JP2008196760A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷凍サイクルを行う冷凍装置において、蒸発器として動作する熱交換器の性能低下を低減する。
【解決手段】冷凍装置により構成される空調機（10）では、室外回路（30）と室内回路（50）を連絡配管（21,22）で接続することによって冷媒回路（20）が形成される。室外回路（30）では、室外熱交換器（33）と室外膨張弁（34）の間に室外油分離器（45）が設けられる。室外油分離器（45）には、冷媒と分離された冷凍機油を室外熱交換器（33）の下流へ送るための室外油配管（46）が接続される。室内回路（50）では、室内熱交換器（51）の液側連絡配管（21）寄りに室内油分離器（55）が設けられる。室内油分離器（55）には、冷媒と分離された冷凍機油を室内熱交換器（51）の下流へ送るための室内油配管（56）が接続される。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷媒回路で冷媒を循環させて冷凍サイクルを行う冷凍装置に関し、冷媒回路内を冷媒と共に循環する冷凍機油に起因する蒸発器の性能低下の低減策に関するものである。

従来より、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、空気調和装置や給湯器等として広く利用されている。

例えば特許文献１に開示されている空気調和装置は、圧縮機と室外熱交換器と膨張機と室内熱交換器とが接続された冷媒回路を備えている。この冷媒回路には、冷媒として二酸化炭素が充填されている。この空気調和装置では、冷媒回路内で冷媒を循環させることによって冷凍サイクルが行われる。この空気調和装置が行う冷凍サイクルでは、その高圧が冷媒の臨界圧力よりも高い値に設定される。この空気調和装置では、冷房運転と暖房運転とが切り換え可能となっている。冷房運転中には、室外熱交換器がガスクーラとして動作すると共に室内熱交換器が蒸発器として動作し、室内熱交換器で室内空気が冷却される。暖房運転中には、室内熱交換器がガスクーラとして動作すると共に室外熱交換器が蒸発器として動作し、室内熱交換器で室内空気が加熱される。
特開２００１−１１６３７１号公報

ところで、冷媒回路に設けられる圧縮機には、その構成部材同士の摺動箇所を潤滑するための冷凍機油が貯留されている。圧縮機に貯留された冷凍機油は、その一部が圧縮された冷媒と共に圧縮機から吐出される。圧縮機から吐出された冷凍機油は、冷媒と共に熱交換器などを通過して圧縮機へ戻ってくる。その際、熱交換器では、流入した冷凍機油の一部が伝熱管の管壁などに付着し、その冷凍機油によって冷媒と伝熱管の間の熱伝達が阻害される。特に、蒸発器として動作する熱交換器では、そこを流れる冷媒の乾き度が大きく（つまり、気液二相冷媒に含まれるガス冷媒の割合が多く）、冷媒によって冷凍機油が押し流されにくいため、冷凍機油に起因する性能低下の問題が深刻となる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、冷凍サイクルを行う冷凍装置において、蒸発器として動作する熱交換器の性能低下を低減することにある。

第１の発明は、圧縮機（31）と熱源側熱交換器（33）と膨張機構（34,52,62）と利用側熱交換器（51,61）とが接続されて冷凍サイクルを行う冷媒回路（20）を備え、上記利用側熱交換器（51,61）が蒸発器となって該利用側熱交換器（51,61）で対象物を冷却する冷却運転を行う冷凍装置を対象とする。そして、上記冷媒回路（20）では、上記冷却運転中の冷媒の循環経路における上記膨張機構（34,52,62）と上記利用側熱交換器（51,61）の間に、上記圧縮機（31）から冷媒と共に吐出された冷凍機油を冷媒と分離して冷媒を上記利用側熱交換器（51,61）へ供給する油分離器（55,65）が設けられるものである。

第１の発明では、冷凍装置（10）が冷却運転を行う。冷却運転中の圧縮機（31）は、そこに貯留された冷凍機油の一部を圧縮された冷媒と共に吐出する。圧縮機（31）から吐出された冷媒は、冷凍機油と共に冷媒回路（20）内を流れる。具体的に、圧縮機（31）から吐出された冷媒は、熱源側熱交換器（33）で放熱してから膨張機構（34,52,62）で減圧され、その後に油分離器（55,65）を通過してから利用側熱交換器（51,61）へ流入する。油分離器（55,65）では、冷媒と冷凍機油が分離され、冷凍機油と分離された冷媒が利用側熱交換器（51,61）へ向けて送り出される。利用側熱交換器（51,61）では、冷媒が空気等の対象物から吸熱して蒸発する。利用側熱交換器（51,61）で蒸発した冷媒は、圧縮機（31）へ吸入されて圧縮される。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記冷媒回路（20）には、上記油分離器（55,65）で冷媒と分離された冷凍機油を上記冷却運転中の冷媒の循環経路における上記利用側熱交換器（51,61）の下流側へ供給するための油流通路（56,66）が設けられるものである。

第２の発明では、冷媒回路（20）に油流通路（56,66）が設けられる。冷却運転中において、油分離器（55,65）で冷媒と分離された冷凍機油は、油流通路（56,66）を通って利用側熱交換器（51,61）の下流側へ供給される。つまり、冷却運転中において、冷媒は利用側熱交換器（51,61）を通過する一方、冷凍機油は油流通路（56,66）を流れて利用側熱交換器（51,61）をバイパスする。油流通路（56,66）を通過した冷凍機油は、利用側熱交換器（51,61）から流出した冷媒と共に圧縮機（31）へ吸入される。

