JP4044094B2 - スクリュー圧縮冷凍機のためのオイル回収及び潤滑システム - Google Patents

Description

この発明は、冷媒圧縮機のための効率的かつ効果的な、オイル回収及び高粘性オイルを確保する方法に関する。

従来技術にあっては、冷媒サイクルは典型的に圧縮した冷媒を凝縮器に送給する圧縮機を有する。凝縮器から冷媒は膨張バルブに至り、その後蒸発器に至る。蒸発器から冷媒は圧縮されるために圧縮機に還流する。

圧縮機は典型的にオイルのような潤滑油を有し、その潤滑油は軸受けその他の運動部位を潤滑することに用いられる。オイルは冷媒と混合するので、圧縮機から出る冷媒は大量のオイルを含んでいる。このことは、閉鎖冷媒システムでは、圧縮機表面を潤滑するのに充分な潤滑油の供給を維持することができないので、多少問題である。過去においては、圧縮機の下流側にオイル分離器を用いて来た。一方、オイル分離器は、オイルを分離するとは云え、常に満足すべき結果が得られるわけではない。例えば、分離機から除去されたオイルは高圧であり、かなりの量の冷媒をなお含んでいる。このことはオイルの粘性を低下させる。分離器の使用は圧縮された冷媒の圧力低下をもたらし、これまた望ましいことではない。

更に、オイルから液状冷媒を蒸発させるために電熱器が用いられてきたが、これは燃費を要して別の意味で望ましいことではない。

いくつかの試みでは、混合した潤滑油とオイルを、濃縮機又は気化器に晒してオイルから液状冷媒を沸騰させるようにしている。この方法において、凝縮器から出た液状冷媒の一部が、濃縮機を通過し、液状冷媒とオイルの混合物と熱交換される。凝縮器からの冷媒は液状冷媒を蒸発させようとして、液状冷媒とオイルの結合した混合物を沸騰させる。

この方法は、殆どの部分が液体である凝縮器から分流した冷媒に依存しているために、それほど効果的ではない。濃縮機に生じる冷却はしたがって顕熱冷却である（相変化のない冷却）。したがって、暖かい冷媒とオイルの混合物の温度は、凝縮器から分流された冷たい冷媒の温度に近くなる。このことは、熱交換器に対しより低い平均温度を招来して、冷媒とオイルの混合物の沸騰をより一層非効果的にする。

本発明の開示された実施例において、圧縮されたガス状の冷媒は凝縮器の好ましくは上流で分流されてオイル再生気化器へ送られる。好ましくは、本発明はスクリュー圧縮機に包含される。この冷媒は従来例よりもより高い温度であり、したがって、液状冷媒とオイルの混合物から効率的に冷媒を沸騰分離させることができる。また、冷媒は一般的にガス状であるので、冷媒とオイルの混合物と熱源間の大きな平均的温度差を提供するために、凝縮の潜熱を利用することができる。言い換えると、圧縮されたガスは気化器で凝縮されてガスから液体になる。熱を取り出すために低温に冷却するのではなく、殆ど一定の温度で凝縮する。好ましくは、オリフィスその他の流量制御器を、分流された冷媒のために気化器の下流側の流路に設ける。オリフィスは分流された冷媒が気化器を流れるときに殆ど一定の圧力をもたらし、分流された冷媒熱源とオイルと冷媒の混合物との間で、より高い平均温度差をもたらす。したがって、この方法はより効果的に冷媒を沸騰させる。分流され圧縮されたガスの潜熱の容量は、従来例における液状の冷媒の顕熱冷却によるものよりも、そのオーダが１桁ないし２桁高いものとなる。凝縮に関連する熱交換効率は顕熱冷却（相変化なし）のそれよりも相当に高いものである。したがって、本発明は混合物から過剰の冷媒を沸騰させるのに最も効果的なものである。この態様に関して、分流された冷媒は、ガスの割合が可能な限り高いのが好ましいが、常にいくらかの液体が加わっていてもよい、ということを理解すべきである。従って、本出願で、分流され圧縮されたガスというときは、分流された冷媒は全体的にガスである必要はないというように理解すべきではない。

一つの好ましい実施例にあっては、冷媒は凝縮器の下流側で直ちに分流する。第２の実施例にあっては、冷媒は最後の圧縮機チャンバーの一つ又はスクリュー圧縮機の閉鎖された突起部内で分流する。

