JP6391819B2 - 冷凍サイクル装置および空気調和装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍サイクル装置および空気調和装置に関し、特に冷凍機油として冷媒と非相容のものを用い、圧縮機の油濃度低下、油枯渇を防止する冷凍サイクル装置および空気調和装置に関する。

冷媒と非相容の冷凍機油を用いた場合には、アキュムレータ内部に発生する冷媒量によっては返油機構から返油できないことがある。

返油機構から返油できない問題を改善するために、アキュムレータ内部の上部のオイル戻し孔の大きさを下部のオイル戻し孔の大きさよりも大きく形成する技術が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

特開平１０−１６０２９３号公報

ここで、多室型空気調和機などの運転パターンによっては、封入冷媒量が多いシステムが用いられる。特許文献１記載の技術では、所定の返油位置から所定の油濃度の冷凍機油を返すことができない場合があり、圧縮機に必要な油濃度の確保が困難であった。

本発明は、上記課題を解決するためのものであり、冷媒と非相容の冷凍機油を用いた場合に、圧縮機の油濃度低下、油枯渇を防止する冷凍サイクル装置および空気調和装置を提供す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、四方弁、熱源側熱交換器、絞り装置、利用側熱交換器を順次配管で接続し、前記四方弁から戻る冷媒および冷凍機油を貯留するアキュムレータを有する冷媒回路と、前記圧縮機と前記四方弁の間にて分岐されて前記アキュムレータに接続されるバイパス経路と、を備え、前記アキュムレータの内部には、高さ位置が異なる複数の返油機構を有すると共に前記圧縮機に繋がる流入管が設けられ、冷凍機油が、前記アキュムレータの内部において、冷媒との間で界面が形成される、冷媒と非相容の特性を有し、前記バイパス経路は、前記アキュムレータの底面から接続して前記アキュムレータの内部に延び、前記バイパス経路の前記アキュムレータの内部での出口は、前記複数の返油機構のうちで最も低い位置にある返油機構の高さと最も高い位置にある返油機構の高さとの間の高さ位置に設けられるものである。

本発明に係る冷凍サイクル装置によれば、バイパス経路のアキュムレータの内部での出口は、複数の返油機構のうちで最も低い位置にある返油機構の高さと最も高い位置にある返油機構の高さとの間の高さ位置に設けられる。このため、圧縮機と繋がるバイパス経路からアキュムレータ内部に高温高圧冷媒を流入させ強制対流させ、冷凍機油と冷媒との界面を波立たせ、油濃度分布を均一化する。したがって、冷媒と非相容の冷凍機油を用いた場合に、圧縮機の油濃度低下、油枯渇を防止することができる。

本発明の実施の形態１に係る空気調和装置の冷媒回路を示す図である。 本発明の実施の形態１に係るアキュムレータ内部の油濃度分布を示す図である。 本発明の実施の形態１に係るバイパス経路の開閉とアキュムレータ内部の油濃度の変化との関係を示す図である。 本発明の実施の形態１に係るバイパス経路の出口高さとアキュムレータ内部の油濃度との関係を示す図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。
なお、各図において、同一の符号を付したものは、同一のまたはこれに相当するものであり、これは明細書の全文において共通している。
さらに、明細書全文に表れている構成要素の形態は、あくまで例示であってこれらの記載に限定されるものではない。

実施の形態１．
（空気調和装置の冷媒回路）
図１は、本発明の実施の形態１に係る空気調和装置１００の冷媒回路を示す図である。
空気調和装置１００は、圧縮機１、四方弁２、熱源側熱交換器３、第１切換弁４、第１絞り装置５ａ、５ｂ、５ｃ、利用側熱交換器６ａ、６ｂ、６ｃ、を順次配管で接続している冷媒回路を備える。

また、空気調和装置１００は、四方弁２から戻る冷媒および冷凍機油を貯留するアキュムレータ７００を有する。

空気調和装置１００は、圧縮機１と四方弁２の間から分岐されて第２切換弁８を経由し、アキュムレータ７００に接続されるバイパス経路９を備える。

空気調和装置１００は、アキュムレータ７００内部に、高さ位置が異なる複数の返油機構７１０ａ、７１０ｂを有すると共に圧縮機１に繋がる流入管７２０を備える。
空気調和装置１００の冷媒回路には、冷媒と、この冷媒と非相容の特性をもつ冷凍機油と、が封入されている。

