オイルトラップがコンプレッサーを保護

累積：オイルが配管システムに入ると、システム配管内の低い箇所にオイルが溜まったり蓄積したりする傾向があります。 (Pixabay提供)

冷凍および空調システムの潤滑剤には多くの重要な機能があります。 循環冷媒は冷却に必要な作動流体ですが、コンプレッサーの可動機械部品の潤滑には潤滑剤またはオイルが必要です。

オイルは摩擦を低減することで機械的摩耗を最小限に抑えます。 オイルはまた、コンプレッサーの高圧側と低圧側の間のシールを維持します。 適切な潤滑がないと、コンプレッサーのバルブ、嵌合スクロール、ネジ、およびベーンが適切に密閉されません。 その結果、高圧側の冷媒圧力が冷凍システムの低圧側に入ります。 往復コンプレッサーのピストン リングと遠心コンプレッサーの回転ベーンは、ピストンとベーンの周囲での吹き抜けを防ぐために潤滑油に依存しています。 オイルは、コンプレッサー内の騒音ダンパーとしても機能し、コンプレッサー内の可動部品や回転部品から熱を逃がします。

クランクシャフトの端にオイルポンプを備えた冷凍および空調用コンプレッサーは、強制給油システムを備えていると見なされます。 クランクシャフトはオイルポンプに接続されており、動力が供給されることでオイルポンプが回転します。 オイルポンプは実際にはコンプレッサーのクランクシャフトに固定されています。 オイル ポンプは、クランク シャフトのドリル穴またはオイル ギャレーにオイルを押し込み、ベアリング、コネクティング ロッド、および多くの場合チューブとフィンのオイル クーラーに送ります。

オイルポンプにはギア式と偏心式があります。 ギアタイプのオイルポンプは通常、オイルを高圧に絞り出すスターギアを備えています。 偏心タイプのオイルポンプは、偏心タイプの機構を使用してオイルを徐々に小さくし、オイルに圧力を加えます。 この追加圧力は正味油圧と呼ばれます。

小型の HVACR コンプレッサーには通常、何らかのスプラッシュ タイプの給油システムが搭載されています。 これらのシステムには、クランクケース全体にオイルをすくい上げて飛ばすオイルスクープが装備されている場合があり、クランクシャフトの回転に伴ってオイル霧が発生します。 小型システムでも大型システムでも、オイルはクランクケースに落ちて濾過され、オイル ポンプまたはスプラッシュ機構によって再び回収されます。 理想的な条件下では、オイルはコンプレッサーのクランクケース内に留まるように設計されています。 ただし、理想的な条件が現実世界に存在することはほとんどありません。つまり、コンプレッサーのクランクケースから漏れてシステムの配管に入るオイルが存在することになります。 この漏れたオイルは最終的にはコンプレッサーのクランクケースに戻さなければならず、そうしないとシステムの制限、故障、非効率が発生します。

通常の状態では、常に少量のオイルがコンプレッサーのクランクケースから漏れ、冷媒とともに配管システム全体を循環します。 このため、冷凍機油と冷媒自体は互いに溶ける必要があります。 オイルをコンプレッサーのクランクケースに戻す循環冷媒の速度です。 この 2 つが互いに溶け合わなければ、この現象は起こりません。 このため、適切なオイルリターンに必要な冷媒速度を維持するには、ライン、コイル、バルブのサイジングが重要です。

コンプレッサーのオフサイクル中、特に長時間の停止中、冷媒は圧力が最も低い場所に移動または移動しようとします。 冷媒の移動は、液体または蒸気の冷媒がオフサイクル中にコンプレッサーの吸入ラインまたはクランクケースに移動することとして定義されます。

クランクケースにはオイルが含まれているため、通常、エバポレーターよりも圧力が低くなります。 冷凍機油は蒸気圧が非常に低く、冷媒が蒸気であっても液体であっても流れます。 オイルの蒸気圧が非常に低い場合、クランクケース内が低圧になるたび、またはクランクケースが真空になるたびにオイルは蒸発します。

冷凍の移動は冷媒蒸気によって発生する可能性があるため、移動は上り坂または下り坂で発生する可能性があります。 冷媒蒸気がクランクケースに到達すると、オイルに吸収されて凝縮します。 この現象が発生すると、液体冷媒はオイルより重いため、クランクケース内のオイルの底に溜まることになります。

長いオフサイクルまたはシャットダウンの後、またはサイクルオンした後、コンプレッサーがついにオンになると、クランクケースの圧力が突然低下し、クランクケース内のオイルと冷媒の混合物がフラッシュします。 クランクケース内のオイルレベルが低下し、機械部品に傷が付く可能性があります。 オイルの泡立ちが発生し、オイルと冷媒の混合物がピストン リングの周りに押し込まれ、コンプレッサーによって配管システムに送り込まれる可能性があります。 高電流の引き込み、モーターの過熱、バルブの破損が発生する可能性があります。 また、クランクケース内の健全なオイルレベルを維持するために、クランクケースから漏れて配管システムに入ったオイルをコンプレッサーのクランクケースに戻す必要があります。

