JPWO2020217423A1 - 熱源側ユニット及びそれを備える冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

冷凍サイクル装置（１）を構成する熱源側ユニット（２）は、凝縮器（２０）の出側の冷媒の一部を、蒸発器（６０）を通過することなく圧縮機（１０）へ戻すように構成されたバイパス回路（ＢＣ）と、バイパス回路を構成する配管を流れる冷媒を加熱する加熱器（７２）とを含む。制御装置（１００）は、加熱器（７２）による加熱前の冷媒の温度と加熱後の冷媒の温度との差である温度上昇量に基づいて、冷媒回路（ＲＣ）への冷媒の充填量の適否を判定する。

Description

本開示は、熱源側ユニット及びそれを備える冷凍サイクル装置に関する。

特開２０１２−１３２６３９号公報（特許文献１）は、冷媒回路に充填された冷媒の量の適否を判定するための手段を備えた冷凍装置を開示する。具体的に、この冷凍装置の冷媒量判定手段は、過冷却熱交換器の温度効率に基づいて、冷媒回路に充填された冷媒量の適否を判定する。ここで、温度効率は、過冷却熱交換器の出口における冷媒の過冷却度を過冷却熱交換器の最大温度差で除算した値である。

特開２０１２−１３２６３９号公報

上記の特許文献に開示された冷凍装置では、過冷却熱交換器の最大温度差が温度センサの検出精度と同程度であるような運転状態の場合に、温度効率の計算誤差が増大するという問題があった。このために、運転状態によっては、冷媒の充填量の適否を判定することができない場合があった。

本開示は、上記の問題点の解決に関する。本開示の目的の１つは、冷凍サイクル装置の冷媒回路に充填する冷媒の量の適否を精度良く判定することが可能な熱源側ユニット及びそれを備える冷凍サイクル装置を提供することである。本開示の他の目的は、一年間を通して冷媒不足とならないような適量の冷媒を冷媒回路に封入することが可能な熱源側ユニット及びそれを備える冷凍サイクル装置を提供することである。本開示のさらに他の目的は、冷媒充填量の適否を判定可能な運転条件（検知条件とも称する）の範囲を広げることである。

一実施形態の熱源側ユニットは、負荷側ユニットと接続されて冷凍サイクル装置を構成する。負荷側ユニットは、冷媒の膨張機構および蒸発器を備える。熱源側ユニットは、圧縮機、凝縮器、バイパス回路、冷媒量検出部、および制御装置とを備える。少なくとも膨張機構、蒸発器、圧縮機、及び凝縮器は、冷媒を順に循環させる冷媒回路を形成する。バイパス回路は、凝縮器の出側の冷媒の一部を、蒸発器を通過することなく圧縮機へ戻すように構成される。冷媒量検出部は、加熱器、加熱後温度センサ、及び加熱前温度センサを含む。冷媒量検出部の加熱器は、バイパス回路に流れる冷媒を加熱するように構成される。冷媒量検出部の加熱後温度センサは、加熱器によって加熱された冷媒の温度を検出する。冷媒量検出部の加熱前温度センサは、加熱器によって加熱される前の冷媒の温度を検出する。制御装置は、加熱後温度センサが検出した温度と加熱前温度センサが検出した温度との差を温度上昇量として算出する。冷媒回路に冷媒を充填する際に、制御装置は、温度上昇量が第１の閾値以上の場合に追加の冷媒を充填するよう指示する。

他の実施形態の熱源側ユニットは、上記の一実施形態の熱源側ユニットにおいて制御装置に他の制御動作を追加したものである。具体的に、制御装置は、温度上昇量が第１の閾値未満の場合に、不足冷媒量をさらに充填するように指示する。不足冷媒量は、一年を通して推定される冷媒の最大密度と充填時における冷媒の密度との差に基づいて計算される。

上記の一実施形態の熱源側ユニットによれば、冷媒量検出部における冷媒の温度上昇量に基づいて、冷媒回路に充填する冷媒の量の適否を精度良く判定することができる。また、上記の構成の冷媒量検出部を用いることにより、広い検知条件範囲で冷媒充填量の適否を判定することができる。

上記の他の実施形態の熱源側ユニットによれば、不足冷媒量の冷媒を冷媒回路に充填することによって、一年間を通じて冷媒不足とならないような適量の冷媒を冷媒回路に封入できる。

本開示の実施の形態１に従う熱源側ユニットが用いられる冷凍装置の全体構成図である。 制御装置の構成の一例を示すブロック図である。 冷媒の充填を開始したばかりの状態における、ヒータによる冷媒温度の変化を説明する図である。 適正な冷媒量まで充填された状態における、ヒータによる冷媒温度の変化を説明する図である。 図１の冷凍装置において、冷媒回路への冷媒の充填手順を示すフローチャートである。 冷媒量検出部におけるヒータの故障を判定する手順を示すフローチャートである。 冷凍装置１の熱源側ユニット２の構造を概略的に示す図である。 その他の冷媒充填量の適否を判定する手法を説明するための図である。 実施の形態２に従う熱源側ユニットが用いられる冷凍装置の全体構成図である。 電磁弁７９とヒータ７２との動作パターンを示す図である。 図９の冷凍装置において、冷媒回路ＲＣへの冷媒の充填手順を示すフローチャートである。 電磁弁の故障判定を行う手順を示すフローチャートである。 実施の形態３に従う熱源側ユニットが用いられる冷凍装置の全体構成図である。 図１３の冷凍装置において、冷媒回路ＲＣへの冷媒の充填手順を示すフローチャートである。 図１４の閾値を設定するステップＳ１８５の詳細な手順を示すフローチャートである。 エンタルピーの算定方法を説明するための図である。

以下、各実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。以下では、複数の実施の形態について説明するが、各実施の形態で説明された構成を適宜組合わせることは出願当初から予定されている。なお、同一または相当する部分には同一または類似する参照符号を付して、その説明を繰り返さない場合がある。

実施の形態１．
［冷凍装置の全体構成］
図１は、本開示の実施の形態１に従う熱源側ユニットが用いられる冷凍装置の全体構成図である。なお、この図１の全体構成図は、冷凍装置における各機器の接続関係及び配置構成を機能的に示したものであり、物理的な空間における配置を必ずしも示すものではない。

図１を参照して、冷凍装置１は、熱源側ユニット２と、負荷側ユニット３とを備える。熱源側ユニット２は、圧縮機１０と、凝縮器２０と、ファン２２と、受液器３０と、過冷却熱交換器４０と、ファン４２と、サイトグラス４５と、配管８０〜８３，８５とを含む。熱源側ユニット２は、さらに、配管８６，８７と、冷媒量検出部７０と、圧力センサ９０，９２と、制御装置１００とを含む。

さらに、熱源側ユニット２は、過冷却熱交換器４０の出口温度ＯＴを検出するための温度センサ、凝縮温度ＣＴを検出するための温度センサ、および外気温度ＡＴを検出するための温度センサを含む。図１の場合、外気温度ＡＴを検出するための温度センサは、凝縮器２０への外気の吸入口に設けられる。凝縮温度ＣＴを検出するための温度センサは、凝縮器２０の出側に設けられる。熱源側ユニット２は、さらに、蒸発温度ＥＴを検出するための温度センサを含む。図１の場合、蒸発温度ＥＴを検出するための温度センサは、蒸発器６０の内部に設けられる。なお、蒸発温度ＥＴは、吸入圧力センサ９０によって検出された吸入圧力ＬＰを、冷媒飽和ガス温度に換算することによって算出してもよい。

負荷側ユニット３は、膨張弁５０と、蒸発器６０と、ファン６２と、配管８４とを含む。負荷側ユニット３は、液延長配管９１０およびガス延長配管９００を通じて熱源側ユニット２に接続されている。液延長配管９１０およびガス延長配管９００をそれぞれ第１配管および第２配管とも称する。また、液延長配管９１０およびガス延長配管９００は、現地において冷凍装置１を据え付ける際に熱源側ユニット２と負荷側ユニット３との間に接続される配管であるので、現地接続配管とも称する。図１において、液延長配管９１０は、過冷却熱交換器４０の出側から膨張弁５０に至る配管８３の一部である。ガス延長配管９００は、蒸発器６０の出側から圧縮機１０の吸い込み口に至る配管８５の一部である。

なお、熱源側ユニット２は、複数のサブユニットに分割されていてもよい。たとえば、凝縮器２０および過冷却熱交換器４０によって第１のサブユニットが構成され、圧縮機１０、受液器３０、冷媒量検出部７０、および制御装置１００によって第２のサブユニットが構成されてもよい。受液器３０を第２のサブユニットに代えて第１のサブユニット内に設けてもよい。もしくは、熱源側ユニット２および負荷側ユニット３を１つのユニットとして構成してもよい。したがって、「ユニット」という用語は便宜上の用語であって、必ずしも１つの筐体に内蔵されていることを意味しない。

