JP7278408B2 - 液面検知装置、およびそれを備えた空気調和装置 - Google Patents

Description

本発明は、アキュムレータ内の液体の液面の位置を検知する液面検知装置、およびそれを備えた空気調和装置に関するものである。

従来、空気調和装置には、冷房運転と暖房運転との運転状態の違いによって生じる余剰冷媒などを貯留するためのアキュムレータが設けられている。圧縮機に供給される冷媒量が安定せず、貯留された余剰冷媒が多くなった場合には、過大な液冷媒がアキュムレータから圧縮機に供給され、圧縮機で液冷媒を圧縮させることによる動作不良が発生するという問題がある。

そこで、アキュムレータに液冷媒が貯留されているか否かを判定する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１では、長手方向が水平方向となる横置き型のアキュムレータの表面に対して高さ方向に複数の温度検知装置が設けられている。そして、複数の温度検知装置で検知された温度を用いて、隣接する２箇所の温度差があらかじめ設定された基準値以上の場合は、アキュムレータ内の冷媒の液面がその２箇所の間に存在すると判定している。

国際公開第２０１９／０６５２４２号

特許文献１は、アキュムレータが横置き型であるため、アキュムレータ内で液冷媒が旋回する際に、冷媒の液面に波が立ちやすく、冷媒の液面の位置の検知精度がよくないという課題があった。また、アキュムレータ内の冷媒の液面の位置を検知するために温度検知装置が複数必要となるため、コストがかかってしまうという課題があった。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、冷媒の液面の位置の検知精度を向上させるとともにコストを低減させることができる液面検知装置およびそれを備えた空気調和装置を提供することを目的としている。

本発明に係る液面検知装置は、圧縮機の吸入側に設けられ、冷媒を溜める縦置き型のアキュムレータと、前記アキュムレータを加熱する加熱ヒータと、前記アキュムレータの上部に設けられ、前記アキュムレータ内の冷媒を前記圧縮機に供給する流出管と、前記流出管の入口よりも下側に設けられ、前記アキュムレータの表面温度を検知する温度検知装置と、前記アキュムレータ内の冷媒圧力を検知する圧力検知装置と、前記加熱ヒータを加熱させた際に、前記温度検知装置で検知された前記アキュムレータの表面温度、および、前記圧力検知装置で検知された前記アキュムレータ内の冷媒圧力に基づき、前記アキュムレータ内の冷媒の液面の位置を検知する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記圧力検知装置が検知した冷媒圧力から冷媒の飽和温度を算出し、前記温度検知装置が検知した表面温度から、算出した前記飽和温度を減算して、温度差を算出する温度差演算部と、前記温度差演算部が算出した前記温度差とあらかじめ設定された閾値との比較結果に基づいて、前記アキュムレータ内の冷媒の液面の位置を判定する液面高さ判定部と、前記液面高さ判定部が判定した前記アキュムレータ内の冷媒の液面の位置に基づいて、前記圧縮機の周波数を決定する周波数制御部と、を備え、前記周波数制御部は、前記液面高さ判定部が判定した前記アキュムレータ内の冷媒の液面の位置が、前記温度検知装置が設けられている位置よりも下側の位置である場合は、第１周波数の周波数制御信号を前記圧縮機に供給し、前記温度検知装置が設けられている位置以上の位置である場合は、前記第１周波数よりも高い第２周波数の周波数制御信号を前記圧縮機に供給するものである。

本発明に係る空気調和装置は、前記圧縮機と、上記の液面検知装置と、を備えたものである。

本発明に係る液面検知装置、およびそれを備えた空気調和装置によれば、縦置き型のアキュムレータを備えているため、横置き型のものに比べてアキュムレータ内で冷媒の液面に波が立ちづらく、冷媒の液面の位置の検知精度を向上させることができる。また、温度検知装置で検知されたアキュムレータの表面温度、および、圧力検知装置で検知されたアキュムレータ内の冷媒圧力に基づき、アキュムレータ内の冷媒の液面の位置を検知しており、温度検知装置が複数不要であるため、コストを低減させることができる。

実施の形態に係る空気調和装置の構成の一例を示す概略図である。 図１の液面検知装置の構造を模式的に示す断面図である。 図１の制御装置の構成の一例を示す機能ブロック図である。 実施の形態に係る液面検知装置のアキュムレータの表面温度から冷媒の飽和温度を減算した温度差と閾値との関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下に説明する実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。

実施の形態．
図１は、実施の形態に係る空気調和装置１００の構成の一例を示す概略図である。図２は、図１の液面検知装置３０の構造を模式的に示す断面図である。なお、図２では、制御装置５０は図示省略されている。

