| 【発明の名称】 |
冷凍装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】池田 隆
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| 【要約】 |
【課題】圧縮機から吐出された冷媒カ゛スの流速を遅くして、油分離器での油分離効率を向上させる冷凍装置を提供する。
【解決手段】圧縮機１、凝縮器２、膨張機構３、蒸発器４、油分離器５からなる冷媒回路を有する冷凍装置において、油分離器での油分離効率を向上させるため、圧縮機１によって吐出された冷媒ガスの温度を下げて流速を遅くするための熱交換器６を設けた。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 圧縮機、油分離器、凝縮器、膨張機構、蒸発器からなる冷媒回路を有する冷凍装置において、圧縮機から吐出された冷媒ガスがモリエル線図上で、湿り蒸気に近い過熱蒸気の状態となる位置に対応する前記冷媒回路の位置に油分離器を設置することを特徴とする冷凍装置。
【請求項２】 冷媒回路の圧縮機と油分離器との間に冷却装置を設け、この冷却装置により、圧縮機から吐出された冷媒ガスを湿り蒸気に近い過熱蒸気の状態とすることを特徴とする請求項１記載の冷凍装置。
【請求項３】 前記冷却装置による冷媒の冷却温度を調節する冷媒温度調節手段と、凝縮器による冷媒凝縮状態を検知する第１の冷媒検知手段とを備え、前記第１の冷媒検知手段の検出値に基づき前記冷媒温度調節手段により前記冷却装置による冷媒の冷却温度を所定の値とすることを特徴とする請求項２記載の冷凍装置。
【請求項４】 前記冷却装置が熱交換器であることを特徴とする請求項２または請求項３記載の冷凍装置。
【請求項５】 前記熱交換器が凝縮器の熱交換器の一部であることを特徴とする請求項４記載の冷凍装置。
【請求項６】 前記熱交換器が圧縮機の吐出ガス冷媒と凝縮器で凝縮後の冷媒との熱交換によるものであることを特徴とする請求項４記載の冷凍装置。
【請求項７】 前記熱交換器が圧縮機の吐出ガス冷媒と蒸発器で蒸発後の冷媒との熱交換によるものであることを特徴とする請求項４記載の冷凍装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、冷凍装置（空気調和装置含む）における油分離機の油分離効率向上に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図８は、例えば社団法人日本冷凍空調学会発行（平成９年７月２０日第２刷発行）の「初級標準テキスト冷凍空調技術」の９５頁の図１３．１に示された従来の冷凍装置の冷媒回路図を簡略化したものである。図において１は圧縮機、２は凝縮器、３は膨張機構、４は蒸発器、５は圧縮機１と凝縮器２の間に設けられた油分離器、２４は返油管である。図８の冷凍装置の冷媒回路の一般的の動作についてはよく知られているので説明を省略する。
【０００３】上記のような従来の冷凍装置では、圧縮機１より吐出される冷媒ガス中に圧縮機１各部の潤滑を行っている油が微細になって混入する。この圧縮機１から吐出される油の量を少なくするために、圧縮機１と凝縮器２の間に油分離器５を設けて、吐出ガスから油を分離させ分離した油を返油管２４により圧縮機へ戻している。一般的な油分離器５の取り付け位置をモリエル線図上で表すと、図９に明示の位置となり冷媒が圧縮機１の吐出ガス状態の位置となる。これは、冷媒が液状態となると、圧縮機１より持ち出される油は相溶油では液体状の冷媒には溶け込んでしまい油分離器５では液冷媒と油は分離できない、また非相溶油では油と冷媒液が相分離するが、冷媒液と油の分離がしにくいため、冷媒がガスの状態にある圧縮機１と凝縮器２の間で、圧縮機１から直後の位置に取り付けられる。油分離器５の内部構造の一例を図１０に示す。図において、２１は油分離器５の容器、２２は冷媒吸入管、２３は冷媒吐出管、２４は返油管、２５は冷媒の吸入側と吐出側とを分ける隔板、２６は冷媒ガスと油を分離するメッシュである。圧縮機１から吐出されたガス冷媒は油分離器５内に冷媒吸入管２２より吸入されると、メッシュ２６と容器２１の内面に冷媒ガス中の油が付着し、冷媒ガスと油が分離される。冷媒ガスは冷媒吐出管２３より冷媒回路に送られ、分離された油は自重により下部へ落下し、容器２１の下部に溜まる。