JP2009156516A - 冷凍サイクル評価システム - Google Patents

Abstract

【課題】冷凍サイクルにおいて、冷媒流路が長く落差が大きくなると、潤滑油の戻り速度が低下し戻り量が減少することから、圧縮機内の潤滑油量が適正でなくなり、圧縮機の信頼性を低下させることがある。
【解決手段】潤滑油に潤滑されて冷媒を圧縮する圧縮機１１ａと、圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器１１ｃと、冷媒を膨張させる膨張弁１１ｄと、膨張弁１１ｄを通過した冷媒を蒸発させる蒸発器１２ａと、圧縮機１１ａ、凝縮器１１ｃ、膨張弁１１ｄ及び圧縮機１１ａをこの順に冷媒が通過するように連結する冷媒管路１３とを少なくとも備えてなる冷凍サイクル１に接続される冷凍サイクル評価システムであって、潤滑油と冷媒を分離する潤滑油分離機構２２と、評価対象の冷凍サイクル１の冷媒管路１３に滞留する潤滑油量に対応する量の分離した潤滑油を貯留し得る潤滑油貯留機構２５と、潤滑油貯留機構２５に貯留する潤滑油量を制御する潤滑油貯留量制御機構と、貯留した潤滑油を冷凍サイクル１へ戻す量を制御する潤滑油戻し量制御機構３とを備えてなる。
【選択図】図１

Description

この発明は、家庭やビルなどで使用される空調装置に組み込まれる冷凍サイクル評価システムに関する。

従来、空調装置に組み込まれる冷凍サイクルは、基本的には、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、冷媒を少なくとも膨張させる膨張弁と、膨張弁を通過した冷媒を蒸発させる蒸発器と、圧縮機、凝縮器、膨張弁及び圧縮機をこの順に冷媒が通過するように連結する管路とを少なくとも備えている。通常、圧縮機及び凝縮器が室外機を、また膨張弁及び蒸発器が室内機を構成するものであり、その両者を管路が接続するものである。圧縮機には、潤滑油が封入されており、冷媒が圧縮機から吐出される際に、潤滑油は冷媒に混入するものである。このような冷凍サイクルの評価装置として、特許文献１のものが知られている。
特開平１１−１８３３３４号公報

上述の特許文献１のものでは、冷凍サイクルを構成する圧縮機やその潤滑油の評価はできるものの、例えばビルに設置される冷凍サイクルにおける潤滑油の循環状態などは評価できないものである。すなわち、このような冷凍サイクルにおいて、ビルに設置される空調装置のものにあっては、一つの室外機に複数の室内機が接続される構成である。このような構成にあっては、それぞれの室内機を接続するために、一つの階だけでも管路が長くなるとともに、階が変わることによっても、さらに管路が長くなる。管路が長くなると、室外機からそれぞれの室内機を循環して室外機に戻ってくる潤滑油と冷媒とに、予想されない遅延を生じることがある。

このように、潤滑油の戻りが遅くなると、圧縮機内の潤滑油量が適正でなくなることがある。潤滑油量が適正でなくなった場合、圧縮機が円滑に作動しなくなり、その結果、圧縮機の寿命低下等をきたす問題が生じる。そして、多くの場合、実際の施工状態と同様の条件において冷凍サイクルを設置した後、冷凍サイクルを運転して潤滑油の循環状態を確認するものであるが、高落差や長配管の設備が不可欠であり、その設置するまでの試験の工数が膨大となる場合が多々あった。
本発明は、このような課題に着目してなされたものであって、主たる目的は、実際に施工する前に、冷凍サイクルにおける潤滑油の循環状態を模擬して評価することを可能にする冷凍サイクル評価システムを提供することにある。

本発明に係る冷凍サイクル評価システムは、潤滑油に潤滑されて冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、冷媒を膨張させる膨張弁と、膨張弁を通過した冷媒を蒸発させる蒸発器と、圧縮機、凝縮器、膨張弁及び圧縮機をこの順に冷媒が通過するように連結する冷媒流路とを少なくとも備えてなる冷凍サイクルに接続される冷凍サイクル評価システムであって、潤滑油と冷媒を分離する潤滑油分離機構と、評価対象の冷凍サイクルの冷媒流路に滞留する潤滑油量に対応する量の分離した潤滑油を貯留し得る潤滑油貯留機構と、潤滑油貯留機構に貯留する潤滑油量を制御する潤滑油貯留量制御機構と、貯留した潤滑油を冷凍サイクルへ戻す量を制御する潤滑油戻し量制御機構とを備えてなることを特徴とする。

