JPH073224B2 - 熱ポンプ回路の冷媒圧縮機のクランクケースヒータの作動制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は冷媒−油混合物を含む冷凍回路に係る。一層詳
細には、本発明は、冷凍回路内の圧縮機に対する潤滑油
の温度を上昇させるために用意されているヒータを付勢
するための制御、特に冷凍システムの作動条件に応答し
てヒータを選択的に付勢するための制御に係る。

空気調和装置、冷凍装置、熱ポンプ及び他の冷凍回路を
用いる装置では、変動する温度及び圧力条件の下に冷媒
の選択的な蒸発及び凝縮により熱伝達が行われる。圧縮
機が気体状冷媒の温度及び圧力を高めるため、また冷凍
回路を通じて冷媒を循環させるために用いられ得る。典
型的に、圧縮機構成要素の潤滑のための油が冷凍回路内
に冷媒と共に含まれている。

或る条件の下では大抵の冷媒と冷凍ユニットの圧縮機に
対する潤滑剤として用いられている油とは自由に混和可
能であることは良く知られている。冷媒回路の正常な作
動中は、作動圧力及び温度のために、油は圧縮機の溜め
の中に保たれており、実質的に冷媒と混合していない。
しかし、作動停止の際に冷凍回路が周囲温度に到達し、
圧力が冷凍回路内で等しくなると、冷媒蒸気と圧縮機の
溜めの中の油とは混合して実質的に均質な溶液を形成す
る。この現象は周囲温度が低下するにつれて益々顕著に
なる。

圧縮機の始動と共に、通常圧縮機のクランクケースの一
部分である油溜めは吸込み圧力に低下し、圧縮機機構が
潤滑油及び冷媒の混合物に撹拌し得る。吸込み圧力への
低下と機械的撹拌との組合せにより、油と混合した溶液
内の冷媒はその気体状態に戻ろうとする。作動停止の際
に冷媒は実質的に均一な溶液の中に含まれているので、
混合された液状冷媒が蒸発する際にかなりの量の油が同
伴され、甚しい場合には、溶液全体が泡に変る結果とな
る。

油が泡になると、冷媒吐出管内に同伴される油の量が著
しく増大する。泡の形成は、油が溜めから送り出されて
空になるほど甚しくなり得る。それにより圧縮機が無潤
滑状態となり非常に短い作動時間の間に軸受が摩耗し損
傷するだけでなく、液状の冷媒及び油の非圧縮性のスラ
グが圧縮機のシリンダ内に入って弁及びピストンの破壊
及び連結ロッド及び軸の折れ及び破壊の形で圧縮機に重
大な損傷を与える虞れがある。

冷媒によるクランクケース油希釈の問題を避けるためク
ランクケースヒータが一般に用いられている。このヒー
タは電気抵抗式ヒータであって良く、また油と直接接触
するように圧縮機の溜めの中に直接設けられていて良
く、または溜めの中に蓄えられている油と熱伝達関係に
あるように圧縮機ケーシングの外面の周りに巻付けられ
ていて良い。ヒータの付勢により潤滑剤は周囲温度より
も高い満足な温度例えば周囲温度よりも40゜Ｆ（22℃）
〜60゜Ｆ（33℃）だけ高い温度に保たれる。この温度で
は、少量の冷媒しか油により吸収されない。

従来は、冷凍ユニットの作動または周囲の温度とは関係
なく常にヒータを付勢状態に保つか、冷凍ユニットが作
動している時にはヒータを不動作状態とし、冷凍ユニッ
トが停止されている時にはヒータを付勢するか、周囲温
度が特定のレベルよりも高い時または冷凍ユニットが作
動している時にクランクケースヒータを付勢するか、の
何れかが通常であった。

冷凍システムが運転されている時、熱エネルギは圧縮機
内に蓄えられる。この熱エネルギは圧縮機の運転停止後
の特定の時間に亙り冷媒及び油を別々に保つように作用
する。この時間の長さは圧縮機の作動時間の長さの関数
であることが見出されている。従って、エネルギを節減
するためには、圧縮機の運転が停止されてから、運転中
の圧縮機内に蓄えられた熱が放散される時間の経過後に
クランクケースヒータを作動させるのが効率的であるこ
とが見出されている。

