JP2007315638A - Refrigeration cycle device - Google Patents

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JP2007315638A JP2006143833A JP2006143833A JP2007315638A JP 2007315638 A JP2007315638 A JP 2007315638A JP 2006143833 A JP2006143833 A JP 2006143833A JP 2006143833 A JP2006143833 A JP 2006143833A JP 2007315638 A JP2007315638 A JP 2007315638A
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Akira Komori
晃 小森
Yuichi Kusumaru
雄一 藥丸
Masaya Honma
雅也 本間
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent degradation of evaporating performance caused by refrigerating machine oil in an evaporator by surely lubricating an expander and a compressor. <P>SOLUTION: A refrigerating cycle is constituted by enclosing a refrigerant of carbon dioxide and the refrigerating machine oil composed mainly of polyalkylene glycol in a circuit constituted by successively connecting the compressor 11, a radiator 12, the expander 13 and the evaporator 14, an oil separator 20 comprising a sub-heat exchanger heating a refrigerant of a saturated area discharged from the expander 13 by a refrigerant discharged from the radiator 12, is disposed. The oil separator 20 constitutes a sealed tube, and comprises an oil pipe 34 connected to a compressor suction pipe 19 of the compressor 11. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、冷凍サイクルに設けて冷媒と冷凍機油を分離するオイルセパレータを備えた冷凍サイクル装置に関し、特に冷凍サイクル中の膨張エネルギを回収する膨張機を備えた冷凍サイクル装置に関するものである。   The present invention relates to a refrigeration cycle apparatus including an oil separator that is provided in a refrigeration cycle and separates refrigerant and refrigeration oil, and more particularly to a refrigeration cycle apparatus including an expander that recovers expansion energy in the refrigeration cycle.

冷凍サイクル装置は圧縮機と放熱器と蒸発器とを順に接続して冷媒を封入し、放熱器と蒸発器との間に膨張機構を配置して冷媒を膨張させている。膨張機構としては膨張弁やキャピラリチューブなどが使用されている。一方、冷凍サイクル中の高圧圧力と低圧圧力の差が大きい場合には、このような膨張機構に換えて膨張機を用いて、膨張機における冷媒の膨張エネルギを回転エネルギに変換して電力または動力のかたちで回収し、冷凍サイクル装置の高効率化を図る例が開示されている（例えば、特許文献１参照）。   In the refrigeration cycle apparatus, a compressor, a radiator, and an evaporator are connected in order to enclose a refrigerant, and an expansion mechanism is disposed between the radiator and the evaporator to expand the refrigerant. An expansion valve, a capillary tube, or the like is used as the expansion mechanism. On the other hand, when the difference between the high pressure and the low pressure in the refrigeration cycle is large, an expansion machine is used in place of such an expansion mechanism, and the expansion energy of the refrigerant in the expansion machine is converted into rotational energy to generate electric power or power. An example in which the efficiency of the refrigeration cycle apparatus is improved by collecting the refrigeration cycle is disclosed (for example, see Patent Document 1).

このような膨張機では軸受などの摺動部を有するため、それらの潤滑が必要となり、冷凍サイクル内を循環する冷凍機油を膨張機に供給している。一方、膨張機から吐出された冷凍機油は冷媒とともに蒸発器に流入し、蒸発器での蒸発能力を低下させる。そこで、膨張機から吐出された気相冷媒と液相冷媒と冷凍機油とをオイルセパレータ（油分離器）で分離して、圧縮機に供給する例が開示されている（例えば、特許文献２、特許文献３参照）。
特開２０００−３２９４１６号公報 特開２００３−１３９４２０号公報 特開２００３−２４０３６６号公報 Since such an expander has sliding parts such as bearings, it is necessary to lubricate them, and refrigeration oil circulating in the refrigeration cycle is supplied to the expander. On the other hand, the refrigerating machine oil discharged from the expander flows into the evaporator together with the refrigerant, and lowers the evaporation capability in the evaporator. Then, the example which isolate | separates the gaseous-phase refrigerant | coolant discharged from the expander, the liquid phase refrigerant | coolant, and refrigeration oil with an oil separator (oil separator) and supplies to a compressor is disclosed (for example, patent document 2, (See Patent Document 3).
JP 2000-329416 A JP 2003-139420 A JP 2003-240366 A

従来の例に示されているオイルセパレータでは、気相冷媒と液相冷媒と冷凍機油とを、その比重の違いにより分離する構造となっている。すなわち、オイルセパレータ容器内では、上層には比重の小さな気相冷媒層、中層には液相冷媒層、下層には比重の大きな冷凍機油層という順に層が分かれることを利用している。したがって、上方に気相冷媒層の吐出管を設けるとともに、中間位置に液相冷媒層の吐出管を設け、下方に冷凍機油層の吐出管を設けて分離している。このような比重差を利用する構成のオイルセパレータでは、オイルセパレータ容器内への冷媒の流入に乱れがなく、冷媒や冷凍機油が比重の違いにより整然と層になって分離されている場合には有効である。しかしながら、従来の冷凍サイクル装置においては、オイルセパレータに冷媒と冷凍機油が流入する際の流速の影響などによって、オイルセパレータ内が乱されるために分離が不十分となり、さらに、オイルセパレータが大型化するなどの課題があった。   The oil separator shown in the conventional example has a structure in which the gas-phase refrigerant, the liquid-phase refrigerant, and the refrigerating machine oil are separated by the difference in specific gravity. That is, in the oil separator container, it is utilized that the upper layer is divided into a gas phase refrigerant layer having a small specific gravity, a middle layer is a liquid phase refrigerant layer, and a lower layer is a refrigerating machine oil layer having a large specific gravity. Therefore, a gas phase refrigerant layer discharge pipe is provided above, a liquid phase refrigerant layer discharge pipe is provided at an intermediate position, and a refrigerator oil layer discharge pipe is provided below and separated. An oil separator configured to use such a difference in specific gravity is effective when there is no disturbance in the flow of refrigerant into the oil separator container, and the refrigerant and refrigerating machine oil are ordered and separated due to the difference in specific gravity. It is. However, in the conventional refrigeration cycle apparatus, the oil separator is disturbed due to the influence of the flow velocity when refrigerant and refrigerating machine oil flow into the oil separator, resulting in insufficient separation, and the oil separator becomes larger. There were issues such as.

