(57)【要約】【課題】単純な構成で膨張機の良好な潤滑状態を実現でき、高信頼性を保ちつつ、高効率な冷凍サイクル装置を提供する。【解決手段】冷媒を圧縮させる圧縮機構を密閉容器に収納した圧縮機と、圧縮機で圧縮した冷媒を放熱させる放熱器と、放熱器で放熱した冷媒を膨張させる膨張機構を密閉容器に収納した膨張機と、膨張機で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器とを順に配管で接続することで構成された冷媒回路において、膨張機と圧縮機が、一本の連絡配管により接続され、連絡配管の膨張機側の接続端部および圧縮機側の接続端部の鉛直方向における位置が同一で、膨張機内の潤滑油溜りと圧縮機内の潤滑油溜りの潤滑油面を、連絡配管の下縁と上縁との間に位置させた冷凍サイクル装置。【選択図】図１
2008151405.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を圧縮させる圧縮機構を密閉容器に収納した圧縮機と、前記圧縮機で圧縮した冷媒を放熱させる放熱器と、前記放熱器で放熱した冷媒を膨張させる膨張機構を密閉容器に収納した膨張機と、前記膨張機で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器とを順に配管で接続することで構成された冷媒回路において、
前記膨張機と前記圧縮機が、一本の連絡配管により接続され、
前記連絡配管の前記膨張機側の接続端部および前記圧縮機側の接続端部の鉛直方向における位置が同一で、
前記圧縮機の運転停止時に、前記膨張機内の潤滑油溜りの潤滑油面と前記圧縮機内の潤滑油溜りの潤滑油面とを、前記連絡配管の下縁と上縁との間に位置させた、冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記連絡配管の一端が前記膨張機の発電機部以下から潤滑油ポンプ以上の位置に接続され、他端が前記圧縮機の電動機部以下から潤滑油ポンプ以上の位置に接続された、
請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項３】
前記連絡配管が、前記膨張機側の接続端部と前記圧縮機側の接続端部との間に水平に設けられた、
請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項４】
前記連絡配管に少なくとも１つ以上の弁を設けた、
請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項５】
前記連絡配管の断面形状において、鉛直方向の寸法が水平方向の寸法より大きい、
請求項１〜４のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
【請求項６】
前記連絡配管の断面形状において、水平方向の寸法が最大となる断面鉛直方向の位置と断面下縁下限との距離が、前記断面鉛直方向の位置と断面上縁上限との距離よりも小さい、
請求項１〜４のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
【請求項７】
前記圧縮機に設けられた連絡配管との接続口の内壁に冷媒と潤滑油とを分離する手段を有する、
請求項１〜４のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
【請求項８】
前記連絡配管に断熱手段を設けた、
請求項１〜４のいずれか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、圧縮性流体を膨張させることによって動力エネルギーを回収する膨張機を備えた冷凍サイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の膨張機を有する冷凍サイクル装置は、例えば非特許文献１に開示されており、その構成を図８を用いて以下に説明する。
【０００３】
