JP5020114B2 - 空気調和装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍サイクル装置に使用されるインバータ駆動圧縮機の保護手段を備えた空気調和装置に関するものである。

従来の圧縮機の保護手段に、圧縮機吸入配管、低圧側に冷媒圧力を検知する圧力スイッチを設けて、冷媒回路の低圧側の冷媒圧力を検出し、低圧側が所定の圧力よりも低くなったとき（真空運転）、冷媒回路の異常と判断して圧縮機を停止させるようにしたものがある。

しかしながら、このような圧力スイッチは高価で、その上精度上も限界があるため、圧力スイッチを使用せず、凝縮器の中間部に設けた凝縮器温度センサによって検知した凝縮器の温度データを、制御装置により凝縮圧力に換算し、異常高圧力となった場合は制御装置が制御信号を出力する。また、凝縮器の出口に凝縮器出口温度センサを設け、凝縮器温度センサによる凝縮器の中間温度と出口温度から過冷却度を算出し、前述の凝縮圧力との関係より凝縮器の放熱不良を判定したときには、制御装置は制御信号を出力するようにした冷却装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、冷媒回路の閉塞による圧縮機の表面温度の上昇を検出する専用の異常検出センサを設け、表面温度の上昇により圧縮機の異常を検知したときは、室外制御部から圧縮機の停止信号を出力して圧縮機を保護するようにした冷凍サイクル装置がある（例えば、特許文献２参照）。

特開平６−８２１３０号公報（第２，３頁、図１，２） 特開平７−６３４４７号公報（第３，４頁、図１）

特許文献１の冷却装置においては、凝縮器の中間部に凝縮器温度センサを設けているが、冷媒回路閉塞時には冷媒が循環しないため、凝縮器の温度は上昇しない。このため算出による凝縮圧力も高圧にならず、冷媒回路閉塞における高圧異常を検出することができない。
また、凝縮器の中間温度と出口温度から算出された過冷却度と凝縮圧力から判定、制御を行うことについても、前述の通り冷媒回路閉塞時には、冷媒の循環がなく凝縮圧力が高圧にならないため、異常を検知することはできない。

特許文献２の冷凍サイクル装置によれば、圧縮機の異常を迅速に検知して圧縮機を保護することができるが、専用の異常検出センサを必要とするため、コストの上昇、製造工程の複雑化などの問題がある。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、運転時に使用する既存の凝縮器温度センサ（第１の温度センサ）及び凝縮器出口温度センサ（第２の温度センサ）を用いて冷媒回路の異常（閉塞）を検出し、簡単かつ安価な構成で圧縮機を保護するようにした空気調和装置を提供することを目的としたものである。

本発明に係る空気調和装置は、圧縮機、四方弁、凝縮器、減圧器及び蒸発器を有する冷媒回路と、前記凝縮器の中間部近傍の温度を検出する第１の温度センサ、及び前記凝縮器の出口近傍の温度を検出する第２の温度センサと、前記第１の温度センサの検出温度及び前記第２の温度センサの検出温度が所定の関係を保つように前記減圧器を制御する制御装置とを有し、前記第２の温度センサを前記第１の温度センサより周辺温度の上昇の影響を受け易い位置であって、前記冷媒回路の閉塞による圧縮機表面の温度上昇の影響を受け易い位置に配置し、前記第２の温度センサで検出した温度が前記第１の温度センサで検出した温度より高くなったときは、前記制御装置が冷媒回路の閉塞と判断して前記圧縮機の運転を制御するように構成したものである。

本発明によれば、既存の第１、第２の温度センサを利用することにより、特別な部品を用いることなく簡単かつ安価な構成で、圧縮機を確実に保護することができ、長寿命で信頼性の高い空気調和装置を得ることができる。

［実施の形態１］
図１は本発明の実施の形態１に係る空気調和装置の冷媒回路図、図２は一部を断面で示した図１の室外ユニットの斜視図である。
空気調和装置を構成する室外ユニット１において、仕切り板４を介して一方の側に設けられた送風機室２内には送風機３が設置されている。また、他方の側に設けた機械室５内には、圧縮機６、配管により圧縮機６に接続された油溜め７（以下の説明では、単に接続と記す）、圧縮機６と油溜め７が接続された四方弁８及び制御装置９が設けられており、送風機室２の側面から背面及び機械室５の背面にかけて、室外機熱交換器１０が設置されている。

