JP2003262418A

JP2003262418A - 冷凍空調装置

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Publication number: JP2003262418A
Application number: JP2002060697A
Authority: JP
Inventors: Fumitake Unezaki; 史武畝崎; Shinichi Wakamoto; 慎一若本; Masayuki Tsunoda; 昌之角田; So Nomoto; 宗野本; Toshihiko Enomoto; 寿彦榎本; Yoshihisa Kitora; 善久木藤良
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-03-06
Filing date: 2002-03-06
Publication date: 2003-09-19
Anticipated expiration: 2022-03-06
Also published as: JP3743861B2

Abstract

(57)【要約】【課題】下部から冷凍機油を回収するアキュムレータ
を有する冷凍空調装置で、冷凍空調装置の運転範囲内に
おいて、液冷媒の密度が冷凍機油の密度より大きくなる
ことがあると、圧縮機へ液バックが生じる問題があっ
た。【解決手段】冷媒との相溶性が小さいとともに、冷凍
空調装置の冷房運転、暖房運転及びデフロスト運転又は
冷房運転及び暖房運転の運転範囲内において、冷凍機油
の密度が液冷媒の密度がより大きくなる冷凍機油を用い
ることにより、圧縮機への液バックを防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は冷凍空調装置に関
し、特に、冷凍機油を圧縮機に回収し、圧縮機の潤滑部
に供給する冷凍空調装置に関するものであり、また、二
酸化炭素冷媒を使用する冷凍空調装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】二酸化炭素を冷媒として用いる冷凍空調
装置として、特開平１１−９４３８０号公報に記載の冷
凍空調装置がある。図８は本公報に記載の冷凍サイクル
を示す図である。図８において、１は圧縮機、１６は放
熱器、３は膨張弁、１７は蒸発器、１８はアキュムレー
タである。冷凍サイクルの冷媒は二酸化炭素（ＣＯ₂）
であり、冷凍機油には冷媒と相溶性の低く、密度の重い
ＰＡＧ（ポリアルキレングリコール）系オイルが用いら
れている。この冷凍サイクルの冷媒の流れは以下のよう
になる。まず、圧縮機１において高温高圧のガスに圧縮
され吐出された冷媒は、超臨界状態で放熱器１６にて冷
却され温度が低下する。この冷媒を膨張弁３により減圧
し、冷媒は低圧の二相状態となり、蒸発器１７に流入
し、ここで蒸発ガス化し、アキュムレータ１８を経て圧
縮機１に吸入される。このようにして、車室内の空気を
冷却する。

【０００３】アキュムレータ１８の構造は、図９に示さ
れるような構造となり、冷凍サイクルの余剰の液冷媒、
および冷凍機油が保持される。冷凍機油と冷媒は前述し
たように相溶性が低く、冷凍機油の密度が大きいため冷
凍機油はアキュムレータ１８の底部に滞留し、冷凍機油
の上に液冷媒が浮く形となり、アキュムレータ１８の底
部の油戻し穴７を経てアキュムレータ１８内の冷凍機油
が圧縮機１内に供給され圧縮機１を潤滑する。このよう
にして、アキュムレータ６内の余剰の液冷媒が圧縮機１
へ吸入されることを防止しつつ、冷凍機油のみを圧縮機
１に供給することで、冷凍サイクルの信頼性を確保して
いた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記の冷凍サ
イクルには以下のような問題があった。図３は温度に対
するＣＯ₂の飽和液密度の変化、およびＰＡＧ油の密度
の変化を示している。図３にあるように温度が−１５℃
より高い場合は、冷媒の液密度が油の密度より小さく、
アキュムレータ１８の底部に油が滞留し、圧縮機１に油
が返油されるが、温度が−１５℃以下の場合は、冷媒の
液密度が油の密度より大きくなり、アキュムレータ１８
の底部に液冷媒が滞留し、その上に油が浮く状態とな
る。このときアキュムレータ１８の油戻し穴７からは液
冷媒が圧縮機１に戻るようになる一方、圧縮機１に油が
供給されない状態となるため、圧縮機１の潤滑に不具合
をきたし、圧縮機１の破損に至る恐れがあった。従って
運転状態に応じてアキュムレータ１８での温度状況が変
化した場合には、圧縮機１への油の供給が確実になされ
ない状態となるため、冷凍空調装置運転の際の信頼性が
確保されないとという問題があった。

【０００５】本発明は以上の課題に鑑みなされたもの
で、冷媒に対して相溶性の低い冷凍機油を用い、二酸化
炭素（ＣＯ₂）のように、温度状態によって液密度が変
化し、冷媒の液密度と冷凍機油の密度の大小関係が逆転
するような状態が発生する可能性のある冷媒を充填した
冷凍空調装置において、圧縮機への冷凍機油の回収を確
実に行うことを目的とする。また、圧縮機への液バック
を防止することを目的とする。また、圧縮機内で潤滑部
に冷凍機油を確実に供給することを目的とする。また、
冷媒として二酸化炭素を使用することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１の冷凍
空調装置は、圧縮機、四方弁、放熱器、減圧装置、蒸発
器を順次接続した冷凍サイクルを有する冷凍空調装置に
おいて、冷凍サイクルに、下部から冷凍機油を回収又は
供給する油回収・供給装置を有する液貯留部を備え、冷
房運転及び暖房運転の各運転において、又は冷房運転、
暖房運転及びデフロスト運転の各運転において、冷凍機
油が、冷媒と相溶性が小さく、かつその密度が液冷媒の
密度より大きいものである。

【０００７】また、請求項２の冷凍空調装置は、圧縮
機、放熱器、減圧装置、蒸発器を順次接続した冷凍サイ
クルを有する冷凍空調装置において、冷凍機油として冷
媒と相溶性の小さい冷凍機油を用い、また、センサー情
報に基づき、冷凍機油の密度と冷媒の液密度とを演算及
び両者の大小を判断し、冷媒の液密度が冷凍機油の密度
より大きくなる運転状態となった場合、冷凍空調装置の
運転を停止する制御装置を備えたものである。

