JP2011012895A - ヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安価な構成で圧縮機の圧縮過程における高圧低圧空間の漏れを防止するための潤滑油を供給でき、効率が高い圧縮機を使用したヒートポンプ装置を提供すること。
【解決手段】吐出圧力にて加圧される高圧タイプの圧縮機２、加熱媒体に放熱する放熱器３、膨張弁４、蒸発器５を接続したヒートポンプサイクルを備え、前記圧縮機２より搬送した潤滑油を、絞り装置２１、前記放熱器３を経由して、前記圧縮機２の吸入側へ戻す潤滑油循環回路１９を設けたことを特徴とするヒートポンプ装置で、システムとしての加熱能力を損なうことなく、低温の潤滑油で圧縮機２構部のシール性を高め、吸入ガスの吸入加熱による効率低下を防止して効率の高い圧縮機を実現できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプ式の給湯装置等に用いられる、高圧型圧縮機を用いたヒートポンプサイクルに関するものである。

従来この種のヒートポンプサイクルでは、放熱器や吸熱器での熱交換効率を高めるために吐出された冷媒から潤滑油を分離し圧縮機へ戻すなどの工夫がなされている（例えば、特許文献１参照）。

また吐出温度の過度な上昇を防止する目的で、ヒートポンプサイクル本来のヒートポンプサイクル配管とは別に圧縮機の油溜めから潤滑油を別回路で引き出して放熱器を介して圧縮機吸入側へ戻すサイクルが示されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０００−２７４８４４号公報 特開２００６−１０５４５８号公報

しかしながら従来の構成では、吐出冷媒から潤滑油を分離するためのオイルセパレータが必要である。

また、潤滑油循環路の循環量を制御するために、圧縮機回転数や吐出温度を検知するなど複雑な構成で流量制限をする必要があるため、装置が高価となり、また、圧縮機の油溜めの油面が低下した場合でも、潤滑油循環回路に油が流れ込むため、圧縮機の摺動部を潤滑する機能を損なう恐れがあった。

本発明は、上記課題を解決するもので、安価な構成で圧縮機の圧縮過程における高圧低圧空間の漏れを防止するための潤滑油を供給でき、効率が高い圧縮機を使用したヒートポンプ装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために本発明は、密閉容器内が吐出圧力にて加圧される高圧タイプの圧縮機、加熱媒体に放熱する放熱器、膨張弁、蒸発器を接続したヒートポンプサイクルを備え、前記圧縮機は、密閉容器内下部に潤滑油を貯油する油溜め部、前記潤滑油を搬送する油搬送手段を有し、前記油搬送手段により搬送した潤滑油を、絞り装置、前記放熱器を経由して、前記圧縮機の吸入側へ戻す潤滑油循環回路を設けたことを特徴とするヒートポンプ装置で、圧縮機に必要な潤滑油を確保できて圧縮機の信頼性の損なうことがなく、効率の高い圧縮機を使用したヒートポンプサイクル装置を提供できる。

本発明によれば、安価な構成で圧縮機の圧縮過程における高圧低圧空間の漏れを防止するための潤滑油を供給でき、効率が高い圧縮機を使用したヒートポンプ装置を提供できる。

本発明の実施の形態１におけるヒートポンプサイクル装置の概要図 同圧縮機の断面図 同圧縮機の詳細部断面図

第１の発明は、密閉容器内が吐出圧力にて加圧される高圧タイプの圧縮機、加熱媒体に放熱する放熱器、膨張弁、蒸発器を接続したヒートポンプサイクルを備え、前記圧縮機は、密閉容器内下部に潤滑油を貯油する油溜め部、前記潤滑油を搬送する油搬送手段を有し、前記油搬送手段により搬送した潤滑油を、絞り装置、前記放熱器を経由して、前記圧縮機の吸入側へ戻す潤滑油循環回路を設けたことを特徴とするヒートポンプ装置で、油溜りの高温の潤滑油を被加熱物体と熱交換をして低温の潤滑油を圧縮機の吸入側へ戻すことで、システムとしての加熱能力を損なうことなく、低温の潤滑油で圧縮機構部のシール性を高め、吸入ガスの吸入加熱による効率低下を防止して効率の高い圧縮機を実現できる。