本発明は、オイルセパレータでの冷媒と冷凍機油との分離を促進し、簡単な構成で蒸発器に冷凍機油の流入を防止して蒸発性能を低下させることがない冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。   The present invention provides a refrigeration cycle apparatus that promotes separation of refrigerant and refrigeration oil in an oil separator, prevents the inflow of refrigeration oil to the evaporator with a simple configuration, and does not lower the evaporation performance. Objective.

上記の課題を解決するために、本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機と、放熱器と、膨張機と、蒸発器とを順に接続した回路に冷媒と冷凍機油とを封入して冷凍サイクルを構成し、膨張機より吐出される飽和域の冷媒を加熱する副熱交換器を備えたオイルセパレータを設けている。   In order to solve the above-described problems, the refrigeration cycle apparatus of the present invention includes a refrigerant, refrigeration oil, and a refrigeration cycle enclosed in a circuit in which a compressor, a radiator, an expander, and an evaporator are connected in order. An oil separator having a sub heat exchanger configured to heat a refrigerant in a saturated region discharged from the expander is provided.

このような構成によれば、膨張機から吐出された冷媒中の冷媒と冷凍機油の相溶度を制御して、冷媒と冷凍機油との分離を促進し、蒸発器への冷凍機油の流入を抑制して蒸発器の伝熱性能の低下が少ない冷凍サイクル装置を実現することが可能となる。   According to such a configuration, the compatibility between the refrigerant in the refrigerant discharged from the expander and the refrigerating machine oil is controlled, the separation of the refrigerant and the refrigerating machine oil is promoted, and the inflow of the refrigerating machine oil to the evaporator is suppressed. Thus, it is possible to realize a refrigeration cycle apparatus that suppresses the heat transfer performance of the evaporator and decreases little.

さらに、副熱交換器は膨張機より吐出される飽和域の冷媒を放熱器より吐出される冷媒で加熱する熱交換器であることが望ましい。このような構成によれば、冷凍サイクル内の内部熱交換方式であるために冷凍サイクルのＣＯＰ（成績係数）を低下させることなく、冷媒と冷凍機油との分離を確実に行うことができる。   Furthermore, it is desirable that the auxiliary heat exchanger is a heat exchanger that heats the refrigerant in the saturated region discharged from the expander with the refrigerant discharged from the radiator. According to such a structure, since it is an internal heat exchange system in the refrigeration cycle, the refrigerant and the refrigeration oil can be reliably separated without lowering the COP (coefficient of performance) of the refrigeration cycle.

さらに、オイルセパレータは密閉管を構成し、少なくとも前記膨張機に接続される第１冷媒配管と、前記蒸発器に接続される第２冷媒配管と、前記圧縮機の吸入配管に接続されるオイル配管とを備えることが望ましい。このような構成によれば、オイルセパレータ内で分離された冷凍機油を蒸発器の入口と圧縮機の吸入入口までの差圧によって、圧縮機の吸入配管に確実に供給することが可能となり、蒸発器への冷凍機油の流入を抑制することができる。   Further, the oil separator forms a sealed pipe, and at least a first refrigerant pipe connected to the expander, a second refrigerant pipe connected to the evaporator, and an oil pipe connected to the suction pipe of the compressor It is desirable to provide. According to such a configuration, the refrigeration oil separated in the oil separator can be reliably supplied to the suction pipe of the compressor by the differential pressure between the inlet of the evaporator and the suction inlet of the compressor. Inflow of refrigerating machine oil to the container can be suppressed.

さらに、密閉管の内部にミストトラップを備えることが望ましく、冷媒気層に混在するオイルミストを捕集し、より効果的に冷媒と冷凍機油とを分離することが可能となる。   Furthermore, it is desirable to provide a mist trap inside the sealed pipe, and it is possible to collect oil mist mixed in the refrigerant gas layer and more effectively separate the refrigerant and the refrigerating machine oil.

さらに、密閉管のガス冷媒をオイル配管の内部に吐出する吐出配管を備えることが望ましく、ガス冷媒の吐出によるエゼクター作用によって分離された冷媒を確実に圧縮機の吸入配管に供給することが可能となる。   Furthermore, it is desirable to provide a discharge pipe for discharging the gas refrigerant in the sealed pipe into the oil pipe, and it is possible to reliably supply the refrigerant separated by the ejector action due to the discharge of the gas refrigerant to the suction pipe of the compressor. Become.

さらに、冷媒は二酸化炭素であり、冷凍機油はポリアルキレングルコールを主成分とすることが望ましい。このような構成によれば、冷媒圧力の高低圧力差を膨張機で回収する高効率の冷凍サイクルを実現するとともに、冷媒と冷凍機油との相溶性を制御して冷凍機油の分離を促進することが可能となる。   Further, it is desirable that the refrigerant is carbon dioxide and the refrigerating machine oil is mainly composed of polyalkylene glycol. According to such a configuration, a high-efficiency refrigeration cycle that recovers the high-low pressure difference in the refrigerant pressure by the expander is realized, and the compatibility between the refrigerant and the refrigeration oil is controlled to promote the separation of the refrigeration oil. Is possible.

