(57)【要約】【課題】膨張機と圧縮機の潤滑を確実に行い、蒸発器での冷凍機油による蒸発性能の低下を防止する。【解決手段】圧縮機１１と、放熱器１２と、膨張機１３と、蒸発器１４とを順に接続した回路に二酸化炭素の冷媒と、ポリアルキレングルコールを主成分とする冷凍機油とを封入して冷凍サイクルを構成するとともに、膨張機１３より吐出される飽和域の冷媒を、放熱器１２より吐出される冷媒で加熱する副熱交換器を備えたオイルセパレータ２０を設けて、オイルセパレータ２０は密閉管を構成し、圧縮機１１の圧縮機吸入配管１９に接続されるオイル配管３４とを備えている。ている。【選択図】図１
2007315638.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機と、放熱器と、膨張機と、蒸発器とを順に接続した回路に冷媒と冷凍機油とを封入して冷凍サイクルを構成し、前記膨張機より吐出される飽和域の冷媒を加熱する副熱交換器を備えたオイルセパレータを設けたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記副熱交換器は前記膨張機より吐出される飽和域の冷媒を前記放熱器より吐出される冷媒で加熱する熱交換器であることを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項３】
前記オイルセパレータは密閉管を構成し、少なくとも前記膨張機に接続される第１冷媒配管と、前記蒸発器に接続される第２冷媒配管と、前記圧縮機の吸入配管に接続されるオイル配管とを備えたことを特徴とする請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項４】
前記密閉管の内部にミストトラップを備えたことを特徴とする請求項３に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項５】
前記密閉管のガス冷媒を前記オイル配管の内部に吐出する吐出ノズルを備えたことを特徴とする請求項３に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項６】
前記冷媒は二酸化炭素であり、前記冷凍機油はポリアルキレングルコールを主成分とすることを特徴とする請求項１〜５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、冷凍サイクルに設けて冷媒と冷凍機油を分離するオイルセパレータを備えた冷凍サイクル装置に関し、特に冷凍サイクル中の膨張エネルギを回収する膨張機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】
冷凍サイクル装置は圧縮機と放熱器と蒸発器とを順に接続して冷媒を封入し、放熱器と蒸発器との間に膨張機構を配置して冷媒を膨張させている。膨張機構としては膨張弁やキャピラリチューブなどが使用されている。一方、冷凍サイクル中の高圧圧力と低圧圧力の差が大きい場合には、このような膨張機構に換えて膨張機を用いて、膨張機における冷媒の膨張エネルギを回転エネルギに変換して電力または動力のかたちで回収し、冷凍サイクル装置の高効率化を図る例が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このような膨張機では軸受などの摺動部を有するため、それらの潤滑が必要となり、冷凍サイクル内を循環する冷凍機油を膨張機に供給している。一方、膨張機から吐出された冷凍機油は冷媒とともに蒸発器に流入し、蒸発器での蒸発能力を低下させる。そこで、膨張機から吐出された気相冷媒と液相冷媒と冷凍機油とをオイルセパレータ（油分離器）で分離して、圧縮機に供給する例が開示されている（例えば、特許文献２、特許文献３参照）。
