JP6828790B1 - 冷凍装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】アキュムレータ内で冷媒と冷凍機油が分離することがある。【解決手段】空気調和装置は、冷媒回路と、吸入温度センサーと、制御部とを備える。冷媒回路は、圧縮機と、放熱器と、膨張弁と、蒸発器と、アキュムレータと、が順に接続されている。制御部は、圧縮機の回転数、および、膨張弁の開度、を制御する。制御部は、吸入温度センサーの検知結果に基づいて、アキュムレータの内部において冷媒と潤滑油とが分離していると判断すると、圧縮機の回転数を下げるステップS3の制御を行い、且つ、膨張弁の開度を所定開度にするステップS4の制御を行う。【選択図】図4

Description

冷凍装置、特に、蒸発器と圧縮機との間に容器が配備される冷凍装置に関する。
従来、蒸発器から圧縮機に戻ってくる冷媒を一時的に溜める容器を備える冷凍装置が存在している。冷凍装置の冷媒回路には、冷媒とともに冷凍機油が封入されており、温度や圧力の条件によっては容器内で冷媒と冷凍機油が分離することがある。この問題に対し、特許文献1(特開2016−211774号公報)では、分離した冷媒と冷凍機油とを攪拌する運転を実施し、分離状態を解消する発明が示されている。
上記の特許文献1(特開2016−211774号公報)では、分離した冷媒と冷凍機油とを攪拌するために、高い回転数で圧縮機を動かす発明を開示しているが、そのように圧縮機の回転数を上げることが好ましくない状況も考えられる。
第1観点の冷凍装置は、冷媒回路と、検知部と、制御部とを備えている。冷媒回路は、圧縮機と、放熱器と、膨張弁と、蒸発器と、容器と、が順に接続されている。冷媒は、冷媒回路の内部を流れる。検知部は、冷媒の温度または圧力を検知する。制御部は、圧縮機の回転数、および、膨張弁の開度、を制御する。制御部は、検知部の検知結果に基づいて、容器の内部において冷媒と潤滑油とが分離していると判断すると、第1制御を行い、且つ、第2制御を行う。第1制御は、圧縮機の回転数を下げる制御である。第2制御は、膨張弁の開度を所定開度にする。
ここでは、容器の内部において冷媒と潤滑油とが分離しているときに、圧縮機の回転数を下げ、且つ、膨張弁の開度を所定開度にする、という第1、第2制御が行われるため、容器を含む圧縮機の吸入側の圧力(以下、低圧値という)を上げることができる。これにより、容器内の圧力および温度を変えて、冷媒と潤滑油との分離状態を解消させることができる。
第2観点の冷凍装置は、第1観点の冷凍装置であって、制御部は、第2制御において、膨張弁の開度を、全開、あるいは、全開の90%以上の開度にする。
ここでは、容器の内部において冷媒と潤滑油とが分離しているときに、膨張弁の開度が全開に近い開度になるため、温度が高い冷媒が容器に多く流入するようになる。これにより、冷媒と潤滑油との分離状態が早期に解消される。
第3観点の冷凍装置は、第1観点又は第2観点の冷凍装置であって、制御部は、第1制御において、圧縮機の回転数を下げて、圧縮機の回転数を所定回転数にする。
ここでは、所定回転数まで圧縮機の回転数が下がるため、早期に冷媒と潤滑油との分離状態が解消する。
第4観点の冷凍装置は、第3観点の冷凍装置であって、制御部は、第1制御および第2制御とは別に、油戻し運転を有する。油戻し運転は、圧縮機を除く冷媒回路に滞留した潤滑油を圧縮機に戻す運転である。
従来の冷凍装置が有する油戻し運転を、第4観点の冷凍装置も保有している。しかし、油戻し運転では、比較的高い回転数で圧縮機のモータを回すため、容器の内部における冷媒と潤滑油との分離状態の解消を行うための運転としては好ましくないこともある。そこで、第4観点の冷凍装置の制御部は、油戻し運転とは別に、第1制御および第2制御によって容器内の冷媒と潤滑油との分離を解消する運転を有している。
第5観点の冷凍装置は、第4観点の冷凍装置であって、制御部は、冷媒回路を循環する冷媒の量の積算値が閾値を超えたという条件が満たされたときに、油戻し運転を行う。
第6観点の冷凍装置は、第4観点又は第5観点の冷凍装置であって、第1制御における所定回転数は、油戻し運転における圧縮機の回転数よりも小さい。
ここでは、比較的高い回転数で圧縮機を回す油戻し運転に対して、容器内の冷媒と潤滑油との分離を解消するための第1制御では、圧縮機の回転数を下げている。油戻し運転とは違って低い回転数(所定回転数)で圧縮機を回すことになるので、容器内の圧力が上がり、容器内の冷媒と潤滑油との分離状態が解消されやすくなる。
第7観点の冷凍装置は、第1観点から第6観点のいずれかの冷凍装置であって、制御部は、圧縮機を止める要求を受けたときに、検知部の検知結果に基づいて、圧縮機を止める前に第1制御および第2制御を行うか否かを決める。
ここでは、容器の内部において冷媒と潤滑油とが分離しているときに、圧縮機を止める前に第1制御および第2制御が行われるようになる。このため、冷媒と潤滑油とが容器内で分離した状態のまま圧縮機が止まってしまい、再度の圧縮機の起動の際に圧縮機が潤滑油不足になることが抑制される。
なお、圧縮機を止める要求は、冷凍装置のユーザによる運転停止操作に基づく停止要求、あるいは、冷凍装置の利用側ユニットにおける冷媒循環の要求が一時的に無くなったときの停止要求、である。後者の停止要求は、例えば、空気調和装置の利用側ユニットである室内機において、冷房運転時の室温が設定温度を下回ったときのサーモオフ信号である。
第8観点の冷凍装置は、第1観点から第6観点のいずれかの冷凍装置であって、制御部は、圧縮機を止める要求を受けたときには、検知部の検知結果に基づいて、容器の内部において冷媒と潤滑油とが分離しているか否かを、第1の判断基準によって判断する。制御部は、圧縮機を止める要求を受けていないときには、検知部の検知結果に基づいて、容器の内部において冷媒と潤滑油とが分離しているか否かを、第1の判断基準とは異なる第2の判断基準によって判断する。
