JP2015512501A

JP2015512501A - 流下膜式蒸発器および水平型油分離器を有する冷却機または熱ポンプ

Info

Publication number: JP2015512501A
Application number: JP2015503187A
Authority: JP
Inventors: ドゥ・ラルミナ，ポール
Original assignee: Johnson Controls Technology Co
Current assignee: Johnson Controls Technology Co
Priority date: 2012-03-29
Filing date: 2012-10-31
Publication date: 2015-04-27
Also published as: WO2013147931A1; KR101607509B1; CN104204692A; JP2017075776A; TWI509207B; TW201339524A; EP2831519A1; KR20140146598A; US20130255308A1

Abstract

蒸気圧縮サイクルを使用する冷媒回路であり、空調、冷却、または熱ポンプの目的で使用することができる。この回路は、圧縮機とは別個の油分離器容器に連結された潤滑圧縮機と、流下膜式またはハイブリッド流下膜式蒸発器と、凝縮器とを含む。油分離器容器は、実質上水平方向に延びる。油分離器容器は、油分離器容器に入る冷媒から約５μｍ以上の同伴された油の液滴を実質上除去するように構成されたフィルタパッドによって、１次空間と２次空間とに分離される。１次空間は、圧縮機の排出口と流体連結する。２次空間は、凝縮器の入口と流体連結する。この回路は、冷媒の流れに対して質量で少なくとも約２パーセントの圧縮機からの潤滑剤の油同伴流排出口を有する。【選択図】図４

Description

[0001]本発明は、圧縮機とは別個の油分離器に連結された潤滑圧縮機とともに、流下膜式またはハイブリッド流下膜式蒸発器を含む、蒸気圧縮サイクルを使用して中程度から高度の冷却能力（典型的には、約１００ｋＷ以上）を有する冷却および空調または熱ポンプに使用される機械に関する。

[0002]エネルギーの節約および温室ガス排出の低減のための研究では、高い機器効率および低い冷媒料金が求められている。これらの目標を実現するために、システムのすべての構成要素、すなわち圧縮機、可変速駆動、冷媒の最適な選択肢、油分離器、熱交換器などに改善がなされている。ほとんどの圧縮機は、ある量の潤滑物質を必要とするが、この潤滑物質は同様に、圧縮機から冷媒回路内へある量の油の気水共発を生成する。このとき、冷媒回路内へ同伴された油は、熱交換器の性能の劣化のような様々な悪影響を回避するために、適当な油返還システムによって圧縮機へ戻さなければならない。これは特にスクリュ圧縮機に当てはまり、これらの機械は、回転子間でガスの適切な封止を確保して、回転子間にさらなる同期ギアの必要をなくすために、特に大量の潤滑物質を必要とする。したがって、スクリュ圧縮機は、典型的には、圧縮機排出口と凝縮器の入口との間に位置決めされた容器を必要とし、この容器は一般に、油分離器と呼ばれる。冷却機械および熱ポンプに関連する１つの難題は、冷媒回路内での油の管理である。これには、油の気水共発と、油返還システムと、熱交換器の技術との間で注意深い組合せが必要とされる。

[0003]排出ガスから油を分離することに加えて、この容器または油分離器または分離器容器は通常、圧縮機に対する油溜めとしての機能も有する。分離器容器または油分離器は、いくつかの動作原理に基づくことができる。最も一般的な動作原理には、次のものが含まれる。

− 衝突分離：油とガスの２相混合物が壁または容器の端部に射出されて、第１の段階の分離を提供する。
− 重力分離：油と混合されたガスは、容器内で水平方向または垂直方向に上方へ進むことが可能である。これにより、液相中のより大きい液滴の油が重力によって容器の底部の方へ動かされるのに十分な時間が与えられる。

− フィルタパッド分離：混合物は、密接に隔置されかつ／または微細に織り合わされたフィラメントまたはワイヤからなるパッドに通され、このパッドはフィルタとして作用する。一実施形態では、フィルタパッドは、ワイヤメッシュを含むことができる。そのようなフィルタ製造業者の指示に従って、フィルタパッドは通常、水平方向に設置され、ガスの循環は上方へ向けられる。フィルタパッドの濾過レベルは比較的粗く、ガスまたは霧の中に同伴される微細な液滴は止めないが、それでもなお重力分離より小さい液滴を除去する。

− 遠心分離：油とガスの２相の混合物が円筒形の容器内で接線方向に導入される。旋回運動により、油の液滴を容器の円筒形の壁上へ射出させる傾向があり、液滴は合体して容器の底部へ落下する。重力分離と同様に、遠心分離では、最も大きい液滴の油を除去することが可能である。

