JP7107964B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本開示は、冷凍サイクル装置に関し、特に、冷媒回路内の冷凍機油を圧縮機に回収する冷凍サイクル装置に関する。

従来、圧縮機、第１熱交換器、減圧装置および第２熱交換器が冷媒配管によって接続された冷媒回路を備えた冷凍サイクル装置が知られている。このような冷凍サイクル装置では、圧縮機から冷媒とともに冷凍機油が吐出され、冷媒回路に冷凍機油が滞留することがある。冷凍機油が冷媒回路に滞留すると、圧縮機内の冷凍機油量が減少し、圧縮機内の軸に負荷がかかって圧縮機が故障しやすくなる。

特開２００８－１８０４２１号公報（特許文献１）には、冷媒回路に滞留した冷凍機油を圧縮機に回収するために、圧縮機の運転周波数を上げる技術が開示されている。

特開２００８－１８０４２１号公報

近年、高断熱、高気密化建物の増加により、冷凍サイクル装置を断続運転させる頻度が高い。断続運転とは、空調対象となる室内の温度と目標温度との差が小さく、圧縮機を断続的に動作させる運転である。図１３は、従来技術における、圧縮機の周波数、室内温度および圧縮機内の冷凍機油量の時間変化を示す図である。図１３には暖房運転のときの時間変化が示される。図１３に示されるように、圧縮機を起動するときに圧縮機内から冷凍機油が冷媒回路内へと吐出される。しかしながら、圧縮機が低周波数で動作するために冷媒配管に冷凍機油が滞留し、圧縮機にほとんど返油されない。特に、気相状態の冷媒中の冷凍機油は、高い粘度を有し、気相状態の冷媒の流れだけでは移動しにくい。そのため、冷凍サイクル装置を断続運転させると、圧縮機が起動するたびに、圧縮機内の冷凍機油量が徐々に低下し、圧縮機内の冷凍機油量が下限値を下回る油枯渇状態が生じる。特開２００８－１８０４２１号公報に記載の従来技術では、運転時間の積算値が規定時間となった場合に、圧縮機の運転周波数を上げる油回収運転が実施される。

しかしながら、冷凍機油が少ない状態で圧縮機の運転周波数を上げるため、圧縮機に負荷がかかり、軸かじりなどの圧縮機故障が生じやすくなる。

本開示の目的は、圧縮機の故障の発生を抑制するとともに、冷凍機油を圧縮機に回収できる冷凍サイクル装置を提供することである。

本開示の冷凍サイクル装置は、冷媒回路と制御装置とを備える。冷媒回路では、圧縮機、第１熱交換器、減圧装置および第２熱交換器が冷媒配管によって接続される。制御装置は、冷凍サイクル装置の運転モードを第１運転モードと第２運転モードとの間で切り替える。冷媒配管は、第１熱交換器の一方のポートに接続される第１配管を含む。第１運転モードは、気相状態の冷媒が第１配管に流れるように冷媒回路内に冷媒を循環させるモードである。第２運転モードは、液相状態または気液二相状態の冷媒が第１配管に流れるように冷媒回路内に冷媒を循環させるモードである。第１配管は、第１運転モードにおいて、圧縮機と第１熱交換器との間の流路を構成する。第２運転モードにおける第１配管内の冷媒の流れ方向は、第１運転モードにおける第１配管内の冷媒の流れ方向と逆である。

本開示によれば、圧縮機の故障の発生を抑制するとともに、冷凍機油を圧縮機に回収できる。

実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の概略構成図である。 実施の形態１における油回収運転モード時の冷媒の流れ方向を示す図である。 実施の形態１に係る制御装置１０の処理の流れを示すフローチャートである。 実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の概略構成図である。 暖房運転モードから油回収運転モードに切り替えられたときの冷媒の流れを示す図である。 実施の形態２における冷房運転モード時の冷媒の流れを示す図である。 冷房運転モードから油回収運転モードに切り替えられたときの冷媒の流れを示す図である。 実施の形態２に係る制御装置の処理の流れを示すフローチャートである。 気相状態の冷媒の流速が油上昇限界速度以上であるときの配管内の冷凍機油の様子を示す図である。 変形例１に係るガス延長配管内の冷凍機油の様子を示す図である。 変形例２に係るガス延長配管内の冷凍機油の様子を示す図である。 暖房運転から冷房運転への切り替え前後の冷媒の流れを示す図である。 従来技術における、圧縮機の周波数、室内温度および圧縮機内の冷凍機油量の時間変化を示す図である。

以下、本開示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。さらに、明細書全文に表わされている構成要素の形態は、あくまでも例示であって、これらの記載に限定されるものではない。

実施の形態１．
（冷凍サイクル装置の構成）
図１は、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の概略構成図である。図１を参照して、冷凍サイクル装置１００は、圧縮機１、四方弁２、第１熱交換器３、減圧装置４および第２熱交換器５が冷媒配管によって接続された冷媒回路２０を備え、冷媒回路２０内に冷媒を循環させる。第１熱交換器３は、空調の対象となる室内に設置される。圧縮機１、四方弁２、減圧装置４および第２熱交換器５は、室外ユニットとして一体化され、室外に設置される。冷媒配管は、ガス管１１と、液管１２と、冷媒吸入管１３と、冷媒吐出管１４と、ガス延長配管１５と、液延長配管１６とを備える。

圧縮機１には吸入口１ａと吐出口１ｂとが形成される。四方弁２には４つのポートＥ～Ｈが形成される。第１熱交換器３には２つのポートＰ１，Ｐ２が形成される。第２熱交換器５には２つのポートＰ３，Ｐ４が形成される。

ガス管１１は、第２熱交換器５の一方のポートＰ３と四方弁２のポートＥとを接続する。液管１２は、第２熱交換器５の他方のポートＰ４と減圧装置４とを接続する。冷媒吸入管１３は、四方弁２のポートＦと圧縮機１の吸入口１ａとを接続する。冷媒吐出管１４は、四方弁２のポートＨと圧縮機１の吐出口１ｂとを接続する。ガス延長配管１５は、四方弁２のポートＧと第１熱交換器３のポートＰ１とを接続する。液延長配管１６は、第１熱交換器３のポートＰ２と減圧装置４とを接続する。

