JP2002257427A - 冷凍空調装置、及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 蒸発器から圧縮機の間に滞留する冷凍機油を
圧縮機に返油する運転を冷凍空調装置の運転状況に影響
させずに確実に実現する。 【解決手段】 圧縮機の油が減少したことを判断して圧
縮機の運転容量制御等により、蒸発器出口の冷媒状態を
飽和状態にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は冷凍空調装置に関
するものであり、特に配管など冷媒回路内に滞留する冷
凍機油の返油に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】圧縮機、凝縮器、絞り装置、蒸発器を接
続してなる冷凍空調装置においては、圧縮機での信頼性
を確保するために、圧縮機から冷媒とともに吐出される
冷凍機油が圧縮機に返油されるようにし、圧縮機内の冷
凍機油の枯渇を防止する必要がある。一般に冷凍空調装
置に用いられる冷凍機油は冷媒と相溶性があり、冷媒は
冷凍機油に比べて粘度が著しく小さいため、冷凍機油に
多くの冷媒がとけ込むほど冷凍機油の粘度が低下し冷凍
機油の流動性は高くなる。図１２は代表的な冷媒Ｒ２２
と冷凍機油ＳＵＮＩＳＯ４ＧＳとの溶解度曲線を示した
ものである。図１２にあるとおり、冷媒の溶解度は高
圧、低温であるほど大きくなり、特に温度がＲ２２の飽
和温度に近づくにつれ溶解度は急激に大きくなり、温度
がＲ２２の飽和温度となると溶解度は１００％となり、
無限に冷媒Ｒ２２が溶け込む状態となる。また冷凍機油
そのものの粘度は低温になるほど大きくなる。以上を合
わせると、冷媒が過熱ガス状態となり、また低温となる
蒸発器を出てから圧縮機に吸入されるまでの間の低圧ガ
スである状態で、冷媒の溶解度が低下し、冷凍機油の粘
度が大きくなり、流動性が悪くなり、冷凍機油が滞留し
やすい状態になる。特に蒸発器と圧縮機がセパレートで
設置されている形態の場合、蒸発器と圧縮機の間にガス
延長配管が接続されるので、配管に油が滞留しやすくな
り滞留量が増加する。従って圧縮機内の油量が減少し、
枯渇やすくなるので、圧縮機での信頼性を確保するため
に、配管に滞留する油を適切に圧縮機に返油する必要が
ある。

【０００３】滞留する油を返油する方法としては、特開
昭６１−１９５４号公報の技術があげられる。この従来
例では、蒸発器の入口温度Ｔ１、中間温度Ｔ２、出口温
度Ｔ３を検出し、低容量運転時に電子膨張弁の開度を一
定時間間隔で調節してＳＨ＝Ｔ３−（Ｔ１＋Ｔ２）／２
＝０となるように制御するとしている。このような制御
を行うことで一定時間間隔において、蒸発器出口状態を
飽和状態（温度＝飽和温度）とすることができる。この
とき冷凍機油には冷媒が多く溶解し、冷凍機油の粘度は
低下し流動性が高まり、配管に滞留する油を圧縮機に返
油することが可能となる。なお返油とは無関係である
が，蒸発器出口の過熱度を絞り装置である膨張弁を使用
して装置の運転状態を安定且つ良好に制御する構成は特
開平７−９８１６０号公報や特開平７−２８０３６６号
公報などにて良く知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】一般に低温を供給する
冷凍機等においては、圧縮機、凝縮器からなるコンデン
シングユニットと膨張弁、蒸発器からなるショーケース
を接続して冷凍サイクルを形成することが多い。このと
きショーケースに用いられる膨張弁は温度式膨張弁が設
けられることが多く、従来例のような制御を行う場合、
膨張弁を電気式膨張弁に置き換える必要があり、高コス
トとなる問題点があった。またコンデンシングユニット
とショーケースは別製品であり、冷凍機の設置業者がそ
れぞれの製品を購入して現地で接続する形態をとること
から、コンデンシングユニットとショーケース間は情報
の授受は行われず、それぞれの製品内の情報をもとに運
転制御を実施する形態がとられている。この形態におい
て、従来例のような制御を行うとした場合、コンデンシ
ングユニットとショーケース間で情報の授受を行えるよ
うな通信装置を設ける必要があり、高コストとなる問題
点があった。

【０００５】すなわち装置の種類や使用状態に応じて自
由に使えないという問題点があった。また従来技術のも
のでは、運転状態と膨張弁の開度との関係に制限があり
必ずしも確実な油戻りが得られずに信頼性が低いという
問題があった。

【０００６】この発明は、このような問題点を解消する
ためになされたものであり、蒸発器から圧縮機の間の低
圧ガス部に滞留する冷凍機油の圧縮機への返油を的確に
行うものを得ようというものである。またこの発明は、
圧縮機の冷凍機油の枯渇を防止する信頼性の高い冷凍空
調装置を安価に提供することを目標とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る冷凍空調装
置は，冷媒を圧縮して吐出する圧縮機、吐出された冷媒
を凝縮する凝縮器、運転状態に応じて冷媒を絞る絞り装
置、及び冷媒を蒸発する蒸発器を順次接続し冷媒を循環
させる冷媒回路と、冷媒回路に設けられた機器または部
品を操作して蒸発器出口の冷媒状態を調整する冷媒状態
制御手段と、圧縮機内の冷凍機油量を推定する油量推定
手段と、を備え、油量推定手段により圧縮機内の油量が
減少したと推定される場合には、冷媒を絞る絞り装置の
絞りとは関係なく冷媒状態調整手段により蒸発器出口の
冷媒状態を飽和状態とする。

【０００８】本発明に係る冷凍空調装置は、冷媒状態調
整手段として絞り装置を使用する場合は、複数の絞り装
置の少なくとも１つにて前記蒸発器出口の冷媒状態を飽
和状態とする。

【０００９】本発明に係る冷凍空調装置は、圧縮機、凝
縮器、絞り装置、蒸発器を順次接続し冷媒を循環させる
冷媒回路と、絞り装置の制御とは別個に蒸発器出口の冷
媒状態を調整する冷媒状態調整手段と、圧縮機内の冷凍
機油量を推定する油量推定手段と、を備え、油量推定手
段により圧縮機内の油量が減少したと推定される場合に
は、冷媒状態調整手段により蒸発器出口の冷媒状態を飽
和状態とする。

