JP2016099059A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力消費を抑制するとともに、快適性を損なわずに冷媒量の適否の判定を実施する冷凍サイクル装置を提供すること。【解決手段】冷凍サイクル装置１０は、圧縮機１と、熱源側熱交換器３と、絞り装置５と、利用側熱交換器７と、を液接続配管６およびガス接続配管９で接続した冷媒回路と、外気温Ｔａを検出する外気温度センサ２０３と、利用側熱交換器７の運転負荷に応じて冷媒回路を制御する通常運転モードと、冷媒回路内の冷媒量の適否を判定する冷媒量判定モードと、を切り替えて運転する制御装置１００と、を備える。また、制御装置１００は、外気温度センサ２０３により検出される外気温Ｔａが設定温度範囲内である場合に、冷媒量判定モードに切り替えるモード切替部１１３を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、冷媒回路内に充填されている冷媒量の適否を判定する機能を備える冷凍サイクル装置に関する。

従来、熱源ユニットと利用ユニットとが接続配管を介して接続されることにより冷媒回路が構成されたセパレートタイプの冷凍サイクル装置が知られている。このような冷凍サイクル装置においては、配管の接続箇所の締め付け不足や配管の損傷等で冷媒漏れが生じることがある。冷媒漏れは、冷凍サイクル装置の冷房能力または暖房能力の低下、または構成機器の損傷を生じさせる原因になる。また、冷凍サイクル装置に充填されている冷媒の量が不足している場合には、所望の冷房能力または暖房能力が得られなくなる。

そこで、冷凍サイクル装置に充填されている冷媒量の適否を判定する機能を備える冷凍サイクル装置が知られている。例えば、特許文献１には、規定の冷媒量（または初期封入冷媒量）で運転した場合の運転状態量の基準値を予め記憶部に記憶しておき、当該基準値と現在の運転状態量の値とを比較することによって、充填される冷媒量の適否を判定する構成が提案されている。

特開２００９−７９８４２号公報（図１および図１５参照）

特許文献１に記載される冷凍サイクル装置では、休日や深夜などの空調を行う必要がない時間帯などに冷媒量の適否の判定を定期的に実施する構成となっている。しかしながら、空調を利用しない時間帯に冷媒量の適否の判定を実施する場合、冷媒量の適否の判定のためだけに冷凍サイクル装置を駆動する必要がある。その結果、空調能力が不要であるにもかかわらず電力が消費され、電気料金が高くなってしまう。また、真夏や真冬といった空調能力が必要な時期に冷媒量の判定を実施すると、利用者が要求している空調能力が十分に発揮されず、快適性を損なってしまう。さらに、真夏や真冬の空調能力が必要な時期に冷媒量の判定を実施した結果、冷媒が漏れている事が判明した場合、修理点検等で冷凍サイクル装置を停止させる必要がある。これにより、空調が必要な時期に空調を行うことができなくなってしまう。

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、電力消費を抑制するとともに、快適性を損なわずに冷媒量の適否の判定を実施する冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

本発明に係る冷凍サイクル装置は、圧縮機と、熱源側熱交換器と、絞り装置と、利用側熱交換器と、を接続配管で接続した冷媒回路と、外気温を検出する外気温度センサと、利用側熱交換器の運転負荷に応じて冷媒回路を制御する通常運転モードと、冷媒回路内の冷媒量の適否を判定する冷媒量判定モードと、を切り替えて運転する制御装置と、を備え、制御装置は、外気温度センサにより検出される外気温が設定温度範囲内である場合に、冷媒量判定モードに切り替えるモード切替部を有する。

本発明の冷凍サイクル装置によれば、外気温に応じて空調負荷をあまり必要としない時期に冷媒量判定モードを実施するため、利用者の快適性を損なわない。また、冷媒が漏れていた場合には真夏または真冬の空調能力が必要な時期の前にサービスを実施することができる。さらに、冷媒量判定モードを実施する頻度を少なくする事もできるため、電力の消費量が抑制される。

本発明の実施の形態における冷凍サイクル装置の概略構成図である。 本発明の実施の形態における冷凍サイクル装置の接続配管の冷媒密度が一定となる、凝縮器出口の液温度と凝縮温度との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態における冷凍サイクル装置のｐ−ｈ線図である。 本発明の実施の形態における冷凍サイクル装置の熱源ユニットの冷媒密度が一定となるときの外気温度と過熱度の関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態における冷凍サイクル装置の凝縮器内の冷媒温度の変化を表す図である。 本発明の実施の形態における冷凍サイクル装置の冷媒の過冷却度と凝縮器内の平均冷媒密度の関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態における冷凍サイクル装置の冷媒量と空調能力の関係を示すグラフである。 東京の一年間の気温変化の一例を示すグラフである。 東京の一年間の空調負荷変化の一例を示すグラフである。 本発明の実施の形態における冷凍サイクル装置の冷媒量判定処理のフローチャートである。 本発明の実施の形態における冷凍サイクル装置のモード切替処理のフローチャートである。

以下に、本発明における冷凍サイクル装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の実施の形態における冷凍サイクル装置１０の概略構成図である。本実施の形態における冷凍サイクル装置１０は、蒸気圧縮式の冷凍サイクル運転を行うことによって、屋内の空調（冷房および暖房）に使用される装置である。冷凍サイクル装置１０は、熱源ユニット３０１と、熱源ユニット３０１に液接続配管６およびガス接続配管９を介して並列に接続される利用ユニット３０２と、熱源ユニット３０１および利用ユニット３０２を制御する制御装置１００と、を備える。熱源ユニット３０１と利用ユニット３０２とが液接続配管６とガス接続配管９とを介して接続され、冷凍サイクル装置１０の冷媒回路が構成されている。

なお、本実施の形態では、図１に示すように、１台の熱源ユニット３０１に１台の利用ユニット３０２を接続した場合について説明するが、各ユニットの台数を特に限定するものではない。例えば熱源ユニット３０１に並列に接続された２台以上の利用ユニット３０２を接続してもよく、または並列に接続された２台以上の熱源ユニットを備えてもよい。冷凍サイクル装置１０に用いられる冷媒としては、例えばＲ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ４０４Ａ、Ｒ３２などのＨＦＣ冷媒、Ｒ２２、Ｒ１３４ａなどのＨＣＦＣ冷媒、もしくは炭化水素、ヘリウム、プロパンのような自然冷媒などがある。