圧縮機１は、吸入口１ａから吸入した冷媒を圧縮し、高温かつ高圧の気相状態の冷媒を吐出口１ｂから吐出する。圧縮機１には、内部部品の潤滑のための冷凍機油が充填される。圧縮機１内部の冷凍機油の一部は、圧縮機１の運転時に冷媒とともに吐出口１ｂから吐出される。

四方弁２は、後述する制御装置１０によって暖房運転状態および冷房運転状態のいずれかになるように制御される。暖房運転状態は、ポートＥとポートＦとが連通し、ポートＧとポートＨとが連通する状態である。冷房運転状態は、ポートＥとポートＨとが連通し、ポートＦとポートＧとが連通する状態である。

第１熱交換器３は、冷媒と室内空気とを熱交換させる。第１熱交換器３は、冷房運転の場合に蒸発器として動作し、暖房運転の場合に凝縮器として動作する。第１熱交換器３は、たとえば、冷媒を通過させる伝熱管と、伝熱管を流れる冷媒と室内空気との間の伝熱面積を大きくするためのフィンと、フィンに向けて室内空気を送風する送風機とを含む。

減圧装置４は、内部を通過する冷媒を膨張させ、減圧させる。減圧装置４は、たとえば開度を変化させることができる電子式膨張弁で構成される。

第２熱交換器５は、冷媒と室外空気とを熱交換させる。第２熱交換器５は、冷房運転の場合に凝縮器として動作し、暖房運転の場合に蒸発器として動作する。第２熱交換器５は、たとえば、冷媒を通過させる伝熱管と、伝熱管を流れる冷媒と室外空気との間の伝熱面積を大きくするためのフィンと、フィンに向けて室外空気を送風する送風機とを含む。

冷凍サイクル装置１００は、さらに、タイマー５０と、センサ５１と、制御装置１０とを備える。

タイマー５０は、圧縮機１の運転時間を計時する。センサ５１は、ガス延長配管１５と第１熱交換器３との間の冷媒の過熱度を検知する。センサ５１は、冷媒の温度および圧力を測定し、測定した温度および圧力から過熱度を算出する。

制御装置１０は、冷媒回路２０を制御して、冷凍サイクル装置１００の運転モードを切り替える。制御装置１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置、入出力バッファ等を含む（いずれも図示せず）。記憶装置に格納されたプログラムをＣＰＵが実行することにより、冷凍サイクル装置１００の運転モードが切り替えられる。

制御装置１０は、冷房運転の指示を受けると、四方弁２を冷房運転状態に制御し、冷凍サイクル装置１００を冷房運転モードで動作させる。冷房運転モードでは、冷媒は、圧縮機１、冷媒吐出管１４、四方弁２、ガス管１１、第２熱交換器５、液管１２、減圧装置４、液延長配管１６、第１熱交換器３、ガス延長配管１５、四方弁２および冷媒吸入管１３の順に循環する。制御装置１０は、暖房運転の指示を受けると、四方弁２を暖房運転状態に制御して、冷凍サイクル装置１００を暖房運転モードで動作させる。暖房運転モードでは、冷媒は、圧縮機１、冷媒吐出管１４、四方弁２、ガス延長配管１５、第１熱交換器３、液延長配管１６、減圧装置４、液管１２、第２熱交換器５、ガス管１１、四方弁２および冷媒吸入管１３の順に循環する。図１には、暖房運転モードにおける冷媒の流れ方向が矢印で示されている。

上述したように、第１熱交換器３は室内に設置され、圧縮機１、四方弁２、減圧装置４および第２熱交換器５は室外に設置される。そのため、ガス延長配管１５および液延長配管１６は、ガス管１１、液管１２、冷媒吸入管１３および冷媒吐出管１４よりも長い。さらに、第１熱交換器３が室外ユニットよりも高い位置に設置される場合、ガス延長配管１５および液延長配管１６の少なくとも一部は、鉛直方向に沿って配置される。そのため、冷凍サイクル装置１００が暖房運転モードで動作しているとき、圧縮機１から気相状態の冷媒とともに吐出された冷凍機油は、長くかつ上方向に延びるガス延長配管１５を通過することができず、ガス延長配管１５に滞留しやすくなる。そこで、制御装置１０は、ガス延長配管１５に滞留した冷凍機油を圧縮機１に回収するために、冷凍サイクル装置１００の運転モードを暖房運転モードと油回収運転モードとの間で切り替える。

図２は、実施の形態１における油回収運転モードにおける冷媒の流れ方向を示す図である。図２に示されるように、油回収運転モードにおいて、制御装置１０は、四方弁２を冷房運転状態に制御する。そのため、冷媒は、冷房運転モードと同様に冷媒回路２０を循環する。すなわち、冷媒は、暖房運転モードとは逆向きに流れる。これにより、ガス延長配管１５が第１熱交換器３に向かって上向きに配置されている場合、ガス延長配管１５内の冷媒の流れ方向は、暖房運転モードでは上向きであるのに対し、油回収運転モードでは下向きとなる。その結果、ガス延長配管１５内に滞留した冷凍機油を圧縮機１に戻しやすくなる。

さらに、制御装置１０は、センサ５１から出力される過熱度が０Ｋ以下となるように冷媒回路２０を制御する。たとえば、制御装置１０は、減圧装置４の減圧度を制御したり、第１熱交換器３の熱交換能力を制御したりする。減圧装置４の減圧度は、膨張弁である減圧装置４の開度によって制御される。これにより、ガス延長配管１５には気液二相状態の冷媒が流れる。その結果、ガス延長配管１５に滞留していた冷凍機油は、気液二相状態の冷媒に溶けて移動しやすくなり、容易に圧縮機１に回収される。

制御装置１０は、タイマー５０により計時された運転時間の積算値に基づいて、規定時間ごとに運転モードを切り替える。具体的には、制御装置１０は、暖房運転モードが第１規定時間継続したときに、冷凍サイクル装置の運転モードを油回収運転モードに切り替える。制御装置１０は、油回収運転モードが第２規定時間継続したときに、冷凍サイクル装置の運転モードを暖房運転モードに切り替える。

