(57)【要約】【課題】超臨界状態となる冷媒と非相溶性の油とを用いる冷凍サイクル装置において、冷媒と油との分離特性を向上させる。【解決手段】冷凍サイクル装置２０は、冷媒として二酸化炭素が充填された冷媒回路１０を備えている。冷媒回路１０は、潤滑油としてＰＡＧが充填された圧縮機１と、第１放熱部２ａおよび第２放熱部２ｂを有する放熱器２と、膨張機３と、蒸発器４と、油分離器５とを備えている。油分離器５は、所定の運転状態の際に冷媒の温度が擬臨界温度となる部分に配置されている。【選択図】図１
2007248030.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機と放熱器とを有する冷媒回路を備え、
前記冷媒回路には、前記放熱器において超臨界状態となる冷媒が充填され、
前記圧縮機には、前記冷媒に対して非相溶性の油が充填され、
前記冷媒回路には、所定の運転状態の際に冷媒の温度が擬臨界温度となる部分に油分離器が設けられている、冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記放熱器は、第１放熱部と、前記第１放熱部の下流側に設けられた第２放熱部とを有し、
前記冷媒回路は、
前記第２放熱部の下流側に配置された膨張機構と、
前記膨張機構の下流側に配置された蒸発器と、
前記第１放熱部の下流側と前記油分離器とを接続する吸入管と、
前記油分離器と前記第２放熱部の上流側とを接続する吐出管と、
前記圧縮機の吸入側と前記蒸発器との間と前記油分離器とを接続する返油管と、
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】
前記放熱器の冷媒流路の最大長さをＬとしたときに、前記油分離器は、前記放熱器の上流端からＬ／３〜Ｌ／２の位置に配置されている、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項４】
前記冷媒の擬臨界温度をＴｏ［Ｋ］としたときに、温度がＴｏ−２０［Ｋ］のときの前記冷媒の密度ρ１［ｋｇ／ｍ３］と、温度がＴｏ＋２０［Ｋ］のときの前記冷媒の密度ρ２［ｋｇ／ｍ３］との差Δρ＝ρ２―ρ１は、５００［ｋｇ／ｍ３］以上である、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項５】
前記冷媒は二酸化炭素であり、前記油はＰＡＧである、請求項１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、遷臨界サイクルを利用する冷凍サイクル装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、冷凍サイクル装置における冷媒として、フロン系冷媒がよく用いられていた。しかし、近年、地球環境問題に対する意識が高まり、フロン系冷媒から自然冷媒への代替が図られている。そのような自然冷媒の一つとして、二酸化炭素（ＣＯ２）が注目されている。二酸化炭素が冷凍サイクル装置の冷媒として用いられる場合、冷媒回路の高圧側（放熱器等）において、二酸化炭素は超臨界状態となる。
【０００３】
ところで、圧縮機を備えた冷凍サイクル装置にあっては、圧縮機から放熱器側に潤滑油が流れ出すという課題がある。そこで、従来から、冷媒回路における圧縮機よりも吐出側の部分に油分離器を設け、油分離器で分離した油を圧縮機に返送することが行われている。下記特許文献１には、冷媒として二酸化炭素を用いる冷凍サイクル装置において、放熱器の入口側ヘッダーにオイル分離機能を持たせることが提案されている。
【特許文献１】特開２００４−３０８９６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、本発明者は、鋭意研究の結果、以下のことを見出すに至った。すなわち、非相溶性の油（冷媒に溶け込みにくい性質を有する油）を用いた遷臨界サイクルでは、冷媒が擬臨界温度以上のときに、冷媒と油とは飛沫同伴しやすい。そのため、冷媒が擬臨界温度以上のときには、大型の油分離器を用いない限り、冷媒と油とを良好に分離することは極めて難しい。したがって、特許文献１に開示されたような冷凍サイクル装置のように、放熱器の入口側に油分離器を設けた構成では、冷媒と油とを良好に分離することは困難である。そのため、圧縮機に十分な量の油が返送されず、油不足を招くおそれがあった。
