JP2008107060A - 空気調和装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒に対して非相溶もしくは難相溶の冷凍機油が採用された場合であっても、油戻しを適切に行うことが可能な空気調和装置を提供する。
【解決手段】二酸化炭素冷媒と非相溶のＰＡＧ冷凍機油を用いる空気調和装置１であって、冷媒回路１０は、ＰＡＧが用いられる圧縮機２１と、室外熱交換器２３と、室内膨張弁４１と、室内熱交換器４２とが冷媒配管によって順に接続されて構成されている。そして、この冷媒回路１０は、冷房運転と、暖房運転との切り換えを行う。制御部８は、暖房運転に設定しつつ圧縮機２１の吐出側の二酸化炭素冷媒圧力が超臨界領域となるように制御して油戻し運転を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷媒と非相溶もしくは難相溶の冷凍機油を用いる空気調和装置の油戻し制御に関する。

従来、空気調和装置に用いられる冷凍機油は、冷媒回路を流れる冷媒に対して相溶性を有するものが採用されている。このような相溶性を有する冷凍機油が冷媒回路中に散在する場合に、圧縮機に回収するためには、例えば、以下の特許文献１に示すように、冷媒回路を冷房運転可能に設定し、多少冷媒が湿り気味で圧縮機に戻ってくるように運転制御することで、油戻し運転を行っている。
特願２００４−１７３８３９号公報

しかし、上述した特許文献１に記載の油戻し運転では、冷媒に対して相溶性を有していない冷凍機油が用いられている場合には、冷房運転モードで湿り気味に運転したとしても、冷凍機油が冷媒中に溶け込みにくいため、冷凍機油は圧縮機に戻りにくい。

本発明は、上述した点に鑑みてなされたものであり、本発明の課題は、冷媒に対して非相溶もしくは難相溶の冷凍機油が採用された場合であっても、油戻しを適切に行うことが可能な空気調和装置を提供することにある。

第１発明に係る空気調和装置は、冷媒と非相溶もしくは難相溶の冷凍機油を用いる空気調和装置であって、冷媒回路と、制御部とを備えている。冷媒回路は、冷凍機油が用いられる圧縮機と、熱源側熱交換器と、利用側膨張機構と、利用側熱交換器とが冷媒配管によって順に接続されて構成されている。そして、この冷媒回路は、熱源側熱交換器を冷媒の冷却器として機能させ利用側熱交換器を冷媒の加熱器として機能させる第１運転と、熱源側熱交換器を冷媒の加熱器として機能させ利用側熱交換器を冷媒の冷却器として機能させる第２運転との切り換えを行う運転切換機構を有している。制御部は、運転切換機構を第２運転に設定しつつ圧縮機の吐出側の冷媒圧力が超臨界領域となるように制御して油戻し運転を行う。

ここでは、冷媒と非相溶もしくは難相溶の冷凍機油が用いられる圧縮機が冷媒回路において採用されている。このため、冷媒回路を用いて第１運転等の空調運転を行っていると、冷凍機油は、圧縮機から冷媒と伴に吐出し、冷媒回路中に散在していくことになる。ここでの冷凍機油は、冷媒と非相溶の関係にあるため、冷媒中に溶け込みにくく冷媒と伴に圧縮機に回収されにくい。このため、冷媒と非相溶の冷凍機油は、いったん圧縮機から吐出して冷媒回路中に散在してしまうと、戻りにくく、圧縮機の冷凍機油の量が少なり、圧縮機の運転を円滑に行うことができないという不具合が生じてしまう。

これに対して、ここでは、制御部が、運転切換機構を第２運転に設定しつつ、圧縮機の吐出側の冷媒圧力が超臨界領域になるように、圧縮機の容量制御を行う。これにより、超臨界状態まで高圧にされ過熱された高温の冷媒が冷媒回路に流れていき、散在している冷凍機油が暖められて、冷凍機油の粘度が下がる。このため、冷凍機油は、非相溶の関係にある冷媒であっても、冷媒と伴に流れ易い状態になり、冷媒回路における冷凍機油の流速が上がる。したがって、粘度が減少して流速が上がった冷凍機油は、再び圧縮機に戻り、回収されていく。

これにより、冷媒と非相溶の冷凍機油を用いる場合であっても、冷媒回路中に散在する冷凍機油の粘度を下げて流れ易くすることができ、冷凍機油の回収を効率的に行うことが可能になる。

第２発明に係る空気調和装置は、第１発明に係る空気調和装置であって、制御部は、圧縮機の運転周波数のデータを取得し、圧縮機の運転周波数が所定周波数より低い状態を維持したままで積算運転時間が所定時間を超えた場合に、油戻し運転を開始する。