（制御装置の処理の流れ）
図３は、実施の形態１に係る制御装置１０の処理の流れを示すフローチャートである。図３には暖房運転指示を受けたときの処理が示される。まずステップＳ１において、制御装置１０は暖房運転の指示を受ける。ステップＳ２において、制御装置１０は、四方弁２を暖房運転状態に制御し、暖房運転モードでの運転を開始する。ステップＳ３において、制御装置１０は、運転時間の計時（カウント）を開始するようにタイマー５０を制御する。

次にステップＳ４において、制御装置１０は、運転時間の積算値Ａが第１規定時間Ｂ未満であるか否かを判断する。運転時間の積算値Ａが第１規定時間Ｂ未満である場合（ステップＳ４でＹＥＳ）、処理はステップＳ４に戻される。運転時間の積算値Ａが第１規定時間Ｂ以上である場合（ステップＳ４でＮＯ）、制御装置１０は、ステップＳ５において、冷凍サイクル装置１００の運転モードを油回収運転モードに切り替える。すなわち、制御装置１０は、四方弁２を冷房運転状態に切り替える。さらに制御装置１０は、ステップＳ６において運転時間の積算値Ａを０にリセットし、ステップＳ７においてセンサ５１からガス延長配管１５と第１熱交換器３との間の冷媒状態を示す過熱度を取得する。制御装置１０は、ステップＳ８において、センサ５１から取得した過熱度が０Ｋ以下であるか否かを判断する。過熱度が０Ｋより大きい場合（ステップＳ８でＮＯ）、制御装置１０は、ステップＳ９において、過熱度が低下するように冷媒回路２０を制御する。たとえば、制御装置１０は、減圧装置４の開度を大きくする。もしくは、制御装置１０は、第１熱交換器３の送風機の送風量を弱くする。

ステップＳ９の後、制御装置１０は、ステップＳ１０において、運転時間の積算値Ａが第２規定時間Ｃ未満であるか否かを判断する。ここで、運転時間の積算値Ａは、ステップＳ６からの経過時間を示す。過熱度が０Ｋ以下である場合（ステップＳ８でＹＥＳ）も処理はステップＳ１０に移る。運転時間の積算値Ａが第２規定時間Ｃ未満である場合（ステップＳ１０でＹＥＳ）、処理はステップＳ７に戻される。すなわち、油回収運転モードを開始してから第２規定時間Ｃが経過するまでの間、ガス延長配管１５と第１熱交換器３との間の冷媒が気液二相状態になるように制御される。気液二相状態の冷媒は、暖房運転モードとは逆の方向にガス延長配管１５を流れ続ける。これにより、暖房運転モードにおいてガス延長配管１５に滞留していた冷凍機油は、油回収運転モードにおいて気液二相状態の冷媒とともに移動し、圧縮機１に回収される。

運転時間の積算値Ａが第２規定時間Ｃ以上になると（ステップＳ１０でＮＯ）、制御装置１０は、ステップＳ１１において冷凍サイクル装置１００の運転モードを暖房運転モードに戻し、ステップＳ１２において運転時間の積算値Ａを０にリセットする。ステップＳ１２の後、処理はステップＳ４に戻される。

（利点）
以上のように、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００は、冷媒回路２０と制御装置１０とを備える。冷媒回路２０は、圧縮機１、第１熱交換器３、減圧装置４および第２熱交換器５が冷媒配管によって接続された回路である。制御装置１０は、暖房運転の指示を受けると、冷凍サイクル装置１００の運転モードを暖房運転モード（第１運転モード）と油回収運転モード（第２運転モード）との間で切り替える。冷媒配管は、第１熱交換器３のポート（第１ポート）Ｐ１に接続されるガス延長配管（第１配管）１５を含む。暖房運転モードは、気相状態の冷媒がガス延長配管１５に流れるように冷媒回路２０内に冷媒を循環させるモードである。油回収運転モードは、気液二相状態の冷媒がガス延長配管１５に流れるように冷媒回路２０内に冷媒を循環させるモードである。ガス延長配管１５は、暖房運転モードにおいて、圧縮機１と第１熱交換器３との間の流路を構成する。油回収運転モードにおけるガス延長配管１５内の冷媒の流れ方向は、暖房運転モードにおけるガス延長配管１５内の冷媒の流れ方向と逆である。

上記の構成によれば、ガス延長配管１５は、暖房運転モードにおいて、圧縮機１と第１熱交換器３との間の流路を構成する。圧縮機１から吐出された冷凍機油は、気相状態の冷媒とともにガス延長配管１５内を流れる。しかしながら、冷凍機油は、高い粘度を有するため、移動しにくい。ガス延長配管１５が鉛直方向に配置され、冷媒の流れが上向きである場合には、冷凍機油はさらに移動しにくくなる。その結果、冷凍機油はガス延長配管１５に滞留する。

ガス延長配管１５に滞留した冷凍機油を圧縮機１に回収するために、制御装置１０は、冷凍サイクル装置１００の運転モードを暖房運転モードと油回収運転モードとの間で切り替える。油回収運転モードでは、気液二相状態の冷媒がガス延長配管１５に流れる。冷凍機油は、気液二相状態の冷媒に溶け、移動しやすくなる。そのため、滞留していた冷凍機油を圧縮機１に回収しやすくなる。さらに、油回収運転モードにおけるガス延長配管１５内の冷媒の流れ方向は、暖房運転モードにおけるガス延長配管１５内の冷媒の流れ方向と逆である。そのため、ガス延長配管１５が第１熱交換器３に向かって鉛直方向上向きに配置された場合であっても、冷凍機油を圧縮機１に回収しやすくなる。

このように、冷凍機油が少ない状態で圧縮機１の運転周波数を上げることなく、冷凍機油を圧縮機１に回収することができる。すなわち、圧縮機１の故障の発生を抑制するとともに、冷凍機油を圧縮機に回収できる。

