JP2017008810A - 圧縮機及び冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】逆止弁の弁体の摩耗を抑制して信頼性を確保しつつ、且つ、逆止弁等を含めたサイクロン式オイルセパレータの大型化を抑制した冷凍サイクル装置を提供することを課題とする。
【解決手段】本発明の圧縮機は、冷媒を圧縮する圧縮機構部と、圧縮機構部の下流側に配置され、外筒及びこの外筒の内側に位置する内筒を有し、圧縮機構部から吐出した冷媒をガス冷媒と油に分離するサイクロン式オイルセパレータと、内筒の入口部又は内部に配置され、冷媒の旋回成分を減速させる整流装置と、整流装置の下流側に配置された逆止弁と、を備え、圧縮機構部から吐出した冷媒がサイクロン式オイルセパレータに流入し、外筒の内壁に沿って旋回下降することによりガス冷媒と油に分離し、その後、分離したガス冷媒は内筒の下端部から内筒内部に流入し、内筒内部を経由してサイクロン式オイルセパレータから吐出し、分離した油は外筒の内壁面に沿って流下する。
【選択図】図２

Description

本発明は、圧縮機から吐出される冷媒ガスから油（冷凍機油）を分離するサイクロン式オイルセパレータを備えた圧縮機及びこの圧縮機を備えた冷凍サイクル装置に関する。

空気調和機などの冷凍サイクル装置には、サイクロン式オイルセパレータを圧縮機出口側に設ける場合や、サイクロン式オイルセパレータを一体に備えたスクリュー圧縮機を使用するものがある（例えば特許文献１参照）。このようなスクリュー圧縮機では、略円筒縦形のサイクロン式オイルセパレータを用いて、圧縮機のオイルレート（圧縮機外への油の流出量）を低減する。このサイクロン式オイルセパレータでは、分離空間内の旋回流によって誘引される遠心力により油を壁面に付着させ、付着した油は内壁に沿って回りながら下降し、下部に設けられた油溜めに溜められる。また、油を分離した冷媒ガスは、サイクロン式オイルセパレータの上部から吐出され、冷凍サイクルに供給される。

特開２００４−２３２５６９号公報

特許文献１に記載のようなサイクロン式オイルセパレータを備える冷凍サイクル装置では、サイクロン式オイルセパレータの吐出側に逆止弁を設け、この逆止弁を介して圧縮された冷媒ガスを冷凍サイクルの凝縮器側に送り出すことで、冷媒ガスの逆流を防止する。スクリュー圧縮機のように大流量のものでは、逆止弁としてリフト式の逆止弁を使用することが多い。

リフト式の逆止弁を設けることにより、サイクロン式オイルセパレータから吐出される圧縮された冷媒ガスによってセパレータ内の圧力が上昇し、逆止弁下流側の圧力を上回ると逆止弁の弁体が持ち上げられ、開弁する。圧縮機の停止などにより、圧縮機内部に残留した低圧ガスと高圧ガスの差圧によって、圧縮機構部が逆転運転し、オイルセパレータ内の圧力が逆止弁下流側の圧力より小さくなると、弁体が下方に落下して弁座に着座することにより閉弁し、冷媒ガスの逆流を防止する。尚、弁体が摺動するシリンダ内面には弁体の上昇位置を制限するためのストッパ（例えば止め輪）が設けられる。

このようなサイクロン式オイルセパレータにおいては、旋回流によって冷媒ガスと冷凍機油とが遠心力で分離され、この旋回流はサイクロン式オイルセパレータの出口側に設けられたリフト式逆止弁に流入する。このとき、リフト式逆止弁の弁体が回転しながら上昇して止め輪と接触し、弁体の上昇位置が規制されるが、弁体は旋回流により回転しながら止め輪と摺動するため弁体が摩耗する問題が生じることが分かった。

このような課題に対して、逆止弁の回転を防ぐために、整流装置を設けることができる。このとき、セパレータ出口に整流装置を新たに設けることは、製品を大型化させる原因となる。また、圧力損失の増大を防ぐため、逆止弁及び整流装置の通路面積を確保しようとすると、逆止弁、整流装置も大きくなり、製品の更なる大型化を招く。

本発明は、逆止弁の弁体の摩耗を抑制して信頼性を確保しつつ、且つ、逆止弁等を含めたサイクロン式オイルセパレータの大型化を抑制した冷凍サイクル装置を提供することを課題とする。

