JP5709844B2 - 空気調和装置 - Google Patents
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Description
しかし近年の二酸化炭素といった自然冷媒化の傾向により、圧縮機などの機械要素に対しては、高粘度の冷凍機油が必要とされる。高粘度の冷凍機油は冷媒に対する溶解性が低く、冷凍サイクル内に滞留しやすい。熱交換器に滞留すれば伝熱性能が低下し、熱交換器、配管、あるいは容器に滞留すれば圧縮機内部の油量が低下し、信頼性が損なわれる。
これに対応して、圧縮機が低周波数で運転していると、室内熱交換器を放熱器となるようにし、周波数を増加させ油戻し運転を行うものがある。(例えば、特許文献1参照。)
さらに遷移臨界サイクルとなるため、フロン系冷媒での二相冷媒−冷凍機油系や液冷媒−冷凍機油系での、冷媒が過熱ガス状態である箇所を主体とした返油技術が適用できず、放熱器、高圧配管、高圧容器における超臨界冷媒−冷凍機油系での返油技術についての考察がない。
図1はこの発明の実施の形態1における空気調和装置の冷媒回路図を示すものである。以下、この発明の実施の形態1について説明する。
図1において、1は室外機、10p、10qは室内機、15は室外機1に接続されるガス主管、13p、13qは室内機10p、10qに接続されるガス枝管、14はガス主管15とガス枝管13p、13qとの分岐点、7は室外機1に接続される液主管、9p、9qは室内機10p、10qに接続される液枝管、8は液主管7と液枝管9p、9qとの分岐点である。
22は、過冷却熱交換器5と液主管7との間より分岐し、アキュームレータ16と四方弁3を繋ぐ配管へ合流する過冷却バイパスである。この過冷却バイパス22に、過冷却調整弁21、過冷却熱交換器5が接続されている。16aは圧縮機2の吸入側に接続されるアキュームレータ16にあるU字管であり、16b、16c、16dはアキュームレータ16の返油穴である。また、40aは室外機1の制御装置である。
室外機1における温度センサは、32aが圧縮機2とオイルセパレータ17の間、32bが圧縮機2とアキュームレータ16の間、32cは室外熱交換器4と四方弁3の間、32dは室外熱交換器4と過冷却熱交換器5の間、32eは過冷却熱交換器5と室外膨張機構6と過冷却調整弁21との間、32jは過冷却熱交換器5とアキュームレータ16と四方弁3との間にそれぞれ設けられていて、それぞれの設置場所の温度を計測する。また温度センサ32kは室外機1の周囲温度を計測する。
なお以下では、各制御装置40a、40p、40qの制御装置全体を指す場合は制御装置40として説明する。ここでは制御装置40aを室外機1に、制御装置40p、40qを室内機10p、10qに分けて設置しているが、一箇所にまとめて設置してもよい。また1つの装置で各装置の制御を行うようにしてもよい。制御装置40の機能を実行する内部構成については後述する。
従来のフロン系冷媒は、冷凍サイクルにおいて超臨界状態は使われず、気相・液相・気液二相のみである。冷凍サイクルでの動作状態や制御目標として、“飽和温度”、“過冷却度”、“過熱度”が広く用いられる。
これに対して二酸化炭素は気相・液相・気液二相の他に超臨界の状態になりうる。“ガス”主管、“過冷却”熱交換器などの名称は、冷媒状態を示すものではなく、超臨界状態も当然含まれる。ここで従来のフロン系冷媒で広く用いられる“飽和温度”、“過冷却度”、“過熱度”の概念を、超臨界状態でも類似解釈することを考える。
“過冷却”という概念は臨界圧力以上では含まれないが、臨界圧力以上の圧力値における“擬似”飽和温度を、 (“擬似”飽和温度)=(圧力値と臨界エンタルピとなる温度) で定義することにより、 (“擬似”過冷却度)=(“擬似”飽和温度)−(温度) とすることで定義できる。以降では、“擬似”飽和温度や“擬似”過冷却度を、臨界圧力以下の飽和温度や過冷却度と同じ扱いをする。なお、(“擬似”飽和温度)=(圧力値における定圧比熱が極大値となるときの温度)、(“擬似”過冷却度)=(“擬似”飽和温度)−(温度) と定義してもよい。このようにすることで、従来のフロン系冷媒での蒸気圧縮サイクルと同様の制御手法を流用することができ、設計負荷を減少させることができ、信頼性を確保することができる。
