JP4963971B2 - ヒートポンプ式設備機器 - Google Patents

Description

この発明は、給湯器、暖房機などのヒートポンプ式設備機器に関する。

圧縮機、高圧側熱交換器、絞り装置、および低圧側熱交換器を冷媒配管で順次接続した空気調和機に関して、圧縮機の吐出口に油分離器を設け、圧縮機から吐出された冷媒ガス中に含まれる潤滑油を分離して圧縮機の吸入側に返油するようにしているものがある（例えば、特許文献１）。

特許第２９２２００２号公報

上記のような従来の空気調和機において、油分離器で分離され圧縮機の吸入側に返油される油は、吐出ガス温度に近い高温の油である。圧縮機に高温の油が吸入されると、吸入ガスが過熱膨張するため、冷媒循環量が減少して、効率悪化につながる不具合があった。
また、吸入ガスの過熱により圧縮機電動機の冷却が不十分となり信頼性を損なう不具合もあった。

なお、吸入側への返油経路に外気との熱交換器を設けて、返油を冷却しているものもあるが、その場合には過熱による不具合は生じないものの、吐出された油の持つ熱エネルギを外気に放出するため、エネルギー損出が発生している。
また、油分離器を設けずに冷媒回路を構成した場合には、圧縮機から冷媒と共に吐出された潤滑油が、高圧側熱交換器や低圧側熱交換器に滞留して熱交換効率を低下させたり、圧縮機内部の潤滑油量が減少し信頼性を損なうなどの不具合があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、圧縮機に戻る潤滑油の温度を低化させる各種の態様を提案し、信頼性が高くしかも効率のよい給湯器、暖房機などのヒートポンプ式設備機器を提供することを目的とする。

本発明は、圧縮機、高圧側熱交換器、絞り装置、低圧側熱交換器が冷媒配管を介して順次接続された冷媒回路を備えたヒートポンプ式設備機器であって、前記冷媒回路の前記圧縮機と前記高圧側熱交換器との間に配置されて、前記圧縮機から吐出された冷媒ガス中に含まれる潤滑油を分離する油分離器と、前記油分離器で分離された潤滑油を前記圧縮機に返す返油回路と、前記返油回路の途中に設けられ、前記返油回路を通る潤滑油と利用に供される被加熱流体との間で熱交換を行う潤滑油用熱交換器とを備え、潤滑油用熱交換器で前記潤滑油と熱交換した前記被加熱流体を、前記高圧側熱交換器に導入して、前記圧縮機から吐出したガス冷媒との間で熱交換するようにしたものであり、前記圧縮機がスクロール式圧縮機であって、前記返油回路は該スクロール式圧縮機の圧縮機構部に設けられた油インジェクションポートに接続されており、前記潤滑油用熱交換器から前記圧縮機までの前記返油回路を分岐して、前記スクロール式圧縮機の前記油インジェクションポートと冷媒ガス吸入ポートとに接続し、分岐した各返油回路にそれぞれ絞り機構を設けたものである。

本発明に係るヒートポンプ式設備機器は、油分離器で分離された潤滑油を圧縮機に返油する返油回路と、返油回路の途中に設けられ、返油回路を通る潤滑油と利用に供される被加熱流体との間で熱交換を行う潤滑油用熱交換器とを備えたので、潤滑油は冷却された後に圧縮機に戻ることになる。従って、圧縮機吸入ガスが過熱膨張することがなくなり、過熱による熱交換効率低下や信頼性低下を防止することができる。
また、油分離器で分離された潤滑油が、利用に供される被加熱流体（水や空気）を加熱するため、潤滑油の有効利用にも役立つ。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係るヒートポンプ式設備機器の全体構成を示す構成図である。図１に示すように、このヒートポンプ式設備機器は、圧縮機１、油分離器（オイルセパレータ）２、高圧側熱交換器３、絞り装置（膨張弁など）４、低圧側熱交換器５が、冷媒配管６を介して順次接続された冷媒回路を備えている。また、高圧側熱交換器２には、上記冷媒回路の冷媒と熱交換されて使用に供される被加熱流体（水、空気など）が流れる被加熱流体配管７が接続されている。そして、被加熱流体配管７の途中（ここでは高圧側熱交換器３への入力側の途中）に、被加熱流体を加熱する潤滑油用熱交換器８が配置されている。

さらに、油分離器２で分離された潤滑油を潤滑油用熱交換器８に通し、潤滑油用熱交換器８で被加熱流体と熱交換させてから圧縮機１の吸入管１Ａに返油する返油回路１０が設けられている。なお、返油回路１０の潤滑油用熱交換器８と圧縮機１との間には、絞り機構としてのキャピラリーチューブ１１が設けられている。