本発明の圧縮機は、冷媒を圧縮する圧縮機構部と、圧縮機構部の下流側に配置され、外筒及びこの外筒の内側に位置する内筒を有し、圧縮機構部から吐出した冷媒をガス冷媒と油に分離するサイクロン式オイルセパレータと、内筒の入口部又は内部に配置され、冷媒の旋回成分を減速させる整流装置と、整流装置の下流側に配置された逆止弁と、を備え、圧縮機構部から吐出した冷媒がサイクロン式オイルセパレータに流入し、外筒の内壁に沿って旋回下降することによりガス冷媒と油に分離し、その後、分離したガス冷媒は内筒の下端部から内筒内部に流入し、内筒内部を経由してサイクロン式オイルセパレータから吐出し、分離した油は外筒の内壁面に沿って流下する。

本発明によれば、逆止弁の弁体の摩耗を抑制することにより製品の信頼性を確保しつつ、且つ、逆止弁等を含めたサイクロン式オイルセパレータの大型化を抑制した冷凍サイクル装置を提供することができる。

冷凍サイクル装置の冷凍サイクル系統図 サイクロン式オイルセパレータ、整流装置、逆止弁の関係とそれらの構成を説明する説明図 サイクロン式オイルセパレータ、整流装置、逆止弁の組立構造の例を説明する斜視図 サイクロン式オイルセパレータ、整流装置、逆止弁の組立構造の他の例を説明する斜視図 サイクロン式オイルセパレータ、整流装置、逆止弁の組立構造の他の例を説明する斜視図 サイクロン式オイルセパレータ、整流装置、逆止弁の組立構造の他の例を説明する斜視図

本発明の圧縮機は、冷媒を圧縮する圧縮機構部と、圧縮機構部の下流側に配置され、外筒及びこの外筒の内側に位置する内筒を有し、圧縮機構部から吐出した冷媒をガス冷媒と油に分離するサイクロン式オイルセパレータと、内筒の入口部又は内部に配置され、冷媒の旋回成分を減速させる整流装置と、整流装置の下流側に配置された逆止弁と、を備え、圧縮機構部から吐出した冷媒がサイクロン式オイルセパレータに流入し、外筒の内壁に沿って旋回下降することによりガス冷媒と油に分離し、その後、分離したガス冷媒は内筒の下端部から内筒内部に流入し、内筒内部を経由してサイクロン式オイルセパレータから吐出し、分離した油は外筒の内壁面に沿って流下する。本発明の圧縮機によれば、整流装置により逆止弁の弁体の回転を抑えて摩耗を抑制することができるので、製品の信頼性を確保することができる。さらに、整流装置をサイクロン式オイルセパレータの内部に内蔵することで、サイクロン式オイルセパレータ内筒内部の空間を有効に活用することができ、逆止弁等を含めたサイクロン式オイルセパレータの大型化を抑制することができる。

以下、本発明の圧縮機及びこの圧縮機を備えた冷凍サイクル装置の具体的実施例を図面に基づいて説明する。

図１は本実施例の冷凍サイクル装置の冷凍サイクル系統図である。本実施例では、冷凍サイクル装置として空気調和機である場合について説明する。

冷凍サイクル装置は、圧縮機１、圧縮機１の吐出側に配置されたサイクロン式オイルセパレータ２、熱源側熱交換器５、電子膨張弁などの減圧装置６、利用側熱交換器７を備える。本実施例においては、圧縮機１の吐出側にサイクロン式オイルセパレータ２を別置きで設置し、サイクロン式オイルセパレータ２の内部に整流装置３を介してリフト式の逆止弁４を設ける。送風機８は熱源側熱交換器５に室外の空気を供給する。

圧縮機１で圧縮された高温高圧の冷媒ガスは、サイクロン式オイルセパレータで油が分離された後、オイルセパレータの内筒内部を上昇する。その後、冷媒ガスは、整流装置３及びリフト式逆止弁４を通過して、オイルセパレータ上部から吐出され、熱源側熱交換器５に流入する。冷媒は、熱源側熱交換器５において送風機８から送風された室外空気と熱交換して凝縮し、その後、減圧装置６で減圧膨張して気液二相流となって、利用側熱交換器７に流入する。利用側熱交換器７では、循環して供給される冷水と熱交換して冷水の温度を低下させ、冷媒は蒸発して冷媒ガスとなり、再び圧縮機１に吸入される。上述のように冷媒が循環して冷凍サイクルが構成される。

