(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機(2) 、放熱器(4) 、膨張機(3) 及び蒸発器(5) が順に接続された冷媒回路(C) を備え、該冷媒回路(C) に二酸化炭素が冷媒として充填された冷凍装置であって、
圧縮機(2) から吐出された冷媒に含まれる冷凍機油を流入させる膨張機(3) の出口側と蒸発器(5) の入口側との間に油分離器(6) が接続され、
冷媒回路(C) の冷凍機油は、少なくとも−２０℃以上の温度域で上記冷媒と二相に分離し、かつ、その温度域で密度が上記冷媒よりも大きくなる冷凍機油により構成され、
油分離器(6) が遠心分離式の油分離器(6) により構成され、
油分離器(6) は、縦型円筒状の容器(6a)の周壁に対して接線方向に接続された導入管(6b)と、該容器(6a)の上面に接続された冷媒導出管(6c)と、該容器(6a)の底面に接続された油導出管(6d)とを備え、
油分離器(6) は、冷媒導出管(6c)が容器(6a)の周壁の内面に沿って上下方向に配置され、該冷媒導出管(6c)の下端部が、容器(6a)の高さ方向の中間部に位置して液冷媒中に開口するように構成されていることを特徴とする冷凍装置。
【請求項２】
圧縮機(2) 、放熱器(4) 、膨張機(3) 及び蒸発器(5) が順に接続された冷媒回路(C) を備え、該冷媒回路(C) に二酸化炭素が冷媒として充填された冷凍装置であって、
圧縮機(2) から吐出された冷媒に含まれる冷凍機油を流入させる膨張機(3) の出口側と蒸発器(5) の入口側との間に油分離器(6) が接続され、
冷媒回路(C) の冷凍機油は、少なくとも−２０℃以上の温度域で上記冷媒と二相に分離し、かつ、その温度域で密度が上記冷媒よりも大きくなる冷凍機油により構成され、
油分離器(6) が遠心分離式の油分離器(6) により構成され、
油分離器(6) は、縦型円筒状の容器(6a)の周壁に対して接線方向に接続された導入管(6b)と、該容器(6a)の上面に接続された冷媒導出管(6c)と、該容器(6a)の底面に接続された油導出管(6d)とを備え、
油分離器(6) は、冷媒導出管(6c)が、容器(6a)の上面に接続されたガス冷媒導出管(6c-g)と、容器(6a)の周壁の内面に沿って上下方向に配置されるとともにその下端部が容器(6a)の高さ方向の中間部に位置して液冷媒中に開口する液冷媒導出管(6c-l)とからなり、ガス冷媒導出管(6c-g)と液冷媒導出管(6c-l)とが容器(6a)の外で合流していることを特徴とする冷凍装置。
【請求項３】
圧縮機(2) 、放熱器(4) 、膨張機(3) 及び蒸発器(5) が順に接続された冷媒回路(C) を備え、該冷媒回路(C) に二酸化炭素が冷媒として充填された冷凍装置であって、
圧縮機(2) から吐出された冷媒に含まれる冷凍機油を流入させる膨張機(3) の出口側と蒸発器(5) の入口側との間に油分離器(6) が接続され、
冷媒回路(C) の冷凍機油は、少なくとも−２０℃以上の温度域で上記冷媒と二相に分離し、かつ、その温度域で密度が上記冷媒よりも大きくなる冷凍機油により構成され、
油分離器(6) が遠心分離式の油分離器(6) により構成され、
油分離器(6) は、縦型円筒状の容器(6a)の周壁に対して接線方向に接続された導入管(6b)と、該容器(6a)の上面に接続された冷媒導出管(6c)と、該容器(6a)の底面に接続された油導出管(6d)とを備え、
油分離器(6) は、容器(6a)内に、該容器(6a)の上部を二重構造とするバッフルプレート(6e)を備え、
容器(6a)の上面に冷媒導出管(6c)が接続されるとともに、導入管(6b)が容器(6a)の周壁を貫通してバッフルプレート(6e)に接続されていることを特徴とする冷凍装置。
【請求項４】
油分離器(6) は、バッフルプレート(6e)の上部に、ガス冷媒が流通するガス冷媒流通孔(6e-h)を備えていることを特徴とする請求項３記載の冷凍装置。
【請求項５】
圧縮機(2) 、放熱器(4) 、膨張機(3) 及び蒸発器(5) が順に接続された冷媒回路(C) を備え、該冷媒回路(C) に二酸化炭素が冷媒として充填された冷凍装置であって、
圧縮機(2) から吐出された冷媒に含まれる冷凍機油を流入させる膨張機(3) の出口側と蒸発器(5) の入口側との間に油分離器(6) が接続され、
冷媒回路(C) の冷凍機油は、少なくとも−２０℃以上の温度域で上記冷媒と二相に分離し、かつ、その温度域で密度が上記冷媒よりも大きくなる冷凍機油により構成され、
油分離器(6) が遠心分離式の油分離器(6) により構成され、
油分離器(6) は、縦型円筒状の容器(6a)の周壁に対して接線方向に接続された導入管(6b)と、該容器(6a)の上面に接続された冷媒導出管(6c)と、該容器(6a)の底面に接続された油導出管(6d)とを備え、
油分離器(6) は、冷媒導出管(6c)が容器(6a)内でＵ字状に折り曲げた形状に形成されるとともに、容器(6a)内における該冷媒導出管(6c)の上端部がガス冷媒の入口に形成され、Ｕ字状の導出管の下部に液冷媒の入口孔(6c-h)が形成されていることを特徴とする冷凍装置。
【請求項６】
冷凍機油が、−５０℃以上の温度域で二酸化炭素冷媒と二相に分離するものであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１記載の冷凍装置。
【請求項７】
冷凍機油がポリアルキレングリコールにより構成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１記載の冷凍装置。
【請求項８】
冷凍機油がポリビニルエーテルにより構成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１記載の冷凍装置。
