JP2008157596A - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】液バックの低減が可能な空気調和機を提供すること。
【解決手段】圧縮機１１と、四方弁１３と、室外側熱交換器１４と、減圧装置１５と、室内側熱交換器１６と、制御装置１９と、比較的小容量のアキュムレータ或いはアキュムレータを有さない構成の冷凍サイクルを備え、空気調和機１０の運転開始時に、圧縮機１１を制御装置１９により、通常運転時よりも低い回転数で一定時間回転させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、密閉型圧縮機を用いた空気調和機に関し、特に圧縮機の吸込側に液バック防止のために設けるアキュムレータを小容量化もしくは有さない構成とした冷凍サイクルとしても液バックを低減させることが可能な技術に関する。

室外側熱交換器及び室内側熱交換器を有し、冷凍サイクルを行う空気調和機において、例えば、空気調和機の起動時や、冷媒が外気から十分に吸熱できない条件下（冬季等）等の条件下では、空気調和機に用いられる冷媒は気液２相体となる。このような条件下で空気調和機を起動すると、圧縮機の運転がなされ、冷凍サイクル内の冷媒が流動する。これにより、冷媒が圧縮機の吸込部から吸込まれる。しかし、圧縮機へ吸込まれる冷媒は、気液２相体であるため、気体状の冷媒だけではなく液体状の冷媒も侵入してしまう。液体はその性質上、圧縮率が気体に比べ低いため、気液２相体の冷媒が圧縮室に侵入し、圧縮室で圧縮工程が成されると、その圧縮率の低さから、圧縮室内の圧力が圧縮室設定圧力より高くなり、衝撃や振動等のストレスが発生する原因等となる。このように、圧縮機内部に液状の冷媒等が侵入することが、所謂液バックである。

この液バックの発生について図３を用いて説明を行う。なお、図３に示す二点鎖線は従来の空気調和機を通常運転させた場合の圧縮機の回転数の変化及び液バック量を示している。なお、図３中、横軸は経過時間を示し、上段縦軸は圧縮機回転数を、下段縦軸は液バック量をそれぞれ示している。図３の２点鎖線に示すように、まず、空気調和機が外部から運転指令を受けると圧縮機を起動（回転）させる。圧縮機の回転数は、通常運転回転数まで右肩上がりに回転数を上昇させる。図３の液バック量が示すように、圧縮機の回転開始時から液バックが発生する。そして、圧縮機の回転数の上昇に合わせ、圧縮機への液バック量も増加していく。ある一定の回転数を超えると、冷媒は例えば冷凍サイクルを構成する構成品をそれぞれ通過することで、温度変化や状態変化等によりその大半が気体状となるため、液バック量は上昇のピークを迎え、次第に液バック量は減少を辿り、最終的に、液バックがほぼ発生しなくなる。

このように、圧縮機の運転開始時、液バック量が一気に増加するため、圧縮機のローラがロックする等、圧縮機へ悪影響を引き起し、圧縮機の破損や騒音の原因となる。このような液バックに起因する不具合を防止するために、例えば、住宅に設置する空気調和機の場合圧縮機の吸込側に大容量(４００ｃｃ程度)のアキュムレータを設置しガス冷媒だけを圧縮機に戻すようにするか、圧縮機に導入される冷媒をヒータ等の冷媒加熱手段を用いて加熱することで液バックを防止しつつ除霜運転を行う方法等が知られている（例えば特許文献１参照）。
特開平３−１０５１８３号公報

上述した構成では、次のような問題があった。即ち、圧縮機の吸込側に大容量のアキュムレータを設置しガス冷媒だけを圧縮機に戻すようにする装置では、圧縮機の横にアキュムレータを設置するため、室外機本体が大形化すると共に、製造コストが高くなってしまう。また、冷媒を加熱させるヒータを用いる空気調和機では、追加部品であるヒータを設けるために、空気調和機の製造コストが高くなってしまうとともに、消費電力が高くなってしまう。

そこで本発明は、製造コスト或いは消費電力が高くなることなく液バックを緩和し、さらに騒音を低減させることが可能な空気調和機を提供することを目的としている。

前記課題を解決し目的を達成するために、本発明の空気調和機は次のように構成されている。

密閉ケース内を高圧に保持可能な密閉型構造を有する圧縮機、室外側熱交換器、減圧装置及び室内側熱交換器を順次連通してなる冷凍サイクルを有する空気調和機において、上記圧縮機起動時に、上記圧縮機に吸込まれる冷媒の液相割合が所定以下となるまで通常運転時における最小運転以下の低速回転数にて運転させる運転手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、製造コストを高くすることなく液バックを緩和し、さらに騒音を低減させることが可能な空気調和機を提供することが可能となる。

