JP6293646B2 - ヒートポンプ - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプに関する。

従来より、圧縮機を潤滑する冷凍気油（オイル）を該圧縮機の吐出経路に供給するための充填ポートを備えたヒートポンプが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−２７６２０２号公報

ところで、圧縮機の吐出経路にオイルセパレータが設けられたヒートポンプでは、工場出荷時に、オイルセパレータに所定量のオイルが充填ポートを介して予め充填される場合がある。

ところが、オイルは粘性が高いために流動性に欠ける。そのため、１つの充填ポートに対してオイルと冷媒を交互に供給することにより、粘性の高いオイルを冷媒によって希釈し、オイルの流動性を高めていた。その結果、オイルの充填に時間がかかっていた。

そこで、本発明は、ヒートポンプにおいて、圧縮機を潤滑するオイルの充填時間を短縮することを課題とする。

上記技術的課題を解決するために、本発明の一態様によれば、
圧縮機と、
圧縮機の吐出経路に設けられたオイルセパレータと、
オイルセパレータから圧縮機にオイルを戻すオイル戻し経路と、
オイル戻し経路に配置された開閉弁と、
オイルセパレータと開閉弁との間のオイル戻し経路の部分に設けられ、オイルを充填するときに使用される複数の充填ポートと、を有するヒートポンプが提供される。

本発明によれば、ヒートポンプにおいて、圧縮機を潤滑するオイルの充填時間を短縮することができる。

本発明の一実施の形態に係るヒートポンプの構成を示す回路図 本発明の一実施の形態に係るヒートポンプの一部を示す斜視図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係るヒートポンプの構成を示す回路図である。図２は、ヒートポンプの一部を示す斜視図である。なお、図１において、実線は、冷媒が流れる経路（冷媒管）を示し、破線は、冷凍機油（オイル）が流れる経路（オイル管）を示している。また、図１に示す回路図では、説明を簡略化するために、フィルタなどのヒートポンプの構成要素が省略されている。

図１に示すように、ヒートポンプ１０は、外気と熱交換を行う室外機１２と、室内空気と熱交換を行う室内機１４とを有する。

室外機１２は、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機１６と、外気と熱交換を行う熱交換器１８と、四方弁２０とを有する。一方、室内機１４は、室内空気と熱交換を行う熱交換器２２を有する。

圧縮機１６は、例えばガスエンジンなどの駆動源２４によって駆動される。本実施の形態の場合、２基の圧縮機１６と１基のガスエンジン２４とが室外機１２に搭載されている。図２に示すように、圧縮機１６それぞれは、クラッチ２６とベルト２８とを介して、ガスエンジン２４の出力軸に取り付けられたフライホイール３０に連結されている。クラッチ２６を介することにより、１つのガスエンジン２４によって圧縮機１６の少なくとも一方を選択的に駆動することができる。

圧縮機１６の吐出ポート１６ａから吐出された高温・高圧のガス状冷媒は、四方弁２０によって室外機１２の熱交換器１８または室内機１４の熱交換器２２に向けられる。暖房運転の場合、圧縮機１６から吐出されたガス状冷媒は、室内機１４の熱交換器２２に送られる。一方、冷房運転の場合、ガス状冷媒は室外機１２の熱交換器１８に送られる。

圧縮機１６の吐出経路上、すなわち圧縮機１６の吐出ポート１６ａと四方弁２０との間の冷媒経路上には、冷媒に含まれるオイルを分離するオイルセパレータ３２が設けられている。

暖房運転の場合、圧縮機１６から吐出されて四方弁２０（実線）を通過した高温・高圧のガス状冷媒は、室内機１４の熱交換器２２で室内空気と熱交換を行う。すなわち、熱交換器２２を介して、冷媒から室内空気に熱が移動する。その結果、冷媒は、低温・高圧の液状態にされる。

レシーバ３６が室外機１２に設けられている。レシーバ３６は、室内機１４の熱交換器２２で室内空気と熱交換を行った後の低温・高圧の液状冷媒を一時的に蓄えるバッファタンクである。室内機１４の熱交換器２２から流出した液状冷媒は、逆止弁３４を通過してレシーバ３６内に流入する。

