JP6854916B2 - 油分離器及び冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷媒に混入した潤滑油を冷媒から分離する油分離器及びこの油分離器を冷凍サイクル内に設けた冷凍サイクル装置に関するものである。

冷媒回路を備えた冷凍サイクル装置は、要素機器として圧縮機を備えている。また、一般的に、圧縮機では、シェル内の摺動部を潤滑するために冷凍機油などの潤滑油を用いている。潤滑油は、圧縮機のシェル内で冷媒に混入し、冷媒とともに圧縮機から吐出されてしまう。冷媒に混入した潤滑油が蒸発器又は冷媒配管に滞留すると、蒸発器の性能が低下してしまう。また、圧縮機のシェル内の摺動部の潤滑に必要な量の潤滑油が、圧縮機から持ち出されてしまうと、圧縮機の焼付き発生の原因にもなってしまう。

そこで、冷凍サイクル装置の冷凍サイクル内に油分離器を付設、または、蒸発器に油回収装置を設け、油分離器又は油回収装置で回収した潤滑油を圧縮機のシェル内へ返油することが従来から行われている。しかしながら、油分離器又は油回収装置は、冷凍サイクルに付属する構造となっているため、油分離器又は油回収装置を設置するスペースが必要となる。また、油分離器又は油回収装置を設けたことに伴って、冷凍サイクルに設けた他の機器の性能が低下してしまうという問題点もあった。さらに、油分離器又は油回収装置を設置する分、多くのコストが必要になる。

そこで、特許文献１においては、「冷凍サイクル中ガス状冷媒が流れる管路に接続コネクタを介して同軸的に取付けられた内側管と外側管からなる二重管構造を有し、前記内側管をオイルが浸透する多孔状体により構成してなる冷凍サイクル用油分離器において、前記内側管と外側管との間に、これら管の軸線方向に延びる通路が形成されるように、前記内側管を外側管内に間隙をもって内挿した」冷凍サイクル用油分離管が知られている。

特許昭５６−１７０６６４号公報

特許文献１に記載の冷凍サイクル用油分離器は、壁部が油浸透性を有する内側管を、軸方向に延びる通路を形成するように外側管に間隙をおいて内挿した二重管構造となっている。そのため、油膜が厚くなると内側管の中心から内側管の壁方向において、壁面から遠い潤滑油の捕捉が弱まるため、外側管へ浸透する前に油分離管を通過してしまい、分離効率が低下してしまう。一方、内側管に形成された油膜が薄いとき、または、油膜が形成されないとき、冷媒ガス分子径は油粒子径と比べ遥かに小さい。そのため、内側管内の冷媒が外側管へ流入し油分離管通過後に冷媒流量が低下してしまい、冷凍サイクル全体の性能が低下してしまう。

本発明は、上述の課題を背景になされたもので、配管圧損を低減しつつ、分離効率低下の抑制を図るようにした油分離器及びこの油分離器を備えた冷凍サイクル装置を提供することを目的としている。

本発明に係る油分離器は、圧縮機の吐出側に接続された第１配管と、前記圧縮機の吸入側に接続された第２配管と、前記第１配管と前記第２配管とを接続する第３配管、及び、前記第３配管の前記第１配管側の先端部に設けられたフィルター部を含み、前記第１配管を流れる高圧の冷媒と、前記第２配管を流れる低圧の冷媒とで差圧を発生させる差圧発生機構部と、前記第１配管の前記第３配管の接続位置よりも下流側に開口形成された返油口、及び、前記返油口を介して前記第１配管と前記第２配管とを接続する返油回路を含み、前記返油口及び前記返油回路を介して前記高圧の冷媒に含まれる潤滑油を前記第１配管から前記第２配管に返油する返油機構部と、を有し、前記差圧発生機構部のフィルター部は、前記差圧によって、前記高圧の冷媒に含まれるミスト状の潤滑油を集約し、前記集約された潤滑油は、前記第１配管の内周壁に沿って下流側に移動するものである。

本発明に係る油分離器によれば、第１配管を流れる高圧の冷媒と、第２配管を流れる低圧の冷媒と、で発生させた差圧により潤滑油を回収するようにしているので、第１配管の内部に障害物を設ける必要がないため配管圧損を大幅に低減することができ、かつ、油滴径によらずとも潤滑油を分離できるため分離効率低下を抑制することができる。

本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路構成の一例を示す概略構成図である。 本発明の実施の形態１に係る油分離器の構成例を模式的に示す概略構成図である。 本発明の実施の形態１に係る油分離器の動作を説明するための説明図である。 本発明の実施の形態１に係る油分離器の構成例を模式的に示す概略構成図である。 本発明の実施の形態２に係る油分離器の構成例を模式的に示す概略構成図である。 本発明の実施の形態３に係る油分離器の構成例を模式的に示す概略構成図である。 本発明の実施の形態４に係る油分離器の構成例を模式的に示す概略構成図である。

