JP2010038503A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】より簡便な手法によって圧縮機内冷凍機油の濃度を検出可能とし、その濃度に応じて圧縮機の運転を適正に制御する。
【解決手段】圧縮機１１の機外で冷凍機油貯留部に対応する位置に配置される温度センサ２１により密閉容器壁を介して冷凍機油の温度Ｔｃｏｍｐを検出するとともに、圧力センサ２２にて圧縮機１１から吐出される冷媒の凝縮飽和圧力Ｐｃを検出し、制御手段２０で、冷凍機油温度Ｔｃｏｍｐと、凝縮飽和圧力Ｐｃから換算される凝縮飽和温度Ｔｃとの温度差ΔＴ（＝Ｔｃｏｍｐ−Ｔｃ）を求めて冷凍機油の濃度を推定し、上記温度差ΔＴに基づいて圧縮機１１の回転数を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気調和機等に適用される冷凍サイクル装置に関し、さらに詳しく言えば、低外気温下での暖房運転起動時やコントロール運転時等において、液リッチ冷媒の戻りによる圧縮機内冷凍機油の濃度低下に起因する不具合を解消する技術に関するものである。

圧縮機内には、冷媒圧縮機構部の摺動部である軸受け等を潤滑するための冷凍機油が封入されているが、例えば低外気温下での暖房運転起動時において、圧縮機は蒸発器（室外熱交換器）に滞留している液冷媒を湿り蒸気の状態で急激に吸入するため、それによって冷凍機油が希釈され、潤滑不良を起こすことがある。

この点を解消するため、特許文献１に記載の発明では、可変速電動機により駆動される圧縮機を含む冷凍装置において、圧縮機起動後に低速回転域のある回転数で、あらかじめ定めたタイミングにて一定時間、圧縮機回転数をホールドする箇所を複数設定することにより、圧縮機容器内から冷凍サイクルに吐出された冷凍機油を回収する時間を稼ぐ一方で、吐出される冷凍機油量を抑制するようにしている。

しかしながら、冷凍機油の濃度は、圧縮機内部の冷凍機油が存在する部分の圧力と、その温度とにより一義的に決まり、さらに上記の圧力と温度は、圧縮機回転数（冷媒循環量）のみでなく、空調負荷や空調機の設置状態（配管長や室内機と室外機の設置高低差等）に依存するため、上記のように決まったタイミングで圧縮機回転数を制御する方法では、圧縮機内の油切れによる軸受け等の摺動部分の焼損を防止し得ない場合があり、信頼性の面で問題がある。

また、特許文献２に記載の発明では、低圧シェル型（内部低圧型）スクロール圧縮機を含む冷凍サイクル装置において、蒸発飽和圧力（低圧）センサにより検出される圧力値と、冷凍機油温度センサにより検出される油温とから冷凍機油の濃度（冷凍機油に対する冷媒の溶解度）を算出し、この算出値により圧縮機の起動制御を行うようにしている。

しかしながら、この手法は低圧シェル型（内部低圧型）に限られ、例えば高圧シェル型（内部高圧型）には適用できない。また、濃度を算出するにしても、複雑な演算処理が必要となる。

さらには、冷凍機油の温度を検出するため、冷凍機油温度センサを密閉容器の底蓋に取り付けているが、通常、密閉容器の底蓋は鋳物製で肉厚が厚いことから、冷凍機油の油温を正確に検出することが困難であるという問題がある。

この点に関し、特許文献３に記載の発明には、圧縮機の密閉容器に対し、その底部から容器内に一対の電極を挿入し、電極間の静電容量から冷凍機油の濃度を検出して圧縮機の運転を制御することが提案されている。

しかしながら、特許文献３に記載の発明では、電極を密閉容器内に挿通する際の気密性の確保、絶縁保護、高温・高圧下での電極の腐食に対する信頼性確保、さらに室外機筐体への圧縮機実装時の搭載性（配線の引き回し等）に問題がある。

