JP2005300056A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷凍機油や、圧縮機を加熱することなく、冷凍サイクルの初回通電時においても、すぐに圧縮機を起動することができる冷凍サイクル装置を提供する。
【解決手段】圧縮機１と四方弁２と室外熱交換器３と膨張弁４と室内熱交換器５とアキュームレータ６とを環状に接続して冷媒回路を構成し、圧縮機１起動時の冷凍機油の吐出量を推定する冷凍機油吐出推定手段１４とを備え、暖房運転開始時に四方弁２を冷房運転側に設定した状態で圧縮機１を運転開始した後、冷凍機油の吐出量が所定値以上と推定された場合に、圧縮機１の運転速度を低下させると共に、膨張弁４を閉じて所定時間運転後、四方弁２を暖房側に切り替えるもので、圧縮機１内でオイルフォーミングが発生し冷凍機油が吐出し、室外熱交換器３内に冷凍機油含有率の高い液冷媒を一時的に滞留させた後、四方弁２を切り替えて圧縮機１に戻すことで、圧縮機１内に冷凍機油が必要量確保される。
【選択図】図１

Description

本発明は冷凍サイクル装置に関するもので、特に圧縮機起動時における油切れ対策に関するものである。

従来、この種の冷凍サイクル装置として、圧縮機の停止中に冷媒が冷凍機油に溶け込む、所謂「寝込み」を抑制するために、圧縮機停止中に冷凍機油を加熱する手段が採られている。例えば、外気温度が所定温度以下の時、圧縮機の温度が低くなって冷媒が冷凍機油に溶け込み易くなると判断し、外気温度が低温のときほど加熱量を大きくして冷凍機油を加熱するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

また、圧縮機を加熱するヒータの通電時間が所定時間に達していない時、かつ圧縮機の冷媒吐出側温度が所定温度以下である時、圧縮機を短時間繰り返し駆動する予備運転を行い、冷凍機油に溶解していた冷媒を少しづつ気化させて取り除き、その後通常の運転を行って定常運転を開始する手段を採っているものもある（例えば、特許文献２参照）。

図４は、上記特許文献２に記載された従来の冷凍サイクル装置において、圧縮機を通常運転に移行する判定を行うフローチャートを示すものである。

図４に示すように、ステップＳ１では電熱器（ヒータ）への通電時間が所定時間、例えば８時間に達したか否かを判定する。ステップＳ１においてＹＥＳ、すなわち電熱器への通電時間が所定時間に達し、冷凍機油中の大半の冷媒が蒸発分離され、直ちに通常運転を行っても圧縮機でオイルフォーミングが発生することがないと判定された時には、ステップＳ４で通常運転を開始する。

一方、前記ステップＳ１でＮＯ、すなわち電熱器への通電時間が所定時間に達しておらず、冷凍機油中の冷媒の蒸発分離が不十分であって、通常運転を行うと圧縮機でオイルフォーミングが発生すると判定された時には、ステップＳ２に移行する。ステップＳ２において、温度センサが検出する圧縮機の吐出側冷媒温度が所定温度、例えば６０℃を越えているか否かを判定する。

したがって、前記冷媒温度が前記所定温度を越えておれば、電熱器への通電時間が例え前記所定時間に達していなくても、この場合は直ちに起動しても圧縮機でオイルフォーミングが発生することがないので、ステップＳ４に移行して通常運転を開始する。

図５は、同冷凍サイクル装置による圧縮機を短時間繰り返し駆動する予備運転のタイミングチャートを示すものである。

図５に示すように、予備運転は比較的遅い回転数で、例えば７秒間だけオン、７秒間だけオフする操作を３回繰り返し、その後３分間強制的に停止するものである。このような予備運転を行うことにより、圧縮機の冷媒流入口部における圧力が徐々に低下し、冷凍機油に溶解していた冷媒を少しづつ気化して追い出すようにしている。
特開平８−１１４３４６号公報 特開平６−０８２１０４号公報

