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JP2000055488A - 冷凍装置 - Google Patents

冷凍装置

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Publication number
JP2000055488A
JP2000055488A JP10221633A JP22163398A JP2000055488A JP 2000055488 A JP2000055488 A JP 2000055488A JP 10221633 A JP10221633 A JP 10221633A JP 22163398 A JP22163398 A JP 22163398A JP 2000055488 A JP2000055488 A JP 2000055488A
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JP
Japan
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refrigerant
compressor
carbon dioxide
pressure
lubricating oil
Prior art date
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Pending
Application number
JP10221633A
Other languages
English (en)
Inventor
Seiichi Yamamoto
清一 山本
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Sanden Corp
Original Assignee
Sanden Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Sanden Corp filed Critical Sanden Corp
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Priority to US09/358,855 priority patent/US6185955B1/en
Priority to EP99305836A priority patent/EP0978693B1/en
Priority to DE69923260T priority patent/DE69923260T2/de
Publication of JP2000055488A publication Critical patent/JP2000055488A/ja
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 フロン冷媒よりも比体積が小さな冷媒を用い
て配管や機器として内径の小さなものを使用する場合で
も、圧縮機用の潤滑油がこれら配管や機器の内面に付着
することによる圧力損失の問題を一掃できる冷凍装置を
提供する。 【解決手段】 圧縮機１から吐出された超臨界状態の二
酸化炭素から油分離器２において効果的に潤滑油を取り
除くことができるので、圧縮機１に潤滑油を用いる場合
でもこの潤滑油が油分離器２よりも下流側の配管及び放
熱器３，膨張手段４，蒸発器５等の機器の内面に付着す
るようなことはなく、この付着を原因とした圧力損失の
問題を確実に回避することができる。つまり、フロン冷
媒よりも比体積が小さな二酸化炭素を冷媒として用いる
ことにより、冷媒循環量を減らし且つ配管や機器として
内径の小さなものを使用する場合でも、これら配管や機
器の内面に潤滑油が付着することによる圧力損失の問題
を一掃することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、脱フロン対策とし
てフロン以外の流体を冷媒として用いた冷凍装置に関
し、特にフロン冷媒よりも比体積の小さな冷媒を用いた
冷凍装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】特公平７−１８６０２号公報には、冷媒
として二酸化炭素を用いた冷凍装置が開示されている。
この冷凍装置は、圧縮機で二酸化炭素をその臨界圧力以
