JP4430406B2

JP4430406B2 - 冷凍サイクル装置

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Publication number: JP4430406B2
Application number: JP2004000588A
Authority: JP
Inventors: 章藤高; 伸起嶋; 博荒島
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-01-05
Filing date: 2004-01-05
Publication date: 2010-03-10
Anticipated expiration: 2024-01-05
Also published as: JP2005195212A

Description

本発明は、高圧または中間圧に圧縮された冷媒によって旋廻スクロールを固定スクロールに密着させる構造とするスクロール圧縮機を用いた冷凍サイクル装置に関するものである。

冷凍サイクル装置において、圧縮機としてラップ巻角の大きい固定スクロールとラップ巻角の小さい旋廻スクロールにより密閉容積の大きい圧縮室と密閉容積の小さい圧縮室を形成する非対称スクロール圧縮機を用い、高効率、低騒音、低振動を実現しているものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−１２０５５５号公報（請求項１、図３など）

ところが、上記のような非対称スクロール圧縮機を用いた冷凍サイクル装置においては、高圧冷媒圧力が低く、低圧冷媒圧力が高いため、圧縮比が低い運転状態の場合、高圧または中間圧の冷媒圧力を旋廻スクロール背面にかけ、旋廻スクロールを固定スクロールに密着させる構造とするスクロール圧縮機では、旋廻スクロールを固定スクロースに押し付ける力より圧縮室で圧縮された高圧冷媒圧力の力が大きくなると、旋廻スクロールが固定スクロールから離れてしまい、高圧の圧縮室内の冷媒が低圧の圧縮室へ漏洩してしまう、いわゆる転覆が起こり、十分な圧縮ができず、冷凍サイクルに流れる冷媒循環量が低下し、その結果、冷凍能力も低下する。低圧縮比での転覆を抑えるために、旋廻スクロールの背面に働く押し付け力を大きくすると、高圧縮比の運転条件において旋廻スクロールに過大な押し付け力が発生し、異常磨耗を引き起こすことがあるため、旋廻スクロールの背面に働く押し付け力をあまり大きくできないという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、スクロール圧縮機を用いた冷凍サイクル装置において、スクロール圧縮機の転覆を防止し、転覆が起こった場合でも転覆を検出して速やかに転覆を回復させ、冷凍能力の低下を防ぎ、冷凍サイクルの変動を防止することを目的とするものである。

