JP6385002B2 - 冷凍装置の油分離装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷媒に混入する冷凍機油を簡易かつ低コストな手段で分離回収可能にした冷凍装置の油分離装置に関する。

オゾン層破壊防止や温暖化防止等の観点から、室内の空調や食品などの冷凍に用いる冷凍装置の冷媒として、ＮＨ_３やＣＯ_２等の自然冷媒が見直されている。そこで、冷却性能は高いが毒性があるＮＨ_３を一次冷媒とし、毒性がないＣＯ_２を二次冷媒とした冷凍装置が広く用いられている。
ＮＨ_３冷媒は、他の冷媒と比べて、ＣＯＰ（成績係数）が良く、また、アルキルベンゼンなどの不溶油を使用した場合、不溶油は一般に潤滑性能が良く、かつＮＨ_３冷媒に溶解しないため、ＮＨ_３冷媒は冷媒としての特性が長期に亘って安定する等の利点がある。

冷凍機に用いられる圧縮機は、小容量の冷凍庫用として、小容量で効率の良い往復動式圧縮機がよく用いられている。圧縮機を複数段とすることでさらに低温域の温度まで冷却できるが、往復動式圧縮機は複数段の圧縮機をコンパクトにまとめることができる利点がある。そこで、２段の往復動式圧縮機を用い、低段と高段の間に例えばエコノマイザなどの中間冷却器を設けることでＣＯＰ（成績係数）を向上させることができる。
往復動式圧縮機はクランクケースにのみ冷凍機油を溜めておけばよく、少ない冷凍機油で作動できる利点があるが、摺動部分が多いため、冷凍機油の潤滑性能の優劣はその作動に大きく影響する。

一方、ＮＨ_３冷媒に不溶性の冷凍機油を用いた場合、不溶性の冷凍機油はＮＨ_３冷媒から分離して機器類の底部に溜まりやすい。特に、低温の蒸発器では、冷凍機油の粘度が高くなるために、蒸発器に浸入した冷凍機油は徐々に蓄積し、蒸発器の性能を劣化させるおそれがある。そのため、滞留した冷凍機油を回収する必要がある。
特許文献１には、蒸発器と凝縮器間及び凝縮器と圧縮機の吐出冷媒路間に油戻し路を設け、デフロスト運転時に圧縮機から高圧の冷媒ガスを蒸発器に送り、蒸発器の油溜めポットに溜まった冷凍機油を前記凝縮器を介して前記圧縮機の冷媒吸入路に回収する油回収手段が開示されている。

特許第３２３７８６７号公報

特許文献１に開示された油回収手段は、蒸発器及び受液器に油溜部を設ける必要があり高コストになる。また、回収作業は冷凍運転を一旦休止し、デフロスト運転時などに行う必要があり、冷凍装置の運転効率が低下するおそれがある。

本発明の少なくとも一実施形態は、かかる従来技術の課題に鑑み、蒸発器に溜まった冷凍機油を簡易かつ低コストな手段で分離回収可能にすることを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る冷凍装置の油分離装置は、
冷媒回路と、該冷媒回路に設けられ圧縮機及び蒸発器を含む冷凍サイクル構成機器とを有し、冷媒より比重が大きく前記蒸発器に滞留した不溶性冷凍機油を前記冷媒から分離する冷凍装置の油分離装置において、
前記蒸発器の下部に設けられた油溜り部と、
前記油溜り部と前記圧縮機の冷媒吸入路とに接続された油戻し路と、
前記油戻し路に設けられて内部に冷凍機油を滞留可能であり、かつ該冷凍機油の滞留量を検出可能なフロートセンサと、
前記フロートセンサの上流側の前記油戻し路と前記圧縮機の冷媒吐出路とに接続された高圧冷媒導入路と、
前記フロートセンサで検出した前記冷凍機油の滞留量に応じて前記油戻し路を開閉し、前記フロートセンサに滞留した冷凍機油を前記冷媒吸入路に戻すための制御装置と、を備え、
前記フロートセンサは、
前記冷凍機油の比重より小さい比重を有するフロートと、
前記冷凍機油の滞留空間が形成され、該滞留空間に前記フロートが上下動可能に収容されるように構成されたケーシングと、
前記滞留空間に流入した前記冷凍機油によって浮上する前記フロートの上下方向位置を検出し、この検出値を前記制御装置に送るための位置センサと、を備えている。