【００１０】本発明に係る冷凍空調装置は、油量推定手
段として，圧縮機もしくは冷媒回路内で冷凍機油が蓄積
可能な容器内の油量を検知し，または，圧縮機の運転時
間を検知し圧縮機内の冷凍機油量を推定する。

【００１１】本発明に係る冷凍空調装置は、冷媒状態調
整手段として、圧縮機の運転容量を変更する運転容量変
更手段，もしくは凝縮器の熱交換量を変更する熱交換量
変更手段を備えたものである。

【００１２】本発明に係る冷凍空調装置は、絞り装置と
して、流動抵抗の大きい主絞り装置と流動抵抗の小さい
副絞り装置の複数設け，冷媒状態調整手段は、副絞り装
置の流動抵抗を変更する。

【００１３】本発明に係る冷凍空調装置は、冷媒回路に
液レシーバを設け、冷媒状態調整手段として液レシーバ
内の液を加熱する加熱手段を備えたものである。

【００１４】本発明に係る冷凍空調装置の運転方法は、
冷媒を圧縮して吐出する圧縮機、吐出された冷媒を凝縮
する凝縮器、運転状態に応じて冷媒を絞る絞り装置、及
び冷媒を蒸発する蒸発器を順次接続し冷媒を循環させる
冷媒回路を備えた冷凍空調装置において，圧縮機内の冷
凍機油量を検知または推定する油量判断ステップと，油
量判断ステップにより前記圧縮機内の油量が減少したと
判断される場合には、冷媒回路内の冷媒状態を調整し蒸
発器出口の冷媒状態を飽和状態とする冷媒状態調整ステ
ップと，を備え，冷媒状態調整ステップの調整は絞り装
置の制御より優先させる。

【００１５】

【発明の実施の形態】実施の形態１．以下本発明の実施
の形態１を図に基づいて説明する。図１は実施の形態１
による冷凍空調装置の冷媒回路図である。図において、
１はコンデンシングユニット、２はショーケースであ
る。３はインバータにより回転数が可変である圧縮機、
４はオイルセパレータ、５は空冷の凝縮器、６は凝縮器
の熱交換量を制御するファン、７は液レシーバ、９は液
配管、１６はガス配管であり、コンデンシングユニット
１とショーケース２を接続する。８、１７は液配管９、
ガス配管１６とコンデンシングユニット１を接続する接
続弁であり、１０、１５は液配管９、ガス配管１６とシ
ョーケース２を接続する接続弁である。１１は電磁弁、
１２は温度式膨張弁、１３は蒸発器、１４は温度式膨張
弁１２の感温筒、１８はアキュムレータである。圧縮機
３、オイルセパレータ４、凝縮器５、液レシーバ７、ア
キュムレータ１８はコンデンシングユニット１内に設置
され、電磁弁１１、温度式膨張弁１２、蒸発器１３はシ
ョーケース２内に設置されている。また１９は計測制御
装置であり、２０、２１は温度センサ、２２は圧力セン
サであり、温度センサ２０は圧縮機３の吐出温度、温度
センサ２１は凝縮器５出口の温度を、圧力センサ２２は
圧縮機３の吸入圧力を計測する。計測制御装置１９は温
度センサ２０、２１および圧力センサ２２の計測値を取
り込み、その値をもとに演算を行って、圧縮機３の運転
容量、ファン６の回転数を制御する。また２３はオイル
セパレータ４で分離される油を圧縮機３吸入側に返油す
るバイパス管である。

【００１６】次に本発明の実施の形態１における冷媒の
流れを説明する。圧縮機３から吐出された高温高圧のガ
ス冷媒はオイルセパレータ４を経て凝縮器５で外気と熱
交換し凝縮液化される。その後、液レシーバ７、液配管
９を経てショーケース２に流入する。そして温度式膨張
弁１２で減圧され低圧の二相冷媒となった後で蒸発器１
３で冷媒は蒸発ガス化しながらショーケース側に冷熱を
供給する。その後冷媒はガス配管１６、アキュムレータ
１８を通じたのち、圧縮機３に吸入される。また油の流
れは次のようになる。圧縮機３から冷媒ガスとともに吐
出された冷凍機油はオイルセパレータ４で吐出されたう
ちの９割程度が分離されバイパス管２３を通じて圧縮機
吸入側に戻される。残りの１割程度が凝縮器５、液レシ
ーバ７、液配管９、温度式膨張弁１２、蒸発器１３、ガ
ス配管１６、アキュムレータ１８を通じて圧縮機３に戻
る。なお個々でショーケースのように冷凍装置を主体に
説明するのは，蒸発器出口の冷媒温度が空調装置より温
度が低く，この出口配管に油が滞留しやすくなるためで
ある。

【００１７】次に本発明の実施の形態１におけるコンデ
ンシングユニット１の運転制御方法について説明する。
まず圧縮機３の制御であるが、吸入圧力の目標値を予め
定めておき、圧力センサ２２で測定される値が目標値よ
り高ければ高回転数で運転、低ければ低回転数で運転、
もしくは圧縮機３を停止するという制御を行う。またフ
ァン６の制御は凝縮器５出口温度の目標値を予め定めて
おき、温度センサ２１で測定される値が目標値となるよ
うにファン６の回転数を制御する。

【００１８】次に本発明の実施の形態１におけるショー
ケース２の運転制御方法について説明する。まず温度式
膨張弁１２においては、感温筒１４で測定される温度に
よって開度を変更することにより、蒸発器１３出口の冷
媒過熱度が概ね一定温度、おおよそ１０℃程度になるよ
うに制御される。これにより安定した，且つ効率の良い
運転状態が維持される。また電磁弁１１はショーケース
２の運転に対応して開閉を行い、ショーケース２内の空
気温度の目標値を予め定めておき、空気温度を計測する
温度センサ（図示せず）の値が目標値より高くなると、
ショーケース２を運転し電磁弁１１を開き、目標値より
低くなるとショーケース２を停止し電磁弁１１を閉止す
る。