以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。なお、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。また、図１を含め、以下の図面において、同一の符号を付したものは、同一又はこれに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通することとする。さらに、明細書全文に表わされている構成要素の形態は、あくまでも例示であって、これらの記載に限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００の冷媒回路構成の一例を示す概略構成図である。なお、図１では、冷媒の流れを切り替えることができる冷凍サイクル装置１００を図示している。図１では、第１熱交換器１２を凝縮器、第２熱交換器１４を蒸発器として機能させる場合の冷媒の流れを実線矢印で示し、第１熱交換器１２を蒸発器、第２熱交換器１４を凝縮器として機能させる場合の冷媒の流れを破線矢印で示している。

＜冷凍サイクル装置１００の構成＞
図１に示すように、冷凍サイクル装置１００は、圧縮機１０、流路切替装置１１、第１熱交換器１２、減圧装置１３、及び、第２熱交換器１４が冷媒配管１５で接続された冷媒回路を備えている。冷媒配管１５のうち圧縮機１０の吐出側に接続されているものを吐出配管１５Ａと称し、冷媒配管１５のうち圧縮機１０の吸入側に接続されているものを吸入配管１５Ｂと称するものとする。
吸入配管１５Ｂが、本発明の「第２配管」に相当する。
また、圧縮機１０と流路切替装置１１との間、つまり圧縮機１０の吐出側には、油分離器５０が接続されている。

なお、図１では、流路切替装置１１を設け、流路切替装置１１により冷媒の流れを切り替えることができる冷凍サイクル装置１００を例に図示しているが、流路切替装置１１を設けずに冷媒の流れを一定としてもよい。この場合、第１熱交換器１２が凝縮器としてのみ機能し、第２熱交換器１４が蒸発器としてのみ機能する。

圧縮機１０、油分離器５０、流路切替装置１１、第１熱交換器１２、及び、減圧装置１３は、例えば熱源側ユニットに搭載される。冷凍サイクル装置１００が空気調和装置として利用される場合、熱源側ユニットは、空調対象空間とは別空間、例えば屋外に設置され、負荷側ユニットに冷熱又は温熱を供給することになる。

第２熱交換器１４は、例えば負荷側ユニットに搭載される。冷凍サイクル装置１００が空気調和装置として利用される場合、負荷側ユニットは、空調対象空間に冷熱又は温熱を供給する空間、例えば屋内に設置され、熱源側ユニットから供給される冷熱又は温熱により空調対象空間を冷却又は加温することになる。

圧縮機１０は、冷媒を圧縮して吐出するものである。圧縮機１０は、例えば、ロータリ圧縮機、スクロール圧縮機、スクリュー圧縮機、又は、往復圧縮機等で構成することができる。第１熱交換器１２が凝縮器として機能する場合、圧縮機１０から吐出された冷媒は、吐出配管１５Ａを通り、第１熱交換器１２へ送られる。第１熱交換器１２が蒸発器として機能する場合、圧縮機１０から吐出された冷媒は、吐出配管１５Ａを通り、第２熱交換器１４へ送られる。
また、圧縮機１０には、シェル内の摺動部を潤滑するために冷凍機油などの潤滑油が用いられている。

流路切替装置１１は、圧縮機１０の吐出側、より詳しくは油分離器５０の下流側に設けられ、暖房運転と冷房運転とにおいて冷媒の流れを切り替えるものである。流路切替装置１１は、例えば四方弁、三方弁の組合せ、又は、二方弁の組み合わせにより構成することができる。

第１熱交換器１２は、凝縮器又は蒸発器として機能するものである。第１熱交換器１２は、例えば、フィン・アンド・チューブ型熱交換器で構成することができる。
第１熱交換器１２は、冷凍サイクル装置１００の用途に応じて、空気、冷媒、水、又は、ブライン等の熱媒体が搬送され、この熱媒体と冷媒配管１５を流れる冷媒とで熱交換器が行われる。

減圧装置１３は、第２熱交換器１４又は第１熱交換器１２を経由した冷媒を減圧するものである。減圧装置１３は、例えば電子膨張弁又はキャピラリーチューブ等で構成することができる。なお、減圧装置１３を、熱源側ユニットに搭載するのではなく、負荷側ユニットに搭載するようにしてもよい。

第２熱交換器１４は、蒸発器又は凝縮器として機能するものである。第２熱交換器１４は、例えば、フィン・アンド・チューブ型熱交換器で構成することができる。
第２熱交換器１４は、冷凍サイクル装置１００の用途に応じて、空気、冷媒、水、又は、ブライン等の熱媒体が搬送され、この熱媒体と冷媒配管１５を流れる冷媒とで熱交換器が行われる。

油分離器５０は、圧縮機１０から冷媒とともに吐出された潤滑油を冷媒から分離するものである。油分離器５０で分離された潤滑油は、返油回路８を介して圧縮機１０の吸入側に導かれる。返油回路８は、油分離器５０と吸入配管１５Ｂとを接続するものである。
油分離器５０については、図２以降で詳細に説明するものとする。

また、冷凍サイクル装置１００は、冷凍サイクル装置１００の全体を統括制御する制御装置７０を備えている。制御装置７０は、圧縮機１０の駆動周波数を制御する。また、制御装置７０は、運転状態に応じて減圧装置１３の開度を制御する。さらに、制御装置７０は、後段で説明する流量調整弁７、及び、返油バルブ９の開閉を含む開度を制御する。
制御装置７０に含まれる各機能部は、専用のハードウェア、又は、メモリに格納されるプログラムを実行するＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）で構成される。

