JP5401857B2 - 蒸気圧縮式冷凍サイクル - Google Patents

Description

本発明は、例えば給湯装置における給湯水の加熱源に適用して好適な蒸気圧縮式冷凍サイクルに関するものである。

従来の蒸気圧縮式冷凍サイクルとして、例えば特許文献１に示されるように、冷媒としてＣＯ２が使用されて、サイクルの高圧側圧力が超臨界領域で運転されるものが知られている。ここでは、冷媒の高圧側温度および高圧側圧力をもとに圧力制御弁（減圧器）の弁開度が制御されるようになっている。
特開平９−２６４６２２号公報

しかしながら、上記のように冷媒の高圧側の温度および圧力をもとにサイクルの制御を行うものは、圧縮機の吸入側の冷媒条件（温度、圧力）が成り行きとなってしまう。

また、超臨界領域で運転される冷凍サイクルの圧縮機用の潤滑油としては、高圧雰囲気においても適切な油膜が形成されるように、通常、高粘度の潤滑油が採用される。そして、高圧での運転に伴うＣＯ２のガス密度は非常に高くなることから、他の冷媒（ＨＦＣ１３４ａ等）を使用する圧縮機に比べて、圧縮機としての吐出容量は小容量のものが使用される。

よって、圧縮機の吸入側の冷媒条件が成り行きとなることから、圧縮機用潤滑油の粘度、貯油量は変動しやすくなり、また、圧縮機が小容量であるとサイクルを循環する冷媒の流速は遅くなる。そして、一度圧縮機から流出した潤滑油は、サイクル内の熱交換器（主に蒸発器）内に滞留しやすくなり、その結果、圧縮機に戻りにくい状況となり、圧縮機の信頼性低下や、熱交換器での熱交換効率低下によるサイクル効率低下を引き起こしていた。

本発明の目的は、上記問題に鑑み、圧縮機から吐出された潤滑油の戻り性を向上させて、圧縮機の信頼性向上、およびサイクルの効率向上を可能とする蒸気圧縮式冷凍サイクルを提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。

請求項１に記載の発明では、圧縮機（１１１）、放熱器（１１２）、膨張弁（１１３）、および蒸発器（１１４）が環状に接続され、冷媒としてＣＯ２が使用される冷凍サイクル（１１０）と、
圧縮機（１１１）の作動、および膨張弁（１１３）の弁開度を制御することで冷凍サイクル（１１０）の運転を行う制御部（１２０）とを備える蒸気圧縮式冷凍サイクルにおいて、
圧縮機（１１１）内には、所定摺動部用であって、相溶性を有する潤滑油を貯める貯油室（１１１ａ）が形成されており、
圧縮機（１１１）が吸入する冷媒の吸入エンタルピー（Ａ）と、冷媒の低圧側圧力での飽和蒸気線上のエンタルピー（Ｂ）との差（Ａ−Ｂ）を比エンタルピー（Ｘ）と定義した時に、
制御部（１２０）は、冷凍サイクル（１１０）の運転中に、比エンタルピー（Ｘ）が、予め定めた所定範囲となるように、膨張弁（１１３）の弁開度を調整し、貯油室（１１１ａ）における潤滑油の残油率が所定残油率範囲に入るようにする比エンタルピー制御運転を実行するようになっており、
所定範囲は、−２０≦Ｘ≦６８．４３としたことを特徴としている。

これにより、圧縮機（１１１）の吸入側の冷媒を飽和蒸気に近い状態にすることができる。そして、潤滑油に冷媒が溶け込みやすくなり、潤滑油と冷媒とが混合状態となって潤滑油の粘度を下げることができるので、短時間で潤滑油を冷凍サイクル（１１０）内から貯油室（１１１ａ）に回収することができる。よって、圧縮機（１１１）から吐出された潤滑油の戻り性を向上させて、圧縮機（１１１）の信頼性向上、および冷凍サイクル（１１０）の効率向上を可能とする蒸気圧縮式冷凍サイクル（１００）とすることができる。
また、所定範囲を、−２０≦Ｘ≦６８．４３とすることで、圧縮機（１１１）における液圧縮を回避しつつ、且つ、必要最低限の残油率を確保可能として、圧縮機（１１１）の信頼性向上、および冷凍サイクル（１１０）の効率向上を可能とすることができる。

ここで、ＣＯ２を冷媒として使用するものにおいては、高圧側が臨界点を超える場合があり、高圧側の冷媒温度を検出するだけでは、高圧側の冷媒圧力を一義的に推定することができない。

そこで、請求項１に記載の発明では、冷媒の高圧側圧力（ＰＨ）を検出する圧力検出手段（１３１）と、
圧縮機（１１１）から吐出される冷媒の吐出温度（ＴＨ）を検出する温度検出手段（１３２）と、
冷媒の低圧側圧力（ＰＬ）を推定あるいは検出する圧力推定検出手段（１４１）とを備え、
制御部（１２０）は、冷凍サイクル（１１０）の運転中に、吸入エンタルピー（Ａ）を、
圧力検出手段（１３１）によって得られる高圧側圧力（ＰＨ）と、
温度検出手段（１３２）によって得られる吐出温度（ＴＨ）と、
圧力推定検出手段（１４１）から得られる低圧側圧力（ＰＬ）と、
圧縮機（１１１）の断熱圧縮を前提とする等エントロピー特性とから算出し、
飽和蒸気線上のエンタルピー（Ｂ）を、
冷媒の低圧側圧力（ＰＬ）と、冷媒の飽和蒸気線の特性とを用いて算出し、
吸入エンタルピー（Ａ）と、飽和蒸気線上のエンタルピー（Ｂ）との差（Ａ−Ｂ）より比エンタルピー（Ｘ）を算出し、
算出した比エンタルピー（Ｘ）が、所定範囲となるように、膨張弁（１１３）の弁開度を調整することを特徴としている。

