JP4799440B2

JP4799440B2 - 冷凍空調装置および冷媒純度の推算方法

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Publication number: JP4799440B2
Application number: JP2007033728A
Authority: JP
Inventors: 史武畝崎
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-02-14
Filing date: 2007-02-14
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2027-02-14
Also published as: JP2008196808A

Description

この発明は、冷凍空調装置および冷媒純度の推算方法に関するものであり、特に冷媒として超臨界状態で動作する二酸化炭素（ＣＯ₂）を用いた冷凍空調装置および冷媒純度の推算方法に関するものである。

フロン系冷媒は地球温暖化係数が大きいため、それに代わる冷媒としてＣＯ₂が着目されている。ＣＯ₂は臨界温度が３１℃と常温付近にあるため、通常冷凍空調装置の運転を行う場合、高圧（圧縮機の吐出圧力）は臨界圧力以上の圧力で、超臨界状態として作動し、低圧は臨界圧力以下の圧力で動作する。

ＣＯ₂冷媒は、他の化学物質であるアンモニアや石油精製等から発生する副生物である粗製炭酸ガスを原料とし、原料から水素、酸素、窒素その他の不純物を種々の精製工程で除去し高純度の炭酸ガスを精製している（特許文献１参照）。

また、別の従来の冷凍空調装置では、冷媒以外の不純物成分である不凝縮ガスを抽気タンクに回収し、抽気タンクから外気に放出することで、冷凍空調装置内の冷媒純度を維持する方法が記載されている（特許文献２参照）。

特開平１１−２０９１１７号公報（段落０００８、段落０００９〜００１５、図１）特開２００６−３８３４６号公報（段落０００１、段落０００５、段落００１９〜００２０、図１、図２）

ＣＯ₂冷媒の純度は精製工程を多くすることによって向上するが、そのため冷媒としての値段は、高純度のものほど高くなる。純度９８〜９９．５％と称される工業用ＣＯ₂の価格に対し、純度９９．９９５％の高純度品の価格は１０倍程度高くなる。工業用ＣＯ₂の実際の純度にはばらつきがあり、公称値よりも高く高純度品と同等であり冷凍空調装置の実用上問題の無い純度のものである。

冷凍空調装置を安価に構成しようとした場合、価格の安い工業用ＣＯ₂の適用は一つの選択肢となる。しかし、特許文献１に記載された従来の冷凍空調装置では、従来冷凍空調装置に純度のばらつきのあるＣＯ₂を冷媒として用いた場合の純度の判別方法、および低純度であった場合の対応方法は明示されておらず、そのため高価な高純度品を用いており、冷凍空調装置の値段が高価になるという課題があった。
また冷媒純度が低いにもかかわらず装置に適用した場合には、不純物の多くが通常の冷凍空調装置の運転範囲では液化しない不凝縮ガスであり蒸気圧縮サイクルを構成した場合の効率が低い物質であるため、不純物量が多いほど装置の運転効率が低下するという問題があった。

また、特許文献２に記載された従来の冷凍空調装置では、抽気タンクへ不純物を回収する際の冷媒と不純物の分離に際しては、冷媒が液化することで不純物である不凝縮ガスとを分離する作用を用いており、超臨界状態で動作し、冷媒の液化がなされないＣＯ₂冷媒には適用できない手法となる。

この発明は以上の課題に鑑み、ＣＯ₂冷媒を用いた冷凍空調装置において、充填されたＣＯ₂冷媒の純度を判別可能とするとともに、ＣＯ₂が低純度の場合に、冷媒純度を向上させる、あるいは低純度に対応した運転を実施することで、純度のばらつきがある工業用ＣＯ₂を適用可能とし、冷凍空調装置を安価に構成することを目的とする。また高純度の冷媒を適用することで、装置の運転効率を向上させることを目的とする。

この発明に係る冷凍空調装置は、圧縮機、放熱器、減圧装置、蒸発器を順次環状に接続して構成される冷媒回路を有し、冷媒として二酸化炭素を用い、冷凍空調装置は、停止時に冷媒の臨界温度以上に保たれて二酸化炭素の臨界温度より高くかつ臨界温度近傍の温度での冷媒の圧力を計測する計測手段と、この計測手段の計測結果と予め設定した基準値に基づいて冷媒に混入している不純物成分の量を推算する不純物量推算手段と、を備えたものである。

この発明は、純度が不明なＣＯ₂冷媒が充填されたときに、冷媒の圧力に基づいて冷媒に混入している不純物成分の量を推算することで、冷媒の純度を判別する。安価な工業用ＣＯ₂を充填した場合にも、判別される冷媒純度が実用上支障のない純度であるならば、そのまま装置を構成でき、冷凍空調装置を安価に構成することができるとともに、低純度による装置の運転効率低下を回避し、高効率の冷凍空調装置を得ることができる。また冷媒純度が問題のある状況であるならば、冷媒純度を向上させる、あるいは、低純度に対応した運転を実施することで、安価にかつ信頼性の高い冷凍空調装置を得ることができる。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１を図１に示す。図１は本発明の冷凍空調装置の構成及び冷媒回路図であり、セパレート型の空調機の例を示している。空調装置は室外機１、室内機２、および室外機１と室内機２を接続する液管７、ガス管９で構成されており、室外機１内には圧縮機３、四方弁４、室外熱交換器５、減圧装置である電子膨張弁６が内蔵されている。室内機２内には、室内熱交換器８が内蔵される。室外機１、室内機２と液管７、ガス管９との接続部には、接続用の弁１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄが設けられている。また室外機１には冷媒充填用の弁１０ｅが設けられている。

