JP2014145556A - ２段圧縮装置およびそれを用いた冷凍・空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】２台の圧縮機を直列に接続した２段圧縮装置から油分離器を省くことにより、部品数を削減し、その構成の簡素化と低コスト化、並びに小型コンパクト化を図った２段圧縮装置およびそれを用いた冷凍・空調装置提供することを目的とする。
【解決手段】直列に接続された低段側および高段側の２台の圧縮機１０，２０で冷媒を２段圧縮する２段圧縮装置２において、２台の圧縮機２のうち、低段側の圧縮機１０が低圧ハウジングタイプの圧縮機１０とされるとともに、高段側の圧縮機２０が高圧ハウジングタイプの圧縮機２０とされ、高圧ハウジングタイプの圧縮機２０の油溜り２５と、低圧ハウジングタイプの圧縮機１０の油溜り１５とが油戻し配管２７を介して接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、直列に接続された２台の圧縮機で冷媒を２段圧縮する２段圧縮装置およびそれを用いた冷凍・空調装置に関するものである。

冷媒を２段圧縮する２段圧縮装置としては、単一の密閉ハウジング内部に、低段側圧縮機構および高段側圧縮機構の２つの圧縮機構を設け、共通の電動モータにより駆動する構成としたものと、個別の電動圧縮機を２台の直列に接続し、前段側の圧縮機を低段側圧縮機、後段側の圧縮機を高段側圧縮機として２段圧縮するように構成したものとが知られている。

前者の場合、潤滑油（冷凍機油）による圧縮機の潤滑や、圧縮機からの油上がり（油循環率；ＯＣ％）について、単独の圧縮機と同様にコントロールすればよいが、２台の圧縮機を直列に接続した圧縮装置の場合、個々の圧縮機が潤滑油不足に陥らないように、個別に潤滑油のコントロールを行う必要がある。

特許文献１には、２台の圧縮機を直列に接続した２段圧縮装置にあって、高段側の圧縮機を内部低圧方式（低圧ハウジングタイプ）の圧縮機となし、その吐出配管に油分離器を設け、該油分離器で分離した油を、その油タンクからそれぞれ油配管および油面調節器を介して各圧縮機に戻すようにするとともに、油タンクに中間圧を印加するようにしたものが開示されている。

また、特許文献２には、低段側圧縮機に高圧ハウジングタイプの圧縮機、高段側圧縮機に低圧ハウジングタイプの圧縮機を用い、低圧ハウジングタイプとした高段側圧縮機の吐出配管に油分離器を設け、該油分離器で分離した油を、返油管を介して低段側圧縮機に戻すようにするとともに、低段側圧縮機と高段側圧縮機との間に均油管を設けたものが開示されている。

特開平５−２６５２６号公報 特開平７−３０１４６５号公報

しかしながら、２台の圧縮機を直列に接続した２段圧縮装置では、特許文献１，２に示されるように、低段側圧縮機および高段側圧縮機を低圧ハウジングタイプの圧縮機とした場合、各々の圧縮機の吐出配管または少なくとも高段側圧縮機側の吐出配管に油分離器を設け、該油分離器で分離した油をそれぞれの圧縮機に戻し、各圧縮機が潤滑油不足に陥らないようにコントロールする必要があった。このため、油分離器を設置することが必須であり、部品数の増加によって、構成が複雑化し、高コスト化するとともに、設置スペースの確保によってユニットが大型化する等の課題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、２台の圧縮機を直列に接続した２段圧縮装置から油分離器を省くことにより、部品数を削減し、その構成の簡素化と低コスト化、並びに小型コンパクト化を図った２段圧縮装置およびそれを用いた冷凍・空調装置を提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明の２段圧縮装置およびそれを用いた冷凍・空調装置は、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる２段圧縮装置は、直列に接続された低段側および高段側の２台の圧縮機で冷媒を２段圧縮する２段圧縮装置において、前記２台の圧縮機のうち、低段側の圧縮機が低圧ハウジングタイプの圧縮機とされるとともに、高段側の圧縮機が高圧ハウジングタイプの圧縮機とされ、前記高圧ハウジングタイプの圧縮機の油溜りと、前記低圧ハウジングタイプの圧縮機の油溜りとが油戻し配管を介して接続されていることを特徴とする。

