JP5697580B2

JP5697580B2 - 空気調和機

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Publication number: JP5697580B2
Application number: JP2011247976A
Authority: JP
Inventors: 加藤　央平; 央平加藤; 齊藤　信; 信齊藤; 尚季涌田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-11-11
Filing date: 2011-11-11
Publication date: 2015-04-08
Anticipated expiration: 2029-11-11
Also published as: JP2012026725A

Description

本発明は、圧縮機を備えた空気調和機に係るものであり、特に、その運転停止中の圧縮機を加熱する手段の制御に関するものである。

空気調和機等の冷凍サイクルを搭載する装置においては、その装置が停止している間に圧縮機へ冷媒が溜まり込むことがある。例えば、空気調和機のように、その構成要素である熱交換器が屋外に設置されている場合、圧縮機内の潤滑油は、圧縮機に溜まり込んだ冷媒が溶け込むことで潤滑油濃度と一緒に粘度が低下する。この状態で圧縮機を起動すると、粘度の低い潤滑油が圧縮機の回転軸及び圧縮部へ供給され、潤滑不良によって焼き付く危険がある。また、冷媒が溶け込むことによって圧縮機内の潤滑油の液面が上昇すると、圧縮機の起動負荷が増加し、空気調和機の起動時において過電流とみなされ、空気調和機が起動できない不具合が生じる。

これらの問題を解決する方法として、停止中の圧縮機を加熱し、圧縮機における冷媒寝込みを抑制する方法がある。圧縮機を加熱する方法としては、圧縮機に巻きつけた電気ヒーターへ通電する方法、又は、圧縮機に設置される電動機のコイルへ高周波数の低電圧を印加し、電動機を回転させずにコイルで発生するジュール熱によって加熱する方法がある。

つまり、上記の方法では、停止中に圧縮機へ冷媒が溜まり込むのを防止するために圧縮機を加熱するので、空気調和機の停止中でも電力が消費されることになる。この問題の対策として、空気調和装置に設置された温度検出手段で検出した外気温度を用いて圧縮機の加熱要否を判断し、圧縮機への加熱が不要と判断された場合は圧縮機への加熱を停止することで、圧縮機への冷媒寝込み防止に消費される電力量を抑制する制御方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。具体的には、外気温度が圧縮機へ冷媒が溜まり込む可能性のある所定の温度以下であり、かつ、圧縮機が運転していないと想定できる所定の温度以下の場合に、圧縮機の加熱を実施するものである。

また、空気調和機に設置された温度検出手段で検出した圧縮機吐出温度と、圧力検出手段で検出した圧縮機吐出圧力とを用いて圧縮機の冷媒状態を推定し、圧縮機の加熱の要否を判断し、圧縮機への加熱が不要と判断された場合は圧縮機への加熱を停止することで、圧縮機への冷媒寝込み防止に消費される電力量を抑制する制御方法が開示されている（例えば、特許文献２参照）。具体的には、圧縮機吐出圧力から冷媒飽和温度を換算し、圧縮機吐出温度が冷媒飽和温度以下の場合に冷媒が液化して溜まり込んでいると判断し、圧縮機の加熱を実施するものである。

特開平９−１１３０３９号公報特開２０００−２９２０１４号公報

ここで、圧縮機に冷媒が溜まり込むためには、圧縮機内のガス冷媒が凝縮する必要がある。そして、冷媒の凝縮は、例えば圧縮機を覆っているシェルの温度が圧縮機内の冷媒温度よりも低い場合に、圧縮機シェルと冷媒との温度差によって起こる。逆に、圧縮機シェル温度が冷媒温度よりも高ければ冷媒の凝縮は起こらないので、圧縮機を加熱する必要はない。

しかしながら、特許文献１においては、冷媒温度を代表する外気温度だけを考慮しても、圧縮機シェルの温度が外気温度よりも高ければ冷媒は凝縮しないため、圧縮機に冷媒が溜まり込まないにも関わらず圧縮機を加熱してしまい、無駄な電力を消費するという問題点がある。

また、先に圧縮機に冷媒が溜まり込むと、潤滑油濃度及び粘度が低下し、圧縮機の軸が焼き付く危険があると述べたが、実際に圧縮機の回転軸又は圧縮部が焼き付くには潤滑油濃度が所定値まで低下する必要がある。つまり、潤滑油濃度が高く、溜まり込む冷媒が所定値以下であれば、圧縮機が焼き付く状態にはならない。

しかしながら、特許文献２においては、吐出温度及び吐出圧力から換算した冷媒飽和温度によって冷媒の液化を判断しており、潤滑油濃度が高いにも関わらず圧縮機を加熱してしまい、やはり無駄な電力を消費するという問題点がある。

本発明は、上記のような問題点を解消するためになされたものであり、圧縮機に冷媒が溜まり込んでいる状態を適切に判断し、空気調和機の停止中における電力消費を抑制する空気調和機を得ることを目的とする。

本発明に係る空気調和機は、圧縮機、熱源側熱交換器、膨張弁及び利用側熱交換器が冷媒配管によって順に環状に接続された冷媒回路と、前記圧縮機が停止中の状態において前記圧縮機を加熱する圧縮機加熱手段と、前記圧縮機の表面温度（以下、圧縮機温度という）を検出する圧縮機温度検出手段と、前記圧縮機内の冷媒温度を検出する冷媒温度検出手段と、前記圧縮機加熱手段による前記圧縮機への加熱動作を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記圧縮機温度が前記冷媒温度よりも小さい場合に、前記圧縮機温度及び前記冷媒温度に基づいて前記圧縮機内に滞留した潤滑油に溶け込んだ液冷媒の量（以下、液冷媒量という）を推定し、前記圧縮機が停止中の状態において、推定した前記液冷媒量が前記圧縮機の正常動作を確保するために許容しうる液冷媒量である許容液冷媒量よりも大きい場合、前記圧縮機加熱手段による前記圧縮機の加熱動作を開始することを特徴とする。