配管８０は、圧縮機１０の吐出ポートと凝縮器２０とを接続する。配管８１は、凝縮器２０と受液器３０とを接続する。配管８２は、受液器３０と過冷却熱交換器４０とを接続する。配管８３は、過冷却熱交換器４０と膨張弁５０とを接続する。配管８４は、膨張弁５０と蒸発器６０とを接続する。配管８５は、蒸発器６０と圧縮機１０の吸入ポートとを接続する。配管８６は、配管８２と冷媒量検出部７０とを接続する。配管８７は、冷媒量検出部７０と配管８５とを接続する。

上記の配管を介して、圧縮機１０、凝縮器２０、受液器３０、過冷却熱交換器４０、膨張弁５０、および蒸発器６０の順に冷媒が循環する冷媒回路ＲＣが構成される。

圧縮機１０は、配管８５から吸入される冷媒を圧縮し、圧縮した冷媒を配管８０へ吐出する。圧縮機１０は、制御装置１００からの制御信号に従って回転数を調整するように構成される。圧縮機１０の回転数を調整することで冷媒の循環量が調整され、冷凍装置１の能力を調整することができる。圧縮機１０には種々のタイプのものを採用でき、たとえば、スクロールタイプ、ロータリータイプ、スクリュータイプ等のものを採用できる。

凝縮器２０は、圧縮機１０から配管８０を介して流入した冷媒を凝縮する。凝縮器２０において凝縮された冷媒は、配管８１へ流入する。凝縮器２０は、圧縮機１０から吐出された高温高圧のガス冷媒が外気などと熱交換（放熱）を行なうように構成される。この熱交換により、冷媒は凝縮されて液相に変化する。ファン２２は、凝縮器２０において冷媒が熱交換を行なう外気を凝縮器２０に供給する。ファン２２の回転数を調整することにより、圧縮機１０出側の冷媒圧力（高圧側圧力）を調整することができる。

受液器３０は、凝縮器２０によって凝縮された高圧の液冷媒を貯留する。過冷却熱交換器４０は、受液器３０から配管８２を介して流入した液冷媒がさらに外気などと熱交換（放熱）を行なうように構成される。冷媒は、過冷却熱交換器４０を通過することによって、過冷却された液冷媒となる。ファン４２は、過冷却熱交換器４０において冷媒が熱交換を行なう外気を過冷却熱交換器４０に供給する。ファン２２，４２、凝縮器２０、および過冷却熱交換器４０は、一体で構成されることが多い。サイトグラス４５は、配管８３を流れる冷媒中の気泡（フラッシュガス）を目視により確認するための窓である。

膨張弁５０は、過冷却熱交換器４０から配管８３を介して流入した冷媒を減圧する。膨張弁５０によって減圧された冷媒は、配管８４へ流入する。膨張弁５０の開度を閉方向に変化させると、膨張弁５０出側の冷媒圧力は低下し、冷媒の乾き度は上昇する。膨張弁５０の開度を開方向に変化させると、膨張弁５０出側の冷媒圧力は上昇し、冷媒の乾き度は低下する。膨張弁５０に代えてキャピラリチューブを用いてもよい。この開示では、膨張弁およびキャピラリチューブを総称して膨張機構と称する。

蒸発器６０は、膨張弁５０から配管８４を介して流入した冷媒を蒸発させる。蒸発器６０において蒸発した冷媒は、配管８５へ流入する。蒸発器６０は、膨張弁５０により減圧された冷媒が負荷側ユニット３内の空気と熱交換（吸熱）を行なうように構成される。冷媒は、蒸発器６０を通過することにより蒸発して過熱蒸気となる。ファン６２は、蒸発器６０において冷媒が熱交換を行なう外気を蒸発器６０に供給する。

冷媒量検出部７０は、配管８２から分岐する配管８６と、配管８５に接続される配管８７との間に設けられる。配管８６、冷媒量検出部７０、及び配管８７は、凝縮器２０の出側の冷媒の一部を、負荷側ユニット３を通過することなく圧縮機１０へ戻す「バイパス回路ＢＣ」を構成する。したがって、バイパス回路ＢＣの一端は、受液器３０と過冷却熱交換器４０との間に接続される。

冷媒量検出部７０は、キャピラリチューブ７１と、ヒータ７２と、温度センサ７３，７４とを含む。ヒータ７２を加熱器とも称する。温度センサ７３を加熱前温度センサとも称し、温度センサ７４を加熱後温度センサとも称する。

キャピラリチューブ７１は、配管８６と配管８７との間に接続され、バイパス回路ＢＣに流れる冷媒の圧力を減圧する。キャピラリチューブ７１は、配管８６から液冷媒が供給される場合にキャピラリチューブ７１を通過した冷媒がヒータ７２によって加熱されてもガス単相となることなく気液二相であるように、ヒータ７２の加熱量も考慮して適宜設計される。なお、キャピラリチューブ７１に代えて膨張弁を用いてもよい。

ヒータ７２及び温度センサ７３，７４は、配管８７に設けられる。ヒータ７２は、キャピラリチューブ７１を通過した冷媒を加熱する。冷媒は、ヒータ７２によって加熱されることによりエンタルピーが上昇する。ヒータ７２は、上述のように、キャピラリチューブ７１を通過した冷媒がヒータ７２によって加熱されてもガス単相となることなく気液二相であるように、キャピラリチューブ７１の仕様とともにその加熱量が設定される。ヒータ７２は、配管８７の外部から冷媒を加熱してもよいし、ヒータ７２から冷媒への伝熱をより確実にするために配管８７の内部に設置してもよい。

温度センサ７３は、ヒータ７２による冷媒加熱前の冷媒温度、すなわち、キャピラリチューブ７１とヒータ７２との間の冷媒の温度Ｔ１を検出し、その検出値を制御装置１００へ出力する。一方、温度センサ７４は、ヒータ７２による冷媒加熱後の冷媒温度、すなわち、ヒータ７２の下流であって配管８５に合流する前の冷媒の温度Ｔ２を検出し、その検出値を制御装置１００へ出力する。温度センサ７３，７４は、配管８７の外部に設置してもよいし、冷媒の温度をより確実に検出するために配管８７の内部に設置してもよい。

上記の構成を有する冷媒量検出部７０によって、冷媒回路ＲＣへの冷媒の充填量の適否を判定することができる。その原理及び具体的方法については、後ほど詳しく説明する。

圧力センサ９０は、配管８５内の冷媒の圧力ＬＰを検出し、その検出値を制御装置１００へ出力する。すなわち、圧力センサ９０は、圧縮機１０の吸入側の冷媒圧力（すなわち、低圧側圧力ＬＰ）を検出する。圧力センサ９２は、配管８０内の冷媒の圧力ＨＰを検出し、その検出値を制御装置１００へ出力する。すなわち、圧力センサ９２は、圧縮機１０の吐出側の冷媒圧力（すなわち、高圧側圧力ＨＰ）を検出する。

制御装置１００は、熱源側ユニット２における各機器の制御を実行する。制御装置１００は、一例として、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１０２およびメモリ１０４を含むコンピュータをベースに構成される。

図２は、制御装置の構成の一例を示すブロック図である。図２を参照して、制御装置１００は、ＣＰＵ１０２と、メモリ１０４と、ストレージ１０６と、インタフェース（Ｉ／Ｆ）１０８〜１１４とを含む。制御装置１００には、インタフェース１０８，１１０を介して出力装置１２０および入力装置１２２が接続される。さらに、制御装置１００は、インタフェース１１２を介して圧縮機１０に制御信号を出力する。さらに、制御装置１００は、インタフェース１１４を介して、温度センサ７３，７４および圧力センサ９０，９２などの各種センサからその検出値を受信する。

メモリ１０４は、ＣＰＵ１０２の主記憶として用いられる不揮発性メモリである。メモリ１０４をＲＡＭ（Random Access Memory）とも称する。ストレージ１０６は、不揮発性メモリであり、ＲＯＭ（Read Only Memory）と、ハードディスクなどの外部記憶装置とを含む。

ＣＰＵ１０２は、ストレージ１０６に格納されているプログラムをメモリ１０４に展開して実行する。ストレージ１０６に格納されているプログラムには、制御装置１００の処理手順が記載されている。ＣＰＵ１０２は、このプログラムに従って、熱源側ユニット２における各機器の制御を実行する。

出力装置１２０は、ＣＰＵ１０２からデータまたは制御信号を受け取って外部に出力したり、ユーザに報知したりするための周辺機器である。出力装置１２０として、たとえば、ディスプレイ、プリンタ、スピーカなどが挙げられる。また、出力装置１２０は、基板に設けられたＬＥＤ（Light Emitting Diode）であってもよい。また、出力装置１２０は、リレー信号を出力する出力回路であってもよい。

入力装置１２２は、データまたは制御信号を、制御装置１００の内部のＣＰＵ１０２に入力するための周辺機器である。入力装置１２２として、たとえば、キーボード、マウス、タッチパネルなどが挙げられる。また、出力装置１２０は、基板に設けられたプッシュスイッチ、スライドスイッチ、またはロータリスイッチであってもよい。

