JP6615351B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

この発明は、冷凍サイクル装置に関し、特に蒸発器に生じるドレン水の氷結防止に関する。

冷凍サイクル装置の圧縮機内には、圧縮機の潤滑性を確保するために冷凍機油が存在する。圧縮機の運転が開始されると、圧縮機からガス冷媒が冷媒回路へ出力される。このガス冷媒の流れとともに、液冷媒と冷凍機油との混合液が冷媒回路へ持ち出される。そして、混合液として圧縮機から冷媒回路へ持ち出された冷凍機油の多くは、圧縮機の吐出側に設けられた油分離器で回収され、圧縮機に戻される。

特開２０１０−３２１９６号公報（特許文献１）は、圧縮機の動力を効果的に低減できる冷凍装置を開示している。この文献において第４の発明の冷凍装置として、油分離器で分離した冷凍機油を圧縮機に戻す際に冷凍機油の熱をドレンパン内に放出する装置が記載されている。これにより、室外熱交換器の下側に設けられたドレンパン内のドレン水の凍結が抑制され、ドレンパン内からドレン水を適切に排出できる。

特開２０１０−３２１９６号公報

上記特開２０１０−３２１９６号公報に開示された冷凍装置では、油分離器で冷媒と分離した冷凍機油からドレンパン内に油の熱を放出するように構成される暖房側クーラが設けられる。しかし、油分離器で分離した冷凍機油を圧縮機に戻す際に冷凍機油の量を制御することはできず、圧縮機起動時やデフロスト終了時等に生じる圧縮機における過渡的な冷凍機油の枯渇を抑制することができない。

また、冷凍機油の量を制御しない場合には、冷凍機油の過渡的な枯渇を防ぐために余裕をもった量の冷凍機油を冷媒回路内に封入しておく必要がある。この場合、通常運転時においては圧縮機の必要トルクが余剰油によって増加し、冷凍サイクル装置の性能が低下する。

この発明の目的は、通常運転時における性能低下を抑えつつ、ドレンパン内のドレン水の凍結を防止することができる冷凍サイクル装置を提供することである。

この発明に係る冷凍サイクル装置では、冷媒が、圧縮機、凝縮器、膨張弁、および蒸発器に循環する。冷凍サイクル装置は、ドレンパンと、温度検出器と、油分離器と、返油経路と、弁とを備える。ドレンパンは、蒸発器において空気中の水分が凝縮したドレン水を受けるように構成される。温度検出器は、ドレン水の温度に関連する温度を検出するように構成される。油分離器は、圧縮機と凝縮器との間に設けられ、冷媒と冷凍機油とを分離するように構成される。返油経路は、ドレンパン内に少なくとも一部が配置され、油分離器において分離された冷凍機油を圧縮機の吸入口に戻すように構成される。弁は、返油経路の冷凍機油の流量を調整する。弁は、温度検出器の出力に応じて開度が変化するように構成される。

本発明によれば、弁の開度がドレンパンの温度に応じて変化するため、必要な場合には返油量が多くなり冷凍機油の不足を抑制し、通常時は余剰の冷凍機油が生じないように油分離器に冷凍機油をためておくことができる。

したがって、通常運転時における性能低下を抑えつつ、ドレンパン内のドレン水の凍結を防止することができる。

本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の構成を示した図である。 返油経路がドレンパンを通らない構成である検討例を示す図である。 高温の冷凍機油が圧縮機の吸入口に流入した状態を示すｐ−ｈ線図である。 圧縮機に生じる過渡的な油枯渇の状態を説明するための波形図である。 制御装置６１が実行する制御の一例を示すフローチャートである。 実施の形態１の冷凍サイクル装置の冷媒の状態変化を示すｐ−ｈ線図である。 実施の形態２に係る冷凍サイクル装置１０２の構成を示す図である。 実施の形態２に係る制御装置６２が実行する制御の一例を示すフローチャートである。 実施の形態３に係る冷凍サイクル装置１０３の構成を示す図である。 油−空気熱交換器１１、蒸発器５、ドレンパン５０の物理的な配置関係を示す図である。 実施の形態３に係る制御装置６３が実行する制御の一例を示すフローチャートである。 実施の形態４に係る冷凍サイクル装置１０４の構成を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。以下では、複数の実施の形態について説明するが、各実施の形態で説明された構成を適宜組合わせることは出願当初から予定されている。なお、図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の構成を示した図である。図１に示す冷凍サイクル装置１０１では、冷媒が、圧縮機１、凝縮器３、膨張弁４、および蒸発器５の順に循環する。冷凍サイクル装置１０１は、ドレンパン５０と、温度検出器５１と、温度検出器５２と、油分離器２と、返油経路７１と、調整弁８と、制御装置６１とを含む。

油分離器２は、圧縮機１の吐出口（点Ａ）と凝縮器３との間に設けられ、冷媒と冷凍機油（以下、単に「油」とも称する。）とを分離するように構成される。返油経路７１は、油分離器２において分離された油を圧縮機１の吸入口（点Ｆ）に戻すように構成される。ドレンパン５０は、蒸発器５において空気中の水分が凝縮したドレン水を受けるように構成される。

冷凍サイクル装置１０１は、温度検出器５１を設け、返油経路７１の油の流量を温度検出器５１の出力に応じて調節弁８によって調整する点が特徴である。このような温度検出器５１と返油経路７１と調節弁８とが無い構成の場合には、以下に説明するような問題点がある。

