JP6150906B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷媒の膨張動力を電力として回収する膨張機を備えた冷凍サイクル装置に関する。

従来の冷凍サイクル装置においては、冷媒回路は、圧縮機と膨張機を有している。圧縮機ケーシングと膨張機ケーシングが連絡管で連通すると共に、吐出管と膨張機ケーシングが分岐流出管で連通して両ケーシング内が均圧される。圧縮機および膨張機の油溜りを繋ぐ油流通管には、油量調節弁が設けられる。油量調節弁を開くと、圧縮機ケーシング内の油溜りと膨張機ケーシング内の油溜りとが互いに連通し、油流通管を通って冷凍機油が移動する、というものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、従来の冷凍サイクル装置においては、冷媒回路には、圧縮機と膨張機が設けられる。圧縮機では、圧縮機構で圧縮された冷媒が圧縮機ケーシングの内部空間へ吐出される。圧縮機では、圧縮機ケーシングの底に溜まった冷凍機油が圧縮機構へ供給される。圧縮機ケーシングの底に溜まった冷凍機油は、給油用配管を通じて膨張機の膨張機構へ直接に導入される、というものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００７−２８５６７４号公報（要約） 特開２００８−２２４０５３号公報（要約）

特許文献１に記載の技術では、圧縮機シェル（圧縮機ケーシング）と膨張機シェル（膨張機ケーシング）とを配管で接続し、圧縮機シェル内のガス冷媒の一部を膨張機シェルへ流入させることで、圧縮機内の冷凍機油の一部を膨張機シェル内へ流入させている。
このため、圧縮機シェル内の圧力と膨張機シェル内の圧力とが同じ圧力となる。よって、例えば、圧縮機シェル内が高圧で膨張機シェル内が低圧となる構成、もしくはその逆の構成のように、圧縮機シェル内の圧力と膨張機シェル内の圧力とが異なる構成には対応できない、という課題があった。

特許文献２に記載の技術では、圧縮機シェル（圧縮機ケーシング）の底に溜まった冷凍機油が、給油用配管を通じて膨張機内の膨張部（膨張機構）へ直接に導入させている。
このため、圧縮機シェル内の冷凍機油が枯渇した場合、膨張機内へ油を供給できなくなる、という課題があった。
また、冷凍機油が給油用配管を流通する際、冷凍機油に溶け込んだ冷媒が減圧されて発泡し、冷凍機油内に冷媒ガスが混入して潤滑性が悪化する、という課題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、圧縮機シェル内の圧力によらず膨張機シェル内に冷凍機油を貯留することができ、膨張機における冷凍機油の枯渇を抑制することができる冷凍サイクル装置を得ることを目的とする。

本発明に係る冷凍サイクル装置は、圧縮機、凝縮器、膨張機、及び蒸発器が配管で接続され、冷媒が循環する冷媒回路を備え、前記膨張機は、外郭を構成する膨張機シェルと、前記膨張機シェル内に配置され、前記凝縮器から流出した前記冷媒を膨張させ駆動力を発生し、膨張させた前記冷媒を前記蒸発器へ流入させる膨張部と、前記膨張機シェル内に配置され、前記膨張部の駆動力によって回転する発電機と、を有し、前記膨張機シェルは、前記圧縮機から吐出された前記冷媒と前記冷媒に含まれる冷凍機油とが流入する入口部と、前記冷媒と前記冷凍機油とを前記入口部から流入させた後、前記膨張機シェル内を経由して前記凝縮器へ流出させる出口部と、が形成され、前記膨張機シェル内が高圧であり、前記圧縮機の吐出配管から吐出された前記冷媒に含まれる前記冷凍機油が貯留され、前記冷凍機油が前記膨張部及び前記発電機の少なくとも一方に供給されるものである。

本発明は、圧縮機から吐出された冷媒に含まれる冷凍機油が膨張機シェルに貯留される。このため、圧縮機シェル内の圧力によらず膨張機シェル内に冷凍機油を貯留することができ、膨張機における冷凍機油の枯渇を抑制することができる。

本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００の構成図である。 本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置１００の膨張機３の構成図である。 本発明の実施の形態３に係る冷凍サイクル装置１００の構成図である。 本発明の実施の形態４に係る冷凍サイクル装置１００の構成図である。 本発明の実施の形態４に係る冷凍サイクル装置１００の他の構成例を示す図である。 本発明の実施の形態５に係る冷凍サイクル装置１００の構成図である。 本発明の実施の形態６に係る冷凍サイクル装置１００の構成図である。

実施の形態１．
＜冷凍サイクル装置１００の構成＞
図１は、本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００の構成図である。
図１に示すように、冷凍サイクル装置１００は、圧縮機１、負荷側熱交換器２、膨張機３、熱源側熱交換器４、第１四方弁５、及び第２四方弁６を備えている。圧縮機１、負荷側熱交換器２、膨張機３、及び熱源側熱交換器４は配管で接続され、冷媒が循環する冷媒回路を構成する。

