JP2009068733A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】膨張機の密閉容器内の冷媒温度の低下を防止することが可能な冷凍サイクル装置を提供する。
【解決手段】冷凍サイクル装置は、内部に圧縮機構２２が配置され、底部にオイルが溜められる第１密閉容器２１を有する圧縮機２と、放熱器１１と、内部に膨張機構３２および発電機３３が配置され、底部にオイルが溜められる第２密閉容器３１を有する膨張機３と、蒸発器１２とを備えている。圧縮機２と膨張機３は、均油管１７と均圧管１８でつながれており、膨張機３は、断熱材４で取り囲まれている。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍空調機や給湯機等に適用される冷凍サイクル装置に関し、特に、冷媒の膨張エネルギーを回収する膨張機を用いた冷凍サイクル装置に関する。

冷凍サイクル装置の効率を向上させるために、膨張弁の代わりに冷媒の膨張エネルギーを回収する膨張機を用いた冷凍サイクル装置が知られている。例えば特許文献１には、図６に示すような冷凍サイクル装置が開示されている。この冷凍サイクル装置は、冷媒が減圧膨張する際の膨張エネルギーを動力として回収する膨張機構５１１および回収した動力を電力に変換する発電機５１２を有する膨張機５１０を備えており、発電機５１２で発電された電力は圧縮機５００の圧縮機構５０１を駆動する電動機５０２に供給されるようになっている。

上記の冷凍サイクル装置においては、例えば図７に示すように、膨張機構５１１を発電機５１２と共に密閉容器５１５に収容し、圧縮機構５０１を電動機５０２と共に密閉容器５０５に収容する構成を採用することができる。この構成では、各密閉容器５０５，５１５の底部に潤滑用のオイルが溜められていて、膨張機構５１１と発電機５１２とを連結するシャフト５１３または圧縮機構５０１と電動機５０２とを連結するシャフト５０３の回転によりオイルが汲み上げられて摺動部に供給される。

図７に示す冷凍サイクル装置では、圧縮機構５０１で圧縮された冷媒が密閉容器５０５の内部に一旦開放されるいわゆる高圧シェル型の圧縮機５００が採用されている。また、密閉容器５１５，５０５同士がオイルを流通させる均油管５２１および冷媒を流通させる均圧管５２２で接続されていて、双方の密閉容器５１５，５０５内のオイル量の均衡が保たれるようになっている。

寒冷地で圧縮機５００が屋外に置かれる場合、冷凍サイクル装置の停止時に圧縮機５００に液相の冷媒が溜まり込んだり、冷凍サイクル装置の立ち上がりが悪くなったりすることがある。そこで、寒冷地での使用が想定される場合には、特許文献２に記載されているように、圧縮機５００にヒータを設け、圧縮機５００の起動前に圧縮機５００をヒータで加熱することが考えられる。このような冷凍サイクル装置では、一旦圧縮機５００が起動して冷凍サイクル装置が運転されると、圧縮機５００の密閉容器５０５内は圧縮されて温度の上昇した気相の冷媒で満たされるようになるため、ヒータによる加熱は必要なくなる。
特開２０００−２４１０３３号公報 特許第３７９９９４０号公報

ところが、膨張機５１０は、圧縮機５００と異なり、冷凍サイクル装置の運転中も常に低温状態になる。なぜなら、膨張機５１０では、放熱器５３０で放熱された低エンタルピーの冷媒が減圧膨張することによって膨張機構５１１が冷却されるからである。また、低外気温の条件では、蒸発器５４０での蒸発温度が低下するため、蒸発器５４０を通過する冷媒の圧力が低く抑えられるようになる。そのため、膨張機構５１１での減圧膨張による冷媒の温度低下が大きくなり、膨張機５１０の温度はさらに低くなる。なお、均油管５２１および均圧管５２２には、通常、圧縮機５００と膨張機５１０との間での熱移動を抑制するために絞り弁などが設けられるため、膨張機５１０の内部は低温高圧に保たれる。

このように、膨張機５１０は冷凍サイクル装置の運転中も内部の温度が上昇しないために、均圧管５２２を介して圧縮機５００から膨張機５１０へ流れ込んだ冷媒が凝縮して、膨張機５１０の内部が液相の冷媒で満たされてしまう。そのため、冷媒とオイルの密度が近接し、膨張機５１０の発電機ロータの回転による冷媒の旋回流がオイルを容易に巻き上げてしまい、油面が低下してシャフト５１３の回転によるオイルの汲み上げが十分に行われずに摺動部を十分に潤滑することが困難になる。また低温高圧の膨張機５１０の内部では、オイルに大量の冷媒が溶け込んで冷媒溶解量が上昇してオイルの粘度が急激に低下することが懸念される。

さらに二酸化炭素を冷媒とした場合には、圧縮機５００と膨張機５１０の内部が超臨界圧力を超えており、冷媒の密度が温度変化によって大きく変化するため、寒冷地の冬期などでは、冷媒の密度がオイルの密度を超えてしまい、冷媒がオイルの下に溜まってオイルが持ち上げられてしまう。そうすると、オイルの代わりに極低粘度の液相の冷媒が汲み上げられるようになり、摺動部を十分に潤滑することができなくなる。

