(57)【要約】【課題】  構成及び据付作業を簡単化でき、かつ、並列運転される複数の室外機の、各圧縮機に戻す冷凍機油の量を均一化できるオイルセパレータを備えた空気調和機を提供する。【解決手段】  複数の圧縮機の並列に接続して冷凍サイクルを形成し、各圧縮機１の冷媒吐出管に、円筒容器２２と、円筒容器２２の頂部から同心状に挿入され円筒容器２２内に開口された内筒２３と、円筒容器２２の接線方向にガス冷媒を導入するガス冷媒入口管２７と、内筒２３の内側に連通されたガス冷媒出口管３５と、円筒容器２２内に貯留された冷凍機油を抜き出して前記圧縮機に戻す戻し管を有するオイルセパレータ９を挿入接続し、円筒容器２２と内筒２３の間隔を、ガス冷媒入口管２７の内径以下の大きさに形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の圧縮機の冷媒吸入管と冷媒吐出管を並列に接続して形成された冷凍サイクルと、前記各圧縮機の前記冷媒吐出管に挿入接続されたオイルセパレータを有し、該オイルセパレータは円筒容器と、該円筒容器の頂部から同心状に挿入され前記円筒容器内に開口された内筒と、前記円筒容器の接線方向にガス冷媒を導入するガス冷媒入口管と、前記内筒の内側に連通されたガス冷媒出口管と、前記円筒容器内に貯留された冷凍機油を抜き出して前記圧縮機に戻す戻し管を有してなり、
前記円筒容器と前記内筒との間隔は、前記ガス冷媒入口管の内径以下の大きさに形成されていることを特徴とする空気調和機。
【請求項２】
請求項１に記載の空気調和機において、
前記各オイルセパレータは同一形状であることを特徴とする空気調和機。
【請求項３】
複数の圧縮機の冷媒吸入管と冷媒吐出管を並列に接続して形成された冷凍サイクルと、前記各圧縮機の前記冷媒吐出管に挿入接続されたオイルセパレータを有し、該オイルセパレータは円筒容器と、該円筒容器の頂部から同心状に挿入され前記円筒容器内に開口された内筒と、前記円筒容器の接線方向にガス冷媒を導入するガス冷媒入口管と、前記内筒の内側に連通されたガス冷媒出口管と、前記円筒容器内に貯留された冷凍機油を抜き出して前記圧縮機に戻す戻し管を有してなり、
前記オイルセパレータは、貯留された前記冷凍機油の油面高さが設定された油面高さ以上になった場合に、前記オイルセパレータから前記冷凍機油を前記冷凍サイクルに放出して前記複数の各圧縮機に戻される構成とすることで、冷凍機油が均油されることを特徴とする空気調和機。
【請求項４】
請求項３に記載の空気調和機において、
前記設定された油面高さは、前記オイルセパレータにおける分離効率が８５％以上で且つ１００％未満となる油面高さであることを特徴とする空気調和機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気調和機に係り、特に、複数の圧縮機の冷媒吸入管と冷媒吐出管を並列に接続して形成された冷凍サイクルを有する空気調和機に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１には、複数の室外機に設けられた各圧縮機の冷媒吸入側の配管と冷媒吐出側の配管を並列に接続して、冷凍サイクルを形成した空気調和機（以下、マルチエアコンという。）が提案されている。また、各圧縮機の冷媒吐出側の配管にオイルセパレータを設け、圧縮機から吐出されたガス冷媒中に含まれる冷凍機油をオイルセパレータで分離して圧縮機に戻すようにしている。特に、同文献によれば、各圧縮機の運転状況によってオイルセパレータから各圧縮機に戻される冷凍機油の量が不均一になるから、オイルセパレータ同士を均油管で連通し、各圧縮機に戻される冷凍機油量のバランスを保つようにしている。
【０００３】
