JP2019215140A

JP2019215140A - 冷媒状態検出装置

Info

Publication number: JP2019215140A
Application number: JP2018113544A
Authority: JP
Inventors: 小林　一喜; Kazuyoshi Kobayashi; 一喜小林; 民田　太一郎; Taichiro Tamida; 太一郎民田; 貴裕井上; Takahiro Inoue; 雷人河村; Raito Kawamura; 修平小山; Shuhei Koyama; 貴彦小林; Takahiko Kobayashi
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2018-06-14
Filing date: 2018-06-14
Publication date: 2019-12-19
Anticipated expiration: 2038-06-14
Also published as: JP6971918B2

Abstract

【課題】冷凍機油又は冷媒の状態を高精度に検出できる冷媒状態検出装置を得る。【解決手段】インバータによって駆動する圧縮機に蓄積された冷凍機油又はアキュムレータに蓄積された液冷媒に浸された一対の電極と、一対の電極及びインバータの動力線に接続された比較用コンデンサと、一対の電極の間の電圧を分圧する抵抗分圧部と、インバータ信号と同期又は非同期なクロック信号を発生するクロック信号発生部と、分圧された電圧をクロック信号に同期してサンプリングするサンプル部と、サンプリングされたデータをデータのサンプリングに同期したクロック信号と対応づけて記憶する記憶部と、記憶部に記憶された連続する２つのデータの差異が閾値を超える際にクロック信号に同期したトリガ信号を出力するトリガ検出部と、トリガ信号を取得したときデータを記憶部から取得して静電容量を算出する演算部と、を有するものである。【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮機内部の冷媒の状態を検出する冷媒状態検出装置に関する。

空調機又は冷凍機に設けられる圧縮機は、電気エネルギーを用いて圧縮機内の回転子及び圧縮部の機械部品を動かすことで冷媒を圧縮する装置である。圧縮機の種類として、スクロール型及びロータリー型等がある。

スクロール型圧縮機の圧縮動作を簡単に説明する。圧縮部は一対の同一形状の渦巻き体で構成される。一方の渦巻き体を固定し、他方の渦巻き体を円運動させることによって圧縮室の体積を小さくし冷媒を圧縮する。圧縮機内のモータが回転子を回転させることで、他方の渦巻き体を回転させる。これらの機械部品を正常に動作させるためには、潤滑のための油が必要である。そこで、圧縮機の底部には、一定量の冷凍機油が蓄えられており、冷凍機油が圧縮機内部を循環することで圧縮機の機械的健全性が保たれる。つまり、冷凍機油が圧縮機内を正常に循環するか否かが圧縮機の信頼性に大きく影響する。

圧縮機の動作において、冷凍機油が潤滑剤としての役目を果たせない状況が存在する。そのような状況の代表例として、「液冷媒による油の希釈」及び「油の枯渇」が挙げられる。

「液冷媒による油の希釈」とは、圧縮機内では本来ガス状態である冷媒が液化して潤滑油に溶け込む現象である。この現象が生じる代表例として、圧縮機の立ち上げ時に圧縮した冷媒が液化して圧縮機に戻ってくる「液バック」と、寒冷地など外気温が低い地域において冷媒が液化する「寝込み」とがある。冷凍機油中の冷媒溶け込み量が過度である場合、冷凍機油の粘性が低下し、冷凍機油が潤滑剤としての機能を果たさなくなる。その結果、圧縮機の機械的健全性を損なってしまう。

一方、「油の枯渇」は、圧縮された冷媒が圧縮機から吐出される際、圧縮機内部の冷凍機油も同時に圧縮機から吐出されることで生じる現象である。冷凍機油の吐出量が少量であれば大きな問題にならないが、油の枯渇は確実に避ける必要がある。そのため、圧縮機に蓄えられる油量を管理することは非常に重要である。

特許文献１には、冷媒循環路中に２枚の平行平板電極が設けられ、２枚の平行平板電極間の静電容量を検出することで、油と冷媒との混合状態を検出する装置が開示されている。

特開２００４−１２５３９３号公報

特許文献１に開示された装置では、測定に用いられるセンサと並列に存在する抵抗成分が大きく変化する場合、この変化が検出に影響し、冷凍機油又は冷媒の状態を正確に検出できないおそれがあった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、冷凍機油又は冷媒の状態を高精度に検出できる冷媒状態検出装置を得るものである。