コンプレッサーが低温環境に設置されている場合、低温環境によりコンプレッサーのクランクケース内の蒸気圧がさらに低下するため、移行はさらに速く発生します。 蒸気圧の違いにより、吸入ラインアキュムレーターからコンプレッサーまで移行が発生することもあります。

オイルが配管システムに入ると、システム配管内の低い箇所にオイルが溜まったり蓄積したりする傾向があります。 油が蓄積しやすいもう 1 つの領域は蒸発器です。蒸発器は最も大きなチューブを備えた最も低温のコンポーネントであり、したがって冷媒速度が最も遅いためです。 エバポレーターに溜まったオイルはコイルの内壁を覆い、壁を通る熱伝達を減少させ、容量の損失とパフォーマンスの低下を引き起こします。 コンプレッサーのクランクケースオイルの一部が奪われ、通常よりも低いオイルレベルで動作すると、コンプレッサー内の機械部品に傷がついたり破損したりする可能性があります。

粘度が高すぎるオイルもエバポレーターから戻りにくくなり、確実にオイルログが発生します。 通常、霜取りヒーターからの熱は蒸発器内のオイルを温めて薄くし、コンプレッサーが起動するとオイルをコンプレッサーに戻すことができます。 これは、適切な粘度（粘度）のオイルを使用した場合にのみ発生します。

吸入ラインが大きすぎると、冷媒の速度が低下します。 これにより、オイルが吸入ラインを通ってコンプレッサーのクランクケースに移動するのを防ぎます。 冷凍システムの配管内でオイルを移動させるのは冷媒の速度であることに注意してください。 エバポレーターにオイルが詰まる原因を以下に示します。

多くの場合、適切なオイルセパレーターが装備されていないシステム、またはまったく存在しないシステムでは、配管全体にオイルが蓄積する箇所があります (図 1 を参照)。 前述したように、冷凍または空調システムで適切に使用すると、冷媒とオイルが混ざり合い、冷媒と一緒に移動する微細なオイルミストは通常​​、システムの配管内の低い箇所や立ち上がり部に蓄積して集まります。 場合によっては、冷媒蒸気がこのオイルの塊を次の低い位置に押し上げ、最終的にオイルがコンプレッサーに戻ることもあります。

図1：優れたオイルセパレーターを備えていないシステム、またはまったく備えていないシステムでは、配管全体にオイルが蓄積する箇所が発生します。 (ジョン・トムチク提供)

シリンダー内の油圧が高くなりすぎると、一部のコンプレッサーに大きなオイルスラッグが戻ると、バルブプレートや内部の駆動装置が損傷する可能性があります。 これを防ぐには、システム配管にオイル トラップが必要です (図 2 を参照)。 オイルトラップの機能は、大きな油塊の形成を防ぐことです。 これは、トラップ内に少量のオイルをトラップし、それを徐々にコンプレッサーに戻すことによって実現されます。

図 2:オイルトラップの機能は、大きな油塊の形成を防ぐことです。 (ジョン・トムチク提供)

上で述べたように、冷凍および空調システム全体にオイルを運ぶのは冷媒の速度です。 オイルが配管の側壁に付着すると、冷媒ガスの速度によって懸濁液中の小さなオイル粒子が押し払われます。 このため、冷蔵配管や空調配管を決して大きくしてはならないのです。 配管が大きすぎると冷媒速度が低下し、オイル戻りが低下します。

トラップ内に油が溜まるため（図2）、配管内部の面積に制限があります。 これにより、冷媒ガスはトラップ内に溜まったオイルのそばを通過する際に速く移動します。 このより高速の冷媒が、表面の微小な油滴をトラップから拾い上げます。 小さな油滴はコンプレッサーまたは次のオイル トラップに運ばれます。 オイル トラップには、オイルが常に供給され、徐々に減っていき、大きな油塊からコンプレッサーを保護します。 オイルを適切に戻すために、システム内のすべての蒸気輸送ラインにオイル トラップを設置することをお勧めします。

ライザーと呼ばれる垂直または上向きの配管により、冷媒が上向きに流れます。 冷媒にオイルが混入している場合、重力と戦いながらライザーの上部まで長い距離を上昇するため、オイルはライザーの底部に戻る傾向があります。 このため、ライザーの下部にトラップが必要です。 また、ライザーの上部に向かうオイルを一時的に保管するために、ライザーの 15 ～ 20 フィートごとにオイル トラップを設置する必要があります (図 3 を参照)。 これは、冷媒とオイルの混合物がライザーを登るにつれて速度が徐々に失われるためです。

図 3:また、ライザーの上部に向かうオイルを一時的に保管できるように、ライザーの 15 ～ 20 フィートごとにオイル トラップを設置する必要があります。 (ジョン・トムチク提供)

John Tomczyk は、ミシガン州ビッグラピッズにあるフェリス州立大学の HVACR 名誉教授であり、Cengage Learning から出版された『Refrigeration & Air Conditioning Technology』の共著者です。 [email protected] までご連絡ください。