JP2006250480A

JP2006250480A - 冷凍装置

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Publication number: JP2006250480A
Application number: JP2005070295A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Ito; 哲也伊藤; Satoshi Tomioka; 聡冨岡; Takahiro Matsunaga; 隆廣松永; Masatoshi Watanabe; 真寿渡辺; Masaki Fujino; 正樹藤野
Original assignee: Fujitsu General Ltd
Current assignee: Fujitsu General Ltd
Priority date: 2005-03-14
Filing date: 2005-03-14
Publication date: 2006-09-21

Abstract

【課題】液冷媒とガス冷媒とで明らかに温度差が出るようにして、レシーバタンク内の液面レベルを確実に検知できるようにする。
【解決手段】室外熱交換器と室内熱交換器との間に接続されるレシーバタンク１４内の冷媒の液面レベルを検知する冷媒液面検知手段３０を有する空気調和機において、その液面レベルを検知するために、各一端がレシーバタンク１４の異なる高さ位置にそれぞれ接続され、各他端がともに冷凍サイクルの低圧側配管系に接続される第１，第２の少なくとも２つの液面検知用配管３１，３３を備え、各液面検知用配管３１，３３に、その管内を通される冷媒を減圧する減圧手段３１ａ，３３ａと、減圧後の冷媒を加熱する加熱手段３４と、加熱後の冷媒温度を検出する温度センサ３１ｂ，３３ｂとを設け、温度センサ３１ｂから得られる冷媒温度ＴＥと、温度センサ３３ｂから得られる冷媒温度ＴＦとに基づいて、上記レシーバタンク１４内の冷媒の液面レベルを検知する。
【選択図】図２

Description

本発明は、空気調和機などに適用される冷凍装置に関し、さらに詳しく言えば、凝縮器と蒸発器との間に接続されるレシーバタンク（気液分離器）の冷媒状態検知手段と冷媒液面検知手段に関するものである。

空気調和機には、圧縮機，四方弁および室外熱交換器を有する室外機と、室内熱交換器を有する室内機とが含まれ、四方弁を切り替えることにより、冷房運転と暖房運転とが選択され、冷房運転時には室外熱交換器側が凝縮器で室内熱交換器側が蒸発器となり、これとは逆に、暖房運転時には室外熱交換器側が蒸発器で室内熱交換器側が凝縮器となる。

冷房専用機種を含めて、室外熱交換器と室内熱交換器との間には、液冷媒とガス冷媒とを分離するためのレシーバタンクが設けられるが、冷凍サイクル内の冷媒循環量が適正であるかどうかを監視するため、レシーバタンクを利用して、そのタンク内の液面レベルを検知するようにしている。

その一例として、特許文献１に記載の発明では、レシーバタンクの上下の異なる位置に配管を接続して、その各配管から取り出した冷媒を減圧した後の冷媒温度差から、レシーバタンク内の液面レベルを検知するようにしている。

特開平６−２０１２３４号公報

しかしながら、レシーバタンクの上下の異なる位置に接続された各配管から得られる冷媒温度に差がない場合、その高さ範囲内（２本の配管がレシーバタンクの例えば最上位と最下位とに接続されている場合にはレシーバタンク内の全体）の冷媒が液相であるのか、気相であるのかまでは判別することができない。

また、レシーバタンクから取り出した冷媒を減圧しただけでは、液冷媒とガス冷媒との温度差が出にくく、確実に液面レベルを検知することが難しい。図４は上記特許文献１に図３として記載されているモリエル線図を転記したもので、点２０を通る等温度線２２と点２１を通る等温度線２３との間の幅が液冷媒とガス冷媒との温度差であるが、その幅が狭いため、特に近年の環境問題から推奨されているノンフロンタイプのＲ４１０Ａ冷媒となると、その高圧ガス飽和冷媒と高圧液飽和冷媒とを減圧しても、ほとんど温度差がでない。