＜熱源ユニット＞
熱源ユニット３０１は、屋外に設置される室外機である。熱源ユニット３０１は、液接続配管６およびガス接続配管９を介して利用ユニット３０２に接続され、冷媒回路の一部を構成している。次に、熱源ユニット３０１の詳細な構成について説明する。熱源ユニット３０１は、圧縮機１と、流路切替装置２と、熱源側熱交換器３と、室外送風機４と、絞り装置５と、を備えている。

圧縮機１は、例えば、インバータにより制御されるモータ（図示せず）によって駆動される容積式圧縮機である。圧縮機１の運転容量は、制御装置１００によって可変に制御される。なお、図１の例では、圧縮機１は１台のみであるが、これに限定されず、利用ユニット３０２の接続台数等に応じて、２台以上の圧縮機１が並列に接続されてもよい。

流路切替装置２は、例えば、冷媒の流れの方向を切り替えるための四方弁からなる。流路切替装置２は、冷房運転時には、図１の破線で示すように、圧縮機１の吐出側と熱源側熱交換器３とを接続するとともに、圧縮機１の吸入側とガス接続配管９とを接続する。これにより、熱源側熱交換器３を圧縮機１において圧縮される冷媒の凝縮器として機能させ、かつ利用側熱交換器７を熱源側熱交換器３において凝縮される冷媒の蒸発器として機能させる。また流路切替装置２は、暖房運転時には、図１に実線で示すように、圧縮機１の吐出側とガス接続配管９とを接続するとともに、圧縮機１の吸入側と熱源側熱交換器３とを接続する。これにより、利用側熱交換器７を圧縮機１において圧縮される冷媒の凝縮器として機能させ、かつ熱源側熱交換器３を利用側熱交換器７において凝縮される冷媒の蒸発器として機能させる。流路切替装置２による流路の切り替えは、制御装置１００によって制御される。

熱源側熱交換器３は、ガス側が流路切替装置２に接続され、液側が液接続配管６に接続される。熱源側熱交換器３は、例えば、伝熱管と多数のフィンとにより構成されるクロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器である。熱源側熱交換器３は、冷房運転時には冷媒の凝縮器として機能し、暖房運転時には冷媒の蒸発器として機能する。

室外送風機４は、熱源側熱交換器３に空気を供給するファンである。室外送風機４は、例えばＤＣファンモータ（図示せず）によって駆動されるプロペラファンからなり、熱源ユニット３０１内に室外空気を吸入し、熱源側熱交換器３により冷媒との間で熱交換した空気を室外に排出する機能を有する。室内送風機８が供給する空気の流量は、制御装置１００によって可変に制御される。

絞り装置５は、冷媒回路内を流れる冷媒の流量の調節等を行うために、熱源ユニット３０１の液側に配置されている。絞り装置５は、減圧弁または膨張弁としての機能を有し、制御装置１００によって開度（絞り）が制御される。

また、熱源ユニット３０１には、各種のセンサが設置されている。詳しくは、圧縮機１には、吐出温度Ｔｄを検出する吐出温度センサ２０１が設けられている。また、熱源側熱交換器３のガス側には、気液二相状態の冷媒の温度（冷房運転時における凝縮温度Ｔｃまたは暖房運転時における蒸発温度Ｔｅに対応する冷媒温度）を検出するガス側温度センサ２０２が設けられている。さらに熱源側熱交換器３の液側には、液状態または気液二相状態の冷媒の温度（冷房運転時における凝縮器出口温度（液温度）Ｔｃｏまたは暖房運転時における蒸発温度Ｔｅに対応する冷媒温度）を検出する液側温度センサ２０４が設けられている。また、熱源ユニット３０１の室外空気の吸入口側には、熱源ユニット３０１内に流入する室外空気の温度を外気温Ｔａとして検出する外気温度センサ２０３が設けられている。吐出温度センサ２０１、ガス側温度センサ２０２、液側温度センサ２０４、および外気温度センサ２０３によって検出された温度は、制御装置１００に出力される。

＜利用ユニット＞
利用ユニット３０２は、屋内の天井に埋め込みや吊り下げ等により、または屋内の壁面に壁掛け等により設置される室内機である。利用ユニット３０２は、上記したように液接続配管６およびガス接続配管９を介して熱源ユニット３０１に接続されて冷媒回路の一部を構成している。

次に、利用ユニット３０２の詳細な構成について説明する。利用ユニット３０２は、冷媒回路の一部である室内側冷媒回路を構成しており、室内送風機８と、利用側熱交換器７とを備えている。

利用側熱交換器７は、例えば、伝熱管と多数のフィンとにより構成されるクロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器である。利用側熱交換器７は、冷房運転時には冷媒の蒸発器として機能し室内の空気を冷却するとともに、暖房運転時には冷媒の凝縮器として機能し室内の空気を加熱する。

室内送風機８は、利用側熱交換器７に空気を供給するファンである。室内送風機８は、例えばＤＣファンモータ（図示せず）によって駆動される遠心ファンや多翼ファン等からなる。室内送風機８によって利用ユニット３０２内に室内空気を吸入し、利用側熱交換器７により冷媒との間で熱交換した空気を供給空気として室内に供給する。室内送風機８が供給する空気の流量は、制御装置１００によって可変に制御される。

