JP5895683B2 - 冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍装置、特に圧縮機に吸入される冷媒を貯留するための冷媒容器を備える冷凍装置に関する。

従来、空気調和装置や給湯装置等の冷凍装置には、アキュームレータが設けられているものがある。アキュームレータは、圧縮機の吸入側に設けられ、冷凍装置の蒸発器から圧縮機に戻される冷媒を一時的に溜めて圧縮機に液冷媒が吸入されるのを抑制する役割を果たす。

冷凍装置の圧縮機では、圧縮機内に溜められている冷凍機油の一部が、圧縮されたガス冷媒と共に圧縮機外へと吐出される油上がりの問題がある。そして、アキュームレータを有する冷凍装置では、ガス冷媒と共に圧縮機外へと吐出された冷凍機油は、冷凍回路を循環して圧縮機に戻る前に液冷媒と一緒にアキュームレータに溜まる。

このようなアキュームレータでは、特許文献１（特開２００４−２６３９９５号公報）に記載されているように、ガス冷媒を圧縮機へと導くための導出管の最下部に、冷凍機油が圧縮機へと戻るような油戻し穴が形成されている。そして、冷凍機油と液冷媒が二層分離しても、特許文献１の冷凍装置では、ホットガスによる撹拌を行うことで最下部にある油戻し穴を介して圧縮機へと冷凍機油を戻している。

しかし、このような撹拌を行って冷凍機油を圧縮機に戻すには時間が掛かる。もし、十分な撹拌が行われないままに急速に冷凍機油を戻そうとすると、多くの液冷媒が最下部の油戻し穴から圧縮機に供給されて湿り運転となり、圧縮機において液圧縮が生じる恐れがある。

本発明の課題は、圧縮機に戻る液冷媒を抑制する一方、多くの冷凍機油を速やかに圧縮機に戻すことである。

本発明の第１観点に係る冷凍装置は、圧縮機と圧縮機の前段に設けられている蒸発器とを備え、圧縮機で用いられる冷凍機油と圧縮機及び蒸発器を含む冷凍回路を循環する冷媒とが混在したときに下方の冷媒リッチ層と上方の油リッチ層とに二層分離し得る環境で運転される冷凍装置であって、蒸発器と圧縮機の吸入口との間に配置され、冷媒を内部空間に貯留する冷媒容器と、圧縮機の吸入口に冷媒を導くため冷媒容器の内部空間に差し込まれ、内部空間のガス冷媒を吸い込む吸込口と冷凍装置の定常運転時における冷媒容器の液面レベルよりも上でかつ吸込口よりも下の位置に形成されている油戻し穴とを有する配管と、所定の条件が満たされたときに、油戻し穴の位置よりも上でかつ吸込口の位置よりも下に冷媒容器の液面レベルを強制的に上げて液面レベル近傍の冷凍機油を配管の油戻し穴を介して圧縮機の吸入口に移動させる油戻し運転を自動で行う制御装置と、をさらに備える。

第１観点に係る冷凍装置では、冷媒容器内で冷媒と冷凍機油とが二層分離して下方の冷媒リッチ層と上方の油リッチ層とが存在しているときに、液面レベルを強制的に上げて、油戻し穴から油リッチ層の冷凍機油を圧縮機の吸入口に戻すことができる。

また、第１観点の冷凍装置においては、冷凍回路において蒸発器の前段に設けられている膨張機構と膨張機構の前段かつ圧縮機の後段に設けられている凝縮器とをさらに備え、制御装置は、油戻し運転において冷媒容器の液面レベルを強制的に上げるために、凝縮器の前段側の過冷却度が冷凍装置の定常運転時の過冷却度の目標値よりも低い値になるように制御する。

また、第１観点に係る冷凍装置では、過冷却度の目標値を強制的に下げることで液面レベルを大幅に上げることができるので、油戻し穴の位置を定常運転時の液面レベルよりも十分に上に設けることができ、定常運転時に油戻し穴から液冷媒が配管に入るのを十分に防ぐことができる。

本発明の第２観点に係る冷凍装置は、第１観点の冷凍装置において、制御装置は、冷凍装置の運転開始から所定時間が経過することを所定の条件とする。

第２観点に係る冷凍装置では、所定時間が経過する毎に定期的に油戻し運転を行わせることができる。

本発明の第３観点に係る冷凍装置は、第１観点又は第２観点の冷凍装置において、配管は、冷凍装置の定常運転時における冷媒容器の液面レベルよりも下の所定の位置に形成され、油戻し穴よりも開口面積の小さい他の油戻し穴をさらに有する。

第３観点に係る冷凍装置では、二層分離しないときには他の油戻し穴を用いて油戻しが行えるので、二層分離しないときの、液面レベルを強制的に上げる制御を省くことができる。

本発明の第４観点に係る冷凍装置は、第３観点の冷凍装置において、制御装置は、冷凍装置の運転開始から所定時間が経過すること及び冷媒容器の周囲の温度が所定温度以下になることを所定の条件とする。

第４観点に係る冷凍装置では、所定温度を二層分離し得る温度に設定することで、二層分離したときに液面レベルを上げて油戻し運転を行わせることができる。

第１観点に係る冷凍装置では、油戻し穴の位置よりも上でかつ吸込口の位置よりも下に冷媒容器の液面レベルを強制的に上げて、定常運転時における冷媒容器の液面レベルよりも上でかつ吸込口よりも下の位置に形成されている油戻し穴から油リッチ層の冷凍機油を圧縮機の吸入口に戻すことができるので、圧縮機に戻る液冷媒を抑制する一方、多くの冷凍機油を速やかに圧縮機に戻すことができる。

