JP4196814B2

JP4196814B2 - 冷凍空調装置

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Publication number: JP4196814B2
Application number: JP2003393326A
Authority: JP
Inventors: 史武畝崎; 寿彦榎本; 昌之角田; 信齊藤; 宗野本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-11-25
Filing date: 2003-11-25
Publication date: 2008-12-17
Anticipated expiration: 2023-11-25
Also published as: JP2005155981A

Description

この発明は、冷凍空調装置に関するものであり、特に冷媒として二酸化炭素（ＣＯ２）を用いる冷凍空調装置に関するものである。

従来の冷凍空調装置として、冷媒としてＣＯ２、冷凍機油としてポリアルキレングリコール油（ＰＡＧ油）を用いた冷凍空調装置にアキュムレータを用いるととともに、アキュムレータに冷凍サイクルの余剰の液冷媒、及び冷凍機油を保持したものがある（例えば、特許文献１参照）。ＣＯ２冷媒とＰＡＧ油は相溶性が低く、通常の温度帯では油の密度が冷媒の密度よりも大きいため、油はアキュムレータ底部に滞留し、油の上に液冷媒が浮く形となっている。そして、アキュムレータ底部に設けた油戻し穴を経てアキュムレータ内の冷凍機油が圧縮機内に供給され、圧縮機を潤滑する。このようにして、アキュムレータ内の余剰の液冷媒が圧縮機へ吸入されることを防止しつつ、冷凍機油のみを圧縮機に供給することで、冷凍サイクルの信頼性を確保していた。
また他の従来の冷凍空調装置として、圧縮機の起動前に圧縮機の電動要素に通電することで圧縮機シェル内の冷媒及び油を加熱しているものがある（例えば、特許文献２参照）。こうすることで、圧縮機内で二相分離しているＣＯ２冷媒を蒸発させて圧縮機の外に追い出し、圧縮機の電気絶縁性を向上していた。

特開平１１−９４３８０号公報（第３―４頁、図１、図２）特開２００２−２６６７６２号公報（第４―６頁、図２）

しかし、従来の冷凍空調装置には以下のような問題があった。例えば冷凍機油としてＰＡＧ油を使用した場合、ＰＡＧ油の温度が−１５℃程度よりも高いときには冷媒の液密度＜油の密度となり、−１５℃よりも低いときには冷媒の液密度＞油の密度となる。冷凍空調装置に余剰の冷媒や油がある場合、その冷媒や油はアキュムレータだけでなく圧縮機シェル内にも保持される。そして冷凍空調装置の運転が停止されると共に、冷凍空調装置の周囲温度が−１５℃以下となると圧縮機シェル内に保持される液冷媒と油では、冷媒の密度が油の密度よりも大きくなり、液冷媒の上に油が浮く形となる。圧縮機構部や軸受け部の潤滑のために冷凍機油をシェル底部から給油する機構を持つ圧縮機の場合、前記のように−１５℃以下の状態で起動すると、起動時にはシェル底部の液冷媒が圧縮機構部や軸受け部に供給され、液冷媒は油より粘性が低いため、潤滑不良などを生じる可能性があり、圧縮機運転の信頼性を低下させるという問題があった。
また、特許文献２では圧縮機内の冷凍機油の加熱機能を有するが、冷凍機油と冷媒の密度の大小で加熱機構を動作させるものではなかった。即ち、上記課題を解決するためにその加熱機能をどのように発揮させるかは明確ではなく、周囲温度が低温であるときに加熱量不足であると上記と同様の状態となり、圧縮機運転の信頼性が低下する。また過剰に加熱すると、冷凍空調装置の消費電力を増大させるという問題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、圧縮機の圧縮機構部や軸受け部に冷凍機油を適切に供給できるようにし、圧縮機運転の信頼性を確保できる冷凍空調装置を得ることを目的とする。

この発明に係る冷凍空調装置は、二酸化炭素冷媒が封入され、圧縮機構部で前記冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機のシェル底部に滞留する冷凍機油の温度を検知する油温検知装置と、前記シェル底部に設けられ、前記冷凍機油を加熱する加熱装置と、前記冷凍機油を前記圧縮機構部もしくは軸受け部に給油する油供給装置と、を備え、前記油温検知装置で検知された温度が、前記冷凍機油と前記冷媒の密度の大小が逆になる温度である密度逆転温度に基づいて設定した設定温度よりも低いときに、前記加熱装置によって前記冷凍機油を前記シェルの外周上で不均一に加熱することを特徴とするものである。