また、利用ユニット３０２には、各種のセンサが設置されている。詳しくは、利用側熱交換器７の液側には、液状態または気液二相状態の冷媒の温度（暖房運転時における凝縮器出口温度（液温度）Ｔｃｏまたは冷房運転時における蒸発温度Ｔｅに対応する冷媒温度）を検出する液側温度センサ２０５が設けられている。また利用側熱交換器７のガス側には、気液二相状態の冷媒の温度（暖房運転時における凝縮温度Ｔｃまたは冷房運転時における蒸発温度Ｔｅに対応する冷媒温度）を検出するガス側温度センサ２０７が設けられている。さらに利用ユニット３０２の室内空気の吸入口側には、ユニット内に流入する室内空気の温度を検出する室内温度センサ２０６が設けられている。なお、液側温度センサ２０５、ガス側温度センサ２０７、および室内温度センサ２０６は、例えばサーミスタで構成されているが、これに限定されるものではない。液側温度センサ２０５、ガス側温度センサ２０７、および室内温度センサ２０６によって検出された温度は、制御装置１００に出力される。

＜制御装置＞
次に、制御装置１００の詳細な構成について説明する。制御装置１００は、冷凍サイクル装置１０の各部を制御するものであり、マイクロコンピュータまたはＤＳＰ（Digital Signal Processor）などで構成される。

制御装置１００は、制御部１１０と、記憶部１２０と、報知部１３０とを有する。また、制御部１１０は、通常運転部１１１と、冷媒量判定部１１２と、モード切替部１１３とを有する。通常運転部１１１、冷媒量判定部１１２およびモード切替部１１３は、プログラムを実行することにより実現される機能ブロックにより実現されるか、またはＡＳＩＣ（Application Specific IC）などの電子回路で実現される。

制御装置１００は、冷凍サイクル装置１０を、利用側熱交換器７の運転負荷に応じて冷媒回路を制御する通常運転モードまたは冷媒量の適否の判定を行う冷媒量判定モードで運転するよう制御する。なお、通常運転モードには、冷房運転および暖房運転が含まれる。通常運転モードおよび冷媒量判定モードは、制御部１１０のモード切替部１１３によって、冷凍サイクル装置１０の運転状況および外気温Ｔａに応じて切り替えられる。

通常運転部１１１は、通常運転モードにおいて、利用ユニット３０２の運転負荷に応じて熱源ユニット３０１および利用ユニット３０２の各機器の制御を行う。詳しくは、通常運転部１１１は、各種温度センサによって検知された温度に基づき、圧縮機１、流路切替装置２、室外送風機４、絞り装置５および室内送風機８を、所望の制御目標範囲に収まるように駆動制御する。また、通常運転部１１１によって得られた運転状態量（過熱度または過冷却度等）の演算結果は記憶部１２０に記憶される。

冷媒量判定部１１２は、冷媒量判定モードにおいて、冷媒量の適否判定を行う。詳しくは、冷媒量判定部１１２は、記憶部１２０に記憶された基準となる運転状態量（例えば過冷却度）と現在の運転状態量（例えば過冷却度）とを比較し、現在の運転状態量が基準となる運転状態量以下の場合に、冷媒漏れ等が発生したと判定する。モード切替部１１３は、冷凍サイクル装置１０の運転状況および外気温Ｔａに応じて通常運転モードおよび冷媒量判定モードを切り替える。

記憶部１２０は、通常運転部１１１によって得られた運転状態量（過熱度または過冷却度等）の演算結果、および適正冷媒量で予め採取した基準となる運転状態量（例えば過冷却度）を記憶する。報知部１３０は、冷媒量判定部１１２の判定結果を、冷凍サイクル装置１０のリモコン、熱源ユニット３０１に設けたＬＥＤ、または遠隔地のモニタ等に表示し、利用者に報知する。

次に、本実施の形態の冷凍サイクル装置１０の通常運転モードおよび冷媒量判定モードにおける動作について説明する。

＜通常運転モード＞
まず、通常運転モードにおける冷房運転について説明する。冷房運転時は、流路切替装置２が図１の破線で示される状態、すなわち、圧縮機１の吐出側が熱源側熱交換器３に接続され、かつ圧縮機１の吸入側が利用側熱交換器７に接続された状態となっている。また、絞り装置５は圧縮機１の吸入側における冷媒の過熱度が所定値になるように制御部１１０の通常運転部１１１によって開度調節される。本実施の形態において、圧縮機１の吸入における冷媒の過熱度は、圧縮機１の吸入温度Ｔｓより、ガス側温度センサ２０７により検出される冷媒の蒸発温度Ｔｅを差し引くことによって求められる。ここで、圧縮機１の吸入温度Ｔｓは、下記式（１）より算出することができる。下記式（１）において、Ｐｓは、ガス側温度センサ２０７により検出される冷媒の蒸発温度Ｔｅから換算される低圧の飽和圧力であり、Ｐｄは、ガス側温度センサ２０２により検出される冷媒の凝縮温度Ｔｃから換算される高圧の飽和圧力である。また、Ｔｄは、圧縮機１の吐出温度センサ２０１により検出される冷媒の吐出温度であり、圧縮機１の圧縮工程は、ポリトロープ指数ｎのポリトロープ変化と仮定される。

ここで、Ｔｓ、Ｔｄは温度［Ｋ］、Ｐｓ、Ｐｄは圧力［ＭＰａ］、ｎはポリトロープ指数［−］である。ポリトロープ指数は一定値（例えばｎ＝１．２）としてもよいが、Ｐｓ、Ｐｄの関数として定義することで、より精度よく圧縮機１の吸入温度Ｔｓを推測することができる。

なお、上記では、冷媒の凝縮温度Ｔｃおよび蒸発温度Ｔｅから圧力Ｐｄおよび圧力Ｐｓを換算しているが、各熱交換器に直接圧力センサを付加し、各圧力を求めてもよい。また、吸入温度Ｔｓについても、圧縮機１の吸入側に直接温度センサまたは圧力センサを付加して求めてもよい。

上記のように絞り装置５を調節した状態で、圧縮機１、室外送風機４および室内送風機８を起動すると、低圧のガス冷媒は、圧縮機１に吸入されて圧縮されて高圧のガス冷媒となる。その後、高圧のガス冷媒は、流路切替装置２を経由して熱源側熱交換器３に送られて、室外送風機４によって供給される室外空気と熱交換を行って凝縮されて高圧の液冷媒となる。

