(57)【要約】【課題】圧縮機（30）における潤滑に弱相溶性の冷凍機油を用いる冷凍装置（10）において、蒸発器（34,37）から圧縮機（30）に至るまでの間に溜まる冷凍機油を効率的に圧縮機（30）に戻すことができるようにする。【解決手段】圧縮機（30）における潤滑に弱相溶性の冷凍機油を用いる冷凍装置において、蒸発器（34,37）から圧縮機（30）に至るまでの間に溜まる冷凍機油を冷媒と共に圧縮機（30）へ戻すために、蒸発器（34,37）の出口における冷媒の温度が蒸発器（34,37）の出口での冷媒の圧力において冷凍機油に溶ける冷媒の量が上限値に達するときの温度に対応する上限対応温度になるように冷凍サイクルの運転状態を制御する油戻し制御を行う制御手段（50）を設ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機（30）によって圧縮された冷媒を放熱器（34,37）で放熱させて蒸発器（34,37）で蒸発させる冷凍サイクルを行う冷媒回路（20）を備え、
上記圧縮機（30）における潤滑に弱相溶性の冷凍機油を用いる冷凍装置であって、
上記蒸発器（34,37）から圧縮機（30）に至るまでの間に溜まる冷凍機油を冷媒と共に該圧縮機（30）へ戻すために、上記蒸発器（34,37）の出口における冷媒の温度が該蒸発器（34,37）の出口での冷媒の圧力において冷凍機油に溶ける冷媒の量が上限値に達するときの温度に対応する上限対応温度になるように冷凍サイクルの運転状態を制御する油戻し制御を行う制御手段（50）を備えていることを特徴とする冷凍装置。
【請求項２】
請求項１において、
上記蒸発器（34,37）の出口における冷媒の過熱度を調節するための過熱度調節手段（12,14,36）を備え、
上記制御手段（50）は、上記油戻し制御において、上記蒸発器（34,37）の出口における冷媒の過熱度が該蒸発器（34,37）の出口における冷媒の温度が上記上限対応温度になるように定められる該過熱度の目標値になるように上記過熱度調節手段（12,14,36）を制御することを特徴とする冷凍装置。
【請求項３】
請求項２において、
上記蒸発器（34,37）の冷媒流量を調節するための蒸発側膨張弁（36）が、上記過熱度調節手段（12,14,36）を構成しており、
上記制御手段（50）は、上記油戻し制御において上記蒸発側膨張弁（36）の開度を制御することを特徴とする冷凍装置。
【請求項４】
請求項２又は３において、
上記蒸発器（34,37）に空気を送るための蒸発側ファン（12,14）が、上記過熱度調節手段（12,14,36）を構成しており、
上記制御手段（50）は、上記油戻し制御において上記蒸発側ファン（12,14）の送風量を制御することを特徴とする冷凍装置。
【請求項５】
請求項２乃至４の何れか１つにおいて、
上記冷媒回路（20）では、冷媒として二酸化炭素が用いられ、冷凍機油としてポリアルキレングリコールが用いられる一方、
上記過熱度の目標値は、３℃以上５℃以下の範囲の値であることを特徴とする冷凍装置。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れか１つにおいて、
対象空間を温度調節するための通常運転と、上記蒸発器（34,37）から圧縮機（30）に至るまでの間に溜まる冷凍機油を強制的に上記圧縮機（30）へ戻すための油戻し運転とが選択的に実行可能になっており、
上記制御手段（50）は、上記油戻し運転において上記油戻し制御を行うことを特徴とする冷凍装置。
【請求項７】
請求項６において、
上記制御手段（50）は、上記油戻し運転において、上記油戻し制御を行うと共に上記圧縮機（30）の運転容量を該油戻し運転の開始直前よりも増加させることを特徴とする冷凍装置。
【請求項８】
請求項２乃至４の何れか１つにおいて、
上記蒸発器（34,37）の出口における冷媒の圧力を検出するための蒸発側圧力検出手段（52）を備え、
上記制御手段（50）は、対象空間を温度調節するための通常運転において上記油戻し制御を行い、該通常運転中の油戻し制御では上記蒸発側圧力検出手段（52）の検出圧力を用いて上記過熱度の目標値を設定することを特徴とする冷凍装置。
【請求項９】
圧縮機（30）によって圧縮された冷媒を放熱器（34,37）で放熱させて蒸発器（34,37）で蒸発させる冷凍サイクルを行う冷媒回路（20）を備え、上記圧縮機（30）における潤滑に弱相溶性の冷凍機油を用いる冷凍装置（10）において、上記蒸発器（34,37）から圧縮機（30）に至るまでの間に溜まる冷凍機油を冷媒と共に該圧縮機（30）へ戻すための冷凍装置の油戻し方法であって、
上記蒸発器（34,37）の出口における冷媒の温度が該蒸発器（34,37）の出口での冷媒の圧力において冷凍機油に溶ける冷媒の量が上限値に達するときの温度に対応する上限対応温度になるように冷凍サイクルの運転状態を制御する油戻し行程を備えていることを特徴とする冷凍装置の油戻し方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸発器から圧縮機に至るまでの間に溜まる冷凍機油を圧縮機に戻すための制御を行う冷凍装置、及び冷凍装置における油戻し方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、冷凍機油を用いて圧縮機の潤滑を行う冷凍装置が知られている。この種の冷凍装置では、圧縮機から冷媒と共に吐出される冷凍機油が、液冷媒に溶け込んで冷媒回路を流通し蒸発器に流れ込む。蒸発器では、液冷媒が蒸発するが冷凍機油は蒸発しないので、冷凍機油は冷媒から分離される。そして、冷媒から分離された冷凍機油が、蒸発器や蒸発器と圧縮機との間に溜まってゆく。
