(57)【要約】【課題】膨張機と圧縮機の潤滑を確実に行い、蒸発器での冷凍機油による蒸発性能の低下を防止する。【解決手段】圧縮機と、放熱器と、膨張機と、蒸発器とを順に接続した回路に冷媒と冷凍機油とを封入して冷凍サイクルを構成して、蒸発器の蒸発器本体３０には冷媒流路を複数に分割するとともに冷凍機油４０を分離するオイル貯留部３４を備えた入口ヘッダー３１を設け、その入口ヘッダー３１の下部に送油管３５を設けるとともにその送油管３５を出口ヘッダー３３に連通させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機と、放熱器と、膨張機と、蒸発器とを順に接続した回路に冷媒と冷凍機油とを封入して冷凍サイクルを構成し、前記蒸発器には冷媒流路を複数に分割するとともに前記冷凍機油を分離する入口ヘッダーを設けたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項２】
蒸発器に出口ヘッダーを設けるとともに入口ヘッダーの下部に送油管を設け、前記送油管を前記出口ヘッダーに連通させたことを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項３】
入口ヘッダーに設けた冷凍機油の液面を検知する液面検知手段と、前記液面検知手段により検知された冷凍機油の液面によって送油管の連通を開閉制御する送油管開閉手段とを有することを特徴とする請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項４】
液面検知手段は冷凍機油の比重よりも小さく、液冷媒の比重よりも大きい比重の材料で構成されたフロートであることを特徴とする請求項３に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項５】
送油管開閉手段がフロートであり、入口ヘッダーにおける冷凍機油の液面が所定液面以下の場合に、前記フロートにより送油管を閉止することを特徴とする請求項４に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項６】
冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍サイクル装置に関し、特に冷媒が膨張する際の膨張エネルギを回収するエネルギ回収手段を備えた冷凍サイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
冷凍サイクル装置は圧縮機と放熱器と蒸発器とを順に接続して冷媒を封入し、放熱器と蒸発器との間に膨張機構を配置して冷媒を膨張させている。膨張機構としては膨張弁やキャピラリチューブなどが使用されている。一方、冷凍サイクル中の高圧圧力と低圧圧力の差が大きい場合には、上記膨張機構に換えて膨張機を用いて、膨張機における冷媒の膨張エネルギを回転エネルギに変換して電力または動力のかたちで回収し、冷凍サイクル装置の高効率化を図る例が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このような膨張機では軸受などの摺動部を有するため、それらの潤滑が必要となり冷凍サイクル内を循環する冷凍機油を膨張機に供給している。一方、膨張機から吐出された冷凍機油は冷媒とともに蒸発器に流入し、蒸発器での蒸発能力を低下させる。そこで、膨張機から吐出された冷媒と冷凍機油とを油分離器で分離して、冷媒を蒸発器に、冷凍器油を圧縮機に供給する例が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２０００−３２９４１６号公報
【特許文献２】特開２００３−１３９４２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来例のように膨張機の出口に油分離器を別途設ける構成では、冷凍サイクル装置が大型化する。また、油分離器に油が貯留されない場合には、油分離器から圧縮機側にバイパスして設けたバイパス管に大部分の冷媒が流れるため、蒸発器の蒸発性能が著しく低下するといった課題がある。
【０００５】
本発明は、簡単な構成で蒸発器に冷凍機油の流入を防止し、蒸発性能を低下させることがない冷凍サイクル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】
【０００６】
上記の課題を解決するために、本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機と、放熱器と、膨張機と、蒸発器とを順に接続した回路に冷媒と冷凍機油とを封入して冷凍サイクルを構成し、蒸発器には冷媒流路を複数に分割するとともに冷凍機油を分離する入口ヘッダーを設けている。
【０００７】
