(57)【要約】【課題】二酸化炭素冷媒が循環する冷媒回路における圧縮機の吐出側に設けられる油分離装置（20）において油を効率的に分離する。【解決手段】いわゆるサイクロン式の油分離装置において、圧縮機からの吐出流体（冷凍機油を含む冷媒）が容器本体（21）の内壁面に衝突する部位に、吐出流体に含まれる冷凍機油を捕捉する凹凸部（25）を設ける。【選択図】図２
2008101831.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化炭素冷媒が循環する冷媒回路（10）における圧縮機（11）の吐出側に設けられ、冷凍機油を冷媒から分離する油分離装置であって、
冷凍機油を含む冷媒が流入する容器本体（21）と、
上記圧縮機（11）から吐出された流体を上記容器本体（21）内に導入する冷媒流入管（22）と、
上記圧縮機（11）からの吐出流体が上記容器本体（21）の内壁面に衝突する部位に設けられ、該吐出流体に含まれる冷凍機油を捕捉する油捕捉手段（25，26，27）と、
上記容器本体（21）内で分離した冷媒を容器本体（21）から導出する冷媒流出管（23）と、
上記容器本体（21）内で分離した冷凍機油を上記冷媒回路（10）の圧縮機（11）に戻す油排出管（24）と、
を備えていることを特徴とする油分離装置。
【請求項２】
請求項１において、
上記容器本体（21）が縦型円筒状容器であり、
上記冷媒流入管（22）が上記容器本体（21）の側壁に対してほぼ接線方向に取り付けられ、
上記冷媒流出管（23）が上記容器本体（21）の上部に、上記油排出管（24）が上記容器本体（21）の下部に取り付けられていることを特徴とする油分離装置。
【請求項３】
請求項１または２において、
上記油捕捉手段は、上記容器本体（21）の内壁面における吐出流体が衝突する部位に形成された凹凸部（25）により構成されていることを特徴とする油分離装置。
【請求項４】
請求項１または２において、
上記油捕捉手段は、上記容器本体（21）の内壁面における吐出流体が衝突する部位に装着されたメッシュ部材（26）により構成されていることを特徴とする油分離装置。
【請求項５】
請求項１または２において、
上記油捕捉手段は、上記容器本体（21）の内壁面における吐出流体が衝突する部位に形成された油溶性界面活性剤層（27）により構成されていることを特徴とする油分離装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二酸化炭素冷媒が循環する冷媒回路における圧縮機の吐出側に設けられる油分離装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、空気調和装置等の冷媒回路には、圧縮機の潤滑油（冷凍機油）を冷媒中から分離するための油分離装置が適用されている。
【０００３】
例えば特許文献１には、この種の油分離装置として、いわゆるサイクロン式の油分離器が開示されている。この油分離装置は、円筒状の容器本体に、冷媒流入管と冷媒流出管と油排出管とが接続されている。圧縮機から吐出された冷媒は油を含んだ状態で、冷媒流入管から容器本体内に流入する。この冷媒は、容器本体の内部で周方向に旋回して渦流となる。その結果、冷媒に含まれる油は遠心力によって径方向外側に飛散し、冷媒と油とが分離する。以上のようにして分離された油は、容器本体内の下部に溜まり込んで油排出管より流出し、圧縮機の吸入側に戻される。一方、分離後の冷媒は、冷媒流出管より流出し、冷媒回路における冷凍サイクルに利用される。
【特許文献１】特開２００５−９８５３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、冷媒を二酸化炭素にした場合、圧縮機から吐出される冷媒の密度は、例えばＨＦＣ系冷媒と比較して高くなるため、油粒子との密度差が小さくなる。上記特許文献１のサイクロン式の油分離器では、冷媒と油の密度差が小さくなると油を遠心分離することが困難になる。
【０００５】
また、容器本体の内面は円滑面である。このため、冷媒流入管から容器本体に流入した二酸化炭素冷媒と冷凍機油とが高速で容器本体の内面に衝突すると油が飛散して、冷凍機油が冷媒流出管より流出してしまうおそれがある。以上のことから、上記従来の油分離器では油分離を高効率で行うことが困難であった。