本発明に係る空気調和機によれば、推定した圧縮機内の液冷媒量に基づいて、加熱手段による圧縮機の加熱動作を制御するので、圧縮機内の潤滑油に溶け込んだ液冷媒量が少なくなり、圧縮機の加熱がこれ以上必要ないにも関わらず圧縮機を加熱するような動作を防止することができる。

本発明の実施の形態に係る空気調和機５０の全体構成図である。本発明の実施の形態１に係る空気調和機５０における圧縮機１の内部構成図である。本発明の実施の形態１に係る空気調和機５０における停止中の圧縮機１の圧縮機温度、圧縮機１内の冷媒温度、及び、液冷媒量の経示変化を示す図である。本発明の実施の形態１に係る空気調和機５０における圧縮機１の加熱制御動作を示すフローチャートである。飽和圧力と飽和温度との関係を示すグラフである。本発明の実施の形態２に係る空気調和機５０における停止中の圧縮機１の圧縮機温度、圧縮機１内の液冷媒量、及び、潤滑油１００の粘度の経示変化を示す図である。本発明の実施の形態２に係る空気調和機５０における圧縮機１の冷媒温度と圧縮機温度の経時変化を示す図である。冷媒温度変化量ΔＴｒに対する圧縮機１内で寝込む液冷媒量Ｍｒを示す図である。圧縮機１を加熱した場合における加熱時間ｄＴｈと蒸発する液冷媒量Ｍｒとの関係を示す図である。本発明の実施の形態２に係る空気調和機５０における圧縮機１の加熱制御動作を示すフローチャートである。潤滑油１００に対する冷媒の溶解特性を示す図である。

実施の形態１．
（空気調和機５０の全体構成）
図１は、本発明の実施の形態に係る空気調和機５０の全体構成図である。
図１で示されるように、空気調和機５０は、室外機５１及び室内機５２を備えており、この室外機５１及び室内機５２を循環する冷媒の流通回路である冷媒回路４０を備えている。

冷媒回路４０は、室外機５１が備える熱源側冷媒回路である室外冷媒回路４１、室内機５２が備える利用側冷媒回路である室内冷媒回路４２、並びに、この室外冷媒回路４１及び室内冷媒回路４２を接続する液側接続配管６及びガス側接続配管７によって構成されている。

室外冷媒回路４１は、少なくとも、圧縮機１、四方弁２、室外熱交換器３、膨張弁４、液側閉鎖弁８及びガス側閉鎖弁９、並びに、これらを接続する冷媒配管によって構成されている。この室外冷媒回路４１においては、ガス側閉鎖弁９、四方弁２、圧縮機１、四方弁２、室外熱交換器３、膨張弁４、そして、液側閉鎖弁８の順で冷媒配管によって接続されている。この室外冷媒回路４１のうち圧縮機１の冷媒の吸入部に接続されている冷媒配管に、冷媒圧力を検出する圧力センサー２５が設置されている。
なお、室外熱交換器３及び圧力センサー２５は、それぞれ本発明における「熱源側熱交換器」及び「冷媒圧力検出手段」に相当する。

圧縮機１は、吸入したガス冷媒を圧縮し高温高圧のガス冷媒として吐出するものである。この圧縮機１には、圧縮機１を加熱する圧縮機加熱部１０、圧縮機１の表面温度、すなわち、圧縮機温度を検出する圧縮機温度センサー２１、及び、圧縮機１内の冷媒温度を検出する冷媒温度センサー２２が設置されている。
なお、圧縮機加熱部１０、圧縮機温度センサー２１及び冷媒温度センサー２２は、それぞれ本発明における「圧縮機加熱手段」、「圧縮機温度検出手段」及び「冷媒温度検出手段」に相当する。

四方弁２は、空気調和機５０が冷房装置として動作する場合と暖房装置として動作する場合とによって、冷媒回路４０における冷媒の流通経路を切り替えるものである。空気調和機５０が冷房装置として動作する場合、四方弁２は、ガス側閉鎖弁９、四方弁２、圧縮機１、四方弁２、室外熱交換器３、膨張弁４、そして、液側閉鎖弁８の順に冷媒が流通するように冷媒経路を切り替える。一方、空気調和機５０が暖房装置として動作する場合、四方弁２は、液側閉鎖弁８、膨張弁４、室外熱交換器３、四方弁２、圧縮機１、四方弁２、そして、ガス側閉鎖弁９の順に冷媒が流通するように冷媒経路を切り替える。
なお、空気調和機が、例えば冷房装置専用又は暖房装置専用として用いる場合等、冷媒回路４０の経路を切り替える必要がない場合は、四方弁２は備えられない構成としてもよい。

室外熱交換器３は、例えば、フィンアンドチューブ型の熱交換器であり、流通する冷媒と外気との熱交換を実施する。また、室外熱交換器３の近傍に、熱交換を促進するための室外ファン１１が設置されている。

膨張弁４は、流入してきた冷媒を減圧し、室外熱交換器３、又は、後述する室内熱交換器５において冷媒が気化しやすい状態にするものである。

液側閉鎖弁８及びガス側閉鎖弁９は、冷媒経路を開放又は閉鎖するものであるが、空気調和機５０の設置後は、それぞれ開放状態となっている。また、液側閉鎖弁８には、前述の液側接続配管６が接続されており、ガス側閉鎖弁９には、前述のガス側接続配管７が接続されている。