実施の形態に係る空気調和装置１００は、図１に示すように、室外機１０と、室内機２０とを備えている。室外機１０は、熱源機であり、室内機２０に冷熱または温熱を供給するものである。室内機２０は、室内などの空調対象空間に空調空気を供給できる位置に設置され、室外機１０からの冷熱または温熱により空調対象空間に冷房空気または暖房空気を供給するものである。

なお、実施の形態に係る空気調和装置１００では、１台の室外機１０に１台の室内機２０が接続された構成であるが、室外機１０および室内機２０の数はそれに限定されない。例えば、２台以上の室外機１０に２台以上の室内機２０が接続された構成でもよい。また、空気調和装置１００は、室外機１０と室内機２０との間に介在する中継機を備えていてもよい。

室外機１０は、圧縮機１と、流路切替装置２と、室外熱交換器３と、液面検知装置３０とを備えている。

液面検知装置３０は、アキュムレータ３１と、加熱ヒータ３２と、温度検知装置３３と、圧力検知装置３４と、制御装置５０とを備えている。なお、制御装置５０は、室外機１０ではなく室内機２０に設けられていてもよいし、室外機１０かつ室内機２０の外部に設けられていてもよい。

室内機２０は、絞り装置４と、室内熱交換器５と、室内送風装置６とを備えている。

また、空気調和装置１００は、圧縮機１、流路切替装置２、室外熱交換器３、絞り装置４、室内熱交換器５、アキュムレータ３１が順次配管で接続され、冷媒が循環する冷媒回路を備えている。

圧縮機１は、低温低圧の冷媒を吸入し、吸入した冷媒を圧縮し、高温高圧の冷媒を吐出する。圧縮機１は、例えば、運転周波数を変化させることにより、単位時間あたりの送出量である容量が制御されるインバーター圧縮機などである。

流路切替装置２は、例えば四方弁であり、冷媒の流れの方向を切り替えることで、冷房運転と暖房運転とを切り替えるものである。なお、流路切替装置２として、四方弁に代えて二方弁および三方弁の組み合わせなどを用いてもよい。

室外熱交換器３は、蒸発器または凝縮器として機能し、空気と冷媒との間で熱交換を行い、冷媒を蒸発ガス化または凝縮液化するものである。室外熱交換器３は、暖房運転時には蒸発器として機能し、冷房運転時には凝縮器として機能する。

絞り装置４は、冷媒を減圧して膨張させるものである。絞り装置４は、例えば絞りの開度を調整することができる電子式膨張弁であり、開度を調整することによって、冷房運転時では室内熱交換器５に流入する冷媒圧力を制御し、暖房運転時では室外熱交換器３に流入する冷媒圧力を制御する。

室内熱交換器５は、蒸発器または凝縮器として機能し、空気と冷媒との間で熱交換を行い、冷媒を蒸発ガス化または凝縮液化するものである。室内熱交換器５は、暖房運転時には凝縮器として機能し、冷房運転時には蒸発器として機能する。

アキュムレータ３１は、圧縮機１の吸入側に設けられており、冷房運転と暖房運転との運転状態の違いによって生じる余剰冷媒、あるいは過渡的な運転の変化に対する余剰冷媒などを貯留するためのものである。このアキュムレータ３１は、図２に示すように、長手方向が鉛直方向となるように設置される縦置き型である。また、アキュムレータ３１の上部には、内部に冷媒を流入させる流入管３５と、内部の冷媒を圧縮機１に供給するためのＵ字型の流出管３６とが設けられている。

ここで、流入管３５から気液混合冷媒がアキュムレータ３１の内部に流入した場合、遠心力および重力によって液冷媒をアキュムレータ３１の下部に落とし、ガス冷媒をアキュムレータ３１の上部の流出管３６から圧縮機１に供給させるために、アキュムレータ内で液冷媒を旋回させているが、アキュムレータ３１内で液冷媒が旋回する際に、冷媒の液面に波が立つ。そして、一般的にアキュムレータは横置き型の方が縦置き型のものと比べて、冷媒の液面に波が立ちやすい。そこで、アキュムレータ３１を縦置き型とすることで、横置き型のものに比べて、アキュムレータ３１内で液冷媒が旋回する際に、冷媒の液面に波が立ちづらくすることができる。

加熱ヒータ３２は、例えば電気ヒータであり、アキュムレータ３１の表面に取り付けられ、アキュムレータ３１の表面を加熱するものである。加熱ヒータ３２は、アキュムレータ３１から過大な液冷媒が流入しない高さであるアキュムレータ３１の上部に周方向に巻き付けられ、アキュムレータ３１の表面を周方向に対して均一に加熱する。

