JP4722173B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、蒸気圧縮式の冷凍サイクル装置、特に、圧縮機構、駆動機構が同じ容器内に密閉された圧縮機を備え、さらにその容器内に潤滑油を貯留して摺動部の潤滑を行う冷凍サイクル装置に関するものである。

一般に、この種の冷凍サイクル装置では、圧縮機内に貯留する潤滑油の一部が常に冷媒とともに圧縮機外に吐出され、冷凍サイクル内を循環している。このとき、冷凍サイクル内に潤滑油が滞留して圧縮機に戻りにくくなると、圧縮機内の潤滑油面が低下して故障の原因となる場合がある。これを予防するため、比較的多量の潤滑油が冷凍サイクル装置内に封入されている。

圧縮機構と駆動機構が同じ容器（以降、「シェル」という）内にある密閉型圧縮機では、そのシェル底に潤滑油面が形成され、それを圧縮機構に供給する給油機構を備えることで潤滑を行っているが、あまりにも多量の潤滑油がシェル内に存在すると、駆動機構の回転部分に潤滑油が接触し、回転抵抗を増加させ、また、潤滑油攪拌によって油吐出量が増大してしまうことがあった。

このような不具合を回避するため、圧縮機シェルの所定高さの位置に油流出穴を設けて回転部分に油面が接触しないようにするとともに、吐出冷媒に合流した余剰油を、油分離器を介して圧縮機吸入側に戻すようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−２８２９４６号公報（第１図）

このように、密閉型の圧縮機ではシェル外に排出された多量の潤滑油を冷凍サイクル側に循環させないようにするための油分離器が必要となる。そして、従来はこの油分離器を圧縮機の高圧配管に接続し、吐出冷媒に混じった油を重力や遠心力を利用して分離するようにしていた。このため、少なからぬ圧力損失を生じ、圧縮機の負担を増大させるという難点があった。

また、シェル内の潤滑油が最も少なくなる運転モードとなったとき、吐出配管（高圧配管）、油分離器、吸入配管（低圧配管）に広く分布して循環している余剰な潤滑油を必要に応じてシェルに早急に戻すことが容易でないという問題があった。

本発明の技術的課題は、油分離器の存在による高圧側圧力損失の増大を回避でき、かつ必要に応じて余剰な潤滑油を圧縮機シェルに速やかに供給できるようにすることにある。

本発明に係る冷凍サイクル装置は、下記の構成からなるものである。すなわち、同一シェルの内部に圧縮機構と駆動機構を備えた密閉型の圧縮機と、凝縮器と、減圧手段と、蒸発器と、を冷媒配管で順次接続して閉回路を形成し、この閉回路内を冷媒とともに潤滑油が循環する冷凍サイクル装置であって、前記潤滑油を貯留可能な油貯留容器を備え、この油貯留容器は、鉛直方向頂部と底部にそれぞれ接続ポートを有し、頂部の接続ポートは、蒸発器と圧縮機との間の低圧配管に接続され、底部の接続ポートは、開閉手段を介して圧縮機の高圧配管に接続され、油貯留容器の頂部の接続ポートと接続される低圧配管は、油貯留容器への流れ方向が鉛直下方に向くように設置されているとともに、油貯留容器との接続部の直前で圧縮機の吸入側に分岐されており、潤滑油は、低圧配管の分岐点にて慣性力および重力により冷媒から分離され、油貯留容器内に流入するものである。

本発明の冷凍サイクル装置によれば、冷房あるいは暖房運転中に、圧縮機シェル内に滞留して運転効率を悪化させる余剰な潤滑油を、油貯留容器への流れ方向が鉛直下方に向くように設置されているとともに、油貯留容器との接続部の直前で圧縮機の吸入側に分岐された低圧側吸入配管により、その分岐点にて慣性力および重力により冷媒から分離して油貯留容器に貯留するようにしたので、高圧側に油分離器を配置する必要がなくなって、従来の油分離器を圧縮機の高圧配管に接続したときのような油分離に要する圧力損失や、油戻しとともに生じる冷媒バイパスなどの効率低下要因を発生させることなく、高効率な運転を行うことができる。

