JP4123764B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主としてショーケース等の冷却源として用いられる冷凍機の冷凍サイクル装置に関し、特に冷媒漏れの検知に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１２は例えば特開平１０−１０３８２０号公報に開示された従来の冷凍サイクル装置である。
図において、１０１は圧縮機、１０２は凝縮器、１０３は受液タンク（液溜）、１０４は膨張弁、１０５は蒸発器、１０６は高圧ガス管、１０７は高圧液管、１０８は電磁弁、１０９は低圧液管、１１０は低圧ガス管、１１１は低圧圧力スイッチ、１１２は補助タンク、１１２ａは前記補助タンク１１２の下部と前記受液タンク（液溜）１０３の下部を連通する連通管、１１２ｂは前記補助タンク１１２の上部と前記受液タンク（液溜）１０３の上部を連通する連通管、１１３はフロート式レベルセンサである。
【０００３】
上記構成において、前記圧縮機１０１と凝縮器１０２と受液タンク１０３と膨張弁１０４と蒸発器１０５とを順次接続して冷媒サイクルを形成しており、前記受液タンク１０３と補助タンク１１２とを連通管１１２ａおよび１１２ｂによって連通させることによって受液タンク１０３と補助タンク１１２との液冷媒を同液面レベルとさせている。前記補助タンク１１２にはフロート式レベルセンサ１１３が配設され、液面レベルを検出できるようになっており、検出した受液タンク１０３の液面が予め定められた正常液面レベル以上か否かによって冷媒漏れの検知をしている。尚、上記冷凍サイクルの冷媒の流れ及び作用等については、周知の通りであるので説明を省略する。
【０００４】
また、図１３は例えば特開平６−１８５８３９号公報に開示された別の従来の冷凍サイクル装置である。
図において、２０２は圧縮機、２０３は凝縮器、２０４はレシーバタンク（液溜）、２０５は調節弁、２０６は冷凍ショーケース、２０７は蒸発器、２０８は液取出し管、２０９はフローサイト（サイトグラス）、２１０はドライヤ、２１１はアキュムレータ、２１２は発光器、２１３は受光器、２１４は判別回路である。
【０００５】
上記構成において、圧縮機２０２と凝縮器２０３とレシーバタンク２０４と調節弁２０５と蒸発器２０７とを順次接続して冷媒サイクルを形成しており、レシーバタンク２０４の下部から延びる液取出し管２０８にドライヤ２１０を介してフローサイト（サイトグラス）２０９が取り付けられており、レシーバタンク２０４からの冷媒液の流出状態を確認するようになっている。それは、前記フローサイト２０９内を流れる冷媒液に向けて発光器２１２から投光し、受光器２１３で受光し、受光器２１３の検出信号のレベルに基づき判別回路２１４で判別することで、冷媒液への気泡の混入、すなわち冷媒漏れの検知をしている。尚、冷凍サイクルの冷媒の流れ及び作用等については、前述同様周知の通りであるので説明を省略する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように図１２の従来の冷凍サイクル装置は、液溜１０３内の液面レベルを測定して冷媒漏れを検知しようとすると、前記液溜１０３あるいは液溜１０３と前記連通管１１２ａ及び１１２ｂで接続した前記補助タンク１１２に穴をあけて、前記フロート式レベルセンサ１１３等の液面測定手段を取り付ける必要があり、液面測定手段の設置に多大な労力がかかる。また、冷凍機は基本的に２４時間稼動のため、既に設置して稼動している冷凍機の液溜には液面測定手段が取り付けることができず、更に測定した液溜内の冷媒液面高さが同じでも冷媒の温度が異なれば冷媒量（冷媒の重量）は異なり、測定した液溜内の冷媒液面高さを温度を用いて重量に換算しないと、冷媒漏れの判断を誤る危険性があるという問題点があった。
【０００７】
また、冷媒漏れのない正常な運転において、液溜１０３内の冷媒量（冷媒の重量）は、凝縮器１０２内の冷媒の飽和温度もしくは圧縮機１０１の高圧側の圧力、あるいは蒸発器１０５内の冷媒の飽和温度もしくは圧縮機１０１の低圧側の圧力の変化に応じて変化をし、この変化の仕方はシステム構成によって決まる一定の関係にあるため、このことを考慮して冷媒漏れ検知を行わないと、精度のよい冷媒漏れ検知、すなわち冷媒漏れの早期発見はできないという問題点があった。
【０００８】
また、図１３の従来の冷凍サイクル装置は、液溜２０４の出口側についているサイトグラス２０９に、前記発光器２１２、受光器２１３、判別回路２１４等の気泡検知手段を取り付けて、冷媒液への気泡の混入検知によって、冷媒漏れの検知をするようにしているが、液溜内の冷媒液が殆どなくなり液溜の出口管の位置まで冷媒液面が下がってこないと冷媒漏れを検知できないため、冷媒漏れの早期発見ができず、前記検知手段が冷媒漏れを検知してから、冷媒不足により冷凍機が所定の性能を維持できなくなる現象が出るまでの時間が短く、従ってショーケース２０６の食品が温まって鮮度が悪くなってしまう前に冷凍機に冷媒を再充填する対策を取ることができないという問題点があった。
【０００９】
本発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、冷媒漏れを精度よく、しかも早期に発見できる冷凍サイクル装置を得ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る冷凍サイクル装置は、圧縮機、凝縮器、液溜、膨張手段、及び蒸発器を配管にて接続し運転中冷媒を循環させる冷凍サイクル装置であって、前記液溜内に溜められる冷媒液面の高さを運転中に測定する液面測定手段と、前記凝縮器から前記液溜めを介して前記膨張手段までのいずれかの個所にて冷媒の凝縮側温度を測定し、もしくは前記圧縮機と前記凝縮器の間の高圧側の圧力を測定し凝縮器飽和温度に換算して凝縮側温度を求める凝縮温度測定手段と、前記凝縮側温度から得られる冷媒の密度により前記冷媒液面の高さの冷媒量を換算して冷媒漏れを判断する冷媒漏れ検知手段と、を備えたものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、本発明における実施の形態の一例を示す冷凍サイクル装置の構成図である。
図において、１は圧縮機、２は凝縮器、３は凝縮器用送風機、４は液溜、５は電磁弁、６は膨張手段、７は蒸発器、８は蒸発器用送風機、９は高圧ガス配管、１０は低圧ガス配管、１１は液溜４の入口側の高圧液配管、１２は液溜４の出口側の高圧液配管、１３は冷媒漏れ検知手段、１５は液面測定手段、３０は例えばサーミスタなどの温度測定手段であり、前記液溜４の例えば表面温度を測定する。前記圧縮機１、電磁弁５、膨張手段６、蒸発器７、蒸発器用送風機８は、例えば１つもしくは複数個設置され、図では各々３台の例として示す。また、前記凝縮器２および凝縮器用送風機３は、例えば機械室もしくは屋外に設置され、前記蒸発器７および蒸発器用送風機８は、例えば店舗等に設置されるショーケース等に内蔵される。
【００１６】
図２は、上記のように構成された冷凍サイクル装置の前記液溜４を示す図である。尚、図２において、上記図１と同一又は相当部分には同一符号を付し説明を省略する。
図において、１４は前記液溜４の例えば圧力配管用炭素鋼鋼管等からなる筐体、１５ａは前記筐体１４に設けられた例えば超音波センサーで、１５ｂは前記超音波センサー１５ａのコントローラであり、この１５ａ、１５ｂにより前記液面測定手段１５を構成する。１６は冷媒液面である。また、図３には、冷凍サイクル装置の冷媒の動作を示すモリエル線図を示しており、図中に付した符号は、図１の構成図の符号と対応している。
【００１７】
まず、冷凍サイクルの動作について説明する。低温低圧のガス冷媒は、圧縮機１で圧縮されて高温高圧のガス冷媒になり、高圧ガス配管９を介して凝縮器２へ流入し、凝縮器２で周囲の流体、例えば空気や水と熱交換をして放熱し高温高圧の液冷媒になり、液溜４の上部の液溜入口に接続された高圧液配管１１を介して液溜４へ流入する。液溜４へ流入した高温高圧の液冷媒は、液溜４の下部の液溜出口に接続された高圧液配管１２から流出し、電磁弁５を通った後、膨張手段６で減圧されて低温低圧の二相冷媒となって蒸発器７へ流入し、蒸発器７で周囲の流体、例えば空気と熱交換をして低温低圧のガス冷媒となり、低圧ガス配管１０を介して、圧縮機１へ吸入される。
【００１８】
次に、冷凍サイクル内の冷媒量について説明する。例えばスーパーマーケットのショーケース用の冷却に用いる冷凍機においては、ショーケースは食品売り場に設置されるが、その数、大きさ、種類、配置は設置される店によって異なり、それによってショーケース内に配置されている蒸発器７の内容積も異なる。また、圧縮機１、凝縮器２、液溜４の設置場所も店の構造によって異なり、例えば食品売り場の裏手に設置される場合や屋上に設置される場合があり、それによって蒸発器７と圧縮機１、凝縮器２、液溜４との距離が変り、低圧ガス配管１０や高圧液配管１２等の配管の長さも異なったものとなる。
【００１９】
冷凍サイクルが所定の性能を発揮するためには冷凍サイクルの内容積に適した冷媒量を必要とし、蒸発器の内容積や配管の長さが異なると冷凍サイクル全体で必要とする冷媒量も異なったものとなるため、冷凍機の冷媒は、機器を設置した現地で冷凍サイクルを構成した後に充填される。また、冷凍サイクルでの必要冷媒量は、冷凍サイクルの状態によっても異なり、冷凍サイクルの状態は外気温度やショーケース等の負荷側機器の運転状態によって異なるため、通常冷媒を充填する時は、運転状態によらず凝縮器や蒸発器等の各構成機器に必要な冷媒量が常時配分されるように、少し多めに冷媒を充填する。
【００２０】
よって、圧縮機１、凝縮器２、蒸発器７および配管９〜１２に配分される冷媒量は、それぞれの内容積、性能および運転状態によって決まり、冷凍サイクルに充填された冷媒のうち、冷凍サイクルの各構成機器が適性冷媒量になった後の余剰冷媒は、液溜４の中に溜まることになる。従って、液溜４内の冷媒量は冷凍サイクルの状態により時々刻々変化するが、凝縮器２や蒸発器７といった各構成機器内の冷媒の圧力や飽和温度等を測定することで各構成機器内の冷媒量を演算し、冷媒充填量との差し引きで液溜４内の冷媒量を推測することができる。すなわち、ある時刻において液溜４内の冷媒量を測定し、通常の冷凍サイクルの運転状態あるいは以前の時刻における液溜４内の冷媒量と比較することで、液溜４内の冷媒量の変化が通常の変化範囲内であるのか否かを冷媒漏れ検知手段１３において演算、判断することで、冷凍サイクルからの冷媒漏れを知ることが可能となる。
【００２１】
しかし、液溜４は内部に高圧の液冷媒を貯留するため、圧力配管用炭素鋼鋼管等の金属で形成し、しかも法規に則って耐圧強度を考えて設計、製作された圧力容器でなければならず、その一部に覗き窓のような透明な部分を設けることは可能であるが、実用上は液溜４の大部分は不透明な容器になる。なお、不透明とは光学的に不透明という意味で、光に類するものを用いて液溜４の外部から内部の液面を測定したり、目視によって液溜４の内部全体を透視することが不可能であるということを意味する。また、液溜４の一部に光学的に透明な覗き窓を取り付けたとしても、液溜４内の液面は常時変動しているため、その覗き窓から、液溜４内の冷媒液面の正確な位置を測定もしくは監視することは困難である。
【００２２】