温度検知装置３３は、例えばサーミスタであり、アキュムレータ３１の表面かつ加熱ヒータ３２の近傍に設けられてアキュムレータ３１の上部の表面温度Ｔａを検知するものである。また、温度検知装置３３は、流出管３６の入口３６ａよりも下側に位置するように設けられている。実施の形態では、温度検知装置３３が設けられている位置を基準として液冷媒の位置を判定するため、温度検知装置３３の位置を上記のようにすることで、冷媒の液面４０が、流出管３６の入口３６ａに到達するのを防ぐためである。

圧力検知装置３４は、例えば圧力センサであり、アキュムレータ３１の上流側に設けられてアキュムレータ３１に流入する冷媒圧力Ｐｅを検知するものである。この圧力検知装置３４は、液バックを防止するための過熱度制御にも用いられる。なお、冷媒圧力Ｐｅは、アキュムレータ３１内の冷媒圧力とみなせる。

室内送風装置６は、図１に示すように、室内熱交換器５の近傍に設けられ、室内熱交換器５に対して室内空気を供給するものであり、回転数が制御されることにより、室内送風装置６に対する送風量が調整される。室内送風装置６として、例えば、ＤＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ）ファンモータあるいはＡＣ（Ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ Ｃｕｒｒｅｎｔ）ファンモータなどのモータによって駆動される遠心ファンまたは多翼ファンなどが用いられる。なお、室内送風装置６の駆動源としてＤＣファンモータが用いられる場合は、電流値を変化させて回転数を制御することで送風量が調整される。また、室内送風装置６の駆動源としてＡＣファンモータが用いられる場合は、インバーター制御により電源周波数を変化させて回転数を制御することで送風量が調整される。

なお、実施の形態では、室内熱交換器５が空冷式である場合について説明したが、それに限定されず、室内熱交換器５が水冷式など、他の方式であってもよい。室内熱交換器５が水冷式である場合、室内送風装置６の代わりにポンプ（図示せず）が設けられる。

制御装置５０は、各検知装置で検知された温度情報および圧力情報に基づいて、圧縮機１の周波数、絞り装置４の開度、および、室内送風装置６の回転数など、各アクチュエータを制御するものである。制御装置５０は、例えば、専用のハードウェア、またはメモリに格納されるプログラムを実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、プロセッサともいう）で構成されている。

図３は、実施の形態に係る空気調和装置１００の制御装置５０の一例を示す機能ブロック図である。図４は、実施の形態に係る液面検知装置３０のアキュムレータ３１の表面温度Ｔａから冷媒の飽和温度Ｔｅを減算した温度差ΔＴと閾値ΔＴ１との関係を示すグラフである。

制御装置５０は、図３に示すように、記憶部５１と、温度差演算部５２と、液面高さ判定部５３と、周波数制御部５４とを備えている。

記憶部５１は、例えばＲＯＭ、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ、あるいは、ＥＥＰＲＯＭなどで構成されている。この記憶部５１には、圧力検知装置３４が検知した冷媒圧力Ｐｅから冷媒の飽和温度Ｔｅを算出する際に用いられる関数あるいはテーブル、および、後述する液面高さ判定部５３で用いられる閾値ΔＴ１などの情報があらかじめ記憶されている。なお、実施の形態では、記憶部５１は制御装置５０に設けられている構成としたが、それに限定されず、制御装置５０とは別体として設けられている構成としてもよい。

温度差演算部５２は、記憶部５１に記憶されている情報を用いて、圧力検知装置３４が検知した冷媒圧力Ｐｅから冷媒の飽和温度Ｔｅを算出する。そして、温度差演算部５２は、図４に示すように、温度検知装置３３が検知した表面温度Ｔａから、算出した冷媒の飽和温度Ｔｅを減算して、圧縮機１の吸入側の過熱度である温度差ΔＴを算出する。