なお、制御装置１００による処理は、コンピュータによるソフトウェア処理に限らず、電子回路によるハードウェア処理によって実現されてもよい。また、ソフトウェア処理とハードウェア処理との組み合わせによって実現されてもよい。電子回路は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）又はＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などによって構成可能である。

［冷媒充填量の適否についての判定原理］
以下、冷媒回路ＲＣに新たに冷媒を充填する場合において、冷媒量検出部７０を用いて冷媒量の適否を判定する原理について説明する。たとえば、現地に新たに冷凍装置１を据え付ける場合、または冷蔵庫もしくはショーケースなどの既存の負荷側ユニット３に新品の熱源側ユニット２を接続する場合などが想定される。

図３は、冷媒の充填を開始したばかりの冷媒不足の状態における、ヒータによる冷媒温度の変化を説明する図である。図３（Ａ）は、ヒータ７２周辺の冷媒の状態を概念的に示す図である。図３（Ｂ）は、ヒータ７２による冷媒温度の変化の一例を示す図である。

図１とともに図３（Ａ）を参照して、冷媒の充填を開始した当初には、冷媒不足状態のため凝縮器２０の出口において冷媒は気液二相化しており、受液器３０には、液冷媒が溜まっていない。これにより、配管８６には気液二相の冷媒が流れ、キャピラリチューブ７１を通過した冷媒はガス成分が多くなり、冷媒の質量流量は低下する。

図３（Ｂ）を参照して、横軸は、配管８７の延設方向の位置を示しており、Ｐ１，Ｐ２は、それぞれ温度センサ７３，７４が設置されている位置を示す。縦軸は、配管８７の各位置における冷媒温度を示す。

図３（Ｂ）に示すように、キャピラリチューブ７１を通過した冷媒はガス成分が多く冷媒の質量流量が低下するため、ヒータ７２によって冷媒が加熱されると、冷媒の温度が上昇する。すなわち、ヒータ７２による冷媒加熱後の冷媒の温度Ｔ２は、ヒータ７２による冷媒加熱前の冷媒の温度Ｔ１よりも高くなる。

図４は、適正な冷媒量まで充填された状態における、ヒータによる冷媒温度の変化を説明する図である。図４（Ａ）は、ヒータ７２周辺の冷媒の状態を概念的に示す図である。図４（Ｂ）は、ヒータ７２による冷媒温度の変化の一例を示す図である。

図１とともに図４（Ａ）を参照して、冷媒が適正量まで充填されると、凝縮器２０の出口において冷媒はほぼ液相化しており、受液器３０に液冷媒が溜まっている。これにより、配管８６には液冷媒が流れ、キャピラリチューブ７１を通過した冷媒は、液成分が多い状態となる。そして、キャピラリチューブ７１を通過した冷媒は、ヒータ７２により加熱されて乾き度が上昇する。

図４（Ｂ）を参照して、横軸は、配管８７の延設方向の位置を示しており、Ｐ１，Ｐ２は、それぞれ温度センサ７３，７４が設置されている位置を示す。縦軸は、配管８７の各位置における冷媒温度を示す。なお、この図４（Ｂ）では、冷媒が単一の沸点を有する場合、すなわち単一成分冷媒または共沸混合冷媒である場合が示されている。

図４（Ｂ）に示すように、キャピラリチューブ７１を通過した冷媒は液成分が多く冷媒の質量流量が多い状態であるため、ヒータ７２によって冷媒が加熱されても冷媒の温度は基本的に変化しない。なぜなら、加熱エネルギは冷媒の潜熱変化に利用されるからである。したがって、ヒータ７２による冷媒加熱後の冷媒の温度Ｔ２は、ヒータ７２による冷媒加熱前の冷媒の温度Ｔ１と略同等となる。

なお、特に図示しないが、冷媒が複数の沸点を有する非共沸混合冷媒の場合には、ヒータ７２による加熱によって冷媒の温度は多少上昇する。しかし、その温度上昇量は、高々１０℃程度である。したがって、ヒータ７２による加熱量を調整することにより、充填量が不足している場合における冷媒の温度上昇と、充填量が適正な場合における冷媒の温度上昇とを区別可能である。

上記のとおり、冷媒量検出部７０において、ヒータ７２によって冷媒を加熱したときの冷媒の温度上昇量に基づいて、冷媒回路ＲＣへの冷媒の充填量が適正かどうかを判定することができる。

なお、上記の判定方法は、受液器および過冷却熱交換器が設けられていない冷凍装置にも適用可能である。バイパス回路ＢＣを構成する配管（８６および８７）の一端は、凝縮器２０の出側に接続される。バイパス回路ＢＣは、凝縮器２０を通過した冷媒の一部を、負荷側ユニット３を通過することなく圧縮機１０へ戻す。

［冷媒回路への冷媒の充填手順］
図５は、図１の冷凍装置において、冷媒回路への冷媒の充填手順を示すフローチャートである。以下、図１および図５を参照して、冷媒充填時における冷媒充填量の制御手順について説明する。以下に説明するように、冷媒の充填手順は、初期充填、複数回の追加充填、および最終追加充填の順に進む。

まず、ステップＳ１００において、制御装置１００は、図２の入力装置１２２を介して、ユーザから冷媒の充填量の制御開始の入力を受け付ける。

その次のステップＳ１１０において、制御装置１００は、入力装置１２２を介して、ユーザから、冷媒量に対する影響が大きい構成要素の仕様の入力を受け付ける。具体的に必要な構成要素の仕様は以下のとおりである。

（i）熱源側ユニット２と負荷側ユニット３とを接続するためのガス延長配管９００の径及び長さ。ガス延長配管は、図１の配管８５に相当する。

（ii）熱源側ユニット２と負荷側ユニット３とを接続するための液延長配管９１０の径及び長さ。液延長配管は、図１の配管８３に相当する。

（iii）凝縮器２０の内容積。
（iv）蒸発器６０の内容積。

（v）受液器３０の内容積。
上記の仕様情報は、冷媒の初期充填量の算出および最終追加充填量の算出において特に必要になる。なお、ガス延長配管９００および液延長配管９１０の内容積に比べてそれ以外の配管の内容積は小さいので無視できる。

その次のステップＳ１２０において、制御装置１００は、初期充填量の冷媒を冷媒回路ＲＣ内に充填するように指示する。初期充填量は、圧縮機１０を動作させるのに最低限必要な冷媒の量である。たとえば、制御装置１００は、図２の出力装置１２０としてのディスプレイに初期充填量を表示するようにしてもよいし、音声出力により初期充填量を報知してもよい。自動的に所望の充填量の冷媒を充填可能な機構が備えられている場合には、制御装置１００は初期充填量の冷媒を自動的に冷媒回路ＲＣ内に充填するように指示する。

その次のステップＳ１２５において、制御装置１００は、冷媒量検出部７０に設けられたヒータ７２の故障判定を行う。ヒータの故障判定は、バイパス回路ＢＣに冷媒を流していない状態で実行される。具体的な故障判定の具体的手順は以下のとおりである。なお、このステップＳ１２５は、ヒータ７２の故障の可能性が低い場合には、必ずしも実行しなくてよい。

図６は、冷媒量検出部におけるヒータの故障を判定する手順を示すフローチャートである。

図６を参照して、ステップＳ３００において、制御装置１００は、冷媒量検出部７０に設けられたヒータ７２をオン（ＯＮ）する。

次のステップＳ３１０において、制御装置１００は、冷媒量検出部７０の温度センサ７３，７４からそれぞれ温度Ｔ１，Ｔ２の検出値を取得する。温度Ｔ１，Ｔ２の検出は、ヒータ７２をオンしてから定められた時間が経過した後に実行される。

その次のステップＳ３２０において、制御装置１００は、冷媒量検出部７０に設けられたヒータ７２をオフ（ＯＦＦ）する。

その次のステップＳ３３０において、制御装置１００は、取得された温度Ｔ１又はＴ２が閾値Ｔｔｈ２よりも高いか否かを判定する。閾値Ｔｔｈ２は、ヒータ７２が動作しているか否かを判定するための値である。たとえば、後述するステップＳ２００における閾値Ｔｔｈ１が４〜５℃程度の小さい値に設定されるのに対して、閾値Ｔｔｈ４は１０〜２０℃程度の値に設定される。

この結果、取得された温度Ｔ１およびＴ２の少なくとも一方が閾値Ｔｔｈ２よりも低い場合に（ステップＳ３３０でＹＥＳ）に、処理はステップＳ３４０に進む。ステップＳ３４０において、制御装置１００は、ヒータ７２が故障している旨を出力装置１２０を介してユーザに報知する。これにより、実際には充填量が不十分であるにも拘わらず、ヒータ７２の故障により冷媒の充填量が適正であると誤判定することを防止できる。

再び図５を参照して、次のステップＳ１３０において、制御装置１００は、予め定められた固定回転周波数で圧縮機１０の運転を開始させる。圧力損失を抑制するために、圧縮機１０の回転周波数は比較的小さな値、たとえば、３０Ｈｚに設定される。