室外機５１は、上記の室外冷媒回路４１に加えて、制御装置３１を備えている。
制御装置３１は、演算装置３２を備えており、また、この制御装置３１には前述した圧縮機加熱部１０、圧縮機温度センサー２１、冷媒温度センサー２２及び圧力センサー２５が接続されている。また、制御装置３１は、圧縮機温度センサー２１、冷媒温度センサー２２及び圧力センサー２５の検出値に基づいて、空気調和機５０の運転制御、及び、後述するような圧縮機加熱部１０による加熱動作を制御する。また、制御装置３１は、空気調和機５０が停止中、すなわち、圧縮機１の停止中に、後述する圧縮機１における電動機部６２へ欠相状態で通電するように構成されている。具体的には、欠相状態で通電された電動機部６２は回転せず、コイルへ電流が流れることでジュール熱が発生し、圧縮機１を加熱することができる。つまり、空気調和機５０の停止中は、電動機部６２が前述の圧縮機加熱部１０となる。
なお、圧縮機加熱部１０は、電動機部６２である構成に限られるものではなく、別途備えられる電気ヒーターであるものとしてもよい。

室内冷媒回路４２は、少なくとも、室内熱交換器５、並びに、前述のガス側接続配管７及び液側接続配管６とこの室内熱交換器５を接続する冷媒配管によって構成されている。
なお、室内熱交換器５は、本発明における「利用側熱交換器」に相当する。

室内熱交換器５は、例えば、フィンアンドチューブ型の熱交換器であり、流通する冷媒と室内空気との熱交換を実施する。また、室内熱交換器５の近傍に、熱交換を促進するための室内ファン１２が設置されている。

（圧縮機１の内部構成及び動作）
図２は、本発明の実施の形態１に係る空気調和機５０における圧縮機１の内部構成図である。
図２で示されるように、圧縮機１は、例えば、全密閉式圧縮機であり、少なくとも、圧縮機１の外殻である圧縮機シェル部６１、後述する圧縮部６３に冷媒の圧縮動作をさせる電動機部６２、冷媒を圧縮する圧縮部６３、電動機部６２の回転動作に伴って回転する回転軸６４、圧縮部６３から圧縮されたガス冷媒を吐出する吐出部６５、及び、圧縮部６３に冷媒を吸入する吸入部６６によって構成されている。また、圧縮機シェル部６１にはその表面温度を検出する圧縮機温度センサー２１が設置されており、圧縮機１の内部には、圧縮部６３及び回転軸６４に供給され動作の潤滑に利用される潤滑油１００が貯留されている。

電動機部６２は、三相電動機によって構成されており、インバーター（図示せず）を通じて電力が供給される。このインバーターの出力周波数が変化すると、電動機部６２の回転数が変化して、圧縮部６３の圧縮容量が変化する。

吸入部６６から吸入された冷媒は、圧縮部６３へ吸引後、圧縮される。この圧縮部６３で圧縮された冷媒は、一度、圧縮機シェル部６１内部に放出され、吐出部６５から吐出される。このとき、圧縮機１内部は高圧となっている。

（圧縮機１の加熱動作における状態量の経示変化）
図３は、本発明の実施の形態１に係る空気調和機５０における停止中の圧縮機１の圧縮機温度、圧縮機１内の冷媒温度、及び、液冷媒量の経示変化を示す図である。

空気調和機５０が停止中、冷媒回路４０における冷媒は、その構成要素のうち一番温度が低い部分で凝縮して溜まり込む。このため、圧縮機１の温度が冷媒の温度よりも低ければ、圧縮機１に冷媒が溜まり込む可能性がある。圧縮機１内で冷媒が凝縮して溜まると、潤滑油１００へ冷媒が溶け込むことで潤滑油１００の濃度が低下し、粘度も低下する。この状態で圧縮機１を起動すると、粘度の低い潤滑油１００が圧縮部６３及び回転軸６４へ供給され、潤滑不良によって焼き付く危険がある。また、冷媒が溜まり込むことによって圧縮機１内の潤滑油１００の液面が上昇すると、圧縮機１の起動負荷が増加し、空気調和機５０の起動時に過電流とみなされ、空気調和機５０が起動できない不具合が生じる。

そこで、空気調和機５０が停止中、すなわち、圧縮機１の停止中に、制御装置３１が、圧縮機加熱部１０を制御して圧縮機１を加熱することで、圧縮機１内の潤滑油１００に溶け込んだ液冷媒の蒸発により潤滑油１００に溶け込んでいる冷媒量が減少し、潤滑油１００の濃度低下を抑制できる。

ここで、図３は、空気調和機５０が停止中に、液冷媒が溜まっている圧縮機１が圧縮機加熱部１０によって加熱された場合の圧縮機温度、冷媒温度、及び、液冷媒量の経時変化を示したものであるが、ここでは、外気温度が変化していないとして、冷媒温度は一定としている。図３で示されるように、状態Ｉは、圧縮機１が圧縮機加熱部１０によって加熱され始めてから、潤滑油１００中の液冷媒の全てが気化されるまでの状態を示している。そして、状態IIは、潤滑油１００中の液冷媒の全てが気化された後の状態を示している。