第３の発明は、上記第２の発明において、上記冷媒回路（20）は、上記熱源側熱交換器（33）が蒸発器となって上記利用側熱交換器（51,61）で対象物を加熱する加熱運転と上記冷却運転とが切り換え可能に構成される一方、上記油流通路（56,66）には、上記油分離器（55,65）から流出する方向の流体の流通だけを許容する逆止弁（57,67）が設けられるものである。

第３の発明では、冷却運転と加熱運転とが切り換え可能となる。加熱運転中の利用側熱交換器（51,61）では、冷却運転中とは逆向きに冷媒が流通し、冷媒が空気等に対して放熱する。この発明において、油流通路（56,66）には逆止弁（57,67）が設けられる。この逆止弁（57,67）は、加熱運転中に閉鎖状態となる。このため、加熱運転中に利用側熱交換器（51,61）へ向かう冷媒は、油流通路（56,66）へは流入しない。

第４の発明は、圧縮機（31）と熱源側熱交換器（33）と膨張機構（34,52,62）と利用側熱交換器（51,61）とが接続されて冷凍サイクルを行う冷媒回路（20）を備え、上記熱源側熱交換器（33）が蒸発器となって上記利用側熱交換器（51,61）で対象物を加熱する加熱運転を行う冷凍装置を対象とする。そして、上記冷媒回路（20）では、上記加熱運転中の冷媒の循環経路における上記膨張機構（34,52,62）と上記熱源側熱交換器（33）の間に、上記圧縮機（31）から冷媒と共に吐出された冷凍機油を冷媒と分離して冷媒を上記熱源側熱交換器（33）へ供給する油分離器（45）が設けられるものである。

第４の発明では、冷凍装置（10）が加熱運転を行う。加熱運転中の圧縮機（31）は、そこに貯留された冷凍機油の一部を圧縮された冷媒と共に吐出する。圧縮機（31）から吐出された冷媒は、冷凍機油と共に冷媒回路（20）内を流れる。具体的に、圧縮機（31）から吐出された冷媒は、利用側熱交換器（51,61）へ流入する。利用側熱交換器（51,61）では、冷媒が例えば空気等の対象物へ放熱する。利用側熱交換器（51,61）で放熱した冷媒は、次に膨張機構（34,52,62）で減圧され、その後に油分離器（45）を通過してから熱源側熱交換器（33）へ流入する。油分離器（45）では、冷媒と冷凍機油が分離され、冷凍機油と分離された冷媒が熱源側熱交換器（33）へ向けて送り出される。熱源側熱交換器（33）へ流入した冷媒は、空気等から吸熱して蒸発し、その後に圧縮機（31）へ吸入されて圧縮される。

第５の発明は、上記第４の発明において、上記冷媒回路（20）には、上記油分離器（45）で冷媒と分離された冷凍機油を上記加熱運転中の冷媒の循環経路における上記熱源側熱交換器（33）の下流側へ供給するための油流通路（46）が設けられるものである。

第５の発明では、冷媒回路（20）に油流通路（46）が設けられる。加熱運転中において、油分離器（45）で冷媒と分離された冷凍機油は、油流通路（46）を通って熱源側熱交換器（33）の下流側へ供給される。つまり、加熱運転中において、冷媒は熱源側熱交換器（33）を通過する一方、冷凍機油は油流通路（46）を流れて熱源側熱交換器（33）をバイパスする。油流通路（46）を通過した冷凍機油は、熱源側熱交換器（33）から流出した冷媒と共に圧縮機（31）へ吸入される。

第６の発明は、上記第５の発明において、上記冷媒回路（20）は、記利用側熱交換器（51,61）が蒸発器となって該利用側熱交換器（51,61）で対象物を冷却する冷却運転と上記加熱運転とが切り換え可能に構成される一方、上記油流通路（46）には、上記油分離器（45）から流出する方向の流体の流通だけを許容する逆止弁（47）が設けられるものである。

第６の発明では、加熱運転と冷却運転とが切り換え可能となる。冷却運転中の熱源側熱交換器（33）では、加熱運転中とは逆向きに冷媒が流通し、冷媒が空気等に対して放熱する。この発明において、油流通路（46）には逆止弁（47）が設けられる。この逆止弁（47）は、冷却運転中に閉鎖状態となる。このため、冷却運転中に熱源側熱交換器（33）へ向かう冷媒は、油流通路（46）へは流入しない。

第７の発明は、上記第１〜第６の何れか１つの発明において、上記冷媒回路（20）には二酸化炭素が冷媒として充填され、上記圧縮機（31）には冷凍機油としてポリアルキレングリコールが貯留されるものである。

第７の発明では、二酸化炭素（ＣＯ₂）が冷媒として用いられ、ポリアルキレングリコールが冷凍機油として用いられる。油分離器（45,55,65）では、冷媒としての二酸化炭素と冷凍機油としてのポリアルキレングリコールとが分離される。蒸発器として動作する熱交換器（33,51,61）へは、油分離器（45,55,65）でポリアルキレングリコールと分離された冷媒（二酸化炭素）が供給される。

