JP4752579B2 - 冷凍サイクル装置および冷凍サイクル装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、動力を回収する膨張機構を備えた冷凍サイクル装置および冷凍サイクル装置の制御方法に関する。

冷凍サイクル装置において、例えば据え付け工事不良や配管の破損等により、冷媒回路中の冷媒が漏れると、冷媒回路全体の圧力が低下したり、冷媒循環量が不足したりする結果、能力が低下する。さらに、そのままの状態で運転を継続していると、圧縮機が損傷してしまう恐れがある。したがって、このような冷媒漏れによる故障を防止する目的で、冷媒不足を判定する手段が設けられている（例えば、特許文献１参照）。

また、減圧器の代わりに膨張機構を設けて、膨張時の圧力エネルギーを動力として回収し、ＣＯＰを向上させる冷凍サイクル装置が提案されている。

以下、圧縮機構の回転数をＨｚｃ、膨張機構の回転数をＨｚｅとし、また、圧縮機構と膨張機構はともに容積式であり、圧縮機のシリンダ容積をＶＣ、膨張機構のシリンダ容積をＶＥ、圧縮機構に流入する冷媒の密度をＤＣ、膨張機構に流入する冷媒の密度をＤＥとして説明する。圧縮機構、膨張機構のそれぞれを流れる質量循環量は等しいことから、「ＶＣ×ＤＣ×Ｈｚｃ＝ＶＥ×ＤＥ×Ｈｚｅ」、すなわち、「ＶＣ／ＶＥ＝（ＤＥ／ＤＣ）×（Ｈｚｅ／Ｈｚｃ）」の関係が成立する。ＶＣ／ＶＥ（設計容積比）は機器の設計時に定まる定数であるので、ＤＥ／ＤＣ（密度比）とＨｚｅ／Ｈｚｃ（回転数比）の積が常に一定となるように冷凍サイクルはバランスしようとする。

膨張機構の回転数Ｈｚｅが、圧縮機構の回転数Ｈｚｃと無関係に設定できる場合には、膨張機構の回転数Ｈｚｅ（すなわち、発電機のトルク）を調整し、冷凍サイクル装置の高圧側圧力を最良に調整する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

一方、圧縮機構と膨張機構は同一回転数で回転する場合には、圧縮機構、膨張機構のそれぞれを流れる質量循環量は等しいことから、「ＶＣ×ＤＣ＝ＶＥ×ＤＥ」、すなわち、「ＶＣ／ＶＥ＝ＤＥ／ＤＣ」の関係が成立する。ＶＣ／ＶＥ（設計容積比）は機器の設計時に定まる定数であるので、ＤＥ／ＤＣ（密度比）が常に一定となるように冷凍サイクルはバランスしようとする。（以下、このことを、「密度比一定の制約」と呼ぶ。）
しかし、冷凍サイクル装置の使用条件は必ずしも一定でないので、設計時に想定した設計容積比と実際の運転状態での密度比が異なる場合には、「密度比一定の制約」のために、最良な高圧側圧力に調整することが困難となる。

そこで、膨張機構をバイパスするバイパス流路、膨張機構の上流や下流に減圧器を設けて、膨張機構に流入する循環量を制御することで、最良な高圧側圧力に調整する構成や制御方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００５−１３３９５８号公報 特開２０００−３２９４１６号公報

しかしながら、上記従来の構成には、動力回収を行う膨張機構を設けた冷凍サイクル装置において、冷媒不足を判定する方法は何ら記載されていない。すなわち、膨張機構を設けた冷凍サイクルを最良な運転状態に制御しようとすると、上記特許文献２に提案されて
いるようにバイパス流路や、膨張機構の上流や下流に減圧器を設ける必要があり、上記特許文献１に提案された冷凍サイクル装置の減圧器を単純に膨張機構に置き換えて考えれば、冷媒不足を判定できるというものではない。

そこで、本発明は、上記課題を解決するため、動力回収を行う膨張機構を備えた冷凍サイクル装置において、冷媒不足を確実に検知し、信頼性の低下を防止する冷凍サイクル装置およびその制御方法を提供することを目的としている。

前記従来の課題を解決するために、本発明の冷凍サイクル装置は、利用側熱交換器の流入流体温度を検出する利用側熱交換器入口流体温度検出手段と、熱源側熱交換器の流入流体温度を検出する熱源側熱交換器入口流体温度検出手段と、利用側熱交換器入口流体温度検出手段と熱源側熱交換器入口流体温度検出手段の少なくとも一方の検出値から目標膨張機構回転数を演算する目標膨張機構回転数演算手段と、膨張機構の回転数と目標膨張機構回転数の差が所定値以上であることを判定基準として冷媒不足を判定する冷媒不足判定手段とを設けたものである。これによると、適正冷媒時に最適と予測される膨張機構の回転数と現状の膨張機構の回転数を比較し、その差が大きければ、冷媒不足の状態であると判定できるので、信頼性の低下を防止できる。

また、本発明の冷凍サイクル装置は、利用側熱交換器の流入流体温度を検出する利用側熱交換器入口流体温度検出手段と、熱源側熱交換器の流入流体温度を検出する熱源側熱交換器入口流体温度検出手段と、利用側熱交換器入口流体温度検出手段と熱源側熱交換器入口流体温度検出手段の少なくとも一方の検出値から目標予減圧器開度を演算する目標予減圧器開度演算手段と、予減圧器の開度と目標予減圧器開度の差が所定値以上であることを判定基準として冷媒不足を判定する冷媒不足判定手段とを設けたものである。これによると、適正冷媒時に最適と予測される予減圧器の開度と現状の予減圧器の開度を比較し、その差が大きければ、冷媒不足の状態であると判定できるので、信頼性の低下を防止できる。

また、本発明の冷凍サイクル装置は、利用側熱交換器の流入流体温度を検出する利用側熱交換器入口流体温度検出手段と、熱源側熱交換器の流入流体温度を検出する熱源側熱交換器入口流体温度検出手段と、利用側熱交換器入口流体温度検出手段と熱源側熱交換器入口流体温度検出手段の少なくとも一方の検出値から目標バイパス弁開度を演算する目標バイパス弁開度演算手段と、バイパス弁の開度と目標バイパス弁開度の差が所定値以上であることを判定基準として冷媒不足を判定する冷媒不足判定手段とを設けたものである。これによると、適正冷媒時に最適と予測されるバイパス弁の開度と現状のバイパス弁の開度を比較し、その差が大きければ、冷媒不足の状態であると判定できるので、信頼性の低下を防止できる。

また、本発明の冷凍サイクル装置は、利用側熱交換器へ流入する流体の搬送量を検出する利用側流体搬送量検出手段と、利用側熱交換器出口流体温度の目標値を演算する利用側熱交換器出口流体目標温度演算手段と、利用側熱交換器出口流体温度を検出する利用側熱交換器出口流体温度検出手段と、目標値と利用側熱交換器出口流体温度検出手段の検出値との温度差を演算する利用側熱交換器出口流体温度差演算手段を設け、冷媒不足判定手段に循環量の検出値が所定値未満であってかつ温度差の演算値が所定値以上であることを判定基準に加えたものである。これによると、利用側流体搬送手段の出力が最小値となっていることを判定できるために、誤って冷媒不足を判定するのを防止し、冷媒不足をより正確に検出することができ、信頼性の低下を防止できる。

また、本発明の冷凍サイクル装置は、冷凍サイクル装置の通電電流を検出する電流検出
手段を設け、冷媒不足判定手段に通電電流の検出値が所定値未満であることを判定基準に加えたものである。これによると、圧縮機構が低負荷で運転されていることを判定できるために、誤って冷媒不足を判定するのを防止し、冷媒不足をより正確に検出することができ、信頼性の低下を防止できる。

また、本発明の冷凍サイクル装置は、冷凍サイクル装置が除霜運転中か否かを判定する除霜運転判定手段を設け、冷媒不足判定手段に冷凍サイクル装置が除霜運転中でないことを判定基準に加えたものである。これによると、除霜運転中に誤って冷媒不足を判定するのを防止し、冷媒不足をより正確に検出することができ、信頼性の低下を防止できる。

また、本発明の冷凍サイクル装置の制御方法は、利用側熱交換器と熱源側熱交換器の流入流体温度を検出し、利用側熱交換器の流入流体温度と熱源側熱交換器との流入流体温度の少なくとも一方から目標膨張機構回転数を演算し、膨張機構の回転数と目標膨張機構回転数の差が所定値以上であるときに、冷媒不足と判定するものである。これによると、適正冷媒時に最適と予測される膨張機構の回転数と現状の膨張機構の回転数を比較し、その差が大きければ、冷媒不足の状態であると判定できるので、信頼性の低下を防止できる。

また、本発明の冷凍サイクル装置の制御方法は、利用側熱交換器と熱源側熱交換器の流入流体温度を検出し、利用側熱交換器の流入流体温度と熱源側熱交換器との流入流体温度の少なくとも一方から目標予減圧器開度を演算し、予減圧器の開度と目標予減圧器開度の差が所定値以上であるときに、冷媒不足と判定するものである。これによると、適正冷媒時に最適と予測される予減圧器の開度と現状の予減圧器の開度を比較し、その差が大きければ、冷媒不足の状態であると判定できるので、信頼性の低下を防止できる。