図８は、従来の均圧管と均油管を有する冷凍サイクル装置の構成図である。図８に示すように、従来の冷凍サイクル装置９００は、圧縮機９０１、放熱器９０２、膨張機９０３、および蒸発器９０４が、配管９０５を介して順に接続されることで構成されたものである。圧縮機９０１は、圧縮機構９０８と電動機９０９とそれらを収納する密閉容器９１０により構成され、膨張機９０３は、膨張機構９１２と発電機９１３とそれらを収納する密閉容器９１４により構成されている。また、圧縮機９０１と膨張機９０３は、均圧管９０６と均油管９０７とによって接続されている。
【０００４】
以下、従来の冷凍サイクル装置９００における冷媒の流れを説明する。
【０００５】
図８に示すように、冷媒は、圧縮機構９０８に吸入され、昇温昇圧される。そして、圧縮機９０１内の空間に蓄えられた後、圧縮機９０１から吐出される。圧縮機９０１から吐出された高圧の冷媒は、放熱器９０２に流入し、外部へ熱を移動させることによって放熱する。放熱器９０２で放熱した高圧の冷媒は、放熱器９０２から流出した後、膨張機９０３の膨張機構９１２に直接吸入されて膨張し、低温低圧になる。この低温低圧の冷媒は、膨張機構９１２から直接吐出された後、蒸発器９０４に流入し、外部からの熱を吸収して蒸発器９０４から流出した後、再び圧縮機９０１に吸入される。このように、従来の冷凍サイクル装置９００では、上記冷媒循環が繰り返し行われている。
【０００６】
次に、従来の冷凍サイクル装置９００における潤滑油の流れを説明する。
【０００７】
まず、圧縮機９０１内での潤滑油の流れを説明する。圧縮機９０１内において、潤滑油溜り９１１から潤滑油ポンプ（図示せず）によって汲み上げられた潤滑油は、シャフト内に設けられた経路を通って、圧縮機構９０８へ導入される。圧縮機構９０８へ導入された潤滑油は、冷媒と共に圧縮機９０１内の空間へ吐出される。この時、大部分の潤滑油は、冷媒流から分離され、潤滑油溜り９１１へ戻る。
【０００８】
続いて、膨張機９０３内での潤滑油の流れを説明する。膨張機９０３内において、潤滑油溜り９１５から潤滑油ポンプ（図示せず）によって汲み上げられた潤滑油は、シャフト内に設けられた経路を通って、膨張機構９１２へ導入される。膨張機構９１２へ導入された潤滑油は、冷媒と共に膨張機９０３から吐出される。この時、潤滑油溜り９１５の潤滑油も冷媒と共に吐出され、潤滑油溜り９１５の潤滑油は、冷凍サイクル装置９００の運転時間の経過と共に徐々に減少する。
【０００９】
これを防止するために、従来の冷凍サイクル装置９００には、圧縮機９０１の下部に位置する潤滑油溜り９１１と、膨張機９０３の下部に位置する潤滑油溜り９１５を連結する均油管９０７を設置している。また、膨張機９０３の内部の潤滑油量と冷媒量のバランスをとるために、従来の冷凍サイクル装置９００には、圧縮機９０１の上部と膨張機９０３の上部を結ぶ均圧管９０６を設置している。
【非特許文献１】「エネルギー有効利用基盤技術先導研究開発  ＣＯ２空調機用二相流膨張機・圧縮機の開発」  ＮＥＤＯ（独立行政法人  新エネルギー・産業技術総合開発機構）  平成１４年度成果報告書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来の冷凍サイクル装置９００においては、圧縮機９０１および膨張機９０３の各潤滑油溜り９１１、９１５、および各冷媒空間を、それぞれ独立した均圧管９０６および均油管９０７を用いて連絡している。ここで、圧縮機９０１内は、圧縮機構９０８から吐出される冷媒で満たされているため、高温である。一方、膨張機９０３内には、放熱器９０２を通過した後の低温冷媒を吸入して膨張させる膨張機構９１２が収められているため、低温である。したがって、圧縮機９０１内と膨張機９０３内では、冷媒温度が異なるため、冷媒密度もそれぞれ異なる。
【００１１】
図９は、一定圧力（１０ＭＰａ）下における、二酸化炭素の温度に対する密度変化を示したものである。冷凍サイクル装置９００の冷媒として二酸化炭素を用いた場合、図９に示すように、温度に対する密度の変化が大きい。
【００１２】
圧縮機９０１内および膨張機９０３内における均油管９０７との各接続位置には、均圧管９０６との各接続位置より下方に存在する冷媒によるヘッド圧が作用するのだが、上述したように、冷媒の密度差があるため、圧縮機９０１内の潤滑油溜り９１１の潤滑油面に作用するヘッド圧と、膨張機９０３内の潤滑油溜り９１５の潤滑油面に作用するヘッド圧とは異なる。
【００１３】
