JPWO2019116533A1 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

本発明に係る冷凍サイクル装置は、運転モードとして暖房モードと除霜モードとを有する。冷凍サイクル装置は、圧縮機（１０）と、第１および第２熱交換器と、膨張弁と、制御装置とを備える。圧縮機（１０）は、モータ（１２）によって駆動される。圧縮機（１０）は、冷凍機油を貯留する。制御装置は、モータ（１２）を駆動する。冷媒（ＲＬ１）は、暖房モードにおいて圧縮機（１０）、第１熱交換器、膨張弁、および第２熱交換器の順に循環する。冷媒（ＲＬ１）の密度は冷凍機油（ＲＯ１）の密度よりも小さい。圧縮機（１０）の内部では、除霜モードにおいて液状の冷媒（ＲＬ１）と冷凍機油（ＲＯ１）とは二層に分離する。制御装置は、除霜モードにおけるモータ（１２）の熱損失を、暖房モードにおける熱損失よりも増加させる。

Description

本発明は、運転モードとして除霜モードを有する冷凍サイクル装置に関する。

従来、運転モードとして除霜モードを有する冷凍サイクル装置が知られている。たとえば、特開昭５９−２２１５４３号公報（特許文献１）には、デフロスト運転において、圧縮機のモータの駆動電圧を、モータ効率が最高値となる電圧から低下させてデフロスト熱量を増加させることにより、デフロストに要する時間を短縮させる空気調和装置が開示されている。

特開昭５９−２２１５４３号公報

除霜モードにおいては、冷媒の熱量が除霜に用いられるため、圧縮機に吸入される冷媒の熱量が通常よりも小さくなることが多い。除霜モードにおいては圧縮機の内部において冷媒が凝縮し易い。圧縮機に貯留されている冷凍機油が液体の冷媒（液冷媒）によって希釈されると、冷凍機油の潤滑能力が低下する。その結果、圧縮機の摺動部が損傷する可能性が高まる。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、冷凍サイクル装置の安定性を向上させることである。

本発明に係る冷凍サイクル装置は、運転モードとして暖房モードと除霜モードとを有する。冷凍サイクル装置は、圧縮機と、第１および第２熱交換器と、膨張弁と、制御装置とを備える。圧縮機は、モータによって駆動される。圧縮機は、冷凍機油を貯留する。制御装置は、モータを駆動する。冷媒は、暖房モードにおいて圧縮機、第１熱交換器、膨張弁、および第２熱交換器の順に循環する。冷媒の密度は冷凍機油の密度よりも小さい。圧縮機の内部では、除霜モードにおいて液状の冷媒と冷凍機油とは二層に分離する。制御装置は、除霜モードにおけるモータの熱損失を、暖房モードにおける熱損失よりも増加させる。

本発明に係る冷凍サイクル装置によれば、除霜モードにおけるモータの熱損失を暖房モードにおけるモータの熱損失よりも増加させることにより、冷媒の密度が冷凍機油の密度よりも小さく、液状の冷媒と冷凍機油とが二層に分離している圧縮機の内部において、冷凍機油の潤滑能力の低下を抑制することができる。その結果、冷凍サイクル装置の安定性を向上させることができる。

