特開 2024-146884 冷凍サイクルシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024146884

(43)【公開日】2024-10-15

(54)【発明の名称】冷凍サイクルシステム

(51)【国際特許分類】

   F25B 1/00 20060101AFI20241004BHJP

   F25B 43/00 20060101ALI20241004BHJP

【ＦＩ】

F25B1/00 387G

F25B1/00 304H

F25B1/00 361A

F25B1/00 371B

F25B43/00 D

F25B43/00 G

F25B1/00 331G

F25B1/00 321J

【審査請求】有

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2024053637

(22)【出願日】2024-03-28

(31)【優先権主張番号】P 2023059208

(32)【優先日】2023-03-31

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(71)【出願人】

【識別番号】000002853

【氏名又は名称】ダイキン工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100104880

【弁理士】

【氏名又は名称】古部 次郎

(72)【発明者】

【氏名】井吉 悠太

(72)【発明者】

【氏名】宮崎 猛

(72)【発明者】

【氏名】吉見 敦史

(72)【発明者】

【氏名】山野井 喜記

(72)【発明者】

【氏名】堀田 卓也

(72)【発明者】

【氏名】松井 秀徳

(72)【発明者】

【氏名】岡 祐輔

(72)【発明者】

【氏名】東 翔太

(57)【要約】

【課題】環境温度が潤滑油の密度と液体状態の冷媒の密度とが逆転する温度となった場合であっても、圧縮機における潤滑不良を抑制する。
【解決手段】冷凍サイクルシステムは、潤滑油により潤滑され、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機により圧縮後、放熱および減圧した冷媒を通過させ、通過する冷媒と対象物とを熱交換させる蒸発器と、蒸発器から圧縮機までの間に設けられ、冷媒と潤滑油とを貯留可能な貯留容器と、を備え、貯留容器が設置される環境温度が潤滑油の密度と液体状態の冷媒の密度とが逆転する逆転温度となった場合でも、貯留容器に貯留された潤滑油を圧縮機に供給できる。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

潤滑油により潤滑され、冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機により圧縮後、放熱および減圧した冷媒を通過させ、通過する冷媒と対象物とを熱交換させる蒸発器と、
前記蒸発器から前記圧縮機までの間に設けられ、前記冷媒と前記潤滑油とを貯留可能な貯留容器と、を備え、
前記貯留容器が設置される環境温度が前記潤滑油の密度と液体状態の前記冷媒の密度とが逆転する逆転温度となった場合でも、当該貯留容器に貯留された当該潤滑油を前記圧縮機に供給できる
ことを特徴とする冷凍サイクルシステム。

【請求項2】

前記冷媒の状態を制御する制御部を備え、
前記制御部は、前記環境温度が前記逆転温度となった場合に、前記貯留容器に流入する前記冷媒に過熱がつくように制御可能であることを特徴とする、請求項１に記載の冷凍サイクルシステム。

【請求項3】

前記蒸発器を通過させる冷媒の圧力を調整する電動弁を備え、
前記制御部は、前記貯留容器に流入する冷媒に過熱をつける制御として、前記電動弁の開度を、当該過熱をつける制御の前よりも小さくするように制御可能であることを特徴とする、請求項２に記載の冷凍サイクルシステム。

【請求項4】

前記制御部は、前記貯留容器に流入する冷媒に過熱をつける制御として、前記圧縮機における圧縮のための運動の周波数を、当該過熱をつける制御の前よりも大きくするように制御可能であることを特徴とする、請求項２に記載の冷凍サイクルシステム。

【請求項5】

前記貯留容器は、前記環境温度が前記逆転温度となり、当該貯留容器内にて液体状態の前記冷媒が前記潤滑油よりも下の層になった場合にも、当該潤滑油を吸い出して前記圧縮機に供給できる油吸入機構を有することを特徴とする、請求項１に記載の冷凍サイクルシステム。

【請求項6】

前記油吸入機構は、
前記貯留容器内にて前記潤滑油の吸い取りを行う配管上に、当該貯留容器の底面からの高さが異なる複数の孔を有し、
前記複数の孔により、液体状態の前記冷媒および前記潤滑油を吸い出し可能であり、
吸い出した液体状態の前記冷媒および前記潤滑油を、自システムにおいて前記逆転温度よりも温度の高い高温部と熱交換した後に、前記圧縮機に供給することを特徴とする、請求項５に記載の冷凍サイクルシステム。

【請求項7】

前記環境温度が前記逆転温度となった場合でも、前記貯留容器に貯留した液体状態の前記冷媒と前記潤滑油とを昇温して、密度の逆転の解消が可能であることを特徴とする、請求項１に記載の冷凍サイクルシステム。

【請求項8】

前記貯留容器に取り付けられ、当該貯留容器に貯留した液体状態の前記冷媒と前記潤滑油とを昇温可能なヒータを有することを特徴とする、請求項７に記載の冷凍サイクルシステム。

【請求項9】

前記圧縮機にて圧縮した冷媒を通過させ、通過する冷媒から熱を取り出して放熱する放熱器を備え、
前記貯留容器または当該貯留容器内の液体状態の前記冷媒と、前記放熱器を通過した冷媒との熱交換が可能であることを特徴とする、請求項７に記載の冷凍サイクルシステム。

【請求項10】

前記貯留容器または当該貯留容器内の液体状態の前記冷媒と、前記圧縮機による排熱との熱交換が可能であることを特徴とする、請求項７に記載の冷凍サイクルシステム。

【請求項11】

前記潤滑油はポリアルキレングリコールであることを特徴とする、請求項１に記載の冷凍サイクルシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、冷凍サイクルシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、冷媒循環系統の圧縮機と蒸発器との間に低圧レシーバを配置した冷凍装置において、低圧レシーバの圧縮機側の冷媒配管に、低圧レシーバに溜まった潤滑油を圧縮機に戻すための油戻し用開口を形成するとともに、低圧レシーバの底面と蒸発器との間に、圧縮機の運転停止時に低圧レシーバに溜まった液冷媒を蒸発器へ流下させる連通管を設けた冷凍装置の液戻り防止装置について記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開昭６３－１７２８７０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

