KR20080068120A - 냉동장치 - Google Patents

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KR20080068120A KR1020087014118A KR20087014118A KR20080068120A KR 20080068120 A KR20080068120 A KR 20080068120A KR 1020087014118 A KR1020087014118 A KR 1020087014118A KR 20087014118 A KR20087014118 A KR 20087014118A KR 20080068120 A KR20080068120 A KR 20080068120A
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아츠시 요시미
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다이킨 고교 가부시키가이샤
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Abstract

냉매회로(15)에는, 저단측 압축기(21)의 토출냉매 중으로부터 냉동기유를 분리하여 저단측 압축기(21)의 흡입측으로 회송하는 저단측 오일분리기(26)와, 고단측 압축기(31)의 토출냉매 중으로부터 냉동기유를 분리하여 고단측 압축기(31)의 흡입측으로 회송하는 고단측 오일분리기(36)가 설치된다. 저단측 오일분리기(26)의 오일분리율이 고단측 오일분리기(36)의 오일분리율보다 낮게 설정된다.

Description

냉동장치{FREEZING APPARATUS}
본 발명은, 기액분리기를 구비하며, 2단압축 2단팽창 냉동주기를 행하는 냉매회로를 구비하는 냉동장치에 관한 것이며, 특히 이 냉동장치 압축기의 오일회수 기술에 관한 것이다.
종래, 냉매회로에 의해 냉동주기를 행함으로써, 실내의 냉방을 하거나 난방을 행하는 냉동장치가 알려져 있다.
특허문헌 1(일본 특허 공개 2001-56159호 공보)에는, 이러한 종류의 공기조화장치가 개시되어 있다. 이 공기조화장치는, 고단측 압축기, 실내열교환기, 팽창밸브, 실외열교환기, 및 저단측 압축기가 접속된 냉매회로를 구비한다. 또 냉매회로에는, 냉매의 유로(流路)를 전환하기 위한 사방밸브나 전자(電磁)밸브 등이 접속된다. 또한 냉매회로에는, 기액 2상상태의 냉매를 액냉매와 가스냉매로 분리하는 기액분리기가 접속된다.
이 공기조화장치의 난방운전에서는, 고단측 압축기에서 압축된 냉매가 실내열교환기로 공급된다. 실내열교환기에서는 냉매가 실내공기에 방열하여 응축된다. 그 결과, 실내의 난방이 이루어진다. 실내열교환기에서 응축한 냉매는, 제 1 팽창밸브에서 중간압까지 감압된 후, 기액분리기로 유입한다. 기액 분리기에서는, 중 간압으로 된 기액 2상 상태의 냉매가 액냉매와 가스 냉매로 분리된다. 기액분리기에서 분리된 액냉매는, 제 2 팽창밸브에서 저압까지 감압된 후 실외열교환기로 공급된다. 실외열교환기에서는, 냉매가 실외공기로부터 흡열하여 증발한다. 실외열교환기에서 증발한 냉매는, 저단측 압축기에서 압축된 후, 다시 고단측 압축기의 흡입측으로 공급된다. 이 냉매는, 상기 기액분리기에서 분리된 가스냉매와 혼합된 후 고단측 압축기에서 다시 압축된다.
이상과 같이 이 냉매회로에서는, 고압냉매를 2 개의 팽창밸브에 의해 감압하는 2단팽창과, 저압냉매를 2 개의 압축기에 의해 압축하는 2단압축이 행해지며, 또한 중간압이 된 기액분리기에서 분리된 냉매를 고단측 압축기로 흡입시키는, 이른바 2단압축 2단팽창 냉동주기가 행해진다.
[발명의 개시]
[발명이 해결하고자 하는 과제]
그런데, 전술한 고단측 압축기나 저단측 압축기에는, 냉매를 압축하기 위한 압축기구 등 각 습동부를 윤활하게 하기 위하여 냉동기유가 사용된다. 구체적으로, 각 압축기의 케이싱 내에는 냉동기유가 저류되는 오일팬이 형성되며, 이 냉동기유가 구동축 하단부에 설치된 오일펌프에 의해 압송되어, 압축기구의 구동축 둘레나 각 습동부로 공급된다. 압축기구 내로 공급된 냉동기유는, 냉매와 함께 각 압축기로부터 토출되어 냉매회로를 순환한다. 그 후 냉동기유는 냉매와 함께 각 압축기에 흡입되며, 다시 압축기구 등의 윤활에 이용된다.
그러나 상기 특허문헌 1과 같이 기액분리기를 이용하면서 2단압축 2단팽창 냉동주기를 행하면, 고단측 압축기로의 오일회수량이 부족해 버린다는 문제가 발생한다. 구체적으로 기액분리기에서는, 전술한 바와 같이 기액 2상상태의 냉매가 액냉매와 가스냉매로 분리되므로, 냉동기유의 대부분이 액냉매로 녹아 들러가게 된다. 따라서 기액분리기 내 냉동기유의 대부분은 저단측 압축기로 흡입된다. 한편, 기액분리기에서 분리된 가스냉매 중에는 냉동기유가 거의 포함되지 않으므로, 고단측 압축기로의 오일회수량은 저단측 압축기로의 오일회수량보다 상대적으로 적다. 그 결과, 고단측 압축기에서는 냉동기유가 점차 감소하며, 윤활유 부족에 따라 각 습동부의 습동 손실이 증대하거나 각 습동부에서 시저(seizure)가 발생해버릴 우려가 있다.
본 발명은, 이와 같은 문제점에 감안하여 창안된 것으로, 그 목적은 중간압 냉매의 기액분리기를 구비하며 2단압축 2단팽창 냉동주기를 행하는 냉동장치에 있어서, 고단측 압축기의 오일회수량 부족을 해소하는 데 있다.