【特許文献１】特開２０００−３２９４１６号公報
【特許文献２】特開２００３−１３９４２０号公報
【特許文献３】特開２００３−２４０３６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の例に示されているオイルセパレータでは、気相冷媒と液相冷媒と冷凍機油とを、その比重の違いにより分離する構造となっている。すなわち、オイルセパレータ容器内では、上層には比重の小さな気相冷媒層、中層には液相冷媒層、下層には比重の大きな冷凍機油層という順に層が分かれることを利用している。したがって、上方に気相冷媒層の吐出管を設けるとともに、中間位置に液相冷媒層の吐出管を設け、下方に冷凍機油層の吐出管を設けて分離している。このような比重差を利用する構成のオイルセパレータでは、オイルセパレータ容器内への冷媒の流入に乱れがなく、冷媒や冷凍機油が比重の違いにより整然と層になって分離されている場合には有効である。しかしながら、従来の冷凍サイクル装置においては、オイルセパレータに冷媒と冷凍機油が流入する際の流速の影響などによって、オイルセパレータ内が乱されるために分離が不十分となり、さらに、オイルセパレータが大型化するなどの課題があった。
【０００５】
本発明は、オイルセパレータでの冷媒と冷凍機油との分離を促進し、簡単な構成で蒸発器に冷凍機油の流入を防止して蒸発性能を低下させることがない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】
【０００６】
上記の課題を解決するために、本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機と、放熱器と、膨張機と、蒸発器とを順に接続した回路に冷媒と冷凍機油とを封入して冷凍サイクルを構成し、膨張機より吐出される飽和域の冷媒を加熱する副熱交換器を備えたオイルセパレータを設けている。
【０００７】
このような構成によれば、膨張機から吐出された冷媒中の冷媒と冷凍機油の相溶度を制御して、冷媒と冷凍機油との分離を促進し、蒸発器への冷凍機油の流入を抑制して蒸発器の伝熱性能の低下が少ない冷凍サイクル装置を実現することが可能となる。
【０００８】
さらに、副熱交換器は膨張機より吐出される飽和域の冷媒を放熱器より吐出される冷媒で加熱する熱交換器であることが望ましい。このような構成によれば、冷凍サイクル内の内部熱交換方式であるために冷凍サイクルのＣＯＰ（成績係数）を低下させることなく、冷媒と冷凍機油との分離を確実に行うことができる。
【０００９】
さらに、オイルセパレータは密閉管を構成し、少なくとも前記膨張機に接続される第１冷媒配管と、前記蒸発器に接続される第２冷媒配管と、前記圧縮機の吸入配管に接続されるオイル配管とを備えることが望ましい。このような構成によれば、オイルセパレータ内で分離された冷凍機油を蒸発器の入口と圧縮機の吸入入口までの差圧によって、圧縮機の吸入配管に確実に供給することが可能となり、蒸発器への冷凍機油の流入を抑制することができる。
【００１０】
さらに、密閉管の内部にミストトラップを備えることが望ましく、冷媒気層に混在するオイルミストを捕集し、より効果的に冷媒と冷凍機油とを分離することが可能となる。
【００１１】
さらに、密閉管のガス冷媒をオイル配管の内部に吐出する吐出配管を備えることが望ましく、ガス冷媒の吐出によるエゼクター作用によって分離された冷媒を確実に圧縮機の吸入配管に供給することが可能となる。
【００１２】
