(57)【要約】【課題】膨張機の潤滑を確保する冷凍サイクル装置を提供する。【解決手段】圧縮機と膨張機の密閉容器内の圧力を、圧縮機により圧縮された冷媒の圧力とほぼ同じに保つとともに、圧縮機の密閉容器内と膨張機の密閉容器内に潤滑油溜りを設け、それぞれの潤滑油溜り部の設計上の油面の近傍の上部空間に均圧管を設けたものである。これによって、圧縮機及び膨張機内の潤滑油面をほぼ同一高さに保つことができて、確実な潤滑を確保した信頼性の高い冷凍サイクル装置を実現できる。【選択図】図１
2008002777.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機構部と電動機部を収納する密閉容器とで構成された圧縮機と、前記圧縮機により圧縮された冷媒を冷却するための放熱器と、膨張機構部と電動機部を収納する密閉容器とで構成された膨張機と、前記膨張機により膨張された冷媒を蒸発させるための蒸発器と、これらの間に冷媒を循環させる冷媒配管を有する冷凍サイクル装置であって、前記圧縮機の密閉容器内と前記膨張機の密閉容器内に潤滑油溜りを設け、それぞれの潤滑油溜り部を均油管で接続し、それぞれの潤滑油溜り部の設計上の油面の近傍の上部空間に均圧管を設けたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項２】
圧縮機構部と電動機部を収納する密閉容器とで構成された圧縮機と、前記圧縮機により圧縮された冷媒を冷却するための放熱器と、膨張機構部と電動機部を収納する密閉容器とで構成された膨張機と、前記膨張機により膨張された冷媒を蒸発させるための蒸発器と、これらの間に冷媒を循環させる冷媒配管を有する冷凍サイクル装置であって、前記圧縮機の密閉容器内と前記膨張機の密閉容器内に潤滑油溜りを設け、それぞれの潤滑油溜り部を均油管で接続し、前記圧縮機の設計上の油面上部に前記均圧管の一方の開口部を接続し、ほぼ水平に配管後に前記膨張機の外壁面に膨張機と均圧管を伝熱可能な状態で沿わせて前記膨張機の鏡板近傍へ他方の開口部を接続したことを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項３】
圧縮機構部と電動機部を収納する密閉容器とで構成された圧縮機と、前記圧縮機により圧縮された冷媒を冷却するための放熱器と、膨張機構部と電動機部を収納する密閉容器とで構成された膨張機と、前記膨張機により膨張された冷媒を蒸発させるための蒸発器と、これらの間に冷媒を循環させる冷媒配管を有する冷凍サイクル装置であって、前記圧縮機の密閉容器内と前記膨張機の密閉容器内に潤滑油溜りを設け、それぞれの潤滑油溜り部を均油管で接続し、前記圧縮機の上部鏡板もしくはその近傍に前記均圧管の一方の開口部を接続し、前記圧縮機の外壁面に圧縮機と均圧管を伝熱可能な状態で沿わせて前記潤滑油の設計上の油面近傍まで下ろして前記膨張機の前記潤滑油の設計上の油面の上部へ他方の開口部を接続したことを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項４】
冷媒を、高圧冷媒、例えば二酸化炭素とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膨張機を有する蒸気圧縮型の冷凍空調機に使用して有効な冷凍サイクル装置関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、環境保護の観点から、オゾン層を破壊せず地球温暖化係数のきわめて小さい二酸化炭素の冷媒を用いた冷凍空調機が開発されている。二酸化炭素の特性上，フロンを冷媒とした冷凍空調機に比べ冷凍効率（ＣＯＰ）が不充分なため，冷凍効率を向上させる必要がある。そこで，図４（Ｂ）に示すごとく，冷媒５の膨張行程を等エンタルピーに近い膨張とする図４（Ａ）に示す膨張弁９９に代えて，冷媒５の膨張行程を等エントロピーに近い膨張とする膨張機２２を用いることにより，冷凍効率を向上させた冷凍空調機８がある（例えば、特許文献１，特許文献２参照）。上記膨張機２２には，冷媒５の膨張行程を制御するための負荷装置２８０が取り付けてある。
【０００３】