また、暖房起動など圧縮機シェル内の潤滑油が不足するようなモードにおいて、開閉手段を開けることで、底部の接続ポートより油貯留容器内に高圧を導入して、頂部の接続ポートより吸入配管（低圧配管）に油を放出することができる。このため、シェル内油量を速やかに回復させることができる。

図１は本発明の一実施形態に係る冷凍サイクル装置を示す冷媒回路図、図２はその密閉型圧縮機の内部構造を示す縦断面図、図３はその油貯留容器接続部における油分離の原理の説明図、図４はその油貯留容器からの油放出の原理の説明図である。

本実施形態の冷凍サイクル装置は、室内の冷房もしくは暖房を行う空気調和装置に適用されたもので、図１のように基本的には圧縮機５、四方弁６、室外熱交換器７、液管４、電動膨張弁８、室内熱交換器９、及びガス管３を備えてなり、これらを冷媒配管で順次接続して閉回路に結合し、この閉回路内を冷媒とともに潤滑油が循環する冷媒回路を構成している。すなわち、室外ユニット１と室内ユニット２がガス管３と液管４で接続されて閉回路を形成し、冷媒としてＲ４１０Ａが封入され、潤滑油としては冷媒（Ｒ４１０Ａ）と相溶性のあるエーテル系の油が封入されている。また、潤滑油を貯留可能な油貯留容器１０を備えている。

これを更に詳述すると、室外ユニット１には、回転数調節可能な密閉型の圧縮機５と、冷房と暖房で流路を切り替える（図１では冷房運転となっている）四方弁６と、室外熱交換器７と、油貯留容器１０と、開閉手段すなわち電磁弁１１と、圧力導入管１２とが備えられている。

室内ユニット２には、電動膨張弁８、室内熱交換器９が備えられている。また、図示は省略しているが、室外熱交換器７と室内熱交換器９にはそれぞれ送風機が備えられ、それぞれ室内外の空気との熱交換を促進、調整している。

圧縮機５は、ここではスクロール圧縮機を用いている。このスクロール圧縮機は、図２のように同一の密閉シェル５１の内部に圧縮機構５４と駆動機構となるステータ５７及びロータ５８とを備えている。圧縮機構５４は、インボリュート曲線によって形成される板状渦巻歯５４ａ，５４ｂを有する固定スクロ−ル５４ｃ及び揺動スクロ−ル５４ｄを、互いの板状渦巻歯５４ａ，５４ｂ間に圧縮室が形成されるように噛み合わされて設置されている。また、揺動スクロ−ル５４ｄは、密閉シェル５１内にて、駆動機構の主軸５６に偏心状態でかつ相対回動自在に取り付けられ、さらに固定スクロ−ル５４ｃと揺動スクロ−ル５４ｄの両方とすべり対偶をなす爪を有するオルダムリング（図示せず）によって自転は阻止されているが、主軸径方向への揺動（偏心に伴う円運動であり、以下これを「偏心旋回運動」という）は許容されて構成されている。そして、揺動スクロ−ル５４ｄが偏心旋回運動するに従って、固定スクロ−ル５４ｃと揺動スクロ−ル５４ｄの間に吸込管５２より冷媒ガスが吸い込まれ、中心へ向かうほど容積が小さくなり、冷媒ガスは高圧状態で吐出管５３より押し出されるようになっている。つまり、１回の偏心旋回運動（３６０°の偏芯旋回運動）の中で冷媒の吸い込み→圧縮→吐き出しの３つの作業が周期的かつ連続的に行われるようになっている。

油貯留容器１０は、潤滑油を貯留可能なもので、図１及び図３のように鉛直方向頂部と底部にそれぞれ接続ポート１０ａ，１０ｂを有し、頂部の接続ポート１０ａは、蒸発器と圧縮機５との間の低圧配管に接続され、底部の接続ポート１０ｂは、電磁弁１１を介して圧縮機５の高圧配管に接続されている。図１の四方弁６の切替位置においては、室内熱交換器９が蒸発器、室外熱交換器７が凝縮器となっている。