少なくとも幾つかの可能な実施例にあっては、冷媒がまだ圧縮圧にあり、かつ、ガスを高い割合で含む凝縮器の点から取り出すのであれば、凝縮器から取り出すことができる。これらの実施例のいずれにおいても、気化器において分流された冷媒は冷媒とオイルの混合物から物理的に分離される。

冷媒の一部を更に沸騰させる熱を供給するために、圧縮機の軸受けに供給したオイルが圧縮機内で加熱され、冷媒を更に沸騰させるために直接に油溜めへ返す。軸受けに入る前に、このオイルはオリフィスを通り、そこで圧力が低下する。このプロセスはオイルが混入した液状冷媒の一部を急に蒸発状態にし、軸受けに供給されたオイルの粘性をさらに向上させる。このオイルは軸受けを冷ますにつれて加熱され、その加熱されたオイルは冷媒を更に沸騰させるのに用いる。オイルは油溜めから取られて圧縮表面を潤滑するために圧縮機に還流する。

上記した基本的な方法によれば、分離されたオイルは蒸発器に比べて低圧であるので、従来例よりも優れている。低圧のオイルと冷媒の混合物は、分離器を用いる従来方法の混合物よりも一般的に高い粘性を有する。従来方法においては、オイルは高圧となる。更には、圧縮機からの加熱された冷媒ガスを使用することは、従来方法よりもより一層効果的な沸騰をもたらす。

更にその他の態様として、蒸発器から引かれた流路に制約手段又はバルブを設けて、蒸留つまり蒸発器に送られる液状冷媒とオイルの混合物の流れを制御する。また、蒸発濃縮機からの複数で分離された制御流路を設けて、混合した流れを制御する。

本発明のこれら及びその他の実施例は、以下の明細書と図面により最良に理解することができる。

図１は、圧縮機２２を含む冷媒システムを示す。本発明はスクリュー圧縮機に特に有益なものであるが、別の見地からみれば、他の型の圧縮機にも有益であると思われる。
周知のように、溢出型の蒸発器２４は流路２６を通じて冷媒を圧縮機２２に送給する。冷媒は圧縮機２２から流路２８を通じて凝縮器３０へ向かう。圧縮されてガス状となった冷媒は凝縮器内で冷却されて液状に変化し、蒸発器２４に至る過程において図示外の膨張バルブを通過する。蒸発器２４では、冷却すべき雰囲気が、蒸発器内部の冷媒により冷却される。図示のように、液状の冷媒３２は典型的に蒸発器２４で安定する。

一般的に、冷媒の最も好ましい粘性レンジは、ある特定の圧縮機に関しては変化する。このことは当業技術分野の通常の技術者が認めている。冷媒Ｒ−１３４ａと２２０重量ＰＯＥオイルの場合、粘性のピークは、冷媒とオイルの混合物の温度が、混合物の圧力に関連する冷媒の飽和温度よりも約４０°Ｆ高いときに生じる。

圧縮機２２には潤滑油、典型的にはオイル、が供給されることも又一般的に知られている。このオイルは冷媒と混合されるので、蒸発器２４における液状冷媒３２は大量のオイルを含む。本発明は、この液状冷媒からオイルを分離し、分離されたオイルは冷媒とは比較的に関連の少ないオイル溜４８に還流するようにしたものである。これは、オイルの粘性を増大させ、かつ、圧縮機の表面潤滑により一層役立つ。

帰還路３４は蒸留つまり気化器３８内へと混合物３２を通す。バルブ又は制約手段３６がこの帰還路３４からの流れを制御する。簡単な制約手段は気化器への還流量を計量し、一方、遮断バルブは制御部２００が流れを開いたり閉じたりするのを許容することができる。

制御部２００はまた第２分流路１３４とバルブ１３６とをコントロールする。バルブ３６とバルブ１３６は、蒸発器２４内の混合物の量と、液状冷媒を加工して気化する気化器３８の容量とに依存してシリアルに開く。なお、二つの分流路とバルブを例示したが、それ以上の数の分流路とバルブを用いても良い。

