KR101185307B1 - 냉동장치 - Google Patents

Abstract

냉매회로(11)에는, 고압냉매 중에서 오일을 분리하는 오일 분리기(60)와, 압축기구(20)의 압축행정 중의 오일을 냉각하도록 오일 분리기(60)에서 분리된 오일을 압축기구(20)로 공급하는 오일 공급회로(70)가 형성된다. 오일 공급회로(70)에는, 오일 분리기(60)에서 분리된 오일의 에너지를 회수하는 회수기구(40)가 배치된다. 압축기구(20)에서는, 오일에 의해 냉매가 냉각되고 압축기구(20)의 동력이 저감된다. 동시에, 회수기구(40)에서는 압축기구(20)에서 오일의 승압에 사용한 동력이 회수된다.

Description

냉동장치{REFRIGERATION DEVICE}

본 발명은 냉매가 순환하여 냉동 사이클을 실행하는 냉매회로를 구비한 냉동장치에 관한 것이며, 특히 냉동장치의 에너지 절약 대책에 관한 것이다.

종래, 냉동 사이클을 실행하는 냉매회로를 구비한 냉동장치는 실내공기를 조화하는 공기조화장치 등에 널리 적용되고 있다.

특허문헌 1에는 이 종류의 냉동장치가 개시되어 있다. 이 냉동장치의 냉매회로에는 압축기, 사이클론(오일 분리기), 방열기, 이용측 열교환기 등이 접속되어 냉매회로가 구성되어 있다. 압축기에서 압축된 고압냉매는 오일 분리기로 유입된다. 오일 분리기에서는 고압냉매 중에서 오일이 분리된다. 분리 후의 오일은 방열기를 통해 냉각된 후, 압축기의 흡입측으로 공급된다. 이에 따라, 압축기의 압축행정에서는 냉매가 오일에 의해 냉각된다. 이로써, 압축기의 압축행정 중에는 냉매의 온도가 거의 상승되지 않으며, 등온 압축에 가까운 상태에서 냉매가 압축된다. 따라서, 이 압축기의 압축행정에서는, 일반적인 압축기의 압축행정(단열변화에 가까운 상태에서의 압축행정)과 비교하여 압축기의 동력이 작아진다. 그 결과, 이 냉동장치에서는 압축기의 동력 삭감에 따라 COP(성적계수)의 향상이 도모되고 있다.

[선행기술문헌]

[특허문헌]

특허문헌 1 : 일본 특허공개 평성 4-116348호 공보

그런데, 특허문헌 1에 개시된 냉동장치와 같이 하여 압축기의 압축행정 중의 냉매를 냉각하기 위해서는, 오일 분리기에서 분리한 오일을 다량으로 압축기로 공급할 필요가 있다. 즉, 압축기로 공급하는 오일의 양이 많을수록 오일에 의한 냉매의 냉각효과가 커지므로, 이에 따라 냉매의 압축에 필요로 하는 동력도 작아진다. 그러나, 이와 같이 하여 압축기구로 공급되는 오일의 양이 많아지면, 압축기에서는 공급된 오일의 승압에 필요로 하는 동력도 증대되어 버린다. 그 결과, 압축기에서는 오일 승압에 사용한 동력(에너지)을 필요 없이 소비해 버린다는 문제가 생긴다.

본 발명은 이러한 점을 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적으로 하는 바는 압축기구의 동력을 효과적으로 삭감할 수 있는 냉동장치를 제공하는 것이다.

제 1 발명은, 압축기구(20)가 접속되며 냉동 사이클을 실행하는 냉매회로(11)를 구비한 냉동장치를 대상으로 하며, 상기 냉매회로(11)에는 상기 압축기구(20)에서 압축한 고압냉매 중에서 오일을 분리하는 오일 분리수단(60)과, 상기 압축기구(20)의 압축행정 중의 냉매를 냉각하도록 상기 오일 분리수단(60)에서 분리한 오일을 압축기구(20)로 공급하는 오일 공급회로(70)가 형성되며, 상기 오일 공급회로(70)에는 오일 공급회로(70)를 흐르는 오일 에너지를 회수하는 회수기구(40)가 배치되는 것을 특징으로 한다.

제 1 발명의 냉매회로(11)에서는, 압축기구(20)에서 압축된 고압냉매 중에서 오일 분리수단(60)에 의해 고압의 오일이 분리된다. 분리 후의 오일은 압축기구(20)의 압축행정 중의 냉매를 냉각하도록 오일 공급회로(70)를 통해 압축기구(20)로 공급된다. 그 결과, 압축기구(20)의 압축행정에서는 냉매의 온도상승이 억제되며, 이에 따라 압축기구(20)에서의 냉매 압축에 필요로 하는 동력이 저감된다.

한편, 전술과 같이 압축기구(20)의 압축행정 중의 냉매를 오일에 의해 냉각하기 위해서는, 오일 공급회로(70)로부터 압축기구(20)로 다량의 오일을 공급할 필요가 있다. 이로써, 종래 압축기구에서는 오일 승압에 필요로 하는 동력이 증대되어 버린다는 문제가 발생했었다.

그래서, 본 발명의 오일 공급회로(70)에는 오일 에너지를 회수하는 회수기구(40)가 배치된다. 구체적으로는, 오일 분리수단(60)에 의해 고압냉매 중에서 분리된 오일은 압축기구(20)에서 오일을 승압시키기 위해 사용된 동력을 운동 에너지, 위치 에너지, 압력 에너지 등의 에너지로서 보유한다. 회수기구(40)는 분리 후의 오일 동력(즉, 오일이 갖는 에너지)를 회수한다. 때문에, 오일 공급회로(70)를 통해 압축기구(20)로 다량의 오일이 공급되어 오일 승압에 필요로 하는 동력이 증대되어도 이 오일 승압에 사용한 동력을 회수기구(40)에서 회수할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 압축기구(20)로 다량의 오일을 공급함으로써 냉매의 압축에 필요로 하는 동력을 저감할 수 있으며, 또 다량의 오일 승압에 필요로 하는 동력이 소비되어 버리는 일은 없다.

제 2 발명은 제 1 발명의 냉동장치에 있어서, 상기 오일 공급회로(70)는 상기 압축기구(20)의 압축행정의 적어도 일부 기간에 냉매가 등온 압축되도록 압축기구(20)로 오일을 공급하는 것을 특징으로 한다.

제 2 발명의 오일 공급회로(70)는 압축기구(20)의 압축행정의 적어도 일부 기간에 냉매가 등온 압축되도록 압축기구(20)로 오일을 공급한다. 그 결과, 압축기구(20)의 압축행정에서는 냉매의 온도가 거의 상승되지 않으며, 이로써 압축기구(20)에서의 냉매의 압축에 필요로 하는 동력이 저감된다. 한편, 이와 같이 압축기구(20)의 압축행정의 적어도 일부의 기간에 냉매를 등온 압축시키기 위해서는, 오일 공급회로(70)로부터 압축기구(20)로 다량의 오일을 공급할 필요가 있고, 이에 따라 압축기구(20)에서의 오일 승압에 필요로 하는 동력이 증대되어 버린다. 그러나, 본 발명에서는 회수기구(40)가 오일 공급회로(70)의 오일 에너지를 회수하므로, 압축기구(20)에서 오일 승압에 사용한 동력이 소비되어 버리는 일은 없다.

제 3 발명은 제 3 발명의 냉동장치에 있어서, 상기 냉매회로(11)는 상기 압축기구(20)에 의해 냉매를 임계압력 이상까지 압축하는 냉동 사이클을 실행하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

제 3 발명의 냉매회로(11)에서는, 고압냉매가 임계압력 이상이 되는 냉동 사이클이 실행된다. 이와 같은 냉동 사이클(이하, 초임계 사이클이라 함)에서는, 전술한 압축기구(20)로의 저온 오일 도입에 의한 냉매의 압축동력 저감효과가 커진다.

구체적으로는, 상기 초임계 사이클에서는 압축기구(20)의 압축행정에서 냉매를 냉각하여도, 이 냉매가 과열증기인 채로 승압되어 응축하는 일은 없다. 즉, 초임계 사이클의 압축행정에서는 냉매를 냉각하여도 이 냉매가 기액 2상 영역(응축영역)에 이르는 일은 없다. 따라서 본 발명에서는 일반적인 냉동 사이클(냉매를 임계압력보다 작은 범위에서 압축하는 냉동 사이클)과 비교하여, 이른바 등온 압축에 의한 냉매의 압축동력 저감효과를 향상시킬 수 있다.

제 4 발명은 제 1 내지 제 3 발명 중 어느 하나의 냉동장치에 있어서, 상기 오일 공급회로(70)는 상기 압축기구(20)의 압축행정 도중에 오일을 공급하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

제 4 발명에서는, 냉각수단(80)에서 냉각되어 비교적 저온이 된 오일이, 압축기구(20)의 압축행정 도중(즉, 냉매가 흡입압력과 토출압력 사이의 중간압력이 되는 부분)으로 공급된다. 여기서, 압축기구(20)의 압축행정 도중에서는 이미 냉매가 압축(단열압축)되고 승온된다. 따라서, 이 부분에 저온의 오일을 도입함으로써, 냉매가 오일보다 저온이 되는 것을 회피할 수 있다. 이로써, 그 후의 압축행정에서는 냉매가 오일에 의해 가열되고 과열 압축되는 것을 회피할 수 있다. 따라서, 이와 같은 과열 압축에 기인하여 냉매의 압축동력 저감효과가 손상되는 것을 회피할 수 있다.

제 5 발명은 제 1 내지 제 3 발명 중 어느 하나의 냉동장치에 있어서, 상기 오일 공급회로(70)는 상기 압축기구(20)의 흡입측으로 오일을 공급하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

제 5 발명에서는, 냉각수단(80)에서 냉각되어 비교적 저온이 된 오일이 압축기구(20)의 흡입측으로 공급된다. 이로써, 압축기구(20)에서는 압축행정 개시 시부터 냉매가 오일에 의해 냉각되므로, 냉매의 압축동력 저감효과를 향상시킬 수 있다.

제 6 발명은 제 1 내지 제 5 발명 중 어느 하나의 냉동장치에 있어서, 상기 회수기구(40)는 오일에 의해 회전 구동되는 가동부(可動部)(50)와, 이 가동부(50)에 연결되는 출력축(42)을 갖는 것을 특징으로 한다.

제 6 발명에서는 회수기구(40)에 가동부(50)와 출력축(42)이 설치된다. 회수기구(40)에서는 고압냉매 중에서 분리된 오일에 의해 가동부(50)가 회전 구동된다. 그 결과, 가동부(50)와 연결되는 출력축(42)도 회전한다. 이와 같은 출력축(42)의 회전동력은, 예를 들어 발전기나 다른 기기의 구동 동력으로서 이용된다.

제 7 발명은 제 6 발명의 냉동장치에 있어서, 상기 압축기구(20)는 상기 회수기구(40)의 출력축(42)과 연결되어 구동되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

제 7 발명에서는, 회수기구(40)에서 회수된 오일의 동력(즉, 오일의 에너지)이 출력축(42)을 통해 압축기구(20)의 동력원으로서 이용된다. 여기서, 전술과 같이 압축기구(20)로 공급하는 오일의 도입량이 많아지면, 상기 등온 압축에 의한 냉매의 압축동력이 저감되나, 이 때에는 압축기구(20)에서의 오일 승압에 필요로 하는 동력도 커진다. 그러나, 본 발명에서는 이와 같이 오일 도입량을 많게 함으로써, 회수기구(40)에서 회수되는 동력이 크게 되며, 이 동력의 증대분만 압력기구(20)의 동력이 저감된다. 즉, 본 발명에서는 압축기구(20)로 저온 오일을 적극적으로 도입함으로써, 냉매의 압축동력을 효과적으로 저감시킬 수 있으며, 또 회수기구(40)에서 회수할 수 있는 동력을 증대시킬 수 있다. 그 결과, 본 발명에서는 압축기구(20) 전체로서 동력이 효과적으로 삭감되고, 압축기구(20)의 효율이 효과적으로 향상된다.

제 8 발명에서는 제 6 또는 제 7 발명의 냉동장치에 있어서, 상기 냉매회로(11)에는 냉매에 의해 회전 구동됨과 더불어 상기 회수기구(40)의 출력축(42)과 연결되는 가동부를 갖는 팽창기구(30)가 배치되는 것을 특징으로 한다.

제 8 발명의 냉매회로(11)에는 냉매에 의해 회전 구동되는 팽창기구(30)가 배치된다. 그리고, 회수기구(40)의 출력축(42)에는 팽창기구(30)의 가동부도 연결된다. 즉, 출력축(42)은 회수기구(40)에서 회수된 동력과, 팽창기구(30)에서 냉매의 팽창에 의해 얻어진 동력(즉, 팽창동력)의 쌍방에 의해 회전 구동된다. 이와 같은 출력축(42)의 회전 동력은, 제 7 발명의 압축기구(20) 구동 동력 등에 이용된다.

제 9 발명은 제 6 내지 제 8 발명 중 어느 하나의 냉동장치에 있어서, 상기 회수기구(40)의 출력축(42)과 연결되어 구동되는 발전기(45)를 구비하는 것을 특징으로 한다.

제 9 발명에서는 회수기구(40)에서 회수된 오일의 에너지가, 출력축(42)을 통해 발전기(45)의 구동 동력으로서 이용된다. 그 결과, 본 발명에서는 발전기(45)에 의해 전력을 발생시킬 수 있으며, 이 전력을 다른 요소기계 등의 동력원으로서 이용할 수 있다.

제 10 발명은 제 1 내지 제 9 발명 중 어느 하나의 냉동장치에 있어서, 상기 오일 공급회로(70)에는 오일 분리수단(60)에서 분리된 오일을 냉각하기 위한 오일 냉각 열교환기(80)가 접속되는 것을 특징으로 한다.

제 10 발명에서는, 오일 공급회로(70)에 오일 냉각 열교환기(80)가 배치된다. 즉, 오일 분리수단(60)에서 분리된 오일은 오일 냉각 열교환기(80)에서 소정의 유체와 열교환하여 냉각된다. 냉각 후의 오일은 압축기구(20)의 압축행정 중의 냉매를 냉각하기 위해, 이 압축기구(20)로 공급된다.

제 11 발명은 제 10 발명의 냉동장치에 있어서, 상기 냉매회로(11)는 실내에 배치되는 실내 열교환기(13)를 가지며 이 실내 열교환기(13)를 흐르는 냉매에 의해 실내공기를 가열하는 난방동작을 실행하도록 구성되며, 상기 오일 냉각 열교환기(80)는 실내에 배치되며 상기 난방동작 중에 오일의 열을 실내공기로 방출하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

제 11 발명의 냉매회로(11)는 실내공기를 가열하는 난방동작을 실행하도록 구성된다. 즉, 압축기구(20)에서 압축된 냉매를 실내 열교환기(13)로 공급하고, 냉매의 열을 실내공기로 방출시킴으로써 실내 난방이 이루어진다.

