JP4464333B2 - 圧縮機均油装置及び冷凍機 - Google Patents

Description

本発明は、複数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。

冷凍機などにおいて、複数の圧縮機を用いて冷媒を循環させる場合には、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。このような不均一状態を解消するために、従来の冷凍機では、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ることがある。この種の装置には、一方の圧縮機の高圧容器にオイルバランス管を接続し、このオイルバランス管を減圧器を介して他方の圧縮機の吸入配管に接続したものがある（例えば、特許文献１参照）。冷凍機を運転する際には、圧縮機を１台のみ運転したときには、一定時間運転したらオイルバランス管で接続された２台の圧縮機を所定時間の間、同時運転させるように制御する。その結果、余分な冷凍機油を有する圧縮機の圧力容器から、冷凍機油が不足する圧縮機の圧力容器に冷凍機油が戻されて、２台の圧縮機の間の冷凍機油のアンバランスが解消される。
特許第３１９７７６８号公報

しかしながら、圧縮機を１台運転しているときに、オイルバランス管が接続された高さよりも冷凍機油の油面が低くなると、高圧容器内に飛散する冷凍機油のオイルミストがオイルバランス管を通って他方の圧縮機に移動し、一方の圧縮機の油面低下がさらに進行するという問題があった。また、油面のバランスを保つために一定時間の間、２つの圧縮機を同時運転させなければならないため、複雑な制御が必要になるという問題があった。さらに、３台以上の圧縮機を並列に接続した場合には、油面が低下している圧縮機を特定することが困難であり、全ての圧縮機について必要な油面高さを確保することが困難であった。
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、複数の圧縮機を並列接続した場合に、各圧縮機の適正油量を簡単に、かつ確実に確保できるようにすることを主な目的とする。

上記の課題を解決する本発明の請求項１に係る発明は、並列に接続された複数の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、気液分離手段を有し、前記気液分離手段の流入端を１つの前記圧縮機の高圧容器に接続し、前記気液分離手段の流出端のうち、主に液体を流出する第一流出端をその圧縮機のみに吸入させる冷媒が通流する吸入配管に接続し、主に気体を流出する第二流出端を他の前記圧縮機に吸入させる冷媒が通流する吸入配管に接続した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、気液分離手段が接続された圧縮機において、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高い場合には、冷凍機油が気液分離手段に流入して、複数の圧縮機に分配される。これに対して、その圧縮機の冷凍機油の油面が、配管が接続されている位置よりも低い場合には、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。

本発明によれば、冷媒中に混入した冷凍機油のミストが気液分離手段に流入したときには、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回収されるので、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、簡単な構成で安定した運転を実現することができる。

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、室外機２から延びるガス管３及び液管４に複数の室内機５を並列に接続することで構成されている。

室外機２は、第一圧縮機１０と、第二圧縮機１１と、第三圧縮機１２とを有している。第一、第二、第三圧縮機１０のそれぞれの吐出口には、吐出配管１４が接続されており、吐出配管１４は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と第三のポート１６Ｃを接続したときには、第二のポート１６Ｂと第四のポート１６Ｄ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４が接続されている。液管４は、室外機２内の管路中に室外側減圧装置１８が設けられている。さらに、液管４は、弁１９によって室外機２内の管路と、室外機２外に延びる管路とが分離可能になっている。液管４の室外機２外に延びる管路は、さらに３つの分岐管４Ａに分岐しており、これら分岐管４Ａは３つの室内機５内に一本ずつ導かれて、各室内機５の室内側減圧装置２０にそれぞれ接続されている。

室内機５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にガス管３の分岐管３Ａが接続されている。なお、室内機５の数は、３つに限定されない。

ガス管３は、各室内機５から合流した後に、室外機２内に導かれており、弁２２によって室外機２外に延びる管路と、室外機２内の管路とが分離可能になっている。ガス管３は、室外機２内で四方弁１６の第三のポート１６Ｃに接続されている。そして、四方弁１６の第四のポート１６Ｄには、吸入配管２３が接続されている。吸入配管２３は、熱交換後に圧縮機１０，１１，１２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、各圧縮機１０，１１，１２ごとに３つの吸入分岐管２３Ａ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、第三圧縮機１０，１１，１２の高圧容器２７に接続されている。つまり、各吸入分岐管２３Ａには、対応する１つの圧縮機１０，１１，１２に吸入される冷媒のみが通流することになる。第一、第二、第三圧縮機１０，１１，１２は、それぞれの高圧容器２７内に所定量の冷凍機油が収容されている。さらに、第一圧縮機１０には、第一圧縮機均油装置３１が接続されている。同様に、第二圧縮機１１、第三圧縮機１２には、第二、第三圧縮機均油装置４１，５１がそれぞれ接続されている。

