JP7356006B2 - 冷凍装置 - Google Patents

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Description

本開示は、冷凍装置に関するものである。
特許文献1には、圧縮機に設けられる静電容量検出装置が開示されている。この静電容量検出装置は、一対の電極を備えていて、当該一対の電極間の静電容量値を検出できる。そのように検出された静電容量値に基づいて、当該一対の電極の間または周囲に存在する流体の状態(例えば、油があるかないか、あるいは油が冷媒で希釈されているかどうか)を求めることができる。
国際公開第2018/042809号
ところで、液体をセンシングする装置として、上記のような静電容量値を利用する装置とは異なる種類の装置(あるいは、センサ)も存在する。しかしながら、そのような複数種類のセンサを適切に使い分ける方法については、これまで詳しく検討されていない。
本開示の目的は、複数種類のセンサを適切に使い分けて流体をセンシングすることにある。
本開示の第1の態様は、圧縮機(31)により流体が循環して蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷媒回路(20)と、上記流体をセンシングするセンサユニット(70)とを備える冷凍装置(10)を対象とする。上記センサユニット(70)は、上記流体の電気抵抗値を検出する抵抗センサ(72)と、上記流体の静電容量値を検出する容量センサ(74)と、上記流体の温度を検出する温度センサ(76)とを有する。上記抵抗センサ(72)、上記容量センサ(74)、および上記温度センサ(76)は、一体になっている。
第1の態様では、センサユニット(70)が、互いに一体になった抵抗センサ(72)、容量センサ(74)、および温度センサ(76)を有する。このため、温度センサ(76)が検出した流体の温度に応じて、抵抗センサ(72)と容量センサ(74)を使い分けて流体をセンシングすることができる。
本開示の第2の態様は、上記第1の態様において、上記抵抗センサ(72)、上記容量センサ(74)、および上記温度センサ(76)は、共通の基板(71)上に設けられることで一体になっていることを特徴とする。
第2の態様では、抵抗センサ(72)、容量センサ(74)、および温度センサ(76)が共通の基板(71)に設けられるので、センサユニット(70)を容易に取り扱うことができると共に、センサユニット(70)を容易に設置することができる。
本開示の第3の態様は、上記第1または第2の態様において、上記抵抗センサ(72)および上記容量センサ(74)は、それぞれ一対の電極(73,75)を有し、上記抵抗センサ(72)は、その一対の電極(73)間に交流を流して上記流体の電気抵抗値を検出するように構成され、上記容量センサ(74)は、その一対の電極(75)間に交流を流して上記流体の静電容量値を検出するように構成されることを特徴とする。
第3の態様では、抵抗センサ(72)および容量センサ(74)は、それぞれの一対の電極(73,75)間に交流を流すことで流体の電気抵抗値および静電容量値を検出する。
本開示の第4の態様は、上記第1~第3の態様のいずれか1つにおいて、上記抵抗センサ(72)および上記容量センサ(74)の検出値が、上記温度センサ(76)の検出値に基づいて温度補正されることを特徴とする。
第4の態様では、所定の温度補正により、流体の電気抵抗値および静電容量値をより適切に検出し、よって流体をより適切にセンシングすることができる。
本開示の第5の態様は、上記第1~第4の態様のいずれか1つにおいて、上記温度センサ(76)の検出値が所定の閾値(TH1)よりも高い場合、上記抵抗センサ(72)の検出値に基づいて上記流体の状態が求められる一方、上記温度センサ(76)の検出値が上記閾値(TH1)以下である場合、上記容量センサ(74)の検出値に基づいて上記流体の状態が求められることを特徴とする。
第5の態様では、流体の温度が高い場合に抵抗センサ(72)の検出値が用いられる一方、流体の温度が低い場合に容量センサ(74)の検出値が用いられる。これにより、抵抗センサ(72)と容量センサ(74)をより一層適切に使い分けて流体をセンシングすることができる。
