JP2016090186A - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】空気調和機の運転中において、冷媒の溶け込みによって冷凍機油が希釈されすぎないようにして、潤滑性能の悪化を防止する。
【解決手段】内部低圧型のスクロール圧縮機１１を用いる空気調和機において、圧縮機１１を加熱するヒータ２０と、圧縮機１１の密閉シェル底部の温度（コンプ底温度）を検出するシェル底部温度センサ３１と、冷媒の蒸発温度を検出する蒸発温度センサ３２（３３）とを有し、制御手段３０は、冷媒の蒸発温度とコンプ底温度とをパラメータとする冷凍機油に対する冷媒溶込量の適否判定基準となる希釈度データを備え、その希釈度データから、蒸発温度センサ３２（３３）にて検出された冷媒の蒸発温度のときのコンプ底温度の判定基準温度ＴＥを得、シェル底部温度センサ３１から実際のコンプ底温度ＴＦを得て、ＴＦ−ＴＥ≦０℃のときには、ヒータ２０への通電をオンとして圧縮機１１を加熱し、ＴＦ−ＴＥ＞０℃のときには、ヒータ２０への通電をオフとする。
【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、内部低圧型のスクロール圧縮機を有する空気調和機で、冷凍機油への冷媒溶込量を制御する技術に関するものである。

空気調和機は、冷凍サイクルの主要素として圧縮機を備えるが、圧縮機には、冷媒吐出の構造により内部高圧（高圧シェル）型と内部低圧（低圧シェル）型とがあり、圧縮形式としてロータリー式とスクロール式とがある。いずれにしても、圧縮機を駆動するうえで、冷凍機油への冷媒溶込量を適正な値に保つ必要がある。

空気調和機の運転中に生ずる問題の一つとして、冷媒が十分に気化されずに液リッチの状態で圧縮機に戻される液バックがある。液バックは、空気調和機の運転中に低負荷となる場合に多く発生する。

液バックの状態になると、液圧縮となり圧縮機の信頼性が損なわれるおそれがあることから、液バックしたと判断したら運転を停止し、液が気化するまで運転を停止するようにしているが、その間、室内の快適性が損なわれる。

ところで、内部低圧型のスクロール圧縮機は、図４に示すように、密閉シェル１内がメインフレーム２により上部空間１ａと下部空間１ｂとに区画され、上部空間１ａ内に、固定スクロール３ａと旋回スクロール３ｂとからなる冷媒圧縮部としてのスクロールセット３が収納され、下部空間１ｂ内に、旋回スクロール３ｂを駆動する電動機４が収納されている。以下、上部空間１ａを冷媒圧縮室、下部空間１ｂを電動機室と言う。

冷媒圧縮室１ａには冷媒吐出管５ａが接続されるが、内部低圧型の場合、冷媒吸入管５ｂは電動機室１ｂに接続され、スクロールセット３にて生成された高圧冷媒は冷媒吐出管５ａを介して図示しない冷媒回路に吐出され、その冷媒回路で仕事を終えた低圧冷媒が冷媒吸入管５ｂより電動機室１ｂに戻され、電動機室１ｂから図示しない冷媒吸入口を介してスクロールセット３に吸入される。

電動機４には、通常、ステータ４ａ内にロータ４ｂが配置されているインナーロータ型電動機が用いられる。電動機室１ｂの底部１ｃが冷凍機油溜まりとなっていて、ロータ４ｂに固定されている回転軸４ｃには、その回転に伴って冷凍機油をメインフレーム２の軸受部やスクロールセット３の駆動軸部分等に供給するポンプ機構が設けられている。

上記のように、内部低圧型のスクロール圧縮機では、冷媒圧縮部としてのスクロールセット３が密閉シェル１の上部に配置されていることから、何らかの原因（例えば、膨張弁の開き過ぎや低圧側の圧力の著しい低下等）により冷媒の液バックが生じたとしても、密閉シェル１の上部にまで液冷媒が溜まらない限り液圧縮は起こらない。

しかしながら、液バックにより冷凍機油の油温は急激に低下する。冷凍機油の油温が低下すると、冷凍機油に溶け込む冷媒量（以下、冷媒溶込量という）が増加して冷凍機油が希釈されるため、潤滑性能が悪化する。

したがって、冷凍機油の油温が低下した状態で圧縮機の運転を継続すると、スクロールセット３等の摺動部が磨耗し圧縮機の寿命が短くなる。また、圧縮部のシール性が悪くなり圧縮効率が低下する、という問題が生ずる。

特許文献１には、圧縮機の底部に電気ヒータを設け、冷凍機油の油温が所定温度以下にまで低下した場合に、電気ヒータに通電して冷凍機油の油温を所定温度以上に保つことが提案されている。