こうした事情に鑑み、本発明は、摺動部を十分に潤滑することのできる冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

すなわち、本発明は、底部にオイルが溜められ、その上側が冷媒で満たされる第１密閉容器、およびこの第１密閉容器内に配置され、冷媒を圧縮する圧縮機構、を有する圧縮機と、前記圧縮機構で圧縮された冷媒を放熱させる放熱器と、底部にオイルが溜められる第２密閉容器、この第２密閉容器内に配置され、膨張する冷媒から動力を回収する膨張機構、前記第２密閉容器内に配置される発電機、および前記膨張機構と前記発電機とを連結するとともに前記第２密閉容器の底部に溜められたオイルの汲み上げに供される動力回収シャフト、を有する膨張機と、前記膨張機構で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器と、を順に接続した冷凍サイクル装置であって、一端が前記第１密閉容器の底部に接続され、他端が前記第２密閉容器の底部に接続された均油管と、前記第１密閉容器と前記第２密閉容器との間で冷媒の流通を許容する均圧管と、前記膨張機を取り囲む断熱材と、をさらに備える冷凍サイクル装置を提供する。

本発明の冷凍サイクル装置では、冷凍サイクル装置の運転中は膨張機構により発電機が駆動されて発電機が発熱する。膨張機は断熱材で取り囲まれているので、発電機で発熱した熱が断熱材の外に逃げずに膨張機内の冷媒を温めるようになる。このため、第２密閉容器内に液相の冷媒が溜まっていても、この冷媒を気化させて冷媒の密度を小さくすることができ、発電機ロータの回転による冷媒の旋回流がオイルを巻き上げ難くなる。従って、オイルレベルが低下することを防ぐことが可能になり、シャフトの回転によるオイルの汲み上げが十分に行われるようになる。さらに、冷媒の温度が上昇するとオイルの温度も上昇して、オイルへの冷媒の溶解量が低下するようになり、粘度が高いオイルを摺動部に供給できるようになる。また、二酸化炭素を冷媒に用いた場合でも、上述したように発電機による発熱および断熱材による断熱の効果により第２密閉容器内の冷媒の密度がオイルの密度を上回ることが防止される。よって、冷媒がオイルの下に溜まってオイルが持ち上げられることを防止することができる。このように、本発明によれば、膨張機の第２密閉容器の底部に適切な粘度のオイルを安定的に保持することができるので、膨張機の摺動部の潤滑を適切に行うことができるとともに、その信頼性を確保することができる。

以下、添付の図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態の冷凍サイクル装置の構成図である。

図１に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置は、吸入した冷媒を圧縮して吐出する圧縮機２と、圧縮された冷媒を放熱させる放熱器１１と、吸入した冷媒を膨張させて吐出する膨張機３と、膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器１２とを備えているとともに、これらを順に接続して冷凍サイクルを構成する第１〜第４配管１３〜１６を備えている。また、圧縮機２と膨張機３は、均油管１７および均圧管１８でつながれている。

圧縮機２は、底部が各摺動部の潤滑用のオイルが溜められるオイル貯留部２４として利用される第１密閉容器２１と、第１密閉容器２１内の上側位置に配置される圧縮機構２２と、第１密閉容器２１内の略中央に配置される電動機２３と、圧縮機構２２と電動機２３とを連結するシャフト２６とを有している。圧縮機構２２は、冷媒を圧縮して第１密閉容器内に開放するものであり、この圧縮機構２２には第４配管１６が直接接続されている一方、第１配管１３が第１密閉容器２１に接続されていて、第１密閉容器２１内のオイルの上側が冷媒で満たされるようになっている。シャフト２６は、圧縮機構２２から電動機２３を貫通して下方に延び、下部がオイル貯留部２４に溜められたオイルに浸されている。シャフト２６には、下端部にオイルポンプ（図示せず）が設けられているとともに内部に給油路（図示せず）が設けられていて、シャフト２６が回転することによりオイル貯留部２４からオイルが汲み上げられて各摺動部に供給されるようになっている。

膨張機３は、底部が各摺動部の潤滑用のオイルが溜められるオイル貯留部３４として利用される第２密閉容器３１と、第２密閉容器３１内の上側位置に配置される膨張機構３２と、第２密閉容器３１内の略中央に配置される発電機３３と、膨張機構３２と発電機３３とを連結するシャフト（動力回収シャフト）３３とを有している。膨張機構３２は、膨張する冷媒から動力を回収するものであり、この膨張機構３２には第２配管１４および第３配管１５が直接接続されている。シャフト３６は、膨張機構３２から発電機３３を貫通して下方に延び、下部がオイル貯留部３４に溜められたオイルに浸されている。シャフト３６には、下端部にオイルポンプ（図示せず）が設けられているとともに内部に給油路（図示せず）が設けられていて、シャフト３６が回転することにより、オイルポンプによってオイル貯留部３４からオイルが汲み上げられ、給油路を通って各摺動部に供給されるようになっている。