【０００３】
この種の冷凍装置では、蒸発器から圧縮機に至るまでの間に溜まる冷凍機油の量が多くなると、圧縮機内の冷凍機油が減少して潤滑不良が生じるおそれがある。そこで、従来より、蒸発器から圧縮機に至るまでの間に溜まる冷凍機油を圧縮機に戻すための制御を行う冷凍装置が知られている。この種の冷凍装置が特許文献１に開示されている。
【０００４】
具体的に、特許文献１の冷凍装置は、圧縮機内の油量を検知して返油運転（油戻し運転）を行うように構成されている。この冷凍装置は、通常運転の際には蒸発器出口の冷媒過熱度が例えば１０℃になるように制御される一方で、返油運転の際には蒸発器出口の冷媒過熱度が０℃になるように制御される。この返油運転では、冷媒の過熱度が低下することによって液冷媒の量が増加するので、冷凍機油に溶解する液冷媒の量が多くなって冷凍機油の動粘度が低下する。そして、動粘度が低下した冷凍機油が、冷媒によって押し流されて圧縮機（30）に戻ってゆく。
【特許文献１】特開２００２−２５７４２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、従来の冷凍装置の油戻し運転は、液冷媒が溶け込みやすい性質の相溶性の冷凍機油を用いる冷凍装置では効率的に冷凍機油を圧縮機へ戻すことができるが、液冷媒が溶け込みにくい性質の弱相溶性の冷凍機油を用いる冷凍装置では効率的に冷凍機油を圧縮機に戻すことができない。
【０００６】
具体的に、弱相溶性の冷凍機油は、相溶性の冷凍機油と違って、単位量当たりの冷凍機油に溶解する液冷媒の量に上限がある。このため、蒸発器の出口における冷媒の過熱度（温度）が低下して液冷媒の量が多くなるに従って、冷凍機油に溶け込む液冷媒の量が増加して冷凍機油の動粘度が低下してゆくが、冷凍機油に溶ける液冷媒の量が上限値に達すると、冷媒の過熱度をさらに低下させても冷凍機油の動粘度が低下しなくなる。その一方で、冷媒の過熱度を低下してゆくと、ガス冷媒の量が減少してガス冷媒の流速が小さくなるので、冷凍機油に作用するせん断力が小さくなってゆく。
【０００７】
従って、冷凍機油の動粘度を低下させることだけを考慮して冷媒の過熱度（温度）を調節する従来の油戻し方法では、蒸発器の出口における冷媒の過熱度（温度）が冷凍機油の動粘度が低下しなくなる冷媒の過熱度の値よりも小さな値に調節されてしまうおそれがある。このような場合は、冷媒の過熱度が低下することによってガス冷媒の流速が低下しているので、冷凍機油に作用するせん断力が小さくなって冷凍機油が戻りにくい状態になる。
【０００８】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、圧縮機における潤滑に弱相溶性の冷凍機油を用いる冷凍装置において、蒸発器から圧縮機に至るまでの間に溜まる冷凍機油を効率的に圧縮機に戻すことができるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の発明は、圧縮機（30）によって圧縮された冷媒を放熱器（34,37）で放熱させて蒸発器（34,37）で蒸発させる冷凍サイクルを行う冷媒回路（20）を備え、上記圧縮機（30）における潤滑に弱相溶性の冷凍機油を用いる冷凍装置（10）を対象とする。そして、この冷凍装置（10）は、上記蒸発器（34,37）から圧縮機（30）に至るまでの間に溜まる冷凍機油を冷媒と共に該圧縮機（30）へ戻すために、上記蒸発器（34,37）の出口における冷媒の温度が該蒸発器（34,37）の出口での冷媒の圧力において冷凍機油に溶ける冷媒の量が上限値に達するときの温度に対応する上限対応温度になるように冷凍サイクルの運転状態を制御する油戻し制御を行う制御手段（50）を備えている。
【００１０】
第１の発明では、蒸発器（34,37）から圧縮機（30）に至るまでの間に溜まる冷凍機油を冷媒と共に圧縮機（30）へ戻すための油戻し制御が行われる。油戻し制御では、蒸発器（34,37）の出口における冷媒の温度が上限対応温度になるように、冷凍サイクルの運転状態が制御される。上限対応温度は、蒸発器（34,37）の出口での冷媒の圧力において冷凍機油に溶ける冷媒の量が上限値に達するときの温度、つまり冷媒の温度をさらに低下させても冷凍機油の動粘度が低下しなくなる温度に対応している。すなわち、この第１の発明の油戻し制御では、蒸発器（34,37）の出口における冷媒の温度が、蒸発器（34,37）の出口での冷媒の圧力において冷媒の温度をさらに低下させても冷凍機油の動粘度が低下しなくなる温度に対応する上限対応温度になるように、冷凍サイクルの運転状態が制御される。
【００１１】
第２の発明は、上記第１の発明において、上記蒸発器（34,37）の出口における冷媒の過熱度を調節するための過熱度調節手段（12,14,36）を備え、上記制御手段（50）は、上記油戻し制御において、上記蒸発器（34,37）の出口における冷媒の過熱度が該蒸発器（34,37）の出口における冷媒の温度が上記上限対応温度になるように定められる該過熱度の目標値になるように上記過熱度調節手段（12,14,36）を制御する。
【００１２】
第２の発明では、蒸発器（34,37）の出口における冷媒の過熱度の目標値が、蒸発器（34,37）の出口における冷媒の温度が上記上限対応温度になるような値に定められている。制御手段（50）が蒸発器（34,37）の出口における冷媒の過熱度をこの目標値になるように過熱度調節手段（12,14,36）を制御すると、蒸発器（34,37）の出口における冷媒の温度が上記上限対応温度に調節される。
【００１３】
