JP2010096440A

JP2010096440A - ヒートポンプ装置

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Publication number: JP2010096440A
Application number: JP2008268296A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Nakatani; 和生中谷; Noriho Okaza; 典穂岡座; Yoshiki Yamaoka; 由樹山岡
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2008-10-17
Filing date: 2008-10-17
Publication date: 2010-04-30

Abstract

【課題】油分離器の外形を小さくして冷凍装置のコンパクト化を図るとともに、圧縮機の長期使用においても能力低下を招くことのないヒートポンプ装置を提供すること。
【解決手段】潤滑油を封入した密閉容器内の圧縮機構部で圧縮した冷媒を前記密閉容器に設けた吐出口から前記密閉容器外へと吐出する圧縮機２１、放熱器２３、減圧手段２４、蒸発器２５から形成するヒートポンプ回路と、前記ヒートポンプ回路中の冷媒から前記潤滑油を分離する油分離器２７と、前記油分離器２７で分離した前記潤滑油を前記圧縮機２１の吸入側へ戻す油送部３０とを備え、前記油送部３０に前記潤滑油を吸脱着する油吸着材３１を配設したことを特徴とするもので、油分離器２７内に溜まった潤滑油を、油吸着材３１の吸着力で圧縮機２１内に戻すことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、油分離器を用いて冷媒と潤滑油とを分離するもので、この油分離器から圧縮機へと潤滑油を戻す返油構造に特徴をもつ冷凍装置に関するものである。

従来のこの種の冷凍装置について、図４を用いて説明する。

図４に示した冷凍装置の主要な構成要素は、圧縮機１、油分離器２、放熱器３、減圧手段４、及び蒸発器５から成り、これらの構成要素を各配管１１〜１４にて接続している。

なお、１５は油戻し管で、圧縮機１の吐出口８は、吐出配管１１を介して油分離器２に接続してある。そして、油分離器２は、配管１２を介して放熱器３の入口に接続している。放熱器３の出口には、配管１３が接続してあり、減圧手段４を介して蒸発器５の入口に接続している。さらに、蒸発器５の出口は、吸入配管１４を介して圧縮機１の吸入口９に接続している。

なお、油分離器２の戻し口２ｂは、図に示すように、油戻し管１５を介して吸入配管１４に接続している。また、圧縮機１内の底部には、シリンダの摩擦面や軸受部（図示せず）の損傷を防止することを目的として、潤滑油１ａが封入してある。

以下に、前述の冷凍装置の動作について説明する。

まず、圧縮機１の吐出口８から吐出された冷媒は、吐出配管１１を介して油分離器２に流入する。油分離器２内には油分離部２ａが設けてあり、油分離器２に流入した冷媒は、この油分離部２ａを通過するときに冷媒と潤滑油とに分離される。冷媒から取り除かれた潤滑油は、油分離器２の底部に溜められる。

そして、一定量以上の潤滑油が蓄積されると、図示省略のフロート弁が開放され、戻し口２ｂに取り付けた油戻し管１５を通じて吸入配管１４を経由して、潤滑油は圧縮機１へと戻される。

一方、油分離器２を通った高温高圧の冷媒は、放熱器３で放熱して低温高圧の冷媒となり、配管１３を介して減圧手段４に達する。その後、冷媒は、減圧手段４で減圧され、低温低圧の冷媒となって蒸発器５へと流入する。

蒸発器５に流入した冷媒は、この蒸発器５を通過する過程で蒸発し、蒸発潜熱を空気等の外部流体から奪うことで、周辺部に存在する空気等の冷却を行う。蒸発器５を経た冷媒は、吸入配管１４から吸入口９を経由して圧縮機１に吸入され、再び圧縮される。

このように、従来の冷凍装置によれば、油分離器２において、圧縮機１より吐出した冷媒から、効果的に潤滑油を取り除くことができるので、圧縮機１内部に潤滑油を封入した場合でも、この潤滑油が油分離器２よりも下流側の配管１２、１３及び放熱器３、減圧手段４、蒸発器５等の構成要素の内面に付着するようなことはなく、この付着を原因とした圧力損失の問題を回避している（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−５５４８８号公報

しかしながら、上記従来の構成では、油分離器２に溜まった潤滑油を圧縮機１に戻す際に、油分離器２内に設置されたフロート弁（図示せず）を必要とするため、油分離器２の外形寸法が大きくなるという課題を有していた。