請求項１記載の本発明の冷凍サイクル装置は、スクロール圧縮機、放熱器、減圧器、蒸発器を備えた冷凍サイクル装置であって、前記スクロール圧縮機は、高圧または中間圧に圧縮された冷媒によって旋廻スクロールを固定スクロールに密着させる構造であり、前記スクロール圧縮機の高圧冷媒圧力を検出する高圧冷媒圧力検出手段と、低圧冷媒圧力を検出する低圧冷媒圧力検出手段と、前記高圧冷媒圧力検出手段と前記低圧冷媒圧力検出手段からの出力信号により冷媒の圧縮比を演算し、前記圧縮比を所定の設定値と比較して制御信号を出力する圧縮比演算比較手段と、前記圧縮演算比較手段の信号により前記減圧器の開度を調節する手段を備え、前記圧縮比演算比較手段の出力値が前記設定値より低い場合に前記スクロール圧縮機が転覆したと判断し、前記減圧器の開度を閉方向に所定の値△Ｐｌｓ１だけ制御し、圧縮比が設定値以上になった後、または所定時間経過した後に、前記減圧器の開度を開方向に所定の値△Ｐｌｓ２（ただし△Ｐｌｓ１＞△Ｐｌｓ２）制御する転覆回復制御を行うことを特徴とする。
請求項２記載の本発明の冷凍サイクル装置は、スクロール圧縮機、放熱器、減圧器、蒸発器を備えた冷凍サイクル装置であって、前記スクロール圧縮機は、高圧または中間圧に圧縮された冷媒によって旋廻スクロールを固定スクロールに密着させる構造であり、前記スクロール圧縮機の高圧冷媒圧力を検出する高圧冷媒圧力検出手段と、低圧冷媒圧力を検出する低圧冷媒圧力検出手段と、前記冷凍サイクル装置の通電電流を検出する電流検出手段と、前記高圧冷媒圧力検出手段の出力値の時間微分値を演算し、設定値を比較する高圧冷媒圧力微分値演算比較手段と、前記低圧冷媒圧力検出手段の出力値の時間微分値を演算し、設定値を比較する低圧冷媒圧力微分値演算比較手段と、前記電流検出手段の出力値の時間微分値を演算し、設定値を比較する電流微分値演算比較手段と、前記高圧冷媒圧力微分値演算比較手段の信号と前記低圧冷媒圧力微分値演算比較手段の信号と前記電流微分値演算比較手段の信号により前記減圧器の開度を調節する手段を備え、前記減圧器の開度を制御し、前記スクロール圧縮機の圧縮比を設定値以上に制御することを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項２に記載の冷凍サイクル装置において、前記高圧冷媒圧力微分値演算比較手段で前記時間微分値が前記設定値未満で、前記低圧冷媒圧力微分値演算比較手段で前記時間微分値が前記設定値以上で、前記電流微分値演算比較手段で前記時間微分値が前記設定値未満である場合に前記スクロール圧縮機が転覆したと判断し、前記減圧器の開度を閉方向に所定の値△Ｐｌｓ１だけ制御し、圧縮比が設定値以上になった後、または所定時間経過した後に、前記減圧器の開度を開方向に所定の値△Ｐｌｓ２（ただし△Ｐｌｓ１＞△Ｐｌｓ２）制御する転覆回復制御を行うことを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項３に記載の冷凍サイクル装置において、冷凍サイクルの制御として前記スクロール圧縮機の吐出温度を所定の目標吐出温度に制御する場合、前記転覆回復制御の後、冷凍サイクルの目標吐出温度を、転覆が発生した時より所定の値△Ｔｄだけ高くすることを特徴とする。
請求項５記載の本発明は、請求項３に記載の冷凍サイクル装置において、冷凍サイクルの制御として前記スクロール圧縮機の吸入冷媒スーパーヒートを所定の目標値に制御する場合、前記転覆回復制御の後、前記スクロール圧縮機の吸入冷媒スーパーヒートの目標値を、転覆が発生した時より所定の値△ＳＨ高くすることを特徴とする。
請求項６記載の本発明は、請求項１から請求項５のいずれかに記載の冷凍サイクル装置において、前記高圧冷媒圧力検出手段および前記低圧冷媒圧力検出手段が、冷媒の高圧飽和温度および低圧飽和温度を検出する温度センサであることを特徴とする。
請求項７記載の本発明は、請求項１から請求項５のいずれかに記載の冷凍サイクル装置において、前記高圧冷媒圧力検出手段が、前記放熱器の被加熱媒体の温度を検出する温度センサで、前記低圧冷媒圧力検出手段が、前記蒸発器の被冷却媒体の温度を検出する温度センサであることを特徴とする。
請求項８記載の本発明は、請求項１から請求項５のいずれかに記載の冷凍サイクル装置において、前記高圧冷媒圧力検出手段および前記低圧冷媒圧力検出手段が、冷媒の高圧冷媒圧力および低圧冷媒圧力を検出する圧力センサであることを特徴とする。
請求項９記載の本発明は、請求項１から請求項８のいずれかに記載の冷凍サイクル装置において、運転中の高圧冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となる冷媒を用いることを特徴とする。

本発明の冷凍サイクル装置および制御方法によれは、転覆を防止し、もし転覆が起こった場合でも、速やかに転覆を回復させ、冷凍能力の低下を防ぎ、冷凍サイクルの変動を防止することができる。

