JP2008261563A

JP2008261563A - 冷媒回路

Info

Publication number: JP2008261563A
Application number: JP2007104871A
Authority: JP
Inventors: Kensaku Hatanaka; 謙作畑中; So Nomoto; 宗野本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-04-12
Filing date: 2007-04-12
Publication date: 2008-10-30

Abstract

【課題】冷媒回収・充填が可能な外部連絡ポートに、冷凍機油を同時に排出させない構造がなかったため、冷媒再充填後に冷凍機油が減少していることにより、圧縮機機械部品の摩耗が増加するなど、圧縮機の信頼性を低下させるおそれがあった。
【解決手段】冷媒回収・充填配管を鉛直方向沿って配置し、冷媒回収・充填配管の外部接続口を鉛直方向上側に開口した構成としたため、簡単な構成で冷媒回収・充填時に冷凍機油を冷媒とともに排出しないようにした。
【選択図】図２

Description

この発明は、冷媒回収・充填における冷凍機油の分離が容易な冷媒回路の構造に関するものである。

ヒートポンプ式給湯機のように、二酸化炭素を冷媒として使用するような冷媒回路を使用する機器において、冷媒充填閉鎖弁として、冷媒充填装置等を着脱自在に取り付けられる外部連絡ポートが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−３７２３４６号公報

冷媒回収・充填が可能な外部連絡ポートを用いたとしても、冷媒回路を使用するヒートポンプユニット修理時の冷媒回収の際に、冷凍機油を同時に排出させない構造がないため、冷媒と共に冷凍機油を回収してしまう可能性がある。そのため、冷媒再充填後に冷凍機油が減少していることにより、圧縮機機械部品の摩耗が増加するなど、圧縮機の信頼性を低下させるおそれがあった。

冷媒を圧縮して吐出する圧縮機１、前記圧縮機１から吐出した前記冷媒と給湯回路を循環する水とを熱交換する水冷媒熱交換器２、前記水冷媒熱交換器２の下流側の前記冷媒を減圧する膨張弁３、減圧された前記冷媒を蒸発する空気熱交換器４、前記空気熱交換器と前記膨張弁の間を流れる前記冷媒と、前記空気熱交換器と前記圧縮機の間を流れる前記冷媒とを熱交換する高低圧熱交換器５を環状に接続してなる冷媒回路と、前記膨張弁３と前記空気熱交換器４の間に地表に対して水平な冷媒配管１１よりも上部に位置し、また、地表に対して略垂直な位置にある、冷媒と冷凍機油を分離することを可能とした、冷媒回収・充填用配管部６を備えることで、圧縮機の信頼性を確保することを目的とする。

この発明に係る冷媒回路構成は、ヒートポンプユニット修理時の冷媒回収の際に、冷媒と冷凍機油を分離して冷媒を回収できることで、ヒートポンプユニット修理後に冷凍機油を冷媒回路内に追加補充することなく、圧縮機の信頼性を確保できる効果がある。

実施の形態１．
図１は、この発明の冷媒回路構成図である。圧縮機１と高圧側熱交換器２と膨張弁３と蒸発器４と高低圧熱交換器５とを順次接続して冷凍サイクルを構成する。さらに、低圧側、つまり膨張弁３と蒸発器４との間に、冷媒回収・充填用配管部６を備える。冷媒としては、例えば、冷凍サイクルにおける高圧側が臨界圧力（７．４８ＭＰａ）以上で超臨界状態となり、かつ容易に入手できる二酸化炭素を用いる。

図２は、実施の形態１に係る冷媒回収・充填用配管部６の構成図である。冷媒回収・充填用配管部６は、外部接続口２１と二方弁２２と冷媒回収・充填用配管１３で構成される。冷媒回収・充填用配管１３は先端に略鉛直方向上方に向かって開口した外部接続口２１を備え、冷媒配管１１と接続する接続部を有している。外部接続口２１と冷媒配管１１との接続部の間には二方弁２２が設けられ、冷媒の回収・充填時以外は閉じられている。本実施の形態１では、冷媒回収・充填用配管１３は冷媒配管１１との接続部から略鉛直方向上方に向かって延びている。従って、この接続部に対して外部接続口２１が鉛直方向上方に位置している。外部接続口２１は冷媒回収装置あるいは冷媒充填装置と連結される箇所であり、冷媒が二酸化炭素の場合は、高圧に耐えられるよう高い気密性が求められるが、市販されている気密性の高い連結ユニットを外部接続口２１に用いてもよい。

