(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の密閉容器内の圧力と膨張機２２の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内に潤滑油溜り２１ｄ、２２ｄを設け、連通管２３で接続したものである。これによって、圧縮機２１及び膨張機２２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媒の循環による熱移動の増加を防止でき冷凍サイクルの性能を高めることが出来る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機構部と電動機部と回転運動を伝える回転軸と給油機構を収納する第一密閉容器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と回転運動を伝える回転軸と給油機構を収納する第二密閉容器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底部に第一潤滑油溜りを設け、前記膨張機の密閉容器内底部に第二潤滑油溜りを設け、前記圧縮機と前記膨張機の潤滑油面が同一面となるよう設置し潤滑油面上部の冷媒空間同士を連通管で接続して、潤滑油を圧縮機もしくは膨張機の潤滑油面が連通管の高さまで偏在しても他方の潤滑油面が給油機構の吸い口より高い位置にあるように封入したことを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項２】
連通管の接続口が圧縮機の電動機の回転子及び膨張機の発電機の回転子よりも低い位置に開口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】
圧縮機の第一密閉容器の底部から潤滑油面上部の冷媒空間に開口する連通管と、膨張機の第二密閉容器の底部から冷媒空間に開口する連通管のいずれかもしくは両方を備え、それぞれの接通管を接続したことを特徴とする請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項４】
圧縮機密閉容器内部の接続管開口部と膨張機密閉容器内部の接続管開口部のいずれかもしくは両方に開口部を覆う蓋状の邪魔板を備え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１〜４のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項６】
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５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サイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気圧縮式の冷凍サイクル装置において、膨張機を圧縮機とは分離して構成するいわゆる分離型膨張機を用いた冷凍サイクル装置が非特許文献１に開示されている。
【０００３】
図５は、非特許文献１に記載された従来の冷凍サイクル装置を示す構成図である。図５において、冷凍サイクル装置１は圧縮機２１と放熱器１６と膨張機２２と蒸発器１７とが順に接続されて構成されている。本冷凍サイクル装置に充填されている冷媒は、圧縮機２１において低圧から高温高圧に圧縮され、放熱器１６において空気や水と熱交換し低温に冷却され、膨張機２２において高圧から低温低圧に膨張させ、蒸発器１７において水または空気と熱交換し蒸発後に、圧縮機２１で再び圧縮されることを繰り返す。膨張機２２には冷媒の膨張エネルギーを回転運動に換える膨張機構と発電機を連結し、これによって動力を電力の形で回収することが出来て圧縮機の駆動エネルギーとして利用することで冷凍サイクルの効率を向上させることが出来る。この種の冷凍サイクル装置１は一般的に圧縮機２１を備えた密閉容器と膨張機２２を備えた密閉容器を要している。その際圧縮機２１だけでなく膨張機２２にも摺動部分を有しているため、ともに潤滑のための潤滑油が必要となる。そのため圧縮機２１及び膨張機２２にはそれぞれ潤滑油溜りが設けられている。また圧縮機２１と膨張機２２の各密閉容器は潤滑油溜りの油面を一定に保つために均圧管２４と均油管２５によって接続されている。
