JP2019002639A - 空気調和機の冷媒漏洩検知方法、および、空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】空気調和機の冷凍サイクル内から冷媒が漏洩した場合に、漏洩した空間の冷媒濃度が高まらないよう、早期に冷媒漏洩を検知する必要がある。【解決手段】本発明の冷媒漏洩検知方法は、ガス冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮されたガス冷媒を凝縮し液冷媒にする凝縮器と、液冷媒を蒸発させガス冷媒にする蒸発器と、前記圧縮機、前記凝縮器、および、前記蒸発器を接続する接続配管と、を有する空気調和機の冷媒漏洩検知方法であって、圧縮機周波数をＦ[Hz]、該圧縮機周波数Ｆに基づく凝縮器熱交換量をＱ[kW]、凝縮器熱交換性能をKA[kW/K]、凝縮器吸込空気温度をTci［℃］、実測の凝縮冷媒温度Tc［℃］、温度差補正係数をα［℃］、温度差をTb[℃]＝(Tc’-Tci)-αとしたとき、Tb[℃]＝Q/KAから推定の凝縮冷媒温度Tc’[℃]を算出し、推定の凝縮冷媒温度Tc’[℃]と実測の凝縮冷媒温度Tc[℃]の差が、所定値より大きい場合に冷媒漏洩を検知するものとした。【選択図】図２

Description

本発明は、微燃性冷媒を採用した空気調和機における冷媒漏洩検知方法に関する。

空調業界では近年、フロン排出抑制法が施工されるなど環境負荷低減を求められており、地球温暖化係数（ＧＷＰ）の低い冷媒を採用する必要がある。しかし、地球温暖化係数の低い冷媒の多くは微燃性冷媒であるため、微燃性冷媒の採用により冷媒漏洩時の発火リスクを伴うこととなった。

そこで、空気調和機の設置場所や設置空間広さ、封入冷媒量制限などの施工条件に対する制約から発火リスクを低減しているが、空気調和機自身での発火リスク低減策も求められており、冷媒漏洩を早期に検知する技術が発火リスク低減策のひとつとして注目されている。

特開２０１６−９０１７５号公報

空気調和機の冷媒漏洩を検知する従来技術として、特許文献１に記載のものがある。この要約書には、「誤検知を抑制し、冷媒の漏洩個所、漏洩量によらず漏洩冷媒の検知を確実に行うことができる室内機およびそれを備える空気調和機を提供する」ための解決手段として、「空気が流入する吹込口と、空気が吹出される吹出口と、吹き出し空気の方向を変えるルーバとを有する筐体を備え、室外機との間で可燃性の冷媒により冷凍サイクルを形成」し、「吹出口から出た空気が吹込口へ向かうようにルーバを動かして、ショートサーキット運転を実行する制御部と、漏洩した冷媒を検知可能であり、ショートサーキット運転における風路上に設置された冷媒センサとを更に備える」室内機が開示されている。

すなわち、特許文献１には、ショートサーキット運転を実行することによって、ショートサーキット風路内の漏洩冷媒濃度を高め、ショートカット風路内の漏洩冷媒を冷媒センサで確実に検知できるようにした空気調和機の室内機が開示されている。

しかしながら、特許文献１の冷媒漏洩検知には、冷媒センサの使用が必須であり、かつ、一つの冷媒センサでは検知範囲が限られるため、冷凍サイクル全体の冷媒漏洩を検知するには、多数の冷媒センサを設けなければならず、コスト面で不利であった。