図２は、返油経路がドレンパンを通らない構成である検討例を示す図である。図２の構成では、返油経路５０７は、返油経路５０７の油の流量を制限するために、減圧装置５０８が点Ｇと点Ｈの間に設けられている。返油経路５０７は、図示しないドレンパンを通過せずに配設されており、図１の返油経路７１と比較すると、短くかつ放熱量も少ない。なお、図１と共通する構成には同一の符号を付してあるので、これらについては図２では説明を省略する。

外気が低温かつ高湿度である場合には、室外の蒸発器に着霜現象が生じる。冷凍サイクル装置は、蒸発器に着霜すると、必要に応じて図示しない四方弁を切り替えるなどして冷媒の循環方向を一時的に逆転させる除霜運転（デフロストともいう）を行なう。低温下では、蒸発器における除霜により発生したドレン水も凍結する恐れがある。ドレンパンに溜まったドレン水が凍結すると、ドレンパンからの排水が妨げられ、氷が成長し蒸発器が下側から凍結することがある。このように蒸発器の下部に生じる氷塊は、「根氷」と呼ばれる。すると、蒸発器５の通風抵抗が増加し、冷凍サイクル装置（空気調和機や給湯機）の能力が低下する。

また、ドレンパンの凍結が発生すると、頻繁に除霜運転が発生することがあり、除霜運転中は暖房運転（給湯運転）が休止されるので、室内暖房の快適性が低下したり、貯湯温度が低下したりするおそれがある。

さらに、高温な油を吸入配管に流入させることによる問題もある。図３は、高温の油が圧縮機の吸入口に流入した状態を示すｐ−ｈ線図である。図３において、点Ａ〜点Ｈは、それぞれ図２の点Ａ〜点Ｈの配管中の冷媒の状態に対応する。油分離器２から高温の油は、点Ｇ、Ｈ、Ｆの順に流れることにより、過熱度を増加させるように点Ｆの圧縮機の入力の冷媒の状態を変化させる。これは圧縮機の入力（冷媒のエンタルピ差）を増加させる。

また、摩擦面での潤滑剤の膜の安定性は高粘度のものほど良好であるが、油が高温となると、粘度が低下することによって油膜形成が不十分となり潤滑性が低下する。また高温により油の酸化が進行し、信頼性が低下するおそれもある。

また、図２の構成では、油分離器２から油と一緒に冷媒の一部も圧縮機１に戻される。このため熱交換器である凝縮器３や蒸発器５に流れる冷媒量は減少するのでその分圧縮機１の回転速度を増加させなくてはならなくなる。したがって、返油経路５０７を設けることにより、冷凍サイクル装置５０１は本来の効率は低下する。

図４は、圧縮機に生じる過渡的な油枯渇の状態を説明するための波形図である。油の封入量が少ないと、圧縮機起動時やデフロスト終了時等に図４に示すような過渡的な油枯渇が生じることがある。このような、圧縮機起動時やデフロスト終了時の運転のように圧縮機１において冷凍機油が不足する可能性が高い運転を以下、「油枯渇運転（oil depleting operation）」という。油枯渇運転時の潤滑不足を防ぐために、通常運転時には余剰となる量の冷凍機油を冷媒回路に封入しておく必要があり、通常運転時の効率が下がる。

以上の対策として、温度検出器５１と返油経路７１と調整弁８とを設けた点が実施の形態１の冷凍サイクル装置１０１の特徴である。再び図１を参照して、温度検出器５１は、ドレン水の温度に関連する温度を検出するように構成される。具体的には、温度検出器５１はドレンパン５０の表面温度を検出する。なお、温度検出器５１は、ドレンパン５０内のドレン水の温度を検出しても良い。

返油経路７１は、通過する油の熱をドレンパン５０内のドレン水に放熱するように構成される。返油経路７１は、返油管７と、油−水熱交換器６とを含む。調整弁８は、返油経路７１の油の流量を調整する。調整弁８は、温度検出器５１の出力に応じて開度が変化するように構成される。

冷凍サイクル装置１０１では、ドレンパン５０に返油経路７１の一部を配置する。これにより返油経路７１の一部がドレンパン５０の加熱手段として機能し、ドレンパン５０が返油経路７１を流れる油の冷却手段としても機能する。そして、制御装置６１は、調整弁８によって、返油量や熱交換量を運転条件に応じて調整する。

なお、以下の実施の形態において、「通常運転」とは、圧縮機起動後、冷凍サイクルが安定したときの運転を示す。また、「油枯渇運転」とは、上述したように、圧縮機１内の油が圧縮機１の外に持ち出されて、圧縮機１の潤滑不良などによる圧縮機故障の要因となる運転を示す。例えば、起動時やデフロスト運転から暖房運転に切り替え時の運転が、「油枯渇運転」に該当する。「ドレン凍結防止回路」とは、以下の実施の形態において、油−水熱交換器６を通る返油回路を示す。

以下に冷媒の流れについて詳細に説明する。
図１に示すように、本実施の形態の冷凍サイクル装置１０１は、少なくとも、圧縮機１、油分離器２、凝縮器３（高圧側熱交換器）、膨張弁４、蒸発器５（低圧側熱交換器）、油−水熱交換器６、返油管７、および調整弁８を配管で接続した構成を有する。好ましくは、除霜運転時に冷媒の流れを逆転させられるように低圧管路（点Ｅ）と高圧管路（点Ｂ）との間に四方弁を設けてもよい。

