(57)【要約】【課題】  冷媒に含まれるオイルを分離するための冷媒用オイルセパレータにおいて、冷媒流量が変化した場合でもオイル分離性能を高いレベルに維持するのに有効な技術を提供する。【解決手段】  本発明に係るオイルセパレータ２０の冷媒流入部２２は、流入開口２２ａと冷媒流出部２３の流出開口２３ａとの間のオイル分離領域２４において流入開口２２ａからオイルセパレータ本体２１内に流入した冷媒に対して当該冷媒が前記オイルセパレータ本体２１の内壁面２１ｄに沿って旋回する旋回流を付与し、且つ冷媒流出部２３の流出開口２３ａよりも下方のオイル貯留領域２５に貯留されたオイルに対して旋回流を利用して当該オイルを旋回流と同方向に撹拌する撹拌流を付与するように構成されている。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒に含まれるオイルを分離するための冷媒用オイルセパレータであって、
鉛直方向に延在する円筒状のオイルセパレータ本体と、
オイルセパレータ外部から前記オイルセパレータ本体内に冷媒を流入させる流入開口を有する冷媒流入部と、
前記冷媒流入部の前記流入開口より低所に設けられ前記オイルセパレータ本体内で分離された後の冷媒をオイルセパレータ外部へと流出させる流出開口を有する冷媒流出部と、を備え、
前記冷媒流入部は、前記流入開口と前記冷媒流出部の前記流出開口との間のオイル分離領域において前記流入開口から前記オイルセパレータ本体内に流入した冷媒に対して当該冷媒が前記オイルセパレータ本体の内壁面に沿って旋回する旋回流を付与し、且つ前記冷媒流出部の前記流出開口よりも下方のオイル貯留領域に貯留されたオイルに対して前記旋回流を利用して当該オイルを前記旋回流と同方向に撹拌する撹拌流を付与するように構成されている、冷媒用オイルセパレータ。
【請求項２】
請求項１に記載の冷媒用オイルセパレータであって、
前記冷媒流入部は、前記オイルセパレータ本体の鉛直方向についての高さ寸法に対するオイルセパレータ下面から前記流入開口までの高さ寸法の寸法比が０．６〜０．８までの範囲に属する位置に配置されている、冷媒用オイルセパレータ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の冷媒用オイルセパレータであって、
冷媒コンプレッサーによって冷媒回路へと空調冷媒が吐出されるガスヒートポンプ式空調装置に設けられ、前記空調冷媒に含まれるコンプレッサー潤滑用のオイルを分離するように構成された、冷媒用オイルセパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒に含まれるオイルを分離するための冷媒用オイルセパレータの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、下記特許文献１には、この種のオイルセパレータの一例が開示されている。このオイルセパレータは、ヒートポンプ式空調装置において、コンプレッサーから吐出された空調冷媒が循環する冷媒回路上に設けられて空調冷媒に含まれるオイル（冷凍機油）を分離する機能を果たす。具体的に説明すると、このオイルセパレータは、円筒状の胴体の上下にそれぞれ上蓋及び下蓋が取付けられた円筒状の容器であり、入口管及び出口管が上蓋を鉛直方向に貫通して胴体の筒内に配置され、またオイル出口管が下蓋を鉛直方向に貫通している。また、このオイルセパレータでは、入口管を通じて胴体の筒内に流入した冷媒ガスが胴体の内壁面に沿って旋回するように入口管が配置構成されている。本構成によれば、冷媒ガスを旋回させて当該冷媒ガスが出口管の流出口に到達する時間を延ばすことによってオイルの分離性能を向上させるのに効果的である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２０２８９４号公報
【発明の概要】
