JP6655534B2 - 油分離器を備えた圧縮機 - Google Patents

Description

技術分野
本出願、および結果として得られる特許は、一般に、冷凍システムに関し、より詳細には、冷媒として二酸化炭素を使用し、油分離器を備えた２段圧縮機を有する冷凍システムに関する。

発明の背景
現代的な冷凍システムは、筐体の全てまたは一部分のための冷却、換気、および湿度制御を提供する。このような筐体は、冷蔵庫、クーラ、販売機、ディスペンサー、および他のタイプの軽量の、市販または家庭用の電化製品を含み得る。環境的な理由、金銭的な理由、およびその他の理由のために、これらの現代的な冷凍システムでは、ハイドロフルオロカーボンのような合成冷媒の使用をやめることが多くなっている。このようなことにより、二酸化炭素などの天然冷媒の使用についての関心が高まっている。冷媒としての二酸化炭素の使用は、比較的安価である利点、容易に利用可能である利点、毒性を示さないという利点、不燃性である利点、および環境に優しいという利点を有し得る。さらに、二酸化炭素は、最も一般的な合成冷媒と比べると、一般に、量的により高い生産量を有する。

一般的に説明すると、二酸化炭素冷凍サイクルは、他のタイプの冷凍サイクルと同様であってもよいが、高い圧力で運転してもよく、状態変化を含んでいなくてもよい。典型的な超臨界二酸化炭素冷凍サイクルは、高圧および高温で圧縮機の内部で二酸化炭素流を圧縮することを含んでもよい。第２に、圧縮二酸化炭素は、周囲環境との熱交換によって、ガス冷却器または他のタイプの熱交換器の内部で冷却してもよい。第３に、二酸化炭素は、圧力および温度の両方を低下させる膨張装置を通り抜けてもよい。第４に、二酸化炭素を、二酸化炭素が筐体から熱を吸収することができる蒸発器または別の熱交換器に圧送して、筐体の中で冷却を提供するようにしてもよい。二酸化炭素流は、サイクルを繰り返すように、圧縮機に戻してもよい。このような二酸化炭素冷凍サイクルでの多くの変形形態は既知である。

二酸化炭素冷凍システムの性能を向上させるための１つの方法は、２段圧縮機を使用することである。しかしながら、このような二酸化炭素冷凍システムにおける二酸化炭素中の油の混和性は、高い運転圧力での典型的な合成冷媒と比べて高くなることがある。さらに、二酸化炭素中の油の混和性は、圧力が上昇するにつれて増加する。冷媒の油含量のこのような増加は、蒸発器および他の部分での課題を提起し得る。詳細には、油は、冷媒の温度が低下するにつれ、蒸発器で蓄積し始める。さらに、油の粘性が増加し、メンテナンス要求、構成要素の早期故障、目詰まり、および現在進行中の他のタイプのメンテナンスの問題が生じる可能性を高めることにつながる場合がある。

異なるタイプの油分離器が既知であるが、このようなシステムは、一般に、圧縮機の入口と出口との間の圧力差のために、ポンプおよび／または複雑な弁配置を必要とする。さらに、このような既知の油分離器は、油が中間圧でシェルケーシングの内部で必要とされる場合、２段圧縮機に対して無力である。

したがって、軽量の、市販または家庭用の電化製品などと使用するための向上した二酸化炭素冷凍システムに対する要求がある。このような向上した二酸化炭素冷凍システムは、メンテナンス要求を減少させるとともに、システム全体の性能および効率を高めるために、高い圧力での二酸化炭素冷媒中の油の混和性増加に対応し得る。

発明の概要
したがって、本出願、および結果として得られる特許は、二酸化炭素流を使用する圧縮機を提供する。圧縮機は、二酸化炭素流を低圧から中間圧に圧縮するための第１段圧縮機構と、第１段圧縮機構の下流の油分離器と、二酸化炭素流を中間圧から高圧に圧縮するための、油分離器の下流に配置された第２段圧縮機構とを含んでもよい。

