JPH0712411A - 冷凍サイクルおよび冷凍サイクルの冷媒組成比制御方法 - Google Patents

冷凍サイクルおよび冷凍サイクルの冷媒組成比制御方法

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JPH0712411A
JPH0712411A JP15324693A JP15324693A JPH0712411A JP H0712411 A JPH0712411 A JP H0712411A JP 15324693 A JP15324693 A JP 15324693A JP 15324693 A JP15324693 A JP 15324693A JP H0712411 A JPH0712411 A JP H0712411A
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refrigeration cycle
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composition
heat exchanger
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Kensaku Kokuni
研作 小国
Kazumiki Urata
和幹 浦田
Masatoshi Muramatsu
正敏 村松
Takeshi Endo
剛 遠藤
Hiroaki Matsushima
弘章 松嶋
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Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】非共沸混合冷媒を用いた冷凍サイクルの内部冷
媒組成を定められた組成に制御し、さらに、冷媒量を検
出して冷凍サイクル内の冷媒の組成と量を表示し、冷媒
に関わるメンテナンスを容易にする。 【構成】圧縮機1、熱源側熱交換器2、利用側熱交換器
20a,20b、減圧装置などからなる冷凍サイクルに
おいて、冷媒として非共沸混合冷媒を用い、冷凍サイク
ル内を循環する非共沸混合冷媒の組成を検出するセンサ
8と、組成を制御する手段41,43とを設け、定めら
れた組成に制御装置で制御する。さらに、冷凍サイクル
内の冷媒量を検出するセンサ60と組成及び冷媒量を表
示する手段を設ける。 【効果】冷凍サイクル内を循環する冷媒の組成を検出
し、検出された組成に適した制御を行うことにより、外
部に冷媒が漏れて冷凍サイクル内を循環する冷媒の組成
が変化した場合でも安定した運転が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、作動媒体として非共沸
混合冷媒を用いた冷凍サイクルに係り、特に、冷凍サイ
クルの内部を流通する冷媒の組成比を制御した冷凍サイ
クルおよびその冷媒組成比制御方法に関する。
【0002】
【従来の技術】初めに、非共沸混合冷媒を作動媒体とし
て用いる場合について説明する。非共沸混合冷媒は、沸
点が異なる冷媒を2種類、もしくはそれ以上混合した冷
媒であり、図3に示すような特性を有している。図3
は、2種類の冷媒を混合した非共沸混合冷媒の特性を表
す気液平衡線図であり、横軸が沸点の低い冷媒の組成比
X、縦軸が温度を表している。そして、圧力をパラメ−
タとして、例えば圧力が高い場合には圧力PHで示され
る高温域に、逆に圧力が低い場合にはPLで示される低
温域に飽和蒸気線および飽和液線が存在する。組成比X
=0は冷媒が高沸点冷媒のみからなることを表し、組成
比X=1.0は冷媒が低沸点冷媒のみからなる場合を表
している。混合冷媒では組成によって図3のように、飽
和液線、飽和蒸気線が定まる。飽和液線より下側は過冷
却状態、飽和蒸気線より上側は過熱状態を表す。また、
飽和液線、飽和蒸気線で囲まれた部分は、液と蒸気の二
相状態である。図3で、X0は冷凍サイクル内に封入さ
れた冷媒の組成比を、点P1から点P4は冷凍サイクル
の代表点をそれぞれ表しており、点P1は圧縮機出口
部、点P2は凝縮機出口部、点P3は蒸発器入口部、点
P4は圧縮機入口部である。
【0003】以下、冷凍サイクルの外部への漏れに係る
問題点、冷凍サイクルの起動時等の非定常状態における
冷凍サイクル内を循環する冷媒の組成比変動に係る問題
点、冷凍サイクルの運転制御に係る問題点について説明
する。
【0004】密閉式のエアコンや冷凍機でも、冷凍サイ
クル外への冷媒の漏れが皆無ではない。図3で、点Aは
冷凍サイクルにおける二相部の状態を示し、組成Xa1
液と、組成Xa2の蒸気が存在する。今、熱交換器の伝熱
管あるいは要素の接続管などの接続部から外部に混合冷
媒の漏れが生じた場合を考えると、液が漏れれば組成比
a1の冷媒が漏れ、蒸気が漏れれば組成比Xa2の冷媒が
漏れることになる。したがって、冷凍サイクル内に残る
冷媒の組成比は、液が漏れるか蒸気が漏れるかで異なっ
てくる。
【0005】図4は、外部への冷媒漏れによって生じる
問題点の説明図である。液が漏れると残された混合冷媒
は、低沸点冷媒の比率が大きいX1の状態となり、蒸気
が漏れると高沸点冷媒の比率が大きいX2の状態とな
る。ここで、X0は初期に封入した冷媒組成比である。
組成比がX0の場合とX1の場合とを同じ圧力で比較する
と、組成比がX1の場合の方が温度が低くなる。一方、
組成比がX0の場合とX2の場合とを同じ圧力で比較する
と、組成比がX2の場合の方が温度が高くなる。◆図5
は、低沸点冷媒の組成比に対する冷凍サイクルの一般的
特性を示したもので、組成比Xが大きくなると圧力が高
くなり、冷暖房能力は大きくなる。
【0006】以上説明したように、非共沸混合冷媒を作
