JP2009186054A

JP2009186054A - 冷凍サイクル装置

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Publication number: JP2009186054A
Application number: JP2008023897A
Authority: JP
Inventors: Takashi Okazaki; 多佳志岡崎; Suguru Hatomura; 傑鳩村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-02-04
Filing date: 2008-02-04
Publication date: 2009-08-20
Anticipated expiration: 2028-02-04
Also published as: JP4964160B2

Abstract

【課題】第１圧縮機と第２圧縮機のそれぞれに冷凍機油を確実に供給することができ、性能と信頼性の高い冷凍サイクル装置を提供する。
【解決手段】膨張機５aおよび膨張機５aの回収動力で駆動される第２圧縮機５bを用いる冷凍サイクル装置において、第１圧縮機１の出口部に油分離器６０を設け、分離された油を第２圧縮機５bの吸入部へ戻す構造として第２圧縮機５bへ確実に給油し、また、冷凍サイクル内の油循環率を低減させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、膨張機を使用する冷凍サイクル装置に関するものであり、特に膨張機および膨張機の回収動力で駆動する圧縮機へ給油を行う冷凍サイクル装置に関するものである。

以下、作動流体の膨張エネルギを機械エネルギに変換して利用し、ＣＯＰ向上を図る従来例について説明する。従来例では、作動流体の膨張エネルギを機械エネルギに変換する膨張機とこの膨張機で駆動される副圧縮機を一つの密閉容器に収納する。この容器内に主圧縮機から吐出した冷媒の一部を分岐させて流入させ、密閉容器内を吐出圧力と同一の高圧に保っている。

これにより、潤滑油の粘度を低下させるとともに、膨張機及び副圧縮機の摺動部に差圧によって十分な量の潤滑油を供給でき、シール性能も向上できる。さらに、密閉容器は液冷媒を溜めるレシーバタンクとしても兼用されるというものであった（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−３２５０１８号公報（請求項２、図１等）

このような従来の冷凍サイクル装置においては、膨張機と膨張機により駆動される副圧縮機とが主圧縮機の低段側に配置される２段圧縮の回路構成に関するものであるため、副圧縮機が高段側に配置される回路構成における副圧縮機への給油方法については考慮されていなかった。また、２段圧縮回路で中間冷却を行う場合、低段側の圧縮機から吐出された冷凍機油が中間冷却器へ滞留し、中間冷却器の伝熱性能が低下するという問題があった。特に、ＣＯ_２では油循環率に対する伝熱性能の低下が大きく、冷凍サイクルの効率（ＣＯＰ）が大幅に低下するという課題があった。

また、高段側の圧縮機から吐出される冷凍機油を分離する手段がなく、主放熱器内の油循環率が高くなり、性能が低下するという課題があった。

本発明は上記のような従来の冷凍サイクル装置の課題を解決するためになされたもので、膨張機を用いる冷凍サイクル装置において、油分離器および油戻し回路を適正に配置することで冷凍サイクル内の油循環率を低減し、高効率運転を実現することを目的とする。

この発明に係わる冷凍サイクル装置は、第１圧縮機と、前記第１圧縮機の出口部に設けられる第１油分離器と、膨張機と、前記膨張機の回収動力で駆動される第２圧縮機と、負荷側熱交換器と、第１熱源側熱交換器と、第２熱源側熱交換器とを備えた冷凍サイクル装置において、前記第１圧縮機と前記第２圧縮機とが直列に接続されるとともに、前記第１圧縮機と前記第２圧縮機との間に前記第２熱源側熱交換器が接続され、前記第１油分離器で分離された冷凍機油が前記第２圧縮機へ供給されるようにしたことを特徴とするものである。

また、この発明に係わる冷凍サイクル装置は、第１圧縮機と、前記第１圧縮機の出口部に設けられた第１油分離器と、膨張機と、前記膨張機の回収動力で駆動される第２圧縮機と、前記第２圧縮機の出口部に設けられた第２油分離器と、負荷側熱交換器と、第１熱源側熱交換器と、第２熱源側熱交換器とを備えた冷凍サイクル装置において、前記第１圧縮機と前記第２圧縮機とが直列に接続されるとともに、前記第１圧縮機と前記第２圧縮機との間に前記第２熱源側熱交換器が接続され、前記第１油分離器あるいは前記第２油分離器で分離された冷凍機油が、前記第１圧縮機または前記第２圧縮機の吸入部に供給されることを特徴とするものである。

また、この発明に係わる冷凍サイクル装置は、第１圧縮機と、前記第１圧縮機の出口部に設けられた第１油分離器と、膨張機と、膨張機の回収動力で駆動する第２圧縮機と、蒸発器と、第１放熱器と、第２放熱器とを備えた冷凍サイクル装置において、前記第２圧縮機と前記第１圧縮機とが直列に接続されるとともに、前記第１圧縮機と前記第２圧縮機との間に前記第２放熱器が接続され、前記第１油分離器で分離された冷凍機油が前記第２圧縮機へ供給されるようにしたことを特徴とするものである。

