(57)【要約】【課題】気液分離器に溜まった冷凍機油の粘度増大による圧縮機への油戻り性悪化を避ける。【解決手段】冷凍ユニット１は、気液分離器１４と、熱交換器１２を経て減圧部１３へと向かう冷媒の少なくとも一部を気液分離器１４へと流入させるバイパス経路１５と、バイパス経路１５を開閉するバイパス弁１６と、バイパス弁１６を制御する制御部２０とを備える。気液分離器１４は、内部に溜まって冷媒の液相に溶解した冷凍機油を回収して圧縮機１１へと戻す油戻し機構１４２を有する。冷媒の液相および冷凍機油の混合溶液の低温側二層分離温度は、冷凍ユニット１に定められている規定蒸発温度の下限未満である。制御部２０は、冷凍機油の粘度増大による油戻り性の悪化が想定される所定の条件に基づいてバイパス弁１６を制御することで、バイパス経路１５を開くか、あるいはバイパス経路１５を流れる前記冷媒の流量を増やす、バイパス措置を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を圧縮する圧縮機、前記冷媒と空気との間で熱交換させる熱交換器、および前記冷媒を減圧させる減圧部を含む冷媒回路を有し、前記減圧部を経た前記冷媒を熱利用先へと供給する冷凍ユニットであって、
前記熱利用先および前記圧縮機の間に介在する気液分離器と、
前記熱交換器を経て前記減圧部へと向かう前記冷媒の少なくとも一部を前記気液分離器へと流入させるバイパス経路と、
前記バイパス経路を開閉するか、あるいは前記バイパス経路を流れる前記冷媒の流量を調整するバイパス弁と、
前記バイパス弁を制御する制御部と、を備え、
前記気液分離器は、前記冷媒の液相に溶解した状態で内部に溜まった冷凍機油を回収して前記圧縮機へと戻す油戻し機構を有し、
前記冷媒の液相および前記冷凍機油の混合溶液の低温側二層分離温度が、前記冷凍ユニットに定められている規定蒸発温度の下限未満であり、
前記制御部は、前記冷凍機油の粘度増大による油戻り性の悪化が想定される所定の条件に基づいて前記バイパス弁を制御することで、前記バイパス経路を開くか、あるいは前記バイパス経路を流れる前記冷媒の流量を増やす、バイパス措置を行う、
ことを特徴とする冷凍ユニット。
【請求項２】
前記条件に用いる指標は、前記圧縮機へと吸入される前記冷媒の圧力に対応する飽和温度であり、
前記制御部は、
前記飽和温度が規定値に対して低い場合に、前記バイパス弁を制御することで、前記バイパス措置を行う、
請求項１に記載の冷凍ユニット。
【請求項３】
前記制御部は、
前記条件に基づいて、所定の時間毎に、前記バイパス措置を間欠的に行う、
請求項１または２に記載の冷凍ユニット。
【請求項４】
前記制御部は、
前記圧縮機へと吸入される前記冷媒の圧力に対応する飽和温度が規定値に対して低く、かつ前記圧縮機における前記冷凍機油の液位が規定液位に対して低い場合に、前記バイパス措置を行う、
請求項２または３に記載の冷凍ユニット。
【請求項５】
前記制御部は、
前記バイパス措置の開始から規定時間が経過したならば、あるいは、前記バイパス措置により前記圧縮機における前記冷凍機油の液位が少なくとも前記規定液位まで達したならば、
前記バイパス弁を制御することで、前記バイパス措置を終了する、
請求項４に記載の冷凍ユニット。
【請求項６】
前記制御部は、
前記圧縮機へと吸入される前記冷媒の圧力に対応する飽和温度が規定値に対して低く、かつ前記圧縮機における前記冷凍機油の過熱度が規定過熱度に対して高い場合に、前記バイパス措置を行う、
請求項２、３、および５のいずれか一項に記載の冷凍ユニット。
【請求項７】
前記制御部は、
前記バイパス措置の開始から規定時間が経過したならば、あるいは、前記バイパス措置により前記圧縮機における前記冷凍機油の過熱度が少なくとも規定過熱度にまで抑制されたならば、
前記バイパス弁を制御することで、前記バイパス措置を終了する、
請求項４または６に記載の冷凍ユニット。
【請求項８】
冷媒を圧縮する圧縮機、前記冷媒と空気との間で熱交換させる熱交換器、前記冷媒を減圧させる減圧部、および前記冷媒を蒸発させる蒸発器を有する冷凍システムであって、
前記蒸発器および前記圧縮機の間に介在する気液分離器と、
前記熱交換器を経て前記減圧部へと向かう前記冷媒の少なくとも一部を前記気液分離器へと流入させるバイパス経路と、
前記バイパス経路を開閉するか、あるいは前記バイパス経路を流れる前記冷媒の流量を調整するバイパス弁と、
前記バイパス弁を制御する制御部と、を備え、
前記気液分離器は、前記冷媒の液相に溶解した状態で内部に溜まった冷凍機油を回収して前記圧縮機へと戻す油戻し機構を有し、
前記冷媒の液相および前記冷凍機油の混合溶液の低温側二層分離温度が、前記冷凍システムに定められている規定蒸発温度の下限未満であり、
前記制御部は、前記冷凍機油の粘度増大による油戻り性の悪化が想定される所定の条件に基づいて前記バイパス弁を制御することで、前記バイパス経路を開くか、あるいは前記バイパス経路を流れる前記冷媒の流量を増やす、バイパス措置を行う、
ことを特徴とする冷凍システム。
【請求項９】
冷媒を圧縮する圧縮機、前記冷媒と空気との間で熱交換させる熱交換器、および前記冷媒を減圧させる減圧部を含む冷媒回路の制御方法であって、