しかしながら、特許文献１に記載された発明で、電気ヒータに通電して圧縮機を加熱するのは、低外気温下で圧縮機の停止中に冷凍機油の油温が所定温度以下にまで低下した場合であって、圧縮機（空気調和機）の運転中に冷媒の液バックにより冷凍機油の油温が急激に低下し、冷媒溶込量が増大した場合の対策については何ら考慮されていない。

特開２００９−８５４６３号公報

そこで、本発明の課題は、圧縮機が内部低圧型のスクロール圧縮機で、圧縮機にヒータを備えている空気調和機において、ヒータを適宜動作させて、空気調和機の運転中における冷凍機油の油温低下による冷媒溶込量の増大を防止することにある。

そこで、上記課題を解決するため、本発明は、圧縮機、四方弁、室外熱交換器および室内熱交換器を含む冷媒回路と、上記圧縮機を外部から加熱するヒータと、上記ヒータを制御する制御手段とを備え、上記圧縮機として、密閉シェルを有し、上記密閉シェルの底部に冷凍機油が貯留される内部低圧型のスクロール圧縮機を用いる空気調和機において、
上記圧縮機の密閉シェル底部の温度を検出するシェル底部温度センサと、上記室外熱交換器における冷媒の温度を検出する室外熱交温度センサおよび上記室内熱交換器における冷媒の温度を検出する室内熱交温度センサとを有し、
上記制御手段は、上記冷媒の蒸発温度と上記密閉シェル底部の温度とをパラメータとして上記冷凍機油に溶け込む冷媒量が許容できるか否かを判断するための希釈度データを記憶し、上記希釈度データと上記室外熱交温度センサまたは上記室内熱交温度センサのいずれか一方にて検出された冷媒の蒸発温度から上記密閉シェル底部の判定基準温度ＴＥを得るとともに、上記シェル底部温度センサで密閉シェル底部のシェル底部温度ＴＦを検出し、上記判定基準温度ＴＥと上記シェル底部温度ＴＦとを比較し、ＴＦ−ＴＥ≦０℃のときには、上記ヒータを動作させて上記スクロール圧縮機を加熱し、ＴＦ−ＴＥ＞０℃のときには、上記ヒータを停止させることを特徴としている。

本発明の好ましい態様によると、上記制御手段は、暖房運転時と冷房運転時とで上記密閉シェル底部の判定基準温度ＴＥを異なる温度とする。

また、上記室外熱交温度センサは、上記室外熱交換器の冷媒入口と冷媒出口の間の冷媒配管で形成される冷媒流路の中央部の温度（中間温度）を検出し、上記室内熱交温度センサは、上記室内熱交換器の冷媒入口の間の冷媒配管で形成される冷媒流路の中央部の温度（中間温度）を検出する。

本発明によれば、室外熱交換器もしくは室内熱交換器における冷媒の蒸発温度と、密閉シェル底部の温度とをパラメータとして作成された冷凍機油に溶け込む冷媒量が許容できるか否かを判断するための希釈度データを有し、この希釈度データと、室外熱交温度センサまたは室内熱交温度センサのいずれか一方にて検出された冷媒の蒸発温度とから、密閉シェル底部の判定基準温度ＴＥを得るとともに、シェル底部温度センサで密閉シェル底部の温度ＴＦを検出し、判定基準温度ＴＥとシェル底部温度ＴＦとを比較し、ＴＦ−ＴＥ≦０℃のときにはヒータを動作させて圧縮機を加熱し、ＴＦ−ＴＥ＞０℃のときにはヒータを停止させることにより、空気調和機の運転中において、圧縮機を冷凍機油の潤滑性能が損なわれない許容希釈度領域（Ｙ）で運転することができる。また、ＴＦ−ＴＥ＞０℃のときにはヒータが停止となるため、ヒータの無駄な使用時間をなくすことができ省エネルギーがはかれるとともに、冷凍機油の過希釈による摺動部の磨耗を防止でき、また、圧縮機の効率（体積効率や機械効率）低下を防止することができる。

本発明による空気調和機の実施形態を示す模式図。 横軸を冷媒の蒸発温度、縦軸を圧縮機の密閉シェル底部の温度とする実測データによる希釈度グラフ。 上記実施形態において、電気ヒータへの通電を制御する際の蒸発温度とシェル底部温度との関係を説明するための模式的な希釈度グラフ。 内部低圧型のスクロール圧縮機の内部構造を示す断面図。

次に、図１ないし図３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。

この実施形態に係る空気調和機は、図１に示す冷媒回路１０を備えている。この冷媒回路１０には、圧縮機１１、四方弁１２、室外熱交換器１３、室外送風機１３ａ、膨張弁１４、室内熱交換器１５、室内送風機１５ａおよびアキュムレータ１６が含まれている。

