JP2010048460A - 複数圧縮機に対する均油機能を有した冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】単一の油分離器２と該油分離器２に油戻し管Ｌ２を介して接続された複数の圧縮機１１とを具備する冷凍サイクル装置１００において、簡単な構成でありながら確実に均油できるようにする。
【解決手段】前記各圧縮機１１の油戻し管Ｌ２にそれぞれ設けた油戻し弁４と、前記各圧縮機１１の運転容量を検出し、それらの運転容量比と前記各油戻し弁４の開度の比又は各油戻し弁４の開時間の比が合致するように前記各油戻し弁４を制御する制御手段５とを設け、前記制御手段５が最も運転容量の大きい圧縮機１１に対応する油戻し弁４の開度又は開時間を基準として、前記他の油戻し弁４の開度又は開時間を設定するようにした。
【選択図】 図４

Description

本発明は、複数の圧縮機を備えた冷凍装置に関し、特に、均油機能を有した油戻し機構に関するものである。

空気調和装置等の冷凍サイクル装置において、圧縮機は、その運転中において圧縮機用の潤滑油の一部を冷媒とともに吐出している。この吐出された潤滑油が圧縮機へ戻らなければ、摺動部を潤滑する圧縮機内の油量が徐々に減少して動作不良を引き起こすことから、従来、圧縮機から吐出された潤滑油を当該圧縮機に戻すための油戻し回路が設けられている。

この油戻し回路は、圧縮機の吐出側配管上に設けた油分離器と、この油分離器で分離された潤滑油を圧縮機の吸入側に戻すための油戻し管と、この油戻し管上に設けられて油分離器から圧縮機に戻される油戻し量を調整する絞り機構とからなるものである。

このような油戻し回路を有した空気調和装置の一例が、特許文献１に開示されている。この文献では、複数の圧縮機が１つの油分離器を共有する構成となっている。すなわち、各圧縮機の吐出配管を１本にまとめて吐出合流管とし、その吐出合流管上に油分離器を設けている。また、該油分離器の油導出ポートから複数に分岐させた各油戻し管が各圧縮機の吸入管にそれぞれ接続されているとともに、前記各油戻し管上に絞り機構がそれぞれ設けられている。

ところで、このような構成において全ての絞り機構が全開になると、図５に示すように、各圧縮機内の潤滑油量に偏りが発生する。なぜなら、運転容量の大きい圧縮機は、運転容量の小さい圧縮機に比べ、多くの潤滑油を吐出するが、油戻し管を通じて戻ってくる潤滑油は、ほぼ均等であるため、図５に示すように、運転容量の大きい圧縮機における潤滑油量は徐々に減少し、運転容量の小さい圧縮機における潤滑油量は徐々に増大するからである。

そこで、特許文献２には、前記各油戻し管にそれぞれ開閉弁を設け、それら開閉弁を順に開閉し、各圧縮機の油上がり量に応じた開設定保持時間と開設定インターバルとを設定するとともに全開閉弁が同時に開設定となることを禁止するようにした構成が開示されている。
特開２００３−２４０３６７号公報 特開２００７−２１２０２１号公報

しかしながら、このような構成では、開設定保持時間と開設定インターバルとを設定するために各圧縮機の油上がり量を検知する手段が必要となり、装置構成が煩雑となる。また、この特許文献２には、圧縮機の運転周波数に応じて開設定保持時間を定める例も記載されているが、運転周波数に応じて開閉弁の開閉サイクルタイムが変化し、これが他の圧縮機の開閉弁の開閉サイクルタイムに影響を与えるため均油できない。
また、具体的な設定方法が開示されておらず、実際には、その設定で圧縮機の均油ができるかどうかが大きく左右されるため、この特許文献２から均油構成を導き出すことは、当業者と言えども容易ではない。

そこで本発明は、単一の油分離器と該油分離器に油戻し管を介して接続された複数の圧縮機とを具備する冷凍サイクル装置において、簡単な構成でありながら確実に均油できるようにすることを図ったものである。