一方、音波あるいは超音波といった高周波振動は、気体、液体、固体のいかなる媒質の中も伝わる性質を持っており、この性質を利用することで、液溜４の筐体１４の外側から、液溜４内の冷媒液の液面の測定が考えられる。そして、超音波は弾性を持ついかなる媒質をも伝わり、気体、液体、固体のいずれに対しても使用される。超音波が媒質中を伝播していく速度は、媒質の種類と温度によって異なる。
【００２３】
表１に代表的な媒質の音速を示す。表中( )内は媒質の温度を表し、単位は[ｃｍ/ｓ]である。
【００２４】
【表１】
【００２５】
尚、表中空気、水、金属の音速は、１９９５年１１月３０日に丸善から発行された「理科年表」に記述の数値を用い、また、フロンの音速は、１９９８年にＮＩＳＴから発売されたソフト「ＲＥＦＰＲＯＰ Ｖｅｒ６．０１」を用いて計算した値を記した。また、表中Ｒ２２およびＲ４０４Ａはフロン系の冷媒であり、前記Ｒ４０４Ａは複数の冷媒を混合した混合冷媒で、表中には標準組成の時の値を示している。また、液溜内には上部に冷媒ガス、下部に冷媒液が存在するため、表中には冷媒が液の時と、ガスの時の両者の音速を記載した。
【００２６】
超音波の発生方法にはいくつかの方法があるが、その発生方法の例を以下に示す。
まず、磁歪振動子による方法。ニッケル、鉄−アルミニウム合金等の金属、ニッケル−銅−コバルト系フェライトは、磁場を与えると伸びたり縮んだりする。この性質により、磁場を作るための巻線に高周波電流を流すと、超音波振動が起こる。
【００２７】
次に電歪振動子による方法。チタン酸バリウム磁器、チタン酸ジルコン酸鉛磁器等の燒結体に、銀電極を施して直流電界を印加すると伸び変形する。この性質により電極間に高周波電界を印加すると、超音波振動が発生する。
【００２８】
次に圧電振動子による方法。水晶、ロッシェル塩、圧電性セラミックなどの圧電結晶は、電界を印加すると伸縮またはすべり変形をする。この性質を利用し、高周波電圧を印加すると、超音波振動が発生する。
【００２９】
上記に超音波の発生方法の例をいくつか説明したが、その中のいずれかの方法を用いてもよいし、また、超音波を発生させる他の方法によっても構わない。
【００３０】
超音波は進行していく途中に異なった媒質があると、その境界で一部は反射し一部は透過する。超音波が密度ρ１、速度ｃ１の媒質１から密度ρ２、速度ｃ２の媒質２へ垂直に入射した時、超音波の反射率Ｒおよび透過率Ｔは次式で示される。
Ｒ＝（ρ２×ｃ２−ρ１×ｃ１）/（ρ１×ｃ１＋ρ２×ｃ２）
Ｔ＝１−Ｒ
【００３１】
また、超音波がある媒質中を伝わる時間τは、媒質内の伝播速度ｃと伝播距離Ｌから次式で求められる。
τ＝Ｌ/ｃ
従って、超音波の発信器と受信器を超音波センサとして一体化し、その超音波センサの発信器で超音波を発信し、媒質の界面で反射して戻ってきた超音波を受信器で受信し、発信から受信までの時間Δｔを測定すれば、次式によって媒質の厚みＬを知ることができる。
Ｌ＝（Δｔ×ｃ）/２
【００３２】
前記液溜４の筐体１４の底部に、例えば発信器と受信器が一体化された超音波センサ１５ａを設置することを想定する。前記超音波センサ１５ａの発信器から発信された超音波は、筐体１４の外面から入射し、その内部を材質に応じた速度で伝わり、筐体１４の内面に到達する。すると、筐体１４内には冷媒液があるため、筐体１４と冷媒液との界面で反射がおこり、超音波の一部が再び筐体１４内を伝わって超音波センサ１５ａの受信器で受信され、残りは界面を透過する。なお、この時の超音波の反射率および透過率は上記に示した式で求まる。
【００３３】
また、筐体１４と冷媒液との界面を透過した超音波は、冷媒液内を冷媒液の物性および温度に応じた速度で伝わり、冷媒液と冷媒ガスの界面である冷媒液面１６に到達する。そして、界面の冷媒液面１６で超音波の一部が反射され、再び冷媒液内を伝わり、更に筐体１４をも透過して超音波センサの受信器で受信される。
【００３４】
ただし、上記界面の冷媒液面１６で反射され冷媒液を透過した超音波のうちの一部は、液溜４の筐体１４に入射する際に冷媒液と筐体１４との界面で反射され、何回か反射を繰り返して受信器に到達するものもあったり、また、冷媒液面１６を透過した超音波も液溜４上面の筐体１４で反射されて、これも何回か反射を繰り返して受信器に到達するものもあり、非常に複雑な現象となるため、演算によってどの界面で反射してきた超音波かを分別する必要がある。
【００３５】
図４に液面測定手段１５の超音波センサ１５ａ、超音波コントローラ１５ｂおよび冷媒漏れ検知手段１３の構成図を示す。
前記液面測定手段１５の超音波センサ１５ａは、発信器２３、受信器２４で構成され、超音波コントローラ１５ｂは、超音波発生回路２５、メモリなどの記憶装置２６、タイマー２７、演算装置２８、例えば液晶ディスプレイやＤ／Ａ変換器などの出力装置２９により構成される。一方、前記冷媒漏れ検知手段１３は、例えばＡ／Ｄ変換器などの入力装置４０、演算装置４１、例えば液晶ディスプレイやＤ／Ａ変換器などの出力装置４２、メモリなどの記憶装置４３で構成される。
【００３６】
次に動作について説明する。前記超音波コントローラ１５ｂの超音波発生回路２５で、前記超音波センサ１５ａの発信器２３を動かし超音波を発生させる。そして、前述したように媒質の界面で反射してきた超音波を受信器２４で受信し、演算装置２８へ送る。また一方、前記記憶装置２６に予め記憶された、例えば表１に示すような、筐体１４の媒質による各温度毎の超音波伝播速度や厚さ、あるいは冷媒液や冷媒ガスの媒質による各温度毎の超音波伝播速度等の情報や、タイマー２７の時間に関する情報も前記演算装置２８へ送られる。演算装置２８では、これらの情報を基に、液溜４の筐体１４と冷媒液との界面で反射して戻ってきた超音波や、冷媒液と冷媒ガスとの界面で反射して戻ってきた超音波、あるいは、その他各界面での反射を何回か繰り返して戻ってきた超音波とを演算により分別する。そして、冷媒液と冷媒ガスとの界面で反射して戻ってきた超音波の発信から受信までの時間から冷媒液面１６の高さを求め、これを出力装置２９から出力する。
【００３７】
そして、液面測定手段１５の前記出力装置２９から出力された、液溜４の冷媒液面高さ情報は、前記冷媒漏れ検知手段１３の入力装置４０へ入力され、予め記憶装置４３に記憶された後述するアルゴリズムに基づいて、演算装置４１において演算がなされ、冷媒漏れの有無や冷媒漏れの量が判断され、出力装置４２から例えばユーザーの監視装置やディスプレー等の表示装置（図示せず）に出力される。また、現在および過去における冷媒液面高さや凝縮温度、蒸発温度、冷媒漏れの有無や冷媒漏れの量が記憶装置４３に新たに記憶される。
【００３８】
尚、前記超音波センサー１５ａの測定において、超音波センサー１５ａと液溜４の筐体１４とは密接しており、その間には他の物質は殆ど存在しないことを前提にしている。すなわち、筐体１４と超音波センサー１５ａとの間には空気が入らないように、超音波センサー１５ａの取付け部は柔らかい材質で構成し、かつ超音波センサー１５ａに圧力をかけて筐体１４に密着させることが望ましく、この密着度が弱いと検出精度が悪くなってしまう。超音波センサー１５ａの取付け部の材質としては、例えばゴムやジェル状の物質等が考えられ、また超音波センサー１５ａに圧力をかける方法としては、例えば磁石の磁力を利用する方法やベルトの張力を利用する方法等が考えられる。
【００３９】
また、液面測定手段１５が超音波センサーの場合は、液溜４の底面に取付ける方が、ゴミの付着が少なく、また日射や照明による加熱の影響も受けにくいため、信頼性上や測定精度上望ましい。例えば、液溜４の天井面に取付けた場合は、超音波が筐体１４、冷媒ガス、冷媒液の順番に透過することになり、底面に取付けた場合と透過順番が異なることになるが、コントローラ１５ｂでの演算を変更すれば対応可能である。従って、取付け位置は、超音波が液溜４の冷媒液面１６に対して、ほぼ垂直に入射する位置であればどの位置でも良い。
【００４０】
以上のようにして、原理的には、液溜４の筐体１４の内部にセンサーを設けずに、筐体１４の外部に前記超音波センサー１５ａ等の液面測定手段１５を設置して、液溜４内部の冷媒液面１６の高さを測定することができるようになる。
しかし、これは液溜４内の流体が静止している場合のことであり、実際は図１に示すように、液溜４は冷凍サイクル内に配置されているため、その内部には常に冷媒が出入りしており、それに伴い液溜４内の冷媒液面１６も常時数ｍｍの幅で揺動している。従って、このような場合において、液溜４の外側に付けた液面測定手段１５によって、冷媒液面１６を測定するには多少工夫が必要となる。
【００４１】
上記図２に示すように、液溜４の上部に液溜入口側の高圧液配管１１があり、該高圧液配管１１から流入した液冷媒は、重力と慣性力とによってそのまま下に落下して冷媒液面１６に衝突し、その衝突エネルギーによって液溜４内の冷媒液面１６が揺動するものと考えられる。液冷媒と冷媒液面１６との衝突エネルギーは、高圧液配管１１と冷媒液面１６との距離および冷凍サイクルを循環している冷媒循環量によって異なり、高圧液配管１１と冷媒液面１６との距離は冷媒液面１６の高さによって異なる。衝突エネルギーが異なれば、冷媒液面１６の揺動幅も異なるものと思われ、実際、冷媒液面１６の高さによって、冷媒液面１６の揺動幅が変化することは実験によっても確認されている。
【００４２】
実験によれば、この揺動幅は大きい時で±４ｍｍ程度、小さい時で±１ｍｍ程度、また、揺動の周波数は小さい時で１Ｈｚ程度、大きい時で３Ｈｚ程度となっている。また、冷媒液面１６の揺動は液溜４内の冷媒液内に渦流れが発生することが原因であるが、渦は非定常的な現象で一定してできるものでないことは流体力学上知られている。そして、冷媒液面１６の揺動は、きれいな正弦波形のようにプラス側とマイナス側の変動が同じように発生するわけではなく、実験で観察した結果では、冷媒液面の波立ち方も一定しておらず、またプラス側（上側）に比べマイナス側（下側）への変動の方がゆっくりとしており、冷媒液面１６の平均的な位置としては、プラス側とマイナス側の高さの単純平均よりも多少下側に思われる。
【００４３】
したがって、液面測定手段１５による液溜４の冷媒液面１６の測定は、上記液溜４特有の現象を踏まえた上で行わなければいけない。そうしないと、冷媒漏れ検知手段１３での演算および判断に誤りが生じ、冷媒漏れをしていないのに冷媒漏れをしていると判断してしまったり、冷媒漏れが起きているのに冷媒漏れが起きていないと判断してしまったりする可能性がある。
【００４４】
測定、処理方法としては、まず、液面測定手段１５のサンプリング周波数が上記液面揺動周波数と一致していると、測定したデータは揺動している液面の同じ位置を常に測定していることになるため、これを回避する必要がある。
方法としては、異なる２つの周波数、例えば３Ｈｚと５Ｈｚ等でサンプリングして平均化する方法、あるいは、１つのサンプリング周波数でなるべく長く、例えば１Ｈｚで数分間測定する等して誤差を減らす方法等が考えられる。
【００４５】
また、冷媒液面の揺動幅および揺動周波数を考慮して、データのサンプリング数、処理方法を決めなければならない。サンプリング数は例えば最低１０個、できれば数十個以上、処理方法は例えば測定データの単純平均よりも２０％程下側になるように平均を決める方法等が考えられる。また、圧縮機１の発停があると冷媒液面１６は大きく変動するため、圧縮機１の動作と測定およびデータ処理とを連携させ、圧縮機１が動いてから一定時間後、例えば２０分後に測定を行う等も誤差を減らす方法である。
【００４６】
