(57)【要約】【課題】膨張弁でのオイルチョークを防止できるようにする。【解決手段】圧縮機１、凝縮器２、膨張弁４、および蒸発器５を閉ループに結合して冷媒循環経路を構成してなる冷凍装置において、凝縮器２と膨張弁４との間に、凝縮器２にて放熱された冷媒の圧力を気液混合状態となる２相域Ｇまで減圧する減圧手段３ａを設け、膨張弁４の入力部では冷媒が気液混合状態となるようにし、これによってガス成分が含まれ、密度が小さくなり、流速が速くなるようにする。【選択図】図１
2008032295.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、凝縮器、膨張弁、および蒸発器を閉ループに結合して冷媒循環経路を構成してなる冷凍装置において、
前記凝縮器と前記膨張弁との間に、前記凝縮器にて放熱された冷媒の圧力を気液混合状態となる２相域まで減圧する減圧手段を設けたことを特徴とする冷凍装置。
【請求項２】
圧縮機、凝縮器、膨張弁、および蒸発器を閉ループに結合して冷媒循環経路を構成してなる冷凍装置において、
前記膨張弁と前記蒸発器との間に、前記膨張弁にて断熱膨張により減圧された冷媒の圧力を、更に前記蒸発器の蒸発温度まで断熱膨張により減圧する減圧手段を設けたことを特徴とする冷凍装置。
【請求項３】
圧縮機、凝縮器、膨張弁、および蒸発器を閉ループに結合して冷媒循環経路を構成してなる冷凍装置において、
前記凝縮器と前記膨張弁との間に、前記凝縮器にて放熱された冷媒の圧力を気液混合状態となる２相域まで減圧する第１の減圧手段を設けるとともに、
前記膨張弁と前記蒸発器との間に、前記第１の減圧手段と前記膨張弁にて断熱膨張により２段階で減圧された冷媒の圧力を、更に前記蒸発器の蒸発温度まで断熱膨張により減圧する第２の減圧手段を設けたことを特徴とする冷凍装置。
【請求項４】
前記減圧手段を、キャピラリチューブまたはオリフィスによって構成したことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の冷凍装置。
【請求項５】
前記冷媒は、二酸化炭素であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮機、凝縮器、膨張弁、および蒸発器を閉ループに結合してなる冷媒循環経路内を、冷媒と共に冷凍機油（オイル）が循環する冷凍装置に係り、より詳しくは膨張弁でのオイルチョーク（冷凍機油の詰まり）を防止できる冷凍装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧縮機、凝縮器、開度調整可能な膨張弁、および蒸発器を閉ループに結合して冷媒循環経路を構成してなる冷凍装置は一般に知られている。
【０００３】
また、冷媒としては、一般にＨＦＣ冷媒（ハイドロフルオロカーボン）が使用されている。しかし、地球環境を保護する観点から、より地球環境に対する影響の少ない冷媒の開発が要求されている。そこで、最近では、不燃性、安全性、不腐食性、更にオゾン層への影響が少なく、人体にも悪影響を与えない二酸化炭素を冷媒として使用する冷凍装置の開発が進められている。
【０００４】
ところで、フロンを用いた冷凍装置では、高温側の圧力が約１〜２ＭPaで運転されるのに対し、二酸化炭素を冷媒に使用する冷凍装置の場合は、安定運転時でも高温側の圧力が約１０ＭPa以上となる。このため、高圧仕様の特殊な膨張弁が必要となる。そこで、冷媒循環経路内の凝縮器と膨張弁との間にキャピラリチューブからなる減圧手段を介在させて、冷媒の圧力を２段階で減圧することで、膨張弁そのものに要求される耐圧性を低くできるようにして、汎用品の膨張弁の使用を可能としたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−１４２０２４号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、冷凍装置に使用される圧縮機は、所定粘度の冷凍機油を用いて冷媒を圧縮している。