JP4407013B2 - ヒートポンプ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２段圧縮機構を備えたヒートポンプ装置に関し、特に、圧縮機の潤滑油量の不足を防止する技術に係るものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、例えば特開平４−８０５４５号公報に示されているように、蒸発圧力が低くて高圧縮比の運転が要求されるヒートポンプ装置では、２段圧縮式冷凍サイクルが採用されている。この２段圧縮式冷凍サイクルの圧縮機構は、低段側圧縮機と高段側圧縮機とから構成され、一方の圧縮機のみを使用する単段圧縮運転と、両方の圧縮機を直列に使用する２段圧縮運転とを切り換えることができるようになっている。
【０００３】
ところで、上記ヒートポンプ装置においては運転動作に伴い各圧縮機から潤滑油が吐出冷媒と共に少しずつ吐出してゆくので、圧縮機の動きを良好に保つには上記吐出した潤滑油を圧縮機へ戻して潤滑油不足を防ぐ必要がある。そして、従来のヒートポンプ装置では、上記２段圧縮運転を行うことで低段側圧縮機からの吐出ガスが高段側圧縮機へ吸入され、この高段側圧縮機から吐出された潤滑油が元の低段側圧縮機に吸入されて、潤滑油が冷媒回路を循環することとなり、このことにより、高段側圧縮機及び低段側圧縮機での油切れを防止するようにしている。
【０００４】
また、一般に、例えば冷媒回路に冷媒から潤滑油を分離するための油分離器を設けて、この油分離器により分離された潤滑油を油戻し通路を介して圧縮機へ送ることで、圧縮機の潤滑油不足を防止する技術がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような従来の構成では、ヒートポンプ装置の運転方法によって潤滑油の流れの状態が変わり、冷媒と共に流出した潤滑油が冷媒回路内に滞留して圧縮機（特に高段側圧縮機）の油量が不足してくることがある。この場合、不足した圧縮機における潤滑油量を増やす目的で圧縮機の回転数を低下させて潤滑油を各圧縮機へ戻す油戻し運転が行われるが、その間、ヒートポンプ装置の能力が低下することとなる。
【０００６】
また、ヒートポンプ装置の起動時など、急激に冷媒の循環量が増すような場合にも圧縮機の潤滑油量が減少することがあるが、このような場合にも、ヒートポンプ装置の運転を適切に保つために各圧縮機の潤滑油量を適切に制御する必要がある。
【０００７】
本発明は、このような問題点に鑑みて創案されたものであり、その目的とするところは、ヒートポンプ装置の回路に工夫を凝らすことで、複数の圧縮機を有効に用い、ヒートポンプ装置の能力を低下させることなしに各圧縮機の油量制御を容易に行えるようにすることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、この発明では、冷媒回路中の所定位置に油分離器を設けるようにした。
【０００９】
具体的には、請求項１の発明では、冷媒を圧縮して吐出する低段側圧縮機（２１）、該低段側圧縮機（２１）から吐出された冷媒をさらに圧縮する高段側圧縮機（３１）、熱源側熱交換器（２５）、利用側熱交換器（４２）及び膨張手段が閉回路に接続されてなる冷媒回路を備えたヒートポンプ装置であって、上記低段側圧縮機（２１）から吐出された冷媒と、利用側熱交換器（４２）からの冷媒とが混合された冷媒を液冷媒及びガス冷媒に分離する気液分離器（５０）と、上記気液分離器（５０）で分離された液冷媒を熱源側熱交換器（２５）に供給する液出口管（５３）と、上記気液分離器（５０）で分離されたガス冷媒を高段側圧縮機（３１）に供給するガス出口管（５２）と、上記低段側圧縮機（２１）から吐出されて上記気液分離器（５０）に至る前の冷媒中から潤滑油を分離する低段側油分離器（３８Ｌ）と、上記低段側油分離器（３８Ｌ）で分離された潤滑油を上記高段側圧縮機（３１）の吸入側に供給する低段側の油戻し通路（３Ｌｗ）とを備え、上記低段側圧縮機（２１）、上記熱源側熱交換器（２５）及び上記膨張手段は室外ユニット（２０）に設けられ、上記利用側熱交換器（４２）は室内ユニット（４０）に設けられ、上記室外ユニット（２０）と上記室内ユニット（４０）との間には、上記高段側圧縮機（３１）及び上記気液分離器（５０）を備えた中間ユニット（３０）が設けられ、上記低段側油分離器（３８Ｌ）及び上記低段側の油戻し通路（３Ｌｗ）は、上記中間ユニット（３０）に設けられている。