レシーバ３６内の低温・高圧の液状冷媒は、室外機１２の熱交換器１８に送られる。レシーバ３６と熱交換器１８との間の経路には、逆止弁３８と膨張弁４０とが設けられている。レシーバ３６から流出した低温・高圧の液状冷媒は、膨張弁４０によって膨張され、低温・低圧の液状態（霧状態）にされる。

膨張弁４０を通過した低温・低圧の液状冷媒は、室外機１２の熱交換器１８で外気と熱交換を行う。すなわち、熱交換器１８を介して、外気から冷媒に熱が移動する。その結果、冷媒は、低温・低圧のガス状態にされる。

室外機１２の熱交換器１８で外気と熱交換を行った後の低温・低圧のガス状冷媒を一時的に蓄えるアキュムレータ４２が室外機１２に設けられている。アキュムレータ４２は、圧縮機１６の吸入経路（圧縮機１６の吸入ポート１６ｂと四方弁２０との間の経路）に設けられている。

アキュムレータ４２内の低温・低圧のガス状冷媒は、圧縮機１６内に吸入されて圧縮される。その結果、冷媒は、高温・高圧のガス状態にされ、再び室内機１４の熱交換器２２に向かって送られる。

なお、低温・低圧ガス状冷媒がアキュムレータ４２に一時的に留まる間に、ガス状冷媒に含まれる少量の液状冷媒が分離する。この液状冷媒は、アキュムレータ４２内に貯められる。

一方、冷房運転の場合、圧縮機１６の吐出ポート１６ａから吐出された高温・高圧のガス状冷媒は、四方弁２０（二点鎖線）を介して、室外機１２の熱交換器１８に移動する。その熱交換器１８で外気と熱交換することにより、冷媒は、低温・高圧の液状態にされる。熱交換器１８から流出した冷媒は、膨張弁４０を通過することにより、低温・低圧の液状態（霧状態）にされる。膨張弁４０を通過した冷媒は、逆止弁４４、レシーバ３６、逆止弁４６を順に通過して室内機１４の熱交換器２２に到達する。その熱交換器２２で室内空気と熱交換することにより、冷媒は低温・低圧のガス状態にされる。そして、熱交換器２２を流出した冷媒は、四方弁２０、アキュムレータ４２を通過して圧縮機１６に戻る。

また、冷房効率を向上させるために、ヒートポンプ１０は、レシーバ３６から逆止弁４６に向かう冷媒を冷却するための冷却用熱交換器４８を有する。

冷却用熱交換器４８は、レシーバ３６から逆止弁４６に向かう液状冷媒と霧状冷媒との間で熱交換が行われるように、すなわち液状冷媒を霧状冷媒で冷却するように構成されている。この霧状冷媒は、冷却用熱交換器４８から逆止弁４６に向かう液状冷媒の一部を膨張弁５０によって霧状にしたものである。この膨張弁５０は、冷却用熱交換器４８による液状冷媒の冷却を選択的に行うために、開度調整可能な弁である。

ヒートポンプ１０の制御装置（図示せず）が膨張弁５０を制御することによって該膨張弁５０が少なくとも部分的に開くと、冷却用熱交換器４８を通過して逆止弁４６を通過する前の液状冷媒の一部が膨張弁５０を通過して霧状にされる。膨張弁５０によって霧状にされた冷媒は、冷却用熱交換器４８内に流入し、レシーバ３６から流出して逆止弁４６を通過する前の液状冷媒から熱を奪い、それによりガス化する。その結果として、室内機１４の熱交換器２２に、膨張弁５０が閉じた状態の時に比べて低温な液状冷媒が流入する。

一方、レシーバ３６から流出して逆止弁４６を通過する前の液状冷媒から熱を奪ったガス状冷媒は、冷却用熱交換器４８から圧縮機１６に直接戻される。また、このガス冷媒は、アキュムレータ４２に貯まる液状冷媒を蒸発させるために使用される。すなわち、開閉弁５２が開くことにより、アキュムレータ４２内の液状冷媒が、冷却用熱交換器４８から圧縮機１６に戻るガス状冷媒に混合されてガス化し、圧縮機１６に戻される。

