WO2024252671A1

WO2024252671A1 - 冷凍サイクル装置

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Publication number: WO2024252671A1
Application number: PCT/JP2023/021557
Authority: WO
Inventors: 雄誠小野; 宗希石山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2023-06-09
Filing date: 2023-06-09
Publication date: 2024-12-12
Anticipated expiration: 2025-12-09

Abstract

冷凍サイクル装置（１）は、冷媒回路（ＲＣ）と、検出装置（１０，１１）と、制御装置（１００）とを備える。冷媒回路（ＲＣ）は、非共沸混合冷媒が溶解可能な油が入れられた圧縮機（２）と、第１熱交換器（４）と、膨張弁（５）と、第２熱交換器（６）と、アキュームレータ（２０）とを含む。検出装置（１０，１１）は、アキュームレータ（２０）内の液相の組成を検出する。制御装置（１００）は、検出装置（１０，１１）の検出結果を用いて、冷媒回路（ＲＣ）内を循環するガス冷媒の流速がゼロペネトレーション速度よりも高くなるように、圧縮機（２）の回転速度を制御する。

Description

冷凍サイクル装置

　本開示は、冷凍サイクル装置に関する。

　特開平７－９８１６１号公報（特許文献１）には、冷凍サイクル用の冷媒として、成分の異なる複数種類の冷媒が混合された混合冷媒が用いられる冷凍サイクル装置が開示されている。この冷凍サイクル装置は、圧縮機、第１熱交換器、減圧装置、第２熱交換器、および貯留容器を含む冷媒回路を備えており、貯留容器内には、混合冷媒が溶解可能な冷凍機油が入っている。さらに、この冷凍サイクル装置は、貯留容器内の圧力および温度を調整するための調整装置（開閉弁および加熱装置）を備えており、貯留容器内の圧力および温度を調整することによって、貯留容器内の冷凍機油に溶解している冷媒組成比を制御する。これにより、混合冷媒に含まれる各冷媒の、冷凍機油に対する溶解性の違い（以下「選択的溶解性」とも称する）を利用して、冷媒回路内を循環する冷媒の組成比を制御し、運転条件に対応した好適な冷媒による運転が行なえるようになる。

特開平７－９８１６１号公報

　冷凍サイクル装置の冷媒回路に含まれる圧縮機には、圧縮機内の潤滑剤として作用する冷凍機油が入っている。圧縮機内の冷凍機油は、運転状態に応じて、冷媒と共に圧縮機から吐出されて冷媒回路内を循環する。したがって、圧縮機から吐出されて冷媒回路内を循環する冷凍機油への冷媒の溶解の影響を考慮しないと、冷媒回路内を循環する冷媒の組成比を正確に制御することはできない。

　特開平７－９８１６１号公報（特許文献１）に開示された冷凍サイクル装置は、上述のように、貯留容器内の圧力および温度を調整することによって貯留容器内の冷凍機油に溶解している冷媒組成比のみを制御している。すなわち、特開平７－９８１６１号公報（特許文献１）に開示された冷凍サイクル装置は、貯留容器内の冷凍機油への冷媒の溶解の影響のみを考慮し、圧縮機から吐出されて冷媒回路内を循環する冷凍機油への冷媒の溶解の影響については何ら考慮していないため、最適な運転を行うことは難しい。

　一般に、混合冷媒は、共沸混合冷媒と、非共沸混合冷媒とに層別される。非共沸混合冷媒が用いられる冷凍サイクル装置において、非共沸混合冷媒が冷凍機油に対する選択的溶解性を有する場合、運転状態および環境条件によって、非共沸混合冷媒に含まれる各冷媒の冷凍機油に対する溶解度（量）が各々独立して変化し、その影響で冷媒回路内を循環する循環ガス冷媒の組成も変化してしまう。循環ガス冷媒の組成が変化すると、循環ガス冷媒の密度が変化するため、循環ガス冷媒の流速が変化する。その影響で、冷凍機油が圧縮機に戻らずに冷媒回路内に滞留してしまい、信頼性悪化につながってしまうことが懸念される。

　本開示は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、非共沸混合冷媒が用いられる冷凍サイクル装置において、冷媒回路内に冷凍機油が滞留することを適切に抑制することである。

　本開示による冷凍サイクル装置は、非共沸混合冷媒が用いられる冷凍サイクル装置であって、非共沸混合冷媒が溶解可能な油が入れられた圧縮機と、第１熱交換器と、膨張弁と、第２熱交換器と、気液分離器とを含む冷媒回路と、気液分離器内の液相の組成を検出するための検出装置と、検出装置の検出結果を用いて、冷媒回路内を循環するガス冷媒である循環ガス冷媒の流速がゼロペネトレーション速度よりも高くなるように圧縮機の回転速度を制御する制御装置とを備える。

