JP6415703B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍サイクル装置に関するものであり、詳しくは、冷媒回路の冷媒量を演算する機能を備える冷凍サイクル装置に関するものである。

従来の冷凍サイクル装置において、配管等接続箇所の締め付け不足が存在している状態で、使用期間が長期間になると、配管等の締め付けの隙間から少しずつ冷媒漏れが生じることがある。また、配管の損傷等で突発的に冷媒漏れが生じることがある。このような冷媒漏れは、空気調和能力の低下や構成機器の損傷を生じさせる原因になる。また、冷媒回路に冷媒を過剰に充填すると、圧縮機において、液冷媒の長時間の圧送が行われ故障の原因となる。

そのため、品質性およびメンテナンス性の向上の面から、冷媒回路に充填されている冷媒量を演算し、冷媒量の過不足を判定する機能を備えることが望まれている。そこで、特許文献１には、冷媒回路の複数の位置における運転状態量を測定し、測定した運転状態量から冷媒量を演算して、適正冷媒量と比較することで冷媒量の過不足を判定する方法が提案されている。

特許第４９７５０５２号公報

冷媒量の演算精度を向上させるためには、冷媒存在量が多い凝縮器における冷媒量の推定精度を向上させる必要がある。ここで、特許文献１で提案される方法では、熱交換器における液相、気液二相および気相の容積割合を熱交換量から間接的に求め、冷媒量の演算を行っている。この場合には、実機の設置環境などによる誤差を補正する必要があるため、係数を使用したり、条件を仮定して演算が行われる。そのため、これらが誤差要因となり、冷媒量の演算において十分な精度を得ることが困難となっている。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、冷媒量の演算精度を向上させることができる冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

本発明に係る冷凍サイクル装置は、凝縮器を含む冷媒回路と、凝縮器の冷媒温度を検出する複数の温度センサであって、凝縮器において冷媒が流れる方向に並んで配置される複数の温度センサと、複数の温度センサの位置情報を記憶する記憶部と、複数の温度センサの位置情報と、複数の温度センサの検出温度と、冷媒の飽和液温度とに基づいて、凝縮器の冷媒量を演算する冷媒量演算部と、を備えるものである。

本発明に係る冷凍サイクル装置によると、凝縮器の冷媒が流れる方向に配置された複数の温度センサの検出温度および位置情報から冷媒量を演算することで、係数による誤差補正等を行う必要がなく、冷媒量の演算精度を向上させることができる。

本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の冷媒回路構成を示す図である。 本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の制御構成を示す図である。 本発明の実施の形態１における凝縮器の冷媒温度の変化および温度センサの配置を示す図である。 本発明の実施の形態１における容積割合演算処理を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２における凝縮器の冷媒温度の変化および温度センサの配置を示す図である。 非共沸混合冷媒の場合のｐ−ｈ線図である。 本発明の実施の形態３における凝縮器の冷媒温度の変化および温度センサの配置を示す図である。 本発明の実施の形態３における容積割合演算処理を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態４における圧力損失補正を説明するための図である。 本発明の実施の形態５における凝縮器の冷媒温度の変化および温度センサの配置を示す図である。 本発明の実施の形態５における容積割合演算処理を示すフローチャートである。

以下に、本発明における冷凍サイクル装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置１００の冷媒回路構成を示す図である。本実施の形態の冷凍サイクル装置１００は、蒸気圧縮式の冷凍サイクル運転を行うことによって、屋内の冷房に使用される空気調和装置として利用される。図１に示すように、冷凍サイクル装置１００は、圧縮機１１、凝縮器１２、減圧装置１３および蒸発器１４が接続配管１５によって接続されて構成される冷媒回路を備える。冷凍サイクル装置１００は、さらに冷媒回路を制御する制御装置２０（図２）を備える。

圧縮機１１は、例えば、容量制御可能なインバータ圧縮機等で構成され、ガス冷媒を吸入し、圧縮して高温高圧の状態にして吐出するものである。凝縮器１２は、例えば、伝熱管と多数のフィンとにより構成されるクロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型の熱交換器である。凝縮器１２は、圧縮機１１から吐出された高温高圧の冷媒と空気とを熱交換させて凝縮させるものである。減圧装置１３は、例えば膨張弁またはキャピラリーチューブで構成され、凝縮器１２によって凝縮された冷媒を減圧して膨張させるものである。蒸発器１４は、凝縮器１２と同様に、例えば、伝熱管と多数のフィンとにより構成されるクロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型の熱交換器である。蒸発器１４は、減圧装置１３によって膨張された冷媒と空気とを熱交換させて蒸発させるものである。

圧縮機１１の吐出側には、圧縮機１１の冷媒の吐出圧力を検出する吐出圧力センサ１６が設けられている。さらに、凝縮器１２には、凝縮器１２を流れる冷媒の温度を検出するための温度センサ１が設けられている。温度センサ１は、凝縮器１２の出口に配置される第１の液相温度センサ１ａと、第１の液相温度センサ１ａの上流に配置される第２の液相温度センサ１ｂと、凝縮器１２の入口に配置される第１の気相温度センサ１ｃと、第１の気相温度センサ１ｃの下流に配置される第２の気相温度センサ１ｄとを含む。温度センサ１は、凝縮器１２において冷媒が流れる方向に沿って並んで配置される。吐出圧力センサ１６および温度センサ１により検出された情報は、制御装置２０に出力される。