次に、図２により、図１に示すサイクロン式オイルセパレータ２、整流装置３、リフト式逆止弁４の関係とそれらの構成を説明する。

本実施例では、サイクロン式オイルセパレータ２の内筒内部の空間に、整流装置３を介してリフト式の逆止弁４が取り付けられる。リフト式の逆止弁４は、サイクロン式オイルセパレータ２の内筒を上昇する圧縮された冷媒ガスの圧力（Pin）と弁体後流側の圧力（Pout）との差圧ΔP（=Pin-Pout）がゼロより大きくなり、弁体４ａの重量に打ち勝つと弁体４ａが持ち上げられ開弁する。また、圧縮機１の停止などにより、圧縮機内部に残留した低圧ガスと高圧ガスの差圧によって、圧縮機構部が逆転運転し、オイルセパレータ２内の圧力が逆止弁４下流側の圧力より小さくなると、弁体４ａが下方に落下して弁座４ｂに着座することにより閉弁する。このようなリフト式逆止弁４を備えることにより、冷媒ガスの逆流を防止する。

また、従来、弁体４ａが摺動するシリンダの内面には弁体４ａの上昇位置を制限するための止め輪（ストッパ）が設けられていたが、本実施例では逆止弁４をサイクロン式オイルセパレータ内部に設置することで、上部吐出フランジ９をストッパとし開弁時の弁体の上限位置を決める。

点線矢印Ａで示すように、圧縮機１の圧縮機構部で圧縮され、吐出された高温高圧の冷媒ガスは、サイクロン式オイルセパレータ２の外筒１０と内筒１１により形成される流路に流入して旋回流となる。即ち、冷媒ガスと油の混合体は、オイルセパレータ２の円筒内壁に添うように流入し、この内壁に添って流れることで旋回流となる。冷媒ガスと油の混合体が旋回流となることにより、冷媒ガス中の油は遠心分離作用によって冷媒ガスから分離される。点線矢印Ｂで示すように、分離された油は、円筒形の内壁を伝わって下方に流れ、油溜まり部１２を介して圧縮機１に戻る。また、油を分離した冷媒ガス（冷媒ガスのみ或いは油分の少ない冷媒ガス）は、サイクロン式オイルセパレータ２の上部から旋回流のまま吐出される。

ここで、従来の冷凍サイクル装置では、本実施例のように、リフト式逆止弁４の上流側に整流装置３が配置されていない。このため、サイクロン式オイルセパレータ２から吐出される冷媒ガスの旋回流が弁体４ａに作用して、弁体４ａが回転しながら止め輪と摺動すると、摺動による摩耗により摩耗粉（鉄粉等）が生じる。この摩耗粉は冷凍サイクル側に流れ込み、凝縮器を経て電子膨張弁などの減圧装置６に流入すると、減圧装置６の動作不良を引き起こす可能性がある。また、冷凍サイクル装置が四方弁を備える場合、四方弁の摺動部に摩耗粉が流入して、四方弁の作動不良を引き起こす可能性もある。また、摩耗粉が熱交換器５，７などに流入して堆積すると、熱交換性能を低下させたり、冷媒流路に詰まりが生じる可能性がある。

そこで、本実施例では、サイクロン式オイルセパレータ２の内筒内部の空間に、整流装置３及び逆止弁４を設置し、整流装置３の下流側にリフト式逆止弁４を設ける。また、逆止弁下流側に吐出口を備えた吐出フランジ９を配置する。オイルセパレータ内部の内筒内に整流装置３と逆止弁４とを配置することにより、内筒内部で旋回流を整流した流れを逆止弁４に流す。

内筒１１は、内筒外側を下方向に流れる油を含む旋回流と内筒の内側を上方向に流れる油の無い上昇流とを仕切る。内筒内側の空間は吐出口に導くための流れの通路となる。

ここで、オイルセパレータ内部の内筒空間に整流装置及び逆止弁を配置することで、オイルセパレータ出口に逆止弁及び整流装置を外付した場合と比べ、整流装置及び逆止弁を含めたオイルセパレータ全体の全高が低くなる。従って、オイルセパレータを設置、収納するチラーユニットの全高を低くすることができるから、吐出口に接続される配管長さも短くすることができる。また、チラーユニットの筐体の全高を低くすることができるから、材料費が低減し製造原価を下げることができる。