そして、この高圧の液冷媒は、絞り装置５によって減圧されて、低温低圧の気液二相冷媒となり、液接続配管６を経由して利用ユニット３０２に送られ、利用側熱交換器７で室内空気と熱交換を行って蒸発されて低圧のガス冷媒となる。このとき、利用側熱交換器７と熱交換された空気は冷却される。ここで、絞り装置５は、圧縮機１の吸入における過熱度が所定値になるように利用側熱交換器７内を流れる冷媒の流量を制御している。そのため、利用側熱交換器７において蒸発された低圧のガス冷媒は、所定の過熱度を有する状態となる。このように、利用側熱交換器７には、利用ユニット３０２が設置された空調空間において要求される運転負荷に応じた流量の冷媒が流れている。利用側熱交換器７において蒸発された低圧のガス冷媒は、ガス接続配管９を経由して熱源ユニット３０１に送られ、流路切替装置２を経由して、再び、圧縮機１に吸入される。

次に、通常運転モードにおける暖房運転について説明する。暖房運転時は、流路切替装置２が図１の実線で示される状態、すなわち、圧縮機１の吐出側が利用側熱交換器７に接続され、かつ圧縮機１の吸入側が熱源側熱交換器３に接続された状態となっている。また、絞り装置５は圧縮機１の吸入における冷媒の過熱度が所定値になるように制御部１１０の通常運転部１１１によって開度調節される。本実施の形態において、圧縮機１の吸入における冷媒の過熱度は、圧縮機１の吸入温度Ｔｓより、ガス側温度センサ２０２により検出される冷媒の蒸発温度Ｔｅを差し引くことによって求められる。ここで、吸入温度Ｔｓは、上記式（１）より算出することができる。上記式（１）において、Ｐｓは、ガス側温度センサ２０２により検出される冷媒の蒸発温度Ｔｅから換算される低圧の飽和圧力であり、Ｐｄは、ガス側温度センサ２０７により検出される冷媒の凝縮温度Ｔｃから換算される高圧の飽和圧力である。また、Ｔｄは、圧縮機１の吐出温度センサ２０１により検出される冷媒の吐出温度であり、圧縮機１の圧縮工程は、ポリトロープ指数ｎのポリトロープ変化と仮定される。

なお、冷房運転と同様に、圧力Ｐｄおよび圧力Ｐｓは、各熱交換器に直接圧力センサを付加して求めてもよい。また、吸入温度Ｔｓについても、圧縮機１の吸入側に直接温度センサまたは圧力センサを付加して求めてもよい。

上記のように絞り装置５を調節した状態で、圧縮機１、室外送風機４および室内送風機８を起動すると、低圧のガス冷媒は、圧縮機１に吸入されて圧縮されて高圧のガス冷媒となり、流路切替装置２およびガス接続配管９を経由して、利用ユニット３０２に送られる。

そして、利用ユニット３０２に送られた高圧のガス冷媒は、利用側熱交換器７において、室内空気と熱交換を行って凝縮されて高圧の液冷媒となった後、液接続配管６を経由して、絞り装置５によって減圧されて低圧の気液二相状態の冷媒となる。このとき、利用側熱交換器７と熱交換された空気は加熱される。ここで、絞り装置５は、圧縮機１の吸入における過熱度が所定値になるように利用側熱交換器７内を流れる冷媒の流量を制御している。そのため、利用側熱交換器７において凝縮された高圧の液冷媒は、所定の過冷却度を有する状態となる。このように、利用側熱交換器７には、利用ユニット３０２が設置された空調空間において要求される運転負荷に応じた流量の冷媒が流れている。

絞り装置５によって減圧された低圧の気液二相状態の冷媒は、熱源ユニット３０１の熱源側熱交換器３に流入する。そして、熱源側熱交換器３に流入した低圧の気液二相状態の冷媒は、室外送風機４によって供給される室外空気と熱交換を行って凝縮されて低圧のガス冷媒となり、流路切替装置２を経由して、再び、圧縮機１に吸入される。

＜冷媒量判定モード＞
次に、冷媒量判定モードにおける冷媒量判定処理を含む動作について説明する。以下では、暖房流路に設定される場合を例に説明する。暖房流路に設定される場合、熱源ユニット３０１の流路切替装置２が図１の実線で示される状態となるように冷媒回路が切り替えられる。そして、圧縮機１から利用側熱交換器７までの流路には、圧縮機１において圧縮および吐出された高圧のガス冷媒が供給される。この高圧のガス冷媒は、ガス接続配管９を経て、凝縮器として機能する利用側熱交換器７内を通過する間に室内空気との熱交換によってガス状態から液状態に相変化する高圧の冷媒となる。そして、利用側熱交換器７から絞り装置５までの液接続配管６を含む流路に高圧の液冷媒として流れる。この高圧の液冷媒は、絞り装置５から蒸発器として機能する熱源側熱交換器３内を通過する間に、室外空気との熱交換によって気液二相状態からガス状態に相変化し、熱源側熱交換器３から圧縮機１までの流路には低圧のガス冷媒となって流れるようになる。

次いで、外気温度や室内空気温度などの環境条件、熱源ユニット３０１および利用ユニット３０２における各部の温度、圧縮機１の運転周波数および絞り装置５の開度などの冷凍サイクル装置１０の運転状態量が測定される。

冷媒量判定モード時には、冷媒回路内を循環する冷媒の状態を安定させる冷媒量判定運転を行う。具体的には、圧縮機１のモータの回転数を所定値で一定にさせる回転数一定制御、および蒸発器として機能する熱源側熱交換器３の過熱度ＳＨを所定値で一定にさせる過熱度一定制御を行う。ここで、回転数一定制御を行うのは、圧縮機１によって吸入および吐出される冷媒の流量を安定させるためである。また、過熱度制御を行うのは、熱源側熱交換器３における冷媒量を一定にするためである。これにより、冷媒回路内を循環する冷媒の状態が安定して、利用側熱交換器７以外の機器および配管における冷媒量がほぼ一定となる。