すなわち、本発明に係る冷凍サイクル装置は、単一の油分離器と、該油分離器に油戻し管を介して接続された複数の圧縮機とを具備するものにおいて、前記各圧縮機の油戻し管にそれぞれ設けた油戻し弁と、前記各圧縮機の運転容量を検出し、それらの運転容量比と前記各油戻し弁の開度の比又は各油戻し弁の開時間の比が合致するように前記各油戻し弁を制御する制御手段とを具備し、前記制御手段が最も運転容量の大きい圧縮機に対応する油戻し弁の開度又は開時間を基準として、前記他の油戻し弁の開度又は開時間を設定することを特徴とする。

このような構成であれば、各圧縮機の冷媒及び潤滑油の吐出量比は、運転容量の比にほぼ等しいと考えられるところ、その運転容量の比に等しく各油戻し弁の開時間又は開度が設定される。そのため、潤滑油の戻り量が各圧縮機の運転容量、すなわち吐出潤滑油量に対応した量となり、各圧縮機の潤滑油量の偏在を防止して、確実な均油ができるようになる。

また、各油戻し弁の開度又は開時間の比を設定しても、その絶対量を定めることはできないことから、いずれか１つの油戻し弁の開度又は開時間を決める必要があるが、最も運転容量の大きい圧縮機に対応する油戻し弁の開度又は開時間を基準として、前記他の油戻し弁の開度又は開時間を設定するので、これを簡便に定めることができる。

ところで、最も運転容量の大きい圧縮機に対応する油戻し弁、つまり基準となる弁の開度又は開時間としては、例えば、全開を挙げることができるし、半開や１／４開などのように、部分開でもかまわない。その場合、最も運転容量の大きい圧縮機における仕様で定められた最大の運転容量に対するそのときの運転容量の比率に基づいて、前記基準となる弁の開度又は開時間を定めるようにしてもよい。

このように構成した本発明によれば、各圧縮機の油戻し弁の開閉サイクルタイムを変えることなく圧縮機運転容量に応じて開度又は開時間を制御するので、潤滑油の戻り量が各圧縮機の運転容量、すなわち吐出潤滑油量に対応した量となる。したがって、各圧縮機の潤滑油量の偏在を防止して、確実な均油を行うことができる。また、運転容量の検出は、例えば圧縮機の電動機の運転周波数を検出すればよく、特殊なセンサ等が必要ないため、簡易な構成での実現が可能となる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
本実施形態に係る冷凍サイクル機器である空気調和装置１００は、図１に示すように、圧縮機１１、熱交換器（凝縮器又は蒸発器）１２、膨張弁１３、熱交換器（蒸発器又は凝縮器）１４をこの順で環状に接続し、内部に冷媒を流通させることで、冷凍サイクルを営むように構成したものである。なお、図１において符号１５は、冷媒の流れを変化させて室外機１０１及び室内機１０２にそれぞれ配置された熱交換器１２、１４を、凝縮器または蒸発器のいずれかに選択的に切り換え、室内における冷暖房を切り換える四方弁である。

また、圧縮機１１の内部潤滑油が低下するのを防止するために、圧縮機１１の吐出側配管Ｌ３上に油分離器２を設け、該油分離器２と当該圧縮機１１の吸入側配管Ｌ１とを油戻し管Ｌ２で連通させている。これは、圧縮機１１から冷媒とともに吐出される潤滑油を油分離器２で分離し、油戻し管Ｌ２を介して当該圧縮機１１に再度戻すためである。