室外機１内には、冷媒状態を計測するために、圧力センサ１１ａ、１１ｂ及び温度センサ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄが設けられている。圧力センサ１１ａは圧縮機３の吸入圧力、１１ｂは圧縮機３の吐出圧力を計測する。温度センサ１２ａは圧縮機３の吸入温度、１２ｂは圧縮機３の吐出温度、１２ｃは室外熱交換器５と電子膨張弁６の間の冷媒温度を計測する。温度センサ１２ｄは室外機１周囲の空気温度を計測する。計測制御装置１３は、圧力センサ１１や温度センサ１２の情報の入力や装置使用者の指示に基づき冷凍空調装置の運転制御を行い、圧縮機３の回転数や電子膨張弁６の口径（開度）、室外熱交換器５に送風するファンの送風量、弁１０ａ〜１０ｅなどを制御する。
なお、計測制御装置１は、特許請求の範囲における不純物量推算手段、運転制御手段、運転制御変更手段を構成する。

次に、冷凍空調装置の冷媒充填方法、及び装置据え付け方法について説明する。室外機１、室内機２はそれぞれ別工程で製造される。製造完了時に、室内機２には窒素ガスを充填し、計測制御装置１３は、弁１０ｂ、１０ｃを閉とすることで冷媒回路を閉止する。さらに、計測制御装置１３は、室外機１の弁１０ａ、１０ｄを閉止するとともに、弁１０ｅに真空ポンプを接続し、室外機１内の冷媒回路を計測制御装置１３の制御によって自動的に、あるいは人介操作により真空引きする。真空引き完了後、冷媒ボンベを弁１０ｅに接続し、冷媒である工業用ＣＯ₂を充填する。充填完了後、弁１０ｅを閉とし、室外機１内の冷媒回路を閉止する。
冷媒充填完了後、室外機１、室内機２は設置場所に出荷され、設置場所にて液管７、ガス管９を取り付ける。次に室内機２の弁１０ｂ、１０ｃを開とし、室内機２、液管７、ガス管９の冷媒回路を導通させた後で、真空ポンプによりこの部分の真空引きを行う。真空引き完了後、室外機１の弁１０ａ、１０ｄを開とし、冷媒回路全体を導通させた後に装置の運転を行う。

次に冷凍空調装置の冷媒純度判定方法について図２のフローに基づいて説明する。純度判定は上記の手順のなかで、冷媒充填時に実施する。まず室外機１を温度が一定である恒温室内に設置する（ステップＳ２１）。恒温室の温度は、ＣＯ₂冷媒の臨界温度である３１℃より若干高い３５℃に設定する（ステップＳ２２）。次に真空引き（ステップＳ２３）後の室外機１に冷媒ボンベを接続し、弁１０ｅを開として冷媒を充填する（ステップＳ２４）。このとき冷媒ボンベの重量を計測し、ボンベ重量が規定量低下した段階で弁１０ｅを閉止し、冷媒充填を完了する。冷媒充填時は充填された冷媒の蒸発により、吸熱され室外機冷媒温度が一時低下するので、計測制御装置１３は、温度センサ１２ａ、１２ｂ、１２ｃなどで計測される室外機１の冷媒温度と恒温室の温度とを比較し、室外機１の冷媒温度が恒温室の温度と一致するまで所定時間放置する。

冷媒温度が恒温室の温度と一致した段階で、計測制御装置１３は、冷媒圧力を圧力センサ１１ａもしくは１１ｂで計測させる（ステップＳ２５）。そして、計測制御装置１３は、この圧力を純度１００％であるＣＯ₂の物性と比較し（ステップＳ２６）、充填された冷媒の純度を判定する（ステップＳ２７）。この場合、充填される冷媒の密度は、冷媒の充填量、および室外機１内の冷媒回路部の内容積から求められるので、計測制御装置１３は、冷媒密度一定の条件のもとで、冷媒の温度に対する圧力変化の特性を利用して、冷媒の純度を判定する。
図３は密度６００ｋｇ／ｍ³一定である場合に、ＣＯ₂冷媒（純度１００％）の温度に対する圧力変化と、ＣＯ₂冷媒９９％に工業用ＣＯ₂に含有される不純物の代表である空気が１％混入したときの温度に対する圧力変化を示した図である。図に示されるように、空気が混入した冷媒の圧力は、純度１００％のＣＯ₂よりも高くなる。

そこで、計測制御装置１３は、測定された圧力と、予め求めておいた純度１００％のＣＯ₂冷媒の圧力とを比較し、測定される圧力と純度１００％のＣＯ₂冷媒の圧力との圧力差が、予め定めた既定の圧力差より大きければ、そのときに充填された冷媒は不純物が多いと判定し（ステップＳ２８）、予め定めた既定の圧力差より小さければ、装置に要求される冷媒の純度を確保した冷媒と判定する（ステップＳ２９）。
例えば、装置に要求される冷媒の純度を９９．９％、恒温室の温度を３５℃とした場合、図３の相関から規定の圧力差は０．０７ＭＰａとなるので、測定される圧力と純度１００％のＣＯ₂冷媒との圧力差が０．０７ＭＰａより大きければ、要求純度である９９．９以下の純度であり、不純物が多く混入していると判定し、圧力差が０．０７ＭＰａより小さければ要求純度である９９．９以上の純度を確保していると判定する。