本発明によれば、直列に接続された２台の圧縮機の低段側圧縮機が低圧ハウジングタイプの圧縮機とされるとともに、高段側圧縮機が高圧ハウジングタイプの圧縮機とされ、この高圧ハウジングタイプの高段側圧縮機の油溜りと、低圧ハウジングタイプの低段側圧縮機の油溜りとが油戻し配管を介して接続された構成とされているため、吸入冷媒ガスに伴われて低段側圧縮機に戻された潤滑油は、低圧のハウジング内で分離され、その油溜りに溜る。一方、低段側圧縮機から圧縮ガスに伴われて吐出された潤滑油は、そのまま高段側圧縮機の圧縮室に吸い込まれ、圧縮室のシール等に供された後、高圧冷媒ガスと共に高圧のハウジング内に吐き出され、その際の速度変化や内部機器への衝突等によって高圧の冷媒ガス中から分離される。そして、高圧のハウジング内の油溜りに溜った潤滑油は、その一部が油戻し配管を介して低段側圧縮機の低圧のハウジング内の油溜りに戻され、低段側圧縮機および高段側圧縮機の油溜りに各々所定量ずつ貯留されることによって、各圧縮機の潤滑に供されることになる。従って、２台の圧縮機を直列に接続した２段圧縮装置において、油分離器を設けることなく、高段側圧縮機の高圧ハウジングを利用して冷媒ガス中から油を分離し、その一部を低段側圧縮機の油溜りに戻すことにより、各々の圧縮機が油不足を生じないようにコントロールすることができるとともに、２段圧縮装置として部品数を削減し、構成の簡素化、低コスト化並びに小型コンパクト化を図ることができる。

さらに、本発明の２段圧縮装置は、上記の２段圧縮装置において、前記高圧ハウジングタイプの高段側圧縮機が、ロータリ圧縮機またはスクロール圧縮機のいずれかとされていることを特徴とする。

本発明によれば、高圧ハウジングタイプの高段側圧縮機が、ロータリ圧縮機またはスクロール圧縮機といずれかとされているため、高段側圧縮機に既存のダイレクトサクションタイプのロータリ圧縮機またはスクロール圧縮機のいずれかを用いることにより、低段側圧縮機に低圧ハウジングタイプの圧縮機、高段側圧縮機に高圧ハウジングタイプの圧縮機を用いた信頼性の高い２段圧縮装置を構成することができる。従って、既存技術の組み合せにより、２段圧縮装置の部品数を削減し、構成の簡素化、低コスト化並びに小型コンパクト化を図ることができる。

さらに、本発明の２段圧縮装置は、上述のいずれかの２段圧縮装置において、前記低圧ハウジングタイプの低段側圧縮機が、スクロール圧縮機、前記高圧ハウジングタイプの高段側圧縮機が、ロータリ圧縮機とされていることを特徴とする。

本発明によれば、低圧ハウジングタイプの低段側圧縮機がスクロール圧縮機、高圧ハウジングタイプの高段側圧縮機がロータリ圧縮機とされているため、低段側圧縮機を比較的油上がり（油循環率；ＯＣ％）が多いが効率のよい低圧ハウジングタイプのスクロール圧縮機とし、高段側圧縮機を油上がり（油循環率；ＯＣ％）が少ない高圧ハウジングタイプのロータリ圧縮機とすることによって、仮に低段側圧縮機での油上がりが多くても、その油上がりを高圧ハウジングタイプのロータリ圧縮機側で抑制し、２段圧縮装置全体としての油上がりを抑制することができる。従って、油上がりの少ない高効率の２段圧縮装置であって、かつ油分離器を不要とした低コストでコンパクトな２段圧縮装置を提供することができる。