【００１０】
上記の構成により、低段側圧縮機（２１）の吐出冷媒に含まれる潤滑油の一部が、低段側油分離器（３８Ｌ）で分離されて高段側圧縮機（３１）に供給されるため、高段側圧縮機（３１）において潤滑油不足は生じない。また、低段側圧縮機（２１）には、気液分離器（５０）内の液冷媒に含まれた潤滑油が戻るため、低段側圧縮機（２１）においても潤滑油不足は生じない。
【００１１】
すなわち、本発明では、高段側圧縮機（３１）で不足しがちな潤滑油を、低段側油分離器（３８Ｌ）で分離された潤滑油の供給により、ヒートポンプ装置の能力を低下させることなく効果的に調節制御する。また、ヒートポンプ装置の冷媒回路内に潤滑油が滞留して各圧縮機（２１），（３１）の潤滑油量の不足することを防止するとともに、ヒートポンプ装置自体の信頼性向上を図ることができる。
【００１２】
さらに、上記の構成により、従来の室外ユニット（２０）と室内ユニット（４０）とからなるヒートポンプ装置以外に、上記中間ユニット（３０）を備えて単段圧縮運転と２段圧縮運転とを切り換えを可能にして暖房能力の増大等を図ったオプション型のヒートポンプ装置にも本発明を適用することができ、ヒートポンプ装置のより一層の信頼性の向上を図ることができる。
【００１３】
請求項２の発明では、上記のヒートポンプ装置において、高段側圧縮機（３１）から吐出された冷媒中から潤滑油を分離する高段側油分離器（３８Ｈ）と、上記高段側油分離器（３８Ｈ）で分離された潤滑油を高段側圧縮機（３１）の吸入側に供給する高段側の油戻し通路（３Ｈｗ）とを備えた。
【００１４】
上記の構成により、高段側圧縮機（３１）の吐出冷媒に含まれる潤滑油の一部が、高段側油分離器（３８Ｈ）で分離されて高段側圧縮機（３１）に供給されるため、高段側圧縮機（３１）における潤滑油不足をより効果的に防止することができる。このため、ヒートポンプ装置の冷媒回路全体を流れる油量を、圧縮機の回転数を低下させることなく効果的に調節して、吐出ガスとともに流出した潤滑油が冷媒回路内に滞留して高段側圧縮機（３１）の潤滑油が不足するのを効率的に防止することができる。
【００１５】
請求項３の発明では、請求項２のヒートポンプ装置において、低段側油分離器（３８Ｌ）及び高段側油分離器（３８Ｈ）を切換作動させることにより、高段側圧縮機（３１）への潤滑油の戻し量を制御するように構成されている。
【００１６】
上記の構成により、複数の油分離器（３８Ｌ），（３８Ｈ）を切り換えて用いることで各圧縮機（２１），（３１）の潤滑油量を制御して、低段側及び高段側圧縮機（２１），（３１）に必要な潤滑油量のみを送ることができ、ヒートポンプ装置を適正な運転状態に保つことができる。このため、各圧縮機（２１），（３１）の油切れ及び潤滑油が冷媒回路内に溜まり込むことを防止してヒートポンプ装置の信頼性を向上させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
次に、本発明の実施形態１を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１８】
図１に示すように、本実施形態は、従来の室外ユニット（２０）及び室内ユニット（４０）以外に新たに中間ユニット（３０）を備えることで２段圧縮運転時のパワーアップ量を増大するように構成したものである。
【００１９】
具体的に、この実施形態の中間ユニット（３０）において、ガスライン（３Ｇ）は、室外ユニット（２０）側から気液分離器（５０）の入口管（５１）に接続され、さらに気液分離器（５０）のガス出口管（５２）が高段側圧縮機（３１）の吸込側に接続されるとともに、該高段側圧縮機（３１）の吐出側が室内ユニット（４０）側に接続して構成されている。
【００２０】
