JP2016211806A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の圧縮機の相互間で潤滑油を確実かつ効率よく流通させることができる冷凍装置を提供する。【解決手段】複数の圧縮機の運転台数および能力を負荷に応じて制御するとともに、複数の圧縮機のうち運転の優先順位が高い圧縮機の能力を他の圧縮機の能力より所定値だけ高めに設定する。また、制御手段は、複数の圧縮機におけるローラの回転位置を検出し、これら検出した回転位置が互いに点対称となるように複数の圧縮機の駆動を制御する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、１つの冷凍サイクルに複数の圧縮機を搭載した冷凍装置に関する。

冷媒を吸込んで圧縮し吐出する圧縮機は、密閉ケース内に潤滑油を収容している。この潤滑油は冷媒に混じって圧縮機から吐出されるため、圧縮機内の潤滑油が不足することがある。潤滑油が不足すると、圧縮機内の電動機部や圧縮機機構部などの摺動部分が油切れの状態となり、圧縮機の寿命に悪影響を与える。

そこで、１つの冷凍サイクルに複数の圧縮機を搭載した冷凍装置では、複数の圧縮機の相互間を均油管で接続し、油不足が生じた圧縮機に他の圧縮機の潤滑油を均油管を通して補充するようにしている。

特開２００４−６９２１３号公報

このように各圧縮機に均油管を設け、それぞれの均油管同士を接続した場合には、コストアップにつながるという問題がある。また、均油管が長い場合、均油管に高低の落差がある場合、あるいは外気温度の低下により潤滑油の粘度が増した場合など、油不足を生じた圧縮機に他の圧縮機からの潤滑油がうまく流れないことがある。また２台の圧縮機を近接に配置した場合には、それぞれの圧縮機の回転に起因する振動が発生する。この振動は、状態によって個々の圧縮機から発生する振動が強め合って増幅され、より大きな振動が生じるという問題がある。

本発明の実施形態の目的は、複数の圧縮機の相互間で潤滑油を確実かつ効率よく流通させることができる冷凍装置を提供することである。また、複数の圧縮機の運転に伴って発生する振動を低減することができる冷凍装置を提供することである。

請求項１の冷凍装置は、複数の圧縮機および制御手段を備える。制御手段は、複数の圧縮機の運転台数および能力を負荷に応じて制御するとともに、複数の圧縮機のうち運転の優先順位が高い圧縮機の能力を他の圧縮機の能力より所定値だけ高めに設定する。

請求項５の冷凍装置は、複数の圧縮機および制御手段を備える。制御手段は、 複数の圧縮機におけるローラの回転位置を検出し、これら検出した回転位置が互いに点対称となるように複数の圧縮機の駆動を制御する。

第１，第２実施形態の冷凍サイクルおよび制御回路の構成を示す図。 第１実施形態における各圧縮機の配置状態および固定状態を示す図。 第１，第２実施形態の制御を示すフローチャート。 第１，第２実施形態における各圧縮機の回転数変化の例を示す図。 第１，第２実施形態における圧縮機能力と圧縮機効率との関係を各圧縮機の１台運転と２台運転をパラメータとして示す図。 第１，第２実施形態における各圧縮機の回転数と空調負荷との関係を示す図。 第１実施形態における各圧縮機の配置状態の変形例を示す図。 第１実施形態における各圧縮機の配置状態の別の変形例を示す図。 第２実施形態における各圧縮機のロータ位置を示す図。

［１］第１実施形態
以下、第１実施形態として、家庭用の空気調和機に搭載される比較的小型の冷凍装置を例に説明する。
図１に示すように、２台の圧縮機１，２の吐出口に吐出管３ａ，３ｂを介して高圧側配管４が接続され、その高圧側配管４に四方弁５および配管６を介して室外熱交換器７の一端が接続される。室外熱交換器７の他端は、配管８、電動膨張弁９、配管１０を介して室内熱交換器１１の一端に接続される。室内熱交換器１１の他端は、配管１２、上記四方弁５、低圧側配管１３、吸込管１４ａ，１４ｂ、およびアキュームレータ１５，１６を介して圧縮機１，２の吸込口に接続される。このように、２台の圧縮機１，２は、冷凍サイクル中に並列に接続される。そして、室外熱交換器７の近傍に室外ファン１７が配置され、室内熱交換器１１の近傍に室内ファン１８が配置される。室内ファン１８により吸込まれる室内空気の流路に、室内空気の温度Ｔａを検知する室内温度センサ１９が配置される。