ここでは、制御部は、所定周波数より低い周波数で圧縮機が運転される状態の積算運転時間をカウントしている。ここで、例えば、圧縮機の所定周波数を、冷凍機油の粘度が高く冷媒と伴には流れにくい程度の値とすると、所定周波数より低い状態での積算運転時間を把握することで、圧縮機における冷凍機油の減少程度を把握することができる。

これにより、制御部は、油戻し運転を、冷凍機油が冷媒回路中に散在して圧縮機の冷凍機油が少なくなった時に限って行うことができ、効率的な回収を行うことが可能になる。

第３発明に係る空気調和装置は、第２発明に係る空気調和装置であって、熱源側熱交換器の周辺に空気流れを形成する熱源側送風機をさらに備えている。そして、制御部は、油戻し運転において熱源側送風機の風量を制御する。

ここでは、熱源側熱交換器において、圧縮機に戻す冷媒と外気との熱交換量を、熱源側送風機の風量制御によって調節することができる。

これにより、圧縮機に効率よく冷凍機油が回収されるように制御することが可能になる。

第３発明に係る空気調和装置は、第２発明または第３発明に係る空気調和装置であって、利用側熱交換器の周辺に空気流れを形成する送風機をさらに備えている。そして、制御部は、油戻し運転に切り換える際に第１運転が実行されている場合には、送風機の運転を停止する。

ここでは、第１運転を行う場合に、送風機によって利用側熱交換器の周辺に空気流れを形成させることで、加熱効率を上げることができる。そして、制御部は、油戻し運転が行われる場合には、この送風機の運転を停止させ、利用側熱交換器を介してユーザに対して温風が送られることを回避できる。

これにより、第２運転に設定されていない時期の油戻し運転に伴うユーザの不快感を回避させることが可能になる。

第５発明に係る空気調和装置は、第１発明から第４発明のいずれかの空気調和装置であって、制御部は、圧縮機の吐出側の冷媒圧力を超臨界状態に制御する場合に、利用側膨張機構の膨張度合いを制御する。

ここでは、圧縮機の運転周波数だけでなく、利用側膨張機構についても制御部が制御することで、高圧の超臨界状態を容易に作り出すことが可能になる。

第６発明に係る空気調和装置は、第１発明から第５発明のいずれかの空気調和装置であって、冷媒は、自然冷媒である。

ここでは、自然冷媒と非相溶の冷凍機油とを用いる場合であっても、冷媒回路中に散在する冷凍機油の粘度を下げて流れ易くすることができ、冷凍機油の回収を効率的に行うことが可能になる。

第７発明に係る空気調和装置は、第１発明から第６発明のいずれかの空気調和装置であって、冷媒は、二酸化炭素冷媒である。

ここでは、二酸化炭素冷媒と非相溶の冷凍機油とを用いる場合であっても、冷媒回路中に散在する冷凍機油の粘度を下げて流れ易くすることができ、冷凍機油の回収を効率的に行うことが可能になる。

第８発明に係る空気調和装置は、第１発明から第７発明のいずれかの空気調和装置であって、冷凍機油は、ポリアルキレングリコールである。

ここでは、冷媒と非相溶の冷凍機油としてポリアルキレングリコール（ＰＡＧ）を用いる場合であっても、冷媒回路中に散在する冷凍機油の粘度を下げて流れ易くすることができ、冷凍機油の回収を効率的に行うことが可能になる。

第１発明の空気調和装置では、冷媒と非相溶の冷凍機油を用いる場合であっても、冷媒回路中に散在する冷凍機油の粘度を下げて流れ易くすることができ、冷凍機油の回収を効率的に行うことが可能になる。

第２発明の空気調和装置では、制御部は、油戻し運転を、冷凍機油が冷媒回路中に散在して圧縮機の冷凍機油が少なくなった時に限って行うことができ、効率的な回収を行うことが可能になる。

第２発明の空気調和装置では、圧縮機に効率よく冷凍機油が回収されるように制御することが可能になる。

第４発明の空気調和装置では、第２運転に設定されていない時期の油戻し運転に伴うユーザの不快感を回避させることが可能になる。

第５発明の空気調和装置では、圧縮機の運転周波数だけでなく、利用側膨張機構についても制御部が制御することで、高圧の超臨界状態を容易に作り出すことが可能になる。

第６発明の空気調和装置では、自然冷媒と非相溶の冷凍機油とを用いる場合であっても、冷媒回路中に散在する冷凍機油の粘度を下げて流れ易くすることができ、冷凍機油の回収を効率的に行うことが可能になる。

第７発明の空気調和装置では、二酸化炭素冷媒と非相溶の冷凍機油とを用いる場合であっても、冷媒回路中に散在する冷凍機油の粘度を下げて流れ易くすることができ、冷凍機油の回収を効率的に行うことが可能になる。

