JP2014181869A - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機の運転状態に応じて、圧縮機に戻す冷凍機油を含む液冷媒の流量をきめ細かく制御することにより、圧縮機の信頼性を確保しつつ、早期に冷媒循環量を増やして効率的な空調運転を行う。
【解決手段】圧縮機１１０、室外熱交換器１４０、膨張弁１５０、室内熱交換器２１０およびアキュムレータ１６０を含む冷媒回路を備え、冷媒戻り配管１６１より戻される冷媒がアキュムレータ１６０にて気液分離され、その内の気相冷媒が冷媒吸入管を介して圧縮機１１０の吸入側に供給される空気調和機において、アキュムレータ１６０内の冷凍機油を含む液冷媒の貯留部と、圧縮機１１０の吸入側との間に接続され、その中間部分に流量調整弁１６５を有する還流回路１６４を備え、圧縮機１１０の吐出温度と高圧飽和温度とから求められる吐出過熱度ＳＨに基づいて流量調整弁１６５の開度を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気調和機に関し、さらに詳しく言えば、室外機に対して複数台の室内機が接続されるマルチエアコンと呼ばれる空気調和機で、特に起動後における圧縮機の信頼性を確保するため、アキュムレータに溜まった冷凍機油を含む液冷媒を適宜圧縮機に戻す技術に関するものである。

室外機に対し冷媒配管を介して複数台の室内機が接続されるマルチエアコン（多室型空気調和機）においては、室内機の台数が増えるに伴って必要になる冷媒循環量を確保するために、その冷媒回路内には、より多くの冷媒が充填される。

また、圧縮機内には潤滑用の冷凍機油が充填され、空気調和機の運転時、冷凍機油の一部が冷媒とともに冷媒回路内を循環するが、運転停止時には、冷媒回路内の冷媒は液化し、冷凍機油の一部が溶け込んだ状態になる。

したがって、空気調和機の運転開始時（冷房／暖房運転起動時）には、冷凍機油を含む液冷媒がより多く圧縮機に戻される液バックが生ずる。液バックは、圧縮機の損傷や故障の原因となることがある。

そこで、液バックを防止するため、圧縮機の吸入側にアキュムレータを設けて、戻り冷媒を気液に分離し、分離された気相冷媒を圧縮機の吸入側に供給ようにしているが、分離された冷凍機油を含む液冷媒はアキュムレータの底部に貯留されるため、圧縮機内で冷凍機油不足が生ずることがある。そこで、圧縮機の信頼性を確保するため、アキュムレータに溜まった冷凍機油を圧縮機に戻す必要がある。

また、起動後の通常運転時に、運転される室内機の台数が多い場合には、アキュムレータにより多くの冷凍機油を含む液冷媒が溜め込まれるため、相対的に循環する冷媒量が少なくなり、運転効率が悪くなる。

そのため、起動後の通常運転時に、アキュムレータに溜まった冷凍機油を含む液冷媒を圧縮機に支障が生じないように、適切かつ除々に戻して圧縮機の信頼性を確保しつつ冷媒循環量を増やす必要がある。

この種の従来技術として、特許文献１には、アキュムレータの底部から圧縮機の吸入側にかけて、開閉弁と減圧用キャピラリーチューブからなる流量調整管とを有する油戻し管を設け、圧縮機の吸入配管の温度に応じて開閉弁をオンオフすることが記載されている。

特開平６−２９６２号公報

しかしながら、特許文献１による発明に使用されている開閉弁は、単にオンオフ（全開もしくは全閉）されるだけで、しかも開度が一定であるため、圧縮機の運転状態に応じてアキュムレータに溜められた冷凍機油の戻し流量をきめ細かく制御することが困難である、という問題がある。

したがって、本発明の課題は、圧縮機の運転状態に応じて、圧縮機に戻す冷凍機油を含む液冷媒の流量をきめ細かく制御することを可能とし、圧縮機の信頼性を確保しつつ、冷媒循環量不足の状態から早期に冷媒循環量を増やして効率的な空調運転を行うことにある。