本発明に係る冷媒状態検出装置は、インバータによって駆動する圧縮機に蓄積された冷凍機油又はアキュムレータに蓄積された液冷媒に浸された一対の電極と、前記一対の電極の一方に一端が接続され、前記インバータの動力線に他端が接続された比較用コンデンサと、前記一対の電極の間の電圧を分圧する抵抗分圧部と、インバータ信号と同期又は非同期なクロック信号を発生するクロック信号発生部と、前記抵抗分圧部によって分圧された電圧を前記クロック信号に同期してサンプリングするサンプル部と、前記サンプル部によってサンプリングされたデータを前記データのサンプリングに同期した前記クロック信号と対応づけて記憶する記憶部と、前記記憶部に記憶された連続する２つのデータの差異が閾値を超える際に前記クロック信号に同期した立ち上がりトリガ信号を出力するトリガ検出部と、前記トリガ検出部が出力した立ち上がりトリガ信号を取得したときの前記クロック信号に対応するデータを前記記憶部から取得し、取得したデータを静電容量に換算する演算部と、を有するものである。

本発明によれば、残留抵抗の影響を除いた静電容量を検出することで、冷凍機油又は冷媒の状態を高精度に検出できる。

本発明の実施の形態１に係る冷媒状態検出装置の一構成例を示す図である。式（１）に示す静電容量算出に用いられる電圧の検出を説明するためのイメージ図である。本発明の実施の形態２に係る冷媒状態検出装置の一構成例を示す図である。油濃度変化に対する静電容量変化の一例を示すグラフである。本発明の実施の形態３に係る冷媒状態検出装置の一構成例を示す図である。本発明の実施の形態４に係る冷媒状態検出装置の一構成例を示す図である。冷凍機油に冷媒が溶け込んだ場合の冷凍機油の誘電率の変化の一例を示すグラフである。本発明の実施の形態４に係る冷媒状態検出装置の一構成例を示す図である。

以下に、本発明の実施の形態を、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態は例示であって、以下の実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る冷媒状態検出装置の一構成例を示す図である。冷媒状態検出装置１は、空気調和機及び冷凍機等の冷凍サイクル装置に設けられる冷媒回路を循環する冷媒の状態を検出するものである。本実施の形態１の冷媒状態検出装置１は、冷媒回路に接続される複数の機器のうち、圧縮機３２において冷凍機油及び冷媒の状態を検出する。なお、本実施の形態１では、冷媒状態が検出される機器が圧縮機３２の場合で説明するが、冷媒状態が検出される機器は圧縮機３２でなくてもよい。

図１に示すように、圧縮機３２には、インバータ３１に接続されている。インバータ３１は、交流電源２１とコンバータ回路２２を介して接続されている。交流電源２１は、例えば、三相であるが、単相であってもよく、四相以上であってもよい。コンバータ回路２２は、交流電源２１から供給される三相のＡＣ（交流）電圧をＤＣ（直流）電圧に変換してインバータ３１に供給する。

コンバータ回路２２は、整流回路２３と、昇圧回路２４と、平滑コンデンサ２５とを有する。整流回路２３は、交流電源２１の交流電圧を整流するＡＣ−ＤＣコンバータである。整流回路２３は、例えば、６個のダイオードをブリッジ接続した３相全波整流器で構成される。整流回路２３は、ＤＣ電圧を昇圧回路２４に出力する。昇圧回路２４は、任意の電圧に昇圧を行うＤＣ−ＤＣコンバータである。昇圧回路２４は、例えば、昇圧チョッパ回路である。昇圧回路２４は、整流回路２３の出力を任意の電圧に変圧して出力する。変圧する必要がない場合、昇圧回路２４は設けられていなくてもよい。平滑コンデンサ２５は、昇圧回路２４の出力に含まれるリプル成分を均一化する役目を果たす。平滑コンデンサ２５は、例えば、電界コンデンサである。

インバータ３１は、コンバータ回路２２が生成したＤＣ電圧を交流電圧に変換して圧縮機３２内のモータ３６に印加する。インバータ３１の出力線であって、圧縮機３２の入力線となるケーブルは、動力線と呼ばれている。インバータ３１は、三相の場合、６個のスイッチング素子で構成される。スイッチング素子として、例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ−Ｇａｔｅ−Ｂｉｐｏｌａｒ−Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）及びＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ−Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の素子が使用される。

図１に示す圧縮機３２の構成を説明する。圧縮機３２は、モータ３６と、容積圧縮部３５とを有する。圧縮機３２には、冷媒を冷媒回路から吸入する吸入口３３と、圧縮された冷媒を冷媒回路に吐出する吐出口３４とが設けられている。圧縮機３２は、吸入口３３から吸い込んだ冷媒を容積圧縮部３５で圧縮し、圧縮した冷媒を吐出口３４から吐出する。図１は、容積圧縮部３５がスクロール型圧縮部の場合を示しているが、圧縮部はロータリー型又はレシプロ型など他の圧縮部であってもよい。

圧縮機３２が、図１に示すように縦方向に設置されている場合、圧縮機３２の底部には潤滑のための冷凍機油３７が蓄積される。冷凍機油３７が圧縮機３２内部を循環することによって圧縮機３２の機械的健全性が保たれる。そのため、冷凍機油３７の油面の位置が油量の管理上重要となる。