図１は本発明の第１の実施の形態に係る空気調和機１０の構成を示す説明図、図２は同空気調和機１０に用いる圧縮機１１を示す正面図、図３は同空気調和機１０の運転開始時の回転数と液バック量との関係を示すグラフである。なお、図１中Ｆは冷房時の冷媒の流れを示している。図３中、横軸は経過時間を示し、上段縦軸は圧縮機１１の回転数を、下段縦軸は圧縮機１１への液バック量をそれぞれ示している。

図１、２に示すように、空気調和機１０の冷凍サイクルは、圧縮機１１と、この圧縮機１１の吐出口に連結された吐出配管１２と、吐出配管１２に連結された四方弁１３と、四方弁１３に連結された室外側熱交換器１４と、室外側熱交換器１４に連結された減圧装置１５と、減圧装置１５に連結された室内側熱交換器１６と、室内側熱交換器１６に四方弁１３を介して連結された吸込配管１７とを順次備え、吸込配管１７は圧縮機１１の吸込口へと連結されている。上記圧縮機１１は、密閉ケース１８内を高圧に保持可能な密閉型構造を有する。空気調和機１０は、四方弁１３を切り替えることにより冷媒の流れの方向を逆にすることで、冷房及び暖房運転を変更可能に形成されている。図１中、四方弁１３は、暖房運転時の回路方向を示しており、矢印Ｆは、この暖房運転時の冷媒の流れを示している。また、圧縮機１１に接続され、圧縮機１１の回転数の制御を行う、例えばインバータ回路等により構成された空気調和機の制御装置１９が設けられている。また、上記圧縮機１１の吸込配管１７には比較的小容量（１００ｃｃ程度）のアキュムレータ２０を介在している。

このように構成された空気調和機１０の暖房運転では、まず、制御装置１９により圧縮機１１の回転を制御する。通常運転時の圧縮機１１の回転数は、インバータ回路からの出力により例えば９〜１２０ｒｐｓに制御される。これにより圧縮された冷媒は、冷媒の流れＦに示すように、圧縮機１１から吐出管１２へ吐出され、四方弁１３を介し、室内側熱交換器１６、減圧装置１５及び室外側熱交換器１４を順次通過する。室外側熱交換器１４を通過した冷媒は、吸込管１７から圧縮機１１の密閉ケース１８内に戻る。なお、この冷媒の流れＦは暖房運転時であり、冷房運転時の冷媒の流れは、四方弁１３を切り替えることで冷媒の流れＦとは逆の流れとなる。

ここで、室外側熱交換器１４を通過した冷媒は吸込配管１７から圧縮機１１の密閉ケース１８内に戻ると説明したが、圧縮機１１の運転開始時には、室外側熱交換器１４と吸込配管１７と圧縮部との間にそれぞれ貯留された冷媒が圧縮機１１へと流れ込む。この冷媒は、室外の温度状況等の要因により、気液２相の混合体となっている可能性が高い。この気液２相の冷媒は、気体状の冷媒と同様に、圧縮機１１へと流れ込む。

しかし、液体状の冷媒は、気体状の冷媒とは圧縮率等が異なり、通常の圧縮を行うことで、圧縮機構部へストレス等を加える、所謂液バックを発生させる。このストレスは、圧縮率の低い、液体状の冷媒を圧縮させることで、圧縮機構部の特に圧縮部内等に通常時より高い圧力等が加わる。これにより、衝撃や振動等が発生し、構成品にひずみや損傷等を与える恐れがあり、騒音、性能低下及び故障等の要因となる。

通常運転を行うと、図３の２点鎖線に示すように、圧縮機１１の回転数上昇に合わせ、圧縮機１１への液バック量も急激に増加していく。これを防止する運転手段として、圧縮機１１の運転開始時に、制御装置１９により、圧縮機１１を通常よりも低い回転数で所定時間運転させる微小回転運転を行う。