　本開示によれば、非共沸混合冷媒が用いられる冷凍サイクル装置において、冷媒回路内に冷凍機油が滞留することを適切に抑制することができる。

冷凍サイクル装置の全体構成の一例を模式的に示す図（その１）である。アキュームレータの内部における静電容量式センサの配置位置の一例を示す図である。循環ガス冷媒流速Ｖによって冷凍機油の流動状態が変化する様子を模式的に示す図である。制御装置の処理手順の一例を示すフローチャート（その１）である。液相誘電率ｅと冷媒混合比率Ｘとの対応関係を模式的に示す図である。非共沸混合冷媒の誘電率ｅｒｅｆと第１冷媒組成比ｘとの対応関係を模式的に示す図である。冷凍サイクル装置の全体構成の一例を模式的に示す図（その２）である。オイルセパレータの内部における静電容量式センサの配置位置の一例を示す図である。制御装置の処理手順の一例を示すフローチャート（その２）である。

　以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

　図１は、本実施の形態による冷凍サイクル装置１の全体構成の一例を模式的に示す図である。冷凍サイクル装置１は、非共沸混合冷媒が内部を循環する冷媒回路ＲＣと、静電容量式センサ１０と、温度センサ１１，１２と、制御装置１００とを備える。冷媒回路ＲＣは、圧縮機２と、四方弁３と、第１熱交換器４と、膨張弁５と、第２熱交換器６と、アキュームレータ２０と、これらを接続する配管３１～３７とを含む。

　圧縮機２は、低圧冷媒を吸入して圧縮し、高圧冷媒として吐出する。圧縮機２は、周波数（回転速度）に応じた流量の冷媒を吐出する。圧縮機２は、周波数（回転速度）が可変な、例えばインバータ圧縮機である。冷媒回路ＲＣ内を循環する冷媒流量は、圧縮機２の周波数を調整することによって制御される。

　圧縮機２には、非共沸混合冷媒に含まれる各冷媒が溶解可能な冷凍機油が入っている。圧縮機２内の冷凍機油は、圧縮機２内の潤滑剤として作用する。圧縮機２内の冷凍機油は、冷凍サイクル装置１の運転状態に応じて、非共沸混合冷媒と共に圧縮機２から吐出されて冷媒回路ＲＣ内を循環する。本実施の形態による冷凍サイクル装置１に用いられる非共沸混合冷媒は、冷凍機油に対する選択的溶解性（各冷媒の溶解性の違い）を有する。

　第１熱交換器４は、冷媒が流れる流路を有する熱交換器である。第１熱交換器４では、流路の内部を流れる冷媒と、流路の外部の空気との間で熱交換が行われる。

　膨張弁５は、高圧冷媒を減圧する減圧装置である。膨張弁５としては、たとえば、開度を調整可能な弁体を備えた電子制御式膨張弁を用いることができる。

　第２熱交換器６は、冷媒が流れる流路を有する熱交換器である。第２熱交換器６では、流路の内部を流れる冷媒と、流路の外部の空気との間で熱交換が行われる。

　アキュームレータ２０は、非共沸混合冷媒を内部に貯留する容器であり、その内部において非共沸混合冷媒が気液分離される。アキュームレータ２０は、本開示の「気液分離器」の一例に相当する。アキュームレータ２０で気液分離されたガス冷媒は、配管３７を通って圧縮機２に戻される。

　冷凍サイクル装置１は、四方弁３の状態を切り替えることによって、第１モード（冷房モード）と第２モード（暖房モード）とを切り替えて運転できる。

　四方弁３は、圧縮機２の吐出側に設けられている。四方弁３は、圧縮機２の吐出先を第１熱交換器４および第２熱交換器６のどちらかに切替可能に構成されている。四方弁３は、圧縮機２の吐出側を第１熱交換器４に接続するとともに圧縮機２の吸入側を第２熱交換器６に接続する「第１状態」と、圧縮機２の吐出側を第２熱交換器６に接続するとともに圧縮機２の吸入側を第１熱交換器４に接続する「第２状態」と、のいずれかに選択的に制御される。なお、図１には、四方弁３が「第１状態」に制御されている例が示されている。

　第１モードでは、四方弁３が第１状態とされ、圧縮機２の吐出側が第１熱交換器４に接続される。第１モードでは、第１熱交換器４は凝縮器として機能するとともに、第２熱交換器６は蒸発器として機能する。第２熱交換器６で熱交換された冷媒は、配管３５、四方弁３、配管３６をこの順に通ってアキュームレータ２０に流入し、アキュームレータ２０内において気液分離される。アキュームレータ２０内のガス冷媒は、配管３７を通って圧縮機２に吸入される。