冷房運転時は、圧縮機１，２から吐出される冷媒が四方弁５を介して室外熱交換器７に流れ、その室外熱交換器７から流出する冷媒が電動膨張弁９を介して室内熱交換器１１に流れる。室内熱交換器１１から流出する冷媒は、四方弁５およびアキュームレータ１５，１６を通って圧縮機１，２に吸い込まれる。室外熱交換器７が凝縮器、室内熱交換器１１が蒸発器として機能する。暖房運転時は、圧縮機１，２から吐出される冷媒が四方弁５を介して室内熱交換器１１に流れ、その室内熱交換器１１から流出する冷媒が電動膨張弁９を介して室外熱交換器７に流れる。室外熱交換器７から流出する冷媒は、四方弁５およびアキュームレータ１５，１６を通って圧縮機１，２に吸い込まれる。室内熱交換器１１が凝縮器、室外熱交換器７が蒸発器として機能する。

圧縮機１，２は、電動機部（ブラシレスＤＣモータ）１ａおよび圧縮機構部１ｂを潤滑油OILと共に密閉ケースに収容してなる密閉型圧縮機であり、排除容積が互いに同じである。

また、圧縮機１，２は、上方から視た状態を示す図２のように、各圧縮機１，２の吸込み側に設けられたアキュームレータ１５，１６を近傍に付属して備えながら、互いに離間して配置される。そして、圧縮機１，２の密閉ケースの相互間に、剛性のある金属や樹脂で円柱状または角柱状に形成された固定用部材４０が配置され、その固定用部材４０の両側部が圧縮機１，２のそれぞれ密閉ケースに結合される。そして、圧縮機１，２の密閉ケースを被う状態に、柔軟性のある金属や樹脂で帯状に形成された固定用部材４１が巻き付けられかつ締め込まれる。これら固定用部材４０，４１の装着により、圧縮機１，２が互いに離間状態で強固に固定される。この固定により、圧縮機１，２に生じる振動を抑えるようにしている。

しかも、圧縮機１，２の配置に当たっては、アキュームレータ１５を含む圧縮機１の配置と、アキュームレータ１６を含む圧縮機２の配置とが、点対称または線対象の状態に設定される。このように、アキュームレータ１５，１６を含む圧縮機１，２の配置状態が互いに点対称または線対象であることにより、圧縮機１の密閉ケースの径方向に生じる振動と圧縮機２の密閉ケースの径方向に生じる振動とを、互いに打ち消すことができる。この打ち消し作用と、固定用部材４０，４１の装着による強固な固定作用との併用により、圧縮機１，２の振動に伴う騒音を大幅に低減できる。

一方、単相交流電源２０にインバータ２１，２２が接続される。インバータ２１，２２は、電源電圧を整流して直流電圧に変換し、その直流電圧を制御部３０からの指令に応じた周波数Ｆ１，Ｆ２およびその周波数Ｆ１，Ｆ２に対応するレベルの三相交流電圧に変換し出力する。この出力電圧が圧縮機１，２の駆動電力として圧縮機１，２の電動機部１ａ，２ａに供給される。

そして、制御部３０に、四方弁５、電動膨張弁９、室外ファン１７、室内ファン１８、室内温度センサ１９、インバータ２１，２２、および操作部３１が接続される。

制御部３０は、主要な機能として、次の（１）〜（４）の手段を有する。
（１）運転オン（運転開始）に際し、圧縮機１，２を略同時に起動し、その起動から一定時間（例えば１分間）ｔｓの間、圧縮機１，２の能力Ｐ（回転数Ｎ１，Ｎ２）を予め定めた起動用の目標能力Ｐｔ（起動用の目標回転数Ｎｔ）に維持する第１制御手段。

