JP2007107771A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】除霜運転時に潤滑油を蒸発器に混入させないことで蒸発器の伝熱性能を落とすことがなく、サイクル効率を低下させない冷凍サイクル装置を提供すること。
【解決手段】暖房運転を行っているときに、大気の温度が下がってくると蒸発器１９を流れる冷媒の温度も低下させないと、大気から熱を奪えなくなる。そして、大気の温湿度条件により蒸発器１９は着霜を始める。そこでサーミスタ温度計２６で計測している冷媒の温度が所定値、例えば０℃以下を制御装置２５が検知すると、絞り装置２２を制御して第１オイル流路１２に潤滑油を流さず、流量調整弁２３を全開にして第２オイル流路１３に潤滑油を流す。そして潤滑油は、オイル冷媒熱交換器２４に流れ、冷媒と熱交換して、冷媒温度を上げる。その結果、蒸発器１９内には潤滑油が付着することがなく、冷凍サイクル装置１０の効率を低下させることはない。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍サイクル装置に関し、特に暖房運転を行いながら除霜運転を行う冷凍サイクル装置に関する。

大気を熱源とする冷凍サイクル装置は、大気が氷点近傍となり蒸発器での冷媒温度を氷点下となる条件で運転すると、大気中の水分が蒸発器表面で結露するとともに氷結して着霜する場合がある。蒸発器表面が着霜すると大気からの伝熱量が低下するため、その蒸発器で集熱が不十分となり、放熱器での放熱量も小となる。例えば、この冷凍サイクル装置が暖房運転を行う空気調和装置であれば、室外機である蒸発器が着霜すると、室内機である放熱器から温風が出にくくなる。

そこで従来の冷凍サイクル装置では、圧縮機を出た冷媒の流れを変えて蒸発器の除霜を行っていた（例えば、特許文献１参照）。図５は、特許文献１の冷凍サイクル装置の構成図であり、この図面を用いて暖房運転時および除霜運転時の冷媒の流れを説明する。

暖房運転時は、圧縮機１を出た冷媒は、オイル分離器２に入る。そして、オイル分離器２で冷媒と分離された潤滑油は、キャピラリーチューブ３を通って圧縮機１に戻る。また、オイル分離器２を出た高温の冷媒は、四方弁４を通り、放熱器である室内熱交換器７で放熱され室内を暖房し、電子膨張弁６で膨張し、その圧力を低下させられる。圧力の低下した冷媒は、蒸発器である室外熱交換器５で大気より熱を奪って蒸発し、四方弁４を通り、圧縮機１に戻る。

次に除霜運転時は、開閉弁９が開き、オイル分離器２と室外熱交換器５とを接続するバイパス回路８に高温の冷媒と潤滑油とを流す。その結果、室外熱交換器５に高温の冷媒と潤滑油とが流れ、室外熱交換器５に着いた霜が溶かされる。
特開平１１−３０４２６５号公報

しかし、このような冷凍サイクル装置では、除霜運転時に潤滑油も室外熱交換器５に流入するため、潤滑油が室外熱交換器５を構成している管の内壁に付着する場合があった。潤滑油が管の内壁に付着すると、容易に流出せず、室外熱交換器５で冷媒が蒸発する際に、管を通して大気から熱を奪うときの大きな伝熱抵抗となっていた。そのため、蒸発器としての伝熱性能、すなわち冷凍サイクル装置のサイクル効率を低下させるという課題があった。

そこで本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、除霜運転時に潤滑油を蒸発器に混入させないことで蒸発器の伝熱性能を落とすことがなく、サイクル効率を低下させない冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

本発明の冷凍サイクル装置は、冷媒と潤滑油とを含む作動流体を圧縮する圧縮機、圧縮機で吐出された作動流体を冷媒と潤滑油とに分離するオイル分離器、オイル分離器で潤滑油と分離された冷媒を放熱する放熱器、放熱器で放熱された冷媒の圧力を低下させる膨張弁、および膨張弁で圧力を低下された冷媒を蒸発させる蒸発器が冷媒を流す第１の配管で接続された冷媒回路と、オイル分離器、オイル分離器で冷媒が分離された潤滑油の温度を
低下させる絞り装置、および蒸発器と圧縮機との間の第１の配管が潤滑油を流す第２の配管で接続された第１オイル流路と、オイル分離器と絞り装置との間の第２の配管、潤滑油の流量を調節する流量調整弁、潤滑油と蒸発器の冷媒入口の冷媒とを熱交換するオイル冷媒熱交換器、および蒸発器と圧縮機との間の第１の配管が潤滑油を流す第３の配管で接続された第２オイル流路と、除霜運転時に開閉弁を開かせる制御手段とを備えた構成とする。