（圧縮機１）
圧縮機１は、例えば全密閉式圧縮機により構成される。圧縮機１は、圧縮機シェル１５により外殻が構成される。圧縮機シェル１５内には、電動機部１７と、圧縮部１８とが収納されている。
また、圧縮機シェル１５には、冷凍機油５０が貯留される。冷凍機油５０は、電動機部１７及び圧縮部１８へ供給され、潤滑に利用される。

圧縮機１は、吸入側の配管２１から圧縮機シェル１５内に、低圧の冷媒を吸入する。圧縮部１８は、電動機部１７によって駆動される。圧縮機シェル１５内に吸入された低圧の冷媒は、圧縮部１８で圧縮される。圧縮部１８で圧縮された高圧の冷媒は、吐出側の配管１０へ吐出される。
このように、圧縮機シェル１５の内部の圧力は低圧となっている。即ち、圧縮機シェル１５は、いわゆる低圧シェルである。

なお、本実施の形態１では圧縮機シェル１５内の圧力が低圧である場合を説明するが、本発明はこれに限定されない。
例えば、圧縮部１８が、吸入側の配管２１から低圧の冷媒を直接吸入する。圧縮部１８で圧縮された高圧の冷媒が、圧縮機シェル１５内に放出する。そして、圧縮機シェル１５内に放出された冷媒が、吐出側の配管１０へ吐出される構成でもよい。
このように、圧縮機シェル１５の内部の圧力が高圧となる構成でもよい。即ち、圧縮機シェル１５が、いわゆる高圧シェルでもよい。

（膨張機３）
膨張機３は、膨張機シェル３４により外殻が構成される。膨張機シェル３４内には、膨張部３１と、発電機３２（モータ）とが収納されている。膨張部３１と発電機３２は、回転軸３３によって連結されている。
また、膨張機シェル３４には、冷凍機油５０が貯留される。冷凍機油５０は、膨張部３１及び発電機３２の少なくとも一方へ供給され、潤滑に利用される。

膨張部３１は、冷媒が流入する膨張部入口４３と、冷媒が流出する膨張部出口４４とを有している。膨張部入口４３は、流入配管３５と接続される。膨張部出口４４は、流出配管３６と接続される。
流入配管３５は、第２四方弁６を介して、凝縮器（負荷側熱交換器２または熱源側熱交換器４）と接続される。
流出配管３６は、第２四方弁６を介して、蒸発器（負荷側熱交換器２または熱源側熱交換器４）と接続される。

膨張部３１は、流入配管３５から膨張部入口４３へ流入した冷媒を膨張させて、膨張部出口４４から流出配管３６へ、膨張させた冷媒を流出させる。また、膨張部３１は、冷媒を膨張させる際の膨張動力によって回転軸３３を回転駆動する。
発電機３２は、回転軸３３によって膨張部３１と連結し、膨張部３１の駆動力によって回転し、発電する。これにより、膨張部３１の膨張動力が、電力として回収される。

膨張機３の膨張機シェル３４は、冷媒が流入する入口部４１と、冷媒が流出する出口部４２とが形成されている。
入口部４１は、圧縮機１の吐出側の配管１０と接続されている。膨張機シェル３４内には、圧縮機１から吐出された冷媒が流入する。膨張機シェル３４内に流入した冷媒は、ガス冷媒と冷凍機油５０とに分離される。これにより、膨張機シェル３４内には、圧縮機１から吐出された冷媒に含まれる冷凍機油５０が貯留される。
出口部４２は、ガス配管１１と接続されている。ガス配管１１は、第１四方弁５を介して、凝縮器（負荷側熱交換器２または熱源側熱交換器４）と接続される。

（負荷側熱交換器２）
負荷側熱交換器２は、例えばフィンアンドチューブ型熱交換器で構成される。負荷側熱交換器２は、負荷側媒体としての空気と冷媒との熱交換を行う。なお、負荷側媒体は、空気に限らず、例えば水または不凍液等を熱源として利用できるようにしても良い。

（熱源側熱交換器４）
熱源側熱交換器４は、例えばフィンアンドチューブ型熱交換器で構成される。熱源側熱交換器４は、熱源側媒体としての外気と冷媒との熱交換を行う。なお、熱源側媒体は、外気（空気）に限らず、例えば水または不凍液等を熱源として利用できるようにしても良い。