冷凍サイクル装置１００は、ガス延長配管１５と第１熱交換器３との間の冷媒の状態を検知するためのセンサ５１をさらに備える。冷媒回路２０は、冷媒回路２０内の冷媒の流れ方向を切り替えるための四方弁２を含む。制御装置１０は、四方弁２を制御して、暖房運転モードと油回収運転モードとを切り替える。暖房運転モードでは、冷媒は、圧縮機１、四方弁２、ガス延長配管１５、第１熱交換器３、減圧装置４、第２熱交換器５および四方弁２の順に循環する（ガス管１１、液管１２、冷媒吸入管１３および冷媒吐出管１４の記載を省略している。以下、同様に省略する）。油回収運転モードでは、冷媒は、圧縮機１、四方弁２、第２熱交換器５、減圧装置４、第１熱交換器３、ガス延長配管１５および四方弁２の順に循環する。制御装置１０は、油回収運転モードにおいて、センサ５１によって検知される状態が気液二相状態を示すように冷媒回路２０を制御する。たとえば、制御装置１０は、減圧装置４の減圧度、または、第１熱交換器３の熱交換能力を制御すればよい。

これにより、制御装置１０は、四方弁２を制御することにより、油回収運転モードにおけるガス延長配管１５内の冷媒の流れ方向を、暖房運転モードにおけるガス延長配管１５内の冷媒の流れ方向と逆にすることができる。さらに、制御装置１０は、センサ５１の検知結果に基づいて、ガス延長配管１５に気液二相状態の冷媒を確実に流すことができる。

制御装置１０は、暖房運転モードが第１規定時間Ｂだけ継続したときに冷凍サイクル装置１００の運転モードを油回収運転モードに切り替え、油回収運転モードが第２規定時間Ｃだけ継続したときに冷凍サイクル装置１００の運転モードを暖房運転モードに切り替える。

これにより、規定時間ごとに運転モードが切り替えられるため、ガス延長配管１５に滞留した冷凍機油が定期的に圧縮機１に回収される。

実施の形態２．
（冷凍サイクル装置の構成）
図４は、実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の概略構成図である。図４に示されるように、実施の形態２に係る冷凍サイクル装置１００ａは、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００と比較して、冷媒回路２０の代わりに冷媒回路２０ａを備え、制御装置１０の代わりに制御装置１０ａを備える点で相違する。冷媒回路２０ａは、図１に示す冷媒回路２０と比較して、流路切替回路８を備える点で相違する。

流路切替回路８は、４つの仕切弁８１～８４を含む。仕切弁８１は、四方弁２のポートＧとガス延長配管１５との間に配置され、両者間の流路の開閉を行なう。仕切弁８２は、四方弁２のポートＧと液延長配管１６との間に配置され、両者間の流路の開閉を行なう。仕切弁８３は、減圧装置４とガス延長配管１５との間に配置され、両者間の流路の開閉を行なう。仕切弁８４は、減圧装置４と液延長配管１６との間に配置され、両者間の流路の開閉を行なう。

制御装置１０ａは、四方弁２および流路切替回路８を制御して、冷凍サイクル装置１００ａの運転モードを、暖房運転モード、冷房運転モードおよび油回収運転モードのいずれかに切り替える。以下では、暖房運転モードおよび冷房運転モードをまとめて通常運転モードという。

制御装置１０ａは、実施の形態１の制御装置１０と同様に、四方弁２を制御して、冷房運転モードから暖房運転モードに、または、暖房運転モードから冷房運転モードに切り替える。

さらに、制御装置１０ａは、流路切替回路８を制御して、冷凍サイクル装置１００ａの運転モードを通常運転モード（冷房運転モードまたは暖房運転モード）と油回収運転モードとの間で切り替える。制御装置１０ａは、通常運転モードのときには、仕切弁８１，８４を開状態に、仕切弁８２，８３を閉状態に制御する。仕切弁８１，８４が開状態に、仕切弁８２，８３が閉状態に制御されることにより、圧縮機１とガス延長配管１５とが接続されるとともに、減圧装置４と液延長配管１６とが接続される（第１接続状態）。制御装置１０ａは、油回収運転モードのときには、仕切弁８１，８４を閉状態に、仕切弁８２，８３を開状態に制御する。仕切弁８１，８４が閉状態に、仕切弁８２，８３が開状態に制御されることにより、圧縮機１と液延長配管１６とが接続されるとともに、減圧装置４とガス延長配管１５とが接続される（第２接続状態）。

図４には、暖房運転モードにおける冷媒の流れが矢印で示されている。図４に示されるように、暖房運転モードでは、冷媒は、圧縮機１、四方弁２、仕切弁８１、ガス延長配管１５、第１熱交換器３、液延長配管１６、仕切弁８４、減圧装置４、第２熱交換器５および四方弁２の順に循環する。

図５は、暖房運転モードから油回収運転モードに切り替えられたときの冷媒の流れを示す図である。図５に示されるように、暖房運転時の油回収運転モードでは、冷媒は、圧縮機１、四方弁２、仕切弁８２、液延長配管１６、第１熱交換器３、ガス延長配管１５、仕切弁８３、減圧装置４、第２熱交換器５および四方弁２の順に循環する。

図４および図５に示されるように、油回収運転モードにおけるガス延長配管１５の冷媒の流れ方向は、暖房運転モードにおけるガス延長配管１５の冷媒の流れ方向と逆向きである。これにより、ガス延長配管１５が第１熱交換器３に向かって上向きに配置されている場合、ガス延長配管１５内の冷媒の流れ方向は、暖房運転モードでは上向きであるのに対し、油回収運転モードでは下向きとなる。その結果、油回収運転モードでは、暖房運転モードにおいてガス延長配管１５内に滞留した冷凍機油を圧縮機１に戻しやすくなる。

さらに、油回収運転モードでは、第１熱交換器３において凝縮された液相状態または気液二相状態の冷媒がガス延長配管１５を流れる。これにより、ガス延長配管１５に滞留していた冷凍機油は、液相状態または気液二相状態の冷媒に溶けて移動しやすくなり、減圧装置４、第２熱交換器５および四方弁２を通過して、容易に圧縮機１に回収される。

