JP2005098259A - 冷媒圧縮機の起動補助装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 安定した一定の負荷条件を素早く得ると共に、過剰に大型化することなく少ない電力でスムーズに起動することのできる冷媒圧縮機の電動機の起動を補助する補助装置を提供する。
【解決手段】 蓄電装置２０を備えて電動機１８で熱交換機の冷媒圧縮機１１を起動する装置において、蓄電装置２０などから電力の供給を受けて冷媒圧縮機１１を駆動する電動モータ１８と、該電動モータ１８で駆動される冷媒圧縮機１１の出力側となる高圧冷媒回路と、入力側となる低圧部の冷媒回路とをバイパスするバイパス回路３と、該バイパス回路３の開閉をおこなうバイパス電磁弁２とを具備して、バイパス電磁弁２の開閉動作で冷媒圧縮機１１の差圧を緩和して起動補助をおこなう。
【選択図】 図１

Description

本発明は、蓄電装置を備えて電動機で熱交換機の冷媒圧縮機を起動する装置に関するものである。

従来から電動機で冷媒圧縮機を駆動して、冷凍サイクルを得る熱交換装置が知られている。

図４のＬ１で示す冷凍サイクルは、電動機（電動モータＭ）１８、コンプレッサ（圧縮機Ｃ）１１、コンデンサ（放熱器）１２、レシーバ／ドライヤ（凝縮器）１３、エキパン（拡張弁）１４、エバポレータ（蒸発器）１５、逆止弁１６、アキュムレータ（液分離器）１７を備えて、冷却作用を営む装置の冷媒の流れを示すものである。

この冷凍回路内の冷媒の流れは、まず電動機Mが駆動されてコンプレッサCが圧縮を開始する。このコンプレッサCで圧縮された高圧ガスは、コンデンサ１２で放熱をおこない、続いてレシーバ／ドライヤ１３で凝縮されて液化する。そして、この液化された冷媒がエキパン１４へ流れ込むことになる。そこで、エキパン１４では液体状の冷媒を霧状に気化させることで、エバポレータ１５内では気化した冷媒の気化熱により、周辺の熱を奪い冷却をおこなっている。
一方この冷媒は、逆止弁１６を介してアキュムレータ１７に送られ、コンプレッサ１１の吸引圧を受けて、液体が分離されて、低圧の気体のみがコンプレッサ１１に吸い込まれ、上記冷凍回路を循環している。

ここでアキュムレータ１７は、コンプレッサ１１が液状の冷媒を吸入すると、液圧縮を起こし破損の原因となることから設けられているものである。また、逆止弁１６はコンプレッサ１１が停止中にその差圧で冷媒ガスがエバポレータ１５側に逆流して、冷却をおこなうはずのエバポレータ１５に暖気が流入することを防止している。

又、図４に示す電動機１８（M）は、蓄電２０エネルギー或いはオルタネータ２１で発電された電気エネルギーを受けるモータドライバ１９等を介して供給される電力を受けて回転する電動モータである。

なお、一般に電動機は起動時には、約５倍とも７倍ともいわれる大きな起動電流が必要である。更に、停止後再起動する際、コンプレッサ入出力に生じる圧力差により、高圧側からの冷媒ガスの逆流入でコンプレッサの回転が妨げられ、より多くの起動トルクが要求されることが知られている。

そこで、蓄電や発電機など限られた電力で起動させる用途にあっては、起動電流を如何に低減させるかは重要なポイントであり、特開平１０−２０５９５２号公報（特許文献１）では、蒸発器温度センサと凝縮器温度センサとで冷凍サイクルの圧力状態を検出して、電動機が起動可能か否かを判定し、タイマで起動待時間を決定するものであった。また特開平０８−２２３９８０号公報（特許文献２）にあっては、直流ブラシレスモータの回転状態を検出するセンサを設けて、回転状態に応じて直流ブラシレスモータの駆動電源の電圧を抵抗分圧して、起動電流を制御しようというものである。さらに、特開２０００−３１４５６４号公報（特許文献３）にあっては、起動時は商用電源を使って起動しておいて、起動後インバータへ切り替えて誘導電動機を運転させることで、インバータの容量を小さくするものが開示されている。

以上のように従来技術にあっては、起動時などにあって負荷トルクが大きい状況下で、コンプレッサの電動モータを駆動するモータドライバの起動電流を抑える為のドライブ制御をおこなうものであった。

