JP5591196B2 - オイルセパレータ、及び、オイルセパレータを備えた圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、冷媒ガス中のオイルを遠心力で分離するオイルセパレータ、及び、オイルセパレータを備えた圧縮機に関する。特に、冷媒圧縮機の圧縮機構部より吐出するオイル混入の冷媒から、オイルを遠心分離して、分離したオイルを前記冷媒圧縮機に再循環させるとともに、分離後の冷媒を外部に吐出するようにしたオイルセパレータ、及び、オイルセパレータを備えた圧縮機に関する。

冷凍サイクルで使用される圧縮機は、冷媒ガスにオイルを混入して圧縮機の潤滑を行っているが、この潤滑用オイルの一部は冷媒ガスとともに冷凍サイクルに吐出されてしまう。この冷凍サイクルに吐出される潤滑用オイルが多ければ多いほど、冷凍サイクルのシステム効率（ＣＯＰ、又は、成績係数ともいう）は低下する。そこで、冷凍サイクル中へのオイルの吐出を抑制するため、圧縮機の吐出側に冷媒ガスから潤滑用オイルを分離する遠心分離式オイルセパレータを設けることが知られている。

このような従来技術として特許文献１がある。これは圧縮機から吐出されたオイルを含む冷媒から遠心力でオイルを分離するものであるが、遠心力でセパレータハウジングの円筒状内壁面に付着したオイルが、分離パイプ付近のガスの流れで巻き上げられ冷媒と供に吐き出される問題が生じていた。

近年、環境問題を考慮して冷媒としてＣＯ２（二酸化炭素）が使用されるようになってきている。ところが、このＣＯ２冷媒は従来の１３４ａ冷媒などと比較してオイルとの密度差が小さいため、従来のオイルセパレータでは遠心分離が充分に行われずオイル分離効率が低下する。このため、冷凍サイクル中のオイルレートが増加し、ガスクーラや蒸発器での熱交換性能が損なわれＣＯＰが低下するという問題があった。ＣＯ２冷媒サイクル固有の特徴として、従来冷媒に比して、オイルレートの低い環境下での熱交換器効率の上昇が大きく、更なる分離効率向上によるオイルレート低減が求められてきている。

特許第４３８１４５８号公報

本発明は、上記問題に鑑み、遠心力が必要な遠心分離部は、冷媒の旋回流速が高まるように、円筒状のセパレータハウジングの内径を小さくし、分離後ターン流となった冷媒を吸入する冷媒吸入部（分離パイプ部端部）は、壁面に付着したオイルの巻き上げが小さくなるように、セパレータハウジングの内径を大きくして冷媒の流速を落とすようにした、オイルセパレータ、及び、当該オイルセパレータを備えた圧縮機を提供するものである。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、冷媒圧縮機の圧縮機構部（５７）より吐出するオイル混入の冷媒から、オイルを遠心分離して、分離したオイルを前記冷媒圧縮機に再循環させるとともに、分離後の冷媒を外部に吐出するようにしたオイルセパレータであって、該オイルセパレータは、前記冷媒圧縮機に再循環させるための送油口（８７）を持つ貯油室（９３）と、前記圧縮機構部（５７）から吐出した冷媒を、セパレータハウジング（１７）の円筒状の内壁面の接線方向から流入させる吸入孔（２３）、外部に冷媒を吐出するガス吐出口（１８）、及び、前記貯油室（９３）に連通する開口部（１７ｂ）を有するセパレータハウジング（１７）と、吐出部（１９ａ）と吸入部（１９ｂ）から構成された分離パイプ部（１９）であって、該吐出部（１９ａ）がセパレータハウジング（１７）の前記内壁面に嵌合又は設置されて、ガス吐出口（１８）に連通し、前記吸入部（１９ｂ）の外径がセパレータハウジングの内壁面内径より小さい筒状で、前記吸入部（１９ｂ）端部がセパレータハウジング内で前記吸入孔（２３）より貯油室側に開口した分離パイプ部（１９）と、を具備し、セパレータハウジングの内壁面内径が、吸入孔（２３）中心軸位置から、前記吸入部（１９ｂ）端部に対応した部位までの範囲で拡大することを特徴とするオイルセパレータである。