[과제를 해결하기 위한 수단]
제 1 발명은, 저단측 압축기(21)와 고단측 압축기(31)와 중간압 냉매의 기액분리기를 구비하며 2단압축 2단팽창 냉동주기를 행하는 냉매회로(15)를 구비하는 냉동장치를 전제로 한다. 그리고 이 냉동장치의 냉매회로(15)에는, 상기 저단측 압축기(21)의 토출냉매 중으로부터 분리된 냉동기유를 이 저단측 압축기(21)의 흡입측으로 회송하는 저단측 오일분리수단(26, 27, 28)과, 상기 고단측 압축기(31)의 토출냉매 중으로부터 분리된 냉동기유를 이 고단측 압축기(31)의 흡입측으로 회송하는 고단측 오일분리수단(36, 37, 38)이 설치되며, 상기 저단측 오일분리수단(26, 27, 28)은, 그 오일분리율이 상기 고단측 오일분리수단(36, 37, 38)의 오일분리율보다 낮게 설정되는 것을 특징으로 한다.
제 1 발명의 냉동장치 냉매회로(15)에서는, 중간압 냉매가 기액분리기(33)에서 액냉매와 가스냉매로 분리됨과 더불어, 2단압축 2단팽창 냉동주기가 이루어진다.
구체적으로, 이 냉매회로에서는 고단측 압축기(31)에서 고압까지 압축된 냉매가 예를 들어 실내열교환기 등에서 응축하고, 그 후 중간압까지 감압되고 나서 기액분리기(33)로 유입한다. 기액분리기(33)에서는 중간압이 된 기액 2상상태의 냉매가 액냉매와 가스냉매로 분리된다. 기액분리기(33)에서 분리된 액냉매는, 그 후 저압까지 감압되고 나서, 예를 들어 실외열교환기에서 증발한다. 그 다음, 냉매는 저단측 압축기(21)에서 중간압까지 압축된다. 저단측 압축기(21)의 토출냉매는 고단측 압축기(31)의 흡입측으로 공급된다. 이 냉매는, 기액분리기(33)에서 분리된 포화상태의 가스냉매와 혼합한 후 고단측 압축기(31)로 흡입되어 다시 압축된다.
또, 냉매회로(15)에는 저단측 압축기(21) 토출측과 고단측 압축기(31) 토출측에 각각 오일분리수단이 설치된다. 저단측 오일분리수단(26, 27, 28)은 저단측 압축기(21)의 토출냉매 중으로부터 냉동기유를 분리하고, 이 냉동기유를 저단측 압축기(21)의 흡입측으로 회송한다. 한편, 고단측 오일분리수단(36, 37, 38)은 고단측 압축기(31)의 토출냉매 중으로부터 냉동기유를 분리하고, 이 냉동기유를 고단측 압축기(31)의 흡입측으로 회송한다. 그 결과, 각 압축기(21, 31) 내에는 어느 정도의 냉동기유가 확보된다.
한편, 전술한 2단압축 2단팽창 냉동주기를 행하면, 기액분리기(33)로 유입한 냉매 중의 냉동기유는 대부분이 저단측 압축기(21)로 공급되게 되므로, 고단측 압축기(31)로 공급될 냉동기유가 약간 부족한 상태가 된다.
그래서 본 발명에서는, 저단측 오일분리수단(26, 27, 28)의 오일분리율을 고단측 오일분리수단(36, 37, 38)의 오일분리율보다 낮게 설정한다. 이와 같이 하면, 고단측 오일분리수단(36, 37, 38)을 통과하는 냉매와 함께 고단측 압축기(31) 흡입측으로 공급될 냉동기유의 양이 상대적으로 많아진다. 이와 반대로, 고단측 오일분리수단(36, 37, 38)으로부터 고단측 압축기(31) 흡입측으로 회송되는 냉동기유의 양이 상대적으로 많아진다. 따라서 기액분리기(33)로부터 고단측 압축기(31)로 흡입되는 가스냉매 중에 냉동기유가 포함되지 않아도, 저단측 압축기(21)와 고단측 압축기(31)로의 오일회수량의 균형이 잡기 쉬워지며, 고단측 압축기(31)로의 오일회수량 부족이 해소된다.
제 2 발명은, 제 1 발명에 있어서 상기 고단측 오일분리수단은, 상기 고단측 압축기(31)의 토출측에 직렬로 접속되는 복수의 오일분리기(36a, 36b)를 구비하며, 상기 저단측 오일분리수단은, 상기 저단측 압축기(21)의 토출측에 접속됨과 더불어, 상기 고단측 압축기(31)의 오일분리기(36a, 36b)보다 적은 수의 오일분리기(26)를 구비하는 것을 특징으로 한다.
제 2 발명에서는, 고단측 압축기(31)의 토출냉매가, 저단측 오일분리기(26)보다 많은 수의 오일분리기(36a, 36b)를 통과하여 냉동기유가 분리된다. 그 결과, 저단측 오일분리수단의 오일분리율을 고단측 분리수단의 오일분리율보다 낮게 할 수 있다.
제 3 발명은, 제 1 발명에 있어서 상기 고단측 압축기(31)의 케이싱 내부에 냉동기유의 오일팬이 형성되는 한편, 상기 냉매회로(15)에는, 일단이 상기 오일팬의 소정높이 위치에서 개구되도록 고단측 압축기(31)의 케이싱에 접속되며, 타단이 저단측 압축기(21)의 흡입측에 접속된 오일회수관(51)이 설치되는 것을 특징으로 한다.