本発明の第１の実施の形態によるヒートポンプ給湯機は、高圧または中間圧に圧縮された冷媒によって旋廻スクロールを固定スクロールに密着させる構造のスクロール圧縮機を用いた冷凍サイクル装置において、スクロール圧縮機の高圧冷媒圧力をと低圧冷媒圧力を検出して冷媒の圧縮比を演算し、この圧縮比を所定の設定値と比較して減圧器の開度を調節する制御信号を出力し、この出力値が前記設定値より低い場合にスクロール圧縮機が転覆したと判断し、減圧器の開度を閉方向に所定の値△Ｐｌｓ１だけ制御し、圧縮比が設定値以上になった後、または所定時間経過した後に、減圧器の開度を開方向に所定の値△Ｐｌｓ２（ただし△Ｐｌｓ１＞△Ｐｌｓ２）制御する転覆回復制御を行うものである。本実施の形態により、圧縮比演算比較手段の出力値が設定値より低い場合に減圧器の開度を制御し、スクロール圧縮機の圧縮比を設定値以上に制御することにより、スクロール圧縮機の転覆を防止するとともに、転覆した場合、転覆を検出し、速やかに転覆を回復することができる。
本発明の第２の実施の形態によるヒートポンプ給湯機は、高圧または中間圧に圧縮された冷媒によって旋廻スクロールを固定スクロールに密着させる構造のスクロール圧縮機を用いた冷凍サイクル装置において、スクロール圧縮機の高圧冷媒圧力、低圧冷媒圧力および冷凍サイクル装置の通電電流の各々の時間微分値を演算して所定の設定値と比較し、各々の比較結果により減圧器の開度を調節してスクロール圧縮機の圧縮比を設定値以上に制御するものである。本実施の形態により、スクロール圧縮機の転覆を確実に検出し、速やかに転覆を回復することができる。
本発明の第３の実施の形態は、第２の実施の形態による冷凍サイクル装置において、高圧冷媒圧力微分値演算比較手段で時間微分値が前記設定値未満で、低圧冷媒圧力微分値演算比較手段で時間微分値が前記設定値以上で、電流微分値演算比較手段で時間微分値が前記設定値未満である場合にスクロール圧縮機が転覆したと判断し、減圧器の開度を閉方向に所定の値△Ｐｌｓ１制御し、圧縮比が設定値以上になった後、または所定時間経過した後に、減圧器の開度を開方向に所定の値△Ｐｌｓ２（ただし△Ｐｌｓ１＞△Ｐｌｓ２）に制御する転覆回復制御を行うものである。本実施の形態により、確実に転覆を回復することができる。
本発明の第４の実施の形態は、第３の実施の形態による冷凍サイクル装置において、冷凍サイクルの制御としてスクロール圧縮機の吐出温度を所定の目標吐出温度に制御する場合、転覆回復制御の後、冷凍サイクルの目標吐出温度を、転覆が発生した時より所定の値△Ｔｄ高くするものである。本実施の形態により、再度転覆することを防止することができる。
本発明の第５の実施の形態は、第３の実施の形態による冷凍サイクル装置において、冷凍サイクルの制御としてスクロール圧縮機の吸入冷媒スーパーヒートを所定の目標値に制御する場合、転覆回復制御の後、スクロール圧縮機の吸入冷媒スーパーヒートの目標値を、転覆が発生した時より所定の値△ＳＨ高くするものである。本実施の形態により、再度転覆することを防止することができる。
本発明の第６の実施の形態は、第１から第５のいずれかの実施の形態による冷凍サイクル装置において、高圧冷媒圧力検出手段および低圧冷媒圧力検出手段が、冷媒の高圧飽和温度および低圧飽和温度を検出する温度センサであるものである。本実施の形態により、安価な回路で圧力を検出することができる。
本発明の第７の実施の形態は、第１から第５のいずれかの実施の形態による冷凍サイクル装置において、高圧冷媒圧力検出手段が、放熱器の被加熱媒体の温度を検出する温度センサで、低圧冷媒圧力検出手段が、蒸発器の被冷却媒体の温度を検出する温度センサであるものである。本実施の形態により、安価な回路で圧力を検出することができる。
本発明の第８の実施の形態は、第１から第５のいずれかの実施の形態による冷凍サイクル装置において、高圧冷媒圧力検出手段および前記低圧冷媒圧力検出手段が、冷媒の高圧圧力および低圧圧力を検出する圧力センサであるものである。本実施の形態により、さらに確実に圧力を検出することができる。
本発明の第９の実施の形態は、第１から第８のいずれかの実施の形態による冷凍サイクル装置において、運転中の高圧冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となる冷媒を用いるあるものである。本実施の形態により、効率の良い冷凍サイクルを実現できる。

