JP2008309425A - 遠心分離式のオイルセパレータ及びそのようなオイルセパレータを一体に備える冷媒圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒圧縮機の起動時におけるオイルの冷媒循環管路側への流入を抑えることができるオイルセパレータ及びそのようなオイルセパレータを内蔵した冷媒圧縮機を提供する。
【解決手段】オイルセパレータ１は、冷媒に混入しているオイルを分離する分離部２及び貯油部１３を具備する。分離部２は、円筒状内部空間３において遠心力により冷媒からオイルを分離し、円筒状内部空間３の下端部を閉じる底壁部４ｂを有する。貯油部は、底壁部４ｂを挟んで円筒状内部空間３に隣接して配置された貯油室１４を有する。オイルセパレータ１は、底壁部４ｂに形成されて、円筒状内部空間３と貯油室１４とを流体連通させる少なくとも二つの通路８，１０とをさらに具備し、少なくとも二つの通路８，１０が、底壁部４ｂの中心からの異なる半径方向位置で配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷媒ガス中に混入している冷媒圧縮機用のオイルを遠心力で分離する遠心分離式のオイルセパレータ及びそのようなオイルセパレータを一体に備える冷媒圧縮機に関する。

冷凍サイクルを構成する冷媒圧縮機に用いられた遠心分離式のオイルセパレータが特許文献１に記載されている。特許文献１のオイルセパレータは冷媒圧縮機に内蔵されたタイプのもので、冷媒ガスからオイルを分離する分離部（油分離機構）と、分離されたオイルを貯留する貯油室（油溜室）とを圧縮機のケーシングと一体に備えており、分離部と貯油室とは一つの油通口によって連通されていて、分離部で分離されたオイルは油通口を通って貯油室に落下するように構成されている。

ところで、圧縮機の稼動中は、高温の冷媒ガスからオイルを分離するため、貯油室には高温のオイルが貯留されるが、圧縮機が停止して圧縮機側が低温になると分離室及び貯油室内の空間中の冷媒が凝縮してオイルに冷媒が含まれることとなる。この状態から圧縮機を起動させると、高温の吐出冷媒ガスがオイルセパレータへ送られるので、貯油室内の液冷媒も高温となって沸騰して蒸発し、その結果冷媒ガスの貯油室から分離部への逆流が生じる。このとき、分離部で分離されて油通口を流下して貯油室へ移動中のオイルが、逆流する冷媒ガスにより巻き上げられて冷媒循環管路側へ流れ込み、その結果貯油面が低下して潤滑不足を招くことがあった。

特許２００４−２１１５５０号公報

本発明は、上記問題点に鑑みて、冷媒圧縮機の起動時におけるオイルの冷媒循環管路側への流入を抑えることができるオイルセパレータ及びそのようなオイルセパレータを内蔵した冷媒圧縮機を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を達成するための技術的手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載のオイルセパレータ及び冷媒圧縮機を提供する。

請求項１に記載のオイルセパレータは、冷媒圧縮機と共に用いられて、冷媒に混入しているオイルを分離するオイルセパレータ（１）であって、円筒状内部空間（３）を備え、円筒状内部空間（３）において遠心力により冷媒からオイルを分離する分離部（２）にして、円筒状内部空間（３）の下端部を閉じる底壁部（４ｂ）を有する分離部（２）と、底壁部（４ｂ）を挟んで円筒状内部空間（３）に隣接して配置された貯油室（１４）を有する貯油部（１３）と、底壁部（４ｂ）に形成されて、円筒状内部空間（３）と貯油室（１４）とを流体連通させる少なくとも二つの通路（８，１０）とを具備し、少なくとも二つの通路（８，１０）が、底壁部（４ｂ）の中心からの異なる半径方向位置で配置されている。

