JPWO2017195248A1 - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

冷凍装置は、冷媒回路と、インジェクション回路と、入口温度センサと、出口温度センサと、冷媒回路の動作を制御する制御装置とを有する。制御装置は、入口温度センサにおいて検知された入口温度及び出口温度センサにおいて検知された出口温度に基づいて、過冷却熱交換器の性能を示す評価値を算出する評価値算出部と、評価値算出部において算出された評価値に基づいて、冷媒量が不足しているか否かを判定する冷媒量判定部とを備える。

Description

本発明は、温度勾配がある冷媒を使用した際の冷媒不足の検知を行う冷凍装置に関するものである。

冷凍装置における冷媒量の過不足は、能力低下又は構成機器の損傷の原因になる。そこで、従来から冷凍装置に充填されている冷媒量の過不足を判定することが提案されている（例えば特許文献１参照）。特許文献１には、過冷却熱交換器の温度効率を算出し、算出した温度効率から冷媒量を推定して過不足を判定する冷凍空調装置が開示されている。この際、圧縮機の吐出側に設けた圧力センサにおいて吐出圧力が測定され、吐出圧力に基づき飽和ガス温度が求められ、飽和ガス温度と外気温度もしくは凝縮器の出口温度とにより温度効率が算出される。そして、温度効率が閾値を下回った場合、制御装置が冷媒不足であると判定する。

特開２０１０−２２３５４２号公報

ところで、冷凍装置に用いられる冷媒が、例えばＲ４０７Ｃ、Ｒ４１０Ａ、ＤＲ５５、Ｎ４０(Ｒ４４８Ａ)など温度勾配のある冷媒である場合、ガス飽和温度と液飽和温度との間で温度差が生じる。また、冷凍装置が室内側の圧縮機と室外側の凝縮器とに別筐体として構成されているいわゆるリモート式コンデンシングユニットである場合、圧縮機ユニットと凝縮器ユニットの間の配管を現地接続するため、圧縮機の吐出側と凝縮器の出口側との間では圧力損失が大きくなる。このような場合、特許文献１のような温度効率の算出が行われたときに、もしくは過冷却度が算出されたとき、温度効率及び過冷却度が実際の値よりも大きくなるため、温度効率及び過冷却度の算出精度が低くなり冷媒量の誤検知が生じる。

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、冷媒量の過不足の判定に誤検知が生じるのを防止することができる冷凍装置を提供することを目的とする。

本発明の冷凍装置は、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機から吐出された冷媒を放熱して冷却する凝縮器と、凝縮器から流出した冷媒を過冷却する過冷却熱交換器と、過冷却熱交換器において過冷却された冷媒を減圧する減圧装置と、減圧装置において減圧膨張された冷媒を吸熱して蒸発させる蒸発器とが冷媒配管により接続された冷媒回路と、過冷却熱交換器と減圧装置との間から分岐し、過冷却熱交換器から流出した冷媒の一部を圧縮機へ流入するインジェクション回路と、凝縮器から過冷却熱交換器に流入する冷媒の入口温度を検知する入口温度センサと、過冷却熱交換器から減圧装置へ流出した冷媒の出口温度を検知する出口温度センサと、冷媒回路の動作を制御する制御装置とを有し、圧縮機と過冷却熱交換器と入口温度センサと出口温度センサとは、圧縮機ユニット内に配置されており、凝縮器は、圧縮機及び過冷却熱交換器に現地配管を介して接続され、圧縮機ユニットとは異なる凝縮器ユニット内に配置されたものであり、制御装置は、入口温度センサにおいて検知された入口温度及び出口温度センサにおいて検知された出口温度に基づいて、過冷却熱交換器の性能を示す評価値を算出する評価値算出部と、評価値算出部において算出された評価値に基づいて、冷媒量が不足しているか否かを判定する冷媒量判定部とを備える。

本発明の冷凍装置によれば、過冷却熱交換器の入口温度に基づいて温度効率を算出することにより、例えば温度勾配がある冷媒を使用した場合もしくは圧縮機と凝縮器とが別ユニットからなる場合であっても、複雑な制御を組むことなく、冷媒不足の判定を精度良く行うことができる。

本発明の実施の形態１に係る冷凍装置の冷媒回路図である。 本発明の実施の形態１における適正な冷媒量が充填されたときのｐ−ｈ線図である。 図１の冷凍装置における制御装置の一例を示す機能ブロック図である。 本発明の実施の形態１における冷媒量不足時のｐ−ｈ線図である。 図３の制御装置の動作例を示すフローチャートである。 従来の一体型の機種である冷凍装置の一例を示す冷媒回路図である。 図１の冷凍装置に温度勾配がある冷媒を用いた場合のｐ−ｈ線図である。 図６の従来の冷凍装置に温度勾配がある冷媒を用いた場合のｐ−ｈ線図である。 図１の冷凍装置の各位置における飽和温度を示すグラフである。 図６の従来の冷凍装置の各位置における飽和温度を示すグラフである。 本発明の実施の形態２に係る冷凍装置の制御装置における評価値の一例を示すグラフである。 本発明の実施の形態３に係る冷凍装置の制御装置の一例を示す機能ブロック図である。 図１２の制御装置の動作例を示すフローチャートである。 図１に記載の冷凍装置の過冷却熱交換器１４の温度効率と冷凍装置の運転条件との関係を説明する図である。