次に、図１に示した冷媒状態検出装置１の構成を説明する。図１に示すように、冷媒状態検出装置１は、圧縮機３２内に設置された一対の電極２ａと、一対の電極２ａと接続される検出回路２０とを有する。検出回路２０は、比較用コンデンサ３ａと、抵抗分圧部１０と、クロック信号発生部と、サンプル部１１と、記憶部１４と、トリガ検出部１３と、演算部１５とを有する。サンプル部１１は、例えば、Ａ／Ｄコンバータである。Ａ／Ｄコンバータには、一般的には、クロック信号発生部が内蔵されている。そのため、別途クロック信号発生部を設けなくても、Ａ／Ｄコンバータを設けることで、サンプル部１１及びクロック信号発生部を冷媒状態検出装置１に設けることができる。記憶部１４は、例えば、フラッシュメモリ等の不揮発性メモリである。トリガ検出部１３及び演算部１５は、例えば、ＡＳＩＣ（ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＳｐｅｃｉｆｉｃＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）等の専用回路で構成される。

一対の電極２ａは、冷凍機油３７に浸された状態で圧縮機３２内に設置される。一対の電極２ａのうち、一方の電極を電極Ｆとし、他方の電極を電極Ｇとする。一対の電極２ａは、電極Ｆと電極Ｇとの間の静電容量を測定することを目的とする検出素子の一種である。電極Ｆ及び電極Ｇの材料が金属の場合、一対の電極２ａは２枚の金属板が平行に配置された構成である。図１では、電極Ｇおよび電極Ｆは、圧縮機３２の縦方向（重力方向）に対して平行な面で対向するように配置されている。なお、検出素子は、目的を達成し、かつ圧縮機３２の動作を妨げない構成であれば、２枚の金属板が平行に配置された構成でなくてもよい。

電極Ｆの電位はケーブルと電流導入端子４を介して外部に引き出される。電極Ｆから引き出された端子と、動力線との間に比較用コンデンサ３ａが設けられている。比較用コンデンサ３ａが構成する静電容量をＣｄとする。三相モータの場合、動力線は３本のケーブルがインバータ３１に接続されており、３本のうち、いずれか１本のケーブルが比較用コンデンサ３ａと接続される。比較用コンデンサ３ａと電極Ｆとが直列に接続され、電極Ｇは接地電位に接続される。

本実施の形態１では、圧縮機３２は接地されているため、例えば、電極Ｇは圧縮機３２の筐体と接続する。一対の電極２ａによって測定される静電容量をＣｘとする。静電容量Ｃｄ及びＣｘには、動力線に印加されるインバータ電圧と、インバータ電圧を静電容量Ｃｄ及びＣｘで容量分圧した電圧がかかる。抵抗分圧部１０は、インバータ電圧を検出回路２０に適切な電圧に変換する。検出回路２０に印加する電圧としては素子の定格にもよるが、一般的に数Ｖ程度の電圧へと変換することが望ましい。クロック信号発生部は、インバータ３１のスイッチング周波数に基づくインバータ信号に同期するクロック信号である同期クロック信号１２を出力する。クロック信号発生部は、インバータ信号に非同期のクロック信号を出力してもよい。

なお、トリガ検出部１３、記憶部１４及び演算部１５が別々の３つのハードウエアで構成される場合で説明したが、この構成に限定されない。トリガ検出部１３、記憶部１４及び演算部１５が、３つの異なるソフトウエアプログラムとハードウエアとが協働することで構成される、１つコンピュータであってもよい。ハードウエアとして、マイクロコントローラおよびＦＰＧＡ（ＦｉｅｌｄＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ）を用いることが考えられる。ソフトウエアとしてはシーケンサおよびＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）が実行するプログラムを用いることが考えられる。

次に、冷媒状態検出装置１の動作を説明する。抵抗分圧部１０がインバータ電圧を分圧した電圧をＶ０とする。静電容量Ｃｄ及びＣｘがインバータ電圧を容量分圧し、容量分圧された電圧を抵抗分圧部１０が分圧した電圧をＶｘとする。サンプル部１１は、クロック信号発生部が生成した同期クロック信号に同期して電圧Ｖ０及びＶｘをサンプリングする。