（２）室内温度センサ１９の検知温度と操作部３１の設定温度Ｔｓとの差及び／又はこの差の変化を空調負荷として検出する検出手段。

(３)上記一定時間ｔｓの経過後、圧縮機１，２の運転台数および能力Ｐ（回転数Ｎ１，Ｎ２）を上記検出手段で検出した空調負荷に応じて制御する第２制御手段。圧縮機１，２の運転台数および能力Ｐ（回転数Ｎ１，Ｎ２）については、インバータ２１，２２の動作およびその出力周波数Ｆ１，Ｆ２により制御する。
(４)上記第２制御手段による圧縮機１，２の２台運転時、圧縮機１，２のうち運転の優先順位が高い圧縮機の能力を他の圧縮機の能力Ｐ（回転数Ｎ１，Ｎ２）より所定値（回転数ΔＮ）だけ高めに設定する第３制御手段。運転の優先順位が高い圧縮機とは、運転台数が１台運転（単独運転ともいう）の場合も２台運転（並列運転ともいう）の場合も共に優先的に運転される圧縮機１である。圧縮機２は、運転台数が２台運転の場合のみ運転される。いずれの圧縮機を優先側に設定するかは予め制御部３０において設定される。

つぎに、制御部３０が実行する制御を図３のフローチャートおよび図４のタイムチャートを参照しながら説明する。
操作部３１で運転オン操作があった場合（ステップＳ１のＹＥＳ）、制御部３０は、インバータ２１，２２を駆動して圧縮機１，２を略同時に起動し、圧縮機１，２の回転数Ｎ１，Ｎ２をそれぞれ起動用の目標回転数Ｎｔへと上昇させる。

圧縮機１，２の回転数Ｎ１，Ｎ２が目標回転数Ｎｔに達すると、制御部３０は、タイムカウントｔを開始し（ステップＳ３）、そのタイムカウントｔと一定時間（例えば１分間）ｔｓとを比較する（ステップＳ４）。タイムカウントｔが一定時間ｔｓ未満の場合（ステップＳ４のＮＯ）、制御部３０は、圧縮機１，２の回転数Ｎ１，Ｎ２をそれぞれ起動用の目標回転数Ｎｔに維持する（ステップＳ５）。

この場合、圧縮機１，２の排除容積の比が“1:1”なので、圧縮機１用の目標回転数Ｎｔと圧縮機２用の目標回転数Ｎｔとを同じ値に設定する。

このように、圧縮機１，２を略同時に起動し、その起動から一定時間ｔｓにおいて圧縮機１，２の回転数Ｎ１，Ｎ２をそれぞれ起動用の目標回転数Ｎｔに設定することにより、圧縮機１，２から吐出される冷媒の量が互いに略同じとなり、圧縮機１，２に吸い込まれる冷媒の量も互いに略同じとなる。結果として、圧縮機１，２から冷媒と共に流出する潤滑油OILを圧縮機１，２の両方に略均等に戻すことができる。

タイムカウントｔが一定時間ｔｓに達した場合（ステップＳ４のＹＥＳ）、制御部３０は、室内温度センサ１９の検知温度と操作部３１の設定温度Ｔｓとの差及び／又はこの差の変化を空調負荷Ｌとして検出する（ステップＳ６）。そして、制御部３０は、圧縮機１，２の運転台数および回転数Ｎ１，Ｎ２を上記検出した空調負荷Ｌに応じて制御する（ステップＳ７）。

圧縮機１，２の運転台数の制御に際し、制御部３０は、図５に示す圧縮機能力Ｐと圧縮機効率との関係に基づき、圧縮機１の１台運転時の圧縮機効率と圧縮機１，２の２台運転時の圧縮機効率との交点に対応する圧縮機能力Ｐａを１台運転と２台運転の切換点とする。

具体的には、制御部３０は、図６に示すように、圧縮機能力Ｐａに対応する空調負荷Ｌａを切換点とし、空調負荷Ｌが切換点Ｌａ以上の場合に圧縮機１，２の２台運転を実行し、空調負荷Ｌが切換点Ｌａ未満の場合に圧縮機１の１台運転を実行する。そして、制御部３０は、圧縮機１の１台運転時、空調負荷Ｌに見合う合計回転数Ｎｓが得られるように圧縮機１の回転数Ｎ１を制御する（Ｎｓ＝Ｎ１）。また、圧縮機１，２の２台運転時、制御部３０は、空調負荷Ｌに見合う合計回転数Ｎｓが得られるように圧縮機１，２の回転数Ｎ１，Ｎ２を制御する（Ｎｓ＝Ｎ１＋Ｎ２）。