例えば、圧縮機９０１内の冷媒温度・冷媒圧力を１００℃・１０ＭＰａとし、膨張機９０３内の冷媒温度・冷媒圧力を２０℃・１０ＭＰａとする。この場合、圧縮機９０１内の冷媒密度は、１８８．５６ｋｇ／ｍ３、膨張機９０３内の冷媒密度は、８５６．３１ｋｇ／ｍ３となる。
【００１４】
ここで、図８に示すように、圧縮機９０１における均圧管９０６の接続位置から均油管９０７の接続位置の間の距離をＨとし、膨張機９０３における均圧管９０６の接続位置から均油管９０７の接続位置の間の距離をｈとする。
【００１５】
均油管９０７の各接続位置に作用する冷媒によるヘッド圧は、「冷媒密度×均油位置から均圧位置までの間の距離」で計算できる。上記例の場合、圧縮機９０１側の均油管９０７の接続位置に作用するヘッド圧は、１８８．５６×Ｈｋｇ／ｍ２、膨張機９０３側の均油管９０７の接続位置に作用するヘッド圧は、８５６．３１×ｈｋｇ／ｍ２となる。
【００１６】
上記のように、ヘッド圧に差がある時、ヘッド圧の大きい側の密閉容器内の潤滑油は、ヘッド圧の小さい側の密閉容器内へ移動する。これにより、ヘッド圧の大きい側の密閉容器内の潤滑油溜りの潤滑油が減少することで、駆動機構へ供給される潤滑油も減少し、信頼性の低下を招く恐れがある。
【００１７】
上記潤滑油の移動を抑えるためには、密閉容器９１０、９１４内における均油管９０７の接続位置に作用する各ヘッド圧を等しくし、圧縮機９０１側の接続位置間距離Ｈと、膨張機９０３側の接続位置間距離ｈとを、Ｈ／ｈ＝８５６．３１／１８８．５６を満たす値に設定しなければならない。
【００１８】
したがって、接続位置間距離Ｈと接続位置間距離ｈとを、ヘッド圧が等しくなるようにそれぞれ設定すれば、ある１つの条件（上記例では、圧縮機９０１内の冷媒温度・冷媒圧力は１００℃・１０ＭＰａ、膨張機９０３内の冷媒温度・冷媒圧力は２０℃・１０ＭＰａ）下においては、ヘッド圧差がなくなり、潤滑油溜り９１１、９１５の各潤滑油面の均衡が取れて、潤滑油溜り９１１、９１５が安定する。
【００１９】
しかしながら、冷凍サイクル装置９００は複数の運転条件下で運転されるので、常に潤滑油溜り９１１、９１５の各潤滑油面が均衡を保ち続けることはできず、結局、ヘッド圧差の発生により、圧縮機９０１内と膨張機９０３内の潤滑油溜り９１１、９１５の各潤滑油面に不均衡が生じてしまう。
【００２０】
本発明は、このような課題を解決するものであり、適切な潤滑油管理を可能にし、信頼性の高い高効率な冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明の膨張機は、冷媒を圧縮させる圧縮機構を密閉容器に収納した圧縮機と、前記圧縮機で圧縮した冷媒を放熱させる放熱器と、前記放熱器で放熱した冷媒を膨張させる膨張機構を密閉容器に収納した膨張機と、前記膨張機で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器とを順に配管で接続することで構成された冷媒回路において、前記膨張機と前記圧縮機が、一本の連絡配管により接続され、前記連絡配管の前記膨張機側の接続端部および前記圧縮機側の接続端部の鉛直方向における位置が同一で、前記膨張機内の潤滑油溜りと前記圧縮機内の潤滑油溜りの潤滑油面を前記連絡配管の下縁と上縁との間に位置させたものである。
【００２２】
これにより、圧縮機内および膨張機内の各潤滑油溜りの潤滑油面に対して、同じ高さで均圧することができ、各潤滑油溜りの潤滑油が冷媒によるヘッド圧の影響を受けなくなる。このため、圧縮機内および膨張機内の各潤滑油溜りの潤滑油面は、常に同一面で均衡を保つことができ、適切な潤滑油管理が可能になる。また、従来よりも使用する配管を削減できるので、冷凍サイクル装置を作製する時のコスト削減も可能となる。
【００２３】
本発明の膨張機は、前記連絡配管の一端が前記膨張機の発電機部以下から潤滑油ポンプ以上の位置に接続され、他端が前記圧縮機の電動機部以下から潤滑油ポンプ以上の位置に接続されたものである。
【００２４】
これにより、各潤滑油ポンプの吸い口より上部に各潤滑油溜りの潤滑油面を確保することができる。また、膨張機内の潤滑油溜りの潤滑油が、発電機部のシャフトの回転による旋回流の影響を受けて冷媒と潤滑油が攪拌されることにより、冷媒を巻き込んだ泡状になることを防ぎ、潤滑油溜りの潤滑油面を安定して保つことができる。同様に、圧縮機内の潤滑油溜りの潤滑油も、電動機部のシャフトの回転による旋回流の影響を受けずに、潤滑油溜りの潤滑油面を安定して保つことができる。したがって、連絡配管内の流体を冷媒と潤滑油の安定した二層に維持することで、各潤滑油ポンプの吸い口に、確実に潤滑油のみを導入することができる。