トリガ検出部１３は、サンプル部１１がサンプリングした電圧データのうち、連続する２つのクロック信号の時刻に検出された電圧値の差が設定された閾値を超えると、立ち上がりトリガ信号を出力する。記憶部１４は、少なくとも３つのデータを保持する記憶容量を有している。記憶部１４は、サンプル部１１がサンプリングした電圧データを同期クロック信号１２に同期して、電圧データにクロック信号を対応づけて記憶する。演算部１５は、記憶部１４が保持する電圧データを静電容量に換算する。演算部１５は、トリガ検出部１３が出力するトリガ信号に同期して、電圧データを静電容量に換算する。ここで、トリガ信号を出力するときの電圧データをＶ_（ｎ）、トリガ信号前後の電圧データをＶ_{（ｎ−１）、}Ｖ_{（ｎ＋１）}とすると、静電容量Ｃｘを式（１）で求めることができる。

式（１）において、Ｃｓは電極Ｆ及び電極Ｇと検出回路２０を接続するケーブル等に含まれる浮遊容量を表す。したがって、単位長あたりのケーブル長の浮遊容量がケーブル本体およびケーブルの仕様書等に明記されている同軸ケーブルを用いることで、式（１）の浮遊容量Ｃｓの値を定数として扱うことができる。静電容量Ｃｘは、一対の電極２ａの金属板の面に冷凍器油が接触する面積の違いにより値が異なるため、静電容量Ｃｘから冷凍機油の量を推定できる。また、静電容量Ｃｘは、一対の電極２ａの電極間の冷凍機油の状態によって値が異なる。例えば、冷凍機油に含有する冷媒の濃度及び冷凍機油に含まれる不純物の濃度によって静電容量Ｃｘは異なる値となる。

なお、上述したように、電圧データから静電容量への換算には、少なくとも３つのデータを記憶する記憶容量を記憶部１４は備えていればよいが、数十〜数百程度のデータを記憶する記憶容量を備えていてもよい。この場合、演算部１５は、換算した静電容量のデータを記憶部１４に蓄積し、数十〜数百程度のデータを平均した値を最終的な静電容量検出値として算出することができる。その結果、静電容量Ｃｘの検出精度が向上する。

次に、本実施の形態１において、一対の電極２ａと並列に存在する直流抵抗成分５の影響を除外できる原理について説明する。図２は、式（１）に示す静電容量算出に用いられる電圧の検出を説明するためのイメージ図である。図２の横軸は時間ｔを示し、縦軸は電圧Ｖを示す。図２に示すように、トリガ信号の立ち上がり及び立ち下がりの時刻ｔｒにおける電圧Ｖ０及びＶｘの振幅を用いて瞬間的に、電圧Ｖ０及びＶｘが検出されることで、周波数成分の極めて高い部分を検出することができる。コンデンサのインピーダンスＺは、印加する信号の周波数をｆとし、コンデンサの静電容量をＣとすると、一般的に式（２）で求められる。

式（２）から、信号の周波数が極めて高い場合に、コンデンサのインピーダンスＺが極めて小さくなることがわかる。したがって、本実施の形態１では、一対の電極２ａと並列に存在する直流抵抗成分５の影響を除外できる。

本実施の形態１において、クロック信号がインバータ信号と同期している同期クロック信号１２である場合、同期クロック信号１２の周波数とインバータ３１のスイッチング周波数が等しい。この場合、演算部１５は、インバータ電圧波形の立ち上がり及び立ち下がりのタイミングに同期して、静電容量換算処理を行うことができる。そのため、静電容量Ｃｘを高精度に検出できる。

本実施の形態１では、サンプル部１１がサンプリングした電圧データをクロック信号に同期して記憶部１４が保存している。ここで、クロック信号がインバータ３１と非同期、かつサンプル部１１が検出信号を十分にサンプリングできるサンプリングレートである場合、検出信号全体をサンプリングできる。例えば、インバータ３１のスイッチング周波数が数ｋＨｚである場合、サンプリングレートが数１００ｋｓｐｓ程度であれば、検出信号全体をサンプリングできる。

これにより、図１の破線で示すように、直流抵抗成分５が検出信号をバイパスすることで、検出信号に一定の傾き（曲率）が生じる様子をサンプリングできる。演算部１５は、この傾きによって検出信号がピーク値から０になるまでの時間（曲率度合い）を測定することで直流抵抗成分５の抵抗値を検出できる。検出された直流抵抗成分５の抵抗値から油の劣化状態を検出することができる。

本実施の形態１の冷媒状態検出装置１は、圧縮機３２内に設置された一対の電極２ａ、比較用コンデンサ３ａ、抵抗分圧部１０、クロック信号発生部、サンプル部１１、トリガ検出部１３、記憶部１４及び演算部１５を有する。比較用コンデンサ３ａは一対の電極２ａ及びインバータ３１の動力線に接続され、抵抗分圧部１０は比較用コンデンサ３ａに印加される電圧を分圧する。サンプル部１１は抵抗分圧部によって分圧された電圧をクロック信号に同期してサンプリングし、記憶部１４はサンプリングされた電圧データをサンプリングに同期したクロック信号と対応づけて記憶する。トリガ検出部１３は記憶部１４が記憶する連続する２つの電圧データの差異が閾値を超える際にクロック信号に同期した立ち上がりトリガ信号を出力する。演算部１５は、トリガ信号を取得したときのクロック信号に対応する電圧データを記憶部１４から取得し、取得した電圧データを静電容量に換算する。