また、本発明の冷凍サイクル装置の制御方法は、利用側熱交換器と熱源側熱交換器の流入流体温度を検出し、利用側熱交換器の流入流体温度と熱源側熱交換器との流入流体温度の少なくとも一方から目標バイパス弁開度を演算し、バイパス弁の開度と目標バイパス弁開度の差が所定値以上であるときに、冷媒不足と判定するものである。これによると、適正冷媒時に最適と予測されるバイパス弁の開度と現状のバイパス弁の開度を比較し、その差が大きければ、冷媒不足の状態であると判定できるので、信頼性の低下を防止できる。

また、本発明の冷凍サイクル装置の制御方法は、冷凍サイクル装置の利用側熱交換器に流入する流体の循環量と流体の利用側熱交換器出口温度とを検出し、利用側熱交換器出口温度の検出値と利用側熱交換器出口温度の目標値との温度差を演算し、循環量の検出値が所定値未満であり、温度差の演算値が所定値以上であることを、さらに判定基準に加えるものである。これによると、利用側流体搬送手段の出力が最小値となっていることを判定できるために、誤って冷媒不足を判定するのを防止し、冷媒不足をより正確に検出することができ、信頼性の低下を防止できる。

また、本発明の冷凍サイクル装置の制御方法は、冷凍サイクル装置の通電電流を検出し、通電電流の検出値が所定値以下であることを、さらに判定基準に加えるものである。これによると、圧縮機構が低負荷で運転されていることを判定できるために、誤って冷媒不足を判定するのを防止し、冷媒不足をより正確に検出することができ、信頼性の低下を防止できる。

また、本発明の冷凍サイクル装置の制御方法は、冷凍サイクル装置が除霜運転中でないことを、さらに判定基準に加えるものである。これによると、除霜運転中に誤って冷媒不足を判定するのを防止し、冷媒不足をより正確に検出することができ、信頼性の低下を防止できる。

本発明の冷凍サイクル装置およびその制御方法は、動力を回収する膨張機構を備えた冷凍サイクル装置であっても、高価な圧力センサー等を設けることなく、確実に冷媒漏れなどの冷媒不足を判定できるので、圧縮機構や膨張機構を損傷させるといった冷凍サイクル装置の信頼性の低下を防止できる。

第１の発明は、利用側熱交換器の流入流体温度を検出する利用側熱交換器入口流体温度検出手段と、熱源側熱交換器の流入流体温度を検出する熱源側熱交換器入口流体温度検出手段と、利用側熱交換器入口流体温度検出手段と熱源側熱交換器入口流体温度検出手段の少なくとも一方の検出値から目標膨張機構回転数を演算する目標膨張機構回転数演算手段と、膨張機構の回転数と目標膨張機構回転数の差が所定値以上であることを判定基準として冷媒不足を判定する冷媒不足判定手段とを設けたものであり、適正冷媒時に最適と予測される膨張機構の回転数と現状の膨張機構の回転数を比較し、その差が大きければ、冷媒不足の状態であると判定できるので、信頼性の低下を防止できる。

第２の発明は、利用側熱交換器の流入流体温度を検出する利用側熱交換器入口流体温度検出手段と、熱源側熱交換器の流入流体温度を検出する熱源側熱交換器入口流体温度検出手段と、利用側熱交換器入口流体温度検出手段と熱源側熱交換器入口流体温度検出手段の少なくとも一方の検出値から目標予減圧器開度を演算する目標予減圧器開度演算手段と、予減圧器の開度と目標予減圧器開度の差が所定値以上であることを判定基準として冷媒不足を判定する冷媒不足判定手段とを設けたものであり、適正冷媒時に最適と予測される予減圧器の開度と現状の予減圧器の開度を比較し、その差が大きければ、冷媒不足の状態であると判定できるので、信頼性の低下を防止できる。

第３の発明は、利用側熱交換器の流入流体温度を検出する利用側熱交換器入口流体温度検出手段と、熱源側熱交換器の流入流体温度を検出する熱源側熱交換器入口流体温度検出手段と、利用側熱交換器入口流体温度検出手段と熱源側熱交換器入口流体温度検出手段の少なくとも一方の検出値から目標バイパス弁開度を演算する目標バイパス弁開度演算手段と、バイパス弁の開度と目標バイパス弁開度の差が所定値以上であることを判定基準として冷媒不足を判定する冷媒不足判定手段とを設けたものであり、適正冷媒時に最適と予測されるバイパス弁の開度と現状のバイパス弁の開度を比較し、その差が大きければ、冷媒不足の状態であると判定できるので、信頼性の低下を防止できる。

第４の発明は、利用側熱交換器へ流入する流体の搬送量を検出する利用側流体搬送量検出手段と、利用側熱交換器出口流体温度の目標値を演算する利用側熱交換器出口流体目標温度演算手段と、利用側熱交換器出口流体温度を検出する利用側熱交換器出口流体温度検出手段と、目標値と利用側熱交換器出口流体温度検出手段の検出値との温度差を演算する利用側熱交換器出口流体温度差演算手段を設け、冷媒不足判定手段に循環量の検出値が所定値未満であってかつ温度差の演算値が所定値以上であることを第１から第３の発明のいずれかの判定基準に加えたものであり、利用側流体搬送手段の出力が最小値となっていることを判定できるために、誤って冷媒不足を判定するのを防止し、冷媒不足をより正確に検出することができ、信頼性の低下を防止できる。

第５の発明は、冷凍サイクル装置の通電電流を検出する電流検出手段を設け、冷媒不足判定手段に通電電流の検出値が所定値未満であることを第１から第４の発明のいずれかの判定基準に加えたものであり、圧縮機構が低負荷で運転されていることを判定できるために、誤って冷媒不足を判定するのを防止し、冷媒不足をより正確に検出することができ、信頼性の低下を防止できる。

第６の発明は、冷凍サイクル装置が除霜運転中か否かを判定する除霜運転判定手段を設け、冷媒不足判定手段に冷凍サイクル装置が除霜運転中でないことを第１から第５の発明のいずれかの判定基準に加えたものであり、除霜運転中に誤って冷媒不足を判定するのを防止し、冷媒不足をより正確に検出することができ、信頼性の低下を防止できる。

第７の発明は、利用側熱交換器と熱源側熱交換器の流入流体温度を検出し、利用側熱交換器の流入流体温度と熱源側熱交換器との流入流体温度の少なくとも一方から目標膨張機構回転数を演算し、膨張機構の回転数と目標膨張機構回転数の差が所定値以上であるときに、冷媒不足と判定するものであり、適正冷媒時に最適と予測される膨張機構の回転数と現状の膨張機構の回転数を比較し、その差が大きければ、冷媒不足の状態であると判定できるので、信頼性の低下を防止できる。

第８の発明は、利用側熱交換器と熱源側熱交換器の流入流体温度を検出し、利用側熱交換器の流入流体温度と熱源側熱交換器との流入流体温度の少なくとも一方から目標予減圧器開度を演算し、予減圧器の開度と目標予減圧器開度の差が所定値以上であるときに、冷媒不足と判定するものであり、適正冷媒時に最適と予測される予減圧器の開度と現状の予減圧器の開度を比較し、その差が大きければ、冷媒不足の状態であると判定できるので、信頼性の低下を防止できる。

第９の発明は、利用側熱交換器と熱源側熱交換器の流入流体温度を検出し、利用側熱交換器の流入流体温度と熱源側熱交換器との流入流体温度の少なくとも一方から目標バイパス弁開度を演算し、バイパス弁の開度と目標バイパス弁開度の差が所定値以上であるときに、冷媒不足と判定するものであり、適正冷媒時に最適と予測されるバイパス弁の開度と現状のバイパス弁の開度を比較し、その差が大きければ、冷媒不足の状態であると判定できるので、信頼性の低下を防止できる。

第１０の発明は、冷凍サイクル装置の利用側熱交換器に流入する流体の循環量と流体の利用側熱交換器出口温度とを検出し、利用側熱交換器出口温度の検出値と利用側熱交換器出口温度の目標値との温度差を演算し、循環量の検出値が所定値未満であり、温度差の演算値が所定値以上であることを、第７から第９の発明のいずれかの判定基準にさらに加えるものであり、利用側流体搬送手段の出力が最小値となっていることを判定できるために、誤って冷媒不足を判定するのを防止し、冷媒不足をより正確に検出することができ、信頼性の低下を防止できる。

第１１の発明は、冷凍サイクル装置の通電電流を検出し、通電電流の検出値が所定値以下であることを、第７から第１０の発明のいずれかの判断基準にさらに加えるものであり、圧縮機構が低負荷で運転されていることを判定できるために、誤って冷媒不足を判定するのを防止し、冷媒不足をより正確に検出することができ、信頼性の低下を防止できる。