前記構成（１）において、前記位置センサで前記フロートの上下方向位置を検出し、該検出値が上限閾値を超えたら、圧縮機の冷媒吐出路から高圧の冷媒ガスを前記油戻し路に供給する。こうして、前記フロートセンサの前記滞留空間に溜まった冷凍機油を前記油戻し路に流出させ前記冷媒吸入路に戻すようにする。
前記構成（１）によれば、前記滞留空間に溜った冷凍機油のみを分離して圧縮機入口の冷媒吸入路に戻すので、特許文献１に開示された油回収手段と比べて、冷媒液の戻りによるトラブルを回避することができる。
さらに、前記位置センサで冷凍機油の滞留量を検出できるので、該滞留量を監視しながら冷凍運転中に自動で油回収を行うことができる。

（２）幾つかの実施形態では、前記構成（１）において、
前記高圧冷媒導入路の接続部より上流側の前記油戻し路に設けられた第１の開閉弁と、
前記フロートセンサより下流側の前記油戻し路に設けられた第２の開閉弁と、
前記高圧冷媒導入路に設けられた第３の開閉弁とをさらに備え、
前記制御装置は、
前記位置センサの検出値が上限閾値に超えたとき、前記第１の開閉弁を閉鎖すると共に、前記第２の開閉弁及び前記第３の開閉弁を開放し、
前記位置センサの検出値が下限閾値を下回ったとき、前記第２の開閉弁及び前記第３の開閉弁を閉鎖し、前記第１の開閉弁を開放する。

前記構成（２）によれば、油回収時、前記第１の開閉弁を閉鎖して前記油溜り部と前記フロートセンサとを遮断した上で、前記高圧冷媒導入路の高圧冷媒を前記油戻し路に供給できるので、冷凍運転中でも油回収を確実に行うことができ、運転効率を低下させない。

（３）幾つかの実施形態では、前記構成（１）又は（２）において、
前記フロートに上下方向に一体に設けられた被検出ロッドと、
前記ケーシングに支持され、前記被検出ロッドを上下方向に往復動可能に案内する案内部材と、を有し、
前記位置センサは前記被検出ロッドの上下方向位置を検出するものである。
前記構成（３）によれば、前記被検出ロッドの上下方向位置を検出することで前記フロートの上下方向位置を検出するようにしているので、前記フロートの上下方向位置の検出が容易になり、かつ検出精度を向上できる。

（４）幾つかの実施形態では、前記構成（１）〜（３）のいずれかにおいて、
前記ケーシングの側壁に前記油戻し路の入口開口が形成されると共に、前記ケーシングの底壁に前記油戻し路の出口開口が形成され、
前記フロートの比重は前記冷媒より大きくかつ前記冷凍機油より小さい。
前記構成（４）において、前記フロートセンサのケーシング内で最下部に溜まった冷凍機油の上にフロートが浮き、冷凍機油の上方に溜まった冷媒にはフロートは浮かない。そのため、前記出口開口から先に冷凍機油を流出でき、冷凍機油と冷媒の分離を容易かつ精度良く行うことができる。

（５）幾つかの実施形態では、前記構成（１）〜（４）のいずれかにおいて、
前記冷媒はＮＨ_３冷媒であり、
前記冷凍機油は前記ＮＨ_３冷媒に対して不溶性を有する。
前記構成（５）において、冷凍機油を前記フロートセンサのケーシング内でＮＨ_３冷媒から分離し、ＮＨ_３冷媒の下方に滞留し、冷凍機油のみにフロートが浮く。そのため、油回収時、該ケーシングの出口開口から油戻し路への冷凍機油の流出を容易に行うことができる。

（６）幾つかの実施形態では、前記構成（１）〜（５）のいずれかにおいて、
前記冷凍装置は、
ＮＨ_３冷媒が循環し冷凍サイクル構成機器が設けられた一次冷媒回路と、
ＣＯ_２冷媒が循環し前記蒸発器として機能するＣＯ_２液化器を介して前記一次冷媒回路と接続された二次冷媒回路とを有し、
前記ＣＯ_２液化器の下部に前記油溜り部が設けられている。
前記構成（６）によれば、ＮＨ_３／ＣＯ_２冷凍装置の前記ＣＯ_２液化器に前記構成（１）〜（５）のいずれかの油分離装置を備えることで、前記ＣＯ_２液化器からの冷凍機油の分離回収を簡易かつ低コストな手段で、運転効率の低下をまねくことなく行うことができる。