その次のステップＳ１４０において、制御装置１００は、冷媒量検出部７０におけるヒータ７２をオンする。

その次のステップＳ１５０において、制御装置１００は、各部のデータを取得する。具体的に、制御装置１００は、冷媒量検出部７０の温度センサ７３，７４からそれぞれ温度Ｔ１，Ｔ２の検出値を取得する。さらに、制御装置１００は、温度センサによって、凝縮温度ＣＴ、過冷却熱交換器４０の出口温度ＯＴ、外気温度ＡＴ、および蒸発温度ＥＴを取得する。さらに、制御装置１００は、圧力センサ９０、９２により、圧縮機１０の吸入側の冷媒圧力（すなわち、低圧側圧力ＬＰ）及び圧縮機１０の吐出側の冷媒圧力（すなわち、高圧側圧力ＨＰ）を検出する。

その次のステップＳ１６０において、制御装置１００は、現在の運転状態が検知不可条件に該当するか否かを判断する。この検知不可条件としては、例えば、次のような条件を予め設定する。

（i）液バックによって、膨張弁５０から圧縮機１０までの低圧側の冷媒回路に多くの冷媒が移動しているため、冷媒量検出部７０への冷媒の供給量が減少している場合。この場合、冷媒回路ＲＣ内の冷媒の充填量が十分であるにもかかわらず、充填量が不足と判定されることがある。なお、液バックとは、蒸発器６０による蒸発が不十分なために気液二相の冷媒が圧縮機１０に吸入される場合をいう。液バックが生じたことは、圧縮機１０の吸入側の過熱度ＳＨが閾値よりも小さいことによって判断できる。

（ii）蒸発温度ＥＴが閾値よりも高い場合。蒸発温度が高い場合には、冷媒回路ＲＣの低圧側の冷媒量が多い状態となっているため、冷媒量検出部７０への冷媒の供給量が減少する。この結果、冷媒回路ＲＣへの冷媒の充填量が十分であるにもかかわらず、充填量が不足と判定されることがある。

（iii）圧縮機１０が停止中、または圧縮機１０を起動してから定められた時間以内の場合。圧縮機１０の起動直後は、バイパス回路ＢＣを流れる冷媒の量が安定しないので、冷媒充填量の適否の判定には適さない。

（iv）ヒータ７２が故障している場合。ただし、ヒータ７２が故障している場合には、処理を中断してヒータを交換する必要がある。

制御装置１００は、これらの何れか１つに該当する場合には検知不可条件に該当すると判断する（ステップＳ１６０でＹＥＳ）。この場合、制御装置１００は、取得したデータを無効値としてバッファに格納し（ステップＳ１７０）、ステップＳ１５０に処理を戻して新たなデータを取得する。

検知不可条件に該当しない場合（ステップＳ１６０でＮＯ）、制御装置１００は、取得したデータを有効値としてバッファに格納する（ステップＳ１８０）。バッファとして図２のメモリ１０４またはストレージ１０６が用いられる。

制御装置１００は、一定の時間（たとえば、１５分間）連続して有効なデータを取得できた場合（ステップＳ１９０でＹＥＳ）に、冷媒の充填量の適否を判定するステップＳ２００に進む。一定の時間連続して有効なデータを取得できなかった場合（ステップＳ１９０でＮＯ）、制御装置１００は、ステップＳ１５０に処理を戻して新たなデータを取得する。

次のステップＳ２００において、制御装置１００は、取得された温度Ｔ２と温度Ｔ１との差（Ｔ２−Ｔ１）、すなわち、ヒータ７２による冷媒の温度上昇量が、閾値Ｔｔｈ１よりも小さいか否かを判定する。ただし、取得された温度Ｔ１およびＴ２にはばらつきがあるので、この判定は、連続する複数個のデータの平均値を用いるのが望ましい。さらに、一定の時間（たとえば、１５分間）連続して、Ｔ２−Ｔ１＜Ｔｔｈ１が満たされるか否かを判定するのが望ましい。

ヒータ７２による冷媒の温度上昇量が閾値Ｔｔｈ１以上であると判定されると（ステップＳ２００においてＮＯ）、制御装置１００は、冷媒の充填量が不足しているものと判定する。この場合、制御装置１００は、次のステップＳ２１０において、冷媒回路ＲＣに冷媒を追加充填するように指示する。たとえば、制御装置１００は、図２の出力装置１２０としてのディスプレイに追加すべき冷媒量を表示するようにしてもよいし、音声出力により追加すべき冷媒量を報知してもよい。自動的に所望の充填量の冷媒を充填可能な機構が備えられている場合には、制御装置１００は追加量の冷媒を自動的に冷媒回路ＲＣ内に充填するように指示してもよい。その後、制御装置１００は、ステップＳ１５０に処理を戻して新たなデータを取得する。なお、制御装置１００は、具体的な追加冷媒量の算出が難しい場合には、少しずつ（たとえば、１ｋｇ／分）冷媒を冷媒回路に追加するように指示する。

一方、ヒータ７２による冷媒の温度上昇量が閾値Ｔｔｈ１よりも小さいと判定されると（ステップＳ２００においてＹＥＳ）、制御装置１００は、冷媒の充填量はほぼ適正であると判定する。この場合、制御装置１００は、次のステップＳ２２０において、冷媒量検出部７０におけるヒータ７２をオフする。

さらに、制御装置１００は、その次のステップＳ２３０において、一年間を通して冷媒不足とならないように季節等の外気状況の変化に応じた冷媒の不足分を算出する。この冷媒の不足分は、最終的に追加すべき不足冷媒量を意味する。不足冷媒量の算出方法については後述する。

その次のステップＳ２４０において、制御装置１００は、ステップＳ２３０で算出した不足冷媒量を充填するように指示する。たとえば、制御装置１００は、図２の出力装置１２０としてのディスプレイに不足冷媒量を表示するようにしてもよいし、音声出力により不足冷媒量を報知してもよい。自動的に所望の充填量の冷媒を充填可能な機構が備えられている場合には、制御装置１００は不足分の冷媒を自動的に冷媒回路ＲＣ内に充填するように指示してもよい。

以上により、冷媒充填量の制御手順が終了する。なお、ステップＳ２３０において、既に充填した冷媒の総量が十分な場合（すなわち、算出した不足冷媒量がほぼ０の場合）には、ステップＳ２４０は実行しなくてよい。

［不足冷媒量の算出方法］
制御装置１００は、不足冷媒量を、凝縮器２０、液延長配管９１０、ガス延長配管９００、蒸発器６０、および受液器３０のそれぞれの内容積、ならびに、一年間で想定される冷媒の最大密度と冷媒封入時点の冷媒密度との差分に基づいて求める。これにより、季節等による外気状況の変化で、冷媒充填量にばらつきが出てしまうことを防止して、適切な量の冷媒を充填することができる。

不足冷媒量ΔＭｒは、冷凍装置１の構成のうち冷媒量変動が大きい５つの要素の各々の不足冷媒量の和として表される。すなわち、
ΔＭｒ＝ΔＭｒ_ｃｏｎｄ＋ΔＭｒ_ＰＬ＋ΔＭｒ_ＰＧ＋ΔＭｒ_ｅｖａ＋ΔＭｒ_ｒｅｃ …(1)
によって不足冷媒量ΔＭｒを算出できる。ここで、ΔＭｒ_ｃｏｎｄは、凝縮器２０の不足冷媒量である。ΔＭｒ_ＰＬは、液延長配管９１０の不足冷媒量である。ΔＭｒ_ＰＧは、ガス延長配管９００の不足冷媒量である。ΔＭｒ_ｅｖａは、蒸発器６０の不足冷媒量である。ΔＭｒ_ｒｅｃは、受液器３０の不足冷媒量である。以下、各不足冷媒量の算出方法を詳細に説明する。

（１．凝縮器２０の不足冷媒量ΔＭｒ_ｃｏｎｄ）
制御装置１００は、予め設定された凝縮器２０内の冷媒密度ρ_ｃｏｎｄと凝縮温度（ＣＴ）との関係を用いることにより、検出された凝縮器出口温度（充填時の凝縮温度ＣＴ）から充填時の凝縮器２０内の冷媒密度を算出する。制御装置１００は、予め設定された基準密度と算出した充填時の凝縮器２０内の冷媒密度との差分値を密度変動Δρ_ｃｏｎｄとして求める。基準密度とは、温度により変動する凝縮器２０内の冷媒密度の最大値である。制御装置１００は、算出した密度変動Δρ_ｃｏｎｄと凝縮器２０の内容積Ｖ_ｃｏｎｄとを乗算することにより、凝縮器２０の不足冷媒量ΔＭｒ_ｃｏｎｄを求める。

たとえば、冷媒密度が最大となるときの凝縮温度を５３℃とすれば、密度変動Δρ_ｃｏｎｄは、
Δρ_ｃｏｎｄ＝１．７×（５３−ＣＴ） …(2)
によって表される。上式（２）において、ＣＴは充填時の凝縮温度を表し、１．７は実験的に求められた係数である。