なお、圧縮機構２２および膨張機構３２としては、特にその形式が限定されるものではなく、スクロール式、ロータリ式、レシプロ式などの容積式流体機構のものを採用することができる。また、圧縮機構２２および膨張機構３２のどちらか一方または双方が、電動機２３または発電機３３の下方に配置されていて、オイル貯留部２４，３４に溜められたオイルに浸されていてもよい。

均油管１７は、第１密閉容器２１のオイル貯留部２４内と第２密閉容器３１のオイル貯留部３４内を連通し、それらの間でのオイルの流通を許容するものであり、その一端は第１密閉容器２１の底部に接続され、他端は第２密閉容器３１の底部に接続されている。一方、均圧管１８の一端は第１密閉容器２１におけるオイル貯留部２４よりも少し上側位置に接続され、他端は第２密閉容器３１におけるオイル貯留部３４よりも少し上側位置に接続されており、当該均圧管１８によって第１密閉容器２１と第２密閉容器３１との間で冷媒の流通が許容されている。このため、第２密閉容器３１内のオイルの上側も冷媒で満たされるようになる。そして、これらの均油管１７および均圧管１８によって、オイルがオイル貯留部２４，３４の一方に偏ることが防止されている。なお、図示は省略するが、均油管１７および均圧管１８には、圧縮機２と膨張機３との間での熱移動を抑制するために絞り弁が設けられている。

冷凍サイクル装置は、さらに、整流器５１およびコンデンサ５２を含む電源部と、圧縮機２の電動機２３を制御するインバータ５３と、インバータ５３と並列に接続される、膨張機３の発電機３３を制御するコンバータ５４とを備えている。

さらには、本実施形態の冷凍サイクル装置では、膨張機３の全体が断熱材４で取り囲まれている。この断熱材４としては、種々の市販のものを使用することができ、例えば、フェルト布、グラスウール、ロックウール、発泡スチロール、真空断熱材などが挙げられる。なお、断熱材４は、第２密閉容器３１に当接していてもよいし、第２密閉容器３１から離間していてもよい。前者のようにするには、例えば断熱材４を第２密閉容器３１の表面に巻き付ければよく、後者のようにするには、例えば断熱材４で箱状の構造体を形成すればよい。

次に、本実施形態の冷凍サイクル装置の動作について説明する。

商用電源５０から整流器５１とコンデンサ５２を経た電力が、インバータ５３で圧縮機駆動用電力に整えられ、圧縮機２の電動機２３に供給されることで冷凍サイクル装置が作動する。電動機３が機械動力を発生させると、その動力がシャフト２６によって圧縮機構２２に伝達されて圧縮機構２２が駆動され、蒸発器１２から第４配管１６を介して圧縮機構２２に冷媒が吸入される。圧縮機構２２は、吸入した冷媒を圧縮して第１密閉容器２１の内部に吐出する。第１密閉容器２１の内部に吐出された冷媒は、第１配管１３を通じて放熱器１１へと導かれ、ここで外部に放熱する。放熱器１１から第２配管１４を通じて膨張機３へ導かれた冷媒は、膨張機構３２によって膨張されて減圧される。このとき、冷媒は、吸入側と吐出側の圧力差により膨張機構３２を駆動し、これにより膨張エネルギーが機械動力に変換されて回収される。膨張機構３２が回収した機械動力は、発電機３３によって電力に変換され、この電力はコンバータ５４を通じてインバータ５３に入力される電力に重畳される。膨張機３の膨張機構３２から第３配管１５によって蒸発器１２へと導かれた冷媒は、ここで外部から吸熱して蒸発する。蒸発器１２で蒸発した冷媒は、再び圧縮機２へと戻る。このように冷凍サイクル装置が動作する間は、膨張機３の第２密閉容器３１が均油管１７および均圧管１８によって圧縮機３の第１密閉容器２１と接続されているので、第２密閉容器３１の内部は、圧縮機２の吐出冷媒と同じ高圧状態の冷媒で満たされるとともに、膨張機３のオイル貯留部３４は、圧縮機２のオイル貯留部２４とオイルを共有する。

上記の動作の過程で、圧縮機２の第１密閉容器２１の内部に吐出される冷媒は、圧縮過程で圧力と共に温度が上昇するため高温高圧になる。そのため、圧縮機２の第１密閉容器２１内の冷媒およびオイル貯留部２４のオイルは高温高圧になり、圧縮機構２２も高温になる。そのため、低温雰囲気下においても冷凍サイクル装置の運転中は、圧縮機２の温度が上昇する。