本出願、および結果として得られる特許は、さらに、冷凍システムで使用するための二酸化炭素流を圧縮する方法を提供する。本方法は、第１段圧縮機で二酸化炭素流を低圧から中間圧に圧縮するステップと、油分離器に中間圧の二酸化炭素流を流すステップと、第２段圧縮機で二酸化炭素流を中間圧から高圧に圧縮するステップとを含んでもよい。

したがって、本出願、および結果として得られる特許は、冷媒流を使用する圧縮機を提供する。圧縮機は、シェルケーシングと、シェルケーシングの内部に配置された、冷媒流を低圧から中間圧に圧縮するための第１段圧縮機構と、シェルケーシングの外側に配置された、第１段圧縮機構の下流の油分離器と、シェルケーシングの内部に配置された、冷媒流を中間圧から高圧に圧縮するための、油分離器の下流の第２段圧縮機構と、シェルケーシングの内部に配置された、第１段圧縮機構および第２段圧縮機構を駆動するためのモータとを含んでもよい。油分離器は、膨張室、および／または膨張室の内部に配置されたＪ−チューブ、および／またはシェルケーシングと連通するオイルドレンを含んでもよい。冷媒は、二酸化炭素流を含んでもよい。

図面の簡単な説明
既知の二酸化炭素冷凍システムの模式図である。 ２段圧縮機の仕事量の節約を示す圧力／エンタルピのチャートである。 図１の冷凍システムで使用するための既知の２段圧縮機の模式図である。 本明細書に記載された油分離器を備えた２段圧縮機の模式図である。

詳細な説明
同様の符号が複数の図の初めから終わりまで同様の要素を示す図面を参照すると、図１は、本明細書に記載された冷凍システム１０の例を示す。冷凍システム１０は、冷蔵庫、クーラ、販売機、ディスペンサーなどのようなあらゆるタイプの筐体を冷却するように使用してもよい。冷凍システム１０全体は、いかなる適切な大きさまたは能力を有してもよい。冷凍システム１０は、空調システムおよび／または加熱システムにも適用可能であってもよい。冷凍システム１０は、主に軽量の、市販または家庭用の電化製品を対象とするが、他のタイプの市販用用途、工業的用途、および／または居住用用途も有してもよい。

冷凍システム１０は、圧縮機１５を含んでもよい。圧縮機１５は、いかなる適切な大きさまたは能力を有してもよい。圧縮機１５は、高圧および高温で冷媒流２０を圧縮してもよい。この例では、冷媒２０は、二酸化炭素流２５であってもよい。二酸化炭素流２５は、圧縮機１５が作動する周囲温度、および他のタイプの運転パラメータに依存して、超臨界サイクルまたは亜臨界サイクルで存在してもよい。

冷凍システム１０は、圧縮機１５の下流に配置されたガス冷却器２７または他のタイプの熱交換器を含んでもよい。ガス冷却器２７は、いかなる適切な大きさまたは能力を有してもよい。ガス冷却器２７は、その中に複数のコイル３０または他のタイプの熱交換表面を含んでもよい。ガス冷却器ファン３５は、ガス冷却器２７に隣接して配置してもよい。ガス冷却器ファン３５は、単一速度ファン、可変供給ファンなどであってもよい。ガス冷却器２７は、周囲環境との熱交換によって二酸化炭素流２５を冷却してもよい。

冷凍システム１０は、ガス冷却器２７の下流の膨張装置４０を含んでもよい。膨張装置４０は、いかなる適切な大きさまたは能力を有してもよい。膨張装置４０は、二酸化炭素流２５の圧力および温度を低下させてもよい。膨張装置４０は、その中に複数の毛細管などを含んでもよい。

