JP6387276B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、冷凍サイクルの性能低下に対処した冷凍サイクル装置に関する。

圧縮機から吐出される冷媒を凝縮器、減圧器、蒸発器に通して圧縮機に戻す冷凍サイクルでは、冷媒が通る配管の接続部などから冷媒が漏洩することがある。冷媒が漏洩すると、当然ながら冷凍サイクルの性能が低下する。

空気調和機の場合、室内ユニットに装着された塵埃除去用のフィルタが目詰まりして吸込み風量が低下することがある。吸込み風量の低下も、冷凍サイクルの性能低下につながる。

特開２００８−１６４２６５号公報

冷凍サイクルの性能低下は、消費電力の増加につながり、省エネルギー性の面で好ましくない。

本実施形態の冷凍サイクル装置の目的は、冷凍サイクルの性能低下を確実かつ精度よく検出できることである。

請求項１の冷凍サイクル装置は、冷媒を吸込んで圧縮し吐出する圧縮機を有し、その圧縮機から吐出される冷媒を凝縮器、膨張弁、および蒸発器に通して前記圧縮機に戻す冷凍サイクルと；室内空気を吸込む室内ファンと；前記室内ファンの吸込み風路に配置された塵埃除去用のフィルタと；前記フィルタに塵埃が着いていない状態で前記冷凍サイクルが運転する場合の前記冷媒の飽和温度を前記冷凍サイクルの状態変化量に基づいて予測し、この予測飽和温度と前記冷凍サイクルの運転時における前記冷媒の実際の飽和温度とのずれ量に応じて、前記フィルタの目詰まりによる前記冷凍サイクルの性能低下および前記室内ファンの故障を判定する判定部と；を備える。

第１実施形態の構成を示すブロック図。 第１実施形態の制御を示すフローチャート。 第１実施形態における膨張弁の予測開度と実開度とのずれ量を、冷媒漏洩量をパラメータとして示す図。 第１実施形態における冷媒漏洩率と冷房時省エネ性能との関係を示す図。 第２実施形態の制御を示すフローチャート。 第２実施形態における飽和温度の予測値と実際値とのずれ量を、目詰まり率をパラメータとして示す図。 第２実施形態におけるフィルタの通風率と冷房時省エネ性能との関係を示す図。 第２実施形態におけるフィルタの通風率と冷房時省エネ性能との関係を示す図。

［１］第１実施形態
以下、第１実施形態について図面を参照して説明する。第１実施形態として、空気調和機に搭載される冷凍サイクル装置を例に説明する。
図１に示すように、圧縮機１の吐出口に四方弁２を介して室外熱交換器３が配管接続され、その室外熱交換器３に電動膨張弁４を介してパックドバルブ５が配管接続される。このパックドバルブ５に室内熱交換器６が配管接続され、その室内熱交換器６にパックドバルブ７が配管接続される。そして、パックドバルブ７に上記四方弁２およびアキュームレータ８を介して圧縮機１の吸込口が配管接続される。これら配管接続により、ヒートポンプ式冷凍サイクルが構成される。

圧縮機１は、インバータ１０の出力により動作し、冷媒を吸込んで圧縮し吐出する。インバータ１０は、商用交流電源の電圧を直流に変換し、変換した直流電圧を所定周波数およびその周波数に応じたレベルの交流電圧に変換する。このインバータ１０の出力周波数（交流電圧の周波数）を変えることにより、圧縮機１の能力が変化する。

冷房時は、矢印で示すように、圧縮機１から吐出された冷媒が、四方弁２、室外熱交換器３、電動膨張弁４、パックドバルブ５、室内熱交換器６、パックドバルブ７、四方弁２、アキュームレータ８を通って圧縮機１に吸込まれる。この冷媒の流れにより、室外熱交換器３が凝縮器として機能し、室内熱交換器６が蒸発器として機能する。暖房時は、四方弁２の流路が切換わることにより、圧縮機１から吐出された冷媒が、四方弁２、パックドバルブ７、室内熱交換器６、パックドバルブ５、電動膨張弁４、室外熱交換器３、四方弁２、アキュームレータ８を通って圧縮機１に吸込まれる。この冷媒の流れにより、室内熱交換器６が凝縮器として機能し、室外熱交換器３が蒸発器として機能する。

電動膨張弁４は、入力される駆動パルスの数に応じて開度が連続的に変化するパルスモータバルブ（ＰＭＶ）である。室外熱交換器３の近傍に、外気を吸込んで室外熱交換器３に通す室外ファン１１が配置される。室内熱交換器６の近傍に、室内空気を吸込んで室内熱交換器６に通す室内ファン１２が配置される。この室内ファン１２の吸込み風路の上流側に、塵埃除去用のフィルタ１３が配置される。室内ファン１２が運転すると、室内空気が吸込まれ、その吸込み空気がフィルタ１３を通って室内熱交換器６に流入する。吸込み空気に混じる塵埃は、フィルタ１３に付着する。室内熱交換器６に流入した空気は、室内熱交換器６を通る冷媒と熱交換した後、空調用空気として室内に吹出される。

圧縮機１と四方弁２との間の高圧側配管に、圧力センサ２０が取付けられる。室外熱交換器３の冷房時冷媒流出側となる位置に、温度センサ２１が取付けられる。室内熱交換器６の冷房時冷媒流入側となる位置に、温度センサ２２が取付けられる。四方弁とアキュームレータ８との間の配管に、温度センサ２３が取付けられる。室外ファン１１の運転により吸込まれる室外空気の風路に、外気温度Ｔｏを検知する外気温度センサ２４が配置される。室内ファン１２の運転により吸込まれる室内空気の風路に、室内温度Ｔａを検知する室内温度センサ２５が配置される。