제 3 발명에서는, 고단측 압축기(31) 오일팬의 오일면을 균일하게 유지하기 위하여, 오일회수관(51)이 배치된다. 즉, 저단측 오일분리수단(26, 27, 28)의 오일분리율을 고단측 오일분리수단(36, 37, 38)의 오일분리율보다 낮게 설정하면, 고단측 압축기(31)의 케이싱 내의 오일팬으로 저류되는 냉동기유의 양이 점차 증가해갈 가능성이 있지만, 본 발명에서는, 고단측 압축기(31) 내에서 과잉된 냉동기유가 오일회수관(51)을 지나 저단측 압축기(21)로 회송된다. 그 결과, 고단측 압축기(31) 내의 각 구성부품이 냉동기유에 잠겨버리는 것이 확실하게 회피된다.
제 4 발명은, 제 1 발명에 있어서 상기 고단측 압축기(31)의 케이싱 내부에 냉동기유의 오일팬이 형성되는 한편, 상기 냉매회로(15)에는, 일단이 상기 오일팬의 소정높이 위치에 개구되도록 고단측 압축기(31)의 케이싱에 접속되며, 타단이 상기 기액분리기(33)의 분리 액냉매 유출측에 접속된 오일회수관(51)이 설치되는 것을 특징으로 한다.
제 4 발명에서는, 고단측 압축기(31)의 오일팬에 저류된 과잉 냉동기유가 기액분리기(33)의 액 유출측으로 공급된다. 그 후 이 냉동기유는, 냉매와 함께 저단측 압축기(21)로 흡입된다. 그 결과, 고단측 압축기(31) 내의 각 구성부품이 냉동기유에 잠겨버리는 것이 확실하게 회피된다.
제 5 발명은, 제 4 발명에 있어서 상기 냉매회로(15)가, 상기 저단측 압축기(21) 및 실외열교환기(22)를 구비하는 실외유닛(20)과, 실내열교환기(41)를 구비하는 실내유닛(40)과, 상기 고단측 압축기(31), 기액분리기(33), 및 오일회수관(51)을 구비하는 옵션유닛(30)을 서로 배관으로 접속함으로써 구성되는 것을 특징으로 한다.
제 5 발명에서는, 실외유닛(20) 및 실내유닛(40)에 옵션유닛(30)을 접속함으로써 제 4 발명의 냉매회로(15)가 구성된다. 여기서, 가령 제 3 발명과 같이 고단측 압축기(31)와 접속되는 오일회수관(51)의 유출측을 저단측 압축기(21)의 흡입측과 접속할 경우, 옵션유닛(30)측 오일회수관(51)을 실외유닛(20)측에 접속할 필요가 생기므로, 오일회수관(51)의 연결배관이 필요하게 되어, 냉매회로(15)의 복잡화, 배관시공의 번잡화를 초래해버린다.
한편, 본 발명에서는 고단측 압축기(31) 내에서 과잉된 냉동기유가 오일회수관(51)을 지나 기액분리기(33)의 액 유출측으로 공급될 때까지의 냉매 경로가 옵션유닛(30) 내에서 완결된다. 이로써, 냉매회로(15)의 간소화, 배관시공의 용이화를 도모할 수 있음과 더불어, 이미 설치된 실외유닛(20)을 개조하는 일없이, 2단압축 2단팽창 냉동주기를 행하는 냉동장치를 구성할 수 있다.
[발명의 효과]
본 발명에 의하면, 저단측 오일분리수단(26, 27, 28)의 오일분리율보다 고단측 오일분리수단(36, 37, 38)의 오일분리율을 낮게 설정함으로써, 기액분리기(33)를 이용한 2단압축 2단팽창 냉동주기 중에 있어서 고단측 압축기(31)의 오일회수량 부족을 해소할 수 있다. 따라서 고단측 압축기(31)의 각 습동부를 확실하게 윤활할 수 있어, 각 습동부에서의 시저나 마모, 또는 습동손실 증대에 따른 압축효율 저하를 회피할 수 있다.
상기 제 2 발명에서는, 저단측 오일분리기(26)의 수를 고단측 오일분리기(36a, 36b)의 수보다 적게 설치한다. 그 결과, 용이하게 또 확실하게, 저단측 오일분리기(26, 27, 28)의 오일분리율을 고단측 오일분리기(36a, 36b, 37, 38)의 오일분리율보다 낮게 설정할 수 있다.
또, 상기 제 3 및 제 4 발명에서는, 고단측 압축기(31)의 오일팬에 저류된 과잉 냉동기유를 저단측 압축기(21)의 흡입측으로 회송하도록 한다. 그 결과, 고단측 압축기(31) 내의 오일면 상승에 따라 각 구성부품이 냉동기유에 잠겨버리는 것을 확실하게 방지할 수 있다.
또한, 제 5 발명에서는, 실외유닛(20)과, 실내유닛(40), 그리고 옵션유닛(30)을 각각 유닛으로서 구성한다. 따라서 이미 설치된 실외유닛(20) 및 실내유닛(40)으로 구성되며 하나의 압축기(21)로 1단압축식 냉동주기를 행하는 분리형 냉동장치에 대하여, 상기 옵션유닛(30)을 부가함으로써, 2단압축 2단팽창 냉동주기가 가능한 냉동장치를 구성할 수 있다.
여기서, 상기 옵션유닛(30)에서, 고단측 압축기(31) 내의 과잉 냉동기유가 기액분리기(33)로 회송되기까지의 냉매 경로가 완결되므로, 오일회수관(51)에 관한 배관의 간소화를 도모할 수 있다. 따라서 이미 설치된 실외유닛(20) 및 실내유닛(40)에 옵션유닛(30)을 증설할 때, 그 배관의 시공을 간단하게 할 수 있다.
