JP2009014238A - オイル循環率測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＯ₂ ヒートポンプシステム内のオイル循環率を光学的に測定できる。
【解決手段】オイル循環率測定装置１は、光学的測定手段５を備え、ＣＯ₂ ヒートポンプシステムのガスクーラ１２と膨張弁１３との間にブロック本体６が配管接続され、ブロック本体６に形成された流路２の上流側流路２ａとガスクーラ１２との間にスタティックミキサ４が接続される。スタティックミキサ４は、長方形の板を１８０度ねじった形でねじり方向をその都度変えて連ねたエレメント４ａが配管内に配置され、流路２に流入されるオイル混入した冷媒（ＣＯ₂ ）を一様に混合する。光学的測定手段５は、混合流体中に混入したオイルに吸収される波長の光を投光し、混合流体を通過した波長の光の透過率から作成される検量線に基づいてオイルの循環率を演算する。
【選択図】図２

Description

本発明は、空調装置や冷凍装置等における冷凍サイクルを循環する冷媒と非相溶性潤滑油のオイル循環率を測定するオイル循環率測定装置に係り、特にＣＯ₂ ヒートポンプシステム内を循環する冷媒（ＣＯ₂ ）に混入するオイルのオイル循環率を光学的に測定できるオイル循環率測定装置に関するものである。

従来より、空調冷凍機やヒートポンプでは、コンプレッサで冷媒（フロン冷媒）を加圧し、凝縮器で放熱し、膨張弁からエバポレータ内に急激に噴出させて気化させ、このとき周囲から気化熱を奪って冷却することにより室内等を冷暖房している。このシステム内において、機械的駆動部を有するコンプレッサは、自身の潤滑のために潤滑油が必要である。この潤滑油の一部は冷媒とともにシステム内を循環しているが、それ自身は熱伝導率が低いなどの理由で、システムの効率の点ではマイナスの要因となっている。そのため、システム内のオイル量を制御するために、オイル量の指標であるオイル循環率（Oil Circulation Ratio ：ＯＣＲ）の測定の要求がある。また、ＣＯ₂ ヒートポンプシステムでも同様の要求がある。

ところで、従来のフロン冷媒におけるＯＣＲ測定法としては、例えばサンプリング方式、赤外線吸収方式、紫外線吸収方式、オイル分離方式、静電容量方式等が知られている。サンプリング方式は、ヒートポンプシステム内の膨張弁の直前で配管に分岐を設け、真空にした耐圧容器を接続してサンプリングし、サンプリングした冷媒とオイルの混合流体の重量を測定して真空の耐圧容器から切り離し、冷媒を気化させてオイルのみにして重量を測定してＯＣＲを算出する方法である。赤外線吸収方式は、オイルと冷媒が相溶性の場合に、オイルに固有の吸収波長の吸光度を用いて、吸光度とオイル濃度の関係からＯＣＲを算出する方法である。紫外線吸収方式は、オイルに相溶の蛍光剤をヒートポンプシステム内に投入し、紫外線を照射して蛍光強度を測定し、蛍光強度の違いよりＯＣＲを算出する方法である。オイル分離方式は、冷媒とオイルを遠心分離等の方法で完全に分離し、分離したオイルの量からＯＣＲを算出する方法である（下記特許文献１を参照）。静電容量方式は、冷媒とオイルの比誘電率の違いから、静電容量を測定してＯＣＲを算出する方法である（下記特許文献２を参照）。
特許第３４６１８２０号 特開２００３−２１６１１号公報

しかしながら、自然冷媒であるＣＯ₂ ヒートポンプシステムは、超臨界域で作動する高圧のサイクルであり、冷媒であるＣＯ₂ とオイルが非相溶性であるため２層に分離し、配管内の管壁表面ではオイルが波打つように流れ、それ以外の場所ではオイルの液滴が噴流状に流れて不均一に流動している。そして、このようなＣＯ₂ とオイルとが分離してサイクル中を不均一に流動している状態では、従来の光学的手法によるＯＣＲ測定が困難であった。

そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、冷媒とオイルとを一様に攪拌して光学的手法による測定を可能としたオイル循環率測定装置を提供することを目的とするものである。