さらに、制御の面では、冷凍機油の濃度が所定の値を下回った場合は、圧縮機を強制的に停止するようにしているため、室内の空調環境の快適性が損なわれるおそれがある。

また、冷凍機油の濃度検出用の電極（濃度センサ）のほかに、圧縮機には過熱防止用の温度センサが必要とされるため、上記の従来技術の場合、生産コストの面でセンサにかかるコスト増が負担になる。

特開昭６２−１０６２５３号公報 特開平７−１８０９３３号公報 特開２００２−３１７７８５号公報

したがって、本発明の課題は、より簡便な手法によって圧縮機内冷凍機油の濃度を検出可能とし、その濃度に応じて圧縮機の運転を適正に制御するとともに、一つの温度センサを冷凍機油の濃度検出用と圧縮機自体の温度検出用とに兼用可能とすることにある。

上記課題を解決するため、本発明は、少なくとも圧縮機、第１熱交換器、膨張弁および第２熱交換器を冷媒配管にて冷媒が循環するように接続してなる冷凍サイクルと、上記冷凍サイクルの運転を制御する制御手段とを含む冷凍サイクル装置において、上記圧縮機の機外で冷凍機油貯留部に対応する位置に配置され密閉容器壁を介して冷凍機油の温度Ｔｃｏｍｐを検出して上記制御手段に与える温度センサと、上記圧縮機から吐出される冷媒の凝縮飽和圧力Ｐｃを検出して上記制御手段に与える圧力センサとを備え、上記制御手段は、上記凝縮飽和圧力Ｐｃを凝縮飽和温度Ｔｃに換算したうえで、上記冷凍機油温度Ｔｃｏｍｐと上記凝縮飽和温度Ｔｃとの温度差ΔＴ（＝Ｔｃｏｍｐ−Ｔｃ）を求め、上記温度差ΔＴに基づいて上記圧縮機の回転数を制御することを特徴としている。

本発明において、上記制御手段は、上記温度差ΔＴが所定の規定値に満たない場合には、上記圧縮機の回転数を上記温度差ΔＴが所定の規定値に達した場合に設定されている回転数よりも低い回転数に設定する。

本発明において、上記圧縮機は、密閉容器内の冷凍機油が貯留される下部側に圧縮機構部が配置され、上記密閉容器内の上部側に上記圧縮機構部を駆動する電動機が配置されているロータリー圧縮機で、上記温度センサが上記圧縮機の機外で上記圧縮機構部と対応する位置に設けられる。

このように、上記温度センサが上記圧縮機の機外で上記圧縮機構部と対応する位置に設けられる場合、上記制御手段は、上記温度差ΔＴが上記所定の規定値に達するまでは、上記温度センサからの上記検出温度値Ｔｃｏｍｐを上記冷凍機油の温度として扱い、上記温度差ΔＴが上記所定の規定値に達した以後は、上記温度センサからの上記検出温度値Ｔｃｏｍｐを上記圧縮機構部の発熱温度として扱う。

また、本発明では、上記圧縮機の冷媒吐出管と上記圧縮機の冷媒吸入管との間に、電磁弁および冷媒減圧器を含む冷媒バイパス回路が接続され、上記制御手段は、上記温度差ΔＴが所定の規定値に満たない場合には、上記電磁弁をオンとして、上記冷媒減圧器にて減圧された乾き度の高い冷媒を上記圧縮機に与える。

本発明によれば、圧縮機の機外で冷凍機油貯留部に対応する位置に配置される温度センサにより密閉容器壁を介して冷凍機油の温度Ｔｃｏｍｐを検出するとともに、圧力センサにて圧縮機から吐出される冷媒の凝縮飽和圧力Ｐｃを検出し、マイクロコンピュータ等からなる制御手段で、冷凍機油温度Ｔｃｏｍｐと、凝縮飽和圧力Ｐｃから換算される凝縮飽和温度Ｔｃとの温度差ΔＴ（＝Ｔｃｏｍｐ−Ｔｃ）を求めて冷凍機油の濃度を推定し、上記温度差ΔＴに基づいて圧縮機の回転数を制御するようにしたことにより、複雑な演算処理を行うことなく、また、電極からなる濃度センサを圧縮機内に直接挿入することなく、圧縮機を冷凍機油の濃度に応じて適正に運転することができる。また、温度センサ、圧力センサともに、一般の冷凍サイクルにおいて各種制御に使用されているセンサであってよいことから、コスト負担増にもならない。