蒸発器５の下方側には、ドレンパン５０が設置される。図１の矢印に示すように、冷凍サイクル装置１０１において、圧縮機１から吐出された高温高圧の冷媒は、凝縮器３に流入し、膨張弁４を通過した低温低圧の冷媒は、蒸発器５に流入する。

油分離器２は、圧縮機１の吐出口（点Ａ）と凝縮器３の間に配管（点Ｂ）によって接続される。返油管７は、油分離器２の底部に設置される。油−水熱交換器６は返油管７（点Ｇ）と調整弁８（点Ｈ）の間に接続される。調整弁８は、圧縮機１と蒸発器５とを接続する低圧配管（点Ｆ）と油−水熱交換器６（点Ｈ）との間に接続される。

圧縮機１から吐出された高温高圧なガス冷媒と油の混合物は、油分離器２に流入し、ガス冷媒と油とに分離される。ガス冷媒は油分離器２から凝縮器３に流入する一方、油は油分離器２から返油管７に流入する。このように、油分離器２で分離された油は、返油管７、油−水熱交換器６、調整弁８を経由し圧縮機１の吸入口に接続される低圧配管（点Ｆ）に戻される。

その際に、返油管７から放出された油は、オイルパン５０内のドレン水に放熱しながら油−水熱交換器６を通過する。油−水熱交換器６を通過した高圧な油は、調整弁８によって減圧される。調整弁８によって減圧された低圧低温な油は、低圧配管（点Ｉ）に流入し、蒸発器５から放出された低圧配管（点Ｅ）を通過する低温低圧な冷媒と合流部（点Ｆ）で合流する。合流した低温低圧な冷媒と油は、圧縮機１に吸入される。

このように冷媒と油が循環する冷媒回路に対して、温度検出器５１と温度検出器５２とが設置される。温度検出器５２は、外気温度を検出する（例えば、暖房運転では、蒸発器５の外部を流れる流体（外気）の温度を検知する）。温度検出器５１は、ドレンパン５０の表面温度を検出する。さらに、蒸発器５の液配管温度を検出する温度検出器を設置しても良い。

制御装置６１は、以上の検出部より検出された検出値により算出されたドレン水の凍結判定温度を演算し、この凍結判定温度と冷凍サイクル装置１０１の現在の運転条件とに応じて、各アクチュエータ（例えば、圧縮機１の周波数や調整弁８の開度等）を制御する。

例えばＴ２＜０℃のときに、凍結判定温度を０℃に設定することができるが、適宜実験的に凍結判定温度を定めても良い。

たとえば、制御装置６１は、温度検出器５１によってドレンパン５０の表面温度Ｔ１が凍結判定温度未満であること検知した場合、返油量を増加させる。また、制御装置６１は、冷凍サイクル装置１０１の運転状態が、油枯渇運転（例えば、運転起動時やデフロスト終了時）であることを検知した場合、返油量を増加させる。返油量の増加は、例えば、調整弁８の開度を大きくすることによって実現できる。

一方、制御装置６１は、温度検出器５１によってドレンパン５０の表面温度Ｔ１が凍結判定温度以上であることを検知した場合であって、かつ、冷凍サイクル装置１０１の運転状態が油枯渇運転（例えば、運転起動時やデフロスト終了時）ではない場合、返油量を低下させ、油分離器２内の油量を増加させる。返油量の低下は、例えば、調整弁８の開度を小さくすることによって実現できる。

図５は、制御装置６１が実行する制御の一例を示すフローチャートである。このフローチャートの処理は、一定時間ごとまたは所定の条件が成立するごとにメインルーチンから呼び出されて実行される。図１、図５を参照して、ステップＳ１において、制御装置６１は、運転条件の検知を行なう。制御装置６１は、圧縮機１の制御等の冷凍サイクル装置１０１の制御を行なっているので、現在の冷凍サイクル装置１０１の運転状態が、たとえば、圧縮機起動時であることや、デフロスト運転からの切り替え時であることなど油枯渇運転状態であるか否かを検知することができる。

ステップＳ２において、制御装置６１は、冷凍サイクル装置１０１の運転状態が、油枯渇運転（例えば、圧縮機起動時やデフロスト運転からの切り替え時）に該当するか否かを判断する。油枯渇運転に該当する場合（Ｓ２でＹＥＳ）、ステップＳ３に処理が進められ、該当しない場合（Ｓ２でＮＯ）ステップＳ４に処理が進められる。

ステップＳ４では、制御装置６１は、ドレンパン５０の表面温度Ｔ１を温度検出器５１によって検出し、表面温度Ｔ１が凍結判定温度よりも高いか否かを判断する。表面温度Ｔ１が凍結判定温度よりも高い場合（Ｓ４でＹＥＳ）、ステップＳ５に処理が進められ、表面温度Ｔ１が凍結判定温度以下である場合（Ｓ４でＮＯ）ステップＳ３に処理が進められる。

ステップＳ３では、制御装置６１は、調整弁８の開度を大きくして返油量を増加させる。一方、ステップＳ４では、制御装置６１は、調整弁８の開度を小さくして返油量を減少させる。

すなわち、制御装置６１は、ドレンパン５０の表面温度Ｔ１が凍結判定温度未満の場合、調整弁８の開度を大きくする。一方、制御装置６１は、ドレンパン５０の表面温度Ｔ１が凍結判定温度以上の場合であって、かつ油枯渇の可能性が低い通常運転の場合に、調整弁８の開度を小さくする。

