JP2016211774A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】制御によりアキュムレータ内における二層分離を解消することのできる冷凍装置の提供。
【解決手段】空気調和装置１０は、圧縮機２０と、アキュムレータ７０と、室外制御部９１と、を備える。圧縮機２０は、回転数が可変である。圧縮機２０は、気体−液体間で状態変化する冷媒を圧縮する。アキュムレータ７０は、圧縮機２０の吸入側に設けられている。アキュムレータ７０は、余剰冷媒を貯留する。室外制御部９１は、圧縮機２０の駆動を制御する。室外制御部９１は、検知部９１ａを含む。検知部９１ａは、アキュムレータ７０内で二層分離しているか否かを検知する。そして、室外制御部９１は、検知部９１ａによって二層分離していることが検知された場合には、油戻し運転よりも高い回転数で圧縮機２０を駆動する二層分離解消運転を実行する。
【選択図】図１

Description

本発明は、アキュムレータを備える冷凍装置に関する。

従来より、圧縮機に戻される冷媒を一時的に溜めて圧縮機に液冷媒が吸入されるのを抑制する機能を有するアキュムレータを備える冷凍装置がある。

ここで、圧縮機においては、圧縮機内に溜められている冷凍機油の一部がガス冷媒と共に吐出されてシステムへと流出する油上がり現象が発生することがある。そして、アキュムレータを備える冷凍装置において油上がり現象が発生すると、吐出された冷凍機油が冷凍回路を循環して圧縮機へと戻る前に液冷媒と共にアキュムレータ内に溜まることがある。このとき、アキュムレータ内で液冷媒と冷凍機油とが二層分離してしまうと、アキュムレータ内に溜まった冷凍機油が圧縮機へと戻り難くなる。そうすると、圧縮機内の冷凍機油が不足し、圧縮機が潤滑不良を起こして故障してしまうという問題が生じる。

この問題を解消するための方策として、例えば、特許文献１（特開２０１３−２４５８３６号公報）に開示されている冷凍装置では、アキュムレータ内における液冷媒と冷凍機油との二層分離を解消するために、アキュムレータへと冷媒を吸入するための吸入管の開口がアキュムレータ内に溜められる流体の液面よりも下方に位置するように、吸入管をアキュムレータの底部まで延ばしている。この冷凍装置では、吸入管の開口がアキュムレータの底部に位置していることで、吸入管からアキュムレータに冷媒が吸入されると、吸入された冷媒によってアキュムレータ内に溜められている液冷媒と冷凍機油とが攪拌され、この結果、液冷媒と冷凍機油との二層分離が解消される。

しかしながら、特許文献１のような構成のアキュムレータでは、アキュムレータ内に貯留している流体中にガスリッチな冷媒を流し込むことになるため、流し込んだ冷媒によりアキュムレータ内の液面に泡立ちが生じ、液面が上昇してしまうおそれがある。そうすると、この液面上昇を許容できるような容積でアキュムレータを設計しなければならず、アキュムレータのサイズが大きくなってしまう。

そこで、本発明の課題は、制御によりアキュムレータ内における二層分離を解消することのできる冷凍装置を提供することにある。

本発明の第１観点に係る冷凍装置は、圧縮機と、アキュムレータと、制御部と、を備える。圧縮機は、回転数が可変である。圧縮機は、気体−液体間で状態変化する冷媒を圧縮する。アキュムレータは、圧縮機の吸入側に設けられている。アキュムレータは、余剰冷媒を貯留する。制御部は、圧縮機の駆動を制御する。制御部は、検知部を含む。検知部は、アキュムレータ内で二層分離しているか否かを検知する。そして、制御部は、検知部によって二層分離していることが検知された場合には、油戻し運転よりも高い回転数で圧縮機を駆動する二層分離解消運転を実行する。

本発明の第１観点に係る冷凍装置では、二層分離が検知された場合に、二層分離解消運転が実行される。このため、アキュムレータ内で二層分離することに起因する圧縮機の冷凍機油不足を解消することができる。また、ここでは、二層分離解消運転を実行するという制御により、アキュムレータ内における二層分離を解消することができる。

なお、ここでいう二層分離しているとは、液冷媒と冷凍機油とが相溶であるか否かに拘わらず、アキュムレータ内で液冷媒リッチ相と冷凍機油リッチ相とにわかれた状態を意味している。