本開示の第6の態様は、上記第1~第5の態様のいずれか1つにおいて、上記センサユニット(70)は、上記圧縮機(31)のケーシング(32)内に配置され、かつ該ケーシング(32)内の上記流体をセンシングすることを特徴とする。
第6の態様では、抵抗センサ(72)と容量センサ(74)を適切に使い分けて圧縮機(31)のケーシング(32)内の流体をセンシングすることができる。
図1は、実施形態の冷凍装置の構成を示す冷媒回路図である。 図2は、圧縮機の構成を概略的に示す縦断面図である。 図3は、センサユニットとその周辺を拡大して示す縦断面図である。 図4は、冷凍機油の冷媒比率と電気抵抗値の関係を示すグラフである。 図5は、冷媒および冷凍機油の温度と比誘電率との関係を示すグラフである。 図6は、センサユニットを用いて冷凍機油の冷媒比率を求め、その結果を利用する方法について説明するためのフローチャートである。
実施形態について説明する。本実施形態は、対象空間の空気の冷却および加熱に用いられる冷凍装置(10)に関する。本実施形態の冷凍装置(10)は、空気調和装置として構成されていて、冷房運転と暖房運転を選択的に実行するように構成される。
-冷凍装置の構成-
冷凍装置(10)は、冷媒が充填された冷媒回路(20)を備える。冷媒回路(20)では、後述する圧縮機(31)により冷凍機油(本実施形態の流体)を含む冷媒が循環して蒸気圧縮式の冷凍サイクルが行われる。
冷媒回路(20)は、1つの室外ユニット(30)と、複数(この例では、3つ)の室内ユニット(60)とを備える。各室内ユニット(60)は、液連絡配管(21)およびガス連絡配管(22)によって室外ユニット(30)に対して互いに並列に接続される。
〈室外ユニット〉
室外ユニット(30)は、圧縮機(31)と、四路切換弁(41)と、室外熱交換器(42)と、室外側膨張弁(43)と、オイルセパレータ(44)と、アキュムレータ(52)と、レシーバ(56)とを備える。
圧縮機(31)は、吸入した冷媒を圧縮し、その圧縮した冷媒を吐出する。圧縮機(31)の運転容量は、所定の範囲内で可変である。具体的には、インバータ制御により圧縮機(31)の運転容量が変化する。圧縮機(31)の吐出管は、四路切換弁(41)の第1ポートに接続される。圧縮機(31)の吸入管は、アキュムレータ(52)の出口に接続される。圧縮機(31)の構成については、後に詳述する。
四路切換弁(41)は、第1~第4ポートを備える。第1ポートは、圧縮機(31)の吐出管と接続される。第2ポートは、アキュムレータ(52)の入口と接続される。第3ポートは、室外熱交換器(42)、室外側膨張弁(43)、およびレシーバ(56)を介して液連絡配管(21)の一端と接続される。第4ポートは、ガス連絡配管(22)の一端と接続される。四路切換弁(41)は、第1ポートと第4ポートが連通しかつ第2ポートと第3ポートが連通する第1状態(図1に破線で示す状態)と、第1ポートと第3ポートが連通しかつ第2ポートと第4ポートが連通する第2状態(図1に実線で示す状態)とに切換可能に構成される。
室外熱交換器(42)は、クロスフィンアンドチューブ式の熱交換器であってもよい。室外熱交換器(42)の近傍には、室外熱交換器(42)へ室外空気を搬送する室外ファン(図示せず)が配置される。室外側膨張弁(43)は、開度調節可能な電子膨張弁であってもよい。
オイルセパレータ(44)は、圧縮機(31)の吐出管に設けられる。オイルセパレータ(44)は、圧縮機(31)が吐出した冷媒から冷凍機油を分離する。オイルセパレータ(44)には、油戻し管(49)の一端が接続される。油戻し管(49)の他端は、圧縮機(31)の吸入管と接続される。油戻し管(49)には、キャピラリチューブ(51)が設けられる。このような構成により、オイルセパレータ(44)で分離された冷凍機油は、油戻し管(49)を流れる際に減圧されて圧縮機(31)に戻される。
アキュムレータ(52)は、気液二相冷媒を液冷媒とガス冷媒とに分離し、液冷媒を内部に貯留してガス冷媒を外部へ流出させる。アキュムレータ(52)の入口は、四路切換弁(41)の第2ポートに接続される。アキュムレータ(52)の出口は、圧縮機(31)の吸入管に接続される。