【０００６】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、二酸化炭素冷媒が循環する冷媒回路における圧縮機の吐出側に設けられる油分離装置において油を効率的に分離できるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の発明は、二酸化炭素冷媒が循環する冷媒回路（10）における圧縮機（11）の吐出側に設けられ、冷凍機油を冷媒から分離する油分離装置を前提としている。
【０００８】
そして、この油分離装置は、冷凍機油を含む冷媒が流入する容器本体（21）と、上記圧縮機（11）から吐出された流体を上記容器本体（21）内に導入する冷媒流入管（22）と、上記圧縮機（11）からの吐出流体が上記容器本体（21）の内壁面に衝突する部位に設けられ、該吐出流体に含まれる冷凍機油を捕捉する油捕捉手段（25，26，27）と、上記容器本体（21）内で分離した冷媒を容器本体（21）から導出する冷媒流出管（23）と、上記容器本体（21）内で分離した冷凍機油を上記冷媒回路（10）の圧縮機（11）に戻す油排出管（24）とを備えていることを特徴としている。
【０００９】
この第１の発明では、圧縮機（11）からの吐出流体（冷凍機油を含む冷媒）が容器本体（21）に流入する際、容器本体（21）の内面に衝突する。この吐出流体が容器本体（21）の内面に衝突する部位には、油捕捉手段（25，26，27）が設けられており、冷凍機油が捕捉される。したがって、冷媒流出管（23）からはほとんど冷媒だけが流出し、油排出管（24）からはほぼ冷凍機油だけが流出する。
【００１０】
第２の発明は、第１の発明において、上記容器本体（21）が縦型円筒状容器であり、上記冷媒流入管（22）が上記容器本体（21）の側壁に対してほぼ接線方向に取り付けられ、上記冷媒流出管（23）が上記容器本体（21）の上部に、上記油排出管（24）が上記容器本体（21）の下部に取り付けられていることを特徴としている。
【００１１】
この第２の発明では、圧縮機（11）からの吐出流体が容器本体（21）に流入すると、該吐出流体は容器本体（21）の内部で周方向に旋回する。そのため、遠心力も利用して油を分離することができる。その際、遠心力を受けて旋回する油は、油捕捉手段（25，26，27）を設けたことにより既に容器本体（21）の内面に油が付着しているため、この油に結合する。
【００１２】
第３の発明は、第１または第２の発明において、上記油捕捉手段が、上記容器本体（21）の内壁面における吐出流体が衝突する部位に形成された凹凸部（25）により構成されていることを特徴としている。
【００１３】
この第３の発明では、圧縮機（11）からの吐出流体が容器本体（21）の内壁面に設けた凹凸部（25）に衝突する。圧縮機（11）からの吐出流体の大部分を占める冷媒は油粒子に対する密度差が従来よりは小さいものの、二酸化炭素冷媒用の油は従来冷媒用の油に対して粘度が２倍ほど大きい。このように油の粘度が大きいため、油が凹凸部（25）に捕捉される。
【００１４】
第４の発明は、第１または第２の発明において、上記油捕捉手段が、上記容器本体（21）の内壁面における吐出流体が衝突する部位に装着されたメッシュ部材（26）により構成されていることを特徴としている。
【００１５】
この第４の発明では、圧縮機（11）からの吐出流体が容器本体（21）の内壁面に装着したメッシュ部材（26）に衝突する。圧縮機（11）からの吐出流体の大部分を占める冷媒は油粒子に対する密度差が従来よりは小さいものの、二酸化炭素冷媒用の油は従来冷媒用の油に対して粘度が２倍ほど大きい。このように油の粘度が大きいため、油がメッシュ部材（26）に捕捉される。
【００１６】
第５の発明は、第１または第２の発明において、上記油捕捉手段が、上記容器本体（21）の内壁面における吐出流体が衝突する部位に形成された油溶性界面活性剤層（27）により構成されていることを特徴としている。
【００１７】
