JP2011202905A - 冷凍サイクル装置及びその起動制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低外気温度条件での起動においても、圧縮機シェル内での液冷媒の発生を抑制する。
【解決手段】圧縮機温度検出手段３と、放熱器６における被加熱流体の流量変更手段８と、制御装置１５とを備え、圧縮機１の起動時に、圧縮機温度Ｔ＿ｃｏｍｐに応じて、圧縮機温度Ｔ＿ｃｏｍｐが低いほど、放熱器での放熱量を増加させるように、放熱器６における被加熱流体の流量変更手段８の圧縮機起動時の初期値及び目標値を設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は低外気温度条件においても運転される冷凍サイクル装置に関するものである。

従来、この種の冷凍サイクル装置では、圧縮機吐出部での液冷媒の発生を回避するために、吐出圧力検出手段と、吐出温度検出手段とを備え、吐出圧力検出手段の検知した値より吐出圧力飽和温度Ｔｓａｔを算出し、吐出温度の下限値をＴｄｉｓｘ１＝Ｔｓａｔ＋ΔＴとし、吐出温度検出手段での検知値Ｔｄｉｓが吐出温度の下限値Ｔｄｉｓｘ１未満となる場合に、放熱器のファンユニットの回転数を１ステップ上げるように制御するものがある。（例えば特許文献１参照）。

図６は、特許文献１に記載された従来の冷凍サイクル装置の制御動作を示すフローチャートである。図６に示すように、吐出温度検出手段での検出値Ｔｄｉｓが、吐出圧力検出手段の検出値Ｐｄｉｓから求まる吐出圧力飽和温度Ｔｓａｔより決定される吐出温度の下限値Ｔｄｉｓｘ１未満となった場合、放熱器用ファンの回転数を１ステップ上げる制御を行う。

特許第３６０３３５８号公報

しかしながら、前記従来の冷凍サイクル装置では、運転が開始され、圧縮機が起動されてから制御を行うため、低外気温度の起動では、圧縮機のシェル温度が低く、圧縮機が起動してからの制御動作では、制御動作の効果が得られるまでの時間、つまり、圧縮機吐出部での液冷媒の発生を回避できない時間が長くなってしまい、圧縮機シェル内部での液冷媒の発生を防止することに十分に対応できなかった。

圧縮機シェル内部で液冷媒が発生すると、圧縮機底部に存在する圧縮機構潤滑のための冷凍機油に溶け込んで、冷凍機油を希釈し、圧縮機底部の液面高さが上昇し、圧縮機底部からガス冷媒と共に液（冷凍機油＋凝縮液冷媒）を吹き出すことによって、圧縮機から冷凍機油が流出してしまい、圧縮機自体の信頼性を低下させてしまう。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、起動時の圧縮機シェル内部での冷媒の凝縮による液冷媒の発生を抑制して、圧縮機から冷凍機油が流出することを防止できる冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機の起動時に圧縮機の温度に応じて、圧縮機の温度が低い場合ほど、放熱器における被加熱流体の流量を増加し、放熱器での放熱量を増加させるように制御を行うようにしたものである。

これによって、圧縮機の吐出圧力の上昇を低く抑えることができ、圧縮機シェル内部の圧力も低くなることから、圧縮機シェル内部での凝縮温度が下がり、低い圧縮機温度でも冷媒の凝縮が生じなくなり、圧縮機シェル内部での液冷媒の発生を抑制することができる。

本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機温度が低下する条件での起動時においても、圧縮機シェル内部での液冷媒の発生を抑制し、液冷媒の流出と共に生じる冷凍機油の流出を防止することができる。

本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置のサイクル構成図 本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置での起動制御動作のフローチャート 本発明の実施の形態１における外気温度と初期回転数との関係図 本発明の実施の形態１における外気温度と目標凝縮温度との関係図 本発明の実施の形態１における冷凍サイクルの変化を示すモリエル線図 従来の冷凍サイクル装置における放熱器用ファンの制御動作のフローチャート

第１の発明は、高圧シェル型の圧縮機、放熱器、絞り機構、蒸発器を連結して形成した冷媒回路と、圧縮機の温度を検出する圧縮機温度検出手段と、放熱器における被加熱流体の流量変更手段と、制御装置とを備え、圧縮機の起動時に圧縮機温度が低い場合ほど、放熱器における被加熱流体の流量を増加させ、放熱器での放熱量を増加させるので、圧縮機を起動した際の吐出圧力の上昇を低く抑えることができ、圧縮機シェル内部での圧力も低くなることから、圧縮機シェル内部での凝縮温度が下がり、低い圧縮機温度でも冷媒の凝縮が生じなくなり、圧縮機シェル内部での液冷媒の発生を抑制し、液冷媒と共に圧縮機から冷凍機油が流出することを防止できる。