図３中の上段実線に示すように、微小回転運転は、まず、リモートコントロール等により空気調和機１０の運転指示を受信したら、圧縮機１１の運転開始時に、制御装置１９により圧縮機１１の運転回転数の制御を行う。ここでの圧縮機１１の回転数は、通常運転時における圧縮機１１の最小回転数よりも低い回転数とする。最小回転数以下（以下、微小回転数）は例えば９ｒｐｓ以下とし、一秒間に９回以下の速度で圧縮機１１が回転されるよう運転する。

このように、圧縮機１１運転開始時に、圧縮機１１を微小回転数で運転することにより、時間当たりに圧縮機１１に吸込まれる冷媒量も少なくなる。このために、液バック量も低減することとなり、液バック量の最大値も同様に低減される。

このように液バック量が低減された状態での運転中に、冷媒の状態も徐々に気液２相状態から気体状へと変化していく。ある一定の時間運転を行うと、液バック量が最大となり、冷媒等の状態が安定してくるため、液バック量も減少を辿る。液バック量が減少したら、さらに回転数をあげることで通常運転時の回転数とさせる。このとき、圧縮機１１へと吸込まれる冷媒量が増加するため、同様に液バック量も増加するが、冷媒の状態変化等の要因のため、通常運転時の回転数で圧縮機１１を運転させても、圧縮機１１運転開始時に通常運転の回転数で圧縮機１１を運転させるとき（図３中２点鎖線）に比べ液バック量の最大値は減少する。

このような微小回転運転を行うことで、液バック量を低減させることができ、液バック量の急激な上昇が抑えられ、さらに液バック量の最大値も減少させることとなる。液バックによる圧縮部に加わるストレスは、液バック量によりその強弱が変化するため、液バック量の最大値が低減すると、ストレスの低減となる。

また、液バック量が低減するということは、圧縮機１１内部への液状冷媒の侵入が減少する、ということであり、これにより液状冷媒による圧縮機１１の摺動用オイルの希釈も低減されることとなる。

上述したように、第１の実施の形態にかかわる空気調和機１０によれば、空気調和機１０の運転開始時に、圧縮機１１の回転数を通常運転時の回転数以下の微小回転数にて運転させることにより、液バック量の低減が可能となる。液バック量を低減させることにより、圧縮機１１の運転開始時に、圧縮機１１のストレスを低減させ、圧縮機１１のひずみ、損傷の防止及び騒音の減少とすることができる。

これは、上述したように、圧縮機１１に、液体が混入されると、気体に比べ圧縮率の低い液体が圧縮されるために、圧縮機１１に大きな圧力が加わる。このため、ストレスが増大する。圧縮機１１に過剰なストレスが加わると、圧縮機１１を構成している各構成品にひずみ、変形及び破損等の悪影響を与え、圧縮機１１能力の低下や最悪の場合、破損等を発生させる。また、過剰なストレスや圧縮による騒音も発生することから、これらの低減を行うことにより、空気調和機１０の寿命を延ばし、信頼性の向上にもなる。さらに、圧縮機１１の摺動用オイルの希釈も低減されることから、摺動摩擦の低下も防止できる。これにより、圧縮機１１の効率の向上、磨耗の防止及び騒音の発生緩和とすることもできる。

また、微小回転数を９ｒｐｓ以下とすることで、圧縮機１１に負担をかけずに冷媒を空気調和機１０の冷媒の循環サイクルへ戻すことができる。さらに、圧縮機１１の振動・騒音を軽減させることも可能となる。

なお、上述した空気調和機１０においては、アキュムレータ２０の容量を従来よりも小さなアキュムレータ（例えば従来の容量４００ｃｃから１００ｃｃ等への変更）を使用している。これは、圧縮機１１に設けられたアキュムレータ２０では、アキュムレータ２０を通過する冷媒の気液分離のために用いるのが主たる用途である。空気調和機１０では、制御装置１９により圧縮機１１の運転開始時に微小回転運転を行うことで、冷媒の気液２相の状態を低減させることができる。このため、アキュムレータ２０の容量を小さくしても、圧縮機１１の回転数を制御することで液バック量を押さえつつ、冷媒を冷凍サイクル内に循環させることにより、気体化の助長ができるため、アキュムレータ２０による気液分離の負担を低減させてもよい。これにより、アキュムレータ２０を設置するコストの低減とすることが可能となる。また、アキュムレータ２０の設置スペースの低減が可能であるため、空気調和機１０の小型化にもなる。

