JPWO2010086954A1 - 空気調和装置及び冷凍機油の返油方法 - Google Patents

Abstract

圧縮機の吸入温度の上昇を抑制することができる空気調和装置を提供する。本発明に係る空気調和装置１００は、圧縮機１、油分離器２、熱源側熱交換器４、絞り装置１０２、及び、利用側熱交換器１０１が順次接続された冷媒回路と、油分離器２と圧縮機１の吸入側とを接続する返油回路３１と、返油回路３１に設けられた減圧機構１１と、を有し、返油回路３１は、減圧機構１１の上流側で熱源側熱交換器４の一部と熱交換するように配管されていることを特徴とする。

Description

本発明は、冷媒回路を備えた空気調和装置及びその冷凍サイクルを構成している圧縮機から冷媒とともに吐出された冷凍機油を圧縮機に返油する返油方法に関するものである。

負荷側の室内機が複数接続され、各室内機が個別運転されるようなビル用マルチに代表される冷媒回路（冷凍サイクル）を備えている空気調和装置においては、圧縮機から冷凍機油が冷媒とともに吐出される。この種の空気調和装置では、従来から、圧縮機から持ち出された冷凍機油の冷媒回路内における分布量を低減し、速やかに圧縮機へ返油する目的で、圧縮機の２次側（吐出側）に油分離器を設置するのが一般的である（たとえば、特許文献１参照）。

油分離器を設置する理由としては、以下のようなことが挙げられる。第１に、熱源機（室外機）と室内機とを連結する接続配管（冷媒配管）が長くなると、接続配管内に分布する冷凍機油量が増えて、圧縮機内の必要油量が不足してしまう可能性があるということである。第２に、複数台の室内機が個別に発停するため、停止中の室内機に冷凍機油が滞留することがあるということである。第３に、圧縮機内に冷媒が寝込んでしまい、油濃度が希釈した状態で圧縮機を起動するとき、持ち出された冷媒と冷凍機油との混合液が冷媒回路内を循環してから圧縮機へ戻るまでに時間がかかり、圧縮機の信頼性が低下する可能性があるということである。

特許文献１に記載されている空気調和装置では、圧縮機から持ち出された冷凍機油が、油分離器で高圧・高温のガス冷媒と冷凍機油に分離されるようになっている。そして、高圧・高温ガス冷媒は、熱源側の熱交換器へ流入し、分離された冷凍機油は、減圧装置にて減圧されてから、低圧・高温の状態で圧縮機の１次側（吸入側）へ返油される。このとき、一部の高圧・高温のガス冷媒も冷凍機油とともに減圧装置で減圧され、低圧・高温の状態で、冷凍機油と同時に圧縮機の吸入側に戻されている。

圧縮機の１次側に冷凍機油を返油する理由としては、以下のようなことが挙げられる。第１に、圧縮機から冷媒とともに吐出され、圧縮機から持ち出された冷凍機油を速やかに圧縮機へ戻したいということである。第２に、圧縮機から冷媒とともに吐出され、圧縮機から持ち出されてしまった冷凍機油を、圧縮機内の冷凍機油の濃度が極端に低下してしまう前に圧縮機へ戻したいということである。

特許第３８６６３５９号公報（実施の形態８、図９）

特許文献１に記載されているような従来の空気調和装置においては、圧縮機内の冷凍機油量を確保する目的で、圧縮機から持ち出された冷凍機油を圧縮機の１次側である吸入口に直接戻していた反面、以下に示すような問題点があった。圧縮機の吸入口へ低圧・高温の冷凍機油とガス冷媒とを直接戻すことで、圧縮機の吸入口の温度が上昇、冷媒密度が低下、圧縮機の冷媒循環量が低下して圧縮機の性能が低下してしまうことになる。つまり、圧縮機が所定の能力を満足させるために必要な消費電力が増大してしまうことになるのである。また、圧縮機の吸入温度が上昇することで、圧縮機の吐出温度も上昇傾向となり、モーター巻線温度上昇等に繋がり、圧縮機の信頼性にも影響が出てしまうことになる。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、圧縮機の吸入温度の上昇を抑制することができる空気調和装置及び冷凍機油の返油方法を提供することを第１の目的としている。また、第１の目的に加え、圧縮機の吸入側へバイパスしていた冷媒流量を、負荷側への冷媒循環量へと移行することで更に性能を改善した空気調和装置及び冷凍機油の返油方法を提供することを第２の目的としている。

本発明に係る空気調和装置は、圧縮機、油分離器、熱源側熱交換器、絞り装置、及び、利用側熱交換器が順次接続された冷媒回路と、前記油分離器と前記圧縮機の吸入側とを接続する返油回路と、前記返油回路に設けられた減圧機構と、を有し、前記返油回路は、前記減圧機構の上流側で前記熱源側熱交換器の少なくとも一部と熱交換するように配管されていることを特徴とする。

