JP2009014239A - 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４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との間に混合器２が配管接続される。混合器２は、ガスクーラ１２からのオイルが混入した冷媒を密閉空間６内に誘導して密閉空間６内の本体２ａの内壁２ｄに衝突させ、オイルが混入した冷媒を拡散効果により一様に混合して膨張弁１３に排出する。光学的測定手段４は、測定対象の混合流体の冷媒中のオイルに吸収される波長の光を密閉空間６内の混合流体に投光し、混合流体を通過した光の波長における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、
オイルが混入した冷媒を密閉空間内に誘導して該密閉空間内の内壁に衝突させることによる拡散効果で前記オイルが混入した冷媒を一様に混合して排出する混合器と、
前記冷媒中のオイルに吸収される波長の光を前記混合器の前記密閉空間内で一様に混合された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通過した光を受光する受光部と、該受光部が受光した光の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のオイル循環率測定装置において、 前記混合器は、前記オイルが混入した冷媒を前記密閉空間内に誘導するための導入管を備え、
前記導入管は、当該導入管から噴出する前記オイルが混入した冷媒に対して前記投光部からの光が直接投光されないように前記密閉空間内に臨んで設けられ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４記載のオイル循環率測定装置は、請求項１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、混合器を用いて冷媒（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を光学的手法で演算することができる。また、混合器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（吸収波長）の光を投光し、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。

さらに、密閉空間内に誘導されるオイルが混入した冷媒に投光部からの光が直接投光されない密閉空間内に臨むように混合器の導入管を設ける構成とすれば、密閉空間内で一様に混合された状態の混合流体に対して、投光部からの光を投光することができる。

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（ａ），（ｂ）は本発明に係るオイル循環率測定装置の混合器の概略構成を示す分解斜視図および断面図である。

本例のオイル循環率測定装置１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１０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１が採用されるＣＯ₂ ヒートポンプシステム１０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、膨張弁１３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からのオイルが混入した高圧低温冷媒（ＣＯ₂ ）を一様に混合して膨張弁１３に排出する攪拌手段としての混合器２と、光ファイバ固定治具３と、混合器２で一様に混合される混合流体のＯＣＲを測定するための光学的測定手段４とを備えて概略構成される。

混合器２は、オイルが混入した高圧低温冷媒（ＣＯ₂ ）を一様に混合するための攪拌手段であり、ガスクーラ１２と膨張弁１３との間に配管接続して設けられる。さらに説明すると、混合器２は、図２や図３（ａ），（ｂ）に示すように、本体２ａが円筒状をなし、その中心に貫通穴２ｂが形成されている。本体２ａは、貫通穴２ｂが臨む両面２ｃに光学窓５（５ａ，５ｂ）が不図示の固定手段（例えばボルトとナットなど）により各々固定して取り付けられ、貫通穴２ｂ内に密閉空間６を形成している。

光学窓５ａ，５ｂは、例えば石英やサファイア等の材料からなり、使用する吸収波長（測定対象の混合流体中のオイルに吸収される波長）によって材料が選択される。また、本体２ａには、ガスクーラ１２と膨張弁１３との間を接続する配管として、導入管７と排出管８とを備えている。

導入管７は、一端７ａが密閉空間６内に臨み、他端側がガスクーラ１２に配管接続されており、ガスクーラ１２からのオイルが混入した高圧低温冷媒（ＣＯ₂ ）を密閉空間６に導入している。この導入管７の一端（噴出口）７ａは、この一端から噴出するオイル混入冷媒（ＣＯ₂ ）に対し、後述する投光部４ａからの光が直接投光されない位置で密閉空間６内に臨んで設けられる。図３（ａ），（ｂ）の例において、導入管７の一端（噴出口）７ａは、密閉空間６の中心（貫通穴２ｂの中心軸方向）を通る光軸Ｌ−Ｌに対し、斜め下方にずれて位置している。

排出管８は、一端８ａが密閉空間６内に臨み、他端側が膨張弁１３に配管接続されており、密閉空間６内で一様に混合された混合流体を膨張弁１３に排出している。

なお、図３（ａ），（ｂ）の例では、貫通穴２ｂの中心軸と投光部４ａの光軸Ｌ−Ｌとを一致させているが、密閉空間６における導入管７および排出管８の位置や投光部４ａの光軸Ｌ−Ｌの位置が図示の位置関係に限定されるものではない。すなわち、投光部４ａからの光が、導入管７の一端７ａから噴出するオイル混入冷媒に直接投光されない位置関係であれば良い。