本発明の構成は、膨張機の冷媒出口部分で、蒸発器の冷媒流入前に、冷媒を加熱する機能を有するオイルセパレータを設けている。膨張機の出口で冷媒からオイルを分離することにより、蒸発器へのオイルの流入を抑制し、蒸発器の熱交換効率を高める。また、蒸発器流入前にオイルを加熱することにより、冷媒の乾き度（クオリティ）を高め、冷媒の液成分を減少させることにより、冷媒液成分に溶解するオイルの量をさらに減少させ、オイル分離を容易にすることができる。本発明の構成は、このように、簡単な構成で蒸発器への冷凍機油の流入を防止でき、蒸発性能を低下させることがなく、成績係数を向上させる冷凍サイクル装置とすることが可能となる。   In the configuration of the present invention, an oil separator having a function of heating the refrigerant is provided at the refrigerant outlet portion of the expander before the refrigerant flows into the evaporator. By separating the oil from the refrigerant at the outlet of the expander, the inflow of oil to the evaporator is suppressed and the heat exchange efficiency of the evaporator is increased. In addition, by heating the oil before entering the evaporator, the dryness (quality) of the refrigerant is increased and the liquid component of the refrigerant is reduced, so that the amount of oil dissolved in the refrigerant liquid component is further reduced and the oil is separated. Can be made easier. Thus, the configuration of the present invention can prevent the refrigerating machine oil from flowing into the evaporator with a simple configuration, and can be a refrigeration cycle apparatus that improves the coefficient of performance without reducing the evaporation performance. .

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。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図１は本発明の実施の形態における冷凍サイクル装置の構成図である。冷凍サイクル装置１０は、圧縮機１１、放熱器１２、膨張機１３および蒸発器１４を順次直列に接続して冷媒を循環させる冷凍サイクルを形成している。本発明の実施の形態では冷媒としては二酸化炭素が充填され、さらに、圧縮機１１や膨張機１３の軸受部やその他の機構部を潤滑する目的の冷凍機油としてはポリアルキレングルコール（以下、ＰＡＧと記載）などを充填している。   FIG. 1 is a configuration diagram of a refrigeration cycle apparatus according to an embodiment of the present invention. The refrigeration cycle apparatus 10 forms a refrigeration cycle in which a compressor 11, a radiator 12, an expander 13, and an evaporator 14 are sequentially connected in series to circulate refrigerant. In the embodiment of the present invention, the refrigerant is filled with carbon dioxide, and the refrigerant oil for the purpose of lubricating the bearings and other mechanisms of the compressor 11 and the expander 13 is polyalkylene glycol (hereinafter referred to as PAG). Etc.).

冷凍サイクル装置１０において冷媒は矢印Ａに示す方向に循環する。圧縮機１１において冷媒である二酸化炭素をその臨界点を超える高温、高圧の超臨界状態にまで圧縮し、放
熱器１２において圧力を保ったまま放熱してその温度が低下する。膨張機１３では高圧の冷媒の膨張エネルギを機械エネルギに変換する。具体的には、膨張による容積変化を回転エネルギに変換し、膨張機１３に駆動軸１５で接続された発電機１６によって電力を発生させている。膨張機１３の具体例としてはスクロール型やベーンロータリ型などが考えられる。 In the refrigeration cycle apparatus 10, the refrigerant circulates in the direction indicated by the arrow A. The compressor 11 compresses carbon dioxide, which is a refrigerant, to a high-temperature, high-pressure supercritical state exceeding its critical point, and the heat dissipates heat while maintaining the pressure in the radiator 12 to lower its temperature. The expander 13 converts the expansion energy of the high-pressure refrigerant into mechanical energy. Specifically, the volume change due to expansion is converted into rotational energy, and electric power is generated by a generator 16 connected to the expander 13 by a drive shaft 15. Specific examples of the expander 13 include a scroll type and a vane rotary type.

発電機１６で発生した電力は図１の一点鎖線で示す電力線１７を介して圧縮機１１や蒸発器１４のファン１８などの駆動電力として使用することができる。さらに、蒸発器１４では膨張機１３を通過して低圧となった冷媒が周囲より熱を奪い蒸発して気相となり、圧縮機吸入配管１９から圧縮機１１に戻る。また、冷凍サイクル装置１０に封入した冷凍機油は冷媒とともに、冷凍サイクルを循環し、圧縮機１１や膨張機１３などの機構部を潤滑あるいは冷却する。   The electric power generated by the generator 16 can be used as driving electric power for the compressor 11 and the fan 18 of the evaporator 14 through the electric power line 17 shown by the one-dot chain line in FIG. Further, in the evaporator 14, the low-pressure refrigerant that has passed through the expander 13 removes heat from the surroundings and evaporates into a gas phase, and returns to the compressor 11 from the compressor suction pipe 19. The refrigerating machine oil sealed in the refrigerating cycle apparatus 10 circulates in the refrigerating cycle together with the refrigerant, and lubricates or cools the mechanical parts such as the compressor 11 and the expander 13.