本発明に係る冷凍機油の返油方法は、上記の空気調和装置における冷凍機油の返油方法であって、前記油分離器で分離された冷凍機油を前記油分離器で分離されずに残存している一部の冷媒とともに前記熱源側熱交換器の一部に導き、放熱させてから前記圧縮機の吸入側へ戻すことを特徴とする。

本発明に係る空気調和装置及び返油方法によれば、油分離器で分離された高圧・高温のガス冷媒及び冷凍機油を熱源側熱交換器の一部へ導き、放熱させてから、圧縮機へ戻すようになっているので、圧縮機吸入温度の上昇を抑制し、性能を向上させることができる。また、圧縮機吸入温度の上昇抑制によって、圧縮機吐出温度の上昇も抑制でき、モーター巻線温度上昇抑制等の圧縮機の信頼性向上にも寄与することができる。

実施の形態１に係る空気調和装置の冷媒回路構成を示す冷媒回路図である。 熱源側熱交換器の表面の風速分布の一例を示す説明図である。 実施の形態２に係る空気調和装置の冷媒回路構成を示す冷媒回路図である。 実施の形態３に係る空気調和装置の冷媒回路構成を示す冷媒回路図である。 空気調和装置の冷房運転時における冷媒の変遷を示すモリエル線図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る空気調和装置１００の冷媒回路構成を示す冷媒回路図である。図１に基づいて、冷凍サイクル装置の１つである空気調和装置１００の冷媒回路構成及び動作について説明する。この空気調和装置１００は、冷媒を循環させる冷凍サイクル（ヒートポンプサイクル）を利用して、冷房運転又は暖房運転を行なうものである。なお、図１では、実線矢印が冷房運転時における冷媒回路を、破線矢印が暖房運転時における冷媒回路を、それぞれ示している。また、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。

図１に示すように、空気調和装置１００は、１台の室外ユニット（熱源機）Ａと、この室外ユニットＡに並列に接続されている２台の室内ユニット（室内ユニットＢ₁ 、室内ユニットＢ₂ ）と、で構成されている。室外ユニットＡと、室内ユニットＢとは、ガス配管及び液配管とで構成されている冷媒配管１５で接続されて連絡している。したがって、空気調和装置１００は、室外ユニットＡと、室内ユニットＢと、で冷媒回路を形成し、この冷媒回路に冷媒を循環させることによって、冷房運転又は暖房運転することが可能になっている。なお、以下の説明において、室内ユニットＢ₁ と室内ユニットＢ₂ とをまとめて室内ユニットＢと称する場合がある。また、室外ユニットＡ及び室内ユニットＢの接続台数を図示してある台数に限定するものではない。

［室外ユニットＡ］
室外ユニットＡは、室内ユニットＢに冷熱を供給する機能を有している。この室外ユニットＡには、圧縮機１と、油分離器２と、四方弁３と、熱源側熱交換器４と、冷媒−冷媒熱交換器２１と、アキュムレーター５と、が冷房運転時において直列となるように接続されて設けられている。また、室外ユニットＡには、油分離器２と圧縮機１の吸入側とを熱源側熱交換器４及び減圧機構１１を介して接続している返油回路３１が設けられている。さらに、室外ユニットＡには、冷媒−冷媒熱交換器２１の冷房運転時における下流側（凝縮側）とアキュムレーター５の上流側とを過冷却用膨張弁２２及び冷媒−冷媒熱交換器２１の蒸発側を介して接続しているバイパス回路３２が設けられている。

第１圧縮機１は、冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮して高圧・高温の状態にするものであり、たとえば容量制御可能なインバーター圧縮機などで構成するとよい。油分離器２は、圧縮機１の吐出側に設けられており、圧縮機１から吐出され、冷凍機油が混在している冷媒ガスから冷凍機油成分を分離するものである。四方弁３は、冷媒の流れを切り替える流路切替装置として機能し、冷房運転時における冷媒の流れと、暖房運転時における冷媒の流れと、を切り替えるものである。熱源側熱交換器４は、冷房運転時には凝縮器（放熱器）として、暖房運転時には蒸発器として機能し、図示省略のファン等の送風機から供給される空気と冷媒との間で熱交換を行ない、その冷媒を凝縮液化（あるいは高密度な超臨界状態化）又は蒸発ガス化するものである。