第８発明の空気調和装置では、冷媒と非相溶の冷凍機油としてポリアルキレングリコール（ＰＡＧ）を用いる場合であっても、冷媒回路中に散在する冷凍機油の粘度を下げて流れ易くすることができ、冷凍機油の回収を効率的に行うことが可能になる。

以下、図面に基づいて、本発明にかかる空気調和装置の実施形態について説明する。

（１）空気調和装置の構成
図１は、本発明の一実施形態にかかる空気調和装置１の概略構成図である。空気調和装置１は、冷凍サイクル運転を行うことによって、ビル等の室内の冷暖房に使用される装置である。空気調和装置１は、主として、熱源ユニットとしての室外ユニット２と、それに接続された利用ユニットとしての室内ユニット４と、室外ユニット２と室内ユニット４とを接続する冷媒連絡配管としての冷媒連絡配管６、７とを備えている。すなわち、本実施形態の空気調和装置１の蒸気圧縮式の冷媒回路１０は、室外ユニット２と、室内ユニット４と、冷媒連絡配管６、７とが接続されることによって構成されている。

なお、冷媒回路１０に流れる冷媒としては、自然冷媒の一種である二酸化炭素が用いられている。さらに、後述する圧縮機２１の冷凍機油としては、冷媒としての二酸化炭素に対して非相溶の関係にあるＰＡＧ（ポリアルキレングリコール）が用いられている。

＜室内ユニット＞
室内ユニット４は、ビル等の室内の天井に埋め込みや吊り下げ等により、又は、室内の壁面に壁掛け等により設置されている。室内ユニット４は、冷媒連絡配管６、７を介して室外ユニット２に接続されており、冷媒回路１０の一部を構成している。

次に、室内ユニット４の構成について説明する。

室内ユニット４は、主として、冷媒回路１０の一部を構成する室内側冷媒回路１０ａを有している。この室内側冷媒回路１０ａは、主として、膨張機構としての室内膨張弁４１と、利用側熱交換器としての室内熱交換器４２とを有している。

本実施形態において、室内膨張弁４１は、室内側冷媒回路１０ａ内を流れる冷媒の流量の調節等を行うために、室内熱交換器４２の低温に接続された電動膨張弁である。

本実施形態において、室内熱交換器４２は、伝熱管と多数のフィンとにより構成されたクロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器であり、冷房運転時には冷媒の加熱器として機能して室内空気を冷却し、暖房運転時には冷媒の冷却器として機能して室内空気を加熱する熱交換器である。

本実施形態において、室内ユニット４は、ユニット内に室内空気を吸入して、室内熱交換器４２において冷媒と熱交換させた後に、供給空気として室内に供給するための送風ファンとしての室内ファン４３を有している。室内ファン４３は、室内熱交換器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、本実施形態において、ＤＣファンモータからなるモータ４３ｍによって駆動される遠心ファンや多翼ファン等である。

また、室内ユニット４には、各種のセンサが設けられている。室内熱交換器４２の低温側には、冷媒の温度を検出する温度センサ４４が設けられている。室内熱交換器４２の高温側には、冷媒の温度を検出する温度センサ４５が設けられている。室内ユニット４の室内空気の吸入口側には、ユニット内に流入する室内空気の温度（すなわち、室内温度）を検出する室内温度センサ４６が設けられている。本実施形態において、温度センサ４４、４５及び室内温度センサ４６は、サーミスタからなる。また、室内ユニット４は、室内ユニット４を構成する各部の動作を制御する室内側制御部４７を有している。そして、室内側制御部４７は、室内ユニット４の制御を行うために設けられたマイクロコンピュータやメモリ等を有しており、室内ユニット４を個別に操作するためのリモコン（図示せず）との間で制御信号等のやりとりを行ったり、室外ユニット２との間で伝送線（図示せず）を介して制御信号等のやりとりを行うことができるようになっている。

＜室外ユニット＞
室外ユニット２は、ビル等の室外に設置されており、冷媒連絡配管６、７を介して室内ユニット４に接続されており、室内ユニット４の間で冷媒回路１０を構成している。

次に、室外ユニット２の構成について説明する。室外ユニット２は、主として、冷媒回路１０の一部を構成する室外側冷媒回路１０ｃを有している。この室外側冷媒回路１０ｃは、主として、圧縮機２１と、四路切換弁２２と、熱源側熱交換器としての室外熱交換器２３と、内部熱交換器６４と、膨張機構としての室外膨張弁３８と、レシーバ３９と、温度調節機構としての過冷却器２５と、閉鎖弁２６、２７と、過冷却冷媒回路６１と、ガス抜き冷媒回路６７と、ホットガスバイパス回路２４と、油分離器６８と、キャピラリーチューブ６９とを有している。