図２は、冷凍サイクル装置１００の制御構成を示す図である。制御装置２０は、冷凍サイクル装置１００の各部を制御するものであり、マイクロコンピュータまたはＤＳＰ（Digital Signal Processor）などで構成される。制御装置２０は、制御部２１と、記憶部２２と、冷媒量演算部２３とを有する。制御部２１および冷媒量演算部２３は、プログラムを実行することにより実現される機能ブロック、またはＡＳＩＣ（Application Specific IC）などの電子回路である。制御部２１は、圧縮機１１の回転数および減圧装置１３の開度の制御などを実施して、冷凍サイクル装置１００の全体の動作を制御する。記憶部２２は、不揮発性メモリなどで構成され、制御部２１の制御に用いられる各種プログラムおよびデータを記憶する。記憶部２２は、例えば、各部の仕様、冷媒回路内を流れる冷媒の物性に関する情報および温度センサ１の位置情報などを記憶する。冷媒量演算部２３は、吐出圧力センサ１６および温度センサ１から出力される情報に基づいて、冷凍サイクル装置１００の冷媒回路内の冷媒量を演算する。

次に、冷凍サイクル装置１００の動作について説明する。冷凍サイクル装置１００では、低温低圧のガス状態の冷媒が圧縮機１１によって圧縮され、高温高圧のガス冷媒となって吐出される。圧縮機１１から吐出された高温高圧のガス冷媒は、凝縮器１２へ流入する。凝縮器１２へ流入した高温高圧の冷媒は、室外空気等に対して放熱し、凝縮されて高圧の液冷媒となる。凝縮器１２を流出した高圧の液冷媒は、減圧装置１３へ流入し、膨張および減圧されて、低温低圧の気液二相冷媒となる。減圧装置１３から流出した気液二相冷媒は、蒸発器１４へ流入する。蒸発器１４へ流入した気液二相冷媒は、空気または水と熱交換して蒸発し、低温低圧のガス冷媒となる。蒸発器１４から流出したガス冷媒は、圧縮機１１へ吸入され、再び圧縮される。

なお、冷凍サイクル装置１００に使用できる冷媒には、単一冷媒、擬似共沸混合冷媒、非共沸混合冷媒等がある。擬似共沸混合冷媒には、ＨＦＣ冷媒であるＲ４１０Ａ、Ｒ４０４Ａ等がある。この擬似共沸混合冷媒は、非共沸混合冷媒と同様の特性の他、Ｒ２２の約１．６倍の動作圧力という特性を有している。非共沸混合冷媒には、ＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）冷媒であるＲ４０７Ｃ、Ｒ１１２３＋Ｒ３２等がある。この非共沸混合冷媒は、沸点が異なる冷媒の混合物であるので、液相冷媒と気相冷媒との組成比率が異なるという特性を有している。

次に、冷媒量演算部２３における冷媒量の演算について説明する。冷凍サイクル装置１００における冷媒量Ｍｒ［ｋｇ］は、式（１）で示されるように各要素の内容積Ｖ［ｍ^３］と平均冷媒密度ρ［ｋｇ／ｍ^３］との積の総和で表される。

ここで、一般的に、内容積Ｖおよび平均冷媒密度ρが高い凝縮器１２に冷媒が大部分存在している。そのため、本実施の形態では、冷媒量演算部２３における凝縮器１２の冷媒量の演算について説明する。なお、ここでいう平均冷媒密度ρが高い要素とは、圧力が高い、もしくは、気液二相または液相の冷媒が通過する要素のことである。凝縮器１２の冷媒量Ｍｒ，ｃ［ｋｇ］は次式で表される。

凝縮器１２の内容積Ｖｃ［ｍ^３］は装置仕様であるため既知である。凝縮器１２の平均冷媒密度ρｃ［ｋｇ／ｍ^３］は次式で示される。

ここで、Ｒｃｇ［−］、Ｒｃｓ［−］、Ｒｃｌ［−］はそれぞれ凝縮器１２における気相、気液二相、液相の容積割合、ρｃｇ［ｋｇ／ｍ^３］、ρｃｓ［ｋｇ／ｍ^３］、ρｃｌ［ｋｇ／ｍ^３］はそれぞれ気相、二相、液相の平均冷媒密度を表す。すなわち、凝縮器１２の平均冷媒密度を演算するためには、各相の容積割合および平均冷媒密度を演算する必要がある。

まず、各相における平均冷媒密度の計算方法について説明する。凝縮器１２における気相平均冷媒密度ρｃｇは、例えば、凝縮器１２の入口密度ρｄ［ｋｇ／ｍ^３］と凝縮器１２における飽和蒸気密度ρｃｓｇ［ｋｇ／ｍ^３］との平均値によって求められる。

凝縮器１２の入口密度ρｄは、凝縮器１２の入口温度（第１の気相温度センサ１ｃの検出温度）と圧力（吐出圧力センサ１６の検出圧力）より演算することができる。また、凝縮器１２における飽和蒸気密度ρｃｓｇは凝縮圧力（吐出圧力センサ１６の検出圧力）より演算することができる。また、凝縮器１２における液相平均冷媒密度ρｃｌは、例えば凝縮器１２の出口密度ρｓｃｏ［ｋｇ／ｍ^３］と凝縮器１２における飽和液密度ρｃｓｌ［ｋｇ／ｍ^３］との平均値によって求められる。

