JP2002333220A - 圧縮式ヒートポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 親和性の高い冷媒と圧縮機潤滑油との組み合
わせの場合も、満液式蒸発器から圧縮機で潤滑油を確実
かつ安全に戻せるようにする。 【解決手段】 圧縮機１―凝縮器２―膨張機構４―満液
式蒸発器５―圧縮機１の順に冷媒Ｒを循環させる圧縮式
ヒートポンプにおいて、満液式蒸発器５における液相冷
媒Ｒの液位Ｌを通常位Ｌａから一時的に上昇させて再び
通常位Ｌａに戻す液面持上操作を繰り返して実行する制
御手段８を設ける。そして好ましくは、圧縮機吸込冷媒
Ｒの過熱度Ｓの検出情報に基づいて圧縮機吸込冷媒Ｒの
過熱度Ｓが低下傾向になるほど液面持上操作の実施頻度
を高くする構成にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は圧縮式ヒートポンプ
に係り、特に圧縮機―凝縮器―膨張機構―満液式蒸発器
―圧縮機の順に冷媒を循環させる圧縮式ヒートポンプに
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、圧縮式ヒートポンプでは、圧縮機
からの冷媒吐出路にオイルセパレータを介装し、このオ
イルセパレータにより圧縮機の吐出冷媒からそれに随伴
する潤滑油を分離回収して、その回収油を油返送路を通
じ圧縮機に戻していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、オイルセパ
レータで捕捉されずに冷媒循環路へ流出する潤滑油があ
るとしても、従前の冷媒（例えばＲ２２）は潤滑油との
親和性が低いことから、そのような流出潤滑油を比重分
離により液相状態にある冷媒と分離（例えば満液式蒸発
器において比重分離）して容易に圧縮機に戻すことがで
き、このことから、従来の圧縮式ヒートポンプではオイ
ルセパレータに要求される潤滑油回収能力はそれほど高
くなく、また、経年使用による分離機能の劣化でオイル
セパレータの回収能力が多少低下しても、そのことで圧
縮機の潤滑油保有量が大きく低下するといったこともな
かった。

【０００４】しかし、近年、環境保全などを考慮して使
用される新冷媒には潤滑油との親和性の高いもの（例え
ばＲ４０４Ａなど）があり、また逆に、潤滑油側の選定
おいて冷媒との親和性の高いものを採用することも考え
られ、このような場合、冷媒循環路へ流出した潤滑油を
上記の如く比重分離により冷媒と分離して圧縮機へ戻す
ことが難しくなり、この為、オイルセパレータに要求さ
れる潤滑油回収能力が高くなって装置の大型化や装置コ
ストの増大を招き、また、オイルセパレータの経年使用
による回収能力の低下が大きく影響して圧縮機の潤滑油
保有量が大きく減少してしまう問題があった。

【０００５】この実情に鑑み、本発明の主たる課題は、
満液式蒸発器を用いる圧縮式ヒートポンプにおいて、満
液式蒸発器を利用した合理的な構成により、親和性の高
い冷媒と潤滑油を用いる場合についても冷媒循環路への
流出潤滑油を圧縮機へ確実かつ安全に返送できるように
する点にある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】〔１〕請求項１に係る発
明は圧縮式ヒートポンプに係り、その特徴は、圧縮機―
凝縮器―膨張機構―満液式蒸発器―圧縮機の順に冷媒を
循環させる圧縮式ヒートポンプにおいて、前記満液式蒸
発器における液相冷媒の液位を通常位から一時的に上昇
させて再び通常位に戻す液面持上操作を繰り返して実行
する制御手段を設けてある点にある。

【０００７】つまり、冷媒と潤滑油との親和性が高い場
合、それらの比重分離は難しいとしても、液相冷媒を器
内に滞留させた状態で蒸発させる満液式の蒸発器では、
そこに至った潤滑油が低効率ながらもミスト化して蒸発
冷媒とともに満液式蒸発器の上部出口から送出されると
いった現象が見られ、このことから、満液式蒸発器にお
ける貯留液相冷媒の液位を高くして満液式蒸発器の器内
における液面上の空間部（すなわち、満液式蒸発器の上
部出口が開口する空間部）の容積を小さくしてやれば、
低効率ながらもミスト化した潤滑油を蒸発気相冷媒に随
伴させて効率的に満液式蒸発器の上部出口から流出させ
ることができ、そのことで、満液式蒸発器から圧縮機へ
の潤滑油返送を促進して満液式蒸発器での潤滑油の蓄積
を抑止することができる。