制御装置７０は、運転指示に基づいて、図示省略の各温度センサー及び図示省略の各圧力センサーから送られる情報を利用し、圧縮機１０、減圧装置１３、流量調整弁７、及び、返油バルブ９等の各アクチュエーターを制御する。また、冷凍サイクル装置１００の用途に応じて、熱媒体を搬送する例えば送風機、あるいは、ポンプ等の熱媒体搬送装置の駆動も制御する。

＜冷凍サイクル装置１００の動作＞
次に、冷凍サイクル装置１００の動作について、冷媒の流れとともに説明する。ここでは、熱交換流体が空気であり、被熱交換流体が冷媒である場合を例に、冷凍サイクル装置１００の動作について説明する。

まず、第１熱交換器１２を凝縮器として機能させる場合の運転について説明する。
圧縮機１０を駆動させることによって、圧縮機１０から高温高圧のガス状態の冷媒が吐出する。以下、実線矢印にしたがって冷媒が流れる。圧縮機１０から吐出した高温高圧のガス冷媒は、吐出配管１５Ａを流れ、油分離器５０及び流路切替装置１１を介して第１熱交換器１２に流れ込む。第１熱交換器１２では、流れ込んだ高温高圧のガス冷媒と、第１熱交換器１２に供給される空気との間で熱交換が行われて、高温高圧のガス冷媒は、凝縮して高圧の液冷媒になる。

第１熱交換器１２から送り出された高圧の液冷媒は、減圧装置１３によって、低圧のガス冷媒と液冷媒との気液二相状態の冷媒になる。気液二相冷媒は、蒸発器として機能する第２熱交換器１４に流れ込む。第２熱交換器１４では、流れ込んだ気液二相冷媒と、第２熱交換器１４に供給される空気との間で熱交換が行われて、気液二相冷媒のうち液冷媒が蒸発して低圧のガス冷媒になる。第２熱交換器１４から送り出された低圧のガス冷媒は、流路切替装置１１を介して吸入配管１５Ｂを流れ、圧縮機１０に吸入され、圧縮されて高温高圧のガス冷媒となって、再び圧縮機１０から吐出する。以下、このサイクルが繰り返される。

次に、第１熱交換器１２を蒸発器として機能させる場合の運転について説明する。
圧縮機１０を駆動させることによって、圧縮機１０から高温高圧のガス状態の冷媒が吐出する。以下、破線矢印にしたがって冷媒が流れる。圧縮機１０から吐出した高温高圧のガス冷媒は、吐出配管１５Ａを流れ、油分離器５０及び流路切替装置１１を介して第２熱交換器１４に流れ込む。第２熱交換器１４では、流れ込んだ高温高圧のガス冷媒と、第２熱交換器１４に供給される空気との間で熱交換が行われて、高温高圧のガス冷媒は、凝縮して高圧の液冷媒になる。

第２熱交換器１４から送り出された高圧の液冷媒は、減圧装置１３によって、低圧のガス冷媒と液冷媒との気液二相状態の冷媒になる。気液二相冷媒は、第１熱交換器１２に流れ込む。第１熱交換器１２では、流れ込んだ気液二相冷媒と、第１熱交換器１２に供給される空気との間で熱交換が行われて、気液二相冷媒のうち液冷媒が蒸発して低圧のガス冷媒になる。第１熱交換器１２から送り出された低圧のガス冷媒は、流路切替装置１１を介して吸入配管１５Ｂを流れ、圧縮機１０に吸入され、圧縮されて高温高圧のガス冷媒となって、再び圧縮機１０から吐出する。以下、このサイクルが繰り返される。

図２は、本発明の実施の形態１に係る油分離器５０の構成例を模式的に示す概略構成図である。図３は、油分離器５０の動作を説明するための説明図である。図２及び図３に基づいて、油分離器５０の構成及び動作について説明する。なお、図３では、冷媒の流れを矢印Ａで表している。また、油分離器５０は、冷凍サイクル装置１００の構成の一つとして冷凍サイクル装置１００の冷凍サイクルに設置されている。さらに、図３では、接続管３が曲がっている状態を図示している。

＜油分離器５０の構成＞
油分離器５０は、流入管１、流出管２、接続管３、差圧発生機構部４、及び、返油機構部５を有している。なお、図２では、差圧発生機構部４に流量調整弁７を備えた構成を例に図示しているが、流量調整弁７は、必須の構成ではなく、差圧発生機構部４及び油分離器５０の外部に設けるようにしてもよい。また、図２では、返油機構部５に返油バルブ９を備えた構成を例に図示しているが、返油バルブ９は、必須の構成ではなく、差圧発生機構部４及び油分離器５０の外部に設けるようにしてもよい。

