JP2006329568A - ヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高効率かつ圧縮機の信頼性向上が図れるヒートポンプ装置を提供すること。
【解決手段】圧縮機１１とオイルセパレータ１２と給湯熱交換器の冷媒側配管１３ａと膨張弁１４と蒸発器１５とを環状に接続した冷媒回路と、オイルセパレータ１２で分離したオイルを開閉弁１８を介して圧縮機１１に戻すオイル戻し回路を備え、圧縮機１１の運転起動時におけるオイル戻し回路のオイル流量を、圧縮機１１の安定運転時におけるオイル戻し回路のオイル流量に対して増大させるので、圧縮機１１の運転起動時でもオイル量が一定に保持されて信頼性が向上すると共に、圧縮機１１の吐出冷媒が吸入側にバイパスすることによる性能低下を防止でき、高効率な運転が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、オイルセパレータを備えた超臨界ヒートポンプ装置であり、ガスクーラ及び蒸発器の管内側においてオイルによる冷媒熱伝達率低下を防止し、かつオイルセパレータで分離したオイルを効率良く圧縮機に戻すことができる高効率なヒートポンプ装置に関するものである。

従来、オイルセパレータを備えたヒートポンプ装置として図３に示すものがある（例えば、特許文献１参照）。図３に示すように、このヒートポンプ装置は、コンプレッサ１０１、オイルセパレータ１０２、コンデンサ１０３、レシーバ１０４、膨張弁１０５、エバポレータ１０６が環状に接続されている。また、コンプレッサ１０１とオイルセパレータ１０２との間には油戻し回路１０７が形成され、この油戻し回路１０７の配管途中には過冷却制御弁１０８が接続されている。コンプレッサ１０１からの吐出冷媒ガス（コンプレッサ１０１の潤滑のためのオイルを含む）はオイルセパレータ１０２にて冷媒ガスとオイルとに分離され、冷媒ガスのみがコンデンサ１０３、レシーバ１０４、膨張弁１０５、エバポレータ１０６を循環してコンプレッサ１０１に戻る。一方、オイルセパレータ１０２にて分離したオイルは、油戻し回路１０７によってコンプレッサ１０１に戻される。この時、オイルセパレータ１０２の底部から油戻し回路１０７に流れる流体の温度と圧力とを検知して、この流体の温度と圧力との組み合わせが冷媒の過冷却領域に相当する値である場合、即ちこの流体がオイルである場合に、過冷却制御弁１０８を開いてこの流体（オイル）を油戻し回路１０７を経由してコンプレッサ１０１に戻すのである。これにより、コンデンサ１０３やエバポレータ１０６の熱交換器には冷媒のみが流れるためオイルによる性能低下を防止でき、ヒートポンプ装置の運転効率を向上することができる。また、過冷却弁１０８によりオイルのみがコンプレッサ１０１に戻されるため、コンプレッサ１０１の信頼性向上を図ることができる。
特開平６−２４１５８８号公報

しかしながら、前記従来の構成では、ヒートポンプ装置の運転状態が急激に変化する場合、特にコンプレッサ１０１が停止した状態から運転を開始してヒートポンプサイクル各所の圧力や温度（例えば、コンプレッサ１０１吐出圧力や吐出温度）が安定状態に至るまでの過渡状態（以下、運転起動時と称する）においては、油戻し回路１０７を流れる流体の温度と圧力とから過冷却状態を正確に検知することは困難であり、過冷却制御弁１０８を開くタイミングが遅れてコンプレッサ１０１へのオイル供給が遅れることにより焼き付き等の不具合を生じたり、過冷却制御弁１０８を必要以上に開いてオイル以外に冷媒ガスがコンプレッサ１０１に戻ることによりヒートポンプ装置の運転効率低下を招く恐れがあった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、圧縮機のオイル戻し量を、圧縮機運転状態の変化に対応して適切に制御することにより、圧縮機の信頼性を確保しつつ高効率なヒートポンプ装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のヒートポンプ装置は、圧縮機とオイルセパレータとガスクーラと膨張弁と蒸発器とを環状に接続して形成した冷媒回路と、前記オイルセパレータで分離したオイルをオイル流量制御装置を介して前記圧縮機に戻すオイル戻し回路とを備え、前記オイル流量制御装置は、前記圧縮機の運転起動時における前記オイル戻し回路のオイル流量を、前記圧縮機の安定運転時における前記オイル戻し回路のオイル流量に対して増大させるものである。