【００２５】
本発明の膨張機は、前記連絡配管が、前記膨張機側の接続端部と前記圧縮機側の接続端部との間に水平に設けられたものである。
【００２６】
これにより、連絡配管の中で潤滑油が停滞することなく、膨張機と圧縮機との間での潤滑油の移動を良好にし、膨張機内の潤滑油溜りの潤滑油が、潤滑に必要な量を下回ることなく、高い信頼性を確保することができる。
【００２７】
本発明の膨張機は、前記連絡配管に少なくとも１つ以上の弁を設けたものである。
【００２８】
これにより、冷凍サイクル起動時等、圧縮機からの潤滑油の吐出が多い運転状態において、連絡配管に設けられた弁を閉じることで、膨張機内の潤滑油溜りから圧縮機へ潤滑油が移動することを防ぐことができる。
【００２９】
本発明の膨張機は、前記連絡配管の断面形状において、鉛直方向の寸法が水平方向の寸法より大きいものである。
【００３０】
これにより、冷凍サイクル装置の運転条件の変化によって、圧縮機内および膨張機内の潤滑油吐出量が増加し、各潤滑油溜りの潤滑油面が低下しても、連絡配管および各潤滑油溜りに潤滑油を十分確保することができ、各潤滑油溜りの潤滑油面の均衡を保つことができる。また、圧縮機から吐出された潤滑油が、冷凍サイクル装置の配管や熱交換器に付着することで、圧縮機内および膨張機内の各潤滑油溜りの潤滑油面が低下しても、上記と同様の効果を得ることができる。
【００３１】
本発明の膨張機は、前記連絡配管の断面形状において、水平方向の寸法が最大となる断面鉛直方向の位置と断面下縁下限との距離が、前記断面鉛直方向の位置と断面上縁上限との距離よりも小さいものである。
【００３２】
これにより、二層の流動域を持つ連絡配管の下部、すなわち、連絡配管内の潤滑油流動域の断面積を大きくすることができ、連絡配管内を移動する潤滑油の粘性による抵抗を緩和し、自由な潤滑油の移動を実現することができる。また、上記連絡配管の上部、すなわち、連絡配管内の冷媒流動域の断面積を小さくすることができ、圧力の伝達に最低限必要な冷媒流路を確保するとともに、必要以上の冷媒移動に伴う熱移動を低減することができる。
【００３３】
本発明の膨張機は、前記圧縮機に設けられた連絡配管との接続口の内壁に冷媒と潤滑油とを分離する手段を有するものである。
【００３４】
これにより、圧縮機内で冷媒中に飛散している高温の潤滑油滴が、連絡配管や膨張機へ移動することなく、圧縮機内に留まることができ、高温の潤滑油滴の移動による圧縮機の熱損失を抑えることができる。
【００３５】
本発明の膨張機は、前記連絡配管に断熱手段を設けたものである。
【００３６】
これにより、冷凍サイクル運転中は高温になる圧縮機と、圧縮機に比べて低温になる膨張機とを連結している連絡配管を介した熱移動による圧縮機内の温度低下、およびそれに伴う圧縮機から吐出される冷媒の温度低下を防ぐことができる。
【発明の効果】
【００３７】
以上のように、本発明によれば、圧縮機内および膨張機内の各潤滑油溜りの潤滑油面に対して、同じ高さで均圧することができ、各潤滑油溜りの潤滑油が冷媒によるヘッド圧の影響を受けなくなる。このため、圧縮機内および膨張機内の各潤滑油溜りの潤滑油面は、常に同一面で均衡を保つことができ、適切な潤滑油管理が可能になり、高い信頼性を実現しつつ、高効率な冷凍サイクル装置を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００３９】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置１００の構成図である。図１に示すように、本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置１００は、圧縮機１０１、放熱器１０２、膨張機１０３、および蒸発器１０４が、配管１０５を介して順に接続されることで構成されたものである。また、圧縮機１０１と膨張機１０３は、弁１０７が設けられた連絡配管１０６によって接続されている。
