JP2014092339A - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】アキュムレータ内部で液冷媒と潤滑油とが分離するのを抑制し、圧縮機に送られる潤滑油量を確保すること。
【解決手段】冷媒として、Ｒ３２単独の冷媒またはＲ３２を所定の質量パーセント以上含む混合冷媒を使用する。室外機１００の有する圧縮機１０４には、液冷媒と潤滑油の二層分離が生じないように所定値以上の潤滑油が混合した冷媒を供給する。返油キャピラリ１０７を用いて、オイルセパレータ１０６で分離した潤滑油をアキュムレータ１０５に戻すことで、アキュムレータ内において二層分離域の発生を抑制する。アキュムレータ１０５から、適量の液冷媒を含むガス冷媒を圧縮機１０４に送ることで、圧縮機１０４に潤滑油を供給することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気調和機に関する。

空気調和機の冷媒としてＨＦＣ系冷媒を用い、冷凍機油として冷媒と相溶性のあるエーテル油を用いる技術は知られている（特許文献１）。また、ＨＦＣ系冷媒であるＲ３２は、圧縮機の吐出温度が従来の冷媒Ｒ４１０Ａよりも１０〜１５℃高くなるため、吐出温度を抑制すべく、圧縮機入口の冷媒かわき度を０．６５以上かつ０．８５以下にする技術も知られている（特許文献２）。

特開平１１−３２５６２０号公報 特許第３９５６５８９号公報

ＨＦＣ系冷媒であるＲ３２は、温暖化係数ＧＷＰ（Global Warming Potentia）の値が低いため、環境に優しい冷媒として期待されている。しかし、冷媒Ｒ３２と潤滑油との混合特性に着目すると、潤滑油の混合率が少ない場合に相溶性が低下して、潤滑油と液冷媒との二層に分離する領域がある。

また、冷媒Ｒ３２は、圧縮機入口側の冷媒かわき度を従来の冷媒であるＲ４１０Ａよりも小さくなるように制御する。したがって、Ｒ３２を用いる場合、圧縮機入口側に設けられたアキュムレータ内の液冷媒と潤滑油との混合液の潤滑油混合率が小さくなる。このため、アキュムレータ内で液冷媒と潤滑油とが二層分離しやすくなって、圧縮機へ潤滑油が戻りにくくなる。これによって、圧縮機内の潤滑油が不足して、潤滑不良などが発生し、信頼性が低下する。

従って、本発明の目的は、液冷媒と潤滑油とが二層に分離するのを抑制し、潤滑不足の発生を低減できるようにした空気調和機を提供することにある。

上記課題を解決すべく、本発明に係る空気調和機は、室内機と室外機を配管を介して接続し、冷媒を循環させる空気調和機において、冷媒として、Ｒ３２単独の冷媒またはＲ３２を所定の質量パーセント以上含む混合冷媒を使用し、室外機の有する圧縮機には、液冷媒と潤滑油の二層分離が生じないように所定値以上の潤滑油が混合した冷媒を供給する、ようになっている。

室外機は、圧縮機と、該圧縮機の吐出側に接続され、圧縮機から吐出された冷媒中の油を分離して回収する油分離器と、圧縮機の流入側に接続され、冷媒から液冷媒を分離して蓄積し、ガス冷媒を圧縮機に供給するためのアキュムレータと、油分離器で分離した潤滑油をアキュムレータに戻すことで、アキュムレータ内に蓄積される液冷媒と潤滑油との混合液における潤滑油混合率を所定値以上に調整するための供給油量調整部と、を備えてもよい。

本発明によれば、液冷媒と潤滑油の二層分離の発生を抑制することができ、潤滑不足を低減して信頼性を高めることができる。

空気調和機の回路構成図である。 アキュムレータの縦断面図である。 冷媒Ｒ３２と潤滑油の混合特性を示す図である。

以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態を説明する。本実施形態では、以下に詳述するように、ＨＦＣ系冷媒であるＲ３２を少なくとも所定の質量パーセント以上含む冷媒を用いる場合において、所定値以上の潤滑油が混合した冷媒を圧縮機に供給する。詳しくは、圧縮機の流入側に接続されるアキュムレータに蓄積される混合液（液冷媒と潤滑油との混合液）において、潤滑油の混合率を所定値以上に調整する。アキュムレータ内の混合液における潤滑油の混合率を調整するために、圧縮機の吐出側に接続された油分離器で分離された潤滑油をアキュムレータ内に所定の条件を満たすようにして戻す。ここで、本実施形態では、Ｒ３２を７０質量パーセント以上含む混合冷媒を使用する。Ｒ３２の比率が７０質量パーセント以上になると、ＧＷＰの値、吸入湿り、油との相溶性などの特性がＲ３２と同等になるためである。