溜まった油は、油分離器５の下部に取り付けられた返油管２４を通じ、圧縮機１に返される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】油の吐出量の多い圧縮機１では、冷媒回路中に多量の油が混入してしまい、凝縮器２や蒸発器４の伝熱作用が悪くなる。また、冷媒が不足したり、吸入配管の形状や寸法などにより、冷媒回路から圧縮機１への油戻りの悪い装置では、圧縮機１内に保有している油がなくなり、圧縮機焼付の原因になるという問題があった。そのため、圧縮機１と凝縮器２の間に設けられる油分離器５によって、油を冷媒より分離し、返油管２４より圧縮機１に戻す事により圧縮機１内の油量を確保しているが、油分離器５の油分離効率が悪い場合、上記のような問題が起こってしまう。そのために、油分離器５の構造を複雑化させ、油の分離効率を良くする方法が取られるが、コストアップとなってしまう。また、圧縮機１から吐出される油は油劣化物（スラッジ）の発生原因となり易く、そのために発生したスラッジによって膨張機構３の細部を詰まらせてしまう恐れがあるため、特にスラッジの発生しやすいＨＦＣ（ハイドロフルオロカ−ボン）系の冷媒を使用する機器においては、圧縮機１から吐出された冷媒ガスに含まれる油の凝縮器２側に持ち出される量をできる限り少なくしなければならない。
【０００５】この発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので圧縮機から吐出される冷媒ガスに含まれる油を一般的な油分離器で効率良く分離することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この発明の第１の発明に係わる冷凍装置は、圧縮機、油分離器、凝縮器、膨張機構、蒸発器からなる冷媒回路を有する冷凍装置において、圧縮機から吐出された冷媒ガスがモリエル線図上で、湿り蒸気に近い過熱蒸気の状態となる位置に対応する前記冷媒回路の位置に油分離器を設置するものである。
【０００７】この発明の第２の発明に係わる冷凍装置は、第１の発明において、冷媒回路の圧縮機と油分離器との間に冷却装置を設け、この冷却装置により、圧縮機から吐出された冷媒ガスを湿り蒸気に近い過熱蒸気の状態とするものである。
【０００８】この発明の第３の発明に係わる冷凍装置は、第２の発明において、前記冷却装置による冷媒の冷却温度を調節する冷媒温度調節手段と、凝縮器による冷媒凝縮状態を検知する第１の冷媒検知手段とを備え、前記第１の冷媒検知手段の検出値に基づき前記冷媒温度調節手段により前記冷却装置による冷媒の冷却温度を所定の値とするものである。
【０００９】この発明の第４の発明に係わる冷凍装置は、第２の発明または第３の発明において、前記冷却装置が熱交換器とするものである。
【００１０】この発明の第５の発明に係わる冷凍装置は、第４の発明において、前記熱交換器が凝縮器の熱交換器の一部であるものである。
【００１１】この発明の第６の発明に係わる冷凍装置は、第４の発明において、前記熱交換器が圧縮機の吐出ガス冷媒と凝縮器で凝縮後の冷媒との熱交換によるものである。
【００１２】この発明の第７の発明に係わる冷凍装置は、第４の発明において、前記熱交換器が圧縮機の吐出ガス冷媒と蒸発器で蒸発後の冷媒との熱交換によるものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】実施の形態１．図１、図２、図３、図４によりこの発明の実施の形態１を説明する。図１は、本実施の形態の冷凍装置の冷媒回路を示す。図２は、本実施の形態の油分離器の設置位置の冷媒の状態を説明するためのモリエル線図であり、図３、図４は、それぞれ油分離器における冷媒の流速と油の分離効率の関係を示す図、冷媒の流速と温度との関係を示す図である。図１において、１は圧縮機、２は凝縮器、３は膨張機構である膨張弁、４は蒸発器、５は油分離機、６は冷却装置であり、圧縮機から吐出された冷媒ガスを冷却する熱交換器、７は冷媒温度調節手段であり、熱交換器６の冷却ファン、８は第１の冷媒検知手段であり、凝縮器２の凝縮温度を検出する温度検出器、１０は第２の冷媒検知手段であり、油分離器５に吸入される冷媒温度を検出する温度検出器である。
