JP2012241958A - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機の内部機構の円滑な動作を妨げることなく、効率的な冷凍サイクル運転が行えるように、油戻し配管の流量制御弁を適正に制御する。
【解決手段】圧縮機１０の冷媒吐出側配管１０ａと冷媒吸入側配管１０ｂとの間に、油分離器１２と流量制御弁１３とを直列に接続してなる油戻し配管１１が接続されている空気調和機において、暖房運転開始当初から流量制御弁１３を開とし、油戻し配管１１における流量制御弁１３の下流側の配管温度Ｔ１と冷媒吸入側配管１０ｂの配管温度Ｔ２の温度差（Ｔ１−Ｔ２）が所定の基準値に達した時点で流量制御弁１３を閉じる。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気調和機に関し、さらに詳しく言えば、圧縮機の冷媒吐出側配管と冷媒吸入側配管との間に油分離器（オイルセパレータ）と流量制御弁とを直列に接続してなる油戻し配管がバイパス的に接続されている空気調和機における流量制御弁の制御技術に関するものである。

ヒートポンプによる空気調和機は、基本的な構成として、圧縮機，四方弁，室外熱交換器，膨張弁および室内熱交換器を冷媒配管を介して接続してなる冷凍サイクル（冷媒循環回路）を備え、四方弁の切り替えにより、暖房サイクルもしくは冷房サイクルのいずれかが選択される。

暖房運転の場合、圧縮機から吐出された冷媒が室内熱交換器で凝縮され、室外熱交換器で蒸発し、アキュムレータを介して圧縮機に吸入される。冷房運転の場合には、四方弁により冷媒の流れが切り替えられ、圧縮機から吐出された冷媒が室外熱交換器で凝縮され、室内熱交換器で蒸発し、アキュムレータを介して圧縮機に吸入される。

圧縮機には、通常、ロータリー式もしくはスクロール式の圧縮機が用いられるが、いずれにしても圧縮機の内部には、軸受け部や摺動部等の内部機構を潤滑するための冷凍機油が貯留されている。また、内部高圧型，内部低圧型のいずれにしても、圧縮機内には冷媒が循環する。

このように圧縮機内には、冷凍機油と冷媒とが混在しており、圧力と温度とにより冷凍機油に溶け込む冷媒量が変化する。特に低外気温下で圧縮機が停止している場合には、より多くの冷媒が冷凍機油内に溶け込み、冷凍機油の濃度が低くなり、また、見かけ上冷凍機油の量も増える。

したがって、特に低外気温下での暖房運転開始直後において、上記したように冷凍機油は濃度が低く、また、量が増えた状態でかき回されることになるため、安定時（室温がリモコン等による設定温度近辺で推移する低負荷運転時）よりも、圧縮機から冷媒とともに吐出される冷凍機油も多くなる。

この冷媒とともに吐出される冷凍機油を圧縮機に戻すため、圧縮機の冷媒吐出側配管と冷媒吸入側配管との間に、油分離器と流量制御弁とを直列に接続してなる油戻し配管がバイパス的に接続されている。

しかしながら、流量制御弁を常時開けていると、油戻し配管に流れる冷媒量が多くなることから、相対的にメインの冷凍サイクルに流れる冷媒量が少なくなり、冷凍サイクルの運転効率が低下する。

一方、冷凍サイクルの効率化を優先して、流量制御弁を早期に閉じると、圧縮機に戻される冷凍機油が少なくなり、圧縮機の内部機構の円滑な動作に支障をきたすことになる。

そこで、特許文献１に記載された空気調和機では、圧縮機の回転数が温度負荷に応じて低下した安定運転時に油戻し配管の流量制御弁を閉じるようにしている。

特開２０１０−１７５１８９号公報

しかしながら、上記特許文献１による従来技術では、油戻し配管の流量制御弁が閉じられるまでの時間が長くなることから、冷凍サイクルの効率的な運転に移行するまでの時間が長くなる、という問題がある。