前記冷媒回路は、前記減圧部を経た前記冷媒が供給される熱利用先および前記圧縮機の間に介在する気液分離器と、前記熱交換器を経て前記減圧部へと向かう前記冷媒の少なくとも一部を前記気液分離器へと流入させるバイパス経路と、前記バイパス経路を開閉するか、あるいは前記バイパス経路を流れる前記冷媒の流量を調整するバイパス弁と、を含んで構成されており、
冷凍機油の粘度増大による油戻り性の悪化が想定される所定の条件に基づいて、前記バイパス経路を開くか、あるいは前記バイパス経路を流れる前記冷媒の流量を増やすように前記バイパス弁を制御することで、
前記気液分離器に備えられた油戻し機構により、前記冷媒の液相に溶解した状態で前記気液分離器の内部に溜まった前記冷凍機油を回収して前記圧縮機へと戻す、
ことを特徴とする冷媒回路の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍サイクルを構成する冷凍ユニット、それを備えた冷凍システム、および冷媒回路の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
冷凍機や空気調和機等の冷凍システムは、圧縮機および凝縮器を含む熱源側のユニットと、蒸発器を含む熱利用側のユニット（冷凍ケースや室内空調機等）とを備えている。熱源側のユニットの圧縮機から吐出されて凝縮器により凝縮した冷媒は、熱利用側のユニットへと流出し、蒸発器を経て熱源側のユニットへと戻る。
【０００３】
熱源側のユニット（以下、冷凍ユニット）には、圧縮機を液圧縮から保護するため、圧縮機へと吸入される冷媒から液冷媒を分離させる気液分離器が備えられることが多い（例えば、特許文献１，２）。
特許文献１では、圧縮機内部の冷凍機油の粘度増大による潤滑性の低下を避けるため、圧縮機のケーシングにヒータを設け、冷凍機油の粘度増大を防いでいる。
【０００４】
圧縮機の摺動部の潤滑のために用いられる冷凍機油は、圧縮機から吐出される冷媒と共に熱利用側のユニットへと流出する。その冷凍機油を圧縮機へと戻すため、気液分離器内部の底に液冷媒に溶解した状態で溜まった冷凍機油をピックアップホールのあいたＵ字管やキャピラリチューブ等の油戻し機構により吸い上げて回収するようにしている。吸い上げられた冷凍機油は、圧縮機へと戻される。
【０００５】
特許文献２では、圧縮機から吐出される冷媒の吐出温度、または圧縮機へと吸入される冷媒の吸入温度あるいは過熱度が設定値以上となった場合に、凝縮器により凝縮液化した液冷媒の一部を、蒸発器を経たガス冷媒と共に気液分離器を介して圧縮機へ吸入させることで、圧縮機へ吸入されるガス冷媒の温度の上昇を抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−２１０２０８号公報
【特許文献２】実開平５−７９３５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
冷凍ユニットや冷凍システムには、規定の冷媒蒸発温度が与えられている。この規定蒸発温度の範囲内で蒸発温度を設定可能である。
冷凍システムの使用目的や気温等に応じて設定された蒸発温度が冷凍機油の粘度に大きな影響を及ぼす程に低ければ、気液分離器において液冷媒に溶解した状態で溜まる冷凍機油の粘度が大きくなり、気液分離器に備えられた油戻し機構への冷凍機油の吸い上げが鈍化する。そのため、気液分離器から圧縮機への冷凍機油の戻りが悪化してしまう。
ここで、油戻し機構の孔径は、圧縮機における冷凍機油の液冷媒による希釈率が、潤滑性を確保できる適正値以下となるように設計されている。冷凍機油の粘度が増大している低温設定時の油戻り性を良くするため、油戻し機構の孔径を大きくすると、通常の粘度のときに、冷凍機油が液冷媒と共に圧縮機へと戻り過ぎてしまう。
【０００８】
上述の特許文献１と同様にヒータを使用して、気液分離器を加熱することで冷凍機油の粘度増大を防ぐことも考えられるが、ヒータの増設は、製造コストおよびランニングコストの増加に繋がる。
上述した特許文献２は、圧縮機へと吸入されるガス冷媒の温度が上昇するとガス冷媒に冷凍機油が溶け難くなるため、気液分離器に溜まった冷凍機油がガス冷媒により圧縮機へと運ばれなくなる現象に関するものであり、低温設定時における冷凍機油の粘度増大に対処するものではない。
【０００９】
以上を踏まえ、本発明は、気液分離器に溜まった冷凍機油の粘度増大による圧縮機への油戻り性の悪化を避けることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、冷媒を圧縮する圧縮機、冷媒と空気との間で熱交換させる熱交換器、および冷媒を減圧させる減圧部を含む冷媒回路を有し、減圧部を経た冷媒を熱利用先へと供給する冷凍ユニットであって、熱利用先および圧縮機の間に介在する気液分離器と、熱交換器を経て減圧部へと向かう冷媒の少なくとも一部を気液分離器へと流入させるバイパス経路と、バイパス経路を開閉するか、あるいはバイパス経路を流れる冷媒の流量を調整するバイパス弁と、バイパス弁を制御する制御部と、を備える。
