(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスエンジンで駆動される圧縮機、凝縮器、減圧器、蒸発器、気液分離器を順次つないで冷凍サイクルを形成すると共に、この気液分離器には冷凍機油が溶け込んだ液冷媒が貯留され、この気液分離器の下部に溜まった冷凍機油をこの気液分離器内に位置し前記圧縮機につながる吸込管のオイル孔からこの圧縮機に戻すようにした冷凍装置において、前記気液分離器内の冷凍機油が溶け込んだ液冷媒を加熱してこの液冷媒と冷凍機油とを分離させる加熱用の熱交換器を設け、この熱交換器には、前記ガスエンジンからの冷却水を直接導く高温冷却水、もしくはこの高温冷却水をラジエータで冷却してこの高温冷却水よりも低温の中温冷却水のいずれかを流すように切り替える弁を設けて、前記凝縮器の温度が所定温度以上もしくは前記圧縮機の吐出温度が所定温度以上の場合には、前記中温冷却水で前記気液分離器内の液冷媒を加熱し、この加熱でも上記凝縮器温度が所定温度以下もしくは上記圧縮機吐出温度が所定温度以下にならない場合には、前記高温冷却水による前記気液分離器内の液冷媒の加熱に切り替えて、前記気液分離器内の液冷媒の加熱して、この加熱で分離された冷凍機油をオイル戻し孔から圧縮機へ戻すようにしたことを特徴とする冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気調和機等の冷凍装置における冷凍機油の回収方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧縮機を用いた冷凍装置において、この圧縮機から吐出される冷媒には冷凍機油が溶け込んでいることが多い。このため圧縮機の吐出側配管には油分離器を設けて、冷媒に溶け込んでいた冷凍機油はここで分離して圧縮機へ戻すと共に、冷媒のみを凝縮器へ導くようにしている。しかしながら、油分離器でも完全に冷凍機油を分離することはできないので、分離しきれなかった冷凍機油が溶け込んだ状態の冷媒が凝縮器へ導かれることは否めなかった。
【特許文献１】特開２００４−２８６２４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記のように、油分離器で分離しきれなかった冷凍機油は凝縮器へ導かれるのだが、例えば空気調和機においては室内熱交換器と室外熱交換を通過する際に、これら熱交換器や冷媒配管の内面にへばりついてしまい、圧縮機に戻る油量は減少する。特に、室内熱交換器が内蔵された室内ユニットと室外熱交換器が内蔵された室外ユニットとをユニット間配管でつなぐような分離型空気調和機において、そのユニット間配管が長配管の場合（「業務用エアコン」の場合が多い）、気液分離器に戻る冷凍機油の量は、短配管の場合と比べて少なくなる。これによって、圧縮機が油切れとなり、圧縮機の摺動部分の磨耗が通常より早くなり、圧縮機の寿命が短くなることが考えられる。
【０００４】
本発明は、圧縮機に戻る冷凍機油の量を適切に保って、圧縮機の摺動部分の摩耗を抑えて、圧縮機の長寿命化を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１に係る発明は、ガスエンジンで駆動される圧縮機、凝縮器、減圧器、蒸発器、気液分離器を順次つないで冷凍サイクルを形成すると共に、この気液分離器には冷凍機油が溶け込んだ液冷媒が貯留され、この気液分離器の下部に溜まった冷凍機油をこの気液分離器内に位置し前記圧縮機につながる吸込管のオイル孔からこの圧縮機に戻すようにした冷凍装置において、前記気液分離器内の冷凍機油が溶け込んだ液冷媒を加熱してこの液冷媒と冷凍機油とを分離させる加熱用の熱交換器を設け、この熱交換器には、前記ガスエンジンからの冷却水を直接導く高温冷却水、もしくはこの高温冷却水をラジエータで冷却してこの高温冷却水よりも低温の中温冷却水のいずれかを流すように切り替える弁を設けて、