この冷凍機油は、圧縮機内部の摩耗、冷媒漏れ等を防止するための役目を担うものである。例えば、レシプロ圧縮機に使用される冷凍機油は、シリンダが摩耗するのを防止し、またシリンダとピストンの隙間を塞いで冷媒が漏れるのを防止している。しかし、冷凍機油は、圧縮機の構造上、圧縮機内部で完全に封止することは困難であり、圧縮機から冷媒循環経路内に僅かに流出してこの冷媒循環経路内を循環している。つまり、冷媒循環経路内では、冷媒と冷凍機油が混合された状態で循環している。また、冷媒（例えば二酸化炭素）と冷凍機油の関係については、以下のことが解っている。
【０００７】
すなわち、温度が一定の条件では、二酸化炭素が冷凍機油（単位体積）に溶け込む重量の割合を示す二酸化炭素混合率は、圧力の上昇に伴って増大する。更に、圧力が一定の条件では、二酸化炭素混合率は、温度の低下に伴って増大する。つまり、圧力が上昇するほど、また温度が低下するほど、二酸化炭素は冷凍機油に溶け込みやすくなる特性を有している。
【０００８】
また、温度が一定の条件では、冷凍機油の粘度は、二酸化炭素混合率の減少に伴って増大する。更に、二酸化炭素混合率が一定の条件では、冷凍機油の粘度は、温度の低下に伴って増大する。つまり、二酸化炭素混合率が減少するほど、また温度が低下するほど、冷凍機油は粘る特性を有している。
【０００９】
このため、膨張弁の開度を絞ることによる低流量時に、膨張弁の入力部での流速が小さくなったり、低温になると、オイルの粘度が増大し、膨張弁部分でオイルチョーク（冷凍機油の詰まり）が発生する。オイルチョークが発生すると、二酸化炭素からなる冷媒の循環量が極端に小さくなり、膨張弁の高圧側の圧力が上がり、圧縮機の保護回路が働くまでに至る。
【００１０】
また、二酸化炭素を冷媒として使用する冷凍装置では、冷媒循環経路内の圧力がＨＦＣ冷媒を使用する場合と比べて高圧側、低圧側ともに上昇し、圧縮機の内部負荷（摩擦等）が増大して圧縮機自体を破損する可能性が高くなる。しかも、高圧から低圧へ移行する行程において、冷媒は超臨界、液体、気液２相状態へと相変化を行う。そのため、この圧縮機の冷凍機油としては、ＨＦＣ冷媒の場合の冷凍機油と比べて高い粘度のものを使用している。つまり、二酸化炭素を冷媒として使用する冷凍装置の冷媒循環経路内を循環している冷凍機油は、低温では膨張弁で非常に詰まり易い。
【００１１】
このような膨張弁でのオイルチョークの問題は、前述の従来例のように冷媒循環経路内の凝縮器と膨張弁との間にキャピラリチューブからなる減圧手段を介在させて、冷媒の圧力を単に２段階で減圧するだけで解決できるものではない。本発明者等の実験によれば、前述の従来例のように膨張弁の上流側に減圧手段（キャピラリチューブ）を配置した場合は、１段目の減圧手段（キャピラリチューブ）による減圧後の冷媒の性状や温度がオイルチョークに関して重要な意味をもつことが判明した。すなわち、膨張弁の上流側に減圧手段（キャピラリチューブ）を配置して２段階減圧を行った場合でも、１段目の減圧後の冷媒の性状が液相のみの状態であれば、膨張弁の入力部での流速が小さくなったり、低温になった時にオイルチョークが発生することが解った。そして、これを解消するには、１段目の減圧手段となるキャピラリチューブにて冷媒を２相（気液混合）となる領域まで減圧し、ガス成分を含ませ、密度を小さくして、流速を速くすればよく、また膨張弁の下流側に減圧手段（キャピラリチューブ）を配置して２段階減圧を行えば、膨張弁直後の温度を上げることができて、冷凍機油の粘度を低く抑えることができるため、１段目の膨張弁にて必ずしも冷媒を２相（気液混合）となる領域まで減圧しなくともオイルチョークは発生しないという、これまで知られていなかった物理現象を発見した。