次に、冷媒量判定モード時の詳細な制御方法について説明する。
＜接続配管冷媒密度一定制御＞
液接続配管６およびガス接続配管９の冷媒密度を一定に制御する接続配管冷媒密度一定制御について説明する。図２は、冷凍サイクル装置１０の接続配管の冷媒密度が一定となる、凝縮器出口の液温度と凝縮温度との関係を示すグラフである。詳しくは、図２は、液接続配管６の管径を固定してガス接続配管９のガス管径を変化させたときに、液接続配管６とガス接続配管９との冷媒密度が一定となる凝縮温度と凝縮器出口の液温度の関係を示す。図２に示すように、凝縮温度と液温度が等しい場合（図の破線の直線で示す場合）、過冷却度は零になり、確保できなくなる。液接続配管６の管径に対してガス接続配管９の管径が大きいほど、等密度となる直線の傾きが小さくなっている。これは、例えば液温度が上昇し、液接続配管６の冷媒密度が減少した場合、ガス接続配管９の冷媒密度を増加させる必要があるため、凝縮温度を高くし、圧力を増加させる必要があるが、ガス接続配管９の管径が液接続配管６の管径に対して相対的に大きい程、凝縮温度の増加量が小さくてよいことを意味している。

接続配管の長さ、管径によらず冷凍サイクルが同じ状態となることが冷媒量の判定精度向上に必要不可欠であり、かつ接続配管による冷媒量の増減の影響を排除する必要がある。このためには、液接続配管６およびガス接続配管９の組み合わせによって、図２のように凝縮器出口の液温度に応じて凝縮温度が目標値になるように制御すればよい。ここで、凝縮温度を所望の凝縮温度に近づける方法としては、圧縮機１の回転数が制御され、目標値よりも小さい場合は、回転数を増加させて凝縮温度を増加させ、目標値よりも高い場合は、圧縮機１の回転数を減らし凝縮温度を低下させることで制御することができる。

なお、ここでは凝縮器出口の液温度に応じて決定される凝縮温度を目標値として圧縮機１の回転数が制御される構成としているが、凝縮器出口の液温度に応じてガス接続配管９内の冷媒の高圧を直接制御してもよい。高圧を検出する方法としては、例えば、圧縮機１の吐出側に圧力センサ（図示せず）を設け、冷媒の高圧の圧力を検出すればよい。

＜熱源ユニット冷媒密度一定制御＞
熱源ユニット３０１の存在冷媒量を一定に制御する熱源ユニット冷媒密度一定制御について説明する。図３は、冷凍サイクル装置１０のｐ−ｈ線図である。液接続配管６およびガス接続配管９に存在する冷媒は、配管の長さ、管径に応じて充填されるものとすると、図３に示すように熱源ユニット３０１の内容積をＶ_OC、利用ユニット３０２の内容積をＶ_ICとすれば暖房運転時は下記式（２）が成り立つ。
ρｅ×Ｖ_OC＋ρｃ×Ｖ_IC＝Ｍ（一定） ・ ・ ・ ・ ・（２）

ここで、ρｅは蒸発側平均冷媒密度［ｋｇ／ｍ³］、ρｃは凝縮側平均冷媒密度［ｋｇ／ｍ³］、Ｍは凝縮側と蒸発側の合計冷媒量［ｋｇ］を示す。式（２）において、Ｍは熱源ユニット３０１の内容積と利用ユニット３０２の合計内容積とによって決まる値であるが、適正冷媒量が決まっていれば一定の値となる。Ｖ_OCは熱源ユニット３０１の容量によって異なるが、ρｅの値を一定に制御し、熱源ユニット３０１に存在する冷媒量を一定に保てば、接続される利用ユニットの台数、容積によって決まるＶ_ICが不明であっても、適正冷媒量となるρｃを目標値として制御すればよいことになる。

次に、ρｅが一定、すなわち熱源ユニット３０１の存在冷媒量を一定に制御する方法について述べる。熱源ユニット３０１は、蒸発器であり、蒸発器の存在冷媒量は、絞り装置５の開度を変更することによって調整可能である。図４は、冷凍サイクル装置１０の熱源ユニット３０１の冷媒密度が一定となるときの外気温度と過熱度の関係を示すグラフである。図４では、外気温度を横軸にとり、熱源ユニット３０１内の冷媒密度が一定（存在冷媒量が一定）となるときの熱源側熱交換器３の出口すなわち圧縮機１の吸入の過熱度が表される。図４より明らかなように、熱源ユニット３０１の冷媒密度を一定にするためには、外気温度に応じて、過熱度を制御すればよいことがわかる。また、外気温度が高いほど、過熱度を高く制御する必要がある。これは、外気温度が高い程、蒸発温度が高くなり、冷媒の気液二相部の平均密度が増加するからであり、その分、蒸発器の冷媒密度の低い過熱ガス域を増やし平均密度を一定にする必要があるためである。

したがって、熱源ユニット３０１の冷媒密度を一定に制御するには、外気温度センサ２０３によって測定される温度に応じて、図４に示す圧縮機１の吸入過熱度の目標値を設定し、吸入過熱度を絞り装置５にて制御してやればよい。圧縮機１の吸入の過熱度を所望の過熱度に近づける方法としては、絞り装置５の開度を制御し、過熱度が目標値よりも小さい場合は、開度を増加させ、目標値よりも大きい場合は、開度を減少させることで制御することができる。また、定期的に冷媒量判定モードを使用するため、圧縮機１の吸入過熱度の目標値を固定するために一定の外気温範囲内で冷媒量判定モードに入る条件を設定することで、毎回の運転状態の変化が小さくなり冷媒量検知精度の向上につながる。

なお、ここでは圧縮機１の吸入の過熱度は、前述した方法にて、凝縮温度、蒸発温度、吐出温度にて演算可能であるため、吸入過熱度を外気温度センサ２０３に応じて制御すればよい。または、吸入過熱度を熱源側熱交換器３のガス側温度センサ２０２の値より液側温度センサ２０４の値を差し引いた値として求めてもよい。このように制御することで、熱源側熱交換器３の中間位置で冷媒がガス化されるので、熱源ユニット３０１の平均密度が減少し、利用ユニット３０２に冷媒が貯留しやすくなる。また、冷媒量と相関の大きい利用側熱交換器７での過冷却度が確保されやすくなるため、冷媒量を早期検知しやすくなる効果がある。

