JP2013234796A - ヒートポンプ装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】冷媒圧縮機を構成する密閉容器に底部に油加熱器81が設置され、油加熱器81に放熱器102を通過したサブクール領域の冷媒が供給され、油加熱器81において、密閉容器8内の潤滑油はサブクール領域の冷媒から温熱を受け取って加熱される。
【選択図】図1
Description
特に、冷媒特性に優れた炭化水素冷媒(以下、「HC冷媒」と称す)が期待されている。HC冷媒は摺動部潤滑性能、漏れシール性能、理論COPの観点からフロン冷媒と同等の冷媒特性を備えており、既にイソブタンを用いた冷凍冷蔵庫が量産されているが、可燃性冷媒の危険性から、国際規格で冷媒許容充填量が制限されている。例えば、IEC規格によると、家庭用エアコンに充填できる炭化水素冷媒量は約150kg以内に削減することが必要になっている。
また、潤滑油としてHC冷媒との相溶性が低い油(非相溶油化)を用いると共に、潤滑油を貯蔵した密閉シェル内を冷媒吸入圧雰囲気とする(低圧シェル化)ことにより、潤滑油に対するHC冷媒の溶け込み量を低減する発明が開示されている(例えば、特許文献1参照)。
さらに、HC冷媒に非相溶性の潤滑油を用いると、冷凍サイクル中に持ち出された潤滑油が冷媒圧縮機内に十分戻ってこない問題があるとして、高圧シェル形冷媒圧縮機または中間圧型冷媒圧縮機を採用し、HC冷媒がよく溶ける性質があるパラフィン系鉱油を潤滑油として用い、冷媒圧縮機の運転中に冷媒圧縮機内の潤滑油を加熱する加熱手段を設けて、潤滑油中に溶解する冷媒量を低下させる発明が開示されている(例えば、特許文献2参照)。
さらに、ヒータなどの発熱体を密閉容器の外に設けられた油分離器内に配置するものでは、一旦、冷媒圧縮機構から吐出された高温高圧の冷媒(潤滑油を含む)が密閉容器外において外気によって冷却され(温熱を放出する)易いため、高温の熱エネルギーが有効に使われていないという問題があった。
さらに、特許文献2には、低圧シェル化(圧縮する前の低圧の冷媒が密閉容器内に供給される)と非相溶油化が、有効な手段であることが示されているが、発明者等が下記試験評価等で見出したような、低圧シェル形式の冷媒圧縮機での運転状態の変化に伴う潤滑油の動粘度変化の大きさについては考慮されていない。
また、特許文献2に開示された発明では、高圧シェル(圧縮された高圧の冷媒が密閉容器内に吐出される)または中間圧形式の冷媒圧縮機が記載されるのみであり、低圧シェル化については考慮されていない。
そして、低圧シェル形式の冷媒圧縮機について、高圧シェル形式の冷媒圧縮機との性能を比較する下記試験評価等によって以下のような課題が明らかになっていた。
発明者等は低圧シェル化と非相溶油化による新たな課題抽出のために、HC冷媒としてR290を用い、1.5馬力クラスの低圧シェル形ロータリ冷媒圧縮機と高圧シェル形ロータリ冷媒圧縮機の性能試験を実施した。
図7は、かかる性能試験の条件(以下、「冷媒圧縮機試験条件」と称す)を整理したものであって、(a)ASHRAE−T条件、(b)定格冷房試験条件、(c)中間冷房試験条件、(d)定格暖房試験条件、(e)中間冷房試験条件、(f)欧州給湯暖房A2W35条件、および(g)中国GB条件の7条件について、それぞれ実施した。
このとき、HC冷媒としてR290を用い、潤滑油として相溶性の高いナフテン系鉱油(NM100)と、EO50%を含む相溶性の低いPAG油(VG22)との2水準について、各運転時の油動粘度を、冷媒圧縮機シェル底に、粘度計(Cambridge社Viscopro 1600)を取り付けて測定した。
図8は、HC冷媒としてR290を用い、相溶性の高いナフテン系鉱油(NM100)を潤滑油として、上記各試験を実施した場合における測定結果であって、当該潤滑油の動粘度変化を示すものである。