また、本発明によれば、上記温度差ΔＴが所定の規定値に満たない場合には、冷凍機油が冷媒により希釈され冷凍機油の濃度が低下していると判断し、圧縮機の回転数を上記温度差ΔＴが所定の規定値に達した場合に設定されている回転数よりも低い回転数に設定されることにより、圧縮機摺動部の長寿命化がはかれる。

本発明における圧縮機は、密閉容器内の冷凍機油が貯留される下部側に圧縮機構部が配置され、密閉容器内の上部側に圧縮機構部を駆動する電動機が配置されているロータリー圧縮機であり、温度センサは圧縮機の機外で圧縮機構部と対応する位置に設けられる。この種のロータリー圧縮機では、運転停止状態および低回転数時、圧縮機構部は冷凍機油内に浸された状態となり、これに対して、通常運転時には冷凍機油が密閉容器内を循環されるため、冷凍機油の油面が圧縮機構部よりも下がる。

したがって、温度センサが圧縮機の機外で圧縮機構部と対応する位置に設けられる場合、上記温度差ΔＴが所定の規定値に達するまでは、温度センサからの検出温度値Ｔｃｏｍｐを冷凍機油の温度として扱い、上記温度差ΔＴが所定の規定値に達した以後は、温度センサからの検出温度値Ｔｃｏｍｐを圧縮機構部の発熱温度として扱うことができるため、本発明によれば、一つ温度センサを冷凍機油の濃度検出用と圧縮機自体の温度検出用とに兼用することができる。

また、圧縮機の冷媒吐出管と圧縮機の冷媒吸入管との間に、電磁弁および冷媒減圧器を含む冷媒バイパス回路を接続し、上記温度差ΔＴが所定の規定値に満たない場合には、電磁弁をオンとして、冷媒減圧器にて減圧された乾き度の高い冷媒を圧縮機に与えることにより、吐出冷媒温度の上昇を加速させることができ、特に低外気温下での暖房運転起動時における立ち上がり性能の向上がはかれる。

次に、図１ないし図４により、本発明の実施形態について説明する。図１は本発明の実施形態に係る冷凍サイクル装置の全体的な構成を示す模式図、図２は圧縮機の構成を示す模式的な断面図、図３は温度差ΔＴの時間的な推移を示すグラフ、図４は圧縮機の運転制御動作を示すフローチャートである。

図１に示すように、この冷凍サイクル装置は、冷凍サイクル１０と、冷凍サイクル１０の運転を制御する制御手段２０とを備える。制御手段２０には、ＣＰＵやマイクロコンピュータ等が用いられてよい。

冷凍サイクル１０には、基本的な構成として、圧縮機１１，四方弁１２，第１熱交換器としての室内熱交換器１３，膨張弁１４，第２熱交換器としての室外熱交換器１５およびアキュムレータ１６が含まれ、これらが冷媒配管を介して冷媒の循環系を構成するように接続されている。

暖房運転時には、四方弁１２が図示実線のように切り替えられ、図示実線矢印に示すように、圧縮機１１から吐出される高温・高圧のガス冷媒が室内熱交換器１３→膨張弁１４→室外熱交換器１５→四方弁１２→アキュムレータ１６を経て圧縮機１１に戻され、室内熱交換器１３が凝縮器として作用し、室外熱交換器１５が蒸発器として作用する。

冷房運転時には、四方弁１２が図示鎖線のように切り替えられ、図示鎖線矢印に示すように、圧縮機１１から吐出される高温・高圧のガス冷媒が室外熱交換器１５→膨張弁１４→室内熱交換器１３→四方弁１２→アキュムレータ１６を経て圧縮機１１に戻され、室外熱交換器１５が凝縮器として作用し、室内熱交換器１３が蒸発器として作用する。