第３の発明は、上記第２の発明において、上記蒸発器（34,37）の冷媒流量を調節するための蒸発側膨張弁（36）が、上記過熱度調節手段（12,14,36）を構成しており、上記制御手段（50）は、上記油戻し制御において上記蒸発側膨張弁（36）の開度を制御する。
【００１４】
第３の発明では、制御手段（50）が、過熱度調節手段（12,14,36）としての蒸発側膨張弁（36）の開度を調節する。蒸発側膨張弁（36）の開度は、蒸発器（34,37）の出口における冷媒の過熱度が上記過熱度の目標値になるように調節される。
【００１５】
第４の発明は、上記第２又は第３の発明において、上記蒸発器（34,37）に空気を送るための蒸発側ファン（12,14）が、上記過熱度調節手段（12,14,36）を構成しており、上記制御手段（50）は、上記油戻し制御において上記蒸発側ファン（12,14）の送風量を制御する。
【００１６】
第４の発明では、制御手段（50）が、過熱度調節手段（12,14,36）としての蒸発側ファン（12,14）の送風量を調節する。蒸発側ファン（12,14）の送風量は、蒸発器（34,37）の出口における冷媒の過熱度が上記過熱度の目標値になるように調節される。
【００１７】
第５の発明は、上記第２乃至第４の何れか１つの発明において、上記冷媒回路（20）では、冷媒として二酸化炭素が用いられ、冷凍機油としてポリアルキレングリコールが用いられる一方、上記過熱度の目標値は、３℃以上５℃以下の範囲の値である。
【００１８】
第５の発明では、冷媒として二酸化炭素が用いられ、圧縮機（30）における潤滑に冷凍機油としてポリアルキレングリコール（ＰＡＧ）が用いられている。ポリアルキレングリコールは、二酸化炭素に対して相溶性が低い冷凍機油である。ここで、ポリアルキレングリコールに溶ける二酸化炭素冷媒の量が上限値に達するのは、圧力が１ＭＰａの下では、図２に示すように、冷媒の温度が概ね−３７℃の時である。この状態では、冷媒の過熱度が５℃になる。また、圧力が７ＭＰａの下では、冷媒の温度が概ね３０℃の時である。この状態では、冷媒の過熱度が３℃になる。この第５の発明では、冷媒として二酸化炭素を用いる場合の蒸発器（34,37）の出口での冷媒の圧力が、１ＭＰａから７ＭＰａの範囲になることを想定して、冷凍機油の動粘度が低下しなくなる冷媒の過熱度の値に対応する目標値を３℃以上５℃以下の範囲の値にしている。
【００１９】
第６の発明は、上記第１乃至第５の何れか１つの発明において、対象空間を温度調節するための通常運転と、上記蒸発器（34,37）から圧縮機（30）に至るまでの間に溜まる冷凍機油を強制的に上記圧縮機（30）へ戻すための油戻し運転とが選択的に実行可能になっており、上記制御手段（50）は、上記油戻し運転において上記油戻し制御を行う。
【００２０】
第６の発明では、冷凍装置が通常運転と油戻し運転とを選択的に実行可能に構成されている。そして、油戻し運転で油戻し制御が行われる。油戻し運転では、蒸発器（34,37）の出口における冷媒の温度が蒸発器（34,37）の出口での冷媒の圧力において冷凍機油の動粘度が低下しなくなる温度に対応する上限対応温度になるように、冷凍サイクルの運転状態が制御される。
【００２１】
第７の発明は、上記第６の発明において、上記制御手段（50）が、上記油戻し運転において、上記油戻し制御を行うと共に上記圧縮機（30）の運転容量を該油戻し運転の開始直前よりも増加させる。
【００２２】
第７の発明では、油戻し運転において、油戻し制御が行われる共に、圧縮機（30）の運転容量が油戻し運転の開始直前よりも増加される。このため、油戻し運転の開始直前に比べて、冷媒回路（20）を流通する冷媒の量が増加して冷媒の流速が早くなるので、蒸発器（34,37）から圧縮機（30）に至るまでの間に溜まる冷凍機油に作用するせん断力が大きくなる。
【００２３】
第８の発明は、上記第２乃至第４の何れか１つの発明において、上記蒸発器（34,37）の出口における冷媒の圧力を検出するための蒸発側圧力検出手段（52）を備え、上記制御手段（50）は、対象空間を温度調節するための通常運転において上記油戻し制御を行い、該通常運転中の油戻し制御では上記蒸発側圧力検出手段（52）の検出圧力を用いて上記目標値を設定する。
【００２４】
第８の発明では、対象空間を温度調節するための通常運転において油戻し制御が行われる。この通常運転中の油戻し制御では、蒸発器（34,37）の出口における冷媒の温度が上記上限対応温度になるように定められる過熱度の目標値が、通常運転中に蒸発側圧力検出手段（52）によって検出される蒸発器（34,37）の出口における冷媒の圧力に応じて設定される。
【００２５】
第９の発明は、圧縮機（30）によって圧縮された冷媒を放熱器（34,37）で放熱させて蒸発器（34,37）で蒸発させる冷凍サイクルを行う冷媒回路（20）を備え、上記圧縮機（30）における潤滑に弱相溶性の冷凍機油を用いる冷凍装置（10）において、上記蒸発器（34,37）から圧縮機（30）に至るまでの間に溜まる冷凍機油を冷媒と共に該圧縮機（30）へ戻すための冷凍装置の油戻し方法を対象とする。そして、この油戻し方法は、上記蒸発器（34,37）の出口における冷媒の温度が該蒸発器（34,37）の出口での冷媒の圧力において冷凍機油に溶ける冷媒の量が上限値に達するときの温度に対応する上限対応温度になるように冷凍サイクルの運転状態を制御する油戻し行程を備えている。
【００２６】
