JP4258030B2

JP4258030B2 - 冷媒循環装置

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Publication number: JP4258030B2
Application number: JP30844897A
Authority: JP
Inventors: 浩招牧野; 浩司山下
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1997-01-20
Filing date: 1997-11-11
Publication date: 2009-04-30
Anticipated expiration: 2017-11-11
Also published as: JPH10259960A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
冷媒として例えば一部にＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）系冷媒、冷凍機油としてアルキルベンゼン系等の油を使用する様な冷媒に溶解しにくい冷凍機油を使用する冷媒循環装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の、冷媒としてＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）系冷媒、冷凍機油としてアルキルベンゼン系の油を使用する冷媒循環システムの一例を図８に示す。１は冷媒ガスを圧縮する圧縮機、２は冷媒の流れ方向を切り替える機能を有する四方弁であり、３は圧縮機１から吐出された高圧冷媒ガスを凝縮させる凝縮器、４は蒸発器、５は減圧装置、８０は冷媒量調整機能を有するアキュムレータである。この冷媒循環システムで使用するアルキルベンゼン系の油はＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）系冷媒に対して、凝縮圧力および凝縮温度条件下における液冷媒への冷凍機油の重量溶解率が0.5〜７％の溶解性を有し、かつ、蒸発圧力および蒸発温度条件下における液冷媒への重量溶解率が０〜２％の非相溶性もしくは微弱な溶解性を有するとともに、その比重量が−２０℃〜＋６０℃の温度域において、同一温度とその飽和蒸気圧下における液冷媒の比重量よりも、小さな値となる。
【０００３】
次に、冷凍機油の挙動について説明する。圧縮機１により圧縮された高圧冷媒ガスは、凝縮器３に吐出される。この際、冷媒との重量比で言うと０．３〜２．０％程度の冷凍機油が冷媒と共に圧縮機１から吐出される。冷媒ガスの流れる凝縮器３の管径は、冷媒ガス流速が冷凍機油を下流へ搬送するのに十分な流速を確保するよう設定されている。凝縮器３の出口付近では大部分の冷媒は液化し管内流速は著しく低下するが、冷凍機油は凝縮液冷媒に対し弱い溶解性を有するので、液冷媒に溶解して減圧装置５から搬送される。減圧装置５の下流域では冷媒の温度と圧力は著しく低下し、冷凍機油は液冷媒に対し非相溶性もしくは微弱な溶解性に転じる。
【０００４】
しかし、減圧装置５の下流域で生じる液冷媒の一部のガス化により冷媒流速は急激に増加し、続く蒸発器４の管径は冷媒ガス流速が冷凍機油を下流へ搬送するのに十分な流速を確保するよう設定されているため、冷凍機油はアキュムレータ８０へ搬送される。冷凍機油は液冷媒より比重が小さく、蒸発圧力および蒸発温度条件下において、液冷媒への溶解性が無いかもしくは微弱なため、アキュムレータ８０内で冷凍機油は液冷媒の上方に分離層を形成する。アキュムレータ内にあって冷媒を外部へ導く導出管８１には、アキュムレータ下端８０ａからの高さが異なる複数の油戻し穴８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８２ｄが設けられており、アキュムレータ８０内の冷凍機油はこれらの油戻し穴を通り圧縮機１へ戻る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の、冷媒としてＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）系冷媒、冷凍機油としてアルキルベンゼン系の油を使用する様な冷媒循環システムは以上のように構成されているが、アキュムレータ８０内に多量の余剰冷媒が貯留され液冷媒層の液面が高くなった場合において、以下のような問題があった。