第２の発明は、特に、第１の発明の流量変更手段を、制御装置からの指示に応じて回転数を変化できるファンとすることにより、放熱器での放熱量を容易に増加することができるので、液冷媒の発生を抑制する制御をより容易に行うことができる。

第３の発明は、高圧シェル型の圧縮機、放熱器、絞り機構、蒸発器を連結して形成した冷媒回路と、圧縮機の温度を検出する圧縮機温度検出手段と、放熱器における被加熱流体の流量変更手段と、制御装置とを備えた冷凍サイクル装置において、圧縮機の起動時に圧縮機温度が低い場合ほど、放熱器における被加熱流体の流量を増加させ、放熱器での放熱量を増加させるので、圧縮機を起動した際の吐出圧力の上昇を低く抑えることができ、圧縮機シェル内部での圧力も低くなることから、圧縮機シェル内部での凝縮温度が下がり、低い圧縮機温度でも冷媒の凝縮が生じなくなり、圧縮機シェル内部での液冷媒の発生を抑制し、液冷媒と共に圧縮機から冷凍機油が流出することを防止できる。

第４の発明は、特に、第３の発明の流量変更手段を、制御装置からの指示に応じて回転数を変化できるファンとし、ファンの回転数を決定するための目標凝縮温度を、圧縮機温度検出手段が検出した圧縮機温度に応じて設定することにより、凝縮温度の上昇を抑えた起動制御を確実に行うことができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における冷凍サイクル装置のサイクル構成図を示すものである。

図１の冷凍サイクル装置は、室外ユニットと複数の室内ユニットから構成されている。室外ユニットには、冷媒を圧縮する高圧シェル型の圧縮機１、冷媒の流れを切替える四方弁５、室外熱交換器６に流体を流通させる室外ファン８、室外ファン８により送られる流体と冷媒との熱交換を行う室外熱交換器６、冷媒を減圧する絞り機構としての室外膨張弁９、冷媒の流れ方向を一方向に規制する逆止弁１０が備えられている。

室内ユニットには、絞り機構としての室内膨張弁１１ａ、１１ｂ、室内熱交換器１２ａ、１２ｂに流体を流通させる室内ファン１３ａ、１３ｂ、室内ファン１３ａ、１３ｂにより送られる流体と冷媒との熱交換を行う室内熱交換器１２ａ、１２ｂが備えられている。

そして、圧縮機１、四方弁５、室外熱交換器６、室外膨張弁９、逆止弁１０、室内膨張弁１１ａ、１１ｂ、室内熱交換器１２ａ、１２ｂを配管で接続し、冷媒回路を形成している。

圧縮機１には圧縮機１のシェルの温度を検出するための圧縮機温度検出手段３が設けられている。また、圧縮機１の吸入側と四方弁５との間の配管には、圧縮機１に吸入される冷媒の圧力を検出するための吸入圧力検出手段１４が設けられている。さらに、圧縮機１の吐出側と四方弁５との間の配管には、圧縮機１から吐出された冷媒の温度および圧力を検出するための吐出温度検出手段１６および吐出圧力検出手段４とが設けられている。

また、室外熱交換器６の近傍には、室外ユニットが設置された周囲の温度（例えば、外気温度）を検出するための外気温度検出手段７が設けられている。このため、制御装置１５は、圧縮機１の温度、圧縮機１から吐出される冷媒の圧力および温度、外気温度を取得することができる。

室外ファン８は回転数を制御装置１５の命令に応じて回転数を変化させることができ、室外熱交換器６で冷媒と熱交換する流体の流量を変更することができる。また、室内ファン１３ａ、１３ｂは回転数を変化させることができ、室内熱交換器１２ａ、１２ｂで冷媒と熱交換する流体の流量を変更することができる。

以上のように構成された冷凍サイクル装置は、四方弁５を切替えることにより、冷房運転と暖房運転とを切替えることができる。冷房運転時には、圧縮機１から吐出された冷媒が室外熱交換器６に流れるように四方弁５が切替えられる。なお、図１の矢印は、冷房運転時の冷媒の流れ方向を示している。

