JP2010127586A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷凍サイクル装置において、周囲条件の変化や凝縮器出口の冷媒状態等に拘わらず、安定に冷媒量の適否を判定することができ、しかもその適否判定に複雑なシステム制御が必要になったり、多大な時間を費やしたりすることがないようにする。
【解決手段】蒸発器４の出口における冷媒の過熱度が予め定めた正値となるように圧縮機１の吐出量又は膨張弁３の開度を制御する過熱度制御部１１と、凝縮器２の出口温度と膨張弁３の出口温度との差が、予め定めた判断定数を超えているか否かを判断する判断部１２と、前記差が判断定数を超えている場合は、凝縮器２の出口での冷媒状態が過冷却であると判断し、予め定めた第１の演算式に基づいて冷媒量関連値を算出する一方、前記差が判断定数を下回る場合は、凝縮器２の出口での冷媒状態が気液２相状態であると判断し、予め定めた第２の演算式に基づいて冷媒量関連値を算出する算出部１３とを設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷媒回路内に充填されている冷媒量の適否が判断できる冷凍サイクル装置等に関するものである。

室外機と室内機とを施工時に配管接続するようなセパレートタイプの空気調和装置においては、現地施工時に冷媒を充填する方法が採用されている。このとき、冷媒を最適な量だけ充填する必要があるが、従来は、配管容積などから冷媒容量を算出して充填するようにしている。

ところが、かかる充填方法では、現地の状況によって配管容積が変わったりして、充填冷媒容量を正確に見積もれない場合がある。
そこで特許文献１に示すように、現地施工後の試運転時に、蒸発器出口での冷媒の過熱度が正値になるように冷房運転を行いつつ、凝縮器出口での冷媒の過冷却度を検出して、この過冷却度の値から冷媒回路内に充填されている冷媒量の適否を判定できるようにしたものが開発されている。

また、この構成では、屋内外の温度によって冷媒充填量に誤差が生じ、最適な冷媒量を充填できない恐れがあることから、これを改良したものとして、特許文献２に示すように、圧縮機の吸入圧力）及び吐出圧力を、ある値に制御し、過熱度（ＳＨ）が正値になる運転をしつつ、冷媒を充填し、凝縮器出口での過冷却度（ＳＣ）を検知して、最適なＳＣ値になった時に冷媒充填量が最適であると判断する構成のものも知られている。
特開昭６２−１５８９６６号公報 特開２００６−２３０７２号公報

しかしながら、このように過冷却度を冷媒量適否判定のパラメータとして用いる従来の方式には、２つの課題がある。

第１は、過冷却度が、温度や風量などの周囲条件等が変化すると、圧縮機の吐出圧（以下、高圧とも言う）や吸入圧（以下、低圧とも言う）が変化し、そのために、判定の基礎となる過冷却度までもが変化してしまうという点である。
これを回避すべく、圧縮機流量制御により低圧を一定にしたり、室外機ファン制御(風量制御)により、高圧を一定としたりするような工夫（特許文献２）も見られるが、そうすると、複雑な制御が必要になるうえ、制御前の高低圧が安定するまで、例えば１０分といった長い時間が必要となるなどの問題点が生じる。

第２は、従来の方式で、上述したように高圧、低圧、過熱度を固定したうえで過冷却度より冷媒量の適否を判定するが、凝縮器出口の冷媒状態が２相域の場合、過冷却度がほとんど変化しない点である。すなわち、凝縮器出口の冷媒状態が過冷却状態のときには、冷媒量に連動して過冷却度は変化するが，図１に示すように、例えば冷媒が不足している場合などで２相域となった場合、過冷却度が変化せず、適切な冷媒量を予測することが難しくなる。

これらを解決するために、例えば膨張弁の開度変化等を検知パラメータにすることなども考えられるが、室内機が多数あったり、そのバリエーションが多かったりして膨張弁が多数あるシステムでは、室内機個別の特性を把握する必要があるため、実現が非常に困難となる。

また、膨張弁を固定し、冷媒不足のときに過熱度が変化するような特殊な方法も考えられるが、特別の制御が必要となるうえに、過冷却度から過熱度にリニアに変化するようなシステム設計が必要になる。

