JP4292525B2 - 蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒量検知方法 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
空調装置、冷凍機等に用いられる蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒量を検知する方法に関し、特に冷媒として二酸化炭素を用いたものに関する。
【0002】
【従来の技術】
空調装置や冷凍機等には、コンプレッサ、放熱器、膨張手段、冷却器を配管接続して閉ループを構成する蒸気圧縮式冷凍サイクルが多く採用されている。このサイクル中を循環する冷媒としては、従来からフロンが多く使用されてきた。しかし、このフロンはオゾン層破壊の原因となるために使用が制限されており、早急に代替物質への移行が求められている。二酸化炭素は、このフロンの代替物質として有望な一物質とみられており、以前には船舶上での食料や積荷等の冷凍に使用されていたが、近年その使用領域を拡大するべく研究、発明が盛んに行われている。
【0003】
また、前記サイクル内を循環する冷媒は、配管等の破損により、また破損がなくても長期にわたる使用に伴い、漏洩していくものである。漏洩により冷媒量が減少すると、空調効果が低下するだけでなく、コンプレッサの焼き付き等の不具合を招くことになる。そこで、冷媒の流れる配管内に圧力低下を感知するロープレッシャスイッチ等を設置することにより、冷媒の漏洩を検知可能とし、このロープレッシャスイッチが感知した場合に、空調装置を自動停止させる等の処置が取られている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようなロープレッシャスイッチは、通常冷媒量の低下がかなり進んだ時点でそれを感知するものであり、主にバースト的な漏洩を検知するためのものである。従って、冷媒量を正確に検知する手段とはなり得ず、冷媒の漏洩がどの程度進んでいるかといったことを把握することはできなかった。
【0005】
また、フロンは、その臨界温度が高いため(例えば、R−12(CCl2 2 )の臨界温度は約112℃)、コンプレッサ停止時には、サイクル内において通常気液二相で存在する。従って、サイクル内に設置された温度センサ及び圧力センサの検出値から冷媒量を計算することはできない。
【0006】
そこで、この発明は、冷媒として二酸化炭素を用いた蒸気圧縮式冷凍サイクルにおいて、サイクル内の冷媒量を正確に算出する方法を提供することを目的とする。
【0007】
上記課題を解決するために、この発明は、コンプレッサ、放熱器、膨張手段、蒸発器が配管接続された閉ループを構成し、このループ内を循環する冷媒が二酸化炭素である蒸気圧縮式冷凍サイクルにおいて、前記ループの高圧側の圧力を検出する圧力センサと、前記蒸発器の吹出空気温度を検出する温度センサとを設け、前記コンプレッサの不稼動時に、前記温度センサにより検出された温度が、前記冷媒の臨界温度よりも高い場合に、前記圧力センサにより前記冷媒の圧力を測定し、検出された温度、冷媒の圧力、及び冷媒が流れる閉ループ内の容積から、冷媒量を算出するものである(請求項1)。
【0008】
二酸化炭素は臨界温度が約31℃と低いため、夏場にはコンプレッサ停止時であっても容易に臨界温度以上となり得る。冷媒(二酸化炭素)の温度が臨界温度以上となると、サイクル内の冷媒は全て気相となるため、サイクル内に設置された温度及び圧力センサからの検出値と、サイクル内の冷媒流路容積とから、冷媒量を計算することができる。これにより、サイクル内の冷媒量を正確に算出することが可能となり、冷媒量の不足により発生する不具合を未然に防止することが可能となる。
【0009】
前記温度及び圧力センサの設置場所は、特に限定されるものではないが、温度センサとしては、外気温度を検出するために外部に取り付けられたものや、蒸発器のフィンや吹出風の温度を検出するために蒸発器に設置されたもの等が好ましく、また圧力センサとしては、膨張弁の冷媒流通方向手前の配管内に設置されるのが好ましい。
【0010】