ステップＳ３またはステップＳ４の処理が終了すると、ステップＳ６において制御はメインルーチンに戻される。

次に、図１に示す冷凍サイクル装置のエンタルピの変化について説明する。図６は、実施の形態１の冷凍サイクル装置の冷媒の状態変化を示すｐ−ｈ線図である。図６の状態Ａ〜状態Ｉは、それぞれ図１の点Ａ〜点Ｉに対応する冷媒状態を示す。

冷媒と油の流れについて、図６を参照して説明する。圧縮機１から吐出された高圧高温のガス冷媒と油（状態Ａ）は油分離器２に流入する。油分離器２内でガス冷媒と油は分離され、ガス冷媒（状態Ｂ）は凝縮器３に流入し、油は返油管７に流入する。

返油管７を通過した高圧高温の油（状態Ｇ）は油−水熱交換器６に流入し、ドレンパン５０内のドレン水に放熱しながら状態Ｈとなる。油−水熱交換器６を通過した油（状態Ｈ）は、調整弁８によって減圧される（状態Ｉ）。油（状態Ｉ）は圧縮機１と蒸発器５の間の低圧配管に流入し、蒸発器５から放出された冷媒（状態Ｅ）と合流し、混合冷媒（状態Ｆ）となって圧縮機１に吸入される。

油枯渇運転では、調整弁８の開度を大きくすることによって返油量を大きくする。一方、通常運転では、調整弁８の開度を小さくすることによって、返油量を低下させ、油分離器２に油を滞留させる。放熱済みの状態Ｉの油を状態Ｅの冷媒と合流させることによって、返油による加熱の影響が低減され、圧縮機の入力（冷媒のエンタルピ差）が増加することが抑制される。

以上説明した実施の形態１に係る冷凍サイクル装置によれば、以下の効果が得られる。
(1)ドレンパン５０の凍結を抑制することにより、蒸発器の性能低下を避けるとともに、除霜時間の長期化による快適性低下を抑制することができる。また、ドレン水の凍結を抑制することで、排水性がよくなり、ドレンパンの小型化が期待できる。
(2)高温高圧の冷凍機油を放熱させることにより、冷凍機油の粘度低下による圧縮機における潤滑性低下を抑制することができるとともに、冷凍機油の酸化を抑制することができ、圧縮機の信頼性を向上させることができる。
(3)過渡的な圧縮機の油枯渇を抑制することによって、潤滑性能が確保でき圧縮機の信頼性を向上させることができる。
(4)通常運転時、冷媒回路内の油を油分離器に貯めることによって、余剰油を圧縮機が送出する必要が無くなり、圧縮機の効率を向上させることができる。また、余剰油による熱交換器における伝熱性能低下を抑制することができる。
(5)通常運転時、返油経路を通る冷媒量（熱交換器をバイパスする量）を減らすことができ、圧縮機の周波数をその分下げることができる。

［実施の形態２］
実施の形態１では、返油経路７１の流量を調整できる調整弁８を設けた。実施の形態２では、油分離器２から圧縮機１に油を戻す際に、油−水熱交換器６を経由しないバイパス経路を設け、環境条件や運転条件に適した配分とする流量調整機構を設置する。

図７は、実施の形態２に係る冷凍サイクル装置１０２の構成を示す図である。図７を参照して、冷凍サイクル装置１０２は、実施の形態１の冷凍サイクル装置１０１の構成において、返油経路７１に代えて返油経路７２を含み、制御装置６１に代えて制御装置６２を含む。

返油経路７２は、流量調整機構９と、油−水熱交換器６と、バイパス経路２０と、合流部１０とを含む。制御装置６２は、調整弁８と、流量調整機構９と、圧縮機１とを制御する。

油−水熱交換器６は、通過する油の熱をドレンパン５０内のドレン水に放熱するように構成される。バイパス経路２０は、油−水熱交換器６をバイパスさせて油を流すように構成される。冷凍サイクル装置１０２の流量調整機構９は、熱交換部６を通過する油の流量とバイパス経路２０を通過する油の流量との割合を変更するように構成される。

流量調整機構９は、油−水熱交換器６とバイパス経路２０とを通過する油の量を調整できるものであればどのような構成であっても良い。例えば、流量調整機構９は、配管分岐の分岐先にそれぞれ流量調整弁を設ける構成や、分岐部に四方弁、三方弁等を配置する構成とすることができる。図７の例では、流量調整機構９は、流量調整弁９Ａと、流量調整弁９Ｂとを含む。流量調整弁９Ａは、返油管７からの分岐点と油−水熱交換器６との間に配置される。流量調整弁９Ｂは、返油管７からの分岐点とバイパス経路２０との間に配置される。なお、流量調整機構９は、合流部１０に設けても良い。

冷凍サイクル装置１０２の他の部分の構成は、図１で説明した冷凍サイクル装置１０１の構成と同様であるので、ここでは説明は繰り返さない。

本実施の形態では、油枯渇運転時に、返油回路として「油枯渇抑制回路」を通過させて油を圧縮機に戻す。「油枯渇抑制回路」とは、以下の実施の形態において、圧縮機１の吐出口から吸入口まで油が通る最も短い返油回路を示す。例えば、油分離器から直接圧縮機に吸入に流入されるバイパス経路２０が、「油枯渇抑制回路」に該当する。