まず、液冷媒層の液面が高くなると導出管８１の複数個の油戻し穴から液冷媒が吸い込まれるため、圧縮機１に多量の液冷媒が戻り、圧縮室内に非圧縮性の液冷媒が供給されることによる圧縮室内の急激な圧力上昇を引き起こしたり、また圧縮室から吐出された液冷媒が圧縮機密閉容器内に溜まることにより、冷凍機油に代わって液冷媒が潤滑要素部へ供給されて圧縮機１の軸受、圧縮要素摺動部の焼き付き等、信頼性の低下を招くおそれがあった。次に、圧縮機１に多量の液冷媒が戻らないよう油戻し穴の径を小さく設定すると、冷凍機油も同様に戻らずアキュムレータ８０内に多量に溜まってしまい、圧縮機１内の冷凍機油が枯渇するおそれがある上、回路内のゴミ、不純物等が油戻し穴につまりやすくなるおそれがあった。
【０００６】
この発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、圧縮機に多量の液冷媒を戻すことなく余剰液冷媒を貯留でき、かつ冷凍機油を確実に圧縮機に戻すことで、信頼性の高い冷媒循環装置を提供することを目的とする。また、この発明は簡単な構成で安価な信頼性の高い装置を得ることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明に関わる冷媒循環装置は、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、この圧縮機から吐出された高圧冷媒ガスを凝縮させる凝縮器と、この凝縮器にて凝縮された液冷媒を減圧する減圧装置と、この減圧装置で減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器と、これらを順次接続し冷媒回路を形成する冷媒配管と、凝縮圧力および凝縮温度条件下における液冷媒への重量溶解率が弱溶解性を有し、かつ、蒸発圧力および蒸発温度条件における液冷媒への重量溶解率が非溶解性もしくは弱溶解性を有する冷凍機油と、を備え、減圧装置が、冷凍機油の冷媒への溶解限界が冷媒とともに圧縮機から吐出された冷凍機油の冷媒との重量比である油循環率未満とならない範囲に圧力を低下させる第一の減圧装置と、この第一の減圧装置の下流に配置され冷媒を蒸発圧力まで減圧させる第二の減圧装置とに分割されて構成されるとともに、これら二つの減圧装置の間に冷媒回路の余剰冷媒を貯留する液溜容器が接続され、液溜容器に冷媒とともに第一の減圧装置を通過して搬入された冷凍機油が、冷媒から分離することなく冷媒に溶解したまま液溜容器から流出し、冷媒配管を通って第二の減圧装置および蒸発器を通過して、圧縮機まで搬送されるものである。
【００１０】
またこの発明に関わる冷媒循環装置は、前記蒸発器の配管径が、蒸発器を流れる冷媒の流速が液溜容器から流出した冷凍機油を下流へ搬送できる流速となるように設定されたものである。
【００１４】
またこの発明に関わる冷媒循環装置は、冷凍機油が凝縮圧力及び凝縮温度条件下における液冷媒への重量溶解率が０．５−７％の弱溶解性を有し、かつ、蒸発圧力及び蒸発温度条件における液冷媒への重量溶解率が０−２％の非溶解性もしくは弱溶解性を有するものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、本発明に対応する実施の形態１を図１、図２に基づいて説明する。図１は空調機に適用される冷媒循環装置の一例であり、図１において１は冷媒ガスを圧縮する圧縮機、４は圧縮機１から吐出された高圧冷媒ガスを凝縮させる室外熱交換器、３は室内熱交換器、５は減圧装置、６は余剰冷媒を貯留する液溜容器である。また、図２は液溜容器の構造を示したもので、７は液溜容器本体、８は入口配管で容器の下側に接続しており、９は出口配管で容器の上側に接続している。１６、１７は室内及び室外熱交換器用の送風機である。
【００１６】