例えば特許文献１に記載の低圧レシーバのように、冷凍サイクルシステムにおいて冷媒が循環する回路上に、液体状態の冷媒（「液冷媒」と呼ぶ場合がある。）を貯留可能な貯留容器を設ける場合がある。このような貯留容器には、圧縮機内の潤滑を確保するために、冷媒とともに回路を循環する、潤滑油も貯留される。そして、液冷媒と潤滑油とが非相溶である場合、貯留容器内で上層と下層とに分離しており、潤滑油は、例えば特許文献１の油戻し用開口のような給油機構によって、圧縮機へ供給されることになる。
ここで、液冷媒と潤滑油との組み合わせによっては、ある温度において互いの密度が逆転し、上層と下層とが入れ替わる。上層と下層とが入れ替わると、従来の給油機構では圧縮機への給油が困難となり、圧縮機において潤滑不良が生じてしまう。
本開示は、環境温度が潤滑油の密度と液体状態の冷媒の密度とが逆転する温度となった場合であっても、圧縮機における潤滑不良を抑制する冷凍サイクルシステムを提案する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

第１の観点の冷凍サイクルシステムは、潤滑油により潤滑され、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機により圧縮後、放熱および減圧した冷媒を通過させ、通過する冷媒と対象物とを熱交換させる蒸発器と、前記蒸発器から前記圧縮機までの間に設けられ、前記冷媒と前記潤滑油とを貯留可能な貯留容器と、を備え、前記貯留容器が設置される環境温度が前記潤滑油の密度と液体状態の前記冷媒の密度とが逆転する逆転温度となった場合でも、当該貯留容器に貯留された当該潤滑油を前記圧縮機に供給できることを特徴とする。この場合、環境温度が潤滑油の密度と液体状態の冷媒の密度とが逆転する温度となった場合であっても、圧縮機における潤滑不良を抑制する。
第２の観点の冷凍サイクルシステムは、第１の観点の冷凍サイクルシステムであって、前記冷媒の状態を制御する制御部を備え、前記制御部は、前記環境温度が前記逆転温度となった場合に、前記貯留容器に流入する前記冷媒に過熱がつくように制御可能であることを特徴とする。この場合、過熱をつける制御を行わない場合と比較して、潤滑油が圧縮機に供給され易くなる。
第３の観点の冷凍サイクルシステムは、第２の観点の冷凍サイクルシステムであって、前記蒸発器を通過させる冷媒の圧力を調整する電動弁を備え、前記制御部は、前記貯留容器に流入する冷媒に過熱をつける制御として、前記電動弁の開度を、当該過熱をつける制御の前よりも小さくするように制御可能であることを特徴とする。
第４の観点の冷凍サイクルシステムは、第２の観点の冷凍サイクルシステムであって、前記制御部は、前記貯留容器に流入する冷媒に過熱をつける制御として、前記圧縮機における圧縮のための運動の周波数を、当該過熱をつける制御の前よりも大きくするように制御可能であることを特徴とする。
第５の観点の冷凍サイクルシステムは、第１の観点の冷凍サイクルシステムであって、前記貯留容器は、前記環境温度が前記逆転温度となり、当該貯留容器内にて液体状態の前記冷媒が前記潤滑油よりも下の層になった場合にも、当該潤滑油を吸い出して前記圧縮機に供給できる油吸入機構を有することを特徴とする。この場合、潤滑油の層が下の層となった場合であっても、圧縮機における潤滑不良を抑制する。
第６の観点の冷凍サイクルシステムは、第５の観点の冷凍サイクルシステムであって、前記油吸入機構は、前記貯留容器内にて前記潤滑油の吸い取りを行う配管上に、当該貯留容器の底面からの高さが異なる複数の孔を有し、前記複数の孔により、液体状態の前記冷媒および前記潤滑油を吸い出し可能であり、吸い出した液体状態の前記冷媒および前記潤滑油を、自システムにおいて前記逆転温度よりも温度の高い高温部と熱交換した後に、前記圧縮機に供給することを特徴とする。この場合、高温部との熱交換を行わない場合に比べ、液体状態の冷媒が流入することによる圧縮機への負荷を軽減する。
第７の観点の冷凍サイクルシステムは、第１の観点の冷凍サイクルシステムであって、前記環境温度が前記逆転温度となった場合でも、前記貯留容器に貯留した液体状態の前記冷媒と前記潤滑油とを昇温して、密度の逆転の解消が可能であることを特徴とする。この場合、昇温を行わない場合と比較して、潤滑油が圧縮機に供給され易くなる。
第８の観点の冷凍サイクルシステムは、第７の観点の冷凍サイクルシステムであって、前記貯留容器に取り付けられ、当該貯留容器に貯留した液体状態の前記冷媒と前記潤滑油とを昇温可能なヒータを有することを特徴とする。
第９の観点の冷凍サイクルシステムは、第７の観点の冷凍サイクルシステムであって、前記圧縮機にて圧縮した冷媒を通過させ、通過する冷媒から熱を取り出して放熱する放熱器を備え、前記貯留容器または当該貯留容器内の液体状態の前記冷媒と、前記放熱器を通過した冷媒との熱交換が可能であることを特徴とする。この場合、放熱器を備えない場合と比較して、冷凍サイクルシステムの冷凍能力が向上する。
第１０の観点の冷凍サイクルシステムは、第７の観点の冷凍サイクルシステムであって、前記貯留容器または当該貯留容器内の液体状態の前記冷媒と、前記圧縮機による排熱との熱交換が可能であることを特徴とする。この場合、圧縮機による排熱を再利用できる。
第１１の観点の冷凍サイクルシステムは、第１の観点の冷凍サイクルシステムであって、前記潤滑油はポリアルキレングリコールであることを特徴とする。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】本実施の形態が適用される空気調和システムの概略構成例を示す図である。