【０００８】また、請求項３の冷凍空調装置は、請求項
２の冷凍空調装置において、冷媒の液密度が冷凍機油の
密度より大きくなる運転状態となった場合、冷凍空調装
置の運転を停止せずに、冷媒の液密度が冷凍機油の密度
より小さくなるように、冷媒圧力上昇運転又は冷媒温度
上昇運転を実施する制御装置を備えたものである。

【０００９】また、請求項４の冷凍空調装置は、請求項
１から請求項３のいずれかの冷凍空調装置において、圧
縮機と蒸発器との間に液貯留部としてアキュムレータを
設け、冷凍機油回収・供給装置としてアキュムレータ下
部に滞留する冷凍機油を圧縮機に回収する油回収回路を
設けたものである。

【００１０】また、請求項５の冷凍空調装置は、圧縮
機、放熱器、減圧装置、蒸発器、アキュムレータを順次
接続した冷凍サイクルを有する冷凍空調装置において、
冷凍機油として冷媒と相溶性の小さい冷凍機油を用い、
アキュムレータ下部の冷凍機油を回収する油回収回路
と、油回収回路の流量を制御する流量制御装置と、セン
サー情報に基づき、冷凍機油の密度と冷媒の液密度とを
演算及び両者の大小を判断するとともに流量制御装置を
制御する制御装置とを備えたものである。

【００１１】また、請求項６の冷凍空調装置は、請求項
５の冷凍空調装置において、冷媒の液密度が冷凍機油の
密度より大きくなる運転状態になった場合、制御装置が
油回収回路の流量制御装置を制御して流量を減少させる
又は流れを止めるものである。

【００１２】また、請求項７の冷凍空調装置は、圧縮
機、放熱器、減圧装置、蒸発器、アキュムレータを順次
接続した冷凍サイクルを有する冷凍空調装置において、
冷凍機油として冷媒と相溶性の小さい冷凍機油を用い、
アキュムレータに滞留する冷凍機油を回収する油回収回
路を備え、油回収回路のアキュムレ−タ内の油取出口を
高さ方向で、異なる高さに複数設けたものである。

【００１３】また、請求項８の冷凍空調装置は、圧縮機
が低圧シェルタイプであり、底部に油溜を備えたもので
ある。

【００１４】また、請求項９の冷凍空調装置は、請求項
１から請求項８のいずれかの冷凍空調装置において、冷
媒が二酸化炭素であり、冷凍機油がＰＡＧ油、鉱油、ア
ルキルベンゼン油のいずれかであるものである。

【００１５】

【発明の実施の形態】実施の形態１．以下、本発明の実
施の形態１を図１、図２及び図３により説明する。図１
は、実施の形態１の冷凍サイクルを示す冷媒回路図であ
り、図２は、冷凍サイクルのアキュムレータを示す図で
あり、また図３は、二酸化炭素の飽和液密度及びＰＡＧ
油の密度の温度特性図である。図１において、１は圧縮
機、２は四方弁、３は室外機側熱交換器、４は減圧装置
である電子膨張弁、５は室内側熱交換器、６は液貯溜部
であるアキュムレータである。アキュムレータ６の構造
は図２に図示されるように、底部に油取出口である油戻
し穴７を設け、アキュムレータ６の底部に滞留する油を
油戻し穴７を介して圧縮機１に戻す構造となっている。
この場合、冷媒を圧縮機に戻す配管である、アキュムレ
ータ６内のＵ字状配管が油回収回路でもあり、油戻し穴
７と油戻し穴７を有する油回収回路とが油回収・供給装
置に該当する。

【００１６】冷媒はＣＯ₂を用いる。また、圧縮機１は
低圧シェルタイプの圧縮機であり、圧縮機１のシェル底
部の油溜である液貯留部に冷凍機油が滞留するととも
に、圧縮機１のシェル底部に設けられた給油ポンプで圧
縮機１内のシリンダ、軸受け等の潤滑部に冷凍機油を供
給する構造となっている。この場合、給油ポンプで圧縮
機１内のシリンダ、軸受け等の潤滑部に冷凍機油を供給
する手段が、油供給・回収装置に該当する。室外熱交換
器３は外気と熱交換を行い、室内熱交換器５は室内空気
と熱交換を行い、室内側の空調を実施する。各熱交換器
の熱交換量はファン（表示せず）で制御される。また、
８、９は圧力センサであり、圧力センサ８は高圧（吐出
圧力）を計測し、また圧力センサ９は低圧（吸入圧力）
を計測する。１０、１１は温度センサであり、温度セン
サ１０は圧縮機１の吐出温度を計測し、温度センサ１１
は圧縮機１の吸入温度を計測する。制御装置（図示せ
ず）には圧力センサ８、９、温度センサ１０、１１での
計測情報など冷凍空調装置の運転情報を収集、演算及び
判断し、その結果より圧縮機１の運転・停止、運転周波
数の制御、各熱交換器での熱交換量、電子膨張弁４の開
度、四方弁２の切換え等冷凍空調装置の運転制御を実施
する。

【００１７】次に、この冷凍空調装置での運転動作につ
いて説明する。冷凍空調装置は冷房、暖房の各空調運転
を実施できるヒートポンプ機である。冷房運転の場合
は、以下のような運転となる。まず、四方弁２は図１の
実線方向の流路に設定される。圧縮機１で圧縮され、吐
出された高温・高圧のガス冷媒は、四方弁２を経て、放
熱器である室外熱交換器３に流入し、室外熱交換器３で
放熱しながら温度低下する。このとき高圧が臨界圧以上
であれば、冷媒は超臨界状態のまま温度低下し放熱す
る。また高圧が臨界圧以下であれば、室外熱交換器３は
凝縮器として作用し冷媒は凝縮液化しながら放熱する。
室外熱交換器３を出た冷媒は電子膨張弁４で減圧され低
圧の二相状態となり、室内熱交換器５に流入する。室内
熱交換器５では、冷媒は蒸発ガス化され、その際、室内
空気より熱を奪い冷房を行う。室内熱交換器５を出たガ
ス冷媒はアキュムレータ５を経て圧縮機１に吸入され
る。