図8に示されるように、低圧シェル形冷媒圧縮機の場合、高圧シェル形冷媒圧縮機に比べて油動粘度が高く、例えば定格暖房運転時は約5倍に達し、機械損失が非常に大きくなる。さらに、油動粘度変動幅も大きく、最大値(中間冷房試験条件時)と最小値(定格暖房試験条件時)の比率が約7倍に達するので、幅広い条件で軸受耐久性確保と機械損失低減とを両立する設計が難しい。
このように低圧シェル形冷媒圧縮機において、HC冷媒を用い、相溶性の高いナフテン系鉱油などの鉱油を潤滑油として用いた場合、油動粘度変動幅が大きく、幅広い条件で軸受耐久性確保(粘度大が好ましい)と機械損失低減(粘度小が好ましい)とを両立する設計が難しいという問題が明らかになった。
図9は、潤滑油をEO50%を含む相溶性の低いPAG油(VG22)に交換して同様の試験を実施した結果であって、当該潤滑油の動粘度変化を示すものである。
図9に示されるように、低圧シェル形冷媒圧縮機の場合、高圧シェル形冷媒圧縮機に比べて、油動粘度が定格暖房運転時で約2.5倍であり、また、油動粘度変動幅は最大値(中間暖房試験条件時)と最小値(中間冷房試験条件)の比率は約2倍である。
このように低圧シェル形冷媒圧縮機において、HC冷媒を用い、相溶性の低いPAG油を潤滑油として用いた場合、油動粘度変動幅はナフテン系鉱油などの鉱油を潤滑油として用いた場合に比べて小さくなる。
このように、低圧シェルにおいて、HC冷媒に対し相溶性の低いPAG油を潤滑油として用いることで、鉱油を潤滑油として用いる場合に比べて油動粘度変動幅を小さくでき、また、非相溶油化および低圧シェル化によりHC冷媒の潤滑油への溶け込み量を減らすことができる(冷媒充填量を低減できる)。
しかしながら、軸受耐久性確保と機械損失低減とを両立する設計の自由度を確保する観点から、PAG油の油動粘度変動幅を更に小さくする必要がある。
また、PAG油中の平均分子量を下げると標準状態の粘度を下げることができるが、一方、揮発性が高くなり、引火点が低下する。VG18(ISO粘度規格)で引火点が18
3℃であり、VG18が実用上使える粘度の限界である。このようなPAG油の標準状態の粘度低下の限界からも、PAG油の油動粘度を制御する何らかの手段が必要となる。
図10は、温度および圧力に対する冷媒溶解度の変化範囲について、低圧シェル形の場合と高圧シェル形の場合とで比較した図である。
図11は、冷媒溶解時の油動粘度の変化範囲について、低圧シェル形の場合と高圧シェル形の場合とで比較した図である。
一般的に、図10に示すように、冷媒溶解度と圧力との関係を示すグラフは圧力0のとき冷媒溶解度0となる対数カーブが、異なる温度条件ごとに表される。すなわち、潤滑油を貯蔵した密閉シェル内を冷媒吐出圧雰囲気とする高圧シェル形の場合、冷媒圧縮機の吐出圧条件が変化すると、密閉シェル内に貯蔵する油の圧力と温度が変化する。一方、低圧シェル形の場合、冷媒圧縮機の吸入圧条件が変化すると、密閉シェル内に貯蔵する油の圧力と温度が変化する。
図10のような対数カーブで表すことができる冷媒溶解度曲線の特性上、低温低圧側で圧力と温度が変化する低圧シェル形のほうが、高圧シェル形のよりも冷媒溶解度に与える影響が大きく冷媒溶解度が変化する。その結果、図11に示すように、油動粘度変化範囲も低圧シェル形のほうが高圧シェル形に比べて大きくなる。
(1)HC冷媒の冷媒溶解度を低減する手段として、非相溶性のPAG油を用いることが有効であるが、PAG油はVG18より粘度の低い油が実用上製造できない。したがって、軸受け設計を適正化し機械損失を低減するためには、PAG油の油物性を制御する別の手段が必要である。
(2)さらに、低圧シェル形式を用いる場合には、密閉シェル内に貯蔵する油の冷媒溶解度と動粘度が変化しやすい。したがって、軸受け設計を適正化し機械損失を低減するためには、油物性を制御する新たな手段が必要である。