気化器３８内には管路４０が設けられ、その管路４０は分流路４２からの熱くて、圧縮されたガス状の冷媒を受ける。一般的に、気化器は、熱い冷媒をオイルと冷媒の混合物から物理的に分離するための部材を含む熱交換器である。概略図示の管路４０は、実用的に好ましくは複数の銅製の熱交換用管からなる。他の例として、気化器は、蝋付けしたプレート又は熱交換用管を配管するような、その他の設計による熱交換器とする。いくつかの実施態様を下記に示す。一般的に、分流された冷媒は、液状になるまで冷却かつ凝縮され、また、分流路３４を通じて気化器３８に供給された混合物から液状冷媒を沸騰させる。気化器内で冷媒／オイルは蒸発器圧力を有するために、混合物は熱源として用いられた圧縮ガスよりも低い温度に保持される。冷媒帰還路４４は気化器３８の下流の混合物３２内に還流する。オリフィスその他の流量制約器３００が帰還路４４に設けられ、分流された冷媒が気化器を横断する際にほぼ一定の圧力と低温の凝縮過程を確保する。図１に示すように、分流路４２は凝縮器の上流となるので、冷媒は比較的に熱く、先行技術に比べて特に熱い。気化器内の混合物は管路４０を通じて熱い冷媒に晒され、冷媒を混合物から沸騰させ、流路４３から圧縮機に導く流路２６に還流する。流路４３は気化器内の冷媒／オイルが蒸発器圧力にあるようにする通気口として作用する。気化器内で冷媒／オイルは蒸発器圧力を有するので、混合物は熱源として用いた圧縮ガスよりも低い温度になる。オイルは流路４６を通じてオイル溜４８に流入する。オイル溜４８から、オイルは流路５０を介してオイルポンプ５２を通り、流路５４を通じて圧縮機に還流する。オイルは圧縮機内（図示略）の表面潤滑をした後、潤滑油帰還路５６を通じてオイル溜４８に還流する。この帰還オイルは圧縮機の動く表面を潤滑してきたので比較的に熱い。この熱いオイルは、オイル溜４８のオイルから追加的に冷媒を気化させることにも作用する。即ち、気化器３８は大量の液状冷媒を除去することに作用するが、熱い帰還オイル５６はオイル溜４８からより以上の液状冷媒を除去する。この除去された液状冷媒は流路５８を通じて流路４３に入り、流路４３から流路２６に還流する。

本発明は、より熱い冷媒を用いて、液状冷媒とオイルの混合物から液状冷媒を沸騰させることにより、従来技術の改良をするものである。そのため、この液状冷媒のより効果的な除去が従来技術に比べて達成される。

図２は、他の実施例を示し、分流管６０はスクロール圧縮機２２の最後の閉鎖突出部（ローブ）６２で分流する。すなわち、ここでは、気化器３８に分流する吐出冷媒が圧縮チャンバから実際に取られる。これは殆どの作動状況下では特に熱い位置である。分流路の一つの好ましい適用例が、「スクリュー圧縮機の気化器に対する排出ガスの交替流」と題して本特許出願と同時に出願した米国特許出願第１０／３０６，３２６号に開示している。

図３には更なる実施例１００を開示している。分流した吐出冷媒は流路１０２を経て気化管１０４を通過する。混合した液状冷媒／オイルは管路１０６から気化器１０４へ流れる。気化器の一端１１０は、気化器１０４を囲むオイル溜１１２内にオイルが流れ込むようにする。帰還オイル１１４は、オイルポンプへと流れる。分離された液状冷媒は管路１０８を経て圧縮機の吸引流路に還流する。

図５には他の実施例が開示されている。図５は図３に最も似通った図であるが、オイル排出口１２８が気化器１２４の底部に形成され、ガス排出口１３２がオイル溜１２２の外壁を通して延伸している。排出口１３４が更に分離された冷媒を帰還させるためにオイル溜を通して形成されている。再び、液状冷媒／オイルは、管路１３０を通じて気化器１２４へ流れる。加熱され、圧縮された冷媒は、管路１２６を通り、分離されたオイルは管路１３６を通じてオイル溜に還流する。

さらに、本願で説明した加熱冷媒の通常の使用が遮断され、若しくは、何らかの理由で不十分なときに、液状冷媒を気化させるために、気化器に関連して電気ヒータを用いてもよい。

上記した好ましい実施例は、凝縮器の上流に生じる分流路を示しているが、熱くてガス状の圧縮された冷媒は凝縮器の初期部位から分流させることも可能である。図６は圧縮機から圧縮された冷媒２８を受ける凝縮器３０を簡略的に示し、大量のガス状圧縮冷媒が有効であると目される初期部位に分流路３１０を有している。当業分野の通常の技術者なら、凝縮器３０における初期位置からガス状の冷媒を得る方策を理解できるであろう。