【００１９】次にガス管１６などに滞留した冷凍機油の
返油運転を行う場合の運転制御を図２にもとづいて説明
する。まず圧縮機３内の冷凍機油の油量が一定量以上減
少しているかどうか判断する。この判断として、圧縮機
３の運転時間をタイマーにより積算カウントし、ある一
定時間以上になった場合は油量が減少していると判断す
る。なおこの時間については、圧縮機の吸入圧力の高低
によって変化させてもよい。吸入圧力が高い場合には、
低圧側の冷媒温度も高く、それに伴い油の温度も高くな
るので、油の流動性が高く返油されやすくなるので圧縮
機の油量の減少時間は遅くなる。一方吸入圧力が低い場
合には、低圧側の冷媒温度が低く、それに伴い油の温度
も低くなるので、油の流動性が低く返油されにくくなる
ので圧縮機の油量の減少時間は早くなる。従って圧力セ
ンサ２２で計測される吸入圧力が高い場合には油量減少
と判断する時間を長く、吸入圧力が低い場合には油量減
少と判断する時間を短く設定する。なお、圧縮機３の特
性によっては吸入圧力が高い方が圧縮機３で循環される
冷媒流量の増加に伴い流出される油量も増加し、油量減
少が早くなる場合も生じる。このような場合には、吸入
圧力が高い場合には油量減少と判断する時間を短く、吸
入圧力が低い場合には油量減少と判断する時間を長く設
定する。

【００２０】また圧縮機３内の油量の減少を直接圧縮機
３内の油面を検知することで判断してもよい。例えば図
３のように圧縮機３にフロートスイッチ２４を設け、油
量が減少し油面が低下した場合、ある一定油面まで低下
した場合はフロートスイッチ２４が接点２５に触れてＯ
Ｎ、油面がある一定以上にあるときはフロートスイッチ
２４が接点２５から離れてＯＦＦとなるようにする。フ
ロートスイッチ２４がＯＮされたときに油量が減少した
と判断する。このように圧縮機内の油量を推定する手段
として圧縮機の運転時間を計測したり，圧縮機内の油面
検知などの説明をしたが，圧縮機から冷媒回路に流出し
た油をアキュムレータやレシーバーなど油を貯留する容
器の内部の油量から推定し逆算しても良い。この場合液
冷媒と油の両方が含まれるので運転状態及び制御装置の
マイコンに記載されたデーターなどから液冷媒の溜まり
状態を推定して油量を求めることになる。容器内の液体
と気体の貯留量の計測は液とガスの温度差を利用して容
器外部から計測できる。

【００２１】次に圧縮機３内の油量が一定量以上減少し
ていると判断された場合には、返油運転に移行する。冷
媒回路から圧縮機へ，特に蒸発器出口からの返油運転に
おいては一時的に蒸発器１３出口の冷媒状態を飽和状態
（温度＝飽和温度）とする。こうすることで冷凍機油に
冷媒が多く溶解し冷凍機油の粘度が低下し流動性が高ま
り、ガス配管１６に滞留する油を圧縮機に返油すること
が可能となる。なお，ショーケースや空調機などの装置
で通常の運転中に蒸発器出口で過熱度がゼロとなる飽和
状態にはしない。但し起動時や負荷急変時などに一時的
に過熱度の制御が追従できなくなり飽和状態となること
もあるが短時間であり，返油の効果は無い。一方飽和状
態を長く続けると圧縮機に液冷媒が戻ることになり液圧
縮して圧縮機を破損する可能性もある。また圧縮機内の
冷凍機油の粘度が液冷媒の混入，溶解により低下し、軸
受の信頼性が下がることにもなる。特に，高容量運転で
は圧縮機に負荷が掛かり軸受荷重も大きくなるので粘度
低下の影響も問題になる。これらの課題より圧縮機３の
運転時間をタイマーにより積算カウントし、ある一定時
間以上になった場合は油量が減少していると判断する
が，この時間については、あまり頻繁に行うことは考え
ておらず，長時間間隔，例えば１日程度の間隔が望まし
い。また更に，１回の飽和状態を継続する時間は冷媒状
態制御手段の遅れや、配管径，配管長，冷媒流量などの
パラメーターで決定されるが，例えば配管の径２８．６
ｍｍ、長さ７０ｍ、冷媒流量６００ｋｇ／ｈで数分以下
ぐらいである。

【００２２】このように返油のために一時的に蒸発器１
３出口の冷媒状態を飽和状態（温度＝飽和温度）とする
ことを強制的に行う方法としては、一つは圧縮機３の運
転容量を一定時間現在の容量より高くし、その後圧縮機
３の運転容量をもとの容量に変化させる。このときの冷
凍サイクルの変化を図４に基づいて説明する。図４は冷
凍空調装置の返油運転時の運転状態を表す図で横軸に時
間を取り，縦軸に蒸発器出口過熱度 、膨張弁開度，冷
凍サイクル高低圧，圧縮機運転容量の変化を取ったもの
である。まず、圧縮機３の運転容量を増加させる（図４
のＡの時点）と、冷凍サイクルにおいては、温度式膨張
弁１２の開度変化がすぐには生じないため低圧が引き込
み、蒸発器１３出口の冷媒過熱度が大きくなる状態とな
る。この後蒸発器１３出口の冷媒過熱度の変化は感温筒
１４で検知され、温度式膨張弁１２の開度は次第に大き
くなり、蒸発器１３出口の冷媒過熱度が温度式膨張弁１
２の設定値（１０℃）になるように制御される。温度式
膨張弁１２の制御により蒸発器１３出口の冷媒過熱度が
概ね安定した後（図４のＢの時点）、圧縮機３の運転容
量を低くしもとの容量に変化させる。このとき、温度式
膨張弁１２の開度は返油運転実施前の開度よりも大きく
なっているので、蒸発器１３出口の冷媒過熱度は温度式
膨張弁１２の設定値（１０℃）よりも小さい値となる。
このとき圧縮機３の容量変化が大きいほど温度式膨張弁
１２の開度変化も大きくなり、容量変化がある一定以上
大きくなると、蒸発器１３出口の冷媒過熱度は０、すな
わち飽和状態（温度＝飽和温度）となる。こうすること
で冷凍機油に冷媒が多く溶解し冷凍機油の粘度が低下し
流動性が高まり、ガス配管１６に滞留する油を圧縮機に
返油することが可能となる。この後、感温筒１４により
蒸発器１３出口の冷媒過熱度の変化は検知され、温度式
膨張弁１２の開度は次第に小さくなり、蒸発器１３出口
の冷媒過熱度が温度式膨張弁１２の設定値（１０℃）に
なるように制御される。ただし、温度式膨張弁１２の開
度変化は、感温筒１４の応答に時間遅れがあるためすぐ
には生じない。従って一定時間は蒸発器１３出口を飽和
状態（温度＝飽和温度）とすることができる。温度式膨
張弁１２の開度変化により、蒸発器１３出口の冷媒過熱
度が温度式膨張弁１２の設定値（１０℃）になった時点
（図４のＣの時点）で返油運転は終了する。