（冷房モードのサイクル）
続いて空気調和装置１００の冷房運転時のサイクルについて説明する。
四方弁２は熱源側熱交換器３側に冷媒を流通させるように流路を切り替える。圧縮機１にて圧縮された高温高圧のガス冷媒は、四方弁２を経由して熱源側熱交換器３に流入する。熱源側熱交換器３に流入した冷媒は、熱源側熱交換器３にて凝縮され高圧の液冷媒となり、第１絞り装置５ａ、５ｂ、５ｃにより膨張されて低圧の二相冷媒となり、利用側熱交換器６ａ、６ｂ、６ｃに流入する。利用側熱交換器６ａ、６ｂ、６ｃにて蒸発された二相の冷媒は、四方弁２、アキュムレータ７００を経由して圧縮機１に流入する。

（暖房モードのサイクル）
続いて空気調和装置１００の暖房運転時のサイクルについて説明する。
四方弁２は利用側熱交換器６ａ、６ｂ、６ｃに冷媒を流通させるように流路を切り替える。圧縮機１にて圧縮された高温高圧のガス冷媒は、四方弁２を経由して利用側熱交換器６ａ、６ｂ、６ｃに流入する。利用側熱交換器６ａ、６ｂ、６ｃに流入した冷媒は、利用側熱交換器６ａ、６ｂ、６ｃにて凝縮され高圧の液冷媒となり、第１絞り装置５ａ、５ｂ、５ｃにより膨張され低圧の二相冷媒となり、熱源側熱交換器３に流入する。熱源側熱交換器３にて蒸発された二相の冷媒は、四方弁２、アキュムレータ７００を経由して圧縮機１に流入する。

（返油機構）
図１に基づいて返油機構７１０ａ、７１０ｂについて説明する。
複数の返油機構７１０ａ、７１０ｂは、流入管７２０に設けられており、アキュムレータ７００の内部に発生する余剰冷媒量と流入管７２０を通過する冷媒流量とに応じて適切な返油量を圧縮機１に戻す。
返油機構７１０ａは、複数の返油機構７１０ａ、７１０ｂのうちで最も低い位置にある返油機構である。
返油機構７１０ｂは、複数の返油機構７１０ａ、７１０ｂのうちで最も高い位置にある返油機構である。

ここで、実施の形態１では、返油機構として代表的なオリフィス穴について記載したが、膨張弁やキャピラリーチューブを用いてもよい。また、返油機構７１０ａ、７１０ｂの２つだけでなく、その間にさらに多数の返油機構を有していてもよい。

（バイパス経路）
図１に基づいてバイパス経路９について説明する。
バイパス経路９は、圧縮機１と四方弁２との間にて分岐されてアキュムレータ７００に接続される。バイパス経路９は、アキュムレータ７００の底面からアキュムレータ７００内部に上方に延びる。

バイパス経路９のアキュムレータ７００内部での出口９ａは、複数の返油機構７１０ａ、７１０ｂのうちで最も低い位置にある返油機構７１０ａと最も高い位置にある返油機構７１０ｂとの間の平均高さの位置に設けられる。そして、バイパス経路９の出口９ａは、アキュムレータ７００の内部にて上向きに開口している。

なお、バイパス経路９の出口９ａは、上記平均高さの位置ではなく、複数の返油機構７１０ａ、７１０ｂのうちで最も低い位置にある返油機構７１０ａの高さと最も高い位置にある返油機構７１０ｂの高さとの間の高さ位置に設けられるものであってもよい。
また、バイパス経路９は、アキュムレータ７００内部に側面から入り込み、出口９ａがアキュムレータ７００の内部にて上向きに開口しているものであってもよい。

バイパス経路９上の第２切換弁８が開となると、圧縮機１から吐出された高温高圧のガス冷媒は第２切換弁８を通過し、バイパス経路９を流れる間で生じた圧力損失により高温低圧のガス冷媒となり、アキュムータ７００内部に流入する。