この発明は、冷媒と冷凍機油の密度の大小が逆転する密度逆転温度に基づいて設定温度を設定し、圧縮機の油溜め内の冷凍機油の温度が前記設定温度よりも下がった時に加熱装置により冷凍機油を前記シェルの外周上で不均一に加熱することで、少ない加熱量で液冷媒を油の上方に移動させることができる。従って冷凍空調装置の消費電力増大を防止し、高効率な運転を実現できる。また、油の上方に液冷媒が存在する状態とすることができ、圧縮機起動時に、圧縮機構部もしくは主軸受け８ａなどへの潤滑を確実にでき、信頼性の高い冷凍空調装置を得ることができる。また、冷凍空調装置の周囲が低温となってもシェル底部の液冷媒の下方に冷凍機油を滞留させることができる。このため、起動時に圧縮機構部もしくは軸受け部に油を確実に供給することができ、圧縮機運転の信頼性を確保できる冷凍空調装置が得られる。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１に係る冷凍空調装置について、図１、図２に基づいて説明する。図１はこの実施の形態に係る冷凍空調装置を示す冷媒回路図であり、圧縮機１、放熱器２、減圧装置である膨張弁３、蒸発器４が環状に接続されている。この冷凍空調装置には二酸化炭素（ＣＯ２）冷媒が封入され、冷凍機油としては、例えばポリアルキレングリコール油（ＰＡＧ油）が用いられる。また、図２はこの実施の形態に係る圧縮機１を示す断面図である。

図２において、圧縮機１は例えばスクロール型圧縮機であり、固定スクロール５及び揺動スクロール６から構成される圧縮機構部がシェル７内の上部に設けられている。揺動スクロール６は、その外周近傍背面において、シェル７の内周面に固着されたフレーム８によりスラスト方向に摺動自在に支持されている。また、揺動スクロール６の中心近傍背面には軸受け穴部６ａが形成されており、この軸受け穴部６ａと周方向に摺動自在に係合する偏心軸部９ａを上端部に有し、フレーム８に形成された主軸受け８ａにおいてラジアル方向に軸支された主軸９が、電動機１０によって回転駆動自在に設けられている。フレーム８の上面中央部には、オルダムリング１１を収容するオルダムリング収容部８ｂが形成されている。オルダムリング１１は、オルダムリング収容部８ｂの底面と所定方向に摺動自在であり、かつ、揺動スクロール６の背面と、前記所定方向と直交する方向に摺動自在であるように構成されている。また、シェル７の底部には油溜め１２が形成され、油溜め１２内に滞留するＰＡＧ油を汲み上げて、軸受け部である軸受け穴部６ａ、主軸受け８ａ、及び圧縮機構部であるオルダムリング収容部８ｂに供給するための油供給装置として、例えばポンプ１３が主軸９の下端に設けられている。また、主軸９内には給油通路９ｂが設けられている。シェル７の油溜め１２近傍には、加熱装置として例えば電気ヒータ１６がシェル７底部の外周に巻かれ、油溜め１２内に滞留する冷凍機油及び液冷媒を加熱する。シェル７底部に設けた油温検知装置１７は例えばサーミスタで、油溜め１２のＰＡＧ油の温度を検知する。このサーミスタ１７は、シェル７の温度を計測することで、シェル７を介してこの内側の冷凍機油の温度を検知する。また、制御装置１８は例えば制御基板であり、計測したＰＡＧ油の温度に基づいて、電気ヒータ１６への通電のオン・オフを行なう。冷凍サイクルを循環して蒸発器４を通ってきた冷媒は、吸入管１４から圧縮機１に吸入され、吐出管１５から放熱器２へ吐出される。図２に示す点線は制御装置１８に入力または出力する制御信号を示している。

次にこの冷凍空調装置での運転動作について説明する。冷凍空調装置は放熱器２を利用して暖房運転を実施するものとして説明する。図１において、圧縮機１で圧縮され、吐出された高温・高圧のガス冷媒は、放熱器２に流入し、放熱器２で放熱しながら温度低下する。このとき高圧が臨界圧以上であれば、冷媒は超臨界状態のまま温度低下し放熱する。また高圧が臨界圧以下であれば、冷媒は液化しながら放熱する。冷媒から放熱された熱を負荷側の空気や水などに温熱として与えることで暖房を行う。放熱器２を出た冷媒は膨張弁３で減圧されて低圧の二相状態となり、蒸発器４に流入する。蒸発器４では、冷媒は外気などの熱源から吸熱して蒸発ガス化され、蒸発器４を出たガス冷媒は圧縮機１に吸入される。

次に圧縮機１の運転動作について説明する。電動機１０により主軸９が回転駆動されると、その回転が偏心軸部９ａ及び軸受け穴部６ａにおいて主軸９と係合する揺動スクロール６に伝えられる。この際、オルダムリング収容部８ｂ内で往復運動するオルダムリング１１により揺動スクロール６の自転が防止されるので、揺動運動を行うことになる。この揺動スクロール６は固定スクロール５と協動して良く知られたスクロール圧縮機の圧縮原理により、吸入管１４から吸入された低圧の冷媒ガスが圧縮され吐出管１５から高圧の冷媒ガスが吐出される。