第一圧縮機均油装置３１は、高圧容器２７の底部から所定の高さに接続された接続管３２を有している。この接続管３２は、気液分離手段３３の流入端に接続されている。気液分離手段３３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３３において、主に液体が流出される第一流出端には、油戻し管３４が接続されている。油戻し管３４は、その管路中に第一流量制御手段であるキャピラリチューブ３５が設けられた後に、第一圧縮機１０に吸入される冷媒のみが通流する第一圧縮機１０の吸入分岐管２３Ａに接続されている。一方、気液分離手段３３において、主に気体が流出される第二流出端には、均油管３６が接続されている。均油管３６は、その管路中に第二流量調整手段であるキャピラリチューブ３７が設けられ、他の均油管３８，３９と合流した後に、吸入分岐管２３Ａに分岐する前で、第一の圧縮機１０に吸入させる冷媒及び他の圧縮機１１，１２に吸入させる冷媒が通流する吸入配管２３に接続されている。

なお、２つのキャピラリチューブ３５、３７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、第一圧縮機均油装置３１を流れる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。また、キャピラリチューブ３５とキャピラリチューブ３７とは、第一圧縮機１０に戻される流量と、３つの圧縮機１０，１１，１２に割り振る流量とを制御して第一圧縮機１０の油面が所定のレベルに保持されるように予め設定されている。

同様に、第二圧縮機１１には、第二圧縮機均油装置４１が接続されている。第二圧縮機均油装置４１は、第二圧縮機１１の高圧容器２７の底部から所定の高さ接続された接続管４２を有し、この接続管３２は気液分離手段４３の流入端に接続されている。気液分離手段４３の第一流出端には、油戻し管４４が接続されており、油戻し管４４はキャピラリチューブ４５（第一流量調整手段）を介して第二圧縮機１１に吸入される冷媒のみが通流する第二圧縮機１１の吸入分岐管２３Ａに接続されている。気液分離手段４３の第二流出端には、均油管３８が接続されており、均油管３８はキャピラリチューブ４５（第一流量調整手段）が設けられた後に、他の均油管３６，３９と合流しつつ、吸入分岐管２３Ａに分岐する前で、第二の圧縮機１１に吸入させる冷媒及び他の圧縮機１０，１２に吸入させる冷媒が通流する吸入配管２３に接続されている。

さらに、第三圧縮機１２には、第三圧縮機均油装置５１が接続されている。第三圧縮機均油装置５１は、第三圧縮機１２の高圧容器２７の底部から所定の高さ接続された接続管５２を有し、この接続管５２は気液分離手段５３の流入端に接続されている。気液分離手段５３の第一流出端には、油戻し管５４が接続されており、油戻し管５４はキャピラリチューブ５５（第一流量調整手段）を介して第三圧縮機１２に吸入される冷媒のみが通流する第三圧縮機１２の吸入分岐管２３Ａに接続されている。気液分離手段５３の第二流出端には、均油管３９が接続されており、均油管３９はキャピラリチューブ５７（第二流量調整手段）が設けられた後に、他の均油管３６，３８と合流しつつ吸入分岐管２３Ａに分岐する前で、第三の圧縮機１２に吸入させる冷媒及び他の圧縮機１０，１１に吸入させる冷媒が通流する吸入配管２３に接続されている。なお、第二、第三圧縮機均油装置４１，５２の各構成要素は、第一圧縮機均油装置３１と同じ構成になっている。しかしながら、第一、第二、第三圧縮機１０，１１，１２の容量などが大きく異なる場合には、容積の大きさに応じて変化させても良い。