（第１四方弁５、第２四方弁６）
第１四方弁５及び第２四方弁６は、冷媒回路の流れを切り替えるために用いられる。
負荷側熱交換器２を凝縮器（放熱器）として機能させ、熱源側熱交換器４を蒸発器として機能させる場合（暖房運転）、第１四方弁５は、ガス配管１１と熱源側熱交換器４とを接続し、負荷側熱交換器２と圧縮機１の吸入側の配管２１とを接続する。また、第２四方弁６は、負荷側熱交換器２と流入配管３５とを接続し、流出配管３６と熱源側熱交換器４と接続する。
一方、負荷側熱交換器２を蒸発器として機能させ、熱源側熱交換器４を凝縮器（放熱器）として機能させる場合（冷房運転）、第１四方弁５は、ガス配管１１と負荷側熱交換器２とを接続し、熱源側熱交換器４と圧縮機１の吸入側の配管２１とを接続する。
また、第２四方弁６は、熱源側熱交換器４と流入配管３５とを接続し、流出配管３６と負荷側熱交換器２と接続する。
なお、暖房運転と冷房運転との切り替えを行わない場合には、第１四方弁５、第２四方弁６を設けなくてもよい。

（制御装置２００）
制御装置２００は、例えばマイクロコンピュータで構成され、ＣＰＵ、ＲＡＭ及びＲＯＭ等を備えており、ＲＯＭには制御プログラム等が記憶されている。制御装置２００は、冷媒回路における冷媒の圧力及び温度等、並びに負荷側媒体及び熱源側媒体の温度等を検出する各種のセンサから検出値が入力される。制御装置２００は、各センサからの検出値に基づいて、冷凍サイクル装置１００の各構成部を制御する。また、制御装置２００は第１四方弁５及び第２四方弁６の切り替えの制御を行う。

次に、本実施の形態の冷凍サイクル装置１００における暖房運転及び冷房運転について説明する。

＜暖房運転時の冷媒の動作＞
暖房運転時は、第１四方弁５及び第２四方弁６が、図１の点線で示される状態に切り替えられる。
圧縮機１は、圧縮機シェル１５内の低圧の冷媒を圧縮し、高温高圧のガス冷媒を吐出側の配管１０へ吐出させる。圧縮機１から吐出されたガス冷媒には、圧縮機シェル１５内の冷凍機油５０が含まれている。

圧縮機１から吐出した高温高圧のガス冷媒は、圧縮機１の吐出側の配管１０を流通し、膨張機３の入口部４１から膨張機シェル３４内に流入する。膨張機シェル３４内に流入したガス冷媒は、膨張機シェル３４内で、ガス冷媒に含まれる冷凍機油５０の少なくとも一部が分離され、分離された冷凍機油５０が膨張機シェル３４内に貯留される。そして、ガス冷媒及びこのガス冷媒に含まれる残りの冷凍機油５０が、出口部４２からガス配管１１へ流出する。

このように、圧縮機１から吐出した高温高圧のガス冷媒の全てが、膨張機シェル３４内に流入し、膨張機シェル３４内で、ガス冷媒に含まれる冷凍機油５０が分離されて膨張機シェル３４内に貯留される。膨張機シェル３４内に貯留された冷凍機油５０は、回転軸３３を介して、電動機部１７及び圧縮部１８へ供給され、潤滑に利用される。

膨張機３の出口部４２からガス配管１１へ流出したガス冷媒は、第１四方弁５を通過して、凝縮器（ＣＯ_２のような超臨界冷媒の場合は冷却器）として作用する負荷側熱交換器２で凝縮され、液冷媒となって負荷側熱交換器２から流出する。その後、負荷側熱交換器２を流出した液冷媒は、第２四方弁６を通過し、流入配管３５を介して、膨張機３内の膨張部入口４３へ流入する。膨張部入口４３へ流入した液冷媒は、膨張部３１で膨張され、低圧二相冷媒となって膨張部出口４４から流出配管３６から流出する。このとき、膨張部３１の駆動力によって、回転軸３３に連結された発電機３２が回転する。

膨張部３１から流出した低圧二相冷媒は、第２四方弁６を通過して、蒸発器として作用する熱源側熱交換器４へ流入する。熱源側熱交換器４へ流入した低圧二相冷媒は、熱源側媒体（外気）と熱交換して吸熱、蒸発し、低圧のガス冷媒となって、熱源側熱交換器４から流出する。熱源側熱交換器４から流出した低圧のガス冷媒は、第１四方弁５を通過し、圧縮機１の低圧側の配管２１を介して、圧縮機１へ吸入される。

＜冷房運転時の冷媒の動作＞
上記暖房運転との相違点を中心に説明する。
冷房運転時は、第１四方弁５及び第２四方弁６が、図１の実線で示される状態に切り替えられる。
圧縮機１から吐出されたガス冷媒は、膨張機３の膨張機シェル３４内を通過し、ガス配管１１へ流出する。ガス配管１１へ流出したガス冷媒は、第１四方弁５を通過して、凝縮器（ＣＯ_２のような超臨界冷媒の場合は冷却器）として作用する熱源側熱交換器４で凝縮され、液冷媒となって熱源側熱交換器４から流出する。その後、熱源側熱交換器４を流出した液冷媒は、第２四方弁６及び流入配管３５を通過し、膨張部３１で膨張され、低圧二相冷媒となって流出する。