本発明において、圧縮機１１には、先の図４で説明した内部低圧型のスクロール圧縮機が用いられているが、その密閉シェル１の冷凍機油溜まりとなる底部１ｃ側には、ヒータ２０が設けられている。ヒータ２０は、密閉シェル１を外部から加熱し得る発熱手段であればよいが、この実施形態では、電気ヒータを用いている。

また、密閉シェル１の底部１ｃ側には、密閉シェル底部１ｃの温度（略してコンプ底温度）を検出するシェル底部温度センサ３１が取り付けられている。電気ヒータ２０およびシェル底部温度センサ３１は、いずれも密閉シェル１の外周面に取り付けられている。

室外熱交換器１３と室内熱交換器１５には、それぞれ室外熱交温度センサ３２，室内熱交温度センサ３３が設けられている。室外熱交温度センサ３２，室内熱交温度センサ３３は、好ましくは熱交換器１３、１５の冷媒入口と冷媒出口との間の冷媒配管による冷媒流路の中央部の温度（中間温度）を検出する。シェル底部温度センサ３１、室外熱交温度センサ３２，室内熱交温度センサ３３には、例えばサーミスタが用いられてよい。

この空気調和機は、各温度センサ３１，３２，３３から温度情報を得て電気ヒータ２０への通電を制御する制御手段３０を備えている。制御手段３０には、ＣＰＵ（中央演算処理ユニット）やマイクロコンピュータ等が用いられてよい。

冷房運転時には、四方弁１２が図１の実線の状態に切り替えられ、圧縮機(内部低圧型のスクロール圧縮機)１１にて生成された高温・高圧の冷媒ガスが四方弁１２を経て室外熱交換器１３に流入し、室外送風機１３ａにて送風される外気に放熱することにより凝縮し液化する。

この液冷媒は、膨張弁１４にて断熱膨張して気液２相となって室内熱交換器１５に流入し、室内送風機１５ａにて送風される室内空気を冷却して蒸発し気化したのち、四方弁１２およびアキュムレータ１６を経て圧縮機１１に吸入される。

暖房運転時には、四方弁１２が図１の鎖線の状態に切り替えられ、圧縮機１１にて生成された高温・高圧の冷媒ガスは、冷房運転時とは逆に、室内熱交換器１５→膨張弁１４→室外交換器１３→四方弁１２→アキュムレータ１６→圧縮機１１へと流れる。

このように、冷房運転時には、室外熱交換器１３が凝縮器として作用し、室内熱交換器１５が蒸発器として作用する。これに対して、暖房運転時には、室外熱交換器１３が蒸発器として作用し、室内熱交換器１５が凝縮器として作用する。

制御手段３０は、図２，図３の希釈度グラフに示すような、冷媒の蒸発温度と密閉シェル底部の温度（コンプ底温度）とをパラメータとして、冷凍機油に溶け込む冷媒量である冷媒溶込量が許容範囲にあるか否かを定めた希釈度データ（希釈度テーブルとも言う）を予め記憶しており、これに基づいて、電気ヒータ２０への通電を制御する。

図２の実測データによる希釈度グラフにおいて、Ａは冷房運転時の判定基準値、Ｂは暖房運転時の判定基準値である。判定基準値Ａ，Ｂよりも上側の領域が、それぞれの運転で冷凍機油の潤滑性能が損なわれない許容希釈度領域（Ｙ）であり、判定基準値Ａ，Ｂの下側の領域が、それぞれの運転で冷凍機油の潤滑性能が損なわれてしまう非許容希釈度領域（Ｎ）である。

なお、この実施形態において、２つの判定基準値Ａ，Ｂを有し、冷房運転時には判定基準値Ａを採用し、暖房運転時には判定基準値Ｂを採用しているのは、冷房運転時と暖房運転時とでは、熱交換器の熱交換効率が異なるためである。

図２の希釈度グラフにより、上記冷媒溶込量が許容範囲にあるかどうかを判定するための、室外熱交換器１３もしくは室内熱交換器１５の冷媒蒸発温度時におけるコンプ底温度の判定基準温度が得られる。

その一例として、冷房運転時（判定基準値Ａ）において、室内熱交温度センサ３３にて検出された室内熱交換器１５の蒸発温度ＴＤが−５℃である場合、コンプ底温度の判定基準温度ＴＥは約１１℃となる。

制御手段３０は、空気調和機の運転中、シェル底部温度センサ３１により検出されるコンプ底温度ＴＦ（単位は℃、以下同様）と、熱交換器の蒸発温度ＴＤとから、冷凍機油の希釈度が許容範囲にあるか否かを監視する。熱交換器の蒸発温度ＴＤは、暖房運転時には室外熱交換器１３の室外熱交温度センサ３２により検出し、冷房運転時には室内熱交換器１５の室内熱交温度センサ３３により検出する。