前記凝縮器の温度が所定温度以上もしくは前記圧縮機の吐出温度が所定温度以上の場合には、前記中温冷却水で前記気液分離器内の液冷媒を加熱し、この加熱でも上記凝縮器温度が所定温度以下もしくは上記圧縮機吐出温度が所定温度以下にならない場合には、前記高温冷却水による前記気液分離器内の液冷媒の加熱に切り替えて、前記気液分離器内の液冷媒の加熱して、この加熱で分離された冷凍機油をオイル戻し孔から圧縮機へ戻すようにしたものである。
【０００６】
この構成によれば、圧縮機を駆動するガスエンジンの排熱を有効に利用して気液分離器内を加熱して、冷媒に溶け込んだ冷凍機油を分離して、この冷凍機油を圧縮機に戻すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳述する。
【００２５】
図１は、本発明の実施形態に係るガスヒートポンプ（ＧＨＰ）式の空気調和装置に使用される室外ユニット１００内の冷媒回路の概要図である。なお、この回路図において、冷媒回路を実線で示し、冷却水回路を実線の太線で示し、また、排気ガス回路を一点鎖線で示している。
【００２６】
図１に示す室外ユニット１００内の冷媒回路１１０は、ガスエンジン１、このガスエンジン１とＶベルト２で連結された圧縮機３、この圧縮機３から冷媒配管を介して右回りに順に接続される油分離器４、四方弁５、ファン１７，１７による吸込空気によって冷却される室外熱交換器６、並設された電動弁７、プレート熱交換部３６、および、気液分離器１１を備え、この気液分離器１１が圧縮機３に接続されて冷媒が循環するようになっている。また、室内ユニット１４０，１５０を備えており、この室内ユニット１４０，１５０に開閉弁９，１０を介して冷媒配管が接続されている。これら室外ユニット１００と室内ユニット１４０、１５０はユニット間配管でつながれている。
【００２７】
また、図１において実線で示す矢印は、冷房サイクルの場合の冷媒の流れを示し、点線で示す矢印は、暖房サイクルの場合の冷媒の流れを示し、四方弁５を切り換えることで、これらの運転のサイクルを切り換えることができるようになっている。なお、この冷媒回路１１０には、電動弁であるバイパス弁１２、電動弁であるリキッド弁１３、圧力スイッチ１４、高圧側の圧力センサ１５、低圧側の圧力センサ１６、逆止弁１８、および、サブクーラ１９が設けられている。
【００２８】
一方、室外ユニット１００内の冷却水回路１２０は、ガスエンジン１から冷却水配管を介して順に接続される温水三方弁３７（電動クーラ三方弁ともいう）、冷却水三方弁２０、ラジエータ３９、エア抜き弁４０、リザーバタンク２２、および、冷却水ポンプ２１を備え、この冷却水ポンプ２１がガスエンジン１の排気ガス熱交換器２３に接続されて冷却水が循環するようになっている。また、排気ガス熱交換器２３には、排気マフラ２４が接続されており、この排気マフラ２４には、排気トップ２５およびドレンフィルタ２６が接続されている。
【００２９】
また、ガスエンジン１には、図１に示すように、燃焼ガス遮断弁２７，２７、ゼロガバナ２８、電動弁である燃料調整弁２９、エアクリーナ３０、ステッピングモータ３１、オイルレベルスイッチ３３を内蔵したサブオイルパン３２、オイルポンプ３４、および、オイルキャッチャ３５がそれぞれ接続されている。この燃焼ガス遮断弁２７の開閉およびステッピングモータ３１の動きによって、燃料であるガスがガスエンジン１に供給されることになる。
【００３０】
冷却水回路１２０において、温水三方弁３７および冷却水ポンプ２１を接続する配管経路によってガスエンジン１を通過した冷却水をガスエンジン１に戻す第１経路が形成されている。また、ガスエンジン１を通過した冷却水を、温水三方弁３７、冷却水三方弁２０、および、プレート熱交換部３６を通過させて第１経路に戻す第２経路と、温水三方弁３７、冷却水三方弁２０、および、ラジエータ３９を通過させて第１経路に戻す第３経路とを形成可能に構成されている。
【００３１】