室外ユニットＡは、圧縮機１、四方弁２、室外熱交換器３、電動膨張弁４、パックドバルブ５、室内熱交換器６、パックドバルブ７、アキュームレータ８、インバータ１０、室外ファン１１、圧力センサ２０、温度センサ２１,２３、外気温度センサ２４などを収容する。室内ユニットＢは、室内熱交換器６、室内ファン１２、フィルタ１３、温度センサ２２、室内温度センサ２５などを収容する。

室外ユニットＡおよび室内ユニットＢにコントローラ３０が接続され、そのコントローラ３０にリモートコントロール式の操作表示器３１および手操作式のリセットスイッチ３２が接続される。

操作表示器３１は、当該冷凍サイクル装置が搭載される空気調和機の運転条件設定用であり、操作手段および表示手段を有する。リセットスイッチ３２は、いわゆる自動復帰型の押釦スイッチであり、コントローラ３０が搭載される制御回路基板などに配置される。

コントローラ３０は、主要な機能として開度制御部５１、判定部５２、更新部５３を有するとともに、データ記憶用の不揮発性のメモリ５４を内蔵している。

開度制御部５１は、蒸発器における冷媒の過熱度ＳＨが目標値ＳＨｔ一定となるように、電動膨張弁４の開度を制御する（過熱度一定値制御）。蒸発器は、冷房時が室内熱交換器６であり、暖房時が室外熱交換器３である。過熱度ＳＨは、冷房時が温度センサ２２の検知温度Ｔ２と温度センサ２３の検知温度Ｔ３との差（＝Ｔ３−Ｔ２）であり、暖房時が温度センサ２１の検知温度Ｔ１と温度センサ２３の検知温度Ｔ３との差（＝Ｔ３−Ｔ１）である。

判定部５２は、冷凍サイクルに性能低下がない場合の同冷凍サイクルの運転状態（電動膨張弁４の開度Ｑｍ）を予測し、この予測結果と冷凍サイクルの実際の運転状態（電動膨張弁４の開度Ｑａ）との比較により、冷凍サイクルの性能低下を判定する。

具体的には、判定部５２は、冷凍サイクルの運転初期かつ安定運転時における電動膨張弁４の開度Ｑを初期開度Ｑｘとしてメモリ５４に記憶するとともに、冷凍サイクルの運転初期かつ安定運転時における冷凍サイクルの状態量を初期状態量としてメモリ５４に記憶する。また、判定部５２は、メモリ５４に記憶した初期状態量と、その初期状態量の記憶後に冷凍サイクルが安定運転しているときの同冷凍サイクルの現状態量との差を、状態変化量として検出する。さらに、判定部５２は、上記記憶した初期開度Ｑｘを上記検出した状態変化量で補正する演算により、冷凍サイクルに冷媒漏洩がない状態で冷凍サイクルが安定運転する場合の電動膨張弁４の開度Ｑｍを予測（推定）する。そして、判定部５２は、この予測開度Ｑｍと、冷凍サイクルの安定運転時の電動膨張弁４の実際の開度Ｑａとの差ΔＱに応じて、冷凍サイクルの冷媒漏洩による同冷凍サイクルの性能低下を判定する。

予測開度Ｑｍは、冷凍サイクルに冷媒漏洩がない状態で冷凍サイクルが安定運転する場合に、電動膨張弁４が至る筈の本来の開度である。

上記初期状態量は、リセットスイッチ３２が操作されてから設定時間ｔｘが経過した後の安定運転時における運転周波数Ｆｘ，凝縮温度Ｔｃｘ，蒸発温度Ｔｅｘ，過熱度ＳＨｘの少なくとも１つである。設定時間ｔｘは、運転初期であるところの例えば１０〜５０時間であり、当該冷凍サイクル装置が設置される環境などに応じた適切な値が選定される。

運転周波数Ｆｘは、圧縮機１の運転周波数（インバータ１０の出力周波数）である。凝縮温度Ｔｃｘは、冷房時は室外熱交換器３に取付けられた温度センサ２１の検知温度Ｔ１であり、暖房時は室内熱交換器６に取付けられた温度センサ２２の検知温度Ｔ２である。蒸発温度Ｔｅｘは、冷房時は室内熱交換器６に取付けられた温度センサ２２の検知温度Ｔ２であり、暖房時は室外熱交換器３に取付けられた温度センサ２１の検知温度Ｔ１である。過熱度ＳＨｘは、冷房時は温度センサ２２の検知温度Ｔ２と温度センサ２３の検知温度Ｔ３との差（＝Ｔ３−Ｔ２）であり、暖房時は温度センサ２１の検知温度Ｔ１と温度センサ２３の検知温度Ｔ３との差（＝Ｔ３−Ｔ１）である。

初期状態量の記憶後における冷凍サイクルの現状態量は、運転周波数Ｆａ，凝縮温度Ｔｃａ，蒸発温度Ｔｅａ，過熱度ＳＨａの少なくとも１つである。

なお、判定部５２は、初期状態量として記憶する要素が運転周波数Ｆ，凝縮温度Ｔｃ，蒸発温度Ｔｅ，過熱度ＳＨの４つであれば、同じ４つの要素を現状態量として抽出する。また、判定部５２は、初期状態量として記憶する要素が運転周波数Ｆ，凝縮温度Ｔｃ，蒸発温度Ｔｅの３つであれば、同じ３つの要素を現状態量として抽出する。