実施の形態１．
以下、図面を参照しながら本発明の冷凍装置の実施の形態について説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る冷凍装置の冷媒回路図である。図１の冷凍装置１は、例えば蒸気圧縮式の冷媒サイクル運転を行うことによって倉庫を冷却し、店舗で販売されている品物を冷却するものである。冷凍装置１は、熱源側ユニット１０と負荷側ユニット２０とを有し、さらに熱源側ユニット１０は、圧縮機ユニット１０Ａと凝縮器ユニット１０Ｂとを備える。そして、圧縮機ユニット１０Ａ、凝縮器ユニット１０Ｂ及び負荷側ユニット２０は、それぞれ独立したユニットからなっている。圧縮機ユニット１０Ａと凝縮器ユニット１０Ｂとは、現地配管２ａ、２ｂを介して接続されており、圧縮機ユニット１０Ａと負荷側ユニット２０とは、冷媒配管２ｃ、２ｄを介して接続されている。

図１の冷凍装置１は、圧縮機１１、凝縮器１２、過冷却熱交換器１４、減圧装置２１、蒸発器２２を備え、これらが冷媒配管によって接続されて冷媒が循環する冷媒回路が構成されている。このうち、圧縮機ユニット１０Ａには、圧縮機１１及び過冷却熱交換器１４が収容されている。また、負荷側ユニット２０には、減圧装置２１及び蒸発器２２が収容されている。

圧縮機１１は、冷媒を圧縮して吐出するものであり、運転容量を可変することが可能な圧縮機、または周波数固定の一定速圧縮機からなっている。圧縮機１１は、たとえば運転容量を可変することが可能な圧縮機の場合はインバータにより制御されるモータによって駆動される容積式圧縮機から構成されている。また、圧縮機１１は、スクロール圧縮機であり、スクロール圧縮室に中間圧部にインジェクションポートが設けられており、中間圧を測定する中間圧力センサ４６を備えた構造であってもよい。なお、圧縮機１１は、１台設置されている場合について例示しているが、負荷側ユニット２０の負荷に応じて、２台以上の圧縮機１１が並列に接続されたものであってもよい。また、圧縮機１１がインバータ駆動をする仕様である場合、熱源側ユニット１０には駆動周波数を変更するための圧縮機インバータ基板が搭載される。

凝縮器１２は、例えば伝熱管と多数のフィンとを有するフィンアンドチューブ型熱交換器からなり、現地配管２ａを介して圧縮機１１の吐出側に接続されている。また、凝縮器ユニット１０Ｂには、凝縮器１２に送風を行うファン１２ａが設けられている。レシーバー１３は、凝縮器１２から流出した冷媒を一時的に貯留するとともに、液冷媒とガス冷媒とを分離させる機能を有する。過冷却熱交換器１４は、凝縮器１２から流出した冷媒を過冷却する冷媒間熱交換器であり、現地配管２ｂ及びレシーバー１３を介して凝縮器１２に接続されている。過冷却熱交換器１４は、例えば二重管熱交換器又はプレート式熱交換器等からなり、凝縮器１２から流出した冷媒同士を熱交換する。

減圧装置２１は、例えば電子膨張弁もしくは温度式膨張弁からなっており、過冷却熱交換器１４において過冷却された冷媒を減圧膨張するとともに、冷媒回路を流れる冷媒流量を調整するものである。蒸発器２２は、減圧装置２１において減圧膨張された冷媒を吸熱して蒸発させる熱交換器であり、例えば伝熱管と多数のフィンにより構成されたフィンアンドチューブ型熱交換器からなっている。

なお、冷凍装置１において、冷媒との熱交換対象になる流体は空気であるが、これは水、冷媒、ブライン等でもよく、特にＤＲ５５もしくはＮ４０(Ｒ４４８Ａ)等のような温度勾配のある冷媒であってもよい。また、図１は負荷側ユニット２０が１台の場合の構成例であるが、２台以上の複数でもよい。さらにそれぞれの負荷側ユニット２０の容量が異なっていてもよいし、全てが同一容量でもよい。また減圧装置２１は、負荷側ユニット２０に内蔵する構成としたが、熱源側ユニット１０に内蔵する構成としてもよい。

さらに、冷凍装置１は、例えば二重管等からなる過冷却熱交換器１４と減圧装置２１との間から分岐し、過冷却熱交換器１４において熱交換された冷媒を圧縮機１１へ流入するインジェクション回路１５と、インジェクション回路１５に流れる冷媒流量を調整する流量調整器１６とを有する。流量調整器１６は、例えば電子膨張弁等からなっており、制御装置３０の制御に基づき、過冷却熱交換器１４及びインジェクション回路１５へ分岐する冷媒流量を調整する。

図２は本発明の実施の形態１における適正な冷媒量が充填されたときのｐ−ｈ線図であり、図１及び図２を参照して冷凍装置１の動作例について説明する。はじめに、圧縮機１１により圧縮された冷媒は高温高圧のガス冷媒になり（図２の点Ａ→点Ａ’→ｎ→点Ｂ）、凝縮器１２に流入する。凝縮器１２に流入したガス冷媒は凝縮して液冷媒になり（図２の点Ｂ→点ｋ）、レシーバー１３内に一時的に貯留される。レシーバー１３には負荷側ユニット２０の運転負荷や、外気温度又は凝縮温度に応じて生じる冷媒回路内の余剰液冷媒が溜まる。その後、レシーバー１３内の液冷媒は、過冷却熱交換器１４において熱交換して過冷却される（図２の点ｋ→点Ｃ）。過冷却された冷媒は減圧装置２１において減圧されて低圧の気液二相冷媒になり蒸発器２２に送られる（図２の点Ｃ→点Ｄ）。蒸発器２２に送られた冷媒は例えば空気と熱交換し、ガス冷媒になり圧縮機１１に流入する（図２の点Ｄ→点Ａ）。