本発明によれば、膨張機および膨張機の回収動力で駆動される第２圧縮機を用いる冷凍サイクル装置において、油分離器を適正配置することで第２圧縮機へ確実に給油し、信頼性の高い冷凍サイクル装置を提供することができる。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１による冷凍サイクル装置について説明する。図１は、本発明の実施形態１に係る冷凍サイクル装置を示す模式図である。

図において、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置は、第１熱源側熱交換器である第１室外熱交換器３ａ、第２熱源側熱交換器である第２室外熱交換器３ｂを内蔵する室外ユニット１００、負荷側熱交換器である室内熱交換器９ａ、９ｂを内蔵する室内ユニット２００ａ、２００ｂ、室外ユニット１００と室内ユニット２００ａ、２００ｂとを接続するガス配管５１および液配管５２により構成されている。この冷媒回路の内部には冷媒として例えば臨界温度（約３１℃）以上で超臨界状態となる二酸化炭素が封入されている。

室外ユニット１００内には、冷媒ガスを圧縮するための第１圧縮機１、第１圧縮機１の出口部に設けられた第１油分離器６０、室内ユニット２００ａ、２００ｂの運転モードに応じて冷媒が流れる方向を切換える冷媒流路切換え手段である四方弁２および四方弁４、運転モードに応じて放熱器または蒸発器となる第１室外熱交換器３ａおよび第２室外熱交換器３ｂ、膨張機５ａと第２圧縮機５ｂが一体に構成された膨張機ユニット５、膨張機ユニット５のシェル側面に設けられた排油口６１、排油口６１から排出された油を第１圧縮機１の吸入部へ戻す減圧手段である毛細管６２、外気を強制的に第１室外熱交換器３ａ、第２室外熱交換器３ｂの外表面に送風するための図示しない送風機が収納され、室外に設置される。

また、第１室外熱交換器３ａが四方弁２と四方弁４の間に配置され、第２室外熱交換器３ｂが冷房運転時の第１圧縮機１と第２圧縮機５ｂの間に配置されている。膨張機ユニット５の内部には、膨張機５ａと第２圧縮機５ｂが配置され、それらは同軸で連結されており、内部圧力は第２圧縮機５ｂの吐出圧力とほぼ同じ高圧に保持されている。膨張機ユニット５は、例えば膨張機５ａと第２圧縮機５ｂが両方ともスクロール型の膨張機と圧縮機で構成されており、膨張機と圧縮機のスラスト方向荷重が両面で相殺される構造を有する。第２圧縮機５ｂにはバイパス流路が設けられ、バイパス流路中に開閉弁である逆止弁５３が設けられている。膨張機５ａと第２圧縮機５ｂの冷媒循環流量と動力を一致させるため、膨張機５ａの上流部には直列に開閉弁６（以下、予膨張弁６と呼ぶ）、並列に開閉弁７（以下、バイパス弁７と呼ぶ）が設けられている。また、第１室外熱交換器３ａと第２室外熱交換器３ｂの一端は、開閉弁である電磁弁５４を介して、他端は開閉弁である電磁弁５５を介して接続されている。また、第１圧縮機１出口から第２室外熱交換器３ｂへ至る配管には開閉弁である電磁弁５７が設けられ、第２室外熱交換器３ｂから第２圧縮機５ｂへ至る配管には開閉弁である電磁弁５８が設けられ、第２室外熱交換器３ｂのバイパス流路には開閉弁である電磁弁５６が設けられている。

室内ユニット２００ａ、２００ｂには、負荷側熱交換器である室内熱交換器９ａ、９ｂ、室内熱交換器９ａ、９ｂへの冷媒流量を調節する開度変更可能な電子膨張弁８ａ、８ｂ、室内空気を強制的に室内熱交換器９ａ、９ｂの外表面に送風するための図示しない送風機およびそれらを接続するための配管が内蔵されている。室内熱交換器９ａ、９ｂの一端は、ガス配管５１に接続され、他端は電子膨張弁８ａ、８ｂを介して液配管５２に接続されている。なお、本実施の形態では、室内ユニット２００ａ、２００ｂを２台としているが、１台あるいは３台以上としても良いことは言うまでもない。

上記のように構成された冷凍サイクル装置について運転動作を説明する。まず、冷房運転を行う場合を図１および図２に基づいて説明する。図２は、図１の冷媒回路中に示した記号Ａ〜Ｈにおける冷媒状態をＰ−ｈ線図上に示したものである。冷房運転では、室外ユニット１００内部の四方弁２は第１口２ａと第２口２ｂが連通し、第３口２ｃと第４口２ｄが連通するように設定され、四方弁４は第１口４ａと第４口４ｄが連通し、第２口４ｂと第３口４ｃが連通するように設定される（図１中実線）。また、予膨張弁６は全開、バイパス弁７は全閉され、電子膨張弁８ａ、８ｂは全開される。電磁弁５６は閉止、電磁弁５７、５８は開放される。この場合、基本的な減圧機能は膨張機５ａで実現し、室内熱交換器９ａ、９ｂの出口部に予め設定された適切な過熱度（例えば、５〜１０℃）が得られるように、電子膨張弁８ａ、８ｂが調節される。