上記更新部５３は、メモリ５４内の初期開度Ｑｘおよび初期状態量Ｆｘ，Ｔｃｘ，Ｔｅｘ，過熱度ＳＨｘをリセットスイッチ３２のオン操作に応じて更新する。

つぎに、コントローラ３０が実行する制御を図２のフローチャートを参照しながら説明する。
コントローラ３０は、初期状態フラグｆが“０”であるかを判定する（ステップＳ１）。初期状態フラグｆは、初期開度Ｑｘおよび初期状態量の記憶が済んでいるか否かの指標である。コントローラ３０は、ユーザや作業員によってリセットスイッチ３２がオン操作された場合に、初期状態フラグｆを“０”にリセットする。

初期状態フラグｆが“０”の場合（ステップＳ１のＹＥＳ）、コントローラ３０は、初期開度Ｑｘおよび初期状態量の記憶が済んでいないとの判断の下に、運転時間ｔを積算し（ステップＳ２）、その積算運転時間ｔが設定時間ｔｘ以上（ｔ≧ｔｘ）であるかを判定する（ステップＳ３）。積算運転時間ｔは、コントローラ３０のメモリ５４に逐次に更新記憶されるとともに、リセットスイッチ３２のオン操作があった場合にコントローラ３０によって零クリアされる。

積算運転時間ｔが設定時間ｔｘ未満の場合（ステップＳ３のＮＯ）、コントローラ３０は、ステップＳ１のフラグ判定に戻る。積算運転時間ｔが設定時間ｔｘに達した場合（ステップＳ３のＹＥＳ）、コントローラ３０は、冷凍サイクルが安定運転状態にあるかを判定する（ステップＳ４，Ｓ５，Ｓ６）。

すなわち、ステップＳ４において、コントローラ３０は、冷凍サイクルの現運転時の過熱度ＳＨａと目標値ＳＨｔとの差ΔＳＨの絶対値“｜ΔＳＨ｜”が、設定値ΔＳＨｓ未満（｜ΔＳＨ｜＜ΔＳＨｓ）であるかを判定する。設定値ΔＳＨｓは例えば２〜３Ｋである。ステップＳ５において、コントローラ３０は、冷凍サイクルの現運転時の過熱度ＳＨａが設定値ＳＨｓ以上（ＳＨａ≧ＳＨｓ）であるかを判定する。設定値ＳＨｓは例えば１〜２Ｋである。過熱度ＳＨａが設定値ＳＨｓ以上の場合、過熱度ＳＨａは正の値である。ステップＳ６において、コントローラ３０は、冷凍サイクルの現運転時における圧縮機１の運転周波数Ｆａが設定値Ｆｓ以上（Ｆａ≧Ｆｓ）であるかを判定する。設定値Ｆｓは例えば３０Ｈｚである。

ステップＳ４，Ｓ５，Ｓ６の判定結果の少なくとも１つが否定の場合（ステップＳ４のＮＯ、あるいはステップＳ５のＮＯ、あるいはステップＳ６のＮＯ）、コントローラ３０は、ステップＳ１のフラグ判定に戻る。

ステップＳ４，Ｓ５，Ｓ６の判定結果が共に肯定の場合（ステップＳ４のＹＥＳ、ステップＳ５のＹＥＳ、ステップＳ６のＹＥＳ）、コントローラ３０は、冷凍サイクルが安定運転状態に入ったとの判断の下に、その時点の電動膨張弁４の開度Ｑｘを初期開度としてメモリ５４に記憶（更新記憶）するとともに、その時点の運転周波数Ｆｘ，凝縮温度Ｔｃｘ，蒸発温度Ｔｅｘ，過熱度ＳＨｘを初期状態量としてメモリ５４に記憶（更新記憶）する（ステップＳ７）。

初期開度Ｑｘおよび初期状態量Ｆｘ，Ｔｃｘ，Ｔｅｘ，ＳＨｘの記憶に伴い、コントローラ３０は、初期状態フラグｆを“１”にセットし（ステップＳ８）、ステップＳ１のフラグ判定に戻る。初期状態フラグｆが“１”の場合（ステップＳ１のＮＯ）、コントローラ３０は、冷凍サイクルが安定運転状態にあるかを判定する（ステップＳ９，Ｓ１０，Ｓ１１）。ステップＳ９，Ｓ１０，Ｓ１１の判定は、ステップＳ４，Ｓ５，Ｓ６の判定と同じである。

ステップＳ９，Ｓ１０，Ｓ１１の判定結果の少なくとも１つが否定の場合（ステップＳ９のＮＯ、あるいはステップＳ１０のＮＯ、あるいはステップＳ１１のＮＯ）、コントローラ３０は、ステップＳ１のフラグ判定に戻る。

ステップＳ９，Ｓ１０，Ｓ１１の判定結果が共に肯定の場合（ステップＳ９のＹＥＳ、ステップＳ１０のＹＥＳ、ステップＳ１１のＹＥＳ）、コントローラ３０は、冷凍サイクルが安定運転状態に入ったとの判断の下に、メモリ５４内の初期状態量Ｆｘ，Ｔｃｘ，Ｔｅｘ，ＳＨｘと、冷凍サイクルの現状態量Ｆａ，Ｔｃａ，Ｔｅａ，ＳＨａとの差を、状態変化量として検出する（ステップＳ１２）。状態変化量は、運転周波数Ｆｘと運転周波数Ｆａとの差ΔＦであり、かつ凝縮温度Ｔｃｘと凝縮温度Ｔｃａとの差ΔＴｃであり、かつ蒸発温度Ｔｅｘと蒸発温度Ｔｅａとの差ΔＴｅであり、かつ過熱度ＳＨｘと過熱度ＳＨａとの差ΔＳＨｘａである。