また、第１観点に係る冷凍装置では、圧縮機に液冷媒の戻る制御が容易になる。

第２観点に係る冷凍装置では、定期的に油戻し運転が行え、冷凍機油が不足しないようにすることができる。

第３観点に係る冷凍装置では、液面レベルを強制的に上げる制御を省くことができ、空気調和を行う運転を中断する回数を減らして熱交換を効率良く行わせることができる。

第４観点に係る冷凍装置では、二層分離したときに液面レベルを上げて油戻し運転を行わせることができ、空気調和を行う運転を中断する回数を減らしながら冷凍機油が不足しないように油戻し運転を行わせることができる。

本発明の一実施形態に係る空気調和装置の構成の一例を示す回路図。 図１の空気調和装置で用いられる利用側熱交換器の一例を示す正面図。 図１の空気調和装置で用いられる熱源側熱交換器の一例を示す斜視図。 図１の空気調和装置で用いられる冷媒貯留タンクの一例を示す概略図。 冷媒貯留タンクの定常運転時の液面レベルを説明するための概念図。 冷媒貯留タンクの油戻し運転時の液面レベルを説明するための概念図。 図１の空気調和装置の制御装置に接続される機器の一例を示すブロック図。 本発明の変形例に係る冷媒貯留タンクの他の例を示す概略図。

以下、図面に基づいて、本発明に係る冷凍装置として空気調和装置を例に挙げ、空気調和装置の一実施形態について説明する。

（１）空気調和装置の構成の概要
図１は、本発明の一実施形態に係る空気調和装置の構成の概略を示す冷凍回路図である。空気調和装置１０は、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行うことによって、冷却運転としての冷房運転及び加熱運転としての暖房運転を行うことが可能な冷凍装置である。空気調和装置１０は、例えば室外に設置される熱源側ユニット２０と、例えば室内に設置される利用側ユニット３０とを備える。熱源側ユニット２０と利用側ユニット４０とが液側冷媒連絡配管１２及びガス側冷媒連絡配管１３により接続されることによって、冷媒の循環する冷凍回路１１が構成されている。そして、空気調和装置１０内には冷媒が封入されており、後述のように、冷媒が圧縮され、冷却され、減圧され、加熱・蒸発された後に、再び圧縮されるという冷凍サイクル運転が行われるようになっている。冷媒には、例えばＲ３２などが用いられる。また、空気調和装置１０を構成する各種の機器は、制御装置１５によって制御される。制御装置１５は、熱源側ユニット２０に配置されている熱源側制御部１６と利用側ユニット４０に配置されている利用側制御部１７とを含んでおり、これら熱源側制御部１６と利用側制御部１７とが通信線１４によって互いに接続されている。

（１−１）利用側ユニット
利用側ユニット４０は、冷凍回路１１の一部を構成する利用側冷媒回路４０ａを有し、利用側熱交換器４２は利用側冷媒回路４０ａに含まれる。利用側ユニット４０は、さらに、利用側ファン４４を有している。利用側ファン４４は、利用側熱交換器４２に供給する空気の風量を可変することが可能なファンであり、ＤＣファンモータ等からなる利用側ファンモータ４４ａによって回転駆動される。利用側ファン４４により利用側ユニット４０内に空気が取り込まれて利用側熱交換器４２に送風され、利用側熱交換器４２における冷媒と利用側ユニット４０内に取り込まれた空気との熱交換が促進される。利用側ファン４４では、利用側熱交換器４２に送風するために利用側ファンモータ４４ａにより例えば遠心ファンや多翼ファン等が駆動される。

また、利用側ユニット４０には、利用側制御部１７、利用側液管温度センサ４５、利用側ガス管温度センサ４６及び利用側環境温度センサ４７が設けられている。利用側液管温度センサ４５、利用側ガス管温度センサ４６及び利用側環境温度センサ４７で測定された温度についてのデータは、利用側制御部１７に送信される。

（１−１−１）利用側熱交換器
利用側熱交換器４２は、クロスフィン型の熱交換器であり、図２に示されている伝熱フィン４２１を通過する空気と伝熱管４２３の内部を流れる冷媒との間で熱交換を行わせる。この機能により、利用側熱交換器４２は、冷房運転時には、冷媒の蒸発器として機能して利用側ユニット４０内に取り込まれた空気を冷却し、暖房運転時には、冷媒の凝縮器として機能して利用側ユニット４０内に取り込まれた空気を加熱する。図２において、伝熱フィン４２１は、薄いアルミニウム製の平板であり、一枚の伝熱フィン４２１には複数の貫通孔が形成されている。伝熱管４２３は、伝熱フィン４２１の貫通孔に挿入される直管４２３ａと、隣り合う直管４２３ａの端部同士を連結する第１Ｕ字管４２３ｂ及び第２Ｕ字管４２３ｃとから成る。

直管４２３ａは、伝熱フィン４２１の貫通孔に挿入された後、拡管機によって拡管加工され、伝熱フィン４２１と密着する。直管４２３ａと第１Ｕ字管４２３ｂとは一体に形成されており、第２Ｕ字管４２３ｃは、直管４２３ａが伝熱フィン４２１の貫通孔に挿入され拡管加工された後、溶接などによって直管４２３ａの端部に連結される。

（１−２）熱源側ユニット
熱源側ユニット２０は、冷凍回路１１の一部を構成する熱源側冷媒回路２０ａを有している。この熱源側冷媒回路２０ａには、圧縮機２１と四路切換弁２２と熱源側熱交換器２３と膨張機構２４と冷媒貯留タンク５０と液側閉鎖弁２６とガス側閉鎖弁２７と気液分離器２８とこれらの機器を接続する熱源側ユニット冷媒配管３１とが含まれる。熱源側ユニット２０は、熱源側熱交換器２３に対面するように配置され、空気と冷媒との熱交換を促進するため熱源側ファン３５を有している。熱源側ファン３５は、ユニット内に空気を吸入して熱源側熱交換器２３において冷媒と熱交換させ、熱交換後の空気をユニット外に排出する。この熱源側ファン３５は、熱源側熱交換器２３に供給する空気の風量を可変することが可能な送風ファンであり、例えば、ＤＣファンモータ等からなる熱源側ファンモータ３５ａによって駆動されるプロペラファン等である。