本発明の目的は、冷媒及び潤滑油の混合を減ずるように
冷凍システムの圧縮機と組合されたクランクケースヒー
タを制御することである。

本発明の一層詳細な目的は、必要な時にのみクランクケ
ースヒータを作動させることによりエネルギ消費を減ず
るように適当な時点でクランクケースヒータのスイッチ
オン及びスイッチオフを行う装置を提供することであ
る。

本発明の他の目的は、クランクケースヒータを消勢及び
付勢すべき時点を判定する方法を提供することである。

本発明の別の目的は、冷凍回路内のクランクケースヒー
タの作動を制御するための安全で経済的で効率的な手段
を提供することである。

本発明の上記及び他の目的は、冷凍ユニット内に用いら
れている圧縮機の潤滑油の温度を高めるために設けられ
ているヒータを選択的に付勢するための制御を行うこと
により達成される。運転時間中に圧縮機に内に蓄えられ
た熱エネルギが冷媒及び油の混合を防ぐのに十分な高い
温度に冷媒及び油を保つように作用するように圧縮機の
運転時間及びそれに続く時間間隔を決定するための手段
が用いられる。クランクケースヒータは圧縮機が作動し
ている時または圧縮機の作動後の遅延時間がまだ経過し
ていない時には常に消勢されている。クランクケースヒ
ータは他の全ての時には付勢されている。

ここに説明する装置は、マイクロプロセッサ制御部を組
込まれており建物内に用いられる熱ポンプシステムを対
象としている。ここに説明するクランクケースヒータ制
御部はマイクロプロセッサ制御部内に組込まれている
が、同一の機能が機械的または電気−機械的手段を通じ
て実現され得ることは理解されよう。しかし、マイクロ
プロセッサ制御部の利用により、ここに説明するクラン
クケースヒータ制御機能に加えて他の多くの機能も得ら
れる。ここでは熱ポンプシステムに於けるクランクケー
スヒータ及びその制御装置について説明するが、冷凍回
路を組込んだ任意の装置に本発明による制御装置が応用
可能であることは理解されよう。

先ず第１図を参照すると熱ポンプシステムが解図的に示
されている。建物10の中に、空気調和された空気を屋内
空間に循環させるためのファンコイルユニット20が配置
されている。供給空気ダクト16は空気を屋内空気からフ
ァンコイルユニット20へ向かわせ、逆に戻り空気ダクト
18は空気をファンコイルユニットから屋内空間に向かわ
せる。ファンコイルユニット20内には屋内ファン22、屋
内熱交換器24及びストリップヒータ26が設けられてい
る。屋内ファン22は、屋内空間より供給ダクト、屋内熱
交換器、ストリップヒータ、戻り空気ダクトを通じて屋
内空間へ戻るように空気を循環させる。屋内熱交換器24
は冷凍回路の一部分であり、屋内ファン22を経て屋内熱
交換器の上に向けられる空気の流れに熱を与えるべく、
若しくはそれから熱エネルギを吸収するべく作用する。
ストリップヒータ26は屋内熱交換器24より下流側に配置
されており、またファンコイルユニットを通って流れる
空気の流れに熱エネルギを供給するべく選択的に付勢さ
れていて良い。

屋外ユニット30は建物10の外部に配置されており、また
典型的に建物に隣接して配置された基礎の上に取付けら
れている。屋外ユニット30の中には冷凍回路の屋外コイ
ル28、圧縮器34及び可逆弁32が設けられている。加え
て、屋外コイル28の上に外気を循環させるため屋外ファ
ン39が屋外ファン電動機40に連結されている。また、屋
外温度センサ36、屋外コイル温度センサ38、クランクケ
ースヒータ35及び制御部42が屋外ユニット内に設けられ
ている。制御部42と屋内に設けられているサーモスタッ
ト14との間は電線で接続されている。また、制御部42
と、ストリップヒータ26と屋内ファン22に動力を与える
屋内ファン電動機との間も電線で接続されている。