液面高さ判定部５３は、記憶部５１に記憶されている閾値ΔＴ１を読み出し、温度差演算部５２が算出した温度差ΔＴと閾値ΔＴ１とを比較する。ここで、閾値ΔＴ１は、アキュムレータ３１内の冷媒の液面４０の位置にある冷媒状態がガス状態か液状態かを判定するためのものであり、例えば＋３℃であるが、それに限定されない。そして、液面高さ判定部５３は、その比較結果に基づいて、アキュムレータ３１内の冷媒の液面４０の位置を判定する。具体的には、液面高さ判定部５３は、温度差ΔＴが閾値ΔＴ１よりも大きい場合、上記の過熱度が十分に大きい値であることから、温度検知装置３３が設けられている位置はガス冷媒で満たされており、アキュムレータ３１内の冷媒の液面４０は、温度検知装置３３が設けられている位置よりも下側の位置に存在すると判定する。一方、液面高さ判定部５３は、温度差ΔＴが閾値ΔＴ１以下である場合、上記の過熱度が十分に大きい値でないことから、温度検知装置３３が設けられている位置は液冷媒で満たされており、アキュムレータ３１内の冷媒の液面４０は、温度検知装置３３が設けられている位置以上の位置に存在すると判定する。

あるいは、温度差演算部５２は、記憶部５１に記憶されている情報を用いて、圧力検知装置３４が検知した冷媒圧力Ｐｅから冷媒の飽和温度Ｔｅを算出する。そして、温度差演算部５２は、記憶部５１に記憶されている閾値ΔＴ１を読み出し、算出した冷媒の飽和温度Ｔｅに閾値ΔＴ１を加算して、温度和ΣＴを算出する（図４参照）。

液面高さ判定部５３は、温度検知装置３３が検知した表面温度Ｔａと、温度和ΣＴとを比較する。そして、液面高さ判定部５３は、その比較結果に基づいて、アキュムレータ３１内の冷媒の液面４０の位置を判定する。具体的には、液面高さ判定部５３は、表面温度Ｔａが温度和ΣＴよりも大きい場合、温度検知装置３３が設けられている位置はガス冷媒で満たされており、アキュムレータ３１内の冷媒の液面４０は、温度検知装置３３が設けられている位置よりも下側の位置に存在すると判定する。一方、液面高さ判定部５３は、表面温度Ｔａが温度和ΣＴ以下である場合、温度検知装置３３が設けられている位置は液冷媒で満たされており、アキュムレータ３１内の冷媒の液面４０は、温度検知装置３３が設けられている位置以上の位置に存在すると判定する。

周波数制御部５４は、液面高さ判定部５３が判定したアキュムレータ３１内の冷媒の液面４０の位置に基づいて、記憶部５１に記憶されている周波数情報を参照して、圧縮機１の周波数を決定する。そして、周波数制御部５４は、決定した圧縮機１の周波数を示す周波数制御信号を圧縮機１に供給する。例えば、周波数制御部５４は、液面高さ判定部５３が判定したアキュムレータ３１内の冷媒の液面４０の位置が、温度検知装置３３が設けられている位置よりも下側の位置である場合は、周波数ｆ１の周波数制御信号を圧縮機１に供給する。そして、周波数制御部５４は、液面高さ判定部５３が判定したアキュムレータ３１内の冷媒の液面４０の位置が、温度検知装置３３が設けられている位置以上の位置である場合は、周波数ｆ２（＞ｆ１）の周波数制御信号を圧縮機１に供給する。このように、アキュムレータ３１内の冷媒の液面４０の位置が高い場合は、圧縮機１の周波数を高くすることで、アキュムレータ３１内から流出させる液冷媒の量を増やし、アキュムレータ３１内の冷媒の液面４０の位置を下げる。

以上、実施の形態に係る液面検知装置３０は、冷媒を溜める縦置き型のアキュムレータ３１と、アキュムレータ３１を加熱する加熱ヒータ３２と、アキュムレータ３１の表面温度Ｔａを検知する温度検知装置３３と、アキュムレータ３１内の冷媒圧力Ｐｅを検知する圧力検知装置３４と、加熱ヒータ３２を加熱させた際に、温度検知装置３３で検知されたアキュムレータ３１の表面温度Ｔａ、および、圧力検知装置３４で検知されたアキュムレータ３１内の冷媒圧力Ｐｅに基づき、アキュムレータ３１内の冷媒の液面４０の位置を検知する制御装置５０と、を備えたものである。

また、実施の形態に係る空気調和装置１００は、上記の液面検知装置３０を備えたものである。

実施の形態に係る液面検知装置３０、およびそれを備えた空気調和装置１００によれば、縦置き型のアキュムレータ３１を備えているため、横置き型のものに比べてアキュムレータ３１内で冷媒の液面４０に波が立ちづらく、冷媒の液面４０の位置の検知精度を向上させることができる。また、温度検知装置３３で検知されたアキュムレータ３１の表面温度Ｔａ、および、圧力検知装置３４で検知されたアキュムレータ３１内の冷媒圧力Ｐｅに基づき、アキュムレータ３１内の液体の液面４０の位置を検知しており、温度検知装置３３が複数不要であるため、コストを低減させることができる。