　第２モードでは、四方弁３が第２状態とされ、圧縮機２の吐出側が第２熱交換器６に接続される。第２モードでは、第１熱交換器４は蒸発器として機能するとともに、第２熱交換器６は凝縮器として機能する。第１熱交換器４で熱交換された冷媒は、配管３２、四方弁３、配管３６をこの順に通ってアキュームレータ２０に流入し、アキュームレータ２０内において気液分離される。アキュームレータ２０内のガス冷媒は、配管３７を通って圧縮機２に吸入される。

　静電容量式センサ１０は、アキュームレータ２０内の鉛直下方に位置する液相部分に配置され、アキュームレータ２０内の液相の静電容量（以下「液相静電容量Ｃ」とも称する）を検出する。静電容量式センサ１０は、検出結果（液相静電容量Ｃ）を制御装置１００に出力する。

　図２は、アキュームレータ２０の内部における静電容量式センサ１０の配置位置の一例を示す図である。冷媒は、配管３６からアキュームレータ２０の内部に流入し、配管３７を通って圧縮機２に戻される。配管３６はアキュームレータ２０の内部においてＩ字状に延在する。一方、配管３７はアキュームレータ２０の内部においてＪ字状に延在する。

　配管３７の先端部（ガス冷媒の入口部）の高さは、液相部分よりも鉛直上方に位置するガス相部分（気相部分）に位置する。配管３７の下端部の高さは、液相部分に位置する。配管３７の下端部には、液相に含まれる冷凍機油を圧縮機２に戻すための返油穴２３が形成されている。

　静電容量式センサ１０は、液相静電容量Ｃを確実に検出できるように、アキュームレータ２０の内部において液単相になる高さに設置することが望ましい。そのため、本実施の形態においては、静電容量式センサ１０が、アキュームレータ２０の内部における返油穴２３よりも鉛直下方の位置に配置される。

　図１に戻って、温度センサ１１は、アキュームレータ２０から圧縮機２に吸入される冷媒が流れる配管３７に配置され、配管３７の温度（以下「吸入配管温度Ｔ」とも称する）を検出する。温度センサ１１は、検出結果（吸入配管温度Ｔ）を制御装置１００に出力する。なお、配管３７はアキュームレータ２０内の液相に近いため、本実施の形態においては、温度センサ１１によって検出される吸入配管温度Ｔが、アキュームレータ２０内の液相の温度に相関する温度として用いられる。

　本実施の形態において、静電容量式センサ１０および温度センサ１１は、アキュームレータ２０内の液相の組成を検出するための検出装置として機能する。なお、アキュームレータ２０内の液相温度を直接的に検出する温度センサがある場合には、温度センサ１１に代えて当該温度センサを用いるようにしてもよい。

　温度センサ１２は、圧縮機２から四方弁３に吐出される冷媒が流れる配管３１に配置され、配管３１の温度（以下「吐出配管温度」ともいう）を検出する。温度センサ１２は、検出結果を制御装置１００に出力する。

　制御装置１００は、ＣＰＵ（Central　Processing　Unit）と、メモリと、各種信号を入出力するための入出力ポートとを含んで構成される。制御装置１００は、各センサ（たとえば静電容量式センサ１０および温度センサ１１，１２など）および機器からの信号、並びにメモリに格納されたプログラムなどに基づいて、冷凍サイクル装置１の各機器（圧縮機２、四方弁３、膨張弁５など）の制御を行なう。なお、制御装置１００が行なう制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア（電子回路）により処理することも可能である。

　＜ゼロペネトレーション速度＞
　次に、圧縮機２への返油（冷凍機油の戻し）の限界冷媒流速について説明する。一般に、冷媒回路の配管内においては、冷媒と油とは気液二相で流動し、特に上昇流においてはガス冷媒（気体）の流速によって冷凍機油（液体）の流動状態が変化する。冷媒回路の配管内を循環するガス冷媒（以下「循環ガス冷媒」とも称する）の流速が大きい場合は、冷凍機油も循環ガス冷媒の流れに持ち上げられて上昇し、循環ガス冷媒の流速が減少すると冷凍機油は上昇しなくなる。冷凍機油が上昇しなくなるときの循環ガス冷媒の流速は、「ゼロペネトレーション速度」と呼ばれ、圧縮機２への返油の限界冷媒流速となる。ゼロペネトレーション速度をＶ_Ｚとすると、ゼロペネトレーション速度Ｖ_Ｚは、下記の式（１）のように算出することができる。

