(57)【要約】【課題】冷凍サイクル装置において、オイル分離機構により分離したオイル内の液冷媒を蒸発させてから圧縮機へ吸入させることで圧縮機での液圧縮を防止する。  【解決手段】本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機１と、放熱器２と、膨張機構３と、蒸発器４と、膨張機構３と蒸発器４の間に設置された第２のオイル分離機構１５と、圧縮機１と放熱器２の間に設置された第１のオイル分離機構１３によって構成している。そして本実施例による冷凍サイクルは、第１のオイル分離機構１３で分離された高温のオイルを圧縮機１へ戻す第１のオイル戻し流路９と、第２のオイル分離機構１５で分離されたオイルを蒸発器４をバイパスさせて圧縮機１へ戻す第２のオイル戻し流路１４が設置され、第１のオイル戻し流路９と第２のオイル戻し流路１４が合流した後に蒸発器４の出口冷媒配管に接続され圧縮機１へ吸入される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、放熱器、膨張機構、蒸発器を順次配管接続した冷凍サイクル装置であって、
前記圧縮機と前記放熱器の間に設けられた第１のオイル分離機構と、
前記膨張機構と前記蒸発器の間に第２のオイル分離機構と、
前記第１のオイル分離機構で分離したオイルを分岐させる第１のオイル戻し流路と、
前記第２のオイル分離機構で分離したオイルを分岐させる第２のオイル戻し流路と、
前記第１と第２のオイル戻し流路とを合流させ、合流後のオイルを前記蒸発器と前記圧縮機の間に戻す第３のオイル戻し流路とを有する冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記第１のオイル戻し流路に設けられた第１のオイル流量制御弁と、
前記第２のオイル戻し流路に設けられた第２のオイル流量制御弁と、
前記第３のオイル戻し流路に設けられた第３のオイル流量制御弁とを更に有する請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項３】
前記蒸発器と前記第２のオイル戻し流路との両方に送風するファンを更に有する冷凍サイクル装置。
【請求項４】
前記膨張機構が膨張機である請求項１〜３に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項５】
請求項２に記載の冷凍サイクル装置の運転方法であって、
前記第１のオイル流量制御弁と前記第３のオイル流量制御弁を全閉にし、前記第２のオイル流量制御弁のみを開いて前記第２のオイル戻し流路にオイルを流した後、
前記第１のオイル流量制御弁を開き前記第２のオイル流量制御弁を全閉にして前記第１のオイル戻し流路を流れたオイルと、前記第２のオイル戻し流路を流れたオイルとを混合させ、
その後、前記第３のオイル流量制御弁を開き前記圧縮機へオイルを流入させる、方法。
【請求項６】
前記膨張機構が膨張機であ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の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、給湯機や空調機などに用いる、膨張機を搭載した冷凍サイクル装置に関する
【背景技術】
【０００２】
近年、冷凍サイクルの更なる高効率化を図る手段として、膨張弁に代えて膨張機を備え、冷媒が膨張する過程でその圧力エネルギーを膨張機によって電力又は動力の形で回収し、その回収分だけ圧縮機の入力を低減する動力回収サイクルが提案されている。（例えば、特許文献１参照）。図４は特許文献１に記載された従来のヒートポンプ装置を示すものである。
【０００３】
図４は、圧縮機１と放熱器２と減圧装置である膨張機３とオイル分離器５と蒸発器４から構成される冷凍サイクル装置である。圧縮機１はモータ６によって駆動される圧縮機であり、モータ６の駆動軸８が膨張機３の駆動軸８と接続されている。膨張機３では、冷媒が膨張するときに発生する動力を回収し、圧縮機１と接続されている駆動軸８に動力を伝達する。圧縮機１では、膨張動力により圧縮機１での圧縮仕事が一部賄われるので、膨張動力回収をしない場合に比べ、圧縮機１で必要となる電気入力が低減され、冷凍空調装置運転の際の効率を高めている。またオイル分離器５で分離された冷凍機油を圧縮機１吸入部へ返油する返油配管７が備えられている。また、冷凍空調装置では、冷媒として二酸化炭素が用いられ、冷凍機油として二酸化炭素に対して溶解性が低く、密度の大きいPAG油が用いられる。
【０００４】
また、図４に示される従来のシステムでは、オイル分離器５を膨張機３と蒸発器４の間に設置し、オイルを蒸発器４に流入させないようにすることで蒸発器の性能低下を防ぎ、またオイル分離器５で分離したオイルを圧縮機や膨張機に戻すことで圧縮機や膨張機の効率向上や信頼性の向上が図れるとしていた。
【特許文献１】特開2003-240366号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、オイル分離器により分離されたオイルを直接圧縮機に戻すと、液冷媒が混ざったままの状態で圧縮機に戻すことになるため、液圧縮を起こすことになり圧縮機の信頼性を確保できないという課題を有していた。