凝縮器１２の出口密度ρｓｃｏは、凝縮器１２の出口温度（第１の液相温度センサ１ａの検出温度）と圧力（吐出圧力センサ１６の検出圧力）より演算することができる。また、凝縮器１２における飽和液密度ρｃｓｌは、凝縮圧力（吐出圧力センサ１６の検出圧力）より演算することができる。

凝縮器１２における二相平均冷媒密度ρｃｓは気液二相部にて熱流束一定と仮定すると次式のように表される。

ここで、ｚ［−］は冷媒の乾き度、ｆｃｇ［−］は凝縮器１２におけるボイド率であり、次式で表される。

ここで、ｓ［−］はスリップ比である。スリップ比ｓの演算式はこれまでに多くの実験式が提案されており、質量流束Ｇｍｒ［ｋｇ／（ｍ^２ｓ）］、凝縮圧力（吐出圧力センサ１６の検出圧力）、乾き度ｚの関数として表される。

質量流束Ｇｍｒは圧縮機１１の運転周波数によって変化するため、本手法でスリップ比ｓを計算することによって、圧縮機１１の運転周波数に対する冷媒量Ｍｒの変化を検出することが可能となる。質量流束Ｇｍｒは、凝縮器１２の冷媒流量から求めることができる。冷媒流量は、圧縮機１１の特性（冷媒流量と、運転周波数、高圧、低圧などの関係）を関数化もしくはテーブル化することで推定が可能である。

次に、各相の容積割合Ｒｃｇ、Ｒｃｓ、Ｒｃｌの演算方法について説明する。図３は凝縮器１２における冷媒温度の変化および凝縮器１２における温度センサ１の配置を示す図である。図３において、縦軸は温度を示し、横軸は位置を示す。なお、本実施の形態では、単一冷媒または共沸混合冷媒が用いられる場合を例に説明する。図３に示すように、凝縮器１２を流れる冷媒は、各相で温度が変化する。具体的には、気相部においては飽和ガス温度Ｔ_Ｇ１に達するまで徐々に温度が低下し、気液二相部においては温度が一定で状態のみ変化し、液相部においては飽和液温度Ｔ_Ｌ１から徐々に温度が低下する。

また、図３に示すように、第１の液相温度センサ１ａは、凝縮器１２の出口における冷媒温度を検出し、第２の液相温度センサ１ｂは、凝縮器１２の液相部の冷媒温度を検出するよう配置される。さらに、第１の気相温度センサ１ｃは、凝縮器１２の入口における冷媒温度を検出し、第２の気相温度センサ１ｄは、凝縮器１２の気相部の冷媒温度を検出するよう配置される。これにより、冷媒量演算部２３は、第１の液相温度センサ１ａおよび第２の液相温度センサ１ｂの検出温度および位置情報から、液相部における冷媒が流れる方向の温度勾配（ｄＴ_Ｌ／ｄｘ_Ｌ）を求め、第１の気相温度センサ１ｃおよび第２の気相温度センサ１ｄの検出温度および位置情報から、気相部における冷媒が流れる方向の温度勾配（ｄＴ_Ｇ／ｄｘ_Ｇ）を求めることができる。そして、これらの温度勾配および飽和温度（Ｔ_Ｌ１およびＴ_Ｇ１）を用いることで、凝縮器１２における各相部の長さおよび容積割合が推定される。

図４は、本実施の形態における容積割合演算処理を示すフローチャートである。本処理は、冷凍サイクル装置１００の運転開始後に、冷媒回路内の冷媒の動きが安定するのを待って開始される。本処理では、まず、冷凍サイクル装置１００における飽和液温度Ｔ_Ｌ１および飽和ガス温度Ｔ_Ｇ１が推定される（Ｓ１）。ここでは、吐出圧力センサ１６によって圧縮機１１の吐出圧力を検出し、検出された吐出圧力（すなわち凝縮圧力）および既知の冷媒物性情報を用いることで、飽和液温度Ｔ_Ｌ１および飽和ガス温度Ｔ_Ｇ１が推定される。冷媒が単一または共沸冷媒の場合は、飽和液温度Ｔ_Ｌ１は飽和ガス温度Ｔ_Ｇ１と同一である。なお、吐出圧力センサ１６を備えるかわりに、凝縮器１２の二相部に温度センサを設け、凝縮温度を直接測定してもよい。この場合、測定された凝縮温度が飽和液温度Ｔ_Ｌ１および飽和ガス温度Ｔ_Ｇ１となる。

続いて、液相部における温度勾配ｄＴ_Ｌ／ｄｘ_Ｌが演算される（Ｓ２）。ｄＴ_Ｌは、第１の液相温度センサ１ａの検出温度と、第２の液相温度センサ１ｂの検出温度との差であり、ｄｘＬは、第１の液相温度センサ１ａと第２の液相温度センサ１ｂとの距離である。この距離は、記憶部２２に記憶される第１の液相温度センサ１ａおよび第２の液相温度センサ１ｂの位置情報から求められる。次に、気相部における温度勾配ｄＴ_Ｇ／ｄｘ_Ｇが演算される（Ｓ３）。ｄＴ_Ｇは、第１の気相温度センサ１ｃの検出温度と、第２の気相温度センサ１ｄの検出温度との差であり、ｄｘ_Ｇは、第１の気相温度センサ１ｃと第２の気相温度センサ１ｄとの距離である。この距離は、記憶部２２に記憶される第１の気相温度センサ１ｃと第２の気相温度センサ１ｄの位置情報から求められる。