以下本発明の実施例における冷凍サイクル装置について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１の実施例における冷凍サイクル装置を利用した給湯装置を示す概略構成図である。
冷凍サイクル装置は、圧縮機駆動手段３１で駆動されるスクロール圧縮機１１、給湯用熱交換器としての放熱器１２の冷媒流路１２ａ、減圧器（膨張弁）１３および蒸発器１４などからなる冷媒回路Ａと、循環量が可変である給水ポンプ１５、放熱器１２の流体流路１２ｂおよび給湯タンク１６などからなる流体回路Ｂとから構成されている。スクロール圧縮機１１は、高圧または中間圧に圧縮された冷媒によって旋廻スクロールを固定スクロールに密着させる構造である。
冷媒回路Ａには、さらに、蒸発器１４に外気を送風する送風ファン１７、高圧冷媒圧力検出手段２４、低圧冷媒圧力検出手段２５、圧縮比演算比較手段２６、減圧器目標開度演算手段４２および減圧器開度演算操作手段４３が設けられる。
高圧冷媒圧力検出手段２４は、放熱器１２を流れる冷媒の凝縮温度（高圧飽和温度）を検出し、高圧冷媒圧力を演算する。低圧冷媒圧力検出手段２５は蒸発器１４を流れる冷媒の蒸発温度（低圧飽和温度）を検出し、低圧冷媒圧力を演算する。圧縮比演算比較手段２６は高圧冷媒圧力検出手段２４および低圧冷媒圧力検出手段２５で検出された圧力から圧縮比を演算し、設定値と比較する。吐出温度検出手段４１はスクロール圧縮機１１の吐出温度を検出する。減圧器目標開度演算手段４２は、外気温度や、放熱器１２の入水温度などから、減圧器１３の開度（以下、目標減圧器開度１と呼ぶ）を演算する。減圧器開度演算操作手段４３は吐出温度検出手段４１の検出値に応じて、減圧器１３の開度（以下、目標減圧器開度２と呼ぶ）を演算し、さらに、減圧器目標開度演算手段４２の演算した目標減圧器開度、あるいは、自らが演算した目標減圧器開度のいずれかの開度を選択して、減圧器１３の開度を操作する。
一方、流体回路Ｂには、さらに、放熱器出口流体温度検出手段２１、放熱器出口流体目標温度演算手段２２および循環量演算操作手段２３が設けられる。
放熱器出口流体温度検出手段２１は、放熱器１２の流体流路１２ｂの出口の流体（例えば、湯）の温度（以下、出湯温度と呼ぶ）を検知する。放熱器出口流体目標温度演算手段２２は外気温度や、流体流路１２ｂの入口の流体（例えば、水）の温度（以下、入水温度と呼ぶ）や、利用者によるリモコン設定などから、出湯温度の目標値を演算する。循環量演算操作手段２３は放熱器出口流体温度検出手段２１の検出値と放熱器出口流体目標温度演算手段２２が演算した目標値（以下、出湯温度目標値と呼ぶ）に応じて、給水ポンプ１５の回転数を演算・操作する。

次に、上述のように構成された冷凍サイクル装置の通常運転時の動作について説明する。
冷媒回路Ａでは、スクロール圧縮機１１で圧縮された冷媒は、高温高圧状態となり、放熱器１２の冷媒流路１２ａを流れる際に、流体流路１２ｂを流れる水に放熱して冷却される。その後、冷媒は減圧器１３で減圧され、低温低圧の気液二相状態となり、蒸発器１４に供給される。蒸発器１４では、冷媒は送風ファン１７によって送り込まれた外気によって加熱され、気液二相またはガス状態となり、再びスクロール圧縮機１１に吸入される。
一方、流体回路Ｂでは、給湯タンク１６の底部から給水ポンプ１５により放熱器１２の流体流路１２ｂへ送り込まれた水は、冷媒流路１２ａを流れる冷媒により加熱され、高温の湯となり、その湯を給湯タンク１６の頂部から貯める。このような動作を繰り返すことにより、本実施例の冷凍サイクル装置は給湯装置として利用できる。
ここで、起動時などの冷凍サイクルが安定していないときには、減圧器開度演算操作手段４３により、減圧器目標開度演算手段４２が外気温度、入水温度などから演算した目標減圧器開度１となるように、減圧器１３の開度を調整（フィードフォワード制御）している。冷凍サイクルが安定しているときには、減圧器開度演算操作手段４３は、吐出温度検出手段４１が検出したスクロール圧縮機１１の吐出温度が、放熱器出口流体目標温度演算手段２２が演算した目標値（出湯温度目標値）および外気温度から演算した目標吐出温度Ｔｄとなるように、自ら演算した目標減圧器開度２に減圧器１３の開度を調整（フィードバック制御）している。
また、循環量演算操作手段２３は、放熱器出口流体温度検出手段２１が検出した出湯温度（出湯温度検出値）が、放熱器出口流体目標温度演算手段２２が演算した出湯温度目標値となるように、フィードバック制御により、給水ポンプ１５の回転数を調整し、放熱器１２の流体流路１２ｂを流れる水の循環量を調節することで、一定の温度の湯が給湯タンク１６に貯められるように制御している。

次に、スクロール圧縮機１１の転覆について説明する。夏期は給湯使用量が少ないため、出湯温度目標値を比較的低く設定される場合が多い。また、外気温および入水温度も高くなり、スクロール圧縮機１１の運転周波数が低くても、十分な加熱能力を得ることができる。その結果、冷凍サイクルの蒸発温度は高く、凝縮温度は低くなり、圧縮比は低くなる。この様なスクロール圧縮機１１の運転周波数および圧縮比が低くなるとき、スクロール圧縮機１１の転覆が起こり易くなる。そこで以下のように転覆を防止する制御を行う。