このとき、第１圧縮機１から吐出された高温高圧のガス冷媒は、第１油分離器６０に流入し、圧縮機からガス冷媒に同伴されて流出した冷凍機油は、第１油分離器６０内で分離される。第１油分離器６０で分離された油は、第２圧縮機の吸入部に供給され、第２圧縮機へ給油される。第２圧縮機５ｂへ給油された油は、膨張機ユニット５の側面に設けられた排油口６１から第１圧縮機の吸入部に減圧手段である毛細管６２を介して返油される。第１油分離器６０を通過した冷媒（状態Ａ）は、電磁弁５６が閉止されているので、電磁弁５７を通過し、第２室外熱交換器３ｂである程度放熱して冷却され（状態Ｂ）、第２圧縮機５ｂに流入する。このとき、第１室外熱交換器３ａと第２室外熱交換器３ｂの間を接続する電磁弁５４、５５は閉止される。電磁弁５８を通過して膨張機５ａで駆動される第２圧縮機５ｂに流入した冷媒は、膨張機で回収された動力に釣合う分だけ圧縮される。このとき、第２圧縮機５ｂのバイパス流路に設けられた逆止弁５３は、圧力差の生じない起動時には開放状態となるが、膨張機５ａが動作して第２圧縮機５ｂが駆動すると、第２圧縮機の高低圧力差により閉止される。第２圧縮機５ｂから吐出された冷媒は、四方弁２の第１口２ａから第２口２ｂを通って（状態Ｃ）、第１室外熱交換器３ａで被加熱媒体である空気に放熱し（状態Ｄ）、四方弁４の第２口４ｂから第３口４ｃを経て予膨張弁６へ流入する。予膨張弁６で膨張機５ａの入口密度を調節された冷媒（状態Ｅ）は、膨張機５ａで減圧され、四方弁４の第１口４ａから第４口４ｄを通って、液配管５２を通過する（状態Ｆ）。このとき、膨張機５ａのバイパス弁７は、第２圧縮機５ｂを通過する冷媒流量、回収動力が釣合うように制御される。その後、冷媒は室内ユニット２００ａ、２００ｂ内の減圧手段８ａ、８ｂで少し減圧され（状態Ｇ）、室内熱交換器９ａ、９ｂで空調対象空間の熱負荷を処理した後、ガス配管５１に流入し、四方弁２の第４口２ｄから第３口２ｃを通って、第１圧縮機１に流入する（状態Ｈ）。このとき、室内熱交換器９ａあるいは室内熱交換器９ｂのどちらか一方の出口部が設定過熱度（例えば、５〜１０℃）とならない場合、減圧手段８ａ、８ｂは、室内熱交換器９ａ、９ｂの出口過熱度が同一となるように調整される。

つぎに、暖房運転について図１および図３に基づいて説明する。本実施の形態では、暖房運転時にも膨張機を利用する例を示すが、暖房運転時は膨張機５ａの入口部と第２圧縮機５ｂの入口部の密度比が大きくなるため、冷房運転時と同一の容積比では、冷媒循環流量と回収動力をバランスさせるための動力回収ロスが大きくなる。従って、必要に応じて四方弁４を廃止し、暖房運転時は膨張機ユニット５を利用しない回路構成としても良い。

本実施の形態における暖房運転では、室外ユニット１００内部の四方弁２は第１口２ａと第４口２ｄが連通し、第２口２ｂと第３口２ｃが連通するように設定され、四方弁４は第１口４ａと第２口４ｂが連通し、第３口４ｃと第４口４ｄが連通するように設定される（点線）。また、電磁弁５４、５５は開放状態、電磁弁５７、５８は閉止状態となる。この場合、室内ユニット２００ａ、２００ｂ内の電子膨張弁８ａ、８ｂは全開、基本的な減圧機能は膨張機５ａで実現される。減圧量が不足する場合は室内熱交換器９ａ、９ｂの両方の出口部に予め設定された適切な過冷却度（例えば、５〜１５℃）が得られるように、電子膨張弁８ａ、８ｂが調節される。ここで、二酸化炭素の場合の過冷却度とは、仮想飽和温度（例えば、臨界点におけるエンタルピーと動作圧力で定まる温度）と、室内熱交換器９ａ、９ｂの出口温度との差を示している。

このとき、第１圧縮機１で圧縮され高温高圧の超臨界状態となった冷媒（状態Ａ）は、第１油分離器６０に流入し、ガス冷媒に同伴されて流出した冷凍機油は第１油分離器６０内で分離される。第１油分離器６０で分離された油は、第２圧縮機５ｂの吸入部に供給され、第２圧縮機５ｂへの給油が行われる。第２圧縮機へ給油された油は、膨張機ユニット５の側面に設けられた排油口６１から第１圧縮機の吸入部に減圧手段である毛細管６２を介して返油される。第１油分離器６０を通過した冷媒は、電磁弁５７、５８が閉止しているので、電磁弁５６を通過して圧力が僅かに低下し（状態Ｂ）、第２圧縮機５ｂでさらに圧縮された後、四方弁２の第１口２ａから第４口２ｄ、ガス配管５１を経て室内ユニット２００ａ、２００ｂに流入する。室内ユニット２００ａ、２００ｂに流入した高温高圧の冷媒は、室内熱交換器９ａ、９ｂに流入して図示しない室内空気に放熱して室内を暖房すると共に自らは温度が低下する（状態Ｇ）。この中温高圧の冷媒は、電子膨張弁８ａ、８ｂを通過し（状態Ｆ）、液配管５２に流入する。液配管５２に流入した冷媒は、四方弁４の第４口４ｄ、第３口４ｃを通過し、予膨張弁６に流入する。予膨張弁６を流出した冷媒（状態Ｅ）は、膨張機５ａに流入し、四方弁４の第１口４ａ、第２口４ｂを通過し（状態Ｄ）、電磁弁５４、５５が開放状態となっているので、第１および第２室外熱交換器３ａ、３ｂに流入する。その後、第１および第２室外熱交換器３ａ、３ｂで蒸発したガス冷媒（状態Ｃ）は、四方弁２の第２口２ｂから第３口２ｃを経て第１圧縮機１の吸入部（状態Ｈ）へ戻る。