冷媒−冷媒熱交換器２１は、冷媒配管１５を流れる冷媒と、バイパス回路３２を流れる冷媒と、の間で熱交換を行なうものである。アキュムレーター５は、圧縮機１の１次側（吸入側）に設けられ、余剰冷媒を溜めるものである。返油回路３１は、油分離器２で分離した冷凍機油及び冷媒の一部を、熱源側熱交換器４内の一部（ここでは熱源側熱交換器４の風速分布の最も小さい部分（図２参照））及び減圧機構１１を介して、圧縮機１の吸入側に戻すものである。減圧機構１１は、返油回路３１における熱源側熱交換器４の下流側に設けられ、返油回路３１を流れる冷媒を減圧するものである。この減圧機構１１は、開度が可変に制御可能なもの、たとえば電子式膨張弁やキャピラリ等で構成するとよい。

バイパス回路３２は、冷媒−冷媒熱交換器２１で過冷却された冷媒の一部を、過冷却用膨張弁２２及び冷媒−冷媒熱交換器２１を介して、アキュムレーター５の上流側にバイパスするものである。過冷却用膨張弁２２は、冷房運転時におけるバイパス回路３２の冷媒−冷媒熱交換器２１の上流側（蒸発側）に設けられており、バイパス回路３２を流れる冷媒を減圧して膨張させるものである。この過冷却用膨張弁２２は、開度が可変に制御可能なもの、たとえば電子式膨張弁等で構成するとよい。

［室内ユニットＢ］
室内ユニットＢは、空調対象域を有する部屋等に設置され、その空調対象域に冷房用空気あるいは暖房用空気を供給する機能を有している。室内ユニットＢには、利用側熱交換器１０１と、絞り装置１０２と、が直列に接続されて設けられている。利用側熱交換器１０１は、冷房運転時には蒸発器として、暖房運転時には凝縮器（放熱器）として機能し、図示省略のファン等の送風機から供給される空気と冷媒との間で熱交換を行ない、空調対象域に供給するための暖房空気あるいは冷房空気を作成するものである。絞り装置１０２は、冷媒を減圧して膨張させ、利用側熱交換器１０１への冷媒分配を調節するものである。この絞り装置１０２は、たとえば開度変更可能な電子膨張弁等で構成するとよい。

空気調和装置１００の各種運転時の冷媒の流れについて説明する。
空気調和装置１００が冷房運転を実行する場合（実線矢印）、圧縮機１からの吐出冷媒が熱源側熱交換器４に流入するように四方弁３が切り替えられ、圧縮機１が駆動される。圧縮機１に吸入された冷媒は、圧縮機１で高圧・高温のガス状態となって吐出され、油分離器２及び四方弁３を介して熱源側熱交換器４に流入する。この熱源側熱交換器４に流入した冷媒は、図示省略の送風機から供給される空気に放熱しながら冷却され、低圧・高温の液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から流出した液冷媒は、室内ユニットＢに流入する。室内ユニットＢに流入した冷媒は、絞り装置１０２で減圧され、低圧二相冷媒となる。この低圧二相冷媒は、利用側熱交換器１０１に流入し、図示省略の送風機から供給される空気から吸熱することで蒸発、ガス化する。このとき、室内等の空調対象空間に冷房空気が供給され、空調対象空間の冷房運転が実現される。利用側熱交換器１０１から流出した冷媒は、室内ユニットＢから流出し、室外ユニットＡに流入し、室外ユニットＡの四方弁３及びアキュムレーター５を通り、圧縮機１に再度吸入される。

空気調和装置１００が暖房運転を実行する場合（破線矢印）、圧縮機１からの吐出冷媒が利用側熱交換器１０１に流入するように四方弁３が切り替えられ、圧縮機１が駆動される。圧縮機１に吸入された冷媒は、圧縮機１で高圧・高温のガス状態となって吐出され、油分離器２及び四方弁３を介して利用側熱交換器１０１に流入する。この利用側熱交換器１０１に流入した冷媒は、図示省略の送風機から供給される空気に放熱しながら冷却され、低圧・高温の液冷媒となる。このとき、室内等の空調対象空間に暖房空気が供給され、空調対象空間の暖房運転が実現される。

利用側熱交換器１０１から流出した液冷媒は、絞り装置１０２で減圧され、低圧二相冷媒となる。この低圧二相冷媒は、室内ユニットＢから流出して室外ユニットＡに流入する。室外ユニットＡに流入した低圧二相冷媒は、熱源側熱交換器４に流入し、図示省略の送風機から供給される空気から吸熱することで蒸発、ガス化する。この低圧ガス冷媒は、熱源側熱交換器４から流出し、四方弁３及びアキュムレーター５を通り、圧縮機１に再度吸入される。