本実施の形態１によれば、サンプル回路を用いて信号源の立ち上がり部分のみで瞬間的に検出を行うため、検出センサとして機能するコンデンサに並列に存在する抵抗成分の影響を除外し、コンデンサの特性を抽出して検出することができる。残留抵抗の影響を除いた静電容量を検出することで、冷凍機油又は冷媒の状態を高精度に検出できる。

本実施の形態１において、クロック信号がインバータ信号と非同期であってもよい。クロック信号がインバータ信号と非同期で、かつサンプル部が十分なサンプリングレートを持つ場合、検出信号全体をサンプリングすることができる。検出信号全体をサンプリングすることで、一対の電極２ａと並列に存在する直流抵抗成分５の影響によって検出信号に曲率が生じる様子を検出できる。この曲率度合いを測定することで直流抵抗成分５の抵抗値を検出できるので、油の劣化検知等に応用できる。

実施の形態２．
本実施の形態２は、実施の形態１とは分圧部の構成が異なる。本実施の形態２では、実施の形態１の構成と同様な構成については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

図３は、本発明の実施の形態２に係る冷媒状態検出装置の一構成例を示す図である。本実施の形態２の冷媒状態検出装置１は、図３に示すように、抵抗分圧部１０と並列に分圧比の等しい容量分圧部１０１を有する。

インバータ３１を信号源として用いることを考えると、一般的にインバータ３１はＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御されているため、様々な周波数成分が抵抗分圧部１０及び容量分圧部１０１に印加される。図３に示す回路構成であれば、冷媒状態検出装置１は、インバータ３１の周波数成分の変化に影響を受けず、高精度に静電容量Ｃｘを検出できる。

次に、抵抗分圧部１０及び容量分圧部１０１のパラメータ設計について説明する。冷媒状態検出装置１の入力インピーダンスは主に抵抗分圧部１０によって決定される。冷媒状態検出装置１の入力インピーダンスは検出対象である一対の電極２ａが構成する静電容量Ｃｘ又は比較用コンデンサ３ａのインピーダンスよりも十分に高い必要がある。電極Ｆ及び電極Ｇの電極間隔を内部に油が流れる程度の適当な隙間が、例えば、１ｍｍ以上として、一対の電極２ａが圧縮機３２の内部に設置された場合、電極Ｆ及び電極Ｇによって構成される静電容量Ｃｘは１０ｐＦ〜数１０ｐＦ程度になる。インバータ３１のＰＷＭ周波数は一般的に数ｋＨｚ程度であることが多いので、このときＣｘが持つインピーダンスは式（２）から数ＭΩ〜数１０ＭΩになる。したがって、抵抗分圧部１０のインピーダンスはこれ以上、例えば、１００ＭΩ以上の値が必要になる。

次に、容量分圧部１０１について説明する。仮に、容量分圧部１０１を設けなかった場合においても、抵抗分圧部１０と並列に抵抗素子自体が持つ浮遊容量成分が存在する。素子が持つ浮遊容量としては、大きくても１ｐＦ程度のオーダーであり、素子ごとに大きく変わるものではないが、一致もしない。したがって、容量分圧部１０１を設けない場合、この浮遊容量成分によって、印加電圧の立ち上がり及び立ち下がり時に含まれる高周波成分は浮遊容量成分を通るため、意図した分圧比で分圧が行われない。この現象を防ぐために、容量分圧部１０１に設定する静電容量値として、素子が持つ浮遊容量の影響を十分に無視できる値、例えば、１０ｐＦ以上の値が必要になる。

本実施の形態２の冷媒状態検出装置１は、抵抗分圧部１０と並列に分圧比の等しい容量分圧部１０１を有するものである。本実施の形態２に依れば、抵抗分圧比と容量分圧比を等しくすることで、入力信号の周波数変動に因らず高精度に分圧することができる。

実施の形態３．
本実施の形態３は、冷凍機油３７に浸す一対の電極２ａをもう１つ増やしたものである。本実施の形態３では、実施の形態１の構成と同様な構成については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

一対の電極２ａだけで圧縮機３２内部の油状態を検出する場合、油状態が正常な状態でない場合も正常と検出してしまうことがある。本実施の形態３は、油状態をより正しく検出できるようにしたものである。