しかしながら、前記従来の冷凍サイクル装置の構成は、特に室外機と室内機間の配管長が長くかつ太い、比較的大、中規模の空気調和機に代表されるような冷凍サイクル装置を対象とした技術であり、比較的小規模な冷凍サイクル装置においては、たとえ「寝込み」が発生した後の圧縮機起動において、圧縮機内の冷凍機油が吐出しても、短時間で圧縮機に戻ってくることから、前記従来の構成を採用していない場合が多い。

前記の比較的大、中規模の空気調和機に代表されるような冷凍サイクル装置においても、冷凍機油を加熱するヒータを使用せず、圧縮機のモータ巻線に微弱電流を印加して加熱するといった簡略化した構成とする試みがなされ、多くの成果が実現されているものの、前記比較的小規模な冷凍サイクル装置のように、完全に冷凍機油を加熱する加熱手段を取り払うには至っていない。

結果として、比較的大、中規模の空気調和機に代表されるような冷凍サイクル装置においては、冷凍サイクル停止後、次回の起動までに圧縮機を加熱するための電力が必要であり、また冷凍サイクルを設置後の初回通電時においては、冷凍機油に溶解していた冷媒を気化させた後にしか圧縮機を起動できないという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、比較的大、中規模の空気調和機に代表されるような冷凍サイクル装置において、冷凍機油を加熱するヒータを使用せず、冷凍サイクル停止後、次回の起動までに圧縮機を加熱するための電力を必要とせず、また冷凍サイクルを設置後の初回通電時においても、すぐに圧縮機を起動できる冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機と、四方弁と、室外熱交換器と、膨張弁と、室内熱交換器と、アキュームレータとを環状に接続して冷媒回路を構成し、前記圧縮機の運転速度を制御する圧縮機速度制御手段と、前記膨張弁の開度を制御する膨張弁制御手段と、前記四方弁の流れ方向を制御する四方弁制御手段と、前記圧縮機が起動する時の冷凍機油の吐出量を推定する冷凍機油吐出推定手段とを備え、暖房運転開始時に前記四方弁を冷房運転側に設定した状態で前記圧縮機を運転開始した後、前記冷凍機油吐出推定手段により冷凍機油の吐出量が所定値以上と推定された場合に、前記圧縮機の運転速度を低下させると共に、前記膨張弁を閉じて所定時間運転後、前記四方弁を暖房側に切り替えるもので、圧縮機内で「寝込み」が発生した後の圧縮機起動において圧縮機内でオイルフォーミングが発生し冷凍機油が吐出しても、冷凍機油吐出推定手段がその状態を検出して、室外熱交換器内に冷凍機油含有率の高い液冷媒を一時的に滞留させた後に四方弁を切り替えることで、室外機と室内機間の配管に冷凍機油含有率の高い液冷媒が流出することなく、アキュームレータを経て圧縮機に戻り、圧縮機内部に冷凍機油が必要量確保されるものである。

また、本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機と、四方弁と、室外熱交換器と、膨張弁と、室内熱交換器と、アキュームレータとを環状に接続して冷媒回路を構成し、前記圧縮機の吐出側と前記四方弁の間に配設した三方弁と、前記三方弁と前記アキュームレータの吸入側を接続するバイパス路と、前記圧縮機の運転速度を制御する圧縮機速度制御手段と、前記三方弁の流れ方向を制御する三方弁制御手段と、前記圧縮機が起動する時の冷凍機油の吐出量を推定する冷凍機油吐出推定手段とを備え、運転開始時に前記冷凍機油吐出推定手段により冷凍機油の吐出量が所定値以上と推定された場合に、前記圧縮機の運転速度を低下させると共に、前記三方弁を前記バイパス路側に切り替えて所定時間運転後、前記三方弁を前記四方弁側に切り替えるようにしたもので、圧縮機内で「寝込み」が発生した後の圧縮機起動において圧縮機内でオイルフォーミングが発生し冷凍機油が吐出しても、冷凍機油吐出推定手段がその状態を検出して、圧縮機の運転速度を低下させるとともに、三
方弁をバイパス路側とするため、冷凍機油を多量に含んだガス冷媒がバイパス路を介してアキュームレータを経て圧縮機に戻り、圧縮機内部の冷凍機油が必要量確保される。