続いて、コントローラ３０は、冷凍サイクルに冷媒漏洩による性能低下がない状態で冷凍サイクルが安定運転する場合の電動膨張弁４の開度Ｑｍを、上記検出した状態変化量ΔＦ，ΔＴｃ，ΔＴｅ，ΔＳＨｘａに基づいて予測する（ステップＳ１３）。この予測について、以下、説明する。
まず、電動膨張弁４の開度Ｑを決める要因として、“かわき度”“冷媒循環量”“蒸発温度Ｔｅ”“凝縮温度Ｔｃ”がある。“かわき度”とは、冷媒が湿り飽和蒸気であるときの蒸気（乾き飽和蒸気）と飽和液との重量比のことである。

これらの要因から、電動膨張弁４の開度Ｑを表わす次の理論式が得られる。
Ｑ＝Ｌ・（ρ／ΔＰ）＾0.5
Ｌは、冷媒循環量である。ρは、電動膨張弁４の冷媒入口側における冷媒密度である。ΔＰは、電動膨張弁４の冷媒入口側における冷媒の圧力Ｐ１と、電動膨張弁４の冷媒出口側における冷媒の圧力Ｐ２との、差（＝Ｐ１−Ｐ２）である。ΔＰのことを、以下、冷媒圧力差という。

冷媒密度ρを除く冷媒循環量Ｌおよび冷媒圧力差ΔＰは、状態変化量の要素である運転周波数Ｆ，凝縮温度Ｔｃ，蒸発温度Ｔｅ，過熱度ＳＨをパラメータとして用いる演算により、求めることが可能である。そして、運転周波数Ｆ，凝縮温度Ｔｃ，蒸発温度Ｔｅ，過熱度ＳＨを用いて開度Ｑを補正することにより、冷媒密度ρを知ることができる。冷媒密度ρの変化量は、冷凍サイクルにおける冷媒の変化量でもある。つまり、冷媒密度ρの変化量から、冷媒漏洩の有無を判定することが可能である。

上記演算のパラメータとして用いる運転周波数Ｆ，凝縮温度Ｔｃ，蒸発温度Ｔｅ，過熱度ＳＨは、冷媒漏洩が生じて冷媒量が減少した場合（冷媒密度ρが減少）でも、その冷媒量の減少の影響をあまり受けない。

したがって、初期開度Ｑｘを状態変化量ΔＦ，ΔＴｃ，ΔＴｅ，ΔＳＨｘａで補正する下式の演算により、冷凍サイクルに冷媒漏洩による性能低下がない状態で冷凍サイクルが安定運転する場合の電動膨張弁４の開度Ｑｍを予測（推定）することができる。この予測開度Ｑｍは、冷凍サイクルに冷媒漏洩による性能低下がないことを前提とした場合に、電動膨張弁４が至る筈の本来の開度である。
Ｑｍ＝ａ・ΔＦ＋ｂ・ΔＴｃ＋ｃ・ΔＴｅ＋ｄ・ΔＳＨｘａ＋Ｑｘ
上記ａ，ｂ，ｃ，ｄは、予め実験により求めた定数である。

仮に、冷媒漏洩によって冷凍サイクル中の冷媒量が減少した場合（冷媒密度ρが減少）、電動膨張弁４は、コントローラ３０の過熱度一定値制御により、予測開度Ｑｍよりも大きい開度に調節される。

コントローラ３０は、電動膨張弁４の実際の開度Ｑａを当該開度制御から逐次に認識しており、その開度Ｑａと予測開度Ｑｍとのずれ量ΔＱ（＝Ｑａ−Ｑｍ）を求める（ステップＳ１４）。そして、コントローラ３０は、ずれ量ΔＱが閾値ΔＱｓ以上であるかを判定する（ステップＳ１５）。閾値ΔＱｓは、駆動パルスの数として例えば１００パルス分乃至２００パルス分の開度であり、冷凍サイクルを構成する機器の容量や配管長などに応じて適切な値が選定される。

ずれ量ΔＱが閾値ΔＱｓ以上の場合（ステップＳ１５のＹＥＳ）、コントローラ３０は、冷媒漏洩によって冷凍サイクルの性能が低下していると判定する（ステップＳ１６）。この判定に基づき、コントローラ３０は、冷凍サイクルに冷媒漏洩による性能低下がある旨を例えば操作表示器３１の文字表示やアイコン画像表示により報知する（ステップＳ１７）。この報知により、ユーザは、冷媒漏洩および性能低下を認識し、点検・修理を依頼することができる。

なお、冷房時のずれ量ΔＱを、冷媒漏洩量をパラメータとして実験により求め、それをプロットしたのが図３である。実線が正規冷媒量、破線がずれ量ΔＱ（％）［＝（Ｑａ−Ｑｍ）／Ｑａ_max］を示している。Ｑａ_maxは電動膨張弁４の最大開度である。Ｑａ＝Ｑｍである場合、ずれ量ΔＱは、０（％）である。電動膨張弁４の全開開度が５００パルス分である場合、ずれ量ΔＱ＝１０（％）は、５０パルス分に相当する。

冷媒漏洩率と冷房時省エネ性能（冷房能力・ＣＯＰ）との関係を実験により求めた結果を図４に示す。すなわち、冷媒漏洩率が増すほど、冷房能力およびエネルギー消費効率ＣＯＰ（Coefficient-Of-Performance）が低下する。