【００１４】図１において、冷凍装置の冷媒回路の一般的な動作はよく知られているので説明を省略する。また、圧縮機１から冷媒とともに流出した油は、油分離器５で分離され返油管２４より圧縮機１に戻されるのは、従来の技術で示した図８、図１０と同様である。本実施の形態では、従来の技術で示した図８の冷媒回路に比べて、熱交換器６、冷却ファン７及び温度検出器８、１０を設けている点が相違する。本実施の形態では、温度検出器８によって検出された冷媒の凝縮温度と温度検出器１０によって検出された油分離器５の入口の冷媒温度に応じて冷却ファン７の回転数を変化させ、熱交換器６での熱交換量を調整することにより、冷媒の凝縮温度と油分離器５の入口の冷媒ガス温度との差を常に一定の温度差になるようにする。そこで、圧縮機１から吐出された例えば１００℃の冷媒ガスが、凝縮温度例えば４５℃よりも常に一定の温度差例えば５℃を保って、冷媒温度例えば５０℃まで冷却され、油分離器５に吸入される。
【００１５】熱交換器６により圧縮機１からの吐出冷媒を冷却し、油分離器５に吸入させることにより油の分離効率を向上できる理由を次に説明する。冷媒ガスの流速と油分離器での油の分離効率の関係を示す図３の通り、一般に冷媒ガスの流速が遅いほど油の分離効率が良いことがわかる。即ち、圧縮機から吐出される冷媒ガスに含まれる油を油分離器で効率良く分離するためには冷媒ガスの流速を遅くして、油分離器５内のメッシュ等との接触時間を長くする必要がある。よって、出来る限り冷媒のガス流速の遅い場所に油分離器を設置すれば油分離の効率が良くなることになる。また、図２の領域１における冷媒ガスの流速と温度の関係を示す図４によると、冷媒ガス温度が低い方がガス流速が遅くなるのがわかり（単位時間当たりの一定重量の冷媒ガスが流れている場合、冷媒ガス温度が低下すると冷媒ガス密度が増加して、単位時間当り流れる冷媒ガス体積（冷媒ガス流速）は低下する）、吐出する冷媒ガスを冷却し冷媒ガスの温度を低くすれば、冷媒ガスの流速が遅くなることになる。そこでこの状態の冷媒ガスを油分離器に吸入させると、油分離の効率が良くなることになる。しかし、あまり冷媒ガスを冷却しすぎると、冷媒ガスが湿り蒸気の状態となる。この状態の位置に油分離器を設置してしまうと、油分離器の中に液冷媒が溜まってしまい、油と分離できず油と共に液冷媒を圧縮機に返してしまうため、能力低下や、圧縮機の故障に至るため注意が必要である。
【００１６】前記の如く、本実施の形態では、圧縮機１によって吐出された冷媒ガスは熱交換器６によって熱交換され、冷却され、油分離器５に吸入される。よって、冷媒ガスの流速が遅い状態で油分離器５に吸入されるので油分離器５での油分離効率が良くなる。
【００１７】また、温度検出器８によって検出された冷媒の凝縮温度に応じて冷却ファン７の回転数を変化させ、熱交換器６での熱交換量を調整することにより、圧縮機１から吐出された例えば１００℃の冷媒ガスが凝縮温度例えば４５℃よりも多少高い温度まで冷却され、油分離器５に吸入される。よって、冷媒ガスの流速が遅い状態で油分離器５に冷媒ガスが吸入されるので油分離器５での油分離効率が良くなる。
【００１８】さらに、温度検出器８によって検出された冷媒の凝縮温度と温度検出器１０によって検出された油分離器の入口の冷媒温度に応じて冷却ファン７の回転数を変化させ、熱交換器６での熱交換量を調整することにより、冷媒の凝縮温度と油分離器の入口の冷媒ガス温度との差を常に一定の温度差になるようにする。そのことにより、圧縮機１から吐出された例えば１００℃の冷媒ガスが、凝縮温度例えば４５℃よりも常に一定の温度差例えば５℃を保って、温度例えば５０℃まで冷却され、油分離器５に吸入される。よって、油分離器５に吸入される冷媒は冷却されるとともに確実に過冷却状態（湿り状態とはならず）を保つことができ、油分離器５での油分離効率が確実に良くなる。
【００１９】本実施の形態によると、冷凍装置の冷媒回路において冷却装置である熱交換器６を圧縮機１と油分離器５との間に設置し、熱交換器６で圧縮機１から吐出された吐出状態の冷媒を冷却し、図２のモリエル線図に示すように、ＢＣ線上で、半分よりＣ側寄り（Ｃ点は除く）の状態の冷媒、即ち冷媒が湿り蒸気に近い過熱蒸気の状態となる位置である冷媒を油分離器５に流入させることにより図９に示した従来の技術の圧縮機から吐出されるほぼ吐出状態の冷媒を油分離器５に流入させるのに比べて冷媒温度の低下及びそれに伴う冷媒流速の低下により明らかに分離効率の向上が得られる。さらにＢＣ線上で、Ｂ（圧縮機の吐出状態）から１／４、１／２、３／４とＣ（Ｃ点は除く）に近い状態の冷媒ほど分離効率が向上できる。
