JP5798830B2

JP5798830B2 - 超臨界サイクルヒートポンプ

Info

Publication number: JP5798830B2
Application number: JP2011166353A
Authority: JP
Inventors: 陽平堀田; 央幸木全; 創佐藤; 後藤　利行; 利行後藤
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2011-07-29
Filing date: 2011-07-29
Publication date: 2015-10-21
Anticipated expiration: 2031-07-29
Also published as: EP2551612A3; JP2013029269A; EP2551612B1; EP2551612A2

Description

本発明は、ＣＯ２冷媒を用いた超臨界サイクル（ＣＯ２サイクル）ヒートポンプに関するものである。

空調機や給湯機等に適用されているＣＯ２冷媒を用いた超臨界サイクルヒートポンプにおいては、圧縮機用の潤滑油（冷凍機油）として、ポリアルキレングリコール系油（ＰＡＧ油）やポリオールエステル系油（ＰＯＥ油）あるいはそれらの混合油を用いることが知られている（例えば、特許文献１，２参照）。また、その圧縮機として、低段側圧縮機構および高段側圧縮機構を備え、低段側圧縮機構で圧縮された中間圧冷媒ガスを密閉ハウジング内に吐出し、その冷媒ガスを高段側圧縮機構により吸入して高圧に２段圧縮する多段圧縮機を用いたものが知られている（例えば、特許文献３，４参照）。

さらに、特許文献３，４に示されるような多段圧縮機を用いたＣＯ２サイクルヒートポンプにおいて、放熱器と蒸発器間の冷媒回路中に、前後に第１電子膨張弁および第２電子膨張弁を設けて気液分離器を設置し、該気液分離器で分離された中間圧冷媒ガスを、多段圧縮機の中間圧雰囲気とされている密閉ハウジング内にインジェクションするインジェクション回路を設けたものが、例えば特許文献５，６等によって提案されている。

特開２００２−１７４４６２号公報特開２００８−１８５２９０号公報特開２００１−２７１７７６号公報特開２００５−２５７２４０号公報特開２００８−１６３８９４号公報特開２００８−１９０３７７号公報

ＣＯ２冷媒用の圧縮機では、どちらかと云えば、ポリアルキレングリコール系油（ＰＡＧ油）の使用が一般的とされている。しかし、ＰＡＧ油は、ＣＯ２冷媒に対する相溶性が低いことから、低温域において冷媒と分離し易く、システム側から圧縮機への油戻りが悪化し易いという課題を有している。特に、特許文献５，６に示されるように、インジェクション回路を設けたものでは、気液分離器内で油が分離し、低圧側冷媒回路からだけではなく、インジェクション回路からの油戻りも悪化し、圧縮機の潤滑性能に影響を及ぼしてしまう等の懸念があった。

一方、ポリオールエステル系油（ＰＯＥ油）は、冷媒に対する相溶性が高く、上記のような問題は生じ難いが、冷媒による希釈率の増大や油粘度の低下等が懸念される。この懸念は、密閉ハウジング内が中間圧とされる多段圧縮機を用いたものでは、中間圧ハウジング内の温度および圧力条件から、高圧ハウジングや低圧ハウジングとされた圧縮機に比べて低くなるものの、潤滑性能に影響を及ぼすことが考えられることから、何らかの制限をする必要があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、圧縮機の潤滑油にＰＯＥ油を用いることで、インジェクション回路を設けたシステム側からの油戻り性を向上するともに、ＰＯＥ油を採用した場合の希釈率の増大や油粘度低下の懸念を解消することができる超臨界サイクルヒートポンプを提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明の超臨界サイクルヒートポンプは、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる超臨界サイクルヒートポンプは、低段側圧縮機構および高段側圧縮機構を備え、前記低段側圧縮機構で圧縮した中間圧の冷媒ガスを密閉ハウジング内に吐き出し、その冷媒ガスを前記高段側圧縮機構により吸入して高圧に圧縮する多段圧縮機、放熱器、第１電子膨張弁、気液分離器、第２電子膨張弁および蒸発器をこの順に接続して冷凍サイクルを構成し、前記気液分離器で分離された中間圧冷媒ガスを前記多段圧縮機の前記密閉ハウジング内に注入するインジェクション回路を設け、作動媒体としてＣＯ２冷媒を用いた超臨界サイクルヒートポンプであって、前記多段圧縮機の潤滑油として、ポリオールエステル系油またはその混合油を用いるとともに、前記中間圧冷媒の圧力および温度下での前記油の前記ＣＯ２冷媒に対する溶解度に基づいて、該溶解度と温度とから前記油の粘度を求め、該油の粘度を一定の粘度ゾーン以上にキープすべく、第１電子膨張弁を介して前記中間圧冷媒の圧力を制御し、その圧力を予め設定されている使用制限範囲に制御する制御部を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、多段圧縮機の中間圧とされる密閉ハウジング内に、気液分離器で分離された中間圧冷媒ガスを注入するインジェクション回路を備え、作動媒体としてＣＯ２冷媒を用いた超臨界サイクルヒートポンプにあって、多段圧縮機の潤滑油に、ポリオールエステル系油またはその混合油を用いるとともに、該油の粘度を一定の粘度ゾーン以上にキープすべく、第１電子膨張弁を介して中間圧冷媒の圧力を制御し、その圧力を予め設定されている使用制限範囲に制御する制御部を備えているため、ＣＯ２冷媒に対して相溶性が高いポリオールエステル系油またはその混合油（ＰＯＥ油）を用いることにより、システム側から多段圧縮機への油戻り性を向上することができるとともに、中間圧冷媒の圧力を予め設定されている使用制限範囲に制御して該油の粘度を一定の粘度ゾーン以上にキープすることで、冷媒の圧力や温度によって左右される油の希釈率の増大や油粘度の低下を防止することができる。従って、多段圧縮機内の潤滑油不足や油の希釈率の増大、粘度の低下等による潤滑性能の低下を解消し、その信頼性を確保することができる。

