(57)【要約】【課題】  圧縮機と膨張機とを備えた冷凍サイクル装置において、膨張機に対して潤滑油を十分に供給するとともに省エネルギー化を促進することのできる除霜運転を可能にする。【解決手段】  冷凍サイクル装置１０は、圧縮機１と油分離器９と放熱器２と膨張機３と蒸発器５とが順に接続されてなる冷媒回路１１と、油分離器９と膨張機３の入口側配管１３とを接続する油供給管７と、蒸発器５の冷媒温度を検出する温度センサ１２とを備えている。油供給管７は蒸発器５を通過している。コントローラ１５は、蒸発器５の冷媒温度が所定温度以下になると、通常運転から除霜運転に運転を切り替える。除霜運転時には、蒸発器５内を流れる潤滑油により、蒸発器５の霜が融解される。【選択図】  図１
2006250392.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機と油分離器と放熱器と膨張機と蒸発器とが順に接続されてなる冷媒回路と、
前記冷媒回路に設けられ、除霜運転時に前記放熱器における冷媒の流通を阻止する流路開閉機構と、
前記油分離器で分離された潤滑油を前記膨張機に又は前記冷媒回路における前記放熱器と前記膨張機との間に供給する油供給通路と、を備え、
前記油供給通路は、前記蒸発器を通過している、冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記蒸発器の温度又は前記蒸発器の冷媒温度を検出する温度センサと、
前記温度センサの検出温度が所定値以下になると除霜運転を開始するコントローラと、
を備えた請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項３】
前記蒸発器の冷媒圧力を検出する圧力センサと、
前記圧力センサの検出圧力が所定値以下になると除霜運転を開始するコントローラと、
を備えた請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項４】
前記油分離器内の潤滑油が所定量以下か否かを検出する油量検出器と、
除霜運転時に前記油分離器内の潤滑油が所定量以下になると除霜運転を終了させるコントローラと、
を備えた請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項５】
前記流路開閉機構は開度調整自在に構成され、
除霜運転が終了すると、前記油分離器に潤滑油が貯留されるまで前記流路開閉機構が全開されないように、前記流路開閉機構の開度を徐々に大きくするコントローラを備えた、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項６】
前記油供給通路の潤滑油の流量を調整する流量調整装置を備えた、請求項１〜５のいずれか一つに記載の冷凍サイクル装置。
【請求項７】
前記圧縮機で圧縮された冷媒が前記放熱器で放熱され、前記膨張機で膨張し、前記蒸発器で蒸発してから前記圧縮機に吸入される通常運転時に、前記冷媒回路における前記圧縮機から前記放熱器を経て前記膨張機に至る高圧部分の冷媒が超臨界状態となる、請求項１〜６のいずれか一つ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、圧縮機と膨張機とを備えた冷凍サイクル装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
いわゆる蒸気圧縮式の冷凍サイクル装置において、膨張弁の代わりに膨張機を備えた装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この種の冷凍サイクル装置では、膨張機を用いることにより、冷媒が膨張する過程の膨張エネルギーを電力又は動力の形で回収することができ、その回収エネルギーの分だけサイクルの効率を向上させることができる。
【特許文献１】特開２０００−３２９４１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記特許文献１に開示された従来の冷凍サイクル装置は、蒸発器の除霜手段を備えていなかった。そのため、蒸発器に着霜が生じた場合に、性能が低下するという課題があった。
【０００４】
一般に、除霜手段として、電気ヒータ等の外部熱源を用いることが考えられる。ところが、電気ヒータ等を用いると、電気ヒータ等に対する入力エネルギーの分だけ冷凍サイクル装置の全体効率は低下する。そのため、装置の省エネルギー化を促進することが困難となる。
【０００５】
一方、膨張機を備えた冷凍サイクル装置では、圧縮機だけでなく、膨張機にも潤滑油が必要となる。そのため、膨張機に対して常に十分な潤滑油を供給する必要があり、従来のいわゆるホットガスデフロスト方法をそのまま適用することは好ましくない。