도 1은, 제 1 실시형태에 관한 냉동장치의 냉매회로를 나타내는 배관계통도이다.
도 2는, 냉방운전 시의 냉매흐름을 나타내는 배관계통도이다.
도 3은, 난방운전 시의 냉매흐름을 나타내는 배관계통도이다.
도 4는, 제 1 실시형태의 변형예에 관한 냉동장치의 냉매회로를 나타내는 배관계통도이다.
도 5는, 제 2 실시형태에 관한 냉동장치의 냉매회로를 나타내는 배관계통도이다.
도 6은, 제 2 실시형태의 변형예에 관한 냉동장치의 냉매회로를 나타내는 배관계통도이다.
[부호의 설명]
10 : 공기조화장치(냉동장치) 15 : 냉매회로
20 : 실외유닛 21 : 저단측 압축기
22 : 실외열교환기
26 : 저단측 오일분리기(저단측 오일분리수단)
30 : 옵션유닛 31 : 고단측 압축기
36 : 고단측 오일분리기(고단측 오일분리수단)
40 : 실내유닛 41 : 실내열교환기
이하, 본 발명의 실시형태를 도면에 기초하여 상세하게 설명한다.
[제 1 실시형태]
본 발명의 제 1 실시형태에 대하여 설명한다. 제 1 실시형태의 냉동장치는, 냉방운전과 난방운전이 가능한 열펌프식 공기조화장치(10)로 구성된다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 이 공기조화장치(10)는 실외에 설치되는 실외유닛(20)과, 증설용 유닛을 구성하는 옵션유닛(30)과, 실내에 설치되는 실내유닛(40)을 구비한다. 상기 실외유닛(20)은 열원측 유닛을 구성하며, 제 1 연결배관(11) 및 제 2 연결배관(12)을 개재하여 옵션유닛(30)과 접속된다. 또 실내유닛(40)은 이용측 유닛을 구성하며, 제 3 연결배관(13) 및 제 4 연결배관(14)을 개재하여 옵션유닛(30)과 접속된다. 그 결과, 이 공기조화장치(10)에서는, 냉매가 순환하여 증기압축식 냉동주기가 이루어지는 냉매회로(15)가 구성된다.
또 옵션유닛(30)은, 이미 설치된 분리형 공기조화장치의 능력증대유닛을 구성한다. 구체적으로, 이미 설치된 공기조화장치에서는 실외유닛(20)과 실내유닛(40)으로 구성되는 냉매회로에서 1단압축식 냉동주기를 실행하는데 반하여, 이들 실외유닛(20) 및 실내유닛(40) 사이에 옵션유닛(30)을 접속함으로써, 이 공기조화장치(10)의 냉매회로(15)에서는, 뒤에 상세하게 서술하는 2단압축 2단팽창 냉동주 기가 가능해진다.
<실외유닛>
상기 실외유닛(20)에는, 저단측 압축기(21), 실외열교환기(22), 실외측팽창밸브(25), 및 사방밸브(23)가 배치된다.
상기 저단측 압축기(21)는 고압 돔형의 가변용량식 스크롤압축기로 구성된다. 상기 실외열교환기(22)는 열원측 열교환기이며, 크로스핀식 튜브형의 열교환기로 구성된다. 실외열교환기(22) 근방에는 실외팬(24)이 설치된다. 실외팬(24)은 실외열교환기(22)로 실외공기를 송풍한다. 상기 실외팽창밸브(25)는 개방도 조절이 가능한 전자팽창밸브로 구성된다.
상기 사방밸브(23)는 제 1에서 제 4까지 4개의 포트를 구비한다. 사방밸브(23)에서는, 제 1 포트가 저단측 압축기(21) 토출관(21a)과 접속되며, 제 2 포트가 저단측 압축기(21) 흡입관(21b)과 접속된다. 또 사방밸브(23)에서는, 제 3 포트가 실외열교환기(22) 및 실외팽창밸브(25)를 거쳐서 제 2 연결배관(12)과 접속되며, 제 4 포트가 제 1 연결배관(11)과 접속된다. 이 사방밸브(23)는, 제 1 포트와 제 3 포트를 연통시키는 동시에, 제 2 포트와 제 4 포트를 연통시키는 상태와, 제 1 포트와 제 4 포트를 연통시키는 동시에, 제 2 포트와 제 3 포트를 연통시키는 상태로 전환 가능하게 구성된다.
또 실외유닛(20)에는, 저단측 압축기(21)의 토출관(21a)에 저단측 오일분리기(26)가 배치된다. 이 저단측 오일분리기(26)에는, 분리 후의 냉동기유가 흐르는 제 1 오일분리관(27)의 일단이 접속된다. 제 1 오일분리관(27)의 타단은 저단측 압축기(21) 흡입관(21b)과 접속된다. 또한 제 1 오일분리관(27)에는, 흡입측으로 회송되는 냉동기유를 감압하는 제 1 모세관(28)이 접속된다. 이상과 같이 하여, 저단측 오일분리기(26), 제 1 오일분리관(27), 및 제 1 모세관(28)은, 저단측 압축기(21)의 토출냉매 중으로부터 분리된 냉동기유를 이 저단측 압축기(21)의 흡입측으로 회송하는, 저단측 오일분리수단을 구성한다.
<옵션유닛>
상기 옵션유닛(30)에는, 고단측 압축기(31), 삼방밸브(32), 기액분리기(33) 및 옵션측 팽창밸브(34)가 배치된다. 상기 고단측 압축기(31)는 고압 돔형의 가변용량식 스크롤압축기로 구성된다.