これにより、圧縮機運転起動時のオイル戻し量を適切に制御することができ、圧縮機の信頼性確保と高効率な運転を両立できる。

圧縮機運転起動時にオイル戻し回路を流れるオイル流量を、圧縮機運転安定時にオイル戻し回路を流れるオイル流量よりも増大させることにより、圧縮機起動時のオイル戻し量が適切に制御され、圧縮機の信頼性確保と高効率な運転を両立できる。

第１の発明は、圧縮機とオイルセパレータとガスクーラと膨張弁と蒸発器とを環状に接続して形成した冷媒回路と、前記オイルセパレータで分離したオイルをオイル流量制御装置を介して前記圧縮機に戻すオイル戻し回路とを備え、前記オイル流量制御装置は、運転起動時における前記オイル戻し回路のオイル流量を、安定運転時における前記オイル戻し回路のオイル流量に対して増大させることにより、圧縮機運転起動時のオイル戻し量が適切に制御され、圧縮機の信頼性確保と高効率な運転を両立できる。

第２の発明は、特に、第１の発明のヒートポンプ装置のオイル流量制御装置を、外気温度センサーで検出した外気温度が低い程、運転起動時におけるオイル戻し回路のオイル流量を増大させるものであり、圧縮機運転起動時のオイル戻し量が外気温度に応じて適切に制御され、圧縮機の信頼性確保と高効率な運転を両立できる。

第３の発明は、特に、第１または第２のいずれかの発明のヒートポンプ装置のオイル流量制御装置上流側の配管温度を検知する第１温度センサーと前記オイル流量制御装置下流側の配管温度を検知する第２温度センサーとを備え、前記オイル流量制御装置は、圧縮機の運転周波数が所定値以上の場合にオイル戻し回路を開き、またオイル戻し回路が開いており、かつ前記第１温度センサーと前記第２温度センサーとで検出した温度差が所定温度以上の場合に前記オイル戻し回路内を冷媒が流れていると判定して前記オイル戻し回路を閉じるもので、これにより前記オイル戻し回路を冷媒が流れることによる運転効率の低下を防止できる。

第４の発明は、特に、第１〜３のいずれか１つの発明のヒートポンプ装置の冷媒回路を、高圧側の冷媒圧力が臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルとし、前記臨界圧力以上に昇圧された冷媒によりガスクーラ内の流体を加熱することにより、前記ガスクーラ内の冷媒は臨界圧力以上に加圧されているので、前記ガスクーラ内の流体により熱を奪われて温度低下しても凝縮することがない。従って、前記ガスクーラの全域で冷媒と流体との間の温度差を形成しやすくなり、熱交換効率を高くできる。

第５の発明は、特に、第４の発明のヒートポンプ装置において、使用する冷媒を二酸化炭素としたものであり、比較的安価でかつ安定な二酸化炭素を冷媒に使用することで製品コストを抑えるとともに、信頼性を向上させることができる。また、二酸化炭素はオゾン破壊係数がゼロであり、地球温暖化係数も代替冷媒ＨＦＣ−４０７Ｃの約１７００分の１と非常に小さいため、地球環境に優しい製品を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の
形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態のヒートポンプ装置の構成図である。