膨張部３１から流出した低圧二相冷媒は、第２四方弁６を通過して、蒸発器として作用する負荷側熱交換器２へ流入する。負荷側熱交換器２へ流入した低圧二相冷媒は、負荷側媒体（空気）と熱交換して吸熱、蒸発し、低圧のガス冷媒となって、負荷側熱交換器２から流出する。負荷側熱交換器２から流出した低圧のガス冷媒は、第１四方弁５を通過し、圧縮機１の低圧側の配管２１を介して、圧縮機１へ吸入される。

＜膨張機シェル３４に流入する冷凍機油５０の油量と、流出する油量との関係＞
上述したように、膨張機シェル３４内に流入したガス冷媒は、膨張機シェル３４内で、ガス冷媒に含まれる冷凍機油５０の少なくとも一部が分離され、分離された冷凍機油５０が膨張機シェル３４内に貯留される。そして、ガス冷媒及びこのガス冷媒に含まれる残りの冷凍機油５０が、出口部４２からガス配管１１へ流出する。
即ち、圧縮機１から膨張機シェル３４へ流入する冷凍機油５０の油量Ｇｏ１は、膨張機シェル３４内に貯留される冷凍機油５０の油量Ｇｏ２と、膨張機シェル３４からガス配管１１へ流出する冷凍機油５０の油量Ｇｏ３との和に等しい。
つまり、圧縮機１から吐出するガス冷媒に含まれる冷凍機油５０の油量Ｇｏ１に対して、膨張機シェル３４から流出するガス冷媒に含まれる冷凍機油５０の油量Ｇｏ３は少なくなる。
これにより、凝縮器（負荷側熱交換器２または熱源側熱交換器４）へ流入する冷凍機油５０の油量も減ることから、配管での圧力損失が低減し、凝縮器内での油の溜まりこみによる伝熱性能低下を抑制することができる。

なお、膨張機シェル３４内に貯留された冷凍機油５０が増加し、冷凍機油５０の油面が、膨張機シェル３４の出口部４２に到達すると、膨張機シェル３４から流出するガス冷媒に含まれる冷凍機油５０の油量Ｇｏ３は、油量Ｇｏ１とほぼ同じとなる。
なお、膨張機シェル３４内に貯留された冷凍機油５０は、膨張部３１及び発電機３２へ供給されることで消費される。例えば、膨張部３１へ供給された冷凍機油５０の一部は、膨張部３１内の冷媒に混入し、冷媒流路を経て圧縮機１内に流入する。このため、膨張機シェル３４内に貯留された冷凍機油５０の油量Ｇｏ２は、減少する場合がある。

以上のように本実施の形態１においては、膨張機３は、外郭を構成する膨張機シェル３４と、膨張機シェル３４内に配置され、凝縮器から流出した冷媒を膨張させ駆動力を発生し、膨張させた冷媒を蒸発器へ流入させる膨張部３１と、膨張機シェル３４内に配置され、膨張部３１の駆動力によって回転する発電機３２と、を有している。
このため、冷媒を膨張する際の動力を電力として回収することができる。

また本実施の形態１においては、膨張機シェル３４は、圧縮機１から吐出された冷媒に含まれる冷凍機油５０が貯留され、冷凍機油５０が膨張部３１及び発電機３２の少なくとも一方に供給される。また、膨張機シェル３４は、圧縮機１から吐出された冷媒が流入する入口部４１と、入口部４１から流入した冷媒を凝縮器へ流出させる出口部４２と、が形成されている。
このため、膨張機シェル３４内に貯留された冷凍機油５０を膨張部３１及び発電機３２に供給でき、膨張機シェル３４内における冷凍機油５０の枯渇を抑制することができる。
また、圧縮機１から吐出された冷媒に含まれる冷凍機油５０を、膨張機シェル３４内で分離することができる。よって、凝縮器（負荷側熱交換器２または熱源側熱交換器４）へ流入する冷凍機油５０の油量を減少させることができ、高圧側の配管での圧力損失が低減し、凝縮器内での油の溜まりこみによる伝熱性能低下を抑制することができる。
また、特許文献２に記載の技術のような給油管を設けないため、冷凍機油５０内に溶け込んだ冷媒が発泡することがなく、潤滑不良を抑制することができる。また、圧縮機１の起動時など過渡的な状態であっても、膨張機シェル３４内に貯留された冷凍機油５０によって膨張部３１及び発電機３２を潤滑することができる。

