JP5404110B2 - 空気調和装置 - Google Patents

Description

この発明は、冷媒回路を構成して冷房ないしは暖房を行う空気調和装置に関するものであり、特に冷媒回路内に存在する冷媒が装置停止時に圧縮機内に溜まりこみ、絶縁抵抗の低下や潤滑性能の劣化等の問題を引き起こすことを回避する手段に関するものである。

冷媒回路を構成する空気調和装置の場合、一般に室内機と室外機の各ユニットとそのユニット間を接続する配管にて構成されている。ユニットの構成として、室内機は室内側熱交換器を有し、室外機は室外側熱交換器、圧縮機、減圧装置を有しており、それぞれがユニット内部で配管接続されている。これらで構成されたユニットは据え付け現場にて配管接続され、空気調和装置として機能する。

一般に上記接続で構成された冷媒回路内部には冷媒が充填されており、さらに圧縮機を駆動させる為の冷凍機油も冷媒回路内に存在する。一般に外気温度が低く、かつ圧縮機内の温度が外気温度より低くて外気温度と圧縮機内の温度に温度差が生じる条件の場合、低温度となる室外機ユニットの圧縮機に冷媒が溜まりこむ現象が生じる。圧縮機内に冷媒が溜まりこんだ場合、冷凍機油が冷媒によって希釈される、または圧縮室に液化した冷媒が存在する。この状態で圧縮機を起動させた場合、冷媒とともに冷凍機油が吐出されることで圧縮機内の冷凍機油不足が発生し、また溜まった液冷媒の圧縮は圧縮機負荷増となり、どちらも圧縮機故障を引き起こす要因となる。

そこで、上記現象を回避する為、従来から一般に空気調和装置の圧縮機にはシェルを加熱する装置（ヒーター）、または圧縮機内のモーターに通電することにより、圧縮機を加熱することで空気調和機停止時の冷媒溜まりこみを抑制する手段を用いている。本手段を実行するタイミングは所定の外気温度をトリガーとして決められており、外気温度が所定温度より低い場合、あるいは外気温度が所定温度より低い夜間には圧縮機を加熱させる制御技術を提供している（特許文献１参照）。

また、空気調和装置に存在する各温度検知装置の検出値よりシェル温度センサの検出温度が下回った場合、シェル加熱装置(クランクケースヒーター)への通電を開始する制御技術を提供している（特許文献２参照）。

特開平１０−０３０５６３号公報（第４頁〜第５頁、図１、図３） 特開２００８−１７００５２号公報（第４頁〜第５頁、図１）

上記従来技術は、時間帯または所定の温度で圧縮機加熱装置の動作可否を決めており、例え圧縮機内の冷媒溜まりこみが生じていない状況においても圧縮機加熱装置が作動している可能性が高い。このことは、空気調和装置が停止している状況下での待機電力増大につながり、非効率である。また、各温度とシェル温度を比較する場合においても、制御因子が多くかつ無駄な温度検知場所も存在する為に、制御が複雑化するのに対して効果は小さく、かつ圧縮機加熱装置の動作切換えが頻繁となることで非効率な状態となる恐れがある。

本発明は、上記従来技術の課題を解決するために為されたものであり、主な目的は圧縮機、室内機側熱交換器、室外機側熱交換器、減圧装置、四方弁、を配管接続した冷媒回路において、圧縮機シェル温度と外気温度の検知条件によって圧縮機内への冷媒溜まりこみの発生を検出し、圧縮機加熱装置の動作可否を判定する簡便且つ効率的な圧縮機内冷媒溜まりこみ防止を行える空気調和装置を得ることにある。

この発明にかかる空気調和装置は、冷媒回路を構成する圧縮機のシェル温度を検知する圧縮機シェル温度検知装置と、外気温度を検知する外気温度検知装置と、圧縮機を加熱する圧縮機加熱装置と、圧縮機シェル温度検知装置の出力と外気温度検知装置の出力と、予め設定した閾値とに基づいて圧縮機内の冷媒溜まりこみの発生の有無を判断する制御装置と、を備え、制御装置は、圧縮機内の冷媒溜まりこみが発生したと判断した場合、圧縮機加熱装置を動作させて圧縮機を加熱させ、圧縮機シェル温度検知装置の出力が外気温度検知装置の出力よりも予め設定された値以上高い温度を検知した場合、圧縮機加熱装置の動作を停止させるとともにポンプダウン運転を行うものである。