以上のように、冷凍サイクルに冷媒漏洩による性能低下がない場合の電動膨張弁４の開度Ｑｍを冷凍サイクルの状態変化量に基づいて予測し、この予測開度Ｑｍと電動膨張弁４の実際の開度Ｑａとの比較によって冷凍サイクルの性能低下を判定することにより、冷凍サイクルの配管長にかかわらず、また当該冷凍サイクル装置が搭載される空気調和機の仕様の相異などにかかわらず、冷凍サイクルの冷媒漏洩による性能低下を確実に捕らえることができる。

冷凍サイクルの状態変化量として、冷媒漏洩の影響をあまり受けない運転周波数Ｆ，凝縮温度Ｔｃ，蒸発温度Ｔｅ，過熱度ＳＨのそれぞれ変化量ΔＦ，ΔＴｃ，ΔＴｅ，ΔＳＨｘａを用いるので、予測開度Ｑｍを高い精度で求めることができる。結果として、漏洩判定用の閾値ΔＱｓを低く設定できる。漏洩判定用の閾値ΔＱｓを低く設定できるので、冷媒の漏洩量が少ない場合でも、その冷媒漏洩を的確に捕えることができる。

点検・修理によって冷媒漏洩が解消された場合、あるいは冷凍サイクル中の冷媒を回収する冷媒回収運転が実行されて当該冷凍サイクル装置が別の場所に移設された場合、ユーザや作業員は、リセットスイッチ３２をオン操作する。リセットスイッチ３２がオン操作された場合、コントローラ３０は、新たに運転が開始された後の初期開度Ｑｘおよび初期状態量ΔＦ，ΔＴｃ，ΔＴｅ，ΔＳＨｘａをメモリ５４に更新記憶する。この更新により、以後の冷媒漏洩を確実に捕らえることができる。

冷凍サイクルが安定運転状態であることを条件に、初期開度Ｑｘおよび初期状態量ΔＦ，ΔＴｃ，ΔＴｅ，ΔＳＨｘａを記憶し、かつ冷媒漏洩を判定するので、冷媒漏洩の検出精度が向上する。

冷凍サイクルが安定運転状態にあるかを判定する要素として、“過熱度ＳＨａと目標値ＳＨｔとの差の絶対値ΔＳＨが設定値ΔＳＨｓ未満”および“過熱度ＳＨａが設定値ＳＨｓ以上（過熱度ＳＨが正の値）”という複数の条件を用いるので、圧縮機１に液冷媒が吸込まれるいわゆる液バックや電動膨張弁４の動作遅れがない状態で、冷媒漏洩を判定することができる。

運転周波数Ｆが低い場合に室外熱交換器３に液冷媒が溜まり込むことがあるが、冷凍サイクルが安定運転状態にあるかを判定する要素として、運転周波数Ｆａが設定値Ｆｓ以上という条件を加えているので、液冷媒が室外熱交換器３に溜まり込まない状態で、冷媒漏洩を判定することができる。

［２］第２実施形態
第２実施形態は、コントローラ３０における判定部５２の機能が第１実施形態と異なるだけで、他の構成は第１実施形態と同じである。よって、第１実施形態と同一部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

判定部５２は、フィルタ１３に塵埃が着いていない場合の冷凍サイクルの運転状態（冷媒の飽和温度Ｕｍ）を予測し、この予測結果と冷凍サイクルの実際の運転状態（冷媒の飽和温度Ｕａ）との比較により、冷凍サイクルの性能低下を判定する。

具体的には、判定部５２は、フィルタ１３の使用初期（フィルタ１３に塵埃が着いていない状態）かつ冷凍サイクルの安定運転時、冷媒の飽和温度Ｕを初期飽和温度Ｕｘとしてメモリ５４に記憶するとともに、冷凍サイクルの状態量を初期状態量としてメモリ５４に記憶する。また、判定部５２は、上記記憶した初期状態量と、その初期状態量の記憶後に冷凍サイクルが安定運転しているときの同冷凍サイクルの現状態量との差を、状態変化量として検出する。さらに、判定部５２は、上記記憶した初期飽和温度Ｕｘを上記検出した状態変化量で補正する演算により、フィルタ１３に塵埃が着いていない状態で冷凍サイクルが安定運転する場合の冷媒の飽和温度Ｕｍを予測（推定）する。そして、判定部５２は、予測飽和温度Ｕｍと、冷凍サイクルの安定運転時における冷媒の実際の飽和温度Ｕａとの差ΔＵに応じて、フィルタ１３の目詰まりによる冷凍サイクルの性能低下を判定する。フィルタ１３の目詰まりとは、多量の塵埃がフィルタ１３に付着して、フィルタ１３の通風率が悪化する状態のことである。

予測飽和温度Ｕｍは、フィルタ１３に塵埃が着いていない状態で冷凍サイクルが安定運転する場合に、冷媒の飽和温度Ｕが至る筈の本来の値である。

冷媒の飽和温度Ｕは、室内熱交換器６の伝熱面積、室内熱交換器６の熱交換量、熱通過率（通風率）、室内温度Ｔａなどにより決定される。室内熱交換器６の伝熱面積は、フィルタ１３の目詰まりがあってもなくても同じである。熱通過率は、フィルタ１３の目詰まりにより低下する。冷媒の飽和温度Ｕは、低圧側配管に取付けられている温度センサ２３により検知することができる。

上記初期状態量は、リセットスイッチ３２が操作されてから設定時間ｔｙが経過した後の安定運転時における運転周波数Ｆｘ，過熱度ＳＨｘ，過冷却量ＳＣｘ，室内ファン速度Ｗｘの少なくとも１つである。設定時間ｔｙは、圧縮機１の起動から一定時間（例えば１０分）を超える時間であって、かつフィルタ１３の使用初期に相当する所定時間（例えば２０時間）である。圧縮機１の起動から一定時間は、冷媒溜まりや膨張弁過絞りの影響で室内飽和温度Ｕが過渡的に変動し得る時間である。フィルタ１３の使用初期に相当する所定時間は、フィルタ１３への塵埃の付着量がまだ少ない時間であって、室内ユニットＢが設置される室内環境などに応じて適宜に選定される。