さらに、冷媒は二酸化炭素であり、冷凍機油はポリアルキレングルコールを主成分とすることが望ましい。このような構成によれば、冷媒圧力の高低圧力差を膨張機で回収する高効率の冷凍サイクルを実現するとともに、冷媒と冷凍機油との相溶性を制御して冷凍機油の分離を促進することが可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の構成は、膨張機の冷媒出口部分で、蒸発器の冷媒流入前に、冷媒を加熱する機能を有するオイルセパレータを設けている。膨張機の出口で冷媒からオイルを分離することにより、蒸発器へのオイルの流入を抑制し、蒸発器の熱交換効率を高める。また、蒸発器流入前にオイルを加熱することにより、冷媒の乾き度（クオリティ）を高め、冷媒の液成分を減少させることにより、冷媒液成分に溶解するオイルの量をさらに減少させ、オイル分離を容易にすることができる。本発明の構成は、このように、簡単な構成で蒸発器への冷凍機油の流入を防止でき、蒸発性能を低下させることがなく、成績係数を向上させる冷凍サイクル装置と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】
【００１４】
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。
【００１５】
図１は本発明の実施の形態における冷凍サイクル装置の構成図である。冷凍サイクル装置１０は、圧縮機１１、放熱器１２、膨張機１３および蒸発器１４を順次直列に接続して冷媒を循環させる冷凍サイクルを形成している。本発明の実施の形態では冷媒としては二酸化炭素が充填され、さらに、圧縮機１１や膨張機１３の軸受部やその他の機構部を潤滑する目的の冷凍機油としてはポリアルキレングルコール（以下、ＰＡＧと記載）などを充填している。
【００１６】
冷凍サイクル装置１０において冷媒は矢印Ａに示す方向に循環する。圧縮機１１において冷媒である二酸化炭素をその臨界点を超える高温、高圧の超臨界状態にまで圧縮し、放
熱器１２において圧力を保ったまま放熱してその温度が低下する。膨張機１３では高圧の冷媒の膨張エネルギを機械エネルギに変換する。具体的には、膨張による容積変化を回転エネルギに変換し、膨張機１３に駆動軸１５で接続された発電機１６によって電力を発生させている。膨張機１３の具体例としてはスクロール型やベーンロータリ型などが考えられる。    
【００１７】
発電機１６で発生した電力は図１の一点鎖線で示す電力線１７を介して圧縮機１１や蒸発器１４のファン１８などの駆動電力として使用することができる。さらに、蒸発器１４では膨張機１３を通過して低圧となった冷媒が周囲より熱を奪い蒸発して気相となり、圧縮機吸入配管１９から圧縮機１１に戻る。また、冷凍サイクル装置１０に封入した冷凍機油は冷媒とともに、冷凍サイクルを循環し、圧縮機１１や膨張機１３などの機構部を潤滑あるいは冷却する。
【００１８】
また、冷凍サイクル装置１０の放熱器１２と膨張機１３との間には、副熱交換器を備えたオイルセパレータ２０が設けられている。図２は本発明の実施の形態における冷凍サイクル装置のオイルセパレータ２０の構成を示す断面図である。図２に示すように、オイルセパレータ２０は、密閉管  ３０を形成し、その内部に放熱器１２からの冷媒が通過する冷媒配管３１を備え、副熱交換器を構成している。放熱器１２からの冷媒は図２の矢印Ｂから冷媒配管３１に入って矢印Ｃのように冷媒配管３１から流出し、図１に示す膨張機１３に流入する。密閉管３０の一方の端部には膨張機１３で膨張した冷媒が密閉管  ３０内に流入する第１冷媒配管３２が接続され、もう一方の端部には蒸発器１４に冷媒を流入させる第２冷媒配管３３が接続されている。また、第２冷媒配管３３の近傍には圧縮機吸入配管１９に接続されるオイル配管３４が接続されている。さらに密閉管  ３０内にはミストセパレータ３５が配置されている。また、第２冷媒配管３３とオイル配管３４との間には、密閉管３０内の底部を仕切る仕切り部材３６が設けられている。
【００１９】