さらに、本発明の超臨界サイクルヒートポンプは、上記の超臨界サイクルヒートポンプにおいて、前記制御部は、前記インジェクション回路より注入される中間圧冷媒および前記多段圧縮機の吸入冷媒の圧力および温度を検出し、それぞれの冷媒過熱度を前記第１電子膨張弁および前記第２電子膨張弁により目標過熱度に制御するとともに、前記油の粘度を一定の粘度ゾーン以上にキープすべく、前記第１電子膨張弁を介して前記中間圧冷媒の圧力を制御し、その圧力を予め設定されている使用制限範囲に制御する構成とされていることを特徴とする。

本発明によれば、制御部が、インジェクション回路より注入される中間圧冷媒および多段圧縮機の吸入冷媒の圧力および温度を検出し、それぞれの冷媒過熱度を第１電子膨張弁および第２電子膨張弁により目標過熱度に制御するとともに、油の粘度を一定の粘度ゾーン以上にキープすべく、第１電子膨張弁を介して中間圧冷媒の圧力を制御し、その圧力を予め設定されている使用制限範囲に制御する構成とされているため、インジェクション回路が接続されている気液分離器の前後に設けられている既設の第１電子膨張弁および第２電子膨張弁を制御することによって、新たな機器を追加設置することなく、制御部のソフト変更のみでＰＯＥ油の粘度を一定の粘度ゾーン以上にキープし、油の希釈率の増大や油粘度の低下を防止することができる。従って、ハード構成の複雑化を避けつつ、相溶性の高いＰＯＥ油を用いて簡易に潤滑性能の改善を図ることができる。

さらに、本発明の超臨界サイクルヒートポンプは、上述のいずれかの超臨界サイクルヒートポンプにおいて、前記制御部は、低圧と中間圧および中間圧と高圧の関係により予め設定されている低段側使用制限範囲および高段側使用制限範囲内において、前記密閉ハウジング内の前記油の粘度に応じて使用制限範囲を変化させ、該油の粘度が規定値に満たない場合でも、該規定値よりも低い第２の規定値を満たしておれば、一部の制限された圧力範囲での運転を可能としていることを特徴とする。

さらに、本発明によれば、制御部が、低段側の低圧と中間圧および高段側の中間圧と高圧の関係により予め設定されている低段側使用制限範囲および高段側使用制限範囲内において、密閉ハウジング内の油の粘度に応じて使用制限範囲を変化させ、該油の粘度が規定値に満たない場合でも、該規定値よりも低い第２の規定値を満たしておれば、一部の制限された圧力範囲での運転を可能としているため、密閉ハウジング内のＰＯＥ油の粘度が規定値を満たしていない場合であっても、第２の規定値を満たしておれば、上記使用制限範囲内の一部の制限された圧力範囲（例えば、図２に示す制限線Ｌよりも下側の圧力範囲）で運転することができる。従って、油温の上昇によるＰＯＥ油１７の粘度低下による潤滑性能の低下を確実に阻止することができるともに、システム側の運転の自由度を確保することができる。