したがって、本発明の課題は、液冷媒とガス冷媒とで明らかに温度差が出るようにしてレシーバタンク内が液冷媒だけもしくはガス冷媒だけとなった場合でも、その相状態を検知可能とし、また、レシーバタンク内の液面レベルを確実に検知できるようにすることにある。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、圧縮機，凝縮器および蒸発器を含む冷凍サイクルを備えているとともに、上記凝縮器と上記蒸発器との間に接続されるレシーバタンク内の冷媒の相状態を検知する冷媒状態検知手段を有する冷凍装置において、上記冷媒状態検知手段は、冷媒状態検知用配管を備え、上記冷媒状態検知用配管の一端が上記レシーバタンクに接続され、他端が上記冷凍サイクルの低圧側配管系に接続され、上記冷媒状態検知用配管には、その管内を流れる冷媒を減圧する減圧手段と、上記管内の冷媒を加熱する加熱手段と、上記加熱手段にて加熱された冷媒の温度を検出する温度検出手段とが設けられ、上記冷媒状態検知手段は、上記温度検出手段から得られる冷媒温度に基づいて、上記冷媒状態検知用配管の一端が接続されている位置での上記レシーバタンク内の冷媒の相状態を検知することを特徴としている。

請求項２に記載の発明は、上記請求項１において、上記冷媒状態検知手段は、上記減圧手段により減圧された後の冷媒圧力から求められる判別基準温度Ｔｓと、上記温度検出手段から得られる冷媒温度との差により、上記冷媒状態検知用配管の一端が接続されている位置での上記レシーバタンク内の冷媒の相状態を検知することを特徴としている。

請求項３に記載の発明は、上記請求項１または２において、上記冷媒状態検知用配管の複数本を上記レシーバタンクの異なる高さ位置に接続し、上記冷媒状態検知用配管の各々から得られる検知結果に基づいて、上記レシーバタンク内の冷媒の液面レベルを検知する冷媒液面検知手段をさらに備えることを特徴としている。

請求項４に記載の発明は、圧縮機，凝縮器および蒸発器を含む冷凍サイクルを備えているとともに、上記凝縮器と上記蒸発器との間に接続されるレシーバタンク内の冷媒の液面レベルを検知する冷媒液面検知手段を有する冷凍装置において、上記冷媒液面検知手段は、第１（上方側），第２（下方側）の少なくとも２つの液面検知用配管を備え、上記液面検知用配管の各一端が上記レシーバタンクに接続され、各他端が上記冷凍サイクルの低圧側配管系に接続され、上記各液面検知用配管には、その管内を流れる冷媒を減圧する減圧手段と、上記管内の冷媒を加熱する加熱手段と、上記加熱手段にて加熱された冷媒の温度を検出する温度検出手段とがそれぞれ設けられ、上記冷媒液面検知手段は、上記第１液面検知用配管側の上記温度検出手段から得られる冷媒温度ＴＥと、上記第２液面検知用配管側の上記温度検出手段から得られる冷媒温度ＴＦとに基づいて、上記レシーバタンク内の冷媒の液面レベルを検知することを特徴としている。

請求項５に記載の発明は、上記請求項４において、上記冷媒液面検知手段は、上記冷媒温度ＴＥと上記冷媒温度ＴＦの温度差が所定値よりも大きいときは、上記液面レベルが上記第１，第２液面検知用配管の各一端間の高さ範囲内に存在すると検知することを特徴としている。

請求項６に記載の発明は、上記請求項４または５において、上記冷媒液面検知手段は、上記冷媒温度ＴＥと上記冷媒温度ＴＦの温度差が所定値よりも小さいときは、上記減圧手段により減圧された後の冷媒圧力から求められる判別基準温度Ｔｓと上記冷媒温度（ＴＥもしくはＴＦ）との差から、上記レシーバタンクに接続された上記液面検知用配管の各一端の高さ範囲内に存在する冷媒の相状態を検知することを特徴としている。

請求項７に記載の発明は、上記請求項１ないし６のいずれか１項において、上記加熱手段として、上記圧縮機の冷媒吐出管から発熱される熱を利用することを特徴としている。

請求項１ないし３に記載の発明によれば、レシーバタンクに対して、冷媒を減圧する減圧手段と冷媒を加熱する加熱手段とを有する冷媒状態検知用配管を接続し、加熱手段にて加熱された冷媒の温度を温度検出手段にて検出することにより、レシーバタンク内で、その冷媒状態検知用配管が接続されている部分の冷媒の相状態（気相もしくは液相の別）を確実に検知することができる。