第１２の発明は、冷凍サイクル装置が除霜運転中でないことを、第７から第１１の発明のいずれかの判断基準にさらに加えるものであり、除霜運転中に誤って冷媒不足を判定するのを防止し、冷媒不足をより正確に検出することができ、信頼性の低下を防止できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。例えば、以下の実施の形態では、給湯機を例にとり説明するが、本発明が給湯機に限定されるものではなく、空気調和機などであってもよい。

（実施の形態１）
本発明の第１の実施の形態における冷凍サイクル装置を、図１に概略構成図を示し、説
明する。図１の冷凍サイクル装置は、駆動手段１０により駆動される圧縮機構１１、利用側熱交換器としての給湯用熱交換器（放熱器）１２の冷媒流路１２ａ、発電機１３により動力回収される膨張機構１４、熱源側熱交換器としての蒸発器１５などからなる冷媒回路Ａと、利用側流体搬送手段としての給水ポンプ１７、放熱器１２の流体流路１２ｂ、給湯タンク１８などからなる流体回路Ｂとから構成されている。

さらに、本冷凍サイクル装置は、蒸発器１５に流体（例えば、外気）を搬送する熱源側流体搬送手段としての送風装置（ファン）１６と、蒸発器１５の流体流路（例えば、送風回路）の入口の流体（例えば、外気）の温度（以下、外気温度と呼ぶ）を検出する熱源側熱交換器入口流体温度検出手段１９とを備えている。熱源側熱交換器入口流体温度検出手段１９は、例えば、蒸発器１５のフィン上に固定された温度サーミスタである。また、本冷凍サイクル装置は、放熱器１２の流体流路１２ｂの入口の流体（例えば、水）の温度（以下、入水温度と呼ぶ）を検出する利用側熱交換器入口流体温度検出手段２０と、流体流路１２ｂの出口の流体（例えば、湯）の温度（以下、出湯温度と呼ぶ）を検出する利用側熱交換器出口流体温度検出手段２１とを備えている。

これらは、例えば、放熱器１２の入口・出口の配管上に設けられ配管の温度を検出する温度サーミスタや、配管中に設けられ直接水温を検出する温度サーミスタである。さらに、本冷凍サイクル装置は、外気温度や入水温度や利用者によるリモコン設定（即ち、使用条件）などから、出湯温度の目標値を演算する利用側熱交換器出口流体目標温度演算手段２２と、利用側熱交換器出口流体温度検出手段２１の検出値（以下、出湯温度検出値と呼ぶ）及び利用側熱交換器出口流体目標温度演算手段２２が演算した目標値（以下、出湯温度目標値と呼ぶ）に応じて、給水ポンプ１７の回転数を演算・操作する利用側流体搬送量演算操作手段２３と、利用側流体搬送量演算操作手段２３の給水ポンプ１７への回転数指示値から流体流路１２ｂを流れる流体の搬送量（以下、水循環量）を推定する利用側流体搬送量検出手段２４と、出湯温度目標値と出湯温度検出値との差を演算する利用側熱交換器出口流体温度差演算手段２５とを備えている。

さらに、本冷凍サイクル装置は、駆動手段１０から圧縮機構１１への通電電流を検出する電流検出手段３１と、圧縮機構１１の吐出温度を検出する吐出温度検出手段４１とを備えている。吐出温度検出手段４１は、例えば、圧縮機構１１の吐出から放熱器１２の冷媒流路１２aの入口までの配管上に設けられ配管の温度を検出する温度サーミスタである。また、本冷凍サイクル装置は、熱源側熱交換器入口流体温度検出手段１９の検出値（外気温度）や利用側熱交換器入口流体温度検出手段２０の検出値（入水温度）などから、発電機１３、すなわち、膨張機構１４の第１目標膨張機構回転数を演算する目標膨張機構回転数演算手段４２と、吐出温度検出手段４１の検出値に応じて膨張機構１４の第２目標膨張機構回転数を演算し、さらに、目標膨張機構回転数演算手段４２が演算した第１目標膨張機構回転数、あるいは、自らが演算した第２目標膨張機構回転数のいずれかを選択して膨張機構１４の回転数を操作する膨張機構回転数演算操作手段４３と、第１目標膨張機構回転数と第２目標膨張機構回転数（あるいは、第１目標膨張機構回転数と膨張機構回転数演算操作手段４３が実際に操作した膨張機構１４の回転数）を比較する膨張機構回転数変化判定手段４４とを備えている。

更に、冷凍サイクル装置が除霜運転中であるか否かを判定する除霜運転判定手段５１と、利用側流体搬送量検出手段２４、利用側熱交換器出口流体温度差演算手段２５、電流検出手段３１、膨張機構回転数変化判定手段４４、除霜運転判定手段５１などからの各信号により、冷媒不足を判定する冷媒不足判定手段６１とを備えている。

次に、上述のように構成された冷凍サイクル装置の通常運転時の動作について説明する。冷媒回路Ａでは、冷媒である二酸化炭素（ＣＯ２）を、駆動手段１０により駆動される
圧縮機構１１で臨界圧力を越える圧力まで圧縮する。その圧縮された冷媒は、高温高圧状態となり、放熱器１２の冷媒流路１２ａを流れる際に、流体流路１２ｂを流れる水に放熱して冷却される。その後、冷媒は膨張機構１４で減圧され低温低圧の気液二相状態となる。

この際、膨張機構１４では冷媒の圧力エネルギーを動力に変換し、その動力は発電機１３にて電力に変換される。このように、膨張時の圧力エネルギーを電力として回収しＣＯＰを向上させることができる。膨張機構１４で減圧された冷媒は蒸発器１５に供給される。蒸発器１５では、冷媒は送風装置（ファン）１６によって送り込まれた外気によって加熱され、気液二相またはガス状態となり、再び圧縮機構１１に吸入される。

一方、流体回路Ｂでは、給水ポンプ１７により給湯タンク１８の底部から放熱器１２の流体流路１２ｂへ送り込まれた水は、冷媒流路１２ａを流れる冷媒により加熱され、高温の湯となり、その湯を給湯タンク１８の頂部から貯める。このような動作を繰り返すことにより、本実施の形態の冷凍サイクル装置は給湯装置として利用できる。

ここで、膨張機構１４の回転数は応答性の向上などを目的として以下のように操作される。すなわち、起動時などの冷凍サイクルが安定していないときには、膨張機構回転数演算操作手段４３は、外気温度や入水温度などから目標膨張機構回転数演算手段４２が演算した第１目標膨張機回転数となるように、膨張機構１４、すなわち、発電機１３の回転数を調整（フィードフォワード制御）する。一方、冷凍サイクルが安定しているときには、膨張機構回転数演算操作手段４３は、吐出温度検出手段４１の検出した吐出温度があらかじめ定めた目標吐出温度となるように、自ら演算した第２目標膨張機構回転数に膨張機構１４、すなわち、発電機１３の回転数を調整（フィードバック制御）している。

次に、図１の冷凍サイクル装置において、吐出温度が一定となるように制御された状態で、冷媒不足となった場合の冷凍サイクルの動きについて説明する。図２は圧力・エンタルピ線図であり、適正冷媒量時の冷凍サイクルを実線で、冷媒不足時の冷凍サイクルを冷媒不足の程度が小さい順に、破線、一点鎖線で示す。また、図３は、冷媒量比、すなわち、適正な冷媒量に対する冷媒不足時の冷媒量の比に対する密度比（ＤＥ／ＤＣ）の変化を示している。

冷媒不足が生じると、圧縮機構１１が吐出する冷媒の循環量が不足し、放熱器１２での加熱能力が低下する。また、高圧側圧力（圧縮機構１１の吐出から膨張機構１４入口までの圧力）、低圧側圧力（膨張機構１４の出口から圧縮機構１１の吸入までの圧力）は、とも低下する。特に、適正冷媒量時において超臨界サイクルとなる二酸化炭素（ＣＯ2）を冷媒に用いた場合には、図２に示すように、冷媒不足時の高圧側圧力の低下度合いが低圧側圧力に対して大きい。このため、図３に示すように、冷媒量が不足するにしたがい、密度比（ＤＥ／ＤＣ）は、低下する傾向にある。

したがって、動力回収を行う膨張機構１４を用いた冷凍サイクル装置では、背景技術で説明したようにＤＥ／ＤＣ（密度比）とＨｚｅ／Ｈｚｃ（回転数比）の積が常に一定となるように、冷凍サイクルはバランスしようとするので、圧縮機構１１の回転数（Ｈｚｃ）が一定であるならば、膨張機構１４の回転数（Ｈｚｅ）は、適正冷媒時の回転数より増加する傾向にある。すなわち、現状の膨張機構１４の回転数が、適正冷媒時の回転数より大幅に高い場合には、冷媒量が不足していると考えられる。

