(57)【要約】【課題】分離効率を向上させたオイルセパレータを提供する。【解決手段】圧縮機用オイルセパレータにおいて、内周分離筒の外周面にはオイル流出空間が設けられ、さらに、前記内周分離筒には、前記オイル流出空間に連通する複数の連通孔が設けられており、前記円筒状空間部内壁の接線方向に設置された流入口から、オイルの混入された冷媒を流入させて、前記円筒状空間部内壁及び前記内周分離筒に沿って旋回させ、遠心力で前記内周分離筒に付着したオイルを、前記連通孔から前記オイル流出空間に流出させることを特徴とする。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部に冷媒を吐出する上部開口部（１９ａ）、及び、円筒状空間部（２０）を有する分離筒（１７）と、前記上部開口部（１９ａ）に連結されるとともに前記円筒状空間部（２０）に配置された分離パイプ（１９ｂ）と、円筒状空間部内壁（１７’）に連続して形成された内周分離筒（１９ｃ）とを具備する圧縮機用オイルセパレータであって、
前記内周分離筒（１９ｃ）の外周面にはオイル流出空間（２２）が設けられ、さらに、前記内周分離筒（１９ｃ）には、前記オイル流出空間（２２）に連通する複数の連通孔（７）が設けられており、
前記円筒状空間部内壁（１７’）の接線方向に設置された流入口（２３）から、オイルの混入された冷媒を流入させて、前記円筒状空間部内壁（１７’）及び前記内周分離筒（１９ｃ）に沿って旋回させ、遠心力で前記内周分離筒（１９ｃ）に付着したオイルを、前記連通孔（７）から前記オイル流出空間（２２）に流出させるとともに、オイルの分離された冷媒が前記分離パイプ（１９ｂ）内を通って前記上部開口部（１９ａ）から外部に吐出させた圧縮機用オイルセパレータ。
【請求項２】
少なくとも、前記分離パイプ（１９ｂ）の下端部に対応する内周分離筒（１９ｃ）の部位より前記流入口（２３）側に、前記連通孔（７）が複数設けられていることを特徴とする請求項１に記載の圧縮機用オイルセパレータ。
【請求項３】
複数設けられた前記連通孔（７）の総面積が、前記流入口（２３）の通路断面積より小さいことを特徴とする請求項２に記載の圧縮機用オイルセパレータ。
【請求項４】
複数設けられた前記連通孔（７）の総面積が、前記分離パイプ（１９ｂ）と前記内周分離筒（１９ｃ）との間の環状空間（２１）の通路断面積に対して、面積割合で０より大きく、０．３５より小さいことを特徴とする請求項３に記載の圧縮機用オイルセパレータ。
【請求項５】
請求項１から４に記載の圧縮機用オイルセパレータを具備する圧縮機。
【請求項６】
ＣＯ２冷媒を使用することを特徴とする請求項５に記載の圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮機用のオイルセパレータに関するものでありＣＯ２冷媒用の圧縮機が搭載されたヒートポンプシステムなどに用いて有効である。
【背景技術】
【０００２】
冷凍サイクルで使用される圧縮機は、冷媒ガスにオイルを混入して圧縮機の潤滑を行っているが、この潤滑用オイルの一部は冷媒ガスとともに冷凍サイクルに吐出されてしまう。この冷凍サイクルに吐出される潤滑用オイルが多ければ多いほど、冷凍サイクルのシステム効率（ＣＯＰ、又は、成績係数ともいう）は低下する。そこで、冷凍サイクル中へのオイルの吐出を抑制するため、特許文献１に見られるように、圧縮機の吐出側に冷媒ガスから潤滑用オイルを分離する遠心分離式オイルセパレータを設けることが知られている。
【０００３】
近年、環境問題を考慮して冷媒としてＣＯ２（二酸化炭素）が使用されるようになってきている。ところが、このＣＯ２冷媒は従来の１３４ａ冷媒などと比較してオイルとの密度差が小さいため、従来のオイルセパレータでは遠心分離が充分に行われずオイル分離効率が低下する。このため、冷凍サイクル中のオイルレートが増加し、ガスクーラや蒸発器での熱交換性能が損なわれＣＯＰが低下するという問題があった。ＣＯ２冷媒サイクル固有の特徴として、従来冷媒に比して、オイルレートの低い環境下での熱交換器効率の上昇が大きく、更なる分離効率向上によるオイルレート低減が求められてきている。