これにより、簡易な構成にて、吸入エンタルピー（Ａ）を容易に算出することができる。

請求項２に記載の発明では、制御部（１２０）は、飽和蒸気線上のエンタルピー（Ｂ）を、
圧力推定検出手段（１４１）から得られる低圧側圧力（ＰＬ）と、
冷媒の飽和蒸気特性とから算出することを特徴としている。

これにより、上記と同様に簡易な構成にて、飽和蒸気線上のエンタルピー（Ｂ）を容易に算出することができる。

請求項３に記載の発明では、所定範囲は、望ましくは−２０≦Ｘ≦２０としたことを特徴としている。

これにより、所定残油率範囲における下限値を大きくすることができる。

請求項４に記載の発明では、所定範囲は、更に望ましくは−２０≦Ｘ≦０としたことを特徴としている。

これにより、所定残油率範囲における下限値を更に大きくすることができる。

通常、圧縮機（１１１）は、湿り度（Ｚ）の高い冷媒を吸入すると液圧縮となって、信頼性が低下する。よって、請求項１３に記載の発明のように、湿り度（Ｚ）を２０％以下に抑えることで、圧縮機（１１１）における液圧縮を回避しつつ、潤滑油の戻り性向上による圧縮機（１１１）の信頼性向上、および冷凍サイクル（１１０）の効率向上を可能とすることができる。

請求項５に記載の発明では、制御部（１２０）は、圧縮機（１１１）の起動後に、比エンタルピー制御運転を実行することを特徴としている。

これにより、圧縮機（１１１）起動後に生じやすい潤滑油の戻り不良を効果的に抑制することができる。

請求項６に記載の発明では、制御部（１２０）は、冷凍サイクル（１１０）の所定運転時間毎に、比エンタルピー制御運転を実行することを特徴としている。

これにより、冷凍サイクル（１１０）の運転中の大半の時間を通常制御運転とすることができるので、本来の冷凍サイクル（１１０）の作動を大きく損なうことがない。

比エンタルピー制御運転に際しては、請求項７に記載の発明のように、所定運転時間に対して１０％以上の割合で実行すると良い。また、請求項８に記載の発明のように、冷媒が冷凍サイクル（１１０）内を所定回数循環するように実行しても良い。

尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
以下、本発明を適用した第１実施形態の蒸気圧縮式冷凍サイクル１００について図１〜図５を用いて説明する。まず、本実施形態の蒸気圧縮式冷凍サイクル１００の基本構成について、図１の模式図を用いて説明する。

蒸気圧縮式冷凍サイクル１００（広義にはヒートポンプサイクル）は、一般家庭用の給湯装置の加熱手段として使用されるものであり、冷凍サイクル１１０と、この冷凍サイクル１１０の作動（運転）を制御する制御部１２０とを備えている。尚、給湯装置は、冷凍サイクル１１０（放熱器１１２）によって生成される高温湯を貯湯タンク内に貯えると共に、貯えられた高温湯を給湯用の湯として、台所、洗面所、風呂、暖房機器等へ供給する装置である。

冷凍サイクル１１０は、圧縮機１１１、放熱器１１２、膨張弁１１３、蒸発器１１４が順次配管によって環状に接続されることで構成されている。そして、冷凍サイクル１１０の内部を流れる冷媒としては、熱効率に優れる点で二酸化炭素（ＣＯ２）が使用されるようになっている。

圧縮機１１１は、１つの密閉容器内に圧縮機部と電動モータ（図示せず）とが収容された密閉型の電動圧縮機として形成されており、電動モータによって圧縮機部が駆動され、後述する蒸発器１１４より吸引した気相冷媒を臨界圧力以上（後述する図３の臨界点Ｋの圧力以上）に圧縮して吐出するようになっている。圧縮機１１１（電動モータ）の作動は、後述する制御部１２０によって制御されるようになっている。

圧縮機部は、電動モータによってシャフトが回転駆動され、このシャフトの回転駆動によって旋回スクロールが固定スクロールに対して公転作動されるスクロール式の圧縮機部として形成されている。両スクロール間に形成される作動室の拡大によりに気相冷媒が吸入され、更に作動室の収縮により冷媒が圧縮吐出されるようになっている。

そして、圧縮機１１１（圧縮機部）の吐出側となる内部空間には、例えばシャフトの軸受け部、旋回スクロール等の摺動部（所定摺動部）の潤滑を図るための潤滑油を貯める貯油室１１１ａが形成されている。貯油室１１１ａの潤滑油は、圧縮機１１１の内部圧力によって、上記摺動部に供給されるようになっている。尚、本冷凍サイクル１１０が超臨界サイクルであり、高圧圧力下で運転されることから、潤滑油としては、高圧圧力下においても適切な油膜が形成されて圧縮機１１１の信頼性が得られるように、例えば粘度が３０ｃＳｔ以上となる高粘度潤滑油が使用されている。また、この潤滑油は、相溶性のある２層分離するものとしている。

圧縮機１１１の外部吐出側（圧縮機１１１と放熱器１１２の間）には、冷媒と共に吐出される潤滑油を、冷媒から分離するための潤滑油分離手段としてのオイル分離器１１１ｂが設けられている。オイル分離器１１１ｂは、例えば、冷媒に旋回流れを与えて、冷媒と潤滑油との比重量の差によって、冷媒と潤滑油とを分離する遠心式の分離器が使用されている。オイル分離器１１１ｂによって分離された潤滑油は貯油室１１１ａに還流されるようになっている。