− 合体フィルタ(coalescing filter)：油とガスの２相の混合物は、フィルタとして作用するカートリッジへ通される。フィルタ材料は、典型的にはガラス繊維である。濾過は、フィルタパッド（上記参照）と比較してはるかに細かい。たとえば、合体フィルタは、冷媒回路の動作中に直径１μｍ（マイクロメートル）以上の液滴が合体フィルタを通過するのを実質上防止する。典型的な実施形態では、合体フィルタは概して、冷媒の流れの中に同伴される質量で約１〜１０百万分率（ＰＰＭ）の油の液滴が分離器から排出されることを可能にする。

[0004]単一の分離器内でいくつかの異なる原理が同時に実施されることが多い。たとえば、合体フィルタが使用されるとき、これらの合体フィルタは通常、衝突、重力、遠心、および／またはフィルタパッド分離などの１つまたは複数の動作原理を組み込むことができるフィルタ／分離器を補足するように設置される。油分離器の設計において、難題は、価格、寸法、設置の容易さ、圧力降下、信頼性、および当然ながら分離の効率などの様々なパラメータ間で最善の妥協を見出すことである。

[0005]油分離器の典型的な設計には、次のものが含まれる。
− 複数の合体フィルタを有する水平設計。図１は、この周知の設計の一例を示す。分離は、容器の一方の端部での衝突によって始まり、油溜めとしても使用される重力分離区間で継続され、合体フィルタによって完了する。

− １つの合体フィルタを有する垂直サイクロン設計（図示せず）。
[0006]適正に実施されたとき、これらの設計は通常、要素が合体するおかげで非常に効率的な油分離を提供する。しかし、合体フィルタにはいくつかの欠点がある。合体フィルタは、比較的高価になる傾向がある。合体フィルタが適正に取り付けられていない場合、一連の分離器のいくつかが、動作仕様を満たさないことがある。検査およびフィルタ除去の可能性が望ましい場合、高コストのさらなるフランジまたはアクセスを提供するマンホールが必要とされるが、これによって冷媒が漏れるリスクも増大する。さらに、内部合体フィルタを有する容器の油圧安全試験は、これらのフィルタを損傷するリスクを高め、それに関連して、試験を完了した後に容器を適正に空にして乾燥させることがより困難になる。

[0007]偶発的に大量の流体が流れた場合、合体フィルタはまた、性能の損失を受ける可能性があり、流体の力が上昇する影響を受けて目詰まりおよび／または破壊を被りやすくなる。流体の流れの増大は、ＨＦＣなどの高圧のハロゲン化冷媒を用いる熱ポンプの適用分野にとって特に問題である。空調の適用分野で使用されるときでも、Ｒ−４１０ＡまたはＲ−５０７などの高圧のＨＦＣが使用されるときには、コアレッサまたは合体フィルタを特大にする必要がある。高温の熱ポンプを使用すると、そのような適用分野に関連する問題が増大する。そのような高温の熱ポンプでは、より高温の水または他の媒体が蒸発器で冷却されるため、対応する空調の適用分野で同じ機械および冷媒を使用するときより、蒸発温度が実質上高くなる。高温の熱ポンプでは、蒸発器から離れる水は、典型的には２０℃を上回り、６０℃またはさらにそれ以上に到達する可能性がある。その結果蒸発温度がより高くなることで、たとえばＲ−１３４ａなどの比較的低圧の冷媒またはＲ−２４５ｆａのようなさらに低圧の冷媒を使用するときでも、冷媒の密度、したがって質量流量が実質上増大する。

[0008]スクリュ圧縮機などの圧縮機を使用する熱ポンプまたは冷却機の場合、油分離器が合体フィルタを含まないが動作中に十分な油分離を提供する根本的に簡略化された設計を有することが望ましい。

[0009]スクリュ圧縮機を使用する熱ポンプまたは冷却機の場合、本開示は、たとえば全体として参照により組み込まれている米国特許第７，８４９，７１０号に記載のものなど、流下膜式蒸発器またはハイブリッド流下膜式蒸発器の使用を対象とする。これらの蒸発器は、性能の最適化と冷媒料金の低減との間で、現況技術で最善の妥協を提供する。さらに、流下膜式およびハイブリッド流下膜式蒸発器の性能は、従来の満液式蒸発器より油の気水共発の影響を受けにくく、蒸発器の性能を犠牲にすることなくフィルタパッドなどの油分離器を使用することが可能になる。