また混入する不純物の量が少ない場合、測定される圧力と純度１００％のＣＯ₂冷媒との圧力差に不純物量が比例するとして冷媒純度を求めることができる。例えば、前述の条件で恒温室の温度を３５℃、冷媒密度６００ｋｇ／ｍ³である場合に、測定される圧力と純度１００％のＣＯ₂冷媒との圧力差が０．０７ＭＰａあれば、不純物が０．１％混入していることになるので、測定される圧力と純度１００％のＣＯ₂冷媒との圧力差が倍の０．１４ＭＰａであれば不純物が倍の０．２％混入していると判定できる。
なお、判定結果は、図示しない表示手段または音声出力手段に出力してユーザに示すことで対策を講じることが可能になる。また、判定結果を図示しない記憶装置に記憶させておき、必要時に表示手段または音声出力手段あるいは印刷手段に出力させることも可能である。

以上の説明では、純度の判定は、室外機１に設けられた計測制御装置１３で行うように記述したが、純度判定用に別途設けられた純度判定装置にて実施するようにしてもよい。

要求純度を確保する冷媒が充填されていると判定された場合は、そのまま空調機を出荷する。要求純度が確保されない場合は、冷媒を再充填する、もしくは純度に対応した運転方法を設定するなどの対策を施して空調機を出荷する。このように、純度にばらつきのある工業用ＣＯ₂を冷媒として用いても、その純度を測定することで、純度に応じた対策をとることができ、安価に冷凍空調装置を構成するとともに、高効率かつ信頼性の高い冷凍空調装置を提供することができる。

なお、純度１００％のＣＯ₂冷媒の圧力と不純物が混入した冷媒の圧力偏差は、図３に示されるようにどの温度域でも存在するが、臨界温度３１℃より高い温度で測定することが望ましい。図４は、冷媒密度６００ｋｇ／ｍ³における温度に対する純度１００％のＣＯ₂冷媒の圧力と不純物である空気が１％混入した冷媒の圧力偏差の変化を表したものである。図４に示されるように、圧力差は臨界温度近傍から急に拡大し、臨界温度より高い温度でより大きくなる。センサの検知精度を考慮すると、純度検知のために必要となる規定の圧力偏差は大きければ大きいほど望ましく、本実施の形態のように、臨界温度より高温での計測とすることで、より高精度に純度判定を行うことができる。

図４に示される圧力偏差の特性は以下の要因で生じる。不純物を代表する空気の成分である、窒素や酸素の臨界温度は−１４７℃、−１１９℃と計測時の温度の３５℃より低くなる。臨界温度より大幅に高い温度域では、気体の物性変化は理想気体とほぼ同じとなり、密度一定である場合には温度（絶対温度）に比例して圧力が増加する。一方、ＣＯ₂冷媒の圧力変化は図３に示されるように臨界温度近辺で勾配の変化する特性となる。これは温度が臨界温度に近く、かつ圧力が臨界圧力より高い状況では、より液に近い特性となり、温度変化に対する圧力上昇が大きくなる特性が表れるためである。従って、不純物である空気の特性は変化しないが、基準となるＣＯ₂冷媒の特性が変化することにより、図４に示される圧力変化の特性を示すようになる。

冷媒純度判定において、純度が要求純度以下である場合に運転方法を変更するときは、以下のように実施する。不純物の代表である空気の成分である窒素や酸素が混入したときの冷媒圧力は前述したように高くなる。ＣＯ₂を冷媒として適用する場合、運転効率が最も高くなる高圧が存在するので、一般にその高圧を実現するように目標高圧を設定して、運転制御を行う。不純物がある場合、冷媒全体の圧力は高くなるが、ＣＯ₂のみの圧力を考慮すると、分圧となり、センサで測定される高圧よりも低い圧力で動作していることになる。従って、純冷媒として設定した最適高圧で動作させても、実際のＣＯ₂冷媒のみで評価される圧力は低い状態で動作していることになり、そのままでは運転効率の高い最適な運転を実施できない。

そこで、冷媒純度判定において、純度が要求純度以下である場合には、運転制御における目標高圧を純冷媒の時よりも高く設定する。この場合、設定量はシステム毎に決めておき、この値を事前に設定しておく。これにより、不純物が混入している場合でもＣＯ₂冷媒のみで評価される圧力は最適な高圧で運転することができ、効率の高い冷凍空調装置とすることができる。
なお、冷媒純度の判定は装置完成後の充填時に実施されることになるので、予め運転制御が搭載される基板にディップスイッチなどを設けておき、冷媒純度に対応した制御内容の変更ができるようにしておく。これにより純度に対応した制御変更を行う場合に制御基板の取り換えが不要となり、簡便に制御変更を行うことができる。
また、運転制御手段は、冷凍空調装置の高圧を制御するとともに、不純物量の推算結果が所定値よりも多い場合には、目標とする高圧の値を不純物量の推算結果が所定値よりも少ない場合の設定値より高く設定する。