以上のようにして、液溜４内の冷媒液面１６の高さが測定できる。しかし、この液溜４内の冷媒液面１６の高さを直接用いて冷媒漏れを判断すると、推定誤差が大きく、誤判断になってしまう危険性があるため、冷媒漏れの判断は液溜４内の冷媒量を算出し、それを基に行うようにする。したがって、冷媒漏れを判断するためには、ある時刻において液溜４内の冷媒量を算出し、通常の冷凍サイクルの運転状態あるいは以前の時刻における液溜４内の冷媒量と比較する必要がある。冷媒は温度が異なると密度が異なるため、液溜４内の冷媒量（冷媒の重量）を算出するためには、液面測定手段１５によって冷媒液面１６の高さを測定し、冷媒液の温度を温度測定手段３０によって測定（図１の液溜４の表面温度による冷媒の凝縮温度）し、該温度から冷媒液の密度を求め、冷媒液面１６の高さを冷媒量に換算して算出する。
【００４７】
次に図５、図６は、本実施の形態における別の冷凍サイクル装置の構成例を示した図である。尚、図５、図６において、上記図１の構成図と同一または相当部分には同一符号を付し説明を省略する。
上記図１の構成例においては、液溜４内の冷媒量と液溜４の表面温度による冷媒の凝縮温度の２つの情報をもとに冷媒漏れの判断を行うようにしたが、図５、図６の構成においては、液溜４内の冷媒量と凝縮温度および蒸発温度の３つの情報をもとに冷媒漏れの判断を行うようにして、より精度の向上を図るようにしたものである。
図５において、３０ａは例えば前記高圧液配管１１に設けられた例えばサーミスタ等の温度測定手段で、３０ｂは前記膨張手段６から蒸発器７に至る低圧側の流路に設けられた例えばサーミスタ等の温度測定手段であり、前記温度測定手段３０ａ、３０ｂによって、それぞれ凝縮温度および蒸発温度を測定する。
また、図６において、３１ａは前記圧縮機１と凝縮器２に至る吐出側の高圧ガス配管９に設けられた圧力センサー等の圧力測定手段で、３１ｂは前記蒸発器７と圧縮機１に至る低圧側の低圧ガス配管１０に設けられた圧力センサー等の圧力測定手段であり、前記高圧側の圧力測定手段３１ａと前記低圧側の圧力測定手段３１ｂとにより検知された圧力を、冷媒漏れ検知手段１３においてそれぞれ飽和温度に換算することで凝縮温度と蒸発温度を求める。
【００４８】
図７は、凝縮温度すなわち凝縮器２内の冷媒の飽和温度と、蒸発温度すなわち蒸発器７内の冷媒の飽和温度と、液溜４内の冷媒量（冷媒の重量）との関係を示した図である。尚、図中蒸発温度は、高圧液配管１２が長い場合と短い場合について表している。
【００４９】
図７に示すように、液溜４内の冷媒量は、凝縮温度が高くなると少なくなり、また、蒸発温度が高くなると少なくなる。すなわち、凝縮温度が高くなると凝縮器２内の冷媒と周囲空気との温度差が大きくなり、冷媒と空気との熱交換量、すなわちガス冷媒を凝縮させて液冷媒にする能力が増えるため、凝縮器２内の液冷媒の割合が増え、その分凝縮器２全体での冷媒量も増えて、余剰冷媒が減り液溜４内の冷媒量が減少する。
【００５０】
一方、蒸発温度が高くなると、蒸発器７内の冷媒と周囲空気との温度差が小さくなり、冷媒と空気との熱交換量、すなわち液冷媒を蒸発させてガス冷媒にする能力が減るため、蒸発器７内の液冷媒の割合が増え、その分蒸発器７全体での冷媒量も増えて、余剰冷媒が減り液溜４内の冷媒量が減る。
また、蒸発温度が高くなると、圧縮機１に吸入されるガス冷媒の密度も大きくなるため冷凍サイクルを循環する冷媒流量が増加し、その分凝縮器２および蒸発器７内の冷媒量が増加して液溜４内の余剰冷媒が減る。この２つの要因によって蒸発温度が高くなると液溜４内の冷媒量が少なくなる。
【００５１】
また、図７に示すように前記高圧液配管１２が長くなると、凝縮温度の変化に対する液溜４内の冷媒量の変化の傾きが小さくなる。すなわち、前述した通り凝縮温度が高くなると凝縮器２内の冷媒量が増加するが、高圧液配管１２内の液冷媒の密度が小さくなるため、凝縮温度が高くなると高圧液配管１２内の冷媒量は逆に少なくなる。従って、高圧液配管１２が長くなると、冷凍サイクル全体の冷媒量に占める高圧液配管１２内の冷媒量の割合が大きくなり、高圧液配管１２内の冷媒量の変化によって、凝縮器２における冷媒量の変化の影響が緩和されるため、凝縮温度の変化に対する液溜４内の冷媒量の変化量が小さくなる。図７に示した変化の関係は実験およびシミュレーションによって確認している。
冷凍機の液溜４内の冷媒量と凝縮温度及び蒸発温度及び高圧液配管長さとは上記ような関係があり、冷媒漏れの判断はこの関係を考慮して行わなければならない。
【００５２】
図８は冷媒漏れ判断アルゴリズムの一例を示すフローチャートで、表２は、測定された液溜４の冷媒液面高さや凝縮温度をもとに算出された液溜４内の冷媒量のデータを記憶装置のメモリに記憶する際の、データ領域の区分の仕方の一例を示した表である。尚、表２においてＣＴは凝縮温度、ＥＴは蒸発温度を表す。
今、図５、図６の構成例のように圧縮機１の運転台数が同一で、凝縮温度及び蒸発温度がほぼ同じである場合を同一運転条件と呼称する。前述した図７より明らかなように、液溜４内の冷媒量は凝縮温度と蒸発温度とが決まれば一意に決まるため、同一運転条件における液溜４内の冷媒量はほぼ同じになる。もし、冷媒漏れがおきれば、正常運転状態の液溜４内の冷媒量のデータとの間に差異が生じるため、正常運転状態の前記冷媒量のデータを学習、記憶しておけば、それを基に冷媒漏れの判定ができる。以下に、冷媒漏れ判断について図８のフローチャート、表２のデータ領域の区分の仕方の一例をもとに説明する。
【００５３】
まず、Sｔeｐ１でデータ測定時刻（例えば１時間毎）か否か判断され、Ｙｅｓであれば、Sｔeｐ２において凝縮温度と蒸発温度と液溜４内の冷媒液面１６の高さを測定する。尚、冷媒液面１６の高さ測定などについては前述した通りであるので、ここでの説明を省略する。そして、Sｔeｐ３において前記Sｔeｐ２のデータが有効データか否かの判定をする。つまり、圧縮機が動いてからしばらく時間が経過しないと冷凍サイクルの状態が安定しないため、圧縮機の起動もしくは圧縮機の運転台数の変更がなされてからの経過時間をカウントしておき、測定したデータが圧縮機の起動後一定時間（例えば２０分）を経過しているものを有効データとし、起動後一定時間を経過していないものを無効データとして判定する。
【００５４】
前記Sｔeｐ３で有効データか否かの判定でＹｅｓであれば、次にSｔeｐ４で測定した有効データの液溜４の冷媒液面高さや凝縮温度等をもとに算出された液溜４内の冷媒量データの格納すべきデータ領域を、凝縮温度と蒸発温度から例えば表２に示すような、(1)〜(16)に分けた領域で判定する。
【００５５】
【表２】
【００５６】
尚、前記データ領域には、前測定時刻までに学習、記憶されたデータ群が格納されている。データ群とは、複数の冷媒量データの平均値、冷媒量データの個数および平均値からのずれの最大値等をいう。
【００５７】
次に、Sｔeｐ５において、前記Sｔeｐ４で判定された新たな冷媒量データの該当するデータ領域が有効領域になっているか否かを判定する。この有効領域の判定においては、該当するデータ領域に前測定時刻までに学習、記憶されている前記データ群の個数が、所定数以上（例えば５個以上）になっているデータ領域を有効領域と呼称し、判定する。
【００５８】
そして、前記Sｔeｐ５において該当するデータ領域が有効領域でなかった場合（Ｎｏ）は、Sｔeｐ６で前記新たに測定された有効データから算出された冷媒量データが正常データか否かを判断する。尚、正常データとは該当するデータ領域に記憶されている複数の冷媒量データの平均値からあまり大きく離れていないデータをいう。測定データにノイズが乗っている場合や温度データを誤測定した場合等は算出された冷媒量データが、前記平均値から大きくずれてくるため、それを判断し、異常なデータを除外する。前記Sｔeｐ６で正常データの場合（Ｙｅｓ）は、Sｔeｐ７において前記算出された冷媒量データを該当する前記データ領域に記憶させ、Sｔeｐ８で該当する前記データ領域のデータ数を１つカウントアップする。
【００５９】
前記Sｔeｐ５で該当するデータ領域が有効領域であった場合（Ｙｅｓ）は、Sｔeｐ９において、新たに測定された有効データから算出された冷媒量データと、その該当する有効領域のデータとを比較して冷媒漏れの判定を行う。
冷媒漏れの判定方法としては、例えば新たに測定された有効データから算出された冷媒量データが、該当する有効領域に記憶されているデータよりも少ない値になっているとき、すなわち液溜４内の冷媒量が減少傾向にあり、しかもその減少傾向がある一定の時間継続している場合に、冷媒漏れが起きていると判断する方法が考えられる。以下に減少傾向の判断について説明する。
【００６０】
データ領域には例えば表２に示すように範囲があり、データ領域(1)は凝縮温度（ＣＴ）が２５℃から３４℃の間で、蒸発温度（ＥＴ）が−２５℃から−２１℃の間のデータが格納されるように、凝縮温度と蒸発温度にはそれぞれ９℃及び４℃の幅がある。従って、１つのデータ領域に格納された複数の冷媒量データの平均値と、新たに測定された有効データから算出された冷媒量データを単純に比較しても、液溜４内の冷媒量が減少傾向にあるのか否かは判断が難しい。
したがって、該当するデータ領域に記憶された複数の冷媒量データの平均値、冷媒量データの個数および前記複数の冷媒量データそれぞれの平均値からのずれの最大値等のデータ群をもとに、新たに測定された有効データから算出された冷媒量データと前記記憶された平均値との偏差が、前記平均値からのずれの最大値よりも大きい場合、液溜４内の冷媒量が減少傾向にあると判断する。
【００６１】
そして、例えば装置が故障した場合やメンテナンスをする場合等で、この冷媒漏れ判断のフローを実施しないときを終了条件として、例えばスイッチ等を用いるなどして、該スイッチの動作を終了のトリガとして、Sｔeｐ１０において終了するか否か判断し、Ｎｏであればこの冷媒漏れ判断フローを繰り返し実行し、Ｙｅｓであれば終了する。
【００６２】
以上のように本実施の形態１においては、冷凍機の冷媒漏れの判断をするためのセンサーを液溜の外部に取付けるようにしたので、設置工事が容易で、既に設置して稼動している冷凍機の液溜にも容易に取付けることができる。また、前記液溜の外部に取付けたセンサーにより液溜内の冷媒液面の高さを測定し、そして温度測定手段により冷媒の凝縮温度を測定し、該温度から冷媒液の密度を求め、冷媒液面高さを冷媒量（冷媒の重量）に換算して算出して、その冷媒量の変化から冷媒漏れを判断するようにしたので、精度よくそして早期に発見することができる。
【００６３】
尚、上記実施の形態においては、液面測定手段１５を液溜４の外部に取付けて冷媒液面高さを測定するようにしたが、例えば従来例の図１２に示すような液溜に補助タンクが接続されて構成される冷凍サイクル装置であった場合は、液溜４に限定するものではなく、前記補助タンクの外部に液面測定手段１５を設けて測定するようにしてもよい。
【００６４】
また、上記実施の形態における凝縮温度は、液溜４の表面温度測定や凝縮器２と液溜４とを接続する高圧液配管１１の冷媒温度測定による凝縮温度、あるいは圧縮機１と前記凝縮器２に至る吐出側の高圧ガス配管９に設けた圧力センサーによる冷媒の圧力測定から飽和温度に換算することで求める凝縮温度などに限定するものではなく、例えば前記補助タンクの表面温度、あるいは液溜４内もしくは補助タンク内の冷媒温度や前記凝縮器２内の冷媒の飽和温度測定、または液溜４と膨張手段６とを接続する高圧液配管１２の冷媒温度測定による凝縮温度、あるいは圧縮機１の吐出側から膨張手段６に至る流路のいずれかの位置に設けた圧力センサーによる冷媒の圧力測定から飽和温度に換算することで求める凝縮温度としても構わない。