しかしながら、膨張機２２は，摺動部，シール部等を有しているので，上記冷凍空調機８においては，上記膨張機２２に潤滑油６を供給する必要がある。しかし，上記冷凍空調機８においては，オイル分離器９２により潤滑油６を分離除去された冷媒５が圧縮機２１に供給される（図４（Ｂ））。即ち，圧縮機２１には潤滑油６が供給されるが，上記膨張機２２には潤滑油６が供給されない。このように，潤滑油６が膨張機２２に供給されないと，該膨張機２２の摺動部等の耐久性，信頼性が低下したり，ピストンリングやシール部のシール不良等により性能低下や冷媒漏れ等の問題が発生したりしていた。
【０００４】
上記課題を解決するために、図５に示すように圧縮機２１と放熱器１６との間には，圧縮機２１を通過した冷媒５とこれに含まれている潤滑油６とを分離するオイル分離器１２が配設され、オイル分離器１２には，冷媒５から分離された潤滑油６を蒸発器１７と圧縮機２１との間へ戻すオイル戻し管と，潤滑油６を放熱器１６と膨張機２２との間へ送るオイル送り管１４とが配設した構成が提案されている（例えば、特許文献３参照）。この構成によれば、圧縮機のみならず膨張機にも潤滑油を充分に供給することのできる冷凍空調機を提供できる。
【特許文献１】特開平１０−１９４０１号公報
【特許文献２】特開平１０−２６６９８３号公報
【特許文献３】特開２００１−１４１３１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、圧縮機21から膨張機22を潤滑するに足るオイルが吐出しない場合には膨張機２２の摺動部を確実に潤滑させることが出来ないといった問題を有している。
【０００６】
更に従来均油管と均圧管を設けた構成は複数の圧縮機を使用する冷凍サイクル装置では、一般的であるが、圧縮機の温度がほぼ同一であるため均圧管の位置は圧縮機上部に設けても油面の均一化には支障なかった。  しかしながら圧縮機と膨張機を均圧管で接続する場合停止時は均圧管と均油管の働きにより圧縮機油面と膨張機油面は同一高さに保たれるが運転中には圧縮機の均圧管接続部から油面迄の冷媒の密度と、膨張機の均圧管接続部から油面迄の冷媒の密度に大きな差があるため、密度の大きい膨張機側の油面が押し下げられる結果となり、膨張機の油面を確保できず、信頼性の確保が困難であった。
【０００７】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、圧縮機のみならず膨張機にも潤滑油を充
分かつ確実に供給して信頼性を確保しながら、よりシンプルな構成で高効率な冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記従来の課題を解決するために、本発明の冷凍サイクル装置は、前記圧縮機と前記膨張機の前記密閉容器内の圧力を、前記圧縮機により圧縮された冷媒の圧力とほぼ同じに保つとともに、前記圧縮機の密閉容器内と前記膨張機の密閉容器内に潤滑油溜りを設け、それぞれの潤滑油溜り部を均油管で接続し、それぞれの潤滑油溜り部の設計上の油面近傍上部空間に均圧管を設けたものである。これによって、圧縮機のみならず膨張機にも潤滑油を充分かつ確実に供給して信頼性を確保しながら、よりシンプルな構成で高効率な冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の冷凍サイクル装置は、特にフロンと比べて冷凍効率が不十分な二酸化炭素冷媒を用いた機器を高効率化する場合において、高い信頼性と低コストの両立を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
第１の発明は、圧縮機構部と電動機部を収納する密閉容器とで構成された圧縮機と、前記圧縮機により圧縮された冷媒を冷却するための放熱器と、膨張機構部と電動機部を収納する密閉容器とで構成された膨張機と、前記膨張機により膨張された冷媒を蒸発させるための蒸発器と、これらの間に冷媒を循環させる冷媒配管を有する冷凍サイクル装置であって、前記圧縮機の密閉容器内と前記膨張機の密閉容器内に潤滑油溜りを設け、それぞれの潤滑油溜り部を均油管で接続し、それぞれの潤滑油溜り部の設計上の油面の近傍の上部空間に均圧管を設けたものである。これによって、圧縮機及び膨張機内の潤滑油面を常にほぼ同一高さとすることができるので、高い信頼性を確保した冷凍サイクル装置を提供することができる。