本発明によれば、制御装置は、圧縮機シェル温度が外気温度よりも低い温度を検知した場合に、圧縮機シェル内部には冷媒が溜まりこんでいると判断するので、圧縮機加熱装置を動作させて、圧縮機シェルを加熱することで圧縮機内の冷媒溜まりこみを回避することが可能となるという効果を有する。

本発明の実施の形態１における空気調和装置の冷媒回路を示す構成図である。 本発明に係る空気調和装置の圧縮機加熱装置を冷媒回路に用いた場合の温度検知場所と制御方法を示す図である。 本発明で圧縮機加熱制御方法のON/OFF条件の一例を示す制御ヒステリシス図(その１) である。 本発明で圧縮機加熱制御方法のON/OFF条件の一例を示す制御ヒステリシス図(その２) である。 本発明の圧縮機加熱制御方法の負荷軽減を目的とした吐出側逆止弁を追加した冷媒回路である。 本発明の実施の形態１における制御板２３の動作を示すフローチャート（その１）である。 本発明の実施の形態１における制御板２３の動作を示すフローチャート（その２）である。

以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には、同一符号を付してその説明を適宜省略、または簡略化する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における空気調和装置の冷媒回路を示す構成図である。図１に示すように空気調和装置は室外機１０と室内機２０及びこれらを接続する配管とから構成される。室外機１０は、圧縮機１、四方弁２、減圧装置４、室外機側熱交換器５、及びアキュームレータ６を内蔵している。また、室内機２０は、室内側熱交換器３を内蔵している。
図１の冷媒回路の中で、室外機１０に内蔵されている四方弁２は、冷媒回路の進路方向を変更する役割を持つ。通常、冷房及び暖房の両方の機能を有する空気調和装置は、圧縮機から吐出された高温・高圧の冷媒を室外側熱交換器５に送り込んだ場合に冷房運転を行い、室内側熱交換器３に送り込んだ場合に暖房運転を行う。四方弁２はこの運転サイクルを切り替える役割を有し、四方弁２内にあるスライド弁を切り替えることで運転サイクルを自由に切り替えることが出来る。
一方、室外機１０に内蔵された減圧装置４は、熱交換器によって凝縮された低温・高圧の液冷媒を、蒸発しやすい圧力まで減圧させる役割を持つ。つまり、圧縮機１から吐出された後、冷房、または暖房の運転サイクルに応じた冷媒回路の所定の経路を通過し、減圧装置４に到達するまでは、冷媒は高圧を維持しており、減圧装置４通過以降より圧縮機１の吸入口に到達するまでに通過する冷媒回路では、低圧となる。

上記各要素で構成された空気調和装置において、冷媒回路内には冷媒とともに冷凍機油が存在する。冷凍機油は圧縮機が駆動する為の潤滑油として存在する。冷凍機油は常時圧縮機に留まっているわけではなく、少量の冷凍機油は常に空気調和装置の運転とともに圧縮機内から持ち出され、冷媒回路内を冷媒とともに回る。冷凍機油が圧縮機内部から大量に吐出されたことにより、圧縮機駆動部に冷凍機油が不足した場合には圧縮機の駆動軸が焼きつけを起こし、故障する恐れがある。
また、冷凍機油は冷媒の混入によって希釈される場合があり、冷媒希釈による冷凍機油の粘度低下が生じた場合、上記と同様に圧縮機内の冷凍機油不足状態となり圧縮機駆動軸が焼きつけを起こし、故障する恐れがある。