상기 삼방밸브(32)는 제 1에서 제 3까지 3개의 포트를 구비한다. 삼방밸브(32)에서는, 제 1 포트가 고단측 압축기(31) 토출관(31a)과 접속되며, 제 2 포트가 고단측 압축기(31) 흡입관(31b)과 접속되고, 제 3 포트가 제 1 연결배관(11)과 접속된다. 이 삼방밸브(32)는, 제 1 포트와 제 3 포트를 연통시키는 상태와, 제 2 포트와 제 3 포트를 연통시키는 상태로 전환 가능하게 구성된다.
상기 기액분리기(33)는 기액 2상상태의 냉매를 액냉매와 가스냉매로 분리하는 것이다. 구체적으로, 기액분리기(33)는 원통형의 밀폐용기로 구성되며, 그 하부에 액냉매 저류부가 형성되는 한편, 그 위쪽에 가스냉매 저류부가 형성된다. 기액분리기(33)에는, 그 몸체부를 관통하여 가스냉매 저류부에 임하는 제 1 관(33a)과, 그 몸체부를 관통하여 액냉매 저류부에 임하는 제 2 관(33b)이 각각 접속된다. 또 기액분리기(33)에는, 그 정상부를 관통하여 가스냉매 저류부에 임하는 제 3 관(33c)도 접속된다.
제 1 관(33a)의 유입단과 제 2 관(33b)의 유출단은, 제 2 연결배관(12)으로부터 제 4 연결배관(12)까지 이어지는 주배관(35)과 각각 접속된다. 또 제 1 관(33a)에는 상기 옵션측 팽창밸브(34)가 배치된다. 이 옵션측 팽창밸브(34)는, 개방도 조절이 가능한 전자팽창밸브로 구성된다. 한편, 제 3 관(33c)의 유출단은, 고단측 압축기(31)의 흡입관(31b)과 접속된다.
옵션유닛(30)에는, 개폐 전환이 행해지는 전자(電磁)밸브나, 냉매흐름을 제한하는 체크밸브도 배치된다. 구체적으로, 상기 주배관(35)에는 제 1 관(33a) 접속부와 제 2 관(33b) 접속부의 사이에 전자밸브(SV)가 배치된다. 또, 상기 제 2 관(33b)에는 제 1 체크밸브(CV-1)가, 고단측 압축기(31) 토출관(31a)에는 제 2 체크밸브(CV-2)가 각각 배치된다. 여기서 제 1, 제 2 체크밸브(CV-1, CV-2)는 각각 도 1의 화살표로 표시하는 방향으로만 냉매 흐름을 허용한다.
또한, 옵션유닛(30)에는 고단측 압축기(31) 토출관(31a)에 고단측 오일분리기(36)가 배치된다. 이 고단측 오일분리기(36)에는, 분리 후의 냉동기유가 흐르는 제 2 오일분리관(37)의 일단이 접속된다. 제 2 오일분리관(37)의 타단은 고단측 압축기(31) 흡입관(31b)과 접속된다. 또 제 2 오일분리관(37)에는, 흡입측으로 회송되는 냉동기유를 감압하는 제 2 모세관(38)이 접속된다. 이상과 같이 하여, 고단측 오일분리기(36), 제 2 오일분리관(37), 및 제 2 모세관(38)은, 고단측 압축기(31)의 토출냉매 중으로부터 분리된 냉동기유를 이 고단측 압축기(31)의 흡입측으로 회송하는, 고단측 오일분리수단을 구성한다.
<실내유닛>
실내유닛(40)에는, 실내열교환기(41) 및 실내팽창밸브(42)가 배치된다. 실내열교환기(41)는 이용측 열교환기이며, 크로스핀식 튜브형의 열교환기로 구성된다. 실내열교환기(41) 근방에는 실내팬(43)이 설치된다. 실내팬(43)은 실내열교환기(41)로 실내공기를 공급한다. 상기 실내팽창밸브(42)는 개방도 조절이 가능한 전자팽창밸브로 구성된다.
<오일분리기의 성능>
본 발명의 특징으로서, 실외유닛(20)의 저단측 오일분리수단의 오일분리율(토출냉매 중으로부터 분리되는 냉동기유의 비율)이, 옵션유닛(30)의 고단측 오일분리수단 오일분리율보다 낮게 설정된다. 구체적으로 상기 저단측 오일분리기(26)는, 비교적 오일분리율이 낮은 사이클론(cyclone)식 오일분리기로 구성되며, 그 오일분리율은 약 90%이다. 한편, 상기 고단측 오일분리기(36)는, 비교적 오일분리율이 높은 디미스터(demister)식 오일분리기로 구성되며, 그 오일분리율은 약 95%이다. 따라서 이 냉매회로(15)에서는, 저단측 압축기(21)보다 고단측 압축기(31) 쪽이, 토출냉매 중으로부터 적극적으로 냉동기유가 회수되어 흡입측으로 회송되도록 구성된다.
-운전동작-
다음으로, 제 1 실시형태의 공기조화장치(10)의 운전동작에 대하여 설명한다.
<냉방운전>
냉방운전에서는, 사방밸브(23) 및 삼방밸브(32)가 도 2에 나타내는 상태로 설정되며, 전자밸브(SV)가 개방상태로 설정된다. 또 실외팽창밸브(25)가 완전 개방상태로, 옵션측 팽창밸브(34)가 완전 폐쇄상태로 각각 설정되는 한편, 실내팽창밸브(42)의 개방도가 운전조건에 따라 적절하게 조절된다. 또한 이 냉방운전에서는 저단측 압축기(21)가 운전되는 한편, 고단측 압축기(31)는 정지상태가 된다. 즉, 냉방운전 시의 냉매회로(15)에서는 저단측 압축기(21)에서만 냉매가 압축되어, 1단압축식 냉동주기가 이루어진다.
