JP5017037B2

JP5017037B2 - 冷凍サイクル装置

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Publication number: JP5017037B2
Application number: JP2007248728A
Authority: JP
Inventors: 貴至井上; 大松浦; 晴久山崎
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2007-09-26
Filing date: 2007-09-26
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2027-09-26
Also published as: JP2009079820A

Description

本発明は、圧縮機の冷媒吐出配管に接続されたオイルセパレータを備え、このオイルセパレータにて分離されたオイルを、返油回路を経て圧縮機に戻して成る冷凍サイクル装置に関するものである。

従来よりこの種冷凍サイクル装置は、圧縮機が運転されると冷媒ガスは吸込ポートから１段目のシリンダの低圧室側に吸入され、１段目の圧縮が行われて中間圧となりシリンダの高圧室側より吐出ポートを通り、オイルセパレータを兼ねたマフラー内に流入して速度を落とす。これによって、冷媒ガスの脈動が平準化されて、密閉容器内に吐出される。密閉容器内に吐出された冷媒ガスは、吸込ポートから２段目のシリンダの低圧室側に吸入され、２段目の圧縮が行われて高温高圧の冷媒ガスとなり高圧室側からガスクーラに流入し、そこで放熱して冷却される。

ガスクーラを出た冷媒ガスは、膨張弁で減圧された後、蒸発器に流入して蒸発する。そして、蒸発器に流入した冷媒が蒸発する時に周囲から奪う気化熱により、周囲の空気が冷却されて冷却庫内の冷却や、冷房などが行われる。蒸発器で蒸発した冷媒蒸気はアキュムレータ（気液分離器）を経て吸込ポートから１段目のシリンダの低圧室側に吸い込まれるサイクルを繰り返す（特許文献１参照）。

該冷凍サイクル装置は、内径の細い返油管にてマフラー（オイルセパレータ）の底部と密閉容器の底部が連結されている。そして、圧縮冷媒と共にオイルセパレータ内に流入して速度を落とした冷媒ガスは、そこで冷凍機油（オイル）と冷媒ガスとが分離する。分離した冷媒ガスは、２段目のシリンダの低圧室側に吸入され、オイルは一旦オイルセパレータの底部に溜まり、密閉容器内に戻るように構成されていた。
特開２００３−１６６４７２号公報

しかしながら、オイルセパレータにより分離されたオイルを直接圧縮機に戻すと、液冷媒が混ざったままの状態で圧縮機に戻ることになる。液冷媒が混ざったオイルが圧縮機に戻ると、密閉容器内でフォーミングを起こしてしまい圧縮機の信頼性を確保できない。また、オイルセパレータ内のオイルが空になり、冷媒ガスが圧縮機に戻った場合、冷却作用を発揮せずに圧縮機に戻るため大きなロスが発生してしまうことになる。そこで、従来ではオイルセパレータ内にフロート弁やフロートスイッチを設けて、オイルセパレータ内のオイルが空にならないように返油量を制御していたが、二酸化炭素ガス（ＣＯ₂）を使用した冷媒回路では、高圧でフロートが潰れてしまうなどといった不都合があるため、フロートを使用できない。このため、キャピラリチューブを使用してオイルセパレータ内のオイルを密閉容器内に返油していたが、外気温度によってオイル粘度が変化した場合には適切な返油量が得られなかった。

このような理由から、二酸化炭素ガス冷媒に対応するフロート弁やフロートスイッチ等の製作を考えた場合、１０ＭＰａ以上という高耐圧設計が必要になり、フロート弁やフロートスイッチ等が高価且つ大型化してしまう。該フロート弁やフロートスイッチ等が大型化してしまうと、オイルセパレータも大型化にしなければならず、オイルセパレータの高耐圧設計が困難になる。そのため、二酸化炭素ガス冷媒を用いた冷凍サイクル装置では、キャピラリチューブなどの減圧装置のみで返油しているのが実情であった。

係る、冷凍サイクル装置が例えば自動販売機のような屋外設置の場合、夏季と冬季とでは外気に数十度という温度差があり、返油されるオイルも数十度の温度幅を持つことになる。これによって、オイルの粘度が大きく変化してしまうため、キャピラリチューブ等の固定減圧機構では、適切な返油量の制御ができないという問題があった。

本発明は、係る従来技術の課題を解決するために成されたものであり、外気温度によってオイル粘度が変化した場合にも、適切な返油を行うことができる冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

即ち、本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機の冷媒吐出配管に接続されたオイルセパレータを備え、二酸化炭素を冷媒として用い、オイルセパレータにて分離されたオイルを、返油回路を経て圧縮機に戻して成るものであって、返油回路に設けられ、絞り量を制御可能とされた減圧機構と、該減圧機構における絞り量を制御する制御装置とを備え、該制御装置は、減圧機構に流入する流体の温度Ｔ１と、当該減圧機構から流出する流体の温度Ｔ２との差に基づき、減圧機構における絞り量を制御することを特徴とする。