図２に示す冷媒回路構成での冷媒回収・充填方法について説明する。冷媒回収時は二方弁２２を開状態とする。この状態で、外部接続口２１に真空ポンプ等の冷媒回収装置を接続する。冷媒回収装置を作動させることで、外部接続口２１を介して冷媒回路内から冷媒を回収する。冷媒回収時に、冷媒は冷媒配管１１または１２から、二方弁２２を通過して、外部接続口２１より回収される。

図３、４、５に冷媒配管１１と冷媒回収・充填用配管１３の断面図を示す。図３、４、５に示す実線の矢印は冷媒の流れを、破線の矢印は冷凍機油の流れを示す。図３、４、５のいずれの場合も、冷媒配管１１に対して、内径が同じか、または大きな冷媒回収・充填用配管１３が接続されている。外部接続口２１に向かって冷媒配管１１から冷媒回収・充填用配管１３に冷媒が通り抜ける際、配管内径を大きくすることで冷媒の流速を遅くし、冷媒放出と共に冷凍機油が外部に洩れるのを防ぐためである。

また、図３、図４、図５のいずれも、冷媒回収・充填用配管１３はいずれの場合も略鉛直方向に沿うように設けられており、冷媒配管１１との接続部と反対側、即ち、略鉛直方向上側に向かって外部接続口２１が設けられている。このように構成することで、冷媒回路内の冷凍機油は、冷媒回収・充填用配管１３を通り外部接続口２１に向かって流れる冷媒の流れによって巻き上げられるが、重力により下向きの力が働くため外部へ放出が防止される。

ここで、略鉛直方向上方に向かう冷媒回収・充填用配管１３内の蒸気冷媒と巻き上げられて油滴となった冷凍機油の流動について考える。油滴を理想的な球形と考え垂直上昇管内での油滴に働く力のバランスを考えると、油滴には上向きに蒸気冷媒の流れによる抗力と浮力とが働き、下向きに重力による力が働く。油滴が静止している場合には次の運動方程式が成り立つ。

ここで、Ｃｄ、ρｇ、ρｏｉｌ、Ｕｇ、ｇおよびＤｏｉｌはそれぞれ抗力係数［−］、蒸気冷媒密度［ｋｇ／ｍ］、冷凍機油密度［ｋｇ／ｍ］、蒸気冷媒速度［ｍ／ｓ］、重力［ｍ／ｓ］および油滴直径［ｍ］である。この式から蒸気冷媒速度を導出すると次式のようになる。

この式から、ある大きさの油滴に対して油滴が静止する蒸気冷媒速度が算出される。つまり、この速度以上で蒸気冷媒が流れる場合油滴は冷媒とともに流動し、この速度以下で冷媒が流れていれば油滴は流れに対して下降していくことになる。また、この式からわかるように油滴径によってバランスする蒸気冷媒速度も変化することがわかる。また、次に配管内を流れる蒸気冷媒速度は次式により算出される。

ここで、Ｇｒ、Ｄおよびπはそれぞれ冷媒質量流量［ｋｇ／ｈ］、配管内径［ｍ］および円周率である。前記（２）式より算出される蒸気冷媒速度より（３）式から算出される蒸気冷媒速度が遅くなるような配管内径は（２）、（３）式より次式のように算出される。

つまり、ある油滴径を持つ油滴は（４）式より求められる内径以上の内径を有する冷媒回収・充填用配管１３においては蒸気冷媒の流れとともに流動することはない。従って、冷媒回収・充填用配管１３内で発生すると想定される適当な油滴径を選択して（４）式を用いて配管内径を算出し、この算出された内径以上の内径を有する冷媒回収・充填用配管１３を冷媒配管１１に接続することで蒸気冷媒の流速は低下し、大きな油滴はもちろん噴霧状の冷凍機油もほとんど冷媒回路内に滞留させることができる。