流入管１は、圧縮機１０の吐出側、つまり吐出配管１５Ａに接続され、高温高圧の冷媒が流れる配管である。
流出管２は、流路切替装置１１に接続され、高温高圧の冷媒が流れる配管である。
接続管３は、一方が流入管１となり、他方が流出管２となる配管である。したがって、接続管３にも、高温高圧の冷媒が流れる。
なお、流入管１と流出管２とは、配管として区分けされているわけではなく、差圧発生機構部４を境として差圧発生機構部４よりも上流側の接続管３を流入管１と称し、差圧発生機構部４よりも下流側の接続管３を流出管２と称しているに過ぎない。
接続管３が、本発明の「第１配管」に相当する。

差圧発生機構部４は、接続管３と吸入配管１５Ｂとを連通した高低圧接続管６、及び、高低圧接続管６の接続管３側の先端部に設けられたフィルター部４Ａを含んで構成されている。そして、差圧発生機構部４は、接続管３を流れる高圧の冷媒と、吸入配管１５Ｂを流れる低圧の冷媒と、で差圧を発生させる。
高低圧接続管６が、本発明の「第３配管」に相当する。

接続管３は、差圧発生機構部４介して吸入配管１５Ｂと連通するようになっている。差圧発生機構部４の接続管３側の端部は、例えば図２に示すように、フィルター部４Ａに近づくにつれて拡径するような側面視略テーパー形状に構成するとよい。ただし、差圧発生機構部４の形状を図示している形状に限定するものではない。

フィルター部４Ａは、多孔質状のもので構成され、ミスト状になった潤滑油を集約して液膜状にする機能を有する。フィルター部４Ａは、例えばデミスター等で構成することができる。フィルター部４Ａは、接続管３の管内に露出するように配置されている。差圧発生機構部４は、接続管３と吸入配管１５Ｂとが連通することで発生する差圧によって、潤滑油をフィルター部４Ａに引き寄せ、集約して液膜状の潤滑油にするものである。
なお、ここでは、フィルター部４Ａは、差圧発生機構部４と一体として作製してもよく、を差圧発生機構部４と別体として作製してもよい。

高低圧接続管６は、一端が接続管３に接続され、他端が吸入配管１５Ｂに接続されるものである。
流量調整弁７は、高低圧接続管６に配置され、開閉を含む開度が調整されることで、冷媒流量を調整するものである。

返油機構部５は、接続管３の高低圧接続管６の接続位置よりも下流側に開口形成された返油口５Ａ、及び、返油口５Ａを介して接続管３と吸入配管１５Ｂとを接続する返油回路８を含んで構成されている。返油機構部５は、返油口５Ａ及び返油回路８を介して潤滑油を接続管３から吸入配管１５Ｂに返油するものである。つまり、返油機構部５は、差圧発生機構部４で分離され、フィルター部４Ａで集約された潤滑油を圧縮機１０の吸入側へ返油するものである。返油口５Ａは、返油回路８の入口となるものである。

返油回路８は、一端が接続管３に接続され、他端が吸入配管１５Ｂに接続されるものである。
返油バルブ９は、返油回路８に配置され、開閉を含む開度が調整されることで、潤滑油の流量を調整するものである。

なお、図２では、高低圧接続管６及び返油回路８のそれぞれを吸入配管１５Ｂに接続した場合を例に示しているが、図３に示すように高低圧接続管６の吸入配管１５Ｂとの接続部と返油回路８の吸入配管１５Ｂとの接続部とを共通化してもよい。つまり、高低圧接続管６の吸入配管１５Ｂとの接続部と返油回路８の吸入配管１５Ｂとの接続部とを共通化した中継管３０を吸入配管１５Ｂに接続してもよい。また、吸入配管１５Ｂの一部が油分離器５０に組み込まれた状態を例に示しているが、高低圧接続管６及び返油回路８を吸入配管１５Ｂとは異なる配管に接続してから、吸入配管１５Ｂに接続するようにしてもよい。

＜油分離器５０の動作＞
次に、油分離器５０の動作について説明する。
図３に示すように、冷凍サイクル装置１００の運転時、流入管１より冷媒と潤滑油が油分離器５０に流入する（矢印Ａ）。このとき、冷媒はガス状態であり、潤滑油はミスト状態である。図３では、ガス状冷媒を冷媒Ｒとして図示し、ミスト状の潤滑油を潤滑油Ｏ１として図示し、潤滑油Ｏ１が集約された潤滑油を潤滑油Ｏ２として図示している。

流入管１、つまり接続管３は、差圧発生機構部４の高低圧接続管６と連通している。つまり、差圧発生機構部４では、高圧と低圧との差圧が発生する。これは、流入管１は圧縮機１０から吐出されたガス状態の冷媒が流れることで高圧状態になっており、高低圧接続管６は圧縮機１０に戻るガス状態の冷媒が流れることで低圧状態になっているからである。この２つの圧力状態を利用するために差圧発生機構部４を配置し、差圧発生機構部４を介して差圧が発生するようにしている。差圧が発生することによって、高圧側から低圧側に向けて、つまり流入管１から高低圧接続管６に向けて冷媒及び潤滑油が流れようとする。つまり、図３に示すように潤滑油Ｏ１がフィルター部４Ａに引き寄せられる。