吸入部の端部付近での壁面からのオイルの再飛散を抑えるために、吸入部の端部付近のセパレータハウジングの内壁面の内径を拡大し、流速を下げるようにした。これにより、セパレータハウジングの円筒内壁面に付着したオイルが、反転して外部に吐出する際にガスの流れで巻き上げられ、冷媒とともに吐き出されることがないので、旋回流によるオイルの剥離が小さくなり、オイルレートの低減を行うことができる。また、オイルレートの低減により、熱交換器の熱交換効率が改善されるため、システム効率ＣＯＰを向上させることができる。

また、前記セパレータハウジングの内壁面内径は、前記吸入孔（２３）中心軸位置と、前記吸入部（１９ｂ）端部に対応した部位までの範囲で、２段階の内径を持つことを特徴とする。これにより、分離効率を向上させることができる。

さらに、前記セパレータハウジングの内壁面内径において、前記吸入孔（２３）中心軸を含む断面における内径Ｄ１と、前記吸入孔（２３）中心軸位置から前記吸入部（１９ｂ）端部に対応した部位までの範囲で変化した断面の内径Ｄ２との関係が、１．１≦Ｄ２／Ｄ１≦１．５の範囲にあることを特徴とする。これにより、分離効率を向上させることができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記内径Ｄ１、前記内径Ｄ２、及び、前記内径Ｄ１から前記内径Ｄ２に変化した位置から、前記吸入部（１９ｂ）端部に対応した部位までの前記内壁面の中心軸方向の距離Ｌ２との関係が、
７≦Ｌ２／（（Ｄ２−Ｄ１）／２）≦２２の範囲にあることを特徴とする。これにより、分離効率を向上させることができる。

請求項３の発明は、前記吸入孔（２３）の流路断面積Ａ０、前記吸入部（１９ｂ）の外径と、前記吸入孔（２３）中心軸を含む断面における前記内壁面内径（Ｄ１）との間の環状空間の流路断面積Ａ１、前記吸入孔（２３）中心軸位置から、拡大した内壁面内径（Ｄ２）に変化した位置までの前記内壁面の中心軸方向の距離Ｌ１との関係が、７＜Ｌ１×（Ａ１／Ａ０）＜１１０の範囲にあることを特徴とする。これにより、内壁面内径が２段階に変化しないＤ１の場合に比べて、分離効率比が向上する。

請求項４の発明は、請求項１から３のいずれか１項記載の発明において、前記セパレータハウジングの内壁面内径において、前記内壁面の中心軸方向に、前記吸入孔（２３）中心軸位置から、前記吸入部（１９ｂ）端部に対応した部位までの範囲で、徐々に拡大することを特徴とする。この場合２段の段差をもちながら内壁面内径が徐々に拡大するので、一層分離効率を向上させることができる。

請求項５の発明は、請求項１から４のいずれか１項に記載のオイルセパレータを具備した圧縮機。

なお、上記に付した符号は、後述する実施形態に記載の具体的実施態様との対応関係を示す一例である。

（ａ）は、本発明の一実施形態のオイルセパレータ及びそれを適用した圧縮機を示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線に関する横断面図である。 （ａ）は、従来技術の遠心分離式オイルセパレータの説明図であり、（ｂ）は、本発明の一実施形態のオイルセパレータの説明図である。 本発明の一実施形態のオイルセパレータの円筒内壁面の内径比や、段違い位置に対する分離効率の効果を表したグラフであり、（ａ）は、寸法諸元の説明図、（ｂ）は、内径比Ｄ２／Ｄ１と分離効率の関係を示すものであり、（ｃ）は、内径比と段違い位置と分離効率の関係を示すものである。 本発明の他の実施形態を示すオイルセパレータの説明図である。 従来技術と本発明の一実施形態とを比較した分離効率比を表わしたグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を説明する。各実施態様について、同一構成の部分には、同一の符号を付してその説明を省略する。従来技術に対する各実施態様の同一構成の部分には、同様に同一の符号を付してその説明を省略する。