【００２０】なお、本実施の形態では、第１の冷媒検知手段として温度検出器８を用いて凝縮温度を検出したが、この代わりに圧力検出器を用いて冷媒の凝縮圧力を検出して、これに基づいて冷却ファン７の回転数を制御するようにしても同様である。
【００２１】実施の形態２．図５は、本実施の形態２の冷凍装置の冷媒回路を示す。図１と同様の部分は同一記号を付し、その説明は省略する。実施の形態１との相違は冷却装置である熱交換器６として凝縮器２の熱交換器の一部を使用する点である。たとえば、凝縮器２がプレ−トフィンチュ−ブ゛式の熱交換器とすると、図で矢印で示すように圧縮機１から吐出された冷媒ガスをプレ−トフィンチュ−ブ゛式の凝縮器２の数パス（図５で６と表示し、熱交換器６の作用をする）を通した後、油分離器５を通過させ、またプレ−トフィンチュ−ブ゛式の凝縮器２の残りのパスに通す。本実施の形態により熱交換器６で冷媒を冷却し、油分離器５での分離効率の向上が得られ、かつ凝縮器２の容量アップを行う必要もないので、サイズ・コストのアップも防ぐことができる。また、図５には記載してないが、実施の形態１の図１と同じく熱交換器６の冷却ファン７、凝縮温度を検出する温度検出器８、油分離器５に吸入される冷媒の温度を検出する温度検出器１０を設けて熱交換器６での熱交換量を調整するようにして実施の形態１と同様の効果が得られる。
【００２２】実施の形態３．図６は、本実施の形態３の冷凍装置の冷媒回路を示す。図１と同様の部分は同一記号を付し、その説明は省略する。実施の形態１との相違は冷却装置である熱交換器１２として圧縮機１の吐出ガス冷媒と凝縮器２で凝縮後の冷媒との熱交換をする熱交換器を使用する点である。図６において、矢印は冷媒の流れ（油の流れは矢印に油の流れと明示）を示し、１１は高圧側液冷媒を低圧側へ流す第１のバイパス回路、１２は圧縮機１から吐出された冷媒ガスと第１のバイパス回路１１に流れる冷媒とを熱交換させる熱交換器である。
【００２３】第１のバイパス回路１１によって凝縮器２で凝縮された高温の液冷媒を熱交換器１２に流し、圧縮機１から吐出された冷媒ガスと熱交換させることによって、自身は蒸発し、圧縮機１から吐出された例えば１００℃の冷媒ガスが、凝縮温度である例えば４５℃よりも多少高い温度例えば５０℃まで冷却され、油分離器５に吸入される。よって、冷媒ガスの流速が遅い状態で油分離器に冷媒ガスが吸入されるので油分離器での油分離効率が良くなる。また、図６には記載してないが、第１のバイパス回路１１に冷媒温度調節手段である流量調節装置（例えば流量調節弁）を設け、また、実施の形態１の図１と同じく、凝縮温度を検出する温度検出器８、油分離器５に吸入される冷媒の温度を検出する温度検出器１０を設けて熱交換器１２での熱交換量を調整するようにして実施の形態１と同様の効果が得られる。
【００２４】実施の形態４．図７は、本実施の形態４の冷凍装置の冷媒回路を示す。図１と同様の部分は同一記号を付し、その説明は省略する。実施の形態１との相違は冷却装置である熱交換器１４として圧縮機１の吐出ガス冷媒と蒸発器４で蒸発後の冷媒との熱交換をする熱交換器を使用する点である。図７において、矢印は冷媒の流れ（油の流れは矢印に油の流れと明示）を示し、１３は低圧側冷媒を流す第２のバイパス回路、１４は圧縮機１から吐出された冷媒ガスと第２のバイパス回路１３に流れる冷媒とを熱交換させる熱交換器である。
【００２５】第２のバイパス回路１３によって低圧冷媒を熱交換器１４に流し、圧縮機１から吐出された冷媒ガスと熱交換させることによって、圧縮機１から吐出された冷媒ガスが、凝縮温度である例えば４５℃よりも多少高い温度例えば５０℃まで冷却され、油分離器５に吸入される。よって、冷媒ガスの流速が遅い状態で油分離器に冷媒ガスが吸入されるので油分離器での油分離効率が良くなる。また、図７には記載してないが、第２のバイパス回路１３に冷媒温度調節手段である流量調節装置（例えば流量調節弁）を設け、また、実施の形態１の図１と同じく、凝縮温度を検出する温度検出器８、油分離器５に吸入される冷媒の温度を検出する温度検出器１０を設けて熱交換器１４での熱交換量を調整するようにして実施の形態１と同様の効果が得られる。