ここでは、圧縮機を止める要求を受けたときも、受けていないときも、検知部の検知結果に基づいて、容器の内部において冷媒と潤滑油とが分離しているか否かを判断する。このため、圧縮機が動いているときも、圧縮機が止まるときも、冷媒と潤滑油との分離状態を解消させる第1、第2制御を行うことができる。そして、容器の内部において冷媒と潤滑油とが分離しているか否かの判断基準を、圧縮機を止める要求を受けたとき、受けていないときで変えている。これにより、例えば、圧縮機が動いているときには第1、第2制御が行われる頻度を下げて、圧縮機が止まるときには第1、第2制御が行われる頻度を上げることができる。
第9観点の冷凍装置は、第1観点から第8観点のいずれかの冷凍装置であって、検知部は、センサーを有する。センサーは、容器内の冷媒の温度、あるいは、容器に接続されている冷媒配管を流れる冷媒の温度、を測定する。
ここでは、温度センサーおよび/又は圧力センサーの測定値から、容器内の冷媒の温度を正確に検知することができる。
第10観点の冷凍装置は、第1観点から第9観点のいずれかの冷凍装置であって、冷媒回路を循環する冷媒は、R32である。
第11観点の冷凍装置は、第1観点から第10観点のいずれかの冷凍装置であって、制御部は、検知部の検知結果から、容器の内部において冷媒と潤滑油とが分離していると判断すると、第1制御および第2制御を行い、圧縮機を1分〜10分の所定期間動かし続ける。
空気調和装置の概略構成図である。 アキュムレータの概略構成図である。 空気調和装置の制御ブロック図である。 アキュムレータ内の冷媒・冷凍機油の分離解消制御のフローを示す図である。 油濃度と二層分離温度の関係を示すグラフである。
以下、冷凍装置としての空気調和装置について、図面に基づいて説明する。
(1)全体構成
図1は、空気調和装置1(冷凍装置)の概略構成図である。空気調和装置1は、蒸気圧縮式の冷凍サイクルによって、建物等の室内の冷房および暖房を行うことが可能な装置である。空気調和装置1は、室外ユニット2と、室内ユニット4とを備えている。室外ユニット2と室内ユニット4とは、液冷媒連絡管5およびガス冷媒連絡管6を介して接続されている。空気調和装置1の蒸気圧縮式の冷凍サイクルを成す冷媒回路10は、室外ユニット2と、室内ユニット4とが冷媒連絡管5、6を介して接続されることによって構成されている。そして、冷媒であるジフルオロメタン(R32)が、冷媒回路10に充填されている。また、冷媒と非相溶の冷凍機油も、冷媒とともに冷媒回路10に充填されている。
(2)詳細構成
(2−1)室内ユニット
室内ユニット4は、室内に設置されており、冷媒回路10の一部を構成している。室内ユニット4は、室内熱交換器41を有している。
室内熱交換器41は、冷房運転時に冷媒の蒸発器として機能して室内空気を冷却し、暖房運転時に冷媒の放熱器として機能して室内空気を加熱する。室内熱交換器41の第1の端部は、液冷媒連絡管5に接続されている。室内熱交換器41の第2の端部は、ガス冷媒連絡管6に接続されている。
室内ユニット4は、室内ファン42を有している。室内ファン42は、室内ユニット4内に室内空気を吸入して、室内熱交換器41において冷媒と熱交換させた後に、供給空気として室内に供給する。室内ファン42は、例えば、室内ファン用モータ43によって駆動される遠心ファンや多翼ファン等である。室内ファン用モータ43は、インバータによって周波数(回転数)を変更可能である。
室内ユニット4は、各種のセンサーを有している。室内ユニット4は、液管温度センサー56と、中間温度センサー57と、室内温度センサー58と、を有している。液管温度センサー56は、室内熱交換器41の液側の冷媒配管における冷媒の温度Trlを検出する。中間温度センサー57は、室内熱交換器41の中間部分における冷媒の温度Trmを検出する。室内温度センサー58は、室内ユニット4内に吸入される室内空気の温度Traを検出する。
(2−2)室外ユニット
室外ユニット2は、室外に設置されており、冷媒回路10の一部を構成している。室外ユニット2は、圧縮機21と、四路切換弁22と、室外熱交換器23と、膨張弁24と、液側閉鎖弁26と、ガス側閉鎖弁27と、アキュムレータ28と、を有している。また、室外ユニット2は、室外ファン36を有している。
(2−2−1)圧縮機
圧縮機21は、冷凍サイクルにおける低圧の冷媒を、高圧になるまで圧縮する。圧縮機21は、ロータリー式やスクロール式等の容積式の圧縮要素(図示せず)を圧縮機用モータ21aによって回転駆動する。ここでは、圧縮機21として、密閉式構造のロータリー圧縮機を使っている。圧縮機用モータ21aは、インバータによって周波数(回転数)を変更可能である。圧縮機21は、吸入側に吸入管31が接続されており、吐出側に吐出管32が接続されている。吸入管31は、圧縮機21の吸入側と四路切換弁22の第1ポート22aとを接続する。そして、吸入管31には、アキュムレータ28が設けられている。吸入管31は、アキュムレータ28の前後で、第1配管31aと第2配管31bとに分かれている。アキュムレータ28は、圧縮機21に吸入される冷媒を一時的に溜める容器である。アキュムレータ28については、後に図2を参照して詳述する。吐出管32は、圧縮機21の吐出側と四路切換弁22の第2ポート22bとを接続する冷媒管である。
(2−2−2)四路切換弁
四路切換弁22は、冷媒回路10における冷媒の流れの方向を切り換える。