【請求項９】
冷凍機油が鉱油により構成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１記載の冷凍装置。
【請求項１０】
冷凍機油がポリオールエステルにより構成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１記載の冷凍装置。
【請求項１１】
冷凍機油がポリカーボネートにより構成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１記載の冷凍装置。
【請求項１２】
冷凍機油がアルキルベンゼンにより構成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１記載の冷凍装置。
【請求項１３】
圧縮機(2) と膨張機(3) が、一つのケーシング(11)内に設けられて一体化されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１記載の冷凍装置。
【請求項１４】
油分離器(6) が油戻し通路(45c) を介して圧縮機(2) の吸入側に接続されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１記載の冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷凍装置に関し、特に、冷媒の膨張機構として、膨張弁やキャピラリチューブに代えて膨張機が設けられた冷凍装置に係るものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、閉回路内で冷媒を循環させて蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷凍装置が知られており、空調機等として広く利用されている。この種の冷凍装置としては、例えば特開平１０−５４６１７号公報に開示されているように、圧縮機、放熱器、膨張機構及び蒸発器が順に接続された冷媒回路の冷媒として二酸化炭素を用いるとともに、冷凍サイクルの高圧圧力を冷媒の臨界圧力以上に設定したものが知られている。この冷凍装置では、圧縮機において冷媒をその臨界圧力以上にまで圧縮しているため、圧縮機モータの消費電力が嵩み、高いＣＯＰ（成績係数）が得られないという問題がある。
【０００３】
この問題に対しては、特開２００１−１０７８８１号公報に開示されているように、冷凍装置に膨張機を設けるという対策が提案されている。なお、本明細書でいう膨張機は、流体機械の一種としての原動機と同義である。この場合、膨張機は、膨張弁やキャピラリチューブに代えて、冷凍装置における冷媒の膨張機構として設けられる。そして、膨張機において高圧冷媒の内部エネルギを機械的な動力に変換し、得られた動力を圧縮機の駆動に利用することで、圧縮機モータの消費電力を削減している。
【０００４】
上記公報の装置では、圧縮機と膨張機をモータとともに一体のケーシング内に収納することにより、一つの流体機械が構成されている。また、この流体機械においては、駆動軸の一端に油ポンプを設けるとともに、該駆動軸の内部に油通路を設けている。そして、油ポンプにより吸い上げた冷凍機油を、油通路を通して圧縮機と膨張機の摺動部分に供給し、圧縮機及び膨張機を潤滑するようにしている。
【０００５】
上記流体機械の圧縮機は高圧ドーム型圧縮機（油溜まりがケーシング内の高圧側にある圧縮機）であり、この圧縮機では、シリンダ内に供給された油は吐出ガスとともに圧縮機ケーシング内に吐出される。吐出ガス中には油ミストが含まれているが、一部の油ミストはケーシング内やモータ表面に衝突し、凝集して液体となってケーシング壁面を落下して油溜まりに戻る。また、一部の油ミストは吐出ガスとともに圧縮機から吐出され、放熱器に流れていく。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
一方、膨張機に供給された冷凍機油は、膨張機内で冷媒の気液二相流と混合する。仮に冷凍機油と液冷媒との溶解性が高ければ、冷凍機油は液冷媒の中に溶解して膨張機出口から吐出され、蒸発器へ流れて行く。
【０００７】
ここで、上記流体機械において、冷凍機油が蒸発器に流れていく場合の性能への影響を考察する。蒸発温度を１０℃、放熱器出口温度を３７℃、吐出圧力を１０ＭＰａ、圧縮機効率を０．７、膨張機効率を０．６、蒸発器を通過する冷媒に対する油流量比を５％とし、吐出温度を７６℃とする。高圧ドームの場合、圧縮機から膨張機に供給される冷凍機油の温度は圧縮機吐出温度とほぼ等しくなるので７６℃の油が膨張機に供給されることになる。
【０００８】
この冷凍機油は、蒸発器を通過すると、冷媒に熱を与えて蒸発温度１０℃まで冷却される。回収を考えない場合の冷凍効果は、１２５．８ＫＪ／Ｋｇ、回収動力は７ＫＪ／Ｋｇとなる。回収を考えた場合の冷凍効果は、
１２５．８＋７＝１３２．８ＫＪ／Ｋｇとなる。
【０００９】
これに対して、油の比熱を２．１ＫＪ／Ｋｇ℃として、油の冷却に要する熱量を計算すると、
（７６−１０）×２．１×０．０５＝６．９ＫＪ／Ｋｇ
の冷却熱量が必要となり、その分だけ実際の冷凍効果が減少することになる。したがって、冷凍効果の減少する割合は、
６．９／１３２．８＝０．０５２
となり、能力が約５％低下することになる。
【００１０】
このように、膨張機から冷凍機油が流出して蒸発器に流入すると、冷凍機油の顕熱による冷凍能力の低下を招いてしまう。このことは、一体型の流体機械に限らず、圧縮機と膨張機を別体にした場合でも、程度の差はあっても起こりうる問題である。本発明は、このような問題点に鑑みて創案されたものであり、その目的とするところは、冷凍サイクルの膨張機構として膨張機が設けられた冷凍装置において、蒸発器への油の流入を防止し、それによって冷凍能力の低下も防止することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、膨張機(3) の出口側で冷凍機油を冷媒から分離して蒸発器(5) へ流入しないようにしたものである。