一方、過冷却熱交換器１４から減圧装置２１に向かう冷媒の一部は過冷却熱交換器１４側に分岐する。この際、分岐した液冷媒は流量調整器１６において減圧されて中間圧の二相冷媒になり、過冷却熱交換器１４において熱交換され中間圧の冷媒になる（図２の点Ｃ→点ｍ）。その後、中間圧になった冷媒はインジェクション回路１５を介して圧縮機１１のインジェクションポートに流入し（図２の点ｍ→点ｎ）、高圧である圧縮機１１の吐出側の冷媒温度を下げる働きを行う。

上述した冷凍装置１の動作は制御装置３０において制御されており、制御装置３０は、各種センサにより検知された情報に基づいて圧縮機１１等の動作の制御を行う。具体的には、冷凍装置１は、圧縮機１１の吐出側に設けられ、圧縮機１１から吐出される冷媒の吐出圧力値を検知する吐出圧力センサ４１と、圧縮機１１の吸入側に設けられ、圧縮機１１に吸入される冷媒の圧力を検知する吸入圧力センサ４２と、凝縮器１２に送風される外気温度を検知する外気温度センサ４３と、過冷却熱交換器１４に流入する冷媒の温度を検出する入口温度センサ４４と、過冷却熱交換器１４から流出された液冷媒の出口温度Ｔｏｕｔを検知する出口温度センサ４５とを備える。

さらに、冷凍装置１は、流量調整器１６と圧縮機１１との間のインジェクション回路１５（バイパス配管）上に設けられ、冷媒の中間圧力を検知する中間圧力センサ４６とを有する。なお、中間圧力は、中間圧力センサ４６を設けて検知する場合に限らず、制御装置３０において吐出圧力センサ４１により検知された吐出圧力と、吸入圧力センサ４２により検知された吸入圧力とから公知の数式を用いて算出してもよい。

そして、制御装置３０は、通常制御時において、各種センサからの情報に基づいて各構成機器を制御する。例えば、制御装置３０は、冷媒サイクルの蒸発温度が目標値（例えば０℃）になるように、圧縮機１１の運転周波数を制御する。すなわち、制御装置３０は、蒸発温度が目標値より高い場合には運転周波数を上昇させ、目標値より低い場合には周波数を下降させるように、圧縮機１１を制御する。また、制御装置３０は、凝縮器１２における凝縮温度が目標値（例えば４５℃）と一致するように、ファン１２ａの回転数を制御する。すなわち、制御装置３０は、凝縮温度が目標値より高い場合にはファン１２ａの回転数を大きくし、凝縮温度が目標値より低い場合はファン１２ａの回転数を小さくする。さらに、制御装置３０は、吐出圧力から換算される圧縮機１１から吐出される冷媒の吐出温度に基づいて、流量調整器１６の開度を調整する。制御装置３０は、吐出温度が高い場合は流量調整器１６の開度を大きくし、吐出温度が低い場合は流量調整器１６を閉じるように制御する。

特に、制御装置３０は、入口温度Ｔｉｎ、出口温度Ｔｏｕｔ及び中間圧力Ｐｍに基づいて、冷媒サイクル内の冷媒量が不足しているかを判定する機能を有する。図３は図１の冷凍装置における制御装置の一例を示す機能ブロック図である。図３の制御装置３０は、その機能を実現する回路デバイスのようなハードウェア、もしくはマイコンやＣＰＵのような演算装置と、その上で実行されるソフトウェアとにより構成されている。制御装置３０は、評価値算出部３１、冷媒量判定部３２及び出力制御部３３を備えている。

評価値算出部３１は、入口温度センサ４４において検知された入口温度Ｔｉｎと、出口温度センサ４５において検知された出口温度Ｔｏｕｔとに基づいて、過冷却熱交換器１４の温度効率を評価値Ｐとして算出するものである。評価値算出部３１は、下記式（１）を用いて評価値Ｐを算出する。なお、下記式（１）において、中間圧飽和温度は、中間圧力センサ４６において検知された中間圧力Ｐｍを飽和温度に換算したものである。

［数１］
評価値Ｐ＝（入口温度Ｔｉｎ−出口温度Ｔｏｕｔ）／（入口温度Ｔｉｎ−中間圧飽和温度） ・・・（１）

なお、評価値算出部３１は、評価値Ｐを算出する際、式（１）に用いられる各温度は瞬間値であってもよいが、時間的に異なる複数の温度効率の移動平均をとることが望ましい。各温度の移動平均を取ることにより、冷媒サイクルの安定も考慮した冷媒量の判定を行うことができる。

また、式（１）において、中間圧飽和温度が用いた場合について例示しているが、評価値算出部３１は、外気温度センサ４３により検知された外気温度を用いて評価値Ｐを算出するようにしてもよい。この場合、評価値算出部３１は、下記式（２）を用いて評価値Ｐを算出する。

［数２］
評価値Ｐ＝（入口温度Ｔｉｎ−出口温度Ｔｏｕｔ）／（入口温度Ｔｉｎ−外気温度）・・・（２）

冷媒量判定部３２は、評価値算出部３１において算出された評価値Ｐを用いて冷媒不足であるかを判定するものである。冷媒量判定部３２には予め設定閾値Ｐｒｅｆが記憶されており、冷媒量判定部３２は、評価値Ｐが設定閾値Ｐｒｅｆより小さいとき（Ｐ＜Ｐｒｅｆ）、冷媒量が不足していると判定する。設定閾値Ｐｒｅｆは、予め記憶されている場合について例示しているが、リモコンや基板上のスイッチ類などの入力部から入力してもよいし、遠隔地からの通信により取得してもよい。