＜冷媒量の適否の判定＞
図５は冷凍サイクル装置１０の凝縮器内の冷媒温度の変化を表す図である。図５に示すように、凝縮器入口のガス冷媒温度Ｔｃｉが凝縮器吸込空気温度Ｔａｏによって冷却され、凝縮温度Ｔｃにて潜熱変化により凝縮し、さらに冷却されて凝縮器出口にて液冷媒温度Ｔｃｏとなる。ここで過冷却度ＳＣは凝縮温度Ｔｃより凝縮器出口の液冷媒温度Ｔｃｏを差し引いた値である。この温度変化から、利用側熱交換器７の出口における冷媒量すなわち凝縮器の平均冷媒密度と液相の占める冷媒量を表す過冷却度ＳＣとに相関があることがわかる。

図６は、冷凍サイクル装置１０の冷媒の過冷却度ＳＣと凝縮器内の平均冷媒密度の関係を示すグラフである。詳しくは、図６では、室内、室外の空気条件を変化させて、適正冷媒量と、適正冷媒量に対して冷媒量を増加させたとき（例えば１０％増加させたとき）の過冷却度ＳＣと、凝縮器の平均冷媒密度ρｃとの関係を示す。図６に示すように、冷媒量が減少する（すなわち過冷却度ＳＣが低下する）と凝縮器の平均冷媒密度、つまり凝縮器の液相の占める冷媒量が減少することがわかる。

本実施の形態では、冷凍サイクル装置１０を設置して最初に冷媒量判定モードに入った時の凝縮器の平均冷媒密度ρｃに相当する利用側熱交換器７の出口における過冷却度ＳＣの値（以下、「基準値ＳＣｒ」という）を記憶部１２０に記憶する。これにより、次回以降の冷媒量判定モード時は過冷却度ＳＣの基準値ＳＣｒと冷媒量判定モード時に検出される過冷却度ＳＣの現在値ＳＣｐとを比較することによって、冷媒量の適否を判定することができる。なお、別の実施の形態において、利用ユニット３０２が複数台ある場合には、各利用ユニットの過冷却度ＳＣの平均値とすればよい。

このように、冷媒量の適否を判定することにより、現地において充填された冷媒量にバラツキが生じる場合、または冷媒連絡配管の配管長さ・管径、複数の容量の利用ユニットの組み合わせによって、規定冷媒量の適否の判定に使用される運転状態量の基準値に変動が生じる場合であっても、冷凍サイクル装置１０内に充填されている冷媒量の適否を精度よく判定できる。

＜運転モードの切り替え＞
図７は、冷凍サイクル装置１０の冷媒量と空調能力の関係を示すグラフである。図７に示すように、冷媒が漏洩し、適正冷媒量を満たしていない場合には、空調能力を十分に発揮することができない。また、冷媒量判定モードにおいて、上記の冷媒量判定運転（接続配管冷媒密度一定制御および熱源ユニット冷媒密度一定制御）を行う場合には、冷凍サイクル装置１０として利用者が必要とする空調能力を発揮することができない。

図８は、東京の一年間の気温変化の一例を示すグラフであり、図９は、東京の一年間の空調負荷変化の一例を示すグラフであり、図８の気温をＪＩＳＢ８６１６で規定されている空調負荷に換算したグラフである。図８および図９に示すように、真夏(７月から９月)または真冬(１２月から２月)には冷房または暖房の空調能力が必要となる。そのため、真夏や真冬に冷媒量判定モードを行うと、空調能力を十分に発揮することができず、利用者の快適性を損なう恐れがある。また、冷媒が漏洩している場合には、通常運転時に空調能力を発揮できない。

また、利用者の快適性を損なわないように、夜間や休日等に冷媒量判定モードを実施した場合、利用者が必要としていない状況で冷凍サイクル装置１０が運転をするため、不必要な電力を消費し、不要な料金が発生する。

そこで、本実施の形態では、比較的空調能力を必要としない（すなわち空量負荷が小さい）場合に冷媒量判定モードを行って冷媒量の適否を判定する構成となっている。ここで、ＪＩＳＢ８６１６で規定されている空調の開始時期は、冷房が５月、暖房が１１月となっている。図９に示すように、冷房シーズン開始時（５月）および暖房シーズン開始時（１１月）には空調負荷が小さい。冷房シーズン開始時（５月）に必要な空調能力は５０％以下となり、暖房シーズン開始時（１１月）に必要な空調能力は５０％以下となる。そこで、モード切替部１１３は、冷媒量判定モードへの切り替えを冷房シーズンの開始時期である５月の外気温、暖房シーズンの開始時期である１１月の外気温に基づいて判断することで、比較的空調負荷が小さい環境で冷媒量の適否判定を行うことができる。

具体的には、シーズンの開始時期である５月の外気温として１５℃〜２５℃、暖房シーズンの開始時期である１１月の外気温として、１０℃〜１５℃が温度範囲としてそれぞれ設定され、記憶部１２０に記憶される。モード切替部１１３は、外気温度センサ２０３によって検出された外気温Ｔａが記憶部１２０に記憶される設定温度範囲内である場合に、冷媒量判定モードへ切り替える。また、モード切替部１１３は、冷房および暖房の開始時期か否かを判断するために、冷房から暖房への切り替え直後、または暖房から冷房への切り替え直後の場合に、外気温に基づく切り替えを行う。

図１０は、本実施の形態の冷凍サイクル装置１０における冷媒量判定処理を示すフローチャートである。本処理は、制御装置１００の冷媒量判定部１１２によって実行される。本処理では、まず、利用者から運転開始が指示される（Ｓ１）。この運転開始時には、初期モードとして通常運転モードが設定され、利用者によって暖房運転または冷房運転が指定される。そして、モード切替部１１３によりモード切替処理が行われる（Ｓ２）。図１１は、冷凍サイクル装置１０におけるモード切替処理のフローチャートである。図１１に示すように、本処理では、まず、暖房運転か否かが判断される（Ｓ１１）。そして、暖房運転の場合は（Ｓ１１：ＹＥＳ）、冷房からの切り替えの直後であるか否かが判断される（Ｓ１２）。ここでは、前回の運転が冷房運転であったか否かが判断される。このように、冷房からの切り替えの直後であるか否かを判断することで、空調負荷が比較的小さい暖房シーズンの開始時であるか否かが判断される。