본 발명의 오일 냉각 열교환기(80)는 실내에 설치됨으로써 실내의 보조 난방기로서 기능한다. 즉, 난방동작 중에 있어서 오일 분리수단(60)에서 분리된 오일이 오일 냉각 열교환기(80)를 흐르면, 오일 냉각 열교환기(80) 내의 오일과 실내공기가 열교환하고, 오일의 열이 실내공기로 방출된다. 이로써, 실내공기가 가열되므로 실내 난방능력이 향상된다. 동시에, 오일 냉각 열교환기(80)에서는, 오일이 실내공기에 의해 냉각된다. 냉각 후의 오일은 압축기구(20)의 압축행정 중의 냉매를 냉각하기 위해, 이 압축기구(20)로 공급된다.

제 12 발명은 제 10 발명의 냉동장치에 있어서, 상기 냉매회로(11)는 실내에 설치되는 실내 열교환기(13)를 가지며 이 실내 열교환기(13)를 흐르는 냉매에 의해 실내공기를 가열하는 난방동작과, 이 실내 열교환기(13)를 흐르는 냉매에 의해 실내공기를 냉각하는 냉방동작을 전환하여 실행하도록 구성되며, 상기 오일 공급회로(70)에는 실내에 설치되며 상기 난방동작 중에 오일의 열을 실내공기로 방출하는 제 1 오일 냉각 열교환기(80a)와, 실외에 설치되며 상기 냉방동작 중에 오일의 열을 실내공기로 방출하는 제 2 오일 냉각 열교환기(80b)가 접속되는 것을 특징으로 한다.

제 12 발명의 냉매회로(11)는, 실내공기를 가열하는 난방동작과 실내공기를 냉각하는 냉방동작이 전환되어 이루어지도록 구성된다. 즉, 압축기구(20)에서 압축된 냉매를 실내 열교환기(13)로 공급하고, 냉매의 열을 실내공기로 방출시킴으로써 실내의 난방이 이루어진다. 또, 저압의 가스냉매를 실내 열교환기(13)로 공급하고, 실내공기로부터 냉매로 흡열시킴으로써 실내의 냉방이 이루어진다.

본 발명의 오일 공급회로(70)에는 실내에 설치되는 제 1 오일 냉각 열교환기(80a)와, 실외에 설치되는 제 2 오일 냉각 열교환기(80b)가 배치된다. 난방동작 중에 있어서 오일 분리수단(60)에서 분리된 오일이 제 1 오일 냉각 열교환기(80a)를 흘러, 제 1 오일 냉각 열교환기(80a) 내 오일의 열이 실내공기로 방출된다. 이에 따라, 실내의 난방능력이 향상된다. 냉방동작 중에는, 오일 분리수단(60)에서 분리된 오일이 제 2 오일 냉각 열교환기(80b)를 흘러, 제2 오일 냉각 열교환기(80b) 내 오일의 열이 실외공기로 방출된다. 이로써, 오일의 열이 실내로 방출되는 일이 없으므로, 실내의 냉방능력이 저하되어 버리는 일도 없다.

본 발명에 의하면, 오일 공급회로(70)에 의해 압축기구(20)로 오일을 공급하고 압축행정 중의 오일을 냉각함으로써, 압축기구(20)에서의 냉매 압축에 필요로 하는 동력을 저감시킴과 더불어, 오일 공급회로(70)를 흐르는 오일의 에너지를 회수기구(40)에 의해 회수한다. 이로써, 본 발명에 의하면, 압축행정 중의 냉매를 오일에 의해 확실하게 냉각하여 냉매의 압축동력을 저감할 수 있으며, 또 오일의 승압에 필요로 하는 압축기구(20)의 동력을 회수할 수 있다. 즉, 압축기구(20)의 냉매를 냉각하기 위해 오일을 적극적으로 압축기구(20)로 공급하면, 압축기구(20)에서는 오일의 승압에 필요로 하는 동력도 증대되어 버리나, 본 발명에서는 이와 같이 승압된 오일 에너지를 동력으로서 회수하므로, 냉동장치 전체로서의 동력을 대폭으로 저감시키는 것이 가능해진다.

또, 이와 같이 다량의 오일을 압축기구(20)로 도입하면, 압축기구(20)로부터 토출되는 냉매의 온도를 낮게 억제할 수 있다. 그 결과, 토출냉매의 온도상승에 기인한 냉동장치의 시스템 이상이나, 압축기구(20)의 손상을 미연에 회피할 수 있다. 또, 압축기구(20)의 각 습동부의 온도상승도 억제할 수 있고, 각 습동부의 시저(seizure)를 확실하게 방지할 수 있음과 더불어 오일(냉동기 오일)의 열화도 방지할 수 있다. 그 결과, 냉동장치의 신뢰성을 더욱 향상시킬 수 있다.

또한, 압축기구(20)로 오일을 다량으로 도입함으로써, 압축기구(20)의 모터 주위의 온도도 낮게 억제할 수 있다. 그 결과, 모터의 효율을 향상시키며 압축기구(20)의 입력을 더욱 삭감할 수 있다.

특히, 제 2 발명에서는 압축기구(20)의 압축행정의 적어도 일부 기간에 냉매가 등온 압축되도록 오일을 공급하므로, 비교적 다량의 오일을 압축기구(20)로 공급할 필요가 있다. 그러나, 본 발명에 의하면 회수기구(40)가 이와 같은 다량의 오일로부터 에너지를 동력으로서 회수하므로, 등온 압축에 의해 냉매의 압축동력을 효과적으로 저감시킬 수 있으며, 또 회수기구(40)에 의해 회수되는 동력(즉, 에너지)을 증대시킬 수 있다.

제 3 발명에서는, 고압냉매를 임계압력 이상까지 압축하는 초임계 사이클을 실행하면서 저온의 오일을 압축기구(20)로 도입하도록 한다. 이에 따라, 압축기구(20)의 압축행정에서는 냉매를 응축시키는 일없이, 등온변화에 가까운 상태에서 압축할 수 있고, 냉매의 압축동력을 효과적으로 삭감할 수 있다.

또한 제 4 발명에서는, 저온 오일을 압축기구(20)의 압축 도중으로 공급하도록 한다. 이로써, 본 발명에서는 압축기구(20)에서 냉매를 어느 정도 승온시키고 나서, 승온 후의 냉매를 오일에 의해 냉각시킬 수 있다. 그 결과, 저온 오일에 의해 냉매를 확실하게 냉각시킬 수 있고, 등온 압축에 의한 압축동력의 저감효과를 더욱 향상시킬 수 있다.

또 제 5 발명에서는, 저온 오일을 압축기구(20)의 흡입측으로 공급하도록 한다. 이로써, 본 발명에서는 압축기구(20)의 압축행정 개시 시부터 냉매를 저온 오일에 의해 냉각할 수 있으며, 등온 압축에 의한 압축동력의 저감효과를 더욱 향상시킬 수 있다.

제 6 발명에서는, 회수기구(40)에 의해 회수한 오일의 에너지에 의해 출력축(42)을 회전시킬 수 있으며, 이 회전동력을 소정의 동력원으로서 이용할 수 있다. 그리고, 제 7 발명에 의하면, 출력축(42)의 회전동력을 압축기구(20)의 구동 동력으로서 이용할 수 있다. 또, 제 8 발명에 의하면, 팽창기구(30)에 의해 회수한 냉매의 에너지와, 회수기구(40)에 의해 회수한 오일 에너지의 쌍방에 의해 출력축(42)을 회전시킬 수 있으며, 출력축(42)에 의해 발생되는 회전동력을 증대시킬 수 있다. 또한, 제 9 발명에 의하면, 출력축(42)의 회전동력을 이용하여, 발전기(45)에서 전력을 발생시킬 수 있으며, 이 전력을 냉동장치의 각 요소 기계의 동력원으로서 적절히 이용할 수 있다.

제 10 발명에서는, 오일 분리수단(60)에서 분리한 오일을 오일 냉각 열교환기(80)에서 냉각하고, 냉각 후의 오일을 압축기구(20)로 공급하므로, 압축기구(20)의 압축행정 중의 냉매를 효과적으로 냉각할 수 있다.

특히 제 11 발명에서는, 실내의 난방동작 중에 있어서, 오일 냉각 열교환기(80) 내 오일의 열을 실내로 방출시켜 이 오일을 냉각하도록 한다. 이로써, 본 발명에 의하면, 실내공기를 냉매와 오일의 쌍방에 의해 가열할 수 있다. 그 결과, 실내 난방능력을 충분히 얻을 수 있다.

또한 제 12 발명에서는 실내의 난방동작 중에 있어서, 제 1 오일 냉각 열교환기(80a) 내 오일의 열을 실내로 방출시켜 이 오일을 냉각하도록 하고, 실내의 냉방동작 중에 있어서 제 2 오일 냉각 열교환기(80b) 내 오일의 열을 실외로 방출시켜 이 오일을 냉각하도록 한다. 이로써, 본 발명에 의하면, 난방운전 중에는 실내공기를 냉매와 오일의 쌍방에 의해 가열할 수 있으며, 실내 난방능력을 충분히 얻을 수 있다. 또, 냉방운전 중에는 오일의 열이 실내공기로 전달되는 것을 회피할 수 있으므로, 실내 냉방능력도 충분히 얻을 수 있다.

도 1은, 제 1 실시형태에 관한 공기조화장치의 개략 구성을 나타내는 배관 계통도이다.
도 2는, 회수기구를 확대한 종 단면도이다.
도 3은, 회수기구 내부를 나타낸 횡 단면도이며, 피스톤의 동작을 나타낸다.
도 4는, 본 실시형태의 이상적인 냉동 사이클을 나타내는 것이며, 도 4(A)는 P-h선도를 나타내고, 도 4(B)는 P-V선도를 나타낸다.
도 5는, 일반적인 냉동 사이클을 나타내는 것이며, 도 5(A)는 P-h선도를 나타내고, 도 5(B)는 P-V선도를 나타낸다.
도 6은, 오일 주입량과 압축기구의 동력과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은, 오일 주입량과 COP의 개선율과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8은, 제 1 실시형태의 변형예에 관한 공기조화장치의 개략 구성을 나타내는 배관 계통도이다.
도 9는, 제 2 실시형태에 관한 공기조화장치의 개략 구성을 나타내는 배관 계통도이다.
도 10은 제 3 실시형태에 관한 공기조화장치의 개략 구성을 나타내는 배관 계통도이다.
도 11은, 제 4 실시형태에 관한 공기조화장치의 개략 구성을 나타내는 배관 계통도이다.
도 12는, 제 5 실시형태에 관한 공기조화장치에 있어서 압축기구의 동작 중의 제 1 상태를 나타내는 횡 단면도이다.
도 13은, 제 5 실시형태에 관한 공기조화장치에 있어서 압축기구의 동작 중의 제 2 상태를 나타내는 횡 단면도이다.
도 14는, 제어기의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 15는, 제 6 실시형태에 관한 공기조화장치의 제어기 구성을 나타내는 블록도이다.
도 16은, 압축기구의 제 1 상태를 나타내는 횡 단면도이다.
도 17은, 압축기구의 제 2 상태를 나타내는 횡 단면도이다.
제 18은, 비교예의 압축기에서의 등온 압축에 의한 동력 삭감 효과를 나타내는 그래프이다.
제 19는, 제 6 실시형태의 압축기구에서의 등온 압축에 의한 동력 삭감 효과를 나타내는 그래프이다.
제 20은, 제 7 실시형태에 관한 공기조화장치의 개략 구성을 나타내는 배관 계통도이다.
제 21은, 제 8 실시형태에 관한 공기조화장치(난방운전 중)의 개략 구성을 나타내는 배관 계통도이다.
제 22는, 제 8 실시형태에 관한 공기조화장치(냉방운전 중)의 개략 구성을 나타내는 배관 계통도이다.
도 23은, 그 밖의 실시형태의 변형예 1에 관한 공기조화장치의 개략 구성을 나타내는 배관 계통도이다.
도 24는, 그 밖의 실시형태의 변형예 2에 관한 공기조화장치의 개략 구성을 나타내는 배관 계통도이다.
도 25는, 그 밖의 실시형태의 변형예 3에 관한 공기조화장치의 개략 구성을 나타내는 배관 계통도이다.
도 26은, 그 밖의 실시형태의 변형예 4에 관한 공기조화장치의 개략 구성을 나타내는 배관 계통도이다.
도 27은, 그 밖의 등온 압축이 실행되는 냉동 사이클의 일 예를 나타내는 P-h선도이다.
도 28은, 비교예에 관한 압축기구의 횡 단면도이다.

이하, 본 발명의 실시형태를 도면에 기초하여 상세하게 설명한다.

《제 1 실시형태》

본 발명의 제 1 실시형태에 대해 설명한다. 본 발명에 관한 냉동장치는 실내공기를 조화하는 공기조화장치(10)를 구성한다. 공기조화장치(10)는, 냉방운전과 난방운전을 전환하여 실행하도록 구성된다.

<공기조화장치의 전체 구성>

도 1에 나타내듯이, 공기조화장치(10)는 냉매회로(11)를 구비한다. 냉매회로(11)에서는 냉매가 순환함으로써 냉동 사이클이 실행된다. 냉매회로(11)에는 냉매로서 이산화탄소(CO₂)가 충전된다. 그리고, 냉매회로(11)에서는 냉매가 임계압력 이상까지 압축되는 냉동 사이클(이른바 초임계 사이클)이 실행된다. 또한, 냉매회로(11)에는 폴리알킬렌 글리콜(PAG)로 된 오일(냉동기 오일)이 혼재한다.

냉매회로(11)에는 오일 동력 회수형 압축유닛(C/O), 팽창유닛(E), 실외 열교환기(12), 실내 열교환기(13), 제 1 사방전환밸브(14), 및 제 2 사방전환밸브(15)가 배치된다. 또, 냉매회로(11)에는 오일 분리기(60), 오일 도입로(70) 및 오일 쿨러(80)가 배치된다.

오일 동력 회수형 압축유닛(C/O)은 압축기구(20), 회수기구(40) 및 전동기(25)가 케이싱(도시 생략) 내부에 수용되어 구성된다. 압축기구(20)는 로터리식 용적형 압축기를 구성한다. 압축기구(20)에서는 그 압축실에서 냉매가 임계압력 이상까지 압축된다. 회수기구(40)는 본체부(41)와 출력축(42)을 가진다. 회수기구(40)의 본체부(41)는, 로터리식 용적형 유체기계를 구성한다. 출력축(42)은 압축기구(20)와 상기 본체부(41)를 연결한다. 전동기(25)는 출력축(42)을 회전 구동시키는 모터를 구성하며, 출력 주파수(즉, 출력축의 회전속도)를 가변으로 하는 인버터식으로 구성된다.