四路切換弁22は、冷房運転の開始時に、室外熱交換器23を圧縮機21において圧縮された冷媒の放熱器として機能させ、かつ、室内熱交換器41を室外熱交換器23において放熱した冷媒の蒸発器として機能させる冷房サイクル状態、への切り換えを行う。四路切換弁22は、冷房運転の開始時に、第2ポート22bと第3ポート22cとを連通させ、かつ、第1ポート22aと第4ポート22dとを連通させるように、切り換えを行う。これにより、圧縮機21の吐出側(吐出管32)と室外熱交換器23のガス側(第1ガス冷媒管33)とが接続される(図1の四路切換弁22の実線を参照)。さらに、圧縮機21の吸入側(吸入管31)とガス冷媒連絡管6側(第2ガス冷媒管34)とが接続される(図1の四路切換弁22の実線を参照)。
四路切換弁22は、暖房運転の開始時に、室外熱交換器23を室内熱交換器41において放熱した冷媒の蒸発器として機能させ、かつ、室内熱交換器41を圧縮機21において圧縮された冷媒の放熱器として機能させる暖房サイクル状態、への切り換えを行う。四路切換弁22は、暖房運転の開始時に、第2ポート22bと第4ポート22dとを連通させ、かつ、第1ポート22aと第3ポート22cとを連通させるように、切り換えを行う。これにより、圧縮機21の吐出側(吐出管32)とガス冷媒連絡管6側(第2ガス冷媒管34)とが接続される(図1の四路切換弁22の破線を参照)。さらに、圧縮機21の吸入側(吸入管31)と室外熱交換器23のガス側(第1ガス冷媒管33)とが接続される(図1の四路切換弁22の破線を参照)。第1ガス冷媒管33は、四路切換弁22の第3ポート22cと室外熱交換器23のガス側とを接続する冷媒管である。第2ガス冷媒管34は、四路切換弁22の第4ポート22dとガス冷媒連絡管6側とを接続する冷媒管である。
(2−2−3)室外熱交換器
室外熱交換器23は、冷房運転時に、室外空気を冷却源とする冷媒の放熱器として機能する。室外熱交換器23は、暖房運転時に、室外空気を加熱源とする冷媒の蒸発器として機能する。室外熱交換器23は、液側の第1端部が液冷媒管35に接続されており、ガス側の第2端部が第1ガス冷媒管33に接続されている。液冷媒管35は、室外熱交換器23の液側の第1端部と液冷媒連絡管5とを接続する冷媒管である。
(2−2−4)膨張弁
膨張弁24は、冷房運転時に、室外熱交換器23において放熱した冷凍サイクルにおける高圧の冷媒を、冷凍サイクルにおける低圧まで減圧する。膨張弁24は、暖房運転時に、室内熱交換器41において放熱した冷凍サイクルにおける高圧の冷媒を、冷凍サイクルにおける低圧まで減圧する。膨張弁24は、液冷媒管35に設けられている。膨張弁24は、開度の変更が可能な電動膨張弁である。
(2−2−5)液側閉鎖弁およびガス側閉鎖弁
液側閉鎖弁26およびガス側閉鎖弁27は、外部の機器・配管(具体的には、液冷媒連絡管5およびガス冷媒連絡管6)との接続口に設けられる。液側閉鎖弁26は、液冷媒管35の端部に設けられている。ガス側閉鎖弁27は、第2ガス冷媒管34の端部に設けられている。液側閉鎖弁26およびガス側閉鎖弁27は、手で開け閉めを行う手動弁である。
(2−2−6)室外ファン
室外ファン36は、室外ユニット2内に室外空気を吸入して、室外熱交換器23において冷媒と熱交換させた後に、外部に排出する役割を果たす。室外ファン36は、室外ファン用モータ37によって駆動されるプロペラファン等である。また、室外ファン用モータ37は、インバータによって周波数(回転数)を変更可能である。
(2−2−7)各種のセンサー
室外ユニット2は、各種のセンサーを有している。室外ユニット2は、吸入温度センサー51と、吐出温度センサー52と、中間温度センサー53と、液管温度センサー54と、外気温度センサー55と、を有している。吸入温度センサー51は、圧縮機21に吸入される冷凍サイクルにおける低圧の冷媒の温度Tsを検出する。吐出温度センサー52は、圧縮機21から吐出される冷凍サイクルにおける高圧の冷媒の温度Tdを検出する。中間温度センサー53は、室外熱交換器23の中間部分における冷媒の温度Tomを検出する。液管温度センサー54は、室外熱交換器23の液側における冷媒の温度Tolを検出する。外気温度センサー55は、室外ユニット2内に吸入される室外空気の温度Toaを検出する。
(2−2−8)アキュムレータ
上記のように、室外ユニット2のアキュムレータ28は、圧縮機21の吸入側と四路切換弁22の第1ポート22aとの間に配置される。アキュムレータ28は、圧縮機21の吸入側において冷媒を気液分離するとともに、余剰冷媒を貯留する機能を有している。アキュムレータ28は、蒸発器として機能する室内熱交換器41あるいは室外熱交換器23から四路切換弁22に接続された吸入管31の第1配管31aを通って戻ってきた冷媒を、気液分離する。気液分離された冷媒のうち、ガス冷媒が、圧縮機21へと送られる。アキュムレータ28は、図2に示すように、内部空間ISを形成するケーシング71と、入口管72と、出口管73とを有している。
ケーシング71は、主として、円筒状の本体71aと、本体71aの上の開口を塞ぐ椀状の上部蓋体71bと、本体71aの下の開口を塞ぐ椀状の下部蓋体71cと、から構成されている。入口管72は、吸入管31の第1配管31aを通ってきた冷媒を、内部空間ISに導き入れる。入口管72は、上部蓋体71bの周縁部を貫通する。入口管72の先端開口72aは、内部空間ISの上部に配置される。
アキュムレータ70の出口管73は、内部空間ISで分離したガス冷媒を、圧縮機21に接続された吸入管31の第2配管31bへと導く。出口管73は、J字状の管である。出口管73は、上部蓋体71bを貫通し、内部空間ISの下部においてUターンしている。出口管73の上端(先端)の開口73aの高さ位置は、内部空間ISの上部に位置する。出口管73の内部空間ISの下部におけるUターン部分には、油戻し穴73bが形成されている。油戻し穴73bは、ケーシング71の内部空間ISの下部に液冷媒とともに溜まっている冷凍機油を、圧縮機21へと戻すために設けられている。また、出口管73の上部蓋体71b近傍の部分には、均圧穴73cが形成されている。
アキュムレータ70の出口管73と圧縮機21とは、吸入管31の第2配管31bで結ばれている。