（２．液延長配管９１０の不足冷媒量ΔＭｒ_ＰＬ）
制御装置１００は、予め設定された液延長配管９１０内の冷媒密度ρ_ＰＬと液延長配管９１０内の冷媒温度との関係を用いることにより、検出された過冷却熱交換器の出口温度ＯＴから充填時の液延長配管９１０内の冷媒密度を算出する。制御装置１００は、予め設定された基準密度と算出した充填時の液延長配管９１０内の冷媒密度との差分値を密度変動Δρ_ＰＬとして求める。基準密度とは、温度により変動する液延長配管９１０内の冷媒密度の最大値である。制御装置１００は、算出した密度変動Δρ_ＰＬと液延長配管９１０の内容積Ｖ_ＰＬとを乗算することにより、液延長配管９１０内の不足冷媒量ΔＭｒ_ＰＬを求める。

たとえば、冷媒密度が最大となるときの液管温度を１７℃とすれば、密度変動Δρ_ＰＬは、
Δρ_ＰＬ＝−５×（１７−ＯＴ） …(3)
によって表される。上式（３）において、ＯＴは充填時の過冷却熱交換器４０の出口温度を表し、−５は実験的に求められた係数である。

（３．ガス延長配管９００の不足冷媒量ΔＭｒ_ＰＧ）
制御装置１００は、予め設定されたガス延長配管９００内の冷媒密度ρ_ＰＧと蒸発温度ＥＴとの関係を用いることにより、検出された充填時の蒸発温度ＥＴから充填時のガス延長配管９００内の冷媒密度を算出する。制御装置１００は、予め設定された基準密度と算出した充填時のガス延長配管９００内の冷媒密度との差分値を密度変動Δρ_ＰＧとして求める。基準密度とは、温度により変動するガス延長配管９００内の冷媒密度の最大値である。制御装置１００は、算出した密度変動Δρ_ＰＧとガス延長配管９００の内容積Ｖ_ＰＧとを乗算することにより、ガス延長配管９００内の不足冷媒量ΔＭｒ_ＰＧを求める。

より詳細には、ガス延長配管９００の冷媒密度は蒸発温度ＥＴにより変化する。蒸発温度ＥＴが変動する幅ΔＥＴを、たとえば５℃とする。実際に使用する目標蒸発温度（ＥＴｍ）と充填時の蒸発温度ＥＴとが異なる場合も想定すれば、ガス延長配管９００の密度変動Δρ_ＰＧは、
Δρ_ＰＧ＝０．８×（ΔＥＴ（＝５）＋（ＥＴｍ−ＥＴ）） …(4)
によって表される。上式（４）において、０．８は実験的に求められた係数である。

（４．蒸発器６０の不足冷媒量ΔＭｒ_ｅｖａ）
制御装置１００は、予め設定された蒸発器６０内の冷媒密度ρ_ｅｖａと蒸発温度ＥＴと蒸発器６０の入口温度との関係を用いることにより、充填時の蒸発器６０内の冷媒密度を算出する。具体的に、充填時の蒸発温度ＥＴと充填時との過冷却熱交換器４０の出口温度ＯＴとが上記の関係に代入される。制御装置１００は、予め設定された基準密度と充填時の冷媒密度との差分値を密度変動Δρ_ｅｖａとして求める。制御装置１００は、算出した密度変動Δρ_ｅｖａと蒸発器６０の内容積Ｖ_ｅｖａとを乗算することにより、蒸発器６０内の不足冷媒量ΔＭｒ_ｅｖａを求める。

より詳細には、蒸発器６０の冷媒密度ρ_ｅｖａは、蒸発温度ＥＴと蒸発器６０の入口温度とにより変化する。蒸発温度ＥＴが変動する幅ΔＥＴを、たとえば５℃とする。実際に使用する目標蒸発温度（ＥＴｍ）と充填時の蒸発温度ＥＴとが異なる場合も想定すれば、蒸発器６０の密度変動Δρ_ｅｖａは、
Δρ_ｅｖａ＝3×（ΔET（＝5）＋（ETm−ET））＋（OT−17）×29／28 …(5)
によって表される。上記（５）において、３および２９／２８は実験的に求められた係数である。

（５．受液器３０の不足冷媒量ΔＭｒ_ｒｅｃ）
制御装置１００は、予め設定された受液器３０内の冷媒密度ρ_ｒｅｃと凝縮温度（ＣＴ）との関係を用いることにより、検出された凝縮器出口温度（充填時の凝縮温度ＣＴ）から充填時の受液器３０内の冷媒密度を算出する。制御装置１００は、予め設定された基準密度と算出した充填時の受液器３０内の冷媒密度との差分値を密度変動Δρ_ｒｅｃとして求める。基準密度とは、温度により変動する受液器３０内の冷媒密度の最大値である。制御装置１００は、算出した密度変動Δρ_ｒｅｃと受液器３０の内容積Ｖ_ｒｅｃとを乗算することにより、受液器３０の不足冷媒量ΔＭｒ_ｒｅｃを求める。

たとえば、冷媒密度が最大となるときの凝縮温度を６０℃とすれば、密度変動Δρ_ｒｅｃは、
Δρ_ｒｅｃ＝３．３×（６０−ＣＴ） …(6)
によって表される。上式（６）において、ＣＴは充填時の凝縮温度を表し、３．３は実験的に求められた係数である。

［冷媒量検出部の配置位置］
以上のように、本実施の形態の熱源側ユニット２では、冷媒量検出部７０におけるヒータ７２による冷媒の温度上昇量に基づいて、冷媒の充填量の適否が判定される。したがって、冷媒量の判定精度は、ヒータ７２による冷媒の温度上昇量の検出精度に依存する。そこで、冷媒量検出部７０は、温度上昇量の検出の外乱となる風の影響を受けにくい箇所に配設される。具体的には、冷媒量検出部７０は、凝縮器２０と比較して、気流の影響が小さい箇所に配設するのが好ましい。影響低減の対象となる風には、凝縮器２０を通過した風、凝縮器２０を通過する前の風、及び自然の風が含まれる。これにより、冷媒量検出部７０が風の影響を受けて上記の温度上昇量に誤差が生じるのを抑制することができる。

図７は、冷凍装置１の熱源側ユニット２の構造を概略的に示す図である。図７を参照して、熱源側ユニット２の内部は、仕切板２０６によって熱交換室２０２と機械室２０４とに仕切られている。熱交換室２０２には、凝縮器２０、受液器３０及び過冷却熱交換器４０（いずれも図示せず）、並びにファン２２，４２が収容されている。凝縮器２０及び過冷却熱交換器４０（以下、纏めて「熱交換部」と称する場合がある。）並びにファン２２，４２は、熱源側ユニット２の筐体の側面に設けられており、この例では、熱交換部が背面側に設けられるとともにファン２２，４２が前面側に設けられ、熱交換室２０２の背面側から前面側に向けて熱交換部の排熱風が流れる。機械室２０４には、圧縮機１０、各配管、圧力センサ９０，９２及び制御装置１００が収容されている。

そして、本実施の形態１に従う熱源側ユニット２においては、冷媒量検出部７０は、機械室２０４に収容されている。熱交換室２０２内には、ファン２２，４２の動作に伴なう風、又はファン停止中には自然の風が流れており、このような風が流れる熱交換室２０２内に冷媒量検出部７０が配置されると、冷媒量検出部７０（特に温度センサ７３，７４）が風の影響を受けることによってヒータ７２による冷媒の温度上昇量の測定に誤差が生じ得る。この例では、冷媒量検出部７０は、熱交換室２０２とは仕切板２０６によって仕切られた機械室２０４に収容されているので、風の影響を受けない。したがって、この熱源側ユニット２によれば、ヒータ７２による冷媒の温度上昇量を精度良く測定することができる。

なお、上記では、受液器３０は、熱交換室２０２に配設されるものとしたが、機械室２０４に配設してもよい。気流の影響が小さい箇所であれば、その他の位置であってもよい。

［実施の形態１の効果］
以下、冷媒充填量の適否を判定するための他の方法と比較して、本実施の形態１の効果について説明する。図８は、その他の冷媒充填量の適否を判定する手法を説明するための図である。

（方法１）
図８（Ａ）を参照して、過冷却熱交換器４０の過冷却度によって、冷媒量の適否を判定することができる。ここで、過冷却度は、凝縮温度ＣＴから過冷却熱交換器４０の出口温度ＯＴを減算することによって求められる。過冷却度が閾値Ｓｔｈを超えたときに冷媒充填量が適切であると判断される。

図８（Ａ）に示すように、この判定方法では、冷凍装置１の運転状況の影響が大きい。運転状況Ａの場合には、冷媒量がＲ１のとき適正と判断されるのに対し、運転状況Ｂの場合には、冷媒量がＲ２のとき適正と判断される。いずれも、本来の適正な冷媒量Ｅよりも小さい。この原因は、どのような運転状況によっても判定可能なように過冷却度の閾値Ｓｔｈを小さくしなければならなかった点にある。