（７）幾つかの実施形態では、前記構成（６）において、
前記ＣＯ_２液化器はシェルアンドチューブ型満液式ＣＯ_２液化器であり、シェル側にＮＨ_３冷媒が導入され、チューブ側にＣＯ_２冷媒が導入されるものである。
前記構成（７）において、シェル側に導入されたＮＨ_３冷媒に混入している冷凍機油はＣＯ_２液化器の下部に設けられた油溜り部に溜まる。そのため、かかる構成のＣＯ_２液化器に前記構成（１）〜（５）のいずれかの油分離装置を備えることで、前記ＣＯ_２液化器からの冷凍機油の分離回収を簡易かつ低コストな手段で、運転効率の低下をまねくことなく行うことができる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、蒸発器に前記構成の油分離部を備えることにより、蒸発器からの油回収を簡易かつ低コストな手段でかつ運転効率の低下をまねかず行うことができる。

一実施形態に係る油分離装置を備えた冷凍装置の一部の系統図である。 前記冷凍装置の他部の系統図である。 一実施形態に係るフロートセンサの縦断面図である。 前記冷凍装置の制御装置のブロック線図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載され又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一つの構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

図１〜図４は、本発明の少なくとも一実施形態に係る油分離装置を備えたＮＨ_３／ＣＯ_２冷凍装置を示している。
図１に示すように、冷凍装置１０は、冷媒回路と、該冷媒回路に設けられ圧縮機１６及び蒸発器（ＣＯ_２液化器３４）を含む冷凍サイクル構成機器とを有している。圧縮機１６は前記冷媒回路を循環する冷媒より比重が大きい不溶性冷凍機油を用いており、前記蒸発器に滞留した前記冷凍機油を冷媒から分離する油分離部６０が設けられている。
例示的な実施形態では、前記冷媒回路は、ＮＨ_３冷媒が循環する一次冷媒回路１２とＣＯ_２冷媒が循環する二次冷媒回路１４で構成され、これらの回路は蒸発器としての機能を有するＣＯ_２液化器３４で接続されている。圧縮機１６はＮＨ_３冷媒より比重が大きい冷凍機油を用い、油分離部６０はＣＯ_２液化器３４の下部に設けられた油溜めポット６２を含んでいる。

油分離部６０は、ＣＯ_２液化器３４を構成するケーシングの下部に設けられた油溜めポット６２と、油溜めポット６２と圧縮機１６の冷媒吸入路１２ｂとに接続された油戻し路６４とを有している。
また、油分離部６０は、油戻し路６４に設けられて内部に冷凍機油ｒの滞留空間Ｓを有し、該滞留空間Ｓに溜まった冷凍機油ｒの滞留量を検出可能なフロートセンサ６６と、フロートセンサ６６の上流側の油戻し路６４と圧縮機１６の吐出口に接続される一次冷媒吐出路１２ｃとに接続された高圧冷媒導入路６８とを有している。
図４に示すように、制御装置１００はフロートセンサ６６で検出した冷凍機油の滞留量に応じて油戻し路６４を開閉し、フロートセンサ６６に滞留した冷凍機油を一次冷媒回路１２の一部であって圧縮機１６の入口に接続される一次冷媒吸入路１２ｂに戻す。

図３に示すように、フロートセンサ６６は、冷媒及び冷凍機油の中間の比重を有するフロート７２と、滞留空間Ｓを有し該滞留空間Ｓにフロート７２が上下動可能に収容されるように構成されたケーシング７０と、滞留空間Ｓに流入した冷凍機油によって浮上するフロート７２の上下方向位置を検出し、この検出値を制御装置１００に送る位置センサ（スイッチ部８０）とを備えている。

図１に示すように、例示的な実施形態では、ＣＯ_２液化器３４は、シェルアンドチューブ型満液式で構成され、シェル側にＮＨ_３冷媒が導入され、チューブ側にＣＯ_２冷媒が導入される。
また、高圧冷媒導入路６８の接続部より上流側の油戻し路６４にモータバルブ８６が設けられ、フロートセンサ６６より下流側の油戻し路６４に電磁開閉弁８８が設けられ、さらに、高圧冷媒導入路６８に電磁開閉弁９０が設けられている。
制御装置１００は、前記位置センサ（スイッチ部８０）の検出値が上限閾値を超えたとき、モータバルブ８６を閉鎖すると共に、電磁開閉弁８８及び９０を開放することで、フロートセンサ６６に溜まった冷凍機油を一次冷媒吸入路１２ｂに戻すことができる。
また、前記位置センサの検出値が下限閾値を下回ったとき、電磁開閉弁８８及び９０を閉鎖し、モータバルブ８６を開放することで、フロートセンサ６６に冷凍機油を溜めることができる。