【非特許文献１】ダイキン・平成１４年度ＮＥＤＯ成果報告書  Ｐ．５〜３７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記非特許文献１に提示されている冷凍サイクル装置では圧縮機２１の密閉容器と膨張機２２の密閉容器が均圧管２４と均油管２５で接続されているがこのような均圧管２４と均油管２５の構成は、従来複数の圧縮機同士の潤滑油溜りの潤滑油面を一定に保つ際に使用された実績はあるが運転時の密閉容器内の温度条件が大きく異なる圧縮機と膨張機の組み合わせに用いると密閉容器内部の冷媒の密度が大きく異なることから停止時と運転時での潤滑油の油面が大きく変化して圧縮機２１と膨張機２２の潤滑油の油面設定が困難である。さらに圧縮機内部は常に加熱され、膨張機内部は常に冷却されるため均圧管２４においては圧縮機２１から膨張機２２へ、均油管２５においては膨張機２２から圧縮機２１へと冷媒と潤滑油が循環する現象も発生する。
【０００５】
このように分離型の膨張機２２と圧縮機２１を均圧管２４と均油管２５とで接続すると運転状況により潤滑油面の安定位置が変化することにより潤滑油の油面の設定が困難であるとともに、循環現象により圧縮機から膨張機へ熱移動が発生し暖房時の性能を損なう欠点を有する。
【０００６】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは潤滑不良による故障の発生を防止し、熱移動による暖房能力の低下を防止して安定的で効率の良い運転を実施できる冷凍サイクル装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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と回転運動を伝える回転軸と給油機構を収納する第一密閉容器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と回転運動を伝える回転軸と給油機構を収納する第二密閉容器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底部に潤滑油溜りを設け、前記膨張機の密閉容器内底部に潤滑油溜りを設け、前記圧縮機と前記膨張機の潤滑油面が同一面となるよう設置し潤滑油面上部の冷媒空間同士を連通管で接続して、潤滑油を圧縮機もしくは膨張機の潤滑油面が連通管の高さまで偏在しても他方の潤滑油面が給油機構の吸い口より高い位置にあるように封入したものである。
【０００８】
これによって圧縮機の密閉容器と膨張機の密閉容器を接続する管が潤滑油面より上方に設置されており、圧縮機もしくは膨張機の片方の潤滑油溜りの潤滑油面が連通管の高さまで偏在しても他方の潤滑油面は給油機構の吸い口よりも高い位置にあり常に信頼性が高くかつ熱移動が少ない分離型の膨張機を備えた冷凍システム装置が得られるものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機と膨張機をそれぞれの密閉容器に収納した分離型膨張機において、運転の状況によらず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、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と回転運動を伝える回転軸と給油機構を収納する第一密閉容器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と回転運動を伝える回転軸と給油機構を収納する第二密閉容器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底部に第一潤滑油溜りを設け、前記膨張機の密閉容器内底部に第二潤滑油溜りを設け、前記圧縮機と前記膨張機の潤滑油面が同一面となるよう設置し潤滑油面上部の冷媒空間同士を連通管で接続して、潤滑油を圧縮機もしくは膨張機の潤滑油面が連通管の高さまで偏在しても他方の潤滑油面が給油機構の吸い口より高い位置にあるように封入したことにより、圧縮機及び膨張機それぞれに必要な潤滑油を確保して運転が可能となり信頼性の高い運転が出来るとともに連通管を通した熱移動をおさえた高効率の冷凍サイクル装置を提供できる。
【００１１】
第２の発明は、特に第１の発明の冷凍サイクル装置を連通管の接続口が圧縮機の電動機の回転子及び膨張機の発電機の回転子よりも低い位置に開口したことにより、潤滑油が過度に偏在し回転子に接触して圧縮機の入力増大や、膨張機の出力減少を防止し効率の高い運転を可能にする。
【００１２】
第３の発明は特に第１または第２の発明の冷凍サイクル装置を圧縮機の密閉容器の底部から潤滑油面上部の冷媒空間に開口する連通管と、膨張機の密閉容器の底部から冷媒空間に開口する連通管のいずれかもしくは両方を備え、それぞれの接通管を接続したことにより、静止状態での潤滑油面を潤滑油封入量変更などによって変更した場合でも、密閉容器の穴位置を変更することなく連通管の長さを変えるだけで対応できるため圧縮機または膨張機の設計自由度が増大する。
【００１３】