（方法２）
他の方法として、過冷却熱交換器の出口における冷媒の過冷却度を、過冷却熱交換器の最大温度差で除算した値である温度効率εにより冷媒不足を判定することができる。外気で過冷却熱交換器４０を冷却する場合、温度効率εは、凝縮温度ＣＴ、過冷却熱交換器４０の出口温度ＯＴ、および外気温度ＡＴを用いて、
ε＝（ＣＴ−ＯＴ）／（ＣＴ−ＡＴ） …(7)
で表される。温度効率εが閾値εｔｈを超えたときに、冷媒充填量が適切であると判断される。

図８（Ｂ）に示すように、この方法の場合には、運転状況Ａ，Ｂによる影響は小さい。しかしながら、閾値εｔｈに達したときの冷媒量Ｒ３は、本来の適正な冷媒量Ｅよりも若干小さくなる。さらに、方法２には次のような重大な問題がある。

第１に、運転状況によっては誤差が大きいために、温度効率εを判定できない場合がある。まず、過冷却熱交換器４０が空冷のとき、上式（７）に示すように、凝縮温度ＣＴ−外気温度ＡＴによって過冷却熱交換器４０の最大温度差が求められる。ここで、凝縮器２０のファン２２の風量が低下したために凝縮器２０の熱交換性能が低下した場合、すなわち、凝縮温度ＣＴと外気温度ＡＴとの差が閾値よりも大きい場合に問題となる。この場合、十分な冷媒量の冷媒が封入された状態でも温度効率が小さくなる場合があり、この結果として過充填となる場合があるために冷媒不足か否かの判定を実施できない。

さらに、蒸発温度が低くかつ圧縮機１０の運転周波数が低いために凝縮負荷が小さい場合、すなわち、凝縮温度ＣＴと外気温度ＡＴとの差が閾値よりも小さい場合に問題となる。この場合、温度センサの誤差により算出した温度効率が真値に対して大幅にずれることがあるため、冷媒不足か否かの判定を実施できない。

一方、過冷却熱交換器４０が２重管またはプレート熱交換方式のとき、過冷却熱交換器４０の最大温度差は、凝縮温度ＣＴと過冷却熱交換器４０の中間圧側飽和温度との差によって求められる。ここで、凝縮温度ＣＴと過冷却熱交換器４０の中間圧側飽和温度との差が小さい場合に問題となる。この結果、温度センサの誤差により算出した温度効率が真値に対して大幅にずれることがあるため、冷媒不足か否かの判定を実施できない。

第２に、非共沸混合冷媒の場合には、同じ圧力であっても、飽和液の冷媒温度と飽和ガスの冷媒温度に差（すなわち、温度勾配）があり問題となる。たとえば、共沸冷媒の場合には、（方法１）の図８（Ａ）に示すように、冷媒不足になると過冷却度（すなわち、ＣＴ−ＯＴ）は零になる。一方、非共沸冷媒の場合、冷媒不足となった場合でも温度勾配があるために過冷却度（すなわち、ＣＴ−ＯＴ）は零にならない。この結果、判定精度が低下したり、温度効率εの閾値εｔｈを大きく設定しないと判定が困難になったりする。

本実施の形態１の冷媒量検出部７０を用いた冷媒充填量の判定では、ヒータ７２の加熱量を調整することによって、上記のいずれの問題も改善することができる。すなわち、運転状況による判定結果のばらつきを小さくでき、判定が困難になる運転状態も殆ど生じない。上記の方法１，２のように適正な冷媒量Ｅよりも小さな冷媒量を適正と判定することもなく、精度の良い判定結果が得られる。さらに、図４（Ｂ）を参照して説明したように、非共沸混合冷媒の場合にも適正な充填量を精度良く判定できる。

また、本実施の形態１では、式（１）に従って計算される不足冷媒量の冷媒を冷媒回路に最終的に充填することによって、一年間を通じて冷媒不足とならないような適量の冷媒を冷媒回路に封入できる。

実施の形態２．
冷媒量検出部が設けられるバイパス回路ＢＣに冷媒が流れると、負荷側ユニット３の蒸発器６０に流れる冷媒量が減少する。したがって、バイパス回路ＢＣに冷媒を流し続けると、冷凍装置の性能に影響を与える可能性がある。

そこで、この実施の形態２では、バイパス回路ＢＣに開閉弁が設けられる。冷媒の充填作業中には開閉弁は開放される。その後の通常動作中には、開閉弁は閉鎖される。

図９は、実施の形態２に従う熱源側ユニットが用いられる冷凍装置の全体構成図である。図９を参照して、この冷凍装置１Ａは、熱源側ユニット２Ａと、負荷側ユニット３とを備える。熱源側ユニット２Ａは、図１に示した実施の形態１の熱源側ユニット２において、冷媒量検出部７０に代えて冷媒量検出部７０Ａを含む。

冷媒量検出部７０Ａは、図１に示した実施の形態１の冷媒量検出部７０において、電磁弁７９をさらに含む。電磁弁７９は、キャピラリチューブ７１の上流の配管８６に設けられ、制御装置１００からの指示に従って開閉する。電磁弁７９をキャピラリチューブ７１の下流の配管８７に設けることもできるが、キャピラリチューブ７１の上流の配管８６に設けたほうが望ましい。電磁弁７９が開状態になると、キャピラリチューブ７１及び配管８７に冷媒が流れ、冷媒量の適否が判定可能になる。電磁弁７９が閉状態のときは、キャピラリチューブ７１及び配管８７への冷媒の流れが遮断されるので、冷媒量の適否の判定は実行不可となる。

図９のその他の点は図１と同様であるので、同一または相当する部分には、同一または類似の参照符号を付すことによってその説明を繰り返さない。

図１０は、電磁弁７９とヒータ７２との動作パターンを示す図である。図１０を参照して、冷媒充填量の制御中には、電磁弁７９はＯＮ（開）され、ヒータ７２もＯＮされる。通常時、すなわち、冷媒充填量の制御の非実行時は、電磁弁７９はＯＦＦ（閉）され、ヒータ７２もＯＦＦされる。

さらに、電磁弁７９がＯＦＦの場合には、ヒータの故障判定も可能である。図１０を参照して、ヒータ故障の判定中には、電磁弁７９はＯＦＦ（閉）され、ヒータ７２がＯＮされる。

なお、図９では、電磁弁７９は、配管８６に設けられるものとしたが、電磁弁７９は、キャピラリチューブ７１の下流の配管８７に設けてもよい。但し、バイパス回路ＢＣにおいて電磁弁７９を上流側に配設した方が、通常時にバイパス回路ＢＣに寝込む液冷媒の量を少なくすることができるので、配管８６に電磁弁７９を設ける方が好ましい。さらには、電磁弁７９は、配管８２から配管８６が分岐される分岐部にできるだけ近い箇所に設けるのがより好ましい。

図１１は、図９の冷凍装置において、冷媒回路ＲＣへの冷媒の充填手順を示すフローチャートである。

図１１のフローチャートは、図５のフローチャートを変更したものである。図１１のフローチャートでは、電磁弁７９を開にするステップＳ１４４が、ヒータ７２をオンにするステップＳ１４０の後で、データを取得するステップＳ１５０の前に実行される。さらに、図１１のフローチャートでは、電磁弁７９を閉にするステップＳ２２５が、ヒータ７２をオフにするステップＳ２３０の後に実行される。

また、ヒータ７２の故障を判定するステップを実行するタイミングが変更される。具体的に図１１のフローチャートでは、ヒータ７２の故障を判定するステップＳ１４２は、ヒータ７２をオンにするステップＳ１４０の後で、電磁弁７９を開にするステップＳ１４４の前に実行される。

具体的なヒータ７２の故障を判定する手順は、図６の手順に類似する。ただし、図６において、ヒータをオンにするステップＳ３００は、既に図１１のステップＳ１４０において実行済みである。また、ヒータをオフにするステップＳ３２０は、図１１のステップＳ２２０において実行される。

電磁弁７９を設けることにより、冷媒充填量の制御中に限定してバイパス回路ＢＣに冷媒を流すことができる。しかし、電磁弁７９が閉故障した場合には、バイパス回路ＢＣにおいて冷媒の流れが生じない。この場合、温度Ｔ２と温度Ｔ１との差（Ｔ２−Ｔ１）が小さくなり、実際には冷媒不足が生じているにも拘わらず、冷媒不足は生じていないと誤判定する可能性がある。

そこで、図１１において、電磁弁の故障を判定するステップＳ１５５が、データを取得するステップＳ１５０の後で、検知不可条件に該当するか否かを判定するステップＳ１６０の前に実行される。具体的に、温度Ｔ２と温度Ｔ１との差（Ｔ２−Ｔ１）が小さくても、温度Ｔ１，Ｔ２のいずれかが閾値以上の場合には、電磁弁７９が閉故障しているものと判定される。図１１のその他の点は図５の場合と同様であるので、同一または相当するステップには同一または類似の参照符号を付すことにより説明を繰り返さない。