さらに、本発明にかかる冷凍・空調装置は、圧縮機が上述のいずれかの２段圧縮装置とされていることを特徴とする。

本発明によれば、圧縮機が上述のいずれかの２段圧縮装置とされているため、効率のよい２段圧縮装置を用いた冷凍・空調装置にあって、２段圧縮装置からの油上がり（油循環率；ＯＣ％）を抑制することにより、凝縮器および蒸発器での熱交換効率を一層高めることができる。従って、冷凍・空調装置の更なる高効率化、高能力化を図ることができるとともに、その低コスト化、小型コンパクト化を図ることができる。

本発明の２段圧縮装置によると、吸入冷媒ガスに伴われて低段側圧縮機に戻された潤滑油は、低圧のハウジング内で分離され、その油溜りに溜る。一方、低段側圧縮機から圧縮ガスに伴われて吐出された潤滑油は、そのまま高段側圧縮機の圧縮室に吸い込まれ、圧縮室のシール等に供された後、高圧冷媒ガスと共に高圧のハウジング内に吐出され、その際の速度変化や内部機器への衝突等により高圧の冷媒ガス中から分離される。そして、高圧のハウジング内の油溜りに溜った潤滑油は、その一部が油戻し配管を介して低段側圧縮機の低圧のハウジング内の油溜りに戻され、低段側圧縮機および高段側圧縮機の油溜りに各々所定量ずつ貯留されることによって、各圧縮機の潤滑に供されることになるため、２台の圧縮機を直列に接続した２段圧縮装置において、油分離器を設けることなく、高段側圧縮機の高圧ハウジングを利用して冷媒ガス中から油を分離し、その一部を低段側圧縮機の油溜りに戻すことによって、各々の圧縮機が油不足を生じないようにコントロールすることができるとともに、２段圧縮装置として部品数を削減し、構成の簡素化、低コスト化並びに小型コンパクト化を図ることができる。

本発明の冷凍・空調装置によると、効率のよい２段圧縮装置を用いた冷凍・空調装置にあって、２段圧縮装置からの油上がり（油循環率；ＯＣ％）を抑制することにより、凝縮器および蒸発器での熱交換効率を一層高めることができるため、冷凍・空調装置の更なる高効率化、高能力化を図ることができるとともに、その低コスト化、小型コンパクト化を図ることができる。

本発明の一実施形態に係る２段圧縮装置およびそれを用いた冷凍・空調装置の冷凍サイクル図である。

以下に、本発明にかかる一実施形態について、図１を参照して説明する。
図１には、本発明の一実施形態に係る２段圧縮装置およびそれを用いた冷凍・空調装置の冷凍サイクル図が示されている。
本実施形態の冷凍・空調装置１は、圧縮機（２段圧縮機装置）２と、凝縮器３と、レシーバ４と、電子膨張弁（ＥＥＶ）５と、蒸発器６とを、この順に冷媒配管７を介して順次接続した閉サイクルの冷凍サイクル８を備えている。

この冷凍サイクル８に組み込まれた圧縮機２は、個別に構成されている２台の密閉型電動圧縮機１０，２０を直列に接続した２段圧縮装置２とされており、冷媒循環方向の前段側の圧縮機が低段側圧縮機１０、これに直列に接続された後段側の圧縮機が高段側圧縮機２０とされている。

低段側圧縮機１０は、密閉ハウジング（低圧ハウジング）１１内に、電動モータ１２と圧縮機１３とが内蔵され、電動モータ１２の回転により圧縮機１３が駆動されるモータ内蔵の密閉型電動圧縮機１０であって、蒸発器６から吸入配管７Ａを経て吸い込まれる低圧冷媒ガスを密閉ハウジング１１内に吸い込み、その冷媒ガスを圧縮機１３により吸入し、圧縮して吐出チャンバーから吐出管１４を介して直接外部に吐き出す構成とした、いわゆる低圧ハウジングタイプ（密閉ハウジング１１内が低圧状態とされるタイプの圧縮機）の圧縮機とされている。