動媒体とした冷凍サイクルでは、万一外部への漏れが発
生すると、漏れ個所によっては冷凍サイクル内部に残さ
れた冷媒の組成比が初期組成比、すなわち装置の設計組
成比から変化する。また、外部への漏れが無くても冷凍
サイクルの非定常運転状態では、冷凍サイクル内を循環
する冷媒の組成比が変動する可能性がある。◆冷凍サイ
クル内の冷媒組成比が変化すると冷暖房能力が変化した
り、圧力や温度が異常となるなどの不具合が生じるの
で、冷凍サイクルを適切に制御する必要がある。
【0007】さらに、塩素を含むフロン冷媒がオゾン層
破壊の原因であるとされ、最近では代替冷媒として塩素
を含まないフロン冷媒の非共沸混合物が提案されてお
り、地球環境保全の意味からもこの混合冷媒に対する考
慮も必要である。
【0008】非共沸混合冷媒を作動媒体とした冷凍サイ
クルの制御に関しては、例えば、特開昭59−1293
66号、特開昭61−213554号公報等に記載があ
る。◆ここで、特開昭59−129366号公報に記載
のものは、冷凍サイクル内を循環する冷媒の組成を検出
する手段として、静電容量形のセンサが用いることが開
示されている。さらに、冷凍サイクルが第1受液器、第
2受液器を備え、第2受液器内に電気ヒ−タを設けて、
暖房運転で室外空気温度が低い場合、第2受液器の電気
ヒ−タを作動させ、設定された冷媒濃度になるように電
気ヒ−タを制御することが開示されている。◆一方、特
開昭61−213554号公報には、低沸点冷媒を分離
する分溜器と低沸点冷媒を溜める受液器、及び受液器か
ら冷媒を戻す制御弁を備え、被冷却物の温度によって冷
媒組成を制御する装置が開示されている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】上記したように、非共
沸混合冷媒を封入した冷凍サイクルでは、冷凍サイクル
から外部へ冷媒が漏れた場合や冷凍サイクルの非定常運
転時に冷凍サイクル内の冷媒の組成比が変化する。ま
た、組成を可変とすることで冷凍サイクルの能力を変え
ることもできる。したがって、高性能な冷凍サクルを得
るためには、冷凍サイクル内の冷媒組成比を制御し、安
定した運転を実現することが重要である。また、この組
成比を安価に変える方法が求められている。さらに、塩
素を含まずオゾン層を破壊しない地球環境保全を考慮し
た冷媒を用いる必要もある。
【0010】このような非共沸混合冷媒を用いた冷凍サ
イクルの種々の課題に対し、上記従来技術は、非共沸混
合冷媒の一方の濃度のみを積極的に調整していたので、
濃度の調整幅が狭いという不具合があった。◆また、上
記従来技術では、塩素を含まずオゾン層を破壊しない冷
媒を用いる点についても考慮されていなかった。さら
に、最近提案されている混合冷媒は、程度の差こそあれ
燃焼性を有しており、この燃焼性という新規な課題に対
しても考慮されていない。◆また、非共沸混合冷媒を冷
凍サイクル内に封入する場合に、冷媒の組成比が変化す
る虞れがあるが、組成比を変化させずに非共沸混合冷媒
を封入する方法についても考慮されていない。
【0011】本発明の目的は、オゾン層を破壊しない非
共沸混合冷媒を用いた冷凍サイクルにおいて、非共沸混
合冷媒の組成比の可変幅が大きく、安定した運転ができ
る安価な冷凍サイクルを提供することにある。◆本発明
の他の目的は、オゾン層を破壊しない非共沸混合冷媒を
冷凍サイクルに封入する際に、安定した濃度の冷媒を封
入できる冷凍サイクルの冷媒組成比制御方法を提供する
ことにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、圧縮機、熱源側熱交換器、減圧装置、利
用側熱交換器とを順次配管接続した冷凍サイクルであっ
て、冷媒としてオゾン層を破壊しない非共沸混合冷媒を
用いた冷凍サイクルにおいて、冷凍サイクル内を循環す
る非共沸混合冷媒の組成を検出する手段と、前記非共沸
混合冷媒の沸点が高い冷媒の組成を変える手段と、沸点
が低い冷媒の組成を変える手段と、前記非共沸混合冷媒
の組成を変える手段を制御する制御装置を備え、前記組
成を検出する検出手段の信号に基づいて非共沸混合冷媒
の組成を制御するものである。
【0013】さらに、本発明は、圧縮機、熱源側熱交換
器、利用側熱交換器、減圧装置を備えた冷凍サイクルで
あって、冷媒としてオゾン層を破壊しない非共沸混合冷
媒を用いる冷凍サイクルにおいて、冷凍サイクル内を循
環する非共沸混合冷媒の組成を検出する検出手段と、冷
凍サイクル内に存在する冷媒量を検出する手段と、非共
沸混合冷媒の組成、冷凍サイクル内に存在する冷媒量、
冷媒のメンテナンス作業を表示する表示手段を備えたも
のである。
【0014】さらに、本発明は、非共沸混合冷媒を冷凍
サイクルに封入する際に、非共沸混合冷媒の組成比を所
定の組成比に制御するものである。
【0015】
【作用】本発明によれば、冷凍サイクル内を循環する冷
媒の組成を検出する組成検知センサを冷凍サイクル中の
液状態配管中に設けたので、混合冷媒の組成を精度良く
検出することができる。そして、検出された組成に基づ
いて冷凍サクル中の組成比に適した制御が行われるため
に、外部に冷媒が漏れて冷凍サイクル内を循環する冷媒
の組成がその冷凍サイクルの設計組成から変化した場合
にも安定した運転が可能となる。さらに、冷凍サイクル
に非共沸混合冷媒を封入する際、組成比を所定の組成比
に制御できるので運転中の組成比の変動を少なくでき
る。、また、冷凍サイクルの非定常運転状態で、循環組
成が変動した場合でも、性能、信頼性を確保することが
できる。さらに、冷凍サイクルの能力を冷房あるいは暖
房の負荷に見合った能力に制御することが可能である。
【0016】また、本発明によれば、冷凍サイクル内の