電磁弁５４は、制御部７０によって開閉状態が制御され、開の状態とされた場合には、冷却水ポンプ２１から冷却水配管５３を介して吐出される冷却水を、冷却水配管５５を介して気液分離器１１に設けられた冷却水熱交換器８１（後述する）に導く。電磁弁５２は、同様に制御部７０によって開閉状態が制御され、開の状態とされた場合には、温水三方弁３７からから冷却水配管５１を介して吐出される冷却水を、冷却水配管５５を介して気液分離器１１内に設けられた冷却水熱交換器８１に導く。なお、電磁弁５２から気液分離器１１内の冷却水熱交換器８１に導かれる冷却水は、ガスエンジン１においてシリンダおよび排気ガスとの間で熱交換を行っており、また、電磁弁５４から冷却水熱交換器８１に導かれる冷却水はラジエータ３９またはプレート熱交換部３６によって冷却されている。したがって、電磁弁５２から吐出される冷却水の方が、電磁弁５４から吐出される冷却水よりも温度が高いため、電磁弁５２から吐出される冷却水を高温冷却水と呼び、電磁弁５４から吐出される冷却水を中温冷却水と呼ぶ。また、高温冷却水が流れる回路を高温ブライン回路と称し、中温冷却水が流れる回路を中温ブライン回路と称する。
【００３２】
図２は、図１に示す気液分離器１１の内部構造の一例を示す図である。気液分離器１１の内部には、電磁弁５４(図1参照)から供給される中温冷却水または電磁弁５２(図1参照)から供給される高温冷却水が導かれ、中温冷却水または高温冷却水と、気液分離器１１に貯留する冷凍機油の溶け込んだ液冷媒との間で熱交換を行わせる冷却水熱交換器８１が配置される。なお、熱交換を確実に行うため、冷却水熱交換器８１は、液冷媒の貯留する気液分離器１１の下部に位置するように設置することが望ましい。
【００３３】
また、冷却水熱交換器８１の冷却水の入口配管Ｃには図１の気液分離器１１の配管Ａが接続され、冷却水の出口配管Ｄには図１の気液分離器１１の配管Ｂが接続される。
【００３４】
空気調和装置は、図１において室外ユニット１００および室内ユニット１４０，１５０の各部を制御するための制御部７０を有している。この制御部７０は、各種温度センサを有するとともに、室内ユニット１４０，１５０の室内制御装置（図示せず）と通信可能に接続されている。そして、この制御部７０は、室内リモコン（図示せず）に入力されたユーザの指示を室内制御装置を介して取得し、冷房運転を行う場合には、図１に示すように、四方弁５を実線の位置（冷房運転の位置）に切り換え、ガスエンジン１の駆動により圧縮機３から吐出された冷媒を図に実線矢印で示す方向に流して、室外熱交換器６を凝縮器として機能させ、室内熱交換器１４１，１５１(図１参照)を蒸発器として機能させる一方、暖房運転を行う場合には、四方弁５を破線の位置（暖房運転の位置）に切り換え、圧縮機３から吐出された冷媒を図に破線矢印で示す方向に流して、室内熱交換器１４１，１５１を凝縮器として機能させ、室外熱交換器６を蒸発器として機能させる。また、制御部７０は、電動弁７，１４２，１５２の開度を制御し、これらを通過する冷媒量を調整することにより、各被調和室が設定温度となるように制御する。
【００３５】
また、制御部７０は、温水三方弁３７および冷却水三方弁２０の開度を制御し、第１、第２、および、第３経路に流れる冷却水の流量を制御することにより、ガスエンジン１の排熱を回収し、空気調和装置の運転効率を向上させる。より詳細には、例えば、ガスエンジン１の始動直後のように、冷却水の温度が低い場合には、第１経路に冷却水を循環させる。また、冷却水の温度が高くなった場合であって、暖房運転時に暖房負荷が大きいときには、第２経路に冷却水を循環させ、プレート熱交換部３６によって冷却水の熱を冷媒に回収させることにより、暖房負荷に対応するとともに、運転効率を向上させる。さらに、冷却水の温度が高くなった場合であって、暖房運転時に暖房負荷が小さいとき、または、冷房運転時には、第３経路に冷却水を循環させ、冷却水の熱をラジエータ３９から外気に放熱させる。
【００３６】