第２の発明は、絞り装置を毛細管で形成したことを特徴とするもので、絞り装置の絞りは固定であり、絞り装置に入る油の温度が高ければ潤滑油循環回路の油量は増加するが、圧縮機構部に供給される潤滑油の温度も高くシール性が低下しており、潤滑油循環回路からの潤滑油の循環量が増加するとシール性を改善するためには最適である。

また、逆に圧縮機の温度が低く潤滑油の粘度が高い場合は、潤滑油循環回路を流れる潤滑油量は減少するが、粘度が高いためシール性は高くシールに必要な潤滑油量も少なく、固定絞りの装置であっても充分に機能するものである。

さらに、潤滑油循環回路を流れる潤滑油の量は、高圧と低圧の差圧及び潤滑油の粘性にのみで決定するが、圧縮機が回転数可変の場合、高速運転時の体積効率は一般的に良好で、低速運転時の体積効率改善に効果が発揮できる。

第３の発明は、圧縮機油溜り部の油面が、絞り装置の入り口より低下した場合に、絞り装置の入り口を閉塞する弁を設けたことを特徴とするもので、潤滑油循環回路中にガス状冷媒が多量に流れ込むことは無く、圧縮機の機能を損なうことがないため信頼性が高く、効率の高い圧縮機をもったヒートポンプ装置を提供できる。

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）
図１は冷媒として二酸化炭素を使用した、本発明の第１の実施の形態における給湯機のサイクル図である。本実施の形態のヒートポンプ式給湯機は加熱された温水を温水タンク１に貯え、温水使用時に温水タンク１から取り出すシステムである。

ヒートポンプサイクルは、圧縮機２、放熱器３、膨張弁４、蒸発器５及びそれらを順次接続する冷媒配管６により構成されており、その動作は圧縮機２から吐出された高温高圧の超臨界領域のガスが、放熱器３で被加熱物体である水を加熱しながら放熱し、超臨界領域において低温高圧となり、膨張弁４で絞り膨張され、低温低圧の気液二層状態となって、蒸発器５で外気から吸熱して蒸発し、圧縮機２に戻るサイクルである。膨張弁４は弁開度を電気的に調節可能な構成を持ち、圧縮機２は温水の使用量、外気温度の変化に対応する回転数可変機構を有する。

図２は、本発明の第１の実施の形態における圧縮機２の断面図で、圧縮機構部１０を密閉容器１１上方に、その下方に圧縮機構部１０を駆動するモータ１２を配し、最下部に潤
滑油を溜める油溜め１３を有している高圧型のスクロール圧縮機２を示している。

圧縮機２に吸入された冷媒ガスは、圧縮機構部１０で圧縮され、いったん密閉容器１１内に吐出された後、モータ１２部を経由して、密閉容器１１上方に設けられた吐出管１５から放熱器３へと連絡した配管６により吐出される。

密閉容器１１下部の油溜り部１３にある潤滑油は、モータ１２の駆動力を圧縮機構部１０に伝えるシャフト１６の下端に取り付けた油搬送手段である油ポンプ１７により、油ポンプ吸引口１７ａが、油溜り部１３内に配設されていることで上方へ搬送され、軸受け部などの摺動部１８へ送り込まれるとともに、一部は圧縮機構部１０で圧縮時にシール用として使用される。

摺動部１８を潤滑した油は、重力により密閉容器１１下部の油溜り部１３に戻り、シール用の潤滑油は、圧縮機構１０から密閉容器１１内に吐出される冷媒とともに、密閉容器１１内へ流出し、冷媒から分離されて密閉容器１１下部の油溜り部１３に戻る。

本発明の潤滑油循環回路１９について図１に基づいて説明する。圧縮機２の油溜り部１３に臨む潤滑油取入れ口２０から絞り装置２１を通り、低圧状態となった潤滑油は、放熱器３を経由し水と熱交換して低温となった後に、圧縮機吸入部１４へ戻る。絞り装置２１としてキャピラリーチューブを使用している。なお、絞り装置２１は図２に示すように、圧縮機２内に配設してもよい。