（弁の制御、冷媒と油の流れ）
次に、冷凍サイクル装置１０２において実行される各種弁の制御と冷媒の流れとについて説明する。

制御装置６２は、温度検出器５１，５２の出力に基づいて凍結判定温度を演算する。制御装置６２は、演算した凍結判定温度と、冷凍サイクル装置１０２の運転条件とに基づいて、各アクチュエータの制御パラメータ（例えば、圧縮機１の周波数や調整弁８の開度、流量調整弁９Ａ，９Ｂの各開度等）を制御する。

圧縮機１から吐出された高温高圧なガス冷媒と油の混合物は、油分離器２に流入し、ガス冷媒と油とに分離される。ガス冷媒（点Ｂ）は、油分離器２から凝縮器３に流入する一方で、油は油分離器２から返油管７に流入する。

その際に、返油管７から放出された油（点Ｇ）は、流量調整機構９に流入し、バイパス経路２０（油枯渇抑制回路）と油−水熱交換器６（ドレン凍結防止回路）に分配される。油−水熱交換器６に流入した油は、ドレン水に放熱しながら油−水熱交換器６を通過する。油−水熱交換器６を通過する油は、実施の形態１と同様の流れとなり、冷媒の状態も図６で説明した変化と同様に変化する。

流量調整機構９からバイパス経路２０に放出された油は、合流部１０において、油−水熱交換器６を通過した油と合流する（点Ｈ）。合流部１０で合流した油は、調整弁８によって減圧される（点Ｉ）。

調整弁８によって減圧された低圧低温な油は、低圧配管（点Ｉ）に流入し、蒸発器５から放出された低圧配管（点Ｅ）を通過する低温低圧な冷媒と合流部（点Ｆ）で合流する。合流した低温低圧な冷媒と油は、圧縮機１に吸入される。

制御装置６２は、検出部５１，５２より検出された検出値により算出されたドレン水の凍結判定温度を演算し、この凍結判定温度と冷凍サイクル装置１０２の現在の運転条件とに応じて、各アクチュエータ（例えば、圧縮機１の周波数、調整弁８や流量調整機構９の開度等）を制御する。例えばＴ２＜０℃のときに、凍結判定温度を０℃に設定することができるが、適宜実験的に凍結判定温度を定めても良い。

制御装置６２は、ドレンパン５０の表面温度Ｔ１がドレン水の凍結判定温度より低い場合、油−水熱交換器６の油の流量が大きくなるように、流量調整機構９を制御する。制御装置６２は、例えば、流量調整弁９Ｂの開度を増加させる一方で、流量調整弁９Ａの開度を減少させる。

また、制御装置６２は、冷凍サイクル装置１０２の運転状態が油枯渇運転（例えば、運転起動時やデフロスト終了時の運転）であることを検知した場合、バイパス経路２０の流量が大きくなるように、流量調整機構９を制御する。制御装置６２は、例えば、流量調整弁９Ａの開度を増加させる一方で、流量調整弁９Ｂの開度を減少させる。

一方、制御装置６２は、温度検出器５１によってドレンパン５０の表面温度Ｔ１が凍結判定温度以上であることを検知した場合であって、かつ、冷凍サイクル装置１０２の運転状態が油枯渇運転（例えば、運転起動時やデフロスト終了時）ではない場合、調整弁８の開度を小さくし、流量調整弁９Ａ，９Ｂの開度を大きくする。すなわち、制御装置６２は、通常運転では、調整弁８の開度を小さくすることによって、返油量を低下させ、油分離器２、バイパス経路２０（油枯渇抑制回路）および油−水熱交換器６（ドレン凍結防止回路）の各々に油を滞留させる。

図８は、実施の形態２に係る制御装置６２が実行する制御の一例を示すフローチャートである。このフローチャートの処理は、一定時間ごとまたは所定の条件が成立するごとにメインルーチンから呼び出されて実行される。図７、図８を参照して、ステップＳ１１において、制御装置６２は、運転条件の検知を行なう。制御装置６２は、圧縮機１の制御等の冷凍サイクル装置１０２の制御を行なっているので、現在の冷凍サイクル装置１０２の運転状態が、たとえば、圧縮機起動時であることや、デフロスト運転からの切り替え時であることなど油枯渇運転状態であるか否かを検知することができる。

ステップＳ１２において、制御装置６２は、冷凍サイクル装置１０２の運転状態が、油枯渇運転（例えば、圧縮機起動時やデフロスト運転からの切り替え時）に該当するか否かを判断する。油枯渇運転に該当する場合（Ｓ１２でＹＥＳ）、ステップＳ１３に処理が進められ、該当しない場合（Ｓ１２でＮＯ）ステップＳ１４に処理が進められる。

ステップＳ１４では、制御装置６２は、ドレンパン５０の表面温度Ｔ１を温度検出器５１によって検出し、表面温度Ｔ１が凍結判定温度よりも低いか否かを判断する。表面温度Ｔ１が凍結判定温度以下である場合（Ｓ１４でＮＯ）、ステップＳ１５に処理が進められ、表面温度Ｔ１が凍結判定温度より高い場合（Ｓ１４でＹＥＳ）ステップＳ１６に処理が進められる。

ステップＳ１３では、制御装置６２は、流量調整弁９Ａの開度を増加させる一方で、流量調整弁９Ｂの開度を減少させる。これにより、返油経路７２を通過する油のうち油−水熱交換器６を通過する油の割合が減少する。