冷媒組成をメンテナンスする場合の作業が非常に簡単に
なる。
【0017】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づき説明す
る。図1に本発明の一実施例を示す。図1は、1台の室
外機に複数の室内機を接続してなる冷凍サイクルを示し
たものである。この図1で、1は圧縮機、2は室外熱交
換器、3は室外送風機、4は四方弁、5はアキュムレ−
タ、6はレシ−バ、7は室外冷媒制御弁で暖房運転時に
減圧機構として作用する。また、8は非共沸混合冷媒の
組成を検出するセンサ、10は冷媒タンク、11は冷却
器、12、13および14は開閉弁、15、16および
17は配管、91、92、93および94は逆止弁であ
り、室外機を構成する。また、20aと20bは室内熱
交換器、21aと21bは室内冷媒制御弁で冷房運転時
に減圧機構として作用するものであり、22と23は冷
媒分流器、24と25は室外側と室内側を接続する配管
である。なお、室内送風機を省略している。
【0018】次に、室外側には非共沸混合冷媒の組成を
検出する静電容量センサ8を用いた検出装置と、開閉弁
12、13および14を制御する制御装置が設けられて
いる。なお、図1では冷凍サイクルの制御系については
省略している。また、冷媒として、塩素を含まずオゾン
層を破壊しない冷媒が用いられている。本実施例では、
非共沸混合冷媒としてHFC32とHFC134aを用
いた場合を例にとり説明する。
【0019】次に、冷媒の流れを説明する。冷房運転時
には、圧縮機から吐出された冷媒は、四方弁4→室外熱
交換器2→逆止弁93→組成センサ8→室外制御弁7→
逆止弁92→レシ−バ6の順に流れ、冷媒分流器23で
分流されて、一方は室内冷媒制御弁21a→室内熱交換
器20a、他方は室内冷媒制御弁21b→室内熱交換器
20bの順に流れ分流器22で合流し、配管24→四方
弁4→アキュムレ−タ5の順に流れて圧縮機に戻る。こ
のとき、室内熱交換器20a,20bが蒸発器となり冷
房運転が行われる。
【0020】一方、暖房運転時には、圧縮機から吐出さ
れた冷媒は、四方弁4→配管24→分流器24の順に流
れ、一方は、室内熱交換器20a→室内冷媒制御弁21
a、他方は室内熱交換器20b→室内冷媒制御弁21b
の順に流れ、分流器23で合流し、配管25→レシ−バ
6→逆止弁94→組成センサ8→室外制御弁7→逆止弁
91→室外熱交換器2→四方弁4→アキュムレ−タ5の
順に流れて圧縮機に戻る。この場合、室内熱交換器20
a、20bが凝縮器となり暖房運転が行われる。
【0021】次に、図1の低沸点冷媒分離回路の詳細を
図2に示す。冷却器11は二重管熱交換器であり、内管
にはレシ−バ底部の液冷媒が導かれる。一方、外管内に
はレシ−バ6の上部のガスが導かれ、導かれた冷媒は内
管を流れる冷媒によって冷却液化され、冷媒貯溜タンク
10に流入する。また、内管を流れる冷媒は蒸発し、圧
縮機吸入側に導かれる。
【0022】ここで、本発明者が行った実験で明らかに
なったレシ−バ内の冷媒の状態を、冷房運転を例に説明
する。配管17からガスと液がレシ−バ6に流入し、レ
シ−バ6の内部では、ガスは液層を上昇しガス層を形成
する。そして、ガスはレシ−バ6の内壁で凝縮し液化さ
れる。その後、出口配管16では液のみとなって流出す
る。実験結果によれば、レシ−バ6内は入口の冷媒乾き
度が大きいと液が無くなり、乾き度が小さいと液で充満
される。この液量変化に対する乾き度の変化は、0.0
1以下の値であることも実験で明らかになった。つまり
レシ−バ内に流入する冷媒の乾き度は非常に小さい値で
あるといえる。
【0023】図6は、非共沸混合冷媒を熱媒体として用
いた場合の凝縮器からレシ−バに至る冷媒経路での冷媒
の状態変化を示したものである。この図6の横軸は低沸
点冷媒すなわちHFC32の組成比Xであり、縦軸は温
度である。圧力は一定としている。X=0は冷媒にはH
FC134aのみが含まれる状態を表し、X=1は冷媒
がHFC32のみの状態である。非共沸混合冷媒では、
図に示すように圧力が同じでも飽和蒸気の温度と飽和液
の温度が異なる。組成比X0は冷凍サイクルに封入され
る組成比を表す。A点は凝縮器の入口の状態、B点は凝
縮開始点、C点はレシ−バ内部の状態を示している。前
述のように、C点は液流量が非常に小さい状態である。
E点はレシ−バ内の液状態を表し、HFC32の組成比
がXlであり、F点はガスの状態を表し、HFC32の
組成比がXgである。F点のガスの組成比は冷凍サイク
ルに封入される組成比X0より大きく、ガスを取り出す
ことにより冷凍サイクル内の組成比を変え得ることがわ
かる。
【0024】図1、2において、レシ−バ6の上部から
取り出されたHFC32の組成比が大きいガス冷媒は冷
却器11で液化しタンク10に溜る。この結果、冷凍サ
イクル内の冷媒の組成比はX0より小さくなる。また、
冷凍サイクル内の冷媒の組成比がX0より小さい場合に
は、開閉弁14を開けることによりHFC32の組成比
が大きい冷媒を冷凍サイクルに戻すことができる。◆以
上のように、レシ−バ内のガス冷媒を取り出したり、戻
すことにより主冷凍サイクルの冷媒組成比は可変とな
る。
【0025】次に混合冷媒の組成比を検出する静電容量
形センサ8の一実施例について説明する。図7は、図1
に示した静電容量形の組成検出センサ8の断面図であ
る。図7において、53は外管電極、54は内管電極で
あり、ともに中空管である。内管電極54は外管電極5
3の中央部に設けられた円形の溝が形成されたストッパ
55a,55bで両端を固定されている。そして、スト
ッパ55a,55bの外径は外管電極53の内径と略同
じであり、外径が外管電極53の内径程の大きさの冷媒