次に冷媒および冷凍機油の挙動を冷媒が矢印の向きに流れる場合について説明する。圧縮機１により圧縮された高圧冷媒ガスが、冷媒との重量比で２．０％の冷凍機油と共に吐出され冷媒を凝縮する凝縮器である室外熱交換器４へ入る。冷凍機油は十分な流速を持った冷媒ガスによって搬送され、室外熱交換器４の出口付近では液化した液冷媒中に一部は溶解し、残りは油滴となって冷媒とともに液溜容器６へ搬送される。流路面積が大きくなる液溜容器本体部７では液冷媒の流速が低下し、油滴となった冷凍機油は冷媒よりも比重が小さく容器上方に浮き上がる。しかし、冷凍機油が浮き上がる方向は図の矢印の如く冷媒の流れと同じで、容器本体部７は起動直後（５分程度）を除いては通常満液状態のため、容器内に滞留することなく出口配管９から容器外へ搬送される。従って、冷凍機油が液溜容器本体７内に溜まることはなく、減圧装置５まで搬送される。減圧装置５によって必要な圧力まで減圧されて液冷媒の一部がガス化することにより、液で存在する冷媒量が減少するため、ガス化した液冷媒に溶解していた冷凍機油は分離して油滴となる。しかし、液冷媒の一部のガス化により冷媒流速は急激に増加し、続く冷媒を蒸発させる蒸発器である室内熱交換器３の管径は冷媒ガス流速が冷凍機油を下流へ搬送するのに十分な流速を確保するよう設定されているため、冷凍機油は室内熱交換器内を搬送され圧縮機１に戻る。このように、圧縮機から流出した冷凍機油を確実に圧縮機に戻すことができ、圧縮要素部の正常な潤滑およびシール機能が維持されるため、圧縮機の信頼性の高い装置が得られる。また、構造が簡単で生産性、コストパフォーマンスに優れ、ゴミの詰まりなどによる性能低下も起こさない。
【００１７】
実施の形態２．
以下、本発明に対応する実施の形態２を図２、図３に基づいて説明する。図３は空調機に適用される冷媒循環装置の一例であり、図３において１は冷媒ガスを圧縮する圧縮機、２は冷媒の流れ方向を切り替える機能を持つ四方弁、１８は室内機と室外機を接続する延長配管、３は室内熱交換器、４は室外熱交換器、５は減圧装置、６は余剰冷媒を貯留する液溜容器である。また、図２は液溜容器の構造を示したもので、７は液溜容器本体、８は入口配管で容器の下側に接続しており、９は出口配管で容器の上側に接続している。
【００１８】
次に室内機にて暖房を行う冷媒および冷凍機油の挙動を冷媒が矢印の向きに流れる場合について説明する。圧縮機１により圧縮された高圧冷媒ガスが、冷媒との重量比で２．０％の冷凍機油と共に吐出され四方弁２を通って凝縮器である室内熱交換器３へ入る。冷凍機油は十分な流速を持った冷媒ガスによって搬送され、室内熱交換器３の出口付近では液化した液冷媒中に一部は溶解し、残りは油滴となって冷媒とともに液溜容器６へ搬送される。流路面積が大きくなる液溜容器本体部７では液冷媒の流速が低下し、油滴となった冷凍機油は冷媒よりも比重が小さく容器上方に浮き上がる。しかし、冷凍機油が浮き上がる方向は図の矢印の如く冷媒の流れと同じで、容器本体部７は起動直後（５分程度）を除いては通常満液状態のため、容器内に滞留することなく出口配管９から容器外へ搬送される。従って、冷凍機油が液溜容器本体７内に溜まることはなく、減圧装置５まで搬送される。減圧装置５によって必要な圧力まで減圧されて液冷媒の一部がガス化することにより、液で存在する冷媒量が減少するため、ガス化した液冷媒に溶解していた冷凍機油は分離して油滴となる。しかし、液冷媒の一部のガス化により冷媒流速は急激に増加し、続く蒸発器である室外交換器４の管径は冷媒ガス流速が冷凍機油を下流へ搬送するのに十分な流速を確保するよう設定されているため、冷凍機油は室外熱交換器内を搬送され圧縮機１に戻る。
【００１９】
暖房の場合一般に室内熱交換器を室外熱交換器に比べ小さくしているから冷媒量が冷房に比べ少なくて済むので余剰冷媒が発生しやすい。
一方、四方弁２を切り換えることによって冷媒を逆方向に流し室内機にて冷房を行う場合、室外、室内熱交換器の凝縮と蒸発の役割が変わり、減圧装置５で減圧されて一部ガス化して液とガスが混合された冷媒が出口配管９から容器本体部７に流れ込むが、冷媒は容器の上から下へ流れるため、液冷媒が滞留することなく入口配管８から容器外へ搬送される。このため冷媒量を多く使う冷房の場合、液溜容器としての機能は無くなるがこの必要性もなく、冷媒とともに搬送される冷凍機油も容器内に滞留すること無く搬送される。このため、圧縮機１から吐出された冷凍機油はサイクル中に滞留せず圧縮機１に戻る。
【００２０】
以上により、流れ方向によって必要冷媒量が異なる場合でも、余剰冷媒を貯留することができるため、流れ方向によらず効率的な運転ができ、かつ、圧縮機から流出した冷凍機油を確実に圧縮機に戻すことができ、圧縮要素部の正常な潤滑およびシール機能が維持されるため、圧縮機の信頼性の高い装置が得られる。
【００２１】
実施の形態３．
以下、本発明に対応する実施の形態３を図４に基づいて説明する。図４は空調機に適用される冷媒循環装置の一例であり、図４において１は冷媒ガスを圧縮する圧縮機、２は冷媒の流れ方向を切り替える機能を持つ四方弁、４は室外熱交換器、１６は室内送風機、３は室内熱交換器、１７は室外送風機、５ａおよび５ｂは減圧装置、６は余剰冷媒を貯留する液溜容器である。
