JP3550229B2 - 冷媒量検出装置および冷媒状態検出装置 - Google Patents
冷媒量検出装置および冷媒状態検出装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気調和装置等の冷媒量検出装置および冷媒循環路中の冷媒の状態を検出する冷媒状態検出装置に関する。さらに詳細には、空気調和装置等における冷媒循環路中の液バック量・冷媒の不足状態等の冷媒量を検出する冷媒量検出装置および空気調和装置の冷媒循環路中のボイド率・膨張弁，電動弁，キャピラリ等断熱膨張機器入り口側の液状態などの冷媒の状態を検出するために冷媒循環路中に設けるサイトグラスの働きを電気的に行うようにした冷媒状態検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用冷房装置などの空気調和装置などでは、図１３に示すように、冷媒を圧縮する圧縮機２と、圧縮機により圧縮された高温・高圧のガスを冷却して液化する凝縮器３と、液化した冷媒を貯え気泡を分離するとともに水分やほこりを除去するレシーバタンク４と、液冷媒の液状態を確認するサイトグラス５と、液冷媒を断熱膨張させ低温・低圧の状態にする膨張弁などの断熱膨張器６と、室内空気を熱交換する蒸発器７と、アキュムレータ８を冷媒配管９で連結した循環路１に冷媒を封入した冷凍サイクルが用いられている。このような冷凍サイクルでは、液バック量・ボイド率・冷凍機油に溶け込んだ冷媒量（希釈度）・レシーバタンクやアキュムレータに挿入したドライアの乾燥剤の吸湿状態・膨張弁，電動弁，キャピラリ等の断熱膨張器の入り口側の液の状態など冷凍サイクル中の冷媒の状態を検出して、冷媒洩れによる冷却能力の低下や圧縮機のガス漏れによる焼付けなどの装置の損傷を防止することが行われている。
【０００３】
ここで、液バック量について説明する。冷凍サイクルにおいて、▲１▼冷凍負荷に対して膨張弁の開度が大きい場合、▲２▼冷媒量が過多の場合、▲３▼冷凍負荷の変動が大きく急に負荷が減少した場合、▲４▼膨張弁の追従が悪い場合などには、冷却負荷に対して冷媒の流れ込む量が多くなり、冷媒は十分蒸発し切れず、圧縮機２には気体状の冷媒に液状の冷媒を含んだ冷媒が戻ってくるようになる。このような冷媒が圧縮機２に供給されると、正常な運転では霜が付かない圧縮機２であっても吸い込み口付近で蒸発が起こるので、空気中の水分が露結して霜が付いたりシリンダが冷たくなることがある。その他、▲５▼通常は膨張弁６の手前に電磁弁をいれて運転の停止前にあらかじめ電磁弁を閉じ、低圧部の冷媒を回収して液状の冷媒が蒸発器内に留まらないようにポンプダウン処理を行っているが、冷凍サイクルによってはこのような電磁弁を設けない場合がある。この場合は、圧縮機２が停止すると蒸発器７内は圧力が低くかつ低温であるので、液状の冷媒が流入したり気体状の冷媒が液化したりして、次の始動時に液状の冷媒が一度に圧縮機２に吸い込まれるおそれがある。
【０００４】
このような液状の冷媒が戻ってくる液戻り量が多くなると、この液が圧縮機２の吸込弁や吐出弁をたたくこととなって、さらに液を圧縮することとなる。この場合、液は圧縮されてもその体積はほとんど変わらないので、圧縮機２の運転をそのまま続けると圧縮機２の動作に支障を招くおそれがある。
さらには、冷凍能力が残っている冷媒を圧縮機に返すのであるからそれだけ冷凍能力が無駄になることとなる。
以上のような、圧縮機２に液状の冷媒が戻ってくる現象を液バックと呼んでいる。このような液バック現象の発生を防ぐために、蒸発器７の出口と圧縮機２の吸込口を連絡する吸込管に液分離器（アキュムレータ）８を設けることが行われている。この場合、圧縮機に戻ってくる冷媒中に液量が含まれていることを検出する液バックセンサをアキュムレータに設けることが行われている。
【０００５】
次に、希釈度について説明する。圧縮機２内部では高速回転および摺動を繰り返していることから潤滑油が不可欠である。潤滑油の役割は、摺動部の隙間に供給され、油膜をつくって金属どうしの接触を避け、円滑な摺動と金属の摩耗を防ぐこと、摺動面の摩擦によって生じる発熱を冷却すること、および、シャフトシール部やピストンリングなど気密が必要な摺動面では、シール作用をすることなどである。
冷凍サイクルにおいては、潤滑油と冷媒は同一サイクル内に混在していることから、潤滑油中の冷媒が溶解することを免れることはできない。冷媒と潤滑油の溶解性は冷媒の種類によって異なり、溶解性の大きい冷媒では圧縮機２から吐出しガスと一緒に排出されやすい。さらに冷媒が溶解した潤滑油は、その粘性が低下するのでシール性や潤滑性に影響を与えることとなる。
したがって、潤滑油中に含まれる冷媒量を把握しておくことが必要となる。この潤滑油中に含まれる冷媒量を希釈度と定義する。希釈度はできるだけ低く保っておくことが必要である。
圧縮機の潤滑油の希釈度を測定する方法としては、従来、▲１▼圧縮機内の潤滑油を抜き取る方法、▲２▼希釈度を潤滑油の冷媒溶解特性から求める方法などがある。
【０００６】
次いで、ボイド率に付いて説明する。冷凍サイクルにおいて効率よく冷却するためには、液冷媒が過冷却の状態で膨張弁またはキャピラリに到達することが必要である。冷媒量の充填量が不足している場合や、冷媒の洩れによって冷媒量が不足した場合、凝縮器３と膨張弁６を結ぶ液配管内９にフラッシュガスが発生する。液配管内にフラッシュガスが存在すると膨張弁６を通る冷媒流量は減少し、冷却能力が減少する。この液冷媒に対するフラッシュガスの割合をボイド率と呼ぶ。冷媒の循環路中では、ボイド率も低く保っておくことが必要となる。
【０００７】
従来、空気調和装置の冷媒循環路中の冷媒の不足を検出する方法としては、冷凍サイクルの高圧側配管に透明ガラス部を備えたサイトグラス５を設け目視によって、冷媒がガス状態であるか液満状態であるかを確認する方法や、冷凍サイクルの高圧側に、高圧側圧力が設定値以下に低下すると開放状態となる圧力スイッチを設置し、冷媒不足検出器とする方法が一般に用いられている。
ところが、これらの冷媒不足検出方式のうち、前者は、目視による確認を行うことから、冷媒の状態を常時監視することができず、しかも冷媒の状態を電気信号として取り出すことができないので、ガス状態と液状態の割合を数値的に表すことができなかった。また、後者は、圧力スイッチのＯＮ又はＯＦＦによってガス状態か液満状態かを判別するのであり、連続的な電気信号の変化として取り出すことが困難であった。
【０００８】
さらに最近は、特定フロンの使用廃止に伴い、代替冷媒が使用されるようになってきたが、これら代替冷媒を混合して用いるいわゆる混合冷媒については、その特性の解明が充分でないとともに非共沸の冷媒を混合している場合もあることから、配管内の冷媒の状態を検知するセンサが求められるようになってきた。
【０００９】
このような冷凍サイクル中の冷媒の状態を電気的に検出する方法として、特公昭６３−２６８５６号公報には、下記のような冷媒量を電気的に検出する冷媒量検出方法が示されている。すなわち、この方法は、冷媒が気体であるか液体であるかの状態、もしくは、電極間の液体の量の状態に応じて電極間の誘電率が変化することを利用して、複数の電極間に冷媒を介在させることによって可変容量キャパシタを構成し、該キャパシタの電極を冷凍サイクル中に対抗させて設置し、このキャパシタと抵抗容量型発振回路と周波数−電圧変換回路を用いて検出装置を構成し、冷媒量を電圧として電気的に検出する冷媒量検出方法が提案されている。しかしながら、このような誘電率の変化に応答する形式の冷媒量状態出手段と抵抗容量型発信回路の組み合わせにおいては、冷媒量の変化に対する周波数の変化が小さいので、そのため誘電率検出手段としてのキャパシタの電極の形状を大型化したり複雑な構造でかつ精度を必要とする部品で組み立てることが必要となり、冷媒状態検出装置全体の価格が高価となってしまうなどの問題点があった。
【００１０】
一方、前述の特公昭６３−２６８５６号公報や特公平６−７８９１３号公報には、容量−電圧変換回路についても種々の回路が開示されているが、冷媒検出装置を通過する冷媒の直流抵抗分が高い場合に比較して、代替冷媒や水等の流体を用いた場合のように冷媒の直流抵抗分が低い場合、即ち導電性がある場合は、キャパシタへの充電電流が冷媒にバイパスされてしまうことから、正確に測定し難いなどの問題点があった。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点を解消し、小型で精度がよく製造が容易で実用的な冷媒量検出装置を安価に提供することを目的とするものである。