状態Ｉにおいては、圧縮機１内の潤滑油１００に液冷媒が溶け込んでおり、圧縮機加熱部１０によって供給される熱量のほとんどは、その液冷媒の気化に寄与されるため、圧縮機温度センサー２１によって検出される圧縮機温度はほとんど変化しない。しかし、液冷媒が全て気化して状態IIになると、圧縮機加熱部１０によって供給される熱量は、圧縮機温度の上昇に寄与されるため、図３で示されるように、圧縮機温度は所定の傾きで増加する。つまり、制御装置３１は、所定時間における圧縮機温度の変化率によって、圧縮機１内に液冷媒が溜まっているか否かを判断することができる。

（圧縮機１の加熱制御動作）
図４は、本発明の実施の形態１に係る空気調和機５０における圧縮機１の加熱制御動作を示すフローチャートである。

（Ｓ１１）
制御装置３１は、空気調和機５０が停止した後、電動機部６２を欠相状態で通電させて圧縮機加熱部１０として動作させ、圧縮機１を加熱させる。

（Ｓ１２）
制御装置３１は、圧縮機温度センサー２１によって検出された圧縮機温度、及び、冷媒温度センサー２２によって検出された冷媒温度を受信する。

（Ｓ１３）
制御装置３１における演算装置３２は、受信した圧縮機温度に基づいて所定時間における圧縮機温度変化率Ｒｃ１、及び、受信した冷媒温度に基づいて所定時間における冷媒温度変化率Ｒｒ１を算出する。

（Ｓ１４）
制御装置３１は、演算装置３２によって算出された圧縮機温度変化率Ｒｃ１及び冷媒温度変化率Ｒｒ１の大小を判定する。その判定の結果、圧縮機温度変化率Ｒｃ１が冷媒温度変化率Ｒｒ１よりも大きい場合、ステップＳ１５へ進む。そうでない場合、ステップＳ１１へ戻る。

（Ｓ１５）
制御装置３１は、圧縮機温度変化率Ｒｃ１が冷媒温度変化率Ｒｒ１よりも大きいと判定した場合、圧縮機１内の潤滑油１００に含まれる液冷媒が全て気化したと判断し、電動機部６２への通電を停止させ、圧縮機１の加熱動作を終了する。

（実施の形態１の効果）
以上の動作のように、制御装置３１が圧縮機温度変化率Ｒｃ１が冷媒温度変化率Ｒｒ１よりも大きいと判定した場合、圧縮機１内の潤滑油１００に含まれる液冷媒が全て気化したと判断して、圧縮機１の加熱動作を終了させるので、圧縮機１内の潤滑油１００に含まれる液冷媒が全て気化しているにも関わらず、圧縮機１を加熱してしまうことを防止でき、空気調和機５０の停止中における電力、すなわち、待機電力の消費を抑制することができる。

なお、上記の動作においては、図４におけるステップＳ１４において、制御装置３１が圧縮機温度変化率Ｒｃ１が冷媒温度変化率Ｒｒ１よりも大きいと判定した場合、圧縮機１の加熱動作を終了させるものとしているが、これに限定されるものではなく、圧縮機温度が冷媒温度よりも高い場合は、圧縮機１において冷媒寝込みは発生しないことから、ステップＳ１４において、制御装置３１が圧縮機温度変化率Ｒｃ１が冷媒温度変化率Ｒｒ１よりも大きいか否かを判定することに代えて、又は、それに加えて、圧縮機温度が冷媒温度よりも大きいか否かを判定し、圧縮機温度が冷媒温度よりも高い場合は、圧縮機加熱部１０によって圧縮機１の加熱を実施しないようにするものとしてもよい。このようにすることで、圧縮機温度変化率Ｒｃ１又は冷媒温度変化率Ｒｒ１が小さく誤検知しやすい場合でも、圧縮機１内の冷媒が凝縮しない条件であるにも関わらず圧縮機１を加熱する動作を防止でき、空気調和機５０の停止中における電力、すなわち、待機電力の消費を抑制することができる。

また、本実施の形態においては、圧縮機１が停止中の場合、冷媒回路４０の圧力はどこも同じとなる（均圧）。そして、冷媒回路４０は閉回路であり、回路中に液冷媒が存在すれば、圧力センサー２５によって検出された冷媒圧力は飽和圧力となり、図５で示されるように、飽和圧力Ｐｘは飽和温度Ｔｘに換算できる。そして、冷媒回路４０内の冷媒温度は飽和温度となっていることから、圧縮機１が停止中は、圧力センサー２５によって検出された冷媒の飽和圧力を飽和温度に換算した値を冷媒温度として用いることができる。このとき、冷媒回路４０に設けられた圧力センサー２５によって検出された冷媒の飽和圧力を飽和温度に換算した値を、圧縮機１が停止中における冷媒温度として用いるものとしてもよく、このようにすることで、圧縮機１内の冷媒温度を直接検出する必要はないため、冷媒温度センサー２２を不要とした簡素な構成によって圧縮機１の加熱制御を実施することができる。

また、本実施の形態においては、室外熱交換器３は、冷媒を外気と熱交換させる熱交換器であるため、外気と接触する表面の面積が大きい。また、室外熱交換器３は、例えばアルミニウム又は銅等の熱伝導率が比較的高い金属からなる部材で構成されているのが通常であり、その熱容量が比較的小さい。このため、外気温度が変化すると、室外熱交換器３の温度もほとんど同時に変化する。つまり、室外熱交換器３の温度は、外気温と概ね同じ値となることから、圧縮機１が停止中は冷媒温度として用いることができる。したがって、一般的な空気調和機に既設であり、周囲温度及び室外熱交換器３の表面温度の少なくとも一つを検出する外気温度センサー（図示せず）によって検出される温度を、圧縮機１が停止中における圧縮機１内の冷媒温度として用いることにより、圧縮機１内の冷媒温度を直接検出する必要はないため、冷媒温度センサー２２を不要とした簡素な構成によって圧縮機１の加熱制御を実施することができる。