はじめに、油状態について、静電容量と油濃度との関係を説明する。図４は、油濃度変化に対する静電容量変化の一例を示すグラフである。図４の縦軸は静電容量を示し、横軸は油濃度を示す。図４は、油面高さが上限一杯の場合（１００％）および上限位置から半分の位置（５０％）にある場合について、各油面高さにおける油濃度変化に対する静電容量変化を示す。油面高さの上限および下限は、圧縮機３２が正常に運転できる冷凍機油３７の量の範囲を示す。油面高さの下限は、圧縮機３２において、冷凍機油３７が蓄積される容器の底面を意味するものではない。

図４に示す点ａ及び点ｂにおける油状態について説明する。点ａでは油面高さが上限値であり、油濃度が高い状態、つまり油状態としては正常である。これに対して、点ｂは油面高さが上限値の５０％であり、油濃度が低い状態、つまり油状態としては正常でない状態である。実際の油状態が正常でなくても、実施の形態１の冷媒状態検出装置１は油状態が正常と判断してしまう場合がある。この問題を防ぐために、油面高さの変化と油濃度の変化とを切り分けて検出する構成が必要である。

図５は、本発明の実施の形態３に係る冷媒状態検出装置の一構成例を示す図である。本実施の形態３の冷媒状態検出装置１は、上述した問題を解決するために、一対の電極２ａの他に、一対の電極２ｂを圧縮機３２の内部に設置されている。一対の電極２ａは、圧縮機３２内の油面高さの検出に用いられるので、冷凍機油３７の油面高さの上限付近に配置することが望ましい。これに対して、一対の電極２ｂは、油濃度の検出に用いられるため、常に冷凍機油３７に浸漬している位置が望ましい。一対の電極２ｂの位置は、例えば、油面高さの下限位置よりも下に配置することが望ましい。一対の電極２ｂを油面高さの下限位置よりも下に配置することで、一対の電極２ｂは、油面高さの変動に影響を受けることなく、油濃度の変化のみを検出することができる。

本実施の形態３では、一対の電極２ａおよび一対の電極２ｂの４枚の金属板の形状が長方形である。一対の電極２ａは長手方向が縦方向（重力方向）と平行になるように対向して配置されている。一対の電極２ｂは長手方向が横方向（重力方向に垂直な方向）と平行になるように対向して配置されている。図５に示す構成例では、一対の電極２ｂは金属板の面が圧縮機３２の底面に対して垂直になっているが、圧縮機３２の底面に対して平行であってもよい。このように、一対の電極２ａの位置と一対の電極２ｂの位置は圧縮機３２内で縦方向（重力方向）の高さが異なる構成である。一対の電極２ａの位置は一対の電極２ｂの位置よりも縦方向で高い位置にある。

次に、一対の電極２ｂの追加に伴って回路部分に追加した構成を説明する。一対の電極２ｂに対して、比較用コンデンサ３ｂが設けられている。比較用コンデンサ３ｂは、比較用コンデンサ３ａが接続される動力線と同じ動力線に接続されることが望ましい。これは、三相インバータの動力線は、３つの動力線のそれぞれの位相が１２０度ずつずれているため、この位相のずれの影響を検出値が受けないようにするためである。また、比較用コンデンサ３ｂに対応する、抵抗分圧部１０、サンプル部１１及び記憶部１４が別途設けられている。

本実施の形態３において、比較用コンデンサ３ｂと一対の電極２ｂとによって容量分圧された後、抵抗分圧部１０によって分圧された電圧をＶｙとする。一対の電極２ｂによって構成される静電容量をＣｙとすると、静電容量Ｃｙは電圧Ｖ０及びＶｙのデータを式（１）に代入することによって求められる。本実施の形態３では、換算する静電容量としてＣｘ及びＣｙのデータが得られる。Ｃｙは油面高さの変動による影響を受けないため、ＣｘとＣｙの関係は、式（３）で表せる。

一般的に圧縮機３２の内部では冷凍機油３７がかき混ぜられており、油濃度の分布の偏りは生じない。したがって、演算部１５は、静電容量Ｃｘと静電容量Ｃｙの大小関係から圧縮機３２内部の油面高さを推定することができる。例えば、静電容量Ｃｘの値が静電容量Ｃｙよりも小さい場合、演算部１５は、油面高さが低下していると推測できる。一方、静電容量Ｃｙは油濃度によって値が変化するので、演算部１５は、静電容量Ｃｘ及び静電容量Ｃｙの値の組み合わせによって圧縮機３２内部の油状態の誤検出を抑制し、正確に検出することができる。

なお、本実施の形態３においても、クロック信号がインバータ３１と非同期、かつサンプル部１１が検出信号を十分にサンプリングできるサンプリングレートである場合、直流抵抗成分５ａ及び５ｂが検出信号をバイパスする。本実施の形態３においても、検出された直流抵抗成分５ａ及び５ｂの抵抗値から油の劣化状態を検出することができる。