更に、逆止弁を内蔵することで、弁のストローク長さを変えても全高が変わらないので、チラーユニットの筐体や吐出口に接続される配管の共用化を図ることができる。

また、逆止弁出入口の圧損を低減するためには、逆止弁の弁体を径方向にサイズアップすることで弁体外周を流れる通路を拡大する必要があるが、弁体のサイズアップに伴い配管もサイズアップする必要がある。しかしながら、逆止弁を内蔵化し、逆止弁下流側に吐出口を有する吐出フランジ９を設けたので、配管径を変えずに逆止弁の径方向のサイズを決めることができる。従って、吐出配管径をサイズアップすることなく、逆止弁出入口間の圧力損失を低減することができる。

また、ストッパ用として使用される止め輪は、一般的にピアノ線等、硬度が高い材料で作られるため、硬度の低い鋳物や炭素鋼で弁体を製作すると弁体が著しく摩耗する。そこで、逆止弁下流側に吐出口を有する吐出フランジ９を設けて、吐出フランジ９の逆止弁側端面が弁体のストッパとなるように構成する（ストッパとなる吐出フランジ９と弁体の硬度は同等程度であることが好ましい。）。このように構成することで、止め輪を廃止することができ、弁体の一方的な摩耗を抑制することができる。

また、内筒内に配置された逆止弁の上流側に整流装置を設けることで、内筒内に流入した旋回流を逆止弁に流入する前に整流することができる。従って、弁体の旋回を抑制して弁体の摩耗を抑えることができるので、摩耗粉の発生を抑制することができる。

次に、図３−６を用いて、図１及び図２に示すサイクロン式オイルセパレータ１、整流装置３、逆止弁４の他の構造の例を説明する。

逆止弁上流側に設けた整流装置３は、内筒１１入口に設けてもよく、内筒１１内部の逆止弁吸入口に取り付けてもよい。図３においては、整流装置３を内筒１１入口に配置した。整流装置３を内筒１１入口開口全体に配置できるので、整流格子間のピッチが広がり整流格子出入口間の圧力損失を低く抑えることができる。

図４において、逆止弁上流側に設けた整流装置３は、逆止弁４吸入口に接続して設置される。整流装置３外径は逆止弁４吸入口径と同等以上あればよいので、整流装置３を小型化できる。尚、整流装置３としては、例えば、整流装置内を冷媒が流れる空間を仕切板により区画するように構成した構造を採用することができる。仕切板を十字型として構成すれば整流装置３を流れる空間を四分割にすることができる。また、仕切板を格子状に形成すればより多数の空間に分割することができる。仕切板により流路を複数に分割し、例えば４つ以上の空間を形成することで、整流装置３上流側の内筒１１内断面で旋回する一つの流れが、旋回装置３を通過することにより、仕切板で区切られた空間内で旋回する複数の旋回流となる。弁体の側面に衝突し回転駆動力を与える旋回流を細かく分割することで、回転駆動力を弁体に与えることなく弁体を通過するため、弁体の回転を抑制することができる。

さらに、逆止弁上流側に設けた整流装置３は、内筒１１内に設けられるため、整流区間を調整するために整流装置３の厚みを調整したとしてもオイルセパレータ２の全長が変わらないので、チラーユニットの筐体や吐出口に接続される配管の共用化を図ることができる。また、整流装置３を内筒１１内に配置したことで、整流装置３とボディ４ｃ間にシール部材が不要となるため、冷媒ガスが接合面から外気に漏れることがない。

ここで、図４のように構成すると、整流装置３の整流格子間のピッチが狭まり、整流格子出入口間の圧力損失が大きくなる。そこで、図５，６に示すように、内筒１１の内側にさらに逆止弁吸入口の内径より大きい径を有する内筒１４を配置し、内筒１４の入口又は内部に整流装置３を配置する。整流装置３の径は逆止弁４のボディ４ｃに設けた吸入口４ｄの口径より大きく、逆止弁４のボディ４ｃの外径より小さい範囲で取り付けることができるから、整流格子間のピッチを拡げることができ、整流装置３出入口間の圧力損失を低減することができる。ここで、整流装置３の径は内筒１４の径に合わせて任意の大きさに設定することができる。