【００６５】
また、蒸発温度は、膨張手段６から蒸発器７に至る流路の冷媒温度測定による蒸発温度、あるいは蒸発器７と圧縮機１に至る低圧側の低圧ガス配管１０に設けた圧力センサーによる冷媒の圧力測定から飽和温度に換算することで求める蒸発温度などに限定するものではなく、例えば蒸発器７内の冷媒の飽和温度測定、あるいは膨張手段６から圧縮機１に至る流路のいずれかの位置に設けた圧力センサーによる冷媒の圧力測定から飽和温度に換算することで求める蒸発温度としても構わない。
【００６６】
また、冷媒漏れの判断は、液溜内冷媒量と凝縮温度と蒸発温度の３つの情報を用いて行う方が精度が良いが、例えば蒸発器７の内容積が小さい場合等は、蒸発温度の変化が液溜４内の冷媒量に及ぼす影響が、凝縮温度の液溜４内の冷媒量に及ぼす影響に比べて小さいため、図１に示すような液溜内冷媒量と凝縮温度の２つの情報で冷媒漏れの判断を行うようにしてもよい。
【００６７】
また、上記冷媒漏れ判断アルゴリズムは１つの例として、これに限定されるものではなく、例えば測定した温度データや算出された冷媒量データから、上記図７に示すような直線を作成し、その直線からデータが大きく離れた場合に冷媒漏れと判断するようにしてもよく、あるいは、図７の直線をシミュレーション等によって予め標準パターンとして作成しておき、これから大きく離れた場合に冷媒漏れと判断するようにしてもよい。
【００６８】
また、上記実施の形態においては、液面測定手段１５と冷媒漏れ検知手段１３とを別々にし、液面測定手段１５の測定値を基に冷媒漏れ検知手段１３において冷媒漏れの判断をするようにしたが、冷媒漏れ検知手段１３が液面測定手段１５に内臓されていても構わない。例えば、液面測定手段１５内の演算装置２８において冷媒漏れの判断をするように液面測定手段１５を構成すれば、冷媒漏れ検知手段１３を別に具備しなくてもよく構成も簡単になる。また、冷媒漏れ検知手段１３は液面測定手段１５の測定情報に何らかの演算を加えることのできるものであればどんなものでもよく、例えばパソコンのようなものでも構わない。
【００６９】
実施の形態２．
本実施の形態は、上記実施の形態1における冷凍サイクル装置をネットワークを通じて構成するようにしたものである。
図９及び図１０に、本実施の形態における冷凍サイクル装置の構成図を示す。
尚、図９は１つの店舗に対して冷凍機が１つのみ配置されている場合を、図１０は１つの店舗に対して冷凍機が複数個（図では２台で示す）配置されている場合をそれぞれ示す。また、図９及び図１０において、上記実施の形態１における冷凍サイクル装置と同一又は相当部分には同一符号を付し説明を省略する。
【００７０】
図９及び図１０において、１７は例えばスーパーマーケットやコンビニエンスストアの店舗、１８は前記店舗１７内に複数個設置されたショーケース、１９は前記店舗１７外に配置された冷凍機であり、前記ショーケース１８内の蒸発器（図示せず）とは高圧液配管１２及び低圧ガス配管１０で接続されている。２０はネットワークであり、前記冷凍機１９の内部もしくは近辺に配置された液溜４の外部に密接して設けられた液面測定手段１５の測定情報を基に冷媒漏れを判断する冷媒漏れ検知手段１３を介して電話回線などの有線や移動体回線などの無線等によってに接続されている。２１は前記ネットワーク２０に前記有線や無線等によって接続され、例えば遠隔の前記店舗を経営する本部、あるいは設備を管理する業者の事務所等に設置され、例えばＣＲＴや液晶画面等の表示手段とキーボード、マウス、釦等の入力手段を有する遠隔監視手段である。
【００７１】
図１１は液面測定手段１５と冷媒漏れ検知手段１３及び遠隔監視手段２１の構成図を示す。尚、図において上記実施の形態１における液面測定手段１５及び冷媒漏れ検知手段１３と同一及び相当部分は同一符号を付し説明を省略する。
前記遠隔監視手段２１は、例えばＡ／Ｄ変換器などの入力装置４４、演算装置４５、例えば液晶ディスプレイやＤ／Ａ変換器などの出力装置４６、例えばメモリなどの記憶装置４７により構成される。尚、前記遠隔監視手段２１の入力装置４４と前記冷媒漏れ検知手段１３の出力装置４２とは、前記ネットワーク２０を間に介して、有線あるいは無線等によって接続されている。
【００７２】
本実施の形態においては、冷凍サイクル装置における冷凍サイクルの動作や液面測定手段１５および冷媒漏れ検知手段１３の冷媒漏れ判断等の基本的な構成動作については、上記実施の形態１で説明した通りであるので、ここでの説明を省略し、ネットワークを利用する点について主に説明する。
【００７３】
液面測定手段１５によって測定した液溜４内の冷媒液面高さ、あるいは冷媒漏れ検知手段１３によって演算、判断された冷媒漏れに関する情報は、ネットワーク２０を介して例えば店舗１７を経営する本部や設備を管理する業者の事務所等に設置されてある遠隔監視手段２１に送出される。
【００７４】
遠隔監視手段２１はネットワーク２０経由で入力装置４４から、現在および過去における冷媒液面高さや凝縮温度、蒸発温度、冷媒漏れの有無や冷媒漏れ量等の情報が入力され、記憶装置４７に記憶される。遠隔監視手段２１の演算装置４５は、冷媒漏れ検知手段１３の演算装置４１と比べて高速の演算が可能であるため、演算量の多い上記冷媒漏れ検知アルゴリズムの演算が可能であり、また遠隔監視手段２１の記憶装置４７は、冷媒漏れ検知手段１３の記憶装置４３と比べてデータを記憶する容量が多いため、多くのデータの記憶が可能であり、数時間前あるいは数日前のデータを記憶できるため、冷媒漏れの変化を過去に遡って分析でき、的確な判断が下せる。
【００７５】
以上のように本実施の形態２においては、店舗等に設置される冷凍機の冷媒漏れ検知手段と、例えば遠隔の前記店舗を経営する本部、あるいは設備を管理する業者の事務所等に設置された遠隔監視手段とをネットワーク経由で電話回線などの有線、あるいは移動体回線などの無線にて接続することで、常時冷凍機の冷媒漏れの発生状況を監視することができるため、冷媒漏れを早期に発見し、そして早期に対策を施すことができる。
【００７６】
【発明の効果】
本発明に係る冷凍サイクル装置は、圧縮機、凝縮器、液溜、膨張手段、及び蒸発器を配管にて接続し運転中冷媒を循環させる冷凍サイクル装置であって、前記液溜内に溜められる冷媒液面の高さを運転中に測定する液面測定手段と、前記凝縮器から前記液溜めを介して前記膨張手段までのいずれかの個所にて冷媒の凝縮側温度を測定し、もしくは前記圧縮機と前記凝縮器の間の高圧を測定し凝縮器飽和温度に換算して凝縮側温度を求める凝縮温度測定手段と、前記凝縮側温度から得られる冷媒の密度により前記冷媒液面の高さの冷媒量を換算して冷媒漏れを判断する冷媒漏れ検知手段と、を備えたので、精度の良い冷媒漏れ検知と早期発見ができる冷凍サイクル装置を得ることができる。
【００７７】
本発明に係る冷凍サイクル装置は、蒸発温度測定手段と、を備え、前記冷媒量、前記凝縮側温度及び前記蒸発側温度により冷媒漏れを判断する冷媒漏れ検知手段と、を備えたので、より精度の良い冷媒漏れ検知と早期発見ができる冷凍サイクル装置を得ることができる。
【００７８】
本発明に係る冷凍サイクル装置は、前記液面測定手段に音波あるいは超音波または振動を利用したので、液溜の外部から冷媒液面高さを測定することが可能となるため、センサ−の取付け工事を容易にし、また、既に設置している冷凍機にも取り付けることができる。
【００８０】
本発明に係る冷凍サイクル装置は、前記冷媒漏れ検知手段に遠隔監視手段を有線もしくは無線にて接続するようにしたので、例えば、遠隔監視手段を店舗を経営する本部や設備を管理する業者の事務所等に設け、常時冷媒漏れを監視することができるため、冷媒漏れを早期に発見し、そして早期に対策を施すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の構成図である。
【図２】 本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の液溜を示す図である。
【図３】 本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の冷媒の動作を示すモリエル線図である。
【図４】 本発明の実施の形態１に係る液面測定手段及び冷媒漏れ検知手段の構成図である。
【図５】 本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の他の構成図である。
【図６】 本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置のさらに他の構成図である。
【図７】 本発明の実施の形態１に係る凝縮温度と蒸発温度と液溜内冷媒量との関係を示した図である。
【図８】 本発明の実施の形態１に係る冷媒漏れ検知アルゴリズムの一例を示すフローチャートである。
【図９】 本発明の実施の形態２における冷凍サイクル装置の構成図である。
【図１０】 本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の他の構成図である。
【図１１】 本発明の実施の形態２に係る液面測定手段と冷媒漏れ検知手段及び遠隔監視手段の構成図である。
【図１２】 従来の冷凍サイクル装置を示す構成図である。
【図１３】 従来の他の冷凍サイクル装置を示す構成図である。
【符号の説明】
１ 圧縮機、 ２ 凝縮器、 ４ 液溜、 ６ 膨張手段、 ７ 蒸発器、 ９ 高圧ガス配管、 １０ 低圧ガス配管、 １１ 液溜４の入口側の高圧液配管、 １２ 液溜４の出口側の高圧液配管、１３ 冷媒漏れ検知手段、１５ 液面測定手段、 １７ 店舗、 １８ ショーケース、 １９ 冷凍機、 ２０ ネットワーク、 ２１ 遠隔監視手段、 ２３ 発信器、 ２４ 受信器、 ２５ 超音波発生回路、 ２６ 記憶装置、 ２７ タイマー、 ２８ 演算装置、 ２９ 出力装置、 ３０ 温度測定手段、 ３０ａ、３０ｂ 温度測定手段、 ３１ａ、３１ｂ 圧力測定手段、 ４０ 入力装置、 ４１ 演算装置、 ４２ 出力装置、 ４３ 記憶装置、 ４４ 入力装置、 ４５ 演算装置、 ４６ 出力装置、 ４７ 記憶装置。
【発明の属する技術分野】
本発明は、主としてショーケース等の冷却源として用いられる冷凍機の冷凍サイクル装置に関し、特に冷媒漏れの検知に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１２は例えば特開平１０−１０３８２０号公報に開示された従来の冷凍サイクル装置である。
図において、１０１は圧縮機、１０２は凝縮器、１０３は受液タンク（液溜）、１０４は膨張弁、１０５は蒸発器、１０６は高圧ガス管、１０７は高圧液管、１０８は電磁弁、１０９は低圧液管、１１０は低圧ガス管、１１１は低圧圧力スイッチ、１１２は補助タンク、１１２ａは前記補助タンク１１２の下部と前記受液タンク（液溜）１０３の下部を連通する連通管、１１２ｂは前記補助タンク１１２の上部と前記受液タンク（液溜）１０３の上部を連通する連通管、１１３はフロート式レベルセンサである。
【０００３】