放熱器１１２は、圧縮機１１１より吐出された高温高圧の冷媒（ホットガス）と図示しない循環ポンプにより貯湯タンク内から圧送された給湯水との間で熱交換し、給湯水を加熱して湯とする熱交換器である。放熱器１１２は、内部に冷媒が流れる冷媒通路（図示しない）と、給湯水が流れる水通路（図示しない）とを有しており、冷媒通路を流れる冷媒の流れ方向と水通路を流れる給湯水の流れ方向とが対向するように構成されている。尚、放熱器１１２を流れる冷媒（ＣＯ２）は、圧縮機１１１によって臨界圧力以上に加圧されているので、放熱器１１２を流通する給湯水に放熱して温度低下しても凝縮することは無い。

膨張弁１１３は、放熱器１１２から流出される冷媒を弁開度に応じて等エンタルピー的に減圧する減圧器であり、具体的には絞り量を加えていき弁開度を小さくすることで、より大きな減圧を行う。逆に言えば、弁開度を小さくすることで冷媒の高圧側に対しては圧力を上昇させる。膨張弁１１３は、後述する制御部１２０によって弁開度が電気的に（図示しないステッピングモータによって）制御されるようになっている。

蒸発器１１４は、膨張弁１１３で減圧された冷媒を図示しないファンによって送風される外気との熱交換によって蒸発させる熱交換器である。蒸発器１１４の冷媒出口側は、圧縮機１１１の冷媒吸入側に接続されている。

圧縮機１１１（オイル分離機１１１ｂ）と放熱器１１２との間には、放熱器１１２に流入する冷媒の圧力（以下、高圧側圧力ＰＨ）を検出する圧力センサ１３１、および圧縮機１１１から吐出される冷媒の温度（以下、吐出温度ＴＨ）を検出する温度センサ１３２が配設されている。圧力センサ１３１は上記冷媒の圧力情報を、また温度センサ１３２は上記冷媒の温度情報を後述する制御部１２０に出力するようになっている。

また、蒸発器１１４の熱交換部中央の外表面には、蒸発器１１４内を流通する冷媒の温度（以下、低圧側温度ＴＬ）を検出する温度センサ１４１が設けられている。温度センサ１４１は、後述するように蒸発器１１４における冷媒の圧力（以下、低圧側圧力ＰＬ）を間接的に検出（推定）する圧力推定検出手段に対応する。温度センサ１４１は上記冷媒の温度情報を後述する制御部１２０に出力するようになっている。

制御手段である制御部１２０は、冷凍サイクル１１０の作動（運転）を制御するものであり、後述する通常制御運転の中で、比エンタルピー制御運転を実行するようになっている。制御部１２０は、圧力センサ１３１からの圧力情報、および各温度センサ１３２、１４１からの温度情報に基づいて、圧縮機１１１の作動状態、膨張弁１１３の弁開度、およびファンの作動状態を制御し、蒸発器１１４によって外気から吸熱し、放熱器１１２によって内部を流通する給湯水を加熱するようになっている。

次に、上記構成による蒸気圧縮式冷凍サイクル１００の作動（通常制御運転、および比エンタルピー制御運転）について図２〜図５を加えて説明する。尚、図２は制御部１２０が行う通常制御運転、および比エンタルピー制御運転に用いられるフローチャート、図３は比エンタルピーの算出要領を示すグラフ、図４は外気温度に対する圧縮機１１１の残油率、および比エンタルピーを示すグラフ、図５は比エンタルピーに対する残油率を示すグラフである。

制御部１２０は、冷凍サイクル１１０の起動直後にステップＳ１００〜ステップＳ２００において、まず、比エンタルピー制御運転を実行し、その後に、ステップＳ２１０〜ステップＳ２４０において、冷凍サイクル１１０の所定運転時間での通常制御運転、および通常制御運転後の比エンタルピー制御運転を繰り返し実行する。以下、制御の詳細を説明する。

図２に示すように、制御部１２０は、まず、ステップＳ１００で後述するステップＳ２００での判定のためのタイマーカウントをスタートする。ここでのカウント時間は、冷凍サイクル１１０を運転する際に、例えば所定運転時間として６０分を定め、その１０％以上となる時間（例えば１０分）をカウントする。

次に、ステップＳ１１０で圧力センサ１３１によって検出される高圧側圧力ＰＨを取得し、ステップＳ１２０で温度センサ１３２によって検出される吐出温度ＴＨを取得し、更に、ステップＳ１３０で温度センサ１４１によって検出される低圧側温度ＴＬを取得する。

次に、ステップＳ１４０で上記の低圧側温度ＴＬを基に、対応する低圧側圧力ＰＬを算出する。これは、蒸発器１１４における気液２相状態の冷媒の温度（低圧側温度ＴＬ）は一定値を示し、この温度に対応する冷媒圧力値（低圧側圧力ＰＬ）は一義的に定まることから算出するようにしている。

次に、ステップＳ１５０で、圧縮機１１１の吸入側となる吸入冷媒の吸入エンタルピーＡを算出する。吸入エンタルピーＡの算出は、以下のように行う。即ち、図３に示すＣＯ２冷媒のモリエル線図上において、ステップＳ１１０にて取得した高圧側圧力ＰＨ値に基づく圧力線と、ステップＳ１２０にて取得した吐出温度ＴＨ値に基づく温度線とから、両者の交差する点を吐出冷媒の状態位置アとして特定する。そして、この状態位置アを通る圧縮機１１１の断熱圧縮を前提とする等エントロピー線（等エントロピー特性）を用いて、この等エントロピー線と、ステップＳ１４０で算出した低圧側圧力ＰＬ値に基づく圧力線とから、両者の交差する点を吸入冷媒の状態位置イとして算出する。そして、この状態位置イにおけるエンタルピー値を吸入エンタルピーＡとして算出する。