　式（１）において、「ｇ」は重力加速度（単位：ｍ／ｓ^２）、「ｄ」は配管の内径（単位：ｍ）、「Ｄ_{ｒｅｆ＿ｇ}」は循環ガス冷媒密度（単位：ｋｇ／ｍ^３）、「Ｄ_ｏｉｌ」は冷凍機油密度（単位：ｋｇ／ｍ^３）、「Ｃ」は冷媒および配管形状で決まる定数である。

　一方、循環ガス冷媒の流速を「循環ガス冷媒流速Ｖ」とすると、循環ガス冷媒流速Ｖは下記の式（２）のように算出することができる。

　式（２）において、「Ｇ_ｒ」は冷媒循環量（単位：ｋｇ／ｈ）、「Ａ」は配管の断面積（単位：ｍ^２）である。

　図３は、循環ガス冷媒流速Ｖによって冷凍機油の流動状態が変化する様子を模式的に示す図である。なお、図３に示す配管は、図１に示す配管３１～３７のいずれかに相当する。

　循環ガス冷媒流速Ｖがゼロペネトレーション速度Ｖ_Ｚよりも高いときは、図３の左側に示すように、循環ガス冷媒の流れと共に冷凍機油も流れるため、冷凍機油は配管内に滞留することなく循環する。これにより圧縮機２に返油することができ、圧縮機２の信頼性が担保される。

　一方、循環ガス冷媒流速Ｖがゼロペネトレーション速度Ｖ_Ｚよりも低いときは、図３の右側に示すように、循環ガス冷媒が流れても冷凍機油が流れなくなるため、配管内に滞留する冷凍機油の量が急増する。これにより、圧縮機２への返油量が低下し、圧縮機２の油枯渇が生じる恐れがある。

　そのため、本実施の形態においては、以下に説明するように、非共沸混合冷媒の冷凍機油に対する選択的溶解性の影響を考慮した上で、循環ガス冷媒流速Ｖがゼロペネトレーション速度Ｖ_Ｚ以上になるように圧縮機２の周波数（回転速度）を制御する。これにより、圧縮機２への返油量を確保し、圧縮機２の油枯渇を適切に抑制することができる。

　＜圧縮機２の周波数制御＞
　本実施の形態による冷凍サイクル装置１のように非共沸混合冷媒が冷凍機油に対する選択的溶解性を有する場合、冷凍サイクル装置１の運転状態および環境条件によって、各冷媒が冷凍機油に溶解する量が変化し、その影響で循環ガス冷媒の組成比も変化してしまう。循環ガス冷媒の組成比が変化すると、循環ガス冷媒の密度が変化するため、循環ガス冷媒流速Ｖが変化する。その影響で循環ガス冷媒流速Ｖがゼロペネトレーション速度Ｖ_Ｚよりも低くなってしまうと、圧縮機２への返油性が悪化して冷凍機油が冷媒回路ＲＣ内に滞留してしまい、信頼性悪化につながってしまうことが懸念される。

　また、非共沸混合冷媒の余剰分が液相となってアキュームレータ２０に溜まると、アキュームレータ２０の液相には、高沸点の冷媒がより多く溶解することが知られている。したがって、アキュームレータ２０内の余剰冷媒量が多いほど、循環ガス冷媒の組成比は、低沸点の冷媒組成比が高くなる方向に変化する。例えばＲ３２とＲ１２３４ｙｆとの非共沸混合冷媒が用いられる場合は、アキュームレータ２０内の余剰冷媒量が多いほど余剰冷媒に溶け込む高沸点のＲ１２３４ｙｆの量が多くなるため、その分、循環ガス冷媒には低沸点のＲ３２がより多く含まれることになる。

　さらに、アキュームレータ２０内の液相には、非共沸混合冷媒だけでなく、冷凍機油が含まれている。そのため、アキュームレータ２０内の液相中の冷凍機油に対する各冷媒の選択的溶解性（溶解度の違い）に起因してアキュームレータ２０内の液相の組成が変化し、その影響で循環ガス冷媒の組成も変化し得る。

　以上の点を踏まえ、本実施の形態による冷凍サイクル装置１は、アキュームレータ２０内の液相の組成を検出するための検出装置として、静電容量式センサ１０と、温度センサ１１とを備える。そして、制御装置１００は、静電容量式センサ１０および温度センサ１１の検出結果を用いてアキュームレータ２０内の液相中の冷媒組成比を算出することで、アキュームレータ２０内の余剰冷媒量および各冷媒の選択的溶解性を考慮して、循環ガス冷媒の組成を精度よく算出する。そして、制御装置１００は、算出された循環ガス冷媒の組成を用いて、循環ガス冷媒流速Ｖがゼロペネトレーション速度Ｖ_Ｚ以上になるように圧縮機２の周波数（回転速度）を制御する。これにより、圧縮機２内の冷凍機油の枯渇を適切に抑制しつつ、圧縮機２の周波数を低下させて圧縮機２の消費電力を抑制することができる。