また、冷凍サイクル装置１０の放熱器１２と膨張機１３との間には、副熱交換器を備えたオイルセパレータ２０が設けられている。図２は本発明の実施の形態における冷凍サイクル装置のオイルセパレータ２０の構成を示す断面図である。図２に示すように、オイルセパレータ２０は、密閉管 ３０を形成し、その内部に放熱器１２からの冷媒が通過する冷媒配管３１を備え、副熱交換器を構成している。放熱器１２からの冷媒は図２の矢印Ｂから冷媒配管３１に入って矢印Ｃのように冷媒配管３１から流出し、図１に示す膨張機１３に流入する。密閉管３０の一方の端部には膨張機１３で膨張した冷媒が密閉管 ３０内に流入する第１冷媒配管３２が接続され、もう一方の端部には蒸発器１４に冷媒を流入させる第２冷媒配管３３が接続されている。また、第２冷媒配管３３の近傍には圧縮機吸入配管１９に接続されるオイル配管３４が接続されている。さらに密閉管 ３０内にはミストセパレータ３５が配置されている。また、第２冷媒配管３３とオイル配管３４との間には、密閉管３０内の底部を仕切る仕切り部材３６が設けられている。   Further, an oil separator 20 including a sub heat exchanger is provided between the radiator 12 and the expander 13 of the refrigeration cycle apparatus 10. FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the oil separator 20 of the refrigeration cycle apparatus in the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, the oil separator 20 forms a sealed pipe 30, and includes a refrigerant pipe 31 through which the refrigerant from the radiator 12 passes to constitute a sub heat exchanger. The refrigerant from the radiator 12 enters the refrigerant pipe 31 from the arrow B in FIG. 2, flows out from the refrigerant pipe 31 as shown by the arrow C, and flows into the expander 13 shown in FIG. A first refrigerant pipe 32 through which the refrigerant expanded in the expander 13 flows into the sealed pipe 30 is connected to one end of the sealed pipe 30, and the first refrigerant pipe flows into the evaporator 14 at the other end. Two refrigerant pipes 33 are connected. Further, an oil pipe 34 connected to the compressor suction pipe 19 is connected in the vicinity of the second refrigerant pipe 33. Further, a mist separator 35 is disposed in the sealed tube 30. In addition, a partition member 36 that partitions the bottom of the sealed pipe 30 is provided between the second refrigerant pipe 33 and the oil pipe 34.

次に、オイルセパレータ３０における冷媒の流れとその作用について説明する。図２に示すように、本発明の実施の形態では、オイルセパレータ３０において、膨張機１３で膨張して低温低圧となった冷媒を放熱器１２の余剰熱で加熱するように、膨張機１３から吐出された冷媒が流入する密閉管３０の中に、放熱器１２から膨張機１３への冷媒配管３１を配置している。すなわち、膨張機１３から吐出された冷凍機油を含む低温低圧の冷媒と放熱器１２から吐出された高温の冷媒とを熱交換している。二酸化炭素を冷媒とする冷凍サイクル装置１０では、放熱器１２において超臨界状態の高温高圧が得られるため給湯器などとして用いられる。したがって、放熱器１２の出口の冷媒温度は給水入口温度などの条件によっても変わるが、圧力が８．０〜１２．５ＭＰａの範囲で温度が１０〜４０℃程度の範囲となる。一方、膨張機１３から吐出された冷媒は、冷凍サイクル装置１０の運転期間によって変化し、冬期では圧力２．０〜３．０ＭＰａ、温度−２５．０〜―３．５℃、中間期で圧力３．０〜４．０ＭＰａ、温度−３．５〜８．０℃、夏期では圧力４．０ＭＰａ以上、温度８．０℃以上となる。   Next, the flow of refrigerant and its action in the oil separator 30 will be described. As shown in FIG. 2, in the embodiment of the present invention, in the oil separator 30, the refrigerant expanded from the expander 13 to low temperature and low pressure is heated from the expander 13 so as to be heated by excess heat of the radiator 12. A refrigerant pipe 31 from the radiator 12 to the expander 13 is disposed in the sealed pipe 30 into which the discharged refrigerant flows. That is, heat exchange is performed between the low-temperature and low-pressure refrigerant including the refrigerating machine oil discharged from the expander 13 and the high-temperature refrigerant discharged from the radiator 12. In the refrigeration cycle apparatus 10 using carbon dioxide as a refrigerant, a supercritical high-temperature and high-pressure can be obtained in the radiator 12, so that it is used as a water heater or the like. Therefore, although the refrigerant temperature at the outlet of the radiator 12 varies depending on conditions such as the feed water inlet temperature, the pressure is in the range of 8.0 to 12.5 MPa and the temperature is in the range of about 10 to 40 ° C. On the other hand, the refrigerant discharged from the expander 13 varies depending on the operation period of the refrigeration cycle apparatus 10, and the pressure is 2.0 to 3.0 MPa in the winter, the temperature is −25.0 to −3.5 ° C., and the pressure is in the intermediate period. The pressure is 3.0 to 4.0 MPa, the temperature is −3.5 to 8.0 ° C., the pressure is 4.0 MPa or more, and the temperature is 8.0 ° C. or more in summer.

図３は、冷媒としての二酸化炭素と、冷凍機油としてのＰＡＧ冷凍機油との相溶度を示す図である。図３において、横軸は伝熱管内に流れるＰＡＧと二酸化炭素液における二酸化炭素の重量分率を示し、縦軸は冷媒とＰＡＧ冷凍機油混合状態における冷媒の温度を示す。   FIG. 3 is a diagram showing the compatibility between carbon dioxide as a refrigerant and PAG refrigerating machine oil as refrigerating machine oil. In FIG. 3, the horizontal axis indicates the weight fraction of carbon dioxide in the PAG and carbon dioxide liquid flowing in the heat transfer tube, and the vertical axis indicates the temperature of the refrigerant in the mixed state of refrigerant and PAG refrigerator oil.