また、圧縮機１から配管１０へ吐出された冷媒が、膨張機シェル３４へ流入するので、圧縮機シェル１５の内圧（高圧シェルまたは低圧シェル）によらず、膨張機シェル３４内へガス冷媒を流入させることができ、膨張機シェル３４内に冷凍機油５０を貯留することができる。

また、膨張機シェル３４内に発電機３２が配置される。そして、圧縮機１から配管１０へ吐出されたガス冷媒が、膨張機シェル３４内を通過し、凝縮器へ流入する。
このため、発電機３２によって発生した熱（例えば、巻線での銅損及びステータなどの鉄損による熱）とガス冷媒とが熱交換し、発電機３２を冷却することができる。また、ガス冷媒が加熱されることで、暖房運転の場合には、加熱能力を向上することができる。

実施の形態２．
本実施の形態２では実施の形態１との相違点を中心に説明し、実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。

図２は、本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置１００の膨張機３の構成図である。
図２（ａ）に示すように、膨張機シェル３４の出口部４２は、膨張機シェル３４の側面に設けられた開口によって構成されている。この出口部４２は、当該膨張機シェル３４内に、予め設定された必要量の冷凍機油５０が貯留されたときの油面（Ｌｎ）よりも高い位置（Ｌｍ）に設けられている。ここで、予め設定された必要量は、膨張機３の仕様等によって規定される最低限必要な油の量である。
なお、図２（ｂ）に示すように、膨張機シェル３４の内外を連通する配管を設けて、配管の端部の開口によって出口部４２を構成しても良い。この場合においても、出口部４２は、当該膨張機シェル３４内に、予め設定された必要量の冷凍機油５０が貯留されたときの油面（Ｌｎ）よりも高い位置（Ｌｍ）に設けられている。

以上の構成により、膨張機シェル３４内に、予め設定された必要量の冷凍機油５０を貯留することができる。よって、膨張機３が必要とする最低限の油量を確保することができる。

実施の形態３．
本実施の形態３では実施の形態１との相違点を中心に説明し、実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。

図３は、本発明の実施の形態３に係る冷凍サイクル装置１００の構成図である。
図３に示すように、実施の形態３に係る冷凍サイクル装置１００は、上記実施の形態１の構成に加え、圧縮機１の吐出側の配管１０を分岐し、ガス配管１１に合流させる第１バイパス配管１２を、更に備えている。つまり、第１バイパス配管１２は、圧縮機１から膨張機シェル３４の入口部４１へ至る流路を分岐し、膨張機シェル３４の出口部４２から凝縮器（負荷側熱交換器２または熱源側熱交換器４）へ至る流路に合流させる。

ここで、膨張機３内の膨張部３１は、凝縮器（負荷側熱交換器２または熱源側熱交換器４）で液化された冷媒が流入するため、膨張部３１を流通する冷媒の温度は、膨張機シェル３４内に流入するガス冷媒に比べて温度が低い。このため、膨張部３１内の冷媒と膨張機シェル３４内に流入したガス冷媒とが熱交換する。

本実施の形態３においては、圧縮機１から吐出された冷媒の一部が配管１０から膨張機シェル３４内に流入し、他の一部が第１バイパス配管１２からガス配管１１へ流入する。
このため、圧縮機１から吐出した冷媒の全てが膨張機シェル３４内に流入する場合と比較して、膨張機シェル３４内に流入する冷媒流量が少なくなる。よって、膨張部３１内の冷媒と膨張機シェル３４内に流入したガス冷媒との熱交換量を少なくすることができる。
従って、蒸発器に流入する冷媒のエンタルピーの増加を抑制し、冷凍能力の低下を軽減することができる。また、凝縮器に流入する冷媒の温度の低下を抑制し、加熱能力の低下も軽減することができる。
さらに、膨張機シェル３４内への冷凍機油５０の過剰な供給を抑制できる。よって、膨張機シェル３４内の冷凍機油５０の油面が発電機３２まで到達することを抑制できる。また、膨張機シェル３４内の冷凍機油５０が、膨張機シェル３４外へ急激に持ち出されることを抑制し、冷媒回路における高圧側の配管での圧力損失の増加を抑制し、熱交換器性能の低下を抑制できる。

なお、上記構成において、膨張機３の大きさは圧縮機１に対して小さいため、膨張機シェル３４から流出する冷媒に含まれる冷凍機油５０の量（持ち出される油流量）は、圧縮機１から吐出された冷媒に含まれる冷凍機油５０の量より少ない。つまり、圧縮機１から持ち出される油流量よりも少ない油量を、膨張機３へ供給すればよい。
このため、第１バイパス配管１２を通過する冷媒の流量よりも、配管１０を通過する冷媒の流量が少なくなるように、配管１０もしくはガス配管１１の長さ及び径を選定する。
このように、適正な冷媒流量及び油流量を膨張機３へ供給することにより、膨張部３１での熱交換量を抑制できるとともに、膨張機シェル３４内における冷凍機油５０の枯渇を抑制することができる。