本発明の一実施形態のオイルセパレータは、冷媒圧縮機の圧縮機構部より吐出するオイル混入の冷媒から、オイルを遠心分離して、分離したオイルを前記冷媒圧縮機に再循環させるとともに、分離後の冷媒を外部に吐出するようにしたオイルセパレータである。
このような本実施形態のオイルセパレータは、従来、冷凍サイクルに用いられる冷媒中から潤滑油を分離する気液分離器（タンク）とは、機能として異なるものである。従来の冷凍サイクルにおける気液分離器では、あくまでタンクとしての機能が求められるので、タンク内では断面積が大きく、０．１〜１ｍ／ｓｅｃ程度の低い流速のもとでの気液分離がなされる。

本実施形態のオイルセパレータは、高い分離効率を追求するため、５〜１０ｍ／ｓｅｃ程度の高速旋回して遠心分離をおこなうものである。このため、セパレータハウジングの円筒内壁面に付着したオイルが、反転して外部に吐出する際にガスの流れで巻き上げられ、冷媒とともに吐き出される点を改善することを課題とするものである。すなわち、高速旋回流によるオイル分離部のオイルの剥離を小さくすることを課題としている。

図１（ａ）は、本発明の一実施形態のオイルセパレータ及びそれを適用した圧縮機を示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線に関する横断面図である。
本発明の一実施形態のオイルセパレータは、図１の冷媒圧縮機に適用を限定されるものではなく、スクロール型圧縮機のみならず、その他の形式の圧縮機（ローリングピストン型、スライドベーン型、往復動型）のオイルセパレータに広く適用しても良い。本発明の一実施形態のオイルセパレータは、縦型に限らず横型の配置の圧縮機であっても良い。貯油部８５は、密閉容器５３の外部に限らず、内部に設置したタイプに適用しても良い。なお、本発明の一実施形態のオイルセパレータは、ＣＯ２冷媒を用いた圧縮機に適用されるオイルセパレータのみならず、それ以外の冷媒を使用した場合にあっても、分離効率が向上する。本発明は、フロン冷媒ＣＯ２等のヒートポンプユニット（給湯器）、車両用空調装置などの圧縮機用オイルセパレータに適用することができる。

以下、本発明の一実施形態のオイルセパレータが適用された冷媒圧縮機を、一例として説明する。
冷媒圧縮機の密閉容器５３は円筒状の第１ハウジング５９と、第２ハウジング６１と、第３ハウジング６３とから形成されている。圧縮機構部５７は、主軸受６５によって支持されたクランク機構６７により公転する可動スクロール６９と、可動スクロール６９に対向配置された固定スクロール７１とを具備しており、クランク機構６７及び可動スクロール６９は、主軸受６５と副軸受７３によって垂直に支持された電動機部５５のシャフト７５によって回転される。電動機のロータモータ５５’はシャフト７５に取り付けられ、ステータモータ５５’’は第１ハウジング５９に取り付けられている。

固定スクロール７１と可動スクロール６９は渦巻状の溝をそれぞれ有しており、この溝の噛み合いによって形成される複数の作動室７７が体積を縮小することによって固定スクロール７１の渦巻状の溝の最外周側に連通する吸入室（吸入室は図示せず）に供給された冷媒を圧縮するように構成されている。圧縮機構部５７の作動室７７には吐出孔７９を介して吐出室８１が連通しており、この吐出室８１にオイルセパレータの吸入管２５の一端が接続されている（図示せず）。そして、この吸入管２５の他端が、オイルセパレータのセパレータハウジング１７に設けられた吸入孔２３に接続されている。セパレータハウジング１７は、筒状形成されている。このセパレータハウジング１７の上部開口にはガス吐出口１８が設けられている。分離パイプ部１９は、セパレータハウジング１７の上部開口に嵌合する吐出部である大径部（ガス吐出口１８を構成している）１９ａと、この大径部１９ａの下部に形成された吸入部である小径部１９ｂとを有している。大径部１９ａをセパレータハウジング１７自体に形成しても良い。この場合には、小径部１９ｂが嵌合されたパイプとなる。