続いて、Ｓ１で推定された飽和液温度Ｔ_Ｌ１および飽和ガス温度Ｔ_Ｇ１、ならびにＳ２およびＳ３で演算された温度勾配ｄＴ_Ｌ／ｄｘ_ＬおよびｄＴ_Ｇ／ｄｘ_Ｇから、液相部の長さＬ_Ｌ、二相部の長さＬ_Ｓおよび気相部の長さＬ_Ｇがそれぞれ推定される（Ｓ４）。具体的には、液相部の温度勾配ｄＴ_Ｌ／ｄｘ_Ｌの延長線と、飽和液温度Ｔ_Ｌ１とが交わる位置を求めることで、液相部の開始位置を求めることができる。そして、液相部の開始位置と凝縮器１２の出口位置との関係から、液相部の長さＬ_Ｌが推定される。同様に、気相部の温度勾配ｄＴ_Ｇ／ｄｘ_Ｇの延長線と、飽和ガス温度Ｔ_Ｇ１とが交わる位置を求めることで、気相部の終端位置が求まる。そして、気相部の終端位置と凝縮器１２の入口位置との関係から、気相部の長さＬ_Ｇが推定される。さらに、液相部と気相部の間を二相部とすることで、二相部の長さＬ_Ｓが求められる。そして、各相部の長さから、各相の容積割合が求められる（Ｓ５）。具体的には、凝縮器１２が円管で断面積が一定の場合、既知である凝縮器１２の長さに対する各相部の長さの割合が、各相の容積割合Ｒｃｇ、Ｒｃｓ、Ｒｃｌとなる。

そして、容積割合演算処理で求められた各相の容積割合Ｒｃｇ、ＲｃｓおよびＲｃｌならびに平均冷媒密度ρｃｇ、ρｃｓ、ρｃｌを式（３）に代入することで、凝縮器１２の平均冷媒密度ρｃが求められる。そして、平均冷媒密度ρｃと既知である凝縮器１２の容積Ｖｃとから凝縮器１２の冷媒量Ｍｒ，ｃが演算される。さらに、蒸発器１４および接続配管１５における冷媒量を既知の方法で演算して求め、各部の冷媒量を合計することで、冷凍サイクル装置１００の冷媒回路における冷媒量が推定される。

以上のように、本実施の形態では、凝縮器１２の各相の容積割合が、凝縮器１２の冷媒が流れる方向に配置された複数の温度センサ１の検出温度および位置情報から直接的に求められる。そのため、係数による誤差補正等を行う必要がなく、精度の高い冷媒量の推定を行うことができる。

実施の形態２．
続いて、本発明の実施の形態２について説明する。実施の形態２では、凝縮器１２Ａにおける温度センサ１の配置および容積割合演算処理において、実施の形態１と相違する。その他の冷凍サイクル装置１００の構成については、実施の形態１と同様である。

図５は、凝縮器１２Ａにおける冷媒温度の変化および本実施の形態の温度センサ１の配置を示す図である。ここで、実施の形態１では、液相、二相および気相の容積割合をそれぞれ演算する構成としたが、気相は液相に比べて密度が小さいため、気相を二相とみなし、液相および二相の冷媒量を演算する構成としても誤差は小さい。そこで、本実施の形態では、凝縮器１２Ａの出口温度を検出する第１の液相温度センサ１ａおよび凝縮器１２Ａの液相部の冷媒温度を検出する第２の液相温度センサ１ｂのみを備え、液相部の長さＬ_Ｌのみを直接的に求める構成となっている。

この場合、冷媒量演算部２３は、液相部における温度勾配ｄＴ_Ｌ／ｄｘ_Ｌおよび飽和液温度Ｔ_Ｌ１から、液相部の長さＬ_Ｌを推定し、残りの長さを二相部の長さＬ_Ｓと推定して、容積割合および冷媒量の演算を行う。一般的な冷凍サイクル装置では、凝縮器１２Ａの出口温度を測定する第１の液相温度センサ１ａを標準的に備えている場合が多い。そのため、本実施の形態のような構成とすることにより、第２の液相温度センサ１ｂを追加するだけで、容積割合演算処理を行うことができる。そのため、本実施の形態では、第１の実施の形態の効果に加え、部品点数および製品コストの削減を図ることができる。

実施の形態３．
続いて、本発明の実施の形態３について説明する。上記実施の形態１および実施の形態２では、単一冷媒および共沸混合冷媒を使用する場合を例に説明したが、実施の形態３は、冷媒として非共沸冷媒を使用する場合に適用される。本実施の形態では、凝縮器１２Ｂにおける温度センサ２の配置および容積割合演算処理において、実施の形態１と相違する。その他の冷凍サイクル装置１００の構成については、実施の形態１と同様である。

図６は、非共沸混合冷媒を用いた場合のｐ−ｈ線図である。非共混合沸冷媒は、沸点が異なる２種類以上の冷媒を混合させたものである。図６に示すように、非共沸混合冷媒を用いる場合、圧力Ｐ１における飽和液温度Ｔ_Ｌ１は、飽和ガス温度Ｔ_Ｇ１と等しくなく、飽和液温度Ｔ_Ｌ１よりも飽和ガス温度Ｔ_Ｇ１の方が高い温度となる。そのため、ｐ−ｈ線図の気液二相部における等温線は傾いたものになる。

図７は、本実施の形態の凝縮器１２Ｂにおける冷媒温度の変化および温度センサ２の配置を示す図である。図７において、横軸は位置、縦軸は温度を示す。図７に示すように、非共沸混合冷媒を使用する場合、二相部における冷媒温度は、気相部および液相部と同様に、冷媒の流れ方向に直線的に低下する。これにより、冷媒の流れ方向の位置と温度から二相部の冷媒の状態（エンタルピおよび乾き度）を推定することができる。