なお、配管１０または第１バイパス配管１２に流量調整弁等を設けて、膨張機シェル３４内に流入する冷媒流量を調整するようにしても良い。例えば、制御装置２００は、膨張機シェル３４内の冷凍機油５０の油量が予め設定した油量より少ない場合に、膨張機シェル３４内に流入する冷媒流量を増加させ、貯留される冷凍機油５０の油量を増加させるようにしても良い。
なお、膨張機シェル３４内の油量は、例えば油量計を設けても良いし、サーミスタ等の温度センサによってシェル温度を計測することで油量を判定しても良い。

実施の形態４．
本実施の形態４では実施の形態１との相違点を中心に説明し、実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。

図４は、本発明の実施の形態４に係る冷凍サイクル装置１００の構成図である。
図４に示すように、実施の形態４に係る冷凍サイクル装置１００は、上記実施の形態１の構成に加え、膨張機シェル３４内の冷凍機油５０を、圧縮機１の吸入側の配管２１に流入させる返油配管５１を、更に備えている。
返油配管５１は、膨張機シェル３４の底部に設けられた油出口４５と、圧縮機１の吸入側の配管２１とを接続する。また、返油配管５１には、キャピラリーチューブ５３などの減圧手段と、流路を開閉する開閉弁５４とが並列に設けられている。

制御装置２００は、開閉弁５４の開閉を制御する。制御装置２００は、例えば、圧縮機シェル１５内の冷凍機油５０の油量が予め設定した油量より少ない場合に、開閉弁５４を開き、膨張機シェル３４内の冷凍機油５０の一部を圧縮機シェル１５内へ返油する。
なお、圧縮機シェル１５内の油量は、例えば油量計を設けても良いし、サーミスタ等の温度センサによってシェル温度を計測することで油量を判定しても良い。

なお、上記の説明では、キャピラリーチューブ５３などの減圧手段と、流路を開閉する開閉弁５４とが並列に設けられている場合を説明したが、これに代えて、開度を可変可能な膨張弁を設けても良い。また、開閉弁５４を省略して、常時、少量の冷凍機油５０を返油するようにしても良い。

以上の構成により、膨張機シェル３４内の冷凍機油５０を圧縮機１へ戻せるので、例えば起動時など、圧縮機１から吐出される冷媒に含まれる冷凍機油５０の量（持ち出される油量）が多い場合に、圧縮機シェル１５内における冷凍機油５０の枯渇を抑制することができる。

（変形例）
なお、上記実施の形態３で説明した構成と、本実施の形態４で説明した構成とを組み合わせても良い。
例えば図５に示すように、上記実施の形態１の構成に加え、膨張機シェル３４内の冷凍機油５０を圧縮機１の吸入側の配管２１に流入させる返油配管５１と、圧縮機１から膨張機シェル３４の入口部４１へ至る流路を分岐し、膨張機シェル３４の出口部４２から凝縮器へ至る流路に合流させる第１バイパス配管１２と、を更に備える構成でも良い。このような構成においても、上述した効果と同様の効果を奏することができる。

実施の形態５．
本実施の形態５では実施の形態１との相違点を中心に説明し、実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。

図６は、本発明の実施の形態５に係る冷凍サイクル装置１００の構成図である。
図６に示すように、実施の形態５に係る冷凍サイクル装置１００は、上記実施の形態１の構成に加え、圧縮機１から吐出された冷媒に含まれる冷凍機油５０を分離する油分離器７を、更に備えている。
本実施の形態５における膨張機シェル３４は、入口部４１が流出管１３によって油分離器７と接続されている。また、実施の形態５では、圧縮機１の吐出側の配管１０は、油分離器７と接続されている。また、ガス配管１１は、油分離器７と接続されている。

また、実施の形態５に係る冷凍サイクル装置１００は、膨張機シェル３４内の冷凍機油５０を、圧縮機１の吸入側の配管２１に流入させる返油配管５１を備えている。
返油配管５１は、膨張機シェル３４の底部に設けられた油出口４５と、圧縮機１の吸入側の配管２１とを接続する。また、返油配管５１には、キャピラリーチューブ５３などの減圧手段と、流路を開閉する開閉弁５４とが並列に設けられている。
なお、キャピラリーチューブ５３及び開閉弁５４に代えて、開度を可変可能な膨張弁を設けても良い。また、開閉弁５４を省略して、常時、少量の冷凍機油５０を返油するようにしても良い。

本実施の形態５に係る冷凍サイクル装置１００おいては、圧縮機１から吐出された冷媒の全てが、配管１０を通過して油分離器７に流入する。油分離器７では、冷媒に含まれる冷凍機油５０の少なくとも一部が分離される。油分離器７によって分離された冷凍機油５０は、流出管１３を介して入口部４１から膨張機シェル３４内に流入する。一方、油分離器７によって分離されたガス冷媒は、ガス配管１１を通過し、第１四方弁５を介して凝縮器（負荷側熱交換器２または熱源側熱交換器４）へ流入する。