ステップＳ１５では、制御装置６２は、流量調整弁９Ｂの開度を増加させる一方で、流量調整弁９Ａの開度を減少させる。これにより、返油経路７２を通過する油のうち油−水熱交換器６を通過する油の割合が増加する。

ステップＳ１６では、流量調整弁９Ａ，９Ｂの開度を全開とする一方で、調整弁８の開度を小さくする。制御装置６２は、通常運転では、調整弁８の開度を小さくすることによって、返油量を低下させ、油分離器２、バイパス経路２０（油枯渇抑制回路）および油−水熱交換器６（ドレン凍結防止回路）の各々に油を滞留させる。

ステップＳ１３，Ｓ１５，Ｓ１６のいずれかの処理において弁の開度が決定されると、ステップＳ１７において制御はメインルーチンに戻される。

以上説明した実施の形態２に係る冷凍サイクル装置１０２によれば、実施の形態１の冷凍サイクル装置１０１と同様な効果が得られる。さらに、流量調整弁９Ａ，９Ｂおよび調整弁８によって、ドレンパン凍結防止のための放熱量と、圧縮機の油枯渇防止のための返油量とをより細かく制御できるので、冷凍サイクル装置の信頼性を一層向上させることができる。

［実施の形態３］
実施の形態２では、油分離器２から圧縮機１に油を戻す際に、油−水熱交換器６を経由しないバイパス経路を設けた。実施の形態３では、バイパス経路の代わりに油−空気熱交換器を経由させて油分離器２から圧縮機１に油を戻す。

図９は、実施の形態３に係る冷凍サイクル装置１０３の構成を示す図である。図９を参照して、冷凍サイクル装置１０３は、図７に示す冷凍サイクル装置１０２の構成において、返油回路７２に代えて返油回路７３を含む。

返油回路７３は、返油回路７２の構成において、バイパス経路２０および制御装置６２に代えて分岐経路２０Ａと、油−空気熱交換器１１と、温度検出器５３と、制御装置６３とを含む。分岐経路２０Ａは、油−空気熱交換器１１を経由させて油分離器２から圧縮機１に油を戻す。

油−水熱交換器６は、通過する油の熱をドレンパン５０内のドレン水に放熱するように構成される。これに対し、油−空気熱交換器１１は、蒸発器５とドレンパン５０との間に配置され、油−水熱交換器６をバイパスさせた油の熱を蒸発器５に放熱するように構成される。

制御装置６３は、温度検出器５１〜５３の出力を受け、調整弁８および流量調整機構９を制御する。流量調整機構９は、油−水熱交換器６を通過する油の流量と油−空気熱交換器１１を通過する油の流量との割合を変更するように構成される。

冷凍サイクル装置１０３の他の部分の構成は、図７に示す冷凍サイクル装置１０２と同じであるので、説明は繰り返さない。

図１０は、油−空気熱交換器１１、蒸発器５、ドレンパン５０の物理的な配置関係を示す図である。油−空気熱交換器１１は、蒸発器５の下部に設置される。図９の点Ｄからの冷媒は、図１０に示すように蒸発器５中の複数に分岐された冷媒配管を通り、蒸発器５を通過した後に合流して図９の点Ｅから点Ｆに向けて流れる。図９の点Ｇからの油は、図１０に示すように油−空気熱交換器１１のオイル配管を通過し、図９の点Ｈへ向けて流れる。

好ましくは、蒸発器５中の冷媒配管と油−空気熱交換器１１のオイル配管は、共通するフィンの上下に埋め込まれる。蒸発器５周辺のフィンで冷却された空気が当該フィンにおいて結露を生じさせ、これがドレン水となってフィンを伝って下方に流れる。そして、油−空気熱交換器１１のオイル配管付近まで到達すると、高温の油によって暖められる。

油−空気熱交換器１１が無い構成だと、外気温が低い場合にはフィンからドレン水の液滴がドレンパン５０に落下する前に、ドレン水がフィンの下端部で凍結してしまうことがある。この凍結したドレン水が成長すると、いわゆる根氷となる。本実施の形態において油−空気熱交換器１１を通る返油回路を「氷結抑制回路」とも言う。油−空気熱交換器１１は、ドレンパン５０に落下する前のドレン水の凍結を防ぐ氷結抑制回路として働く。流量調整機構９から放出された高温高圧の油は、油−空気熱交換器１１（氷結抑制回路）に流入し、蒸発器５の下方端に滞留するドレン水に放熱しながら、油−空気熱交換器１１を通過する。

（弁の制御、冷媒と油の流れ）
次に、冷凍サイクル装置１０３において実行される各種弁の制御と冷媒の流れとについて説明する。

再び図９に戻って、温度検出器５１は、ドレンパン５０の表面温度Ｔ１を検出し、温度検出器５２は、外気温度Ｔ２を検出し、温度検出器５３は、蒸発器５の液配管温度Ｔ３を検出する。

制御装置６３は、温度検出器５１〜５３の出力に基づいて、ドレン水の凍結判定温度を演算する。そして、制御装置６３は、各凍結判定温度と運転条件に応じて、調整弁８と流量調整機構９を制御する。たとえば、制御装置６３は、蒸発器５の液配管温度Ｔ３が規定温度未満の場合、油−空気熱交換器１１（氷結抑制回路）の油の流量を増加させる。油−空気熱交換器１１の油の流量を増加させるために、例えば、制御装置６３は、氷結抑制回路側の流量調整弁９Ａの開度を大きくし、他の流量調整弁９Ｂの開度を小さくする。