気液分離器は、冷媒の液相に溶解した状態で内部に溜まった冷凍機油を回収して圧縮機へと戻す油戻し機構を有する。
冷媒の液相および冷凍機油の混合溶液の低温側二層分離温度は、冷凍ユニットに定められている規定蒸発温度の下限未満である。
制御部は、冷凍機油の粘度増大による油戻り性の悪化が想定される所定の条件に基づいてバイパス弁を制御することで、バイパス経路を開くか、あるいはバイパス経路を流れる冷媒の流量を増やす、バイパス措置を行う。
【００１１】
本発明の冷凍ユニットにおいて、条件に用いる指標は、圧縮機へと吸入される冷媒の圧力に対応する飽和温度であり、制御部は、飽和温度が規定値に対して低い場合に、バイパス弁を制御することで、バイパス措置を行うことが好ましい。
【００１２】
本発明の冷凍ユニットにおいて、制御部は、条件に基づいて、所定の時間毎に、バイパス措置を間欠的に行うことが好ましい。
【００１３】
本発明の冷凍ユニットにおいて、制御部は、圧縮機へと吸入される冷媒の圧力に対応する飽和温度が規定値に対して低く、かつ圧縮機における冷凍機油の液位が規定液位に対して低い場合に、バイパス措置を行うことが好ましい。
【００１４】
本発明の冷凍ユニットにおいて、制御部は、バイパス措置の開始から規定時間が経過したならば、あるいは、バイパス措置により圧縮機における冷凍機油の液位が少なくとも規定液位まで達したならば、バイパス弁を制御することで、バイパス措置を終了することが好ましい。
【００１５】
本発明の冷凍ユニットにおいて、制御部は、圧縮機へと吸入される冷媒の圧力に対応する飽和温度が規定値に対して低く、かつ圧縮機における冷凍機油の過熱度が規定過熱度に対して高い場合に、バイパス措置を行うことが好ましい。
【００１６】
本発明の冷凍ユニットにおいて、制御部は、バイパス措置の開始から規定時間が経過したならば、あるいは、バイパス措置により圧縮機における冷凍機油の過熱度が少なくとも規定過熱度にまで抑制されたならば、バイパス弁を制御することで、バイパス措置を終了することが好ましい。
【００１７】
また、本発明は、冷媒を圧縮する圧縮機、冷媒と空気との間で熱交換させる熱交換器、冷媒を減圧させる減圧部、および冷媒を蒸発させる蒸発器を有する冷凍システムであって、蒸発器および圧縮機の間に介在する気液分離器と、熱交換器を経て減圧部へと向かう冷媒の少なくとも一部を気液分離器へと流入させるバイパス経路と、バイパス経路を開閉するか、あるいはバイパス経路を流れる冷媒の流量を調整するバイパス弁と、バイパス弁を制御する制御部と、を備える。
気液分離器は、冷媒の液相に溶解した状態で内部に溜まった冷凍機油を回収して圧縮機へと戻す油戻し機構を有する。
冷媒の液相および冷凍機油の混合溶液の低温側二層分離温度は、冷凍システムに定められている規定蒸発温度の下限未満である。
制御部は、冷凍機油の粘度増大による油戻り性の悪化が想定される所定の条件に基づいてバイパス弁を制御することで、バイパス経路を開くか、あるいはバイパス経路を流れる冷媒の流量を増やす、バイパス措置を行う。
【００１８】
さらに、本発明は、冷媒を圧縮する圧縮機、冷媒と空気との間で熱交換させる熱交換器、および冷媒を減圧させる減圧部を含む冷媒回路の制御方法であって、冷媒回路は、減圧部を経た冷媒が供給される熱利用先および圧縮機の間に介在する気液分離器と、熱交換器を経て減圧部へと向かう冷媒の少なくとも一部を気液分離器へと流入させるバイパス経路と、バイパス経路を開閉するか、あるいはバイパス経路を流れる冷媒の流量を調整するバイパス弁と、を含んで構成されており、冷凍機油の粘度増大による油戻り性の悪化が想定される所定の条件に基づいて、バイパス経路を開くか、あるいはバイパス経路を流れる冷媒の流量を増やすようにバイパス弁を制御することで、気液分離器に備えられた油戻し機構により、冷媒の液相に溶解した状態で気液分離器の内部に溜まって冷凍機油を回収して圧縮機へと戻す。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、気液分離器における冷凍機油の粘度増大による油戻り性の悪化が想定される条件に基づいて、気液分離器に溜まった冷凍機油に、適時に、バイパス経路を通じて適量の冷媒の液相を混入させる。そのため、低温下であっても、気液分離器に溜まった冷凍機油と液冷媒との混合溶液全体としての粘度増大が抑制される。したがって、気液分離器にヒータを増設することなく、圧縮機における適正な冷凍機油の希釈率および気液分離器による液圧縮の役割を維持しつつ、油戻し機構により、低温設定時にも、気液分離器に溜まった冷凍機油を混合溶液として十分な量だけ回収して圧縮機へと戻すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１実施形態に係る冷凍ユニットを示す模式図である。
【図２】第２実施形態に係る冷凍ユニットを示す模式図である。
【図３】第３実施形態に係る冷凍ユニットを示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
〔第１実施形態〕