そこで、本実施の形態の冷凍サイクル装置では、膨張機構回転数変化判定手段４４が、適正冷媒時の特性に基づいてあらかじめ定められた演算式を用いて外気温度や入水温度などから求められる第１目標膨張機構回転数（すなわち、適正冷媒時に最適と予測された膨
張機構１４の回転数）と、実際の冷凍サイクルの吐出温度に基づいて演算された第２目標膨張機構回転数、あるいは、第１目標膨張機構回転数と膨張機構回転数演算操作手段４３が実際に操作した膨張機構１４の回転数（すなわち、現状の膨張機構１４の回転数）を比較して、冷媒不足の状態を判定するものである。具体的には、第２目標膨張機構回転数と第１目標膨張機構回転数との差があらかじめ定められた所定値以上であれば、冷媒不足の状態であると判定するものである。

つまり、図３から明らかになった動力回収を行う膨張機構を用いた冷凍サイクル装置の特性を利用し、適正冷媒時に最適と予測される膨張機構１４の回転数と現状の膨張機構１４の回転数を比較し、その差が大きければ、冷媒不足の状態であると判定するものである。

本実施の形態では、この判定に基づいて、例えばリモコン等の表示器（図示せず）に異常表示を行うとともに、冷媒不足判定手段６１から信号を受けた駆動手段１０が圧縮機構１１や膨張機構１４を停止し、圧縮機構１１や膨張機構１４を損傷させるといった冷凍サイクル装置の信頼性の低下を防止する。

次に、冷媒不足を判定する具体的な制御方法について、図４のフローチャートを用いて説明する。フローチャートのステップ１０１では、圧縮機構１１の運転が開始されて所定時間経過後（すなわち、起動時などの冷凍サイクルが不安定な状態を経過した後）、経過時間計測値ｔをリセットし、経過時間の計測を開始する。次のステップ１０２で、熱源側熱交換器入口流体温度検出手段１９により外気温度（Ｔａ）を検出する。ステップ１０３では、利用側熱交換器入口流体温度検出手段２０より入水温度（Ｔｗｉ）を検出する。ステップ１０４で、目標膨張機構回転数演算手段４２は、検出された外気温度（Ｔａ）と入水温度（Ｔｗｉ）より、適正冷媒時の特性に基づいてあらかじめ定められた演算式を用いて、第１目標膨張機構回転数（Ｈｚｅ１）を演算する。

次に、ステップ１０５では、吐出温度検出手段４１により、圧縮機構１１の吐出温度を検出する。さらに、ステップ１０６で、膨張機構回転数演算操作手段４３は、検出した吐出温度があらかじめ定めた目標吐出温度となるような第２目標膨張機構回転数（Ｈｚｅ２）を演算する。

さらにステップ１０７で、膨張機構回転数変化判定手段４４は、第２目標膨張機構回転数と第１目標膨張機構回転数の差を演算し、その差（Ｈｚｅ２−Ｈｚｅ１）があらかじめ定められた所定値（Ｈｚｅ０）以上の場合には、次のステップ１０８に進み、所定値（Ｈｚｅ０）未満の場合にはステップ１０１に戻る。

次に、ステップ１０８で、経過時間計測値ｔとあらかじめ定めた時間ｔ０を比較して、各々の検出手段の誤検出を防止するために、ステップ７の条件が連続して一定時間、成立しているか否かを判定する。そして、経過時間ｔが一定時間ｔ０以上経過した場合には次のステップ１０９に進み、経過していない場合にはステップ１０２に戻る。なお、この誤検出を防止するためのステップ１０８を省略しても良い。

ステップ１０１からステップ１０８までを実行し、第２目標膨張機構回転数と第１目標膨張機構回転数の差（Ｈｚｅ２−Ｈｚｅ１）があらかじめ定められた所定値（Ｈｚｅ０）以上となる条件が一定時間、成立した場合には、ステップ１０９で、冷媒不足判定手段６１は冷媒不足の状態であると判定する。そして、この判定に基づいて、例えばリモコン等の表示器（図示せず）に異常表示を行うとともに、冷媒不足判定手段６１から信号を受けた駆動手段１０が圧縮機構１１を停止し、圧縮機構１１を損傷させるといった冷凍サイクル装置の信頼性の低下を防止する。

以上のように、本実施の形態の冷凍サイクル装置の制御方法は、第２目標膨張機構回転数と第１目標膨張機構回転数の差（Ｈｚｅ２−Ｈｚｅ１）があらかじめ定められた所定値（Ｈｚｅ０）以上となる場合、すなわち、適正冷媒時に最適と予測される膨張機構１４の回転数と現状の膨張機構１４の回転数を比較し、その差が大きければ、冷媒不足の状態であると判定するものである。これにより、動力回収を行う膨張機構１４を用いた冷凍サイクル装置の冷媒不足を確実に検知できるので、圧縮機構を損傷させるといった冷凍サイクル装置の信頼性の低下を防止できる。

（実施の形態２）
本発明の第２の実施の形態における冷凍サイクル装置を、図５に概略構成図を示し、説明する。図５において、図１と同様の構成要素は図１と同じ番号を与え、説明を省略する。図５の冷凍サイクル装置では、膨張機構１４は圧縮機構１１とともに駆動手段１０に軸７０で直結されている。

また、本冷凍サイクル装置は、膨張機構１４に流入する冷媒をあらかじめ減圧する予減圧器としての予膨張弁７１と、熱源側熱交換器入口流体温度検出手段１９の検出値（外気温度）や利用側熱交換器入口流体温度検出手段２０の検出値（入水温度）などから、予膨張弁７１の第１目標予減圧器開度を演算する目標予減圧器開度演算手段７２と、吐出温度検出手段４１の検出値に応じて予膨張弁７１の第２目標予減圧器開度を演算し、さらに、目標予減圧器開度演算手段７２が演算した第１目標膨張機構回転数、あるいは、自らが演算した第２目標膨張機構回転数のいずれかを選択して予膨張弁７１の開度を操作する予減圧器開度演算操作手段７３と、第１目標予減圧器開度と第２目標予減圧器開度（あるいは、第１目標予減圧器開度と予減圧器開度演算操作手段７３が実際に操作した予膨張弁７１の開度）を比較する予減圧器開度変化判定手段７４とを備えている。

さらに、本冷凍サイクル装置は、膨張機構１４を流れる冷媒をバイパスさせるバイパス流路８０と、バイパス流路８０上に設けられ、バイパス流路８０を流れる循環量を調節するバイパス弁８１と、熱源側熱交換器入口流体温度検出手段１９の検出値（外気温度）や利用側熱交換器入口流体温度検出手段２０の検出値（入水温度）などから、バイパス弁８１の第１目標バイパス弁開度を演算する目標バイパス弁開度演算手段８２と、吐出温度検出手段４１の検出値に応じてバイパス弁８１の第２目標バイパス弁開度を演算し、さらに、目標バイパス弁開度演算手段８２が演算した第１目標バイパス弁開度、あるいは、自らが演算した第２目標バイパス弁開度のいずれかを選択してバイパス弁８１の開度を操作するバイパス弁開度演算操作手段８３と、第１目標バイパス弁開度と第２目標バイパス弁開度（あるいは、第１目標バイパス弁開度とバイパス弁開度演算操作手段８３が実際に操作したバイパス弁８１の開度）を比較するバイパス弁開度変化判定手段８４とを備えている。

次に、上述のように構成された冷凍サイクル装置の理想的な運転状態、すなわち、設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）が密度比（ＤＥ／ＤＣ）と一致している運転状態での動作について説明する。冷媒回路Ａでは、冷媒である二酸化炭素（ＣＯ２）を、駆動手段１０により駆動される圧縮機構１１で臨界圧力を越える圧力まで圧縮する。その圧縮された冷媒は、高温高圧状態となり、放熱器１２の冷媒流路１２ａを流れる際に、流体流路１２ｂを流れる水に放熱して冷却される。その後、冷媒はほぼ全開状態の予膨張弁７１を流れた後、ほぼ全閉状態のバイパス弁８１によりバイパス流路８０には流れず、ほぼすべての冷媒は、膨張機構１４に流入する。膨張機構１４で減圧され低温低圧の気液二相状態となる。この際、膨張機構１４では冷媒の圧力エネルギーを動力に変換し、その動力は軸７０を介して圧縮機構１１の駆動力の一部として利用される。

このように、膨張時の圧力エネルギーを動力として圧縮機構１１に伝達することにより、駆動手段１０の入力を低減し、ＣＯＰを向上させることができる。膨張機構１４で減圧された冷媒は蒸発器１５に供給される。蒸発器１５では、冷媒は送風装置（ファン）１６によって送り込まれた外気によって加熱され、気液二相またはガス状態となり、再び圧縮機構１１に吸入される。

次に、外気温度が低い場合など、実際の運転状態での密度比（ＤＥ／ＤＣ）が設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）より大きい場合の動作について説明する。この場合には、膨張機構１４入口の冷媒密度（ＤＥ）が小さくなるように、冷凍サイクルは高圧側圧力を低下させた状態でバランスしようとする。ところが、高圧側圧力が望ましい圧力より低下した状態では、吐出温度が低下し冷凍サイクル装置の加熱能力が低下したり、冷凍サイクル装置の効率が低下したりする。このため、予減圧器開度演算操作手段７３は予膨張弁７１を閉方向に操作し膨張機構１４に流入する冷媒を減圧する。これにより、冷媒密度（ＤＥ）を小さくでき、高圧側圧力は低下せず最適な状態を維持できる。