このような構成によれば、冷媒を分流するための入口ヘッダーと油分離器を共用した簡単な構成で、蒸発器への冷凍機油の流入を抑制することができ、蒸発器の性能を向上させることができる。特に、冷媒の膨張エネルギを回収するための摺動部などを有する膨張機の冷凍機油による確実な潤滑と高い蒸発器の性能確保とを両立させることができる。
【０００８】
さらに、蒸発器に出口ヘッダーを設けるとともに入口ヘッダーの下部に送油管を設け、送油管を出口ヘッダーに連通させることが望ましい。このような構成によれば、蒸発器の性能を阻害することなく冷凍機油を圧縮機に供給し、さらに冷凍サイクル内を循環させることができる。
【０００９】
さらに、入口ヘッダーに設けた冷凍機油の液面を検知する液面検知手段と、液面検知手
段により検知された冷凍機油の液面によって送油管の連通を開閉制御する送油管開閉手段とを有することが望ましい。このような構成によれば、冷凍機油の量が少ないときに、大部分の冷媒が送油管に流れてしまうのを防止することができ、蒸発性能の低下を防止することができる。
【００１０】
さらに、液面検知手段は冷凍機油の比重よりも小さく、液冷媒の比重よりも大きい比重の材料で構成されたフロートであることが望ましい。このような構成によれば、簡単な構成で冷凍機油の液面検知を実現することができる。
【００１１】
さらに、送油管開閉手段がフロートであり、入口ヘッダーにおける冷凍機油の液面が所定液面以下の場合に、フロートにより送油管を閉止することが望ましい。このような構成によれば、簡単な構成でなおかつ確実に冷凍機油の送油管への流入制御が可能となる。
【００１２】
さらに、冷媒が二酸化炭素であることが望ましい。このような構成によれば、環境に優しく、冷凍機油での潤滑が必要な膨張機での冷媒の膨張エネルギを回収する高効率の冷凍サイクル装置を実現することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、簡単な構成で蒸発器への冷凍機油の流入を防止でき、蒸発性能を低下させることがない冷凍サイクル装置とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１５】
（第１の実施の形態）
図２は本発明の第１の実施の形態における冷凍サイクル装置の構成図である。冷凍サイクル装置１０は、圧縮機１２、放熱器１４、膨張機１６および蒸発器１８を順次直列に接続して冷媒を循環させる冷凍サイクル２０を形成している。本発明の実施の形態では冷媒としては二酸化炭素が充填され、さらに、圧縮機１２や膨張機１６の軸受部やその他の機構部を潤滑する目的の冷凍機油としてはポリアルキレングルコール（以下、ＰＡＧと記載）を充填している。
【００１６】
冷凍サイクル装置１０において冷媒は矢印Ａに示す方向に循環する。圧縮機１２において冷媒の二酸化炭素をその臨界点を超える高温、高圧の超臨界状態にまで圧縮し、放熱器１４において圧力を保ったまま放熱させることで、その温度が低下する。膨張機１６では高圧の冷媒の膨張エネルギを機械エネルギに変換する。具体的には、膨張による容積変化を回転エネルギに変換し、膨張機１６に駆動軸２２で接続された発電機２４によって電力を発生させている。膨張機１６の具体例としては、スクロール型やベーンロータリ型などが考えられる。発電機２４で発生した電力は図２の破線で示す電力線２８を介して圧縮機１２や蒸発器１８のファン２６などの駆動電力として使用することができる。さらに、蒸発器１８では膨張機１６を通過して低温・低圧となった冷媒が周囲より熱を奪い蒸発して気相となり、圧縮機１２に戻る。また、冷凍サイクル２０に封入した冷凍機油は冷媒とともに、冷凍サイクル２０を循環し、圧縮機１２や膨張機１６などの機構部を潤滑あるいは冷却する。
【００１７】
次に、蒸発器１８についてさらに詳しく説明する。図１は本発明の第１の実施の形態における冷凍サイクル装置の蒸発器の構成を示す断面図である。蒸発器本体３０は、膨張機１６で膨張した気液二相の冷媒が入る入口ヘッダー３１と、蒸発器熱交換部３２と、入口ヘッダー３１の冷媒流路に対向して設けられた出口ヘッダー３３とにより構成され、いわゆる１パス回路の蒸発器を構成している。入口ヘッダー３１の下部には仕切り部４２を介
してオイル貯留部３４が設けられ、さらに、オイル貯留部３４と出口ヘッダー３３とを連通する送油管３５が設けられている。また、蒸発器熱交換部３２は内部を冷媒が通過する例えば銅管などよりなる複数の冷媒管３６と、その冷媒管３６の外周部に設けられた拡大伝熱面としてのフィン３７より構成され、フィン３７の間に外気を流通させ、外気と冷媒との間で熱交換するように構成している。
【００１８】