本実施形態によれば、アキュムレータ内の冷媒Ｒ３２と潤滑油との混合液における潤滑油の混合率を調整することで、アキュムレータ内において液冷媒と潤滑油とが二層分離するのを抑制することができる。この結果、アキュムレータから圧縮機に供給される冷媒中に含まれる潤滑油の量を増加させて、圧縮機内で潤滑油が不足する事態の発生を低減でき、圧縮機および空気調和機の信頼性を向上することができる。

図１〜図３を用いて実施例を説明する。図１は、本実施例に係る空気調和機１の冷凍サイクルの構成例を示す。

空気調和機１の有する冷凍サイクルは、少なくとも一つの室外機１００と、少なくとも一つの室内機２００とを備える。図１では、複数の室内機２００Ａ，２００Ｂを示すが、特に区別しない場合は、室内機２００と呼ぶ。図１では、一つの室外機１００と２つの室内機２００とを接続する例を示すが、これに限らず、２つ以上の室外機１００と３つ以上の室内機２００とを接続する構成でもよい。

室外機１００は、例えば、室外熱交換器１０１、室外ファン１０２、室外膨張弁１０３、圧縮機１０４、アキュムレータ１０５、オイルセパレータ１０６、返油キャピラリ１０７、四方弁１０８、過冷却熱交換器１０９、過冷却バイパス膨張弁１１０および各配管１１２〜１１７を含んで構成されている。

室内機２００は、例えば、室内熱交換器２０１、室内ファン２０２、室内膨張弁２０３を含んで構成されている。室外機１００と室内機２００とは、液配管１２１とガス配管３０２で接続されている。

ここで、本実施例では、Ｒ３２だけから構成される冷媒、または、Ｒ３２を７０質量パーセント以上含む混合冷媒を使用する。次に動作を説明する。

圧縮機１０４は、例えばクランクケースと、クランクケース内に設けられる圧縮機本体（いずれも図示せず）とを備え、クランクケースの底部側には潤滑油が蓄積される。圧縮機本体による圧縮動作中に、クランクケース内の潤滑油がポンプ作用で吸い上げられて、潤滑の必要な箇所に供給される。潤滑油の一部は、冷媒と一緒に吐出配管１１２に吐出される。

圧縮機１０４には、アキュムレータ１０５から配管１１７を介して、低圧ガス状の冷媒が流入する。圧縮機１０４は冷媒を圧縮することで、高温で高圧のガス状冷媒を吐出口から吐出する。圧縮機１０４の吐出口から配管１１２内に吐出された高圧ガス状の冷媒は、配管１１２を介して「油分離器」としてのオイルセパレータ１０６に流入する。圧縮機１０４から吐出される高温で高圧のガス状冷媒には、潤滑油が混じっている。

オイルセパレータ１０６は、高圧ガス状の冷媒に含まれる潤滑油を回収し、回収した潤滑油を返油キャピラリ１０７および配管１１６を介してアキュムレータ１０５に戻す。配管１１６は、四方弁１０８の圧縮機流入口側のポートとアキュムレータ１０５の流入口を接続するための管路である。「供給油量調整部」の例である返油キャピラリ１０７は、オイルセパレータ１０６からアキュムレータ１０５に戻される潤滑油の流量および圧力を調整するための装置である。

四方弁１０８は、高圧ガス状の冷媒を室外熱交換器１０１に導くか、それとも室外機２００内の室内熱交換器２０１に導くかを切り替えるための方向切替弁である。四方弁１０８は、冷房運転時には、図１中の矢印線Ｃの方向に高圧ガス状の冷媒を流す。高圧ガス状の冷媒は、四方弁１０８の室外熱交換器側ポートと室外熱交換器１０１の入口側とを接続する配管１１３を介して、凝縮器として働く室外熱交換器１０１に流入する。

