| 【発明の名称】 |
冷凍装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】山本 清一
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| 【要約】 |
【課題】フロン冷媒よりも比体積が小さな冷媒を用いて配管や機器として内径の小さなものを使用する場合でも、圧縮機用の潤滑油がこれら配管や機器の内面に付着することによる圧力損失の問題を一掃できる冷凍装置を提供する。
【解決手段】圧縮機１から吐出された超臨界状態の二酸化炭素から油分離器２において効果的に潤滑油を取り除くことができるので、圧縮機１に潤滑油を用いる場合でもこの潤滑油が油分離器２よりも下流側の配管及び放熱器３，膨張手段４，蒸発器５等の機器の内面に付着するようなことはなく、この付着を原因とした圧力損失の問題を確実に回避することができる。つまり、フロン冷媒よりも比体積が小さな二酸化炭素を冷媒として用いることにより、冷媒循環量を減らし且つ配管や機器として内径の小さなものを使用する場合でも、これら配管や機器の内面に潤滑油が付着することによる圧力損失の問題を一掃することができる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 フロン冷媒よりも比体積が小さく、且つ高圧側において臨界圧力以上の状態で使用される冷媒と、該冷媒を臨界圧力以上に圧縮して吐出する圧縮機と、該圧縮機用の潤滑油と、前記圧縮機から吐出された臨界圧力以上の冷媒から潤滑油を取り除く油分離器と、該油分離器から流出した臨界圧力以上の冷媒を冷却する放熱器と、該放熱器から流出した臨界圧力以上の冷媒の圧力を臨界圧力未満に減圧する膨張手段と、該膨張手段から流出した臨界圧力未満の冷媒を蒸発させる蒸発器とを備える、ことを特徴とする冷凍装置。
【請求項２】 前記油分離器はその入口部分に絞り部を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
【請求項３】 前記油分離器は、取り除いた潤滑油を圧縮機または圧縮機の吸入配管に戻す管路を有する、ことを特徴とする請求項１または２に記載の冷凍装置。
【請求項４】 前記油分離器は、前記圧縮機に一体的に組み込まれている、ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の冷凍装置。
【請求項５】 前記冷媒は二酸化炭素である、ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の冷凍装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、脱フロン対策としてフロン以外の流体を冷媒として用いた冷凍装置に関し、特にフロン冷媒よりも比体積の小さな冷媒を用いた冷凍装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】特公平７−１８６０２号公報には、冷媒として二酸化炭素を用いた冷凍装置が開示されている。この冷凍装置は、圧縮機で二酸化炭素をその臨界圧力以上に圧縮し、この超臨界状態の二酸化炭素を放熱器で冷却してから膨張手段で減圧して蒸発器で蒸発させ、このときの蒸発潜熱を空気等の外部流体から奪って所期の冷却を行う。
【０００３】ちなみに、前記の「超臨界状態」とは、二酸化炭素の温度及び圧力がその臨界点以上の状態、つまり、二酸化炭素の密度が液密度とほぼ同じでありながら、二酸化炭素分子が気相状態のように運動する状態を言う。ちなみに、二酸化炭素の臨界温度は約３１℃で、これに対応する臨界圧力は約７５．３Ｋｇ／ｃｍ2 である。
