JP6184503B2 - 油面検知装置及びこの油面検知装置を搭載した冷凍空調装置 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の実施の形態1〜3に係る冷凍空調装置1の冷媒回路構成の一例を示す概略構成図である。図1に基づいて、冷凍空調装置1の冷媒回路構成及び動作について説明する。この冷凍空調装置1は、例えばビルやマンション等に設置され、蒸気圧縮式の冷凍サイクル運転を行うことによって、設置される空調対象域の冷房や暖房に使用されるものである。なお、図1を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。
冷凍空調装置1は、主として、熱源機としての室外機2と、それに並列に接続された複数台(図1では2台を図示している)の利用ユニットとしての室内機4(室内機4A、室内機4B)とを備えている。また、冷凍空調装置1は、室外機2と室内機4とを接続する延長配管(液延長配管(第2延長配管)6、ガス延長配管(第1延長配管)7)を有している。すなわち、冷凍空調装置1は、室外機2と室内機4とが冷媒配管で接続されて冷媒が循環する冷媒回路10を有している。なお、液延長配管6は、主液延長配管6A、枝液延長配管6a、枝液延長配管6b、及び、分配器51aを備えている。また、ガス延長配管7は、主ガス延長配管7A、枝ガス延長配管7a、枝ガス延長配管7b、及び、分配器52aを備えている。冷媒には、ここではR410Aが用いられる。
室内機4A、室内機4Bは、室外機2からの冷熱又は温熱の供給を受けて空調対象域に冷房空気又は暖房空気を供給するものである。なお、以下の説明においては、室内機4の後の「A」、「B」を省略する場合があるが、その場合には室内機4A、室内機4Bの双方を示しているものとする。また、「室内機4A」系統の各機器(回路の一部も含む)の符号の後に「A(又はa)」を付加し、「室内機4B」系統の各機器(回路の一部も含む)の符号の後に「B(又はb)」を付加して図示している。これらの説明においても、符号の後の「A(又はa)」、「B(又はb)」を省略する場合があるが、双方の機器を示していることは言うまでもない。
室外機2は、室内機4に冷熱又は温熱を供給する機能を有している。室外機2は、例えばビル等の室外に設置されており、液延長配管6、ガス延長配管7で室内機4から延長して接続されており、冷媒回路10の一部を構成している。つまり、室外機2から流出して主液延長配管6Aを流れる冷媒は、分配器51aを介して枝液延長配管6aと枝液延長配管6bとに分流され、室内機4A、室内機4Bのそれぞれに流入するようになっている。同様に、室外機2から流出して主ガス延長配管7Aを流れる冷媒は、分配器52aを介して枝ガス延長配管7aと枝ガス延長配管7bとに分流され、室内機4A、室内機4Bのそれぞれに流入するようになっている。
圧縮機21は、外部より冷媒を吸入して圧縮する圧縮部21aと、固定子及び回転子を有する電動部21bと、この圧縮部21aと電動部21bとを連結し、電動部21bの発生する回転力を圧縮部21aに伝達する主軸21cとを有し、これらが密閉容器21A内に収容された構成を有している。主軸21cは密閉容器21A内において上下方向に延びるように配置されており、軸受け部21dによって軸支されている。また、主軸21cの下端にはオイルポンプ21eが設けられており、密閉容器21Aの下部に貯留された油を吸い上げて主軸21c及び圧縮部21aの各摺動部へ供給する。
制御部3は、圧力センサー(吸入圧力センサー34a、吐出圧力センサー34b)、温度センサー(ガス側温度センサー33f、33i、液側温度センサー33e、33h、室内温度センサー33g、33j、吸入温度センサー33a、吐出温度センサー33b、室外温度センサー33c、液管温度センサー33d、熱交温度センサー33k、液側温度センサー33l)の検出信号を受けることができるようにこれらのセンサー(検出部)と接続されている。また、制御部3は、これらのセンサーの検出信号等に基づいて各種機器(圧縮機21、室外ファン27、室内ファン43、流量制御弁として機能する膨張弁41)を制御することができるように各種機器に接続されている。
延長配管(液延長配管6、ガス延長配管7)は、室外機2と室内機4とを接続し、冷凍空調装置1内の冷媒を循環させるものである。つまり、冷凍空調装置1は、冷凍空調装置1を構成している各種機器を延長配管で配管延長することで冷媒回路10を形成し、この冷媒回路10に冷媒を循環させることで、冷房運転や暖房運転が実行可能になっているのである。
