JP2008215770A - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の、圧縮機を加熱して冷凍機油の吐出を抑える方法は、電力消費が多いという課題があった。
【解決手段】本発明の空気調和機１００は、圧縮機１０１、室外熱交換器１０２、膨張弁１０３、室内熱交換器１０４、四方弁１１２で構成されている。吐出温度センサー１０５、シェル温度センサー１０６、室外配管温度センサー１０７、室内配管温度センサー１０９、吸入温度センサー１１０の検出値は制御装置１１５で処理され、駆動電源装置は高効率か冷凍機油吐出防止かどちらかの運転モードを指示される。ヒーターなどを用いず、電動機の効率を落として発熱を増加させるので、安価な構成で、無駄な電力消費を抑え、圧縮機１０１の信頼性を確保することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷媒と圧縮機を用いて冷凍サイクルあるいはヒートポンプサイクルを構成し冷房ないしは暖房を行う空気調和機における圧縮機の駆動方法に関するもので、装置の起動時や運転状態の変化に伴って、圧縮機内部の冷凍機油がサイクル中に吐出され、冷凍機油不足から、潤滑性が悪化するのを防止する技術を提供するものである。

冷凍およびヒートポンプサイクルを用いて冷暖房を行う空気調和機においては、圧縮機の潤滑材や性能向上のための漏れ防止材として冷凍機油を使用している。冷凍機油は冷媒との相溶性が高い油を用いるのが一般的で、装置を停止していると冷媒は圧縮機中の冷凍機油に多量に溶け込んでいく。これを冷凍機油に冷媒が寝込むといい、この現象自体、油の粘度の低下から潤滑性が悪化して、故障の原因になることがある。

また、冷凍機油の種類や量を最適化させ、粘度低下による問題が解決できたとしても、寝込み状態から起動した場合や、運転中に圧縮機の吸入口への液戻りが増加した場合など、吐出冷媒の加熱度が取れなくなると圧縮機内部の冷凍機油がサイクル中に吐出され、冷凍機油不足から、潤滑性が悪化することがある。寝込み起動時の対策としては、古くから圧縮機が停止している間、油の温度を上げて冷媒の溶け込みを防ぐ方法がとられている。このために使用されるヒーターを、クランクケースヒーターと呼ばれている。

従来クランクケースヒーターは装置が停止している間中通電するものであり、ヒーターを入れる必要がなくても加熱を行っていた（例えば、非特許文献１参照）。

しかし、電気代や環境負荷の観点から、必要なときのみ加熱を行うような技術が開発されてきている（例えば、特許文献１参照）。

その一例として、特許文献１のように圧縮機の油溜まりの中に少なくとも１対の電極を設け、電極間の交流抵抗の変化を検出することで冷媒の溶け込み量を検出するものがある。そして、実施例では、冷媒の溶け込み量が危険濃度に達すると、ヒーター巻き線に通電して圧縮機をヒートアップすることとしている。

また、冷媒と冷凍機油を分離するために運転中に圧縮機を加熱する方法として、圧縮機の電動機のローター上部に誘導電流により自己発熱するコイルを設け、コイル内部に吐出管を突出させる方法などもある（例えば、特許文献２参照）。

圧縮機運転中に吸入口への液戻りが増加し、吐出冷媒の加熱度が取れなくなった場合の対応策としては、膨張弁を絞り込んで冷媒循環量を減らし吸入口への液戻り量を減らし、吐出冷媒の加熱度を確保することで対応するのが一般的である。
特開平４−２４１７９７号公報 特開昭６２−２９７９１号公報 社団法人日本冷凍空調学会、初級標準テキスト冷凍空調技術、平成９年７月２０日第２刷、Ｐ３９

しかしながら、従来の圧縮機停止中に加熱を行う方法は、電気代や環境負荷の観点から多少なりとも無駄が生じ、装置のコスト増加も招くという課題があった。また、誘導電流
により自己発熱するコイルを設ける方法では、発熱のためのエネルギーは圧縮機の電動機に供給される電力が源であり、加熱が不要な状態にあっても圧縮機が運転中は常に電力を消費することになる。また、運転中に膨張弁のみで吸入口への液戻り量を制御する方法に関しては、わずかな停止時間の後再起動する場合や、除霜運転時の対応などを考えると、優れた制御性有しているとは言えないのが現状である。