他の発明は、コンプレッサ、放熱器、膨張手段、蒸発器が配管接続された閉ループを構成し、このループ内を循環する冷媒が二酸化炭素である蒸気圧縮式冷凍サイクルにおいて、前記ループの高圧側の圧力を検出する圧力センサと、前記蒸発器の吹出空気温度を検出する温度センサとを設け、前記コンプレッサの不稼働時に、前記温度センサにより検出された温度が、前記冷媒の臨界温度より低い場合には、前記検出された温度から求まる冷媒の飽和圧力と、前記圧力センサにより実際に検知された前記冷媒の圧力とを比較し、この冷媒圧力が前記飽和圧力よりも小さい場合に、検出された温度、冷媒の圧力、及び冷媒が流れる閉ループ内の容積から、冷媒量を算出するものである(請求項2)。
【0011】
これによれば、検出された温度が臨界温度以下であり、且つ検出された温度を冷媒の飽和温度とした時に求められる飽和圧力よりも、実際に検知された冷媒圧力の方が低い場合には、冷媒は全て気相であると判断できるため、前記冷媒量を算出することができる。尚、飽和温度及び飽和圧力とは、臨界温度以下の蒸気冷媒が液化凝縮するのに必要な温度及び圧力である。
【0012】
また、前記冷媒量の計算は、前記コンプレッサの稼動前に行われるとよい(請求項3)。
【0013】
これによれば、例えば利用者がコントロールパネル等を操作して空調装置の作動命令を出した時、コンプレッサが稼動する前に冷媒量が検知されるので、冷媒量の不足による不具合、例えばコンプレッサの焼き付き等を未然に防止する処置を取ることが可能となる。
【0014】
また、前記算出された冷媒量のデータは、記録手段により時系列的に記録されるとよい(請求項4)。
【0015】
これによれば、冷媒量の変化を経時的に把握すること、例えば年間漏洩量の推定、冷媒不足状態が発生する時期の推定等を行うことができる。また、記録手段に保管されたデータをサービス情報として活用すること、例えばユーザに点検や冷媒補充の必要性を知らせることができる。これにより、保守点検等の作業性を向上させることができる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【0017】
図1に示すこの実施の形態に係る蒸気圧縮式冷凍サイクル1は、冷媒を所定の圧力及び温度となるまで圧縮すると共に図中矢印の方向へ送り出すコンプレッサ2と、コンプレッサ2から吐出された高温高圧の冷媒を外部と熱交換させて放熱させる放熱器3と、放熱器3から吐出された冷媒とコンプレッサ1へ再流入する冷媒とを熱交換させる内部熱交換器4と、冷媒を減圧し気化しやすい状態にする膨張弁5と、膨張弁5により減圧された冷媒を外部と熱交換させて蒸発させ、周囲に冷気を放出させる蒸発器6と、蒸発器6から吐出された冷媒を気液分離して気相だけを流出させるアキュムレータ7とが配管接続され、閉ループを構成する。
【0018】
また、上記蒸気圧縮式冷凍サイクル1は、前記蒸発器6の熱交換を促進させるためのフィンの温度を検出するフィン温度センサ8と、外気の温度を検出する外気温センサ9と、配管内の冷媒圧力を検出する圧力センサ10とを有する。
【0019】
上記フィン温度センサ8、外気温センサ9、及び圧力センサ10からのデータは、コントロールユニット(C/U)11に入力される。このC/U11は、蒸気圧縮式冷凍サイクル1の各種機能を制御すると共に、後述する冷媒量検知処理を行う。また、このC/U11には、データ記録装置としてのRAM12と接続している。
【0020】
前記内部熱交換器4は、高圧側配管4a及び低圧側配管4bを備え、高圧側配管4aは放熱器3の流出側と膨張弁5の流入側との間に配され、低圧側配管4bはアキュムレータ7の流出側とコンプレッサ2の吸入側との間に配されており、これら両配管4a,4b内を流通する冷媒同士を熱交換させるものである。これにより、放熱器3から流出した冷媒は更に冷却されて膨張弁5に流入するので、蒸発器6内での蒸発を促進させることができ、またアキュムレータ7から流出した気体冷媒は、コンプレッサ2に流入する前に高圧側配管4a内を流れる冷媒により加熱されるので、コンプレッサ2内には完全に乾燥した気体冷媒のみを吸入させることができる。このように、内部熱交換器4は、性能を向上させるために有効なものであるが、これがなくても蒸気圧縮式冷凍サイクル1を稼動させることは可能である。
【0021】
以下に、前記C/U11により行われる冷媒量検知制御を、図2及び図3を参照して説明する。この冷媒量検知制御は、メイン制御ルーチンから定期的に実行されるものである。
【0022】