第９の発明では、油戻し行程において、蒸発器（34,37）の出口における冷媒の状態が目標状態になるように冷凍サイクルの運転状態が制御される。上限対応温度は、蒸発器（34,37）の出口での冷媒の圧力において冷凍機油に溶ける冷媒の量が上限値に達するときの温度、つまり冷媒の温度をさらに低下させても冷凍機油の動粘度が低下しなくなる温度に対応している。すなわち、この第９の発明の油戻し方法では、蒸発器（34,37）の出口における冷媒の温度が、蒸発器（34,37）の出口での冷媒の圧力において冷媒の温度をさらに低下させても冷凍機油の動粘度が低下しなくなる温度に対応する上限対応温度になるように、冷凍サイクルの運転状態が制御される。
【発明の効果】
【００２７】
本発明では、油戻し制御又は油戻し行程において、蒸発器（34,37）の出口における冷媒の温度が蒸発器（34,37）の出口での冷媒の圧力において冷凍機油の動粘度が低下しなくなる温度に対応する上限対応温度になるように、冷凍サイクルの運転状態が制御される。このため、従来の冷凍装置のように、蒸発器（34,37）の出口における冷媒の温度が冷凍機油の動粘度が低下しなくなる冷媒の温度の値よりも小さな値に調節されるおそれがなく、ガス冷媒の流速の低下により冷凍機油が圧縮機（30）に戻りにくい状態に陥ることがない。そして、油戻し制御又は油戻し行程において、冷凍機油の動粘度が最も小さくなる状態、又はこの状態に近い状態において、ガス冷媒の流速がある程度大きくなる。従って、動粘度が低下した状態の冷凍機油に十分なせん断力が作用するので、蒸発器（34,37）から圧縮機（30）に至るまでの間に溜まる冷凍機油を効率的に圧縮機（30）へ戻すことができる。
【００２８】
また、上記第５の発明では、冷媒として二酸化炭素を用いる場合の蒸発器（34,37）の出口での冷媒の圧力が、１ＭＰａから７ＭＰａの範囲になることを想定して、冷凍機油の動粘度が低下しなくなる冷媒の過熱度の値に対応する目標値を３℃以上５℃以下の範囲の値にしている。ここで、冷媒と冷凍機油をこの第５の発明の組合せにする場合には、蒸発器（34,37）の出口における冷媒の過熱度を０℃に調節する従来の油戻し運転では、蒸発器（34,37）の出口における冷媒の過熱度が、冷凍機油の動粘度が低下しなくなる冷媒の過熱度の値よりも小さな値になる。そして、蒸発器（34,37）の出口における冷媒の過熱度が冷凍機油の動粘度が低下しなくなる冷媒の過熱度の値になる状態に比べて、蒸発器（34,37）の出口におけるガス冷媒の流速が小さくなる。従って、従来の油戻し運転では、蒸発器（34,37）から圧縮機（30）に至るまでの間に溜まる冷凍機油を効率的に圧縮機（30）へ戻すことができない。これに対して、第５の発明では、冷凍機油の動粘度は従来の場合と同程度であるが、蒸発器（34,37）の出口における冷媒の過熱度が従来よりも大きい値に調節される分、蒸発器（34,37）の出口におけるガス冷媒の流速が大きくなる。従って、従来の油戻し運転の場合に比べて、より多くの冷凍機油を圧縮機（30）へ戻すことが可能になる。
【００２９】
また、上記第７の発明では、油戻し運転において圧縮機（30）の運転容量を油戻し運転の開始直前よりも増加させることで、蒸発器（34,37）から圧縮機（30）に至るまでの間に溜まる冷凍機油に作用するせん断力が大きくなるようにしている。従って、蒸発器（34,37）から圧縮機（30）に至るまでの間に溜まる冷凍機油がさらに圧縮機（30）に戻りやすくなるので、より多くの冷凍機油を圧縮機（30）に戻すことができる。
【００３０】
また、上記第８の発明では、通常運転中の蒸発器（34,37）の出口における冷媒の圧力に応じて、該蒸発器（34,37）の出口における冷媒の過熱度の目標値が設定される。ここで、冷凍機油に溶解する液冷媒の量の上限値は、冷媒の温度と圧力に応じて変化する。従って、通常運転中の蒸発器（34,37）の出口における冷媒の圧力の変化によって、上記上限値は変化する。この第８の発明では、上記過熱度の目標値が、通常運転中の蒸発器（34,37）の出口における冷媒の圧力を反映して設定されるので、その時の蒸発器（34,37）の出口における冷媒の圧力における上限値に対応した値になる。従って、通常運転中に亘って、蒸発器（34,37）の出口における冷媒の温度を冷凍機油の動粘度が低下しなくなる温度、又はその温度に近い温度に調節することができるので、蒸発器（34,37）から圧縮機（30）に至るまでの間に溜まる冷凍機油をさらに効率的に圧縮機（30）へ戻すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
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。
【００３２】
本実施形態は、本発明に係る冷凍装置（10）によって構成された空調機（10）である。本実施形態の空調機（10）は、図１に示すように、室外ユニット（11）と室内ユニット（13）とを備えている。なお、室内ユニット（13）は複数台であってもよい。
【００３３】
この空調機（10）は、冷媒が充填された冷媒回路（20）を備えている。冷媒には二酸化炭素冷媒が用いられている。冷媒回路（20）は、室外ユニット（11）に収容される室外回路（21）と、室内ユニット（13）に収容される室内回路（22）とを備えている。室外回路（21）と室内回路（22）とは、液側連絡配管（23）及びガス側連絡配管（24）によって接続されている。
【００３４】
《室外回路の構成》
室外回路（21）には、圧縮機（30）、四路切換弁（33）、熱源側熱交換器である室外熱交換器（34）、及び膨張弁（36）が設けられている。室外回路（21）の一端には、液側連絡配管（23）が接続される液側閉鎖弁（25）が設けられている。室外回路（21）の他端には、ガス側連絡配管（24）が接続されるガス側閉鎖弁（26）が設けられている。
【００３５】