【０００４】
特許文献１の遠心分離式オイルセパレータ１０１は、次のような冷媒圧縮機に取り付けられたものである。図１は、特許文献１のオイルセパレータを備えた冷媒圧縮機の断面図である。この冷媒圧縮機は、スクロール型圧縮機であって、密閉容器５３内に電動機部５５と圧縮機構部５７とを収容し、外部の冷媒回路からの冷媒を圧縮するとともに、その一端側に一体に取付けられたオイルセパレータ１０１によって圧縮された冷媒からオイルを分離して、冷媒を外部の冷媒回路へ送り出す一方で、分離したオイルを圧縮機構部等の可動部へ戻すように構成されている。
【０００５】
冷媒圧縮機の密閉容器５３は円筒状の第１ハウジング５９と、第２ハウジング６１と、第３ハウジング６３とから形成されている。この密閉容器５３は、その中の圧力が冷媒の吐出圧力よりも低い所謂内部低圧式容器を形成している。圧縮機構部５７は、主軸受６５によって支持されたクランク機構６７により公転する可動スクロール６９と、可動スクロール６９に対向配置された固定スクロール７１とを具備しており、クランク機構６７及び可動スクロール６９は、主軸受６５と副軸受７３によって水平に支持された電動機部５５のシャフト７５によって回転される。
【０００６】
固定スクロール７１と可動スクロール６９は渦巻状の溝をそれぞれ有しており、この溝の噛み合いによって形成される複数の作動室７７が体積を縮小することによって固定スクロール７１の渦巻状の溝の最外周側に連通する吸入室に供給された冷媒を圧縮するように構成されている。圧縮機構部５７の作動室７７には吐出口７９を介して吐出室８１が連通しており、この吐出室８１にオイルセパレータ１０１の吸入管２５の一端が接続されている。そして、この吸入管２５の他端が、オイルセパレータ１０１の分離部１３に設けられた冷媒流入口２３に接続されている。分離部１３は、有底筒状の分離筒１７を有している。この分離筒１７の上部開口には冷媒吐出部１９が設けられている。この冷媒吐出部１９は、分離筒１７の上部開口に嵌合する大径部（上部開口部）１９ａとこの大径部１９ａの下部に形成された小径の円筒である分離パイプ１９ｂとを有している。
【０００７】
固定スクロール７１の下側にはオイル戻し通路８３が形成され、このオイル戻し通路８３の一端には送油管３３が接続されている。このオイル戻し通路８３の他端は、固定スクロール７１と可動スクロール６９との摺動界面に通じており、さらにそこから潤滑の必要な他の可動部分に至る複数のオイルの通路が形成されている。また、送油管３３の一端は貯油部８５の底部に設けられた送油口８７に接続されている。貯油部８５の貯油容器８９は、第３ハウジング６３と第４ハウジング９１とから形成されている。
【０００８】
圧縮機構部５７に隣接する吐出室８１から流入管２５を通して供給された冷媒を、分離部１３の環状空間２１で旋回させてオイル１を分離し、冷媒を冷媒吐出部１９から外部の冷媒回路に送り出す一方で、オイル１を、分離筒１７の底壁部１７ａに設けられた連通穴１７ｂから、貯油室９３に流下させる。貯油室９３に貯留したオイルは送油口８７から送油管３３を通してオイル戻し通路８３に戻され、固定及び回転スクロールの摺動面等の摺動部に供給される。
【０００９】
特許文献１のような従来の遠心分離筒方式には、次のような問題点が発生する。
図２（ａ）は、従来の遠心分離筒方式の正面断面図であり、（ｂ）は、Ａ−Ａ線に関する横断面図であり、（ｃ）は、従来の遠心分離筒方式において、オイル１の壁面付着を説明する説明図である。図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、分離筒１７に対しオフセットされた流入口２３より流入するオイル１と冷媒は、旋回流となり密度の高いオイル１は遠心力により分離筒内壁１７’へ付着しつつ旋回しながら下方へ落下し、密度の軽い冷媒が分離パイプ内径へターンしオイルと冷媒が分離される構成となる。
