JP2009109102A - オイルセパレータおよびこれを備える冷媒圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】高い分離効率でＣＯ_２冷媒からオイルを分離できるオイルセパレータおよびこれを備える冷媒圧縮機を提供する。
【解決手段】オイルセパレータ３０は、円筒状の内壁面３４ｂにより形成されているチャンバ３５、内壁面３４ｂに開口した流入口３２、および流入口３２につながり内壁面３４ｂの略接線方向に伸長する流入管３１を有して流入口３２からチャンバ３５に流入した冷媒を遠心力によって旋回させて冷媒中のオイルを分離し、さらにオイル分離後の残余の冷媒が吐出される吐出通路４３を有する分離部３３と、チャンバ３５に接続され分離したオイルが貯留する貯油部３７と、を備える。吐出通路の入口４２からチャンバの底部３４ａに至るまでの距離Ｌを、内壁面３４ｂの内径φＤで除した値（Ｌ／φＤ）が２．５以上である。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍サイクルを流れる冷媒からオイル（潤滑油）を分離するオイルセパレータおよびこれを備える冷媒圧縮機に関する。

一般にオイルセパレータは、冷媒に混入されているオイルを冷媒から分離するものであり、冷凍サイクルの圧縮機における軸受部や摺動部にオイルを供給して潤滑し、冷媒ガスとともに冷凍サイクルに吐出されるオイルを適切量にして冷凍サイクルの成績係数（ＣＯＰ）の低下を防止している。

このような従来のオイルセパレータとしてはいわゆる遠心分離式の機構が知られている（例えば、特許文献１参照）。この従来のオイルセパレータは、圧縮機構部の吐出側で圧縮されたガスからオイルを遠心分離する分離室と、分離されたオイルを貯めてから軸受部等に供給する貯油室と、分離室の上部に開口して分離後の冷媒ガスを冷凍サイクルに吐出する出口パイプと、を備えている。
特開平３−１２９２７３号公報

近年では環境問題等の観点からＣＯ_２冷媒を使用することが要望されている。しかしながら、ＣＯ_２冷媒は潤滑用オイルとの密度差が小さいという特性を有するため、特許文献１に記載のオイルセパレータにおいては例えば、分離室でのオイルの巻き上がり現象等によりオイルの分離が十分に行われないという問題があった。

そして、オイルの分離が十分に行われないと、冷凍サイクルに吐出される冷媒中のオイルレートが大きくなり、熱交換器での高い熱交換性能が得られず成績係数が低下するとともに、圧縮機に対して十分なオイルを供給できず運転上の圧縮機の信頼性が低下することになる。

そこで、本発明は上記問題点を鑑みてなされたものであり、その目的は高い分離効率でＣＯ_２冷媒からオイルを分離できるオイルセパレータおよびこれを備える冷媒圧縮機を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。第１の発明は、円筒状に形成された内壁面（３４ｂ）により囲まれているチャンバ（３５）、内壁面（３４ｂ）に開口した流入口（３２）、および流入口（３２）につながり内壁面（３４ｂ）の略接線方向に伸長する流入通路（３１）を有して、流入口（３２）からチャンバ（３５）に流入した冷媒を内壁面（３４ｂ）に沿うように遠心力によって旋回させて冷媒に混入しているオイルを分離し、 さらにオイルを分離した残余の冷媒が吐出される吐出通路（４３）を有する分離部（３３）と、チャンバ（３５）に接続されて分離したオイルが貯留する貯油部（３７、８５）と、を有し、ＣＯ_２を主成分とする冷媒が循環する冷凍サイクル（１１５）に設けられるオイルセパレータ（３０）に係る発明であって、
吐出通路の入口（４２）からチャンバの底部（３４ａ）に至るまでの距離Ｌを、内壁面（３４ｂ）の内径φＤで除した値（Ｌ／φＤ）が２．５以上であることを特徴としている。

この発明によれば、分離したオイルの巻き上げを抑制することで優れたオイル分離効率を実現できるオイルセパレータを提供できる。また、オイル分離効率を向上させることによって、貯油部に十分なオイルを貯留しておくことができ、したがって圧縮機を十分に潤滑することができ、圧縮機運転上の信頼性を向上させることができる。また、貯油部内に十分なオイルを貯留することができるから、吐出脈動を低減することができる。

また、上記発明に記載のオイルセパレータ（３０）を一体に備える冷媒圧縮機を採用することができる。この発明によれば、圧縮機構部からオイルセパレータまでの経路が短くなることで、圧力損失が小さくなり、オイル分離効率を高めることができる。