このような構成によれば、冷媒から潤滑油を潤滑油分離機構が分離し、評価対象の冷凍サイクルの冷媒流路に滞留する潤滑油量に相当する量を貯留し得る潤滑油貯留機構がその分離した潤滑油を貯留し、貯留した潤滑油を冷凍サイクルに戻すに際して戻す量を潤滑油戻し量制御機構が制御するので、評価対象の冷凍サイクルの冷媒流路の実際の落差や配管長を準備することなく評価する冷凍サイクルの冷媒流路に滞留する潤滑油を模擬することが可能になる。したがって、冷凍サイクルの評価を容易に実施することが可能になる。なお、ここでの冷媒流路とは、室内機と室外機を接続する冷媒管路のみならず、室内機間、や室外機間を結ぶ配管、室内機内や室外機内の配管、圧縮機や熱交換器などの機器内流路をも含む概念である。

冷媒流路に滞留する潤滑油を模擬する際に、潤滑油の貯留量を所望の量に制御するためには、潤滑油分離機構により分離した潤滑油の所定量が潤滑油貯留機構に貯留するよう潤滑油貯留量制御機構を制御する潤滑油貯留量制御部をさらに備えるものが好ましい。

加えて、冷凍サイクルの運転状態を模擬するためには、潤滑油貯留機構から設定された量の潤滑油を所定時間遅延させて冷凍サイクルへ戻るように潤滑油戻し量制御機構を制御する潤滑油戻し量制御部をさらに備えるものが好ましい。

このような構成において、さらに精密に冷凍サイクルの運転状態を模擬するためには、圧縮機の吐出管に、吐出冷媒の流量、冷媒中に含まれる潤滑油流量、及び冷媒中の潤滑油含有率を検出する潤滑油吐出率検出器を接続してなり、潤滑油戻し量制御部が、所定配管長条件と潤滑油吐出率検出器から得られる冷媒流速とにより冷媒戻り時間を算出し、かつ所定配管長条件を考慮した配管内潤滑油滞留量を算出し、潤滑油吐出率検出器より得られる圧縮機吐出側の潤滑油流量から配管内潤滑油滞留量を差し引いて圧縮機戻り側への潤滑油戻し流量を計算する冷媒戻り時間・潤滑油戻し量演算部と、潤滑油吐出率検出器から出力される信号により冷媒流量を検出する冷媒流量信号処理部とをさらに備えるものが好ましい。

冷媒から潤滑油を潤滑油分離機構が分離し、その分離した潤滑油を潤滑油貯留機構が貯留し、貯留した潤滑油を冷凍サイクルに戻すに際してその量を潤滑油戻し量制御機構が制御するので、冷媒流路に滞留する潤滑油を模擬することができる。このように、例えばビルなどに設置される冷媒流路長が長く、室外機と室内機間の落差の大きい条件での冷凍サイクル状態及び潤滑油の循環状態をも模擬して評価できるので、長配管及び高落差条件を設定する設備が不要となる。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

図１に示す冷凍サイクル評価システムは、冷房と暖房とを切り替えられる冷凍サイクル１に接続されるもので、潤滑油バイパス機構２とその潤滑油バイパス機構２を制御する潤滑油戻し量設定制御装置３とを備えている。

冷凍サイクル１は、屋外に設置される室外機１１と、屋内に設置される室内機１２と、室外機１１と室内機１２とを接続する冷媒管路１３とを備えている。室外機１１は、冷媒を圧縮する圧縮機１１ａと、圧縮機１１に接続される四方弁１１ｂと、圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器たる室外熱交換器１１ｃと、冷媒を膨張させる膨張弁１１ｄとを備えている。圧縮機１１には、潤滑油が封入されている。室内機１２は、室外機１１の膨張弁１１ｄを通過した冷媒を蒸発させる蒸発器１２ａを備えている。四方弁１１ｂは、冷房の場合に圧縮機１１から吐出される冷媒が室外熱交換器１１ｃに流入するように室外機１１の内部管路１１ｅを接続するとともに、暖房の場合に、冷媒が冷媒管路１３を介して室内機１２に流入するように内部管路１１ｅを接続するものである。