【００１８】一方、暖房運転は以下のような運転とな
る。まず、四方弁２は図１の点線方向の流路に設定され
る。圧縮機１で圧縮され、吐出された高温・高圧のガス
冷媒は、四方弁２を経て、放熱器である室内熱交換器５
に流入し、室内熱交換器５で放熱しながら温度低下す
る。このとき高圧が臨界圧以上であれば、冷媒は超臨界
状態のまま温度低下し放熱する。また高圧が臨界圧以下
であれば、室内熱交換器５は凝縮器として作用し冷媒は
凝縮液化しながら放熱する。冷媒から放熱された熱を室
内空気に与えることで暖房を行う。室内熱交換器５を出
た冷媒は、電子膨張弁４で減圧され低圧の二相状態とな
り、室外熱交換器３に流入する。室外熱交換器３では、
冷媒は蒸発ガス化され、室外熱交換器３を出たガス冷媒
はアキュムレータ５を経て圧縮機１に吸入される。

【００１９】また暖房運転を行うときに、外気温度が低
い場合は、室外熱交換器３に着霜するため、暖房運転開
始後、一定時間経過した場合や、低圧が予め定められた
設定値よりも低下した場合には、デフロスト運転が実施
される。本冷凍空調装置でのデフロスト運転はリバース
デフロストで実施され、このとき四方弁は冷房運転を同
じく図１の実線方向の流路に設定される。冷媒の流れは
冷房運転と同様となり、室外熱交換器３での冷媒からの
放熱により、着霜した霜を溶解する。デフロスト運転中
に高圧が予め定められた圧力より上昇する、又は一定時
間デフロスト運転を実施すると、デフロスト運転は終了
し、暖房運転に復帰する。

【００２０】このような運転を行う冷凍空調装置におい
て、冷凍機油は冷媒との相溶性が低く、前記の各運転が
実施される範囲内において、冷媒の液密度より密度が大
きくなる冷凍機油が選択され用いられる。特に、本冷凍
空調装置では、アキュムレータ６での油戻り、及び圧縮
機１のシェル内の油の潤滑部への供給はシェル底部に油
が滞留していることが前提となっているため、前記各運
転範囲において、圧縮機１、アキュムレータ６にて冷凍
機油の密度が冷媒の液密度より大きくなるような油が選
択される。圧縮機１、アキュムレータ６はともに低圧の
圧力であり、液冷媒が存在するときは気液が共存する二
相状態となるため、低圧から換算される飽和温度（蒸発
温度）によって、即ち、図３の密度の温度特性図から冷
凍機油、液冷媒の密度が決定される。

【００２１】前記各運転における低圧（蒸発温度）は以
下のように求められる。まず冷房運転の場合、低圧は蒸
発器である室内熱交換器５での熱交換によって決まるの
で、室内空気温度によって変動するとともに、室内熱交
換器５での伝熱効率（熱通過率）によっても変動する。
冷房運転を実施する場合、室内の空気温度は概ね２０℃
以上となる。また、室内熱交換器５での熱交換量は、熱交換量＝伝熱面積×熱通過率×（室内空気温度−蒸発
温度）となるので、空調運転で要求される熱交換量に対し、熱
通過率が大きいと、室内空気温度と蒸発温度の温度差は
小さくてすみ、逆に、熱通過率が小さいと、室内空気温
度と蒸発温度の温度差は大きくしなければならない。室
内空気温度と蒸発温度の温度差は大きくなると、それに
伴い低圧が低下し、圧縮機１の運転効率が低下するた
め、室内空気温度と蒸発温度の温度差はできるだけ小さ
くなるように室内熱交換器５の熱通過率は設計される。
その結果、室内空気温度と蒸発温度の温度差は熱交換量
が最大の場合でも１５℃程度になり、前記空気温度が２
０℃以上ということから、蒸発温度は最も低くても５℃
程度になる。

【００２２】暖房運転の場合の蒸発温度は、冷房運転と
同様に蒸発器である室外熱交換器３での熱交換によって
決定され、外気温度と室外熱交換器３での熱通過率によ
って決定される。外気温度の範囲は冷凍空調装置が設置
される気候で決定され例えば、設置場所が東京の場合
は、概ね外気温度が−５℃より大となる。また低圧の低
下にともなう圧縮機１の運転効率低下を抑制するため、
室外熱交換器３においても外気温度と蒸発温度の温度差
はできるだけ小さくなるように設計され、この温度差は
最大でも概ね５℃程度となる。従って、暖房運転の場合
には、蒸発温度は最も低くても−１０℃程度となる。

【００２３】また、デフロスト運転の場合は、室外熱交
換器３での温度は着霜しているため０℃となり、冷凍サ
イクルの凝縮温度はそれより若干高い５℃程度となる。
それに伴い蒸発器となる室内熱交換器５での蒸発温度は
５℃よりも低い温度となり、おおよそ−２０℃程度とな
る。

【００２４】以上のように、冷房運転、暖房運転ともに
行うヒートポンプ機で、リバースデフロスト運転を実施
する冷凍サイクルの場合、蒸発温度は最も低い場合は、
リバースデフロストを実施する場合となり、−２０℃程
度となる。従って、冷媒の液密度が冷凍機油の密度より
小さくなるためには、図３より、−２０℃での冷媒の飽
和液密度１０３０ｋｇ／ｍ³より密度の大きい油を選択
し充填する。このような冷凍機油の例としては、リン酸
エステル（密度１１５０ｋｇ／ｍ³）、ポリフェニルエ
ーテル（密度１２００ｋｇ／ｍ³）がある。このように
することで、アキュムレータ６、及び圧縮機１の底部に
冷凍機油が滞留するようになり、圧縮機１への油戻り及
び圧縮機１への潤滑部の給油が的確に行われるため、信
頼性の高い冷凍空調装置の運転を実施することができ
る。