【００１２】
第１から第１２の解決手段では、冷媒として二酸化炭素を用いるとともに所定の温度域で二酸化炭素と分離する冷凍機油を用いて、膨張機(3) の出口側で冷凍機油を冷媒から分離するようにしており、第１３及び第１４の解決手段では、上記各解決手段を構造面から特定している。
【００１３】
具体的に、第１の解決手段は、圧縮機(2) 、放熱器(4) 、膨張機(3) 及び蒸発器(5) が順に接続された冷媒回路(C) を備え、該冷媒回路(C) に二酸化炭素が冷媒として充填された冷凍装置を前提としている。そして、この冷凍装置は、圧縮機(2) から吐出された冷媒に含まれる冷凍機油を流入させる膨張機(3) の出口側と蒸発器(5) の入口側との間に油分離器(6) が接続されるとともに、冷媒回路(C) の冷凍機油が、少なくとも−２０℃以上の温度域で上記冷媒と二相に分離し、かつ、その温度域で密度が上記冷媒よりも大きくなる冷凍機油により構成されている。通常の空調機などに用いられる冷凍装置では、蒸発温度の最下限が−２０℃程度に設定されている。少なくとも−２０℃以上の温度域で二相分離すれば、後述の油分離が可能となる。
【００１４】
また、第１の解決手段は、油分離器(6) が遠心分離式の油分離器(6) により構成され、油分離器(6) が、縦型円筒状の容器(6a)の周壁に対して接線方向に接続された導入管(6b)と、該容器(6a)の上面に接続された冷媒導出管(6c)と、該容器(6a)の底面に接続された油導出管(6d)とを備えている。
【００１５】
この構成においては、膨張機(3) から気液二相の冷媒が油分離器(6) に流入すると、油分離器(6) 内で旋回流が生じることにより冷凍機油と冷媒とが分離される。冷凍機油は、冷媒よりも重いので容器(6a)の下に溜まり、油導出管(6d)から排出される。一方、液冷媒はガス冷媒の旋回に伴い、該ガス冷媒に巻き込まれて、ガス冷媒とともに冷媒導出管(6c)から流出する。したがって、蒸発器(5) へは冷媒のみが流れ、冷凍機油は蒸発器(5) へは流れない。
【００１６】
以上の構成と作用は、第２〜第５の解決手段でも共通している。
【００１７】
そして、第１の解決手段では、油分離器(6) の冷媒導出管(6c)が容器(6a)の周壁の内面に沿って上下方向に配置され、該冷媒導出管(6c)の下端部が、容器(6a)の高さ方向の中間部に位置して液冷媒中に開口するように構成されている。
【００１８】
この構成においては、蒸発器(5) への冷媒導出管(6c)を油分離器(6) の内壁に接して設け、下端が液冷媒の中に開口するようにしているので、蒸発器(5) へ冷凍機油を流さずに、冷媒のみを供給することができる。つまり、膨張機(3) から油分離器(6) へ流入した冷媒から冷凍機油を分離した後に、油リッチ液をガス冷媒により巻き込まずに、蒸発器(5) へ液冷媒を供給することができる。
【００１９】
また、第２の解決手段では、油分離器(6) の冷媒導出管(6c)が、容器(6a)の上面に接続されたガス冷媒導出管(6c-g)と、容器(6a)の周壁の内面に沿って上下方向に配置されるとともにその下端部が容器(6a)の高さ方向の中間部に位置して液冷媒中に開口する液冷媒導出管(6c-l)とからなり、ガス冷媒導出管(6c-g)と液冷媒導出管(6c-l)とが容器(6a)の外で合流している。
【００２０】
このように、液冷媒とガス冷媒とを別々に流すようにすると、油リッチ液が不必要にガス冷媒に巻き込まれてしまうのを抑えて、油の分離効率を上げることができる。
【００２１】
また、第３の解決手段では、油分離器(6) が容器(6a)内に該容器(6a)の上部を二重構造とするバッフルプレート(6e)を備え、容器(6a)の上面に冷媒導出管(6c)が接続されるとともに、導入管(6b)が容器(6a)の周壁を貫通してバッフルプレート(6e)に接続されていることを特徴としている。
【００２２】
この場合、油分離器(6) の内部に気液二相冷媒が導入されると、内壁の全周に冷媒導出管(6c)を設けるのと同じ効果を得ることができる。つまり、冷媒リッチ液が、容器(6a)とバッフルプレート(6e)との間の隙間を通って流出する。
【００２３】
また、第４の解決手段では、油分離器(6) が、バッフルプレート(6e)の上部に、ガス冷媒の流通するガス冷媒流通孔(6e-h)を備えている。
【００２４】
この構成においては、ガス冷媒と液冷媒の通路が別に確保される。バッフルプレート(6e)に孔を設けない場合は、容器(6a)とバッフルプレート(6e)の隙間からガス冷媒が液冷媒を巻き込むときに油リッチ液まで巻き込むおそれがあるのにして、油の分離効率を上げることができる。したがって、油が蒸発器(5) に流れてしまうのを確実に防止できる。
【００２５】
また、第５の解決手段では、油分離器(6) の冷媒導出管(6c)が容器(6a)内でＵ字状に折り曲げた形状に形成されるとともに、容器(6a)内における該冷媒導出管(6c)の上端部がガス冷媒の入口に形成され、Ｕ字状の導出管の下部に液冷媒の入口孔(6c-h)が形成されている。
【００２６】
このようにすると、ガス冷媒が導出管内を流れて油分離器(6) から流出する際に、液冷媒の入口孔(6c-h)から冷媒導出管(6c)の内部に液冷媒が流入し、液冷媒が蒸発器(5) に供給される。
【００２７】