【００２２】
次に冷媒および冷凍機油の挙動について説明する。圧縮機１により圧縮された高圧冷媒ガスは、冷媒との重量比で例えば１．０％の冷凍機油と共に吐出され四方弁２を通って凝縮器である室内熱交換器３へ入る。冷凍機油は十分な流速を持った冷媒ガスによって搬送され、室内熱交換器３の出口付近では液化した液冷媒中に完全に溶解する。ただし、アルキルベンゼン系油は、凝縮圧力および凝縮温度条件下での冷凍機油の冷媒への溶解限界は１．５％程度である。そして、冷媒とともに減圧装置５ｂを通過し液溜容器６へ搬送される。減圧装置５ａでの圧力と温度の低下を溶解限界が１％未満にならない範囲に設定することにより、冷凍機油は液溜容器６内で冷媒から分離すること無く、冷媒に溶解したまま容器外へ搬送される。したがって、冷凍機油は液溜容器６内に溜まることなく、減圧装置５ｂまで搬送される。減圧装置５ｂでは必要な圧力まで減圧されて温度が急激に低下するため、冷凍機油の液冷媒への溶解限界が０．５％に減少し、液冷媒中に溶解しきれない冷凍機油は分離して油滴となる。さらに、室外熱交換器４では大半の冷媒がガス化して液状態で存在する冷媒量が減少するため、溶解できなくなった冷凍機油が分離する。しかし、減圧装置をでた後では冷媒のガス化により冷媒の流速は分離した冷凍機油を下流へ搬送するために十分な流速になるため、冷凍機油は圧縮機１まで搬送される。また、四方弁２によって逆方向に流した場合も同様である。
【００２３】
一般に冷媒回路に液だめ部を設けると例えばハイドロフルオロカーボンを使用した冷媒に溶解しにくい冷凍機油、例えばＨＦＣ系冷媒に対して凝縮圧力及び凝縮温度条件下における液冷媒への重量溶解率が０．５−７．０％、また蒸発圧力及び蒸発温度条件下における液冷媒への重量溶解率が０−２．０％の非溶解性もしくは微弱な溶解性を有する冷凍機油、アルキルベンゼン、鉱油、エステル油、エーテル油、等を使用すると、冷媒の移動速度が遅くなる液だめ部、すなわち余剰冷媒を貯留するための液だめ容器を有する冷媒回路において、この容器内に冷媒と一緒に混合してきた油が溜まることになる。
冷媒への油の重量溶解率は先ず冷媒と油の種類によって変化する。例えばＨＦＣ系冷媒である液冷媒Ｒ４０７ＣへのＨＡＢ油である冷凍機油アルキルベンゼン（粘度グレードＶＧ＝８−３２）の溶解率、及び油循環率と圧縮機周波数の関係では、凝縮温度範囲の液冷媒に対し１．０−４．０ｗｔ％の溶解率を示すが、蒸発温度範囲の液冷媒に対しては０．２−１．８ｗｔ％の微小な溶解率となる。この溶解率は各種の冷媒と各種の油の組み合わせにより変化する。
一般には圧縮機から冷媒とともに流出する冷凍機油の冷媒との重量比である油循環率は
０．３−２．０ｗｔ％程度の値となり圧縮機周波数の上昇と共に増加する傾向にある。
冷媒回路内にはこの油循環率で示される量の冷凍機油が循環しており、特に液だめ容器内に溜まりやすく、容器内の液冷媒中にはその温度における溶解率の範囲内で冷凍機油が溶解している。しかし冷媒が存在する箇所での運転条件において油循環率が液冷媒への冷凍機油の溶解率を上回った場合、循環する冷凍機油の量は液冷媒への許容溶解量を超えてしまうため、冷凍機油は液冷媒と分離し、例えば液だめ容器内で油滴或いは油層の状態となり、液だめ容器内に溜まり、圧縮機に戻らないことになる。これに対し、例えば容器内の液冷媒の温度をサーミスタで検知し、冷媒の温度が油の溶解に必要な温度より低くなった場合に減圧装置５ａを閉じる方向へ動かして設定することにより、油を溶解させることが出来る。
もちろん減圧装置として制御可能な電動式膨張弁のようなものでなく、キャピラリチューブを使用し各種運転状況において液だめ容器内にて温度の下限や圧力の下限を一定値に抑えるようにはじめから設定しておいても良い。
【００２４】
以上の説明はＨＦＣ系冷媒を例として説明したがこれに限られることが無く、ＨＣ系冷媒を使用しても冷媒に溶けにくい冷凍機油を使う場合には同様な効果を生ずることは明らかである。
圧縮機の運転周波数が低い場合、凝縮温度が低下し、冷凍機油の冷媒への溶解度が低下するが、同時に圧縮機から吐出される冷凍機油の量も減少するために、循環する冷凍機油は液溜め容器６で全て冷媒に溶解することが出来る。
