JP6187514B2

JP6187514B2 - 冷凍装置

Info

Publication number: JP6187514B2
Application number: JP2015058218A
Authority: JP
Inventors: 誠高柳; 千織藤田; 知久竹内; 拓也小谷
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2015-03-20
Filing date: 2015-03-20
Publication date: 2017-08-30
Anticipated expiration: 2035-03-20
Also published as: JP2016176664A

Description

本発明は、空気調和装置等の冷凍装置に関する。

蒸気圧縮式の冷凍サイクル運転を行う空気調和装置等の冷凍装置においては、冷媒を圧縮する圧縮機の駆動部品を潤滑にするために冷凍機油が封入されている。この冷凍機油の一部は、圧縮機から吐出される冷媒とともに、冷媒回路中に流出する。流出した冷凍機油の大部分は、油分離器により分離されて圧縮機に戻されるが、一部の冷凍機油は、冷媒とともに冷媒回路内を循環してから圧縮機に戻されるようになっている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−３１６０５８号公報

圧縮機内の冷凍機油は、冷媒回路中に流出したとしても不足が生じないように、実際の冷媒配管長に関係なく最大配管長を想定して多めに封入されている。そのため、圧縮機内には、適正量よりも多い冷凍機油が貯留される場合がある。
しかし、圧縮機内の冷凍機油は、その量が多いほど冷媒と共に吐出されやすくなり、冷媒回路中に多くの冷凍機油が流出する。冷媒回路中に流出した冷凍機油は熱交換器等における熱交換の妨げとなるため、冷凍装置の性能が低下する可能性がある。

本発明は、圧縮機内に保有された冷凍機油の冷媒回路中への流出を抑制して性能の向上を図ることができる冷凍装置を提供することを目的とする。

（１）本発明の冷凍装置は、圧縮機と、この圧縮機の吐出側に接続される油分離器と、前記圧縮機の吸入側と前記油分離器との間に設けられ、前記油分離器内の冷凍機油を前記圧縮機に戻すための第１の油戻し配管と、を有し、蒸気圧縮式の冷凍サイクル運転を行う冷凍装置であって、
前記第１の油戻し配管には、
冷凍機油を貯留可能な油調整容器と、
前記油調整容器から前記圧縮機へ戻る冷凍機油の流量を一定量に制限することによって、前記圧縮機内の冷凍機油の量を所定量に安定させる絞り部材と、が設けられ、
前記圧縮機内の油面高さが当該圧縮機内の潤滑が適切に行われる規定油面高さでありかつ前記圧縮機が定格回転数で運転されているときに、前記圧縮機から吐出される冷凍機油の量が前記油調整容器から前記圧縮機に戻されるように、前記絞り部材の抵抗が設定され、
前記油調整容器と前記圧縮機との間には、前記第１の油戻し配管と並列に第２の油戻し配管が設けられ、この第２の油戻し配管に流量を調整する調整弁が設けられ、
前記圧縮機、前記油分離器、前記第１の油戻し配管、前記油調整容器、前記絞り部材、前記第２の油戻し配管、及び前記調整弁を有する室外機が複数並列に接続され、
前記調整弁の開閉を制御する制御部を更に備え、
前記制御部は、前記油調整容器内の冷凍機油を全て排出し、前記各室外機における前記圧縮機に均等に冷凍機油を保有させる油戻し運転の際に前記調整弁を開くように制御する。