【０００６】
本発明は前記従来の課題に鑑みてなされたものであり、圧縮機における液圧縮を抑制しながら、蒸発器へのオイル流入を防ぎ、圧縮機および膨張機構のオイル量を確保することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記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、放熱器、膨張機構、蒸発器を順次配管接続した冷凍サイクル装置であって、
前記圧縮機と前記放熱器の間に設けられた第１のオイル分離機構と、
前記膨張機構と前記蒸発器の間に第２のオイル分離機構と、
前記第１のオイル分離機構で分離したオイルを分岐させる第１のオイル戻し流路と、
前記第２のオイル分離機構で分離したオイルを分岐させる第２のオイル戻し流路と、
前記第１と第２のオイル戻し流路とを合流させ、合流後のオイルを前記蒸発器と前記圧縮機の間に戻す第３のオイル戻し流路とを有する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の冷凍サイクル装置によれば、膨張機構から流出したオイルを蒸発器に流入させることなく圧縮機へ導くことができ、且つ圧縮機へ吸入させる油から液冷媒を蒸発させることにより圧縮機での液圧縮を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、背景技術と同一構成については同一符号を付す。
【００１０】
本実施形態の冷凍サイクル装置は、ヒートポンプ装置である。
【００１１】
図１において、本実施形態のヒートポンプ装置は、冷媒を高温高圧に圧縮する圧縮機１と、高温高圧になった冷媒を冷却して周囲へ放熱させる放熱器２と、放熱器２よりも冷媒の流れ方向に対して下流側に配設されて冷媒を減圧膨張する膨張機構３と、冷媒が周りから熱を奪って蒸発する蒸発器４と、膨張機構３と蒸発器４の間に設置された第２のオイル分離機構１５と、圧縮機１と放熱器２の間に設置された第１のオイル分離機構１３によって構成している。そして本実施形態による冷凍サイクルは、第１のオイル分離機構１３で分離された高温のオイルを圧縮機１へ戻す第１のオイル戻し流路９と、第２のオイル分離機構１５で分離されたオイルを蒸発器４をバイパスさせて圧縮機１へ戻す第２のオイル戻し流路１４が設置され、第１のオイル戻し流路９と第２のオイル戻し流路１４は合流した後に蒸発器４の出口冷媒配管に接続され圧縮機１へ吸入される。また、第１のオイル戻し流路９には第１のオイル流量制御弁１０が配設され、第２のオイル戻し流路１４には第２のオイル流量制御弁１１が配設されている。また、第１のオイル戻し流路９と第２のオイル戻し流路１４の合流点と蒸発器４の出口配管とを接続する流路には第３のオイル流量制御弁１６が配設されている。
【００１２】
次に、圧縮機１をバイパスさせた第１のオイル戻し流路９と蒸発器４をバイパスさせた第２のオイル戻し流路１４を合流させる際、圧力差に対して円滑に作動させるための制御方法について図２のフローチャートをもとに説明する。
【００１３】
ステップ１では、第１のオイル流量制御弁１０と第３のオイル流量制御弁１６を全閉にし、第２のオイル流量制御弁１５を開いた状態にする。
【００１４】
これは、第２のオイル流量制御弁１１を開くことにより第２のオイル分離機構１５で分離されたオイルを蒸発器４をバイパスさせている状態である。
【００１５】
ここで、第１のオイル流量制御弁１０と第３のオイル流量制御弁１６を全閉にする理由について説明する。第１のオイル流量制御弁１０を開き、第３のオイル流量制御弁１６を全閉にすると、第１のオイル戻し流路９を流れるオイルの圧力は第２のオイル戻し流路１４を流れるオイルの圧力より高いため、第２のオイル戻し流路１４を流れるオイルが押し戻され第２のオイル分離機構１５で分離したオイルが蒸発器４をバイパスしなくなってしまう。また、第１のオイル流量制御弁１０を全閉にし、第３のオイル流量制御弁１６を開くと、液冷媒が混ざったままのオイルが圧縮機１へ吸入されてしまう。また、第１のオイル流量制御弁１０と第３のオイル流量制御弁１６を両方開くと第１のオイル戻し流路９を流れるオイルの圧力が高いため、オイル戻し流路９を流れるオイルのみが圧縮機１へ吸入されることになる。よって、各オイル流量制御弁を図のフローチャートのステップ１の状態にしておく必要がある。
【００１６】
ステップ２では、第２のオイル流量制御弁１１と第３のオイル流量制御弁１６を全閉に
し、第１のオイル流量制御弁１０を開いた状態にする。
【００１７】
これは、第１のオイル流量制御弁１０を開くことにより第２のオイル分離機構１５で分離されたオイルと第１のオイル分離機構１３で分離されたオイルを混合させている状態である。
【００１８】
ここで、第２のオイル流量制御弁１１と第３のオイル流量制御弁１６を全閉にする理由について説明する。第１のオイル分離機構１３で分離された高温のオイルと第２のオイル分離機構１５で分離されたオイルを確実に混合し、オイル内の液冷媒を蒸発させるためである。