ここで、図４は本発明の実施の形態１における冷媒量不足時のｐ−ｈ線図である。冷凍装置１における冷媒サイクルの冷媒量に不足が生じた場合、レシーバー１３に余剰液冷媒が貯留している場合はその余剰液冷媒量が減少する。レシーバー１３の余剰液冷媒が存在する間は、その他の要素機器の冷媒状態は、図３に示される状態と同じになる。しかしながら、さらに冷媒が漏洩すると、レシーバー１３内の余剰液冷媒がなくなる。すると、凝縮器１２の出口の冷媒状態が気液二相状態になる。その結果、過冷却熱交換器１４の出口側のエンタルピが上昇し、図４の点Ｃ１の状態になり、図４のｐ−ｈ線図の左側の低いエンタルピが全体的に高い値になる。その結果、過冷却度が小さくなり、温度効率は小さくなる。温度効率は、過冷却度に比べて運転条件による変動が小さいため、冷媒の漏れ量が少量でも冷媒不足を検知することができる。

図１４は、図１に記載の冷凍装置の過冷却熱交換器１４の温度効率と冷凍装置の運転条件との関係を説明する図である。図１４において、横軸は、冷媒の冷媒量であり、縦軸は、過冷却熱交換器１４の温度効率Ｔである。図１４に示すように、冷媒量が少なくなり、冷媒量がＥになってレシーバー１３の余剰液冷媒が無くなると、過冷却熱交換器１４の温度効率Ｔが低下する。そこで、温度効率Ｔが予め設定された温度効率閾値Ｔ１よりも小さくなったときに、冷媒が漏洩したと判定する。温度効率Ｔは、過冷却熱交換器１４の性能を示すものであり、過冷却度に比べて冷凍装置１の運転条件による変動が小さいため、冷凍装置１の閾値の設定が容易になる。

図３の出力制御部３３は、冷媒量判定部３２において冷媒不足であると判定された場合、その旨を情報出力装置５０等に出力するものである。なお、出力の方法は、制御装置３０の基板上に配置されたＬＥＤや液晶などの情報出力装置５０での表示出力に限定されない。例えば、出力制御部３３は、遠隔地への通信データ出力などを行ってもよいし、電話回線などを通じて、サービスマンへ異常発生を直接出力して報知してもよい。

図５は、図１の冷凍装置の動作例を示すフローチャートであり、図１から図５を参照して冷凍装置１の動作例について説明する。なお、以下に説明する冷媒量の判定は、機器設置初期の冷媒充填運転やメンテナンスのために冷媒を一度排出して再度充填する際などに適用してもよい。また、冷媒量判定運転は有線または無線での外部からの操作信号を制御装置３０に伝えることにより実施してもよい。

はじめに、冷凍装置１の通常制御運転が行われ、制御装置３０は各種センサにおいて検知された信号に基づき通常運転時の自動制御を行う（ステップＳＴ１）。例えば、制御装置３０は、冷媒サイクルの各部の圧力及び温度等の運転データを測定し、凝縮温度、蒸発温度など目標値からの偏差などの制御値を演算し、ファン１２ａ、流量調整器１６及び減圧装置２１を制御する。

通常運転時において、評価値算出部３１により上記式（１）に基づいて評価値Ｐが算出される（ステップＳＴ２）。その後、冷媒量判定部３２において、評価値Ｐが設定閾値Ｐｒｅｆより小さいか否かが判定される（ステップＳＴ３）。評価値Ｐが設定閾値Ｐｒｅｆ以上である場合（ステップＳＴ３のＮＯ）、冷媒不足ではないと判断して通常運転が継続される（ステップＳＴ１）。一方、評価値Ｐが設定閾値Ｐｒｅｆより小さい場合（ステップＳＴ３のＹＥＳ）、冷媒不足が生じていると判定する。すると、情報出力装置５０から冷媒不足の旨の出力が行われる（ステップＳＴ４）。

上記実施の形態１によれば、過冷却熱交換器１４の入口温度Ｔｉｎに基づいて評価値Ｐを算出することにより、例えば温度勾配がある冷媒を使用した場合もしくは圧縮機１１と凝縮器１２とが別ユニットからなるリモート式コンデンシングユニットの場合であっても、制御の変更を行わずに、冷媒不足の判定を精度良く行うことができる。すなわち、例えば図１において、冷媒が現地配管２ａ、２ｂを通過する際の圧力損失等に起因して、評価値Ｐが実際の値よりも大きくなる。また、冷媒がＤＲ５５、Ｎ４０等の温度勾配がある場合も同様に、評価値Ｐが実際の値よりも大きくなる。その結果、評価値Ｐの算出精度が低くなり冷媒量の誤検知が生じる。

ここで、図６は、従来の一体型の機種である冷凍装置の一例を示す冷媒回路図である。図６の従来の冷凍装置において、温度効率である評価値Ｐは下記式（３）で算出されている。なお、式（３）において、圧力値換算の飽和ガス温度は、吐出圧力センサ４１において検知された吐出圧力から換算された値である。換言すれば、温度効率は、過冷却度を過冷却熱交換器１４の高温側と低温側との最大温度差で割ったものになる。

［数３］
評価値Ｐ＝（圧力値換算の飽和ガス温度−出口温度Ｔｏｕｔ）／（圧力値換算の飽和ガス温度−中間圧飽和温度） ・・・（３）

そして、リモート機種の場合、飽和ガス温度＝４８℃（図１の位置ＰＴ１）、出口温度Ｔｏｕｔ＝３３℃（図１の位置ＰＴ６）、中間圧飽和温度＝２５℃の条件のとき、式（３）から算出される評価値Ｐ＝０．６５になる。しかしながら、真の評価値Ｐは図１の位置ＰＴ６の飽和温度４２℃（後述の図９及び図１０参照）を用いて算出されるべきものであって、真の評価値Ｐ＝０．５３になる。このように、リモート機種の場合、評価値Ｐの実際の算出値と真値との差異が大きくなる。