【図2】本実施の形態に係る空気調和部の構成例を示す図である。

【図3】液冷媒および潤滑油の温度と密度との関係を示す図である。

【図4】低圧レシーバに貯留される潤滑油の吸い出しについて説明する図であり、（ａ）は油戻し管を備えた低圧レシーバの概略図、（ｂ）は圧縮機側配管の途中に油戻し穴を備えた低圧レシーバの概略図である。

【図5】本実施の形態に係る通常制御モードと逆転時制御モードの切り替えの例を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0007】

＜第１の実施の形態＞
（空気調和システム１）
図１は、本実施の形態が適用される空気調和システム１の概略構成例を示す図である。
図示するように、本実施の形態が適用される空気調和システム１は、冷媒が循環する冷媒回路を含む空気調和部１０と、空気調和部１０に含まれる各種機器（図２を用いて後述する。）を制御する制御部９０とを備える。なお、制御部９０は、空気調和部１０の各機器と有線又は無線にて接続されており、各機器へ制御信号を送信可能である。
なお、空気調和システム１は、本実施の形態における冷凍サイクルシステムの一例である。

【0008】

空気調和システム１は、取り込んだ空気を冷却し、冷風として空間に供給することで、空間を冷房する冷房機能を提供する。より詳しくは、空気調和システム１は、空気調和部１０の備える熱交換器（図２を用いて後述する。）を通過する冷媒と、対象物の一例である空気との間の熱交換により、空気から熱を取り出すことで、空気を冷却する。そして、冷却した空気を、冷風として室内機（図２を用いて後述する。）の吹出口などから空間に供給して、空間を冷房する。
また、空気調和システム１は、取り込んだ空気を加熱し、温風として空間に供給することで、空間を暖房する暖房機能を提供する。より詳しくは、空気調和システム１は、空気調和部１０の備える熱交換器を通過する冷媒と、空気との間の熱交換により、空気に熱を与えることで、空気を加熱する。そして、加熱した空気を、暖房として室内機の吹出口などから空間に供給して、空間を暖房する。

【0009】

（制御部９０）
制御部９０は、空気調和部１０の備える各機器への制御信号の送信により、空気調和部１０に含まれる各種機器の制御を行う。付言すると、制御部９０による各種機器の制御に応じ、空気調和部１０の冷媒回路を循環する冷媒の状態が制御される。制御部９０は、例えば、空気調和部１０の備える温度センサ（図２を用いて後述する。）の計測値に応じて制御を行う。
また、制御部９０は、ユーザからの操作を受け付ける操作パネルやコントローラなどを介して入力される、ユーザからの温度設定や風量設定などの操作入力に応じて制御を行ってもよい。さらに、冷房／暖房を行う空間の温度を計測する温度センサの計測値に応じて制御を行ってもよい。
制御部９０は、空気調和部１０に含まれる各機器について、制御値に対する動作の実効値などの動作に係る情報を取得し、取得した情報に応じて制御を行ってもよい。また、空気調和システム１が空間に供給する冷風／温風の量や、風向きなどを制御してもよい。

【0010】

（空気調和部１０の構成）
図２は、本実施の形態に係る空気調和部１０の構成例を示す図である。
図示するように、本実施の形態に係る空気調和システム１の空気調和部１０は、第１冷媒回路３１と第２冷媒回路３２とを備える。第１冷媒回路３１は、室内機２０と室外機３０とにわたって配置される。

【0011】

室内機２０は、室内熱交換器２１を備える。
室内熱交換器２１は、暖房運転時には冷媒からの放熱により熱交換の相手を加熱する放熱器として機能し、熱交換の相手である空気を加熱して温風とする。また、冷房運転時には冷媒による吸熱により熱交換の相手を冷却する冷却器として機能し、熱交換の相手である空気を冷却して冷風とする。付言すると、放熱器として機能する際には冷媒は放熱するため、冷媒自身は冷却され、冷却器として機能する際には冷媒が吸熱するため、冷媒は加熱される。なお、室内熱交換器２１は、通過する冷媒と対象物とを熱交換させる蒸発器の一例である。
その他、室内機２０は、室内ファン（不図示）などを備えても良い。

【0012】

第１冷媒回路３１は、第１閉鎖弁４７、第２閉鎖弁４８をそれぞれ有する配管によって室内機２０に接続される。第２冷媒回路３２は、第１冷媒回路３１の能力を高めるアシスト回路として機能する。
本実施の形態に係る第１冷媒回路３１は、冷媒の一例として、二酸化炭素を循環させる。第２冷媒回路３２は、冷媒の一例として、プロパンを循環させる。

【0013】

第１冷媒回路３１は、第１圧縮機４１と、第１サブアキュムレータ４２と、四路切換弁４３と、第１室外熱交換器４４と、第２冷媒回路３２と共有されるカスケード熱交換器４５と、第１電動弁４６と、第１閉鎖弁４７と、室内熱交換器２１と、第２閉鎖弁４８と、低圧レシーバ１００とが順に接続されて構成される。
第２冷媒回路３２は、第２圧縮機５１と、第２サブアキュムレータ５２と、第１冷媒回路３１と共有されるカスケード熱交換器４５と、第２室外熱交換器５３と、第２電動弁５４とが順に接続されて構成される。
なお、第１冷媒回路３１および第２冷媒回路３２は、上記した構成に限定されない。例えば、第１冷媒回路３１および第２冷媒回路３２は、フィルターやヒートシンク、オイルセパレータ等を備える構成としても良い。また、回路の各所にて冷媒の圧力／温度を検出する圧力センサ／温度センサや、保護用検出器である高圧圧力開閉器などを備える構成としても良い。

