(57)【要約】【課題】  二酸化炭素など高圧冷媒を使用する冷凍空調サイクルで、密閉容器コスト抑制の為に低圧シェルを用いると、潤滑油持ち出しが大きく、減圧装置を伴った油戻し回路が必要だが、差圧が大きいためキャピラリー等では減圧装置の成立が困難であった。【解決手段】  圧縮機、高圧側熱交換器、絞り装置、低圧側熱交換器を冷媒配管で順次接続して冷凍サイクルを構成し、圧縮機密閉容器内に潤滑油を封入してなる冷凍空調サイクル装置において、圧縮機より吐出される冷媒に混合されている潤滑油を分離するオイルセパレータを圧縮機と高圧側熱交換器との間の吐出側配管に具備し、オイルセパレータにより分離された潤滑油を圧縮機と低圧側熱交換器との間の吸入側配管へ戻す油戻し回路と、油戻し回路中に冷媒流れ方向に連通する気孔を有する発泡金属等の多孔質体による減圧装置と、を備えた。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、高圧側熱交換器、絞り装置、低圧側熱交換器を冷媒配管で順次接続して冷凍サイクルを構成し、前記圧縮機密閉容器内に潤滑油を封入してなる冷凍空調サイクル装置において、前記圧縮機より吐出される冷媒に混合されている潤滑油を分離するオイルセパレータを前記圧縮機と前記高圧側熱交換器との間の吐出側配管に具備し、前記オイルセパレータにより分離された潤滑油を前記圧縮機と前記低圧側熱交換器との間の吸入側配管へ戻す油戻し回路と、前記油戻し回路中に冷媒流れ方向に連通する気孔を有する発泡金属等の多孔質体による減圧装置と、を備えたことを特長とする冷凍空調サイクル装置。
【請求項２】
前記多孔質体は冷媒流れ方向に略均一な厚さを有し、冷媒として二酸化炭素を使用することを特徴とする請求項１記載の冷凍空調サイクル装置。
【請求項３】
前記多孔質体は略円柱形状であり、前記減圧装置内において前記略円柱形状の上底面・下底面のみ冷媒流れ方向に開口するよう設置されたことを特徴とする請求項２に記載の冷凍空調サイクル。
【請求項４】
前記多孔質体の上流側にフィルタを設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
【請求項５】
前記気孔の開口面積を前記フィルタの開口面積より小さくしたことを特徴とする請求項４に記載の冷凍空調サイクル装置。
【請求項６】
前記多孔質体の気孔の径を２００μｍ以下にしたことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の冷凍空調サイクル装置。
【請求項７】
前記圧縮機が、密閉容器内が吸入圧力である低圧シェルタイプの圧縮機、もしくは吸入圧力と吐出圧力との中間的な圧力である中間圧シェルタイプの圧縮機であることを特長とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の冷凍空調サイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、特に冷媒として二酸化炭素など高圧冷媒を使用するエアコンや冷蔵庫などの冷凍サイクルを有する冷凍空調サイクル装置およびその油戻し機構に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のこの種の油戻し機構においては、吐出ガスから分離された冷凍機油を吸入側に戻す場合に、キャピラリーなどの減圧装置を介することで、吐出ガスの吸入側への流入を必要最小限に抑制し、冷凍サイクル効率の低下を抑制するようにしている。（例えば、特許文献１参照。）
また、減圧装置を開度の調節できる絞り機構とし、油戻し流量を調節しているものもある。（例えば、特許文献２参照。）
一方、圧縮機密閉容器内にて潤滑油を高圧側から低圧側に供給する機構を有し、その流量を制限する手法として、発泡金属によるフィルタを用いる技術が開示されている。（たとえば特許文献３参照。）