【０００４】二酸化炭素の臨界温度は約３１℃で、従来のフロン冷媒の臨界温度（例えば、Ｒ１２では１１２℃）と比べてかなり低いため、夏場等の高温環境では前記放熱器における二酸化炭素温度がその臨界温度よりも高くなって放熱器における冷却が困難となるが、この問題は放熱器出口側の圧力が高くなるように圧縮機の吐出圧力を高くすれば解消できる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、二酸化炭素の比体積ｖはフロン冷媒よりも小さいため、同じ圧縮機（ピストン押し退け量ｑｖ，体積効率ηｖ）を使う場合を想定すると、冷媒循環量Ｇ＝（ｑｖ・ηｖ）／ｖは二酸化炭素のほうが格段大きくなる（Ｒ１２の約５．５倍，Ｒ１３４ａの約７倍）。換言すれば、フロン冷媒よりも比体積の小さな二酸化炭素を冷媒として用いる場合には、ピストン押し退け量、具体的にはシリンダー径やピストンストローク等が小さな圧縮機を用いてもフロン冷媒と同等の冷凍能力を得ることができ、フロン冷媒を用いる場合に比べて循環量も減らすことができる。また、循環量が減ると当然ながら配管や放熱器，膨張手段，蒸発器等の機器における圧力損失も小さくなるので、フロン冷媒を用いる場合に比べて内径の小さな配管や機器を用いることが可能となる。
【０００６】一方、冷媒として二酸化炭素を用いる場合でも、圧縮機におけるシリンダの摩擦面や軸受部の損傷を防止することを目的として、潤滑油を二酸化炭素と一緒に循環させ、回路を一巡した循環油を再び圧縮機に戻す方法が採用される。
【０００７】しかし、先に述べたように、内径の小さな配管や機器を用いると、圧縮機よりも下流側の配管や放熱器，膨張手段，蒸発器等の機器の内面に潤滑油が付着したときの圧力損失が大きくなってしまう。これを防止するには内径の大きな配管や機器を用いればよいが、そうすると冷媒循環量を減らせるといった利点やピストン押し退け量が小さな圧縮機を使用できるといった利点が全く得られなくなる。
【０００８】また、二酸化炭素を冷媒として用いた前記の冷凍装置では、高圧側が臨界圧力以上で低圧側もフロン冷媒に比べて高くなるため、これら圧力に十分に耐え得る肉厚が配管や機器に必要となる。つまり、前記のように内径の大きな配管や機器を用いると、配管外径や機器の大きさが必然的に大きくなって装置重量の増加や装置の大型化やスペース利用率の悪化等の問題を招来してしまう。
【０００９】本発明は前記事情に鑑みて創作されたもので、その目的とするところは、フロン冷媒よりも比体積が小さな冷媒を用いて配管や機器として内径の小さなものを使用する場合でも、圧縮機用の潤滑油がこれら配管や機器の内面に付着することによる圧力損失の問題を一掃できる冷凍装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため、本発明は、フロン冷媒よりも比体積が小さく、且つ高圧側において臨界圧力以上の状態で使用される冷媒と、該冷媒を臨界圧力以上に圧縮して吐出する圧縮機と、該圧縮機用の潤滑油と、前記圧縮機から吐出された臨界圧力以上の冷媒から潤滑油を取り除く油分離器と、該油分離器から流出した臨界圧力以上の冷媒を冷却する放熱器と、該放熱器から流出した臨界圧力以上の冷媒の圧力を臨界圧力未満に減圧する膨張手段と、該膨張手段から流出した臨界圧力未満の冷媒を蒸発させる蒸発器とを備える、ことをその主たる特徴としている。