ただし、差圧発生機構部４のフィルター部４Ａによって、潤滑油Ｏ１は高低圧接続管６に流入しない。そのため、潤滑油Ｏ１は、フィルター部４Ａによって集約されることになる。すなわち、差圧発生機構部４のフィルター部４Ａの作用により、潤滑油Ｏ１が高低圧接続管６に導かれることなく、液膜状にまとまった潤滑油Ｏ２となる。例えば、フィルター部４Ａをデミスターで構成した場合、デミスターの表面張力により、潤滑油Ｏ１が集約して潤滑油Ｏ２となる。潤滑油Ｏ２は油膜状になり、接続管３の内壁面に沿って重力方向に向かって流れる。

その後、潤滑油Ｏ２は、返油機構部５の返油口５Ａを介して返油回路８と導かれる。つまり、ミスト状の潤滑油Ｏ１が潤滑油Ｏ２として回収されることになる。一方、潤滑油が分離された冷媒Ｒは、流出管２を流れて油分離器５０から流出する。

なお、差圧発生機構部４においては、微量の冷媒ガス及び微細なオイルミストが、高低圧接続管６に流入する。高低圧接続管６に流入した微量の冷媒ガス及び微細なオイルミストは、圧縮機１０の吸入側へ導かれることになる。また、返油機構部５を介して返油回路８に流入した潤滑油も、圧縮機１０の吸入側へ導かれることになる。
さらに、図３では、潤滑油Ｏ２が接続管３の内壁面に沿って重力方向に向かって流れる場合を例に示しているが、フィルター部４Ａで集約された潤滑油Ｏ２が接続管３の内周壁に沿って下流側に移動し、返油口５Ａに導かれればよい。

＜油分離器５０及び冷凍サイクル装置１００の奏する効果＞
次に、油分離器５０及び冷凍サイクル装置１００の奏する効果について説明する。
油分離器５０によれば、接続管３を通過する冷媒の配管圧損を低減することができる。つまり、油分離器５０によれば、接続管３の内部に、冷媒の流れの障害物を設けることなく、冷媒回路の存在する高圧状態と低圧状態とを利用することによって潤滑油を回収するようにしているため、接続管３における配管圧損を大幅に低減することができる。

また、従来多く利用されているフィルタ式又はサイクロン式の油分離器においては、油滴径が微細なオイルミストでは分離効率が低下してしまうという問題点があった。それに対し、油分離器５０では、油滴径によらずとも、潤滑油を分離することが可能である。したがって、油分離器５０を備えた冷凍サイクル装置１００によれば、油滴径によらずとも、分離効率低下が抑制でき、熱交換器、例えば第１熱交換器１２又は第２熱交換器１４への油流入を低減することができる。

また、設置場所の制約のある熱源側ユニットを有する冷凍サイクル装置において、スペースを必要とする油分離器、例えばサイクロン式油分離器の配置が困難であるという問題点があった。それに対し、油分離器５０を備えた冷凍サイクル装置１００では、大きなスペースを要することなく設置でき、高い分離効率が期待できる。

また、油分離器５０を備えた冷凍サイクル装置１００では、熱交換器へ流入する潤滑油の量を減少できるので、潤滑油が熱交換器へ流入し、熱交換器の伝熱管壁面を覆うことによる伝熱性能低下を低減することができる。そのため、冷凍サイクル装置１００によれば、凝縮器として機能させる熱交換器においては、凝縮圧力の上昇を低減することができる。

さらに、油分離器５０を備えた冷凍サイクル装置１００によれば、配管圧損を低減することができるので、圧縮機入力の低減にも期待できる。つまり、冷凍サイクル装置１００によれば、圧縮機入力が低減することで、システムの成績係数、いわゆるＣＯＰを向上させることができる。

＜油分離器５０の変形例＞
図４は、本発明の実施の形態１に係る油分離器５０ａの構成例を模式的に示す概略構成図である。図４に基づいて、油分離器５０の変形例である油分離器５０ａについて説明する。油分離器５０ａの基本構成は、油分離器５０と同じであるが、各構成を示す符号の末尾に「ａ」を付記し、油分離器５０と区別するものとする。なお、図４では、冷媒の流れを矢印Ａで表している。また、油分離器５０ａは、油分離器５０と同様に冷凍サイクル装置１００の構成の一つとして冷凍サイクル装置１００の冷凍サイクルに設置されている。

流入管１ａは、流入管１と同様に高温高圧の冷媒が流れる配管である。
流出管２ａは、流出管２と同様に高温高圧の冷媒が流れる配管である。
接続管３ａは、接続管３と機能は同じであるが、形状が異なっている。接続管３ａは、Ｕ字形状に曲がったＵ字管で構成されている。なお、図３においても、接続管３が曲がった形状である場合を例に示している。

差圧発生機構部４ａは、差圧発生機構部４と同様に接続管３ａと吸入配管１５Ｂとを連通することで差圧を発生するものである。ただし、差圧発生機構部４ａは、高低圧接続管６ａの冷媒流通方向から曲げられて接続管３ａの流入管１ａに配置されている。つまり、差圧発生機構部４ａは、流入管１ａの紙面右側の側面の一部に配置されている。
フィルター部４Ａａは、フィルター部４Ａと同様にミスト状になった潤滑油を集約して液膜状にする機能を有する。