【０００３】
【特許文献１】実開平６−４０７６９号公報
【特許文献２】特開２００１−８２８１５号公報
【特許文献３】特開平５−２４８３７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来この種の冷凍サイクルは、ハイドロカーボン、フルオロカーボン系の冷媒が使用されているが地球温暖化などの環境保護の観点から自然冷媒が使用されるようになってきている。自然冷媒として、例えば二酸化炭素を冷凍サイクルの冷媒として使用する場合、運転圧力が従来のハイドロカーボン、フルオロカーボン系の冷媒に対して数倍に達するので、例えば圧縮機密閉容器内を吐出ガスで満たす所謂高圧シェル方式とした場合には、密閉容器の強度を維持する為、容器の肉厚を高めるなど、生産性・材料コストの観点から問題となっている。
【０００５】
それに対し、密閉容器内を吐出ガスより低い圧力で満たす所謂低圧シェルもしくは中間圧シェル方式では、高圧シェル方式と比べ密閉容器の強度を必要としないが、吐出ガス中に含まれる潤滑油を密閉容器内で分離することが困難であるため、吐出される潤滑油を容器内へ戻す油戻し機構が必要となることが問題となっている。
【０００６】
特許文献１では油戻し回路を設けているが、この油戻し回路では、油戻し回路の減圧装置としてキャピラリーチューブを使用している。しかし、例えば自然冷媒である二酸化炭素など運転圧力が従来のハイドロカーボン系冷媒より高くなるような冷媒を使用した冷凍サイクルにおいて、減圧装置にて十分な減圧を得るためには、キャピラリチューブは製造上の制約から内径には下限があり流路抵抗を必要量まで小さくできないため、長さを従来の数倍〜１０数倍に取らねばならなくなり、実用上、必要な減圧量を得ることが非常に困難となっていた。
【０００７】
例えば、二酸化炭素を冷媒として使用する、家庭用ヒートポンプ給湯機のアプリケーションを想定すると、高圧と低圧がそれぞれ１２ＭＰａ、３ＭＰａ程度となり、差圧が非常に大きくなる。こうしたアプリケーションにおいて、油戻し回路の減圧装置に要求される流路抵抗のレベルは、内径φ０．５５のキャピラリチューブであれば３ｍ程度の長さを必要とする。キャピラリチューブの断面の変形や異物の介在による閉塞のリスクを考慮すると、上記寸法では、内径が小さく長さが長すぎるため冷凍サイクルを構成する製品として成立させるのが非常に困難であった。
【０００８】
また、特許文献２に示される流量制御弁の絞り開度を調節する手法は、それ自体は冷媒の種類に関らず有効であるものの、キャピラリチューブの場合と同様、従来のフルオロカーボン系の冷媒と比べ動作圧力が非常に高い二酸化炭素冷媒を使用する冷凍サイクルに於いては、絞り面積を従来の数分の１程度にしなけらばならず、摩耗粉やスラッジ等の堆積物が発生した場合に容易に閉塞するなど信頼性低下する可能性があり、冷凍サイクル装置の寿命の低下に大きく影響し、実用上の問題となっていた。
【０００９】
一方、特許文献３では、圧縮機密閉容器内の返油回路に発泡金属によるフィルタを使用しているが、この構造は圧縮機密閉容器内を高圧部と低圧部に区画した横型圧縮機内部に使用することを前提とした密閉容器内での返油用目詰まり防止フィルタであって、二酸化炭素など運転圧力の高い冷媒を使用する場合の減圧手段として使用することなどは考えていない。また、圧縮機内に限定した返油構造のフィルタのため、流路抵抗などがわからず減圧手段であるキャピラリチューブの代わりに使用することは困難であった。また、返油用のフィルタであり、フィルタが浸漬する油面の変動によりフィルタを通過するガスや油の量が変動し運転状態が安定しない恐れがあった。また、高圧シェルタイプのため、使用圧力の高い二酸化炭素などの自然冷媒を使用する場合には、密閉容器の強度を確保する為に容器の肉厚を高めなくてはならず、圧縮機材料コストや生産性が悪く、問題であった。