圧縮機（30）は、容量可変の高圧ドーム型の圧縮機として構成されている。圧縮機（30）は、インバータの出力周波数を変化させて電動機の回転速度を変更することによって運転容量を複数段階に変更することができる。圧縮機（30）のケーシング内の底部には、摺動部の潤滑に用いる冷凍機油が溜まっている。冷凍機油には、ポリアルキレングリコールが用いられている。ポリアルキレングリコールは、二酸化炭素冷媒が溶けにくい性質の弱相溶性の冷凍機油である。
【００３６】
圧縮機（30）の吐出側は、吐出管（42）を介して四路切換弁（33）の第１ポート（P1）に接続されている。圧縮機（30）の吸入側は、吸入管（41）を介して四路切換弁（33）の第３ポート（P3）に接続されている。
【００３７】
室外熱交換器（34）は、クロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器として構成されている。この室外熱交換器（34）の近傍には、室外ファン（12）が設けられている。この室外熱交換器（34）では、室外ファン（12）によって送られる室外空気と流通する冷媒との間で熱交換が行われる。室外熱交換器（34）の一端は、四路切換弁（33）の第４ポート（P4）に接続されている。室外熱交換器（34）の他端は、液配管（43）を介して液側閉鎖弁（25）に接続されている。液配管（43）には、電子膨張弁で構成された開度可変の膨張弁（36）が設けられている。また、四路切換弁（33）の第２ポート（P2）はガス側閉鎖弁（26）に接続されている。
【００３８】
四路切換弁（33）は、第１ポート（P1）と第２ポート（P2）が互いに連通して第３ポート（P3）と第４ポート（P4）が互いに連通する第１状態（図１に実線で示す状態）と、第１ポート（P1）と第４ポート（P4）が互いに連通して第２ポート（P2）と第３ポート（P3）が互いに連通する第２状態（図１に破線で示す状態）とが切り換え可能となっている。
【００３９】
室外回路（21）には、圧縮機（30）の一端側と他端側に温度センサ（45）及び圧力センサ（46）が１組ずつ設けられている。具体的に、吸入管（41）には、一対の吸入温度センサ（45a）及び吸入圧力センサ（46a）が設けられている。吐出管（42）には、一対の吐出温度センサ（45b）及び吐出圧力センサ（46b）が設けられている。また、室外熱交換器（34）の液側には室外液温度センサ（45e）が設けられ、室外熱交換器（34）のガス側には室外ガス温度センサ（45f）が設けられている。また、室外ファン（12）の近傍には、外気温度センサ（18）が設けられている。
【００４０】
《室内回路の構成》
室内回路（22）には、利用側熱交換器である室内熱交換器（37）が設けられている。室内熱交換器（37）は、クロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器として構成されている。この室内熱交換器（37）の近傍には、室内ファン（14）が設けられている。この室内熱交換器（37）では、室内ファン（14）によって送られる室内空気と流通する冷媒との間で熱交換が行われる。
【００４１】
室内回路（22）には、室内熱交換器（37）の一端側と他端側に温度センサ（45）がそれぞれ設けられている。具体的に、室内回路（22）の液側端と室内熱交換器（37）との間には、室内液温度センサ（45c）が設けられている。室内熱交換器（37）と室内回路（22）のガス側端との間には、室内ガス温度センサ（45d）が設けられている。また、室内ファン（14）の近傍には、室内温度センサ（19）が設けられている。
【００４２】
《制御部》
この冷凍装置（10）は、通常運転と油戻し運転とを選択的に実行可能になっている。通常運転は、対象空間である室内空間の温度調節を行うための運転である。通常運転としては、暖房運転と冷房運転とが実行可能になっている。油戻し運転は、通常運転時に蒸発器となる熱交換器（34,37）から圧縮機（30）に至るまでの間に溜まる冷凍機油を強制的に圧縮機（30）へ戻すための運転である。
【００４３】
この冷凍装置（10）には、通常運転及び油戻し運転を制御するための制御部（50）が設けられている。制御部（50）は、制御手段を構成しており、運転容量制御部（47）と膨張弁制御部（48）と油戻し制御部（51）とを備えている。
【００４４】
運転容量制御部（47）は、圧縮機（30）の運転容量を制御するように構成されている。具体的に、運転容量制御部（47）には、暖房運転中における圧縮機（30）の吐出冷媒の圧力の目標値である高圧目標値の初期値と、冷房運転中における圧縮機（30）の吸入冷媒の圧力の目標値である低圧目標値の初期値とが設定されている。運転容量制御部（47）は、暖房運転中には吐出圧力センサ（46b）の検出値が高圧目標値となるように、冷房運転中には吸入圧力センサ（46a）の検出値が低圧目標値となるように圧縮機（30）の運転容量を制御する。
【００４５】
膨張弁制御部（48）は、過熱度調節手段を構成する膨張弁（36）の開度を制御するように構成されている。具体的に、膨張弁制御部（48）には、暖房運転中の目標過熱度の初期値（例えば１０℃）と、冷房運転中の目標過熱度の初期値（例えば１０℃）とがそれぞれ設定されている。膨張弁制御部（48）は、暖房運転中には室外熱交換器（34）から流出した冷媒の過熱度が目標過熱度になるように、冷房運転中には室内熱交換器（37）から流出した冷媒の過熱度が目標過熱度になるように、膨張弁（36）の開度を調節する。
【００４６】
なお、膨張弁制御部（48）は、冷房運転時には、室内液温度センサ（45c）の検出値と室内ガス温度センサ（45d）の検出値との差の絶対値を、室内熱交換器（37）から流出した冷媒の過熱度として検出する。暖房運転時には、室外液温度センサ（45e）の検出値と室外ガス温度センサ（45f）の検出値との差の絶対値を、室外熱交換器（37）から流出した冷媒の過熱度として検出する。