例示的な実施形態では、フロート７２に上下方向に一体に被検出ロッド（ロッド８２）が設けられている。ロッド８２はケーシング７０に支持された案内部材（案内パイプ７６）で上下方向に往復動可能に案内される。前記位置センサは前記被検出ロッドの上下方向位置を検出することでフロート７２の上下方向位置を検出する。

例示的な実施形態では、ケーシング７０の側壁に油戻し路６４の入口開口７０ａが形成され、ケーシング７０の底壁に油戻し路６４の出口開口７０ｂが形成されている。
例示的な実施形態では、圧縮機１６は半密閉型の単機２段往復動式圧縮機であり、互いに直列に接続された低段圧縮部１６ａ及び高段圧縮部１６ｂで構成されている。圧縮機１６は駆動装置としてハーメチックモータ１８を有している。ハーメチックモータ１８には冷却水路４８が接続され、ハーメチックモータ１８はインバータ１８ａによって回転数制御される。
高段圧縮部１６ｂから吐出されたＮＨ_３冷媒ガスは、受液器として機能するＮＨ_３凝縮器２０に送られ、凝縮する。

例示的な実施形態では、ＮＨ_３凝縮器２０はシェルアンドチューブ型熱交換器で構成され、軸方向両端に形成されたカバー２０ａの一方に冷却水路２２が接続されている。両カバー間に冷却水路２２から導入された冷却水ｗが循環する多数の伝熱管２０ｂが架設されている。ＮＨ_３凝縮器２０の下部には冷媒液溜めポット２０ｃが形成され、冷媒液溜めポット２０ｃには、冷媒液溜めポット２０ｃに溜まるＮＨ_３冷媒の上限液位を検出する上限レベルセンサ２４ａ及び下限液位を検出する下限レベルセンサ２４ｂが設けられている。
図４に示すように、これらレベルセンサの検出信号は制御装置１００に送られる。

ＮＨ_３凝縮器２０の下流側で一次冷媒回路１２に中間冷却器としてエコノマイザ２６が設けられている。エコノマイザ２６の上流で一次冷媒回路１２から分岐路２８が分岐し、分岐路２８に温度式膨張弁３０が設けられている。分岐路２８はエコノマイザ２６で一次冷媒回路１２と熱交換部を形成すると共に、低段圧縮部１６ａの吐出側の一次冷媒路１２ａに接続されている。
温度式膨張弁３０を通ったＮＨ_３冷媒は気化して低温となり、エコノマイザ２６で一次冷媒回路１２を流れるＮＨ_３冷媒を過冷却する。分岐路２８の低温となったＮＨ_３冷媒ガスは低段圧縮部１６ａと高段圧縮部１６ｂ間に設けられた一次冷媒路１２ａに流入し、高段圧縮部１６ｂに送られる低段圧縮部１６ａから吐出されるＮＨ_３冷媒ガスを冷却する。
温度式膨張弁３０によって、分岐路２８のＮＨ_３冷媒は一次冷媒路１２ａへ液バックしないように過熱度が調整される。

このように、圧縮機１６は、低段圧縮部１６ａ及び高段圧縮部１６ｂが往復動式圧縮機で構成された単機２段圧縮機であり、かつエコノマイザ２６を備えているので、低温域の温度まで冷却可能であると共に、簡易な構成でＣＯＰを向上できる。

冷媒液溜めポット２０ｃの下部に一次冷媒回路１２が接続されており、重力で冷媒液溜めポット２０ｃに溜まったＮＨ_３冷媒液は一次冷媒回路１２に流出する。
エコノマイザ２６の下流側で一次冷媒回路１２に給液電磁弁３１及び電子式膨張弁３２が設けられ、電子式膨張弁３２の下流側で一次冷媒回路１２はＣＯ_２液化器３４の下部に接続されている。
エコノマイザ２６で過冷却されたＮＨ_３冷媒は電子式膨張弁３２で減圧された後、ＣＯ_２液化器３４に導入される。