冷凍システム１０は、膨張装置４０の下流に配置された蒸発器４５または他のタイプの熱交換器も含んでもよい。蒸発器４５は、いかなる適切な大きさまたは能力を有してもよい。蒸発器４５は、複数の蒸発器コイル５０または他のタイプの熱交換表面を含んでもよい。蒸発器ファン５５は、蒸発器４５に隣接して配置してもよい。蒸発器ファン５５は、単一速度ファン、可変速度ファンなどであってもよい。二酸化炭素流２５は、蒸発器４５に圧送してもよい。二酸化炭素流２５は、筐体などを冷却するように、蒸発器ファン５５によって蒸発器コイル５０を横切って吹き出されるかまたは引き出される空気流によって熱を吸収してもよい。その後、二酸化炭素流２５は、サイクルを繰り返すように、圧縮機１５に戻してもよい。他の構成要素および他の構造は、冷凍システム１０で使用してもよい。冷凍システム１０は、単なる例のために本明細書に記載されている。多くの他のタイプの冷凍システム、冷凍構成要素、および冷媒は、既知であり得る。

上で説明したように、冷凍システム１０の性能を向上させるための１つの方法は、２段圧縮機６０を使用することである。図２の圧力−エンタルピチャートに示されるように、冷媒２０は、低圧Ｐ_Ｌで圧縮機６０に流入してもよく、圧縮機の第１段で中間圧Ｐ_Ｍに圧縮し、中間圧Ｐ_Ｍを維持する間、冷却してもよく、その後、圧縮機の第２段で高圧Ｐ_Ｈに圧縮してもよい。結果として、圧縮機６０によって実行されることが必要とされる全体の仕事量の節約は、グラフの平行線模様の領域で示されるように実現してもよい。

図３は、２段圧縮機６０の例を示す。２段圧縮機６０の構成要素は、シェルケーシング６５の内部に入れてもよい。シェルケーシング６５は、少なくとも中間圧流体を中に入れるのに適していてもよい。シェルケーシング６５は、いかなる適切な大きさ、形、または構造を有してもよい。従来の直流モータ７０は、シェルケーシング６５の内部に配置してもよい。他のタイプのモータおよび他のタイプの駆動手段は、冷凍システム１０で使用してもよい。

２段圧縮機６０は、第１段圧縮機構７５を含んでもよい。第１段圧縮機構７５は、モータ７０によって駆動してもよい。第１段圧縮機構７５は、回転移動または他のタイプの圧縮技術によって流体を圧縮してもよい。第１段圧縮機構７５は、入ってくる低圧流８０を中間圧流８２に圧縮してもよい。第１段圧縮機構７５は、シェルケーシング６５の内部に中間圧流８２を排出してもよい。第２段通路８４は、シェルケーシング６５と第２段圧縮機構８６との間に延びてもよい。第２段圧縮機構８６は、モータ７０によって、または別の方法で駆動してもよい。第２段圧縮機構８６は、回転移動または他のタイプの圧縮技術によって流体を圧縮してもよい。第２段圧縮機構８６は、中間圧流８２を高圧流８８に圧縮してもよい。高圧流８８は、ガス冷却器２５または他の部分に向けて排出してもよい。他の構成要素および他の構造も使用してもよい。他のタイプの２段圧縮機は、既知である。

また、上で説明したように、２段圧縮機６０は、冷凍システム１０全体の性能を向上させることができるが、二酸化炭素冷媒流２５中の油９０の混和性は、圧力が上昇するにつれて増加してもよい。詳細には、冷媒流２５の内部の油９０の割合は、圧縮機１５および冷凍システム１０全体の低圧側と高圧側との間で数倍増加させてもよい。したがって、冷媒２０中の油９０の存在によって、メンテナンスの問題などを提起してもよい。

図４は、本明細書に記載された２段圧縮機１００の例を示す。上で説明されたものと同様に、２段圧縮機１００は、シェルケーシング１１０を含んでもよい。シェルケーシング１１０は、少なくとも中間圧流体を中に入れるのに適していてもよい。シェルケーシング１１０は、いかなる適切な大きさ、形、または構造を有してもよい。直流モータ１２０または他のタイプの駆動装置は、シェルケーシング１１０の内部にまたは他の部分で配置してもよい。他の構成要素および他の構造は、冷凍システム１０で使用してもよい。