【０００８】しかし、満液式蒸発器における液相冷媒の
液位を上昇させたままでは、蒸発気相冷媒に混入する形
態で満液式蒸発器から液相冷媒が送出されて圧縮機が液
相冷媒を吸入することによるトラブル（いわゆる液バッ
クトラブル）を招く危険性が生じるが、これに対して
は、満液式蒸発器における液相冷媒の液位を通常位から
一時的に上昇させるだけで再び通常位に戻すようにする
ことで、このような液バックトラブルを効果的に防止す
ることができる。

【０００９】これらのことから、上記の如く、満液式蒸
発器における液相冷媒の液位を通常位から一時的に上昇
させて再び通常位に戻す液面持上操作を繰り返して実行
するようにすれば、親和性の高い冷媒と潤滑油を用いる
場合についても、潤滑油を満液式蒸発器から圧縮機へ確
実にかつ液バックトラブルを効果的に防止した状態で安
全に返送することができる。

【００１０】そして、このことにより、親和性の高い冷
媒と潤滑油を用いる場合についても、オイルセパレータ
に要求される潤滑油回収能力を効果的に低減（ないしオ
イルセパレータそのものを不要化）することができて、
装置の大型化や装置コストの増大を回避でき、また、オ
イルセパレータの経年使用による潤滑油回収能力の低下
が大きく影響して圧縮機の潤滑油保有量が大きく減少す
るといったことも回避できる。

【００１１】〔２〕請求項２に係る発明は、請求項１に
係る発明の実施に好適な実施形態を特定するものであ
り、その特徴は、前記制御手段を、圧縮機吸込冷媒の過
熱度の検出情報に基づいて圧縮機吸込冷媒の過熱度が低
下傾向になるほど前記液面持上操作の実施頻度を高くす
る構成にしてある点にある。

【００１２】つまり、種々の実験によれば、圧縮機から
の冷媒吐出に伴う潤滑油流出は圧縮機吸込冷媒の過熱度
が低くなるほど、その流出量が大きくなる傾向がある。

【００１３】このことから、上記の如く、圧縮機吸込冷
媒の過熱度の検出情報に基づいて圧縮機吸込冷媒の過熱
度が低下傾向になるほど前記液面持上操作の実施頻度を
高くする（逆言すれば、圧縮機吸込冷媒の過熱度が上昇
傾向になるほど液面持上操作の実施頻度を低くする）よ
うにすれば、満液式蒸発器から圧縮機への潤滑油返送の
返送量を圧縮機からの潤滑油流出量の変動に応じて調整
する形態にすることができ、これにより、親和性の高い
冷媒と潤滑油を用いることに対しても圧縮機の潤滑油保
有量を一層的確かつ安定的に適正量に保つことができ
る。

【００１４】〔３〕請求項３に係る発明は、請求項１に
係る発明の実施に好適な実施形態を特定するものであ
り、その特徴は、前記制御手段を、設定時間毎に前記液
面持上操作を実行する構成にしてある点にある。

【００１５】つまり、この構成によれば、前記液面持上
操作の繰り返しを時間計測に基づいて行なうから、運転
状態の検出情報に基づいて液面持上操作の実施頻度を調
整制御する形態を採るに比べ、簡易型のものとして制御
構成を簡略にすることができ、その分、装置コストを安
価にすることができる。

【００１６】〔４〕請求項４に係る発明は圧縮式ヒート
ポンプに係り、その特徴は、圧縮機―凝縮器―膨張機構
―満液式蒸発器―圧縮機の順に冷媒を循環させる圧縮式
ヒートポンプにおいて、前記圧縮機における潤滑油保有
状態の検出情報に基づき前記満液式蒸発器における液相
冷媒の液位を調整する制御手段を設けてある点にある。