圧縮機１から吐出された高温高圧なガス冷媒と油は、油分離器２に流入し、ガス冷媒と油に分離される。ガス冷媒（点Ｂ）は、油分離器２から凝縮器３に流入する一方で、油は油分離器２から返油管７に流入する。

その際に、返油管７を通過した油（点Ｇ）は、流量調整機構９に流入し、分岐経路２０Ａ（氷結抑制回路）と油−水熱交換器６（ドレン凍結防止回路）に分配される。油−水熱交換器６に流入した油は、ドレンパン５０内のドレン水に放熱しながら油−水熱交換器６を通過する。また、分岐経路２０Ａから油−空気熱交換器１１を通過する油は、空気とフィンを伝って流れ落ちるドレン水とに放熱しながら冷却される。

流量調整機構９から分岐経路２０Ａを経て油−空気熱交換器１１を通過した油は、合流部１０において、油−水熱交換器６を通過した油と合流する（点Ｈ）。合流部１０で合流した油は、調整弁８によって減圧される（点Ｉ）。

調整弁８によって減圧された低圧低温な油は、低圧配管（点Ｉ）に流入し、蒸発器５から放出された低圧配管（点Ｅ）を通過する低温低圧な冷媒と合流部（点Ｆ）で合流する。合流した低温低圧な冷媒と油は、圧縮機１に吸入される。

制御装置６３は、冷凍サイクル装置１０３の運転が油枯渇運転である場合、返油経路７３に含まれる最も短い返油回路の油の流量を大きくする。図９の例では、分岐経路２０Ａよりも油−水熱交換器６を通過する経路の方が短いので、油枯渇運転である場合には、油−水熱交換器６を通過する経路の流量が増えるように、流量調整弁９Ａ，９Ｂの開度が制御される。なお、図９に示した構成に、図７のバイパス経路２０を追加し、流量調整機構９にさらにバイパス経路用の流量調整弁を追加しても良い。この場合には、もっとも短い返油回路はバイパス経路となる。

制御装置６３は、ドレンパン５０の表面温度Ｔ１が凍結判定温度未満の場合、油−水熱交換器６（ドレン凍結防止回路）の油の流量を大きくする。蒸発器５の液配管温度Ｔ３が凍結判定温度未満の場合、油−空気熱交換器１１（氷結抑制回路）の油の流量を大きくする。

また通常運転では、制御装置６３は、調整弁８の開度を小さくすることで、返油量を低下させ、油分離器２や各返油回路のそれぞれに油を滞留させる。

図１１は、実施の形態３に係る制御装置６３が実行する制御の一例を示すフローチャートである。このフローチャートの処理は、一定時間ごとまたは所定の条件が成立するごとにメインルーチンから呼び出されて実行される。図９、図１１を参照して、ステップＳ２１において、制御装置６３は、運転条件の検知を行なう。制御装置６３は、圧縮機１の制御等の冷凍サイクル装置１０３の制御を行なっているので、現在の冷凍サイクル装置１０３の運転状態が、たとえば、圧縮機起動時であることや、デフロスト運転からの切り替え時であることなど油枯渇運転状態であるか否かを検知することができる。

ステップＳ２２において、制御装置６３は、冷凍サイクル装置１０３の運転状態が、油枯渇運転（例えば、圧縮機起動時やデフロスト運転からの切り替え時）に該当するか否かを判断する。油枯渇運転に該当する場合（Ｓ２２でＹＥＳ）、ステップＳ２３に処理が進められ、該当しない場合（Ｓ２２でＮＯ）ステップＳ２４に処理が進められる。

ステップＳ２４では、制御装置６３は、蒸発器５の液配管温度Ｔ３を温度検出器５３によって検出し、液配管温度Ｔ３が凍結判定温度よりも低いか否かを判断する。液配管温度Ｔ３が凍結判定温度以下である場合（Ｓ２４でＮＯ）、ステップＳ２５に処理が進められ、液配管温度Ｔ３が凍結判定温度より高い場合（Ｓ２４でＹＥＳ）、ステップＳ２６に処理が進められる。

ステップＳ２５では、制御装置６３は、流量調整弁９Ａの開度を増加させる一方で、流量調整弁９Ｂの開度を減少させる。これにより、返油経路７３を通過する油のうち蒸発器５の氷結を防止する油−空気熱交換器１１を通過する油の割合が増加する。

ステップＳ２６では、制御装置６３は、ドレンパン５０の表面温度Ｔ１を温度検出器５１によって検出し、表面温度Ｔ１が凍結判定温度よりも低いか否かを判断する。表面温度Ｔ１が凍結判定温度以下である場合（Ｓ２６でＮＯ）、ステップＳ２７に処理が進められ、表面温度Ｔ１が凍結判定温度より高い場合（Ｓ２６でＹＥＳ）、ステップＳ２８に処理が進められる。

ステップＳ２７では、制御装置６３は、流量調整弁９Ｂの開度を増加させる一方で、流量調整弁９Ａの開度を減少させる。これにより、返油経路７３を通過する油のうち油−水熱交換器６を通過する油の割合が増加する。

また、ステップＳ２８では、流量調整弁９Ａ，９Ｂの開度を全開とする一方で、調整弁８の開度を小さくする。ステップＳ２３，Ｓ２５，Ｓ２７，Ｓ２８のいずれかの処理において弁の開度が決定されると、ステップＳ２９において制御はメインルーチンに戻される。