圧縮機２１は、運転容量を可変することが可能な圧縮機であり、本実施形態において、インバータにより回転数が制御されるモータ２１ｍによって駆動される容積式圧縮機である。この圧縮機２１は、駆動を潤滑に行うための冷凍機油として、ＰＡＧ（ポリアルキレングリコール）が用いられている。このＰＡＧは、本実施形態の冷媒として採用している二酸化炭素に対して非相溶の関係にある。

四路切換弁２２は、冷媒の流れの方向を切り換えるための弁であり、冷房運転時には、室外熱交換器２３を圧縮機２１によって圧縮された冷媒の冷却器として、かつ、室内熱交換器４２を室外熱交換器２３において冷却された冷媒の加熱器として機能させるために、圧縮機２１の吐出側と室外熱交換器２３とを接続するとともに圧縮機２１の吸入側と冷媒連絡配管７側とを接続し（図１の四路切換弁２２の実線を参照）する。また、暖房運転時には、室内熱交換器４２を圧縮機２１によって圧縮された冷媒の冷却器として、かつ、室外熱交換器２３を室内熱交換器４２において冷却された冷媒の加熱器として機能させるために、圧縮機２１の吐出側と冷媒連絡配管７側とを接続するとともに圧縮機２１の吸入側と室外熱交換器２３とを接続する（図１の四路切換弁２２の破線を参照）。

ホットガスバイパス回路２４は、圧縮機２１の吐出側と吸引側とを接続し、吐出側に油分離器６８が、吸引側にキャピラリーチューブ６９がそれぞれ設けられている。

室外熱交換器２３は、室外ファン２８により供給される空気と熱交換を行うことにより、冷房運転時には冷媒の冷却器として機能し、暖房運転時には冷媒の加熱器として機能する熱交換器である。

本実施形態において、室外ユニット２は、ユニット内に室外空気を吸入して、室外熱交換器２３において冷媒と熱交換させた後に、室外に排出するための送風ファンとしての室外ファン２８を有している。この室外ファン２８は、室外熱交換器２３に供給する空気の風量を可変することが可能なファンであり、本実施形態において、ＤＣファンモータからなるモータ２８ｍによって駆動されるプロペラファン等である。

内部熱交換器６４は、本実施形態において、２重管式の熱交換器であり、室外熱交換器２３において冷却された後に、室内膨張弁４１に送られる冷媒を冷却するために設けられている。内部熱交換器６４は、本実施形態において、室外膨張弁３８と室外熱交換器２３との間に接続されている。

本実施形態において、室外膨張弁３８は、室外側冷媒回路１０ｃ内を流れる冷媒の圧力や流量等の調節を行うために、室外熱交換器２３および内部熱交換器６４とレシーバ３９との間に設けられた電動膨張弁であり、完全に閉止状態とすることもできる。

レシーバ３９には、室外膨張弁３８から伸びる配管と、過冷却器２５から伸びる配管と、ガス抜き冷媒回路６７へと接続するガス抜き配管６５と、が接続されている。ガス抜き配管６５には、開閉弁６６が設けられ、レシーバ３９からガス抜き冷媒回路６７への冷媒の流れを許容したり遮断したりする。

過冷却器２５は、本実施形態において、２重管式の熱交換器であり、室外熱交換器２３および内部熱交換器６４において冷却された後に、室内膨張弁４１に送られる冷媒をさらに冷却するために設けられている。過冷却器２５は、本実施形態において、レシーバ３９と閉鎖弁２６との間に接続されている。

本実施形態において、ガス抜き冷媒回路６７と、過冷却器２５の冷却源としての過冷却冷媒回路６１と、が設けられている。なお、以下の説明では、冷媒回路１０からガス抜き冷媒回路６７および過冷却冷媒回路６１を除いた部分を、便宜上、主冷媒回路と呼ぶことにする。

過冷却冷媒回路６１は、室外熱交換器２３から室内膨張弁４１へ送られる冷媒の一部を主冷媒回路から分岐させて、過冷却器２５を通過するように主冷媒回路に対して設けられている。また、ガス抜き冷媒回路６７は、過冷却冷媒回路６１からの冷媒と、レシーバ３９からの冷媒とを、圧縮機２１の吸入側に戻すように主冷媒回路に対して設けられている。具体的には、過冷却冷媒回路６１は、室外膨張弁３８を通過しレシーバ３９から室内膨張弁４１に送られる冷媒の一部を過冷却器２５と閉鎖弁２６との間の位置から分岐させるように接続された分岐回路と、ガス抜き冷媒回路６７を介して圧縮機２１の吸入側に戻すためにガス抜き冷媒回路６７に接続された合流回路とを有している。そして、分岐回路には、過冷却冷媒回路６１を流れる冷媒の流量を調節するための過冷却膨張弁６２が設けられている。ここで、過冷却膨張弁６２は、電動膨張弁からなる。これにより、室外熱交換器２３から室内膨張弁４１に送られる冷媒は、過冷却器２５において、過冷却膨張弁６２によって減圧された後の過冷却冷媒回路６１を流れる冷媒によって冷却される。すなわち、過冷却器２５は、過冷却膨張弁６２の開度調節によって能力制御が行われることになる。また、過冷却冷媒回路６１から繋がっているガス抜き冷媒回路６７が内部熱交換器６４を通過する場合についても同様である。