【００１７】つまり、前述の如く満液式蒸発器における
貯留液相冷媒の液位を高くすれば、満液式蒸発器から圧
縮器への潤滑油返送を促進できる反面、液バックトラブ
ルを招く危険性が生じることに対し、上記構成によれ
ば、圧縮機における潤滑油保有状態の検出情報に基づい
て満液式蒸発器における液相冷媒の液位を調整するか
ら、圧縮機の潤滑油保有量が減少傾向にある状況では、
満液式蒸発器における液相冷媒の液位を上昇傾向にして
満液式蒸発器から圧縮機への潤滑油返送量を増大させ、
また逆に、圧縮機の潤滑油保有量が増大傾向にある状況
（換言すれば、満液式蒸発器における液相冷媒の液位が
高すぎて液バックトラブルを招く危険性が生じる状況）
では、満液式蒸発器における液相冷媒の液位を低下傾向
にして満液式蒸発器から圧縮機への潤滑油返送量を減少
させるとともに液バックトラブルを防止するといった形
態で、満液式蒸発器における液相冷媒の液位を最適液位
に調整することができる。

【００１８】すなわち、このことにより、親和性の高い
冷媒と潤滑油を用いる場合についても、潤滑油を満液式
蒸発器から圧縮機へ確実にかつ液バックトラブルを効果
的に防止した状態で安全に返送して圧縮機の潤滑油保有
量を適正量に的確かつ安定的に保つことができ、これに
より、請求項１に係る発明と同様、親和性の高い冷媒と
潤滑油を用いる場合についても、オイルセパレータに要
求される潤滑油回収能力を効果的に低減（ないしオイル
セパレータそのものを不要化）することができて、装置
の大型化や装置コストの増大を回避でき、また、オイル
セパレータの経年使用による潤滑油回収能力の低下が大
きく影響して圧縮機の潤滑油保有量が大きく減少すると
いったことも回避できる。

【００１９】

【発明の実施の形態】〔第１実施形態〕図１は圧縮式ヒ
ートポンプを示し、１は圧縮機、２は凝縮器、３は受液
器、４は膨張機構、５は蒸発器、６はアキュムレータで
あり、その順に冷媒Ｒを循環させることで、蒸発器５に
おいて採熱対象流体Ｗａから熱採取しながら凝縮器２に
おいて放熱対象流体Ｗｂに対し高温放熱する。

【００２０】また、７は圧縮機１の吐出冷媒Ｒからそれ
に随伴する圧縮機潤滑油Ｊを分離回収して、その回収油
Ｊを油戻し路７ａを通じ圧縮機１に戻すオイルセパレー
タである。

【００２１】蒸発器５は、図２に示す如く、その器内に
配置した伝熱管５ａの管内に採熱対象流体Ｗａを通過さ
せるのに対し、蒸発対象の液相冷媒Ｒを伝熱管５ａの管
外側において器内に貯留した状態でその液相冷媒Ｒを液
中及び液面から沸騰的に蒸発させる満液式の蒸発器であ
り、その蒸発冷媒Ｒは満液式蒸発器２の上部出口５ｂか
ら送出される。

【００２２】８は制御装置、９は圧縮機吸込冷媒Ｒの過
熱度Ｓを検出する過熱度センサ、１０は満液式蒸発器５
における貯留液相冷媒Ｒの液位Ｌを検出する液位センサ
であり、制御装置８はこれらセンサ９，１０の検出情報
に基づいて図３に示す如き潤滑油返送制御を実行する。

【００２３】すなわち、所定インターバル時間毎の制御
タイミングに至ったか否かを判定し（＃１）、制御タイ
ミングに至ればその時点が液面持上状態（フラグｆ＝
１）にあるか否かを判定し（＃２）、液面持上状態でな
ければその時点の過熱度センサ９による検出過熱度Ｓが
第１〜第３の閾値Ｓａ〜Ｓｃ（例えばＳａ＝１℃，Ｓｂ
＝３℃，Ｓｃ＝８℃）により区分される第１〜第４の領
域のいずれに属するかを判定する（＃３，＃４，＃
５）。