【０００６】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、膨張機を備えた冷凍サイクル装置において、膨張機に対して潤滑油を十分に供給するとともに省エネルギー化を促進することのできる除霜運転を可能にすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る冷凍サイクル装置は、圧縮機と油分離器と放熱器と膨張機と蒸発器とが順に接続されてなる冷媒回路と、前記冷媒回路に設けられ、除霜運転時に前記放熱器における冷媒の流通を阻止する流路開閉機構と、前記油分離器で分離された潤滑油を前記膨張機に又は前記冷媒回路における前記放熱器と前記膨張機との間に供給する油供給通路と、を備え、前記油供給通路が前記蒸発器を通過しているものである。
【０００８】
上記冷凍サイクル装置によれば、除霜運転時には、放熱器での冷媒の流通が阻止される一方、油分離器に貯留された高温の潤滑油が油供給通路を流れ、蒸発器を通過する。その結果、蒸発器の霜は潤滑油の熱によって融解する。したがって、冷媒回路内の熱を有効活用することができ、外部熱源を使って除霜を行う場合と比較して、冷凍サイクル装置の省エネルギー化を図ることができる。また、除霜運転時にも膨張機に対して十分な量の潤滑油が供給されることになるので、膨張機の潤滑油不足を防止することができる。さらに、安定的に膨張機を運転した状態で除霜運転が行えることから、冷凍サイクルの高低圧が通常運転時から大きく変化することがなく、除霜運転から通常運転に復帰する際のエネルギーを低減できる。
【０００９】
前記冷凍サイクル装置は、前記蒸発器の温度又は前記蒸発器の冷媒温度を検出する温度センサと、前記温度センサの検出温度が所定値以下になると除霜運転を開始するコントローラと、を備えていることが好ましい。
【００１０】
このことにより、適切な時期に除霜運転を開始することができる。
【００１１】
前記冷凍サイクル装置は、前記蒸発器の冷媒圧力を検出する圧力センサと、前記圧力センサの検出圧力が所定値以下になると除霜運転を開始するコントローラと、を備えていてもよい。
【００１２】
このことにより、適切な時期に除霜運転を開始することができる。
【００１３】
前記冷凍サイクル装置は、前記油分離器内の潤滑油が所定量以下か否かを検出する油量検出器と、除霜運転時に前記油分離器内の潤滑油が所定量以下になると除霜運転を終了させるコントローラと、を備えていてもよい。
【００１４】
このことにより、除霜運転時に油分離器内の潤滑油が少なくなると、除霜運転は終了される。そのため、除霜運転から通常運転に復帰する際に、膨張機に対する潤滑油の供給不足を防止することができる。
【００１５】
前記流路開閉機構は開度調整自在に構成され、前記冷凍サイクル装置は、除霜運転が終了すると前記油分離器に潤滑油が貯留されるまで前記流路開閉機構が全開されないように、前記流路開閉機構の開度を徐々に大きくするコントローラを備えていてもよい。
【００１６】
このことにより、万が一、除霜運転によって油分離器内の潤滑油が不足することとなっても、除霜運転から通常運転への復帰が穏やかに行われるので、油分離器に潤滑油が徐々に溜まっていくことになる。そのため、流路開閉機構が全開状態になったときには、油分離器に十分な量の潤滑油が貯留されることになり、膨張機の潤滑油不足を防止することができる。
【００１７】
前記冷凍サイクル装置は、前記油供給通路の潤滑油の流量を調整する流量調整装置を備えていることが好ましい。
【００１８】
このことにより、油供給通路の潤滑油の流量を調整することができ、常に適切な量の潤滑油を供給することができる。
【００１９】
前記冷凍サイクル装置は、前記圧縮機で圧縮された冷媒が前記放熱器で放熱され、前記膨張機で膨張し、前記蒸発器で蒸発してから前記圧縮機に吸入される通常運転時に、前記冷媒回路における前記圧縮機から前記放熱器を経て前記膨張機に至る高圧部分の冷媒が超臨界状態となるものであってもよい。
【発明の効果】
【００２０】
以上のように、本発明によれば、圧縮機と膨張機とを備えた冷凍サイクル装置において、膨張機に対して潤滑油を十分に供給することができるとともに、除霜運転における省エネルギー化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２２】
（第１実施形態）
図１に示すように、第１実施形態に係る冷凍サイクル装置１０は、圧縮機１と油分離器９と放熱器２と膨張機３と蒸発器５とが順に接続されてなる冷媒回路１１を備えている。油分離器９と放熱器２との間には、電磁弁からなる開閉弁１８が設けられている。ただし、開閉弁１８は放熱器２と膨張機３との間に設けられていてもよい。後述する除霜運転時に放熱器２における冷媒の流通を阻止できる限り、開閉弁１８の位置は何ら限定されるものではない。蒸発器５は、冷媒と空気とを熱交換させる熱交換器からなり、本実施形態ではプレートフィンチューブ式熱交換器により構成されている。冷凍サイクル装置１０には、さらに、蒸発器５に空気を供給する送風機１７が設けられている。