本発明の第２観点に係る冷凍装置は、第１観点の冷凍装置において、制御部は、所定条件を満たしており、かつ検知部によって二層分離していることが検知されていない場合には、前記油戻し運転を実行する。この冷凍装置では、二層分離解消運転とは別に、油戻し運転が実行される。

本発明の第３観点に係る冷凍装置は、第２観点の冷凍装置において、制御部は、所定条件を満たしている場合に、二層分離解消運転を実行する。所定条件には、圧縮機から流出した冷凍機油量である冷凍機油流出量の積算値が所定値以上であるという条件を含む。そして、冷凍機油流出量の積算演算において、検知部によって二層分離していることが検知されている時と、検知部によって二層分離していることが検知されていない時とで、演算式が異なっている。この冷凍装置では、所定条件を満たしておりかつ検知部によって二層分離していることが検知されていない場合には油戻し運転が実行され、所定条件を満たしておりかつ検知部によって二層分離していることが検知されている場合には二層分離解消運転が実行される。

本発明の第４観点に係る冷凍装置は、第１観点から第３観点のいずれかの冷凍装置において、制御部は、アキュムレータ周辺の冷媒温度に基づき、二層分離解消運転時の圧縮機の回転数を決定する。この冷凍装置では、アキュムレータ周辺の冷媒温度に基づき、二層分離解消運転時の圧縮機の回転数を決定することができる。

本発明の第５観点に係る冷凍装置は、第４観点の冷凍装置において、検知部は、圧縮機の回転数に基づき、アキュムレータ内で二層分離しているか否かを判断する。この冷凍装置では、圧縮機の回転数に基づき、アキュムレータ内で二層分離しているか否かを判断することができる。

本発明の第６観点に係る冷凍装置は、第５観点の冷凍装置において、検知部は、アキュムレータ周辺の冷媒温度に基づき、アキュムレータ内で二層分離しているか否かを判断する。この冷凍装置では、アキュムレータ周辺の冷媒温度に基づき、アキュムレータ内で二層分離しているか否かを判断することができる。

本発明の第７観点に係る冷凍装置は、第５観点又は第６観点の冷凍装置において、検知部は、圧縮機に吸入される冷媒の乾き度である吸入乾き度に基づき、アキュムレータ内で二層分離しているか否かを判断する。この冷凍装置では、吸入乾き度に基づき、アキュムレータ内で二層分離しているか否かを判断することができる。

本発明の第１観点に係る冷凍装置では、制御により、アキュムレータ内における二層分離を解消することができる。

本発明の第２観点に係る冷凍装置では、二層分離解消運転とは別に、油戻し運転が実行される。

本発明の第３観点に係る冷凍装置では、所定条件を満たしておりかつ検知部によって二層分離していることが検知されていない場合には油戻し運転が実行され、所定条件を満たしておりかつ検知部によって二層分離していることが検知されている場合には二層分離解消運転が実行される。

本発明の第４観点に係る冷凍装置では、アキュムレータ周辺の冷媒温度に基づき、二層分離解消運転時の圧縮機の回転数を決定することができる。

本発明の第５観点に係る冷凍装置では、圧縮機の回転数に基づき、アキュムレータ内で二層分離しているか否かを判断することができる。

本発明の第６観点に係る冷凍装置では、アキュムレータ周辺の冷媒温度に基づき、アキュムレータ内で二層分離しているか否かを判断することができる。

本発明の第７観点に係る冷凍装置では、吸入乾き度に基づき、アキュムレータ内で二層分離しているか否かを判断することができる。

空気調和装置の冷媒配管系統を示す図。 アキュムレータの概略構成図。 圧縮機回転数及び吸入乾き度とアキュムレータ内で二層分離する領域との関係を示す図。 圧縮機回転数及び吸入乾き度とアキュムレータ内で二層分離する環境の領域及び二層分離しない環境の領域との関係を示す図。 圧縮機回転数及び蒸発温度とアキュムレータ内での流体の攪拌の有無との関係を説明するための図。 蒸発温度及びアキュムレータ内の油濃度とアキュムレータ内での二層分離の有無との関係を示す図。 システム油上がり率とアキュムレータ内の油濃度との関係を示す図。 アキュムレータ出口管乾き度と二層分離しないシステム油上がり率との関係を示す図。 圧縮機の油上がり特性を示す図。