以下、図２のフローチャートを用いて制御方法を説明する。
まず、経過時間計測値ｔをリセットした後、経過時間の計測を開始する（ステップ１０１）。次に、経過時間計測値ｔが予め定められた時間ｔ０以上であるか否かの比較を行い（ステップ１０２）、経過時間ｔが一定時間ｔ０以上経過した場合には次のステップに進み、経過していない場合にはステップ１０１に戻る。次に、吐出温度検出手段４１がスクロール圧縮機１１の吐出温度Ｔｄを検出する（ステップ１０３）。スクロール圧縮機１１の吐出温度Ｔｄが、目標吐出温度Ｔｄ１（例えば９０℃）となるように、減圧器１３の開度を調整する（ステップ１０４）。
次に、高圧冷媒圧力検出手段２４と、低圧冷媒圧力検出手段２５で高圧冷媒圧力Ｐｄ、低圧冷媒圧力Ｐｓを検出する（ステップ１０５）。検出されたそれぞれの圧力から圧縮比演算比較手段２６により圧縮比εを演算する（ステップ１０６）。圧縮比演算比較手段２６により演算された圧縮比εと第１の設定値ε_１（例えば２．５）を比較し、演算された圧縮比εが第１の設定値ε_１未満であることを判定する（ステップ１０７）。圧縮比εが第１の設定値ε_１未満である場合には次のステップに進み、第１の設定値ε_１以上の場合にはステップ１０１に戻る。
圧縮比εが第１の設定値ε_１未満である場合は、圧縮比演算比較手段２６により演算された圧縮比εと第２の設定値ε_２（例えば２．０）を演算比較し、演算された圧縮比εが第２の設定値ε_２未満であることを判定する（ステップ１０８）。圧縮比εが第２の設定値ε_２未満である場合には次のステップに進み、第２の設定値ε_２以上の場合には目標吐出温度Ｔｄ１をＴｄ１＋△Ｔｄ（例えば９０＋５＝９５℃）とし（ステップ１０９）、ステップ１０１に戻る。
このようなフィードバック制御により、圧縮比εが第１の設定値ε_１未満で、第２の設定値ε_２以上である場合には、目標吐出温度を高く設定するため、減圧器１３の開度を小さくするように制御する。その結果、高圧冷媒圧力Ｐｄは上昇して低圧冷媒圧力Ｐｓは低下し、圧縮比εが大きくなり、スクロール圧縮機の転覆を防止することができる。
スクロール圧縮機が転覆した場合、高圧冷媒圧力Ｐｄは低下して低圧冷媒圧力Ｐｓは上昇し、圧縮比εが大きく低下する。ステップ１０８で圧縮比εが第２の設定値ε_２未満である場合は、スクロール圧縮機１１が転覆したと判断し、減圧器１３の目標減圧器開度２Ｐｌｓを設定値△Ｐｌｓ１（例えば７０パルス）だけ小さくし（ステップ１１０）、減圧器開度演算操作手段４３により減圧器開度を制御する（ステップ１１１）。その結果、高圧冷媒圧力Ｐｄは上昇して低圧冷媒圧力Ｐｓは低下し、圧縮比εが大きくなり、転覆が回復する。

次に、第２の経過時間計測値ｔ_２をリセットした後、第２の経過時間の計測を開始する（ステップ１１２）。そして、第２の経過時間計測値ｔ_２が予め定められた時間ｔ_２０（例えば１分）以上であるか否かの比較を行い（ステップ１１３）、第２の経過時間ｔ_２が一定時間ｔ_２０以上経過した場合には次のステップに進み、経過していない場合にはこのステップ１１３を繰り返す。第２の経過時間ｔ_２が一定時間ｔ_２０以上経過した場合は、減圧器１３の目標減圧器開度２Ｐｌｓを第２の設定値△Ｐｌｓ２（例えば５０パルス。ただし、△Ｐｌｓ１＞△Ｐｌｓ２）だけ大きくし（ステップ１１４）、減圧器開度演算操作手段４３により減圧器開度を制御する（ステップ１１５）（転覆回復制御）。そして、目標吐出温度Ｔｄ１をＴｄ１＋△Ｔｄ（例えば９５＋５＝１００℃）とし（ステップ１１６）、ステップ１０１に戻る。
これにより転覆を速やかに回復させることができるとともに、減圧器１３の開度を転覆した時の開度より小さく制御するため、再度スクロール圧縮機１１が転覆することを防止できる。
また、転覆回復制御において、ステップ１１０、１１１で減圧器１３の開度Ｐｌｓを設定値△Ｐｌｓ１（例えば７０パルス）だけ小さくするように制御した後、ステップ１１２、１１３で第２の経過時間ｔ_２が一定時間ｔ_２０以上経過した後、ステップ１１４、１１５で減圧器１３の開度を第２の設定値△Ｐｌｓ２だけ大きくするように制御しているが、ステップ１１２、１１３の代わりに、圧縮比εが第１の設定値ε_１以上となった後、ステップ１１４に移行すると、確実に転覆を回復させることができる。