また、高段側圧縮機（３１）の吸込側と吐出側とにガスバイパス通路（３ａ）が接続され、ガスバイパス通路（３ａ）には閉鎖弁（３ｂ）が設けられている。なお、高段側圧縮機（３１）の吸込側のガスライン（３Ｇ）には閉鎖弁（３ｄ）が設けられ、吐出側のガスライン（３Ｇ）には逆止弁（３ｕ）が設けられている。
【００２１】
ガスライン（３Ｇ）には、気液分離器（５０）への流入側と高段側圧縮機（３１）の吐出側とに、それぞれ油分離器（３８Ｌ），（３８Ｈ）が設けられている。各油分離器（３８Ｌ），（３８Ｈ）は、閉鎖弁（３ｖ）を備えた油戻し通路（３Ｌｗ），（３Ｈｗ）を介して高段側圧縮機（３１）の吸込側に接続されている。
【００２２】
一方、中間ユニット（３０）の液ライン（３Ｌ）は、室内ユニット（４０）側から液膨張弁（３２）を介して気液分離器（５０）の入口管（５１）に接続され、さらに気液分離器（５０）の液出口管（５３）が逆止弁（３ｘ）を介して室外ユニット（２０）側に接続されて構成されている。この液ライン（３Ｌ）には、液膨張弁（３２）と室内ユニット（４０）の間と、逆止弁（３ｘ）と室外ユニット（２０）の間とに接続された液バイパス通路（３ｙ）が設けられ、液バイパス通路（３ｙ）には閉鎖弁（３ｚ）が設けられている。
【００２３】
このように、本実施形態では、低段側圧縮機（２１）の吐出側から気液分離器（５０）に接続されたガスライン（３Ｇ）の気液分離器（５０）への流入側と高段側圧縮機（３１）の吐出側とに、それぞれ油分離器（３８Ｌ），（３８Ｈ）が設けられている。
【００２４】
そして、以上の構成により、ヒートポンプ装置（１）の運転時には、低段側圧縮機（２１）の吐出冷媒と、高段側圧縮機（３１）の吐出冷媒とから吐出冷媒中に含まれる潤滑油を油分離器（３８Ｌ），（３８Ｈ）により分離して、さらにこの分離した潤滑油を高段側圧縮機（３１）へ供給するようにして冷媒回路が構成されている。
【００２５】
次に、上述したヒートポンプ装置（１）の冷暖房運転のうち、先ず、暖房運転において暖房負荷が大きい場合について説明する。
【００２６】
この暖房運転時は、低段側圧縮機（２１）と高段側圧縮機（３１）とを共に駆動して２段圧縮運転が行われる。この場合、四路切換弁（２２）は図１の実線の状態に設定される。また、室内膨張弁（４１）は全開に設定され、液膨張弁（３２）は、中間圧冷媒を生成するように所定開度に設定され、室外膨張弁（２４）は中間圧の冷媒を所定の低圧に減圧するように開度が設定される。さらに、高段側圧縮機（３１）の吸込側の閉鎖弁（３ｄ）が開かれる一方、ガスバイパス通路（３ａ）の閉鎖弁（３ｂ）と液バイパス通路（３ｙ）の閉鎖弁（３ｚ）とは閉鎖される。さらに、各油戻し通路（３Ｌｗ），（３Ｈｗ）の閉鎖弁（３ｖ）は開かれている。
【００２７】
この状態において、低段側圧縮機（２１）の吐出冷媒は、低段側油分離器（３８Ｌ）と気液分離器（５０）とを介して高段側圧縮機（３１）に吸入され、２段圧縮される。高段側圧縮機（３１）の吐出冷媒は、高段側油分離器（３８Ｈ）を介して凝縮器として作用する利用側熱交換器（４２）に流入し、室内空気と熱交換して該室内空気を加熱する。加熱された室内空気は図示しない室内ファンにより室内へ吹き出され、室内に温風が供給される。
【００２８】
利用側熱交換器（４２）での熱交換により凝縮した冷媒は、室内膨張弁（４１）を通過した後、液膨張弁（３２）で一部が膨張して中間圧の二相冷媒となって気液分離器（５０）に流入する。その際、二相冷媒は低段側圧縮機（２１）の吐出冷媒と混合されてから気液分離器（５０）に流入する。このため、二相冷媒の一部が蒸発して乾き度が高められるとともに、低段側の吐出ガス冷媒は二相冷媒によって冷却される。
【００２９】
そして、この気液分離器（５０）において潤滑油は液冷媒とともに全て室外ユニット（２０）へ送られ、高段側圧縮機（３１）へはガス冷媒のみが送られることとなる。室外ユニット（２０）を液冷媒と共に通過した潤滑油は再び気液分離器（５０）に至り、この気液分離器（５０）の液冷媒に潤滑油の殆どが残ることとなる。このように、潤滑油は基本的には高段側圧縮機（３１）へ流れず低段側圧縮機（２１）へ留まる構成となるため、このままでは高段側圧縮機（３１）への潤滑油量が不足する。このため、本実施形態では、気液分離器（５０）への流入側と高段側圧縮機（３１）の吐出側とに、それぞれ油分離器（３８Ｌ），（３８Ｈ）を設ける。