この室外側熱交換器１０はその入側は四方弁８に接続され、出側（出口）は減圧器１１を介して液側バルブ１２に接続されている。
１４は室外機熱交換器１０に設置されてその中間部近傍の温度（配管中を流れる冷媒の温度に対応）を検出する凝縮器温度センサ（以下、第１の温度センサという）、１５は室外機熱交換器１０の出口近傍に設置されて出口の温度（配管中を流れる冷媒の温度に対応）を検出する凝縮器出口温度センサ（以下、第２の温度センサという）で、第２の温度センサ１５は第１の温度センサ１４より周辺温度の影響を受け易い位置に設置されている。そして、第１、第２の温度センサ１４，１５で検出された温度信号は、制御装置９へ送られる。なお、制御装置９は、圧縮機６の運転や四方弁８の切換えなどを制御し、さらに、第１、第２の温度センサ１４，１５から送られたデータ、冷房又は暖房運転の状況、室内設定温度の情報等を一括して制御する。

空気調和装置を構成する室内ユニット２０には、室内機熱交換器２１が設けられており、その入側は室外ユニット１の液側バルブ１２を介して減圧器１１に接続され、出側はガス側バルブ１３を介して四方弁８に接続されている。

次に、上記のように構成した空気調和装置の冷房運転時における冷媒の流れ（図１に矢印で示す）について説明する。
室外ユニット１において、低圧低温のガス冷媒は、圧縮機６により圧縮されて高圧高温のガス冷媒となり、四方弁８を介して室外機熱交換器１０に導かれ、ガス冷媒は液化して凝縮熱を室外に放出する（よって、室外機熱交換器１０は、冷房運転時には凝縮器として機能する）。

液化した高圧高温の冷媒は、減圧器１１に送られて低圧低温の気液二相冷媒となり、液側バルブ１２を経て室内ユニット２０の室内機熱交換器２１に導かれる。そして、冷媒は室内の空気中から熱を吸収して蒸発し、低圧低温のガス冷媒となり、冷房運転を行う（よって、室内機熱交換器２１は、冷房運転時には蒸発器として機能する）。その後、ガス側バルブ１３、四方弁８を経て油溜め７へ送られ、ガス冷媒に含まれる油成分が除去されて圧縮機６に導かれ、以下、上記のサイクルを繰り返えす。

暖房運転の場合は、四方弁８を切り換えて冷媒の流れを冷房運転の場合と逆方向とすることにより、室内機熱交換器２１を凝縮器、室外機熱交換器１０を蒸発器として機能させ、運転を行う。その他の作用は、冷房運転の場合と同様である。

次に、冷房運転時の室外機熱交換器１０（以下、凝縮器と記すことがある）における冷媒の流れと、第１、第２の温度センサ１４，１５の作用について説明する。
図３は一般的な冷凍サイクルのｐ−ｈ線図で、図中の符号イ，ロ，ハは、図１の冷媒回路図の符号イ，ロ，ハに対応する。冷房運転時における室外機熱交換器１０に流入する冷媒は、圧縮機６で圧縮された高圧のガス冷媒であり、圧縮機６の吐出部（イ）と室外機熱交換器１０の中間部（ロ）との間で外気と熱交換が行われ、二相冷媒となる。二相冷媒である間は冷媒の温度は一定であり、このときの冷媒の温度（以下、凝縮温度という）をＣＴとする。室外機熱交換器１０の中間部（ロ）と出口（ハ）との間でも引続き熱交換が行われ、出口（ハ）においては高圧液冷媒となる。このときの冷媒温度（以下、出口温度という）ＯＴは過冷却されて凝縮温度ＣＴより低くなっている。

このとき、室外機熱交換器１０の中間部近傍（ロ）に設置されている第１の温度センサ１４は、凝縮温度ＣＴを検出し、出口近傍（ハ）に設置されている第２の温度センサ１５は出口温度ＯＴを検出する。そして、制御装置９は、これらの温度情報から、室外機熱交換器１０による熱交換が効率よく行われるように減圧器１１の開度を調整し、凝縮温度ＣＴと出口温度ＯＴが所定の関係を保つように制御している。
つまり、定常状態においては、第１、第２の温度センサ１４，１５は、冷凍サイクルの制御のための温度検出を行っているものである。換言すれば、第１、第２の温度センサ１４，１５は、冷凍サイクルを効果的に制御を行うためのものである。

ところで、冷媒回路閉塞時の冷房運転においては、室外機熱交換器１０に冷媒が流れないため、これに配設されている第１の温度センサ１４によって検出された凝縮温度ＣＴ（冷媒が流れていないため凝縮温度と異なるが、説明上凝縮温度という）、第２の温度センサ１５によって検出された出口温度ＯＴは、外気温などの周辺の温度に収束されていく。