【００２３】なお、圧縮機３の容量変化は以下のように
して実施する。本実施例のようにインバータにより圧縮
機３の回転数が可変である場合には、容量を高くする場
合には、回転数を高回転数にし、容量を低くする場合に
は回転数を低回転数にすることで圧縮機３の容量変化が
可能となる。また圧縮機３が複数台搭載されるような場
合では、圧縮機３の運転台数を増減させることで容量変
化を実施することができる。

【００２４】また本実施例では膨張弁として温度式膨張
弁を用いた場合について説明したが、電子膨張弁を用い
て蒸発器１３の出口過熱度を一定値に制御しようとする
場合にも、感温筒１４による過熱度検知の変わりに他の
方法、例えば蒸発器１３の出口の圧力、温度の検知によ
り、蒸発器１３出口の過熱度検知が行われ、その際の開
度変化は図３のような開度変化となるので、同様に返油
運転が可能となる。

【００２５】また、圧縮機３の油量の減少幅が大きい場
合には、１回の返油運転では不十分な場合も発生する。
このような場合は上記返油運転を必要に応じて複数回繰
り返してもよい。以上のようにコンデンシングユニット
１側だけでの制御により返油運転を実施可能とすること
で、ガス管１６に滞留する冷凍機油の圧縮機３への返油
を的確に行い、圧縮機３の冷凍機油の枯渇を防止し信頼
性の高い冷凍空調装置を安価に構成することができる。
また返油方法として圧縮機の運転容量を変更する方法を
説明したが，下記に述べるようにさまざまな返油を行う
手段があり，これらの１つを行うだけでなく複数の方法
を同時にあるいは別の方法に途中で切り替えて返油を繰
り返して行っても良い。これにより，早く返油処理した
り，あるいは装置の運転に影響を与えることなく返油を
行うことが出来る。

【００２６】なお上記の返油運転の動作の説明では蒸発
器出口の冷媒を飽和温度状態として冷凍機油に冷媒を多
く溶解させ冷凍機油の粘度を低下させてガス配管１６に
対流する油を圧縮機に戻すとしている。これらは冷媒を
ＨＦＣ１３４ａのようなハイドロフルオロカーボンと
し、冷凍機油にエステル油やエーテル油の様に冷媒と油
が相互溶解性がある状態の説明である。一方ＨＦＣ１３
４ａとアルキルベンゼン油の様に冷媒と油が非相溶等あ
まり解けあわない冷凍機油を使用する場合もある。冷媒
が油に溶解しない場合は油の粘度低下が無く油の流動性
が低いので配管への油滞留を解消する返油運転は更に重
要となる。冷媒と油が溶解する場合も溶解しない場合
も、ともに蒸発器出口を過熱度ゼロにすることが返油に
対し効果がある。すなわち非相溶の場合でも冷媒を飽和
状態とすることにより配管内を流れる流体は気液２相流
化する。２相流化した場合，配管内に滞留した油は比重
の重い液冷媒より上に浮いてちょうどガスと液の冷媒の
間に挟まれた形となり、油は配管に付着することなくガ
ス流の勢いを受けて圧縮機へ流れることになる。

【００２７】次に別の例における返油運転の運転制御に
ついて説明する。まず圧縮機３内の冷凍機油の油量が減
少しているかどうか判断する。この判断として、圧縮機
の運転時間をタイマーにより積算カウントし、ある一定
時間以上になった場合は油量が減少していると判断す
る。次に圧縮機３内の油量が減少していると判断された
場合には、返油運転に移行する。返油運転においてはフ
ァン６の回転数を一定時間低下させ、凝縮器５での熱交
換効率を低減させ、その後、ファン６の回転数をもとの
回転数に戻す運転を行う。このときの冷凍サイクルの変
化を図５に基づいて説明する。図５は図４と同様返油運
転時の運転状態を説明する図で圧縮機運転容量の代わり
にファン回転数で説明している。ファン６の回転数低下
させると（図５のＡの時点）凝縮器５での熱交換効率が
低下し冷凍サイクルの高圧が上昇する。このとき温度式
膨張弁１２の入口圧力が高くなるので、温度式膨張弁１
２での差圧が大きくなる。こうすることで温度式膨張弁
１２での冷媒流量が増加する。流量の増加により蒸発器
１３の出口での冷媒状態を過熱度が小さくなり、ある一
定値以上流用を増加させると、蒸発器１３出口の冷媒状
態を飽和状態（温度＝飽和温度）とすることができる。
この過熱度変化は以下のように発生する。蒸発器１３で
の熱交換量Ｑ［ｋＷ］は Ｑ＝冷媒流量Ｇｒ［ｋｇ／ｓ］×蒸発器エンタルピ差
［ｋＪ／ｋｇ］ と表させる。従って温度式膨張弁１２での冷媒流量が増
加し、蒸発器１３での冷媒流量が増加するときに、ファ
ン６の回転数変化によって蒸発温度が変化せず蒸発器１
３での熱交換量Ｑ［ｋＷ］が一定であったとすると、冷
媒流量Ｇｒ［ｋｇ／ｓ］×蒸発器エンタルピ差［ｋＪ／
ｋｇ］が一定となるので、冷媒流量Ｇｒの増加に伴いエ
ンタルピ差が減少する。従って蒸発器１３での出口エン
タルピは小さく、すなわち過熱度が減少する方向に変化
する。このように蒸発器１３出口の冷媒過熱度を０、す
なわち飽和状態（温度＝飽和温度）とすることで冷凍機
油に冷媒が多く溶解し冷凍機油の粘度が低下し流動性が
高まり、ガス配管１６に滞留する油を圧縮機３に返油す
ることが可能となる。この後、感温筒１４により蒸発器
１３出口の冷媒過熱度の変化は検知され、温度式膨張弁
１２の開度は次第に小さくなり、蒸発器１３出口の冷媒
過熱度が温度式膨張弁１２の設定値（１０℃）になるよ
うに制御される。ただし、温度式膨張弁１２の開度変化
は、感温筒１４の応答に時間遅れがあるためすぐには生
じない。従って一定時間は蒸発器１３出口を飽和状態
（温度＝飽和温度）とすることができる。一定時間経過
し、温度式膨張弁１２の開度変化により、蒸発器１３出
口の過熱度が大きくなった時点で返油は行われなくなる
ので（図５Ｂの時点）、このときにファン６の回転数を
低下前の回転数に戻し、凝縮器５での熱交換効率をもと
の状態に戻して返油運転を完了する。