先ず、ステップ100において、空調装置のON/OFF命令を伝えるA/CスイッチがONであるか否かを判定し、A/CスイッチがONではないと判定された場合には、メイン制御ルーチンへリターンし、一方ONであると判定された場合には、ステップ102において、前記フィン温度センサ8及び外気温度センサ9により温度Tf 及びTo を検出し、ステップ104において、前記フィン温度Tf 及び外気温度To の平均値である温度Tが二酸化炭素の臨界温度Tc (約31℃)以上であるか否かを判定する。尚、このTcは、31℃近傍に予め設定された値であり、厳密に二酸化炭素の臨界温度である必要はない。
【0023】
前記ステップ104において、温度Tが臨界温度Tc 以上であると判定された場合には、冷媒は全て気相となっていると判断できるため、ステップ106において、前記圧力センサ10により冷媒の圧力Pを検出し、ステップ108において、前記温度T、前記圧力P、及び冷媒流路の容積Vから、冷媒量Qを算出する。この冷媒量Qは、例えば二酸化炭素の物性表等から算出することができる。
【0024】
そして、ステップ110において、算出された冷媒量Qが、サイクルが正常に機能するのに必要な設定冷媒量Qs よりも少ないか否かを判定し、冷媒量Qが設定冷媒量Qs よりも少なくないと判定された場合には、ステップ118において、この冷媒量Qとこれを計測した日時をRAMに記録し、ステップ120において、コンプレッサ2を駆動させた後メイン制御ルーチンにリターンする。
【0025】
一方、前記ステップ110において、前記冷媒量Qが設定冷媒量Qs よりも少ないと判定された場合には、ステップ112において、冷媒量Qとこれを計測した日時をRAMに記録し、ステップ114において、計器板等に設けられた警告ランプを点灯させて利用者に警告を発し、ステップ116において、コンプレッサ2を駆動不可能とした後、メイン制御ルーチンへリターンする。
【0026】
また、前記ステップ104において、前記温度Tが臨界温度Tc 以上ではないと判定された場合には、冷媒の全てが気相となった状態ではないと判断できる。この場合には、ステップ130(図3参照)において、図4に示すような平衡圧と冷媒量の関係を示すデータテーブルを用いて、この温度Tを飽和温度とした時の飽和圧力Ps を求め、ステップ132において、前記圧力センサ10により検出された実際の圧力Pが前記飽和圧力Ps よりも大きいか否かを判定する。
【0027】
そして、前記ステップ132において、圧力Pが飽和圧力Ps よりも小さいと判定された場合には、冷媒が全て気相となっていると判断できるため、ステップ134において、前記冷媒量Qを算出し、その後前記ステップ110(図2参照)へ戻る。一方、前記ステップ132において、圧力Pが飽和圧力Ps と同等か、或いは小さくないと判定された場合には、冷媒は気液二相となっていると判断できるため、ステップ136において、冷媒量Qの計算が不可能であったことと、この計測が行われた日時とを前記RAM12に記録し、その後前記ステップ120(図2参照)に戻る。
【0028】
上記制御によれば、利用者が空調装置を作動させるためにA/CスイッチをONとすると、C/U11はコンプレッサ2を駆動させる前に、冷媒量Qの算出を行う。この冷媒量Qの算出は、冷媒である二酸化炭素が、気相一相となっている場合に行われる。冷媒が気相一相であると判断されるのは、温度センサ8,9により検出される両温度の平均の温度Tが二酸化炭素の臨界温度Tc (約31℃)以上である場合と、前記温度Tが臨界温度Tc よりも低く且つ冷媒の圧力Pが温度Tを飽和温度とした時の飽和圧力Ps よりも小さい場合である。上記以外の場合には、冷媒は気液二相で存在すると判断されるので、冷媒量Qの計算は行われない。
【0029】
そして、算出された冷媒量Qは、これが計測された日時と共にRAM12に格納されて時系列的に記録保管され、また冷媒が気液二相で存在し、冷媒量Qの算出が不可能であった場合にも、計算が不可能だったことを示すデータと計測された日時とがRAM12に記録保管される。
【0030】
上記構成のように、二酸化炭素の臨界温度が低いという性質を利用することにより、サイクル1内の冷媒量Qを正確に算出することができる。また、この冷媒量Qの算出は、コンプレッサ2の駆動前に行われるので、冷媒量Qの不足によるコンプレッサ2の焼き付け等の不具合の発生を未然に防止することができる。更に、冷媒量Qとその計測日時とが記録されるので、冷媒量Qの変化を時系列的に把握することができる。例えば、年間に冷媒が漏洩すると思われる量や、冷媒不足状態が発生する時期を推定することができ、またRAM12に保管されたデータを保守点検時のサービス情報として活用することができる。