本実施形態の冷凍サイクル装置において、冷房運転時に圧縮機５から吐出された高温高圧のガス冷媒は、図１のように四方弁６を経由して室外熱交換器７へ流入し、室外に放熱して凝縮する。この高圧液冷媒は液管４を通って室内ユニット２に流入し、電動膨張弁８によって低圧まで減圧される。そして、室内熱交換器９で室内を冷却しながら蒸発して低圧ガス冷媒となって、ガス管３、四方弁６を経由して再び圧縮機５に吸引される。このとき、電磁弁１１は閉止されている。

次に、圧縮機５内部の潤滑油の流れについて図２に基づき説明する。軸受部への給油は、圧縮部で発生する吸入圧力と吐出圧力との間の差圧を利用した差圧給油にて行っている。すなわち、密閉シェル５１下部の油貯め内の潤滑油５９を、主軸５６に設けられた中空空間６０へ前記差圧の作用により、つまり主軸５６の中空空間６０を圧縮部の吸入側と連通させるとともに、油貯め内の潤滑油５９の液面上部空間を圧縮部の吐出側と連通させることにより発生する差圧の作用により吸い上げ、中空空間６０から主軸５６の外周へ連通する給油連通口を通し、図示しない軸受部に給油する。このとき、潤滑油５９の一部が高圧ガス冷媒といっしょに吐出管５３から冷凍サイクル側に流出する。

この状況で、この冷凍サイクル装置内に多量の潤滑油が封入されていると、潤滑油５９の油面がロータ５８の下端以上となり、ロータ５８が潤滑油を攪拌することで回転抵抗が増えてモータ入力が増大し、運転効率を悪化させることとなる。このため、潤滑油を密閉シェル外へ隔離する必要が生じる。本実施形態ではその潤滑油隔離機能を室外ユニット２に設けた油貯留容器１０に与えている。

油貯留容器１０は、図３のように鉛直方向上方から吸入冷媒が油貯留容器１０に向かい、その直前でガス冷媒が圧縮機５の吸入側に連なる分岐配管に吸入されて進行方向を変化させられ、ガス冷媒流１０１（図３中に実線で示す）となり、圧縮機５に吸入される。しかし、ガス冷媒より重く、粘度が大きい潤滑油流１０２（図３中に波線で示す）は、液滴あるいは管壁に沿った液膜の形態で流れており、慣性力および重力によって油貯留容器１０内に流入する（図３の左図の状態）。

ただし、この潤滑油貯留モードは過渡的なもので、通常時、油貯留容器１０は潤滑油で満液状態である。この状態では、ガス冷媒流１０１も潤滑油流１０２も圧縮機５の吸入側に向かって流れる（図３の右図の状態）。また、これらのモード、すなわち潤滑油を圧縮機すなわち密閉シェル外に隔離したい状況では電磁弁１１は常に閉止され、油貯留容器１０は入口のみとなる言わば盲腸管である。

このような油貯留容器１０の配置によれば、高圧側に油分離器を配置する必要がなく、油分離時に生じる圧力損失によって本冷凍サイクル装置の運転効率を低下させることがなくなる。また、従来の高圧側配置の油分離器では、分離した油を吸入側に戻す際にわずかに冷媒もバイパスしてしまっていたが、本実施形態によれば、この冷媒バイパスによる損失も回避できる。

次に、油貯留容器１０ら潤滑油を供給する場合の動作について図４に基づき図２を参照しながら説明する。密閉シェル５１の底部の潤滑油５９が不足すると圧縮機構５４に潤滑油を送ることができなくなり、異常磨耗や焼付きなどの不具合が生じる。このような密閉シェル内潤滑油が少なくなる運転モードでは、油貯留容器１０の余剰油を圧縮機５に戻してやることが必要となる。

特に、低外気での暖房モードにおいては、蒸発器となる室外熱交換器７に液冷媒が溜りこんだ状態からの起動となるため、運転開始時に多量の液冷媒が圧縮機５に流入し、密閉シェル内潤滑油５９を希釈する一方、一時的に密閉シェル内の潤滑油５９の液面が上昇するため、吐出ガスにも多量の液冷媒が混じることとなり、潤滑油５９も一緒に密閉シェル外に排出されてしまい、潤滑油が密閉シェル内にほとんど存在しなくなる。