図４では、冷媒配管１１の冷媒回収・充填用配管１３との接続部分近傍の内径Ｂを、それ以外の部分の内径Ｃと等しいか、または大きくしている。また、冷媒回収・充填用配管１３の内径Ａは冷媒配管１１の接続部分近傍の内径Ｂと等しいか、または大きく構成されている。すなわち、Ｃ≦Ｂ≦Ａのように構成している。そして、冷媒回収・充填用配管１３を鉛直方向上向きに外部接続口２１が来るように配置している。配管の内径を徐々に大きく構成すれば、冷媒が、冷媒配管１１から冷媒配管１１と冷媒回収・充填用配管１３との接続部分近傍を通り、さらに冷媒回収・充填用配管１３を通り抜けていくごとに冷媒の流速が徐々に遅くなっていくため、より冷凍機油の油滴が外部へ放出されるのを防止する効果が高くなる。

図３、図４に示した冷媒回路では、冷媒回収時に、密度の小さい冷媒は冷媒回収・充填用配管１３から二方弁２２を通過し、外部接続口２１より冷媒回路外に流出する。一方で、冷媒回収・充填用配管１３は、地表に対して水平な冷媒配管１１より上部に位置し、また、地表に対して略垂直に設置されているため、冷媒より密度の大きい冷凍機油は、冷媒回路外へ流出せずに、冷媒配管１１に貯留される。

冷媒回収後、冷媒回路内を真空状態に保持したまま、外部接続口２１より冷媒を充填する。充填された冷媒は、外部接続口２１から二方弁２２、冷媒回収・充填用配管１３の順に冷媒回路内を流れていくため、冷媒回収時に冷媒回収・充填用配管１３と冷媒配管１１との接続部分近傍に貯留した冷凍機油は、冷媒と共に冷媒回路内に流入する。冷媒回収・充填用配管部６の構成により、冷凍機油をほぼ回路内に留まらせることができるため、冷媒再充填の際に冷凍機油を充填する必要がなく、圧縮機の信頼性を保持することができる。

また、図５では、膨張弁３と蒸発器４とを接続する冷媒配管１１に段差部１１ｃを設けている。この段差部１１ｃは地面に対し略水平方向に延びる冷媒配管１１の一部に高低差ができるように段状曲がった部分のことである。この段差部１１ｃの鉛直方向に向かって曲がった部分の鉛直方向上側に冷媒回収・充填配管１３との接続部２５が形成されている。その際、段差部１１ｃの前後の膨張弁３側の冷媒配管１１ａの方が、蒸発器４側の冷媒配管１１ｂよりも低くなっている。

このように構成した冷媒回路において冷媒の回収を行う場合は、膨張弁３を完全に閉じて外部接続口２１に回収容器（図示せず）を接続し、冷媒の回収を行う。膨張弁３が完全に閉じていることで、冷媒配管１１ａの方からは冷媒の流れが発生せず、専ら冷媒配管１１ｂから冷媒回収・充填用配管１３を通って外部へと冷媒が抜けていく。そのため、冷媒の流れに巻き込まれて一緒に流される冷凍機油は、冷媒回収・充填用配管１３の側面に衝突し、あるいは冷媒配管１１ｂと冷媒回収・充填用配管１３との接続部からそのまま冷媒回収・充填用配管１３の最下端へと落下し、そのまま冷媒回収・充填用配管１３と冷媒配管１１ａとの接続部近傍に溜まっていく。このようにして冷媒と冷凍機油とを分離して回収することができる。

図５の冷媒回路において、冷媒回収後に冷媒充填を行う場合には、膨張弁３を全閉状態から開状態とする。図３、４の場合と同様に、冷媒回収・充填用配管１３と冷媒配管１１ａとの接続部分近傍に滞留した冷凍機油を、充填する冷媒の流れにより冷媒回路全体に行き渡らせることができるためである。