【0014】

第１圧縮機４１は、その吐出側が四路切換弁４３の第１ポート（Ｐ１）に接続され、その吸入側は第１サブアキュムレータ４２に接続される。第１サブアキュムレータ４２は、冷媒を気体と液体とに分離させ、気体の冷媒のみを第１圧縮機４１に吸入させる。第１圧縮機４１は、吸入した気体冷媒を圧縮し、吐出側から吐出する。なお、吐出される冷媒は、圧縮に伴う圧縮熱の獲得により温度が上昇する（「加熱圧縮」と呼ぶ場合がある。）。
また、本実施の形態に係る第１圧縮機４１は、制御部９０からの制御信号に応じて、例えば運動周波数や吸入／吐出する冷媒の量などが制御される。なお、「運動周波数」とは、圧縮機内にて行われる、冷媒を圧縮するための部品の運動（動作）の周波数である。具体的には、例えば揺動式圧縮機における揺動体の揺動の周波数、スクロール式圧縮機やロータリ式圧縮機における回転体の回転の周波数である。
なお、第１圧縮機４１は、後述する潤滑油によって潤滑される。より具体的には、上述した冷媒を圧縮するための部品の運動に支障が生じないように、潤滑油によって潤滑が確保される。潤滑油としては、例えば、ポリアルキレングリコール（ＰＡＧ）が挙げられる。

【0015】

四路切換弁４３は、第１ポート（Ｐ１）と、第２ポート（Ｐ２）と、第３ポート（Ｐ３）と、第４ポート（Ｐ４）とを備え、第１ポート（Ｐ１）と第２ポート（Ｐ２）とが連通し、かつ第３ポート（Ｐ３）と第４ポート（Ｐ４）とが連通する状態と、第１ポート（Ｐ１）と第４ポート（Ｐ４）とが連通し、かつ第２ポート（Ｐ２）と第３ポート（Ｐ３）とが連通する状態とを切り替えることができる。
四路切換弁４３は、冷房運転時には第１ポート（Ｐ１）と第２ポート（Ｐ２）とが連通し、かつ第３ポート（Ｐ３）と第４ポート（Ｐ４）とが連通する状態であり、暖房運転時には第１ポート（Ｐ１）と第４ポート（Ｐ４）とが連通し、かつ第２ポート（Ｐ２）と第３ポート（Ｐ３）とが連通する状態へと切り替わる。

【0016】

第１室外熱交換器４４は、冷媒と外気との間で熱交換を行う。第１室外熱交換器４４は、暖房運転時には冷却器として、冷房運転時には放熱器として機能する。第１室外熱交換器４４は、室外ファンなどを備える構成としても良い。なお、第１室外熱交換器４４は、通過する冷媒と対象物とを熱交換させる蒸発器の一例である。
カスケード熱交換器４５は、第１冷媒回路３１と第２冷媒回路３２との間で熱交換を行う。カスケード熱交換器４５は、例えば直径の異なる２つの配管を内側と外側の二重に組み合わせた二重管熱交換器である。また、カスケード熱交換器４５は、プレート熱交換器等、他の形式の熱交換器であっても良い。

【0017】

第１電動弁４６は、例えばボール弁などの弁と弁を駆動するモータとを含んで構成され、モータが弁の開度を調節することによって、通過する冷媒の圧力を調節する。より詳しくは、第１電動弁４６は、カスケード熱交換器４５側の配管と、第１閉鎖弁４７側の配管との間に設けられ、一方の配管から流れ込んだ冷媒に、弁の開度に応じた絞り膨張をかけて減圧し、他方の配管へと流す。なお、他方の配管へと流れる冷媒は、絞り膨張による減圧に伴い温度が低下する（「減圧降温」と呼ぶ場合がある。）。
第１電動弁４６の開度は、制御部９０からの制御信号に応じて各々のモータが駆動制御されることによって調節される。なお、制御部９０により開度を制御可能な弁としては、電動弁の他に、ソレノイドにより弁を駆動する電磁弁などを用いてもよい。

【0018】

低圧レシーバ１００は、流入した冷媒を貯留可能な容器であって、流入した冷媒のうち液冷媒を貯留し、気体状態の冷媒（「ガス冷媒」と呼ぶ場合がある。）を吐出して再び循環させる。上述した第１圧縮機４１において、液冷媒が吸入され圧縮されてしまうと、圧縮の効率の低下や動作不良の原因となる。このため、低圧レシーバ１００は、流入した冷媒を液冷媒とガス冷媒とに分け、液冷媒を貯留することで、第１圧縮機４１に液冷媒が吸入されることを抑制する。低圧レシーバ１００は、本実施の形態に係る貯留容器の一例である。
ここで、本実施の形態に係る室外機３０は、低圧レシーバ１００の設置される環境の温度（以下、「環境温度」と呼ぶ場合がある。）を計測する温度センサ１０１を備える。なお、図２では、概略的に、室外機３０の内部にて、低圧レシーバ１００と温度センサ１０１とを横並びに配置した様子を示しているが、温度センサ１０１の配置を限定するものではない。温度センサ１０１は、例えば、室外機３０のケーシング／ハウジングの外部に取り付けられていてもよい。また、温度センサ１０１としては例えば、サーミスタを用いることができる。低圧レシーバ１００および温度センサ１０１については、後段にて詳細を述べる。

【0019】

第２冷媒回路３２における第２圧縮機５１、第２サブアキュムレータ５２、第２室外熱交換器５３、第２電動弁５４は、それぞれ、第１冷媒回路３１における第１圧縮機４１、第１サブアキュムレータ４２、第１室外熱交換器４４、第１電動弁４６と同様の構成を有する。

【0020】

（冷房運転時の冷媒の流れ）
第１冷媒回路３１および第２冷媒回路３２における冷媒の流れについて、冷房運転時における例を説明する。四路切換弁４３は、冷房運転時には第１ポート（Ｐ１）と第２ポート（Ｐ２）とが連通し、かつ第３ポート（Ｐ３）と第４ポート（Ｐ４）とが連通する状態である。