なお、高圧冷媒圧力検出手段２４として放熱器１２の被加熱媒体の出口温度（出湯温度）を検出する温度センサを用い、低圧冷媒圧力検出手段２５として蒸発器１４の被冷却媒体の出口温度（蒸発器出口空気温度）を検出する温度センサを用い、それらの温度から高圧冷媒圧力Ｐｄおよび低圧冷媒圧力Ｐｓを演算しても同様な効果を得ることができる。
また、高圧冷媒圧力検出手段２４として冷媒の高圧冷媒圧力を検知する圧力センサ、低圧冷媒圧力検出手段２５として冷媒の低圧冷媒圧力を検出する圧力センサを用い、それらの圧力から高圧冷媒圧力Ｐｄおよび低圧冷媒圧力Ｐｓを検知しても良い。
また、二酸化炭素など臨界点の低い冷媒を用いる場合、高圧冷媒圧力Ｐｄは臨界圧力を超え、放熱器１２では冷媒は凝縮しない。その結果、凝縮温度が存在しないため、放熱器１２の温度から高圧冷媒圧力Ｐｄを正確に演算することはできない。このような場合は高圧冷媒圧力検出手段２４として圧力センサを用いることで、同様な効果を得ることができる。さらに直接圧力を検出するため、応答遅れがなく正確な制御を行うことができる。また、低圧冷媒圧力検出手段２５として圧力センサを用いても同様な効果を得ることができる。

以上の説明では、吐出温度を制御する場合を説明したが、スクロール圧縮機１１の吸入冷媒のスーパーヒートＳＨを制御する場合、検出された圧縮比εに対応して目標スーパーヒートＳＨ１を所定の値△ＳＨほど大きくするように変更し、減圧器１３の開度を小さく制御することでスクロール圧縮機１１の転覆を防止でき、転覆した場合でも上記の転覆を回復させる制御の後、目標スーパーヒートＳＨ１を大きくする様に変更し、転覆時の減圧器１３の開度より小さく制御することにより、再度スクロール圧縮機１１が転覆することを防止できる。

図３は、本発明の第２の実施例における冷凍サイクル装置を利用した給湯装置を示す概略構成図である。図１と同一のものには同一の番号を付して説明を省略する。電流検出手段３２は圧縮機駆動手段３１からスクロール圧縮機１１への通電電流を検出する。演算比較手段３３は高圧冷媒圧力検出手段２４の出力値の時間微分値を演算し、設定値と比較する高圧冷媒圧力微分値演算比較と、低圧冷媒圧力検出手段２５の出力値の時間微分値を演算し、設定値と比較する低圧冷媒圧力微分値演算比較と、電流検出手段３２の出力値の時間微分値を演算し、設定値と比較する電流微分値演算比較を行う。

以下、図４のフローチャートを用いて制御を説明する。図４において、図２と同一のステップには同一のステップ番号を付している。
経過時間計測（ステップ１０１、１０２）、吐出温度制御（ステップ１０３、１０４）、高低冷媒圧力Ｐｄの検出及び低圧冷媒圧力Ｐｓの検出（ステップ１０５）は図２で説明した実施例１と同じである。次に、電流検出手段３２（例えば、駆動手段３１であるインバータ回路からスクロール圧縮機１１へ通電される電流を検出する電流センサ）により通電電流Ｉを検出し（ステップ２０１）、所定時間前に検出された高圧Ｐｄ、低圧Ｐｓ、通電電流Ｉの値と、現在の高圧Ｐｄ、低圧Ｐｓ、通電電流Ｉの値から、高圧の時間微分値ｄＰｄ／ｄｔ、低圧の時間微分値ｄＰｓ／ｄｔ、電流の時間微分値ｄＩ／ｄｔを演算する(ステップ２０２)。
次に、高圧の時間微分値ｄＰｄ／ｄｔと設定値ｄＰｄ１／ｄｔ(ステップ２０３)、低圧の時間微分値ｄＰｓ／ｄｔと設定値ｄＰｓ１／ｄｔ(ステップ２０４)、電流の時間微分値ｄＩ／ｄｔと設定値ｄＩ１／ｄｔ(ステップ２０５)を比較する。
スクロール圧縮機が転覆した場合、高圧冷媒圧力Ｐｄは低下して低圧冷媒圧力Ｐｓは上昇し、圧縮比εが大きく低下する。そして、冷媒循環量も低下するためスクロール圧縮機１１への通電電流も低下する。したがって、ステップ２０３で高圧の時間微分値ｄＰｄ／ｄｔが設定値ｄＰｄ１／ｄｔ未満で、ステップ２０４で低圧の時間微分値ｄＰｓ／ｄｔが設定値ｄＰｓ１／ｄｔ以上で、電流の時間微分値ｄＩ／ｄｔが設定値ｄＩ１／ｄｔ未満である場合は、スクロール圧縮機１１が転覆したと判断し、ステップ１１０以降の転覆回復制御へ移行する。すなわち減圧器１３の目標減圧器開度２Ｐｌｓを設定値△Ｐｌｓ１（例えば７０パルス）だけ小さくし（ステップ１１０）、減圧器開度演算操作手段４３により減圧器開度を制御する（ステップ１１１）。その結果、高圧冷媒圧力Ｐｄは上昇し低圧冷媒圧力Ｐｓは低下し、圧縮比εが大きくなり転覆が回復する。