【００２４】そして、検出過熱度Ｓが第１領域（Ｓ＜Ｓ
ａ）に属する場合は判定変数Ｎに第１設定値α１を加算
し（＃６）、検出過熱度Ｓが第２領域（Ｓａ＜Ｓ＜Ｓ
ｂ）に属する場合は判定変数Ｎに第２設定値α２を加算
し（＃７）、検出過熱度Ｓが第３領域（Ｓｂ＜Ｓ＜Ｓ
ｃ）に属する場合は判定変数Ｎに第３設定値α３を加算
し（＃８）、検出過熱度Ｓが第４領域（Ｓｃ＜Ｓ）に属
する場合は判定変数Ｎに第４設定値α４を加算し（＃
９）する（但し、α４＜α３＜α２＜α１）。

【００２５】次に、それら設定値α１〜α４の加算の結
果、判定変数Ｎが設定上限値α５（＞α１）よりも大き
くなったか否かを判定し（＃１０）、設定上限値α５よ
りも大きければ、液位センサ１０による検出液位Ｌに基
づき膨張機構４の絞り度の調整により満液式蒸発器５に
おける液相冷媒Ｒの液位Ｌを設定通常位Ｌａ（例えば、
満杯の８０％）から設定上昇位Ｌｂ（例えば、満杯の９
０％）に上昇させる液面持上操作を実行する（＃１
２）。

【００２６】また、判定変数Ｎが設定上限値α５以下で
あれば、後述の第１タイマーの計測時間Ｔ１が設定時間
Ｔａ（例えば３時間）に達したか否かを判定し（＃１
１）、設定時間Ｔａに達していれば上記の液面持上操作
を実行し（＃１２）、設定時間Ｔａに達していなければ
制御タイミングの判定ステップ（＃１）に戻る。

【００２７】液面持上操作（＃１２）に続いては、第１
タイマーのリセット（＃１３）、第２タイマーのリセッ
ト（＃１４）、フラグｆの切り換え及び判定変数Ｎのリ
セット（＃１５）を実行した後、制御タイミングの判定
ステップ（＃１）に戻る。

【００２８】一方、液面持上状態の判定ステップ（＃
２）において液面持上状態（ｆ＝１）にあれば、第２タ
イマーの計測時間Ｔ２が設定時間Ｔｂ（例えば６０秒）
に達したか否かを判定し（＃１６）、設定時間Ｔｂに達
していれば液面持上操作の終了工程として液位センサ１
０による検出液位Ｌに基づき膨張機構４の絞り度の調整
により満液式蒸発器５における液相冷媒Ｒの液位Ｌを前
記の設定上昇位Ｌｂから設定通常位Ｌａに下降復帰させ
（＃１７）、これに続いて、フラグｆの切り換え（＃１
８）を実行した後、制御タイミングの判定ステップ（＃
１）に戻る。また、第２タイマーの計測時間Ｔ２が設定
時間Ｔｂに達していなければ制御タイミングの判定ステ
ップ（＃１）に戻る。

【００２９】つまり、このヒートポンプでは、オイルセ
パレータ７で捕捉されずに冷媒Ｒとともに冷媒循環路へ
流出した圧縮機潤滑油Ｊが冷媒Ｒとの高い親和性が原因
で満液式蒸発器５に蓄積される状態になって満液式蒸発
器５から圧縮機１への潤滑油Ｊの返送が円滑に行なわれ
難いことに対し、上記の液面持上操作を繰り返すことに
より、低効率ながらも満液式蒸発器５においてミスト化
した潤滑油Ｊを満液式蒸発器５における液相冷媒Ｒの液
位上昇で満液式蒸発器５からの送出気相冷媒Ｒに効率的
に随伴させるようにして、満液式蒸発器５から圧縮機１
への潤滑油返送を液バックトラブルの防止を図りながら
促進するようにしている。