以上説明した実施の形態３に係る冷凍サイクル装置１０３によれば、実施の形態２の冷凍サイクル装置１０２と同様な効果が得られる。さらに、蒸発器５の下部の油−空気熱交換器１１によって、ドレンパン５０に落下する前のドレン水をあたためることによって、蒸発器５の下部の氷結を抑制し、冷凍サイクル装置１０３の性能を向上させることができる。

［実施の形態４］
実施の形態１〜３では、圧縮機内の油枯渇を発生させる可能性の高い冷凍サイクル装置の運転態様を、油枯渇運転として検出し制御を行なっていた。実施の形態４では、圧縮機内の油枯渇をもっと直接的に検出する検出部を設ける。

図１２は、実施の形態４に係る冷凍サイクル装置１０４の構成を示す図である。図１２を参照して、冷凍サイクル装置１０４は、図９の冷凍サイクル装置１０３の構成において、制御装置６３に代えて制御装置６４を含み、加えてセンサ５４を含む。センサ５４は、圧縮機１内の油の不足を検出する。制御装置６４は、温度検出器５１の出力とセンサ５４の出力とに応じて、弁８の開度を調整する。

より具体的には、センサ５４は、圧縮機１に設けられ圧縮機１内の油枯渇を検出する。センサ５４として、例えば、圧縮機１内の油の液面を検出する液面検出センサや、冷媒中の油濃度を検出する油濃度センサを用いることができる。

制御装置６４は、センサ５４が検出した検出値Ｐ１に基づいて、図１１のステップＳ２２で実行される、油枯渇運転であるか否かの判定を行なう。他の制御については、図１１で説明した実施の形態３と同じであるので、説明は繰り返さない。

なお、センサ５４を、実施の形態１の構成に組み入れても良い。この場合図１にセンサ５４を追加し、図５のステップＳ２の判定にセンサ５４の出力を用いればよい。また、センサ５４を、実施の形態２の構成に組み入れても良い。この場合図７にセンサ５４を追加し、図８のステップＳ１２の判定にセンサ５４の出力を用いればよい。

実施の形態４においても、実施の形態１、２、３と同様の効果を得ることができる。
なお、ドレンパン５０は、ドレン水で腐食が発生しやすいので、腐食抑制措置をとることが好ましい。例えば、腐食を抑制できる添加剤を冷媒に添加したり、活性酸素種を含む電解水を用いたりして腐食を抑制することができる。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 圧縮機、２ 油分離器、３ 凝縮器、４ 膨張弁、５ 蒸発器、６ 油−水熱交換器、７ 油管、８ 調整弁、９ 流量調整機構、９Ａ，９Ｂ 流量調整弁、１０ 合流部、１１ 油−空気熱交換器、２０，２９ バイパス経路、２０Ａ 分岐経路、５０ ドレンパン、５１〜５３ 温度検出器、５４ 検出部、６１〜６４ 制御装置、７１〜７３，５０７ 油経路、１０１〜１０４ 冷凍サイクル装置、５０８ 減圧装置。

Claims (7)

1. 冷媒が、圧縮機、凝縮器、膨張弁、および蒸発器の順に循環する冷凍サイクル装置であって、
   前記蒸発器において空気中の水分が凝縮したドレン水を受けるように構成されるドレンパンと、
   前記ドレンパンの温度または前記ドレンパン内の前記ドレン水の温度を検出するように構成される温度検出器と、
   前記圧縮機と前記凝縮器との間に設けられ、前記冷媒と冷凍機油とを分離するように構成される油分離器と、
   前記ドレンパン内に少なくとも一部が配置され、前記油分離器において分離された前記冷凍機油を前記圧縮機の吸入口に戻すように構成される返油経路と、
   前記返油経路の前記冷凍機油の流量を調整する弁とを備え、前記弁は、前記温度検出器の出力に応じて開度が変化するように構成される、冷凍サイクル装置。
2. 前記温度検出器の検出した温度が所定値よりも低い場合に前記弁の開度を増加させる制御部をさらに備える、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記返油経路は、
   通過する前記冷凍機油の熱を前記ドレンパン内のドレン水に放熱するように構成される熱交換部と、
   前記熱交換部をバイパスさせて前記冷凍機油を流すように構成されるバイパス経路とを含む、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記冷凍サイクル装置は、
   前記冷凍機油の前記熱交換部を通過する流量と前記バイパス経路を通過する流量との割合を変更するように構成される流量調整機構をさらに備える、請求項３に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記返油経路は、
   通過する前記冷凍機油の熱を前記ドレンパン内のドレン水に放熱するように構成される第１熱交換部と、
   前記蒸発器と前記ドレンパンとの間に配置され、前記第１熱交換部をバイパスさせた前記冷凍機油の熱を前記蒸発器に放熱するように構成される第２熱交換部とを含む、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記冷凍サイクル装置は、
   前記冷凍機油の前記第１熱交換部を通過する流量と前記第２熱交換部を通過する流量との割合を変更するように構成される流量調整機構をさらに備える、請求項５に記載の冷凍サイクル装置。
7. 前記圧縮機内の前記冷凍機油の不足を検出するセンサと、
   前記温度検出器の出力と前記センサの出力とに応じて、前記弁の開度を調整する制御部をさらに備える、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。

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