ところで、圧縮機１から冷媒とともに持ち出された冷凍機油は、油分離器２内に流入し、この油分離器２で高圧ガス冷媒と気油分離される。ただし、油分離器２では、高圧ガス冷媒と冷凍機油とが完全（１００％）分離されるわけではない。油分離器２は、たとえば９０％程度の冷凍機油を分離することができる。残りの１０％程度の冷凍機油は、分離されず、冷媒とともに冷媒回路内を循環することになる。また、油分離器２では、高圧・高温のガス冷媒も同様に完全に冷媒回路内へ流出するわけではない。油分離器２は、たとえば９７〜９８％程度の冷媒を分離することができる。残りの２〜３％程度の高圧・高温のガス冷媒は、冷凍機油とともに最終的に圧縮機１へ戻されることになる。

油分離器２で分離された一部の高圧・高温のガス冷媒、及び、冷凍機油は、圧縮機１への返油回路３１を通じて、熱源側熱交換器４の一部へ流入する。図１では、返油回路３１は、熱源側熱交換器４の一部、たとえば熱交換器表面における風速分布の最も小さい部分（熱交換量として寄与率の低い部分）を通すようにするとよい。熱源側熱交換器４の一部へ流入した高圧・高温のガス冷媒は、熱源側熱交換器４で放熱することで高圧・中温の液状態となり、減圧機構１１へ流入する。減圧機構１１では、高圧・中温の液冷媒は、減圧され、低圧・低温となり、冷凍機油とともに圧縮機１の吸入側へ戻されることになる。

図２は、熱源側熱交換器４の表面の風速分布の一例を示す説明図である。図２に基づいて、熱源側熱交換器４に接続させる返油回路３１について熱源側熱交換器４の表面の風速分布とともに説明する。この図２では、送風機５０を併せて図示している。上述したように、返油回路３１を流れる冷媒、及び、冷凍機油は、熱源側熱交換器４の一部を通るようになっている。室外ユニットＡが、たとえば側面から外気を吸い込み、熱源側熱交換器４を通じて上部へ吹き出すような構成の場合、熱源側熱交換器４の表面には、図２に示すような風速分布が生じる。

つまり、このような熱源側熱交換器４では、送風機５０に近い上部から送風機５０に遠い下部に向けて風速分布が小さくなる。このような風速分布によって、風速分布の小さい下部では、熱源側熱交換器４全体の放熱量に対しての寄与率が低くなる。しかしながら、油分離器２で分離された一部の小流量の高圧・高温のガス冷媒を放熱するには十分な放熱量がある。したがって、空気調和装置１００では、熱源側熱交換器４の風速分布の最も小さい部分で返油回路３１を流れ冷媒及び冷凍機油を熱交換させるようにしている。たとえば、図２に示すように送風機５０が上部に設けられている場合、熱源側熱交換器４の高さ方向の中間位置から下側の一部で返油回路３１を流れる冷媒及び冷凍機油を熱交換させるとよい。

以上のように、空気調和装置１００は、油分離器２で分離された一部の高圧・高温のガス冷媒、及び、冷凍機油を熱源側熱交換器４で放熱させてから圧縮機１へ戻すようにしている。こうすることによって、従来のように高圧・高温のガス冷媒、及び、冷凍機油を圧縮機吸入側へ直接戻すようになっている空気調和装置に比べ、圧縮機吸入側のエンタルピが低減され、圧縮機吸入側の冷媒密度が増大することになる。したがって、圧縮機吸入側における温度上昇を抑制できる。また、圧縮機１に吸入するガス冷媒の密度が上昇することにより、冷媒回路における冷媒循環量が増大することで、空気調和装置１００の性能が向上する。さらに、吸入温度の上昇抑制によって圧縮機１の吐出温度上昇も抑制でき、モーター巻線温度上昇抑制等の圧縮機１の信頼性向上にも寄与することになる。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２に係る空気調和装置１００ａの冷媒回路構成を示す冷媒回路図である。図３に基づいて、冷凍サイクル装置の１つである空気調和装置１００ａの冷媒回路構成及び動作について説明する。この空気調和装置１００ａは、冷媒を循環させる冷凍サイクルを利用して、冷房運転又は暖房運転を行なうものである。なお、図３では、実線矢印が冷房運転時における冷媒回路を、破線矢印が暖房運転時における冷媒回路を、それぞれ示している。また、この実施の形態２では、実施の形態１と同一部分には同一符号を付し、実施の形態１との相違点を中心に説明するものとする。

実施の形態１では、油分離器２で分離された一部の高圧・高温のガス冷媒、及び、冷凍機油を熱源側熱交換器４で放熱させてから圧縮機１へ戻すようにした空気調和装置１００について説明したが、実施の形態２では、更に放熱効果を向上させるようにした空気調和装置１００ａについて説明する。図３に示すように、空気調和装置１００ａの基本的な冷媒回路構成は、実施の形態１に係る空気調和装置１００と同様であるが、空気調和装置１００ａは、返油回路（以下、返油回路３１ａと称する）に過冷却熱交換器１２が設けられている点で実施の形態１に係る空気調和装置１００と相違している。