図２に示すように、圧縮機１１はロータリー圧縮機で、図示しない室外機筐体内に縦置きされる円筒状の密閉容器（シェル）１１０を備える。密閉容器１１０は、円筒状の胴部１１１と、胴部１１１の上端側に一体的に被せられる上蓋１１２と、胴部１１１の底部を塞ぐ底蓋１１３とから構成され、通常、胴部１１１は鋼板製で、上蓋１１２と底蓋１１３は鋳物製である。

密閉容器１１０内には、冷媒の圧縮機構部１２０と、圧縮機構部１２０を駆動する電動機１３０とが収納されるが、ロータリー圧縮機の場合、圧縮機構部１２０が下部に配置され、電動機１３０は圧縮機構部１２０の上部に配置される。

図示しないが、圧縮機構部１２０は、シリンダ筐体と、シリンダ筐体内で偏心して回転するロータリーピストンとを含み、シリンダ筐体に形成されている冷媒吸入ポートに低圧側の冷媒吸入管１０２が接続される。

また、図示しないが、シリンダ筐体には、ロータリーピストンによって圧縮された冷媒を密閉容器内に向けて吐出する冷媒吐出ポートが形成されており、その冷媒吐出ポートから吐出された冷媒は、密閉容器１１０の上蓋１１２に連結されている冷媒吐出管１０１により冷凍サイクル１０に供給される。

図２に示す圧縮機１１は、１シリンダ型であるが、２シリンダ型であってもよいし、また、多段圧縮型等であってもよい。

通常、電動機１３０には、ステータコア（固定子）１３１の内側にロータ（回転子）１３２を配置してなるインナーロータ型電動機が用いられる。ステータコア１３１は、胴部１１１の内周面に例えば焼き嵌め等により固定される。ロータ１３２は、ロータリーピストンに連結される出力軸１３３を有し、出力軸１３３を介して図示しない軸受け部材によりステータコア１３１内に回転可能に保持される。

密閉容器１１０内には、上記軸受け部材等の圧縮機１１内の摺動部を潤滑するための冷凍機油１４０が所定量封入される。冷凍機油１４０は底蓋１１３側に貯留されるが、出力軸１３３内には、図示しない例えば容積型ポンプに連通する油吸い上げ孔が全長にわたって形成されており、ロータ１３２の回転に伴って電動機１３０の上部側にまで吸い上げられ、上記摺動部を潤滑したのち、例えばステータコア１３１と胴部１１１との間に形成されている図示しない隙間を通って底蓋１１３側に戻される。

圧縮機１１の運転停止状態および低回転数時等には、密閉容器１１０内での冷凍機油の循環量が少ないため、その油面が上昇し圧縮機構部１２０は冷凍機油１４０内に浸された状態となる。これに対して、通常運転時等には、密閉容器１１０内での冷凍機油の循環量が多くなるため、冷凍機油１４０の油面が圧縮機構部１２０よりも下がる。

ところで、冷凍機油１４０は、密閉容器１１０内で冷媒と攪拌・混合され、冷媒の溶け込みより希釈される。特に、低外気温下（例えば−２０℃程度）での暖房運転起動時において、圧縮機１１は蒸発器として作用する室外熱交換器１５に滞留している液冷媒を湿り蒸気の状態で急激に吸入するため、それによって冷凍機油１４０が希釈され、潤滑不良を起こすことがある。

このことから、圧縮機１１を運転するうえで、冷凍機油１４０の濃度を検出することが重要である。本発明では、温度センサ２１と圧力センサ２２とを用いて冷凍機油１４０の濃度を検出（推定）する。

本発明において温度センサ２１は、図２に示すように、圧縮機１１の機外で好ましくは圧縮機構部１２０と対向する位置の胴部１１１に外付けされる。胴部１１１は熱伝導率のよい鋼板製であるため、間接的であるにしても密閉容器１１０内の冷凍機油１４０の温度や圧縮機構部１２０の発熱温度をほぼ正確に検出できる。