【００１０】
さらに、特許文献３のフィルタを特許文献１の油戻し回路の減圧装置として用いられるキャピラリーの代用として使用した場合、特許文献３ではフィルタが円柱形状の多孔質体の返油用のフィルタであり、フィルタが浸漬する油面の変動により流路抵抗が変化し所定の減圧量が得られない恐れがあった。また、冷媒の流れ方向の多孔質体の厚さが不均一であり、冷媒が多孔質体を通過するときの減圧の度合いが、油の介在など運転状態のバラツキにより影響を受けやすい。従って、例えば二酸化炭素など高圧冷媒を使用するサイクルの油戻し回路の減圧装置として特許文献３の多孔質体を使用すると、高圧側から低圧側に戻る冷媒ガス流を精度良くコントロールできず、冷凍サイクルの効率が低下してしまう恐れがあった。
【００１１】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、信頼性の高い冷凍サイクル装置を得ることを目的とする。また、高高率な冷凍サイクル装置を得ることを目的とする。また、自然冷媒を使用することによって、自然環境にやさしい地球温暖化などの起こさせない冷凍サイクル装置を得ることを目的とする。また、二酸化炭素など高圧冷媒を使用する冷凍サイクル装置において、密閉容器内の潤滑油の冷凍サイクルへの流出を防止し、高効率の冷凍サイクル装置を得ることを目的とする。また、二酸化炭素など高圧冷媒を使用しつつ、機器の製造コストを抑制し低コストの冷凍サイクル装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明に係る冷凍空調サイクル装置は、圧縮機、高圧側熱交換器、絞り装置、低圧側熱交換器を冷媒配管で順次接続して冷凍サイクルを構成し、圧縮機密閉容器内に潤滑油を封入してなる冷凍空調サイクル装置において、圧縮機より吐出される冷媒から潤滑油を分離するオイルセパレータを圧縮機と高圧側熱交換器との間の吐出側配管に具備し、オイルセパレータにより分離された潤滑油を圧縮機と低圧側熱交換器との間の吸入側配管へ戻す油戻し回路と、油戻し回路中に冷媒流れ方向に連通する気孔を有する発泡金属等の多孔質体による減圧装置と、を備えたものである。
【発明の効果】
【００１３】
この発明の冷凍サイクル装置は、潤滑油の冷凍回路への流出を防止でき、圧縮機の故障を防止する効果を有する。また、この発明の油戻し回路の減圧装置は、発泡金属等の多孔質体を使用した為、小形の減圧装置でも十分な減圧が可能となり、特に大きな減圧を要求される二酸化炭素等の高圧冷媒を使用した冷凍サイクルにおいて、製品の小形化が可能となり、製造コストを低減できる。また、地球環境にやさしい冷凍サイクル装置が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１を表す冷凍空調サイクル装置の冷媒回路図、図２はこの発明の実施の形態１を表す圧縮機断面図を示すものである。図において、圧縮機１、高圧側熱交換器２、絞り装置３、低圧側熱交換器４、が順次冷媒配管５で接続されて冷凍サイクル１００を構成している。圧縮機１は、密閉容器６内に電動要素７と圧縮機構要素８が駆動軸に連結されて収納され、また、密閉容器に設けられた吸入管９、吐出管１０とで、冷凍サイクル１００の冷媒配管５に接続されている。また、密閉容器６底部には潤滑油１１が封入されて、各軸受け部や圧縮機構要素８部を潤滑している。また、オイルセパレータ１２が圧縮機１の吐出管１０と高圧側熱交換器２との間に設けられ、このオイルセパレータ１２には圧縮機１の吸入管９に接続された圧縮機吸入側の冷媒配管５へ返油を行う油戻し管１３が設けられており、この油戻し管１３の途中には減圧装置１４が設けられており、この油戻し管１３、減圧装置１４にて油戻し回路を形成している。