【００４０】
連絡配管１０６の設置範囲としては、連絡配管１０６の一端を、圧縮機１０１の電動機１０８の底面以下から潤滑油ポンプ１０９の上面以上の位置、他端を膨張機１０３の発電機１１０の底面以下から潤滑油ポンプ１１１の上面以上の位置としている。また、連絡配管１０６に弁１０７を設けることで、冷媒流量および潤滑油流量を調節している。
【００４１】
図２は、本発明の実施の形態１における連絡配管１０６の断面図である。図１、図２に示すように、本発明の実施の形態１における連絡配管１０６は、１本の直線形状であって、左右の面が縦方向の直線によって構成される長辺と、上下の面が円弧によって構成される短辺とからなる。また、連絡配管１０６内には、上部が冷媒流動域１０６ａ、下部が潤滑油流動域１０６ｂという二層の流動域が存在しており、従来の冷凍サイクル装置９００における均圧管９０６と均油管９０７とを一体化させた形となっている。
【００４２】
図３は、本発明の実施の形態１における連絡配管１０６の位置関係を示す図である。図３に示すように、連絡配管１０６は、その一方の接続口上縁上限１０６ｃが、他方の接続口下縁下限１０６ｄより上部にあるという位置関係を満たすよう、圧縮機１０１および膨張機１０３に接続されている。なお、上記接続口上縁上限１０６ｃおよび上記接続口下縁下限１０６ｄが、圧縮機１０１側、あるいは、膨張機１０３側のいずれであっても、上記位置関係を満たすように接続されていれば、どちらでも同等の効果を得ることができる。また、連絡配管１０６が傾斜しても、上記位置関係を満たす範囲であれば、構成上、問題はない。
【００４３】
圧縮機１０１内および膨張機１０３内の初期潤滑油量は、冷凍サイクル装置１００の停止状態において、各潤滑油面が連絡配管１０６の一方の接続口上縁上限１０６ｃと他方の接続口下縁下限１０６ｄとの間に位置するように封入されている。
【００４４】
以下、本発明の実施の形態１の冷凍サイクル装置１００における冷媒の流れを説明する。
【００４５】
図１に示すように、冷媒は、圧縮機構１１３に吸入され、昇温昇圧される。そして、圧縮機１０１内の空間に蓄えられた後、圧縮機１０１から吐出される。圧縮機１０１から吐出された高圧の冷媒は、放熱器１０２に流入し、外部へ熱を移動させることによって放熱する。放熱器１０２で放熱した高圧の冷媒は、放熱器１０２から流出した後、膨張機１０３の膨張機構１１６に直接吸入されて膨張し、低温低圧になる。この低温低圧の冷媒は、膨張機構１１６から直接吐出された後、蒸発器１０４に流入し、外部からの熱を吸収して蒸発器１０４から流出した後、再び圧縮機１０１に吸入される。このように、本発明の実施の形態１の冷凍サイクル装置１００では、上記冷媒循環が繰り返し行われている。
【００４６】
次に、本発明の実施の形態１の冷凍サイクル装置１００における潤滑油の流れを説明する。
【００４７】
まず、圧縮機１０１内での潤滑油の流れを説明する。圧縮機１０１内において、潤滑油溜り１１２から潤滑油ポンプ１０９によって汲み上げられた潤滑油は、シャフト内に設けられた経路を通って、圧縮機構１１３へ導入される。圧縮機構１１３へ導入された潤滑油は、冷媒と共に圧縮機１０１内の空間１１４へ吐出される。この時、大部分の潤滑油は、冷媒流から分離され、潤滑油溜り１１２へ戻る。
【００４８】
続いて、膨張機１０３内での潤滑油の流れを説明する。膨張機１０３内において、潤滑油溜り１１５から潤滑油ポンプ１１１によって汲み上げられた潤滑油は、シャフト内に設けられた経路を通って、膨張機構１１６へ導入される。膨張機構１１６へ導入された潤滑油は、冷媒と共に膨張機１０３から吐出される。この時、潤滑油溜り１１５の潤滑油も冷媒と共に吐出され、潤滑油溜り１１５の潤滑油は、冷凍サイクル装置１００の運転時間の経過と共に徐々に減少する。
【００４９】
しかしながら、本発明の実施の形態１では、連絡配管１０６を用いることにより、上記潤滑油溜り１１５の潤滑油の減少を抑えることができる。
【００５０】