低圧ハウジングタイプの密閉型電動圧縮機１０としては、例えば公知の密閉型スクロール圧縮機を用いることができる。この密閉型電動スクロール圧縮機１０は、密閉ハウジング１１の底部が油溜り１５とされ、所定量の潤滑油（冷凍機油）が充填されており、この潤滑油で圧縮機１３が潤滑可能とされている。

低段側圧縮機１０に接続配管１６を介して直列に接続された高段側圧縮機２０は、密閉ハウジング（高圧ハウジング）２１内に、電動モータ２２と圧縮機２３とが内蔵され、電動モータ２２の回転により圧縮機２３が駆動されるモータ内蔵の密閉型電動圧縮機２０であって、低段側圧縮機１０で圧縮された中間圧の冷媒ガスを、接続配管１６を介して直接圧縮機２３の圧縮室にダイレクトに吸入し、高圧に圧縮した後、その高圧圧縮ガスを密閉ハウジング２１内に吐き出す構成とした、いわゆる高圧ハウジングタイプ（密閉ハウジング２１内が高圧状態とされるタイプの圧縮機）の圧縮機とされている。

密閉ハウジング２１内に吐き出された高圧の冷媒ガスは、吐出管２４および吐出配管７Ｂを介して凝縮器３に導かれるように構成されている。この高圧ハウジングタイプの密閉型電動圧縮機２０としては、例えば公知の密閉型電動ロータリ圧縮機あるいは密閉型電動スクロール圧縮機２０を用いることができ、該密閉型電動ロータリ圧縮機または密閉型電動スクロール圧縮機２０は、密閉ハウジング２１の底部が油溜り２５とされ、所定量の潤滑油（冷凍機油）が充填されており、この潤滑油で圧縮機２３が潤滑可能とされている。

高段側圧縮機２０は、上記の如く、高圧ハウジングタイプの圧縮機とされており、圧縮機２３で圧縮された高圧冷媒ガスが密閉ハウジング２１内に吐き出される構成とされていることから、冷媒ガスに含まれている油は、密閉ハウジング２１内に吐出される際の速度変化やモータ等の内部機器への衝突等により冷媒ガスから分離される。これにより、冷媒ガスは、油分が低下された状態で外部に吐き出されることになる。特に、高圧ハウジングタイプの密閉型電動ロータリ圧縮機は、圧縮機２３が下部に設置され、十分な油分離用の内容積（空間）を確保できることから、油上がりを少なくできるとされており、高段側圧縮機２０として最適である。

このように、高段側圧縮機２０として、高圧ハウジングタイプの密閉型電動ロータリ圧縮機２０（または密閉型電動スクロール圧縮機２０）を用いることにより、その密閉ハウジング２１を油分離器として機能させ、該密閉ハウジング２１内で冷媒ガス中から油分を分離した後、外部へと吐き出すことができるため、従来、吐出配管７Ｂに設置していた油分離器を省略化することができる。

そして、高段側圧縮機２０の密閉ハウジング２１内で分離された潤滑油を、その油溜り２５から減圧手段である流量調製用のキャピラリチューブ２６を備えた油戻し配管２７を介して低段側圧縮機１０の油溜り１５に戻すことによって、低段側圧縮機１０および高段側圧縮機２０内にそれぞれ所定量の潤滑油を確保し、各圧縮機１０，２０が潤勝油不足に陥らないようにしている。なお、高段側の密閉型電動ロータリ圧縮機２０の密閉ハウジング２１に対する油戻し配管２７の接続高さ位置は、油溜り２５に浸かっている圧縮機２３のシリンダの高さ方向の中程付近とするのが望ましい。