図１に示す冷凍ユニット１（コンデンシングユニット）は、圧縮機１１、熱交換器１２、および減圧部１３を含む熱源回路１０と、気液分離器１４と、バイパス経路１５と、バイパス弁１６と、制御部２０とを備えている。これら熱源回路１０の要素１１〜１３、気液分離器１４、バイパス経路１５、およびバイパス弁１６を収容する筐体は室外に設置される。
冷凍ユニット１は、圧縮機１１により圧縮された冷媒を、熱交換器１２により熱源としての空気との間で熱交換させた後、膨張弁等の減圧部１３により減圧させ、減圧部１３を経た冷媒を室内の熱利用先Ａへと供給する。
【００２２】
熱利用先Ａは、冷凍ユニット１の熱源回路１０と共に冷凍サイクルを構成する図示しない蒸発器を含む。その蒸発器を備えた図示しない熱利用先ユニットと、冷凍ユニット１と、これらのユニット間を接続する配管とを含んで、冷凍システムが構成される。熱利用先ユニットは、例えば、店舗内に装備されて食品等を収容する冷蔵ケースや冷凍ケースに該当する。
【００２３】
冷凍ユニット１には、規定の冷媒蒸発温度が与えられている。規定蒸発温度の範囲内で蒸発温度を設定可能である。
【００２４】
本実施形態の冷凍システムには、例えば、Ｒ４０４Ａ等のＨＦＣ系冷媒や、ＣＯ２等の自然冷媒等、適宜な冷媒を使用することができる。
圧縮機１１から吐出され、熱交換器１２において外気と熱交換された冷媒は、熱利用先Ａへと流出し、熱利用先Ａの蒸発器を経て冷凍ユニット１へと戻る。
本実施形態の冷凍システムは、亜臨界サイクル、遷臨界サイクルのいずれにも適用可能である。熱交換器１２は、亜臨界サイクルにおいて、流入したガス冷媒を空気との熱交換により凝縮液化させる凝縮器として機能する。一方、熱交換器１２は、例えばＣＯ２冷媒を用いる場合である遷臨界サイクルにおいては、流入した超臨界状態の冷媒を空気との熱交換により冷却するガスクーラーとして機能する。
【００２５】
圧縮機１１のハウジング１１Ａには、内蔵する圧縮機構の軸受等の摺動部を潤滑するため、冷凍機油が封入される。冷凍機油としては、本実施形態の冷凍システムに使用される冷媒に対して相溶性を有するものを適宜に選定することができる。相溶性の観点より、例えば、ＣＯ２に対しては、エステル系合成油を選定することができる。選定可能なエステル系合成油の一例としては、JXTGエネルギー株式会社の製品である「ダイヤモンドフリーズＭＡ６８」が挙げられる。ＨＦＣ系冷媒の一種であるＲ４０４Ａに対しては、JXTGエネルギー株式会社の製品である「ダイヤモンドフリーズＭＡ３２Ｒ」を選定することができる。
冷凍機油は、冷媒に溶解するため、冷媒と共に圧縮機１１から吐出され、熱交換器１２、および減圧部１３を経て熱利用先Ａへと流出する。
【００２６】
本実施形態は、熱源回路１０、気液分離器１４、バイパス経路１５、およびバイパス弁１６を含んで構成された冷媒回路の構成と、その冷媒回路を制御部２０により制御する方法に主要な特徴を有する。
【００２７】
圧縮機１１へと吸入される冷媒は、圧縮機１１を液圧縮から保護するため、熱利用先Ａおよび圧縮機１１の間に介在する気液分離器１４へと受け入れられ、ガス冷媒と液冷媒とに分離される。
気液分離器１４（アキュムレータ）は、熱利用先Ａから戻った冷媒を受け入れるタンク１４１と、タンク１４１の内部の底に液冷媒と溶解した状態で溜まる冷凍機油を回収して圧縮機１１へと戻す油戻し機構１４２とを備えている。
タンク１４１内の底部に液冷媒が溜まるため、タンク１４１内の上部からガス冷媒が圧縮機１１へと吸入される。
【００２８】
油戻し機構１４２は、例えば、ピックアップホール１４２Ａ（小さい孔）のあいたＵ字管や、キャピラリチューブを含んで構成されている。
油戻し機構１４２により、タンク１４１内に溜まった冷凍機油が吸い上げられ、ガス冷媒と共に圧縮機１１に吸入されることで、圧縮機１１のハウジング１１Ａの内部へと戻される。圧縮機１１のハウジング１１Ａにも冷凍機油が液冷媒に溶解した状態で溜まっている。
油戻し機構１４２の孔径は、圧縮機１１における冷凍機油の液冷媒による希釈率が、潤滑性を確保できる適正値以下となるように設計されている。
【００２９】
さて、冷凍機油は、温度の低下により粘度が大きくなる。そのため、冷媒蒸発温度が冷凍機油の粘度に大きな影響を及ぼす程に低ければ、気液分離器１４に溜まった冷凍機油の圧縮機１１への油戻り性の悪化が想定される。この蒸発温度は、熱利用先ユニットの蒸発器の出口温度に相当する。
冷凍ユニット１の蒸発温度としては、例えば、−５℃〜−４５℃に定められている。この温度範囲を規定蒸発温度と言うものとする。規定蒸発温度の範囲内で、冷凍ユニット１を含む冷凍システムの用途や気温等に応じて、ユーザーにより任意の蒸発温度を設定可能である。設定された蒸発温度のことを設定蒸発温度と言うものとする。
冷凍機油の粘度が大きくなり、油戻し機構１４２への冷凍機油の吸い上げが鈍化すると、気液分離器１４から圧縮機１１への冷凍機油の戻りが悪化してしまう。
【００３０】
冷凍機油の粘度増大による気液分離器１４から圧縮機１１への油戻り性の悪化を避けるため、本実施形態の冷凍ユニット１は、適時に、バイパス経路１５を通じて気液分離器１４に液冷媒を混入する措置を取ることで、気液分離器１４に溜まった冷凍機油と液冷媒との混合溶液の粘度増大を抑制する。
