JP2011226724A - 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して、圧縮機から冷凍機油が流出することを防止する。
【解決手段】運転周波数を変更できる高圧シェル型の圧縮機１と、圧縮機１の温度を検出する圧縮機温度検出手段３と、制御装置１５とを備え、圧縮機１の起動時の運転周波数である起動周波数Ｆ＿ｉｎｉを、圧縮機温度Ｔ＿ｃｏｍｐが低い場合ほど、高く設定することで、圧縮機１に与える熱量が大きくなることから、圧縮機１のシェル内部での液冷媒の発生を抑制でき、圧縮機１から冷凍機油が流出することを防止できる。
【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出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出値Ｔｄｉｓが吐出温度の下限値Ｔｄｉｓｘ１未満となる場合に、圧縮機吐出部での液冷媒の発生を回避するために、圧縮機の運転周波数を１ステップ上げるように制御している（例えば特許文献１参照）。

図４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−チャートである。図４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、圧縮機の運転周波数を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、前記従来の構成では、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が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及びその起動方法は、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、圧縮機の起動周波数を予め高く設定する制御を行うようにしたものである。

周波数を高くすることによって、圧縮機の入力すなわち圧縮機に与える熱量を大きくして、圧縮機の構造体の温度上昇を早くして、圧縮機の構造体の温度を圧縮機シェル内の凝縮温度より高くすることによって、圧縮機シェル内部での凝縮による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における圧縮機の温度と起動周波数との関係図 本発明の実施の形態２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 従来の冷凍サイクル装置における圧縮機の運転周波数制御動作のフローチャート

第１の発明は、運転周波数を変更できる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、制御装置とを備え、圧縮機の起動時に圧縮機の温度が低い場合ほど、圧縮機の運転周波数を高くするものである。

これによって、圧縮機の入力、すなわち圧縮機に与える熱量が大きくなることから、圧縮機の構造体の温度上昇を早くすることができ、圧縮機の構造体の温度を圧縮機シェル内の凝縮温度より高くすることによって、圧縮機シェル内部での凝縮による液冷媒の発生を抑制し、圧縮機から液冷媒と共に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の発明において、吐出過熱度が所定値以上となるまで、前記運転周波数を継続することにより、圧縮機の構造体の温度が圧縮機シェル内部の凝縮温度以上に確実にできるので、圧縮機シェル内部での凝縮による液冷媒の発生の抑制し、圧縮機から液冷媒と共に冷凍機油が流出することを確実に防止することができる。

第３の発明は、特に、第１の発明または第２の発明において、吸入圧力が所定値以下となるまで、絞り機構の絞り量を大きくすることによって、吸入圧力の低下にともない冷媒循環量が減少するために、圧縮室から吐出される冷媒の温度が高くなるので、圧縮機シェル内部での凝縮による液冷媒の発生をより少なく抑制することができ、圧縮機から液冷媒と共に冷凍機油が流出することをより確実に防止することができる。

第４の発明は、運転周波数を変更できる高圧シェル型の圧縮機の起動時に、圧縮機の温度が低い場合ほど、圧縮機の運転周波数を高くすることにより、圧縮機の入力、すなわち圧縮機に与える熱量が大きくなることから、圧縮機の構造体の温度上昇を早くすることができ、圧縮機の構造体の温度を圧縮機シェル内の凝縮温度より高くすることによって、圧縮機シェル内部での凝縮による液冷媒の発生を抑制し、圧縮機から液冷媒と共に冷凍機油が流出することを防止できる。

第５の発明は、特に、第４の発明において、吐出過熱度が所定値以上となるまで、前記運転周波数を継続することにより、圧縮機の構造体の温度が圧縮機シェル内部の凝縮温度以上に確実にできるので、圧縮機シェル内部での凝縮による液冷媒の発生の抑制し、圧縮機から液冷媒と共に冷凍機油が流出することを確実に防止することができる。

第６の発明は、特に、第３の発明または第４の発明において、吸入圧力が所定値以下となるまで、絞り機構の絞り量を大きくすることによって、吸入圧力の低下にともない冷媒循環量が減少するために、圧縮室から吐出される冷媒の温度が高くなるので、圧縮機シェル内部での凝縮による液冷媒の発生をより少なく抑制することができ、圧縮機から液冷媒と共に冷凍機油が流出することをより確実に防止することができる。

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に吸入される冷媒の圧力、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。