【０００４】
（発明が解決しようとする課題）
ところで、特許文献１に開示のようなオイルセパレータにおいては、冷媒回路を流れる空調冷媒の冷媒流量が運転条件に応じて変化する。例えば、ヒートポンプ式空調装置の起動時と通常運転時では空調冷媒の冷媒流量が異なり、またヒートポンプ式空調装置の暖房運転時と冷房運転時では空調冷媒の冷媒流量が異なる。このような場合、空調冷媒の流量変化によって冷媒ガスの旋回流がオイルセパレータ内に滞留しているオイルの液面を乱す結果、出口管を通じて流出するオイルの量が増えてオイルの分離性能が低下するという問題が生じ得る。
【０００５】
そこで本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的の１つは、冷媒に含まれるオイルを分離するための冷媒用オイルセパレータにおいて、冷媒流量が変化した場合でもオイル分離性能を高いレベルに維持するのに有効な技術を提供することである。
【０００６】
（課題を解決するための手段）
上記目的を達成するため本発明に係る冷媒用オイルセパレータは、冷媒に含まれるオイルを分離するものであり、鉛直方向に延在する円筒状のオイルセパレータ本体と、冷媒流入部と、冷媒流出部と、を備える。冷媒流入部は、オイルセパレータ外部からオイルセパレータ本体内に冷媒を流入させる流入開口を有する。冷媒流出部は、冷媒流入部の流入開口より低所に設けられオイルセパレータ本体内で分離された後の冷媒をオイルセパレータ外部へと流出させる流出開口を有する。特に、冷媒流入部は、流入開口と冷媒流出部の流出開口との間のオイル分離領域において流入開口からオイルセパレータ本体内に流入した冷媒に対して当該冷媒がオイルセパレータ本体の内壁面に沿って旋回する旋回流を付与し、且つ冷媒流出部の流出開口よりも下方のオイル貯留領域に貯留されたオイルに対して旋回流を利用して当該オイルを旋回流と同方向に撹拌する撹拌流を付与するように構成されている。これにより、オイル貯留領域において撹拌されたオイルの撹拌中心部が冷媒流出部の流出開口から遠ざかるように凹んだ状態が形成される。その結果、オイル貯留領域のオイル液面を冷媒流出部の流出開口から遠ざけることによってオイルが流出開口から吸い込まれ難くなり、冷媒流量の変化にかかわらずオイルの分離性能を高いレベルに維持することができる。
【０００７】
上記の冷媒用オイルセパレータでは、冷媒流入部は、オイルセパレータ本体の鉛直方向についての高さ寸法Ａに対するオイルセパレータ下面から流入開口までの高さ寸法Ｂの寸法比Ｂ／Ａが０．６〜０．８までの範囲に属する位置に配置されるのが好ましい。これにより、オイルセパレータ本体の高さ寸法が変更された場合であっても、この寸法比に基づいて冷媒流入部の位置を鉛直方向について適宜に調整することによって、寸法比Ｂ／Ａを０．６〜０．８までの適正範囲に属するように流入開口の位置を簡便に設定することができる。一方で、寸法比Ｂ／Ａが０．６を下回ると冷媒に充分な旋回流を付与することができずに分離性能が低下し、また寸法比Ｂ／Ａが０．８を上回ると冷媒の旋回流の影響でオイル液面が乱れることによって分離性能が低下する。
【０００８】
上記の冷媒用オイルセパレータは、冷媒コンプレッサーによって冷媒回路へと空調冷媒が吐出されるガスヒートポンプ式空調装置に設けられ、空調冷媒に含まれるコンプレッサー潤滑用のオイルを分離するように構成されるのが好ましい。これにより、ガスヒートポンプ式空調装置に適用される冷媒用オイルセパレータにおいて、冷媒回路を循環する冷媒循環量（冷媒流量）の変化にかかわらず空調冷媒に含まれるオイルの分離性能を高いレベルに維持することができる。
【発明の効果】
【０００９】
以上のように、本発明によれば、冷媒に含まれるオイルを分離するための冷媒用オイルセパレータにおいて、冷媒流量が変化した場合でもオイル分離性能を高いレベルに維持することが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本実施の形態のガスヒートポンプ式空調装置１００の構成を模式的に示す図である。