本実施の形態３の冷媒状態検出装置１は、一対の電極２ａの位置と一対の電極２ｂの位置は圧縮機３２内で重力方向の高さが異なる構成である。本実施の形態３では、長手方向が縦方向の一対の電極２ａと長手方向が横方向の一対の電極２ｂとの各電極対から検出される検出値の比を取ることで、圧縮機３２内の液面高さを検出することができる。また、長手方向が横方向の一対の電極２ｂは圧縮機３２の液面下限値よりも下に設置されているので、液面変動の影響を受けずに冷媒濃度の変化を検出できる。したがって、液面高さと冷媒濃度を切りわけて検出できる。

実施の形態４．
本実施の形態４は、冷媒状態が検出される機器がアキュムレータの場合である。本実施の形態４では、実施の形態１の構成と同様な構成については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

本実施の形態４の冷媒状態検出装置の構成を説明する。図６は、本発明の実施の形態４に係る冷媒状態検出装置の一構成例を示す図である。図６に示すように、一般的には、圧縮機３２の近くに圧縮機３２への液冷媒流入を防ぐためのアキュムレータ３８が設置されている。本実施の形態４の冷媒状態検出装置１は、圧縮機３２に設置される一対の電極２ａの代わりに、アキュムレータ３８に一対の電極２ｃが設置された構成である。検出回路２０は、インバータ３１の動力線の交流電圧を、比較用コンデンサ３ａを介して一対の電極２ｃに印加することで、実施の形態１と同様にして、一対の電極２ｃの電極間に形成される静電容量を検出する。例えば、一対の電極２ｃの電極間の静電容量から液冷媒の液面高さを検出できる。

アキュムレータ３８に蓄積される液冷媒３９の量を適切に管理できれば圧縮機３２への過度な液バックを避けることができ、信頼性が向上する。アキュムレータ３８に留められる液冷媒は濃度が高く、濃度変化はほとんど生じない。アキュムレータ３８に留められる液冷媒の濃度は、例えば、９０％程度である。そのため、冷媒濃度と冷媒の液面高さとを切り分けて検出する必要はなく、液冷媒の液面高さを高精度に検出できればよい。この検出条件を満たすために、図６に示すように、一対の電極２ｃは縦方向に十分長い縦長の形状であることが望ましい。

本実施の形態４では、圧縮機３２以外の機器における冷媒状態検出の適用例として、インバータ動力線を利用しやすいアキュムレータ３８の場合を説明したが、検出信号源は圧縮機３２を駆動するインバータでなくてもよい。この場合、インバータの代わりに交流電圧生成部が必要となる。例えば、交流電圧生成部の構成として、直流電源、スイッチング回路及び昇圧回路で構成される交流電圧生成部が挙げられる。検出回路２０内に、信号源となる交流電圧生成部を設ける場合、本実施の形態４の冷媒状態検出装置は、冷媒状態の検出装置以外、例えば、ＰＭ濃度を検出する粒子センサとして役目を果たすことができる。

本実施の形態４の冷媒状態検出装置１は、一対の電極２ｃがアキュムレータ３８に設置され、液冷媒に浸されている。アキュムレータ３８は一般的に圧縮機３２の近くに設置されており、アキュムレータ３８に一対の電極２ｃを設けることで、アキュムレータ３８内の液面状態を検出することができる。

実施の形態５．
本実施の形態５は、冷凍機油の温度に基づいて冷媒検出を補正するものである。本実施の形態５では、実施の形態１の構成と同様な構成については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

図７は、冷凍機油に冷媒が溶け込んだ場合の冷凍機油の誘電率の変化の一例を示すグラフである。油及び冷媒の種類によって誘電率の冷媒濃度依存性は変化するので、図７に示すグラフは一例に過ぎない。図７に示すように、誘電率の冷媒濃度依存性に、強い温度依存性がある場合、冷媒濃度を測定するためには、誘電率だけでなく、温度の情報も必要になる。

本実施の形態５では、図に示していないが、冷凍機油３７の温度を検出する温度センサが設けられている。温度センサは、例えば、熱電対及びサーミスタである。記憶部１４が図７に示すような温度依存性データをテーブル及び計算式等の形式で記憶している。演算部１５は、測定で得られた静電容量から算出した比誘電率の結果と温度依存性データとを合わせて、冷凍機油の温度を推定して、冷媒の濃度を推定する。なお、温度センサは冷凍機油の温度に限らず、液冷媒の温度を直接に検出してもよい。例えば、アキュムレータに温度センサが設けられていてもよい。

本実施の形態５の冷媒状態検出装置１は、冷凍機油３７の温度を検出する温度センサを有し、演算部１５は、換算した静電容量及び温度センサが検出した温度に基づいて液冷媒の濃度を推定するものである。冷媒の比誘電率が温度に依存するため、冷媒濃度を検出する場合、冷凍機油の温度に基づいて冷媒濃度の検出値を補正することで、冷媒濃度の検出精度を高めることができる。