上記構成において、前記圧縮機１０１と凝縮器１０２と受液タンク１０３と膨張弁１０４と蒸発器１０５とを順次接続して冷媒サイクルを形成しており、前記受液タンク１０３と補助タンク１１２とを連通管１１２ａおよび１１２ｂによって連通させることによって受液タンク１０３と補助タンク１１２との液冷媒を同液面レベルとさせている。前記補助タンク１１２にはフロート式レベルセンサ１１３が配設され、液面レベルを検出できるようになっており、検出した受液タンク１０３の液面が予め定められた正常液面レベル以上か否かによって冷媒漏れの検知をしている。尚、上記冷凍サイクルの冷媒の流れ及び作用等については、周知の通りであるので説明を省略する。
【０００４】
また、図１３は例えば特開平６−１８５８３９号公報に開示された別の従来の冷凍サイクル装置である。
図において、２０２は圧縮機、２０３は凝縮器、２０４はレシーバタンク（液溜）、２０５は調節弁、２０６は冷凍ショーケース、２０７は蒸発器、２０８は液取出し管、２０９はフローサイト（サイトグラス）、２１０はドライヤ、２１１はアキュムレータ、２１２は発光器、２１３は受光器、２１４は判別回路である。
【０００５】
上記構成において、圧縮機２０２と凝縮器２０３とレシーバタンク２０４と調節弁２０５と蒸発器２０７とを順次接続して冷媒サイクルを形成しており、レシーバタンク２０４の下部から延びる液取出し管２０８にドライヤ２１０を介してフローサイト（サイトグラス）２０９が取り付けられており、レシーバタンク２０４からの冷媒液の流出状態を確認するようになっている。それは、前記フローサイト２０９内を流れる冷媒液に向けて発光器２１２から投光し、受光器２１３で受光し、受光器２１３の検出信号のレベルに基づき判別回路２１４で判別することで、冷媒液への気泡の混入、すなわち冷媒漏れの検知をしている。尚、冷凍サイクルの冷媒の流れ及び作用等については、前述同様周知の通りであるので説明を省略する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように図１２の従来の冷凍サイクル装置は、液溜１０３内の液面レベルを測定して冷媒漏れを検知しようとすると、前記液溜１０３あるいは液溜１０３と前記連通管１１２ａ及び１１２ｂで接続した前記補助タンク１１２に穴をあけて、前記フロート式レベルセンサ１１３等の液面測定手段を取り付ける必要があり、液面測定手段の設置に多大な労力がかかる。また、冷凍機は基本的に２４時間稼動のため、既に設置して稼動している冷凍機の液溜には液面測定手段が取り付けることができず、更に測定した液溜内の冷媒液面高さが同じでも冷媒の温度が異なれば冷媒量（冷媒の重量）は異なり、測定した液溜内の冷媒液面高さを温度を用いて重量に換算しないと、冷媒漏れの判断を誤る危険性があるという問題点があった。
【０００７】
また、冷媒漏れのない正常な運転において、液溜１０３内の冷媒量（冷媒の重量）は、凝縮器１０２内の冷媒の飽和温度もしくは圧縮機１０１の高圧側の圧力、あるいは蒸発器１０５内の冷媒の飽和温度もしくは圧縮機１０１の低圧側の圧力の変化に応じて変化をし、この変化の仕方はシステム構成によって決まる一定の関係にあるため、このことを考慮して冷媒漏れ検知を行わないと、精度のよい冷媒漏れ検知、すなわち冷媒漏れの早期発見はできないという問題点があった。
【０００８】
また、図１３の従来の冷凍サイクル装置は、液溜２０４の出口側についているサイトグラス２０９に、前記発光器２１２、受光器２１３、判別回路２１４等の気泡検知手段を取り付けて、冷媒液への気泡の混入検知によって、冷媒漏れの検知をするようにしているが、液溜内の冷媒液が殆どなくなり液溜の出口管の位置まで冷媒液面が下がってこないと冷媒漏れを検知できないため、冷媒漏れの早期発見ができず、前記検知手段が冷媒漏れを検知してから、冷媒不足により冷凍機が所定の性能を維持できなくなる現象が出るまでの時間が短く、従ってショーケース２０６の食品が温まって鮮度が悪くなってしまう前に冷凍機に冷媒を再充填する対策を取ることができないという問題点があった。
【０００９】
本発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、冷媒漏れを精度よく、しかも早期に発見できる冷凍サイクル装置を得ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る冷凍サイクル装置は、圧縮機、凝縮器、液溜、膨張手段、及び蒸発器を配管にて接続し運転中冷媒を循環させる冷凍サイクル装置であって、前記液溜内に溜められる冷媒液面の高さを運転中に測定する液面測定手段と、前記凝縮器から前記液溜めを介して前記膨張手段までのいずれかの個所にて冷媒の凝縮側温度を測定し、もしくは前記圧縮機と前記凝縮器の間の高圧側の圧力を測定し凝縮器飽和温度に換算して凝縮側温度を求める凝縮温度測定手段と、前記凝縮側温度から得られる冷媒の密度により前記冷媒液面の高さの冷媒量を換算して冷媒漏れを判断する冷媒漏れ検知手段と、を備えたものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、本発明における実施の形態の一例を示す冷凍サイクル装置の構成図である。
図において、１は圧縮機、２は凝縮器、３は凝縮器用送風機、４は液溜、５は電磁弁、６は膨張手段、７は蒸発器、８は蒸発器用送風機、９は高圧ガス配管、１０は低圧ガス配管、１１は液溜４の入口側の高圧液配管、１２は液溜４の出口側の高圧液配管、１３は冷媒漏れ検知手段、１５は液面測定手段、３０は例えばサーミスタなどの温度測定手段であり、前記液溜４の例えば表面温度を測定する。前記圧縮機１、電磁弁５、膨張手段６、蒸発器７、蒸発器用送風機８は、例えば１つもしくは複数個設置され、図では各々３台の例として示す。また、前記凝縮器２および凝縮器用送風機３は、例えば機械室もしくは屋外に設置され、前記蒸発器７および蒸発器用送風機８は、例えば店舗等に設置されるショーケース等に内蔵される。
【００１６】
図２は、上記のように構成された冷凍サイクル装置の前記液溜４を示す図である。尚、図２において、上記図１と同一又は相当部分には同一符号を付し説明を省略する。
図において、１４は前記液溜４の例えば圧力配管用炭素鋼鋼管等からなる筐体、１５ａは前記筐体１４に設けられた例えば超音波センサーで、１５ｂは前記超音波センサー１５ａのコントローラであり、この１５ａ、１５ｂにより前記液面測定手段１５を構成する。１６は冷媒液面である。また、図３には、冷凍サイクル装置の冷媒の動作を示すモリエル線図を示しており、図中に付した符号は、図１の構成図の符号と対応している。
【００１７】
まず、冷凍サイクルの動作について説明する。低温低圧のガス冷媒は、圧縮機１で圧縮されて高温高圧のガス冷媒になり、高圧ガス配管９を介して凝縮器２へ流入し、凝縮器２で周囲の流体、例えば空気や水と熱交換をして放熱し高温高圧の液冷媒になり、液溜４の上部の液溜入口に接続された高圧液配管１１を介して液溜４へ流入する。液溜４へ流入した高温高圧の液冷媒は、液溜４の下部の液溜出口に接続された高圧液配管１２から流出し、電磁弁５を通った後、膨張手段６で減圧されて低温低圧の二相冷媒となって蒸発器７へ流入し、蒸発器７で周囲の流体、例えば空気と熱交換をして低温低圧のガス冷媒となり、低圧ガス配管１０を介して、圧縮機１へ吸入される。
【００１８】
次に、冷凍サイクル内の冷媒量について説明する。例えばスーパーマーケットのショーケース用の冷却に用いる冷凍機においては、ショーケースは食品売り場に設置されるが、その数、大きさ、種類、配置は設置される店によって異なり、それによってショーケース内に配置されている蒸発器７の内容積も異なる。また、圧縮機１、凝縮器２、液溜４の設置場所も店の構造によって異なり、例えば食品売り場の裏手に設置される場合や屋上に設置される場合があり、それによって蒸発器７と圧縮機１、凝縮器２、液溜４との距離が変り、低圧ガス配管１０や高圧液配管１２等の配管の長さも異なったものとなる。
【００１９】
冷凍サイクルが所定の性能を発揮するためには冷凍サイクルの内容積に適した冷媒量を必要とし、蒸発器の内容積や配管の長さが異なると冷凍サイクル全体で必要とする冷媒量も異なったものとなるため、冷凍機の冷媒は、機器を設置した現地で冷凍サイクルを構成した後に充填される。また、冷凍サイクルでの必要冷媒量は、冷凍サイクルの状態によっても異なり、冷凍サイクルの状態は外気温度やショーケース等の負荷側機器の運転状態によって異なるため、通常冷媒を充填する時は、運転状態によらず凝縮器や蒸発器等の各構成機器に必要な冷媒量が常時配分されるように、少し多めに冷媒を充填する。
【００２０】
よって、圧縮機１、凝縮器２、蒸発器７および配管９〜１２に配分される冷媒量は、それぞれの内容積、性能および運転状態によって決まり、冷凍サイクルに充填された冷媒のうち、冷凍サイクルの各構成機器が適性冷媒量になった後の余剰冷媒は、液溜４の中に溜まることになる。従って、液溜４内の冷媒量は冷凍サイクルの状態により時々刻々変化するが、凝縮器２や蒸発器７といった各構成機器内の冷媒の圧力や飽和温度等を測定することで各構成機器内の冷媒量を演算し、冷媒充填量との差し引きで液溜４内の冷媒量を推測することができる。すなわち、ある時刻において液溜４内の冷媒量を測定し、通常の冷凍サイクルの運転状態あるいは以前の時刻における液溜４内の冷媒量と比較することで、液溜４内の冷媒量の変化が通常の変化範囲内であるのか否かを冷媒漏れ検知手段１３において演算、判断することで、冷凍サイクルからの冷媒漏れを知ることが可能となる。
【００２１】
しかし、液溜４は内部に高圧の液冷媒を貯留するため、圧力配管用炭素鋼鋼管等の金属で形成し、しかも法規に則って耐圧強度を考えて設計、製作された圧力容器でなければならず、その一部に覗き窓のような透明な部分を設けることは可能であるが、実用上は液溜４の大部分は不透明な容器になる。なお、不透明とは光学的に不透明という意味で、光に類するものを用いて液溜４の外部から内部の液面を測定したり、目視によって液溜４の内部全体を透視することが不可能であるということを意味する。また、液溜４の一部に光学的に透明な覗き窓を取り付けたとしても、液溜４内の液面は常時変動しているため、その覗き窓から、液溜４内の冷媒液面の正確な位置を測定もしくは監視することは困難である。
【００２２】
一方、音波あるいは超音波といった高周波振動は、気体、液体、固体のいかなる媒質の中も伝わる性質を持っており、この性質を利用することで、液溜４の筐体１４の外側から、液溜４内の冷媒液の液面の測定が考えられる。そして、超音波は弾性を持ついかなる媒質をも伝わり、気体、液体、固体のいずれに対しても使用される。超音波が媒質中を伝播していく速度は、媒質の種類と温度によって異なる。
【００２３】
表１に代表的な媒質の音速を示す。表中( )内は媒質の温度を表し、単位は[ｃｍ/ｓ]である。
【００２４】
【表１】
尚、表中空気、水、金属の音速は、１９９５年１１月３０日に丸善から発行された「理科年表」に記述の数値を用い、また、フロンの音速は、１９９８年にＮＩＳＴから発売されたソフト「ＲＥＦＰＲＯＰ Ｖｅｒ６．０１」を用いて計算した値を記した。また、表中Ｒ２２およびＲ４０４Ａはフロン系の冷媒であり、前記Ｒ４０４Ａは複数の冷媒を混合した混合冷媒で、表中には標準組成の時の値を示している。また、液溜内には上部に冷媒ガス、下部に冷媒液が存在するため、表中には冷媒が液の時と、ガスの時の両者の音速を記載した。
【００２６】
超音波の発生方法にはいくつかの方法があるが、その発生方法の例を以下に示す。
まず、磁歪振動子による方法。ニッケル、鉄−アルミニウム合金等の金属、ニッケル−銅−コバルト系フェライトは、磁場を与えると伸びたり縮んだりする。この性質により、磁場を作るための巻線に高周波電流を流すと、超音波振動が起こる。