冷凍機油の不足状態は、一般に圧縮機内への冷媒溜まりこみが大きな要因とされる。冷凍機油として冷媒と相溶性の高いものを利用するのが一般的であり、空気調和装置停止時に圧縮機の温度が冷えていくに連れて外部の冷媒回路から冷媒が流入してくる。こうして、圧縮機内に冷媒が多量に存在するようになる場合、冷媒が冷凍機油に溶け込んでいき（これを冷凍機油への冷媒の「寝込み」という）、冷凍機油の冷媒による希釈や次回運転時の冷凍機油持ち出し量増加に繋がる。

特に圧縮機内部の温度が低温であった場合、圧縮機内部で冷媒は液化する。この場合、圧縮部分にも液冷媒が存在することになり、圧縮機運転時の圧縮負荷増大につながり、機器の劣化や故障を引き起こす要因となる。

空気調和装置において、冷媒の圧縮機への溜まりこみの要因は圧縮機の低温化が挙げられる。空気調和装置が運転を停止した場合、冷媒回路内で生じていた高低圧力差が徐々に均圧へシフトしていくが、この時冷媒はより低温・低圧な部分へと移動する。ここで、圧縮機が周囲の温度よりも低温・低圧状態となった場合には圧縮機内部へと冷媒は徐々に溜まりこむようになり、上記の圧縮機故障の要因となる冷媒の溜まりこみ状態となる。

上記問題を解決する手段としては、圧縮機を加熱する方法がある。圧縮機加熱装置２４として、シェル外部に取付けられるヒーターと圧縮機内部のモーターとがあり、このモーターに通電することにより、モーター発熱効果から圧縮機を加熱することができる。前記ヒーターの取付けは空気調和装置のコスト高に繋がる為、本実施形態としてはモーター通電方式が望ましい。

冷媒の圧縮機内溜まりこみ防止措置としてモーター加熱を行う場合、冷媒の溜まりこみが生じていることを判断した上で通電を行う必要がある。これは、常時通電している場合は機器の待機電力の増大に繋がるだけでなく、圧縮機モーターの寿命にも影響するためである。従って、適切な場面でモーター加熱を行う必要がある。

本実施形態としては圧縮機シェル温度と外気温度を検知する装置、例えばサーミスタを空気調和装置に設置する。サーミスタは空気調和装置を制御する上で温度を検知・制御をする手段として一般的に取付けられる装置であり、適切な制御を行ううえで十分な精度があり、かつ安価な検知装置として広く利用されている。
本実施形態を実現するためには、少なくとも圧縮機シェル温度２１及び外気温度２２を検知することが必要である為、図２のようにサーミスタを取付ける必要がある。また、上記２つの温度の検知条件を判断し、圧縮機モーターへの通電を判断する制御装置としての制御板２３が必要である。

次に、制御板２３の動作を説明する。
制御板２３は圧縮機シェル温度と外気温度を比較し、条件式(1)が成り立った場合は圧縮機モーターの加熱、すなわちモーター通電を許可する。
［圧縮機シェル温度］≦［外気温度］−α (α = 例えば３℃) …(1)
圧縮機シェル温度と外気温度がほとんど同じであると判断された場合、圧縮機内部に冷媒が溜まりこんでいる可能性が高い。従って、制御板２３は圧縮機加熱装置２４を動作させて圧縮機１を加熱することにより圧縮機内部の冷媒溜まりこみを回避する。上記条件において、外気温度が高い場合には冷媒溜まりこみの可能性は低くなるものの、少なくとも外気温度と同等以下の温度である場合には、室外機側に存在している冷媒が圧縮機に集まる可能性が生じる。その為、外気温度による条件設定は行わないことが望ましい。

上記条件を満たして圧縮機モーター通電中に下記条件式(2)が成り立った場合には、制御板２３は圧縮機モーターの加熱、すなわちモーター通電を行わない。
［圧縮機シェル温度］＞［外気温度］＋α …(2)
上記条件式(2)は条件式(1)を逸脱した条件であり、即ち圧縮機内の冷媒溜まりこみを回避している事象と考えられる。外気温度よりも明らかに圧縮機温度が高いと判断される場合、冷媒は圧縮機ではなく室外熱交換器、あるいはアキュームレータに多く存在すると考えられ、圧縮機内部に存在する冷媒量は駆動しても問題ないと判断される量である。従って本条件中における圧縮機の過度な加熱は待機電力量として無駄であり、非効率な状況と判断される為、通電しないのが望ましい。
また、上記式(1)、(2)とも条件は常時有効であり、空気調和装置に電源が供給されている期間は常に有効とする。