上記第１の発明において、利用側熱交換器（51,61）が蒸発器となる冷却運転中には、油分離器（55,65）で冷凍機油と分離された冷媒が利用側熱交換器（51,61）へ流入する。また、上記第４の発明において、熱源側熱交換器（33）が蒸発器となる加熱運転中には、油分離器（45）で冷凍機油と分離された冷媒が熱源側熱交換器（33）へ流入する。このため、これらの発明によれば、蒸発器として動作する熱交換器（33,51,61）へ流入する冷凍機油の量を削減することができる。つまり、これら熱交換器（33,51,61）の性能低下の原因となる冷凍機油の流入量を減少させることができる。従って、本発明によれば、蒸発器として動作する熱交換器（33,51,61）を充分に発揮させることができ、冷凍装置（10）の性能向上を図ることができる。

上記第２の発明において、利用側熱交換器（51,61）が蒸発器となる冷却運転中には、油分離器（55,65）で冷媒と分離された冷凍機油が油流通路（56,66）を通って利用側熱交換器（51,61）をバイパスする。また、上記第５の発明において、熱源側熱交換器（33）が蒸発器となる加熱運転中には、油分離器（45）で冷媒と分離された冷凍機油が油流通路（46）を通って熱源側熱交換器（33）をバイパスする。このため、これらの発明では、油分離器（45,55,65）で冷媒と分離された冷凍機油が、蒸発器として動作する熱交換器（33,51,61）を通過せずに圧縮機（31）へ戻ってくる。従って、これらの発明によれば、圧縮機（31）における冷凍機油の貯留量を確保することができ、圧縮機（31）の焼き付き等のトラブルを防いで冷凍装置（10）の信頼性を確保することができる。

上記第３の発明では、加熱運転中における油流通路（56,66）への冷媒の流入を、逆止弁（57,67）によって阻止している。また、上記第８の発明では、冷却運転中における油流通路（46）への冷媒の流入を、逆止弁（47）によって阻止している。従って、これらの発明によれば、油分離器（45,55,65）で冷媒と分離された冷凍機油を圧縮機（31）へ確実に送り返すことができると同時に、放熱用の熱交換器（33,51,61）へ向かう冷媒が油流通路（46,56,66）へ流入するのを阻止することができ、放熱用の熱交換器（33,51,61）における冷媒の放熱量を充分に確保することができる。

上記第７の発明では、二酸化炭素が冷媒として用いられ、ポリアルキレングリコールが冷凍機油として用いられる。ここで、冷凍機油としてのポリアルキレングリコールは、冷媒としての二酸化炭素に殆ど溶け込まないことが知られている。このため、冷媒に二酸化炭素を用いて冷凍機油にポリアルキレングリコールを用いる場合は、蒸発器として動作する熱交換器（33,51,61）に冷凍機油としてのポリアルキレングリコールが残留しやすくなり、冷凍機油に起因する熱交換器（33,51,61）の性能低下の問題が深刻となる。

それに対し、上記第７の発明では、蒸発器として動作する熱交換器（33,51,61）の上流側に油分離器（45,55,65）を設け、油分離器（45,55,65）で冷凍機油と分離された冷媒を蒸発器として動作する熱交換器（33,51,61）へ供給している。従って、この発明によれば、冷媒に二酸化炭素を用いて冷凍機油にポリアルキレングリコールを用いる場合であっても、蒸発器として動作する熱交換器（33,51,61）の性能を充分に確保することができる。

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。

《発明の実施形態１》
本発明の実施形態１について説明する。

本発明の実施形態１について説明する。本実施形態は、本発明に係る冷凍装置により構成された空調機（10）である。

図１に示すように、上記空調機（10）は、冷媒回路（20）を備えている。この冷媒回路（20）は、室外回路（30）と、室内回路（50）と、液側連絡配管（21）と、ガス側連絡配管（22）とによって構成されている。冷媒回路（20）には、二酸化炭素（ＣＯ₂）が冷媒として充填されている。室外回路（30）は、屋外に設置された室外機（11）に収容されている。この室外機（11）には、室外ファン（12）が設けられている。一方、室内回路（50）は、屋内に設置された室内機（13）に収容されている。この室内機（13）には、室内ファン（14）が設けられている。

上記室外回路（30）には、圧縮機（31）と、四方切換弁（32）と、室外熱交換器（33）と、室外膨張弁（34）と、液側閉鎖弁（23）と、ガス側閉鎖弁（24）とが設けられている。また、室外回路（30）には、室外油分離器（45）と、室外油配管（46）とが設けられている。

上記室外回路（30）において、圧縮機（31）は、その吐出側が四方切換弁（32）の第１のポートに接続され、その吸入側が四方切換弁（32）の第２のポートに接続されている。四方切換弁（32）の第３のポートは、室外熱交換器（33）の一端に接続されている。室外熱交換器（33）の他端は、室外油分離器（45）を介して室外膨張弁（34）の一端に接続されている。室外膨張弁（34）の他端は、液側閉鎖弁（23）に接続されている。四方切換弁（32）の第４のポートは、ガス側閉鎖弁（24）に接続されている。なお、室外油分離器（45）の詳細については後述する。