また、圧縮機１の長期使用により発生したスラッジが、フロート弁の弁体に付着するため、フロート弁が全閉できなくなり、油分離器２に潤滑油が溜まっていない場合でも高圧側の冷媒が低圧側へ漏れるという現象を引き起こしていた。

その結果、冷凍装置内の冷媒循環量が低下することになり、冷凍装置の能力低下を招くという課題があった。

本発明は、油分離器内に溜まった潤滑油を、吸着材の吸着力により圧縮機内に戻すことで、フロート弁を用いることなく潤滑油を圧縮機へ返油するものであり、油分離器の外形を小さくして冷凍装置のコンパクト化を図るとともに、圧縮機の長期使用においても能力低下を招くことのないヒートポンプ装置を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために本発明のヒートポンプ装置は、潤滑油を封入した密閉容器内の圧縮機構部で圧縮した冷媒を前記密閉容器に設けた吐出口から前記密閉容器外へと吐出する圧縮機、放熱器、減圧手段、蒸発器から形成するヒートポンプ回路と、前記ヒートポンプ回路中の冷媒から前記潤滑油を分離する油分離器と、前記油分離器内で分離した前記潤滑油を前記圧縮機の吸入側へ戻す油送部とを備え、前記油送部に前記潤滑油を吸脱着する油吸着材を配設したことを特徴とするもので、油分離器内に溜まった潤滑油を、吸着材の吸着力で圧縮機内に戻すことができる。

本発明によれば、油分離器の外形を小さくして冷凍装置のコンパクト化を図るとともに、圧縮機の長期使用においても能力低下を招くことのないヒートポンプ装置を提供できる。

第１の発明は、潤滑油を封入した密閉容器内の圧縮機構部で圧縮した冷媒を前記密閉容器に設けた吐出口から前記密閉容器外へと吐出する圧縮機、放熱器、減圧手段、蒸発器から形成するヒートポンプ回路と、前記ヒートポンプ回路中の冷媒から前記潤滑油を分離する油分離器と、前記油分離器内で分離した前記潤滑油を前記圧縮機の吸入側へ戻す油送部とを備え、前記油送部に前記潤滑油を吸脱着する油吸着材を配設したことを特徴とするヒートポンプ装置で、油分離器内に溜まった潤滑油を、吸着材の吸着力で圧縮機内に戻すことができるので、フロート弁を用いることなく、潤滑油を圧縮機へと返油することが可能となる。

そのため、油分離器の外形を小さくすることが可能となり、冷凍装置のコンパクト化を図ることができるとともに、この圧縮機を長期使用する場合に生じていたスラッジ発生に起因する冷媒能力の低下を招かないヒートポンプ装置を提供できる。また、熱交換器には、ほとんど潤滑油が流れないため、潤滑油による伝熱性能の劣化が起こることなく、熱交換器性能を高く維持して、高性能なヒートポンプ運転が可能となる。

第２の発明は、油分離器を、圧縮機と放熱器との間に設けたことを特徴とするもので、油分離器の外形を小さくしてヒートポンプ装置のコンパクト化を図ることが可能となり、圧縮機を長期使用した場合においても能力低下を招かないヒートポンプ装置を提供するこ
とができる。

第３の発明は、油分離器を、放熱器と減圧手段との間に設けたことを特徴とするもので、油分離器内に入る潤滑油を含んだ冷媒の速度が遅くなり、潤滑油を容易に分離できると共に、溜まった潤滑油を、吸着材の吸着力で圧縮機内に確実に戻すことができる。また、油分離器で放熱があったとしても、ヒートポンプの能力が減少することなく、能力を維持したまま、潤滑油を圧縮機へと戻すことができる。

第４の発明は、油分離器を、減圧手段と蒸発器との間に設けたことを特徴するもので、油分離器内に入る潤滑油を含んだ冷媒の速度が遅くなり、潤滑油を容易に分離できると共に、溜まった潤滑油を、吸着材の吸着力で圧縮機内に確実に戻すことができる。また、油分離器で放熱があったとしても、ヒートポンプの能力が減少することなく、能力を維持したまま、潤滑油を圧縮機へと戻すことができる。