本発明は、この課題に鑑み、安価な構成で、無駄な電力消費が無く、冷凍機油のサイクル中への吐出を防止し、圧縮機の信頼性を確保することのできる、空気調和機を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の空気調和機は、圧縮機を駆動するための駆動電源装置と、駆動電源装置に運転パターンを指示する制御手段を備え、制御手段は、通常は、駆動電源装置に電動機の効率を重視した高効率運転モードを指示し、圧縮機の冷凍機油が多量に吐出されると判断される場合には、圧縮機の電動機効率を落として運転する冷凍機油吐出防止運転モードを指示するものである。これにより、冷凍機油吐出防止運転モードでは圧縮機の電動機からの発熱量が増加し吐出冷媒の加熱度を増加させることができる。

本発明の空気調和機は、制御手段が駆動電源装置に冷凍機油吐出防止運転モードを指示した場合、圧縮機の電動機からの発熱量が増加し吐出冷媒の加熱度を増加させることができるので、安価な構成で、無駄な電力消費を伴わずに、冷凍機油のサイクル中への吐出を防止し、圧縮機の信頼性を確保することができる。

第１の発明は、電動機を内蔵した全密閉形の圧縮機と、室外熱交換器と、冷媒を減圧膨張させる減圧膨張器と、室内熱交換器と、前記圧縮機を駆動するための駆動電源装置と、前記駆動電源装置に運転パターンを指示する制御手段を備え、前記制御手段は、通常は、前記駆動電源装置に前記電動機の効率を重視した高効率運転モードを指示し、前記圧縮機の冷凍機油が多量に吐出されると判断される場合には、前記圧縮機の電動機効率を落として運転する冷凍機油吐出防止運転モードを指示するもので、電動機からの発熱量を増加させ、圧縮機の吐出冷媒の加熱度を増加させて冷凍機油のサイクル中への吐出を防止して、信頼性が高く、安価で無駄な電力消費が少ない空気調和機を提供することができる。

第２の発明は、第１の発明において、制御手段が、前回圧縮機が停止してから今回起動するまでの時間情報を得、所定の時間を越えて停止していた場合に、冷凍機油吐出防止運転モードを指示するもので、簡単なアルゴリズムで判別ができ、冷媒が寝込んだ状態から起動しても冷凍機油の吐出を防ぐことができ、第１の発明の起動時における冷凍機油のサイクル中への吐出防止を確実に実施することができる。

第３の発明は、第１の発明において、制御手段が、圧縮機と室外熱交換器と室内熱交換器の温度検出手段を備え、圧縮機の温度が、室外熱交換器および室内熱交換器の温度よりも、所定値以上低くなった場合に冷凍機油吐出防止運転モードを記憶し、逆に圧縮機の温度が所定値以上高くなった場合に高効率運転モードを記憶し、起動時に記憶している運転モードを指示するもので、安価な構成で冷媒の寝込み判定を正確に行い無駄な電力消費を低減することができる。

第４の発明は、第１の発明において、制御手段が、除霜運転時に、冷凍機油吐出防止運転モードを指示するもので、簡単なアルゴリズムで第１の発明の除霜時における冷凍機油
のサイクル中への吐出防止を確実に実施することができる。

第５の発明は、第１の発明において、制御手段が、圧縮機の吐出管あるいは吸入管と室外熱交換器と室内熱交換器の温度検出手段を備え、圧縮機吐出管あるいは吸入管の温度が、室外熱交換器あるいは室内熱交換器の温度から決定される所定温度よりも低くなった場合に、冷凍機油吐出防止運転モードを指示するもので、運転中の状態変化などにも的確に対応して、第１の発明における冷凍機油のサイクル中への吐出防止を確実に実施することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明における第１の実施の形態である空気調和機１００の構成図を示すものである。図１に示すように、本発明の空気調和機における第１の実施の形態は、圧縮機１０１と、室外熱交換器１０２と、減圧膨張器である膨張弁１０３と、室内熱交換器１０４が冷媒配管で接続され、四方弁１１２によって冷媒の流れる方向が切換えられ、室内空間１１４を冷房あるいは暖房するよう構成されている。図１では、矢印１１３の向きに冷媒は流れており、冷房運転となっている。