　図４は、制御装置１００の処理手順の一例を示すフローチャートである。このフローチャートは、予め定められた条件が成立する毎に繰り返し実行される。

　制御装置１００は、静電容量式センサ１０によって検出された液相静電容量Ｃに基づいて、アキュームレータ２０内の液相の誘電率（以下「液相誘電率ｅ」とも称する）を計測する（ステップＳ１０）。液相誘電率ｅの計測手法として、たとえば以下の手法を採用することができる。液相静電容量Ｃは下記の式（３）によって表わされる。

　　　Ｃ＝ｅ_０×ｅ_ｓ×（Ｓ／Ｌ）＝ｅ×（Ｓ／Ｌ）　…（３）
　式（３）において、「ｅ_０」は真空中の誘電率（一般的には８．８５４×１０^－１２）、「ｅ_ｓ」は液相の比誘電率、「Ｓ」は静電容量式センサ１０の電極面積、「Ｌ」は静電容量式センサ１０の電極間距離である。Ｓ，Ｌは定数であるため、制御装置１００は、静電容量式センサ１０によって検出された液相静電容量Ｃを式（３）に代入することによって液相誘電率ｅ（＝ｅ_０×ｅ_ｓ）を計測することができる。

　次いで、制御装置１００は、アキュームレータ２０内の液相の温度に相関する温度として、温度センサ１１によって検出された吸入配管温度Ｔを取得する（ステップＳ１１）。

　次いで、制御装置１００は、ステップＳ１０で計測された液相誘電率ｅとステップＳ１１で取得された吸入配管温度Ｔとを用いて、アキュームレータ２０内の液相中の冷媒組成比を算出する（ステップＳ１２）。

　以下、アキュームレータ２０内の液相中の冷媒組成比の算出手法の一例を具体的に説明する。以下では、非共沸混合冷媒の一例として、互いに成分の異なる第１冷媒と第２冷媒との非共沸混合冷媒を用いる場合について説明する。また、以下では、アキュームレータ２０内の液相中の冷媒組成比の一例として、液相中に含まれる冷媒全体（冷凍機油に溶解していない第１冷媒および第２冷媒と、冷凍機油に溶解している第１冷媒および第２冷媒との合計）を「１」としたときの、冷媒全体に対する第１冷媒（冷凍機油に溶解していない第１冷媒と、冷凍機油に溶解している第１冷媒との合計）の比率を「第１冷媒組成比ｘ」として算出する例について説明する。

　図５は、液相誘電率ｅと冷媒混合比率Ｘとの対応関係を模式的に示す図である。冷媒混合比率Ｘは、アキュームレータ２０内の液相全体を「１」としたときの、液相全体に対する非共沸混合冷媒の比率である。図５に示されるように、冷媒混合比率Ｘは、液相誘電率ｅだけでなく、冷媒温度（吸入配管温度Ｔ）ａ℃、ｂ℃、ｃ℃…によっても変化する。

　液相の比誘電率ｅ_ｓは、下記の式（４）の近似式で表わすことができる。式（４）において、「ｅ_ｏｉｌ」は冷凍機油の誘電率、「ｅ_ｒｅｆ」は非共沸混合冷媒の誘電率、「ｆ」は係数である。

　　　ｅ_ｓ＝ｅ_ｏｉｌ（１－Ｘ)＋ｅ_ｒｅｆＸ＋ｆ　…（４）
　冷凍機油の誘電率ｅ_ｏｉｌは、非共沸混合冷媒の誘電率ｅ_ｒｅｆと比較して小さく、さらに温度依存性がないことが知られているため、油の種類によって決まる定数と考えてよい。

　さらに、非共沸混合冷媒の誘電率ｅ_ｒｅｆは、液相誘電率ｅと冷媒混合比率Ｘとを用いて、下記の式（５）で表わすことができる。

　　　ｅ_ｒｅｆ＝ｅＸ　…（５）
　図６は、非共沸混合冷媒の誘電率ｅ_ｒｅｆ（＝ｅＸ）と第１冷媒組成比ｘとの対応関係を模式的に示す図である。図６に示されるように、第１冷媒組成比ｘは、液相中の第１冷媒の誘電率だけでなく、第１冷媒の温度によっても変化する。