さらに、内部に低圧空間を形成する低圧容器（５３）内に圧縮機構部（５７）を有する冷媒圧縮機を採用することができる。これにより、圧縮機構部まわりが低圧のため、容器をオイル分離器として使えない点に対し、オイルセパレータを具備することにより、信頼性を高めることができる。また、オイルセパレータを圧縮機と一体化することによって、全体として小型化することができる。

また、この冷媒圧縮機は、給湯機用ヒートポンプサイクルに用いられる。したがって、ＣＯ_２冷媒を使用するヒートポンプであっても、オイルを十分に分離することができ、ヒートポンプのＣＯＰを向上させることができるとともに、ＣＯ_２に固有の高荷重の摺動部の潤滑性を確保でき、装置の信頼性を向上させることができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は後述する実施形態の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、図面を参照しながら本発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した形態と同様とする。実施の各形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施の形態同士を部分的に組み合せることも可能である。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態を図１〜図３を用いて説明する。本実施形態に係るオイルセパレータ３０は、冷房性能の低下を抑制するために、ＣＯ_２を主成分とする冷媒からオイルを分離して冷凍サイクルを循環するオイル量を適切に調整している。冷媒から分離されたオイルは圧縮機の軸受部や摺動部にオイル（潤滑油）を供給するために用いられる。

この冷凍サイクルは、例えばヒートポンプサイクルであり、給湯機や車両用空調装置に適用することができる。本実施形態では、風呂、シャワー、台所、洗面所等に供給するための給湯用水を加熱する給湯機用ヒートポンプサイクルにオイルセパレータ３０を適用した例を後述する。

図１は上方部に分離部３３、下方部に貯油部３７を配したオイルセパレータ３０の構成を示す断面図である。図１に示すように、オイルセパレータ３０は分離部３３の円筒状内部空間であるチャンバ３５を形成する内壁面３４ｂと円筒状の吐出管４１とで構成される２重管構造を呈している。

オイルセパレータ３０は、遠心力により冷媒に混入されているオイルが分離される分離部３３と、分離部３３で分離されたオイルを貯留する貯油部３７とを備えている。分離部３３は圧縮機１の吐出部と流入管３１によって接続されている。分離部３３でオイルが分離された後の冷媒（残余の冷媒）が流出する吐出通路４３は、配管によって冷凍サイクル中の他の機器（例えば水−冷媒熱交換器）に接続されている。貯油部３７は送油管４０によって圧縮機１に接続されており、圧縮機１の軸受部や摺動部まで通じている。

分離部３３は、円筒状容器３４と、円筒状容器３４上部の外周面に円筒状容器３４に接続されている流入管３１と、円筒状容器３４の上端開口に嵌め込まれて設けられている吐出管４１と、を備えている。

円筒状容器３４の内部に形成されているチャンバ３５は、円筒状容器３４の円筒状の内壁面３４ｂにより囲まれており、流入した冷媒からオイルが分離される分離室となる。円筒状容器３４は、上部から下部にかけて内径寸法がほぼ一定となるように形成されている。円筒状容器３４は下部にチャンバの底部３４ａを有しており、このチャンバの底部３４ａには小径の連通孔３６が形成されている。連通孔３６は、チャンバ３５から貯油部３７に至る部位に設けられている絞り部であり、チャンバ３５よりも断面積が狭く形成され、チャンバ３５で分離されたオイルがチャンバの底部３４ａ表面に溜まった後、貯油部３７に向けて流下する通り道となる。

流入口３２からチャンバ３５に射出された冷媒は、この下部の小径部４１ａの外周面と流入口３２が配置されている部位における円筒状容器３４の内壁面３４ｂとの間の環状空間を高速で旋回する。そして、この高速回転による遠心力で比重の重いオイルを円筒状容器３４の内壁面３４ｂに付着させ、冷媒とオイルとを分離するようになっている。

分離部３３の下部に設けられている貯油部３７は、有底筒状の箱体である貯油槽３８を有し、貯油槽３８の上部には円筒状容器３４が接続されており、貯油槽３８の底部に開口する送油口３８ａには送油管４０が接続されている。貯油槽３８により形成される内部空間の貯油室３９はチャンバの底部３４ａを介してチャンバ３５と連通している。

上記構成のオイルセパレータ３０において、吐出通路の入口４２からチャンバの底部３４ａに至るまでの距離をＬとし、内壁面３４ｂの内径寸法をφＤとすると、両者の間にはＬをφＤで除した値（Ｌ／φＤ）が２．５以上となる関係が満たされている。