圧縮機１０１には、吐出温度センサー１０５および、圧縮機温度を代表するシェル温度センサー１０６と、吸入温度センサー１１０が配備されている。室外熱交換器１０２内部の配管には、室外熱交換器を代表する室外配管温度センサー１０７が、室内熱交換器１０４内部の配管には、室内熱交換器を代表する室内配管温度センサー１０９が配備されている。

吐出温度センサー１０５、シェル温度センサー１０６、室外配管温度センサー１０７、室内配管温度センサー１０９の検出値は制御装置１１５で処理され、圧縮機の電動機効率を重視した高効率運転モードか、圧縮機の電動機効率を落として運転する冷凍機油吐出防止運転モードのいずれかの運転モードが選択され、駆動電源装置１１６に指示が送られ、駆動電源装置１１６はその指示に従って圧縮機１０１に電力を供給する。

電動機がＤＣブラシレスモーターであれば、高効率運転モードでは負荷に対して最適な電圧振幅、波形、回転磁極とコイルの電流位相などが存在する。冷凍機油吐出防止運転モードでは、その最適な条件からずれた設定をすれば効率が低下するので、安定して回る範囲で、損失が大きくなるように設定すればよい。各温度センサーには、安価なサーミスターが使用され、簡単な回路で温度を検出することができる。

先の背景技術においても記述したが、本発明における第１の実施の形態である空気調和機１００において、圧縮機１０１中の冷凍機油がサイクル中へ吐出されやすいのは、圧縮機１０１内部の冷凍機油に冷媒が寝込んでいる状態で起動した場合、除霜運転中、圧縮機１０１の吸入管へ戻ってくる液冷媒の比率が増加した場合である。これらの場合においては、圧縮機１０１の吐出冷媒の加熱度が採れず、冷凍機油と相溶性の高い飽和ガス状態となっている。従って、冷凍機油は冷媒の吐出に伴って一緒に吐出されてしまうのである。

本発明では、停止時に圧縮機を加熱したりせずに、冷凍機油がサイクル中へ吐出されやすい状況のときに、意図的に圧縮機１０１の電動機効率を落とす冷凍機油吐出防止運転を行い、圧縮機内部での発熱量を増加させることで、圧縮機１０１から吐出される冷媒の加熱度を上げるものである。結果、冷凍機油の吐出を防ぐことができ、ヒーターを使わない安価な構成で、無駄な電力消費を伴わずに、圧縮機の信頼性を確保することができる。

さらに、制御装置１１５は、運転動作や吐出温度センサー１０５、シェル温度センサー１０６、室外配管温度センサー１０７、室内配管温度センサー１０９の検出値などの情報から、冷凍機油がサイクル中へ吐出されやすくなる条件を的確に判別する。結果、安価な構成で、冷凍機油のサイクル中への吐出防止を確実に実施したり、冷媒の寝込み判定を正確に行い無駄な電力消費を低減したりすることができる。

寝込み判別については、前回圧縮機が停止してから今回起動するまでの時間情報を得、所定の時間を越えて停止していた場合を寝込みと判別すれば、簡単なアルゴリズムで冷凍機油のサイクル中への吐出防止を確実に実施することができる。

また、寝込みは圧縮機１０１の温度が最も低くなるような状況の時に起こりやすく、室外熱交換器１０２あるいは室内熱交換器１０４の温度が低くなると寝込みはゆるくなる。つまり、吐出温度センサー１０５、吸入温度センサー１１０あるいはシェル温度センサー１０６と室外配管温度センサー１０７、室内配管温度センサー１０９の検出温度を比較して、吐出温度センサー１０５、吸入温度センサー１１０あるいはシェル温度センサー１０６の温度が所定値以上低くなった場合に寝込み状態であり、逆に吐出温度センサー１０５、吸入温度センサー１１０あるいはシェル温度センサー１０６の温度が所定値以上高くなった場合には、寝込みは解除されたと判断できる。

この判別法によれば、停止時間から判定するよりは正確に判定することができ、無駄な電力消費を一層低減することができる。センサー自体も通常空気調和機を制御するのに使用されるものであり、冷凍機油吐出防止運転のために備えるものではないので、安価に構成することができる。