制御装置１５には、吐出過熱度算出手段（図示せず）が設けられている。吐出過熱度算出手段は、吐出圧力検出手段４が検出した圧縮機１の吐出圧力から吐出圧力飽和温度を算出したのち、吐出温度検出手段１６が検出した圧縮機１の吐出温度とその吐出圧力飽和温度の差である吐出過熱度を算出する。

圧縮機１はシェル内に収納された圧縮機構部で圧縮された冷媒をシェル内に吐出する高圧シェル型の圧縮機であり、運転周波数を制御装置１５の命令に応じて変化させることができる。また、室外膨張弁９、室内膨張弁１１ａ、１１ｂは、制御装置１５の命令に応じて、開度、つまり、絞り量を変更できる絞り機構である。すなわち、室外膨張弁９、室内膨張弁１１ａ、１１ｂの開度を大きくすれば、絞り量は小さくなり、逆に、開度を小さくすれば、絞り量は大きくなる。

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。なお、図１の実線の矢印は、冷房運転時の冷媒の流れ方向を示し、破線の矢印は、暖房運転時の冷媒の流れ方向を示している。

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。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により室外熱交換器６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により室内熱交換器１２ａ、１２ｂ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。

以上のように構成された冷凍サイクル装置について、以下圧縮機１を起動する際の動作を図２に示した起動制御動作の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１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、圧縮機１の起動時の運転周波数である起動周波数Ｆ＿ｉｎｉを決定する。

具体的には、起動周波数Ｆ＿ｉｎｉは、圧縮機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、高くなるように決定される。例えば、図３の場合には、起動周波数Ｆ＿ｉｎｉは、外気温度検出手段７が検出した外気温度が低いほど、高くなるように決定される。さらに、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起動周波数より高くなるように決定される。

つぎに、圧縮機１を起動する。この際、圧縮機１は運転周波数が起動周波数Ｆ＿ｉｎｉとなるように制御装置１５の一部である圧縮機運転周波数制御手段（図示せず）により制御される。さらに、吐出圧力検出手段４、吐出温度検出手段１６により、圧縮機１の吐出圧力Ｐｄ、吐出温度Ｔｄを計測する。そして、吐出過熱度算出手段は、圧縮機１の吐出過熱度ＤＳＨを算出する。ここで吐出過熱度ＤＳＨは、吐出圧力検出手段４で検出された吐出圧力Ｐｄの飽和温度である吐出圧力飽和温度Ｔｓａｔと吐出温度検出手段１６の検出値である吐出温度Ｔｄとの差である。

圧縮機１は、起動周波数Ｆ＿ｉｎｉでの運転を継続し、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、起動周波数Ｆ＿ｉｎｉでの運転を継続して、再び圧縮機１の吐出圧力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、圧縮機１の運転周波数は負荷に応じて制御されるようになる。

以上のように、本実施の形態においては圧縮機１の起動周波数Ｆ＿ｉｎｉを圧縮機温度Ｔ＿ｃｏｍｐに応じて、圧縮機温度Ｔ＿ｃｏｍｐが低いほど起動周波数Ｆ＿ｉｎｉを高く設定することにより、圧縮機１の入力、すなわち与える熱量を大きくすることで、圧縮機１の構造体の温度上昇を早くし、圧縮機１の構造体の温度を圧縮機シェル内の凝縮温度より高くすることで、圧縮機シェル内部で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を、起動してから吐出過熱度ＤＳＨが所定値ＤＳＨ＿１以上となるまで、起動周波数Ｆ＿ｉｎｉでの運転を継続することにより、圧縮機１の構造体の温度が圧縮機シェル内部の凝縮温度以上に確実にできるので、圧縮機シェル内部での凝縮による液冷媒の発生の抑制し、圧縮機１から液冷媒と共に冷凍機油が流出することを確実に防止することができる。

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の検出値の代わりに吐出温度検出手段１６の検出値や外気温度検出手段７の検出値を使って、圧縮機１起動前のそれぞれの検出値に応じて圧縮機１の起動周波数Ｆ＿ｉｎｉを設定するようにしてもよい。これによれば、それぞれの検出値は圧縮機温度検出手段３の検出値である圧縮機温度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。

（実施の形態２）
本実施の形態における冷凍サイクル装置の構成は、実施の形態１と同様であるため説明を省略する。本実施の形態の冷凍サイクル装置について、以下暖房運転を実施する際の動作を図４に示した起動制御動作のフローチャートに従って説明する。なお、実施の形態１と同様である動作については、詳細な説明を省略する。