図１２は、電磁弁の故障判定を行う手順を示すフローチャートである。図１２を参照して、ステップＳ４００において、制御装置１００は、ヒータ７２がオン状態でありかつ正常であるかを確認する。ヒータ７２が異常な場合（ステップＳ４００でＮＯ）、以下のステップは実行されない。

次のステップＳ４１０において、制御装置１００は、電磁弁７９の開指令が出力されているかを確認する。電磁弁７９の開指令が出力されていない場合（ステップＳ４１０でＮＯ）、以下のステップは実行されない。

次にステップＳ４２０において、冷媒の温度上昇量（Ｔ２−Ｔ１）が閾値Ｔｔｈ１よりも小さいと判定されると（ステップＳ４２０でＹＥＳ）、制御装置１００はステップＳ４４０に処理を進める。なお、冷媒の温度上昇量（Ｔ２−Ｔ１）が閾値Ｔｔｈ１以上の場合（ステップ４２０でＮＯ）は、制御装置１００は、冷媒の充填量が不足していると判断する（ステップＳ４３０）。

次のステップＳ４４０において、制御装置１００は、取得された温度Ｔ１，Ｔ２が閾値Ｔｔｈ３よりも低いか否かを判定する。閾値Ｔｔｈ３は、バイパス回路ＢＣにおいて冷媒が流動していないために、ヒータ７２によって冷媒が過熱したことを検知するための値であり、ヒータ７２の加熱量等に基づいて適宜設定される。たとえば、閾値Ｔｔｈ１が４〜５℃程度の小さい値に設定されるのに対して、閾値Ｔｔｈ３は８０℃程度の大きい値に設定される。

上記のステップＳ４４０において、温度Ｔ１，Ｔ２のいずれかが閾値Ｔｔｈ３以上であると判定されると（ステップＳ４４０においてＮＯ）、制御装置１００は、電磁弁７９が閉故障しているものと判定する（ステップＳ４５０）。なお、ステップＳ４４０において電磁弁７９が閉故障していると判定された場合に、電磁弁が故障している旨のアラームを出力するようにしてもよい。

一方、ステップＳ４４０において、温度Ｔ１，Ｔ２のいずれも閾値Ｔｔｈ３よりも低いと判定されると（ステップＳ４４０においてＹＥＳ）、制御装置１００は、電磁弁７９は正常に作動していると判断する。これにより、故障判定処理は終了する。

以上のように、この実施の形態２では、バイパス回路ＢＣに電磁弁７９が設けられる。そして、冷媒充填量の制御中に電磁弁７９が開けられ、冷媒充填量の制御の非実行時には電磁弁７９が閉じられる。これにより、冷媒を充填しない通常動作時においてバイパス回路ＢＣに冷媒を流し続けることによって生じる冷凍装置の性能低下を防止することができる。

また、この実施の形態２では、電磁弁７９の閉故障が検知される。これにより、電磁弁７９の閉故障によりバイパス回路ＢＣにおいて冷媒が流動しないために、実際には冷媒不足が生じているにも拘わらず、冷媒不足は生じていないと誤判定してしまうのを防止できる。

実施の形態３．
実施の形態３では、冷媒量検出部における熱源として、ヒータ７２に代えて、圧縮機出側の高温高圧の冷媒が用いられる。これにより、ヒータ７２を別途設けることなく冷媒量検出部を構成することができる。

図１３は、実施の形態３に従う熱源側ユニットが用いられる冷凍装置の全体構成図である。

図１３を参照して、この冷凍装置１Ｂは、熱源側ユニット２Ｂと、負荷側ユニット３とを備える。熱源側ユニット２Ｂは、図９に示した実施の形態２の熱源側ユニット２Ａにおいて、冷媒量検出部７０Ａに代えて冷媒量検出部７０Ｂを含む。冷媒量検出部７０Ｂは、図９に示した実施の形態２の冷媒量検出部７０Ａにおいて、ヒータ７２に代えて熱交換部７８を含み、温度センサ７５〜７７をさらに含む。

熱交換部７８は、圧縮機１０から吐出される高温高圧の冷媒と、キャピラリチューブ７１を通過した冷媒との間で熱交換を行なうように構成される。

温度センサ７３は、熱交換部７８の上流側の冷媒温度、すなわち、キャピラリチューブ７１と熱交換部７８との間の冷媒の温度Ｔ１を検出する。一方、温度センサ７４は、熱交換部７８の下流側の冷媒温度、すなわち、熱交換部７８の下流であって配管８５に合流する前の冷媒の温度Ｔ２を検出する。

また、温度センサ７５は、圧縮機１０から吐出される高温高圧の冷媒の温度Ｔ３を検出し、その検出値を制御装置１００へ出力する。温度センサ７６は、圧縮機１０から吐出されて熱交換部７８を通過した冷媒の温度Ｔ４を検出し、その検出値を制御装置１００へ出力する。すなわち、温度センサ７５，７６は、圧縮機１０から凝縮器２０へ供給される冷媒について、それぞれ熱交換部７８の通過前及び通過後の冷媒の温度を検出する。温度センサ７７は、圧縮機１０に吸入される冷媒の温度Ｔ５を検出し、その検出値を制御装置１００へ出力する。

制御装置１００は、配管８７を流れる冷媒を熱交換部７８によって加熱したときの冷媒の温度上昇量に基づいて、冷凍装置１Ｂにおいて冷媒充填量の適否を判定する。より詳しくは、制御装置１００は、熱交換部７８による冷媒の温度上昇量が閾値以上になると、冷媒充填量が不足していると判定する。

ここで、熱交換部７８の加熱量は、冷凍装置１Ｂの運転状態によって変化するため、熱交換部７８における配管８７内の冷媒の温度上昇量も、冷凍装置１Ｂの運転状態によって変化する。特に、冷媒が非共沸冷媒の場合は、冷媒不足が生じていなくても、配管８７を流れる気液二相の冷媒が熱交換部７８において加熱されると温度が上昇し、その温度上昇量は加熱量に依存する。また、冷媒が共沸冷媒であっても、熱交換部７８の加熱量が大きい場合には、冷媒の温度が上昇し得る。

そこで、この実施の形態３では、熱交換部７８の加熱量が推定され、その加熱量に基づいて、冷媒不足が生じているか否かを判定するための閾値Ｔｔｈ４（熱交換部７８における冷媒の温度上昇量の閾値）が設定される。これにより、冷凍装置１Ｂの運転状態によって熱交換部７８の加熱量が変化しても、冷媒不足を精度良く検知することができる。

図１４は、図１３の冷凍装置において、冷媒回路ＲＣへの冷媒の充填手順を示すフローチャートである。

図１４のフローチャートは、図１１のフローチャートを変更したものである。図１４のフローチャートでは、図１１においてヒータに関係するステップＳ１４０，Ｓ１４２，Ｓ２２０が削除される。閾値Ｔｔｈ４を設定するステップＳ１８５が、ステップＳ１８０とステップＳ１９０との間に実行される。さらに、ステップＳ２００において、温度上昇量（Ｔ２−Ｔ１）と比較される閾値は、上記のステップＳ１８５で設定された閾値Ｔｔｈ４に変更される。図１４のその他の点は図１１の場合と同様であるので、同一または相当するステップには同一または類似の参照符号を付すことにより説明を繰り返さない。

図１５は、図１４の閾値を設定するステップＳ１８５の詳細な手順を示すフローチャートである。

ステップＳ５００において、制御装置１００は、バッファに格納したデータから必要なデータを取り出す。具体的に、制御装置１００は、温度センサ７３〜７７による温度Ｔ１〜Ｔ５の検出値、圧縮機１０の回転数Ｒ、および圧力センサ９０，９２の圧力ＬＰ，ＨＰの検出値を取得する。

次のステップＳ５１０において、制御装置１００は、圧縮機１０から熱交換部７８に流れる冷媒流量Ｇを計算する。さらに、制御装置１００は、圧縮機１０から熱交換部７８に流れる冷媒の、熱交換部７８前後のエンタルピー差Ｈを計算する。

具体的に、冷媒流量Ｇ（ｋｇ／ｈｒ）は、次式によって算出できる。
冷媒流量Ｇ＝Ｖ×Ｒ×Ｄ …(8)
ここで、Ｖは、圧縮機１０の押しのけ量（ｍ^３）であり、すなわち、圧縮機１回転あたりの冷媒吸込み量である。Ｒは、圧縮機１０の回転数（１／ｈｒ又は１／ｓ）である。Ｄは、冷媒の密度（ｋｇ／ｍ^３）である。密度Ｄは、圧縮機１０の吸入側の冷媒温度と圧力とによって決まる量であり、温度センサ７７により検出される温度Ｔ５と、圧力センサ９０により検出される圧力ＬＰとから算出することができる。