また、請求項４ないし６に記載の発明によれば、レシーバタンクの異なる高さ位置に対して、冷媒を減圧する減圧手段と冷媒を加熱する加熱手段とを有する少なくとも２本の冷媒状態検知用配管を接続し、その各冷媒状態検知用配管で加熱手段にて加熱された冷媒の温度を温度検出手段にてそれぞれ検出し、その温度差によりレシーバタンク内の液面レベルを確実に検知することができる。これは、液冷媒とガス冷媒の蒸発潜熱の差により、減圧後のガス冷媒は加熱により容易に温度上昇するが、減圧後の液冷媒は加熱しても飽和領域から抜けないためである。

また、加熱手段として圧縮機の冷媒吐出管から発熱される熱を利用する請求項７に記載の発明によれば、別途にヒータなどの加熱手段を用意する必要がないため、コスト的なメリットがある。

次に、図１ないし図３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は本発明の冷凍装置を空気調和機に適用した例の全体的な構成を示す模式図，図２は本発明の冷凍装置が備える冷媒液面検知手段を示す模式図，図３は本発明の作用を説明するためのモリエル線図である。

まず、図１を参照して、この実施形態に係る空気調和機の全体的な構成を説明する。この空気調和機には、室外機１０と室内機２０とが含まれている。室外機１０と室内機２０は、それらが所定の配管部材を介して接続されるスプリット型であるが、室内機２０は壁掛け式，天井埋め込み式もしくは床置き式のいずれであってもよい。

この例における空気調和機は、冷房運転と暖房運転とが可能なヒートポンプ式の冷媒回路を備えている。そのため、室外機１０には、基本的な構成として、圧縮機１１，四方弁１２，室外送風ファン１３ａを有する室外熱交換器１３，レシーバタンク（気液分離器）１４およびアキュムレータ１５が設けられている。圧縮機１１は、インバータ制御による可変速圧縮機，一定速圧縮機のいずれでもよい。

室内機２０は、基本的な構成として、室内送風ファン２１ａを有する室内熱交換器２１を備え、その一端はレシーバタンク１４を介して室外熱交換器１３に接続され、他端は四方弁１２を介して圧縮機１１もしくはアキュムレータ１５のいずれか一方に選択的に接続される。図示しないが、レシーバタンク１４と室内熱交換器２１との間に過冷却熱交換器が接続されてもよい。

冷房運転時には、四方弁１２が図１の実線のように切り替えられ、冷媒が圧縮機１１→四方弁１２→室外熱交換器１３→レシーバタンク１４→室内熱交換器２１→四方弁１２→アキュムレータ１５→圧縮機１１へと流れる。この場合、室外熱交換器１３が凝縮器として作用し、室内熱交換器２１が蒸発器となる。

この冷房運転時において、室内熱交換器２１の冷媒流入側に設けられている蒸発温度検出サーミスタ２２ａの検出温度をＴＨ_ｉｎ，冷媒流出側に設けられているスーパーヒート（ＳＨ）検出サーミスタ２２ｂの検出温度をＴＨ_ｏｕｔとすると、室内機２０側の図示しない制御部は、室内機２０側の電子膨張弁２３をつぎのように制御して、目標ＳＨ制御（能力最大制御）を行う。

すなわち、実際のＳＨをＳＨ_Ｒ（＝ＴＨ_ｏｕｔ−ＴＨ_ｉｎ）とし、目標ＳＨをＳＨ_Ｔとして、
ＳＨ_Ｔ＜ＳＨ_Ｒの場合には、電子膨張弁２３を絞るように制御し、ＳＨ_Ｔ＞ＳＨ_Ｒの場合には、電子膨張弁２３を開くように制御する。一般的に能力を最大限発揮させるには、ＳＨ_Ｔ＝１〜３℃に設定される。

