JP2010007978A

JP2010007978A - 冷凍サイクル

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Publication number: JP2010007978A
Application number: JP2008168961A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Matsumoto; 雄一松元
Original assignee: Sanden Corp
Current assignee: Sanden Corp
Priority date: 2008-06-27
Filing date: 2008-06-27
Publication date: 2010-01-14
Anticipated expiration: 2028-06-27
Also published as: US20110113819A1; WO2009157301A1; JP5119060B2; EP2314955A4; EP2314955B1; CN102077037A; EP2314955A1

Abstract

【課題】冷媒を新冷媒Ｒ１２３４ｙｆに変更した場合にも、適切な位置で適切に冷媒とオイルを強制的に分離できるようにし、冷凍サイクル全体として高い効率をもって運転可能とする。
【解決手段】圧縮機、凝縮器、減圧・膨張手段、蒸発器を備えた冷凍サイクルにおいて、冷媒としてＲ１２３４ｙｆを使用するとともに、冷媒とオイルとが相溶せずに分離した状態で混在している二相分離領域内に、冷媒とオイルを強制的に分離するオイル分離手段を設けたことを特徴とする冷凍サイクル。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍サイクルに関し、とくに、新しい冷媒を用いる場合に冷媒とオイルを最適に分離でき高い効率をもって運転可能な冷凍サイクルに関する。

例えば車両用空調装置等に用いられる冷凍サイクルは、図７に示すような基本構成を有している。図７において、冷凍サイクル１０１は、冷媒を圧縮する圧縮機１０２と、圧縮した冷媒を凝縮する凝縮器１０３と、凝縮した冷媒を減圧・膨張させる減圧・膨張手段としての膨張弁１０４と、減圧・膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器１０５とを備えており、この冷凍サイクル１０１中を冷媒がその状態を変化させながら循環される。このような冷凍サイクル１０１においては、圧縮機１０２等の耐久性等を高めるために、使用される冷媒中に潤滑オイル（例えば、ＰＡＧ〔ポリアルキレングリコール〕からなるオイル）を含有させておくことがある。また、冷媒およびオイルを使用する場合には、サイクル中の熱交換器（例えば、蒸発器１０５）においてオイル付着による伝熱阻害を抑制するために、オイル分離器をサイクル中の適当な位置に設け、冷媒と分離したオイルを極力熱交換器中には導入させないで、潤滑が要求される圧縮機へと戻す方法が知られている。ただし、現状の代表的な冷媒としてＲ１３４ａを挙げることができ、このＲ１３４ａ冷媒とＰＡＧオイルとの相溶性は良いので、ほとんどの場合オイル分離器は設置されていないのが実情である。

上記現状の代表的な冷媒としてのＲ１３４ａ等に対し、地球温暖化係数（ＧＷＰ）等のさらなる改善を目指して、新冷媒の研究、開発が行われている（例えば、非特許文献１）。このような改善を目指した新冷媒として、最近、Ｒ１２３４ｙｆが公表され、例えば、車両用空調装置等に用いられる冷凍サイクルへの適用についても、試験、研究を行うことが可能な状況となってきた。
冷凍２００８年３月号第８３巻第９６５号

ところが、新冷媒Ｒ１２３４ｙｆを使用する場合、Ｒ１２３４ｙｆはＲ１３４ａと比較してＰＡＧオイルとの相溶性が悪く、特に冷凍サイクル中の高圧側において、液冷媒とオイルが分離してしまうという問題がある。すなわち、図７に示したような冷凍サイクルに新冷媒Ｒ１２３４ｙｆを使用した場合、例えば図６に、比較的高負荷時のある運転条件の一例を示すように、低温低圧側ではＲ１２３４ｙｆはＰＡＧオイルと相溶できるものの（相溶領域）、高温高圧側では冷媒とオイルが分離している二相分離領域となりやすく、とくにこの領域で冷媒とオイルが分離してしまうという問題がある。オイルが冷媒循環経路の途中で冷媒と分離してしまうと、とくに圧縮機にオイルが戻らないこともあり、圧縮機の耐久性に不安が残ることになる。

また、Ｒ１３４ａ冷媒を使用した車両用空調装置には、通常、冷凍サイクル中の液ラインにサイトグラスが取り付けられており、サイトグラスを通して観察できる冷媒挙動により、冷媒の過不足を判断することが可能であった。しかしながら、新冷媒Ｒ１２３４ｙｆを使用する場合には、冷媒循環経路の途中で液冷媒とオイルが分離してしまうという上述の問題があり、サイトグラスが分離したオイルで汚れたり曇ったりしてしまい、サイトグラスではほとんどの場合冷媒の過不足を判断できないおそれがある。