上記した目的を達成するために、請求項１記載のオイル循環率測定装置は、圧縮機、ガスクーラ、膨張弁、蒸発器の順に配管接続されるＣＯ₂ ヒートポンプシステムに用いられ、前記配管を循環する自然冷媒としてのＣＯ₂ に混入されるオイルの循環率を測定するオイル循環率測定装置であって、
長方形の板を１８０度ねじった形でねじり方向をその都度変えて連ねたエレメントが配管内に配置され、前記ガスクーラから流入する流体を一様に混合して混合流体とするスタティックミキサと
前記混合流体を流すための流路が形成された本体を有し、前記流路の上流側に接続されるスタティックミキサで混合された前記混合流体中のオイルに吸収される波長の光を前記流路を流れる前記混合流体に投光する投光部と、該投光部からの光の投光に伴って前記混合流体を透過した光を受光する受光部と、該受光部が受光した前記波長における透過率から作成される検量線に基づいて前記オイルの循環率を演算する演算部とを備えた光学的測定手段と、
を具備したことを特徴とする。

請求項２記載のオイル循環率測定装置は、請求項１記載のオイル循環率測定装置において、前記投光部は、前記冷媒中のオイルに吸収される波長の光と、前記冷媒中のオイルに吸収されない参照波長の光とを選択的に投光することを特徴とする。

請求項３記載のオイル循環率測定装置は、請求項１記載のオイル循環率測定装置において、前記オイル循環率の演算に重回帰分析を用いたことを特徴とする。

本発明のオイル循環率測定装置によれば、スタティックミキサを用いて冷媒（ＣＯ₂ ）とオイルを一様に混合するため、ＣＯ₂ ヒートポンプシステム内のＯＣＲを光学的手法で測定することができる。また、スタティックミキサで一様に混合された混合流体に対し、測定する混合流体中のオイルに吸収される波長の光（吸収波長）を投光し、この投光に伴って混合流体を通過した光を受光し、この受光した光の波長から作成される検量線に基づいてオイル循環率を演算して正確にＯＣＲ測定を行うことができる。その際、吸収波長の光と、混合流体中のオイルに吸収されない参照波長の光とを選択的に混合流体に投光する構成でのＯＣＲ測定も可能である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら具体的に説明する。図１は本発明に係るオイル循環率測定装置を含むＣＯ₂ ヒートポンプシステムの概略構成図、図２は本発明に係るオイル循環率測定装置の構成図、図３は本発明に係るオイル循環率測定装置の攪拌手段の概略構成図である。

本例のオイル循環率測定装置は、図１に示すような自然冷媒としてＣＯ₂ を利用したＣＯ₂ ヒートポンプシステムに用いられ、自然冷媒であるＣＯ₂ に混入したオイル量の指標であるオイル循環率（ＯＣＲ）を光学的手法によって測定している。

まず、図１に基づいて、本例のオイル循環率測定装置が採用されるＣＯ₂ ヒートポンプシステムの概略構成について説明する。図１に示すように、ＣＯ₂ ヒートポンプシステム１０は、冷媒としてＣＯ₂ を使用し、熱交換して気化した冷媒（ＣＯ₂ ）を高圧蒸気冷媒（ＣＯ₂ ）にするための圧縮機１１、高圧高温冷媒（ＣＯ₂ ）を高圧低温冷媒（ＣＯ₂ ）に冷却するガスクーラ１２、冷却された冷媒液（ＣＯ₂ ）を絞り膨張させて低圧・低温の液体混合体（蒸発冷媒（ＣＯ₂ ））にするための膨張弁１３、膨張によって一部蒸発した湿り蒸気冷媒（ＣＯ₂ ）を熱交換によって蒸発させるための蒸発器１４が、この順でオイル混入の冷媒（ＣＯ₂ ）が流れるように一つの循環系を形成して配管接続された構成である。そして、本例のオイル循環率測定装置１は、ガスクーラ１２と膨張弁１３との間に配管接続されている。