高温高圧のガス状冷媒は、室外熱交換器１０１を通過する間に、室外ファン１０２によって送られた室外空気と熱交換して凝縮し、高温高圧の液状冷媒（液冷媒）となる。高温で高圧の液冷媒は、室外熱交換器１０１の出口側に接続された配管１１４を介して、室外膨張弁１０３に流入する。室外膨張弁１０３から流れ出た低圧の液冷媒は分岐し、その一部の液冷媒は過冷却バイパス膨張弁１１０に流入する。他の液冷媒は、過冷却熱交換器１０９を介してさらに冷却されて、配管３０１に流れ込む。配管３０１は、室外機１００の熱交換器１０１と室内機２００の熱交換器２０１とを接続する配管である。

過冷却バイパス膨張弁１１０へ流れ込んだ液冷媒は、過冷却バイパス膨張弁１１０で減圧されて、過冷却熱交換器１０９に流入する。過冷却熱交換器１０９に流入した液冷媒は、過冷却熱交換器１０９を通過する間に、他の液冷媒と熱交換して蒸発し、低圧ガス状の冷媒となる。低圧ガス状の冷媒は、配管１１６に接続される戻し管路１１５を介して、アキュムレータ１０５に流れ込む。

室内機２００へ送られた低圧の液冷媒は、室内膨張弁２０３で減圧されて、室内熱交換器２０１に流入する。室内熱交換器２０１に流入した低圧の液冷媒は、室内熱交換器２０１を通過する間に室内ファン２０２によって送られた室内空気と熱交換して蒸発し、ガス状の冷媒（ガス冷媒）となる。

低圧の液冷媒が室内熱交換器２０１内で気化するときに、室内の空気が冷却されて、室内が冷房される。室内熱交換器２０１から流れ出たガス冷媒は、ガス配管３０２を介して室外機１００に送られる。

室外機１００に入ったガス冷媒は、四方弁１０８および配管１１６を通って、アキュムレータ１０５に流入する。アキュムレータ１０５は、蒸発しなかった液冷媒を蓄積することで、液冷媒が圧縮機１０４に流入するのを阻止する。圧縮機１０４が液冷媒を圧縮すると、圧縮機１０４の部品が破損等する可能性があるためである。

アキュムレータ１０５には、ガス状の冷媒、液冷媒、オイルセパレータ１０６から戻される潤滑油が流入する。アキュムレータ１０５内でガス冷媒と潤滑油とは混合し、圧縮機１０４に送られる。液冷媒は、アキュムレータ１０５に滞留する。

暖房運転時の動作を説明する。暖房運転時の冷媒の流れを矢印線Ｈで示す。圧縮機１０４から吐出した高温高圧のガス冷媒は、オイルセパレータ１０６で潤滑油が分離された後、四方弁１０８を通ってガス配管３０２へ送られる。オイルセパレータ１０６で分離された潤滑油は、返油キャピラリ１０７を通ってアキュムレータ１０５へ送られる。

室外機１００からの高温高圧のガス冷媒は、ガス配管３０２を介して室内機２００へ送られる。室内機２００へ入った高温のガス冷媒は、室内熱交換器２０１内を流れる間に、室内ファン２０２によって送られた室内空気と熱交換して凝縮し、液冷媒となる。液冷媒は、室内膨張弁２０３を通って室内機２００から出る。室内熱交換器２００で高温高圧のガス冷媒と室内空気が熱交換することによって、暖房が行われる。

室内機２００を出た液冷媒は、液配管３０１を介して室外機１００へ流れる。室外機１００へ入った液冷媒は室外膨張弁１０３を通過後、２つに分岐する。一部の液冷媒は過冷却バイパス膨張弁１１０へ流れ、配管１１５，１１６を介してアキュムレータ１０５に送られる。

他の液冷媒は室外膨張弁１０３で減圧された後、室外熱交換器１０１に流入する。室外熱交換器１０１に流入した液冷媒は、室外熱交換器１０１を流れる間に、室外ファン１０２によって送られた室外空気と熱交換して蒸発し、ガス冷媒になる。ガス冷媒は、四方弁１０８を通り、配管１１６を介してアキュムレータ１０５に流入する。アキュムレータ１０５には、上述の通り、ガス冷媒と潤滑油が流入して混合し、潤滑油の溶け込んだガス冷媒が圧縮機１０４に送られる。