次に、ステップＳ１６０で、飽和蒸気線上のエンタルピーＢを算出する。飽和蒸気線上のエンタルピーＢの算出は、以下のように行う。即ち、モリエル線図の飽和蒸気線（飽和蒸気特性）と、ステップＳ１４０で算出した低圧側圧力ＰＬ値に基づく圧力線とから、両者の交差する点を低圧側圧力における飽和蒸気線上の状態位置ウとして算出する。そして、この状態位置ウにおけるエンタルピー値を飽和蒸気線上のエンタルピーＢとして算出する。

次に、ステップＳ１７０で、上記吸入エンタルピーＡと飽和蒸気線上のエンタルピーＢとの差（Ａ−Ｂ）を、比エンタルピーＸとして算出する。比エンタルピーＸは、その値がゼロに近いほど、冷媒は飽和状態に近いことを意味する。そして、比エンタルピーＸは、吸入エンタルピーＡがモリエル線図の気液２相域にあると負の値となり、この値（−Ｘ）が小さいほど（絶対値Ｘが大きいほど）冷媒の湿り度が大きい状態にあることを意味する。また、比エンタルピーＸは、吸入エンタルピーＡがモリエル線図の過熱域にあると正の値となり、この値（Ｘ）が大きいほど冷媒の過熱度が高い状態にあることを意味する。比エンタルピーＸは、吸入冷媒における湿り度あるいは過熱度を明確に把握可能とする物理量となっている。

次に、ステップＳ１８０で、算出した比エンタルピーＸが予め定めた所定範囲内にあるか否かを判定する。比エンタルピーＸの所定範囲は、ここでは、−２０≦Ｘ≦０の範囲としている。所定範囲の設定根拠としては以下の内容を基にしている。

即ち、外気温度に対する圧縮機１１１の貯油室１１１ａでの残油率Ｙ、および比エンタルピーＸの関係を調べると、図４のような結果が得られ、更に図４より比エンタルピーＸに対する残油率Ｙの関係をまとめると図５のような結果を得た。図５における残油率Ｙと比エンタルピーＸの関係において、１次の直線近似することで、
Ｙ＝−０．００５８Ｘ＋０．６９６９
が得られた。

冷凍サイクル１１０の運転時において、吸入冷媒の比エンタルピーＸが小さくなると、上記で説明したように冷媒の湿り度が大きくなることから、圧縮機１１０における液圧縮のおそれが生ずる。よって、この液圧縮の影響を受けない比エンタルピーＸの下限値としては、−２０以上とするのが良いことを確認した。また、冷凍サイクル１１０の運転時において、圧縮機１１０の信頼性を確保するには、貯油率Ｙとしては、３０％以上が必要であることを確認した。

よって、比エンタルピーＸとしては、−２０≦Ｘ≦６８．４３の範囲（所定範囲）と成るように設定することが好ましいと言える。この時の貯油率Ｙは、３０％〜８０％の確保が見込まれる。更に、貯油率Ｙの下限値を大きくしていくことで、貯油率Ｙを実質的に高めることができるため、比エンタルピーＸの範囲としては、望ましくは−２０≦Ｘ≦２０（貯油率Ｙは５８％〜８０％）、更に望ましくは−２０≦Ｘ≦０（貯油率Ｙは７０％〜８０％）に設定すると良いと言える。本実施形態では、比エンタルピーＸの所定範囲としては、貯油率Ｙの値として最も大きく取り得る−２０≦Ｘ≦０を採用した。

ステップＳ１８０で否と判定すると、次に、ステップＳ１９０に移行して、膨張弁１９０の弁開度を調整する。弁開度の調整にあたっては、−２０≦Ｘ≦０の範囲において比エンタルピーＸが小さい側にあって大きくしたい場合は、膨張弁１１３の弁開度を小さくする。逆に−２０≦Ｘ≦０の範囲において比エンタルピーＸが大きい側にあって小さくしたい場合は、膨張弁１１３の弁開度を大きくする。そして、この弁開度調整の後にステップＳ１１０に戻り、ステップＳ１８０での判定が否の間は、ステップＳ１１０〜ステップＳ１９０を繰り返す。

そして、ステップＳ１８０で比エンタルピーＸが−２０≦Ｘ≦０の範囲に入ると、ステップＳ２００において、ステップＳ１００でスタートしたタイマーカウントが１０分になったか否かを判定し、否の場合は、ステップＳ１１０〜ステップＳ１８０を繰り返し、タイマーカウントが１０分になると（タイムアップすると）、ステップＳ２１０に移行する。

以上のステップＳ１００〜ステップＳ２００が、制御部１２０による、冷凍サイクル１１０の起動直後の比エンタルピー制御運転の実行となっている。

そして、ステップＳ２１０では、後述するステップＳ２３０での判定のためのタイマーカウントをスタートする。ここでのカウント時間は、冷凍サイクル１１０を運転する際の所定運転時間として定めた６０分をカウントする。

次に、ステップＳ２２０で、冷凍サイクル１１０の通常制御運転を行う。通常制御運転は、放熱器１１２における効率的な高温湯の生成が可能となるように、高圧側圧力ＰＨが、予め定めた圧力値となるように膨張弁１１３の弁開度を調整する。これは、冷媒の高圧側条件を一定として冷凍サイクル１１０を運転する、いわゆる高圧制御である。