次に、オイルセパレータ３０における冷媒の流れとその作用について説明する。図２に示すように、本発明の実施の形態では、オイルセパレータ３０において、膨張機１３で膨張して低温低圧となった冷媒を放熱器１２の余剰熱で加熱するように、膨張機１３から吐出された冷媒が流入する密閉管３０の中に、放熱器１２から膨張機１３への冷媒配管３１を配置している。すなわち、膨張機１３から吐出された冷凍機油を含む低温低圧の冷媒と放熱器１２から吐出された高温の冷媒とを熱交換している。二酸化炭素を冷媒とする冷凍サイクル装置１０では、放熱器１２において超臨界状態の高温高圧が得られるため給湯器などとして用いられる。したがって、放熱器１２の出口の冷媒温度は給水入口温度などの条件によっても変わるが、圧力が８．０〜１２．５ＭＰａの範囲で温度が１０〜４０℃程度の範囲となる。一方、膨張機１３から吐出された冷媒は、冷凍サイクル装置１０の運転期間によって変化し、冬期では圧力２．０〜３．０ＭＰａ、温度−２５．０〜―３．５℃、中間期で圧力３．０〜４．０ＭＰａ、温度−３．５〜８．０℃、夏期では圧力４．０ＭＰａ以上、温度８．０℃以上となる。
【００２０】
図３は、冷媒としての二酸化炭素と、冷凍機油としてのＰＡＧ冷凍機油との相溶度を示す図である。図３において、横軸は伝熱管内に流れるＰＡＧと二酸化炭素液における二酸化炭素の重量分率を示し、縦軸は冷媒とＰＡＧ冷凍機油混合状態における冷媒の温度を示す。
【００２１】
膨張機１３から吐出された冷媒は、二酸化炭素の気相冷媒と液冷媒、ＰＡＧ冷凍機油が混在し、ＰＡＧ冷凍機油は二酸化炭素の液冷媒に溶け込んでいる。図３より、蒸発器では、伝熱管内の冷媒圧損が発生するため、図の矢印abのように圧力降下とともに、ＰＡＧ冷凍機油の二酸化炭素への溶解度がc点となり増加する。このとき伝熱管内に流れる二酸化炭素冷媒へのＰＡＧ冷凍機油の濃度が高くなるため、二酸化炭素とＰＡＧ冷凍機油が混合
した冷媒の粘性係数が上昇する。このため伝熱管内壁での境界層が増大し伝熱阻害となる。
【００２２】
図２のオイルセパレータとなる密閉管３０には、ミストセパレータ３５が密閉管３０内の冷媒流路中に設けられている。ミストセパレータ３５としては、金属金網の積層体やハニカム形状の無機物質体などが適用可能であり、第１冷媒配管３２から密閉管３０内に流入するミスト状態の飽和域冷媒をトラップする。
【００２３】
さらに本発明の実施の形態では、第１冷媒配管３２からオイルセパレータとなる密閉管３０に流入した膨張機１３で膨張した冷媒を、放熱器１２から膨張機１３までの冷媒配管３１を複数本備えて加熱する構成としている。このとき密閉管３０の内径ｄ３０と冷媒配管３１の外径ｄ３１は、冷媒循環流量Ｇ、二酸化炭素冷媒とＰＡＧ冷凍機油の混合粘性係数μ’、混合密度ρ’、冷媒配管３１をｎ本備えることによって、
（ｄ３０２−ｎ・ｄ３１２）０．５＞Ｇ／（２２００・μ’）
により、それぞれの配管径を設定することによって密閉管３０の底にＰＡＧ冷凍機油が沈降し、蒸発器へのＰＡＧ冷凍機油の同伴量を減らすことが可能となる。
【００２４】
例えば、中間期に放熱器１２で給湯加熱をする場合について具体的に説明する。前述のように、冷媒として二酸化炭素を用いた場合、放熱器１２では超臨界状態の冷媒の特性を利用して対向流型の熱交換器構成とすることができるため、放熱器１３から吐出される冷媒の温度は給水温度よりわずかに高い状態で吐出される。したがって、図２に示す放熱器１２から吐出されて矢印Ｂで冷媒配管３１に入る冷媒の温度は、２０〜３０℃とすることができる。一方、第１冷媒配管３２からオイルセパレータ２０の密閉管３０内に流入する中間期の飽和域の冷媒温度は約−１．０〜５．０℃程度である。したがって、密閉管３０内を流れる冷媒と冷媒配管３１とを流れる冷媒とを対向流型に熱交換させて、密閉管  ３０内を流れる蒸発器１４に流入前の冷媒を加熱することができる。図４は二酸化炭素に対するＰＡＧ冷凍機油の二層分離温度曲線を示す。本発明の実施形態では、経路ｄのように副熱交換器内でＰＡＧ冷凍機油が分離され、配管３４を経て圧縮機に吸入される。経路eでは蒸発器にて冷媒が飽和温度を経て蒸発し、蒸発器出口付近でスーパーヒートを経て冷媒温度が上昇し、圧縮機で吸入される。その結果、副熱交換器を経ない経路fと比べて可溶な領域を経路とすることが可能となり、蒸発器の伝熱管内壁にＰＡＧ冷凍機油が抽出を回避することができ、伝熱阻害を抑制しつつ熱交換することが可能となる。