実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の構成を示す機能ブロック図である。 図１のモータ駆動回路の機能構成を示す機能ブロック図である。 Ｒ３２、Ｒ４１０Ａ、およびＲ２９０の各々のＧＷＰ、ポリトロープ指数、および理論吐出温度を併せて示す図である。 図２のモータの回転数を一定とした場合の、モータの駆動電圧とモータ効率との関係を示すグラフである。 通常モードにおけるモータの駆動電圧および誘導起電力の各タイムチャートを併せて示す図である。 実施の形態１の除霜モードにおけるモータの駆動電圧および誘導起電力の各タイムチャートを併せて示す図である。 図１の圧縮機の内部構造を示す図である。 実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の圧縮機の他の例の内部構造を示す図である。 実施の形態３の通常モードにおけるＰＷＭ信号の波形図である。 実施の形態３の除霜モードにおけるＰＷＭ信号の波形図である。 圧縮機の負荷トルク、通常モードにおけるモータの発生トルク、および除霜モードにおけるモータの発生トルクのタイムチャートを併せて示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は原則として繰り返さない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００の構成を示す機能ブロック図である。冷凍サイクル装置１００においては、Ｒ２９０を含む冷媒が使用される。図１に示されるように、冷凍サイクル装置１００は、圧縮機１０と、室外熱交換器１と、膨張弁２と、室内熱交換器３と、四方弁４と、制御装置５と、モータ駆動回路６とを含む。冷凍サイクル装置１００は、運転モードとして暖房モード、冷房モード、および除霜モードを含む。以下では、暖房モードおよび冷房モードを併せて通常モードと呼ぶ。

冷房モードおよび除霜モードにおいては、冷媒が圧縮機１０、室外熱交換器１、膨張弁２、および室内熱交換器３の順に循環するように、制御装置５は四方弁４を制御して流路を形成する。冷房モードおよび除霜モードにおいては、室外熱交換器１は凝縮器として機能し、室内熱交換器３は蒸発器として機能する。

暖房モードにおいては、冷媒が圧縮機１０、室内熱交換器３、膨張弁２、および室外熱交換器１の順に循環するように、制御装置５は四方弁４を制御して流路を形成する。暖房モードにおいて室内熱交換器３は凝縮器として機能し、室外熱交換器１は蒸発器として機能する。

圧縮機１０は、蒸発器として機能する熱交換器から気体の冷媒（ガス冷媒）を吸入して圧縮し、凝縮器として機能する熱交換器へ吐出する。圧縮機１０は、高圧シェルタイプ型である。圧縮機１０は、固定巻線が取り付けられたモータを含む。圧縮機１０は、圧縮機構を潤滑するための冷凍機油を内部に貯留している。制御装置５は、モータ駆動回路６にキャリア周波数ｆｃｒのＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を出力して当該モータの回転速度（回転数）をインバータ制御することにより、圧縮機１０の容量（単位時間あたりに吐出する冷媒量）を制御する。

膨張弁２は、凝縮器として機能する熱交換器からの液冷媒を断熱膨張させて減圧し、蒸発器として機能する熱交換器へ気液二相状態の冷媒（湿り蒸気）を流出させる。膨張弁２は、制御装置５によって開度が調節される。膨張弁２の開度が調節されることにより、熱交換器の温度、冷媒流量、および圧力が調節される。膨張弁２は、たとえばリニア電子制御式膨張弁（ＬＥＶ：Linear Expansion Valve）を含む。

図２は、モータ駆動回路６の機能構成を示す機能ブロック図である。図２に示さるようにモータ駆動回路６は、コンバータ６１と、インバータ６２と、電流センサ６３とを含む。圧縮機１０は、モータ１２を含む。モータ１２は、たとえば三相モータを含む。モータ駆動回路６は、制御装置５に含まれていてもよいし、圧縮機１０に含まれていてもよい。制御装置５は、モータ駆動回路６を介してモータ１２を駆動する。

コンバータ６１は、交流電源７から交流電力を受けて直流電力に変換し、インバータ６２に出力する。インバータ６２は、複数のスイッチング素子を含むインバータ主回路（いずれも不図示）を含む。インバータ６２は、制御装置５からキャリア周波数ｆｃｒのＰＷＭ信号を受けてスイッチング素子のオン（導通）およびオフ（非導通）を切り替えることにより、モータ１２に駆動電力（駆動電流および駆動電圧）を出力する。電流センサ６３は、インバータ６２から出力される駆動電流（たとえば三相電流）を検出し、制御装置５へ出力する。制御装置５は、電流センサ６３からの電流の大きさおよび位相を分析して、モータ１２のトルクおよび回転速度を算出する。