本実施の形態では、冷媒回路に四方弁２および開閉弁５４、５５、５６、５７、５８が設けられ、冷房運転時には第１熱源側熱交換器を高圧で、第２熱源側熱交換器を中間圧力で動作させ、暖房運転時には第１熱源側熱交換器および第２熱源側熱交換器ともに低圧として動作させることで、冷房および暖房の両運転で第２熱源側熱交換器を利用することができ、効率の高い冷凍サイクル装置を得ることができる。

ここで、膨張機ユニット５の詳細構造について図４に示す。図４は、膨張機５ａ、第２圧縮機５ｂともにスクロール構造を採用した膨張機ユニットであり、膨張機５ａは膨張機用固定スクロール３５１と膨張機用揺動スクロール３５２とから構成され、第２圧縮機５ｂは第２圧縮機用固定スクロール３６１と第２圧縮機用揺動スクロール３６２から構成されている。これらのスクロールの中心部には軸３０８が貫通しており、軸３０８の両端部にはバランスウェイト３０９ａ、３０９ｂが設けられ、軸３０８は膨張機用軸受け部３５１ｂ、第２圧縮機用軸受け部３６１ｂで支持されている。また、膨張機５ａの揺動スクロール３５２の背面と第２圧縮機５ｂの揺動スクロール３６２の背面とが背面合わせ構造となっている。その他、必要部品であるオルダムリング３０７、クランク部３０８ｂが設けられ、これらは全て密閉容器３１０内に収納されている。

このような構造を有する膨張機ユニット５において、膨張機と第２圧縮機の容積比（以下、膨圧容積比）を大きく（例えば、２．３以上に）設計すると、同一歯高では第２圧縮機５ｂからのスラスト荷重に対して膨張機５ａ側からのスラスト荷重が小さくなり、両面でスラスト荷重を相殺させることができないため、第２圧縮機５ｂと膨張機５ａを一体化した膨張機ユニット５の構成が難しくなる。また、第２圧縮機５ｂ側のスラスト荷重を減らすために第２圧縮機５ｂ側を極端に歯高の高い渦巻とすることもできるが、強度的な問題が発生する。従って、膨張機５ａ、第２圧縮機５ｂともにスクロール構造を有する膨張機ユニットでは、膨張圧縮容積比を例えば２．３以下の範囲に設定することで、性能面だけでなく、構造面でも信頼性の高い膨張機ユニットを構成することができる。

つぎに、膨張機５ａの制御方法について説明する。本実施の形態では、膨張機５ａの入口部に膨張機５ａと直列に設けた予膨張弁６と、膨張機５ａをバイパスするように設けたバイパス弁７を用い、膨張機５ａを通過する流量および回収した動力と第２圧縮機５ｂを通過する流量および動力が一致するように膨張機５ａを制御する。また、第２圧縮機をバイパスするバイパス流路を設け、バイパス流路中に開閉弁を設けたので、第２圧縮機が動作しない起動時でも冷媒回路内に確実に冷媒を流すことができる。

つぎに、放熱器（ガスクーラー）内の油循環率と熱伝達率の関係について説明する。図５は、油循環率と熱伝達率の関係を示している。横軸の油循環率の単位は重量％である。油循環率が０．３％付近から熱伝達率が急激に低下し、油循環率１％の熱伝達率は、油循環率０．１％のそれに比べ１／２以下となる。従って、放熱器内の油循環率を低減することで熱伝達率は向上し、冷凍サイクルの運転効率を向上させることができる。本実施の形態では、第１圧縮機の出口部に設置された第１油分離器６０で第１圧縮機から吐出される油を分離し、第２室外熱交換器３ｂ内の油循環率を低減させることができるため、第２室外熱交換器３ｂを効率良く使用することができ、効率の高い冷凍サイクル装置を提供することができる。ここで、第１油分離器６０の油分離効率は一般に低いものでも９０％程度有り、第１圧縮機から吐出される冷媒中の油循環率２％程度を油循環率０．２％程度まで低減することが可能である。

また、本実施の形態では、第２圧縮機５ｂの出口部には第１油分離器６０を設けていないが、一般に第２圧縮機５ｂの昇圧仕事は第１圧縮機１の昇圧仕事に比べて小さく、油吐出量も小さくなる。従って、第２圧縮機５ｂの出口部に油分離器を設けていない場合でも第１室外熱交換器３ａの油循環率を低く抑えることができ、高効率な冷凍サイクル装置を提供することができる。