導入管59でその内管電極保持面の反対面を固定されて
いる。さらに、冷媒導入管59は前記外管電極53に固
定される。
【0026】これにより、内管電極54は、外管電極5
3の中央部に固定される。また、前記外管電極53、内
管電極54には、静電容量値を検出するために外管電極
信号線56、内管電極信号線57が接続されている。さ
らに、内管電極信号線57の外側には、前記内管電極信
号線57を外管電極53の外側に導くと共に、内部の冷
媒を外部へ逃がさないようにするための信号線導出管5
8(例えば、ハーメチック端子)が設けられている。ま
た、前記ストッパ55a,55bには内部を流通する混
合冷媒の流れを阻害しないように、中央部に内管電極5
4の内径以下の貫通路が、内管電極54と外管電極53
との間に位置する場所に冷媒の流通路がそれぞれ少なく
とも一つ設けられている。
【0027】次に、前記静電容量形の組成比検出センサ
8を用いて混合冷媒の組成を検出する方法について説明
する。図8は、前記静電容量センサを用いた場合の冷媒
組成比と静電容量値の関係を示す図である。本図は、混
合冷媒の高沸点冷媒としてHFC134aを、低沸点冷
媒としてHFC32を用い、図7に示す組成比検出セン
サ内に混合冷媒をガス状態で封入した場合と液状態で封
入した場合について測定した結果である。横軸はHFC
32の組成比を、縦軸は組成比検出センサ8の出力であ
る静電容量値を示す。
【0028】図において、各々の冷媒のガスと液の静電
容量値を比較すると、液冷媒の方が大きな値を示し、特
にHFC134aの方は、ガスと液の静電容量値の差が
大きい。これは、冷媒の乾き度が変化すると静電容量値
が変化することを表している。一方、HFC134aと
HFC32の静電容量値を比較すると、液,ガスの両方
ともHFC32の方が静電容量値が大きな値を示してい
る。これは、組成比検出センサ11にガスないしは液冷
媒のみが存在し、冷媒組成比が変化すると静電容量値が
変化することを表している。
【0029】ただし、組成比検出センサ8内が気液二相
状態になると、混合冷媒の組成比以外に冷媒の乾き度に
より静電容量値に変化が起こるため、組成比の検出が不
可能となる。そこで、組成比検出センサ8を用いて混合
冷媒の組成比を検出する場合は、冷凍サイクル中で常に
ガス冷媒もしくは常に液冷媒である部分に設置する必要
がある。本実施例は、図1に示すように逆止弁91〜9
4を構成しているので、組成比検出センサ8部を通過す
る冷媒は暖房運転、冷房運転のいずれの運転においても
液状態である。また、本実施例では、冷凍サイクルの圧
縮機出口に組成比検出センサ8を設けたが、冷凍サイク
ルの構成の上で、常にガス、あるいは常に液となる部分
であれば、その位置に限るものではない。また、組成比
検出手段は静電容量形以外の方式でもよい。
【0030】次に、図1に示した冷凍サイクルの制御方
法のフローチャートを図9に示す。冷凍サイクルが起動
された後、予め定められた条件を満足した場合に、組成
比検出センサの信号をもとに組成比を判定する。検出さ
れた組成比Xが冷凍サイクルに封入された組成比X0
り大きいか小さいかの判定を行い、X>(X0+α)の
場合には開閉弁12と13を開き、(X0−α)≦X≦
(X0+α)を満足したら開閉弁12と13を閉じる。
一方、検出された組成比XがX<(X0−α)の場合に
は開閉弁14を開き、(X0−α)≦X≦(X0+α)を
満足したら開閉弁14を閉じる。ここで、αは許容誤差
である。
【0031】したがって、冷凍サイクル内の冷媒の組成
をX0近傍に制御することができ、高圧側の異常圧力上
昇を防止でき安定した運転が可能となる。◆また、非共
沸混合冷媒の組成比を可変とすることで、図3に示した
ように冷暖房能力を変えることも可能となる。
【0032】次に、本発明の冷凍サイクルの他の態様を
図10に示す。図10も非共沸混合冷媒の組成比を可変
とする冷凍サイクルであるが、主に高沸点冷媒の量を変
えるものである。図10で、図1と同じ番号を付したも
のは図1と同一部品を表す。ここで、30は冷媒タン
ク、31と32は開閉弁、33と34は配管である。冷
房運転および暖房運転の冷媒の流れ方向は図1と同様で
ある。図10では、開閉弁31を介してアキュムレ−タ
5の底部の液冷媒をタンク30に流出させ、また、タン
ク30内の冷媒を開閉弁32を介して主冷凍サイクルに
戻すことができる。
【0033】次に、図11は蒸発器からアキュムレ−タ
5に至る系における冷媒の変化を示したものである。図
11の横軸は低沸点冷媒すなわちHFC32の組成比X
であり、縦軸は温度である。圧力は一定としている。X
=0は冷媒がHFC134aのみの状態を表し、X=1
は冷媒がHFC32のみの状態である。非共沸混合冷媒
では、図に示すように圧力が同じでも飽和蒸気の温度と
飽和液の温度は異なる。また、X0は冷凍サイクルに封
入される冷媒におけるHFC32の組成比である。G点
は蒸発器の入口状態を表し、H点がアキュムレ−タ5内
の状態を表す。アキュムレ−タ5内の冷媒は蒸発器を通
過した後であり冷媒の乾き度は大きく、H点は蒸気線に
近い。したがって、H点の液とガスの状態はJ点及びI
点で表され、J点は高沸点冷媒HFC134aの組成比
が大きく、I点は低沸点冷媒の組成がX0に近づく。◆
したがって、アキュムレ−タ5内から取り除いた液冷媒
をタンク30に導くことによって、主冷凍サイクル内の
HFC134aの組成比を小さくすることができる。な
お、アキュムレ−タ5に液冷媒を溜めるのは、冷房運転
の場合であれば室内冷媒制御弁21aあるいは21bの
開度を大きくすることで実現できる。
【0034】次に、図10に示した冷凍サイクルの制御
のフローチャートを図12に示す。冷凍サイクルが起動