過冷却熱交換器１２は、返油回路３１ａの熱源側熱交換器４と減圧機構１１との間に設けられ、油分離器２で分離され、熱源側熱交換器４で放熱させた一部の冷媒と、熱源側熱交換器４から流出し、減圧機構１１で減圧された冷媒と、の間で熱交換を行なうものである。したがって、空気調和装置１００ａでは、油分離器２で分離された一部の高圧・高温のガス冷媒、及び、冷凍機油を、熱源側熱交換器４で放熱させた後、更に過冷却熱交換器１２で放熱させることが可能になっている。なお、返油回路３１ａは、実施の形態１で説明したように、熱源側熱交換器４の風速分布の最も小さい部分で熱交換するように配管するとよい。

空気調和装置１００ａの返油回路３１ａの冷媒及び冷凍機油の流れについて説明する。なお、空気調和装置１００ａの各種運転時の冷媒の流れについては、実施の形態１に係る空気調和装置１００と同様である。圧縮機１から冷媒とともに持ち出された冷凍機油は、油分離器２内に流入し、この油分離器２で高圧ガス冷媒と気油分離される。油分離器２で分離された一部の高圧・高温のガス冷媒、及び、冷凍機油は、圧縮機１への返油回路３１ａを通じて、熱源側熱交換器４の一部へ流入する。熱源側熱交換器４の一部へ流入した高圧・高温のガス冷媒は、熱源側熱交換器４で放熱することで高圧・中温の液冷媒となる。

熱源側熱交換器４から流出した高圧・中温の液冷媒、及び、冷凍機油は、過冷却熱交換器１２の凝縮側へ流入する。過冷却熱交換器１２では、高圧・中温の液冷媒及び冷凍機油が、減圧機構１１を介して過冷却熱交換器１２の蒸発側へ流入した低圧二相冷媒及び冷凍機油と熱交換して、更に過冷却のついた高圧・中温の液冷媒、及び、冷凍機油となり、減圧装置へ流入する。減圧機構１１では、高圧・中温の液冷媒は、減圧され、低圧・低温の二相冷媒となり、冷凍機油とともに過冷却熱交換器１２の蒸発側へ流入する。この低圧・低温の二相冷媒は、過冷却熱交換器１２内の凝縮側に流入した冷媒及び冷凍機油と熱交換して、低圧・低温のガス冷媒となって、冷凍機油とともに圧縮機１の吸入側へ戻されることになる。

以上のように、空気調和装置１００ａは、油分離器２で分離された一部の高圧・高温のガス冷媒、及び、冷凍機油を熱源側熱交換器４で放熱させ、更に過冷却熱交換器１２で過冷却が加えられてから圧縮機１へ戻すようにしている。こうすることによって、従来のように高圧・高温のガス冷媒、及び、冷凍機油を圧縮機吸入側へ直接戻すようになっている空気調和装置に比べ、圧縮機吸入側のエンタルピが低減され、圧縮機吸入側の冷媒密度が増大することになる。したがって、圧縮機吸入側における温度上昇を抑制できる。

また、圧縮機１に吸入するガス冷媒の密度が上昇することにより、冷媒回路における冷媒循環量が増大することで、空気調和装置１００ａの性能が向上する。さらに、吸入温度の上昇抑制によって圧縮機１の吐出温度上昇も抑制でき、モーター巻線温度上昇抑制等の圧縮機１の信頼性向上にも寄与することになる。加えて、空気調和装置１００ａでは、低圧・低温の二相冷媒の状態で圧縮機１へ戻すのではなく、低圧ガス冷媒として圧縮機１へ戻すので、圧縮機１の冷媒循環量に対する液バック量としての液バック率を低減することができる。したがって、圧縮機１内の油濃度希釈を抑制でき、空気調和装置１００ａの信頼性を更に向上できる。

実施の形態３．
図４は、本発明の実施の形態３に係る空気調和装置１００ｂの冷媒回路構成を示す冷媒回路図である。図４に基づいて、冷凍サイクル装置の１つである空気調和装置１００ｂの冷媒回路構成及び動作について説明する。この空気調和装置１００ｂは、冷媒を循環させる冷凍サイクルを利用して、冷房運転又は暖房運転を行なうものである。なお、図４では、実線矢印が冷房運転時における冷媒回路を、破線矢印が暖房運転時における冷媒回路を、それぞれ示している。また、この実施の形態３では、実施の形態１及び実施の形態２と同一部分には同一符号を付し、実施の形態１及び実施の形態２との相違点を中心に説明するものとする。