また、エンタルピー差Ｈ（ｋＪ／ｋｇ）は、次式によって算出することができる。
エンタルピー差Ｈ＝Ｈ３−Ｈ４ …(9)
ここで、Ｈ３は、圧縮機１０から熱交換部７８に供給される冷媒のエンタルピーであり、Ｈ４は、熱交換部７８を通過した後の冷媒のエンタルピーである。

図１６は、エンタルピーの算定方法を説明するための図である。図１６を参照して、エンタルピーＨ３は、圧縮機１０の吐出圧力と熱交換部７８通過前の冷媒温度とによって決まる量である。エンタルピーＨ３は、圧力センサ９２により検出される圧力ＨＰと、温度センサ７５により検出される温度Ｔ３とから求めることができる。また、エンタルピーＨ４は、圧縮機１０の吐出圧力と熱交換部７８通過後の冷媒温度とによって決まる量である。エンタルピーＨ４は、圧力ＨＰと、温度センサ７６により検出される温度Ｔ４とから求めることができる。

再び図１５を参照して、次のステップＳ５２０において、制御装置１００は、熱交換部７８の加熱量を計算する。具体的に、熱交換部７８の加熱量（Ｗ＝Ｊ／ｓ）は、たとえば、次式によって算出される。

加熱量＝Ｇ×Ｈ …(10)
その次のステップＳ５３０において、制御装置１００は、算出された熱交換部７８の加熱量に基づいて、冷媒不足が生じているか否かを判定するための閾値Ｔｔｈ４を設定する。上記で説明したように、閾値Ｔｔｈ４は、熱交換部７８において配管８７を流れる冷媒の温度上昇量と比較するために用いられる。

加熱量と閾値Ｔｔｈ４との関係は、使用される冷媒の種類に応じて事前評価やシミュレーション等により予め求められ、制御装置１００のストレージ１０６に記憶されている。定性的には、加熱量が大きい程、閾値Ｔｔｈ４は大きく、また、加熱量が同じ場合、非共沸冷媒の閾値は、共沸冷媒の閾値よりも大きい。

以上のように、この実施の形態３によれば、冷媒量検出部７０Ｂにおける熱源として、ヒータ７２に代えて、圧縮機１０出側の高温高圧の冷媒を用いた熱交換部７８が設けられる。したがって、ヒータ７２を設けることなく冷媒量検出部を構成することができる。

ここで、熱交換部７８の加熱量は、冷凍装置１Ｂの運転状態によって変化する点に注意する必要がある。この実施の形態３によれば、熱交換部７８において配管８７を流れる冷媒の温度上昇量の閾値Ｔｔｈ４は、熱交換部７８の加熱量に基づいて設定される。したがって、冷凍装置１Ａの運転状態が変化しても冷媒不足を精度良く検知することができる。

なお、図１３に示す冷凍装置１Ｂにおいて、電磁弁７９を設けないように変更することもできる。この場合、図１４のフローチャートにおいて、電磁弁に関係するステップＳ１４４，Ｓ１５５，Ｓ２２５が削除される。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，１Ａ，１Ｂ 冷凍装置、２，２Ａ，２Ｂ 熱源側ユニット、３ 負荷側ユニット、１０ 圧縮機、２０ 凝縮器、３０ 受液器、４０ 過冷却熱交換器、５０ 膨張弁、６０ 蒸発器、７０，７０Ａ，７０Ｂ 冷媒量検出部、７１ キャピラリチューブ、７２ ヒータ、７３，７４，７５，７６，７７ 温度センサ、７８ 熱交換部、７９ 電磁弁、８０〜８７ 配管、９０，９２ 圧力センサ、１００ 制御装置、１０２ ＣＰＵ、１０４ メモリ、１０６ ストレージ、１２０ 出力装置、１２２ 入力装置、ＡＴ 外気温度、ＢＣ バイパス回路、ＣＴ 凝縮温度、ＥＴ 蒸発温度、ＨＰ 高圧側圧力、ＬＰ 低圧側圧力、ＯＴ 出口温度、ＲＣ 冷媒回路。

Claims (13)

1. 負荷側ユニットと接続されて冷凍サイクル装置を構成する熱源側ユニットであって、
   前記負荷側ユニットは、冷媒の膨張機構及び蒸発器を備え、
   前記熱源側ユニットは、圧縮機及び凝縮器を備え、
   少なくとも前記膨張機構、前記蒸発器、前記圧縮機、及び前記凝縮器は、冷媒を順に循環させる冷媒回路を形成し、
   前記熱源側ユニットはさらに、
   前記凝縮器の出側の前記冷媒の一部を、前記蒸発器を通過することなく前記圧縮機へ戻すように構成されたバイパス回路と、
   前記バイパス回路に流れる冷媒を加熱するように構成された加熱器、前記加熱器によって加熱された前記冷媒の温度を検出する加熱後温度センサ、及び前記加熱器によって加熱される前の前記冷媒の温度を検出する加熱前温度センサを含む冷媒量検出部と、
   制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記加熱後温度センサが検出した温度と前記加熱前温度センサが検出した温度との差を温度上昇量として算出し、
   前記冷媒回路に前記冷媒を充填する際に、前記制御装置は、前記温度上昇量が第１の閾値以上の場合に追加の冷媒を充填するよう指示する、熱源側ユニット。
2. 前記制御装置は、前記温度上昇量が前記第１の閾値未満の場合に、不足冷媒量をさらに充填するように指示し、
   前記不足冷媒量は、一年間を通して推定される前記冷媒の最大密度と充填時における前記冷媒の密度との差に基づいて算出される、請求項１に記載の熱源側ユニット。
3. 前記熱源側ユニットは、受液器及び過冷却熱交換器をさらに備え、
   前記膨張機構、前記蒸発器、前記圧縮機、前記凝縮器、前記受液器、及び前記過冷却熱交換器は、前記冷媒を順に循環させる前記冷媒回路を構成し、
   前記バイパス回路は、前記受液器と前記過冷却熱交換器との間に接続される、請求項１または２に記載の熱源側ユニット。
4. 前記熱源側ユニットは、受液器及び過冷却熱交換器をさらに備え、
   前記膨張機構、前記蒸発器、前記圧縮機、前記凝縮器、前記受液器、及び前記過冷却熱交換器は、前記冷媒を順に循環させる前記冷媒回路を構成し、
   前記バイパス回路は、前記受液器と前記過冷却熱交換器との間に接続され、
   前記冷媒回路を構成する配管は、
   前記膨張機構と前記過冷却熱交換器との間を接続する第１配管と、
   前記蒸発器と前記圧縮機との間を接続する第２配管とを含み、
   前記制御装置は、少なくとも前記凝縮器、前記第１配管、前記第２配管、前記蒸発器、および前記受液器の各々の内部の冷媒密度と内容積とに基づいて前記不足冷媒量を算出する、請求項２に記載の熱源側ユニット。
5. 前記冷媒回路に冷媒を充填する際に、前記制御装置は、前記圧縮機を動作させるのに必要な冷媒の初期充填量を指示し、前記初期充填量の冷媒が充填された後に、前記温度上昇量と前記第１の閾値との比較に基づいて追加の冷媒を充填するように指示するか否かを判定するように構成される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱源側ユニット。
6. 前記バイパス回路に設けられ、前記バイパス回路における冷媒の通流及び遮断を切換えるように構成された開閉弁をさらに備え、
   前記制御装置は、前記冷媒回路に前記冷媒を充填する場合に前記開閉弁を開状態に制御し、前記冷媒回路への前記冷媒の充填を完了した後に、前記開閉弁を閉状態に制御する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱源側ユニット。
7. 前記加熱器は、ヒータである、請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱源側ユニット。
8. 前記加熱器は、前記圧縮機の出側の冷媒配管である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱源側ユニット。
9. 前記制御装置は、前記加熱器の加熱量を推定し、推定した加熱量に応じて前記第１の閾値を変更する、請求項８に記載の熱源側ユニット。
10. 前記制御装置は、前記バイパス回路に前記冷媒を流していない状態で、前記加熱器としての前記ヒータをオンしたときに、前記加熱前温度センサおよび前記加熱後温度センサの少なくとも一方で検出される温度が、前記第１の閾値よりも大きい第２の閾値未満のとき、前記ヒータが故障していると判定する、請求項７に記載の熱源側ユニット。
11. 前記制御装置は、前記開閉弁を開状態に制御した状態で前記加熱器によって前記冷媒を加熱しているときに、前記加熱前温度センサおよび前記加熱後温度センサの少なくとも一方で検出される温度が、前記第１の閾値よりも大きい第３の閾値を超えるとき、前記開閉弁が閉故障していると判定する、請求項６に記載の熱源側ユニット。
12. 前記冷媒量検出部は、前記凝縮器と比較して気流の影響が小さい箇所に設けられる、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の熱源側ユニット。
13. 請求項１〜１２のいずれか１項に記載の熱源側ユニットと、
    前記熱源側ユニットに接続される負荷側ユニットとを備える冷凍サイクル装置。

Images