(3)冷媒連絡管
冷媒連絡管5、6は、空気調和装置1を建物等の設置場所に設置する際に、現地にて施工される冷媒管である。冷媒連絡管5、6の長さや管径は、設置場所や室外ユニット2と室内ユニット4との組み合わせ等の設置条件に応じて選定される。
以上のように、室内ユニット4の冷媒回路10の一部と、室外ユニット2の冷媒回路10の一部とは、冷媒連絡管5、6で結ばれ、全体として冷媒回路10が構成される。冷媒回路10では、主として、圧縮機21と、冷媒の放熱器あるいは蒸発器として機能する室外熱交換器23と、膨張弁24と、冷媒の蒸発器あるいは放熱器として機能する室内熱交換器41と、アキュムレータ(容器)28と、が順に接続されている。
(4)制御構成
図3は、空気調和装置1(冷凍装置)の制御ブロック図である。空気調和装置1は、構成機器を制御する制御部8を有している。制御部8は、室外制御部38と室内制御部44とリモコン9とが、伝送線や通信線を介して接続されることによって構成されている。室外制御部38は、室外ユニット2に設けられている。室内制御部44は、室内ユニット4に設けられている。リモコン9は、室内に設けられている。尚、ここでは、制御部38、44およびリモコン9が伝送線や通信線を介して有線接続されているが、無線接続されていてもよい。
(4−1)室外制御部
室外制御部38は、上記のように、室外ユニット2に設けられており、主として、室外CPU38aと、室外伝送部38bと、室外記憶部38cと、を有している。室外制御部38は、温度センサー51〜55等の検出信号を受ける。
室外CPU38aは、室外伝送部38bおよび室外記憶部38cに接続されている。室外伝送部38bは、室内制御部44との間で制御データ等を伝送する。室外記憶部38cは、制御データ等を記憶する。そして、室外CPU38aは、室外伝送部38bや室外記憶部38cを介して、制御データ等の伝送や読み書きを行いつつ、室外ユニット2に設けられた構成機器(圧縮機21、四路切換弁22、膨張弁24、室外ファン36等)を制御する。
(4−2)室内制御部
室内制御部44は、上記のように、室内ユニット4に設けられており、主として、室内CPU44aと、室内伝送部44bと、室内記憶部44cと、室内通信部44dと、を有している。室内制御部44は、温度センサー56〜58等の検出信号を受ける。
室内CPU44aは、室内伝送部44b、室内記憶部44cおよび室内通信部44dに接続されている。室内伝送部44bは、室外制御部38との間で制御データ等を伝送する。室内記憶部44cは、制御データ等を記憶する。室内通信部44dは、リモコン9との間で制御データ等を送受信する。そして、室内CPU44aは、室内伝送部44bや室内記憶部44c、室内通信部44dを介して、制御データ等の伝送や読み書き、送受信を行いつつ、室内ユニット4に設けられた構成機器(室内ファン42等)を制御する。
(4−3)リモコン
リモコン9は、上記のように、室内に設けられており、主として、リモコンCPU91と、リモコン通信部93と、リモコン操作部94と、リモコン表示部95と、を有している。
リモコンCPU91は、リモコン通信部93、リモコン操作部94およびリモコン表示部95に接続されている。リモコン通信部93は、室内通信部44dとの間で制御データ等を送受信する。リモコン操作部94は、ユーザからの制御指令等の入力を受け付ける。リモコン表示部95は、運転表示等を行う。そして、リモコンCPU91は、リモコン操作部94を介して運転指令や制御指令等の入力を受け付けて、リモコン表示部95に運転状態や制御状態の表示等を行いつつ、リモコン通信部93を介して、室内制御部44に制御指令等を行う。
(5)基本動作
次に、空気調和装置1(冷凍装置)の基本動作について、図1および図3を用いて説明する。空気調和装置1は、基本動作として、冷房運転および暖房運転を行う。
(5−1)冷房運転
制御部8は、リモコン9のリモコン操作部94等を介して冷房運転の指令を受け付けると、空気調和装置1の運転モードを冷房運転に設定する。そして、制御部8は、四路切換弁22を冷房サイクル状態(図1の実線で示される状態)に切り換えて、圧縮機21およびファン36、42を駆動し、膨張弁24を開ける。
すると、冷媒回路10内の冷凍サイクルにおける低圧の冷媒は、圧縮機21に吸入され、冷凍サイクルにおける高圧になるまで圧縮された後に吐出される。
圧縮機21から吐出された高圧のガス冷媒は、四路切換弁22を通じて、室外熱交換器23に送られる。
室外熱交換器23に送られた高圧のガス冷媒は、室外熱交換器23において、室外ファン36によって冷却源として供給される室外空気と熱交換を行って放熱して、高圧の液冷媒になる。
室外熱交換器23において放熱した高圧の液冷媒は、膨張弁24に送られる。膨張弁24に送られた高圧の液冷媒は、膨張弁24によって冷凍サイクルにおける低圧まで減圧される。
膨張弁24で減圧された低圧の冷媒は、液側閉鎖弁26および液冷媒連絡管5を通じて、室内熱交換器41に送られる。
室内熱交換器41に送られた低圧の冷媒は、室内熱交換器41において、室内ファン42によって加熱源として供給される室内空気と熱交換を行って蒸発する。これにより、室内空気は冷却され、その後に、室内に供給されることで室内の冷房が行われる。
室内熱交換器41において蒸発した低圧の冷媒は、ガス冷媒連絡管6、ガス側閉鎖弁27および四路切換弁22を通じて、吸入管31に送られる。その後、冷媒は、アキュムレータ28を通じて、再び、圧縮機21に吸入される。
(5−2)暖房運転
制御部8は、リモコン9のリモコン操作部94等を介して暖房運転の指令を受け付けると、空気調和装置1の運転モードを暖房運転に設定する。そして、制御部8は、四路切換弁22を暖房サイクル状態(図1の破線で示される状態)に切り換えて、圧縮機21およびファン36、42を駆動し、膨張弁24を開ける。