以下、本発明に係る冷凍装置としての空気調和装置１０の一実施形態について、図面に基づいて説明する。

（１）空気調和装置１０の全体構成
図１は、本発明の一実施形態に係る空気調和装置１０の冷媒配管系統を示す図である。この空気調和装置１０は、冷媒配管方式の分散型の空気調和装置１０であって、蒸気圧縮式の冷凍サイクル運転を行うことによって建物内の各室を冷暖房する。空気調和装置１０は、熱源ユニットとしての室外ユニット１１と、利用ユニットとしての室内ユニット１２とを備えており、室外ユニット１１と室内ユニット１２とが冷媒連絡管１３，１４で接続されることによって冷媒回路が構成されている。冷媒回路内には、冷媒が封入されており、後述のように、冷媒が圧縮され、冷却・凝縮され、減圧され、加熱・蒸発された後に、再び圧縮されるという冷凍サイクル運転が行われるようになっている。冷媒としては、例えば、Ｒ３２が用いられる。Ｒ３２は、温暖化係数が小さい低ＧＷＰ冷媒であって、ＨＦＣ系冷媒の一種である。また、冷媒としてＲ３２が用いられる場合には、冷凍機油としてＲ３２に対していくらかの相溶性を有するエーテル系合成油が用いられる。この空気調和装置１０では、冷媒としてＲ３２を使用しているため、油分比率にもよるが、低外気時の運転においては、圧縮機２０の潤滑のために冷媒とともに封入されている冷凍機油の溶解度が非常に小さくなる傾向がある。

（２）空気調和装置１０の詳細構成
（２−１）室内ユニット１２
室内ユニット１２は、各室の天井あるいは側壁に設置されており、冷媒連絡管１３，１４を介して室外ユニット１１に接続されている。室内ユニット１２は、主として、減圧器である室内膨張弁４２と、利用側熱交換器としての室内熱交換器５０とを有している。なお、ここでは、室内ユニット１２が室内膨張弁４２を有しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、室内ユニット１２が室内膨張弁４２を有していなくてもよい。

室内膨張弁４２は、冷媒を減圧するための膨張機構であり、開度調整が可能な電動弁である。室内膨張弁４２は、その一端が液冷媒連絡管１３に接続され、その他端が室内熱交換器５０に接続されている。

室内熱交換器５０は、冷媒の蒸発器又は凝縮器として機能する熱交換器である。室内熱交換器５０は、その一端が室内膨張弁４２に接続され、その他端がガス冷媒連絡管１４に接続されている。

室内ユニット１２は、ユニット内に室内空気を吸入して、再び室内に供給するための室内ファン５５を備えており、室内空気と室内熱交換器５０を流れる冷媒との間で熱交換をさせる。

また、室内ユニット１２は、各種のセンサや、室内ユニット１２を構成する各部の動作を制御する室内制御部９２を有している。室内制御部９２は、室内ユニット１２の制御を行うために設けられたマイクロコンピュータやメモリ等を有しており、室内ユニット１２を個別に操作するためのリモコン（図示せず）との間で制御信号等のやりとりを行ったり、後述する室外ユニット１１の室外制御部９１との間で伝送線９０ａを介して制御信号等のやりとりを行ったりする。

（２−２）室外ユニット１１
室外ユニット１１は、室内ユニット１２が配備される各室が存在する建物の外あるいは建物の地下室などに設置され、冷媒連絡管１３，１４を介して室内ユニット１２に接続されている。室外ユニット１１は、主として、圧縮機２０と、四路切換弁１５と、室外熱交換器３０と、室外膨張弁４１と、アキュムレータ７０とを有している。

（２−２−１）圧縮機２０
圧縮機２０は、圧縮機用モータによって駆動される回転数が可変の密閉式圧縮機である。圧縮機２０は、本実施形態において１台のみであるが、これに限定されず、室内ユニット１２の接続台数等に応じて、２台以上の圧縮機２０が並列に接続されていてもよい。圧縮機２０は、気体−液体間で状態変化する冷媒を、圧縮機付属容器２８を介して吸入し、吸入したガス冷媒を圧縮する。