特開平１０−２０５９５２号公報 特開平０８−２２３９８０号公報 特開２０００−３１４５６４号公報

上記従来の構成にあっては、温度センサや圧力センサ、或いは回転センサで負荷の状態を検出して、電動モータの起動電流を制御するか、商用電源で起動させるかなどおこなうものであった。

しかしながらコンプレッサモータの起動電流が大きくなる理由として、通常負荷でも起動時は５倍ほど突入電流が流れることもあるものであるが、特にコンプレッサにあっては、吸い込み圧と吐き出し圧とがアンバランスな圧力状態（吸い込み圧が低圧で、吐き出し圧が高圧の状態）にあっては、負荷が重すぎて起動失敗やモータに大電流が流れるもので、時に急峻な過電流による発熱等でモータドライバの故障を誘発するなどのことが知られている。

これは、放っておけばコンプレッサの入力弁側と出力弁側の圧力差はバランスされてくるが、停止直後は大きな圧力差が発生している。他方、冷凍機は一般にコンプレッサがＯＮ、ＯＦＦを繰り返して温度調整をおこなうものであるが、この際、冷凍室の開閉などで外気が室内に流入するなどで、停止状態からすぐに起動が要求される場合があるが、このような時、電動モータの起動制御が負荷状態に合致せず起動失敗や、バッテリの大電力消費、又はバッテリの劣化などを招くという問題や、圧力差がなくなるまでタイマなどで時間待ちするなどで、負荷の温度上昇を招いたり、温度のバラツキが大きくなるという問題があった。

一方、コンプレッサの吹出圧は、コンデンサやエバポレータの温度状態の影響を受けて変動するため、モータドライバや電動モータは起動可能なように、最高圧力差の状態を想定して、起動可能な容量の大きさの電動機が必要で、どうしても大型の容量のものを選定せざるを得ないという問題があった。

そこで、瞬時に大電力を消費してバッテリの劣化を招くことなく、しかも電動モータの種類や起動制御方法などに依存することなく、簡単で素早くコンプレッサ（電動モータ）を起動するものが望まれていた。

本発明は、安定した一定の負荷条件を素早く得ると共に、過剰に大型化することなく少ない電力でスムーズに起動することのできる冷媒圧縮機の電動機の起動を補助する補助装置を提供することを目的とする。

本発明の冷媒圧縮機の起動補助装置は、上記従来例の問題点を解決するため、蓄電装置を備えて電動機で熱交換機の冷媒圧縮機を起動する装置において、蓄電装置などから電力の供給を受けて冷媒圧縮機を駆動する電動モータと、該電動モータで駆動される冷媒圧縮機の出力側となる高圧冷媒回路と、入力側となる低圧部の冷媒回路とをバイパスするバイパス回路と、該バイパス回路の開閉をおこなうバイパス電磁弁とを具備して、バイパス電磁弁の開閉動作で冷媒圧縮機の差圧を緩和して起動補助をおこなうものであることを特徴とする。

また、高圧冷媒回路側のバイパス分岐路が、エバポレータ側に冷媒ガスが逆流入することを防止する逆止弁と、液体と気体を分離するアキュムレータとの間に挿入されて、バイパス回路を形成して成ることが好適である。

さらに、冷媒圧縮機の停止時にバイパス回路の開路がおこなわれ、冷媒圧縮機の起動時にバイパス回路が閉路して成ることで、安定した一定の負荷条件を素早く得ることができる。

そして、冷媒圧縮機の起動時に閉路されるバイパス回路が、バイパス回路経由で冷媒が循環することで一旦冷媒圧縮機が空回り運転したのち、一定時間後にバイパス回路が閉路して冷凍サイクル回路を得ることが、少ない電力でスムーズに起動するものとなる。

（作用）
本発明は上記構成によって、次のような作用を営むことができる。すなわち、蓄電装置などから電力の供給を受けて冷媒圧縮機を駆動する電動モータと、該電動モータで駆動される冷媒圧縮機の出力側となる高圧冷媒回路と、入力側となる低圧部の冷媒回路とをバイパスするバイパス回路と、該バイパス回路の開閉をおこなうバイパス電磁弁とを具備して、バイパス電磁弁の開閉動作で冷媒圧縮機の差圧を緩和して起動補助をおこなうことで、バイパス回路の存在が圧力差を素早く緩和すると共に、バイパス電磁弁によりセンサレスで低圧バランスが保証されて圧力差のない一定圧の起動条件を得るものとなる。
そして、冷却作用を営む主たる冷媒の流れ（第１ループ）と、バイパス路を形成して起動補助を営む冷媒の流れ（第２ループ）とを成し、バイパス電磁弁により、この第１ループと第２ループの２種のループを切り替えて冷媒の流れを自在に制御することができる。