一方、膨張機３の膨張機構３２で減圧膨張される冷媒は、放熱器１１で冷却されているので、減圧過程で圧力と共に温度がさらに低下する。すなわち、膨張機構３２は内部を通過する低温の冷媒によって冷却されて温度が低下する。ところで、膨張機構３２が回収した機械動力は、発電機３３を駆動して磁界の変化を生じさせ電力を発生させる。発生した電力により、発電機３３の巻線３５に電流が流れ、巻線３５の電気抵抗による銅損が生じ、発電機３３が発熱する。さらに、発電機３３の磁界の変動により、発電機３３を形成する電磁鋼板に渦電流が生じ、電磁鋼板の電気抵抗による鉄損が生じ、発電機３３が発熱する。本実施形態の冷凍サイクル装置は、膨張機３を包み込む断熱材４を備えているので、発電機３３の巻線３５への通電による銅損と発電機３３の磁界変化による鉄損とによる発熱が断熱材４の外に放熱されることが防止される。そのため、第２密閉容器３１内の冷媒およびオイルの温度を低下させる要因となる膨張機構３２を通過する低温の冷媒に対抗し、発電機３３の発熱を合理的に利用して第２密閉容器３１内の冷媒およびオイルの温度を上昇させることができる。そして、温められた冷媒およびオイルは、断熱材４によって保温されるようになる。

本実施形態の冷凍サイクル装置では、第２密閉容器３１内の冷媒およびオイルの温度を上昇させることで、膨張機３の内部に液相の冷媒が溜まることを防止できる。液相の冷媒が溜まることを防止することにより、膨張機３の内部の冷媒の密度を圧縮機２の内部の冷媒の密度と同程度に保つことが出来るので、発電機ロータの回転による冷媒の旋回流がオイルを巻き上げ難くなり、第２密閉容器３１のオイル貯留部３４のオイルレベルが低下することを防ぐことが可能になる。それにより、オイルレベルを適切に維持することが可能になる。また、膨張機３のオイル貯留部３４のオイルの温度を上昇させることによりオイルへの冷媒の溶解量を低下させることができるため、粘度の高いオイルを摺動部に供給できるようになる。また、二酸化炭素を冷媒に用いた場合でも、発電機３３による発熱および断熱材４による断熱の効果により寒冷地の冬期などに第２密閉容器３１内の冷媒の密度がオイルの密度を上回ることを防止できるため、膨張機３のオイル貯留部３４のオイルを冷媒が持ち上げることを防止することができる。よって、膨張機３のオイル貯留部３４に適切な粘度のオイルを安定的に保持することができるので、膨張機３の摺動部の潤滑を適切に行うことができるとともに、その信頼性を確保することができる。

（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態の冷凍サイクル装置の構成図である。

図２に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置は、第１の実施形態で説明したもの（図１参照）と概ね同様の構成を有している。以下では、同一機能部品については同一の符号を付し、その説明を省略する。

本実施形態と第１の実施形態との主な相違点は、膨張機３と断熱材４の間に膨張機３を加熱する加熱手段として通電により発熱するヒータ８Ａが配置されている点と、第２密閉容器３１内の冷媒圧力および冷媒温度を把握するために計測を行う計測手段６Ａ、およびこの計測手段６Ａの計測データに基づきヒータ８Ａの加熱量を調整する制御部７Ａを備えている点である。

ヒータ８Ａは、その上に第２密閉容器３１が載置される板状をなしていて、第２密閉容器３１の底部を加熱可能になっている。ただし、ヒータ８Ａは、第２密閉容器３１の周面に帯状に巻きつけられていてもよい。

計測手段６Ａは、オイル貯留部３４に溜められたオイルの圧力を計測する圧力センサ６１と、オイル貯留部３４に溜められたオイルの温度を計測する温度センサ６２とからなる。

制御部７Ａは、各種の電子部品が実装された制御基盤などからなり、ヒータ８Ａへの通電のＯＮ・ＯＦＦを切り替える。具体的には、制御部７Ａは、まず、圧力センサ６１が計測したオイルの圧力を第２密閉容器３１内の冷媒圧力として把握するとともに、温度センサ６２が計測したオイルの温度を第２密閉容器３１内の冷媒温度として把握する。ついで、制御部７Ａは、把握した冷媒圧力および冷媒温度に基づき、第２密閉容器３１内の冷媒密度およびオイル密度をデータベースや推定式などで推定し、冷媒密度がオイル密度よりも所定量だけ小さな密度以上の場合、例えば冷媒密度とオイル密度が接近している場合やオイル密度が冷媒密度よりも大きくなっている場合には、ヒータ８Ａへの通電をＯＮにして、ヒータ８Ａによる膨張機３の加熱を行う。逆に、冷媒密度がオイル密度よりも所定量だけ小さな密度未満の場合には、制御部７Ａは、ヒータ８Ａへの通電をＯＦＦにする。制御部７Ａは、冷媒圧力および冷媒温度の把握ならびに冷媒密度およびオイル密度の推定の処理を繰り返し、ヒータ８Ａへの通電のＯＮ・ＯＦＦを切り替える。