本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機内で「寝込み」が発生した後の起動においてオイルフォーミングが発生し冷凍機油が吐出しても必要冷凍機油量を確保し、圧縮機の損傷を回避するとともに、冷凍機油を加熱するヒータを使用せず、冷凍サイクル停止後、次回の起動までに圧縮機を加熱するための電力を必要とせず、また冷凍サイクルを設置後の初回通電時においても、すぐに圧縮機を起動することができる。

第１の発明は、圧縮機と、四方弁と、室外熱交換器と、膨張弁と、室内熱交換器と、アキュームレータとを環状に接続して冷媒回路を構成し、前記圧縮機の運転速度を制御する圧縮機速度制御手段と、前記膨張弁の開度を制御する膨張弁制御手段と、前記四方弁の流れ方向を制御する四方弁制御手段と、前記圧縮機が起動する時の冷凍機油の吐出量を推定する冷凍機油吐出推定手段とを備え、暖房運転開始時に前記四方弁を冷房運転側に設定した状態で前記圧縮機を運転開始した後、前記冷凍機油吐出推定手段により冷凍機油の吐出量が所定値以上と推定された場合に、前記圧縮機の運転速度を低下させると共に、前記膨張弁を閉じて所定時間運転後、前記四方弁を暖房側に切り替えるもので、圧縮機内で「寝込み」が発生した後の圧縮機起動において圧縮機内でオイルフォーミングが発生し冷凍機油が吐出しても、冷凍機油吐出推定手段がその状態を検出して、室外熱交換器内に冷凍機油含有率の高い液冷媒を一時的に滞留させた後に四方弁を切り替えることで、室外機と室内機間の配管に冷凍機油含有率の高い液冷媒が流出することなく、アキュームレータを経て圧縮機に戻り、圧縮機内部に冷凍機油が必要量確保されるものである。

第２の発明は、特に、第１の発明の膨張弁を閉じて所定時間運転後、四方弁を一時的に暖房側に切り替え、再度前記四方弁を冷房側に切り替えるもので、冷房運転時においても暖房運転時と同じ作用が得られ、圧縮機内で「寝込み」が発生した後の圧縮機起動において圧縮機内でオイルフォーミングが発生し冷凍機油が吐出しても、冷凍機油吐出推定手段がその状態を検出して、室外熱交換器内に冷凍機油含有率の高い液冷媒を一時的に滞留させた後に四方弁を切り替えることで、室外機と室内機間の配管に冷凍機油含有率の高い液冷媒が流出することなく、アキュームレータを経て圧縮機に戻り、圧縮機内部の冷凍機油が必要量確保される。

第３の発明は、圧縮機と、四方弁と、室外熱交換器と、膨張弁と、室内熱交換器と、アキュームレータとを環状に接続して冷媒回路を構成し、前記圧縮機の吐出側と前記四方弁の間に配設した三方弁と、前記三方弁と前記アキュームレータの吸入側を接続するバイパス路と、前記圧縮機の運転速度を制御する圧縮機速度制御手段と、前記三方弁の流れ方向を制御する三方弁制御手段と、前記圧縮機が起動する時の冷凍機油の吐出量を推定する冷凍機油吐出推定手段とを備え、運転開始時に前記冷凍機油吐出推定手段により冷凍機油の吐出量が所定値以上と推定された場合に、前記圧縮機の運転速度を低下させると共に、前記三方弁を前記バイパス路側に切り替えて所定時間運転後、前記三方弁を前記四方弁側に切り替えるようにしたもので、圧縮機内で「寝込み」が発生した後の圧縮機起動において圧縮機内でオイルフォーミングが発生し冷凍機油が吐出しても、冷凍機油吐出推定手段がその状態を検出して、圧縮機の運転速度を低下させるとともに、三方弁をバイパス路側とするため、冷凍機油を多量に含んだガス冷媒がバイパス路を介してアキュームレータを経て圧縮機に戻り、圧縮機内部に冷凍機油の必要量が確保される。