　さらに、非共沸混合冷媒の誘電率ｅ_ｒｅｆは、液相中の第１冷媒の誘電率をｅ_Ａとし、第２冷媒の誘電率をｅ_Ｂとすると、下記の式（６）の近似式で表わすことができる。

　　　ｅ_ｒｅｆ＝ｅ_Ａｘ＋ｅ_Ｂ（１－ｘ）　…（６）
　さらに、各冷媒の誘電率ｅ_Ａ，ｅ_Ｂは、各冷媒温度によって変化するため、それぞれ下記の式（７），（８）で表わすことができる。式（７），（８）において、ｋ_１～ｋ_４は近似式の定数である。

　　　ｅ_Ａ＝ｋ_１Ｔ＋ｋ_２　…（７）
　　　ｅ_Ｂ＝ｋ_３Ｔ＋ｋ_４　…（８）
　制御装置１００は、ステップＳ１０で計測された液相誘電率ｅ、ステップＳ１１で取得された吸入配管温度Ｔ、および上記の式（４）～（８）を用いて、第１冷媒組成比ｘ（アキュームレータ２０内の液相中の冷媒組成比）を算出する。

　次いで、制御装置１００は、アキュームレータ２０内の液相中の冷媒組成比が安定したか否かを判定する（ステップＳ１３）。たとえば、制御装置１００は、直近の予め定められた時間内に算出された液相中の冷媒組成比の変動幅が予め定められた基準値よりも小さい場合に、液相中の冷媒組成比が安定したと判定する。液相中の冷媒組成比が安定していない場合（ステップＳ１３においてＮＯ）、制御装置１００は、処理をステップＳ１０に戻し、液相中の冷媒組成比が安定するまでステップＳ１０～Ｓ１３の処理を繰り返す。

　液相中の冷媒組成比が安定している場合（ステップＳ１３においてＹＥＳ）、制御装置１００は、ステップＳ１２で算出された液相中の冷媒組成比に基づいて、気液平衡の関係よりアキュームレータ２０内の気相中の冷媒組成を循環ガス冷媒の組成として算出する（ステップＳ１４）。

　次いで、制御装置１００は、ステップＳ１４で算出された循環ガス冷媒の組成に基づいて、循環ガス冷媒密度Ｄ_{ｒｅｆ＿ｇ}を算出する（ステップＳ１５）。

　次いで、制御装置１００は、ステップＳ１５で算出された循環ガス冷媒密度Ｄ_{ｒｅｆ＿ｇ}と、上記の式（１）とを用いて、ゼロペネトレーション速度Ｖ_Ｚを算出する（ステップＳ１６）。

　次いで、制御装置１００は、ステップＳ１５で算出された循環ガス冷媒密度Ｄ_{ｒｅｆ＿ｇ}と、圧縮機２の周波数から求まる冷媒循環量Ｇ_ｒと、上記の式（２）とを用いて、循環ガス冷媒流速Ｖを算出する（ステップＳ１７）。

　次いで、制御装置１００は、循環ガス冷媒流速Ｖがゼロペネトレーション速度Ｖ_Ｚよりも高いか否かを判定する（ステップＳ１８）。

　循環ガス冷媒流速Ｖがゼロペネトレーション速度Ｖ_Ｚよりも低い場合（ステップＳ１８においてＮＯ）、制御装置１００は、圧縮機２の周波数を予め定められた量だけ増加させる（ステップＳ１９）。その後、制御装置１００は、処理をステップＳ１０に戻し、循環ガス冷媒流速Ｖがゼロペネトレーション速度Ｖ_Ｚよりも高くなるまで圧縮機２の周波数を予め定められた量ずつ増加させる処理を繰り返す。これにより、圧縮機２への返油性を向上させて、圧縮機２内の冷凍機油の枯渇を適切に抑制することができる。

　一方、循環ガス冷媒流速Ｖがゼロペネトレーション速度Ｖ_Ｚよりも高い場合（ステップＳ１８においてＹＥＳ）、制御装置１００は、圧縮機２の周波数を予め定められた量だけ減少させる（ステップＳ２０）。これにより、圧縮機２への返油性を確保できる範囲で、圧縮機２の周波数を低下させて圧縮機２の消費電力を抑制することができる。

　以上のように、本実施の形態による冷凍サイクル装置１によれば、アキュームレータ２０内の余剰冷媒量が変化し、かつ非共沸混合冷媒に含まれる各冷媒が冷凍機油への選択的溶解性を有する場合であっても、循環ガス冷媒組成の変化に応じて循環ガス冷媒流速Ｖおよびゼロペネトレーション速度Ｖ_Ｚが算出され、循環ガス冷媒流速Ｖがゼロペネトレーション速度Ｖ_Ｚ以上になるように圧縮機２の周波数が制御される。これにより、冷媒回路内の配管中に冷凍機油が滞留することを抑制して、圧縮機２への冷凍機油の返油性を向上させることができる。