また、主軸９が回転すると、ポンプ１３により油溜め１２内のＰＡＧ油が吸引される。これにより、潤滑油は、給油通路９ｂを通って圧縮機構部もしくは軸受け穴部６ａ及び主軸受け８ａなどの軸受け部を潤滑する。

次に冷凍空調装置停止中のヒータ１６の加熱制御について説明する。冷凍空調装置運転中で圧縮機１が運転している場合、シェル７内は高温となる。このため液冷媒は蒸発するので、油溜め１２にはＰＡＧ油とわずかに溶解した液冷媒が存在する。冷凍空調装置が停止すると、外気に放熱することから次第にシェル７も冷却され、それに伴いシェル７内のガス冷媒も冷却液化され、シェル７底部の油溜め１２に液冷媒が滞留するようになる。図３はＣＯ２の液冷媒とＰＡＧ油の密度の温度による変化を示したグラフであり、横軸に温度（℃）、縦軸に密度（ｋｇ／ｍ³ ）を示す。液冷媒とＰＡＧ油の密度の大小は図３に示したように−１５℃を境に逆転するので、これを密度逆転温度とする。油溜め１２の状態は、液冷媒及びＰＡＧ油の温度が密度逆転温度である−１５℃より高い場合は、図４に示すようにＰＡＧ油の上に液冷媒が存在し、液冷媒及びＰＡＧ油の温度が密度逆転温度である−１５℃より低い場合は、図５に示すように液冷媒の上にＰＡＧ油が存在する。もちろん、この密度逆転温度で図４と図５の状態が瞬時に変化するのではなく、実際には密度逆転温度の前後で徐々に変化している。

液冷媒及びＰＡＧ油の温度が−１５℃より高い場合、即ち図４の状態から再度冷凍空調装置を起動する場合には、ポンプ１３に吸入されるのはＰＡＧ油となり、起動時の圧縮機１内の圧縮機構部もしくは主軸受け８ａや軸受け穴部６ａなどの軸受け部の潤滑を問題なく実施できる。一方、液冷媒及びＰＡＧ油の温度が−１５℃より低い場合、即ち図５の状態から再度冷凍空調装置を起動する場合には、ポンプ１３に吸入されるのは液冷媒となり、起動時の圧縮機１内の圧縮機構部もしくは主軸受け８ａや軸受け穴部６ａなどの軸受け部の潤滑性能が低下するという問題があるのは前述した通りである。

この実施の形態に係る制御装置１８で行う通電加熱制御の方法の一例を図６に示し、処理のフローチャートを図７に示す。冷凍空調装置が停止中であるときに、サーミスタ１７で油溜め１２に滞留している液冷媒及びＰＡＧ油の温度を計測する（ＳＴ１）。ＳＴ２では計測した温度と予め設定した温度とを比較する。ここでは、密度の逆転する温度−１５℃より所定の温度として例えば５℃高い温度、即ち−１０℃を設定温度とする。計測したＰＡＧ油の温度が設定温度より低くなると、ＳＴ２の比較でＹＥＳとなって、ヒータ１６に通電して油溜め１２部分を加熱する（ＳＴ３）。油溜め１２の内部に滞留されているＰＡＧ油及び液冷媒は加熱されて温度が上昇する。そして、サーミスタ１７で検知される液冷媒及びＰＡＧ油の温度が設定温度以上に高くなると、ＳＴ２の比較でＮＯとなり、ヒータ１６への通電を停止する（ＳＴ４）。

このようにヒータ１６への通電加熱制御を実施し、液冷媒及びＰＡＧ油の温度を制御することにより、冷凍空調装置を停止しているときの油溜め１２の液冷媒及びＰＡＧ油の温度が設定温度以上になるように制御している。このため、油溜め１２の液冷媒及びＰＡＧ油の分布が常に図４のように液冷媒が上、ＰＡＧ油が下となる。従って、図４の状態で冷凍空調装置の運転を開始すると、圧縮機１を起動した時に圧縮機構部もしくは軸受け部にＰＡＧ油が確実に給油され、圧縮機１運転における信頼性を確保することができる。特に、冷凍空調装置が停止中にいつ起動しても、必ず圧縮機構部もしくは軸受け部にＰＡＧ油が給油され、信頼性の高い冷凍空調装置が得られる。
ここで、設定温度として、液冷媒とＰＡＧ油の密度が逆転する密度逆転温度を設定してもよいが、密度逆転温度より所定の値高い温度を設定すれば、確実に図４に示されるようにＰＡＧ油の上に液冷媒が存在させることができ、好ましい。