さらに、本発明は、ガス状態と液状態の割合に比例した連続的な電気信号を出力して、十分な精度を有する冷媒状態検出装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、空気調和装置などの冷凍サイクル中のアキュ−ムレ−タまたはレシ−バタンク内に複数の電極を有するキャパシタを冷媒に浸して備え、このキャパシタの静電容量が冷媒の量に応じて変化することを利用して、冷媒量を連続的な電気信号の変化として検出するようにした。
【００１３】
さらに、本発明は、空気調和装置などの冷凍サイクル中に設けたサイトグラス中に１組または複数組みの電極を有するキャパシタを冷媒に接触させて配置し、このキャパシタの静電容量が冷媒の気体と液体の存在割合に応じて変化することを利用して冷媒の状態を連続的な電気信号の変化として検出するようにした。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、空気調和装置の冷媒量不足検出装置の原理について説明する。この検出装置は、キャパシタの２枚の電極を所定の間隔を持って対向配置し、冷媒の液面に対して電極が垂直方向に置かれるようにキャパシタを配置したもので、対向する２電極間に存在する冷媒の量によって実質的な電極面積が変化することを利用した装置である。
【００１５】
この原理を、図１および図２を用いて説明する。図１は、このキャパシタの原理的構成を示す図であり、図２は、キャパシタ間の液量と静電容量の関係を示す特性曲線図である。
図１において、面積Ａの２枚の電極をｄの間隔を持って対向配置したキャパシタにおいて、電極間に比誘電率εＧの気体が存在するときの静電容量ＣＧは、真空中の誘電率をε０とすると、下記（１）式で表現される。
【００１６】
【数１】
ここで、電極間に比誘電率εＬの液体が存在する場合を想定すると、電極間が全て液体で満たされたときの静電容量ＣＬは、上記（１）式から下記（２）式で表わされる。同様に、電極間の１／２に液体が存在し１／２が気体の場合の静電容量ＣＧＬは、下記（３）式で表される。
【００１７】
【数２】
このように、電極間の液体と気体の存在割と静電容量との間には、図２に示すの関係が成り立つ。すなわち、電極間の液体の高さをｈとすると、電極間が液体で満たされたとき（液満）の静電容量ＣＬから電極間に液体が存在しないとき（液量０）のときの静電容量ＣＧの間で、液体の量ｈに逆比例して静電容量は連続的に変化する。したがって、この原理を用いた検出手段を採用することによって、連続的な電気信号で液量（冷媒の量・液バック量）を検出することができる。
【００１８】
次いで、本発明に係る空気調和装置の冷媒の希釈度，ボイド率検出装置の原理について説明する。この検出装置は、キャパシタの２枚の電極を所定の間隔を持って対向配置し、この電極の間を冷媒が流れるように配置したもので、対向する２電極間に存在する冷媒中への気体や油などの混合割合によって誘電率が変化することを利用した装置である。
【００１９】
この原理を、図３および図４を用いて説明する。図３は、このキャパシタの原理的構成を示す図であり、図４は、キャパシタ間にある冷媒中への気体の混合割合率（ボイド率）と静電容量の関係を示す特性曲線図である。
図３において、面積Ａの２枚の電極をｄの間隔を持って対向配置したキャパシタにおいて、電極間に比誘電率ε１の第１の媒体が存在するときの静電容量Ｃ１は、真空中の誘電率をε０とすると、下記（４）式で表現される。
【００２０】
【数３】
ここで、電極間に比誘電率ε２の第２の媒体が存在する場合を想定すると、電極間が全て第２の媒体で満たされたときの静電容量Ｃ２は、前記（４）式を用いて下記（５）式で表わされる。同様に、電極間の液体中に第１の媒体が１／２存在する場合の静電容量Ｃ０５は、下記（６）式で表される。
【００２１】
【数４】
このように、電極間の第１の媒体と第２の媒体の存在割と静電容量との間には、図４に示すの関係が成り立つ。すなわち、電極間が第２の媒体で満たされたとき（液満）の静電容量Ｃ２から電極間が第１の媒体で満たされたときの静電容量Ｃ１の間で、第２の媒体の量比例して静電容量は連続的に変化する。したがって、この原理を用いた検出手段を採用することによって、連続的な電気信号で第１の媒体と第２の媒体の比率、すなわち、希釈度，ボイド率を検出することができる。
本発明のセンサを使用して希釈度を測定する方法としては、▲１▼圧縮機への液戻り量と希釈度との間に一定の相関関係があることに着目して圧縮機の吸い込み口近傍の配管に本センサをとりつけ、検出した液戻り量を演算して希釈度をもとめる方法（特開平５−８７４２８号公報）、▲２▼圧縮機内に本センサを取付け潤滑油中の冷媒量を直接測定する方法などがある。
【００２２】
【実施例】
以下、本出願の第１の発明の第１の実施例を説明する。図５は、本発明に係る液量検出手段を空気調和装置の冷凍サイクル中に設けられたアキュムレータに用いた実施例を示す。空気調和装置のアキュムレータ８は、液体が混合している気体状冷媒を受け入れる冷媒入口配管８２と、気体状の冷媒のみを取り出す冷媒出口配管８３とが設けられた冷媒容器８１と、冷媒出口配管８３から送り出す冷媒を乾燥した冷媒とする乾燥剤層８４とから構成されている。このアキュムレータ８の内部に、本発明に係る液量検出素子１０が挿入されている、この検出素子１０は、容器８１の底部近傍から立ち上げられた、平行して対向する２枚の電極板１１ａ，１１ｂから構成される。各電極は、容器の底部に向けられた絶縁シールを介して外部に引き出され、検出回路２０に接続される。この検出信号は制御回路７０に入力されて、冷凍サイクルの運転制御に使用される。容器８１内の冷媒液量が所定の値例えば上限値を上回るかまたは下限値を下回ったことを検出手段の出力を監視することによって検出する。
【００２３】
次に、本出願の第１の発明の第２の実施例を説明する。図６は、本発明に係る液量検出手段を空気調和装置の冷凍サイクル中に設けられたレシーバタンクに用いた実施例を示す。空気調和装置のレシーバタンク４は、気体が混合している液状冷媒を受け入れる冷媒入口配管４２と、液体の冷媒のみを取り出す容器の底部付近にまで延びる冷媒出口配管４３とが設けられた冷媒容器４１と、冷媒入口配管４２から取り入れられる冷媒中の水分を取り除き乾燥した冷媒とする乾燥剤層４４とから構成されている。このレシーバタンク４の内部に、本発明に係る液量検出素子１０が挿入されている、この検出素子１０は、容器４１の底部近傍から立ち上げられた、平行して対向する２枚の電極板１１ａ，１１ｂから構成される。各電極は、容器の底部に向けられた絶縁シールを介して外部に引き出され、検出回路２０に接続される。この検出信号は制御回路２１に入力されて、冷凍サイクルの運転制御に使用される。容器４１内の冷媒液量が所定の値例えば下限値を下回ったことを検出手段の出力を監視することによって検出する。
【００２４】
本出願の第１の発明の第３の実施例を説明する。図７は、本発明に係る第２の態様の液量検出手段を空気調和装置の冷媒循環系中に設けられたレシーバタンクに用いた例を示す。空気調和装置のレシーバタンク４は、気体が混合している液状冷媒を受け入れる冷媒入口配管４２と、液体の冷媒のみを取り出す容器の底部付近にまで延びる冷媒出口配管４３とが設けられた冷媒容器４１と、冷媒入口配管４２から取り入れられる冷媒中の水分を取り除き乾燥した冷媒とする乾燥剤層４４とから構成されている。このレシーバタンク４の内部に、本発明に係る第２の態様の液量検出素子１０が挿入されている、この検出素子１０は、容器４１の底部近傍に設けられ、平行して対向する複数枚の電極板１１ａ，１１ｂ群から構成される。各電極群は、容器の底部に向けられた絶縁シールを介して外部に引き出され、検出回路２０に接続される。この検出信号は制御回路７０に入力されて、冷凍サイクルの運転制御に使用される。容器４１内の冷媒液量が所定の値例えば下限値を下回ったことを検出手段の出力を監視することによって検出する。
【００２５】
図８に、本出願の第２の発明の実施例を説明する。この発明は、冷媒循環回路中の液状体の冷媒の状態（量およびボイド率など）を監視する冷媒状態検出装置に関する。冷媒状態検出装置は、例えばレシーバタンク４の出口４３と膨張弁６との間に配置され、液状冷媒の液の状態を監視するものである。この冷媒状態検出装置の冷媒状態検出手段５０を、従来のサイトグラス５に併設することができる。冷媒液状態検出手段５０は、電極手段６０と、検出回路２０から構成されている。電極手段６０を収容したブロック本体５１には、取り付け用継ぎ手５２ａ，５２ｂがろう付け等によって結合されており、公知のジョイントを用いて配管９の途中に接続されている。ブロック本体５１には、上部開口に監視用のガラス５３が設けられており、内部には電極手段６０を収容するための空間５４が設けられるとともに、下部開口には、電極手段を固定したホルダ５５がＯリングなどを介して密着固定されている。