실외유닛(20) 저단측 압축기(21)의 토출냉매는 실외열교환기(22)를 흐른다. 실외열교환기(22)에서는, 고압냉매가 실외공기에 방열하여 응축된다. 실외열교환기(22)에서 응축한 냉매는, 옵션유닛(30)의 주배관(35)을 지나 실내유닛(40)으로 공급된다.
실내유닛(40)으로 유입한 냉매는 실내팽창밸브(42)를 통과할 때 저압까지 감압된다. 감압 후의 저압냉매는 실내열교환기(41)를 흐른다. 실내열교환기(41)에서는, 냉매가 실내공기로부터 흡열하여 증발한다. 그 결과, 실내공기가 냉각되어, 실내의 냉방이 이루어진다. 실내열교환기(41)에서 증발한 냉매는 실외유닛(20)으로 공급된다. 실외유닛(20)으로 유입한 냉매는 저단측 압축기(21)로 흡입된다.
또, 이 냉방운전 시에는, 저단측 오일분리기(26)에 의해 저단측 압축기(21)의 토출냉매 중으로부터 냉동기유가 분리된다. 이 냉동기유는 제 1 오일분리관(27)을 흐르고 제 1 모세관(28)에서 감압된 후, 저단측 압축기(21)로 흡입된다. 그 결과, 저단측 압축기(21)로부터 토출되어버린 냉동기유가 다시 저단측 압축 기(21)로 회송된다. 이로써, 저단측 압축기(21) 내 각 습동부로 공급될 냉동기유가 부족해지는 것이 회피된다.
<난방운전>
난방운전에서는, 사방밸브(23) 및 삼방밸브(32)가 도 3에 나타내는 바와 같이 설정되며, 전자밸브(SV)가 폐쇄상태로 설정된다. 또 실내팽창밸브(42), 옵션측 팽창밸브(34), 및 실외팽창밸브(25)의 개방도가 운전조건에 따라 적절하게 조절된다. 또 이 난방운전에서는 저단측 압축기(21), 및 고단측 압축기(31)가 각각 운전된다.
옵션유닛(30)의 고단측 압축기(31) 토출냉매는 실내유닛(40)의 실내열교환기(41)를 흐른다. 실내열교환기(41)에서는 고압냉매가 실내공기에 방열하여 응축된다. 그 결과, 실내공기가 가열되어 실내의 난방이 이루어진다. 실내열교환기(41)에서 응축한 냉매는 실내팽창밸브(42) 및 옵션측 팽창밸브(34)에서 감압되어 중간압이 된 후, 제 1 관(33a)을 지나 기액분리기(33)로 유입한다.
기액분리기(33)에서는, 중간압인 기액 2상상태의 냉매가 가스냉매와 액냉매로 분리된다. 분리된 포화상태의 가스냉매는 고단측 압축기(31)의 흡입측으로 공급된다. 한편, 분리된 액냉매는 제 2 관(33b)으로부터 유출한다. 이 냉매는 실외유닛(20)의 실외팽창밸브(25)를 통과할 때, 저압까지 감압된다. 저압이 된 냉매는 실외열교환기(22)를 흐른다. 실외열교환기(22)에서는, 냉매가 실외공기로부터 흡열하여 증발한다. 실외열교환기(22)에서 증발한 냉매는 저단측 압축기(21)로 흡입된다.
저단측 압축기(21)에서는, 저압이 된 냉매가 중간압까지 압축된다. 중간압이 된 냉매는 옵션유닛(30)으로 다시 공급된다. 옵션유닛(30)으로 유입한 냉매는, 기액분리기(33)에서 분리된 가스냉매와 혼합되어 고단측 압축기(31)로 흡입된다.
이상과 같이 난방운전에서는, 고압냉매를 2단계로 팽창하는 한편, 저압냉매를 2단계로 압축함과 더불어, 중간압인 기액 2상상태의 냉매를 기액분리기(33)에서 가스냉매와 액냉매로 분리하여, 분리 후의 가스냉매를 고단측 압축기(31)로 회송하는, 2단압축 2단팽창 냉동주기가 이루어진다.
한편, 이와 같이 기액분리기를 이용하여 2단압축 2단팽창 냉동주기를 행하면, 종래의 공기조화장치에서는 고단측 압축기에서 냉동기유가 부족해버린다는 문제가 발생한다. 즉 기액분리기에서는, 냉매 중 냉동기유의 대부분이 액냉매에 녹아 들어가는 한편, 가스냉매 중에 냉동기유가 거의 포함되지 않는다. 이로써, 기액분리기로 공급된 냉매 중의 냉동기유는 대부분이 저단측 압축기로 공급되게 된다. 그 결과, 고단측 압축기로 회송되는 냉동기유의 양은, 저단측 압축기에 비해 상대적으로 부족한 상태가 된다. 따라서 종래의 공기조화장치에서는, 고단측 압축기의 각 습동부 윤활불량에 따라, 각 습동부에서의 습동손실 증대, 시저, 마모 등을 초래할 우려가 있다.
본 실시형태의 공기조화장치(10)에서는, 이와 같은 문제를 해결하기 위하여, 저단측 오일분리기(26)의 오일분리율을 고단측 오일분리기(36)의 오일분리율보다 낮게 설정한다.