膨張機１６で膨張し、気液二相の状態となった冷媒が入口ヘッダー３１に設けられた冷媒入口管３８から入口ヘッダー３１内に吐出される。冷凍機油のＰＡＧと冷媒の二酸化炭素とは、−５０℃以上で二相分離し、−１０℃以上ではＰＡＧの方が二酸化炭素より比重が大である。したがって、入口ヘッダー３１には気体状態と液体状態の冷媒と、それらの冷媒中に分散した液状態の冷凍機油とが吐出され、冷凍機油４０が入口ヘッダー３１のオイル貯留部３４に貯留される。また、冷媒中の液冷媒のうちの一部がガス冷媒と分離されて冷凍機油４０の上部に貯留される。なお、冷媒から冷凍機油を積極的に分離させる方法として、入口ヘッダー３１内で比重差を利用して遠心分離させるように、冷媒入口管３８の配置や形状、あるいは入り口ヘッダー３１の形状などを変えることも可能である。
【００１９】
入口ヘッダー３１に吐出されて冷凍機油と分離された冷媒は、複数の冷媒管３６に分流して、圧力差によって出口ヘッダー３３に流れる。冷媒管３６を通過する間に、冷媒は外気と熱交換して蒸発し、出口ヘッダー３３では気体状態のみの冷媒が再度合流する。合流した冷媒は、出口ヘッダー３３の下部に設けられた冷媒出口管４１より圧縮機１２に吸い込まれる。ここで、冷媒出口管４１には送油管３５からの冷凍機油４０と出口ヘッダー３３内の冷媒とが合流して圧縮機１２に吸い込まれる。
【００２０】
このように本発明の第１の実施の形態によれば、冷媒を分流するための入口ヘッダー３１と油分離器であるオイル貯留部３４を共用しているため、簡単な構成で蒸発器本体３０の冷媒管３６への冷凍機油の流入を抑制することができる。そのため、冷媒管３６の内壁に冷凍機油の油膜などが形成されることがない。そのため、冷媒管３６の伝熱性能を阻害することなく、蒸発器本体３０での蒸発性能を向上させることができる。したがって、冷媒として二酸化炭素などを用いて、冷媒の膨張エネルギを回収するための摺動部などを有する膨張機を用いた冷凍サイクル装置でも、圧縮機と膨張機との冷凍機油による確実な潤滑を行い、さらに蒸発器の高い性能を確保することができる。
【００２１】
（第２の実施の形態）
図３（ａ）（ｂ）は本発明の第２の実施の形態における冷凍サイクル装置の蒸発器の要部の構成を示す断面図であり、特に入口ヘッダー３１のオイル貯留部３４近傍を拡大して示す部分断面図である。
【００２２】
図３（ａ）（ｂ）に示すように、蒸発器本体３０の入口ヘッダー３１にはオイル貯留部３４が設けられ、オイル貯留部３４に開口して送油管３５が設けられている。また、オイル貯留部３４内には冷凍機油４０の液面を検知する液面検知手段としてのフロート４３が設けられている。フロート４３は、冷凍機油４０の比重よりも小さく、液冷媒の比重よりも大きい比重の材料で構成されている。また、フロート４３は送油管開閉手段としてのフロート支持板４４に取り付けられ、フロート支持板４４がオイル貯留部３４に設けられた案内筒４５内を上下移動可能なように構成されている。さらにフロート４３の上部にはストッパー４６を設け、フロート４３の上部位置を規制している。また、案内筒４５には送油管３５に開口する開口部４７が設けられ、フロート支持板４４によって開口部４７と送油管３５との連通が制御できるようにしている。
【００２３】
図３（ａ）は冷凍機油４０の貯留レベルすなわち冷凍機油４０が多い場合、図３（ｂ）は貯留レベルが下がって冷凍機油４０が少なくなった場合の状態を示す図である。図３（
ａ）に示すように、冷凍機油４０の貯留量が多い場合には、フロート４３が上昇するとともにフロート支持板４４も上昇し、開口部４７と送油管３５とが連通して出口ヘッダー３３に冷凍機油４０が吐出される。一方、図３（ｂ）に示すように、冷凍機油４０の貯留量が少なくなるとフロート４３とフロート支持板４４とが下降して、開口部４７と送油管３５との連通を閉止し、送油管３５からの冷凍機油４０の吐出を閉止する。
【００２４】
このように、フロート４３を冷凍機油４０の比重よりも小さく、液冷媒の比重よりも大きい比重の材料で構成して冷凍機油４０の液面検知手段とすることによって、入口ヘッダー３１に貯留された液冷媒に影響されずに、冷凍機油４０の液面を確実に検知することができる。そのため、冷凍機油４０の量が少ないときに冷媒が送油管３５に流れてしまうのを防止することができ、蒸発性能の低下を防止することができる。
【００２５】
なお、本発明の第２の実施の形態では、フロート４３の上昇下降によってフロート４３に取り付けたフロート支持板４４を上下させて、送油管３５への連通を制御する送油管開閉手段としているが、フロート４３の位置を電磁気的に検知して送油管３５の経路に別途設けた電磁弁などの流路開閉弁を制御してもよい。さらに、液面検知手段としては、光学的な受発信器を設けて検知手段とすることなども可能である。
【００２６】
（第３の実施の形態）
図４は本発明の第３の実施の形態における冷凍サイクル装置の蒸発器の構成を示す断面図である。蒸発器本体５０の基本の構成は、図１に示す本発明の第１の実施の形態と同様である。本発明の第１の実施の形態では、冷媒が入口ヘッダーで分流して熱交換した後に、出口ヘッダーで再度合流して蒸発器に流入する、いわゆる１パス回路の蒸発器について述べた。本発明の第３の実施の形態は、冷媒がヘッダー間で往還する、いわゆるマルチパス回路の蒸発器に関する。