次に、第２の経過時間計測値ｔ_２をリセットした後、第２の経過時間の計測を開始する（ステップ１１２）。そして、第２の経過時間計測値ｔ_２が予め定められた時間ｔ_２０（例えば１分）以上であるか否かの比較を行い（ステップ１１３）、第２の経過時間ｔ_２が一定時間ｔ_２０以上経過した場合には次のステップに進み、経過していない場合にはこのステップ１１３を繰り返す。第２の経過時間ｔ_２が一定時間ｔ_２０以上経過した場合は、減圧器１３の目標減圧器開度２Ｐｌｓを第２の設定値△Ｐｌｓ２（例えば５０パルス。ただし、△Ｐｌｓ１＞△Ｐｌｓ２）だけ大きくし（ステップ１１４）、減圧器開度演算操作手段４３により減圧器開度を制御して転覆回復の制御をする（ステップ１１５）。そして、目標吐出温度Ｔｄ１をＴｄ１＋△Ｔｄ（例えば９５＋５＝１００℃）とし（ステップ１１６）、ステップ１０１に戻る。
これにより、スクロール圧縮機１１の転覆の発生を確実に検出し、転覆を速やかに回復させることができるとともに、減圧器１３の開度を転覆した時の開度より小さく制御するため、再度スクロール圧縮機１１が転覆することを防止できる。

なお、高圧冷媒圧力検出手段２４として放熱器１２の被加熱媒体の出口温度（出湯温度）を検出する温度センサを用い、低圧冷媒圧力検出手段２５として蒸発器１４の被冷却媒体の出口温度（蒸発器出口空気温度）を検出する温度センサを用い、それらの温度から高圧冷媒圧力Ｐｄおよび低圧冷媒圧力Ｐｓを演算しても、同様な効果を得ることができる。
また、二酸化炭素など臨界点の低い冷媒を用いる場合、高圧冷媒圧力Ｐｄは臨界圧力を超え、放熱器１２では冷媒は凝縮しない。その結果、凝縮温度が存在しないため、放熱器１２の温度から高圧冷媒圧力Ｐｄを正確に演算することはできない。このような場合は高圧冷媒圧力検出手段２４として圧力センサを用いることで、同様な効果を得ることができる。さらに直接圧力を検出するため、応答遅れがなく正確な制御を行うことができる。また、低圧冷媒圧力検出手段２５として圧力センサを用いても同様な効果を得ることができる。

本発明の冷凍サイクル装置および制御方法は、冷媒として高圧側で凝縮する冷媒だけでなく、超臨界状態となりうる冷媒（例えば、Ｒ３２、二酸化炭素、エタン、エチレン、酸化窒素およびそれらを含む混合冷媒など）を用いた給湯装置（給湯器）、空調機、車両用空調機（カーエアコン）などに有用であり、安価な方法で、スクロール圧縮機の転覆を確実に検知し、転覆を回復でき、冷凍サイクル装置の能力の変動を少なくすることができる。

本発明の実施例１における冷凍サイクル装置を示す構成図本発明の実施例１における冷凍サイクル装置の制御方法を示すフローチャート本発明の実施例２における冷凍サイクル装置を示す構成図本発明の実施例２における冷凍サイクル装置の制御方法を示すフローチャート

１１スクロール圧縮機
１２放熱器
１３減圧器
１４蒸発器
１５給水ポンプ
１６給湯タンク
１７送風ファン
２１放熱器出口流体温度検出手段
２２放熱器出口流体目標温度演算手段
２３循環量演算操作手段
２４高圧冷媒圧力検出手段
２５低圧冷媒圧力検出手段
２６圧縮比演算比較手段
３１駆動手段
３２電流検出手段
３３演算比較手段
４１吐出温度検出手段
４２減圧器目標開度演算手段
４３減圧器開度演算操作手段