本発明は、このような問題を鑑みてなされたものであって、冷凍サイクル装置において、周囲条件の変化や凝縮器出口の冷媒状態等に拘わらず、安定に冷媒量の適否を判定することができ、しかもその適否判定に複雑なシステム制御が必要になったり、多大な時間を費やしたりすることがないようにすることをその主たる所期課題としたものである。

すなわち、本発明に係る冷凍サイクル装置は、吐出量可変型の圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器を具備し、この順に冷媒が循環する冷媒循環回路を形成したものにおいて、蒸発器出口における冷媒の過熱度が予め定めた正値となるように圧縮機の吐出量又は膨張弁の開度を制御する過熱度制御部と、凝縮器の出口温度と膨張弁の出口温度との差が、予め定めた判断定数を超えているか否かを判断する判断部と、前記差が判断定数を超えている場合は、凝縮器出口での冷媒状態が過冷却であると判断し、予め定めた第１の演算式に基づいて冷媒量関連値を算出する一方、そうでない場合は、予め定めた第２の演算式に基づいて冷媒量関連値を算出する算出部とを具備していることを特徴とする。

かかる本発明では、まず、凝縮器出口での冷媒が過冷却状態か２相状態かを判断し、それぞれの場合について、互いに異なる演算式で冷媒関連量を算出している。したがって、凝縮器出口の冷媒状態に拘わらず、常に安定して冷媒関連量を算出できる。また、その条件としては、冷媒の過熱度が予め定めた正値となるように圧縮機の吐出量又は膨張弁の開度を例えばフィードバック制御すればよいので、周囲条件の変化にも素早く追随してその影響はほとんど受けないし、特に複雑なプログラムも必要ない。したがって、簡易かつ安価に構成できる。

具体的には、前記第１の演算式及び第２の演算式が、例えば圧縮機の吐出圧での冷媒飽和温度、圧縮機の吸入圧での冷媒飽和温度、膨張弁の出口温度及び圧縮機の吐出口温度をパラメータとしたものを挙げることができる。

本発明は、冷媒量検出機能をもたない冷凍サイクル装置に、別の装置を取り付けるなどして、冷媒量を検出するような態様でも構わない。つまり、蒸発器出口における冷媒の過熱度が予め定めた正値となるように圧縮機の吐出量又は膨張弁の開度が制御する過熱度制御ステップと、凝縮器の出口温度と膨張弁の出口温度との差が、予め定めた判断定数を超えているか否かを判断する判断ステップと、前記差が判断定数を超えている場合は、凝縮器出口での冷媒状態が過冷却であると判断し、予め定めた第１の演算式に基づいて冷媒量関連値を算出する一方、そうでない場合は、予め定めた第２の演算式に基づいて冷媒量関連値を算出する算出ステップとを行う冷媒量検知方法であればよい。

このように本発明によれば、周囲条件の変化や凝縮器出口の冷媒状態等に拘わらず、貯留冷媒量の算出や、その冷媒量の適否を確実に検知することができ、しかもその検知を、簡単な制御で短時間に行うことができる。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

本実施形態に係る冷凍サイクル装置たる空気調和装置１００は、図１に示すように、吐出量可変型の圧縮機１、凝縮器２、膨張弁３、蒸発器４を具備し、この順に冷媒が循環する冷媒循環回路を形成したものである。なお、この図１は冷媒循環回路の模式図であり、実際には、オイルセパレータやアキュームレータなど種々の機器が設けられるが、この図１では、本実施形態に必要な部材のみを抽出して記載してある。

各部について説明すると、圧縮機１は、周知のごとく、吸入したガス冷媒を圧縮し、吐出するものであり、ロータリ式、ピストン式など種々のものを用いることができる。しかして、その吐出口は高圧ラインＬ１に、また吸入口は低圧ラインＬ２に接続してある。

凝縮器２は、圧縮機１から吐出されたガス冷媒を、高圧を保ったまま凝縮させ、過冷却状態にするものである。符号２１は、この凝縮器２の外部に設けた、熱交換を促すためのファンである。