【００１１】この冷凍装置では、圧縮機で冷媒をその臨界圧力以上に圧縮し、この臨界圧力以上の冷媒から油分離器において潤滑油を取り除くことができ、そして、この油分離器から流出した臨界圧力以上の冷媒を放熱器で冷却してから膨張手段で臨界圧力未満に減圧し、これを蒸発器で蒸発させてそのときの蒸発潜熱を空気等の外部流体から奪って所期の冷却を行うことができる。また、冷媒としてフロン冷媒よりも比体積が小さなものを用いているため、フロン冷媒を用いる場合に比べて冷媒循環量が少なくて済み、このことから内径の小さな配管及び放熱器，膨張手段，蒸発器等の機器を用いることができる。さらに、圧縮機から吐出された臨界圧力以上の冷媒から油分離器において潤滑油を取り除くことができるので、フロン冷媒を用いる場合に比べて内径の小さな配管及び機器を用いるに際しても、油分離器よりも下流側の配管及び機器の内面に潤滑油が付着することを原因とした圧力損失の問題を回避することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】図１及び図２は本発明の一実施形態を示すもので、図中の符号１は圧縮機、２は油分離器、３は放熱器、４は膨張手段、５は蒸発器、Ｐ１〜Ｐ４は各機器を接続する配管、Ｐ５は油戻し管である。
【００１３】図１に示した冷凍装置は、脱フロン対策として二酸化炭素を冷媒として用いたものであり、この二酸化炭素は高圧側において臨界圧力以上の状態で使用される。ちなみに、この二酸化炭素の臨界温度は約３１℃で、これに対応する臨界圧力は約７５．３Ｋｇ／ｃｍ2 である。
【００１４】圧縮機１の吐出口は配管Ｐ１を介して油分離器２の入口２ｂ（図２参照）に接続され、油分離器２の出口２ｃ（図２参照）は配管Ｐ２を介して放熱器３の入口に接続され、放熱器３の出口は配管Ｐ３及び膨張手段４を介して蒸発器５の入口に接続され、蒸発器５の出口は配管Ｐ４を介して圧縮機１の吸入口に接続されている。また、油分離器２の戻し口２ｄ（図２参照）は油戻し管Ｐ５を介して圧縮機１に接続されている。
【００１５】圧縮機１にはシリンダの摩擦面や軸受部の損傷を防止することを目的として潤滑油が用いられている。この潤滑油には周知の潤滑油の中でも、後述する超臨界状態の二酸化炭素によっても変質や炭化を生じぬものが選択的に使用される。
【００１６】油分離器２は、図２に示すように、鏡板等を用いて形成された高耐圧性の密閉タンク２ａと、タンク２ａの上部側面に形成された入口２ｂと、タンク２ａの上端部に形成された出口２ｃと、タンク２ａの下端部に形成された戻し口２ｄを備えている。入口２ｂには配管Ｐ１の端部が挿入され、出口２ｃには配管Ｐ２の端部が挿入され、戻し口２ｄには油戻し管Ｐ５の端部が挿入されそれぞれ溶接されている。この油分離器２は圧縮機１の吐出口に近い位置、具体的には、圧縮機１の吐出口と放熱器３の入口までの距離の約１／４の位置に配置されている。図示を省略したが、油分離器２及び油戻し管Ｐ５には運転時において冷えないような配慮、例えば、断熱材による保温や圧縮機１から伝熱による加温等が必要に応じて施される。
【００１７】また、油分離器２の入口２ｂに取り付けられた配管Ｐ１の端部内面には、タンク２ａに向かって内径が徐々に小さくなる絞り部Ｐ１ａが設けられている。この絞り部Ｐ１ａはタンク２ａ内に流入する二酸化炭素に減圧作用を生じさせる役目を果たす。また、出口２ｃに取り付けられた配管Ｐ２の端部には、筒状網材や細孔を多数有する筒材等から成る油分離部材２ｅがその側面が入口２ｂと向き合うように取り付けられている。
【００１８】先に述べたように、フロン冷媒よりも比体積の小さな二酸化炭素を冷媒として用いることにより、その循環量をフロン冷媒を用いる場合に比べて少なくできることから、換言すれば、少ない循環量で所期の冷凍能力を得られることから、前記の配管Ｐ１〜Ｐ４と放熱器３及び蒸発器５の内径はフロン冷媒を用いる場合に比べて小さいものとなっている。理論的には、Ｒ１３４ａと同等の冷凍能力を得るに当たっては、冷媒として二酸化炭素を用いる場合の前記配管及び機器の内径をＲ１３４ａを用いる場合の内径の約１／４とすることが可能である。
【００１９】以下に前述の冷凍装置の動作について説明する。