【００１５】
図３は、この実施の形態を表す冷凍サイクル装置の減圧装置１４の断面図であり、内部に発泡金属からなる多孔質体１５を収納している。多孔質体１５は概略円柱形状をしており、その一方（図における上底面）が高圧側に開口し、他方（図における下底面）が低圧側に開口し、その側面は減圧装置のケーシング１６にて閉塞されている。多孔質体１５の高圧側にはステンレスメッシュ１７が設けられている。
【００１６】
多孔質体１５は冷媒流れ方向に少なくとも連通する気孔を有しており、その気孔径（気孔の開口面積）はメッシュ１７の開口幅（開口面積）と略同等乃至１／２程度の範囲である。たとえば、ステンレス材で１００メッシュ（開口幅１４５μｍ）、気孔径１００μｍ程度の組合せとすればよく、メッシュ１７よりも同等以下の気孔径が望ましく、異物を補足しつつ、必要な減圧量が得られる。また、気孔径は２００μｍ以下であれば、高圧冷媒である二酸化炭素を使用した場合であっても、必要な減圧量が得られるので良いが、気孔径が１００μｍ以下であれば減圧量の調整が行いやすい良い。そうすることによってメッシュ材１７でフィルタの役割を行え、多孔質体１７で減圧を行えるため、詰まり防止と減圧の両方の効果を得ることができる。また、減圧装置１４の冷媒の通過できる内径断面積は油戻し管１３の内径断面積と比較し１０倍以上大きくしてフィルタによる目詰まり防止効果と減圧効果が十分得られる構造となっている。
【００１７】
したがって、たとえば、冷凍サイクル装置に使用する冷媒として地球温暖化などを発生させない地球環境にやさしい自然冷媒である二酸化炭素など高圧冷媒を使用しても、気孔径の小さな多孔質体１７を返油手段および減圧手段として使用しているので、キャピラリチューブでは実用上困難であった必要な減圧効果（減圧量、絞り量）を得ることができる。
【００１８】
次に動作について説明する。本実施の形態における冷凍空調サイクルにおいて、たとえば冷媒として使用される二酸化炭素は、まず圧縮機１により高温・高圧に圧縮され、高圧側熱交換器２にて内部エネルギを外界へ放出し、絞り装置３にて減圧され、低圧側熱交換器４より外界から内部エネルギを吸収し、再び圧縮機１へ戻ることで、低温側から高温側へ熱量を移動するヒートポンプを形成している。
【００１９】
ここで、本実施の形態では、圧縮機１の密閉容器６内は、吸入管９より供給される吸入冷媒ガスで満たされて低圧圧力となっている所謂低圧シェル方式タイプの圧縮機である。冷媒ガスは吸入管９より密閉容器６内に吸入された後、電動要素７により供給される動力で駆動する圧縮機構要素部８により圧縮され、吐出管１０より冷凍サイクル１００へ圧送される。密閉容器６の底部に封入された潤滑油１１は、軸受け部や圧縮機構要素８の潤滑およびシールとして供使され、一部は圧縮中の冷媒ガスに混在する。圧縮機１は低圧シェル方式であるため、圧縮された冷媒ガスは圧縮機構要素部から直接吐出管１０を通じて排出されるため、圧縮中に冷媒ガスに混在した潤滑油も、共に吐出管１０より冷凍サイクルへ排出される。
【００２０】
吐出ガスに混在する潤滑油は、オイルセパレータ１２にて分離される。分離された潤滑油は、オイルセパレータ１２と圧縮機吸入側配管を結ぶ油戻し管１３により、圧縮機吸入側配管へ供給され、吸入ガスと共に圧縮機１の密閉容器６内へ還元される。このとき、油戻し管１３の途中に、発泡金属からなる多孔質体１５を収納した減圧装置１４が設けられているため、発泡金属を通過するときの流路抵抗により、吐出ガスの吸入側へ流入量を抑制して性能低下を抑制している。
【００２１】