レシーバ(56)は、室外側膨張弁(43)と液連絡配管(21)との間に設けられる。レシーバ(56)は、冷媒回路(20)内の余剰冷媒を貯留する。
〈室内ユニット〉
各室内ユニット(60)は、室内熱交換器(61)および室内側膨張弁(62)を備える。室内熱交換器(61)は、クロスフィンアンドチューブ式の熱交換器であってもよい。室内熱交換器(61)の近傍には、室内熱交換器(61)へ室内空気を搬送する室内ファン(図示せず)が配置される。室内側膨張弁(62)は、開度調節可能な電子膨張弁であってもよい。
室内ユニット(60)では、液連絡配管(21)の他端が、室内側膨張弁(62)および室内熱交換器(61)を介してガス連絡配管(22)の他端に接続される。
《圧縮機》
図2および図3に示すように、圧縮機(31)は、ケーシング(32)と、圧縮機構(35)と、電動機(36)と、センサユニット(70)とを備える。
ケーシング(32)は、上下端が閉塞された筒状の容器である。ケーシング(32)には、吸入管(33)および吐出管(34)が設けられる。吸入管(33)は、低圧の冷媒をケーシング(32)内に導く。吐出管(34)は、高圧の冷媒をケーシング(32)外へ導く。ケーシング(32)の底部には、冷凍機油が貯留される。
圧縮機構(35)は、回転駆動されることで低圧の冷媒を圧縮して高圧の冷媒にする。圧縮機構(35)は、スクロール式の圧縮機構であってもよい。圧縮機構(35)には、ケーシング(32)の軸方向に延びる駆動軸(39)が連結される。なお、圧縮機構(35)は、任意のタイプの圧縮機構であってもよい。
電動機(36)は、駆動軸(39)を介して圧縮機構(35)を回転駆動する。電動機(36)は、圧縮機構(35)の下方に設けられる。電動機(36)は、回転子(37)および固定子(38)を備える。回転子(37)は、駆動軸(39)に固定される。固定子(38)は、ケーシング(32)に固定される。
センサユニット(70)は、ケーシング(32)の下部の側壁に設けられる。センサユニット(70)は、基板(71)と、それぞれが基板(71)上に設けられた抵抗センサ(72)、容量センサ(74)、および温度センサ(76)とを備える。抵抗センサ(72)、容量センサ(74)、および温度センサ(76)は、共通の基板(71)上に設けられることで一体になっている。なお、抵抗センサ(72)、容量センサ(74)、および温度センサ(76)は、他の任意の態様で一体になっていてもよい。
抵抗センサ(72)は、冷凍機油の電気抵抗値を検出するセンサである。抵抗センサ(72)は、基板(71)のうち先端側の半部(図2および図3における左側半部)に設けられる。抵抗センサ(72)は、容量センサ(74)と温度センサ(76)との間に設けられる。
抵抗センサ(72)は、基板(71)上にプリントされた一対の電極(73)を有する。抵抗センサ(72)は、一対の電極(73)間に交流を流して冷凍機油の電気抵抗値を検出するように構成される。
各電極(73)は、1つの幹部(73a)と、複数の枝部(73b)とを有する。各幹部(73a)は、互いに実質的に平行に延びている。各電極(73)の枝部(73b)は、相手方の電極(73)に向かって延びている。各電極(73)の枝部(73b)は、相手方の電極(73)の隣り合う枝部(73b)の間に入り込んでいる。このような構成により、小さなスペース内で一対の電極(73)間の対向面積を大きくすることができ、よって抵抗センサ(72)の検出精度を高めることができる。
容量センサ(74)は、冷凍機油の静電容量値を検出するセンサである。容量センサ(74)は、基板(71)のうち基端側の半部(図2および図3における右側半部)に設けられる。容量センサ(74)は、抵抗センサ(72)および温度センサ(76)よりもケーシング(32)の壁部の近くに設けられる。
容量センサ(74)は、基板(71)上にプリントされた一対の電極(75)を備える。容量センサ(74)は、一対の電極(75)間に交流を流して冷凍機油の静電容量値を検出するように構成される。