【0021】

第１冷媒回路３１において、冷媒は、まず第１圧縮機４１により圧縮される。圧縮された冷媒は四路切換弁４３を通り、第１室外熱交換器４４に入る。第１室外熱交換器４４は、冷房運転時には放熱器として機能する。第１室外熱交換器４４から出た冷媒はカスケード熱交換器４５に入る。冷房運転時には、カスケード熱交換器４５は、第１冷媒回路３１における放熱器として機能する。カスケード熱交換器４５から出た冷媒は、第１電動弁４６を通る際に減圧され、第１閉鎖弁４７を通って室内熱交換器２１に入る。室内熱交換器２１は、冷房運転時には冷却器として機能する。室内熱交換器２１から出た冷媒は、第２閉鎖弁４８、四路切換弁４３、低圧レシーバ１００、第１サブアキュムレータ４２を通り、再び第１圧縮機４１に入る。

【0022】

第２冷媒回路３２における冷媒の流れについて説明する。第２冷媒回路３２において、冷媒は、まず第２圧縮機５１により圧縮される。圧縮された冷媒は第２室外熱交換器５３に入る。第２室外熱交換器５３は、冷房運転時には放熱器として機能する。第２室外熱交換器５３から出た冷媒は、第２電動弁５４を通る際に減圧され、カスケード熱交換器４５に入る。冷房運転時には、カスケード熱交換器４５は、第２冷媒回路３２における冷却器として機能する。カスケード熱交換器４５から出た冷媒は、第２サブアキュムレータ５２を通り、再び第２圧縮機５１に入る。

【0023】

本実施の形態に係る空気調和部１０は、第１冷媒回路３１および第２冷媒回路３２による２元回路を構成する。より詳しくは、冷房運転時の空気調和部１０において、カスケード熱交換器４５が第１冷媒回路３１における放熱器としての機能と、第２冷媒回路３２における冷却器としての機能とを有する。この場合、第１冷媒回路３１を流れる冷媒は第１圧縮機４１により加熱圧縮された後、第１室外熱交換器４４により冷却され、カスケード熱交換器４５によりさらに冷却され、第１電動弁４６により減圧降温され、室内熱交換器２１において空気を冷却する。

【0024】

（暖房運転時の冷媒の流れ）
次に、暖房運転時における第１冷媒回路３１および第２冷媒回路３２における冷媒の流れについて説明する。四路切換弁４３は、暖房運転時には第１ポート（Ｐ１）と第４ポート（Ｐ４）とが連通し、かつ第２ポート（Ｐ２）と第３ポート（Ｐ３）とが連通する状態である。

【0025】

第１冷媒回路３１において、冷媒は、まず第１圧縮機４１により加熱圧縮される。圧縮された冷媒は四路切換弁４３、第２閉鎖弁４８を通り、室内熱交換器２１に入る。室内熱交換器２１は、暖房運転時には放熱器として機能する。室内熱交換器２１から出た冷媒は、第１閉鎖弁４７を通って室内機２０に入り、第１電動弁４６を通る際に減圧降温される。減圧された冷媒はカスケード熱交換器４５を通り、第１室外熱交換器４４に入る。第１室外熱交換器４４は、暖房運転時には冷却器として機能する。第１室外熱交換器４４から出た冷媒は、四路切換弁４３、低圧レシーバ１００、第１サブアキュムレータ４２を通り、再び第１圧縮機４１に入る。
なお、暖房運転時においてもカスケード熱交換器４５による熱交換が行われる構成としても良い。この場合、カスケード熱交換器４５は第１冷媒回路３１における冷却器として機能する。

【0026】

（潤滑油の貯留）
ところで、第１冷媒回路３１においては、冷媒とともに、第１圧縮機４１内の潤滑を確保するための潤滑油が循環する。このため、低圧レシーバ１００には、液冷媒とともに流れ込んだ潤滑油が貯留されることになる。
低圧レシーバ１００に貯留された潤滑油が取り出されることなく、潤滑油の流入と貯留とが継続すると、次第に、第１圧縮機４１に供給される潤滑油が減少する。そして、最終的には第１圧縮機４１への給油が困難となり、第１圧縮機４１において潤滑不良が生じ得る。このため、低圧レシーバ１００には、貯留される潤滑油を取り出し、第１圧縮機４１に供給可能な油供給機構を設ける必要がある。一方で、図２を用いて上述したように、液冷媒が第１圧縮機４１に吸入されることは好ましくない。したがって、油供給機構においては、潤滑油の取り出しが可能であり、かつ、液冷媒の取り出しを抑制することがよい。

【0027】

ここで、液冷媒と潤滑油とが非相溶である場合、これらは低圧レシーバ１００内で上層と下層とに分離する。そして、液冷媒と潤滑油との組み合わせによっては、ある温度（「逆転温度」と呼ぶ場合がある。）において互いの密度が逆転し、上層と下層とが入れ替わる。

【0028】

図３は、液冷媒および潤滑油の温度と密度との関係を示す図である。図３において、横軸は温度（℃）を、縦軸は密度（ｋｇ／ｍ^３）を示す。図３においては、液冷媒として二酸化炭素を、潤滑油としてポリアルキレングリコールを用いた場合の例を示す。
図３に示すように、－２０℃より高い温度では潤滑油の密度は液冷媒の密度よりも大きく、液冷媒が上層、潤滑油が下層となる。一方で、－２０℃以下では潤滑油の密度は液冷媒の密度よりも小さく、潤滑油が上層、液冷媒が下層となる。なお、－２０℃は逆転温度の一例である。

【0029】

本明細書において、「非相溶」とは、液冷媒と潤滑油とが互いに完全に不溶であることに限定されず、少なくとも低圧レシーバ１００内にて層として分離する程度に互いに難溶であることを指す。また、すべての温度域で非相溶であることに限定されず、通常想定される環境温度において非相溶であればよい。

【0030】

本実施の形態が適用される空気調和システム１は、環境温度が－２０℃以下となった場合であっても、低圧レシーバ１００に貯留された潤滑油を第１圧縮機４１に供給できる構成を備える。