【図２】図２は、図１中のオイルセパレータ２０の構成を模式的に示す図である。
【図３】図３は、図２中のオイルセパレータ２０のオイル分離領域２４の断面構造を模式的に示す図である。
【図４】図４は、テスト装置による実施例及び比較例１〜５のそれぞれのテスト結果のデータを示す図である。
【図５】図５は、寸法比（Ｂ／Ａ）［−］と分離効率Ｅ［％］との相関を示すグラフである。
【図６】図６は、図２中のオイルセパレータ２０においてオイル分離領域２４の旋回流Ｆａ及びオイル貯留領域２５の撹拌流Ｆｂのそれぞれの様子を模式的に示す図である。
【図７】冷媒流量［ｋｇ／ｈ］と分離効率Ｅ［％］との相関を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を参照しながら説明する。
【００１２】
図１に示されるように、本実施の形態のガスヒートポンプ式空調装置（ＧＨＰ）１００は、室外に配置される室外機１０と、室内に配置される室内機３０とを備えている。室外機１０の本体ケーシング１１には、ガスを燃料とするガスエンジン１２、コンプレッサー（圧縮機）１３、切換弁１７、熱交換器１８、膨張弁１９、オイルセパレータ２０等を含む複数の機械類が収容されている。コンプレッサー１３は、ガスエンジン１２を駆動源として空調冷媒を圧縮して冷媒回路（室外機のコンプレッサー吐出部から室内機を経由してコンプレッサー吸入部に戻る経路）へ吐出する機能を果たす。
【００１３】
オイルセパレータ２０は、コンプレッサー１３から吐出された空調冷媒に含まれているコンプレッサー潤滑用オイル（冷凍機油）を分離する機能を果たす。このオイルセパレータ２０が本発明の「冷媒用オイルセパレータ」に相当する。この目的のために、オイルセパレータ２０は、冷媒配管１４を介してコンプレッサー１３の吐出部に連通し、且つ冷媒配管１５を介して切換弁１７の入口部に連通している。これにより、冷媒回路を流れる空調冷媒は冷媒配管１４を通じてオイルセパレータ２０内に流入してオイル分離処理がなされ、オイルが分離された後の空調冷媒は冷媒配管１５を通じて冷媒回路へと流出する。また、このオイルセパレータ２０は、オイル配管１６を介してコンプレッサー１３の吸入部に連通している。これにより、オイル分離処理後のオイルはオイル配管１６を通じてコンプレッサー１３に戻る。ここでいうコンプレッサー１３が本発明の「冷媒コンプレッサー」に相当する。
【００１４】
暖房運転時において、コンプレッサー１３で吐出された空調冷媒は、オイルセパレータ２０でオイル分離処理され、暖房運転モードに設定された切換弁１７から室内機３０へと流れて暖房空調に利用された後に、膨張弁１９、熱交換器１８及び暖房運転モードに設定された切換弁１７を順次経由してコンプレッサー１３に戻る。一方で、冷房運転時において、コンプレッサー１３で吐出された空調冷媒は、オイルセパレータ２０でオイル分離処理され、冷房運転モードに設定された切換弁１７から熱交換器１８及び膨張弁１９を順次経由して室内機３０へと流れて冷房空調に利用された後に、冷房運転モードに設定された切換弁１７からコンプレッサー１３に戻る。かくして、室外機１０と室内機３０との間の冷媒回路において空調冷媒が循環される。
【００１５】
図２に示されるように、上記構成のオイルセパレータ２０は、金属材料によって構成されており、鉛直方向に延在する円筒状のオイルセパレータ本体２１と、冷媒流入部２２と、冷媒流出部２３と、金属製のオイル配管１６の一部を構成するオイル流出部２６と、を備えている。オイルセパレータ本体２１は、鉛直方向の筒軸ａを有する円筒部２１ａと、円筒部２１ａにその上側筒端を閉鎖するように取り付けられた上蓋部２１ｂと、円筒部２１ａにその下側筒端を閉鎖するように取り付けられた下蓋部２１ｃとによって構成されている。このオイルセパレータ本体２１が本発明の「オイルセパレータ本体」に相当する。