また、高圧冷媒回路側のバイパス分岐路が、エバポレータ側に冷媒ガスが逆流入することを防止する逆止弁と、液体と気体を分離するアキュムレータとの間に挿入されて、バイパス回路を形成するものであれば、バイパス回路の一端がアキュムレータ前段に設けられることで、負荷のガス圧条件や温度条件に依存することなく、しかも逆止弁は冷却作用に影響を与えることなく、冷媒気体のみをスムーズにコンプレッサに送り出すことができる。
すなわち、上記バイパス経路にあっては、単にコンプレッサの入力と出力とをバイパスするだけのものではなく、コンデンサの温度や外気温、ガス圧力などで決まる冷媒ガスの状態に依存することなく、アキュムレータで一旦液体分離がおこなわれて、冷媒ガスのみをコンプレッサに戻すという役割を担っている。そして、電動機の種類や起動制御方法などに依存することなく、バイパス分岐路を形成することができるものである。

さらに、冷媒圧縮機の停止時にバイパス回路の開路がおこなわれ、冷媒圧縮機の起動時にバイパス回路が閉路して成るものであれば、停止時にすぐ、バイパス回路の開路がおこなわれて、再立ち上げ時に無駄な時間待ちなく圧力差を緩和しておくことができることから、安定した一定の軽負荷条件を素早く得るものとなる。
特に、コンプレッサのＯＮ／ＯＦＦを繰り返し、安定したきめ細かな温度コントロールが求められる用途にあっては、高圧ガスの逆流入でコンプレッサの回転が妨げられ電動機に突入電流が流れてしまい、或いは急激な大電流放電でバッテリの劣化を促進させてしまうことなく、安定した軽負荷再起動条件が短時間で得られる点で極めて有効である。

そして、冷媒圧縮機の起動時に閉路されるバイパス回路が、バイパス回路経由で冷媒が循環することで一旦冷媒圧縮機が空回り運転したのち、一定時間後にバイパス回路が閉路して冷凍サイクル回路を得るものであれば、このバイパス経由の空回り冷媒ルートにあっては、極めて安定した軽負荷であり、電動モータを過剰に大型化させなくても起動状態を得て、一定時間後にバイパス回路が閉路することで、少ない電力でスムーズに冷凍サイクル回路へ移行するものとなる。
これは本来、外気温やコンデンサ或いはエバポレータの温度などから冷凍サイクルの負荷の状態（負荷の重さ）が変動するものであり、もっとも困難な起動条件をクリヤする大きさの容量の電動機を選定しなければならなかったものを、上述の圧力差を緩和することのみに留まらず更に、バイパス回路による空回り運転で電動機を予め安定回転状態に起動しておくことで、より小型の少ないトルクで起動可能となり、しかも冷凍サイクルへスムーズに移行することができるものである。

本発明によれば、安定した一定の負荷条件を素早く得ると共に、過剰に大型化することなく少ない電力でスムーズに起動することのできる冷媒圧縮機の電動機の起動を補助する補助装置を提供することができる。

また、瞬時に大電力を消費してバッテリの劣化を招くことなく、しかも電動モータの種類や起動制御方法などに依存することなく、極めて容易に、簡単で素早いコンプレッサ（電動モータ）の起動を実現するこができる。

以下本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１〜図３は本発明の実施例を示すものである。図１は本発明を車載用の冷凍冷蔵装置に適用したもので、図の１０で示す冷凍冷蔵装置は、電動機（電気式モータＭ）１８とコンプレッサ（圧縮機Ｃ）１１とを有する密閉型の電動コンプレッサ４、コンデンサ（放熱器）１２、レシーバ／ドライヤ（凝縮器）１３、エキパン（拡張弁）１４、エバポレータ（蒸発器）１５、逆止弁１６、アキュムレータ（液分離器）１７を備えた冷却回路と、図の１で示す冷媒管３、３、電磁弁Ｓを有した起動補助装置によるバイパス回路とを車体に備えている。