また、請求項２の発明の冷凍サイクル装置は、請求項１において、制御装置は、温度Ｔ１とＴ２の差が大きい場合は減圧機構における絞り開度を小さくし、小さい場合には絞り開度を大きくする方向で制御することを特徴とする。

また、請求項３の発明の冷凍サイクル装置は、請求項１又は請求項２において、制御装置は、少なくとも冷媒が一部返油回路から圧縮機に戻るように減圧機構を制御することを特徴とする。

請求項１の発明によれば、圧縮機の冷媒吐出配管に接続されたオイルセパレータを備え、二酸化炭素を冷媒として用い、オイルセパレータにて分離されたオイルを、返油回路を経て圧縮機に戻して成る冷凍サイクル装置において、返油回路に設けられ、絞り量を制御可能とされた減圧機構と、この減圧機構における絞り量を制御する制御装置とを備え、この制御装置は、減圧機構に流入する流体の温度Ｔ１と、当該減圧機構から流出する流体の温度Ｔ２との差に基づき、減圧機構における絞り量を制御するようにしたので、例えば、請求項２の発明のように制御装置により、温度Ｔ１とＴ２の差が大きい場合は減圧機構における絞り開度を小さくし、小さい場合には絞り開度を大きくする方向で制御して、請求項３の発明の如く少なくとも冷媒が一部返油回路から圧縮機に戻るように減圧機構を制御することにより、圧縮機から吐出されたオイルの全て、或いは、殆ど全てをオイルセパレータより圧縮機に戻すことができるようになる。これにより、同様に冷媒回路に流出するオイルを削減し、或いは、オイルの流出を阻止し、圧縮機のオイル枯渇を防止して冷凍サイクル装置としての性能と信頼性の向上を図ることができるようになる。

特に、オイルセパレータ内の油面を制御するためのフロート弁やフロートスイッチ等が不要となるので、例えば高圧側が極めて高圧の超臨界圧力となる二酸化炭素を冷媒として用いた冷凍サイクル装置や、圧縮機を複数台並列接続して使用する冷凍サイクル装置に著しく好適である。また、比較的簡単な構成で実現できるので、コスト的にも利点が大きい。

本発明は、外気温度によってオイル粘度が変化した場合にも適切な返油を行うことを特徴とする。オイル粘度が変化した場合にも適切な返油を行うという目的を、外気温度に基づいて減圧機構の絞り量を制御することで実現した。

次に、図面に基づき本発明の実施の形態を詳述する。図１は本発明の参考例１の冷凍サイクル装置１を構成する、第１及び第２の回転圧縮要素を備えた内部中間圧型多段（２段）圧縮式のロータリコンプレッサ（圧縮機）１０の縦断側面図である。

この図において、１０は二酸化炭素（ＣＯ₂）を冷媒として使用する内部中間圧型の多段圧縮式ロータリコンプレッサ（本発明の圧縮機に相当）で、このロータリコンプレッサ１０は鋼板からなる円筒状の密閉容器１２と、この密閉容器１２の内部空間の上側に配置収納された電動要素１４及びこの電動要素１４の下側に配置され、電動要素１４の回転軸１６により駆動される第１の回転圧縮要素３２（１段目）及び第２の回転圧縮要素３４（２段目）からなる圧縮機構部１８にて構成されている。

密閉容器１２は底部をオイル溜め５８とし、電動要素１４と圧縮機構部１８を収納する容器本体１２Ａと、この容器本体１２Ａの上部開口を閉塞する略椀状のエンドキャップ（蓋体）１２Ｂとで構成されている。このエンドキャップ１２Ｂの上面中心には円形の取付孔１２Ｄが形成されており、この取付孔１２Ｄには電動要素１４に電力を供給するためのターミナル（配線を省略）２０が取り付けられている。

該電動要素１４は、密閉容器１２の上部空間の内周面に沿って環状に取り付けられたステータ２２と、このステータ２２の内側に若干の間隔を設けて挿入設置されたロータ２４とから構成されている。このロータ２４は中心を通り鉛直方向に延びる前記回転軸１６に固定されている。

ステータ２２は、ドーナッツ状の電磁鋼板を積層した積層体２６と、この積層体２６の図示しない歯部に直巻き（集中巻き）方式により巻装されたステータコイル２８を有している。また、ロータ２４もステータ２２と同様に電磁鋼板の積層体３０で形成され、この積層体３０内に永久磁石ＭＧを埋設して構成されている。前記第１の回転圧縮要素３２と第２の回転圧縮要素３４との間には中間仕切板３６が挟持されている。

即ち、圧縮機構部１８の第１の回転圧縮要素３２と第２の回転圧縮要素３４は、中間仕切板３６と、この中間仕切板３６の上下に配置された上側のシリンダ３８、下側のシリンダ４０と、１８０度の位相差を有して回転軸１６に設けた上下の偏心部４２、４４に嵌合されて上下のシリンダ３８、４０内を偏心回転する上下のローラ４６、４８と、コイルバネ７６、７７と背圧により付勢されて先端をこれら上下のローラ４６、４８にそれぞれ当接させ、上下のシリンダ３８、４０内をそれぞれ低圧室側ＬＲと高圧室側ＨＲ（図２）に区画する上下のベーン５０、５２と、シリンダ３８の上側の開口面及びシリンダ４０の下側の開口面を閉塞して回転軸１６の軸受けを兼用する支持部材としての上部支持部材５４及び下部支持部材５６にて構成されている。