各電極(75)は、1つの幹部(75a)と、複数の枝部(75b)とを有する。各幹部(75a)は、互いに実質的に平行に延びている。各電極(75)の枝部(75b)は、相手方の電極(75)に向かって延びている。各電極(75)の枝部(75b)は、相手方の電極(75)の隣り合う枝部(75b)の間に入り込んでいる。このような構成により、小さなスペース内で一対の電極(75)間の対向面積を大きくすることができ、よって容量センサ(74)の検出精度を高めることができる。
温度センサ(76)は、冷凍機油の温度を検出するセンサである。温度センサ(76)は、基板(71)の先端部(図2および図3における左端部)に設けられる。温度センサ(76)は、抵抗センサ(72)および温度センサ(76)よりもケーシング(32)の壁部から離れて設けられる。温度センサ(76)は、例えばサーミスタであってもよい。
-冷凍機油の温度と有効なセンサ-
冷凍機油の温度が相対的に高い場合には、抵抗センサ(72)を用いるのが有効である一方、冷凍機油の温度が相対的に低い場合には、容量センサ(74)を用いるのが有効であることについて、図4および図5を参照して説明する。
図4は、冷凍機油の冷媒比率と電気抵抗値の関係を示すグラフである。ここで、「冷媒比率」とは、冷凍機油と冷媒の混合物(以下、単に「冷凍機油」ともいう。)における冷媒の含有比率である。圧縮機(31)における冷媒比率は、ケーシング(32)の底部に貯留された冷凍機油に溶け込んでいる冷媒の量を示す指標となる。
図4のグラフは、横軸が冷媒比率を示し、縦軸が冷凍機油と冷媒の混合物の電気抵抗値(以下、単に「電気抵抗値」ともいう。)を示す。図4のグラフからわかるように、冷媒比率が相対的に低い領域(例えば、冷媒比率が0~40重量%の領域)では、冷媒比率の変化量に対する電気抵抗値の変化量の比率が相対的に大きい。一方、冷媒比率が相対的に高い領域(例えば、冷媒比率が40~100重量%の領域)では、冷媒比率の変化量に対する電気抵抗値の変化量の比率が相対的に小さい。
上記の各関係より、冷媒比率が相対的に低い領域では、冷媒比率が相対的に高い領域よりも、冷凍機油の電気抵抗値に基づいて冷媒比率をより高精度に求めることができる。ここで、冷凍装置(10)では、冷凍機油の温度が高いほど冷媒比率が低くなり、冷凍機油の温度が高いほど冷媒比率が高くなる傾向がある。したがって、冷凍機油の温度が相対的に高い場合、冷凍機油の温度が相対的に低い場合よりも、抵抗センサ(72)を用いて冷凍機油の冷媒比率をより高精度に求めることができる。
図5は、冷媒および冷凍機油の温度と比誘電率との関係を示すグラフである。図5のグラフは、横軸が冷媒および冷凍機油の温度を示し、縦軸が冷媒および冷凍機油の比誘電率を示す。なお、図5では、冷媒を示す曲線を実線で示し、冷凍機油を示す曲線を破線で示してある。
図5のグラフからわかるように、冷媒および冷凍機油の温度が相対的に低くなるほど、冷媒の比誘電率と冷凍機油の比誘電率との差が大きくなる。したがって、冷媒および冷凍機油の温度が相対的に低い領域では、当該温度が相対的に高い領域よりも、冷媒と冷凍機油の混合物の静電容量値、または温度および静電容量値に基づいて冷媒比率をより高精度に求めることができる。換言すると、冷凍機油の温度が相対的に低い場合、冷凍機油の温度が相対的に高い場合よりも、容量センサ(74)を用いて冷凍機油の冷媒比率をより高精度に求めることができる。
-センサユニットの利用方法-
センサユニット(70)の利用方法について、図6を参照して説明する。
図6に示すように、ステップ1では、抵抗センサ(72)および容量センサ(74)により、ケーシング(32)の底部に貯留された冷凍機油の電気抵抗値および静電容量値を検出する。続いて、ステップ2に進む。
ステップ2では、温度センサ(76)により、ケーシング(32)の底部に貯留された冷凍機油の温度を検出する。続いて、ステップ3に進む。
ステップ3では、温度センサ(76)の検出値を所定の第1閾値(TH1)と比較する。温度センサ(76)の検出値が第1閾値(TH1)よりも高い場合(換言すると、冷凍機油の温度が相対的に高い場合)、ステップ4に進む。温度センサ(76)の検出値が第1閾値(TH1)よりも低い場合(換言すると、冷凍機油の温度が相対的に低い場合)、ステップ5に進む。第1閾値(TH1)は、閾値を構成する。