冷媒純度判定において、純度が要求純度以下である場合の冷媒再充填方法は以下のように行う。まず再充填時には、通常冷媒として用いられる高純度のＣＯ₂冷媒を用いる。充填済みの冷媒を全て排出し、高純度のＣＯ₂冷媒を充填すると、従来と同様に高価な冷媒を用いることになるので、純度に応じた排出、再充填を実施する。例えば判定された冷媒純度が９９．８％である場合に、装置に要求される冷媒の純度の９９．９％を実現するには冷媒中の不純物の量を半減することで実現できる。そこで、装置内の冷媒量の１／２に相当する量を排出し、相当量の高純度冷媒を再充填する。このような充填を行うことで、冷媒純度向上のために必要とされ充填される高純度ＣＯ₂冷媒の量を低減でき、より安価に装置を構成することができる。

ＣＯ₂に対して不純物である窒素・酸素の分子量は小さいことから、同一圧力での密度はＣＯ₂の方が大きくなる。そのため冷媒が存在する空間内では、上方により多くの不純物である窒素・酸素が存在する。そこで冷媒を排出する排出ポートを、室外機１内の冷媒回路の比較的上方に設けることで、不純物である窒素・酸素をより多く排出することができる。冷媒充填用の弁１０ｅを排出口として用いる場合には、弁１０ｅの設置位置、および冷媒回路に接続されるポイント（図１の点Ａ）については、室外機１内の冷媒回路上方に設けることが望ましい。これにより、冷媒を排出する場合に、不純物の割合がＣＯ₂冷媒に混入している割合より多く排出できるようにすることができ、再充填に必要となる高純度ＣＯ₂冷媒の量をより少なくできるので、より安価に装置を構成することができる。

実施の形態２．
冷媒純度の判定を二つの条件で計測された状態量をもとに実施してもよい。この場合の冷媒純度判定方法を図５のフローに基づいて説明する。ここで装置の構成、及び装置の冷媒充填方法、及び装置据え付け方法については実施の形態１と同様に実施する。

まず室外機１を温度が一定である恒温室内に設置し（ステップＳ２１）、恒温室の温度は、ＣＯ₂冷媒の臨界温度である３１℃より若干高い第１の温度である３５℃に設定する（ステップＳ２２）。次に真空引き（ステップＳ２３）後の室外機１に冷媒ボンベを接続し、弁１０ｅを開として冷媒を充填する（ステップＳ２４）。このとき冷媒ボンベの重量を計測し、ボンベ重量が規定量低下した段階で弁１０ｅを閉止し、冷媒充填を完了する。冷媒充填時は充填された冷媒の蒸発により、吸熱され室外機冷媒温度が一時低下するので、室外機１の冷媒温度が恒温室の温度と一致するまで所定時間放置する。冷媒温度が恒温室の温度と一致した段階で、冷媒圧力を圧力センサ１２ａもしくは１２ｂで計測し、この圧力を第１の圧力とする（ステップＳ５１）。

次に、恒温室の温度を上昇させ、ＣＯ₂冷媒の臨界温度である３１℃より若干高い第２の温度である４５℃に設定する（ステップＳ５２）。室外機１の冷媒温度が恒温室の温度と一致するまで所定時間放置し、冷媒温度が恒温室の温度と一致した段階で、冷媒圧力を圧力センサ１２ａもしくは１２ｂで計測し、この圧力を第２の圧力とする（ステップＳ５３）。

冷媒純度の判定は第１の圧力に対する第２の圧力の上昇幅、もしくは上昇比率に基づいて判定する（ステップＳ５４〜Ｓ５６）。この場合の冷媒状態変化は冷媒量一定であるので等密度の状態での圧力変化となる。図６は、密度一定の条件でＣＯ₂冷媒、および空気の温度変化に対する圧力上昇幅を示した図である。第１の温度である３５℃の条件で計測された第１の圧力がＣＯ₂、および空気とも同じ８ＭＰａであった場合、第２の温度である４５℃の条件で計測される第２の圧力はＣＯ₂が９．５３ＭＰａ、空気が８．３０ＭＰａとなり、第１の圧力に対する第２の圧力上昇幅はＣＯ₂で１．５３ＭＰａ、空気で０．３０ＭＰａとなる。ＣＯ₂冷媒の方が、温度変化に対する圧力上昇が大きいため、圧力上昇幅に基づいて冷媒純度を判定することができる。

まず、第１の温度３５℃での様々な第１の圧力に対して、第２の温度での圧力上昇幅を予め求めておく。例えば、第１の圧力が８ＭＰａの場合の圧力上昇幅は、前述したようにＣＯ₂冷媒で１．５３ＭＰａ、空気で０．３０ＭＰａとなり、第１の圧力が７．５ＭＰａである場合、ＣＯ₂冷媒で０．９０ＭＰａ、空気で０．２８ＭＰａとなる。

そして、室外機１で計測される第１の圧力に対する第２の圧力の上昇幅と予め求めておいた各冷媒の圧力上昇幅とを比較する。第１の温度が３５℃、第１の圧力が８ＭＰａである場合、圧力上昇幅が１．５３ＭＰａであれば、純度１００％のＣＯ₂冷媒と判定できる。また圧力上昇幅が１．５０５ＭＰａである場合、圧力上昇幅が低下し、不純物である空気が混入していると判定する。圧力上昇幅の低下は混入する空気の重量比に比例するので、この場合のＣＯ₂冷媒の純度は（１．５０５−０．３）／（１．５３−０．３）＝９８％と判定できる。