（２−２−２）四路切換弁１５
四路切換弁１５は、冷媒の流れの方向を切り換えるための機構である。冷房運転時には、室外熱交換器３０を圧縮機２０によって圧縮される冷媒の凝縮器として機能させ、かつ、室内熱交換器５０を室外熱交換器３０において冷却された冷媒の蒸発器として機能させるために、四路切換弁１５は、圧縮機２０の吐出側の冷媒配管２９と室外熱交換器３０の一端とを接続するとともに、圧縮機２０の吸入側の吸入流路２７（アキュムレータ７０を含む）とガス側閉鎖弁１８とを接続する。また、暖房運転時には、室内熱交換器５０を圧縮機２０によって圧縮される冷媒の凝縮器として機能させ、かつ、室外熱交換器３０を室内熱交換器５０において冷却された冷媒の蒸発器として機能させるために、四路切換弁１５は、圧縮機２０の吐出側の冷媒配管２９とガス側閉鎖弁１８とを接続するとともに、吸入流路２７と室外熱交換器３０の一端とを接続する。本実施形態の四路切換弁１５は、吸入流路２７、圧縮機２０の吐出側の冷媒配管２９、室外熱交換器３０およびガス側閉鎖弁１８に接続された四路切換弁である。

（２−２−３）室外熱交換器３０
室外熱交換器３０は、冷媒の凝縮器又は蒸発器として機能する熱交換器である。室外熱交換器３０は、その一端が四路切換弁１５に接続されており、その他端が室外膨張弁４１に接続されている。

（２−２−４）室外ファン３５
室外ユニット１１は、ユニット内に室外空気を吸入して、再び室外に排出するための室外ファン３５を有している。室外ファン３５は、室外空気と室外熱交換器３０を流れる冷媒との間で熱交換をさせるためのもので、室外ファン用モータによって回転駆動される。なお、室外熱交換器３０の熱源は、室外空気に限定されるものではなく、水などの別の熱媒体であってもよい。

（２−２−５）室外膨張弁４１
室外膨張弁４１は、冷媒を減圧するための膨張機構であり、開度調整が可能な電動弁である。室外膨張弁４１は、その一端が室外熱交換器３０に接続され、その他端が液側閉鎖弁１７に接続されている。

（２−２−６）液側閉鎖弁１７及びガス側閉鎖弁１８
液側閉鎖弁１７は、室外ユニット１１と室内ユニット１２との間で冷媒をやりとりするための液冷媒連絡管１３が接続される弁である。ガス側閉鎖弁１８は、室外ユニット１１と室内ユニット１２との間で冷媒をやりとりするためのガス冷媒連絡管１４が接続される弁である。本実施形態の液側閉鎖弁１７およびガス側閉鎖弁１８は、サービスポートを備えた三方弁である。

（２−２−７）アキュムレータ７０
アキュムレータ７０は、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７０は、圧縮機２０の吸入側、より詳しくは、四路切換弁１５と圧縮機２０との間の吸入流路２７に配置されている。アキュムレータ７０は、蒸発器として機能する室内熱交換器５０あるいは室外熱交換器３０から四路切換弁１５に接続された吸入流路２７の第１配管２７ａ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２０へと送られる。アキュムレータ７０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、上下が開口する円筒状の本体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、吸入流路２７の第１配管２７ａ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の周縁部を貫通し、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、圧縮機付属容器２８に接続された吸入流路２７の第２配管２７ｂへと出す。出口管７３は、Ｊ字状の管であり、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、その上端（先端）の開口７３ａの高さ位置が内部空間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２０へと戻すための穴である。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と圧縮機付属容器２８とは、吸入流路２７の第２配管２７ｂで結ばれており、圧縮機付属容器２８と圧縮機２０とは、吸入流路２７の第３配管２７ｃで結ばれている。

（２−２−８）室外制御部９１
室外ユニット１１は、各種のセンサや、室外制御部９１を有している。室外制御部９１は、室外ユニット１１の制御を行うために設けられたマイクロコンピュータやメモリ等を有しており、室内ユニット１２の室内制御部９２との間で伝送線９０ａを介して制御信号等のやりとりを行う。

（２−３）冷媒連絡管１３，１４
冷媒連絡管１３，１４は、室外ユニット１１および室内ユニット１２を設置場所に設置する際に、現地にて施工される冷媒配管である。ここでは、液冷媒連絡管１３及びガス冷媒連絡管１４が冷媒連絡管に相当する。

（３）制御装置９０
空気調和装置１０の制御装置９０は、室内制御部９２及び室外制御部９１によって構成されている。制御装置９０は、運転制御手段としての機能を有しており、空気調和装置１０の各種運転における制御を行う。