また、本実施の形態においては、前述したように圧縮機１内には潤滑油１００が滞留している。圧縮機加熱部１０によって潤滑油１００が加熱されても、潤滑油１００に冷媒が溶けている場合は、潤滑油中の冷媒の気化、及び、潤滑油１００の比熱の影響によって、潤滑油１００の温度は潤滑油１００の油面より高い圧縮機１の表面温度よりも低いが、油面より低い圧縮機１の表面温度とほぼ一致する。逆に、潤滑油１００中の冷媒が全て気化した場合、潤滑油１００の温度が潤滑油１００の油面よりも高い圧縮機１の表面温度とほぼ一致する。このとき、圧縮機温度センサー２１を圧縮機１内の潤滑油１００の油面よりも低い位置、特に、圧縮機１のシェル底表面に設置するものとしてもよい。このようにすることで、圧縮機温度センサー２１によって、潤滑油１００の温度をほぼ同一の温度を検出することができ、圧縮機温度を潤滑油１００の温度とみなすことができるので、潤滑油１００内の冷媒が気化したか否かを確実に確認することができる。

さらに、本実施の形態においては、図１で示されるように、圧力センサー２５が圧縮機１内、すなわち、圧縮機シェル部６１内の圧力と同等又は近い値が検出できるように冷媒回路４０に設置されている。ここで、圧縮機１のシェル内部は圧縮機の種類によって異なり、例えば高圧シェルタイプと呼ばれる圧縮機１内の圧力は吐出圧力に近く、低圧シェルタイプと呼ばれる圧縮機１内の圧力は吸入圧力に近い。つまり、図１で示される圧力センサー２５の設置構成に限定せず、圧縮機１の吸入口及び吐出口側の双方に冷媒配管に圧力センサーを備える構成としてもよい。このようにすることによって、圧縮機１の種類に応じて圧縮機１内の正確な圧力を検出することができる。

実施の形態２．
本実施の形態においては、実施の形態１に係る空気調和機５０と相違する点を中心に説明する。
本実施の形態に係る空気調和機５０の構成は、実施の形態１に係る空気調和機５０の構成と同様である。

（圧縮機１の加熱動作における状態量の経示変化）
図６は、本発明の実施の形態２に係る空気調和機５０における停止中の圧縮機１の圧縮機温度、圧縮機１内の液冷媒量、及び、潤滑油１００の粘度の経示変化を示す図である。
図６で示されるように、空気調和機５０が停止中において、制御装置３１が、圧縮機加熱部１０によって圧縮機１を加熱させると、圧縮機１内の潤滑油１００に溶け込んだ液冷媒量は気化して減少する。すると、液冷媒の気化によって圧縮機１内の潤滑油１００の濃度が上昇し、それに伴い粘度（以下、潤滑油粘度という）も上昇する。ここで、圧縮機１において不具合が発生しないための潤滑油粘度を確保できる液冷媒量Ｍｒｍａｘ（図６において点Ｐ１で示される冷媒量で、以下、許容液冷媒量という）が決まっている場合、この許容液冷媒量Ｍｒｍａｘ以下の冷媒量となっていればよく、圧縮機１内の潤滑油１００に液冷媒量が無い状態（状態II）となるまで圧縮機１を加熱する必要はない。このとき、許容液冷媒量Ｍｒｍａｘとなっている場合の潤滑油１００の濃度を、以下、限界潤滑油粘度（図６において点Ｐ２で示される粘度）という。つまり、圧縮機１内の潤滑油１００に溶け込んでいる液冷媒量を推定することができれば、圧縮機１への加熱量を最小限に抑制することができる。

（圧縮機１が停止中に液冷媒が寝込む条件）
図７は、本発明の実施の形態２に係る空気調和機５０における圧縮機１の冷媒温度と圧縮機温度の経時変化を示す図である。図７を参照しながら、圧縮機１が停止中に液冷媒が寝込む現象について説明する。
外気温度は周期的に変化し、圧縮機１が停止中の冷媒温度も外気温度変化に伴い変化するが、このとき、圧縮機温度の変化は圧縮機１の熱容量によって追従性が異なる。圧縮機温度は圧縮機１の熱容量の影響で冷媒温度に対して遅れて追従し、熱容量が小さい圧縮機１（例えば、軽い圧縮機１）は冷媒温度変化に追従しやすく、熱容量が大きい圧縮機１（例えば、重い圧縮機１）は冷媒温度変化に追従しにくく冷媒温度と圧縮機１温度の差が広がる。そして、圧縮機温度が冷媒温度よりも低いときに、圧縮機１内でガス冷媒の凝縮が起こり、圧縮機１内で液冷媒が寝込む。例えば、図７で示されるように冷媒温度が変化するものとし、圧縮機１が熱容量が小さいものである場合、点Ｐ３より前の経過時間においては、冷媒温度＞圧縮機温度となり、圧縮機１内で液冷媒が寝込むが、点Ｐ３以降の経過時間においては、冷媒温度＜圧縮機温度となり、圧縮機１内で冷媒は寝込まない。一方、圧縮機１が熱容量が大きいものである場合、点Ｐ４より前の経過時間においては、冷媒温度＞圧縮機温度となり、圧縮機１内で液冷媒が寝込むが、点Ｐ４以降の経過時間においては、冷媒温度＜圧縮機温度となり、圧縮機１内で冷媒は寝込まない。