【００２６】
電極手段６０は、平らな円板状の２組の電極６１ａ，６１ｂを小間隙を置いて層状に積層されたもので、各電極６１ａ，６１ｂ間にキャパシタを構成している。電極６１は、図９に示すように円周上の中心を介して対向する２ヵ所に切欠部６２ａ，６２ｂを有している。電極６１の切欠部６２ａの幅は切欠き部６２ｂの幅より狭く、かつ、切欠部６２ａの奥行は切欠き部６２ｂの奥行より浅く構成されている。複数の電極６１ａは、絶縁性基板６５に支持固定された支持管６３ａに設けた切込みに狭い切欠部６２ａが挿入されて支持固定されて電極群を構成している。他方の複数の電極６１ｂは、絶縁性基板６５に支持固定された支持管６３ｂに設けた切込みに狭い切欠部６２ａが挿入されて支持固定されて電極群を構成している。支持管６３の内部にはモールド部６６を貫通して外部に引き出されている電極柱６３が挿入されている。それぞれの電極群は、それぞれの電極の切欠部６２ｂが相手側電極群の支持管６３を接触せずに包囲するように所定の間隙を保持して互いに差し込まれてキャパシタからなる検知手段を構成している。
【００２７】
次に、検出回路２０の動作原理を図１０を用いて説明する。検出回路２０は、固定容量キャパシタＣＡ２１と、抵抗２２とダイオード２３の並列接続体および前述の本発明の検出手段で構成された可変容量キャパシタＣＢ１０と第２の固定容量キャパシタ２４とが並列に接続された並列体との直列接続体と、電圧比較器（コンパレータ）２５と、記憶手段２６と、積分器２７と、バッファアンプとして働くオペアンプ２８と、タイミング信号発生器２９と、参照電圧３０から構成される。
前記固定容量キャパシタＣＡ２１は、切替スイッチＳＷを介して電源間に接続されている。抵抗２２とダイオード２３の並列接続体と、可変容量キャパシタＣＢ１０および第２の固定容量キャパシタ２４の並列接続体との直列接続体は、抵抗２２とダイオード２３の並列体に直列に接続されて、スイッチＳＷを介して固定容量キャパシタＣＡ２１に接続されている。
【００２８】
コンパレータ２５の−入力には、可変容量キャパシタＣＢ１０の両端子間電圧ＶＢがダイオード２３を介して入力され、＋入力にはあらかじめ定められた参照電圧ＶＲ３０が入力されている。このコンパレータ２５は、可変容量キャバシタＣＢ１０の両端子電圧ＶＢを予め定められた参照電圧ＶＲと比較し、可変容量キャパシタＣＢ１０の両端電圧ＶＢが参照電圧ＶＲを越えると出力ＶＣは高電位ＶＨを出力し、可変容量キャパシタＣＢ１０の両端電圧ＶＢが参照電圧ＶＲに満たないときは低電位ＶＬを出力する。コンパレータ２５の出力ＶＣは、タイミング信号発生器２９からのクロックパルス信号ＳＰに同期して記憶手段２６に記憶される。この記憶手段２６の出力ＶＤは積分回路２７に供給され積分される。
【００２９】
積分回路２７の出力は、積分回路２７の出力電圧の信号源インピーダンスを低下させるためのオペアンプ１３に供給され、このオペアンプ１３を通して得られる出力電圧ＶＯは固定容量キャパシタＣＡ２１の端子に帰還されると共に、出力端子ｔＯに加えられる。タイミング信号発生器２９は、例えばヒステリシス入力インバータに帰還抵抗ＲＨと入力電圧保持キャパシタＣＨとを接続してなるヒステリシス型発信器から構成されている。
【００３０】
なお、上記の例では、コンパレータ２５にスレッシュホールド電圧ＶＲを直流電源より与えるようにしたが、ほぼ一定のスレッシュホールドレベルを有するロジックＩＣをコンパレータとして用いるようにしてもよい。
【００３１】
この回路の動作を説明する。通常の動作では、まず、切替スイッチＳＷをＸ−Ｃ側に閉じると、固定容量キャパシタＣＡ２１は、オペアンプ２８の出力ＶＯで充電され、キャパシタＣＡ２１の電圧ＶＡは、オペアンプ２８の出力ＶＯに等しくなる（状態１）。次いで、切替スイッチＳＷをＹ−Ｃ側に閉じると、固定容量キャパシタＣＡ２１の電荷が抵抗２２を介して可変容量キャパシタＣＢ１０およびキャパシタ２４に分化されて平衡状態になる（状態２）。
所定時間経過後前述の状態１に戻るとき、可変容量キャパシタＣＢ１０の充電電圧ＶＢがコンパレータ２５へ読み込まれ、可変容量キャパシタＣＢ１０の電圧ＶＢがコンパレータ２５で参照電圧ＶＲと比較され、可変容量キャパシタＣＢ１０の電圧ＶＢが参照電圧ＶＲを超えたときは、コンパレータ２５の出力電圧ＶＣは高電位Ｖｈとなり、可変容量キャパシタＣＢ１０の電圧ＶＢが参照電圧ＶＲを超えないときは、コンパレータ２５の出力電圧ＶＣは低電位Ｖｌとなる。
コンパレータ２５の出力ＶＣは、タイミング信号発生器２９からのクロックパルス信号ＳＰに同期してフリップフロップ２６に記憶される。このフリップフロップ２６の出力は、積分回路２７を通して電圧に変換される。
【００３２】
積分回路２７の出力は、積分回路２７の出力電圧の信号源インピーダンスを低下させるためのオペアンプ２８に供給され、このオペアンプ２８を通して得られる出力電圧ＶＯは固定容量キャパシタＣＡ２１の端子に帰還される。
このようにして、オペアンプ１３の出力電圧ＶＯは、可変容量可変容量キャパシタＣＢ１０の容量に比例した出力電圧として得ることができる。
【００３３】
すなわち、このフィードバック回路は、可変容量キャパシタＣＢ１０の容量が小さいとき、すなわちセンサ内の流量が少ないときには、可変容量キャパシタＣＢ１０の充電電圧ＶＢは低くなるので積分回路２７の出力が小となり、オペアンプ２８の出力は大となって固定容量キャパシタＣＡ２１へフィードバックされる。
また、可変容量キャパシタＣＢ１０の容量が大きいとき、すなわちセンサ内の流量が多いときには、可変容量キャパシタＣＢ１０の充電電圧ＶＢは高くなるので積分回路２７の出力が大となり、オペアンプ２８の出力は小となって固定容量キャパシタＣＡ２１へフィードバックされる。
【００３４】
ここで、冷媒として低い電気抵抗を有する材料を用いた場合について並列キャパシタ２４の働きを説明する。このような低抵抗の冷媒を用いると、センサとしての可変容量キャパシタＣＢ１０は、電極間にバイパス抵抗を並列に接続した形に相当する。初めに、可変容量キャパシタＣＢ１０に並列に第２の固定容量キャパシタ２４が接続されていない場合についてその動作を説明する。まず、切替スイッチＳＷがＸ−Ｃ側に閉じられると、固定容量キャパシタＣＡ２１は、オペアンプ２８の出力ＶＯで充電され、固定容量キャパシタＣＡ２１の電圧ＶＡは、オペアンプ２８の出力ＶＯに等しくなる。次いで、切替スイッチＳＷがＹ−Ｃ側に閉じられると、固定容量キャパシタＣＡ２１の電荷が抵抗２２を介して可変容量キャパシタＣＢ１０に分化されて平衡状態になる。このとき、可変容量キャパシタＣＢ１０は低抵抗でバイパスされているので、可変容量キャパシタＣＢ１０の電圧はＶＢ低い電圧で平衡状態になる。
【００３５】
このときの可変容量キャパシタＣＢ１０の電圧ＶＢがコンパレータ２５で参照電圧ＶＲと比較されるので、可変容量キャパシタＣＢ１０の電圧ＶＢは参照電圧ＶＲを超えず、コンパレータ２５の出力は低電位でありフリップフロップ２６の出力は０となる。このフリップフロップ２６の出力は、積分回路２７を通して電圧に変換され、オペアンプ２８を介して、固定容量キャパシタＣＡ２１へフィードバックされる。
【００３６】
このフィードバックは、可変容量キャパシタＣＢ１０の容量が小さいとき、すなわちセンサ内の流体の量が少ないとき、積分回路２７の出力は過敏に反応してオペアンプ２８の出力ＶＯを大きくするように働く。
【００３７】
その一方、オペアンプ２８の出力ＶＯが大きくなっても、可変容量キャパシタＣＢ１０のバイパスが大きいことから参照電圧ＶＲより低い電圧で平衡状態になる。これを繰り返すことから、オペアンプ２８の出力ＶＯは、オーバーフローの状態となって、センサ部の液量が変化しても出力電圧が変化しなくなる。このことはセンサとしての機能を充分に発揮できないことになる。
【００３８】
そこで、本発明は、センサの可変容量キャパシタＣＢ１０に並列に第２の固定容量キャパシタ２４を接続した。この場合について、その動作を説明する。ここで、第２の固定容量キャパシタ２４の容量は可変容量キャパシタＣＢ１０の最大容量のおよそ１．５倍に設定することが望ましい。
まず、切替スイッチＳＷがＸ−Ｃ側に閉じられると、固定容量キャパシタＣＡ２１は、オペアンプ２８の出力ＶＯで充電され、固定容量キャパシタＣＡ２１の電圧ＶＡは、オペアンプ２８の出力ＶＯに等しくなる。次いで、切替スイッチＳＷがＹ−Ｃ側に閉じられると、固定容量キャパシタＣＡ２１の電荷が抵抗２２を介して可変容量キャパシタＣＢ１０およびキャパシタ２４に分化されて平衡状態になる。