そこで本発明の課題は、上記のような新冷媒Ｒ１２３４ｙｆを使用する場合の問題点に着目し、冷媒を新冷媒Ｒ１２３４ｙｆに変更した場合にも、適切な位置で適切に冷媒とオイルを強制的に分離でき、分離したオイルを圧縮機等の潤滑を必要とする部位には優先的に戻すとともにオイル供給が望ましくない熱交換器等には極力供給しないようにして、冷凍サイクル全体として高い効率をもって運転可能とすることにある。

また、本発明の他の課題は、冷凍サイクル中の液ラインにサイトグラスを設ける場合、新冷媒Ｒ１２３４ｙｆを使用する場合にあっても、そのサイトグラスを通して冷媒の過不足を的確に判断できるようにすることにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る冷凍サイクルは、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮した冷媒を凝縮する凝縮器と、凝縮した冷媒を減圧・膨張させる減圧・膨張手段と、減圧・膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器とを，冷媒の流れ方向にこの順に備えた冷凍サイクルにおいて、冷媒としてＲ１２３４ｙｆを使用するとともに、前記圧縮機出口側から前記減圧・膨張手段までの領域のうち、冷媒とオイルとが相溶せずに分離した状態で混在している二相分離領域内に、冷媒とオイルを強制的に分離するオイル分離手段を設けたことを特徴とするものからなる。ここで、本発明における凝縮器とは、通常の凝縮器に加え、凝縮器内に冷媒を過冷却状態の液冷媒にまで凝縮する過冷却領域を備えた、いわゆるサブクールコンデンサまで含む概念である。

すなわち、冷媒としてＲ１３４ａを使用していた場合には、ほとんどの場合オイル分離器を設置することは不要であったが、新冷媒Ｒ１２３４ｙｆを使用する本発明においては、冷凍サイクル中の特定の領域、つまり、上記二相分離領域内にオイル分離手段を設け、冷媒とオイルを強制的に分離するようにしたものである。オイルを分離する箇所としては、この二相分離領域が有効である。二相分離領域とは、言い換えれば、冷媒とオイルが特別な操作なしに分離している領域であり、本発明ではこの領域を逆手に利用する。前述したように、オイルはできる限り熱交換器を流通しない方がよいが、冷媒がガス状態である場合は現行冷媒でもオイルとの相溶が微小ではあるが、凝縮器入口側のガス状態領域では同様にオイルの影響を受けてしまう。従って、本発明においては、上記二相分離領域内のうちでも、とくに上記凝縮器と減圧・膨張手段の間で（凝縮器ガス領域出口〜減圧・膨張手段入口までの間で）オイル分離する方がよく、この領域内にオイル分離手段が設けられることがより好ましい。二相分離領域で、後述のような各種手法によって冷媒とオイルを強制的に適切に分離することにより、分離したオイルを下流側の熱交換器を通過させずに、潤滑を必要とする圧縮機等に戻すことが可能になる。その結果、熱交換器におけるオイル付着による伝熱阻害を招くおそれを低減し、冷凍サイクルの冷凍能力および成績係数の向上が可能になるとともに、圧縮機等における潤滑を常時良好な状態で行うことが可能になり、耐久性に関する不安を除去することが可能になる。

圧縮機にオイルを戻す場合には、上記オイル分離手段と上記圧縮機との間に、オイル分離手段で分離されたオイルを圧縮機に戻すオイル戻しラインを設けておけばよい。オイル戻しには、例えばキャピラリーチューブを用いて、圧縮機のクランクケースと接続し直接オイルを戻すようにすることができる。

また、上記オイル分離手段の設置位置の冷媒循環方向下流側の適当な液ライン位置にサイトグラスを設ければ、サイトグラス設置部位を通過する冷媒からはすでに大半のオイルが分離除去されているので、とくに冷媒から分離した状態で冷媒と混在していたオイルがサイトグラスを曇らせることを防止でき、サイトグラスを通して冷媒の挙動を明瞭に観察することが可能になって、この観察を介して冷媒の過不足を的確に判断できるようになる。