ここで、予膨張弁７１は応答性の向上などを目的として以下のように操作される。すなわち、起動時などの冷凍サイクルが安定していないときには、予減圧器開度演算操作手段７３は、外気温度や入水温度などから目標予減圧器開度演算手段７２が演算した第１目標予減圧器開度となるように、予膨張弁７１の開度を調整（フィードフォワード制御）する。

一方、冷凍サイクルが安定しているときには、予減圧器開度演算操作手段７３は、吐出温度検出手段４１の検出した吐出温度があらかじめ定めた目標吐出温度となるように、自ら演算した第２目標予減圧器開度に予膨張弁７１の開度を調整（フィードバック制御）している。

逆に、外気温度や入水温度や目標出湯温度が高い場合など、実際の運転状態での密度比（ＤＥ／ＤＣ）が設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）より小さい場合の動作について説明する。この場合には、膨張機構１４入口の冷媒密度（ＤＥ）が大きくなるように、冷凍サイクルは高圧側圧力を上昇させた状態でバランスしようとする。

ところが、高圧側圧力が望ましい圧力より上昇した状態では、冷凍サイクル装置の運転効率が低下してしまう。このため、バイパス弁開度演算操作手段８３はバイパス弁８１を開方向に操作し、一部の冷媒をバイパス流路８０に流す。これにより、膨張機構１４に流入する循環量を減少させることができ、高圧側圧力は上昇せず最適な状態を維持できる。

ここで、バイパス弁８１は応答性の向上などを目的として以下のように操作される。すなわち、起動時などの冷凍サイクルが安定していないときには、バイパス弁開度演算操作手段８３は、外気温度や入水温度などから目標バイパス弁開度演算手段８２が演算した第１目標バイパス弁開度となるように、バイパス弁８１の開度を調整（フィードフォワード制御）する。一方、冷凍サイクルが安定しているときには、バイパス弁開度演算操作手段８３は、吐出温度検出手段４１の検出した吐出温度があらかじめ定めた目標吐出温度となるように、自ら演算した第２目標バイパス弁開度にバイパス弁８１の開度を調整（フィードバック制御）している。

冷媒不足が生じると、図３に示すように、密度比（ＤＥ／ＤＣ）は、低下する傾向にある。したがって、動力回収を行う膨張機構１４を用いた冷凍サイクル装置では、圧縮機構１１と膨張機構１４は同一回転数で回転するために、回転数比（Ｈｚｅ／Ｈｚｃ）は常に一定であるので、密度比（ＤＥ／ＤＣ）が低下すると、膨張機構１４入口の冷媒密度（ＤＥ）が大きくなるように、冷凍サイクルは高圧側圧力を上昇させた状態でバランスしよう
とするので、予減圧器開度演算操作手段７３、あるいは、バイパス弁開度演算操作手段８３は高圧側圧力を望ましい圧力に調整しようとして、予膨張弁７１の開度、あるいは、バイパス弁８１の開度を開方向に操作しようとする。すなわち、現状の予膨張弁７１の開度、あるいは、バイパス弁８１の開度が、適正冷媒時の各々の開度より大幅に高い場合には、冷媒量が不足していると考えられる。

そこで、本実施の形態の冷凍サイクル装置では、予減圧器開度変化判定手段７４が、適正冷媒時の特性に基づいてあらかじめ定められた演算式を用いて、外気温度や入水温度などから求められる第１目標予減圧器開度（すなわち、適正冷媒時に最適と予測された予膨張弁７１の開度）と、実際の冷凍サイクルの吐出温度に基づいて演算された第２目標予減圧器開度、あるいは、第１目標予減圧器開度と予減圧器開度演算操作手段７３が実際に操作した予膨張弁７１の開度（すなわち、現状の予膨張弁７１の開度）を比較して、冷媒不足の状態を判定するものである。

具体的には、第２目標予減圧器開度と第１目標予減圧器開度との差があらかじめ定められた所定値以上であれば、冷媒不足の状態であると判定するものである。あるいは、バイパス弁開度変化判定手段８４が、適正冷媒時の特性に基づいてあらかじめ定められた演算式を用いて、外気温度や入水温度などから求められる第１目標バイパス弁開度（すなわち、適正冷媒時に最適と予測されたバイパス弁８１の開度）、あるいは、第１目標バイパス弁開度（すなわち、適正冷媒時に最適と予測されたバイパス弁８１の開度）と、実際の冷凍サイクルの吐出温度に基づいて演算された第２目標バイパス弁開度、あるいは、第１目標バイパス弁開度とバイパス弁開度演算操作手段８３が実際に操作したバイパス弁８１の開度（すなわち、現状のバイパス弁８１の開度）を比較して、冷媒不足を状態であると判定するものである。具体的には、第２目標バイパス弁開度と第１目標バイパス弁開度との差があらかじめ定められた所定値以上であれば、冷媒不足の状態であると判定するものである。

本実施の形態では、これらの判定に基づいて、例えばリモコン等の表示器（図示せず）に異常表示を行うとともに、冷媒不足判定手段６１から信号を受けた駆動手段１０が圧縮機構１１や膨張機構１４を停止し、圧縮機構１１や膨張機構１４を損傷させるといった冷凍サイクル装置の信頼性の低下を防止する。

次に、冷媒不足を判定する具体的な制御方法について、図６のフローチャートを用いて説明する。フローチャートのステップ２０１では、圧縮機構１１の運転が開始されて所定時間経過後（すなわち、起動時などの冷凍サイクルが不安定な状態を経過した後）、経過時間計測値ｔをリセットし、経過時間の計測を開始する。次のステップ２０２で、熱源側熱交換器入口流体温度検出手段１９により外気温度（Ｔａ）を検出する。ステップ２０３では、利用側熱交換器入口流体温度検出手段２０より入水温度（Ｔｗｉ）を検出する。ステップ２０４で、目標予減圧器開度演算手段７２は、検出された外気温度（Ｔａ）と入水温度（Ｔｗｉ）より、適正冷媒時の特性に基づいてあらかじめ定められた演算式を用いて、第１目標予減圧器開度（ＰＬＳｐ１）を演算する。また、ステップ２０５で、目標バイパス弁開度演算手段８２は、検出された外気温度（Ｔａ）と入水温度（Ｔｗｉ）より、適正冷媒時の特性に基づいてあらかじめ定められた演算式を用いて、第１目標バイパス弁開度（ＰＬＳｂ１）を演算する。

次に、ステップ２０６では、吐出温度検出手段４１により、圧縮機構１１の吐出温度を検出する。さらに、ステップ２０７で、予減圧器開度演算操作手段７３は、検出した吐出温度があらかじめ定めた目標吐出温度となるような第２目標予減圧器開度（ＰＬＳｐ２）を演算する。また、ステップ２０８で、バイパス弁開度演算操作手段８３は、検出した吐出温度があらかじめ定めた目標吐出温度となるような第２目標バイパス弁開度（ＰＬＳｐ
２）を演算する。

さらに、ステップ２０９で、予減圧器開度変化判定手段７４は、第２目標予減圧器開度と第１目標予減圧器開度の差を演算し、その差（ＰＬＳｐ２−ＰＬＳｐ１）があらかじめ定められた所定値（ＰＬＳｐ０）以上の場合には、次のステップ２１１に進み、所定値（ＰＬＳｐ０）未満の場合にはステップ２１０に進む。ステップ２１０で、バイパス弁開度変化判定手段８４は、第２目標バイパス弁開度と第１目標バイパス弁開度の差を演算し、その差（ＰＬＳｂ２−ＰＬＳｂ１）があらかじめ定められた所定値（ＰＬＳｂ０）以上の場合には、次のステップ２１１に進み、所定値（ＰＬＳｐ０）未満の場合にはステップ２０１に戻る。

次に、ステップ２１１で、経過時間計測値ｔとあらかじめ定めた時間ｔ０を比較して、各々の検出手段の誤検出を防止するために、ステップ７の条件が連続して一定時間、成立しているか否かを判定する。そして、経過時間ｔが一定時間ｔ０以上経過した場合には次のステップ２１１に進み、経過していない場合にはステップ２０２に戻る。なお、この誤検出を防止するためのステップ２１１を省略しても良い。

ステップ２０１からステップ２１１までを実行し、第２目標予減圧器開度と第１目標予減圧器開度の差（ＰＬＳｐ２−ＰＬＳｐ１）があらかじめ定められた所定値（ＰＬＳｐ０）以上となる条件が一定時間、成立した場合、あるいは、第２目標バイパス弁開度と第１目標バイパス弁開度の差（ＰＬＳｂ２−ＰＬＳｂ１）があらかじめ定められた所定値（ＰＬＳｂ０）以上となる条件が一定時間、成立した場合には、ステップ２１２で、冷媒不足判定手段６１は冷媒不足の状態であると判定する。そして、この判定に基づいて、例えばリモコン等の表示器（図示せず）に異常表示を行うとともに、冷媒不足判定手段６１から信号を受けた駆動手段１０が圧縮機構１１を停止し、圧縮機構１１を損傷させるといった冷凍サイクル装置の信頼性の低下を防止する。