【００１２】
本発明は、以上の点と前記知見とに鑑み、膨張弁でのオイルチョークを防止することのできる冷凍装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
（１）本発明に係る冷凍装置は、下記の構成からなるものである。すなわち、圧縮機、凝縮器、膨張弁、および蒸発器を閉ループに結合して冷媒循環経路を構成してなる冷凍装置において、凝縮器と膨張弁との間に、凝縮器にて放熱された冷媒の圧力を気液混合状態となる２相域まで減圧する減圧手段を設けたものである。
【００１４】
（２）本発明に係る冷凍装置は、下記の構成からなるものである。すなわち、圧縮機、凝縮器、膨張弁、および蒸発器を閉ループに結合して冷媒循環経路を構成してなる冷凍装置において、膨張弁と蒸発器との間に、膨張弁にて断熱膨張により減圧された冷媒の圧力を、更に蒸発器の蒸発温度まで断熱膨張により減圧する減圧手段を設けたものである。
【００１５】
（３）本発明に係る冷凍装置は、下記の構成からなるものである。すなわち、圧縮機、凝縮器、膨張弁、および蒸発器を閉ループに結合して冷媒循環経路を構成してなる冷凍装置において、凝縮器と膨張弁との間に、凝縮器にて放熱された冷媒の圧力を気液混合状態となる２相域まで減圧する第１の減圧手段を設けるとともに、膨張弁と蒸発器との間に、第１の減圧手段と膨張弁にて断熱膨張により２段階で減圧された冷媒の圧力を、更に蒸発器の蒸発温度まで断熱膨張により減圧する第２の減圧手段を設けたものである。
【００１６】
（４）本発明に係る冷凍装置は、減圧手段を、キャピラリチューブまたはオリフィスによって構成したものである。
【００１７】
（５）本発明に係る冷凍装置は、冷媒として二酸化炭素を用いたものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の冷却装置においては、膨張弁の前、後、又は前後に、冷凍機油の粘性を下げるための減圧手段を配置しているので、冷凍機油の粘性が増大することがなく、冷媒の流速が速くなり、膨張弁でのオイルチョークを防止することができる。
【００１９】
また、減圧手段としてキャピラリチューブまたはオリフィスを用いることで、構造の簡略化が図れ、コストを抑制することができる。
【００２０】
また、冷媒として二酸化炭素を用いることで、地球環境や人体に悪影響を与えず、安全性の確保が容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る冷凍装置の動作を示すモリエル線図（Ｐ−Ｈ線図）、図２はその冷凍回路（冷媒循環経路）の構成図である。
【００２２】
本実施形態の冷凍装置は、図２のように圧縮機１、凝縮器２、開度調整可能な膨張弁４、および蒸発器５を閉ループに結合し、冷媒として二酸化炭素を用いてなる冷凍回路（冷媒循環経路）において、凝縮器２と膨張弁４との間（膨張弁４の上流側）に、凝縮器２にて放熱された冷媒の圧力を液体から気液混合状態となる２相域（図１中の塗り潰されたＧ領域）まで減圧する減圧手段すなわちキャピラリチューブ３ａを設けたものである。
【００２３】
本実施形態の冷凍装置においては、圧縮機１から吐出した冷媒が図２中に矢印で示すように凝縮器２、キャピラリチューブ３ａ、膨張弁４及び蒸発器５に順次循環することにより、冷凍サイクルが構成される。
【００２４】
図１中のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅで示した線は冷媒がたどる経路を示しており、Ａ〜Ｂは圧縮機１が冷媒を圧縮する行程、Ｂ〜Ｃは凝縮器２により冷媒が熱エネルギを放出する行程、Ｃ〜Ｄ〜Ｅは断熱膨張により２段階で減圧する行程、Ｅ〜Ａは蒸発器５により冷媒が熱エネルギを吸収する行程である。Ｃ〜Ｅ間の途中のＤは冷媒が気液混合状態となる２相域Ｇ内の圧力、Ｅは蒸発器５の蒸発温度（以下、これを「エバ温度」という）であり、ここではＣ〜Ｄまではキャピラリチューブ３ａにより減圧し、Ｄ〜Ｅまでは膨張弁４により減圧するようになっている。