【００１１】
第２の発明は、前記圧縮機の設計上の油面上部に前記均圧管の一方の開口部を接続し、ほぼ水平に配管後に前記膨張機の外壁面に膨張機と均圧管を伝熱可能な状態で沿わせて前記膨張機の鏡板近傍へ他方の開口部を接続したものであり、第１の発明と同様の高い信頼性を確保した冷凍サイクル装置を提供することができる。
【００１２】
第３の発明は、前記圧縮機の上部鏡板もしくはその近傍に前記均圧管の一方の開口部を接続し、前記圧縮機の外壁面に圧縮機と均圧管を伝熱可能な状態で沿わせて前記潤滑油の設計上の油面近傍まで下ろし、他方の開口部を前記膨張機の前記潤滑油の設計上の油面の上部へ接続したものであり、圧縮機側の均圧管の開口部を潤滑油面から離す事により均圧管に潤滑油が入ることを防止でき、高い信頼性を確保した冷凍サイクル装置を提供することができる。
【００１３】
第４の発明は、特に、第１〜第３の発明の、冷媒を、高圧冷媒、例えば二酸化炭素としたものである。これによって、フロンを冷媒とした冷凍空調機に比べて膨張過程での絞り損失が大きい二酸化炭素冷媒を用いた機器においても高効率化が図れるので、地球環境を破壊することなく冷凍効率の高い冷凍サイクル装置を提供することができる。
【００１４】
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。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００１５】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における冷凍サイクル装置を示す。圧縮機構部２１
ａと電動機部２１ｂと密閉容器２１ｃから構成される圧縮機２１と、圧縮機２１により圧縮された冷媒を冷却するための放熱器１６と、膨張機構部２２ａと電動機部２２ｂと密閉容器２２ｃから構成される膨張機２２と、膨張機２２により膨張された冷媒を蒸発させるための蒸発器１７と、これらの間に冷媒を循環させる冷媒配管１１を有する冷凍サイクル装置である。圧縮機２１と膨張機２２のそれぞれの密閉容器内の圧力は、圧縮機２１の吐出圧力となっている、いわゆる高圧シェルタイプとなっている。更に、それぞれに密閉容器の下部には、潤滑油溜り２１ｄ、２２ｄが形成されており、それぞれの潤滑油溜り部を均油管２３で接続している。さらにそれぞれの潤滑油溜り部の設計上の油面の近傍の上部空間に均圧管２４を設けたものである。
【００１６】
以上のように構成された冷凍サイクル装置において均圧管の開口部の圧力は同一圧力であるが、圧縮機の油面と膨張機の油面はそれぞれ均圧管から油面迄の高さの冷媒密度による圧力を受けるため温度が低く冷媒の密度が大きい膨張機の油面が圧縮機の油面より低い状態で安定するが、均圧管の開口部を設計上の油面上部近傍に設けることにより圧縮機油面と膨張機油面の安定位置の差を小さく保つことができる。
【００１７】
なお具体的にはCO2 を使用した冷凍サイクル装置の場合、圧縮機の吐出圧力は１０ＭＰａ程度、吐出温度は通常８０℃程度、膨張機の容器温度は３０℃程度で運転されるものとした場合、圧縮機内の冷媒密度は２２０ｋｇ／ｍ３程度、膨張機内の冷媒密度は７７０ｋｇ／ｍ３程度であり、潤滑油の密度は１０００ｋｇ／ｍ３程度であるから、油面から２ｃｍ高い位置に設けた均圧管の場合は圧縮機油面には4.4kg／ｍ２の冷媒重量が、膨張機油面には15.4ｋｇ／m２の冷媒重量が加わることになり膨張機油面は圧縮機油面より1.1ｃｍ低い状態でバランスすることとなる。停止時と運転時の油面の差が１ｃｍ程度であれば通常使用に差し支えないが、均圧管が油面から２０ｃｍ離れた場合は圧縮機内の油面と膨張機内の油面が停止時と運転時とで１１ｃｍ異なることなり、安定的な潤滑が困難となる。
【００１８】
（実施の形態２）
図２は本発明の第２の実施の形態における冷凍サイクル装置を示す。
【００１９】