しかしてこの実施形態では、２つの低圧シェルタイプの圧縮機１１（以下、区別するときは圧縮機１１（１）、１１（２）と表記する。なお、圧縮機は低圧シェルタイプに限定されるものではなく、高圧シェルタイプのもの等でも構わない。）を並列に設けるとともに、それら圧縮機１１に対して単一の油分離器２を共用するようにしている。すなわち、各圧縮機１１の吐出配管Ｌ３を１本にまとめて、その１本にまとめた合流吐出管Ｌ４上に前記油分離器２を配置するとともに、油分離器２の潤滑油導出ポートから１本の合流油戻し管Ｌ５を延出し、そこから各圧縮機１１の吸入側配管Ｌ１にそれぞれ接続される複数の油戻し管Ｌ２を分岐させている。また、前記合流油戻し管Ｌ５上には絞り機構３が設けてあり、各油戻し管Ｌ２には、通過する潤滑油の流量を制御するための油戻し弁４が設けてある。この油戻し弁４は、全開及び全閉の２状態をとることが可能な二方弁であり、中間の開度をとることができないものである。したがって、ここでは、図２に示すように、開閉を一定周期で繰り返し、その１周期（１サイクルタイム）における開時間と閉時間との時間比を変える、いわゆるＰＷＭ制御をすることにより、油戻し弁４を通過する流量を調整できるようにしている。なお、各油戻し弁４を区別する必要がある場合は、油戻し弁４（１）などと表記する。また、かっこ内番号は、圧縮機のかっこ内番号と対応させている。

ところで、前記圧縮機１１は、ここでは、例えば一方がインバータ回路によってモータの回転数を変え、運転容量（単位時間あたりの吐出容量）を変えることが可能な可変容量圧縮機１１（１）であり、他方が定速でモータが回転し運転容量を変えることのできない定容量圧縮機１１（２）である。このように可変容量圧縮機１１（１）と定容量圧縮機１１（２）を並列に設けているのは、冷房負荷や暖房負荷に応じて、最適な容量での運転ができるようにするためである。

さらに、この実施形態では、空気調和装置１００の各部からの情報を検出するととともに制御する制御手段５を設けている。この制御手段５は、図３に示すように、ＣＰＵ、メモリ、Ｉ／Ｏチャネル、ＡＤコンバータ等を有したいわゆるコンピュータであり、前記メモリに格納したプログラムにしたがってＣＰＵやその周辺機器が動作することにより種々の機能を果たす。

次に、この機能について、本空気調和装置１００の動作説明を兼ねて以下に詳述する。
まず、冷房又は暖房運転が開始されると、制御手段５によって冷暖房負荷に応じた態様で各圧縮機１１が運転される（下記表１参照）。

このような運転中、制御手段５は、各圧縮機１１（１）、１１（２）の運転容量を検出する（図４ステップＳ２）。具体的には、可変容量圧縮機１１（１）に関しては、
運転容量Ｑａ＝インバータによる運転周波数×気筒容積
であり、定容量圧縮機１１（２）に関しては、
運転容量Ｑｂ＝一定運転周波数×気筒容積
である。

そして検出した各運転容量Ｑａ、Ｑｂの比と、各油戻し弁４（１）、４（２）の開時間の比が合致するように、各油戻し弁４（１）、４（２）を制御する。

すなわち、まず、各圧縮機１１（１）、１１（２）の現時点での運転容量を比較する（ステップＳ３、Ｓ５）。

これら運転容量Ｑａ、Ｑｂが等しい場合は、全ての油戻し弁４を全開とする（ステップＳ４）。

次に、現時点での運転容量が最も大きい圧縮機１１（以下、最大容量圧縮機１１とも言う。）を特定する（ステップＳ５）。

そして、前記最大容量圧縮機１１の運転容量と他の圧縮機１１の運転容量との比が、当該他の圧縮機１１における油戻し弁４の開時間と閉時間との比と合致するように、該開時間と閉時間を算出する（ステップＳ６１、ステップＳ６２）。
その算出方法の一例を挙げれば以下の通りである。
開時間＝１サイクルタイム×他の圧縮機１１の運転容量／最大容量圧縮機１１の運転容量
閉時間＝１サイクルタイム−開時間

その後、前記最大容量圧縮機１１における油戻し弁４を全開にするとともに、他の圧縮機１１における油戻し弁４は、前記開時間と閉時間によって開閉を繰り返す（ステップＳ７１、ステップＳ７２）。