閉鎖弁２６及び閉鎖弁２７は、外部の機器・配管との接続口に設けられた弁である。閉鎖弁２６は、過冷却器２５に接続されている。閉鎖弁２７は、四路切換弁２２に接続されている。

また、室外ユニット２には、各種のセンサが設けられている。具体的には、室外ユニット２には、圧縮機２１の吸入圧力を検出する吸入圧力センサ２９と、圧縮機２１の吐出圧力を検出する吐出圧力センサ３０と、圧縮機２１の吸入温度を検出する吸入温度センサ３１と、圧縮機２１の吐出温度を検出する吐出温度センサ３２とが設けられている。吸入温度センサ３１は、圧縮機２１の吸引側に設けられている。室外熱交換器２３には、室外熱交換器２３内を流れる冷媒の温度を検出する熱交温度センサ３３が設けられている。室外熱交換器２３と内部熱交換器６４との間には、冷媒の温度Ｔｃｏを検出する温度センサ３４が設けられている。過冷却器２５の主冷媒回路側の出口には、冷媒の温度を検出する温度センサ３５が設けられている。過冷却冷媒回路６１の合流回路には、過冷却器２５の過冷却冷媒回路６１を流れる冷媒の温度を検出するための過冷却温度センサ６３が設けられている。室外ユニット２の室外空気の吸入口側には、ユニット内に流入する室外空気の温度（すなわち、室外温度）を検出する室外温度センサ３６が設けられている。

本実施形態において、吸入温度センサ３１、吐出温度センサ３２、熱交温度センサ３３、温度センサ３４、３５、室外温度センサ３６及び過冷却温度センサ６３は、サーミスタからなる。また、室外ユニット２は、室外ユニット２を構成する各部の動作を制御する室外側制御部３７を有している。そして、室外側制御部３７は、室外ユニット２の制御を行うために設けられたマイクロコンピュータ、メモリやモータ２１ｍを制御するインバータ回路等を有しており、室内ユニット４の室内側制御部４７との間で伝送線（図示せず）を介して制御信号等のやりとりを行うことができるようになっている。すなわち、室内側制御部４７と室外側制御部３７と制御部３７、４７間を接続する伝送線（図示せず）とによって、空気調和装置１全体の運転制御を行う制御部８が構成されている。

制御部８は、空気調和装置１の制御ブロック図である図２に示されるように、各種センサ２９〜３６、４４〜４６、６３の検出信号を受けることができるように接続されるとともに、これらの検出信号等に基づいて各種機器及び弁２１、２２、２８ｍ、３８、４１、４３ｍ、６２、６６を制御することができるように接続されている。なお、図２に示されるように、制御部８には、メモリ１９が接続されており、各種制御を行う際にメモリ１９に格納されているデータの読み出しを行う。ここでメモリ１９に格納されているデータとしては、例えば、後述する油戻し運転モードを制御部８が実行する場合に参照されるデータとして、圧縮機２１の周波数の所定値データや、圧縮機２１の周波数を上げた油戻し運転を行う所定時間のデータなどがある。

また、制御部８には、後述の冷媒漏洩検知運転において、冷媒漏洩を検知したことを知らせるためのＬＥＤ等からなる警告表示部９が接続されている。

＜冷媒連絡配管＞
冷媒連絡配管６、７は、空気調和装置１をビル等の設置場所に設置する際に、現地にて施工される比較的長い距離を連絡する冷媒配管であり、設置場所や室外ユニットと室内ユニットとの組み合わせ等の設置条件に応じて種々の長さや管径を有するものが使用される。このため、例えば、新規に空気調和装置を設置する場合には、空気調和装置１に対して、冷媒連絡配管６、７の長さや管径等の設置条件に応じた適正な量の冷媒を充填する必要がある。

以上のように、室内側冷媒回路１０ａと、室外側冷媒回路１０ｃと、冷媒連絡配管６、７とが接続されて、空気調和装置１の冷媒回路１０が構成されている。そして、本実施形態の空気調和装置１は、室内側制御部４７と室外側制御部３７とから構成される制御部８によって、四路切換弁２２により冷房運転及び暖房運転を切り換えて運転を行うとともに、各室内ユニット４の運転負荷に応じて、室外ユニット２及び室内ユニット４の各機器の制御を行うようになっている。