【００３０】また、圧縮機１からの冷媒吐出に伴う潤滑
油流出は圧縮機吸込冷媒Ｒの過熱度Ｓが低くなるほどそ
の流出量が大きくなる傾向があることから、上記の潤滑
油返送制御における（＃２）〜（＃１２）の工程の如
く、圧縮機吸込冷媒Ｒの過熱度Ｓの検出情報に基づいて
圧縮機吸込冷媒Ｒの過熱度Ｓが低下傾向になるほど液面
持上操作の実施頻度を高くすることで、満液式蒸発器５
から圧縮機１への潤滑油返送の返送量を圧縮機１からの
潤滑油流出量の変動に応じ調整する形態にし、これによ
り、圧縮機１の潤滑油保有量を一層的確かつ安定的に適
正量に保つようにしている。

【００３１】さらにまた、上記（＃１１）〜（＃１３）
の工程の如く、過熱度Ｓの傾向を示す判定変数Ｎが液面
持上操作の実施値である設定上限値α５に未だ至らない
状況においても、前回の液面持上操作からの経過時間
（第１タイマーの計測時間Ｔ１）が設定時間Ｔａに達し
たときは液面持上操作を行なうようにすることで、満液
式蒸発器５から圧縮機１への潤滑油返送の一層の確実化
を図っている。

【００３２】なお、上記の例では、液位センサ１０の検
出液位Ｌに基づく膨張機構４の絞り度調整により、液面
持上操作時には満液式蒸発器５における液相冷媒Ｒの液
位Ｌを設定通常位Ｌａから設定上昇位Ｌｂに上昇させ、
かつ、液面持上操作の終了後は満液式蒸発器５における
液相冷媒Ｒの液位Ｌを設定上昇位Ｌｂから設定通常位Ｌ
ａへ下降復帰させるようにしたが、これに代え、液面持
上操作の実施時以外は冷媒圧力や冷媒温度などの他の検
出情報に基づき膨張機構４の絞り度を調整する形態にし
て、満液式蒸発器５における液相冷媒Ｒの通常時の液位
Ｌａをその絞り度調整下における成り行きの液位にする
ようにしてもよい。

【００３３】また、満液式蒸発器５における液相冷媒Ｒ
の液位検出を省略した形態で、液面持上操作を膨張機構
４の絞り度の設定量の変更操作だけで行なうようにして
もよく、さらにまた、簡易型としては前記の如き過熱度
Ｓの傾向判定を省略して、液面持上操作を単純に設定時
間毎に実行するようにしてもよい。

【００３４】〔第２実施形態〕図４は第１実施形態で示
したのとは異なる制御形態の潤滑油返送制御を行なう圧
縮式ヒートポンプを示し、このヒートポンプでは、圧縮
機１の潤滑油保有状態を検出する保有油検出手段１１を
設けてある。なお、第１実施形態で示したものと同様の
ものについては、第１実施形態で用いた符号と同じ符号
を付してある。

【００３５】そして、このヒートポンプの制御装置８
は、潤滑油返送制御として、保有油検出手段１１の検出
情報に基づき、圧縮機１の潤滑油保有量を適正範囲内に
保つように膨張機構４の絞り度調整により満液式蒸発器
５における貯留液相冷媒Ｒの液位Ｌを調整するものにし
てある。

【００３６】つまり、このヒートポンプでは、上記の如
く圧縮機１における潤滑油保有状態の検出情報に基づい
て、圧縮機１の潤滑油保有量が減少傾向にある状況で
は、満液式蒸発器５における液相冷媒Ｒの液位Ｌを上昇
側に調整にして満液式蒸発器５から圧縮機１への潤滑油
返送を促進し、また逆に、圧縮機１の潤滑油保有量が増
大傾向にある状況（換言すれば、満液式蒸発器５におけ
る液相冷媒Ｒの液位Ｌが高すぎて液バックトラブルを招
く危険性が生じる状況）では、満液式蒸発器５における
液相冷媒Ｒの液位Ｌを低下側に調整にして満液式蒸発器
５から圧縮機１への潤滑油返送を抑止するとともに液バ
ックトラブルを防止するといった形態で、満液式蒸発器
５における液相冷媒Ｒの液位Ｌを最適液位に調整する。