また、室温制御との関係についていえば、室内機２０の設定温度Ｔ_ＳＥＴ（通常，１８〜３０℃）と、図示しない温度センサにより検出される室内温度Ｔ_ＲＯＯＭとの差に応じて、目標ＳＨ（ＳＨ_Ｔ）を変える。すなわち、Ｔ_ＲＯＯＭ−Ｔ_ＳＥＴが小さい場合には、電子膨張弁２３を絞って目標ＳＨ_Ｔを大きくし、Ｔ_ＲＯＯＭ−Ｔ_ＳＥＴが大きい場合には、電子膨張弁２３を開いて目標ＳＨ_Ｔを小さくする。

暖房運転時には、四方弁１２が図１の鎖線のように切り替えられ、冷媒が圧縮機１１→四方弁１２→室内熱交換器２１→レシーバタンク１４→室外熱交換器１３→四方弁１２→アキュムレータ１５→圧縮機１１へと流れる。この場合、室内熱交換器２１が凝縮器として作用し、室外熱交換器１３が蒸発器となる。

冷房運転，暖房運転のいずれの場合でも、アキュムレータ１５を含む配管系が冷凍サイクル（冷媒回路）の低圧側配管系となる。この低圧側配管系とレシーバタンク１４との間に、レシーバタンク１４内の液面を検知するための冷媒液面検知手段３０が設けられる。本発明において、この冷媒液面検知手段３０は、後述するように冷媒状態検知手段としても動作する。

図２を参照して、冷媒液面検知手段３０は、レシーバタンク１４の異なる高さ位置に接続される液面検知用配管を備える。その高さ位置は少なくとも上限位置と下限位置の２個所であるが、この例では上限位置，中間位置および下限位置の３個所とし、上限位置に第１液面検知用配管３１，中間位置に第２液面検知用配管３２，下限位置に第３液面検知用配管３３を接続している。なお、各位置の高さは任意に決められてよい。

各液面検知用配管３１，３２，３３には、減圧手段としてのキャピラリチューブ３１ａ，３２ａ，３３ａが設けられる。各キャピラリチューブの仕様は同一であることを条件として任意に決められてよいが、一例として内径０．８ｍｍ，長さ１０００ｍｍのキャピラリチューブを用いることができる。

キャピラリチューブ３１ａ，３２ａ，３３ａの下流側には、減圧された冷媒を加熱するための加熱手段３４が設けられる。加熱手段３４をキャピラリチューブ３１ａ，３２ａ，３３ａの上流側に設けてもよい。加熱手段３４には電気ヒータなどを用いてもよいが、圧縮機１１の冷媒吐出管から発熱される熱を利用することが好ましい。これには、配管の一部分を冷媒吐出管に沿わせて溶接すればよい。

また、各液面検知用配管３１，３２，３３には、加熱された冷媒の温度を検出する例えばサーミスタからなる温度センサ３１ｂ，３２ｂ，３３ｂが設けられる。各温度センサ３１ｂ，３２ｂ，３３ｂにて検出された冷媒温度は制御部（ＣＰＵ）３０Ａに入力され、制御部３０Ａは、それらの検出冷媒温度に基づいてレシーバタンク１４内の液面レベルや相状態を判定する。

各液面検知用配管３１，３２，３３は、加熱手段３４による冷媒の加熱後、最終的に１本にまとめられ、電磁弁３５を介して冷凍サイクルの低圧側配管系に含まれているアキュムレータ１５に接続される。

ここで、レシーバタンク１４内の液面レベルが上限位置と中間位置との間にあり、第１液面検知用配管３１にはガス冷媒が流され、第２，第３液面検知用配管３２，３３には液冷媒が流されるとして、冷媒液面検知手段３０の作用について説明する。なお、第２液面検知用配管３２と第３液面検知用配管３３は同一条件下におかれるため、液冷媒側は第３液面検知用配管３３について説明する。

第１液面検知用配管３１において、キャピラリチューブ３１ａの入口点をＡ，出口点をＣ，温度センサ３１ｂの検出点をＥとする。また、第３液面検知用配管３３において、キャピラリチューブ３３ａの入口点をＢ，出口点をＤ，温度センサ３３ｂの検出点をＦとする。

圧力系は、レシーバタンク１４内の圧力を吐出圧力Ｐｈ，上記検出点Ｅ，Ｆでの飽和圧力をＰｍ，電磁弁３５の流出側の圧力を吸入圧力Ｐｌとする。これらの各圧力は図示しない圧力センサにより計測されることが好ましいが、上記飽和圧力Ｐｍについては、アキュムレータ１５の低圧配管系に設けられている低圧圧力センサ１６にて測定される低圧圧力値から液面検出部までの圧力損失分を考慮して計算により求められる推定値を採用してもよい。