また、第６の解決手段は、より好ましい温度域を特定したものであり、具体的には、上記第１から第５の解決手段において、冷凍機油が、−５０℃以上の温度域で二酸化炭素冷媒と二相に分離するものであることを特徴としている。ショーケースや冷凍庫などに用いられる冷凍装置においては、蒸発温度の最下限が−５０℃程度に設定されている。−５０℃以上の温度域で二相分離すれば、同じく油分離が可能である。
【００２８】
また、本発明が講じた第７から第１２の解決手段は、冷凍機油を具体的に特定したものである。このうち、第７の解決手段は、上記第１から第５の解決手段において、冷凍機油がポリアルキレングリコール（ＰＡＧ）により構成されていることを特徴としている。このＰＡＧは、上記第６の解決手段の構成要件である、−５０℃以上の温度域で冷媒と二相に分離する特性を備えている。
【００２９】
また、第８の解決手段は、上記第１から第５の解決手段において、冷凍機油がポリビニルエーテル（ＰＶＥ）により構成されていることを特徴としている。
【００３０】
また、第９の解決手段は、上記第１から第５の解決手段において、冷凍機油が鉱油により構成されていることを特徴としている。
【００３１】
また、第１０の解決手段は、上記第１から第５の解決手段において、冷凍機油がポリオールエステル（ＰＯＥ）により構成されていることを特徴としている。
【００３２】
また、第１１の解決手段は、上記第１から第５の解決手段において、冷凍機油がポリカーボネート（ＰＣ）により構成されていることを特徴としている。
【００３３】
また、第１２の解決手段は、上記第１から第５の解決手段において、冷凍機油がアルキルベンゼン（ＡＢ）により構成されていることを特徴としている。
【００３４】
上記第１の解決手段及び第６から第１２の解決手段においては、二酸化炭素を冷媒とする冷媒回路(C) の冷凍機油として、少なくとも−２０℃以上の温度域で上記冷媒と二相に分離し、かつ、その温度域で密度が該冷媒よりも大きくなるものを用いているので、膨張機(3) の出口側に接続された油分離器(6) において、冷凍機油は冷媒から分離し、冷媒の下方に溜まる。したがって、冷凍機油は、油分離器(6) の下端部から抜き出して、蒸発器(5) へ流さずに圧縮機(2) へ戻すことができる。特に−５０℃以上で二酸化炭素冷媒と分離するＰＡＧなどの冷凍機油を用いると、蒸発温度がさらに低い冷凍装置においても、膨張機(3) の出口側で冷媒と冷凍機油を確実に分離して、蒸発器(5) への油の流入を阻止できる。
【００３５】
また、第１３の解決手段は、上記第１から第５のいずれか１の解決手段において、圧縮機(2) と膨張機(3) が、一つのケーシング(11)内に設けられて一体化されていることを特徴としている。
【００３６】
また、第１４の解決手段は、上記第１から第５のいずれか１の解決手段において、油分離器(6) が油戻し通路(45c) を介して圧縮機(2) の吸入側に接続されていることを特徴としている。この第１４の解決手段においては、油分離器(6) で冷媒から分離された冷凍機油は、油戻し通路(45c) を通り、圧縮機(2) の吸入側に戻る。したがって、膨張機(3) から流出した冷凍機油が蒸発器(5) に流入することはない。
【００３７】
【発明の効果】
上記第１から第１２の解決手段によれば、二酸化炭素を冷媒とする冷媒回路(C) における膨張機(3) の出口側に油分離器(6) を設けるとともに、使用する冷凍機油を特定したことによって、油分離器(6) において冷媒から分離した冷凍機油が膨張機(3) から蒸発器(5) に流入するのを防止できる。したがって、冷凍能力の低下も防止できる。
【００３８】
特に、上記第１から第５の解決手段によれば、遠心分離式の油分離器(6) を用いることにより、構成を複雑にせずに、冷媒と冷凍機油を確実に分離して冷媒のみを蒸発器(5) に供給することができるので、冷凍能力の低下を確実に防止できる。
【００３９】
また、上記第６の解決手段によれば、温度域をより好ましい範囲に限定しているので、冷凍機油が膨張機(3) から蒸発器(5) に流入するのをより確実に防止でき、冷凍能力の低下も防止できる。
【００４０】
また、上記第１３の解決手段によれば、圧縮機(2) と膨張機(3) が、一つのケーシング(11)内に設けられて一体化されているので、装置のコンパクト化を図ることができる。
【００４１】
また、上記第１４の解決手段によれば、油分離器(6) からの油戻し通路(45c) を圧縮機(2) の吸入側に接続して、油分離器(6) で冷媒から分離された冷凍機油が油戻し通路(45c) を通って圧縮機(2) の吸入側に戻るようにしており、膨張機(3) から冷媒とともに流出した冷凍機油は蒸発器(5) に流入しない。したがって、膨張機(3) から蒸発器(5) への冷凍機油の流入と冷凍能力の低下を確実に防止できる。
【００４２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態１を図面に基づいて詳細に説明する。
【００４３】
本実施形態に係る冷凍装置は、例えば室内の冷房を行う空気調和装置(1) として構成されている。図１に示すように、この空気調和装置(1) は、冷媒回路(C) を備えている。上記冷媒回路(C) は、圧縮機(2) と、ガスクーラである放熱器(4) と、膨張機構としての膨張機(3) と、蒸発器(5) とを順に配管接続して構成された閉回路である。この冷媒回路(C) には、冷媒としてＣＯ２ （二酸化炭素）が充填されている。
【００４４】
上記冷媒回路(C) では、冷媒が循環して冷凍サイクルが行われる。上記圧縮機(2) は、吸入した冷媒を、該冷媒の臨界圧力よりも高い圧力、すなわち超臨界圧にまで圧縮する。したがって、冷媒回路(C) で行われる冷凍サイクルは、高圧圧力が冷媒の超臨界圧に設定された超臨界圧サイクルとなる。また、圧縮機(2) から吐出された冷媒は、放熱器(4) で冷却され、膨張機(3) で膨張し、蒸発器(5) で蒸発した後、圧縮機(2) に戻って再度圧縮される行程を１サイクルとして、各行程の動作を繰り返す。