された後、予め定められた条件を満足すると、組成セン
サの信号に基づいて組成比が判定される。検出された組
成比Xが冷凍サイクルに封入された組成比X0より大き
いか小さいかの判定を行い、X>(X0+α)の場合に
は開閉弁32を開き、(X0−α)≦X≦(X0+α)を
満足したら開閉弁32を閉じる。一方、検出された組成
比XがX<(X0+α)でX<(X0−α)の場合には開
閉弁31を開き、(X0−α)≦X≦(X0+α)を満足
したら開閉弁14を閉じる。ここで、αは許容誤差であ
る。◆したがって、冷凍サイクル内の冷媒の組成比をX
0近傍に制御することができ、安定した運転が可能とな
る。また、非共沸混合冷媒の組成が可変となっているの
で、図3に示したように冷暖房能力を変えることも可能
となる。
【0035】次に本発明の冷凍サイクルの他の態様を図
13に示す。図13も非共沸混合冷媒の組成比を可変と
する冷凍サイクルであり、図1および図10に示す実施
例の機能を統合したものである。図13で、図10と同
じ番号を付したものは図10と同一部品である。ここ
で、40は冷媒タンク、41と43は開閉弁、42と4
4は配管を表す。冷媒タンク40は図に示すようにアキ
ュムレ−タ5と一体化されており、冷媒タンク40とア
キュムレ−タ5との間で熱交換が行われる。冷房運転お
よび暖房運転の冷媒の流れ方向は図1と同様である。図
13では、開閉弁43を介してアキュムレ−タ5の底部
の液冷媒をタンク40に流出させ貯溜することができ
る。
【0036】さらに、レシ−バ6内のガス冷媒を開閉弁
41を介してタンク40に流入させアキュムレ−タ5と
の間で熱交換させることにより凝縮液化させることがで
きる。また、開閉弁43を介してタンク40の底部の液
冷媒をアキュムレ−タ5に流出させ主冷凍サイクルに戻
すこともできる。したがって、開閉弁41を開けるとH
FC32の組成比が大きいガスを主冷凍サイクルから抜
き、主冷凍サイクルのHFC32の組成比を小さくでき
る。一方、開閉弁43を開けるとHFC134aの組成
比が大きい液冷媒を主冷凍サイクルから抜き、主冷凍サ
イクルのHFC134aの組成比を小さくできる。
【0037】図14は、図13に示したレシ−バ6、ア
キュムレ−タ5およびタンク40の詳細図である。図1
4で、図13と同じ番号を付したものは図13と同一部
品である。アキュムレ−タ5と圧縮機1を接続する配管
34はアキュムレ−タ5内でU字形を形成し、端部はア
キュムレ−タ5内の上部で開口している。U字形の最下
部には冷凍サイクル内を循環する油を戻す穴36が設け
られ、また、U字形の上部にはガスの一部を流出させる
穴35が設けられている。配管42および開閉弁41は
レシ−バ6の上部の適宜位置と冷媒タンク40の上部の
適宜位置に接続されている。さらに、配管44と開閉弁
43はアキュムレ−タ5の下部と冷媒タンク40の下部
の適宜位置に接続されている。なお、図14では冷媒タ
ンク40をアキュムレ−タ5の下部に一体化したが、ア
キュムレ−タ5と冷媒タンク40との間で熱交換できる
構造であればいかなる配置でもよい。
【0038】次に図13に示した冷凍サイクルの制御の
フローチャートを図15に示す。冷凍サイクルが起動さ
れた後、予め定められた条件を満足すると、組成比検出
センサの信号に基づいて組成比が判定される。検出され
た組成比Xが冷凍サイクルに封入された組成比X0より
大きいか小さいかの判定を行い、X>(X0+α)の場
合には開閉弁41を開き、(X0−α)≦X≦(X0
α)を満足したら開閉弁41を閉じる。一方、検出され
た組成XがX<(X0+α)でX<(X0−α)の場合に
は開閉弁43を開き、(X0−α)≦X≦(X0+α)を
満足したら開閉弁43を閉じる。したがって、冷凍サイ
クル内の冷媒の組成をX0近傍に制御することができ、
安定した冷暖房運転が可能となる。また、非共沸混合冷
媒の組成を可変とすることで、図3に示したように冷暖
房能力を変えることも可能となる。
【0039】次に、本発明の他の実施例について説明す
る。◆図16に、冷凍サイクルの他の実施例を示す。図
16で、1は圧縮機、2は室外熱交換器、3は室外送風
機、4は四方弁、5はアキュムレ−タ、6はレシ−バ、
7は室外冷媒制御弁、8は非共沸混合冷媒の組成比を検
出するセンサ、91、92、93および94は逆止弁で
あり、室外機に設けられている。また、20aと20b
は室内熱交換器、21aと21bは室内冷媒制御弁であ
り、22と23は冷媒分流器、24と25は室外側と室
内側を接続する配管である。さらに、レシ−バ6の内部
にはレシ−バ6内の冷媒液面を検出する静電容量形の液
面センサ60が設けられている。また、非共沸混合冷媒
の組成比を検出する静電容量センサ8および冷媒液面を
検出する静電容量形の液面センサ60および液面検出装
置、組成を演算する演算装置、冷媒量を演算する演算装
置、表示装置が設けられている。◆なお、本実施例で
は、冷媒として塩素を含まずオゾン層を破壊しない冷媒
を作動媒体として用いている。このような冷媒として
は、非共沸混合冷媒であるHFC32とHFC134a
の混合冷媒があり、以下この冷媒を用いた例について説
明する。
【0040】この実施例の冷媒の流れを説明する。冷房
運転時には、圧縮機から吐出された冷媒は、四方弁4→
室外熱交換器2→逆止弁93→組成比検出センサ8→室
外制御弁7→逆止弁92→レシ−バ6の順に流れ、冷媒
分流器23で分流されて、一方は室内冷媒制御弁21a
→室内熱交換器20a、他方は室内冷媒制御弁21b→
室内熱交換器20bの順に流れ、分流器22で合流し、
配管24→四方弁4→アキュムレ−タ5の順に流れて圧
縮機に戻る。室内熱交換器20aと20bが蒸発器とな
り冷房運転が行われる。一方、暖房運転時には、圧縮機