また、制御装置９０の室外制御部９１は、油戻し運転を行う。油戻し運転とは、ここでは、圧縮機２０からシステムへと流出した冷凍機油を圧縮機２０へと戻すための運転であって、圧縮機２０の回転数制御を行うことで実行される。具体的には、油戻し運転では、所定の油戻し回転数（例えば、４０ｒｐｓ）で、所定時間、圧縮機２０が駆動される。なお、所定の油戻し回転数は、圧縮機２０を所定時間駆動することで、圧縮機２０からシステム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２０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。

ここで、この空気調和装置１０では、冷媒としてＲ３２を使用しているため、低外気温度時においては、圧縮機２０の潤滑のために冷媒とともに封入されている冷凍機油の溶解度が、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、冷凍機油の溶解度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７０内で冷媒であるＲ３２と冷凍機油とが二層分離し、圧縮機２０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若しくは冷房運転中に圧縮機２０が低回転数で運転されると、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。このような二層分離が生じると、上記油戻し運転を行ったとしても、アキュムレータ７０内に貯留されている流体を入口管７２から流出してくる流体で十分に攪拌できなくなる。そうすると、アキュムレータ７０の出口管７３の油戻し穴７３ｂと冷凍機油とが離れているため、アキュムレータ７０の内部空間ＩＳに溜まっている冷凍機油を圧縮機２０へと戻すことが出来なくなってしまう。

これに鑑みて、室外制御部９１は、アキュムレータ７０内で二層分離している場合には、二層分離を解消するための二層分離解消運転を実行する。室外制御部９１は、アキュムレータ７０内で二層分離しているか否かを検知する検知部９１ａを含む。なお、検知部９１ａによる二層分離の検知は、所定時間毎に行われているものとする。そして、室外制御部９１は、検知部９１ａによって二層分離していることが検知された場合には、二層分離解消運転を実行する。二層分離解消運転では、油戻し運転よりも高い回転数（以下より、二層分離解消回転数という）で、所定時間、圧縮機２０が駆動される。二層分離解消運転が実行されることにより、アキュムレータ７０の内部空間ＩＳに貯留されている液冷媒および冷凍機油が、上下に攪拌され、アキュムレータ７０内の二層分離現象が解消される。なお、二層分離解消回転数は油戻し回転数よりも高いため、二層分離解消運転が実行されることで、圧縮機２０からシステムへと流出した冷凍機油は圧縮機２０へと戻ることになる。

ここで、油戻し運転及び二層分離解消運転は、所定条件が満たされた場合に実行される。所定条件は、圧縮機２０の潤滑不足を抑制するための指標となるような条件であればよく、例えば、圧縮機２０から流出した冷凍機油量である冷凍機油流出量の積算値が所定値以上であるという条件が含まれる。所定値は、圧縮機２０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。また、冷凍機油の積算演算の例としては、検知部９１ａによって二層分離が検知されている場合、現在の圧縮機回転数が図５に示す二層分離解消回転数よりも小さいという条件が成立している間は、以下の（式１）及び（式２）を実行することで冷凍機油流出量の積算値（積算冷凍機油流出量）を更新し、この条件が成立していない間は、冷凍機油流出量の積算値を更新しない。一方で、検知部９１ａによって二層分離が検知されていない場合、現在の圧縮機回転数が油戻し回転数よりも小さいという条件が成立している間は、以下の（式１）及び（式２）を実行することで冷凍機油流出量の積算値を更新し、この条件が成立していない間は、冷凍機油流出量の積算値を更新しない。

（式１）：冷凍機油流出量＝現在の圧縮機回転数×係数×システム油上がり率（圧縮機回転数の係数）×Δｔ（サンプリング時間）

（式２）：冷凍機油流出量の積算値＝前回リセットされてから現在までの冷凍機油流出量の積算値＋式１で求めた冷凍機油流出量

二層分離解消回転数は油戻し回転数よりも大きいため、これら演算式で演算されることにより、二層分離が検知されている時のほうが、二層分離が検知されていない時よりも冷凍機油流出量の積算値が大きくなる。そして、ここでは、冷凍機油流出量の積算値が所定値以上であるという条件が満たされ、かつ検知部９１ａによって二層分離が検知されていない場合には、油戻し運転が実行される。一方、冷凍機油流出量の積算値が所定値以上であるという条件が満たされ、かつ検知部９１ａによって二層分離が検知されている場合には、二層分離解消運転が実行される。