また、第１油分離器６０で分離された油が第２圧縮機５ｂの吸入部へ戻り、第２圧縮機５ｂへ吸い込まれるため、膨張機ユニット５へ確実に給油することができ、信頼性の高い冷凍サイクル装置を提供することができる。また、第２圧縮機５ｂの胴部に排油口６１が設けられ、第２圧縮機５ｂ内の冷凍機油が第１圧縮機１の吸入部へ返油されるようにしたので、第１圧縮機へも確実に返油できる。

なお、本実施の形態では、四方弁４を用いて冷房運転、暖房運転ともに膨張機を使用する例を示したが、冷房運転時のみ膨張機５ａを使用する構成としても良い。その場合、四方弁４の第２口４ｂと第３口４ｃ、第１口４ａと第４口４ｄがそれぞれ配管で接続されて四方弁４が不要となる。このとき、冷房運転時は膨張機５ａを用いて動力回収する冷媒回路を、暖房運転時は膨張機５ａのバイパス弁を用いて動力回収しない冷媒回路を構成する。

また、本実施の形態では、膨張機５ａの例として図４に示す構造を示したが、これに限るものではなく、膨張機５ａ内部の膨張機構出入口部をバイパスする流路中にリリーフ弁を設け、膨張機５ａ前後の圧力差が所定値以上となる場合にリリーフ弁が開放される構成としても良い。この場合、所定の圧力差以上では、リリーフ弁が開放状態となるため圧力差に応じて膨張機を通過する冷媒循環量が自動的に調整され、膨張機５ａの外部に設けた電子膨張弁は不要となる。

以上より、第１圧縮機１の出口部に設置された第１油分離器６０で分離された油が、第２圧縮機５ｂへ確実に給油されるため、信頼性の高い冷凍サイクル装置を提供することができる。また、第２圧縮機５ｂの胴部に排油口が設けられ、第２圧縮機５ｂ内の冷凍機油が第１圧縮機１の吸入部へ返油されるようにしたので、第１圧縮機の信頼性を高めることができる。また、第１圧縮機から吐出される冷凍機油が中間冷却器である第２室外熱交換器３ｂへ流入するのを防止できるので高効率な冷凍サイクル装置を得ることができる。

また、第２圧縮機５ｂをバイパスするバイパス流路を設け、バイパス流路中に開閉弁である逆止弁５３を設けたので、第２圧縮機５ｂが動作しない起動時でも冷媒流量を確実に流すことができる。また、四方弁および開閉弁５４、５５、５６、５７、５８が設けられ、冷房運転時には第１熱源側熱交換器を高圧で、第２熱源側熱交換器を中間圧力で動作させ、暖房運転時には第１熱源側熱交換器および第２熱源側熱交換器ともに低圧として動作させることで、冷房および暖房の両運転で第２熱源側熱交換器を利用することができ、効率の高い冷凍サイクル装置を得ることができる。膨張機および第２圧縮機がどちらもスクロール型の背面を合わせた一体型構成であるため、コンパクトな膨張機ユニット５を構成することができる。さらに、冷媒として膨張動力回収効果の大きい二酸化炭素を用いたので、第２室外熱交換器３ｂに相当する中間冷却器や第１室外熱交換器３ａに相当する放熱器での油循環率の低減効果が大きくなる。

実施の形態２．
以下、本発明の実施の形態２による冷凍サイクル装置について説明する。図６は、本発明の実施形態２に係る冷凍サイクル装置を示す模式図であり、実施の形態１と異なるのは、第２圧縮機５ｂの出口部にも第２油分離器６３を設け、第２油分離器６３で分離した油を減圧手段である毛細管６４を介して第２圧縮機５ｂの吸入部に戻した点である。その他の構成は実施の形態１と同様であるため、詳細な説明を省略する。

つぎに冷房運転時の動作について説明する。第１室外熱交換器３ａと第２室外熱交換器３ｂの間に設置された電磁弁５４、５５および電磁弁５６は閉止され、電磁弁５７、５８は開放される。このとき、第１圧縮機１から吐出された高温高圧のガス冷媒は、第１油分離器６０に流入し、ガス冷媒に同伴されて流出した冷凍機油は第１油分離器６０内で分離される。第１油分離器６０で分離された油は、第２圧縮機５ｂの吸入部に供給され、第２圧縮機５ｂへの給油が行われる。第２圧縮機５ｂへ給油された油は、膨張機ユニット５の側面に設けられた排油口６１から第１圧縮機の吸入部に減圧手段である毛細管６２を介して返油される。第１油分離器６０を通過した冷媒は、電磁弁５６が閉止されているので、電磁弁５７を通過し、第２室外熱交換器３ｂである程度放熱して冷却され、電磁弁５８を通過して第２圧縮機５ｂに流入する。第２圧縮機５ｂに流入した冷媒は、膨張機５ａで回収された動力に釣合う分だけ圧縮される。第２圧縮機５ｂから吐出された冷媒は、第２油分離器６３に流入し、ガス冷媒に同伴されて流出した冷凍機油は第２油分離器６３内でさらに分離される。第２油分離器６３で分離された油は、減圧手段である毛細管６４を介して第２圧縮機５ｂの吸入部に供給され、第２圧縮機５ｂへの給油が行われる。第２油分離器６３を通過した冷媒は、四方弁２の第１口２ａから第２口２ｂを通って、第１室外熱交換器３ａで被加熱媒体である空気に放熱し、四方弁４の第２口４ｂから第３口４ｃを経て予膨張弁６へ流入する。予膨張弁６通過後から第１圧縮機１の吸入までの冷媒流れは実施の形態１と同様であるため詳細な説明を省略し、暖房時の運転動作についても同様に説明を省略する。