【００２７】
図４に示すように、蒸発器本体５０は第１蒸発器５１と第２蒸発器５２とにより構成されている。第１蒸発器５１は第１蒸発器入口ヘッダー５３と第１蒸発器出口ヘッダー５４と第１蒸発器熱交換部５５とにより構成されている。また、第１蒸発器熱交換部５５は複数の冷媒管５６とその周囲に設けられたフィン５７により構成されている。一方、第２蒸発器５２は第２蒸発器入口ヘッダー５８と第２蒸発器出口ヘッダー５９と第２蒸発器熱交換部６０とにより構成され、第２蒸発器熱交換部６０は複数の冷媒管５６とその周囲に設けられたフィン５７とにより構成されている。
【００２８】
したがって、膨張機からの冷媒は冷媒入口管６１から第１蒸発器入口ヘッダー５３に入り、第１蒸発器熱交換部５５、第１蒸発器出口ヘッダー５４、第２蒸発器入口ヘッダー５８、第２蒸発器熱交換部６０、第２蒸発器出口ヘッダー５９の順に経由して、冷媒出口管６３から圧縮機に吸い込まれる。したがって、蒸発器本体５０の入口ヘッダーは第１蒸発器入口ヘッダー５３であり、出口ヘッダーが第２蒸発器出口ヘッダー５９となる。なお、第１蒸発器出口ヘッダー５４と第２蒸発器入口ヘッダー５８とはお互いが仕切られ冷媒連通部６２によって連通されている。また、第１蒸発器入口ヘッダー５３と第２蒸発器出口ヘッダー５９とはお互いが仕切られ、油連通部６４によって連通されている。
【００２９】
第１蒸発器入口ヘッダー５３には、第１の実施の形態と同様に、オイル貯留部６５が仕切り部６７によって形成され、そのオイル貯留部６５の底部に油連通部６４が設けられている。第１の実施の形態で述べたのと同様に、第１蒸発器入口ヘッダー５３に流入した冷凍機油が混在した冷媒は、第１蒸発器入口ヘッダー５３内で冷媒と冷凍機油とに分離され、オイル貯留部６５に冷凍機油６６が貯留される。オイル貯留部６５に貯留された冷凍機油６６は、油連通部６４から第２蒸発器出口ヘッダー５９に落下し、第２蒸発器出口ヘッダー５９に設けた冷媒出口管６３で冷媒と合流して圧縮機に吸入される。
【００３０】
したがって、このようにマルチパス回路の蒸発器であっても、蒸発器に流入する冷凍機油と冷媒を分離することで、冷凍機油６６が蒸発器本体５０の冷媒管５６に流入することがないため、冷媒管５６の伝熱性能を阻害することなく、蒸発器本体５０での蒸発性能を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明の冷凍サイクル装置は、簡単な構成で蒸発器への冷凍機油の流入を防止でき、蒸発性能を低下させることがないため、空気調和装置、給湯機、冷蔵庫などの用途に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の第１の実施の形態における冷凍サイクル装置の蒸発器の構成を示す断面図
【図２】本発明の第１の実施の形態における冷凍サイクル装置の構成図
【図３】（ａ）本発明の第２の実施の形態における冷凍サイクル装置の蒸発器の冷凍機油が多い場合の要部の構成を示す断面図（ｂ）本発明の第２の実施の形態における冷凍サイクル装置の蒸発器の冷凍機油が多い場合の要部の構成を示す断面図
【図４】本発明の第３の実施の形態における冷凍サイクル装置の蒸発器の構成を示す断面図
【符号の説明】
【００３３】
１０    冷凍サイクル装置
１２    圧縮機
１４    放熱器
１６    膨張機
１８    蒸発器
２０    冷凍サイクル
２２    駆動軸
２４    発電機
２６    ファン
２８    電力線
３０，５０    蒸発器本体
３１    入口ヘッダー
３２    蒸発器熱交換部
３３    出口ヘッダー
３４，６５    オイル貯留部
３５    送油管
３６，５６    冷媒管
３７，５７    フィン
３８，６１    冷媒入口管
４０，６６    冷凍機油
４１，６３    冷媒出口管
４２，６７    仕切り部
４３    フロート
４４    フロート支持板
４５    案内筒
４６    ストッパー
４７    開口部
５１    第１蒸発器
５２    第２蒸発器
５３    第１蒸発器入口ヘッダー
５４    第１蒸発器出口ヘッダー
５５    第１蒸発器熱交換部
５８    第２蒸発器入口ヘッダー
５９    第２蒸発器出口ヘッダー
６０    第２蒸発器熱交換部
６２    冷媒連通部
６４    油連通部
【図１】
2006226590.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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