膨張機１３から吐出された冷媒は、二酸化炭素の気相冷媒と液冷媒、ＰＡＧ冷凍機油が混在し、ＰＡＧ冷凍機油は二酸化炭素の液冷媒に溶け込んでいる。図３より、蒸発器では、伝熱管内の冷媒圧損が発生するため、図の矢印abのように圧力降下とともに、ＰＡＧ冷凍機油の二酸化炭素への溶解度がc点となり増加する。このとき伝熱管内に流れる二酸化炭素冷媒へのＰＡＧ冷凍機油の濃度が高くなるため、二酸化炭素とＰＡＧ冷凍機油が混合
した冷媒の粘性係数が上昇する。このため伝熱管内壁での境界層が増大し伝熱阻害となる。 The refrigerant discharged from the expander 13 is a mixture of carbon dioxide gas-phase refrigerant, liquid refrigerant, and PAG refrigerating machine oil, and the PAG refrigerating machine oil is dissolved in the carbon dioxide liquid refrigerant. As shown in FIG. 3, in the evaporator, refrigerant pressure loss in the heat transfer tube occurs, so that the solubility of PAG refrigerating machine oil in carbon dioxide increases at the point c as the pressure drops as indicated by the arrow ab in the figure. At this time, since the concentration of the PAG refrigerating machine oil to the carbon dioxide refrigerant flowing in the heat transfer tube increases, the viscosity coefficient of the refrigerant in which carbon dioxide and the PAG refrigerating machine oil are mixed increases. For this reason, the boundary layer on the inner wall of the heat transfer tube is increased and the heat transfer is inhibited.

図２のオイルセパレータとなる密閉管３０には、ミストセパレータ３５が密閉管３０内の冷媒流路中に設けられている。ミストセパレータ３５としては、金属金網の積層体やハニカム形状の無機物質体などが適用可能であり、第１冷媒配管３２から密閉管３０内に流入するミスト状態の飽和域冷媒をトラップする。   A mist separator 35 is provided in the refrigerant flow path in the sealed tube 30 in the sealed tube 30 serving as the oil separator in FIG. As the mist separator 35, a metal wire mesh laminate, a honeycomb-shaped inorganic substance, or the like can be applied, and traps a mist saturated region refrigerant flowing into the sealed tube 30 from the first refrigerant pipe 32.

さらに本発明の実施の形態では、第１冷媒配管３２からオイルセパレータとなる密閉管３０に流入した膨張機１３で膨張した冷媒を、放熱器１２から膨張機１３までの冷媒配管３１を複数本備えて加熱する構成としている。このとき密閉管３０の内径ｄ３０と冷媒配管３１の外径ｄ３１は、冷媒循環流量Ｇ、二酸化炭素冷媒とＰＡＧ冷凍機油の混合粘性係数μ’、混合密度ρ’、冷媒配管３１をｎ本備えることによって、

（ｄ３０２−ｎ・ｄ３１２）０．５＞Ｇ／（２２００・μ’）

により、それぞれの配管径を設定することによって密閉管３０の底にＰＡＧ冷凍機油が沈降し、蒸発器へのＰＡＧ冷凍機油の同伴量を減らすことが可能となる。 Further, in the embodiment of the present invention, a plurality of refrigerant pipes 31 from the radiator 12 to the expander 13 are provided for the refrigerant expanded by the expander 13 that has flowed into the sealed pipe 30 that serves as an oil separator from the first refrigerant pipe 32. Heating. At this time, the inner diameter d30 of the sealed tube 30 and the outer diameter d31 of the refrigerant pipe 31 include the refrigerant circulation flow rate G, the mixing viscosity coefficient μ ′ of carbon dioxide refrigerant and PAG refrigerating machine oil, the mixing density ρ ′, and n refrigerant pipes 31. By

(D30 2 −n · d31 2 ) 0.5 > G / (2200 · μ ′)

Thus, by setting the respective pipe diameters, the PAG refrigerating machine oil settles at the bottom of the sealed pipe 30 and the amount of PAG refrigerating machine oil accompanying the evaporator can be reduced.

例えば、中間期に放熱器１２で給湯加熱をする場合について具体的に説明する。前述のように、冷媒として二酸化炭素を用いた場合、放熱器１２では超臨界状態の冷媒の特性を利用して対向流型の熱交換器構成とすることができるため、放熱器１３から吐出される冷媒の温度は給水温度よりわずかに高い状態で吐出される。したがって、図２に示す放熱器１２から吐出されて矢印Ｂで冷媒配管３１に入る冷媒の温度は、２０〜３０℃とすることができる。一方、第１冷媒配管３２からオイルセパレータ２０の密閉管３０内に流入する中間期の飽和域の冷媒温度は約−１．０〜５．０℃程度である。したがって、密閉管３０内を流れる冷媒と冷媒配管３１とを流れる冷媒とを対向流型に熱交換させて、密閉管 ３０内を流れる蒸発器１４に流入前の冷媒を加熱することができる。図４は二酸化炭素に対するＰＡＧ冷凍機油の二層分離温度曲線を示す。本発明の実施形態では、経路ｄのように副熱交換器内でＰＡＧ冷凍機油が分離され、配管３４を経て圧縮機に吸入される。経路eでは蒸発器にて冷媒が飽和温度を経て蒸発し、蒸発器出口付近でスーパーヒートを経て冷媒温度が上昇し、圧縮機で吸入される。その結果、副熱交換器を経ない経路fと比べて可溶な領域を経路とすることが可能となり、蒸発器の伝熱管内壁にＰＡＧ冷凍機油が抽出を回避することができ、伝熱阻害を抑制しつつ熱交換することが可能となる。   For example, the case where hot water supply heating is performed by the radiator 12 in the intermediate period will be specifically described. As described above, when carbon dioxide is used as the refrigerant, the radiator 12 can be configured as a counter-flow type heat exchanger using the characteristics of the refrigerant in the supercritical state. The refrigerant is discharged at a temperature slightly higher than the feed water temperature. Therefore, the temperature of the refrigerant discharged from the radiator 12 shown in FIG. 2 and entering the refrigerant pipe 31 by the arrow B can be set to 20 to 30 ° C. On the other hand, the refrigerant temperature in the middle saturation region flowing from the first refrigerant pipe 32 into the sealed pipe 30 of the oil separator 20 is about -1.0 to 5.0 ° C. Therefore, the refrigerant flowing in the sealed pipe 30 and the refrigerant flowing in the refrigerant pipe 31 are heat-exchanged in a counterflow type, and the refrigerant before flowing into the evaporator 14 flowing in the sealed pipe 30 can be heated. FIG. 4 shows a two-layer separation temperature curve of PAG refrigerator oil against carbon dioxide. In the embodiment of the present invention, the PAG refrigerating machine oil is separated in the auxiliary heat exchanger as in the path d and is sucked into the compressor via the pipe 34. In the path e, the refrigerant evaporates through the saturation temperature in the evaporator, the refrigerant temperature rises through superheat near the evaporator outlet, and is sucked in by the compressor. As a result, it becomes possible to use a soluble region as compared with the path f that does not pass through the auxiliary heat exchanger, and PAG refrigerating machine oil can avoid extraction on the inner wall of the heat transfer tube of the evaporator, thereby inhibiting heat transfer. It is possible to exchange heat while suppressing.