実施の形態１では、油分離器２で分離された一部の高圧・高温のガス冷媒、及び、冷凍機油を熱源側熱交換器４で放熱させてから、実施の形態２では、油分離器２で分離された一部の高圧・高温のガス冷媒、及び、冷凍機油を熱源側熱交換器４及び過冷却熱交換器１２で放熱させてから、それぞれ圧縮機１へ戻すようにした空気調和装置について説明したが、実施の形態３では、更に性能改善効果を向上させるようにした空気調和装置１００ｂについて説明する。図４に示すように、空気調和装置１００ｂの基本的な冷媒回路構成は、実施の形態１に係る空気調和装置１００及び実施の形態２に係る空気調和装置１００ａと同様であるが、返油回路（以下、返油回路３１ｂと称する）が相違している。

返油回路３１ｂは、油分離器２で分離した冷凍機油及び冷媒の一部を、熱源側熱交換器４内の一部及び減圧機構１１を介して、冷媒−冷媒熱交換器２１と過冷却用膨張弁２２との間におけるバイパス回路３２、冷媒−冷媒熱交換器２１の蒸発側入口に導くものである。つまり、空気調和装置１００ｂでは、返油回路３１ｂにより、減圧機構１１で減圧された低圧・低温の二相冷媒、及び、冷凍機油を、圧縮機１の吸入側に戻すのではなく、冷媒−冷媒熱交換器２１の蒸発側入口に合流させるようにしている。なお、返油回路３１ｂは、実施の形態１で説明したように、熱源側熱交換器４の風速分布の最も小さい部分で熱交換するように配管するとよい。

図５は、空気調和装置１００ｂの冷房運転時における冷媒の変遷を示すモリエル線図（冷媒の圧力とエンタルピとの関係を示す図）である。図４及び図５に基づいて、空気調和装置１００ｂの冷房運転時の冷媒の流れについて説明する。図５に示す点［Ａ］〜点［Ｆ］の冷媒状態は、それぞれ図４に示す［Ａ］〜［Ｆ］での冷媒状態である。また、図５では、縦軸が圧力［ＭＰａ］を、横軸がエンタルピ［ｋＪ／ｋｇ］を、それぞれ表している。なお、空気調和装置１００ｂの暖房運転時の冷媒の流れについては、実施の形態１に係る空気調和装置１００と同様である。

空気調和装置１００ｂが冷房運転を実行する場合（実線矢印）、圧縮機１からの吐出冷媒が熱源側熱交換器４に流入するように四方弁３が切り替えられ、圧縮機１が駆動される。圧縮機１に吸入された冷媒は、圧縮機１で高圧・高温のガス状態となって吐出され（状態（Ａ））、油分離器２及び四方弁３を介して熱源側熱交換器４に流入する。この熱源側熱交換器４に流入した冷媒は、図示省略の送風機から供給される空気に放熱しながら冷却され、低圧・高温の液冷媒となって熱源側熱交換器４から流出する（状態（Ｂ））。

熱源側熱交換器４から流出した液冷媒は、冷媒−冷媒熱交換器２１の凝縮側に流入する。冷媒−冷媒熱交換器２１に流入した冷媒は、冷媒−冷媒熱交換器２１の蒸発側を流れる低圧二相冷媒と熱交換して、過冷却が加えられる（状態（Ｃ））。冷媒−冷媒熱交換器２１を流出した過冷却のついた高圧液冷媒の一部は、室外ユニットＡから流出し、室内ユニットＢに流入する。室内ユニットＢに流入した冷媒は、絞り装置１０２で減圧され、低圧二相冷媒となる（状態（Ｄ））。

一方、冷媒−冷媒熱交換器２１を流出した過冷却のついた高圧液冷媒の一部は、バイパス回路３２に流入する。バイパス回路３２に流入した冷媒は、過冷却用膨張弁２２で減圧されて低圧二相冷媒となる。過冷却用膨張弁２２で低圧二相状態となった冷媒は、冷媒−冷媒熱交換器２１の蒸発側へと流入し、冷媒−冷媒熱交換器２１の凝縮側の高圧液冷媒と熱交換して、低圧ガス冷媒になる（状態（Ｅ））。冷媒−冷媒熱交換器２１の蒸発側から流出した低圧ガス冷媒は、四方弁３とアキュムレーター５との間に導かれ、アキュムレーター５へ流入し、最終的に圧縮機１へ戻ることになる。

こうすることによって、室内ユニットＢ側の絞り装置１０２へ流入する高圧液冷媒に過冷却が加えられたことでエンタルピが低減し、能力一定とした場合にその分だけ室内ユニットＢへの冷媒流量を低減することができる。つまり、能力Ｑ＝冷媒流量Ｇｒ×蒸発器（利用側熱交換器１０１）出入口のエンタルピ差ΔＩで表されるから、高圧液冷媒に過冷却が加えることでエンタルピが低減し、エンタルピ差ΔＩが大きくできた分（ΔＩ’）だけ、冷媒流量Ｇｒを小さくできるのである（Ｇｒ’）。