除霜モードにおいては、冷媒の熱量が除霜に用いられるため、圧縮機１０に吸入される冷媒の熱量が通常よりも小さくなることが多い。除霜モードにおいては圧縮機１０の内部において冷媒が凝縮し易い。圧縮機１０に貯留されている冷凍機油が液冷媒によって希釈されると、冷凍機油の潤滑能力が低下する。その結果、圧縮機１０の摺動部が損傷する可能性が高まる。

冷凍サイクル装置１００のように、地球温暖化防止の観点から、ＨＦＣ（Hydro Fluoro Carbon）冷媒（たとえばＲ３２あるいはＲ４１０Ａ）よりも地球温暖化係数（ＧＷＰ：Global Warming Potential）が低いＨＣ（Hydro Carbon）冷媒（たとえば、Ｒ２９０、Ｒ６００、あるいはＲ６００Ａ）が用いられることがある。一般的にＨＣ冷媒は、ＨＦＣ冷媒よりもポリトロープ指数（たとえば、定圧比熱を定積比熱で割ったポリトロープ指数）が小さい。ポリトロープ指数が小さい冷媒ほど、圧縮機１０から吐出されるときの理論温度（理論吐出温度）が小さいことが知られている。

図３は、Ｒ３２、Ｒ４１０Ａ、およびＲ２９０の各々のＧＷＰ、ポリトロープ指数、および理論吐出温度を併せて示す図である。図３に示されるように、ＨＣ冷媒のＲ２９０のＧＷＰは、ＨＦＣ冷媒のＲ３２およびＲ４１０Ａの各ＧＷＰよりも低い。Ｒ２９０のポリトロープ指数は、Ｒ３２およびＲ４１０Ａよりも小さい。そのため、Ｒ２９０の理論吐出温度は、Ｒ３２およびＲ４１０Ａよりも低い。地球温暖化防止の観点から、ＧＷＰの低いＲ２９０を使用すると、Ｒ３２あるいはＲ４１０を使用する場合よりも、除霜モードにおいて圧縮機１０の摺動部が損傷する可能性がさらに高まる。

そこで、実施の形態１においては、除霜モードにおけるモータ１２の駆動電圧を通常モードにおける駆動電圧よりも小さくすることによって、モータ効率を低下させる。モータ効率とは、冷媒への圧縮機１０の圧縮仕事をモータ１２への入力電力で割った値（％）である。モータ効率が低下すると、モータ１２への入力電力のうち、圧縮仕事へ変換される仕事量が減り、熱損失（発熱量）が増加する。除霜モードにおいて、圧縮機１０の内部におけるモータ１２からの発熱量が通常モードよりも増加する。

また、実施の形態１においては、密度が冷媒よりも小さく、かつ液冷媒に対して非相溶性である冷凍機油が使用される。このような性質を有する冷凍機油を用いることにより、高圧シェルタイプの圧縮機１０の内部において液冷媒と冷凍機油とが二層に分離し、液冷媒が上層となる。

除霜モードにおいては、モータ１２からの発熱量が通常モードよりも増加するため、液冷媒の気化が促進される。液冷媒による冷凍機油の希釈が抑制され、冷凍機油の潤滑能力の低下が抑制される。その結果、冷凍サイクル装置１００の安定性を向上させることができる。

図４は、モータ１２の回転数を一定とした場合の、モータ１２の駆動電圧とモータ効率との関係を示すグラフである。図４に示されるように、駆動電圧がＤＶ０である場合に、モータ効率は最大値Ｅ０となる。通常モードにおいては、圧縮機１０の圧縮仕事を最大化して空調能力を高めるため、駆動電圧はＤＶ０付近の値とされる。実施の形態１においては、除霜モードの駆動電圧をＤＶ１（＜ＤＶ０）として、駆動電圧に対応するモータ効率をモータ効率Ｅ０よりも低下させる。