【００３７】なお、圧縮機１の潤滑油保有状態を検出す
る保有油検出手段１１は、圧縮機１における潤滑油Ｊの
液位を直接に検出するものに限らず、圧縮機温度や圧縮
機音などの検出に基づいて圧縮機１における潤滑油保有
量の増減変化を検出するものであってもよい。

【００３８】また、圧縮機１における潤滑油保有状態の
検出情報に基づいて満液式蒸発器５における液相冷媒Ｒ
の液位Ｌを調整するのに、その液位調整を液位センサ１
０による検出液位Ｌをフィードバックしながら行なうよ
うにしてもよい。

【００３９】〔別実施形態〕次に本発明の別実施形態を
列記する。

【００４０】膨張機構４は、各種形式の膨張弁、キャピ
ラリーチューブ、あるいは、開弁する弁の選択により全
体としての絞り度を調整する複数弁の並列接続回路な
ど、どのようなものであってもよく、また、圧縮機１−
凝縮器２−膨張機構４−満液式蒸発器５―圧縮機１の順
に冷媒Ｒを循環させる冷媒回路の具体的回路構造も、前
述の実施形態で示したものに限らず、ヒートポンプの用
途などに応じ種々の構成変更が可能である。

【００４１】前述の各実施形態では、膨張機構４の絞り
度調整により満液式蒸発器５における液相冷媒Ｒの液位
Ｌを調整する例を示したが、満液式蒸発器５における液
相冷媒Ｒの液位Ｌを調整するのに、その方式は膨張機構
４の絞り度調整に限られるものではなく種々の方式を適
用でき、場合によっては、満液式蒸発器５の内容積を調
整することでその器内液位Ｌを調整するなどしてもよ
い。

【００４２】また、満液式蒸発器５における液相冷媒Ｒ
の液位Ｌを通常位から一時的に上昇させて再び通常位に
戻す液面持上操作を制御手段８により繰り返すのに、具
体的な液位上昇幅やその上昇幅の変更制御方式、あるい
は、液面持上操作の実施頻度やその実施頻度の変更制御
方式などは、ヒートポンプの運転条件等に応じて適宜決
定すればよい。

【００４３】本発明は、親和性の高い冷媒Ｒと潤滑油Ｊ
との組み合わせの場合に特に有効であるが、親和性の低
い冷媒Ｒと潤滑油Ｊとの組み合わせの場合にも適用で
き、また、本発明による圧縮式ヒートポンプの用途も融
雪や空調あるいは物品の温度調整など、どのようなもの
であってもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態を示すヒートポンプの構造図

【図２】満液式蒸発器の概略構造図

【図３】第１実施形態における潤滑油返送制御のフロー
チャート

【図４】第２実施形態を示すヒートポンプの構造図

【符号の説明】

１ 圧縮機 ２ 凝縮器 ４ 膨張機構 ５ 満液式蒸発器 ８ 制御手段 Ｌ 液位 Ｌａ 通常位 Ｒ 冷媒 Ｓ 過熱度

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧縮機―凝縮器―膨張機構―満液式蒸発器
   ―圧縮機の順に冷媒を循環させる圧縮式ヒートポンプに
   おいて、 前記満液式蒸発器における液相冷媒の液位を通常位から
   一時的に上昇させて再び通常位に戻す液面持上操作を繰
   り返して実行する制御手段を設けてある圧縮式ヒートポ
   ンプ。
2. 【請求項２】 前記制御手段を、圧縮機吸込冷媒の過熱
   度の検出情報に基づいて圧縮機吸込冷媒の過熱度が低下
   傾向になるほど前記液面持上操作の実施頻度を高くする
   構成にしてある請求項１記載の圧縮式ヒートポンプ。
3. 【請求項３】 前記制御手段を、設定時間毎に前記液面
   持上操作を実行する構成にしてある請求項１記載の圧縮
   式ヒートポンプ。
4. 【請求項４】 圧縮機―凝縮器―膨張機構―満液式蒸発
   器―圧縮機の順に冷媒を循環させる圧縮式ヒートポンプ
   において、 前記圧縮機における潤滑油保有状態の検出情報に基づき
   前記満液式蒸発器における液相冷媒の液位を調整する制
   御手段を設けてある圧縮式ヒートポンプ。