冷凍回路は屋内コイル24、屋外コイル28、圧縮機34、可
逆弁32及び相互接続配管44からなっている。冷凍回路の
各構成要素の間に圧力降下を生ぜしめるための膨張装置
は図示されていない。

暖房季節中のこのユニットの運転中、熱エネルギは蒸発
器として作用する屋外コイル28で吸収され、凝縮器とし
て作用する屋内熱交換器24を経て屋内空気に与えられ
る。冷房モードの運転中には、可逆弁32が、圧縮機から
の高温の気体状冷媒を先ず凝縮器として作用する屋外コ
イル28に向かわせ、次いで、屋内空気から熱エネルギを
吸収するための蒸発器とし作用する屋内コイル24に向か
わせるように切換えられる。

次に第２図を参照すると、このユニットの制御システム
の回路構成の概要が示されている。第２図の左側部分に
は大きなブロックで中央処理装置（CPU）50が示されて
いる。典型的に、このCPUは市販品として入手可能なマ
イクロプロセッサ、例えばMostek 3870であって良い。
マイクロプロセッサは図示されているように複数個の入
力端及び出力端を有する。左上の端子から説明すると、
屋外空気温度センサ36がODT−１及びODT−２を通じてCP
Uに接続されている。加えて、屋外コイル温度センサ38
がLLT−１及びLLT−２通じてCPUに接続されている。そ
の下に端子番号Ｒ、Ｃ、Ｙ、Ｇ、Ｏ、Ｐ、E/L及びＷ−
２を付けられている８つのサーモスタット接続端子の列
が続いている。上から順に、これらのサーモスタット接
続端子の用途は次の通りである:R−CPUからサーモスタ
ットへパワー;C−共通;Y−第一段階暖房;G−屋内ファン
リレーを付勢;O−第一段階冷房（可逆弁）;P−サーモス
タットからCPUへパワー;E/L−エマージェンシーヒート
またはホールドライト;W−２−第二段階暖房。

CPUの右側には種々のリレーへの接続が示されている。
クランクケースヒータ52、屋外ファンリレー54、可逆弁
ソレノイドリレー56及び圧縮機コンタクタ58は全てCPU5
0の適当なクランクケースヒータリレー、屋外ファンリ
レー、可逆弁ソレノイドリレー及び圧縮機コンタクタ接
続端子に接続されている。CPUは、検出された入力の適
当な組に応答してこれらのリレーが付勢されるようにプ
ログラムされている。

CPU50の右下部には、それぞれ端子番号Ｒ、Ｃ、Ｇ′、
Ｗ−２′、Ｅ、及びＷ−３′を付けられた６つの端子が
設けられている。上から順に、これらの端子の用途はＲ
−パワー、Ｃ−共通、Ｇ′−屋内ファンリレー、Ｗ−
２′−第一段階暖房、Ｅ′−第二段階暖房及びＷ−３′
−第三段階暖房である。第２図に示されているように、
Ｒ端子は電線77を経て変圧器Ｔ−１の一方の側に接続さ
れている。Ｃ端子は電線76を経て変圧器Ｔ−１の他方の
側に接続されている。Ｇ′は電線78を経て屋内ファンリ
レーIFRに接続されている。電線79はＷ−２′をシーケ
ンスリレーSEQ−１に接続している。Ｅ′端子は電線80
を経て第一のシーケンスリレー接点SEQ1−２に接続され
ており、この第一のシーケンスリレー接点は電線２によ
り第二のシーケンスリレーSEQ−２に接続されている。
Ｗ−３′端子は電線81を経て第二のシーケンスリレー接
点SEQ2−２に接続されており、この第二のシーケンスリ
レー接点は電線83により第三のシーケンスリレーSEQ−
３に接続されている。