判定された純度を装置に要求される冷媒の純度と比較し、要求純度を確保する冷媒が充填されていると判定された場合は、そのまま空調機を出荷し、要求純度が確保されない場合は、冷媒を再充填する、もしくは純度に対応した運転方法を設定するなどの対策を施して空調機を出荷する。このように、純度にばらつきのある工業用ＣＯ₂を冷媒として用いても、その純度を測定することで、純度に応じた対策をとることができ、安価に冷凍空調装置を構成するとともに、高効率かつ信頼性の高い冷凍空調装置を提供することができる。

実施の形態２では、２つの状態量を比較することで、実施の形態１で必要としていた冷媒量、および装置の内容積の情報が不要となる。従って様々な機器に容易に適用することが可能となり、より汎用的かつ簡易に冷媒純度の判定を実施することができる。

実施の形態３．
冷媒純度の判定にあたり、二つの状態量をもとに実施する方法として以下のような手法を用いてもよい。ここで装置の構成、及び装置の冷媒充填方法、及び装置据え付け方法については実施の形態１と同様に実施する。この場合の冷媒純度判定方法を図７のフローに基づいて説明する。

まず室外機１を温度が一定である恒温室内に設置し（ステップＳ２１）、恒温室の温度は、ＣＯ₂冷媒の臨界温度である３１℃より若干高い第１の温度である３５℃に設定する（ステップＳ２２）。次に真空引き（ステップＳ２３）後の室外機１に冷媒ボンベを接続し、弁１０ｅを開として冷媒を充填する。このとき冷媒ボンベの重量を計測し、ボンベ重量が規定量の２／３低下した段階、すなわち規定量の２／３の冷媒量を充填した時点で弁１０ｅを閉止し、冷媒充填を一時停止する。この時点の充填冷媒量を第１の冷媒量とする（ステップＳ７１）。冷媒充填時は充填された冷媒の蒸発により、吸熱され室外機冷媒温度が一時低下するので、室外機１の冷媒温度が恒温室の温度と一致するまで所定時間放置する。冷媒温度が恒温室の温度と一致した段階で、冷媒圧力を圧力センサ１２ａもしくは１２ｂで計測し、この圧力を第１の圧力とする（ステップＳ５１）。

第１の圧力計測後、恒温室の温度は第１の温度のままで弁１０ｅを開とし、残りの規定量である１／３の冷媒を充填する。全冷媒量が充填された時点での冷媒量を第２の冷媒量とする（ステップＳ７２）。冷媒充填時は充填された冷媒の蒸発により、吸熱され室外機冷媒温度が一時低下するので、室外機１の冷媒温度が恒温室の温度と一致するまで所定時間放置する。冷媒温度が恒温室の温度と一致した段階で、冷媒圧力を圧力センサ１２ａもしくは１２ｂで計測し、この圧力を第２の圧力とする（ステップＳ５３）。

冷媒純度の判定は第１の圧力に対する第２の圧力の上昇幅、もしくは上昇比率に基づいて判定する（ステップＳ５５〜Ｓ５６）。図８は、温度３５℃一定の条件のもとで、ＣＯ₂冷媒、および空気の冷媒充填量変化に対する圧力上昇幅を示した図である。この場合の冷媒状態変化は温度３５℃一定の条件のもとで、冷媒充填量が１．５倍すなわち、冷媒密度が１．５倍となった場合の圧力変化となる。第１の冷媒量である規定量の２／３の冷媒量が充填された時点で計測された第１の圧力がＣＯ₂、および空気とも同じ８ＭＰａであった場合、第２の冷媒量である規定量の冷媒量が充填された条件で計測される第２の圧力はＣＯ₂が８．６３ＭＰａ、空気が１２．１０ＭＰａとなり、第１の圧力に対する第２の圧力上昇幅はＣＯ₂で０．６３ＭＰａ、空気で４．１０ＭＰａとなる。ＣＯ₂冷媒の方が、密度変化に対する圧力上昇が小さいため、圧力上昇幅に基づいて冷媒純度を判定することができる。

まず、第１の温度３５℃、第１の冷媒量における様々な第１の圧力に対して、第２の冷媒量での圧力上昇幅を予め求めておく。例えば、第１の圧力が８ＭＰａの場合の圧力上昇幅は、前述したようにＣＯ₂冷媒で０．６３ＭＰａ、空気で４．１０ＭＰａとなる。

そして、室外機１で計測される第１の圧力に対する第２の圧力の上昇幅と予め求めておいた各冷媒の圧力上昇幅とを比較する（ステップＳ５５）。第１の温度が３５℃、第１の圧力が８ＭＰａである場合、圧力上昇幅が０．６３ＭＰａであれば、純度１００％のＣＯ₂冷媒と判定できる。また圧力上昇幅が０．７０ＭＰａである場合、圧力上昇幅が増加し、不純物である空気が混入していると判定する。圧力上昇幅の増加は混入する空気の重量比に比例するので、この場合のＣＯ₂冷媒の純度は（０．７０−４．１）／（０．６３−４．１）＝９８％と判定できる（ステップＳ５６）。

実施の形態３では、２つの状態量を比較することで、実施の形態１で必要としていた装置の内容積の情報が不要となる。従って様々な機器に容易に適用することが可能となり、より汎用的かつ簡易に冷媒純度の判定を実施することができる。