可変容量キャパシタＣＢ１０は低抵抗でバイパスされているが、第２の固定容量キャパシタ２４に充電されていた電荷も放電されるので、可変容量キャパシタＣＢ１０は前述の状態よりは高い電圧で平衡状態になる。この時の電圧ＶＢがコンパレータ２５で参照電圧ＶＲと比較され、電圧ＶＢが参照電圧ＶＲより小さいと低電位が出力され、大きいと高電位が出力される。これがフリップフロップ２６を介して、積分回路２７で電圧に変換され、オペアンプ２８を介してフィードバックされる。
【００３９】
このフィードバックは、前述のように第２の固定容量キャパシタ２４が接続されていないときに比較して改善され、オペアンプ２８の出力ＶＯはオーバーフロー状態とはならず、センサ部の液量に比例出力電圧が変化するようになる。
この場合、直列抵抗２２は、電流制限とともに回路インピーダンスのマッチングの役目をもはたしている。
【００４０】
以上は、検出回路２０の基本的な構成であるが、実使用に際してはキャパシタとして端子間の漏洩抵抗の影響を全く無視できるキャパシタ構体を得ることは現実的に困難である。このため、直列接続されたキャパシタに対して印加電圧の変動がなかったり、または遅いとき、直列キャパシタの電位分布は結局端子間の漏洩抵抗の分布比率に支配されてしまうことになる。そこで、直列キャパシタの電位分布の検出は早い周期でリフレッシュしつつ行なうことが実用的である。
【００４１】
図１１は、かかる点を考慮した本発明による検出回路２０の一実施例を示す回路構成図である。図１１において、図１０と同一部品に対しては同一符号を付してその説明を省略し、ここでは直列接続された固定容量キャパシタＣＡ２１と可変容量キャパシタＣＢ１０に対して早い周期でリフレッシュを行なうための回路を中心に述べる。すなわち、本実施例ではクロックパルス発振器２９から出力されるクロック発振出力信号ＳＰをクロックパルス分配器３１に与え、このクロックパルス分配器３１で分配されたパルス信号により電子スイッチ回路３２を切替制御して、オペアンプ２８の出力電圧ＶＯによって固定容量キャパシタＣＡ２１を充電する充電回路と可変容量キャパシタＣＢ１０および第２の固定容量キャパシタ２４の電荷をダイオード２３を介して放電を行なう放電回路を形成し、次いで、固定容量キャパシタＣＡ２１の電荷によって、可変容量キャパシタＣＢ１０および第２の固定容量キャパシタ２４を抵抗２２を介して充電する充電回路を形成し、この充放電回路を交互に形成して固定容量直列キャパシタＣＡ２１および可変容量キャパシタＣＢ１０ならびに第２の固定容量キャパシタ２４をリフレッシュしながら電位分布の検出を行なうようにしたものである。
【００４２】
ここで、クロックパルス分配器３１は、クロックパルス発振器２９から出力されるクロックパルス信号ＳＰを遅延回路を通してインバータに与えることによって、反転した遅延信号３１ｂを得るとともに、クロックパルス信号ＳＰと反転遅延信号３１ｂをＮＡＮＤ回路を通して得た信号３１ｃとその反転信号３１ｄを得るものである。電子スイッチ回路３２は、パルス分配器３１から出力されるパルスにより開閉制御される４個の電子スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４を直列に接続したもので、電子スイッチＳ１とＳ２は直列に接続され、電子スイッチＳ１の一端がオペアンプ２８の出力端に接続され、電子スイッチＳ２の他端が固定容量キャパシタ２１に接続されている。さらに、電子スイッチＳ２とＳ３は直列に接続され、その接続端が固定容量キャパシタ２１に接続されている。電子スイッチＳ３およびＳ４の接続端は可変容量キャパシタＣＢ１０およびコンパレータ２５の入力端に接続されている。また電子スイッチＳ４の他端は接地されている。
上記容量回路は、積分器２７からの充電および積分器２７への放電を通して電荷の出し入れを行い、可変容量キャパシタの静電容量に見合う端子電圧が一義的に定まる。
【００４３】
以上の例では、トランスジューサとして作動する可変容量のキャパシタと基準として固定容量のキャパシタを用いてトランスジューサの容量変化に比例した出力電圧を得る場合について述べたが、用途によってはトランスジューサの容量変化に反比例した出力電圧を得たい場合がある。
図１２はかかる用途に適用する場合の本発明の他の実施例を示すもので、図１１と同一部分には同一信号を付してその説明を省略し、ここでは異なる点についてのみ述べる。
本実施例ではクロックパルス発振器２９から出力されるクロック発振出力信号ＳＰをクロックパルス分配器３３に与え、このクロックパルス分配器３３で分配されたパルス信号により電子スイッチ回路３４を切替制御してそれぞれの一端が電源の一端に共通接続された２個のキャパシタの他端を次のような形態に切替接続するようにしたものである。
すなわち、オペアンプ２８の出力電圧により一方の固定容量キャパシタＣＡ２１を充電する充電回路と、この充電された固定容量キャパシタＣＡ２１をオペアンプ２８の出力端側から切り離すと共に固定容量キャパシタＣＡ２１から可変容量可変容量キャパシタＣＢ１０へ電荷を移動させる並列接続回路と、これら固定容量キャパシタＣＡ２１および可変容量可変容量キャパシタＣＢ１０の充電電荷を放電させる放電回路の何れかに切替えられるようにしたものである。
【００４４】
ここで、クロックパルス分配器３３は、クロックパルス発振器２９から出力されるクロックパルス信号ＳＰをフリップフロップ回路に与えて出力信号３３ａを得るとともに、このフリップフロップ回路の反転出力とクロックパルス信号ＳＰを遅延回路により遅延させた信号とをＡＮＤ回路を通して得た信号３３ｂとこの信号３３ｂをさらに遅延回路により遅延させた信号３３ｃを得るものである。電子スイッチ回路３４はパルス分配器３３から出力されるパルスにより開閉制御される３個の電子スイッチＳ５，Ｓ６，Ｓ７を直列に接続したもので、電子スイッチＳ５の一端はオペアンプ２８の出力端に接続され、電子スイッチＳ７の一端はキャパシタＣＡ２１および可変容量キャパシタＣＢ１０のそれぞれの一端に接続されると共に電源の一端に接続され、電子スイッチＳ６とＳ７の接続間にはコンパレータ２５の入力端が接続されている。
【００４５】
以上の構成とすることによって、本発明は、誘電率の変化もしくは、誘電体の量の変化によって変化する可変容量キャパシタの容量の変化を連続した電気信号量としてとりだすことができる。
【００４６】
【発明の効果】
以上の説明からも明らかな様に、本発明の、冷媒量不足検出装置は、アキュ−ムレ−タ又はレシ−バタンク内に１組又は複数組の小間隙を有する電極を設置するだけでガス状態と液状態の割合に比例し、且つサ−ジによる誤動作を防止した連続的な電気信号が得られる。
【００４７】
さらに、本発明によれば、可動部分がなく、連続出力を得ることができるので、任意の液面での流量を制御することが可能となる。また、本来、液化した冷媒を貯える役目のレシ−バタンクや気液分離の役目のアキュ−ムレ−タに液冷媒検知器を設けたことによりサ−ジによる誤動作を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る冷媒量不足検出装置の原理を説明する図。
【図２】本発明に係る冷媒量検不足出装置の特性を説明する図。
【図３】本発明に係る冷媒状態検出装置の原理を説明する図。
【図４】本発明に係る冷媒状態検出装置の特性を説明する図。
【図５】本発明に係る冷媒量不足検出手段をアキュムレータに備えた例の構成を説明する概略図。
【図６】本発明に係る冷媒量不足検出手段をレシーバタンクに備えた例の構成を説明する概略図。
【図７】本発明に係る冷媒量不足検出手段をレシーバタンクに備えた他の例の構成を説明する概略図。
【図８】本発明に係る冷媒状態検出手段をサイトグラスに備えた例の構成を説明する概念図。
【図９】図８に示した冷媒状態検出手段の電極の形状を示す図。
【図１０】本発明に用いる検出回路の原理を説明する回路図。
【図１１】本発明に用いる検出回路の具体的構成の例を示す回路図。
【図１２】本発明に用いる検出回路の具体的構成の他の例を示す回路図。
【図１３】空気調和装置の冷凍サイクルを説明する概念図。
【符号の説明】
１ 冷媒循環路
２ 圧縮器
３ 凝縮器
４ レシーバタンク
５ サイトグラス
６ 膨張弁
７ 蒸発器
８ アキュムレータ
９ 配管
１０ 液量検出手段（可変容量キャパシタ）
１１ 電極
２０ 検出回路
２１ 固定容量キャパシタ
２２ 抵抗
２３ ダイオード
２４ 第２のキャパシタ
２５ コンパレータ
２６ 記憶手段
２７ 積分器、
２８ オペンプ、
２９ クロックパルス発振回路
３０ 参照電圧
３１，３３ パルス分配回路
３２，３４ スイッチ回路
４１ レシーバ容器
４２，８２ 冷媒入口
４３，８３ 冷媒液出口
４４，８４ 乾燥剤
４５，８５ 容器蓋
５０ 冷媒状態検出手段
５１ ブロック本体
５２ 取付用配管
５３ ガラス
５４ 検出手段収納空間
５５ ホルダ
６０ 電極手段
６１ 電極
６２ 切欠部
６３ 支持管
