JP4113221B2 - 圧縮機均油装置及び冷凍機 - Google Patents

Description

本発明は、複数の室外機の圧縮機の間で冷凍機油を均等にする圧縮機均油装置、圧縮機均油装置を有する冷凍機に関する。

冷凍機において、複数の圧縮機を用いて冷媒を循環させると、各圧縮機の間で冷凍機油が不均一になって特定の圧縮機の冷凍機油が不足することがある。このように冷凍機油が不均一な状態を解消するために、従来の冷凍機には、圧縮機の間の冷凍機油をバランスさせる装置が取り付けられたものがある（例えば、特許文献１参照）。この種の冷凍機では、圧縮機内の冷凍機油の油面を検出する油面検出器を備え、油面検出器が冷凍機油の不足を検出したら、その圧縮機を停止させて冷凍機油の貯溜部の圧力を下げる。さらに、油面検出器が冷凍機油を余分に貯溜している圧縮機を検出し、その圧縮機を運転させて、貯溜部の圧力を増大させる。複数の圧縮機の貯溜部同士を接続する連結管の開閉弁を開閉制御して、圧力が高い圧縮機から圧力が低い圧縮機に冷凍機油を移動させる。圧力の高い圧縮機の冷凍機油が減少し、その分だけ圧力の低い圧縮機の冷凍機油が増加する。

また、圧縮機に均油管や油面検出器を設ける代わりに、圧縮機のロータに冷凍機油を飛散させるロータ羽を設けたものがある（例えば、特許文献２参照）。ロータ羽は、潤滑油が所定の貯溜位置に達したら、潤滑油を飛散させるように配置されている。潤滑油がロータ羽で飛散されることで、圧縮機の吐出配管から冷媒と共に吐出される潤滑油の量が増えるので、その圧縮機の潤滑油の量を減少させることができ、結果的に他の圧縮機の潤滑油が増加する。
特開２０００−２２０８９２号公報 特開平６−２８０７６８号公報

特許文献１に開示されているような冷凍機では、油面検出器を全ての圧縮機に設け、油面検出器の検出結果に基づいて開閉弁の制御を行う構成であるために高価であった。また、冷凍機油の移動には、複数の圧縮機の貯溜部の間の差圧を利用するが、この差圧を冷凍機油が不足する圧縮機を停止させることで形成している。しかしながら、均油のために圧縮機を停止させると、その間は冷房能力や暖房能力が低下してしまう。さらに、複数の室外機を繋ぐように連結管を接続しなければならないが、この作業は現地で施工しなければならなかった。
また、特許文献２に開示されているような圧縮機は、特殊な構成を有するので、汎用性の高い構成の圧縮機で均油が行えるようにすることが望まれていた。
この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、簡単な構成で、安定して室外ユニット間の冷凍機油の均等化を図ることである。

上記の課題を解決する本発明は、複数の室外機と室内機との間をガス管及び液管で接続し、室外機に搭載された圧縮機に吸入配管から冷媒を吸入させ、加圧してから吐出配管に吐出することで冷媒を循環させる冷凍機に用いられ、前記圧縮機の間で冷凍機油を均等に保つ圧縮機均油装置であって、前記圧縮機の高圧容器に接続される気液分離手段を有し、前記気液分離手段には主に冷凍機油を流出する第一流出端と、主に気体を流出して前記気液分離手段が冷凍機油で満たされた場合には冷凍機油を流出する第二流出端とが設けられており、前記第一流出端は第一減圧手段を介して前記吸入配管においてその圧縮機に冷媒を供給する部分に接続され、前記第二流出端は均油管を介してその圧縮機の前記吐出配管に接続されることを特徴とする圧縮機均油装置とした。

この圧縮機均油装置では、気液分離手段の流入端に接続される配管の接続高さよりも、その圧縮機の冷凍機油の油面が低い場合には、冷凍機油のミストが混入した冷媒が気液分離手段に流入し、冷凍機油のミストが気液分離手段で冷媒から分離されて元の圧縮機に戻される。これに対して、その圧縮機の冷凍機油の油面が配管の接続高さよりも高い場合には、冷凍機油が気液分離手段に流入して、冷凍機油が均油管にも流出する。均油管に流出した冷凍機油は、吐出配管に吸入されて高圧のガス冷媒と共に循環し、複数の圧縮機に分配される。