【００２７】
次に電歪振動子による方法。チタン酸バリウム磁器、チタン酸ジルコン酸鉛磁器等の燒結体に、銀電極を施して直流電界を印加すると伸び変形する。この性質により電極間に高周波電界を印加すると、超音波振動が発生する。
【００２８】
次に圧電振動子による方法。水晶、ロッシェル塩、圧電性セラミックなどの圧電結晶は、電界を印加すると伸縮またはすべり変形をする。この性質を利用し、高周波電圧を印加すると、超音波振動が発生する。
【００２９】
上記に超音波の発生方法の例をいくつか説明したが、その中のいずれかの方法を用いてもよいし、また、超音波を発生させる他の方法によっても構わない。
【００３０】
超音波は進行していく途中に異なった媒質があると、その境界で一部は反射し一部は透過する。超音波が密度ρ１、速度ｃ１の媒質１から密度ρ２、速度ｃ２の媒質２へ垂直に入射した時、超音波の反射率Ｒおよび透過率Ｔは次式で示される。
Ｒ＝（ρ２×ｃ２−ρ１×ｃ１）/（ρ１×ｃ１＋ρ２×ｃ２）
Ｔ＝１−Ｒ
【００３１】
また、超音波がある媒質中を伝わる時間τは、媒質内の伝播速度ｃと伝播距離Ｌから次式で求められる。
τ＝Ｌ/ｃ
従って、超音波の発信器と受信器を超音波センサとして一体化し、その超音波センサの発信器で超音波を発信し、媒質の界面で反射して戻ってきた超音波を受信器で受信し、発信から受信までの時間Δｔを測定すれば、次式によって媒質の厚みＬを知ることができる。
Ｌ＝（Δｔ×ｃ）/２
【００３２】
前記液溜４の筐体１４の底部に、例えば発信器と受信器が一体化された超音波センサ１５ａを設置することを想定する。前記超音波センサ１５ａの発信器から発信された超音波は、筐体１４の外面から入射し、その内部を材質に応じた速度で伝わり、筐体１４の内面に到達する。すると、筐体１４内には冷媒液があるため、筐体１４と冷媒液との界面で反射がおこり、超音波の一部が再び筐体１４内を伝わって超音波センサ１５ａの受信器で受信され、残りは界面を透過する。なお、この時の超音波の反射率および透過率は上記に示した式で求まる。
【００３３】
また、筐体１４と冷媒液との界面を透過した超音波は、冷媒液内を冷媒液の物性および温度に応じた速度で伝わり、冷媒液と冷媒ガスの界面である冷媒液面１６に到達する。そして、界面の冷媒液面１６で超音波の一部が反射され、再び冷媒液内を伝わり、更に筐体１４をも透過して超音波センサの受信器で受信される。
【００３４】
ただし、上記界面の冷媒液面１６で反射され冷媒液を透過した超音波のうちの一部は、液溜４の筐体１４に入射する際に冷媒液と筐体１４との界面で反射され、何回か反射を繰り返して受信器に到達するものもあったり、また、冷媒液面１６を透過した超音波も液溜４上面の筐体１４で反射されて、これも何回か反射を繰り返して受信器に到達するものもあり、非常に複雑な現象となるため、演算によってどの界面で反射してきた超音波かを分別する必要がある。
【００３５】
図４に液面測定手段１５の超音波センサ１５ａ、超音波コントローラ１５ｂおよび冷媒漏れ検知手段１３の構成図を示す。
前記液面測定手段１５の超音波センサ１５ａは、発信器２３、受信器２４で構成され、超音波コントローラ１５ｂは、超音波発生回路２５、メモリなどの記憶装置２６、タイマー２７、演算装置２８、例えば液晶ディスプレイやＤ／Ａ変換器などの出力装置２９により構成される。一方、前記冷媒漏れ検知手段１３は、例えばＡ／Ｄ変換器などの入力装置４０、演算装置４１、例えば液晶ディスプレイやＤ／Ａ変換器などの出力装置４２、メモリなどの記憶装置４３で構成される。
【００３６】
次に動作について説明する。前記超音波コントローラ１５ｂの超音波発生回路２５で、前記超音波センサ１５ａの発信器２３を動かし超音波を発生させる。そして、前述したように媒質の界面で反射してきた超音波を受信器２４で受信し、演算装置２８へ送る。また一方、前記記憶装置２６に予め記憶された、例えば表１に示すような、筐体１４の媒質による各温度毎の超音波伝播速度や厚さ、あるいは冷媒液や冷媒ガスの媒質による各温度毎の超音波伝播速度等の情報や、タイマー２７の時間に関する情報も前記演算装置２８へ送られる。演算装置２８では、これらの情報を基に、液溜４の筐体１４と冷媒液との界面で反射して戻ってきた超音波や、冷媒液と冷媒ガスとの界面で反射して戻ってきた超音波、あるいは、その他各界面での反射を何回か繰り返して戻ってきた超音波とを演算により分別する。そして、冷媒液と冷媒ガスとの界面で反射して戻ってきた超音波の発信から受信までの時間から冷媒液面１６の高さを求め、これを出力装置２９から出力する。
【００３７】
そして、液面測定手段１５の前記出力装置２９から出力された、液溜４の冷媒液面高さ情報は、前記冷媒漏れ検知手段１３の入力装置４０へ入力され、予め記憶装置４３に記憶された後述するアルゴリズムに基づいて、演算装置４１において演算がなされ、冷媒漏れの有無や冷媒漏れの量が判断され、出力装置４２から例えばユーザーの監視装置やディスプレー等の表示装置（図示せず）に出力される。また、現在および過去における冷媒液面高さや凝縮温度、蒸発温度、冷媒漏れの有無や冷媒漏れの量が記憶装置４３に新たに記憶される。
【００３８】
尚、前記超音波センサー１５ａの測定において、超音波センサー１５ａと液溜４の筐体１４とは密接しており、その間には他の物質は殆ど存在しないことを前提にしている。すなわち、筐体１４と超音波センサー１５ａとの間には空気が入らないように、超音波センサー１５ａの取付け部は柔らかい材質で構成し、かつ超音波センサー１５ａに圧力をかけて筐体１４に密着させることが望ましく、この密着度が弱いと検出精度が悪くなってしまう。超音波センサー１５ａの取付け部の材質としては、例えばゴムやジェル状の物質等が考えられ、また超音波センサー１５ａに圧力をかける方法としては、例えば磁石の磁力を利用する方法やベルトの張力を利用する方法等が考えられる。
【００３９】
また、液面測定手段１５が超音波センサーの場合は、液溜４の底面に取付ける方が、ゴミの付着が少なく、また日射や照明による加熱の影響も受けにくいため、信頼性上や測定精度上望ましい。例えば、液溜４の天井面に取付けた場合は、超音波が筐体１４、冷媒ガス、冷媒液の順番に透過することになり、底面に取付けた場合と透過順番が異なることになるが、コントローラ１５ｂでの演算を変更すれば対応可能である。従って、取付け位置は、超音波が液溜４の冷媒液面１６に対して、ほぼ垂直に入射する位置であればどの位置でも良い。
【００４０】
以上のようにして、原理的には、液溜４の筐体１４の内部にセンサーを設けずに、筐体１４の外部に前記超音波センサー１５ａ等の液面測定手段１５を設置して、液溜４内部の冷媒液面１６の高さを測定することができるようになる。
しかし、これは液溜４内の流体が静止している場合のことであり、実際は図１に示すように、液溜４は冷凍サイクル内に配置されているため、その内部には常に冷媒が出入りしており、それに伴い液溜４内の冷媒液面１６も常時数ｍｍの幅で揺動している。従って、このような場合において、液溜４の外側に付けた液面測定手段１５によって、冷媒液面１６を測定するには多少工夫が必要となる。
【００４１】
上記図２に示すように、液溜４の上部に液溜入口側の高圧液配管１１があり、該高圧液配管１１から流入した液冷媒は、重力と慣性力とによってそのまま下に落下して冷媒液面１６に衝突し、その衝突エネルギーによって液溜４内の冷媒液面１６が揺動するものと考えられる。液冷媒と冷媒液面１６との衝突エネルギーは、高圧液配管１１と冷媒液面１６との距離および冷凍サイクルを循環している冷媒循環量によって異なり、高圧液配管１１と冷媒液面１６との距離は冷媒液面１６の高さによって異なる。衝突エネルギーが異なれば、冷媒液面１６の揺動幅も異なるものと思われ、実際、冷媒液面１６の高さによって、冷媒液面１６の揺動幅が変化することは実験によっても確認されている。
【００４２】
実験によれば、この揺動幅は大きい時で±４ｍｍ程度、小さい時で±１ｍｍ程度、また、揺動の周波数は小さい時で１Ｈｚ程度、大きい時で３Ｈｚ程度となっている。また、冷媒液面１６の揺動は液溜４内の冷媒液内に渦流れが発生することが原因であるが、渦は非定常的な現象で一定してできるものでないことは流体力学上知られている。そして、冷媒液面１６の揺動は、きれいな正弦波形のようにプラス側とマイナス側の変動が同じように発生するわけではなく、実験で観察した結果では、冷媒液面の波立ち方も一定しておらず、またプラス側（上側）に比べマイナス側（下側）への変動の方がゆっくりとしており、冷媒液面１６の平均的な位置としては、プラス側とマイナス側の高さの単純平均よりも多少下側に思われる。
【００４３】
したがって、液面測定手段１５による液溜４の冷媒液面１６の測定は、上記液溜４特有の現象を踏まえた上で行わなければいけない。そうしないと、冷媒漏れ検知手段１３での演算および判断に誤りが生じ、冷媒漏れをしていないのに冷媒漏れをしていると判断してしまったり、冷媒漏れが起きているのに冷媒漏れが起きていないと判断してしまったりする可能性がある。
【００４４】
測定、処理方法としては、まず、液面測定手段１５のサンプリング周波数が上記液面揺動周波数と一致していると、測定したデータは揺動している液面の同じ位置を常に測定していることになるため、これを回避する必要がある。
方法としては、異なる２つの周波数、例えば３Ｈｚと５Ｈｚ等でサンプリングして平均化する方法、あるいは、１つのサンプリング周波数でなるべく長く、例えば１Ｈｚで数分間測定する等して誤差を減らす方法等が考えられる。
【００４５】
また、冷媒液面の揺動幅および揺動周波数を考慮して、データのサンプリング数、処理方法を決めなければならない。サンプリング数は例えば最低１０個、できれば数十個以上、処理方法は例えば測定データの単純平均よりも２０％程下側になるように平均を決める方法等が考えられる。また、圧縮機１の発停があると冷媒液面１６は大きく変動するため、圧縮機１の動作と測定およびデータ処理とを連携させ、圧縮機１が動いてから一定時間後、例えば２０分後に測定を行う等も誤差を減らす方法である。
【００４６】
以上のようにして、液溜４内の冷媒液面１６の高さが測定できる。しかし、この液溜４内の冷媒液面１６の高さを直接用いて冷媒漏れを判断すると、推定誤差が大きく、誤判断になってしまう危険性があるため、冷媒漏れの判断は液溜４内の冷媒量を算出し、それを基に行うようにする。したがって、冷媒漏れを判断するためには、ある時刻において液溜４内の冷媒量を算出し、通常の冷凍サイクルの運転状態あるいは以前の時刻における液溜４内の冷媒量と比較する必要がある。冷媒は温度が異なると密度が異なるため、液溜４内の冷媒量（冷媒の重量）を算出するためには、液面測定手段１５によって冷媒液面１６の高さを測定し、冷媒液の温度を温度測定手段３０によって測定（図１の液溜４の表面温度による冷媒の凝縮温度）し、該温度から冷媒液の密度を求め、冷媒液面１６の高さを冷媒量に換算して算出する。
【００４７】
次に図５、図６は、本実施の形態における別の冷凍サイクル装置の構成例を示した図である。尚、図５、図６において、上記図１の構成図と同一または相当部分には同一符号を付し説明を省略する。
上記図１の構成例においては、液溜４内の冷媒量と液溜４の表面温度による冷媒の凝縮温度の２つの情報をもとに冷媒漏れの判断を行うようにしたが、図５、図６の構成においては、液溜４内の冷媒量と凝縮温度および蒸発温度の３つの情報をもとに冷媒漏れの判断を行うようにして、より精度の向上を図るようにしたものである。