６４ 電極柱
６５ 基板
７０ 制御回路
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気調和装置等の冷媒量検出装置および冷媒循環路中の冷媒の状態を検出する冷媒状態検出装置に関する。さらに詳細には、空気調和装置等における冷媒循環路中の液バック量・冷媒の不足状態等の冷媒量を検出する冷媒量検出装置および空気調和装置の冷媒循環路中のボイド率・膨張弁，電動弁，キャピラリ等断熱膨張機器入り口側の液状態などの冷媒の状態を検出するために冷媒循環路中に設けるサイトグラスの働きを電気的に行うようにした冷媒状態検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用冷房装置などの空気調和装置などでは、図１３に示すように、冷媒を圧縮する圧縮機２と、圧縮機により圧縮された高温・高圧のガスを冷却して液化する凝縮器３と、液化した冷媒を貯え気泡を分離するとともに水分やほこりを除去するレシーバタンク４と、液冷媒の液状態を確認するサイトグラス５と、液冷媒を断熱膨張させ低温・低圧の状態にする膨張弁などの断熱膨張器６と、室内空気を熱交換する蒸発器７と、アキュムレータ８を冷媒配管９で連結した循環路１に冷媒を封入した冷凍サイクルが用いられている。このような冷凍サイクルでは、液バック量・ボイド率・冷凍機油に溶け込んだ冷媒量（希釈度）・レシーバタンクやアキュムレータに挿入したドライアの乾燥剤の吸湿状態・膨張弁，電動弁，キャピラリ等の断熱膨張器の入り口側の液の状態など冷凍サイクル中の冷媒の状態を検出して、冷媒洩れによる冷却能力の低下や圧縮機のガス漏れによる焼付けなどの装置の損傷を防止することが行われている。
【０００３】
ここで、液バック量について説明する。冷凍サイクルにおいて、▲１▼冷凍負荷に対して膨張弁の開度が大きい場合、▲２▼冷媒量が過多の場合、▲３▼冷凍負荷の変動が大きく急に負荷が減少した場合、▲４▼膨張弁の追従が悪い場合などには、冷却負荷に対して冷媒の流れ込む量が多くなり、冷媒は十分蒸発し切れず、圧縮機２には気体状の冷媒に液状の冷媒を含んだ冷媒が戻ってくるようになる。このような冷媒が圧縮機２に供給されると、正常な運転では霜が付かない圧縮機２であっても吸い込み口付近で蒸発が起こるので、空気中の水分が露結して霜が付いたりシリンダが冷たくなることがある。その他、▲５▼通常は膨張弁６の手前に電磁弁をいれて運転の停止前にあらかじめ電磁弁を閉じ、低圧部の冷媒を回収して液状の冷媒が蒸発器内に留まらないようにポンプダウン処理を行っているが、冷凍サイクルによってはこのような電磁弁を設けない場合がある。この場合は、圧縮機２が停止すると蒸発器７内は圧力が低くかつ低温であるので、液状の冷媒が流入したり気体状の冷媒が液化したりして、次の始動時に液状の冷媒が一度に圧縮機２に吸い込まれるおそれがある。
【０００４】
このような液状の冷媒が戻ってくる液戻り量が多くなると、この液が圧縮機２の吸込弁や吐出弁をたたくこととなって、さらに液を圧縮することとなる。この場合、液は圧縮されてもその体積はほとんど変わらないので、圧縮機２の運転をそのまま続けると圧縮機２の動作に支障を招くおそれがある。
さらには、冷凍能力が残っている冷媒を圧縮機に返すのであるからそれだけ冷凍能力が無駄になることとなる。
以上のような、圧縮機２に液状の冷媒が戻ってくる現象を液バックと呼んでいる。このような液バック現象の発生を防ぐために、蒸発器７の出口と圧縮機２の吸込口を連絡する吸込管に液分離器（アキュムレータ）８を設けることが行われている。この場合、圧縮機に戻ってくる冷媒中に液量が含まれていることを検出する液バックセンサをアキュムレータに設けることが行われている。
【０００５】
次に、希釈度について説明する。圧縮機２内部では高速回転および摺動を繰り返していることから潤滑油が不可欠である。潤滑油の役割は、摺動部の隙間に供給され、油膜をつくって金属どうしの接触を避け、円滑な摺動と金属の摩耗を防ぐこと、摺動面の摩擦によって生じる発熱を冷却すること、および、シャフトシール部やピストンリングなど気密が必要な摺動面では、シール作用をすることなどである。
冷凍サイクルにおいては、潤滑油と冷媒は同一サイクル内に混在していることから、潤滑油中の冷媒が溶解することを免れることはできない。冷媒と潤滑油の溶解性は冷媒の種類によって異なり、溶解性の大きい冷媒では圧縮機２から吐出しガスと一緒に排出されやすい。さらに冷媒が溶解した潤滑油は、その粘性が低下するのでシール性や潤滑性に影響を与えることとなる。
したがって、潤滑油中に含まれる冷媒量を把握しておくことが必要となる。この潤滑油中に含まれる冷媒量を希釈度と定義する。希釈度はできるだけ低く保っておくことが必要である。
圧縮機の潤滑油の希釈度を測定する方法としては、従来、▲１▼圧縮機内の潤滑油を抜き取る方法、▲２▼希釈度を潤滑油の冷媒溶解特性から求める方法などがある。
【０００６】
次いで、ボイド率に付いて説明する。冷凍サイクルにおいて効率よく冷却するためには、液冷媒が過冷却の状態で膨張弁またはキャピラリに到達することが必要である。冷媒量の充填量が不足している場合や、冷媒の洩れによって冷媒量が不足した場合、凝縮器３と膨張弁６を結ぶ液配管内９にフラッシュガスが発生する。液配管内にフラッシュガスが存在すると膨張弁６を通る冷媒流量は減少し、冷却能力が減少する。この液冷媒に対するフラッシュガスの割合をボイド率と呼ぶ。冷媒の循環路中では、ボイド率も低く保っておくことが必要となる。
【０００７】
従来、空気調和装置の冷媒循環路中の冷媒の不足を検出する方法としては、冷凍サイクルの高圧側配管に透明ガラス部を備えたサイトグラス５を設け目視によって、冷媒がガス状態であるか液満状態であるかを確認する方法や、冷凍サイクルの高圧側に、高圧側圧力が設定値以下に低下すると開放状態となる圧力スイッチを設置し、冷媒不足検出器とする方法が一般に用いられている。
ところが、これらの冷媒不足検出方式のうち、前者は、目視による確認を行うことから、冷媒の状態を常時監視することができず、しかも冷媒の状態を電気信号として取り出すことができないので、ガス状態と液状態の割合を数値的に表すことができなかった。また、後者は、圧力スイッチのＯＮ又はＯＦＦによってガス状態か液満状態かを判別するのであり、連続的な電気信号の変化として取り出すことが困難であった。
【０００８】
さらに最近は、特定フロンの使用廃止に伴い、代替冷媒が使用されるようになってきたが、これら代替冷媒を混合して用いるいわゆる混合冷媒については、その特性の解明が充分でないとともに非共沸の冷媒を混合している場合もあることから、配管内の冷媒の状態を検知するセンサが求められるようになってきた。
【０００９】
このような冷凍サイクル中の冷媒の状態を電気的に検出する方法として、特公昭６３−２６８５６号公報には、下記のような冷媒量を電気的に検出する冷媒量検出方法が示されている。すなわち、この方法は、冷媒が気体であるか液体であるかの状態、もしくは、電極間の液体の量の状態に応じて電極間の誘電率が変化することを利用して、複数の電極間に冷媒を介在させることによって可変容量キャパシタを構成し、該キャパシタの電極を冷凍サイクル中に対抗させて設置し、このキャパシタと抵抗容量型発振回路と周波数−電圧変換回路を用いて検出装置を構成し、冷媒量を電圧として電気的に検出する冷媒量検出方法が提案されている。しかしながら、このような誘電率の変化に応答する形式の冷媒量状態出手段と抵抗容量型発信回路の組み合わせにおいては、冷媒量の変化に対する周波数の変化が小さいので、そのため誘電率検出手段としてのキャパシタの電極の形状を大型化したり複雑な構造でかつ精度を必要とする部品で組み立てることが必要となり、冷媒状態検出装置全体の価格が高価となってしまうなどの問題点があった。
【００１０】
一方、前述の特公昭６３−２６８５６号公報や特公平６−７８９１３号公報には、容量−電圧変換回路についても種々の回路が開示されているが、冷媒検出装置を通過する冷媒の直流抵抗分が高い場合に比較して、代替冷媒や水等の流体を用いた場合のように冷媒の直流抵抗分が低い場合、即ち導電性がある場合は、キャパシタへの充電電流が冷媒にバイパスされてしまうことから、正確に測定し難いなどの問題点があった。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点を解消し、小型で精度がよく製造が容易で実用的な冷媒量検出装置を安価に提供することを目的とするものである。