電磁弁３５を開けると、第１液面検知用配管３１にはガス冷媒が流され、第３液面検知用配管３３には液冷媒が流される。その各冷媒は、それぞれキャピラリチューブ３１ａ，３３ａに等しく減圧され、図３のモリエル線図に示すように、Ａ点はＣ点の状態となり、Ｂ点はＤ点の状態となる。

Ｃ点とＤ点はともにＰｍの圧力線上にあるため同一温度であるが、その後、加熱手段３４での加熱（圧縮機１１の冷媒吐出管との熱交換）により、第１液面検知用配管３１側のガス冷媒はＣ点から過熱領域内のＥ点にまで温度上昇する。Ｒ４１０Ａの場合でも、Ｅ点の温度ＴＥは、Ｃ点の温度ＴＣよりも好ましくは１０℃以上高くなる（ＴＥ＞ＴＣ＋１０℃）。

これに対して、第３液面検知用配管３３側の冷媒は液冷媒であるため、減圧して加熱したのちもエンタルピーは上昇するが温度は変わらず飽和領域に存在し、Ｄ点が同じ温度のＦ点に移動するだけである。すなわち、Ｄ点の温度ＴＤとＦ点の温度ＴＦは同温度である（ＴＤ＝ＴＦ）。

制御部３０Ａは、温度センサ３１ｂにて検出されたＥ点の温度ＴＥと、温度センサ３３ｂにて検出されたＦ点の温度ＴＦとを比較して、レシーバタンク１４内の液面レベルを判定する。この場合、ＴＥ＞ＴＦであるから、液面レベルが上限位置と下限位置との間にあると判定するが、本発明によれば、その温度差が大きいため、判定結果に高い信頼性が得られる。

ところで、温度センサ３１ｂの検出温度ＴＥと温度センサ３３ｂの検出温度ＴＦとが等しい場合には、レシーバタンク１４内がガス冷媒だけ、もしくは液冷媒だけの２通りが想定される。このレシーバタンク１４内の全体の相状態を判定可能とするため、本発明において、制御部３０Ａは次の処理を行う。

すなわち、Ｆ点での圧力Ｐｍから求められる飽和温度Ｔ（Ｐｍ）を基準温度Ｔｓとし、この基準温度Ｔｓと温度センサ３３ｂから得られる検出温度ＴＦとを比較し、Ｄを所定値として、ＴＦ−Ｔｓ＜Ｄを満たした場合には、レシーバタンク１４内が液冷媒だけの状態で、ＴＦ−Ｔｓ＜Ｄを満たさない場合には、レシーバタンク１４内がガス冷媒だけの状態であると判定する。

なお、上記したように、Ｆ点での飽和温度Ｔ（Ｐｍ）は、低圧圧力センサ１６にて測定される低圧圧力値から推定される推定値であってもよいが、そのＦ点での推定飽和温度Ｔｓ’（Ｐｍ）は、
Ｔｓ’（Ｐｍ）＝Ｔ（Ｐｌ）＋ｄＴ
により求められる。式中、Ｔ（Ｐｌ）は電磁弁３５の吸入圧力Ｐｌ側の低圧飽和温度，ｄＴは電磁弁３５での温度損失で、
ｄＴ＝Ｃ１×（Ｐｈ−Ｐｌ）＋Ｃ２
により算出される（Ｃ１，Ｃ２は定数）。

以上説明したように、本発明によれば、レシーバタンク１４内から冷媒を取り出し、その冷媒を減圧したのち、加熱するようにしたことにより、液冷媒とガス冷媒とで大きな温度差が出るため、レシーバタンク内の液面レベルを確実に検知することができる。また、レシーバタンク１４内が液冷媒だけもしくはガス冷媒だけとなった場合でも、その相状態をも検知することができる。

本発明による空気調和機の全体的な構成を示す模式図。本発明の空気調和機が備える冷媒液面検知手段を示す模式図。本発明の作用を説明するための冷凍サイクルのモリエル線図。従来例（特許文献１）での冷凍サイクルのモリエル線図。