以上により、冷房、暖房のどちらの流れ方向においても余剰冷媒を液溜めに溜めることが出来るため、効率的な運転を行うことが出来、かつ、液溜め容器に冷凍機油が滞留すること無く圧縮機に戻すことが出来るため、圧縮機の信頼性の高い装置を得ることが出来る。
特に、複数の室内機を持ち、冷房・暖房の各運転状態で室内機の運転台数により必要冷媒量が大きく変化するマルチタイプの空調装置に有効である。
【００２５】
実施の形態４．
以下本発明に対する実施の形態４を、図４、図５、図６に基づいて説明する。図５は液溜容器の構造を表し、液溜容器１０の下面から入口配管１１、出口配管１２が容器内に挿入されており、容器の上方に向かって開口している。また、入口配管１１、出口配管１２の容器内への入り込み長さは５ｍｍで配管の外径はともに９．５２ｍｍである。
【００２６】
次に冷媒および冷凍機油の挙動について説明する。圧縮機１により圧縮された高圧冷媒ガスは、定常時には冷媒との重量比で例えば１．０％の冷凍機油と共に吐出され四方弁２を通って凝縮器である室内熱交換器３へ入る。冷凍機油は十分な流速を持った冷媒ガスによって搬送され、室内熱交換器３の出口付近では液化した液冷媒中に完全に溶解する。これに対して、圧縮機１の起動時には一時的に２％以上の冷凍機油が冷媒ガスとともに吐出される場合がある。この場合、室内熱交換器３で液冷媒に溶解されなかった冷凍機油は油滴となって液冷媒とともに液溜容器６に搬送される。ただし、凝縮圧力および凝縮温度条件下での冷凍機油の冷媒への溶解限界は１．５％程度である。入口配管１１から容器１０に流れ込んだ液冷媒は容器１０内で流速が低下するため、液冷媒とともに容器内に流入した油滴は浮き上がって油層１４を形成する。そして、運転状態が安定し冷凍機油の吐出量が容器１０での圧力および温度条件下での冷凍機油の冷媒への溶解量以下まで減少すると、油層１４の油が容器内の冷媒１３に溶解し、徐々に油層１４の厚さが減少する。圧縮機起動後の油層１４の厚さの変化を図６に示す。この際、容器１０内の液冷媒１０内には冷凍機油の溶解濃度に分布が生じ、油層１４に近いほど濃度が高くなる。これに対して、容器の下部に設けた入口配管１１は油層１４の方向に向かって下から上へ開口しているため、流れ込んだ冷媒の流速は油層１４の下面を打ち、油層１４は冷媒１３と攪拌され、同時に冷媒１３も攪拌される。このため、油層１４に接する冷媒１３での冷凍機油の濃度が減少し、油層１４の冷凍機油の冷媒１３への溶解が促進される。溶解した油は、容器の下部に設けた出口配管から冷媒とともに容器外へ搬送され圧縮機に戻る。
なお冷媒より重い油を使用しても、上記の説明の構成や攪拌動作により、油を冷媒に溶解させることが出来、圧縮機への油の戻りに有効であることは当然である。
【００２７】
実施の形態５．
この発明の別の実施形態を図７を用いて説明する。図７は本発明の一実施例を示す冷媒循環装置の概略構成を示す図で、図７において１は冷媒ガスを圧縮する圧縮機、２は冷媒の流れ方向を切り替える機能を持つ四方弁で暖房運転の位置、４は圧縮機１から吐出された高圧冷媒ガスを凝縮させる室外熱交換器、１６は室内送風機、３は室内熱交換器、１７は室外送風機、５ａおよび５ｂは減圧装置、６は余剰冷媒を貯留する液溜容器、１８は室内機と室外機を接続する延長配管、１９は圧力検知手段、２０は室内熱交換器の出口温度を検知する温度検知手段、２１は室外熱交換器の入口温度を検知する温度検知手段、２２は圧縮機吸入温度を検知する温度検知手段、２３は１９から２２の検知手段の検知データに基づき減圧装置１５ａ，１５ｂの開口面積を制御する演算・制御装置である。
【００２８】
本発明における冷媒循環装置において、減圧装置１５ａと１５ｂがある開口面積に制御され液溜め容器６には液冷媒が溜り、その溜まった液面が安定した状態を保っているとする。この時減圧装置１５ａと１５ｂの間の液溜め容器を含む流路内の冷媒圧力は凝縮圧力と蒸発圧力の間の圧力、いわば中圧となっており液溜め容器６内に溜まった液冷媒は飽和液状態となっている。
【００２９】
なお、圧縮機吸入冷媒過熱度は圧縮機吸入冷媒温度検知手段２２及び室外熱交換器入口温度検知手段２１がそれぞれ検知した温度からその偏差値を、演算・制御装置２３が演算して求める。なお、この偏差値を過熱度と呼ぶ。
また、室内熱交換器出口過冷却度は、圧力検知手段１９が検知した圧力と対応した冷媒の飽和温度と室内熱交換器出口冷媒温度検知手段２０が検知した検知温度との差を、演算・制御装置２３が演算して求める。なお、この偏差値を過冷却度と呼ぶ。