第２図に示されてるように、ラインＬ−１及びＬ−２に
はファンコイルユニット及びCPUに電力を供給する。電
線70として示されているラインＬ−１は第一のシーケン
スリレー接点SEQ1−１（常時開路）、第二のシーケンス
リレー接点SEQ2−１（常時開路）、第三のシーケンスリ
レー接点SEQ3−１（常時開路）、屋内ファンリレー接点
IFR−１（常時開路）及び変圧器Ｔ−１接続されてい
る。電線75として示されているラインＬ−２はヒータH
1、H2及びH3（何れも参照符号26を付されている）、変
圧器Ｔ−１及び屋内ファン電動機22に接続している。電
線71は第三のシーケンスリレー接点SEQ−１（常時開
路）をヒータH3に接続されている。電線72は第二のシー
ケンスリレー接点SEQ2−１（常時開路）をヒータH2に接
続している。電線73は第一のシーケンスリレー接点SEQ1
−１（常時開路）をヒータH1及び屋内ファンリレー接点
IFR−２（常時閉路）に接続している。電線74は屋内フ
ァンリレー接点IFR−１（常時開路）及び屋内ファンリ
レー接点IFR−２（常時閉路）を屋内ファン電動機22に
接続している。

屋外ユニットの電力配線は第２図の右上部に示されてい
る。クランクケースヒータリレー接点CHR−１（常時閉
路）はラインＬ−１及び圧縮機コンタクタ接点CC−１
（常時開路）に接続されている。電線61はクランクケー
スヒータリレー接点CHR−１（常時閉路）をクランクケ
ースヒータCCH（35）と接続している。クランクケース
ヒータ35は電線62を経てラインＬ−２及び圧縮機コンタ
クタ接点2CC−２（常時開路）に接続されている。電線6
4は圧縮機コンタクタ接点CC−１（常時開路）を屋外フ
ァンリレー接点OFR−１（常時閉路）及び圧縮機電動機3
4に接続している。電線65は屋外ファンリレー接点OFR−
１（常時閉路）を屋外ファン電動機40に接続している。
圧縮機コンタクタ接点CC−２（常時開路）は電線63を経
て圧縮機電動機34及び屋外ファン電動機40に接続されて
いる。

第３図は制御システム全体の作動の仕方を示すフローチ
ャートであ。制御システムは一連の論理ステップを通じ
ての論理フローにより得られている。各論理ステップ
は、図面を見易くするためこのフローチャートでは図示
を省略されているサブルーチンまたは一連のステップを
表すものであって良い。最初のステップ101は付勢と同
時にユニットをパワーアップするステップである。その
後にステップ102で種々の入力が検出される。入力が安
定化され行き過ぎなどの過渡的変化を終っていることを
保証するため、フォース検出ステップ104に進む前にパ
ワーアップ遅延が行われる。もしパワーアップ遅延が完
了していなければ、前記遅延が完了するまで入力を検出
するステップへの復帰が繰返される。フォース検出ステ
ップ104は圧縮機が作動すべきでない時に圧縮機が作動
しているか否かを判定する。このステップは、例えば種
々の入力が圧縮機の消勢を要求している時にコンタクタ
の溶着により圧縮機が付勢されているような条件を検出
する。ステップ105はフォース・モードが検出されてい
るか否かを判定する。もしフォース・モードが検出され
ていれば、プログラムはステップ108へスキップし、そ
こで論理フローは選択されたモードへジャンプする。も
しステップ105でフォース・モードが検出されていなけ
れば、論理フローはステップ107へ進む。ステップ107で
は、他の故障がシステム内に存在しているか否かの判定
が行われる。もし他の故障が存在していなければ、論理
フローはステップ108へ進み、そこで選択されたモード
即ちアイドル、暖房、冷房または解凍モードの一つへジ
ャンプする。もし他の故障が検出されていれば、制御論
理フローはステップ118のセントリ検出へジャンプす
る。

もしステップ108でアイドル・モードへのジャンプが選
択されれば、論理フローはステップ101へ進む。その
後、ステップ111で、レディ判定が行われ、もし回答が
ノーであれば、ユニットを暖房または冷房作動に入れる
ことなく、ステップ118へジャンプする。もしステップ1
11の回答がイエスであれば、論理フローはステップ112
へ進み、空気調和ユニットはステップ112で暖房または
冷房作動に入れられる。論理フローは次いでステップ11
8へジャンプする。