すると、冷媒回路10内の冷凍サイクルにおける低圧の冷媒は、圧縮機21に吸入され、冷凍サイクルにおける高圧になるまで圧縮された後に吐出される。
圧縮機21から吐出された高圧のガス冷媒は、四路切換弁22、ガス側閉鎖弁27およびガス冷媒連絡管6を通じて、室内熱交換器41に送られる。
室内熱交換器41に送られた高圧のガス冷媒は、室内熱交換器41において、室内ファン42によって冷却源として供給される室内空気と熱交換を行って放熱して、高圧の液冷媒になる。これにより、室内空気は加熱され、その後に、室内に供給されることで室内の暖房が行われる。
室内熱交換器41で放熱した高圧の液冷媒は、液冷媒連絡管5および液側閉鎖弁26を通じて、膨張弁24に送られる。
膨張弁24に送られた高圧の液冷媒は、膨張弁24によって冷凍サイクルにおける低圧まで減圧される。膨張弁24で減圧された低圧の冷媒は、室外熱交換器23に送られる。
室外熱交換器23に送られた低圧の液冷媒は、室外熱交換器23において、室外ファン36によって加熱源として供給される室外空気と熱交換を行って蒸発する。
室外熱交換器23で蒸発した低圧の冷媒は、四路切換弁22を通じて、吸入管31に送られて、アキュムレータ28を通じて、再び、圧縮機21に吸入される。
(5−3)基本制御
上記の基本動作(冷房運転および暖房運転)において、制御部8は、基本制御として、圧縮機能力制御および膨張弁過冷却度制御を行っている。
(5−3−1)圧縮機能力制御
圧縮機能力制御は、室内温度Traと室内の設定温度Tratとの温度差ΔTraに基づいて圧縮機21の周波数Fを変化させる制御である。設定温度Tratは、リモコン9のリモコン操作部94等を介して設定される温度値である。
制御部8は、冷房運転において、室内温度Traから設定温度Tratを差し引いて温度差ΔTraを得る。制御部8は、暖房運転において、設定温度Tratから室内温度Traを差し引いて温度差ΔTraを得る。
制御部8は、温度差ΔTraが正値の場合(言い換えれば、室内温度Traが設定温度Tratまで達していない場合)には、冷凍能力としての空調能力(冷房能力又は暖房能力)を大きくすることが要求されるため、圧縮機21の周波数Fを増加させる。具体的には、制御部8は、温度差ΔTraの大きさに応じた圧縮機21の周波数Fの変化幅ΔFを決定して、圧縮機21の周波数Fを変化幅ΔFだけ増加させる。また、制御部8は、温度差ΔTraが負値の場合(言い換えれば、室内温度Traが設定温度Tratに達している場合)には、空調能力(冷房能力又は暖房能力)を小さくすることが要求されているため、圧縮機21の周波数Fを低下させる。具体的には、制御部8は、温度差ΔTraの大きさに応じた圧縮機21の周波数Fの変化幅ΔFを決定して、圧縮機21の周波数Fを変化幅ΔFだけ低下させる。
(5−3−2)膨張弁過冷却度制御
膨張弁過冷却度制御は、冷媒の放熱器の出口における冷媒の過冷却度SCに基づいて膨張弁24の開度MVを変化させる制御である。具体的には、制御部8は、過冷却度SCが目標過冷却度SCtになるように、膨張弁24の開度MVを変化させる。過冷却度SCは、冷房運転において、冷媒の放熱器として機能する室外熱交換器23の出口における過冷却度であり、暖房運転において、冷媒の放熱器として機能する室内熱交換器41の出口における過冷却度である。
制御部8は、冷房運転において、室外熱交換器23の中間部分における冷媒の温度Tomから、室外熱交換器23の液側における冷媒の温度Tolを差し引いて、過冷却度SCを得る。制御部8は、暖房運転において、室内熱交換器41の温度Trmから温度Trlを差し引いて過冷却度SCを得る。
制御部8は、過冷却度SCが目標過冷却度SCtよりも大きい場合には、過冷却度SCを小さくするために、膨張弁24の開度MVを大きくする。具体的には、制御部8は、過冷却度SCと目標過冷却度SCtとの過冷却度差ΔSCに応じた膨張弁24の開度MVの変化幅ΔMVを決定して、膨張弁24の開度MVを変化幅ΔMVだけ大きくする。また、制御部8は、過冷却度SCが目標過冷却度SCtよりも小さい場合には、過冷却度SCを大きくするために、膨張弁24の開度MVを小さくする。具体的には、制御部8は、目標過冷却度SCtと過冷却度SCとの過冷却度差ΔSCに応じた膨張弁24の開度MVの変化幅ΔMVを決定して、膨張弁24の開度MVを変化幅ΔMVだけ小さくする。
(5−4)油戻し制御
油戻し制御は、圧縮機21から冷媒回路10(圧縮機21以外)へと流出した冷凍機油を圧縮機21へと戻すための油戻し運転における制御である。油戻し運転では、所定の油戻し回転数で、所定時間、圧縮機21が駆動される。
なお、所定の油戻し回転数は、圧縮機21を所定時間駆動することで、圧縮機21を除く冷媒回路10へと流出した冷凍機油のうちの所望の冷凍機油量が圧縮機21へと戻る回転数に設定されていればよく、シミュレーションや実験、机上計算等によって適宜決定されていればよい。所定の油戻し回転数は、通常、ある程度の比較的高い回転数にセットされる。これは、冷媒回路10内の冷凍機油を効率的に圧縮機21へと戻すためである。
制御部8は、前回の油戻し運転後から積算した、冷媒回路10を循環する冷媒の量が閾値を超えたという条件が満たされたときに、油戻し運転を行う。冷媒の積算値の閾値は、圧縮機21の信頼性上許容される排出油量の上限付近に設定されている。
(5−5)アキュムレータ内の冷媒・冷凍機油の分離状態を解消する分離解消制御