室外油配管（46）は、その一端が室外油分離器（45）に接続され、その他端が室外回路（30）における室外熱交換器（33）と四方切換弁（32）の第３ポートとの間に接続されている。この室外油配管（46）は、室外油分離器（45）から冷凍機油を排出するための配管であって、油流通路を構成している。室外油配管（46）には、その一端から他端へ向かって順に、逆止弁（47）と流量調節弁（48）とが配置されている。逆止弁（47）は、室外油分離器（45）から流出する方向の流体の流通を許容して逆向きの流体の流通を阻止するように構成されている。流量調節弁（48）は、室外油配管（46）を流れる流体の流量を調節するための弁であって、開度可変の調節弁により構成されている。

上記室内回路（50）には、室内熱交換器（51）と、室内油分離器（55）と、室内油配管（56）とが設けられている。室内回路（50）の一端は、液側連絡配管（21）を介して液側閉鎖弁（23）に接続されている。室内回路（50）の他端は、ガス側連絡配管（22）を介してガス側閉鎖弁（24）に接続されている。室内回路（50）では、その一端から他端へ向かって順に、室内油分離器（55）と、室内熱交換器（51）とが配置されている。なお、室内油分離器（55）の詳細については後述する。

室内油配管（56）は、その一端が室内油分離器（55）に接続され、その他端が室内回路（50）における室内熱交換器（51）よりもガス側連絡配管（22）寄りの箇所に接続されている。この室内油配管（56）は、室内油分離器（55）から冷凍機油を排出するための配管であって、油流通路を構成している。室内油配管（56）には、その一端から他端へ向かって順に、逆止弁（57）と流量調節弁（58）とが配置されている。逆止弁（57）は、室内油分離器（55）から流出する方向の流体の流通を許容して逆向きの流体の流通を阻止するように構成されている。流量調節弁（58）は、室内油配管（56）を流れる流体の流量を調節するための弁であって、開度可変の調節弁により構成されている。

圧縮機（31）は、高圧ドーム形式の全密閉型圧縮機（31）である。図示しないが、圧縮機（31）では、密閉容器状のケーシング内に圧縮機構と電動機とが収容されている。圧縮機構は、例えばスクロール型の流体機械や、ロータリ型の流体機械によって構成されている。また、圧縮機（31）のケーシング内には、圧縮機構を潤滑するための冷凍機油としてポリアルキレングリコール（ＰＡＧ）が貯留されている。

室外膨張弁（34）及び室内膨張弁（52）は、それぞれが開度可変の電子膨張弁により構成されている。これら室外膨張弁（34）及び室内膨張弁（52）は、冷媒を減圧するための膨張機構を構成している。

室外熱交換器（33）と室内熱交換器（51）は、共にクロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器である。室外熱交換器（33）は、熱源側熱交換器を構成しており、室外ファン（12）によって供給された室外空気を冷媒と熱交換させる。一方、室内熱交換器（51）は、利用側熱交換器を構成しており、室内ファン（14）によって供給された室内空気を冷媒と熱交換させる。

上記四方切換弁（32）は、第１のポートと第３のポートが連通し且つ第２のポートと第４のポートが連通する状態（図１に実線で示す状態）と、第１のポートと第４のポートが連通し且つ第２のポートと第３のポートが連通する状態（図１に破線で示す状態）とに切り換わように構成されている。

室外油分離器（45）及び室内油分離器（55）について、図２を参照しながら説明する。これら油分離器（45,55）は、それぞれの構造が同じになっている。油分離器（45,55）は、本体部材（71）と、冷媒導入管（73）と、冷媒導出管（74）と、油導出管（75）とを備えている。

本体部材（71）は、両端が閉塞された円筒形の密閉容器状に形成されており、その軸方向が概ね鉛直方向となるように配置されている。本体部材（71）の下端部には、下方へ向かって窄まった形状の接続部（72）が形成されている。

冷媒導入管（73）は、本体部材（71）の上部の側壁部に接続されており、この側壁部を貫通している。冷媒導入管（73）の端部は、本体部材（71）の内壁から僅かに突出している。冷媒導出管（74）は、本体部材（71）の上端部に接続されており、この上端部を貫通している。冷媒導出管（74）は、本体部材（71）の内部へ伸長しており、その端部が本体部材（71）の上下方向の中央よりもやや下方に位置している。油導出管（75）は、本体部材（71）の接続部（72）に接続されており、この接続部（72）を介して本体部材（71）の内部空間と連通している。

室外回路（30）において、室外油分離器（45）は、冷媒導入管（73）が室外膨張弁（34）側に位置して冷媒導出管（74）が室外熱交換器（33）側に位置するように設置されている。室外油分離器（45）の油導出管（75）には、室外油配管（46）が接続されている。一方、室内回路（50）において、室内油分離器（55）は、冷媒導入管（73）が液側連絡配管（21）側に位置して冷媒導出管（74）が室内熱交換器（51）側に位置するように設置されている。室内油分離器（55）の油導出管（75）には、室内油配管（56）が接続されている。

−運転動作−
上記空調機（10）の運転動作について説明する。この空調機（10）は、室内熱交換器（51）で室内空気を冷却する冷房運転と、室内熱交換器（51）で室内空気を加熱する暖房運転とを切り換えて行う。また、空調機（10）が行う冷凍サイクルでは、その高圧が冷媒の臨界圧力よりも高い値に設定される。