本実施形態で使用するＣＯ_２冷媒は、ＨＦＣ−１３４ａの冷媒と比較して密度が大きいため、オイルとの密度差が小さくなる。したがって、冷媒とオイルに働く遠心力の差が小さくなり、分離されたオイルが冷媒に誘引されやすくなるため、Ｌ／φＤを十分に大きくする必要がある。ＨＦＣ−１３４ａ等の冷媒を使用した場合と同等のＬ／φＤでは、オイルの巻き上げによる分離効率の低下が起こり、潤滑不足による圧縮機の信頼性低下や冷凍サイクルの成績係数低下の要因となるからである。

そこで、上記関係（Ｌ／φＤ≧２．５）を満たすように分離部３３を構成することにより、十分なオイルの分離効率を確保することができる。上記関係を採用した根拠を以下に図２を用いて説明する。図２は実験により得られたデータからＬ／φＤとオイルの分離効率との関係を示したグラフである。

図２に示すように、ＨＦＣ−１３４ａの分離効率の曲線は、Ｌ／φＤが１以上でほぼ横ばいになっているのに対し、ＣＯ_２の分離効率の曲線はＬ／φＤが０から２に近づく過程で急激に上昇し、２．５付近で上昇勾配が急激に小さくなり、４以上においてはほぼ横ばいになり最大分離効率に漸近するようになる。以上の実験結果から、Ｌ／φＤ≧２．５を満たすように分離部を構成することにより、ＣＯ_２冷凍サイクル中のオイルレートを低下させシステムＣＯＰを向上させることができるとともに、圧縮機に十分にオイルを供給することができ、信頼性を向上させることができる。また、貯油部内に十分なオイルを貯留することができ吐出脈動を低減することができる。

次に、オイルセパレータ３０が適用される給湯機用のヒートポンプサイクル１１５を用いる貯湯式給湯装置１１１について説明する。この貯湯式給湯装置１１１は、主に貯湯タンク１１３、ヒートポンプサイクル１１５、制御装置１１７から構成されている。

貯湯タンク１１３は、給湯用の高温の湯を保温することができるようになっており、その底面には、この貯湯タンク１１３内に水道水を導入する導入管１２１が接続されている。導入管１２１には、サーミスタ１２３が設けられており、導入管１２１を流れる水道水の温度情報を制御装置１１７に出力するようになっている。

一方、貯湯タンク１１３の最上部には、貯湯タンク１１３内の高温の湯を導出するための導出管１２７が接続されている。この導出管１２７には、水道水の給水配管１２９が接続されており、この給水配管１２９との合流点には混合弁１３１が配置されている。そして、貯湯タンク１１３からの湯と水道水との混合比を調節することにより、下流側にあるシャワー、風呂等に適温の湯を供給するようにしている。

また、貯湯タンク１１３の下部には冷水出口１３３が設けられ、また貯湯タンク１１３の上部には、貯湯タンク１１３内に湯を流入させる温水入口１３５が設けられている。冷水出口１３３と温水入口１３５とは循環回路１３７で接続されており、この循環回路１３７にはポンプ１３９とヒートポンプサイクル１１５の水熱交換器１４１が直列に接続されている。そして、貯湯タンク１１３下部の冷水をポンプ１３９によって循環させ、水熱交換器１４１で加熱して貯湯タンク１１３に戻すようになっている。

さらに、貯湯タンク１１３の外壁面には、複数のサーミスタ１４３が縦方向に配置され、貯湯タンク１１３内の各水位レベルにおける温度情報を制御装置１１７に出力するようになっている。

ヒートポンプサイクル１１５は、ＣＯ_２を冷媒とする加熱手段であり、電動圧縮機１４５、水熱交換器１４１、膨張弁１４７、送風機１４９を有する室外側熱交換器１５１が、この順に冷媒配管１５３によって接続され、閉回路を構成している。電動圧縮機１４５には、インバータ１５５が接続されており電動圧縮機１４５に供給する電力を可変するようになっている。また、室外側熱交換器１５１には、外気温センサ１５７が設けられており、室外側熱交換器１５１に流入する外気の温度情報を制御装置１１７に出力する。

このようなヒートポンプサイクル１１５の電動圧縮機１４５は、オイルセパレータ３０と連結されるとともに、低圧容器内に圧縮機構部を収納する構成であり、後述する第２実施形態の冷媒圧縮機１００と同様の構成を有するものである。したがって、電動圧縮機１４５を通過するＣＯ_２冷媒から効率よくオイルを分離することができ、ヒートポンプサイクル１１５全体の効率を向上させることができる。