過冷却量ＳＣは、圧力センサ２０の検知圧力Ｐｄから換算される高圧側冷媒温度(飽和凝縮温度)Ｔｄｓｔと温度センサ２１の検知温度Ｔ１との差（＝Ｔｄｓｔ−Ｔ１）に相当する。室内ファン速度Ｗｘは、室内ファン１２の速度である。

初期状態量の記憶後における冷凍サイクルの現状態量は、運転周波数Ｆａ，過熱度ＳＨａ，過冷却量ＳＣａ，室内ファン速度Ｗａの少なくとも１つである。

なお、判定部５２は、初期状態量として記憶する要素が運転周波数Ｆ，過熱度ＳＨ，過冷却量ＳＣ，室内ファン速度Ｗの４つであれば、同じ４つの要素を現状態量として抽出する。また、判定部５２は、初期状態量として記憶する要素が運転周波数Ｆ，過熱度ＳＨ，過冷却量ＳＣの３つであれば、同じ３つの要素を現状態量として抽出する。

更新部５３は、メモリ５４内の初期飽和温度Ｕｘおよび初期状態量Ｆｘ，ＳＨｘ，ＳＣｘ，Ｗｘをリセットスイッチ３２のオン操作に応じて更新する。

つぎに、コントローラ３０が実行する制御を図５のフローチャートを参照しながら説明する。
コントローラ３０は、初期状態フラグｆが“０”であるかを判定する（ステップＳ１）。初期状態フラグｆは、初期飽和温度Ｕｘおよび初期状態量Ｆｘ，ＳＨｘ，ＳＣｘ，Ｗｘの記憶が済んでいるか否かの指標である。コントローラ３０は、ユーザや作業員によってリセットスイッチ３２がオン操作された場合に、初期状態フラグｆを“０”にリセットする。

初期状態フラグｆが“０”の場合（ステップＳ１のＹＥＳ）、コントローラ３０は、初期飽和温度Ｕｘおよび初期状態量Ｆｘ，ＳＨｘ，ＳＣｘ，Ｗｘの記憶が済んでいないとの判断の下に、運転時間ｔを積算し（ステップＳ２）、その積算運転時間ｔが設定時間ｔｙ以上（ｔ≧ｔｙ）であるかを判定する（ステップＳ３ａ）。

積算運転時間ｔが設定時間ｔｙ未満の場合（ステップＳ３ａのＮＯ）、コントローラ３０は、ステップＳ１のフラグ判定に戻る。積算運転時間ｔが設定時間ｔｙに達した場合（ステップＳ３ａのＹＥＳ）、コントローラ３０は、冷凍サイクルが安定運転状態にあるかを判定する（ステップＳ４，Ｓ５，Ｓ６）。

ステップＳ４，Ｓ５，Ｓ６の判定結果の少なくとも１つが否定の場合（ステップＳ４のＮＯ、あるいはステップＳ５のＮＯ、あるいはステップＳ６のＮＯ）、コントローラ３０は、ステップＳ１のフラグ判定に戻る。

ステップＳ４，Ｓ５，Ｓ６の判定結果が共に肯定の場合（ステップＳ４のＹＥＳ、ステップＳ５のＹＥＳ、ステップＳ６のＹＥＳ）、コントローラ３０は、冷凍サイクルが安定運転状態に入ったとの判断の下に、その時点の冷媒の飽和温度Ｕを初期飽和温度Ｕｘとしてメモリ５４に記憶（更新記憶）するとともに、その時点の運転周波数Ｆｘ，過熱度ＳＨｘ，過冷却量ＳＣｘ，室内ファン速度Ｗｘを初期状態量としてメモリ５４に記憶（更新記憶）する（ステップＳ７ａ）。

初期飽和温度ＵＱｘおよび初期状態量Ｆｘ，ＳＨｘ，ＳＣｘ，Ｗｘの記憶に伴い、コントローラ３０は、初期状態フラグｆを“１”にセットし（ステップＳ８）、ステップＳ１のフラグ判定に戻る。

初期状態フラグｆが“１”の場合（ステップＳ１のＮＯ）、コントローラ３０は、冷凍サイクルが安定運転状態にあるかを判定する（ステップＳ９，Ｓ１０，Ｓ１１）。

ステップＳ９，Ｓ１０，Ｓ１１の判定結果の少なくとも１つが否定の場合（ステップＳ９のＮＯ、あるいはステップＳ１０のＮＯ、あるいはステップＳ１１のＮＯ）、コントローラ３０は、ステップＳ１のフラグ判定に戻る。ステップＳ９，Ｓ１０，Ｓ１１の判定結果が共に肯定の場合（ステップＳ９のＹＥＳ、ステップＳ１０のＹＥＳ、ステップＳ１１のＹＥＳ）、コントローラ３０は、冷凍サイクルが安定運転状態に入ったとの判断の下に、メモリ５４内の初期状態量Ｆｘ，ＳＨｘ，ＳＣｘ，Ｗｘと冷凍サイクルの現状態量Ｆａ，ＳＨａ，ＳＣａ，Ｗａとの差を状態変化量として検出する（ステップＳ１２ａ）。すなわち、状態変化量は、運転周波数Ｆｘと運転周波数Ｆａとの差ΔＦであり、かつ過熱度ＳＨｘと過熱度ＳＨａとの差ΔＳＨであり、かつ過冷却量ＳＣｘと過冷却量ＳＣａとの差ΔＳＣであり、かつ室内ファン速度Ｗｘと室内ファン速度Ｗａとの差ΔＷである。