図4は、本発明の実施の形態1に係る油面検知装置の構成を示すブロック図である。
油面検知装置60は、基準センサ36及び油面検知センサ37を有する油面検知部70と、基準センサ36及び油面検知センサ37のそれぞれへ供給する電力を制御し、各センサ36、37の計測値を計測するセンサ制御部35とを備えている。油面検知装置60は、図2に示したように圧縮機21の外面に設置され、圧縮機内部の油面(量)が適正量存在しているか(つまり油枯渇になっていないかどうか)を把握するものである。油の適正量は圧縮機により異なり、本実施の形態1では図2に示すように、軸受け部21dまで油が貯留する量を適正量とする。
冷凍空調装置1の各要素の動作について説明する。冷凍空調装置1は、各室内機4の運転負荷に応じて冷凍空調装置1を構成している各機器の制御を行ない、冷房運転を実行する。
冷房運転時は、圧縮機21の吐出側が、室外熱交換器23のガス側に接続される。また、圧縮機21の吸入側が、ガス側閉鎖弁29及びガス延長配管7(主ガス延長配管7A、枝ガス延長配管7a、枝ガス延長配管7b)を介して室内熱交換器42のガス側に接続される。なお、液側閉鎖弁28及びガス側閉鎖弁29は、開状態にされている。また、全部の室内機4で冷房運転が実行される場合を例に説明する。
実施の形態1の油面検知では油面検知センサ37のみを用いる。実施の形態1の油面検知では、計測開始時に冷凍空調装置1の運転状態をある状態Aにして油面検知センサ37で温度計測を行い、その後、冷凍空調装置1の運転状態を別の状態Bに変化させる。冷凍空調装置1の運転状態を別の状態Bに変化させるのは、圧縮機21に流入するガス冷媒の温度(以下、圧縮機吸入温度という)を変化させる意図である。このように、圧縮機吸入温度を変化させると圧縮機21内のガス冷媒の温度が大きく変化するので、油面検知センサ37の計測値が変化した場合、油面検知センサ37の高さ位置にはガス冷媒があることになる。実施の形態1の油面検知ではこの原理を用いて油枯渇か否かを判定する。
まず、油面検知の判定がスタートすると、センサ判定部35bは電力調整部35dに第1電力調整を行わせ、油面検知センサ37の計測値T1を取得する(S101)。次に、センサ判定部35bは、圧縮機吸入温度を変化させる信号をセンサ出力部35fから冷凍空調装置1に出力させ、冷媒空調装置の運転状態を変化させる(S102)。そして、センサ判定部35bは、冷凍空調装置1の冷凍サイクルが安定しているか否かを判別する(S103)。センサ判定部35bは、冷凍サイクルが安定しているのが確認できたら、油面検知センサ37の計測値T2を取得する(S104)。その後、センサ判定部35bは、S101で取得したT1とS104で取得したT2とを比較し(S105)、T1=T2であれば「油あり(異常なし)」と判定し(S106)、T1≠T2であれば「油枯渇」と判定し、発報する(S107)。
まず、油面検知の判定がスタートすると、センサ判定部35bは電力調整部35dに第2電力調整を行わせ、油面検知センサ37を自己発熱させる(S201)。そして、任意時間が経過すると(S202)、センサ判定部35bは油面検知センサ37の計測値T3を取得する(S203)。次に、センサ判定部35bは、圧縮機吸入温度を変化させる信号をセンサ出力部35fから冷凍空調装置1に出力させ、冷媒空調装置の運転状態を変化させる(S204)。そして、センサ判定部35bは、冷凍空調装置1の冷凍サイクルが安定しているか否かを判別する(S205)。センサ判定部35bは、冷凍サイクルが安定しているのが確認できたら、油面検知センサ37の計測値T4を取得する(S206)。その後、センサ判定部35bは、S203で取得した計測値T3とS206で取得した計測値T4とを比較し(S207)、T3=T4であれば「油あり(異常なし)」と判定し(S208)、T3≠T4であれば「油枯渇」と判定し、発報する(S209)。
まず、油面検知の判定がスタートすると、センサ判定部35bは、油面検知センサ37を自己発熱させずに用いて油面検知を行う(S301〜S305)。そして、センサ判定部35bは、S305の判断でT1=T2であると、油面検知センサ37を自己発熱させて用いて油面検知を行う(S306〜S314)。