図２は、図１の冷凍サイクルの室外機１００に示すアキュムレータ１０５を示すものである。

アキュムレータ１０５内には、導入用の配管１１６（導入管）と導出用の配管１１７（導出管）とが挿入されて取り付けられている。導入管１１６は、ガス冷媒および／または潤滑油をアキュムレータ１０５内に導入するための配管である。

導出管１１７は、先端側が略Ｕ字状となっており、アキュムレータ１０５から潤滑油の混合したガス冷媒を圧縮機１０４に送るための配管である。導出管１１７は、そのＵ字状の湾曲部がアキュムレータ１０５の底部側に位置するようにして取り付けられる。これにより、導出管１１７のＵ字状湾曲部は、アキュムレータ１０５に蓄積された液冷媒に浸される。

導出管１１７のＵ字状湾曲部には、第１の液戻し口１２１Ａが形成されている。さらに、導出管１１７には、第１の液戻し口１２１Ａよりも上側に位置して、第２の液戻し口１２１Ｂが形成されている。導出管１１７の上側には、アキュムレータ１０５内の上側に位置して、導出管１１７内の圧力を調整するための均圧穴１２２が形成されている。

導入管１１６からアキュムレータ１０５内に流入した冷媒と潤滑油は、液とガスとに分離する。ガス冷媒は、導出管１１７を介して圧縮機１０４に送られる。ガス冷媒の流通により、第１の液戻し口１２１Ａから導出管１１７内に液が吸い込まれて、所定の液混合率でアキュムレータ１０５から圧縮機１０４へ送られる。

アキュムレータ１０５の液面が第２の液戻し口１２１Ｂよりも上に位置すると、第２の液戻し口１２１Ｂからも液が吸い込まれて、液混合率が増加する。液混合率は、２つの液戻し口１２１Ａ，１２１Ｂの穴径と、均圧穴１２２の穴径とによって調整される。

ここで、本実施例では、冷媒を従来のＲ４１０Ａから温暖化係数のより小さいＲ３２に変更している。Ｒ３２を冷媒として用いると、圧縮機１０４の吐出温度が１０〜１５℃高くなる。本実施例では、吐出温度の上昇を抑制するために、圧縮機１０４の入り口かわき度を従来よりも小さく設定する。

そのために、本実施例のアキュムレータ１０５は、液冷媒を従来冷媒Ｒ４１０Ａより多く蓄積する。アキュムレータ１０５が従来よりも多くの液冷媒を蓄積すると、アキュムレータ１０５内の下部に溜まる混合液における潤滑油混合率が小さくなる。

図３は、冷媒としてＲ３２を用いた場合の、冷媒と潤滑油の混合特性を示す。冷媒Ｒ３２において、潤滑油の混合比率が４０％以下になると、低温域で液冷媒と潤滑油との二層分離域が現れる。つまり、アキュムレータ１０５の下側に液冷媒が溜まり、液冷媒の層の上に潤滑油の層ができる。

二層分離域の条件が成立すると、アキュムレータ１０５の下側で混合液が液冷媒と潤滑油とに分離する。潤滑油の密度が液冷媒の密度よりも小さければ、潤滑油が上側に浮くことになる。潤滑油が液冷媒の上側に浮くと、第１の液戻し口１２１Ａから導出管１１７内に潤滑油が吸い込まれなくなり、圧縮機１０４に供給される潤滑油の量が低下する。圧縮機１０４に送られる潤滑油の量が少なくなると、潤滑不良などの問題を生じて信頼性が低下する可能性がある。

そこで、本実施例では、オイルセパレータ１０６で回収した潤滑油が所定量以上、アキュムレータ１０５に戻るように、返油キャピラリ１０７の形状（管路面積、管路長など）を設定する。その調整方法を以下に示す。

アキュムレータ１０５から圧縮機１０４へ流れる液比率をＲ（＝（冷媒液流量＋潤滑油流量）／（冷媒全流量）、アキュムレータ１０５内の液冷媒と潤滑油との混合液の二層分離限界（混合液の溶解域と分離域との境界）の潤滑油混合率をｎ（＝潤滑油量／冷媒液量）、返油キャピラリ１０７を流れる潤滑油返油率ｘ（＝潤滑油流量／冷媒全流量）、オイルセパレータ１０６から冷凍サイクルへ流れる潤滑油循環率ｙ（＝潤滑油流量／冷媒全流量）とする。