以上のように、この実施の形態では、冷媒と冷凍機油の密度の大小に基づいて、ヒータ１６により圧縮機シェル７内の冷凍機油を加熱することで、冷凍空調装置の周囲が低温となってもシェル７底部に冷凍機油を滞留させることができる。このため、起動時に圧縮機構部もしくは軸受け部に冷凍機油を供給でき、圧縮機運転の信頼性を確保できるという効果がある。

また、液冷媒及びＰＡＧ油の温度が−１５℃より所定温度以上に上がり、ＰＡＧ油の密度が液冷媒の密度よりも充分に大きくなったと推定される温度以上になると、確実にＰＡＧ油が油溜め１２の液冷媒の下部に存在する状況になる。そこでヒータ１６への通電を停止することで、ヒータ１６への無駄な通電を抑制し、冷凍空調装置の消費電力増大を防止し、高効率な運転を実現できる。

上記では、冷凍空調装置の停止中、常に冷凍機油が設定温度以上になるように構成したが、冷凍空調装置の停止時間が運転と停止の時間間隔が長く、一度停止すると長時間停止するような場合には、ヒータ１６による通電加熱制御を以下のように圧縮機１を起動する前に実施してもよい。例えば、設定温度として、液冷媒とＰＡＧ油の密度逆転温度である−１５℃より所定温度、例えば１０℃高い温度、即ち−５℃を設定する。冷凍空調装置の運転開始前に、サーミスタ１７によって油溜めに滞留するＰＡＧ油及び液冷媒の温度を計測する。この計測した温度が設定温度より高い場合には、油溜め１２の状態は図４のようにＰＡＧ油の上に液冷媒が存在していると判断し、そのまま圧縮機１を起動する。逆に計測した温度が設定温度より低い場合には、油溜め１２の状態が図５のように液冷媒の上にＰＡＧ油が存在している、または液冷媒とＰＡＧ油とが逆転しつつあると判断し、圧縮機１の起動前にヒータ１６に通電して油溜め１２をシェル７の外周から加熱する。加熱後、サーミスタ１７で計測される温度が設定温度より高くなると、ＰＡＧ油の密度が液冷媒の密度よりも充分に大きいと推定できる。即ち、油溜め１２の状態が図４のようにＰＡＧ油の上に液冷媒が存在すると推定できるので、ヒータ１６による加熱を終了し、圧縮機１を起動して冷凍空調装置の運転を開始する。
ここで、通電の開始・停止を判断する設定温度は、冷凍空調装置の停止時に常に制御する場合と同様、液冷媒とＰＡＧ油の密度逆転温度である−１５℃より所定の温度として５℃高い温度、即ち−１０℃としてもよいが、ここでは少し高く設定する。長時間停止していたために圧縮機１自体が低温になり、図５に示すように冷凍機油が液冷媒の上に浮いている状態であると考えられる。このため、設定温度をー５℃として少し大きく設定することで、加熱量を多くでき、確実に図４に示すように液冷媒が冷凍機油の上に浮いている状態とすることができる。

このように、冷凍空調装置の運転開始前にヒータ１６の通電加熱制御を実施することで、冷凍空調装置の停止中に外気温度が低下しても冷凍機もヒータ１６へ通電しなくてもよくなる。このため、停止中も通電加熱制御を実施する場合に比べて、停止中の冷凍空調装置の消費電力を低減し、より効率のよい冷凍空調装置の運転を実現できる。もちろん、運転開始前にヒータ１６の通電加熱制御を行なって図４のようにＰＡＧ油の上に液冷媒が存在する状態とし、この後で圧縮機１を運転するので、圧縮機構部もしくは軸受け部に冷凍機油を確実に供給でき、圧縮機運転の信頼性を確保できるという効果は同様である。

図２に示した圧縮機１の構成では、サーミスタ１７と制御装置１８を設け、制御装置１８にサーミスタ１７で計測したＰＡＧ油の温度を送信して制御装置１８で設定温度の比較や、ヒータ１６への加熱制御を行なっていた。別の構成として、ヒータ１６への加熱のオン・オフを例えばバイメタルで構成することもできる。バイメタルを使うことで、簡単な構成で実現できるという効果がある。また、マイクロコンピュータのソフトウェアなどで実現することもできる。