また、整流装置３を通過直後の旋回流は、仕切板で分割された空間毎に旋回流の流速に差異があるため、整流装置３通過直後に逆止弁４を配置すると、弁体４ａが径方向に不規則に動き、弁体４ａが弁体４ａを収納するボディ４ｃ内径面に当たり衝突音を生じる。そこで図３，５，６に示すように、吸入口４ｄと整流装置３との間に筒１４を配置する。旋回装置３を通過した複数の旋回流が、筒１４内で衝突や混合を繰り返すことで、旋回流が崩れ流れの向きが拡散し、流路断面の径方向成分の流速が均一化する。従って、弁体４ａの挙動が安定化し、弁体４ａがボディ４ｃ内径面に当たる衝突音を抑制することができる。

更に、筒１４の外径は、逆止弁４のボディ４ｃに設けた吸入口４ｄの口径より大きく、逆止弁４のボディ４ｃの外径より小さい範囲で取り付けることができる。図６においては、筒１４の外径とボディ４ｃの外径を同径とした。筒１４は、ボディ４ｃの上流側に取り付けられるので、旋回する流れと上昇する流れとを筒１４で仕切ることができるので、内筒を廃止できる。

なお、本実施例においては、整流装置３と逆止弁４を別々に製作し、サイクロン式オイルセパレータ２の内部に設置したが、逆止弁４と整流装置３を一体に組み込んだ構成としてもよい。このように構成すれば、部品点数を少なくでき、組立てをより容易に行うことができる。

以上説明したように、本実施例によれば、サイクロン式オイルセパレータ２の内部に整流装置３を設けることで、冷媒ガスの旋回流を直進流又は直進流により近い流れにして、逆止弁４へ流入させることができる。従って、逆止弁４の弁体４ａが回転して、弁体４aが摩耗することを抑制することができる。更に、逆止弁４a及び整流装置３をサイクロン式オイルセパレータの外部ではなくサイクロン式オイルセパレータ内部に内蔵することで、内筒１１内部の空間を有効に活用することができるため、製品が大型化することなく信頼性を向上させることができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、本実施例では圧縮機１としてスクリュー圧縮機を用いたが、圧縮機１はスクリュー圧縮機に限られるものではなく、他の形式の圧縮機でもよい。またサイクロン式オイルセパレータ２は圧縮機と別置きとなっているものに限定されず、圧縮機とサイクロン式オイルセパレータが一体になっているものに対しても本発明を適用することができる。さらに、本実施例では、冷凍サイクル装置として空気調和機を用いて説明したが、チラーユニットや冷凍機などの冷凍サイクル装置に適用することができる。

１：圧縮機（スクリュー圧縮機）
２：サイクロン式オイルセパレータ
３：整流装置
４：逆止弁（リフト式逆止弁）
４a：弁体
４b：弁座
４c：ボディ
４d：吸入口
５：熱源側熱交換器
６：減圧装置
７：利用側熱交換器
８：送風機、
９：吐出フランジ
９a：吐出フランジ下面
１０：外筒
１１：内筒
１２：油溜り
１３：平板
１４：筒

Claims (5)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機構部と、
   前記圧縮機構部の下流側に配置され、外筒及び前記外筒の内側に位置する内筒を有し、前記圧縮機構部から吐出した冷媒をガス冷媒と油に分離するサイクロン式オイルセパレータと、
   前記内筒の入口部又は内部に配置され、冷媒の旋回成分を減速させる整流装置と、
   前記整流装置の下流側に配置された逆止弁と、
   を備え、
   前記圧縮機構部から吐出した冷媒が前記サイクロン式オイルセパレータに流入し、前記外筒の内壁に沿って旋回下降することによりガス冷媒と油に分離し、
   その後、分離したガス冷媒は前記内筒の下端部から前記内筒内部に流入し、前記内筒内部を経由して前記サイクロン式オイルセパレータから吐出し、
   分離した油は前記外筒の内壁面に沿って流下する圧縮機。
2. 請求項１において、
   前記逆止弁が前記内筒の内部に配置された圧縮機。
3. 請求項１又は２において、
   前記整流装置が前記逆止弁と間隙を介して配置された圧縮機。
4. 請求項４において、
   前記内筒の内側に前記逆止弁の吸込口の径よりも大きな径を有する筒部材を備え、
   前記整流装置が前記筒部材の入口部又は内部に配置された圧縮機。
5. 請求項１乃至４の何れかに記載の圧縮機と、熱源側熱交換器と、減圧装置と、利用側熱交換器と、を備えた冷凍サイクル装置。

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