図２に示すように、オイル循環率測定装置１は、ガスクーラ１２から流入するオイル混入の冷媒（ＣＯ₂ ）を膨張弁１３に流出するための流路２が設けられた装置本体３と、攪拌手段としてのスタティックミキサ４、スタティックミキサ４において一様に混合されたオイルと冷媒（ＣＯ₂ ）の混合体（以下、混合流体と記す）のＯＣＲを測定するための光学的測定手段５を備えて構成される。

装置本体３は、矩形状のブロック本体６と、光学的測定で用いる光ファイバ９を固定する光ファイバ固定治具７で構成され、ブロック本体６の中央には流体を流すための直線状の流路２が長手方向にガスクーラ１２と膨張弁１３とに連通して形成されている。この流路２は、上流側流路２ａがスタティックミキサ４を介してガスクーラ１２と配管接続されており、下流側流路２ｂが膨張弁１３と配管接続されている。また、装置本体３には、混合流体を光学的手法で測定するための所定径を有する覗き孔が流路２の略中間位置に直交するように対向して設けられ、この覗き孔に光学窓８が設けられている。

光学窓８は、投光側光学窓８ａと受光側光学窓８ｂとで構成され、各窓は対向する位置にそれぞれ設けられている。光学窓８は、覗き孔にシール材としてテフロン（登録商標）製のバックアップリングおよびＯリングを設置した後に石英ガラスを設置し、石英ガラスを押さえるためにガラスホルダを設置し、その上から超高張力鋼のフタをしてネジ止めによって固定されることで構成されている。そして、フタにある覗き孔から石英ガラスを介して混合流体を光学的手法で測定している。

光ファイバ固定治具７は、光ファイバ９を固定するために、投光側固定治具７ａと受光側固定治具７ｂをブロック本体６のフタに設置する。投光側固定治具７ａと受光側固定治具７ｂは、ともにファイバを固定できるようになっており、投光側ではファイバが覗き孔の中心で固定され、受光側はＸＹ方向に位置の微調整が可能になっている。

スタティックミキサ４は、オイルと冷媒（ＣＯ₂ ）とを混合して一様にするための攪拌手段であり、上流側流路２ａに設けられている。さらに説明すると、図３に示すように、スタティックミキサ４は、エレメント４ａと呼ばれる長方形の板を１８０度ねじった形のもので、ねじり方向をその都度変えたものを配管に入れたものである。

このスタティックミキサ４による混合の原理は、分割作用、転換作用、反転作用の３つの作用による混合である。分割作用はミキサーのエレメント４ａに流体が流れ込む際に２分割され、さらにエレメント毎に分割されるので、エレメント数をＮとすると２^N 回分割することによる混合作用である。転換作用はエレメント４ａ内でねじれ面に沿って管中央部の流体は管壁部へ、管壁部の流体は管中央部へと並び替えられることによる混合作用である。反転作用は１エレメント毎にねじり方向が違うために流体の回転方向がエレメント４ａ毎に変わり、急激な慣性力の反転を受けて乱流攪拌される混合作用である。液体が流れることによる混合であるため、攪拌用の駆動部を必要としないのが特徴である。

なお、スタティックミキサ４としては、図３に示すようなエレメント４ａを用いるものではなく、配管内に壁を設けてその壁にオイル混入した冷媒（ＣＯ₂ ）を衝突させて一様に混合して混合流体とする構成でもよい。

光学的測定手段５は、オイルに固有の吸収波長と参照波長の透過率比を測定するものであり、図２に示すように投光部５ａ、受光部５ｂ、演算部５ｃを備えて構成される。

投光部５ａは、流路２内を流れる混合流体のＯＣＲを測定するため、所定波長の光を選択的に出射している。本例の投光部５ａは、例えばハロゲンランプ等の光源からの光を、モータにより回転するセクタに設置された異なる透過波長をもつフィルタに通過させ、測定する混合流体中のオイルに吸収される吸収波長を１種類、吸収されない参照波長を２種類、計３種類の波長の光を順次出射する。この投光部５ａから順次出射される３種類の光は、投光側固定治具７ａに固定された光ファイバ９を介し、投光側光学窓８ａを通じて流路２内の混合流体に順次投光される。
なお、投光部５ａは、ＯＣＲ測定に必要な上記３種類の波長の光が混合流体に投光できる形態であれば、その構成内容は特に限定されない。