【００４５】
上記放熱器(4) は、第１空気通路(P1)の途中に設けられている。第１空気通路(P1)の入口端は、室外に開口している。また、第１空気通路(P1)の入口側には、第１ファン(F1)が設けられている。この第１ファン(F1)を運転すると、第１空気通路(P1)では、入口端から取り込まれた室外空気が第１空気として放熱器(4) へ送り込まれる。この第１空気は、被加熱空気を構成している。一方、第１空気通路(P1)の出口端は、室外に開口している。第１空気通路(P1)の出口端からは、放熱器(4) において冷媒から吸熱した第１空気が室外に吹き出される。
【００４６】
放熱器(4) においては、冷媒回路(C) を循環する冷媒と、第１空気通路(P1)を通じて送られる第１空気とが熱交換する。この放熱器(4) での熱交換により、冷媒回路(C) の冷媒が第１空気へ放熱して冷却される。この放熱器(4) は、例えばクロスフィン型の熱交換器によって構成されている。
【００４７】
上記蒸発器(5) は、第２空気通路(P2)の途中に設けられている。第２空気通路(P2)の入口端は、室内に開口している。また、第２空気通路(P2)の入口側には、第２ファン(F2)が設けられている。この第２ファン(F2)を運転すると、第２空気通路(P2)では、入口端から取り込まれた室内空気が第２空気として蒸発器(5) へ送り込まれる。この第２空気は、被冷却空気を構成している。一方、第２空気通路(P2)の出口端は、室内に開口している。第２空気通路(P2)の出口端からは、蒸発器(5) において冷却された第２空気が室内に吹き出される。
【００４８】
蒸発器(5) においては、冷媒回路(C) を循環する冷媒と、第２空気通路(P2)を通じて送られる第２空気とが熱交換する。この蒸発器(5) での熱交換により、冷媒回路(C) の冷媒が第２空気から吸熱して蒸発する。この蒸発器(5) は、例えばクロスフィン型の熱交換器によって構成されている。
【００４９】
上記圧縮機(2) と膨張機(3) は、一つのケーシング(11)内に設けられ、一つの流体機械(10)を構成している。図２に示すように、この流体機械(10)は、冷媒の圧縮を行う圧縮機(2) としての圧縮機構部(20)と、冷媒の膨張を行う膨張機(3) としての膨張機構部(30)とを備えている。
【００５０】
上記流体機械(10)の圧縮機構部(20)は、ケーシング(11)内の下部に配置され、膨張機構部(30)は、ケーシング(11)内の上部に配置されている。上記ケーシング(11)内の中央部には、モータ(50)が配置されている。該モータ(50)は、ケーシング(11)に固定されたステータ(51)と、該ステータ(51)の内側に配置されたロータ(52)とを備えている。
【００５１】
該ロータ(52)には駆動軸(60)が貫通している。該駆動軸(60)は、下端部が圧縮機構部(20)に連結され、上端部が膨張機構部(30)に連結されている。このため、本実施形態の流体機械(10)は、膨張機構部(30)の冷媒膨張による回転動力が圧縮機構部(20)の圧縮動力に回収されるように構成されている。
【００５２】
上記圧縮機構部(20)は、いわゆるスイング型ロータリ圧縮機に構成されている。該圧縮機構部(20)は、シリンダ(21)と、該シリンダ(21)のシリンダ室(22)に収納されたピストン(23)と、上記シリンダ室(22)の上面を閉鎖するフロントヘッド(24)と、上記シリンダ室(22)の下面を閉鎖するリアヘッド(25)とを備えている。そして、上記駆動軸(60)の下端部は、フロントヘッド(24)からシリンダ(21)を経てリアヘッド(25)に貫通している。
【００５３】
上記ピストン(23)は、円環状に形成され、偏心軸部(61)に回転自在に嵌め込まれている。該偏心軸部(61)は、駆動軸(60)の下部に形成され、該駆動軸(60)の軸心より偏心している。
【００５４】
上記ピストン(23)には、図示しないが、ブレードが一体に形成されている。該ブレードは、ブッシュを介してシリンダ(21)に挿入されている。そして、上記ピストン(23)はブッシュを支点に揺動し、シリンダ室(22)における容積を減少させて冷媒を圧縮する。
【００５５】
上記シリンダ(21)には冷媒の吸込み口(2a)が形成されている。また、上記フロントヘッド(24)には冷媒の吐出口(2b)が形成されている。該フロントヘッド(24)には吐出口(2b)を開閉する吐出弁(26a)と弁押さえ(26b)が設けられている。
【００５６】
一方、上記膨張機構部(30)は、スクロール型膨張機に構成されている。該膨張機構部(30)は、固定スクロール(31)と可動スクロール(32)とフレーム(33)とを備えている。該フレーム(33)はケーシング(11)に固定されている。該フレーム(33)は、ケーシング(11)の内部空間を上下に区画するとともに、その上下の空間を断熱している。
【００５７】
上記固定スクロール(31)は、鏡板(3a)と、該鏡板(3a)の下面に形成された渦巻状（インボリュート状）のラップ(3b)とより構成されている。上記可動スクロール(32)は、鏡板(3c)と、該鏡板(3c)の上面に形成された渦巻状（インボリュート状）のラップ(3d)とより構成されている。
【００５８】
上記固定スクロール(31)の鏡板(3a)は、ケーシング(11)に固定されている。該鏡板(3a)は、ケーシング(11)の内部空間におけるフレーム(33)の上方を上下に区画している。
【００５９】
上記固定スクロール(31)のラップ(3b)と可動スクロール(32)のラップ(3d)とは互いに噛合している。そして、上記固定スクロール(31)の鏡板(3a)と可動スクロール(32)の鏡板(3c)との間には、両ラップ(3b，3d)の接触部の間に、膨張室である作動室(3e)が形成されている。