そして、冷房からの切り替え直後である場合（Ｓ１２：ＹＥＳ）、外気温Ｔａが１０℃〜１５℃の間であるか否かが判断される（Ｓ１３）。ここで、外気温Ｔａは、外気温度センサ２０３の検出温度である。また、１０℃〜１５℃は、暖房シーズンの開始時期である１１月の外気温として予め設定された温度範囲であり、記憶部１２０に記憶される。このように、外気温Ｔａが暖房開始時期の設定温度範囲内であるか否かを判断することで、空調負荷が比較的小さい環境か否かが判断される。

そして、外気温Ｔａが１０℃〜１５℃の間である場合は（Ｓ１３：ＹＥＳ）、運転モードが冷媒量判定モードに切り替えられる（Ｓ１４）。一方、冷房からの切り替え直後ではない場合（Ｓ１２：ＮＯ）、または外気温Ｔａが１０℃〜１５℃の間でない場合は（Ｓ１３：ＮＯ）、運転モードが通常運転モードに維持される（Ｓ１７）。このように、空調負荷が比較的小さい環境でないと判断された場合には、冷媒量判定モードに切り替えることなく、通常モードでの通常運転が行われる。

一方、暖房運転ではない場合（Ｓ１１：ＮＯ）、冷房運転であると判断され、暖房からの切り替え直後であるか否かが判断される（Ｓ１５）。そして、暖房からの切り替え直後である場合（Ｓ１５：ＹＥＳ）、外気温Ｔａが１５℃〜２５℃の間であるか否かが判断される（Ｓ１６）。ここで、１５℃〜２５℃は、冷房シーズンの開始時期である５月の外気温として予め設定された温度範囲であり、記憶部１２０に記憶される。そして、外気温Ｔａが１５℃〜２５℃の間である場合は（Ｓ１６：ＹＥＳ）、冷媒量判定モードに設定される（Ｓ１４）。一方、暖房からの切り替え直後ではない場合（Ｓ１５：ＮＯ）、または外気温Ｔａが１５℃〜２５℃の間でない場合は（Ｓ１６：ＮＯ）、通常運転モードに維持される（Ｓ１７）。このように、冷房運転時も、暖房運転時と同様に空調負荷が運転モードの切り替えおよび外気温Ｔａから推測され、冷媒量判定モードへの切り替え、または通常運転モードの維持が行われる。

モード切替処理が終了すると、図１０の冷媒量判定処理に戻り、冷媒量判定モードであるか否かが判断される（Ｓ３）。そして、冷媒量判定モードでない場合は（Ｓ３：ＮＯ）、本処理を終了し、通常運転モードにおける通常運転が実施される。

一方、冷媒量判定モードである場合（Ｓ３：ＹＥＳ）、上記の冷媒量判定運転が行われ、現在の過冷却度ＳＣｐが取得される（Ｓ４）。そして、記憶部１２０に過冷却度の基準値ＳＣｒが記憶されているか否かが判断される（Ｓ５）。記憶部１２０に基準値ＳＣｒが記憶されていない場合は（Ｓ５：ＮＯ）、現在の過冷却度ＳＣｐを過冷却度の基準値ＳＣｒとして記憶部１２０に記憶する（Ｓ６）。ここでは、冷凍サイクル装置１０を設置して最初に冷媒量判定モードに入った場合であると判断され、この場合の過冷却度を基準値ＳＣｒとして記憶部１２０に記憶する。その後、通常運転モードに切り替えられ（Ｓ７）、本処理が終了する。

一方、記憶部１２０に基準値ＳＣｒが記憶されている場合（Ｓ５：ＹＥＳ）、すなわち、２回目以降に冷媒量判定モードに入った場合は、現在の過冷却度ＳＣｐが基準値ＳＣｒ以下であるか否かが判断される（Ｓ８）。

そして、現在の過冷却度ＳＣｐが基準値ＳＣｒ以下である場合（Ｓ８：ＹＥＳ）、冷媒量が少なくなっていることの警告を冷凍サイクル装置１０のリモコン、熱源ユニット３０１に設けたＬＥＤ、または遠隔地のモニタ等に表示する等の処理を行う（Ｓ９）。その後、通常運転モードに切り替えられ（Ｓ７）、本処理が終了する。

このように、冷媒量判定モードに入る時期を、空調負荷の小さい時期に限定することで、利用者の快適性を損ねること無く冷媒量の適否の判定を行うことができる。また、冷媒量判定モードに入る時期を、冷房シーズン開始時および暖房シーズン開始時に限定することで、冷媒が漏洩していた場合は本格的に空調機が必要となる時期の前に修理や冷媒追加の作業が可能となり快適性を高めることができる。また、上記のように、通常運転開始時に、条件に応じて運転モードを切り替えることで、夜間や休日等の空調が不要な場合に運転する事が無くなるため、電力の消費を抑制できる。さらに、冷媒量判定モードを実施する頻度を少なくすることもできるため、電力の消費量が抑制される。

以上、本実施の形態について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、これに限られるものでなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。例えば上記実施の形態では、冷暖切り替え可能な冷凍サイクル装置１０に本発明を適用したものを例に挙げて説明したが、これに限定されず、暖房専用の冷凍サイクル装置や冷房専用の冷凍サイクル装置や冷暖同時運転可能な冷凍サイクル装置に本発明を適用してもよい。また、家庭用のルームエアコンや冷蔵庫などの小型の冷凍サイクル装置や、冷蔵倉庫の冷却用の冷凍機やヒートポンプチラーなどの大型の冷凍サイクル装置に本発明を適用してもよい。