一方、特許文献２には、空気調和機のオイルセパレータとして、圧縮機から吐出されたガス冷媒を円筒容器の内周面に沿って旋回させ、旋回流の遠心力でガス冷媒中に含まれる冷凍機油を分離するものが提案されている。そして、円筒容器の底部に貯留した冷凍機油を、円筒容器の底部に接続した戻し管を介して圧縮機に戻し、冷凍機油を分離したガス冷媒を、円筒容器の頂部から同心状に挿入した配管下端の開口から排出するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０４−９３５６１号公報
【特許文献２】特開平０５−１８０５３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１は、均油管で各圧縮機に戻される冷凍機油のバランスを保っているから、均油管によって構成が複雑になり、また、各オイルセパレータが同じ高さになるよう据付ける必要があるから、据付作業が複雑になるという問題がある。
【０００６】
一方、特許文献２の技術は、単一の室外機にとどまり、複数の室外機を並列運転する場合については配慮されていない。例えば、特許文献１のように、オイルセパレータ同士を均油管で接続すれば、上述したように、構成及び据付作業が複雑になる。
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、構成及び据付作業を簡単化でき、かつ、並列運転される複数の室外機の、各圧縮機に戻す冷凍機油の量を均一化できるオイルセパレータを備えた空気調和機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するため、本発明の空気調和機は、複数の圧縮機の冷媒吸入管と冷媒吐出管を並列に接続して形成された冷凍サイクルと、各圧縮機の冷媒吐出管に挿入接続されたオイルセパレータを有し、オイルセパレータは円筒容器と、円筒容器の頂部から同心状に挿入され円筒容器内に開口された内筒と、円筒容器の接線方向にガス冷媒を導入するガス冷媒入口管と、内筒の内側に連通されたガス冷媒出口管と、円筒容器内に貯留された冷凍機油を抜き出して圧縮機に戻す戻し管を有してなり、円筒容器と内筒の間隔を、ガス冷媒入口管の内径以下の大きさに形成したことを特徴とする。
【０００９】
これによれば、円筒容器と内筒の間隔をガス冷媒入口管の内径以下にすることで、円筒容器内に導入されたガス冷媒の流速をガス冷媒入口管内の流速と同等もしくはその流速以上にすることができ、冷凍機油の分離性能を高くできる。つまり、ガス冷媒を旋回させて冷凍機油を分離するオイルセパレータは、流速が大きいほど旋回力を大きくでき、分離性能を確実に向上できる。本発明に反して、円筒容器と内筒の間隔をガス冷媒入口管の内径より大きくすると、円筒容器内でガス冷媒の流速が低下して、旋回による遠心力が低下するので、冷凍機油の分離性能が低下する。
【００１０】
さらに、本発明者らは、本発明のオイルセパレータにおいて、冷凍機油の液面と内筒下端との間の距離が分離性能に影響することを知見した。すなわち、冷凍機油の貯留量が増加して、冷凍機油の液面と内筒下端との距離が小さくなると、ガス冷媒の旋回時間の低下や、排出されるガス冷媒に巻き上げられた冷凍機油がガス冷媒出口管に導入されるから、冷凍機油の貯留量が多いオイルセパレータでは分離性能が低下する。特に、冷凍機油の液面が上昇して内筒下端との距離が一定値以下に低下すると、冷凍機油の分離効率が著しく低下する現象を知見した。そこで、冷凍機油の初期充填量やオイルセパレータの寸法などを調整して、冷凍機油の液面の高さ（内筒下端との距離）を設定高さ以下にすることで、オイルセパレータのみで各圧縮機に戻される冷凍機油の量を均一化できることを見いだした。
【００１１】