【００６０】
上記固定スクロール(31)の鏡板(3a)の中央部には冷媒の吸込み口(3f)が形成されている。また、上記両ラップ(3b,3d) の外周側には冷媒の吐出口(3g)が形成されている。
【００６１】
上記可動スクロール(32)の鏡板(3c)は、フレーム(33)の上面に形成された環状のスラスト軸受け(34)に設置されている。また、上記可動スクロール(32)の鏡板(3c)とフレーム(33)との間には、該可動スクロール(32)が固定スクロール(31)に対して公転のみ行うようにオルダム機構などの自転阻止部材(35)が設けられている。
【００６２】
上記可動スクロール(32)の中央部には駆動軸(60)の連結孔(36)が形成されている。具体的に、上記可動スクロール(32)の鏡板(3c)の上面中央部には、筒状のボス部(37)が上方に突出して形成されている。該ボス部(37)のボス孔と同径の開口が鏡板(3c)の中央部に形成されている。このボス孔と開口とが駆動軸(60)の連結孔(36)を形成している。なお、上記ボス部(37)は、ラップ(3d)の高さとほぼ同じに形成されている。
【００６３】
上記駆動軸(60)の上端部には、フレーム(33)を貫通し、駆動軸(60)の軸心より偏心した小径の偏心軸部(62)が形成されている。該偏心軸部(62)が可動スクロール(32)の連結孔(36)に嵌め合わされている。
【００６４】
上記駆動軸(60)には、中心軸に沿って給油孔(63)が形成されている。この給油孔(63)は、油導入溝(63a,63b) を介して圧縮機構部(20)及び膨張機構部(30)の摺動部に連通している。そして、駆動軸(60)の下端部は、図では詳細は示していないが遠心式の油ポンプ(64)に構成されている。給油孔(63)と油ポンプ(64)により、給油手段が構成されている。
【００６５】
上記膨張機構部(30)の吐出口(3g)には、蒸発器(5) が冷媒配管(43)を介して接続されている。一方、上記圧縮機構部(20)の吸込み口(2a)には、蒸発器(4) が冷媒配管(43)を介して接続されている。なお、上記圧縮機構部(20)の吸込み側の冷媒配管(43)には、図１では省略しているがアキュムレータ(44)が設けられている。
【００６６】
上記ケーシング(11)内において、フレーム(33)の下方空間(12)は、圧縮機構部(20)の吐出冷媒が吐出され、高圧雰囲気となる。そして、上記ケーシング(11)の側部には冷媒配管(43)が接続され、該冷媒配管(43)が放熱器(4) に接続されている。つまり、上記圧縮機構部(20)の吐出冷媒が放熱器(4) に供給される。
【００６７】
また、上記ケーシング(11)の上部には、放熱器(4) が冷媒配管(43)を介して接続されている。そして、上記ケーシング(11)内において、固定スクロール(31)の鏡板(3a)の上方の最上部空間(13)には、放熱器(4) からの冷媒が冷媒配管(43)を経て導入される。つまり、上記放熱器(4) からの冷媒が膨張機構部(30)の作動室(3e)に導入される。
【００６８】
図１に示すように、この冷凍装置(1) における膨張機(3) の出口側には、油分離器(6) が接続されている。この油分離器(6) には、遠心分離式の油分離器が用いられており、膨張機(3) から流出した冷媒は、該油分離器(6) で冷凍機油が分離されて蒸発器(5) に流れる一方、冷凍機油は、圧縮機(2) に吸入される。
【００６９】
具体的に、油分離器(6) は、図３に示すように、円筒状の容器(6a)と、この容器(6a)の上部において周壁面の接線方向に沿うように接続された導入管(6b)と、容器(6a)の上面において上下方向沿いに配置された冷媒導出管(6c)と、容器(6a)の底面に設けられた油導出管(6d)とを有している。そして、導入管(6b)に膨張機(3) からの冷媒配管(45a) が接続され、冷媒導出管(6c)に蒸発器(5) への冷媒配管(45b) が接続され、油導出管(6d)に圧縮機(2) への油戻し管(45c) が接続されている。この油戻し管(45c) は、圧縮機(2) の吸入側の冷媒配管(43)において、アキュムレータ(44)の上方部分に接続されている。
【００７０】
油分離器(6) は、膨張機(3) から流入してくる冷媒と油を分離した後に、蒸発器(5) へ冷媒を送らなければならない。油分離器(6) 内では、後述するように冷媒と油との密度の差により、両者が分離される。油分離を首尾よく行うには、油リッチ液をガス冷媒により巻き上げないようにする必要がある。このため、上記油分離器(6) では、蒸発器(5) への冷媒導出管(6c)を油分離器(6) の内壁に接して設け、下端が冷媒リッチ液の中に開口するようにしている。これにより、液冷媒とガス冷媒を蒸発器(5) に供給することができる。
【００７１】
この実施形態では、冷媒としてＣＯ２ が用いられている一方、冷凍機油には、ポリアルキレングリコール（ＰＡＧ）が用いられている。ＰＡＧは、少なくとも−２０℃以上の温度域で上記冷媒と二相に分離し、種類によっては、−５０℃以上の温度域において冷媒と二相に分離する特性を有している。また、ＰＡＧは、−５０℃から−１７℃以上の温度域で密度が上記冷媒よりも大きくなるものであり、上記二相分離の温度域で、概ね密度が冷媒よりも大きくなる。つまり、従来の一般的な冷媒と冷凍機油の関係においては冷媒よりも冷凍機油が軽いのに対して、本実施形態では所定の温度域で冷媒と冷凍機油の密度が逆転するような冷凍機油を用いている。
【００７２】