（アキュムレータ内部の油濃度分布）
図２に基づいてアキュムレータ７００内部の油濃度の分布について説明する。
図２は、本発明の実施の形態１に係るアキュムレータ７００内部の油濃度分布を示す図である。
冷凍機油が冷媒と非相容なものであり、密度が冷媒より低い場合のアキュムレータ７００の内部の油濃度分布を説明する。
アキュムレータ７００の内部に余剰冷媒が発生した場合は、密度の低い冷凍機油が冷媒より上部に滞留することになる。冷媒と冷凍機油との界面を境に、下部の油濃度が低く上部の油濃度が高くなる。アキュムレータ７００から圧縮機１に戻す油量には許容できる返油濃度が決められており、許容値よりも低ければ圧縮機１の油枯渇が発生する。
冷媒と冷凍機油との界面は、複数の返油機構７１０ａ、７１０ｂのうちで最も低い位置にある返油機構７１０ａと最も高い位置にある返油機構７１０ｂとの間の位置に位置する。また、冷媒と冷凍機油の界面は、バイパス経路９の出口９ａの高さ位置よりも上に位置する。
なお、上記では、冷凍機油の密度が冷媒より低い場合について説明したが、高い場合は逆に下部の油濃度が高く上部が低くなる。

（バイパス経路の作用）
バイパス経路９の第２切換弁８を開として圧縮機１の高温高圧のガス冷媒をアキュムレータ７００の内部に流入させることによって、アキュムレータ７００の内部の冷媒を蒸発させて余剰冷媒量を減少させて全体的に油濃度を高める。具体的には、バイパス経路９の出口９ａから上方に流入した冷媒の流速により、アキュムレータ７００の内部で強制対流が生じる。この強制対流は、出口９ａよりも上方の冷媒と冷凍機油との界面を波立たせ、分離していた冷媒と冷凍機油とを混合し、油濃度の分布を変化させ、界面の上部と下部の油濃度差を小さくさせると共に圧縮機１の許容値を上回るようにする。

ここで、第２切換弁８を開くタイミングは、圧縮機の油濃度が低下したとき、すなわち圧縮機１から吐出された冷媒の過熱度が低下するときである。

図３は、本発明の実施の形態１に係るバイパス経路９の開閉とアキュムレータ７００内部の油濃度の変化との関係を示す図である。図３の（ｉ）は、バイパス経路９が閉じているときを表す。図３の（ｉｉ）は、バイパス経路９が開くときを表す。図３の（ｉｉｉ）は、バイパス経路９の出口９ａの高さ位置が複数の返油機構７１０ａ、７１０ｂの平均高さ位置のときを表す。
図３の（ｉ）に示すようにバイパス経路９が閉じているとき、冷媒と冷凍機油とは非相容の関係から分離してしまい、圧縮機１の許容値を大きく下回る。
図３の（ｉｉ）に示すようにバイパス経路９が開くとき、冷媒と冷凍機油とは非相容の関係であっても、バイパス経路９の出口９ａから上方に流入した冷媒の流速により、アキュムレータ７００の内部で強制対流が生じる。これにより、冷媒と冷凍機油とは混合され、圧縮機１の許容値を上回るようになる。
図３の（ｉｉｉ）に示すようにバイパス経路９の出口９ａの高さ位置が複数の返油機構７１０ａ、７１０ｂの平均高さ位置で最も冷媒と冷凍機油とは混合され、油分布が均一に近く、圧縮機１の許容値を上回り易い。

図４は、本発明の実施の形態１に係るバイパス経路９の出口９ａの高さとアキュムレータ７００内部の油濃度との関係を示す図である。
図４に示すように、バイパス経路９の出口９ａの高さは、複数の返油機構７１０ａ、７１０ｂのうちで最も低い位置にある返油機構７１０ａと最も高い位置にある返油機構７１０ｂとの間のどこに位置するかによって、アキュムレータ７００内部の油濃度に対して放物線を描く。
複数の返油機構７１０ａ、７１０ｂは、アキュムレータ７００の内部に余剰冷媒が発生した場合に、圧縮機１に返油できるように、アキュムレータ７００の内部の冷媒と冷凍機油の界面を間に挟むように設定されている。このため、複数の返油機構７１０ａ、７１０ｂのうちで最も低い位置にある返油機構７１０ａと最も高い位置にある返油機構７１０ｂとの間の平均高さ位置がアキュムレータ７００の内部の冷媒と冷凍機油の界面に最も近づく。よって、バイパス経路９の出口９ａの高さが複数の返油機構７１０ａ、７１０ｂのうちで最も低い位置にある返油機構７１０ａと最も高い位置にある返油機構７１０ｂとの間の平均高さ位置であると、冷媒と冷凍機油との界面を出口９ａから流出させるガス冷媒で強制対流させて冷媒と冷凍機油とを混合する効果が高くなる。そのため、図４に示すような放物線を描く効果が生じる。