分離されたオイルは、遠心力によって分離部（２）の内壁に付着することから、二つの通路（８，１０）のうち比較的内側に配置された通路よりも比較的外側に配置された通路から多く流下すること、及び冷媒圧縮機を起動した際に加熱されて貯油室（１４）から分離部の円筒状内部空間（３）へ移動する冷媒蒸気は二つの通路（８，１０）を通過するが、比較的内側に配置された通路を通って移動する冷媒蒸気が巻き上げるオイルは比較的少ないことから、全体としてオイル巻き上げを抑制する効果が得られる。

請求項２に記載されたオイルセパレータは、少なくとも二つの通路（８，１０）が、底壁部（４ｂ）の中心に配置された第１通路（８）と、中心以外に配置された第２通路（１０）とからなるものである。これにより、第１通路（８）を流下するオイル量が少量となるのでオイル巻き上げを抑制する効果が更に高められる。

請求項３に記載されたオイルセパレータでは、第１通路（８）の上端が、第２通路（１０）の上端より上方に位置している。これにより、オイルの全てを第２通路（１０）から流下させることが可能になり、前述の効果を高められる。

請求項４に記載されたオイルセパレータは、複数の第２通路（１０）を有すことにより、より多くのオイルを第２通路（１０）から流下させることが可能になり、前述の効果を高められる。

請求項５に記載された冷媒圧縮機（２０）は、請求項１〜４のいずれか一項に記載されたオイルセパレータ（１）を一体に備えるものである。オイルセパレータ（１）は、圧縮機構部からオイルセパレータまでの吐出経路が短くなることと冷媒圧縮機（２０）の圧縮機構部により加熱されることから、別体品にくらべて、冷媒蒸気がより多く内部で発生するが、前述のオイル巻き上げを抑制する効果を有するので、良好な潤滑性を維持したオイルセパレータ一体型の冷媒圧縮機を得ることができる。

請求項６に記載された冷媒圧縮機では、圧縮機構部まわりが低圧式のため、容器をオイル分離器として使えない点に対し、小型のオイルセパレータを具備することにより、高い信頼性効果を発揮できる。

請求項７に記載した冷媒圧縮機は冷媒が二酸化炭素であり、このように冷媒が二酸化炭素の場合であっても、二酸化炭素に固有の高荷重の摺動部の潤滑性を確保でき、より効果を発揮する。

なお、上記各手段に付した括弧内の符号は、後述する実施態様に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、本発明の第１の実施態様によるオイルセパレータ１について、その縦断面図である図１を参照して説明する。図１のオイルセパレータ１は、冷媒に混合されているオイルを分離するために、図示されない冷媒圧縮機に接続されて用いられるもので、オイルを分離する分離部２と、分離されたオイルを貯留する貯油室１４を形成する貯油部１３とを主要構成要素として具備しており、この分離部２及び貯油部１３はその内部に作用する高圧力に耐える密閉構造となっている。なお、オイルセパレータ１に流入する冷媒は本実施態様では二酸化炭素であるが、これがフロン系の冷媒であってもよい。

分離部２は、円筒状内部空間３を形成する分離筒４と、冷媒送出口５を有する冷媒送出管６とを有しており、前記冷媒送出管６は大径部と小径部を有する段付き円筒状に形成され分離筒４の上端部に大径部が同芯に結合されている。分離筒４の周壁部４ａの上部には冷媒流入口７が設けられており、冷媒流入口７は、図２の分離筒４の横断面図に示されるように、冷媒が流入したとき旋回流を形成するような方向及び位置で分離筒４の周壁部４ａに開けられている。

分離筒４の底壁部４ｂの中心には、貯油室１４に連通する第１通路８を有する連通パイプ９が分離筒４の底壁部４ｂを貫通して立設されていて、連通パイプ９は分離筒４の全高の１／３程度の高さで底壁部４ｂから円筒状内部空間３内へ突出している。また、底壁部４ｂの周縁部には貯油室１４に連通する第２通路１０が設けられている。このように、本実施態様では、第１通路８の入口端が第２通路１０の入口端よりも高位に配置される。また本実施態様では第１通路８の内径は、第２通路１０の内径より大きく約２倍の寸法を有している。