例示的な実施形態では、図１に示すように、ＣＯ_２液化器３４はシェルアンドチューブ型満液式ＣＯ_２液化器で構成されている。ＣＯ_２液化器３４は軸方向両端にカバー３４ａが形成され、両カバー間に多数の伝熱管３４ｂが架設されている。前記両カバーの一方で該カバーの下部に二次冷媒回路１４の一部としてＣＯ_２冷媒液を冷却負荷に送るＣＯ_２送り路１４ａが接続され、他方のカバーに冷却負荷からＣＯ_２冷媒液ガスが戻るＣＯ_２戻り路１４ｂが接続されている。ＣＯ_２液化器３４の上部には、一次冷媒回路１２の一部を構成し低段圧縮部１６ａの入口に接続される一次冷媒吸入路１２ｂが接続されている。
こうして、ＣＯ_２液化器３４は、シェル側にＮＨ_３冷媒が導入され、伝熱管３４ｂにＣＯ_２冷媒が流れる。
一次冷媒吸入路１２ｂには、低段圧縮部１６ａに吸入されるＮＨ_３冷媒ガスの温度を検出する吸入温度センサ３６及び圧力を検出する吸入圧力センサ３８が設けられている。

電子式膨張弁３２を経てＣＯ_２液化器３４に流入したＮＨ_３冷媒液は、ＣＯ_２戻り路１４ｂから戻ったＣＯ_２冷媒から蒸発潜熱を吸収して気化すると共に、ＣＯ_２冷媒を液化する。気化したＮＨ_３冷媒は一次冷媒吸入路１２ｂを経て低段圧縮部１６ａに吸入される。液化したＣＯ_２冷媒液はＣＯ_２送り路１４ａを通ってＣＯ_２受液器５０に送られる。

例示的な実施形態では、圧縮機１６にはオイルクーラ４０が設けられている。オイルクーラ４０と圧縮機１６との間に冷凍機油が循環する油循環路４４及び４６が接続される。オイルクーラ４０には、圧縮機１６のジャケットに連通する冷却水路４２が接続されている。油循環路４４及び４６を循環する冷凍機油はオイルクーラ４０で冷却水ｗによって冷却される。

図２に示すように、例示的な実施形態では、ＣＯ_２送り路１４ａ及びＣＯ_２戻り路１４ｂはＣＯ_２受液器５０に接続されている。ＣＯ_２受液器５０を構成するケーシングの下部には液溜めポット５０ａが形成され、液溜めポット５０ａと冷却負荷である冷凍庫５６の内部に設けられた冷却ユニット５８との間にＣＯ_２送り路５２ａが設けられている。
液溜めポット５０ａに溜まったＣＯ_２冷媒液は、ＣＯ_２送り路５２ａに設けられた液ポンプ５４によってＣＯ_２送り路５２ａを介して冷却ユニット５８に送られる。冷却ユニット５８で冷凍庫内部の冷却に供された後のＣＯ_２冷媒は、ＣＯ_２戻り路５２ｂを介してＣＯ_２受液器５０に戻される。

図４は冷凍装置１０の制御系を示している。
図４において、上限レベルセンサ２４ａ及び下限レベルセンサ２４ｂの検出信号は制御装置１００に入力される。即ち、冷媒液溜めポット２０ｃに溜まったＮＨ_３冷媒の液位が下限レベルセンサ２４ｂの位置に達した時、下限レベルセンサ２４ｂは給液電磁弁３１のオフ信号を制御装置１００に送る。また、ＮＨ_３冷媒の液位が上限レベルセンサ２４ａの位置に達した時、上限レベルセンサ２４ａは給液電磁弁３１のオン信号を制御装置１００に送る。
制御装置１００は、ＮＨ_３冷媒の液位が常に下限レベルセンサ２４ｂと上限レベルセンサ２４ａの間にあるように電子式膨張弁３２の開度を制御する。

また、吸入温度センサ３６及び吸入圧力センサ３８の検出信号は制御装置１００に入力される。制御装置１００は、これらの検出値から低段圧縮部１６ａに吸入されるＮＨ_３冷媒ガスの過熱度を演算し、該過熱度が設定値となるように電子式膨張弁３２の開度を制御する。

例示的な実施形態では、冷凍機油として、ＮＨ_３冷媒に対し潤滑性能が良好な不溶油であって、ＮＨ_３冷媒及びフロート７２より比重が大きい冷凍機油（例えばアルキルベンゼンなど）が用いられる。不溶性の冷凍機油はＮＨ_３冷媒との分離性が良好で、かつ高い潤滑性能を保持できる。
油分離部６０は、ＣＯ_２液化器３４に貯留したＮＨ_３冷媒からＮＨ_３冷媒に混じった不溶性の冷凍機油を分離する。以下、油分離部６０の構成を説明する。