第４の発明は、特に、第１〜３のいずれか１つの発明の冷凍機油吐出推定手段は、圧縮機が起動する前の吐出温度に基づき冷凍機油の吐出量を推定するようにしたもので、冷凍
サイクル装置を通常制御するための手段として一般的に取り付けられた吐出温度センサを冷凍機油吐出推定手段に兼用できるので安価に形成することができる。

第５の発明は、特に、第１〜３のいずれか１つの発明の冷凍機油吐出推定手段は、圧縮機が起動する前の前記圧縮機の容器温度に基づき冷凍機油の吐出量を推定するようにしたもので、比較的安価な温度センサを追加するだけで、正確な冷凍機油吐出推定手段を実現することができる。

第６の発明は、特に、第１〜３のいずれか１つの発明の冷凍機油吐出推定手段は、圧縮機が起動してからの経過時間に基づき冷凍機油の吐出量を推定するようにしたもので、特に温度センサ等を追加することなく、通常制御の手段として一般的に用いられる手段により冷凍機油吐出推定手段を形成することができるので、安価な冷凍サイクル装置を提供する事ができる。

第７の発明は、特に、第１〜３のいずれか１つの発明の冷凍機油吐出推定手段は、圧縮機を起動してから所定時間経過後の室外熱交換器の温度に基づき冷凍機油の吐出量を推定するようにしたもので、吐出量を検知するようなセンサー等を備えていない冷凍サイクルにおいても、安価で正確な冷凍機油吐出推定手段を形成することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における冷凍サイクル装置の制御ブロック図を示すものである。

図１において、圧縮機１、四方弁２、室外機（図示せず）に内蔵された室外熱交換器３、膨張弁４、室内機（図示せず）に内蔵された室内熱交換器５、アキュームレータ６は環状に接続されて冷媒回路を構成する。圧縮機速度制御手段１１は圧縮機１の運転速度を制御するもので、インバータが代表的である。膨張弁制御手段１２は膨張弁４を流れる冷媒の流量を調整し、四方弁制御手段１３は四方弁２を冷房側もしくは暖房側に切り換えて冷媒の流れ方向を制御するものである。冷凍機油吐出推定手段１４は圧縮機１が起動する時の冷凍機油の吐出量を推定するものである。

圧縮機１の起動時の冷凍機油の吐出量は、停止中に圧縮機１内に寝込んだ冷媒量と相関があり、停止中に圧縮機１内に冷媒が寝込むか否かは、周囲温度と吐出温度に依存するもので、吐出温度が低いほど起動時の冷凍機油吐出量が多く、逆に吐出温度が高いほど少ないので、冷凍機油吐出推定手段１４は、吐出温度に基づいて冷凍機油の吐出量を推定するようにしている。

以上のように構成された冷凍サイクル装置について、以下暖房運転を開始するときの動作、作用を説明する。

一般に四方弁２は冷凍サイクルの高圧と低圧の差圧により弁本体（図示せず）が作動するパイロット式であることから、四方弁制御手段１３は、四方弁２を冷房側に設定した状態で圧縮機１を起動した後、高圧と低圧の差圧がある程度ついた状態で暖房側に切り換える動作を行う。

圧縮機１の内部で「寝込み」が発生した後の起動において、オイルフォーミングが発生し多量の冷凍機油が圧縮機１から吐出された場合、冷凍機油を多量に含有した冷媒は、室
外熱交換器３、膨張弁４、液配管９、室内熱交換器５、ガス配管１０、アキュームレータ６の順で経由して圧縮機１へ戻ろうとした後、四方弁２の切り換わりによって、ガス配管１０、室内熱交換器５、液配管９、膨張弁４、室外熱交換器３、アキュームレータ６の経路に変化する。