第４の発明は特に第１〜第３のいずれか１つの発明の冷凍サイクル装置を圧縮機密閉容器内部の接続管開口部と膨張機密閉容器内部の接続管開口部のいずれかもしくは両方に開口部を覆う蓋状の邪魔板を備えたことにより、圧縮機もしくは膨張機の回転運動により吹き上げられたミスト状の潤滑油が連通管を通して移動することを防止できて、潤滑油の偏在を少なく出来る。
【００１４】
第５の発明は、特に、第１〜第４のいずれか１つの発明の、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。
【００１５】
第６の発明は、特に、第５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。
【００１６】
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。
【００１７】
（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構成図である。図１において、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１である。
【００１８】
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が形成されており潤滑油溜り２１ｄと２２ｄの上部空間は冷媒空間となっており連通管２３で接続されている。
【００１９】
圧縮機２１には電動機２１ｂの回転を圧縮機構部２１ａに伝えるための回転軸２１ｅと回転軸下部に取り付けられた油ポンプ２１ｆとを備えている。また膨張機２２も同様に膨張機構部２２ａの回転を発電機２２ｂの回転子２２ｂ′に伝えるための回転軸２２ｅと回転軸下部に取り付けられた油ポンプ２２ｆを備えている。
【００２０】
圧縮機２１には圧縮機吸入側低圧部と密閉容器内の高圧部を仕切るシール材２１ｇがドウハネ２１ｈと軸受け２１ｉ端面に設置され、膨張機２２も同様に膨張機排出側低圧部と、密閉容器内の高圧部を仕切るためのシール材２２ｇがドウハネ２２ｈと軸受け２２ｉ端面に設置されている。
【００２１】
圧縮機２１で圧縮された高温高圧の冷媒は一旦圧縮機密閉容器内２１ｃに吐出され電動機２１ｂを冷却すると同時に潤滑油を分離して密閉容器に設けられた吐出管２１ｊを通って放熱器１６へと移動していく。放熱器１６から膨張機２２へ導かれた冷媒は膨張機構部２２ａで膨張し、膨張エネルギーは回転軸２２ｅを通して発電機２２ｂを駆動し電気エネルギーとして回収している。潤滑油の挙動を詳細に述べると、圧縮機２１では回転軸２１ｅの回転に伴って油ポンプ２１ｆが回転し潤滑油溜り２１ｄの潤滑油を吸い上げ、回転軸２１ｅの軸心部分の細穴（図示せず）を通り、軸受け部２１ｉを潤滑した後潤滑油溜り２１ｄへ戻るが一部はシール部２１ｇを通して圧縮機構部へ流れ込み、冷媒とともに圧縮機密閉容器２１ｃ内へ吐出され、油溜り２１ｄへと戻る。しかしながら圧縮機密閉容器２１ｃ内で完全に冷媒と潤滑油が分離されるとは限らず、一部は冷凍サイクル中へ流れ出す。
【００２２】
膨張機２２においては同様に回転軸２２ｅの回転に伴って油ポンプ２２ｆが回転し潤滑油溜り２２ｄの潤滑油を吸い上げ、回転軸２２ｅの軸心部分の細穴を通り、軸受け部２２ｉを潤滑した後潤滑油溜り２２ｄへ戻るが一部はシール部２２ｇを通して膨張機構部２２ａへ流れ込み、冷媒とともに冷凍サイクル中へ流れ出し蒸発器１７を経由して圧縮機２１へ戻り圧縮機構部２１ａで圧縮された後圧縮機の密閉容器２１ｃ内で冷媒と分離され潤滑油溜り２１ｄにたまる。圧縮機内の潤滑油量が多くなると連通管２３を通して膨張機２２へと移動する。
【００２３】
潤滑油の総量は圧縮機２１または膨張機２２のどちらかの連通管２３まで偏在しても他方の油ポンプ２１ｆまたは２２ｆの吸い口以上に潤滑油面を確保できる量を封入しているため、運転状況の変化があっても最低限の油面確保が出来て信頼性の高い運転が可能となる。
【００２４】
（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構成図である。図２において、前述の第１の実施の形態と同一構成要素については同一符号を付与し、説明を省略する。
【００２５】
図２において、連通管２３の接続口が圧縮機２１の電動機２１ｂの回転子２１ｂ′及び膨張機２２の発電機２２ｂの回転子２２ｂ′よりも低い位置に開口したことにより潤滑油が過度に偏在し回転子２１ｂ′または２２ｂ′に接触して圧縮機の入力増大や、膨張機の出力減少を防止し効率の高い運転を可能にする。
【００２６】
（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構成図である。図３において、前述の第１の実施の形態と同一構成要素については同一符号を付与し、説明を省略する。
【００２７】