上記オイルとしては、例えば前述の如く、ポリアルキレングリコールからなるＰＡＧオイルを用いることができる。オイル分離手段が設けられる二相分離領域では、とくに凝縮器出口から減圧・膨張手段入口までの間の領域では、冷媒の状態は通常、液状態であり、その比重は例えば下記表１に示すようにＲ１２３４ｙｆ冷媒はＰＡＧオイルよりも小さい。すなわち、強制的に分離された状態においては、オイルは冷媒よりも下側に層を形成する。よって、分離したオイルを鉛直方向下側より流出させ、上記オイル分離手段が上記圧縮機よりも鉛直方向高位に配置されていれば、分離されたオイルを圧縮機に戻し易くなる。このようなオイル分離手段と圧縮機との鉛直方向位置関係は、オイルの比重がＲ１２３４ｙｆ冷媒の比重よりも大きい場合に有効であり、オイルがＰＡＧオイルである場合とくに有効なものである。

上記オイル分離手段自体の構成としては、各種構成を採り得る。例えば、オイル分離手段が、冷媒およびオイルを遠心分離することにより冷媒とオイルを分離する遠心分離手段を有する、オイル分離手段が、冷媒およびオイルを衝突させることにより冷媒とオイルを分離する衝突分離手段を有する構成、あるいは、オイル分離手段が、冷媒およびオイルのオイルを捕捉することにより冷媒とオイルを分離する捕捉分離手段を有する構成等を採り得る。

さらに、上記構成を組み合わせた構成も採り得る。例えば、オイル分離手段が、冷媒およびオイルを遠心分離することにより冷媒とオイルを分離する遠心分離手段および冷媒およびオイルのオイルを捕捉することにより冷媒とオイルを分離する捕捉分離手段を有する構成、あるいは、オイル分離手段が、冷媒およびオイルを衝突させることにより冷媒とオイルを分離する衝突分離手段および冷媒およびオイルのオイルを捕捉することにより冷媒とオイルを分離する捕捉分離手段を有する構成等を採り得る。

とくに、オイル分離手段の最低位部に捕捉分離手段を設け、オイルをその捕捉分離手段部にて捕捉すれば、例えば上方に位置する液冷媒吸上管等に分離されたオイルが流入することを防止できる。

また、上記オイル分離手段内の鉛直方向下部に分離されたオイルの一時収容部が設けられているのも好ましい形態である。このような一時収容部が設けられていると、分離されたオイルがある程度まとまったオイル量を有する一時貯留状態から所望の行き先へと戻されるので、安定したオイル戻しが可能になるとともに、このオイル戻しラインを一時収容部内のオイルにて封止可能になるので、冷媒のオイル戻しラインへの望ましくない流入も防止されることになる。

また、上記オイル分離手段の鉛直方向下端部に分離されたオイルの出口が設けられているのも好ましい形態である。このようなオイル出口の配置は、とくに前述したようなオイルの比重とＲ１２３４ｙｆ冷媒の比重の大小関係がある場合に有効である。

このような本発明に係る冷凍サイクルは、基本的には新冷媒Ｒ１２３４ｙｆを使用しようとするあらゆる冷凍サイクルに適用可能であるが、とくに効率の良い運転や、長期間にわたって圧縮機等の高い耐久性が求められる車両用空調装置に用いられる冷凍サイクルに好適である。

本発明に係る冷凍サイクルによれば、新冷媒Ｒ１２３４ｙｆ使用冷凍サイクルにおける圧縮機の耐久性、信頼性を向上することができる。また、基本的にオイル分離手段配置部以降の冷凍サイクルへオイルを循環することがなくなり、その下流側の熱交換器においてオイル付着による伝熱阻害を招く恐れが低下し、冷凍サイクルの冷凍能力および成績係数を向上することが可能になる。さらに、液ラインに設けられるサイトグラスにより冷媒の挙動を確実に観察でき、それによって冷媒の過不足を確実に判定できる。

以下に、本発明について、望ましい実施の形態とともに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冷凍サイクルの機器配置を示しており、図示例では、図の上下方向が鉛直方向Ｘであり、図の上部ほど鉛直方向高位に、図の下部ほど鉛直方向低位に位置することを表している。この冷凍サイクル１は、図７に示した基本構成と同様に、冷媒を圧縮する圧縮機２と、圧縮した冷媒を凝縮する凝縮器３と、凝縮した冷媒を減圧・膨張させる減圧・膨張手段としての膨張弁４と、減圧・膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器５とを、冷媒の流れ方向に（矢印の方向に）この順に備えているが、さらに、冷媒としてＲ１２３４ｙｆが使用されるとともに、圧縮機２の出口側から膨張弁４の入口までの領域のうち、冷媒とオイルとが相溶せずに分離した状態で混在している二相分離領域（例えば、図６に示したような二相分離領域）内に、冷媒とオイルを強制的に分離するオイル分離手段としてのオイル分離器６が設けられている。本実施態様では、二相分離領域内のうちとくに、凝縮器３と膨張弁４の間にオイル分離器６が設けられている。オイル分離器６と圧縮機２との間は、オイル分離器６で強制的に分離されたオイルを圧縮機２に戻すオイル戻しライン７で接続されている。オイル戻しライン７には、例えばキャピラリーチューブが用いられ、キャピラリーチューブの一端側が、例えば圧縮機２のクランクケースと直接接続されてオイルを直接クランクケース内に戻すことができるようになっている。オイルには、例えば前述のＰＡＧオイルが使用されている。