２段圧縮機１００は、第１段圧縮機構１３０を含んでもよい。第１段圧縮機構１３０は、モータ１２０によって、または別の方法で駆動してもよい。第１段圧縮機構１３０は、回転移動または他のタイプの圧縮技術によって流体を圧縮してもよい。第１段圧縮機構１３０は、いかなる適切な大きさまたは能力を有してもよい。第１段圧縮機構１３０は、第１段流入部１４０を有してもよい。第１段流入部１４０は、二酸化炭素冷媒１５５からなる低圧流１５０と連通してもよい。他のタイプの冷媒も冷凍システム１０で使用してもよい。第１段圧縮機構１３０は、低圧流１５０を中間圧流１６０に圧縮してもよい。第１段圧縮機構１３０は、第１段流出部１７０を有してもよい。第１段流出部１７０は、中間圧流１６０をシェルケーシング１１０に排出してもよい。したがって、シェルケーシング１１０の内部での二酸化炭素冷媒１５５の排出によって、ある量の油１７５が、シェルケーシング１１０の底部に存在してもよい。他の構成要素および他の構造は、冷凍システム１０で使用してもよい。

シェルケーシング１１０は、第２段通路１８０を含んでもよい。第２段通路１８０は、シェルケーシング１１０から第２段圧縮機構１９０に延びてもよい。第２段圧縮機構１９０は、モータ１２０によって、または別の方法で駆動してもよい。同一のモータまたは異なるモータは、それぞれの段を駆動してもよい。第２段圧縮機構１９０は、回転移動または他のタイプの圧縮技術によって流体を圧縮してもよい。第２段圧縮機構１９０は、いかなる適切な大きさまたは能力を有してもよい。第２段圧縮機構１９０は、第２段通路１８０と連通する第２段流入部２００を含んでもよい。第２段圧縮機構１９０は、二酸化炭素冷媒１５５からなる中間流１６０を高圧流２１０に圧縮してもよい。第２段圧縮機構１９０は、第２段流出部２２０を含んでもよい。第２段流出部２２０は、ガス冷却器２５または他の部分に向けて高圧流２１０を排出するために、シェルケーシング１１０から外へ延びてもよい。他の構成要素および他の構造は、冷凍システム１０で使用してもよい。

２段圧縮機１００は、油分離器２３０も含んでもよい。油分離器２３０は、第１段機構１３０と第２段機構１９０との間の第２段通路１８０に、かつシェルケーシング１１０の外側に配置してもよい。流入部チェック弁２４０は、油分離器２３０の上流の第２段通路１８０に配置してもよい。油分離器２３０は、膨張室２５０を含んでもよい。膨張室２５０は、いかなる適切な大きさ、形、または構造を有してもよい。油分離器２３０は、Ｊ−チューブ２６０も含んでもよい。Ｊ−チューブ２６０は、第２段通路１８０から膨張室２５０に延びてもよい。金網２７０も、膨張室２５０のオイルパン２８０に配置してもよい。油分離器２５０は、オイルパン２８０に配置されたオイルドレン２９０を含んでもよい。オイルドレン２９０は、オイルパン２８０からシェルケーシング１１０に戻るように延びてもよい。流出部チェック弁３００は、オイルドレン２９０に配置してもよい。他の構成要素および他の構造は、冷凍システム１０で使用してもよい。

使用時、流入部チェック弁２４０は、油分離器２３０の内部の圧力変動によってシェルケーシング１１０に向かう背圧を阻止してもよい。油分離器２３０は、冷媒流１５５の速度を低下させるように、膨張室２５０およびＪ−チューブ２６０を含む。この速度低下により、冷媒１５５からの油１７５の分離を促進してもよい。金網２７０は、その中で油１７５の収集を容易にしてもよい。したがって、油分離器２３０を出ていく冷媒１５５の内部の油含量は、第２段圧縮機構１９０の中に入る前に減少させてもよい。オイルドレン２９０は、シェルケーシング１１０の中に戻るように、分離された油１７５を戻すことができる。