【００２８】なお、このときのファン６の回転数低減に
より上昇させる高圧の上昇幅については、温度式膨張弁
１２での設定過熱度、および冷凍サイクルの運転特性か
ら決定することができる。図６は冷媒Ｒ２２、凝縮温度
４０℃、凝縮器出口過冷却度０℃、蒸発温度−２０℃で
運転している場合のＰＨ線図を表している。図６にある
ように一般に温度式膨張弁での過熱度設定値とされる冷
媒過熱度ＳＨ＝１０ｄｅｇとなるときの蒸発器でのエン
タルピ差は１５４．１ｋＪ／ｋｇとなり、冷媒過熱度Ｓ
Ｈがちょうど０となるときの蒸発器でのエンタルピ差は
１４７．５ｋＪ／ｋｇとなる。蒸発器１３を通過する流
量が増加したときに、蒸発器１３での冷媒温度が変化せ
ず蒸発器１３での熱交換量Ｑ［ｋＷ］が一定であったと
すると、冷媒流量Ｇｒ［ｋｇ／ｓ］×蒸発器エンタルピ
差［ｋＪ／ｋｇ］が一定となるので、冷媒流量Ｇｒの増
加割合分、エンタルピ差が減少する。冷媒過熱度ＳＨ＝
１０ｄｅｇ（蒸発器でのエンタルピ差は１５４．１ｋＪ
／ｋｇ）で運転しているときには、通過流量が４．３％
以上増加すると蒸発器でのエンタルピ差は１４７．５ｋ
Ｊ／ｋｇ以下となり、蒸発器１３出口での冷媒状態を飽
和状態にできる。温度式膨張弁１２の冷媒流量はその出
入口差圧の０．５乗に比例する。従って温度式膨張弁１
２の出入口差圧が８．８％以上増加するように高圧を上
昇させると、蒸発器１３出口での冷媒状態を飽和状態に
できる。図６のような運転状態である場合、温度式膨張
弁１２での差圧が１．２８９ＭＰａあるので、高圧を
０．１１ＭＰａ以上昇させると冷媒流量を４．３％以上
増加でき、蒸発器１３出口の冷媒状態を飽和状態にでき
る。

【００２９】なお、本例ではファン６の回転数変化によ
り凝縮器５での熱交換効率を変化させて返油運転を実施
しているが、凝縮器５での熱交換効率を他の方法によっ
て変化させてもよい。例えば凝縮器５が水冷の凝縮器で
ある場合には供給される水量の増減により凝縮器５での
熱交換効率を変化させることができる。また電磁弁など
により、凝縮器５内の冷媒流路が制御され凝縮器５での
熱交換面積が可変にできるようになっている場合には、
熱交換面積の増減により凝縮器５での熱交換効率を変化
させてもよい。いずれの場合も、ファン６の回転数変化
を実施する場合と同様の返油運転を実施することができ
る。

【００３０】以上のようにコンデンシングユニット１側
だけでの制御により返油運転を実施可能とすることで、
ガス管１６に滞留する冷凍機油の圧縮機３への返油を的
確に行い、圧縮機３の冷凍機油の枯渇を防止し信頼性の
高い冷凍空調装置を安価に構成することができる。

【００３１】次の例を図７の冷媒回路図に基づいて説明
する。図７において、２６は電子膨張弁であり、計測制
御装置１９により制御される。通常運転時には電子膨張
弁２６の開度は全開に設定され、差圧≒０の状態で運転
される。

【００３２】次にこの回路における返油運転の運転制御
について説明する。まず圧縮機３内の冷凍機油の油量が
減少しているかどうか判断する。この判断として、圧縮
機の運転時間をタイマーにより積算カウントし、ある一
定時間以上になった場合は油量が減少していると判断す
る。次に圧縮機３内の油量が減少していると判断された
場合には、返油運転に移行する。返油運転においては、
まず電子膨張弁２６の開度を減少し、一定時間後電子膨
張弁２６の開度を全開にする制御を実施する。このとき
の冷凍サイクルの変化を図８に基づいて説明する。図８
は返油運転時の運転状態を表す図で電子膨張弁２６の開
度で返油を行うものである。まず、電子膨張弁２６の開
度を減少する（図８のＡの時点）。このとき温度式膨張
弁１２と合わせた冷凍サイクル全体での流動抵抗が大き
くなるので、低圧が低下し蒸発器１３での熱交換量が増
加する。一方電子膨張弁出２６出入口の差圧が発生し、
温度式膨張弁１２の入口圧力が低下し出入口差圧が減少
し、冷媒流量が低下するので、蒸発器１３出口での冷媒
過熱度は大きくなる。この過熱度上昇を感温筒１４にて
検知し、温度式膨張弁１２の開度は次第に大きくなり、
蒸発器１３出口での冷媒過熱度は温度式膨張弁１２での
設定値になるように制御される。電子膨張弁２６の開度
を減少後、一定時間経過し、温度式膨張弁１２が適切な
冷媒過熱度になるように制御された後（図８のＢの時
点）で、電子膨張弁２６を全開にする。このような制御
を行うと、電子膨張弁２６での差圧≒０となるので温度
式膨張弁１２の入口圧力が上昇し、差圧が大きくなる。
差圧の増加に伴い温度式膨張弁での冷媒流量が増加す
る。流量の増加により蒸発器１３の出口での冷媒状態を
飽和状態（温度＝飽和温度）とすることができる。この
とき冷凍機油には冷媒が多く溶解し、冷凍機油の粘度は
低下し流動性が高まり、ガス配管１５に滞留する油を圧
縮機に返油することが可能となる。なお蒸発器１３出口
の冷媒過熱度が小さくなり、冷媒温度が下降することを
感温筒１４が検知し、それに伴い温度式膨張弁１２の開
度は小さくなるように制御されるので、時間が経過する
と蒸発器１３出口の冷媒過熱度は温度式膨張弁１２で設
定されている値となる（図８のＣの時点）。ただし、感
温筒１４の温度検知には応答の遅れがあるので、一定時
間は蒸発器１３の出口での冷媒状態を飽和状態とするこ
とができ、その間にガス配管１６に滞留する油を圧縮機
３に返油することが可能となる。