第５の発明は、蒸発器を上流側蒸発器と下流側蒸発器に直列に分割し、前記油分離器を、前記上流側蒸発器と下流側蒸発器の途中の配管に設けたもので、冷媒と潤滑油が分離して流れやすい蒸発器において、油分離が容易となり、確実に圧縮機に返油することができる。

第６の発明は、油分離器は、二重管構造とし、二重管の内管と外管の間に油吸着材を設けたことを特徴とするもので、油分離器の構成を非常に簡単にでき、また、配管内面の外側を流れやすい潤滑油を、吸着剤に吸着して圧縮機へと戻すことが可能となり、フロート弁などを用いずに潤滑油を確実に圧縮機へ戻すことができる。

第７の発明は、冷媒は、炭酸ガスであることを特徴とするもので、特にヒートポンプで高温の空気や湯を生成する場合に、高効率な運転が可能である。

第８の発明は、潤滑油として、炭酸ガス冷媒と相溶し難い油を用いたことを特徴とするもので、特にヒートポンプで高温の空気や湯を生成する場合に、高効率な運転が可能であり、また、潤滑油が二酸化炭素に溶けにくいことで、放熱器や蒸発器の管内部を流れる潤滑油による放熱器や蒸発器での伝熱性能を阻害することを防止できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ装置について、図面を用いて説明する。

まず、図１は、本発明の実施の形態１に示す冷凍装置の回路図である。

図１に示すように、圧縮機２１、油分離器２２、放熱器２３、減圧手段２４、及び蒸発器２５を配管で直列に接続してヒートポンプ回路を形成している。そして、冷媒として、二酸化炭素（ＣＯ_２）を冷媒として、また、潤滑油として炭酸ガス冷媒と相溶し難い油であるＰＡＧ（ポリアルキレングリコール）を使用している。

圧縮機２１の吐出口２６は、配管を介して油分離器２７に接続している。油分離器２７は、内部にメッシュフィルター等の油分離部２７ａが設けられ、ここで冷媒と潤滑油が分離される。そして、油分離器２７は、配管を介して放熱器２３の入口に接続している。

放熱器２３の出口は、減圧手段２４を介して蒸発器２５の入口に接続している。

さらに、蒸発器２５の出口は、吸入配管２８を介して圧縮機２１の吸入口２９に接続している。なお、油分離器２７の油戻し口２７ｂは、油戻し配管３０（内部に油吸着材３１を封入）を介して吸入配管２８に接続している。

また、圧縮機２１内の底部には、シリンダの摩擦面や軸受部（図示せず）の損傷を防止することを目的として、潤滑油２１ａが封入してある。

以下に前述のヒートポンプ装置の動作について説明する。

圧縮機２１内部の圧縮機構部（図示せず）で圧縮された冷媒は、吐出口２６から油分離器２７へと流れ出る。そして、冷媒は、油分離器２７内の油分離部２７ａを通過するときに冷媒と潤滑油とに分離される。そして、油分離器２７内の潤滑油は、自重で油分離器２７内の内壁を伝って落下し、やがて油分離器２７の底部に達する。

一方、油分離部２７ａで潤滑油が分離された冷媒は、配管を介して放熱器２３に流入し、ここで水や空気などの放熱源に放熱して、温度が低下する。さらに、減圧手段２４で低圧まで減圧された冷媒は、蒸発器２５に流入し、ここで空気などの吸熱源より熱を奪い、自らは蒸発して気化し、配管２８へと流れる。

また、一方、油分離器２７の底部に達した潤滑油は、油戻し口２７ｂより油戻し配管３０に流入するが、油戻し配管３０内部には油吸着材が封入されているため、その吸着力（毛管現象）により油戻し配管３０内部を流れ、やがて油戻し配管３０より流出し、配管２８を流れる冷媒と合流して圧縮機２１の吸入口２９に流入し、再び圧縮機２１によりヒートポンプサイクルを循環する。

ここにおいては、油戻し配管３０には油吸着材を封入しているため、適当な量の潤滑油のみが油戻し配管３０を通過して再び圧縮機２１に帰還する構成となっており、従来のようにフロート弁などを用いずに、簡単かつ確実に圧縮機２１への返油を行うことができる。

従って、油分離器２７の外形を小さくしてヒートポンプ装置のコンパクト化を図ることが可能となり、圧縮機を長期使用した場合においても能力低下を招かないヒートポンプ装置を提供することができる。