検知部９１ａは、図３に示すマップを参照して、アキュムレータ７０内で二層分離しているか否かを判断する。図３に示すマップは、圧縮機２０の回転数、アキュムレータ７０周辺の冷媒温度、及び圧縮機２０に吸入される冷媒の乾き度である吸入乾き度等に基づき作成された二層分離を判定するためのマップであり、二層分離する環境にある領域Ａと、二層分離しない環境にある領域Ｂと、二層分離する領域Ｃと、に分けられている。そして、検知部９１ａは、予測した吸入乾き度と、図３に示すマップとから、アキュムレータ７０の二層分離の有無を判断する。吸入乾き度は、例えば、外気温度で補正した吐出管温度、凝縮温度及び蒸発温度から予測することができる。そして、予測した吸入乾き度が図３の領域Ｃにある場合には、検知部９１ａは、二層分離していると判断する。一方で、予測した吸入乾き度が図３の領域Ａ又は領域Ｂにある場合には、検知部９１ａは、二層分離していないと判断する。

図３に示すマップは、図４に示すようなアキュムレータ７０内の環境を加味した二層分離の生じやすさと圧縮機２０の回転数との関係を示すマップと、図５に示すようなアキュムレータ７０内に溜められた流体を攪拌して二層分離を解消することのできる圧縮機２０の回転数マップと、を合わせて二層分離の生じる領域Ｃを明確にすることで作成される。ここで、図４に示すようなマップは、例えば、次のように作成することができる。アキュムレータ７０内の油濃度と、アキュムレータ７０周辺の冷媒温度（ここでは、蒸発温度Ｔｅ）とに応じた二層分離の有無を示す図６を見ると、例えば、蒸発温度Ｔｅが−３０℃である場合には、アキュムレータ７０内の油濃度が２ｗｔ％以下であれば、アキュムレータ７０内で二層分離しないことがわかる。ところで、アキュムレータ７０内の油濃度は、次式で求めることができる。

Ｃｏｉｌ＝ＯＣＲ／｛１−（１−ＯＣＲ／１００）ｘ｝
ここで、Ｃｏｉｌは、アキュムレータ７０の油濃度［ｗｔ％］であり、ＯＣＲは、システム油上がり率［ｗｔ％］であり、ｘは、アキュムレータ７０の出口管７３の乾き度［−］である。そして、システム油上がり率ＯＣＲとアキュムレータ７０の出口管７３の乾き度ｘをパラメータとしたときのアキュムレータ７０の油濃度を示す図７から、アキュムレータ７０の出口管７３の乾き度ｘに応じて、アキュムレータ７０の油濃度が２ｗｔ％となるシステム油上がり率ＯＣＲを求めることができる。図８は、アキュムレータ７０の出口管７３の乾き度ｘに対して二層分離しないシステム油上がり率ＯＣＲの関係を示している。ここで、システム油上がり率は圧縮機２０の回転数が高いほど大きくなることが知られており、例えばその特性は図９のように表すことができる。そして、図８に示すシステム油上がり率ＯＣＲを、図９を参照してシステム油上がり率ＯＣＲに相当する圧縮機２０の回転数に置き換えることで、図４を得ることができる。

二層分離解消運転の二層分離解消回転数は、二層分離解消運転が実行時毎に決定されても、予め所定回転数（例えば、６０ｒｐｓ）に設定されていてもよい。二層分離解消回転数が二層分離解消運転の実行時毎に決定される場合、例えば、図５を参照して、所定条件が満たされたと判断された時のアキュムレータ７０周辺の冷媒温度（蒸発温度）から求められるアキュムレータ７０内の流体を攪拌可能な圧縮機２０の回転数の下限値に所定値（例えば、１０ｒｐｓ）を加えた回転数と、油戻し回転数とを比較し、大きい方の回転数を、二層分離解消回転数として決定する。

なお、所定条件が満たされたと判断される前にデフロスト運転が実行された場合、及び油戻し運転又は二層分離解消運転が実行された場合には、冷凍機油流出量の積算値がリセットされる。ここでは、デフロスト運転が実行された場合に冷凍機油流出量の積算値がリセットされるため、デフロスト運転が油戻し運転又は二層分離解消運転に代えられている。