【００２０】この冷凍装置は、冷媒であるところの二酸化炭素を圧縮機１によってその臨界圧力以上に圧縮して吐出させることにより運転される。先に述べたように夏場等の高温環境において放熱器出口側においても二酸化炭素が凝縮しないことを防止するため、この圧縮機１の吐出圧力は、外気温度にもよるが、高圧側が二酸化炭素の臨界圧力（約７５．３Ｋｇ／ｃｍ2 ）よりも高い１００Ｋｇ／ｃｍ2 〜１７０Ｋｇ／ｃｍ2 となるように予め設定される。
【００２１】圧縮機１から吐出された臨界圧力以上の二酸化炭素は配管Ｐ１を介して油分離器２のタンク２ａ内に流入する。油分離器２の入口２ｂに取り付けられた配管Ｐ１の端部内面に絞り部Ｐ１ａが設けられているため、超臨界状態の二酸化炭素はタンク２ａ内に流入する際に数Ｋｇ〜数十Ｋｇ程度の減圧作用を受ける。ここでの減圧はあくまでも二酸化炭素の臨界圧力よりも高いところでの減圧であり、このようにすると潤滑油に対する二酸化炭素の溶解度（重量分率）が低下して、潤滑油に溶け込んでいる二酸化炭素が分離し易くなる。ちなみに、潤滑油に対する二酸化炭素の溶解度（重量分率）は、（気相中の二酸化炭素）／（（潤滑油）＋（液相中の二酸化炭素−気相中の二酸化炭素））の式で表すことができ、７０℃の温度条件では圧力を１２ＭＰａから７ＭＰａに落とすだけで二酸化炭素を潤滑油から簡単に分離することができる。
【００２２】減圧作用を受けた後の超臨界状態の二酸化炭素は基本的には油分離部材２ｅを通過するときに潤滑油を分離される。このようにして二酸化炭素から取り除かれた潤滑油はタンク２ａの底部に溜まり、一定量以上になると図示省略のフロート弁が開放して、戻し口２ｄに取り付けられた油戻し管Ｐ５を通じて圧縮機１に直接戻される。
【００２３】油分離器２から流出した超臨界状態の二酸化炭素は配管Ｐ２を介して放熱器３に流入され、放熱器３を通過する過程で冷却される。先に述べたように圧縮機１の吐出圧力を高く設定することで放熱器３の出口側圧力も高くなっているため、夏場等の高温環境において放熱器３の温度が二酸化炭素の臨界温度よりも高くなってもここでの冷却は効果的に実施され、放熱器出口側において二酸化炭素が凝縮しないような問題は生じ得ない。
【００２４】放熱器３から流出した超臨界状態の二酸化炭素は配管Ｐ３を介して膨張手段４に流入し、ここで臨界圧力未満に減圧された後に蒸発器５に流入する。膨張手段４としては周知の冷凍機用流量制御器が適宜使用できるが、好ましくは蒸発器５から流出する二酸化炭素の過熱度を一定に保ちその流量を制御する感温式膨張弁が使用される。臨界圧力未満に減圧された二酸化炭素はこの蒸発器５を通過する過程で蒸発し、そのときの蒸発潜熱を空気等の外部流体から奪って所期の冷却が行われる。
【００２５】蒸発器５から流出した臨界圧力未満の二酸化炭素は配管Ｐ３を介して圧縮機１に吸入され、再び臨界圧力以上に圧縮される。
【００２６】このように、前述の冷凍装置によれば、圧縮機１から吐出された超臨界状態の二酸化炭素から油分離器２において効果的に潤滑油を取り除くことができるので、圧縮機１に潤滑油を用いる場合でもこの潤滑油が油分離器２よりも下流側の配管及び放熱器３，膨張手段４，蒸発器５等の機器の内面に付着するようなことはなく、この付着を原因とした圧力損失の問題を確実に回避することができる。
【００２７】つまり、フロン冷媒よりも比体積が小さな二酸化炭素を冷媒として用いることにより、冷媒循環量を減らし且つ配管や機器として内径の小さなものを使用する場合でも、これら配管や機器の内面に潤滑油が付着することによる圧力損失の問題を一掃することができる。これにより、配管や機器として内径の小さなものを使用すること、ひいては放熱器３や蒸発器５等の機器の小型化をも可能にして、装置重量の低減と装置の小型化とスペース利用率の向上を的確に実現することができる。
【００２８】尚、前述の実施形態では、油分離器２と圧縮機１とを油戻し管Ｐ５によって接続したものを示したが、図３に示すように、油戻し管Ｐ５’を油分離器２と圧縮機１の吸入配管Ｐ４との間に設けるようにしてもよい。