また、熱源側ユニット２０には、熱交換器出入口温度センサ３２、熱交換器温度センサ３３、環境温度センサ３４、吐出圧力センサ３６、吐出温度センサ３７、吸入圧力センサ３８及び吸入温度センサ３９が設けられている。熱交換器出入口温度センサ３２、熱交換器温度センサ３３、環境温度センサ３４、吐出温度センサ３７及び吸入温度センサ３９には、例えばサーミスタが用いられる。そして、これらの温度センサ３２〜３４，３７，３８で測定された温度に関するデータは熱源側制御部１６に送信される。

（１−２−１）圧縮機
圧縮機２１は、気液分離器２８を介してガス冷媒を吸入し、吸入したガス冷媒を、冷凍サイクルにおける高圧まで圧縮して吐出側から吐出する。気液分離器２８は、圧縮機２１にガス冷媒を供給するために液冷媒を貯留する機能を有する容器である。換言すれば、この気液分離器２８は、圧縮機２１に付属するアキュームレータである。圧縮機２１は、圧縮機ケーシング２１ａ内に、圧縮機用モータ２１ｂと、駆動軸２１ｃと、圧縮要素２１ｄとが収容された密閉式構造を有している。圧縮機用モータ２１ｂは、駆動軸２１ｃを介して圧縮要素２１ｄを駆動する。例えばインバータにより圧縮機用モータ２１ｂの回転数が制御され、圧縮機２１は、運転容量を可変することができるよう構成されている。圧縮機２１の圧縮機ケーシング２１ａ内の下方部分には、圧縮要素２１ｄ等の潤滑性を良好に保つための冷凍機油が貯留されている。

（１−２−２）四路切換弁
四路切換弁２２は、冷凍回路１１内における冷媒の流れ方向を切り換えるための機構である。四路切換弁２２は、冷房運転時に、圧縮機２１の吐出側と熱源側熱交換器２３のガス側とを接続すると共に圧縮機２１の吸入側とガス側閉鎖弁２７とを気液分離器２８及び冷媒貯留タンク５０を介して接続する。つまり、冷房運転時には、四路切換弁２２は、熱源側制御部１６により制御されて図１の実線状態になる。また、四路切換弁２２は、暖房運転時に、圧縮機２１の吐出側とガス側閉鎖弁２７とを接続すると共に圧縮機２１の吸入側と熱源側熱交換器２３のガス側とを接続する。つまり、暖房運転時には、四路切換弁２２は、熱源側制御部１６により制御されて図１の点線状態になる。

（１−２−３）熱源側熱交換器
熱源側熱交換器２３は、熱源側ユニット２０の外部から取り込んだ空気と内部を流れる冷媒との間で熱交換を行わせる。ここでは熱源側熱交換器２３として、いわゆる積層型の熱交換器が用いられている。熱源側熱交換器２３の容量が利用側熱交換器４２の容量よりも小さくなるので、冷凍回路１１内の冷媒量が低減される。なお、冷房運転時に余剰冷媒が発生するが、その余剰冷媒は冷媒貯留タンク５０に収容されるので、冷媒制御に支障をきたすことは防止される。

図３において、熱源側熱交換器２３は、扁平管２３１、波形フィン２３３及びヘッダ２３５を有している。扁平管２３１は、アルミニウムまたはアルミニウム合金で成形されており、伝熱面となる平面部２３１ａと、冷媒が流れる複数の内部流路（図示省略）を有している。扁平管２３１は、平面部２３１ａを上下に向けた状態で複数段配列されている。

波形フィン２３３は、波形に折り曲げられたアルミニウム製またはアルミニウム合金製のフィンである。波形フィン２３３は、上下に隣接する扁平管２３１に挟まれた通風空間に配置され、谷部および山部が扁平管２３１の平面部２３１ａと接触している。なお、谷部と山部と平面部２３１ａとはロウ付け溶接されている。

ヘッダ２３５は、上下方向に複数段配列された扁平管２３１の両端に連結されている。ヘッダ２３５は、扁平管２３１を支持する機能と、冷媒を扁平管２３１の内部流路に導く機能と、内部流路から出てきた冷媒を集合させる機能とを有している。

熱源側熱交換器２３の正面視において、右側のヘッダ２３５の入口２３５ａから流入した冷媒は、最上段の扁平管２３１の各内部流路へほぼ均等に分配され左側のヘッダ２３５に向って流れる。左側のヘッダ２３５に達した冷媒は、２段目の扁平管２３１の各内部流路へ均等に分配され右側のヘッダ２３５へ向って流れる。以降、奇数段目の扁平管２３１内の冷媒は、左側のヘッダ２３５へ向って流れ、偶数段目の扁平管２３１内の冷媒は、右側のヘッダ２３５に向って流れる。そして、最下段で且つ偶数段目の扁平管２３１内の冷媒は、右側のヘッダ２３５に向って流れ、右側のヘッダ２３５で集合し出口２３５ｂから流出する。

熱源側熱交換器２３が蒸発器として機能するとき、扁平管２３１内を流れる冷媒は、波形フィン２３３を介して通風空間を流れる空気流から吸熱する。熱源側熱交換器２３が凝縮器として機能するときは、扁平管２３１内を流れる冷媒は、波形フィン２３３を介して通風空間を流れる空気流へ放熱する。