回転軸１６内には上下に渡って図示しない給油通路が形成されており、この給油通路の下端は回転軸１６の下端に設けられた図示しないオイルポンプに連通し、上端は電動要素１４の上端において開放している。そして、オイル溜め５８に帰還したオイルはオイルポンプで汲み上げられ給油通路から第１の回転圧縮要素３２と第２の回転圧縮要素３４のシリンダ３８、４０や回転軸１６の軸受け（上部支持部材５４及び下部支持部材５６）等の摺動部に供給されて潤滑する。

一方、上部支持部材５４及び下部支持部材５６には、吸込ポート５５（図２。下部支持部材５６は図示せず）にて上下のシリンダ３８、４０の内部とそれぞれ連通する吸込通路６０（上部支持部材５４は図示せず）と、一部を凹陥させ、この凹陥部を上カバー６６、下カバー６８にて閉塞することにより形成される吐出消音室６２、６４とが設けられている。

尚、吐出消音室６４と密閉容器１２内とは、上下のシリンダ３８、４０や中間仕切板３６を貫通する図示しない連通路にて連通されている。該連通路の上端には中間吐出管１２１が立設され、この中間吐出管１２１から第１の回転圧縮要素３２で圧縮された中間圧の冷媒が密閉容器１２内に吐出される。

次に、第２の回転圧縮要素３４の、ベーン５０の周辺構造を、図２を参照して詳しく説明する。シリンダ３８には前記吐出消音室６２と図示しない吐出弁を介して連通する吐出ポート７０と前述した吸込ポート５５が形成されており、これらの間に位置してシリンダ３８には半径方向に延在する案内溝７２が形成されている。そして、前記ベーン５０はこの案内溝７２内に摺動自在に収納されている。

ベーン５０は前述した如くその先端をローラ４６に当接させてシリンダ３８内を低圧室側ＬＲと高圧室側ＨＲとに区画する。そして、吸込ポート５５はこの低圧室側ＬＲに開口し、吐出ポート７０は高圧室側ＨＲに開口している。

シリンダ３８には、案内溝７２の外側（密閉容器１２側）に当該案内溝７２に連通して背圧室７４が形成されている。この背圧室７４は図示しない連通路にて前記吐出消音室６２に連通されており、それによってベーン５０に高圧の背圧が印加される。尚、前記コイルバネ７６は、案内溝７２側から案内溝７２の離間側方向に延在して背圧室７４内に収納され、ベーン５０の外側に当接してベーン５０の先端を常時ローラ４６側に付勢する。また、７６Ａは抜け止めでコイルバネ７６の後端を固定する。

係る密閉容器１２の容器本体１２Ａの側面には、上部支持部材５４と下部支持部材５６の吸込通路６０（上側は図示せず）、吐出消音室６２、上カバー６６の上側（電動要素１４の下端に略対応する位置）に対応する位置に、スリーブ１４１、１４２、１４３及び１４４がそれぞれ溶接固定されている。そして、スリーブ１４１内にはシリンダ３８に冷媒ガスを導入するための冷媒導入管９２の一端が挿入接続され、この冷媒導入管９２の一端はシリンダ３８の図示しない吸込通路と連通する。この冷媒導入管９２は密閉容器１２の上側を通過してスリーブ１４４に至り、他端はスリーブ１４４内に挿入接続されて密閉容器１２内に連通する。

また、スリーブ１４２内にはシリンダ４０に冷媒ガスを導入するための冷媒導入管９４の一端が挿入接続され、この冷媒導入管９４の一端はシリンダ４０の吸込通路６０と連通する。この冷媒導入管９４の他端は図示しないアキュムレータ（気液分離器）を介して冷却器８９（図４に図示）に接続される。また、スリーブ１４３内には冷媒吐出管９６が挿入接続されており、この冷媒吐出管９６には密閉容器１２の外側においてオイルセパレータ８０が溶接により接続固定されている。

このオイルセパレータ８０は、鋼板からなる所定容量の縦長円筒形タンクにて構成されており、冷媒吐出管９６は係るタンク状のオイルセパレータ８０内に入り、当該オイルセパレータ８０内の上部において開口している。オイルセパレータ８０の上端には冷媒配管９８が溶接にて接続固定されており、この冷媒配管９８は、オイルセパレータ８０内上部に開口している。