そこで、凝縮器１２Ｂに配置される温度センサ２は、凝縮器１２Ｂの二相部の温度を検出する第１の二相温度センサ２ａおよび第２の二相温度センサ２ｂを含む。第１の二相温度センサ２ａおよび第２の二相温度センサ２ｂは、凝縮器１２Ｂの中央部に冷媒流れ方向に並んで配置される。これにより、冷媒量演算部２３は、第１の二相温度センサ２ａおよび第２の二相温度センサ２ｂの検出温度および位置情報から、二相部における冷媒が流れる方向の温度勾配（ｄＴ_Ｓ／ｄｘ）を求めことができる。そして、この温度勾配および飽和温度（Ｔ_Ｌ１およびＴ_Ｇ１）を用いることで、各相部の長さおよび容積割合が推定される。

ここで、非共沸混合冷媒の混合成分（混合している冷媒）の比率を変えることにより、ｐｈ線図は異なったものとなり、二相部の温度勾配が変化する。そのため、第１の二相温度センサ２ａと第２の二相温度センサ２ｂとの距離は、使用する冷媒（の温度勾配）に応じて十分な温度勾配（ｄＴ_Ｓ／ｄｘ）が求められるよう設定される。具体的には、例えば、使用する冷媒の温度勾配が小さい場合には、温度勾配が大きい場合に比べ、第１の二相温度センサ２ａと第２の二相温度センサ２ｂとの距離が長く設定される。

図８は、本実施の形態における容積割合演算処理を示すフローチャートである。なお、図８において、実施の形態１と同様の処理については図４と同じ符号を付す。本処理では、まず、吐出圧力センサ１６で検出される吐出圧力および既知の冷媒物性情報から、飽和液温度Ｔ_Ｌ１および飽和ガス温度Ｔ_Ｇ１が推定される（Ｓ１）。ここで、本実施の形態では、非共沸冷媒を用いているため、飽和液温度Ｔ_Ｌ１は飽和ガス温度Ｔ_Ｇ１と等しくなく、Ｔ_Ｌ１＜Ｔ_Ｇ１の関係となる。次に、二相部における温度勾配ｄＴ_Ｓ／ｄｘが演算される（Ｓ２１）。ｄＴ_Ｓは、第１の二相温度センサ２ａの検出温度と、第２の二相温度センサ２ｂの検出温度との差であり、ｄｘは、第１の二相温度センサ２ａと第２の二相温度センサ２ｂとの距離である。この距離は、記憶部２２に記憶される第１の二相温度センサ２ａおよび第２の二相温度センサ２ｂの位置情報から求められる。

続いて、Ｓ１で推定された飽和液温度Ｔ_Ｌ１および飽和ガス温度Ｔ_Ｇ１、ならびにＳ２１で演算された温度勾配ｄＴ_Ｓ／ｄｘから、液相部の長さＬ_Ｌ、二相部の長さＬ_Ｓおよび気相部の長さＬ_Ｇがそれぞれ推定される（Ｓ２２）。具体的には、温度勾配ｄＴ_Ｓ／ｄｘの延長線と飽和液温度Ｔ_Ｌ１が交わる位置を求めることで、二相部の終端位置が求まる。そして、二相終端位置と凝縮器１２の出口位置との関係から、液相部の長さＬ_Ｌが推定される。また、同様に、温度勾配ｄＴ_Ｓ／ｄｘと飽和ガス温度Ｔ_Ｇ１から、気相部の長さＬ_Ｇが推定される。具体的には、温度勾配ｄＴ_Ｓ／ｄｘの延長線と飽和ガス温度Ｔ_Ｇ１が交わる位置から二相部の開始位置が求まる。そして、二相部の開始位置と凝縮器１２の入口位置との関係から、気相部の長さＬ_Ｇが推定される。さらに、液相部と気相部の間を二相部とすることで、二相部の長さＬ_Ｓが推定される。

そして、実施の形態１と同様に、各相部の長さから、各相の容積割合が演算される（Ｓ５）。そして、液相、二相および気相の容積割合ならびに平均冷媒密度から、凝縮器１２Ｂの冷媒量が演算される。

このように、本実施の形態では、非共沸混合冷媒における二相部の温度勾配に基づいて、各相部の長さを推定することができる。凝縮器１２Ｂにおける二相部の範囲は比較的広いため、第１の二相温度センサ２ａおよび第２の二相温度センサ２ｂの配置の自由度が高く、より確実に各相部の長さを推定することができる。特に、サブクールがあまりつかない条件であっても、各相部の長さを正確に推定することができる。

また、本実施の形態のように、非共沸混合冷媒を使用する場合には、冷媒の流れ方向の位置および温度から二相部における冷媒の乾き度分布を推定することができる。そして、この乾き度分布から、上記式（６）を用いて乾き度区間ごとの二相平均冷媒密度ρｃｓを演算することができる。これにより、密度推定における精度も高めることができる。

実施の形態４．
続いて、本発明の実施の形態４について説明する。実施の形態４は、容積割合演算処理において、二相部の圧力損失を考慮した補正を行う点において、実施の形態３と相違する。その他の冷凍サイクル装置１００の構成については、実施の形態３と同様である。