本発明の実施の形態では、副熱交換器としての冷媒配管３１の伝熱管長さを３〜５ｍ程度とすることにより、二酸化炭素の冷媒とＰＡＧの冷凍機油とを分離し、蒸発器１４への冷凍機油混入のない冷凍サイクル装置１０を実現することが可能であることを確認している。また、冬期や夏期においても、同様にして分離を促進することが可能である。   In the embodiment of the present invention, the refrigerant pipe 31 as the auxiliary heat exchanger has a heat transfer pipe length of about 3 to 5 m to separate the carbon dioxide refrigerant and the PAG refrigerating machine oil to the evaporator 14. It has been confirmed that it is possible to realize the refrigeration cycle apparatus 10 free from mixing of refrigeration oil. Further, separation can be promoted in the same way in winter and summer.

また、密閉管３０内を冷媒が通過する際にも、冷媒と冷凍機油との比重差を利用して比重の大きい冷凍機油が密閉管３０の底部に貯留される。このように、密閉管３０内では、冷媒と冷凍機油との比重差によっても分離されるが、本発明の実施の形態では、さらに前述のように放熱器１２からの冷媒によって加熱し、二酸化炭素の気相冷媒からＰＡＧ冷凍機油の分離特性を利用して二酸化炭素冷媒からさらなる分離を促すことができる。   In addition, when the refrigerant passes through the sealed tube 30, the refrigeration oil having a large specific gravity is stored at the bottom of the sealed tube 30 using the specific gravity difference between the refrigerant and the refrigeration oil. As described above, in the sealed tube 30, the separation is also caused by the difference in specific gravity between the refrigerant and the refrigerating machine oil. However, in the embodiment of the present invention, the carbon dioxide is further heated by the refrigerant from the radiator 12 as described above. Further separation from carbon dioxide refrigerant can be facilitated by utilizing the separation characteristics of PAG refrigerator oil from the gas phase refrigerant.

このようにして、分離されたＰＡＧ冷凍機油３７が、密閉管３０内の底部に貯留される。密閉管３０の底部には仕切り部材３６が設けられ、貯留されたＰＡＧ冷凍機油３７が、蒸発器１４への冷媒供給管である第２冷媒配管３３に入り込まないように堰止めされている。貯留されたＰＡＧ冷凍機油３７はオイル吐出管３４から図１の圧縮機吸入配管１９に
流入する。一方、ＰＡＧの冷凍機油が分離された二酸化炭素のガス冷媒あるいは液冷媒は、第２冷媒配管３３から蒸発器１４に流入する。したがって、第２冷媒配管３３に入る二酸化炭素冷媒中にはＰＡＧ冷凍機油が含まれていないため、蒸発器１４の熱交換器壁面にオイル膜を形成して伝熱性能を阻害するようなことがなく、冷凍サイクル装置１０として高効率の運転が可能となる。 In this way, the separated PAG refrigerating machine oil 37 is stored at the bottom in the sealed tube 30. A partition member 36 is provided at the bottom of the sealed pipe 30, and the stored PAG refrigerating machine oil 37 is blocked so as not to enter the second refrigerant pipe 33 that is a refrigerant supply pipe to the evaporator 14. The stored PAG refrigerator oil 37 flows from the oil discharge pipe 34 into the compressor suction pipe 19 of FIG. On the other hand, the carbon dioxide gas refrigerant or liquid refrigerant from which the PAG refrigerating machine oil is separated flows into the evaporator 14 from the second refrigerant pipe 33. Therefore, since the PAG refrigerator oil is not contained in the carbon dioxide refrigerant entering the second refrigerant pipe 33, an oil film is formed on the wall surface of the heat exchanger of the evaporator 14 to hinder heat transfer performance. In addition, the refrigeration cycle apparatus 10 can be operated with high efficiency.

このように、本発明の実施の形態では、密閉管 ３０内の副熱交換器として、膨張機１３より吐出される飽和域の冷媒を放熱器１２より吐出される冷媒で加熱する熱交換器の構成としている。そのため、冷凍サイクル内の内部熱交換方式であるために冷凍サイクルのＣＯＰ（成績係数）を低下させることなく、冷媒と冷凍機油との分離を確実に行うことができる。   Thus, in the embodiment of the present invention, as a sub heat exchanger in the sealed tube 30, a heat exchanger that heats the refrigerant in the saturated region discharged from the expander 13 with the refrigerant discharged from the radiator 12. It is configured. Therefore, since it is an internal heat exchange system in the refrigeration cycle, the refrigerant and the refrigeration oil can be reliably separated without lowering the COP (coefficient of performance) of the refrigeration cycle.