【００２５】なお、冷房運転及び暖房運転を行うヒート
ポンプ機の場合は上述したように油が選択されるが、冷
房運転しか行わない冷房専用機の場合には、蒸発温度は
最も低い場合で５℃程度となる。５℃での冷媒の飽和液
密度は９００ｋｇ／ｍ³であるので、これより密度の大
きい油を選択し充填する。また、ヒートポンプでもデフ
ロスト運転として、リバースデフロストではなく、圧縮
機１から吐出されたホットガスを減圧し、室外熱交換器
３に供給するホットガスデフロストが実施される場合も
ある。このとき、室外熱交換器３での圧力が低圧とな
り、その蒸発温度は着想した霜を溶解するため０℃以上
となる。

【００２６】従って、ホットガスデフロストを行う場
合、蒸発温度は最も低くなる場合は暖房運転であり、上
記東京の外気温度の場合だと−１０℃が最も低い値とな
る。従って−１０℃での冷媒の飽和液密度９８０ｋｇ／
ｍ³よりも密度の大きい油を選択し充填する。このよう
に、冷凍空調装置において想定される運転範囲におい
て、常に冷媒の飽和液密度を冷凍機油の密度より小さく
することで、アキュムレータ６及び圧縮機１の底部に冷
凍機油が滞留するようになり、圧縮機１への油戻り及び
圧縮機１への潤滑部の給油が的確に行われるため、信頼
性の高い冷凍空調装置の運転を実施することができる。

【００２７】冷媒と相溶性が低く、このような密度関係
を満たす冷凍機油であれば、特に冷凍機油の種類は限定
されるものではなく、冷媒がＣＯ₂の場合には、ＣＯ₂と
相溶性の低いＰＡＧ油、鉱油、アルキルベンゼン油のい
ずれを用いてもよい。また、冷媒もＣＯ₂に限定される
ものではなくＨＦＣ系冷媒、ＨＣ系冷媒、水、空気、Ｎ
Ｈ₃などの自然冷媒いずれを用いた場合にも同様に冷凍
機油を選択し充填することで、信頼性の高い冷凍空調装
置の運転を実施することができる。

【００２８】なお、この実施の形態では、冷凍機油が貯
留される場所が低圧になる場合について説明したが、冷
凍空調装置の高圧になる場所に冷媒が貯留する場合に同
様なことを実施してもよい。例えば、冷凍サイクルの放
熱器の出口に液貯留部として容器を設け、そこに冷媒を
貯留する冷凍サイクルの場合で、冷媒と冷凍機油の相溶
性が低く、冷媒の密度が冷凍機油の密度より小さくなる
場合には、前述したアキュムレータ６と同様に容器下部
に滞留する油を回収し、容器への油の貯まり込みを防止
する必要がある。この場合、前述したアキュムレータ６
と同様に容器下部に滞留する油を回収する油回収・供給
装置である、配管や油戻し穴を設けるとともに、冷凍空
調装置の想定される運転範囲での放熱器の出口の容器で
の温度をもとに、冷媒と油の密度関係を把握し、冷媒の
液密度が冷凍機油の密度より小さくなる冷凍機油を選択
し充填する。

【００２９】また、圧縮機１が高圧シェルの圧縮機であ
り、前記と同様にシェル下部の液貯溜部に冷凍機油を貯
留し圧縮機１の潤滑部に冷凍機油を供給する場合にも、
シェル底部に冷凍機油が滞留する必要がある（液貯溜部
から圧縮機１の潤滑部に冷凍機油を供給する手段が油回
収・供給装置に該当する）。この場合も同様に冷凍空調
装置の想定される運転範囲での高圧となる圧縮機シェル
での温度をもとに、冷媒と冷凍機油の密度関係を把握
し、冷媒の液密度が冷凍機油の密度より小さくなる冷凍
機油を選択し充填する。以上のように油が貯留される場
所に応じて、それぞれ運転範囲に応じて得られる温度よ
り、冷媒の液密度を冷凍機油の密度より小さくすること
で、放熱器の出口の容器底部、または圧縮機１の底部に
冷凍機油が滞留するようになり、容器内に滞留する冷凍
機油の回収及び圧縮機１への潤滑部の給油が的確に行わ
れるため、信頼性の高い冷凍空調装置の運転を実施する
ことができる。

【００３０】実施の形態２．以下、実施の形態２を図
１、図２及び図３により説明する。本実施の形態での冷
凍空調装置の構成は、図１、図２に示すように実施の形
態１と同じであるので説明を省略し、主として相違点を
説明する。冷凍空調装置の冷媒にはＣＯ₂が用いられ、
冷凍機油としては図３点線で密度の相関が示されるＰＡ
Ｇ油が用いられる。図３に示されているようにＰＡＧ油
と冷媒の飽和液密度は、−１５℃で大小が入れ代わり、
アキュムレータ６や圧縮機１での温度が−１５℃以下と
なると、圧縮機１への油戻り、及び圧縮機１の潤滑部へ
の油の供給がうまくいかなくなり、信頼性に影響を及ぼ
すのは前記のとおりである。

【００３１】そこで、圧力センサ９で検知される低圧が
蒸発温度−１５℃以下相当の２３．３ｋｇｆ／ｃｍ²ａ
ｂｓ以下となり、温度センサ１１で検知される吸入温度
が−１５℃以下となり、かつ圧縮機１の吸入過熱度（Ｓ
Ｈ）がつかない状態となった場合、冷凍空調装置の制御
装置にて運転を停止する。前記の運転状態の場合、吸入
過熱度（ＳＨ）がつかない状態であるので、アキュムレ
ータ６や圧縮機１のシェル内では冷媒の気液が存在する
二相状態となっており、この温度は低圧の飽和温度（蒸
発温度）となる。従ってこの状態では、冷媒や冷凍機油
の温度が低く、冷媒の液密度が冷凍機油の密度より大き
くなるので、そのまま継続して運転すると、アキュムレ
ータ６内の液冷媒が油戻し穴７を介して圧縮機１へ戻る
液バック、及び圧縮機１シェル内において潤滑部へ冷凍
機油の代わりに液冷媒が供給され不具合を生じるので、
冷凍空調装置の運転を停止する。そして時間が経過し、
冷媒や油の温度が上昇するなどして冷媒の液密度が冷凍
機油の密度より小さくなった時点で冷凍空調装置の運転
を再開する。