（潤滑油１００における液冷媒量の算出方法）
次に、圧縮機１内の潤滑油１００に溶け込んだ液冷媒量Ｍｒと、圧縮機１内の冷媒温度Ｔｒ及び圧縮機１の圧縮機温度Ｔｓとの関係について説明する。ここで、圧縮機１に冷媒が寝込む場合を想定し、圧縮機温度Ｔｓは冷媒温度Ｔｒよりも小さい状態であると仮定する。

圧縮機１内の冷媒と圧縮機１との熱交換量Ｑｒ、冷媒温度Ｔｒ及び圧縮機温度Ｔｓの関係は下記の式（１）によって表される。

Ｑｒ＝Ａ・Ｋ・（Ｔｒ−Ｔｓ）（１）

ここで、Ａは圧縮機１と圧縮機１内の冷媒とが熱交換する伝熱面積であり、Ｋは圧縮機１と圧縮機１内の冷媒との熱通過率を示す。

一方、圧縮機温度Ｔｓと冷媒温度Ｔｒとの温度差によって圧縮機１内の冷媒が凝縮することから、熱交換量Ｑｒと時間変化ｄｔにおける潤滑油１００の液冷媒量変化ｄＭｒとの関係は、冷媒潜熱をｄＨとすると、下記の式（２）で表される。

Ｑｒ＝ｄＭｒ・ｄＨ／ｄｔ（２）

ここで、冷媒潜熱ｄＨは、冷媒の物性によって定まる値である。

上記の式（１）及び式（２）より、時間変化ｄｔにおける液冷媒量変化ｄＭｒ、冷媒温度Ｔｒ及び圧縮機温度Ｔｓの関係は、下記の式（３）で表される。

ｄＭｒ／ｄｔ＝Ｆ・（Ｔｒ−Ｔｓ）（３）

Ｔｓ＜Ｔｒの状態が、ある時刻Ｔ１（このときの液冷媒量をＭｒ１とする）から時刻Ｔ２（このときの液冷媒量をＭｒ２とする）まで続いたとすると、圧縮機１に寝込んだ液冷媒量Ｍｒ（＝Ｍ２−Ｍ１）は上記の式（３）より、下記の式（４）で表される。

Ｍｒ＝Ｍｒ２−Ｍｒ１＝∫Ｆ・（Ｔｒ−Ｔｓ）・ｄｔ（４）

ここで、Ｆは固定値であり、伝熱面積Ａと熱通過率Ｋとの積を冷媒潜熱ｄＨで除した値である。また、圧縮機１の種類が高圧シェルタイプである場合、停止時の液冷媒量を初期液冷媒量とし、この初期液冷媒量を液冷媒量Ｍｒ１とすると、液冷媒量Ｍｒ１は、停止直前の圧縮機１は高温高圧のため液冷媒が存在しないので０となる。つまり、圧縮機１内に寝込む液冷媒量は、圧縮機温度Ｔｓが冷媒温度Ｔｒよりも低くなる（Ｔｓ＜Ｔｒ）状態の時間及びその温度差に比例し、上記の式（４）から推定することが可能となる。

なお、上記の説明のように、圧縮機１に寝込む液冷媒量Ｍｒを上記の式（４）から推定するものとしているが、これに限定されるものではなく、例えば、以下のように推定するものとしてもよい。
図８は、冷媒温度変化量ΔＴｒに対する圧縮機１内で寝込む液冷媒量Ｍｒを示す図である。図７で示されたように、冷媒温度変化に伴う圧縮機温度変化は圧縮機１の熱容量によって異なり、熱容量が大きい圧縮機１ほど圧縮機温度と冷媒温度との差が大きくなるため、圧縮機１に寝込む液冷媒量Ｍｒが多くなる。そして、冷媒温度変化量ΔＴｒが大きいほど、圧縮機温度が冷媒温度よりも低い状態、つまり圧縮機１内に液冷媒が寝込む時間が長く続くため、図８に示すように圧縮機１に寝込む液冷媒量Ｍｒが多くなる。つまり、予め冷媒温度変化量ΔＴｒと圧縮機１内に寝込む液冷媒量Ｍｒとの関係を把握することで、該当する圧縮機１内に寝込む液冷媒量Ｍｒを推定することが可能となる。

（圧縮機加熱部１０による加熱量Ｑｈ及び加熱時間ｄＴｈの算出方法）
一方、圧縮機１内の液冷媒量Ｍｒ２が液冷媒量Ｍｒ１へ変化（全て気化させる場合であればＭｒ１＝０）するために必要な熱量は、圧縮機加熱部１０の加熱量Ｑｈ及び加熱時間ｄＴｈを用いて、下記の式（５）で表される。

Ｑｈ・ｄＴｈ＝（Ｍｒ２−Ｍｒ１）・ｄＨ（５）

上記のように、冷媒潜熱ｄＨの値は冷媒の物性で決まることから、圧縮機加熱部１０の加熱量Ｑｈ及び加熱時間ｄＴｈを操作することによって、圧縮機１内の潤滑油１００における液冷媒量Ｍｒを所定量に調整することができる。例えば、加熱量Ｑｈが一定の場合、上記の式（５）が成立するように加熱時間ｄＴｈを定めることができる。そして、図９で示されるように、加熱時間ｄＴｈは、蒸発させる液冷媒量Ｍｒが多いほど長くなる。