さらに、ヒートポンプ１０は、四方弁２０から圧縮機１６に戻るガス状冷媒に含まれる液状冷媒をガス化するための蒸発補助用熱交換器５４を有する。

圧縮機１６に戻るガス状冷媒に液状冷媒が含まれるか否かを判定するために、四方弁２０とアキュムレータ４２との間の経路には、冷媒の温度と圧力とを検出する温度センサ５６と圧力センサ５８とが設けられている。温度センサ５６と圧力センサ５８は、検出結果に対応する検出信号をヒートポンプ１０の制御装置（図示せず）に出力する。制御装置は、温度センサ５６と圧力センサ５８とからの検出信号に基づいて、圧縮機１６に戻るガス状冷媒に液状冷媒が含まれるか否かを判定する。すなわち、圧力センサ５８によって検出された冷媒の圧力が、温度センサ５６によって検出された温度に対応する蒸気圧とほぼ同一であれば、圧縮機１６に戻るガス状冷媒に液状冷媒がほとんど含まれていない（液状冷媒は実質的にゼロである）と判定する。

蒸発補助用熱交換器５４は、レシーバ３６から流出して逆止弁３８を通過する前の低温・高圧の液状冷媒の一部を利用する。そのために、レシーバ３６と蒸発補助用熱交換器５４との間には、開度が調節可能な膨張弁６０が設けられている。

ヒートポンプ１０の制御装置（図示せず）は、圧縮機１６に戻るガス状冷媒に液状冷媒が規定量以上含まれていると判定すると、膨張弁６０を制御する。それにより、膨張弁６０が少なくとも部分的に開く。

膨張弁６０が少なくとも部分的に開くと、レシーバ３６から流出して逆止弁３８を通過する前の低温・高圧の液状冷媒の一部が、膨張弁６０を流れ、低温・低圧の霧状にされる。

膨張弁６０を通過した霧状の冷媒は、蒸発補助用熱交換器５４で、例えばガスエンジン２４の高温な排気ガスや冷却液などによって加熱される。それにより、膨張弁６０を通過して蒸発補助用熱交換器５４に流入した霧状の冷媒は、高温・低圧のガス状態にされる。この蒸発補助用熱交換器５４で加熱された高温のガス状冷媒は、四方弁２０とアキュムレータ４２との間の経路に投入される。それにより、四方弁２０を通過して圧縮機１６に戻るガス状冷媒に含まれる液状冷媒が、蒸発補助用熱交換器５４からの高温のガス状冷媒によって加熱されて蒸発する（ガス化する）。その結果として、アキュムレータ４２に流入する冷媒は、ほぼガス状態にされる。

これまでは、冷媒に関するヒートポンプ１０の構成要素について説明してきた。ここからは、圧縮機１６を潤滑するためのオイルに関する構成要素について説明する。

圧縮機１６の摺動部を潤滑するオイルは、その一部が冷媒とともに圧縮機１６から吐出される。圧縮機１６から吐出された冷媒に含まれるオイルは、圧縮機１６と四方弁２０との間の圧縮機１６の吐出経路に設けられたオイルセパレータ３２によってほぼ回収される。

オイルセパレータ３２によって回収されたオイルは、オイルセパレータ３２の底部に接続されたオイル戻し経路（オイル戻し管）６２を介して、圧縮機１６の摺動部にオイルを供給するための該圧縮機１６内のオイル潤滑経路に戻される。このオイル戻し経路６２上には、開閉弁６４が設けられている。ヒートポンプ１０の稼動中、開閉弁６４は開いた状態である。それにより、ヒートポンプ１０の摺動部はオイルによって潤滑され続ける。

ところで、ヒートポンプ１０の室外機１２は、オイルセパレータ３２に所定量のオイルが予め充填された状態で工場出荷される場合がある。これにより、室外機１２の設置場所でオイルをヒートポンプ１０に充填する手間を省くことができる。

オイルセパレータ３２へのオイルの充填はオイル戻し経路６２に設けられた複数の充填ポート６６を介して行われる。本実施の形態の場合、図２に示すように、２つの充填ポート６６が、鉛直方向（Ｚ軸方向）に並んだ状態で、鉛直方向に延在するオイル戻し経路６２の部分に設けられている。