また、各圧縮機への負荷が異なると、各オイルセパレータで分離されて貯留される冷凍機油の量が変化して、液面が設定高さを越えることが考えられる。しかし、冷凍機油の貯留量が多いオイルセパレータでは冷凍機油の分離性能が低下し、分離されなかった冷凍機油はガス冷媒出口管から室外熱交換器を介して又は直接並列接続された室内機に導入される。各オイルセパレータから室内機に導入された液冷媒又はガス冷媒中の冷凍機油の含有率は、混合により均一化されて各圧縮機に戻り、再び各オイルセパレータに導入される。そして、冷凍機油の貯留量が少ないオイルセパレータは分離性能が高いので、より多くの冷凍機油を分離することになる。このようにして、運転を維持するうちに、各オイルセパレータの冷凍機油の貯留量が均一になる。これによれば、均油管を用いることなくオイルセパレータのみで、各圧縮機に戻される冷凍機油の量を均一化できるから、並列運転される複数の室外機を備えた空気調和機の構成及び据付作業を簡単化でできる。
【００１２】
なお、各オイルセパレータで貯留できる最大油量を冷凍サイクル全体が保有する冷凍機油の量に基づいて予め決めておき、各オイルセパレータの大きさ及び冷凍機油の設定液面高さ（内筒下端との距離）を決める。この設定液面（設定油面）高さは、オイルセパレータでの冷凍機油の分離効率が、例えば、８５％以上で且つ１００％未満となるように決められ、この場合、分離効率が８５％まで低下するときの液面高さまでの貯油量を貯留できる最大油量として設計する。設定液面高さは、オイルセパレータでの冷凍機油の分離性能が著しく低下する液面高さとなるよう実験して求めることができる。
【００１３】
また、全てのオイルセパレータを同一形状にすることも可能になる。オイルセパレータを同一形状にした場合には、オイルセパレータの製造設計が容易になり、オイルセパレータのコストを低減できる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、構成及び据付作業を簡単化でき、かつ、並列運転される複数の室外機の、各圧縮機に戻す冷凍機油の量を均一化できるオイルセパレータを備えた空気調和機を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態のオイルセパレータの構成図である。
【図２】本発明の一実施形態の冷凍サイクルの系統図である。
【図３】図１のガス冷媒入口管の位置の水平断面図である。
【図４】冷凍機油の液面高さと内筒下端までの距離に対するオイルセパレータの分離性能を示す図である。
【図５】オイルセパレータ内の冷凍機油が偏った場合の冷凍機油の流れを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を実施の形態に基づいて説明する。図１に、本発明の一実施形態の空気調和機に備えられるオイルセパレータの構成図を示し、図２に、本発明の一実施形態の空気調和機の冷凍サイクルの系統図を示す。図示のように本実施形態の空気調和機は、複数台（例えば、図示では２台）の室外機と、複数台（例えば、図示では３台）の室内機で構成されるマルチエアコンであり、各圧縮機１の冷媒吸入管２と冷媒吐出管３が並列に接続されて冷凍サイクルが形成されている。
【００１７】
図２中の破線で囲まれた各室外機の筐体内には、圧縮機１、アキュムレータ７、オイルセパレータ９、四方弁１１、室外熱交換器１３、室外膨張弁１５が設けられている。圧縮機１は、例えば、容量可変型の圧縮機１であり、求められる空調能力などに応じて圧縮室の容量を増減できるようになっている。圧縮機１には、冷媒吸入管２、冷媒吐出管３、配管１７が接続されている。配管１７の他端は冷媒吐出管３に接続され、圧縮機１内の冷凍機油が設定範囲を越えた場合に、圧縮機１内の冷凍機油を冷媒吐出管３に排出するようになっている。