膨張機シェル３４内に貯留された冷凍機油５０は、回転軸３３を介して、電動機部１７及び圧縮部１８へ供給され、潤滑及び冷却に利用される。また、膨張機シェル３４内に貯留された冷凍機油５０の一部は、返油配管５１を通過して、圧縮機１の吸入側の配管２１から圧縮機１へと返油される。

以上の構成により、油分離器７で分離した冷凍機油５０が膨張機シェル３４へ流入する。このため、圧縮機１から吐出された冷媒が膨張機シェル３４内に流入する場合と比較して、膨張部３１内の冷媒と膨張機シェル３４内のガス冷媒との熱交換が行われにくくなり、膨張部３１から蒸発器に流入する冷媒のエンタルピーの増加を抑制し、冷凍能力の低下を軽減することができる。
また、圧縮機１から吐出された冷媒が、膨張機シェル３４を通過せずに凝縮器に流入する。このため、凝縮器に流入する冷媒の温度の低下を抑制し、加熱能力の低下も軽減することができる。

また、圧縮機１から吐出された高温の冷媒が膨張機シェル３４内に流入しないので、膨張機シェル３４内部の温度上昇を抑制することができる。これにより、発電機３２の温度上昇も抑制でき、発電機３２の効率低下を抑制することができる。

なお、流出管１３と返油配管５１の配管径及び長さを調整することによって、膨張機シェル３４内の圧力及び温度を調節することができる。または、流出管１３と返油配管５１に減圧手段を設けることで膨張機シェル３４内の圧力及び温度を調節することができる。そこで、膨張機シェル３４内の温度を、膨張部３１の入口部４１に流入する冷媒の温度以下に調整することで、膨張部３１内の冷媒の温度上昇を抑制でき、蒸発器に流入する冷媒のエンタルピーの増加を抑制できる。また、膨張機シェル３４内の温度を低下させることによって、発電機３２の温度上昇を抑制することができ、発電機３２の効率低下を抑制することができる。

実施の形態６．
本実施の形態６では実施の形態１との相違点を中心に説明し、実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。

図７は、本発明の実施の形態６に係る冷凍サイクル装置１００の構成図である。
図７に示すように、実施の形態６に係る冷凍サイクル装置１００は、上記実施の形態１の構成に加え、流入配管３５を分岐し流出配管３６に合流させる第２バイパス配管３７と、第２バイパス配管３７に設けられ冷媒を膨張する第２膨張弁３８と、を更に備えている。
第２バイパス配管３７は、凝縮器から膨張部３１へ至る流路（流入配管３５）を分岐し、膨張部３１から蒸発器へ至る流路（流出配管３６）に合流させる。
第２膨張弁３８は、例えば開度を可変可能な電子制御式膨張弁等により構成されている。制御装置２００は、予め設定した条件に応じて、第２膨張弁３８の開度を制御する。
なお、第２バイパス配管３７の流路を開閉する開閉弁を設け、第２膨張弁３８の開度が固定の構成でも良い。この場合、制御装置２００は、開閉弁を制御する。

第２膨張弁３８の開度が全閉の場合、流入配管３５を冷媒は第２バイパス配管３７を流通しない。この場合は上述した実施の形態１と同様の動作となる。
一方、第２膨張弁３８を開くと、流入配管３５を流通する冷媒が第２バイパス配管３７を流通する。第２バイパス配管３７を流通する冷媒は、第２膨張弁３８によって減圧される。このとき、膨張部３１へ流れる冷媒流量が減少するため、膨張部３１の駆動が停止する。なお、流入配管３５または流出配管３６に開閉弁等を設けて、膨張部３１へ流入する冷媒を完全に停止しても良い。
第２膨張弁３８によって減圧された冷媒は、流出配管３６に合流し、第２四方弁６を通過して蒸発器に流入する。

次に、制御装置２００による第２膨張弁３８の制御について説明する。
制御装置２００は、予め設定した条件を満たす場合、第２膨張弁３８を開き、第２バイパス配管３７に冷媒を流通させ、膨張部３１の駆動を停止させる。
ここで、予め設定した条件は、例えば以下の（１）〜（３）の少なくとも一つの場合である。
（１）圧縮機１の起動からの経過時間が、予め設定した時間以下である場合
（２）膨張機シェル３４内の冷凍機油５０の量が、予め設定した量以下である場合
（３）膨張部３１の回転数が、予め設定した上限値以上もしくは下限値以下である場合