図５において、３０ａは例えば前記高圧液配管１１に設けられた例えばサーミスタ等の温度測定手段で、３０ｂは前記膨張手段６から蒸発器７に至る低圧側の流路に設けられた例えばサーミスタ等の温度測定手段であり、前記温度測定手段３０ａ、３０ｂによって、それぞれ凝縮温度および蒸発温度を測定する。
また、図６において、３１ａは前記圧縮機１と凝縮器２に至る吐出側の高圧ガス配管９に設けられた圧力センサー等の圧力測定手段で、３１ｂは前記蒸発器７と圧縮機１に至る低圧側の低圧ガス配管１０に設けられた圧力センサー等の圧力測定手段であり、前記高圧側の圧力測定手段３１ａと前記低圧側の圧力測定手段３１ｂとにより検知された圧力を、冷媒漏れ検知手段１３においてそれぞれ飽和温度に換算することで凝縮温度と蒸発温度を求める。
【００４８】
図７は、凝縮温度すなわち凝縮器２内の冷媒の飽和温度と、蒸発温度すなわち蒸発器７内の冷媒の飽和温度と、液溜４内の冷媒量（冷媒の重量）との関係を示した図である。尚、図中蒸発温度は、高圧液配管１２が長い場合と短い場合について表している。
【００４９】
図７に示すように、液溜４内の冷媒量は、凝縮温度が高くなると少なくなり、また、蒸発温度が高くなると少なくなる。すなわち、凝縮温度が高くなると凝縮器２内の冷媒と周囲空気との温度差が大きくなり、冷媒と空気との熱交換量、すなわちガス冷媒を凝縮させて液冷媒にする能力が増えるため、凝縮器２内の液冷媒の割合が増え、その分凝縮器２全体での冷媒量も増えて、余剰冷媒が減り液溜４内の冷媒量が減少する。
【００５０】
一方、蒸発温度が高くなると、蒸発器７内の冷媒と周囲空気との温度差が小さくなり、冷媒と空気との熱交換量、すなわち液冷媒を蒸発させてガス冷媒にする能力が減るため、蒸発器７内の液冷媒の割合が増え、その分蒸発器７全体での冷媒量も増えて、余剰冷媒が減り液溜４内の冷媒量が減る。
また、蒸発温度が高くなると、圧縮機１に吸入されるガス冷媒の密度も大きくなるため冷凍サイクルを循環する冷媒流量が増加し、その分凝縮器２および蒸発器７内の冷媒量が増加して液溜４内の余剰冷媒が減る。この２つの要因によって蒸発温度が高くなると液溜４内の冷媒量が少なくなる。
【００５１】
また、図７に示すように前記高圧液配管１２が長くなると、凝縮温度の変化に対する液溜４内の冷媒量の変化の傾きが小さくなる。すなわち、前述した通り凝縮温度が高くなると凝縮器２内の冷媒量が増加するが、高圧液配管１２内の液冷媒の密度が小さくなるため、凝縮温度が高くなると高圧液配管１２内の冷媒量は逆に少なくなる。従って、高圧液配管１２が長くなると、冷凍サイクル全体の冷媒量に占める高圧液配管１２内の冷媒量の割合が大きくなり、高圧液配管１２内の冷媒量の変化によって、凝縮器２における冷媒量の変化の影響が緩和されるため、凝縮温度の変化に対する液溜４内の冷媒量の変化量が小さくなる。図７に示した変化の関係は実験およびシミュレーションによって確認している。
冷凍機の液溜４内の冷媒量と凝縮温度及び蒸発温度及び高圧液配管長さとは上記ような関係があり、冷媒漏れの判断はこの関係を考慮して行わなければならない。
【００５２】
図８は冷媒漏れ判断アルゴリズムの一例を示すフローチャートで、表２は、測定された液溜４の冷媒液面高さや凝縮温度をもとに算出された液溜４内の冷媒量のデータを記憶装置のメモリに記憶する際の、データ領域の区分の仕方の一例を示した表である。尚、表２においてＣＴは凝縮温度、ＥＴは蒸発温度を表す。
今、図５、図６の構成例のように圧縮機１の運転台数が同一で、凝縮温度及び蒸発温度がほぼ同じである場合を同一運転条件と呼称する。前述した図７より明らかなように、液溜４内の冷媒量は凝縮温度と蒸発温度とが決まれば一意に決まるため、同一運転条件における液溜４内の冷媒量はほぼ同じになる。もし、冷媒漏れがおきれば、正常運転状態の液溜４内の冷媒量のデータとの間に差異が生じるため、正常運転状態の前記冷媒量のデータを学習、記憶しておけば、それを基に冷媒漏れの判定ができる。以下に、冷媒漏れ判断について図８のフローチャート、表２のデータ領域の区分の仕方の一例をもとに説明する。
【００５３】
まず、Sｔeｐ１でデータ測定時刻（例えば１時間毎）か否か判断され、Ｙｅｓであれば、Sｔeｐ２において凝縮温度と蒸発温度と液溜４内の冷媒液面１６の高さを測定する。尚、冷媒液面１６の高さ測定などについては前述した通りであるので、ここでの説明を省略する。そして、Sｔeｐ３において前記Sｔeｐ２のデータが有効データか否かの判定をする。つまり、圧縮機が動いてからしばらく時間が経過しないと冷凍サイクルの状態が安定しないため、圧縮機の起動もしくは圧縮機の運転台数の変更がなされてからの経過時間をカウントしておき、測定したデータが圧縮機の起動後一定時間（例えば２０分）を経過しているものを有効データとし、起動後一定時間を経過していないものを無効データとして判定する。
【００５４】
前記Sｔeｐ３で有効データか否かの判定でＹｅｓであれば、次にSｔeｐ４で測定した有効データの液溜４の冷媒液面高さや凝縮温度等をもとに算出された液溜４内の冷媒量データの格納すべきデータ領域を、凝縮温度と蒸発温度から例えば表２に示すような、(1)〜(16)に分けた領域で判定する。
【００５５】
【表２】
尚、前記データ領域には、前測定時刻までに学習、記憶されたデータ群が格納されている。データ群とは、複数の冷媒量データの平均値、冷媒量データの個数および平均値からのずれの最大値等をいう。
【００５７】
次に、Sｔeｐ５において、前記Sｔeｐ４で判定された新たな冷媒量データの該当するデータ領域が有効領域になっているか否かを判定する。この有効領域の判定においては、該当するデータ領域に前測定時刻までに学習、記憶されている前記データ群の個数が、所定数以上（例えば５個以上）になっているデータ領域を有効領域と呼称し、判定する。
【００５８】
そして、前記Sｔeｐ５において該当するデータ領域が有効領域でなかった場合（Ｎｏ）は、Sｔeｐ６で前記新たに測定された有効データから算出された冷媒量データが正常データか否かを判断する。尚、正常データとは該当するデータ領域に記憶されている複数の冷媒量データの平均値からあまり大きく離れていないデータをいう。測定データにノイズが乗っている場合や温度データを誤測定した場合等は算出された冷媒量データが、前記平均値から大きくずれてくるため、それを判断し、異常なデータを除外する。前記Sｔeｐ６で正常データの場合（Ｙｅｓ）は、Sｔeｐ７において前記算出された冷媒量データを該当する前記データ領域に記憶させ、Sｔeｐ８で該当する前記データ領域のデータ数を１つカウントアップする。
【００５９】
前記Sｔeｐ５で該当するデータ領域が有効領域であった場合（Ｙｅｓ）は、Sｔeｐ９において、新たに測定された有効データから算出された冷媒量データと、その該当する有効領域のデータとを比較して冷媒漏れの判定を行う。
冷媒漏れの判定方法としては、例えば新たに測定された有効データから算出された冷媒量データが、該当する有効領域に記憶されているデータよりも少ない値になっているとき、すなわち液溜４内の冷媒量が減少傾向にあり、しかもその減少傾向がある一定の時間継続している場合に、冷媒漏れが起きていると判断する方法が考えられる。以下に減少傾向の判断について説明する。
【００６０】
データ領域には例えば表２に示すように範囲があり、データ領域(1)は凝縮温度（ＣＴ）が２５℃から３４℃の間で、蒸発温度（ＥＴ）が−２５℃から−２１℃の間のデータが格納されるように、凝縮温度と蒸発温度にはそれぞれ９℃及び４℃の幅がある。従って、１つのデータ領域に格納された複数の冷媒量データの平均値と、新たに測定された有効データから算出された冷媒量データを単純に比較しても、液溜４内の冷媒量が減少傾向にあるのか否かは判断が難しい。
したがって、該当するデータ領域に記憶された複数の冷媒量データの平均値、冷媒量データの個数および前記複数の冷媒量データそれぞれの平均値からのずれの最大値等のデータ群をもとに、新たに測定された有効データから算出された冷媒量データと前記記憶された平均値との偏差が、前記平均値からのずれの最大値よりも大きい場合、液溜４内の冷媒量が減少傾向にあると判断する。
【００６１】
そして、例えば装置が故障した場合やメンテナンスをする場合等で、この冷媒漏れ判断のフローを実施しないときを終了条件として、例えばスイッチ等を用いるなどして、該スイッチの動作を終了のトリガとして、Sｔeｐ１０において終了するか否か判断し、Ｎｏであればこの冷媒漏れ判断フローを繰り返し実行し、Ｙｅｓであれば終了する。
【００６２】
以上のように本実施の形態１においては、冷凍機の冷媒漏れの判断をするためのセンサーを液溜の外部に取付けるようにしたので、設置工事が容易で、既に設置して稼動している冷凍機の液溜にも容易に取付けることができる。また、前記液溜の外部に取付けたセンサーにより液溜内の冷媒液面の高さを測定し、そして温度測定手段により冷媒の凝縮温度を測定し、該温度から冷媒液の密度を求め、冷媒液面高さを冷媒量（冷媒の重量）に換算して算出して、その冷媒量の変化から冷媒漏れを判断するようにしたので、精度よくそして早期に発見することができる。
【００６３】
尚、上記実施の形態においては、液面測定手段１５を液溜４の外部に取付けて冷媒液面高さを測定するようにしたが、例えば従来例の図１２に示すような液溜に補助タンクが接続されて構成される冷凍サイクル装置であった場合は、液溜４に限定するものではなく、前記補助タンクの外部に液面測定手段１５を設けて測定するようにしてもよい。
【００６４】
また、上記実施の形態における凝縮温度は、液溜４の表面温度測定や凝縮器２と液溜４とを接続する高圧液配管１１の冷媒温度測定による凝縮温度、あるいは圧縮機１と前記凝縮器２に至る吐出側の高圧ガス配管９に設けた圧力センサーによる冷媒の圧力測定から飽和温度に換算することで求める凝縮温度などに限定するものではなく、例えば前記補助タンクの表面温度、あるいは液溜４内もしくは補助タンク内の冷媒温度や前記凝縮器２内の冷媒の飽和温度測定、または液溜４と膨張手段６とを接続する高圧液配管１２の冷媒温度測定による凝縮温度、あるいは圧縮機１の吐出側から膨張手段６に至る流路のいずれかの位置に設けた圧力センサーによる冷媒の圧力測定から飽和温度に換算することで求める凝縮温度としても構わない。
【００６５】
また、蒸発温度は、膨張手段６から蒸発器７に至る流路の冷媒温度測定による蒸発温度、あるいは蒸発器７と圧縮機１に至る低圧側の低圧ガス配管１０に設けた圧力センサーによる冷媒の圧力測定から飽和温度に換算することで求める蒸発温度などに限定するものではなく、例えば蒸発器７内の冷媒の飽和温度測定、あるいは膨張手段６から圧縮機１に至る流路のいずれかの位置に設けた圧力センサーによる冷媒の圧力測定から飽和温度に換算することで求める蒸発温度としても構わない。
【００６６】
また、冷媒漏れの判断は、液溜内冷媒量と凝縮温度と蒸発温度の３つの情報を用いて行う方が精度が良いが、例えば蒸発器７の内容積が小さい場合等は、蒸発温度の変化が液溜４内の冷媒量に及ぼす影響が、凝縮温度の液溜４内の冷媒量に及ぼす影響に比べて小さいため、図１に示すような液溜内冷媒量と凝縮温度の２つの情報で冷媒漏れの判断を行うようにしてもよい。
【００６７】