【０００５】
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、超臨界状態となる冷媒と非相溶性の油とを用いる冷凍サイクル装置において、冷媒と油との分離特性を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、鋭意研究の結果、擬臨界温度を境に冷媒および油の挙動が急激に変化し、擬臨界温度以下では油を良好に分離できることを見出し、本発明をなすに至った。
【０００７】
本発明に係る冷凍サイクル装置は、圧縮機と放熱器とを有する冷媒回路を備え、前記冷媒回路には、前記放熱器において超臨界状態となる冷媒が充填され、前記冷媒回路には、所定の運転状態の際に冷媒の温度が擬臨界温度となる部分に油分離器が設けられているものである。
【０００８】
前記放熱器は、第１放熱部と、前記第１放熱部の下流側に設けられた第２放熱部とを有し、前記冷媒回路は、前記第２放熱部の下流側に配置された膨張機構と、前記膨張機構の下流側に配置された蒸発器と、前記第１放熱部の下流側と前記油分離器とを接続する吸入管と、前記油分離器と前記第２放熱部の上流側とを接続する吐出管と、前記圧縮機の吸入側と前記蒸発器との間と前記油分離器とを接続する返油管と、を備えていてもよい。
【０００９】
前記放熱器の冷媒流路の最大長さをＬとしたときに、前記油分離器は、前記放熱器の上流端からＬ／３〜Ｌ／２の位置に配置されていてもよい。
【００１０】
前記冷媒の擬臨界温度をＴｏ［Ｋ］としたときに、温度がＴｏ−２０［Ｋ］のときの前記冷媒の密度ρ１［ｋｇ／ｍ３］と、温度がＴｏ＋２０［Ｋ］のときの前記冷媒の密度ρ２［ｋｇ／ｍ３］との差Δρ＝ρ２―ρ１は、５００［ｋｇ／ｍ３］以上であってもよい。
【００１１】
前記冷媒は二酸化炭素であり、前記油はＰＡＧであってもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、油分離器は、所定の運転状態の際に冷媒の温度が擬臨界温度となる部分に設けられている。そのため、超臨界状態となる冷媒と非相溶性の油とを用いる冷凍サイクル装置において、冷媒と油とを良好に分離させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
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。
【００１４】
図１に示すように、本実施形態に係る冷凍サイクル装置２０は、冷媒回路１０を備えている。冷媒回路１０は、圧縮機１と、第１放熱部２ａおよび第２放熱部２ｂを有する放熱器２と、膨張機３と、蒸発器４と、油分離器５とを備えている。
【００１５】
圧縮機１の吐出側と第１放熱部２ａの入口側とは、配管１１を介して接続されている。第２放熱部２ｂの出口側と膨張機３の入口側とは、配管１２を介して接続されている。膨張機３の出口側と蒸発器４の入口側とは、配管１３を介して接続されている。蒸発器４の出口側と圧縮機１の吸入側とは、配管１４を介して接続されている。
【００１６】
本実施形態では、第１放熱部２ａおよび第２放熱部２ｂは、いずれも二重管式の熱交換器によって構成されている。第１放熱部２ａおよび第２放熱部２ｂは、水配管８に接続されており、冷媒回路１０内の冷媒と水配管８内の水とを熱交換させる。ただし、第１放熱部２ａおよび第２放熱部２ｂの構成は何ら限定されず、また、放熱対象の熱媒体も水に限られない。第１放熱部２ａおよび第２放熱部２ｂは、二重管式熱交換器以外の液−液式熱交換器であってもよく、空気熱交換器等であってもよい。本実施形態では、第１放熱部２ａと第２放熱部２ｂとは、分離されている。ただし、第１放熱部２ａと第２放熱部２ｂとは一体化されていてもよい。
【００１７】