上に圧縮し、この超臨界状態の二酸化炭素を放熱器で冷
却してから膨張手段で減圧して蒸発器で蒸発させ、この
ときの蒸発潜熱を空気等の外部流体から奪って所期の冷
却を行う。
【０００３】ちなみに、前記の「超臨界状態」とは、二
酸化炭素の温度及び圧力がその臨界点以上の状態、つま
り、二酸化炭素の密度が液密度とほぼ同じでありなが
ら、二酸化炭素分子が気相状態のように運動する状態を
言う。ちなみに、二酸化炭素の臨界温度は約３１℃で、
これに対応する臨界圧力は約７５．３Ｋｇ／ｃｍ2 であ
る。
【０００４】二酸化炭素の臨界温度は約３１℃で、従来
のフロン冷媒の臨界温度（例えば、Ｒ１２では１１２
℃）と比べてかなり低いため、夏場等の高温環境では前
記放熱器における二酸化炭素温度がその臨界温度よりも
高くなって放熱器における冷却が困難となるが、この問
題は放熱器出口側の圧力が高くなるように圧縮機の吐出
圧力を高くすれば解消できる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、二酸化炭素
の比体積ｖはフロン冷媒よりも小さいため、同じ圧縮機
（ピストン押し退け量ｑｖ，体積効率ηｖ）を使う場合
を想定すると、冷媒循環量Ｇ＝（ｑｖ・ηｖ）／ｖは二
酸化炭素のほうが格段大きくなる（Ｒ１２の約５．５
倍，Ｒ１３４ａの約７倍）。換言すれば、フロン冷媒よ
りも比体積の小さな二酸化炭素を冷媒として用いる場合
には、ピストン押し退け量、具体的にはシリンダー径や
ピストンストローク等が小さな圧縮機を用いてもフロン
冷媒と同等の冷凍能力を得ることができ、フロン冷媒を
用いる場合に比べて循環量も減らすことができる。ま
た、循環量が減ると当然ながら配管や放熱器，膨張手
段，蒸発器等の機器における圧力損失も小さくなるの
で、フロン冷媒を用いる場合に比べて内径の小さな配管
や機器を用いることが可能となる。
【０００６】一方、冷媒として二酸化炭素を用いる場合
でも、圧縮機におけるシリンダの摩擦面や軸受部の損傷
を防止することを目的として、潤滑油を二酸化炭素と一
緒に循環させ、回路を一巡した循環油を再び圧縮機に戻
す方法が採用される。
【０００７】しかし、先に述べたように、内径の小さな
配管や機器を用いると、圧縮機よりも下流側の配管や放
熱器，膨張手段，蒸発器等の機器の内面に潤滑油が付着
したときの圧力損失が大きくなってしまう。これを防止
するには内径の大きな配管や機器を用いればよいが、そ
うすると冷媒循環量を減らせるといった利点やピストン
押し退け量が小さな圧縮機を使用できるといった利点が
全く得られなくなる。
【０００８】また、二酸化炭素を冷媒として用いた前記
の冷凍装置では、高圧側が臨界圧力以上で低圧側もフロ
ン冷媒に比べて高くなるため、これら圧力に十分に耐え
得る肉厚が配管や機器に必要となる。つまり、前記のよ
うに内径の大きな配管や機器を用いると、配管外径や機
器の大きさが必然的に大きくなって装置重量の増加や装
置の大型化やスペース利用率の悪化等の問題を招来して
しまう。
【０００９】本発明は前記事情に鑑みて創作されたもの
で、その目的とするところは、フロン冷媒よりも比体積
が小さな冷媒を用いて配管や機器として内径の小さなも
のを使用する場合でも、圧縮機用の潤滑油がこれら配管
や機器の内面に付着することによる圧力損失の問題を一
掃できる冷凍装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明は、フロン冷媒よりも比体積が小さく、且つ
高圧側において臨界圧力以上の状態で使用される冷媒
と、該冷媒を臨界圧力以上に圧縮して吐出する圧縮機
と、該圧縮機用の潤滑油と、前記圧縮機から吐出された
臨界圧力以上の冷媒から潤滑油を取り除く油分離器と、
該油分離器から流出した臨界圧力以上の冷媒を冷却する
放熱器と、該放熱器から流出した臨界圧力以上の冷媒の
圧力を臨界圧力未満に減圧する膨張手段と、該膨張手段
から流出した臨界圧力未満の冷媒を蒸発させる蒸発器と
を備える、ことをその主たる特徴としている。
【００１１】この冷凍装置では、圧縮機で冷媒をその臨
界圧力以上に圧縮し、この臨界圧力以上の冷媒から油分
離器において潤滑油を取り除くことができ、そして、こ
の油分離器から流出した臨界圧力以上の冷媒を放熱器で
冷却してから膨張手段で臨界圧力未満に減圧し、これを
蒸発器で蒸発させてそのときの蒸発潜熱を空気等の外部