そのため、冷凍ユニット１は、熱交換器１２を経た冷媒の一部を気液分離器１４へと流入させるバイパス経路１５と、バイパス経路１５を開閉するバイパス弁１６とを備えるとともに、制御部２０により、気液分離器１４における冷凍機油の粘度増大による油戻り性の悪化が想定される所定の条件に基づいてバイパス弁１６を制御している。油戻り性の悪化が想定される条件に用いる指標としての吸入圧力飽和温度を得るため、本実施形態では、圧縮機１１へと吸入される冷媒の圧力を検知する圧力センサ２１を用いる。吸入圧力飽和温度は、設定蒸発温度に応じて変化する。
【００３１】
バイパス経路１５は、熱交換器１２の出口側と気液分離器１４の入口側とを接続する配管と、継手等からなる。
バイパス弁１６は、電磁弁であり、制御部２０から発せられる指令に応じて駆動されることで、バイパス経路１５を開閉する。バイパス弁１６によりバイパス経路１５が開かれると、熱交換器１２を経て、減圧部１３へと向かう冷媒の一部が、バイパス経路１５を通じて気液分離器１４へと流入する。バイパス経路１５を流れて気液分離器１４へと到達した冷媒は、減圧され気液二相の状態となる。
【００３２】
気液分離器１４には、熱利用先Ａの蒸発器を経た冷媒と、バイパス経路１５を流れた冷媒とが流入する。気液分離器１４のタンク１４１の内部に流入した冷媒は、当該冷媒の気相と液相との密度の違いにより分離し、気相よりも密度が大きい液相がタンク１４１の底に溜まる。
上述のように冷媒に溶解した状態で、冷凍機油も冷媒と共に冷媒回路を搬送されるため、熱利用先Ａからの冷媒と、バイパス経路１５からの冷媒とにそれぞれ含まれている冷凍機油も気液分離器１４へと流入し、タンク１４１の底に溜まる。冷凍機油は、タンク１４１の底の液冷媒と混合し、液冷媒に溶解する。
【００３３】
本実施形態では、バイパス経路１５を流れた冷媒が、熱利用先Ａから気液分離器１４へと向かう冷媒と合流して気液分離器１４へと流入する。これに限らず、バイパス経路１５を流れた冷媒が熱利用先Ａからの冷媒の流れとは合流しないで、気液分離器１４へと直接流入するように構成することもできる。
【００３４】
制御部２０は、冷凍機油の粘度増大による油戻りの悪化が想定される場合に、バイパス経路１５を開く指令をバイパス弁１６に送り、バイパス経路１５を開通させる。これをもってバイパス措置が開始される。
本実施形態において、制御部２０は、圧力センサ２１により検知された吸入圧力を用いて、吸入圧力に対応する飽和温度を演算する。そして、気液分離器１４における吸入圧力飽和温度が規定値に対して低い場合は、油戻り性の悪化が想定されるため、バイパス弁１６に指令を送ってバイパス経路１５を開き、バイパス経路１５を通じて気液分離器１４へと冷媒を流入させる。
圧力センサ２１は、本実施形態では気液分離器１４の入口側に設置されているが、圧縮機１１へと吸入される冷媒の圧力を代表する圧力を検知可能な適宜な位置に設けることができる。例えば、気液分離器１４と圧縮機１１との間や、バイパス経路１５の末端付近等に圧力センサ２１を設けることもできる。
【００３５】
バイパス経路１５を通じて気液分離器１４へと流入した気液二相の冷媒の液相が、タンク１４１に溜まった混合容液に混入されると、混合溶液における液冷媒の比率が高まる。
したがって、規定蒸発温度の下限付近の低温下であっても、バイパス経路１５を通じて冷媒の液相が混入されることで、気液分離器１４内に溜まった冷凍機油と液冷媒との混合溶液全体としての粘度増大が抑制される。そのため、油戻し機構１４２により、タンク１４１に溜まった冷凍機油を混合溶液として十分な量だけ回収して圧縮機１１へと戻すことができる。そのため、圧縮機１１における潤滑不良や焼き付きを未然に防ぐことができる。
【００３６】
バイパス経路１５を通じて気液分離器１４内の冷凍機油に液冷媒を混入させるバイパス措置は、吸入圧力飽和温度が規定値に対して低い場合に、規定の時間に限り、実施するものとする。実施するにあたり、具体的な温度や時間の条件は適宜に定めることができる。
【００３７】
本実施形態によるバイパス措置は、バイパス経路１５を通じて気液分離器１４内の冷凍機油に冷媒の液相を混入させることにより、気液分離器１４内の混合溶液における冷凍機油の濃度が低下することに基づいている。かかるバイパス措置によれば、冷凍機油の単体でみれば粘度が増大する温度条件においても、混合溶液全体としての粘度の増大を抑えることができる。
【００３８】
ここで、液冷媒と冷凍機油とが溶け合わずに二層に分離した状態、または乳濁した状態を二層分離といい、そのような状態になる温度のことを二層分離温度と称する。
冷凍機油と液冷媒との二層分離温度は、冷凍機油の濃度と温度との関係を示す二層分離温度曲線により表すことができる。二層分離温度曲線には、温度を上昇させていくと分離を開始する高温側の二層分離温度曲線（下に凸の曲線）と、温度を低下させていくと分離を開始する低温側の二層分離温度曲線（上に凸の曲線）とがある。
低温側の二層分離温度曲線を下回ると、液冷媒および冷凍機油の混合溶液は、濃度の均一な１つの相から濃度の異なる２つの相へと分離する。