また、冷媒量判定モードの動作については、上記実施の形態に限定されるものではなく、様々な方法を用いることが可能である。例えば、上記実施の形態では、冷媒量を表す運転状態量として過冷却度ＳＣを例に説明したが、これに限るものではなく、凝縮器の液相部の熱交換効率を表す温度効率ＳＣ／ｄＴｃを用いてもよい。ここで、ｄＴｃは凝縮温度Ｔｃから凝縮器吸込空気温度Ｔａｏを差し引いた値である。凝縮器吸込空気温度Ｔａｏは、例えば室内温度センサ２０６によって検出される室内温度である。一般的に冷媒密度は、冷媒の質量速度が低いほど大きくなるので、冷媒の質量速度が小さいほど温度効率は高くなる。したがって、冷媒の密度が高いほど、温度効率が高くなるため、冷媒量すなわち冷媒密度を表す運転状態量として、液相部の温度効率ＳＣ／ｄＴｃを採用してもよい。

また、上記実施の形態では、暖房運転を行う冷凍サイクル装置１０に本発明を適用した場合を例に挙げて説明したが、利用側熱交換器７が蒸発器となり、熱源側熱交換器３が凝縮器となる冷房運転で本発明を適用し冷媒量を判定してもよい。この場合、暖房運転に比較し、液接続配管６内が二相冷媒となるため、冷媒密度誤差が大きくなり配管長が長い場合は、検知精度は若干低下するが、冷媒回路内に充填された冷媒量の適否を判定することができる。

さらに、上記実施の形態では、外気温が特定の温度範囲内であること、および暖房から冷房へまたは冷房から暖房への切り替え直後であること、を条件として冷媒量判定モードへ切り替える構成としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、これらの条件の内、少なくとも一つを満たしている場合に、冷媒量判定モードへ切り替える構成としても良い。例えば、図８および図９に示すように、冷房および暖房の開始時期だけでなく、冷房および暖房の終了時期においても空調負荷が小さい。そのため、冷房および暖房からの切り替え直後以外の場合でも、外気温Ｔａに基づいて冷媒量判定モードに切り替える構成としても良い。この場合は、冷房および暖房終了後の空調が不要な時期にサービスを実施することができる。また、リモコン等において日時が設定される場合は、設定された日時が冷房開始時期または暖房開始時期であるか否か、または空調負荷が小さい時間帯（例えば朝方や夕方）であるか否かを冷媒量判定モードへ切り替える条件に加えてもよい。

１ 圧縮機、２ 流路切替装置、３ 熱源側熱交換器、４ 室外送風機、５ 絞り装置、６ 液接続配管、７ 利用側熱交換器、８ 室内送風機、９ ガス接続配管、１０ 冷凍サイクル装置、１００ 制御装置、１１０ 制御部、１１１ 通常運転部、１１２ 冷媒量判定部、１１３ モード切替部、１２０ 記憶部、１３０ 報知部、２０１ 吐出温度センサ、２０２ ガス側温度センサ、２０３ 外気温度センサ、２０４ 液側温度センサ、２０５ 液側温度センサ、２０６ 室内温度センサ、２０７ ガス側温度センサ、３０１ 熱源ユニット、３０２ 利用ユニット。

Claims (10)

1. 圧縮機と、熱源側熱交換器と、絞り装置と、利用側熱交換器と、を接続配管で接続した冷媒回路と、
   外気温を検出する外気温度センサと、
   前記利用側熱交換器の運転負荷に応じて前記冷媒回路を制御する通常運転モードと、前記冷媒回路内の冷媒量の適否を判定する冷媒量判定モードと、を切り替えて運転する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、前記外気温度センサにより検出される外気温が設定温度範囲内である場合に、前記冷媒量判定モードに切り替えるモード切替部を有することを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記圧縮機から流出した冷媒の流路を切り替える流路切替装置をさらに備え、
   前記制御装置は、前記通常運転モードにおいて、前記流路切替装置を制御して暖房運転および冷房運転を切り替えることを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記モード切替部は、前記暖房運転を行う場合であって、前記外気温度センサにより検出した前記外気温が１０℃〜１５℃の間である場合、前記冷媒量判定モードに切り替えることを特徴とする請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記モード切替部は、前記冷房運転を行う場合であって、前記外気温度センサにより検出した前記外気温が１５℃〜２５℃の間である場合、前記冷媒量判定モードに切り替えることを特徴とする請求項２または３に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記モード切替部は、前記暖房運転を行う場合であって、前回が前記冷房運転である場合に、または前記冷房運転を行う場合であって、前回が前記暖房運転である場合に、前記外気温が前記設定温度範囲内であるか否かを判断することを特徴とする請求項２〜４の何れか一項に記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記制御装置は、最初に冷媒量判定モードに切り替えられたときの前記冷媒回路の運転状態量を基準値として記憶する記憶部をさらに有し、
   前記制御装置は、前記冷媒量判定モードにおいて、前記記憶部に記憶される前記基準値と、現在の運転状態量とを比較することを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の冷凍サイクル装置。
7. 前記運転状態量は、過冷却度であることを特徴とする請求項６に記載の冷凍サイクル装置。
8. 前記利用側熱交換器で熱交換される空気温度を検出する温度センサをさらに備え、
   前記運転状態量は、過冷却度を、前記利用側熱交換器が凝縮器として機能する場合の凝縮温度から前記空気温度を差し引いた値で除したものであることを特徴とする請求項６に記載の冷凍サイクル装置。
9. 前記利用側熱交換器が凝縮器として機能する場合に、前記凝縮器の出口における液温度を検出する液温度検出センサをさらに備え、
   前記制御装置は、前記冷媒量判定モードにおいて、前記液温度に応じて凝縮温度が目標値になるように、前記圧縮機の回転数を制御することを特徴とする請求項６〜８の何れか一項に記載の冷凍サイクル装置。
10. 前記制御装置は、前記冷媒量判定モードにおいて、前記外気温度センサによって検出される前記外気温に応じて、前記圧縮機の吸入過熱度の目標値を設定することを特徴とする請求項６〜９の何れか一項に記載の冷凍サイクル装置。

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