特許 6758963 冷凍装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6758963

(24)【登録日】2020年9月4日

(45)【発行日】2020年9月23日

(54)【発明の名称】冷凍装置

(51)【国際特許分類】

   F25B 1/00 20060101AFI20200910BHJP

   F25B 43/02 20060101ALI20200910BHJP

【ＦＩ】

   F25B1/00 387A

   F25B43/02 A

【請求項の数】3

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2016-135069(P2016-135069)

(22)【出願日】2016年7月7日

(65)【公開番号】特開2018-4220(P2018-4220A)

(43)【公開日】2018年1月11日

【審査請求日】2019年4月25日

(73)【特許権者】

【識別番号】516299338

【氏名又は名称】三菱重工サーマルシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100112737

【弁理士】

【氏名又は名称】藤田 考晴

(74)【代理人】

【識別番号】100140914

【弁理士】

【氏名又は名称】三苫 貴織

(74)【代理人】

【識別番号】100136168

【弁理士】

【氏名又は名称】川上 美紀

(74)【代理人】

【識別番号】100172524

【弁理士】

【氏名又は名称】長田 大輔

(72)【発明者】

【氏名】宮本 善彰

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 創

(72)【発明者】

【氏名】長田 和巳

【審査官】 庭月野 恭

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０６−０２６７１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−０３８４０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１４４６４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−０９４３７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−２５３１７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭４８−０９７１４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５４−１０９６４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−０９３５５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開平０２−１３１１７１（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２００５−３４５０１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−３４９６４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−０４２６０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−２２９６３４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２５Ｂ １／００

Ｆ２５Ｂ ４３／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機の吐出側から延出する冷媒回路に直列に接続され、前記圧縮機から吐出される前記冷媒中に含まれる冷凍機油を分離・回収する複数の油分離器と、
複数の前記油分離器から延出する複数の油戻し管路と、を備え、
複数の前記油戻し管路の１本は前記圧縮機の吸入側に接続され、
複数の前記油戻し管路の別な１本は前記圧縮機の内部機構部に接続されていて、
前記内部機構部に接続される前記油戻し管路は、前記複数の油分離器のうち、最も上流側のものから延出している冷凍装置。

【請求項2】

前記圧縮機は、前記内部機構部が前記冷凍機油のミストによって潤滑される開放型圧縮機であり、
前記内部機構部に接続される前記油戻し管路は、前記内部機構部のうちの軸受部における軸受部材または軸シール部材の少なくとも一方に接続されている請求項１に記載の冷凍装置。

【請求項3】

前記内部機構部に接続される前記油戻し管路に開閉弁が設けられている請求項１に記載の冷凍装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、油分離器を備えた冷凍装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

冷媒を圧縮する圧縮機（コンプレッサ）に用いられる冷凍機油は、圧縮機から吐出される圧縮冷媒ガス中に混入して冷凍回路中を循環する。この冷凍機油が凝縮器や蒸発器等の熱交換器に入ると熱伝導が阻害されるため、特許文献１等に開示されているように、圧縮機から吐出された圧縮冷媒は油分離器（オイルセパレータ）に通されて冷凍機油を分離される。分離された冷凍機油はキャピラリチューブ等の減圧部により減圧されて圧縮機の吸入側に戻される。

【0003】

油分離器は、その容量が大きいほど油分離性能を高められるが、冷蔵車等の車両に搭載されている冷凍装置においては、車両内部スペースの関係で十分なサイズの油分離器を設置できず、例えば小型の油分離器を２箇所に分散させて配置し、これらの油分離器を直列に接続することで必要な油分離性能を確保している。２つの油分離器の底部から延びる油戻し管路は、それぞれキャピラリチューブを介して圧縮機の吸入側に接続される。キャピラリチューブを用いることで、電磁弁等の部材を省き、油戻し管路の構成を簡素化することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００７−１４７２１２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上記のように、油分離器からの油戻し管路に電磁弁等を設けずにキャピラリチューブを経て圧縮機の吸入側のみに接続すると、冷凍装置の停止時に油分離器からの戻り油の大部分がキャピラリチューブを通過して圧縮機の内部に溜まり込み、圧縮機の起動時に戻り油が液圧縮されて圧縮機が破損する虞がある。
これを防止するべく、従来では冷凍装置の停止時に油分離器からの戻り油が圧縮機の上流側にあるアキュムレータの方に溜まるように、圧縮機とアキュムレータとの間に高低差を設けて対処していたが、これによりアキュムレータの配置位置に制約が加わってしまう。