【００２３】
また、冷凍サイクル装置１０は、油分離器９の潤滑油を膨張機３に供給する油供給管７を備えている。油供給管７の一端は油分離器９に接続され、他端は膨張機３の入口側配管（すなわち、放熱器２と膨張機３との間の冷媒配管）１３に接続されている。この油供給管７は蒸発器５を通過している。つまり、油供給管７は蒸発器５のパスの一部を形成している。また、油供給管７には、開度調整自在な弁８が設けられている。
【００２４】
本冷媒回路１１に充填された冷媒は、運転時に高圧部分（圧縮機１から放熱器２を経て膨張機３に至る部分）において超臨界状態となる冷媒である。本実施形態の冷媒回路１１には、そのような冷媒として二酸化炭素（ＣＯ２）が充填されている。ただし、冷媒の種類は特に限定されるものではない。
【００２５】
圧縮機１には、例えば、ロータリー圧縮機、スクロール圧縮機等を好適に用いることができる。ただし、圧縮機１の形式等は何ら限定されるものではない。
【００２６】
膨張機３の形式等も何ら限定されない。膨張機３として、例えばロータリー式、スクロール式等の膨張機構を備えた膨張機を好適に利用することができる。
【００２７】
膨張機３には、発電機４が接続されている。発電機４は、膨張機３で回収した冷媒の膨張エネルギーを電気エネルギーに変換する。なお、図１では、発電機４と膨張機３とを別々に図示しているが、発電機４は膨張機３に内蔵されていてもよい。もちろん、発電機４と膨張機３とが別個に形成されていてもよい。
【００２８】
放熱器２の構成も何ら限定されない。放熱器２として、例えば空冷式又は水冷式の熱交換器等を利用してもよい。油分離器９の構成も特に限定されるものではない。
【００２９】
蒸発器５には、温度センサ１２が設けられている。本実施形態では、温度センサ１２は蒸発器５の冷媒温度を検出するように配置されているが、蒸発器５自体の温度（例えば蒸発器５の表面温度）を検出するように配置されていてもよい。
【００３０】
冷凍サイクル装置１０には、コントローラ１５が設けられている。コントローラ１５は、温度センサ１２と開閉弁１８とに接続されている。なお、このコントローラ１５は開閉弁１８を開閉させるものであるが、コントローラ１５は圧縮機１や弁８等と接続され、それらの制御を行うものであってもよい。
【００３１】
次に、冷凍サイクル装置１０の運転動作について説明する。本冷凍サイクル装置１０は、蒸発器５で冷媒を蒸発させる通常運転と、蒸発器５の霜を融解させる除霜運転とを選択的に実行可能である。
【００３２】
まず、通常運転について説明する。通常運転の際には、コントローラ１５により、開閉弁１８は開放される。圧縮機１から吐出された冷媒は、油分離器９において潤滑油から分離された後、放熱器２で放熱し、膨張機３で膨張し、蒸発器５で蒸発し、圧縮機１に吸入される。
【００３３】
一方、油分離器９で分離された潤滑油は、油供給管７を流通し、蒸発器５において冷媒又は空気によって冷却された後、膨張機３の入口側配管１３に流れ込み、放熱器２からの冷媒と合流して膨張機３に流入する。これにより、膨張機３に潤滑油が供給される。なお、潤滑油の流量は弁８によって調整される。
【００３４】
上述の通常運転によって蒸発器５に着霜が生じると、蒸発器５の冷媒温度は低下する。蒸発器５の冷媒温度が所定温度以下になると、コントローラ１５は開閉弁１８を閉じると共に送風機１７の運転を停止させ、冷凍サイクル装置１０の運転を通常運転から除霜運転に切り替える。
【００３５】
除霜運転では、油分離器９内の高温の潤滑油が蒸発器５を通過し、蒸発器５の霜は潤滑油に加熱されることによって融解する。なお、この除霜運転においても、弁８により、潤滑油の流量を調整することができる。
【００３６】
以上のように、本実施形態によれば、冷媒回路１１内の潤滑油を除霜用の熱源として活用することとしたので、冷凍サイクル装置１０の省エネルギー化を図ることができる。また、除霜運転時にも油供給管７を通じて膨張機３に潤滑油が供給されるので、除霜運転の運転中又は運転後における膨張機３の潤滑油不足を防止することができる。
【００３７】
また、蒸発器５の冷媒温度が所定温度以下になると通常運転から除霜運転に運転を切り替えることとしたので、適切な時期に除霜運転を開始することができる。そのため、効率の良い除霜が可能となる。
【００３８】
また、油供給管７に開度調整自在な弁８を設けることとしたので、油供給管７における潤滑油の流量を制御することができ、常に適切な量の潤滑油を供給することができる。
【００３９】
（変形例）
上記実施形態では、コントローラ１５は、蒸発器５の冷媒温度に基づいて除霜運転を開始していた。しかしながら、コントローラ１５は、蒸発器５の冷媒圧力に基づいて除霜運転を開始するようにしてもよい。
