(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、膨張機に対する潤滑油の十分な供給とサイクル全体の加熱効率の向上とを両立させる。【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とを備えている。油供給管７には、開度調整自在な弁８と、低圧冷媒と潤滑油とを熱交換させることによって潤滑油を冷却する冷却器６とが設けられている。入口側配管１３には、温度センサ１２が設けられている。コントローラ１５は、膨張機３の入口冷媒温度に基づいて弁８の開度を制御する。【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、
前記冷媒回路における前記膨張機から前記蒸発器を経て前記圧縮機に至る低圧部分の一部の冷媒と前記油供給通路の潤滑油とを直接又は間接的に熱交換させることによって前記潤滑油を冷却する冷却装置と、
を備えた冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記冷却装置は、前記冷媒回路の低圧部分の冷媒と前記油供給通路の潤滑油とを熱交換させる熱交換器を備えている、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項３】
前記冷却装置は、前記蒸発器で冷却される前の空気又は前記蒸発器で冷却された後の空気と前記油供給通路の潤滑油とを熱交換させる熱交換器を備えている、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項４】
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１〜３のいずれか一つに記載の冷凍サイクル装置。
【請求項５】
前記膨張機の入口側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に基づいて前記流量調整装置を制御するコントローラと、
を備えた請求項４に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項６】
前記膨張機は、運転容量の調整が自在な膨張機からなり、
前記膨張機の運転容量を検出する運転容量検出装置と、
前記膨張機の運転容量に基づいて前記流量調整装置を制御するコントローラと、
を備えた請求項４に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項７】
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。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。
【０００３】
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。そこで、冷媒回路内に油分離器を設け、当該油分離器で分離した潤滑油を膨張機に供給する冷凍サイクル装置が提案されている。例えば、下記特許文献１には、圧縮機と放熱器との間に設けられた油分離器と、油分離器と膨張機の入口側配管とを接続する油送り管とを備えた冷凍空調機が開示されている。
【０００４】
圧縮機から吐出された冷媒及びこれに含まれる潤滑油は高温であるため、油分離器から油送り管へ流れる潤滑油も高温となる。一方、油分離器を通過した冷媒は放熱器において冷却されるため、膨張機の直前においては低温となっている。そのため、油送り管の潤滑油が膨張機の入口側の冷媒と合流すると、膨張機入口の冷媒温度が上昇し、ひいては冷凍能力の低下を招くことになる。そこで、上記特許文献１には、膨張機に供給される潤滑油の温度を低下させるため、油送り管に冷却器を設けることが提案されている。
【特許文献１】特開２００１−１４１３１５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、上記特許文献１に開示された冷凍空調機では、冷凍能力の低下を防止することを目的としているため、油送り管の冷却器において、別個の冷却源（例えば冷却水等）が必要不可欠であった。
【０００６】
また、潤滑油からの放熱がエネルギー損失となり、サイクル全体として加熱効率又は暖房効率（以下、単に加熱効率という）の低下を招いていた。
【０００７】
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、膨張機に対する潤滑油の十分な供給とサイクル全体としての加熱効率の向上とを両立させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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、前記冷媒回路における前記膨張機から前記蒸発器を経て前記圧縮機に至る低圧部分の一部の冷媒と前記油供給通路の潤滑油とを直接又は間接的に熱交換させることによって前記潤滑油を冷却する冷却装置と、を備えたものである。
【０００９】
上記冷凍サイクル装置によれば、油供給通路を通じて油分離器から膨張機に潤滑油が供給されるので、膨張機に対して十分な量の潤滑油を供給することができる。また、油供給通路の潤滑油は冷媒回路の低圧部分の冷媒（以下、低圧冷媒という）によって冷却されるので、別個の冷却源は不要である。さらに、潤滑油からの放熱を回収することができるので、サイクル全体の加熱効率を向上させることができる。よって、膨張機に対する潤滑油の十分な供給とサイクル全体の加熱効率の向上とを両立させることが可能となる。
【００１０】
前記冷却装置は、前記冷媒回路の低圧部分の冷媒と前記油供給通路の潤滑油とを熱交換させる熱交換器を備えていてもよい。
【００１１】
前記冷却装置は、前記蒸発器で冷却される前の空気又は前記蒸発器で冷却された後の空気と前記油供給通路の潤滑油とを熱交換させる熱交換器を備えていてもよい。
【００１２】
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。
【００１３】
このことにより、膨張機に対して常に適切な量の潤滑油を供給することができる。
【００１４】
前記冷凍サイクル装置は、前記膨張機の入口側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に基づいて前記流量調整装置を制御するコントローラと、を備えていることが好ましい。
【００１５】
このことにより、膨張機の入口側の冷媒温度に基づいて潤滑油の供給量を調整することができ、膨張機に対する潤滑油の十分な供給と加熱効率の向上とを高度に両立させることができる。