図５は、通常モードにおけるモータ１２の駆動電圧ＤＶ０および誘導起電力ＩＥ０の各タイムチャートを併せて示す図である。図５において、電圧Ｖｍ０は、通常モードの駆動電圧ＤＶ０の大きさの最大値である。図５に示されるように、駆動電圧ＤＶ０の位相（制御位相）と誘導起電力ＩＥ０の位相（回転位相）との間にずれはほとんど生じていない。誘導起電力ＩＥ０が最初に最大となる時刻ｔｍ１と駆動電圧ＤＶ０が最初に最大値Ｖｍ０となる時刻ｔｍ２とは、ほとんど同じである。

図６は、実施の形態１の除霜モードにおけるモータ１２の駆動電圧ＤＶ１および誘導起電力ＩＥ１の各タイムチャートを併せて示す図である。図６に示されるように、除霜モードにおける駆動電圧ＤＶ１の大きさの最大値Ｖｍ１は、通常モードにおける駆動電圧の大きさの最大値Ｖｍ０よりも小さい。除霜モードの平均駆動電圧は、通常モードの平均駆動電圧よりも小さい。また、誘導起電力ＩＥ１の位相は、駆動電圧ＤＶ１の位相よりも遅れている。誘導起電力ＩＥ０が最初に最大となる時刻ｔｍ４は、駆動電圧ＤＶ０が最初に最大値Ｖｍ１となる時刻ｔｍ３よりも遅れている。制御装置５は、弱め界磁制御により、モータ１２に対する制御の安定性を低下させることなく、モータ１２の熱損失を増加させる。

図７は、図１の圧縮機１０の内部構造を示す図である。図７に示されるように、圧縮機１０は、シェル１１と、モータ１２と、ロータリ圧縮機構１３と、吸入口を含む吸入管１４と、吐出管１５と、電源端子１６とを備える。シェル１１は、モータ１２と、ロータリ圧縮機構１３とを収容する。シェル１１は、ロータリ圧縮機構１３の摺動部を潤滑するための冷凍機油ＲＯ１を底部に貯留する。圧縮機１０は、複数の圧縮機構を含んでいてもよい。

モータ１２には、電源端子１６を介してモータ駆動回路６から駆動電力が供給される。モータ１２は、コイル１２１，１２２と、モータ軸１２３とを含む。モータ１２の駆動力は、モータ軸１２３を介してロータリ圧縮機構１３に伝達される。ロータリ圧縮機構１３は、モータ１２によって駆動されて、吸入管１４からの冷媒を圧縮してモータ１２が配置されている空間に吐出する。

シェル１１には、冷凍機油ＲＯ１と液冷媒ＲＬ１とが貯留されている。液冷媒ＲＬ１の密度は、冷凍機油ＲＯ１の密度より小さい。冷凍機油ＲＯ１は、液冷媒ＲＬ１に対して非相溶性である。液冷媒ＲＬ１と冷凍機油ＲＯ１とは、二層に分離する。上層の液冷媒ＲＬ１の方が、下層の冷凍機油ＲＯ１よりもモータ１２に近い。除霜モードにおいて、モータ１２からの発熱量が増加すると、液冷媒ＲＬ１の気化が促進され、ガス冷媒が吐出管１５から吐出される。なお、モータ１２において、主にコイル１２１，１２２から発熱される。

実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の圧縮機は、高圧シェルタイプであればどのような圧縮機構を備えていてもよい。たとえば、図８に示されるようなスクロール圧縮機構を備える圧縮機１０Ａでもよい。圧縮機１０Ａは、シェル１１Ａと、モータ１２Ａと、スクロール圧縮機構１３Ａと、吸入口を含む吸入管１４Ａと、吐出管１５Ａと、電源端子１６Ａとを備える。シェル１１Ａは、モータ１２Ａと、スクロール圧縮機構１３Ａとを収容する。モータ１２Ａには、電源端子１６Ａを介してモータ駆動回路６から電力が供給される。スクロール圧縮機構１３Ａは、モータ１２Ａによって駆動されて、吸入管１４Ａからの冷媒を圧縮してモータ１２Ａが配置されている空間に吐出する。除霜モードにおいて、モータ１２Ａからの発熱量が増加すると、液冷媒ＲＬ１の気化が促進され、ガス冷媒が吐出管１５Ａから吐出される。