上述のように冷媒の液相と冷凍機油との混合溶液全体として粘度の増大を抑えて、油戻り性を十分に担保するために、混合溶液が分離することなく、冷凍機油を液冷媒に均一に溶解させる。そのため、低温側の二層分離温度曲線の極大値（UCST:Upper Critical Solution Temperature）である低温側二層分離温度が、冷凍ユニットに定められている規定蒸発温度の下限未満となるように、冷媒および冷凍機油を選ぶものとする。低温側二層分離温度は、規定蒸発温度の下限に対して余裕を持って、例えば１０℃以上低いことが好ましい。例えば、規定蒸発温度の下限が−４５℃である場合は、低温側二層分離温度が−５５℃以下となるような組み合わせの冷媒および冷凍機油を採用することが好ましい。低温側二層分離温度が−５５℃以下となるような組み合わせの一例としては、ＣＯ２冷媒および上述したダイヤモンドフリーズＭＡ６８を挙げることができる。
【００３９】
ここに、バイパス措置を実施する条件の一例を示す。
制御部２０は、圧力センサ２１により検知される圧力を用いて演算することで得られた吸入圧力飽和温度を監視しながら、その吸入圧力飽和温度が規定値としての−３０℃以下であって、冷凍ユニット１の積算運転時間が６０分に達する毎に、バイパス措置の開始から規定時間としての５分間に亘り、バイパス経路１５を開くバイパス措置を実施する。つまり、低温設定時には、冷凍ユニット１を含む冷凍システムが運転される間、６０分毎に間欠的に、バイパス措置を実施することで、圧縮機１１への油戻りが滞ることなく、気液分離器１４に溜まった冷凍機油を圧縮機１１へとスムーズに戻せるようにする。
【００４０】
冷凍ユニット１においては、例えば−５℃〜−４５℃もの広い規定蒸発温度の範囲内で設定蒸発温度を変更可能である。そのため、規定蒸発温度における低い温度域においては、冷凍機油の粘度に大きな影響が及んで気液分離器１４からの油戻り性に影響するとしても、それ以外の温度域では、油戻し機構１４２により十分に回収可能な適切な粘度であって、油戻り性に影響しない場合もある。
【００４１】
仮に、低温設定時に冷凍機油の粘度が増大したときに、タンク１４１内から十分な量の冷凍機油を油戻し機構１４２に回収できるように、油戻し機構１４２のピックアップホール１４２Ａの径や、油戻し機構に用いられたキャピラリチューブの径を大きくするとすれば、それ以外の温度域の設定時には、油戻し機構１４２により気液分離器１４から圧縮機１１へと液が戻り過ぎてしまう。液圧縮から圧縮機１１を保護し、かつ、液冷媒により希釈された冷凍機油によって十分な潤滑性が得られるように、気液分離器１４に溜まった冷凍機油を適切な量だけ圧縮機１１へと戻す必要がある。
また、低温設定時にも、気液分離器１４における冷凍機油の粘度が増大しないように、気液分離器１４のタンク１４１の下部をヒータにより加熱することも考えられるが、ヒータの増設は、ヒータの制御装置も含めた冷凍ユニット１の製造コストの上昇、およびランニングコストの増加に繋がる。
【００４２】
本実施形態によれば、気液分離器１４における冷凍機油の粘度増大による油戻り性の悪化が想定される条件に基づいて、気液分離器１４に溜まった冷凍機油にバイパス経路１５を通じて冷媒の液相を混入させることで、気液分離器１４にヒータを増設することなく、圧縮機１１における適正な冷凍機油の希釈率および気液分離器１４による液圧縮の役割を維持しつつ、低温設定時にも適切な量だけ冷凍機油を圧縮機１１へとスムーズに戻すことができる。
【００４３】
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
以下、第１実施形態と相違する事項を中心に説明する。第１実施形態と同様の構成には同じ符号を付している。後述する第３実施形態においても同様である。
【００４４】
図２に示す第２実施形態の冷凍ユニット２は、第１実施形態の冷凍ユニット１と同様の構成の冷媒回路と、制御部２２と、圧力センサ２１および油面レベルセンサ２３とを備える。
油面レベルセンサ２３は、圧縮機１１のハウジング１１Ａ内に、液冷媒に溶解した状態で溜まる冷凍機油の液位（油面レベル）を検知する。この液位を、冷凍機油の圧縮機１１への戻り状況の指標として用いる。
【００４５】
バイパス経路１５が開いている間は、熱交換器１２を経た冷媒の一部をバイパス経路１５へと流入させる分だけ、熱利用先Ａへと流れる冷媒の流量が減少し、冷媒回路全体を循環する冷媒流量が減少するため、冷凍能力が低下する。これを考慮し、本実施形態では、吸入圧力飽和温度に加え、圧縮機１１内の検知された冷凍機油の液位にも関係する条件に基づいて、バイパス経路１５を開閉する。
【００４６】
以下、圧力センサ２１および油面レベルセンサ２３を用いる制御の一例を示す。
この制御では、圧縮機１１に溜まった冷凍機油の液位が規定の第１液位を下回ったことを検知する第１油面レベルスイッチ２３１と、圧縮機１１に溜まった冷凍機油の液位が、第１液位よりも高い、規定の第２液位を上回ったことを検知する第２油面レベルスイッチ２３２とから油面レベルセンサ２３が構成されているものとする。第１油面レベルスイッチ２３１および第２油面レベルスイッチ２３２は、それぞれが対応する液位に応じて入り切りされる。