前記油加熱器が、前記密閉容器の底部の外面または内面に設置され、
前記放熱器を通過した後のサブクール領域の冷媒が前記油加熱器に供給され、
前記油加熱器において、前記密閉容器の底部に貯蔵された潤滑油が前記サブクール領域の冷媒によって加熱されることを特徴とする。
図1は本発明の実施の形態1に係るヒートポンプ装置を模式的に示す構成図である。なお、各部位は模式的に描いたものであって、本発明は図示された形態に限定するものではない。
図1において、ヒートポンプ装置100は、低圧シェル形2シリンダ冷媒圧縮機(以下、「冷媒圧縮機」と称す)101、放熱器102、膨張弁103、蒸発器104およびこれらを順次連結して冷媒を循環させる主冷媒回路107と、放熱器102に熱的に接続された利用流体回路108と、を備える。
なお、以上は利用流体回路108が放熱器102に熱的に接続されているが、本発明はこれに限定するものではなく、利用流体回路108と共にあるいは利用流体回路108を撤去して、蒸発器104にも利用流体回路108を熱的に接続し、冷熱を受け取って冷却された利用流体を活用するようにしてもよい。
冷媒圧縮機101は、密閉容器8と、密閉容器8内に設けられた電動機9と、電動機9によって駆動される駆動軸6と、駆動軸6の両端を支持する短軸側軸受け7aおよび長軸側軸受け7bと、下側シリンダ11を具備する下側冷媒圧縮機構10、上側シリンダ21を具備する上側冷媒圧縮機構20と、下側シリンダ11と上側シリンダ21とを仕切る中間仕切板5と、を有している。
低圧の冷媒は冷媒圧縮機吸入管1から一旦、密閉容器8内を経由した後に、密閉容器8内に設置された下側シリンダ吸入管15から下側冷媒圧縮機構10の下側シリンダ圧縮室11aと、上側シリンダ吸入管25から上側冷媒圧縮機構20の上側シリンダ圧縮室21aとに、それぞれ吸入される。
下側吐出マフラ空間31と上側吐出マフラ空間41とは、下側シリンダ11、上側シリンダ21および中間仕切板5を軸方向に貫く連通流路46によって連通しているから、下側吐出マフラ空間31に吐出された高圧冷媒は上側吐出マフラ空間41内の高圧冷媒と合流して、冷媒圧縮機吐出管2を経由して、密閉容器8外の主冷媒回路107に供給される。すなわち、高圧冷媒は密閉容器8内に供給されない。
したがって、油加熱器81には、主冷媒回路107の放熱器102において熱交換を行った(温熱を放出した)後のサブクール領域からの冷媒が、サブクール冷媒回路72を経由して供給され、密閉容器8の底部に貯蔵された潤滑油に温熱を受け渡し可能になっている。すなわち、開閉バルブ70と開閉バルブ71の開閉を切り替えることによって油加熱器81への冷媒の供給、停止をする。
なお、油加熱器81の形式は限定するものではなく、密閉容器8の外周面または底面にサブクール冷媒回路72を形成する配管を巻きつけて直接熱交換を行う形式でも、サブクール冷媒回路72を形成する配管を熱伝達媒体が封入された容器内を通過するようにして、熱伝達媒体を介して間接的に熱交換するようにしてもよい。
すなわち、低圧シェル化によって、HC冷媒の潤滑油への溶け込み量を減らすことができ、PAG油を用いることで、鉱油より油動粘度変動を小さくでき、PAG油中のEO含有量を増やすことで、HC冷媒の溶け込み量をさらに減らすことができる。このとき、低圧シェルでは、シェル内の油温度が低温であり、PAG油の平均分子量を増やして油粘度を下げようとすると、引火点が低下するため限界があるが、ヒートポンプ装置100では、油加熱器81を有するため、油粘度を下げて効率の改善を図ることが可能である。
なお、サブクール冷媒によって潤滑油を加熱することができるのは、冷媒圧縮機101が「低圧シェル形」であって、密閉容器8内の油温度が低いためである。一方、高圧シェル形の冷媒圧縮機では、密閉容器内の油温度が高いため、サブクール冷媒によって潤滑油が冷却され、加熱することができない。