ステップ4では、抵抗センサ(72)の検出値に基づいて、ケーシング(32)の底部に貯留された冷凍機油の状態(具体的には、冷凍機油の冷媒比率)が求められる。ここで、抵抗センサ(72)の検出値は、必要に応じて、温度センサ(76)の検出値に基づいて温度補正されてもよい。続けて、ステップ6に進む。
ステップ5では、容量センサ(74)の検出値に基づいて、ケーシング(32)の底部に貯留された冷凍機油の状態(具体的には、冷凍機油の冷媒比率)が求められる。ここで、容量センサ(74)の検出値は、必要に応じて、温度センサ(76)の検出値に基づいて温度補正されてもよい。続けて、ステップ6に進む。
ステップ6では、ステップ4またはステップ5で求めた冷凍機油の冷媒比率を所定の第2閾値(TH2)と比較する。冷凍機油の冷媒比率が第2閾値(TH2)よりも高い場合、冷凍装置(10)において、圧縮機(31)に冷凍機油が戻りやすくなる制御(油戻し制御)を行う(ステップ7)。冷凍機油の冷媒比率が第2閾値(TH2)以下である場合、冷凍装置(10)の運転をそのまま継続する。冷凍装置(10)では、ステップ1~7が所定の時間間隔で繰り返される。
-実施形態の効果-
本実施形態の冷凍装置(10)は、圧縮機(31)により冷凍機油を含む冷媒が循環して蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷媒回路(20)と、上記冷凍機油をセンシングするセンサユニット(70)とを備え、上記センサユニット(70)が、上記冷凍機油の電気抵抗値を検出する抵抗センサ(72)と、上記冷凍機油の静電容量値を検出する容量センサ(74)と、上記冷凍機油の温度を検出する温度センサ(76)とを有し、上記抵抗センサ(72)、上記容量センサ(74)、および上記温度センサ(76)が、一体になっている。換言すると、センサユニット(70)が、互いに一体になった抵抗センサ(72)、容量センサ(74)、および温度センサ(76)を有する。このため、温度センサ(76)が検出した冷凍機油の温度に応じて、抵抗センサ(72)と容量センサ(74)を使い分けて冷凍機油をセンシングすることができる。
また、本実施形態の冷凍装置(10)は、上記抵抗センサ(72)、上記容量センサ(74)、および上記温度センサ(76)が、共通の基板(71)上に設けられることで一体になっている。抵抗センサ(72)、容量センサ(74)、および温度センサ(76)が共通の基板(71)に設けられるので、センサユニット(70)を容易に取り扱うことができると共に、センサユニット(70)を容易に設置することができる。
また、本実施形態の冷凍装置(10)は、上記抵抗センサ(72)および上記容量センサ(74)が、それぞれ一対の電極(73,75)を有し、上記抵抗センサ(72)が、その一対の電極(73)間に交流を流して上記流体の電気抵抗値を検出するように構成され、上記容量センサ(74)が、その一対の電極(75)間に交流を流して上記流体の静電容量値を検出するように構成される。この構成によると、抵抗センサ(72)および容量センサ(74)は、それぞれの一対の電極(73,75)間に交流を流すことで流体の電気抵抗値および静電容量値を検出する。
また、本実施形態の冷凍装置(10)は、上記抵抗センサ(72)および上記容量センサ(74)の検出値が、上記温度センサ(76)の検出値に基づいて温度補正される。所定の温度補正により、冷凍機油の電気抵抗値および静電容量値をより適切に検出し、よって冷凍機油をより適切にセンシングすることができる。
また、本実施形態の冷凍装置(10)は、上記温度センサ(76)の検出値が所定の第1閾値(TH1)よりも高い場合、上記抵抗センサ(72)の検出値に基づいて上記冷凍機油の状態が求められる一方、上記温度センサ(76)の検出値が上記第1閾値(TH1)以下である場合、上記容量センサ(74)の検出値に基づいて上記冷凍機油の状態が求められる。したがって、冷凍機油の温度が高い場合に抵抗センサ(72)の検出値が用いられる一方、冷凍機油の温度が低い場合に容量センサ(74)の検出値が用いられる。これにより、抵抗センサ(72)と容量センサ(74)をより一層適切に使い分けて冷凍機油をセンシングすることができる。