ここで、気液分離手段３３，４３，５３の容積は、第一、第二、第三圧縮機１０，１１，１２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３３，４３，５３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３３，４３，５３の容積が上限値を下回ると、気液分離手段３３，４３，５３に余剰な冷凍機油が滞溜し、第一、第二、第三圧縮機１０，１１，１２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、冷凍機１で冷房運転をするときには、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。第一、第二、第三圧縮機１０，１１，１２から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液冷媒が形成される。液冷媒は、室外側減圧装置１８で減圧された後に、運転中の室内機５に導かれる。室内機５内で、液冷媒は、室内側減圧装置２０でさらに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、この際の気化熱で室内が冷房される。低圧のガス冷媒は、室内熱交換器２１からガス管３を通って、室外機２に回収される。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から第一、第二、第三圧縮機１０，１１，１２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、四方弁１６を切り替えて第一のポート１６Ａと第三のポート１６Ｃを接続し、第二のポート１６Ｂと第四のポート１６Ｄを接続する。第一、第二、第三圧縮機１０，１１，１２から吐出される高圧のガス冷媒は、四方弁１６からガス管３を通って、運転中の室内機５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、このときの凝縮熱で室内が暖房される。液冷媒は、室内熱交換器２１から液管４を通って減圧されつつ室外機２に回収され、室外熱交換器１７で熱交換によ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、第一、第二、第三圧縮機１０，１１，１２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。

このようにして、冷凍機１が運転する間、第一、第二、第三圧縮機均油装置３１，４１，５１が第一、第二、第三圧縮機１０，１１，１２のそれぞれの冷凍機油が均等化されるように作用する。例えば、図３に示すように、第一圧縮機１０の高圧容器２７内の冷凍機油が多くなって、その油面が接続管３２の接続位置よりも高い位置にある場合には、冷凍機油のみが接続管３２から気液分離手段３３の流入端３３Ａに流入する。その結果、気液分離手段３３は、冷凍機油で満たされ、油戻し管３４及び均油管３６のそれぞれに冷凍機油が流出する。油戻し管３４に流出した冷凍機油は、元の圧縮機である第一圧縮機１０のみに戻るが、均油管３６に流れた冷凍機油は、吸入配管２３を通って第一、第二、第三圧縮機１０，１１，１２に還流される。これによって、第一圧縮機１０から流出した冷凍機油が第二、第二圧縮機１１，１２にも流入するので、第一圧縮機１０の冷凍機油が徐々に減少し、冷凍機油が相対的に少ない圧縮機（例えば、第二、第三圧縮機１１，１２）の冷凍機油が増加し、第一、第二、第三圧縮機１０，１１，１２の冷凍機油の量が均等化される。

また、例えば、図４に示すように、第一圧縮機１０の高圧容器２７内の冷凍機油が少なくなって、その油面が接続管３２の接続位置よりも低い位置にある場合には、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３２を通って気液分離手段３３に流入する。気液分離手段３３は、オイルミストと、ガス冷媒とを分離する。そして、ガス冷媒を第二流出端３３Ｃから均油管３６に流出させ、オイルミストを第一流出端３３Ｂから油戻し管３４に流出させる。このオイルミストは、油戻し管３４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、第一圧縮機均油装置３１を介して第一圧縮機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。

さらに、この場合、第一圧縮機１０の冷凍機油の量が少ないことから、他の圧縮機（例えば、第二圧縮機１１）の冷凍機油の量が多くなっている。第二圧縮機１１の冷凍機油の量が多い場合には、第二圧縮機均油装置４１によって第二圧縮機１１の冷凍機油が第一圧縮機１０に分配されるので、結果的に第一圧縮機１０の冷凍機油の量が増加し、第一、第二、第三圧縮機１０，１１，１２の冷凍機油の量が均等化される。このようにして、第一、第二、第三圧縮機均油装置３１，４１，５１が機能することで、冷凍機１が通常運転を実施している間に、第一、第二、第三圧縮機１０，１１，１２の油面の均等化が図られる。なお、運転を休止している圧縮機がある場合でも第一、第二、第三圧縮機均油装置３１，４１，５１は機能するので、油面の均等化が図れる。