このようなとき、本実施形態では電磁弁１１を開放する。これにより、図４のように油貯留容器１０の底部の接続ポート１０ｂから高圧の吐出ガス冷媒１０３が流入し、それまで貯留されていた潤滑油は油貯留容器１０を溢れて圧縮機５の吸入管側に放出される。吸入管に放出された潤滑油は、速やかに圧縮機５に向かう流れ１０２を形成し、圧縮機５の密閉シェル内油面を上昇させる。

本実施形態では、圧縮機５のロータ５８の下端に油面が接触するほど多量に潤滑油が封入された状態であることが前提であり、また油貯留容器１０が満液となっても必要最低油量が密閉シェル内に確保されている必要があるので、必然的にこの油貯留容器１０の容量は必要最低油量とロータ下端に油面が接触する油量との油量差より小さいことになる。

また、本実施形態においては、潤滑油を冷媒Ｒ４１０Ａと相溶性のあるエーテル油を用いるものとしたが、この場合、冷凍サイクル装置の圧縮機吸入側で冷媒が二相状態となる、いわゆる液バック運転となったときに低圧側を流通する潤滑油が希釈状態となり、十分な油分離・貯留機能を発揮できないことが考えられる。したがって、アルキルベンゼン油のような弱相溶性の潤滑油を用いた方が望ましく、これによって油分離の高効率化の効果が得られやすくなる。

以上のように、本実施形態によれば、冷房あるいは暖房運転中に、密閉シェル内に滞留して運転効率を悪化させる余剰な潤滑油５９を、低圧側吸入配管に頂部の接続ポート１０ａが接続された油貯留容器１０に貯留するようにしたので、油分離に要する圧力損失や、油戻しとともに生じる冷媒バイパスなどの効率低下要因を発生させることなく、高効率な運転を行うことができる。

また、暖房起動など密閉シェル内の潤滑油が不足するようなモードにおいて、油貯留容器１０の底部の接続ポート１０ｂから高圧の吐出ガス冷媒１０３を導入して、それまで貯留されていた潤滑油を吸入管に放出することにより、密閉シェル内油量を速やかに回復させることができる。

なお、ここでは圧縮機としてスクロール圧縮機を例に挙げて説明したが、これに限るものでなく、ロータリ型圧縮機やピストン型圧縮機の採用も可能である。

本発明の一実施形態に係る冷凍サイクル装置を示す冷媒回路図である。 本発明の一実施形態に係る冷凍サイクル装置の密閉型圧縮機の内部構造を示す縦断面図である。 本発明の一実施形態に係る冷凍サイクル装置の油貯留容器接続部における油分離の原理の説明図である。 本発明の一実施形態に係る冷凍サイクル装置の油貯留容器からの油放出の原理の説明図である。

符号の説明

５ 圧縮機、７ 室外熱交換器、８ 電動膨張弁（減圧手段）、９ 室内熱交換器、１０ 油貯留容器、１０ａ 頂部の接続ポート、１０ｂ 底部の接続ポート、１１ 電磁弁（開閉手段）、５１ 密閉シェル（シェル）、５４ 圧縮機構、５７ ステータ（駆動機構）、５８ ロータ（駆動機構）。

Claims (2)

1. 同一シェルの内部に圧縮機構と駆動機構を備えた密閉型の圧縮機と、凝縮器と、減圧手段と、蒸発器と、を冷媒配管で順次接続して閉回路を形成し、この閉回路内を冷媒とともに潤滑油が循環する冷凍サイクル装置であって、
   前記潤滑油を貯留可能な油貯留容器を備え、
   前記油貯留容器は、鉛直方向頂部と底部にそれぞれ接続ポートを有し、
   前記頂部の接続ポートは、前記蒸発器と前記圧縮機との間の低圧配管に接続され、
   前記底部の接続ポートは、開閉手段を介して前記圧縮機の高圧配管に接続され、
   前記油貯留容器の頂部の接続ポートと接続される前記低圧配管は、該油貯留容器への流れ方向が鉛直下方に向くように設置されているとともに、該油貯留容器との接続部の直前で前記圧縮機の吸入側に分岐されており、
   前記潤滑油は、前記低圧配管の前記分岐点にて慣性力および重力により前記冷媒から分離され、前記油貯留容器内に流入することを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記閉回路内を循環する冷媒と潤滑油は、弱相溶の関係にあることを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル装置。

Images