以上、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置によれば、安定性を向上させることができる。

実施の形態２．
実施の形態２においては、実施の形態１とは逆に、除霜モードにおける圧縮機のモータの駆動電圧を通常モードよりも高くすることにより、モータの熱損失を増加させる。この点以外は、実施の形態１と同様であるため、説明を繰り返さない。

再び図４を参照して、実施の形態２においては、除霜モードの駆動電圧ＤＶ２を通常モードの駆動電圧ＤＶ０よりも高くする。駆動電圧ＤＶ２に対するモータ効率Ｅ２は、駆動電圧ＤＶ０に対するモータ効率Ｅ０よりも低い。そのため、除霜モードにおいて圧縮機のモータの熱損失が増加し、圧縮機内の液冷媒の気化が促進される。液冷媒による冷凍機油の希釈が抑制され、冷凍機油の潤滑能力の低下が抑制される。その結果、冷凍サイクル装置の安定性を向上させることができる。

除霜モードにおける駆動電圧ＤＶ２の大きさの最大値は、通常モードにおける駆動電圧の大きさの最大値よりも大きい。除霜モードの平均駆動電圧は、通常モードの平均駆動電圧よりも大きい。また、誘導起電力の位相は、駆動電圧ＤＶ２の位相よりも進んでいる。誘導起電力が最初に最大となる時刻は、駆動電圧ＤＶ２が最初に最大値となる時刻よりも進んでいる。駆動電圧ＤＶ２を高めることによりモータの制御に必要な電流を抑制することができるため、インバータに含まれるスイッチング素子の発熱を抑制することができる。

以上、実施の形態２に係る冷凍サイクル装置によれば、安定性を向上させることができる。

実施の形態３．
実施の形態３では、除霜モードにおけるインバータのキャリア周波数を通常モードよりも低くすることにより、インバータによって駆動される圧縮機のモータの鉄損を増加させて、当該モータの熱損失を増加させる場合について説明する。

図９は、通常モードにおける駆動電圧の変化を示す波形図である。図１０は、除霜モードにおける駆動電圧の変化を示す波形図である。図９において、方形波パルスＣｒ０は、駆動電圧の変化を表し、点線Ｖａ０は平均電圧の変化を表している。図１０において、方形波パルスＣｒ１は、駆動電圧の変化を表し、点線Ｖａ１は平均電圧の変化を表している。平均電圧は、キャリア１周期の時間当たりの平均値である。

図９および図１０に示されるように、図１０のキャリア周期Ｔ１は、図１０のキャリア周期Ｔ０より大きい。キャリア周波数は、キャリア周期の逆数であるから、図１０のキャリア周波数は、図９のキャリア周波数よりも低い。一般に、空調用圧縮機のモータに使用されるコア材の鉄損は、キャリア周波数が１０ｋＨｚ付近が最小となる。一般的に使用されるキャリア周波数は５ｋＨｚ程度なので、たとえば、通常モードにおいてはキャリア周波数を５ｋＨｚとして、除霜モードにおいてはキャリア周波数を２．５ｋＨｚとすることで、モータ効率を悪化させて、モータの熱損失を増加させることができる。

以上、実施の形態３に係る冷凍サイクル装置によれば、安定性を向上させることができる。

実施の形態４．
実施の形態４では、除霜モードにおいて、圧縮機の負荷トルクに圧縮機のモータの発生トルクが追従するようにトルク制御を行なうことにより、当該モータに流れる駆動電流を増加させて当該モータの熱損失を増加させる場合について説明する。