【００１９】
第２のオイル流量制御弁１１と第３のオイル流量制御弁１６を全閉にしないでどちらか一方を開くかもしくは両方開いた状態にしておくと、ステップ１で説明した理由と同様の理由でオイルの混合、液冷媒の蒸発が確実に行われなくなるため、各オイル流量制御弁を図のフローチャートのステップ２の状態にしておく必要がある。
【００２０】
ステップ３では、第３のオイル流量制御弁１６を開き、第２のオイル流量制御弁１１を全閉にし、第１のオイル流量制御弁１０を開いた状態もしくは全閉にする。
【００２１】
これは、第３のオイル流量制御弁１６を開くことにより、混合され液冷媒が蒸発したオイルを圧縮機１へ吸入させている状態である。
【００２２】
ここで、第２のオイル流量制御弁１１を全閉にする理由は、第１のオイル戻し流路９を流れるオイルと第２のオイル戻し流路１４からのオイルとの混合物の圧力は、第２のオイル戻し流路１４を流れるオイルの圧力よりも高く、第２のオイル流量制御弁１１を開いた状態にしておくとオイルが逆流してしまうからである。よって、混合され液冷媒が蒸発したオイルをスムーズに圧縮機１へ吸入させるにはステップ３の状態にしておく必要がある。
【００２３】
なお、膨張機構が膨張機である場合においては、膨張機の潤滑性向上目的で膨張機にオイルが必要であるため第１のオイル分離機構１３で分離した一部のオイルを第２のオイル戻し流路１４を流れるオイルに含まれる液冷媒を蒸発させるために第１のオイル戻し流路９へ流し、残りのオイルを膨張機へ流入させるが、膨張機構が膨張弁の場合は膨張弁にオイルを流入させる必要はなく、第１のオイル分離機構１３で完全にオイルを分離して圧縮機１へ戻せば良い。しかし、第１のオイル分離機構１３で完全に分離できなかったオイルが一部膨張弁へ流れ込む可能性があるため、そのオイルを確実に蒸発器４へ流入させることを防ぐために膨張機構が膨張機である場合と同様の運転方法を行う。
【００２４】
また、第２のオイル戻し流路１４を流れるオイルに含まれる液冷媒を蒸発させるために第１のオイル分離機構１３で分離した高温のオイルを混合させるとしたが、液冷媒を蒸発させる手段としてはオイルに限られるわけではなく、圧縮機１から吐出された高温のガス冷媒を一部第１のオイル戻し流路９へ流し、第２のオイル戻し流路１４を流れるオイルと混合させて液冷媒を蒸発させても良い。
【００２５】
以上のような手順を踏むことにより、膨張機構から流出したオイルを蒸発器に流入させることなく圧縮機へ導くことができ、且つ圧縮機へ吸入させる油から液冷媒を蒸発させることにより圧縮機での液圧縮を防止することができる。
【００２６】
本発明で用いる冷媒としては、二酸化炭素が適切である。また、オイルとしては、二酸化炭素に対して、溶解性が低く、密度の大きいＰＡＧ油が好適である。ただし、本発明は
、これらに限定される訳ではない。
【００２７】
（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、背景技術と同一構成については同一符号を付す。
【００２８】
図３において、本実施例のヒートポンプ装置は、実施の形態１とほぼ同様であるが、蒸発器４に送風するファン１２と第２のオイル戻し流路１４と蒸発器４の位置関係を風が進む方向に向かってファン１２、オイル戻し流路１４、蒸発器４の順に設置するようにする。
【００２９】
この構成にすることによって、第２のオイル分離機構１５で分離され液冷媒が混ざったオイルが第２のオイル戻し流路１４を通過して行く際、ファン１２の送風によって加熱され、液冷媒を蒸発させることができ、第１のオイル分離機構１３で分離された高温のオイルを混合することによってより確実に液冷媒を蒸発させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明にかかる冷凍サイクル装置は、給湯機、冷凍・空調機器や乾燥装置などのヒートポンプ装置として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施の形態１における、ヒートポンプ装置の構成図
【図２】本発明の実施の形態１における、最適なオイル混合手順を示す制御フローチャート
【図３】本発明の実施の形態２における、ヒートポンプ装置の構成図
【図４】従来の冷凍サイクル装置図
【符号の説明】
【００３２】
１  圧縮機
２  放熱器
３  膨張機構
４  蒸発器
５  オイル分離器
６  モータ
７  返油配管
８  駆動軸
９  第１のオイル戻し流路
１０  第１のオイル流量制御弁
１１  第２のオイル流量制御弁
１２  ファン
１３  第１のオイル分離機構
１４  第２のオイル戻し流路
１５  第２のオイル分離機構
１６  第３のオイル流量制御弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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