特に、温度勾配がある冷媒（例えばＤＲ５５、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ４１０Ａ、Ｎ４０(Ｒ４４８Ａ)など）を使用する場合、ガス飽和温度と液飽和温度との間で温度差が生じる。図７は、図１の冷凍装置に温度勾配がある冷媒を用いた場合のｐ−ｈ線図であり、図８は、図６の従来の冷凍装置に温度勾配がある冷媒を用いた場合のｐ−ｈ線図である。図７及び図８からわかるように、温度勾配がある冷媒を用いたとき、図１のリモート機種は、図６の一体型の機種よりもガス飽和温度と液飽和温度との温度差が大きい。このため、リモート機種の場合、式（３）を用いると評価値Ｐの実際の算出値と真値との差異が大きくなってしまうため、ガス飽和温度を液飽和温度に変更する必要があり、制御が複雑になる。

また、リモート機種の場合、圧縮機１１と凝縮器１２との間の現地配管２ａ、２ｂは現地で接続されるため、一体型の機種に比べて圧縮機１１の出口と過冷却熱交換器１４の出口との間の圧力損失が大きくなる。図９は、図１の冷凍装置の各位置における飽和温度を示すグラフであり、図１０は、図６の従来の冷凍装置の各位置における飽和温度を示すグラフである。図９において、圧縮機１１の吐出側の位置ＰＴ１から凝縮器１２の入口の位置ＰＴ２までの温度差ΔＴ１は、現地配管２ａの圧力損失による温度差である。凝縮器１２の入口の位置ＰＴ２から凝縮器１２の出口の位置ＰＴ３までの温度差ΔＴ２は、上述した冷媒の温度勾配による温度差である。凝縮器１２の出口の位置ＰＴ３からレシーバー１３の入口の位置ＰＴ４までの温度差ΔＴ３は、現地配管２ｂの圧力損失による温度差である。なお、レシーバー１３の入口の位置ＰＴ４から過冷却熱交換器１４の出口側の位置ＰＴ６までの温度差ΔＴ４、ΔＴ５は冷媒回路内での圧力損失による温度差である。一方、図１０においては、現地配管２ａ、２ｂでの圧力損失による温度差は生じず、冷媒回路内での圧力損失による温度差ΔＴ１１、ΔＴ１２、ΔＴ１３が生じる。

このように、図１のリモート機種は、図６の一体型の機種よりも圧力損失が大きいことがわかる。また、現地の配管施工に依存する現地配管部分の圧力損失を正確に補正することは困難である。このため、温度効率値を正確に算出できずに誤検知もしくは不検知の可能性が高くなる。

そこで、図１のように過冷却熱交換器１４の入口側に入口温度センサ４４が設けられ、上記式（１）のように入口温度センサ４４において検知された入口温度Ｔｉｎに基づいて評価値Ｐが算出されることにより、実際の過冷却熱交換器１４の評価値Ｐを精度良く算出し、冷媒量の判定の精度を高めることができる。具体的には、図１の位置ＰＴ１の入口温度Ｔｉｎ＝４２．５℃、出口温度Ｔｏｕｔ＝３３℃、中間圧飽和温度＝２５℃とすると、評価値Ｐである温度効率＝（４２．５−３３）÷（４２．５−２５）＝０．５４になり、真値０．５３とほぼ同等の値になる。このように、実際の過冷却熱交換器１４の評価値Ｐを精度良く算出し、冷媒量の判定の精度を高めることができる。

実施の形態２．
図１１は、本発明の実施の形態２に係る冷凍装置の制御装置における評価値の一例を示すグラフであり、図１１を参照して冷媒量の判定について説明する。なお、図１１において、図３の制御装置と同一の構成を有する部位には同一の符号を付してその説明を省略する。図１１に示すように、評価値算出部３１は、入口温度Ｔｉｎと出口温度Ｔｏｕｔに基づき、下記式（４）から過冷却度（サブクール量）を評価値Ｐ１として算出するものである。

［数４］
評価値Ｐ１（過冷却度）＝入口温度Ｔｉｎ−出口温度Ｔｏｕｔ ・・・（４）

そして、冷媒量判定部３２は、評価値Ｐ１として算出された過冷却度が、設定閾値Ｐ１ｒｅｆよりも小さい場合、冷媒量が不足していると判定するようになっている。

ここで、図１１に示すように、冷媒量が少なくなり、レシーバー１３に余剰液冷媒がなくなった時点（点Ｅ）で、過冷却熱交換器１４の過冷却度は減少していく。レシーバー１３の余剰液冷媒がなくなると、凝縮器１２及び過冷却熱交換器１４の冷媒状態が変化する。そこで、図３の評価値算出部３１は、凝縮温度（入口温度Ｔｉｎ）と過冷却熱交換器１４の出口温度Ｔｏｕｔとの差である過冷却度を評価値Ｐ１として算出し、冷媒量判定部３２は、評価値Ｐ１が設定閾値Ｐｒｅｆよりも小さくなったとき、冷媒量が不足していると判定する。

図１１に示すように、過冷却熱交換器１４の過冷却度は、冷凍装置１の運転条件（外気温度、熱交換量、冷媒循環量等）に応じて、大きく変動する。過冷却度を利用して、冷媒量の不足の判定を行う場合には、誤判定とならないように、過冷却度閾値Ｓを低く設定する必要性がある。そのため、過冷却度が大きい条件では、冷媒量の不足を判定するまでに長時間を要し、例えば冷媒が漏洩している場合に、冷媒の漏洩量が多くなってしまう。