なお、室内熱交換器出口冷媒の過冷却度に相当する過冷却特性を検知する過冷却検知手段としては、室内熱交換器出口冷媒温度を検知する検知手段２０と、圧力検知手段１９が検知した圧力と対応した冷媒の飽和温度に相当する室内熱交換器中央付近の温度を検知する室内外熱交換器中央温度検知手段（図示せず）との組み合わせからなり、室内熱交換器中央付近の冷媒温度と室内熱交換器出口冷媒温度との偏差値を過冷却度としても良い。
また、圧縮機冷媒の吸入冷媒の過熱度に相当する過熱特性値を検知する過熱度検知手段としては、室外熱交換器出口冷媒温度を検知する室外熱交換器出口温度検知手段（図示せず）と、室外熱交換器入口冷媒温度を検知する室外熱交換器入口温度検出手段２１との組み合わせからなり、この室外熱交換器の出入口温度の偏差値を過熱度としてもよい。
【００３０】
ここで、高圧側減圧装置１５ａを絞ると減圧装置１５ａの出口では圧力が下がり、冷媒は気・液二相の状態となって液溜め容器６へ流入する。このとき、液溜め容器６では重力の作用により、ガス冷媒は上部に、液冷媒は下部に分離される為、液溜め容器６の入口管・出口管ともに液溜め容器の下部に配置しておけば、減圧装置１５ｂへは常に液冷媒のみが送られる。また、冷媒の気・液二相化により、気化した冷媒が液溜め容器６内の液冷媒を減少させ、液面を低下させる。
そして、液溜め容器６から冷凍サイクル中に放出された液冷媒は室内熱交換器３の出口に溜まるため、冷凍サイクルにおける過冷却度が大きくなる。
このため、液溜容器６内の冷媒の温度が低下し、冷凍機油の冷媒への溶解度は減少する。
また、逆に、高圧側減圧装置１５ａを開くと、絞った場合の逆の変化が起き、液面が上昇するとともに、液溜容器６内の冷媒の温度が上昇し、冷凍機油の冷媒への溶解度は増加する。このように運転状況や周囲環境により設定される目標値、すなわち外気温度や室内の設定温度に応じて、空調機の性能をフルに発揮できるように設定された過冷却度の目標設定値に応じて高圧側弁装置の開口面積を増減させればよい。
このように、高圧側減圧装置１５ａを制御することにより過冷却度および液溜め容器内の冷媒の温度を制御することが出来る。
【００３１】
実施の形態６．
一方、低圧側減圧装置１５bを開くと、高圧側減圧装置１５ａの出口では圧力が下がり、冷媒は気・液二相の状態となって液溜め容器６へ流入する。このとき、液溜め容器６では重力の作用により、ガス冷媒は上部に、液冷媒は下部に分離される為、液溜め容器６の入口管・出口管ともに液溜め容器の下部に配置しておけば、減圧装置１５ｂへは常に液冷媒のみが送られる。また、冷媒の気・液二相化により、気化した冷媒が液溜め容器６内の液冷媒を減少させ、液面を低下させる。
そして、低圧側減圧装置１５ｂの出口での冷媒流量が増加するため、圧縮機吸入での過熱度が低下する。
逆に、低圧側減圧装置１５ｂを絞ると、圧縮機吸入での過熱度が増加する。このように運転状況や周囲環境により設定される目標値、すなわち外気温度や室内の設定温度に応じて、空調機の性能をフルに発揮できるように設定された過過熱度の目標設定値に応じて低圧側弁装置の開口面積を増減させればよい。
このように、低圧側減圧装置１５ｂを制御し、圧縮機吸入での過熱度、すなわち乾き度を最適な値に制御するこで、利用できる圧力と温度を一層拡大することが出来、効率の良い装置とすることができ、エネルギーの少ない運転状態を保つことが出来る。
【００３２】
実施の形態７．
さらに、高圧側減圧装置１５ａと低圧側減圧装置１５ｂを連動して制御することにより、過冷却度と過熱度を同時に所定の値に制御することで入力エネルギーが小さい状態の運転状態を保つことが出来る。これは与えられた条件で最小のエネルギーの運転となり得る。
【００３３】
実施の形態８．
以下にこの発明の別の実施の形態を、図５、図７に基づいて説明する。減圧装置１５ａ、１５ｂとして図７に示すようにマイコンにより制御される電動式膨張弁を使用する。そして、液溜容器部の圧力と温度の状態が飽和状態になるように制御し、この状態から、入口側膨張弁１５ａの開口面積を小さく、出口側膨張弁１５ｂの開口面積を大きくするように制御すると図５に示す入口配管１１を通過する冷媒の状態が飽和液から気液二相状態へと変化する。このため、入口配管１１から気泡が発生し、発生した気泡は容器内の冷媒１３中を上昇しながら、冷媒１３を攪拌し、油層１４に到達すると油層１４と冷媒１３を攪拌する。
この状態を続けると容器内に溜める冷媒量が減少するため、ある時間経過後に膨張弁１５ａ，１５ｂの開口面積を入口配管１１での冷媒の状態が過冷却液となるように制御する。