図１に示すように、例示的な実施形態では、ＣＯ_２送り路１４ａが接続されたカバー３４ａの近傍でＣＯ_２液化器３４の下部に油溜めポット６２が形成されている。油溜めポット６２の下端と一次冷媒吸入路１２ｂとに油戻し路６４が接続されている。ＮＨ_３冷媒に混じった比重の大きい冷凍機油が油溜めポット６２に溜まりやすいように、ＣＯ_２液化器３４は油溜めポット６２が設けられた側のカバー３４ａが下側になるように若干傾斜している。
また、油戻し路６４にフロートセンサ６６が設けられ、フロートセンサ６６より上流側の油戻し路６４と一次冷媒回路１２の一部であり高段圧縮機１６ｂの吐出口に接続された冷媒吐出路１２ｃとの間に高圧冷媒導入路６８が接続されている。

以下、フロートセンサ６６の例示的な構成を図３に基づいて説明する。
図３において、フロートセンサ６６のケーシング７０は上下方向に長い円形横断面を有し、内部に冷凍機油が流入可能な滞留空間Ｓを有している。また、隔壁に油戻し路６４に連通する入口開口７０ａ及び出口開口７０ｂを有し、その他は密閉壁で構成されている。入口開口７０ａはケーシング７０の側壁に形成され、出口開口７０ｂはケーシング７０の下部に形成されている。滞留空間Ｓに球形のフロート７２が収容されている。
フロート７２はＮＨ_３冷媒と冷凍機油との中間の比重を有するように構成されている。

フロート７２の上方でケーシング７０の内壁にパイプアダプタ７４が設けられ、パイプアダプタ７４に中空の案内パイプ７６がパイプアダプタ７４から上方に向けて固定されている。ケーシング７０の上端にスイッチケース７８が装着され、スイッチケース７８の底壁に形成された孔から案内パイプ７６がスイッチケース７８の内部に導設されている。スイッチケース７８の内部で案内パイプ７６にスイッチ部８０が取り付けられている。
フロート７２の上端にケーシング７０の軸方向に沿って配置されたロッド８２が装着されている。ロッド８２は案内パイプ７６の内部に上下動可能に挿入され、その上端はスイッチ部８０の高さまで十分達している。

かかる構成において、油戻し路６４からＮＨ_３冷媒および冷凍機油ｒの混合物が入口開口７０ａを介して滞留空間Ｓに流入すると、混合物は両者の比重差によってＮＨ_３冷媒が冷凍機油ｒの上になり、冷凍機油ｒがケーシング７０の底部に溜まるように分離する。また、フロートセンサ６６はＮＨ_３冷媒と冷凍機油ｒとの中間の比重を有するので、ＮＨ_３冷媒には浮かばず、冷凍機油ｒのみに浮くように上方へ動く。そのため、冷凍機油ｒのみを出口開口７０ｂから油戻し路６４へ導出させることができる。
出口開口７０ｂの周囲の内壁には、周方向に部分的に突起８４が形成されている。突起８４によってフロート７２が最下端位置にあるときでもフロート７２が出口開口７０ｂを塞がない。

スイッチ部８０は、ロッド８２の上下方向位置を検出することで、フロート７２の上下方向位置を検出し、その検出信号を制御装置１００に送る。
例示的な実施形態では、ロッド８２の上部部位には被検出スポットＤが設けられ、スイッチ部８０は電気的手段又は磁気的手段により被検出スポットＤの位置を検出可能に構成されている。被検出スポットＤを検出することで、例えば、フロート７２が最下端位置（フロート７２の下部が突起８４に接した位置）Ｈ_１及び最上端位置（最下端位置から設定ストロークＬだけ上方の位置）Ｈ_２を検出し、その検出信号を制御装置１００に送る。

図１に示すように、高圧冷媒導入路６８の接続部より上流側の油戻し路６４にモータバルブ８６が設けられ、フロートセンサ６６より下流側の油戻し路６４に電磁開閉弁８８が設けられ、さらに、高圧冷媒導入路６８に電磁開閉弁９０が設けられている。
制御装置１００は、スイッチ部８０がフロート７２が最上端位置Ｈ_２に位置することを検出したとき、モータバルブ８６を閉とし、電磁開閉弁８８及び９０を開とする。これによって、フロートセンサ６６に溜まった冷凍機油は一次冷媒吸入路１２ｂに流出する。スイッチ部８０がフロート７２が最下端位置Ｈ_１に位置することを検出したとき、電磁開閉弁８８及び９０を閉とし、モータバルブ８６を開とする。