続いて、コントローラ３０は、フィルタ１３に塵埃が着いていない状態で冷凍サイクルが安定運転する場合の冷媒の飽和温度Ｕｍを、上記検出した状態変化量ΔＦ，ΔＳＨ，ΔＳＣ，ΔＷに基づいて予測する（ステップＳ１３ａ）。

状態変化量の要素である運転周波数Ｆ，過熱度ＳＨ，過冷却量ＳＣ，室内ファン速度Ｗは、フィルタ１３が塵埃で目詰まりした場合でも、その影響を受けない。したがって、フィルタ１３の使用初期における初期飽和温度Ｕｘを状態変化量ΔＦ，ΔＳＨ，ΔＳＣ，ΔＷで補正する下式の演算により、フィルタ１３に塵埃が着いていない状態で冷凍サイクルが安定運転する場合の冷媒の飽和温度Ｕｍを予測（推定）することができる。この予測飽和温度Ｕｍは、フィルタ１３に塵埃が着いていない状態で冷凍サイクルが安定運転することを前提とした場合に、冷媒の飽和温度Ｕが至る筈の本来の値である。
Ｕｍ＝ａ・ΔＦ＋ｂ・ΔＳＨ＋ｃ・ΔＳＣ＋ｄ・ΔＷ＋Ｕｘ
上記ａ，ｂ，ｃ，ｄは、予め実験により求めた定数である。
仮に、フィルタ１３が塵埃で目詰まりした場合、室内熱交換器６の熱通過率が低下する。熱通過率が低下すると、冷房時の飽和温度Ｕａは、冷媒の熱交換量を確保するべく下降方向に変化し、室内温度Ｔａとの差が大きくなる（悪化する）。

コントローラ３０は、冷凍サイクルの現運転時における冷媒の飽和温度Ｕａを逐次に求め、求めた飽和温度Ｕａと予測飽和温度Ｕｍとのずれ量ΔＵ（＝｜Ｕａ−Ｕｍ｜）を求める（ステップＳ１４）。そして、コントローラ３０は、求めたずれ量ΔＵが閾値ΔＵ１以上であるかを判定する（ステップＳ１５ａ）。閾値ΔＵ１は、例えば３Ｋであり、室内熱交換器６の容量などに応じて適切な値が選定される。

ずれ量ΔＵが閾値ΔＵ１以上の場合（ステップＳ１５ａのＹＥＳ）、コントローラ３０は、ずれ量ΔＵが閾値ΔＵ２（＞Ｕ１）以上であるかを判定する（ステップＳ１５ｂ）。

ずれ量ΔＵが閾値ΔＵ１以上・閾値ΔＵ２未満の場合（ステップＳ１５ａのＹＥＳ、ステップＳ１５ｂのＮＯ）、コントローラ３０は、フィルタ１３が塵埃で目詰まりしていると判定する（ステップＳ１６ａ）。この判定に基づき、コントローラ３０は、フィルタ１３が塵埃で目詰まりして冷凍サイクルの性能が低下している旨を例えば操作表示器３１の文字表示やアイコン画像表示により報知する（ステップＳ１７）。この報知により、ユーザは、フィルタ１３の目詰まりおよびそれに伴う冷凍サイクルの性能低下を認識し、フィルタ１３を清掃または交換することができる。

ずれ量ΔＵが閾値ΔＵ２以上の場合（ステップＳ１５ｂのＹＥＳ）、コントローラ３０は、風量低下がフィルタ１３の目詰まりでなく室内ファン１２の故障によるものであると判定する（ステップＳ１６ｂ）。この判定に基づき、コントローラ３０は、室内ファン１２が故障している旨を例えば操作表示器３１の文字表示やアイコン画像表示により報知する（ステップＳ１７）。この報知により、ユーザは、室内ファン１２の故障を認識し、点検・修理を依頼することができる。

なお、冷房時のずれ量ΔＵを、フィルタ１３の目詰まり率をパラメータとして実験により求め、それをプロットしたのが図６である。

フィルタ１３の通風率と冷房時省エネ性能（入力電力・冷房能力・ＣＯＰ）との関係を実験により求めた結果を図７に示す。フィルタ１３の通風率が低下するほど、入力電力、冷房能力、エネルギー消費効率ＣＯＰが共に低下する。

フィルタ１３の通風率と暖時省エネ性能（入力電力・暖房能力・ＣＯＰ）との関係を実験により求めた結果を図８に示す。フィルタ１３の通風率が低下するほど、入力電力が上昇して暖房能力とエネルギー消費効率ＣＯＰが低下する。

以上のように、フィルタ１３に塵埃が着いていない場合の冷媒の飽和温度Ｕｍを冷凍サイクルの状態変化量に基づいて予測し、この予測飽和温度Ｕｍと冷媒の実際の飽和温度Ｕａとの比較によってフィルタ１３の塵埃による目詰まりを判定することにより、空調負荷の変動に影響を受けることなく、フィルタ１３の塵埃による目詰まりを確実に捕らえることができる。ひいては、冷凍サイクルの性能低下を確実に捕らえることができる。

冷凍サイクルの状態変化量として、フィルタ１３が塵埃により目詰まりした場合でもその影響を受けない運転周波数Ｆ，過熱度ＳＨ，過冷却量ＳＣ，室内ファン速度Ｗのそれぞれ変化量ΔＦ，ΔＳＨ，ΔＳＣ，ΔＷを演算に用いるので、予測飽和温度Ｕｍを高い精度で算出することができる。