図３において、圧縮機２１の密閉容器２１ｃの底部から潤滑油溜り２１ｄ上部の冷媒空間に開口する連通管２３ａと、前記膨張機２２の密閉容器２２ｃの底部から潤滑油溜り２２ｄ上部の冷媒空間に開口する連通管２３ｂのいずれかもしくは両方を備え、それぞれの接通管を接続したことにより、静止状態での潤滑油面を潤滑油封入量変更などによって変更した場合でも、密閉容器の穴位置を変更することなく連通管の立ち上げ長さを変えるだけで対応できるため圧縮機２１または膨張機２２の設計自由度が増大する。
【００２８】
（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要部構成図である。図４において、前述の第１の実施の形態と同一構成要素については同一符号を付与し、説明を省略する。
【００２９】
図４において、圧縮機２１の密閉容器２１ｃ内部の接続管開口部と膨張機２２の密閉容器２２ｃ内部の接続管開口部のいずれかもしくは両方に開口部を覆う蓋状の邪魔板２１ｋ、２２ｋを備えたことにより、圧縮機２１もしくは膨張機２２の回転子の回転運動により吹き上げられたミスト状の潤滑油が連通管２３を通して移動することを防止できて、潤滑油の偏在を少なく出来る。
【００３０】
なお、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。
【００３１】
なお、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油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油面変化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の油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】
【００３２】
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回転運動を伝える回転軸と油ポンプを収納する第一密閉容器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と回転運動を伝える回転軸と油ポンプを収納する第二密閉容器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底部に第一潤滑油溜りを設け、前記膨張機の密閉容器内底部に第二潤滑油溜りを設け、前記圧縮機と前記膨張機の潤滑油面が同一面となるよう設置し潤滑油面上部の冷媒空間同士を連通管で接続して、潤滑油を圧縮機もしくは膨張機の潤滑油面が連通管の高さまで偏在しても他方の潤滑油面が油ポンプの吸い口より高い位置にあるように封入ものである。これによって、圧縮機及び膨張機内の摺動部を安定的に潤滑することができ、高い信頼性を確保するとともに圧縮機から膨張機への熱の移動を減少させることが出来る効率の高い冷凍サイクル装置を提供することができる。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、縦置きの高圧型スクロールタイプで説明してきたが、回転軸が水平となる横置き型の圧縮機または膨張機や、密閉容器内の圧力が圧縮機吸入側の圧力と等しい低圧型の圧縮機及び膨張機にも同様に適用可能である。また圧縮機構または膨張機構としてレシプロタイプ、スクリュータイプ、ベーンロータリタイプ、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同様に適応可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置を示す構成図
【図２】本発明の実施の形態２における冷凍サイクル装置を示す構成図
【図３】本発明の実施の形態３における冷凍サイクル装置を示す構成図
【図４】本発明の実施の形態４における冷凍サイクル装置を示す要部構成図
【図５】従来の冷凍サイクル装置を示す構成図
【符号の説明】
【００３４】
１    冷凍サイクル
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
２１ｅ  回転軸
２１ｆ  油ポンプ
２１ｇ  シール材
２１ｈ  ドウハネ
２１ｉ  軸受け
２１ｊ  吐出管
２１ｋ  邪魔板
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
２２ｅ  回転軸
２２ｆ  油ポンプ
２２ｇ  シール材
２２ｈ  ドウハネ
２２ｉ  軸受け
２２ｋ  邪魔板
２３  連通管
２４  均圧管
２５  均油管
【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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