本発明によれば、冷凍機油の少ない圧縮機からは、冷凍機油が流出せずに、冷凍機油が多い圧縮機からは、他の室外機を含めた他の圧縮機に冷凍機油が流出して分配されるので、複数の室外機を有する冷凍機において圧縮機の冷凍機油の量を所定量に維持することができる。しかも、従来のような特別な運転制御をしなくても複数の圧縮機の冷凍機油の量を所定量に維持することができる。したがって、簡単な構成で常に安定した運転を実現することができる。さらに、圧縮機を特殊な形状にすることなく均油化が行える。ガス管及び液管を室外機に接続するだけで、冷凍機油を均等化させることが可能になる。したがって、室外機を安価にすることができ、設置作業も容易になる。レイアウト変更や、室外機の数の変更にも柔軟に対応できる。

発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１に本実施の形態に係る冷凍機の構成を示す。冷凍機１は、３台の室外機２〜４が集合ガス管５（ガス管）及び集合液管６（液管）に並列に接続されており、集合ガス管５及び集合液管６には屋内で使用される室内機７が複数並列に接続されている。このような冷凍機１は、室外マルチ空調機と呼ばれることもある。なお、室外機２〜４の数及び室内機７の数は、図示したものに限定されない。

室外機２には、第一圧縮機１０と、第二圧縮機１１とが搭載されている。第一、第二圧縮機１０，１１は、高圧シェル型の圧縮機であり、それぞれの吐出口には、吐出配管１４の第一の配管１４Ａと第二の配管１４Ｂとがそれぞれ接続されている。吐出配管１４は、第一の配管１４Ａと第二の配管１４Ｂとが１つに合流した後に、油分離器１５を介して四方弁１６の第一のポート１６Ａに接続されている。四方弁１６は、４つのポートを有し、第一のポート１６Ａと第二のポート１６Ｂとを接続したときには、第三のポート１６Ｃと第四のポート１６Ｄが接続され、第一のポート１６Ａと第四のポート１６Ｄを接続したときには、第二のポート１６Ｂと第三のポート１６Ｃが接続されるように切替可能になっている。四方弁１６の第二のポート１６Ｂは、室外熱交換器１７を介して液管６Ａに接続されている。液管６Ａは、集合液管６に接続されており、その管路中には室外側減圧装置１８が設けられている。集合液管６は、各室外機２〜３からの液管６Ａが接続されると共に、室内機７側で３つの液管６Ｂに分岐しており、これら液管６Ｂは３つの室内機７内に一本ずつ導かれて、各室内機７の室内側減圧装置２０にそれぞれ接続されている。

室内機７は、室内側減圧装置２０と、室内熱交換器２１とが直列に接続されており、室内熱交換器２１には集合ガス管５のガス管５Ｂが接続されている。

ガス管５Ｂは、集合ガス管５に接続されている。集合ガス管５は、室外機２側で３つのガス管５Ａに分岐しており、これらガス管５Ａが１本ずつ室外機２〜３内に引き込まれ、四方弁１６の第四のポート１６Ｄに接続されている。そして、四方弁１６の第三のポート１６Ｃには、吸入配管２３が接続されている。吸入配管２３は、熱交換後に第一、第二圧縮機１０，１１に吸入させる冷媒を通流させる配管で、油分離器１５からの油戻し管２４が合流した後に、第一、第二圧縮機１０，１１ごとに２つの吸入分岐管２３Ａ，２３Ｂに分岐している。なお、油戻し管２４には、その管路中にキャピラリチューブなどの減圧手段２６が設けられている。