【００１６】
冷媒流入部２２は、金属製の冷媒配管１４の一部を構成している。冷媒流出部２３は、金属製の冷媒配管１５の一部を構成している。これら冷媒流入部２２及び冷媒流出部２３はいずれも、上蓋部２１ｂを貫通してオイルセパレータ本体２１の内部に導入されている。冷媒流入部２２の先端には、オイルセパレータ本体２１の内壁面２１ｄに向けて且つ内壁面２１ｄの周方向に沿って横方向に開口形成された流入開口２２ａが設けられている。このため、オイルセパレータ外部から冷媒流入部２２の流入開口２２ａを通じてオイルセパレータ本体２１内に流入した空調冷媒は、円筒部２１ａの断面円形の内壁面２１ｄに沿って旋回する旋回流を形成する。この冷媒流入部２２が本発明の「冷媒流入部」に相当する。冷媒流出部２３の先端には、冷媒流入部２２の流入開口２２ａよりも低所において下向きに開口形成された流出開口２３ａが設けられている。このため、オイルセパレータ本体２１内で分離された後の空調冷媒（冷媒ガス）は冷媒流出部２３の流出開口２３ａを通じてオイルセパレータ外部へと流出する。この冷媒流出部２３が本発明の「冷媒流出部」に相当する。
【００１７】
オイルセパレータ本体２１の内部空間は、空調冷媒を冷媒ガスとオイルとに分離するために使用されるオイル分離領域２４と、オイル分離領域２４よりも下方において分離後のオイルを一時的に貯留するために使用されるオイル貯留領域２５（オイル液面Ｌを形成する領域）とに区画される。要するに、このオイルセパレータ２０は、オイル分離を行うセパレータ機能に加えてオイルを貯留するオイルタンクとしての機能をも兼ね備えている。オイル分離領域２４は、鉛直方向について冷媒流入部２２の流入開口２２ａと冷媒流出部２３の流出開口２３ａとの間の領域として構成される。オイル貯留領域２５は、鉛直方向について冷媒流出部２３の流出開口２３ａとオイルセパレータ本体２１の底面２１ｅとの間の領域として構成される。
【００１８】
図３が参照されるように、オイルセパレータ外部から冷媒流入部２２の流入開口２２ａを通じてオイルセパレータ本体２１内に流入した空調冷媒は、円筒部２１ａの断面円形の内壁面２１ｄに沿って旋回する旋回流Ｆａを形成する。この旋回流Ｆａはオイルセパレータ本体２１の筒軸ａを旋回中心として形成される。オイル分離領域２４において空調冷媒（「冷媒ガス」ともいう）の旋回流Ｆａが形成されると、空調冷媒中のオイルは旋回しながら選択的に付勢されて内壁面２１ｄに付着する。一方で、空調冷媒中の冷媒ガスは冷媒流出部２３の流出開口２３ａに向けて旋回速度を高めながら流れる。その結果、空調冷媒からオイルの殆どが分離された冷媒ガスが得られ、且つ分離されたオイルがオイル貯留領域２５に貯留される。
【００１９】
ところで、上記の構成のオイルセパレータ２０では、冷媒回路を流れる空調冷媒の冷媒流量が運転条件に応じて変化する。即ち、起動時と通常運転時では空調冷媒の冷媒流量が異なり、また暖房運転時と冷房運転時では空調冷媒の冷媒流量が異なる。このような場合、空調冷媒の流量変化によって旋回流Ｆａがオイル貯留領域２５のオイル液面Ｌを乱す結果、冷媒流出部２３の流出開口２３ａを通じて流出するオイルの量が増えてオイルの分離性能が低下することが懸念される。そこで、本発明者は、オイルセパレータ２０の設計に際して、冷媒流量が変化した場合でもオイル分離性能を高いレベルに維持することが可能な構造上の特徴を見出すために、図１中のガスヒートポンプ式空調装置１００を模したテスト装置によるテストを実施した。
【００２０】