また、ヒータ１６へ通電加熱後、加熱停止を判断する温度については加熱開始を判断する温度と同じ温度でなくてもよい。例えば、加熱を停止する際の設定温度を加熱開始の設定温度よりも所定の温度だけ高い温度としてもよい。ヒータ１６通電後は、シェル７を介して冷媒及びＰＡＧ油を加熱することになるので、冷媒及びＰＡＧ油の実際の温度よりもサーミスタ１７で計測される温度は高くなりやすい。そこで、加熱開始を判断する設定温度を−１０℃とし、加熱停止を判断する設定温度を加熱開始温度より高く、例えば５℃程度高くして−５℃とする。加熱停止設定温度を高く設定することで、冷媒及びＰＡＧ油の温度が確実に上昇し、ＰＡＧ油の密度が液冷媒の密度よりも所定の値大きい密度であると推定できた時点で加熱を停止できる。このため、図４の状態で圧縮機１を運転することができ、信頼性の高い冷凍空調装置が得られる。
サーミスタ１７で計測した温度で加熱停止を判断する場合には、ＰＡＧ油の密度が液冷媒の密度よりも所定の値、例えば５０ｋｇ／ｍ3程度大きい密度であると推定される温度を加熱停止設定温度として設定すればよい。この密度における所定の値は、図５の状態から図４の状態に確実に移動するときのＰＡＧ油と液冷媒の密度差を予め試験や計算で把握しておけばよく、上記の値に限るものではない。

このときの制御装置１８における通電加熱制御の方法を図８に示し、処理工程を示すフローチャートを図９に示す。冷凍空調装置が停止中であるときに、サーミスタ１７で液冷媒及びＰＡＧ油温度を計測する（ＳＴ１１）。ＳＴ１２では計測した温度と予め設定した温度とを比較する。ここで、加熱を開始する設定温度は、液冷媒とＰＡＧ油の密度が逆転する温度でもよいが、確実に図４に示されるようなＰＡＧ油の上に液冷媒が存在するようにするために、液冷媒とＰＡＧ油の温度が密度逆転温度よりも所定の温度以上高い温度になるように設定する。このため、ここでは、密度逆転温度である−１５℃より所定の温度△Ｔ１として例えば５℃高い温度、即ち−１０℃を加熱開始の設定温度とする。検知したＰＡＧ油の温度がこの設定温度より低くなると、ＳＴ１２の比較でＹＥＳとなって、ヒータ１６が停止中の場合にはヒータ１６に通電して油溜め１２部分を加熱する（ＳＴ１４）。ＳＴ１３の判断でヒータ１６は加熱中の場合にはＮＯとなり、そのままの加熱状態を継続する。ＳＴ１４では油溜め１２の内部に滞留しているＰＡＧ油及び液冷媒は加熱されて温度が上昇する。そして、ＰＡＧ油及び液冷媒の温度が加熱開始設定温度よりも上昇すると、ＳＴ１２の比較でＮＯとなり、ＳＴ１５の判断を行なう。ここでは、加熱を停止する設定温度として、液冷媒及びＰＡＧ油の温度が密度逆転温度である−１５℃より所定の温度△Ｔ２として例えば１０℃高い温度、即ち―５℃が予め設定されている。液冷媒及びＰＡＧ油の温度が加熱停止設定温度にまで高くなると、ＳＴ１５の比較でＹＥＳとなり、ヒータ１６が通電中の場合にヒータ１６への通電を停止する（ＳＴ１７）。ＳＴ１６でヒータ１６が停止中の場合にはＮＯと判断され、その停止状態を継続する。

このようにヒータ１６の停止を判断する時の設定温度を加熱の判断をするときの設定温度よりも高く設定することで、油溜め１２内で確実に冷媒及びＰＡＧ油が図４のように液冷媒が上、ＰＡＧ油が下になった後にヒータ１６を停止することができる。従って、圧縮機１を起動した時に圧縮機構部もしくは軸受け部にＰＡＧ油が確実に給油され、圧縮機１運転における信頼性を確保することができる。
さらに確実に不必要になった時点、即ちＰＡＧ油の密度が液冷媒の密度よりも所定の密度だけ大きくなったと推定される時点でヒータ１６への通電を停止することで、冷凍機油の過剰な加熱を抑制でき、消費電力の増加も防止し、効率のよい冷凍空調装置の運転を実現できるという効果がある。

なお、ヒータ１６の通電加熱制御は、上記の例ではサーミスタ１７で計測される温度によって実施しているが、通電加熱する時間によって制御してもよい。例えば、冷凍空調装置の運転開始前にヒータ１６に通電加熱する際、加熱開始設定温度を設定し、加熱停止設定温度は設定する変わりに加熱時間を設定する。そして、サーミスタ１７で計測されるＰＡＧ油の温度が運転開始設定温度、例えば−５℃より低い場合にはヒータ１６への通電加熱を一定時間、例えば３０分程度実施する。この時間は予め計算や試験などにより、油溜め１２での液冷媒とＰＡＧ油の状態が図５のように液冷媒の上にＰＡＧ油が存在する状態から図４のようにＰＡＧ油の上に液冷媒が存在する状態となるのに要する加熱時間を把握しておけばよい。