吸入配管２３の各吸入分岐管２３Ａは、第一、第二圧縮機１０，１１の高圧容器２７に接続されている。各吸入分岐管２３Ａには、対応する１つの圧縮機１０，１１に吸入される冷媒のみが通流する。第一、第二圧縮機１０，１１のそれぞれの高圧容器２７内には、所定量の冷凍機油が収容されている。なお、室外機３は、高圧シェル型の圧縮機である第三圧縮機３０及び第四圧縮機３１を有し、室外機２と同様の構成を有している。室外機４は、高圧シェル型の圧縮機である第五圧縮機４０及び第六圧縮機４１を有し、室外機２と同様の構成を有している。

ここで、この冷凍機１には、室外機２〜４ごとに圧縮機均油装置５２〜５４が内蔵されている。
圧縮機均油装置５２は、第一圧縮機１０の高圧容器２７の底部から所定の高さに接続された接続管６２を有している。この接続管６２は、気液分離手段６３の流入端に接続されている。気液分離手段６３は、例えば、遠心力を利用して気液が混合した流体を気体と液体とに分離するように構成されている。気液分離手段６３において、主に液体が流出する第一流出端には、油戻し管６４が接続されている。油戻し管６４は、その管路中に減圧手段であるキャピラリチューブ６５が設けられた後に、吸入分岐管２３Ａに接続されている。なお、この吸入分岐管２３Ａは、第一圧縮機１０に吸入される冷媒のみが通流する配管である。図１においては、吸入分岐管２３Ａの配管中に設けられたアキュムレータ２８に接続されているが、アキュムレータ２８以外の配管部分に接続されても良い。一方、気液分離手段６３において、主に気体が流出する第二流出端には、均油管６６が接続されている。均油管６６は、吐出配管１４の第一の配管１４Ａに接続されている。

第二圧縮機１１には、高圧容器２７の底部から所定の高さに接続管６２が接続されており、この接続管６２は気液分離手段６３の流入端に接続されている。気液分離手段６３の第一流出端には、油戻し管６４が接続されている。油戻し管６４は、キャピラリチューブ６５が設けられており、第二圧縮機１１のみに吸入させる冷媒が通る吸入分岐管２３Ｂのアキュムレータ２８に接続されている。気液分離手段６３の第二流出端には、均油管６６が接続されている。均油管６６は、吐出配管１４の第二の配管１４Ｂに接続されている。

同様に、圧縮機均油装置５３は、第三圧縮機３０の高圧容器２７の底部から所定の高さに接続管６２で接続された気液分離手段６３を有している。気液分離手段６３の第一流出端側の油戻し管６４は、キャピラリチューブ６５が設けられた後に第三圧縮機３０の吸入分岐管２３Ａに接続されている。気液分離手段６３の第二流出端側の均油管６６は、吐出配管１４の第一の配管１４Ａに接続されている。さらに、第四圧縮機３１側も同様に、接続管６２で第四圧縮機３１に接続された気液分離手段６３と、油戻し管６４と、均油管６６と、キャピラリチューブ６５を有している。油戻し管６４は、第四圧縮機３１の吸入分岐管２３Ｂに接続されている。均油管６６は、吐出配管１４の第二の配管１４Ｂに接続されている。

圧縮機均油装置５４は、第五圧縮機４０に接続管６２で接続された気液分離手段６３と、油戻し管６４と、均油管６６と、キャピラリチューブ６５を有している。油戻し管６４は、第五圧縮機４０の吸入分岐管２３Ａに接続されている。気液分離手段６３の第二流出端側の均油管６６は、吐出配管１４の第一の配管１４Ａに接続されている。さらに、第六圧縮機４１に接続管６２で接続された気液分離手段６３と、油戻し管６４と、均油管６６と、キャピラリチューブ６５を有している。油戻し管６４は、第六圧縮機４１の吸入分岐管２３Ｂに接続されている。均油管６６は、吐出配管１４の第二の配管１４Ｂに接続されている。