このヒートポンプサイクル１１５は、冷媒を電動圧縮機１４５で高温高圧にして水熱交換器１４１に送り、ここで貯湯タンク１１３から供給される冷水（水道水）を加熱して所定温度の湯に沸き上げ、高温の湯を貯湯タンク１１３内に戻すようになっている。水熱交換機１４１で放熱した冷媒に対しては、室外側熱交換器１５１によって外気から吸熱させるようになっている。給湯機用のヒートポンプサイクルでは、高温高圧の冷媒が、空気に比べて比熱の大きな水と熱交換するため、例えばカーエアコンのように空気と熱交換するサイクルと比べ、オイル分離により熱交換性能を向上した効果が４倍程度大きくなる。

制御装置１１７は、主に電動圧縮機１４５とポンプ１３９との作動を制御するものである。制御装置１１７には、上記外気温センサ１５７からの温度情報、サーミスタ１２３、１４３からの温度情報が入力される。また、制御装置１１７には、複数のサーミスタ１４３からの温度、水位情報が入力される。そして、これらの情報を基に、電動圧縮機１４５とポンプ１３９を適宜駆動させ、貯湯タンク１１３に所定温度、所定量以上の湯を供給するようになっている。

このように貯湯式給湯装置１１１にあっては、貯湯タンク１１３、ヒートポンプサイクル１１５、制御装置１１７とを備え、ヒートポンプサイクル１１５はＣＯ_２冷媒を使用し、オイルセパレータ３０を有する電動圧縮機１４５を有していることに加え、特に給湯機用のヒートポンプサイクルでは、高温高圧の冷媒が、空気に比べて比熱の大きな水と熱交換するため、オイル分離により熱交換性能を向上した効果が大きく、ＣＯ_２冷媒を使用したヒートポンプを高い効率で駆動することができ、したがって効率の良い貯湯式給湯装置を実現することができる。

なお、電動圧縮機１４５は内部低圧型に限る必要はなく、内部高圧等の他の形式でもよい。

（第２実施形態）
第２実施形態では冷媒圧縮機１００について図４を参照して説明する。この冷媒圧縮機１００は、スクロール型圧縮機であって、密閉容器５３内に電動機部５５と圧縮機構部５７とを収容し、外部の冷媒回路からの冷媒を圧縮するとともに、その一端側に一体に取付けられたオイルセパレータ３０によって圧縮された冷媒からオイルを分離して、冷媒を外部の冷媒回路へ送り出す一方で、分離したオイルを圧縮機構部５７等の可動部へ戻すように構成されている。この冷媒圧縮機１００に含まれるオイルセパレータ３０は第１実施形態で説明したオイルセパレータ３０と基本的構成は同じであるため、同一構成の部分には同一符号を付している。

冷媒圧縮機１００の密閉容器５３は円筒状の第１ハウジング５９と、第１ハウジング５９の左端部に結合された有底円筒状の第２ハウジング６１と、第１ハウジング５９の右端部に結合された有底円筒状の第３ハウジング６３とから形成されている。また、この密閉容器５３は、その中の圧力が冷媒の吐出圧力よりも低い、いわゆる内部低圧式容器を形成している。

圧縮機構部５７は、主軸受６５によって支持されたクランク機構６７により公転する可動スクロール６９と、可動スクロール６９に対向配置された固定スクロール７１とを具備している。クランク機構６７および可動スクロール６９は、主軸受６５と副軸受７３によって水平に支持された電動機部５５のシャフト７５によって回転される。

固定スクロール７１と可動スクロール６９は渦巻状の溝をそれぞれ有しており、この溝の噛み合いによって形成される複数の作動室７７が体積を縮小することによって固定スクロール７１の渦巻状の溝の最外周側に連通する吸入室（図示せず）に供給された冷媒を圧縮するように構成されている。圧縮機構部５７の作動室７７には吐出口７９を介して吐出室８１が連通しており、この吐出室８１にオイルセパレータ３０の流入管３１の一端が接続されている。そして、この流入管３１の他端が、オイルセパレータ３０の分離部３３に設けられた流入口３２に接続されている。

固定スクロール７１の図中下側にはオイル戻し通路８３が形成され、このオイル戻し通路８３の一端には送油管４０が接続されている。このオイル戻し通路８３の他端は、固定スクロール７１と可動スクロール６９との摺動界面に通じており、さらにそこから潤滑の必要な他の可動部分に至る複数のオイルの通路が形成されている。また、送油管４０の一端は貯油部８５の底部に設けられた送油口３８ａに接続されている。