もし暖房モードへのジャンプが選択されれば、論理フロ
ーはステップ113へ進む。暖房モードの運転に入った後
には、運転が冷房に変更されるべきか否かについての質
問が連続的にステップ114で回答される。もし回答がイ
エスであれば、論理フローはユニットを暖房または冷房
にセットするステップ112へ循環して戻され、またもし
回答がノーであれば、論理フローはステップ114A、解凍
検出、へ進む。もし解凍の必要性が検出されれば、暖房
から解凍へのモード変更が行われ、論理フローはステッ
プ118へジャンプする。もし解凍の必要性が検出されて
いなければ、モードの変更は行われず、論理フローはス
テップ118へジャンプする。

もしステップ108で冷房モードへのジャンプが選択され
れば、論理フローはステップ115へ進む。ステップ116
は、運転が暖房に変更されるべきか否かを連続的に質問
する。もし回答がイエスであれば、制御シーケンスはユ
ニットを暖房または冷房にセットするステップ112へ戻
る。もし回答がノーであれば、論理フローはステップ11
8へジャンプする。

もし第四のジャンプの仕方として解凍モードへのジャン
プが選択されれば、論理フローはステップ117へ進む。
論理フロー内のこのステップは運転の解凍モードを継続
し若しくは解消す。もしジャンプが解凍モードへ行われ
れば、その後論理フローは全制御シーケンスを通じて進
む。解凍モードのステップ117以後の制御シーケンスは
セントリ検出118、サーモスタット検査119、セントリラ
ンプ120、二次ヒート121、ストリップヒータ122、屋内
ファン123、解凍リセット124、クランクケースヒータ12
5、OFRプラスREV弁126及びセット出力127のステップを
含んでいる。セット出力127のステップから制御シーケ
ンスは入力検出のステップ102へ戻る。

セントリ検出ステップは圧縮機の低電流または地絡故障
表示をチェックするように作用する。サーモスタット検
査ステップはサーモスタットからの入力が規定されたパ
ターン内にあることを確認するためのチェックを行う。
セントリランプ・ステップは種々の故障モードを示すべ
くサーモスタット・ランプを点滅するように作用する。
二次ヒート・ステップは中央処理装置（CPU）からのＷ
−２出力を制御する。ストリップヒータ・ステップ122
はCPUからのＥ′及びＷ−３′出力を制御する。屋内フ
ァン・ステップ123は屋内ファン22を制御する。解凍リ
セット・ステップは、解凍の時間を制御するための解凍
タイマが初期状態に戻される必要がある時を決定する。
クランクケースヒータ・ステップ125はクランクケース
ヒータの作動を制御するように作用する。OFRプラスREV
弁ステップ126は適当な条件下で屋外ファンリレー及び
可逆弁リレーを制御するように作用する。出力をセット
するためのステップ127はCPU出力のターンオン及びター
ンオフを行い、また圧縮機が状態を変化している時を検
出する。

次に第４図を参照すると、クランクケースヒータを作動
させるためのサブルーチンのフローチャートが示されて
いる。クランクケースヒータ・ステップ125はサブステ
ップ125A〜125Gを通じてOFRプラスREV弁ステップ126へ
進む。ステップ125Aでは、システムがフォース・モード
にあるか否かが質問される。もしシステムがフォース・
モードにあれば、論理フローはステップ125G（クランク
ケースヒータをターンオン）へ進む。もし圧縮機がフォ
ース・モードになければ、論理フローはステップ125Bへ
進み、圧縮機が付勢されているか否かが判定される。も
し圧縮機が付勢されていなければ、論理フローはステッ
プ125Fへ進み、クランクケースヒータ遅延が完了してい
るか否かが判定される。もしクランクケースヒータ遅延
が完了していれば、シーケンス動作はステップ125Gへ進
む。もしクランクケースヒータ遅延が完了していなけれ
ば、シーケンス動作はステップ126へ進む。