フィルタ１３の清掃や交換が済んだ場合、あるいは室内ファン１２の修理や交換が済んだ場合、ユーザや作業員は、リセットスイッチ３２をオン操作する。リセットスイッチ３２がオン操作された場合、コントローラ３０は、新たに運転が開始された後の初期飽和温度Ｕｘおよび初期状態量をメモリ５４に更新記憶する。この更新により、その後においても、フィルタ１３の塵埃による目詰まりおよびそれに伴う冷凍サイクルの性能低下を確実に捕らえることができる。

冷凍サイクルが安定運転状態であることを条件に判定を行うので、フィルタ１３の塵埃による目詰まりを精度よく捕らえることができる。

［変形例］
上記各実施形態では、冷凍サイクルが安定運転状態にあるか否かの判定要素として、“冷凍サイクルの現運転時の過熱度ＳＨａと目標値ＳＨｔとの差ΔＳＨの絶対値が設定値ΔＳＨｓ未満”という条件（ステップＳ４）を用いたが、それに代えて“電動膨張弁４の開度Ｑａの単位時間当りの変化量ΔＱａが設定値ΔＱａｓ未満の状態を一定時間ｔｚ以上継続”という条件を用いてもよい。設定値ΔＱａｓは、駆動パルスの数として例えば３パルス乃至５パルス分の開度であり、冷凍サイクル機器の容量や配管長などに応じて適切な値が選定される。一定時間ｔｚは、例えば３分乃至５分であり、これも冷凍サイクル機器の容量や配管長などに応じて適切な値が選定される。

冷凍サイクルが安定運転状態にあるかを判定する要素として、さらに、外気温度センサ２４により検知される外気温度Ｔｏが設定値Ｔｏｓ未満という条件を加えてもよい。外気温度Ｔｏが低い場合に室外熱交換器３に液冷媒が溜まり込むことがあるので、外気温度Ｔｏが設定値Ｔｏｓ未満という条件を加えることにより、液冷媒が室外熱交換器３に溜まり込まない状態で冷媒漏洩を検出できる。

上記各実施形態では、メモリ５４の記憶内容を更新する手段として手操作式のリセットスイッチ３２を設けたが、同様のリセット操作手段を操作表示器３１に設けてもよい。

上記各実施形態は、空気調和機に搭載される冷凍サイクル装置を例に説明したが、給湯機等の他の機器に搭載される冷凍サイクル装置においても同様に実施可能である。

その他、上記各実施形態および変形例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な各実施形態および変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、書き換え、変更を行うことができる。これら実施形態や変形は、発明の範囲は要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…圧縮機、２…四方弁、３…室外熱交換器、４…電動膨張弁、６…室内熱交換器、１０…インバータ、１１…室外ファン、１２…室内ファン、１３…フィルタ、３０…コントローラ、３１…操作表示部、３２…リセットスイッチ、５１…開度制御部、５２…判定部、５３…更新部、５４…メモリ

Claims (3)

1. 冷媒を吸込んで圧縮し吐出する圧縮機を有し、その圧縮機から吐出される冷媒を凝縮器、膨張弁、および蒸発器に通して前記圧縮機に戻す冷凍サイクルと、
   室内空気を吸込む室内ファンと、
   前記室内ファンの吸込み風路に配置された塵埃除去用のフィルタと、
   前記フィルタに塵埃が着いていない状態で前記冷凍サイクルが運転する場合の前記冷媒の飽和温度を前記冷凍サイクルの状態変化量に基づいて予測し、この予測飽和温度と前記冷凍サイクルの運転時における前記冷媒の実際の飽和温度とのずれ量に応じて、前記フィルタの目詰まりによる前記冷凍サイクルの性能低下および前記室内ファンの故障を判定する判定部と、
   を備えることを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記判定部は、前記フィルタに塵埃が着いていない状態かつ前記冷凍サイクルの安定運転時、前記冷媒の飽和温度を初期飽和温度として記憶するとともに前記冷凍サイクルの状態量を初期状態量として記憶し；この初期状態量と、その初期状態量の記憶後に前記冷凍サイクルが安定運転しているときの同冷凍サイクルの現状態量との差を、前記状態変化量として検出し；前記記憶した初期飽和温度を前記検出した状態変化量で補正する演算により、前記フィルタに塵埃が着いていない状態で前記冷凍サイクルが安定運転する場合の前記冷媒の飽和温度を予測し；この予測飽和温度と、前記冷凍サイクルの安定運転時における前記冷媒の実際の飽和温度とのずれ量が、第１閾値以上かつ第２閾値（＞第１閾値）未満の場合に前記フィルタが目詰まりしていると判定し前記第２閾値以上の場合に前記室内ファンが故障であると判定する、
   前記初期状態量は、前記フィルタに塵埃が着いていない状態かつ前記冷凍サイクルの安定運転時における前記圧縮機の運転周波数，前記蒸発器における冷媒の過熱度，前記凝縮器における冷媒の過冷却量，前記室内ファンの速度の少なくとも１つであり、
   前記冷凍サイクルの現状態量は、前記初期状態量の記憶後に前記冷凍サイクルが安定運転しているときの前記圧縮機の運転周波数，前記蒸発器における冷媒の過熱度，前記凝縮器における冷媒の過冷却量，前記室内ファンの速度のうち、前記初期状態量と同じ少なくとも１つである、
   ことを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記判定部が前記フィルタの目詰まりによる前記冷凍サイクルの性能低下を判定した場合にその旨を報知するとともに、前記判定部が前記室内ファンの故障を判定した場合にその旨を報知する報知手段、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の冷凍サイクル装置。

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