【００３２】このように、冷媒の状態が冷媒の液密度が
冷凍機油の密度より小さくなる時間だけ冷凍空調装置の
運転を実施するよう制御装置で制御を実施するため、ア
キュムレータ６や圧縮機１の底部に冷凍機油が滞留し圧
縮機１への油戻りおよび圧縮機１への潤滑部の給油が確
実に実施でき、信頼性の高い冷凍空調装置の運転を実施
することができる。

【００３３】なお、この実施の形態では冷凍サイクルの
圧縮機１の吸入状態での圧力・温度を検知して、冷凍空
調装置の運転停止を制御したが、冷凍機油が貯留される
場所に応じて、検知される圧力・温度が違ってくる。例
えば、放熱器の出口の液貯留部に冷凍機油が貯留される
場合は、高圧を検知する圧力センサ及び放熱器の出口の
冷媒温度が検知される温度センサが用いられる。また、
圧縮機１が高圧シェルタイプである場合には、高圧を検
知する圧力センサ及び圧縮機シェル内の冷媒温度が検知
される温度センサが用いられる。そしてこれらの圧力セ
ンサ、温度センサから求められる液貯留部である冷凍機
油貯留部の冷媒液密度が冷凍機油の密度より大きくなっ
た場合は冷凍空調装置の運転を停止し、冷媒液密度が冷
凍機油の密度より小さくなった段階で運転を再開する。
これらの制御は制御装置により行われる。

【００３４】このようにして、液貯留部である容器内に
滞留する冷凍機油の回収及び圧縮機１の潤滑部への給油
が的確に行われるため、信頼性の高い冷凍空調装置の運
転を実施することができる。

【００３５】また、この実施の形態では圧力の検知に圧
力センサを用いたが代わりに、冷凍サイクル二相部の冷
媒温度を検知し、その温度の飽和圧力から圧力を検知し
てもよい。例えば冷凍サイクルの蒸発器入口や中間部は
二相部となるのでここの温度を検知し、この温度の飽和
圧力として低圧を求めることもできる。

【００３６】実施の形態３．以下、実施の形態３を図
１、図２、図３及び図４により説明する。本実施の形態
での冷凍空調装置の構成は、図１、図２に示すように実
施の形態１と同じであるので説明を省略し、主として相
違点を説明する。冷凍空調装置の冷媒にはＣＯ₂が用い
られ、冷凍機油としては図３点線で密度の相関が示され
るＰＡＧ油が用いられる。図３に示されているようにＰ
ＡＧ油と冷媒の飽和液密度は、−１５℃で大小が入れ代
わり、アキュムレータ６や圧縮機１での温度が−１５℃
以下となると、冷媒の液密度が冷凍機油の密度より大き
くなると圧縮機１への油戻り、及び圧縮機１の潤滑部へ
の油の供給がうまくいかなくなり、信頼性に影響を及ぼ
すのは前記のとおりである。

【００３７】そこで、圧力センサ９で検知される低圧が
飽和温度−１５℃以下相当の２３．３ｋｇｆ／ｃｍ²ａ
ｂｓ以下となり、温度センサ１１で検知される吸入温度
が−１５℃以下となり、かつ吸入過熱度（ＳＨ）がつか
ない状態となった場合には、冷凍空調装置の制御装置に
て制御を実施し、吸入圧力を上昇させる、あるいは冷媒
の温度を上昇させることで、アキュムレータ６や圧縮機
１での温度を−１５℃以上とし、冷媒の液密度を冷凍機
油の密度より小さくすることで、圧縮機１への油戻り、
及び圧縮機１への潤滑部への冷凍機油の供給を確保す
る。

【００３８】具体的には、圧縮機１の運転周波数を低減
させる。これにより低圧を上昇させることができ、それ
に伴い気液が共存する二相部の温度も上昇させることが
できるので、冷媒の液密度を冷凍機油の密度より小さく
することができる。また、冷凍サイクルで蒸発器となる
熱交換器、冷房運転時は室内熱交換器５、暖房運転時は
室外熱交換器３の熱交換能力を増強させても良い。この
実施の形態の場合、熱交換能力はファン風量で制御でき
るので、ファン風量を増加させることにより、熱交換能
力を増加させることができる。これにより低圧を上昇さ
せることができ、それに伴い気液が共存する二相部の温
度も上昇させることができるので、冷媒の液密度を冷凍
機油の密度より小さくすることができる。

【００３９】また、図４に示すように、圧縮機１の吐出
ガスをアキュムレータ６へ供給するホットガスバイパス
配管１２を設け、このバイパス配管１２の途中に設けら
れる電磁弁１３を閉から開へ制御してもよい。但し、ホ
ットガスバイパスは冷凍能力の低下につながるので、冷
凍機油の密度が冷媒の液密度より大きくなり、圧縮機１
への油戻り、及び圧縮機１の潤滑部への冷凍機油の供給
に不具合が発生しない場合は、電磁弁１３は閉に制御さ
れる。冷凍機油の密度が冷媒の液密度より小さくなり、
圧縮機１への油戻り、及び圧縮機１への潤滑部への冷凍
機油の供給に不具合が発生する場合に電磁弁１３を開に
制御する。