本発明によると、ＣＯ２冷媒に対して相溶性が高いポリオールエステル系油またはその混合油（ＰＯＥ油）を用いることにより、システム側から多段圧縮機への油戻り性を向上することができるとともに、中間圧冷媒の圧力を予め設定されている使用制限範囲に制御して該油の粘度を一定の粘度ゾーン以上にキープすることで、冷媒の圧力や温度によって左右される油の希釈率の増大や油粘度の低下を防止することができるため、多段圧縮機内の潤滑油不足や油の希釈率の増大、粘度の低下等による潤滑性能の低下を解消し、その信頼性を確保することができる。

本発明の一実施形態に係る超臨界サイクルヒートポンプの冷凍サイクル図である。図１に示す超臨界サイクルヒートポンプの多段圧縮機に充填したＰＯＥ油における圧力の使用制限範囲を示すマップである。ＣＯ２冷媒とＰＯＥ油との温度をパラメータとした圧力−溶解度特性図である。ＣＯ２冷媒とＰＯＥ油との溶解度をパラメータとした温度−粘度特性図である。

以下に、本発明の一実施形態について、図１ないし図４を参照して説明する。
図１には、本発明の一実施形態に係るＣＯ２冷媒を用いた超臨界サイクルヒートポンプの冷凍サイクル図が示されている。
超臨界サイクルヒートポンプ（ＣＯ２サイクルヒートポンプ）１は、多段圧縮機２を備えており、この多段圧縮機２、オイルセパレータ３、放熱器４、第１電子膨張弁５、気液分離器６、第２電子膨張弁７および蒸発器８をこの順に順次冷媒配管９を介して接続することにより、閉サイクルの冷媒回路（冷凍サイクル）１０を構成している。

さらに、上記冷媒回路（冷凍サイクル）１０には、気液分離器６で分離された中間圧の冷媒ガスを多段圧縮機２の中間圧とされる密閉ハウジング１４内に注入するインジェクション回路１１が設けられているとともに、オイルセパレータ３内で冷媒ガスから分離された潤滑油を、インジェクション回路１１中に設けられている熱交換器１２を介して中間圧冷媒ガスと熱交換させた後、多段圧縮機２の吸入冷媒配管９Ａ中に戻す油戻し回路１３が設けられている。

多段圧縮機２は、単一の密閉ハウジング１４内に図示省略の電動モータが内蔵されるとともに、該電動モータを介して駆動される低段側圧縮機構１５および高段側圧縮機構１６の２つの圧縮機構が設置されたものである。この多段圧縮機２は、低段側圧縮機構１５により蒸発器８で蒸発された低圧の冷媒ガスを吸込み、それを中間圧まで圧縮して密閉ハウジング１４内に吐出し、その中間圧冷媒ガスを高段側圧縮機構１６により吸入して高圧に２段圧縮し、該高圧冷媒ガスを多段圧縮機２に接続されているオイルセパレータ３に吐出する構成とされている。なお、低段側圧縮機構１５および高段側圧縮機構１６には、ロータリ式、スクロール式、その他の様々な形式の圧縮機構を単一もしくは混在させて使用することができる。

多段圧縮機２の中間圧とされる密閉ハウジング１４内の底部には、低段側圧縮機構１５および高段側圧縮機構１６の摺動部位を潤滑するための潤滑油（冷凍機油）１７が一定量充填されており、給油ポンプを介して摺動部位に強制給油されるようになっている。本実施形態では、この潤滑油１７として、ＣＯ２冷媒に対して相溶性が高いとされているポリオールエステル系油（ＰＯＥ油）またはその混合油（以下、単にＰＯＥ油と称する。）が用いられている。

オイルセパレータ３は、多段圧縮機２から吐出されたＣＯ２冷媒中に含まれている潤滑油１７を分離し、油戻し回路１３を介して多段圧縮機２の吸入冷媒配管９Ａに戻すものである。放熱器４は、高温高圧の冷媒ガスと冷却媒体とを熱交換し、冷媒ガスを放熱させて超臨界状態もしくは凝縮液化状態とすることにより、その冷媒を第１電子膨張弁５へと流出させるものである。第１電子膨張弁５は、高圧の冷媒を中間圧に減圧し、気液分離器６に供給するものである。この第１電子膨張弁５は、ヒートポンプ１の性能、能力が最大化されるとともに、後述のように潤滑油１７として用いられるＰＯＥ油の粘度が一定の粘度ゾーン以上をキープするように、中間圧冷媒の圧力および温度を計測し、その過熱度を目標値に制御するものである。