高低圧接続管６ａは、高低圧接続管６と同様に、一端が接続管３ａに接続され、他端が吸入配管１５Ｂに接続されるものである。
流量調整弁７ａは、流量調整弁７と同様に冷媒流量を調整するものである。

返油機構部５ａは、返油機構部５と同様に差圧発生機構部４で分離された潤滑油を圧縮機１０の吸入側へ返油するものである。
返油口５Ａａは、返油口５Ａと同様に接続管３ａの流出管２ａ側に開口形成されている。返油口５Ａａは、接続管３ａの最下部に形成されている。このため、差圧発生機構部４ａにより集められた潤滑油が返油回路８ａに流入しやすくなっている。

返油回路８ａは、返油回路８と同様に、一端が接続管３ａに接続され、他端が吸入配管１５Ｂに接続されるものである。
返油バルブ９ａは、返油回路８に配置され、開閉を含む開度が調整されることで、潤滑油の流量を調整するものである。

このように、接続管３ａを用いたとしても、油分離器５０ａは、油分離器５０と同様の効果を奏することになる。
なお、図４では、図３と同様に、高低圧接続管６ａの吸入配管１５Ｂとの接続部と返油回路８ａの吸入配管１５Ｂとの接続部とを共通化した中継管３０ａを吸入配管１５Ｂに接続するようにしている。
また、接続管３ａの実際の配置を特定するものではないが、図４に示すように返油口５Ａａが接続管３ａの最下部に位置するように接続管３ａを配置することが望ましい。

＜流量調整弁７の制御例＞
上述したように、流量調整弁７は、開閉を含めた開度が調整可能になっており、制御装置７０によって制御されるようになっている。制御装置７０は、冷凍サイクル装置１００の運転モードに応じて流量調整弁７の開度を調整するように構成されている。ここでは、冷凍サイクル装置１００が空気調和装置として利用されている場合を例に挙げて説明するものとする。

例えば、冷凍サイクル装置１００が圧縮機１０の吐出側と吸入側との差圧が基準値よりも小さい運転モードのとき、制御装置７０は、流量調整弁７の開度を基準値よりも小さくする。こうすることにより、高低圧接続管６を流れる冷媒のバイパス量を低下することができる。差圧が基準値よりも小さい運転モードの場合、流量調整弁７の開度を基準値よりも大きくしておくと、冷媒回路の全体を循環する冷媒流量が低下してしまう可能性がある。したがって、このような場合を想定し、冷凍サイクル装置１００では、流量調整弁７の開度を運転モードに応じて制御可能にし、性能低下を抑制しつつ油分離効率を向上させるようにしている。

なお、圧縮機１０の吐出側と吸入側との差圧が基準値よりも小さい運転モードとしては、例えば冷房運転又は暖房運転において運転が安定している状態の時の運転モードが考えられる。また、基準値は、冷凍サイクル装置１００の用途等に応じて適宜設定することができるものとする。基準値は、予め設定してもよいし、後で設定してもよい。また、基準値は、変更可能であってもよい。

＜返油バルブ９の制御例＞
上述したように、返油バルブ９は、開閉を含めた開度が調整可能になっており、制御装置７０によって制御されるようになっている。制御装置７０は、冷凍サイクル装置１００の運転モードに応じて返油バルブ９の開度を調整するように構成されている。ここでは、冷凍サイクル装置１００が空気調和装置として利用されている場合を例に挙げて説明するものとする。

例えば、冷凍サイクル装置１００の圧縮機周波数が増加変動する運転モードのとき、制御装置７０は、返油バルブ９の開度を基準値よりも大きくする。こうすることにより、返油回路８を流れる潤滑油の返油量を増加することができる。圧縮機周波数が増加変動する運転モードの場合、返油バルブ９の開度を基準値よりも小さくしておくと、圧縮機１０に返油される潤滑油の量が低下してしまう可能性がある。したがって、このような場合を想定し、冷凍サイクル装置１００では、返油バルブ９の開度を運転モードに応じて制御可能にし、性能低下を抑制しつつ油分離効率を向上させるようにしている。

なお、圧縮機周波数が増加変動する運転モードとしては、例えば圧縮機１０の起動時の運転モードが考えられる。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２に係る油分離器５０−１の構成例を模式的に示す概略構成図である。図５に基づいて、油分離器５０−１について説明する。油分離器５０−１の基本構成は、実施の形態１に係る油分離器５０と同じであるが、相違している構成には符号の末尾に「−１」を付記して区別するものとする。なお、油分離器５０−１は、油分離器５０と同様に冷凍サイクル装置１００の構成の一つとして冷凍サイクル装置１００の冷凍サイクルに設置されている。
なお、実施の形態２では実施の形態１との相違点を中心に説明し、実施の形態１と同一部分には、同一符号を付して説明を省略するものとする。