Claims

スクロール圧縮機、放熱器、減圧器、蒸発器を備えた冷凍サイクル装置であって、前記スクロール圧縮機は、高圧または中間圧に圧縮された冷媒によって旋廻スクロールを固定スクロールに密着させる構造であり、前記スクロール圧縮機の高圧冷媒圧力を検出する高圧冷媒圧力検出手段と、低圧冷媒圧力を検出する低圧冷媒圧力検出手段と、前記高圧冷媒圧力検出手段と前記低圧冷媒圧力検出手段からの出力信号により冷媒の圧縮比を演算し、前記圧縮比を所定の設定値と比較して制御信号を出力する圧縮比演算比較手段と、前記圧縮演算比較手段の信号により前記減圧器の開度を調節する手段を備え、前記圧縮比演算比較手段の出力値が前記設定値より低い場合に前記スクロール圧縮機が転覆したと判断し、前記減圧器の開度を閉方向に所定の値△Ｐｌｓ１だけ制御し、圧縮比が設定値以上になった後、または所定時間経過した後に、前記減圧器の開度を開方向に所定の値△Ｐｌｓ２（ただし△Ｐｌｓ１＞△Ｐｌｓ２）制御する転覆回復制御を行うことを特徴とする冷凍サイクル装置。
スクロール圧縮機、放熱器、減圧器、蒸発器を備えた冷凍サイクル装置であって、前記スクロール圧縮機は、高圧または中間圧に圧縮された冷媒によって旋廻スクロールを固定スクロールに密着させる構造であり、前記スクロール圧縮機の高圧冷媒圧力を検出する高圧冷媒圧力検出手段と、低圧冷媒圧力を検出する低圧冷媒圧力検出手段と、前記冷凍サイクル装置の通電電流を検出する電流検出手段と、前記高圧冷媒圧力検出手段の出力値の時間微分値を演算し、設定値を比較する高圧冷媒圧力微分値演算比較手段と、前記低圧冷媒圧力検出手段の出力値の時間微分値を演算し、設定値を比較する低圧冷媒圧力微分値演算比較手段と、前記電流検出手段の出力値の時間微分値を演算し、設定値を比較する電流微分値演算比較手段と、前記高圧冷媒圧力微分値演算比較手段の信号と前記低圧冷媒圧力微分値演算比較手段の信号と前記電流微分値演算比較手段の信号により前記減圧器の開度を調節する手段を備え、前記減圧器の開度を制御し、前記スクロール圧縮機の圧縮比を設定値以上に制御することを特徴とする冷凍サイクル装置。
前記高圧冷媒圧力微分値演算比較手段で前記時間微分値が前記設定値未満で、前記低圧冷媒圧力微分値演算比較手段で前記時間微分値が前記設定値以上で、前記電流微分値演算比較手段で前記時間微分値が前記設定値未満である場合に前記スクロール圧縮機が転覆したと判断し、前記減圧器の開度を閉方向に所定の値△Ｐｌｓ１だけ制御し、圧縮比が設定値以上になった後、または所定時間経過した後に、前記減圧器の開度を開方向に所定の値△Ｐｌｓ２（ただし△Ｐｌｓ１＞△Ｐｌｓ２）制御する転覆回復制御を行うことを特徴とする請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
冷凍サイクルの制御として前記スクロール圧縮機の吐出温度を所定の目標吐出温度に制御する場合、前記転覆回復制御の後、冷凍サイクルの目標吐出温度を、転覆が発生した時より所定の値△Ｔｄだけ高く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。
冷凍サイクルの制御として前記スクロール圧縮機の吸入冷媒スーパーヒートを所定の目標値に制御する場合、前記転覆回復制御の後、前記スクロール圧縮機の吸入冷媒スーパーヒートの目標値を、転覆が発生した時より所定の値△ＳＨ高く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。
前記高圧冷媒圧力検出手段および前記低圧冷媒圧力検出手段が、冷媒の高圧飽和温度および低圧飽和温度を検出する温度センサであることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
前記高圧冷媒圧力検出手段が、前記放熱器の被加熱媒体の温度を検出する温度センサで、前記低圧冷媒圧力検出手段が、前記蒸発器の被冷却媒体の温度を検出する温度センサであることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
前記高圧冷媒圧力検出手段および前記低圧冷媒圧力検出手段が、冷媒の高圧冷媒圧力および低圧冷媒圧力を検出する圧力センサであることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
運転中の高圧冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となる冷媒を用いることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。