ここで、上記式(1)及び式(2)にて示される定数αについて説明する。ここでの定数αは圧縮機モーターへの通電温度条件を図３に示すようにヒステリシスにて構築するための制御用定数である。上記の様に圧縮機シェル温度と外気温度によって圧縮機モーターへの通電可否を判断する場合、圧縮機シェル温度と外気温度が近似した場合の通電動作のハンチング現象、すなわち短時間における通電 / 非通電の繰返し現象が懸念される。そのため、通電動作の頻繁な繰返し現象を回避する為に定数αによって制御温度条件をヒステリシスにすることが望ましい。

通電動作のハンチング現象回避の為には通電ONからOFFへの切替え時に再びONとなる為の禁止時間を設けることで強制的にハンチング現象回避する手段もある。しかしながら本形態は圧縮機シェルの肉厚、シェル周囲の断熱状況などの諸因子により刻々と変化する為、禁止時間設定を行う為には装置ごとに調整が必要となり不便である。そのため、上記のように圧縮機モーターへの通電可否の制御温度条件をヒステリシスにすることで装置状態によらず判断する手法の方が利便性に富む。

図６及び図７は本発明の実施の形態１における制御板２３の動作を示すフローチャートであり、図６は制御板の本制御に係る機能（以下、制御機能と呼ぶ）を起動するための起動用フローチャート、図７は制御板の制御機能に係る動作フローを示すメインフローチャートである。
次に、制御板２３の動作を図２及び図６を用いて説明する。
制御板２３は、電源が投入されると、図６の起動用フローチャートに従って動作し、圧縮機が停止するまではステップＳ６０１を繰り返し実行して待機し、圧縮機１が停止すると（ステップＳ６０１のＹｅｓ）、制御機能を起動する（ステップＳ６０２）。
制御機能が起動されると、制御板２３は、図７のフローに基づいて、まず外気温度サーミスタ２２が検出した外気温度を取り込むとともに圧縮機シェルサーミスタ２１が検出した圧縮機のシェル温度を取り込む（ステップＳ７０１〜Ｓ７０２）。次に、制御板２３は、圧縮機のシェル温度ＴＣＳを外気温度ＴＯから閾値αを差し引いた温度ＴＯ１と比較し（ステップＳ７０３）、圧縮機のシェル温度ＴＣＳが温度ＴＯ１より低ければ圧縮機１内に冷媒が溜まり込んでいると判断し、加熱装置を動作させて圧縮機１を加熱し（ステップＳ７０４）、ステップＳ７０１へ戻る。ステップＳ７０３の比較において、圧縮機のシェル温度ＴＣＳが温度ＴＯ１より低くなければ圧縮機１内に冷媒が多量に溜まり込んでいないと判断し、次に、圧縮機のシェル温度ＴＣＳを外気温度ＴＯに閾値αを加えた温度ＴＯ２と比較する（ステップＳ７０５）。そして、圧縮機のシェル温度ＴＣＳが温度ＴＯ２より高ければ圧縮機１内に冷媒が溜まっていないので、圧縮機加熱装置の動作を停止して圧縮機への無駄な加熱を止めさせた（ステップＳ７０６）後、ステップＳ７０１へ戻る。また、ステップＳ７０５の比較において、圧縮機のシェル温度ＴＣＳが温度ＴＯ２より高くなければ何もせずステップＳ７０１へ戻る。

また、定数αを３℃としている理由として２つの理由を挙げる。
第１に圧縮機モーターへの通電可否条件となる温度範囲を６℃(２α)と広げることにより上記で示した頻繁な通電動作のハンチング現象を回避する為である。上記形態を実現する一例として温度検知手段にサーミスタを用いているが、検知温度に誤差が生じる恐れがある。従ってαの値が小さい場合、サーミスタ検知誤差によって頻繁に通電切り替えが生じるのを防ぐとともに、誤差があまりない条件であっても繰返し通電切り替えのサイクル時間を延長する効果がある。