오일 동력 회수형 압축유닛(C/O)에는 압축기구(20)로 냉매를 흡입시키기 위한 흡입관(22)과, 압축기구(20)에서 압축된 냉매를 토출시키기 위한 토출관(23)이 배치된다. 또 오일 동력 회수형 압축유닛(C/O)에는, 회수기구(40)의 본체부(41)로 오일(냉동기 오일)을 유입시키기 위한 오일 유입관(43)과, 이 본체부(41)의 오일을 유출시키기 위한 오일 유출관(44)이 배치된다.

팽창유닛(E)은 팽창기구(30), 팽창측 출력축(31) 및 팽창측 발전기(35)가 케이싱(도시 생략) 내부에 수용되어 구성된다. 팽창기구(30)는 로터리식 용적형 팽창기구를 구성한다. 팽창기구(30)에서는, 그 팽창실에서 냉매가 팽창하여 감압된다. 팽창기구(30)에서는 팽창실에서 팽창되는 냉매에 의해 가동부로서 피스톤(도시 생략)이 회전 구동되며, 피스톤과 연결되는 팽창측 출력축(31)이 더 회전 구동된다. 이로써, 팽창측 발전기(35)가 구동되어 발전이 실행된다. 즉, 팽창측 발전기(35)는 팽창기구(30)의 팽창측 출력축(31)과 연결되어 구동되는 구동대상을 구성한다. 팽창유닛(E)에서 발전된 전력은, 오일 동력 회수형 압축유닛(C/O)이나 다른 요소 기계의 동력으로서 이용된다. 또, 팽창유닛(E)에는 팽창기구(30)로 냉매를 유입시키기 위한 유입관(33)과, 팽창기구(30)로부터 냉매를 유출시키기 위한 유출관(34)이 배치된다.

실외 열교환기(12)는 냉매를 실외공기와 열교환시키기 위한 공기 열교환기이다. 또, 실내 열교환기(13)는 냉매를 실내공기와 열교환시키기 위한 공기 열교환기이다.

제 1 사방전환밸브(14) 및 제 2 사방전환밸브(15)는 각각 제 1에서 제 4까지의 포트를 구비한다. 제 1 사방전환밸브(14)에서는 제 1 포트가 토출라인(18)을 통해 상기 토출관(23)과 접속하며, 제 2 포트가 흡입라인(17)을 통해 상기 흡입관(22)과 접속한다. 또, 제 1 사방전환밸브(14)에서는 제 3 포트가 실외 열교환기(12)의 일단과 접속하며, 제 4 포트가 실내 열교환기(13)의 일단과 접속한다. 제 2 사방전환밸브(15)에서는, 제 1 포트가 상기 유입관(33)과 접속하며, 제 2 포트가 상기 유출관(34)과 접속한다. 또, 제 2 사방전환밸브(15)에서는 제 3 포트가 실외 열교환기(12)의 타단과 접속하며, 제 4 포트가 실내 열교환기(13)의 타단과 접속한다.

제 1 사방전환밸브(14)와 제 2 사방전환밸브(15)는 각각, 제 1 포트와 제 3 포트가 연통하며 또 제 2 포트와 제 4 포트가 연통하는 제 1 상태(도 1의 실선으로 나타내는 상태)와, 제 1 포트와 제 4 포트가 연통하며 또 제 2 포트와 제 3 포트가 연통하는 제 2 상태(도 1의 파선으로 나타내는 상태)로 전환하도록 구성된다.

오일 분리기(60)는 상기 토출라인(18) 중간에 배치된다. 오일 분리기(60)는 세로로 긴 거의 원통형의 밀폐용기로 이루어지며, 고압냉매 중에서 오일을 분리하는 오일 분리수단을 구성한다. 오일 분리기(60)에는 그 몸체부에 냉매/오일 유입관(61)이 접속되고, 그 정상부에 냉매 배출관(62)이 접속되며, 그 바닥부에 오일 배출관(63)이 접속된다. 오일 분리기(60)에서는 냉매/오일 유입관(61)으로부터 유입된 냉매 중에서 오일이 분리된다. 그리고, 오일 분리기(60)에서의 오일 분리방법으로서는 선회흐름을 이용하여 오일을 원심 분리하는 방법이나, 냉매와 오일의 비중차를 이용하여 오일을 침강 분리하는 방법 등을 들 수 있다. 그리고, 오일 분리기(60) 내에서는 오일이 분리된 후의 냉매가 냉매 배출관(62)으로부터 유출되고, 분리 후의 오일이 오일 배출관(63)으로부터 유출된다.

오일 도입로(70)는 오일 분리기(60)에서 분리된 오일을 압축기구(20)로 공급하는 오일 공급회로를 구성한다. 오일 도입로(70)는 제 1 도유관(71)과 제 2 도유관(72)을 포함하여 구성된다.

제 1 도유관(71)은 그 시작단이 오일 분리기(60)의 오일 배출관(63)과 접속되며, 그 종료단이 오일 유입관(43)과 접속된다. 제 1 도유관(71)에는 상기 오일 쿨러(80)가 배치된다. 오일 쿨러(80)는 오일 분리기(60)에서 분리된 오일을 냉각하는 냉각수단이며, 오일 냉각 열교환기를 구성한다. 본 실시형태의 오일 쿨러(80)는 공랭식 열교환기로 구성된다.

제 2 도유관(72)은 그 시작단이 오일 유출관(44)과 접속되며, 그 종료단이 압축기구(20)의 오일 주입 포트(24)와 접속된다. 압축기구(20)의 오일 주입 포트(24)는 그 압축실에서의 압축행정 도중 부분에 개구한다. 즉, 본 실시형태의 오일 도입로(70)는 오일 분리기(60)에서 분리한 오일을 압축기구(20)의 압축행정의 도중으로 공급하도록, 압축기구(20)에 접속된다.

이상과 같은 구성의 오일 도입로(70)는, 압축기구(20)의 압축행정 중의 냉매를 냉각하도록 오일 분리수단(60)에서 분리된 오일을 압축기구(20)로 공급하는 오일 공급회로를 구성한다. 또, 오일 도입관(70)은 압축기구(20)의 압축행정의 적어도 일부 기간에 냉매가 등온 압축되도록 압축기구(20)로 오일을 공급하도록 구성된다.

<회수기구의 구성>

상기 회수기구(40)의 구성에 대해 도 2 및 도 3을 참조하면서 더 설명한다.

회수기구(40)는 오일의 동력(즉, 오일이 갖는 에너지)을 회수한다. 즉, 고압냉매와 분리된 오일은 압축기구(20)에서 오일을 승압시키기 위해 사용된 동력을 운동 에너지, 위치 에너지, 압력 에너지 등의 에너지로서 보유한다. 따라서, 회수기구(40)는 이와 같은 오일의 에너지를 동력으로서 회수한다. 회수기구(40)의 본체부(41)는 이른바 요동 피스톤형의 로터리식 유체기계로 구성된다. 또, 출력축(42)은 그 일단이 본체부(41)와 연결되고, 그 타단부가 압축기구(20)의 가동부(피스톤)와 연결된다. 즉, 압축기구(20)는 회수기구(40)의 출력축(42)과 연결되어 구동되는 구동 대상을 구성한다. 또, 출력축(42)에는 메인 축부(42a)와 편심부(42b)가 형성된다. 편심부(42b)는 메인 축부(42a)에 대해 소정량만 편심하며, 또 메인 축부(42a)보다 큰 지름으로 구성된다.

회수기구의 본체부(41)에는 그 하부로부터 상부를 향해 차례로, 프론트 헤드(46), 실린더(47), 및 리어 헤드(48)가 배치된다. 실린더(47)는 상하로 출력축(42)이 관통하는 통형으로 형성된다. 실린더(47)는 그 하단이 프론트 헤드(46)에 의해 폐색되고, 그 상단이 리어 헤드(48)에 의해 폐색된다.

도 3에도 나타내듯이, 실린더(47) 내부(실린더실)에는 가동부로서 피스톤(50)이 수용된다. 피스톤(50)은 환형 또는 원통형으로 형성된다. 피스톤(50) 내부에는, 출력축(42)의 편심부(42b)가 결합하여 연결된다. 피스톤(50)은 그 외주면이 실린더(47) 내주면에, 한쪽 단면이 프론트 헤드(46)에, 다른 쪽 단면이 리어 헤드(48)에 각각 미끄럼 접촉한다. 실린더(47) 내에는, 그 내주면과 피스톤(50)의 외주면과의 사이에 오일실(49)이 형성된다. 오일실(49)에는 상기 오일 유입관(43) 및 오일 유출관(44)이 연통한다.

피스톤(50)에는 블레이드(51)가 일체로 형성된다. 블레이드(51)는 피스톤(50)의 반지름방향으로 이어지는 판형으로 형성되며, 피스톤(50)의 외주면으로부터 외측으로 돌출한다. 이 블레이드(51)는 실린더(47)의 블레이드 홈(52)에 삽입된다. 실린더(47)의 블레이드 홈(52)은, 실린더(47)를 두께방향으로 관통시킴과 동시에 실린더(47) 내주면에 개구한다.

실린더(47)에는 한 쌍의 부시(53)가 형성된다. 각 부시(53)는 내측면이 평면으로 되고 외측면이 원호면으로 되도록 형성된 작은 조각이다. 실린더(47)에 있어서, 한 쌍의 부시(53)는 부시공(54)에 삽입되어 블레이드(51)를 사이에 둔 상태로 된다. 부시(53)는 그 내측면이 블레이드(51)와 미끄럼 접촉하고, 그 외측면이 실린더(47)와 습동한다. 그리고, 피스톤(50)과 일체인 블레이드(51)는 부시(53)를 개재하고 실린더(47)에 의해 지지되며, 실린더(47)에 대해 회전 자유롭게 또 진퇴 자유롭게 구성된다.

실린더(47) 내의 오일실(49)은 피스톤(50) 및 블레이드(51)에 의해 구획된다. 그리고, 도 3에 있어서 블레이드(51) 좌측의 방이 오일 유입관(43)과 연통하고, 우측의 방이 오일 유출관(44)과 연통한다.

-운전동작-

제 1 실시형태에 관한 공기조화장치(10)의 운전동작에 대해 설명한다. 공기조화장치(10)는 제 1 사방전환밸브(14) 및 제 2 사방전환밸브(15)의 설정에 따라, 냉방운전과 난방운전이 가능하게 구성된다. 먼저, 공기조화장치(10)의 냉방운전 시의 기본적인 동작에 대해 설명한다.

냉방운전 시에는, 제 1 사방전환밸브(14) 및 제 2 사방전환밸브(15)가 제 1 상태(도 1에 실선으로 나타내는 상태)로 설정되며, 냉매회로(11)에서 냉매가 순환하여 증기 압축 냉동사이클이 실행된다. 그 결과, 냉방 운전 시에는 실외 열교환기(12)가 방열기(응축기)가 되며, 실내 열교환기(13)가 증발기가 되는 냉동 사이클이 실행된다. 또, 냉매회로(11)에서는 그 고압이 냉매인 이산화탄소의 임계압력보다 높은 값으로 설정되며, 이른바 초임계 사이클이 실행된다.

오일 동력 회수형 압축유닛(C/O)에서는, 전동기(25)에 의해 압축기구(20)가 회전 구동된다. 압축기구(20)에서는 흡입관(22)으로부터 압축실로 흡입된 냉매가 압축되며, 압축된 냉매가 토출관(23)으로부터 토출된다. 압축기구(20)로부터 토출된 냉매는 토출라인(18)을 흘러, 냉매/오일 유입관(61)을 통해 오일 분리기(60) 내로 유입한다.

오일 분리기(60) 내부에서는, 냉매 중에서 오일이 분리되고 오일이 분리된 후의 냉매가 상부에 저류되고, 분리 후의 오일이 바닥부에 저류된다. 분리 후의 냉매는 냉매 배출관(62)을 유출하고, 실외 열교환기(12)를 흐른다. 실외 열교환기(12)에서는 고압냉매가 실외공기로 방열한다. 실외 열교환기(12)를 유출한 냉매는, 유입관(33)을 통해 팽창유닛(E)의 팽창기구(30)로 유입한다.

팽창기구(30)에서는 팽창실에서 고압냉매가 팽창되고, 이에 따라 팽창측 출력축(31)이 회전 구동된다. 그 결과, 팽창측 발전기(35)가 구동되고, 팽창측 발전기(35)로부터 전력이 발생한다. 이 전력은 압축기구(20)나 다른 요소기계로 공급된다. 팽창기구(30)에서 팽창된 냉매는, 유출관(34)을 통해 팽창유닛(E)으로부터 송출된다.

팽창유닛(E)으로부터 유출된 냉매는 실내 열교환기(13)를 흐른다. 실내 열교환기(13)에서는 냉매가 실내공기로부터 흡열하고 증발한다. 그 결과, 실내공기가 냉각되어 냉방이 이루어진다. 실내 열교환기(13)로부터 유출된 냉매는 흡입관(22)을 통해 압축기구(20)로 흡입되고 다시 압축된다.

이와 같은 냉방운전 시에는, 공기조화장치(10)의 성적계수(COP)를 개선하기 위해 오일 주입동작이 이루어진다. 구체적으로는, 오일 분리기(60)에서 분리된 오일은 오일 배출관(63)을 통해 제 1 도유관(71)을 흐른다. 이 냉매는 오일 쿨러(80)에서 소정 온도까지 냉각된다. 냉각된 오일은 오일 유입관(43)을 통해 오일 동력 회수형 압축유닛(C/O)의 회수기구(40) 본체부(41)로 유입한다.

회수기구(40)의 본체부(41)에서는, 오일실(49)을 흐르는 오일에 의해 피스톤(50)이 회전 구동되며, 피스톤(50)이 실린더(47) 내를 도 3의 (A)→(B)→(C)→(D)→(A)→…의 차례로 편심 회전한다. 이 피스톤(50)의 편심 회전에 따라 편심부(42b), 그리고 메인 축부(42a)가 회전 구동된다. 그 결과, 이 회전 동력은 압축기구(20)를 구동하기 위한 구동 동력으로서 이용된다. 이상과 같이, 오일 동력 회수형 압축유닛(C/O)에서는 회수기구(40)에 의해 회수된 오일의 에너지가 압축기구(20)의 구동 동력으로서 회수되고, 압축기구(20)의 동력이 경감된다.

오일실(49)에서 에너지가 회수된 오일은 소정 압력까지 감압된 후, 오일 유출관(44)을 통해 회수기구(40)의 본체부(41)로부터 유출된다. 유출 후의 오일은 제 2 도유관(72)을 통해 압축기구(20)의 오일 주입 포트(24)로 유입한다. 그 결과, 압축기구(20)에서는 압축실에서의 압축행정 도중에 저온의 오일이 공급되며, 오일 주입동작이 이루어진다.