オイルセパレータ８０の下部にはオイル戻し管８２（本発明の返油回路に相当）が接続されており、このオイル戻し管８２の一側端部はオイルセパレータ８０内下部に開口すると共に、他側は容器本体１２Ａに接続され、端部は当該容器本体１２Ａを貫通して密閉容器１２内に開口している。参考例１では、図１に示すようにオイル戻し管８２の先端は密閉容器１２内の電動要素１４と圧縮機構部１８との間に開口（前記中間圧の密閉容器１２内に開口）している。このオイル戻し管８２には、電動膨張弁８３（本発明の減圧機構に相当）が設けられており、この電動膨張弁８３は、メモリを備えた汎用マイクロコンピュータにて構成され、冷凍サイクル装置１の制御を行う制御装置１５０に接続されている。尚、制御装置１５０は後で詳しく説明する。

前記オイルセパレータ８０内には図示しないがオイルセパレータ８０内の空間を上下に仕切るかたちでオイル分離具が設けられている。そして、前記冷媒吐出管９６からオイルセパレータ８０内に流入した冷媒ガス（図３中実線矢印で示す）はオイル分離具を通過する過程で冷却され、冷媒ガスと共に吐出されたオイルはオイル分離具に付着して冷媒ガスから分離する。分離されたオイルは、オイルセパレータ８０内下部に流下貯溜され、オイル戻し管８２内を通って密閉容器１２内に流入し（図３中破線矢印で示す）、底部のオイル溜め５８に帰還する。尚、密閉容器１２内は中間圧、オイルセパレータ８０内は後述するが２段目の圧縮が行われて高温・高圧のため、オイルセパレータ８０内のオイルは圧力差で密閉容器１２内に流入することとなる。

即ち、冷凍サイクル装置１は、図４に示すようにロータリコンプレッサ１０（第２の回転圧縮要素３４）の、吐出側の冷媒吐出管９６はオイルセパレータ８０に接続され、オイルセパレータ８０の出口側の冷媒配管９８は室外熱交換器としてのガスクーラ８４に接続されている。ガスクーラ８４の出口側の配管１００は減圧装置としての膨張弁８６を介して熱交換器としての冷却器８９に接続され、冷却器８９の出口側は前記ロータリコンプレッサ１０（第１の回転圧縮要素３２）の吸込側の冷媒導入管９４に接続される環状の冷媒回路を構成している。尚、９０は、外気温度を検出するための外気温度センサで、直射日光や雨風等が当たらない室外に取り付けられている。また、８５はガスクーラ８４の外気流入部に取り付けられたガスクーラ温度センサである。

次に、図５は制御装置１５０のブロック図を示している。制御装置１５０には、前記ロータリコンプレッサ１０、膨張弁８６、電動膨張弁８３、及び、外気温度を検出する外気温度センサ９０、ガスクーラ温度センサ８５が接続されている。この制御装置１５０は、ロータリコンプレッサ１０の運転制御を行うと共に、電動膨張弁８３の絞り量を制御してオイルセパレータ８０内に貯留されたオイルを、オイル戻し管８２から密閉容器１２内に戻す返油量を調整できるように構成されている。

ここで、温度が高いとオイルの粘土は低くなり、オイル戻し管８２内には大量のオイルが流れ、温度が低いと粘土は高くなり、オイル戻し管８２内には温度が高い時よりもオイルの流れ量が減少する。そこで、制御装置１５０は、オイルセパレータ８０内のオイルが空にならならず、適切な返油量の制御を行えるように構成している。

即ち、制御装置１５０は、外気温度センサ９０が検出した外気温度によって電動膨張弁８３の絞り量の制御を行う。これにより、返油量を適切に制御できるように構成している。返油量の制御は、図６に示すように、例えば外気温度センサ９０が検出した外気温度が＋３０℃以上の場合、制御装置１５０は絞り開度を小さくして、電動膨張弁８３の絞り量を最小（図中左端ｍｉｎ）に開き、オイルが大量に流れてしまうのを防止する。この時、電動膨張弁８３は閉じていない。また、制御装置１５０は、外気温度センサ９０が検出した外気温度が＋２０℃〜＋３０℃の場合は、ｍｉｎの場合よりも少許絞り開度を大きくし、外気温度が＋１０℃〜＋２０℃の場合は、外気温度が＋２０℃〜＋３０℃の場合よりも少許絞り開度を大きくして、オイルの流量を調整する。即ち、制御装置１５０は、外気温度が高い場合は電動膨張弁８３の絞り開度を小さくし、低い場合には電動膨張弁８３の絞り開度を大きくする方向で制御する。

また、制御装置１５０は、外気温度センサ９０が検出した外気温度が０℃〜＋１０℃の場合は、外気温度が＋１０℃〜＋２０℃の場合よりも少許絞り開度を大きくし、外気温度が−１０℃〜０℃の場合は、外気温度が０℃〜＋１０℃の場合よりも少許絞り開度を大きくして、オイルの流量を調整する。更に、外気温度センサ９０が検出した外気温度が−１０℃以下の場合は、制御装置１５０は絞り量を最小にして、電動膨張弁８３の絞り量を最大（図中右端ｍａｘ）に開いてオイルの流量を調整するように構成している。尚、温度による電動膨張弁８３の絞り量は、予め実験により適切な絞り量が求められており、制御装置１５０は、この予め求められた絞り量をパラメータとしてメモリに記憶し、電動膨張弁８３の絞り量の制御を行う。また、制御装置１５０がロータリコンプレッサ１０の運転制御を行う技術については、従来より周知の技術であるため詳細な説明は省略する。