流体から奪って所期の冷却を行うことができる。また、
冷媒としてフロン冷媒よりも比体積が小さなものを用い
ているため、フロン冷媒を用いる場合に比べて冷媒循環
量が少なくて済み、このことから内径の小さな配管及び
放熱器，膨張手段，蒸発器等の機器を用いることができ
る。さらに、圧縮機から吐出された臨界圧力以上の冷媒
から油分離器において潤滑油を取り除くことができるの
で、フロン冷媒を用いる場合に比べて内径の小さな配管
及び機器を用いるに際しても、油分離器よりも下流側の
配管及び機器の内面に潤滑油が付着することを原因とし
た圧力損失の問題を回避することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】図１及び図２は本発明の一実施形
態を示すもので、図中の符号１は圧縮機、２は油分離
器、３は放熱器、４は膨張手段、５は蒸発器、Ｐ１〜Ｐ
４は各機器を接続する配管、Ｐ５は油戻し管である。
【００１３】図１に示した冷凍装置は、脱フロン対策と
して二酸化炭素を冷媒として用いたものであり、この二
酸化炭素は高圧側において臨界圧力以上の状態で使用さ
れる。ちなみに、この二酸化炭素の臨界温度は約３１℃
で、これに対応する臨界圧力は約７５．３Ｋｇ／ｃｍ2
である。
【００１４】圧縮機１の吐出口は配管Ｐ１を介して油分
離器２の入口２ｂ（図２参照）に接続され、油分離器２
の出口２ｃ（図２参照）は配管Ｐ２を介して放熱器３の
入口に接続され、放熱器３の出口は配管Ｐ３及び膨張手
段４を介して蒸発器５の入口に接続され、蒸発器５の出
口は配管Ｐ４を介して圧縮機１の吸入口に接続されてい
る。また、油分離器２の戻し口２ｄ（図２参照）は油戻
し管Ｐ５を介して圧縮機１に接続されている。
【００１５】圧縮機１にはシリンダの摩擦面や軸受部の
損傷を防止することを目的として潤滑油が用いられてい
る。この潤滑油には周知の潤滑油の中でも、後述する超
臨界状態の二酸化炭素によっても変質や炭化を生じぬも
のが選択的に使用される。
【００１６】油分離器２は、図２に示すように、鏡板等
を用いて形成された高耐圧性の密閉タンク２ａと、タン
ク２ａの上部側面に形成された入口２ｂと、タンク２ａ
の上端部に形成された出口２ｃと、タンク２ａの下端部
に形成された戻し口２ｄを備えている。入口２ｂには配
管Ｐ１の端部が挿入され、出口２ｃには配管Ｐ２の端部
が挿入され、戻し口２ｄには油戻し管Ｐ５の端部が挿入
されそれぞれ溶接されている。この油分離器２は圧縮機
１の吐出口に近い位置、具体的には、圧縮機１の吐出口
と放熱器３の入口までの距離の約１／４の位置に配置さ
れている。図示を省略したが、油分離器２及び油戻し管
Ｐ５には運転時において冷えないような配慮、例えば、
断熱材による保温や圧縮機１から伝熱による加温等が必
要に応じて施される。
【００１７】また、油分離器２の入口２ｂに取り付けら
れた配管Ｐ１の端部内面には、タンク２ａに向かって内
径が徐々に小さくなる絞り部Ｐ１ａが設けられている。
この絞り部Ｐ１ａはタンク２ａ内に流入する二酸化炭素
に減圧作用を生じさせる役目を果たす。また、出口２ｃ
に取り付けられた配管Ｐ２の端部には、筒状網材や細孔
を多数有する筒材等から成る油分離部材２ｅがその側面
が入口２ｂと向き合うように取り付けられている。
【００１８】先に述べたように、フロン冷媒よりも比体
積の小さな二酸化炭素を冷媒として用いることにより、
その循環量をフロン冷媒を用いる場合に比べて少なくで
きることから、換言すれば、少ない循環量で所期の冷凍
能力を得られることから、前記の配管Ｐ１〜Ｐ４と放熱
器３及び蒸発器５の内径はフロン冷媒を用いる場合に比
べて小さいものとなっている。理論的には、Ｒ１３４ａ
と同等の冷凍能力を得るに当たっては、冷媒として二酸
化炭素を用いる場合の前記配管及び機器の内径をＲ１３
４ａを用いる場合の内径の約１／４とすることが可能で
ある。
【００１９】以下に前述の冷凍装置の動作について説明
する。
【００２０】この冷凍装置は、冷媒であるところの二酸
化炭素を圧縮機１によってその臨界圧力以上に圧縮して
吐出させることにより運転される。先に述べたように夏
場等の高温環境において放熱器出口側においても二酸化
炭素が凝縮しないことを防止するため、この圧縮機１の
吐出圧力は、外気温度にもよるが、高圧側が二酸化炭素
の臨界圧力（約７５．３Ｋｇ／ｃｍ2 ）よりも高い１０