이 오일 주입동작에 의해, 냉방운전 시의 압축기구(20)에서는 냉매가 P-h선도 상의 등온선에 가까워지도록 압축되며, 이른바 등온 압축이 이루어진다. 이 점에 대해, 도 4(A) 및 (B)를 참조하면서 설명한다. 여기서 도 4(A)는, 이상적인 등온 압축에서의 냉동 사이클을 나타내는 P-h선도이며, 도 4(B)는 도 4(A)의 냉동 사이클에 대응하는 P-V선도이다.

냉방운전 시의 냉매회로(11)에서는, 압축기구(20)의 흡입측 냉매가 소정온도만 과열되는 과열 제어가 실행된다. 이 흡입냉매는 도 4의 A점에서부터 압축기구(20)에서 압축되며, 소정량만 승압/승온된 후 B점에서 오일과 혼합한다. 압축기구(20)에서 냉매와 오일이 혼합되면, 상기 오일 쿨러(80)에서 냉각되어 저온이 된 오일에 의해 냉매가 냉각된다. 즉, 압축행정에서는 B점 이후에 냉매가 오일에 의해 냉각되면서 다시 압축된다. 그 결과, 냉매는 도 4(A)에 나타내는 등온선(예를 들어 약 40℃)을 따르도록 압축되며, 목표의 고압압력(C점)에 이른다. 이와 같이 A점→B점→C점과 같은 거동으로 냉매를 압축시킴으로써, 압축기구(20)에서 냉매를 압축하는 데 필요로 하는 동력이 효과적으로 저감된다. 이상과 같이, 본 실시형태의 압축기구(20)에서는 저압냉매가 압축되고 나서 고압냉매에 이를 때까지의 압축행정(즉, A점에서 C점에 이르기까지의 행정)에 있어서, 그 일부인 B점에서 C점의 기간에 냉매가 등온 압축된다.

그런데, 예를 들어 압축행정에서 일반적인 단열 압축이 실행되면, 냉매는 도 4에 나타내는 A→B→C’와 같은 거동으로 압축된다. 그 결과, 이 냉동사이클에서는 냉매의 압축동력이 크게 되어 버린다. 이에 반해, 본 실시형태와 같이 오일 주입동작에 의해 압축행정 중에 냉매를 냉각하면, 일반적인 단열압축과 비교하여 도 4(B)의 B점-C점-C’점으로 둘러싸인 면적(ΔＳ)분만큼 압축기구(20)에서의 냉매의 압축동력을 삭감할 수 있다.

또, 본 실시형태와 같이 냉매로서 이산화탄소를 이용하여 초임계 사이클을 실행하는 것으로, 상기 오일 주입동작을 실시하면 압축기구(20)의 압축동력 삭감효과가 향상된다. 이 점에 대해 이하에 설명한다.

먼저, 본 실시형태의 냉매회로(11)에서는 전술과 같이 이산화탄소를 임계압력(도 4(A)의 cP점에 나타내는 압력) 이상이 되도록, 압축행정에서 냉매를 압축한다. 이로써, 압축행정에서는 B점→C점에서 냉매를 냉각하면서 압축할 때, 냉매가 기액 2상 영역(응축영역)에 이르는 것을 회피할 수 있다. 즉, 초임계 사이클에서는 오일의 냉열이 냉매의 응축에 이용되는 것을 회피할 수 있으므로, 냉매를 효과적으로 저온화할 수 있고 냉매의 거동을 등온선에 가깝게 할 수 있다.

이에 반해, 예를 들어 도 5에 나타내는 통상의 증기압축식 냉동 사이클(여기서는, 냉매를 R410A로 한 경우)의 압축행정에서는, 냉매가 임계압력보다 작은 범위에서 압축된다. 따라서, 이 냉동 사이클에 상기 오일 주입동작을 적용한 경우, A1점에서 냉매가 압축되며 B1점에서부터 냉매가 오일에 의해 냉각될 시에 냉매가 기액 2상 영역(응축영역)에 도달해 버린다. 그 결과, 이 냉동 사이클에서는 B1점→C1점의 범위에서만 등온 압축을 실행할 수 있다.

이상과 같은 이유로, 도 5의 냉동 사이클에 오일 주입동작을 적용한 경우, 압축기구의 압축동력 삭감량이 도 5(B)의 B1점-C1점-C1’점으로 둘러싸인 ΔＳ’로 되어 버린다. 이에 반해, 본 실시형태의 초임계 사이클에 오일 주입동작을 적용한 경우, 압축기구(20)의 압축동력 삭감량이 ΔＳ로 되며, 압축동력의 삭감효과가 높게 된다.

또한 본 실시형태에서는 전술과 같이 회수기구(40)에 의해 오일의 동력을 회수한다. 이로써 오일 주입동작에 의한 냉매의 압축동력의 저감효과를 도모하면서, 또한 오일 승압에 필요한 압축동력도 저감된다. 이 점에 대해 도 6을 참조하면서 설명한다.

상기 오일 주입동작을 실시하면, 압축기구(20)에서는 냉매의 압축동력(도 6의 (Wr))에 더불어, 오일 승압에 필요로 하는 동력(도 6 (Wo))을 소비하게 된다. 여기서, 냉매의 압축동력(Wr)은 전술과 같이 오일 주입동작에 의한 등온 압축 효과에 의해 작아진다. 따라서, 냉매의 압축동력(Wr)은 압축기구(20)로 공급되는 저온의 오일 양(오일 주입량(Goil))이 많을수록 작아져 간다. 한편, 이와 같이 오일 주입량(Goil)이 많아지면, 압축기구(20)에서는 오일 승압에 필요로 하는 압축동력(Wo)이 증대되어 간다. 따라서, 압축기구(20)에서는 그 전체로서의 동력(Wt)(즉, (Wr+Wo))과, 오일 주입량(Goil)과의 관계가 도 6에서 나타내는 것과 같은 관계로 되며, 오일 주입량(Goil)이 소정값(Gb)보다 커지면, 오히려 압축기구(20) 전체의 동력(Wt)이 증대되어 버릴 우려가 있다.

그래서 본 실시형태에서는 오일 승압에 필요로 하는 압축동력(Wo)을 회수하기 위해 회수기구(40)를 이용하도록 한다. 구체적으로 예를 들어 오일 주입량(Goil)을 소정값보다 큰 Gb로 하여 오일 주입동작을 실시한 경우, 오일 승압에 필요로 하는 압축동력(Wo)도 증대하나, 오일 동력 회수형 압축유닛(C/O)에서는, 승압 후의 오일 동력(에너지)이 압축기구(20)의 구동 동력으로서 회수된다. 그 결과, 본 실시형태에서는 오일 주입량(Goil)을 다량으로 하여도, 이 공기조화장치(10)에서 비교적 높은 COP의 개선율(등온 압축에 의한 효과)을 얻을 수 있다.

즉, 예를 들어 도 7에 나타내듯이 회수기구(40)에서 오일의 동력을 회수하지 않는 것(도 7의 파선 L-0)에서는, 오일 주입량이 소정값(Gb)보다 많아지면, 등온 압축의 효과에 기인한 냉매의 압축동력(Wr)의 삭감량보다 오일의 승압에 필요로 하는 동력(Wo)이 크게 되어 버리고, COP 개선율이 오히려 낮아져 버린다. 그러나, 회수기구(40)에서 오일의 동력을 회수하도록 하면, 오일의 승압에 필요로 하는 동력(Wo)의 증대에 따라, 압축기구(20)로 회수되는 오일의 동력이 크게 된다. 그 결과, 예를 들어 회수기구(40)의 동력 회수율이 50％인 것(도 7의 실선 L-50)에서는 오일 주입량을 많게 하여도, 높은 COP개선율을 얻을 수 있다. 그리고, 이 COP개선율은 회수기구(40)의 동력 회수율이 높을수록(예를 들어 도 7의 실선 L-80(오일 동력회수율 80％)이나 실선 L-100(오일 동력회수율 100％)을 참조), 특히 오일 주입량(Goil)이 많은 조건 하에서 증대한다.

-제 1 실시형태의 효과-

상기 제 1 실시형태에서는 오일 분리기(60)에 의해 고압냉매 중에서 오일을 분리하고, 이 오일의 에너지를 회수기구(40)에 의해 회수하고 압축기구(20)의 구동 동력으로서 이용하도록 한다. 이로써, 압축기구(20)에서 오일의 승압에 사용한 동력을 회수기구(40)에 의해 회수할 수 있고, 공기조화장치(10)의 에너지 절약을 향상시킬 수 있다.

또, 상기 제 1 실시형태에서는 오일 분리기(60)에서 분리한 오일을 오일 쿨러(80)에서 냉각하고, 저온으로 된 오일을 압축기구(20)로 공급한다. 이로써, 압축기구(20)에서는 도 4에 나타내는 것과 같은 등온 압축의 거동(즉, A점→B점→C점)에 가까워지도록 냉매를 압축할 수 있으며, 냉매의 압축동력을 대폭으로 삭감할 수 있다. 게다가, 오일 주입량(Goil)을 많게 함으로써, 냉매의 냉각효과가 향상되어 냉매의 압축동력이 더욱 저감되는 한편, 회수기구(40)에서 회수되는 오일의 에너지도 증대한다. 그 결과, 공기조화장치(10)의 COP 개선율을 대폭으로 향상할 수 있으며, 에너지 절약성을 더욱 향상시킬 수 있다. 그리고, 여기서 공기조화장치(10)의 COP 개선율을 효과적으로 향상시키기 위한 오일 주입량(질량유량)은, 압축기구(20)로의 흡입냉매의 양(질량유량)의 약 0.5배 이상 약 6.0배 이하의 범위인 것이 바람직하다.

또한, 이와 같이 오일 주입량을 많게 하여, 압축기구(20)로 저온의 오일을 적극적으로 도입함으로써 이하와 같은 부차적인 효과도 얻을 수 있다. 구체적으로는 먼저, 압축기구(20) 토출 냉매의 승온을 방지할 수 있고, 공기조화장치(10)의 시스템 이상이나, 압축기구(20)의 기계적인 손상을 회피할 수 있다. 또, 압축기구(20)에서는 피스톤이나 베어링 등 습동부의 윤활이 충분히 도모되며 또 습동부의 방열효과도 향상된다. 그 결과, 이들 습동부에서의 기계 손실의 증대나 시저를 방지할 수 있다. 또한, 압축기구(20)에서는 오일도 비교적 낮은 온도로 억제되므로, 오일 온도가 과잉으로 되어 열화하는 것도 회피할 수 있다. 더불어, 압축기구(20)에서는 그 주위 온도도 비교적 저온으로 억제된다. 그 결과, 오일 동력 회수형 압축유닛(C/O)에서는, 그 케이싱 내의 온도도 비교적 낮아진다. 이에 따라, 전동기(25)의 주위 온도도 낮아지므로, 전동기(25)의 모터 효율이 향상되며, 압축기구(20)의 입력이 더욱 저감된다.

또, 상기 제 1 실시형태에서는, 고압냉매를 임계압력 이상까지 압축하는 초임계 사이클을 실행하면서, 저온 오일을 압축기구(20)로 도입하도록 한다. 이로써, 압축기구(20)의 압축행정에서는 냉매를 응축시키는 일없이 등온선에 가까워지도록 압축할 수 있으며(예를 들어 도 4 참조), 통상의 냉동 사이클(예를 들어 도 5 참조)과 비교하여 냉매의 압축동력을 효과적으로 삭감할 수 있다.

또한 상기 제 1 실시형태에서는, 저온으로 된 오일을 압축기구(20)의 압축 도중에 공급하도록 한다. 이로써, 압축기구(20)에서 냉매를 어느 정도 승온시키고 나서, 승온 후의 냉매를 오일로 냉각할 수 있다. 때문에, 오일과 혼합되는 냉매가 오일보다 낮은 온도로 되는 것을 회피할 수 있으며, 냉매가 오일에 의해 가열되어 버리는 것을 방지할 수 있다. 그 결과, 저온 오일에 의해 냉매를 확실하게 냉각할 수 있으며, 등온 압축에 의한 압축동력의 저감효과를 더욱 향상시킬 수 있다.

<제 1 실시형태의 변형예 1>

상기 제 1 실시형태에서는, 냉매를 팽창시키는 팽창기구로서 용적형 유체기계로 이루어지는 팽창기구(30)를 이용하도록 한다. 그러나, 도 8에 나타내듯이 팽창기구로서 개방도가 조절 자유로운 전자식 팽창밸브(38)를 이용하여 냉매를 감압하도록 해도 된다.

《제 2 실시형태》

본 발명의 제 2 실시형태에 대해 설명한다. 제 2 실시형태에서는 냉매회로(11)의 구성이 상기 제 1 실시형태와 다르다. 도 9에 나타내듯이, 제 2 실시형태의 냉매회로(11)에서는, 압축기구(20)와 팽창기구(30)가 일체로 되어 팽창압축유닛(C/E)에 장착되며, 회수기구(40)가 오일 동력 회수유닛(O)에 장착된다.

구체적으로, 팽창압축유닛(C/E)은 압축기구(20), 팽창기구(30), 팽창측 출력축(31) 및 전동기(25)가 케이싱(도시 생략) 내에 수용되어 구성된다. 압축기구(20)와 팽창기구(30)는 팽창측 출력축(31)을 통해 서로 연결된다. 즉, 팽창압축유닛(C/E)에서는 팽창기구(30)에서 회수된 냉매의 에너지가, 압축기구(20)의 구동 동력으로서 이용된다. 환언하면, 압축기구(20)는 팽창기구(30)의 팽창측 출력축(31)과 연결되어 구동되는 구동대상을 구성한다.

또, 오일 동력 회수유닛(O)은 회수기구(40)와 발전기(45)가 케이싱(도시 생략)에 수용되어 구성된다. 회수기구(40)의 출력축(42)은 발전기(45)와 연결된다. 즉, 오일 동력 회수유닛(0)에서는 회수기구(40)에서 회수된 오일의 동력(즉, 오일의 에너지)에 의해 발전기(45)가 구동되며, 이 발전기(45)에서 전력이 발생한다. 발전기(45)에서 발생한 전력은 압축기구(20)나 다른 요소 기계의 구동 동력으로서 이용된다.

제 2 실시형태의 공기조화장치(10)의 냉방운전 시에는 압축팽창유닛(C/E)의 압축기구(20)에서 압축된 냉매가, 오일 분리기(60)로 유입한다. 오일 분리기(60)에서 오일이 분리된 냉매는 실외 열교환기(12)에서 방열된 후, 압축팽창유닛(C/E)의 팽창기구(30)에서 팽창된다. 그 결과, 팽창기구(30)에서 팽창하는 냉매에 의해 얻어진 동력(즉, 팽창동력)이, 압축기구(20)의 구동 동력으로서 이용된다. 팽창기구(30)에서 팽창된 냉매는, 실내 열교환기(13)에서 증발되어 실내의 냉방에 이용된 후, 압축팽창유닛(C/E)의 압축기구(20)로 흡입된다.