から吐出された冷媒は、四方弁4→配管24→分流器2
4の順に流れ、一方は、室内熱交換器20a→室内冷媒
制御弁21a、他方は室内熱交換器20b→室内冷媒制
御弁21bの順に流れ、分流器23で合流し、配管25
→レシ−バ6→逆止弁94→組成比検出センサ8→室外
制御弁7→逆止弁91→室外熱交換器2→四方弁4→ア
キュムレ−タ5の順に流れて圧縮機に戻る。この場合、
室内熱交換器20aと20bが凝縮器となり暖房運転が
行われる。
【0041】冷凍サイクルに封入された冷媒が外部に漏
れて非共沸混合冷媒の組成比が変化した場合、前述の様
に組成比検出センサ8により冷凍サイクル内の冷媒組成
比を検出することができる。レシ−バ6の液面と冷凍サ
イクル内の冷媒量との間には相関があるので、図16に
示すようにレシ−バ6内に設けた液面センサにより冷凍
サイクル内の冷媒量を検出することができる。ここで
は、液面センサとして静電容量形を用いているので冷媒
の組成比が変化したときにも液面センサ60の信号が変
化するが、組成比検出センサ8により検出される組成比
により液面センサ60の信号を補正可能である。
【0042】上述した冷凍サイクルの構成により、冷凍
サイクルに封入された冷媒が外部に漏れて非共沸混合冷
媒の組成比が変化した場合であっても、冷凍サイクルの
メンテナンスを容易に行うことができる。すなわち、表
示装置に冷凍サイクル内の冷媒量、冷媒組成比、正常か
否かの表示あるいは追加すべき冷媒の種類、量等を選択
表示させることができ、メンテナンス作業が非常に楽に
なる。
【0043】次に本発明の他の実施例について説明す
る。図17は、図16に示した冷凍サイクルに冷媒封入
用のバルブ61を付加した例である。冷媒封入用バルブ
61は冷凍サイクルのアキュムレ−タ5の入口側に設け
られている。また、62は低沸点冷媒のボンベ、63は
高沸点冷媒のボンベである。冷凍サイクル内の冷媒量に
不足が生じたとき、追加すべき冷媒が低沸点冷媒である
場合には低沸点冷媒ボンベ63を冷媒封入用バルブ61
に接続し封入する。しかし、追加すべき冷媒が高沸点冷
媒のときには、冷媒ボンベ内の圧力が冷凍サイクル内の
圧力より低い場合がある。この場合は、冷凍サイクルを
運転し、冷房運転時には室内冷媒制御弁21aあるいは
21bの開度を小さくし、冷媒ボンベ62内の圧力より
冷凍サイクルの低圧側圧力を低下させる。これにより、
冷媒の封入が可能となる。暖房運転の場合には、室外冷
媒制御弁の開度を小さくすればよい。
【0044】次に、上記冷凍サイクルを用いる場合の作
業方法について説明する。図18は図16の冷凍サイク
ルに冷媒封入用のバルブ61を付加した例である。冷媒
封入用バルブ61は冷凍サイクルのアキュムレ−タ5の
入口側に設けられている。ここで、64は非共沸混合冷
媒が封入された冷媒ボンベである。冷媒ボンベ64に
は、ボンベ内の上部から冷媒を取り出すバルブ65、ボ
ンベ内の下部から冷媒を取り出すバルブ67がそれぞれ
設けられている。
【0045】図19は冷媒ボンベ64の内部状態を説明
する説明図である。冷媒ボンベ64の内部では、図のK
点の組成のガスとL点の組成の液が共存している。した
がって、ガスを取り出すことで低沸点冷媒の組成比が大
きい冷媒を取り出すことができ、一方、液を取り出すこ
とで高沸点冷媒の組成比が大きい冷媒を取り出すことが
できる。このような特性を利用して、冷凍サイクルに冷
媒を封入するに際し、低沸点冷媒を封入する場合には、
図18中のバルブ65から冷媒を取り出し、一方高沸点
冷媒を封入する場合には、図18中のバルブ67から冷
媒を取り出す。
【0046】次に本発明の他の実施例を図20により説
明する。◆図20で、1は圧縮機、2は室外熱交換器、
3は室外送風機、4は四方弁、5はアキュムレ−タ、6
はレシ−バ、7は室外冷媒制御弁、8は非共沸混合冷媒
の組成比を検出するセンサ、91、92、93および9
4は逆止弁であり室外機に設けられている。また、20
aと20bは室内熱交換器、21aと21bは室内冷媒
制御弁であり、22と23は冷媒分流器、24と25は
室外側と室内側を接続する配管、81と82は配管、8
3と84は開閉弁である。また、80は非共沸混合冷媒
の組成比を検出し表示する検出表示装置であり、85は
静電容量センサである。検出表示装置80は、静電容量
センサ85の他に、組成を演算する演算装置、組成を表
示する表示装置を備えている。本実施例では、非共沸混
合冷媒としてHFC32とHFC134aを用いてい
る。
【0047】次に、冷媒の流れを説明する。冷房運転時
には、圧縮機から吐出された冷媒は、四方弁4→室外熱
交換器2→逆止弁93→室外制御弁7→逆止弁92→レ
シ−バ6の順に流れ、冷媒分流器23で分流されて、一
方は室内冷媒制御弁21a→室内熱交換器20a、他方
は室内冷媒制御弁21b→室内熱交換器20bの順に流
れ、分流器22で合流し、配管24→四方弁4→アキュ
ムレ−タ5の順に流れて圧縮機に戻る。この場合、室内
熱交換器20aと20bが蒸発器となり冷房運転が行わ
れる。一方、暖房運転時には、圧縮機から吐出された冷
媒は、四方弁4→配管24→分流器24の順に流れ、一
方は、室内熱交換器20a→室内冷媒制御弁21a、他
方は室内熱交換器20b→室内冷媒制御弁21b→の順
に流れ、分流器23で合流し、配管25→レシ−バ6→
逆止弁94→室外制御弁7→逆止弁91→室外熱交換器
2→四方弁4→アキュムレ−タ5の順に流れて圧縮機に
戻る。この場合、室内熱交換器20aと20bが凝縮器
となり暖房運転が行われる。
【0048】冷媒の組成比を検出する場合には、検出表
示装置80のセンサ85部分を開閉弁83と84の間に
接続し、冷房あるいは暖房運転を行いながらセンサ85