以上のように、本発明を好ましい実施例と共に開示したが、当業技術の通常の技術者なら、数多くの実施形態が本発明に属するものとなることを理解できる。そのため、請求項の解釈には本発明の真の範囲と内容を考慮して策定すべきである。

本発明のシステムの概略図である。 図１の第２実施例を示す図である。 他の実施例を示す図である。 図３の４−４線に沿う断面図である。 更に他の実施例を示す図である。 更に他の実施例を示す図である。

Claims (19)

1. 蒸発器から冷媒を受容するとともに、冷媒を圧縮し、凝縮器に通す冷媒圧縮機と、
   上記冷媒圧縮機に供給される潤滑油と、
   液状冷媒と潤滑油の混合物を上記蒸発器から気化器に分流する分流路と、
   圧縮された冷媒を上記凝縮器の上流位置から上記気化器内に分流する取り出し部と、
   からなる冷媒サイクルであって、
   上記気化器内へと分流された上記圧縮された冷媒が液状冷媒と潤滑油の混合物を加熱し、混合物から液状冷媒を沸騰させ、かつこの圧縮された冷媒は上記蒸発器において冷媒サイクルに戻されることを特徴とする冷媒サイクル。
2. 請求項１において、液状冷媒と潤滑油の混合物を上記気化器へ通す二つの流路を設けたことを特徴とする冷媒サイクル。
3. 請求項２において、選択的に制御可能なバルブが上記少なくとも二つの流路に設けられていることを特徴とする冷媒サイクル。
4. 請求項１において、上記蒸発器から上記気化器へと導く流路に制約手段が設けられていることを特徴とする冷媒サイクル。
5. 請求項１において、上記圧縮された冷媒は上記圧縮機と上記凝縮器との間の位置で分流していることを特徴とする冷媒サイクル。
6. 請求項１において、上記排出冷媒は圧縮機チャンバー内の部位から分流されることを特徴とする冷媒サイクル。
7. 請求項６において、上記圧縮機はスクリュー圧縮機であって、上記冷媒は該スクリュー圧縮機の最後の閉鎖された突出部から分流されることを特徴とする冷媒サイクル。
8. 請求項１において、上記潤滑油は溜まり部から上記圧縮機に送給され、該圧縮機から上記溜まり部へ高温で還流することを特徴とする冷媒サイクル。
9. 請求項８において、上記帰還潤滑油は上記冷媒と潤滑油の混合物から冷媒を沸騰させることに作用するとともに、溜まり部から沸騰分離した冷媒は上記圧縮機の入口流路に帰還させることを特徴とする冷媒サイクル。
10. 請求項９において、上記沸騰分離した冷媒は上記圧縮機の入口流路に還流し、該入口流路は、上記冷媒と潤滑油の混合物を受ける気化器の部分が実質的に蒸発器圧力となるようにする通気口として作用することを特徴とする冷媒サイクル。
11. 請求項１において、上記圧縮機に送給された上記潤滑油は溜まり部から送給され、気化器からの潤滑油は上記溜まり部に送給されることを特徴とする冷媒サイクル。
12. 請求項１１において、上記溜まり部は気化器をとり囲むことを特徴とする冷媒サイクル。
13. 請求項１において、上記分流された冷媒を上記気化器の下流側における冷媒流に戻すための帰還路が設けられ、該帰還路は上記分流された冷媒の圧力が上記気化器を通して概ね一定であるようにする液流を含むことを特徴とする冷媒サイクル。
14. 請求項８において、液状冷媒と潤滑油の混合物を上記気化器に通す二つの流路があることを特徴とする冷媒サイクル。
15. 請求項１４において、選択的に制御されるバルブが上記少なくとも二つの流路のそれぞれに設けられていることを特徴とする冷媒サイクル。
16. 請求項８において、上記蒸発器から気化器に導く上記流路には制約手段が設けられていることを特徴とする冷媒サイクル。
17. 請求項８において、上記排出冷媒は圧縮機チャンバー内の部位から分流することを特徴とする冷媒サイクル。
18. 請求項８において、上記圧縮機はスクリュー圧縮機であって、上記冷媒は該スクリュー圧縮機の最後の閉鎖された圧縮チャンバーから分流することを特徴とする冷媒サイクル。
19. 請求項１において、上記圧縮された冷媒は、上記気化器内において、上記の液状冷媒と潤滑油の混合物から物理的に分離されていることを特徴とする冷媒サイクル。

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