上述したように、本発明の実施の形態１における連絡配管１０６内は、上部が冷媒流動域１０６ａ、下部が潤滑油流動域１０６ｂとなっており、連絡配管１０６内に二層の流動域が存在している。このように、一本の連絡配管１０６内に冷媒と潤滑油の二層が存在することで、圧縮機１０１内と膨張機１０３内の冷媒によって均圧される高さと、潤滑油溜り１１２、１１５の各潤滑油面の高さとが等しくなる。つまり、冷媒によるヘッド圧を求める式「冷媒密度×均油位置から均圧位置までの間の距離」における均油位置から均圧位置までの間の距離が０となり、圧縮機１０１内および膨張機１０３内の各冷媒密度が異なっていても、潤滑油溜り１１２、１１５の各潤滑油に作用するヘッド圧の差がなくなる。
【００５１】
これにより、圧縮機１０１内および膨張機１０３内の潤滑油溜り１１２、１１５における潤滑油面には、不均衡が生じなくなり、圧縮機１０１内および膨張機１０３内に安定して潤滑油を確保することができ、良好な潤滑状態を保つことができる。
【００５２】
また、本発明の実施の形態１における連絡配管１０６の一端は、圧縮機１０１の電動機１０８の底面以下から潤滑油ポンプ１０９の上面以上の位置に接続され、他端は、膨張機１０３の発電機１１０の底面以下から潤滑油ポンプ１１１の上面以上の位置に接続されている。
【００５３】
これにより、圧縮機１０１内および膨張機１０３内において、潤滑油ポンプ１０９、１１１の各吸い口より上部に潤滑油溜り１１２、１１５の各潤滑油面を確保することができる。また、膨張機１０３内の潤滑油溜り１１５の潤滑油が、発電機１１０のシャフトの回転による旋回流の影響を受けて冷媒と攪拌されることにより、冷媒を巻き込んだ泡状になることを防ぎ、潤滑油溜り１１５の潤滑油面を安定して保つことができる。同様に、圧縮機１０１内の潤滑油溜り１１２の潤滑油も、電動機１０８のシャフトの回転による旋回流の影響を受けずに、潤滑油溜り１１２の潤滑油面を安定して保つことができる。したがって、連絡配管１０６内の流体を冷媒と潤滑油の安定した二層に維持することで、圧縮機１０１内および膨張機１０３内の潤滑油ポンプ１０９、１１１の各吸い口に、確実に潤滑油のみを導入することができる。
【００５４】
また、本発明の実施の形態１では、連絡配管１０６を１本の直線形状とし、連絡配管１０６の一方の接続口上縁上限１０６ｃを、他方の接続口下縁下限１０６ｄより上部に配置することで、連絡配管１０６内で潤滑油が常に連続した油面を保ち、連絡配管１０６内で潤滑油が停滞することを防ぐことができる。
【００５５】
一般に、冷凍サイクル装置は、複数の運転条件下で運転されるものである。ある運転条件から、異なる運転条件に変化した場合、圧縮機、膨張機のそれぞれのシャフト回転数も変化する。そのため、圧縮機内の潤滑油溜りから汲み上げられる潤滑油量、および膨張機内の潤滑油溜りから汲み上げられる潤滑油量が変化し、各潤滑油溜りの潤滑油面が均衡を保つ位置も変化する。
【００５６】
このような場合でも、本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置１００は、図３に示すように、連絡配管１０６の左右の面を縦方向の直線によって構成される長辺とすることで、潤滑油溜り１１２、１１５の各潤滑油面の高さが変化しても、連絡配管１０６および潤滑油溜り１１２、１１５内に潤滑油を十分確保することができ、潤滑油溜り１１２、１１５の各潤滑油面の均衡を保つことができる。
【００５７】
また、一般に、冷凍サイクル装置の起動時には、圧縮機および膨張機の起動による急激な潤滑油の汲み上げにより、静止していた各潤滑油溜りの潤滑油面が大きく低下する。冷凍サイクル装置において、圧縮機の方が膨張機に比べて大型であるため、圧縮機内の潤滑油ポンプの汲み上げ容量も大きい。そのため、起動時に圧縮機内の潤滑油溜りの潤滑油の減りが速く、場合によっては、圧縮機内の潤滑油ポンプが膨張機内の潤滑油溜りの潤滑油まで汲み上げる可能性がある。圧縮機内の潤滑油ポンプによる過剰な潤滑油汲み上げにより、膨張機内の潤滑油溜りの潤滑油が減少し、膨張機の潤滑に必要な潤滑油量が維持できない恐れがある。
【００５８】
このような場合でも、本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置１００は、図１に示すように、連絡配管１０６に弁１０７を設けることで、冷凍サイクル装置１００の起動時には弁１０７を閉じて、圧縮機１０１内の潤滑油ポンプ１０９が膨張機１０３内の潤滑油溜り１１５の潤滑油を汲み上げることを防ぎ、膨張機１０３内の潤滑油を十分確保することができる。