【００４７】
冷房運転では、膨張弁制御部（48）は、この差の絶対値が目標過熱度よりも大きい場合には膨張弁（36）の開度を拡大し、この差の絶対値が目標過熱度よりも小さい場合には膨張弁（36）の開度を縮小する。一方、暖房運転では、膨張弁制御部（48）は、この差の絶対値が目標過熱度よりも大きい場合には膨張弁（36）の開度を拡大し、この差の絶対値が目標過熱度よりも小さい場合には膨張弁（36）の開度を縮小する。
【００４８】
また、膨張弁制御部（48）には、油戻し運転中の蒸発器となる熱交換器（34,37）の出口における冷媒の過熱度の目標値として油戻し用目標値（４℃）が設定されている。膨張弁制御部（48）は、油戻し運転中は、蒸発器となる熱交換器（34,37）の出口における冷媒の過熱度が油戻し用目標値になるように膨張弁（36）の開度を調節する。なお、暖房運転中に油戻し運転に移行する場合には室外熱交換器（34）がそのまま蒸発器となり、冷房運転中に油戻し運転に移行する場合には室内熱交換器（37）がそのまま蒸発器となる。
【００４９】
ここで、油戻し用目標値（４℃）は、蒸発器（34,37）の出口における冷媒の過熱度がこの油戻し用目標値に調節されると、蒸発器（34,37）の出口における冷媒の温度が蒸発器（34,37）の出口での冷媒の圧力において冷凍機油に溶ける冷媒の量が上限値に達するときの温度に対応する上限対応温度になるように定められている。
【００５０】
具体的に、冷媒に二酸化炭素を用いる冷凍装置では、冷凍サイクルの低圧圧力、つまり蒸発器（34,37）の出口での冷媒の圧力が１ＭＰａから７ＭＰａの範囲になる。そして、圧力が例えば１ＭＰａの下では、図２に示すように、冷媒の温度が概ね−３７℃の時に、ポリアルキレングリコールに溶ける二酸化炭素冷媒の量が上限値に達する。上限値に達する時の二酸化炭素冷媒の濃度は６０％になる。この状態における冷媒の過熱度は５℃になる。従って、冷媒の過熱度が４℃になるのは、冷媒の温度が概ね−３８℃になる時である。つまり、蒸発器（34,37）の出口での冷媒の圧力が１ＭＰａになる状態で、蒸発器（34,37）の出口における冷媒の過熱度が４℃に調節されると、冷媒の温度が概ね−３８℃になる。圧力が１ＭＰａでは、この−３８℃が、冷凍機油に溶ける冷媒の量が上限値に達するときの温度（−３７℃）に対応する上限対応温度になる。
【００５１】
また、圧力が例えば７ＭＰａの下では、冷媒の温度が概ね３０℃の時に、ポリアルキレングリコールに溶ける二酸化炭素冷媒の量が上限値に達する。この状態における冷媒の過熱度は３℃になる。冷媒の過熱度が４℃になるのは、冷媒の温度が概ね３１℃になる時である。つまり、蒸発器（34,37）の出口での冷媒の圧力が７ＭＰａになる状態で、蒸発器（34,37）の出口における冷媒の過熱度が４℃に調節されると、冷媒の温度が概ね３１℃になる。圧力が７ＭＰａでは、この３１℃が、冷凍機油に溶ける冷媒の量が上限値に達するときの温度（３０℃）に対応する上限対応温度になる。
【００５２】
なお、蒸発器（34,37）の出口での冷媒の圧力が１ＭＰａから７ＭＰａの範囲において１ＭＰａ、７ＭＰａ以外の値になる場合も、同様に、蒸発器（34,37）の出口での冷媒の圧力における、図２における二酸化炭素冷媒の濃度６０％のライン上の点から、冷凍機油に溶ける冷媒の量が上限値に達するときの温度が定まる。そして、蒸発器（34,37）の出口における冷媒の過熱度が４℃になる温度が、その温度に対応する上限対応温度として定まる。
【００５３】
油戻し制御部（51）は、蒸発器（34,37）から圧縮機（30）に至るまでの間に溜まる冷凍機油を冷媒と共に該圧縮機（30）へ戻すための油戻し制御を実行可能に構成されている。この実施形態の油戻し制御部（51）は、油戻し運転において油戻し制御を行う。
【００５４】
具体的に、油戻し制御部（51）は、例えば前回の油戻し運転からの運転積算時間が所定の時間に達すると油戻し運転の実行を判断するように構成されている。そして、油戻し制御部（51）は、油戻し運転の実行を判断すると油戻し制御として、膨張弁制御部（48）に目標過熱度を油戻し用目標値に変更するように指令を出すように構成されている。
【００５５】
また、油戻し制御部（51）は、油戻し運転において、油戻し制御と共に、圧縮機（30）の運転容量が油戻し運転の直前よりも増大するように、運転容量制御部（47）に低圧目標値又は高圧目標値を変更するように指令を出すように構成されている。油戻し制御部（51）は、冷房運転中に油戻し運転に移行する場合には、低圧目標値を初期値よりも小さな値に変更するように運転容量制御部（47）に指令を出す。暖房運転中に油戻し運転に移行する場合には、高圧目標値を初期値よりも大きな値に変更するように運転容量制御部（47）に指令を出す。
【００５６】
−空調機の動作−
本実施形態の空調機（10）の運転動作について説明する。この空調機（10）では、四路切換弁（33）によって冷房運転と暖房運転とが切り換えが行われる。
【００５７】
<暖房運転>
暖房運転では、四路切換弁（33）が第１状態に設定される。そして、この状態で圧縮機（30）を運転すると、冷媒回路（20）では室外熱交換器（34）が蒸発器となって室内熱交換器（37）が放熱器となる蒸気圧縮冷凍サイクルが行われる。
【００５８】
具体的に、圧縮機（30）から吐出された二酸化炭素の臨界圧力よりも高圧の冷媒は、室内熱交換器（37）で室内空気と熱交換する。この熱交換では、冷媒が室内空気に放熱して冷却される。室内熱交換器（37）で冷却された冷媒は、膨張弁（36）を通過する際に減圧され、その後に室外熱交換器（34）で室外空気と熱交換して蒸発する。室外熱交換器（34）で蒸発した冷媒は、圧縮機（30）へ吸入されて圧縮される。