【００４０】
すなわち、図２に示すように、例えば蒸発器５の入口側又は出口側の配管に圧力センサ１４を設け、コントローラ１５は、圧力センサ１４の検出圧力が所定圧力以下になると通常運転から除霜運転に運転を切り替えるようにしてもよい。
【００４１】
このような場合であっても、適切な時期に除霜運転を開始することができ、効率の良い除霜が可能となる。
【００４２】
除霜運転の運転時間は何ら限定されず、例えば、除霜運転を予め定められた所定時間だけ行ってもよい。ただし、除霜運転時間は、除霜運転中に油分離器９内の潤滑油がなくならないような時間に設定されていることが好ましい。また、油分離器９は、除霜運転中に潤滑油がなくならないような容量に設定されていることが望ましい。
【００４３】
除霜運転から通常運転への切替を、油分離器９の潤滑油の貯留量に基づいて行ってもよい。例えば、図３に示すように、油分離器９に液面センサ１６を設け、油分離器９の油量が所定量以下になると、除霜運転を強制的に終了するようにしてもよい。
【００４４】
このことにより、除霜運転から通常運転に復帰する際に、膨張機３の潤滑油不足を防止することができる。
【００４５】
また、開閉弁１８を開度調整自在な弁で構成しておき、除霜運転から通常運転に運転を切り替えた後に、上記開閉弁１８の開度を徐々に大きくするようにしてもよい。すなわち、コントローラ１５は、除霜運転が終了すると、油分離器９に所定量の潤滑油が貯留されるまで開閉弁１８が全開されないように、開閉弁１８の開度をゆっくりと増加させるようにしてもよい。
【００４６】
このことにより、除霜運転から通常運転への移行が穏やかに行われるので、通常運転に復帰した直後における油分離器９内の貯留量が少ない場合であっても、その後は油分離器９内に潤滑油が徐々に溜まっていく。そのため、開閉弁１８が全開したときには、すでに油分離器９に十分な量の潤滑油が貯留されることになり、膨張機３の潤滑油不足を防止することができる。
【００４７】
前記実施形態では、油供給管７に弁８が設けられていた。しかしながら、油供給管７には、弁８の代わりに（または弁８と共に）油ポンプ（図示せず）等の搬送装置が設けられていてもよい。油供給管７に油ポンプ等を設けることにより、油分離器９と膨張機３の入口側配管１３との間の圧力差が小さい場合であっても、油供給管７の潤滑油の流量を多くすることができ、膨張機３に対して常に十分な量の潤滑油を供給することができる。また、潤滑油の流量を幅広く制御することが可能となる。
【００４８】
ただし、油供給管７の潤滑油の流量を制御する必要がない場合には、開度調整自在な弁８の代わりにキャピラリーチューブ等の絞り機構を設けることも可能である。また、油供給管７における圧力損失が適当な範囲（膨張機３に適正量の潤滑油を供給できる範囲）であれば、弁８を省略することも可能である。
【００４９】
前記実施形態では、油供給管７の下流端は、膨張機３の入口側配管１３に接続されていた。しかしながら、油供給管７は膨張機３に潤滑油を供給するものであればよく、油供給管７の下流端は膨張機３自体に接続されていてもよい。
【００５０】
油供給管７の種類は何ら限定されない。油供給管７は、圧縮機１又は膨張機３の振動によって破損しにくいように、可撓管によって形成されていてもよい。また、油供給管７の長さや形状等も何ら限定される訳ではない。ただし、油供給管７の圧力損失を低減する観点からは、油供給管７の長さは短い方が好ましく、また、真っ直ぐな管であることが好ましい。
【００５１】
冷媒回路１１に充填される冷媒は、通常運転時に冷媒回路１１の高圧部分において超臨界状態となる冷媒に限らず、高圧部分で超臨界状態とならない冷媒であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
以上説明したように、本発明は、圧縮機と膨張機とを備えた冷凍サイクル装置について有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】実施形態に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路図
【図２】変形例に係る冷媒回路図
【図３】他の変形例に係る冷媒回路図
【符号の説明】
【００５４】
１    圧縮機
２    放熱器
３    膨張機
４    発電機
５    蒸発器
７    油供給管（油供給通路）
８    弁（流量調整装置）
９    油分離器
１０  冷凍サイクル装置
１１  冷媒回路
１２  温度センサ
１３  膨張機の入口側配管
１４  圧力センサ
１５  コントローラ
１６  液面センサ（油量検出器）
１８  開閉弁（流路開閉機構）
【図１】
2006250392.tif 000003
【図２】
2006250392.tif 000004
【図３】
2006250392.tif 000005