このテスト結果について図４〜図７を参照しつつ説明する。図４には、実施例及び比較例１〜５のそれぞれについてのデータとして、４箇所の寸法Ａ〜Ｄ［ｍｍ］、寸法比Ｂ／Ａ［−］及び分離効率Ｅ［％］が示されている。この場合、図１が参照されるように、寸法Ａは、鉛直方向についてオイルセパレータ本体２１のオイルセパレータ上面２１ｆからオイルセパレータ下面２１ｇまでの高さ寸法（オイルセパレータ本体２１の高さ寸法）である。寸法Ｂは、鉛直方向についてオイルセパレータ本体２１のオイルセパレータ下面２１ｇから冷媒流入部２２の流入開口２２ａまでの高さ寸法である。寸法Ｃは、鉛直方向についてオイルセパレータ本体２１のオイルセパレータ下面２１ｇから冷媒流出部２３の流出開口２３ａまでの高さ寸法である。寸法Ｄは、オイルセパレータ本体２１の内径寸法である。尚、寸法Ｃ及びＤについては、実施例及び比較例１〜５のいずれの場合も同寸法とした。特に、寸法Ｃを一定にする理由は、複数台の室外機１０を並列接続して使用する場合、所定の室外機１０の系統からオイルセパレータ２０に余分に流入したオイルが当該オイルセパレータ２０内に過剰に滞留して別のオイルセパレータ２０内にオイルが溜まらなくなる現象が発生するのを防止するために、当該オイルセパレータ２０の流出開口２３ａをオイル液面Ｌから離し過ぎないようにするためである。分離効率Ｅ［％］は、オイルの分離性能を示す１つのパラメータであり、（１−Ｅ１／Ｅ２）×１００なる式によって定義される。この場合、Ｅ１は、冷媒流出部２３を流れる分離処理後の冷媒ガスに含まれるオイルの比率であり、Ｅ２は、冷媒流入部２２を流れる空調冷媒に含まれるオイルの比率である。その他のテスト条件として、冷媒流量（冷媒循環量）を４００〜１６００［ｋｇ／ｈ］までの範囲に設定した。
【００２１】
上記のテスト結果によれば、図５に示されるように、冷媒流量が７００〜１０００［ｋｇ／ｈ］までの中間領域について、寸法比Ｂ／Ａと分離効率Ｅ［％］との相関が得られた。この相関について具体的に説明すると、寸法比Ｂ／Ａが大きくなるにしたがって分離効率Ｅ［％］が急激に上昇するものの、寸法比Ｂ／Ａが大きくなり過ぎると分離効率Ｅ［％］が徐々に低下していくことが確認された。
【００２２】
ところで、寸法比Ｂ／Ａは、冷媒流入部２２の流入開口２２ａがオイル液面Ｌに近づくにつれて小さくなり、冷媒流入部２２の流入開口２２ａがオイル液面Ｌから離れるにつれて大きくなる。この場合、流入開口２２ａがオイル液面Ｌに近づくと空調冷媒の旋回時間が短くなるため、流入開口２２ａをオイル液面Ｌに近づけ過ぎるとオイル分離を行うのに充分な旋回流Ｆａを形成させることができずに分離効率Ｅ［％］が低下する。一方で、流入開口２２ａがオイル液面Ｌから離れると空調冷媒の旋回流Ｆａの影響によってオイル液面Ｌが乱れ（波打ち）、オイルが冷媒流出部２３の流出開口２３ａから吸い込まれ易くなる。従って、流入開口２２ａをオイル液面Ｌから遠ざけ過ぎるとやはり分離効率Ｅ［％］が低下する。そこで、本発明は、寸法比Ｂ／Ａを適正な範囲に設定することによって、分離効率Ｅ［％］を高いレベルに維持することができることを見出すことに成功した。
【００２３】
図５に示されるグラフの相関に基づいた場合、寸法比Ｂ／Ａを０．６〜０．８までの適正範囲に設定するのが好ましい。これにより、冷媒流量が７００〜１０００［ｋｇ／ｈ］までの中間領域について、９４％を上回る高い分離効率Ｅ［％］を得ることが可能になる。このような寸法比Ｂ／Ａを用いた場合、図６が参照されるように、オイル分離領域２４に形成された空調冷媒の旋回流Ｆａを利用して、オイル貯留領域２５に貯留されているオイルに撹拌流Ｆｂを付与することができる。この撹拌流Ｆｂは、旋回流Ｆａと同様にオイルセパレータ本体２１の筒軸ａを撹拌中心とし、且つ旋回流Ｆａと同方向に形成される。この撹拌流Ｆｂは、オイルを旋回流Ｆａと同方向に規則的に撹拌するような流れである。従って、オイルに撹拌流Ｆｂが付与された状態は、旋回流Ｆａの影響によってオイル液面Ｌが不規則に乱れて波打つような状態とは根本的に相違するものである。
【００２４】