図１の１０で示す冷凍回路は、図のL1で示す第１ループ（冷凍ループ）と、図のL2で示す第２ループの２種のループ（起動補助ループ）で構成されている。第１ループL1は冷凍／冷蔵作用を司る冷媒の流れであり、もう一方の第２ループL2は電動機１８の起動補助を司る冷媒の流れを示している。

なお、図１において、２０は蓄電池装置（１２Ｖバッテリ）、２１は蓄電池装置２０の電力系統につながれ、エンジンの駆動力で発電をおこなうオルタネータ２１、１９は蓄電池装置２０の系統から電力を受けて、電動機１８を駆動する（モータ用）ドライバＤである。また、実施例にあっては、冷媒ガスはＨＦＣ１３４ａを使用している。

通常、冷凍・冷蔵作用を司る冷媒の流れは、まず車のエンジンの回転で発電をおこなうオルタネータ２１の電力と蓄電装置２０の電力とを受け、ドライバＤで電動機Ｍが駆動されてコンプレッサＣが冷媒ガスの圧縮を開始する。このコンプレッサＣで圧縮されて圧力が０．６〜１．７ＭＰａの高圧ガスは、コンデンサ１２で放熱（冷媒温６０度〜７０度）をおこない、続いてレシーバ／ドライヤ１３で凝縮されて液化する。そして、この液化された冷媒がエキパン１４へ流れ込むことになる。そこで、エキパン１４では液体状の冷媒を霧状に気化させることで、エバポレータ１５内では気化した冷媒の気化熱により、周辺の熱を奪い冷却（冷媒温−１０度〜−１５度）をおこなうものである。

一方この冷媒は、逆止弁１６を介してアキュムレータ１７に送られ、コンプレッサＣの吸引圧を受けて、液体が分離されて、圧力が０．２〜０．０５ＭＰａの低圧の気体のみがコンプレッサＣに吸い込まれて、上記第１ループL1を循環している。

次に、電動機Mの起動補助を司る冷媒の流れを説明する。
まず図２のＳで示すバイパス電磁弁２に、図のＳａで示す信号が電磁コイル２ａに入力されると、図３（ｂ）に示す電磁弁２は図３（ａ）の矢印で示す方向へ移動してポートＰａが選ばれバイパス回路を開路するものである。ここで図３において３はバイパス冷媒管、２ｂはバネ圧を示すものである。そして通常電磁弁２は図３（ｂ）のＰｂポートが選択されていて閉路状態を保っている。なお図３（ａ）（ｂ）は図１、図２の２と共通しているので、図１〜図３において共通部分に同一符号を付し詳細な説明を省略する。

そして、図２に示す４は、バイパス冷媒管３と冷媒管２２とを結ぶ、Ｔ字状の分岐ジョイントである。
ここで一方の分岐ジョイント４はコンプレッサＣの出力側に連通し、もう一方の分岐ジョイント４がアキュムレータ１７の入力側に連通し、すなわち逆止弁１６とアキュムレータ１７との間に設けられている。
そして分岐ジョイント４、４間にバイバス冷媒管３、３が各々設けられ、更にバイパス冷媒管３、３の間にバイパス電磁弁２が挿入されている。

このように設けられた図１のＬ２で示す第２ループでは、コンプレッサＣの入力側と出力側は、電磁弁が開路（Ｐａポート側）してバイパス路を形成することから、アキュムレータ１７を経由して冷媒圧は均等圧に保たれている。
なお、この均等圧は、コンデンサ１２の吹出温やエバポレータ１５の吹出温或いは外気などにはほとんど依存することなく、冷媒管２２がバイパス路３で直接連通して得られるものである。
そして、これが冷媒圧縮機の差圧を緩和して、電動機Ｍの起動補助をおこなっている。

なお、実施においては、３００Ｗクラスの電動機Ｍを、図の２０で示す１２Ｖ系の蓄電池の電力とエンジン動力で発電するオルタネータ２１の電力を受けて、定格４０Ａのドライバ１９出力で駆動して、６ｃｃ／ｒｅｖのコンプレッサＣを約３０００ｒｐｍで回転させている。

この図のＬ２で示す第２ループで差圧が緩和された状態にあっては、コンプレッサＣの負荷が常に一定の条件に保たれて、起動条件を得ることからその条件で起動可能な容量の電動機１８を選定すればよいことになる。