上記課題を解決するため、本発明は、圧縮機、室外熱交換器、膨張弁、室内熱交換器およびアキュムレータを含み、これらが冷媒配管を介して接続されている冷媒回路を備え、上記冷媒回路の低圧側の冷媒戻り配管より戻される冷媒が上記アキュムレータにて気液分離され、その内の気相冷媒が上記圧縮機の吸入側に接続されている冷媒吸入管を介して上記圧縮機の吸入側に供給される空気調和機において、一端が上記アキュムレータ内の冷凍機油を含む液冷媒の貯留部に接続され、他端が上記圧縮機の吸入側に接続され、その中間部分に流量調整弁を有する還流回路と、上記流量調整弁の開度を制御する制御部とを備え、上記制御部は、上記圧縮機の冷媒吐出側の吐出温度と高圧飽和温度とから吐出過熱度ＳＨを算出し、上記吐出過熱度ＳＨに基づいて上記流量調整弁の開度を制御することを特徴としている。

本発明において、上記制御部は、上記吐出過熱度ＳＨが大きくなるに伴って上記流量調整弁の開度を大きくし、上記吐出過熱度ＳＨが小さくなるに伴って上記流量調整弁の開度を小さくするような制御を行う。

本発明の好ましい態様によると、上記制御部は、上記吐出過熱度ＳＨが第１閾値ＴＨ１よりも大きくなった時点で、上記流量調整弁を全閉状態から予め設定されている初期開度まで開き、上記吐出過熱度ＳＨが上記第１閾値ＴＨ１よりさらに上昇するに伴って上記流量調整弁の開度を上記初期開度よりも大きくなるように制御し、上記吐出過熱度ＳＨが上記第１閾値ＴＨ１より低下するに伴って上記流量調整弁の開度を上記初期開度よりも小さくなるように制御し、上記吐出過熱度ＳＨが第２閾値ＴＨ２（ＴＨ２＜ＴＨ１）よりも低くなった時点で、上記流量調整弁を全閉状態とする。

本発明は、特に室外機に対して複数台の室内機が接続されているマルチエアコンに好ましく適用される。

本発明によれば、圧縮機の吐出温度と高圧飽和温度とから算出される吐出過熱度（吐出スーパーヒート）ＳＨにより、圧縮機の運転状態を詳細に把握し、これによって流量調整弁の冷凍機油を含む液冷媒の戻し量を制御するようにしたことにより、従来よりも圧縮機の信頼性を確保しつつ、冷媒循環量不足の状態から早期に冷媒循環量を増やして効率的な空調運転を行うことができる。

本発明の空気調和機が備える冷媒回路の一実施形態を示す模式図。 上記冷媒回路の要部を示す模式図。 第１閾値と第２閾値との関係を示す説明図。

次に、図１および図２により、本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

まず、図１を参照して、この実施形態に係る空気調和機は、室外機１００に対し、冷媒配管１０１（ガス側配管１０２，液側配管１０３）を介して複数台の室内機２０Ａ，２０Ｂ，…２０Ｎが接続されるマルチエアコンである。各室内機２０Ａ，２０Ｂ，…２０Ｎを区別する必要がない場合には、総称として室内機２００という。

室外機１００には、圧縮機１１０と、オイルセパレータ１２０と、四方弁１３０と、室外送風機１４１を有する室外熱交換器１４０と、電子膨張弁からなる膨張弁１５０と、アキュムレータ１６０と、制御部１７０とが含まれている。

圧縮機１１０は、ロータリー式、スクロール式のいずれであってもよく、また、一定速型、インバータ制御による可変速型のいずれであってもよい。図示しないが、圧縮機１１０内には所定量の潤滑用の冷凍機油が充填されている。

圧縮機１１０は、冷媒吐出管１１１と冷媒吸入管１１４とを備え、冷媒吐出管１１１には、吐出温度センサ１１２と、高圧センサ１１３とが設けられている。この実施形態において、冷媒吸入管１１４は、液冷媒が圧縮機１１０に吸入されるのを防止するサブアキュムレータ１１５を介して圧縮機の吸入ポートに接続される。冷媒吸入管１１４には、吸入温度センサ１１６が設けられている。