次に、図３のフローチャートを参照して、以上の実施形態の冷房運転時における動作について説明する。図３に示すフローチャートの処理が開始されると、以下のステップが実行される。すなわち、ステップＳ１０では、制御部７０(図１参照)は、空気調和装置の冷房運転を開始する。より詳細には、制御部７０は、ガスエンジン１を始動し、圧縮機３の駆動を開始するとともに、四方弁５を実線の位置（冷房運転の位置）に切り換え、ガスエンジン１の駆動により圧縮機３から吐出された冷媒を図に実線矢印で示す方向に流して、室外熱交換器６を凝縮器として機能させ、室内熱交換器１４１，１５１を蒸発器として機能させる。なお、このとき、電磁弁５２，５４は閉状態に制御されるので、気液分離器１１には、冷却水は供給されない。
【００３７】
ステップＳ１１では、制御部７０は、運転開始から１０分が経過したか否かを判定し、１０分が経過した場合（ステップＳ１１；Ｙｅｓ）には通常運転ステップＳ１２に進み、それ以外の場合（ステップＳ１１；Ｎｏ）には１０分が経過するまで同様の処理を繰り返す。なお、１０分が経過するのを待つのは、運転開始後の過渡状態においては、圧縮機３への液バック（液相冷媒が圧縮機３へ流入すること）を防止する目的で、電動弁１４２，１５２を開閉する制御を行う場合があり、その場合には過熱度が上昇することがあるのでそのような場合を除外するためである。
【００３８】
ステップＳ１２では、制御部７０は、通常冷房運転を実行する。なお、このとき、電磁弁５２，５４はどちらも閉状態であるので、気液分離器１１には、冷却水は供給されない。
【００３９】
ステップＳ１３では、凝縮温度制御または吐出温度制御が必要か否かを判定し、制御が必要な場合はステップＳ１４に進み、それ以外の場合にはステップＳ１５に進む。尚、凝縮温度制御とは室外熱交換器の温度Ｔ１(図１参照)が所定の温度以下となるように、また圧力が高くなりすぎないように室外ユニット１００のファン１７の回転数や、エンジン１の回転数を制御することであり、吐出温度制御とは圧縮機の吐出側配管の温度Ｔ２(図１参照)が所定の温度以下となるように圧縮機３の回転数を増減することである。これらの制御の必要性がある場合、通常運転が困難となり、エンジン１の回転数を下げるなどの運転能力を下げる必要がある。気液分離器１１の加熱は、冷媒の高圧圧力を上昇させることにつながるため、このような制御に入らない運転状態での気液分離器１１の加熱が前提となる。
【００４０】
ステップＳ１４では、凝縮温度制御、吐出温度制御を行う。
【００４１】
ステップＳ１５では、制御部７０は、中温ブライン回路の電磁弁５４を開状態にする。このとき、電磁弁５２は閉状態とされている。この結果、冷却水ポンプ２１から吐出された冷却水は、電磁弁５４を経由し、気液分離器１１内に配置された冷却水熱交換器８１を流れた後、冷却水配管５６を経由して冷却水ポンプ２１に戻される。前述のように、冷却水ポンプ２１から吐出された冷却水は、ラジエータ３９によって冷却されているので、ガスエンジン１から吐出された冷却水に比較して温度が低い中温冷却水であり、例えば、６０℃程度である。
【００４２】
ステップＳ１６では、再度凝縮温度制御または吐出温度制御が必要か否かを判定し、制御が必要な場合はステップＳ１７に進み、それ以外の場合にはステップＳ１８に進む。
【００４３】
ステップＳ１７では、制御部７０は、中温ブライン回路の電磁弁５４を閉状態にする。このとき、電磁弁５２，５４は閉状態に制御されるので、気液分離器１１には、冷却水は供給されなくなる。
【００４４】
ステップＳ１８では、制御部７０は、中温ブライン回路の電磁弁５４を閉め、高温ブライン回路の電磁弁５２を開状態にする。この結果、ガスエンジン１から吐出された冷却水は、電磁弁５２を経由し、気液分離器１１内に配置された冷却水熱交換器８１を流れた後、冷却水配管５６を経由して冷却水ポンプ２１に戻される。前述のように、ガスエンジン１から吐出された冷却水は、ラジエータ３９によって冷却された中温冷却水よりも温度が高い高温冷却水であり、例えば、８０℃程度である。