[0010]本開示の目的で、フィルタパッドという用語は概して、冷媒回路の動作中に直径約５μｍ（マイクロメートル）以上の液滴がフィルタパッドを通過することを実質上防止するという性能特性を組み込む。一実施形態では、フィルタパッドは、分離器からの冷媒の流れの中に同伴される約５０〜約１００百万分率（ＰＰＭ）の油で動作する。フィルタパッドの別の実施形態では、フィルタパッドの空隙率は、約９７〜約９９パーセントである。フィルタパッドのさらなる実施形態では、フィラメントおよび／またはワイヤの直径は概して、直径約０．１５ｍｍ〜約０．３５ｍｍ（ミリメートル）の範囲である。

[0011]本発明は、蒸気圧縮サイクルを使用する冷媒回路を対象とし、この回路は、空調、冷却、または熱ポンプの目的で使用することができる。この回路は、圧縮機とは別個の油分離器容器に連結された潤滑圧縮機と、流下膜式またはハイブリッド流下膜式蒸発器と、凝縮器とを含む。油分離器容器は、実質上水平方向に延びる。油分離器容器は、油分離器容器に入る冷媒から約５μｍ以上の同伴された油の液滴を実質上除去するように構成されたフィルタパッドによって、１次空間と２次空間とに分離される。１次空間は、圧縮機の排出口と流体連結する。２次空間は、凝縮器の入口と流体連結する。この回路は、冷媒の流れに対して質量で少なくとも約２パーセントの圧縮機からの潤滑剤の油同伴流排出口を有する。

[0012]従来技術の油分離器を示す図である。 [0013]本開示の油分離器の例示的な実施形態を示す図である。 [0014]本開示の油分離器の例示的な実施形態を示す図である。 [0015]本開示の油分離器の例示的な実施形態を示す図である。 [0016]本開示の蒸気圧縮システムの例示的な実施形態を概略的に示す図である。 [0017]本開示の蒸気圧縮システムの例示的な実施形態を概略的に示す図である。 [0018]本開示の油分離器の例示的な実施形態を示す図である。 [0019]本開示の油分離器の例示的な実施形態を示す図である。

[0020]図２は、水平容器１を示し、フィルタパッド２が容器を長手方向に分離して２つの空間に分ける。１次空間３は、圧縮機からの排出を受け取る入口４を有し、２次空間５は、凝縮器（図示せず）の入口と連通する出口６を有する。例示的な実施形態では、入口４は圧縮機の排出を受け取り、分離器容器１に入るガスと油の混合物１５は、１次空間３内の容器１の端部で衝突分離を提供するように配置することができる。さらに、この衝突が生じる容器１の端部１７上またはその付近に、第２のフィルタパッド７を配置して、ガス排出が容器の端部に衝突した後に圧縮機から排出されるガスによって液体が再び同伴されるのを制限することができる。

[0021]この配置では、図２にさらに示すように、ガスから分離された油は、１次空間３から２次空間５へ自由に動くことが可能になる。一実施形態では、容器１の長手方向を横切る容器１の完全な横断面全体にわたって、フィルタパッド２が設置される。容器１の下部部分は、液体の油１９を収集して油溜めの機能を実行する。フィルタパッド２が１次空間３と２次空間５との間で液体の油１９の循環にほとんど抵抗を与えないため、液体の油１９のレベルは、どちらの空間でも本質的に同じである。２次空間５から油パイプ８を通って液体の油１９を収集し、潤滑のために圧縮機へ戻すことが概してより適切である。それは、油が１次空間３から２次空間５へ移動しながらフィルタパッド２によって発泡体および気泡から分離される機会が与えられるからである。この配置では、スクリュ圧縮機の動作に関連するものなど、冷媒の流れに対して質量で、すなわち冷媒に潤滑剤を加えた総質量流量の割合で、約２パーセント以上の圧縮機からの潤滑剤の油同伴流排出口を有する回路である、流下膜式蒸発器またはハイブリッド流下膜式蒸発器などの蒸発器１２（図５）に、油分離器によって対応することができる。一実施形態では、油分離器は、圧縮機とは別個である。