除霜運転については、四方弁１１２が切換えられ、送風が停止した室内熱交換器１０４から冷媒が圧縮機１０１の吸入管へ戻ってくるので、液戻りが多くなる傾向があり、圧縮機１０１の温度が低下し、結果吐出の冷媒の加熱度が採れなくなって冷凍機油が吐出される。従って、除霜動作時には、冷凍機油吐出防止運転モードとすれば簡単なアルゴリズムで除霜時における冷凍機油のサイクル中への吐出防止を確実に実施することができる。

また、空気調和機１００を運転中に、圧縮機１０１の再起動や回転数変化、送風機の風量変化やそれに伴う膨張弁１０３の制御動作の過渡的な状況において、圧縮機１０１へ戻る冷媒の液戻り量が増加すると、吐出の冷媒の加熱度が採れなくなって冷凍機油が吐出される場合がある。このとき、吐出温度センサー１０５、吸入温度センサー１１０と室外配管温度センサー１０７、室内配管温度センサー１０９の検出温度を比較して、吐出管あるいは吸入管の温度が、室外熱交換器あるいは室内熱交換器の温度から決定される所定温度よりも低くなった場合、言い換えれば吐出冷媒の加熱度あるいは吸入冷媒の加熱度が確保されてないことを検知し制御装置１１５が冷凍機油吐出防止運転モードを指示すれば、冷凍機油のサイクル中への吐出を防止することができる。

このように、吐出温度センサー１０５、吸入温度センサー１１０と室外配管温度センサー１０７、室内配管温度センサー１０９の検出温度を用いて判別を行なえば、運転中の状態変化などにも的確に対応することができる。またこの方法についても、センサー自体は通常空気調和機を制御するのに使用されるものであり、冷凍機油吐出防止運転のために備えるものではないので、安価に構成することができる。

本発明の空気調和機は、簡単な構成、無駄な電力消費を抑え、圧縮機内部の冷凍機油が吐出されるのを防止し、安価で信頼性の高い装置を提供するものであるが、その技術は冷
凍機やヒートポンプ給湯機あるいは除湿機などの装置にも適用できる。また、冷媒と相溶性の高い冷凍機油を使う装置に対し、冷媒の種類を問わず効果を有するものである。

本発明の実施の形態１における空気調和機の構成図

符号の説明

１０１ 圧縮機
１０２ 室外熱交換器
１０３ 膨張弁
１０４ 室内熱交換器
１０５ 吐出温度センサー
１０６ シェル温度センサー
１０７ 室外配管温度センサー
１０９ 室内配管温度センサー
１１０ 吸入温度センサー
１１２ 四方弁
１１５ 制御装置
１１６ 駆動電源装置

Claims (5)

1. 電動機を内蔵した全密閉形の圧縮機と、室外熱交換器と、冷媒を減圧膨張させる減圧膨張器と、室内熱交換器と、前記圧縮機を駆動するための駆動電源装置と、前記駆動電源装置に運転パターンを指示する制御手段を備え、前記制御手段は、通常は、前記駆動電源装置に前記電動機の効率を重視した高効率運転モードを指示し、前記圧縮機の冷凍機油が多量に吐出されると判断される場合には、前記圧縮機の電動機効率を落として運転する冷凍機油吐出防止運転モードを指示することを特徴とする空気調和機。
2. 前記制御手段が、前記圧縮機が所定時間停止状態にあることを検知して、起動時に前記冷凍機油吐出防止運転モードを指示することを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
3. 前記制御手段が、前記圧縮機と前記室外熱交換器と前記室内熱交換器の温度検出手段を備え、前記圧縮機の温度が、前記室外熱交換器および前記室内熱交換器の温度よりも、所定値以上低くなった場合に前記冷凍機油吐出防止運転モードを記憶し、逆に前記圧縮機の温度が所定値以上高くなった場合に高効率運転モードを記憶し、起動時に記憶している運転モードを指示することを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
4. 前記制御手段が、除霜運転時に、前記冷凍機油吐出防止運転モードを指示することを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
5. 前記制御手段が、前記圧縮機の吐出管あるいは吸入管と前記室外熱交換器と前記室内熱交換器の温度検出手段を備え、前記圧縮機吐出管あるいは吸入管の温度が、前記室外熱交換器あるいは前記室内熱交換器の温度から決定される所定温度よりも低くなった場合に、前記冷凍機油吐出防止運転モードを指示することを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。