空気調和装置1では、冷媒としてジフルオロメタン(R32)を使用しているため、低外気温度時においては、圧縮機21の潤滑のために冷媒とともに封入されている冷凍機油と冷媒との相溶の度合いが、非常に小さくなる。このため、冷凍サイクルにおける低圧側では、冷媒温度の低下によって、冷凍機油と冷媒との相溶の度合いが大きく低下することになり、冷凍サイクルにおいて低圧になるアキュムレータ28内で冷媒と冷凍機油とが二層に分離し、圧縮機21に冷凍機油が戻りにくくなる。例えば、低外気温度時の暖房運転中、図2に示すように、ケーシング71の内部空間ISの下部が液冷媒で満たされ、液冷媒から分離した冷凍機油が内部空間ISの上部に集まってしまう傾向がある。すると、アキュムレータ28の出口管73の油戻し穴73bと冷凍機油とが離れるため、アキュムレータ28の内部空間ISに溜まっている冷凍機油を圧縮機21へと戻すことが出来なくなってしまう。言い換えると出口管73の油戻し穴73bの周囲において液冷媒が多い状態になるため、油戻し穴73bから吸入される冷凍機油の量が減ってしまい、十分な量の冷凍機油を圧縮機21へと戻すことができなくなってしまう。
(5−5−1)分離解消運転を含む分離解消制御
これに鑑みて、制御部8は、アキュムレータ28内で冷媒と冷凍機油とが分離している場合には、分離状態を解消するための分離解消運転を実行する。以下、図4に示す制御フローに基づいて、分離解消運転を含む分離解消制御について説明する。
ステップS1では、制御部8が、運転停止信号があるか否かを判定する。運転停止信号は、リモコン9のリモコン操作部94において空気調和装置1の運転停止の操作が為されたときに、リモコン9から室内制御部44に送られる信号である。また、運転停止信号は、例えば室温が室内の暖房設定温度を1℃以上高くなったときに室内制御部44から室外制御部38に送られるサーモオフ信号である。
ステップS1で運転停止信号があると判定されると、ステップS12に移行し、制御部8は、吸入温度Tsが第1閾温度T1よりも小さいか否かを判定する。吸入温度Tsは、吸入温度センサー51が検出する、アキュムレータ28の手前の冷媒の温度である。
ステップS12で、吸入温度Tsが第1閾温度T1以上であると判定されると、アキュムレータ28内での冷媒と冷凍機油との分離の程度が圧縮機停止中の許容範囲内であるため、制御部8は、そのまま圧縮機21を停止させる(ステップS13)。
ステップS1で運転停止信号が無いと判定されると、ステップS2に移行し、制御部8は、吸入温度Tsが第2閾温度T2よりも小さいか否かを判定する。
ステップS2で、吸入温度Tsが第2閾温度T2以上であると判定されると、アキュムレータ28内での冷媒と冷凍機油との分離の程度が圧縮機運転中の許容範囲内であるため、制御部8は、その時点での通常の圧縮機21の回転数制御や膨張弁24の開度制御を維持し、ステップS1に戻る。
なお、アキュムレータ28内での冷媒と冷凍機油との分離の程度に関し、圧縮機停止中の許容範囲と、圧縮機運転中の許容範囲とは異なる。圧縮機が運転されているときは、なるべく通常制御を継続することが好ましいため、圧縮機が運転されているときの許容範囲は広く設定されている。圧縮機が停止しているときの許容範囲は、圧縮機21の再起動時に圧縮機21内の冷凍機油が不足していることがないように、圧縮機が運転されているときの許容範囲よりも狭く設定されている。このため、第2閾温度T2は、第1閾温度T1よりも小さい。
ステップS2で、吸入温度Tsが第2閾温度T2を下回っていると判断されると、あるいは、ステップS12で、吸入温度Tsが第1閾温度T1を下回っていると判断されると、制御部8は、ステップS3,S4に移行する。ステップS3,S4では、アキュムレータ28内の冷媒と冷凍機油との分離状態を緩和、解消するために、圧縮機21の回転数が所定回転数まで下げられ、膨張弁24が全開まで開度が大きくされる。制御部8は、ステップS3,S4の各動作を、同時並行的に実施する。
その後、一定時間の経過を待って(ステップS5)、ステップS6に移行し、制御部8は、膨張弁24の開度と圧縮機21の回転数を、ステップS3,S4を行う前の通常制御によって調整する状態に戻す。通常制御における圧縮機21の回転数や膨張弁24の開度は、(5−3−1)や(5−3−2)で説明したとおりに決定される。
なお、ステップS5における一定時間は、1分〜10分の範囲から選択することができ、空気調和装置1の製造時に予め設定される。
以上のように、制御部8は、アキュムレータ28内で冷媒と冷凍機油とが分離しているか否かを、吸入温度センサー51が検出した温度Tsに基づいて判断する(ステップS2,S12)。そして、制御部8は、アキュムレータ28内で冷媒と冷凍機油とが分離していることが検知された場合には、分離解消運転(ステップS3,S4,S5)を実行する。分離解消運転では、圧縮機21が、油戻し運転のときよりも低い所定回転数で駆動される。これにより、アキュムレータ28の内部空間ISにおける冷媒と冷凍機油との分離状態が、緩和、解消される。
(5−5−2)アキュムレータ内での冷媒と冷凍機油との分離の程度の判断
上記のステップS12,S2において、それぞれの閾値(第1閾温度T1、第2閾温度T2)を用いて、アキュムレータ28内で冷媒と冷凍機油とが分離しているか否かを判断している。この判断は、アキュムレータ28の内部の温度、ここでは、その温度に相当する吸入温度Tsに基づいて制御部8が行っている。
制御部8は、図5に示すグラフを参照して、アキュムレータ28内で冷媒と冷凍機油とが分離しているか否かを判断する。図5に示すグラフは、冷媒と冷凍機油とが分離する環境にある領域Aと、冷媒と冷凍機油とが分離しない環境にある領域Bと、に分けられている。図5に示すグラフは、冷媒がジフルオロメタン(R32)、冷凍機油がポリビニールエーテル(PVE)であるときの、油濃度と二層分離温度との関係を示すグラフである。例えば、油濃度が25wt%であれば、二層分離温度は約0℃であり、各閾値は0℃の近傍にセットされる。例えば、第2閾温度T2が−3℃、第1閾温度T1が0℃にセットされる。
なお、分離解消運転では、圧縮機21の回転数を下げ、膨張弁24の開度を大きくすることで、アキュムレータ28内の圧力を上げ、冷媒の温度を上げる。これにより、アキュムレータ28内で冷媒と冷凍機油とが分離していても、冷媒の温度が上がることで図5に示す二層分離温度を上回るようになって、分離状態が緩和、解消される。