【００２５】
本発明の実施の形態では、副熱交換器としての冷媒配管３１の伝熱管長さを３〜５ｍ程度とすることにより、二酸化炭素の冷媒とＰＡＧの冷凍機油とを分離し、蒸発器１４への冷凍機油混入のない冷凍サイクル装置１０を実現することが可能であることを確認している。また、冬期や夏期においても、同様にして分離を促進することが可能である。
【００２６】
また、密閉管３０内を冷媒が通過する際にも、冷媒と冷凍機油との比重差を利用して比重の大きい冷凍機油が密閉管３０の底部に貯留される。このように、密閉管３０内では、冷媒と冷凍機油との比重差によっても分離されるが、本発明の実施の形態では、さらに前述のように放熱器１２からの冷媒によって加熱し、二酸化炭素の気相冷媒からＰＡＧ冷凍機油の分離特性を利用して二酸化炭素冷媒からさらなる分離を促すことができる。    
【００２７】
このようにして、分離されたＰＡＧ冷凍機油３７が、密閉管３０内の底部に貯留される。密閉管３０の底部には仕切り部材３６が設けられ、貯留されたＰＡＧ冷凍機油３７が、蒸発器１４への冷媒供給管である第２冷媒配管３３に入り込まないように堰止めされている。貯留されたＰＡＧ冷凍機油３７はオイル吐出管３４から図１の圧縮機吸入配管１９に
流入する。一方、ＰＡＧの冷凍機油が分離された二酸化炭素のガス冷媒あるいは液冷媒は、第２冷媒配管３３から蒸発器１４に流入する。したがって、第２冷媒配管３３に入る二酸化炭素冷媒中にはＰＡＧ冷凍機油が含まれていないため、蒸発器１４の熱交換器壁面にオイル膜を形成して伝熱性能を阻害するようなことがなく、冷凍サイクル装置１０として高効率の運転が可能となる。
【００２８】
このように、本発明の実施の形態では、密閉管  ３０内の副熱交換器として、膨張機１３より吐出される飽和域の冷媒を放熱器１２より吐出される冷媒で加熱する熱交換器の構成としている。そのため、冷凍サイクル内の内部熱交換方式であるために冷凍サイクルのＣＯＰ（成績係数）を低下させることなく、冷媒と冷凍機油との分離を確実に行うことができる。
【００２９】
図５は本発明の実施の形態における冷凍サイクル装置の、オイルセパレータ２０の他の実施例を示す図である。図２に示すオイルセパレータ２０と同一の構成要素に対しては同一の符号を付与している。図２においては、前述のようにＰＡＧ冷凍機油と分離された冷媒はガス冷媒と液冷媒とを第２冷媒配管３３から蒸発器１４に流入させている。蒸発器１４は液冷媒を蒸発させる機能を有しているため、既にオイルセパレータ２０においてガス化しているガス冷媒は直接圧縮機吸入配管１９に流入させることが可能である。そこで、本実施例では図５に示すように、オイルセパレータ２０で発生したガス冷媒を、オイル配管４２内に吐出させるようにしている。
【００３０】