本実施形態の冷凍サイクル装置では、発電機３３の発熱量が不十分な場合であってもヒータ８Ａによる加熱によって第１の実施形態で説明した効果と同様の効果を得ることができるようになる。また、ヒータ８Ａへの通電のＯＮ・ＯＦＦを上記のように切り替えることにより、膨張機３の不必要な加熱を防止することができる。さらに、ヒータ８Ａは断熱材４の内側に配置されているので、少ない加熱量で膨張機３の温度を上昇させることができる。

なお、圧力センサ６１は、第２密閉容器３１内の冷媒の圧力を直接的に計測するものであってもよい。

また、制御部７Ａは、推定した冷媒密度およびオイル密度に応じてヒータ８Ａへの通電量を調整するようになっていてもよい。

（第３の実施形態）
図３は、本発明の第３の実施形態の冷凍サイクル装置の構成図である。

図３に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置は、第１の実施形態で説明したもの（図１参照）と概ね同様の構成を有している。以下では、同一機能部品については同一の符号を付し、その説明を省略する。

本実施形態と第１の実施形態との主な相違点は、放熱器１１から膨張機３に冷媒を送る第３配管１４が膨張機３と断熱材４の間に介在する熱交換部８Ｂおよびこの熱交換部８Ｂをバイパスするバイパス部１４ａを有している点と、第２密閉容器３１内の冷媒圧力および冷媒温度を把握するために計測を行う計測手段６Ｂ、およびこの計測手段６Ｂの計測データに基づいて後述する流量調整弁８１，８２，１９の開度を調整する制御部７Ｂを備えている点である。

熱交換部８Ｂは、第３配管１４の一部分が膨張機３と断熱材４の間に入り込むことによって形成されており、この熱交換部８Ｂによって第２密閉容器３１の底部を加熱する加熱手段が構成されている。なお、熱交換部８Ｂは、第２密閉容器３１の下面に接する形状であってもよいし、第２密閉容器３１の周面に接する形状であってもよい。第３配管１４のバイパス部１４ａでバイパスされる区間であって熱交換部８Ｂの前後には、流量調整弁８１，８２がそれぞれ設けられている。また、バイパス部１４ａにも流量調整弁１９が設けられている。

計測手段６Ｂは、冷媒の蒸発温度に対応する蒸発器１２の温度を計測する第１温度センサ６３と、圧縮機２に吸入される冷媒の温度を計測する第２温度センサ６４と、圧縮機２への入力電力を計測する電力計６５と、圧縮機２（すなわち電動機２３）の回転数を計測する回転数計９３と、第２密閉容器３１の温度を計測する第３温度センサ６６とからなる。

制御部７Ｂは、第２の実施形態の制御部７Ａと同様に各種の電子部品が実装された制御基盤などからなる。制御部７Ａは、まず、第１温度センサ６３が計測した蒸発器１２の温度、第２温度センサ６３が計測した圧縮機２の吸入冷媒温度、および電力計６５が計測した圧縮機２への入力電力から冷媒圧力を把握する。具体的には、制御部７Ｂは、計測された蒸発器１２の温度で蒸発する冷媒の圧力から蒸発器１２を通過する冷媒の蒸発圧力を求める。次に、圧縮機２の吸入冷媒温度と蒸発圧力から圧縮機２が吸入する冷媒のエントロピーを求める。冷媒のモリエル線図上に、圧縮機２が吸入する冷媒の状態をプロットし、プロットした点から等エントロピー線を描けば、単位質量の冷媒を任意の圧力まで断熱圧縮するのに要する単位質量圧縮動力が得られる。すなわち、モリエル線図からは、エントロピーが変化しない断熱状態で任意の圧力まで変化した場合の冷媒のエンタルピーが得られるので、任意の圧力まで圧縮した場合の冷媒のエンタルピー増加量（すなわち単位質量圧縮動力）が得られる。一方、実際の圧縮機２は、電動機損失、機械損失、圧力損失、漏れ損失などの多くの損失が発生するため、入力電力を圧縮機２の圧縮機効率で乗算して実際に冷媒に対して行われる圧縮動力が得られる。また、回転数計９３で得られる圧縮機２の電動機２３の回転数を用いて、圧縮機構２２の吸入冷媒体積流量が得られる。さらに、圧縮機２の吸入冷媒温度と蒸発圧力から、圧縮機２が吸入する冷媒の密度が得られるので、圧縮機構２２の吸入冷媒質量流量が得られる。この吸入冷媒質量流量で圧縮動力を割れば、冷媒に対して行われた単位質量圧縮動力が求まるので、先ほどのモリエル線図を用いて圧縮機構２２の吐出冷媒圧力が得られる。第１密閉容器２１と第２密閉容器３１とは均圧管１８で結ばれているため、第２密閉容器３１内の冷媒圧力が得られる。

ついで、制御部７Ｂは、温度センサ６６が計測した第２密閉容器３１の温度から第２密閉容器３１内の冷媒温度を把握する。その後、制御部７Ｂは、把握した冷媒圧力および冷媒温度に基づき、第２密閉容器３１内の冷媒密度およびオイル密度をデータベースや推定式などで推定し、冷媒密度がオイル密度よりも所定量だけ小さな密度未満の場合には、流量調整弁８１，８２を全閉にするとともに流量調整弁１９を全開にして膨張機３が加熱されないようにする。逆に冷媒密度がオイル密度よりも所定量だけ小さな密度以上の場合には、制御部７Ｂは、流量調整弁８１，８２を開いて膨張機３を加熱するとともに、各流量調整弁８１，８２，１９の開度を状況に応じて変更して、熱交換部８Ｂによる膨張機３の加熱量の調整を行う。