冷媒流入口７には、図示しない冷媒圧縮機の冷媒吐出室に一端が接続された圧縮機吐出管１２の他端が接続され、圧縮機からの冷媒がこの冷媒流入口７から分離部２に供給される。また、冷媒送出管６の冷媒送出口５には、図示しないが、冷凍サイクルを構成する凝縮器へ冷媒を導く冷媒管路が接続される。

貯油部１３は、オイルを貯留する空間である貯油室１４を形成する貯油容器１５を具備しており、貯油容器１５は有底円筒状の容器本体部１５ａと上端部を閉じる閉鎖プレート１５ｂを有している。また、分離筒４の下端部が閉鎖プレート１５ｂを貫通してそれに固定されている。容器本体部１５ａの底部には送油口１７が設けられていて、この送油口１７に送油管１８の一端が接続されている。送油管１８の他端は図示しない冷媒圧縮機のオイル戻し通路に接続されている。

次に、第１の実施態様のオイルセパレータ１がどのように作動するかについて説明する。
冷媒圧縮機の圧縮機構部において圧縮された冷媒は吐出管１２を通ってオイルセパレータ１の分離部２に設けられた冷媒流入口７から分離筒４に流入する。流入した冷媒は旋回流を形成し、旋回流の遠心力によって冷媒内に混入しているオイルが分離されて分離筒４の内壁に付着する。オイルが分離された冷媒は冷媒送出口５から冷媒管路に送り出され図示しない凝縮器へ導かれ、一方分離されたオイルは分離筒４の内壁を伝って流下し底壁部４ｂに至り、そこから第２通路１０を通って貯油室１４に落下する。貯油室１４に貯留されたオイルは底部の送油口１７から送油管１８を通して冷媒圧縮機へ戻される。なお、オイルの冷媒圧縮機への流れは貯油室１４と冷媒圧縮機内との圧力差に基づいて引き起こされる。

以上、オイルセパレータ１の基本的な動作を説明したが、次に、冷媒圧縮機の停止後の再起動時におけるオイルセパレータ１内の状態を説明する。
冷媒圧縮機の運転と停止を繰り返すことにより、貯油室１４にはオイルだけではなく液冷媒も貯留されることとなる。これは、冷媒圧縮機を運転したあと停止して温度が低下すると、分離部２の円筒状内部空間３及び貯油室１４に含まれていた冷媒ガスは凝縮して液冷媒となり、貯油室１４で凝縮した冷媒はもとより、分離部２で凝縮した液冷媒も第２通路１０を通して貯油室１４に移動するためである。そして貯油室１４内の液冷媒は、冷媒圧縮機が起動されて高温の冷媒ガスが分離部２へ送られると加熱されて沸騰し蒸発する。蒸発した冷媒は、本発明によるオイルセパレータ１においては、貯油室１４からその大部分が第１通路８を通って分離部２の円筒状内部空間３へ移動する。第１通路８は底壁部４ｂから上方へ突出した連通パイプ９に形成されているので、そこをオイルが流下して来ることはなく、したがって第１通路８を通る冷媒ガスがオイルを巻き上げることはない。第２通路１０を冷媒ガスが通る場合も考えられるが、第２通路１０を通る冷媒ガスは少量で運動エネルギーも小さいので、第２通路１０を流下するオイルを分離筒４内に巻き上げることはないと考えられる。このように、本発明によるオイルセパレータ１を用いることによって、冷媒圧縮機の再起動時における、貯油室１４内の液冷媒の蒸発にともなうオイルの冷媒回路側への流出が防止されるか又は少なくとも抑制される。

第１の実施態様のオイルセパレータ１においては、第１通路８の径は第２通路１０の径より大であるが、本発明においては、第１及び第２通路の径は同一又は第２通路１０の方を大きくしてもよい。そのようにした場合でも、第１の実施態様の場合に比べ低下するとはいえ、オイルの巻き上げを抑える効果を得ることができる。