さらに、本発明は、ガス状態と液状態の割合に比例した連続的な電気信号を出力して、十分な精度を有する冷媒状態検出装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、空気調和装置などの冷凍サイクル中のアキュ−ムレ−タまたはレシ−バタンク内に複数の電極を有するキャパシタを冷媒に浸して備え、このキャパシタの静電容量が冷媒の量に応じて変化することを利用して、冷媒量を連続的な電気信号の変化として検出するようにした。
【００１３】
さらに、本発明は、空気調和装置などの冷凍サイクル中に設けたサイトグラス中に１組または複数組みの電極を有するキャパシタを冷媒に接触させて配置し、このキャパシタの静電容量が冷媒の気体と液体の存在割合に応じて変化することを利用して冷媒の状態を連続的な電気信号の変化として検出するようにした。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、空気調和装置の冷媒量不足検出装置の原理について説明する。この検出装置は、キャパシタの２枚の電極を所定の間隔を持って対向配置し、冷媒の液面に対して電極が垂直方向に置かれるようにキャパシタを配置したもので、対向する２電極間に存在する冷媒の量によって実質的な電極面積が変化することを利用した装置である。
【００１５】
この原理を、図１および図２を用いて説明する。図１は、このキャパシタの原理的構成を示す図であり、図２は、キャパシタ間の液量と静電容量の関係を示す特性曲線図である。
図１において、面積Ａの２枚の電極をｄの間隔を持って対向配置したキャパシタにおいて、電極間に比誘電率εＧの気体が存在するときの静電容量ＣＧは、真空中の誘電率をε０とすると、下記（１）式で表現される。
【００１６】
【数１】
【００１７】
【数２】
【００１８】
次いで、本発明に係る空気調和装置の冷媒の希釈度，ボイド率検出装置の原理について説明する。この検出装置は、キャパシタの２枚の電極を所定の間隔を持って対向配置し、この電極の間を冷媒が流れるように配置したもので、対向する２電極間に存在する冷媒中への気体や油などの混合割合によって誘電率が変化することを利用した装置である。
【００１９】
この原理を、図３および図４を用いて説明する。図３は、このキャパシタの原理的構成を示す図であり、図４は、キャパシタ間にある冷媒中への気体の混合割合率（ボイド率）と静電容量の関係を示す特性曲線図である。
図３において、面積Ａの２枚の電極をｄの間隔を持って対向配置したキャパシタにおいて、電極間に比誘電率ε１の第１の媒体が存在するときの静電容量Ｃ１は、真空中の誘電率をε０とすると、下記（４）式で表現される。
【００２０】
【数３】
【００２１】
【数４】
本発明のセンサを使用して希釈度を測定する方法としては、▲１▼圧縮機への液戻り量と希釈度との間に一定の相関関係があることに着目して圧縮機の吸い込み口近傍の配管に本センサをとりつけ、検出した液戻り量を演算して希釈度をもとめる方法（特開平５−８７４２８号公報）、▲２▼圧縮機内に本センサを取付け潤滑油中の冷媒量を直接測定する方法などがある。
【００２２】
【実施例】
以下、本出願の第１の発明の第１の実施例を説明する。図５は、本発明に係る液量検出手段を空気調和装置の冷凍サイクル中に設けられたアキュムレータに用いた実施例を示す。空気調和装置のアキュムレータ８は、液体が混合している気体状冷媒を受け入れる冷媒入口配管８２と、気体状の冷媒のみを取り出す冷媒出口配管８３とが設けられた冷媒容器８１と、冷媒出口配管８３から送り出す冷媒を乾燥した冷媒とする乾燥剤層８４とから構成されている。このアキュムレータ８の内部に、本発明に係る液量検出素子１０が挿入されている、この検出素子１０は、容器８１の底部近傍から立ち上げられた、平行して対向する２枚の電極板１１ａ，１１ｂから構成される。各電極は、容器の底部に向けられた絶縁シールを介して外部に引き出され、検出回路２０に接続される。この検出信号は制御回路７０に入力されて、冷凍サイクルの運転制御に使用される。容器８１内の冷媒液量が所定の値例えば上限値を上回るかまたは下限値を下回ったことを検出手段の出力を監視することによって検出する。
【００２３】
次に、本出願の第１の発明の第２の実施例を説明する。図６は、本発明に係る液量検出手段を空気調和装置の冷凍サイクル中に設けられたレシーバタンクに用いた実施例を示す。空気調和装置のレシーバタンク４は、気体が混合している液状冷媒を受け入れる冷媒入口配管４２と、液体の冷媒のみを取り出す容器の底部付近にまで延びる冷媒出口配管４３とが設けられた冷媒容器４１と、冷媒入口配管４２から取り入れられる冷媒中の水分を取り除き乾燥した冷媒とする乾燥剤層４４とから構成されている。このレシーバタンク４の内部に、本発明に係る液量検出素子１０が挿入されている、この検出素子１０は、容器４１の底部近傍から立ち上げられた、平行して対向する２枚の電極板１１ａ，１１ｂから構成される。各電極は、容器の底部に向けられた絶縁シールを介して外部に引き出され、検出回路２０に接続される。この検出信号は制御回路２１に入力されて、冷凍サイクルの運転制御に使用される。容器４１内の冷媒液量が所定の値例えば下限値を下回ったことを検出手段の出力を監視することによって検出する。
【００２４】
本出願の第１の発明の第３の実施例を説明する。図７は、本発明に係る第２の態様の液量検出手段を空気調和装置の冷媒循環系中に設けられたレシーバタンクに用いた例を示す。空気調和装置のレシーバタンク４は、気体が混合している液状冷媒を受け入れる冷媒入口配管４２と、液体の冷媒のみを取り出す容器の底部付近にまで延びる冷媒出口配管４３とが設けられた冷媒容器４１と、冷媒入口配管４２から取り入れられる冷媒中の水分を取り除き乾燥した冷媒とする乾燥剤層４４とから構成されている。このレシーバタンク４の内部に、本発明に係る第２の態様の液量検出素子１０が挿入されている、この検出素子１０は、容器４１の底部近傍に設けられ、平行して対向する複数枚の電極板１１ａ，１１ｂ群から構成される。各電極群は、容器の底部に向けられた絶縁シールを介して外部に引き出され、検出回路２０に接続される。この検出信号は制御回路７０に入力されて、冷凍サイクルの運転制御に使用される。容器４１内の冷媒液量が所定の値例えば下限値を下回ったことを検出手段の出力を監視することによって検出する。
【００２５】
図８に、本出願の第２の発明の実施例を説明する。この発明は、冷媒循環回路中の液状体の冷媒の状態（量およびボイド率など）を監視する冷媒状態検出装置に関する。冷媒状態検出装置は、例えばレシーバタンク４の出口４３と膨張弁６との間に配置され、液状冷媒の液の状態を監視するものである。この冷媒状態検出装置の冷媒状態検出手段５０を、従来のサイトグラス５に併設することができる。冷媒液状態検出手段５０は、電極手段６０と、検出回路２０から構成されている。電極手段６０を収容したブロック本体５１には、取り付け用継ぎ手５２ａ，５２ｂがろう付け等によって結合されており、公知のジョイントを用いて配管９の途中に接続されている。ブロック本体５１には、上部開口に監視用のガラス５３が設けられており、内部には電極手段６０を収容するための空間５４が設けられるとともに、下部開口には、電極手段を固定したホルダ５５がＯリングなどを介して密着固定されている。
【００２６】
電極手段６０は、平らな円板状の２組の電極６１ａ，６１ｂを小間隙を置いて層状に積層されたもので、各電極６１ａ，６１ｂ間にキャパシタを構成している。電極６１は、図９に示すように円周上の中心を介して対向する２ヵ所に切欠部６２ａ，６２ｂを有している。電極６１の切欠部６２ａの幅は切欠き部６２ｂの幅より狭く、かつ、切欠部６２ａの奥行は切欠き部６２ｂの奥行より浅く構成されている。複数の電極６１ａは、絶縁性基板６５に支持固定された支持管６３ａに設けた切込みに狭い切欠部６２ａが挿入されて支持固定されて電極群を構成している。他方の複数の電極６１ｂは、絶縁性基板６５に支持固定された支持管６３ｂに設けた切込みに狭い切欠部６２ａが挿入されて支持固定されて電極群を構成している。支持管６３の内部にはモールド部６６を貫通して外部に引き出されている電極柱６３が挿入されている。それぞれの電極群は、それぞれの電極の切欠部６２ｂが相手側電極群の支持管６３を接触せずに包囲するように所定の間隙を保持して互いに差し込まれてキャパシタからなる検知手段を構成している。
【００２７】
次に、検出回路２０の動作原理を図１０を用いて説明する。検出回路２０は、固定容量キャパシタＣＡ２１と、抵抗２２とダイオード２３の並列接続体および前述の本発明の検出手段で構成された可変容量キャパシタＣＢ１０と第２の固定容量キャパシタ２４とが並列に接続された並列体との直列接続体と、電圧比較器（コンパレータ）２５と、記憶手段２６と、積分器２７と、バッファアンプとして働くオペアンプ２８と、タイミング信号発生器２９と、参照電圧３０から構成される。