気液分離器６は、中間圧に減圧された気液二相のＣＯ２冷媒を気液分離し、ガス冷媒を気液分離器６からインジェクション回路１１を経て多段圧縮機２の密閉ハウジング１４内にインジェクションするとともに、液冷媒を第２電子膨張弁７に向って流出させるものである。第２電子膨張弁７は、中間圧の液冷媒を減圧し、低圧低温の気液二相冷媒として蒸発器８に供給するものであり、多段圧縮機２に吸入される低圧冷媒ガスの圧力および温度を計測し、蒸発器８出口の冷媒過熱度を目標値に制御するものである。

蒸発器８は、第２電子膨張弁７からの気液二相冷媒を被冷却媒体と熱交換させ、被冷却媒体から吸熱して気液二相冷媒を蒸発させることにより、低温低圧のガス冷媒として多段圧縮機２に吸入させるものである。以上によって、多段圧縮機２の中間圧雰囲気とされている密閉ハウジング１４内に、気液分離器６からの中間圧冷媒ガスをインジェクションするインジェクション回路１１を備えた超臨界サイクルヒートポンプ１が構成されている。

上記超臨界サイクルヒートポンプ１の冷媒回路（冷凍サイクル）１０には、多段圧縮機２からの吐出配管に、吐出冷媒ガスの圧力および温度を検出する吐出圧力センサ１８および温度センサ１９が設けられ、多段圧縮機２の吸入冷媒配管９Ａに、吸入冷媒ガスの圧力および温度を検出する吸入圧力センサ２０および温度センサ２１が設けられ、更にインジェクション回路１１に、中間圧冷媒の圧力および温度を検出する中間圧力センサ２２および温度センサ２３が設けられている。また、多段圧縮機２における密閉ハウジング１４の底部に、潤滑油１７の油温を検出する油温センサ２４が設けられている。

吐出圧力センサ１８および温度センサ１９の検出値は、高圧保護、吐出温度制御あるいは吐出過熱度制御等に用いられ、吸入圧力センサ２０および温度センサ２１は、低圧保護および第２電子膨張弁７による吸入過熱度制御に用いられるものである。更に、中間圧力センサ２２、温度センサ２３および油温センサ２４の検出値は、潤滑油１７として用いられるＰＯＥ油の粘度を一定の粘度ゾーンにキープするための以下の制御に用いられるものである。

ＰＯＥ油１７の粘度は、制御部２５を介して以下の通り制御されるようになっている。
ＰＯＥ油１７の粘度は、圧力および温度によって決まるＣＯ２冷媒に対する溶解度に依存している。ＰＯＥ油１７のＣＯ２冷媒に対する溶解度は、図３に示される温度をパラメータとした圧力−溶解度特性図から明らかな通り、温度が同じであれば、圧力が高くなる程、溶解度が大きくなり、また、圧力が同じであれば、温度が低くなる程、溶解度が大きくなる特性を有しており、例えば、圧力が５．４ＭＰａの場合、温度が６０℃であれば、溶解度は２０ｗｔ％となる。

一方、ＰＯＥ油１７のＣＯ２冷媒溶解時の粘度は、図４に示される溶解度をパラメータとした温度−粘度特性図から明らかな通り、温度が同じであれば、溶解度が高い程、粘度が低くなり、また、溶解度が同じであれば、温度が高くなる程、粘度が低くなる特性を有しており、例えば、溶解度が上記の如く２０ｗｔ％の場合、温度が４０℃であれば、粘度は５．０ｍＰａ．ｓとなる。このように、中間圧とされる多段圧縮機２の密閉ハウジング１４内に充填されているＰＯＥ油１７の粘度は、中間圧冷媒の圧力、温度を計測することにより把握でき、このことは、中間圧冷媒の圧力、温度を制御することにより、ＰＯＥ油１７の粘度をコントロールできることを意味する。