【００３３】なお、電子膨張弁２６の開度減少幅である
が、温度式膨張弁１２での設定過熱度、および冷凍サイ
クルの運転特性から決定することができる。図６の状
態、即ち冷媒Ｒ２２、凝縮温度４０℃、凝縮器出口過冷
却度０℃、蒸発温度−２０℃で運転している場合には、
通過流量が４．３％以上増加するように温度式膨張弁１
２の出入口差圧が８．８％以上増加するようにすれば、
蒸発器１３出口での冷媒状態を飽和状態にできる。そこ
で、電子膨張弁２６の開度減少幅については、開度減少
前の温度式膨張弁１２の差圧の８．８％以上の差圧が電
子膨張弁２６の出入口で生じるようにすればよい。この
ように制御すると、電子膨張弁２６の開度を全開にし差
圧≒０にしたときに温度式膨張弁１２の出入口差圧が
８．８％以上増加し、蒸発器１３出口での冷媒状態を飽
和状態にできる。ただし、電子膨張弁２６の開度減少幅
が余りに大きいと、冷凍サイクルの低圧の低下が大きく
なり、低圧制限により圧縮機３が停止してしまう状態と
なる。そこで、電子膨張弁２６の開度変更幅について
は、冷凍空調装置の主たる絞りは温度式膨張弁１２で実
施されるようにし、電子膨張弁２６での流動抵抗は温度
式膨張弁の流動抵抗より小さくなるように実施し、電子
膨張弁２６の開度変更によって冷凍サイクルの変化が大
きくならないようにすることが望ましい。

【００３４】また、電子膨張弁２６の開度変化によらな
くても、温度式膨張弁１２での出入口差圧を制御できる
方法であれば他の方法を用いても同様に返油運転を実施
することができる。例えば図９に示すような構成をとっ
てもよい。図９において、２７は電磁弁、２８はキャピ
ラリーチューブであり電磁弁２７は計測制御装置１９に
て制御される。通常運転時は電磁弁２７が開に設定され
電磁弁２７に冷媒が流れ、そこでの差圧≒０となる。返
油運転を実施するときは電磁弁２７を閉にし、キャピラ
リーチューブ２８に冷媒が流れるようにする。このとき
キャピラリーチューブ２８で発生する流動抵抗分差圧が
生じ、温度式膨張弁１２での差圧は減少する。そして、
一定時間経過後、電磁弁２７を開にすると、キャピラリ
ーチューブ２８での差圧≒０となり、温度式膨張弁１２
での差圧は増加し、それに伴う流量増加により、蒸発器
１３の出口での冷媒状態を飽和状態（温度＝飽和温度）
とすることができ返油運転が可能となる。

【００３５】以上のようにコンデンシングユニット１側
だけでの制御により返油運転を実施可能とすることで、
ガス管１６に滞留する冷凍機油の圧縮機３への返油を的
確に行い、圧縮機３の冷凍機油の枯渇を防止し信頼性の
高い冷凍空調装置を安価に構成することができる。

【００３６】次に図１０の回路図に基づいて説明する。
図１０において、２９はホットガスバイパスであり圧縮
機３から吐出される冷媒ガスをレシーバ７に供給する機
能を持つ。２７は電磁弁であり、電磁弁２７は計測制御
装置１９により制御される。通常運転時には電磁弁２７
は閉に制御されホットガスバイパス２９は冷凍空調装置
の運転に影響を与えない。

【００３７】次にこの返油運転の運転制御について説明
する。まず圧縮機３内の冷凍機油の油量が減少している
かどうか判断する。この判断として、圧縮機の運転時間
をタイマーにより積算カウントし、ある一定時間以上に
なった場合は油量が減少していると判断する。次に圧縮
機３内の油量が減少していると判断された場合には、返
油運転に移行する。このときの冷凍サイクルの変化を図
１１のホットガスバイパスの動作を行う電磁弁２７の開
閉にもとづいて説明する。返油運転を実施するときに
は、電磁弁２７を開とし（図１１のＡの時点）、圧縮機
３から吐出される冷媒ガスをレシーバ７に供給する。こ
のとき圧縮機３から供給される冷媒ガスは高温であり、
レシーバ７に貯留されている液冷媒を蒸発させる。液冷
媒の蒸発により冷凍サイクルの高圧が上昇し、温度式膨
張弁１２での差圧を増加させ通過する冷媒流量を増加さ
せることができる。高圧の上昇幅がある一定値以上とす
ると、それに伴う流量増加により、蒸発器１３の出口で
の冷媒状態を飽和状態（温度＝飽和温度）とすることが
できる。このとき冷凍機油には冷媒が多く溶解し、冷凍
機油の粘度は低下し流動性が高まり、ガス配管１５に滞
留する油を圧縮機に返油することが可能となる。この
後、蒸発器１３出口の冷媒過熱度が小さくなり、冷媒温
度が下降することを感温筒１４が検知し、それに伴い温
度式膨張弁１２の開度は小さくなるように制御されるの
で、時間が経過すると蒸発器１３出口の冷媒過熱度は温
度式膨張弁１２で設定されている値となる（図１１のＢ
の時点）。ただし、感温筒１４の温度検知には応答の遅
れがあるので、一定時間は蒸発器１３の出口での冷媒状
態を飽和状態とすることができ、その間にガス配管１６
に滞留する油を圧縮機３に返油することが可能となる。
返油運転が終了すると（図１１のＢの時点）、電磁弁２
７を閉とし、通常運転に戻る。