[0022]１つの配置では、それぞれの１次空間３および２次空間５を分離するフィルタパッド２は、実質上平面であり、分離器容器のほぼ中間の長さのところで、垂直方向に、すなわち容器１の長手方向軸に対して直角に設置される。代替の配置では、このフィルタパッド２は、図３に示すものなどのように、容器軸に対して直角以外の向きに位置決めすることができる。この配置には、ガスがフィルタパッド２を通って流れる速度を低減させる利点がある。その結果、本開示の容器は、従来の構造の容器の直径と比較して、より小さい容器の直径を有することができ、本開示のより小さい直径の容器は、図２のより大きい従来の容器のフィルタパッド２を通る動作ガス流速と同様のフィルタパッド２を通るガス流速で動作する。一実施形態では、本開示のより小さい直径の容器は、より大きい従来の容器のガス流速より小さくすることができるフィルタパッド２を通るガス流速で動作することができる。別の実施形態では、フィルタパッド２は、たとえば容器の平面図である図４に示すように「Ｖ」字状に、互いに対して角度をなすように配置された２つ以上の部分２ａ、２ｂから構成することができる。さらに別の実施形態では、部分２ａ、２ｂは等しくない長さにすることができる。

[0023]さらなる配置では、同じ原理を利用する２つの油分離区間または空間を単一の容器１内に組み込むことができ、各区間もしくは空間または２次空間５は、１次空間３からの排出ガスおよび油の体積の約２分の１を受け取る。この配置では、１つの容器１が２つのフィルタパッド２を有し、流れの方向に関して２つの可能な選択肢がある。図７に示す一実施形態では、容器１の実質上中間で、２つのフィルタパッド２および２つの２次空間５間に、１つの１次空間３が位置決めされ、容器の各端部に１つの２次空間５が配置される。図示のように、１次空間３の中間に１つの共通のガス入口４が実質上位置決めされ、両側の２次空間５のそれぞれに１つの出口６が位置決めされ、１次空間３の各端部に２次空間５が位置決めされる。これらの２つの出口６は、凝縮器入口（図示せず）に連結される。両出口間の相互連結配管は、容器１の内部または外部に位置することができる。別の実施形態（図８）では、流れは逆になっており、容器１の各端部に１つの１次空間３が位置決めされ、対応する各１次空間３内へガス入口４の端部が延び、両側の１次空間３間に１つの共通の２次空間５が位置決めされ、共通のガス入口４が２次空間５に入る。この実施形態では、圧縮機排出口に連結された入口４の区間は、２つのパイプまたは部分に分割されて、容器１の各端部に１つずつ、２つの１次空間のそれぞれの中へ延びる。入口４の相互連結された配管または部分は、容器の内部または外部に配置することができる。たとえば、図８では、１つの共通の入口４が、二又に分岐した内部のパイプ１３まで延びて、容器１の各端部へガスを分配する。

[0024]図７の代替実施形態では、両出口６は、１つの凝縮器入口へ延びる単一のパイプを形成するように連結することができる。代替の配置では、凝縮器（図示せず）は、２つの入口を有することができ、各端部に１つの入口が位置する。２つの分離器出口６はそれぞれ、凝縮器入口の１つに連結される。

[0025]共通の容器内に２つの区間または空間を有する配置には、いくつかの利点がある。各区間または空間への流れが２分の１などに低減されるため、必要とされる容器の横断面も低減する。したがって、長さを追加するにもかかわらず、直径を低減させる結果、より安価な容器が得られる。さらなる利点は、容器の直径が小さければ小さいほど、典型的に、発生するノイズがより少なくなることである。それは、外殻の直径が小さければ小さいほど、中で壁が共鳴する可能性がより低くなるからである。最後に、容器に長さを加えても、分離器または容器の長さが凝縮器および／または蒸発器などの熱交換器の長さを実質上超過しない限り、他のシステム構成要素との包装上の問題を引き起こさない。

[0026]油分離器容器が水平であるため、この配置は、水平の外殻および管の熱交換器ならびに水平のスクリュ圧縮機駆動ラインとともに容易に包装するのに適している。図５に示す可能な配置では、圧縮機９の排出口は、分離器容器１まで下方へ向けられる。図６に示す別の実施形態では、圧縮機９の排出口は、圧縮機９の一方の側面から油分離器容器１へ誘導することができる。さらに別の実施形態では、圧縮機排出口は、圧縮機の下方方向と側面方向との間の向きで油分離器容器へ誘導することができる（図示せず）。この配置では、少なくとも部分的に油分離器容器より上に、圧縮機駆動ラインを設置することができる。図５にさらに示すように、凝縮器１１より上に蒸発器１２が位置決めされ、圧縮機駆動ラインおよび分離器容器付近に配置される。他の実施形態（図示せず）では、蒸発器１２および凝縮器１１は、互いに対してかつ／または圧縮機駆動ラインおよび油分離器容器に対して異なる配置で位置決めすることができる。図６に示すものなどの別の配置では、圧縮機吸引口は垂直方向に向けられ、したがって圧縮機９は蒸発器１２の上に設置され、圧縮機排出口は、圧縮機の一方の側面から油分離器容器１へ進む。別の実施形態（図示せず）では、圧縮機吸引口は、この側面から外方向へ延びることができ、またはさらに別の実施形態では、圧縮機吸引口は、油分離器容器１に対して垂直方向と側面方向との間に延びることができる。この配置では、少なくとも部分的に蒸発器１２より上に、圧縮機９を設置することができる。図６にさらに示すように、圧縮機９に隣接して横方向で凝縮器１１の上に位置決めされた油分離器容器１が示されている。他の実施形態では、圧縮機、油分離器容器、凝縮器、および蒸発器の間の他の配置を利用することができる。