次に、実施の形態１のヒートポンプ式設備機器の動作について説明する。圧縮機１で圧縮された高温の冷媒は、油分離器２で潤滑油と分離された後、高圧側熱交換器３に入る。高圧側熱交換器３で冷媒は、被加熱流体配管７から供給された被加熱流体と熱交換を行って冷却された後、絞り装置４を経て低圧側熱交換器（蒸発器）５に入る。低圧側熱交換器５で冷媒は、空気と熱交換を行い、ガス化されて圧縮機１に戻る。この作用により、被加熱流体配管７を流れる被加熱流体が加熱されるため、このヒートポンプ式設備機器を給湯器や暖房機器として利用することができる。
また、油分離器２で分離された潤滑油が、潤滑油用熱交換器８で被加熱流体と熱交換して冷却された後、返油回路１０を通って圧縮機１に戻る。このため、圧縮機１の吸入ガスが過熱膨張することがなく、過熱による効率低下や信頼性低下を防止することができる。
しかも、油分離器２で分離された潤滑油は、被加熱流体と熱交換してそれを加熱するのに利用されているため、熱を無駄にすることなく、エネルギー効率にも優れている。

図１の機器に用いる油分離器（オイルセパレータ）２として、容器内部にメッシュを設け、冷媒ガス中に含まれる油滴を分離する構造を有するものや、冷媒流れを容器の内部で旋回させ、その遠心力で油を分離するいわゆる遠心分離式のもが利用できる。
また、絞り機構１１としては、油分離器２から圧縮機に返油する油の量をコントロールする機能を有するいわゆるキャピラリーチューブや、電子式膨張弁などを用いることができる。電子式膨張弁は、運転条件により、変化する油の吐き出し量に応じた絞り開度を設定できる利点がある。
また、潤滑油用熱交換器８には、いわゆるプレート式熱交換器、或いは２重管式熱交換器、若しくは被過熱流体の流れる配管と油の流れる配管を密着させて熱交換させるタイプのものなどが利用できる。

実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２に係るヒートポンプ式設備機器の全体構成を示す構成図である。図２に示すように、このヒートポンプ式設備機器は、圧縮機１、油分離器（オイルセパレータ）２、高圧側熱交換器３、絞り装置（膨張弁など）４、低圧側熱交換器５が、冷媒配管６を介して順次接続された冷媒回路を備えている。また、高圧側熱交換器２には、上記冷媒回路の冷媒と熱交換される被加熱流体（実施の形態２では単に流体と呼ぶ）が流れる被加熱流体配管（実施の形態２では単に流体配管と呼ぶ）７が接続されている。そして、上記冷媒回路の絞り装置４と低圧側熱交換器５との間には、潤滑油用熱交換器８が配置されている。さらに、油分離器２で分離された潤滑油を潤滑油用熱交換器８に通し、潤滑油用熱交換器８でそこを通る冷媒と熱交換させてから圧縮機１の吸入管１Ａに返油する返油回路１０が設けられている。なお、返油回路１０の潤滑油用熱交換器８と圧縮機１との間には、キャピラリーチューブ１１が設けられている。

次に、実施の形態２のヒートポンプ式設備機器の動作について説明する。圧縮機１で圧縮された高温の冷媒は、油分離器２で潤滑油と分離された後、高圧側熱交換器３に入る。高圧側熱交換器３で冷媒は、流体配管７から供給された流体と熱交換を行って冷却された後、絞り装置４を経て低圧側熱交換器（蒸発器）５に入る。低圧側熱交換器５で冷媒は、空気と熱交換を行い、ガス化されて圧縮機１に戻る。この作用により、流体配管７を流れる流体が加熱されるため、このヒートポンプ式設備機器を給湯器や暖房機器として利用することができる。
また、油分離器２で分離された潤滑油が、絞り装置４により冷却された冷媒と潤滑油用熱交換器８で熱交換して冷却された後、返油回路１０を通って圧縮機１に戻る。このため、圧縮機１の吸入ガスが過熱膨張することがなく、過熱による効率低下や信頼性低下を防止することができる。

なお、図２では、高圧側熱交換器３において、冷媒と流体配管７を流れる流体との間で熱交換する構成としているが、高圧側熱交換器３に流体配管７を接続しないで、冷媒と周囲の空気との間で熱交換する構成としてもよい。その場合、高圧側熱交換器３は、例えば空気調和機の室内機として利用することができる。

実施の形態３．
以上の実施の形態１、２では、潤滑油を圧縮機１の吸入管１Ａに戻すようにしたものであるが、ここでは、圧縮機１をスクロール圧縮機とし、油分離器２で分離された潤滑油をスクロール圧縮機の圧縮機構部に直接返油する場合について説明する。そこでまず、実施の形態３で使用するスクロール圧縮機について簡単に説明する。