また、本実施の形態では、多孔質体１５を側面が閉塞された形で減圧装置１４のケーシング１６に収納しているので、冷媒の流れ方向に概ね均一の厚さを有するため、冷媒通過時の流路抵抗が略一定であるため、安定した減圧効果を得ることができ安定した運転が行え信頼性の高い冷凍サイクル装置を得ることができる。また、減圧装置１４の断面積は油戻し管１３の内径断面積より十分大きく（約１０倍程度以上）、また多孔質体１５の高圧側にはステンレス製のメッシュ１７が設けられているため、冷媒通過時の抵抗を一定水準に保ったまま、異物を捕捉することができる。
【００２２】
以上のように、冷媒として自然冷媒であるが高圧冷媒である二酸化炭素を使用しても、本実施の形態では、圧縮機１が密閉容器６内に吸入低圧ガスを満たす低圧シェル方式であるため、現在冷凍サイクルに使用されているＨＦＣ系冷媒などに比べ高圧冷媒であるたとえば二酸化炭素などを使用しても、密閉容器に要求される耐圧強度を低く抑えることが出来、容器厚さを薄くできコストの低減が図る効果を奏する。また、本実施の形態では、低圧シェル方式の圧縮機１を使用しているが、この場合、圧縮中に冷媒ガスに混在した潤滑油が吐出管より直接冷媒回路へ排出され、潤滑油の不足による圧縮機の故障などが懸念されるが、オイルセパレータ１２、およびオイルセパレータ１２と圧縮機１の吸入側配管を結ぶ油戻し管１３、減圧装置１４からなる油戻し回路を形成しているので、潤滑油を圧縮機１へ十分戻すことが出来、圧縮機１の信頼性を確保できる。
【００２３】
また、このとき、油戻し回路の減圧装置１４には発泡金属からなる多孔質体１５を使用しているため、冷媒ガスとして高圧冷媒である二酸化炭素を使用して運転中の高圧と低圧の圧力差が大きいアプリケーションの場合においても、油分離器１２の返油回路として吐出側から吸入側への冷媒ガスの流入量を必要な量に抑制するのに十分な流路抵抗を持つ減圧装置１４を得ることができ、キャピラリチューブを使用すれば長さが数メートル以上必要で実用上困難であった減圧量を得ることができ、また多孔質体１５を使用しているのでコンパクトに構成することが可能となり、冷凍空調サイクルを小型化でき、製造コストを抑制できる効果を奏する。
【００２４】
以上、低圧シェル方式の圧縮機について説明したが、圧縮機構要素８が多段圧縮であり、吸入圧と吐出圧の中間的な圧力の冷媒ガスにて密閉容器内を満たす所謂中間圧シェルタイプの圧縮機１を採用する冷凍空調サイクルにおいても、圧縮機１の密閉容器６に要求される耐圧強度は高圧シェル方式と比べ低く抑制できる効果があり、本実施の形態の油戻し回路を使用することにより、圧縮機１の密閉容器６からの潤滑油の流出を抑制しつつ、冷凍サイクル装置を小型化でき、製造コストを抑制できる効果を奏する。
【００２５】
また、減圧装置１４に用いられる多孔質体１５は発泡金属に限らず、焼結金属などでもよく、使用する冷媒や潤滑油との間で化学的な変成を生じない安定的な物質である限り、有機材料など非金属材料であっても上記と同等の効果を奏することも言を待たない。
【００２６】
実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２を表す冷凍サイクル装置の油戻し回路の減圧装置１４の断面図である。図において、実施の形態１、及び図１〜図３と同等部分は同一の符号を付して説明は省略する。本実施の形態では、実施の形態１で説明した多孔質体１５の代わりに多孔質体１５は図のように気孔径の異なる複数の部材１５ａ、１５ｂで構成されている。このように構成することで、多孔質体１５を冷媒ガスが通過しようとする際の抵抗を、冷凍サイクルの用途に応じて最適な値に調整することができ、複数の仕様の減圧装置を製造する場合にくらべて製造する際の製造コストの低減が図れる。
【００２７】
実施の形態３．