０Ｋｇ／ｃｍ2 〜１７０Ｋｇ／ｃｍ2 となるように予め
設定される。
【００２１】圧縮機１から吐出された臨界圧力以上の二
酸化炭素は配管Ｐ１を介して油分離器２のタンク２ａ内
に流入する。油分離器２の入口２ｂに取り付けられた配
管Ｐ１の端部内面に絞り部Ｐ１ａが設けられているた
め、超臨界状態の二酸化炭素はタンク２ａ内に流入する
際に数Ｋｇ〜数十Ｋｇ程度の減圧作用を受ける。ここで
の減圧はあくまでも二酸化炭素の臨界圧力よりも高いと
ころでの減圧であり、このようにすると潤滑油に対する
二酸化炭素の溶解度（重量分率）が低下して、潤滑油に
溶け込んでいる二酸化炭素が分離し易くなる。ちなみ
に、潤滑油に対する二酸化炭素の溶解度（重量分率）
は、（気相中の二酸化炭素）／（（潤滑油）＋（液相中
の二酸化炭素−気相中の二酸化炭素））の式で表すこと
ができ、７０℃の温度条件では圧力を１２ＭＰａから７
ＭＰａに落とすだけで二酸化炭素を潤滑油から簡単に分
離することができる。
【００２２】減圧作用を受けた後の超臨界状態の二酸化
炭素は基本的には油分離部材２ｅを通過するときに潤滑
油を分離される。このようにして二酸化炭素から取り除
かれた潤滑油はタンク２ａの底部に溜まり、一定量以上
になると図示省略のフロート弁が開放して、戻し口２ｄ
に取り付けられた油戻し管Ｐ５を通じて圧縮機１に直接
戻される。
【００２３】油分離器２から流出した超臨界状態の二酸
化炭素は配管Ｐ２を介して放熱器３に流入され、放熱器
３を通過する過程で冷却される。先に述べたように圧縮
機１の吐出圧力を高く設定することで放熱器３の出口側
圧力も高くなっているため、夏場等の高温環境において
放熱器３の温度が二酸化炭素の臨界温度よりも高くなっ
てもここでの冷却は効果的に実施され、放熱器出口側に
おいて二酸化炭素が凝縮しないような問題は生じ得な
い。
【００２４】放熱器３から流出した超臨界状態の二酸化
炭素は配管Ｐ３を介して膨張手段４に流入し、ここで臨
界圧力未満に減圧された後に蒸発器５に流入する。膨張
手段４としては周知の冷凍機用流量制御器が適宜使用で
きるが、好ましくは蒸発器５から流出する二酸化炭素の
過熱度を一定に保ちその流量を制御する感温式膨張弁が
使用される。臨界圧力未満に減圧された二酸化炭素はこ
の蒸発器５を通過する過程で蒸発し、そのときの蒸発潜
熱を空気等の外部流体から奪って所期の冷却が行われ
る。
【００２５】蒸発器５から流出した臨界圧力未満の二酸
化炭素は配管Ｐ３を介して圧縮機１に吸入され、再び臨
界圧力以上に圧縮される。
【００２６】このように、前述の冷凍装置によれば、圧
縮機１から吐出された超臨界状態の二酸化炭素から油分
離器２において効果的に潤滑油を取り除くことができる
ので、圧縮機１に潤滑油を用いる場合でもこの潤滑油が
油分離器２よりも下流側の配管及び放熱器３，膨張手段
４，蒸発器５等の機器の内面に付着するようなことはな
く、この付着を原因とした圧力損失の問題を確実に回避
することができる。
【００２７】つまり、フロン冷媒よりも比体積が小さな
二酸化炭素を冷媒として用いることにより、冷媒循環量
を減らし且つ配管や機器として内径の小さなものを使用
する場合でも、これら配管や機器の内面に潤滑油が付着
することによる圧力損失の問題を一掃することができ
る。これにより、配管や機器として内径の小さなものを
使用すること、ひいては放熱器３や蒸発器５等の機器の
小型化をも可能にして、装置重量の低減と装置の小型化
とスペース利用率の向上を的確に実現することができ
る。
【００２８】尚、前述の実施形態では、油分離器２と圧
縮機１とを油戻し管Ｐ５によって接続したものを示した
が、図３に示すように、油戻し管Ｐ５’を油分離器２と
圧縮機１の吸入配管Ｐ４との間に設けるようにしてもよ
い。
【００２９】また、前述の実施形態では、油分離器２の
入口２ｂに取り付けられた配管Ｐ１の端部内面に絞り部
Ｐ１ａを設けたものを示したが、同様の絞り部を油分離
器２側、例えば入口２ｂの内側部分等に設けるようにし
てもよい。勿論、タンク２ａの容積と配管Ｐ１の内径と
の関係から前記同様の減圧作用を得られる場合や減圧作
用無しでも油分離が満足いく範囲内で行える場合には、
前記のような絞り部は必ずしも設ける必要はない。
【００３０】さらに、前述の実施形態では、出口２ｃに
取り付けられた配管Ｐ２の端部に油分離部材２ｅを取り
付けたものを示したが、同様の油分離部材を入口２ｂに