実施の形態４．
冷媒純度の判定にあたり、二つの状態量をもとに実施する方法として以下のような手法を用いてもよい。ここで装置の構成については実施の形態１と同様に実施する。この場合の冷媒純度判定方法を図９のフローに基づいて説明する。

冷凍空調装置の冷媒充填方法、及び装置据え付け方法については以下のように実施する。室外機１、室内機２はそれぞれ別工程で製造される。製造完了時に、室外機１、室内機２を組み合わせて装置を構成し、動作チェックを行う。動作チェック前後の冷媒状態に基づいて、冷媒純度の判定を実施する。以下純度の判定方法を説明する。

まず、室外機１、室内機２を温度が一定である恒温室内に設置する（ステップＳ２１）。恒温室の温度は、ＣＯ₂冷媒の臨界温度である３１℃より若干高い３５℃に設定する（ステップＳ２２）。室外機１、室内機２の間には液管７、ガス管９を接続し、装置を構成する。そして、真空引き（ステップＳ２３）後の室外機１に弁１０ｅを介して冷媒ボンベを接続し、弁１０ｅを開として冷媒を充填する（ステップＳ２４）。このとき冷媒ボンベの重量を計測し、ボンベ重量が規定量低下し、規定量充填された段階で弁１０ｅを閉止し、冷媒充填を完了する。冷媒充填時は充填された冷媒の蒸発により、吸熱され室外機冷媒温度が一時低下するので、室外機１の冷媒温度が恒温室の温度と一致するまで所定時間放置する。

冷媒温度が恒温室の温度と一致した段階で、冷媒圧力を圧力センサ１２ａもしくは１２ｂで計測する。この際、室外機１、室内機２と液管７、ガス管９を接続する弁１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄは開とし、各部の圧力が均一になる状態としておく、こうして測定された圧力を第１の圧力とする（ステップＳ５１）。

冷媒充填後、装置を動作させ、動作チェックを行う（ステップＳ９１）。動作チェック終了後、全ての冷媒を室外機１に回収する冷媒回収運転を実施する。冷媒回収運転時は、弁１０ａを閉止し（ステップＳ９２）、室外熱交換器５を放熱器として動作させながら圧縮機３を駆動するいわゆるポンプダウン運転を行う（ステップＳ９３）。ポンプダウン運転実施中に圧力センサ１２ａで検知される圧縮機吸入圧力が所定値まで低下した段階で、室内機側の冷媒回収が終了と判断し、弁１０ｄを閉止して、圧縮機３を停止する（ステップＳ９４）。

ポンプダウン運転終了後、装置の温度が安定し、冷媒温度が恒温室の温度と一致した段階で、冷媒圧力を圧力センサ１２ｂで計測する。こうして測定された圧力を第２の圧力とする（ステップＳ５３）。

冷媒純度の判定は第１の圧力に対する第２の圧力の上昇幅、もしくは上昇比率に基づいて判定する（ステップＳ５４〜Ｓ５６）。第１の圧力が計測される状態と第２の圧力が計測される状態では、装置内に存在する冷媒量は同じであるが、冷媒が存在する部分の容積が異なる。第１の圧力を計測時に冷媒が存在する容積は、室外機１の容積に室内機２、液管７、ガス管９の容積を加えた値となり、第２の圧力計測時に冷媒が存在する容積は室外機１の容積のみとなる。従って、容積変化分、冷媒密度が異なった状態を計測していることになる。例えば、室内機２、液管７、ガス管９の容積の合計値が室外機１の１／２であった場合には、第２の圧力の計測時に冷媒が存在する容積は、第１の圧力の計測時に冷媒が存在する容積の２／３となる。冷媒密度は容積の逆数比となり、第２の圧力計測時の冷媒密度は、第１の圧力計測時の１．５倍となる。

冷媒密度が１．５倍となった場合の、ＣＯ₂冷媒、および空気の圧力上昇幅は実施の形態３における図８と同様となる。例えば、第１の温度が３５℃で、室内機２、液管７、ガス管９が接続された状態で計測された第１の圧力がＣＯ₂、および空気とも同じ８ＭＰａであった場合、室内機２、液管７、ガス管９が外され、室外機１のみに冷媒が存在する状態で計測された第２の圧力は、密度が１．５倍となった圧力であり、第２の圧力は純度１００％のＣＯ₂冷媒の場合、８．６３ＭＰａ、空気の場合１２．１０ＭＰａとなる。第１の圧力に対する第２の圧力上昇幅はＣＯ₂で０．６３ＭＰａ、空気で４．１０ＭＰａとなる。ＣＯ₂冷媒の方が、密度変化に対する圧力上昇が空気より小さいため、圧力上昇幅に基づいて冷媒純度を判定することができる。判定の方法は実施の形態３と同様となる。

実施の形態４では、出荷前の動作チェックの前後における冷媒状態を計測し、純度の判定を行うので、比較的短時間に純度判定を完了することができ、簡便に純度判定を実施することができる。

