(57)【要約】【課題】冷凍サイクルの膨張機の潤滑を確保し、信頼性の向上と効率向上を図る。【解決手段】圧縮機２１と膨張機２２を相互に固定し、密閉容器内の圧力を、圧縮機２１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２１の密閉容器２１ｃ内と膨張機２２の密閉容器２２ｃ内に設けた潤滑油溜り２１ｄ、２２ｄの油面レベルを同一にするため、均油管２３と均圧管２４で接続したものであり、これによって、圧縮機及び膨張機それぞれに適正な潤滑油量を確保し摺動部を潤滑出来ると共に冷凍システム内での収納が容易となりコンパクトで信頼性の高い冷凍システムを提供できる。【選択図】図１
2008107049.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、膨張機構部と発電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、前記圧縮機の潤滑油面と前記膨張機の潤滑油面がほぼ同一面となるよう前記圧縮機と前記膨張機が固定され潤滑油面より低くかつ前記圧縮機及び前記膨張機それぞれが備える給油機構の吸入部より高い位置を連通する均油管と潤滑油面より高い位置同士を連通する均圧管で接続したことを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記均圧管及び前記均油管を分割し前記圧縮機及び前記膨張機に溶接もしくはロウ付けにて固定し、均圧管同士と均油管同士の接合部は前記圧縮機の回転軸中心と前記膨張機の回転軸中心を結ぶ中心線に平行となるように配置したことを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項３】
前記圧縮機または前記膨張機の均油管を密閉容器の底部に設置したことを特徴とする請求項１乃至請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項４】
前記圧縮機と前記膨張機を同一脚に固定した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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
前記潤滑油としてポリアルキレングリコールを主成分とする潤滑油を用いたことを特徴とする請求項４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に関する。
【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５（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５（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が取り付けてあるものや、圧縮機に同軸で接続されたもの（例えば、特許文献２参照）がある。
【０００３】
膨張機２２は、冷媒が持つエネルギーを回転エネルギーに変換し圧縮機所要動力を補助する機能を果たしており、構成によって発電機で電力を回収するか、もしくは回転軸を通じて圧縮機へ直接回転力を伝えるかに分けられる。
【０００４】
圧縮機と軸を共有している場合は、同一密閉容器内に圧縮機と膨張機が存在するため、寸法的には軸方向長さが大きくなる以外、ほぼ圧縮機単体の寸法と同じであり、また潤滑油の分配に関する課題は解決されるが、多岐にわたる運転状態で圧縮機と膨張機の必要冷媒流量が異なるにもかかわらず回転軸を共有しているため、膨張機入口冷媒量を制限したり、絞り膨張したりして必要冷媒流量を調整する必要があり、それを回避するためには容量可変機構をつける必要があるという欠点を有する。
【０００５】
一方圧縮機と膨張機が個別の密閉容器を有し、膨張エネルギーを電力で回収する膨張機では、圧縮機と膨張機とで回転数を選択できる為膨張機に入る冷媒のエネルギーを無駄なく回収できるが、密閉容器が別体であるため潤滑油の保持が困難である欠点を有すると共に、機器組込み時に膨張機の場所を確保する必要とする欠点を有していた。
【０００６】
上記課題を解決するために、図６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１参照）。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２００１−１４１３１５号公報
【特許文献２】国際公開第２００５／０２６４９９号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、オイル分離器１２のオイル分離能力が低い場合には膨張機２２や圧縮機２１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。また、オイル分離器１２のオイル分離が確実に行われたとしても、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１３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の、膨張機２２或いは圧縮機２１の負荷に応じて適切にオイル戻り量の配分を制御しなければ、圧縮機或いは膨張機の信頼性を低下させるといった問題を有していた。またオイル戻し管１３、１４とオイル分離器１２を新たに設けなければならず、生産コストが増大するといった問題を有していた。
【０００８】
さらには、特許文献２に有るように圧縮機と膨張機を同一密閉容器内に収納し回転軸及び潤滑油溜りを共有することも考えられるが、多岐にわたる運転状態で圧縮機と膨張機の必要冷媒流量が異なり、膨張機入口冷媒量を制限したり、絞り膨張したりして必要冷媒流量を調整する必要があり、それを回避するために容量可変機構を搗ける必要があるという欠点を有する。
【０００９】
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、冷媒の持つ回収可能なエネルギーを無駄にすることなく小型で取り扱い容易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】
【００１０】
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、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、膨張機構部と発電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、前記圧縮機の潤滑油面と前記膨張機の潤滑油面がほぼ同一面となるよう前記圧縮機と前記膨張機が固定され、潤滑油面より低い位置同士を連通する均油管と潤滑油面より高い位置同士を連通する均圧管で接続したことによって、均油管及び均圧管は圧縮機と膨張機間の相対的な動きが無く単純な管で構成ができるため安価に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、高効率な冷凍サイクル装置を提供することが出来る。
【発明の効果】
【００１１】
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、高い信頼性と高効率、取り扱いの容易さ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】
【００１２】
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、膨張機構部と発電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、前記圧縮機の潤滑油面と前記膨張機の潤滑油面がほぼ同一面となるよう前記圧縮機と前記膨張機が固定され、潤滑油面より低くかつ前記圧縮機及び前記膨張機それぞれが備える給油機構の吸入部より高い位置を連通する均油管と潤滑油面より高い位置同士を連通する均圧管で接続したものであり、これによって高い信頼性を持つ圧縮機と膨張機の組み合わせが小型コンパクトに実現することができる冷凍サイクル装置を提供することが出来る。