油分離器２３０およびシェルケーシング１１０での圧力は同様であるので、油１７５は、シェルケーシング１１０に戻るように流すのは容易であるはずである。流出部チェック弁２９０は、油１７５をシェルケーシング１１０の中に戻るように流す前に、閾値の量の油１７５を油分離器２３０の内部に蓄積することができるように付勢されてもよい。流出部チェック弁３００は、シェルケーシング１１０から油分離器２３０への第２の流路も阻止してもよい。したがって、第２段圧縮機構１９０に入ってくる冷媒１５５の内部の油含量を十分に低くすることができることを保証するように、流出部チェック弁３００は、冷媒１５５が油分離器２３０に迂回することを阻止してもよい。

したがって、全体性能の向上、およびメンテナンス要求の減少のために、油分離器２３０は、第２段圧縮機構１９０に入る前の冷媒流１５５から余分な油１７５を除去する。さらに、油分離器２３０は、概して、冷凍システムでの、複雑なポンプおよび／またはバルブ配置、および／またはあらゆるタイプの寄生性のドレンの使用を回避する。詳細には、２段圧縮機１００の使用は、シェルケーシング１１０の内部で２つのレベルの圧力を許容する。油分離器２３０は、他のタイプの冷媒を使用してもよい。

Claims (11)

1. 二酸化炭素流を低圧から中間圧に圧縮するための第１段圧縮機構と、
   前記第１段圧縮機構の下流の油分離器と、
   前記二酸化炭素流を前記中間圧から高圧に圧縮するための、前記油分離器の下流の第２段圧縮機構と、
   シェルケーシングと、
   を含み、
   前記第１段圧縮機構および前記第２段圧縮機構は、前記シェルケーシングの内部に配置され、
   前記シェルケーシングは、前記第２段圧縮機構と連通する第２段通路を含み、
   前記油分離器は、膨張室と、前記第２段通路から前記膨張室に延びるＪ−チューブと、を有し、
   前記Ｊ−チューブは、前記膨張室の内部に出口を有し、前記二酸化炭素流を１８０度ターンさせる、二酸化炭素流を使用する圧縮機。
2. 前記第１段圧縮機構は、前記低圧の二酸化炭素流と連通する第１段流入部を含む、請求項１に記載の圧縮機。
3. 前記シェルケーシングの内部に配置され、前記第１段圧縮機構および前記第２段圧縮機構と連動するモータをさらに含む、請求項１又は２に記載の圧縮機。
4. 前記第１段圧縮機構は、前記中間圧の二酸化炭素流のための、前記シェルケーシングの内部に連通する第１段流出部を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の圧縮機。
5. 前記第２段圧縮機構は、前記中間圧の二酸化炭素流と連通する第２段流入部を含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の圧縮機。
6. 前記第２段圧縮機構は、前記高圧の二酸化炭素流と連通する第２段流出部を含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の圧縮機。
7. 前記油分離器は、前記膨張室の内部にオイルパンおよび金網を含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の圧縮機。
8. 前記油分離器の上流のチェック弁をさらに含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の圧縮機。
9. 前記油分離器は、前記シェルケーシングと連通するオイルドレンを含む、請求項１に記載の圧縮機。
10. 前記油分離器は、前記オイルドレンのチェック弁を含む、請求項９に記載の圧縮機。
11. シェルケーシングの内部に配置された第１段圧縮機で二酸化炭素流を低圧から中間圧に圧縮するステップと、
    油分離器に前記中間圧の二酸化炭素流を流すステップであって、前記シェルケーシングは、当該シェルケーシングの内部に配置された第２段圧縮機と連通する第２段通路を含み、前記油分離器は、膨張室と、前記第２段通路から前記膨張室に延びるＪ−チューブと、を有し、前記Ｊ−チューブは、前記膨張室の内部に出口を有する、前記中間圧の二酸化炭素流を流すステップと、
    前記二酸化炭素流を前記Ｊ−チューブで１８０度ターンさせるステップと、
    前記油分離器において前記二酸化炭素流の速度を低下させるステップと、
    前記第２段圧縮機で前記二酸化炭素流を前記中間圧から高圧に圧縮するステップと
    を含む、冷凍システムで使用するための二酸化炭素流を圧縮する方法。

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