油分離器５０−１では、流入管１と流出管２−１の配管径を異なるようにしている。こうすることで、油分離器５０−１では、油分離効率を向上させている。
具体的には、流入管１の配管径に対し、流出管２−１の配管径を潤滑油のゼロペネトレーション流速以下となるような配管径としている。つまり、流入管１の配管径＜流出管２−１の配管系としている。また、流出管２−１は、図５に示すように垂直に配置するものとする。
なお、油分離器５０−１の動作については油分離器５０と同様であるため省略する。

ここで、ゼロペネトレーション流速について説明する。ゼロペネトレーション流速を、以下ゼロペネ流速と称するものとする。
冷媒回路のガス状態の冷媒が流れる部分においては、冷媒及び潤滑油は、気液二相状態での流動様相を示す。特に上昇流においては、気体流速により潤滑油の流動状態が変化する。気体流速が増加すると液体も気体流中に同伴されて上昇し、気体流速が減少すると液体は管壁に沿って下降するという現象が生じる。気体流速が増加し、下降液膜が減少した状態をゼロペネトレーションと呼び、その時の流速をゼロペネ流速という。

すなわち、油分離器５０−１においては、流出管２−１の配管径を潤滑油のゼロペネ流速以下とするとともに流出管２−１を垂直配置とすることで、流出管２−１を自重に逆らって上昇する潤滑油を低減するようにしているのである。
なお、ゼロペネ流速は、配管径及び気液の冷媒の状態から周知の式を用いて算出されるものである。

以上のように、油分離器５０−１においては、流出管２−１の配管径を潤滑油のゼロペネ流速以下、かつ、流出管２−１を垂直配置としている。こうすることで、冷媒流速が速い場合においても、流出管２−１から油分離器５０−１の外部への潤滑油の流出を低減することが可能になる。したがって、油分離器５０−１によれば、差圧発生機構部４にて集められた潤滑油を返油機構部５で返油する際に、流出管２−１を介して持ち出される潤滑油が低減でき、油分離効率が向上したものとなる。

実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３に係る油分離器５０−２の構成例を模式的に示す概略構成図である。図６に基づいて、油分離器５０−２について説明する。油分離器５０−２の基本構成は、実施の形態１に係る油分離器５０と同じであるが、相違している構成には符号の末尾に「−２」を付記して区別するものとする。なお、油分離器５０−２は、油分離器５０と同様に冷凍サイクル装置１００の構成の一つとして冷凍サイクル装置１００の冷凍サイクルに設置されている。
なお、実施の形態３では実施の形態１及び２との相違点を中心に説明し、実施の形態１及び２と同一部分には、同一符号を付して説明を省略するものとする。

油分離器５０−２では、接続管３−２の形状が、接続管３と異なっている。こうすることで、油分離器５０−２では、油分離効率を向上させている。
具体的には、接続管３−２を曲管で構成している。曲管とは、例えば、Ｕ字管又はＬ字管の総称である。また、接続管３−２の一方は垂直方向に延びる流入管１−２として機能し、接続管３−２の他方は垂直方向に延びる流出管２−２として機能する。
なお、油分離器５０−２の動作については油分離器５０と同様であるため省略する。

以上のように、油分離器５０−２においては、接続管３−２を曲管で構成している。こうすることで、流入管１−２から流出管２−２に至る部分での重力分離作用及び遠心力分離作用が促進されることになる。つまり、油分離器５０−２では、接続管３−２に重力方向に曲げられる部分が存在するため、潤滑油の自重を利用した重力分離作用が促進されることになる。また、油分離器５０−２では、接続管３−２に少なくとも２箇所の曲げられる部分が存在するため、潤滑油が方向転換する際の遠心力を利用した遠心力分離作用が促進されることになる。したがって、油分離器５０−２によれば、差圧発生機構部４にて集められた潤滑油を返油機構部５で返油する際に、流出管２−２を介して持ち出される潤滑油が低減でき、油分離効率が向上したものとなる。

実施の形態４．
図７は、本発明の実施の形態４に係る油分離器５０−３の構成例を模式的に示す概略構成図である。図７に基づいて、油分離器５０−３について説明する。油分離器５０−３の基本構成は、実施の形態１に係る油分離器５０と同じである。なお、油分離器５０−３は、油分離器５０と同様に冷凍サイクル装置１００の構成の一つとして冷凍サイクル装置１００の冷凍サイクルに設置されている。また、流入管１−２、流出管２−２及び接続管３−２については、実施の形態３と同様であるので、実施の形態３と同様の符号としている。
なお、実施の形態４では実施の形態１〜３との相違点を中心に説明し、実施の形態１〜３と同一部分には、同一符号を付して説明を省略するものとする。

油分離器５０−３では、流入管１−２、つまり差圧発生機構部４よりも上流側に整流装置６０を設置している。こうすることで、油分離器５０−３では、油分離効率を向上させている。
具体的には、流入管１−２にストレーナなどで構成される整流装置６０を設置するようにしている。ストレーナとは、冷媒及び潤滑油に含まれる異物、例えば固形成分を取り除くために用いる網状の装置のことである。
なお、油分離器５０−３の動作については油分離器５０と同様であるため省略する。