そこで、ＣＯ２冷媒に対して相溶性が高いＰＯＥ油１７に冷媒が溶け込んで希釈率が増大したり、それによって油の粘度が低下したりしないように、ＰＯＥ油１７の粘度が一定の粘度ゾーン以上をキープするように制御部２５により、第１電子膨張弁５を介して中間圧冷媒の圧力および温度を制御している。つまり、中間圧冷媒の圧力および温度を中間圧力センサ２２および温度センサ２３で計測し、その圧力および温度下でのＰＯＥ油１７のＣＯ２冷媒に対する溶解度を図３から求め、該溶解度と温度とから図４によりＰＯＥ油１７の粘度を求める。そして、その粘度を一定の粘度ゾーン以上にキープすべく、制御部２５により第１電子膨張弁５を介して中間圧冷媒の圧力および温度を制御し、その圧力を予め設定されている使用制限範囲に制御することで、ＰＯＥ油１７の粘度を一定の粘度ゾーン以上としている。

また、制御部２５は、インジェクション回路１１より密閉ハウジング１４内に注入される中間圧冷媒および多段圧縮機２への吸入冷媒の圧力および温度を中間圧力センサ２２および温度センサ２３、吸入圧力センサ２０および温度センサ２１により検出し、それぞれの冷媒過熱度を第１電子膨張弁および第２電子膨張弁により目標過熱度（例えば、中間圧力飽和温度＋αｄｅｇおよび吸入圧力飽和温度＋αｄｅｇ）に制御するとともに、ＰＯＥ油１７の粘度を一定の粘度ゾーン以上にキープすべく、第１電子膨張弁５を介して中間圧冷媒の圧力および温度を制御し、その圧力を予め設定されている使用制限範囲に制御している。

さらに、本実施形態では、超臨界サイクルヒートポンプ１の多段圧縮機２が２段圧縮機とされていることから、それが運転可能な圧力範囲として、上述の点を考慮の上、図２に示されるように、低段側の低圧と中間圧および高段側の中間圧と高圧の関係を基に、低段側使用制限範囲および高段側使用制限範囲を予め設定している。そして、例えば、ＰＯＥ油１７の粘度の規定値（第１の閾値）を５．０ｍＰａ．ｓとした場合、該ＰＯＥ油１７の粘度が、この規定値以上の粘度であれば、上記使用制限範囲の全ての領域において超臨界サイクルヒートポンプ１（多段圧縮機２）が運転可能とされている。

加えて、本実施形態においては、密閉ハウジング１４内のＰＯＥ油１７の粘度が、上記規定値（第１の閾値）を満たしていない場合であっても、一部の領域で運転が可能とされている。すなわち、密閉ハウジング１４内のＰＯＥ油１７の粘度が、上記の規定値５．０ｍＰａ．ｓよりも低い第２の規定値（第２の閾値）である、例えば３．０ｍＰａ．ｓを満たしておれば（例えば、４．０ｍＰａ．ｓの場合）、上記の使用制限範囲において、制限線Ｌよりも下側の圧力範囲でのみ運転可能とされている。これは、制限線Ｌよりも下側の範囲では、軸受の負荷が減少するため、必要とする粘度も小さくなることに由来する。これによって、油温の上昇によるＰＯＥ油１７の粘度低下による潤滑性能の低下を確実に阻止することができるともに、超臨界サイクルヒートポンプ１側の運転の自由度を確保することが可能となる。

以上に説明の構成により、本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
上記の超臨界サイクルヒートポンプ１において、多段圧縮機２の低段側圧縮機構１５で中間圧に圧縮されたＣＯ２冷媒は、密閉ハウジング１４内に吐き出され、インジェクション回路１１より密閉ハウジング１４内に注入される中間圧の冷媒ガスと共に高段側圧縮機構１６に吸入される。この冷媒は、高段側圧縮機構１６で高圧に２段圧縮され、冷媒回路（冷凍サイクル）１０側へと吐出され、オイルセパレータ３で冷媒ガス中の潤滑油１７が分離された後、放熱器４に導入される。

放熱器４に導入された冷媒は、冷却媒体に放熱することにより超臨界状態もしくは凝縮液化状態とされ、第１電子膨張弁５で中間圧に減圧されることにより気液二相状態となって気液分離器６に至り、そこで中間圧液冷媒と中間圧ガス冷媒とに分離される。分離された中間圧ガス冷媒は、インジェクション回路１１を介して上記の如く多段圧縮機２の密閉ハウジング３内にインジェクションされる。一方、中間圧液冷媒は、第２電子膨張弁７で再度減圧されることにより、低温低圧の気液二相冷媒となって蒸発器８に供給される。