図６は、実施の形態２における冷房運転モードにおける冷媒の流れを示す図である。図６に示されるように、冷房運転モードでは、冷媒は、圧縮機１、四方弁２、第２熱交換器５、減圧装置４、仕切弁８４、液延長配管１６、第１熱交換器３、ガス延長配管１５、仕切弁８１および四方弁２の順に循環する。冷房運転モードでは、液延長配管１６を流れる液相状態または気液二相状態の冷媒が第１熱交換器３により蒸発し、気相状態の冷媒がガス延長配管１５を流れる。液延長配管１６内において液相状態または気液二相状態の冷媒に溶けていた冷凍機油は、第１熱交換器３において冷媒から分離され、ガス延長配管１５に滞留する可能性がある。そのため、冷凍サイクル装置１００ａの運転モードは冷房運転モードと油回収運転モードとの間で切り替えられる。

図７は、冷房運転モードから油回収運転モードに切り替えられたときの冷媒の流れを示す図である。図７に示されるように、冷房運転時の油回収運転モードでは、冷媒は、圧縮機１、四方弁２、第２熱交換器５、減圧装置４、仕切弁８３、ガス延長配管１５、第１熱交換器３、液延長配管１６、仕切弁８２および四方弁２の順に循環する。

図６および図７に示されるように、油回収運転モードにおけるガス延長配管１５の冷媒の流れ方向は、冷房運転モードにおけるガス延長配管１５の冷媒の流れ方向と逆向きである。さらに、油回収運転モードでは、ガス延長配管１５に液相状態または気液二相状態の冷媒が流れる。これにより、冷房運転モードにおいてガス延長配管１５に滞留した冷凍機油を圧縮機１に回収することができる。

（制御装置の処理の流れ）
図８は、実施の形態２に係る制御装置１０ａの処理の流れを示すフローチャートである。まずステップＳ２１において、制御装置１０ａは、通常運転（冷房運転または暖房運転）の指示を受ける。ステップＳ２２において、制御装置１０ａは、指示に従って四方弁２を制御し、通常運転モードでの運転を開始する。すなわち、制御装置１０ａは、冷房運転の指示を受けた場合、四方弁２を冷房運転状態に制御して冷房運転モードでの運転を開始し、暖房運転の指示を受けた場合、四方弁２を暖房運転状態に制御して暖房運転モードでの運転を開始する。このとき、制御装置１０ａは、仕切弁８１，８４を開状態に、仕切弁８２，８３を閉状態に制御する。ステップＳ２３において、制御装置１０ａは、運転時間の計時（カウント）を開始するようにタイマー５０を制御する。

次にステップＳ２４において、制御装置１０ａは、運転時間の積算値Ａが第１規定時間Ｂ未満であるか否かを判断する。運転時間の積算値Ａが第１規定時間Ｂ未満である場合（ステップＳ２４でＹＥＳ）、処理はステップＳ２４に戻される。運転時間の積算値Ａが第１規定時間Ｂ以上になると（ステップＳ２４でＮＯ）、制御装置１０ａは、ステップＳ２５において、冷凍サイクル装置１００ａの運転モードを油回収運転モードに切り替える。すなわち、制御装置１０ａは、仕切弁８１，８４を閉状態に、仕切弁８２，８３を開状態に制御する。さらに制御装置１０ａは、ステップＳ２６において運転時間の積算値Ａを０にリセットする。

ステップＳ２６の後、制御装置１０ａは、ステップＳ２７において、運転時間の積算値Ａが第２規定時間Ｃ未満であるか否かを判断する。ここで、運転時間の積算値Ａは、ステップＳ２６からの経過時間、つまり、油回収運転モードの継続時間を示す。運転時間の積算値Ａが第２規定時間Ｃ未満である場合（ステップＳ２７でＹＥＳ）、処理はステップＳ２６に戻される。すなわち、油回収運転モードを開始してから第２規定時間Ｃが経過するまでの間、ガス延長配管１５内の冷媒の流れ方向は、通常運転モードのときの流れ方向と逆向きとなる。さらに、ガス延長配管１５には液相状態または気液二相状態の冷媒が流れる。これにより、通常運転モードにおいてガス延長配管１５に滞留していた冷凍機油は、油回収運転モードにおいて圧縮機１に回収される。

運転時間の積算値Ａが第２規定時間Ｃ以上になると（ステップＳ２７でＹＥＳ）、制御装置１０ａは、ステップＳ２８において冷凍サイクル装置１００ａの運転モードを通常運転モードに戻し、ステップＳ２９において運転時間の積算値Ａを０にリセットする。ステップＳ２９の後、処理はステップＳ２４に戻される。

（利点）
実施の形態２に係る冷凍サイクル装置１００ａの冷媒回路２０ａは、圧縮機１と減圧装置４とガス延長配管１５と液延長配管１６との接続状態を切り替えるように構成された流路切替回路８を含む。液延長配管１６は、第１熱交換器３のポート（第２ポート）Ｐ２に接続される配管である。流路切替回路８は、圧縮機１と減圧装置４とガス延長配管１５と液延長配管１６との接続状態を、第１接続状態と第２接続状態とのいずれかに切り替える。第１接続状態は、圧縮機１とガス延長配管１５とが四方弁２を介して接続されるとともに、減圧装置４と液延長配管１６とが接続される状態である。第２接続状態は、圧縮機１と液延長配管１６とが四方弁２を介して接続されるとともに、減圧装置４とガス延長配管１５とが接続される状態である。制御装置１０ａは、流路切替回路８を第１接続状態に切り替えることにより冷凍サイクル装置１００ａの運転モードを通常運転モードに切り替える。制御装置１０ａは、流路切替回路８を第２接続状態に切り替えることにより冷凍サイクル装置１００ａの運転モードを油回収運転モードに切り替える。

四方弁２が暖房運転状態である場合において、流路切替回路８が第１接続状態であるとき、冷媒は、圧縮機１、四方弁２、仕切弁８１、ガス延長配管１５、第１熱交換器３、液延長配管１６、仕切弁８４、減圧装置４、第２熱交換器５および四方弁２の順に循環する（暖房運転モード）。一方、流路切替回路８が第２接続状態であるとき、冷媒は、圧縮機１、四方弁２、仕切弁８２、液延長配管１６、第１熱交換器３、ガス延長配管１５、仕切弁８３、減圧装置４、第２熱交換器５および四方弁２の順に循環する（油回収運転モード）。