한편, 오일 분리기(60)에서 분리된 오일은 오일 쿨러(80)에서 냉각된 후, 오일 동력 회수유닛(O)의 회수기구(40)로 유입한다. 회수기구(40)에서는 오일실(49)의 오일에 의해 출력축(42)이 회전 구동되며, 발전기(45)가 구동된다. 그 결과, 발전기(45)에서 전력이 발생한다.

회수기구(40)에 의해 동력이 회수되어 감압된 오일은, 압축팽창유닛(C/E)의 압축기구(20)의 오일 주입포트(24)로 유입한다. 압축기구(20)에서는 압축 도중의 냉매가 오일에 의해 냉각됨으로써, 냉매가 등온선에 가까워지도록 압축된다. 그 결과, 냉매의 압축에 필요로 하는 동력이 경감된다.

이상과 같이, 본 실시형태에서도 오일 주입량을 비교적 많게 설정함으로써, 등온 압축 효과에 의해 냉매의 압축동력이 저감되며, 또 승압 후 오일로부터 회수되는 오일의 동력(즉, 오일의 에너지)도 많아진다. 그 결과, 제 2 실시형태에서도 공기조화장치(10)의 COP가 효과적으로 향상된다.

≪제 3 실시형태≫

본 발명의 제 3 실시형태에 대해 설명한다. 제 3 실시형태에서는, 냉매회로(11)의 구성이 상기 각 실시형태와 다르다. 도 10에 나타내듯이, 제 3 실시형태의 냉매회로(11)에서는 압축기구(20)가 압축유닛(C)에 장착되며, 팽창기구(30)와 회수기구(40)가 일체적으로 오일 동력회수형 팽창유닛(E/O)에 장착된다.

구체적으로, 압축유닛(C)은 압축기구(20), 구동축(21) 및 전동기(25)가 케이싱(도시 생략)에 수용되어 구성된다. 압축기구(20)와 전동기(25)는 구동축(21)을 통해 서로 연결된다. 즉, 압축유닛(C)에서는 전동기(25)에 의해 압축기구(20)가 구동된다.

또, 오일 동력 회수형 팽창유닛(E/O)은 팽창기구(30), 회수기구(40) 및 발전기(45)가 케이싱(도시 생략)에 수용되어 구성된다. 회수기구(40)의 출력축(42)에는 그 단부에 상기 팽창기구(30)가 연결되고, 그 중간부에 발전기(45)가 연결된다. 즉, 오일 동력 회수형 팽창유닛(E/O)에서는 팽창기구(30)에서 냉매의 에너지가 회수되며, 또 회수기구(40)에서 오일의 에너지가 회수된다. 이들 에너지는 출력축(42)을 통해 발전기(45)의 구동 동력으로서 이용된다. 환언하면, 발전기(45)는 회수기구(40) 및 팽창기구(30) 그리고 출력축(42)을 통해 연결되어 구동되는 구동 대상을 구성한다. 그 결과, 발전기(45)에서는 상기 제 1 실시형태의 팽창유닛(E)보다도 다량의 전력이 발생한다. 발전기(45)에서 발생한 전력은 압축기구(20)나 다른 요소 기계의 구동 동력으로서 이용된다.

제 3 실시형태의 공기조화장치(10)의 냉방운전 시에는 압축유닛(C)의 압축기구(20)에서 압축된 냉매가, 오일 분리기(60)로 유입된다. 오일 분리기(60)에서 오일이 분리된 냉매는 실외 열교환기(12)에서 방열된 후, 오일 동력 회수형 팽창유닛(E/O)의 팽창기구(30)에서 팽창된다. 그 결과, 팽창기구(30)에서 팽창되는 냉매에 의해 얻어진 동력은, 발전기(45)의 발전에 이용된다. 팽창기구(30)에서 팽창된 냉매는, 실내 열교환기(13)에서 증발하고 실내의 냉방에 이용된 후, 압축유닛(C)의 압축기구(20)로 흡입된다.

한편, 오일 분리기(60)에서 분리된 오일은 오일 쿨러(80)에서 냉각된 후, 오일 동력 회수형 팽창유닛(E/O)의 회수기구(40)로 유입한다. 회수기구(40)에서는 오일실(49)의 오일 동력에 의해 출력축(42)이 회전 구동되며, 발전기(45)가 구동된다. 그 결과, 발전기(45)에서 전력이 발생된다.

회수기구(40)에 의해 동력이 회수되어 감압된 오일은, 오일 동력 회수형 팽창유닛(E/O)으로부터 유출되며, 압축유닛(C) 압축기구(20)의 오일 주입포트(24)로 유입된다. 압축기구(20)에서는 압축 도중의 냉매가 오일에 의해 냉각됨으로써, 냉매가 등온선에 가까워지도록 압축된다. 그 결과, 냉매의 압축에 필요로 하는 동력이 경감된다. 이상과 같이, 본 실시형태에서도 오일 주입량을 비교적 많게 설정함으로써, 등온 압축 효과에 의해 냉매의 압축동력이 저감되며, 또 승압 후의 오일로부터 회수되는 오일의 에너지도 많아진다. 그 결과, 제 3 실시형태에서도 공기조화장치(10)의 COP가 효과적으로 향상된다.

≪제 4 실시형태≫

본 발명의 제 4 실시형태에 대해 설명한다. 제 4 실시형태에서는, 냉매회로(11)의 구성이 상기 각 실시형태와 다르다. 도 11에 나타내듯이, 제 4 실시형태의 냉매회로(11)에서는 압축기구(20), 팽창기구(30) 및 회수기구(40)가 일체적으로 오일 동력 회수형 팽창압축유닛(C/E/O)에 장착된다.

구체적으로, 오일 동력 회수형 팽창압축유닛(C/E/O)은 압축기구(20), 팽창기구(30), 회수기구(40) 및 전동기(25)가 케이싱(도시 생략)에 수용되어 구성된다. 회수기구(40)의 출력축(42)에는 그 단부에 팽창기구(30)가 연결되고, 그 중간부에 압축기구(20)가 연결된다. 또 출력축(42)에는 팽창기구(30)와 압축기구(20) 사이에 전동기(25)가 연결된다. 이상과 같이, 오일 동력 회수형 팽창압축유닛(C/E/O)에서는 팽창기구(30)에서 냉매의 에너지가 회수되며, 또 회수기구(40)에서 오일의 에너지가 회수된다. 이들 쌍방의 에너지는 출력축(42)을 통해 압축기구(20)를 회전 구동하는 동력으로서 이용된다. 환언하면, 압축기구(20)는 회수기구(40) 및 팽창기구(30) 그리고 출력축(42)을 통해 연결되어 구동되는 구동대상을 구성한다. 그 결과, 오일 동력 회수형 팽창압축유닛(C/E/O)에서는, 상기 제 1 실시형태의 오일 동력회수형 압축유닛(C/O)과 비교하여, 전동기(25)에 의한 압축기구(20)의 구동전력이 경감된다.

제 4 실시형태의 공기조화장치(10)의 냉방운전 시에는 오일 동력회수형 팽창압축유닛(C/E/O)의 압축기구(20)에서 압축된 냉매가, 오일 분리기(60)로 유입한다. 오일 분리기(60)에서 오일이 분리된 냉매는, 실외 열교환기(12)에서 방열된 후, 팽창기구(30)에서 팽창된다. 그 결과, 팽창기구(30)에서 팽창된 냉매의 에너지는 출력축(42)을 통해 압축기구(20)의 구동 동력으로서 이용된다. 팽창기구(30)에서 팽창된 냉매는, 실내 열교환기(13)에서 증발되어 실내의 냉방에 이용된 후, 압축유닛(C)의 압축기구(20)로 흡입된다.

한편, 오일 분리기(60)에서 분리된 오일은 오일 쿨러(80)에서 냉각된 후 회수기구(40)로 유입한다. 회수기구(40)에서는 오일실(49)의 오일에 의해 출력축(42)이 회전 구동되며, 이 출력축(42)의 회전 동력이 압축기구(20)의 구동 동력으로서 이용된다.

회수기구(40)에 의해 에너지가 회수되어 감압된 오일은, 압축기구(20)의 오일 주입포트(24)로 유입된다. 압축기구(20)에서는 압축 도중의 냉매가 오일에 의해 냉각됨으로써, 냉매가 등온선에 가까워지도록 압축된다. 그 결과, 냉매의 압축에 필요로 하는 동력이 경감된다. 이상과 같이, 본 실시형태에서도 오일 주입량을 비교적 많게 설정함으로써, 등온 압축 효과에 의해 냉매의 압축동력이 저감되며, 또 승압 후의 오일로부터 회수되는 오일의 에너지도 많아진다. 그 결과, 제 4 실시형태에서도 공기조화장치(10)의 COP가 효과적으로 향상된다.

≪제 5 실시형태≫

본 발명의 제 5 실시형태에 대해 설명한다. 제 5 실시형태의 공기조화장치(10)는 전술한 각 실시형태에 대해, 오일 주입기구(100)와 제어기(95)를 부여한 것이다.

<압축기구 및 오일 주입기구의 구성>

먼저, 제 5 실시형태에서의 압축기구(20)의 개략 구성과 오일 주입기구(100)의 개요에 대해 설명한다. 그리고, 이 예에서는 전술한 제 1 실시형태의 공기조화장치(10)에 있어서 압축기구(20)에 오일 주입기구(100)를 배치한다.

도 12에 나타내듯이, 이 압축기구(20)는 상기 회수기구(40)와 마찬가지로 요동 피스톤형의 로터리식 유체기계로 구성된다. 압축기구(20)는 압축실(26)을 가지며, 이 압축실(26)로 작동유체의 냉매로서 이산화탄소를 흡입하고 압축하도록 구성된다. 또, 오일 주입기구(100)는 오일 주입포트(24)를 개폐 가능하게 구성되며, 소정의 타이밍으로 상기 압축실(26)로 냉동기 오일을 공급하도록 구성된다. 이 압축기구(20)는, 전술과 같이 오일 동력 회수형 압축유닛(C/O)의 케이싱 내에 수납된다.

이 압축기구(20)는, 압축실(26)을 갖는 실린더(27) 내에서의 피스톤(28) 동작에 의해 냉매를 흡입하여 압축하도록 구성된다. 또, 이 압축기구(20)는 압축실(26)이 단면 원형으로 형성됨과 더불어, 피스톤(28)이, 이 압축실(26) 내에서 편심 회전 운동을 하도록 구성된다.

상기 피스톤(28)은, 출력축인 크랭크축(42)의 크랭크 핀(42c)에 끼워 맞추어 편심 회전운동을 하는 환형부(28a)와, 이 환형부(28a)와 일체로 형성된 블레이드(28b)를 갖는다. 블레이드(28b)는 플레이트형이며, 환형부(28a)의 지름방향 외측으로 연장된다. 실린더(27)는 블레이드(28b)를 습동 가능하게 유지하는 요동부시(29)를 가진다. 요동부시(29)는 각각 거의 반원형의 흡입측 부시(29a)와 토출측 부시(29b)로 구성된다. 흡입측 부시(29a)와 토출측 부시(29b)는 일부에서 연결하여 일체로 하여도 된다.

실린더(27)에는 압축실(26)로 냉매를 흡입하도록 일단이 압축실(26)로 개구한 흡입포트(22a)가 형성된다. 이 흡입포트(22a)의 타단은 상기 흡입라인(17)의 흡입관(22)과 연통된다. 또, 실린더(27)는 상기 회수기구(40)와 마찬가지로, 축방향 양 단면을 막는 2장의 엔드 플레이트(27a, 27b)(전동기측의 엔드 플레이트(27a)를 프론트 헤드라 하며, 전동기와 반대측의 단판(27b)을 리어 헤드라 함)를 갖는다. 프론트 헤드(27a)와 리어 헤드(27b)의 한쪽에는 압축실(26)에서 압축된 냉매를 오일 동력 회수형 압축유닛(C/O)의 케이싱 내 공간으로 토출하기 위한 토출포트(23a)가 형성된다. 이 토출포트(23a)에는 토출밸브로서 리드밸브(도시 생략)가 배치되며, 압축실(26) 내의 압력과 상기 오일 동력 회수형 압축유닛(C/O)의 케이싱 내 압력과의 압력차가 소정값에 달하면 토출포트(23a)가 열리도록 구성된다. 이 오일 동력 회수형 압축유닛(C/O)의 케이싱에는 상기 토출관(23)이 직접 접속되며, 토출 포트(23a)로부터 유출된 냉매는 토출관(23)을 지나 냉매회로(11)의 토출라인(18)으로 토출된다.

상기 흡입 포트(22a)는 도 12에서 세로축의 상측방향을 0°의 위치로 하면, 거기서부터 가로축의 우측방향으로 θs만큼 각도를 취한 위치에 배치된다. 또 상기 오일 주입기구(100)는 실린더(27)에 형성된 분사 노즐부(101)를 가지며, 이 분사 노즐부(101)는 각도가 θi의 위치에 배치되며, 오일 주입 포트(24)를 통해 압축실(26)에 연통된다. 이상의 구성에 의해, 상기 흡입포트(22a)와 오일 주입 포트(24)는 도 13에 나타내는 흡입행정 중에는 압축실(26)을 통해 서로 연통하는 위치에 배치된다.

상기 오일 주입기구(100)의 분사 노즐부(101)는, 원통형의 주입 케이스(102)와, 이 주입 케이스(102)의 축방향으로 슬라이드 가능한 스풀(103)과, 이 스풀(103)을 구동하는 구동기구(104)를 가진다. 주입 케이스(102)의 일단에는 상기 오일 주입 포트(24)와 연통하는 오일 분사구(105)가 형성된다. 또 주입 케이스(102)의 타단에는 전술한 오일 도입로(70)의 제 2 도유관(72)과 연결되는 오일 공급관(106)이 접속된다.

상기 스풀(103)은 오일 분사구(105)측의 단부가 테이퍼형 밸브부(107)로서 형성된다. 오일 분사구(105)는 주입케이스(102)의 내면측이 스풀(103)의 밸브부(107)와 동일 각도의 테이퍼면에 의해 형성된 밸브시트(108)가 된다. 이 구성에 있어서, 스풀(103)이 후퇴하여 밸브부(107)의 외주면이 주입 케이스(102)의 밸브시트(108) 내주면으로부터 후퇴되면(도 12의 상태), 오일 공급관(106)으로부터 공급되어 온 냉동기 오일이 밸브부(107)와 밸브시트(108) 사이의 틈새를 지나 오일 주입 포트(24)로부터 압축실(26) 내로 분사된다. 한편, 스풀(103)이 전진하여 밸브부(107)의 외주면이 주입 케이스(102)의 밸브시트(108) 내주면에 압접하면(도 13의 상태), 오일 공급관(106)으로부터 공급되어 온 냉동기 오일은, 주입 케이스(102) 내부가 밀폐공간으로 되므로, 압축실(26)로는 분사되지 않는다.