上記実施の形態２の場合であっても、実施の形態１と同様、過冷却熱交換器１４の入口温度Ｔｉｎに基づいて評価値Ｐ１を算出することにより、例えば温度勾配がある冷媒を使用した場合もしくは圧縮機１１と凝縮器１２とが別ユニットからなるリモート式コンデンシングユニットの場合であっても、複雑な制御を組むことなく、冷媒不足の判定を精度良く行うことができる。

すなわち、図６の一体型の機種においては、下記式（５）のように、過冷却度は吐出圧力センサ４１において検知された吐出圧力値及び出口温度センサ４５において検知された液冷媒の出口温度Ｔｏｕｔから算出される。

［数５］
過冷却度＝吐出圧力値から換算された飽和ガス温度−出口温度Ｔｏｕｔ ・・・（５）

しかしながら、図１のようなリモート機種において、評価値算出部３１が上記式（５）を用いて過冷却度を算出した場合、上述した温度効率と同様、真値とセンサによる計測値との差が大きくなってしまう。例えば通常運転時において過冷却度が大きい場合には多量の冷媒が減少しないと冷媒不足であると判定することができない。一方、過冷却度が小さい場合、設定閾値Ｐ１ｒｅｆまでの裕度が小さいため、少しのバラツキが誤検知もしくは不検知につながってしまう。
また一体型の機種でも過冷却器が小さい機種で温度効率が小さい場合、また過冷却器が大きい場合でもインジェクション流量が小さく、温度効率が小さくなる条件では、上記式（５）で判定する場合があり、この場合もリモート機種の場合同様、温度効率は３つのパラメータから算出されるため、冷媒不足の指標値のバラツキ、ハンチングなどにより温度効率が実際の値との差異の割合が大きくなる。

例えばリモート機種において、吐出圧力値から換算された飽和ガス温度＝４８℃（図１の位置ＰＴ１）、出口温度Ｔｏｕｔ＝３３℃（図１の位置ＰＴ５）の条件とする。この条件下において評価値Ｐ１＝（４８−３３）＝１５になる。一方、真値は図１の位置ＰＴ５の飽和温度４２℃を用いて評価値Ｐ１＝（４２−３３）＝９．０になる。このように、リモート機種では過冷却度の真値との差異が大きくなる。

そこで、評価値算出部３１は過冷却熱交換器１４の入口に設置した入口温度センサ４４を用いて過冷却度である評価値Ｐ１を算出する。この場合、図１の位置ＰＴ４の過冷却熱交換器の入口温度Ｔｉｎ＝４２．５℃、位置ＰＴ５の出口温度Ｔｏｕｔ＝３３℃とすると（図９参照）、過冷却度＝（４２．５−３３）＝９．５となり、真値９．０とほぼ同等の値になる。さらに、上述のように、過冷却度は２つのパラメータから算出されるものであるため、冷媒不足の指標値のバラツキ、誤検知もしくは不検知の可能性を低減させることができる。

実施の形態３．
図１２は、本発明の実施の形態３に係る冷凍装置の制御装置の一例を示す機能ブロック図であり、図１２を参照して制御装置１３０について説明する。なお、図１２において、図３の制御装置と同一の構成を有する部位には同一の符号を付してその説明を省略する。図１２の制御装置１３０が、図３の制御装置３０と異なる点は、第１評価値Ｐ１１及び第２評価値Ｐ１２のいずれか一方を用いて冷媒不足を判定する点である。

図１２の制御装置１３０において、評価値算出部１３１は、第１評価値Ｐ１１を演算する第１評価値演算部１３１ａと、第１評価値Ｐ１１とは異なる第２評価値Ｐ１２を演算する第２評価値演算部１３１ｂとを有している。第１評価値演算部１３１ａは、図３の評価値算出部３１と同様、上記式（１）もしくは（２）の温度効率の式から第１評価値Ｐ１１を算出するものである。第２評価値演算部１３１ｂは、上記式（４）の過冷却度を求める式から第２評価値Ｐ１２を算出するものである。

冷媒量判定部１３２は、評価値算出部１３１において算出された第１評価値Ｐ１１又は第２評価値Ｐ１２のいずれか一方を選択し、選択した第１評価値Ｐ１１又は第２評価値Ｐ１２を用いて冷媒不足を判定するものである。冷媒量判定部１３２は、たとえば、入口温度Ｔｉｎ（図１の位置ＰＴ５）から換算される飽和圧力と中間圧力センサ４６により検知された中間圧との差圧ΔＰｒが、中間圧閾値ΔＰｒｒｅｆより小さい場合、第２評価値Ｐ１２（過冷却度）を用いて冷媒不足の判定を行う。一方、冷媒量判定部１３２は、飽和圧力と中間圧との差圧ΔＰｒが中間圧閾値ΔＰｒｒｅｆ以上である場合、第１評価値Ｐ１１（温度効率）を用いて冷媒不足の判定を行う。

冷媒量判定部１３２には、第１評価値Ｐ１１を用いて判定を行うための第１評価閾値Ｐ１１ｒｅｆと第２評価値Ｐ１２を用いて判定を行うための第２評価閾値Ｐ１２ｒｅｆとが記憶されている。そして、第１評価値Ｐ１１が第１評価閾値Ｐ１１ｒｅｆより小さい場合、冷媒量判定部１３２は冷媒不足であると判定する。同様に、第２評価値Ｐ１２が第２評価閾値Ｐ１２ｒｅｆより小さい場合、冷媒量判定部１３２は冷媒不足であると判定する。