上記の構成によれば、油調整容器が第１の油戻し配管に設けられているので、油分離器から圧縮機に戻る途中の余剰の冷凍機油を油調整容器に貯留することができる。したがって、圧縮機内の冷凍機油の余剰量を少なくすることができ、圧縮機から冷媒とともに吐出される冷凍機油量を可及的に少なくし、熱交換効率の低下等を抑制することができる。
一方、絞り部材は、油調整容器から圧縮機へ戻る冷凍機油の流量を一定量に制限し、圧縮機内の冷凍機油の量を所定量に安定させる。例えば、圧縮機内の適正な量の冷凍機油が保有させているときは、絞り部材によって、圧縮機から吐出される冷凍機油とほぼ同量の冷凍機油を油調整容器から圧縮機に戻し、圧縮機内の冷凍機油を適正量に安定させることができる。圧縮機内に保有された冷凍機油が適正量よりも多い場合は、圧縮機から吐出される冷凍機油の流量が多くなるが、キャピラリによって制限された流量で油調整容器から圧縮機に冷凍機油を戻し、余剰分は油調整容器に貯留することによって、圧縮機内の冷凍機油を適正量に安定させることができる。逆に、圧縮機内に保有された冷凍機油が適正量よりも少ない場合は、圧縮機から吐出される冷凍機油の流量が少なくなるが、圧縮機から吐出される冷凍機油に加えて油調整容器内に貯留された冷凍機油もキャピラリを介して圧縮機に戻すことができるので、次第に圧縮機内の冷凍機油を適正量に安定させることができる。したがって、本発明においては、第１の油戻し配管に絞り部材を設けることによって、開閉弁等の電気部品を用いなくても圧縮機内の冷凍機油の量を安価に制御することができる。また、絞り部材として、故障等の少ない部品を用いることができるので信頼性を高めることができる。
なお、冷凍機油を安定させる所定量とは、特定の１つの値であってもよいし、一定幅を有する範囲であってもよい。また、圧縮機が容量可変型（運転回転数可変型）である場合には、その容量（運転回転数）に応じて所定量は変化する。
また、冷媒回路内に存在する冷凍機油を圧縮機に戻す油戻し運転を行う際に、絞り部材による流量の制限に影響されることなく、油調整容器内の冷凍機油を第２の油戻し配管を介して圧縮機に戻すことができる。
なお、ここでいう調整弁は、流量を無段階又は多段階に調整できるものに限らず、単に第２の油戻し配管を開閉するだけのもの（冷凍機油の流れをオンオフする開閉弁）も含む。

（２）前記絞り部材の抵抗は、当該冷凍装置の定常運転において前記絞り部材の上流側と下流側との差圧が最低となる条件のときに、前記油調整容器から前記圧縮機に戻される冷凍機油の流量が前記圧縮機から吐出される冷凍機油の流量よりも大きくなるように設定されていることが好ましい。

本発明によれば、圧縮機内に保有された冷凍機油の冷媒回路中への流出を抑制し、性能の向上を図ることができる。

本発明の一実施の形態における空気調和装置の概略構成図である。空気調和装置の要部（圧縮機回り）を詳細に示す概略構成図である。圧縮機内の冷凍機油の油面高さと油上がり率との関係を説明するグラフである。圧縮機の回転数と油上がり率とキャピラリの抵抗との関係を説明するグラフである。圧縮機の回転数と、圧縮機内、油調整容器内、及び冷媒回路の配管内における冷凍機油量との関係を説明するグラフである。

図１は、本発明の一実施の形態に係る冷凍装置としての空気調和装置を示す模式図である。
空気調和装置１は、例えばビル用のマルチタイプの空気調和装置であり、複数の室外機２に対して複数の室内機３が並列に接続され、冷媒が流通できるように、冷媒回路１０が形成されている。

室外機２には、圧縮機１１、四路切換弁１２、室外熱交換器１３、室外膨張弁１４、アキュムレータ２０、油分離器２１等が設けられている。これらは冷媒配管によって接続されている。また、室外機２には、送風ファン２２が設けられている。室内機３には、室内膨張弁１５及び室内熱交換器１６等が設けられている。