そして、真空運転により圧縮機６の表面温度が上昇すると、第２の温度センサ１５は圧縮機６の近傍に設置されているため圧縮機６の表面温度によって上昇した周辺温度を検出するが、第１の温度センサ１４は圧縮機６の表面温度の上昇の影響を受けないように設置されているので、第２の温度センサ１５で検出された出口温度ＯＴは、第１の温度センサ１４で検出された凝縮温度ＣＴより高くなる。

図４は冷媒回路の閉塞時における凝縮温度ＣＴ、出口温度ＯＴ及び圧縮機表面温度ＰＴの圧縮機運転時間による変化を示すグラフである。
図に示すように、運転開始時は、領域Ａに示すように、圧縮機６に冷媒が供給されているため圧縮機表面温度ＰＴは低く、このため、出口温度ＯＴは凝縮温度ＣＴより低く両者の間に差があり、冷媒が熱交換していることがわかる。冷媒回路の閉塞により圧縮機６に冷媒が供給されなくなると、圧縮機６は真空運転を行うため圧縮機表面温度ＰＴが上昇し、これに伴って圧縮機６の周辺温度が上昇するため出口温度ＯＴも上昇し、凝縮温度ＣＴと出口温度ＯＴとの差が徐々に小さくなる。

一方、圧縮機表面温度ＰＴは引続き上昇し、この温度上昇によって上昇した周辺温度を第２の温度センサ１５が検出するため、領域Ｂにおいては、出口温度ＯＴが凝縮温度ＣＴより高くなる。領域Ｃにおいては、凝縮温度ＣＴはほぼ一定であるが、圧縮機表面温度ＰＴの上昇がさらに進み、第２の温度センサ１５によって検出された出口温度ＯＴはさらに高くなる。この間、図から明らかなように、第１の温度センサ１４は圧縮機表面温度ＰＴの上昇の影響をほとんど受けないことがわかる。

本発明においては、図４の領域Ｂの状態、すなわち、室外機熱交換器１０の出口温度ＯＴが、凝縮温度ＣＴより高くなったことを制御装置９が確認したときは、制御装置９は圧縮機６の即時運転停止信号を出力すると共に、表示灯等により冷媒回路が閉塞状態であることを表示する。
これにより、圧縮機６を保護すると共に、液側バルブ１２やガス側バルブ１３の開き忘れや、冷媒配管内に残溜水分の凍結などによる不具合を使用者に知らせることができる。

ところで、冷凍サイクルとしてみれば、室外機熱交換器１０の出口温度ＣＴが、凝縮温度ＣＴより高くなることはあり得ない。すなわち、室外機熱交換器１０で熱交換された冷媒は、その出口においては高圧液冷媒の状態となり、その温度（出口温度ＯＴ）は過冷却されているため凝縮温度ＣＴより低く、ＯＴ＜ＣＴとなる。なお、過冷却されていない場合でもＯＴ＝ＣＴとなる。また、室外機熱交換器１０の配管による圧力損失により圧力が低下した場合も出口温度ＯＴは低くなるため、出口温度ＯＴが凝縮温度ＣＴより高くなることはない。すなわち、出口温度ＯＴは外部からのエネルギーの供与がなければ、凝縮温度ＣＴより高くならない。

このように、室外機熱交換器１０の出口温度ＯＴが凝縮温度ＣＴより高くなる状態は、冷媒回路の閉塞により圧縮機表面温度ＰＴが上昇した場合における、特異な状況下で発生する現象である。
本発明は、上記のような特異現象を既存の第１、第２の温度センサ１４，１５で検出することにより、冷媒回路が閉塞されていることを確認して圧縮機６を停止させ、これを保護するようにしたものである。

実施例では、図４の領域Ｂの状態において、出口温度ＯＴ−凝縮温度ＣＴ＝１℃以上の状態が１分間以上継続した場合は、制御装置９は冷媒回路異常（閉塞）と判断し、圧縮機６の運転を停止すると共に、表示灯等により外部に対して冷媒回路の異常を知らせるようにした。なお、上記の説明では、制御装置９が冷媒回路異常と判断したときは、圧縮機６の運転を制御し、即時に運転を停止させて圧縮機６を保護する場合を示したが、圧縮機６の回転数を下げて保護しながら少しの間運転を継続し、異常改善を待つように制御してもよい。