オイルセパレータ１２０は、圧縮機１１０から吐出された高温・高圧の気相の吐出冷媒に含まれている冷凍機油を分離する。分離された冷凍機油は、電磁弁１２２を有する油戻し配管１２１を介して圧縮機１１０の吸入側に戻される。オイルセパレータ１２０で冷凍機油と分離された吐出冷媒は、逆止弁１２３を介して四方弁１３０に至る。

四方弁１３０は、吐出冷媒が供給される第１ポート１３１と、室外熱交換器１４０が接続される第２ポート１３２と、冷媒配管１０１のうちのガス側配管１０２が接続される第２ポート１３３と、低圧側である冷媒戻り配管１６１が接続される第４ポート１３４の４つのポートを備えている。

冷媒戻り配管１６１より戻される冷媒は、アキュムレータ１６０内にて気相の冷媒と冷凍機油を含む液冷媒とに分離され、分離された気相冷媒は接続管１６３、冷媒吸入管１１４およびサブアキュムレータ１１５を介して圧縮機の吸入ポートに供給される。

室内機２００は、いずれも室内機熱交換器２１０と、室内側膨張弁２２０と、室内送風機２３０とを含み、ガス側配管１０２と液側配管１０３との間に並列に接続される。

冷房運転時には、四方弁１３０が図示実線に示すように切り替えられ、第１ポート１３１と第２ポート１３２とが接続されるとともに、第３ポート１３３と第４ポート１３４とが接続される。

これにより、圧縮機１１０からの吐出冷媒は、室外熱交換器１４０→膨張弁１５０→液側配管１０３→室内機膨張弁２２０→室内熱交換器２１０→ガス側配管１０２→冷媒戻り配管１６１→アキュムレータ１６０→圧縮機１１０へと循環し、室外熱交換器１４０が凝縮器、室内熱交換器２１０が蒸発器として作用する。

暖房運転時には、四方弁１３０が図示鎖線に示すように切り替えられ、第１ポート１３１と第３ポート１３３とが接続されるとともに、第２ポート１３２と第４ポート１３４とが接続される。

これにより、圧縮機１１０からの吐出冷媒は、ガス側配管１０２→室内熱交換器２１０→室内機膨張弁２２０→液側配管１０３→膨張弁１５０→室外熱交換器１４０→冷媒戻り配管１６１→アキュムレータ１６０→圧縮機１１０へと循環し、室内熱交換器２１０が凝縮器、室外熱交換器１４０が蒸発器として作用する。なお、上記冷房・暖房運転時、室外膨張弁１５０と室内膨張弁２２０の開度は、外気温、室温および室内機の目標温度等に応じて適宜制御される。

冷房運転、暖房運転のいずれにしても、冷媒回路内を流れる冷媒には、オイルセパレータ１２０で分離しきれなかった冷凍機油が含まれ、また、運転停止時、冷媒は液化し冷凍機油が溶け込んだ状態になる。

この冷凍機油を含む液冷媒は、アキュムレータ１６０にて分離されるが、特に運転開始の起動時には、アキュムレータ１６０に冷凍機油を含む液冷媒が多く戻されることから、アキュムレータ１６０の底部には冷凍機油を含む液冷媒が多く溜められる。

そうすると、圧縮機１１０内が冷凍機油不足気味になり、また、相対的に循環する冷媒量が少なくなり、運転効率が悪くなる。この現象は、運転開始の起動時だけでなく、通常運転時においても、運転される室内機の台数が多い場合に生じやすい。

そこで、本発明では、アキュムレータ１６０に貯留された冷凍機油を含む液冷媒を圧縮機１１０の吸入側に戻す還流回路１６４を備える。

図２に示すように、この還流回路１６４は、その一端がアキュムレータ１６０の底部で冷凍機油を含む液冷媒が溜められる貯留部１６０ａに接続されている。また、この実施形態において、還流回路１６４の他端は、冷媒吸入管１１４に合流し、冷媒吸入管１１４を介してサブアキュムレータ１１５に接続されている。還流回路１６４の中間部分には流量調整弁１６５が設けられている。