（圧縮機１の加熱制御）
図１０は、本発明の実施の形態２に係る空気調和機５０における圧縮機１の加熱制御動作を示すフローチャートである。

（Ｓ２１）
制御装置３１は、空気調和機５０が停止中において、電動機部６２に通電させず、圧縮機加熱部１０によって圧縮機１を加熱させていないものとする。

（Ｓ２２）
制御装置３１は、圧縮機温度センサー２１によって検出された圧縮機温度Ｔｓ、及び、冷媒温度センサー２２によって検出された冷媒温度Ｔｒを受信する。そして、制御装置３１における演算装置３２は、Ｔｓ＜Ｔｒの状態である経過時間ｄＴをカウントする。

（Ｓ２３）
制御装置３１における演算装置３２は、圧縮機温度Ｔｓ、冷媒温度Ｔｒ及び経過時間ｄＴに基づいて、上記の式（４）から液冷媒量Ｍｒを算出する。

（Ｓ２４）
制御装置３１は、液冷媒量Ｍｒと、圧縮機１内の許容液冷媒量Ｍｒｍａｘとを比較する。この比較の結果、液冷媒量Ｍｒが許容液冷媒量Ｍｒｍａｘ以下であると判定した場合、潤滑油１００の濃度が高いことから、圧縮機１への圧縮機加熱部１０による加熱は不要と判断し、ステップＳ２１へ戻る。一方、液冷媒量Ｍｒが許容液冷媒量Ｍｒｍａｘよりも大きいと判定した場合、潤滑油１００の濃度が低く、圧縮機１への圧縮機加熱部１０による加熱が必要であると判断し、ステップＳ２５へ進む。

（Ｓ２５）
制御装置３１は、電動機部６２を欠相状態で通電させて圧縮機加熱部１０によって圧縮機１を加熱させる。このとき、圧縮機加熱部１０による圧縮機１への加熱量Ｑｈは固定であるものとする。

（Ｓ２６）
制御装置３１における演算装置３２は、ステップＳ２３において算出して推定した液冷媒量Ｍｒ、目標とする液冷媒量Ｍｒ＊、加熱量Ｑｈ、及び、冷媒潜熱ｄＨに基づいて、上記の式（５）から加熱時間ｄＴｈを決定する。

（Ｓ２７）
制御装置３１は、圧縮機加熱部１０によって圧縮機１の加熱し始めてからの加熱経過時間をカウントし、その加熱経過時間が加熱時間ｄＴｈを超えたか否かを判定する。この判定の結果、加熱経過時間が加熱時間ｄＴｈ以下である場合、圧縮機加熱部１０による圧縮機１への加熱動作の継続が必要であると判断し、ステップＳ２５へ戻る。一方、加熱経過時間が加熱時間ｄＴｈを超えた場合、圧縮機加熱部１０による圧縮機１への加熱動作は必要ないと判断し、ステップＳ２８へ進む。

（Ｓ２８）
制御装置３１は、電動機部６２への通電を停止させ、圧縮機１の加熱動作を終了する。

なお、ステップＳ２５及びステップＳ２６において、加熱量Ｑｈは固定であるものとして、式（５）から加熱時間ｄＴｈを決定する動作としたが、これに限定されるものではなく、加熱時間ｄＴｈを固定であるものとして、式（５）から加熱量Ｑｈを決定し、その加熱量Ｑｈによって、固定値である加熱時間ｄＴｈだけ、圧縮機１を加熱する動作としてもよい。

（実施の形態２の効果）
以上の動作のように、圧縮機加熱部１０の加熱量Ｑｈ、又は、加熱時間ｄＴｈを調整して圧縮機１への加熱動作を制御することによって、圧縮機１内の潤滑油１００に溶け込んだ液冷媒量が少なくなり、圧縮機１の加熱がこれ以上必要ないにも関わらず圧縮機１を加熱するような動作を防止することができ、空気調和機５０の停止中における電力、つまり、待機電力の消費を抑制することができる。

また、本実施の形態においては、圧縮機１内に液冷媒が寝込むのは圧縮機温度Ｔｓが冷媒温度Ｔｒよりも低い条件の場合、すなわち、圧縮機１内に液冷媒が溜まる条件において、圧縮機１への加熱が必要と判断し、空気調和機５０が停止中において、制御装置３１によって圧縮機加熱部１０による圧縮機１の加熱動作が実施されているので、圧縮機１内において液冷媒が溜まり込むことを抑制することができる。

なお、本実施の形態においては、圧縮機温度センサー２１によって検出された圧縮機温度Ｔｓ、及び、冷媒温度センサー２２によって検出された冷媒温度Ｔｒによって液冷媒量Ｍｒを推定する動作としているが、これに限られるものではなく、以下に説明するような、圧縮機温度センサー２１によって検出された圧縮機温度、及び、圧力センサー２５によって検出される冷媒圧力によって液冷媒量を推定する動作としてもよい。
図１１は、潤滑油１００に対する冷媒の溶解特性を示す図である。この図１１で示される溶解特性から、圧縮機１内の潤滑油１００の濃度は、圧縮機温度センサー２１によって検出され、潤滑油温度とみなすことができる圧縮機温度、及び、圧力センサー２５によって検出された冷媒圧力に基づいて推定することができる。そして、圧縮機１内の潤滑油１００の量、及び、上記の推定した潤滑油１００の濃度から、液冷媒量を推定することができる。
また、この推定した液冷媒量に基づいて、上記のステップＳ２３で算出した液冷媒量を補正する動作としてもよく、この場合、圧縮機１内の液冷媒量を精度よく推定することができ、これによって、制御装置３１は、圧縮機加熱部１０による圧縮機１の加熱動作を精度よく制御することができる。