【００４５】
ステップＳ１９では、凝縮温度制御または吐出温度制御が必要か否かを判定し、制御が必要な場合はステップＳ２０に進み、それ以外の場合には同様の処理を繰り返す。
【００４６】
ステップＳ２０では、制御部７０は、高温ブライン回路の電磁弁５２を閉め、中温ブライン回路の電磁弁５４を開状態にする。この結果、ガスエンジン１から吐出された冷却水は、電磁弁５４を経由し、気液分離器１１内に配置された冷却水熱交換器８１を流れた後、冷却水配管５６を経由して冷却水ポンプ２１に戻される。
【００４７】
ここで、冷凍機油は圧力が高いほど、また温度が低いほど冷媒に溶け込みやすい性質があるので、気液分離器１１を低圧、高温に保つことができれば気液分離器１１内の液冷媒と冷凍機油は分離されやすくなる。このため、気液分離器１１を熱交換器８１で加熱し、冷凍機油が溶け込んだ液冷媒を高温に保つことで、気液分離器１１内部に貯留された冷媒とその冷媒に溶け込んだ冷凍機油との分離は促進される。このようにして分離された冷凍機油は気液分離器１１内の下部に溜まり、オイル戻し孔８０により速やかに圧縮機３へ戻される。特に、ステップＳ１３において凝縮温度制御または吐出温度制御が必要ない場合、ステップＳ１５において中温冷却水を冷却水熱交換器８１に導く。さらに、この状態でステップＳ１６において凝縮温度制御または吐出温度制御が必要ない場合、ステップＳ１８において中温冷却水よりも高温の高温冷却水を冷却水熱交換器８１に導く。このようにして、中温冷却水を利用しても吐出温度制御が必要ない場合、中温冷却水よりもさらに高温の高温冷却水を冷却水熱交換器８１に導くようにした。このため、２種類の温度の異なる熱源からの熱を利用することにより、気液分離器１１内部に貯留された冷媒とその冷媒に溶け込んだ冷凍機油との分離の促進が確実に行える。また、段階的に温度が低い熱源から高い熱源を用いて加熱することにより、冷媒の温度が上昇し過ぎることを防止することができる。
【００４８】
以上に説明したように、本発明の実施形態によれば、油分離器４は圧縮機３の吐出側配管６０に設けており、圧縮機３からの吐出冷媒に含まれている冷凍機油を分離して、戻し管６１を介して気液分離器１１へ導く。油分離器４で分離された冷凍機油は、適切な油量を保つために速やかに圧縮機３に戻ることが理想であるが、圧縮機３に冷凍機油とともに液冷媒が流れ込むという液バックを防止するために気液分離器１１を介す必要がある。また、冷凍機油を速やかに気液分離器１１から圧縮機３に戻すために、単純にオイル戻し孔８０を大きくしてしまうと、この場合もオイル戻し孔８０を介して冷凍機油だけでなく液冷媒も圧縮機へ戻るため、液バックをおこす可能性がある。そこで、気液分離器１１を高温に保つことで液冷媒と冷凍機油の分離を促進させ、さらに気液分離器１１の吸込管下部に図６で示すようにオイル戻し孔８０１を複数個に増やす、あるいは図７で示すようにオイル戻し孔８０２を下方になるほど大きくすることにより、気液分離器１１の下部に貯留する冷凍機油をスムーズに圧縮機３に戻すことができる。この場合、冷凍機油９１は液冷媒９２よりも下部に貯留する。
【００４９】
以下にガスエンジンの排気ガスの熱を利用した参考例について図４で述べる。
【００５０】
図４は、排気ガスの熱を利用した実施形態を示すものであり、具体的には気液分離器１１の加熱に排気ガスを用いた。電磁弁４４は、制御部７０によって開閉状態が制御され、開状態とされた場合には、排気ガス熱交換器２３の出口の排気ガスの一部を排気ガス配管４３を介して気液分離器１１内に設けられた排気ガス熱交換器８１に導く。電磁弁４２は、同様に制御部７０によって開閉状態が制御され、開状態とされた場合には、排気ガス熱交換器２３の入口の排気ガスの一部を、排気ガス配管４１を介して、気液分離器１１内に設けられた排気ガス熱交換器８１に導く。なお、電磁弁４２から吐出される排気ガスの方が、電磁弁４４から吐出される排気ガスよりも温度が高いため、電磁弁４２から吐出される排気ガスを高温排気ガスと呼び、電磁弁４４から吐出される排気ガスを中温排気ガスと呼ぶ。また、高温排気ガスが流れる回路を高温排気ガス回路と称し、中温排気ガスが流れる回路を中温排気ガス回路と称する。要するに、図１との相違点は、気液分離器１１には冷却水配管５５，５６ではなく、エンジンの排気ガス配管４５，４６を接続し気液分離器１１を加熱する点である。尚、図１と同様な作用を行うものは、図１の符号と同一符号を付してその説明は省略する。