圧縮機２１の設計上の油面上部に前記均圧管２４の一方の開口部を接続し、ほぼ水平に配管後に前記膨張機２２の外壁面に膨張機２２と均圧管２４を伝熱可能な状態で立ち上げて前記膨張機２２の鏡板近傍へ他方の開口部を接続したものであり、均圧管２４の立ち上がり部２４ａの下端の圧力は圧縮機２１の均圧管開口部と同一圧力で、均圧管立ち上がり部２４ａが膨張機容器の温度とほぼ同一温度となり冷媒密度も膨張機内の冷媒密度とほぼ等しいため圧縮機の均圧管開口部の圧力をＰとし、膨張機内の冷媒密度をρ、均圧管立ち上がり部の高さをｈとすると膨張機の均圧管開口部の圧力は（Ｐ−ρ・ｈ）となり、均圧管の水平部２４ｂの高さに相当する膨張機内の圧力は（Ｐ−ρ・ｈ）＋ρ・ｈとなり本発明の第１の実施の形態と同様の効果が得られる。
【００２０】
（実施の形態３）
図３は本発明の第３の実施の形態における冷凍サイクル装置を示す。
【００２１】
圧縮機２１の上部に前記均圧管２４の一方の開口部を接続し、圧縮機２１の外壁面に圧縮機２１と均圧管２４を伝熱可能な状態で立ち下げた後、略水平に配し膨張機２２の潤滑油面近傍上方へ他方の開口部を接続したものであり、均圧管の立ち下がり部２４ａの下端の圧力は圧縮機２１の内部の圧力と同一圧力で、均圧管立ち下がり部２４ａが圧縮機容器の温度とほぼ同一温度となり冷媒密度も圧縮機内の冷媒密度とほぼ等しいため、圧縮機の均圧管開口部の圧力をＰとし、圧縮機内の冷媒密度をρｃ、均圧管立ち下がり部２４ａの高さをｈとすると均圧管たち下がり底部の圧力は（Ｐ＋ρｃ・ｈ）となり、膨張機に開口する均圧管の圧力も（Ｐ＋ρｃ・ｈ）となる。また水平部２４ｂの高さに相当する圧縮機
内の圧力も（Ｐ＋ρｃ・ｈ）であることから本発明の第１の実施例に述べたような効果が得られるとともに、圧縮機側の均圧管開口部が潤滑油面より高い位置に離れて設けられているため均圧管内への潤滑油の侵入の可能性が少なく、また潤滑油が均圧管内に流入しても滞留して均圧を妨げることが無いためそり信頼性の高い冷凍サイクルを実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
以上のように、本発明にかかる冷凍サイクル装置は、圧縮機構部と電動機部とそれぞれを収納する密閉容器とで構成された圧縮機と、圧縮機により圧縮された冷媒を冷却するための放熱器と、膨張機構部と電動機部とそれぞれを収納する密閉容器とで構成された膨張機と、膨張機により膨張された冷媒を蒸発させるための蒸発器と、これらの間に冷媒を循環させる冷媒配管を有する冷凍サイクル装置であって、圧縮機と膨張機の密閉容器内の圧力を、圧縮機により圧縮された冷媒の圧力とほぼ同じに保つとともに、圧縮機の密閉容器内と膨張機の密閉容器内に潤滑油溜りを設けてそれぞれの潤滑油溜り部を均油管で接続し、それぞれの潤滑油溜り部の設計上の油面の近傍の上部空間に均圧管を設けたものである。これによって、圧縮機及び膨張機内の潤滑油面をほぼ同一面に保つことができ、確実に摺動部を潤滑することができ、高い信頼性を確保した冷凍サイクル装置を提供することができるので、空調機、給湯機、カークーラー等の冷凍サイクル装置の用途に適応できる。また、圧縮機及び膨張機としては、例えばレシプロタイプ、スクリュータイプ、ベーンロータリタイプ、スクロールタイプ、ローリングピストンタイプ、スイングピストンタイプ等のさまざまな様式に用いても共通に適応可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態１における冷凍サイクルを示す冷凍サイクル図
【図２】本発明の実施の形態２における冷凍サイクルを示す冷凍サイクル図
【図３】本発明の実施の形態３における冷凍サイクルを示す冷凍サイクル図
【図４】従来の冷凍サイクルを示す冷凍サイクル図
【図５】従来の冷凍サイクルを示す冷凍サイクル図
【符号の説明】
【００２４】
１  冷凍サイクル
５  冷媒
１１  冷媒配管
１６  放熱器
１７  蒸発器
２１  圧縮機
２１ａ  圧縮機構部
２１ｂ  電動機部
２１ｃ  密閉容器
２１ｄ  潤滑油溜り
２２  膨張機
２２ａ  圧縮機構部
２２ｂ  電動機部
２２ｃ  密閉容器
２２ｄ  潤滑油溜り
【図１】
2008002777.tif 000003
【図２】
2008002777.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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