（２）空気調和装置の動作
次に、本実施形態の空気調和装置１の動作について説明する。

本実施形態の空気調和装置１の運転モードとしては、各室内ユニット４の運転負荷に応じて室外ユニット２及び室内ユニット４の構成機器の制御を行う通常運転モード（冷房運転および暖房運転）と、空気調和装置１の冷媒回路１０中に散在している圧縮機２１の冷凍機油を回収する油戻し運転モードとがある。

以下、空気調和装置１の各運転モードにおける動作について説明する。

＜通常運転モード＞
（冷房運転）
まず、通常運転モードにおける冷房運転について、図１を用いて説明する。

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、圧縮機２１の吐出側が室外熱交換器２３に接続され、かつ、圧縮機２１の吸入側が閉鎖弁２７及び冷媒連絡配管７を介して室内熱交換器４２に接続された状態となっている。ここで、室外膨張弁３８および過冷却膨張弁６２は、全開状態にされ、閉鎖弁２６、２７も開状態にされている。

この冷媒回路１０の状態で、圧縮機２１、室外ファン２８及び室内ファン４３を起動すると、低圧の冷媒は、圧縮機２１に吸入されて圧縮されて高圧の冷媒となる。その後、高圧の冷媒は、四路切換弁２２を経由して室外熱交換器２３に送られて、室外ファン２８によって供給される室外空気と熱交換を行って冷却され高圧の冷媒となる。そして、この高圧の冷媒は、内部熱交換器６４を通過してガス抜き冷媒回路６７を流れる冷媒によって冷却され、室外膨張弁３８を通過して、レシーバ３９に溜められる。そして、レシーバ３９の冷媒は、過冷却器２５に流入し、過冷却冷媒回路６１を流れる冷媒と熱交換を行ってさらに冷却されて過冷却状態になる。このとき、室外熱交換器２３において冷却された高圧の冷媒の一部は、過冷却冷媒回路６１に分岐され、過冷却膨張弁６２によって減圧された後に、ガス抜き冷媒回路６７を経て、圧縮機２１の吸入側に戻される。ここで、過冷却膨張弁６２を通過する冷媒は、圧縮機２１の吸入圧力近くまで減圧されることで、その一部が加熱される。そして、ガス抜き冷媒回路６７から圧縮機２１の吸入側に向かって流れる冷媒は、主冷媒回路側の内部熱交換器６４を流れる高圧の冷媒と熱交換を行う。なお、過冷却状態になった高圧の冷媒は、閉鎖弁２６及び冷媒連絡配管６を経由して、室内ユニット４に送られる。

この室内ユニット４に送られた高圧の冷媒は、室内膨張弁４１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冷媒となって室内熱交換器４２に送られ、室内熱交換器４２において室内空気と熱交換を行って加熱されて低圧の冷媒となる。

この低圧の冷媒は、冷媒連絡配管７を経由して室外ユニット２に送られ、閉鎖弁２７及び四路切換弁２２を経由した低圧の冷媒は、再び、圧縮機２１に吸入される。

（暖房運転）
次に、通常運転モードにおける暖房運転について説明する。

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の吐出側が閉鎖弁２７及び冷媒連絡配管７を介して室内熱交換器４２に接続され、かつ、圧縮機２１の吸入側が室外熱交換器２３に接続された状態となっている。室外膨張弁３８は、内部熱交換器６４および室外熱交換器２３に流入する冷媒を内部熱交換器６４および室外熱交換器２３において加熱させることが可能な圧力まで減圧するために開度調節されるようになっている。また、閉鎖弁２６、２７は、開状態にされている。室内膨張弁４１は、室内熱交換器４２の出口における冷媒温度が一定になるように開度調節されるようになっている。また、過冷却膨張弁６２および開閉弁６６は、閉止されている。

この冷媒回路１０の状態で、圧縮機２１、室外ファン２８及び室内ファン４３を起動すると、低圧の冷媒は、圧縮機２１に吸入されて圧縮されて高圧の冷媒となり、四路切換弁２２、閉鎖弁２７及び冷媒連絡配管７を経由して、室内ユニット４に送られる。

そして、室内ユニット４に送られた高圧の冷媒は、室内熱交換器４２において、室内空気と熱交換を行って冷却された高圧の冷媒となった後、室内膨張弁４１を通過する際に、室内膨張弁４１の弁開度に応じて減圧される。

この室内膨張弁４１を通過した冷媒は、冷媒連絡配管６を経由して室外ユニット２に送られ、閉鎖弁２６、過冷却器２５、内部熱交換器６４および室外膨張弁３８を経由してさらに減圧された後に、室外熱交換器２３に流入する。そして、室外熱交換器２３に流入した低圧の冷媒は、室外ファン２８によって供給される室外空気と熱交換を行って加熱されて低圧の冷媒となり、四路切換弁２２を経由した低圧の冷媒は、再び、圧縮機２１に吸入される。