【００１３】
第２の発明は前記均油管と前記均圧管は長手方向の略中央部で２分割され、それぞれ前記圧縮機及び前記膨張機に溶接もしくはロウ付けで固定され、前記圧縮機と前記膨張機が固定される時点で、中心線に沿って近づけることにより均圧管及び均油管の接続が簡単に出来、前記均油管及び前記均圧管同士を溶接もしくはロウ付けにて密封固定することにより、容易に小型コンパクトな圧縮機と膨張機の組み合わせが出来るため小型で安価な冷凍サイクル装置を提供することが出来る。
【００１４】
第３の発明は前記圧縮機または前記膨張機の均油管を密閉容器の底部に設置したことにより均油管の開口部を水平面に設定できることにより油面と給油機構の吸い込み部の距離を短く出来るため均油管の開口部が垂直な場合に比べて均油管の内径の高さ分だけ潤滑油溜りに保有する潤滑油を少なくすることが出来る。
【００１５】
第４の発明は前記圧縮機と前記膨張機を同一脚に固定したことにより、圧縮機と膨張機を組み合わせた重心が脚上に配置されると共に、圧縮機と膨張機で発生する振動を同一脚で受けることが可能となり、冷凍機本体搭載が容易となる。
【００１６】
第５の発明は、特に、第１〜第２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。
【００１７】
第６の発明は、特に、第４の発明の、潤滑油としてポリアルキレングリコールを主成分とする潤滑油を用いたものである。これによって、二酸化炭素とポリアルキレングリコールは相溶性が低いので、密閉容器内の潤滑油の液面は冷媒が溶け込むことによる上昇を少なく抑えることができるので、定常運転時の潤滑油の循環率を小さくすることができる。結果として、放熱器や蒸発器の性能を高めることができるので、より高効率な冷凍サイクル装置を提供することができる。
【００１８】
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。
【００１９】
（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２１ａ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５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５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１である。圧縮機２１と膨張機２２は固定部材２７で固定され、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が形成されており均油管２３で接続されている。これらの潤滑油溜り２１ｄ、２２ｄによって圧縮機２１及び膨張機２２内の摺動部を潤滑することができて高い信頼性を持つ圧縮機と膨張機の組み合わせがコンパクトに実現することができる冷凍サイクル装置を提供することが出来る。
【００２０】
（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の圧縮機及び膨張機部分を示す。圧縮機用の均油管２３ａ及び均圧管２４ａは圧縮機２１に、膨張機用の均油管２３ｂ及び均圧管２４ｂは膨張機２２にそれぞれ対応する位置に溶接またはロウ付け固定されており、圧縮機２１と膨張機２２を固定する時点で均油管、均圧管をそれぞれ接続する際に中心線Ａに沿って圧縮機２１もしくは膨張機２２を移動させることにより接続が可能となり組立が容易でコンパクトな圧縮機と膨張機の組み合わせが実現できる。
【００２１】
（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の圧縮機及び膨張機部分を示す。圧縮機用の均油管２３ａ及び均圧管２４ａは圧縮機２１に、膨張機用の均油管２３ｂ及び均圧管２４ｂは膨張機２２にそれぞれ底部に溶接またはロウ付け固定されており
、開口部が油面より低く給油機構の吸入部より高い位置に設定される、開口部を平面上に設置できるため、開口部を垂直に設置した場合に比べ開口部の内径分だけ潤滑油封入量を少なく出来る。
【００２２】
（実施の形態４）
図４は、本発明の第４の実施の形態における冷凍サイクル装置を示す。圧縮機２１と膨張機２２を同一脚２８に固定したことにより、圧縮機２１と膨張機２２の組み合わせを冷凍サイクルの１つの構成部品として扱うことが出来るため、冷凍機の製造が容易となる。
【００２３】
なお、前記実施の形態において、冷媒を、高圧冷媒、例えば二酸化炭素とした場合には、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。この場合において、膨張機２２の信頼性を高めて運転できる本構成を用いれば、二酸化炭素冷媒を用いても機器の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。
【００２４】
更に、潤滑油としてポリアルキレングリコールを主成分とする潤滑油を用いた場合には、二酸化炭素とポリアルキレングリコールは相溶性が低いので、冷媒の溶け込みによる密閉容器内の潤滑油の液面の上昇を抑えることができるので、運転条件や圧力によって潤滑油溜りの液面が変化することを少なくすることが出来る。よって、相溶性が高い潤滑油の場合に想定される、圧縮機２１と膨張機２２のどちらの潤滑油溜り２１ｄ、２２ｄの液面も上昇して密閉容器外で循環する潤滑油の総量が増えて、放熱器１６や蒸発器１７の性能を低下させるといった問題を回避することができるので、より高効率な冷凍サイクル装置を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
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、圧縮機と膨張機を一体に固定し、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均油管で連結したものである。これによって、圧縮機及び膨張機内の摺動部を潤滑する潤滑油の油面レベルを確保できて、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】
【００２６】
【図１】本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の冷凍サイクル図
【図２】本発明の実施の形態２における冷凍サイクル装置の圧縮機と膨張機の組み付けを表す模式図
【図３】本発明の実施の形態３における冷凍サイクル装置の圧縮機と膨張機の組み付けを表す断面図
【図４】本発明の実施の形態４における冷凍サイクル装置の圧縮機と膨張機の組み付けを表す断面図
【図５】従来の冷凍サイクル装置の冷凍サイクル図
【図６】従来の冷凍サイクル装置の冷凍サイクル図
【符号の説明】
【００２７】
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  膨張機構部
２２ｂ  発電機部
２２ｃ  密閉容器
２２ｄ  潤滑油溜り
２３  均油管
２３ａ  圧縮機用均油管
２３ｂ  膨張機用均油管
２４  均圧管
２４ａ  圧縮機用均圧管
２４ｂ  膨張機用均圧管
２５  潤滑油分離器
２６  潤滑油戻し管
２７  固定部材
２８  脚
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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