四方弁２が冷房運転状態である場合において、流路切替回路８が第１接続状態であるとき、冷媒は、圧縮機１、四方弁２、第２熱交換器５、減圧装置４、仕切弁８４、液延長配管１６、第１熱交換器３、ガス延長配管１５、仕切弁８１および四方弁２の順に循環する（冷房運転モード）。一方、流路切替回路８が第２接続状態であるとき、冷媒は、圧縮機１、四方弁２、第２熱交換器５、減圧装置４、仕切弁８３、ガス延長配管１５、第１熱交換器３、液延長配管１６、仕切弁８２および四方弁２の順に循環する（油回収運転モード）。

このように、ガス延長配管１５に滞留した冷凍機油を圧縮機１に回収するために、制御装置１０ａは、冷凍サイクル装置１００の運転モードを通常運転モード（暖房運転モードまたは冷房運転モード）と油回収運転モードとの間で切り替える。油回収運転モードでは、液相状態または気液二相状態の冷媒がガス延長配管１５に流れる。冷凍機油は、液相状態または気液二相状態の冷媒に溶け、移動しやすくなる。さらに、油回収運転モードにおけるガス延長配管１５内の冷媒の流れ方向は、通常運転モードにおけるガス延長配管１５内の冷媒の流れ方向と逆である。そのため、ガス延長配管１５が鉛直方向に配置された場合であっても、冷凍機油を圧縮機１に回収しやすくなる。このように、冷凍機油が少ない状態で圧縮機１の運転周波数を上げることなく、冷凍機油を圧縮機１に回収することができる。すなわち、圧縮機に大きな負荷をかけることなく、冷凍機油を圧縮機に回収できる。

さらに、冷媒が圧縮機、第１熱交換器、減圧装置および第２熱交換器を流れる順序は、通常運転モードと油回収運転モードとで同じである。そのため、通常運転モードにおいて蒸発器として動作していた第１熱交換器は、油回収運転モードでも蒸発器として動作できる。同様に、通常運転モードにおいて凝縮器として動作していた第１熱交換器は、油回収運転モードでも凝縮器として動作できる。これにより、油回収運転モードにおいて室内の快適性の低下を抑制することができる。また、図１３に示されるように、従来技術の油回収運転では、圧縮機の運転周波数を上げるため、一時的に室内温度が目標値から外れ快適性が低下する。しかしながら、実施の形態２の冷凍サイクル装置１００ａでは、通常運転モードから油回収運転モードへの切り替えの際に圧縮機１の運転周波数を変更しないため、快適性の低下を抑制できる。

変形例１．
内径ｄｉの配管が鉛直方向に沿って配置され、密度ρｇの気相状態の冷媒と密度ρｌの冷凍機油とを当該配管内に上向きに流す場合、気相状態の冷媒の流速Ｕｇが以下の式（１）に示す油上昇限界速度Ｕｇ＊以上であるときに、冷凍機油が配管に沿って上昇する。ｇは重力加速度である。

図９は、気相状態の冷媒の流速Ｕｇが油上昇限界速度Ｕｇ＊以上であるときの配管内の冷凍機油の様子を示す図である。図９に示されるように、気相状態の冷媒の流速Ｕｇが油上昇限界速度Ｕｇ＊以上であるため、冷凍機油３０が配管の壁面に沿って上昇する。

上記の実施の形態１，２において、当該ガス延長配管１５の少なくとも一部分の内径ｄｉは、以下の式（２）を満たすことが好ましい。以下の式（２）においてＵｇａは、圧縮機１を最小の運転周波数で動作させたときの気相状態の冷媒の流速を示す。式（２）の右辺は、油上昇限界速度Ｕｇ＊を示す。

図１０は、変形例１に係るガス延長配管内の冷凍機油の様子を示す図である。図１０には、ガス延長配管１５の部分１５ａの内径ｄｉが上記の式（２）を満たし、残りの部分１５ｂの内径が上記の式（２）を満たさないときのガス延長配管１５内の冷凍機油の様子が示される。室内温度が目標温度に近くなり、冷凍サイクル装置１００を断続運転させるとき、圧縮機１は最小の運転周波数で運転される。圧縮機１を最小の運転周波数で動作させたとき、部分１５ａにおける冷媒の流速Ｕｇａは、油上昇限界速度Ｕｇ＊未満となる。そのため、図１０に示されるように、冷凍機油３０は、部分１５ａに滞留しやすくなる。

一方、部分１５ｂにおける冷媒の流速Ｕｇｂは、油上昇限界速度Ｕｇ＊以上である。そのため、冷凍機油３０は、部分１５ｂにほとんど滞留しない。さらに、圧縮機１から吐出された冷凍機油３０のほとんどが部分１５ａに滞留するため、部分１５ａの下流側の部分１５ｂに流れ込む冷凍機油３０の量は少ない。

このように、ガス延長配管１５の部分１５ａが室外ユニットから第１熱交換器３に向けて鉛直方向に配置された場合、圧縮機１から吐出された冷凍機油３０のほとんどは、ガス延長配管１５の部分１５ａに滞留する。これにより、冷媒回路２０におけるガス延長配管１５以外の部分において、冷凍機油３０の滞留による圧力損失や伝熱性能低下を抑制することができる。その結果、冷凍サイクル装置１００，１００ａの空調性能を向上させることができる。

さらに、ガス延長配管１５の部分１５ａに滞留した冷凍機油３０は、油回収運転モードにおいて、液相状態または気液二相状態の冷媒に溶けて圧縮機１に容易に回収される。そのため、圧縮機１の信頼性を向上させることができる。

変形例２．
上記の実施の形態１において、制御装置１０は、圧縮機１の最小の運転周波数を以下のように設定してもよい。制御装置１０は、最小の運転周波数で圧縮機１を運転させたときのガス延長配管１５内の冷媒の流速Ｕｇｃが上記の式（１）で示される油上昇限界速度Ｕｇ＊未満となるように、圧縮機１の最小の運転周波数を設定する。