すなわち、オイルフォーミングによる冷凍機油の吐出と、四方弁４の切り換えのタイミング如何では、前記の冷媒経路中に冷凍機油が多量に滞留し、圧縮機１の内部の冷凍機油が減少した状態での運転が長時間継続する場合がある。

本実施の形態では、図２に示すように、冷凍機油吐出推定手段１４がオイルフォーミングにより冷凍機油が多量に吐出されている状態を吐出有と推定すると、圧縮機速度制御手段１１は圧縮機１の運転速度を低速とし、同時に膨張弁制御手段１２で膨張弁４を閉じる。この状態では、冷凍機油を多量に含有した冷媒は室外熱交換器３内に留まり、液配管９、室内熱交換器５、ガス配管１０に流出することはない。

その後、冷凍機油吐出推定手段１４が冷凍機油の吐出が治まった状態を吐出無と推定すると、四方弁制御手段１３は四方弁２を冷房側から暖房側に切り換え、室外熱交換器３内に留まっていた冷凍機油を多量に含有した冷媒はアキュームレータ６を介して圧縮機１に戻り、以後通常の暖房運転に移行する。

以上のように、本実施の形態においては、圧縮機１内でオイルフォーミングが発生し冷凍機油が吐出しても、冷凍機油吐出推定手段１４がその状態を検出して、室外熱交換器３内に冷凍機油含有率の高い液冷媒を一時的に滞留させた後に四方弁２を切り替えることで、室外機と室内機間の配管に冷凍機油含有率の高い液冷媒を流出させることなくアキュームレータ６に戻された後に圧縮機１に戻り、圧縮機１内部の冷凍機油は必要量確保することができる。

また、本実施の形態では、冷凍機油吐出推定手段１４は、吐出温度に基づいて冷凍機油の吐出量を推定するようにしたので、通常運転時の制御目的で一般に用いられている吐出温度センサー（図示せず）を、冷凍機油吐出推定手段１４に兼用できるので、安価に構成することができる。

また、吐出温度と圧縮機１の容器温度とは比例するので、冷凍機油吐出推定手段１４は、圧縮機１の容器温度に基づいて、冷凍機油の吐出量を推定するようにしても良く、この場合は、比較的安価な温度センサを追加するだけで、正確な冷凍機油吐出推定手段１４を実現することができる。

また、停止中に圧縮機１内に冷媒が寝込んだ状態から起動する場合のオイルフォーミング（泡の状態）が発生する確率は、起動後約２〜３分後をピークに減少する傾向があるので、冷凍機油吐出推定手段１４は、圧縮機１が起動してからの経過時間に基づいて、冷凍機油の吐出量を推定することも可能で、この場合は、冷凍機油の吐出量検出用のセンサを追加することなく通常制御の手段として一般的に用いられる手段により、冷凍機油吐出推定手段１４を実現することもできる。

また、圧縮機１が起動すると、吐出圧力が徐々に上昇し、それに伴って室外熱交換器３の温度も上昇する。一方吐出圧力と、冷凍機油と冷媒の相溶性が定まっているので、冷凍機油吐出推定手段１４は、所定時間経過後の室外熱交換器３の温度に基づいて、冷凍機油の吐出量を推定することもできる。この場合は、吐出圧力を検知する手段を有さない冷凍サイクルにおいても、冷凍機油の吐出量を推定することができ、より安価で正確な冷凍機油吐出推定手段１４を実現することもできる。

（実施の形態２）
図３は、本発明の第２の実施の形態における冷凍サイクル装置の制御ブロック図である。

なお上記第１の実施の形態と同一部分は、同一符号を付してその説明を省略する。

本実施の形態は、図３に示すように、圧縮機１の吐出側と四方弁２の間に三方弁７を配設し、アキュームレータ６の吸入側とバイパス路８を介して接続したものである。

以上のように構成された冷凍サイクル装置について、以下冷房運転、暖房運転に関わらず運転を開始するときの動作、作用を説明する。

冷凍機油吐出推定手段１４がオイルフォーミングにより冷凍機油が多量に吐出されている状態を吐出有と推定すると、圧縮機速度制御手段１１は圧縮機１の運転速度を低速とし、三方弁制御手段１５が、三方弁７の流れ方向をバイパス路８側に切り換えるもので、冷凍機油を多量に含んだガス冷媒がバイパス路８を介してアキュームレータ６に戻された後に圧縮機１に戻り、圧縮機１内部の冷凍機油を必要量確保することができる。