オイル分離器６と圧縮機２の鉛直方向における位置関係は、オイル分離器６で分離されたオイルが自重で円滑に圧縮機２に戻されるよう、オイル分離器６が圧縮機２よりも高位に（圧縮機２がオイル分離器６よりも低位に）なるように配置されている。

上記オイル分離器６が配置された部位から膨張弁４に至る冷凍サイクル中の部位は、通常、液ラインとなるが、この液ライン中の適当な場所に、内部の冷媒の挙動を観察可能なサイトグラス８が設けられている。

オイル分離器６で強制的に分離されたオイルがオイル戻しライン７を通して圧縮機２に戻されるので、圧縮機２の潤滑状態が十分に良好な状態に維持され、長期間にわたる耐久性が確保される。また、オイル分離器６以降の冷凍サイクル経路には、オイル分離器６で強制的に分離されたオイルは供給されないので、下流側に存在する熱交換機、上記図示例では蒸発器５でのオイル付着による伝熱阻害を招く恐れが低下し、冷凍サイクル１の冷凍能力および成績係数が向上される。さらに、液ラインに設けられたサイトグラス８にもオイル分離器６で強制的に分離されたオイルは供給されないので、オイルによるサイトグラス８の曇り等の発生が防止されて、内部の冷媒の挙動を確実に観察できるようになり、冷媒挙動観察を介して冷媒の過不足を確実に判定できるようになる。

上記オイル分離器６は、種々の構造に構成可能である。図２〜図４は、例えば前述の二相分離領域のなかでも、圧縮機２と凝縮器３の間にオイル分離器を配置する場合の構造例を示しており、図５は、図１に示した最も好ましい位置にオイル分離器６を配置した場合の好ましい構造例を示している。これら構造例はあくまで例示であり、例えば前述したように、いずれかの例に係る構造同士を組み合わせることも可能である。

図２に示す例では、圧縮機２からの冷媒およびオイルが、オイル分離器６ａ内に設けられた遠心分離手段としてのパイプ状の遠心分離部１１によって遠心分離されることにより、冷媒相１２と下部側のオイルの一時収容部に一時的に収容されたオイル相１３とに強制的に分離され、分離されたオイルがオイル戻しライン７を通して圧縮機２へと戻され、分離された冷媒は凝縮器３へと送られるようになっている。

図３に示す例では、圧縮機２からの冷媒およびオイルが、オイル分離器６ｂ内に設けられた、冷媒およびオイルを衝突させることにより冷媒とオイルを分離する衝突分離手段としての衝突分離部２１によって、冷媒相２２と下部側のオイルの一時収容部に一時的に収容されたオイル相２３とに強制的に分離され、分離されたオイルがオイル戻しライン７を通して圧縮機２へと戻され、分離された冷媒は凝縮器３へと送られるようになっている。

図４に示す例では、圧縮機２からの冷媒およびオイルが、オイル分離器６ｃ内に設けられた、冷媒およびオイルのオイルを捕捉することにより冷媒とオイルを分離する捕捉分離手段としての捕捉分離部３１によって、冷媒相３２と下部側のオイルの一時収容部に一時的に収容されたオイル相３３とに強制的に分離され、分離されたオイルがオイル戻しライン７を通して圧縮機２へと戻され、分離された冷媒は凝縮器３へと送られるようになっている。

図５に示す例では、凝縮器３からの冷媒およびオイルが、オイル分離器６ｄ（図１に示したオイル分離器６に相当）内に設けられた遠心分離手段としてのパイプ状の遠心分離部兼吸上管４１によって遠心分離されることにより、液冷媒相４２と下部側のオイルの一時収容部に一時的に収容されたオイル相４３とに強制的に分離されるが、オイルの一時収容部にはさらにオイル捕捉分離部４４が設けられており、遠心分離部兼吸上管４１により吸い上げられる冷媒に対して、さらにオイルを捕捉、保持することにより冷媒の流れとともに流出しないように冷媒とオイルを強制的に分離している。分離されたオイルがオイル戻しライン７を通して圧縮機２へと戻され、分離された冷媒は、膨張弁４、または凝縮器３が前述したサブクールコンデンサである場合の凝縮器３内の過冷却領域（液冷媒）へと送られるようになっている。