また、本実施形態の冷凍装置(10)は、上記センサユニット(70)が、上記圧縮機(31)のケーシング(32)内に配置され、かつ該ケーシング(32)内の上記冷凍機油をセンシングする。この構成によると、抵抗センサ(72)と容量センサ(74)を適切に使い分けて圧縮機(31)のケーシング(32)内の冷凍機油をセンシングすることができる。
《その他の実施形態》
上記実施形態については、以下のような構成としてもよい。
例えば、センサユニット(70)は、冷凍装置(10)の任意の構成機器に設けられてもよい。一例として、オイルセパレータ(44)、アキュムレータ(52)、レシーバ(56)、室外熱交換器(42)、または室内熱交換器(61)にセンサユニット(70)を設けることが考えられる。ここで、オイルセパレータ(44)では冷凍機油が流体を構成する一方、アキュムレータ(52)、レシーバ(56)、室外熱交換器(42)、および室内熱交換器(61)では冷媒が流体を構成する。
また、例えば、センサユニット(70)は、冷凍装置(10)の複数の構成機器に設けられてもよい。一例として、圧縮機(31)とオイルセパレータ(44)の各々にセンサユニット(70)を設けることが考えられる。
以上、実施形態および変形例を説明したが、特許請求の範囲の趣旨および範囲から逸脱することなく、形態や詳細の多様な変更が可能なことが理解されるであろう。また、以上の実施形態および変形例は、本開示の対象の機能を損なわない限り、適宜組み合わせたり、置換したりしてもよい。
以上説明したように、本開示は、冷凍装置について有用である。
10 冷凍装置
20 冷媒回路
31 圧縮機
32 ケーシング
70 センサユニット
71 基板
72 抵抗センサ
73 電極
74 容量センサ
75 電極
76 温度センサ
TH1 第1閾値(閾値)

Claims (5)

  1. 圧縮機(31)により流体が循環して蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷媒回路(20)と、上記流体をセンシングするセンサユニット(70)とを備える冷凍装置(10)であって、
    上記センサユニット(70)は、
    上記流体の電気抵抗値を検出する抵抗センサ(72)と、
    上記流体の静電容量値を検出する容量センサ(74)と、
    上記流体の温度を検出する温度センサ(76)とを有し、
    上記抵抗センサ(72)、上記容量センサ(74)、および上記温度センサ(76)は、一体になっており、
    上記温度センサ(76)の検出値が所定の閾値(TH1)よりも高い場合、上記抵抗センサ(72)の検出値に基づいて上記流体の状態が求められる一方、上記温度センサ(76)の検出値が上記閾値(TH1)以下である場合、上記容量センサ(74)の検出値に基づいて上記流体の状態が求められる
    ことを特徴とする冷凍装置。
  2. 請求項1において、
    上記抵抗センサ(72)、上記容量センサ(74)、および上記温度センサ(76)は、共通の基板(71)上に設けられることで一体になっている
    ことを特徴とする冷凍装置。
  3. 請求項1または2において、
    上記抵抗センサ(72)および上記容量センサ(74)は、それぞれ一対の電極(73,75)を有し、
    上記抵抗センサ(72)は、その一対の電極(73)間に交流を流して上記流体の電気抵抗値を検出するように構成され、
    上記容量センサ(74)は、その一対の電極(75)間に交流を流して上記流体の静電容量値を検出するように構成される
    ことを特徴とする冷凍装置。
  4. 請求項1~3のいずれか1項において、
    上記抵抗センサ(72)および上記容量センサ(74)の検出値が、上記温度センサ(76)の検出値に基づいて温度補正される
    ことを特徴とする冷凍装置。
  5. 請求項1~のいずれか1項において、
    上記センサユニット(70)は、上記圧縮機(31)のケーシング(32)内に配置され、かつ該ケーシング(32)内の上記流体をセンシングする
    ことを特徴とする冷凍装置。
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