油分離器５は、第１放熱部２ａと第２放熱部２ｂとの間に設けられている。具体的には、油分離器５は、吸入管１５を介して第１放熱部２ａの出口側に接続されている。また、油分離器５は、吐出管１６を介して第２放熱部２ｂの入口側に接続されている。さらに、油分離器５は、返油管１７を介して配管１４に接続されている。返油管１７には、油戻しバルブ７が設けられている。
【００１８】
本実施形態では、蒸発器４は、冷媒と空気とを熱交換させるいわゆる空気熱交換器によって構成されている。蒸発器４に対しては、送風機６が設けられている。ただし、蒸発器４は空気熱交換器に限らず、他の形式の熱交換器であってもよい。以上が冷媒回路１０の構成である。
【００１９】
この冷媒回路１０には、冷媒として二酸化炭素が充填され、圧縮機１には潤滑油としてＰＡＧが充填されている。この冷媒は、いわゆる遷臨界サイクルを形成する。すなわち、冷凍サイクル装置２０の作動時には、冷媒は、冷媒回路１０の高圧側部分（圧縮機１の吐
出側から第１放熱部２ａおよび第２放熱部２ｂを経て膨張機３の入口側に至る部分）において超臨界状態となる。
【００２０】
ところで、本発明者は、二酸化炭素が超臨界状態にあるときの二酸化炭素およびＰＡＧの管内流動様式を観察する可視化実験を行った。その結果、二酸化炭素の擬臨界温度よりも高い温度領域では、伝熱管の内壁に油膜が形成される一方、擬臨界温度よりも低い温度領域では、油膜に含まれる油の一部が液滴となり、伝熱管内を飛散する様子が観察された。すなわち、擬臨界温度よりも低い温度では、一部の油は油膜から分離されて液滴となり、油が分離しやすい状態となることが分かった。
【００２１】
また、図２に示すように、超臨界域における二酸化炭素の密度は、擬臨界温度Ｔｍを境として急激に変化する。すなわち、擬臨界温度Ｔｍよりも高温のときの密度と擬臨界温度Ｔｍよりも低温のときの密度との差（密度差）は、極めて大きくなる。図２に示すように、温度と密度との関係は圧力によって異なるが、冷媒として使用される通常の圧力範囲内では、擬臨界温度Ｔｍ±２０［Ｋ］の範囲で密度差は５００［ｋｇ／ｍ３］以上となる。すなわち、図２に示すように、温度がＴｍ＋２０［Ｋ］以上のときには密度が約３００［ｋｇ／ｍ３］以下であるのに対し、温度がＴｍ−２０［Ｋ］以下のときには、密度は約８００［ｋｇ／ｍ３］以上となる。そのため、温度がＴｍ−２０［Ｋ］のときの密度ρ２と温度がＴｍ＋２０［Ｋ］のときの密度ρ１との差Δρ＝ρ２−ρ１は、５００［ｋｇ／ｍ３］以上となる。したがって、伝熱管内における二酸化炭素の流速は、擬臨界温度を境として急激に低下する。この点においても、擬臨界温度以下では、油を分離しやすくなる。
【００２２】
そこで、本発明者は、超臨界状態にある冷媒と非相溶性の油とが混合して流れている場合、擬臨界温度以下になると油を分離しやすいことを見出し、所定の運転状態の際に冷媒が擬臨界温度となる部分に油分離器５を設置することとした。すなわち、本実施形態の冷凍サイクル装置２０では、油分離器５は所定の運転状態の際に冷媒が擬臨界温度となる部分に設置されている。なお、擬臨界温度よりも低温になると、擬臨界温度よりも高温の場合に比べて、二酸化炭素とＰＡＧとの比重差は小さくなる。しかし、擬臨界温度よりも低温であっても、それらの比重差は十分に確保されるので、比重差が小さくなることに起因して油分離が困難になるおそれはない。
【００２３】
ところで、冷凍サイクル装置２０の運転状態は負荷変動（給湯能力または冷房、暖房能力等の負荷の変動）等によって変動するため、厳密には、冷媒温度が擬臨界温度となる部分は変動する。そこで、本実施形態では、上記所定の運転状態として、ある特定の運転状態を選択することとした。例えば、予め冷凍サイクル装置２０の標準運転状態を設定しておき、当該運転状態のときに冷媒温度が擬臨界温度となる部分に油分離器５を設けるようにしてもよい。
【００２４】
また、予め負荷変動を想定しておき、負荷変動があっても常に擬臨界温度以下となる部分に油分離器５を設けるようにしてもよい。例えば、負荷が小さくなると、放熱器２における擬臨界温度となる位置は、下流側にずれていく（図３の位置Ｓ１→Ｓ２→Ｓ３参照）。そこで、前記所定の運転状態として、最小負荷時の運転状態を選択し、当該運転状態のときに冷媒が擬臨界温度となる部分に油分離器５を設けるようにしてもよい。この場合、負荷が大きくなっても、油分離器５は常に冷媒回路１０における擬臨界温度以下の部分に位置することになるので、油を良好に分離することができる。