【００１６】
前記膨張機は運転容量の調整が自在な膨張機からなり、前記冷凍サイクル装置は、前記膨張機の運転容量を検出する運転容量検出装置と、前記膨張機の運転容量に基づいて前記流量調整装置を制御するコントローラと、を備えていることが好ましい。
【００１７】
このことにより、膨張機の運転容量に基づいて潤滑油の供給量を調整することができ、膨張機に対する潤滑油の十分な供給と加熱効率の向上とを高度に両立させることができる。
【００１８】
前記冷凍サイクル装置は、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】
【００１９】
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、膨張機に対する潤滑油の十分な供給とサイクル全体としての加熱効率の向上とを両立させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
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。
【００２１】
（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。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には、冷却器６及び弁８が設けられている。なお、弁８は開度調整が自在な弁である。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
放熱器２及び蒸発器５の構成も何ら限定されない。放熱器２又は蒸発器５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。
【００２７】
冷却器６はいわゆる液―液熱交換器からなり、油供給管７の潤滑油と、膨張機３と蒸発器５との間の低圧冷媒とを直接的に熱交換させる。冷却器６には、例えば、二重管式熱交換器、プレート式熱交換器、シェルアンドチューブ式熱交換器等を好適に利用することができる。また、専用の熱交換器を用いずに、油供給管７と冷媒配管とを接合することによって冷却器６を構成することも可能である。
【００２８】
冷却器６として内側流路と外側流路とを備えた二重管式熱交換器を用いる場合、内側流路に冷媒を流し、外側流路に潤滑油を流すようにしてもよい。このことにより、低圧冷媒の圧力損失の増加を抑えることができる。逆に、内側流路に潤滑油を流し、外側流路に冷媒を流すことも可能である。この場合、潤滑油の圧力損失が低減し、潤滑油の流量を十分に確保することができる。なお、冷却器６は、冷媒と潤滑油とを対向状態で流通させるいわゆる対向流式の熱交換器であることが好ましい。
【００２９】
膨張機３の入口側配管１３には、冷媒温度を検出する温度センサ１２が設けられている。温度センサ１２は、実質的に冷媒温度を検出するものであればよい。したがって、温度センサ１２は、入口側配管１３内の冷媒温度を直接検出するものであってもよく、入口側配管１３の壁面温度を検出すること等により冷媒温度を間接的に検出するものであってもよい。また、温度センサ１２は膨張機３の入口冷媒温度を検出するものであればよく、膨張機３自体に設けられていてもよい。
【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の検出信号を受け、弁８の開度を制御する。なお、コントローラ１５は弁８の制御のために設けられた専用のコントローラである必要はなく、圧縮機１の制御等も行ってもよいことは勿論である。
【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。冷媒回路１１において、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、低温低圧の冷媒となる。この低温低圧の冷媒は、冷却器６において、潤滑油を冷却すると同時に自らは加熱される。なお、この際、冷媒の一部は蒸発してもよく、蒸発しなくてもよい。そして、冷却器６で加熱された冷媒は、蒸発器５で蒸発した後、圧縮機１に吸入される。
【００３２】
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、冷却器６で冷媒と熱交換することによって冷却される。そして、冷却後の潤滑油は、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。
【００３３】
コントローラ１５は、膨張機３の入口冷媒温度に基づいて弁８の開度を制御する。例えば、コントローラ１５は、膨張機３の内部温度が上昇しすぎないように、あるいは低下しすぎないように、潤滑油の流入量を調整することとしてもよい。本実施形態では、コントローラ１５は、入口冷媒温度が所定値になるように弁８の開度を制御する。例えば、コントローラ１５は、膨張機３の入口冷媒温度が所定値以上のときには弁８の開度を小さくし、入口冷媒温度が所定値未満のときには弁８の開度を大きくする。
【００３４】
以上のように、本実施形態によれば、油分離器９によって冷媒と潤滑油とを分離し、油供給管７を通じて潤滑油を膨張機３に供給することとしたので、膨張機３に対して十分な量の潤滑油を供給することができる。加えて、油供給管７の潤滑油を冷媒回路１１内の低圧冷媒で冷却することとしたので、冷却源を別途設ける必要がない。また、潤滑油からの放熱を冷媒回路１１内で回収することができ、サイクル全体の加熱効率を向上させることができる。したがって、膨張機３に対する潤滑油の十分な供給とサイクル全体の加熱効率の向上とを両立させることが可能となる。
【００３５】
すなわち、本冷凍サイクル装置１０では、低圧冷媒を潤滑油で加熱することにより、冷媒回路１１の低圧部分の圧力（以下、低圧側圧力という）を上昇させることができ、圧縮機１の負荷を低減することができる。したがって、冷凍サイクルの加熱ＣＯＰを向上させることができる。また、冷媒は冷却器６において加熱されるので、蒸発器５における必要加熱量を低減することができる。したがって、蒸発器５のコンパクト化を図ることも可能である。
【００３６】
また、本実施形態によれば、油供給管７に開度調整自在な弁８が設けられているので、膨張機３に対する潤滑油の供給量を自由に調整することができる。また、膨張機３の入口冷媒温度に基づいて弁８の開度を調整することにより、膨張前の冷媒温度を制御することができる。そのため、膨張前の冷媒温度低下による潤滑油粘度の低下及び膨張前の冷媒温度上昇による蒸発器能力の低下を抑えることができる。潤滑油粘度が低下すれば、膨張機３における摺動損失が増加し、膨張機３の信頼性、性能が低下する。また、蒸発器能力が低下すれば、蒸発器圧力が低下し、圧縮機１の負荷が増大する。したがって、運転状態の変動に拘わらず、膨張機３の信頼性を確保しつつ、冷凍サイクル装置１０の加熱効率を向上させることができる。