図４は第２の実施の形態に係る空気調和機１０Ａに用いられる圧縮機１１Ａを示す概観図、図５は同空気調和機１０Ａの運転開始時の２段微小回転運転を示す説明図、図６は同空気調和機１０Ａの運転開始時の液バック量を模式的に示す説明図である。図４〜６中の図１〜３と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。なお、図５中、実線（２段微小回転運転）のαは第１微小回転運転、βは第２微小回転運転、γは通常運転の回転数の範囲をそれぞれ示している。

空気調和機１０Ａは、圧縮機１１Ａを備え、この圧縮機１１Ａは、アキュムレータ等の気液分離装置を有さない構成となっている。

このように構成された空気調和機１０Ａでは、圧縮機１１Ａの運転開始時に、空気調和機１０に用いる微小回転運転を、図５の実線に示すように２回行う２段微小回転運転を行う。２段微小回転運転は、リモートコントロール等により空気調和機１０Ａの運転指示を受信したら、圧縮機１１Ａの運転開始時に、まず第１微小回転運転αを行う。第１微小回転運転αは、圧縮機１１Ａの電動機部の回転を制御装置１９により制御し、第１微小回転数にて圧縮機１１Ａを一定時間運転させる。この第１微小回転数は、例えば微小回転数９ｒｐｓの１／２程度（４〜５ｒｐｓ）の回転数とする。

この第１微小回転運転αを所定時間運転させたら、次に第２微小回転運転βを行う。第２微小回転運転βは、制御装置１９により圧縮機１１Ａの回転数を第２微小回転数として圧縮機１１Ａの運転を行う。この第２微小回転数は、例えば微小回転数と同じ回転数である９ｒｐｓとする。第１微小回転運転αと同様に、第２微小回転運転βを所定時間運転後、圧縮機１１Ａの回転数を通常運転γの回転数で運転させる。

このように、先ず圧縮機１１Ａを第１微小回転数で運転させることにより、図６に示すように、液バック量及び液バック量の最大値が圧縮機１０で運転させた微小回転運転時に比べ低減される。第１微小回転運転αで、液バック量が減少してきたら次に、第２微小回転数で圧縮機１１Ａを回転させる。第２微小回転数は、微小回転数と同じ回転数ではあるが、第１微小回転運転αを行っているため、微小回転運転に比べ液バック量及び液バック量の最大値が低減される。第２微小回転運転β中に、液バック量が減少してきたら、通常運転γへと回転数を上昇させる。通常回転数時には、すでに冷媒の状態がほぼ気体となっているため、液バック量はほとんど上昇せずに安定して回転させることができる。

この２段微小回転運転を行うことにより、液バック量がより低減されることから、アキュムレータ２０の気液分離が可能な構成品を圧縮機１１Ａと吸込配管１７との間に設けなくともよくなる。このため、空気調和機１０Ａの製造コストの低減となる。また、アキュムレータ２０分の設置スペースを低減することが可能となるため、空気調和機１０の小型化ができる。アキュムレータ２０は、圧縮機の回転方向の振動成分を伝達及び増幅させる性質を有するため、アキュムレータを有さない構成とすることで、圧縮機本体の騒音、振動等の低減も図れる。

また、２段微小回転運転を行うことで、液バック量をさらに低減とすることができるため、空気調和機の信頼性の向上と、圧縮機の効率向上、磨耗の防止及び騒音の発生緩和とすることができる。

さらに、通常、圧縮機１１、１１Ａの運転音の吸音等のために、例えばフェルト等により形成された防音布を圧縮機本体に巻きつけているが、アキュムレータ２０を有する圧縮機１１の場合、アキュムレータ２０の外観や取付等の構造が複雑であるため、防音布の複雑化や、巻き付き工程の増加により、加工・製造コストが増加する。また、防音性を高めるための巻き付けがアキュムレータ２０によりできなくなり、防音性の低下となる場合もある。これに対し、アキュムレータ２０を有さない圧縮機１１Ａとすることで、防音布の巻き付け工程低減による加工・製造コストの低減が可能となり、さらに、防音布の巻付けが、よりよくできるため、防音性を高めることになる。

このように、第２の実施の形態に係る空気調和機１０Ａによれば、アキュムレータを設置させなくともよく、液バック量の低減とすることによる空気調和機１０Ａの信頼性の向上を可能とし、さらに、効率の向上、加工・製造コストの低減及び騒音の低減が可能となる。