図１において、圧縮機１１とオイルセパレータ１２と給湯熱交換器の冷媒側配管１３ａと膨張弁１４と蒸発器１５とを環状に接続して冷媒回路を形成している。ヒートポンプ装置のガスクーラを給湯熱交換器として使うことで、ヒートポンプ給湯機の機能を有している。蒸発器１５はファン１６を有しており、ファン１６により蒸発器１５に供給された空気と蒸発器１５内の冷媒との間で熱交換が行われ、冷媒が加熱される。また、オイルセパレータ１２で分離したオイルが開閉弁１８を介して圧縮機１１に戻されるオイル戻し回路を備えている。オイル流量制御装置２４は、圧縮機１１の運転起動時（圧縮機１１が停止した状態から運転を開始してヒートポンプサイクル各所の圧力や温度（例えば、圧縮機１１吐出圧力や吐出温度）が安定状態に至るまでの過渡状態）におけるオイル戻し回路のオイル流量を、圧縮機１１の安定運転時（ヒートポンプサイクル各所の圧力や温度（例えば、圧縮機１１吐出圧力や吐出温度）の変化量が小さく、定常と見なされる状態）におけるオイル戻し回路のオイル流量に対して増大させるように、開閉弁１８の開閉状態を制御する。オイルセパレータ１２と開閉弁１８とを接続する配管途中にはキャピラリチューブ１７が接続されている。このキャピラリチューブ１７は一定の減圧作用を有しているため、開閉弁１８が開いた時のオイル戻し回路内におけるオイル流量が急激に増大することを抑制し、圧縮機１１のオイル圧縮による破損を防止できるので信頼性向上を図ることができる。また、貯湯タンク１９と積層ポンプ２０と給湯熱交換器の水側配管１３ｂとを環状に接続して沸上げ回路を形成している。貯湯タンク１９底部の水は、積層ポンプ２０によって給湯熱交換器の水側配管１３ｂに搬送され、ここで給湯熱交換器の冷媒側配管１３ａ内の冷媒と熱交換して自身は高温の湯となって貯湯タンク１９の上部に戻される。貯湯タンク１９の底部には貯湯タンク１９に水を補給するための給水配管２１が、貯湯タンク１９の上部には貯湯タンク１９から湯を取り出すための給湯配管２２がそれぞれ接続されている。

以上のように構成されたヒートポンプ装置について、以下その動作、作用を説明する。

圧縮機１１内部には、摺動部分の潤滑を目的として所定量のオイルが封入されている。圧縮機１１の起動時は、吸入圧力が急激に低下するためオイル中に溶解していた冷媒が沸騰してオイルと混合・泡状化するオイルフォーミング現象が発生し、圧縮機１１から吐出されるオイル量が増大することが知られている。また、オイルに対する冷媒の飽和溶解度は低温時程大きく、オイルフォーミング現象も顕著になる傾向がある。

そこで、圧縮機１１の運転起動時におけるオイル戻し回路のオイル流量を、圧縮機１１の安定運転時におけるオイル戻し回路のオイル流量に対して増大するように、オイル流量制御装置２４により開閉弁１８の開閉状態を制御（具体的には、開閉弁１８を開く時間を長く設定）するのである。また、外気温度センサー２３で検出した温度が低い程、オイル戻し回路のオイル流量を増大させることにより、圧縮機１１の運転起動時におけるオイル戻し量が外気温度に応じて適切に制御され、圧縮機１１の信頼性確保と高効率な運転を両立できる。

以上のように、本実施の形態１においては、圧縮機１１の運転起動時におけるオイル戻し回路のオイル流量を、圧縮機１１の安定運転時におけるオイル戻し回路のオイル流量に対して増大させることにより、圧縮機１１の運転起動時におけるオイル戻し量が適切に制御され、圧縮機１１の信頼性確保と高効率な運転を両立できる。また、オイルが給湯熱交換器や蒸発器に流入することによる熱交換器の性能低下を防止でき、高効率なヒートポンプ装置の運転が可能となる。

（実施の形態２）
図２は、本発明の第２の実施の形態のヒートポンプ装置の構成図である。図２において、本発明の第１の実施の形態のヒートポンプ装置と同様の構成部分については共通の符号を用い、詳細な説明を省略する。

実施の形態１と異なるのは、キャピラリチューブ１７上流側の配管温度を検知する第１温度センサー２５とキャピラリチューブ１７下流側の配管温度を検知する第２温度センサー２６とを備え、オイル流量制御装置２４は、圧縮機１１の運転周波数が所定値以上の場合に開閉弁１８を開き、また開閉弁１８が開いており、かつ第１温度センサー２５と第２温度センサー２６とで検出した温度差が所定値以上の場合に開閉弁１８閉じるようにしたことである。