なお、開閉バルブ70および開閉バルブ71のバルブ開度の制御は、密閉容器8内の油温、密閉容器8の外壁温度、または、吐出温度などを検知しながら、能動的に制御してもよいし、あるいは、用途や環境条件によって平均的に最も効率のよいバルブ開度に調整しておいてもよい。
したがって、ヒートポンプ装置100は、冷媒の油中溶解度と変動幅を小さくすることができるので、冷媒封入量を削減する効果と、冷媒圧縮機効率及びヒートポンプ効率を改善する効果が得られる。
図2は本発明の実施の形態2に係るヒートポンプ装置を模式的に示す構成図である。なお、実施の形態1と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付し、一部の説明を省略する。
図2において、ヒートポンプ装置200は、実施の形態1において説明したヒートポンプ装置100における油加熱器81を、密閉容器8の内部の底部に配置したものであって、これを除く構成はヒートポンプ装置100に同じである(説明の便宜上、「油加熱器82」としている)。
したがって、ヒートポンプ装置200は、ヒートポンプ装置100と同様に、冷媒の油中溶解度と変動幅を小さくすることができるので、冷媒封入量を削減する効果と、冷媒圧縮機効率及びヒートポンプ効率を改善する効果が得られる。
図3は本発明の実施の形態3に係るヒートポンプ装置を模式的に示す構成図である。なお、実施の形態1と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付し、一部の説明を省略する。
図3において、ヒートポンプ装置300は、実施の形態1において説明したヒートポンプ装置100における油加熱器81を密閉容器8から熱的に離隔する(説明の便宜上、「油加熱器83」としている)と共に、油加熱器83に熱的に接続され、潤滑油が循環する油循環回路75を設けたものである。
油循環回路75は密閉容器8の下部と、下側シリンダ11および上側シリンダ21の吸引側とに接続され、途中に開閉バルブ74が設置されている。すなわち、潤滑油を循環するには、開閉バルブ74を開いて冷媒が下側シリンダ11および上側シリンダ21に吸入される際の負圧を利用する。
なお、油循環回路75の途中に油循環ポンプを設けて循環させてもよい。このとき、油循環ポンプを利用するので、下側シリンダ11および上側シリンダ21の吸引力に頼る必要がなくなるため、油循環回路75は密閉容器8の下部と密閉容器8の任意の場所との間に設置することができ、潤滑油の循環量の調整が容易になる。
また、潤滑油に受け渡す温熱量は、開閉バルブ70および開閉バルブ71のバルブ開度を制御することによって調整する。
図4は本発明の実施の形態4に係るヒートポンプ装置を模式的に示す構成図である。なお、実施の形態1と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付し、一部の説明を省略する。
図4において、ヒートポンプ装置400は、サブクール冷媒の代わりに、利用流体回路108における温熱を用いて潤滑油を加熱するものである。
ヒートポンプ装置400は、実施の形態1で説明したヒートポンプ装置100において、サブクール冷媒回路72を撤去し、利用流体回路108に設置された利用流体タンク110に中温流体回路109を接続し、中温流体回路109が油加熱器81を通過するようにしたものである。すなわち、中温流体回路109は、ヒートポンプ装置100における主冷媒回路107に接続されたサブクール冷媒回路72を、主冷媒回路107に替えて、利用流体タンク110に接続したものに相当している。なお、図中、中温流体回路109に設置された開閉バルブおよびポンプの記載を省略している。