【００２６】以上前記の各実施の形態において、冷媒として、ＨＦＣ系の冷媒（ハイドロフルオロカ−ボン系の冷媒）を使用した冷凍装置では、油分離器５での油の分離がよくなり、以降の冷媒回路への油の流出が少なくなり、スラッジの発生が少なくなり、膨張機構の細部を詰まらせる等の不具合を防ぐことができるので、前記の各実施の形態に記載のものは特に有効である。ＨＦＣ系冷媒としては、Ｒ４０４Ａ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ４１０Ａ、Ｒ５０７Ａ等があり、これらと組合わせる冷凍機油としては、エステル油、エ−テル油、アルキルベンゼン油等がある。
【００２７】
【発明の効果】第１の発明に係わる冷凍装置によれば、圧縮機、油分離器、凝縮器、膨張機構、蒸発器からなる冷媒回路を有する冷凍装置において、圧縮機から吐出された冷媒ガスがモリエル線図上で、湿り蒸気に近い過熱蒸気の状態となる位置に対応する前記冷媒回路の位置に油分離器を設置するので、油分離器に流入する冷媒ガスが圧縮機から吐出した吐出状態より温度が低下し、流速が低下することより、油分離器での油分離効率が向上する。
【００２８】第２の発明に係わる冷凍装置によれば、第１の発明において、冷媒回路の圧縮機と油分離器との間に冷却装置を設け、この冷却装置により、圧縮機から吐出された冷媒ガスを湿り蒸気に近い過熱蒸気の状態とするので、圧縮機から吐出された吐出状態の冷媒を冷却装置により容易に低温化でき、冷媒流速の低下により油分離器での油分離効率が向上する。
【００２９】第３の発明に係わる冷凍装置によれば、第２の発明において、前記冷却装置による冷媒の冷却温度を調節する冷媒温度調節手段と、凝縮器による冷媒凝縮状態を検知する第１の冷媒検知手段とを備え、前記第１の冷媒検知手段の検出値に基づき前記冷媒温度調節手段により前記冷却装置による冷媒の冷却温度を所定の値とするので、第１の冷媒検知手段による冷媒の凝縮状態の検知に基づき、冷媒温度調節手段により冷却装置による冷媒の冷却温度を調節できるので、油分離器に流入する冷媒を湿り蒸気に近い過熱状態まで確実に冷却でき、油分離器での油分離効率の向上が確実に行われる。
【００３０】第４の発明に係わる冷凍装置によれば、第２の発明または第３の発明において、前記冷却装置が熱交換器とするので、冷却装置を熱交換器とすることにより、冷凍、空調技術で使われる熱交換器が広く利用できる。
【００３１】第５の発明に係わる冷凍装置によれば、第４の発明において、前記熱交換器が凝縮器の熱交換器の一部としたので、凝縮器の熱交換器の容量アップを行わずに油分離効率の向上と凝縮作用との両者を満足でき、小型化、コスト低減が可能となる。
【００３２】第６の発明に係わる冷凍装置によれば、第４の発明において、熱交換器が圧縮機の吐出ガス冷媒と凝縮器で凝縮後の冷媒との熱交換によるものとしたので、熱交換器で空冷するのに比べて、外気の影響が少なく、安定した冷却ができる。
【００３３】第７の発明に係わる冷凍装置によれば、第４の発明において、熱交換器が圧縮機の吐出ガス冷媒と蒸発器で蒸発後の冷媒との熱交換によるものとしたので、熱交換器で空冷するのに比べて、外気の影響が少なく、安定した冷却ができるとともに、蒸発器を出た後の冷媒を使うので、冷凍機のシステム効率がよくなる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００６０１３
【氏名又は名称】三菱電機株式会社
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| 【出願日】 |
平成１０年（１９９８）５月２８日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】宮田 金雄 （外２名）
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| 【公開番号】 |
特開平１１−３３７１９５ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）１２月１０日 |
| 【出願番号】 |
特願平１０−１４７０４５ |
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