この実施の形態によれば、冷凍機油の液面が高圧容器２７の接続管３２の高さを以上のときには、冷凍機油の余剰分を全ての圧縮機１０，１１，１２に自動的に割り振ることができるので、油面を一定に保つことができる。また、冷凍機油の液面が高圧容器２７の接続管３２の高さより下がったときでも、冷凍機油のオイルミストが第一、第二、第三圧縮機均油装置３１，４１，５１を通じて他の圧縮機１０，１１，１２に流出することはないので、冷凍機油の油面の減少を防止することができる。
そして、通常の冷房運転又は暖房運転をするだけで均油制御が自動的に行われるようになるので、従来のような運転制御や、流路の切替作業が不要になる。したがって、装置構成が簡単になると共に、連続して安定した運転が可能になるので、室内の快適性が向上する。
また、油戻し管３２，４２，５２と、均油管３６，３８，３９とにキャピラリチューブ３５，３７，４５，４７，５５，５７を設けたので、各管路ごとに流量が制御され、冷凍機の運転を安定的に行いつつ、全ての圧縮機１０，１１，１２の適正油量を保持することができ、信頼性が向上する。

なお、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可能である。
例えば、図５に示すように、第一、第二圧縮機１０，１１及び第一、第二圧縮機均油装置３１，４１を有する冷凍機としても良い。第一圧縮機均油装置３１の均油管３６は、第二圧縮機１１に吸入される冷媒のみが通流する吸入分岐管２３Ａに接続され、第二圧縮機均油装置４１の均油管３８は、第一圧縮機１０に吸入される冷媒のみが通流する吸入分岐管２３Ａに接続される。この場合の作用及び効果は、前記の実施の形態と同じである。また、４組以上の圧縮機及び圧縮機均油装置を有する冷凍機であっても同様の作用及び効果が得られる。
図１に示す均油管３６，３８，３９は、一度合流した後に分岐し、それぞれの吸入分岐管２３Ａに接続しても良い。
気液分離手段３３，４３，５３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、第二流量調整手段は、キャピラリチューブ３５，３７，４５，４７，５５，５７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。さらに、油戻し管３４，４４，５４や、均油管３６，３８，３９を流れる流量が多い場合でも冷凍機１を安定して運転できる場合には、流量調整手段を設けなくも良い。また、油戻し管３４，４４，５４又は均油管３６，３８，３９の一方のみに流量調整手段を設けても良い。

本発明の実施の形態に係る冷凍機の構成図である。 気液分離手段の容積の範囲を示すグラフである。 圧縮機均油装置の作用を説明する図である。 圧縮機均油装置の作用を説明する図である。 ２台の圧縮機を有する場合の圧縮機均油装置の構成を示す図である。

符号の説明

１ 冷凍機
１０ 第一圧縮機
１１ 第二圧縮機
１２ 第三圧縮機
１７ 室外熱交換器
２１ 室内熱交換器
２３ 吸入配管
２７ 高圧容器
３１ 第一圧縮機均油装置
３３，４３，５３ 気液分離手段
３３Ａ 流入端
３３Ｂ 第一流出端
３３Ｃ 第二流出端
３５，４５，５５ キャピラリチューブ（第一流量調整手段）
３７，４７，５７ キャピラリチューブ（第二流量調整手段）
４１ 第二圧縮機均油装置
５１ 第三圧縮機均油装置

Claims (5)

1. 並列に接続された複数の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、
   気液分離手段を有し、前記気液分離手段の流入端を１つの前記圧縮機の高圧容器に接続し、前記気液分離手段の流出端のうち、主に液体を流出する第一流出端をその圧縮機のみに吸入させる冷媒が通流する吸入配管に接続し、主に気体を流出する第二流出端を他の前記圧縮機に吸入させる冷媒が通流する吸入配管に接続し、
   前記第二流出端を、複数の前記圧縮機に向けて分岐する前の吸入配管に接続することを特徴とする圧縮機均油装置。
2. 前記気液分離手段の前記第一流出端から流出する流体の流量を調整する第一流量調整手段と、前記気液分離手段の第二流出端から流出する流体の流量を調整する第二流量調整手段とを有することを特徴とする請求項１に記載の圧縮機均油装置。
3. 前記気液分離手段の容積は、前記圧縮機に必要とされる冷凍機油の最低油量を基準として所定の容積以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の圧縮機均油装置。
4. 前記気液分離手段の容積は、前記圧縮機の冷凍機油の５％〜２０％の範囲内に相当する量であることを特徴とする請求項３に記載の圧縮機均油装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の圧縮機均油装置が接続された複数の前記圧縮機と、熱交換器とを含んで構成される冷凍機。

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