（４）特徴
（４−１）
従来より、圧縮機に戻される冷媒を一時的に溜めて圧縮機に液冷媒が吸入されるのを抑制する機能を有するアキュムレータを備える冷凍装置がある。

ここで、圧縮機においては、圧縮機内に溜められている冷凍機油の一部が、ガス冷媒と共に吐出されてシステムへと流出することがある。そして、アキュムレータを備える冷凍装置において圧縮機からガス冷媒と共に冷凍機油が吐出されると、吐出された冷凍機油は、冷凍回路を循環して圧縮機へと戻る前に液冷媒と共にアキュムレータ内に溜まることがある。このとき、アキュムレータ内で液冷媒と冷凍機油とが二層に分離してしまうと、アキュムレータ内に溜まった冷凍機油が圧縮機へと戻り難くなり、圧縮機内の冷凍機油が不足することで、圧縮機が潤滑不良を起こし故障してしまう。

本実施形態では、検知部９１ａによって二層分離していることが検知された場合には、二層分離解消運転を実行する。このため、アキュムレータ７０内で二層分離していることに起因する圧縮機２０の冷凍機油不足を解消することができている。

また、本実施形態では、二層分離解消運転を実行するという制御により、アキュムレータ７０内における二層分離を解消することができている。

（４−２）
本実施形態では、所定条件が満たされており、かつ検知部９１ａによって二層分離していることが検知されていない場合には、圧縮機２０からシステムへと流出した冷凍機油を圧縮機２０へと戻すための油戻し運転が実行される。このため、アキュムレータ７０で二層分離していなくても、冷凍機油を圧縮機２０へと戻す運転を実行することができている。

また、本実施形態では、油戻し運転時の圧縮機２０の回転数である油戻し回転数は、二層分離解消運転時の圧縮機２０の回転数である二層分離解消回転数よりも低くなるように設定されている。これにより、冷凍機油を効率よく圧縮機２０へと戻し、かつ二層分離解消運転が実行されるよりも消費電力量を抑えることができている。

（４−３）
本実施形態では、所定条件を満たし、かつ検知部９１ａによって二層分離していることが検知された場合に、二層分離解消運転が実行される。二層分離解消運転は油戻し運転よりも高い回転数で圧縮機２０が駆動されるため、二層分離解消運転を実行することで油戻し運転を実行するのと同様の効果を生じさせることができる。これにより、圧縮機２０の冷凍機油不足を解消することができている。

（４−４）
ここで、アキュムレータ７０で二層分離している場合には、二層分離していない場合よりも、アキュムレータ７０から圧縮機２０へと戻る冷凍機油の量は少なくなる。そうすると、アキュムレータ７０で二層分離している場合と二層分離していない場合とでは、圧縮機２０から吐出される冷凍機油の量が同じであっても、圧縮機２０内に存在する冷凍機油量には差があることになる。

本実施形態では、二層分離解消運転及び油戻し運転の開始条件である所定条件には、冷凍機油流出量の積算値が所定値以上であるという条件が含まれている。そして、冷凍機油の積算演算において、二層分離が検知されている時のほうが、二層分離が検知されていない時よりも冷凍機油流出量の積算値が大きくなるように演算される。これにより、圧縮機２０から流出した冷凍機油量が誤って推定されることによる圧縮機２０の冷凍機油不足が生じるおそれを低減できる。

（４−５）
ここで、アキュムレータ７０内に溜められている流体を攪拌することで二層分離を解消することのできる圧縮機２０の回転数と、アキュムレータ７０周辺の冷媒温度とは、相関関係にある（図５参照）。

本実施形態において、アキュムレータ７０周辺の冷媒温度に基づき所定の二層分離状態解消回転数が決定される場合には、圧縮機２０の回転数を必要以上に大きくしすぎることなく、アキュムレータ７０内の二層分離を解消することができる。

（４−６）
ここで、二層分離の有無は、アキュムレータ７０周辺の冷媒温度やアキュムレータ７０内に溜められる流体中の油濃度と関係があり、例えば、アキュムレータ７０周辺の冷媒温度の下限値を決めることで、アキュムレータ７０内で二層分離しないアキュムレータ７０内の油濃度を求めることができる。

また、アキュムレータ７０における油濃度は、圧縮機２０からの油上がり率と吸入乾き度とから求めることができる。そして、これを基に、吸入乾き度に応じてアキュムレータ７０内で二層分離しないアキュムレータ７０内の油濃度となる油上がり率を求めることができる。また、油上がり率は圧縮機２０の回転数が高いほど大きくなるという特性がある。そうすると、吸入乾き度に対するアキュムレータ７０内で二層分離しない理論上の圧縮機２０の回転数を求めることができる。このため、吸入乾き度と圧縮機２０の回転数とに基づき、アキュムレータ７０内で二層分離しているか否かを判断することができる。