そこで、冷媒圧縮機１１（コンプレッサＣ）が停止時した時にバイパス回路３の開路（図３（ａ）で示すｐａポート側選択）がおこなわれ、冷媒圧縮機１１の起動時にバイパス回路３が閉路（図３（ｂ）で示すＰｂポート側選択）すれば、停止後すぐに差圧の緩和がおこなわれて、いつでもすぐに起動可能な状態にすることができる。

そして、冷媒圧縮機１１が起動時する際に閉路されてバイパス回路が遮断されるものであるが、ここでしばらく、バイパス回路経由で冷媒がＬ２ループで循環することで、一旦冷媒圧縮機ＣがＬ２ループによる空回り運転をしたのち、一定時間後（実施にあっては３秒後）にバイパス回路が閉路して、図のＬ１で示す冷凍サイクル回路を得ているものである。

なお、実施においては、電磁弁２のＰａポートが図３（ｃ）の５に示す電磁可変絞りを備えて、バイバス回路３の閉路時に徐々に、Ｌ２ルートの流量が減少し、Ｌ１ルートの流量が増加するように、図のＳｂで示す電流大きさで流量コントロールがおこなわれて、急激にバイパス回路が閉路しないように設けられている。

なお、本実施例において蓄電装置２０は１２Ｖのバッテリとしたが、蓄電装置２０を備えるものであれば、電動機Ｍへの供給電力は鉛電池（バッテリＶｂ）のみに限定するものではなく、実施例のごとくオルタネータ２１や他の電源装置と併用するものであっても差し支えない。また、バイパス電磁弁２はポート切り替えに限らず、開閉可能な電磁弁であれば、絞り弁による開閉であっても良いし、電磁パイロット弁などであってもよい。さらに、バイパス回路（Ｌ２ループ）の空回り運転の時間は、実施例で示したように３秒タイマなどのタイマ動作でおこなっても良いし、電動機Ｍの電流値や回転数などで判断するようなものであってもかまわない。なお、電磁弁２はＳａ信号の入力で開路（ポートが開きバイバス開路を形成）とし通常閉路としたが、Ｓａ信号の入力で閉路して、通常は開路状態にあるものであっても差し支えない。すなわち本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の実施例を示す回路図。 その原理を示す回路図。 その電磁弁の動作を示す部分ブロック図。 従来例を示す冷凍回路図。

符号の説明

１ 起動補助部
２ 電磁弁（Ｓ）
３ バイパス回路
４ 密閉型電磁コンプレッサ
１０ 冷凍（冷蔵）装置
１１ コンプレッサ（圧縮機Ｃ）
１２ コンデンサ（放熱器）
１３ レシーバ／ドライヤ（凝縮器）
１４ エキパン（拡張弁）
１５ エバポレータ（蒸発器）
１６ 逆止弁
１７ アキュムレータ（液分離器）
１８ 電動機（電動モータＭ）
１９ ドライバ
２０ バッテリ（蓄電装置Ｖｂ）
２１ オルタネータ
２２ 冷媒管
Ｌ１ 冷凍ループ
Ｌ２ 起動補助ループ

Claims (4)

1. 蓄電装置を備えて電動機で熱交換機の冷媒圧縮機を起動する装置において、
   蓄電装置などから電力の供給を受けて冷媒圧縮機を駆動する電動モータと、
   該電動モータで駆動される冷媒圧縮機の出力側となる高圧冷媒回路と、入力側となる低圧部の冷媒回路とをバイパスするバイパス回路と、
   該バイパス回路の開閉をおこなうバイパス電磁弁とを具備して、
   バイパス電磁弁の開閉動作で冷媒圧縮機の差圧を緩和して起動補助をおこなうものであることを特徴とする冷媒圧縮機の起動補助装置。
2. 高圧冷媒回路側のバイパス分岐路が、エバポレータ側に冷媒ガスが逆流入することを防止する逆止弁と、液体と気体を分離するアキュムレータとの間に挿入されて、バイパス回路を形成して成る請求項１記載の冷媒圧縮機の起動補助装置。
3. 冷媒圧縮機の停止時にバイパス回路の開路がおこなわれ、冷媒圧縮機の起動時にバイパス回路が閉路して成る請求項１又は２記載の冷媒圧縮機の起動補助装置。
4. 冷媒圧縮機の起動時に閉路されるバイパス回路が、バイパス回路経由で冷媒が循環することで一旦冷媒圧縮機が空回り運転したのち、一定時間後にバイパス回路が閉路して冷凍サイクル回路を得る請求項３記載の冷媒圧縮機の起動補助装置。
   

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