【００２５】
このように、本実施形態の冷凍装置は、膨張弁４の上流側に、凝縮器２にて放熱された冷媒の圧力を気液混合状態となる２相域Ｇまで減圧するキャピラリチューブ３ａを設けたので、膨張弁４の入力部では冷媒が気液混合状態となる。そして、この気液混合状態下では冷媒のクオリティ（乾き度）があるため、ガス成分が含まれ、密度が小さくなり、流速が速くなる。このため、たとえ粘度が高くなった冷凍機油が混入していても、これを押し出し、詰まらないように流してやることができ、膨張弁４でのオイルチョークを防止することができる。
【００２６】
実施の形態２．
図３は本発明の実施の形態２に係る冷凍装置の動作を示すモリエル線図（Ｐ−Ｈ線図）、図４はその冷凍回路（冷媒循環経路）の構成図であり、各図中、前述の実施の形態１と同一部分には同一符号を付してある。
【００２７】
本実施形態の冷凍装置は、図４のように圧縮機１、凝縮器２、開度調整可能な膨張弁４、および蒸発器５を閉ループに結合し、冷媒として二酸化炭素を用いてなる冷凍回路（冷媒循環経路）において、膨張弁４と蒸発器５との間（膨張弁４の下流側）に、膨張弁４にて断熱膨張により減圧された冷媒の圧力を、更に蒸発器５のエバ温度まで断熱膨張により減圧する減圧手段すなわちキャピラリチューブ３ｂを設けた点が前述の実施の形態１のものと異なっている。それ以外の構成は前述の実施の形態１のものと同様である。
【００２８】
本実施形態の冷凍装置において、図３中のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅで示した線は冷媒がたどる経路を示しており、Ａ〜Ｂは圧縮機１が冷媒を圧縮する行程、Ｂ〜Ｃは凝縮器２により冷媒が熱エネルギを放出する行程、Ｃ〜Ｄ〜Ｅは断熱膨張により２段階で減圧する行程、Ｅ〜Ａは蒸発器５により冷媒が熱エネルギを吸収する行程である。Ｃ〜Ｅ間の途中のＤは冷媒が気液混合状態となる２相域Ｇ内の圧力、Ｅは蒸発器５のエバ温度であり、ここではＣ〜Ｄまでは膨張弁４により減圧し、Ｄ〜Ｅまではキャピラリチューブ３ａにより減圧するようになっている。
【００２９】
このように、本実施形態の冷凍装置においては、膨張弁４の下流側に、膨張弁４にて膨張された冷媒を必要なエバ温度まで下げるキャピラリチューブ３ｂを設けたので、膨張弁４直後の状態をＤ点まで上げることができる。このため、膨張弁４直後の温度を上げることができて、冷凍機油の粘度を低く抑えることができ、膨張弁４でのオイルチョークを防止することができる。
【００３０】
なお、ここでは膨張弁４により、冷媒を２相（気液混合）となる領域Ｇまで減圧するようにしたものを例に挙げて説明したが、既述したように膨張弁４後の冷媒をキャピラリチューブ３ｂによって必要なエバ温度まで下げるようにして、膨張弁４直後の温度を上げ、冷凍機油の粘度を低く抑えることができるようにしているため、１段目となる膨張弁４にて必ずしも冷媒を２相域Ｇまで減圧しなくともよく、それよりも高く設定することも可能である。
【００３１】
実施の形態３．
図５は本発明の実施の形態３に係る冷凍装置の動作を示すモリエル線図（Ｐ−Ｈ線図）、図６はその冷凍回路（冷媒循環経路）の構成図であり、各図中、前述の実施の形態１及び２と同一部分には同一符号を付してある。
【００３２】