この第５の発明では、圧縮機（11）からの吐出流体が容器本体（21）の内壁面に形成した油溶性界面活性剤層（27）に衝突する。このことにより、油が油溶性界面活性剤層（27）に捕捉される。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、圧縮機（11）からの吐出流体（冷凍機油を含む冷媒）が上記容器本体（21）の内壁面に衝突する部位に、該吐出流体に含まれる冷凍機油を捕捉する油捕捉手段（25，26，27）を設けているため、冷凍機油は容器本体（21）の内面を伝って流れ、油排出管（24）から排出される。このように、容器本体（21）への吐出冷媒の流入時に油が飛散せずに容器の内面に付着するので、冷媒流出管（23）からはほぼ冷媒だけが流出する。したがって、二酸化炭素冷媒が循環する冷媒回路（10）における圧縮機（11）の吐出側に設けられる油分離装置において油を効率的に分離することが可能となる。
【００１９】
上記第２の発明によれば、いわゆるサイクロン式の油分離器において、遠心力を利用した油分離と、油捕捉手段（25，26，27）による油分離とが行われる。したがって、油分離効率をより一層高めることが可能となる。
【００２０】
上記第３の発明によれば、容器本体（21）の内壁面における吐出流体が衝突する部位に凹凸部（25）を形成したことにより、二酸化炭素冷媒用の高粘度の油をこの凹凸部（25）で確実に捕捉できる。
【００２１】
上記第４の発明によれば、容器本体（21）の内壁面における吐出流体が衝突する部位にメッシュ部材（26）を装着したことにより、二酸化炭素冷媒用の高粘度の油をこのメッシュ部材（26）で確実に捕捉できる。
【００２２】
上記第５の発明によれば、容器本体（21）の内壁面における吐出流体が衝突する部位に油溶性界面活性剤層（27）を形成したことにより、二酸化炭素冷媒用の油をこの油溶性界面活性剤層（27）で確実に捕捉できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２４】
本発明の実施形態に係る油分離装置（20）は、室内の空調を行う空気調和装置（1）に適用されるものである。この空気調和装置（1）は、室内の冷房と暖房とを切り換えて行うように構成されている。
【００２５】
図１に示すように、空気調和装置（1）は、冷媒が充填される冷媒回路（10）を備えている。冷媒回路（10）には、冷媒として二酸化炭素が充填されている。また、後述の圧縮機（11）の各摺動部を潤滑するための潤滑油（冷凍機油）には、例えばＰＡＧ（ポリアルキレングリコール）が用いられている。冷媒回路（10）では、二酸化炭素を臨界圧力以上まで圧縮する冷凍サイクルが行われる。
【００２６】
冷媒回路（10）には、圧縮機（11）と室外熱交換器（12）と室内熱交換器（13）と膨張弁（14）とが設けられている。
【００２７】
上記圧縮機（11）は、例えばスクロール型の圧縮機で構成されている。圧縮機（11）には、圧縮機構の吐出冷媒が流出する吐出管（11a）と、圧縮機構の吸入冷媒が流入する吸入管（11b）とが接続されている。上記室外熱交換器（12）は、室外空間に配置されている。室外熱交換器（12）は、例えばフィンアンドチューブ式の熱交換器で構成されている。室外熱交換器（12）では、その内部を流れる冷媒と室外空気とが熱交換する。上記室内熱交換器（13）は、室内空間に配置されている。室内熱交換器（13）は、例えばフィンアンドチューブ式の熱交換器で構成されている。室内熱交換器（13）では、その内部を流れる冷媒と室内空気とが熱交換する。膨張弁（14）は、室外熱交換器（12）と室内熱交換器（13）との間に接続されている。膨張弁（14）は、例えば電子膨張弁で構成されている。
【００２８】
また、冷媒回路（10）には、四路切換弁（15）が設けられている。四路切換弁（15）は、第１から第４までの４つのポートを備えている。四路切換弁（15）では、第１ポートが室外熱交換器（12）と繋がり、第２ポートが圧縮機（11）の吸入側と繋がり、第３ポートが圧縮機（11）の吐出側と繋がり、第４ポートが室内熱交換器（13）と繋がっている。四路切換弁（15）は、第１ポートと第３ポートとを連通させると同時に第２ポートと第４ポートとを連通させる第１状態（図１の実線の状態）と、第１ポートと第２ポートとを連通させると同時に第３ポートと第４ポートとを連通させる第２状態（図１の破線の状態）とに切換可能となっている。
【００２９】