以上のように、本実施の形態の冷凍サイクル装置の制御方法は、第２目標予減圧器開度と第１目標予減圧器開度の差（ＰＬＳｐ２−ＰＬＳｐ１）があらかじめ定められた所定値（ＰＬＳｐ０）以上となる場合、すなわち、適正冷媒時に最適と予測される予膨張弁７１の開度と現状の予膨張弁７１の開度を比較し、その差が大きければ、冷媒不足の状態であると判定するものである。あるいは、第２目標バイパス弁開度と第１目標バイパス弁開度の差（ＰＬＳｂ２−ＰＬＳｂ１）があらかじめ定められた所定値（ＰＬＳｂ０）以上となる場合、すなわち、適正冷媒時に最適と予測されるバイパス弁８１の開度と現状のバイパス弁８１の開度を比較し、その差が大きければ、冷媒不足の状態であると判定するものである。これにより、動力回収を行う膨張機構１４を用いた冷凍サイクル装置の冷媒不足を確実に検知できるので、圧縮機構１１を損傷させるといった冷凍サイクル装置の信頼性の低下を防止できる。

（実施の形態３）
本発明の第３の実施の形態は、第１の実施の形態、あるいは、第２の実施の形態に、より確実に冷媒不足を検知するための手段、あるいは、制御方法を追加したものである。以下、第１の実施の形態の冷凍サイクル装置を例にとり説明するが、第２の実施の形態の冷凍サイクル装置に追加する場合でも同様である。

図１において、利用側流体搬送量演算操作手段２３は、利用側熱交換器出口流体温度検出手段２１が検出した出湯温度（出湯温度検出値）が、利用側熱交換器出口流体目標温度演算手段２２が演算した目標値（出湯温度目標値）となるように、フィードバック制御により、給水ポンプ１７の回転数を調整し、放熱器１２の流体流路１２ｂを流れる水循環量を調節することで、一定の温度のお湯が給湯タンク１８に貯められるように制御している
。

次に、図７を用いて冷媒不足となった場合の冷凍サイクルの動きについて説明する。図７において、横軸の冷媒量比とは適正な冷媒量に対する冷媒不足時の冷媒量の比である。冷媒不足が生じると、圧縮機構１１が吐出する冷媒の循環量が不足し、放熱器１２での加熱能力が低下する。

しかしながら、上述のように出湯温度検出値が出湯温度目標値となるように、水循環量を給水ポンプ１７により調節しているので、図７に示すように、ある程度の冷媒不足（図７の場合には、冷媒量比４０〜５０％程度）までであれば、水循環量を低下させることで、放熱器１２での加熱能力が低下しても、出湯温度を一定に維持することが可能である。しかし、それ以下の冷媒量となると、給水ポンプ１７の回転数が最小となり、水循環量をそれ以下にすることができなくなる（水循環量が最小となる）ために、出湯温度検出値が低下していき出湯温度目標値との温度差が大きくなる。

すなわち、実施の形態１または２で説明した判定条件を満たし、かつ、水循環量があらかじめ定められた値未満であり、かつ、出湯温度が出湯温度目標値に達していない場合には、より確実に冷媒不足の状態であると判定できる。例えば、冷媒不足でない場合であっても、目標出湯温度がリモコンなどで変更された場合など、適正冷媒時に最適と予測される膨張機構１４の回転数や予膨張弁７１やバイパス弁８１の開度より、現状の膨張機構１４の回転数や予膨張弁７１やバイパス弁８１の開度が大きくなることがあるが、これらの場合に誤って冷媒不足を判定するのを防止し、冷媒不足をより正確に検出することができる。

次に、冷媒不足を判定する具体的な制御方法について、図８のフローチャートを用いて説明する。図８において、図４と同様のステップは図４と同じ番号を与え、説明を省略する。

ステップ３０１で、利用側流体搬送量検出手段２４により利用側流体搬送量（水循環量）を検出する。本実施の形態では、水循環量を直接検出するのではなく、利用側流体搬送量演算操作手段２３が給水ポンプ１７に指示した回転数より、水循環量を推定している。

ステップ３０２で、検出した水循環量Ｇｗが、あらかじめ定められた水循環量Ｇｗ０未満であるかの比較を行い、水循環量があらかじめ定められた値Ｇｗ０未満であることを判定する。水循環量があらかじめ定められた値Ｇｗ０未満である場合には次のステップに進み、あらかじめ定められた値Ｇｗ０以上の場合にはステップ１０１に戻る。

次に、ステップ３０３で、利用側熱交換器出口流体温度検出手段２１により出湯温度を検出する。ステップ３０４で、検出した出湯温度検出値Ｔｗと利用側熱交換器出口流体目標温度演算手段２２によりあらかじめ定められた出湯温度目標値との温度差ΔＴｗを演算する。ステップ３０５では、温度差ΔＴｗが、演算された温度差ΔＴｗ０以上であるかの比較を行い、出湯温度が出湯温度目標値に達しているか否かを判定する。出湯温度が出湯温度目標値に達している場合には次のステップに進み、達していない場合にはステップ１０１に戻る。

すなわち、本実施の形態の冷凍サイクル装置の制御方法は、第２目標膨張機構回転数と第１目標膨張機構回転数の差（Ｈｚｅ２−Ｈｚｅ１）があらかじめ定められた所定値（Ｈｚｅ０）以上となる場合で、かつ、水循環量があらかじめ定められた値未満であり、かつ、出湯温度が出湯温度目標値に達していない条件が一定時間、成立した場合には、冷媒不足判定手段６１は冷媒不足の状態であると判定するものである。

あるいは、第２の実施の形態の制御方法に追加した場合には、第２目標予減圧器開度と第１目標予減圧器開度の差（ＰＬＳｐ２−ＰＬＳｐ１）があらかじめ定められた所定値（ＰＬＳｐ０）以上となる場合、あるいは、第２目標バイパス弁開度と第１目標バイパス弁開度の差（ＰＬＳｂ２−ＰＬＳｂ１）があらかじめ定められた所定値（ＰＬＳｂ０）以上となる場合、で、かつ、水循環量があらかじめ定められた値未満であり、かつ、出湯温度が出湯温度目標値に達していない条件が一定時間、成立した場合には、冷媒不足判定手段６１は冷媒不足の状態であると判定するものである。

そして、この判定に基づいて、例えばリモコン等の表示器（図示せず）に異常表示を行うとともに、冷媒不足判定手段６１から信号を受けた駆動手段１０が圧縮機構１１を停止し、圧縮機構１１を損傷させるといった冷凍サイクル装置の信頼性の低下を防止する。
以上のように、本実施の形態の冷凍サイクル装置では、誤って冷媒不足であると判定する可能性を低減でき、冷媒不足をより正確に検出することができる。

なお、本実施の形態では、利用側流体搬送量演算操作手段２３の給水ポンプ１７への回転数指示値から推定して水循環量を間接的に検出する構成や方法としているが、循環量計などを用いて水循環量を直接検出する構成や方法にしても良い。また、水循環量を推定せず、給水ポンプ１７の回転数そのものや利用側流体搬送量演算操作手段２３の指示値そのものから判定する構成等であっても良い。また、本実施の形態では、給湯装置の例で説明したので、放熱器１２で冷媒と熱交換する流体（即ち、湯）の循環量と流体の放熱器出口温度とを検出し、流体の放熱器出口温度の目標値と流体の放熱器出口温度の検出値との温度差を演算し、循環量の検出値が所定値未満であり、かつ、温度差の演算値が所定値以上であることを判定基準に追加し、その冷媒不足を間接的に判定する構成及び方法としている。

これに対して、家庭用空調機等の冷凍サイクル装置の場合であれば、放熱器１２で冷媒と熱交換する流体（例えば、空気）の循環量（即ち、冷媒と熱交換する流体が空気の場合には風量）と流体の放熱器出口温度とを検出し、当該放熱器出口温度の検出値と放熱器出口温度の目標値との温度差を演算し、風量の検出値が所定値未満であり、かつ、温度差の演算値が所定値以上であることを判定基準に追加し、冷媒不足を直接的に判定する（換言すれば、冷媒不足により生じる放熱器１２での加熱能力の低下度合いを検知して判定する）構成及び方法とする。そして、風量の所定値や温度差の所定値は、実験などからあらかじめ定めるものであり、放熱器出口温度の目標値は、例えば外気温度や放熱器１２を冷却する空気の入口温度や冷凍サイクル装置の使用条件などから演算して設定するものである。

（実施の形態４）
本発明の第４の実施の形態は、第１から第３のいずれかの実施の形態に、より確実に冷媒不足を検知するための手段、あるいは、制御方法を追加したものである。以下、第１の実施の形態の冷凍サイクル装置を例にとり説明するが、第２、第３の実施の形態の冷凍サイクル装置に追加する場合でも同様である。