次に、ステップＳ２３０において、ステップＳ２１０でスタートしたタイマーカウントが６０分になったか否かを判定し、否の場合は、ステップＳ２２０〜ステップＳ２３０を繰り返し、タイマーカウントが６０分になると（タイムアップすると）、ステップＳ２４０に移行する。

ステップＳ２４０では、上記ステップＳ１００〜ステップＳ２００と同様の比エンタルピー制御運転（１０分間）を実行する。そして、１０分が経過すると、ステップＳ２１０に戻り、通常制御運転（６０分）、比エンタルピー制御運転（１０分）の実行を繰り返す。

以上のように、本実施形態では、比エンタルピーＸという物理量を導入して、冷凍サイクル１１０の運転中に、比エンタルピーＸが所定範囲となるように、膨張弁１１３の弁開度を調整する比エンタルピー制御運転を実行するようにしている。

吸入側冷媒において、単純にその圧力（低圧側圧力ＰＬ）、あるいは温度（低圧側温度ＴＬ）を把握しても、気液２相状態における冷媒の湿り度を把握することはできない。しかしながら、本実施形態のように、比エンタルピーＸという物理量を用いることで、吸入冷媒の状態（特に湿り度がどの状態にあるのか）を明確に把握できると共に、比エンタルピーＸの所定範囲の設定により圧縮機１１１の吸入側の冷媒を飽和蒸気に近い状態にすることができる。飽和状態に近い状態においては、潤滑油に冷媒が溶け込みやすくなり、潤滑油と冷媒とが混合状態となって潤滑油の粘度を下げることができる。よって、オイル分離器１１１ｂを備えるといえども、圧縮機１１１から冷凍サイクル１１０側（特に放熱器１１２を経由して蒸発器１１４側）へ流出した（吐出された）潤滑油を、短時間で貯油室１１１ａに回収することができる。よって、圧縮機１１１から吐出された潤滑油の戻り性を向上させて（つまり、貯油室１１１ａにおける潤滑油の残油率Ｙを所定残油率範囲に入るようにして）、圧縮機１１１の信頼性向上、および冷凍サイクル１１０の効率向上を可能とすることができる。

また、吸入エンタルピーＡの算出に当たって、圧力センサ１３１による高圧側圧力ＰＨ、温度センサ１３２による吐出温度ＴＨ、温度センサ１４１から得られる低圧側温度ＴＬに対応する低圧側圧力ＰＬ、および圧縮機１１１の断熱圧縮を前提とする等エントロピー特性を用いて算出するようにしているので、簡易な構成にて、吸入エンタルピーＡを容易に算出することができる。そして、飽和蒸気線上のエンタルピーＢの算出に当たって、温度センサ１４１から得られる低圧側温度ＴＬに対応する低圧側圧力ＰＬ、および冷媒の飽和蒸気特性を用いて算出するようにしているので、簡易な構成にて、飽和蒸気線上のエンタルピーＢを容易に算出することができる。よって、比エンタルピーＸを容易に算出することができる。

また、制御するための比エンタルピーＸの所定範囲として−２０≦Ｘ≦０と設定しているので、残油率範囲の下限値を大きくして、好適な残油率（図５より７０〜８０％）を確保することができる。

また、冷凍サイクル１１０の起動直後にまず、比エンタルピー制御運転を実行するようにしているので、圧縮機１１１の起動後に生じやすい潤滑油の戻り不良を効果的に抑制することができる。

また、冷凍サイクル１１０の通常制御運転を行う中で、所定運転時間（６０分）毎に、所定運転時間の１０％以上の割合で比エンタルピー制御運転を実行するようにしているので、冷凍サイクル１１０の運転中の大半の時間を通常制御運転とすることができ、本来の冷凍サイクル１１０の作動を大きく損なうことがない。

（第２実施形態）
第２実施形態を図６に示す。第２実施形態は、上記第１実施形態に対して、冷凍サイクル１１０の通常制御運転における比エンタルピー制御運転の内容を変更したものである。

図６のフローチャートに示すように、ステップＳ２２０〜ステップＳ２３０での通常制御運転を実行し、ステップＳ２５０でタイマーカウントをスタートした後に、ステップＳ２６０で、この時点での比エンタルピーＸを算出する。比エンタルピーＸの算出要領は、ステップＳ１１０〜ステップＳ１７０と同一である。

そして、ステップＳ２７０で、算出された比エンタルピーＸが、−２０≦Ｘ≦０の範囲内にあるか否かを判定し、肯定判定であれば、ステップＳ２１０に戻り、すぐに通常制御運転を継続する。つまり、通常制御運転において、所定運転時間後の比エンタルピーＸが−２０≦Ｘ≦０の範囲内にあれば、貯油室１１１ａにおける残油率Ｙは、良好なレベル（７０％〜８０％）にあると判定して、通常制御運転を継続するわけである。

しかしながら、ステップＳ２７０で、否と判定すると、ステップＳ２８０で、上記ステップＳ１００〜ステップＳ２００と同様の比エンタルピー制御運転（１０分間）を実行することで残油率Ｙを向上させ、その後にステップＳ２１０以降の通常制御運転に戻る。

これにより、必要最小限の比エンタルピー制御運転を実行すればよいことになり、冷凍サイクル１１０の運転中の大半の時間を通常制御運転とすることができ、本来の冷凍サイクル１１０の作動を大きく損なうことなく、圧縮機１１１の信頼性向上、および冷凍サイクル１１０の効率向上を可能とすることができる。