【００３０】
すなわち、本実施形態では低段側圧縮機（２１）の吐出冷媒に含まれる潤滑油の一部と、高段側圧縮機（３１）の吐出冷媒に含まれる潤滑油の一部は、各油分離器（３８Ｌ），（３８Ｈ）で分離されて高段側圧縮機（３１）に供給される構成となる。このため、高段側圧縮機（３１）において潤滑油不足は生じない。また、低段側圧縮機（２１）には、気液分離器（５０）内の液冷媒に含まれた潤滑油が戻るため、低段側圧縮機（２１）においても潤滑油不足は生じない。
【００３１】
また、気液分離器（５０）内の液冷媒は該気液分離器（５０）を流出して室外膨張弁（２４）で減圧され、蒸発器として作用する熱源側熱交換器（２５）に流入する。この冷媒は、熱源側熱交換器（２５）で室外空気と熱交換して加熱され、ガス冷媒に相変化して四路切換弁（２２）を通過し、低段側圧縮機（２１）に吸入される。
【００３２】
一方、気液分離器（５０）内のガス冷媒は、高段側圧縮機（３１）に吸入される。このとき、圧縮行程の途中で、低段側吐出ガス冷媒を、飽和ガスの状態まで確実に冷却できる。したがって、高段側圧縮機（３１）の吐出冷媒の温度上昇が抑えられる。また、気液分離器（５０）に流入する二相冷媒の乾き度が高められることで、利用側熱交換器（４２）を流れる冷媒の量が増加するため、より高い暖房能力を得ることができる。
【００３３】
次に、暖房負荷が小さい場合には、高段側圧縮機（３１）を停止して単段圧縮運転を行う。このとき、液膨張弁（３２）と、高段側圧縮機（３１）の吸込側の閉鎖弁（３ｄ）を閉鎖する一方、ガスバイパス通路（３ａ）の閉鎖弁（３ｂ）と液バイパス通路（３ｙ）の閉鎖弁（３ｚ）とは開かれる。さらに、各油戻し通路（３Ｌｗ），（３Ｈｗ）の閉鎖弁（３ｖ）は閉鎖される。なお、室内膨張弁（４１）は全開に設定され、室外膨張弁（２４）は高圧の冷媒を所定の低圧に減圧するように開度が制御される。
【００３４】
この状態で、低段側圧縮機（２１）の吐出冷媒は、気液分離器（５０）を経て利用側熱交換器（４２）へ流れ、室内空気と熱交換して凝縮する。そして、凝縮した液冷媒は、室内膨張弁（４１）、液バイパス通路（３ｙ）、受液器（２３）を経て室外膨張弁（２４）で減圧され、さらに熱源側熱交換器（２５）で蒸発した後、低段側圧縮機（２１）に戻る。
【００３５】
また、冷房運転は、四路切換弁（２２）を図１の破線側に切り換えて単段圧縮による暖房運転と逆方向に冷媒を流し、冷媒を熱源側熱交換器（２５）で凝縮させ、利用側熱交換器（４２）で蒸発させるサイクルにより行うことができる。
【００３６】
以上のように、本実施形態では、気液分離器（５０）への流入側及び高段側圧縮機（３１）の吐出側に、油分離器（３８Ｌ），（３８Ｈ）を設けることで高段側圧縮機（３１）へ必要な量の潤滑油を送ることができるようになり、ヒートポンプ装置（１）の冷媒回路全体を流れる潤滑油の量を各圧縮機（２１），（３１）の回転数を低下させることなく適切に調節制御でき、吐出ガスと共に流出した潤滑油が冷媒配管内に滞留することを防止してヒートポンプ装置（１）の信頼性を向上させることができる。また、低段側圧縮機（２１）には、気液分離器（５０）内の液冷媒に含まれた潤滑油が戻るため、低段側圧縮機（２１）においても潤滑油不足は生じない。
【００３７】
そして、高段側圧縮機（３１）の吐出冷媒に含まれる潤滑油の一部が、高段側圧縮機（３１）の吐出側に設けられた高段側油分離器（３８Ｈ）で分離されて高段側圧縮機（３１）に供給されるため、高段側油分離器（３８Ｈ）から吐出されて室内ユニット（４０）へ流れる潤滑油量を制御するとともに、気液分離器（５０）へ流れる潤滑油量を低減させることができる。
【００３８】
尚、本実施形態では、複数の油分離器（３８Ｌ），（３８Ｈ）を制御して切り換えて用いることもでき、このことで、低段側及び高段側圧縮機（２１），（３１）へ流れる潤滑油の量を調節して各圧縮機（２１），（３１）の油切れをより確実に防止してヒートポンプ装置（１）の信頼性を向上することができる。
（他の実施形態）
上記実施形態１においては、冷暖房運転を行うヒートポンプ装置（１）について説明したが、本発明は、暖房運転のみを行うものであってもよい。