また、放熱器２３や蒸発器２５は、ほとんど潤滑油が流れないため、潤滑油による伝熱性能の劣化が起こることなく、熱交換器性能を高く維持して、高性能なヒートポンプ運転が可能となる。

（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２におけるヒートポンプ装置について、図面を用いて説明する。

図２は、本発明の実施の形態２に示すヒートポンプ装置の回路図である。なお、実施の形態１で示した各部品と同じ機能を持つものは同一の番号を付しており、その説明は省略する。

図２に示すように、本実施の形態においては、油分離器４０を放熱器２３と減圧手段２４の間に設けている。そして、冷媒として、二酸化炭素（ＣＯ_２）を冷媒として、また、
潤滑油として炭酸ガス冷媒と相溶し難い油であるＰＡＧ（ポリアルキレングリコール）を使用している。

なお、油分離器４０は、内部にメッシュフィルター等の油分離部４０ａが設けられ、ここで冷媒と潤滑油が分離される。また、油分離器４０の油戻し口４０ｂは、油吸着材４１を封入した配管４２を介して吸入配管２８に接続している。

以下に前述のヒートポンプ装置の動作について説明する。

圧縮機２１内部の圧縮機構部（図示せず）で圧縮された冷媒は、放熱器２３に流入し、ここで水や空気などの放熱源に放熱して、温度が低下する。温度が低下して密度が大きくなり速度が遅くなった冷媒は、油分離器４０へと流れ出る。そして、冷媒は、油分離器４０内の油分離部４０ａを通過するときに冷媒と潤滑油とに分離される。

ここにおいては、油分離器に流入した冷媒は速度が遅いため、分離部４０ａにおいて容易に冷媒と潤滑油に分離することができる。そして、油分離器４０内の潤滑油は、自重で油分離器４０内の内壁を伝って落下し、やがて油分離器４０の底部に達する。

そして、油分離部４０ａで潤滑油が分離された冷媒は、配管を介して減圧手段２４に流入し、低圧まで減圧された冷媒は、蒸発器２５に流入し、ここで空気などの吸熱源より熱を奪い、自らは蒸発して気化し、配管２８へと流れる。

また、一方、油分離器４０の底部に達した潤滑油は油戻し口４０ｂより配管４２に流入するが、配管４２内部には油吸着材４１が封入されているため、その吸着力（毛管現象）により配管４２内部を流れ、やがて配管４２より流出し、配管２８を流れる冷媒と合流して圧縮機２１の吸入口２９に流入し、再び圧縮機２１によりヒートポンプサイクルを循環する。

ここにおいては、配管４２には油吸着材を封入しているため、適当な量の潤滑油のみが配管４２を通過して再び圧縮機２１に帰還する構成となっており、従来のようにフロート弁などを用いずに、簡単かつ確実に圧縮機２１への返油を行うことができる。

従って、油分離器４０の外形を小さくしてヒートポンプ装置のコンパクト化を図ることが可能となり、圧縮機を長期使用した場合においても能力低下を招かないヒートポンプ装置を提供することができる。

なお、本実施の形態においては、油分離器４０を放熱器２３と減圧手段２４の間に設けているが、油分離器４０を減圧手段２４と蒸発器２５との間に設けても、温度が低下して密度が大きくなり、冷媒の速度が遅くなっているため、同様の効果を奏する。

（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３におけるヒートポンプ装置について、図面を用いて説明する。

図３は、本発明の実施の形態３に示すヒートポンプ装置の回路図である。なお、実施の形態１および２で示した各部品と同じ機能を持つものは同一の番号を付しており、その説
明は省略する。

図３に示すように、本実施の形態においては、蒸発器を上流側蒸発器４０ａと下流側蒸発器４０ｂに分割し、その間に油分離器４１を設けている。

油分離器４１は、図に示すように外管４２と内管４３の二重管より構成され、外管４２と内管４３の間に油吸着材４４が封入されている。また。油吸着材４４の出口（下流側出口）は配管４６を介して吸入配管２８に接続され、内管の出口（下流側）は、配管４５を介して下流側蒸発器４０ｂに接続されている。