冷媒管路１３のうち、室外機１１の膨張弁１１ｄと室内機１２との間の第一冷媒管路１３ａは、二個の圧力センサＰ１，Ｐ２を備えるとともに、その圧力センサＰ１，Ｐ２の取り付け位置の間に、第一冷媒管路１３ａの圧力降下を模擬する液管差圧設定用流量制御弁１４を備える。また、室外機１１の四方弁１１ｂと室内機１２との間の第二冷媒管路１３ｂは、二個の圧力センサＰ３，Ｐ４と、その圧力センサＰ３，Ｐ４の取り付け位置の間に、第二冷媒管路１３ｂの圧力降下を模擬するガス管差圧設定用流量制御弁１５を備える。そして、冷凍サイクル１から冷媒を迂回させるために、ガス管差圧設定用流量制御弁１５と室内機１２側の圧力センサＰ３との間に、第二冷媒管路１３ｂを開閉する、潤滑油バイパス機構２を構成する第一制御弁２１が配置される。なお、この冷凍サイクル評価システムにあっては、冷媒管路１３は、長尺である必要はなく、全長で例えば数メートルあれば十分である。

潤滑油バイパス機構２は、上述の第一制御弁２１と、潤滑油と冷媒とを分離する潤滑油分離器２２と、潤滑油分離器２２に流入する冷媒を制御する第二制御弁２３と、潤滑油分離器２２により分離された冷媒成分を第二冷媒管路１３ｂに戻す第三制御弁２４と、潤滑油分離器２２により分離された潤滑油を貯留する潤滑油貯留槽２５と、潤滑油貯留槽２５に貯留させる潤滑油の油量を制御する潤滑油貯留用制御弁２６と、潤滑油貯留槽２５から第二冷媒管路１３ｂに戻す潤滑油量を計測する潤滑油流量計２７と、潤滑油分離器２２からの潤滑油の潤滑油流量計２７への流入を制御する二方弁２８と、潤滑油分離器２２から出る潤滑油を第二冷媒管路１３ｂのガス管差圧設定用流量制御弁１５と室外機１１側の圧力センサＰ４との間に戻すことを制御する潤滑油戻し用制御弁２９とを備えている。潤滑油貯留槽２５は、評価対象の冷凍サイクルに滞留する潤滑油量に相当する量を貯留し得る容積を有するものである。したがって、この潤滑油貯留槽２５は、評価対象の冷凍サイクルに対応して、容積の異なるものと取り替え可能にするものであってよい。以上の構成において、潤滑油分離器２２が潤滑油分離機構を、潤滑油貯留槽２５が潤滑油貯留機構を、潤滑油戻し用制御弁２９が潤滑油戻し量制御機構をそれぞれ構成するものである。なお、潤滑油貯留槽２５には、液面計２５ａと圧力センサ２５ｂと温度センサ２５ｃとが設置されている。

潤滑油戻し量設定制御装置３は、例えばマイクロプロセッサを主体とするコンピュータシステムで構成されるものであり、プログラムと協働することにより、以下に説明する各部を備えるものである。すなわち、潤滑油戻し量設定制御装置３は、潤滑油貯留用制御弁２６を制御するとともに潤滑油戻し用制御弁２９を制御する制御弁開度出力部３１と、潤滑油流量計２７から出力される潤滑油流量信号を処理する潤滑油流量信号処理部３２と、二方弁２８を制御する二方弁制御部３３と、潤滑油貯留槽２５に設けられた液面計２５ａから出力される液面レベル信号を処理する液面レベル処理部３４と、圧力センサ２５ｂ及び温度センサ２５ｃから出力される圧力信号及び温度信号を処理する圧力温度信号処理部３５とを備えている。制御弁開度出力部３１は、潤滑油貯留用制御弁２６に対して開度信号を出力し、潤滑油分離器２２から潤滑油貯留槽２５に流入する潤滑油の油量を制御するととともに、潤滑油戻し用制御弁２９に対して開度信号を出力して第二冷媒管路１３ｂに戻る潤滑油の油量を制御するものである。したがって、制御弁開度出力部３１が潤滑油貯留制御部として機能するとともに、潤滑油戻し量制御部として機能する。

このような構成において、例えば冷房運転状態において、潤滑油の循環状態を模擬するために、第一制御弁２１を閉じ、かつ第二制御弁２３を開いた状態で冷凍サイクル１を運転する。この時、潤滑油戻し用制御弁２９は、閉じてある。潤滑油の混じった冷媒は、第二冷媒管路１３ｂから第二制御弁２３を介して潤滑油分離器２２に流入する。潤滑油分離器２２は冷媒と潤滑油を分離して、第三制御弁２４を介して冷媒を第二冷媒管路１３ｂに戻す。ここで、制御弁開度出力部３１は、潤滑油貯留用制御弁２６に開度信号を出力して、潤滑油分離器２２により分離された潤滑油を潤滑油貯留槽２５に貯留するべく、潤滑油貯留用制御弁２６を所定開度分だけ開く。この場合に、制御弁開度出力部３１は、液面計２５ａから出力される液面レベル信号により液面レベル信号処理部３４が検出した潤滑油貯留量が所定量となるように、潤滑油貯留用制御弁２６の開度を制御する。この潤滑油貯留槽２５への潤滑油の貯留は、評価対象の冷凍サイクルにおける冷媒流路に滞留する潤滑油を模擬するものである。