【００３８】なお、返油運転を実現するには、レシーバ
７に貯留される液冷媒を蒸発させ冷凍サイクルの高圧が
上昇するようにできればいいので、ホットガスバイパス
以外の手段を用いて液冷媒を蒸発させてもよい。例えば
ヒーターなど他の熱源によりレシーバ７を加熱し、液冷
媒を蒸発させても同様の返油運転を実現することができ
る。

【００３９】以上のようにコンデンシングユニット１側
だけでの制御により返油運転を実施可能とすることで、
ガス管１６に滞留する冷凍機油の圧縮機３への返油を的
確に行い、圧縮機３の冷凍機油の枯渇を防止し信頼性の
高い冷凍空調装置を安価に構成することができる。

【００４０】本発明の冷凍空調装置は、圧縮機、凝縮
器、絞り装置、蒸発器を接続してなる冷凍空調装置であ
って、蒸発器出口の冷媒状態を制御する冷媒状態制御手
段と、圧縮機内の冷凍機油量を推定する油量推定手段を
備え、油量推定手段により圧縮機内の油量が減少したと
推定される場合には、冷媒状態制御手段により蒸発器出
口の冷媒状態を飽和状態とすることで、蒸発器から圧縮
機の間に滞留する冷凍機油を圧縮機に返油し、圧縮機の
冷凍機油の枯渇を防止しする信頼性の高い冷凍空調装置
を安価に提供することができる。

【００４１】本発明の冷凍空調装置は、冷媒状態制御手
段として、圧縮機の運転容量を変更する運転容量変更手
段により蒸発器出口の冷媒状態を飽和状態とすること
で、蒸発器から圧縮機の間に滞留する冷凍機油を圧縮機
に返油し、圧縮機の冷凍機油の枯渇を防止し信頼性の高
い冷凍空調装置を安価に提供することができる。

【００４２】本発明の冷凍空調装置は、凝縮器の熱交換
量を変更する熱交換量変更手段により蒸発器出口の冷媒
状態を飽和状態とすることで、蒸発器から圧縮機の間に
滞留する冷凍機油を圧縮機に返油し、圧縮機の冷凍機油
の枯渇を防止し信頼性の高い冷凍空調装置を安価に提供
することができる。

【００４３】本発明の冷凍空調装置は、絞り装置の流動
抵抗を変更する流動抵抗変更手段により蒸発器出口の冷
媒状態を飽和状態とすることで、蒸発器から圧縮機の間
に滞留する冷凍機油を圧縮機に返油し、圧縮機の冷凍機
油の枯渇を防止し信頼性の高い冷凍空調装置を安価に提
供することができる。

【００４４】本発明の冷凍空調装置は、絞り装置を流動
抵抗の大きい主絞り装置、流動抵抗の小さい副絞り装置
とで構成し、流動抵抗変更手段として、副絞り装置の流
動抵抗を変更する流動抵抗変更手段により蒸発器出口の
冷媒状態を飽和状態とすることで、蒸発器から圧縮機の
間に滞留する冷凍機油を圧縮機に返油し、圧縮機の冷凍
機油の枯渇を防止し信頼性の高い冷凍空調装置を安価に
提供することができる。

【００４５】

【発明の効果】本発明の請求項１に関わる冷凍空調装置
は、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機、吐出された冷媒を
凝縮する凝縮器、運転状態に応じて冷媒を絞る絞り装
置、及び冷媒を蒸発する蒸発器を順次接続し冷媒を循環
させる冷媒回路と、冷媒回路に設けられた機器または部
品を操作して蒸発器出口の冷媒状態を調整する冷媒状態
制御手段と、圧縮機内の冷凍機油量を推定する油量推定
手段と、を備え、油量推定手段により圧縮機内の油量が
減少したと推定される場合には、冷媒を絞る絞り装置の
絞りとは関係なく冷媒状態調整手段により蒸発器出口の
冷媒状態を飽和状態とするので，配管に滞留する油を確
実に圧縮機に戻す信頼性の高い装置が得られる。

【００４６】本発明に係る冷凍空調装置は、冷媒状態調
整手段として絞り装置を使用する場合は、複数の絞り装
置の少なくとも１つにて前記蒸発器出口の冷媒状態を飽
和状態とするので、確実な返油を可能にする。

【００４７】本発明に係る冷凍空調装置は、圧縮機、凝
縮器、絞り装置、蒸発器を順次接続し冷媒を循環させる
冷媒回路と、絞り装置の制御とは別個に蒸発器出口の冷
媒状態を調整する冷媒状態調整手段と、圧縮機内の冷凍
機油量を推定する油量推定手段と、を備え、油量推定手
段により圧縮機内の油量が減少したと推定される場合に
は、冷媒状態調整手段により蒸発器出口の冷媒状態を飽
和状態とするので，信頼性の高い装置が得られる。

【００４８】本発明に係る冷凍空調装置は、油量推定手
段として，圧縮機もしくは冷媒回路内で冷凍機油が蓄積
可能な容器内の油量を検知し，または，圧縮機の運転時
間を検知し圧縮機内の冷凍機油量を推定するので，確実
に返油が出来る。

【００４９】本発明に係る冷凍空調装置は、冷媒状態調
整手段として、圧縮機の運転容量を変更する運転容量変
更手段，もしくは凝縮器の熱交換量を変更する熱交換量
変更手段を備えたので、簡単に返油が行える。

【００５０】本発明に係る冷凍空調装置は、絞り装置と
して、流動抵抗の大きい主絞り装置と流動抵抗の小さい
副絞り装置の複数設け，冷媒状態調整手段は、副絞り装
置の流動抵抗を変更するので，装置の運転に支障を与え
ずに確実に返油が出来る。

【００５１】本発明に係る冷凍空調装置は、冷媒回路に
液レシーバを設け、冷媒状態調整手段として液レシーバ
内の液を加熱する加熱手段を備えたので、圧縮機の冷凍
機油の枯渇を防止し信頼性の高い冷凍空調装置を安価に
提供することができる。