本実施形態の冷凍装置は、図６のように圧縮機１、凝縮器２、開度調整可能な膨張弁４、および蒸発器５を閉ループに結合し、冷媒として二酸化炭素を用いてなる冷凍回路（冷媒循環経路）において、凝縮器２と膨張弁４との間（膨張弁４の上流側）に、凝縮器２にて放熱された冷媒の圧力を気液混合状態となる２相域Ｇまで減圧する第１の減圧手段すなわちキャピラリチューブ３ａを設けるとともに、膨張弁４と蒸発器５との間（膨張弁４の下流側）に、キャピラリチューブ３ａと膨張弁４にて断熱膨張により２段階で減圧された冷媒の圧力を、更に蒸発器５のエバ温度まで断熱膨張により減圧する第２の減圧手段すなわちキャピラリチューブ３ｂを設けたものであり、前述の実施の形態１の機能と前述の実施の形態２の機能を併せ持つ点に特徴を有している。
【００３３】
本実施形態の冷凍装置において、図５中のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｆ，Ｅで示した線は冷媒がたどる経路を示しており、Ａ〜Ｂは圧縮機１が冷媒を圧縮する行程、Ｂ〜Ｃは凝縮器２により冷媒が熱エネルギを放出する行程、Ｃ〜Ｄ〜Ｆ〜Ｅは断熱膨張により３段階で減圧する行程、Ｅ〜Ａは蒸発器５により冷媒が熱エネルギを吸収する行程である。Ｃ〜Ｅ間の途中のＤは冷媒が気液混合状態となる２相域Ｇ内の圧力、Ｆは２相域Ｇ内でＤよりも低い圧力、Ｅは蒸発器５のエバ温度であり、ここではＣ〜Ｄまではキャピラリチューブ３ａにより減圧し、Ｄ〜Ｆまでは膨張弁４により減圧し、Ｆ〜Ｅまではキャピラリチューブ３ｂにより減圧するようになっている。
【００３４】
このように、本実施形態の冷凍装置においては、膨張弁４の上流側に、凝縮器２にて放熱された冷媒の圧力を気液混合状態となる２相域Ｇまで減圧するキャピラリチューブ３ａを設けるとともに、膨張弁４の下流側に、キャピラリチューブ３ａと膨張弁４にて断熱膨張により２段階で減圧された冷媒の圧力を、更に蒸発器５のエバ温度まで断熱膨張により減圧するキャピラリチューブ３ｂを設けたので、前述の実施の形態１，２と同様の効果を有し、これらの相乗効果により膨張弁４でのオイルチョークを確実に防止することができる。すなわち、膨張弁４の入力部では常にガス成分が含まれ、密度が小さくなり、流速が速くなり、たとえ粘度が高くなった冷凍機油が混入していても、これを押し出し、詰まらないように流してやることができる。また、膨張弁４直後の状態をＦ点まで上げることができて、膨張弁４直後の温度を上げることが可能となり、冷凍機油の粘度を低く抑えることができて、膨張弁４でのオイルチョークを防止することができる。
【００３５】
なお、前述の各実施形態では、いずれも減圧手段としてキャピラリチューブを用いたものを例に挙げて説明したが、これに代えてオリフィスを用いることもできる。いずれの場合も、構造の簡略化が図れ、コストを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施の形態１に係る冷凍装置の動作を示すモリエル線図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る冷凍装置の冷凍回路の構成図である。
【図３】本発明の実施の形態２に係る冷凍装置の動作を示すモリエル線図である。
【図４】本発明の実施の形態２に係る冷凍装置の冷凍回路の構成図である。
【図５】本発明の実施の形態３に係る冷凍装置の動作を示すモリエル線図である。
【図６】本発明の実施の形態３に係る冷凍装置の冷凍回路の構成図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  圧縮機
２  凝縮器
３ａ，３ｂ  キャピラリチューブ（減圧手段）
４  膨張弁
５  蒸発器
【図１】
2008032295.tif 000003
【図２】
2008032295.tif 000004
【図３】
2008032295.tif 000005
【図４】
2008032295.tif 000006
【図５】
2008032295.tif 000007
【図６】
2008032295.tif 000008