ここでは、バイパス措置を頻繁に繰り返すハンチングを避けるため、規定液位としての２つの液位（第１液位および第２液位）を制御に用いている。但し、１つの規定液位のみを用いてバイパス措置に係る制御を行うことも許容される。その場合は、１つの油面レベルスイッチのみで足りる。
【００４７】
圧力センサ２１により検知された圧力を用いて制御部２２により演算した吸入圧力飽和温度が規定値以下、つまりは冷凍ユニット１の蒸発温度が低温に設定されており、かつ、圧縮機１１における冷凍機油の液位が第１液位を下回ったために第１油面レベルスイッチ２３１がオン（またはオフ）となると、制御部２２によりバイパス弁１６が制御されることで、バイパス経路１５が開かれる。これをもってバイパス措置が開始される。
【００４８】
バイパス経路１５を通じて気液分離器１４へと流入した冷媒の液相が気液分離器１４に溜まった冷凍機油へと混入されることで、油戻り性が良くなるので、潤滑不良や焼き付きの防止に足りる量の冷凍機油が圧縮機１１へと戻る。
その後、圧縮機１１に溜まった冷凍機油の液位が、第２液位にまで達し、第２油面レベルスイッチ２３２がオン（またはオフ）となれば、制御部２２によりバイパス弁１６が制御されることで、バイパス経路１５が閉じられる。
バイパス経路１５を通じて気液分離器１４へと流入した冷媒の液相による冷凍機油の希釈が過度に進展するのを防ぐため、圧縮機１１内の冷凍機油の液位が少なくとも第１液位にまで、好ましくは第２液位にまで達し、油戻り性の改善の必要がなくなった時点で、バイパス経路１５を閉じてバイパス措置を終了し、それ以上の希釈進展を阻止することが好ましい。
【００４９】
第２実施形態によれば、油面レベルセンサ２３により検知可能な実際の油戻り状況に基づいて、油戻り性が悪化しつつあるために油戻り性の改善の必要がある場合にのみ、バイパス措置を限定的に実施することができる。そのため、冷凍能力の低下を抑えつつ、圧縮機１１における潤滑不良や焼き付きを未然に防止することができる。
【００５０】
上記第２実施形態における制御を次のように変更することもできる。
例えば、吸入圧力飽和温度が規定値としての−３０℃以下であって、冷凍ユニット１の積算運転時間が６０分に達する毎に、圧縮機１１に溜まっている冷凍機油の液位が規定液位に対して低い場合に限ってバイパス経路１５が開かれるように、制御部２２がバイパス弁１６を制御するようにしてもよい。
その後、圧縮機１１における冷凍機油の液位が少なくとも規定液位にまで達したならば、あるいは、バイパス経路１５を開くバイパス措置の開始から、規定時間として、例えば５分間が経過したならば、バイパス弁１６の制御によりバイパス経路１５を閉じ、バイパス措置を終了することができる。
【００５１】
〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３実施形態について説明する。
図３に示す第３実施形態の冷凍ユニット３は、第１実施形態の冷凍ユニット１と同様の構成の冷媒回路と、制御部２４と、圧力センサ２１および温度センサ２５とを備える。
本実施形態では、圧縮機１１における冷凍機油の温度、またはその温度を推定可能な温度を制御に用いる。圧縮機１１のハウジング１１Ａに溜まった冷凍機油の温度を検知するため、温度センサ２５は、ハウジング１１Ａの下部外周部に設置される。
【００５２】
制御部２４は、温度センサ２５により検知された温度と、圧力センサ２１により検知された吸入圧力飽和温度との差から冷凍機油の過熱度（以下、油過熱度）を演算する。この油過熱度を、冷凍機油の圧縮機１１への戻り状況の指標として用いる。
ここで、ＣＯ２冷媒等のように、圧縮機１１のハウジング１１Ａ内部の圧力が高圧に設定される場合、油過熱度は、吐出圧力に対応する飽和温度と、圧縮機１１の冷凍機油の温度または推定温度との差から演算する。その場合は、圧縮機１１の吐出側に設置した圧力センサにより検知された吐出圧力から飽和温度を演算する。
【００５３】
本実施形態においても、冷凍能力を考慮し、油過熱度に基づいて油戻り性の改善の要請がある場合にのみ、バイパス措置を実施する。
以下、吸入圧力飽和温度と、油過熱度とを用いる制御の一例を示す。この制御では、圧縮機１１の油過熱度について、油戻り性が悪化しつつあることを示す第１過熱度と、それよりも低い第２過熱度とが設定されているものとする。
本実施形態でも、ハンチングを避けるため、規定過熱度としての２つの液位（第１過熱度および第２過熱度）を制御に用いている。但し、１つの規定過熱度のみを用いてバイパス措置に係る制御を行うことも許容される。
【００５４】
圧力センサ２１により検知された圧力を用いて制御部２４により演算した吸入圧力飽和温度が規定値以下でかつ、圧縮機１１の油過熱度が第１過熱度に対して高ければ、制御部２４によりバイパス弁１６が制御されることで、バイパス経路１５が開かれる。
【００５５】