【００４０】このように冷凍サイクルの高低圧を接続す
るバイパス配管１２を設けることで低圧を上昇させると
ともに、ホットガスの導入によりアキュムレータ６に存
在する液冷媒、冷凍機油の温度を上昇させることができ
る。こうすることで、冷凍機油の密度を冷媒の液密度よ
り大きくすることができる。以上のような制御を実施す
ることで、冷凍機油の密度を冷媒の液密度より大きくす
ることができ、圧縮機１への油戻り、及び圧縮機１の潤
滑部への冷凍機油の供給が的確に実施され、信頼性の高
い冷凍空調装置の運転を実施することができる。

【００４１】なお、この実施の形態では冷凍サイクルの
圧縮機吸入状態での圧力・温度を検知して、冷凍空調装
置の運転を制御したが、冷凍機油が貯留される液貯留部
の場所に応じて、実施される制御が違ってくる。例え
ば、放熱器の出口に冷凍機油が貯留される場合は、高圧
を検知する圧力センサ及び放熱器の出口の冷媒温度が検
知される温度センサが用いられ、検知結果に伴い、冷凍
機油の密度が冷媒の液密度より小さくなる場合には、冷
凍機油の密度が冷媒の液密度より大きくなるような制御
が実施される。例えば、冷凍サイクルの放熱器となる熱
交換量をファン風量低下などにより低下させる。このよ
うにすることで、放熱器の出口の冷媒温度を上昇させる
ことができ、冷凍機油の密度を冷媒の液密度より大きく
することができる。

【００４２】実施の形態４．以下、実施の形態４を図
１、図３及び図５により説明する。図１に示す本実施の
形態での冷凍空調装置の構成は実施の形態１と同じであ
るので説明を省略し、主として相違点を説明する。この
冷凍空調装置の冷媒にはＣＯ₂が用いられ、冷凍機油と
しては図３点線で密度の相関が示されるＰＡＧ油が用い
られる。図５は、液貯溜部であるアキュムレータ６の構
成を示す図であり、１４は油回収回路である返油管、１
５は流量制御装置である電磁弁である。この場合、油回
収・供給装置は、返油管１４と電磁弁１５とが該当す
る。

【００４３】アキュムレータ６では、通常運転時は電磁
弁１５は開に制御され、下部に滞留した油を返油管１４
を介して返す構造となっている。図３に示されているよ
うにＰＡＧ油と冷媒の飽和液密度は、−１５℃で大小が
入れ代わり、アキュムレータ６や圧縮機１での温度が−
１５℃以下となると、冷媒の液密度が冷凍機油の密度よ
り大きくなりアキュムレータ６底部に液冷媒が滞留し、
返油管１４を介して圧縮機１への液戻りが発生し、圧縮
機１の運転の信頼性を低下させる。そこで、圧力センサ
９で検知される低圧が飽和温度−１５℃以下相当の２
３．３ｋｇｆ／ｃｍ²ａｂｓ以下となり、温度センサ１
１で検知される吸入温度が−１５℃以下となり、吸入過
熱度（ＳＨ）がつかない状態となった場合には、冷凍空
調装置の制御装置にて制御を実施し、電磁弁１５を閉に
制御する。

【００４４】こうすることで、返油管１４を介して圧縮
機１への液戻りを抑止し、圧縮機１の運転の信頼性を確
保することができる。なお、電磁弁１５の代わりに電子
膨張弁を用いてもよい。この場合も冷媒の液密度が冷凍
機油の密度より大きくなりアキュムレータ６底部に液冷
媒が滞留する運転状態となった場合には、電子膨張弁の
開度を小さくする又は閉とし、返油管１４を介して圧縮
機１への液戻りを抑制することができ、同様の効果を得
ることができる。

【００４５】実施の形態５．以下、実施の形態５を図
１、図３、図６及び図７により説明する。図１に示す本
実施の形態での冷凍空調装置の構成は実施の形態１と同
じであるので説明を省略し、主として相違点を説明す
る。この冷凍空調装置の冷媒にはＣＯ₂が用いられ、冷
凍機油としては図３点線で密度の相関が示されるＰＡＧ
油が用いられる。図６は、液貯溜部であるアキュムレー
タ６の構成を示す図であり、アキュムレータ６内部に上
下方向に複数の油取出口である油戻し穴７が設けられお
り、油回収回路である返油配管１４がこれらの油戻し穴
７に接続している。この場合は、油戻し穴７及び返油配
管１４が油回収・供給装置である。

【００４６】図３に示されているようにＰＡＧ油と冷媒
の飽和液密度は、−１５℃で大小が入れ代わる。アキュ
ムレータ６の構成をこのようにすることで、冷媒液密度
が冷凍機油の密度より小さくなっている場合には、アキ
ュムレータ６底部に滞留する冷凍機油を下部の油戻し穴
７から返油することができ、逆に冷媒液密度が冷凍機油
の密度より大きくなっている場合には、液冷媒に浮いて
いている冷凍機油を上部の油戻し穴７から回収すること
ができる。このように冷凍機油を返油させる油戻し穴７
を上下方向に複数設けることで、運転条件によって、冷
媒の液密度と冷凍機油の密度の大小関係が変化してもア
キュムレータ６に滞留する油を油戻し穴７から確実に返
油することができ、冷凍空調装置運転の信頼性を高める
ことができる。なお、油戻し穴７は２個以上複数であれ
ばよく、また、それぞれが返油管１４を有してもよい。

【００４７】また、液貯溜部であるアキュムレータ６の
構造を図７に示す形としてもよい。図７に示されるよう
にアキュムレータ８に上下方向に開口部を有する油回収
回路である複数本の返油配管１４ａ、１４ｂが設けら
れ、それぞれに返油量を制御するための流量制御装置で
ある電磁弁１５ａ、１５ｂが設けられている。冷凍空調
装置の運転状態を検知し、冷媒液密度が冷凍機油の密度
より小さくなる場合には、アキュムレータ６底部に滞留
する油を下部の返油配管１４ａから戻すことになるの
で、電磁弁１５ａは開に制御される。一方、上部の返油
配管１４ｂは液冷媒が戻ってくることになるので、圧縮
機１への液戻りを抑制し、運転信頼性を向上させるため
に、電磁弁１５ｂは閉に制御される。また、冷媒液密度
が冷凍機油の密度より大きくなる場合には、液冷媒に浮
いている油をアキュムレータ６上部の返油配管１４ｂか
ら戻すことになるので、電磁弁１５ｂは開、下部の返油
配管１４ａからの液戻りを抑制するため電磁弁１５ａは
閉に制御される。これらの制御は制御装置により行われ
る。