【0031】

図１～図４を用いて、低圧レシーバ１００の構成例１００－１，１００－２および低圧レシーバ１００に貯留される潤滑油の取り出しについて説明する。以下では、低圧レシーバ１００の構成例１００－１，１００－２を区別せずに「低圧レシーバ１００」と呼ぶ場合がある。また、特に記載のない場合は、空気調和部１０の冷房運転時を例にして説明する。
図４は、低圧レシーバ１００に貯留される潤滑油の取り出しについて説明する図であり、（ａ）は油戻し管１４０を備えた低圧レシーバ１００－１の概略図、（ｂ）は圧縮機側配管１５０の途中に油戻し孔１５１を備えた低圧レシーバ１００－２の概略図である。なお、低圧レシーバ１００－２において、低圧レシーバ１００－１と同様の構成については、共通の名称および符号を付して説明を省略する場合がある。

【0032】

図４（ａ）に示すように、低圧レシーバ１００－１は、液冷媒を貯留可能な貯留部１１０と、室内熱交換器２１側から流れてきた冷媒を貯留部１１０内に流入させる熱交換器側配管１２０と、貯留部１１０内のガス冷媒を第１圧縮機４１側に吐出する圧縮機側配管１３０と、貯留部１１０の底面に設けられた油戻し管１４０とを備える。
図４（ａ）の紙面左側「逆転していない状態」に示すように、低圧レシーバ１００－１は、環境温度が－２０℃よりも高く、液冷媒と潤滑油との逆転が生じていない場合には、油戻し管１４０により下層の潤滑油を吸い出して、第１圧縮機４１に供給することができる。しかしながら、環境温度が－２０℃以下であり、密度の逆転が生じた場合には、貯留された潤滑油を第１圧縮機４１に供給できる構成を備えていないと、紙面右側「逆転した状態」に示すように、潤滑油が上層となるために油戻し管１４０による吸い出しが困難となり、第１圧縮機４１への供給が困難となる。

【0033】

また、図４（ｂ）に示すように、低圧レシーバ１００－２は、貯留部１１０と、熱交換器側配管１２０と、貯留部１１０の底面の近傍を通るように延長された圧縮機側配管１５０とを備える。また、圧縮機側配管１５０において、貯留部１１０の底面の近傍を通る部分には、油戻し孔１５１が設けられている。
図４（ｂ）の紙面左側「逆転していない状態」に示すように、低圧レシーバ１００－２は、環境温度が－２０℃よりも高く、液冷媒と潤滑油との逆転が生じていない場合には、油戻し孔１５１により下層の潤滑油を吸い出して、第１圧縮機４１に供給することができる。しかしながら、環境温度が－２０℃以下であり、密度の逆転が生じた場合には、貯留された潤滑油を第１圧縮機４１に供給できる構成を備えていないと、紙面右側「逆転した状態」に示すように、潤滑油が上層となるために油戻し孔１５１による吸い出しが困難となり、第１圧縮機４１への供給が困難となる。

【0034】

このように、環境温度－２０℃以下で貯留された潤滑油を第１圧縮機４１に供給できる構成を備えない場合、環境温度が－２０℃以下となると、潤滑油の取り出しが困難となる恐れがある。
そこで、本実施の形態の空気調和システム１では、環境温度が－２０℃以下となった場合であっても、低圧レシーバ１００に貯留された潤滑油を第１圧縮機４１に供給できる構成として、制御部９０は、環境温度が－２０℃以下となった場合に、低圧レシーバ１００に流入する冷媒に過熱がつくように制御可能となっている。

【0035】

本実施の形態に係る制御部９０は、例えば、温度センサ１０１の計測値が－２０℃以下となったことに応じて、第１電動弁４６の開度を－２０℃以下となる前よりも小さくし、室内熱交換器２１を通過する冷媒の圧力を大きく、また冷媒の温度を高くする。これにより、冷媒に過熱をつけ、低圧レシーバ１００に流れ込む冷媒をガス冷媒とすることができる。
また例えば、制御部９０は、温度センサ１０１の計測値が－２０℃以下となったことに応じて、第１圧縮機４１の運動周波数を－２０℃以下となる前よりも大きくし、室内熱交換器２１を通過する冷媒の圧力を大きく、また冷媒の温度を高くする。かかる制御によっても同様に、冷媒に過熱をつけ、低圧レシーバ１００に流れ込む冷媒をガス冷媒とすることができる。

【0036】

（制御モードの切り替え）
本実施の形態において、制御部９０による空気調和部１０に含まれる各種機器の制御は、通常制御モードと逆転時制御モードとを含む。低圧レシーバ１００内で液冷媒と潤滑油との逆転が生じない場合には、制御部９０は通常制御モードにより各種機器の制御を行う。一方で、例えば環境温度が－２０℃以下となった場合等、液冷媒と潤滑油との逆転が生じ得る場合には、制御部９０は逆転時制御モードにより各種機器の制御を行う。逆転時制御モードにおいては、制御部９０は、低圧レシーバ１００に流入する冷媒に過熱がつくように制御を行う。以下において、図５を用いて通常制御モードと逆転時制御モードの切り替えについて説明する。

【0037】

図５は、本実施の形態に係る通常制御モードと逆転時制御モードの切り替えの例を示すフローチャートである。
空気調和部１０の運転が開始されると、制御部９０は、通常制御モードにより空気調和部１０に含まれる各種機器の制御を行う（ステップＳ１００１）。通常制御モードにおいて、制御部９０は、例えば冷房運転時に放熱器として機能する第１室外熱交換器４４の出口温度が一定となるように空気調和部１０に含まれる各種機器の制御を行う。

【0038】

次に、制御部９０は、温度センサ１０１の計測値が逆転温度以下であるか否かを判定する（ステップＳ１００２）。温度センサ１０１の計測値が逆転温度以上である場合（ステップＳ１００２でＮＯ）、ステップＳ１００１に戻り、制御部９０は通常制御モードにより空気調和部１０に含まれる各種機器の制御を行う。

【0039】

一方で、温度センサ１０１の計測値が逆転温度以下である場合（ステップＳ１００２でＹＥＳ）、制御部９０は運転モードを切り替え、逆転時制御モードにより空気調和部１０に含まれる各種機器の制御を行う（ステップＳ１００３）。制御部９０は、例えば第１電動弁４６の開度を小さくすることで低圧レシーバ１００に流入する冷媒に過熱がつくように制御を行う。