実施の形態1は、油面検知センサ37のみを用いて油面検知を行っていたが、実施の形態2は、油面検知センサ37と基準センサ36の両方を用いて油面検知を行うものである。
油面検知装置60において油面を検知する方法は従来2つの方式((A)温度検知方式、(B)外部加熱方式)がある。本実施の形態2は、従来の温度検知方式と外部加熱方式のそれぞれに対し、判定精度を高めるための冷凍空調装置1の制御(以下、判定精度向上運転という)を組み合わせることに特徴がある。以下、まずは2つの方式のそれぞれについて説明する。
温度検知方式は、密閉容器21Aの内部に油が位置する部分の圧縮機表面温度とガス冷媒が位置する部分の圧縮機表面温度とに違いが生じる現象に基づいて油面を検知する方法である。この現象は、油とガス冷媒とで熱伝達率が違うことが影響しており、ここではまず、油とガス冷媒の熱伝達率の違いについて説明する。
(a)T1=T2となり、「油あり」の判定となる。
(b)T1≠T2となり、「油枯渇」の判定となる。
上記の温度検知方式は、密閉容器21Aの内部の油とガス冷媒との熱伝達率の違いによって圧縮機表面に表れる温度の違いに基づき油面を検知するものであった。外部加熱方式も、密閉容器21Aの内部の油とガス冷媒の熱伝達率の違いを利用する点は同じであるが、外部加熱方式は、容器表面に対して強制的に熱を加え、熱を加えた分、圧縮機表面の温度が内部の温度よりも高くなる温度状況を作る。そして、熱伝達率の違いによる油部とガス部の放熱特性の違いにより、基準センサ36の計測値と油面検知センサ37の計測値とを比較することで油枯渇か否かを判定する、というものである。
(a)T1=T2となり、「油あり」の判定となる。
(b)T1≠T2となり、「油枯渇」の判定となる。
前記記載のように、圧縮機21の外面に基準センサ36及び油面検知センサ37を設置した場合は、油部とガス部の圧縮機表面温度差が小さい。よって判定精度を向上するため、運転条件を変化させ、圧縮機吸入温度を変化させる。具体的な方法を下記に示す。
温度検知方式では、圧縮機周囲温度(外気温度)と油温(≒基準センサ温度)との関係に基づいて圧縮機吸入温度を変えることにより、油部とガス部の圧縮機表面温度の差異を大きくする。
油温(基準センサ温度)が圧縮機周囲温度(外気温度)よりも低い場合は、その差を更に大きくすべく圧縮機吸入温度を上昇させる。このように圧縮機吸入温度が上昇するように冷凍空調装置1を制御することで、ガス部の圧縮機表面温度は上昇し、油部の圧縮機表面温度との温度差が大きくなる。
外部加熱方式では、油部とガス部の放熱特性の差異を大きくするため、圧縮機21に流入する冷媒はできる限り高温であることが望ましい。これは、圧縮機21に流入するガス冷媒温度が高ければ、ガス部で更に放熱しにくくなり、放熱し易い油部との放熱特性の差異が大きくなるためである。
圧縮機吸入温度を上昇させるには、圧縮機21の上流にある蒸発器の、空気側熱交換量よりも冷媒側熱交換量を小さくする。このようにすることで、蒸発温度を上昇させ、圧縮機吸入温度を上昇させることができる。このように圧縮機吸入温度を上昇させるための運転には下記3つの方法がある。
圧縮機吸入温度を変化させる手段としては、蒸発器に設置されているファンの風量を制御することである。ファンの風量を増加させると、冷媒側比べて空気側の熱交換量が増加することから、冷媒は蒸発器出口で過熱状態となり、飽和温度よりも過熱度分、冷媒の温度を上昇することができる。また、蒸発器のファン風量を増加すると高い蒸発温度でも熱交換できることから、蒸発温度が上昇し、圧縮機吸入温度を高くすることができる。逆に、蒸発器のファン風量を小さくした場合には、蒸発器出口の過熱度が小さくなり、蒸発温度が下がり、圧縮機吸入温度を低下させることができる。
圧縮機吸入温度を変化させるための2つ目の手段としては、膨張弁の開度を制御することがあげられる。膨張弁の開度を絞ることで蒸発器を流れる冷媒が少なくなる。よって、蒸発器での冷媒側の熱交換量は空気側の熱交換量に比べて少なくなり、蒸発器入口で二相状態であった冷媒は蒸発器出口では過熱ガス状態となる。逆に膨張弁の開度を開けることにより、蒸発器を流れる冷媒量が多くなる。よって、蒸発器での冷媒側熱交換量は空気側熱交換量に比べて多くなり、蒸発器出口の過熱度が小さくなる。そして更に冷媒側の熱交換量が多くなった場合は、蒸発器出口の冷媒は飽和状態となる。