一方で、圧縮機２０の回転数が大きいと、アキュムレータ７０内に溜められている流体が攪拌され、アキュムレータ７０内の二層分離が解消される。このため、吸入乾き度と圧縮機２０の回転数とに基づいて判断されるだけでは、攪拌により二層分離が解消されているにも拘わらず二層分離していると誤って判断されるおそれがある。

本実施形態では、検知部９１ａは、吸入乾き度と、図３に示すマップとから、アキュムレータ７０内で二層分離しているか否かを判断する。このため、アキュムレータ７０内で二層分離しているか否かを精度良く検出することができている。

（５）変形例
（５−１）
上記実施形態では、吸入乾き度と、図３に示すマップとから、アキュムレータ７０内で二層分離しているか否かが判断されている。

これに代えて、圧縮機２０の回転数のみに基づき、アキュムレータ７０内で二層分離しているか否かが判断されてもよい。例えば、図５を参照して、圧縮機２０の回転数が６０ｒｐｓ未満であれば、二層分離していると判断し、６０ｒｐｓ以上であれば二層分離していないと判断してもよい。また、図４を参照して、吸入乾き度と、圧縮機２０の回転数とから二層分離の有無が判断されてもよい。さらに、図４と図５とを参照して、圧縮機２０の回転数、吸入乾き度、及び蒸発温度から、二層分離の有無が判断されてもよい。

（５−２）
上記実施形態では、検知部９１ａによって二層分離していることが検知されているか否かに拘わらず、式１及び式２から冷凍機油流出量の積算演算が行われている。これに代えて、冷凍機油流出量の積算演算において、検知部９１ａによって二層分離していることが検知されている時と、二層分離していることが検知されていない時とで、演算式が異なっていてもよい。例えば、検知部９１ａによって二層分離が検知されている時のほうが、二層分離が検知されていない時よりも冷凍機油流出量の積算値が大きくなるように、式１における係数が異なっていてもよい。

本発明によれば、制御によりアキュムレータ内における二層分離を解消することができることから、圧縮機及びアキュムレータを備える冷凍装置への適用が有効である。

１０ 空気調和装置（冷凍装置）
２０ 圧縮機
７０ アキュムレータ
９１ 室外制御部（制御部）
９１ａ 検知部

特開２０１３−２４５８３６号公報

Claims (7)

1. 気体−液体間で状態変化する冷媒を圧縮する回転数可変な圧縮機（２０）と、
   前記圧縮機の吸入側に設けられており、余剰冷媒を貯留するアキュムレータ（７０）と、
   前記圧縮機の駆動を制御する制御部（９１）と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記アキュムレータ内で二層分離している否かを検知する検知部（９１ａ）を含み、
   前記検知部によって前記二層分離していることが検知された場合には、油戻し運転よりも高い回転数で前記圧縮機を駆動する二層分離解消運転を実行する、
   冷凍装置（１０）。
2. 前記制御部は、所定条件を満たしており、かつ前記検知部によって前記二層分離がしていることが検知されていない場合に、前記油戻し運転を実行する、
   請求項１に記載の冷凍装置。
3. 前記制御部は、前記所定条件を満たしている場合に、前記二層分離解消運転を実行し、
   前記所定条件には、前記圧縮機から流出した冷凍機油量である冷凍機油流出量の積算値が所定値以上であるという条件が含まれており、
   前記冷凍機油流出量の積算演算において、前記検知部によって前記二層分離していることが検知されている時と、前記検知部によって前記二層分離していることが検知されていない時とで、演算式が異なっている、
   請求項２に記載の冷凍装置。
4. 前記制御部は、前記アキュムレータ周辺の冷媒温度に基づき、前記二層分離解消運転時の前記圧縮機の回転数を決定する、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の冷凍装置。
5. 前記検知部は、前記圧縮機の回転数に基づき、前記アキュムレータ内で前記二層分離しているか否かを判断する、
   請求項４項に記載の冷凍装置。
6. 前記検知部は、前記アキュムレータ周辺の冷媒温度に基づき、前記アキュムレータ内で前記二層分離しているか否かを判断する、
   請求項５項に記載の冷凍装置。
7. 前記検知部は、前記圧縮機に吸入される冷媒の乾き度である吸入乾き度に基づき、前記アキュムレータ内で前記二層分離しているか否かを判断する、
   請求項５又は６項に記載の冷凍装置。

Images