　［変形例］
　図７は、本変形例による冷凍サイクル装置１Ａの全体構成の一例を模式的に示す図である。冷凍サイクル装置１Ａは、上述の冷凍サイクル装置１に対して、オイルセパレータ３０および返油管３３を追加し、さらに静電容量式センサ１０に代えて静電容量式センサ１０Ａを設けたものである。冷凍サイクル装置１Ａのその他の構成は、上述の冷凍サイクル装置１と同じである。

　オイルセパレータ３０は、圧縮機２の吐出口と四方弁３とを接続する配管３１上に配置され、圧縮機２によって圧縮されたガス冷媒と、ガス冷媒と共に圧縮機２から吐出された冷凍機油（液体）とを分離する。返油管３３は、オイルセパレータ３０の下方部分と配管３６とに接続される。オイルセパレータ３０でガス冷媒と分離された冷凍機油は、返油管３３を通って配管３６に戻される。

　静電容量式センサ１０Ａは、オイルセパレータ３０内の鉛直下方に位置する液相（油相）部分に配置され、オイルセパレータ３０内の液相の静電容量を検出する。静電容量式センサ１０Ａは、検出結果を制御装置１００に出力する。

　図８は、オイルセパレータ３０の内部における静電容量式センサ１０Ａの配置位置の一例を示す図である。上述のように、オイルセパレータ３０は、配管３１上に配置され、ガス冷媒と冷凍機油（液体）とを分離する。オイルセパレータ３０で分離された冷凍機油は、オイルセパレータ３０の鉛直下方に位置する液相（油相）部分に滞留する。返油管３３は、オイルセパレータ３０の下端に接続される。

　静電容量式センサ１０Ａは、オイルセパレータ３０内の液相の静電容量を確実に検出できるように、オイルセパレータ３０内の下端部分に配置される。

　以上のように、オイルセパレータ３０のようなガス冷媒と冷凍機油とを分離する気液分離器がある場合、オイルセパレータ３０内の下部の液相部分（油滞留部）に静電容量式センサ１０Ａを設けるようにしてもよい。

　本変形例によるオイルセパレータ３０は、本開示の「気液分離器」の一例に相当する。また、配管３１はオイルセパレータ３０内の液相に近いため、本変形例においては、温度センサ１２によって検出される配管３１の温度（吐出配管温度）が、オイルセパレータ３０内の液相の温度に相関する温度として用いられる。すなわち、本変形例において、静電容量式センサ１０Ａおよび温度センサ１２は、オイルセパレータ３０内の液相の組成を検出するための検出装置として機能する。なお、オイルセパレータ３０内の液相温度を直接的に検出する温度センサがある場合には、温度センサ１２に代えて当該温度センサを用いるようにしてもよい。

　図９は、本変形例による制御装置１００の処理手順の一例を示すフローチャートである。このフローチャートは、上述の図４に示すフローチャートのステップＳ１０～Ｓ１４を、ステップＳ１０Ａ～Ｓ１４Ａに変更したものである。図９のフローチャートのその他のステップ（上述の図４に示したステップと同じ番号を付しているステップ）については、既に説明したため詳細な説明はここでは繰り返さない。

　制御装置１００は、静電容量式センサ１０Ａによって検出されたオイルセパレータ３０内の液相静電容量に基づいて、オイルセパレータ３０内の液相誘電率を計測する（ステップＳ１０Ａ）。オイルセパレータ３０内の液相誘電率は、アキュームレータ２０内の液相誘電率ｅの計測手法と同様の手法で計測することができる。

　次いで、制御装置１００は、オイルセパレータ３０内の液相の温度に相関する温度として、温度センサ１２によって検出された吐出配管温度を取得する（ステップＳ１１Ａ）。

　次いで、制御装置１００は、ステップＳ１０Ａで計測された液相誘電率とステップＳ１１Ａで取得された吐出配管温度とを用いて、オイルセパレータ３０内の液相中の冷媒組成比を算出する（ステップＳ１２Ａ）。オイルセパレータ３０内の液相中の冷媒組成比は、アキュームレータ２０内の液相中の冷媒組成比と同様の手法で算出することができる。