(6)特徴
次に、空気調和装置1(冷凍装置)の特徴について説明する。
(6−1)
空気調和装置1では、吸入温度センサー51が、アキュムレータ28に流入する冷媒の温度を検知する。制御部8は、圧縮機21の回転数、および、膨張弁24の開度、を制御する。制御部8は、吸入温度センサー51の検知結果に基づいて、アキュムレータ28の内部において冷媒と冷凍機油(潤滑油)とが分離していると判断すると、ステップS3,S4を含む分離解消運転を行う。ステップS3の制御では、圧縮機21の回転数を下げる。ステップS4の制御では、膨張弁24の開度を所定開度(全開)にする。
ここでは、アキュムレータ28の内部において冷媒と冷凍機油とが分離しているときに、圧縮機21の回転数を下げ、且つ、膨張弁24の開度を大きくする、という分離解消運転が行われるため、アキュムレータ28を含む圧縮機21の吸入側の圧力(低圧値)を上げることができる。これにより、アキュムレータ28内の圧力および温度を変えて、冷媒と冷凍機油との分離状態を解消させることができている。
(6−2)
空気調和装置1では、制御部8が、ステップS4の制御において、膨張弁24の開度を、全開にしている。したがって、アキュムレータ28の内部において冷媒と冷凍機油とが分離しているときに、膨張弁24の開度が全開になる分離解消運転が行われるため、温度が高い冷媒がアキュムレータ28に多く流入するようになる。これにより、分離解消運転が、冷媒と冷凍機油との分離状態を早期に解消させるものになっている。
(6−3)
空気調和装置1では、制御部8が、ステップS3の制御において、圧縮機21の回転数を下げて、圧縮機21の回転数を所定回転数にしている。ここでは、圧縮機21の回転数を少しだけ下げるという制御ではなく、所定回転数まで下げるという制御を採用しているため、短時間で冷媒と冷凍機油との分離状態が解消される。なお、一例として、ステップS3の制御において、圧縮機21の回転数は、20〜30rpmの範囲にある所定回転数まで下げられる。
(6−4)
空気調和装置1では、制御部8が、分離解消運転とは別に、油戻し運転を実施する。油戻し運転は、上述のとおり、圧縮機21を除く冷媒回路10に滞留した冷凍機油を圧縮機21に戻す運転である。
従来の空気調和装置等の冷凍装置でも、本実施形態と同様の油戻し運転を行うものがある。しかし、油戻し運転では、比較的高い回転数で圧縮機のモータを回すため、アキュムレータ等の容器の内部における冷媒と冷凍機油との分離状態の解消を行うための運転としては、好ましくないこともある。そこで、空気調和装置1の制御部8は、油戻し運転とは別に、上記の図4に示す分離解消運転を行って、アキュムレータ28内の冷媒と冷凍機油との分離を緩和、解消するようにしている。
なお、比較的高い回転数で圧縮機21を回す油戻し運転に対して、アキュムレータ28内の冷媒と冷凍機油との分離を解消するための分離解消運転では、圧縮機21の回転数を所定回転数まで下げている。油戻し運転とは違って低い回転数(所定回転数)で圧縮機21を回すことになるので、アキュムレータ28内の圧力が上がり、アキュムレータ28内の冷媒と冷凍機油との分離状態が早期に緩和、解消されるようになっている。
(6−5)
空気調和装置1では、制御部8が、圧縮機21を止める要求を受けたときに、吸入温度センサー51の検知結果に基づいて、圧縮機21を止める前に分離解消運転を行うか否かを決めている(図4のステップS12を参照)。そして、吸入温度Tsが低く、そのまま圧縮機21を停止すると再起動時に圧縮機21内の冷凍機油が不足している状態に陥る恐れがある場合には、分離解消運転を行ってから圧縮機の停止(図4のステップS13)に移るように制御を行っている。ステップS12で吸入温度Tsが第1閾温度T1よりも低く、分離解消運転が実施された場合、それによって吸入温度Tsが上昇し、分離解消運転の終了後に再びステップS12で判定が行われるときには、ステップS12で吸入温度Tsが第1閾温度T1よりも高いと判定され、ステップS13に移行して圧縮機21が停止する。
ここでは、冷媒と冷凍機油とがアキュムレータ28内で分離した状態のまま圧縮機21が止まってしまい、再度の圧縮機21の起動の際に圧縮機21が冷凍機油不足になることが抑制されている。
(6−6)
空気調和装置1では、制御部8が、圧縮機21を止める要求を受けたときには、吸入温度センサー51の検知結果に基づいて、アキュムレータ28の内部において冷媒と冷凍機油とが分離しているか否かを、第1の判断基準(第1閾温度T1)によって判断する。一方、圧縮機21を止める要求を受けていないときには、制御部8は、吸入温度センサー51の検知結果に基づいて、アキュムレータ28の内部において冷媒と冷凍機油とが分離しているか否かを、第1の判断基準(第1閾温度T1)とは異なる第2の判断基準(第2閾温度T2)によって判断している。
ここでは、圧縮機21を止める要求を受けたときも、受けていないときも、アキュムレータ28の内部において冷媒と冷凍機油とが分離しているか否かを判断している。このため、圧縮機21が動いているときも、圧縮機21が止まるときも、冷媒と冷凍機油との分離状態を解消させる分離解消運転を行うことができる。そして、アキュムレータ28の内部において冷媒と冷凍機油とが分離しているか否かの判断基準を、圧縮機21を止める要求を受けたとき、受けていないときで変えている。これにより、例えば、圧縮機21が動いているときには第1、第2制御が行われる頻度を下げて、圧縮機21が止まるときには第1、第2制御が行われる頻度を上げることができている。
(7)変形例
(7−1)
上記実施形態では、アキュムレータ28に流入する冷媒の温度を検知する吸入温度センサー51の測定値を使って、アキュムレータ28内での冷媒と冷凍機油との分離の程度を判断している。