【００１０】
図３は、図２（ａ）の従来の遠心分離筒方式の流れの状態を解析した説明図である。三角形の大きさは流速を表し、矢印方向が流れの方向を表わしている。このシミュレーションに見られるように、分離パイプ１９ａの下端部近傍の、分離筒内壁１７’における領域（以下、分離パイプ下端部領域Ｋ）においては強いターン流が発生しており、分離パイプ下端部領域Ｋの壁面に存在するオイルが、ターン流に巻きこまれることとなる（分離筒内壁１７’に付着したオイルの巻上げが発生）。このため、分離効率がある程度以上になると、いくら遠心分離しても、壁面に存在するオイル１がターン流に巻きこまれて、それ以上には分離効率が向上しないという問題が発生する。すなわち、図２（ｃ）に見られるように、分離パイプ下端部領域Ｋの壁面に存在するオイル量に、分離効率が左右されているのである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００９−９２０６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上記問題に鑑みて、分離パイプと分離筒間のオイル量を減らすことが分離効率向上につながることを着想し、本発明は、分離筒を二重構造にしたオイルセパレータを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、外部に冷媒を吐出する上部開口部（１９ａ）、及び、円筒状空間部（２０）を有する分離筒（１７）と、前記上部開口部（１９ａ）に連結されるとともに前記円筒状空間部（２０）に配置された分離パイプ（１９ｂ）と、円筒状空間部内壁（１７’）に連続して形成された内周分離筒（１９ｃ）とを具備する圧縮機用オイルセパレータであって、前記内周分離筒（１９ｃ）の外周面にはオイル流出空間（２２）が設けられ、さらに、前記内周分離筒（１９ｃ）には、前記オイル流出空間（２２）に連通する複数の連通孔（７）が設けられており、前記円筒状空間部内壁（１７’）の接線方向に設置された流入口（２３）から、オイルの混入された冷媒を流入させて、前記円筒状空間部内壁（１７’）及び前記内周分離筒（１９ｃ）に沿って旋回させ、遠心力で前記内周分離筒（１９ｃ）に付着したオイルを、前記連通孔（７）から前記オイル流出空間（２２）に流出させるとともに、オイルの分離された冷媒が前記分離パイプ（１９ｂ）内を通って前記上部開口部（１９ａ）から外部に吐出させた圧縮機用オイルセパレータである。
【００１４】
これにより、内周分離筒に設けられた連通孔により、内周分離筒の内壁に付着したオイルをオイル流出空間へ流出させることができる。そして、内周分離筒の内壁に付着したオイルが、ターン流に巻きこまれて外部に放出されるオイル流出量を減ずることができ、分離効率を著しく向上させることができる。
【００１５】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、少なくとも、前記分離パイプ（１９ｂ）の下端部に対応する内周分離筒（１９ｃ）の部位より前記流入口（２３）側に、前記連通孔（７）が複数設けられていることを特徴とする。これにより、内周分離筒の内壁に付着したオイルを効率よく、オイル流出空間に流出させることができる。
【００１６】
請求項３の発明は、請求項２の発明において、複数設けられた前記連通孔（７）の総面積が、前記流入口（２３）の通路断面積より小さいことを特徴とする。これにより、冷媒ガスが、オイル流出空間に吐出して、内周分離筒の内壁に付着したオイルの流出を妨げないようにすることができる。
【００１７】
請求項４の発明は、請求項３の発明において、複数設けられた前記連通孔（７）の総面積が、前記分離パイプ（１９ｂ）と前記内周分離筒（１９ｃ）との間の環状空間（２１）の通路断面積（流下方向断面）に対して、面積割合で０より大きく、０．３５より小さいことを特徴とする。これにより、冷媒ガスがオイル流出空間に多く流入することなく、オイルのみを流入させることができる。