以上のような通常運転モードにおける運転制御は、冷房運転及び暖房運転を含む通常運転を行う通常運転制御手段として機能する制御部８（より具体的には、室内側制御部４７と室外側制御部３７と制御部３７、４７間を接続する伝送線（図示せず））によって行われる。

＜油戻し運転モード＞
ここでは、油戻し運転モードについて説明する。

油戻し運転モードでは、制御部８によって、図３に示されるステップＳ１１〜ステップＳ１７の各処理が行われる。ここで、図３は、油戻し運転についてのフローチャートである。以下、各ステップについて順に説明していく。

ステップＳ１１では、制御部８は、現在行われている通常運転モードが、冷房運転であるか、暖房運転であるか判断し、メモリ１９に書き込む。

ステップＳ１２では、制御部８は、圧縮機２１のモータ２１ｍの周波数を取得して、周波数が所定値以下の状態における運転が所定時間以上継続しているか否かを判断する。ここで、周波数の所定値は、冷房運転や暖房運転において冷媒回路１０中に散在している冷凍機油が圧縮機２１まで戻ってくると期待できない程度の値であって、予め定められてメモリ１９に格納されている値である。また、ここでの所定時間は、油戻し運転を、圧縮機２１にダメージを与えない程度に定期的に行うことができるように、予め定められてメモリ１９に格納されている時間である。なお、圧縮機２１の周波数が所定値を超えた場合には、時間のカウントをやり直す。

ステップＳ１３では、制御部８は、四路切換弁２２を切り換えて、冷媒回路１０を暖房運転のモードとし、吐出圧力センサ３０が取得する吐出冷媒圧力が二酸化炭素の超臨界圧力を超えるまで、圧縮機２１のモータ２１ｍの周波数を通常運転モードの時よりさらに上げる制御を行う。ここでの、吐出冷媒圧力の制御は、圧縮機２１のモータ２１ｍの周波数制御だけでなく、制御部８が、室内膨張弁４１の開度についても同時に制御することで行う。さらに、制御部８は、室外ファン２８のモータ２８ｍの回転数を調節して、室外熱交換器２３を通過する冷媒の圧力を調節する。具体的には、冷房運転中に油戻し運転を行った場合には、暖房運転に切り換えられつつ、圧縮機２１の周波数が上がる現象として現れることになり、暖房運転中に油戻し運転を行った場合には、単に圧縮機２１の周波数の上昇として現れる。

ステップＳ１４では、制御部８は、ステップＳ１１においてメモリ１９に書き込んだ運転モードが、冷房運転であるか否か判断する。冷房運転である場合には、ステップＳ１５に移行する。冷房運転でない場合には、ステップＳ１６に移行する。

ステップＳ１５では、制御部８は、室内ファン４３のモータ４３ｍの回転を止める制御を行う。

ステップＳ１６では、制御部８は、暖房運転モードでの、圧縮機２１のモータ２１ｍが高い周波数で稼働された油回収運転が所定回収時間行われることにより冷凍機油を十分に回収できたか否かを判断する。

ステップＳ１７では、制御部８は、油戻し運転モードを終了して、ステップＳ１１でメモリ１９に格納したデータに基づいて、通常運転モードに戻す。

（３）空気調和装置の特徴
本実施形態の空気調和装置１には、以下のような特徴がある。

（Ａ）
従来、冷媒と冷凍機油が相溶の関係にある空気調和装置では、油戻し運転は、冷房運転において、冷媒を若干湿らせ気味に調節し、湿った冷媒に冷凍機油を溶かし込んで、圧縮機に供給することで、冷凍機油を戻している。しかし、この方法では、冷媒と冷凍機油とが非相溶の関係にある場合には、冷凍機油が冷媒に溶け込みにくいため、冷媒と伴に冷凍機油を圧縮機に戻すことが困難である。

これに対して、本実施形態の空気調和装置１では、油戻し運転モードにおいて、圧縮機２１の運転周波数を上げることで吐出冷媒圧力が二酸化炭素の超臨界圧力となる領域まで上げて暖房運転を行い、高温の冷媒を冷媒回路１０に流している。これにより、二酸化炭素冷媒に対して非相溶であるＰＡＧは、高温の二酸化炭素冷媒によって暖められるため、粘度が下がる。また、流速が向上し、二酸化炭素冷媒とともに冷媒回路１０を流れていく。さらに、室外熱交換器２３においては、室外ファン２８からの供給空気量が調節されているために、二酸化炭素冷媒の吸引圧力が調整され、冷凍機油が伴に流れやすく、圧縮機２１に回収される効率が向上する。