冷房の場合、室内ユニットＢへの冷媒流量が低減できた分だけ、負荷側の利用側熱交換器１０１内の圧損、及び、利用側熱交換器１０１の出口から圧縮機吸入までの低圧ラインの圧損が低減されるため（状態（Ｅ）〜（Ｆ））、圧縮機１の吸入圧力を上昇できる。したがって、圧縮機１の吸入圧力を上昇できることにより、圧縮機１自体の冷媒流量が増大し、圧縮機１の能力が増大する。そして、圧縮機１の能力が増大した分だけ、圧縮機１の押しのけ量に比例する運転周波数を低減できるため、消費電力が低減し、結果的に性能が改善されることになる。

空気調和装置１００ｂの返油回路３１ｂの冷媒の流れについて説明する。圧縮機１から冷媒とともに持ち出された冷凍機油は、油分離器２内に流入し、この油分離器２で高圧ガス冷媒と気油分離される。油分離器２で分離された一部の高圧・高温のガス冷媒、及び、冷凍機油は、圧縮機１への返油回路３１ｂを通じて、熱源側熱交換器４の一部へ流入する。熱源側熱交換器４の一部へ流入した高圧・高温ガス冷媒は、熱源側熱交換器４で放熱することで高圧・中温の液冷媒となる。

熱源側熱交換器４から流出した高圧・中温の液冷媒は、減圧機構１１で低圧・低温の二相冷媒となり、過冷却用膨張弁２２を介してバイパス回路３２を流れる低圧二相冷媒と合流して、冷媒−冷媒熱交換器２１の蒸発側に流入する。この低圧二相冷媒は、冷媒−冷媒熱交換器２１の凝縮側を流れる冷媒と熱交換して、低圧・低温のガス冷媒となり、冷凍機油とともに、四方弁３とアキュムレーター５との間へ導かれ、アキュムレーター５へ流入し、最終的に圧縮機１へ戻ることになる。

以上のように、空気調和装置１００ｂは、油分離器２で分離された一部の高圧・高温のガス冷媒、及び、冷凍機油を熱源側熱交換器４で放熱させ、更に冷媒−冷媒熱交換器２１で室内ユニットＢへ送られる高圧・中温の液冷媒へ過冷却を加えるために冷媒−冷媒熱交換器２１の蒸発側入口へ合流させてから圧縮機１へ戻すようにしている。こうすることによって、従来のように高圧・高温のガス冷媒、及び、冷凍機油を圧縮機吸入側へ直接戻すようになっている空気調和装置に比べ、冷媒−冷媒熱交換器２１の蒸発側への冷媒流量が増大することになる。

したがって、冷媒−冷媒熱交換器２１の蒸発側への冷媒流量が増大した分だけ、所定の能力Ｑを満足するエンタルピ差ΔＩが一定とすれば、過冷却用膨張弁２２からのバイパス流量を低減できることになる。そのため、その低減分だけ、室内ユニットＢへの冷媒流量が増大する。室内ユニットＢへの冷媒流量が増大すれば、能力が増大するため、能力が増大した分だけ、圧縮機１の運転容量（圧縮機１の押しのけ量に比例する運転周波数）を低減でき、消費電力が低減し、結果的に性能が改善されることになる。

たとえば、圧縮機１から吐出した全冷媒流量Ｇに対して、油分離器２でバイパスさせた冷媒流量Ｇｂ１が５％、また冷媒−冷媒熱交換器２１の蒸発側へのバイパス冷媒流量Ｇｂ２が１５％であったとすると、室内ユニットＢへ流入していた冷媒流量Ｇｒは、Ｇｒ＝Ｇ−Ｇｂ１−Ｇｂ２＝１００％−５％−１５％＝８０％となる。油分離器２でバイパスさせた冷媒流量Ｇｂ１を圧縮機吸入へ直接戻さず、冷媒−冷媒熱交換器２１の蒸発側へのバイパス冷媒流量Ｇｂ２へ合流させたとすると、Ｇｂ２＝５％＋１５％＝２０％となり、本来必要であるＧｂ２＝１５％から５％過剰となる。

そのため、過冷却用膨張弁２２からの冷媒流量を５％低減して元の１０％とすることで、Ｇｂ２＝５％＋（１５−５％）とすることができ、結果的に５％の過剰分を室内ユニットＢに流入させることができる。すなわち、５％の過剰分を室内ユニットＢへの冷媒流量Ｇｒへ流れることになり、室内ユニットＢへの冷媒流量Ｇｒは８５％に増大することになる。この増大分の５％分だけ、圧縮機１の運転容量を低減でき、消費電力が低減し、結果的に性能が改善されることになる。