１ 圧縮機、２ 流路切替装置、３ 室外熱交換器、４ 絞り装置、５ 室内熱交換器、６ 室内送風装置、１０ 室外機、２０ 室内機、３０ 液面検知装置、３１ アキュムレータ、３２ 加熱ヒータ、３３ 温度検知装置、３４ 圧力検知装置、３５ 流入管、３６ 流出管、３６ａ 入口、４０ 液面、５０ 制御装置、５１ 記憶部、５２ 温度差演算部、５３ 液面高さ判定部、５４ 周波数制御部、１００ 空気調和装置。

Claims (4)

1. 圧縮機の吸入側に設けられ、冷媒を溜める縦置き型のアキュムレータと、
   前記アキュムレータを加熱する加熱ヒータと、
   前記アキュムレータの上部に設けられ、前記アキュムレータ内の冷媒を前記圧縮機に供給する流出管と、
   前記流出管の入口よりも下側に設けられ、前記アキュムレータの表面温度を検知する温度検知装置と、
   前記アキュムレータ内の冷媒圧力を検知する圧力検知装置と、
   前記加熱ヒータを加熱させた際に、前記温度検知装置で検知された前記アキュムレータの表面温度、および、前記圧力検知装置で検知された前記アキュムレータ内の冷媒圧力に基づき、前記アキュムレータ内の冷媒の液面の位置を検知する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、
   前記圧力検知装置が検知した冷媒圧力から冷媒の飽和温度を算出し、前記温度検知装置が検知した表面温度から、算出した前記飽和温度を減算して、温度差を算出する温度差演算部と、
   前記温度差演算部が算出した前記温度差とあらかじめ設定された閾値との比較結果に基づいて、前記アキュムレータ内の冷媒の液面の位置を判定する液面高さ判定部と、
   前記液面高さ判定部が判定した前記アキュムレータ内の冷媒の液面の位置に基づいて、前記圧縮機の周波数を決定する周波数制御部と、を備え、
   前記周波数制御部は、
   前記液面高さ判定部が判定した前記アキュムレータ内の冷媒の液面の位置が、
   前記温度検知装置が設けられている位置よりも下側の位置である場合は、第１周波数の周波数制御信号を前記圧縮機に供給し、
   前記温度検知装置が設けられている位置以上の位置である場合は、前記第１周波数よりも高い第２周波数の周波数制御信号を前記圧縮機に供給する
   液面検知装置。
2. 圧縮機の吸入側に設けられ、冷媒を溜める縦置き型のアキュムレータと、
   前記アキュムレータを加熱する加熱ヒータと、
   前記アキュムレータの上部に設けられ、前記アキュムレータ内の冷媒を前記圧縮機に供給する流出管と、
   前記流出管の入口よりも下側に設けられ、前記アキュムレータの表面温度を検知する温度検知装置と、
   前記アキュムレータ内の冷媒圧力を検知する圧力検知装置と、
   前記加熱ヒータを加熱させた際に、前記温度検知装置で検知された前記アキュムレータの表面温度、および、前記圧力検知装置で検知された前記アキュムレータ内の冷媒圧力に基づき、前記アキュムレータ内の冷媒の液面の位置を検知する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、
   前記圧力検知装置が検知した冷媒圧力から冷媒の飽和温度を算出し、算出した前記飽和温度にあらかじめ設定された閾値を加算して、温度和を算出する温度差演算部と、
   前記温度差演算部が算出した前記温度和と前記温度検知装置が検知した表面温度との比較結果に基づいて、前記アキュムレータ内の冷媒の液面の位置を判定する液面高さ判定部と、
   前記液面高さ判定部が判定した前記アキュムレータ内の冷媒の液面の位置に基づいて、前記圧縮機の周波数を決定する周波数制御部と、を備え、
   前記周波数制御部は、
   前記液面高さ判定部が判定した前記アキュムレータ内の冷媒の液面の位置が、
   前記温度検知装置が設けられている位置よりも下側の位置である場合は、第１周波数の周波数制御信号を前記圧縮機に供給し、
   前記温度検知装置が設けられている位置以上の位置である場合は、前記第１周波数よりも高い第２周波数の周波数制御信号を前記圧縮機に供給する
   液面検知装置。
3. 前記圧力検知装置が検知した冷媒圧力から冷媒の飽和温度を算出する際に用いられる情報、および、前記閾値が記憶されている記憶部を備えた
   請求項１または２に記載の液面検知装置。
4. 前記圧縮機と、
   請求項１～３のいずれか一項に記載の液面検知装置と、を備えた
   空気調和装置。

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