四路切換弁１２と室内熱交換器１６とはガス側冷媒連絡配管１７ａにより接続されている。室外膨張弁１４と室内膨張弁１５とは液側冷媒連絡配管１７ｂにより接続されている。室外機２の内部冷媒回路の端末部には、ガス側閉鎖弁１８と液側閉鎖弁１９とが設けられている。ガス側閉鎖弁１８は四路切換弁１２側に配置されており、液側閉鎖弁１９は室外膨張弁１４側に配置されている。ガス側閉鎖弁１８にはガス側冷媒連絡配管１７ａが接続され、液側閉鎖弁１９には液側冷媒連絡配管１７ｂが接続される。

図２にも示すように、油分離器２１は、圧縮機１１の吐出側と四路切換弁１２との間の吐出配管３１に設けられている。また、油分離器２１は、四路切換弁１２と圧縮機１１の吸入側とを接続する吸入配管３２に、第１の油戻し配管３３を介して接続されている。

上記構成の空気調和装置１において、冷房運転を行う場合には、四路切換弁１２が図１において実線で示す状態に保持される。圧縮機１１から吐出された高温高圧のガス状冷媒は、油分離器２１及び四路切換弁１２を経て室外熱交換器１３に流入し、送風ファン２２の作動により室外空気と熱交換して凝縮・液化する。液化した冷媒は、全開状態の室外膨張弁１４を通過し、液側冷媒連絡配管１７ｂを通って各室内機３に流入する。室内機３において、冷媒は、室内膨張弁１５で所定の低圧に減圧され、さらに室内熱交換器１６で室内空気と熱交換して蒸発する。そして、冷媒の蒸発によって冷却された室内空気は、図示しない室内ファンによって室内に吹き出され、当該室内を冷房する。また、室内熱交換器１６で蒸発して気化した冷媒は、ガス側冷媒連絡配管１７ａを通って室外機２に戻り、四路切換弁１２及びアキュムレータ２０を経て圧縮機１１に吸い込まれる。

他方、暖房運転を行う場合には、四路切換弁１２が図１において破線で示す状態に保持される。圧縮機１１から吐出された高温高圧のガス状冷媒は、油分離器２１及び四路切換弁１２を経て各室内機３の室内熱交換器１６に流入し、室内空気と熱交換して凝縮・液化する。冷媒の凝縮によって加熱された室内空気は、室内ファンによって室内に吹き出され、当該室内を暖房する。室内熱交換器１６において液化した冷媒は、目標の過冷却度となるように開度調節された室内膨張弁１５から液側冷媒連絡配管１７ｂを通って室外機２に戻る。室外機２に戻った冷媒は、室外膨張弁１４で所定の低圧に減圧され、さらに室外熱交換器１３で室外空気と熱交換して蒸発する。そして、室外熱交換器１３で蒸発して気化した冷媒は、四路切換弁１２及びアキュムレータ２０を経て圧縮機１１に吸い込まれる。

圧縮機１１は、容量可変型であり、インバータ制御によってモータの回転数が調整される。また、圧縮機１１の内部には、駆動部品を潤滑するための冷凍機油が貯留されており、この冷凍機油は、冷媒とともに僅かな量が圧縮機１１から吐出される。吐出された冷凍機油は、油分離器２１において冷媒から分離され、第１の油戻し配管３３を介して圧縮機１１の吸入側に戻される。
また、第１の油戻し配管３３には、油調整容器２３と、キャピラリチューブ（絞り部材）２４とが設けられている。油調整容器２３は、内部に冷凍機油を貯留可能に構成されている。キャピラリチューブ２４は、第１の油戻し配管３３を流れる冷凍機油に抵抗を与え、内部を流れる冷凍機油の流量を略一定に制限する。さらに、油調整容器２３と吸入配管３２との間には、第１の油戻し配管３３と並列に第２の油戻し配管３４が設けられている。そして、第２の油戻し配管３４には、電磁弁（開閉弁）２６が設けられている。