したがって、本発明の課題は、圧縮機の内部機構の円滑な動作を妨げることなく、効率的な冷凍サイクル運転への移行が早期に行えるように、油戻し配管の流量制御弁を適正に制御することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、圧縮機，四方弁，室外熱交換器，膨張弁および室内熱交換器を冷媒配管を介して接続してなる冷凍サイクルを備え、上記圧縮機の冷媒吐出側配管と冷媒吸入側配管との間に、油分離器と流量制御弁とを直列に接続してなる油戻し配管が接続されている空気調和機において、上記油戻し配管における上記流量調整弁の下流側の配管温度Ｔ１を検出する第１温度センサと、上記冷媒吸入側配管の配管温度Ｔ２を検出する第２温度センサと、上記第１温度センサにより検出された配管温度Ｔ１および上記第２温度センサにより検出された配管温度Ｔ２を監視して上記流量制御弁を制御する制御部とを備え、上記制御部は、当該空気調和機の運転開始当初から上記流量制御弁を開にした状態で、上記各配管温度Ｔ１，Ｔ２を監視し、その温度差である（Ｔ１−Ｔ２）が所定の基準値に達した時点で、上記流量制御弁を閉じることを特徴としている。

本発明の好ましい態様によると、上記制御部は、上記温度差（Ｔ１−Ｔ２）が所定の基準値以上で、かつ、上記配管温度Ｔ１が所定温度以上であるときに上記流量制御弁を閉じる。

本発明によれば、油戻し配管における流量調整弁の下流側に設けられている第１温度センサにより検出される配管温度Ｔ１と、冷媒吸入側配管に設けられている第２温度センサにより検出される配管温度Ｔ２との温度差（Ｔ１−Ｔ２）が所定の基準値に達した時点で油戻し配管の流量制御弁を閉じるようにしたことにより、効率的な冷凍サイクル運転への移行を早期に行うことができる。

また、流量制御弁を閉じる条件として、さらに上記配管温度Ｔ１が所定温度以上という条件を加えることにより、冷媒の冷凍機油への溶け込み量が少なくり、また、吐出される冷凍機油も少なくなった最適な状態で、効率的な冷凍サイクル運転への移行を早期に行うことができる。

本発明の実施形態に係る空気調和機を示す冷媒回路図。 実測データによる油戻し配管の配管温度，冷媒吸入側配管の配管温度および吐出冷媒温度の推移を示すグラフ。

次に、図１および図２により、本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

図１を参照して、この実施形態に係る空気調和機は、基本的な構成として、圧縮機１０，四方弁２０，室外熱交換器３０，膨張弁４０，室内熱交換器５０およびアキュムレータ６０を冷媒配管を介して接続してなる冷凍サイクルと、当該空気調和機の動作等を制御する制御部７０とを備えている。

圧縮機１０は、ロータリー式もしくはスクロール式の圧縮機でよく、圧縮機１０には、圧縮機温度センサ１０１が設けられている。圧縮機１０の冷媒吐出側配管１０ａには、吐出冷媒の温度センサ１０２と高圧センサ１０４とが設けられ、圧縮機１０の冷媒吸入側配管１０ｂには、吸入冷媒の温度センサ１０３が設けられている。また、アキュムレータ６０の冷媒入口側には低圧センサ１０５が設けられている。

四方弁２０は、冷房時は実線の経路に、暖房時は破線の経路にそれぞれ切り替えられ、圧縮機１０から吐出される冷媒を、冷房運転時には室外熱交換器３０側に流し、暖房運転時には室内熱交換器５０側に流す。

室外熱交換器３０には、室外ファン３１と、外気温度センサ３２と、室外熱交換器の配管温度センサ３３とが付設されている。膨張弁４０には、電子膨張弁が用いられてよい。

また、室内熱交換器５０には、室内ファン５１と、室温センサ５２と、室内熱交換器の配管温度センサ５３とが付設されている。

圧縮機１０の吐出側配管１０ａと吸入側配管１０ｂとの間には、従来と同様に、油分離器（オイルセパレータ）１２および流量制御弁１３を直列に接続してなる油戻し配管１１が接続されるが、本発明では、油戻し配管１１のうちの流量制御弁１３の下流側、すなわち、流量制御弁１３から吸入側配管１０ｂに至るまでの間の配管部分に、その配管温度を検出する配管温度センサ１１１を備える。