圧力センサ２２は、冷媒吐出管１０１に接続され、圧縮機１１から吐出される冷媒の凝縮飽和圧力を検出する。圧力センサ２２は、室内熱交換器１３の暖房運転時における上流側に設けられてもよい。なお、温度センサ２１，圧力センサ２２には、一般の冷凍サイクルにおいて各種制御に使用されているセンサが用いられてよい。

温度センサ２１および圧力センサ２２の各検出信号は、図示しないＡ／Ｄ変換器を介して制御手段２０に与えられる。

低外気温下での暖房運転起動時、冷凍機油１４０は底蓋１１３側の貯留部に滞留しており（いわゆる寝込んでおり）、その油面の上昇により圧縮機構部１２０は冷凍機油１４０内に漬かった状態にあるため、温度センサ２１にて検出される温度は冷凍機油１４０の温度と見なしてよい。

制御手段２０は、冷凍機油１４０の温度をＴｃｏｍｐ、圧力センサ２２から出力される冷媒の凝縮飽和圧力をＰｃとして、凝縮飽和圧力Ｐｃを凝縮飽和温度Ｔｃに換算したうえで、冷凍機油温度Ｔｃｏｍｐと凝縮飽和温度Ｔｃとの温度差ΔＴ（＝Ｔｃｏｍｐ−Ｔｃ）を求める。

以後の制御手段２０による圧縮機１１の駆動制御について、図３のΔＴの推移グラフと図４のフローチャートを参照して説明する。

まず、制御手段２０は、上記温度差ΔＴがあらかじめ設定されている既定値（例えば、０ｄｅｇ．）に満たない場合には、密閉容器１１０の底蓋１１３側に滞留している冷凍機油１４０が冷媒により希釈され濃度が低下していると推定して、圧縮機１１の回転数を所定の低回転数Ｎ_１ｒｐｓに保つ。

圧縮機１１の回転数を低回転数Ｎ_１ｒｐｓに維持しながら、ΔＴ＞０であるかどうかを監視し、ＹＥＳ判定すなわちΔＴが０ｄｅｇ．以上となったときには、低回転数Ｎ_１ｒｐｓでの駆動を解除し、通常の暖房運転モードに基づく圧縮機１１の回転数制御に移行するとともに、圧縮機１１の過熱保護制御に入る。

すなわち、図３のグラフにおいて、低外気温下での暖房運転起動時からの時刻ＴｘでΔＴが０ｄｅｇ．以上となったとすれば、暖房運転起動時からの時刻Ｔｘまでは圧縮機１１を所定の低回転数Ｎ_１ｒｐｓで駆動し、時刻Ｔｘ以後は、通常の暖房運転モードに基づく圧縮機１１の回転数制御を行うとともに、温度センサ２１にて検出された温度Ｔｃｏｍｐを圧縮機構部１２０の発熱温度および／または電動機１３０の発熱温度として、圧縮機１１の過熱防止用の基準温度値Ａとの比較判定を行う。

これは、ΔＴ＞０の状態になると、通常の暖房運転時と同じく、密閉容器１１０内での冷凍機油の循環量が多くなり、冷凍機油１４０の油面が圧縮機構部１２０よりも下がるため、温度センサ２１にて検出された温度Ｔｃｏｍｐを圧縮機構部１２０の発熱温度および／または電動機１３０の発熱温度と見なすことができるためである。

したがって、温度センサ２１にて検出された温度Ｔｃｏｍｐ＞Ａである場合には、圧縮機１１を保護するため、圧縮機１１の運転を停止する。

このようにして、本発明によれば、一つの温度センサ２１を冷凍機油の濃度検出用と圧縮機自体の温度検出用とに兼用することができる。

また、特に低外気温下での暖房運転起動時においては、蒸発器として作用している室外熱交換器１５に滞留した液冷媒を湿り蒸気の状態で急激に吸入するため、吐出冷媒温度、圧縮機温度、凝縮飽和温度の上昇には所定の時間を要する。すなわち、特に低外気温下での暖房運転起動時での立ち上がり性能が損なわれる。