以上の実施の形態１によると、バイパス経路９のアキュムレータ７００の内部での出口９ａは、複数の返油機構７１０ａ、７１０ｂのうちで最も低い位置にある返油機構７１０ａの高さと最も高い位置にある返油機構７１０ｂの高さとの間の高さ位置に設けられる。このように構成されると、圧縮機１と繋がるバイパス経路９からアキュムレータ７００の内部に高温高圧冷媒を流入させ強制対流させ、冷凍機油と冷媒との界面を波立たせ、油濃度分布を均一化する。したがって、冷媒と非相容の冷凍機油を用いた場合に、圧縮機１の油濃度低下、油枯渇を防止することができる。

バイパス経路９の出口９ａは、複数の返油機構７１０ａ、７１０ｂのうちで最も低い位置にある返油機構７１０ａと最も高い位置にある返油機構７１０ｂとの平均高さの位置に設けられる。このように構成されると、バイパス経路９の出口９ａが最も冷凍機油と冷媒との界面に近づき、強制対流させる効果が高まる。

バイパス経路９の出口９ａは、アキュムレータ７００の内部にて上向きに開口している。このように構成されると、アキュムレータ７００の内部にて出口９ａよりも上方の冷凍機油と冷媒との界面に向けて、バイパス経路９から高温高圧冷媒を流入させ強制対流させることができる。

空気調和装置１００は、圧縮機１、四方弁２、熱源側熱交換器３、第１切換弁４、第１絞り装置５ａ、５ｂ、５ｃ、利用側熱交換器６ａ、６ｂ、６ｃ、を順次配管で接続している冷媒回路を備え、四方弁２からの戻り冷媒のうちの冷凍機油を含む冷媒を貯留するアキュムレータ７００を有する冷媒回路（冷凍サイクル装置）を備えた。このように構成されると、冷媒と非相容の冷凍機油を用いた場合に、圧縮機１の油濃度低下、油枯渇を防止することができる。

１ 圧縮機、２ 四方弁、３ 熱源側熱交換器、４ 第１切換弁、５ａ 第１絞り装置、５ｂ 第１絞り装置、５ｃ 第１絞り装置、６ａ 利用側熱交換器、６ｂ 利用側熱交換器、６ｃ 利用側熱交換器、８ 第２切換弁、９ バイパス経路、９ａ 出口、１０ｂ 返油機構、１００ 空気調和装置、７００ アキュムレータ、７１０ａ 返油機構、７１０ｂ 返油機構、７２０ 流入管。

Claims (7)

1. 圧縮機、四方弁、熱源側熱交換器、絞り装置、利用側熱交換器を順次配管で接続し、前記四方弁から戻る冷媒および冷凍機油を貯留するアキュムレータを有する冷媒回路と、
   前記圧縮機と前記四方弁の間にて分岐されて前記アキュムレータに接続されるバイパス経路と、
   を備え、
   前記アキュムレータの内部には、高さ位置が異なる複数の返油機構を有すると共に前記圧縮機に繋がる流入管が設けられ、
   冷凍機油が、前記アキュムレータの内部において、冷媒との間で界面が形成される、冷媒と非相容の特性を有し、
   前記バイパス経路は、前記アキュムレータの底面から接続して前記アキュムレータの内部に延び、
   前記バイパス経路の前記アキュムレータの内部での出口は、前記複数の返油機構のうちで最も低い位置にある返油機構の高さと最も高い位置にある返油機構の高さとの間の高さ位置に設けられる冷凍サイクル装置。
2. 前記バイパス経路の前記出口は、前記複数の返油機構のうちで最も低い位置にある返油機構と最も高い位置にある返油機構との平均高さの位置に設けられる請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記複数の返油機構のうちで最も低い位置にある返油機構と最も高い位置にある返油機構とが、前記界面を挟むように、それぞれの高さ位置が設定される請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記バイパス経路の前記出口の高さ位置が、前記界面よりも下の位置に設けられる請求項３に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記バイパス経路の前記出口の高さ位置が、前記界面の近傍の位置に設けられる請求項３に記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記バイパス経路の前記出口は、前記アキュムレータの内部にて上向きに開口している請求項１〜５のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置を備えた空気調和装置。

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