【0040】

次に、制御部９０は、温度センサ１０１の計測値が逆転温度以下であるか否かを判定する（ステップＳ１００４）。温度センサ１０１の計測値が逆転温度以下である場合（ステップＳ１００４でＹＥＳ）、ステップＳ１００３に戻り、制御部９０は逆転時制御モードにより空気調和部１０に含まれる各種機器の制御を行う。
一方で、温度センサ１０１の計測値が逆転温度以上である場合（ステップＳ１００４でＮＯ）、制御部９０は運転モードを切り替え、通常制御モードにより空気調和部１０に含まれる各種機器の制御を行う（ステップＳ１００５）。

【0041】

このように、本実施の形態に係る制御部９０は、温度センサ１０１の計測値が逆転温度以下となった場合に、低圧レシーバ１００に流入する冷媒に過熱がつくように制御する。この結果、低圧レシーバ１００にはガス冷媒が流入するため、液冷媒が貯留し難くなり、温度センサ１０１の計測値が逆転温度以下であっても、油戻し管１４０や油戻し孔１５１による潤滑油の吸い出しが可能となる。

【0042】

なお、図５においては、制御モードを切り替える条件を温度センサ１０１の計測値により設定したが、これに限定されない。例えば、制御部９０は、冷媒の低圧圧力や吸入温度等に基づいて制御モードを切り替えてもよい。
また、上述した制御は、低圧レシーバ１００に流入する冷媒に過熱をつける制御の一例であり、他の制御を行ってもよい。

【0043】

＜第２の実施の形態＞
第２の実施の形態は、環境温度が－２０℃以下となった場合であっても、低圧レシーバ１００に貯留された潤滑油を第１圧縮機４１に供給できる構成として、低圧レシーバ１００内にて液冷媒が潤滑油よりも下の層になった場合にも、潤滑油を吸い出して第１圧縮機４１に供給できる油吸入機構を有する。

【0044】

例えば、第２の実施の形態に係る室外機３０は、低圧レシーバ１００において、液冷媒および潤滑油の両方を吸い出し可能な構成を有する。より具体的には、例えば、図４（ｂ）に示す低圧レシーバ１００－２において、圧縮機側配管１５０上に、油戻し孔１５１を含む、貯留部１１０の底面からの高さが異なる複数の孔を有し、この複数の孔から吸い出しを行うことによって、液冷媒および潤滑油を吸い出し可能である。吸い出された液冷媒および潤滑油は、空気調和システム１において、少なくとも－２０℃よりも温度の高い高温部、より好ましくは、吸い出された液冷媒の蒸発温度よりも温度の高い高温部との間で熱交換を行い、第１圧縮機４１に供給される。これにより、第１圧縮機４１に潤滑油が供給されるとともに、第１圧縮機４１における液冷媒の吸入を抑制することができる。

【0045】

＜第３の実施の形態＞
第３の実施の形態は、環境温度が－２０℃以下となった場合であっても、低圧レシーバ１００に貯留された潤滑油を第１圧縮機４１に供給できる構成として、低圧レシーバ１００に貯留された液冷媒および潤滑油を昇温して、逆転を解消することが可能となっている。

【0046】

例えば、第３の実施の形態に係る室外機３０は、低圧レシーバ１００の内部に貯留された液体を昇温可能なヒータを有する。ヒータは、例えば、低圧レシーバ１００の貯留部１１０の側部や底面に近接または接触するように設けられる。ヒータは、制御部９０の制御に応じてオンとされ、低圧レシーバ１００の内部に貯留された液体を、少なくとも逆転温度を超えるまで加熱昇温する。この場合、制御部９０は例えば、温度センサ１０１の計測値が－２０℃以下となったことに応じて、ヒータをオンとするとよい。これにより、低圧レシーバ１００に貯留された液冷媒および潤滑油を昇温して、逆転を解消することが可能となる。

【0047】

また例えば、第３の実施の形態に係る室外機３０は、第１圧縮機４１により圧縮後の冷媒と、低圧レシーバ１００または低圧レシーバ１００に貯留された液冷媒とを熱交換させ、貯留された液冷媒を昇温することとしてもよい。より具体的には、第１圧縮機４１から四路切換弁４３までの配管を延長し、延長した配管を低圧レシーバ１００の貯留部１１０の周りに接触させたり、巻き付けたりして、第１圧縮機４１により圧縮後の冷媒と低圧レシーバ１００との間にて熱交換が行われるようにしてもよい。また、延長した配管が低圧レシーバ１００の貯留部１１０の内部を通るように、配管の一部を貯留部１１０に挿し込み、第１圧縮機４１により圧縮後の冷媒と低圧レシーバ１００との間にて熱交換が行われるようにしてもよい。
さらに例えば、第３の実施の形態に係る室外機３０は、低圧レシーバ１００または低圧レシーバ１００に貯留された液冷媒を、第１圧縮機４１や第２圧縮機５１による排熱と熱交換させ、貯留された液冷媒を昇温することとしてもよい。
これらの構成によっても、液冷媒が熱交換に伴って獲得した熱により、低圧レシーバ１００に貯留された液冷媒および潤滑油を昇温することができる。なお、第１圧縮機４１により圧縮後の冷媒と、低圧レシーバ１００または低圧レシーバ１００に貯留された液冷媒とを熱交換させる場合には、低圧レシーバ１００に貯留された液冷媒の温度の計測を可能とするために、低圧レシーバ１００の貯留部１１０の内部にサーミスタなどの温度センサを設けるとよい。

【0048】

＜その他＞
上述した実施の形態では、冷凍サイクルシステムを空気調和システム１に適用する場合を例として説明したが、適用範囲は限定されない。冷却器での吸熱を利用して、冷凍倉庫や冷蔵庫、製氷機など、対象物の冷却を行う各種の機器に適用してもよい。また、放熱器での放熱を利用して、暖房器具や湯沸かし器、給湯器など、対象物の加熱を行う各種の装置に適用してもよい。