本実施形態では、熱源側熱交換器２３を上記のような積層型熱交換器としたことによって、熱源側熱交換器２３の容量が、利用側熱交換器４２の容量よりも小さくなっている。これは、熱源側熱交換器と利用側熱交換器とが共にクロスフィン型熱交換器である組合せに対して、熱源側熱交換器だけを同等の熱交換性能を有する積層型熱交換器に替えたとき、熱源側熱交換器容量／利用側熱交換器容積比が１．０を下回るからである。つまり、積層型熱交換器（熱源側熱交換器２３）の容量がクロスフィン型の従来の熱源側熱交換器の容積に比べて小さくなるだけでなく、それに接続されているクロスフィン型の利用側熱交換器４２の容量よりも小さくなる。それゆえ、冷房運転時に余剰冷媒が発生する。そこで、本実施形態の冷凍回路１１では、その余剰冷媒を冷媒貯留タンク５０に収容している。なお、熱源側熱交換器容量／利用側熱交換器容積比が０．３〜０．９のときに、余剰冷媒を収容する冷媒貯留タンク５０を用いることが好ましいが、熱源側熱交換器容量／利用側熱交換器容積比が１．０の場合でも冷媒貯留タンク５０を用いることによって、安定した冷媒制御が可能となる。

（１−２−４）膨張機構
膨張機構２４は、冷媒圧力や冷媒流量の調節を行うために、熱源側熱交換器２３と液側閉鎖弁２６との間の熱源側ユニット冷媒配管３１に配置される。膨張機構２４は、制御装置１５の指令に応じて開度が調整される電動弁である。

（１−２−５）閉鎖弁及び冷媒連絡配管
液側閉鎖弁２６及びガス側閉鎖弁２７は、手動で開け閉めする手動弁であり、それぞれ、液側冷媒連絡配管１２及びガス側冷媒連絡配管１３に接続されている。液側冷媒連絡配管１２は、利用側ユニット４０の利用側熱交換器４２の液側と熱源側ユニット２０の液側閉鎖弁２６との間を接続している。ガス側冷媒連絡配管１３は、利用側ユニット４０の利用側熱交換器４２のガス側と熱源側ユニット２０のガス側閉鎖弁２７との間を接続している。

（１−２−６）冷媒貯留タンク並びに入口配管及び出口配管
図４は、冷媒貯留タンクの概略構成を示す概念図である。冷媒貯留タンク５０は、図１に示されているように、圧縮機２１の冷媒流れ上流側に配置され、特に圧縮機２１に付属する気液分離器２８の上流側に配置され、圧縮機２１に吸入される冷媒の気液分離や一時的な貯留を行うことが可能な容器である。冷媒貯留タンク５０には、図２に示すように、入口配管５１と、出口配管５２とが差し込まれている。

冷媒貯留タンク５０は、上下方向に延びる縦円筒形状の容器であり、円筒状の胴部５０ａと、胴部５０ａの上下方向の開口部を閉じる椀形の上椀部５０ｂ及び下椀部５０ｃとからなる。そして、冷媒貯留タンク５０の内部空間Ｓには、四路切換弁２２を通過した冷媒が入口配管５１を通って流入する。冷媒貯留タンク５０は、液冷媒が内部空間Ｓの下方部分に貯留されるとともにガス冷媒が内部空間Ｓの上方部分に貯留されることによって、気液二相状態の冷媒がガス冷媒と液冷媒とに分離されるように構成されている。この分離されたガス冷媒が出口配管５２を通って圧縮機２１に付属している気液分離器２８に流出する。気液分離器２８は、例えば従来と同様の油戻し穴を備えており、油戻し運転を行わなくても油戻しが可能な構成を有している。

入口配管５１は、四路切換弁２２から冷媒貯留タンク５０に延びる配管である。入口配管５１は、上椀部５０ｂを下方に向かって貫通して内部空間Ｓに差し込まれている。そして、入口配管５１の流入口５１ａは、冷媒貯留タンク５０の内部空間Ｓの上部空間に位置するように配置されている。定常運転時には、この内部空間Ｓの上部空間はガス冷媒で満たされており、正常な状態では流入口５１ａまでは液冷媒が到達しない。従って、この流入口５１ａから内部空間Ｓに流入した気液二層状態の冷媒の中の液冷媒が内部空間Ｓの下方に落ちる一方、気液二層状態の冷媒の中のガス冷媒が内部空間Ｓの上部空間に広がる。

出口配管５２は、冷媒貯留タンク５０から気液分離器２８に延びる配管である。出口配管５２は、上椀部５０ｂを下方から上方に向かって貫通して内部空間Ｓから冷媒貯留タンク５０の外部に向かって延びており、内部空間ＳでＵ字型に曲がっている。そして、出口配管５２の吸込口５２ａは、その開口を上方に向けて、冷媒貯留タンク５０の内部空間Ｓの上部空間に位置するように配置されている。定常運転時には、この内部空間Ｓの上部空間はガス冷媒で満たされており、正常な状態では吸込口５２ａまでは液冷媒が到達しない。従って、この吸込口５２ａから外部に流出する冷媒は、気液二層状態の冷媒から分離されたガス冷媒のみになる。

出口配管５２には、油戻し穴５２ｂが設けられている。この油戻し穴５２ｂは、吸込口５２ａよりも長さＬ１だけ下方に下がった位置よりも上に設けられている。すなわち、油戻し穴５２ｂは、一般的なアキュームレータの出口管に形成される、圧縮機２１の停止時の液冷媒戻り防止などの役割を担う均圧穴とは異なる穴である。均圧穴は、アキュームレータ内の圧力とその下流側配管内の圧力のバランスをとる役目を果たし、その個数や開口径を調整することによって下流側配管内を流れるガス冷媒の流量を調整するものであるから、液冷媒が到達することのない極めて高い位置に配置されるものである。従って、後述するように油戻しの時に液冷媒が到達する位置に配置されている油戻し穴５２ｂは均圧穴とは異なるものであって、図示を省略しているが均圧穴は油戻し穴５２ｂとは別に設けられるものである。