図４のグラフは、ＣＯ２ とＰＡＧの溶解特性を示しており、縦軸がＣＯ２ の二相分離温度、横軸が油分率である。このグラフでは、線分よりも下側では冷媒と油が溶解する一方、線分よりも上側では冷媒と油が分離することを示している。例えば、油分率が３０％の油リッチな液を得るためには、ＰＡＧ＃７の場合は約０℃、ＰＡＧ＃９の場合はマイナス３０℃程度にすればよいことがわかる。また、ＰＡＧ＃２０などでは、−５０℃程度でもよい。そして、このような温度域において、油分離器(6) では冷媒リッチ液と油リッチ液とが分離される（図３）。
【００７３】
−運転動作−
次に、上述した冷凍装置(1) の動作について説明する。
【００７４】
先ず、流体機械(10)においてモータ(50)を駆動すると、圧縮機構部(20)におけるピストン(23)がシリンダ室(22)内を揺動し、蒸発器(5) からの冷媒を吸込み、該冷媒を圧縮する。この圧縮された冷媒はケーシング(11)内に吐出される。上記圧縮冷媒は、放熱器(4) に流れ、外気に放熱して冷却される。
【００７５】
冷却された冷媒は、その後、膨張機構部(30)に導入される。つまり、上記モータ(50)の駆動によって可動スクロール(32)が固定スクロール(31)に対して公転し、作動室(3e)が膨張作用を行う。上記冷却冷媒は、ケーシング(11)の最上部空間(13)から膨張機構部(30)の作動室(3e)に流入し、膨張する。そして、膨張した冷媒は、蒸発器(5) に流れ、室内空気を冷却して蒸発する。
【００７６】
以上の動作を行う際に、駆動軸(60)の回転によって冷凍機油が圧縮機構部(20)と膨張機構部(30)の摺動部に供給される。膨張機構部(30)から流出した冷媒に含まれる冷凍機油は、油分離器(6) において冷媒から分離される。ＰＡＧは、種類によって若干異なるものの、密度が比較的大きく、マイナス５０℃からマイナス１７℃以上の温度域では密度が上記冷媒よりも大きくなる。したがって、冷媒と冷凍機油を二相に分離した後に冷凍機油が油分離器(6) の容器(6a)内で下部に溜まるような設定にしておくと、冷凍機油は油戻し管(45c) を通って圧縮機(2) に戻り、蒸発器(5) には流入しない。このため、蒸発器(5) において冷凍機油が冷媒に熱を与えないため、冷凍能力の低下を防止できる。
【００７７】
−実施形態の効果−
このように、本実施形態によれば、膨張機(3) の出口側に油分離器(6) を設けるとともに、冷凍機油にＰＡＧを用い、油分離器(6) において冷媒から分離した冷凍機油を、油分離器(6) の下端部に接続された油戻し管(45c) から圧縮機(2) に戻すようにしているので、圧縮機(2) で温度の高くなった冷凍機油が膨張機(3) から蒸発器(5) に流入するのを防止でき、冷凍能力の低下も防止できる。
【００７８】
つまり、通常は冷媒よりも冷凍機油が軽いために、膨張機(3) の出口側に油分離器(6) を設けても液冷媒の上に冷凍機油が浮く状態になって冷凍機油だけを抜き出すことはできないが、本実施形態では膨張機(3) の出口側でＣＯ２ 冷媒に対して密度の大きくなる冷凍機油としてＰＡＧを採用したことにより、冷媒と冷凍機油を分離することが可能となる。そして、このようにしたことによって、蒸発器(5) に冷凍機油が流入することによる能力の低下も防止することが可能となる。
【００７９】
また、上記実施形態では、フレーム(33)が、ケーシング(11)内で圧縮機構部(20)と膨張機構部(30)とを断熱しているため、圧縮機構部(20)の熱が、膨張機構部(30)の下流側にある油分離器(6) に伝達されにくく、該フレーム(33)が圧縮機(2) のケーシング(11)と油分離器(6) との間を断熱する断熱手段として作用している。
【００８０】
したがって、圧縮機構部(20)のケーシング(11)は、ほぼ吐出温度に近い高温となるのに対して、膨張機構部(30)や油分離器(6) は蒸発温度に近い低温になるが、上記断熱手段としてのフレーム(33)によって、高温部から低温部への熱移動が生じるのを防止できる。したがって、冷凍装置の効率が低下するのを防止できる。
【００８１】
−実施形態の変形例−
（変形例１）
上記実施形態では、冷媒としてＣＯ２ を用いる一方で、冷凍機油にはＰＡＧを用いているが、冷媒回路(C) の冷凍機油は、少なくとも−２０℃以上の温度域で上記冷媒と二相に分離し、かつ、−２０℃以上の温度域で密度が冷媒よりも大きくなる冷凍機油であれば、ＰＡＧ以外のものを用いてもよい。
【００８２】
例えば、冷凍機油には、ポリビニルエーテル（ＰＶＥ）、ポリオールエステル（高安定ポリオールエステル（ＨＳ−ＰＯＥ））、またはポリカーボネート（ＰＣ）などを用いてもよい。これらの冷凍機油は、図５に示すように、−２０℃以上（ないしマイナス１０℃以上）の温度域でＣＯ２ と二相に分離する特性を有しているため、蒸発温度を適宜設定しておくことにより、上記実施形態とほぼ同様の効果を奏することができる。
【００８３】
また、冷凍機油には、鉱油またはアルキルベンゼン（ＡＢ）を用いてもよい。これらの冷凍機油は、全温度域でＣＯ２ 冷媒に溶解しないため、同様に実施形態とほぼ同等の効果を奏することができる。
【００８４】
（変形例２）
図６は、油分離器(6) の第１の変形例を示している。この油分離器(6) は、容器(6a)の周壁の内面に沿って上方へのびる液冷媒導出管(6c-l)と、容器(6a)の上面に接続されたガス冷媒導出管(6c-g)とを設け、両導出管(6c-l,6c-g) を容器(6a)の外で合流させるようにしたものである。その他の部分は、図３に示した油分離器(6) と同様に構成されている。
【００８５】
このように、液冷媒とガス冷媒とを別々に流すようにすると、油リッチ液が不必要にガス冷媒に巻き上げられてしまうことがないので、油の分離効率を上げることができる。このため、油が蒸発器(5) に流れてしまうのを確実に防止できるので、効率の低下をより確実に抑えられる。
【００８６】
（変形例３）