油分離器２１によって分離された冷凍機油は、そのまま油調整容器２３に流入し、キャピラリチューブ２４によって制限された流量で圧縮機１１に戻される。油分離器２１から油調整容器２３に流入する冷凍機油の流量が、キャピラリチューブ２４を流れる冷凍機油の流量よりも多い場合は、流量差に相当する量の冷凍機油が油調整容器２３内に貯留される。逆に油分離器２１から油調整容器２３に流入する冷凍機油の流量が、キャピラリチューブ２４を流れる冷凍機油の流量よりも少ない場合は、油分離器２１から油調整容器２３に流入する冷凍機油の全量が圧縮機１１に戻され、さらに元々油分離器２１内に貯留されていた冷凍機油も圧縮機１１に戻される。油分離器２１から油調整容器２３に流入する冷凍機油の量は、圧縮機１１から吐出される冷凍機油の量に依存する。

図３は、圧縮機内の冷凍機油の油面高さと油上がり率との関係を説明するグラフである。油上がり率とは、圧縮機１１から吐出される冷媒に含まれる冷凍機油の割合であり、その値が高いほど圧縮機１１から吐出される冷凍機油の量が多くなる。図３によると、油上がり率は、圧縮機１１内の冷凍機油の油面高さが高いほど、つまり冷凍機油の量が多いほど、高くなることが分かる。また、図３には、複数の回転数毎に冷凍機油の量と油上がり率との関係が示されている。これによると、回転数が高いほど油上がり率が高くなる傾向にあることが分かる。

本実施の形態において、キャピラリチューブ２４によって制限される冷凍機油の流量（抵抗）は、例えば以下のように設定することができる。
図４は、圧縮機の回転数と油上がり率とキャピラリチューブの抵抗との関係を説明するグラフである。キャピラリチューブ２４の抵抗を設定するにあたって、まず、圧縮機１１が定格回転数で運転されているときに、圧縮機１１内の潤滑が適切に行われる油面高さを「規定油面高さ」に設定する。例えば、図２に示すように、定格回転数を１４０ｒｐｓとしたとき、油上がり率が３％となる油面高さを「規定油面高さ」に設定する。

そして、図４に示すように、圧縮機１１を定格回転数で運転しているときに圧縮機１１から吐出される冷凍機油の量、すなわち油上がり率３％で吐出される冷凍機油の量（規定の吐出油量）が、そのまま油調整容器２３から圧縮機１１に戻されるようにキャピラリチューブ２４の抵抗を選定する。したがって、圧縮機１１内に規定油面高さの冷凍機油が保有されている場合、定格回転数による運転中は、圧縮機１１内の冷凍機油は規定の油面高さで維持されることになる。

圧縮機１１内に保有される冷凍機油が規定油面高さを超えている場合（図４の「油面（高）」参照）、定格回転数で圧縮機１１を駆動すると３％を超える油上がり率で冷凍機油が吐出されて油調整容器２３に流入する。しかし、圧縮機１１には、キャピラリチューブ２４によって油上がり率３％相当の冷凍機油しか戻らないので、図３に矢印ａで示すように、圧縮機１１内に保有される冷凍機油が次第に減り、規定油面高さで安定する。そして、圧縮機１１に戻されなかった冷凍機油は油調整容器２３に貯留される。

したがって、圧縮機１１から吐出される冷凍機油の量が規定よりも多い場合であっても、余剰分を油調整容器２３内に貯留することができる。そのため、圧縮機１１に戻されなかった冷凍機油が冷媒回路１０内に排出されるのを防止し、冷凍装置１の性能の低下を抑制することができる。

逆に、圧縮機１１内に保有される冷凍機油が規定油面高さに満たない場合（図３の「油面（低）」参照）、定格回転数で運転すると３％未満の油上がり率で冷凍機油が吐出され、油調整容器２３に流入する。しかし、油調整容器２３から圧縮機１１には、キャピラリチューブ２４により、油調整容器２３に元々貯留されていた冷凍機油も含めて油上がり率３％相当の冷凍機油が戻される。すなわち、油調整容器２３に流入する冷凍機油よりも流出する冷凍機油の方が多くなる。そのため、図３に矢印ｂで示すように、圧縮機１１内に保有される冷凍機油が次第に増え、規定油面高さで安定する。