以上に説明の構成により、本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
冷凍・空調装置１の圧縮機（２段圧縮装置）２から吐出された高温高圧の冷媒ガスは、凝縮器３で外気等との熱交換により放熱して凝縮液化される。この冷媒は、いったんレシーバ４に貯留された後、循環量が調整されて電子膨張弁（ＥＥＶ）５に供給され、該電子膨張弁５を通過する間に断熱膨張されて蒸発器６に供給される。蒸発器６では室内空気等と熱交換により吸熱し、蒸発ガス化される。ガス化された低圧冷媒ガスは、再び圧縮機２に戻り、冷凍サイクル８内を循環する。これによって、冷凍、空調等に供される。

本実施形態の圧縮機２は、低段側圧縮機１０と高段側圧縮機２０とが直列に接続された２段圧縮装置２とされ、その低段側圧縮機１０が、低圧ハウジングタイプの密閉型電動圧縮機（例えば、公知の密閉型スクロール圧縮機）１０とされており、また、高段側圧縮機２０が、高圧ハウジングタイプの密閉型電動圧縮機（例えば、公知の密閉型電動ロータリ圧縮機あるいは密閉型電動スクロール圧縮機）２０とされている。

このため、蒸発器６で蒸発ガス化された低圧冷媒ガスは、吸入配管７Ａを介して低圧ハウジングタイプの密閉型電動圧縮機１０の密閉ハウジング１１内に吸い込まれ、その吸入冷媒ガスに伴われて冷凍サイクル８側から低段側圧縮機１０に戻ってきた潤滑油は、低圧の密閉ハウジング１１内で分離されて油溜り１５に溜り、低段側圧縮機１０の圧縮機１３の潤滑に供される。

一方、低段側圧縮機１０で圧縮された冷媒ガスと共に低段側圧縮機１０から吐出された潤滑油は、そのまま接続配管１６を介して直列に接続されている高段側圧縮機２０の圧縮機２３の圧縮室にダイレクトに吸入される。この高段側圧縮機２０は、圧縮機２３で圧縮された高圧冷媒ガスが密閉ハウジング２１内に吐き出される高圧ハウジングタイプの密閉型電動圧縮機（例えば、公知の密閉型電動ロータリ圧縮機あるいは密閉型電動スクロール圧縮機）２０とされているため、その高圧冷媒ガス中に混合されている潤滑油は、密閉ハウジング２１内に吐出された際の速度変化や電動モータ２２等の内部機器への衝突等によって分離され、油溜り２５に溜まる。

そして、潤滑油が十分に分離された高圧冷媒ガスを吐出配管７Ｂから吐出し、凝縮器３へと送出することにより、冷凍サイクル８に対する油上がり（油循環率；ＯＣ％）を低減することができる。また、高段側圧縮機２０の密閉ハウジング２１を利用することにより分離し、その油溜り２５に溜った潤滑油の一部を、キャピラリチューブ２６を備えた油戻し配管２７を介して低段側圧縮機１０の油溜り１５に戻すことにより、低段側圧縮機１０および高段側圧縮機２０にそれぞれ所定量の潤滑油を確保し、各圧縮機１３，２３を油不足に陥らないように潤滑することができる。

斯くして、本実施形態によると、２台の圧縮機１０，２０を直列に接続した２段圧縮装置２において、油分離器を設けることなく、高段側圧縮機２０の高圧ハウジング２１を利用して冷媒ガス中から油を分離し、その一部を低段側圧縮機１０の油溜り１５に戻すことにより、各々の圧縮機１０，２０が油不足を生じないようにコントロールすることができるとともに、２段圧縮装置２として部品数を削減し、構成の簡素化、低コスト化並びに小型コンパクト化を図ることができる。

また、高圧ハウジングタイプの高段側圧縮機２０を、ロータリ圧縮機またはスクロール圧縮機といずれかとしているため、高段側圧縮機２０に既存のダイレクトサクションタイプのロータリ圧縮機またはスクロール圧縮機のいずれかを用いることにより、低段側圧縮機１０に低圧ハウジングタイプの圧縮機、高段側圧縮機２０に高圧ハウジングタイプの圧縮機を用いた信頼性の高い２段圧縮装置２を構成することができる。従って、既存技術の組み合せにより、２段圧縮装置２の部品数を削減し、構成の簡素化、低コスト化並びに小型コンパクト化を図ることができる。