さらに、冷媒回路（10）には、上記油分離装置（20）が設けられている。この油分離装置（20）は、いわゆるサイクロン式（遠心分離式）の油分離器であり、圧縮機（11）の吐出管（11a）に接続されている。この油分離装置（20）は、圧縮機（11）から吐出された冷媒から油を分離し、この油を圧縮機（11）の吸入側に戻すものである。
【００３０】
図２に示すように、油分離装置（20）は、縦型の中空円筒状で上下両端部が湾曲した密閉型の容器本体（21）を備えている。この容器本体（21）内には、その底部が分離後の油の溜まる油溜め部（21a）となる。また、容器本体（21）には、冷媒流入管（22）と冷媒流出管（23）と油排出管（24）とが接続されている。
【００３１】
上記冷媒流入管（22）は、油分離装置（20）の縦断面図である図２（Ｂ）に示すように一端が容器本体（21）の側壁の上部寄りの部位に接続され、他端が上記圧縮機（11）の吐出管（11a）に接続されている。冷媒流入管（22）は、圧縮機（11）から吐出された流体（冷凍機油を含む冷媒）を容器本体（21）内に流入させる。この冷媒流入管（22）は、油分離装置の横断面図である図２（Ａ）に示すように、上記容器本体（21）の側壁に対してほぼ接線方向に取り付けられている。
【００３２】
上記冷媒流出管（23）は、一端が容器本体（21）の上端部の中心部位に接続され、他端が上記四路切換弁（15）と繋がっている。また、冷媒流出管（23）は、容器本体（21）の上端部を貫通しており、その一端側の流入端が容器本体（21）内の上部寄りの空間に臨んでいる。この冷媒流出管（23）は、容器本体（21）内で分離した冷媒を該容器本体（21）の外部へ流出させる。
【００３３】
油排出管（24）は、一端が容器本体（21）の下端部に接続され、他端が上記圧縮機（11）の吸入管（11b）に接続されている。油排出管（24）は、その一端側の流入端が上記油溜め部（21a）に開口し、容器本体（21）内で分離した冷凍機油を上記圧縮機（11）に戻すようになっている。
【００３４】
上記圧縮機（11）からの吐出流体が上記容器本体（21）の内壁面に衝突する部位には、凹凸部（油捕捉手段）（25）が形成されている。この凹凸部（25）は、圧縮機からの吐出流体に含まれる冷凍機油を捕捉するものである。
【００３５】
−運転動作−
次に、本発明に係る実施形態の空気調和装置（1）の運転動作について説明する。空気調和装置（1）の冷媒回路（10）では、上記四路切換弁（15）の設定に応じて、冷媒の循環方向が切り換わる。具体的には、四路切換弁（15）は、冷房運転において図１の実線で示す状態となり、暖房運転において図１の破線で示す状態となる。以下には、空気調和装置（1）の運転動作の代表例として冷房運転を説明する。
【００３６】
図１に示す冷媒回路（10）において、圧縮機（11）で臨界圧力以上まで圧縮された冷媒は、吐出管（11a）及び冷媒流入管（22）を介して油分離装置（20）の容器本体（21）内へ流入する。油分離装置（20）では、詳細を後述する油分離動作によって、冷媒中から油が分離される。油分離装置（20）で油が分離された後の冷媒は、室外熱交換器（12）を流れる。室外熱交換器（12）では、高圧冷媒が室外空気へ放熱する。室外熱交換器（12）で放熱した後の高圧冷媒は、膨張弁（14）を通過する際に減圧されて、低圧冷媒となる。その後、冷媒は室内熱交換器（13）を流れる。室内熱交換器（13）では、冷媒が室内空気から吸熱して蒸発する。その結果、室内の冷房が行われる。室内熱交換器（13）で蒸発した冷媒は、吸入管（11b）を流れる。この冷媒は、油分離装置（20）で分離された油と共に圧縮機（11）へ吸入される。
【００３７】
−油分離装置における油分離動作−
上述した冷房運転や、説明を省略した暖房運転では、油分離装置（20）で以下のような油分離動作が行われる。
【００３８】