本発明の活用例として、停止中に圧縮機を加熱する手段を備えた冷凍装置についても適用することができる。

１圧縮機、２四方弁、３室外熱交換器、４膨張弁、５室内熱交換器、６液側接続配管、７ガス側接続配管、８液側閉鎖弁、９ガス側閉鎖弁、１０圧縮機加熱部、１１室外ファン、１２室内ファン、２１圧縮機温度センサー、２２冷媒温度センサー、２５圧力センサー、３１制御装置、３２演算装置、４０冷媒回路、４１室外冷媒回路、４２室内冷媒回路、５０空気調和機、５１室外機、５２室内機、６１圧縮機シェル部、６２電動機部、６３圧縮部、６４回転軸、６５吐出部、６６吸入部、１００潤滑油。

Claims

圧縮機、熱源側熱交換器、膨張弁及び利用側熱交換器が冷媒配管によって順に環状に接続された冷媒回路と、
前記圧縮機が停止中の状態において前記圧縮機を加熱する圧縮機加熱手段と、
前記圧縮機の表面温度（以下、圧縮機温度という）を検出する圧縮機温度検出手段と、
前記圧縮機内の冷媒温度を検出する冷媒温度検出手段と、
前記圧縮機加熱手段による前記圧縮機への加熱動作を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記圧縮機温度が前記冷媒温度よりも小さい場合に、前記圧縮機温度及び前記冷媒温度に基づいて前記圧縮機内に滞留した潤滑油に溶け込んだ液冷媒の量（以下、液冷媒量という）を推定し、
前記圧縮機が停止中の状態において、推定した前記液冷媒量が前記圧縮機の正常動作を確保するために許容しうる液冷媒量である許容液冷媒量よりも大きい場合、前記圧縮機加熱手段による前記圧縮機の加熱動作を開始する
ことを特徴とする空気調和機。
圧縮機、熱源側熱交換器、膨張弁及び利用側熱交換器が冷媒配管によって順に管状に接続された冷媒回路と、
前記圧縮機が停止中の状態において前記圧縮機を加熱する圧縮機加熱手段と、
前記圧縮機内の冷媒温度を検出する冷媒温度検出手段と、
前記圧縮機加熱手段による前記圧縮機への加熱動作を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記冷媒温度の変化量に基づいて前記圧縮機内に滞留した潤滑油に溶け込んだ液冷媒の量（以下、液冷媒量という）を推定し、
前記圧縮機が停止中の状態において、推定した前記液冷媒量が前記圧縮機の正常動作を確保するために許容しうる液冷媒量である許容液冷媒量よりも大きい場合、前記圧縮機加熱手段による前記圧縮機の加熱動作を開始する
ことを特徴とする空気調和機。
圧縮機、熱源側熱交換器、膨張弁及び利用側熱交換器が冷媒配管によって順に環状に接続された冷媒回路と、
前記圧縮機が停止中の状態において前記圧縮機を加熱する圧縮機加熱手段と、
前記圧縮機の表面温度（以下、圧縮機温度という）を検出する圧縮機温度検出手段と、
前記圧縮機内の冷媒温度を検出する冷媒温度検出手段と、
前記圧縮機加熱手段による前記圧縮機への加熱動作を制御する制御装置と、
前記圧縮機内の冷媒圧力を検出する冷媒圧力検出手段と
を備え、
前記液冷媒は、前記圧縮機内に貯留されている潤滑油に溶け込んでおり、
前記制御装置は、
前記圧縮機温度が前記冷媒温度よりも小さい場合に、前記圧縮機温度及び前記冷媒温度に基づいて前記圧縮機内の液冷媒の量（以下、液冷媒量という）を推定し、
前記潤滑油に対する前記液冷媒の溶解特性、前記圧縮機温度、及び、前記冷媒圧力に基づいて、推定した前記液冷媒量に対して補正をし、最終的に前記液冷媒量を推定し、
前記圧縮機が停止中の状態において、推定した前記液冷媒量に基づいて前記圧縮機加熱手段による前記圧縮機の加熱動作を制御する
ことを特徴とする空気調和機。
前記制御装置は、
前記圧縮機の液冷媒量が、推定した前記液冷媒量から、前記許容液冷媒量以下になるように、前記圧縮機加熱手段による前記圧縮機の加熱動作を制御する
ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の空気調和機。
前記制御装置は、
前記圧縮機加熱手段による所定の加熱量によって、前記圧縮機の液冷媒量が前記許容液冷媒量以下とするために必要な加熱時間を算出し、
前記圧縮機加熱手段によって前記圧縮機の加熱動作を前記加熱時間だけ実施させる
ことを特徴とする請求項４記載の空気調和機。
前記制御装置は、
前記圧縮機加熱手段による所定の加熱時間によって、前記圧縮機の液冷媒量が前記許容液冷媒量以下とするために必要な加熱量を算出し、
前記圧縮機加熱手段によって前記圧縮機の加熱動作を前記加熱量で前記加熱時間だけ実施させる
ことを特徴とする請求項４記載の空気調和機。
前記制御装置は、前記圧縮機温度が前記冷媒温度よりも大きい場合、前記圧縮機加熱手段による前記圧縮機の加熱動作を実施させない
ことを特徴とする請求項１又は請求項３記載の空気調和機。
前記冷媒温度検出手段に代えて、前記熱源側熱交換器の周囲の温度及びその表面温度の少なくとも一つを検出する外気温度検出手段を備え、
前記冷媒温度は、前記外気温度検出手段によって検出された温度とする
ことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載の空気調和機。
前記圧縮機温度検出手段は、前記圧縮機内に貯留されている潤滑油の液面よりも低い位置に設置された
ことを特徴とする請求項１、請求項３又は請求項７記載の空気調和機。