本実施形態の冷凍サイクル装置によれば、第３配管１４を合理的に利用して、第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本実施形態では、高価な圧力センサを使用しなくても第２密閉容器３１内の冷媒圧力を把握することができる。

（第４の実施形態）
図４は、本発明の第４の実施形態の冷凍サイクル装置の構成図である。

図４に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置は、第１の実施形態で説明したもの（図１参照）と概ね同様の構成を有している。以下では、同一機能部品については同一の符号を付し、その説明を省略する。

本実施形態と第１の実施の形態との主な相違点は、膨張機３が圧縮機２と共に断熱材４で取り囲まれている点と、断熱材４に複数の通気口４ａが設けられている点と、通気口４ａを開閉するダンパー４１、第２密閉容器３１内の冷媒圧力および冷媒温度を把握するために計測を行う計測手段６Ｃ、およびこの計測手段６Ｃの計測データに基づいてダンパー４１の開度を調整する制御部７Ｃを備えている点である。

断熱材４は、箱状に形成されており、通気口４ａは、圧縮機２の近傍の側壁における上下に離間する位置に設けられていることが好ましい。なお、通気口４ａは、側壁の下部と天井に設けられていてもよい。

計測手段６Ｃは、蒸発器１２の温度を計測する第１温度センサ６３と、圧縮機２に吸入される冷媒の温度を計測する第２温度センサ６４と、圧縮機２から吐出される冷媒の温度を計測する第３温度センサ６７と、第２密閉容器３１の温度を計測する第４温度センサ６６とからなる。

制御部７Ｃは、第２の実施形態の制御部７Ａと同様に各種の電子部品が実装された制御基盤などからなる。制御部７Ｂは、まず、第１温度センサ６３が計測した蒸発器１２の温度、第２温度センサ６３が計測した圧縮機２の吸入冷媒温度、および第３温度センサ６７が計測した圧縮機２の吐出冷媒温度から冷媒圧力を把握する。具体的には、制御部７Ｃは、計測された蒸発器１２の温度で蒸発する冷媒の圧力から蒸発器１２を通過する冷媒の蒸発圧力を求める。次に、圧縮機２の吸入冷媒温度と蒸発圧力から圧縮機２が吸入する冷媒のエントロピーを求める。冷媒のモリエル線図上に、圧縮機２が吸入する冷媒の状態をプロットし、プロットした点から等エントロピー線を描けば、単位質量の冷媒を任意の圧力まで断熱圧縮した場合の理論エンタルピー増加量が得られる。すなわち、モリエル線図からは、エントロピーが変化しない断熱状態で任意の圧力まで変化した場合の冷媒の理論エンタルピーが得られるので、任意の圧力まで圧縮した場合の冷媒の理論エンタルピー増加量が得られる。一方、実際の圧縮機２は、電動機損失、機械損失、圧力損失、漏れ損失などの多くの損失が発生するため、任意の圧力まで圧縮した場合の冷媒の理論エンタルピー増加量を、圧縮機２の圧縮機効率で除算して、任意の圧力まで圧縮した場合の冷媒のエンタルピーが得られる。つまり、任意の圧力まで冷媒を圧縮した場合の吐出冷媒のエンタルピーが得られるので、モリエル線図から任意の圧力まで圧縮した場合の吐出冷媒温度が得られ、第３温度センサ６７により得られた圧縮機２の吐出冷媒温度と比較して、逆に吐出冷媒圧力が求まる。第１密閉容器２１と第２密閉容器３１とは均圧管１８で結ばれているため、膨張機３の第２密閉容器３１内の冷媒圧力が得られる。

ついで、制御部７Ｃは、温度センサ６６が計測した第２密閉容器３１の温度から第２密閉容器３１内の冷媒温度を把握する。その後、制御部７Ｃは、把握した冷媒圧力および冷媒温度に基づき、第２密閉容器３１内の冷媒密度およびオイル密度をデータベースや推定式などで推定し、冷媒密度がオイル密度よりも所定量だけ小さな密度以上の場合には、ダンパー４１で通気口４ａを閉じて圧縮機２から放熱される熱を断熱材４の内部に閉じ込め、膨張機３を加熱する。逆に、冷媒密度がオイル密度よりも所定量だけ小さな密度未満の場合には、制御部７Ｃは、ダンパー４１の開度を大きくして圧縮機２から放熱される熱を通気口４１から外部に逃がし、膨張機３が加熱されないようにする。制御部７Ｃは、冷媒圧力および冷媒温度の把握ならびに冷媒密度およびオイル密度の推定の処理を繰り返し、ダンパー４１の開度を調整する。このように、本実施形態では、圧縮機２が膨張機３を加熱する加熱手段として機能する。