そして、冷媒として、二酸化炭素（ＣＯ_２）を冷媒として、また、潤滑油として炭酸ガス冷媒と相溶し難い油であるＰＡＧ（ポリアルキレングリコール）を使用している。

以下に前述のヒートポンプ装置の動作について説明する。

圧縮機２１内部の圧縮機構部（図示せず）で圧縮された冷媒は、放熱器２３に流入し、ここで水や空気などの放熱源に放熱して、温度が低下する。温度が低下した冷媒は減圧手段２４で低圧まで減圧され、上流側蒸発器４０ａに流入し、ここで一部の冷媒が空気などの熱源より吸熱して蒸発する。さらに二重管４２へと流入するが、ここにおいては、ＰＡＧオイルが二酸化炭素に溶けにくいため、冷媒は主に内部を流れ、潤滑油は主に配管の内壁面に付着して流れる。その結果、二重管の内管４３は主に気液二相の冷媒が流れ、そのまま配管４５を介して下流側蒸発器４０ｂに流入し、ここで気液二相の残りの液成分が蒸発し、吸入配管２８へと流れる。

一方、配管の内壁面に付着して流れた潤滑油は、外管４２と内管４３の間の油吸着材４４の吸着力（毛管現象）により吸着され、やがて配管４６より流出し、下流側蒸発器４０ｂより出た冷媒と合流して、吸入配管２８を介して圧縮機２１の吸入口２９に流入し、再び圧縮機２１によりヒートポンプサイクルを循環する。

ここにおいては、二重管という簡単な構成で油分離が可能となり、また、下流側蒸発器４０ｂは、ほとんど潤滑油が流れないため、潤滑油による伝熱性能の劣化が起こることなく、蒸発器性能を高く維持して、高性能なヒートポンプ運転が可能となる。また、適当な量の潤滑油のみが配管４６を通過して再び圧縮機２１に帰還する構成となっており、従来のようにフロート弁などを用いずに、簡単かつ確実に圧縮機２１への返油を行うことができる。

従って、油分離器４２の外形を小さくしてヒートポンプ装置のコンパクト化を図ることが可能となり、圧縮機を長期使用した場合においても能力低下を招かないヒートポンプ装置を提供することができる。

なお、この二重管構成の油分離器は、本実施の形態における、蒸発器を上流側蒸発器４０ａと下流側蒸発器４０ｂに分割し、その間に設けた場合のみに限定されるものではなく、実施の形態１、実施の形態２の配設位置においても適用できるものである。

本発明のヒートポンプ装置は、住宅用空調装置、ビル用空調装置や車両用の空調装置、或いはヒートポンプ給湯機として利用できる他、冷凍冷蔵庫、ショーケースや自動販売機などの冷凍機としても利用可能である。

本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ装置の回路図本発明の実施の形態２におけるヒートポンプ装置の回路図本発明の実施の形態３におけるヒートポンプ装置の回路図従来のヒートポンプ装置の回路図

符号の説明

２１圧縮機
２３放熱器
２４減圧手段
２５蒸発器
２７油分離器
２７ａ油分離部
３０油戻し配管
３１油吸着材

Claims

潤滑油を封入した密閉容器内の圧縮機構部で圧縮した冷媒を前記密閉容器に設けた吐出口から前記密閉容器外へと吐出する圧縮機、放熱器、減圧手段、蒸発器から形成するヒートポンプ回路と、前記ヒートポンプ回路中の冷媒から前記潤滑油を分離する油分離器と、前記油分離器で分離した前記潤滑油を前記圧縮機の吸入側へ戻す油送部とを備え、前記油送部に前記潤滑油を吸脱着する油吸着材を配設したことを特徴とするヒートポンプ装置。
油分離器を、圧縮機と放熱器との間に設けたことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ装置。
油分離器を、放熱器と減圧手段との間に設けたことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ装置。
油分離器を、減圧手段と蒸発器との間に設けたことを特徴する請求項１に記載のヒートポンプ装置。
蒸発器を上流側蒸発器と下流側蒸発器に直列に分割し、油分離器を、前記上流側蒸発器と下流側蒸発器との間に設けたことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ装置。
油分離器は、二重管構造とし、二重管の内管と外管の間に油吸着材を設けたことを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載のヒートポンプ装置。
冷媒は、炭酸ガスであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のヒートポンプ装置。
潤滑油として、炭酸ガス冷媒と相溶し難い油を用いたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のヒートポンプ装置。