【００１８】
請求項５の発明は、請求項１から４のいずれか１項記載の発明の圧縮機用オイルセパレータを具備する圧縮機である。請求項１と同様の効果が生じる。
【００１９】
請求項６の発明は、請求項５に記載の圧縮機において、ＣＯ2冷媒を使用することを特徴とする。ＣＯ２冷媒を使用した圧縮機において、オイルセパレータで遠心分離を充分に行うことができ、オイル分離効率を向上させることができる。
【００２０】
なお、上記に付した符号は、後述する実施形態に記載の具体的実施態様との対応関係を示す一例である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】特許文献１のオイルセパレータを備えた冷媒圧縮機の断面図である。
【図２】（ａ）は、従来の遠心分離筒方式の正面断面図であり、（ｂ）は、Ａ−Ａ線に関する横断面図であり、（ｃ）は、従来の遠心分離筒方式において、オイルの壁面付着を説明する説明図である。
【図３】図２（ａ）の従来の遠心分離筒方式の流れの状態を解析した説明図である。
【図４】（ａ）は、本発明の一実施形態のオイルセパレータを示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ線に関する横断面図であり、（ｃ）は、内周分離筒１９ｃの斜視図である。
【図５】連通孔７の環状空間２１に対する連通孔の面積割合と分離効率との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を説明する。各実施態様について、同一構成の部分には、同一の符号を付してその説明を省略する。従来技術に対する各実施態様の同一構成の部分には、同様に同一の符号を付してその説明を省略する。
【００２３】
本発明の一実施形態のオイルセパレータも、特許文献１と同様の冷媒圧縮機に取り付けられたものである。本発明の一実施形態のオイルセパレータは、特許文献１の冷媒圧縮機に適用を限定されるものではなく、スクロール型圧縮機のみならず、その他の形式の圧縮機（ローリングピストン型、スライドベーン型、往復動型）のオイルセパレータに広く適用しても良い。本発明の一実施形態のオイルセパレータは、横型に限らず縦型の配置の圧縮機であっても良い。貯油部８５は、密閉容器５３の内部に限らず、外部に設置したタイプに適用しても良い。なお、本発明の一実施形態のオイルセパレータは、ＣＯ２冷媒を用いた圧縮機に適用されるオイルセパレータにおいて、分離効率の向上が著しいが、それ以外の冷媒を使用した場合にあっても、分離効率が向上する。
【００２４】
以下、本発明の一実施形態のオイルセパレータが、特許文献１と同様の冷媒圧縮機に取り付けられたものとして、説明する。
図４（ａ）は、本発明の一実施形態のオイルセパレータを示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ線に関する横断面図であり、（ｃ）は、内周分離筒１９ｃの斜視図である。
【００２５】
分離筒１７は、外部に冷媒を吐出する上部開口部１９ａと、円筒状空間部２０とから構成されている。分離筒１７の、上部開口部１９ａと円筒状空間部２０とを区画する仕切り部１７’’には、分離パイプ１９ｂの上端が嵌合して固定されており、分離パイプ１９ｂの下端側が、図４（ａ）に示すように、円筒状空間部２０内に突出するように設置されている。円筒状空間部２０の中心軸と、分離パイプ１９ｂの中心軸は一致している。なお、上部開口部１９ａと分離パイプ１９ｂは、図１のように縮径管で構成しても良い。
円筒状空間部内壁１７’に連続して内周分離筒１９ｃが設置され、内周分離筒１９ｃの外周面にはオイル流出空間２２が設けられている。分離パイプ１９ｂの外周面と、円筒状空間部内壁１７’及び内周分離筒１９ｃとの間には、環状空間２１が形成されている。
【００２６】