（第３実施形態）
第３実施形態を図７、図８に示す。第３実施形態は、上記第１実施形態に対して、比エンタルピー制御運転を、低圧側冷媒の湿り度Ｚを用いた湿り度制御運転に変更したものである。図７は第３実施形態における、制御部１２０が行う通常制御運転、および湿り度制御運転に用いられるフローチャートであり、図８は湿り度Ｚの算出要領を示すグラフである。

本実施形態の湿り度制御運転は、冷凍サイクル１１０の運転中に、冷媒の低圧側圧力での湿り度Ｚが、予め定めた所定範囲となるように、制御部１２０が膨張弁１１３の弁開度を調整し、貯油室１１１ａにおける潤滑油の残油率が所定残油率範囲に入るようにするものである。冷凍サイクル１１０、および制御部１２０を備える蒸気圧縮式冷凍サイクル１００の構成は、第１実施形態で説明したものと同一である。

以下、制御部１２０が実施する制御について、図７に示すフローチャートを用いて説明する。第３実施形態における図７のフローチャートは、第１実施形態における図２のフローチャートに対して、ステップＳ１５０〜１７０をステップＳ１５５に、ステップＳ１８０をステップＳ１８５に、更にステップＳ２４０をステップＳ２４５に変更したものである。

制御部１２０は、ステップＳ１００でタイマーをスタートさせた後に、ステップＳ１１０〜ステップＳ１３０で、高圧側圧力ＰＨ、吐出温度ＴＨ、および低圧側温度ＴＬを取得し、ステップＳ１４０で上記の低圧側温度ＴＬを基に、対応する低圧側圧力ＰＬを算出する。

次に、ステップＳ１５５で、圧縮機１１１の吸入側となる吸入冷媒の湿り度Ｚを算出する。湿り度Ｚは、図８に示すように、低圧側冷媒の飽和蒸気線（飽和蒸気特性）上のエンタルピーＢと低圧側冷媒の飽和液線（飽和液特性）上のエンタルピーＣとの差（Ｂ−Ｃ）に対する、低圧側冷媒の飽和蒸気線上のエンタルピーＢと圧縮機１１１の吸入エンタルピーＡとの差（Ｂ−Ａ）の比｛（Ｂ−Ａ）／（Ｂ−Ｃ）｝で示されるものである。

この湿り度Ｚの算出は、以下のように行う。即ち、図８に示すＣＯ２冷媒のモリエル線図上において、ステップＳ１１０にて取得した高圧側圧力ＰＨ値に基づく圧力線と、ステップＳ１２０にて取得した吐出温度ＴＨ値に基づく温度線とから、両者の交差する点を吐出冷媒の状態位置アとして特定する。そして、この状態位置アを通る圧縮機１１１の断熱圧縮を前提とする等エントロピー線（等エントロピー特性）を用いて、この等エントロピー線と、ステップＳ１４０で算出した低圧側圧力ＰＬ値に基づく圧力線とから、両者の交差する点を吸入冷媒の状態位置イとして算出する。そして、この状態位置イにおけるエンタルピー値を吸入エンタルピーＡとして算出する。

次に、飽和蒸気線上のエンタルピーＢを算出する。飽和蒸気線上のエンタルピーＢの算出は、以下のように行う。即ち、モリエル線図の飽和蒸気線と、ステップＳ１４０で算出した低圧側圧力ＰＬ値に基づく圧力線とから、両者の交差する点を低圧側圧力における飽和蒸気線上の状態位置ウとして算出する。そして、この状態位置ウにおけるエンタルピー値を飽和蒸気線上のエンタルピーＢとして算出する。

次に、飽和液線上のエンタルピーＣを算出する。飽和液線上のエンタルピーＣの算出は、以下のように行う。即ち、モリエル線図の飽和液線と、ステップＳ１４０で算出した低圧側圧力ＰＬ値に基づく圧力線とから、両者の交差する点を低圧側圧力における飽和液線上の状態位置エとして算出する。そして、この状態位置エにおけるエンタルピー値を飽和液線上のエンタルピーＣとして算出する。

そして、上記エンタルピーＡ、Ｂ、Ｃより、
湿り度Ｚ＝｛（Ｂ−Ａ）／（Ｂ−Ｃ）｝×１００％
として算出する。

次に、ステップＳ１８５で、算出した湿り度Ｚが予め定めた所定範囲内にあるか否かを判定する。湿り度Ｚの所定範囲は、ここでは、２０％以下の範囲としている。通常、圧縮機１１１は、湿り度Ｚの高い冷媒を吸入すると液圧縮となって、信頼性が低下するため、湿り度Ｚとしては、ここでは液圧縮による影響を受けない２０％以下とした。

そして、ステップＳ１８５で否と判定すると、次に、ステップＳ１９０に移行して、膨張弁１９０の弁開度を調整する。弁開度の調整にあたっては、湿り度Ｚを小さくするために膨張弁１１３の弁開度を所定量小さくする。この弁開度調整の後にステップＳ１１０に戻り、ステップＳ１８５での判定が否の間は、ステップＳ１１０〜ステップＳ１９０を繰り返す。

そして、ステップＳ１８５で湿り度Ｚが２０％以下となると、ステップＳ２００において、ステップＳ１００でスタートしたタイマーカウントが１０分になったか否かを判定し、否の場合は、ステップＳ１１０〜ステップＳ１８０を繰り返し、タイマーカウントが１０分になると（タイムアップすると）、ステップＳ２１０に移行する。