ここで、冷凍機油の混ざった液冷媒の液面レベルと油戻し穴５２ｂの高さとの関係について図５及び図６を用いて説明する。図５に符号ＬＬｓで示されている位置が定常運転時の液面レベルである。ここでは、油戻しの際の運転を非定常時運転（以下油戻し運転という）とし、それ以外の空気調和装置１０が正常に運転されているときの運転を定常時運転として区別する。定常時の液面レベルＬＬｓは、空気調和装置１０の定常運転時に冷媒貯留タンク５０の内部空間Ｓに貯留される液冷媒の最高の液面レベルで定義される。従って、空気調和装置１０の正常な運転の場合には、定常時の液面レベルＬＬｓ以下になることはあっても、液面レベルＬＬｓを超えることはない。定常時の液面レベルＬＬｓは、空気調和装置１０の運転条件を種々設定して予め実験などを行うことにより決定される。例えば、冷凍回路１１内において、冷媒の蒸発器として機能する熱源側熱交換器２３又は利用側熱交換器４２で蒸発しきれなかった冷媒が多く存在するような温調条件で決定される。例えば、暖房運転を行っている場合の環境温度が低い温度であるような所定の条件を用いて運転した空気調和装置１０の冷媒貯留タンク５０の液面レベルに基づいて決定される。

なお、デフロスト運転時や起動運転時に一時的に冷媒貯留タンク５０の液冷媒の液面レベルが高くなるような空気調和装置１０にあって、そのときに油戻し穴から液冷媒が気液分離器２８の方に流出してもよい場合には、このようなデフロスト運転や起動運転を定常運転から除外して定常運転を定義してもよい。

油戻し運転時の液面レベルＬＬａは、図６に示されているように、油戻し穴５２ｂよりも高い位置にある。図６において符号ＬＬｂで示したレベルは、油戻し運転時に油リッチ層と冷媒リッチ層との境界面のレベルの一例である。油リッチ層と冷媒リッチ層の境界面は、例えばＲ３２など肉眼で視認できる場合もあるが、判別し難い場合もある。また、境界面の液面レベルＬＬｂは冷凍機油の量によっても変化する。図６に示されている境界面のレベルＬＬｂは、油リッチ層と冷媒リッチ層が比較的明確に分離してかつ冷凍機油を戻すのに好ましい位置にある場合の例である。

油戻し穴５２ｂと定常時の液面レベルＬＬｓと油戻し運転時の液面レベルＬＬａと境界面のレベルＬＬｂの関係を吸込口５２ａの高さを基準に比較すると次のようになる。つまり、吸込口５２ａから油戻し運転時の液面レベルＬＬａまでの長さＬ３＜吸込口５２ａから油戻し穴５１ｂまでの長さＬ１＜吸込口５２ａから定常時の液面レベルＬＬｓまでの長さＬ２、の関係が成り立つように設定されている。そして、好ましくは、図６に示されているように、吸込口５２ａから油戻し穴５１ｂまでの長さＬ１＜吸込口５２ａから境界面のレベルＬＬｂまでの長さＬ４、の関係が成り立つことである。ただし、液バックが起こらないように、油戻し運転時の液面レベルＬＬａは、吸込口５２ａよりも高くなることがないように設定されている。

（２）制御装置
空気調和装置１０における空気調和の動作を正しく効率よく行わせるために、熱源側ユニット２０及び利用側ユニット４０は、それぞれの機器の中に組み込まれた熱源側制御部１６及び利用側制御部１７によって制御される。図７に示されているように、制御装置１５を構成する熱源側制御部１６と利用側制御部１７とは、通信線１４を介して互いに接続されて相互にデータの送受信を行っている。熱源側制御部１６及び利用側制御部１７は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）やメモリや周辺回路などを含んで構成されている。

熱源側ユニット２０の熱源側熱交換器２３の周囲には、熱交換器出入口温度センサ３２及び熱交換器温度センサ３３が設けられ、熱源側ユニット２０の空気の吸込口側には、内部に流入する空気の温度（すなわち、熱源側ユニット２０が置かれている環境温度）を検出する環境温度センサ３４が設けられている。熱交換器温度センサ３３では、熱源側熱交換器２３の内部の冷媒の温度が測定される。熱源側熱交換器２３の出入口に設けられている熱交換器出入口温度センサ３２では、熱源側熱交換器２３から利用側ユニット４０へと流れる冷媒の温度が測定される。また、圧縮機２１の吐出側の冷媒配管には、圧縮機吐出圧力を検出する吐出圧力センサ３６と、圧縮機吐出温度を検出する吐出温度センサ３７とが設けられている。圧縮機２１の吸入側の冷媒配管には、圧縮機２１の吸入圧力を検出する吸入圧力センサ３８と、圧縮機２１に吸入されるガス冷媒の温度を検出する吸入温度センサ３９とが設けられている。吸入圧力センサ３８及び吐出圧力センサ３６などで測定された冷媒の圧力のデータは熱源側制御部１６に送信される。

さらに、熱源側制御部１６には、圧縮機２１の圧縮機用モータ２１ｂ、四路切換弁２２、膨張機構２４及び熱源側ファンモータ３５ａが接続されている。この熱源側制御部１６により、例えば圧縮機用モータ２１ｂや熱源側ファンモータ３５ａの回転数やそれらの運転・停止が制御され、四路切換弁２２の切換えが制御され、膨張機構２４の開度が制御される。

利用側ユニット４０には、利用側熱交換器４２の出入口の冷媒の温度を測定するための利用側液管温度センサ４５と利用側ガス管温度センサ４６が設けられ、利用側ユニット４０の環境温度を測定するための利用側環境温度センサ４７が設けられている。これらの温度センサ４５〜４７で測定された温度のデータは、利用側制御部１７に送信される。また、利用側制御部１７には、利用側ファン４４の利用側ファンモータ４４ａ、風向調節機構４８及び表示部４９などが接続されている。この利用側制御部１７により、例えば利用側ファンモータ４４ａの回転数や運転・停止が制御される。風向調節機構４８が利用側ユニット４０に設けられた風向調節板（図示省略）などの角度を変更することにより、利用側ユニット４０の吹出口から吹き出される調和空気の向きが調節される。利用側制御部１７は、各種の表示を行うため表示部４９に対して表示を指示する制御信号を出力する。