通常、潤滑油内には冷媒が溶解しているため、潤滑油貯留槽２５内の圧力及び温度をそれぞれ圧力センサ２５ｂ、温度センサ２５ｃ及び圧力温度信号処理部３５で検出し、潤滑油内冷媒溶解度を逐次算出する。そして、冷媒溶解度を考慮した潤滑油貯留量が所定量に達すると、制御弁開度出力部３１は潤滑油戻し用制御弁２９を全開にするとともに、潤滑油貯留用制御弁２６を全閉にする。さらに、第二制御弁２３を閉じて、潤滑油分離器２２内に貯留した潤滑油を全て圧縮機１１ａ側へ循環させる。所定時間経過後、第一制御弁２１を開くとともに、第二及び第三制御弁２３，２４ならびに潤滑油戻し用制御弁２９を閉じて、冷媒が通常通り第二冷媒管路１３ｂを流動する管路構成に戻す。

このようにして、冷凍サイクル１の運転時に冷媒に混ざって循環する潤滑油を、潤滑油バイパス機構２と潤滑油戻し量設定制御装置３とで所定量に達するまで貯留することにより、長配管かつ高落差条件での冷媒流路を循環する冷媒及び潤滑油の状態を、小規模、つまり落差なく、かつ冷媒管路１３の短い構成において模擬することができる。この場合に、潤滑油貯留槽２５に貯留する量及び潤滑油を冷媒管路１３に戻す戻し量を、予想される冷媒管路の長さ及び高落差に対応する量にすることにより、種々の異なる構成の冷凍サイクルに対応して模擬することができる。したがって、ビルなどに設置される、長く、かつ高落差を有する冷媒管路を備える冷凍サイクルにおける冷媒及び潤滑油の循環特性や冷暖房性能を評価することができるとともに、その必要な油量を決定することができる。

なお、上記構成において、液面計２５ａから出力される液面レベル信号により潤滑油貯留量が所定量となるように、潤滑油貯留用制御弁２６の開度を制御する代わりに、所定時間の経過後に、潤滑油流量計２７の指示値が所定流量となるように潤滑油戻し用制御弁２９の開度を制御して圧縮機１１ａへの潤滑油戻し量を制御するようにしてもよい。つまり、この例にあっては、潤滑油の貯留量を時間の経過により推定し、推定した貯留量となった時点で、所定流量になるまで潤滑油戻し用制御弁２９の開度を制御するものである。

次に説明する第二の実施形態は、以上の構成にさらに潤滑油吐出率検出部４を付加した構成である。図2において、図１と同じ構成については、同一の符号を付して説明を省略する。すなわち、潤滑油バイパス機構２については上記実施形態と同じであり、潤滑油戻し量設定制御装置５は、上記実施形態の潤滑油戻し量設定制御装置３に、冷媒流量信号処理部５１と冷媒戻り時間・潤滑油戻し量演算部(以下、演算部と略称する)５２とをさらに備えるものである。

この例においてはさらに、圧縮機１１ａから吐出される冷媒中に含まれる潤滑油の吐出率を検出するために、圧縮機１１ａから吐出される冷媒から潤滑油を分離する第二潤滑油分離器４１を、圧縮機１１ａの吐出側に接続している。第二潤滑油分離器４１は、冷媒流量計４２を介して圧縮機１１ａに接続されるもので、潤滑油から分離された冷媒は四方弁１１ｂの入り口側に戻される。一方、分離された潤滑油は、第二潤滑油流量計４３を介して、四方弁１１ｂの下流側である室外熱交換器１１ｃに戻される。

この例においては、冷媒管路が長い冷凍サイクルを、実際の設置状態とほぼ同一の冷媒及び潤滑油の循環状態と同等に模擬できるものである。まず、上記実施形態と同様に、冷凍サイクル１の冷房運転状態において、潤滑油を潤滑油貯留槽２５に貯留させる。この場合に、圧縮機１１ａから吐出される冷媒の流量を、冷媒流量計４２から出力される冷媒流量出力信号に基づいて冷媒流量信号処理部５１が検出する。また、第二潤滑油分離器４１により分離した潤滑油の流量を、第二潤滑油流量計４３から出力される潤滑油流量信号に基づいて潤滑油流量信号処理部３２が検出する。そして、検出した潤滑油流量を冷媒流量で除して潤滑油吐出量を演算する。