〈冷房運転〉
冷却運転である冷房運転では、四方切換弁（32）が図１に実線で示す状態に切り換えられると共に、室外膨張弁（34）が適宜調節される。また、室外ファン（12）及び室内ファン（14）が運転される。この状態において、冷媒回路（20）では、冷媒を循環させることによって冷凍サイクルが行われ、室外熱交換器（33）がガスクーラとして動作し、室内熱交換器（51）が蒸発器として動作する。

圧縮機（31）は、吸入した冷媒をその臨界圧力よりも高い圧力にまで圧縮して吐出する。圧縮機（31）から吐出された冷媒は、室外熱交換器（33）へ流入する。室外油配管（46）では、逆止弁（47）が閉鎖状態となっている。このため、圧縮機（31）から吐出された冷媒は、その全部が室外熱交換器（33）へ流入する。室外熱交換器（33）へ流入した冷媒は、室外空気へ放熱した後に室外油分離器（45）を通過して室外膨張弁（34）へと流れ、室外膨張弁（34）を通過する際に減圧される。室外膨張弁（34）を通過した冷媒は、液側連絡配管（21）を通って室内回路（50）へ流入する。

室内回路（50）へ流入した気液二相状態の冷媒は、室内油分離器（55）へ流入する。具体的に、この冷媒は、冷媒導入管（73）を通って室内油分離器（55）の本体部材（71）へ流入する。本体部材（71）の内部では、流入した冷媒が液冷媒とガス冷媒に分離される（図２を参照）。室内油分離器（55）へ流入する冷媒には、圧縮機（31）から冷媒と共に吐出された冷凍機油が混入している。冷凍機油であるポリアルキレングリコールの比重は、液冷媒である液相の二酸化炭素の比重よりも大きい。そのため、室内油分離器（55）では、本体部材（71）の下部に液冷媒が溜まると共に、その液冷媒の底層部分に冷凍機油であるポリアルキレングリコールが溜まる。

室内油分離器（55）において、本体部材（71）の下部に溜まった液冷媒は、冷媒導出管（74）を通って室内熱交換器（51）へ送り出され、本体部材（71）の底部に溜まった冷凍機油は、油導出管（75）を通って室内油配管（56）へ送り出される。室内熱交換器（51）では、室内油分離器（55）から送り込まれた冷媒が室内空気から吸熱して蒸発し、室内空気が冷却される。室内油配管（56）へ流入した冷凍機油は、逆止弁（57）と流量調節弁（58）とを順に通過し、その後に室内熱交換器（51）から流出した冷媒と合流する。室内熱交換器（51）で蒸発した冷媒は、室内油配管（56）から送り込まれた冷凍機油と共にガス側連絡配管（22）を通って室外回路（30）へ流入し、その後に圧縮機（31）へ吸入される。

ところで、室内油配管（56）を流れる流体の流量が多すぎると、冷凍機油だけでなく液冷媒も室内油分離器（55）から室内油配管（56）へ流出してしまい、室内熱交換器（51）へ供給される冷媒の流量が減少してしまう。そこで、冷房運転中には、本体部材（71）の底部に溜まった冷凍機油だけが室内油配管（56）へ流入するように、室内油配管（56）に設けられた流量調節弁（58）の開度が調節される。

〈暖房運転〉
加熱運転である暖房運転では、四方切換弁（32）が図１に破線で示す状態に切り換えられると共に、室外膨張弁（34）が所定開度に調節される。また、室外ファン（12）及び室内ファン（14）が運転される。この状態において、冷媒回路（20）では、冷媒を循環させることによって冷凍サイクルが行われ、室内熱交換器（51）がガスクーラとして動作し、室外熱交換器（33）が蒸発器として動作する。

圧縮機（31）は、吸入した冷媒をその臨界圧力よりも高い圧力にまで圧縮して吐出する。圧縮機（31）から吐出された冷媒は、ガス側連絡配管（22）を通って室内回路（50）へ流入し、その後に室内熱交換器（51）へ流入する。室内油配管（56）では、逆止弁（57）が閉鎖状態となっている。このため、圧縮機（31）から吐出された冷媒は、その全部が室内熱交換器（51）へ流入する。室内熱交換器（51）では、冷媒が室内空気へ放熱し、室内空気が加熱される。室内熱交換器（51）で放熱した冷媒は、室内油分離器（55）を通過してから液側連絡配管（21）を通って室外回路（30）へ流入する。

室外回路（30）へ流入した冷媒は、室外膨張弁（34）を通過する際に減圧されて気液二相状態となり、その後に室外油分離器（45）へ流入する。具体的に、この冷媒は、冷媒導入管（73）を通って室外油分離器（45）の本体部材（71）へ流入する。本体部材（71）の内部では、流入した冷媒が液冷媒とガス冷媒に分離される（図２を参照）。室外油分離器（45）へ流入する冷媒には、圧縮機（31）から冷媒と共に吐出された冷凍機油が混入している。冷凍機油であるポリアルキレングリコールの比重は、液冷媒である液相の二酸化炭素の比重よりも大きい。そのため、室外油分離器（45）では、本体部材（71）の下部に液冷媒が溜まると共に、その液冷媒の底層部分に冷凍機油であるポリアルキレングリコールが溜まる。