【0031】
尚、この実施の形態においては、検出する温度を蒸発器6のフィンの温度Tf 及び外気温度To としたが、この発明はこれに限られるものではなく、適宜な場所を選択してもよい。また、前記温度Tを、前記フィン温度Tf と前記外気温度To との平均値としたが、この発明はこれに限られるものではない。更に、冷媒流路容積Vを、V1 +V2 +・・・=Vとなるように複数の区画に分割し、それぞれの区画V1 ,V2 ,・・・に対して設けられた温度センサにより温度T1 ,T2 ,・・・を検出し、冷媒量Qを、Q=f1 (P,T1 )V1 +f2 (P,T2 )V2 +・・・のように算出してもよい。更にまた、上述のような冷媒量Qの計算を、コンプレッサ2の停止後に行うようにしてもよい。
【0032】
【発明の効果】
上記のように、この発明によれば、フロンの代替冷媒としての二酸化炭素の性質を有効に利用することにより、サイクル内の冷媒量を正確に算出することができる。また、この冷媒量の算出は、コンプレッサの駆動前に行われるので、冷媒量の不足によるコンプレッサの焼き付け等の不具合の発生を未然に防止することができる。更に、冷媒量とその計測日時とを記録することにより、冷媒量の変化を時系列的に把握することができ、もって保守点検等の作業性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、この発明の実施の形態に係る蒸気圧縮式冷凍サイクルを示すブロック図である。
【図2】図2は、冷媒量検知制御を示すフローチャートである。
【図3】図3は、冷媒量検知制御を示すフローチャートである。
【図4】図4は、サイクル平衡圧と冷媒量の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
1 蒸気圧縮式冷凍サイクル
2 コンプレッサ
3 放熱器
4 内外熱交換器
5 膨張弁
6 蒸発器
7 アキュムレータ
8 フィン温度センサ
9 外気温度センサ
10 圧力センサ
11 コントロールユニット(C/U)
12 RAM

Claims (4)

  1. コンプレッサ、放熱器、膨張手段、蒸発器が配管接続された閉ループを構成し、このループ内を循環する冷媒が二酸化炭素である蒸気圧縮式冷凍サイクルにおいて、
    前記ループの高圧側の圧力を検出する圧力センサと、前記蒸発器の吹出空気温度を検出する温度センサとを設け、
    前記コンプレッサの不稼動時に、前記温度センサにより検出された温度が、前記冷媒の臨界温度よりも高い場合に、前記圧力センサにより前記冷媒の圧力を測定し、検出された温度、冷媒の圧力、及び冷媒が流れる閉ループ内の容積から、冷媒量を算出することを特徴とする蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒量検知方法。
  2. コンプレッサ、放熱器、膨張手段、蒸発器が配管接続された閉ループを構成し、このループ内を循環する冷媒が二酸化炭素である蒸気圧縮式冷凍サイクルにおいて、
    前記ループの高圧側の圧力を検出する圧力センサと、前記蒸発器の吹出空気温度を検出する温度センサとを設け、
    前記コンプレッサの不稼働時に、前記温度センサにより検出された温度が、前記冷媒の臨界温度より低い場合には、前記検出された温度から求まる冷媒の飽和圧力と、前記圧力センサにより実際に検知された前記冷媒の圧力とを比較し、この冷媒圧力が前記飽和圧力よりも小さい場合に、検出された温度、冷媒の圧力、及び冷媒が流れる閉ループ内の容積から、冷媒量を算出することを特徴とする蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒量検知方法。
  3. 前記冷媒量の計算は、前記コンプレッサ稼動前に行われることを特徴とする請求項1又は2記載の蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒量検知方法。
  4. 前記算出された冷媒量のデータは、記録手段により時系列的に記録されることを特徴とする請求項1、2又は3記載の蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒量検知方法。
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