図５は、本発明の実施の形態２を表すオイルセパレータ１２の断面図である。実施の形態１や実施の形態２では、減圧装置１４はオイルセパレータ１２から圧縮機１の吸入側配管へ接続された油戻し管１３の途中に設けられていたが、本実施の形態では、減圧装置１４は、オイルセパレータ１２に一体に設けられている。図において、実施の形態１、２、及び図１〜図４と同等部分は同一の符号を付して説明は省略する。
【００２８】
オイルセパレータ１２の下端近傍に、実施の形態１や実施の形態２で説明した多孔質体１５やメッシュ１７が外径をケーシング１６で閉塞されて概略円柱形状をした減圧装置１４が配されている。そしてこの減圧装置１４の出口側には油戻し管１３を介して圧縮機１の吸入側に必要な量だけ減圧されて返油される。このように、オイルセパレータ１２と油戻し回路の減圧装置１４が一体化していてもよく、多孔質体１５の気孔径が小さいため、高圧冷媒であっても必要な減圧量を確保しつつ、返油が行え、実施の形態１や実施の形態２と同様の効果を奏する。
【００２９】
以上、実施の形態１〜実施の形態３で説明したように、この発明に係る冷凍空調サイクル装置は、圧縮機、高圧側熱交換器、絞り装置、低圧側熱交換器を冷媒配管で順次接続して冷凍サイクルを構成し、圧縮機密閉容器内に潤滑油を封入してなる冷凍空調サイクル装置において、圧縮機より吐出される冷媒に混合されている潤滑油を分離するオイルセパレータを圧縮機と高圧側熱交換器との間の吐出側配管に具備し、オイルセパレータにより分離された潤滑油を圧縮機と低圧側熱交換器との間の吸入側配管へ戻す油戻し回路と、油戻し回路中に冷媒流れ方向に連通する気孔を有する発泡金属等の多孔質体による減圧装置と、を備えたので、潤滑油の冷凍回路への流出を防止でき、圧縮機の故障を防止する効果を有する。
【００３０】
また、この発明の油戻し回路の減圧装置は、発泡金属等の多孔質体を使用した為、小形の減圧装置でも十分な減圧が可能となり、特に大きな減圧を要求される二酸化炭素等の高圧冷媒を使用した冷凍サイクルにおいて、製品の小形化が可能となり、製造コストを低減できる。また、多孔質体の上流側にメッシュを設けたので、異物を補足しつつ、必要な減圧量を得ることができるので、安定した運転ができ、また、信頼性の高い冷凍空調サイクル装置が得られる。また、地球環境にやさしい冷凍サイクル装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】この発明の実施の形態１を表す冷凍空調サイクル装置の冷媒回路図である。
【図２】この発明の実施の形態１を表す圧縮機断面図である。
【図３】この発明の実施の形態１を表す冷凍サイクル装置の減圧装置の断面図である。
【図４】この発明の実施の形態２を表す冷凍サイクル装置の油戻し回路の減圧装置の断面図である。
【図５】この発明の実施の形態３を表すオイルセパレータの断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  圧縮機、２  高圧側熱交換器、３  絞り装置、４  低圧側熱交換器、５  冷媒配管、６  密閉容器、７  電動要素、８  圧縮機構要素、９  吸入管、１０  吐出管、１１  潤滑油、１２  オイルセパレータ、１３  油戻し管、１４  減圧装置、１６  密閉容器（ケーシング）、１７  メッシュ、１００  冷凍サイクル。
【図１】
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【図２】
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【図３】
2005172318.tif 000005
【図４】
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【図５】
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