（３）空気調和装置の運転
次に、本実施形態に係る空気調和装置１の基本的な動作について説明する。なお、以下に説明する各種運転における制御は制御装置１５によって行われる。

（３−１）冷房運転
冷房運転時は、四路切換弁２２が図１の実線で示される状態、すなわち、利用側ユニット４０においては、圧縮機２１の吐出側が熱源側熱交換器２３のガス側に接続され、かつ、圧縮機２１の吸入側がガス側閉鎖弁２７及びガス側冷媒連絡配管１３を介して利用側熱交換器４２のガス側に接続された状態となっている。冷房運転時、液側閉鎖弁２６及びガス側閉鎖弁２７は開状態にされ、利用側ユニット４０の膨張機構２４は、利用側熱交換器４２の出口（すなわち、利用側熱交換器４２のガス側）における冷媒の過熱度が所定の過熱度目標値になるように開度調節される。例えば、利用側ユニット４０の利用側熱交換器４２の出口における冷媒の過熱度は、利用側ガス管温度センサ４６により検出される冷媒温度値から利用側液管温度センサ４５により検出される冷媒温度値（蒸発温度に対応）を差し引くことによって検出される。この空気調和装置１０の状態で、圧縮機２１、熱源側ファン３５及び利用側ファン４４が駆動されており、低圧のガス冷媒は、圧縮機２１に吸入されて圧縮されて高圧のガス冷媒となる。その後、高圧のガス冷媒は、四路切換弁２２を経由して熱源側熱交換器２３に送られて、熱源側ファン３５によって供給される空気と熱交換され、凝縮されて高圧の液冷媒となる。高圧の液冷媒は、膨張機構２４によって圧縮機２１の吸入圧力近くまで減圧されて低圧の気液二相状態の冷媒となる。

そして、低圧の気液二相状態の冷媒は、熱源側ユニット２０から液側閉鎖弁２６及び液側冷媒連絡配管１２を経由して利用側ユニット４０に送られる。低圧の気液二相状態の冷媒は、利用側ユニット４０の利用側熱交換器４２に入り、利用側熱交換器４２において空気と熱交換され、蒸発させられて低圧のガス冷媒となる。

この低圧のガス冷媒は、ガス側冷媒連絡配管１３を経由して熱源側ユニット２０に送られ、ガス側閉鎖弁２７及び四路切換弁２２を経由して、再び、圧縮機２１に吸入される。その際、冷凍回路１１において余った冷媒は、冷媒貯留タンク５０に貯留される。さらに、冷媒貯留タンク５０から気液分離器２８に送られた低圧のガス冷媒にまだ液冷媒が混じっている場合には、気液分離器２８でガス冷媒が分離されて圧縮機２１に送られる。

（３−２）暖房運転
暖房運転時は、四路切換弁２２が図１の破線で示される状態、すなわち、圧縮機２１の吐出側がガス側閉鎖弁２７及びガス側冷媒連絡配管１３を介して利用側熱交換器４２のガス側に接続され、かつ、圧縮機２１の吸入側が熱源側熱交換器２３のガス側に接続された状態となっている。そのため、液側閉鎖弁２６及びガス側閉鎖弁２７は、開状態にされている。膨張機構２４は、利用側熱交換器４２の出口における冷媒の過冷却度が所定の過冷却度目標値になるように開度調節されるようになっている。利用側熱交換器４２の出口における冷媒の過冷却度は、吐出圧力センサ３６により検出される圧縮機２１の吐出圧力が凝縮温度に対応する飽和温度値に換算され、この冷媒の飽和温度値から利用側液管温度センサ４５により検出される冷媒温度値が差し引かれることによって検出される。

冷凍回路１１において、まず、低圧のガス冷媒が圧縮機２１に吸入されて圧縮され、高圧のガス冷媒となり、高圧のガス冷媒が四路切換弁２２、ガス側閉鎖弁２７及びガス側冷媒連絡配管１３を経由して利用側ユニット４０に送られる。利用側ユニット４０に送られた高圧のガス冷媒は、利用側熱交換器４２において空気と熱交換され、凝縮されて高圧の液冷媒となる。この高圧の液冷媒は、液側冷媒連絡配管１２及び液側閉鎖弁２６を経由して熱源側ユニット２０に送られる。

熱源側ユニット２０では、高圧の液冷媒が膨張機構２４を通過する際に、膨張機構２４の弁開度に応じて減圧される。この膨張機構２４を通過した冷媒は、熱源側熱交換器２３に流入する。そして、熱源側熱交換器２３に流入した低圧の気液二相状態の冷媒は、熱源側ファン３５によって供給される空気と熱交換され、蒸発して低圧のガス冷媒となる。この低圧のガス冷媒は、四路切換弁２２を経由して、再び、圧縮機２１に吸入される。その際、四路切換弁２２から冷媒貯留タンク５０及び気液分離器２８を経由して圧縮機２１に送られる。

（３−３）油戻し運転
制御装置１５は、定期的に油戻し運転を行わせるために、例えば熱源側制御部１６のタイマー１６ａ（図７参照）に基づいて油戻し運転を行うタイミングを決定する。熱源側制御部１６は、運転開始からの時間を計測し、予め設定されている所定時間が経過すると、制御装置１５は、油戻し運転を行うための制御に切り換える。

上述の冷房運転や暖房運転は定常運転であり、図５に示されているように、冷房運転時や暖房運転時の冷媒貯留タンク５０の液冷媒の液面は液面レベルＬＬｓ以下である。油戻し運転は非定常運転であり、図６に示されているように、制御装置１５によって運転条件が変更されることにより冷媒貯留タンク５０の液冷媒の液面が上昇する。具体的には、制御装置１５の制御によって、冷媒貯留タンク５０の液冷媒が液面レベルＬＬａまで上昇し、液冷媒の液面レベルが油戻し穴５２ｂの位置よりも上でかつ吸込口５２ａの位置よりも下にある状態になる。それにより、液面レベルＬＬａと液面レベルＬＬｂとの間にある油リッチ層に油戻し穴５２ｂが面し、液冷媒の戻りを少なくしながら多くの冷凍機油を気液分離器２８に出口配管５２を経て送ることができる。