【0006】

一方、自動車等の車両における冷凍装置においては、設置スペースの関係で圧縮機を小型化する必要があり、圧縮機の内部に油ポンプや油貯留部が設けられていない。このため、圧縮機の内部機構の潤滑は、冷媒中に含まれる冷凍機油の霧によるミスト潤滑となっている。
しかしながら、圧縮機がエンジン等の外部動力によって駆動される開放型である場合には、その主軸が圧縮機ハウジングから外部に突出する部分に設けられる軸受部材や軸シール部材がミスト潤滑のみでは十分に潤滑されない虞があった。

【0007】

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、油分離器からの戻り油を利用して圧縮機の潤滑条件を改善するとともに、圧縮機の起動時における液圧縮を防止することができる冷凍装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明に係る冷凍装置は、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機の吐出側から延出する冷媒回路に直列に接続され、前記圧縮機から吐出される前記冷媒中に含まれる冷凍機油を分離・回収する複数の油分離器と、複数の前記油分離器から延出する複数の油戻し管路と、を備え、複数の前記油戻し管路の１本は前記圧縮機の吸入側に接続され、複数の前記油戻し管路の別な１本は前記圧縮機の内部機構部に接続されたものである。

【0009】

上記構成の冷凍装置によれば、複数の油分離器によって吐出冷媒から冷凍機油が分離・回収され、この回収された冷凍機油が、各油分離器から延出する複数の油戻し管路を経て圧縮機の吸入側と、圧縮機の内部機構部とに戻される。このため、戻り油によって圧縮機の内部機構部が強制的に潤滑される。つまり、戻り油を有効に利用して、従来のミスト潤滑のみによる潤滑に比べて圧縮機の潤滑条件を改善することができる。

【0010】

また、上記のように冷凍機油の戻り先が圧縮機の吸入側と内部機構部とに分散されるため、冷凍装置の停止時に戻り油の全量が圧縮機の吸入側に集中することがない。したがって、圧縮機の起動時における液圧縮を防止することができる。また、従来のように戻り油がアキュムレータに戻るよう圧縮機とアキュムレータとの間に高低差を設ける必要性が低下し、アキュムレータの配置位置の自由度が高められる。

【0011】

上記構成の冷凍装置において、前記圧縮機は、前記内部機構部が前記冷凍機油のミストによって潤滑される開放型圧縮機であり、前記内部機構部に接続される前記油戻し管路は、前記内部機構部のうちの軸受部における軸受部材または軸シール部材の少なくとも一方に接続されるようにしてもよい。

【0012】

開放型の圧縮機においては、軸受部に設けられる軸受部材や軸シール部材がミスト潤滑のみでは十分に潤滑されない虞があったが、この軸受部における軸受部材や軸シール部材に油戻し管路から戻り油が供給されるため、ミスト潤滑による潤滑が困難な軸受部を強制的に潤滑して潤滑条件を改善することができる。

【0013】

上記構成の冷凍装置において、前記内部機構部に接続される前記油戻し管路は、前記複数の油分離器のうち、最も上流側のものから延出するものとするのが好ましい。

【0014】

上流側の油分離器には下流側の油分離器よりも多くの冷凍機油が回収される。このため、上流側の油分離器から延出する油戻し管路を圧縮機の内部機構部に接続することにより、内部機構部への給油量を多くして潤滑条件を確実に向上させることができる。
また、冷凍機油の回収量が少ない下流側の油分離器から延出する油戻し管路が圧縮機の吸入側に接続されるので、冷凍装置の停止時に圧縮機の吸入側に戻る冷凍機油の量を減少させ、圧縮機の起動時における液圧縮を防止することができる。

【0015】

上記構成の冷凍装置において、前記内部機構部に接続される前記油戻し管路に開閉弁を設けてもよい。こうすれば、開閉弁を開閉操作することにより、圧縮機の内部機構部に供給される戻り油の量を必要に応じて制御することができる。
例えば、冷凍装置の中〜高負荷運転時には、圧縮機を通過する冷媒量が多くなることから冷媒中に含まれる冷凍機油の霧によるミスト潤滑が良好になる。このため、開閉弁を閉じるか開度を小さくして内部機構部への戻り油の供給を停止させるか供給量を少なくし、冷凍装置の系統内に冷凍機油が過剰に供給されることを抑制することができる。