このような構成の冷凍サイクル装置は、膨張弁と蒸発器との間の冷媒回路の冷媒の温度が所定値、例えば０℃以下になると、圧縮機を出た高温の第２オイル流路の潤滑油がオイル冷媒熱交換器で冷媒と熱交換する。従って、潤滑油が蒸発器に混入することなく、冷媒を加熱するので蒸発器の内部に潤滑油が付着することなく除霜ができる。その結果、除霜時に蒸発器の伝熱性能を落とすことがなく、サイクル効率を低下させない冷凍サイクル装置にすることができる。

また本発明の冷凍サイクル装置のオイル冷媒熱交換器は、外管と外管内に挿入された内管とで構成された二重管式熱交換器であり、外管には潤滑油が流れ、内管には冷媒が流れるようにしてもよい。このような二重管式熱交換器を用いれば、冷媒と潤滑油とを効率よく熱交換できる。

また本発明の冷凍サイクル装置のオイル冷媒熱交換器は、蒸発器が冷媒を流す伝熱管、伝熱管を流れる冷媒の伝熱を促進させるフィン、およびフィンに近接して設けた送風ファンで構成し、第２オイル流路の一部を送風ファンとフィンとの間に配置するようにしてもよい。

このような構成のオイル冷媒熱交換器は、フィンの外側に第２オイル流路を接触させるだけで、潤滑油と冷媒とを熱交換でき、その構成を簡単にできる。

また本発明の冷凍サイクル装置の冷媒は二酸化炭素としてもよい。冷媒が二酸化炭素であると、蒸発器に潤滑油が付着したときの伝熱性能の低下が著しいため、二酸化炭素が冷媒の場合、特にサイクル効率を低下させない効果が大きくなる。

本発明の冷凍サイクル装置によれば、除霜運転時に潤滑油と冷媒を熱交換することで、除霜を行えるとともに、蒸発器に潤滑油が混入することがないので、潤滑油の付着で蒸発器の伝熱性能を低下させることがなく、サイクル効率も低下させることがない。

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。

（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態の冷凍サイクル装置１０の構成図で、実線で示した冷媒回路１１、二重線で示した第１オイル流路１２、第２オイル流路１３、制御手段１４で構成され、冷媒としては二酸化炭素を用いている。ここで冷凍サイクル装置１０は、暖房運転および暖房運転を行いながら除霜運転を行う空気調和装置である。

冷媒回路１１は、圧縮機１５、オイル分離器１６、放熱器１７、膨張弁１８、蒸発器１９が冷媒を流す第１の配管１１ａで接続され、閉サイクルを形成している。圧縮機１５は、冷媒と潤滑油とを含む作動流体を圧縮して高温、高圧にし、潤滑油で潤滑され駆動する。オイル分離器１６は、圧縮機１５で吐出された作動流体を冷媒と潤滑油とに、例えばそれらの比重差で分離させる機能を有している。ここで、オイル分離器１６では、冷媒と潤
滑油が完全に分離される場合のみならず、潤滑油を少し含んだ冷媒と冷媒を少し含んだ潤滑油とに分離される場合も起こりうる。ここでは、潤滑油を少し含んだ冷媒についても単に冷媒と、冷媒を少し含んだ潤滑油も単に潤滑油と記す。

また放熱器１７は、オイル分離器１６で潤滑油と分離された高温の冷媒が放熱される。膨張弁１８は、放熱器１７で放熱された高圧の冷媒の圧力を低下させ、蒸発器１９は、膨張弁１８で圧力を低下された冷媒を蒸発させる。蒸発器１９は、冷媒回路１１の冷媒が流れる伝熱管２０、伝熱管２０が貫通し冷媒の伝熱を促進するフィン２１等で構成されている。