【００５２】本発明に係る冷凍空調装置の運転方法は、
冷媒を圧縮して吐出する圧縮機、吐出された冷媒を凝縮
する凝縮器、運転状態に応じて冷媒を絞る絞り装置、及
び冷媒を蒸発する蒸発器を順次接続し冷媒を循環させる
冷媒回路を備えた冷凍空調装置において，圧縮機内の冷
凍機油量を検知または推定する油量判断ステップと，油
量判断ステップにより前記圧縮機内の油量が減少したと
判断される場合には、冷媒回路内の冷媒状態を調整し蒸
発器出口の冷媒状態を飽和状態とする冷媒状態調整ステ
ップと，を備え，冷媒状態調整ステップの調整は絞り装
置の制御より優先させるので、信頼性の高い運転方法が
得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態１を示す冷凍空調装置の
冷媒回路図である。

【図２】 本発明の実施の形態１における冷凍空調装置
の運転制御方法を示すフローチャートである。

【図３】 本発明の実施の形態１に係わる油面検知装置
を備えた圧縮機を示す図である。

【図４】 本発明の実施の形態１における冷凍空調装置
の返油運転時の運転状態を表す図である。

【図５】 本発明の実施の形態１における冷凍空調装置
の別の返油運転時の運転状態を表す図である。

【図６】 本発明の実施の形態１における冷凍空調装置
の運転状態を表す図である。

【図７】 本発明の実施の形態１を示す冷凍空調装置の
別の冷媒回路図である。

【図８】 本発明の実施の形態１における冷凍空調装置
の別な返油運転時の運転状態を表す図である。

【図９】 本発明の実施の形態１を示す冷凍空調装置の
他の形態の冷媒回路図である。

【図１０】 本発明の実施の形態１を示す冷凍空調装置
の別の冷媒回路図である。

【図１１】 本発明の実施の形態１における冷凍空調装
置の別の返油運転時の運転状態を表す図である。

【図１２】 従来例に係わる冷媒と冷凍機油の溶解度曲
線を示す図である。

【符号の説明】

１ コンデンシングユニット、２ ショーケース、３
圧縮機、４ オイルセパレータ、５ 凝縮器、６ ファ
ン、７ 液レシーバ、８、１０、１５、１７接続弁、９
液配管、１１、２７ 電磁弁、１２ 温度式膨張弁、
１３ 蒸発器、１４ 感温筒、１６、 ガス配管、１８
アキュムレータ、１９ 計測制御装置、２０、２１
温度センサ、２２ 圧力センサ、２３ バイパス管、２
４ フロートスイッチ、２５ 接点、２６ 電子膨張
弁、２８ キャピラリーチューブ、２９ ホットガスバ
イパス。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷媒を圧縮して吐出する圧縮機、吐出さ
   れた冷媒を凝縮する凝縮器、運転状態に応じて前記冷媒
   を絞る絞り装置、及び前記冷媒を蒸発する蒸発器を順次
   接続し冷媒を循環させる冷媒回路と、前記冷媒回路に設
   けられた機器または部品を操作して前記蒸発器出口の冷
   媒状態を調整する冷媒状態調整手段と、前記圧縮機内の
   冷凍機油量を推定する油量推定手段と、を備え、前記油
   量推定手段により前記圧縮機内の油量が減少したと推定
   される場合には、前記冷媒を絞る絞り装置の絞りとは関
   係なく前記冷媒状態調整手段により前記蒸発器出口の冷
   媒状態を飽和状態とすることを特徴とする冷凍空調装
   置。
2. 【請求項２】 前記冷媒状態調整手段として前記絞り装
   置を使用する場合は、複数の絞り装置の少なくとも１つ
   にて前記蒸発器出口の冷媒状態を飽和状態とすることを
   特徴とする請求項１記載の冷凍空調装置。
3. 【請求項３】 圧縮機、凝縮器、絞り装置、蒸発器を順
   次接続し冷媒を循環させる冷媒回路と、前記絞り装置の
   制御とは別個に前記蒸発器出口の冷媒状態を調整する冷
   媒状態調整手段と、前記圧縮機内の冷凍機油量を推定す
   る油量推定手段と、を備え、前記油量推定手段により前
   記圧縮機内の油量が減少したと推定される場合には、前
   記冷媒状態調整手段により前記蒸発器出口の冷媒状態を
   飽和状態とすることを特徴とする冷凍空調装置。
4. 【請求項４】 前記油量推定手段として，前記圧縮機も
   しくは前記冷媒回路内で冷凍機油が蓄積可能な容器内の
   油量を検知し，または，前記圧縮機の運転時間を検知し
   前記圧縮機内の冷凍機油量を推定することを特徴とする
   請求項１または２または３記載の冷凍空調装置。
5. 【請求項５】 前記冷媒状態調整手段として、前記圧縮
   機の運転容量を変更する運転容量変更手段，もしくは前
   記凝縮器の熱交換量を変更する熱交換量変更手段を備え
   たことを特徴とする請求項１または２または３または４
   記載の冷凍空調装置。
6. 【請求項６】 前記絞り装置として、流動抵抗の大きい
   主絞り装置と流動抵抗の小さい副絞り装置の複数設け，
   前記冷媒状態調整手段は、前記副絞り装置の流動抵抗を
   変更することを特徴とする請求項１乃至５のうちの少な
   くとも１記載の冷凍空調装置。
7. 【請求項７】 前記冷媒回路に液レシーバを設け、冷媒
   状態調整手段として前記液レシーバ内の液を加熱する加
   熱手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至５のうち
   の少なくとも１記載の冷凍空調装置。
8. 【請求項８】 冷媒を圧縮して吐出する圧縮機、吐出さ
   れた冷媒を凝縮する凝縮器、運転状態に応じて前記冷媒
   を絞る絞り装置、及び前記冷媒を蒸発する蒸発器を順次
   接続し冷媒を循環させる冷媒回路を備えた冷凍空調装置
   において，前記圧縮機内の冷凍機油量を検知または推定
   する油量判断ステップと，前記油量判断ステップにより
   前記圧縮機内の油量が減少したと判断される場合には、
   前記冷媒回路内の冷媒状態を調整し前記蒸発器出口の冷
   媒状態を飽和状態とする冷媒状態調整ステップと，を備
   え，前記冷媒状態調整ステップの調整は前記絞り装置の
   制御より優先させることを特徴とする冷凍空調装置の運
   転方法。