取り付けられた配管Ｐ１の端部に取り付けるようにして
も前記同様の油分離を行うことは可能であり、要するに
油分離部材はタンク２ａ内に流入する二酸化炭素に接触
する位置であればタンク２ａ内の何れの位置に配置され
ていればよい。勿論、前記の減圧作用によって十分な油
分離が行える場合には油分離部材は必ずしも必要なもの
ではない。
【００３１】さらにまた、前述の実施形態では、油分離
器２を圧縮機１と別体に構成したものを示したが、該油
分離器またはこれと同等の機能を有する部分を圧縮機に
一体的に組み込むようにしてもよい。このようにすれば
冷凍装置をよりコンパクトなものとすることができる。
【００３２】さらにまた、前述の実施形態の装置の蒸発
器５と圧縮機１とを結ぶ管路Ｐ４の途中に、必要に応じ
て図４または図５に示すような気液分離器６，７を設け
ても良い。図５に示した気液分離器７は油戻し構造を有
するものであるが、前記の油分離器２において十分な油
分離を行える場合には図５に示した気液分離器７を用い
る必要は特にない。
【００３３】以上、冷媒として二酸化炭素（ＣＯ2 ）を
用いる場合の装置について説明したが、二酸化炭素の代
替流体としては、例えば、エチレン（Ｃ2Ｈ4）やディボ
ラン（Ｂ2Ｈ6）やエタン（Ｃ2Ｈ6）や酸化窒素（Ｎ
2Ｏ）等を用いることも可能である。
【００３４】また、本発明の冷凍装置は、住宅用空調装
置やビル用空調装置や車両用空調装置の冷凍機として利
用できる他、冷却商品を販売する自動販売機や冷蔵冷凍
ショーケースの冷凍機としても幅広く利用できる。
【００３５】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
フロン冷媒よりも比体積が小さな冷媒を用いて配管や機
器として内径の小さなものを使用する場合でも、これら
配管や機器の内面に潤滑油が付着することによる圧力損
失の問題を一掃することができ、これにより配管や機器
として内径の小さなものを使用すること、ひいては放熱
器や蒸発器等の機器の小型化をも可能にして、装置重量
の低減と装置の小型化とスペース利用率の向上を的確に
実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す冷凍装置の回路図
【図２】図１に示した油分離器の縦断面図
【図３】本発明の他の実施形態を示す冷凍装置の回路図
【図４】本発明の他の実施形態を示す冷凍装置の回路図
【図５】本発明の他の実施形態を示す冷凍装置の回路図
【符号の説明】
１…圧縮機、２…油分離器、３…放熱器、４…膨張手
段、５…蒸発器、Ｐ１〜Ｐ４…配管、Ｐ１ａ…絞り部、
Ｐ５，Ｐ５’…油戻し管。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 フロン冷媒よりも比体積が小さく、且つ
    高圧側において臨界圧力以上の状態で使用される冷媒
    と、 該冷媒を臨界圧力以上に圧縮して吐出する圧縮機と、 該圧縮機用の潤滑油と、 前記圧縮機から吐出された臨界圧力以上の冷媒から潤滑
    油を取り除く油分離器と、 該油分離器から流出した臨界圧力以上の冷媒を冷却する
    放熱器と、 該放熱器から流出した臨界圧力以上の冷媒の圧力を臨界
    圧力未満に減圧する膨張手段と、 該膨張手段から流出した臨界圧力未満の冷媒を蒸発させ
    る蒸発器とを備える、 ことを特徴とする冷凍装置。
  2. 【請求項２】 前記油分離器はその入口部分に絞り部を
    有する、 ことを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
  3. 【請求項３】 前記油分離器は、取り除いた潤滑油を圧
    縮機または圧縮機の吸入配管に戻す管路を有する、 ことを特徴とする請求項１または２に記載の冷凍装置。
  4. 【請求項４】 前記油分離器は、前記圧縮機に一体的に
    組み込まれている、 ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の
    冷凍装置。
  5. 【請求項５】 前記冷媒は二酸化炭素である、 ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の
    冷凍装置。
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