送油管３３の一端は貯油室９３の底部に設けられた送油口８７に接続されている。冷媒は圧縮機構部５７から吐出室８１に吐出し、流入管２５を通してオイルセパレータに供給される。吸入孔２３がセパレータハウジング１７の円筒状の内壁面に設けられ、この円筒状の内壁面の接線方向から、オイルが混入された冷媒が流入される。セパレータハウジング１７の円筒状の内壁面と、小径部１９ｂの間の空間（環状空間）で旋回させてオイル１を分離し、冷媒をガス吐出口１８から外部の冷媒回路に送り出す一方で、オイルを、貯油室９３に流下させる。貯油室９３に貯留したオイルは送油口８７から送油管３３を通して冷媒圧縮機に戻され、固定及び回転スクロールの摺動面等の摺動部に供給される。
セパレータハウジング１７の円筒状の内壁面と小径部１９ｂとの間の空間において旋回オイル１が分離された冷媒は小径部１９ｂを介して分離パイプ部１９に吸入され、ガス吐出口１８から配管（図示せず）へと流出する。

次に、本発明の一実施形態のオイルセパレータの主な特徴を説明する。
図２（ａ）は、従来技術の遠心分離式オイルセパレータの説明図であり、（ｂ）は、本発明の一実施形態のオイルセパレータの説明図である。
図２（ａ）の従来技術は、圧縮機から吐出されたオイルを含む冷媒から遠心力でオイルを分離するものである。比重の重いオイルは、遠心力でセパレータハウジングの円筒内壁面に付着するが、小径部１９ｂの端部Ｓ付近のガス流れにより油膜がせん断され、オイルを再飛散させる。遠心力でセパレータハウジングの内壁面Ｋに付着したオイルが、分離パイプ部１９の小径部端部Ｓ付近のガスの流れで巻き上げられ、冷媒と供に外部に吐き出されてしまう。また、ガスの旋回流速を下げるために遠心分離部（内壁面Ｋ）の円筒内壁面内径を大きくすると遠心力が不足し分離効率が低下してしまう。

これに対して、図２（ｂ）の本発明の一実施形態のオイルセパレータにおいては、小径部１９ｂの端部Ｓ付近での壁面からのオイルの再飛散に着目し、小径部１９ｂの端部Ｓ付近のみ円筒内壁面の内径を拡大し、流速を下げる。具体的には、図２（ｂ）に示すように、遠心分離部１７’と流速減速部１７’’の円筒内壁面内径を段違いに構成したものである。

図３は、本発明の一実施形態のオイルセパレータの円筒内壁面の内径比や、段違い位置に対する分離効率の効果を表したグラフであり、（ａ）は、寸法諸元の説明図、（ｂ）は、内径比Ｄ２／Ｄ１と分離効率の関係を示す実験データであり、（ｃ）は、内径比と段違い位置と分離効率の関係を示す実験データである。
ここで、Ｄ１は、セパレータハウジング１７の内壁面内径において、吸入孔２３中心を含む断面における内径である。Ｄ２は、吸入孔２３中心から小径部１９ｂ端部に対応した部位Ｓまでの範囲で変化した断面の内径、すなわち、図３（ａ）の場合は拡大した流速減速部１７’’の円筒内壁面内径である。図３のグラフは、ＣＯ２冷媒の場合の分離効率を示しているが、その他の場合の冷媒であっても、概ね同様の結果が得られる。なお、分離パイプ部の小径部１９ｂの外径は、０．６〜０．７Ｄ１程度としている。