幾つかの実施形態によれば、ＣＯ_２液化器３４から冷凍機油ｒのみを分離して一次冷媒吸入路１２ｂに戻すようにしているので、特許文献１に開示された油回収手段と比べて、確実に冷媒と冷凍機油を分離回収できるので冷媒液の戻りによるトラブルを回避することができる。
また、油回収時、モータバルブ８６を閉鎖して油溜めポット６２とフロートセンサ６６とを遮断した上で、高圧冷媒導入路６８の高圧冷媒を油戻し路６４に供給するので、冷凍運転中でも油回収を確実に行うことができ、運転効率を低下させない。
さらに、スイッチ部８０で冷凍機油ｒの滞留量を検出できるので、該滞留量を監視しながら冷凍運転中に自動で油回収を行うことができる。

例示的な実施形態によれば、冷凍機油面でフロート７２の上下方向位置を検出するので、フロート７２の上下方向位置の検出が容易になり、かつ検出精度を向上できる。
また、滞留空間ＳでＮＨ_３冷媒の下方に冷凍機油ｒが溜まるため、出口開口７０ｂから確実に冷凍機油ｒを流出させることができる。
出口開口７０ｂの周囲に突起８４があるため、フロート７２が最下端位置Ｈ_１にあるときでも出口開口７０ｂは開放されるため、冷凍機油ｒを出口開口７０ｂから流出させ、ＮＨ_３冷媒液と分離して電磁開閉弁８８までの油戻し路６４に冷凍機油ｒを溜めることができる。

また、例示的な実施形態によれば、副次的な作用効果として、沸騰状態にある蒸発器（ＣＯ_２液化器３４）でなく、ＮＨ_３凝縮器２０内の安定したＮＨ_３冷媒の液位を制御することでＣＯ_２液化器３４内のＮＨ_３冷媒の液位を設定値に制御できる。そのため、確実にＮＨ_３冷媒量を管理できるので一次冷媒回路１２のＮＨ_３冷媒量を冷凍サイクル構成機器の作動に最低限必要な量まで低減でき、省エネ及び設備の低コスト化が可能になる。
また、ＣＯ_２液化器３４でＮＨ_３冷媒から冷凍機油を分離できるので、さらなる省エネ及び低コスト化が可能になる。
さらに、低段圧縮部１６ａに吸入されるＮＨ_３冷媒の過熱度を適正に制御でき、かつ低段圧縮部１６ａへの液バックを抑制できる。

また、制御装置１００によって、吸入圧力センサ３８及び吸入温度センサ３６の検出値から演算した過熱度に基づいて、電子式膨張弁３２の開度を制御するので、過熱度制御及び液バック防止を精度良く行うことができる。
また、ＮＨ_３凝縮器２０では、冷媒液溜めポット２０ｃに上限レベルセンサ２４ａ及び下限レベルセンサ２４ｂを設けたことで、ＮＨ_３受液器２０内のＮＨ_３冷媒の液位を正確かつ精度良く検出できる。
さらに、ＣＯ_２液化器３４でＮＨ_３冷媒と熱交換して冷却され液化したＣＯ_２冷媒は、一旦ＣＯ_２受液器３６に貯留され、ＣＯ_２受液器３６から冷却ユニット５８に送られるので、冷却ユニット５８へのＣＯ_２冷媒の循環を容易に行うことができる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、蒸発器に前記油分離部を備えることで、油回収を簡易かつ低コストな手段で可能とし、かつ運転効率の低下をまねかない冷凍装置を実現できる。

１０ 冷凍装置
１２ 一次冷媒回路
１４ 二次冷媒回路
１４ａ、５２ａ ＣＯ_２送り路
１４ｂ、５２ｂ ＣＯ_２戻り路
１６ 圧縮機
１６ａ 低段圧縮部
１６ｂ 高段圧縮部
１８ ハーメチックモータ
１８ａ インバータ
２０ ＮＨ_３凝縮器
２０ａ カバー
２０ｂ 伝熱管
２０ｃ 冷媒液溜めポット
２２、４２、４８ 冷却水路
２４ａ 上限レベルセンサ
２４ｂ 下限レベルセンサ
２６ エコノマイザ
２８ 分岐路
３０ 温度式膨張弁
３１ 給液電磁弁
３２ 電子式膨張弁
３４ ＣＯ_２液化器（蒸発器）
３４ａ カバー
３２ｂ 伝熱管
３６ 吸入温度センサ
３８ 吸入圧力センサ
４０ オイルクーラ
４４、４６ 油循環路
５０ ＣＯ_２受液器
５０ａ 液溜めポット
５４ 液ポンプ
５６ 冷凍庫
５８ 冷却ユニット
６０ 油分離部
６２ 油溜めポット
６４ 油戻し路
６６ フロートセンサ
６８ 高圧冷媒導入路
７０ ケーシング
７２ フロート
７４ パイプアダプタ
７６ 案内パイプ（案内部材）
７８ スイッチケース
８０ スイッチ部
８２ ロッド
８４ 突起
８６ モータバルブ（第１の開閉弁）
８８ 電磁開閉弁（第２の開閉弁）
９０ 電磁開閉弁（第３の開閉弁）
１００ 制御装置
Ｄ 被検出スポット
Ｈ_１ 最下端位置
Ｈ_２ 最上端位置
Ｓ 滞留空間
ｒ 冷凍機油