以上の構成で次に動作を説明する。尚、冷凍サイクル装置１に用いる冷媒としては地球環境にやさしく、可燃性及び毒性等を考慮して自然冷媒である前述した二酸化炭素（ＣＯ₂）が使用される。また、潤滑油としてのオイルは、例えば鉱物油（ミネラルオイル）、アルキルベンゼン油、エーテル油、エステル油、ＰＡＧ（ポリアルキルグリコール）等既存のオイルが使用される。

そして、ターミナル２０及び図示されない配線を介して電動要素１４のステータコイル２８に通電されると、電動要素１４が起動してロータ２４が回転する。この回転により回転軸１６と一体に設けた上下の偏心部４２、４４に嵌合された上下のローラ４６、４８が上下のシリンダ３８、４０内を偏心回転する。

これにより、冷媒導入管９４及び下部支持部材５６に形成された吸込通路６０を経由して図示しない吸込ポートからシリンダ４０の低圧室側に吸入された低圧の冷媒は、ローラ４８とベーン５２の動作により１段目の圧縮が行われて中間圧となりシリンダ４０の高圧室側より図示しない連通路を経て中間吐出管１２１から密閉容器１２内に吐出される。これによって、密閉容器１２内は中間圧となる。

そして、密閉容器１２内の中間圧の冷媒ガスは、スリーブ１４４から出て冷媒導入管９２及び上部支持部材５４に形成された図示しない吸込通路を経由して、吸込ポート５５からシリンダ３８の低圧室側ＬＲに吸入される。吸入された中間圧の冷媒ガスは、ローラ４６とベーン５０の動作により２段目の圧縮が行われて高温・高圧の冷媒ガスとなる。

高温・高圧の冷媒ガスは、高圧室側ＨＲから吐出ポート７０を通り上部支持部材５４内に形成された吐出消音室６２を経て、冷媒吐出管９６内を通り、オイルセパレータ８０内に吐出される。オイルセパレータ８０内に吐出された冷媒ガスは、オイルセパレータ８０内に設けられたオイル分離具を通過する過程で、上述の如く冷媒ガスに溶け込んでいるオイルが分離される。

そして、オイル分離具でオイルが分離された冷媒ガスは冷媒配管９８からオイルセパレータ８０外に出て外部のガスクーラ８４内に流入する。このガスクーラ８４で冷媒は放熱した後、膨張弁８６で減圧され、冷却器８９に流入する。そこで冷媒が蒸発し、その後、前記アキュムレータを経て冷媒導入管９４から第１の回転圧縮要素３２内に吸い込まれるサイクルを繰り返す。

そして、オイルセパレータ８０内で冷媒ガスと分離されたオイルは、高圧のオイルセパレータ８０（タンク）内に貯留される。オイルセパレータ８０内に貯留されたオイルは、高圧でオイル戻し管８２に押し出され、オイル戻し管８２内を通り、絞り量が制御された電動膨張弁８３を経て密閉容器１２内に流入し、底部のオイル溜め５８に帰還する。このとき制御装置１５０は、前述した如き外気温度センサ９０が検出した外気温度に基づいて、オイルセパレータ８０内のオイルが空にならないように好適に電動膨張弁８３の絞り量を制御する。これによって、制御装置１５０は外気温度によってオイル粘度が変化した場合にも、適切な返油を行うことができるようになる。

このように、オイル戻し管８２に、絞り量を制御可能な電動膨張弁８３と、この電動膨張弁８３における絞り量を制御可能な制御装置１５０を設けており、この制御装置１５０は、外気温度若しくは実質的に当該外気温度を把握可能なパラメータに基づいて、電動膨張弁８３の絞り量を制御するように構成している。そして、制御装置１５０は、外気温度センサ９０が検出した外気温度が高い場合には電動膨張弁８３の絞り開度を小さくし、低い場合には絞り開度を大きくする方向で制御することにより、外気温度によってオイル粘度が変化した場合にも、適切な返油制御が可能となる。これにより、オイルセパレータ８０を通過して冷媒回路に流出するオイルを削減し、或いは、オイルの流出を阻止し、ロータリコンプレッサ１０のオイル枯渇を防止して冷凍サイクル装置１としての性能と信頼性の向上を図ることができる。

特に、従来のようなオイルセパレータ８０内の油面を制御するためのフロート弁やフロートスイッチ等が不要となるので、例えば高圧側が極めて高圧の超臨界圧力となる冷凍サイクル装置や、ロータリコンプレッサ１０を複数台並列接続して使用する冷凍サイクル装置に著しく好適である。また、比較的簡単な構成で実現できるので、コスト的にも利点が大きい。