膨張弁３は、凝縮器２から送り出された冷媒を絞り膨張させて低圧にするものであり、その開口度を制御して、ここを通過する冷媒の降下圧力を変化させることができる。

蒸発器４は、膨張弁３を通った冷媒を低圧に保ったまま、蒸発させ、過熱状態にするものである。

これらの構成に加えて、この空気調和装置１００には、前記圧縮機１や膨張弁３を制御するとともに、冷媒回路内に存在する冷媒量を算出する情報処理装置Ｃを設けている。

情報処理装置Ｃは、ハードウェア構成として、ＣＰＵ、メモリ、各種ドライバ回路などを具備したものであり、前記メモリに記憶させたプログラムに従って、前記ＣＰＵや周辺機器が協動することで種々の機能を発揮する。この実施形態においては、図１に示すように、この情報処理装置Ｃが、少なくとも、過熱度制御部１１、判断部１２及び算出部１３としての機能を発揮するようにプログラムが構成してある。

各部について説明する。
過熱度制御部１１は、蒸発器４の出口における冷媒の過熱度が予め定めた正の所定値となるように圧縮機１の吐出量又は膨張弁３の開度を制御するものである。
判断部１２は、凝縮器２の出口温度と圧縮機１の吸入口温度との差が、予め定めた判断定数を超えているか否かを判断するものである。
算出部１３は、前記差が判断定数を超えている場合は、凝縮器２の出口での冷媒状態が過冷却であると判断し、予め定めた第１の演算式に基づいて冷媒量関連値を算出する一方、そうでない場合は、予め定めた第２の演算式に基づいて冷媒量関連値を算出するものである。

次に、このように構成した空気調和装置１００による冷媒量算出に係る動作を説明する。
例えば、図示しないスイッチなどの操作によって冷媒量算出モードにすると、前記過熱度制御部１１が作動し、蒸発器４の出口における冷媒の過熱度ＳＨが予め定めた正の所定値となるように圧縮機１の吐出量及び／又は膨張弁３の開度をフィードバック制御する。

冷媒の過熱度ＳＨは、
ＳＨ＝Ｔ_ｓｕｃ−Ｔ_ｅ
から求める。
ここでＴ_ｓｕｃは、圧縮機１の吸入口温度（吸入口でのガス冷媒温度）であり、Ｔ_ｅは、低圧ラインＬ２の圧力Ｐ_ｌにおける冷媒の飽和温度である。Ｔ_ｓｕｃについては、圧縮機１の吸入口近傍の配管に配置した温度センサＴＳ１の測定値を取得し、Ｐ_ｌについては、低圧ラインＬ２に設置した圧力センサＰＳ１の測定値を取得する。また、Ｔ_ｅは、前記メモリに予め記憶させた圧力−飽和温度曲線に前記Ｐ_ｌを適用して算出する。

このようにして冷媒の過熱度ＳＨを一定値に保った状況下、前記判断部１２が、凝縮器２の出口温度Ｔ_ｃｏｎｄと膨張弁３の出口温度Ｔ_ｓｕｂとの差Ｔ_ｃｏｎｄ−Ｔ_ｓｕｂを算出し、その差が、予め定めた判断定数Ａを超えているか否かを判断する。
なお、Ｔ_ｃｏｎｄについては、凝縮器２の出口近傍の配管に配置した温度センサＴＳ３の測定値を取得し、Ｔ_ｓｕｂについては、膨張弁３の出口近傍の配管に配置した温度センサＴＳ４の測定値を取得する。

判断定数Ａについては、実験やシミュレーションから予め求めておく。具体的には、図に示すように、実験やシミュレーションによって、冷媒量とＴ_ｃｏｎｄ−Ｔ_ｓｕｂとの関係を求める。横軸は、規定冷媒量に対する装置内部に貯留されている冷媒量の比率（％）であり、縦軸はＴ_ｃｏｎｄ−Ｔ_ｓｕｂを示す。

ここで、冷媒量とＴ_ｃｏｎｄ−Ｔ_ｓｕｂとの関係について、説明を付加しておく。
蒸発器４の出口における冷媒の過熱度が予め定めた正の所定値である条件下では、凝縮器２の出口温度Ｔ_ｃｏｎｄと膨張弁３の出口温度Ｔ_ｓｕｂとは、冷媒量が規定冷媒量よりも多く、凝縮器２の出口での冷媒状態が過冷却状態の場合には、図２（ａ）に示すようにほぼ等しくなる。つまり、Ｔ_ｃｏｎｄ−Ｔ_ｓｕｂの値は０に近くなる。