このように、オイル分離手段自体は、二相分離領域内の設置場所に応じて、各種構成を採り得る。

本発明に係る冷凍サイクルは、新冷媒Ｒ１２３４ｙｆを使用しようとするあらゆる冷凍サイクルに適用可能であり、とくに車両用空調装置に用いられる冷凍サイクルとして好適なものである。

本発明の一実施態様に係る冷凍サイクルの機器系統図である。本発明におけるオイル分離手段の一例を示す概略構成図である。本発明におけるオイル分離手段の別の例を示す概略構成図である。本発明におけるオイル分離手段のさらに別の例を示す概略構成図である。本発明におけるオイル分離手段のさらに別の例を示す概略構成図である。新冷媒Ｒ１２３４ｙｆの相状態の一例を示す特性図である。従来の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凝縮器
４減圧・膨張手段としての膨張弁
５蒸発器
６、６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄオイル分離手段としてのオイル分離器
７オイル戻しライン
８サイトグラス
１１遠心分離手段としての遠心分離部
１２、２２、３２冷媒相
１３、２３、３３、４３オイル相
２１衝突分離手段としての衝突分離部
３１捕捉分離手段としての捕捉分離部
４１遠心分離部兼吸上管
４４オイル捕捉分離部

Claims

冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮した冷媒を凝縮する凝縮器と、凝縮した冷媒を減圧・膨張させる減圧・膨張手段と、減圧・膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器とを，冷媒の流れ方向にこの順に備えた冷凍サイクルにおいて、冷媒としてＲ１２３４ｙｆを使用するとともに、前記圧縮機出口側から前記減圧・膨張手段までの領域のうち、冷媒とオイルとが相溶せずに分離した状態で混在している二相分離領域内に、冷媒とオイルを強制的に分離するオイル分離手段を設けたことを特徴とする冷凍サイクル。
前記オイル分離手段が、前記凝縮器と前記減圧・膨張手段の間に設けられている、請求項１に記載の冷凍サイクル。
前記オイル分離手段と前記圧縮機との間に、オイル分離手段で分離されたオイルを圧縮機に戻すオイル戻しラインが設けられている、請求項１または２に記載の冷凍サイクル。
前記オイル分離手段の冷媒循環方向下流側に、内部の冷媒の挙動を観察可能なサイトグラスが設けられている、請求項１〜３のいずれかに記載の冷凍サイクル。
前記オイルがポリアルキレングリコールからなる、請求項１〜４のいずれかに記載の冷凍サイクル。
前記オイル分離手段が前記圧縮機よりも鉛直方向高位に配置されている、請求項１〜５のいずれかに記載の冷凍サイクル。
前記オイル分離手段が、冷媒およびオイルを遠心分離することにより冷媒とオイルを分離する遠心分離手段を有する、請求項１〜６のいずれかに記載の冷凍サイクル。
前記オイル分離手段が、冷媒およびオイルを衝突させることにより冷媒とオイルを分離する衝突分離手段を有する、請求項１〜６のいずれかに記載の冷凍サイクル。
前記オイル分離手段が、冷媒およびオイルのオイルを捕捉することにより冷媒とオイルを分離する捕捉分離手段を有する、請求項１〜６のいずれかに記載の冷凍サイクル。
前記オイル分離手段が、冷媒およびオイルを遠心分離することにより冷媒とオイルを分離する遠心分離手段および冷媒およびオイルのオイルを捕捉することにより冷媒とオイルを分離する捕捉分離手段を有する、請求項１〜６のいずれかに記載の冷凍サイクル。
前記オイル分離手段が、冷媒およびオイルを衝突させることにより冷媒とオイルを分離する衝突分離手段および冷媒およびオイルのオイルを捕捉することにより冷媒とオイルを分離する捕捉分離手段を有する、請求項１〜６のいずれかに記載の冷凍サイクル。
前記オイル分離手段内の鉛直方向下部に分離されたオイルの一時収容部が設けられている、請求項１〜１１のいずれかに記載の冷凍サイクル。
前記オイル分離手段の鉛直方向下端部に分離されたオイルの出口が設けられている、請求項１〜１２のいずれかに記載の冷凍サイクル。
車両用空調装置に用いられる、請求項１〜１３のいずれかに記載の冷凍サイクル。