【００３９】
また、上記低段側圧縮機（２１）は、１台の圧縮機を有するものであってもよい。また、上記室内ユニット（４０）は１台であってもよいことは勿論である。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明によると、低段側圧縮機、高段側圧縮機、熱源側熱交換器、利用側熱交換器及び膨張手段が閉回路に接続されてなる冷媒回路を備えたヒートポンプ装置であって、液出口管と、ガス出口管と、低段側油分離器と、低段側の油戻し通路とを備えた。また、請求項２の発明によると、高段側油分離器と、上記高段側油分離器で分離された潤滑油を高段側圧縮機の吸入側に供給する高段側の油戻し通路とを備えた。これらの発明により、高段側圧縮機における潤滑油不足をより効果的に防止することができる。そして、ヒートポンプ装置の回路全体を流れる潤滑油量を効果的に調節して、ヒートポンプ装置自体の信頼性の向上を図ることができる。
【００４１】
請求項３の発明によると、低段側油分離器及び高段側油分離器を切換作動させることにより、高段側圧縮機への潤滑油の戻し量を制御するように構成した。このことにより、各圧縮機の潤滑油量を制御して、低段側及び高段側圧縮機に必要な潤滑油量のみを送ることができ、ヒートポンプ装置を快適に保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態１を示す冷媒回路図である。
【符号の説明】
１ ヒートポンプ装置
２０ 室外ユニット
２１ 低段側圧縮機
２５ 熱源側熱交換器
２６，２７ 圧縮機
３０ 中間ユニット
３１ 高段側圧縮機
３８Ｌ 低段側油分離器
３８Ｈ 高段側油分離器
３ａ ガスバイパス通路
３ｃ，３ｄ 閉鎖弁
３Ｌｗ 低段側油戻し通路
３Ｈｗ 高段側油戻し通路
４０ 室内ユニット
４２ 利用側熱交換器
５０ 気液分離器
６０ 方向制御回路
２Ｇ，３Ｇ，４Ｇ ガスライン

Claims (3)

1. 冷媒を圧縮して吐出する低段側圧縮機（２１）、該低段側圧縮機（２１）から吐出された冷媒をさらに圧縮する高段側圧縮機（３１）、熱源側熱交換器（２５）、利用側熱交換器（４２）及び膨張手段が閉回路に接続されてなる冷媒回路を備えたヒートポンプ装置であって、
   上記低段側圧縮機（２１）から吐出された冷媒と、利用側熱交換器（４２）からの冷媒とが混合された冷媒を液冷媒及びガス冷媒に分離する気液分離器（５０）と、
   上記気液分離器（５０）で分離された液冷媒を熱源側熱交換器（２５）に供給する液出口管（５３）と、
   上記気液分離器（５０）で分離されたガス冷媒を高段側圧縮機（３１）に供給するガス出口管（５２）と、
   上記低段側圧縮機（２１）から吐出されて上記気液分離器（５０）に至る前の冷媒中から潤滑油を分離する低段側油分離器（３８Ｌ）と、
   上記低段側油分離器（３８Ｌ）で分離された潤滑油を上記高段側圧縮機（３１）の吸入側に供給する低段側の油戻し通路（３Ｌｗ）とを備え、
   上記低段側圧縮機（２１）、上記熱源側熱交換器（２５）及び上記膨張手段は室外ユニット（２０）に設けられ、
   上記利用側熱交換器（４２）は室内ユニット（４０）に設けられ、
   上記室外ユニット（２０）と上記室内ユニット（４０）との間には、上記高段側圧縮機（３１）及び上記気液分離器（５０）を備えた中間ユニット（３０）が設けられ、
   上記低段側油分離器（３８Ｌ）及び上記低段側の油戻し通路（３Ｌｗ）は、上記中間ユニット（３０）に設けられていることを特徴とするヒートポンプ装置。
2. 請求項１のヒートポンプ装置において、
   高段側圧縮機（３１）から吐出された冷媒中から潤滑油を分離する高段側油分離器（３８Ｈ）と、
   上記高段側油分離器（３８Ｈ）で分離された潤滑油を高段側圧縮機（３１）の吸入側に供給する高段側の油戻し通路（３Ｈｗ）とを備えたことを特徴とするヒートポンプ装置。
3. 請求項２のヒートポンプ装置において、
   低段側油分離器（３８Ｌ）及び高段側油分離器（３８Ｈ）を切換作動させることにより、高段側圧縮機（３１）への潤滑油の戻し量を制御するように構成されていることを特徴とするヒートポンプ装置。

Images