【００５１】
図５は、気液分離器１１の参考例を示す図であり、気液分離器１１に冷却水熱交換器を取り付ける方法として、気液分離器１１外部に冷却水熱交換器８２を巻きつけてもよい。なお、この場合も、冷却水熱交換器８１（図２参照）同様に、冷却水熱交換器８２は、液冷媒の貯留する気液分離器１１の下部に位置するように設置することが望ましい。
【００５２】
以上の実施形態では、中温冷却水および高温冷却水を図１の冷却水ポンプ２１の出口および温水三方弁３７の出口から取り出すようにしたが、これ以外の場所から取り出すようにしてもよい。要するに、気液分離器１１に貯留する液冷媒を加熱することができる異なる２種類の温度の冷却水が得られればよい。
【００５３】
また、以上の実施形態では、気液分離器１１内部の冷却水熱交換器８１は、螺旋状に巻回された構造としたが、例えば、直線形状や、波形形状等でもよい。
【００５４】
また、以上の実施形態では、あらかじめ決められた所定範囲内の場合に気液分離器１１を加熱することにより、圧縮機３内の冷凍機油の戻りをスムーズに行うことができる。
【００５５】
また、以上の実施形態では、気液分離器１１で分離された冷凍機油をオイル戻し孔によって効率よく速やかに圧縮機３へ戻すことができる。このため、室外熱交換機６配管内部、室内熱交換器１４１，１５１配管内部の冷凍機油の付着が低減され、室外熱交換機６、室内熱交換器１４１，１５１の熱伝導率の向上が期待できる。
【００５６】
また、以上の実施形態では、空気調和装置は、１台の室外ユニット１００と、２台の室内ユニット１４０，１５０を有するようにしたが、室外ユニットを複数台有していたり、室内ユニット１４０，１５０を１台または３台以上有していたりするようにしてもよい。
【００５７】
また、以上の実施形態では、ガスエンジンヒートポンプ式の空気調和装置の冷房運転時に本発明を適用する場合を例に挙げて説明したが、暖房運転時に本発明を適用することも可能である。暖房運転時は、冷却水や排気ガスの熱エネルギーが暖房能力を高めることになるため、圧縮機３への冷凍機油の戻り性の向上に加えて運転能力が上がる。また、ガスエンジンヒートポンプ型の空気調和装置だけではなく、ショーケース等の他の冷凍装置に適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の実施形態に係るガスエンジンヒートポンプ式冷凍装置の構成図である。
【図２】図１に示した気液分離器の詳細構成を示す図である。
【図３】図１のガスエンジンヒートポンプ式空気調和機において実行される処理の一例である。
【図４】本発明の他の実施形態を示す構成図である。
【図５】図２に示した気液分離器の他の第１実施形態である。
【図６】図２に示した気液分離器の他の第２実施形態である。
【図７】図２に示した気液分離器の他の第３実施形態である。
【符号の説明】
【００５９】
１…ガスエンジン
３…圧縮機
４…油分離器
６…室外熱交換器
１１…気液分離器
６０…圧縮機の吐出側配管
８０…オイル戻し孔（オイル戻し手段）
８１…冷却水熱交換器
１００…室外ユニット
１４０、１５０…室内ユニット
１４１、１５１…室内熱交換器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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