また、上述した空気調和機１０Ａの変形例として、空気調和機１０Ａと同構成とし、リモートコントローラから空気調和機１０Ａの運転指示があったときに、例えば、圧縮機１１Ａの運転を行う前に空気調和機１０Ａの室外側熱交換器１４に設けられた室外ファンを単独運転で所定時間行う。この室外ファン単独運転は、室外ファンを単独で例えば約３分間８００ｒｐｓで運転させるものである。なお、この室外ファン単独運転は、小容量化したアキュムレータ２０を介在させた空気調和機１０の構成でも適用できる。

上記室外ファンを単独で運転させることで、暖房時における冷凍サイクル内の特に、室外側熱交換器１４及び圧縮機１１Ａ周辺で液体化している冷媒を、気体へと状態変化をさせることが可能となる。これは、室外ファンにおいて、液体化している冷媒に、冷媒よりも高い温度である外気により熱交換をすることで、冷媒を気体化させるためである。これにより、圧縮機１１Ａ（又は圧縮機１１）を運転させたときに、圧縮機１１Ａに吸込まれる冷媒は、室外ファンを運転させてない場合と比較し、気体状の割合が高くなる。このため、圧縮機１１Ａに吸込まれる液体状の冷媒を減少させることができ、液バックが緩和される効果を有することとなる。

なお、本発明は前記各実施の形態に限定されるものではない。例えば、上述した例では微小回転運転をアキュムレータ２０を有する圧縮機１１により実行するとしたが、アキュムレータ２０を有さない圧縮機１１Ａにて微小回転運転を実行してもよい。アキュムレータ２０を有さないため、製造コストの低減となる。

また、２段微小回転運転をアキュムレータ２０を有さない圧縮機１１Ａにより実行するとしたが、アキュムレータ２０を有する圧縮機１１で実行してもよい。アキュムレータ２０を有することにより空気調和機の製造コストや、防音布による防音効果の低減とはならないが、液バックをより緩和するともに、空気調和機１０の信頼性を向上させることが可能となる。

通常使用されているＲ４１０Ａ等のＨＦＣ冷媒では、運転圧力が比較的高いため、液バックが発生したとき、圧縮部により大きなストレスが加わるとともに、運転時の騒音の増加となってしまう。しかし、本願発明による空気調和機１０、１０Ａでは、液バック量を低減することが可能となったため、騒音も低減とさせることができるとともに、空気調和機１０、１０Ａの能力の向上、又は小型化とすることが可能となる。

さらに、上述した例では、微小回転運転又は２段微小回転運転を行うとしたが、微小回転運転をさらに複数回（例えば３段回、４段回等）に分けて行ってもよい。このように微小回転数を複数に分けることで、より液バック量を減少させることが可能となる。

また、上述した例にさらにヒータ（冷媒加熱手段）等を用いることでも適用できる。ヒータを用いることで、冷媒の温度を上昇させ、気体状態とさせることにより、液バックの発生をより緩和させることが可能となる。この他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能である。

本発明の第１の実施の形態に係る空気調和機の構成を示す説明図。 同空気調和機に用いる圧縮機を示す概観図。 同空気調和機の運転開始時の液バック量を模式的に示す説明図。 本発明の第２の実施の形態に係る空気調和機に用いられる圧縮機を示す概観図。 同空気調和機の運転開始時の２段微小回転運転を示す説明図。 同空気調和機の運転開始時の液バック量を模式的に示す説明図。

符号の説明

１０、１０Ａ…空気調和機、１１、１１Ａ…圧縮機、１２…吐出配管、１３…四方弁、１４…室外側熱交換器、１５…減圧装置、１６…室内側熱交換器、１７…吸込配管、１８…密閉ケース、２０…アキュムレータ。

Claims (3)

1. 密閉ケース内を高圧に保持可能な密閉型構造を有する圧縮機、室内側熱交換器、減圧装置及び室外側熱交換器を順次連通してなる冷凍サイクルを有する空気調和機において、
   上記圧縮機起動時に、上記圧縮機に吸込まれる冷媒の液相割合が所定以下となるまで通常運転時における最小運転以下の低速回転数にて運転させる運転手段、を備えることを特徴とする空気調和機。
2. 上記運転手段は、上記圧縮機を回転数９ｒｐｓ以下で運転させることを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
3. 上記空気調和機は、室外ファンをさらに備え、
   上記運転手段実行前に、上記室外ファンを所定時間単独運転させることを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。

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