本実施形態の冷凍サイクル装置によれば、圧縮機２を合理的に利用して、第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本実施形態では、温度センサのみを使用して第２密閉容器３１内の冷媒圧力を把握することができる。
（第５の実施形態）
図５は、本発明の第５の実施形態の冷凍サイクル装置の構成図である。

図５に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置は、第２の実施形態で説明したもの（図２参照）と概ね同様の構成を有している。以下では、同一機能部品については同一の符号を付し、その説明を省略する。

本実施形態と第２の実施形態との主な相違点は、計測手段６Ｄが、蒸発器１２の温度を計測する第１温度センサ６３、圧縮機２に吸入される冷媒の温度を計測する第２温度センサ６４、膨張機３に吸入される冷媒の温度を計測する第３温度センサ６８、圧縮機２（すなわち電動機２３）の回転数を計測する第１回転数計９１、膨張機３（すなわち発電機３３）の回転数を計測する第２回転数計９２、および第２密閉容器３１の温度を計測する第４温度センサ６６からなる点と、制御部７Ｄが計測手段６Ｄの計測データに基づきヒータ８Ａの加熱量を調整するようになっている点である。

制御部７Ｄは、まず、第１温度センサ６３が計測した蒸発器１２の温度、第２温度センサ６３が計測した圧縮機２の吸入冷媒温度、第３温度センサ６７が計測した膨張機３の吸入冷媒温度、第１回転数計９１が計測した圧縮機２の回転数、および第２回転数計９２が計測した膨張機３の回転数から冷媒圧力を把握する。具体的には、制御部７Ｃは、計測された蒸発器１２の温度で蒸発する冷媒の圧力から蒸発器１２を通過する冷媒の蒸発圧力を求める。次に、圧縮機２の吸入冷媒温度と蒸発圧力から圧縮機２が吸入する冷媒の密度を求める。圧縮機構２２と膨張機構３２の各々の吸入容積は設計により規定されるため、圧縮機２が吸入する冷媒の密度と圧縮機２の回転数および膨張機３の回転数がわかると、冷凍サイクル装置を循環する冷媒の質量流量がつりあう必要があることから、膨張機３の吸入する冷媒の密度が得られる。この膨張機３が吸入する冷媒の密度と膨張機３の吸入冷媒温度によって膨張機３の吸入冷媒圧力が求まる。圧縮機２の吐出冷媒圧力は、膨張機３の吸入冷媒圧力に放熱器１１を通過する際の圧力損失を加算した圧力になる。第１密閉容器２１と第２密閉容器３１とは均圧管１８で結ばれているため、膨張機３の密閉容器３１内の冷媒圧力が得られる。

ついで、制御部７Ｄは、温度センサ６６が計測した第２密閉容器３１の温度から第２密閉容器３１内の冷媒温度を把握する。その後、制御部７Ｄは、把握した冷媒圧力および冷媒温度に基づき、第２密閉容器３１内の冷媒密度およびオイル密度をデータベースや推定式などで推定し、第２実施形態と同様にヒータ８Ａの加熱量を調整して膨張機３の加熱を行う。

本実施形態の冷凍サイクル装置によれば、高価な圧力センサを使用せずに、第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。

（その他）
以上の各実施形態では、冷凍サイクル装置の運転中に膨張機構３２を通過する冷媒の温度が低下するために、断熱材４を用いて、場合によっては加熱手段を組み合わせて第２密閉容器３１内の冷媒の温度が低下することを防止しているが、全ての実施形態において膨張機構３２の周囲（吸入配管と吐出配管を含む）を断熱材で囲むことにより、膨張機構３２による第２密閉容器３１内の冷媒の冷却作用を低減することで、加熱手段は、さらに少ない加熱量で膨張機３の第２密閉容器３１内の冷媒の温度低下を防止することが可能である。

また、第２〜第５実施形態で示した計測手段６Ａ〜６Ｄおよび制御部７Ａ〜７Ｄを、他の実施形態のものと入れ替えて構成することも可能である。

本発明の第１の実施形態の冷凍サイクル装置の構成図 本発明の第２の実施形態の冷凍サイクル装置の構成図 本発明の第３の実施形態の冷凍サイクル装置の構成図 本発明の第４の実施形態の冷凍サイクル装置の構成図 本発明の第５の実施形態の冷凍サイクル装置の構成図 従来の冷凍サイクル装置の構成図 従来の冷凍サイクル装置の構成図

符号の説明

１１ 放熱器
１２ 蒸発器
１４ 第３配管
１４ａ バイパス部
１７ 均油管
１８ 均圧管
１９ 流量調整弁
２ 圧縮機
２１ 第１密閉容器
２２ 圧縮機構
２３ 電動機
２４ オイル貯留部
２５ 巻線
２６ シャフト
３ 膨張機
３１ 第２密閉容器
３２ 膨張機構
３３ 発電機
３４ オイル貯留部
３５ 巻線
３６ シャフト
８Ａ ヒータ（加熱手段）
８Ｂ 熱交換部（加熱手段）
４ 断熱材
４１ ダンパー
６１ 圧力センサ
６２〜６４ 温度センサ
６５ 電力計
６６〜６８ 温度センサ
７Ａ〜７Ｄ 制御部
９１，９２ 回転数計