そして、室外熱交温度センサ３２もしくは室内熱交温度センサ３３にて検出された熱交換器の蒸発温度ＴＤ時のコンプ底温度の判定基準温度ＴＥを、希釈度データの基準値Ａ（冷房運転時）もしくは基準値Ｂ（暖房運転時）から得る。

また、シェル底部温度センサ３１により、実際のコンプ底温度ＴＦを検出する。一例としてのコンプ底温度の判定基準温度ＴＥと、実際のコンプ底温度ＴＦを図３に示す。

制御手段３０は、シェル底部温度センサ３１により検出された実際のコンプ底温度ＴＦと、コンプ底温度の判定基準温度ＴＥとを比較し、その差Ｇ（＝ＴＦ−ＴＥ）が０℃以下であるかどうかを判定する。

その判定結果がＧ（＝ＴＦ−ＴＥ）≦０℃であれば、冷凍機油の希釈度が、図３の希釈度グラフにおいて非許容希釈度領域（Ｎ）に存在し、冷凍機油に対する冷媒溶込量が許容範囲を超えて、冷凍機油の潤滑性能が損なわれていることを意味するため、電気ヒータ２０に通電して圧縮機１１を加熱する。

これに対して、Ｇ（＝ＴＦ−ＴＥ）＞０℃であれば、冷凍機油の希釈度が、図２の希釈度グラフにおいて許容希釈度領域（Ｙ）に存在し、冷凍機油に冷媒が溶け込んでいるにしても、冷凍機油の潤滑性能が損なわれない許容範囲であるため、電気ヒータ２０への通電はオフとする。

上記実施形態では、熱交換器の蒸発温度ＴＤに対するコンプ底温度の判定基準温度ＴＥを基準値Ａ（もしくはＢ）により求めているが、別の実施形態として、コンプ底温度ＴＦのときの蒸発温度の判定基準温度を基準値Ａ（もしくはＢ）により得て、これを判定基準の蒸発温度として実際の蒸発温度との差により、電気ヒータ２０への通電を制御するようにしてもよく、このような態様も本発明に含まれる。

１ 密閉シェル
１ａ 上部空間（冷媒圧縮室）
１ｂ 下部空間（電動機室）
２ メインフレーム
３ スクロールセット
３ａ 固定スクロール
３ｂ 旋回スクロール
４ 電動機
４ａ ステータ
４ｂ ロータ
４ｃ 回転軸
５ａ 冷媒吐出管
５ｂ 冷媒吸入管
１１ 圧縮機（内部低圧型スクロール圧縮機）
１２ 四方弁
１３ 室外熱交換器
１４ 膨張弁
１５ 室内熱交換器
２０ ヒータ
３０ 制御手段
３１，３２，３３ 温度センサ

Claims (3)

1. 圧縮機、四方弁、室外熱交換器および室内熱交換器を含む冷媒回路と、上記圧縮機を外部から加熱するヒータと、上記ヒータを制御する制御手段とを備え、上記圧縮機として、密閉シェルを有し、上記密閉シェルの底部に冷凍機油が貯留される内部低圧型のスクロール圧縮機を用いる空気調和機において、
   上記圧縮機の密閉シェル底部の温度を検出するシェル底部温度センサと、上記室外熱交換器における冷媒の温度を検出する室外熱交温度センサおよび上記室内熱交換器における冷媒の温度を検出する室内熱交温度センサとを有し、
   上記制御手段は、上記冷媒の蒸発温度と上記密閉シェル底部の温度とをパラメータとして上記冷凍機油に溶け込む冷媒量が許容できるか否かを判断するための希釈度データを記憶し、上記希釈度データと上記室外熱交温度センサまたは上記室内熱交温度センサのいずれか一方にて検出された冷媒の蒸発温度から上記密閉シェル底部の判定基準温度ＴＥを得るとともに、上記シェル底部温度センサで密閉シェル底部のシェル底部温度ＴＦを検出し、上記判定基準温度ＴＥと上記シェル底部温度ＴＦとを比較し、ＴＦ−ＴＥ≦０℃のときには、上記ヒータを動作させて上記スクロール圧縮機を加熱し、ＴＦ−ＴＥ＞０℃のときには、上記ヒータを停止させることを特徴とする空気調和機。
2. 上記制御手段は、暖房運転時と冷房運転時とで上記密閉シェル底部の判定基準温度ＴＥを異なる温度とすることを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
3. 上記室外熱交温度センサは、上記室外熱交換器の冷媒入口と冷媒出口の間の冷媒配管で形成される冷媒流路の中央部の温度を検出し、上記室内熱交温度センサは、上記室内熱交換器の冷媒入口の間の冷媒配管で形成される冷媒流路の中央部の温度を検出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。

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