なお、制御部３０は、１台運転から２台運転への移行に際し、起動時と同じく圧縮機１，２の回転数Ｎ１，Ｎ２を起動用の目標回転数Ｎｔへと上昇させ、その回転数Ｎ２が目標回転数Ｎｔに達してから一定時間ｔｓが経過するまで圧縮機１，２の回転数Ｎ１，Ｎ２を目標回転数Ｎｔに維持する。

とくに、起動時を除く圧縮機１，２の２台運転時、制御部３０は、圧縮機回転数Ｎｓを圧縮機１，２の排除容積の比“1:1”に基づいて圧縮機１の回転数Ｎ１と圧縮機２の回転数Ｎ２に“Ｎａ（＝Ｎｓ／２）”ずつ割り振ることを基本とし、その上で、優先側の圧縮機１の回転数Ｎ１を圧縮機２の回転数Ｎ２より所定値ΔＮ（例えば3rpm）だけ高めに設定する。

圧縮機１の回転数Ｎ１を圧縮機２の回転数Ｎ２より所定値ΔＮ（例えば3rpm）だけ高めに設定することにより、冷凍サイクル中に流出している潤滑油OILは圧縮機２側よりも圧縮機１側に流れ易い状態となる。この流れ易さは圧縮機１，２の２台運転から圧縮機１の１台運転に切換わってもそのまま継続するので、冷凍サイクル中に流出した潤滑油OILを圧縮機１により効率よく回収することができる。結果として、圧縮機１，２の相互間で潤滑油OILを確実かつ効率よく流通させることができる。このような回転数制御によって圧縮機１，２の潤滑油OILを均一化するので、均油管が不要であり、均油管の採用に伴う構成の複雑化やコストの上昇も回避できる。

なお、圧縮機１の１台運転時は、空調負荷Ｌが小さい場合はインバータ２１の出力周波数Ｆ１を20Hz以下に設定して圧縮機１の回転数Ｎ１を低減し、これにより圧縮機１の吸込管１４ａにおける冷媒の流速をあまり上げないようにするのが、圧縮機１，２における潤滑油OILのバランスを確保する上で好ましい。

また、圧縮機１の回転数Ｎ１と圧縮機２の回転数Ｎ２とに間に所定値ΔＮの差が存在するので、圧縮機１に生じる振動と圧縮機２に生じる振動とが共振しなくなる。圧縮機１，２が共振しないことにより、圧縮機１，２の騒音を低減できる。しかも、振動に関しては、前記した固定用部材４０，４１の装着による強固な固定作用がある点、アキュームレータ１５，１６を含む圧縮機１，２の配置状態が互いに点対称または線対象である点を併せて、圧縮機１，２の振動に伴う騒音を大幅に低減できる。

上記ステップＳ７の運転台数制御および回転数制御に伴い、制御部３０は、操作部３１の運転オフ（運転停止）操作を監視する（ステップＳ８）。運転オフ操作がない場合（ステップＳ８のＮＯ）、制御部３０は、ステップＳ６の負荷検出処理に戻る。運転オフ操作があった場合（ステップＳ８のＹＥＳ）、制御部３０は、インバータ２１，２２を停止して圧縮機１，２の運転を停止する。

なお、アキュームレータ１５，１６を含む圧縮機１，２の配置に関しては、圧縮機１の中心部と圧縮機２の中心部と結ぶ直線上にアキュームレータ１５，１６が存する図２の構成に限らず、図７あるいは図８に示すように、圧縮機１の中心部と圧縮機２の中心部と結ぶ直線上から外れたところにアキュームレータ１５，１６が点対称の状態で存する構成を採用してもよい。いずれの構成も、圧縮機１の密閉ケースの径方向に生じる振動と圧縮機２の密閉ケースの径方向に生じる振動とを互いに打ち消すことができる。