室外油分離器（45）において、本体部材（71）の下部に溜まった液冷媒は、冷媒導出管（74）を通って室外熱交換器（33）へ送り出され、本体部材（71）の底部に溜まった冷凍機油は、油導出管（75）を通って室外油配管（46）へ送り出される。室外熱交換器（33）では、室外油分離器（45）から送り込まれた冷媒が室外空気から吸熱して蒸発する。室外油配管（46）へ流入した冷凍機油は、逆止弁（47）と流量調節弁（48）とを順に通過し、その後に室外熱交換器（33）から流出した冷媒と合流する。室外熱交換器（33）で蒸発した冷媒は、室外油配管（46）から送り込まれた冷凍機油と共に四方切換弁（32）を通過し、その後に圧縮機（31）へ吸入される。

ところで、室外油配管（46）を流れる流体の流量が多すぎると、冷凍機油だけでなく液冷媒も室外油分離器（45）から室外油配管（46）へ流出してしまい、室外熱交換器（33）へ供給される冷媒の流量が減少してしまう。そこで、暖房運転中には、本体部材（71）の底部に溜まった冷凍機油だけが室外油配管（46）へ流入するように、室外油配管（46）に設けられた流量調節弁（48）の開度が調節される。

−実施形態１の効果−
本実施形態の空調機（10）において、室内熱交換器（51）が蒸発器となる冷房運転中には、室内油分離器（55）で冷凍機油と分離された冷媒が室内熱交換器（51）へ供給される一方、室外熱交換器（33）が蒸発器となる暖房運転中には、室外油分離器（45）で冷凍機油と分離された冷媒が室外熱交換器（33）へ供給される。このため、本実施形態では、蒸発器として動作する熱交換器（33,51）へ流入する冷凍機油の量を削減することができる。つまり、これら熱交換器（33,51）の性能低下の原因となる冷凍機油の流入量を減少させることができる。従って、本実施形態によれば、蒸発器として動作する熱交換器（33,51）を充分に発揮させることができ、空調機（10）の冷房能力や暖房能力の向上を図ることができる。

また、本実施形態の空調機（10）において、室内熱交換器（51）が蒸発器となる冷房運転中には、室内油分離器（55）で冷媒と分離された冷凍機油が室内油配管（56）を通って室内熱交換器（51）をバイパスする一方、室外熱交換器（33）が蒸発器となる暖房運転中には、室外油分離器（45）で冷媒と分離された冷凍機油が室外油配管（46）を通って室外熱交換器（33）をバイパスする。このため、本実施形態では、油分離器（45,55）で冷媒と分離された冷凍機油が、蒸発器として動作する熱交換器（33,51）を通過せずに圧縮機（31）へ戻ってくる。従って、本実施形態によれば、圧縮機（31）における冷凍機油の貯留量を確保することができ、圧縮機（31）の焼き付き等のトラブルを防いで空調機（10）の信頼性を確保することができる。

また、本実施形態の空調機（10）では、暖房運転中における室内油配管（56）への冷媒の流入が室内油配管（56）の逆止弁（57）によって阻止される一方、冷房運転中における室外油配管（46）への冷媒の流入が室外油配管（46）の逆止弁（47）によって阻止される。従って、本実施形態によれば、油分離器（45,55）で冷媒と分離された冷凍機油を圧縮機（31）へ確実に送り返すことができると同時に、ガスクーラとして動作する熱交換器（33,51）へ向かう冷媒の一部がその熱交換器（33,51）に対応する油配管１２へ流入するのを阻止でき、ガスクーラとして動作する熱交換器（33,51）における冷媒の放熱量を充分に確保することができる。

ここで、冷凍機油としてのポリアルキレングリコールは、冷媒としての二酸化炭素に殆ど溶け込まないことが知られている。このため、冷媒に二酸化炭素を用いて冷凍機油にポリアルキレングリコールを用いる場合は、蒸発器として動作する熱交換器に冷凍機油としてのポリアルキレングリコールが残留しやすくなり、冷凍機油に起因する熱交換器の性能低下の問題が深刻となる。

これに対し、本実施形態の空調機（10）では、蒸発器として動作する熱交換器（33,51）の上流側に油分離器（45,55）を設け、油分離器（45,55）で冷凍機油と分離された冷媒を蒸発器として動作する熱交換器（33,51）へ供給している。従って、本実施形態によれば、冷媒に二酸化炭素を用いて冷凍機油にポリアルキレングリコールを用いる場合であっても、蒸発器として動作する熱交換器（33,51）の性能を充分に確保することができる。

《発明の実施形態２》
本発明の実施形態２について説明する。本実施形態は、上記実施形態１の空調機（10）において、室内油分離器（55）及び室外油分離器（45）の構造を変更したものである。実施形態１の場合と同様に、室外油分離器（45）と室内油分離器（55）は、それぞれの構造が同じになっている。ここでは、本実施形態の油分離器（45,55）について、図３及び図４を参照しながら説明する。

本実施形態の油分離器（45,55）は、本体部材（81）と、冷媒導入管（73）と、冷媒導出管（74）と、油導出管（75）とを備えている。室外油分離器（45）における冷媒導入管（73）と冷媒導出管（74）と油導出管（75）の接続先や、室内油分離器（55）における冷媒導入管（73）と冷媒導出管（74）と油導出管（75）の接続先は、実施形態１と同じである。