【0016】

また、冷凍装置の低負荷運転時や、蒸発器温度および冷媒圧力（即ち吸入冷媒の密度）がより低下する冷凍運転時には、圧縮機を通過する冷媒量が減少し、冷媒中に含まれる冷凍機油の霧によるミスト潤滑のみでは圧縮機の内部機構部の潤滑が不足する可能性がある。このような場合には開閉弁を開き、内部機構部に戻り油を供給することによって内部機構部を強制的に潤滑し、その潤滑条件を改善することができる。
さらに、冷凍装置の停止時には、開閉弁を閉じておくことにより、油分離器に回収された冷凍機油が高低差圧により油戻し管路を流下して圧縮機に溜まることを防止できる。これにより、圧縮機の起動時における液圧縮を回避することができる。

【発明の効果】

【0017】

以上のように、本発明に係る冷凍装置によれば、油分離器からの戻り油を利用して圧縮機の潤滑条件を改善するとともに、圧縮機の起動時における液圧縮を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明の第１実施形態を示す冷凍装置の概略構成図である。

【図2】図１のII部を拡大した圧縮機の縦断面図である。

【図3】本発明の第２実施形態を示す冷凍装置の概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

【0020】

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態を示す冷凍装置の概略構成図である。この冷凍装置１は、例えば冷蔵輸送車における冷蔵室の冷却に用いられる冷却専用の回路であるが、自動車の空調装置等にも応用することができる。

【0021】

冷凍装置１は、車両のエンジン等に駆動されて冷媒を圧縮する開放型（主軸が外部に突出した形式）の圧縮機２を備えている。圧縮機２は、例えばスクロール式のものであり、ベルト等で回転駆動されるクラッチ付プーリー３と、吸入ポート４と、吐出ポート５とを備えている。冷凍装置１は、圧縮機２の吐出ポート５から延びて吸入ポート４に戻る閉ループ状の冷媒回路７を備えており、その上流側（圧縮機２側）から順に、油分離器８、油分離器９、凝縮器１０、レシーバ１１、膨張弁１２、蒸発器１３、アキュムレータ１４が接続されている。つまり、２つの油分離器８，９は、圧縮機２の吐出側から延出する冷媒回路７に直列に接続されている。これらの油分離器８，９は、車両搭載スペースの関係で２つに分けられたものである。なお、凝縮器１０には冷却ファン１０ａが設けられ、蒸発器１３には送風ファン１３ａが設けられている。

【0022】

上流側の油分離器８の底部からは油戻し管路１６が延出し、その先端が圧縮機２の内部機構部（例えば軸受部２６）に接続されている。また、下流側の油分離器９の底部からは油戻し管路１７が延出して圧縮機２の吸入側、例えば冷媒回路７における吸入ポート４とアキュムレータ１４との間の区間に接続されている。
油戻し管路１６にはキャピラリチューブ１９と電磁弁２０（開閉弁）とが接続され、油戻し管路１７にはキャピラリチューブ２１が接続されている。上に述べた各部材７〜２１は、全て公知のものである。なお、電磁弁２０は必須ではないが、電磁弁２０を設けることにより、後述するように油戻し管路１６から圧縮機２への戻り油の供給量を制御することができる。

【0023】

図２は、図１のII部を拡大した圧縮機２の縦断面図である。圧縮機２は、軽合金製のハウジング２５を備えており、その内部に設けられた軸受部２６に主軸２７が軸支されている。主軸２７はハウジング２５の内部から外部に貫通しており、その外端部に前述のクラッチ付プーリー３が装着されている。軸受部２６は、内側のメイン軸受２６ａ（軸受部材）と、外側のサブ軸受２６ｂ（軸受部材）と、さらにその外側のリップシール２６ｃ（軸シール部材）とを有する構成である。

【0024】

クラッチ付プーリー３がエンジン等の外部動力によって回転駆動され、その内部の電磁クラッチ３ａがＯＮになると、クラッチ付プーリー３の回転が主軸２７に伝達され、主軸２７の内端部に偏心形成されたクランクピン２７ａがドライブブッシュ２８とドライブ軸受２９とを介して圧縮機構３０の旋回スクロール３１を図示しない固定スクロールに対して旋回公転運動させる。これにより、吸入ポート４から吸入された冷媒が圧縮され、図１に示す吐出ポート５から吐出される。

【0025】

冷媒中には冷凍機油が所定の比率で含有されており、軸受部２６および圧縮機構３０といった内部機構部が、冷媒中に含まれる冷凍機油のミストによって潤滑されるようになっている。そして、前述の通り、図１に示す上流側の油分離器８の底部から延出する油戻し管路１６の他端が、ハウジング２５の内部に形成された給油通路３５に接続されて軸受部２６に繋がっている。この給油通路３５は、軸受部２６におけるサブ軸受２６ｂとリップシール２６ｃとの間の環状空間Ｓに連通している。なお、軸受部２６に限らず、必要に応じて他の内部機構部に油戻し管路１６を連通させてもよい。