に冷媒を流通させる。このように、冷凍サイクルには冷
媒組成比検出用の冷媒取り出し部を設け、冷凍サイクル
系とは別の検出表示装置80により組成比を検出できる
ので冷凍サイクルに組成比センサを備える必要がなく、
冷凍サイクルを安価に構成できる。
【0049】なお、冷凍サイクルに冷媒が全然封入され
ていない場合には、まず、真空ポンプでサイクル内を真
空排気し、次いで高沸点冷媒から順に所定量づつ封入す
ればよい。このようにすることにより冷凍サイクル内の
非共沸混合冷媒の組成比を精度良く設定値に近づけるこ
とができる。
【0050】
【発明の効果】本発明によれば、非共沸混合冷媒が封入
された冷凍サイクル内の冷媒組成比を安価な装置で変え
ることができ、非共沸混合冷媒の組成比を安定化するこ
とができる。◆また、非共沸混合冷媒が封入された冷凍
サイクル内の冷媒組成比が検出され、かつ冷凍サイクル
内の冷媒量も検出できることから、追加、削除すべき冷
媒の種類、量が表示することが可能となり、冷凍サイク
ルの冷媒に関わるメンテナンス作業が非常に簡単にな
る。
【0051】さらに、冷凍サイクルに封入する冷媒組成
比を制御しているので、冷凍サイクルの高効率な運転が
可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】非共沸混合冷媒の組成を制御する制御装置を備
えた冷凍サイクルの模式図。
【図2】冷媒の組成を制御する冷媒回路の縦断面図。
【図3】非共沸混合冷媒の特性を説明する図。
【図4】非共沸混合冷媒の組成と温度の関係を示す図。
【図5】非共沸混合冷媒を用いた冷凍サイクルの特性を
示す図。
【図6】非共沸混合冷媒の特性を説明する図。
【図7】静電容量形組成比検知センサの断面図。
【図8】非共沸混合冷媒の組成と静電容量値の関係を説
明する図。
【図9】非共沸混合冷媒の組成を制御するフロ−チャー
ト。
【図10】非共沸混合冷媒の組成を制御する制御装置を
備えた冷凍サイクルの模式図。
【図11】非共沸混合冷媒の特性を説明する図。
【図12】非共沸混合冷媒の組成比を制御するフロ−チ
ャート。
【図13】非共沸混合冷媒の組成比を制御する制御装置
を備えた冷凍サイクルの模式図。
【図14】冷媒分離回路の詳細図。
【図15】非共沸混合冷媒の組成比を制御するフロ−チ
ャート。
【図16】非共沸混合冷媒の組成比検出センサと冷媒量
検知センサを備えた冷凍サイクルの模式図。
【図17】非共沸混合冷媒の組成比検出センサと冷媒量
検知センサを備えた冷凍サイクルの模式図。
【図18】組成比検出センサと冷媒量センサを備えた冷
凍サイクルの模式図。
【図19】冷媒ボンベ内の組成を説明する図。
【図20】組成比検出装置を備えた冷凍サイクルの模式
図。
【符号の説明】
1・・圧縮機、2・・室外熱交換器、4・・四方弁、5
・・アキュムレ−タ、6・・レシ−バ、8・・組成セン
サ、10・・冷媒タンク、20a,20b・・室内熱交
換器。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 遠藤 剛 静岡県清水市村松390番地 株式会社日立 製作所清水工場内 (72)発明者 松嶋 弘章 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】圧縮機と、熱源側熱交換器と、冷媒減圧装
    置と、利用側熱交換器とを順次配管接続した冷凍サイク
    ルであって、その作動冷媒に非共沸混合冷媒を用いた冷
    凍サイクルにおいて、 前記配管内の少なくとも一部において冷媒が常時液相と
    なる流れ制御手段を前記配管中に設け、該流れ制御手段
    により液相となった配管部分に非共沸混合冷媒の組成比
    を検出する検出手段を設けたことを特徴とする冷凍サイ
    クル。
  2. 【請求項2】前記検出手段が検出した非共沸混合冷媒の
    組成比に基づいて冷凍サイクル内の非共沸混合冷媒の組
    成比を制御する組成比制御手段を設けたことを特徴とす
    る請求項1に記載の冷凍サイクル。
  3. 【請求項3】前記非共沸混合冷媒はオゾン層を破壊しな
    い冷媒を混合した非共沸混合冷媒であることを特徴とす
    る請求項1または2に記載の冷凍サイクル。
  4. 【請求項4】冷凍サイクルに封入される非共沸混合冷媒
    の設計組成比を予め記憶する記憶手段と、該記憶手段に
    記憶された設計組成比と前記検出手段により検出された
    組成比とを比較する比較手段とをを前記制御装置に設け
    たことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に
    記載の冷凍サイクル。
  5. 【請求項5】非共沸混合冷媒の組成を検出する検出手段
    が静電容量形センサである請求項1に記載の冷凍サイク
    ル。
  6. 【請求項6】圧縮機と、熱源側熱交換器と、冷媒減圧装
    置と、利用側熱交換器とを順次配管接続し、前記熱源側
    熱交換器と前記利用側熱交換器とを結ぶ高圧液接続配管
    途中に受液器を設けた冷凍サイクルであって、その作動
    冷媒に非共沸混合冷媒を用いた冷凍サイクルにおいて、 前記配管内の少なくとも一部において冷媒が常時液相と
    なる流れ制御手段を前記配管中に設け、該流れ制御手段
    により液相となった配管部分に非共沸混合冷媒の組成比
    を検出する検出手段を配設し、前記受液器の上部ガス冷
    媒を導出して冷却液化する冷却器と液化された冷媒を貯
    溜するタンクと該タンクから冷凍サイクルに冷媒を戻す
    戻り管路とを設けたことを特徴とする冷凍サイクル。
  7. 【請求項7】圧縮機と、熱源側熱交換器と、冷媒減圧装