図２に示すように、油分離装置（20）では、圧縮機（11）からの吐出流体が冷媒流入管（22）より容器本体（21）内へ流入する。この流体中には、冷媒と、圧縮機（11）の各摺動部の潤滑に利用された冷凍機油とが含まれている。容器本体（21）内に流入した吐出流体は、容器本体（21）の内壁に沿うようにして周方向に旋回するが、その前に、まず、凹凸部（25）に衝突する。圧縮機（11）からの吐出直後の冷媒は油粒子に対する密度差が従来よりは小さいものの、二酸化炭素冷媒用の油は従来冷媒用の油に対して粘度が２倍ほど大きい。このように油の粘度が大きいため、上記凹凸部（25）には冷凍機油が付着し、冷媒が容器本体（21）の内壁に沿うようにして周方向に旋回する。凹凸部（25）に付着した冷凍機油は、容器本体（21）の内面を伝って下方へ流れ、油溜め部（21a）に溜まる。
【００３９】
また、凹凸部（25）に付着しなかった冷凍機油は冷媒とともに容器本体（21）の内壁に沿って周方向に旋回する。その結果、渦流の発生に伴う遠心力によって冷媒中の油が径方向に飛散し、壁面に付着している油と結合して油溜め部（21a）に回収される。
【００４０】
−実施形態の効果−
上記実施形態によれば、圧縮機（11）からの吐出流体が上記容器本体（21）の内壁面に衝突する部位に凹凸部（25）を設け、この凹凸部（25）によって、吐出流体に含まれる冷凍機油を捕捉するようにしている。一般に、冷媒として二酸化炭素を用いる場合、冷媒と油との密度差がＨＦＣ系の冷媒と比較して小さくなっているため、遠心力を利用するだけでは冷媒中から油を充分に分離することが困難であるが、本実施形態では凹凸部（25）に衝突した冷凍機油を凹凸部（25）との付着力で冷媒から分離し、遠心力による油分離と併用している。このため、上記実施形態によれば、油分離装置（20）の油分離効率を高められる。
【００４１】
また、凹凸部（25）に付着した油が容器本体（21）の内壁面を伝って下方へ流れるときに、容器本体（21）内を旋回する油が内壁面を流れる油に結合しやすくなるので、油分離効率をさらに高めやすくなる。
【００４２】
そして、油分離装置（20）で捕捉した油を速やかに油排出管（24）より流出させることができるので、圧縮機（11）の油量が不足してしまうのを防止できる。
【００４３】
《その他の実施形態》
上記実施形態については、以下のような構成としてもよい。
【００４４】
例えば、上記実施形態では、上記油捕捉手段として、上記容器本体（21）の内壁面における吐出流体が衝突する部位に形成された凹凸部（25）により構成しているが、凹凸部（25）の代わりに、上記容器本体の内壁面における吐出流体が衝突する部位に、図３に示すようにメッシュ部材（26）を装着し、これを油捕捉手段としてもよい。また、凹凸部（25）やメッシュ部材（26）の代わりに、上記容器本体の内壁面における吐出流体が衝突する部位に、図４に示すように油溶性界面活性剤層（27）を形成し、これを油捕捉手段としてもよい。これらのいずれの場合でも、上記実施形態と同様の効果を奏することが可能である。
【００４５】
さらに、上記実施形態では、冷凍機油としてＰＡＧを用いるようにしているが、ＰＯＥ（ポリオールエステル）等の他の油を用いるようにしても良い。
【００４６】
また、上記実施形態ではサイクロン式の油分離装置について説明したが、本発明の油分離装置は必ずしもサイクロン式に限定するものではない。
【００４７】
なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
以上説明したように、本発明は、二酸化炭素冷媒が循環する冷媒回路における圧縮機の吐出側に設けられる油分離装置について有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施形態に係る空気調和装置の冷媒回路を示す配管系統図である。
【図２】実施形態に係る油分離装置の概略構成図であり、図２（Ａ）は横断面図、図２（Ｂ）は縦断面図である。
【図３】その他の実施形態に係る油分離装置の概略構成図である。
【図４】さらに他の実施形態に係る油分離装置の概略構成図である。
【符号の説明】
【００５０】
10  冷媒回路
11  圧縮機
21  容器本体
22  冷媒流入管
23  冷媒流出管
24  油排出管
25  凹凸部（油捕捉手段）
26  メッシュ部材（油捕捉手段）
27  油溶性界面活性剤層（油捕捉手段）
【図１】
2008101831.tif 000003
【図２】
2008101831.tif 000004
【図３】
2008101831.tif 000005
【図４】
2008101831.tif 000006