また、オイルセパレータの第１通路８の位置は底壁部４ｂの中心に限定されるものではなく、それが第２通路よりも内側に位置していれば、第１の実施態様の場合に比べ低下するとはいえ、前述のオイルの巻き上げを抑制する効果を得ることができる。

さらに、第１の実施態様では第２通路１０は底壁部４ｂに１個だけ設けられているが、第２通路１０を例えば同一の半径方向位置で複数設けてもよい。

次に、本発明の第２の実施態様による冷媒圧縮機２０について、その縦断面図である図３を参照して説明する。図３の冷媒圧縮機２０はスクロール型圧縮機であって、密閉容器２１内に電動機部２２と圧縮機構部２３とを収容し、外部の冷媒回路からの冷媒を圧縮するとともに、その一端側に一体に取付けられたオイルセパレータ１によって圧縮された冷媒からオイルを分離して、冷媒を外部の冷媒回路へ送り出す一方で、分離したオイルを圧縮機構部等の可動部へ戻すように構成されている。なお、この冷媒圧縮機２０に含まれるオイルセパレータの参照符号については、第１の実施態様によるオイルセパレータと基本的には同一である。

圧縮機２０の密閉容器２１は円筒状の第１ハウジング２４と、第１ハウジング２４の左端部に結合された有底円筒状の第２ハウジング２５と、第１ハウジング２４の右端部に結合された有底円筒状の第３ハウジング２６とから形成されている。また、この密閉容器２１は、その中の圧力が冷媒の吐出圧力よりも低い所謂内部低圧式容器を形成している。

圧縮機構部２３は、主軸受２７によって支持されたクランク機構２８により公転する可動スクロール２９と、可動スクロール２９に対向配置された固定スクロール３０とを具備しており、クランク機構２８及び可動スクロール２９は、主軸受２７と副軸受３１によって水平に支持された電動機部２２のシャフト３２によって回転される。

固定スクロール３０と可動スクロール２９は渦巻状の溝をそれぞれ有しており、この溝の噛み合いによって形成される複数の作動室３３が体積を縮小することによって固定スクロール３０の渦巻状の溝の最外周側に連通する吸入室（図示省略）に供給された冷媒を圧縮するように構成されている。圧縮機構部２３の作動室３３に吐出口３４で連通している吐出室３５に吐出管１２の一端が接続され、吐出管１２の他端がオイルセパレータ１の分離部２に設けられた冷媒流入口７に接続されている。

固定スクロール３０の図の下側にはオイル戻し通路３６が形成されていて、オイル戻し通路３６はその一端に送油管１８が接続され、その他端が固定スクロール３０と可動スクロール２９との摺動界面に通じており、さらにそこから潤滑の必要な他の可動部分に至る複数のオイルの通路が形成されている。送油管１８の一端は貯油部１３の底部に設けられた送油口１７に接続されている。

第２の実施態様におけるオイルセパレータ１は、第１の実施態様のオイルセパレータとその基本的な構成は同じであるが、第１通路８が連通パイプにではなく底壁部４ｂに直接に形成されその結果第１通路８と第２通路１０のそれぞれの入口上端のレベルが同一であること、及び貯油部１３の貯油容器１５が、圧縮機２０の密閉容器２１の右端部を閉鎖する部材でもある第３ハウジング２６と、この第３ハウジング２６の端部に形成された段付き部に接合された略円盤状の第４ハウジング３７とから形成されていることが異なっている。また、これに関連して分離部２の分離筒４は第３ハウジング２６の上部を貫通して結合されている。

第２の実施態様による冷媒圧縮機２０のオイルセパレータは、第１の実施態様のオイルセパレータと同様に作動し、圧縮機構部２３に隣接する吐出室３５から吐出管１２をとおして供給された冷媒を分離部２の円筒状内部空間３で旋回させてオイルを分離し、冷媒を冷媒送出口５から冷媒回路に送り出す一方で、オイルを主に第２通路１０から貯油室１４に流下させる。貯油室１４に貯留したオイルは送油口１７から送油管１８をとおしてオイル戻し通路３６に戻され、固定及び回転スクロールの摺動界面等の可動部に供給される。