以上のように、油分離器５０−３においては、整流装置６０を差圧発生機構部４よりも上流側へ設置している。こうすることで、流入管１−２を流れる冷媒及び潤滑油から異物が取り除かれ、フィルター部４Ａの目詰まりが抑制されることになる。したがって、油分離器５０−３によれば、差圧発生機構部４の機能の低下を抑制できるため、流出管２−２を介して持ち出される潤滑油が低減でき、油分離効率が向上したものとなる。

以上、本発明に係る油分離器を４つの実施の形態に分けて説明したが、これらに限定せず、本発明の範疇及び精神を逸脱することなく、さまざまに変形または変更可能である。また、各実施の形態で説明した内容を適宜組み合わせて油分離器を構成してもよい。例えば、実施の形態４で説明した整流装置６０を、実施の形態１〜３のいずれかに係る油分離器に適用してもよい。また、実施の形態２で説明した配管径を、実施の形態１、３又は４に係る油分離器に適用してもよい。

なお、実施の形態で説明した冷凍サイクル装置１００は、例えば空気調和装置、ヒートポンプ給湯機等、又は、ショーケースなどとして利用することができる。また、冷凍サイクル装置１００の冷媒回路構成を図１に示した冷媒回路構成に限定するものではない。

１ 流入管、１−２ 流入管、１ａ 流入管、２ 流出管、２−１ 流出管、２−２ 流出管、２ａ 流出管、３ 接続管、３−２ 接続管、３ａ 接続管、４ 差圧発生機構部、４Ａ フィルター部、４Ａａ フィルター部、４ａ 差圧発生機構部、５ 返油機構部、５Ａ 返油口、５Ａａ 返油口、５ａ 返油機構部、６ 高低圧接続管、６ａ 高低圧接続管、７ 流量調整弁、７ａ 流量調整弁、８ 返油回路、８ａ 返油回路、９ 返油バルブ、９ａ 返油バルブ、１０ 圧縮機、１１ 流路切替装置、１２ 第１熱交換器、１３ 減圧装置、１４ 第２熱交換器、１５ 冷媒配管、１５Ａ 吐出配管、１５Ｂ 吸入配管、３０ 中継管、３０ａ 中継管、５０ 油分離器、５０−１ 油分離器、５０−２ 油分離器、５０−３ 油分離器、５０ａ 油分離器、６０ 整流装置、７０ 制御装置、１００ 冷凍サイクル装置、Ｏ１ 潤滑油、Ｏ２ 潤滑油、Ｒ 冷媒。

Claims (10)

1. 圧縮機の吐出側に接続された第１配管と、
   前記圧縮機の吸入側に接続された第２配管と、
   前記第１配管と前記第２配管とを接続する第３配管、及び、前記第３配管の前記第１配管側の先端部に設けられたフィルター部を含み、前記第１配管を流れる高圧の冷媒と、前記第２配管を流れる低圧の冷媒とで差圧を発生させる差圧発生機構部と、
   前記第１配管の前記第３配管の接続位置よりも下流側に開口形成された返油口、及び、前記返油口を介して前記第１配管と前記第２配管とを接続する返油回路を含み、前記返油口及び前記返油回路を介して前記高圧の冷媒に含まれる潤滑油を前記第１配管から前記第２配管に返油する返油機構部と、
   を有し、
   前記差圧発生機構部のフィルター部は、前記差圧によって、前記高圧の冷媒に含まれるミスト状の潤滑油を集約し、
   前記集約された潤滑油は、前記第１配管の内周壁に沿って下流側に移動する
   油分離器。
2. 前記第１配管の下流側に位置する流出管を垂直配置とし、
   前記流出管の配管径は、
   前記第１配管の上流側に位置する流入管の配管径に対し、潤滑油のゼロペネトレーション流速以下とする
   請求項１に記載の油分離器。
3. 前記第１配管は、
   Ｕ字管又はＬ字管で構成されている
   請求項１又は２に記載の油分離器。
4. 前記第１配管をＵ字管で構成するものにおいて、
   前記返油口を前記第１配管の最下部に設けた
   請求項３に記載の油分離器。
5. 前記フィルター部は、
   デミスターで構成されている
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の油分離器。
6. 前記第１配管の前記差圧発生機構部よりも上流側に整流装置を設けた
   請求項１〜５のいずれか一項に記載の油分離器。
7. 前記整流装置は、
   ストレーナで構成されている
   請求項６に記載の油分離器。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の油分離器を圧縮機の下流側に設けた
   冷凍サイクル装置。
9. 前記油分離器の第３配管に設けられ、開度が調整可能な流量調整弁と、
   前記流量調整弁の開度を制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、
   前記圧縮機の吐出側と前記圧縮機の吸入側との差圧が基準値よりも小さい運転モードのとき、前記流量調整弁の開度を基準値よりも小さくする
   請求項８に記載の冷凍サイクル装置。
10. 前記油分離器の返油回路に設けられ、開度が調整可能な返油バルブと、
    前記返油バルブの開度を制御する制御装置と、を備え、
    前記制御装置は、
    前記圧縮機の周波数が増加変動する運転モードのとき、前記返油バルブの開度を基準値よりも大きくする
    請求項８又は９に記載の冷凍サイクル装置。

Images