なお、冷媒純度の判定は、出荷前の動作チェックの前後だけでなく、他の状況で行ってもよい。例えば、冷凍空調装置を設置したときの圧力変化から求めることができる。この場合、密度変化の順序が前述した出荷前の動作チェックと反対となる。即ち、装置設置時は冷媒が室外機１内のみに存在するので、この条件で測定される圧力は前述の第２の圧力となる。そして室外機１と室内機２を液管７、ガス管９を介して装置し、冷媒を室内機２側にも行き渡らせた状態で圧力を計測すると、前述の第１の圧力を計測できる。この第１の圧力と第２の圧力の比較を前述した方法と同様に行うことで、冷媒純度の判定を行うことができる。

実施の形態５．
冷媒純度を判定するための装置の構成として、図１０に示す構成を用いてもよい。図１０において、開閉弁１０ｆ、１０ｇは室外熱交換器５と電子膨張弁６との間を接続する冷媒配管の一部を閉区間とできるように設けられる。この閉区間を閉区間Ｂとする。温度センサ１２ｃは室外熱交換器５出口の冷媒温度を計測する温度センサであるが、前述した閉区間Ｂの冷媒温度を計測するためにも用いる。圧力センサ１１ｃは閉区間Ｂでの圧力を計測するために設けられる。ヒータ１４は閉区間Ｂでの冷媒温度を調節するために設けられる。図１０のその他の記号については、実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

次に、実施の形態５における冷媒純度の判定方法について図１１のフローにもとづいて説明する。まず室外機１、室内機２を液管７、ガス管９で接続して装置を構成し（ステップＳ２１）、真空引きした（ステップＳ２３）後で、弁１０ｅより冷媒量を規定量充填する（ステップＳ２４）。この際、弁１０ａ〜１０ｇは開とし、装置各部に冷媒が行き渡るようにする。その後数分放置し、装置内の冷媒状態が均一になった段階で、弁１０ｆ、弁１０ｇを閉止し、閉区間Ｂを形成する（ステップＳ１１１）。このように閉区間を形成することで閉区間Ｂ内の冷媒純度は、充填された冷媒の純度と等しくなる。

次にヒータ１４で閉区間Ｂを加熱し、温度センサ１２ｃで計測される閉区間Ｂの冷媒温度がＣＯ₂冷媒の臨界温度である３１℃より若干高い第１の温度３５℃になるように、ヒータ１４の加熱量を調整する（ステップＳ１１２）。その後、冷媒状態が安定した段階で、圧力センサ１１ｃにより閉区間Ｂの圧力を計測する。この圧力を第１の圧力とする（ステップＳ１１３）。

次に、ヒータ１４の加熱量を増加させ、閉区間Ｂの冷媒温度がＣＯ₂冷媒の臨界温度である３１℃より若干高い第２の温度である４５℃になるように加熱量を調整する（ステップＳ１１４）。その後、冷媒状態が安定した段階で、圧力センサ１１ｃにより閉区間Ｂの圧力を計測する。この圧力を第２の圧力とする（ステップＳ１１５）。

冷媒純度の判定は第１の圧力に対する第２の圧力の上昇幅、もしくは上昇比率に基づいて判定する（ステップＳ５４〜５６）。この場合の冷媒状態変化は冷媒量一定であるので等密度の状態での圧力変化となり、実施の形態２と同様の方法で冷媒純度の判定を行う。

判定された純度を装置に要求される冷媒の純度と比較し、要求純度を確保する冷媒が充填されていると判定された場合はそのまま装置を構成し、要求純度が確保されない場合は、冷媒を再充填する、もしくは純度に対応した運転方法を設定するなどの対策を施す。

このように、純度にばらつきのある工業用ＣＯ₂を冷媒として用いても、その純度を測定することで、純度に応じた対策をとることができ、安価に冷凍空調装置を構成するとともに、高効率かつ信頼性の高い冷凍空調装置を提供することができる。また実施の形態５では、冷媒温度を形成するために恒温室などの大規模な装置は必要で無くなるため、より簡易に冷媒純度の判定を行うことができる。

尚、閉区間Ｂについては、室外熱交換器５と電子膨張弁６の間に設けたが、これに限定されるものではなく、装置の他の部位、例えば圧縮機３と室外熱交換器５との間の冷媒配管や室内機２内の冷媒配管に設けてもよい。また液管７やガス管９を閉区間Ｂとしてもよい。この場合、液管７もしくはガス管９の代わりに、圧力センサ１１、温度センサ１２、およびヒータ１４が設けられたダミー配管を用意し、この配管での冷媒状態を計測して純度判定を行ってもよい。また回路内に盲腸配管を設けて閉区間Ｂとしてもよい。この場合閉区間Ｂを閉止するための弁は１つですみ、より安価な構成とすることができる。

また冷媒充填時は、室外機１と室内機２を組み合わせて装置を構成した後で冷媒充填するとしたが、閉区間Ｂが室外機１内に存在する場合は、室外機１のみで構成される冷媒回路に冷媒を充填し、純度を判定してもよい。

ヒータ１４については、装置に予め備えておいてもよいし、別途用意して、純度判定時のみ閉区間Ｂに配置してもよい。ヒータ１４の加熱量制御や、純度の判定については、温度・圧力の信号を計測制御装置１３に取り込み、その信号に基づいてヒータ出力や純度判定を計測制御装置１３で行うようにしてもよいし、外部の制御装置を用意し、その制御装置に温度・圧力の信号を入力して、その信号に基づいてヒータ出力や純度判定を行ってもよい。