第２の理由は圧縮機シェル温度と圧縮機内部温度の温度差にある。一般に、容器内外で生じる熱通過量は以下の式(3)で示される。
Q = A・K・ΔT …(3)
ここでQ：熱通過量(W)、A：伝熱面積(m2)、K：熱通過率(W/m2K)、ΔT：内外温度差(K)とする。圧縮機シェルは一般に鉄製材料で作製されているため、他のアルミや銅といった冷媒回路で用いられる材料よりも熱通過率は低い。さらに圧縮機シェルは高い耐圧性能を備える必要があるため、厚く作られている。このことから、圧縮機シェル外殻に取付けられたサーミスタによる検知温度とシェル内部の冷媒温度には温度差が生じる。この温度差を考慮した上でシェル外殻の温度と外気温度の差で冷媒の溜まりこみを判断するしきい値としてα＝３℃を設けている。

一方、一般現象としては上記式(1)、(2)による制御手段で問題ないが、冷媒溜まりこみ現象による圧縮機不良抑制の信頼性を更に高めるために、制御板２３は次のように式(1)、(2)をそれぞれ式(4)、(5)に変化させることが可能である。
［圧縮機シェル温度］≦［外気温度］−α ＋ β (β = 例えば２℃) …(4)
［圧縮機シェル温度］＞［外気温度］＋α ＋ β …(5)
圧縮機が油枯渇運転に極端に弱い、あるいはサーミスタ検知精度が悪いなど、冷媒溜まりこみ運転と判断するに乏しい事象であっても圧縮機加熱装置を作動させたい場合には、制御板２３は図４に示すように上記式(4)、(5)を用いて圧縮機加熱装置の作動可否を制御する。ただし、定数βの数値が大きいと過剰保護となり、待機電力量の増加や圧縮機寿命の低下に繋がる恐れがあるため注意が必要である。

本実施形態による制御方法は圧縮機内への冷媒溜まりこみを直接的に判断し、なおかつ必要最低限の電力供給時間で上記溜まりこみ現象を回避できる手段であることから、空気調和装置が停止している時の待機電力量を極力避けることが可能であり、機器全体の省エネ化にとって有用な方法である。

上記実施形態においては、必要最低限の装置、簡易的な制御式のみで圧縮機内の冷媒溜まりこみを判断し、圧縮機モーター通電可否を行う為、一般的な空気調和装置への導入は行いやすく、また、圧縮機をもって冷媒回路を構築する冷媒回路全般に広く活用できる手段という意味で有用である。

実施の形態２．
一方、<実施の形態１>にて説明した図１のような構造を持つ冷媒回路において、図５に示すように圧縮機吐出側に逆止弁３１を持つ冷媒回路である場合、<実施の形態１>で示した圧縮機加熱制御方法による負荷軽減が期待される。
本実施の形態では、このような形態について説明する。

圧縮機への冷媒溜まりこみは、前記の通り空気調和装置の停止時に圧縮機が低圧・低温状態となった場合に、冷媒が圧縮機側に流れこむことで生じる現象である。これは低圧吸入側からだけでなく、高圧吐出側からの逆流も同時に生じる。そこで、逆止弁を吐出側に追加することにより、吐出側から圧縮機吐出管に接続された熱交換器へ吐出された冷媒が圧縮機に逆流して圧縮機内に流れこむことを抑制し、圧縮機に溜まりこむ冷媒量を軽減することを可能とする。
本構造の最大の利点は、前記圧縮機加熱装置への通電時間を軽減できることにある。即ち、圧縮機加熱制御は冷媒に熱を与えることで冷媒の状態をガス状で維持し、冷凍機油の希釈や液冷媒による圧縮機故障原因を回避することができる。圧縮機加熱により圧縮機内の冷媒がガス状態になれば、必要以上の冷媒は吐出側に流れることになる。
本実施の形態によれば、以上のように吐出側に逆止弁の構造を持つことにより、吐出側から逆流する冷媒量を抑制するだけでなく、圧縮機加熱により吐出した余分な冷媒の冷却戻りを防ぐことが可能になる。その為、圧縮機加熱によるエネルギー消費は長期待機中であっても少量で済ませることが可能になる。