そして、上記構成による混合器２では、図２や図３（ａ），（ｂ）に示すように、ガスクーラ１２からのオイルが混入した高圧低温冷媒（ＣＯ₂ ）を導入管７から密閉空間６内に誘導し、密閉空間６内の本体２ａの内壁２ｄにオイルが混入した高圧低温冷媒（ＣＯ₂ ）を衝突させることによる拡散効果で冷媒とオイルとを一様に混合し、この混合流体を排出管８から膨張弁１３に排出している。

なお、図２や図３（ａ），（ｂ）の例では、混合器２の本体２ａを円筒状とし、貫通穴２ｂを円形としているが、この形状に限定されるものではない。例えば混合器２の本体２ａ及び貫通穴２ｂを四角形状にしても良い。

光ファイバ固定治具３は、光ファイバ９（９ａ，９ｂ）を固定するために、投光側固定治具３ａと受光側固定治具３ｂとが混合器２の光学窓５（５ａ，５ｂ）に密着して設けられる。投光側固定治具３ａと受光側固定治具３ｂは、ともに光ファイバ９を固定できるようになっており、投光側には光ファイバ９ａが混合器２の一方の光学窓の中心で固定され、受光側はＸＹ方向に位置の微調整が可能になっている。

光学的測定手段４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４ａ、受光部４ｂ、演算部４ｃを備えて構成される。

投光部４ａは、混合器２の密閉空間６内における混合流体の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４ａ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。この順次出射される３種類の光は、投光側固定治具３ａに固定された光ファイバ９ａを介し、混合器２の一方の光学窓５ａを通じて密閉空間６内の混合流体に順次投光される。なお、投光部４ａ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４ｂは、フォトダイオード等の受光素子で構成され、混合器２の密閉空間６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３ｂに固定された光ファイバ９ｂ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４ｃに出力している。

演算部４ｃは、受光部４ｂ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からのオイルが混入した冷媒（ＣＯ₂ ）を、混合器２の密閉空間６内で一様に混合して混合流体としている。この状態で、投光部４ａから周期的に出射される３種類の光が光ファイバ９ａを介して混合器２の一方の光学窓５ａを通じて密閉空間６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３ｂに固定された光ファイバ９ｂを介して受光部４ｂ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４ｃに出力する。演算部４ｃは、受光部４ｂから出力された電気信号に基づいて、演算部４ｃ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との間に混合器２が配管接続され、ガスクーラ１２からのオイルが混入された冷媒（ＣＯ₂ ）を混合器２の密閉空間６内で一様に混合して混合流体とし、この混合流体に対し、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４ａ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４ｂ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４ｃに出力し、演算部４ｃ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、混合器２を用いてオイルが混入された冷媒（ＣＯ₂ ）を密閉空間６内で一様に混合するため、ＣＯ₂ ヒートポンプシステム内のＯＣＲを光学的手法で演算することができる。また、混合器２の密閉空間６内で一様に混合された混合流体に対し、測定対象の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４ａ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の光と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、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の光と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とすることができる。

また、投光部４ａからの光を光ファイバ９ａを介して混合器２の密閉空間６内の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４ａからの光を混合器２の一方の光学窓５ａに対してコリメートして、他方の光学窓５ｂから受光部４ｂ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。 （ａ）本発明に係るオイル循環率測定装置の混合器の概略構成を示す分解斜視図である。 （ｂ）同混合器の断面図である。

符号の説明

１ オイル循環率測定装置
２ 混合器
２ａ 本体
２ｂ 貫通穴
２ｃ 両面
２ｄ 内壁
３ 光ファイバ固定治具
３ａ 投光側固定治具
３ｂ 受光側固定治具
４ 光学的測定手段
４ａ 投光部
４ｂ 受光部
４ｃ 演算部
５（５ａ，５ｂ） 光学窓
６ 密閉空間
７ 導入管
８ 排出管
９（９ａ，９ｂ） 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 (4)

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、
   オイルが混入した冷媒を密閉空間内に誘導して該密閉空間内の内壁に衝突させることによる拡散効果で前記オイルが混入した冷媒を一様に混合して排出する混合器と、
   前記冷媒中のオイルに吸収される波長の光を前記混合器の前記密閉空間内で一様に混合された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通過した光を受光する受光部と、該受光部が受光した光の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. 前記混合器は、前記オイルが混入した冷媒を前記密閉空間内に誘導するための導入管を備え、
   前記導入管は、当該導入管から噴出する前記オイルが混入した冷媒に対して前記投光部からの光が直接投光されないように前記密閉空間内に臨んで設けられ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。
4. 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。

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