第１オイル流路１２は、オイル分離器１６、絞り装置２２、蒸発器１９と圧縮機１５との間の第１の配管１１ａが、潤滑油を流す第２の配管１２ａで接続されている。

また、第２オイル流路１３は、第２の配管１２ａから分岐し、オイル分離器１６と絞り装置２２との第２の配管１２ａ、流量調整弁２３、オイル冷媒熱交換器２４、蒸発器１９と圧縮機１５との間の第１の配管１１ａが潤滑油を流す第３の配管１３ａで接続されている。ここで、オイル冷媒熱交換器２４は図１に示すように、蒸発器１９の入口部に設けられている。また絞り装置２２は、潤滑油の温度と圧力を低下させる機能を有し、流量調整弁２３は、潤滑油を流すか流さないかのどちらかをとる機能を有している。

制御手段１４は、マイクロコンピュータよりなる制御装置２５に、膨張弁１８と蒸発器１９との間の第１の配管１１ａの冷媒温度を計測する、例えばサーミスタ温度計２６の計測値が入力され、絞り装置２２、流量調整弁２３を制御する。制御装置２５は、サーミスタ温度計２６、絞り装置２２、流量調整弁２３とそれぞれ信号線２７、信号線２８、信号線２９で接続されている。

なお、ここでオイルとは、潤滑油を意味する。従って、オイル分離器１６とは、冷媒と潤滑油を分離する装置であり、オイル冷媒熱交換器２４とは、潤滑油と冷媒とを熱交換するものである。

次に、暖房運転のみが行われる場合の冷凍サイクル装置１０の動作を説明する。冷媒は、冷媒回路１１で圧縮機１５、オイル分離器１６、放熱器１７、膨張弁１８、蒸発器１９を循環する。放熱器１７は、室内熱交換器で室内空気に放熱して暖房を行い、蒸発器１９は室外熱交換器で大気から熱を奪う。潤滑油は、第２オイル流路１３の流量調整弁２３が閉じられ、第１オイル流路１２にのみ流れる。そして潤滑油は、第１オイル流路１２で、制御装置２５からの指示により絞り装置２２が絞られてその温度を下げ、蒸発器１９の出口側に戻される。ここで、潤滑油の温度を下げるのは、潤滑油が蒸発器１９を出た冷媒と混合して、冷媒の過熱度が過大になることを防ぐためである。圧縮機１５に過熱度が過大な冷媒が吸入されると、圧縮機１５の動力が増大する。なお、第１オイル流路１２または第２オイル流路１３の潤滑油の質量流量は、圧縮機１５から吐出される冷媒と潤滑油が含まれる作動流体の質量流量の１０〜２０％である。

また、暖房運転を行いながら除霜運転を行う場合の冷凍サイクル装置１０の動作は、冷媒回路１１に関しては、暖房運転のみを行う場合と同じである。暖房運転では、蒸発器１９を流れる冷媒の温度は、大気の温度より低下させないと、大気から熱を奪えない。ここで、大気の温度が下がって０℃以下になってくると、蒸発器１９の伝熱管２０の中は大気の温度より低い冷媒が流れているため、大気の温湿度条件により蒸発器１９は着霜を始める。そこでサーミスタ温度計２６で計測している冷媒の温度が所定値、例えば０℃以下を制御装置２５が検知すると、絞り装置２２を制御して第１オイル流路１２に潤滑油を流さず、流量調整弁２３を全開にして第２オイル流路１３に潤滑油を流す。そして潤滑油は、
オイル冷媒熱交換器２４に流れ、冷媒と熱交換して、冷媒温度を上げる。その後、サーミスタ温度計２６が所定値を上回ると、暖房運転のみに切り替えられる。なお、除霜運転中も暖房能力は低下するものの、冷媒回路１１には継続して冷媒を流すため暖房運転は継続されている。