Claims (15)

1. 底部にオイルが溜められ、その上側が冷媒で満たされる第１密閉容器、およびこの第１密閉容器内に配置され、冷媒を圧縮する圧縮機構、を有する圧縮機と、
   前記圧縮機構で圧縮された冷媒を放熱させる放熱器と、
   底部にオイルが溜められる第２密閉容器、この第２密閉容器内に配置され、膨張する冷媒から動力を回収する膨張機構、前記第２密閉容器内に配置される発電機、および前記膨張機構と前記発電機とを連結するとともに前記第２密閉容器の底部に溜められたオイルの汲み上げに供される動力回収シャフト、を有する膨張機と、
   前記膨張機構で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器と、を順に接続した冷凍サイクル装置であって、
   一端が前記第１密閉容器の底部に接続され、他端が前記第２密閉容器の底部に接続された均油管と、
   前記第１密閉容器と前記第２密閉容器との間で冷媒の流通を許容する均圧管と、
   前記膨張機を取り囲む断熱材と、をさらに備える冷凍サイクル装置。
2. 前記膨張機と前記断熱材との間に配置され、前記膨張機を加熱する加熱手段をさらに備える請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記加熱手段は、通電により発熱するヒータである請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記放熱器から前記膨張機に冷媒を送る配管をさらに備え、この配管は、前記膨張機と前記断熱材との間に介在する熱交換部を有しており、この熱交換部によって前記加熱手段が構成されている請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記配管は、前記熱交換部をバイパスするバイパス部を有しており、このバイパス部には、流量調整弁が設けられている請求項４に記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記断熱材は、前記膨張機を前記圧縮機と共に取り囲むものである請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
7. 前記断熱材には、通気口が設けられており、この通気口を開閉するダンパーをさらに備える請求項６に記載の冷凍サイクル装置。
8. 前記第２密閉容器内の冷媒密度およびオイル密度を求め、前記冷媒密度が前記オイル密度よりも所定量だけ小さな密度以上の場合に前記加熱手段による前記膨張機の加熱を行う制御部をさらに備える請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
9. 前記制御部は、前記第２密閉容器内の冷媒圧力および冷媒温度を把握し、この冷媒圧力および冷媒温度に基づき前記第２密閉容器内の冷媒密度およびオイル密度を推定するものである請求項８に記載の冷凍サイクル装置。
10. 前記第２密閉容器内のオイルまたは冷媒の圧力を計測する圧力センサをさらに備え、
    前記制御部は、前記圧力センサが計測した圧力を前記冷媒圧力として把握するものである請求項９に記載の冷凍サイクル装置。
11. 前記蒸発器の温度を計測する第１温度センサと、
    前記圧縮機に吸入される冷媒の温度を計測する第２温度センサと、
    前記圧縮機への入力電力を計測する電力計と、
    前記圧縮機の回転数を計測する回転数計と、をさらに備え、
    前記制御部は、前記第１温度センサおよび前記第２温度センサが計測した温度、前記電力計が計測した電力、ならびに前記回転数計が計測した回転数から前記冷媒圧力を把握するものである請求項９に記載の冷凍サイクル装置。
12. 前記蒸発器の温度を計測する第１温度センサと、
    前記圧縮機に吸入される冷媒の温度を計測する第２温度センサと、
    前記圧縮機から吐出される冷媒の温度を計測する第３温度センサと、をさらに備え、
    前記制御部は、前記第１温度センサ、前記第２温度センサ、および前記第３温度センサが計測した温度から前記冷媒圧力を把握するものである請求項９に記載の冷凍サイクル装置。
13. 前記蒸発器の温度を計測する第１温度センサと、
    前記圧縮機に吸入される冷媒の温度を計測する第２温度センサと、
    前記膨張機に吸入される冷媒の温度を計測する第３温度センサと、
    前記圧縮機の回転数を計測する第１回転数計と、
    前記膨張機の回転数を計測する第２回転数計と、をさらに備え、
    前記制御部は、前記第１温度センサ、前記第２温度センサ、および前記第３温度センサが計測した温度ならびに前記第１回転数計および前記第２回転数計が計測した回転数から前記冷媒圧力を把握するものである請求項９に記載の冷凍サイクル装置。
14. 前記第２密閉容器内のオイルの温度を計測する温度センサをさらに備え、
    前記制御部は、前記温度センサが計測した温度を前記冷媒温度として把握するものである請求項９に記載の冷凍サイクル装置。
15. 前記第２密閉容器の温度を計測する温度センサをさらに備え、
    前記制御部は、前記温度センサが計測した温度から前記冷媒温度を把握するものである請求項９に記載の冷凍サイクル装置。

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