구체적으로 기액분리기(33)에서 분리된 후의 액냉매는 냉동기유를 다량으로 포함한 상태에서 저단측 압축기(21)로 흡입되지만, 이 저단측 압축기(21)의 토출냉매 중에서 저단측 오일분리기(26)에 의해 분리되는 냉동기유의 양은, 고단측 오일분리기(36)에 비해 소량이다. 따라서 제 1 오일분리관(27)을 지나 저단측 압축기(21)로 회송되는 냉동기유의 양이 상대적으로 적어지는 한편, 냉매와 함께 저단측 오일분리기(26)를 통과하는 냉동기유의 양이 상대적으로 많아진다. 이로써, 그 후 고단측 압축기(31)로 공급되는 냉매 중의 냉동기유 양도 많아진다.
반대로, 고단측 오일분리기(36)에서 분리되는 냉동기유의 양은, 저단측 오일분리기(26)에 비해 다량이다. 따라서 제 2 오일분리관(37)을 지나 고단측 압축기(31)로 회송되는 냉동기유의 양도 상대적으로 많아지는 한편, 냉매와 함께 고단측 오일분리기(36)를 통과하는 냉동기유의 양이 상대적으로 많아진다.
이상과 같이, 본 실시형태의 공기조화장치(10)에서는 고단측 압축기(31)로 냉동기유를 적극적으로 회송하도록 구성된다. 따라서 난방운전 시에 2단압축 2단팽창 냉동주기를 행해도, 고단측 압축기(31) 내의 냉동기유가 부족해버리는 것이 회피된다.
-제 1 실시형태의 효과-
상기 제 1 실시형태에서는, 저단측 오일분리기(26)를 사이클론식 오일분리기로 구성하며, 고단측 오일분리기(36)를 디미스터식 오일분리기로 구성함으로써, 저단측 오일분리수단(26, 27, 28)의 오일분리율을 고단측 오일분리수단(36, 37, 38)의 오일분리율보다 낮게 설정한다. 이로써, 2단압축 2단팽창 냉동주기에서 난방운전 시의 고단측 압축기(31) 오일회수량 부족을 해소할 수 있다. 따라서 고단측 압 축기(31)의 각 습동부를 확실하게 윤활할 수 있어, 각 습동부에서의 시저나 마모, 또는 습동손실 증대에 따른 압축효율 저하를 회피할 수 있다.
<제 1 실시형태의 변형예>
도 4에 나타내는 바와 같이, 이 변형예는 제 1 실시형태와는 고단측 오일분리수단의 구성이 다르다. 구체적으로, 이 변형예에서는 고단측 압축기(31)의 토출관(31a)에 2개의 고단측 오일분리기(36a, 36b)가 배치된다. 이들 오일분리기(36a, 36b)는 각각 사이클론식 오일분리기로 구성된다. 각 오일분리기(36a, 36b)에서 분리된 냉동기유는 제 2 오일분리관(37)에서 합류한 후 고단측 압축기(31)의 흡입측으로 회송된다.
한편, 저단측 압축기(21)의 토출관(21a)에는, 상기 제 1 실시형태와 마찬가지로 저단측 오일분리기(26)가 1개 배치된다. 여기서, 이 변형예에서는 고단측의 각 오일분리기(36a, 36b)와 저단측 오일분리기(26)가 각각 동등한 성능을 갖는다.
이 변형예에서는, 오일분리기 수의 차에 기인하여, 저단측 오일분리수단 쪽이 고단측 분리수단보다 오일분리율이 낮게 설정된다. 이로써, 제 1 실시형태와 마찬가지로, 2단압축 2단팽창 냉동주기 중에서의 고단측 압축기(31)의 오일회수량 부족을 해소할 수 있다.
[제 2 실시형태]
도 5에 나타내는 바와 같이 제 2 실시형태에 관한 냉동장치는, 상기 제 1 실시형태 공기조화장치(10)의 냉매회로(15)에 고단측 압축기(31)의 오일회수관(51)을 부여한 것이다. 이 오일회수관(51) 일단은, 고단측 압축기(31)의 케이싱 몸체부에 접속되며, 이 케이싱 내에 형성되는 오일팬의 소정높이 위치에 개구된다. 한편, 오일회수관(51) 타단은, 실외유닛(20)의 저단측 압축기(21) 흡입관(21b)에 접속된다. 또 오일회수관(51)에는 제 3 모세관(52)이 형성된다.
전술한 바와 같이, 고단측 오일분리수단(36, 37, 38)의 오일분리율은 저단측 오일분리수단(26, 27, 28)의 오일분리율보다 높게 구성된다. 때문에 전술한 난방운전에서는, 고단측 압축기(31)의 냉동기유가 지나치게 저류되고 오일팬의 오일면이 점차 상승하며, 고단측 압축기(31)의 각 구성부품이 냉동기유에 잠겨버릴 우려가 있다. 이를 회피하기 위하여 제 2 실시형태에서는, 고단측 압축기(31)에 지나치게 저류된 냉동기유를 저단측 압축기(21)의 흡입측으로 회송하도록 한다.
구체적으로, 고단측 압축기(31) 내의 냉동기유가 과잉되며, 그 오일면 높이가 소정 높이까지 상승하면, 과잉된 만큼의 냉동기유는 오일회수관(51)으로 유입한다. 이 냉동기유는 제 3 모세관(52)에서 감압된 후, 저단측 압축기(21)로 흡입된다. 그 결과, 고단측 압축기(31) 내의 오일면 높이가 지나치게 상승하는 것이 회피된다. 한편, 고단측 압축기(31)로는 적극적으로 오일이 회송되므로, 고단측 압축기(31) 내의 냉동기유가 부족하는 일은 없으며, 고단측 압축기(31)에서는 소정의 오일면 높이가 항상 확보되게 된다.