図５は本発明の実施の形態における冷凍サイクル装置の、オイルセパレータ２０の他の実施例を示す図である。図２に示すオイルセパレータ２０と同一の構成要素に対しては同一の符号を付与している。図２においては、前述のようにＰＡＧ冷凍機油と分離された冷媒はガス冷媒と液冷媒とを第２冷媒配管３３から蒸発器１４に流入させている。蒸発器１４は液冷媒を蒸発させる機能を有しているため、既にオイルセパレータ２０においてガス化しているガス冷媒は直接圧縮機吸入配管１９に流入させることが可能である。そこで、本実施例では図５に示すように、オイルセパレータ２０で発生したガス冷媒を、オイル配管４２内に吐出させるようにしている。   FIG. 5 is a diagram showing another example of the oil separator 20 in the refrigeration cycle apparatus according to the embodiment of the present invention. The same components as those in the oil separator 20 shown in FIG. In FIG. 2, the refrigerant separated from the PAG refrigerator oil as described above causes the gas refrigerant and the liquid refrigerant to flow into the evaporator 14 from the second refrigerant pipe 33. Since the evaporator 14 has a function of evaporating the liquid refrigerant, the gas refrigerant that has already been gasified in the oil separator 20 can directly flow into the compressor suction pipe 19. Therefore, in this embodiment, as shown in FIG. 5, the gas refrigerant generated in the oil separator 20 is discharged into the oil pipe 42.

すなわち、オイルセパレータの密閉管 ３０内で発生したガス冷媒を、密閉管 ３０の上部に開口するガス冷媒配管４１からオイル配管４２の内部に吐出する構成としている。このとき、ガス冷媒配管４１は、上流側ではガス冷媒中の冷凍機油残存量が多いため、密閉管３０の出口側に設けることが望ましい。オイル配管４２内部にはガス冷媒吐出ノズル４３を設け、ガス冷媒がガス冷媒吐出ノズル４３から、オイル配管４２のオイル流れ方向に吐出されるようにしている。したがって、ガス冷媒吐出ノズル４３から吐出されたガス冷媒によって、オイルセパレータの底部に貯留されたＰＡＧ冷凍機油４４をオイル配管４２内に引き込む作用が発生し、貯留されたＰＡＧ冷凍機油を確実に圧縮機吸入配管１９に導入することができる。そのため、分離された冷凍機油が蒸発器へ混入することを確実に防止し、蒸発器の性能低下を確実に防止することが可能となる。したがって、本実施例においては、オイルセパレータ内で二酸化炭素冷媒とＰＡＧ冷凍機油との相溶度の温度依存性を利用して、それらの分離を促進するとともに分離されたＰＡＧ冷凍機油を確実に圧縮機側に送出することができる。   That is, the gas refrigerant generated in the sealed pipe 30 of the oil separator is discharged into the oil pipe 42 from the gas refrigerant pipe 41 opened to the upper part of the sealed pipe 30. At this time, it is desirable that the gas refrigerant pipe 41 is provided on the outlet side of the sealed pipe 30 because the remaining amount of refrigeration oil in the gas refrigerant is large on the upstream side. A gas refrigerant discharge nozzle 43 is provided inside the oil pipe 42 so that the gas refrigerant is discharged from the gas refrigerant discharge nozzle 43 in the oil flow direction of the oil pipe 42. Accordingly, the gas refrigerant discharged from the gas refrigerant discharge nozzle 43 causes the action of drawing the PAG refrigerator oil 44 stored in the bottom of the oil separator into the oil pipe 42, and the stored PAG refrigerator oil is reliably compressed. It can be introduced into the suction pipe 19. Therefore, it is possible to reliably prevent the separated refrigerating machine oil from being mixed into the evaporator, and to reliably prevent the performance of the evaporator from being deteriorated. Therefore, in this embodiment, the temperature dependence of the compatibility between the carbon dioxide refrigerant and the PAG refrigerating machine oil is utilized in the oil separator to promote the separation thereof and to reliably compress the separated PAG refrigerating machine oil. Can be sent to the machine side.

なお、本発明の実施の形態の説明では、冷媒が二酸化炭素、冷凍機油がＰＡＧである場合について説明したが、冷媒と冷凍機油との組合せはこれらに限らず、特に冷媒と冷凍機油との間の相溶度に温度依存性がある組合せなどの有効であり、例えば二酸化炭素とポリオールエステル（ＰＯＥ）との組合せなどでも有効である。   In the description of the embodiment of the present invention, the case where the refrigerant is carbon dioxide and the refrigerating machine oil is PAG has been described. However, the combination of the refrigerant and the refrigerating machine oil is not limited to these, and in particular, between the refrigerant and the refrigerating machine oil. In other words, the combination of carbon dioxide and polyol ester (POE) is also effective.

したがって、本発明の冷凍サイクル装置によれば蒸発器に流入する前の冷凍機油と冷媒を確実に分離して、冷凍機油が蒸発器に流入することがないため、蒸発器の伝熱性能を阻害することなく、蒸発器の蒸発性能を向上させることができる。   Therefore, according to the refrigeration cycle apparatus of the present invention, the refrigerating machine oil and the refrigerant before flowing into the evaporator are reliably separated, and the refrigerating machine oil does not flow into the evaporator, so that the heat transfer performance of the evaporator is hindered. Without evaporating, the evaporation performance of the evaporator can be improved.

以上は、オイルセパレータのオイル加熱手段として、副熱交換器を使う場合について説明した。副熱交換器を用いれば、新たな熱源を持ち込む必要が無く、簡単な構成で、冷媒を加熱することができる。しかし、本発明はこれに限定されず、他の方法で冷媒を加熱してもよい。たとえば、オイルセパレータの中に、抵抗加熱ヒーターを持ち込み、電気的に加熱してもよい。   The above describes the case where the sub heat exchanger is used as the oil heating means of the oil separator. If the auxiliary heat exchanger is used, it is not necessary to bring in a new heat source, and the refrigerant can be heated with a simple configuration. However, the present invention is not limited to this, and the refrigerant may be heated by other methods. For example, a resistance heater may be brought into the oil separator and heated electrically.