流量調整弁１６５には、好ましくはパルスモータによって開度（弁開度）が全閉から全開まで例えば１パルス単位で調整可能な流量調整弁が用いられ、その開度は室外機１００が備える制御部１７０により制御される。

制御部１７０は、流量調整弁１６５専用に設けられてもよいが、例えば圧縮機１１０の回転数、油戻し配管１２１の電磁弁１２２の開閉、四方弁１３０の切替等を制御する制御部が用いられてもよい。

制御部１７０は、圧縮機１１０の運転状態を、圧縮機１１０の吐出過熱度ＳＨにより判断して、流量調整弁１６５の開度を制御する。すなわち、吐出過熱度ＳＨが高い場合には、吐出冷媒の乾き度が高く冷媒循環量が不足気味であることから、アキュムレータ１６０から冷凍機油を含む液冷媒の戻し量を多くして、圧縮機１１０の信頼性（仕様範囲内での運転状態）と、冷媒循環量とを確保する。

なお、圧縮機１１０の吐出過熱度ＳＨは、吐出温度センサ１１２により検出される吐出温度Ｔａと、高圧センサ１１３により検出される圧力から換算される高圧飽和温度Ｔｂとから次式による求められる。
吐出過熱度ＳＨ＝吐出温度Ｔａ−高圧飽和温度Ｔｂ

制御部１７０は、空気調和機の運転中、吐出過熱度ＳＨを監視し流量調整弁１６５の流量を制御するが、ここでは、冷凍機油を含む液冷媒が多く戻される圧縮機起動当初時について説明する。

なお、制御部１７０には、吐出過熱度ＳＨの閾値として、図３に示すように、流量調整弁１６５を全閉から開ける第１閾値ＴＨ１と、流量調整弁１６５を開いている状態から全閉にする第２閾値ＴＨ２（ＴＨ２＜ＴＨ１）とがあらかじめ設定されている。この例において、第１閾値ＴＨ１は１０ｄｅｇであり、第２閾値ＴＨ２は５ｄｅｇである。

まず、運転停止時には流量調整弁１６５は全閉とされるが、運転停止の状態から圧縮機１１０が起動される時点においても、制御部１７０は流量調整弁１６５を全閉状態に維持する。

圧縮機１１０が起動すると、時間の経過に伴って、吐出温度Ｔａおよび高圧飽和温度Ｔｂが上昇するが、制御部１７０は、吐出過熱度ＳＨが第１閾値ＴＨ１の１０ｄｅｇ以上かどうかを判断する。

吐出過熱度ＳＨ＜１０ｄｅｇならば、流量調整弁１６５を全閉状態に維持し、吐出過熱度ＳＨ≧１０ｄｅｇになった時点で、まず、流量調整弁１６５を初期開度Ａにまで開け、引き続き吐出過熱度ＳＨを監視する。

例えば、流量調整弁１６５の開度が４８０パルスで全開であるとして、この例では初期開度Ａは１００パルスに設定される。

このようにして、流量調整弁１６５を初期開度Ａの１００パルスにまで開けたのち、制御部１７０は、吐出過熱度ＳＨの値に応じて流量調整弁１６５の開度を次式にしたがって調整する。その調整値をＡαとして、
Ａα＝Ａ＋｛Ｂ×（ＳＨ−１０ｄｅｇ）}

Ｂ＝１０パルスとして、吐出過熱度ＳＨが１０ｄｅｇを超え、例えば１２ｄｅｇにまで上昇した場合には、Ａα＝１００＋２０＝１２０パルスとなるため、流量調整弁１６５は１２０パルス相当の開度までさらに開けられ、アキュムレータ１６０から圧縮機１１０に戻される冷凍機油を含む液冷媒の流量が増加されることになる。

この流量調整は例えば３０秒周期で行われるが、冷凍機油を含む液冷媒流量の増加等により、吐出過熱度ＳＨが低下して１０ｄｅｇを下回り、例えば８ｄｅｇになった場合、Ａα＝１００−２０＝８０パルスとなるため、流量調整弁１６５は８０パルス相当の開度まで絞られる。