以上のように、本発明にかかる冷凍サイクル装置は、圧縮機内でオイルフォーミングが発生し冷凍機油が吐出しても、圧縮機内部の冷凍機油を必要量確保することができ、冷凍機油を加熱するヒータや、冷凍サイクル停止後、次回の起動までに圧縮機を加熱するための電力を必要としないので、冷凍サイクル応用機器の省エネルギー等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の制御ブロック図 同冷凍サイクル装置の制御タイミングチャート 本発明の実施の形態２における冷凍サイクル装置の制御ブロック図 従来の冷凍サイクル装置の制御フローチャート 同冷凍サイクル装置の制御タイミングチャート

符号の説明

１ 圧縮機
２ 四方弁
３ 室外熱交換器
４ 膨張弁
５ 室内熱交換器
６ アキュームレータ
７ 三方弁
８ バイパス路
１１ 圧縮機速度制御手段
１２ 膨張弁制御手段
１３ 四方弁制御手段
１４ 冷凍機油吐出推定手段
１５ 三方弁制御手段

Claims (7)

1. 圧縮機と、四方弁と、室外熱交換器と、膨張弁と、室内熱交換器と、アキュームレータとを環状に接続して冷媒回路を構成し、前記圧縮機の運転速度を制御する圧縮機速度制御手段と、前記膨張弁の開度を制御する膨張弁制御手段と、前記四方弁の流れ方向を制御する四方弁制御手段と、前記圧縮機が起動する時の冷凍機油の吐出量を推定する冷凍機油吐出推定手段とを備え、暖房運転開始時に前記四方弁を冷房運転側に設定した状態で前記圧縮機を運転開始した後、前記冷凍機油吐出推定手段により冷凍機油の吐出量が所定値以上と推定された場合に、前記圧縮機の運転速度を低下させると共に、前記膨張弁を閉じて所定時間運転後、前記四方弁を暖房側に切り替えることを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 膨張弁を閉じて所定時間運転後、四方弁を一時的に暖房側に切り替え、再度前記四方弁を冷房側に切り替えることを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル装置。
3. 圧縮機と、四方弁と、室外熱交換器と、膨張弁と、室内熱交換器と、アキュームレータとを環状に接続して冷媒回路を構成し、前記圧縮機の吐出側と前記四方弁の間に配設した三方弁と、前記三方弁と前記アキュームレータの吸入側を接続するバイパス路と、前記圧縮機の運転速度を制御する圧縮機速度制御手段と、前記三方弁の流れ方向を制御する三方弁制御手段と、前記圧縮機が起動する時の冷凍機油の吐出量を推定する冷凍機油吐出推定手段とを備え、運転開始時に前記冷凍機油吐出推定手段により冷凍機油の吐出量が所定値以上と推定された場合に、前記圧縮機の運転速度を低下させると共に、前記三方弁を前記バイパス路側に切り替えて所定時間運転後、前記三方弁を前記四方弁側に切り替えるようにしたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
4. 冷凍機油吐出推定手段は、圧縮機が起動する前の吐出温度に基づき冷凍機油の吐出量を推定するようにした請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
5. 冷凍機油吐出推定手段は、圧縮機が起動する前の前記圧縮機の容器温度に基づき冷凍機油の吐出量を推定するようにした請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
6. 冷凍機油吐出推定手段は、圧縮機が起動してからの経過時間に基づき冷凍機油の吐出量
   を推定するようにした請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
7. 冷凍機油吐出推定手段は、圧縮機を起動してから所定時間経過後の室外熱交換器の温度に基づき冷凍機油の吐出量を推定するようにした請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。

Images