圧縮機構部５７の吐出口７９から圧縮されて高圧になった冷媒が、吸入管２５を介して、流入口２３から、分離筒１７の円筒状空間部２０に流入する。分離筒１７に対しオフセットされた流入口２３より流入するオイル１と冷媒は、環状空間２１で旋回して旋回流となり密度の高いオイル１は遠心力により円筒状空間部内壁１７’へ付着しつつ旋回しながら下方へ落下し、密度の軽い冷媒が分離パイプ１９ｂの内径へターンしオイルと冷媒が分離される。オイル１の分離された冷媒は、分離パイプ１９ｂ内を通って、上部開口部１９ａから、外部の冷媒回路に送り出される。
【００２７】
分離筒１７は、従来の遠心分離筒方式とは、次の点で構造上相違している。
円筒状空間部内壁１７’に連続して、内周分離筒１９ｃが設置されており、内周分離筒１９ｃの背後には、円筒状のオイル流出空間２２が設けられている。内周分離筒１９ｃには、分離パイプ下端部領域Ｋにおいて、連通孔７が複数個設けられている。図４（ａ）に示すように、一例として、分離パイプ１９ｂの下端より上側に９０°間隔４方向の穴を２列、分離パイプ下端よりやや下側に１列を配した。
【００２８】
連通孔７の大きさ、数については、孔が大きく、数が多ければオイルのみならず、冷媒ガスも流入するため、少なくとも、分離パイプ１９ｂの下端より上側における連通孔７総面積は、流入口通路面積Ｓ以下とするとよい。これにより、冷媒ガスがオイル流出空間２２に余り多く流入しないようにすることができる。連通孔７は孔としたが、スリットのような形状でも良く、孔、スリットの配置は千鳥状としても良い。少なくとも、分離パイプ１９ｂの下端部に対応する内周分離筒１９ｃの部位より流入口２３側に、連通孔７が複数設けられている。
さらに、連通孔７の総面積と分離効率との関係を実験的調査から、連通孔７の総面積が環状空間２１の軸方向下向きの流路断面積に対して、面積割合で０より大きく、０．３５より小さい場合に分離効率が向上され、面積割合でおよそ０．２程度で最も効果が大きい（図５参照）。この範囲内であれば、冷媒ガスがオイル流出空間２２に多く流入することなく、オイルのみを流入させることができるために効果が得られる。
【００２９】
本発明の一実施形態のオイルセパレータによる分離は次のようにして行われる。
流入口２３より、流入する冷媒とオイルは、分離パイプ１９ｂと内周分離筒１９ｃの間の環状空間２１を旋回し、オイルは内周分離筒１９ｃの内壁へ遠心力により付着する。すると、内周分離筒１９ｃに設けられた連通孔７より、遠心力の作用により外側のオイル流出空間２２へオイルは流出する。旋回流が流入口２３から分離パイプ下端領域Ｋへ到達する時点では、連通孔７による流出作用により、内周分離筒１９ｃの壁面に付着したオイル量は、連通孔７が無い場合に比べて減少する。連通孔７による流出作用は、旋回流の遠心力による作用によって助長されている。
したがって、内周分離筒１９ｃの内壁に付着したオイルが、ターン流に巻きこまれ、分離パイプ１９ｂ内を通って、上部開口部１９ａから外部に吐出するオイル流出量を減ずることができ、分離効率を著しく向上させることができる。
【００３０】
その後、オイル流出空間２２から円筒状空間部２０の底部１７ａに向けて落下し、底部１７ａに滞留した後、導出口１７ｂから貯油部９３に流下する。
なお、分離パイプを省略し簡素化を図った遠心分離式オイルセパレータも公知であるが、その場合でも本発明の概念は当然適用可能であり、適切な位置（ターン流が発生する位置の少なくとも上流）連通穴を設置すれば、同様の効果が得られることは同様である。
【符号の説明】
【００３１】
７    連通孔
１７’    円筒状空間部内壁
１９ａ    上部開口部
１９ｂ    分離パイプ
１９ｃ    内周分離筒
２０    円筒状空間部
２１    環状空間
２２    オイル流出空間
２３    流入口
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図３】
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