この実施形態において、流量制御弁１３には電磁弁が用いられている。以下、流量制御弁を電磁弁１３と読み替える。なお、油分離器１２は、逆止弁１４を介して四方弁２０の入口側ポートに接続される。

この油戻し配管１１の配管温度センサ１１１の検出温度信号および上記他の温度センサの検出温度信号は制御部７０に入力され、制御部７０は、これらの検出温度信号と圧力センサ１０４，１０５からの圧力検出信号に基づいて、所定の制御を実行する。各温度センサには、サーミスタが用いられてよい。

暖房運転時、圧縮機１０から吐出された冷媒は、油分離器１２→四方弁２０→室内熱交換器５０→膨張弁４０→室外熱交換器３０→四方弁２０→アキュムレータ６０→圧縮機１０の吸入側へと流れ、室内熱交換器５０が凝縮器、室外熱交換器３０が蒸発器として作用する。冷房運転時には、逆サイクルとなり、室外熱交換器３０が凝縮器、室内熱交換器５０が蒸発器として作用する。

圧縮機１０内には、その内部機構を潤滑する冷凍機油が所定量貯留されており、先にも説明したように、圧力と温度とにより冷凍機油に溶け込む冷媒量が変化する。特に低外気温下で圧縮機が停止している場合には、より多くの冷媒が冷凍機油内に溶け込み、冷凍機油の濃度が低くなり、また、見かけ上冷凍機油の量も増える。

したがって、特に低外気温下での暖房運転開始直後においては、より多くの冷媒が冷凍機油内に溶け込み冷凍機油の濃度が低くなっており、また、冷凍機油の量も増えており、この状態で冷凍機油がかき回されることから、圧縮機１０から吐出される冷凍機油も多くなり、油分離器１２で冷媒が分離された冷凍機油を油戻し配管１１で圧縮機１０に戻す必要がある。

圧縮機１０の運転に伴って、冷凍機油の温度が次第に高くなると、冷媒の冷凍機油への溶け込み量が次第に少なくなり、また、吐出される冷凍機油も少なくなることから、電磁弁１３を閉じて冷凍サイクル運転の効率を上げることが好ましい。

そのため、本発明において、制御部７０は、油戻し配管１１の配管温度センサ１１１により検出される油戻し配管温度Ｔ１と、吸入側配管１０ｂに設けられている吸入冷媒の温度センサ１０３により検出される吸入配管温度Ｔ２とに基づいて電磁弁１３を制御する。

まず、暖房運転の開始当初、制御部７０は電磁弁１３を開とする。図２のグラフに示すように、暖房運転の開始から所定時間までは（図２の例では約２０分間）、油戻し配管温度Ｔ１は低く、吸入配管温度Ｔ２とほぼ同じ温度で推移するが、暖房運転時間の経過に伴って、圧縮機１０の吐出側温度が上昇し、これに対して吸入冷媒は、冷凍サイクルを循環し蒸発器としての室外熱交換器３０側から戻されることから、次第に油戻し配管温度Ｔ１が吸入配管温度Ｔ２よりも高くなる。

図２のグラフにおいて、油戻し配管温度Ｔ１は、暖房運転の開始から約２０分経過するまでは約−２０℃であるが、その後、徐々に上昇し、３０分を超えた時点ではほぼ０℃に達する。これに対して、吸入配管温度Ｔ２は、暖房運転が継続的に行われてもほぼ一定の値（例えば−２０℃〜−２５℃）で推移する。