しかし、これに代えて、アキュムレータ28の内部の温度を直接測定できるセンサーを設置し、そのセンサーの測定値を用いることも可能である。
また、アキュムレータ28の外周面に温度センサーを付けたり、アキュムレータ28の下流側の配管に温度センサーを付けたりすることも可能である。
さらに、温度センサーではなく、アキュムレータ28内あるいはアキュムレータ28の周囲の冷媒の圧力を測定する圧力センサーを設け、その測定値からアキュムレータ28内の冷媒の温度を演算することも可能である。
また、1つのセンサーの測定値だけからアキュムレータ28内での冷媒と冷凍機油との分離の程度を判断するのではなく、吸入温度センサー51の測定値と蒸発温度、など、複数のパラメータに基づいて分離の判断を行ってもよい。
(7−2)
上記実施形態の空気調和装置1は、冷房運転および暖房運転を切り換えて行うことができる空気調和装置であるが、これに限定されず、冷房運転だけを行う空気調和装置でも上記の分離解消運転は有効である。また、冷房運転時も、暖房運転時も、アキュムレータ28内において冷媒と冷凍機油とが分離した場合、分離解消運転が有効である。
(7−3)
上記実施形態では、分離解消運転において膨張弁24を全開にしている(図4のステップS4)が、必ずしも全開にしなくてもよい。膨張弁24を全開にする場合、分離解消運転の後、通常制御に戻すときに、少し時間がかかるというデメリットが存在するからである。但し、分離解消運転における膨張弁24の開度は、全開の90%以上が望ましい。これにより、上記の膨張弁過冷却度制御によって熱交換器の内部に保持されていた液冷媒が、最終的にアキュムレータ28に流れ込むことになるからである。
(7−4)
上記実施形態では、冷媒としてジフルオロメタン(R32)を単独で用いる空気調和装置1について説明したが、ジフルオロメタンを含む混合冷媒であっても、温度が低いときに冷凍機油と分離する混合冷媒であれば、上記の分離解消運転は有効である。また、ジフルオロメタンを含まない冷媒であっても、温度が低いときに冷凍機油と分離する混合冷媒であれば、上記の分離解消運転は有効である。
(7−5)
以上、本開示の実施形態を説明したが、特許請求の範囲に記載された本開示の趣旨及び範囲から逸脱することなく、形態や詳細の多様な変更が可能なことが理解されるであろう。
1 空気調和装置(冷凍装置)
8 制御部
10 冷媒回路
21 圧縮機
23 室外熱交換器
24 膨張弁
28 アキュムレータ(容器)
41 室内熱交換器
51 吸入温度センサー(検知部)
S3 分離解消運転の制御ステップ(第1制御)
S4 分離解消運転の制御ステップ(第2制御)
特開2016−211774号公報

Claims (11)

  1. 圧縮機(21)と、放熱器(23,41)と、膨張弁(24)と、蒸発器(41,23)と、容器(28)と、が順に接続され、内部を冷媒が流れる、冷媒回路(10)と、
    冷媒の温度または圧力を検知する検知部(51)と、
    前記圧縮機の回転数、および、前記膨張弁の開度、を制御する制御部(8)と、
    を備え、
    前記制御部は、前記検知部の検知結果に基づいて、前記容器の内部において冷媒と潤滑油とが分離していると判断すると、
    前記圧縮機の回転数を下げる第1制御(S3)を行い、
    且つ、
    前記膨張弁の開度を所定開度にする第2制御(S4)を行う、
    冷凍装置(1)。
  2. 前記制御部は、前記第2制御において、前記膨張弁の開度を、全開、あるいは、全開の90%以上の開度にする、
    請求項1に記載の冷凍装置。
  3. 前記制御部は、前記第1制御において、前記圧縮機の回転数を下げて、前記圧縮機の回転数を所定回転数にする、
    請求項1又は2に記載の冷凍装置。
  4. 前記制御部は、前記圧縮機を除く前記冷媒回路に滞留した潤滑油を前記圧縮機に戻す油戻し運転、を有する、
    請求項3に記載の冷凍装置。
  5. 前記制御部は、前記冷媒回路を循環する冷媒の量の積算値が閾値を超えたという条件が満たされたときに、前記油戻し運転を行う、
    請求項4に記載の冷凍装置。
  6. 前記第1制御における前記所定回転数は、前記油戻し運転における前記圧縮機の回転数よりも小さい、
    請求項4又は5に記載の冷凍装置。
  7. 前記制御部は、前記圧縮機を止める要求を受けたときに、前記検知部の検知結果に基づいて、前記圧縮機を止める前に前記第1制御および前記第2制御を行うか否かを決める、
    請求項1から6のいずれか1項に記載の冷凍装置。
  8. 前記制御部は、
    前記圧縮機を止める要求を受けたときには、前記検知部の検知結果に基づいて、前記容器の内部において冷媒と潤滑油とが分離しているか否かを、第1の判断基準によって判断し、
    前記圧縮機を止める要求を受けていないときには、前記検知部の検知結果に基づいて、前記容器の内部において冷媒と潤滑油とが分離しているか否かを、前記第1の判断基準とは異なる第2の判断基準によって判断する、
    請求項1から6のいずれか1項に記載の冷凍装置。
  9. 前記検知部は、前記容器内の冷媒の温度、あるいは、前記容器に接続されている冷媒配管を流れる冷媒の温度、を測定するセンサーを有する、
    請求項1から8のいずれか1項に記載の冷凍装置。
  10. 前記冷媒回路を循環する冷媒は、R32である、
    請求項1から9のいずれか1項に記載の冷凍装置。
  11. 前記制御部は、前記検知部の検知結果から、前記容器の内部において冷媒と潤滑油とが分離していると判断すると、前記第1制御および前記第2制御を行い、前記圧縮機を1分〜10分の所定期間動かし続ける、
    請求項1から10のいずれか1項に記載の冷凍装置。
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