なお、冷媒量判定部１３２は、図１の入口温度センサ４４により検知された温度の飽和圧力と吸入圧力センサ４２の絶対圧力との比（圧縮比）を判定値とし、設定閾値より小さいとき、第２評価値Ｐ１２を用いて冷媒不足を判定することもできる。一方、冷媒量判定部１３２は、圧縮比が設定閾値以上であるとき、第１評価値Ｐ１１を用いて冷媒不足の判定を行う。また、ほぼ凝縮温度とみなせる吐出圧力センサの飽和温度または入口温度Ｔｉｎが、設定閾値よりも大きい場合は第１評価値Ｐ１１、設定閾値よりも小さい場合は第２評価値Ｐ１２を用いて冷媒不足を判定しても良い。

図１３は、図１２の制御装置の動作例を示すフローチャートであり、図１２及び図１３を参照して制御装置１３０における冷媒不足の判定について説明する。まず、図１の冷凍装置１の通常制御運転が行われ、制御装置１３０は各種センサにおいて検知された信号に基づき通常運転時の自動制御を行う（ステップＳＴ１１）。その後、冷媒量判定部１３２において、第１評価値Ｐ１１又は第２評価値Ｐ１２のうち、いずれの評価値を用いるかが判断される（ステップＳＴ１２）。例えば、差圧ΔＰｒが中間圧閾値ΔＰｒｒｅｆ以上の場合（ステップＳＴ１２のＮＯ）、評価値算出部１３１により上記式（１）又は式（２）に基づいて第１評価値Ｐ１１が算出される（ステップＳＴ１３）。そして、第１評価値Ｐ１１が第１評価閾値Ｐ１１ｒｅｆより小さいかが判定される（ステップＳＴ１４）。第１評価値Ｐ１１が第１評価閾値Ｐ１１ｒｅｆより小さい場合（ステップＳＴ１４のＹＥＳ）、冷媒不足であると判定される。すると、情報出力装置５０から冷媒不足の旨の出力が行われる（ステップＳＴ１５）。

一方、差圧ΔＰｒが中間圧閾値ΔＰｒｒｅｆより小さい場合（ステップＳＴ１２のＹＥＳ）、第２評価値Ｐ１２が算出される（ステップＳＴ１６）。そして、第２評価値Ｐ１２が第２評価閾値Ｐ１２ｒｅｆより小さいか否かが判定される（ステップＳＴ１７）。第２評価値Ｐ１２が設定閾値Ｐ２ｒｅｆより小さい場合（ステップＳＴ１７のＹＥＳ）、冷媒不足が生じていると判定する。すると、情報出力装置５０から冷媒不足の旨の出力が行われる（ステップＳＴ１５）。

なお、図１３において、第１評価値Ｐ１１又は第２評価値Ｐ１２のいずれを選択するかが判定された後に第１評価値Ｐ１１又は第２評価値Ｐ１２が算出される場合について例示しているが、第１評価値Ｐ１１又は第２評価値Ｐ１２が算出された後に第１評価値Ｐ１１又は第２評価値Ｐ１２のいずれかを選択するようにしてもよい。また、差圧ΔＰｒと中間圧閾値ΔＰｒｒｅｆとに基づいて評価値の選択が行われているが、上述したように、圧縮比に基づいて評価値の選択を行ってもよい。

一般的に差圧ΔＰｒが大きい場合、またはＰＴ５の温度の飽和圧力と吸入圧力センサ４２の絶対圧の比が大きい場合、または凝縮温度が高い場合は過冷却度、及び温度効率が大きくなる。この時、第１評価値Ｐ１１(温度効率)による判定では冷媒の漏れ量が少量でも冷媒不足を検知することができる。第２評価値Ｐ１２(過冷却度)による判定では冷媒が大量に漏れないと冷媒不足を検知することができない。したがって、第１評価値Ｐ１１(温度効率)で判定する。

差圧ΔＰｒが小さい場合、またはＰＴ５の温度の飽和圧力と吸入圧力センサ４２の絶対圧の比が小さい場合、または凝縮温度が小さい場合は冷媒が適正量封入されていても過冷却度、及び温度効率は小さくなる。この時、第１評価値Ｐ１１(温度効率)による判定ではパラメータが多いため、センサの検知誤差、圧損等の影響で過冷却度、及び温度効率が変動しやすく、誤検知の可能性が高くなる。したがって、パラメータの少ない第２評価値Ｐ１２(過冷却度)で判定する。

上記実施の形態３によれば、第１評価値Ｐ１１又は第２評価値Ｐ１２のいずれかを用いて冷媒不足の判定を行うことにより、回路構成もしくは冷媒回路の状態に即した評価値を採用して冷媒不足の判定を行うことができるため、精度の良い判定を行うことができる。

本発明の実施の形態は、上記実施の形態に限定されず、種々の変更を行うことができる。例えば、上記の運転制御では、凝縮温度や蒸発温度を特定する制御はしていないが、例えば、凝縮温度、蒸発温度が一定になるように制御してもよいし、圧縮機１１の運転周波数と熱源側ユニット１０のファン１２ａの回転数を一定値として凝縮温度と蒸発温度制御を行わない運転や、凝縮温度もしくは蒸発温度のいずれか１つのみを目標値になるように制御してもよい。

このように冷凍装置の運転状態を一定の条件に制御することにより、過冷却熱交換器１４の過冷却度に応じて変動する運転状態量の変動が小さくなり、設定閾値Ｐｒｅｆ、Ｐ１ｒｅｆの決定が容易となり、冷媒量不足の判定が行いやすくなる。

また、図５に示す冷媒不足の判定動作は、機器設置初期の冷媒充填運転や、メンテナンスのために冷媒を一度排出して再度充填する際などに適用してもよい。これにより、充填作業の時間短縮、作業者の負荷軽減を行なうことができる。

さらに、冷媒量の不足を検知する過冷却熱交換器１４の性能を表す評価値Ｐを用いて行なうことにより、温度効率の運転状態による変動が少ないため、設定閾値Ｐｒｅｆを容易に決定でき、なおかつ運転状態によらず早期に冷媒量の不足を検知することができる。