したがって、圧縮機１１内の冷凍機油が規定よりも少ない場合であっても、油調整容器２３内の冷凍機油に用いて規定油面高さまで冷凍機油を増量することができる。そのため、定格運転時の油切れを防止し、圧縮機１１の信頼性を高め、安定した冷凍サイクル運転を行うことができる。

一方、圧縮機１１が定格回転数よりも低い回転数で運転される場合、例えば、図４における回転数Ａで圧縮機１１が運転される場合について説明する。圧縮機１１内に保有される冷凍機油の量が規定油面高さである場合、圧縮機１１からは３％に満たない冷凍機油の量が吐出されるが、キャピラリチューブ２４によって、油調整容器２３に貯留されていた冷凍機油も含めて油上がり率３％の相当の冷凍機油が圧縮機１１に戻される。したがって、圧縮機１１内に保有される冷凍機油が次第に増え、規定油面高さよりも高い油面（図３における油面（高））で安定する。この場合、定格運転時の規定油面高さよりも多い冷凍機油が圧縮機１１内に保有されることになるが、圧縮機１１から吐出される冷凍機油の量は定格運転時からは増えないため、冷媒回路１０内に排出される冷媒の量が増えることもない。

なお、キャピラリチューブ２４の抵抗は、冷凍装置１の定常運転（冷房運転及び暖房運転）で、キャピラリチューブ２４の上流側と下流側の差圧も考慮して設定される。具体的には、定常運転における最低差圧の条件で、油調整容器２３から圧縮機１１に戻される冷凍機油の流量が圧縮機１１から吐出される冷凍機油の流量よりも大きくなるように設定される。

図５は、圧縮機の回転数と、圧縮機内、油調整容器内、及び冷媒回路の配管内における冷凍機油量との関係を説明するグラフである。
図５によると、回転数が低い領域αでは、圧縮機１１に保有される冷凍機油の量が多くなり、逆に油調整容器２３内の冷凍機油の貯留量や配管に保持される冷凍機油量は少ない。また、領域βのように回転数が上昇すると、圧縮機１１から吐出される冷凍機油量が増大するため、圧縮機１１の保有量は減少するが、その分油調整容器２３に貯留される冷凍機油量が増え、冷媒回路１０の配管に排出される冷凍機油量はそれほど増加しない。そして、回転数が高い領域γでは、圧縮機１１、油調整容器２３、及び配管で保持される冷凍機油量が安定する。

図２に示すように、第２の油戻し配管３４に設けられた電磁弁２６は、冷凍装置１の定常運転の際は閉じた状態とされ、特定の運転状態のときに開いた状態とされることによって油調整容器２３内の冷凍機油を圧縮機１１に戻すように構成されている。
例えば、キャピラリチューブ２４の上流側と下流側の差圧が所定値以下であり、キャピラリチューブ２４を介して油調整容器２３内の冷凍機油を圧縮機１１に戻せない場合には、電磁弁２６を開き、第２の油戻し配管３４を経由して冷凍機油を圧縮機１１に戻すことができる。

また、冷凍装置１の起動時、デフロスト運転時、又は油戻し運転時等の定常運転以外の運転状態の場合にも、圧縮機１１内の油切れが生じないように電磁弁２６を開き、油調整容器２３内の冷凍機油を第２の油戻し配管３４を介して圧縮機１１に戻すことができる。
なお、油戻し運転とは、例えば、複数台の室外ユニット間で圧縮機１１に保有される冷凍機油の偏り（偏油）を解消するために定期的に行われる運転であり、電磁弁２６を開くことによって油調整容器２３内の冷凍機油を全て排出し、各圧縮機１１に均等に冷凍機油が保有されるようにする運転である。