以上のステップＳ１００〜ステップＳ２００が、制御部１２０による、冷凍サイクル１１０の起動直後の湿り度制御運転の実行となっている。

更に、制御部１２０は、ステップＳ２１０〜ステップＳ２３０で通常制御運転を実行し、ステップＳ２４５で、６０分毎に１０分の湿り度制御運転を行う。

以上のように、第１実施形態の比エンタルピー制御運転に代えて、湿り度制御運転を行うことで、圧縮機１１１の吸入側の冷媒を気液２相側で飽和蒸気に近い状態にすることができる。そして、潤滑油に冷媒が溶け込みやすくなり、潤滑油と冷媒とが混合状態となって潤滑油の粘度を下げることができるので、短時間で潤滑油を冷凍サイクル１１０内から貯油室１１１ａに回収することができる。よって、圧縮機１１１から吐出された潤滑油の戻り性を向上させて、圧縮機１１１の信頼性向上、および冷凍サイクル１１０の効率向上を可能とすることができる。

また、湿り度Ｚの算出に当たって、圧力センサ１３１による高圧側圧力ＰＨ、温度センサ１３２による吐出温度ＴＨ、温度センサ１４１から得られる低圧側温度ＴＬに対応する低圧側圧力ＰＬ、圧縮機１１１の断熱圧縮を前提とする等エントロピー特性、冷媒の飽和蒸気線、および冷媒の飽和液線を用いて、算出するようにしているので、簡易な構成にて、湿り度Ｚを容易に算出することができる。

また、制御すべき湿り度Ｚの所定範囲を２０％以下と設定しているので、圧縮機１１１における液圧縮を回避しつつ、潤滑油の戻り性向上による圧縮機１１１の信頼性向上、および冷凍サイクル１１０の効率向上を可能とすることができる。

また、冷凍サイクル１１０の起動直後にまず、湿り度制御運転を実行するようにしているので、圧縮機１１１の起動後に生じやすい潤滑油の戻り不良を効果的に抑制することができる。

また、冷凍サイクル１１０の通常制御運転を行う中で、所定運転時間（６０分）毎に、所定運転時間の１０％以上の割合で湿り度制御運転を実行するようにしているので、冷凍サイクル１１０の運転中の大半の時間を通常制御運転とすることができ、本来の冷凍サイクル１１０の作動を大きく損なうことがない。

上記第３実施形態の変形例として、図９を示す。図９は、変形例における制御部１２０が行う通常制御運転、および湿り度制御運転に用いられるフローチャートである。変形例は、第２実施形態と同様の通常制御運転（ステップＳ２１０〜ステップＳ２３０）において、所定運転時間（６０分）毎に湿り度Ｚを算出し（ステップＳ２６５）、湿り度Ｚが２０％以下でない場合に（ステップＳ２７５）、湿り度制御運転を実行するものである（ステップＳ２８５）。

（その他の実施形態）
上記第１〜３実施形態では、比エンタルピーＸ、あるいは湿り度Ｚの算出に当たって、高圧側圧力ＰＨを圧縮機１１１と放熱器１１２との間で検出するようにしたが、圧縮機１１１と膨張弁１１３との間（特に、放熱器１１２と膨張機１１３との間）で検出するようにしても良い。

また、比エンタルピーＸ、あるいは湿り度Ｚの算出に当たって、冷媒の低圧側圧力ＰＬを低圧側温度ＴＬから推定算出するものとしたが、圧力推定検出手段を、直接的に低圧側圧力を検出する圧力検出手段（圧力センサ）として使用しても良い。この場合は、図２、図６、図７、図９の制御フローのステップＳ１３０が直接的な低圧側圧力検出のステップとなり、ステップＳ１４０（低圧側圧力算出ステップ）は、廃止となる。

また、通常制御運転における所定運転時間に対して１０％以上の割合（６０分に対して１０分）で比エントロピー制御運転、あるいは湿り度制御運転を実行するようにしたが、これに限らず、冷媒が冷凍サイクル１１０内を循環する回数をもとにして比エントロピー制御運転、あるいは湿り度制御運転を実行するようにしても良い。例えば、循環回数に対する貯油率Ｙを確認することで、必要とされる貯油率Ｙを満足する循環回数を決定して（例えば所定回数、２〜３０回）と決定して、対応すれば良い。

また、冷凍サイクル１１０の起動直後に、比エンタルピー制御運転、あるいは湿り度制御運転を実行するようにしたが（ステップＳ１００〜ステップＳ２００）、起動時の潤滑油不足が心配されない場合は、省略しても良い。逆に、起動直後の比エンタルピー制御運転、あるいは湿り度制御運転を行うことで、後の通常制御運転において、潤滑油不足が心配されない場合は、通常制御運転における所定運転時間毎の比エンタルピー制御運転、あるいは湿り度制御運転を省略しても良い。

また、比エンタルピー制御運転の実行にあたって、比エンタルピーＸの制御すべき所定範囲としては、−２０≦Ｘ≦０を採用したが、これに限らず、−２０≦Ｘ≦２０、あるいは−２０≦Ｘ≦６８．４３等としても良い。

また、比エンタルピー制御運転と湿り度制御運転とを併せた制御運転を行うようにしても良い。つまり、制御の途中で、比エンタルピーＸと湿り度Ｚとを算出し、両者の所定範囲条件を共に満たすように、膨張弁１１３の弁開度を調整するようにしても良い。

また、圧縮機１１１は、スクロール式に限らず、レシプロ式、ロータリ式、スクリュー式等のものとしても良い。

また、圧縮機１１１内部で冷媒の流通速度が変更され、それによって冷媒と潤滑油とが分離されて、分離された潤滑油が貯油室１１１ａに貯められるものであれば、オイル分離器１１１ｂは不要とすることができる。

