機で圧縮されたガス冷媒をさらに圧縮する第２圧縮機と、
   前記第２圧縮機で圧縮された前記ガス冷媒の熱を放熱させる放熱器と、
   前記放熱器から出た冷媒を第１冷媒流路と第２冷媒流路とに分流する分流器と、
   前記第１冷媒流路を流れる冷媒を減圧する第１減圧器と、
   前記第１減圧器で減圧された冷媒の蒸発作用にて前記第２冷媒流路を流れる冷媒を冷却する熱交換器と、
   前記熱交換器で冷却された後の冷媒を第２減圧器で減圧させた後、蒸発器にて蒸発させるとともに前記第１圧縮機の吸込み側に供給するように構成し、
   前記放熱器から出た前記冷媒に含まれているオイルを分離し、分離した前記オイルを前記第１冷媒流路を流れる冷媒とともに前記第１減圧器側に供給するオイルセパレータとを有すること
   を特徴とする冷凍装置。
2. 請求項１に記載の冷凍装置であって、
   前記熱交換器で熱交換された後の前記第１冷媒流路を流れる冷媒を、前記第１圧縮機で圧縮された後の冷媒に混合して前記第２圧縮機の吸込み側に供給する合流器を有すること
   を特徴とする冷凍装置。
3. 請求項１に記載の冷凍装置であって、
   前記冷媒は二酸化炭素であり、
   前記放熱器にて前記冷媒が超臨界の状態となっていること
   を特徴とする冷凍装置。
4. 請求項１に記載の冷凍装置であって、
   前記第１圧縮機と前記第２圧縮機とを結ぶ冷媒回路中に、前記第１圧縮機から吐出される冷媒を冷却する中間冷却器が設けられていること
   を特徴とする冷凍装置。
5. 請求項１に記載の冷凍装置であって、
   前記蒸発器と前記第１圧縮機とを結ぶ冷媒回路中に、前記蒸発器に含まれる液体成分を分離するアキュムレータが設けられていること
   を特徴とする冷凍装置。

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