図３の結果が示すように、セパレータハウジング１７の内壁面内径において、吸入孔２３中心を含む断面における内径Ｄ１と、吸入孔２３中心から小径部１９ｂ端部に対応した部位までの範囲で変化した断面の内径Ｄ２との関係が、１．１≦Ｄ２／Ｄ１≦１．５の範囲において、極めて良好な分離効率が示されている。
また、内径Ｄ１、内径Ｄ２、及び、内径Ｄ１から内径Ｄ２に変化した位置から、小径部１９ｂ端部に対応した部位までの内壁面の中心軸方向の距離Ｌ２との関係が、
７≦Ｌ２／（（Ｄ２−Ｄ１）／２）≦２２の範囲において、極めて良好な分離効率が示されている。本実験結果から、オイル分離効率の目標値を９９％とすると、Ｄ２／Ｄ１は１．１〜１．５の範囲である必要があり、Ｌ２／（（Ｄ２−Ｄ１）／２）は７〜２２の範囲である必要がある（なお、図３（ｂ）、（ｃ）のハッチング部は９９％の領域を示している）。

さらに、吸入孔２３の流路断面積Ａ０とし、小径部１９ｂの外径と、吸入孔２３中心軸を含む断面における、内壁面内径Ｄ１との間の流路断面積Ａ１とし、吸入孔２３中心軸位置から、拡大した内壁面内径Ｄ２に変化した位置までの内壁面の中心軸方向の距離Ｌ１としたとき、それらの関係が、７＜Ｌ１×（Ａ１／Ａ０）＜１１０の範囲において、図５に示すように、分離効率比が向上する。ここで、図５の分離効率比とは、内壁面内径が２段階に変化しないＤ１の場合に比べた本実施形態の比率のことである。なお、分離効率とは、吸入孔２３からの流入オイル量をＭｉｎとして、ガス吐出口１８からの流出オイル量をＭｏｕｔとしたとき、（Ｍｉｎ−Ｍｏｕｔ）／Ｍｉｎの百分率である。

図２（ａ）の従来技術に対して、本発明の一実施形態のオイルセパレータの効果は、上述したように、極めて良好な分離効率が得られるものである（内径Ｄ１は両者とも同じ）。従来技術の形状では、オイル分離効率９７．５％であるのに対して、本発明の一実施形態では９９．５％に向上した。これをオイル吐出量でみれば２．５％から０．５％に減少したことになり、吐出量が８０％低減されたことになる。本発明の一実施形態のオイルセパレータを搭載するＣＯ₂ヒートポンプユニット（ＣＯ₂給湯機）においてシステムオイルレートの低減を行うことができる。システムオイルレートの低減により、熱交換器の熱交換効率が改善されるため、システムＣＯＰ（成績係数）を向上させることができる。

本発明の他の実施形態としては、セパレータハウジングの内壁面内径において、内壁面の中心軸方向に、吸入孔２３中心から、小径部１９ｂ端部に対応した部位までの範囲で、全体的に徐々に拡大するようにしても良い。あるいは、２段の段差を持ちながらそれぞれにおいて内径を徐々に拡大するようにしても良い。また、上記本発明の実施形態のオイルセパレータを様々な圧縮機に適用することができる。
また、本発明の他の実施形態として、図４に示すように、オイルセパレータの分離パイプ部として、一定の径を有するパイプ部を用いてもよい。

１７ セパレータハウジング
１７ｂ 開口部
１８ ガス吐出口
１９ 分離パイプ部
１９ａ 吐出部、大径部
１９ｂ 吸入部、小径部
２３ 吸入孔
５７ 圧縮機構部
８７ 送油口
９３ 貯油室

Claims (5)