図７は、図３の油分離器(6) において、冷媒導出管(6c)を容器(6a)の上面に接続したものである。その他の部分については、図３の例と同様である。
【００８７】
この構成においては、膨張機(3) から気液二相の冷媒が油分離器(6) に流入すると、油分離器(6) 内で旋回流が生じることにより冷凍機油と冷媒とが分離され、冷凍機油の方が冷媒よりも重いので容器(6a)の下に溜まり、油導出管(6d)から排出される。一方、液冷媒はガス冷媒の旋回に伴い、該ガス冷媒に巻き込まれてガス冷媒とともに冷媒導出管(6c)から流出する。したがって、簡単な構成でありながら、油が蒸発器(5) に流れてしまうのを防止でき、効率の低下を防止できる。
【００８８】
（変形例４）
図８は、油分離器(6) の第３の変形例を示している。この油分離器(6) は、容器(6a)の内部にバッフルプレート(6e)を設けて容器(6a)の上部を二重構造にしたものである。また、導入管(6b)はバッフルプレート(6e)に接続され、容器(6a)を貫通している。導入管(6b)は、バッフルプレート(6e)の接線方向に沿って配置され、油分離器(6) は遠心分離式に構成されている。また、冷媒導出管(6c)は、容器(6a)の上面の中央部に接続されている。油導出管(6d)は、図３の例と同様に、容器(6a)の底面の中央部に接続されている。
【００８９】
この例の場合、油分離器(6) の内部に冷媒が導入されると、容器(6a)の内壁の全周に冷媒導出管(6c)を設けるのと同じ効果を得ることができる。つまり、冷媒リッチ液は、ガス冷媒に巻き込まれて容器(6a)とバッフルプレート(6e)との間の隙間の全体を通って流出し、油リッチ液は油導出管(6d)から排出される。
【００９０】
（変形例５）
図９は、図８の油分離器(6) において、バッフルプレート(6e)の上部にガス冷媒流通孔(6e-h)を形成し、ガス冷媒がこの流通孔(6e-h)から流出するようにしたものである。つまり、図８とほぼ同様の構成において、ガス冷媒と液冷媒の通路を別に確保するようにしたものである。バッフルプレート(6e)に流通孔(6e-h)を設けない場合は、容器(6a)とバッフルプレート(6e)の隙間からガスとともに液冷媒を巻き込むときに油リッチ液まで巻き込むおそれがあるのに対して、油の分離効率を上げることができる。したがって、油が蒸発器(5) に流れてしまうのを確実に防止できるので、効率の低下をより確実に抑えられる。
【００９１】
（変形例６）
図１０は、冷媒導出管(6c)を容器(6a)内で「Ｕ」字状に折り曲げた形状としてガス入口を容器(6a)の上部に配置するとともに、冷媒導出管(6c)の下部に液冷媒入口孔(6c-h)を形成してそこから液が流入するようにしたものである。このようにすると、冷媒導出管(6c)からガス冷媒が流出するときに、液冷媒が上記入口孔(6c-h)から管内部に吸入され、ガス冷媒とともに蒸発器(5) へ流出する。この入口孔(6c-h)の孔径は、冷媒の乾き度に合わせて、ガスと液がそれぞれ適量流れるように設計するとよい。
【００９２】
この場合でも、冷凍機油は圧縮機(2) の吸入側に戻り、蒸発器(5) には流れないので、効率の低下を防止できる。
【００９３】
【発明のその他の実施の形態】
本発明は、上記実施形態について、以下のような構成としてもよい。
【００９４】
例えば、上記実施形態では、圧縮機(2) と膨張機(3) とが一体になった流体機械(10)を用いる場合について説明したが、これらの実施形態では、圧縮機(2) と膨張機(3) は必ずしも一体にしなくてもよい。
【００９５】
また、実施形態においては遠心分離式の油分離器(6) を用いるものとしているが、他の方式の油分離器(6) を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態１に係る冷凍装置の冷媒回路図である。
【図２】  図１の冷凍装置に用いられている流体機械の断面図である。
【図３】  図１の冷凍装置に用いられている油分離器の構造図である。
【図４】  ＣＯ２ 冷媒と冷凍機油の溶解特性を示す第１のグラフである。
【図５】  ＣＯ２ 冷媒と冷凍機油の溶解特性を示す第２のグラフである。
【図６】  油分離器の第１の変形例を示す構造図である。
【図７】  油分離器の第２の変形例を示す構造図である。
【図８】  油分離器の第３の変形例を示す構造図である。
【図９】  油分離器の第４の変形例を示す構造図である。
【図１０】  油分離器の第５の変形例を示す構造図である。
【符号の説明】
(1)   空気調和装置
(2)   圧縮機
(3)   膨張機
(4)   放熱器
(5)   蒸発器
(6)   油分離器
(6a)  容器
(6b)  導入管
(6c)  冷媒導出管
(6d)  油導出管
(6f)  分離膜
(10)  流体機械
(11)  ケーシング
(20)  圧縮機構部
(21)  シリンダ
(23)  ピストン
(30)  膨張機構部
(31)  固定スクロール
(32)  可動スクロール
(33)  フレーム
(50)  モータ
(60)  駆動軸
(63)  給油孔（給油手段）
(64)  油ポンプ（給油手段）
(C)   冷媒回路
【図１】
0004114337.tif 000002
【図２】
0004114337.tif 000003
【図３】
0004114337.tif 000004
【図４】
0004114337.tif 000005
【図５】
0004114337.tif 000006
【図６】
0004114337.tif 000007
【図７】
0004114337.tif 000008
【図８】
0004114337.tif 000009
【図９】
0004114337.tif 000010
【図１０】
0004114337.tif 000011