このように容器内に気泡を発生させ、気泡により冷媒１３および油層１４を攪拌することにより、滞留した冷凍機油の冷媒への溶解を促進する。なお、気泡を発生させて攪拌する説明をしたが、圧力変化に伴う流速の変化によって攪拌させてもよい。この制御は運転中例えば一定時間毎や所定の圧縮機運転時間毎のように適宜実施してもよいし、油が容器内に溜まったことを容器の高さ方向の温度を検出して行ってもよい。
なおこの冷媒に与える変化として、減圧装置で行うことを説明したが入り口配管の出口部に切り換え回路を設けオリフィスによる圧力変化を繰り返し与えるなどの各種方法により冷媒の状態を変化させても良い。
【００３４】
実施の形態９．
以下に別の発明の実施の形態を図５、図７に基づいて説明する。減圧装置１５ａ、１５ｂとして図７に示すようにマイコンにより制御される電動式膨張弁を使用する。そして、液溜容器部の圧力と温度の状態が飽和状態になるように制御する。この状態から、入口側膨張弁１５ａの開口面積を小さく、出口側膨張弁の開口面積を大きくするように制御すると図５に示す入口配管１１を通過する冷媒の状態が飽和液から気液二相状態へと変化する。この状態では容器内の冷媒１３は徐々に減少し、冷媒１３が無くなるまでこの状態を継続する。その後、再度冷媒を貯留する為に入り口配管１１での冷媒の状態が過冷却液となるように膨張弁を制御する。冷媒１３の液面が無くなることにより油層１４は出口配管１２から容器外へ搬送される。そして、冷凍機油を容器外へ搬送したところで、容器に冷媒を貯留するための制御を行う。この制御を圧縮機の起動後の容器内に油層厚さが厚い条件の時に１度行うことにより、容器内に滞留した冷凍機油を容器外に搬送し、圧縮機に返すことができる。直江鬼面の有無については容器の高さ方向の温度を検知することなどにより行うことが出来る。
【００３５】
以上のようにこの発明では冷媒へ溶解しにくい油を使用して、かつ、液だめ容器であるレシーバーやアキュムレーター、ヘッダーなとを冷媒回路に設けても容器内に油を滞留させない、回路や制御方法が可能となる。この結果液だめ容器内に多量の油を溜めることなく確実に圧縮機へ戻すことが出来、圧縮機内の正常な潤滑やシール機能が維持できる都道時に冷媒回路内の余剰冷媒を貯めて負荷状態に適した性能を確実に維持できる。さらに装置の冷媒の流れる方向に応じて余剰冷媒を貯めることができ、装置の能力をフルに活用できると共にフレキシブルな運転が可能となり、また圧縮機によけいな冷媒を流さずに済み圧縮機の信頼性を向上させることが出来る。
【００３６】
また本発明は冷媒の流れ方向に関係なく、油を溜めずに液冷媒を液だめに溜めたり、液だめから空にすることが出来、圧縮機の信頼性を維持したまま起動時や負荷状態の変化に対応して最適な運転状態を設定できる。さらに一時的に油が液だめ容器内に滞留しても、急速に圧縮機へ戻すことも、また運転性能へ影響を与えず徐々に油を冷媒に溶解させて滞留量を減少させることも可能である。流入する冷媒の速度を利用して容器内の冷媒を攪拌して冷媒への溶解を促進でき圧縮機の信頼性を損なわずに変油を確実に出来る。
なお液だめ容器を狭く深い形にして攪拌しやすい構造としても良い。
【００３７】
さらに容器へ流入する冷媒の流速が遅く、攪拌効果が小さい場合には容器内の冷媒の状態を変化させて油の冷媒への溶解を促進することもできる。
【００３８】
【発明の効果】
この発明に関わる冷媒循環装置は、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、この圧縮機から吐出された高圧冷媒ガスを凝縮させる凝縮器と、この凝縮器にて凝縮された液冷媒を減圧する減圧装置と、この減圧装置で減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器と、これらを順次接続し冷媒回路を形成する冷媒配管と、凝縮圧力および凝縮温度条件下における液冷媒への重量溶解率が弱溶解性を有し、かつ、蒸発圧力および蒸発温度条件における液冷媒への重量溶解率が非溶解性もしくは弱溶解性を有する冷凍機油と、を備え、減圧装置が、冷凍機油の冷媒への溶解限界が冷媒とともに圧縮機から吐出された冷凍機油の冷媒との重量比である油循環率未満とならない範囲に圧力を低下させる第一の減圧装置と、この第一の減圧装置の下流に配置され冷媒を蒸発圧力まで減圧させる第二の減圧装置とに分割されて構成されるとともに、これら二つの減圧装置の間に冷媒回路の余剰冷媒を貯留する液溜容器が接続され、液溜容器に冷媒とともに第一の減圧装置を通過して搬入された冷凍機油が、冷媒から分離することなく冷媒に溶解したまま液溜容器から流出し、冷媒配管を通って第二の減圧装置および蒸発器を通過して、圧縮機まで搬送されるようにしたので、第一の減圧装置を液溜容器内にて冷凍機油が冷媒から分離することなく冷媒に溶解するように設定することで、液溜容器内に冷凍機油が溜まることがなく、冷凍機油を確実に圧縮機に戻すことができ、圧縮機の信頼性を高めることが出来る。