圧縮機吸入温度を変化させる3つ目の手段としては、圧縮機21の周波数を調整することである。圧縮機周波数を低下させると、蒸発器を流れる冷媒量が減り、蒸発器での空気側の熱交換量よりも冷媒側の熱交換量が小さくなる。よって、蒸発温度が上昇し、圧縮機吸入温度を上昇させることができる。逆に、圧縮機周波数を増加させた場合には、熱交換量がバランスするために蒸発温度が低下し、圧縮機吸入温度を低下させることができる。
まず、油面検知の判定がスタートすると、センサ判定部35bは上記の判定精度向上運転を行う。すなわち、上述したように基準センサ36の計測値に基づいて圧縮機吸入温度を変化させる信号をセンサ出力部35fから冷凍空調装置1に出力させる(S401)。そして、センサ判定部35bは、電力調整部35dに第1電力調整を行わせ、基準センサ36の計測値T1と油面検知センサ37の計測値T2とを取得する(S402)。そして、センサ判定部35bは、T1とT2とを比較し(S403)、T1=T2であれば「油あり(異常なし)」と判定し(S404)、T1≠T2であれば「油枯渇」と判定してこれを発報する(S405)。
センサ判定部35bは、まず、上記の判定精度向上運転を行う。すなわち、基準センサ36の計測値に基づいて圧縮機吸入温度を変化させる信号をセンサ出力部35fから冷凍空調装置1に出力させる(S501)。そして、センサ判定部35bは、電力調整部35dに第2電力調整を行わせて基準センサ36と油面検知センサ37を自己発熱させる(S502)。そして、センサ判定部35bは、計測値が安定するための任意時間が経過したかを判断し(S503)、任意時間が経過して計測値が安定したことを確認すると、基準センサ36の計測値T1と油面検知センサ37の計測値とを取得する(S504)。そして、センサ判定部35bは、T1とT2とを比較し(S505)、T1=T2であれば「油あり(異常なし)」と判定し(S506)、T1≠T2であれば「油枯渇」と判定してこれを発報する(S507)。
上記実施の形態2では基準センサ36及び油面検知センサ37の両方を用いて温度検知方式又は外部加熱方式で油面検知を行う方法について説明した。上記実施の形態2では、実際には油があるにもかかわらず、「油枯渇」と判定してしまうという誤判定は無いが、「油あり(異常なし)」と判定された場合に、実際は油が枯渇しているという場合がある。つまり、油枯渇を見逃してしまう可能性がある。そこで、実施の形態3では、温度検知方式と外部加熱方式を組み合わせて用いて油面検知を行うことで、油枯渇を見逃すことを排除すると共に、上述の判定精度向上運転を行うことで、判定精度の向上を図るものである。
T1=T2となり、「油枯渇」であるにもかかわらず「油あり」の判定となる。
油の温度がガス冷媒温度に比べて高い場合を示している。この場合、以下の判定結果となる。
T1=T2となり、「油枯渇」であるにもかかわらず「油あり」の判定となる。
(a)T1=T2となり、「油あり」の判定となる。
(b)T1=T2となり、「油枯渇」であるにもかかわらず「油あり」の判定となる。
(c)T1≠T2となり、「油枯渇」の判定となる。
(b)T1≠T2となり、「油枯渇」の判定となる。
まず、油面検知の判定がスタートすると、センサ判定部35bは、電力調整部35dに第1電力調整を行わせ、基準センサ36の計測値T1と油面検知センサ37の計測値T2とを取得する(S601)。センサ判定部35bは、T1とT2とを比較し(S602)、T1≠T2であれば、「油枯渇」と判定してこれを発報し(S608)、T1=T2であれば、電力調整部35dに第2電力調整を行わせ、基準センサ36と油面検知センサ37とを自己発熱させる(S603)。
上記実施の形態1〜3では、圧縮機21の外面に油面検知装置60を設けていたが、実施の形態4では、油面検知装置60を圧縮機21の内部に設けたものである。
図17に示すように、油面検知装置60の基準センサ36及び油面検知センサ37が、圧縮機21の内部に設けられている。その他の冷凍空調装置の構成及び制御は実施の形態1〜3と同様である。
Claims (15)
- 冷凍空調装置に搭載され、前記冷凍空調装置を構成している圧縮機の内部に貯留される油の油面を検知する油面検知装置であって、
前記圧縮機の外面の所定の高さ位置に設けられ、設置箇所の温度を検知する油面検知センサと、
前記圧縮機に吸入される冷媒の圧縮機吸入温度を変化させる信号を前記冷凍空調装置に出力する出力部と、