스풀(103)을 축방향으로 진퇴시키는 구동기구(104)로서는, 솔레노이드 기구(109)가 이용된다. 솔레노이드 기구(109)는, 스풀(103)에 고정된 철심(110)과, 주입 케이스(102)에 고정된 코일(111)을 가진다. 주입 케이스(102) 내에는 스풀(103)을 후퇴시키는 방향으로 힘을 가하는 코일 스프링(112)이 장착되고, 스풀(103)에는 코일 스프링(112)의 일단을 받는 스프링 받이(113)가 고정된다. 코일 스프링(112)의 타단은 주입 케이스(102)의 오일 분사구(105)측 단면에 접한다.

상기 솔레노이드 기구(109)의 코일(111)에 전류를 흘리지 않은 상태에서는, 스풀(103)이 가동 범위의 후단까지 후퇴한다. 이 때, 철심(110)은 코일(111)의 중심으로부터 벗어나며, 스풀(103)의 밸브부(107)와 오일 분사구(105)의 밸브시트(108)와의 사이에는 틈새가 형성된다(도 12). 한편 솔레노이드 기구(109)의 코일(111)에 전류를 흘린 상태에서는 코일 스프링(112)의 힘에 맞서 철심(110)이 스풀(103)의 전방으로 당겨지고, 스풀(103)의 밸브부(107)와 오일 분사구(105)의 밸브시트(108)가 압접한다(도 13). 이 때, 상기 틈새가 없어지며, 주입 케이스(102)의 내부가 밀폐공간으로 된다.

<제어기의 구성>

제 5 실시형태의 공기조화장치(10)는, 상기 오일 주입기구(100)를 제어하는 제어수단으로서 제어기(95)를 가진다.

상기 압축기구(20)를 제어하는 제어기(제어수단)(95)는, 도 14의 블록도에 나타내듯이 구성된다. 제어기(95)는 입력값(제원) 판독부(96), 측정값 (또는 설정값) 판독부(97), 및 계산값 결정부(98)를 갖는다. 입력값 판독부(96)와 측정값 판독부(97)는 계산값 결정부(98)로 신호를 보내도록 이 계산값 결정부(98)와 접속된다. 계산값 결정부(98)에서는 흡입 포트(22a)의 위치(θs), 오일 주입포트(24)의 위치(θi), 크랭크축(42)의 회전속도(ω), 및 크랭크축(42) 회전각도의 현재값(θc)에 기초하여 주입 타이밍이 구해지며, 제어기(95)로부터 오일 주입기구(100)로 제어신호가 보내진다. 그리고 이 제어신호에 기초하여 솔레노이드 기구(109)의 온과 오프가 제어되며, 오일 분사 타이밍이 제어된다.

구체적으로는, 압축기구(20)에서 흡입행정, 압축행정 및 토출행정을 1 사이클로 하는 동작 중에, 흡입행정이 종료하는 위치를 주입개시점으로 하고, 토출행정이 종료하기 전의 위치(이 실시형태에서는 피스톤(28)이 오일 주입포트(24)를 통과하는 위치에 이른 점)를 주입종료점으로 하여, 제어기(95)가 주입개시점에서 주입종료점 범위의 적어도 일부에서 오일 주입동작을 하도록 상기 오일 주입기구(100)를 제어한다. 특히, 제어기(95)를 주입개시점으로부터 주입종료점 범위의 전체에서 오일 주입동작을 실행하도록 구성하는 것이 그 범위의 전역에 걸쳐 등온 압축을 실행할 수 있도록 하기 위해 바람직하다.

<오일 주입 동작 중의 분사 노즐부의 개폐 타이밍>

다음은 오일 주입 동작 중의 분사 노즐부(101)의 개폐 타이밍에 대해 설명한다.

먼저, 제어기(95)에는 입력값 판독부(96)에 흡입포트(22a)의 위치(θs)와 오일 주입 기구(100)의 위치(θi)가 미리 설정된 위치로서 입력된다. 이 제어기(95)에서는 운전 중의 크랭크축(42)의 회전속도(ω)와 크랭크축(42) 회전각도의 현재값(θc)이 측정값 판독부(97)에서 측정된다. 그리고 계산값 결정부(98)에서 이들 값에 기초하여 주입 타이밍이 구해진다.

이 주입 타이밍은 흡입행정, 압축행정 및 토출행정을 1 사이클로 하는 동작 중에 흡입행정이 종료하는 위치를 주입개시점(θs)으로 하며, 토출행정이 종료하기 전의 위치(구체적으로는 피스톤(28)이 오일 주입 포트(24)를 통과하는 위치에 도달한 점)를 주입종료점(θi)으로 하고, 주입개시점(θs)으로부터 주입종료점(θi) 범위의 적어도 일부나, 또는 그 범위의 전부에서 오일 주입동작을 실행하도록 정해진다. 이 범위의 전부에서 오일 주입 동작을 실행하는 경우는 도 12에 나타내듯이 피스톤(28)이 θs에서 θi의 범위에 위치하고 있을 때에 오일 주입기구(100)의 분사노즐부(101)의 스풀(103)을 후퇴시키고 오일 분사구(105)를 개구시켜, 도 13에 나타내듯이 피스톤(28)이 θi에서 θs의 범위에 위치하고 있을 때에 오일 주입기구(100) 분사노즐부(101)의 스풀(103)을 전진시켜 오일 분사구(105)를 폐색한다.

그리고, 제어기(95)는 도 14의 계산값 결정부(98)에서 구한 주입시간(Δt) 동안만 오일 분사구(105)가 개구되도록 주입 타이밍을 결정하고, 오일 주입 기구(100)의 오일 분사구(105)를 개폐하고 압축기구(20)로의 오일 주입동작을 제어한다.

여기서 종래 오일 주입기구(100)에서는 오일 분사구(105)가 항상 개구되어 있으므로, 도 28에 나타내듯이 피스톤(28)이 θi에서 θs의 범위에 위치할 때는 흡입포트(22a)와 오일 주입포트(24)가 압축실(26)을 통해 연통되어 버리고, 오일 주입포트(24)로부터 압축실(26)로 들어간 오일이 흡입포트(22a)로 역류되어 버리는 일이 있었다.

이에 반해, 본 실시형태에서는 도 12에 나타내듯이 피스톤(28)이 θs로부터 θi의 범위에 위치하고 있을 때는 오일 주입기구(100)의 스풀(103)을 후퇴시켜 오일 분사구(105)를 개구시키도록 하므로, 그 범위에서는 정상적인 주입동작을 실행할 수 있으며, 도 13에 나타내듯이 피스톤(28)이 θi에서 θs의 범위에 위치하고 있을 때는 오일 주입기구(100)의 스풀(103)을 전진시켜 오일 분사구(105)를 폐색하도록 하므로, 그 범위에서는 불필요한 오일 주입동작이 실행되지 않는다.

이상과 같이, 제 5 실시형태에서는 흡입행정, 압축행정 및 토출행정을 1 사이클로 하는 피스톤(28)의 동작 중에, 흡입포트(22a)와 오일 주입포트(24)가 서로 연통하지 않는 동안은 오일 주입포트(24)를 열도록 하므로, 그 동안은 오일 주입동작을 함으로써 전술한 등온 압축의 효과를 충분히 얻을 수 있다. 또 피스톤(28) 동작 중에 흡입포트(22a)와 오일 주입포트(24)가 연통하는 동안은 오일 주입포트(24)를 닫도록 하므로, 그 동안은 오일이 압축실(26)로 유입되는 것을 방지할 수 있다. 피스톤(28)의 동작 중에 흡입포트(22a)와 오일 주입포트(24)가 연통하는 동안에 오일 주입포트(24)가 열려 있으면, 오일 주입포트(24)로부터 압축실(26)로 유입된 냉동기 오일이 흡입포트(22a)로 역류되어 냉매 흡입이 저해될 우려가 있으나, 본 실시형태에서는 냉동기 오일이 흡입포트(22a)로 역류되는 일은 없다. 따라서, 흡입손실이 발생해 버리는 것을 방지할 수 있다.

또 이 실시형태에서는, 압축기 회전속도, 흡입압력, 토출압력, 엔탈피, 냉매 순환량 등의 많은 값으로부터 필요한 냉각량을 계산하여 액 냉매 분사장치의 개구시간이나 주입량을 산출하거나, 압축기 입력을 측정하여 그것이 최소값이 되도록 하기 위한 계산 논리를 제어기(95)에 실장할 필요가 없으며, 단순하게 흡입포트(22a) 위치를 주입개시점(θs)으로 하고 오일 주입 포트(24)의 위치를 주입종료점(θi)으로 하며 그 범위 내에서 타이밍을 취하여 오일 주입동작을 실행하도록 하므로, 오일 주입 기구(100)에서 주입 타이밍의 산출이 상당히 용이해지며, 단순한 계산 논리를 실장하는 것만으로 효과적인 오일 주입이 가능해진다.

이상으로부터, 본 실시형태에 의하면 오일 주입에 의한 등온 압축을 실행하는 압축기에서, 흡입손실을 증가시키는 일없이 냉각에 필요한 대량의 오일을 주입할 수 있음과 더불어, 복잡한 제어를 하지 않아도 효과적인 등온 압축의 실현이 가능해지며, 대폭으로 시스템 성능의 향상이 가능해진다.

≪제 6 실시형태≫

본 발명의 제 6 실시형태에 대해 설명한다. 제 6 실시형태의 공기조화장치(10)는, 상기 제 5 실시형태와 마찬가지의 오일 주입기구(100)를 갖는 한편, 제 5 실시형태와 제어기(95)의 구성이 다르다.

<제어기의 구성>

제 6 실시형태의 제어기(95)는, 도 15의 블록도에 나타내듯이 구성된다. 제어기(95)는 입력값(제원) 판독부(96)와, 측정값(또는 설정값) 판독부(97)와, 계산값 결정부(98)를 갖는다. 입력값 판독부(96)와 측정값 판독부(97)는 계산값 결정부(98)로 신호를 보내기 위해, 이 계산값 결정부(98)와 접속된다. 계산값 결정부(98)에서는, 실린더 용적(Vc)과, 흡입포트 위치(θs)와, 오일 주입위치(θi)(이상, 입력값 판독부(96)의 데이터)와, 크랭크축(42)의 회전속도(ω)와, 크랭크축(42) 회전각도의 현재값(θc)과, 흡입가스온도(Ts)와, 냉매회로(11)의 저압압력(Lp)과, 냉매회로(11)의 고압압력(Hp)과, 주입오일 온도(To)와, 주입오일 압력(Po)(이상, 측정값 판독부(97)의 데이터)에 기초하여, 오일 주입 동작의 타이밍이 구해진다. 즉, 압축 도중의 냉매가스온도를 Tr로 했을 때, Tr=To가 되는 주입개시 위치(θ1)와, 압축 도중의 냉매가스압력을 Pr로 했을 때에 Pr=Po가 되는 주입종료 위치(θ2)와, θ1에서 θ2에 이를 때까지의 주입시간(Δt)이 구해지고, 이들 값을 나타내는 제어신호가 제어기(95)로부터 오일 주입기구(100)로 보내진다. 그리고 이 제어신호에 기초하여 솔레노이드 기구(109)의 온과 오프가 제어되며, 오일 분사 타이밍이 제어된다. 여기서, 압축 도중의 냉매가스온도(Tr)와 압축 도중의 냉매가스압력(Pr)은, 실린더 용적(Vc)이나 흡입포트위치(θs) 등의 압축기 제원과, 흡입가스온도(Ts)나 냉매회로(11)의 저압압력(Lp), 냉매회로(11)의 고압압력(Hp) 등의 측정값과, 미리 제어기에 기록된 냉매 물성 데이터로부터 산출한다. 도 15 중의 주입개시위치(θ1)와 주입종료점(θ2)의 계산에는 압축 도중의 냉매가스온도(Tr)과 압축 도중의 냉매가스압력(Pr)의 산출과정(냉매온도 검출수단과 냉매압력 검출수단)도 포함된다.

구체적으로는 흡입행정, 압축행정 및 토출행정을 1 사이클로 하는 동작 중에 상기 압축실(26) 내 냉매의 온도(Tr)가 주입되는 오일의 온도(To)로 되는 위치를 주입개시점(θ1)으로 하고, 압축실(26) 내 냉매의 압력(Tr)이 토출압력(Hp)에 달하는 위치를 주입종료점(θ2)으로 하며, 제어기(95)가 주입개시점(θ1)으로부터 주입종료점(θ2) 범위의 적어도 일부에서 오일 주입동작을 실행하도록 상기 오일 주입기구(100)를 제어한다. 특히, 제어기(95)를 주입개시점(θ1)으로부터 주입종료점(θ2) 범위의 전체에서 오일 주입동작을 실행하도록 구성하는 것이 그 범위의 전역에 걸쳐 등온 압축을 실행할 수 있도록 하기 위해 바람직하다.

<오일 주입 동작 중의 분사 노즐부의 개폐 타이밍>

다음에 오일 주입 동작 중의 분사 노즐부(101)의 개폐 타이밍에 대해 설명한다.

먼저, 제어기(95)에는 입력값 판독부(96)에 실린더 용적(Vc), 흡입 포트 위치(θs) 및 오일 주입위치(θi)가, 미리 설정된 위치로서 입력된다. 이 제어기(95)에서는 크랭크축(42)의 회전속도(ω), 크랭크축(42) 회전각도의 현재값(θc), 흡입가스온도(Ts), 냉매회로(11)의 저압압력(Lp), 냉매회로(11)의 고압압력(Hp), 주입오일온도(To), 및 주입오일압력(Po)이 측정값 판독부(97)에서 측정된다. 그리고 계산값 결정부(98)에서, 이들 값에 기초하여 주입 타이밍이 구해진다. 구체적으로는 압축 도중의 냉매가스온도를 Tr로 했을 때 Tr=To로 되는 주입개시위치(θ1)와, 압축 도중의 냉매가스압력을 Pr로 했을 때 Pr=Hp로 되는 주입종료위치(θ2)와, θ1로부터 θ2에 이를 때까지의 주입시간(Δt)이 구해지고, 이들 값을 나타내는 제어신호가 제어기(95)로부터 오일주입기구(100)로 보내진다. 그리고, 이 제어신호에 기초하여 솔레노이드 기구(109)의 온과 오프가 제어되고, 오일의 분사 타이밍이 제어된다.