圧縮機１より吐出された高温高圧の冷媒は、放熱器となる室外熱交換器６に流入し、放熱器用ファンとなる室外ファン８により放熱器に送られる被加熱流体（例えば、外気）に放熱する。室外熱交換器６から流出した高圧冷媒は、逆止弁１０を通過し、室内膨張弁１１ａ、１１ｂで減圧されて膨張し、蒸発器となる室内熱交換器１２ａ、１２ｂに流入する。室内熱交換器１２ａ、１２ｂに流入した低圧冷媒は、室内ファン１３ａ、１３ｂにより蒸発器に送られる被冷却流体（例えば、室内空気）から吸熱する。室内熱交換器１２ａ、１２ｂで冷却された被冷却流体を室内に循環させることで、室内を冷房できる。

一方、暖房運転時には、圧縮機１から吐出された冷媒が室内熱交換器１１ａ、１１ｂに流れるように四方弁５が切替えられる。圧縮機１より吐出された高温高圧の冷媒は、放熱器となる室内熱交換器１２ａ、１２ｂに流入し、室内ファン１３ａ、１３ｂにより放熱器に送られる被加熱流体（例えば、室内空気）に放熱する。

室内熱交換器１２ａ、１２ｂから流出した高圧冷媒は、室内膨張弁１１ａ、１１ｂを通過した後、室外膨張弁９で減圧されて膨張し、蒸発器となる室外熱交換器６に流入する。室外熱交換器６に流入した低圧冷媒は、室外ファン８により蒸発器に送られる被冷却流体（例えば、外気）から吸熱する。室内熱交換器１２ａ、１２ｂで加熱された被加熱流体を室内に循環させることで、室内を暖房できる。

以下、冷房運転を行う場合を例として、本実施の形態の冷凍サイクル装置の動作を、図２に示したフローチャートに従って説明する。

まず、室内機より運転開始の指示が行われた場合、圧縮機温度検出手段３により圧縮機のシェル温度である圧縮機温度Ｔ＿ｃｏｍｐを検出する。その検出された温度に応じて、室外ファン８の初期回転数Ｒｃ＿ｉｎｉ及び起動時の目標凝縮温度Ｔｃ＿１を決定する。

具体的には、室外ファン８の初期回転数Ｒｃ＿ｉｎｉは、放熱器の能力が過大となる低外気温度条件などで圧縮機の吐出圧力及び吸入圧力が低下するのを抑制するために、外気温が低いほど、小さくなるように決定される。さらに、初期回転数Ｒｃ＿ｉｎｉは、吐出部での液冷媒の発生を防止するために、圧縮機温度Ｔ＿ｃｏｍｐが低いほど、大きくなるように決定される。例えば、図３の場合には、圧縮機温度Ｔ＿ｃｏｍｐが、予め定められ制御装置１５のメモリなどに記憶された所定値Ｔ＿ｃｏｍｐ０未満の場合には、所定値Ｔ＿ｃｏｍｐ０以上の場合に決定される初期回転数より高くなるように決定される。

また、目標凝縮温度Ｔｃ＿１は、外気温が低いほど、低くなるように、かつ、圧縮機温度Ｔ＿ｃｏｍｐが低いほど、高くなるように決定される。例えば、図４の場合には、圧縮機温度Ｔ＿ｃｏｍｐが所定値Ｔ＿ｃｏｍｐ０未満の場合には、所定値Ｔ＿ｃｏｍｐ０以上の場合に決定される目標凝縮温度より高くなるように決定される。

つぎに、圧縮機１と室外ファン８を起動する。この際、室外ファン８は回転数が初期回転数Ｒｃ＿ｉｎｉとなるように制御装置１５の一部である流量制御手段としての室外ファン回転数制御手段（図示せず）により制御される。

さらに、吐出圧力検出手段４、吸入圧力検出手段１４、吐出温度検出手段１６により、圧縮機１の吐出圧力Ｐｄ、吸入圧力Ｐｓ、吐出温度Ｔｄを計測する。そして、凝縮温度Ｔｃ及び圧縮機１の吐出過熱度ＤＳＨを算出する。ここで凝縮温度Ｔｃは吐出圧力検出手段４で検出された吐出圧力Ｐｄの飽和温度、吐出過熱度ＤＳＨは、吐出温度検出手段１６の検出値Ｔｄと吐出圧力の飽和温度との差である。

室外ファン８は、初期回転数Ｒｃ＿ｉｎｉで起動された後は、算出された凝縮温度Ｔｃが目標凝縮温度Ｔｃ＿１となるように制御される。すなわち、算出された凝縮温度Ｔｃが目標凝縮温度Ｔｃ＿１より高ければ、室外ファン８の回転数を増加させることで、凝縮温度を低下させ、目標凝縮温度Ｔｃ＿１未満であれば、室外ファン８の回転数を低下させることで、凝縮温度を上昇させる。