【0049】

また、各冷媒回路を循環する冷媒の一例として、二酸化炭素およびプロパンを例示したが、冷媒の種類は限定されない。例えば第１冷媒回路３１において、二酸化炭素と他の成分とを混合した混合冷媒を用いてもよいし、二酸化炭素を含まない単一冷媒または混合冷媒を用いてもよい。ただし、第１冷媒回路３１を循環する冷媒は、第１圧縮機４１の潤滑油とは非相溶であるとする。
付言すると、逆転温度は冷媒と潤滑油との組み合わせに応じて定まるため、上述した－２０℃に限定されない。

【0050】

さらに、上述した実施の形態では、逆転温度より高い温度において液冷媒が上層で潤滑油が下層となる例を説明したが、冷媒と潤滑油との組み合わせによっては、反対に、逆転温度より高い温度において潤滑油が上層で液冷媒が下層となる例も生じ得る。この場合も、上述した実施の形態を応用して、逆転温度以下であっても潤滑油を第１圧縮機４１に供給可能な構成とすることができる。

【0051】

さらにまた、空気調和部１０が、２元回路を構成するものとして説明したが、例えば第２冷媒回路３２およびカスケード熱交換器４５を設けずに、単元回路として構成してもよい。付言すると、各冷媒回路の構成は上述したものに限定されず、他の構成を採用してもよい。

【0052】

また、上述した実施の形態においては、制御部９０による開度の制御を可能とするため、第１電動弁４６を用いる例を説明した。制御部９０による制御を行わない場合は、第１電動弁４６に代えて、キャピラリチューブやオリフィス板などを利用してもよい。

【0053】

以上、実施の形態を説明したが、特許請求の範囲の主旨および範囲から逸脱することなく、形態や詳細の多様な変更が可能なことが理解されるであろう。
例えば、各構成の一部を省略したり、各構成に対して他の機能を付加したりしてもよい。また例えば、一の構成例に含まれる構成と他の構成例に含まれる構成とを入れ替えたり、一の構成例に含まれる構成を他の構成例に付加したりしても構わない。

【符号の説明】

【0054】

１…空気調和システム、１０…空気調和部、２１…室内熱交換器、３１…第１冷媒回路、３２…第２冷媒回路、９０…制御部、１００…低圧レシーバ、１０１…温度センサ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【手続補正書】

【提出日】2024-10-02

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

潤滑油により潤滑され、冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機にて圧縮した前記冷媒を通過させ、通過する当該冷媒から熱を取り出して放熱する放熱器と、
前記圧縮機により圧縮後、放熱および減圧した冷媒を通過させ、通過する冷媒と対象物とを熱交換させる蒸発器と、
前記放熱器と前記蒸発器との間に配置され、当該蒸発器を通過させる前記冷媒の圧力を調整する電動弁と、
前記蒸発器から前記圧縮機までの間に設けられ、前記冷媒と前記潤滑油とを貯留可能な貯留容器と、
前記冷媒の状態を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記貯留容器が設置される環境温度が前記潤滑油の密度と液体状態の前記冷媒の密度とが逆転する逆転温度となった場合、前記電動弁の開度を小さくする
ことを特徴とする冷凍サイクルシステム。

【請求項2】

前記制御部は、前記貯留容器に流入する冷媒に過熱をつける制御として、前記圧縮機における圧縮のための運動の周波数を、当該過熱をつける制御の前よりも大きくするように制御可能であることを特徴とする、請求項１に記載の冷凍サイクルシステム。

【請求項3】

前記貯留容器の設置される環境温度を計測する温度センサを備えることを特徴とする、請求項１又は２に記載の冷凍サイクルシステム。

【請求項4】

前記制御部は、前記温度センサの計測値に基づいて前記電動弁の開度を小さくすることを特徴とする、請求項３に記載の冷凍サイクルシステム。

【請求項5】

前記潤滑油はポリアルキレングリコールであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の冷凍サイクルシステム。

【手続補正2】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００５

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0005】

第１の観点の冷凍サイクルシステムは、潤滑油により潤滑され、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機にて圧縮した前記冷媒を通過させ、通過する当該冷媒から熱を取り出して放熱する放熱器と、前記圧縮機により圧縮後、放熱および減圧した冷媒を通過させ、通過する冷媒と対象物とを熱交換させる蒸発器と、前記放熱器と前記蒸発器との間に配置され、当該蒸発器を通過させる前記冷媒の圧力を調整する電動弁と、前記蒸発器から前記圧縮機までの間に設けられ、前記冷媒と前記潤滑油とを貯留可能な貯留容器と、前記冷媒の状態を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記貯留容器が設置される環境温度が前記潤滑油の密度と液体状態の前記冷媒の密度とが逆転する逆転温度となった場合、前記電動弁の開度を小さくすることを特徴とする。この場合、環境温度が潤滑油の密度と液体状態の冷媒の密度とが逆転する温度となった場合であっても、圧縮機における潤滑不良を抑制する。
第２の観点の冷凍サイクルシステムは、第１の観点の冷凍サイクルシステムであって、前記制御部は、前記貯留容器に流入する冷媒に過熱をつける制御として、前記圧縮機における圧縮のための運動の周波数を、当該過熱をつける制御の前よりも大きくするように制御可能であることを特徴とする。
第３の観点の冷凍サイクルシステムは、第１の観点又は第２の観点の冷凍サイクルシステムであって、前記貯留容器の設置される環境温度を計測する温度センサを備えることを特徴とする。
第４の観点の冷凍サイクルシステムは、第３の観点の冷凍サイクルシステムであって、前記制御部は、前記温度センサの計測値に基づいて前記電動弁の開度を小さくすることを特徴とする。
第５の観点の冷凍サイクルシステムは、第１の観点又は第２の観点の冷凍サイクルシステムであって、前記潤滑油はポリアルキレングリコールであることを特徴とする。