【００３７】
放熱器２には、油分離器９で潤滑油と分離された後の冷媒が流通する。そのため、放熱器２に潤滑油が流れ込むことを防止又は抑制することができるので、放熱器２の冷媒側の熱伝達率を高めることができ、放熱器２の性能を向上させることができる。したがって、加熱効率を更に向上させることができる。
【００３８】
（変形例）
上記実施形態では、コントローラ１５は、膨張機３の入口冷媒温度に基づいて弁８の開度を制御していた。しかしながら、コントローラ１５の実行する制御は上記制御に限定される訳ではない。例えば、図２に示すように、膨張機３の回転数を検出する回転数検出センサ１４を設け、膨張機３の回転数に基づいて弁８の開度を制御するようにしてもよい。例えば、コントローラ１５は、膨張機３の回転数が所定値以上のときには弁８の開度を大きくし、回転数が所定値未満のときには弁８の開度を小さくする。これにより、回転数に応じて常に十分な量の潤滑油を供給することができ、また、サイクル効率の向上を図ることができる。
【００３９】
なお、膨張機３の回転数を制御することは、膨張機３の運転容量を制御することを意味する。ここで、膨張機３の運転容量を制御する方法は、回転数を制御する方法に限定される訳ではない。例えば、膨張機３が互いに並列な複数の膨張機構を備えている場合、それら複数の膨張機構の運転台数を調整することによって、膨張機３の全体の運転容量を制御することも可能である。また、膨張機３は、互いに並列に接続された複数台の膨張機からなっていてもよい。この場合にも、膨張機の運転台数を調整することによって、膨張機３の全体の運転容量を制御することができる。
【００４０】
（第２実施形態）
図３に示すように、第２実施形態は、第１実施形態の冷凍サイクル装置１０において、油供給管７の冷却器６に変更を加えたものである。
【００４１】
本実施形態に係る冷却器６も、冷媒回路１１の低圧冷媒を利用して油供給管７の潤滑油を冷却するものである。しかしながら、本実施形態は第１実施形態と異なり、冷却器６は、潤滑油と低圧冷媒とを間接的に熱交換させるように構成されている。具体的には、本実施形態の蒸発器５は、空気と冷媒とを熱交換させるいわゆる空気熱交換器からなり、冷却器６は、蒸発器５で冷却される前又は冷却された後の空気と潤滑油とを熱交換させる空気熱交換器によって構成されている。本実施形態の冷凍サイクル装置１０には、蒸発器５及び冷却器６に共通の送風機１７が設けられている。ただし、蒸発器５及び冷却器６のそれぞれに送風機が設けられていてもよいことは勿論である。
【００４２】
その他の構成は第１実施形態と同様であるので、それらの説明は省略する。
【００４３】
したがって、本実施形態においても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００４４】
（第３実施形態）
図４に示すように、第３実施形態も、第１実施形態の冷凍サイクル装置１０において、油供給管７の冷却器６に変更を加えたものである。本実施形態では、冷却器６は蒸発器５と一体化されている。具体的には、油供給管７は蒸発器５を通過しており、蒸発器５において潤滑油と冷媒（あるいは、冷媒に冷却される前の空気又は冷却された後の空気）とが熱交換を行う。その他の構成は第１実施形態と同様である。なお、図４では、温度センサ１２及びコントローラ１５の図示は省略している。
【００４５】
したがって、本実施形態においても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００４６】
（第４実施形態）
前記第１〜第３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、図５に示すように、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８ａが設けられていてもよい。また、コントローラ１５は、膨張機３の入口冷媒温度又は運転容量に基づいて、油ポンプ８ａを制御するようにしてもよい。
【００４７】
油供給管７に油ポンプ８ａ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る。そのため、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】
（その他の実施形態）
前記各実施形態では、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。
【００４９】
なお、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ようにしてもよい。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。
【００５０】
油供給管７の種類は何ら限定されるものではない。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、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】第１実施形態に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路図
【図２】第１実施形態の変形例に係る冷媒回路図
【図３】第２実施形態に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路図
【図４】第３実施形態に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路図
【図５】第４実施形態に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路図
【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
６    冷却器（冷却装置，熱交換器）
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  入口側配管
１４  回転数検出センサ（運転容量検出装置）
１５  コントローラ
【図１】
2008133967.tif 000003
【図２】
2008133967.tif 000004
【図３】
2008133967.tif 000005
【図４】
2008133967.tif 000006
【図５】
2008133967.tif 000007