一方、冷媒量が規定冷媒量よりも少なく、凝縮器２の出口での冷媒状態が気液２相状態の場合には、乾き度が大きくなって膨張弁３での圧損が増大し、図２（ｂ）に示すように、凝縮器２の出口温度Ｔ_ｃｏｎｄと膨張弁３の出口温度Ｔ_ｓｕｂとの差が大きくなる。

これを、定性的にグラフに示すと、図３のようになる。縦軸はＴ_ｃｏｎｄ−Ｔ_ｓｕｂの値、横軸は冷媒量である。適正な冷媒量である規定冷媒量を境にしてグラフの傾きが変わる。
前記判断定数Ａは、このグラフにおける規定冷媒量のときの縦軸の値である。規定冷媒量よりも冷媒量が多いときは、過冷却状態となり、そうでないときは気液２相状態となるから、Ｔ_ｃｏｎｄ−Ｔ_ｓｕｂの値が判断定数Ａよりも大きいか小さいかで、凝縮器２の出口での冷媒状態を判断できるわけである。

このグラフは、実験やシミュレーションで予め求めておく。図４に、過熱度ＳＨ＝３で制御した状態での具体的なグラフを示す。ここでの横軸は、冷媒量関連値の１つである、規定冷媒量に対する装置内部に貯留されている冷媒量の比率（％）である。もちろん、冷媒量そのものでも構わない。このグラフから明らかなように、横軸が１００％、つまり規定冷媒量のときの縦軸の値は１．５であることから、ここではＡ＝１．５が設定される。

次に、算出部１３が、前述した理由から、前記差が判断定数Ａを超えている場合は、凝縮器２の出口での冷媒状態が過冷却であると判断し、予め定めた第１の演算式に基づいて冷媒量関連値（ここでは規定冷媒量に対する装置内部に貯留されている冷媒量の比率）ＲＡを算出する。一方、そうでない場合は、凝縮器２の出口での冷媒状態が気液２相状態と判断し、予め定めた第２の演算式に基づいて前記冷媒量関連値ＲＡを算出する。
過冷却状態と気液２相状態とでは、冷媒状態が異なるのだから、それぞれ別々に異なる演算式をあてはめて、冷媒量関連値ＲＡを算出するわけである。

第１の演算式、第２の演算式は、それぞれ圧力Ｐ_ｈでの冷媒飽和温度Ｔ_ｃ、圧力Ｐ_ｌでの冷媒飽和温度Ｔ_ｅ、膨張弁３の出口温度Ｔ_ｓｕｂ及び圧縮機１の吐出口温度Ｔ_ｄｉｓをパラメータとした関数で表される。
ここで、吐出圧Ｐ_ｈは、高圧ラインＬ１に設置した圧力センサＰＳ２の測定値から取得する。Ｔ_ｃは、前記メモリに予め記憶させた圧力−飽和温度曲線に前記Ｐ_ｈを適用して算出する。また、Ｔ_ｄｉｓは、圧縮機１の吐出口近傍の配管に配置した温度センサＴＳ２の測定値から取得する。

これらのパラメータは、本発明者の鋭意検討の結果初めて見出されたものであり、多数の実験結果に当てはまるように、これら４つのパラメータを多重回帰させて各演算式を予め求めておく。
ここでの第１の演算式ＲＡ１は、
ＲＡ１＝ａ＋ｂ・Ｔ_ｃ＋ｃ・Ｔ_ｅ＋ｄ・Ｔ_ｓｕｂ＋ｅ・Ｔ_ｄｉｓ
第２の演算式ＲＡ２は、
ＲＡ２＝ａ’＋ｂ’・Ｔ_ｃ＋ｃ’・Ｔ_ｅ＋ｄ’・Ｔ_ｓｕｂ＋ｅ’・Ｔ_ｄｉｓ
となり、各パラメータについての線形式で表すことができる。なお、ａ〜ｅ、ａ’〜ｅ’は、多重回帰から求められた係数である。