図２は、本発明の第１の実施の形態の冷凍サイクル装置１０に用いられるオイル冷媒熱交換器２４の断面図である。オイル冷媒熱交換器２４は、外管３１と外管３１内に挿入された内管３２とで構成された二重管式熱交換器である。図２で、冷媒は内管３２の左方から右方に、潤滑油は外管３１の下方から上方に流れる間に、高温の潤滑油と低温の冷媒とが熱交換する。このように、二重管式熱交換器で冷媒と潤滑油とが管を通して接触するため、冷媒と潤滑油とは効率よく熱交換できる。

従って除霜運転時、オイル冷媒熱交換器２４に潤滑油を流して冷媒を加熱し除霜を行っても、蒸発器１９に潤滑油が混入することがない。そのため、蒸発器１９は潤滑油の付着で伝熱性能を低下させることがなく、冷凍サイクル装置１０もそのサイクル効率を低下させることがない。

図３は、本発明の第１の実施の形態の他の形態の冷凍サイクル装置３０の構成図である。冷凍サイクル装置３０が、冷凍サイクル装置１０と異なる点は、第１オイル流路１２にさらに第２流量調整弁３３を付加したことである。そして、第２流量調整弁３３は制御装置２５と信号線３４で接続され、サーミスタ温度計２６の信号値により、第２流量調整弁３３の開閉は制御される。すなわち、上述の暖房運転のみが行われる場合、第２流量調整弁３３は全開され、暖房運転を行いながら除霜運転を行う場合、第２流量調整弁３３は全閉となる。

例えば絞り装置２２がニードル式であると、全閉しても漏れがある場合もあるが、このように第２流量調整弁３３を付加することで、第１オイル流路１２の流量制御は、より精度よく行われる。

本発明の第１の実施の形態では、冷媒として二酸化炭素を用いた例を示した。冷凍サイクル装置１０で冷媒に二酸化炭素を用いると、蒸発器１９に潤滑油が付着したときの伝熱性能の低下が著しいため、上述の構成とすることにより、特にサイクル効率を低下させない効果が大きくなる。

なお、本発明の第１の実施の形態では、暖房運転から除霜運転に切り替える際に、膨張弁１８と蒸発器１９との間の第１の配管１１ａの冷媒温度を検知する例で説明したが、圧力センサーを用いて、冷媒圧力を検知する方法であってもよい。例えば冷媒に二酸化炭素を用いた場合、冷媒圧力が３ＭＰａ以下を検知すると、除霜運転に切り替えるようにしてもよい。

また本発明の第１の実施の形態では、オイル冷媒熱交換器２４を蒸発器１９の入口部に設けた例を示したが、膨張弁１８と蒸発器１９との間の第１の配管１１ａに設けても、本発明の第１の実施の形態と同様の効果が得られる。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態の冷凍サイクル装置は、第１の実施の形態の冷凍サイクル装置とオイル冷媒熱交換器の構成のみが異なる。従って、オイル冷媒熱交換器を主に説明する。

図４は、本発明の第２の実施の形態の冷凍サイクル装置に用いられる蒸発器１９、およ
びオイル冷媒熱交換器３５の斜視図である。蒸発器１９は、冷媒を流す伝熱管２０、伝熱管２０を流れる冷媒の伝熱を促進させる薄板状のフィン２１、および送風ファン３６で構成されている。そしてオイル冷媒熱交換器３５は、第２オイル流路１３の一部が送風ファン３６とフィン２１との間に配置されて構成されている。なお図４は、図面が煩雑になるのを避けるため、フィン２１を詳細に示すのは一部にとどめている。

暖房運転のみを行っている場合は、本発明の第２の実施の形態でもオイル冷媒熱交換器３５には潤滑油は流れない。しかし、本発明の第１の実施の形態と同じく、膨張弁と蒸発器１９との間の冷媒回路の冷媒温度が所定値、例えば０℃以下になると除霜運転を始める。このとき、オイル冷媒熱交換器３５には、圧縮機から吐出された高温の潤滑油が流れ、送風ファン３６により送られた空気が温風となりフィン２１および伝熱管２０に着いた霜を溶かす。また、膨張弁と蒸発器１９との間の冷媒回路の冷媒温度が所定値を上回ると、暖房運転のみに切り替えられる。