以上のように構成されたヒートポンプ装置について、以下その動作、作用を説明する。

キャピラリチューブ１７内を流体が通過する際には減圧されるため、その流体が非圧縮性のオイルのみである場合には、キャピラリチューブ１７前後で流体の温度差は生じない、即ち第１温度センサー２５と第２温度センサー２６の検出値の差はほとんど生じない。一方、キャピラリチューブ１７内を流れる流体が冷媒を比較的多く含んだオイルである場合は、冷媒が減圧される際にオイルの温度を低下させる。従って、第１温度センサー２５と第２温度センサー２６とで検出した温度差が所定値以上の場合には、キャピラリチューブ１７内を比較的多くの冷媒が流れていると判断して開閉弁１８を閉じるのである。これにより、オイル戻し回路内を流れる冷媒量が多くなった場合に速やかにオイル戻し回路を閉じることで、圧縮機１１の吐出冷媒が圧縮機１１の吸入側にバイパスされることによる性能低下を防止でき、高効率なヒートポンプ装置の運転が可能となる。

なお、実施の形態１および実施の形態２では、オイル戻し回路内のオイル流量を、開閉弁１８を開閉させることにより制御したが、開閉弁１８の代わりにニードル弁のような流量を連続的に変化させることができる流量制御弁を用いてもよい。オイル流量を連続的に変化させることにより、圧縮機１１に戻されるオイル流量の急激な変動が少なくなり、圧縮機１１内のオイル量をより精度良く一定に保持することができる。

また、実施の形態１および実施の形態２では、冷媒回路のサイクルを、高圧側の冷媒圧力が臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルとしたが、もちろん高圧側の冷媒圧力が臨界圧力以下のヒートポンプサイクルでもよい。またこの場合、冷媒としてはフロンガス、アンモニアなどを用いても良い。

以上のように、本発明にかかるヒートポンプ装置は、圧縮機内のオイル量を一定に保持することができ、ヒートポンプサイクル、特に圧縮機の信頼性向上を図る場合に有効である。

本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ装置の構成図 本発明の実施の形態２におけるヒートポンプ装置の構成図 従来のヒートポンプ装置の構成図

符号の説明

１１ 圧縮機
１２ オイルセパレータ
１３ 給湯熱交換器
１３ａ 給湯熱交換器の冷媒側配管
１３ｂ 給湯熱交換器の水側配管
１４ 膨張弁
１５ 蒸発器
１６ ファン
１７ キャピラリチューブ
１８ 開閉弁
１９ 貯湯タンク
２０ 積層ポンプ
２１ 給水配管
２２ 給湯配管
２３ 外気温度センサー
２４ 開閉弁制御装置
２５ 第１温度センサー
２６ 第２温度センサー

Claims (5)

1. 圧縮機とオイルセパレータとガスクーラと膨張弁と蒸発器とを環状に接続して形成した冷媒回路と、前記オイルセパレータで分離したオイルをオイル流量制御装置を介して前記圧縮機に戻すオイル戻し回路とを備え、前記オイル流量制御装置は、前記圧縮機の運転起動時における前記オイル戻し回路のオイル流量を、前記圧縮機の安定運転時における前記オイル戻し回路のオイル流量に対して増大させることを特徴とするヒートポンプ装置。
2. 外気温度を検出する外気温度センサーを備え、オイル流量制御装置は、前記外気温度センサーで検出した外気温度が低い程、運転起動時におけるオイル戻し回路のオイル流量を増大させることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ装置。
3. オイル流量制御装置上流側の配管温度を検知する第１温度センサーと前記オイル流量制御装置下流側の配管温度を検知する第２温度センサーとを備え、前記オイル流量制御装置は、圧縮機の運転周波数が所定値以上の場合にオイル戻し回路を開き、またオイル戻し回路が開いており、かつ前記第１温度センサーと前記第２温度センサーとで検出した温度差が所定値以上の場合にオイル戻し回路を閉じることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒートポンプ装置。
4. 冷媒回路は、高圧側の冷媒圧力が臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルである請求項１〜３のいずれか１項に記載のヒートポンプ装置。
5. 使用する冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする請求項４に記載のヒートポンプ装置。