本実施形態で説明するオイルセパレータ３０は、第１実施形態で説明したオイルセパレータ３０に対して、貯油部８５の貯油容器８９が、冷媒圧縮機１００の密閉容器５３の右端部を閉鎖する部材でもある第３ハウジング６３と、この第３ハウジング６３の端部に形成された段付き部に接合された略円盤状の第４ハウジング９１とから形成されている点が異なっている。また、これに関連して分離部３３の円筒状容器３４は第３ハウジング６３の上部を貫通して結合されている。

冷媒圧縮機１００のオイルセパレータ３０は、第１実施形態のオイルセパレータ３０と同様に作動し、圧縮機構部５７に隣接する吐出室８１から流入管３１をとおして供給された冷媒をチャンバ３５で旋回させてオイルを分離し、冷媒を吐出通路４３からシステム側に送り出す一方で、オイルを連通孔３６から貯油室９３に流下させる。貯油室９３に貯留したオイルは送油口３８ａから送油管４０を通してオイル戻し通路８３に戻され、固定スクロール７１および可動スクロール６９の摺動界面等の摺動部に供給される。

このように、この冷媒圧縮機１００にあっては、オイルセパレータ３０を圧縮機と一体化することによって、圧縮機構部５７からオイルセパレータ３０までの経路が短くなることで、圧力損失が小さくなり、オイル分離効率を高めることができ、また、全体として小型化することができる。さらに、このオイルセパレータ３０によって、ＣＯ_２冷媒であっても、吐出冷媒から十分にオイルを分離することができ、したがって、ＣＯＰを向上させることができる。また、冷媒圧縮機１００に十分にオイルを供給することができるので、冷媒圧縮機の信頼性を向上させることができる。

なお、冷媒圧縮機１００はスクロール型圧縮機であったが、これに限る必要はなく斜板型圧縮機等の他の形式の冷媒圧縮機であってもよい。

本発明の第１実施形態におけるオイルセパレータ３０の構成を示す断面図である。 オイルセパレータ３０におけるＬ／φＤとオイル分離効率との関係を実験データによって示したグラフである。 オイルセパレータ３０を備えた冷媒圧縮機を有する貯湯式給湯装置の構成を示す模式図である。 本発明の第２実施形態における冷媒圧縮機の構成を示す断面図である。

符号の説明

３０…オイルセパレータ
３１…流入管（流入通路）
３２…流入口
３３…分離部
３４ａ…チャンバの底部
３４ｂ…内壁面
３５…チャンバ
３７，８５…貯油部
４２…吐出通路の入口
４３…吐出通路
５３…密閉容器（低圧容器）
５７…圧縮機構部
９３…貯油室
１００…冷媒圧縮機
１１５…ヒートポンプサイクル（冷凍サイクル）
１４５…電動圧縮機（冷媒圧縮機）

Claims (5)

1. 円筒状に形成された内壁面（３４ｂ）により囲まれているチャンバ（３５）、前記内壁面（３４ｂ）に開口した流入口（３２）、および前記流入口（３２）につながり前記内壁面（３４ｂ）の略接線方向に伸長する流入通路（３１）を有して、前記流入口（３２）から前記チャンバ（３５）に流入した前記冷媒を前記内壁面（３４ｂ）に沿うように遠心力によって旋回させて前記冷媒に混入しているオイルを分離し、
   さらに前記オイルを分離した残余の冷媒が吐出される吐出通路（４３）を有する分離部（３３）と、前記チャンバ（３５）に接続されて前記分離したオイルが貯留する貯油部（３７、８５）と、を有し、ＣＯ_２を主成分とする冷媒が循環する冷凍サイクル（１１５）に設けられるオイルセパレータ（３０）であって、
   前記吐出通路の入口（４２）から前記チャンバの底部（３４ａ）に至るまでの距離Ｌを、前記内壁面（３４ｂ）の内径φＤで除した値（Ｌ／φＤ）が２．５以上であることを特徴とするオイルセパレータ。
2. 請求項１に記載のオイルセパレータ（３０）を一体に備えることを特徴とする冷媒圧縮機。
3. 内部に低圧空間を形成する低圧容器（５３）内に圧縮機構部（５７）を設けることを特徴とする請求項２に記載の冷媒圧縮機。
4. 前記オイルセパレータ（３０）における貯油部（８５）が一体に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の冷媒圧縮機。
5. 給湯機用ヒートポンプサイクル（１１５）に用いられることを特徴とする請求項２から４のいずれか一項に記載の冷媒圧縮機。

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