図１において、電流検出手段３１は、駆動手段１０から圧縮機構１１への通電電流を検出している。冷媒不足が生じると、圧縮機構１１が吐出する冷媒の循環量が不足し、２での加熱能力が低下する。また、冷媒の循環量が不足することにより圧縮機構１１は低負荷となるので、圧縮機構１１への通電電流は減少する。このため、実施の形態１から３で説明した判定条件を満たし、かつ、電流検出手段３１により検出された通電電流があらかじめ定められた値未満である場合には、冷媒不足の状態であると判定できる。

一方、冷媒不足でない場合であっても、例えば、目標出湯温度がリモコンなどで変更された場合など、適正冷媒時に最適と予測される膨張機構１４の回転数や予膨張弁７１やバイパス弁８１の開度より、現状の膨張機構１４の回転数や予膨張弁７１やバイパス弁８１の開度が大きくなることがある。また、低外気温での運転時などには、水循環量があらかじめ定められた値未満であり、かつ、出湯温度が出湯温度目標値に達していないことがある。しかし、これらの場合には圧縮機構１１は高負荷で運転されているので、通電電流は低下せずにむしろ増大する。したがって、電流検出手段３１の検出した電流検出値があらかじめ定められた値以上となり、冷媒不足判定手段６１は冷媒不足を判定せずに、圧縮機構１１への通電を続行しその運転を継続させる。このため、本実施の形態では圧縮機構１１の高負荷運転時に誤って冷媒不足を判定するのを防止し、冷媒不足をより正確に検出することができる。

次に、冷媒不足を判定する具体的な制御方法について、図９のフローチャートを用いて説明する。図９において、図４と同様のステップは図４と同じ番号を与え、説明を省略する。

ステップ４０１で、電流検出手段３１（例えば、駆動手段１０にインバータ回路（図示せず）から通電される電流を検出する電流センサー）により検出した通電電流を検知する。ステップ４０２では、検知した通電電流値Ｉとあらかじめ定めた電流値Ｉ０との比較を行い、圧縮機構１１が高負荷の状態であるか否かを判定する。通電電流値Ｉが所定値Ｉ０未満の場合には次のステップ１０８に進み、所定値Ｉ０以上の場合にはステップ１０１に戻る。

すなわち、本実施の形態の冷凍サイクル装置の制御方法は、第２目標膨張機構回転数と第１目標膨張機構回転数の差（Ｈｚｅ２−Ｈｚｅ１）があらかじめ定められた所定値（Ｈｚｅ０）以上となる場合で、かつ、通電電流値があらかじめ定められた値未満である条件が一定時間、成立した場合には、冷媒不足判定手段６１は冷媒不足の状態であると判定するものである。

あるいは、第２の実施の形態の制御方法に追加した場合には、第２目標予減圧器開度と第１目標予減圧器開度の差（ＰＬＳｐ２−ＰＬＳｐ１）があらかじめ定められた所定値（ＰＬＳｐ０）以上となる場合、あるいは、第２目標バイパス弁開度と第１目標バイパス弁開度の差（ＰＬＳｂ２−ＰＬＳｂ１）があらかじめ定められた所定値（ＰＬＳｂ０）以上となる場合、で、かつ、通電電流値があらかじめ定められた値未満である条件が一定時間、成立した場合には、冷媒不足判定手段６１は冷媒不足の状態であると判定するものである。

そして、この判定に基づいて、例えばリモコン等の表示器（図示せず）に異常表示を行うとともに、冷媒不足判定手段６１から信号を受けた駆動手段１０が圧縮機構１１を停止し、圧縮機構１１を損傷させるといった冷凍サイクル装置の信頼性の低下を防止する。
以上のように、本実施の形態の冷凍サイクル装置では、誤って冷媒不足であると判定する可能性を低減でき、冷媒不足をより正確に検出することができる。

なお、本実施の形態では、冷媒不足によって変動する圧縮機構１１の負荷を、圧縮機構１１への通電電流から検出する構成及び方法としているが、トルク計などを用いて圧縮機構１１の負荷を直接検出する構成及び方法にしても良い。換言すれば、圧縮機の負荷を検出し、当該負荷の検出値が所定値以下であるか否かを判定し、冷媒不足を判定する条件に追加することができる。

また、本実施の形態では、電流検出手段３１は圧縮機構１１への通電電流を検出すると
しているが、圧縮機構１１への通電電流が冷凍サイクル装置全体への通電電流の大部分を占めるために、送風装置（ファン）１６や給水ポンプ１７などへの通電電流を含む冷凍サイクル装置全体への通電電流を検出する構成及び方法にしても圧縮機構１１の負荷を検出でき、同様の効果が得られる。また、所定値Ｉ０は、圧縮機構１１の運転周波数に応じた複数の値を設定しても良い。

（実施の形態５）
本発明の第５の実施の形態は、第１から第４のいずれかの実施の形態に、より確実に冷媒不足を検知するための手段、あるいは、制御方法を追加したものである。以下、第１の実施の形態の冷凍サイクル装置を例にとり説明するが、第２から第４の実施の形態の冷凍サイクル装置に追加する場合でも同様である。

図１において、除霜運転判定手段５１は、冷凍サイクル装置が除霜運転中であるか否かを判定する。冷媒不足でない場合であっても、例えば、蒸発器１５の除霜運転中など、適正冷媒時に最適と予測される膨張機構１４の回転数や予膨張弁７１やバイパス弁８１の開度より、現状の膨張機構１４の回転数や予膨張弁７１やバイパス弁８１の開度が大きくなることがある。したがって、除霜運転判定手段５１が除霜中であると判定した場合には、冷媒不足判定手段６１は冷媒不足を判定せずに、圧縮機構１１への通電を続行しその運転を継続させる。このため、本実施の形態では除霜運転時に誤って冷媒不足を判定するのを防止し、冷媒不足をより正確に検出することができる。

次に、冷媒不足を判定する具体的な制御方法について、図１０のフローチャートを用いて説明する。図１０において、図４と同様のステップは図４と同じ番号を与え、説明を省略する。

ステップ１０１を行う前に、ステップ５０１において、冷凍サイクル装置が除霜運転中であるか否を判定する。冷凍サイクル装置が除霜運転中でない場合には次のステップ１０１に進み、除霜運転中である場合にはステップ４０１に戻る。その後、ステップ１０１からステップ１０８までを実行する。

そして、除霜運転中でなく、第２目標膨張機構回転数と第１目標膨張機構回転数の差（Ｈｚｅ２−Ｈｚｅ１）があらかじめ定められた所定値（Ｈｚｅ０）以上となる条件が一定時間、成立した場合には、ステップ１０９で、冷媒不足判定手段６１が冷媒不足の状態であると判定し、リモコン等の表示器（図示せず）に異常表示を行うとともに、圧縮機構１１を停止し、圧縮機構１１を損傷させるといった冷凍サイクル装置の信頼性の低下を防止する。

また、冷媒不足でない場合であっても、除霜運転中であるために、第２目標膨張機構回転数と第１目標膨張機構回転数の差（Ｈｚｅ２−Ｈｚｅ１）があらかじめ定められた所定値（Ｈｚｅ０）以上となる場合には、冷媒不足判定手段６１は冷媒不足を判定せずに、圧縮機構１１への通電を続行してその運転を継続させる。

あるいは、除霜運転中でなく、第２の実施の形態の制御方法に追加した場合には、第２目標予減圧器開度と第１目標予減圧器開度の差（ＰＬＳｐ２−ＰＬＳｐ１）があらかじめ定められた所定値（ＰＬＳｐ０）以上となる場合、あるいは、第２目標バイパス弁開度と第１目標バイパス弁開度の差（ＰＬＳｂ２−ＰＬＳｂ１）があらかじめ定められた所定値（ＰＬＳｂ０）以上となる場合、で、かつ、通電電流値があらかじめ定められた値未満である条件が一定時間、成立した場合には、冷媒不足判定手段６１は冷媒不足の状態であると判定するものである。

したがって、本実施の形態の冷凍サイクル装置では、除霜運転中である場合に誤って冷媒不足であると判定することもなく、冷媒不足をより正確に検出することができる。
なお、第１の実施の形態では、フィードフォワード制御の目標値（第１目標膨張機構回転数）とフィードバック制御の目標値（第２目標膨張機構回転数）とを比較して、膨張機構１４の回転数変化方向を判定する構成や方法としているが、例えば、一定時間前の膨張機構１４の回転数と膨張機構１４の回転数とを比較して、膨張機構１４の回転数が増加方向に調整されつつあるか、あるいは、低下方向に調整されつつあるかを判定する構成等にしても良い。

また、第１目標膨張機構回転数や第２目標膨張機構回転数に一定値を加算、乗算するなどの補正を行う構成等であっても良い。また、膨張機構１４は吐出温度が一定となるように制御されているとして説明したが、圧縮機構１１の吸入過熱度や、蒸発器１５の出口過熱度が一定になるように制御する場合でも、同様の効果が得られる。また、第２の実施の形態の予減圧器開度、バイパス弁開度の場合も同様である。