また、本実施態様では第１通路８は第２通路１０の入口上端と同一レベルにあるが、このように構成しても第１通路８を流下するオイルは少量に抑えられる。これは、分離部内の模式的縦断面図である図４に示されるように、冷媒流入口７を通って分離筒４に流入した冷媒（矢印で示す）から遠心分離されたオイル３８は分離筒４の内壁側に偏在してその大部分が第２通路１０を通って流下するためである。従って冷媒圧縮機２０の起動時に貯油室１４内から蒸発する冷媒によって巻き上げられるオイルも少量である。

また、この第２の実施態様のようにオイルセパレータが圧縮機構部２３に隣接すると、第１の実施態様の場合に比較して、分離部２に流入する冷媒は高温となり、また圧縮機構部２３等の発熱部から貯油室１４へ伝熱される熱により貯油室１４内も高温になるので、起動時の液冷媒の蒸発も盛んになる。ただし前述したようにオイルの巻き上げは抑制され冷媒回路側へのオイルの流出及び冷媒圧縮機の潤滑不良の問題が生じることはない。

なお、第２の実施態様の冷媒圧縮機２０はスクロール型圧縮機であったが、これが斜板型圧縮機等の他の形式の冷媒圧縮機であってもよい。

本発明の第１の実施態様によるオイルセパレータの縦断面図である。 前記オイルセパレータの分離部の横断面図である。 本発明の第２の実施態様による冷媒圧縮機の縦断面図である。 本発明によるオイルセパレータの分離部内の冷媒及びオイルを模式的に表す分離部の縦断面図である。

符号の説明

２ 分離部
３ 円筒状内部空間
４ 分離筒
４ｂ 底壁部
５ 冷媒送出口
７ 冷媒流入口
８ 第１通路
１０ 第２通路
１３ 貯油部
１４ 貯油室
１５ 貯油容器
１７ 送油口

Claims (7)

1. 冷媒圧縮機と共に用いられて、冷媒に混入しているオイルを分離するオイルセパレータ（１）であって、
   円筒状内部空間（３）を備え、前記円筒状内部空間（３）において遠心力により冷媒からオイルを分離する分離部（２）にして、前記円筒状内部空間（３）の下端部を閉じる底壁部（４ｂ）を有する分離部（２）と、
   前記底壁部（４ｂ）を挟んで前記円筒状内部空間（３）に隣接して配置された貯油室（１４）を有する貯油部（１３）と、
   前記底壁部（４ｂ）に形成されて、円筒状内部空間（３）と貯油室（１４）とを流体連通させる少なくとも二つの通路（８，１０）と、を具備し、
   前記少なくとも二つの通路（８，１０）が、前記底壁部（４ｂ）の中心からの異なる半径方向位置で配置されていることを特徴とする、オイルセパレータ（１）。
2. 前記少なくとも二つの通路（８，１０）が、前記底壁部（４ｂ）の中心に配置された第１通路（８）と、前記中心以外に配置された第２通路（１０）とからなることを特徴とする、請求項１に記載のオイルセパレータ（１）。
3. 前記第１通路（８）の上端が、前記第２通路（１０）の上端より上方に位置していることを特徴とする、請求項１〜２のいずれか一項に記載のオイルセパレータ（１）。
4. 前記第２通路（１０）を複数具備することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のオイルセパレータ（１）。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載されたオイルセパレータ（１）を一体に備えることを特徴とする、冷媒圧縮機（２０）。
6. 内部の圧力が冷媒の吐出圧力より低い内部低圧容器（２１）内に、冷媒を圧縮するための圧縮機構部（２３）を収容していることを特徴とする、請求項５に記載の冷媒圧縮機（２０）。
7. 前記冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする、請求項５又は６に記載の冷媒圧縮機（２０）。

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