具体的には、充電ポート６６とオイル戻し経路６２を介するオイルセパレータ３２への充填は、圧縮機１６が停止した状態で且つ開閉弁６４が閉じた状態で行われる。そのため、開閉弁６４は、非通電時に閉じた状態であるソレノイド弁である。

なお、オイルの充填は、１つの充填ポート６６でも可能である。ただし、２つの充填ポート６６を利用する方が、１つの充填ポート６６を使用する場合に比べてオイルの充填時間を短縮することができる。その理由について説明する。

まず、オイルは、冷媒に比べて粘性が高いために流動性が低い。そのため、充填ポート６６にオイルを充填しても、そのオイルがオイルセパレータ３２に到達しにくい。

オイルがオイルセパレータ３２にスムーズに到達できるように、オイルを冷媒によって希釈し、オイルの流動性を向上させる。すなわち、オイルセパレータ３２に向かってスムーズに流れることができる流動性の高い冷媒に流動性の低いオイルを同伴させることにより、オイルをオイルセパレータ３２に到達させる。

このとき、充填ポート６６が１つのみである場合、その１つ充填ポート６６に対してオイルと冷媒とを交互に供給する必要がある。そのため、オイルセパレータ３２への所定量のオイルの充填完了までに時間がかかるとともに作業性が悪い。

この冷媒を利用したオイルのオイルセパレータ３２への充填にかかる時間を短縮するとともに作業性を向上させるために、２つの充填ポート６６がオイル戻し経路６２に設けられている。

具体的には、２つの充填ポート６６が存在するために、一方の充填ポート６６をオイル戻り経路６２にオイルを供給するために使用し、他方の充填ポート６６をオイル戻り経路６２に冷媒を供給するために使用することができる。これにより、オイルと冷媒を同時にオイル戻り経路６２に供給することができる。その結果、１つの充填ポート６６のみを使用して所定量のオイルをオイルセパレータ３２に充填する場合に比べて、その作業時間が短縮されるとともにその作業性が向上する。

また、充填ポート６６を介してオイル戻り経路６２にオイルとともに供給された冷媒は、開閉弁６４が閉じていることにより、圧縮機１６内のオイル潤滑経路に侵入することが抑制される。また、開閉弁６４が閉じていることにより、オイルが、オイルセパレータ３２に向かってオイル戻り経路６２を流れ、オイルセパレータ３２内に充填される。

このような本実施の形態によれば、ヒートポンプ１０において、圧縮機１６を潤滑するオイルの充填時間を短縮することができる。

以上、上述の実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれに限らない。

例えば、オイルをヒートポンプ１０に充填するための充填ポート６６は、２つに限らない。充填ポート６６は、オイルを供給するために少なくとも１つおよび冷媒を供給するために少なくとも１つ、すなわち合計で少なくとも２つあればよい。

また、本発明に係るヒートポンプは、上述の実施の形態のヒートポンプ１０に限らない。本発明に係るヒートポンプは、広義には、圧縮機と、圧縮機の吐出経路に設けられたオイルセパレータと、オイルセパレータから圧縮機にオイルを戻すオイル戻し経路と、オイル戻し経路に配置された開閉弁と、オイルセパレータと開閉弁との間のオイル戻し経路の部分に設けられ、オイルを充填するときに使用される複数の充填ポートと、を有するヒートポンプである。

本発明は、圧縮機の吐出経路にオイルセパレータが設けられているヒートポンプに適用可能である。

１０ ヒートポンプ
１６ 圧縮機
３２ オイルセパレータ
６２ オイル戻し経路
６４ 開閉弁
６６ 充填ポート

Claims (1)

1. 圧縮機と、
   圧縮機の吐出経路に設けられたオイルセパレータと、
   オイルセパレータから圧縮機にオイルを戻すオイル戻し経路と、
   オイル戻し経路に配置された開閉弁と、
   オイルセパレータと開閉弁との間のオイル戻し経路の部分に設けられ、オイルを充填するときに使用される複数の充填ポートと、を有するヒートポンプ。

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