ここで、キャピラリチューブ６５は、冷媒や冷凍機油の圧力が各圧縮機１０，１１，３０，３１，４０，４１の高圧容器２７の内圧、及び気液分離手段６３の内圧よりも低くなるように減圧する一方で、冷媒や冷凍機油の圧力が吸入配管２３、吸入分岐管２３Ａ，２３Ｂの内圧よりは高くなるように設定されている。さらに、キャピラリチューブ６５は、室内、室外熱交換器１７，２１を通るメインの回路を流れる冷媒の流量に対して、各圧縮機均油装置５２，５３，５４のそれぞれを流れる冷媒の流量が所定の割合以下になるように流路抵抗が設定されている。なお、キャピラリチューブ６５は、油戻し管６４を通る冷凍機油の流量を調整する流量調整手段としても機能する。

また、気液分離手段６３の容積は、各圧縮機１０，１１，３０，３１，４０，４１の必要最低油量に対して所定の容積以下になっている。さらに具体的には、図２に示す気液分離手段容積範囲Ｒ１の間になっている。この実施の形態において、気液分離手段容積範囲Ｒ１の下限値は、冷凍機油の５％に相当する容積であった。また、気液分離手段容積範囲Ｒ１の上限値は、冷凍機油の２０％に相当する容積であった。気液分離手段６３の容積が下限値を下回ると液体と気体の分離性能が落ちるので好ましくない。また、気液分離手段６３の容積が上限値を下回ると、気液分離手段６３に余剰な冷凍機油が滞溜し、各圧縮機１０，１１，３０，３１，４０，４１の運転に必要な冷凍機油が足りなくなるので好ましくない。

次に、この実施の形態の作用について説明する。
まず、３つの室外機２〜４を同時に運転して冷房運転、暖房運転をするときの冷媒の流れについて順番に説明する。なお、１つ又は２つの室外機２〜４を停止させたり、いずれかの室外機２〜４の片方の圧縮機１０，１１，３０，３１，４０，４１のみを停止させたりしつつ冷房運転又は暖房運転をすることも可能である。

冷房運転時には、各室外機２〜４の四方弁１６を切り替えて第一のポート１６Ａと第二のポート１６Ｂを接続し、第三のポート１６Ｃと第四のポート１６Ｄを接続する。各圧縮機１０，１１，３０，３１，４０，４１から第一、第二の配管１４Ａ，１４Ｂに吐出される高圧のガス冷媒は、油分離器１５でガス冷媒中に混入した冷凍機油を分離した後に、四方弁１６から室外熱交換器１７に導かれる。室外熱交換器１７では、熱交換によってガス冷媒が液化して高圧の液冷媒が形成される。液冷媒は、集合液管６で合流して運転中の室内機７に導かれる。室内機７内で、液冷媒は、室内側減圧装置２０で減圧させられた後に室内熱交換器２１に流入する。室内熱交換器２１では、熱交換によって低圧の液冷媒が気化して低圧のガス冷媒が形成され、この際に周囲の空気から気化熱を奪うことで室内が冷房される。低圧のガス冷媒は、室内熱交換器２１から集合ガス管５を通って、各室外機２〜４に分岐しながら回収される。各室外機２内では、四方弁１６から吸入配管２３に導かれ、吸入分岐管２３Ａ，２３Ｂから各圧縮機１０，１１，３０，３１，４０，４１に吸入される。そして、再び加圧されて吐出配管１４に吐出される。

冷凍機１で暖房運転をするときには、各室外機２〜４の四方弁１６を切り替えて第一のポート１６Ａと第四のポート１６Ｄを接続し、第二のポート１６Ｂと第三のポート１６Ｃを接続する。各圧縮機１０，１１，３０，３１，４０，４１から第一、第二の配管１４Ａ，１４Ｂに吐出される高圧のガス冷媒は、四方弁１６から集合ガス管５で合流し、運転中の室内機７の室内熱交換器２１に導かれる。室内熱交換器２１では、ガス冷媒が液化して液冷媒が形成され、このときに放出される凝縮熱で室内が暖房される。液冷媒は、室内側減圧装置２０で減圧されて中間圧の液冷媒として集合液管６を流れ、各室外機２〜４に分岐して回収され、室外側減圧装置１８及び室外熱交換器１７を通って低圧のガス冷媒になる。ガス冷媒は、四方弁１６から吸入配管２３を通って、吸入分岐管２３Ａ，２３Ｂから圧縮機１０，１１，３０，３１，４０，４１に吸入される。そして、再び加圧されて吐出配管１４に吐出される。