    置と、前記圧縮機の吸入側に設けたアキュムレ−タと、
    利用側熱交換器とを順次配管接続した冷凍サイクルであ
    って、 前記配管内の少なくとも一部において冷媒が常
    時液相となる流れ制御手段を前記配管中に設け、該流れ
    制御手段により液相となった配管部分に非共沸混合冷媒
    の組成比を検出する検出手段を配設し、前記アキュムレ
    −タの下部液冷媒を導出し該液冷媒を貯溜するタンクと
    タンクから主冷凍サイクルに冷媒を戻す管路とを備えた
    ことを特徴とする冷凍サイクル。
  8. 【請求項8】前記アキュムレ−タと熱交換可能に前記貯
    溜タンクを形成し、前記アキュムレ−タの下部から液冷
    媒を前記貯溜タンクに導出する通路と、前記熱源側熱交
    換器と前記利用側熱交換器とを結ぶ高圧液接続配管途中
    に設けた受液器の上部のガスを前記貯溜タンクに導出す
    る冷媒回路とを設けた請求項7に記載の冷凍サイクル。
  9. 【請求項9】圧縮機、熱源側熱交換器、利用側熱交換
    器、冷媒減圧装置、前記熱源側熱交換器と前記利用側熱
    交換器とを結ぶ高圧液接続配管途中に設けられた受液
    器、前記圧縮機の吸入側に設けたアキュムレ−タなどか
    ら主冷凍サイクルを構成し、冷媒としてオゾン層を破壊
    しない冷媒を少なくとも2種類混合した非共沸混合冷媒
    を作動媒体として用いるとともに、非共沸混合冷媒の組
    成を検出する検出手段と、前記アキュムレ−タと熱交換
    可能とした貯溜タンクと、前記アキュムレ−タの下部か
    ら液冷媒を前記貯溜タンクに導出する通路と前記受液器
    上部のガスを前記貯溜タンクに導出する冷媒回路を備え
    た冷凍サイクル。
  10. 【請求項10】圧縮機、熱源側熱交換器、利用側熱交換
    器、冷媒減圧装置を備えた冷凍サイクルであって、冷媒
    としてオゾン層を破壊しない冷媒を混合した非共沸混合
    冷媒を用いる冷凍サイクルにおいて、 非共沸混合冷媒の組成を検出する第1のセンサと、該第
    1のセンサの信号により非共沸混合冷媒の組成を演算す
    る組成演算手段と、冷凍サイクル内に存在する冷媒量を
    検出する第2のセンサと、該第2のセンサの信号に基づ
    いて冷媒量を演算する冷媒量演算手段と、少なくとも非
    共沸混合冷媒の組成、非共沸混合冷媒の冷媒量の表示、
    非共沸混合冷媒の組成および冷媒量が正常か異常かの判
    断結果、および追加すべき冷媒の種類と量のいずれか1
    つを表示する表示装置を備えたことを特徴とする冷凍サ
    イクル。
  11. 【請求項11】圧縮機と、熱源側熱交換器と、冷媒減圧
    装置と、利用側熱交換器とを順次配管接続した冷凍サイ
    クルであって、その作動冷媒に非共沸混合冷媒を用いた
    冷凍サイクルにおいて、 前記配管内の少なくとも一部において冷媒が常時液相と
    なる流れ制御手段を前記配管中に設け、該流れ制御手段
    により液相となった配管部分に非共沸混合冷媒の組成比
    を検出する検出手段を設けるとともに、該検出手段のの
    信号により非共沸混合冷媒の組成を演算する組成演算手
    段と、冷凍サイクル内に存在する冷媒量を検出するセン
    サと、該センサの信号により冷媒量を演算する冷媒量演
    算手段と、少なくとも冷媒の種類および量いずれかのの
    表示を行う表示装置と、冷凍サイクルの雰囲気温度を検
    出する雰囲気温度検出手段とを設け、前記表示装置に表
    示された追加すべき冷媒の種類または量に基づいて高沸
    点冷媒を封入するときに冷凍サイクルの低圧側圧力を高
    沸点冷媒の飽和圧力より低く制御する制御手段を設けた
    ことを特徴とする冷凍サイクル。
  12. 【請求項12】前記冷凍サイクルに封入する非共沸混合
    冷媒を収容した冷媒ガスボンベに該冷媒ガスボンベ内の
    液部と連通する液取り出し口とガス部に連通するガス取
    り出し口とを設け、該夫々の取り出し口をバルブを介し
    て前記冷凍サイクルに配管接続したことを特徴とする請
    求項11に記載の冷凍サイクル。
  13. 【請求項13】圧縮機、熱源側熱交換器、利用側熱交換
    器、冷媒減圧装置を有する冷凍サイクルに非共沸混合冷
    媒を封入した冷凍サイクルの冷媒組成比制御方法におい
    て前記非共沸混合冷媒を組成する冷媒の中で沸点が高い
    冷媒から順に所定量づつ冷媒を封入することを特徴とす
    る冷凍サイクルの冷媒組成比制御方法。
  14. 【請求項14】圧縮機、熱源側熱交換器、利用側熱交換
    器、冷媒減圧装置を有する冷凍サイクルに非共沸混合冷
    媒を封入した冷凍サイクルの冷媒組成比制御方法におい
    て冷媒の種類と量の表示を行う表示装置に表示された追
    加すべき冷媒の種類と量に基づいて冷媒を冷凍サイクル
    に追加するときに、冷凍サイクルの低圧側圧力を高沸点
    冷媒の飽和圧力より低くして高沸点冷媒を封入すること
    を特徴とする冷凍サイクルの冷媒組成比制御方法。
  15. 【請求項15】圧縮機、熱源側熱交換器、利用側熱交換
    器、冷媒減圧装置を有する冷凍サイクルに、非共沸混合
    冷媒を封入した冷凍サイクルの冷媒組成比制御方法にお
    いて非共沸混合冷媒を封入する前に真空ポンプにより冷
    凍サイクル内を真空状態にし、次に高沸点冷媒から順次
    封入することを特徴とする冷凍サイクルの冷媒組成比制
    御方法。
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