【0026】

冷凍装置１は以上のように構成されている。
圧縮機２により圧縮された高温・高圧の冷媒は、吐出ポート５から吐出されて冷媒回路７を流れ、上流側の油分離器８と下流側の油分離器９とを順次通過する際に含有されている大部分の冷凍機油を分離される。冷凍機油を分離された圧縮冷媒は凝縮器１０に流れ、ここで冷却ファン１０ａにより外気と熱交換されて冷却されることにより凝縮されて大半が液相状となる。その際には予め冷媒中の冷凍機油が油分離器８，９において分離されているので熱伝導が阻害されない。

【0027】

次に、凝縮冷媒はレシーバ１１で気液分離され、液相状の凝縮冷媒のみが膨張弁１２において膨張して適切な圧力に設定されて蒸発器１３に流れる。凝縮冷媒は蒸発器１３で気化することにより蒸発器１３の熱を奪い、同時に送風ファン１３ａが作動することにより冷蔵室内の空気が蒸発器１３により冷却されて冷蔵室内に吹き出され、冷蔵室内の冷却に供される。蒸発器１３で気化した冷媒はアキュムレータ１４において未蒸発の液相状冷媒を分離され、気相状冷媒のみが再び圧縮機２の吸入ポート４に吸入される。

【0028】

下流側の油分離器９において圧縮冷媒から分離された冷凍機油は、キャピラリチューブ２１を通過して圧力を低減され、油戻し管路１７を経て圧縮機２の吸入側、即ち吸入ポート４に繋がる下流側区間に戻される。冷媒回路７に戻された冷凍機油は冷媒に混合されて圧縮機２に吸入され、圧縮機２内部の軸受部２６や圧縮機構３０といった内部機構をミスト潤滑する。

【0029】

一方、上流側の油分離器８において圧縮冷媒から分離された冷凍機油は、電磁弁２０が開いていればキャピラリチューブ１９を通過して圧力を低減され、油戻し管路１６と圧縮機２の給油通路３５（図２参照）とを経て軸受部２６に直接供給される。具体的には、図２に示すように、軸受部２６に画成された環状空間Ｓに流れた冷凍機油は、サブ軸受２６ｂとリップシール２６ｃとに流れてこれらを潤滑する。サブ軸受２６ｂを潤滑した冷凍機油はさらにメイン軸受２６ａを潤滑した後、冷媒に混合されて吐出ポート５から冷媒回路７に吐出される。

【0030】

従来のミスト潤滑のみによる潤滑では、開放型の圧縮機２における軸受部２６のサブ軸受２６ｂやリップシール２６ｃが十分に潤滑されない虞があったが、本実地形態によれば、軸受部２６に油戻し管路１６から戻り油が直接供給されるため、戻り油を有効に利用してミスト潤滑による潤滑が困難な軸受部２６を強制的に潤滑し、軸受部２６の潤滑条件を改善することができる。

【0031】

しかも、本実施形態によれば、油分離器８，９によって回収された冷凍機油の戻り先が圧縮機２の吸入側と軸受部２６とに分散されるため、冷凍装置１の停止時に戻り油の全量が圧縮機２の吸入側に集中することがない。したがって、圧縮機２の起動時における液圧縮を防止することができる。また、従来のように戻り油がアキュムレータ１４に戻るよう圧縮機２とアキュムレータ１４との間に高低差を設ける必要性が低下し、アキュムレータ１４の配置位置の自由度が高められる。

【0032】

軸受部２６に接続される油戻し管路１６は、上流側の油分離器８から延出しているが、上流側の油分離器８には下流側の油分離器９よりも多くの冷凍機油が回収されるため、上流側の油分離器８から延出する油戻し管路１６を圧縮機２の軸受部２６に接続することにより、軸受部２６への給油量を多くして潤滑条件を確実に向上させることができる。
また、冷凍機油の回収量が少ない下流側の油分離器９から延出する油戻し管路１７が圧縮機２の吸入側に接続されているため、冷凍装置１の停止時に圧縮機２の吸入側に戻る冷凍機油の量を減少させ、圧縮機２の起動時における液圧縮を有効に防止することができる。