本体部材（81）は、円管状に形成され、その軸方向が概ね水平方向となる姿勢で配置されている。本体部材（81）の内面には、８本の螺旋溝（82）が形成されている。これらの螺旋溝（82）は、その断面が半円状となっており、本体部材（81）の内周面の周方向に等間隔に配置されている。また、これらの螺旋溝（82）は、本体部材（81）の一端から他端に亘って形成されており、本体部材（81）の端面に開口している（図４を参照）。

冷媒導入管（73）は、本体部材（81）と同軸に配置され、本体部材（81）の入口端（図３における左端）に挿入されている。冷媒導出管（74）は、本体部材（81）と同軸に配置され、本体部材（81）の出口端（図３における右端）に挿入されている。冷媒導出管（74）の内径は、本体部材（81）の内径よりも小さくなっている。油導出管（75）は、その始端部分が本体部材（81）の出口端を覆うような形状に形成されている。油導出管（75）の始端部分の内周縁は、本体部材（81）の出口端における螺旋溝（82）の開口端の外周側を囲っている。また、冷媒導出管（74）は、油導出管（75）の始端部分を貫通している。

本実施形態の油分離器（45,55）では、冷凍機油の混入した気液二相状態の冷媒が冷媒導入管（73）を通って本体部材（81）へ流入する。本体部材（81）では、その内壁に沿って冷媒が流れる一方、液冷媒よりも比重の大きい冷凍機油は螺旋溝（82）に入り込む。油分離器（45,55）では、冷媒が本体部材（81）の内壁に沿って流れる間に、その冷媒から冷凍機油が取り除かれる。この油分離器（45,55）では、冷媒導出管（74）の内径が本体部材（81）の内径よりも小さくなっている。そのため、冷媒導出管（74）へは、冷凍機油を殆ど含まない冷媒が流入する。一方、螺旋溝（82）に入り込んだ冷凍機油は、螺旋溝（82）内を本体部材（81）の出口端へ向かって流れ、やがて油導出管（75）へ流入する。

《その他の実施形態》
−第１変形例−
上記の各実施形態では、１台の室外機（11）に対して１台の室内機（13）が接続されているが、１台の室外機（11）に対して複数台の室内機が接続されていてもよい。ここでは、１台の室外機（11）に対して２台の室内機（13,15）を接続した場合について、図５を参照しながら説明する。

本変形例の空調機（10）において、２台の室内機（13,15）は、１台の室外機（11）に対して並列に接続されている。本変形例の室外機（11）の構成は、上記実施形態１のものと全く同じである。一方、本変形例の室内機（13,15）の構成は、上記実施形態１のものとほぼ同じであるが、室内回路（50,60）に室内膨張弁（52,62）が設けられている点だけが上記実施形態１のものと異なっている。つまり、各室内機（13,15）には、室内熱交換器（51,61）と室内油分離器（55,65）と室内膨張弁（52,62）とを備えた室内回路（50,60）と、逆止弁（57,67）と流量調節弁（58,68）とを備えた室内油配管（56,66）と、室内ファン（14,16）とが設けられている。各室内回路（50,60）において、室内膨張弁（52,62）は、室内油分離器（55,65）よりも液側連絡配管（21）寄りに配置されている。

冷房運転時において、圧縮機（31）から吐出された冷媒は、室外熱交換器（33）で放熱してから室外油分離器（45）と室外膨張弁（34）を順に通過し、その後に液側連絡配管（21）を通って各室内回路（50,60）へ分配される。各室内回路（50,60）へ流入した冷媒は、室内膨張弁（52,62）を通過する際に減圧されて気液二相状態となり、その後に室内油分離器（55,65）へ流入する。室内油分離器（55,65）では冷媒と冷凍機油が分離され、冷媒は室内熱交換器（51,61）へ、冷凍機油は室内油配管（56,66）へそれぞれ流入する。室内熱交換器（51,61）では、流入した冷媒が室内空気から吸熱して蒸発する。室内熱交換器（51,61）で蒸発した冷媒は、室内油配管（56,66）を通過した冷凍機油と共にガス側連絡配管（22）を通って室外回路（30）へ流入し、その後に圧縮機（31）へ吸入される。

暖房運転時において、圧縮機（31）から吐出された冷媒は、ガス側連絡配管（22）を通って各室内回路（50,60）へ分配される。各室内回路（50,60）へ流入した冷媒は、室内熱交換器（51,61）で室内空気へ放熱する。室内熱交換器（51,61）で放熱した冷媒は、室内油分離器（55,65）と室内膨張弁（52,62）とを順に通過し、その後に液側連絡配管（21）を通って室外回路（30）へ流入する。室外回路（30）へ流入した冷媒は、室外膨張弁（34）を通過する際に減圧されて気液二相状態となり、その後に室外油分離器（45）へ流入する。室外油分離器（45）では冷媒と冷凍機油が分離され、冷媒は室外熱交換器（33）へ、冷凍機油は室外油配管（46）へそれぞれ流入する。室外熱交換器（33）では、流入した冷媒が室外空気から吸熱して蒸発する。室外熱交換器（33）で蒸発した冷媒は、室外油配管（46）を通過した冷凍機油と共に圧縮機（31）へ吸入される。