이 주입 타이밍은 흡입행정, 압축행정 및 토출행정을 1 사이클로 하는 동작 중에, 상기 압축실(26) 내 냉매의 온도(Tr)가 주입되는 오일의 온도(To)로 되는 위치를 주입개시점(θ1)으로 하고, 압축실(26) 내 냉매의 압력(Pr)이 토출압력(Hp)에 이르는 위치를 주입종료점(θ2)으로 하며, 제어기(95)가 주입개시점(θ1)에서 주입종료점(θ2) 범위의 적어도 일부나 또는 그 범위의 전체에서 오일 주입동작을 실행하도록 정해진다. 이 범위 전부에서 오일 주입동작을 실행할 경우, 도 16에서 θ1의 포인트에서 θ2의 포인트까지의 범위 전체에서 실행되며, 그 때 오일 주입기구(100)의 스풀(103)을 후퇴시켜 오일 분사구(105)를 개구시킨다. 또 도 17에 나타내듯이 피스톤(28)이 θ2에서 θ1의 범위에 위치하는 때에는 오일 주입기구(100)의 스풀(103)을 전진시켜 오일 분사구(105)를 폐색한다.

그리고 제어기(95)는 계산값 결정부(98)에서 구한 주입 타이밍에 기초하여 오일 주입기구(100)의 오일 분사구(105)를 개폐하고, 압축기구(20)로의 오일 주입동작을 제어한다.

여기서 종래의 오일 주입기구(100)에서는, 오일 주입동작 시에 있어서 냉동기 오일의 온도(To)가 냉매의 온도(Tr)보다 높을 때는 냉매가 과열되어 버리고, 과열압축에 의한 동력손실이 발생되어 버린다.

이에 반해, 본 실시형태에서는 도 16에 나타내듯이, 피스톤(28)이 θ1에서 θ2의 범위에 위치하고 있을 때는 오일 주입기구(100)의 스풀(103)을 후퇴시켜 오일 분사구(105)를 개구시키도록 하므로, 그 범위에서는 냉매의 온도(Tr)가 냉동기 오일의 온도(To)보다 높은 영역이 없으며, 등온 압축에 의해 일량을 충분히 삭감시킬 수 있다. 또, 도 17에 나타내듯이 피스톤(28)이 θ2를 지나 θ1에 이를 때까지의 범위에서는, 오일 주입기구(100)의 스풀(103)을 전진시켜 오일분사구(105)를 폐색하도록 하므로, 그 범위에서는 불필요한 오일 주입동작이 실행되지 않으며, 과열압축에 의한 동력손실은 발생하지 않는다.

이상과 같이, 제 6 실시형태에서는 흡입행정, 압축행정 및 토출행정을 1 사이클로 하는 피스톤(28)의 동작 중에, 상기 압축실(26) 내의 냉매 온도(Tr)가 주입되는 오일의 온도(To)로 되는 위치를 주입개시점(θ1)으로 하고, 압축실(26) 내의 냉매 압력이 토출 압력에 달하는 위치를 주입종료점(θ2)으로 하며, 주입개시점(θ1)으로부터 주입종료점(θ2) 범위의 적어도 일부나 또는 그 범위 전부에서 오일 주입동작을 실행하도록 한다. θs로부터 θi 범위의 전체에서 주입을 실행할 경우는, 도 18에 나타내듯이 동온압축에 의해 삭감되는 일량을 상쇄하도록 작용하는 작업량이 과열압축에 의해 발생되는 데 반해, 본 실시형태에 의하면 θ1로부터 θ2의 범위 내에서만 오일 주입동작을 실행하도록 한 것에 의해, 도 19에 나타내듯이 과열압축에 의한 일량이 발생하지 않도록 하므로, 등온 압축에 의한 효과를 높이는 것이 가능해진다. 이로써, 본 실시형태에 의하면 냉각에 필요한 대량의 오일을 주입할 수 있고, 과열압축에 의한 동력손실도 발생하지 않으므로 효과적인 등온 압축의 실현이 가능해지며, 대폭의 시스템 성능의 향상이 가능해진다.

≪제 7 실시형태≫

제 7 실시형태에 관한 공기조화장치(10)는 실내 난방만을 실행하는 난방전용형 공기조화장치이다. 도 20에 나타내듯이, 공기조화장치(10)의 냉매회로(11)에는 상기 제 1 실시형태와 마찬가지로 하여, 오일 동력 회수형 압축유닛(C/O), 팽창유닛(E), 실외 열교환기(12), 실내 열교환기(13), 오일 분리기(60) 등이 배치된다.

제 7 실시형태의 냉매회로(11)는, 예를 들어 제 1 실시형태와 같은 2개의 사방전환밸브(14, 15)가 생략된 구성이다. 즉, 냉매회로(11)에서는 오일 분리기(60)의 냉매 배출관(62)이 실내 열교환기(13)의 유입단과 접속하며, 실내 열교환기(13)의 유출단이 팽창유닛(E)의 유입관(33)과 접속한다. 또, 팽창유닛(E)의 유출관(34)이 실외 열교환기(12)의 유입단과 접속하며, 실외 열교환기(12)의 유출단이 흡입라인(17)을 통해 압축기구(20)의 흡입관(22)과 접속한다. 그리고, 본 실시형태의 냉매회로(11)는, 실내 열교환기(13)의 냉매에 의해 실내공기를 가열하는 난방동작을 실행하도록 구성된다.

제 7 실시형태의 오일 쿨러(80)는, 오일 분리기(60)에서 분리된 오일을 냉각하기 위한 오일 냉각 열교환기를 구성하며, 또 난방운전 시에 오일의 열을 실내로 방출하는 보조 난방기를 겸한다. 구체적으로, 오일 쿨러(80)는 실내 열교환기(13)가 설치되는 실내와 동일한 실내에 설치된다.

제 7 실시형태의 공기조화장치(10)의 난방운전 시에는 압축기구(20)에 의해 압축된 오일 분리기(60) 내로 유입하고, 오일 분리기(60)에 의해 냉매 중에서 오일이 분리된다. 분리 후의 냉매는 실내 열교환기(13)를 흐른다. 실내 열교환기(13)에서는 고압냉매가 실내공기로 방열함으로써 실내공기가 가열되며, 이로써 실내 난방이 이루어진다. 실내 열교환기(13)로부터 유출된 냉매는 팽창유닛(E)에서 감압되고 실외 열교환기(12)에서 증발된 후, 압축기구(20)로 흡입된다.

제 7 실시형태의 난방운전 시에도, 상기 각 실시형태와 마찬가지로 하여, 오일 주입 동작이 실행된다. 즉, 오일 분리기(60)에서 분리된 오일은 오일 쿨러(80)에서 냉각된 후 회수기구(40)로 유입된다. 회수기구(40)에서는 오일실(49)의 오일에 의해 출력축(42)이 회전 구동되며, 이 출력축(42)의 회전동력이 압축기구(20)의 구동 동력으로서 이용된다.

회수기구(40)에 의해 에너지가 회수되어 감압된 오일은, 압축기구(20)의 오일 주입포트(24)로 유입한다. 압축기구(20)에서는 압축 도중의 냉매가 오일에 의해 냉각됨으로써, 냉매가 등온선에 가까워지도록 압축된다. 그 결과, 냉매의 압축에 필요로 하는 동력이 경감된다. 이상과 같이, 본 실시형태에서도 오일 주입량을 비교적 많게 설정함으로써, 등온 압축 효과에 의해 냉매의 압축동력이 저감되며, 또 승압 후의 오일로부터 회수되는 오일의 에너지도 많아진다.

또한, 제 7 실시형태에서는 오일 주입동작에 따른 난방능력의 저하를 보충하기 위해, 오일 쿨러(80)를 보조 난방기로서 이용한다. 이 점에 대해 상세하게 설명한다.

전술과 같이, 난방운전 시의 압축기구(20)에서도 냉매가 등온선에 가까워지도록 압축되므로, 냉매의 압축동력이 저감된다. 한편, 이와 같이 하여 냉매가 등온선에 가까워지도록 압축되면, 압축 후의 냉매의 엔탈피는 이른바 오일 주입 동작을 실행하지 않는 통상의 냉동 사이클과 비교하여 작다. 때문에, 난방동작 중인 냉매회로(11)의 실내 열교환기(13)에서는 냉매의 방열량이 작아지며, 난방 능력이 저하되어 버린다.

그래서, 본 실시형태에서는 오일 쿨러(80)를 실내에 설치하고, 오일 쿨러(80)를 흐르는 오일의 열을 실내공기로 방출하도록 한다. 즉, 난방운전 중인 오일 주입 동작에 있어서, 오일 분리기(60)에서 분리된 오일이 오일 쿨러(80)를 흐르면, 오일 쿨러(80)에서는 오일과 실내공기가 열교환한다. 그 결과, 비교적 고온이 된 오일의 열이 실내공기로 부여되며, 실내의 난방이 촉진된다. 한편, 오일 쿨러(80)를 흐르는 오일은 실내공기에 의해 냉각된다. 이상과 같이, 난방운전 시에는 오일 쿨러(80)의 오일이 냉각됨과 동시에 실내공기가 오일에 의해 가열되므로, 난방능력의 저하를 방지하면서 오일 주입 동작을 실행할 수 있다.

≪제 8 실시형태≫

제 8 실시형태에 관한 공기조화장치(10)는, 냉방과 난방을 전환하여 실행하는 히트 펌프식의 공기조화장치이다. 도 21 및 도 22에 나타내듯이, 공기조화장치(10)의 냉매회로(11)에는, 예를 들어 상기 제 1 실시형태와 마찬가지로 오일 동력 회수형 압축유닛(C/O), 제 1 사방전환밸브(14), 실외 열교환기(12), 실내 열교환기(13), 오일 분리기(60) 등이 배치된다. 또, 냉매회로(11)에서는 제 1 실시형태의 팽창유닛(E) 대신에 감압 기구로서 팽창밸브(38)가 이용된다.

제 8 실시형태의 오일 공급회로(70)는 전술한 각 실시형태와 달리, 냉방운전과 난방운전에 의해 오일의 유로가 전환되도록 구성된다. 구체적으로는 제 8 실시형태의 오일 공급회로(70)에는 2개의 오일 쿨러(80, 80)와 오일 유로 전환기구(81)가 배치된다.

오일 유로전환기구(81)는 4개의 포트를 갖는 사방전환밸브로 구성된다. 오일 유로전환기구(81)는 제 1 포트와 제 4 포트가 연통하여 제 2 포트와 제 3 포트가 연통하는 상태(도 21에 나타내는 상태)와, 제 1 포트와 제 3 포트가 연통하여 제 2 포트와 제 4 포트가 연통하는 상태(도 22에 나타내는 상태)로 전환 가능하게 구성된다.

오일 유로전환기구(81)의 제 1 포트는 제 1 도유관(71)을 통해 오일 배출관(63)과 접속한다. 오일 유로전환기구(81)의 제 2 포트는 저압연통관(75)을 통해 흡입라인(17)과 접속된다. 오일 유로전환기구(81)의 제 3 포트는 실외측 오일 유로(74)를 통해 오일 유입관(43)과 접속한다. 오일 유로전환기구(81)의 제 4 포트는 실내측 오일 유로(73)를 통해 오일 유입관(43)과 접속한다.

실내측 오일 유로(73)에는 실내 열교환기(13)와 동일한 실내에 설치되는 실내측 오일 쿨러(80a)가 접속된다. 실내측 오일 쿨러(80a)는 난방동작 중에 오일의 열을 실내공기로 방출하는 제 1 오일 냉각 열교환기를 구성한다. 실외측 오일 유로(74)에는 실외에 설치되는 실외측 오일 쿨러(80b)가 접속된다. 실외측 오일 쿨러(80b)는 냉방동작 중에 오일의 열을 실외공기로 방출하는 제 2 오일 냉각 열교환기를 구성한다. 이상과 같은 구성의 오일 공급회로(70)에서는 오일 분리기(60)에서 분리된 오일이, 실내측 오일 쿨러(80a)와 실외측 오일 쿨러(80b)의 어느 한 쪽으로 선택적으로 공급된다.

제 8 실시형태의 공기조화장치(10)의 난방운전 시에는 제 1 사방전환밸브(14) 및 오일 유로전환기구(81)가 도 21에 나타내는 상태로 설정된다. 압축기구(20)에서 압축된 냉매는 오일 분리기(60) 내로 유입하고, 오일 분리기(60)에서 오일이 분리된다. 분리 후의 냉매는, 실내 열교환기(13)를 흐른다. 실내 열교환기(13)에서는 고압냉매가 실내공기로 방열함으로써 실내공기가 가열되며, 이로써 실내 난방이 이루어진다. 실내 열교환기(13)에서 응축된 냉매는 팽창밸브(38)에서 감압되고 나서 실외 열교환기(12)에서 증발된 후, 압축기구(20)로 흡입된다.

난방운전 시에 있어서, 오일 분리기(60)에서 분리된 오일은 실내측 오일 유로(73)를 통해 실내측 오일 쿨러(80a)를 흐른다. 실내측 오일 쿨러(80a)에서는 오일의 열이 실내공기로 방출된다. 이로써, 상기 제 7 실시형태와 마찬가지로 실내측 오일 쿨러(80a)가 보조 난방기로서 기능하며, 난방능력의 저하가 방지된다. 이상과 같이 하여 실내측 오일 쿨러(80a)에서 냉각된 오일은 회수기구(40)로 유입한다. 회수기구(40)에서는 오일실(49)의 오일에 의해 출력축(42)이 회전 구동되며, 이 출력축(42)의 회전 동력이 압축기구(20)의 구동 동력으로서 이용된다.

회수기구(40)에 의해 에너지가 회수되어 감압된 오일은, 압축기구(20)의 오일 주입 포트(24)로 유입한다. 압축기구(20)에서는 압축 도중의 냉매가 오일에 의해 냉각됨으로써, 냉매가 등온선에 가까워지도록 압축된다. 그 결과, 냉매의 압축에 필요로 하는 동력이 경감된다. 이상과 같이, 본 실시형태에서도 오일 주입량을 비교적 많게 설정함으로써, 등온 압축 효과에 의해 냉매의 압축동력이 저감되며, 또 승압 후의 오일로부터 회수되는 오일의 에너지도 많아진다. 게다가, 실내측 오일 쿨러(80a)를 흐르는 오일의 열이 난방에 이용된다. 그 결과, 제 8 실시형태에서도 공기조화장치(10)의 COP가 효과적으로 향상된다.