上記のバイパス措置により、圧縮機１１の油過熱度が第２過熱度にまで抑制されたならば、制御部２４によりバイパス弁１６が制御されることで、バイパス経路１５が閉じられる。
油過熱度が、少なくとも第１過熱度にまで、好ましくは第２過熱度にまで抑制されていれば、潤滑に足りる量の冷凍機油と液冷媒との混合溶液が圧縮機１１内に溜まっているので、バイパス経路１５を閉じて、それ以上の希釈進展を阻止することが好ましい。
【００５６】
第３実施形態によれば、圧縮機１１内部で液冷媒に溶解した冷凍機油の量を推定可能な油過熱度に基づいて、油戻り性の改善の必要がある場合にのみ、バイパス措置を限定的に実施することができる。そのため、冷凍能力の低下を抑えつつ、圧縮機１１における潤滑不良や焼き付きを未然に防止することができる。
【００５７】
上記第３実施形態における制御を次のように変更することもできる。
例えば、吸入圧力飽和温度が規定値としての−３０℃以下であって、冷凍ユニット１の積算運転時間が６０分に達する毎に、圧縮機１１に溜まっている冷凍機油の過熱度が規定過熱度に対して高い場合に限ってバイパス経路１５が開かれるように、制御部２４がバイパス弁１６を制御するようにしてもよい。
その後、圧縮機１１における冷凍機油の過熱度が少なくとも規定過熱度にまで抑制されたならば、あるいは、バイパス経路１５を開くバイパス措置の開始から例えば５分間が経過したならば、バイパス弁１６の制御によりバイパス経路１５を閉じ、バイパス措置を終了することができる。
【００５８】
バイパス措置の開始条件と、バイパス措置の終了条件とに異なる指標を用いることもできる。例えば、圧縮機１１における冷凍機油の液位が規定液位を下回ればバイパス措置を開始し、バイパス措置の開始から規定時間の経過後、あるいは、バイパス措置により圧縮機１１における冷凍機油の過熱度が少なくとも規定過熱度にまで抑制されたならば、バイパス措置を終了するように制御することができる。
【００５９】
上記以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更したりすることが可能である。
【００６０】
本発明は、冷蔵・冷凍ケースを有する冷凍システムや、そのシステムを構成するコンデンシングユニットに限らず、空気調和機、コンテナ等に係る冷凍システムや、そのシステムを構成する冷凍ユニットにも適用することができる。
【００６１】
バイパス弁１６は、必ずしも開閉弁である必要はなく、バイパス経路１５を流れる冷媒の流量を調整する流量調整弁として構成されていてもよい。
その場合は、例えば、次のような制御も可能となる。
冷凍機油の粘度に大きな影響を及ぼす程の低い温度には蒸発温度が設定されていないとしても、制御部２０により、バイパス経路１５に冷媒が少し流れるようにバイパス弁１６の開度を制御する。そして、蒸発温度が低温に設定されているとき、気液分離器１４から圧縮機１１への油戻り性の悪化が想定される条件に基づいて、バイパス経路１５を流れる冷媒の流量が増えるように制御部２０によりバイパス弁１６を制御する。そうすると、気液分離器１４に溜まっている混合溶液へとバイパス経路１５を通じて混入する液冷媒の量が増え、それに伴い混合溶液における冷凍機油の濃度が低下するため、圧縮機１１へと戻される混合溶液全体としての粘度増大を抑制して油戻り性の悪化を避けることができる。
【００６２】
バイパス経路１５を流れる冷媒流量を増やすバイパス措置は、所定時間毎に間欠的に、あるいは、圧縮機１１における冷凍機油の液位や油過熱度が示す冷凍機油の戻り状況に応じて、油戻り性を改善する必要性が認められる場合にのみ限定して行うのが好ましい。
バイパスさせる冷媒の流量を増やしてから所定の時間が経過すれば、あるいは油戻り状況からバイパスの必要性がなくなれば、バイパス弁１６の制御により、バイパス経路１５を流れる冷媒の流量を減少させるのが好ましい。
【００６３】
上記各実施形態では、熱交換器１２を経て減圧部１３へと向かう冷媒の一部のみをバイパス経路１５を通じて気液分離器１４へと流入させているが、油戻り性を直ちに改善する必要がある場合には、熱交換器１２を経て減圧部１３へと向かう冷媒の全部を、バイパス経路１５を通じて気液分離器１４へと流入させることも許容される。この場合、バイパス弁１６は、例えば、熱交換器１２の出口側の主流から分岐するバイパス経路１５の始端等に設けることができる。
【符号の説明】
【００６４】
１〜３    冷凍ユニット
１０      熱源回路
１１      圧縮機
１１Ａ    ハウジング
１２      熱交換器
１３      減圧部
１４      気液分離器
１５      バイパス経路
１６      バイパス弁
２０，２２，２４      制御部
２１      圧力センサ
２３      油面レベルセンサ
２５      温度センサ
１４１    タンク
１４２    油戻し機構
１４２Ａ  ピックアップホール
２３１    第１油面レベルスイッチ
２３２    第２油面レベルスイッチ
Ａ        熱利用先
【図１】
2018204805.tif 000003
【図２】
2018204805.tif 000004
【図３】
2018204805.tif 000005