冷凍コンプレッサーのオイル戻り問題は、冷凍システムにおいて常にホットトピックとなっています。今日は、スクリューコンプレッサーのオイル戻り問題についてお話しします。一般的に、スクリューコンプレッサーのオイル戻りが悪い原因は、運転中の潤滑油と冷媒のガス混合現象にあります。冷凍システムの運転中、冷媒と冷凍機の潤滑油は相互に溶解し、機械と冷媒の運転に伴って潤滑油がエアロゾルや液滴ガスの形で凝縮器に排出されます。オイルセパレーターが効果的でない場合、またはシステム設計が適切でない場合、分離効果が悪く、システムのオイル戻りが悪くなります。
1. オイルの戻りが悪いと、どのような問題が発生しますか？
スクリューコンプレッサーのオイル戻り不良は、蒸発器配管内に大量の潤滑油が滞留する原因となります。油膜が一定量を超えると、システムの冷却性能に直接影響を与え、システム内に潤滑油が蓄積され続けるという悪循環に陥り、運転コストの増加と運転信頼性の低下を招きます。一般的に、冷媒ガス流量の1%未満が油気混合気体としてシステム内を循環するように設定されています。
2. 低油回収率への対策：
コンプレッサーにオイルを戻す方法は2つあります。1つはオイルセパレーターにオイルを戻す方法、もう1つはオイルをエアリターンパイプに戻す方法です。
オイルセパレーターはコンプレッサーの排気管に設置され、一般的に運転油の50～95%を分離できます。オイルの戻り効果が高く、速度も速いため、システム配管へのオイル流入量を大幅に削減し、オイル戻りのない運転時間を効果的に延長できます。
配管が特に長い冷蔵冷凍システム、水浸し製氷システム、極低温の凍結乾燥装置などでは、機械の起動後10分、あるいは数十分の間、オイルの戻りが全くない、またはごくわずかしかないことが少なくありません。システムに不具合があると、油圧低下によりコンプレッサーが停止します。このような冷凍システムに高効率オイルセパレーターを設置することで、オイルの戻りがない状態でのコンプレッサーの運転時間を大幅に延長でき、起動後のオイルの戻りがない危機的状況をコンプレッサーが安全に乗り越えることができます。分離されなかった潤滑油はシステム内に入り、配管内の冷媒とともに流れ、オイル循環を形成します。
潤滑油が蒸発器に入ると、一方では低温かつ低溶解度のため、潤滑油の一部が冷媒から分離されます。他方では、低温かつ高粘度のため、分離された潤滑油は管の内壁に付着しやすく、流れにくくなります。蒸発温度が低いほど、油の戻りは困難になります。そのため、蒸発配管と戻り配管の設計と施工は、油の戻りを促進するものでなければなりません。一般的な方法としては、下降配管設計を採用し、大きな気流速度を確保することです。特に低温の冷凍システムでは、高効率の油分離器を選択することに加えて、潤滑油が毛細管や膨張弁を詰まらせるのを防ぎ、油の戻りを促進するために、特殊な溶剤が添加されるのが一般的です。
実際の運用において、蒸発器や戻りガス配管の設計不良によるオイル戻り問題は珍しくありません。R22およびR404Aシステムでは、液浸式蒸発器のオイル戻りが非常に困難であり、システムオイル戻り配管の設計には細心の注意が必要です。このようなシステムでは、高効率オイル分離器を使用することで、システム配管へのオイル流入量を大幅に削減でき、機械起動後にガス戻り管からオイルが逆流しない時間を効果的に延長できます。
コンプレッサーが蒸発器よりも高い位置にある場合、垂直戻り管にオイル戻りベンドが必要です。オイル戻りトラップは、オイルの蓄積を減らすためにできるだけコンパクトにする必要があります。オイル戻りベンド間の間隔は適切である必要があります。オイル戻りベンドの数が多い場合は、潤滑油を追加する必要があります。可変負荷システムの戻りラインにも注意が必要です。負荷が減少すると、空気戻り速度が低下し、速度が低すぎるとオイル戻りに適しません。低負荷時のオイル戻りを確保するために、垂直吸込管にダブルライザーを使用できます。
さらに、コンプレッサーの頻繁な起動は、オイルの戻りを阻害します。連続運転時間が非常に短いため、コンプレッサーが停止し、戻り配管内に安定した高速気流が形成される時間がなく、潤滑油が配管内に留まることになります。戻り油が運転油よりも少ない場合、コンプレッサーはオイル不足に陥ります。運転時間が短いほど、配管が長いほど、システムが複雑であるほど、オイルの戻りの問題は顕著になります。したがって、通常の状況下では、コンプレッサーを頻繁に起動しないようにしてください。
オイル不足は深刻な潤滑不足を引き起こします。オイル不足の根本原因は、スクリューコンプレッサーの運転量や運転速度ではなく、システムのオイル戻りの悪さです。オイルセパレーターを設置することで、オイルを迅速に戻し、オイル戻りのないコンプレッサーの運転時間を延長できます。蒸発器と戻り配管の設計には、オイル戻りを考慮する必要があります。頻繁な起動を避ける、定期的に霜取りを行う、冷媒を適時に補充する、摩耗部品（ベアリングなど）を適時に交換するなどのメンテナンス対策も、オイル戻りに役立ちます。
冷凍システムを設計する際には、オイルリターン問題に関する研究は不可欠です。あらゆる側面を考慮することによってのみ、安全で信頼性の高い冷凍システムが保証されます。
投稿日時：2022年2月21日