図３はスクロール圧縮機２０の圧縮機構部分の一例を示す断面図である。図３において、２１は密閉容器、２２はこの密閉容器２１内に形成されるフレーム、２３はこのフレーム２上に固定された固定スクロール、２４はモータ固定スクロール２３と組合わされ駆動軸により公転させられる揺動スクロール、２５は両スクロール２３，２４の各ラップ間に形成される複数の圧縮室である。
また、２６は密閉容器２１の壁面の圧縮室２５のガス吸入部に対向した位置に形成される吸入ポート、２７は固定スクロール２３に形成され、最内周側の圧縮室２５から密閉容器２１内へ圧縮された高圧ガスを吐出する吐出口、２８は圧縮室２５に連通する油インジェクションポートである。なお、密閉容器２１内へ吐出された高圧ガスは図示していない吐出管から密閉容器２１の外へ送り出される。

図４は圧縮機として上記スクロール圧縮機２０を用いたこの発明の実施の形態３に係るヒートポンプ式設備機器の全体構成を示す構成図である。図４から分かるように、実施の形態３における実施の形態１との相違点は、返油回路１０を圧縮機１の吸入管１Ａではなく、スクロール圧縮機２０の油インジェクションポート２８に接続している点である。それ以外の構成は、基本的に実施の形態１の場合と同じと考えて良い。
実施の形態３の構成によれば、冷却された潤滑油が、返油回路１０を介してスクロール圧縮機２０の圧縮室２５に直接注入されるため、圧縮室２５のシール性が高まり圧縮効率をアップすることができる。

また、図５に示すように、返油回路１０を２つに分岐させて、その一方をスクロール圧縮機２０の吸入ポート２６へ、もう一方をスクロール圧縮機２０の油インジェクションポート２８へ接続させておき、流量調整弁などを利用して、それぞれのポートに、返油回路１０からの油の一部または全量が返油されるようにしてもよい。なお、分岐したそれぞれの返油回路１０には、キャピラリーチューブ１１，１２が設けられている。
圧縮室２５へ供給する潤滑油が少なすぎると、圧縮室２５の微少な隙間を油でシールする事ができず、内部漏れが大きくなり効率が低下する。一方、圧縮室２５へ供給する潤滑油が多すぎると、油を圧縮し異常昇圧を来たすという不具合も考えられる。しかしながら、図５に示した形態では、返油回路１０を２つに分岐させて圧縮機１へ戻しているため、圧縮室２５へ流入する潤滑油の量を調整でき、上記のような不具合が生じない適正な設定が可能となる。

上記図４、５に示した実施の形態３のアイデアは、実施の形態１だけでなく、実施の形態２、さらに後述する実施の形態４にも適用できる。

実施の形態４．
図６はこの発明の実施の形態４に係るヒートポンプ式設備機器の全体構成を示す構成図である。図６に示すように、このヒートポンプ式設備機器は、圧縮機１、油分離器（オイルセパレータ）２、高圧側熱交換器３、絞り装置（膨張弁など）４、低圧側熱交換器５が、冷媒配管６を介して順次接続された冷媒回路を備えている。また、ここでも、油分離器２で分離された潤滑油を圧縮機１に返油する返油回路１０が設けられている。そして、返油回路１０を通る潤滑油と、室内へ送られて暖房に供される空気との間で熱交換を行うように配置された潤滑油用熱交換器８が、高圧側熱交換器３と直列に配置されている。さらに、潤滑油用熱交換器８と高圧側熱交換器３には、それぞれ対応する送風ファン１４が設けられている。

次に、実施の形態４のヒートポンプ式設備機器の動作について説明する。圧縮機１で圧縮された高温の冷媒は、油分離器２で潤滑油と分離された後、高圧側熱交換器３に入る。高圧側熱交換器３で冷媒は、送風ファン１４を介して室内へ送られる空気と熱交換を行った後、絞り装置４を経て低圧側熱交換器（蒸発器）５に入る。低圧側熱交換器５で冷媒は、空気と熱交換を行い、ガス化されて圧縮機１に戻る。この作用により、高圧側熱交換器３で冷媒と熱交換された被加熱空気は暖房用の温風となって室内へ供給される。
加えて、潤滑油用熱交換器８でも、そこを流れる高温の潤滑油が、送風ファン１４を介して室内へ送られる空気と熱交換を行った後、圧縮機１に冷却される。この作用により、潤滑油用熱交換器８で潤滑油と熱交換された被加熱空気は、暖房用の温風となって室内へ供給される。
これらにより、実施の形態４のヒートポンプ式設備機器は、きわめて効率の良い暖房機として使用することができる。
一方、油分離器２で分離された潤滑油は、潤滑油用熱交換器８での被加熱空気との熱交換によって冷却された後、返油回路１０を通って圧縮機１に戻る。このため、圧縮機１の吸入ガスが過熱膨張することがなく、過熱による効率低下や信頼性低下を防止することができる。