　次いで、制御装置１００は、オイルセパレータ３０内の液相中の冷媒組成比が安定したか否かを判定する（ステップＳ１３Ａ）。液相中の冷媒組成比が安定していない場合（ステップＳ１３ＡにおいてＮＯ）、制御装置１００は、処理をステップＳ１０Ａに戻し、液相中の冷媒組成比が安定するまでステップＳ１０Ａ～Ｓ１３Ａの処理を繰り返す。

　液相中の冷媒組成比が安定している場合（ステップＳ１３ＡにおいてＮＯ）、制御装置１００は、ステップＳ１２Ａで算出された液相中の冷媒組成比に基づいて、気液平衡の関係よりオイルセパレータ３０内の気相中の冷媒組成を循環ガス冷媒の組成として算出する（ステップＳ１４Ａ）。

　ステップＳ１５以降の処理については、上述の実施の形態と同様である。すなわち、制御装置１００は、ステップＳ１４Ａで算出された循環ガス冷媒の組成を用いてゼロペネトレーション速度Ｖ_Ｚおよび循環ガス冷媒流速Ｖを算出し（ステップＳ１５～Ｓ１７）、循環ガス冷媒流速Ｖがゼロペネトレーション速度Ｖ_Ｚよりも高いか否かに応じて圧縮機２の周波数を増減させる（ステップＳ１８～Ｓ２０）。

　以上のように、冷媒回路中にガス冷媒と冷凍機油とを分離するオイルセパレータ３０が備えられる場合には、オイルセパレータ３０内の液相（冷凍機油）に溶解している冷媒組成を計測することにより、オイルセパレータ３０内の液相に溶解していないガス冷媒（循環ガス冷媒）の組成をより正確に算出することができる。その結果、上述の実施の形態と同様の作用効果を奏しつつ、上述の実施の形態よりも制御応答性を高めることができる。

　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はないと考えられるべきである。本開示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およ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　冷凍サイクル装置、２　圧縮機、３　四方弁、４　第１熱交換器、５　膨張弁、６　第２熱交換器、１０，１０Ａ　静電容量式センサ、１１，１２　温度センサ、２０　アキュームレータ、２３　返油穴、３０　オイルセパレータ、３１～３７　配管、３３　返油管、１００　制御装置。

Claims

　非共沸混合冷媒が用いられる冷凍サイクル装置であって、
　前記非共沸混合冷媒が溶解可能な油が入れられた圧縮機と、第１熱交換器と、膨張弁と、第２熱交換器と、気液分離器とを含む冷媒回路と、
　前記気液分離器内の液相の組成を検出するための検出装置と、
　前記検出装置の検出結果を用いて、前記冷媒回路内を循環するガス冷媒である循環ガス冷媒の流速がゼロペネトレーション速度よりも高くなるように、前記圧縮機の回転速度を制御する制御装置とを備える、冷凍サイクル装置。
　前記検出装置は、
　　前記気液分離器内の液相の静電容量を検出する静電容量式センサと、
　　前記気液分離器内の液相の温度、あるいは前記気液分離器内の液相の温度に相関する温度を検出する温度センサとを含む、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
　前記制御装置は、
　　前記検出装置の検出結果を用いて前記気液分離器内の液相中の冷媒組成比を算出し、
　　前記気液分離器内の液相中の冷媒組成比を用いて前記循環ガス冷媒の組成比を算出し、
　　前記循環ガス冷媒の組成比を用いて前記循環ガス冷媒の密度を算出し、
　　前記循環ガス冷媒の密度を用いてゼロペネトレーション速度を算出し、
　　前記循環ガス冷媒の密度と前記圧縮機の周波数とを用いて前記循環ガス冷媒の流速を算出し、
　　前記循環ガス冷媒の流速が前記ゼロペネトレーション速度よりも低い場合に前記圧縮機の周波数を増加させる、請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
　前記制御装置は、
　　前記検出装置の検出結果を用いて前記気液分離器内の液相中の冷媒と油との混合比率を算出し、
　　前記検出装置の検出結果および前記混合比率を用いて前記気液分離器内の液相中の冷媒組成比を算出する、請求項３に記載の冷凍サイクル装置。
　前記気液分離器は、前記圧縮機の吸入口に接続されたアキュームレータであり、
　前記アキュームレータは、前記アキュームレータ内の液相中の油を前記圧縮機に戻すための返油穴を有し、
　前記静電容量式センサは、前記アキュームレータにおける前記返油穴よりも鉛直下方の位置に設置される、請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
　前記気液分離器は、前記圧縮機の吐出口に接続されたオイルセパレータであり、
　前記オイルセパレータの下端には、前記オイルセパレータ内の油を前記圧縮機に戻すための返油管が接続され、
　前記静電容量式センサは、前記オイルセパレータの下端に設置される、請求項２に記載の冷凍サイクル装置。