[제 2 실시형태의 변형예]
도 6에 나타내는 바와 같이 이 변형예는, 상기 제 2 실시형태와는 오일회수관(51)의 접속위치가 다르다. 구체적으로 이 제 2 실시형태의 변형예에서는, 오일회수관(51) 타단이 기액분리기(33)의 제 2 관(33b) 유출단측에 접속된다. 따라서 고단측 압축기(31)로부터 오일회수관(51)으로 유출한 과잉 냉동기유는, 제 2 관(33b)을 유출한 냉매와 혼합된다. 그리고 이 냉동기유를 포함한 냉매는, 실외열교환기(22)를 지난 후 저단측 압축기(21)로 흡입된다.
이 변형예에서는, 상기 제 2 실시형태와는 달리 오일회수관(51)이 옵션유닛(30) 내에 수용되므로, 배관의 시공이 용이해진다. 즉, 전술한 제 2 실시형태에서는 옵션유닛(30)측 오일회수관(51)이 실외유닛(20)측 흡입관(21b)과 접속되므로, 옵션유닛(30)과 실외유닛(20) 사이에 연결배관이 필요해지는데 반하여, 이 변형예에서는 이와 같은 연결배관을 설치할 필요가 없어진다. 또, 이 변형예에서는 이미 설치된 실외유닛(20)에 옵션유닛(30)을 접속할 경우, 실외유닛(20)측 배관을 개수할 필요도 없다. 즉, 이 변형예에서는 고단측 압축기(31), 기액분리기(33), 및 오일회수관(51)이 모두 옵션유닛(30) 내에 수용되므로, 옵션유닛(30)의 증설, 교환 등 시공을 간단하게 할 수 있음과 더불어, 고단측 압축기(31) 내의 과잉 냉동기유를 저단측 압축기(21)측으로 회송하는 기능을 부가할 수 있다.
[그 밖의 실시형태]
상기 실시형태에 대해서는 다음과 같은 구성으로 해도 된다.
상기 실시형태에서는, 실외유닛(20) 및 실내유닛(40) 사이에 옵션유닛(30)을 접속함으로써 냉매회로(15)를 구성하도록 한다. 그러나 상기 옵션유닛(30)과 실외유닛(20)은 반드시 다른 유닛이 아니라도 되며, 이들을 일체형 실외유닛으로 구성하도록 해도 된다.
또, 상기 실시형태에서는 오일분리수단으로 사이클론식이나 디미스터식의 오 일분리기를 이용하도록 하나, 금속망식 등 다른 방식의 오일분리기를 채용해도 된다.
또한, 상기 실시형태에서는 이용측 실내열교환기(41)에서 공기를 냉매에 의해 가열하거나 냉각하도록 하나, 예를 들어 플레이트식 열교환기 등으로 실내열교환기를 구성하고, 그 실내열교환기에서 물을 냉매에 의해 가열하거나 냉각하도록 해도 된다.
또, 이상의 실시형태는 본질적으로 바람직한 예시로서, 본 발명, 그 적용물, 또는 그 용도범위의 제한을 의도하는 것은 아니다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 기액분리기를 이용하여 2단압축 2단팽창 냉동주기를 실행하는 냉동장치에 있어서 고단측 압축기의 오일회수기술에 대하여 유용하다.

Claims (5)

  1. 저단측 압축기와 고단측 압축기와 중간압 냉매의 기액분리기를 구비하며 2단압축 2단팽창 냉동주기를 행하는 냉매회로를 구비하는 냉동장치에 있어서,
    상기 냉매회로에는, 상기 저단측 압축기의 토출냉매 중으로부터 분리된 냉동기유를 이 저단측 압축기의 흡입측으로 회송하는 저단측 오일분리수단과, 상기 고단측 압축기의 토출냉매 중으로부터 분리된 냉동기유를 이 고단측 압축기의 흡입측으로 회송하는 고단측 오일분리수단이 설치되며,
    상기 저단측 오일분리수단은, 그 오일분리율이 상기 고단측 오일분리수단의 오일분리율보다 낮게 설정되는 것을 특징으로 하는 냉동장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 고단측 오일분리수단은, 상기 고단측 압축기의 토출측에 직렬로 접속되는 복수의 오일분리기를 구비하며,
    상기 저단측 오일분리수단은, 상기 저단측 압축기의 토출측에 접속됨과 더불어, 상기 고단측 압축기의 오일분리기보다 적은 수의 오일분리기를 구비하는 것을 특징으로 하는 냉동장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 고단측 압축기의 케이싱 내부에는 냉동기유의 오일팬이 형성되는 한편,
    상기 냉매회로에는, 일단이 상기 오일팬의 소정높이 위치에서 개구하도록 고단측 압축기의 케이싱에 접속되며, 타단이 저단측 압축기의 흡입측에 접속된 오일회수관이 설치되는 것을 특징으로 하는 냉동장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 고단측 압축기의 케이싱 내부에는 냉동기유의 오일팬이 형성되는 한편,
    상기 냉매회로에는, 일단이 상기 오일팬의 소정높이 위치에서 개구되도록 고단측 압축기의 케이싱에 접속되며, 타단이 상기 기액분리기의 액냉매 유출측에 접속된 오일회수관이 설치되는 것을 특징으로 하는 냉동장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 냉매회로는, 상기 저단측 압축기 및 실외열교환기를 구비하는 실외유닛과, 실내열교환기를 구비하는 실내유닛과, 상기 고단측 압축기, 기액분리기, 및 오일회수관을 구비하는 옵션유닛을 서로 배관으로 접속함으로써 구성되는 것을 특징으로 하는 냉동장치.
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