このように冷媒を循環させながら冷凍機１が運転する間、各圧縮機１０，１１，３０，３１，４０，４１の稼動状態を維持したままで、圧縮機均油装置５２〜５４によって各圧縮機１０，１１，３０，３１，４０，４１の冷凍機油の均等化が実施される。
例えば、第一圧縮機１０の高圧容器２７内の冷凍機油が多く、その油面が接続管６２の接続位置よりも高い位置にある場合（以下、このような状態を冷凍機油が余剰であると称する）には、冷凍機油のみが接続管６２から気液分離手段６３の流入端６３Ａに流入する。この場合には、図３に示すように、第一圧縮機１０の高圧容器２７から流出した冷凍機油で気液分離手段６３が満たされ、第一流出端６３Ｂ及び第二流出端６３Ｃからそれぞれ油戻し管６４及び均油管６６に冷凍機油が流出する。油戻し管６４に流出した冷凍機油は、元の圧縮機である第一圧縮機１０のみに戻る。均油管６６は、吐出配管１４の第一の配管１４に接続されており、第一の配管１４Ａには高圧のガス冷媒が高速で流れているので、均油管６６内の冷凍機油が第一の配管１４Ａに吸入される。第一の配管１４Ａに吸入された冷凍機油は、ミスト状になってガス冷媒に共に、四方弁１６から集合ガス管５や、集合液管６、室内機７、室外熱交換器１７を循環して各室外機２〜４に分配される。このとき、冷媒に混入した冷凍機油も各室外機２〜４に略均等に分配される。この冷凍機油は、ガス冷媒と共に吸入配管２３から各吸入分岐管２３Ａ，２３Ｂを経て各圧縮機１０，１１，３０，３１，４０，４１に吸入される。その結果、冷凍機油が余剰な圧縮機（この場合には、第一圧縮機１０）の冷凍機油が徐々に減少し、他の圧縮機の冷凍機油が徐々に増加する。

また、図４に示すように、例えば、第一圧縮機１０の高圧容器２７内の冷凍機油が少なく、その油面が接続管６２の接続位置よりも低い位置にある場合（以下、この状態を冷凍機油が所定量以下という）には、ガス冷媒と、ガス冷媒中に混入した冷凍機油のオイルミストとが接続管６２を通って気液分離手段６３に流入する。気液分離手段６３は、オイルミストと、ガス冷媒とを分離する。オイルミストは、第一流出端６３Ｂから油戻し管６４に流出し、油戻し管６４を通って吸入分岐管２３Ａから元の圧縮機である第一圧縮機１０に戻される。したがって、第一圧縮機１０中でガス冷媒に混入していた冷凍機油が、第一圧縮機１０自身に回収される。これによって、第一圧縮機１０からの冷凍機油の流出を阻止し、高圧容器２７内の油面の低下が防止される。なお、気液分離手段６３で分離された冷媒は、第二流出端６３Ｃから均油管６５を通って第一の配管１４Ａに吸入され、第一圧縮機１０から吐出された高圧のガス冷媒と共に冷凍機１を循環する。

他の圧縮機１１，２０，２１，３０，３１についても同様に、冷凍機油が所定量よりも多い、つまり冷凍機油が余剰な場合には、気液分離手段６３に流出した冷凍機油が均油管６５を通って吐出配管１４（第一の配管１４Ａ又は第二の配管１４Ｂ）に吸入され、室内機７を通って各圧縮機１０，１１，３０，３１，４０，４１に分配される。その一方で、冷凍機油が所定量以下の場合には、油戻し管６４を通って元の圧縮機のみに還流する。したがって、冷凍機１を運転する過程で、各圧縮機１１，２０，２１，３０，３１の冷凍機油が均等化される。なお、吐出配管１４には、油分離器１５が設けられているので、一部の冷凍機油は、油分離器１５によって圧縮機１１，２０，２１，３０，３１に還流される。