また、圧縮機１１１の駆動源は電動モータに限定されず、定置エンジン等の動力源であっても良い。

蒸気圧縮式冷凍サイクルの全体構成を示す概略図である。 第１実施形態における、制御部が行う通常制御運転、および比エンタルピー制御運転に用いられるフローチャートである。 比エンタルピーの算出要領を示すグラフである。 外気温度に対する圧縮機の残油率、および比エンタルピーを示すグラフである。 比エンタルピーに対する残油率を示すグラフである。 第２実施形態における、制御部が行う通常制御運転、および比エンタルピー制御運転に用いられるフローチャートである。 第３実施形態における、制御部が行う通常制御運転、および湿り度制御運転に用いられるフローチャートである。 湿り度の算出要領を示すグラフである。 第３実施形態の変形例における、制御部が行う通常制御運転、および湿り度制御運転に用いられるフローチャートである。

符号の説明

１００ 蒸気圧縮式冷凍サイクル
１１０ 冷凍サイクル
１１１ 圧縮機
１１１ａ 貯油室
１１２ 放熱器
１１３ 膨張弁
１１４ 蒸発器
１２０ 制御部
１３１ 圧力センサ（圧力検出手段）
１３２ 温度センサ（温度検出手段）
１４１ 温度センサ（圧力推定検出手段）

Claims (8)

1. 圧縮機（１１１）、放熱器（１１２）、膨張弁（１１３）、および蒸発器（１１４）が環状に接続され、冷媒としてＣＯ２が使用される冷凍サイクル（１１０）と、
   前記圧縮機（１１１）の作動、および前記膨張弁（１１３）の弁開度を制御することで前記冷凍サイクル（１１０）の運転を行う制御部（１２０）とを備える蒸気圧縮式冷凍サイクルにおいて、
   前記圧縮機（１１１）内には、所定摺動部用であって、相溶性を有する潤滑油を貯める貯油室（１１１ａ）が形成されており、
   前記冷媒の高圧側圧力（ＰＨ）を検出する圧力検出手段（１３１）と、
   前記圧縮機（１１１）から吐出される冷媒の吐出温度（ＴＨ）を検出する温度検出手段（１３２）と、
   前記冷媒の低圧側圧力（ＰＬ）を推定あるいは検出する圧力推定検出手段（１４１）とを備え、
   前記圧縮機（１１１）が吸入する前記冷媒の吸入エンタルピー（Ａ）と、前記冷媒の低圧側圧力での飽和蒸気線上のエンタルピー（Ｂ）との差（Ａ−Ｂ）を比エンタルピー（Ｘ）と定義した時に、
   前記制御部（１２０）は、前記冷凍サイクル（１１０）の運転中に、前記比エンタルピー（Ｘ）が、予め定めた所定範囲となるように、前記膨張弁（１１３）の弁開度を調整し、前記貯油室（１１１ａ）における前記潤滑油の残油率が所定残油率範囲に入るようにする比エンタルピー制御運転を実行するようになっており、
   前記所定範囲は、−２０≦Ｘ≦６８．４３であって、
   かつ、前記制御部（１２０）は、前記冷凍サイクル（１１０）の運転中に、
   前記吸入エンタルピー（Ａ）を、
   前記圧力検出手段（１３１）によって得られる前記高圧側圧力（ＰＨ）と、
   前記温度検出手段（１３２）によって得られる前記吐出温度（ＴＨ）と、
   前記圧力推定検出手段（１４１）から得られる前記低圧側圧力（ＰＬ）と、
   前記圧縮機（１１１）の断熱圧縮を前提とする等エントロピー特性とから算出し、
   前記飽和蒸気線上のエンタルピー（Ｂ）を、
   前記冷媒の低圧側圧力（ＰＬ）と、前記冷媒の飽和蒸気線の特性とを用いて算出し、
   前記吸入エンタルピー（Ａ）と、前記飽和蒸気線上のエンタルピー（Ｂ）との差（Ａ−Ｂ）より比エンタルピー（Ｘ）を算出し、
   前記算出した比エンタルピー（Ｘ）が、前記所定範囲となるように、前記膨張弁（１１３）の弁開度を調整する
   ことを特徴とする蒸気圧縮式冷凍サイクル。
2. 前記制御部（１２０）は、前記飽和蒸気線上のエンタルピー（Ｂ）を、
   前記圧力推定検出手段（１４１）から得られる前記低圧側圧力（ＰＬ）と、
   前記冷媒の飽和蒸気特性とから算出することを特徴とする請求項１に記載の蒸気圧縮式冷凍サイクル。
3. 前記所定範囲は、望ましくは−２０≦Ｘ≦２０としたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の蒸気圧縮式冷凍サイクル。
4. 前記所定範囲は、更に望ましくは−２０≦Ｘ≦０としたことを特徴とする請求項３に記載の蒸気圧縮式冷凍サイクル。
5. 前記制御部（１２０）は、前記圧縮機（１１１）の起動後に、前記比エンタルピー制御運転を実行することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の蒸気圧縮式冷凍サイクル。
6. 前記制御部（１２０）は、前記冷凍サイクル（１１０）の所定運転時間毎に、前記比エンタルピー制御運転を実行することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の蒸気圧縮式冷凍サイクル。
7. 前記制御部（１２０）は、前記所定運転時間に対して１０％以上の割合で前記比エンタルピー制御運転を実行することを特徴とする請求項５または請求項６に記載の蒸気圧縮式冷凍サイクル。
8. 前記制御部（１２０）は、前記冷媒が前記冷凍サイクル（１１０）内を所定回数循環するように前記比エンタルピー制御運転、あるいは前記湿り度制御運転を実行することを特徴とする請求項５または請求項６に記載の蒸気圧縮式冷凍サイクル。
   

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