【００４１】
またこの発明に関わる冷媒循環装置は、蒸発器の配管径が、蒸発器を流れる冷媒の流速が液溜容器から流出した冷凍機油を下流へ搬送できる流速となるように設定されるので、蒸発器で大半の冷媒がガス化して溶解できなくなった冷凍機油が分離するが、ガス化した冷媒の流速が分離した冷凍機油を下流へ搬送するために十分な流速になることで冷凍機油を確実に圧縮機まで搬送することができ、圧縮機の信頼性を高めることが出来る。
【００４９】
またこの発明に関わる冷媒循環装置は、冷媒に対する所定の条件下で非溶解性もしくは弱溶解性を有する冷凍機油を使用しても、冷凍機油を確実に圧縮機に戻すことができるので、圧縮機の高い信頼性が得られるとともに、メインテナンスの容易な装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１を示す冷媒循環装置の概念図である。
【図２】この発明の実施の形態１及び２を示す液溜容器の概念図である。
【図３】この発明の別の実施の形態を示す冷媒循環装置の概念図である。
【図４】この発明の別の実施の形態を示す冷媒循環装置の概念図である。
【図５】この発明の別の実施の形態を示す液溜容器の概念図である。
【図６】この発明の起動後の液溜容器内の油の滞留状態の変化を表す図である。
【図７】この発明の別の実施の形態を示す冷媒循環装置の概念図である。
【図８】従来の冷媒循環システムを表す図である。
【符号の説明】
１圧縮機、２四方弁、３室内熱交換器、４室外熱交換器、５減圧装置、５ａ前段減圧装置、５ｂ後段減圧装置、６液溜容器、７液溜容器、８液溜容器入口配管、９液溜容器出口配管、１０液溜容器、１１液溜容器入口配管、１２液溜容器出口配管、１３冷媒、１４冷凍機油、１５ａ前段側電動膨張弁、１５ｂ後段側電動膨張弁、１６室内送風機、１７室外送風機、８０アキュムレータ、８１導出管、８２油戻し穴。

Claims

冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、
この圧縮機から吐出された高圧冷媒ガスを凝縮させる凝縮器と、
この凝縮器にて凝縮された液冷媒を減圧する減圧装置と、
この減圧装置で減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器と、
これらを順次接続し冷媒回路を形成する冷媒配管と、
凝縮圧力および凝縮温度条件下における液冷媒への重量溶解率が弱溶解性を有し、かつ、蒸発圧力および蒸発温度条件における液冷媒への重量溶解率が非溶解性もしくは弱溶解性を有する冷凍機油と、を備え、
前記減圧装置が、冷凍機油の冷媒への溶解限界が冷媒とともに前記圧縮機から吐出された冷凍機油の冷媒との重量比である油循環率未満とならない範囲に圧力を低下させる第一の減圧装置と、この第一の減圧装置の下流に配置され冷媒を蒸発圧力まで減圧させる第二の減圧装置と、に分割されて構成されるとともに、これら二つの減圧装置の間に前記冷媒回路の余剰冷媒を貯留する液溜容器が接続され、前記液溜容器に冷媒とともに第一の減圧装置を通過して搬入された冷凍機油が、冷媒から分離することなく冷媒に溶解したまま前記液溜容器から流出し、前記冷媒配管を通って前記第二の減圧装置および前記蒸発器を通過して、前記圧縮機まで搬送されることを特徴とする冷媒循環装置。
前記蒸発器の配管径が、前記蒸発器を流れる冷媒の流速が前記液溜容器から流出した冷凍機油を下流へ搬送できる流速となるように設定されたことを特徴とする請求項１に記載の冷媒循環装置。
前記冷凍機油が、凝縮圧力及び凝縮温度条件下における液冷媒への重量溶解率が０．５−７％の弱溶解性を有し、かつ、蒸発圧力及び蒸発温度条件における液冷媒への冷凍機油の重量溶解率が０−２％の非溶解性もしくは弱溶解性を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の冷媒循環装置。