このようなオイル冷媒熱交換器３５の構成としても、除霜運転時に潤滑油が蒸発器１９の伝熱管２０内を流れることがなく、潤滑油が付着することもない。

なお、本発明の第２の実施の形態では、伝熱管２０がフィン２１を貫通する構成のいわゆるフィンチューブタイプの蒸発器の例を示したが、冷媒を分岐、集合させるヘッダーを有するヘッダータイプの蒸発器でもよい。ヘッダータイプの蒸発器でも、その伝熱管およびフィンと送風ファンとの間に、オイル冷媒熱交換器を配置することにより、同様の効果が得られる。

また、本発明の第１、第２の実施の形態では、冷凍サイクル装置として暖房運転を行う空気調和装置で説明したが、蒸発器１９で大気から熱を奪い、放熱器１７で温水とする給湯装置でも蒸発器１９の効率を低下させない効果が大きい。

本発明にかかる冷凍サイクル装置は、蒸発器に潤滑油が混入することがなく、蒸発器およびそれを用いた冷凍サイクル装置の効率を低下させることがないから、空気調和装置、給湯装置等として有用である。

本発明の第１の実施の形態の冷凍サイクル装置の構成図 同実施の形態に用いられるオイル冷媒熱交換器の断面図 同実施の形態の他の形態の冷凍サイクル装置の構成図 本発明の第２の実施の形態に用いられるオイル冷媒熱交換器の斜視図 従来の冷凍サイクル装置の構成図

符号の説明

１，１５ 圧縮機
２，１６ オイル分離器
３ キャピラリーチューブ
４ 四方弁
５ 室外熱交換器
６ 電子膨張弁
７ 室内熱交換器
８ バイパス回路
９ 開閉弁
１０，３０ 冷凍サイクル装置
１１ 冷媒回路
１１ａ 第１の配管
１２ 第１オイル流路
１２ａ 第２の配管
１３ 第２オイル流路
１３ａ 第３の配管
１４ 制御手段
１７ 放熱器
１８ 膨張弁
１９ 蒸発器
２０ 伝熱管
２１ フィン
２２ 絞り装置
２３ 流量調整弁
２４，３５ オイル冷媒熱交換器
２５ 制御装置
２６ サーミスタ温度計
２７，２８，２９，３４ 信号線
３１ 外管
３２ 内管
３３ 第２流量調整弁
３６ 送風ファン

Claims (4)

1. 冷媒と潤滑油とを含む作動流体を圧縮する圧縮機、前記圧縮機で吐出された前記作動流体を前記冷媒と前記潤滑油とに分離するオイル分離器、前記オイル分離器で前記潤滑油と分離された前記冷媒を放熱する放熱器、前記放熱器で放熱された前記冷媒の圧力を低下させる膨張弁、および前記膨張弁で圧力を低下された前記冷媒を蒸発させる蒸発器が前記冷媒を流す第１の配管で接続された冷媒回路と、
   前記オイル分離器、前記オイル分離器で前記冷媒が分離された前記潤滑油の温度を低下させる絞り装置、および前記蒸発器と前記圧縮機との間の前記第１の配管が前記潤滑油を流す第２の配管で接続された第１オイル流路と、
   前記オイル分離器と前記絞り装置との間の前記第２の配管、前記潤滑油の流量を調節する流量調整弁、前記潤滑油と前記蒸発器の冷媒入口の冷媒とを熱交換するオイル冷媒熱交換器、および前記蒸発器と前記圧縮機との間の前記第１の配管が前記潤滑油を流す第３の配管で接続された第２オイル流路と、
   除霜運転時に前記流量調整弁を開かせる制御手段と
   を備えた冷凍サイクル装置。
2. 前記オイル冷媒熱交換器は、外管と前記外管内に挿入された内管とで構成された二重管式熱交換器であり、前記外管には前記潤滑油が流れ、前記内管には前記冷媒が流れる請求項１記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記蒸発器は前記冷媒を流す伝熱管、前記伝熱管を流れる冷媒の伝熱を促進させるフィン、および前記フィンに近接して設けた送風ファンで構成し、前記オイル冷媒熱交換器は、前記第２オイル流路の一部を前記送風ファンと前記フィンとの間に配置する請求項１記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記冷媒は二酸化炭素である請求項１から請求項３のいずれか一項記載の冷凍サイクル装置。

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