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１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、圧縮機１の起動時の運転周波数である起動周波数Ｆ＿ｉｎｉを決定する。具体的には、実施の形態１と同様に、起動周波数Ｆ＿ｉｎｉ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起動周波数より高くなるように決定される。

つぎに、絞り機構としての室外膨張弁９の開度を最大の絞り量となる開度まで閉じ、圧縮機１を起動周波数Ｆ＿ｉｎｉで起動する。この際、圧縮機１は運転周波数が起動周波数Ｆ＿ｉｎｉとなるように制御装置１５の一部である圧縮機運転周波数制御手段（図示せず）により制御される。さらに、吐出圧力検出手段４、吐出温度検出手段１６により、圧縮機１の吐出圧力Ｐｄ、吐出温度Ｔｄを計測する。

起動周波数Ｆ＿ｉｎｉでの運転を継続して、圧縮機１の吸入圧力Ｐｓが、予め設定した圧縮機１の吸入圧力の下限値Ｐｓ＿１以下であるかの判定を行う。吸入圧力ＰｓがＰｓ＿１以下ならば、吸入圧力Ｐｓの低下を防止するため、室外膨張弁９をそれまでの開度より大きい所定の開度に設定し、吐出過熱度算出手段が吐出過熱度ＤＳＨの算出を行う。一方、吸入圧力ＰｓがＰｓ＿１以下でなければ、そのまま吐出過熱度ＤＳＨの算出を行う。

つぎに、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、起動周波数Ｆ＿ｉｎｉでの運転を継続して、再び圧縮機１の吐出圧力Ｐｄ、吸入圧力Ｐｓ、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、圧縮機１の運転周波数及び室外膨張弁９の開度は負荷に応じて制御されるようになる。

以上のように、本実施の形態においては、圧縮機１が起動してから吸入圧力Ｐｓが所定値以下となるまで室外膨張弁９の開度を最小の開度となるように閉じておくことによって、吸入圧力Ｐｓの低下にともない冷媒循環量が減少するために、圧縮室から吐出される冷媒の温度が高くなるので、圧縮機シェル内部での凝縮による液冷媒の発生をより少なく抑制することができ、圧縮機１から液冷媒と共に冷凍機油が流出することをより確実に防止することができる。

なお、以上は暖房運転時についての説明を行ったが、四方弁５を切り替えて、室外熱交換器６を放熱器、室内膨張弁１１ａ、１１ｂを絞り機構、室内熱交換器１２ａ、１２ｂを蒸発器とする冷房運転の場合には、以上の説明の室外膨張弁９に替わり、室内膨張弁１１ａ、１１ｂの開度を減少させれば、同様の効果が得られる。

また、本実施の形態では、圧縮機１が起動してから吸入圧力Ｐｓが下限値Ｐｓ＿１以下となるまでは、絞り機構を最大の絞り量となるようにするものとしたが、最大の絞り量とするのではなく、絞り量を外気温度が低いほど、大きくなるように設定してもよい。これによれば、圧縮機１が起動してから吸入圧力Ｐｓが下限値Ｐｓ＿１以下となるまでは、外気温度が高い通常の起動制御の場合より、外気温度が低い場合の起動制御では、絞り機構の絞り量が大きくなるので、同様の効果が得られる。

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
７ 外気温度検出手段
８ 室外ファン
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 (6)

1. 運転周波数を変更できる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、制御装置とを備え、前記圧縮機の起動時に前記圧縮機の温度が低い場合ほど、前記圧縮機の運転周波数を高くすることを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記圧縮機の吐出過熱度を算出する吐出過熱度算出手段をさらに備え、前記吐出過熱度が所定値以上となるまで、前記運転周波数を継続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. 前記絞り機構は絞り量を変更できる絞り機構であり、前記圧縮機の吸入圧力を検出する吸入圧力検出手段とを備え、前記吸入圧力が所定値以下となるまで、前記絞り機構の絞り量を大きくすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 運転周波数を変更できる高圧シェル型の圧縮機の起動時に、前記圧縮機の温度が低い場合ほど、前記圧縮機の運転周波数を高くすることを特徴とする冷凍サイクル装置の起動制御方法。
5. 前記圧縮機の吐出過熱度を算出し、前記吐出過熱度が所定値以上となるまで、前記運転周波数を継続することを特徴とする請求項４に記載の冷凍サイクル装置の起動制御方法。
6. 前記圧縮機の吸入圧力を検出し、前記吸入圧力が所定値以下となるまで、絞り機構の絞り量を大きくすることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の冷凍サイクル装置の起動制御方法。

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