この発明の実施の形態１を示す冷凍空調装置の回路図である。この発明の実施の形態１に係わる冷媒純度の判定フロー図である。この発明の実施の形態１に係わる同一密度でのＣＯ₂冷媒の温度と圧力の相関を示す図である。この発明の実施の形態１に係わる密度一定時の温度と純度１００％のＣＯ₂冷媒、純度９９％のＣＯ₂冷媒の圧力差の相関を示す図である。この発明の実施の形態２に係わる冷媒純度の判定フロー図である。この発明の実施の形態２に係わる密度一定条件で温度変化した時のＣＯ₂冷媒、空気の圧力変化を示す図である。この発明の実施の形態３に係わる冷媒純度の判定フロー図である。この発明の実施の形態３に係わる温度一定条件で密度変化した時のＣＯ₂冷媒、空気の圧力変化を示す図である。この発明の実施の形態４に係わる冷媒純度の判定フロー図である。この発明の実施の形態５を示す冷凍空調装置の回路図である。この発明の実施の形態５に係わる冷媒純度の判定フロー図である。

符号の説明

１室外機、２室内機、３圧縮機、４四方弁、５室外熱交換器、６電子膨張弁、７液管、８室内熱交換器、９ガス管、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ、１０ｇ弁、１１ａ、１１ｂ圧力センサ、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ温度センサ、１３計測制御装置、１４ヒータ。

Claims

圧縮機、放熱器、減圧装置、蒸発器を順次環状に接続して構成される冷媒回路を有し、冷媒として二酸化炭素を用いる冷凍空調装置において、
この冷凍空調装置は、停止時に冷媒の臨界温度以上に保たれて二酸化炭素の臨界温度より高くかつ臨界温度近傍の温度での前記冷媒の圧力を計測する計測手段と、
この計測手段による計測結果と予め設定した基準値とに基づいて前記冷媒に混入している不純物成分の量を推算する不純物量推算手段と、を備えたことを特徴とする冷凍空調装置。
前記不純物量推算手段が判定する不純物成分は、二酸化炭素よりも臨界温度の低い窒素、酸素であることを特徴とする請求項１に記載の冷凍空調装置。
前記計測手段は、臨界温度より高くかつ臨界温度近傍の第１の温度での冷媒の圧力を第１の圧力として計測し、第１の温度よりも高い第２の温度での冷媒の圧力を第２の圧力として計測し、
前記不純物量推算手段は、前記第１の圧力と前記第２の圧力との偏差と前記基準値とに基づいて、前記冷媒に混入している不純物成分の量を推算することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の冷凍空調装置。
臨界温度より高くかつ臨界温度近傍の第１の温度で充填冷媒量が第１の冷媒量である場合の冷媒の圧力を第１の圧力として計測し、第１の温度で充填冷媒量が第２の冷媒量である場合の冷媒の圧力を第２の圧力として計測し、
前記不純物量推算手段は、前記第１の圧力と前記第２の圧力との偏差と前記基準値とに基づいて、前記に混入している不純物成分の量を推算することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の冷凍空調装置。
臨界温度より高くかつ臨界温度近傍の第１の温度で冷凍空調装置の各部の冷媒圧力が均等である場合の圧力を第１の圧力として計測し、
第１の温度で、冷凍空調装置内の冷媒を特定区間に集中させた場合の特定区間の冷媒圧力を第２の圧力として計測し、
前記不純物量推算手段は、前記第１の圧力と前記第２の圧力との偏差と前記基準値とに基づいて、冷媒に混入している不純物成分の量を推算することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の冷凍空調装置。
前記不純物量推算手段は、冷凍空調装置内の冷媒を特定区間に集中させる運転として、放熱器と蒸発器の間に設けられた弁を閉止し、圧縮機を動作させるポンプダウン運転を行わせることを特徴とする請求項５に記載の冷凍空調装置。
前記不純物量推算手段は、不純物量の推算を冷媒の充填時に推算を実施することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の冷凍空調装置。
前記不純物量推算手段における不純物量の推算結果に基づいて、冷凍空調装置の運転制御を実施する運転制御手段を備えたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の冷凍空調装置。
前記運転制御手段は、圧縮機の回転数または電子膨張弁の開度またはファンの送風量を制御することを特徴とする請求項８に記載の冷凍空調装置。
前記運転制御手段は、冷凍空調装置の高圧を制御するとともに、不純物量の推算結果が所定値よりも多い場合には、目標とする高圧の値を不純物量の推算結果が所定値よりも少ない場合の設定値より高く設定することを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の冷凍空調装置。
情報を画像出力する表示手段または音声で出力する音声出力手段を備え、
前記不純物量推算手段は推算した不純物成分の量が所定の値を超えているか否かを判定し、判定結果を前記表示手段または前記音声出力手段に出力することを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の冷凍空調装置。
圧縮機、放熱器、減圧装置、蒸発器を順次環状に接続して構成される冷媒回路を有し、冷媒として二酸化炭素を用いる冷凍空調装置に適用され、
冷媒充填時に、前記冷凍空調装置を停止するとともに二酸化炭素の臨界温度より高くかつ臨界温度近傍の温度での圧力を計測する計測ステップと、前記計測ステップでの計測結果と予め設定した基準値に基づいて冷媒に混入している不純物成分の量を推算する推算ステップと、を備えたことを特徴とする冷媒純度の推算方法。