さらに、低圧ハウジングタイプの低段側圧縮機１０がスクロール圧縮機、高圧ハウジングタイプの高段側圧縮機２０がロータリ圧縮機とされている。このため、低段側圧縮機１０を比較的油上がり（油循環率；ＯＣ％）が多いが効率のよい低圧ハウジングタイプのスクロール圧縮機とし、高段側圧縮機２０を油上がり（油循環率；ＯＣ％）が少ない高圧ハウジングタイプのロータリ圧縮機とすることにより、仮に低段側圧縮機１０での油上がりが多くても、その油上がりを高圧ハウジングタイプのロータリ圧縮機側で抑制し、２段圧縮装置２全体としての油上がりを抑制することができる。これにより、油上がりの少ない高効率の２段圧縮装置２であって、かつ油分離器を不要とした低コストでコンパクトな２段圧縮装置２を提供することができる。

また、本実施形態の冷凍・空調装置１は、圧縮機が上記した２段圧縮装置２とされているため、効率のよい２段圧縮装置２を用いた冷凍・空調装置１にあって、更にその２段圧縮装置２からの油上がり（油循環率；ＯＣ％）を抑制することにより、凝縮器３および蒸発器６での熱交換効率を一層高めることができる。従って、冷凍・空調装置１の更なる高効率化、高能力化を図ることができるとともに、その低コスト化、小型コンパクト化を図ることができる。

なお、本発明は、上記実施形態にかかる発明に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、適宜変形が可能である。例えば、上記実施形態では、一方向サイクルとした冷凍サイクル８の例について説明したが、四方切換弁を設けた可逆サイクルの冷凍サイクルにも同様に適用できることは云うまでもない。また、給湯機用のヒートポンプ等にも同様に適用できることはもちろんである。

さらに、上記実施形態では、低段側圧縮機１０として、低圧ハウジングタイプの密閉型電動スクロール圧縮機、高段側圧縮機２０として、密閉型電動ロータリ圧縮機あるいは密閉型電動スクロール圧縮機を用いた例について説明したが、低段側圧縮機１０および高段側圧縮機２０を他型式の低圧ハウジングタイプの圧縮機、あるいは他型式の高圧ハウジングタイプの圧縮機としてもよい。

１ 冷凍・空調装置
２ 圧縮機（２段圧縮装置）
３ 凝縮器
５ 電子膨張弁（ＥＥＶ）
６ 蒸発器
１０ 低段側圧縮機（密閉型電動スクロール圧縮機）
１１ 密閉ハウジング（低圧ハウジング）
１５ 油溜り
２０ 高段側圧縮機（密閉型電動ロータリ圧縮機）
２１ 密閉ハウジング（高圧ハウジング）
２５ 油溜り
２７ 油戻し配管

Claims (4)

1. 直列に接続された低段側および高段側の２台の圧縮機で冷媒を２段圧縮する２段圧縮装置において、
   前記２台の圧縮機のうち、低段側の圧縮機が低圧ハウジングタイプの圧縮機とされるとともに、高段側の圧縮機が高圧ハウジングタイプの圧縮機とされ、
   前記高圧ハウジングタイプの圧縮機の油溜りと、前記低圧ハウジングタイプの圧縮機の油溜りとが油戻し配管を介して接続されていることを特徴とする２段圧縮装置。
2. 前記高圧ハウジングタイプの高段側圧縮機が、ロータリ圧縮機またはスクロール圧縮機のいずれかとされていることを特徴とする請求項１に記載の２段圧縮装置。
3. 前記低圧ハウジングタイプの低段側圧縮機が、スクロール圧縮機、前記高圧ハウジングタイプの高段側圧縮機が、ロータリ圧縮機とされていることを特徴とする請求項１または２に記載の２段圧縮装置。
4. 圧縮機が請求項１ないし３のいずれかに記載の２段圧縮装置とされていることを特徴とする冷凍・空調装置。
   
   

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