図１１は、変形例２に係るガス延長配管内の冷凍機油の様子を示す図である。最小の運転周波数で圧縮機１を運転させるとき、冷媒の流速Ｕｇｃは油上昇限界速度Ｕｇ＊未満となる。そのため、図１１に示されるように、ガス延長配管１５の少なくとも一部分が室外ユニットから第１熱交換器３に向けて鉛直方向に配置された場合、冷凍機油３０は、ガス延長配管１５の壁面に滞留する。圧縮機１から吐出された冷凍機油３０のほとんどがガス延長配管１５に滞留することにより、冷媒回路２０におけるガス延長配管１５以外の部分において、冷凍機油３０の滞留による圧力損失や伝熱性能低下を抑制することができる。その結果、冷凍サイクル装置１００の空調性能を向上させることができる。

さらに、ガス延長配管１５に滞留した冷凍機油３０は、油回収運転モードにおいて、液相状態または気液二相状態の冷媒に溶けて圧縮機１に容易に回収される。そのため、圧縮機１の信頼性を向上させることができる。

実施の形態２においても同様に、制御装置１０ａは、最小の運転周波数で圧縮機１を運転させたときのガス延長配管１５内の冷媒の流速Ｕｇｃが油上昇限界速度Ｕｇ＊未満となるように、圧縮機１の最小の運転周波数を設定してもよい。

変形例３．
上記の実施の形態２において、制御装置１０ａは、流路切替回路８を制御して、暖房運転モードおよび冷房運転モードのいずれにおいても、第１熱交換器３における冷媒の流れ方向と空気の流れ方向とを対向させてもよい。これにより、第１熱交換器３の熱交換能力を高めることができる。

図１２は、暖房運転から冷房運転への切り替え前後における冷媒の流れを示す図である。ここでは、第１熱交換器３の送風機３ｃによる空気の流れ方向ＡＤを、第１熱交換器３のポートＰ２からポートＰ１に向かう方向とする。

図１２に示されるように、制御装置１０ａは、暖房運転モードにおいて、四方弁２を暖房運転状態に、流路切替回路８を第１接続状態（仕切弁８１，８４が開状態、仕切弁８２，８３が閉状態）に制御する。これにより、冷媒は、圧縮機１、四方弁２、仕切弁８１、ガス延長配管１５、第１熱交換器３、液延長配管１６、仕切弁８４、減圧装置４、第２熱交換器５および四方弁２の順に循環する。そのため、第１熱交換器３において、冷媒の流れ方向（ポートＰ１からポートＰ２に向かう方向）は、空気の流れ方向ＡＤに対向する。

暖房運転から冷房運転への切り替え指示を受けると、制御装置１０ａは、四方弁２を冷房運転状態に、流路切替回路８を第２接続状態（仕切弁８１，８４が閉状態、仕切弁８２，８３が開状態）に制御する。これにより、冷媒は、圧縮機１、四方弁２、第２熱交換器５、減圧装置４、仕切弁８３、ガス延長配管１５、第１熱交換器３、液延長配管１６、および仕切弁８２および四方弁２の順に循環する。そのため、冷房運転モードにおいても、第１熱交換器３における冷媒の流れ方向（ポートＰ１からポートＰ２に向かう方向）は、空気の流れ方向ＡＤに対向する。これにより、暖房運転および冷房運転の両方において、第１熱交換器３の熱交換能力を向上させることができる。

第１熱交換器３の送風機３ｃによる空気の流れ方向ＡＤが第１熱交換器３のポートＰ１からポートＰ２の方向に向かう方向である場合には、仕切弁８１～８４は上記と逆に制御される。すなわち、冷房運転モードのときには、制御装置１０ａは、四方弁２を冷房運転状態に、流路切替回路８を第１接続状態（仕切弁８１，８４が開状態、仕切弁８２，８３が閉状態）に制御する。これにより、冷媒は、圧縮機１、四方弁２、第２熱交換器５、減圧装置４、仕切弁８４、液延長配管１６、第１熱交換器３、ガス延長配管１５、仕切弁８１および四方弁２の順に循環する。冷房運転から暖房運転への切り替え指示を受けると、制御装置１０ａは、四方弁２を暖房運転状態に、流路切替回路８を第２接続状態（仕切弁８１，８４が閉状態、仕切弁８２，８３が開状態）に制御する。これにより、冷媒は、圧縮機１、四方弁、仕切弁８２、液延長配管１６、第１熱交換器３、ガス延長配管１５、仕切弁８３、減圧装置４、第２熱交換器５および四方弁２の順に循環する。このように、暖房運転モードおよび冷房運転モードのいずれにおいても、第１熱交換器３における冷媒の流れ方向と空気の流れ方向とが対向する。その結果、暖房運転および冷房運転の両方において、第１熱交換器３の熱交換能力を向上させることができる。

変形例４．
上記の実施の形態１では、制御装置１０は、圧縮機１の運転時間に基づいて、暖房運転モードと油回収運転モードとの切り替えを行なう。これに対し、冷凍サイクル装置１００が圧縮機１内の冷凍機油量を計測する計測器を備え、制御装置１０は、計測器によって計測された冷凍機油量に基づいて、暖房運転モードと油回収運転モードとの切り替えを行なってもよい。具体的には、制御装置１０は、冷凍機油量が第１閾値未満になったときに、暖房運転モードから油回収運転モードに切り替える。さらに、制御装置１０は、油回収運転モードで規定時間だけ運転させた後に、もしくは、冷凍機油量が第２閾値（＞第１閾値）を超えたときに、油回収運転モードから暖房運転モードに戻す。

実施の形態２でも同様に、制御装置１０ａは、圧縮機１内の冷凍機油量に基づいて、通常運転モードと油回収運転モードとの切り替えを行なってもよい。

変形例５．
実施の形態２では、流路切替回路８を４つの仕切弁８１～８４によって構成した。しかしながら、流路切替回路８は、圧縮機１と減圧装置４とガス延長配管１５と液延長配管１６との接続状態を第１接続状態と第２接続状態とのいずれかに切り替えることができれば、別の部材で構成されてもよい。たとえば、流路切替回路８は四方弁で構成されてもよい。