［２］第２実施形態
圧縮機１，２は、図９に示すように、圧縮機構部１ｂ，２ｂ内に圧縮室１ｓ，２ｓを有し、かつその圧縮室１ｓ，２ｓ内でそれぞれ偏心回転するローラ１ｒ，２ｒを有し、そのローラ１ｒ，２ｒの偏心回転に伴う圧縮室１ｓ，２ｓの容積変化により冷媒を吸込んで圧縮し吐出する。

制御部３０は、圧縮機１，２の電動機部（ブラシレスＤＣモータ）１ａ，１ｂをセンサレス・ベクトル制御によりインバータ２１，２２を介してＰＷＭ変調駆動する。このセンサレス・ベクトル制御は、圧縮機１，２の電動機部１ａ，１ｂに流れる相巻線電流からローラ１ｒ，２ｒの回転位置を検出（推定）する処理を含む。

このセンサレス・ベクトル制御による回転位置検出に基づき、制御部３０は、圧縮機１，２におけるローラ１ｒ，２ｒの回転位置が互いに点対称となるように圧縮機１，２の駆動を制御する。すなわち、この第２実施形態においては、第１の実施形態と異なり、圧縮機１，２の両方が運転を行う状態では、全く同じ回転数Ｎ１＝Ｎ２となるようにインバータが動作する。 そして、少なくとも一方のインバータは、自らのローラの回転位置に関する情報を制御部３０に送信し、その結果に基づき、制御部３０は他方のインバータの出力周波数や電圧を制御して圧縮機１，２におけるローラ１ｒ，２ｒの回転位置が互いに点対称の位置になる状態を維持しながら回転するように制御する。

このように、ローラ１ｒ，２ｒの回転位置を点対称に制御することで、アキュームレータ１５，１６を含む圧縮機１，２の配置状態が例えば図９のように点対称または線対象でない場合でも、ローラ１ｒ，２ｒの回転に伴って圧縮機１，２の密閉ケースの径方向に生じる振動を互いに打ち消すことができる。なお、ここで言う点対象の位置とは、全く完全に点対象とする必要はなく、点対象の位置を中心に概ね±２０°程度の範囲内に収まっていれば、ある程度、振動を低減することができる。

他の構成および効果は第１実施形態と同じである。よって、その説明は省略する。

なお、上記実施形態および変形例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態および変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、書き換え、変更を行うことができる。これら実施形態や変形は、発明の範囲は要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１，２…圧縮機、１ａ，２ｂ…電動機部、１ｂ，１ｂ…圧縮機構部、OIL…潤滑油、１ｓ,２ｓ…圧縮室、１ｒ,２ｒ…ローラ、５…四方弁、７…室外熱交換器、９…電動膨張弁、１１…室内熱交換器、１５，１６…アキュームレータ、２１，２２…インバータ、３０…制御部、４０…固定用部材、４１…固定用部材、

Claims (5)

1. 複数の圧縮機と、
   前記複数の圧縮機の運転台数および能力（回転数）を負荷に応じて制御するとともに、前記複数の圧縮機のうち運転の優先順位が高い圧縮機の能力を他の圧縮機の能力より所定値だけ高めに設定する制御手段と、
   を備えることを特徴とする冷凍装置。
2. 前記制御手段は、運転開始に際し、前記複数の圧縮機を略同時に起動しその起動から一定時間は前記複数の圧縮機の能力を予め定めた目標能力（目標回転数）に維持する
   ことを特徴とする請求項１記載の冷凍装置。
3. 前記複数の圧縮機を互いに固定する固定部材、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１または請求項２記載の冷凍装置。
4. 前記複数の圧縮機は、アキュームレータを付属して備え、これらアキュームレータを含む配置状態が互いに点対称または線対象である
   ことを特徴とする請求項３記載の冷凍装置。
5. 各々が圧縮室およびその圧縮室内で偏心回転するローラを含み、そのローラの偏心回転に伴う前記圧縮室の容積変化により冷媒を吸込んで圧縮し吐出する複数の圧縮機と、
   前記複数の圧縮機における前記ローラの回転位置を検出し、これら検出した回転位置が互いに点対称となるように前記複数の圧縮機の駆動を制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とする冷凍装置。

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