次に、図７には本発明の実施例の冷凍サイクル装置１の冷媒回路図を示している。該冷凍サイクル装置１は、前述の参考例１と略同じ構成を有している。以下、異なる部分について説明する。尚、前述の参考例１と同じ部分にはこれと同じ符号を付し、説明を省略する。この場合の冷凍サイクル装置１は、図７に示すようにオイル戻し管８２に設けた電動膨張弁８３の前段（オイルセパレータ８０側）のオイル戻し管８２の温度を検出するための前温度センサ８７が設けられている。また、電動膨張弁８３の後段（ロータリコンプレッサ１０側）のオイル戻し管８２の温度を検出するための後温度センサ８８も併せて設けられている。前温度センサ８７は電動膨張弁８３に流入する流体（オイル及び冷媒）の温度を検出するものであり、後温度センサ８８は電動膨張弁８３を経た後の流体の温度を検出するために設けられている。

両前後温度センサ８７、８８は図８に示すように制御装置１５０に接続されている。該制御装置１５０は、両前後温度センサ８７、８８が検出した流体（オイル及び冷媒）の温度に基づいて、電動膨張弁８３の絞り量を調整するように構成されている。即ち、オイルセパレータ８０内のオイルが減少し、空に近づき、或いは、空になってしまった場合、オイルセパレータ８０内の冷媒もオイル戻し管８２を通り、密閉容器１２内に戻ってくるようになる。この時、冷媒はオイル戻し管８２に設けられた電動膨張弁８３により絞られるので、そこを通過した直後から蒸発し、冷却作用を発揮することになる。

そこで、前温度センサ８７が検出した流体の温度をＴ１（電動膨張弁８３に流入する流体の温度）、後温度センサ８８が検出した流体の温度をＴ２（電動膨張弁８３から流出する流体の温度）とした場合、制御装置１５０は、前温度センサ８７が検出した流体の温度Ｔ１と、後温度センサ８８が検出した流体温度Ｔ２との差（Ｔ１−Ｔ２）に基づいて、電動膨張弁８３の絞り量の制御を行う。また、制御装置１５０は、前後温度センサ８７、８８が検出した温度Ｔ１とＴ２の差（Ｔ１−Ｔ２）が大きい場合は、電動膨張弁８３の絞り開度を小さくし、温度Ｔ１とＴ２の差（Ｔ１−Ｔ２）が小さい場合には絞り開度を大きくする方向に制御する。

このとき、制御装置１５０は、少なくともオイルセパレータ８０内の一部の冷媒がオイル戻し管８２からロータリコンプレッサ１０（密閉容器１２内）に戻るように電動膨張弁８３の制御を行う。具体的には差（Ｔ１−Ｔ２）が例えば５ｄｅｇ以下の場合、電動膨張弁８３の開度を１ステップ広げ、例えば５ｄｅｇより大きく１０ｄｅｇより小さい場合、電動膨張弁８３の開度をそのままとする。そして、差（Ｔ１−Ｔ２）が例えば１０ｄｅｇ以上の場合は電動膨張弁８３の開度を１ステップ縮小する。このように前後温度センサ８７、８８が検出する温度に差が現れるということは、オイルセパレータ８０からオイル戻し管８２に少なくとも少量の冷媒が戻っているということであり、オイルセパレータ８０から冷媒が戻るということは、オイルは全て戻っている状態といえる。このように前後温度センサ８７、８８にて検出された電動膨張弁８３前後の流体の温度に基づき、冷媒の一部を戻す方向で電動膨張弁８３を制御することで、オイルセパレータ８０内のオイルを空の状態とし、返油制御を適切に行うことが可能となる。

このように、制御装置１５０は、電動膨張弁８３に流入する流体の温度Ｔ１と、電動膨張弁８３から流出する流体温度Ｔ２との差に基づいて、電動膨張弁８３の絞り量を制御するようにしている。該制御装置１５０は、温度Ｔ１とＴ２の差（Ｔ１−Ｔ２）が大きい場合は電動膨張弁８３の絞り開度を小さくし、差が小さい場合には絞り開度を大きくする方向で制御する。そして、制御装置１５０は、少なくとも一部の冷媒がオイル戻し管８２から密閉容器１２内に戻るように電動膨張弁８３を制御することにより、ロータリコンプレッサ１０から吐出されたオイルの全て、或いは、殆ど全てをオイルセパレータ８０より密閉容器１２内に戻すことができる。これにより、オイルセパレータ８０から冷媒回路に流出するオイル量を削減し、或いは、オイルの流出を阻止し、ロータリコンプレッサ１０のオイル枯渇を防止して冷凍サイクル装置１としての性能と信頼性の向上を図ることができる。

特に、オイルセパレータ８０内の油面（オイル面）を制御するため、従来のようなフロート弁やフロートスイッチ等が不要となるので、例えば高圧側が極めて高圧の超臨界圧力となる冷凍サイクル装置１や、ロータリコンプレッサ１０を複数台並列接続して使用する冷凍サイクル装置１などに著しく好適である。また、比較的簡単な構成で実現できるので、コスト的にも利点が大きい。