すなわち、オイルセパレータの密閉管  ３０内で発生したガス冷媒を、密閉管  ３０の上部に開口するガス冷媒配管４１からオイル配管４２の内部に吐出する構成としている。このとき、ガス冷媒配管４１は、上流側ではガス冷媒中の冷凍機油残存量が多いため、密閉管３０の出口側に設けることが望ましい。オイル配管４２内部にはガス冷媒吐出ノズル４３を設け、ガス冷媒がガス冷媒吐出ノズル４３から、オイル配管４２のオイル流れ方向に吐出されるようにしている。したがって、ガス冷媒吐出ノズル４３から吐出されたガス冷媒によって、オイルセパレータの底部に貯留されたＰＡＧ冷凍機油４４をオイル配管４２内に引き込む作用が発生し、貯留されたＰＡＧ冷凍機油を確実に圧縮機吸入配管１９に導入することができる。そのため、分離された冷凍機油が蒸発器へ混入することを確実に防止し、蒸発器の性能低下を確実に防止することが可能となる。したがって、本実施例においては、オイルセパレータ内で二酸化炭素冷媒とＰＡＧ冷凍機油との相溶度の温度依存性を利用して、それらの分離を促進するとともに分離されたＰＡＧ冷凍機油を確実に圧縮機側に送出することができる。
【００３１】
なお、本発明の実施の形態の説明では、冷媒が二酸化炭素、冷凍機油がＰＡＧである場合について説明したが、冷媒と冷凍機油との組合せはこれらに限らず、特に冷媒と冷凍機油との間の相溶度に温度依存性がある組合せなどの有効であり、例えば二酸化炭素とポリオールエステル（ＰＯＥ）との組合せなどでも有効である。
【００３２】
したがって、本発明の冷凍サイクル装置によれば蒸発器に流入する前の冷凍機油と冷媒を確実に分離して、冷凍機油が蒸発器に流入することがないため、蒸発器の伝熱性能を阻害することなく、蒸発器の蒸発性能を向上させることができる。
【００３３】
以上は、オイルセパレータのオイル加熱手段として、副熱交換器を使う場合について説明した。副熱交換器を用いれば、新たな熱源を持ち込む必要が無く、簡単な構成で、冷媒を加熱することができる。しかし、本発明はこれに限定されず、他の方法で冷媒を加熱してもよい。たとえば、オイルセパレータの中に、抵抗加熱ヒーターを持ち込み、電気的に加熱してもよい。
【００３４】
また、本発明は、膨張機を用いた冷凍サイクル装置に対して特に有効であるので、その場合について説明した。しかし、本発明は、膨張機以外の減圧装置、たとえば、膨張弁やキャピラリーチューブを用いた装置においても、減圧装置を通過した後、蒸発器流入前に、冷媒のオイル量を低下させたい場合には有効である。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明の冷凍サイクル装置は、簡単な構成で蒸発器への冷凍機油の流入を防止でき、蒸発性能を低下させることがないため、空気調和装置、給湯機、冷蔵庫などの用途に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施の形態における冷凍サイクル装置の構成図
【図２】同冷凍サイクル装置のオイルセパレータの構成を示す断面図
【図３】冷媒としての二酸化炭素と、冷凍機油としてのＰＡＧとの相溶度を示す図
【図４】冷媒中のオイルの割合（油分率）と、冷媒・冷凍機油温度との相関において、冷媒と冷凍機油の相溶度を示す図
【図５】本発明の実施の形態における冷凍サイクル装置の他のオイルセパレータの構成を示す断面図
【符号の説明】
【００３７】
１０    冷凍サイクル装置
１１    圧縮機
１２    放熱器
１３    膨張機
１４    蒸発器
１５    駆動軸
１６    発電機
１７    電力線
１８    ファン
１９    圧縮機吸入配管
２０    オイルセパレータ
３０    密閉管  
３１    冷媒配管
３２    第１冷媒配管
３３    第２冷媒配管
３４，４２    オイル配管
３５    ミストセパレータ
３６    仕切り部材
３７，４４    ＰＡＧ冷凍機油
４１    ガス冷媒配管
４３    ガス冷媒吐出ノズル
【図１】
2007315638.tif 000003
【図２】
2007315638.tif 000004
【図３】
2007315638.tif 000005
【図４】
2007315638.tif 000006
【図５】
2007315638.tif 000007