前記出力部から出力される前記信号の出力前後に前記油面検知センサで得られた計測値を比較し、前記圧縮機の内部に貯留される油の枯渇を判定する判定部と、
を備えた油面検知装置。 - 前記油面検知センサが自己発熱しない第1電力を前記油面検知センサに供給する第1電力調整と、前記油面検知センサが自己発熱する第2電力を前記油面検知センサに供給する第2電力調整とを行う電力調整部を更に備え、
前記判定部は、
前記電力調整部に前記第1電力調整を行わせると共に、前記出力部に前記信号を出力させて圧縮機吸入温度を変化させ、前記信号の出力前後の前記油面検知センサで得られた計測値を比較し、2つの前記計測値が異なる場合、油枯渇と判定し、
2つの前記計測値が同じ場合、前記電力調整部に前記第2電力調整を行わせると共に、前記出力部に前記信号を出力させて圧縮機吸入温度を変化させ、前記信号の出力前後の前記油面検知センサで得られた計測値を比較し、2つの前記計測値が異なる場合、油枯渇と判定するものである請求項1記載の油面検知装置。 - 冷凍空調装置に搭載され、前記冷凍空調装置を構成している圧縮機の内部に貯留される油の油面を検知する油面検知装置であって、
前記圧縮機が油で満たされる高さ位置に設けられ、設置箇所の温度を検知する基準センサと、
前記圧縮機の外面の所定の高さ位置に設けられ、設置箇所の温度を検知する油面検知センサと、
前記圧縮機に吸入される冷媒の圧縮機吸入温度を変化させる信号を前記冷凍空調装置に出力する出力部と、
前記出力部から出力される前記信号の出力後の前記油面検知センサの計測値と前記基準センサの計測値とを比較し、前記圧縮機の内部に貯留される油の枯渇を判定する判定部と、
を備えた油面検知装置。 - 前記判定部は、2つの前記計測値が異なる場合に、前記圧縮機の内部に貯留される油が枯渇していると判定するものである請求項3記載の油面検知装置。
- 前記基準センサ及び前記油面検知センサが自己発熱しない第1電力を前記基準センサ及び前記油面検知センサに供給する第1電力調整を行う電力調整部を更に備え、
前記判定部は、油枯渇の判定を行うにあたり、前記電力調整部に前記第1電力調整を行わせて得た、2つの前記計測値を用いる請求項3又は請求項4記載の油面検知装置。 - 前記出力部は、前記基準センサの計測値が圧縮機周囲温度よりも低い場合、圧縮機吸入温度を上昇させる信号を前記冷凍空調装置に出力する請求項5記載の油面検知装置。
- 前記出力部は、前記基準センサの計測値が圧縮機周囲温度よりも高い場合、圧縮機吸入温度を下降させる信号を前記冷凍空調装置に出力する請求項5記載の油面検知装置。
- 前記電力調整部は更に、前記基準センサ及び前記油面検知センサが自己発熱する第2電力を前記基準センサ及び前記油面検知センサに供給する第2電力調整を行うように構成され、
前記判定部は、2つの前記計測値が同じ場合、前記電力調整部に前記第2電力調整を行わせて得た、前記基準センサの計測値と前記油面検知センサの計測値とを比較し、油枯渇を判定する請求項5〜請求項7の何れか一項に記載の油面検知装置。 - 前記判定部は、油枯渇の判定を行うにあたり、前記電力調整部に前記第2電力調整を行わせて得た、2つの前記計測値を用いており、
前記出力部は、前記第2電力調整時には、前記圧縮機吸入温度を上昇させる信号を前記冷凍空調装置に出力する請求項2又は請求項8記載の油面検知装置。 - 前記油面検知センサは、前記圧縮機内において油量を確保する必要がある高さ位置に設けられている請求項1〜請求項9の何れか一項に記載の油面検知装置。
- 前記出力部は、前記冷凍空調装置が有する蒸発器のファン風量を変化させることで前記圧縮機吸入温度を変化させる請求項1〜請求項10の何れか一項に記載の油面検知装置。
- 前記出力部は、前記冷凍空調装置が有する膨張弁の開度を変化させることで前記圧縮機吸入温度を変化させる請求項1〜請求項11の何れか一項に記載の油面検知装置。
- 前記出力部は、前記圧縮機の周波数を変化させることで前記圧縮機吸入温度を変化させる請求項1〜請求項12の何れか一項に記載の油面検知装置。
- 前記出力部は、前記判定部の判定結果を報知する請求項1〜請求項13の何れか一項に記載の油面検知装置。
- 請求項1〜請求項14の何れか一項に記載の油面検知装置を搭載した冷凍空調装置。
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