本実施の形態では、実施の形態１の効果に加え、第２圧縮機５ｂから吐出される冷凍機油を第２油分離器６３でさらに分離して第２圧縮機５ｂへ供給するため、第２圧縮機５ｂへ確実に給油できる。また、放熱器である第１室外熱交換器３ａへ冷凍機油が流入するのを確実に防止でき、高効率な冷凍サイクル装置を得ることができる。本実施の形態では、第２油分離器６３からの戻し配管を第１油分離器６０の戻し配管と合流させ、第２圧縮機５ｂの吸入部に接続する構成としたが、第１圧縮機１の吸入部に接続する構成としても良い。

以上より、本実施の形態では、実施の形態１の効果に加え、第２圧縮機５ｂから吐出される冷凍機油を第２油分離器６３で分離し、第２圧縮機５ｂへ確実に戻すとともに、冷凍機油が中間冷却器だけでなく放熱器へ流入するのも防止でき、高効率な冷凍サイクル装置を得ることができる。

実施の形態３．
以下、本発明の実施の形態３による冷凍サイクル装置について説明する。図７は、本発明の実施形態３に係る冷凍サイクル装置を示す模式図であり、実施の形態１および実施の形態２と異なるのは、第１油分離器６０および第２油分離器６３で分離した冷凍機油を第１圧縮機１および第２圧縮機５ｂの吸入部にそれぞれ戻すとともに、第１圧縮機１の吸入部へは膨張機ユニット５のシェル側面部に設けた排油口６１から冷凍機油を戻す構成とした点である。その他の構成は実施の形態１と同様であるため、詳細な説明を省略する。

つぎに冷房運転時の動作について説明する。第１室外熱交換器３ａと第２室外熱交換器３ｂの間に設置された電磁弁５４、５５および電磁弁５６は閉止され、電磁弁５７、５８は開放される。このとき、第１圧縮機１から吐出された高温高圧のガス冷媒は、第１油分離器６０に流入し、ガス冷媒に同伴されて流出した冷凍機油は第１油分離器６０内で分離される。第１油分離器６０で分離された油は、減圧手段である毛細管６２を介して第１圧縮機１の吸入部に戻り、第１圧縮機へ再給油される。第１油分離器６０を通過した冷媒は、電磁弁５６が閉止されているので、電磁弁５７を通過し、第２室外熱交換器３ｂである程度放熱して冷却され、電磁弁５８を通って第２圧縮機５ｂに流入する。電磁弁５８を通過して膨張機５ａで駆動される第２圧縮機５ｂに流入した冷媒は、膨張機で回収された動力に釣合う分だけ圧縮される。第２圧縮機５ｂから吐出された冷媒は、第２の油分離器６３に流入し、ガス冷媒に同伴されて流出した冷凍機油は第２油分離器６３内で分離される。油分離器６３で分離された油は、減圧手段である毛細管６４を介して第２圧縮機５ｂの吸入部に戻り、第２圧縮機５ｂへ再給油される。第２圧縮機５ｂへ給油された油は、膨張機ユニット５の側面に設けられた排油口６１から第１圧縮機５ｂの吸入部に減圧手段である毛細管６５を介して返油される。第２油分離器６３を通過した冷媒は、四方弁２の第１口２ａから第２口２ｂを通って、第１室外熱交換器３ａで被加熱媒体である空気に放熱し、四方弁４の第２口４ｂから第３口４ｃを経て予膨張弁６へ流入する。予膨張弁６通過後から第１圧縮機１の吸入までの冷媒流れは実施の形態１と同様であるため詳細な説明を省略し、暖房時の運転動作についても同様に説明を省略する。

ここで、第１油分離器６０と第２油分離器６３の油分離効率の関係について述べる。第１油分離器６０出口部の油循環率をＧｒｏ１（％）、第２油分離器６３出口部の油循環率をＧｒｏ２（％）とすると、第２圧縮機５ｂの油面が低下しない条件は、冷凍機油の流入流量が流出流量よりも大きいことであるから、排油口６１から毛細管６５を介して返油される流量を０とした場合でも、Ｇｒｏ２≦Ｇｒｏ１が成立する必要がある。例えば、第１圧縮機１出口部の油循環率と第２圧縮機出口部の油循環率が等しい場合、Ｇｒｏ２≦Ｇｒｏ１が成立するためには、第１圧縮機の出口部に設けた第１油分離器６０の油分離効率を、第２圧縮機の出口部に設けた第２油分離器６３の油分離効率よりも低くする必要がある。第１油分離器６０の油分離効率を第２油分離器６３の油分離効率よりも高くすると、第２圧縮機５ｂ内の油面が低下し、油枯渇に至る可能性が生じる。本実施の形態では、第１油分離器６０の油分離効率よりも第２油分離器６３の油分離効率が高くなるように構成しているので、膨張機ユニット５の油面が低下せず、信頼性の高い冷凍サイクル装置を提供することができる。