なお、各実施の形態において、高圧側熱交換器３と潤滑油用熱交換器８とを別体に構成したが、それらは必要に応じて一体に構成しても良い。

この発明の実施の形態１に係るヒートポンプ式設備機器の構成図。 この発明の実施の形態２に係るヒートポンプ式設備機器の構成図。 スクロール圧縮機の圧縮機構部分の一例を示す断面図。 この発明の実施の形態３に係るヒートポンプ式設備機器の構成図。 図４の一部を変更したヒートポンプ式設備機器の構成図。 この発明の実施の形態４に係るヒートポンプ式設備機器の構成図。

符号の説明

１ 圧縮機、１Ａ 吸入管、２ 油分離器、３ 高圧側熱交換器、４ 絞り装置、５ 低圧側熱交換器、６ 冷媒配管、７ 被加熱流体配管、８ 潤滑油用熱交換器、１０ 返油回路、１１，１２ キャピラリーチューブ、１４ 送風ファン、２０ スクロール圧縮機、２１ 密閉容器、２２ フレーム、２３ 固定スクロール、２４ 揺動スクロール、２５ 圧縮室、２６ 吸入ポート、２７ 吐出口、２８ 油インジェクションポート。

Claims (4)

1. 圧縮機、高圧側熱交換器、絞り装置、低圧側熱交換器が冷媒配管を介して順次接続された冷媒回路を備えたヒートポンプ式設備機器であって、
   前記冷媒回路の前記圧縮機と前記高圧側熱交換器との間に配置されて、前記圧縮機から吐出された冷媒ガス中に含まれる潤滑油を分離する油分離器と、
   前記油分離器で分離された潤滑油を前記圧縮機に返す返油回路と、
   前記返油回路の途中に設けられ、前記返油回路を通る潤滑油と利用に供される被加熱流体との間で熱交換を行う潤滑油用熱交換器とを備え、
   潤滑油用熱交換器で前記潤滑油と熱交換した前記被加熱流体を、前記高圧側熱交換器に導入して、前記圧縮機から吐出したガス冷媒との間で熱交換するようにしたものであり、
   前記圧縮機がスクロール式圧縮機であって、前記返油回路は該スクロール式圧縮機の圧縮機構部に設けられた油インジェクションポートに接続されており、
   前記潤滑油用熱交換器から前記圧縮機までの前記返油回路を分岐して、前記スクロール式圧縮機の前記油インジェクションポートと冷媒ガス吸入ポートとに接続し、分岐した各返油回路にそれぞれ絞り機構を設けたことを特徴とするヒートポンプ式設備機器。
2. 前記高圧側熱交換器に接続されて、前記高圧側熱交換器を通る冷媒と熱交換される前記被加熱流体が流れる被加熱流体配管を備え、
   前記潤滑油用熱交換器が、前記返油回路を通る潤滑油と、前記被加熱流体配管を通る前記被加熱流体との間で熱交換を行うように配置されていることを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ式設備機器。
3. 圧縮機、高圧側熱交換器、絞り装置、低圧側熱交換器が冷媒配管を介して順次接続された冷媒回路を備えたヒートポンプ式設備機器であって、
   前記冷媒回路の前記圧縮機と前記高圧側熱交換器との間に配置されて、前記圧縮機から吐出された冷媒ガス中に含まれる潤滑油を分離する油分離器と、
   前記油分離器で分離された潤滑油を前記圧縮機に返す返油回路と、
   前記返油回路の途中に設けられ、前記返油回路を通る潤滑油と、前記絞り装置と前記低圧側熱交換器との間にある冷媒との間で熱交換を行う潤滑油用熱交換器とを備え、
   前記圧縮機がスクロール式圧縮機であり、前記潤滑油用熱交換器から前記圧縮機までの前記返油回路を分岐して、該スクロール式圧縮機の圧縮機構部に設けられた油インジェクションポートと冷媒ガス吸入ポートとに接続し、分岐した各返油回路にそれぞれ絞り機構を設けたことを特徴とするヒートポンプ式設備機器。
4. 前記高圧側熱交換器に接続されて、前記高圧側熱交換器を通る冷媒と熱交換される流体が流れる流体配管を備えたことを特徴とする請求項３記載のヒートポンプ式設備機器。

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