また、加熱量を調節できる加熱装置、例えば電気ヒータ１６に部分的に通電できるような構成にしておき、サーミスタ１７で検知した温度と設定温度との差に応じて加熱量を調節してもよい。温度差が大きいときには加熱量を多くし、温度差が小さいときには加熱量を小さくすれば、対象に応じて加熱でき、消費電力を低減できる。

上記では加熱開始の判断において、サーミスタ１７で測定した油溜め１２近傍のシェル７の温度からＰＡＧ油の温度を検知し、その温度におけるの密度から油溜め１２内の冷凍機油と液冷媒の状態を推定しているが、他の方法で冷凍機油と液冷媒の密度を検知してもよい。サーミスタ１７で測定される温度の他に、油溜め１２での液冷媒及びＰＡＧ油の温度を推算できるものであれば、他の場所を計測する温度センサの情報を用いてもよい。例えば油温度検知装置としてサーミスタではなく外気温度を計測する温度センサを用いてもよい。冷凍空調装置が停止中のときに、シェル７からの放熱は外気になされるので、シェル７内の油溜め１２に滞留する液冷媒及びＰＡＧ油の温度は最終的には外気温度に近い温度となる。この場合には、外気温度センサによってＰＡＧ油の温度を検知することができる。従って外気温度が加熱開始設定温度より低い場合にヒータ１６で加熱し、液冷媒とＰＡＧ油の状態が図４のようにＰＡＧ油の上に液冷媒が存在する状態となるまで加熱してもよい。この場合には、加熱実施後の液冷媒及びＰＡＧ油の温度は測定できないので、予め定められた時間だけヒータ１６による通電加熱を実施する。さらに、加熱停止してから次に加熱を開始する時間間隔を予め定めておき、この後は予め定められた時間間隔で、予め定められた時間だけヒータ１６による通電加熱を実施してもよい。この時の時間間隔及び加熱時間は、予め試験や計算によって液冷媒の密度よりも充分に大きなＰＡＧ油の密度が得られるように、例えば外気温度に応じて設定しておけばよい。

また、サーミスタ１７で測定される温度の代わりに、シェル７内の冷媒圧力を計測できる圧力センサを用いてもよい。冷凍空調装置が停止中はシェル内の冷媒は気液二相状態にあるので、圧力センサで計測された圧力を冷媒の飽和温度に換算し、この温度を油溜め１２での液冷媒及びＰＡＧ油の温度として、上述したヒータ１６の通電加熱制御を実施する。

また、上記では、シェル７底部の外周にヒータ１６を配置した構成について説明したが、ヒータ１６をシェル７の底面に配置してもよいし、油溜め１２の内部の壁面や中央部や底部に設けた構成でもよい。油溜め１２に滞留する冷凍機油及び液冷媒を加熱できるものなら、どのような構成でも上記と同様の効果を奏する。

また、油溜め１２の液冷媒及びＰＡＧ油の加熱方法として、ヒータ１６による加熱以外の方法を用いてもよい。例えば圧縮機１に通常備わっている圧縮機構部を駆動する電動機１０を用いることもできる。即ち電動機１０に主軸９を駆動しないように通電し、通電時の発熱を利用して油溜め１２の液冷媒及びＰＡＧ油を加熱することもできる。この場合には、新たに加熱装置を追加する必要がなく、装置の変更が容易で費用も低減できる。また、電磁誘導を利用して加熱するように構成してもよい。

また、冷凍機油の種類はＰＡＧ油としているが、これに限定するものではなく、ＣＯ２冷媒と相溶性が低く、図３のように油と液冷媒の密度の上下が逆転する温度が存在する冷凍機油、例えばアルキルベンゼン油やエーテル油、鉱油について適用可能であり、同様の効果を得ることができる。この際の加熱装置による加熱開始や停止を判断する設定温度は、それぞれの場合の密度逆転温度に基づいて設定すればよい。

また圧縮機の種類もスクロール型に限るものではなく、他の形式、例えばロータリー型やレシプロ型の圧縮機でも適用可能であり、図２と同様の効果を得ることができる。

実施の形態２．
以下、この発明の実施の形態２による冷凍空調装置について説明する。冷凍空調装置の冷媒回路、圧縮機１の構造及び運転動作は実施の形態１と同様である。実施の形態２では、加熱装置で冷凍機油を加熱する際、冷凍機油の全体を一様に加熱するのではなく、不均一に加熱する場合の様々な構成例について説明する。
図１０は実施の形態２におけるヒータ配置状況を示した図であり、シェル７の底面図（図１０（ａ））、側面図（図１０（ｂ））を示している。図１０に示されるように、ヒータ１６をシェル７の底部の外周で、図に向かって右側の半円部を加熱するように配置する。