蒸発器８に流入した低圧低温の気液二相冷媒は、蒸発器８を流通する間に被冷却媒体と熱交換され、被冷却媒体から吸熱することにより蒸発される。この低圧冷媒ガスは、吸入冷媒配管９Ａを介して油戻し回路１３からの油と合流して多段圧縮機２の低段側圧縮機構１５に吸入され、再び圧縮される。以上のサイクルが繰り返される間、放熱器４での放熱を利用することにより、暖房、加熱あるいは給湯等に供することができ、一方、蒸発器８での吸熱作用を利用することにより、冷房あるいは冷却に供することができる。

この間、放熱器４からの放熱を暖房、加熱、給湯等に利用する場合においては、放熱器４を流れる冷媒に、インジェクションによる中間圧冷媒が加わるため、冷媒循環量が増大され、その分暖房、加熱、給湯能力を向上することができる。また、蒸発器８での吸熱を冷房、冷却等に利用する場合においては、エンタルピが増大され、蒸発器８で蒸発される冷媒の熱量が増加されるため、その分冷房、冷却能力を向上することができる。

また、本実施形態においては、多段圧縮機２の密閉ハウジング１４内に充填する潤滑油（冷凍機油）１７として、ＣＯ２冷媒に対して相溶性が高いとされているＰＯＥ油を用いている。このため、気液分離器６を設けた気液分離方式のインジェクション回路１１を備えている超臨界サイクルヒートポンプ１であっても、気液分離器６で油が分離され、油戻り性が悪化して多段圧縮機２内の潤滑油が不足する等の事態を招く虞がなく、多段圧縮機２での潤滑性能を確実に確保し、その信頼性を向上することができる。

さらに、ＰＯＥ油１７は、ＣＯ２冷媒に対して相溶性が高いことから、冷媒による希釈率の増大や粘度の低下が懸念されているが、中間圧冷媒の圧力および温度下でのＰＯＥ油１７のＣＯ２冷媒に対する溶解度に基づいて、その溶解度と温度とからＰＯＥ油１７の粘度を求め、該ＰＯＥ油１７の粘度を一定の粘度ゾーン以上にキープすべく、第１電子膨張弁５を介して中間圧冷媒の圧力および温度を制御し、その圧力を予め設定されている使用制限範囲に制御する制御部２５を備えており、これによって、中間圧冷媒の圧力を予め設定されている使用制限範囲に制御してＰＯＥ油１７の粘度を一定の粘度ゾーン以上にキープし、冷媒の圧力や温度によって左右されるＰＯＥ油１７の希釈率の増大や粘度の低下を防止している。このため、多段圧縮機２内のＰＯＥ油１７の希釈率の増大、粘度の低下等による潤滑性能の低下を解消し、その信頼性を確保することができる。

また、上記制御部２５は、インジェクション回路１１を介して多段圧縮機２の密閉ハウジング１４内に注入される中間圧冷媒ガスおよび多段圧縮機２に吸入される冷媒ガスの圧力および温度を検出し、それぞれの冷媒過熱度を第１電子膨張弁５および第２電子膨張弁７により目標過熱度（例えば、中間圧力飽和温度＋αｄｅｇおよび吸入圧力飽和温度＋αｄｅｇ）に制御するとともに、ＰＯＥ油１７の粘度を一定の粘度ゾーン以上にキープすべく、第１電子膨張弁５を介して中間圧冷媒の圧力および温度を制御し、その圧力を予め設定されている使用制限範囲に制御するように構成されている。

このため、インジェクション回路１１が接続されている気液分離器６の前後に設けられている既設の第１電子膨張弁５および第２電子膨張弁６を制御することにより、新たな機器を追加設置することなく、制御部２５のソフト変更のみでＰＯＥ油１７の粘度を一定の粘度ゾーン以上にキープし、ＰＯＥ油１７の希釈率の増大や粘度の低下を防止することができる。従って、ハード構成の複雑化を避けつつ、相溶性の高いＰＯＥ油１７を用いて簡易に潤滑性能の改善を図ることができる。