そこで、本発明では、冷媒センサを用いずに、温度センサや圧力センサ等の一般的なセンサの出力を用いて冷凍サイクル中に生じた冷媒漏洩を早期に検知できる冷媒漏洩検知方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の冷媒漏洩検知方法は、ガス冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮されたガス冷媒を凝縮し液冷媒にする凝縮器と、液冷媒を蒸発させガス冷媒にする蒸発器と、前記圧縮機、前記凝縮器、および、前記蒸発器を接続する接続配管と、を有する空気調和機の冷媒漏洩検知方法であって、圧縮機周波数をＦ[Hz]、該圧縮機周波数Ｆに基づく凝縮器熱交換量をＱ[kW]、凝縮器熱交換性能をKA[kW/K]、凝縮器吸込空気温度をTci［℃］、実測の凝縮冷媒温度Tc［℃］、温度差補正係数をα［℃］、
温度差をTb[℃]＝(Tc’-Tci)-αとしたとき、Tb[℃]＝Q/KAから推定の凝縮冷媒温度Tc’[℃]を算出し、推定の凝縮冷媒温度Tc’[℃]と実測の凝縮冷媒温度Tc[℃]の差が、所定値より大きい場合に冷媒漏洩を検知するものとした。

また、本発明の空気調和機は、ガス冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮されたガス冷媒を凝縮し液冷媒にする凝縮器と、液冷媒を蒸発させガス冷媒にする蒸発器と、前記圧縮機、前記凝縮器、および、前記蒸発器を接続する接続配管と、前記圧縮機の高圧側圧力を測定する圧力センサと、前記凝縮器内の冷媒温度を測定する温度センサと、を有する空気調和機であって、正常運転時の推定の凝縮器サイクル圧力と、前記圧力センサまたは前記温度センサの出力から求めた実測の凝縮器サイクル圧力の差が所定値よりも大きい場合、または、正常運転時の推定の凝縮冷媒温度と、前記圧力センサまたは前記温度センサの出力から求めた実測の凝縮冷媒温度の差が所定値よりも大きい場合に、冷媒の漏洩を検知することとした。

本発明によれば、運転中の冷凍サイクル状態（各種サイクル温度、圧力）から冷媒漏洩状態を検知可能となるため、従来の冷媒センサでは検知不可能な微小な冷媒漏れや、冷媒センサ設置場所以外からの冷媒漏れを検知可能となり、更には、冷媒センサが不要であるので、製造コスト低減も達成できる。

空気調和機の冷房運転中の冷凍サイクル系統図 冷媒漏洩検知を行う第一のフローチャート 冷媒漏洩検知を行う第二のフローチャート 空気調和機の暖房運転中の冷凍サイクル系統図

空気調和機における冷房能力、暖房能力は、製造ばらつきや熱交換器目詰まりなど多少の能力変動はあるものの、適正な冷媒量を保有する環境では、空気調和機の熱交換器形状、ファンによる送風量、圧縮機運転周波数によりある程度の精度で算出できる。

ここで、適正冷媒量における運転状態と冷媒不足における運転状態を以下説明する。

適正冷媒量を保有した状態では、凝縮器に適度なサブクールが確保され、エンタルピー差を確保するとともに凝縮器サイクル圧力が上昇するため凝縮器熱交換量は高い状態となる。

一方、冷媒漏洩による冷媒不足状態では、冷媒不足により凝縮器のサブクールが確保できず、凝縮器内部が熱交換効率の高い２相冷媒で満たされた状態となるが、冷媒循環量低下に伴い熱交換量が低下するため凝縮器サイクル圧力も低下する。

そこで、冷媒漏洩の無い適正冷媒量を保有した状態の冷媒循環量を基準に（ここでは定格運転条件を基準とする）、凝縮器サイクル圧力を推定して、その推定される凝縮器サイクル圧力より所定値下回る状態で運転している状態を、冷媒漏洩状態として検知する。なお、ここで「所定値下回る状態」を基準としているのは、凝縮冷媒温度Tc’と縮吹出空気温度Tcoを近似することや、対数平均温度差では熱交換器の通過率を均一に仮定することから、それらによる誤差を所定値に含め、冷媒漏洩の誤検知を防止するためである。