実施の形態３．
一方、<実施の形態１>にて説明した図１のような構造を持つ冷媒回路において、圧縮機加熱装置の作動を停止する際にポンプダウン運転を行うことで、<実施の形態１>で示した圧縮機加熱制御方法による負荷軽減が期待される。
本実施の形態では、このような形態について説明する。

ポンプダウン運転とは、冷媒回路内に拡散された冷媒を室外機側に収集する為の運転方法であり、主として空気調和装置の取外し時などに用いられる運転方法である。本実施の形態では減圧装置を極力絞り、低圧側に溜まった冷媒を吐出側、具体的には暖房運転時における室内熱交換器へと移動させることとする。
圧縮機加熱装置の作動により油から分離した冷媒をポンプダウン運転により吐出側に追い出し、圧縮機内部に残存する冷媒量を減らすことにより、圧縮機加熱によるエネルギー消費は長期待機中であっても少量で済ませることが可能となる。

さらに、<実施の形態２>にて説明した図５のような構造を持つ空気調和装置において、上記ポンプダウン運転制御を追加した場合、相乗効果によりさらに圧縮機加熱によるエネルギー消費は長期待機中であっても少量で済ませることが可能となる。

実施の形態４．
図１あるいは図５のような冷媒回路において、空気調和機の運転停止時に上記ポンプダウン運転を行うことにより、予め冷媒回路低圧側に拡散して残存する冷媒を圧縮機の吐出側に排出して集めることが可能となり、運転停止時の圧縮機内に予め存在する冷媒量は少量となる。すなわち、圧縮機加熱によるエネルギー消費は長期待機中であっても少量で済ませることが可能となる。

１ 圧縮機 、２ 四方弁 、３ 室内側熱交換器 、４ 減圧装置、５ 室外側熱交換器 、６ アキュームレータ、１０ 室外機 、２０ 室内機、２１ 圧縮機シェルサーミスタ、２２ 外気温度サーミスタ、２３ 制御板、２４ 圧縮機加熱装置、３１ 圧縮機逆止弁。

Claims (6)

1. 冷媒回路を構成する圧縮機のシェル温度を検知する圧縮機シェル温度検知装置と、
   外気温度を検知する外気温度検知装置と、
   前記圧縮機を加熱する圧縮機加熱装置と、
   前記圧縮機シェル温度検知装置の出力と前記外気温度検知装置の出力と、予め設定した閾値とに基づいて前記圧縮機内の冷媒溜まりこみの発生の有無を判断する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、前記圧縮機内の冷媒溜まりこみが発生したと判断した場合、前記圧縮機加熱装置を動作させて前記圧縮機を加熱させ、
   前記圧縮機シェル温度検知装置の出力が前記外気温度検知装置の出力よりも予め設定された値以上高い温度を検知した場合、前記圧縮機加熱装置の動作を停止させるとともにポンプダウン運転を行うことを特徴とする空気調和装置。
2. 前記制御装置は、前記圧縮機シェル温度検知装置の出力が前記外気温度検知装置の出力よりも予め設定された閾値以上低い場合に前記圧縮機内の冷媒溜まりこみが発生したと判断することを特徴とする請求項１記載の空気調和装置。
3. 前記閾値はヒステリシスを持つことを特徴とする請求項１または２に記載の空気調和装置。
4. 前記圧縮機の吐出側配管に接続される熱交換器を備え、
   前記圧縮機から吐出された冷媒による前記熱交換器から前記圧縮機への逆流を防止する冷媒逆流防止手段を前記圧縮機の吐出側配管に設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の空気調和装置。
5. 前記圧縮機シェル温度検知装置と前記外気温度検知装置はサーミスタで構成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の空気調和装置。
6. 前記圧縮機加熱装置は、前記圧縮機のシェル外部に取付けられるヒーターまたは前記圧縮機内部のモーターであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の空気調和装置。

Images