図９は、本実施の形態における圧力損失補正を説明するための図である。図９では、凝縮器１２Ｂにおける圧力損失なしの場合の温度変化を実線で示し、圧力損失が発生した場合の温度変化の一例を破線で示している。図９に示すように、凝縮器１２Ｂの圧力損失が発生した場合には、凝縮器１２Ｂの下流の温度が圧力損失なしの場合よりも低下する。そのため、圧力損失を考慮して、冷媒温度を物性値から補正する必要がある。

例えば、図９に示す例では、圧力損失による温度低下はｄＴ_Ｌである。このｄＴ_Ｌが飽和液温度Ｔ_Ｌ１の補正量とされる。そして、凝縮器１２Ｂの入口の圧力に相当する飽和液温度Ｔ_Ｌ１から、ｄＴ_Ｌをマイナスすることにより、正しい飽和液温度Ｔ_Ｌ１を推定することができる。その結果、圧力損失を考慮した温度勾配ｄＴ_Ｓ／ｄｘを演算することができ、精度の高い冷媒量の推定が可能となる。

ここで、補正量ｄＴ_Ｌは、予め凝縮器１２Ｂを流れる冷媒流量とｄＴ_Ｌとの相関を調べておき、これをテーブル化もしくは関数化することで推定することができる。推定されたｄＴ_Ｌは、記憶部２２に記憶され、容積割合演算処理を行う際に読み出される。なお冷媒流量は、圧縮機１１の特性（冷媒流量と、運転周波数、高圧、低圧などの関係）を関数化もしくはテーブル化することで推定が可能である。

実施の形態５．
続いて、本発明の実施の形態５について説明する。実施の形態５では、凝縮器１２Ｃにおける温度センサ３の配置および容積割合演算処理において、実施の形態１と相違する。その他の冷凍サイクル装置１００の構成については、実施の形態１と同様である。

図１０は、本実施の形態の凝縮器１２Ｃにおける冷媒温度の変化および温度センサ３の配置を示す図である。図１０に示すように、本実施の形態の温度センサ３は、温度センサ３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅおよび３ｆを含む。温度センサ３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅおよび３ｆは、凝縮器１２Ｃにおいて冷媒が流れる方向に沿って並んで配置される。本実施の形態の冷媒量演算部２３は、冷媒が流れる方向に配置された複数の温度センサ３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅおよび３ｆの検出温度から、凝縮器１２における温度分布を推定し、この温度分布から各相の容積割合を演算する。

図１１は、本実施の形態における容積割合演算処理を示すフローチャートである。なお、図１１において、実施の形態１と同様の処理については図４と同じ符号を付す。本処理では、まず、吐出圧力センサ１６で検出される吐出圧力および既知の冷媒物性情報から、飽和液温度Ｔ_Ｌ１および飽和ガス温度Ｔ_Ｇ１が推定される（Ｓ１）。次に、変数ｎに１が設定される（Ｓ３１）。ここで、ｎは温度センサ３を識別するための変数である。

そして、検出温度Ｔｎが飽和液温度Ｔ_Ｌ１より小さいか否かが判断される（Ｓ３２）。ここで、温度センサ３ａによって検出された温度をＴ１、温度センサ３ｂによって検出された温度をＴ２、以下同様に温度センサ３ｃ〜３ｆによって検出された温度をＴ３〜Ｔ６とする。そして、Ｓ３２では、ｎ＝１の場合、温度センサ３ａによって検出された温度Ｔ１が飽和液温度Ｔ_Ｌ１より小さいか否かが判断される。そして、検出温度Ｔｎが飽和液温度Ｔ_Ｌ１より小さい場合（Ｓ３２：ＹＥＳ）、検出温度Ｔｎに対応する温度センサ（例えば検出温度Ｔ１の場合の温度センサ３ａ）は、液相部に配置されていると判断される（Ｓ３３）。

そして、ｎがＮ以下であるか否かが判断される（Ｓ３４）。Ｎは、温度センサの数であり、本実施の形態の場合６である。ｎがＮ以下である場合（Ｓ３４：ＹＥＳ）、ｎに１が加算され（Ｓ３５）、Ｓ３２の処理に戻る。そして、Ｓ３２において、検出温度Ｔｎが飽和液温度Ｔ_Ｌ１以上である場合（Ｓ３２：ＹＥＳ）、検出温度Ｔｎが飽和ガス温度Ｔ_Ｇ１以下であるか否かが判断される（Ｓ３６）。そして、検出温度Ｔｎが飽和ガス温度Ｔ_Ｇ１以下である場合（Ｓ３６：ＹＥＳ）、検出温度Ｔｎに対応する温度センサ（例えば検出温度Ｔ３の場合の温度センサ３ｃ）は、二相部に配置されていると判断される（Ｓ３７）。