オイル貯留領域２５に貯留されているオイルに撹拌流Ｆｂが付与されると、オイル液面Ｌは二点鎖線で示される通常状態から、撹拌されたオイルの撹拌中心部が冷媒流出部２３の流出開口２３ａから遠ざかるように凹んだ状態（実線で示される状態）へと変化する。その結果、オイル貯留領域２５のオイル液面Ｌを冷媒流出部２３の流出開口２３ａから遠ざけることによってオイルが流出開口２３ａから吸い込まれ難くなり、冷媒流量の変化にかかわらず分離効率Ｅ［％］を高いレベルに維持することができる。これに対して、前述のように、寸法比Ｂ／Ａが０．６を下回るとオイル分離を行うのに充分な旋回流Ｆａを空調冷媒に付与することができずに分離効率Ｅ［％］が低下し、また寸法比Ｂ／Ａが０．８を上回ると空調冷媒の旋回流Ｆａの影響で貯留しているオイルのオイル液面Ｌが乱れることによって分離効率Ｅ［％］が低下する。
【００２５】
本実施の形態によれば、オイルセパレータ本体２１の高さ寸法である寸法Ａ［ｍｍ］が定まっている場合、冷媒流入部２２の位置を鉛直方向について適宜に調整することによって、寸法比Ｂ／Ａが０．６〜０．８までの適正範囲に属するように流入開口２２ａの位置を簡便に設定することができる。
【００２６】
更に、図７に示されるように、冷媒流量Ｑ（冷媒循環量）［ｋｇ／ｈ］と分離効率Ｅ［％］との関係について着目すると、例えば比較例１では冷媒流量が７００〜１０００［ｋｇ／ｈ］までの中間領域において分離効率Ｅ［％］が管理基準値を下回っていることが確認された。これに対して、実施例では、４００〜１６００［ｋｇ／ｈ］までの全流量範囲において分離効率Ｅ［％］が管理基準値を上回る安定的な分離状態を得ることが確認された。
【００２７】
以上のように、本実施の形態のオイルセパレータ２０によれば、ガスヒートポンプ式空調装置１００において、冷媒回路を循環する冷媒循環量（冷媒流量）の変化にかかわらず空調冷媒に含まれるオイルの分離性能を高いレベルに維持することができる。
【００２８】
本発明は、上記の典型的な実施形態のみに限定されるものではなく、種々の応用や変形が考えられる。例えば、上記実施の形態を応用した次の各形態を実施することもできる。
【００２９】
上記の実施形態では、寸法比Ｂ／Ａの好ましい設定値（管理基準値）の典型例として０．６〜０．８を上げたが、本発明では、オイル貯留領域に貯留されたオイルに対して冷媒の旋回流を利用してオイルを旋回流と同方向に撹拌する撹拌流を付与するような構造によって所望の分離効率を満足できる場合には、必要に応じて寸法比Ｂ／Ａの好ましい設定値（管理基準値）を適宜に変更することもできる。
【００３０】
上記の実施形態では、ガスヒートポンプ式空調装置１００のオイルセパレータ２０について記載したが、ガスヒートポンプ式空調装置１００以外の別の装置に適用される冷媒用オイルセパレータの構造に対して本発明を適用することもできる。
【符号の説明】
【００３１】
１０…室外機、１１…本体ケーシング、１２…ガスエンジン、１３…コンプレッサー、１４…冷媒配管、１５…冷媒配管、１６…オイル戻し配管、１７…切換弁、１８…熱交換器、１９…膨張弁、２０…オイルセパレータ、２１…オイルセパレータ本体、２１ａ…円筒部、２１ｂ…上蓋部、２１ｃ…下蓋部、２１ｄ…内壁面、２１ｅ…底面、２１ｆ…オイルセパレータ上面、２１ｇ…オイルセパレータ下面、２２…冷媒流入部、２２ａ…流入開口、２３…冷媒流出部、２３ａ…流出開口、２４…オイル分離領域、２５…オイル貯留領域、１００…ガスヒートポンプ式空調装置、Ｆａ…旋回流、Ｆｂ…撹拌流    
【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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【図７】
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