変形例６．
実施の形態１，２において、圧縮機１に液相状態の冷媒が吸入されることを抑制するために、冷媒吸入管１３にアキュームレータを設置してもよい。さらに、冷凍機油を回収する油回収器をガス延長配管１５に設置してもよい。この場合、通常運転モードにおいて油回収器により冷凍機油が回収され、油回収運転モードにおいて油回収器から圧縮機へ冷凍機油が戻される。

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、１ａ 吸入口、１ｂ 吐出口、２ 四方弁、３ 第１熱交換器、３ｃ 送風機、４ 減圧装置、５ 第２熱交換器、８ 流路切替回路、１０，１０ａ 制御装置、１１ ガス管、１２ 液管、１３ 冷媒吸入管、１４ 冷媒吐出管、１５ ガス延長配管、１５ａ，１５ｂ 部分、１６ 液延長配管、２０，２０ａ 冷媒回路、５０ タイマー、５１ センサ、８１～８４ 仕切弁、１００，１００ａ 冷凍サイクル装置、Ｅ～Ｈ，Ｐ１～Ｐ４ ポート。

Claims (2)

1. 圧縮機、第１熱交換器、減圧装置および第２熱交換器が冷媒配管によって接続された冷媒回路を備えた冷凍サイクル装置であって、
   前記冷凍サイクル装置の運転モードを第１運転モードと第２運転モードとの間で切り替える制御装置を備え、
   前記冷媒配管は、前記第１熱交換器の第１ポートに接続される第１配管を備え、
   前記第１運転モードは、気相状態の冷媒が前記第１配管に流れるように前記冷媒回路内に前記冷媒を循環させるモードであり、
   前記第２運転モードは、液相状態または気液二相状態の前記冷媒が前記第１配管に流れるように前記冷媒回路内に前記冷媒を循環させるモードであり、
   前記第１配管は、前記第１運転モードにおいて、前記圧縮機と前記第１熱交換器との間の流路を構成し、
   前記第２運転モードにおける前記第１配管内の前記冷媒の流れ方向は、前記第１運転モードにおける前記第１配管内の前記冷媒の流れ方向と逆であり、
   前記冷媒配管は、前記第１熱交換器の第２ポートに接続される第２配管をさらに含み、
   前記冷媒回路は、前記圧縮機と前記減圧装置と前記第１配管と前記第２配管との接続状態を切り替えるように構成された流路切替回路をさらに含み、
   前記流路切替回路は、前記接続状態を、前記圧縮機と前記第１配管とが接続されるとともに、前記減圧装置と前記第２配管とが接続される第１接続状態と、前記圧縮機と前記第２配管とが接続されるとともに、前記減圧装置と前記第１配管とが接続される第２接続状態とのいずれかに切り替え、
   前記制御装置は、前記流路切替回路を前記第１接続状態に切り替えることにより前記冷凍サイクル装置の運転モードを前記第１運転モードに切り替え、前記流路切替回路を前記第２接続状態に切り替えることにより前記冷凍サイクル装置の運転モードを前記第２運転モードに切り替え、
   前記第１配管の少なくとも一部分の内径ｄｉは、重力加速度をｇ、前記第１運転モードにおける前記第１配管内の気相状態の前記冷媒の密度をρｇ、前記第１運転モードにおける前記第１配管内の冷凍機油の密度をρｌ、前記圧縮機を最小の運転周波数で動作させたときの前記少なくとも一部分内の前記冷媒の流速をＵｇａとするとき、
   

   

   
   を満たす、冷凍サイクル装置。
2. 圧縮機、第１熱交換器、減圧装置および第２熱交換器が冷媒配管によって接続された冷媒回路を備えた冷凍サイクル装置であって、
   前記冷凍サイクル装置の運転モードを第１運転モードと第２運転モードとの間で切り替える制御装置を備え、
   前記冷媒配管は、前記第１熱交換器の第１ポートに接続される第１配管を備え、
   前記第１運転モードは、気相状態の冷媒が前記第１配管に流れるように前記冷媒回路内に前記冷媒を循環させるモードであり、
   前記第２運転モードは、液相状態または気液二相状態の前記冷媒が前記第１配管に流れるように前記冷媒回路内に前記冷媒を循環させるモードであり、
   前記第１配管は、前記第１運転モードにおいて、前記圧縮機と前記第１熱交換器との間の流路を構成し、
   前記第２運転モードにおける前記第１配管内の前記冷媒の流れ方向は、前記第１運転モードにおける前記第１配管内の前記冷媒の流れ方向と逆であり、
   前記冷媒配管は、前記第１熱交換器の第２ポートに接続される第２配管をさらに含み、
   前記冷媒回路は、前記圧縮機と前記減圧装置と前記第１配管と前記第２配管との接続状態を切り替えるように構成された流路切替回路をさらに含み、
   前記流路切替回路は、前記接続状態を、前記圧縮機と前記第１配管とが接続されるとともに、前記減圧装置と前記第２配管とが接続される第１接続状態と、前記圧縮機と前記第２配管とが接続されるとともに、前記減圧装置と前記第１配管とが接続される第２接続状態とのいずれかに切り替え、
   前記制御装置は、前記流路切替回路を前記第１接続状態に切り替えることにより前記冷凍サイクル装置の運転モードを前記第１運転モードに切り替え、前記流路切替回路を前記第２接続状態に切り替えることにより前記冷凍サイクル装置の運転モードを前記第２運転モードに切り替え、
   前記制御装置は、前記第１配管の内径をｄｉ、重力加速度をｇ、前記第１運転モードにおける前記第１配管内の気相状態の前記冷媒の密度をρｇ、前記第１運転モードにおける前記第１配管内の冷凍機油の密度をρｌとするとき、前記圧縮機を最小の運転周波数で運転させたときの前記第１配管内の前記冷媒の流速が
   

   

   
   で示されるＵｇ＊よりも小さくなるように、前記圧縮機の最小の運転周波数を設定する、冷凍サイクル装置。

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