これにより同一能力の場合エンタルピ差が増大するため必要冷媒流量を低減でき、圧損低減による性能改善の効果がある。さらには、室外機から出て室内機を経由して再度室外機に戻る経路の冷凍機油を低減でき、圧縮機信頼性改善の効果がある。
なお、ここでいう高圧、低圧は冷媒回路内における圧力の相対的な関係を表すものとする(温度についても同様である)。
またオイルセパレータ17で分離出来なかった冷凍機油は、冷媒回路を長い時間を要しながらも循環してアキュームレータ16内に溜まる。
また室外膨張機構6は室外膨張制御手段45によって予め定められた初期開度、例えば全開または全開に近い開度に制御される。また過冷却調整弁21は、過冷却熱交換器過熱度制御手段44によって、(温度センサ32jの温度)−(圧力センサ31bで計測される圧力から換算される飽和温度)、で演算される過冷却熱交換器5の低圧側出口過熱度目標値となるように開度制御される。この目標値として例えば2℃が用いられ、過冷却熱交換器5の仕様に見合った熱交換が実現できる。
さらに、流量制御手段46は、放熱器の冷媒流量(又は冷媒流速)を調節するために、圧縮機2の容量と室外熱交換器4の熱交換量を制御する。
ここで、圧縮機制御手段41、室外熱交換量制御手段42、過冷却熱交換器過熱度制御手段44、室外膨張制御手段45、および流量制御手段46は、室外機1にある制御装置40aに備えられ、室内過熱度制御手段43は室内機10p,10qにある制御装置40p、40qに備えられている。
さらに、流量制御手段46は、放熱器の冷媒流量(又は冷媒流速)を調節するために、圧縮機2の容量と室内膨張機構11p,11qを制御する。
なお、圧縮機制御手段41、室外熱交換量制御手段42、過冷却熱交換器過熱度制御手段44、室外膨張制御手段45、および流量制御手段46は、室外機1にある制御装置40aに備えられ、室内過冷却度制御手段47は室内機10p、10qにある制御装置40p、40qに備えられる。
室内機の一部が停止するに応じて蒸発温度を一定に保つため、圧縮機周波数は減少する。室内熱交換量と圧縮機入力が減少するので、(室外熱交換量)=(室内熱交換量)+(圧縮機入力)が成立するために室外熱交換量が低下する。
ただし、冷媒循環量が微小であるために、冷凍機油が滞留しやすい。かといって冷媒循環量を増加させれば、負荷に応じて室内機を停止したことにはならないので、負荷調整のためにも、冷媒流量は微小としている。冷凍機油の滞留に対しては、後述の返油運転により圧縮機信頼性を確保する。
以上のように、制御するので冷房運転と暖房運転ともに、室内負荷が変動しても空気調和装置が追従できることができる。
次にステップS2で、空気調和装置の運転開始後、予め定めた所定時間(例えば5分、10分等)が経過したかどうかを判断する。
ステップS6で演算値が予め定めた閾値以上であれば油が滞留することはないので、ステップS3に戻る。しかし負荷側要求や外気温度などの環境条件により部分負荷運転となると、冷媒速度が低下し、演算値が閾値より小さくなるとステップS7に進む。
以上のように放熱器出口の冷媒速度を利用して制御することにより、制御安定性を保ちながら冷凍機油を滞留させないようにすることができる。
しかし可視化実験などを通じて、フラッティング速度式に冷凍機油と冷媒の物性を代入して得られた値(例えば0.2[m/s])以上の冷媒速度で滞留油量が増加し、その際に流動様式が変化する結果が得られている。
また第2の閾値は、ある特定の時間内に滞留した冷凍機油を戻すことより定まっており、上記閾値よりも大きく、例えば、上記閾値の1.5倍が第2の閾値である。
まず、ステップS100で、圧縮機2等が起動して空気調和装置による暖房運転が開始される。ステップS101で、制御装置40を構成する各制御手段は、各センサの初期状態検知に応じた初期設定による固定値を設定する。