次に、第１の温度センサ１４と第２の温度センサ１５の配置の一例について説明する。
実施例で使用した室外機熱交換器１０は、入口に設けた分配器と、分配後の冷媒経路になる配管と、分配された冷媒を一つに纏める冷媒配管と、熱交換を効率的に実施するために配管の周囲に設けたアルミフインとによって構成した。そして、分配器で分配された冷媒は、それぞれの配管内で熱交換を行って液化され、出口の冷媒配管で一つに纏められる。

そして、第１の温度センサ１４は、温度を検知する室外熱交換器１０を構成する配管の中間点近傍に配置した。なお、図２の室外機熱交換器１０の１０ａ，１０ｂの位置でも凝縮温度ＣＴを検出することができるが、この位置では圧縮機６の温度上昇の影響を受け易いので、圧縮機６から最も離れた圧縮機６の温度上昇の影響を受けにくい位置に第１の温度センサ１４を配置して、凝縮温度ＣＴを検出するようにした。

また、第２の温度センサ１５は、図２の室外機熱交換器１０と液側バルブ１３を接続する冷媒配管の形状を適宜設計することにより、冷媒回路閉塞時における圧縮機６の温度上昇を検出し易い位置（圧縮機６に近い位置）に配置し、室外機熱交換器１０の出口温度ＯＴを検出するようにした。

［実施の形態２］
近時、室内ユニットの小型化や熱交換器の体積減少等により、冷媒回路閉塞時において、室外機熱交換器１０の中間部近傍に設けた第１の温度センサ１４で検出した凝縮温度ＣＴと、第２の温度センサ１５で検出した出口温度ＯＴとが、圧縮機６からの熱影響により差がつけにくくなっている。

本実施の形態においては、このような問題を解消するために、第１の温度センサ１４を断熱材で被覆して断熱処理を施すことにより、圧縮機６の温度上昇による熱影響を受けにくくしたものである。
これにより、冷媒回路閉塞時における第１の温度センサ１４で検出した凝縮温度ＣＴと、第２の温度センサ１５で検出した出口温度ＯＴとの差がより明確になり、圧縮機６を早期に停止させて保護することができる。

本発明は、上記のように構成し、第１の温度センサ１４で検出した凝縮温度ＣＴと、第２の温度センサ１５で検出した出口温度ＯＴとの関係がＣＴ＜ＯＴとなったときは制御装置９が冷媒回路の閉塞と判断して圧縮機６を停止し、必要な表示を行うようにしたので、既存の第１、第２の温度センサを利用することにより、特別な部品を用いることなく簡単かつ安価な構成で、圧縮機６を確実に保護することができ、長寿命で信頼性の高い空気調和装置を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る空気調和装置の冷媒回路図である。 一部を断面で示した図１の室外ユニットの斜視図である。 一般的な冷凍サイクルのモリエル線図である。 冷媒回路の閉塞時における凝縮温度、出口温度及び圧縮機表面温度の時間による変化を示すグラフである。

符号の説明

１ 室外ユニット、２ 送風機室、５ 機械室、６ 圧縮機、８ 四方弁、９ 制御装置、１０ 室外機熱交換器（凝縮器）、１１ 減圧器、１２ 液側バルブ、１３ ガス側バルブ、１４ 第１の温度センサ、１５ 第２の温度センサ、２０ 室内ユニット、２１ 室内機熱交換器（蒸発器）。

Claims (4)

1. 圧縮機、四方弁、凝縮器、減圧器及び蒸発器を有する冷媒回路と、前記凝縮器の中間部近傍の温度を検出する第１の温度センサ、及び前記凝縮器の出口近傍の温度を検出する第２の温度センサと、前記第１の温度センサの検出温度及び前記第２の温度センサの検出温度が所定の関係を保つように前記減圧器を制御する制御装置とを有し、
   前記第２の温度センサを前記第１の温度センサより周辺温度の上昇の影響を受け易い位置であって、前記冷媒回路の閉塞による圧縮機表面の温度上昇の影響を受け易い位置に配置し、前記第２の温度センサで検出した温度が前記第１の温度センサで検出した温度より高くなったときは、前記制御装置が冷媒回路の閉塞と判断して前記圧縮機の運転を制御するように構成したことを特徴とする空気調和装置。
2. 前記第１の温度センサを、冷媒回路の閉鎖による圧縮機の温度上昇の影響を受けにくい位置に配置したことを特徴とする請求項１記載の空気調和装置。
3. 前記第１の温度センサに、断熱処理を施したことを特徴とする請求項１記載の空気調和装置。
4. 前記制御装置が冷媒回路の閉塞と判断したときは、前記圧縮機の運転を停止させるようにしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の空気調和装置。

Images