一方、検出温度Ｔｎが飽和ガス温度Ｔ_Ｇ１より大きい場合（Ｓ３６：ＮＯ）、検出温度Ｔｎに対応する温度センサ（例えば検出温度Ｔ５の場合の温度センサ３ｅ）は、気相部に配置されていると判断される（Ｓ３８）。そして、Ｓ３４にてｎがＮより大きいと判断されると（Ｓ３４：ＮＯ）、Ｓ３３、Ｓ３７およびＳ３８の判断結果に基づいて、液相部の長さＬ_Ｌ、二相部の長さＬ_Ｓおよび気相部の長さＬ_Ｇがそれぞれ推定される（Ｓ３９）。具体的には、例えば、温度センサ３ａが液相に配置されていると判断され、温度センサ３ｂが二相に配置されていると判断された場合、凝縮器１２Ｃの出口から温度センサ３ｂまでが液相部であるとして、温度センサ３ｂの位置情報に基づいて、液相部の長さＬ_Ｌが推定される。同様に、温度センサ３ｄが二相部に配置されていると判断され、温度センサ３ｅが気相部に配置されていると判断された場合、温度センサ３ｂから温度センサ３ｅまでが二相部であるとして、温度センサ３ｅの位置情報に基づいて、二相部の長さＬ_Ｓが推定される。そして、各相部の長さから、各相の容積割合が求められる（Ｓ５）。そして、液相、二相および気相の容積割合ならびに平均冷媒密度から、凝縮器１２Ｃの冷媒量が演算される。

このように、本実施の形態においても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。なお、本実施の形態においては、６個の温度センサ３を凝縮器１２Ｃに配置する構成としたが、７個以上または５個以下の温度センサ３を凝縮器１２Ｃに配置する構成としてもよい。また、図１０の例では、各温度センサ３ａ〜３ｆを等間隔で配置する構成としたが、これに限定されるものではない。例えば、液相部の長さＬ_Ｌを高精度で推定するために、凝縮器１２の液相部（すなわち出口付近）に多くの温度センサ３を配置し、凝縮器１２の中央部近の温度センサ３の数を減らしても良い。

以上が本発明の実施の形態の説明であるが、本発明は、上記実施の形態の構成に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内で様々な変形または組み合わせが可能である。例えば、本実施の形態では、図１に示すように、冷凍サイクル装置１００は、１台の圧縮機１１、凝縮器１２および蒸発器１４を備える場合について説明するが、これらの台数を特に限定するものではない。例えば、２台以上の圧縮機１１、凝縮器１２および蒸発器１４を備えてもよい。また、上記実施の形態では、冷凍サイクル装置１００が屋内の冷房に使用される空気調和装置である場合を例に挙げて説明したが、これに限定されず、屋内の暖房に使用される空気調和装置または冷暖切り替え可能な空気調和装置に本発明を適用してもよい。また、家庭用冷蔵庫などの小型の冷凍サイクル装置や、冷蔵倉庫の冷却用の冷凍機やヒートポンプチラーなどの大型の冷凍サイクル装置に本発明を適用してもよい。

また、上記実施の形態３および５においては、液相、二相および気相の容積割合をそれぞれ求める構成としたが、実施の形態２と同様に、気相を二相とみなし、液相および二相の容積割合を演算する構成としてもよい。このように構成することで、温度センサの数を減らすことができ、さらなるコスト削減を図ることができる。また、上記実施の形態１、２および５においては、単一冷媒または共沸混合冷媒を使用する場合を例に説明したが、非共沸混合冷媒を用いた場合も同様に本発明を適用することができる。

また、冷媒量の演算方法については、上記実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。例えば、各相部の長さおよび既知の凝縮器１２の仕様から、各相の容積を求めることができる。例えば、凝縮器１２が円管の場合、管内断面積×各相部の長さ＝各相の容積となる。そして、各相の容積に平均冷媒密度を掛けることで、各相の冷媒量を演算することができる。

さらに、上記実施の形態では、凝縮器１２内部で分岐および合流がない配管構成の場合を例に説明したが、入口または途中から分岐し、途中または出口で合流する配管構成を備える凝縮器においても、本発明を適用可能である。また、分岐数も二分岐またはそれ以上の分岐数であってもよい。この場合には、分岐経路毎に冷媒が流れる方向に沿って温度センサが配置され、分岐経路毎に上記実施の形態で説明したように各相部（液相部、気液二相部、気相部）の長さが求められる。そして、各相部の長さから、分岐経路毎に冷媒量を演算し、それらを合算することで、凝縮器の冷媒量が演算される。これにより、より高い精度で冷媒量を演算することが可能となる。

また、分岐経路の何れか一つを代表経路とし、当該代表経路のみに温度センサを設け、当該代表経路における各相部の長さを求めてもよい。そして、他の分岐経路における各相部の長さを代表経路における各相部の長さと同様として、各分岐経路の冷媒量を演算することも可能である。これにより、温度センサの数を減らすことができ、部品点数および製品コストを削減することが可能となる。

１、２、３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ 温度センサ、１ａ 第１の液相温度センサ、１ｂ 第２の液相温度センサ、１ｃ 第１の気相温度センサ、１ｄ 第２の気相温度センサ、２ａ 第１の二相温度センサ、２ｂ 第２の二相温度センサ、１１ 圧縮機、１２、１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ 凝縮器、１３ 減圧装置、１４ 蒸発器、１５ 接続配管、１６ 吐出圧力センサ、２０ 制御装置、２１ 制御部、２２ 記憶部、２３ 冷媒量演算部、１００ 冷凍サイクル装置。

Claims (14)