【００５９】
<冷房運転>
冷房運転では、四路切換弁（33）が第２状態に設定される。そして、この状態で圧縮機（30）を運転すると、冷媒回路（20）では室外熱交換器（34）が放熱器となって室内熱交換器（37）が蒸発器（34,37）となる蒸気圧縮冷凍サイクルが行われる。
【００６０】
具体的に、圧縮機（30）から吐出された二酸化炭素の臨界圧力よりも高圧の冷媒は、室外熱交換器（34）で室外空気と熱交換する。この熱交換では、冷媒が室外空気に放熱して冷却される。室外熱交換器（34）で冷却された冷媒は、膨張弁（36）を通過する際に減圧され、その後に室内熱交換器（37）で室内空気と熱交換して蒸発する。室内熱交換器（37）で蒸発した冷媒は、圧縮機（30）へ吸入されて圧縮される。
【００６１】
−制御部の動作−
制御部（50）の動作のうち油戻し運転中の動作について説明する。なお、以下では冷房運転中に油戻し運転に移行した場合の油戻し運転について説明する。
【００６２】
油戻し制御部（51）が例えば前回の油戻し運転からの運転積算時間が所定の時間に達して油戻し運転の実行を判断すると、容量増大行程が行われる。容量増大行程では、油戻し制御部（51）が、運転容量制御部（47）に低圧目標値を低下させるように指令を出す。運転容量制御部（47）は、油戻し制御部（51）から指令を受けると、低圧目標値を初期値よりも小さな値に変更する。低圧目標値が変更されると、圧縮機（30）の運転容量が増加される。
【００６３】
また、油戻し運転では、容量増大行程と同時に、油戻し行程が行われる。油戻し行程では、油戻し制御部（51）が、膨張弁制御部（48）に目標過熱度を油戻し用目標値（４℃）に変更するように指令を出す。膨張弁制御部（48）は、油戻し制御部（51）から指令を受けると、目標過熱度を油戻し用目標値（４℃）に変更する。目標過熱度が油戻し用目標値に変更されると、室内熱交換器（37）の出口における冷媒の過熱度が油戻し用目標値になるように膨張弁（36）の開度が調節される。室内熱交換器（37）の出口における冷媒の過熱度が油戻し用目標値に調節されると、室内熱交換器（37）の出口における冷媒の温度が上記上限対応温度になる。
【００６４】
この上限対応温度は、冷凍機油に溶ける冷媒の量が上限値に達するときの温度、つまり冷媒の温度をさらに低下させても冷凍機油の動粘度が低下しなくなる温度に対応する温度である。このため、油戻し運転では、室内熱交換器（37）の出口における冷媒の温度が、冷凍機油の動粘度が最小値に達する温度又はその温度に近い温度になる。
【００６５】
なお、油戻し運転は、所定の時間に亘って行われる。油戻し運転が終了すると、制御部（50）は冷房運転を再開させる。
【００６６】
−実施形態の効果−
本実施形態では、油戻し運転において、蒸発器（34,37）の出口における冷媒の温度が蒸発器（34,37）の出口での冷媒の圧力において冷凍機油の動粘度が低下しなくなる温度に対応する上限対応温度になるように、蒸発器（34,37）の出口における冷媒の過熱度が調節される。このため、従来の冷凍装置のように、蒸発器（34,37）の出口における冷媒の過熱度が冷凍機油の動粘度が低下しなくなる冷媒の過熱度の値よりも小さな値に調節されるおそれがなく、ガス冷媒の流速の低下により冷凍機油が圧縮機（30）に戻りにくい状態に陥ることがない。そして、油戻し運転において、冷凍機油の動粘度が最も小さくなる状態、又はこの状態に近い状態において、ガス冷媒の流速がある程度大きくなる。従って、動粘度が低下した状態の冷凍機油に十分なせん断力が作用するので、蒸発器（34,37）から圧縮機（30）に至るまでの間に溜まる冷凍機油を効率的に圧縮機（30）へ戻すことができる。
【００６７】
また、本実施形態では、冷媒として二酸化炭素を用いる場合の蒸発器（34,37）の出口での冷媒の圧力が、１ＭＰａから７ＭＰａの範囲になることを想定して、冷凍機油の動粘度が低下しなくなる冷媒の過熱度の値に対応する目標値を３℃以上５℃以下の範囲の値にしている。ここで、冷媒と冷凍機油を本実施形態の組合せにする場合には、蒸発器（34,37）の出口における冷媒の過熱度を０℃に調節する従来の油戻し運転では、蒸発器（34,37）の出口における冷媒の過熱度が、冷凍機油の動粘度が低下しなくなる冷媒の過熱度の値よりも小さな値になる。そして、蒸発器（34,37）の出口における冷媒の過熱度が冷凍機油の動粘度が低下しなくなる冷媒の過熱度の値になる状態に比べて、蒸発器（34,37）の出口におけるガス冷媒の流速が小さくなる。従って、従来の油戻し運転では、蒸発器（34,37）から圧縮機（30）に至るまでの間に溜まる冷凍機油を効率的に圧縮機（30）へ戻すことができない。これに対して、本実施形態では、冷凍機油の動粘度は従来の場合と同程度であるが、蒸発器（34,37）の出口における冷媒の過熱度が従来よりも大きい値に調節される分、蒸発器（34,37）の出口におけるガス冷媒の流速が大きくなる。従って、従来の油戻し運転の場合に比べて、より多くの冷凍機油を圧縮機（30）へ戻すことが可能になる。
【００６８】
また、本実施形態では、油戻し運転において圧縮機（30）の運転容量を油戻し運転の開始直前よりも増加させることで、蒸発器（34,37）から圧縮機（30）に至るまでの間に溜まる冷凍機油に作用するせん断力が大きくなるようにしている。従って、蒸発器（34,37）から圧縮機（30）に至るまでの間に溜まる冷凍機油がさらに圧縮機（30）に戻りやすくなるので、より多くの冷凍機油を圧縮機（30）に戻すことができる。