Claims (7)

1. 冷媒回路と、該冷媒回路に設けられ圧縮機及び蒸発器を含む冷凍サイクル構成機器とを有し、冷媒より比重が大きく前記蒸発器に滞留した不溶性冷凍機油を前記冷媒から分離する冷凍装置の油分離装置において、
   前記蒸発器の下部に設けられた油溜り部と、
   前記油溜り部と前記圧縮機の冷媒吸入路とに接続された油戻し路と、
   前記油戻し路に設けられて内部に冷凍機油を滞留可能であり、かつ該冷凍機油の滞留量を検出可能なフロートセンサと、
   前記フロートセンサの上流側の前記油戻し路と前記圧縮機の冷媒吐出路とに接続された高圧冷媒導入路と、
   前記フロートセンサで検出した前記冷凍機油の滞留量に応じて前記油戻し路を開閉し、前記フロートセンサに滞留した冷凍機油を前記冷媒吸入路に戻すための制御装置と、を備え、
   前記フロートセンサは、
   前記冷凍機油の比重より小さい比重を有するフロートと、
   前記冷凍機油の滞留空間が形成され、該滞留空間に前記フロートが上下動可能に収容されるように構成されたケーシングと、
   前記滞留空間に流入した前記冷凍機油によって浮上する前記フロートの上下方向位置を検出し、この検出値を前記制御装置に送るための位置センサと、を備えていることを特徴とする冷凍装置の油分離装置。
2. 前記高圧冷媒導入路の接続部より上流側の前記油戻し路に設けられた第１の開閉弁と、
   前記フロートセンサより下流側の前記油戻し路に設けられた第２の開閉弁と、
   前記高圧冷媒導入路に設けられた第３の開閉弁とをさらに備え、
   前記制御装置は、
   前記位置センサの検出値が上限閾値に超えたとき、前記第１の開閉弁を閉鎖すると共に、前記第２の開閉弁及び前記第３の開閉弁を開放し、
   前記位置センサの検出値が下限閾値を下回ったとき、前記第２の開閉弁及び前記第３の開閉弁を閉鎖し、前記第１の開閉弁を開放することを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置の油分離装置。
3. 前記フロートに上下方向に一体に設けられた被検出ロッドと、
   前記ケーシングに支持され、前記被検出ロッドを上下方向に往復動可能に案内する案内部材と、を有し、
   前記位置センサは前記被検出ロッドの上下方向位置を検出するものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷凍装置の油分離装置。
4. 前記ケーシングの側壁に前記油戻し路の入口開口が形成されると共に、前記ケーシングの底壁に前記油戻し路の出口開口が形成され、
   前記フロートの比重は前記冷媒より大きくかつ前記冷凍機油より小さいことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の冷凍装置の油分離装置。
5. 前記冷媒はＮＨ_３冷媒であり、
   前記冷凍機油は前記ＮＨ_３冷媒に対して不溶性を有することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の冷凍装置の油分離装置。
6. 前記冷凍装置は、
   ＮＨ_３冷媒が循環し冷凍サイクル構成機器が設けられた一次冷媒回路と、
   ＣＯ_２冷媒が循環し前記蒸発器として機能するＣＯ_２液化器を介して前記一次冷媒回路と接続された二次冷媒回路とを有し、
   前記ＣＯ_２液化器の下部に前記油溜り部が設けられていることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の冷凍装置の油分離装置。
7. 前記ＣＯ_２液化器はシェルアンドチューブ型満液式ＣＯ_２液化器であり、シェル側にＮＨ_３冷媒が導入され、チューブ側にＣＯ_２冷媒が導入されるものであることを特徴とする請求項６に記載の冷凍装置の油分離装置。
   

Images