[0027]このフィルタパッドの使用は、ＨＦＣまたはＨＦＯのようなハロゲン化冷媒を使用する熱ポンプとともに使用する際、また通常は空調の適用分野に関連する蒸発器の温度（たとえば、５℃）より蒸発温度が著しく大きいとき、特に有利である。そのような熱ポンプの場合、蒸発温度は、ＨＦＣ冷媒Ｒ−１３４ａまたは可能な均等物で、最高３０℃〜約４０℃になる可能性があり、Ｒ−２４５ｆａなどのより低圧の冷媒では、さらに高い温度になる可能性がある。

[0028]別の実施形態では、これらの冷媒は、Ｒ−２９０またはＲ−１２７０などの炭化水素を含むことができる。

Claims

空調、冷却、または熱ポンプの目的で使用できる蒸気圧縮サイクルを使用する冷媒回路であって、圧縮機とは別個の油分離器容器に連結された潤滑圧縮機と、流下膜式またはハイブリッド流下膜式蒸発器と、凝縮器とを備え、前記油分離器容器は実質上水平方向に延び、前記油分離器容器が、前記油分離器容器に入る冷媒から約５μｍ以上の同伴された油の液滴を実質上除去するように構成されたフィルタパッドによって、１次空間と２次空間とに分離され、前記１次空間が、前記圧縮機の排出口と流体連結しており、前記２次空間が、前記凝縮器の入口と流体連結しており、前記回路が、冷媒の流れに対して質量で少なくとも約２パーセントの前記圧縮機からの潤滑剤の油同伴流排出口を有する、冷媒回路。
前記油分離器容器の底部が油溜めとして使用され、前記油溜めが、前記圧縮機の油供給オリフィスと流体連結する、請求項１に記載の冷媒回路。
前記圧縮機が、実質上、下方へ向けられる排出口と、前記圧縮機の上または横からの吸引口とを有し、少なくとも部分的に前記油分離器より上に圧縮機駆動ラインが位置決めされ、前記蒸発器が、少なくとも部分的に前記凝縮器より上に位置決めされる、請求項１に記載の冷媒回路。
前記圧縮機が、下方へ向けられる吸引口と、前記圧縮機の側面からの排出口とを有し、前記圧縮機が、少なくとも部分的に前記蒸発器より上に位置決めされ、前記油分離器が、少なくとも部分的に前記凝縮器より上に位置決めされる、請求項１に記載の冷媒回路。
前記油分離器容器の入口が二又に分岐しており、前記油分離器容器が、２つのフィルタパッドによって３つの空間に分離される、請求項１に記載の冷媒回路。
冷媒の流れが二又に分岐する、請求項５に記載の冷媒回路。
前記３つの空間が、互いに隣接していない２つの２次空間を含む、請求項５に記載の冷媒回路。
前記フィルタパッドが、前記油分離器容器の長手方向軸に対して直角に位置する、請求項１に記載の冷媒回路。
前記フィルタパッドが、前記油分離器容器の長手方向軸のほぼ中間の長さに位置し、前記油分離器容器の一方の端部に第２のフィルタパッドを含む、請求項８に記載の冷媒回路。
前記フィルタパッドが、前記油分離器容器の長手方向軸に対して直角以外の向きに位置決めされる、請求項１に記載の冷媒回路。
前記フィルタパッドが、互いに角度をなすように配置された２つ以上の部分から構成される、請求項１０に記載の冷媒回路。
前記２つ以上の部分が、等しくない長さである、請求項１１に記載の冷媒回路。
前記フィルタパッドにより、冷媒中に同伴された約５０〜約１００ＰＰＭの油が前記油分離器容器から流れることが可能になる、請求項１に記載の冷媒回路。
熱ポンプとして使用され、前記冷媒としてハロゲン化流体を使用する、請求項１に記載の冷媒回路。
前記ハロゲン化流体が、前記冷媒として作用するＨＦＣまたはＨＦＯである、請求項１４の冷媒回路。
前記冷媒が炭化水素である、請求項１に記載の冷媒回路。