つぎに、圧縮機１の吸入圧力Ｐｓが予め設定した保護圧力Ｐｓ＿１以上であるかの判定を行う。もし、保護圧力Ｐｓ＿１未満であれば、圧縮機１の吸入圧力Ｐｓが過度に低下して、圧縮機の信頼性を損なうことを防止するため、室外ファン８の回転数を１ステップ下げる。

一方、吸入圧力Ｐｓが保護圧力Ｐｓ＿１より高ければ、そのままの状態を維持し、吐出過熱度ＤＳＨの判定を行う。この吐出過熱度ＤＳＨの判定は、吐出過熱度ＤＳＨが、予め設定した圧縮機シェル内で冷媒の凝縮が発生しない状態となる吐出過熱度ＤＳＨ＿１以上であるかの判定を行う。吐出過熱度ＤＳＨがＤＳＨ＿１未満であれば、すみやかに吐出過熱度ＤＳＨがＤＳＨ＿１以上となるように、目標凝縮温度Ｔｃ＿１を所定値ΔＴだけ下げる。この結果、算出された凝縮温度Ｔｃが目標凝縮温度Ｔｃ＿１より高くなるので、室外ファン８の回転数は増加することとなる。

目標凝縮温度Ｔｃ＿１を所定値ΔＴだけ下げた後は、再び圧縮機１の吸入圧力Ｐｓ、吐出圧力Ｐｄ、吐出温度Ｔｄの検出段階からの動作を繰り返す。

一方、吐出過熱度ＤＳＨがＤＳＨ＿１以上となれば、通常制御に移行し、室外ファン８の目標凝縮温度をＴｃ＿２に変更する。なお、このときの目標凝縮温度は、Ｔｃ＿１＜Ｔｃ＿２となる。

以上のような制御を行った場合の作用を、例としてＲ４１０Ａのとき冷凍サイクル変化を図５に示したモリエル線図を用いて説明する。なお、温度条件としては、１年間を通して冷房運転を行う場合を想定して、室内の乾球温度を３２℃、湿球温度を２３℃とし、室外の乾球温度を−５℃とし、室内側に十分な冷房負荷がある場合を例としている。

図５は、本実施の形態のように、圧縮機１の起動時に圧縮機１の温度Ｔ＿ｃｏｍｐに応じて、放熱器用ファンすなわち室外ファン８の初期回転数Ｒｃ＿ｉｎｉ及び目標凝縮温度Ｔｃ＿１を放熱器６の放熱量を増加させるように設定した場合と、放熱器６での放熱量が最小の場合として、室外ファン８を停止させた場合とを比較している。

図５に示すように、放熱器６での放熱量が増加すれば、圧縮機１の吐出圧力Ｐｄは低下し、圧縮機１のシェル内部での圧力も低下することから、圧縮機１内部での凝縮温度も低下し、圧縮機温度が低くても冷媒の凝縮が生じなくなる。

例えば、圧縮機１の温度Ｔ＿Ｃｏｍｐが２５℃の場合について説明する。図５に示した放熱器６での放熱量が最小の場合では、圧縮機１の吐出温度Ｔｄは約３４℃、凝縮温度は約２８℃である。この場合では、圧縮機１の温度Ｔ＿Ｃｏｍｐが凝縮温度以下であるため、冷媒は圧縮機１の吐出部で圧縮機１の構造体に放熱して凝縮する。

それに対して、放熱器６での放熱量を増加させた場合では、圧縮機の吐出温度Ｔｄは約２８℃、凝縮温度は約１９℃であり、圧縮機１の温度Ｔ＿Ｃｏｍｐが凝縮温度以上となるため、冷媒は圧縮機１の吐出部で構造体に放熱するが凝縮はしない。

このように圧縮機温度Ｔ＿ｃｏｍｐに応じて、起動時の目標凝縮温度Ｔｃ＿１を低く設定することで、圧縮機シェル内での凝縮による液冷媒の発生を抑制することができる。

以上のように、圧縮機１の起動時に圧縮機温度Ｔ＿ｃｏｍｐに応じて、放熱器用ファンである室外ファン８の初期回転数Ｒｃ＿ｉｎｉ及び目標凝縮温度Ｔｃ＿１を設定することによって、起動時の圧縮機シェル内部での冷媒の凝縮による液冷媒の発生を抑制することができる。