受光部５ｂは、フォトダイオード等の受光素子で構成され、流路２内の混合流体を通過した３種類の波長（吸収波長、参照波長）光を受光側固定治具７ｂに固定された光ファイバ９を介して順次入射し、この入射した光強度に応じた電気信号を演算部５ｃに出力している。

演算部５ｃは、受光部５ｂから出力された電気信号に基づいて、各波長の光で測定された透過率と実測したＯＣＲから検量線を作成する。本例では、参照波長とオイルに吸収される波長における透過率を重回帰分析で作成している。そして、下記式（１）に示すように、各波長の透過率の対数をとって説明変数とし、またＯＣＲ値を目的変数として、重回帰分析により偏回帰係数を求めてＯＣＲを算出している。なお、下記式（１）において、ＹはＯＣＲ〔ｗｔ．％〕、ａは偏回帰係数、λは波長（１種類の吸収波長及び２種類の参照波長）〔μｍ〕、Ｔ（λ）は波長λでの透過率を表す。

Ｙ＝ａ₀ ＋ａ₁ ｌｏｇ（Ｔ（λ₁ ））＋
ａ₂ ｌｏｇ（Ｔ（λ₂ ））＋ａ₃ ｌｏｇ（Ｔ（λ₃ ））…式（１）

そして、上述したオイル循環率測定装置１をＣＯ₂ ヒートポンプシステム１０に採用した場合は、ガスクーラ１２から流入したオイル混入の冷媒（ＣＯ₂ ）をスタティックミキサ４により一様に混合した混合流体として流路２内に流入する。投光部５ａから周期的に出射された３種類の光が光ファイバ９を介して投光側光学窓８ａを通じて流路２内の混合流体に順次投光される。混合流体を通過した光は、受光側固定治具７ｂに固定された光ファイバ９を介して受光部５ｂに集光され、この集光された光強度に応じた電気信号を演算部５ｃに出力する。演算部５ｃは、受光部５ｂから出力された電気信号に基づいて、演算部５ｃにおいて波長毎の透過率から作成される重回帰分析による検量線に基づいてＣＯ₂ ヒートポンプシステム１０内のＯＣＲを算出することで、ＣＯ₂ ヒートポンプシステム１０内のＯＣＲを測定している。

このように、本実施形態のオイル循環率測定装置１は、ＣＯ₂ ヒートポンプシステム１０におけるガスクーラ１２と膨張弁１３との間に配設され、ガスクーラ１２から流出されたオイル混入の冷媒（ＣＯ₂ ）をスタティックミキサ４で一様に混合し、この混合によって得られる混合流体に対し、測定する混合流体中のオイルに吸収される吸収波長を１種類、吸収されない参照波長を２種類、計３種類の波長の光を投光部５ａから順次投光する。
そして、混合流体を通過した３種類の光を順次受光部５ｂで受光し、この受光した光強度に応じた電気信号を演算部５ｃに出力し、演算部５ｃにおいて波長毎の透過率から作成される重回帰分析による検量線に基づいてＣＯ₂ ヒートポンプシステム１０内のＯＣＲを算出している。

すなわち、スタティックミキサ４を用いて冷媒（ＣＯ₂ ）とオイルを一様に混合するため、ＣＯ₂ ヒートポンプシステム内のＯＣＲを光学的手法で測定することができる。また、混合流体に対し、投光された測定する混合流体中のオイルに吸収される吸収波長を１種類、吸収されない参照波長を２種類、計３種類の波長の光を投光部５ａから順次投光し、各波長毎の透過率から作成される重回帰分析による検量線に基づいてＯＣＲ算出するため、正確なＯＣＲ測定が可能となる。