【００４８】このように、アキュムレータ６内の冷凍機
油を返油する返油配管１４のアキュムレータ６内の開口
部を上下方向に２個以上設けるととともに、冷媒液密度
と冷凍機油の密度の相関から、返油配管１４を流れる流
量の制御を行い、アキュムレータ６から選択的に冷凍機
油だけ返油させるようにすることで、圧縮機１への油戻
しを的確に行うとともに、圧縮機１への液バックを防止
できるので冷凍空調装置運転の信頼性を高めることがで
きる。電磁弁１５ａ、１５ｂを、それぞれ有する返油配
管１４ａ、１４ｂは、３個以上でもよい。

【００４９】

【発明の効果】本発明の請求項１の冷凍空調装置は、圧
縮機、四方弁、放熱器、減圧装置、蒸発器を順次接続し
た冷凍サイクルを有する冷凍空調装置において、冷凍サ
イクルに、下部から冷凍機油を回収又は供給する油回収
・供給装置を有する液貯留部を備え、冷房運転及び暖房
運転の各運転において、又は冷房運転、暖房運転及びデ
フロスト運転の各運転において、冷凍機油が、冷媒と相
溶性が小さく、かつその密度が液冷媒の密度より大きい
ので、冷凍空調装置の各運転で液貯留部から冷凍機油を
回収・供給できる。例えば、圧縮機への液バックを防止
し冷凍機油の供給を的確に行うことができ、また、圧縮
機の潤滑部に給油が可能となり、信頼性の高い冷凍空調
装置を得ることができる。

【００５０】また、請求項２の冷凍空調装置は、圧縮
機、放熱器、減圧装置、蒸発器を順次接続した冷凍サイ
クルを有する冷凍空調装置において、冷凍機油として冷
媒と相溶性の小さい冷凍機油を用い、また、センサー情
報に基づき、冷凍機油の密度と冷媒の液密度とを演算及
び両者の大小を判断し、冷媒の液密度が冷凍機油の密度
より大きくなる運転状態となった場合、冷凍空調装置の
運転を停止する制御装置を備えたので、冷媒の液密度が
冷凍機油の密度より大きくなる場合、制御装置により運
転を停止し、例えば圧縮機への液バックにより圧縮機を
不具合になるのを防止でき、また圧縮機の潤滑部に液冷
媒を供給する不具合の発生を防止する。

【００５１】また、請求項３の冷凍空調装置は、請求項
２の冷凍空調装置において、冷媒の液密度が冷凍機油の
密度より大きくなる運転状態となった場合、冷凍空調装
置の運転を停止せずに、冷媒の液密度が冷凍機油の密度
より小さくなるように、冷媒圧力上昇運転又は冷媒温度
上昇運転を実施する制御装置を備えたので、冷媒の液密
度が冷凍機油の密度より小さくなり、例えば、圧縮機へ
の液バックを防止し油の供給を的確に行うことができ、
また、圧縮機の潤滑部に給油が可能となり、信頼性の高
い冷凍空調装置を得ることができる。

【００５２】また、請求項４の冷凍空調装置は、請求項
１から請求項３のいずれかの冷凍空調装置において、圧
縮機と蒸発器との間に液貯留部としてアキュムレータを
設け、冷凍機油回収・供給装置としてアキュムレータ下
部に滞留する冷凍機油を圧縮機に回収する油回収回路を
設けたので、圧縮機への液バックを防止し油の供給を的
確に行うことができ、信頼性の高い冷凍空調装置を得る
ことができる。

【００５３】また、請求項５の冷凍空調装置は、圧縮
機、放熱器、減圧装置、蒸発器、アキュムレータを順次
接続した冷凍サイクルを有する冷凍空調装置において、
冷凍機油として冷媒と相溶性の小さい冷凍機油を用い、
アキュムレータ下部の冷凍機油を回収する油回収回路
と、油回収回路の流量を制御する流量制御装置と、セン
サー情報に基づき、冷凍機油の密度と冷媒の液密度とを
演算及び両者の大小を判断するとともに流量制御装置を
制御する制御装置とを備えたので、冷凍機油の密度と冷
媒の液密度との大小により流量制御装置を制御し、冷媒
の液密度が大きくなった場合、流量制御装置を止めるま
たは流量を少なくすることにより、アキュムレータから
圧縮機への液バックを防止できる。

【００５４】また、請求項６の冷凍空調装置は、請求項
５の冷凍空調装置において、冷媒の液密度が冷凍機油の
密度より大きくなる運転状態になった場合、制御装置が
油回収回路の流量制御装置を制御して流量を減少させる
又は流れを止めるので、アキュムレータから圧縮機への
液バックを防止し油の供給を的確に行うことができ、信
頼性の高い冷凍空調装置を得ることができる。

【００５５】また、請求項７の冷凍空調装置は、圧縮
機、放熱器、減圧装置、蒸発器、アキュムレータを順次
接続した冷凍サイクルを有する冷凍空調装置において、
冷凍機油として冷媒と相溶性の小さい冷凍機油を用い、
アキュムレータに滞留する冷凍機油を回収する油回収回
路を備え、油回収回路のアキュムレ−タ内の油取出口を
高さ方向で、異なる高さに複数設けたので、アキュムレ
ータから圧縮機への油の回収が可能である。

【００５６】また、請求項８の冷凍空調装置は、圧縮機
が低圧シェルタイプであり、底部に油溜を備えたので、
圧縮機内潤滑部への油の供給を的確に行うことができ、
信頼性の高い冷凍空調装置を得ることができる。