図５では、段差部１１ｃの内径Ａ２は、冷媒配管１１ａおよび１１ｂの内径Ｃと等しいか、または大きくしている。また、冷媒回収・充填用配管１３の内径Ａ１は段差部１１ｃの内径Ａ２と等しいか、または大きく構成されている。すなわち、Ｃ≦Ａ２≦Ａ１のように構成している。そして、冷媒回収・充填用配管１３を鉛直方向上向きに外部接続口２１が来るように配置している。このように配管の内径を徐々に大きく構成すれば、冷媒が、冷媒配管１１から段差部１１ｃを通り、さらに冷媒回収・充填用配管１３を通り抜けていくごとに冷媒の流速が徐々に遅くなっていくため、より冷凍機油の油滴が外部へ放出されるのを防止する効果が高くなる。

冷媒回収方法としては、外部接続口２１に真空ポンプ等の冷媒回収装置を外部接続口２１に接続して回収する方法がある。また、二酸化炭素冷媒を用いた場合、地球温暖化係数が低いことから大気開放も可能である。しかし、大気圧（約０．１ＭＰａ）と標準温度での二酸化炭素冷媒の圧力（約５ＭＰａ）とでは、圧力差が大きいため、外部接続口２１からの冷媒流出速度が大きくなり、冷媒流出と共に、冷凍機油も速度の大きな冷媒に引っ張られて冷媒回路外に流出する可能性がある。そこで、圧力差を小さくするために、外部接続口２１の外径よりも大きな円筒形の回収容器に移し変えることで、拡大損失により冷媒の流出速度が低下し、また回収容器が冷媒で充填されることで、容器内の圧力が上昇し、冷媒回路と回収容器間の圧力差が減少し、冷凍機油の冷媒回路外への流出を抑えることが可能となる。

上記のように、冷媒回収・充填用配管部６の構成により、冷凍機油をほぼ冷媒回路内に留まらせることができるため、ヒートポンプユニット修理後の冷媒再充填の際に、冷凍機油を充填する必要がなく、圧縮機の信頼性を保持することができる。
なお、図３、図４の構成の場合には、冷媒再充填の際に、冷凍機油を圧縮機吸入口付近に留まらせて、圧縮機に戻しやすくするために、図６に示すように、冷媒回収・充填用配管部６の位置を高低圧熱交換器５の低圧側出口と圧縮機１の間に設けたとしても、同様に冷媒と冷凍機油を分離して冷媒を回収することが可能である。

また、同様に図３、図４の構成の場合には、図７に示すように、冷凍機油温度を上昇させて粘度を低下させ、回路内での流動性を高めて、圧縮機へ戻りやすくするために、冷媒回収・充填用配管部６を高圧側、つまり、圧縮機１と高圧側熱交換器２の間に設けたとしても同様に、冷媒と冷凍機油を分離して冷媒を回収することが可能である。

なお、上記では二酸化炭素を冷媒として用いた冷凍サイクルについて説明したが、自然冷媒でないＲ４１０、ＨＣＦＣ、ＨＦＣ等の通常の冷媒を用いてもよいことはいうまでもない。

また、本実施の形態１では、冷媒回収・充填用配管１３は冷媒配管１１との接続部から外部接続口２１まで鉛直方向上方に向かって直線状に延びる構成を有しているが、少なくとも接続部に対して外部接続口２１が鉛直方向上方に位置する構成であれば、接続部から外部接続口２１までの間が必ずしも直線状の配管で無くても、重力の効果により冷凍機油を冷媒回路内に留めておくことができることは言うまでもない。

実施の形態２．
図８は、実施の形態２に係る冷媒回収・充填用配管部６の構成図である。冷媒回収・充填用配管部６は、外部接続口２１と二方弁２２、２３が設けられた接続配管と冷媒回収・充填用配管１３を備えている。冷媒回収・充填用配管１３は先端に外部接続口２１を備えている。また、冷媒配管１１は、空気熱交換器４と二方弁９とを連結し、冷媒配管１２は、膨張弁３と冷媒配管１１とを連結する冷媒流路である。冷媒配管１２と冷媒回収・充填用配管１３とは、冷媒配管１２と冷媒回収・充填用配管１３との間に並列に接続された二方弁２２、２３を有する接続配管を介して接続されている。冷媒回収・充填用配管１３の外部接続口２１に対して反対側の端部に二方弁２３を有する接続配管が接続され、二方弁２３から外部接続口２１への途中にもう一つの二方弁２２を有する接続配管が接続されている。