次に、凝縮器サイクル圧力の推定方法として、凝縮器熱交換量Ｑと凝縮器性能KA（＝１／熱抵抗）を用いて「凝縮器熱交換量Ｑ＝凝縮器性能KA×温度差Tb」の関係から温度差Tbを計算し、温度差Tbを対数平均温度差とする。この「対数平均温度差」は、熱交換器の入口から出口において熱通過率が均一となる条件で使用するものであるが、冷媒不足時は全体的に熱交換器内の冷媒が２相流状態となり、冷媒流量による熱交換性能の変化幅は比較的小さいため使用できると考えられるものである。

また、適度な冷媒循環量が確保された条件下では、凝縮器吹出空気温度Tco≒凝縮冷媒温度Tc’と近似できるため、これを前提として（ただし、Tc’-Tco＞０）、その対数平均温度差Tbと凝縮器吸込空気温度Tciから凝縮冷媒温度Tc’を算出できる。

さらに、算術平均温度差は空気温度差が小さいほど誤差が小さくなるため、対数平均温度差の代わりに算術平均温度差を使用することも可能であり、凝縮器吹出空気温度Tco≒凝縮冷媒温度Tc’と近似すれば、凝縮冷媒温度Tc’＝算術平均温度差Tb×２−凝縮器吸込空気温度Tciとなり、より算出が容易になる。

また、ファン風量が大きいときは、凝縮器吹出空気温度Tco＝凝縮冷媒温度Tc’−α［℃］と補正しても良い。経験的にα＝0.5〜3℃程度となるが、機器により差異があるため、確認して設定する。

上記にて推定した凝縮冷媒温度Tc’に対し、冷媒物性から凝縮器サイクル圧力に換算でき、冷媒漏洩の検知に用いることができる。

以上で概説した本発明の実施例を、図面を用いながら具体的に説明する。

まず、図１を用いて、実施例１の空気調和機１００の構成を説明する。ここに示すように、本実施例の空気調和機１００は、室外機１０１と室内機１０２を、ガス冷媒の流路である接続ガス配管８ａと、液冷媒の流路である接続液配管８ｂで接続したものである。

室外機１０１は、圧縮機１、四方弁２、室外熱交換器３ａ、室外ファン４ａ、室外膨張弁５ａ、アキュムレータ６、ガス阻止弁７ａ、液阻止弁７ｂ、および、空気調和機１００を制御する制御装置２０で構成されている。圧縮機１は、インバータを用いた運転容量の可変な容積式圧縮機であり、室外ファン４ａは、ＤＣモータにより駆動し風量調整が可能となっている。室外膨張弁５ａは、暖房運転時の流量調整弁であり、冷房運転時にも余剰冷媒保有量調整等に用いることもできる。ガス阻止弁７ａ、液阻止弁７ｂはボールバルブなど開閉操作可能なものである。

室内機１０２は、室内熱交換器３ｂ、室内ファン４ｂ、室内膨張弁５ｂ、および、空気調和機１００を操作するリモコン２１で構成されている。室内ファン４ｂは、複数の風量タップを有しており、リモコン２１からの風量設定により回転数が決定される。室内膨張弁５ｂは、冷房運転時の流量調整弁であり、暖房運転時にも余剰冷媒保有量調整等に用いられる。

なお、図１は室内機１０２が１台の接続構成であるが、室内機１０２を二台以上接続しても良い。また、サイクル構成部品についても、図１に記載していない余剰冷媒保有のためのレシーバや圧縮機冷凍機油の油上がり低減のためのオイルセパレータなどを追加しても良く、図１にあるアキュムレータなどを削除しても良い。