１ 冷凍装置、２ａ、２ｂ 現地配管、２ｃ、２ｄ 冷媒配管、１０ 熱源側ユニット、１０Ａ 圧縮機ユニット、１０Ｂ 凝縮器ユニット、１１ 圧縮機、１２ 凝縮器、１２ａ ファン、１３ レシーバー、１４ 過冷却熱交換器、１５ インジェクション回路、１６ 流量調整器、２０ 負荷側ユニット、２１ 減圧装置、２２ 蒸発器、３０、１３０ 制御装置、３１、１３１ 評価値算出部、３２、１３２ 冷媒量判定部、３３ 出力制御部、４１ 吐出圧力センサ、４２ 吸入圧力センサ、４３ 外気温度センサ、４４ 入口温度センサ、４５ 出口温度センサ、４６ 中間圧力センサ、５０ 情報出力装置、１３１ａ 第１評価値演算部、１３１ｂ 第２評価値演算部、Ｐ、Ｐ１ 評価値、Ｐｒｅｆ、Ｐ１ｒｅｆ 設定閾値、Ｐ１１ 第１評価値、Ｐ１２ 第２評価値、Ｐ１１ｒｅｆ 第１評価閾値、Ｐ１２ｒｅｆ 第２評価閾値、Ｐｍ 中間圧力、Ｔｉｎ 入口温度、Ｔｏｕｔ 出口温度。

Claims (8)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から吐出された冷媒を放熱して冷却する凝縮器と、前記凝縮器から流出した冷媒を過冷却する過冷却熱交換器と、前記過冷却熱交換器において過冷却された冷媒を減圧する減圧装置と、前記減圧装置において減圧膨張された冷媒を吸熱して蒸発させる蒸発器とが冷媒配管により接続された冷媒回路と、
   前記過冷却熱交換器と前記減圧装置との間から分岐し、前記過冷却熱交換器から流出した冷媒の一部を前記圧縮機へ流入するインジェクション回路と、
   前記凝縮器から前記過冷却熱交換器に流入する冷媒の入口温度を検知する入口温度センサと、
   前記過冷却熱交換器から前記減圧装置へ流出した冷媒の出口温度を検知する出口温度センサと、
   前記冷媒回路の動作を制御する制御装置と
   を有し、
   前記圧縮機と前記過冷却熱交換器と前記入口温度センサと前記出口温度センサとは、圧縮機ユニット内に配置されており、
   前記凝縮器は、前記圧縮機及び前記過冷却熱交換器に現地配管を介して接続され、前記圧縮機ユニットとは異なる凝縮器ユニット内に配置されたものであり、
   前記制御装置は、
   前記入口温度センサにおいて検知された入口温度及び前記出口温度センサにおいて検知された出口温度に基づいて、前記過冷却熱交換器の性能を示す評価値を算出する評価値算出部と、
   前記評価値算出部において算出された評価値に基づいて、冷媒量が不足しているか否かを判定する冷媒量判定部と
   を備えた冷凍装置。
2. 前記評価値算出部は、入口温度と出口温度と中間圧力とを用いて前記過冷却熱交換器の温度効率を前記評価値として算出するものである請求項１に記載の冷凍装置。
3. 前記凝縮器において熱交換される外気温度を検知する外気温度センサをさらに備え、
   前記評価値算出部は、入口温度と出口温度と外気温度とを用いて前記過冷却熱交換器の温度効率を前記評価値として算出するものである請求項１に記載の冷凍装置。
4. 前記評価値算出部は、入口温度と出口温度とを用いて前記過冷却熱交換器における過冷却度を前記評価値として算出するものである請求項１に記載の冷凍装置。
5. 前記冷媒量判定部は、前記評価値が設定閾値より小さい場合、冷媒が不足していると判定するものである請求項１〜４のいずれか１項に記載の冷凍装置。
6. 冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から吐出された冷媒を放熱して冷却する凝縮器と、前記凝縮器から流出した冷媒を過冷却する過冷却熱交換器と、前記過冷却熱交換器において過冷却された冷媒を減圧する減圧装置と、前記減圧装置において減圧膨張された冷媒を吸熱して蒸発させる蒸発器とが冷媒配管により接続された冷媒回路と、
   前記過冷却熱交換器と前記減圧装置との間から分岐し、前記過冷却熱交換器から流出した冷媒の一部を前記圧縮機へ流入するインジェクション回路と、
   前記凝縮器から前記過冷却熱交換器に流入する冷媒の入口温度を検知する入口温度センサと、
   前記過冷却熱交換器から前記減圧装置へ流出した冷媒の出口温度を検知する出口温度センサと、
   前記冷媒回路の動作を制御する制御装置と
   を有し、
   前記制御装置は、
   前記入口温度と前記出口温度と中間圧力とを用いて前記過冷却熱交換器の温度効率を第１評価値として演算するとともに、前記入口温度と前記出口温度とを用いて前記過冷却熱交換器における過冷却度を第２評価値として演算する評価値算出部と、
   前記評価値算出部において算出された前記第１評価値又は前記第２評価値のうちいずれか一方を選択して前記冷媒が不足しているか否かを判定する冷媒量判定部と
   を備えた冷凍装置。
7. 前記冷媒が不足している旨の情報を出力する情報出力装置をさらに備え、
   前記制御装置は、前記冷媒量判定部において冷媒量が不足していると判定された場合、前記情報出力装置に前記冷媒が不足している旨を出力させる出力制御部をさらに有する請求項１〜６のいずれか１項に記載の冷凍装置。
8. 前記冷媒は、温度勾配のあるものである請求項１〜７のいずれか１項に記載の冷凍装置。

Images