冷媒配管１１と冷媒回収・充填用配管１３および二方弁２２を有する接続配管のそれぞれの内径は、冷媒配管１１、二方弁２２を有する接続配管、冷媒回収・充填用配管１３の順に大きくなっていくことが望ましい。もしくは冷媒配管１１と二方弁２２を有する接続配管は同じ内径で、その内径に対して冷媒回収・充填用配管１３の方を大きくするという構成でもよい。上記実施の形態１でも述べたように、冷媒回路内から外部接続口２１に向かって冷媒が流れていく際、徐々に配管の内径が大きくなっていくことで、冷媒の流速を徐々に遅くすることができるため、細かい油滴の発生を抑えることができ、より冷凍機油を冷媒回路内に留めておくことができるからである。

図８に示す冷媒回収・充填用配管部６の構成での冷媒回収・充填方法について説明する。冷媒回収時は二方弁２２を開状態、二方弁２３を閉状態とする。この状態で、外部接続口２１に真空ポンプ等の冷媒回収装置を接続する。冷媒回収装置を作動させることで、外部接続口２１を介して冷媒回路内から冷媒を回収する。冷媒回収時に、冷媒は冷媒配管１１または１２から、二方弁２２を通過して、外部接続口２１より回収される。

図９に二方弁２２、２３と冷媒回収・充填用配管１３の断面拡大図を示す。図９に示す実線の矢印は冷媒の流れを、破線の矢印は冷凍機油の流れを示す。冷媒回収時に、冷媒と共に外部接続口へと流れる冷凍機油は、冷媒回収・充填用配管部６を構成する冷媒回収・充填用配管１３が、略鉛直方向に沿って設置されていること、冷媒より密度が大きいことにより、冷媒回路外へ流出せずに、外部接続口２１から二方弁２３間の冷媒回収・充填用配管１３に貯留される。

冷媒回収後、冷媒回路内を真空状態に保持したまま、二方弁２２を閉状態、二方弁２３を開状態として、外部接続口２１より冷媒を充填する。すると、充填された冷媒は、外部接続口２１から冷媒回収・充填用配管１３、二方弁２３の順に冷媒回路内を流れていくため、冷媒回収時に貯留した冷凍機油は、冷媒と共に冷媒回路内に流入する。

実施の形態３．
図１０は、実施の形態３に係る冷媒回収・充填用配管部６の構成図である。冷媒回収・充填用配管部６は、外部接続口２１と飛沫捕集器２４と二方弁２２と冷媒回収・充填用配管１３で構成される。冷媒回収・充填用配管１３は先端に外部接続口２１を備え、さらに外部接続口２１と飛沫捕集器２４と二方弁２２とを連結して、冷媒配管１１に接続する冷媒流路である。

図１０に示す冷媒回路構成での冷媒回収・充填方法について説明する。冷媒回収時は二方弁３３を開状態とする。この状態で、外部接続口２１に真空ポンプ等の冷媒回収装置を接続する。冷媒回収装置を作動させることで、外部接続口２１を介して冷媒回路内から冷媒を回収する。冷媒回収時に、冷媒は冷媒配管１１または１２から、二方弁２２、飛沫捕集器２４を通過して、外部接続口２１より回収される。このとき、冷媒と共に外部接続口２１へと流れる冷凍機油は、冷媒回収・充填用配管部６を構成する飛沫捕集器２４を通過するため、冷媒回路外へ流出せずに、飛沫捕集器２４から二方弁２２、冷媒回収・充填用配管１３を通過して、冷媒配管１１と冷媒回収・充填用配管１３の接続部付近に貯留される。冷媒回収後、冷媒回路内を真空状態に保持したまま、外部接続口２１より冷媒を充填する。実施の形態１と同様に、冷媒回収・充填用配管部６の構成により、冷凍機油をほぼ回路内に留まらせることができるため、冷媒再充填の際に冷凍機油を充填する必要がなく、圧縮機の信頼性を保持することができる。