この実施の形態では、複数の室外機２〜３を有する構成において、圧縮機均油装置５２〜５４を設け、吐出配管１４から集合ガス管５、集合液管６、室内機７を通って余剰な冷凍機油を他の圧縮機１０，１１，３０，３１，４０，４１に移動させるようにしたので、特殊な運転制御をすることなく各圧縮機１０，１１，３０，３１，４０，４１の冷凍機油を均等化することができる。圧縮機１０，１１，３０，３１，４０，４１に特殊な構成が不要になるので、汎用性の高く安価に製造できる。圧縮機均油装置５２〜５４のために室外機２〜４間にわたる配管を新たに設ける必要がないので、冷凍機１を設置する際の施工を簡略化することができる。また、室外機の数の変化や、レイアウトの変化にも柔軟に対応することが可能である。

本発明は、前記の実施の形態に限定されずに広く応用することができる。
例えば、均油管６６は、吐出配管１４の合流した部分に接続しても良い。
室外機２〜４ごとの圧縮機１０，１１，３０，３１，４０，４１は、各２つに限定されない。１つでも良いし、３つ以上でも良い。室外機２〜４は、１つでも良い。この場合には、同じ室外機に搭載された複数の圧縮機の冷凍機油が、室内機７を通って均等化される。
気液分離手段６３の容量は、その冷凍機によって最適な容積を選択することが可能であり、圧縮機の運転に必要な最低油量以下であれば、前記した気液分離手段容積範囲Ｒ１以外でも良い。
第一、第二減圧手段は、キャピラリチューブ６５，６７の代わりに、膨張弁や、開閉弁、その他の減圧手段であっても良い。

本発明の実施の形態に係る冷凍機及び圧縮機均油装置の構成を示す図である。 気液分離手段の容積の範囲を示す図である。 圧縮機均油装置の気液分離手段の作用を説明する図である。 圧縮機均油装置の気液分離手段の作用を説明する図である。

符号の説明

１ 冷凍機
２，３，４ 室外機
５ 集合ガス管
６ 集合液管
７ 室外機
１０ 第一圧縮機
１１ 第二圧縮機
２３ 吸入配管
２７ 高圧容器
３０ 第三圧縮機
３１ 第四圧縮機
４０ 第五圧縮機
４１ 第六圧縮機
５２，５３，５４ 圧縮機均油装置
６３ 気液分離手段
６３Ｂ 第一流出端
６３Ｃ 第二流出端
６５ キャピラリチューブ（減圧手段）
６６ 均油管

Claims (3)

1. 複数の室外機と室内機との間をガス管及び液管で接続し、室外機に搭載された圧縮機に吸入配管から冷媒を吸入させ、加圧してから吐出配管に吐出することで冷媒を循環させる冷凍機に用いられ、前記圧縮機の間で冷凍機油を均等に保つ圧縮機均油装置であって、
   前記圧縮機の高圧容器の底部から所定の高さにおいて接続管で接続される気液分離手段を有し、冷凍機油の油面が前記接続管よりも高くなったときには冷凍機油のみが前記気液分離手段の流入端に流入し、前記気液分離手段には主に冷凍機油を流出する第一流出端と、主に気体を流出して前記気液分離手段が冷凍機油で満たされた場合には冷凍機油を流出する第二流出端とが設けられており、前記第一流出端は第一減圧手段を介して前記吸入配管においてその圧縮機に冷媒を供給する部分に接続され、前記第二流出端は均油管を介してその圧縮機の前記吐出配管に接続されることを特徴とする圧縮機均油装置。
2. 請求項１に記載の圧縮機均油装置が接続された前記圧縮機を１台の前記室外機に複数搭載したこと特徴とする特徴とする冷凍機。
3. 請求項１に記載の圧縮機均油装置が接続された前記圧縮機を搭載した前記室外機を複数有することを特徴とする冷凍機。

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