実施の形態６．
本実施の形態６は、ＰＷＭ制御回路部が出力するゲート信号をクロック信号として利用するものである。本実施の形態６では、実施の形態１の構成と同様な構成については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

本実施の形態６の冷媒状態検出装置の構成を説明する。図８は、本発明の実施の形態４に係る冷媒状態検出装置の一構成例を示す図である。一般的に、空調機内部に設置されたインバータボックス内には、インバータ３１に含まれるスイッチング素子を正しくＰＷＭ駆動させるための制御信号を生成するＰＷＭ制御回路部１６が設けられている。ＰＷＭ制御回路部１６が、インバータ３１に含まれるスイッチング素子を駆動するゲート信号を出力する。本実施の形態６の冷媒状態検出装置１は、ＰＷＭ制御回路部１６が出力するゲート信号を同期クロック信号１２として利用するものである。

この構成により、信号波形をサンプリングするサンプル部１１、立ち上がりトリガを出力するトリガ検出部１３、及びサンプリングしたデータを保存する記憶部１４の各部における処理がインバータ信号と同期する。そのため、検出回路２０は、インバータ信号の立ち上がり及び立ち下がりのタイミングを遅延なく捉えることができる。その結果、静電容量Ｃｘの検出精度が向上し、冷媒状態を高精度に検出できる。

本実施の形態６の冷媒状態検出装置１は、クロック信号がインバータ信号と同期しているものである。検出回路２０が用いるクロック信号をインバータ信号に同期させることで、インバータ電圧波形の立ち上がり及び立ち下がりのタイミングとずれなく検出処理を行うことができる。その結果、静電容量Ｃｘの検出精度が向上し、冷媒状態を高精度に検出できる。

１冷媒状態検出装置、２ａ〜２ｃ一対の電極、３ａ、３ｂ比較用コンデンサ、４電流導入端子、５、５ａ、５ｂ直流抵抗成分、１０抵抗分圧部、１１サンプル部、１２同期クロック信号、１３トリガ検出部、１４記憶部、１５演算部、１６ＰＷＭ制御回路部、２０検出回路、２１交流電源、２２コンバータ回路、２３整流回路、２４昇圧回路、２５平滑コンデンサ、３１インバータ、３２圧縮機、３３吸入口、３４吐出口、３５容積圧縮部、３６モータ、３７冷凍機油、３８アキュムレータ、３９液冷媒、１０１容量分圧部。

Claims

インバータによって駆動する圧縮機に蓄積された冷凍機油又はアキュムレータに蓄積された液冷媒に浸された一対の電極と、
前記一対の電極の一方に一端が接続され、前記インバータの動力線に他端が接続された比較用コンデンサと、
前記一対の電極の間の電圧を分圧する抵抗分圧部と、
インバータ信号と同期又は非同期なクロック信号を発生するクロック信号発生部と、
前記抵抗分圧部によって分圧された電圧を前記クロック信号に同期してサンプリングするサンプル部と、
前記サンプル部によってサンプリングされたデータを前記データのサンプリングに同期した前記クロック信号と対応づけて記憶する記憶部と、
前記記憶部に記憶された連続する２つのデータの差異が閾値を超える際に前記クロック信号に同期した立ち上がりトリガ信号を出力するトリガ検出部と、
前記トリガ検出部が出力した立ち上がりトリガ信号を取得したときの前記クロック信号に対応するデータを前記記憶部から取得し、取得したデータを静電容量に換算する演算部と、
を有する冷媒状態検出装置。
前記抵抗分圧部と並列に接続され、前記抵抗分圧部と分圧比の等しい容量分圧部をさらに有する、請求項１に記載の冷媒状態検出装置。
２つの前記一対の電極を有し、
２つの前記一対の電極のうち、一方の一対の電極は他方の一対の電極よりも重力方向に高い位置にある、請求項１又は２に記載の冷媒状態検出装置。
２つの前記一対の電極の各電極の形状が長方形であり、
前記一方の一対の電極は長手方向が重力方向と平行になるように対向して配置され、前記他方の一対の電極は長手方向が重力方向に垂直な方向と平行になるように対向して配置されている、請求項３に記載の冷媒状態検出装置。
前記冷凍機油又は前記液冷媒の温度を検出する温度センサを有し、
前記演算部は、前記温度センサが検出した温度を前記静電容量の補正に用いる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の冷媒状態検出装置。
前記クロック信号は前記インバータ信号と非同期である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の冷媒状態検出装置。
前記クロック信号は前記インバータ信号と同期している、請求項１〜５のいずれか１項に記載の冷媒状態検出装置。