このような冷媒貯留タンク５０の液面レベルの上昇を行わせるには、制御装置１５が例えば次のような制御を行う。図６に示されているような油リッチ層と冷媒リッチ層に分離させるのは、例えば冷媒がＲ３２であれば熱源側ユニット２０の環境温度が低い場合が主になるので、暖房時の油戻し運転の制御について説明する。暖房時にはユーザーがリモートコントローラ（図示省略）を用いて利用側制御部１７に暖房運転を指示しているので、空気調和装置１０では起動後すぐに暖房運転が開始される。暖房運転開始後、熱源側制御部１６のタイマー１６ａが所定時間になると、制御装置１５は、暖房運転を停止して油戻し運転に切り換える。暖房運転では、利用側熱交換器４２の出口における冷媒の過冷却度が所定の過冷却度目標値になるように膨張機構２４が開度調節されていたが、油戻し運転では暖房運転時に用いられていた所定の過冷却度目標値が小さな値に変更される。ここで、暖房時の所定の過冷却度目標値を暖房過冷却度目標値Ｔｈといい、油戻し運転時の所定の過冷却度目標値を油戻し過冷却度目標値Ｔｏというものとし、Ｔｈ＞Ｔｏの関係が成り立っているものとする。

油戻し過冷却度目標値Ｔｏが暖房過冷却度目標値Ｔｈよりも小さくなるため、利用側熱交換器４２の内部に滞留する液冷媒は暖房運転時に比べて油戻し運転時の方が少なくなる。そのため、油戻し運転時に利用側熱交換器４２に滞留できなくなった液冷媒は、冷凍回路１１の他の部分すなわち冷媒貯留タンク５０に溜まることになる。油戻し運転時に制御装置１５が過冷却度目標値を暖房過冷却度目標値Ｔｈから油戻し過冷却度目標値Ｔｏに切り換えることにより、冷媒貯留タンク５０の液冷媒の量が増えて液面が液面レベルＬＬｓから液面レベルＬＬａに変化する。油戻し過冷却度目標値Ｔｏに切り換えてからタイマー１６ａが油戻し運転の時間の終了を計測するまで、制御装置１５は油戻し運転を継続する。

油戻し運転時には、冷媒貯留タンク５０から油リッチ層の液冷媒が気液分離器２８に流れ込むことになる。この気液分離器２８においても貯留される液冷媒の上方に冷凍機油がさらに多く含まれるようになるから、液冷媒で満たされる気液分離器２８の空間内の比較的上方に油戻し穴を設けておくことで、より多くの冷凍機油を気液分離器２８から圧縮機２１に戻すことができる。

（４）変形例
以上、本発明の一実施形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で例えば以下のように変更可能である。

（４−１）変形例Ａ
上記実施形態では、暖房時の油戻し運転について説明したが、冷房時においても暖房時の油戻し運転と同様に、制御装置１５によって運転条件を変更し、冷媒貯留タンク５０の液冷媒の液面レベルを上昇させるようにすることもできる。

しかし、冷房運転時には、暖房運転時と異なって熱源側ユニット２０の環境温度が低くならないため例えば冷媒にＲ３２を用いた場合に油リッチ層と冷媒リッチ層の二層に分離しないことが予想される。そこで、冷房運転時には従来と同様に油戻しが行えるように、従来と同様に油戻し穴５２ｂ以外の油戻し穴を出口配管５２に設けるようにしてもよい。

図８に示されているように、変形例Ａに係る冷媒貯留タンク５０Ａの出口配管５２Ａには、常時油戻し穴５２ｃ（他の油戻し穴）が形成されている。常時油戻し穴５２ｃは、冷媒貯留タンク５０の内部空間Ｓの下部に液冷媒と共に貯留された冷凍機油を圧縮機２１へ戻すための穴である。圧縮機２１（圧縮機用モータ２１ｂ）の暖房時の運転において、常時油戻し穴５２ｃを介して多くの液冷媒が圧縮機２１へと戻され、圧縮機２１の湿り運転が生じることが懸念される。そこで、常時油戻し穴５２ｃの直径を、油戻し運転の際に用いられる油戻し穴５２ｂよりも小さくして開口面積を小さく形成し、かつ従来の一般的な油戻し穴よりも小さく形成することが好ましい。

（４−２）変形例Ｂ
上記変形例Ａでは、暖房時に暖房運転の開始後、熱源側制御部１６のタイマー１６ａが所定時間の経過を計測する毎に制御装置１５が油戻し運転を行わせる場合について説明したが、制御装置１５に油戻し運転を行わせる条件はこのような場合に限られるものではない。例えば、圧縮機２１を備える熱源側ユニット２０の環境温度つまり冷媒貯留タンク５０Ａの周囲の温度が所定温度以下になることを条件に加えることができる。

例えば冷媒にＲ３２を用いた場合に冷媒リッチ層と油リッチ層とに二層分離する温度を所定温度とすれば、冷媒貯留タンク５０Ａの周囲の温度が所定温度以下になると図６に示されているような状態が出現する。冷媒貯留タンク５０Ａに貯留されている冷媒が二層分離していなければ、図８に示されている常時油戻し穴５２ｃによって油戻しを行えばよい。