ヒータ１６の通電加熱制御方法は実施の形態１と同様である。例えば、液冷媒とＰＡＧ油の密度の大小が逆転する密度逆転温度−１５℃より一定温度として１０℃高い温度、例えば−５℃を設定温度として予め制御装置１８に記憶しておく。そして、冷凍空調装置の運転開始前に、サーミスタ１７により計測された液冷媒及びＰＡＧ油の温度が、設定温度より低い場合には、油溜め１２の状態が図５に示されるように液冷媒の上にＰＡＧ油が存在していると判断する。そして、圧縮機１の起動前にヒータ１６に通電して油溜め１２に滞留するＰＡＧ油及び液冷媒の加熱を実施する。

ヒータ１６の加熱によって、油溜め１２の状態が図５に示される状態から油溜め１２の右側半分の部位の液冷媒及びＰＡＧ油が優先的に加熱される。この加熱部分の温度が高くなり、その部分のＰＡＧ油と液冷媒の密度差が小さくなり、油溜め１２は図１１に示されるような状態となる。即ち、ＰＡＧ油と液冷媒の加熱が不均一に行われることで、液冷媒の上方に存在するＰＡＧ油の厚さが冷媒表面で不均一となり、加熱された部分ではＰＡＧ油の厚さが加熱されない部分よりも薄くなる。

ヒータ１６の加熱によりＰＡＧ油の下にある液冷媒がＰＡＧ油の上方に移動するためには、加熱による温度上昇により、液冷媒の密度＜ＰＡＧ油の密度となり、浮力が生じ、その浮力がＰＡＧ油の表面張力や粘性に打ち勝ってＰＡＧ油の上面まで液冷媒が移動できるようになる必要がある。このときＰＡＧ油の高さ方向の厚みが少なければ少ないほど、ＰＡＧ油の表面張力や粘性の作用が少なくなり液冷媒が上方に移動しやすくなる。

ヒータ１６の加熱部位をシェル７の半円部としてＰＡＧ油を不均一に加熱すると、図１１に示すように加熱部位の油の厚みを少なくできる。このため、この部分ではより容易に、即ち少ない浮力で下方の液冷媒を上方に移動させることができる。一方、ヒータ１６の加熱部位がシェル７の外周上に一様である場合、油溜め１２の加熱が一様になされるため、ＰＡＧ油の厚みのばらつきもなく、油溜め１２が図１１に示される状態にある場合に比べ、液冷媒を上方に移動させるのにより多くの浮力を要することになる。

浮力が少なくてもよいということは、液冷媒とＰＡＧ油の密度差が小さくてもよいということであり、より低温で、即ち少ない加熱量で液冷媒をＰＡＧ油の上方に移動させることができる。従ってヒータ１６による通電量を低減でき、冷凍空調装置の消費電力増大を防止し、高効率な運転を実現できる。
また油溜め１２の状態をより確実に図４の状態、即ちＰＡＧ油の上方に液冷媒が存在する状態とすることができ、圧縮機１起動時に、圧縮機構部もしくは主軸受け８ａなどへの潤滑を確実にでき、信頼性の高い冷凍空調装置を得ることができる。

このように液冷媒とＰＡＧ油を不均一に加熱すれば、実施の形態１のように一様に加熱する構成に比べて、より少ない温度上昇で液冷媒をＰＡＧ油の上方に移動させることができる。即ち、ヒータ１６の通電加熱制御としては、ヒータ１６の通電加熱の停止を判断するときの温度を低くできる。例えば、均一に加熱する場合の加熱停止設定温度をー５℃とした場合、不均一に加熱する構成では加熱停止設定温度を−１０℃とし、この設定温度よりも高ければ、ヒータ１６の通電加熱を終了するという制御を実施できる。このため、消費電力を削減することができる。

なお、ヒータ１６による加熱部位は図１０に示されるものに限定されるものではなく、油溜め１２の状態が図１１のようにＰＡＧ油の厚みにアンバランスを生じさせるような加熱方法、即ち油溜め１２内の液冷媒及びＰＡＧ油を不均一に加熱する構成、例えばシェル７の形状に対し非対称な加熱部位を持たせるものであれば、同様の効果を得ることができる。
即ち、シェル底部の外周で図１０のように半円部に限るものではなく、全周よりも少ない部分、例えば外周の４０％や６０％の部分を加熱するように構成してもよい。また外周を隙間なく連続して加熱するのではなく、複数の加熱装置を外周に設け、それぞれで局所的に加熱するように構成してもよい。