【００６９】
−実施形態の変形例−
実施形態の変形例について説明する。この変形例では、油戻し制御部（51）が、通常運転において油戻し制御を行うようの構成されている。
【００７０】
具体的に、制御部（50）には、図３に示すように、蒸発側圧力検出手段である蒸発側圧力検出部（52）が設けられている。蒸発側圧力検出部（52）は、通常運転中に蒸発器となる熱交換器（34,37）の出口における冷媒の圧力を検出するように構成されている。蒸発側圧力検出部（52）は、吸入圧力センサ（46a）の計測値と同じ値を蒸発器（34,37）の出口における冷媒の圧力として検出する。
【００７１】
油戻し制御部（51）は、通常運転中に蒸発側圧力検出部（52）の検出圧力を用いて油戻し用設定値を変更するように構成されている。油戻し制御部（51）は、例えば所定の時間間隔で蒸発側圧力検出部（52）から検出圧力の情報を受け取る。そして、油戻し制御部（51）は、蒸発側圧力検出部（52）から検出圧力の情報を受け取ると、その検出圧力において冷凍機油に溶ける冷媒の量が上限値に達するときの冷媒の過熱度の値を、油戻し用設定値に設定する。例えば、検出圧力が１ＭＰａである場合には油戻し用設定値は５℃に設定され、検出圧力が７ＭＰａである場合には油戻し用設定値は３℃に設定される。
【００７２】
この変形例では、通常運転中の蒸発器（34,37）の出口における冷媒の圧力に応じて、該蒸発器（34,37）の出口における冷媒の過熱度の目標値が設定される。ここで、冷凍機油に溶解する液冷媒の量の上限値は、冷媒の温度と圧力に応じて変化する。従って、通常運転中の蒸発器（34,37）の出口における冷媒の圧力の変化によって、上記上限値は変化する。この変形例では、上記目標値が、通常運転中の蒸発器（34,37）の出口における冷媒の圧力を反映して設定されるので、その時の蒸発器（34,37）の出口における冷媒の圧力における上限値になる。従って、通常運転中に亘って、蒸発器（34,37）の出口における冷媒の温度を冷凍機油の動粘度が低下しなくなる温度に調節することができるので、蒸発器（34,37）から圧縮機（30）に至るまでの間に溜まる冷凍機油をさらに効率的に圧縮機（30）へ戻すことができる。
【００７３】
《その他の実施形態》
上記実施形態については、以下のような構成としてもよい。
【００７４】
上記実施形態について、冷凍装置（10）が空調機以外の冷凍装置（例えば冷蔵用や冷凍用の冷凍装置）であってもよい。
【００７５】
また、上記実施形態について、油戻し用目標値が３℃以上５℃以下の範囲の４℃以外の値（例えば５℃）であってもよい。
【００７６】
また、上記実施形態について、冷媒と弱相溶性の冷凍機油との組合せが上記実施形態とは異なる組合せであってもよい。
【００７７】
また、上記実施形態について、蒸発器となる方の熱交換器（34,37）に空気を送るファン（12,14）が、過熱度調節手段を構成してもよい。具体的に、暖房運転に係る油戻し制御では室外ファン（12）が過熱度調節手段を構成し、冷房運転に係る油戻し制御では室内ファン（14）が過熱度調節手段を構成する。この場合、過熱度調節手段を構成するファン（12,14）は風量可変に構成され、制御部（50）には該ファン（12,14）の送風量を制御する風量制御部（53）が設けられる。風量制御部（53）は、油戻し制御において、蒸発器となる熱交換器（34,37）の出口における冷媒の過熱度が油戻し用目標値になるように、過熱度調節手段を構成するファン（12,14）を制御する。風量制御部（53）は、蒸発器（34,37）の出口における冷媒の過熱度が油戻し用目標値よりも大きい場合にはファン（12,14）の送風量を減少させ、蒸発器（34,37）の出口における冷媒の過熱度が油戻し用目標値よりも小さい場合にはファン（12,14）の送風量を増加させる。なお、過熱度調節手段が、膨張弁（36）とファン（12,14）との両方によって構成されていてもよい。
【００７８】
また、上記実施形態について、圧縮機（30）内の冷凍機油の量を推測可能に冷凍装置（10）を構成して、推測した圧縮機（30）内の冷凍機油の量が所定値を下回る場合に油戻し運転を行うようにしてもよい。
【００７９】
なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
以上説明したように、本発明は、蒸発器から圧縮機に至るまでの間に溜まる冷凍機油を圧縮機に戻すための制御を行う冷凍装置、及び冷凍装置における油戻し方法について有用である。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係る冷凍装置の概略構成図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態に係る冷凍装置に用いる冷媒と冷凍機油の組合せにおける、温度や圧力に対する冷凍機油の動粘度と冷凍機油に溶解する冷媒の濃度との関係を表す図表である。
【図３】図３は、本発明の実施形態の変形例に係る冷凍装置の概略構成図である。
【符号の説明】
【００８２】
10  空調機（冷凍装置）
12  室外ファン（過熱度調節手段、蒸発側ファン）
14  室内ファン（過熱度調節手段、蒸発側ファン）
20  冷媒回路
30  圧縮機
34  室外熱交換器（蒸発器、放熱器）
36  膨張弁（過熱度調節手段、蒸発側調節弁）
37  室内熱交換器（蒸発器、放熱器）
50  制御部（制御手段）
52  蒸発側圧力検出部（蒸発側圧力検出手段）
【図１】
2008241065.tif 000003
【図２】
2008241065.tif 000004
【図３】
2008241065.tif 000005