【００５９】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２における冷凍サイクル装置２００の構成図である。図４に示すように、本発明の実施の形態２における冷凍サイクル装置２００は、圧縮機２０１、放熱器２０２、膨張機２０３、および蒸発器２０４が、配管２０５を介して順に接続されることで構成されたものである。また、圧縮機２０１と膨張機２０３は、弁２０７と断熱手段２１７とが設けられた連絡配管２０６によって接続されている。圧縮機２０１に設けられた連絡配管２０６との接続口の内壁には、潤滑油分離手段２１８を有している。
【００６０】
なお、本発明の実施の形態２の冷凍サイクル装置２００における連絡配管２０６の設置範囲、弁２０７の役割、冷媒および潤滑油の流れは、実施の形態１の冷凍サイクル装置と同様であるので、説明を省略する。
【００６１】
図５は、本発明の実施の形態２における連絡配管２０６の断面図である。図４、図５に示すように、本発明の実施の形態２における連絡配管２０６は、１本の直線形状であって、左右の面が縦方向の直線によって構成される長辺と、上下の面が円弧によって構成される短辺とからなる。さらに、連絡配管２０６の上円弧面は、下円弧面より小径で、その断面形状は略滴型となっている。また、連絡配管２０６内には、上部が冷媒流動域２０６ａ、下部が潤滑油流動域２０６ｂという二層の流動域が存在しており、従来の冷凍サイクル装置９００における均圧管９０６と均油管９０７とを一体化させた形となっている。
【００６２】
圧縮機内と膨張機内とを均圧するには、それぞれの冷媒空間を連通させる必要があるが、連通する冷媒空間を大きくすると、圧縮機内の高温冷媒と膨張機内の低温冷媒との混合による影響、あるいは、圧縮機内の高温冷媒から膨張機内の低温冷媒への熱伝導による影響が大きくなり、圧縮機内の高温冷媒が熱を失って、圧縮機から吐出される冷媒温度が低下してしまう。
【００６３】
しかしながら、本発明の実施の形態２における連絡配管２０６は、上円弧面を下円弧面より小径とすることで、連絡配管２０６内の冷媒流動域２０６ａを狭くすることができる。すなわち、冷媒の連通空間を狭くすることで、圧縮機２０１から膨張機２０３への熱の移動を抑え、圧縮機２０１から吐出される冷媒の温度低下を低減することができる。
【００６４】
また、本発明の実施の形態２における連絡配管２０６は、下円弧面を上円弧面より大径とすることで、連絡配管２０６内の潤滑油流動域２０６ｂを広くすることができる。すなわち、連絡配管２０６内の潤滑油流動域２０６ｂを広くすることで、圧縮機２０１と膨張機２０３との間の潤滑油の移動を滑らかにし、潤滑油面の均衡を素早く行うことができる。したがって、圧縮機２０１内と膨張機２０３内とを均油する場合、連絡配管２０６が広いほど、潤滑油の連絡配管２０６の内壁との摩擦による影響が小さくなるため、潤滑油は大きな抵抗を受けることなく滑らかに連絡配管２０６内を移動することができる。
【００６５】
なお、本発明の実施の形態２における連絡配管２０６の断面形状は、上記に限られることなく、連絡配管２０６内の冷媒流動域２０６ａが狭く、潤滑油流動域２０６ｂが広い構造であれば、例えば図６（ａ）、（ｂ）のような、不連続に断面積が変化する形状でも、同様の効果を得ることができる。図６（ａ）では、本発明の実施の形態２における連絡配管２０６の、ある位置で段になるような凸型の断面形状を示しており、図６（ｂ）では、本発明の実施の形態２における連絡配管２０６の、大小の円を重ねたような断面形状を示している。
【００６６】
図４に示すように、本発明の実施の形態２における連絡配管２０６には、断熱手段２１７が設けられている。上記断熱手段２１７には、熱伝導率の低い材により構成される配管連結部を設けている。
【００６７】
これにより、高温の圧縮機２０１から低温の膨張機２０３へと、連絡通路２０６を介した熱伝導による熱の移動を妨げることで、圧縮機２０１内の冷媒の温度低下、および圧縮機２０１から吐出される冷媒の温度低下を防ぐことができる。
【００６８】