【００２９】また、前述の実施形態では、油分離器２の入口２ｂに取り付けられた配管Ｐ１の端部内面に絞り部Ｐ１ａを設けたものを示したが、同様の絞り部を油分離器２側、例えば入口２ｂの内側部分等に設けるようにしてもよい。勿論、タンク２ａの容積と配管Ｐ１の内径との関係から前記同様の減圧作用を得られる場合や減圧作用無しでも油分離が満足いく範囲内で行える場合には、前記のような絞り部は必ずしも設ける必要はない。
【００３０】さらに、前述の実施形態では、出口２ｃに取り付けられた配管Ｐ２の端部に油分離部材２ｅを取り付けたものを示したが、同様の油分離部材を入口２ｂに取り付けられた配管Ｐ１の端部に取り付けるようにしても前記同様の油分離を行うことは可能であり、要するに油分離部材はタンク２ａ内に流入する二酸化炭素に接触する位置であればタンク２ａ内の何れの位置に配置されていればよい。勿論、前記の減圧作用によって十分な油分離が行える場合には油分離部材は必ずしも必要なものではない。
【００３１】さらにまた、前述の実施形態では、油分離器２を圧縮機１と別体に構成したものを示したが、該油分離器またはこれと同等の機能を有する部分を圧縮機に一体的に組み込むようにしてもよい。このようにすれば冷凍装置をよりコンパクトなものとすることができる。
【００３２】さらにまた、前述の実施形態の装置の蒸発器５と圧縮機１とを結ぶ管路Ｐ４の途中に、必要に応じて図４または図５に示すような気液分離器６，７を設けても良い。図５に示した気液分離器７は油戻し構造を有するものであるが、前記の油分離器２において十分な油分離を行える場合には図５に示した気液分離器７を用いる必要は特にない。
【００３３】以上、冷媒として二酸化炭素（ＣＯ2 ）を用いる場合の装置について説明したが、二酸化炭素の代替流体としては、例えば、エチレン（Ｃ2Ｈ4）やディボラン（Ｂ2Ｈ6）やエタン（Ｃ2Ｈ6）や酸化窒素（Ｎ2Ｏ）等を用いることも可能である。
【００３４】また、本発明の冷凍装置は、住宅用空調装置やビル用空調装置や車両用空調装置の冷凍機として利用できる他、冷却商品を販売する自動販売機や冷蔵冷凍ショーケースの冷凍機としても幅広く利用できる。
【００３５】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、フロン冷媒よりも比体積が小さな冷媒を用いて配管や機器として内径の小さなものを使用する場合でも、これら配管や機器の内面に潤滑油が付着することによる圧力損失の問題を一掃することができ、これにより配管や機器として内径の小さなものを使用すること、ひいては放熱器や蒸発器等の機器の小型化をも可能にして、装置重量の低減と装置の小型化とスペース利用率の向上を的確に実現することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００１８４５
【氏名又は名称】サンデン株式会社
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| 【出願日】 |
平成１０年８月５日（１９９８．８．５） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００６９９８１
【弁理士】
【氏名又は名称】吉田 精孝
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| 【公開番号】 |
特開２０００−５５４８８（Ｐ２０００−５５４８８Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年２月２５日（２０００．２．２５） |
| 【出願番号】 |
特願平１０−２２１６３３ |
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