しかしてこのようなものであれば、各圧縮機１１の冷媒及び潤滑油の吐出量比は、運転容量の比にほぼ等しいと考えられるところ、その運転容量の比に等しく各油戻し弁４の開時間が設定されて、潤滑油の戻り量が各圧縮機１１の運転容量、すなわち吐出潤滑油量に対応した量となるため、運転容量の変化に拘わらず、各圧縮機１１における潤滑油の吐出量と戻り量とのバランスが常にとれることとなり、一部の圧縮機１１に潤滑油が偏在するといった事態を回避して、各圧縮機１１の潤滑油保有量を均一に保ち、圧縮機１１の信頼性を向上させることができるようになる。

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、可変運転容量型の圧縮機としては、圧縮能力をローディング／アンローディングで変えることのできるタイプ（以下、能力セーブ圧縮機とも言う）のものを挙げることができる。
この能力セーブ圧縮機の場合、運転容量は下記の式で算出できる。
運転容量＝（ローディングタイム／（ローディングタイム＋アンローディングタイム））
×運転周波数×気筒容量
このようにして算出した運転容量を用いれば、能力セーブ圧縮機でも、同様に潤滑油保有量の均一化を図ることができる。

また、前記実施形態では、２つの圧縮機を用いていたが、３つ以上の圧縮機を並列に配置したものでも構わない。例えば、２つの定容量圧縮機と１つの可変容量圧縮機でもよい。その場合の各油戻し弁の開時間／閉時間は、以下のようになる。
（１）最大容量圧縮機の油戻し弁
全開
（２）他の各圧縮機の油戻し弁
開時間＝１サイクルタイム×当該圧縮機の運転容量／最大容量圧縮機の運転容量
閉時間＝１サイクルタイム−開時間

さらに、圧縮機の全てが可変容量型であってもよい。

また、油戻し弁として、開度を調整できる可変開度型のものを用いても構わない。その場合は、各油戻し弁の開度比を各圧縮機の運転容量比に合致させる。例えば、以下のようである。
（１）最大容量圧縮機の油戻し弁
全開
（２）他の圧縮機の油戻し弁
開度＝当該圧縮機の運転容量／最大容量圧縮機の運転容量×全開度

加えて、必ずしも最大容量圧縮機の油戻し弁を全開にする必要はない。最大容量圧縮機の仕様で定められた最大の運転容量に対するそのときの運転容量の比率や、全圧縮機の仕様で定められた最大の総運転容量に対するそのときの総運転容量の比率等に応じて、油戻し弁の開時間や開度を定めるようにしても構わない。

もちろん、本発明は、空気調和装置のみならず、冷凍サイクル又はヒートポンプ作用を営む機器に適用して前記実施形態同様の作用効果を奏し得る。
その他、本発明は、前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

本発明の一実施形態における空気調和装置全体を示す模式図。 同実施形態における開閉制御のタイミングを示すタイミングチャート。 同実施形態における制御手段の模式的内部構成図。 同実施形態における開閉制御のフローチャート。 従来の空気調和装置において、各圧縮機内の潤滑油量が偏在していく時間経過を示す潤滑油量変化図。

符号の説明

１００・・・冷凍サイクル装置（空気調和装置）
１１・・・圧縮機
２・・・油分離器
４・・・油戻し弁
５・・・制御手段
Ｌ２・・・油戻し管

Claims (2)

1. 単一の油分離器と、該油分離器に油戻し管を介して接続された複数の圧縮機とを具備する冷凍サイクル装置において、
   前記各圧縮機の油戻し管にそれぞれ設けた油戻し弁と、
   前記各圧縮機の運転容量を検出し、それらの運転容量比と前記各油戻し弁の開度の比又は各油戻し弁の開時間の比が合致するように前記各油戻し弁を制御する制御手段とを具備し、前記制御手段が最も運転容量の大きい圧縮機に対応する油戻し弁の開度又は開時間を基準として、前記他の油戻し弁の開度又は開時間を設定することを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記制御手段が、最も運転容量の大きい圧縮機に対応する油戻し弁を全開とし、前記他の油戻し弁の開度又は開時間を、全開を基準として設定するようにしている請求項１記載の冷凍サイクル装置。