さらに、本実施形態では、多段圧縮機２が２段圧縮機とされており、図２に示されるように、低段側の低圧と中間圧および高段側の中間圧と高圧の関係により予め設定されている低段側使用制限範囲および高段側使用制限範囲内において、密閉ハウジング１４内のＰＯＥ油１７の粘度に応じて使用制限範囲を変化させ、ＰＯＥ油１７の粘度が規定値（第１の閾値）に満たない場合でも、該規定値よりも低い第２の規定値（第２の閾値）を満たしておれば、一部の制限された圧力範囲での運転を可能としている。このため、密閉ハウジング１４内のＰＯＥ油１７の粘度が規定値を満たしていない場合であっても、第２の規定値を満たしておれば、使用制限範囲内の一部の制限された圧力範囲（例えば、図２に示す制限線Ｌよりも下側の圧力範囲）で運転することができる。従って、油温の上昇によるＰＯＥ油１７の粘度低下による潤滑性能の低下を確実に阻止することができるともに、超臨界サイクルヒートポンプ１側の運転の自由度を確保することができる。

なお、本発明は、上記実施形態にかかる発明に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、適宜変形が可能である。例えば、上記実施形態では、オイルセパレータ３、熱交換器１２、油戻し回路１３が設けられている例について説明したが、これらは必須のものではなく、省略されてもよい。また、多段圧縮機２は、密閉ハウジング１４内に内蔵される電動モータ、低段側圧縮機構１５および高段側圧縮機構１６が、如何なる配置構成とされたものであってもよい。

さらに、本発明に係る超臨界サイクルヒートポンプ１は、空調機や給湯機等に限定されることなく、幅広い用途に適用可能であり、多段圧縮機２の吐出側と吸入側間に四方切換弁を設け、冷媒回路（冷凍サイクル）１０を加熱サイクルと冷却サイクルとに切換え可能としたものにも適用できることはもちろんである。

１超臨界サイクルヒートポンプ
２多段圧縮機
４放熱器
５第１電子膨張弁
６気液分離器
７第２電子膨張弁
８蒸発器
１０冷媒回路（冷凍サイクル）
１１インジェクション回路
１４密閉ハウジング
１５低段側圧縮機構
１６高段側圧縮機構
１７潤滑油（ＰＯＥ油）
１８吐出圧力センサ
１９，２１，２３温度センサ
２０吸入圧力センサ
２２中間圧力センサ
２４油温センサ
２５制御部
Ｌ制限線

Claims

低段側圧縮機構および高段側圧縮機構を備え、前記低段側圧縮機構で圧縮した中間圧の冷媒ガスを密閉ハウジング内に吐き出し、その冷媒ガスを前記高段側圧縮機構により吸入して高圧に圧縮する多段圧縮機、放熱器、第１電子膨張弁、気液分離器、第２電子膨張弁および蒸発器をこの順に接続して冷凍サイクルを構成し、前記気液分離器で分離された中間圧冷媒ガスを前記多段圧縮機の前記密閉ハウジング内に注入するインジェクション回路を設け、作動媒体としてＣＯ２冷媒を用いた超臨界サイクルヒートポンプであって、
前記多段圧縮機の潤滑油をポリオールエステル系油またはその混合油とするとともに、
前記中間圧冷媒の圧力および温度下での前記油の前記ＣＯ２冷媒に対する溶解度に基づいて、該溶解度と温度とから前記油の粘度を求め、該油の粘度を一定の粘度ゾーン以上にキープすべく、第１電子膨張弁を介して前記中間圧冷媒の圧力を制御し、その圧力を予め設定されている使用制限範囲に制御する制御部を備えていることを特徴とする超臨界サイクルヒートポンプ。
前記制御部は、前記インジェクション回路より注入される中間圧冷媒および前記多段圧縮機の吸入冷媒の圧力および温度を検出し、それぞれの冷媒過熱度を前記第１電子膨張弁および前記第２電子膨張弁により目標過熱度に制御するとともに、前記油の粘度を一定の粘度ゾーン以上にキープすべく、前記第１電子膨張弁を介して前記中間圧冷媒の圧力を制御し、その圧力を予め設定されている使用制限範囲に制御する構成とされていることを特徴とする請求項１に記載の超臨界サイクルヒートポンプ。
前記制御部は、低圧と中間圧および中間圧と高圧の関係により予め設定されている低段側使用制限範囲および高段側使用制限範囲内において、前記密閉ハウジング内の前記油の粘度に応じて使用制限範囲を変化させ、該油の粘度が規定値に満たない場合でも、該規定値よりも低い第２の規定値を満たしておれば、一部の制限された圧力範囲での運転を可能としていることを特徴とする請求項１または２に記載の超臨界サイクルヒートポンプ。