また、例えばシェル７の底面をヒータ１６で加熱する構成では、図１２の底面図（図１２（ａ））、側面図（図１２（ｂ））に示すように、底面の半分、例えば向かって右半分を加熱するように構成してもよい。この構成によって油溜め１２内の液冷媒及びＰＡＧ油を不均一に加熱することで、少ない浮力で液冷媒を上方に移動させることができ、ヒータ１６による通電量を低減できる。もちろんこの場合にも、ヒータ１６による加熱部位は図１２に示されるものに限定されるものではなく、シェル７の底面の４０％や６０％の部分を加熱するように構成してもよい。油溜め１２の状態が図１１のようにＰＡＧ油の厚みにアンバランスを生じさせるような加熱方法、すなわちシェル７の形状に対し不均一な加熱部位を持たせるものであれば同様の効果を得ることができる。
また、図１０、図１２では向かって右側にヒータ１６を配置したが、もちろんこれに限るものではない。

また、ヒータ１６を油溜め１２の中に設けた構成では、例えば油溜め１２の中で偏在させることで、油溜め１２内の液冷媒及びＰＡＧ油を不均一に加熱することができ、上記と同様の効果を奏する。
また、圧縮機１に通常設けられている圧縮機構部を駆動する電動機に通電し、その発熱によってＰＡＧ油を加熱する構成では、電動機の一部に通電することで、局所的に発熱させることができ、油溜め１２内の液冷媒及びＰＡＧ油を不均一に加熱することができ、上記と同様の効果を奏する。

この発明の実施の形態１に係る冷凍空調装置を示す冷媒回路図である。この発明の実施の形態１に係る圧縮機を示す断面図である。この発明の実施の形態１に係り、温度に対するＣＯ２液冷媒とＰＡＧ油の密度変化を示すグラフである。この発明の実施の形態１に係る油溜めのＣＯ２液冷媒とＰＡＧ油の存在状況を示す説明図である。この発明の実施の形態１に係る油溜めのＣＯ２液冷媒とＰＡＧ油の他の存在状況を示す説明図である。この発明の実施の形態１に係るヒータの通電加熱制御方法を示す説明図である。この発明の実施の形態１に係るヒータの通電加熱制御方法を示すフローチャートである。この発明の実施の形態１に係るヒータの他の通電加熱制御方法を示す説明図である。この発明の実施の形態１に係るヒータの他の通電加熱制御方法を示すフローチャートである。この発明の実施の形態２に係るヒータの配置場所を示す図で、シェルの底面図（図１０（ａ））及び側面図（図１０（ｂ））である。この発明の実施の形態２に係るヒータ加熱中の油溜めのＣＯ２液冷媒とＰＡＧ油の存在状況を示す説明図である。この発明の実施の形態２に係るヒータの他の配置場所を示す図で、シェルの底面図（図１２（ａ））及び側面図（図１２（ｂ））である。

符号の説明

１圧縮機
２放熱器
３減圧装置
４蒸発器
７シェル
９主軸
９ｂ給油通路
１０電動機
１２油溜め
１３油供給装置
１６加熱装置
１７油温検知装置
１８制御装置

Claims

二酸化炭素冷媒が封入され、圧縮機構部で前記冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機のシェル底部に滞留する冷凍機油の温度を検知する油温検知装置と、前記シェル底部に設けられ、前記冷凍機油を加熱する加熱装置と、前記冷凍機油を前記圧縮機構部もしくは軸受け部に給油する油供給装置と、を備え、前記油温検知装置で検知された温度が、前記冷凍機油と前記冷媒の密度の大小が逆になる温度である密度逆転温度に基づいて設定した設定温度よりも低いときに、前記加熱装置によって前記冷凍機油を前記シェルの外周上で不均一に加熱することを特徴とする冷凍空調装置。
二酸化炭素冷媒が封入され、圧縮機構部で前記冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機のシェル底部に滞留する冷凍機油の温度を検知する油温検知装置と、前記シェル底部の外周で前記シェルの全周よりも少ない部分に設けられ、前記冷凍機油を加熱する加熱装置と、前記冷凍機油を前記圧縮機構部もしくは軸受け部に給油する油供給装置と、を備え、前記油温検知装置で検知された温度が、前記冷凍機油と前記冷媒の密度の大小が逆になる温度である密度逆転温度に基づいて設定した設定温度よりも低いときに、前記加熱装置によって前記冷凍機油を前記シェルの外周上で前記冷凍機油の厚みにアンバランスを生じさせるように加熱することを特徴とする冷凍空調装置。
前記設定温度を、前記密度逆転温度より所定の値高い温度とすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の冷凍空調装置。
前記冷凍機油の密度が、前記冷媒の密度より所定の値大きい密度であると推定されるときに、前記冷凍機油の加熱を停止することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の冷凍空調装置。
前記加熱装置を、前記シェル底部の外周で半円部に配置したことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の冷凍空調装置。
前記加熱装置を、前記シェルの底面に配置したことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の冷凍空調装置。