返油キャピラリ１０７を流れる潤滑油返油率ｘは、下記（１）式で求められる。
ｘ≧ｎ×Ｒ−ｙ・・・（１）

図３に示す特性の場合、潤滑油の混合比率を４０％（ｎ＝０．４）以上、好ましくは５０％（ｎ＝０．５）以上にすれば、二層分離の発生を抑制できると考えられる。そこで、上記の（２）式は、
ｘ≧０．５×Ｒ−ｙ・・・（２）
となる。

なお、アキュムレータ１０５から圧縮機１０４に流れる液比率Ｒは、アキュムレータ１０５の導出管１１７の液戻し口１２１Ａ、１２１Ｂの穴径と均圧穴１２２の穴径とによって調整される。また、オイルセパレータ１０６から冷凍サイクルへ流れる潤滑油循環率ｙは、圧縮機１０４とオイルセパレータ１０６の特性によって決まる。

このように冷媒としてＲ３２を使用すると、アキュムレータ１０５に蓄積する液冷媒量を増加させる必要があり、その結果、潤滑油混合率が低下する。しかし、本実施例では、オイルセパレータ１０６で回収した潤滑油を、従来よりも多くアキュムレータ１０５に戻すため、アキュムレータ１０５内の潤滑油混合率を所定値（４０％以上、好ましくは５０％以上）に高めることができる。したがって、本実施例によれば、アキュムレータ１０５内で二層分離域の発生条件が成立するのを阻止して、液冷媒と潤滑油が分離するのを抑制し、圧縮機１０４に十分な潤滑油を送り込むことができる。

なお、本発明は、上述した実施例に限定されない。当業者であれば、本発明の範囲内で、種々の追加や変更等を行うことができる。例えば、オイルセパレータからアキュムレータに潤滑油を戻す手段は、返油キャピラリに限定されず、他の手段を用いてもよい。また、本発明は、例えば「空気調和機に使用される室外機であって、冷媒として、Ｒ３２単独の冷媒またはＲ３２を所定の質量パーセント以上含む混合冷媒を使用し、圧縮機には、液冷媒と潤滑油の二層分離が生じないように所定値以上の潤滑油が混合した冷媒を供給する、空気調和機用の室外機。」として表現することもできる。

１：空気調和機、１００：室外機、１０１：室外熱交換器、１０３：室外膨張弁、１０４：圧縮機、１０５：アキュムレータ、１０６：オイルセパレータ、１０７：返油キャピラリ、１０８：四方弁、１０９：過冷却熱交換器

Claims (4)

1. 室内機と室外機を配管を介して接続し、冷媒を循環させる空気調和機において、
   前記冷媒として、Ｒ３２単独の冷媒またはＲ３２を所定の質量パーセント以上含む混合冷媒を使用し、
   前記室外機の有する圧縮機には、液冷媒と潤滑油の二層分離が生じないように所定値以上の潤滑油が混合した冷媒を供給する、
   空気調和機。
   
2. 前記室外機は、
   前記圧縮機と、
   該圧縮機の吐出側に接続され、前記圧縮機から吐出された冷媒中の油を分離して回収する油分離器と、
   前記圧縮機の流入側に接続され、冷媒から液冷媒を分離して蓄積し、ガス冷媒を前記圧縮機に供給するためのアキュムレータと、
   前記油分離器で分離した潤滑油を前記アキュムレータに戻すことで、前記アキュムレータ内に蓄積される液冷媒と潤滑油との混合液における潤滑油混合率を前記所定値以上に調整するための供給油量調整部と、
   を備える請求項１に記載の空気調和機。
   
3. 前記供給油量調整部により前記油分離器から前記アキュムレータに戻される潤滑油の返油率をｘ（ｘ＝潤滑油流量／冷媒全流量）、
   前記アキュムレータから前記圧縮機に流れる混合液の比率をＲ（Ｒ＝（液冷媒流量＋潤滑油流量）／冷媒全流量）、
   前記アキュムレータ内の液冷媒と潤滑油との混合液が二層に分離する限界の潤滑油混合率をｎ（ｎ＝潤滑油量／液冷媒量）、
   前記油分離器で回収されて冷凍サイクルを循環する潤滑油の循環率をｙ（ｙ＝潤滑油流量／冷媒全流量）としたとき、ｘ≧ｎ・Ｒ−ｙが成立する、
   請求項２に記載の空気調和機。
   
4. 前記ｎの値を０．４以上に設定する、
   請求項３に記載の空気調和機。

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