以上より、本実施の形態では、実施の形態１の効果に加え、第２油分離器６３を設けたので第２圧縮機５ｂから吐出される冷凍機油が放熱器である第１室外熱交換器３ａへ流入するのを防止でき、高効率な冷凍サイクル装置を得ることができる。また、第１油分離器６０の油分離効率よりも第２油分離器６３の油分離効率が高くなるように第１および第２の油分離器を構成しているので、第２圧縮機５ｂ内の油面が低下せず、信頼性の高い冷凍サイクル装置を提供することができる。

実施の形態４．
以下、本発明の実施の形態４による冷凍サイクル装置について説明する。図８は、本発明の実施形態４に係る冷凍サイクル装置を示す模式図である。実施の形態１とは異なり、第１および第２室外熱交換器３ａ、３ｂが水熱交換器（以下、放熱器と呼ぶ）となり、室内熱交換器９が室外熱交換器（以下、蒸発器と呼ぶ）となる給湯器の例を示している。実施の形態１との具体的な構成の違いは、四方弁２、４が無いこと、第１室外熱交換器３ａ及び第２室外熱交換器３ｂが水と冷媒との熱交換器に変更され、放熱器として動作する点、室内熱交換器が室外熱交換器に変更され、蒸発器として動作する点である。また、実施の形態３と同様に、第２油分離器６３を設け、第１油分離器６０および第２油分離器６３で分離した油を第１圧縮機１および第２圧縮機５ｂの吸入部にそれぞれ戻し、膨張機ユニット５のシェル側面部に設けた排油口６１から第１圧縮機１の吸入部へ戻している。その他の構成は実施の形態１と同様であるため、詳細な説明を省略する。

給湯時の運転動作について説明する。予膨張弁６は開放され、バイパス弁７は閉止される。このとき、第１圧縮機１から吐出された高温高圧のガス冷媒は、第１油分離器６０に流入し、ガス冷媒に同伴されて流出した冷凍機油は第１油分離器６０内で分離される。第１油分離器６０で分離された油は、減圧手段である毛細管６２を介して第１圧縮機１の吸入部に戻り、第１圧縮機へ再給油される。第１油分離器６０を通過した冷媒は、第２放熱器３ｂである程度放熱して冷却され、第２圧縮機５ｂに流入する。第２圧縮機５ｂに流入した冷媒は、膨張機で回収された動力に釣合う分だけ圧縮される。第２圧縮機５ｂから吐出された冷媒は、第２の油分離器６３に流入し、ガス冷媒に同伴されて流出した冷凍機油は第２油分離器６３内で分離される。油分離器６３で分離された油は、減圧手段である毛細管６４を介して第２圧縮機５ｂの吸入部に戻り、第２圧縮機５ｂへ再給油が行われる。第２圧縮機５ｂへ給油された油は、膨張機ユニット５の側面に設けられた排油口６１から第１圧縮機５ｂの吸入部に減圧手段である毛細管６５を介して返油される。第２油分離器６３を通過した冷媒は、第１放熱器３ａで被加熱媒体である水に放熱し、バイパス弁７が閉止されているので、予膨張弁６へ流入する。予膨張弁６で膨張機５ａの入口密度を調節された冷媒は、膨張機５ａで減圧され、液配管５２を通過する。液配管５２を通過した冷媒は、蒸発器９で空気から採熱して自らは蒸発し、ガス配管５１を通過して第１圧縮機１へ戻る。

このような動作によって、第１放熱器３ａおよび第２放熱器３ｂで水が冷媒からの熱を受けて加熱され、高温水が供給される。このとき、第１放熱器３ａおよび第２放熱器３ｂを流れる水回路（図８には図示せず）は、直列や並列など、どのような構成であっても良く、第１油分離器６０および第２油分離器６３の油分離効果は、同様に発揮される。

以上より、本実施の形態では、実施の形態１の効果に加え、第１圧縮機１および第２圧縮機５ｂから吐出される冷凍機油が第１および第２放熱器へ流入するのを防止でき、高効率な冷凍サイクル装置を得ることができるという効果がある。

本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の構成を示す図である。本発明の実施の形態１に係るＰ−ｈ線図上での冷房運転の動作を示す図である。本発明の実施の形態１に係るＰ−ｈ線図上での暖房運転の動作を示す図である。本発明の実施の形態１に係る膨張機の断面を示す図である。本発明の実施の形態１に係る油循環率に対する熱伝達率の関係を示す図である。本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の構成を示す図である。本発明の実施の形態３に係る冷凍サイクル装置の構成を示す図である。本発明の実施の形態４に係る冷凍サイクル装置の構成を示す図である。