圧縮機が付勢されていると、ステップ125Bで判定されれ
ば、次いでステップ125Cで運転時間値RTを求めるための
計算が行われる。RTは圧縮機の連続運転時間の各１分間
に対して１ずつ増す（但し最大５まで）ことにより求め
られる。次いでステップ125Dで、ステップ125Cの計算結
果に５を乗算することによりクランクケースヒータ遅延
が計算される。この計算により、クランクケースヒータ
を作動させる必要のない全遅延が決定される。従って、
もし圧縮機が全体で３分間に亙り運転していたならば、
ステップ125Cで運転時間が３と計算される。次にステッ
プ125Dで、３を５倍して15と計算される。この15分がク
ランクケースヒータ遅延として用いられる。ステップ12
5Eで、圧縮機が付勢されている時にクランクケースヒー
タが消勢される。クランクケースヒータ遅延が完了した
ことがステップ125Fで判定されると、クランクケースヒ
ータはステップ125Gでターンオンされる。

フローチャートから解るように、クランクケースヒータ
は圧縮機の運転中と圧縮機運転停止後の遅延時間中とを
除く全ての時間中は付勢状態に保たれている。前記遅延
時間は１分間の圧縮機運転時間と５分間の遅延時間とが
対応するように計算されており、遅延時間の最大値は25
分である。従って、もし圧縮機が５分間運転されていれ
ば、圧縮機の運転停止後のクランクケースヒータ遅延時
間は25分である。

クランクケースヒータ調節するための以上に説明した制
御はCPUを用いて行われる。

第３図及び第４図のフローチャートから解るように、ク
ランクケースヒータCCHまたは35を付勢及び消勢する時
点を決定するためクランクケースヒータリレー接点CHR
−１を制御するクランクケースヒータリレー52はCPU50
の出力端CHRを介して制御されている。第４図に示され
ているように、ステップ125E及び125Gは、クランクケー
スヒータがターンオン及びターンオフされるべき時点を
決定する。クランクケースヒータコンタクタCHR−１は
常時は閉路しているので、クランクケースヒータCCHの
消勢はクランクケースヒータリレーCHRの付勢によって
行われる。

以上に配線図及びフローチャートにより説明してきたよ
うに、冷凍システムのクランクケースヒータを制御する
ための本発明による方法及び装置では、クランクケース
ヒータは圧縮機の運転中及び圧縮機運転停止後の特定の
遅延時間中を除いて付勢状態に保たれている。遅延時間
は圧縮機運転の継続時間とその内に圧縮機内に蓄えられ
る熱エネルギとの関数である。

以上に本発明をその特定の実施例について説明してき
た。本発明の範囲内で種々の変更が行われ得ることは当
業者により理解されよう。

【図面の簡単な説明】

第１図は建物に組込まれた熱ポンプシステムの概要を示
す図である。 第２図は熱ポンプシステムの制御部の配線の概要を示す
図である。 第３図は熱ポンプシステムに対するマイクロプロセッサ
制御部の作動の仕方を要約して示すフローチャートであ
る。 第４図はマイクロプロセッサにより実行されるクランク
ケースヒータ制御機能のフローチャートである。 10……建物,14……サーモスタット,16……供給空気ダク
ト,18……戻り空気ダクト,20……ファンコイルユニッ
ト,22……屋内ファン,24……屋内熱交換器,26……スト
リップヒータ,28……屋外コイル,30……屋外ユニット,3
2……可逆弁,34……圧縮機,35……クランクケースヒー
タ,36……屋外温度センサ,38……屋外コイル温度セン
サ,39……屋外ファン,40……屋外ファン電動機,42……
制御部,44……配管,50……中央処理装置（CPU）,52……
クランクケースヒータリレー,54……屋外ファンリレー,
56……可逆弁ソレノイドリレー,58……圧縮機コンタク
タ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭55−75149（ＪＰ，Ａ) 実開 昭54−59552（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】熱ポンプ回路の冷媒圧縮機内の潤滑油に熱
   エネルギを供給するクランクケースヒータの作動制御方
   法にして、冷媒圧縮機の運転中と冷媒圧縮機の運転停止
   直後の可変期間とを除いてクランクケースヒータを作動
   させ、前記可変期間は所定の最大値以内で当該運転停止
   までの冷媒圧縮機の運転継続時間の増大に応じて増大す
   る期間とされることを特徴とするクランクケースヒータ
   の作動制御方法。