図５に示すように、実験結果と演算式による結果との合致度が極めて高く、信頼性が大きいことがわかる。

このように構成した本実施形態によれば、凝縮器２の出口での冷媒が過冷却状態か２相状態かを判断し、それぞれの場合について、互いに異なる演算式で冷媒関連量を算出しているので、凝縮器２の出口の冷媒状態に拘わらず、常に安定して冷媒関連量を算出できる。

また、その条件としては、冷媒の過熱度が予め定めた正値となるように圧縮機１の吐出量又は膨張弁３の開度を例えばフィードバック制御すればよいので、周囲条件の変化にも素早く追随してその影響はほとんど受けないし、特に複雑なプログラムも必要ない。したがって、簡易かつ安価に構成できる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
例えば冷媒量検出機能をもたない冷凍サイクル装置に、メンテナンス時等において、冷媒量検出機能を有した専用装置を接続するなどして、冷媒量を検出するようにしてもよい。
また、空気調和装置以外の冷凍サイクル装置にも応用できる。
その他、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることは言うまでもない。

本発明の一実施形態に係る空気調和装置の概要を示す冷媒循環回路図。 凝縮器の出口温度Ｔ_ｃｏｎｄと膨張弁の出口温度Ｔ_ｓｕｂとの差による冷媒状態の相違を示すｐ−ｈ線図。 Ｔ_ｃｏｎｄ−Ｔ_ｓｕｂと冷媒量との定性的な関係を示す定性グラフ。 Ｔ_ｃｏｎｄ−Ｔ_ｓｕｂと冷媒量との関係を示す実験グラフ。 同実施形態において各演算式によって求めた算出冷媒量と、実際の冷媒量とを比較して示す比較図。

符号の説明

１００・・・空気調和装置
１・・・圧縮機
２・・・凝縮器
３・・・膨張弁
４・・・蒸発器
Ｌ１・・・高圧ライン
Ｌ２・・・低圧ライン
１１・・・過熱度制御部
１２・・・判断部
１３・・・算出部

Claims (4)

1. 吐出量可変型の圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器を具備し、この順に冷媒が循環する冷媒循環回路を形成した冷凍サイクル装置において、
   蒸発器出口における冷媒の過熱度が予め定めた正値となるように圧縮機の吐出量又は膨張弁の開度を制御する過熱度制御部と、
   凝縮器の出口温度と膨張弁の出口温度との差が、予め定めた判断定数を超えているか否かを判断する判断部と、
   前記差が判断定数を超えている場合は、凝縮器出口での冷媒状態が過冷却であると判断し、予め定めた第１の演算式に基づいて冷媒量関連値を算出する一方、前記差が判断定数を下回る場合は、凝縮器出口での冷媒状態が気液２相状態であると判断し、予め定めた第２の演算式に基づいて冷媒量関連値を算出する算出部とを具備していることを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記第１の演算式及び第２の演算式が、圧縮機の吐出圧での冷媒飽和温度、圧縮機の吸入圧での冷媒飽和温度、膨張弁の出口温度及び圧縮機の吐出口温度をパラメータとした関数である請求項１記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記冷媒量関連値が、規定冷媒量に対する装置内部に貯留されている冷媒量の比率である請求項１又は２記載の冷凍サイクル装置。
4. 吐出量可変型の圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器を具備し、この順に冷媒が循環する冷媒循環回路を形成した冷凍サイクル装置に用いられる冷媒量検知方法であって、
   蒸発器出口における冷媒の過熱度が予め定めた正値となるように圧縮機の吐出量又は膨張弁の開度が制御する過熱度制御ステップと、
   凝縮器の出口温度と膨張弁の出口温度との差が、予め定めた判断定数を超えているか否かを判断する判断ステップと、
   前記差が判断定数を超えている場合は、凝縮器出口での冷媒状態が過冷却であると判断し、予め定めた第１の演算式に基づいて冷媒量関連値を算出する一方、前記差が判断定数を下回る場合は、凝縮器出口での冷媒状態が気液２相状態であると判断し、予め定めた第２の演算式に基づいて冷媒量関連値を算出する算出ステップとを行うことを特徴とする冷媒量検知方法。