電磁弁２６は、制御部４０によって動作制御される。特に、キャピラリチューブ２４の上流側と下流側の差圧に応じて電磁弁２６を開閉する場合には、制御部４０は、キャピラリチューブ２４の上流側圧力（圧縮機１１の吐出圧力）と下流側圧力（圧縮機１１の吸入圧力）とを測定する圧力センサ２８，２９（図２参照）の検出値に基づいて電磁弁２６を制御することができる。

本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内において適宜変更可能である。
例えば、上記実施の形態において説明した定格運転の回転数や、規定油面の基準となる油上がり率等は、冷凍装置１の種類や設置状況等に応じて適宜変更することができるものである。

第２の油戻し配管３４に設けられた電磁弁２６は、冷凍機油の流量を調整可能な調整弁とされていてもよい。
冷媒回路の構成も上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、冷媒回路中に他の付属機器が含まれていてもよい。

上記実施形態では、キャピラリチューブ２４の上流側圧力と下流側圧力とを測定するために圧力センサ２８，２９が用いられていたが、凝縮器における凝縮温度又は蒸発器における蒸発温度を温度センサによって測定し、その温度を圧力に換算してもよい。

上記実施形態の室外熱交換器１３は、空気と熱交換を行う空気熱源式とされていたが、水と熱交換を行う水熱源式とされていてもよい。

１：空気調和装置（冷凍装置）
１０：冷媒回路
１１：圧縮機
２１：油分離器
２３：油調整容器
２４：キャピラリチューブ（絞り部材）
２６：電磁弁（調整弁）
３３：第１の油戻し配管
３４：第２の油戻し配管
４０：制御部

Claims

圧縮機（１１）と、この圧縮機（１１）の吐出側に接続される油分離器（２１）と、前記圧縮機（１１）の吸入側と前記油分離器（２１）との間に設けられ、前記油分離器（２１）内の冷凍機油を前記圧縮機（１１）に戻すための第１の油戻し配管（３３）と、を有し、蒸気圧縮式の冷凍サイクル運転を行う冷凍装置であって、
前記第１の油戻し配管（３３）には、
油を貯留可能な油調整容器（２３）と、
前記油調整容器（２３）から前記圧縮機（１１）へ戻る冷凍機油の流量を一定量に制限することによって、前記圧縮機（１１）内の冷凍機油の量を所定量に安定させる絞り部材（２４）と、が設けられ、
前記圧縮機（１１）内の油面高さが当該圧縮機（１１）内の潤滑が適切に行われる規定油面高さでありかつ前記圧縮機（１１）が定格回転数で運転されているときに、前記圧縮機（１１）から吐出される冷凍機油の量が前記油調整容器（２３）から前記圧縮機（１１）に戻されるように、前記絞り部材（２４）の抵抗が設定され、
前記油調整容器（２３）と前記圧縮機（１１）との間には、前記第１の油戻し配管（３３）と並列に第２の油戻し配管（３４）が設けられ、この第２の油戻し配管（３４）に流量を調整する調整弁（２６）が設けられ、
前記圧縮機（１１）、前記油分離器（２１）、前記第１の油戻し配管（３３）、前記油調整容器（２３）、前記絞り部材（２４）、前記第２の油戻し配管（３４）、及び前記調整弁（２６）を有する室外機（２）が複数並列に接続され、
前記調整弁（２６）の開閉を制御する制御部（４０）を更に備え、
前記制御部（４０）は、前記油調整容器（２３）内の冷凍機油を全て排出し、前記各室外機（２）における前記圧縮機（１１）に均等に冷凍機油を保有させる油戻し運転の際に前記調整弁（２６）を開くように制御する、冷凍装置。
前記絞り部材（２４）の抵抗は、当該冷凍装置の定常運転において前記絞り部材（２４）の上流側と下流側との差圧が最低となる条件のときに、前記油調整容器（２３）から前記圧縮機（１１）に戻される冷凍機油の流量が前記圧縮機（１１）から吐出される冷凍機油の流量よりも大きくなるように設定されている、請求項１に記載の冷凍装置。