【００５７】また、請求項９の冷凍空調装置は、請求項
１から請求項８のいずれかの冷凍空調装置において、冷
媒が二酸化炭素であり、冷凍機油がＰＡＧ油、鉱油、ア
ルキルベンゼン油のいずれかであるので、冷媒として二
酸化炭素を用いて、圧縮機への液バックを防止し油の供
給を行うことができ、また圧縮機内潤滑部への油の供給
を的確に行うことができ、信頼性の高い冷凍空調装置を
得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１〜５の冷凍空調装置の
冷媒回路を示す図である。

【図２】本発明の実施の形態１〜３の冷凍空調装置の
アキュムレータの構造を示す図である。

【図３】ＣＯ₂とＰＡＧ油の密度の温度特性を示す図
である。

【図４】本発明の実施の形態３の冷凍空調装置の冷媒
回路を示す図である。

【図５】本発明の実施の形態４の冷凍空調装置のアキ
ュムレータの構造を示す図である。

【図６】本発明の実施の形態５の冷凍空調装置のアキ
ュムレータの構造を示す図である。

【図７】本発明の実施の形態５の冷凍空調装置の別の
アキュムレータの構造を示す図である。

【図８】従来の冷凍空調装置の冷媒回路を示す図であ
る。

【図９】従来の冷凍空調装置のアキュムレータの構造
を示す図である。

【符号の説明】

１圧縮機、２四方弁、３放熱器（蒸発器）、４
減圧装置、５蒸発器（放熱器）、６液貯留部
（アキュムレータ）、７油取出口、１４、１４ａ、１
４ｂ油回収回路、１５、１５ａ、１５ｂ流量制御装
置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｃ１０Ｍ 105/74 Ｃ１０Ｍ 105/74 107/34 107/34 171/00 171/00 Ｆ２５Ｂ 1/00 ３４１Ｆ２５Ｂ 1/00 ３４１Ｌ３７１３７１Ｂ３８７３８７Ｆ３８７Ｇ３９５３９５Ｚ 43/00 43/00 Ｄ 43/02 43/02 Ｈ // Ｃ１０Ｎ 20:00 Ｃ１０Ｎ 20:00 Ｃ 30:00 30:00 Ｚ 40:30 40:30 (72)発明者角田昌之東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内 (72)発明者野本宗東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内 (72)発明者榎本寿彦東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内 (72)発明者木藤良善久東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内Ｆターム(参考） 3L092 AA07 AA08 BA21 4H104 BA04A BB08A BH03A CB14A DA02A EA06A LA20 PA20

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧縮機、四方弁、放熱器、減圧装置、蒸
発器を順次接続した冷凍サイクルを有する冷凍空調装置
において、冷凍サイクルに、下部から冷凍機油を回収又は供給する
油回収・供給装置を有する液貯留部を備え、冷房運転及び暖房運転の各運転において、又は冷房運
転、暖房運転及びデフロスト運転の各運転において、冷
凍機油が、冷媒と相溶性が小さく、かつその密度が液冷
媒の密度より大きいことを特徴とする冷凍空調装置。
【請求項２】圧縮機、放熱器、減圧装置、蒸発器を順
次接続した冷凍サイクルを有する冷凍空調装置におい
て、冷凍機油として冷媒と相溶性の小さい冷凍機油を用い、
また、冷凍機油の密度と冷媒の液密度とをセンサー情報
に基づき演算及び両者の大小を判断し、冷媒の液密度が
冷凍機油の密度より大きくなる運転状態となった場合、
冷凍空調装置の運転を停止する制御装置を備えたことを
特徴とする冷凍空調装置。
【請求項３】冷媒の液密度が冷凍機油の密度より大き
くなる運転状態となった場合、冷凍空調装置の運転を停
止せずに、冷媒の液密度が冷凍機油の密度より小さくな
るように、冷媒圧力上昇運転又は冷媒温度上昇運転を実
施する制御装置を備えたことを特徴とする請求項２記載
の冷凍空調装置。
【請求項４】圧縮機と蒸発器との間に液貯留部として
アキュムレータを設け、冷凍機油回収・供給装置として
前記アキュムレータ下部に滞留する冷凍機油を圧縮機に
回収する油回収回路を設けたことを特徴とする請求項１
から請求項３のいずれかに記載の冷凍空調装置。
【請求項５】圧縮機、放熱器、減圧装置、蒸発器、ア
キュムレータを順次接続した冷凍サイクルを有する冷凍
空調装置において、冷凍機油として冷媒と相溶性の小さい冷凍機油を用い、アキュムレータ下部の冷凍機油を回収する油回収回路
と、前記油回収回路の流量を制御する流量制御装置と、センサー情報に基づき、冷凍機油の密度と冷媒の液密度
とを演算及び両者の大小を判断するとともに前記流量制
御装置を制御する制御装置と、を備えたことを特徴とす
る冷凍空調装置。
【請求項６】冷媒の液密度が冷凍機油の密度より大き
くなる運転状態になった場合、前記制御装置が前記油回
収回路の流量制御装置を制御して流量を減少させる又は
流れを止めることを特徴とする請求項５記載の冷凍空調
装置。
【請求項７】圧縮機、放熱器、減圧装置、蒸発器、ア
キュムレータを順次接続した冷凍サイクルを有する冷凍
空調装置において、冷凍機油として冷媒と相溶性の小さい冷凍機油を用い、前記アキュムレータに滞留する冷凍機油を回収する油回
収回路を備え、前記油回収回路の前記アキュムレ−タ内の油取出口を高
さ方向で、異なる高さに複数設けたことを特徴とする冷
凍空調装置。
【請求項８】圧縮機が低圧シェルタイプであり、底部
に油溜を備えたことを特徴とする請求項１から請求項７
のいずれかに記載の冷凍空調装置。
【請求項９】冷媒が二酸化炭素であり、冷凍機油がＰ
ＡＧ油、鉱油、アルキルベンゼン油のいずれかであるこ
とを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載
の冷凍空調装置。