また、相乗効果として、圧縮機吸入の温度上昇が抑制され、ガス冷媒密度が上昇することにより、圧縮機１の冷媒循環量が増大することで、空気調和装置１００ｂの性能が更に改善される。さらに、吸入温度の上昇抑制によって圧縮機１の吐出温度上昇も抑制でき、モーター巻線温度上昇抑制等の圧縮機１の信頼性向上にも寄与することになる。加えて、油分離器２でバイパスさせた冷媒流量を直接圧縮機１へ戻すのではないため、圧縮機１の押しのけ量に比例する運転周波数を低減できるため、さらに消費電力が低減し、結果的に性能を改善できる。

符号の説明

１ 圧縮機、２ 油分離器、３ 四方弁、４ 熱源側熱交換器、５ アキュムレーター、１１ 減圧機構、１２ 過冷却熱交換器、１５ 冷媒配管、２１ 冷媒−冷媒熱交換器、２２ 過冷却用膨張弁、３１ 返油回路、３１ａ 返油回路、３１ｂ 返油回路、３２ バイパス回路、５０ 送風機、１００ 空気調和装置、１００ａ 空気調和装置、１００ｂ 空気調和装置、１０１ 利用側熱交換器、１０２ 絞り装置、Ａ 室外ユニット、Ｂ 室内ユニット、Ｂ₁ 室内ユニット、Ｂ₂ 室内ユニット。

Claims (7)

1. 圧縮機、油分離器、熱源側熱交換器、絞り装置、及び、利用側熱交換器が順次接続された冷媒回路と、
   前記油分離器と前記圧縮機の吸入側とを接続する返油回路と、
   前記返油回路に設けられた減圧機構と、を有し、
   前記返油回路は、
   前記減圧機構の上流側で前記熱源側熱交換器の少なくとも一部と熱交換するように配管されている
   ことを特徴とする空気調和装置。
2. 前記熱源側熱交換器と前記減圧機構との間を流れる冷媒及び冷凍機油と、前記減圧機構を通過した冷媒及び冷凍機油と、が熱交換する過冷却熱交換器を前記返油回路に設けている
   ことを特徴とする請求項１に記載の空気調和装置。
3. 圧縮機、油分離器、熱源側熱交換器、冷媒−冷媒熱交換器、絞り装置、及び、利用側熱交換器が順次接続された冷媒回路と、
   前記冷媒−冷媒熱交換器と前記絞り装置との間と、前記圧縮機の吸入側と、を前記冷媒−冷媒熱交換器を介して接続するバイパス回路と、
   前記バイパス回路における前記冷媒−冷媒熱交換器の上流側に設けられた過冷却用膨張弁と、
   前記油分離器と、前記過冷却用膨張弁と前記冷媒−冷媒熱交換器との間における前記バイパス回路と、を接続する返油回路と、
   前記返油回路に設けられた減圧機構と、を有し、
   前記返油回路は、
   前記減圧機構の上流側で前記熱源側熱交換器の少なくとも一部と熱交換するように配管されている
   ことを特徴とする空気調和装置。
4. 前記熱源側熱交換器に空気を供給する送風機を前記熱源側熱交換器の上方に設けるものにおいて、
   前記返油回路は、
   前記熱源側熱交換器の高さ方向の中間位置から下側の一部と熱交換するように配管されている
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の空気調和装置。
5. 前記請求項１〜３のいずれか一項に記載の空気調和装置における冷凍機油の返油方法であって、
   前記油分離器で気油分離された冷凍機油を前記油分離器で気油分離されずに残存している一部の冷媒とともに前記熱源側熱交換器の一部に導き、放熱させてから前記圧縮機の吸入側へ戻す
   ことを特徴とする冷凍機油の返油方法。
6. 前記請求項１又は２に記載の空気調和装置における冷凍機油の返油方法であって、
   前記油分離器で分離された冷凍機油を前記油分離器で分離されずに残存している一部の冷媒とともに前記熱源側熱交換器の一部に導き、放熱させた後、前記過冷却熱交換器の凝縮側に導き、前記過冷却熱交換器の蒸発側を流れる冷媒と熱交換させてから前記圧縮機の吸入側へ戻す
   ことを特徴とする冷凍機油の返油方法。
7. 前記請求項３に記載の空気調和装置における冷凍機油の返油方法であって、
   前記油分離器で分離された冷凍機油を前記油分離器で分離されずに残存している一部の冷媒とともに前記熱源側熱交換器の一部に導き、放熱させた後、前記冷媒−冷媒熱交換器の蒸発側に導き、前記冷媒−冷媒熱交換器の凝縮側を流れる冷媒と熱交換させてから前記圧縮機の吸入側へ戻す
   ことを特徴とする冷凍機油の返油方法。

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