なお、以上の第１から第５の実施の形態における冷凍サイクル装置において、膨張機構１４に流入する冷媒と圧縮機構１１に流入する冷媒を熱交換させる内部熱交換器を設けても良い。また、冷媒は二酸化炭素（ＣＯ２）であるとして説明したが、これに限定するものではなく、Ｒ３２やＲ４１０ＡなどのＨＦＣ冷媒、Ｒ２９０などのＨＣ冷媒であってもよい。

さらに、以上の第１から第５の実施の形態のような冷媒不足の検出方法では、高価な圧力センサー等を新たに設ける必要がなく、安価に冷凍サイクル装置を製造できるという副次的なメリットも有する。

本発明の冷凍サイクル装置および冷凍サイクル装置の制御方法は、動力回収を行う膨張機構１４を備えた冷凍サイクル装置において、冷媒不足を確実に検知し、信頼性の低下を防止することが可能となるので、膨張機構１４を備えた給湯機、空気調和機などの用途に適用できる。

本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置を示す構成図 同冷媒不足時の圧力・エンタルピ線図 同冷媒不足時の密度比の変化図 本発明の実施の形態１における制御のフローチャート 本発明の実施の形態２における冷凍サイクル装置を示す構成図 本発明の実施の形態２における制御のフローチャート 本発明の実施の形態３における冷媒不足時の特性図 本発明の実施の形態３における制御のフローチャート 本発明の実施の形態４における制御のフローチャート 本発明の実施の形態５における制御のフローチャート

符号の説明

１０ 駆動手段
１１ 圧縮機構
１２ 利用側熱交換器（放熱器、給湯用熱交換器）
１２ａ 冷媒流路
１２ｂ 流体流路
１３ 発電機
１４ 膨張機構
１５ 熱源側熱交換器（蒸発器）
１６ 熱源側流体搬送手段（送風装置、ファン）
１７ 利用側流体搬送手段（給水ポンプ）
１８ 給湯タンク
１９ 熱源側熱交換器入口流体温度検出手段
２０ 利用側熱交換器入口流体温度検出手段
２１ 利用側熱交換器出口流体温度検出手段
２２ 利用側熱交換器出口流体目標温度演算手段
２３ 利用側流体搬送量演算操作手段
２４ 利用側流体搬送量検出手段
２５ 利用側熱交換器出口流体温度差演算手段
３１ 電流検出手段
４１ 吐出温度検出手段
４２ 目標膨張機構回転数演算手段
４３ 膨張機構回転数演算操作手段
４４ 膨張機構回転数変化判定手段
５１ 除霜運転判定手段
６１ 冷媒不足判定手段
７０ 軸
７１ 予減圧器（予膨張弁）
７２ 目標予減圧器開度演算手段
７３ 予減圧器開度演算操作手段
７４ 予減圧器開度変化判定手段
８０ バイパス流路
８１ バイパス弁
８２ 目標バイパス弁開度演算手段
８３ バイパス弁開度演算操作手段
８４ バイパス弁開度変化判定手段
Ａ 冷媒回路
Ｂ 流体回路

Claims (12)

1. 少なくとも圧縮機構、利用側熱交換器、動力回収を行う膨張機構、熱源側熱交換器を備えた冷凍サイクル装置において、前記利用側熱交換器の流入流体温度を検出する利用側熱交換器入口流体温度検出手段と、前記熱源側熱交換器の流入流体温度を検出する熱源側熱交換器入口流体温度検出手段と、前記利用側熱交換器入口流体温度検出手段と前記熱源側熱交換器入口流体温度検出手段の少なくとも一方の検出値から目標膨張機構回転数を演算する目標膨張機構回転数演算手段と、前記膨張機構の回転数と前記目標膨張機構回転数の差が所定値以上であることを判定基準として冷媒不足を判定する冷媒不足判定手段とを設けることを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 少なくとも圧縮機構、利用側熱交換器、動力回収を行う膨張機構、熱源側熱交換器、前記膨張機構に流入する冷媒を減圧する予減圧器を備えた冷凍サイクル装置において、前記利用側熱交換器の流入流体温度を検出する利用側熱交換器入口流体温度検出手段と、前記熱源側熱交換器の流入流体温度を検出する熱源側熱交換器入口流体温度検出手段と、前記利用側熱交換器入口流体温度検出手段と前記熱源側熱交換器入口流体温度検出手段の少なくとも一方の検出値から目標予減圧器開度を演算する目標予減圧器開度演算手段と、前記予減圧器の開度と前記目標予減圧器開度の差が所定値以上であることを判定基準として冷媒不足を判定する冷媒不足判定手段とを設けることを特徴とする冷凍サイクル装置。
3. 少なくとも圧縮機構、利用側熱交換器、動力回収を行う膨張機構、熱源側熱交換器、前記膨張機構をバイパスするバイパス回路に設けられたバイパス弁を備えた冷凍サイクル装置において、前記利用側熱交換器の流入流体温度を検出する利用側熱交換器入口流体温度検出手段と、前記熱源側熱交換器の流入流体温度を検出する熱源側熱交換器入口流体温度検出手段と、前記利用側熱交換器入口流体温度検出手段と前記熱源側熱交換器入口流体温度検出手段の少なくとも一方の検出値から目標バイパス弁開度を演算する目標バイパス弁開度演算手段と、前記バイパス弁の開度と前記目標バイパス弁開度の差が所定値以上であることを判定基準として冷媒不足を判定する冷媒不足判定手段とを設けることを特徴とする冷凍サイクル装置。
4. 利用側熱交換器へ流入する流体の搬送量を検出する利用側流体搬送量検出手段と、利用側熱交換器出口流体温度の目標値を演算する利用側熱交換器出口流体目標温度演算手段と、利用側熱交換器出口流体温度を検出する利用側熱交換器出口流体温度検出手段と、前記目標値と前記利用側熱交換器出口流体温度検出手段の検出値との温度差を演算する利用側熱交換器出口流体温度差演算手段を設け、前記冷媒不足判定手段は、前記循環量の検出値が所定値未満であってかつ前記温度差の演算値が所定値以上であることを判定基準に加えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記冷凍サイクル装置の通電電流を検出する電流検出手段を設け、前記冷媒不足判定手段は、前記通電電流の検出値が所定値未満であることを判定基準に加えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記冷凍サイクル装置が除霜運転中か否かを判定する除霜運転判定手段を設け、前記冷媒不足判定手段は、前記冷凍サイクル装置が除霜運転中でないことを判定基準に加えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
7. 少なくとも圧縮機構、利用側熱交換器、動力回収を行う膨張機構、熱源側熱交換器で形成する冷凍サイクルの制御方法であって、前記利用側熱交換器と前記熱源側熱交換器の流入流体温度を検出し、前記利用側熱交換器の流入流体温度と前記熱源側熱交換器との流入流体温度の少なくとも一方から目標膨張機構回転数を演算し、前記膨張機構の回転数と前記
   目標膨張機構回転数の差が所定値以上であるときに、冷媒不足と判定することを特徴とする冷凍サイクル装置の制御方法。
8. 少なくとも圧縮機構、利用側熱交換器、動力回収を行う膨張機構、熱源側熱交換器、前記膨張機構に流入する冷媒を減圧する予減圧器で形成する冷凍サイクルの制御方法であって、前記利用側熱交換器と前記熱源側熱交換器の流入流体温度を検出し、前記利用側熱交換器の流入流体温度と前記熱源側熱交換器との流入流体温度の少なくとも一方から目標予減圧器開度を演算し、前記予減圧器の開度と前記目標予減圧器開度の差が所定値以上であるときに、冷媒不足と判定することを特徴とする冷凍サイクル装置の制御方法。
9. 少なくとも圧縮機構、利用側熱交換器、動力回収を行う膨張機構、熱源側熱交換器、前記膨張機構をバイパスするバイパス回路に設けられたバイパス弁で形成する冷凍サイクルの制御方法であって、前記利用側熱交換器と前記熱源側熱交換器の流入流体温度を検出し、前記利用側熱交換器の流入流体温度と前記熱源側熱交換器との流入流体温度の少なくとも一方から目標バイパス弁開度を演算し、前記バイパス弁の開度と前記目標バイパス弁開度の差が所定値以上であるときに、冷媒不足と判定することを特徴とする冷凍サイクル装置の制御方法。
10. 前記冷凍サイクル装置の利用側熱交換器に流入する流体の循環量と前記流体の利用側熱交換器出口温度とを検出し、前記利用側熱交換器出口温度の検出値と前記利用側熱交換器出口温度の目標値との温度差を演算し、前記循環量の検出値が所定値未満であり、前記温度差の演算値が所定値以上であることを、さらに判定基準に加えることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置の制御方法。
11. 前記冷凍サイクル装置の通電電流を検出し、前記通電電流の検出値が所定値以下であることを、さらに判定基準に加えることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置の制御方法。
12. 前記冷凍サイクル装置が除霜運転中でないことを、さらに判定基準に加えることを特徴とする請求項７〜１１のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置の制御方法。

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