この点を解決するため、本発明では、図１に示すように、圧縮機１１の冷媒吐出管１０１と冷媒吸入管１０２との間に、電磁弁１７ａおよび冷媒減圧器１７ｂを含む冷媒バイパス回路１７を接続する。

そして、上記温度差ΔＴが所定の規定値（この例では０ｄｅｇ．）に満たない場合（ΔＴ＜０ｄｅｇ．の状態の場合）には、制御手段２０により電磁弁１７ａをオンとして、圧縮機１１から乾き度の低い（液リッチ）状態で吐出された冷媒の一部を冷媒減圧器１７ｂで減圧し乾き度を高い状態として圧縮機１１に戻すことにより、吐出温度の上昇を加速させるようにしている。

以上、図示の実施形態により、本発明を説明したが、本発明の冷凍サイクル装置は、必ずしも暖房運転と冷房運転とを行う機種である必要はなく、暖房専用機であってもよい。

本発明の実施形態に係る冷凍サイクル装置の全体的な構成を示す模式図。 圧縮機の構成を示す模式的な断面図。 温度差ΔＴの時間的な推移を示すグラフ。 圧縮機の運転制御動作を示すフローチャート。

符号の説明

１０ 冷凍サイクル
１１ 圧縮機
１０１ 冷媒吐出管
１０２ 冷媒吸入管
１１０ 密閉容器
１２０ 圧縮機構部
１３０ 電動機
１４０ 冷凍機油
１２ 四方弁
１３ 室内熱交換器
１４ 膨張弁
１５ 室外熱交換器
１７ 冷媒バイパス回路
１７ａ 電磁弁
１７ｂ 冷媒減圧器
２０ 制御手段
２１ 温度センサ
２２ 圧力センサ

Claims (5)

1. 少なくとも圧縮機、第１熱交換器、膨張弁および第２熱交換器を冷媒配管にて冷媒が循環するように接続してなる冷凍サイクルと、上記冷凍サイクルの運転を制御する制御手段とを含む冷凍サイクル装置において、
   上記圧縮機の機外で冷凍機油貯留部に対応する位置に配置され密閉容器壁を介して冷凍機油の温度Ｔｃｏｍｐを検出して上記制御手段に与える温度センサと、上記圧縮機から吐出される冷媒の凝縮飽和圧力Ｐｃを検出して上記制御手段に与える圧力センサとを備え、
   上記制御手段は、上記凝縮飽和圧力Ｐｃを凝縮飽和温度Ｔｃに換算したうえで、上記冷凍機油温度Ｔｃｏｍｐと上記凝縮飽和温度Ｔｃとの温度差ΔＴ（＝Ｔｃｏｍｐ−Ｔｃ）を求め、上記温度差ΔＴに基づいて上記圧縮機の回転数を制御することを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 上記制御手段は、上記温度差ΔＴが所定の規定値に満たない場合には、上記圧縮機の回転数を上記温度差ΔＴが所定の規定値に達した場合に設定されている回転数よりも低い回転数に設定することを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 上記圧縮機は、密閉容器内の冷凍機油が貯留される下部側に圧縮機構部が配置され、上記密閉容器内の上部側に上記圧縮機構部を駆動する電動機が配置されているロータリー圧縮機で、上記温度センサが上記圧縮機の機外で上記圧縮機構部と対応する位置に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 上記制御手段は、上記温度差ΔＴが上記所定の規定値に達するまでは、上記温度センサからの上記検出温度値Ｔｃｏｍｐを上記冷凍機油の温度として扱い、上記温度差ΔＴが上記所定の規定値に達した以後は、上記温度センサからの上記検出温度値Ｔｃｏｍｐを上記圧縮機構部の発熱温度として扱うことを特徴とする請求項３に記載の冷凍サイクル装置。
5. 上記圧縮機の冷媒吐出管と上記圧縮機の冷媒吸入管との間に、電磁弁および冷媒減圧器を含む冷媒バイパス回路が接続され、上記制御手段は、上記温度差ΔＴが所定の規定値に満たない場合には、上記電磁弁をオンとして、上記冷媒減圧器にて減圧された乾き度の高い冷媒を上記圧縮機に与えることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。

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