また、上記冷媒漏れ判断アルゴリズムは１つの例として、これに限定されるものではなく、例えば測定した温度データや算出された冷媒量データから、上記図７に示すような直線を作成し、その直線からデータが大きく離れた場合に冷媒漏れと判断するようにしてもよく、あるいは、図７の直線をシミュレーション等によって予め標準パターンとして作成しておき、これから大きく離れた場合に冷媒漏れと判断するようにしてもよい。
【００６８】
また、上記実施の形態においては、液面測定手段１５と冷媒漏れ検知手段１３とを別々にし、液面測定手段１５の測定値を基に冷媒漏れ検知手段１３において冷媒漏れの判断をするようにしたが、冷媒漏れ検知手段１３が液面測定手段１５に内臓されていても構わない。例えば、液面測定手段１５内の演算装置２８において冷媒漏れの判断をするように液面測定手段１５を構成すれば、冷媒漏れ検知手段１３を別に具備しなくてもよく構成も簡単になる。また、冷媒漏れ検知手段１３は液面測定手段１５の測定情報に何らかの演算を加えることのできるものであればどんなものでもよく、例えばパソコンのようなものでも構わない。
【００６９】
実施の形態２．
本実施の形態は、上記実施の形態1における冷凍サイクル装置をネットワークを通じて構成するようにしたものである。
図９及び図１０に、本実施の形態における冷凍サイクル装置の構成図を示す。
尚、図９は１つの店舗に対して冷凍機が１つのみ配置されている場合を、図１０は１つの店舗に対して冷凍機が複数個（図では２台で示す）配置されている場合をそれぞれ示す。また、図９及び図１０において、上記実施の形態１における冷凍サイクル装置と同一又は相当部分には同一符号を付し説明を省略する。
【００７０】
図９及び図１０において、１７は例えばスーパーマーケットやコンビニエンスストアの店舗、１８は前記店舗１７内に複数個設置されたショーケース、１９は前記店舗１７外に配置された冷凍機であり、前記ショーケース１８内の蒸発器（図示せず）とは高圧液配管１２及び低圧ガス配管１０で接続されている。２０はネットワークであり、前記冷凍機１９の内部もしくは近辺に配置された液溜４の外部に密接して設けられた液面測定手段１５の測定情報を基に冷媒漏れを判断する冷媒漏れ検知手段１３を介して電話回線などの有線や移動体回線などの無線等によってに接続されている。２１は前記ネットワーク２０に前記有線や無線等によって接続され、例えば遠隔の前記店舗を経営する本部、あるいは設備を管理する業者の事務所等に設置され、例えばＣＲＴや液晶画面等の表示手段とキーボード、マウス、釦等の入力手段を有する遠隔監視手段である。
【００７１】
図１１は液面測定手段１５と冷媒漏れ検知手段１３及び遠隔監視手段２１の構成図を示す。尚、図において上記実施の形態１における液面測定手段１５及び冷媒漏れ検知手段１３と同一及び相当部分は同一符号を付し説明を省略する。
前記遠隔監視手段２１は、例えばＡ／Ｄ変換器などの入力装置４４、演算装置４５、例えば液晶ディスプレイやＤ／Ａ変換器などの出力装置４６、例えばメモリなどの記憶装置４７により構成される。尚、前記遠隔監視手段２１の入力装置４４と前記冷媒漏れ検知手段１３の出力装置４２とは、前記ネットワーク２０を間に介して、有線あるいは無線等によって接続されている。
【００７２】
本実施の形態においては、冷凍サイクル装置における冷凍サイクルの動作や液面測定手段１５および冷媒漏れ検知手段１３の冷媒漏れ判断等の基本的な構成動作については、上記実施の形態１で説明した通りであるので、ここでの説明を省略し、ネットワークを利用する点について主に説明する。
【００７３】
液面測定手段１５によって測定した液溜４内の冷媒液面高さ、あるいは冷媒漏れ検知手段１３によって演算、判断された冷媒漏れに関する情報は、ネットワーク２０を介して例えば店舗１７を経営する本部や設備を管理する業者の事務所等に設置されてある遠隔監視手段２１に送出される。
【００７４】
遠隔監視手段２１はネットワーク２０経由で入力装置４４から、現在および過去における冷媒液面高さや凝縮温度、蒸発温度、冷媒漏れの有無や冷媒漏れ量等の情報が入力され、記憶装置４７に記憶される。遠隔監視手段２１の演算装置４５は、冷媒漏れ検知手段１３の演算装置４１と比べて高速の演算が可能であるため、演算量の多い上記冷媒漏れ検知アルゴリズムの演算が可能であり、また遠隔監視手段２１の記憶装置４７は、冷媒漏れ検知手段１３の記憶装置４３と比べてデータを記憶する容量が多いため、多くのデータの記憶が可能であり、数時間前あるいは数日前のデータを記憶できるため、冷媒漏れの変化を過去に遡って分析でき、的確な判断が下せる。
【００７５】
以上のように本実施の形態２においては、店舗等に設置される冷凍機の冷媒漏れ検知手段と、例えば遠隔の前記店舗を経営する本部、あるいは設備を管理する業者の事務所等に設置された遠隔監視手段とをネットワーク経由で電話回線などの有線、あるいは移動体回線などの無線にて接続することで、常時冷凍機の冷媒漏れの発生状況を監視することができるため、冷媒漏れを早期に発見し、そして早期に対策を施すことができる。
【００７６】
【発明の効果】
本発明に係る冷凍サイクル装置は、圧縮機、凝縮器、液溜、膨張手段、及び蒸発器を配管にて接続し運転中冷媒を循環させる冷凍サイクル装置であって、前記液溜内に溜められる冷媒液面の高さを運転中に測定する液面測定手段と、前記凝縮器から前記液溜めを介して前記膨張手段までのいずれかの個所にて冷媒の凝縮側温度を測定し、もしくは前記圧縮機と前記凝縮器の間の高圧を測定し凝縮器飽和温度に換算して凝縮側温度を求める凝縮温度測定手段と、前記凝縮側温度から得られる冷媒の密度により前記冷媒液面の高さの冷媒量を換算して冷媒漏れを判断する冷媒漏れ検知手段と、を備えたので、精度の良い冷媒漏れ検知と早期発見ができる冷凍サイクル装置を得ることができる。
【００７７】
本発明に係る冷凍サイクル装置は、蒸発温度測定手段と、を備え、前記冷媒量、前記凝縮側温度及び前記蒸発側温度により冷媒漏れを判断する冷媒漏れ検知手段と、を備えたので、より精度の良い冷媒漏れ検知と早期発見ができる冷凍サイクル装置を得ることができる。
【００７８】
本発明に係る冷凍サイクル装置は、前記液面測定手段に音波あるいは超音波または振動を利用したので、液溜の外部から冷媒液面高さを測定することが可能となるため、センサ−の取付け工事を容易にし、また、既に設置している冷凍機にも取り付けることができる。
【００８０】
本発明に係る冷凍サイクル装置は、前記冷媒漏れ検知手段に遠隔監視手段を有線もしくは無線にて接続するようにしたので、例えば、遠隔監視手段を店舗を経営する本部や設備を管理する業者の事務所等に設け、常時冷媒漏れを監視することができるため、冷媒漏れを早期に発見し、そして早期に対策を施すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の構成図である。
【図２】 本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の液溜を示す図である。
【図３】 本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の冷媒の動作を示すモリエル線図である。
【図４】 本発明の実施の形態１に係る液面測定手段及び冷媒漏れ検知手段の構成図である。
【図５】 本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の他の構成図である。
【図６】 本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置のさらに他の構成図である。
【図７】 本発明の実施の形態１に係る凝縮温度と蒸発温度と液溜内冷媒量との関係を示した図である。
【図８】 本発明の実施の形態１に係る冷媒漏れ検知アルゴリズムの一例を示すフローチャートである。
【図９】 本発明の実施の形態２における冷凍サイクル装置の構成図である。
【図１０】 本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の他の構成図である。
【図１１】 本発明の実施の形態２に係る液面測定手段と冷媒漏れ検知手段及び遠隔監視手段の構成図である。
【図１２】 従来の冷凍サイクル装置を示す構成図である。
【図１３】 従来の他の冷凍サイクル装置を示す構成図である。
【符号の説明】
１ 圧縮機、 ２ 凝縮器、 ４ 液溜、 ６ 膨張手段、 ７ 蒸発器、 ９ 高圧ガス配管、 １０ 低圧ガス配管、 １１ 液溜４の入口側の高圧液配管、 １２ 液溜４の出口側の高圧液配管、１３ 冷媒漏れ検知手段、１５ 液面測定手段、 １７ 店舗、 １８ ショーケース、 １９ 冷凍機、 ２０ ネットワーク、 ２１ 遠隔監視手段、 ２３ 発信器、 ２４ 受信器、 ２５ 超音波発生回路、 ２６ 記憶装置、 ２７ タイマー、 ２８ 演算装置、 ２９ 出力装置、 ３０ 温度測定手段、 ３０ａ、３０ｂ 温度測定手段、 ３１ａ、３１ｂ 圧力測定手段、 ４０ 入力装置、 ４１ 演算装置、 ４２ 出力装置、 ４３ 記憶装置、 ４４ 入力装置、 ４５ 演算装置、 ４６ 出力装置、 ４７ 記憶装置。
Claims (8)
- 圧縮機、凝縮器、液溜、膨張手段、及び蒸発器を配管にて接続し運転中冷媒を循環させる冷凍サイクル装置であって、前記液溜内に溜められる冷媒液面の高さを運転中に測定する液面測定手段と、前記凝縮器から前記液溜めを介して前記膨張手段までのいずれかの個所にて冷媒の凝縮側温度を測定し、もしくは前記圧縮機と前記凝縮器の間の高圧側の圧力を測定し凝縮器飽和温度に換算して凝縮側温度を求める凝縮温度測定手段と、前記凝縮側温度から得られる冷媒の密度により前記冷媒液面の高さの冷媒量を換算して冷媒漏れを判断する冷媒漏れ検知手段と、を備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
- 前記膨張手段から前記蒸発器までのいずれかの個所にて冷媒の蒸発側温度を測定し、もしくは前記蒸発器と前記圧縮機の間の低圧側の圧力を測定し蒸発器飽和温度に換算して蒸発側温度を求める蒸発温度測定手段と、を備え、前記冷媒量、前記凝縮側温度及び前記蒸発側温度により冷媒漏れを判断する冷媒漏れ検知手段と、を備えたことを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル装置。
- 前記冷媒漏れ検知手段は運転中の換算した冷媒量の変化が所定範囲内であるか否かを判断することを特徴とする請求項1または２記載の冷凍サイクル装置。
- 前記冷媒漏れ検知手段は換算した前記冷媒量とあらかじめ記憶された冷媒量と比較した差異により冷媒漏れを判断することを特徴とする請求項 1 または２記載の冷凍サイクル装置。
- 前記冷媒漏れ検知手段は換算した前記冷媒量の減少傾向が継続している場合に冷媒漏れが起こっていると判断することを特徴とする請求項３または４記載の冷凍サイクル装置。
- 前記液面測定手段は音波あるいは超音波または振動を利用したことを特徴とする請求項 1 または２記載の冷凍サイクル装置。
- 前記液面測定手段は前記液溜または前記液溜に接続された補助タンクの外部に取り付けられ前記液溜または前記補助タンク内部の液面高さを測定することを特徴とする請求項 1 または２記載の冷凍サイクル装置。
- 前記冷媒漏れ検知手段に遠隔監視手段を有線もしくは無線にて接続したことを特徴とする請求項 1 乃至７のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
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