以上の構成により、予め設定した条件を満たす場合には、膨張部３１の駆動を停止させることができる。
また、圧縮機１の起動からの経過時間が予め設定した時間以下である場合に、膨張部３１の駆動を停止させことで、圧縮機１の吐出圧力が十分上昇するまでは、膨張部３１が駆動することを防止でき、圧縮機１への液バック等を抑制することができる。
また、膨張機シェル３４内の冷凍機油５０が減少し、予め設定した量以下となった場合に、膨張部３１の駆動を停止させことで、膨張機３の破損を防止することができる。
また、膨張部３１の回転数が、予め設定した上限値以上もしくは下限値以下である場合に、膨張部３１の駆動を停止させことで、回転数が所望の範囲を外れることなく膨張部３１を駆動することができる。

なお、本実施の形態６の構成は、上述した実施の形態１〜５の何れの構成にも適用することができる。

１ 圧縮機、２ 負荷側熱交換器、３ 膨張機、４ 熱源側熱交換器、５ 第１四方弁、６ 第２四方弁、７ 油分離器、１０ 配管、１１ ガス配管、１２ 第１バイパス配管、１３ 流出管、１５ 圧縮機シェル、１７ 電動機部、１８ 圧縮部、２１ 配管、３１ 膨張部、３２ 発電機、３３ 回転軸、３４ 膨張機シェル、３５ 流入配管、３６ 流出配管、３７ 第２バイパス配管、３８ 第２膨張弁、４１ 入口部、４２ 出口部、４３ 膨張部入口、４４ 膨張部出口、４５ 油出口、５０ 冷凍機油、５１ 返油配管、５３ キャピラリーチューブ、５４ 開閉弁、１００ 冷凍サイクル装置、２００ 制御装置。

Claims (9)

1. 圧縮機、凝縮器、膨張機、及び蒸発器が配管で接続され、冷媒が循環する冷媒回路を備え、
   前記膨張機は、
   外郭を構成する膨張機シェルと、
   前記膨張機シェル内に配置され、前記凝縮器から流出した前記冷媒を膨張させ駆動力を発生し、膨張させた前記冷媒を前記蒸発器へ流入させる膨張部と、
   前記膨張機シェル内に配置され、前記膨張部の駆動力によって回転する発電機と、
   を有し、
   前記膨張機シェルは、
   前記圧縮機から吐出された前記冷媒と前記冷媒に含まれる冷凍機油とが流入する入口部と、
   前記冷媒と前記冷凍機油とを前記入口部から流入させた後、前記膨張機シェル内を経由して前記凝縮器へ流出させる出口部と、が形成され、
   前記膨張機シェル内が高圧であり、
   前記圧縮機の吐出配管から吐出された前記冷媒に含まれる前記冷凍機油が貯留され、前記冷凍機油が前記膨張部及び前記発電機の少なくとも一方に供給される
   冷凍サイクル装置。
2. 前記圧縮機の吐出配管が前記膨張機シェルの入口部に接続された
   請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記膨張機シェルの前記出口部は、
   当該膨張機シェル内に、予め設定された必要量の前記冷凍機油が貯留されたときの油面よりも高い位置に設けられた
   請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記圧縮機から前記膨張機シェルの前記入口部へ至る流路を分岐し、前記膨張機シェルの前記出口部から前記凝縮器へ至る流路に合流させる第１バイパス配管を、更に備えた
   請求項１〜３の何れか一項に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記膨張機シェルの前記入口部から流入する前記冷媒の流量が、
   前記第１バイパス配管を通過する前記冷媒の流量よりも少ない
   請求項４に記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記膨張機シェル内の前記冷凍機油を、前記圧縮機の吸入側の配管に流入させる返油配管を、更に備えた
   請求項１〜５の何れか一項に記載の冷凍サイクル装置。
7. 前記圧縮機から吐出された前記冷媒に含まれる前記冷凍機油を分離する油分離器を、更に備え、
   前記膨張機シェルは、
   前記油分離器によって分離した前記冷凍機油が流入する入口部と、
   前記膨張機シェル内の前記冷凍機油を、前記圧縮機の吸入側の配管へ流出させる出口部と、が形成された
   請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
8. 前記凝縮器から前記膨張部へ至る流路を分岐し、前記膨張部から前記蒸発器へ至る流路に合流させる第２バイパス配管と、
   前記第２バイパス配管に設けられ、前記冷媒を膨張する第２膨張弁と、を更に備え、
   予め設定した条件を満たす場合、前記第２バイパス配管に前記冷媒を流通させる
   請求項１〜７の何れか一項に記載の冷凍サイクル装置。
9. 前記予め設定した条件は、
   前記圧縮機の起動からの経過時間が、予め設定した時間以下である場合、
   前記膨張機シェル内の前記冷凍機油の量が、予め設定した量以下である場合、
   及び、前記膨張部の回転数が、予め設定した上限値以上もしくは下限値以下である場合、の少なくとも一つである
   請求項８に記載の冷凍サイクル装置。

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