圧縮機２０１に設けられた連絡配管２０６との接続口の内壁近傍には、高温の冷媒が存在し、上記冷媒中には潤滑油溜り２１２に戻りきれていない潤滑油滴が浮遊している。この高温の冷媒が連絡配管２０６へ移動すると、油滴も冷媒の流れにのって連絡配管２０６へ移動することがある。また、それと同時に、高温の油滴が持つ熱が、連絡配管２０６、あるいは連通する膨張機２０３内の冷媒および潤滑油へと移動することで、圧縮機２０１内の熱を放出し、圧縮機２０１から吐出される冷媒の温度が低下することがある。
【００６９】
しかしながら、本発明の実施の形態２では、圧縮機２０１に設けられた連絡配管２０６との接続口の内壁に、潤滑油分離手段２１８を有することで、圧縮機２０１内から連絡配管２０６へと高温冷媒が移動する時に、上記冷媒中に浮遊する潤滑油滴を圧縮機２０１内に留め、圧縮機２０１の熱損失を抑えることができる。図７（ａ）は、本発明の実施の形態２における潤滑油分離手段２１８の斜視図、図７（ｂ）は、上記（ａ）の正面図である。図７（ａ）、（ｂ）に示すように、本発明の実施の形態２における潤滑油分離手段２１８は、多数の細孔を有する薄板２１８ａを、間隙を空けて複数並べたもので構成されている。
【００７０】
なお、本発明の実施の形態２における潤滑油分離手段２１８は、上記に限られることなく、例えば金属メッシュを用いることでも、同様の効果を得ることができる。
【００７１】
なお、本発明の実施の形態１、２における冷凍サイクル装置は、冷媒の流通方向が一定の装置であるとして説明したが、上記に限定されるものではなく、例えば冷媒の流通方向を変更できる可逆運転が可能な冷凍サイクル装置等であってもよく、給湯機、空気調和装置等として利用することができる。
【００７２】
また、本発明の実施の形態１、２における膨張機は、上記に限定されるものではなく、他に種々の構成が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明は、圧縮性流体を膨張させることによって動力エネルギーを回収する膨張機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】
【００７４】
【図１】本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の構成図
【図２】本発明の実施の形態１に係る連絡配管の断面図
【図３】本発明の実施の形態１に係る連絡配管の位置関係を示す図
【図４】本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の構成図
【図５】本発明の実施の形態２に係る連絡配管の断面図
【図６】（ａ）本発明の実施の形態２に係る不連続に断面が変化する連絡配管の断面図（ｂ）本発明の実施の形態２に係る不連続に断面が変化する連絡配管の断面図
【図７】（ａ）本発明の実施の形態２に係る潤滑油分離手段の斜視図（ｂ）上記（ａ）の正面図
【図８】従来の均圧管と均油管を有する冷凍サイクル装置の構成図
【図９】二酸化炭素の温度−密度線図
【符号の説明】
【００７５】
１００，２００，９００    冷凍サイクル装置
１０１，２０１，９０１    圧縮機
１０２，２０２，９０２    放熱器
１０３，２０３，９０３    膨張機
１０４，２０４，９０４    蒸発器
１０５，２０５，９０５    配管
１０６，２０６    連絡配管
１０６ａ，２０６ａ    冷媒流動域
１０６ｂ，２０６ｂ    潤滑油流動域
１０６ｃ    接続口上縁上限
１０６ｄ    接続口下縁下限
１０７，２０７    弁
１０８，２０８，９０９    電動機
１０９，２０９    圧縮機の潤滑油ポンプ
１１０，２１０，９１３    発電機
１１１，２１１    膨張機の潤滑油ポンプ
１１２，２１２，９１１    圧縮機の潤滑油溜り
１１３，２１３，９０８    圧縮機構
１１４，２１４    空間
１１５，２１５，９１５    膨張機の潤滑油溜り
１１６，２１６，９１２    膨張機構
１１７，１１８，２１９，２２０，９１０，９１４    密閉容器
２１７    断熱手段
２１８    潤滑油分離手段
２１８ａ    多数の細孔を有する薄板
９０６    均圧管
９０７    均油管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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