油溜り部１３の高温高圧の潤滑油を、絞り装置２１を通り放熱器３を経由して圧縮機吸入１４へ戻すことで、システムとしての加熱能力を損なうことなく、水に熱を与えた後の低温の潤滑油が、圧縮機吸入１４へ供給され、吸入ガスの吸入加熱による効率低下を防止しながら圧縮機構部のシール性を高めることができて、効率の高い圧縮機を持つ給湯機を提供できる。

また、潤滑油循環回路１９内を流れる潤滑油量は、絞り装置２１の絞りが固定であることから、高低圧差と潤滑油粘度により変化し、高低圧差が大きいときほど、また潤滑油温度が高いほど、潤滑油循環路を流れる潤滑油量は増加するが、圧縮機構部１０で使われるシール用の潤滑油量も、高低圧差が大きいほど、また潤滑油の粘度が低いほど必要とされる。

逆に高低圧差が小さいほど、また潤滑油の粘性が高いほどシール用の潤滑油も少なくてよいため、特段の絞り調整を加えることなく必要な潤滑油を圧縮機吸入１４へ戻すことが可能となる。

圧縮機に吸入された潤滑油は、冷媒とともに圧縮され、圧縮機構部１０から圧縮機２の密閉容器１１内に排出され、密閉容器１１内で冷媒と分離されて油溜り部１３に戻る。

圧縮機２は回転数可変であっても、潤滑油循環路１９を流れる潤滑油の量は圧縮機の回転数に依存しないため、一回転あたりの潤滑油量は速度に反比例するが、高速運転時の体積効率は一般的に良好で、低速運転時に体積効率改善のためのシール用の潤滑油がより多く必要であることから、構造が簡単な固定絞りの特性が生かせる。

また、万一、圧縮機２内の油溜り部１３の油面が低下した場合でも、潤滑油循環回路の入り口２０は油ポンプ１７の位置よりも高く、潤滑油循環回路１９に多量の潤滑油が流れて油ポンプ１７の動作が不全になることは無い。

図３に示すように、絞り装置２１の入り口２０よりも油面が低下した場合は、潤滑油循環回路入り口２０を閉鎖する弁２２を設けたことにより、潤滑油循環回路１９中にガス状冷媒が多量に流れ込むことは無く、圧縮機の機能を損なうことなく信頼性が高く、効率の高い圧縮機をもったヒートポンプ装置を提供できる。

なお、本実施の形態では高圧型のスクロール圧縮機を示しているが、高圧型もしくは密閉容器内が吸入圧力よりも高く設定される圧縮機であれば圧縮の形式にかかわらず、１段でも２段でもまたロータリタイプでも構成可能である。また、給湯システムについて実施の形態を示したが、冷暖房機などへの適用も可能である。

以上のように、本発明のヒートポンプ装置は、安価な構成で圧縮機の圧縮過程における高圧低圧空間の漏れを防止するための潤滑油を供給でき、効率が高い圧縮機を使用したヒートポンプ装置を提供できるので、冷暖房機などへの適用も可能である。

２ 圧縮機
３ 放熱器
４ 膨張弁
５ 蒸発器
１３ 油溜り部
１７ 油ポンプ（油搬送手段）
１７ａ 油ポンプ吸引口
１９ 潤滑油循環回路
２１ 絞り装置
２２ 弁

Claims (3)

1. 密閉容器内が吐出圧力にて加圧される高圧タイプの圧縮機、加熱媒体に放熱する放熱器、膨張弁、蒸発器を接続したヒートポンプサイクルを備え、前記圧縮機は、前記密閉容器内下部に潤滑油を貯油する油溜め部、前記潤滑油を搬送する油搬送手段を有し、前記油搬送手段により搬送した潤滑油を、絞り装置、前記放熱器を経由して、前記圧縮機の吸入側へ戻す潤滑油循環回路を設けたことを特徴とするヒートポンプ装置。
2. 絞り装置を毛細管で形成し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。
3. 圧縮機油溜り部の油面が、絞り装置の入り口より低下した場合に、絞り装置の入り口を閉塞する弁を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載のヒートポンプ装置。