そこで、制御部７０は、油戻し配管温度Ｔ１と吸入配管温度Ｔ２の温度差（Ｔ１−Ｔ２）を監視し、油戻し配管温度Ｔ１が吸入配管温度Ｔ２よりもあらかじめ設定されている所定の基準値以上に高くなると、電磁弁１３を閉じる。

基準値は、冷媒に対する冷凍機油の溶け込み量が少なくなる温度により決められ、この実施形態では２０℃としている。これにより、制御部７０は、Ｔ１−Ｔ２≧２０℃になると、電磁弁１３を閉じて、効率的な冷凍サイクルの運転に移行する。図２のグラフによると、暖房運転の開始から約３０分経過後に、Ｔ１−Ｔ２≧２０℃となっている。

ところで、油戻し配管温度Ｔ１と吸入配管温度Ｔ２の温度差（Ｔ１−Ｔ２）が、この例のように、２０℃以上である場合には、冷凍機油に対する冷媒の溶け込み量も少なくなり、圧縮機１０からの吐油量も減っていると推測されるが、外気温がより低いときには、上記温度差（Ｔ１−Ｔ２）が基準値の例えば２０℃に達したとしても、油戻し配管温度Ｔ１が低く、冷媒の冷凍機油への溶け込み量が多く、また、吐出される冷凍機油も多いことがあり得る。

そこで、本発明のより好ましい態様として、制御部７０は、流量制御弁１３を閉じる条件として、さらに油戻し配管温度Ｔ１が所定温度（この例では０℃）以上という条件を加える。

すなわち、制御部７０は、上記温度差（Ｔ１−Ｔ２）が例えば２０℃以上で、かつ、油戻し配管温度Ｔ１が例えば０℃以上であるときに、流量制御弁１３を閉じる。これにより、冷媒の冷凍機油への溶け込み量が少なくなり、また、吐出される冷凍機油も少なくなった最適な状態で、効率的な冷凍サイクル運転への移行を早期に行うことができる。

なお、上記温度差（Ｔ１−Ｔ２）の基準値は、用いられる冷媒や冷凍機油の組成，性状等によって任意に設定されてよい。また、上記した電磁弁１３の制御は、冷房運転時にも適用されてよい。制御部７０には、例えばマイクロコンピュータが好ましく用いられ、この場合、各センサからの検出信号はＡ／Ｄ変換器を介して制御部７０に入力される。

１０ 圧縮機
１０ａ 冷媒吐出側配管
１０ｂ 冷媒吸入側配管
１０３ 吸入冷媒の温度センサ
１１ 油戻し配管
１２ 油分離器
１３ 流量制御弁
１１１ 油戻し配管の配管温度センサ
２０ 四方弁
３０ 室外熱交換器
４０ 膨張弁
５０ 室内熱交換器
６０ アキュムレータ
７０ 制御部

Claims (2)

1. 圧縮機，四方弁，室外熱交換器，膨張弁および室内熱交換器を冷媒配管を介して接続してなる冷凍サイクルを備え、上記圧縮機の冷媒吐出側配管と冷媒吸入側配管との間に、油分離器と流量制御弁とを直列に接続してなる油戻し配管が接続されている空気調和機において、
   上記油戻し配管における上記流量調整弁の下流側の配管温度Ｔ１を検出する第１温度センサと、上記冷媒吸入側配管の配管温度Ｔ２を検出する第２温度センサと、上記第１温度センサにより検出された配管温度Ｔ１および上記第２温度センサにより検出された配管温度Ｔ２を監視して上記流量制御弁を制御する制御部とを備え、
   上記制御部は、当該空気調和機の運転開始当初から上記流量制御弁を開にした状態で、上記各配管温度Ｔ１，Ｔ２を監視し、その温度差である（Ｔ１−Ｔ２）が所定の基準値に達した時点で、上記流量制御弁を閉じることを特徴とする空気調和機。
2. 上記制御部は、上記温度差（Ｔ１−Ｔ２）が所定の基準値以上で、かつ、上記配管温度Ｔ１が所定温度以上であるときに上記流量制御弁を閉じることを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。

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