1. 凝縮器を含む冷媒回路と、
   前記凝縮器の冷媒温度を検出する複数の温度センサであって、前記凝縮器において冷媒が流れる方向に並んで配置される複数の温度センサと、
   前記複数の温度センサの位置情報を記憶する記憶部と、
   前記複数の温度センサの位置情報と、前記複数の温度センサの検出温度と、前記冷媒の飽和液温度とに基づいて、前記凝縮器の冷媒量を演算する冷媒量演算部と、を備える冷凍サイクル装置。
2. 前記冷媒量演算部は、前記複数の温度センサの位置情報と、前記複数の温度センサの検出温度と、前記冷媒の飽和液温度とに基づいて、前記凝縮器における液相部の長さを推定するものである請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記冷媒量演算部は、前記凝縮器における前記液相部の長さから前記凝縮器における前記液相部の容積割合または容積を求め、前記容積割合または前記容積と、前記液相部の平均冷媒密度とから前記凝縮器の冷媒量を演算するものである請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記冷媒量演算部は、前記位置情報に基づく前記複数の温度センサ間の距離と、前記複数の温度センサの検出温度とから前記冷媒が流れる方向における前記冷媒の温度勾配を求め、前記温度勾配と、前記飽和液温度とから前記液相部の長さを推定するものである請求項２または３に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記複数の温度センサは、前記凝縮器の出口に配置され、前記凝縮器の出口における冷媒温度を検出する第１の液相温度センサと、前記第１の液相温度センサの上流に配置され、前記凝縮器の液相部の冷媒温度を検出する第２の液相温度センサと、を含み、
   前記冷媒量演算部は、前記位置情報に基づく前記第１の液相温度センサと前記第２の液相温度センサとの距離と、前記第１の液相温度センサおよび前記第２の液相温度センサの検出温度とから、前記液相部における冷媒の温度勾配を求め、前記液相部における冷媒の温度勾配と、前記飽和液温度とから前記液相部の長さを推定するものである請求項４に記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記複数の温度センサは、さらに、前記凝縮器の入口に配置され、前記凝縮器の入口における冷媒温度を検出する第１の気相温度センサと、前記第１の気相温度センサの下流に配置され、前記凝縮器の気相部の冷媒温度を検出する第２の気相温度センサと、を含み、
   前記冷媒量演算部は、前記位置情報に基づく前記第１の気相温度センサと前記第２の気相温度センサとの距離と、前記第１の気相温度センサおよび前記第２の気相温度センサの検出温度とから前記気相部における冷媒の温度勾配を求め、前記気相部における冷媒の温度勾配と、前記冷媒の飽和ガス温度とから、前記凝縮器を流れる冷媒の気相部の長さを推定するものであり、
   前記冷媒量演算部は、さらに、前記液相部の長さおよび前記気相部の長さから前記凝縮器を流れる冷媒の気液二相部の長さを推定するものである請求項５に記載の冷凍サイクル装置。
7. 前記冷媒は、非共沸混合冷媒であり、
   前記複数の温度センサは、前記凝縮器の中央部に配置され、前記凝縮器の気液二相部の冷媒温度を検出する第１の二相温度センサと、前記第１の二相温度センサの下流に配置され、気液二相部の冷媒温度を検出する第２の二相温度センサと、を含み、
   前記冷媒量演算部は、前記位置情報に基づく前記第１の二相温度センサと前記第２の二相温度センサとの距離と、前記第１の二相温度センサおよび前記第２の二相温度センサの検出温度とから前記気液二相部における冷媒の温度勾配を求め、前記気液二相部における冷媒の温度勾配と、前記飽和液温度とから、前記液相部の長さを推定するものである請求項４に記載の冷凍サイクル装置。
8. 前記冷媒量演算部は、前記気液二相部における冷媒の温度勾配と、前記冷媒の飽和ガス温度とから、前記凝縮器を流れる冷媒の気相部の長さを推定するものである請求項７に記載の冷凍サイクル装置。
9. 前記冷媒量演算部は、前記第１の二相温度センサおよび前記第２の二相温度センサの検出温度と、前記位置情報とから前記気液二相部における乾き度分布を求め、前記乾き度分布に基づいて前記気液二相部における平均冷媒密度を演算するものである請求項７または８に記載の冷凍サイクル装置。
10. 前記記憶部は、さらに、前記凝縮器における圧力損失による温度低下を補正する補正値を記憶するものであり、
    前記冷媒量演算部は、前記記憶部に記憶される補正値を用いて、前記飽和液温度を補正するものである請求項１〜９の何れか一項に記載の冷凍サイクル装置。
11. 前記冷媒量演算部は、前記複数の温度センサの検出温度と、前記冷媒の飽和液温度とをそれぞれ比較して、前記液相部の長さを推定するものである請求項２または３に記載の冷凍サイクル装置。
12. 前記凝縮器は、前記冷媒が流れる複数の分岐経路を有するものであり、
    前記複数の温度センサは、前記複数の分岐経路の各々において、前記冷媒が流れる方向に並んで配置されるものであり、
    前記冷媒量演算部は、前記複数の分岐経路毎に、該分岐経路を流れる冷媒の液相部の長さを推定するものである請求項２〜１１の何れか一項に記載の冷凍サイクル装置。
13. 前記凝縮器は、前記冷媒が流れる複数の分岐経路を有するものであり、
    前記複数の温度センサは、前記複数の分岐経路のうちの一の分岐経路において、前記冷媒が流れる方向に並んで配置されるものであり、
    前記冷媒量演算部は、前記一の分岐経路を流れる冷媒の液相部の長さを推定し、前記一の分岐経路を流れる冷媒の液相部の長さからその他の分岐経路を流れる冷媒の液相部の長さを推定するものである請求項２〜１１の何れか一項に記載の冷凍サイクル装置。
14. 前記冷媒回路の圧縮機の吐出圧力を検出する吐出圧力センサをさらに備え、
    前記飽和液温度は、前記吐出圧力から推定されるものである請求項１〜１３の何れか一項に記載の冷凍サイクル装置。

Images