よって、ヒートポンプ装置300は、ヒートポンプ装置100と同様に、冷媒の油中溶解度と変動幅を小さくすることができるので、冷媒封入量を削減する効果と、冷媒圧縮機効率及びヒートポンプ効率を改善する効果が得られる。
図5は本発明の実施の形態5に係るヒートポンプ装置を模式的に示す構成図である。なお、実施の形態2と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付し、一部の説明を省略する。
図5において、ヒートポンプ装置500は実施の形態4で説明したヒートポンプ装置400と同様に、利用流体回路108における温熱を用いて潤滑油を加熱するものである。
ヒートポンプ装置500は、実施の形態2で説明したヒートポンプ装置200において、サブクール冷媒回路72を撤去し、利用流体回路108に設置された利用流体タンク110に中温流体回路109を接続し、中温流体回路109が油加熱器82を通過するようにしたものである。
よって、ヒートポンプ装置500は、ヒートポンプ装置200と同様に、冷媒の油中溶解度と変動幅を小さくすることができるので、冷媒封入量を削減する効果と、冷媒圧縮機効率及びヒートポンプ効率を改善する効果が得られる。
図6は本発明の実施の形態6に係るヒートポンプ装置を模式的に示す構成図である。なお、実施の形態3と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付し、一部の説明を省略する。
図6において、ヒートポンプ装置600は実施の形態4で説明したヒートポンプ装置400と同様に、利用流体回路108における温熱を用いて潤滑油を加熱するものである。
ヒートポンプ装置600は、実施の形態3で説明したヒートポンプ装置300において、サブクール冷媒回路72を撤去し、利用流体回路108に設置された利用流体タンク110に中温流体回路109を接続し、中温流体回路109が油加熱器82を通過するようにしたものである。
よって、ヒートポンプ装置500は、ヒートポンプ装置300と同様に、冷媒の油中溶解度と変動幅を小さくすることができるので、冷媒封入量を削減する効果と、冷媒圧縮機効率及びヒートポンプ効率を改善する効果が得られる。
以上、本発明に係る実施の形態1〜6では、低圧シェル形の2シリンダ冷媒圧縮機を想定したロータリ冷媒圧縮機で説明したが、本発明はこれに限定するものではなく、低圧シェル形の1シリンダ、多段圧縮などのロータリ冷媒圧縮機でも同様の構成を採用することができ、同様の効果を得ることができる。また、ロータリ圧縮方式以外にも、レシプロ式やスクロール式などの冷媒圧縮機方式にも、同様の構成を採用することができ、同様の効果を得ることができる。
さらに、流体抵抗を調整する手段として膨張弁103を用いたが、流路断面積や長さの調整や、流路折り曲げ、キャピラリーチューブなどの別の手段を用いてもよい。また、開閉バルブ70等の形式は限定しない。
Claims (8)
- 低圧シェル構造の密閉容器に収納された冷媒圧縮機構を備えた冷媒圧縮機と、放熱器と、膨張弁と、蒸発器と、これらを順次連結して冷媒を循環させる主冷媒回路と、前記放熱器に熱的に接続され、利用流体が循環する利用流体回路と、油加熱器とを備え、
前記油加熱器が、前記密閉容器の底部の外面または内面に設置され、
前記放熱器を通過した後のサブクール領域の冷媒が前記油加熱器に供給され、
前記油加熱器において、前記密閉容器の底部に貯蔵された潤滑油が前記サブクール領域の冷媒によって加熱されることを特徴とするヒートポンプ装置。 - 低圧シェル構造の密閉容器に収納された冷媒圧縮機構を備えた冷媒圧縮機と、放熱器と、膨張弁と、蒸発器と、これらを順次連結して冷媒を循環させる主冷媒回路と、前記放熱器に熱的に接続された利用流体回路と、油加熱器とを備え、