このように、制御部１７０は、吐出過熱度ＳＨが１０ｄｅｇを下回っても、その時点で即座に流量調整弁１６５を閉じないが、吐出過熱度ＳＨがさらに低下して、第２閾値ＴＨ２以下のＳＨ≦５ｄｅｇになると、流量調整弁１６５を全閉とする。

この実施形態において、吐出過熱度ＳＨ上昇時に流量調整弁１６５を開ける第１閾値ＴＨ１と、吐出過熱度ＳＨ低下時に流量調整弁１６５を閉じる第２閾値ＴＨ２（ＴＨ２＜ＴＨ１）の２つの異なる閾値を設定しているのは、流量調整弁１６５の開閉が頻繁に行われるハンチング現象を防止するためである。

すなわち、制御部１７０は、吐出過熱度ＳＨが上昇していく過程で、第１閾値ＴＨ１（１０ｄｅｇ）以上になった時点から、吐出過熱度ＳＨが低下していく過程で、第２閾値（５ｄｅｇ）以下になるまでの間、流量調整弁１６５の開度を制御し、それ以外の場合には、流量調整弁１６５を全閉とする。

なお、アキュムレータ１６０から還流回路１６４を介して圧縮機１１０側に戻される冷凍機油を含む液冷媒は、サブアキュムレータ１１５で冷凍機油と分離され、サブアキュムレータ１１５内に貯留される。

１００ 室外機
１１０ 圧縮機
１１２ 吐出温度センサ
１１３ 高圧センサ
１１５ サブアキュムレータ
１２０ オイルセパレータ
１３０ 四方弁
１４０ 室外熱交換器
１４１ 室外送風機
１５０ 膨張弁
１６０ アキュムレータ
１６４ 還流回路
１６５ 流量調整弁
１７０ 制御部
２００（２０Ａ〜２０Ｎ） 室内機
２１０ 室内熱交換器
２２０ 室内機膨張弁
２３０ 室内送風機
ＴＨ１ 第１閾値
ＴＨ２ 第２閾値

Claims (4)

1. 圧縮機、室外熱交換器、膨張弁、室内熱交換器およびアキュムレータを含み、これらが冷媒配管を介して接続されている冷媒回路を備え、上記冷媒回路の低圧側の冷媒戻り配管より戻される冷媒が上記アキュムレータにて気液分離され、その内の気相冷媒が上記圧縮機の吸入側に接続されている冷媒吸入管を介して上記圧縮機の吸入側に供給される空気調和機において、
   一端が上記アキュムレータ内の冷凍機油を含む液冷媒の貯留部に接続され、他端が上記圧縮機の吸入側に接続され、その中間部分に流量調整弁を有する還流回路と、上記流量調整弁の開度を制御する制御部とを備え、
   上記制御部は、上記圧縮機の冷媒吐出側の吐出温度と高圧飽和温度とから吐出過熱度ＳＨを算出し、上記吐出過熱度ＳＨに基づいて上記流量調整弁の開度を制御することを特徴とする空気調和機。
2. 上記制御部は、上記吐出過熱度ＳＨが大きくなるに伴って上記流量調整弁の開度を大きくし、上記吐出過熱度ＳＨが小さくなるに伴って上記流量調整弁の開度を小さくすることを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
3. 上記制御部は、上記吐出過熱度ＳＨが第１閾値ＴＨ１よりも大きくなった時点で、上記流量調整弁を全閉状態から予め設定されている初期開度まで開き、上記吐出過熱度ＳＨが上記第１閾値ＴＨ１よりさらに上昇するに伴って上記流量調整弁の開度を上記初期開度よりも大きくなるように制御し、上記吐出過熱度ＳＨが上記第１閾値ＴＨ１より低下するに伴って上記流量調整弁の開度を上記初期開度よりも小さくなるように制御し、上記吐出過熱度ＳＨが第２閾値ＴＨ２（ＴＨ２＜ＴＨ１）よりも低くなった時点で、上記流量調整弁を全閉状態とすることを特徴とする請求項１または２に記載の空気調和機。
4. 室外機に対して複数台の室内機が接続されているマルチエアコンであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の空気調和機。

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