次に、図９には本発明の他の参考例２の、冷凍サイクル装置１（減圧機構）を示している。該冷凍サイクル装置１は、前述の参考例１と略同じ構成を有している。以下、異なる部分について説明する。尚、前述の参考例１と同じ部分にはこれと同じ符号を付し、説明を省略する。該冷凍サイクル装置１は、図９に示すように参考例１のオイル戻し管８２の途中を分岐して、電磁弁１０２とキャピラリチューブ１０４を複数介在させている。即ち、実施例２の冷凍サイクル装置１は、外気温度センサ９０を設けた参考例１の減圧機構（電動膨張弁８３）を電磁弁１０２とキャピラリチューブ１０４にて構成している。

詳しくは、前記電動膨張弁８３の代わりに、オイルの流通／遮断を行う電磁弁１０２が設けられ、この電磁弁１０２の後側（ロータリコンプレッサ１０側）にキャピラリチューブ１０４が縦列接続されている。そして、この電磁弁１０２と縦列接続されたキャピラリチューブ１０４とが複数列（実施例では５列）接続されると共に、各キャピラリチューブ１０４の後側（ロータリコンプレッサ１０側）はオイル戻し管８２に集結されている。尚、各電磁弁１０２はそれぞれ制御装置１５０に接続されている。

そして、図１０に示すように例えば外気温度センサ９０が検出した外気温度が＋３０℃以上の場合、制御装置１５０は１個の電磁弁１０２を開いて（他の電磁弁１０２は全て閉じる）、オイルセパレータ８０からキャピラリチューブ１０４を介して密閉容器１２内にオイルを返油する。また、制御装置１５０は、外気温度センサ９０が検出した外気温度が＋２０℃〜＋３０℃の場合は、２個の電磁弁１０２を開いて（他の電磁弁１０２は全て閉じる）、オイルセパレータ８０からキャピラリチューブ１０４を介して密閉容器１２内にオイルを返油する。また、制御装置１５０は、外気温度センサ９０が検出した外気温度が＋１０℃〜＋２０℃の場合は、３個の電磁弁１０２を開いて（他の電磁弁１０２は全て閉じる）、オイルセパレータ８０からキャピラリチューブ１０４を介して密閉容器１２内にオイルを返油する。

更に、制御装置１５０は、外気温度センサ９０が検出した外気温度が０℃〜＋１０℃の場合は、４個の電磁弁１０２を開いて（他の電磁弁１０２は全て閉じる）、オイルセパレータ８０からキャピラリチューブ１０４を介して密閉容器１２内にオイルを返油する。また、制御装置１５０は、外気温度センサ９０が検出した外気温度が−１０℃〜０℃の場合は、５個の電磁弁１０２全てを開いてオイルセパレータ８０からキャピラリチューブ１０４を介して密閉容器１２内にオイルを返油するように構成している。これにより、参考例１同様の効果を得ることができる。尚、各キャピラリチューブ１０４内を流すオイル量は、予め実験により各温度に適切な本数が求められており、制御装置１５０は、外気温度センサ９０が検出した外気温度に応じた数量の電磁弁１０２を開く。また、縦列接続された電磁弁１０２及びキャピラリチューブ１０４の数はこの数に限られるものでなく、必要に応じて数を変更しても差し支えない。

また、上記参考例２では参考例１を例に説明したが、実施例１の電動膨張弁８３（減圧機構）を同様に複数の電磁弁１０２とキャピラリチューブ１０４とに置き換えてもよい（実施例２）。この場合、前温度センサ８７は、分岐して取り付けられた５個の電磁弁１０２の、前側のオイル戻し管８２を流れる流体の温度を検出すると共に、後温度センサ８８は５本のキャピラリチューブ１０４が集結された後のオイル戻し管８２を流れる流体の温度を検出するように構成されている。

制御装置１５０は、両前後温度センサ８７、８８が検出したオイル戻し管８２の温度によって、所定数の電磁弁１０２を開く、又は、閉じるように構成する。即ち、オイルセパレータ８０内のオイルが空になってしまった場合、オイルセパレータ８０の冷媒はオイル戻し管８２を通り密閉容器１２内に吐出される。この時、冷媒はキャピラリチューブ１０４を通り、そこで絞られることで、キャピラリチューブ１０４から出て直ぐに蒸発し、冷却作用を発揮する。

そして、制御装置１５０は、前温度センサ８７が検出した流体の温度Ｔ１（オイル戻し管８２に流入する流体の温度）と、後温度センサ８８が検出した流体の温度Ｔ２（キャピラリチューブ１０４を出てオイル戻し管８２に流入した流体の温度）との差（Ｔ１−Ｔ２）に基づいて、電磁弁１０２を所定数開く、又は、閉じる制御を行う。また、制御装置１５０は、前後温度センサ８７、８８が検出した温度Ｔ１とＴ２の差が大きい場合は、電磁弁１０２を閉じる数を多くする、又は、全て閉じ、温度Ｔ１とＴ２の差が小さい場合には電磁弁１０２を閉じる数を少なくする。具体的には、差（Ｔ１−Ｔ２）が例えば５ｄｅｇ以下の場合、開放する電磁弁１０２の数を一つ増やし、例えば５ｄｅｇより大きく１０ｄｅｇより小さい場合、電磁弁１０２の開閉状態をそのままとする。そして、差（Ｔ１−Ｔ２）が例えば１０ｄｅｇ以上の場合は開放する電磁弁１０２の数を一つ減らす。これにより、実施例１同様の効果を得ることができる。