前記放熱器を通過した後のサブクール領域の冷媒を前記油加熱器に供給するサブクール冷媒回路と、前記密閉容器の底部に貯蔵された潤滑油を吸引し、前記油加熱器に熱的に接続した後、前記潤滑油を前記冷媒圧縮機構の吸引側に戻す油循環回路と、が設けられ、
前記油加熱器において、前記油循環回路を循環する潤滑油が前記サブクール冷媒回路を流れる冷媒によって加熱されることを特徴とするヒートポンプ装置。 - 低圧シェル構造の密閉容器に収納された冷媒圧縮機構を備えた冷媒圧縮機と、放熱器と、膨張弁と、蒸発器と、これらを順次連結して冷媒を循環させる主冷媒回路と、前記放熱器に熱的に接続され、利用流体が循環する利用流体回路と、油加熱器とを備え、
前記放熱器を通過した後のサブクール領域の冷媒を前記油加熱器に供給するサブクール冷媒回路と、前記密閉容器の底部に貯蔵された潤滑油を吸引し、前記油加熱器に熱的に接続した後、前記潤滑油を前記密閉容器に戻す、ポンプが設置された油循環回路と、が設けられ、
前記油加熱器において、前記油循環回路を循環する潤滑油が前記サブクール冷媒回路を流れる冷媒によって加熱されることを特徴とするヒートポンプ装置。 - 低圧シェル構造の密閉容器に収納された冷媒圧縮機構を備えた冷媒圧縮機機と、放熱器と、膨張弁と、蒸発器と、これらを順次連結して冷媒を循環させる主冷媒回路と、前記放熱器に熱的に接続され、利用流体が循環する利用流体回路と、油加熱器とを備え、
前記油加熱器が、前記密閉容器の底部の外面または内面に設置され、
前記利用流体回路に、利用流体が貯蔵された利用流体タンクが設置され、
該利用流体タンクに貯蔵された利用流体を循環させると共に、前記油加熱器に熱的に接続した中温流体回路が設けられ、
前記油加熱器において、前記密閉容器の底部に貯蔵された潤滑油が前記中温流体回路を循環する利用流体によって加熱されることを特徴とするヒートポンプ装置。 - 低圧シェル構造の密閉容器に収納された冷媒圧縮機構を備えた冷媒圧縮機と、放熱器と、膨張弁と、蒸発器と、これらを順次連結して冷媒を循環させる主冷媒回路と、前記放熱器に熱的に接続された利用流体回路と、油加熱器とを備え、
前記利用流体回路に、利用流体が貯蔵された利用流体タンクが設置され、
該利用流体タンクに貯蔵された利用流体を循環させると共に、前記油加熱器に熱的に接続した中温流体回路が設けられ、
前記底部に貯蔵された潤滑油を吸引し、前記油加熱器に熱的に接続した後、前記潤滑油を前記冷媒圧縮機を形成する冷媒圧縮機構の吸引側に戻す油循環回路と、が設けられ、
前記油加熱器において、前記油循環回路を循環する潤滑油が前記中温流体回路を循環する利用流体によって加熱されることを特徴とするヒートポンプ装置。 - 低圧シェル構造の密閉容器に収納された冷媒圧縮機構を備えた冷媒圧縮機と、放熱器と、膨張弁と、蒸発器と、これらを順次連結して冷媒を循環させる主冷媒回路と、前記放熱器に熱的に接続された利用流体回路と、油加熱器とを備え、
前記利用流体回路に、利用流体が貯蔵された利用流体タンクが設置され、
該利用流体タンクに貯蔵された利用流体を循環させると共に、前記油加熱器に熱的に接続した中温流体回路が設けられ、
前記密閉容器の底部に貯蔵された潤滑油を吸引し、前記油加熱器に熱的に接続した後、前記潤滑油を前記密閉容器に戻すポンプが設置された油循環回路と、が設けられ、
前記油加熱器において、前記油循環回路を循環する潤滑油が前記中温流体回路を循環する利用流体によって加熱されることを特徴とするヒートポンプ装置。 - 前記潤滑油は、炭化水素冷媒と前記冷媒との相溶性が小さいことを特徴とする請求項1乃至6の何れかに記載のヒートポンプ装置。
- 前記潤滑油は、エチレンオキサイドを含有させたポリアルキレングリコールであって、40℃の大気圧中において、動粘度が18cSt以上であることを特徴とする請求項7記載のヒートポンプ装置。
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