【0033】

上記のように、上流側の油分離器８は冷凍機油の回収量が多いが、この油分離器８から延出する油戻し管路１６に電磁弁２０を設けたことにより、圧縮機２の軸受部２６に供給される戻り油の量を必要に応じて制御することができる。
例えば、冷凍装置１の中〜高負荷運転時には、圧縮機２を通過する冷媒量が多いことから冷媒中に含まれる冷凍機油の霧によるミスト潤滑が良好になる。このため、電磁弁２０を閉じるか開度を小さくして軸受部２６への戻り油の供給を停止させるか供給量を少なくし、冷凍装置１の系統内に冷凍機油が過剰に供給されることを抑制することができる。

【0034】

また、冷凍装置１の低負荷運転時や、蒸発器１３の温度および冷媒圧力がより低下する冷凍運転時等においては、吸入冷媒の密度が低下し、システム全体の冷媒循環量が低下して圧縮機２を通過する冷媒量が減少し、冷媒中に含まれる冷凍機油の霧によるミスト潤滑のみでは軸受部２６の潤滑が不足する可能性がある。このような場合には電磁弁２０を開き、軸受部２６に戻り油を供給することによって軸受部２６を強制的に潤滑し、軸受部２６の潤滑条件を改善することができる。

【0035】

さらに、冷凍装置１の停止時には、電磁弁２０を閉じておくことにより、油分離器８に回収された冷凍機油が高低差圧により油戻し管路１６を流下して圧縮機２に溜まることを防止できる。これにより、圧縮機２の起動時における液圧縮を回避することができる。なお、必要に応じて下流側の油分離器９から延出する油戻し管路１７にも電磁弁２０を設けることが考えられる。これにより、冷凍装置１の停止時における油分離器９からの戻り油が圧縮機２の吸入側に過剰に流下することを抑制できる。

【0036】

以上のように、本実施形態に係る冷凍装置１によれば、油分離器８，９からの戻り油を有効に利用して圧縮機２の潤滑条件を改善するとともに、圧縮機２の起動時における液圧縮を防止することができる。

【0037】

［第２実施形態］
図３は、本発明の第２実施形態を示す冷凍装置の概略構成図である。
この冷凍装置５１は、図１に示す冷凍装置１とは逆に、上流側の油分離器８から延出する油戻し管路１６が圧縮機２の吸入側に接続され、下流側の油分離器９から延出する油戻し管路１７が圧縮機２の軸受部２６に接続されている。戻り油の量が多い油戻し管路１６には電磁弁２０を設けるのが好ましい。必要に応じて油戻し管路１７にも電磁弁２０を設けてよい。その他の構成は第１実施形態の冷凍装置１と同様である。

【0038】

この冷凍装置５１によれば、第１実施形態の冷凍装置１と同じく、油分離器８，９によって回収された冷凍機油の戻り先が圧縮機２の吸入側と軸受部２６とに分散されるため、冷凍装置５１の停止時に戻り油の全量が圧縮機２の吸入側に集中することを避け、圧縮機２の起動時における液圧縮を防止することができる。

【0039】

また、冷凍機油の回収量が少ない下流側の油分離器９からの戻り油が圧縮機２の軸受部２６に戻るようになっているため、油戻し管路１７に電磁弁２０を設けずにキャピラリチューブ２１のみによる減圧を行う構成であっても、冷凍装置５１の停止時に圧縮機２に流下する戻り油の量が過大にならず、この点でも圧縮機２の起動時における液圧縮を防止することができる。

【0040】

なお、本発明は上記の第１、第２実施形態の構成のみに限定されるものではなく、適宜変更や改良を加えることができ、このように変更や改良を加えた実施形態も本発明の権利範囲に含まれるものとする。
例えば、上記実施形態では、圧縮機２が開放型であるものとして説明したが、密閉型の圧縮機（電動機一体型圧縮機等）であってもよい。
油戻し管路１６，１７に電磁弁２０を設ける場合は、電磁弁２０に流量調整機能を持たせることにより、キャピラリチューブ１９，２１を省略することも考えられる。
また、冷媒回路７に接続されている各構成機器類の種類や形状、位置等は、必ずしも上記実施形態のものである必要はない。

【符号の説明】

【0041】

１，５１ 冷凍装置
２ 圧縮機
７ 冷媒回路
８，９ 油分離器
１６，１７ 油戻し管路
１９，２１ キャピラリチューブ
２０ 電磁弁（開閉弁）
２６ 軸受部（圧縮機の内部機構部）
２６ａ メイン軸受（軸受部材）
２６ｂ サブ軸受（軸受部材）
２６ｃ リップシール（軸シール部材）

【図1】

【図2】

【図3】