冷媒吸入管２にはアキュムレータ７が挿入接続され、ガス冷媒中に液冷媒が含まれている場合に、ガス冷媒から液冷媒を分離して液冷媒が圧縮機１に浸入しにくいようになっている。圧縮機１の冷媒吐出管３には、オイルセパレータ９が挿入接続され、ガス冷媒中に含まれる冷凍機油を分離して貯留し、貯留した冷凍機油を圧縮機１に戻すようになっている。オイルセパレータ９の後流側には、四方弁１１が設けられている。四方弁１１は、冷房運転時と暖房運転時で冷媒の流路を変えるようになっている。なお、図２の四方弁１１の位置は暖房運転時の流路を示しているが、冷房運転時は四方弁１１を時計回りに９０°回転させた位置に調整される。
【００１８】
室外熱交換器１３には、冷媒を通流させる伝熱管が設けられ、図示していないファンで外気を伝熱管に向けて送風し、冷媒と外気を熱交換するようになっている。室外熱交換器１３には、室外熱交換器１３に導入される冷媒を減圧する室外膨張弁１５が備えられ、図示していない開度制御手段により室外膨張弁１５を設定開度に制御するようになっている。
【００１９】
一方、図２中の破線で囲まれた各室内機の筐体内には、室内熱交換器１９と室内膨張弁２１が設けられている。室内熱交換器１９には、冷媒を通流させる伝熱管が設けられ、図示していないファンで室内の空気を吸込んで伝熱管を通過させ、冷媒と室内の空気を熱交換するようになっている。室内熱交換器１９には、室内熱交換器１９に導入される冷媒を減圧する室内膨張弁２１が備えられ、図示していない開度制御手段により室内膨張弁２１を設定開度に制御するようになっている。
【００２０】
次に、本実施形態の特徴構成を説明する。各室外機に設けられている各オイルセパレータ９は、円筒容器２２と、円筒容器２２の頂部から同心状に挿入され円筒容器２２内に開口された内筒２３が備えられている。円筒容器２２には、ガス冷媒を円筒容器２２内に導入するガス冷媒入口管２７が接続されている。ガス冷媒入口管２７の一端は円筒容器２２の接線方向から接続され、他端は冷媒吐出管３と連通するようになっている。円筒容器２２の底部には、円筒容器２２内に貯留された冷凍機油を抜き出して圧縮機１に戻す戻し管２９が接続されている。戻し管２９の他端は、圧縮機１の吸入側に接続されている。戻し管２９の管路には、電磁弁３１とキャピラリーチューブ３３が備えられ、運転状況に応じて冷凍機油を圧縮機１に戻すようになっている。電磁弁３１の開閉は、例えば、空気調和機の運転中は開、停止中を閉となるよう図示していない制御手段で制御されている。内筒２３の上端には、内筒２３よりも管径の小さなガス冷媒出口管３５が接続されている。ガス冷媒出口管３５は、内筒２３の内側に連通するようになっている。円筒容器２２と内筒２３の間隔は、図３に示すように間隔ｂがガス冷媒入口管２７の内径ａ以下の大きさになるよう形成されている。なお、内筒２３の長さｄは分離性能などに応じて適宜選択でき、例えば、円筒容器２２の上端からガス冷媒入口管２７の中心までの距離ｅよりも大きくできる。
【００２１】
このように構成される本実施形態の動作を暖房運転を例として説明する。各圧縮機１で圧縮したガス冷媒は、冷媒吐出管３を介して各オイルセパレータ９に導入されガス冷媒中に含まれる冷凍機油が分離される。冷凍機油が分離されたガス冷媒はオイルセパレータ９から排出され、四方弁１１により弁３７を通過して直接室内熱交換器１９に導かれる。室内熱交換器１９に導入されたガス冷媒は凝縮し、室内の空気に潜熱を放出して液冷媒となる。室内熱交換器１９から排出された液冷媒は弁３９を通過して、設定開度に絞られている室外膨張弁１５で減圧され、室外熱交換器１３に導入される。室外熱交換器１３に導入された液冷媒は、外気と熱交換することで蒸発してガス冷媒となり、四方弁１１を介してアキュムレータ７に導入される。アキュムレータ７に導入されたガス冷媒は、未蒸発の液冷媒が除去された後、冷媒吸入管２を介して圧縮機１に導入され圧縮される。なお、空気調和機の停止時は、弁３７、３９を閉じ、室外機と室内機間の冷媒の通流を阻止する。