1. 冷媒圧縮機の圧縮機構部（５７）より吐出するオイル混入の冷媒から、オイルを遠心分離して、分離したオイルを前記冷媒圧縮機に再循環させるとともに、分離後の冷媒を外部に吐出するようにしたオイルセパレータであって、該オイルセパレータは、
   前記冷媒圧縮機に再循環させるための送油口（８７）を持つ貯油室（９３）と、
   前記圧縮機構部（５７）から吐出した冷媒を、セパレータハウジング（１７）の円筒状の内壁面の接線方向から流入させる吸入孔（２３）、外部に冷媒を吐出するガス吐出口（１８）、及び、前記貯油室（９３）に連通する開口部（１７ｂ）を有するセパレータハウジング（１７）と、
   吐出部（１９ａ）と吸入部（１９ｂ）から構成された分離パイプ部（１９）であって、該吐出部（１９ａ）がセパレータハウジング（１７）の前記内壁面に嵌合又は設置されて、ガス吐出口（１８）に連通し、前記吸入部（１９ｂ）の外径がセパレータハウジングの内壁面内径より小さい筒状で、前記吸入部（１９ｂ）端部がセパレータハウジング内で前記吸入孔（２３）より貯油室側に開口した分離パイプ部（１９）と、を具備し、
   セパレータハウジングの内壁面内径が、吸入孔（２３）中心軸位置から、前記吸入部（１９ｂ）端部に対応した部位までの範囲で拡大しており、
   前記セパレータハウジングの内壁面内径は、前記吸入孔（２３）中心軸位置と、前記吸入部（１９ｂ）端部に対応した部位までの範囲で、２段階の内径を持ち、
   前記セパレータハウジングの内壁面内径において、前記吸入孔（２３）中心軸を含む断面における内径Ｄ１と、前記吸入孔（２３）中心軸位置から前記吸入部（１９ｂ）端部に対応した部位までの範囲で変化した断面の内径Ｄ２との関係が、
   １．１≦Ｄ２／Ｄ１≦１．５
   の範囲にあることを特徴とするオイルセパレータ。
2. 前記内径Ｄ１、前記内径Ｄ２、及び、前記内径Ｄ１から前記内径Ｄ２に変化した位置から、前記吸入部（１９ｂ）端部に対応した部位までの前記内壁面の中心軸方向の距離Ｌ２との関係が、
   ７≦Ｌ２／（（Ｄ２−Ｄ１）／２）≦２２
   の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載のオイルセパレータ。
3. 冷媒圧縮機の圧縮機構部（５７）より吐出するオイル混入の冷媒から、オイルを遠心分離して、分離したオイルを前記冷媒圧縮機に再循環させるとともに、分離後の冷媒を外部に吐出するようにしたオイルセパレータであって、該オイルセパレータは、
   前記冷媒圧縮機に再循環させるための送油口（８７）を持つ貯油室（９３）と、
   前記圧縮機構部（５７）から吐出した冷媒を、セパレータハウジング（１７）の円筒状の内壁面の接線方向から流入させる吸入孔（２３）、外部に冷媒を吐出するガス吐出口（１８）、及び、前記貯油室（９３）に連通する開口部（１７ｂ）を有するセパレータハウジング（１７）と、
   吐出部（１９ａ）と吸入部（１９ｂ）から構成された分離パイプ部（１９）であって、該吐出部（１９ａ）がセパレータハウジング（１７）の前記内壁面に嵌合又は設置されて、ガス吐出口（１８）に連通し、前記吸入部（１９ｂ）の外径がセパレータハウジングの内壁面内径より小さい筒状で、前記吸入部（１９ｂ）端部がセパレータハウジング内で前記吸入孔（２３）より貯油室側に開口した分離パイプ部（１９）と、を具備し、
   セパレータハウジングの内壁面内径が、吸入孔（２３）中心軸位置から、前記吸入部（１９ｂ）端部に対応した部位までの範囲で拡大しており、
   前記セパレータハウジングの内壁面内径は、前記吸入孔（２３）中心軸位置と、前記吸入部（１９ｂ）端部に対応した部位までの範囲で、２段階の内径を持ち、
   前記吸入孔（２３）の流路断面積Ａ０、
   前記吸入部（１９ｂ）の外径と、前記吸入孔（２３）中心軸を含む断面における前記内壁面内径（Ｄ１）との間の環状空間の流路断面積Ａ１、
   前記吸入孔（２３）中心軸位置から、拡大した内壁面内径（Ｄ２）に変化した位置までの前記内壁面の中心軸方向の距離Ｌ１との関係が、
   ７＜Ｌ１×（Ａ１／Ａ０）＜１１０
   の範囲にあることを特徴とするオイルセパレータ。
4. 前記セパレータハウジングの内壁面内径が、前記内壁面の中心軸方向に、前記吸入孔（２３）中心軸位置から、前記吸入部（１９ｂ）端部に対応した部位までの範囲で、徐々に拡大することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のオイルセパレータ。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載のオイルセパレータを具備した圧縮機。