図１１は、圧縮機の負荷トルクＬＴ０、通常モードにおけるモータの発生トルクＭＴ０、および除霜モードにおけるモータの発生トルクＭＴ１のタイムチャートを併せて示す図である。図１１に示されるように、通常モードにおいては、モータの発生トルクＭＴ０は、ほぼ一定である。除霜モードにおいては、発生トルクＭＴ１が圧縮機の負荷トルクＬＴ０に追従するように変化している。除霜モードにおいてトルク制御を行なうことにより、圧縮機の回転速度変動を抑制することができるため、圧縮機の安定性を確保し易い。また、トルクの過不足が生じることを抑制することにより圧縮機の振動も抑制することができる。

以上、実施の形態４に係る冷凍サイクル装置によれば、安定性を向上させることができる。

今回開示された各実施の形態は、矛盾しない範囲で適宜組み合わせて実施することも予定されている。今回開示された各実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，３ 熱交換器、２ 膨張弁、４ 四方弁、５ 制御装置、６ モータ駆動回路、７ 交流電源、１０，１０Ａ 圧縮機、１１，１１Ａ シェル、１２，１２Ａ モータ、１３ ロータリ圧縮機構、１３Ａ スクロール圧縮機構、１４，１４Ａ 吸入管、１５，１５Ａ 吐出管、１６，１６Ａ 端子、６１ コンバータ、６２ インバータ、６３ 電流センサ、１００ 冷凍サイクル装置、１２１，１２２ コイル、１２３ モータ軸、ＲＬ１ 液冷媒、ＲＯ１ 冷凍機油。

Claims (11)

1. 運転モードとして暖房モードと除霜モードとを有する冷凍サイクル装置であって、
   冷凍機油を貯留し、モータによって駆動される圧縮機と、
   第１および第２熱交換器と、
   膨張弁と、
   前記モータを駆動する制御装置とを備え、
   冷媒は、前記暖房モードにおいて前記圧縮機、前記第１熱交換器、前記膨張弁、および前記第２熱交換器の順に循環し、
   前記圧縮機の内部では、前記冷媒の密度は前記冷凍機油の密度よりも小さいとともに、前記除霜モードにおいて液状の前記冷媒と前記冷凍機油とは二層に分離し、
   前記制御装置は、前記除霜モードにおける前記モータの熱損失を、前記暖房モードにおける前記熱損失よりも増加させる、冷凍サイクル装置。
2. 前記圧縮機は、
   前記冷凍機油を貯留するとともに、前記モータを収容するシェルと、
   前記モータによって駆動されて、前記圧縮機の吸入口からの前記冷媒を圧縮して前記モータが配置されている空間に吐出する圧縮機構とを含む、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記制御装置は、前記除霜モードにおいて、前記モータの駆動電圧を前記暖房モードにおける前記駆動電圧よりも小さくして、前記モータの誘導起電力の位相を前記駆動電圧の位相よりも遅らせる、請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記制御装置は、前記除霜モードにおいて、前記モータの駆動電圧を前記暖房モードにおける前記駆動電圧よりも大きくして、前記モータの誘導起電力の位相を前記駆動電圧の位相よりも進ませる、請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記制御装置は、キャリア周波数に同期して前記モータを駆動し、前記除霜モードにおいて、前記キャリア周波数を前記暖房モードにおける前記キャリア周波数よりも低くする、請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記制御装置は、前記除霜モードにおいて、前記モータの発生トルクが前記圧縮機の負荷トルクに追従するように前記モータを駆動する、請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。
7. 前記冷媒は、前記除霜モードにおいて前記暖房モードとは逆方向に循環する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
8. 前記冷凍機油は、前記冷媒に対して非相溶性である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
9. 前記冷媒のポリトロープ指数は、ＨＦＣ冷媒のポリトロープ指数よりも小さい、請求項１〜８のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
10. 前記冷媒は、ＨＣ冷媒を含む、請求項９に記載の冷凍サイクル装置。
11. 前記冷媒は、Ｒ２９０を含む、請求項１０に記載の冷凍サイクル装置。

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