【００２２】
次に、本実施形態の特徴動作を説明する。圧縮機１から吐出されたガス冷媒は、ガス冷媒入口管２７を介して円筒容器２２の接線方向から円筒容器２２内に導入される。この際、円筒容器２２と内筒の間隔をガス冷媒入口管２７の内径以下であるから、円筒容器２２内に導入されたガス冷媒の流速をガス冷媒入口管２７内の流速と同等もしくはその流速以上にすることができる。円筒容器２２に導入されたガス冷媒は、円筒容器２２と内筒２３の間隔に沿って旋回する。この旋回の遠心力によりガス冷媒中の液状の冷凍機油が分離され、円筒容器２２の内周面に付着し流下して円筒容器２２の底部に貯留する。冷凍機油が分離されたガス冷媒は、ガス冷媒出口管３５から排出されて室内熱交換器１９に導かれる。円筒容器２２の底部に貯留された冷凍機油は、適宜電磁弁３１を開けることで戻し管２９を介して圧縮機１に戻される。通常電磁弁３１は、圧縮機の運転中は開、停止中は閉とされている。また、各オイルセパレータ９に貯留される冷凍機油の量が一定範囲になるよう、冷凍機油の初期充填量やオイルセパレータ９の寸法などを調整しておくと良い。なお、圧縮機１の吸入側とオイルセパレータ９内の差圧により分離された冷凍機油は圧縮機１に戻される。そして、冷凍機油の戻し量はキャピラリーチューブ３３での抵抗の大きさで決定される。キャピラリーチューブ３３の抵抗は、そのサイズ（通路面積）及び長さに相関して変わるから、差圧を考慮して決められる。オイルセパレータ９内には冷凍機油が常時貯留されている状態が維持されるよう、キャピラリーチューブ３３を設計する。
【００２３】
ここで、図４を用いて各圧縮機１に戻される冷凍機油の量を各オイルセパレータ９のみで均一化（均油）できる原理を説明する。図４の縦軸にオイルセパレータ９の分離性能（分離効率）を示し、横軸に冷凍機油の液面と内筒２３下端との距離を示す。分離性能とは、言い換えるとオイルセパレータ９で分離されない冷凍機油の量であり、例えば、分離性能が高いとは、オイルセパレータ９で冷凍機油が多く分離されることを意味し、分離性能が低いとは、オイルセパレータ９で冷凍機油が殆ど分離されないことを意味する。図示のとおり、分離性能は円筒容器２２内に貯留された冷凍機油の液面と内筒２３下端との距離ｃに相関する。つまり、円筒容器２２内の冷凍機油の貯留量が増加して、冷凍機油の液面と内筒２３の下端との距離が小さくなると分離性能が低下する。さらに、冷凍機油の液面と内筒２３の下端との距離が一定値以下になると、分離性能か急激に低下する。つまり、冷凍機油の液面と内筒２３の下端との距離ｃが一定値以下（分離限界）になると、冷凍機油を分離できる領域（分離領域）から冷凍機油を殆ど分離できない領域（分離不可領域）になる。この特性を利用し、各オイルセパレータ９の冷凍機油の液面と内筒２２下端との距離ｃが一定値以下になると分離限界に達するように、冷凍機油の初期充填量やオイルセパレータの寸法などを調整する。これにより、各オイルセパレータ９内の冷凍機油の分離性能を一定範囲（例えば、冷凍機油が貯留されていないオイルセパレータ９の分離性能を１００％として、８５％以上で且つ１００％未満の範囲）にでき、各オイルセパレータ９の冷凍機油の貯留量を略均一化できる。なお、各オイルセパレータ９の設計ポイントは、同一である必要はなく、例えば、分離性能が８５％以上で且つ１００％未満の範囲で適宜設定して良い。例えば、分離性能が８５％より低下すると、オイルセパレータ９の分離性能が急激に低下し、オイルセパレータ９からガス冷媒出口管３５を介して冷凍サイクルに冷凍機油が放出されるように分離限界を設定することができる。
【００２４】