符号の説明

１０室外機
１１圧縮機
１２四方弁
１３室外熱交換器
１４レシーバタンク
１５アキュムレータ
２０室内機
２１室内熱交換器
３０冷媒液面検知手段
３０Ａ制御部
３１〜３３液面検知用配管
３１ａ〜３３ａキャピラリチューブ（減圧手段）
３１ｂ〜３３ｂ温度センサ
３４加熱手段
３５電磁弁

Claims

圧縮機，凝縮器および蒸発器を含む冷凍サイクルを備えているとともに、上記凝縮器と上記蒸発器との間に接続されるレシーバタンク内の冷媒の相状態を検知する冷媒状態検知手段を有する冷凍装置において、
上記冷媒状態検知手段は、
冷媒状態検知用配管を備え、上記冷媒状態検知用配管の一端が上記レシーバタンクに接続され、他端が上記冷凍サイクルの低圧側配管系に接続され、
上記冷媒状態検知用配管には、その管内を流れる冷媒を減圧する減圧手段と、上記管内の冷媒を加熱する加熱手段と、上記加熱手段にて加熱された冷媒の温度を検出する温度検出手段とが設けられ、
上記冷媒状態検知手段は、上記温度検出手段から得られる冷媒温度に基づいて、上記冷媒状態検知用配管の一端が接続されている位置での上記レシーバタンク内の冷媒の相状態を検知することを特徴とする冷凍装置。
上記冷媒状態検知手段は、上記減圧手段により減圧された後の冷媒圧力から求められる判別基準温度Ｔｓと、上記温度検出手段から得られる冷媒温度との差により、上記冷媒状態検知用配管の一端が接続されている位置での上記レシーバタンク内の冷媒の相状態を検知することを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
上記冷媒状態検知用配管の複数本を上記レシーバタンクの異なる高さ位置に接続し、上記冷媒状態検知用配管の各々から得られる検知結果に基づいて、上記レシーバタンク内の冷媒の液面レベルを検知する冷媒液面検知手段をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の冷凍装置。
圧縮機，凝縮器および蒸発器を含む冷凍サイクルを備えているとともに、上記凝縮器と上記蒸発器との間に接続されるレシーバタンク内の冷媒の液面レベルを検知する冷媒液面検知手段を有する冷凍装置において、
上記冷媒液面検知手段は、
第１（上方側），第２（下方側）の少なくとも２つの液面検知用配管を備え、
上記液面検知用配管の各一端が上記レシーバタンクに接続され、各他端が上記冷凍サイクルの低圧側配管系に接続され、
上記各液面検知用配管には、その管内を流れる冷媒を減圧する減圧手段と、上記管内の冷媒を加熱する加熱手段と、上記加熱手段にて加熱された冷媒の温度を検出する温度検出手段とがそれぞれ設けられ、
上記冷媒液面検知手段は、上記第１液面検知用配管側の上記温度検出手段から得られる冷媒温度ＴＥと、上記第２液面検知用配管側の上記温度検出手段から得られる冷媒温度ＴＦとに基づいて、上記レシーバタンク内の冷媒の液面レベルを検知することを特徴とする冷凍装置。
上記冷媒液面検知手段は、上記冷媒温度ＴＥと上記冷媒温度ＴＦの温度差が所定値よりも大きいときは、上記液面レベルが上記第１，第２液面検知用配管の各一端間の高さ範囲内に存在すると検知することを特徴とする請求項４に記載の冷凍装置。
上記冷媒液面検知手段は、上記冷媒温度ＴＥと上記冷媒温度ＴＦの温度差が所定値よりも小さいときは、上記減圧手段により減圧された後の冷媒圧力から求められる判別基準温度Ｔｓと上記冷媒温度（ＴＥもしくはＴＦ）との差から、上記レシーバタンクに接続された上記液面検知用配管の各一端の高さ範囲内に存在する冷媒の相状態を検知することを特徴とする請求項４または５に記載の冷凍装置。
上記加熱手段として、上記圧縮機の冷媒吐出管から発熱される熱を利用することを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の冷凍装置。