さらに、圧縮機１の吸入圧力Ｐｓが予め設定した保護圧力Ｐｓ＿１未満であれば、放熱器用ファンの回転数を１ステップ下げるために、圧縮機１の吸入圧力Ｐｓが過度に低下して、圧縮機１の信頼性を損なうことを防止しつつ、起動時の圧縮機シェル内部での冷媒の凝縮による液冷媒の発生を抑制することができる。

また、吐出過熱度ＤＳＨが吐出過熱度ＤＳＨ＿１未満であれば、目標凝縮温度Ｔｃ＿１を所定値ΔＴ下げ、放熱器用ファンの回転数を増加させることで、圧縮機１の吸入圧力Ｐｓが過度に低下することのない範囲で、放熱器用ファンの回転数を上昇させることができるので、すみやかに圧縮機シェル内で冷媒の凝縮が発生しない状態とすることができる。

さらに、吐出過熱度ＤＳＨが吐出過熱度ＤＳＨ＿１以上となれば、目標凝縮温度をそれまでの目標凝縮温度であるＴｃ＿１より高いＴｃ＿２に変更することで、放熱器用ファンの回転数を低下させることができ、不必要に放熱器用ファンの回転数を上げて、無駄な電力を消費することもない。

なお、本実施の形態では、圧縮機温度検出手段３を設けた場合について説明を行ったが、圧縮機温度検出手段３の代わりに吐出温度検出手段１６の検知値や外気温度検出手段７の検知値を使っても、圧縮機起動前のそれぞれの検知値に応じて室外ファン８の初期回転数Ｒｃ＿ｉｎｉ、及び目標凝縮温度Ｔｃ＿１を設定するようにすれば、それぞれの検知温度は圧縮機温度Ｔ＿ｃｏｍｐとほぼ同様の変化特性を示すので、同様の効果を得ることができる。

また、放熱器６における被加熱流体として、空気の場合について説明を行ったが、水などの冷媒であってもよい。更に、冷凍サイクル装置の冷媒として擬似共沸冷媒Ｒ４１０Ａを使用したが、共沸冷媒、非共沸冷媒、自然冷媒であっても、同様の効果を得ることができる。

以上のように、本発明にかかる冷凍サイクル装置及びその起動制御方法は、低外気温度条件で圧縮機のシェル温度が低い場合においても、圧縮機シェル内で凝縮による液冷媒の発生を防止することができるので、高圧シェル型圧縮機を用いた冷凍サイクルを構成するヒートポンプ温水暖房機、熱源機等の用途にも適用できる。

１ 圧縮機
３ 圧縮機温度検出手段
４ 吐出圧力検出手段
５ 四方弁
６ 室外熱交換器（放熱器）
７ 外気温度検出手段
８ 室外ファン（流体変更手段）
９ 室外膨張弁（絞り機構）
１０ 逆止弁
１１ａ、１１ｂ 室内膨張弁（絞り機構）
１２ａ、１２ｂ 室内熱交換器
１３ａ、１３ｂ 室内ファン
１４ 吸入圧力検出手段
１５ 制御装置
１６ 吐出温度検出手段

Claims (4)

1. 高圧シェル型の圧縮機、放熱器、絞り機構、蒸発器を連結して形成した冷媒回路と、前記圧縮機の温度を検出する圧縮機温度検出手段と、前記放熱器における被加熱流体の流量変更手段と、制御装置とを備え、前記圧縮機の起動時に圧縮機温度が低い場合ほど、前記放熱器における被加熱流体の流量を増加させ、前記放熱器での放熱量を増加させることを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記流量変更手段は、前記制御装置からの指示に応じて回転数を変化できるファンであ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. 高圧シェル型の圧縮機、放熱器、絞り機構、蒸発器を連結して形成した冷媒回路と、前記圧縮機の温度を検出する圧縮機温度検出手段と、前記放熱器における被加熱流体の流量変更手段と、制御装置とを備えた冷凍サイクル装置において、前記圧縮機の起動時に圧縮機温度が低い場合ほど、前記放熱器における被加熱流体の流量を増加させ、前記放熱器での放熱量を増加させることを特徴とする冷凍サイクル装置の起動制御方法。
4. 前記流量変更手段は、前記制御装置からの指示に応じて回転数を変化できるファンであり、前記ファンの回転数を決定するための目標凝縮温度を、前記圧縮機温度検出手段が検出した圧縮機温度に応じて設定することを特徴とする請求項３に記載の冷凍サイクル装置の起動制御方法。

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