제 8 실시형태의 공기조화장치(10)의 냉방운전 시에는, 제 1 사방전환밸브(14) 및 오일 유로 전환기구(81)가 도 22에 나타내는 상태로 설정된다. 압축기구(20)에서 압축된 냉매는 오일 분리기(60) 내로 유입하고, 오일 분리기(60)에서 오일이 분리된다. 분리 후의 냉매는 실외 열교환기(12)에서 응축되고, 팽창밸브(38)에 의해 감압된 후 실내 열교환기(13)를 흐른다. 실내 열교환기(13)에서는, 냉매가 실내공기로부터 흡열하고 증발된다. 이로써, 실내공기가 냉각되고 냉방이 이루어진다. 실내 열교환기(13)에서 증발된 냉매는 압축기구(20)로 흡입된다.

냉방운전 시에 있어서, 오일 분리기(60)에서 분리된 오일은 실외측 오일 유로(74)를 통해 실외측 오일 쿨러(80b)를 흐른다. 실외측 오일 쿨러(80b)에서는 오일의 열이 실외공기로 방출된다. 이로써, 실외측 오일 쿨러(80b)를 흐르는 오일이 실외공기에 의해 냉각된다. 이상과 같이, 냉방운전에서는 오일 분리기(60)에서 분리된 오일이 실내측 오일 쿨러(80a)를 흐르지 않는다. 따라서, 실내측 오일 쿨러(80a)로부터 오일의 열이 실내로 방출되는 일이 없으므로, 실내의 냉방 부하가 증대되어 버리는 것이 방지된다.

이상과 같이 하여, 실외측 오일 쿨러(80b)에 의해 냉각된 오일은 회수기구(40)로 유입한다. 회수기구(40)에서는 오일실(49)의 오일에 의해 출력축(42)이 회전 구동되며, 이 출력축(42)의 회전 동력이 압축기구(20)의 구동 동력으로서 이용된다.

회수기구(40)에서 에너지가 회수되고 감압된 오일은, 압축기구(20)의 오일 주입포트(24)로 유입한다. 압축기구(20)에서는 압축 도중의 냉매가 오일에 의해 냉각됨으로써, 냉매가 등온선에 가까워지도록 압축된다. 그 결과, 냉매의 압축에 필요로 하는 동력이 경감된다.

여기서 상기 제 7 실시형태나 제 8 실시형태의 공기조화장치(10)에서, 전술한 오일 동력 회수 유닛(O)이나 오일 동력 회수형 팽창 압축유닛(C/E/O)을 이용한 구성을 채용해도 되는 것을 물론이다.

≪그 밖의 실시형태≫

상기 각 실시형태에 대해서는, 전술한 각 구성 이외에도 이하와 같은 변형예의 구성으로 할 수 있다.

<변형예 1>

전술한 각 실시형태에 있어서, 오일 분리기(60)에 의해 냉매 중에서 분리된 오일을 압축기구(20)의 압축 도중이 아닌, 압축기구(20)의 흡입측(저압측)으로 공급하도록 해도 된다. 즉, 예를 들어 도 23에 나타내듯이, 상기 각 실시형태의 오일 도입로(70)는 분리 후의 오일을 압축기구(20)의 흡입측으로 공급하도록 구성해도 된다. 여기서, 도 23의 예에서는 전술한 제 1 실시형태에 대해 오일 도입로(70)의 제 2 도유관(72)의 종료단을 흡입라인(17)에 접속한 것이다. 이 변형예에서도 오일 쿨러(80)에서 냉각된 오일에 의해 압축기구(20)에서 압축되는 냉매를 동시에 냉각할 수 있으며, 전술과 같은 등온 압축의 효과를 얻을 수 있다.

<변형예 2>

전술한 각 실시형태에 있어서, 오일 쿨러(80)에서 냉각된 오일을 회수기구(40)로 공급하는 것이 아니라, 회수기구(40)에서 에너지를 회수한 오일을 오일 쿨러(80)에서 냉각해도 된다. 즉, 예를 들어 도 24에 나타내듯이, 상기 각 실시형태에 대해 오일 도입로(70)에서 오일 쿨러(80)를 회수기구(40)의 하류측에 배치해도 된다. 여기서, 도 24의 예에서는 전술한 제 1 실시형태에 대해 회수기구(40)의 하류측에 오일 쿨러(80)를 배치한다. 이 변형예에서도 회수기구(40)에서 오일의 에너지를 회수할 수 있으며, 또 오일 쿨러(80)에서 냉각한 오일을 압축기구(20)로 공급함으로써, 전술과 같은 등온 압축의 효과를 얻을 수 있다. 또 도 24의 변형예와 같이 하면, 압축기구(20)로 공급되기 직전의 오일을 오일 쿨러(80)에서 냉각할 수 있으므로, 압축기구(20)로 안정되게 저온의 오일을 공급할 수 있다. 그 결과, 상기 등온 압축의 효과를 더욱 향상시킬 수 있다.

<변형예 3>

전술한 각 실시형태에 있어서, 예를 들어 도 25에 나타내듯이, 냉매회로(11)에 내부 열교환기(90)를 부여하도록 해도 된다. 여기서, 도 25의 예에서는 전술한 변형예 2(도 24의 예)에 대해, 냉매회로(11)에 내부 열교환기(90)를 접속한다.

구체적으로, 내부 열교환기(90)는 제 1 유로(91)와 제 2 유로(92)를 가지며, 양자의 유로(91, 92)를 흐르는 냉매를 서로 열교환시키는 것이다. 제 1 유로(91)는 냉매회로(11)에서 방열기(예를 들어 냉방운전 시의 실외 열교환기(12))에서 방열한 후, 팽창기구(30)로 유입되기 전의 냉매가 흐르는 고압라인(19)에 접속된다. 또, 제 2 유로(92)는 흡입라인(17)에 접속된다. 따라서, 내부 열교환기(90)에서는 제 1 유로(91)를 흐르는 고압냉매가, 제 2 유로(92)를 흐르는 저압냉매에 의해 냉각된다. 그 결과, 이 변형예의 냉방운전 시에는 고압측 냉매의 과냉각도가 커지며, 실내 열교환기(13)에서의 냉방능력이 향상된다. 또, 제 2 유로(92)를 흐르는 저압냉매는, 제 1 유로(91)를 흐르는 고압냉매에 의해 과열되므로, 흡입과열도가 커진다. 그 결과, 도 25에 나타내듯이 저온의 오일을 압축기구(20)의 흡입측으로 공급한 경우에도 흡입 냉매를 오일보다 고온으로 할 수 있으며, 오일에 의한 냉매의 냉각효과를 충분히 얻을 수 있다.

<변형예 4>

전술한 각 실시형태에 있어서, 예를 들어 도 26에 나타내듯이, 오일 분리기(60)를 다른 부분에 배치하도록 해도 된다. 여기서 도 26의 예는, 전술한 제 1 실시형태에 대해 변형예 3에서 서술한 고압라인(19)에 오일 분리기(60)를 배치한다. 이 변형예에서도, 오일 분리기(60)에는 압축기구(20)에서 승압된 오일이 저류되므로, 이 오일을 회수기구(40)로 보냄으로써, 이 오일의 에너지를 회수할 수 있다. 또 이 변형예에서는 냉방운전 시 오일 분리기(60)에 저류된 오일은, 실외 열교환기(12)에서 방열 후의 오일로 된다. 즉, 이 변형예의 오일 분리기(60)에는, 상기 각 실시형태와 비교하여 저온의 오일이 저류된다. 따라서, 이 변형예의 오일 주입 동작에서는 한층 더 저온으로 된 오일을 압축기구(20)로 공급할 수 있으며, 전술한 등온 압축의 효과를 더욱 향상시킬 수 있다.

<그 밖의 변형예>

전술한 각 실시형태에서는, 오일 분리기(60)에서 분리한 오일을 압축기구(20)로 공급함으로써, 압축기구(20)의 압축행정에 의해 냉매를 등온 압축시키도록 한다(도 4를 참조). 여기서 도 4에 나타내는 예에서는, 압축행정의 일부 기간(즉, B점에서 C점에 이르기까지의 동안)에 있어서, 냉매를 등온 압축시키나, 압축행정의 전 기간에 있어서 냉매를 등온 압축시켜도 된다. 또 압축행정의 일부 기간은 도 4의 예에 한정되는 것이 아니며, 다른 타이밍이라도 된다.

또 도 4에 나타내는 등온 압축은, 압력행정 중에 냉매가 거의 등온선을 따르도록 압축된다. 그러나, 도 4는 전술과 같이 이상적인 등온 압축을 예시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 등온 압축은 반드시 도 4에 나타내는 것과 같은 거동이 아니라도 된다. 구체적으로는, 예를 들어 도 27에 나타내듯이 본 발명의 등온 압축은 오일에 의해 냉각되는 냉매가 등온선에 대해 조금씩 멀어져 버리는 것과 같은 거동으로 압축되는 것이라도 된다. 즉 본 발명의 ‘등온 압축’이란, 압축행정 중의 냉매가 오일에 의해 냉각됨으로써, 압축행정에 있어서 일반적인 단열압축과 비교하여 냉매가 등온선에 가까워지도록 압축되는 것(즉, 이른바 의사(擬似)적인 등온 압축)을 포함한다.

전술한 각 실시형태에서는, 오일 분리기(60)에서 분리한 오일을 적극적으로 압축기구(20)로 공급하고, 이른바 등온 압축을 실행하는 것에 대해 본 발명의 회수기구(40)를 적용하도록 한다. 그러나, 예를 들어 압축기구(20)로부터 유출한 오일을 오일 회수관을 통해 압축기구(20) 흡입측으로 반송하고, 압축기구(20)의 윤활불량을 방지하는 것과 같은 냉매회로에 대해, 이 오일 회수관에 본 발명의 회수기구(40)를 적용해도 된다. 이와 같이 하여도, 고압의 오일 에너지를 회수기구(40)에 의해 회수할 수 있으며, 냉동장치의 COP를 개선할 수 있다.

또 전술한 각 실시형태의 회수기구(40)의 본체부(41)는, 로터리식 용적형 유체기계로 구성된다. 그러나, 상기 본체부(41)를 예를 들어 스크롤식 용적형 유체기계로 구성해도 좋으며, 예를 들어 비용적형의 유체기계(예를 들어 터빈식 비용적형의 유체기계)로 구성하도록 해도 된다. 또, 전술한 압축기구(20)나 팽창기구(30)를 다른 형식의 유체기계로 구성해도 좋은 것은 물론이다.

또 전술한 각 실시형태에 있어서, 냉매회로(11)에 충전되는 냉매로서, 다른 냉매를 이용하도록 해도 좋다. 또 냉매회로(11)의 냉매 중에 혼재하는 오일(냉동기 오일)로서 다른 오일을 이용하도록 해도 된다.

또 전술한 각 실시형태에서는, 실내공기를 조화하는 공기조화장치(10)에 대해 본 발명을 적용하나, 예를 들어 냉장고나 냉동고 내를 냉각하는 냉동장치나, 다른 냉동장치에 본 발명을 적용해도 된다.

그리고, 이상의 실시형태는 본질적으로 바람직한 예시이며, 본 발명, 그 적용물, 또는 그 용도 범위를 제한하는 것을 의도하는 것은 아니다.

[산업상 이용 가능성]

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 냉매가 순환하여 냉동 사이클을 실행하는 냉매회로를 구비한 냉동장치에 대해 유용하다.

10 : 공기조화장치(냉동장치) 11 : 냉매회로
12 : 실외 열교환기 13 : 실내 열교환기
20 : 압축기구 30 : 팽창기구
40 : 회수기구 42 : 출력축
45 : 발전기 50 : 피스톤(가동부)
60 : 오일 분리기(오일 분리수단)
70 : 오일 도입관(오일 공급회로)
80 : 오일 쿨러(오일 냉각 열교환기)
80a : 실내측 오일 쿨러(제 1 오일 냉각 열교환기)
80b : 실외측 오일 쿨러(제 2 오일 냉각 열교환기)

Claims (12)

1. 압축기구가 접속되며 냉동 사이클을 실행하는 냉매회로를 구비한 냉동장치에 있어서,
   상기 냉매회로에는, 상기 압축기구에서 압축한 고압냉매 중에서 오일을 분리하는 오일 분리수단과, 상기 압축기구의 압축행정 중의 냉매를 냉각하도록 상기 오일 분리수단에서 분리한 오일을 압축기구로 공급하는 오일 공급회로가 설치되며,
   상기 오일 공급회로에는, 이 오일 공급회로를 흐르는 오일의 에너지를 회수하는 회수기구가 설치되고,
   상기 회수기구는, 오일에 의해 회전 구동되는 가동부(可動部)와, 이 가동부에 연결되는 출력축을 갖는 것을 특징으로 하는 냉동장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 오일 공급회로는, 상기 압축기구의 압축행정의 적어도 일부 기간에 냉매가 등온 압축되도록 압축기구로 오일을 공급하는 것을 특징으로 하는 냉동장치.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 냉매회로는, 상기 압축기구에 의해 냉매를 임계압력까지 압축하는 냉동 사이클을 실행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 냉동장치.
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 오일 공급회로는, 상기 압축기구의 압축행정 도중에 오일을 공급하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 냉동장치.
5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 오일 공급회로는, 상기 압축기구의 흡입측에 오일을 공급하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 냉동장치.
6. 삭제
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 압축기구는, 상기 회수기구의 출력축과 연결되어 구동되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 냉동장치.
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 냉매회로에는, 냉매에 의해 회전 구동됨과 더불어 상기 회수기구의 출력축과 연결되는 가동부를 갖는 팽창기구가 배치되는 것을 특징으로 하는 냉동장치.
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 회수기구의 출력축과 연결되어 구동되는 발전기를 구비하는 것을 특징으로 하는 냉동장치.
10. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 오일 공급회로에는, 오일 분리수단에서 분리된 오일을 냉각하기 위한 오일 냉각 열교환기가 접속되는 것을 특징으로 하는 냉동장치.
11. 청구항 10에 있어서,
    상기 냉매회로는, 실내에 설치되는 실내 열교환기를 가지며 이 실내 열교환기를 흐르는 냉매에 의해 실내공기를 가열하는 난방동작을 실행하도록 구성되며,
    상기 오일 냉각 열교환기는, 실내에 설치되며 상기 난방동작 중에 오일의 열을 실내공기로 방출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 냉동장치.
12. 청구항 10에 있어서,
    상기 냉매회로는, 실내에 설치되는 실내 열교환기를 가지며 이 실내 열교환기를 흐르는 냉매에 의해 실내공기를 가열하는 난방동작과, 이 실내 열교환기를 흐르는 냉매에 의해 실내공기를 냉각하는 냉방동작을 전환하여 실행하도록 구성되며,
    상기 오일 공급회로에는, 실내에 설치되며 상기 난방동작 중에 오일의 열을 실내공기로 방출하는 제 1 오일 냉각 열교환기와, 실외에 설치되며 상기 냉방동작 중에 오일의 열을 실내공기로 방출하는 제 2 오일 냉각 열교환기가 접속되는 것을 특징으로 하는 냉동장치.

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