前記固定容量キャパシタＣＡ２１は、切替スイッチＳＷを介して電源間に接続されている。抵抗２２とダイオード２３の並列接続体と、可変容量キャパシタＣＢ１０および第２の固定容量キャパシタ２４の並列接続体との直列接続体は、抵抗２２とダイオード２３の並列体に直列に接続されて、スイッチＳＷを介して固定容量キャパシタＣＡ２１に接続されている。
【００２８】
コンパレータ２５の−入力には、可変容量キャパシタＣＢ１０の両端子間電圧ＶＢがダイオード２３を介して入力され、＋入力にはあらかじめ定められた参照電圧ＶＲ３０が入力されている。このコンパレータ２５は、可変容量キャバシタＣＢ１０の両端子電圧ＶＢを予め定められた参照電圧ＶＲと比較し、可変容量キャパシタＣＢ１０の両端電圧ＶＢが参照電圧ＶＲを越えると出力ＶＣは高電位ＶＨを出力し、可変容量キャパシタＣＢ１０の両端電圧ＶＢが参照電圧ＶＲに満たないときは低電位ＶＬを出力する。コンパレータ２５の出力ＶＣは、タイミング信号発生器２９からのクロックパルス信号ＳＰに同期して記憶手段２６に記憶される。この記憶手段２６の出力ＶＤは積分回路２７に供給され積分される。
【００２９】
積分回路２７の出力は、積分回路２７の出力電圧の信号源インピーダンスを低下させるためのオペアンプ１３に供給され、このオペアンプ１３を通して得られる出力電圧ＶＯは固定容量キャパシタＣＡ２１の端子に帰還されると共に、出力端子ｔＯに加えられる。タイミング信号発生器２９は、例えばヒステリシス入力インバータに帰還抵抗ＲＨと入力電圧保持キャパシタＣＨとを接続してなるヒステリシス型発信器から構成されている。
【００３０】
なお、上記の例では、コンパレータ２５にスレッシュホールド電圧ＶＲを直流電源より与えるようにしたが、ほぼ一定のスレッシュホールドレベルを有するロジックＩＣをコンパレータとして用いるようにしてもよい。
【００３１】
この回路の動作を説明する。通常の動作では、まず、切替スイッチＳＷをＸ−Ｃ側に閉じると、固定容量キャパシタＣＡ２１は、オペアンプ２８の出力ＶＯで充電され、キャパシタＣＡ２１の電圧ＶＡは、オペアンプ２８の出力ＶＯに等しくなる（状態１）。次いで、切替スイッチＳＷをＹ−Ｃ側に閉じると、固定容量キャパシタＣＡ２１の電荷が抵抗２２を介して可変容量キャパシタＣＢ１０およびキャパシタ２４に分化されて平衡状態になる（状態２）。
所定時間経過後前述の状態１に戻るとき、可変容量キャパシタＣＢ１０の充電電圧ＶＢがコンパレータ２５へ読み込まれ、可変容量キャパシタＣＢ１０の電圧ＶＢがコンパレータ２５で参照電圧ＶＲと比較され、可変容量キャパシタＣＢ１０の電圧ＶＢが参照電圧ＶＲを超えたときは、コンパレータ２５の出力電圧ＶＣは高電位Ｖｈとなり、可変容量キャパシタＣＢ１０の電圧ＶＢが参照電圧ＶＲを超えないときは、コンパレータ２５の出力電圧ＶＣは低電位Ｖｌとなる。
コンパレータ２５の出力ＶＣは、タイミング信号発生器２９からのクロックパルス信号ＳＰに同期してフリップフロップ２６に記憶される。このフリップフロップ２６の出力は、積分回路２７を通して電圧に変換される。
【００３２】
積分回路２７の出力は、積分回路２７の出力電圧の信号源インピーダンスを低下させるためのオペアンプ２８に供給され、このオペアンプ２８を通して得られる出力電圧ＶＯは固定容量キャパシタＣＡ２１の端子に帰還される。
このようにして、オペアンプ１３の出力電圧ＶＯは、可変容量可変容量キャパシタＣＢ１０の容量に比例した出力電圧として得ることができる。
【００３３】
すなわち、このフィードバック回路は、可変容量キャパシタＣＢ１０の容量が小さいとき、すなわちセンサ内の流量が少ないときには、可変容量キャパシタＣＢ１０の充電電圧ＶＢは低くなるので積分回路２７の出力が小となり、オペアンプ２８の出力は大となって固定容量キャパシタＣＡ２１へフィードバックされる。
また、可変容量キャパシタＣＢ１０の容量が大きいとき、すなわちセンサ内の流量が多いときには、可変容量キャパシタＣＢ１０の充電電圧ＶＢは高くなるので積分回路２７の出力が大となり、オペアンプ２８の出力は小となって固定容量キャパシタＣＡ２１へフィードバックされる。
【００３４】
ここで、冷媒として低い電気抵抗を有する材料を用いた場合について並列キャパシタ２４の働きを説明する。このような低抵抗の冷媒を用いると、センサとしての可変容量キャパシタＣＢ１０は、電極間にバイパス抵抗を並列に接続した形に相当する。初めに、可変容量キャパシタＣＢ１０に並列に第２の固定容量キャパシタ２４が接続されていない場合についてその動作を説明する。まず、切替スイッチＳＷがＸ−Ｃ側に閉じられると、固定容量キャパシタＣＡ２１は、オペアンプ２８の出力ＶＯで充電され、固定容量キャパシタＣＡ２１の電圧ＶＡは、オペアンプ２８の出力ＶＯに等しくなる。次いで、切替スイッチＳＷがＹ−Ｃ側に閉じられると、固定容量キャパシタＣＡ２１の電荷が抵抗２２を介して可変容量キャパシタＣＢ１０に分化されて平衡状態になる。このとき、可変容量キャパシタＣＢ１０は低抵抗でバイパスされているので、可変容量キャパシタＣＢ１０の電圧はＶＢ低い電圧で平衡状態になる。
【００３５】
このときの可変容量キャパシタＣＢ１０の電圧ＶＢがコンパレータ２５で参照電圧ＶＲと比較されるので、可変容量キャパシタＣＢ１０の電圧ＶＢは参照電圧ＶＲを超えず、コンパレータ２５の出力は低電位でありフリップフロップ２６の出力は０となる。このフリップフロップ２６の出力は、積分回路２７を通して電圧に変換され、オペアンプ２８を介して、固定容量キャパシタＣＡ２１へフィードバックされる。
【００３６】
このフィードバックは、可変容量キャパシタＣＢ１０の容量が小さいとき、すなわちセンサ内の流体の量が少ないとき、積分回路２７の出力は過敏に反応してオペアンプ２８の出力ＶＯを大きくするように働く。
【００３７】
その一方、オペアンプ２８の出力ＶＯが大きくなっても、可変容量キャパシタＣＢ１０のバイパスが大きいことから参照電圧ＶＲより低い電圧で平衡状態になる。これを繰り返すことから、オペアンプ２８の出力ＶＯは、オーバーフローの状態となって、センサ部の液量が変化しても出力電圧が変化しなくなる。このことはセンサとしての機能を充分に発揮できないことになる。
【００３８】
そこで、本発明は、センサの可変容量キャパシタＣＢ１０に並列に第２の固定容量キャパシタ２４を接続した。この場合について、その動作を説明する。ここで、第２の固定容量キャパシタ２４の容量は可変容量キャパシタＣＢ１０の最大容量のおよそ１．５倍に設定することが望ましい。
まず、切替スイッチＳＷがＸ−Ｃ側に閉じられると、固定容量キャパシタＣＡ２１は、オペアンプ２８の出力ＶＯで充電され、固定容量キャパシタＣＡ２１の電圧ＶＡは、オペアンプ２８の出力ＶＯに等しくなる。次いで、切替スイッチＳＷがＹ−Ｃ側に閉じられると、固定容量キャパシタＣＡ２１の電荷が抵抗２２を介して可変容量キャパシタＣＢ１０およびキャパシタ２４に分化されて平衡状態になる。
可変容量キャパシタＣＢ１０は低抵抗でバイパスされているが、第２の固定容量キャパシタ２４に充電されていた電荷も放電されるので、可変容量キャパシタＣＢ１０は前述の状態よりは高い電圧で平衡状態になる。この時の電圧ＶＢがコンパレータ２５で参照電圧ＶＲと比較され、電圧ＶＢが参照電圧ＶＲより小さいと低電位が出力され、大きいと高電位が出力される。これがフリップフロップ２６を介して、積分回路２７で電圧に変換され、オペアンプ２８を介してフィードバックされる。
【００３９】
このフィードバックは、前述のように第２の固定容量キャパシタ２４が接続されていないときに比較して改善され、オペアンプ２８の出力ＶＯはオーバーフロー状態とはならず、センサ部の液量に比例出力電圧が変化するようになる。
この場合、直列抵抗２２は、電流制限とともに回路インピーダンスのマッチングの役目をもはたしている。
【００４０】
以上は、検出回路２０の基本的な構成であるが、実使用に際してはキャパシタとして端子間の漏洩抵抗の影響を全く無視できるキャパシタ構体を得ることは現実的に困難である。このため、直列接続されたキャパシタに対して印加電圧の変動がなかったり、または遅いとき、直列キャパシタの電位分布は結局端子間の漏洩抵抗の分布比率に支配されてしまうことになる。そこで、直列キャパシタの電位分布の検出は早い周期でリフレッシュしつつ行なうことが実用的である。
【００４１】