ところで、上述した実施形態では、混合流体中のオイルに吸収される吸収波長を１種類、参照波長を２種類、計３種類の波長の光を投光部４ａから順次投光する構成として説明したが、この構成に限定されるものではない。例えば１種類の吸収波長の光のみを投光部４ａから混合流体に投光する構成、１種類ずつの吸収波長と参照波長の光を投光部４ａから順次混合流体に投光する構成、１種類の吸収波長の光と複数種類の参照波長の光とを投光部４ａから順次混合流体に投光する構成、複数種類ずつの吸収波長と参照波長の光を投光部４ａから順次混合流体に投光する構成とすることができる。

また、投光部５ａから光を光ファイバ９を介して混合流体に投光する構成の他、光ファイバ９を用いず、投光部５ａから光を投光側光学窓８ａに対してコリメートして、受光側光学窓８ｂから受光部５ｂに集光する構成としても良い。

さらに、本実施形態では、図１に示すように、ガスクーラ１２と膨張弁１３との間のガスクーラ１２の出口にオイル循環率測定装置１を設ける構成としたが、圧縮機１１とガスクーラ１２との間、膨張弁１３と蒸発器１４との間、蒸発器１４と圧縮機１１との間にオイル循環率測定装置１を設ける構成としても良い。

なお、ＯＣＲは質量割合であるため、同じＯＣＲでも単位体積当たりではＣＯ₂ 密度が大きい方がオイル量も多くなる。よって同じＯＣＲ変化でもＣＯ₂ 密度が大きいガスクーラ出口で測定すれば、オイル変化率が大きく、それに伴う光の透過光量の変化も大きいと考えられ、より正確なＯＣＲ測定が可能なので、オイル循環率測定装置１をガスクーラ１２の出口に設けるのが好ましい。

以上、本願発明における最良の形態について説明したが、この形態による記述及び図面により本発明が限定されることはない。すなわち、この形態に基づいて当業者等によりなされる他の形態、実施例及び運用技術等はすべて本発明の範疇に含まれることは勿論である。

本発明に係るオイル循環率測定装置を含むＣＯ₂ ヒートポンプシステムの概略構成図である。 本発明に係るオイル循環率測定装置の構成図である。 本発明に係るオイル循環率測定装置の攪拌手段の概略構成図である。

符号の説明

１ オイル循環率測定装置
２ 流路
２ａ 上流側流路
２ｂ 下流側流路
３ 装置本体
４ スタティックミキサ
５ 光学的測定手段
５ａ 投光部
５ｂ 受光部
５ｃ 演算部
６ ブロック本体
７ 光ファイバ固定治具
７ａ 投光側固定治具
７ｂ 受光側固定治具
８ 光窓部
８ａ 投光側光窓部
８ｂ 受光側光窓部
９ 光ファイバ
１０ ＣＯ₂ ヒートポンプシステム
１１ 圧縮機
１２ ガスクーラ
１３ 膨張弁
１４ 蒸発器

Claims (3)

1. 圧縮機、ガスクーラ、膨張弁、蒸発器の順に配管接続されるＣＯ₂ ヒートポンプシステムに用いられ、前記配管を循環する自然冷媒としてのＣＯ₂ に混入されるオイルの循環率を測定するオイル循環率測定装置であって、
   長方形の板を１８０度ねじった形でねじり方向をその都度変えて連ねたエレメントが配管内に配置され、前記ガスクーラから流入する流体を一様に混合して混合流体とするスタティックミキサと
   前記混合流体を流すための流路が形成された本体を有し、前記流路の上流側に接続されるスタティックミキサで混合された前記混合流体中のオイルに吸収される波長の光を前記流路を流れる前記混合流体に投光する投光部と、該投光部からの光の投光に伴って前記混合流体を透過した光を受光する受光部と、該受光部が受光した前記波長における透過率から作成される検量線に基づいて前記オイルの循環率を演算する演算部とを備えた光学的測定手段と、
   を具備したことを特徴とするオイル循環率測定装置。
2. 前記投光部は、前記冷媒中のオイルに吸収される波長の光と、前記冷媒中のオイルに吸収されない参照波長の光とを選択的に投光することを特徴とする請求項１記載のオイル循環率測定装置。
3. 前記オイル循環率の演算に重回帰分析を用いたことを特徴とする請求項１記載のオイル循環率測定装置。

Images