さらに、冷媒流量に基づいて演算した冷媒流速と、冷媒管路の長さとに基づいて、演算部５２が冷媒戻り時間を計算する。また、冷媒管路１３の単位配管長当たりの潤滑油滞留量は、潤滑油吐出率及び冷媒流速とをパラメータとして整理できることを利用して、予想される配管条件での冷媒管路１３内に滞留する潤滑油の滞留量を算出する。そして、圧縮機１１ａの吐出側における潤滑油の流量から算出した潤滑油の滞留量を減じて、圧縮機の戻り側への潤滑油の戻し流量を演算部５２が算出する。そして、演算した冷媒の戻り時間の経過後に、第二潤滑油流量計４２の指示値が所定潤滑油流量となるように、潤滑油戻し制御弁２９の開度を逐次制御して、圧縮機１１ａへの潤滑油戻し量を想定している評価対象の冷媒管路の配管長条件にほぼ一致した状態に制御することができる。したがって、評価対象の冷凍サイクルについて実際の長配管及び高落差条件を設定するための設備を用いることなく、冷媒及び潤滑油の循環状態ひいては冷暖房特性を評価することができる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。例えば、前述の実施形態では、暖房について言及していないが、暖房の場合でも、もちろん冷房同様、模擬、評価することができる。ただし、単に回路を逆転すればよいわけではなく、潤滑油バイパス機構２に対する冷媒管路１３の接続態様をも切り換えるべく、適宜の配管切換バルブ機構等を設ける必要がある。
また、前記実施形態では、室外機及び室内機が単独の場合を例にとっていたが、例えば室内機が複数、並列に設けられているようなものでも模擬できる。この場合は、室内機間を接続している配管や、室内機内での管路、あるいは各機器内容量なども勘案すればよいだけである。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明の実施形態の構成を示すブロック図。 本発明の他の実施形態の構成を示すブロック図。

符号の説明

１・・・冷凍サイクル
２・・・潤滑油バイパス機構
３・・・潤滑油戻し量設定制御装置
１１ａ・・・圧縮機
１１ｃ・・・室外熱交換器
１１ｄ・・・膨張弁
１２ａ・・・蒸発器
１３・・・冷媒通路
２２・・・潤滑油分離器
２５・・・潤滑油貯留槽

Claims (4)

1. 潤滑油に潤滑されて冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、冷媒を膨張させる膨張弁と、膨張弁を通過した冷媒を蒸発させる蒸発器と、圧縮機、凝縮器、膨張弁及び圧縮機をこの順に冷媒が通過するように連結する冷媒流路とを少なくとも備えてなる冷凍サイクルに接続される冷凍サイクル評価システムであって、
   潤滑油と冷媒を分離する潤滑油分離機構と、
   評価対象の冷凍サイクルの冷媒流路に滞留する潤滑油量に相当する量の分離した潤滑油を貯留し得る潤滑油貯留機構と、
   潤滑油貯留機構に貯留する潤滑油量を制御する潤滑油貯留量制御機構と、
   貯留した潤滑油を冷凍サイクルへ戻す量を制御する潤滑油戻し量制御機構とを備えてなることを特徴とする冷凍サイクル評価システム。
2. 潤滑油分離機構により分離した潤滑油の所定量が潤滑油貯留機構に貯留するよう潤滑油貯留量制御機構を制御する潤滑油貯留量制御部をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル評価システム。
3. 潤滑油貯留機構から設定された量の潤滑油を所定時間遅延させて冷凍サイクルへ戻るように潤滑油戻し量制御機構を制御する潤滑油戻し量制御部をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２記載の冷凍サイクル評価システム。
4. 圧縮機の吐出管に、吐出冷媒の流量、冷媒中に含まれる潤滑油流量、及び冷媒中の潤滑油含有率を検出する潤滑油吐出率検出器を接続してなり、
   潤滑油戻し量制御部が、所定配管長条件と潤滑油吐出率検出器から得られる冷媒流速とにより冷媒戻り時間を算出し、かつ所定配管長条件を考慮した配管内潤滑油滞留量を算出し、潤滑油吐出率検出器より得られる圧縮機吐出側の潤滑油流量から配管内潤滑油滞留量を差し引いて圧縮機戻り側への潤滑油戻し流量を計算する冷媒戻り時間・潤滑油戻し量演算部と、
   潤滑油吐出率検出器から出力される信号により冷媒流量を検出する冷媒流量信号処理部とをさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の冷凍サイクル評価システム。