（Ｂ）
本実施形態の空気調和装置１では、冷房運転中に油戻し運転が行われると、室内ファン４３のモータ４３ｍの回転を止めて、室内に対して暖かい空気が送風されることを防いでいる。これにより、夏期に冷房を行っているユーザに与える不快感を低く抑えつつ、油戻し運転を定期的に行うことができる。

（Ｃ）
本実施形態の空気調和装置１では、油戻し運転において、圧縮機２１の周波数が所定値を超えた場合には、所定時間までの時間のカウントをやり直す。

圧縮機２１が所定値の周波数を超えて運転された場合には、冷凍機油が冷媒回路１０中を流れて、圧縮機２１に戻ってくる場合があり、このような場合には、油戻し運転を行う必要が生じないため、所定時間のカウントがやり直されている。

これにより、必要以上に頻繁に油戻し運転が行われてしまうことを回避することが可能になる。

（４）変形例
本実施形態では、自然冷媒の一例として、二酸化炭素冷媒を例に挙げて説明した。

しかし、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、アンモニア冷媒、炭化水素冷媒、水冷媒などを用いてもよい。この場合には、例えば、アンモニア冷媒に対して非相溶の冷凍機油として、ＰＡＧや他の冷凍機油を用いることになる。

また、二酸化炭素冷媒に難相溶な冷凍機油として、例えば、ＡＢ（アルキルベンゼン）、ＰＡＯ（ポリアルファオレフィン）等を用いる場合に本発明を適用してもよい。

本発明を利用すれば、冷媒に対して非相溶もしくは難相溶の冷凍機油が採用された場合であっても、油戻しを適切に行うことができるため、特に、冷媒回路において用いられる冷媒と冷凍機油とが非相溶の関係にある空気調和装置に適用することができる。

本発明の一実施形態にかかる空気調和装置の概略構成図である。 空気調和装置の制御ブロック図である。 油戻し運転のフローチャートである。

符号の説明

１ 空気調和装置
２ 室外ユニット（熱源ユニット）
４ 室内ユニット（利用ユニット）
６、７ 冷媒連絡配管（冷媒連絡配管）
８ 制御部
１０ 冷媒回路
２１ 圧縮機
２３ 室外熱交換器（熱源側熱交換器）
４１ 室内膨張弁（膨張機構）
４２ 室内熱交換器（利用側熱交換器）
４３ 室内ファン（送風ファン）

Claims (8)

1. 冷媒と非相溶もしくは難相溶の冷凍機油を用いる空気調和装置（１）であって、
   前記冷凍機油が用いられる圧縮機（２１）と、熱源側熱交換器（２３）と、利用側膨張機構（４１）と、利用側熱交換器（４２）とが冷媒配管によって順に接続されて構成され、前記熱源側熱交換器を冷媒の冷却器として機能させ前記利用側熱交換器を冷媒の加熱器として機能させる第１運転と、前記熱源側熱交換器を冷媒の加熱器として機能させ前記利用側熱交換器を冷媒の冷却器として機能させる第２運転との切り換えを行う運転切換機構（２２）を有する冷媒回路（１０）と、
   前記運転切換機構を前記第２運転に設定しつつ前記圧縮機の吐出側の冷媒圧力が超臨界領域となるように制御して油戻し運転を行う制御部（８）と、
   を備えた空気調和装置（１）。
2. 前記制御部は、前記圧縮機の運転周波数のデータを取得し、前記圧縮機の運転周波数が所定周波数より低い状態を維持したままで積算運転時間が所定時間を超えた場合に、前記油戻し運転を開始する、
   請求項１に記載の空気調和装置（１）。
3. 前記熱源側熱交換器の周辺に空気流れを形成する熱源側送風機をさらに備え、
   前記制御部は、前記油戻し運転において前記熱源側送風機の風量を制御する、
   請求項２に記載の空気調和装置（１）。
4. 前記利用側熱交換器の周辺に空気流れを形成する送風機をさらに備え、
   前記制御部は、前記油戻し運転に切り換える際に前記第１運転が実行されている場合には、前記利用側送風機の運転を停止する、
   請求項２または３に記載の空気調和装置（１）。
5. 前記制御部は、前記圧縮機の吐出側の冷媒圧力を超臨界状態に制御する場合に、前記利用側膨張機構の膨張度合いを制御する、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の空気調和装置（１）。
6. 前記冷媒は、自然冷媒である、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の空気調和装置（１）。
7. 前記冷媒は、二酸化炭素冷媒である、
   請求項１から６のいずれか１項に記載の空気調和装置（１）。
8. 前記冷凍機油は、ポリアルキレングリコールである、
   請求項１から７のいずれか１項に記載の空気調和装置（１）。

Images