符号の説明

１第１圧縮機、２、４四方弁、３ａ、３ｂ室外熱交換器（放熱器）、５膨張機ユニット、５ａ膨張機、５ｂ第２圧縮機、６、７、８ａ、８ｂ電子膨張弁、９室内熱交換器（蒸発器）、９ａ、９ｂ室内熱交換器、５１ガス配管、５２液配管、５３逆止弁、５４、５５、５６、５７、５８電磁弁、６１排油口、６０、６３油分離器、６２、６４、６５毛細管、１００室外ユニット、２００ａ、２００ｂ室内ユニット、３０７オルダムリング、３０８軸、３０８ｂクランク部、３０９ａ、３０９ｂバランスウェイト、３１０密閉容器、３１２第２圧縮機吸入管、３１３膨張機吸入管、３１４第２圧縮機吐出管、３１５膨張機吐出管、３５１膨張機用固定スクロール、３５１ｂ膨張機軸受け部、３５２膨張機用揺動スクロール、３６１第２圧縮機用固定スクロール、３６１ｂ第２圧縮機軸受け部、３６２第２圧縮機用揺動スクロール。

Claims

第１圧縮機と、前記第１圧縮機の出口部に設けられる第１油分離器と、膨張機と、前記膨張機の回収動力で駆動される第２圧縮機と、負荷側熱交換器と、第１熱源側熱交換器とを備えた冷凍サイクル装置において、
前記第１圧縮機と前記第２圧縮機とが直列に接続されるとともに、前記第１油分離器で分離された冷凍機油が前記第２圧縮機へ供給されるようにしたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
前記第１圧縮機と前記第２圧縮機との間に第２熱源側熱交換器が接続されていることを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
前記第２圧縮機の胴部に排油口が設けられ、前記第２圧縮機内の冷凍機油が前記第１圧縮機または前記第２圧縮機の吸入部へ返油されるようにしたことを特徴とする請求項１あるいは２に記載の冷凍サイクル装置。
前記第２圧縮機の排油口と前記第１圧縮機または前記第２圧縮機の吸入部との間に減圧手段が設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
前記第２圧縮機の出口部に第２油分離器が設けられ、前記第２油分離器で分離された油を第１または第２圧縮機の吸入部へ供給することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
第１圧縮機と、前記第１圧縮機の出口部に設けられた第１油分離器と、膨張機と、前記膨張機の回収動力で駆動される第２圧縮機と、前記第２圧縮機の出口部に設けられた第２油分離器と、負荷側熱交換器と、第１熱源側熱交換器とを備えた冷凍サイクル装置において、
前記第１圧縮機と前記第２圧縮機とが直列に接続されるとともに、前記第１油分離器あるいは前記第２油分離器で分離された冷凍機油が、前記第１圧縮機または前記第２圧縮機の吸入部に供給されることを特徴とする冷凍サイクル装置。
前記第１圧縮機と前記第２圧縮機との間に第２熱源側熱交換器が接続されていることを特徴とする請求項６に記載の冷凍サイクル装置。
前記第１油分離器の油分離効率よりも前記第２油分離器の油分離効率が高くなるように前記第１および第２油分離器が構成されていることを特徴とする請求項６あるいは７に記載の冷凍サイクル装置。
前記第２圧縮機の胴部に排油口が設けられ、前記第２圧縮機内の冷凍機油が前記第１圧縮機または前記第２圧縮機の吸入部へ給油されるようにしたことを特徴とする請求項６〜８のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
前記第２圧縮機の排油口と前記第１圧縮機または前記第２圧縮機の吸入配管との間に減圧手段が設けられていることを特徴とする請求項６〜９のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
四方弁が設けられ、冷却運転時には第１熱源側熱交換器を高圧で、第２熱源側熱交換器を中間圧力で動作させ、加熱運転時には第１熱源側熱交換器および第２熱源側熱交換器ともに低圧として動作させ、冷却、加熱運転ともに第２熱源側熱交換器を用いることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
前記第２熱源側熱交換器の出入口がそれぞれ２つに分岐され、入口側の一端が第１圧縮機の吐出部へ、入口側の他端が第１熱源側熱交換器の液管側へ、出口側の一端が第２圧縮機の吸入部へ、出口側の他端が第１熱源側熱交換器のガス管側へ、それぞれ接続されるようにしたことを特徴とする請求項１１に記載の冷凍サイクル装置。
前記第２熱源側熱交換器の２つに分岐された出口および入口のそれぞれに開閉弁を設けたことを特徴とする請求項１２に記載の冷凍サイクル装置。
第１圧縮機と、前記第１圧縮機の出口部に設けられた第１油分離器と、膨張機と、膨張機の回収動力で駆動する第２圧縮機と、蒸発器と、第１放熱器とを備えた冷凍サイクル装置において、
前記第２圧縮機と前記第１圧縮機とが直列に接続されるとともに、前記第１油分離器で分離された冷凍機油が前記第２圧縮機へ供給されるようにしたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
前記第１圧縮機と前記第２圧縮機との間に第２放熱器が接続されていることを特徴とする請求項１４に記載の冷凍サイクル装置。
前記第２圧縮機をバイパスするバイパス流路を設け、バイパス流路中に開閉弁を設けたことを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
前記膨張機および第２圧縮機がどちらもスクロール型の一体型構成であることを特徴とする請求項１〜１６いずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
冷媒として二酸化炭素を用いることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。