また、空気調和機の運転状況などに応じて圧縮機１への負荷が異なると、各オイルセパレータ９で貯留される冷凍機油の量が変化する場合がある。例えば、図５に示すように室外機４０ａのオイルセパレータ９ａの液面が分離限界を越えることが考えられる。しかし、オイルセパレータ９ａは、冷凍機油の液面高さが分離限界を超えているから、分離されなかった冷凍機油やガス冷媒に巻き上げられ貯留されている冷凍機油がガス冷媒出口管３５に導入される。そして、冷凍機油を多く含むガス冷媒が室外機４０ｂ、ｃから排出されたガス冷媒と混合して均一化し、ガス冷媒に含まれる冷凍機油の量が増加する。このガス冷媒が各室内機を通過して各室外機４０ａ、ｂ、ｃの各オイルセパレータ９ａ、ｂ、ｃに導入される。分離性能が低いオイルセパレータ９ａでは冷凍機油が殆ど分離されず、分離性能が高いオイルセパレータ９ｂ、ｃで冷凍機油が多く分離される。このように、運転を維持するうちにオイルセパレータ９ａ、ｂ、ｃ間の冷凍機油の貯留量が均一化する。
【００２５】
これによれば、円筒容器２２内に導入されたガス冷媒の流速をガス冷媒入口管２７内の流速と同等もしくはその流速以上にすることができるから、旋回による遠心力を大きくでき、オイルセパレータ９の分離性能を確実に向上できる。
【００２６】
さらに、本実施形態のオイルセパレータ９において、冷凍機油の初期充填量やオイルセパレータ９の寸法などを調整し、冷凍機油の液面の高さ（内筒２３下端との距離ｃ）を設定高さ以下にすることで、オイルセパレータ９のみで各圧縮機に戻される冷凍機油の量を均一化できる。その結果、均油管を用いる必要がないから、並列運転される複数の室外機を備えた空気調和機の構成及び据付作業を簡単化できる。さらに、各圧縮機１に戻す冷凍機油の量を均一化することで、圧縮機１に冷凍機油不足が生じることを抑制できるから、空気調和機を安定運転できる。
【００２７】
また、圧縮機の周波数を変動させることなく冷凍機油を均一化できることから、消費電力が過度に増加しない空気調和装置を得ることができる。さらに、冷凍機油を高圧である圧縮機１の吐出側に貯留して、圧縮機１の高速起動による冷媒吸入管２側の減圧の影響を受けないようにしたから、減圧沸騰によるオイルフォーミングを抑制できる。また、膨張弁の開度を決定する制御定数（指令から動作までの時間）は、冷媒と冷凍機油の溶解度で決定される。そして、冷媒と冷凍機油の溶解度は、圧力が低くなると変化するから、高圧になっている圧縮機１の吐出側にオイルセパレータ９を配置して冷凍機油を貯留することで、制御定数変更の必要が無くなり、空気調和機の信頼性を向上できる。
【００２８】
なお、本実施形態は暖房運転を例として説明したが、四方弁１１を切り換えて冷媒の通流方向を暖房運転と逆にすることで冷房運転できることは言うまでもない。
【００２９】
また、各オイルセパレータ９は、冷凍機油の液面高さと内筒２３下端との距離と分離性能が相関するものを用いることができればよく、特に、同一形状のオイルセパレータを用いることで、オイルセパレータの製造設計が容易になり、オイルセパレータのコストを低減できる。また、各オイルセパレータ９の外径を同一にして、圧縮機１又は室外機の容量に応じて全長のみを変えることで、各圧縮機１に戻される冷凍機油の量を略均一化できる。
【符号の説明】
【００３０】
１  圧縮機
２  冷媒吸入管
３  冷媒吐出管
９  オイルセパレータ
２２  円筒容器
２３  内筒
２７  ガス冷媒入口管
２９  戻し管
３５  ガス冷媒出口管
【図１】
2010276250.tif 000003
【図２】
2010276250.tif 000004
【図３】
2010276250.tif 000005
【図４】
2010276250.tif 000006
【図５】
2010276250.tif 000007