【００２５】
なお、経験上、冷凍サイクル装置２０では、放熱器２の冷媒流路の最大長さ（放熱器の冷媒パス数が１のときには当該パスの長さ、冷媒パス数が２以上のときには、最も長いパスの長さ）をＬとしたときに、冷媒が擬臨界温度となる位置は、放熱器の入口端からＬ／３〜Ｌ／２の位置となる場合が多い。そこで、油分離器５を放熱器２の入口端からＬ／３
〜Ｌ／２の位置に設けることが好ましい。
【００２６】
以上のように、本実施形態によれば、所定の運転状態の際に冷媒の温度が擬臨界温度となる部分に油分離器５を配置することとしたので、冷媒の流速が遅くなりかつ油が分離しやすい流動状態のときに油を分離させることができ、冷媒と油とを良好に分離させることが可能となる。したがって、例えば、圧縮機１における油不足を解消することができる。また、油を分離した後における放熱器２（本冷凍サイクル装置２０では第２放熱部２ｂ）の熱交換性能を向上させることができる。
【００２７】
すなわち、圧縮機１から吐出される冷媒中に含まれる油の量が多い場合には、放熱器２の伝熱管内に油膜が形成され、放熱器２の管内熱伝達率が低下する。伝熱管内に形成される油膜が熱抵抗となるからである。また、伝熱管内に油膜が形成されなくても、伝熱管の内面に多くの油滴が付着すると、同様に熱伝達率の低下を招くことになる。前述したように、擬臨界温度よりも低温になると、伝熱管内の油は液滴になりやすくなる。しかし、圧縮機１からの吐出冷媒に含まれる油の割合が多い場合には、擬臨界温度よりも低い温度領域であっても、熱伝達率の大幅な低下を招くおそれがある。
【００２８】
しかしながら、本実施形態では、放熱器２の中途部分（第１放熱部２ａと第２放熱部２ｂとの間の部分）に油分離器５を設けるようにしたので、第２放熱部２ｂ（放熱器２の下流側部分）において、管内熱伝達率の低下を効果的に抑制することができる。すなわち、圧縮機１からの吐出冷媒に含まれる油の量が多くても、放熱器２の下流側部分において、熱抵抗となる油膜の形成を抑制し、または油滴の付着量を低減することができるので、放熱器２の熱交換性能を向上させることができる。例えば、吐出冷媒に含まれる油の割合が１％以上の場合に、本実施形態の効果が特に顕著に発揮される。
【００２９】
なお、本実施形態では、潤滑油はＰＡＧであったが、潤滑油として他の非相溶性油を用いてもよい。また、放熱器２において超臨界状態となる冷媒として、二酸化炭素以外の冷媒を用いることも可能である。
【００３０】
冷凍サイクル装置２０の冷媒回路１０は、冷媒が一方向に流れる冷媒回路に限らず、冷媒の流通方向が可逆な冷媒回路であってもよい。例えば、冷凍サイクル装置の冷媒回路は、流路切換弁（例えば四方弁）を備え、冷房運転および暖房運転を選択可能な冷媒回路であってもよい。
【００３１】
冷凍サイクル装置２０の利用態様は何ら限定されない。冷凍サイクル装置２０は、給湯機、家庭用または自動車用の空気調和装置、冷蔵庫等であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
以上説明したように、本発明は、遷臨界サイクルを利用する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】
【００３３】
【図１】実施形態に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路図
【図２】超臨界域における二酸化炭素の温度と密度との関係を表す特性図
【図３】放熱器の伝熱管の長さ位置と冷媒温度との関係を表す特性図
【符号の説明】
【００３４】
１    圧縮機
２    放熱器
２ａ  第１放熱部
２ｂ  第２放熱部
３    膨張機
４    蒸発器
５    油分離器
６    送風機
７    油戻しバルブ
１０  冷媒回路
１５  吸入管
１６  吐出管
１７  返油管
２０  冷凍サイクル装置
【図１】
2007248030.tif 000003
【図２】
2007248030.tif 000004
【図３】
2007248030.tif 000005