そこで、環境温度センサ３４によって環境温度が所定温度以下になったことが検出されると、制御装置１５は、タイマー１６ａによって所定温度以下になってからの時間経過を計測する。まず、空気調和装置１０の始動時に環境温度センサ３４が所定温度以下であることを検出すると、油戻し運転が行われる。暖房運転が開始されてから所定時間が経過する毎に再度環境温度センサ３４による環境温度の監視が始まる。その後、環境温度が所定温度以下になっている状態のまま所定時間を経過する毎に油戻し運転が行われる。それにより、油リッチ層を使って油戻しが行えるので、油戻しを早く行わせることができる。しかも、油リッチ層を使って油戻しをすることにより、液冷媒が圧縮機２１に戻るのを抑制することができる。

（４−３）変形例Ｃ
上記実施形態では、冷媒貯留タンク５０の後段に気液分離器２８を設けているが、この気液分離器２８を取り除くことも可能である。

（５）特徴
上記実施形態で説明した空気調和装置１０は、暖房運転において、圧縮機２１と圧縮機２１の前段に設けられている熱源側熱交換器２３（蒸発器）とを備え、圧縮機２１で用いられる冷凍機油と圧縮機２１及び熱源側熱交換器２３を含む冷凍回路１１を循環する冷媒とが混在したときに下方の冷媒リッチ層と上方の油リッチ層とに二層分離し得る環境で運転される冷凍装置である。空気調和装置１０は、冷媒貯留タンク５０（冷媒容器）と出口配管５２と制御装置１５とを備えている。冷媒貯留タンク５０は、熱源側熱交換器２３と圧縮機２１の吸入口との間に配置され、冷媒を内部空間Ｓに貯留する。出口配管５２は、圧縮機２１の吸入口に冷媒を導くため冷媒貯留タンク５０の内部空間Ｓに差し込まれ、内部空間Ｓのガス冷媒を吸い込む吸込口５２ａと空気調和装置１０（冷凍装置）の定常運転時における冷媒貯留タンク５０の液面レベルＬＬｓよりも上でかつ吸込口５２ａよりも下の位置に形成されている油戻し穴５２ｂとを有する。

制御装置１５は、タイマー１６ａが所定時間の経過を検出するごとに（所定の条件が満たされたときに）、油戻し穴５２ｂの位置よりも上でかつ吸込口５２ａの位置よりも下に冷媒貯留タンク５０の液面を液面レベルＬＬａまで強制的に上げて液面レベルＬＬａ近傍の冷凍機油を出口配管５２の油戻し穴５２ｂを介して圧縮機２１の吸入口に移動させる油戻し運転を自動で行う。

その結果、冷媒貯留タンク５０内で冷媒と冷凍機油とが二層分離して下方の冷媒リッチ層と上方の油リッチ層とが存在しているときに、液面を液面レベルＬＬａまで強制的に上げて、油戻し穴５２ｂから油リッチ層の冷凍機油を圧縮機２１の吸入口に戻すことができる。それにより、圧縮機２１に戻る液冷媒を抑制する一方、多くの冷凍機油を速やかに圧縮機２１に戻すことができる。

さらに、制御装置１５は、過冷却度の目標値を強制的に油戻し過冷却度目標値Ｔｏまで下げることで液面を液面レベルＬＬａまで大幅に上げることができるので、油戻し穴５２ｂの位置を定常運転時の液面レベルＬＬｓよりも十分に上に設けることができ、定常運転時に油戻し穴５２ｂから液冷媒が出口配管５２に入るのを十分に防ぐことができる。

１０ 空気調和装置
５０ 冷媒貯留タンク
５１ 入口配管
５２ 出口配管
５２ａ 吸込口
５２ｂ 油戻し穴
Ｓ 内部空間

特開２００４−２６３９９５号公報

Claims (4)

1. 圧縮機（２１）と前記圧縮機の前段に設けられている蒸発器（２３）とを備え、前記圧縮機で用いられる冷凍機油と前記圧縮機及び前記蒸発器を含む冷凍回路（１１）を循環する冷媒とが混在したときに下方の冷媒リッチ層と上方の油リッチ層とに二層分離し得る環境で運転される冷凍装置であって、
   前記蒸発器と前記圧縮機の吸入口との間に配置され、前記冷媒を内部空間に貯留する冷媒容器（５０）と、
   前記圧縮機の前記吸入口に前記冷媒を導くため前記冷媒容器の内部空間に差し込まれ、前記内部空間のガス状の前記冷媒を吸い込む吸込口（５２ａ）と前記冷凍装置の定常運転時における前記冷媒容器の液面レベルよりも上でかつ前記吸込口よりも下の位置に形成されている油戻し穴（５２ｂ）とを有する配管（５２）と、
   所定の条件が満たされたときに、前記油戻し穴の位置よりも上でかつ前記吸込口の位置よりも下に前記冷媒容器の液面レベルを強制的に上げて液面レベル近傍の前記冷凍機油を前記配管の前記油戻し穴を介して前記圧縮機の前記吸入口に移動させる油戻し運転を自動で行う制御装置（１５）と、
   前記冷凍回路において前記蒸発器の前段に設けられている膨張機構と前記膨張機構の前段かつ前記圧縮機の後段に設けられている凝縮器（４２）と
   をさらに備え、
   前記制御装置は、前記油戻し運転において前記冷媒容器の液面レベルを強制的に上げるために、前記凝縮器の前段側の過冷却度が前記冷凍装置の定常運転時の過冷却度の目標値よりも低い値になるように制御する、冷凍装置。
2. 前記制御装置は、前記冷凍装置の運転開始から所定時間が経過することを前記所定の条件とする、
   請求項１に記載の冷凍装置。
3. 前記配管は、前記冷凍装置の定常運転時における前記冷媒容器の液面レベルよりも下の所定の位置に形成され、前記油戻し穴よりも開口面積の小さい他の油戻し穴（５２ｃ）をさらに有する、
   請求項１又は請求項２に記載の冷凍装置。
4. 前記制御装置は、前記冷凍装置の運転開始から所定時間が経過すること及び前記冷媒容器の周囲の温度が所定温度以下になることを前記所定の条件とする、
   請求項３に記載の冷凍装置。

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