−第２変形例−
上記各実施形態の空調機（10）では、冷凍サイクルの高圧が冷媒の臨界圧力よりも高く設定されているが、冷凍サイクルの高圧が冷媒の臨界圧力以下に設定された冷凍装置に本発明を適用してもよい。

−第３変形例−
上記各実施形態の空調機（10）では、冷媒として二酸化炭素を用いると共に、冷凍機油としてポリアルキレングリコールを用いているが、冷媒や冷凍機油の種類はこれらに限定されない。具体的には、例えばＲ１３４ａ、Ｒ４１０ａ、Ｒ４０７ｃ、Ｒ３２等のいわゆるフロン冷媒を冷媒として用いてもよく、例えばポリ-α-オレフィン、Ｐ０６、フッ素系の油等を冷凍機油として用いてもよい。

なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

以上説明したように、本発明は、冷凍サイクルを行う冷凍装置について有用である。

実施形態１の空調機の構成を示す冷媒回路図である。 実施形態１の油分離器の構成を示す断面図である。 実施形態２の油分離器の構成を示す断面図である。 図３のＡ−Ａ断面を示す断面図である。 その他の実施形態の第１変形例の空調機の構成を示す冷媒回路図である。

符号の説明

10 空調機（冷凍装置）
20 冷媒回路
31 圧縮機
33 室外熱交換器（熱源側熱交換器）
34 室外膨張弁（膨張機構）
45 室外油分離器（油分離器）
46 室外油配管（油流通路）
47 逆止弁
51 室内熱交換器（利用側熱交換器）
52 室内膨張弁（膨張機構）
55 室内油分離器（油分離器）
56 室内油配管（油流通路）
57 逆止弁
61 室内熱交換器（利用側熱交換器）
62 室内膨張弁（膨張機構）
65 室内油分離器（油分離器）
66 室内油配管（油流通路）
67 逆止弁

Claims (7)

1. 圧縮機（31）と熱源側熱交換器（33）と膨張機構（34,52,62）と利用側熱交換器（51,61）とが接続されて冷凍サイクルを行う冷媒回路（20）を備え、上記利用側熱交換器（51,61）が蒸発器となって該利用側熱交換器（51,61）で対象物を冷却する冷却運転を行う冷凍装置であって、
   上記冷媒回路（20）では、上記冷却運転中の冷媒の循環経路における上記膨張機構（34,52,62）と上記利用側熱交換器（51,61）の間に、上記圧縮機（31）から冷媒と共に吐出された冷凍機油を冷媒と分離して冷媒を上記利用側熱交換器（51,61）へ供給する油分離器（55,65）が設けられている
   ことを特徴とする冷凍装置。
2. 請求項１において、
   上記冷媒回路（20）には、上記油分離器（55,65）で冷媒と分離された冷凍機油を上記冷却運転中の冷媒の循環経路における上記利用側熱交換器（51,61）の下流側へ供給するための油流通路（56,66）が設けられている
   ことを特徴とする冷凍装置。
3. 請求項２において、
   上記冷媒回路（20）は、上記熱源側熱交換器（33）が蒸発器となって上記利用側熱交換器（51,61）で対象物を加熱する加熱運転と上記冷却運転とが切り換え可能に構成される一方、
   上記油流通路（56,66）には、上記油分離器（55,65）から流出する方向の流体の流通だけを許容する逆止弁（57,67）が設けられている
   ことを特徴とする冷凍装置。
4. 圧縮機（31）と熱源側熱交換器（33）と膨張機構（34,52,62）と利用側熱交換器（51,61）とが接続されて冷凍サイクルを行う冷媒回路（20）を備え、上記熱源側熱交換器（33）が蒸発器となって上記利用側熱交換器（51,61）で対象物を加熱する加熱運転を行う冷凍装置であって、
   上記冷媒回路（20）では、上記加熱運転中の冷媒の循環経路における上記膨張機構（34,52,62）と上記熱源側熱交換器（33）の間に、上記圧縮機（31）から冷媒と共に吐出された冷凍機油を冷媒と分離して冷媒を上記熱源側熱交換器（33）へ供給する油分離器（45）が設けられている
   ことを特徴とする冷凍装置。
5. 請求項４において、
   上記冷媒回路（20）には、上記油分離器（45）で冷媒と分離された冷凍機油を上記加熱運転中の冷媒の循環経路における上記熱源側熱交換器（33）の下流側へ供給するための油流通路（46）が設けられている
   ことを特徴とする冷凍装置。
6. 請求項５において、
   上記冷媒回路（20）は、上記利用側熱交換器（51,61）が蒸発器となって該利用側熱交換器（51,61）で対象物を冷却する冷却運転と上記加熱運転とが切り換え可能に構成される一方、
   上記油流通路（46）には、上記油分離器（45）から流出する方向の流体の流通だけを許容する逆止弁（47）が設けられている
   ことを特徴とする冷凍装置。
7. 請求項１乃至６の何れか１つにおいて、
   上記冷媒回路（20）には二酸化炭素が冷媒として充填され、上記圧縮機（31）には冷凍機油としてポリアルキレングリコールが貯留されている
   ことを特徴とする冷凍装置。

Images