尚、実施形態では、前温度センサ８７と後温度センサ８８と２つの温度センサを設けたが、温度センサは２つに限られず１つであっても差し支えない、この場合、後温度センサ８８の１個だけを設け、電動膨張弁８３（キャピラリチューブ１０４）からオイルが流出された時の温度と、冷媒が吐出されて温度が下がった時の温度との差を制御装置１５０にて検出し、所定時間内に何度以上の温度差が発生したら、電動膨張弁８３の開度を絞るようにしても差し支えない。これにより、季節による温度差に関係なく、温度センサは冷媒が吐出された時の温度差を検出することができるので、温度センサを確実に１つにすることができる。従って、冷凍サイクル装置１がコストアップしてしまうのを阻止することができる。

また、参考例では外気温度の検出に直射日光や雨風等が当たらない室外に取り付けられた外気温度センサ９０で説明したが、外気温度を実質的に把握するパラメータとしてガスクーラ温度センサ８５（図４に図示）が検出したガスクーラ温度（或いは、ガスクーラに流入する外気温度）を兼用しても差し支えない。これにより、外気温度センサ９０を削除できるので、冷凍サイクル装置１がコストアップしてしまうのを防止することができる。

また、参考例では制御装置１５０は、外気温度、或いは、前後温度センサ８７、８８が検出した所定の温度で電動膨張弁８３の絞り量を制御したが、電動膨張弁８３の絞り量の制御は、記載した温度に限られず、他の箇所の温度或いは冷媒の圧力（特に、外気温度を把握するパラメータとして冷媒回路の高圧側の冷媒圧力）であっても差し支えない。更に、実施例では内部中間圧型多段（２段）圧縮式のロータリコンプレッサに本発明を適用したが、圧縮要素が単一のロータリコンプレッサ、或いは、他の方式の圧縮機でも良い。即ち、本発明は、上記各実施例のみに限定されるものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲で他の様々な変更を行っても本発明は有効である。

本発明の参考例の冷凍サイクル装置を構成する、第１及び第２の回転圧縮要素を備えた内部中間圧型多段（２段）圧縮式のロータリコンプレッサの縦断側面図である（参考例１）。同図１の冷凍サイクル装置を構成するロータリコンプレッサの第２の回転圧縮要素の、シリンダの圧縮工程の概念図である。同図１の冷凍サイクル装置を構成するロータリコンプレッサにおける返油を説明するためのオイルセパレータの概略断面図である。本発明の参考例の冷凍サイクル装置を構成する、冷媒回路の概略図である。本発明の参考例の冷凍サイクル装置の制御を行う制御回路の概略ブロック図である。電動膨張弁の絞り量と外気温度との対比表である。本発明の冷凍サイクル装置を構成する、冷媒回路の概略図である（実施例１）。本発明の冷凍サイクル装置の制御を行う制御回路の、概略ブロック図である。もう一つの返油回路の概略図である（参考例１、実施例２）。外気温度と使用するキャピラリチューブの本数との対比表である。

１冷凍サイクル装置
１０ロータリコンプレッサ
１２密閉容器
１２Ａ容器本体
１８圧縮機構部
３２第１の回転圧縮要素
３４第２の回転圧縮要素
３６中間仕切板
８０オイルセパレータ
８２オイル戻し管
８３電動膨張弁
８４ガスクーラ
８５ガスクーラ温度センサ
８６膨張弁
８７前温度センサ
８８後温度センサ
８９冷却器
９０外気温度センサ
１０２電磁弁
１０４キャピラリチューブ
１５０制御装置

Claims

圧縮機の冷媒吐出配管に接続されたオイルセパレータを備え、二酸化炭素を冷媒として用い、前記オイルセパレータにて分離されたオイルを、返油回路を経て前記圧縮機に戻して成る冷凍サイクル装置において、
前記返油回路に設けられ、絞り量を制御可能とされた減圧機構と、該減圧機構における絞り量を制御する制御装置とを備え、
該制御装置は、前記減圧機構に流入する流体の温度Ｔ１と、当該減圧機構から流出する流体の温度Ｔ２との差に基づき、前記減圧機構における絞り量を制御することを特徴とする冷凍サイクル装置。
前記制御装置は、前記温度Ｔ１とＴ２の差が大きい場合は前記減圧機構における絞り開度を小さくし、小さい場合には絞り開度を大きくする方向で制御す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。
前記制御装置は、少なくとも冷媒が一部前記返油回路から前記圧縮機に戻るように前記減圧機構を制御することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の冷凍サイクル装置。