この発明の実施の形態１、２、３に係る冷媒回路配管構成図である。この発明の実施の形態１に係る冷媒回収・充填用配管部６の構成図である。この発明の実施の形態１に係る冷媒回収・充填用配管部６の断面模式図である。この発明の実施の形態１、２、３に係る別の冷媒回路配管構成図である。この発明の実施の形態１、２、３に係る別の冷媒回路配管構成図である。この発明の実施の形態２に係る冷媒回収・充填用配管部６の構成図である。この発明の実施の形態２に係る冷媒回収時の冷媒と冷凍機油の管内流れの模式図である。この発明の実施の形態２に係る冷媒回収時の冷媒と冷凍機油の管内流れの模式図であるこの発明の実施の形態２に係る冷媒回収時の冷媒と冷凍機油の管内流れの模式図であるこの発明の実施の形態３に係る冷媒回収・充填用配管部６の構成図である。

符号の説明

１圧縮機、２高圧側熱交換器、３膨張弁、４空気熱交換器、５高低圧熱交換器、６冷媒回収・充填用配管部、１１、１２冷媒配管、１３冷媒回収・充填配管、２１外部接続口、２２、２３二方弁、２４飛沫捕集器

Claims

冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、
前記圧縮機から吐出した前記冷媒が空気または水と熱交換する高圧側熱交換器と、
前記熱交換器の下流側の冷媒を減圧する膨張弁と、
前記膨張弁を通過して減圧された冷媒を蒸発する蒸発器と、
前記圧縮機、前記熱交換器、前記膨張弁、前記蒸発器を環状に接続する冷媒配管と、
前記冷媒配管と接続する接続部を有する冷媒回収・充填用配管と、
この冷媒回収・充填用配管の前記接続部と反対側の端部に設けられ、前記接続部より鉛直方向上方に位置する外部接続口とを備えたことを特徴とする冷媒回路。
前記冷媒回路は、前記高圧側熱交換器から膨張弁へと流れる冷媒と、前記蒸発器から圧縮機へと流れる冷媒とを熱交換する高低圧熱交換器を備えたことを特徴とする請求項１に記載の冷媒回路。
前記冷媒回収・充填用配管は、前記冷媒配管との接続部と前記外部接続口との間に二方弁を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の冷媒回路。
前記接続部近傍の冷媒配管の内径を、前記接続部近傍以外の冷媒配管の内径より大きくしたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の冷媒回路。
前記接続部は前記膨張弁と前記蒸発器との間に設けられたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の冷媒回路。
前記膨張弁と前記蒸発器とを接続する冷媒配管に段差部を設け、
前記段差部の上側に前記冷媒回収・充填用配管の接続部が設けられたことを特徴とする請求項５に記載の冷媒回路。
前記段差部に対して前記膨張弁側の冷媒配管を、前記段差部に対して前記蒸発器側の冷媒配管より低く配置し、
冷媒回収時に、前記膨張弁を閉じて冷媒回収を行い、冷媒充填時に前記膨張弁を開けて冷媒充填を行うことを特徴とする請求項６に記載の冷媒回路。
前記接続部は前記圧縮機と前記凝縮器との間に設けられたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の冷媒回路。
前記接続部は高低圧熱交換器と圧縮機との間に設けられたことを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項に記載の冷媒回路。
前記接続部は、第１の二方弁を有する第１の接続配管と、前記第２の二方弁を有する第２の接続配管とを備え、
前記第１の接続配管が前記第２の接続配管より鉛直方向上方に設けられ、
前記外部接続口が前記第１の接続配管より鉛直方向上方に設けられたことを特徴とする請求項１または２に記載の冷媒回路。
冷媒回収時に、前記第１の二方弁を開けるとともに、前記第２の二方弁を閉じて冷媒回収を行い、
冷媒充填時に、前記第１の二方弁を閉じるとともに、前記第２の二方弁を開けて冷媒充填を行うことを特徴とする請求項１０に記載の冷媒回路。
前記外部接続口と前記接続部との間の前記冷媒回収・充填用配管に、冷凍機油の飛沫を捕集する飛沫捕集器を設けたことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の冷媒回路。
冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする請求項１乃至１１に記載の冷媒回路。