図１１は、かかる点を考慮した本発明による検出回路２０の一実施例を示す回路構成図である。図１１において、図１０と同一部品に対しては同一符号を付してその説明を省略し、ここでは直列接続された固定容量キャパシタＣＡ２１と可変容量キャパシタＣＢ１０に対して早い周期でリフレッシュを行なうための回路を中心に述べる。すなわち、本実施例ではクロックパルス発振器２９から出力されるクロック発振出力信号ＳＰをクロックパルス分配器３１に与え、このクロックパルス分配器３１で分配されたパルス信号により電子スイッチ回路３２を切替制御して、オペアンプ２８の出力電圧ＶＯによって固定容量キャパシタＣＡ２１を充電する充電回路と可変容量キャパシタＣＢ１０および第２の固定容量キャパシタ２４の電荷をダイオード２３を介して放電を行なう放電回路を形成し、次いで、固定容量キャパシタＣＡ２１の電荷によって、可変容量キャパシタＣＢ１０および第２の固定容量キャパシタ２４を抵抗２２を介して充電する充電回路を形成し、この充放電回路を交互に形成して固定容量直列キャパシタＣＡ２１および可変容量キャパシタＣＢ１０ならびに第２の固定容量キャパシタ２４をリフレッシュしながら電位分布の検出を行なうようにしたものである。
【００４２】
ここで、クロックパルス分配器３１は、クロックパルス発振器２９から出力されるクロックパルス信号ＳＰを遅延回路を通してインバータに与えることによって、反転した遅延信号３１ｂを得るとともに、クロックパルス信号ＳＰと反転遅延信号３１ｂをＮＡＮＤ回路を通して得た信号３１ｃとその反転信号３１ｄを得るものである。電子スイッチ回路３２は、パルス分配器３１から出力されるパルスにより開閉制御される４個の電子スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４を直列に接続したもので、電子スイッチＳ１とＳ２は直列に接続され、電子スイッチＳ１の一端がオペアンプ２８の出力端に接続され、電子スイッチＳ２の他端が固定容量キャパシタ２１に接続されている。さらに、電子スイッチＳ２とＳ３は直列に接続され、その接続端が固定容量キャパシタ２１に接続されている。電子スイッチＳ３およびＳ４の接続端は可変容量キャパシタＣＢ１０およびコンパレータ２５の入力端に接続されている。また電子スイッチＳ４の他端は接地されている。
上記容量回路は、積分器２７からの充電および積分器２７への放電を通して電荷の出し入れを行い、可変容量キャパシタの静電容量に見合う端子電圧が一義的に定まる。
【００４３】
以上の例では、トランスジューサとして作動する可変容量のキャパシタと基準として固定容量のキャパシタを用いてトランスジューサの容量変化に比例した出力電圧を得る場合について述べたが、用途によってはトランスジューサの容量変化に反比例した出力電圧を得たい場合がある。
図１２はかかる用途に適用する場合の本発明の他の実施例を示すもので、図１１と同一部分には同一信号を付してその説明を省略し、ここでは異なる点についてのみ述べる。
本実施例ではクロックパルス発振器２９から出力されるクロック発振出力信号ＳＰをクロックパルス分配器３３に与え、このクロックパルス分配器３３で分配されたパルス信号により電子スイッチ回路３４を切替制御してそれぞれの一端が電源の一端に共通接続された２個のキャパシタの他端を次のような形態に切替接続するようにしたものである。
すなわち、オペアンプ２８の出力電圧により一方の固定容量キャパシタＣＡ２１を充電する充電回路と、この充電された固定容量キャパシタＣＡ２１をオペアンプ２８の出力端側から切り離すと共に固定容量キャパシタＣＡ２１から可変容量可変容量キャパシタＣＢ１０へ電荷を移動させる並列接続回路と、これら固定容量キャパシタＣＡ２１および可変容量可変容量キャパシタＣＢ１０の充電電荷を放電させる放電回路の何れかに切替えられるようにしたものである。
【００４４】
ここで、クロックパルス分配器３３は、クロックパルス発振器２９から出力されるクロックパルス信号ＳＰをフリップフロップ回路に与えて出力信号３３ａを得るとともに、このフリップフロップ回路の反転出力とクロックパルス信号ＳＰを遅延回路により遅延させた信号とをＡＮＤ回路を通して得た信号３３ｂとこの信号３３ｂをさらに遅延回路により遅延させた信号３３ｃを得るものである。電子スイッチ回路３４はパルス分配器３３から出力されるパルスにより開閉制御される３個の電子スイッチＳ５，Ｓ６，Ｓ７を直列に接続したもので、電子スイッチＳ５の一端はオペアンプ２８の出力端に接続され、電子スイッチＳ７の一端はキャパシタＣＡ２１および可変容量キャパシタＣＢ１０のそれぞれの一端に接続されると共に電源の一端に接続され、電子スイッチＳ６とＳ７の接続間にはコンパレータ２５の入力端が接続されている。
【００４５】
以上の構成とすることによって、本発明は、誘電率の変化もしくは、誘電体の量の変化によって変化する可変容量キャパシタの容量の変化を連続した電気信号量としてとりだすことができる。
【００４６】
【発明の効果】
以上の説明からも明らかな様に、本発明の、冷媒量不足検出装置は、アキュ−ムレ−タ又はレシ−バタンク内に１組又は複数組の小間隙を有する電極を設置するだけでガス状態と液状態の割合に比例し、且つサ−ジによる誤動作を防止した連続的な電気信号が得られる。
【００４７】
さらに、本発明によれば、可動部分がなく、連続出力を得ることができるので、任意の液面での流量を制御することが可能となる。また、本来、液化した冷媒を貯える役目のレシ−バタンクや気液分離の役目のアキュ−ムレ−タに液冷媒検知器を設けたことによりサ−ジによる誤動作を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る冷媒量不足検出装置の原理を説明する図。
【図２】本発明に係る冷媒量検不足出装置の特性を説明する図。
【図３】本発明に係る冷媒状態検出装置の原理を説明する図。
【図４】本発明に係る冷媒状態検出装置の特性を説明する図。
【図５】本発明に係る冷媒量不足検出手段をアキュムレータに備えた例の構成を説明する概略図。
【図６】本発明に係る冷媒量不足検出手段をレシーバタンクに備えた例の構成を説明する概略図。
【図７】本発明に係る冷媒量不足検出手段をレシーバタンクに備えた他の例の構成を説明する概略図。
【図８】本発明に係る冷媒状態検出手段をサイトグラスに備えた例の構成を説明する概念図。
【図９】図８に示した冷媒状態検出手段の電極の形状を示す図。
【図１０】本発明に用いる検出回路の原理を説明する回路図。
【図１１】本発明に用いる検出回路の具体的構成の例を示す回路図。
【図１２】本発明に用いる検出回路の具体的構成の他の例を示す回路図。
【図１３】空気調和装置の冷凍サイクルを説明する概念図。
【符号の説明】
１ 冷媒循環路
２ 圧縮器
３ 凝縮器
４ レシーバタンク
５ サイトグラス
６ 膨張弁
７ 蒸発器
８ アキュムレータ
９ 配管
１０ 液量検出手段（可変容量キャパシタ）
１１ 電極
２０ 検出回路
２１ 固定容量キャパシタ
２２ 抵抗
２３ ダイオード
２４ 第２のキャパシタ
２５ コンパレータ
２６ 記憶手段
２７ 積分器、
２８ オペンプ、
２９ クロックパルス発振回路
３０ 参照電圧
３１，３３ パルス分配回路
３２，３４ スイッチ回路
４１ レシーバ容器
４２，８２ 冷媒入口
４３，８３ 冷媒液出口
４４，８４ 乾燥剤
４５，８５ 容器蓋
５０ 冷媒状態検出手段
５１ ブロック本体
５２ 取付用配管
５３ ガラス
５４ 検出手段収納空間
５５ ホルダ
６０ 電極手段
６１ 電極
６２ 切欠部
６３ 支持管
６４ 電極柱
６５ 基板
７０ 制御回路
Claims (3)
- 冷媒循環路中の冷媒量の不足をレシーバタンクまたはアキュムレータ内で検出する冷媒量検出装置において、
レシーバタンクまたはアキュムレータの内部に、２枚の平面電極を間に小間隙を保持して対向立設して構成した液位検出手段と、
冷媒の液位の変化に応じた液位検出手段の静電容量の変化を電圧の変化として取り出す検出回路とを設け、
該検出回路が、抵抗とダイオードの並列接続体と、該並列接続体に直列に接続された可変容量キャパシタと第２の固定容量キャパシタの並列接続体と、前記可変容量キャパシタの端子電圧を検出するコンパレ−タと、前記コンパレ−タの出力をクロック信号に同期させて取り込む記憶手段と、該記憶手段の出力を積分しその出力電圧によって前記直列接続された可変容量キャパシタの容量に比例した電圧に変換する積分器と、前記固定容量キャパシタを前記積分器の出力電圧により充電する充電回路および前記積分器から切離して前記可変容量キャパシタに放電する放電回路を形成すると共に、これら充電回路または放電回路を前記クロック信号に同期して周期的に切替制御する切替手段と、前記積分器の出力をセンサの検出出力として送出する出力端子とを具備した回路である
ことを特徴とする冷媒液量検出装置。 - 抵抗とダイオードの並列回路は、キャパシタの充電時には抵抗分の増加を補助し放電時には放電を補助する回路である請求項１記載の冷媒液量検出装置。
- 可変容量キャパシタが冷媒循環路中に設けたキャパシタである請求項１または請求項２記載の冷媒液量検出装置。
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