また、本発明は、膨張機を用いた冷凍サイクル装置に対して特に有効であるので、その場合について説明した。しかし、本発明は、膨張機以外の減圧装置、たとえば、膨張弁やキャピラリーチューブを用いた装置においても、減圧装置を通過した後、蒸発器流入前に、冷媒のオイル量を低下させたい場合には有効である。   Moreover, since this invention is especially effective with respect to the refrigerating-cycle apparatus using an expander, the case was demonstrated. However, the present invention is applicable to a decompression device other than an expander, such as a device using an expansion valve or a capillary tube, when it is desired to reduce the amount of refrigerant oil after passing through the decompression device and before flowing into the evaporator. Is valid.

本発明の冷凍サイクル装置は、簡単な構成で蒸発器への冷凍機油の流入を防止でき、蒸発性能を低下させることがないため、空気調和装置、給湯機、冷蔵庫などの用途に適用できる。   The refrigeration cycle apparatus of the present invention can prevent the inflow of refrigeration oil into the evaporator with a simple configuration and does not deteriorate the evaporation performance, so that it can be applied to uses such as an air conditioner, a hot water heater, and a refrigerator.

本発明の実施の形態における冷凍サイクル装置の構成図Configuration diagram of a refrigeration cycle apparatus in an embodiment of the present invention 同冷凍サイクル装置のオイルセパレータの構成を示す断面図Sectional drawing which shows the structure of the oil separator of the same refrigeration cycle apparatus 冷媒としての二酸化炭素と、冷凍機油としてのＰＡＧとの相溶度を示す図The figure which shows the compatibility of the carbon dioxide as a refrigerant | coolant, and PAG as refrigerator oil 冷媒中のオイルの割合（油分率）と、冷媒・冷凍機油温度との相関において、冷媒と冷凍機油の相溶度を示す図The figure which shows the compatibility of a refrigerant | coolant and refrigeration oil in the correlation with the ratio (oil fraction) of the oil in a refrigerant | coolant, and a refrigerant | coolant / refrigerator oil temperature. 本発明の実施の形態における冷凍サイクル装置の他のオイルセパレータの構成を示す断面図Sectional drawing which shows the structure of the other oil separator of the refrigerating-cycle apparatus in embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１０ 冷凍サイクル装置
１１ 圧縮機
１２ 放熱器
１３ 膨張機
１４ 蒸発器
１５ 駆動軸
１６ 発電機
１７ 電力線
１８ ファン
１９ 圧縮機吸入配管
２０ オイルセパレータ
３０ 密閉管
３１ 冷媒配管
３２ 第１冷媒配管
３３ 第２冷媒配管
３４，４２ オイル配管
３５ ミストセパレータ
３６ 仕切り部材
３７，４４ ＰＡＧ冷凍機油
４１ ガス冷媒配管
４３ ガス冷媒吐出ノズル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Refrigeration cycle apparatus 11 Compressor 12 Radiator 13 Expander 14 Evaporator 15 Drive shaft 16 Generator 17 Power line 18 Fan 19 Compressor intake pipe 20 Oil separator 30 Sealed pipe
31 refrigerant pipe 32 first refrigerant pipe 33 second refrigerant pipe 34, 42 oil pipe 35 mist separator 36 partition member 37, 44 PAG refrigerator oil 41 gas refrigerant pipe 43 gas refrigerant discharge nozzle

Claims (6)

圧縮機と、放熱器と、膨張機と、蒸発器とを順に接続した回路に冷媒と冷凍機油とを封入して冷凍サイクルを構成し、前記膨張機より吐出される飽和域の冷媒を加熱する副熱交換器を備えたオイルセパレータを設けたことを特徴とする冷凍サイクル装置。 A refrigerant, refrigeration oil is enclosed in a circuit in which a compressor, a radiator, an expander, and an evaporator are connected in order to form a refrigeration cycle, and a refrigerant in a saturated region discharged from the expander is heated. A refrigeration cycle apparatus provided with an oil separator provided with an auxiliary heat exchanger. 前記副熱交換器は前記膨張機より吐出される飽和域の冷媒を前記放熱器より吐出される冷媒で加熱する熱交換器であることを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。 2. The refrigeration cycle apparatus according to claim 1, wherein the sub heat exchanger is a heat exchanger that heats a refrigerant in a saturated region discharged from the expander with a refrigerant discharged from the radiator. 前記オイルセパレータは密閉管を構成し、少なくとも前記膨張機に接続される第１冷媒配管と、前記蒸発器に接続される第２冷媒配管と、前記圧縮機の吸入配管に接続されるオイル配管とを備えたことを特徴とする請求項２に記載の冷凍サイクル装置。 The oil separator forms a sealed pipe, and includes at least a first refrigerant pipe connected to the expander, a second refrigerant pipe connected to the evaporator, and an oil pipe connected to an intake pipe of the compressor. The refrigeration cycle apparatus according to claim 2, further comprising: 前記密閉管の内部にミストトラップを備えたことを特徴とする請求項３に記載の冷凍サイクル装置。 The refrigeration cycle apparatus according to claim 3, wherein a mist trap is provided inside the sealed pipe. 前記密閉管のガス冷媒を前記オイル配管の内部に吐出する吐出ノズルを備えたことを特徴とする請求項３に記載の冷凍サイクル装置。 The refrigeration cycle apparatus according to claim 3, further comprising a discharge nozzle that discharges the gas refrigerant in the sealed pipe into the oil pipe. 前記冷媒は二酸化炭素であり、前記冷凍機油はポリアルキレングルコールを主成分とすることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。

The refrigeration cycle apparatus according to any one of claims 1 to 5, wherein the refrigerant is carbon dioxide, and the refrigerating machine oil contains polyalkylene glycol as a main component.

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