次にステップS102で、空気調和装置の運転開始後、予め定めた所定時間(例えば5分、10分等)が経過したかどうかを判断する。
室内機が運転中では、ステップS105で冷房運転時と同様にして冷媒速度を演算する。ステップS106でその演算値が予め定めた閾値以上であれば、冷凍機油が滞留することがないので、ステップS103に戻る。ステップS106で演算値が閾値より小さければ、ステップS110で室内膨張機構11p,11qと圧縮機2の周波数を記憶する。
ステップS117で一定時間が経過すればステップS118でステップS110にて記憶した状態に戻し、ステップS103へ戻る。
ステップS104で室内機が停止の場合も上記とほぼ同様の操作を行う。ただし、図7Bではフローの一部を省略している。なお、ここでは、ステップS112に対応するステップS132において、室内膨張機構11p、11qを増加させると共に圧縮機2の周波数を増加させている。
さらに、室内機10qも室内機10pに準じて制御される。
なお、図7B中におけるS111とS131のステップは省いても良く、上記の説明においては、それらがないものとして説明した。
本実施の形態の空気調和装置は以上のような構成をしているので、どのような運転状況においても放熱器内に多くの冷凍機油を滞留させることがなくなり、装置の信頼性を適切に確保することができる。
また本実施例では演算値として、平均的な冷媒速度を演算したが、パスバランスが悪い放熱器で予め最悪となる冷媒速度を把握していれば、該当のパスを対象とした冷媒速度を演算してもよい。それにより滞留するパスで判断するため、信頼性が向上する。
Claims (8)
- 圧縮機と、放熱器と、膨張機構と、蒸発器が接続された冷凍サイクル用の冷媒回路に、遷移臨界サイクルとなる冷媒と、前記冷媒に対して相溶性の小さな冷凍機油とを用いる空気調和装置において、
前記冷媒回路に設けられた流量調整機構と、前記流量調整機構を制御する流量制御手段を有し、
超臨界状態である放熱器の出口側の冷媒速度が所定の閾値より小さい場合、前記流量制御手段により前記放熱器の出口側の冷媒速度を増加させて、少なくとも所定時間、前記圧縮機から吐出された冷凍機油を前記圧縮機へ戻す返油運転を行い、
前記所定の閾値は、前記冷媒及び冷凍機油が環状流から層状流へ変化する間の値とする
ことを特徴とする空気調和装置。 - 前記放熱器が複数あり、前記放熱器毎に前記冷媒速度を判断し、各放熱器毎に返油運転を実行することを特徴とする請求項1に記載の空気調和装置。
- 前記放熱器が複数のパスを有し、前記冷媒速度が、前記パス毎の冷媒速度のいずれか一つ、あるいは平均値であることを特徴とする請求項1又は2に記載の空気調和装置。
- 前記膨張機構が前記流量調整機構の機能を備え、前記流量制御手段が前記膨張機構の開度を変化させることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の空気調和装置。
- 前記放熱器が複数のパスを有し、返油運転の条件となる前記冷媒速度が、前記パス毎の冷媒速度のいずれか一つ、あるいは平均値であり、
前記放熱器の入口に複数の開閉弁を設け、前記膨張機構が前記流量調整機構の機能を備え、前記圧縮機の出口から前記蒸発器の入口までの複数の経路を有し、ある放熱器出口側の冷媒速度がある閾値より小さい場合は、冷媒速度が前記閾値以上の他のいくつかの放熱器に対応する開閉弁を閉とすることを特徴とする請求項1または3に記載の空気調和装置。 - 前記圧縮機が周波数変更による容量制御可能なものであり、前記流量制御手段が前記圧縮機の周波数を変化させることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の空気調和装置。
- 前記冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の空気調和装置。
- 前記閾値が0.3[m/s]から0.7[m/s]までの間であることを特徴とする請求項7に記載の空気調和装置。
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