さらに、空気調和機１００は、複数の測定用のセンサ類を備えており、これらの出力を制御装置２０で監視している。複数のセンサ類とは、具体的には、圧縮機１の高圧側圧力を測定する圧力センサＡ、室外機１０１近傍の外気温度の測定する温度センサＢ、室内機１０２近傍の室内温度を測定する温度センサＣである。なお、圧力センサＡに代えて、凝縮冷媒温度検知用の温度センサＤ、Ｅを、各熱交換器の凝縮器伝熱管流路の中央部に設置し、これらで測定した凝縮冷媒温度と、冷媒物性により凝縮器サイクル圧力（≒高圧側圧力）を演算してもよい。また、他制御目的に応じて測定用の圧力・温度センサを取付けても良い。

次に、図１に基づき、冷房運転中の冷媒漏洩検知方法の詳細を説明する。

図１中の矢印は、冷房運転時の冷媒の流れ方向を示しており、圧縮機１から吐出された高圧高温のガス冷媒は、四方弁２を通過し、室外熱交換機３ａへ流入する。室外熱交換器３ａへ流入した高圧高温ガス冷媒は、室外ファン４ａの送風により室外熱交換器３ａを介して室外空気へ放熱し、高圧高温ガス冷媒は凝縮して高圧液冷媒となる。室外熱交換器３ａを出た高圧液冷媒は、室外膨張弁５ａ、液阻止弁７ｂ、接続液配管８ｂを通過し、室内機１０２へと流入する。

室内機１０２へ流入した高圧液冷媒は室内膨張弁５ｂにより減圧され、低圧低温液冷媒となり室内熱交換器３ｂへ流入する。低圧低温液冷媒は、室内ファン４ｂの送風により室内熱交換器３ｂを介して室内空気から吸熱し、低圧低温液冷媒は蒸発して低圧ガス冷媒となる。

室内熱交換器３ｂを出た低圧ガス冷媒は、接続ガス配管８ａから室外機へ流入し、ガス阻止弁７ａ、四方弁２を通過して、アキュムレータ６にてガス冷媒に混合する液冷媒が分離され、ガス冷媒を所定の乾き度に調整して圧縮機１へ吸入され、再び圧縮されて高圧高温ガス冷媒として圧縮機１から吐出される。この冷凍サイクル中で、室内熱交換器３ｂにて室内空気から吸熱する作用により、室内熱交換器３ｂを通過した空気が冷風として室内機１０２から吹き出され、冷房運転を行う。

次に、冷房運転中の冷媒漏洩検知方法を図２、図３のフローチャートに基づいて説明する。これらに示すように、本実施例の空気調和機１００では、冷房運転を開始し（Ｓ２０、Ｓ３０）、安定運転への移行を確認（Ｓ２１、Ｓ３２）した後に、冷媒漏洩の検知を開始する。ここで行われる冷媒漏洩検知は、凝縮器サイクル圧力が正常範囲内であるか（Ｓ２２）、または、凝縮冷媒温度が正常範囲内であるか（Ｓ３２）を基準にするものであり、それらが異常であった場合は、冷媒が漏洩していると判断し、冷媒漏洩検知時の処理を実行する（Ｓ２３、Ｓ３３）。冷媒漏洩検知時の処理としては、例えば、アラームにより冷媒漏洩を報知したり、室外ファン４ａ、室内ファン４ｂ等を回転数を高め、高濃度冷媒を室外機１０１または室内機１０２内から排気したりする処理が挙げられるが、他の処理を実行しても良い。そして、冷媒漏洩検知時処理の実行後に、冷房運転を停止することで、安全に空気調和機１００を停止することができる。

Ｓ２２、Ｓ３２での冷媒漏洩検知は、安定運転時に実測した凝縮器サイクル圧力または凝縮冷媒温度が正常範囲内であるかどうかで、冷媒漏洩の有無を判定するものである。この基準となる正常範囲とは、室外機１０１の出力容量から定まる冷房定格能力運転条件を踏まえ、定格能力運転時の室外空気温度、室内空気温度、圧縮機運転周波数、室外ファン風量、室内ファン風量、接続室内機機種の関係から演算できる、正常運転時（冷媒漏洩が無い運転時）の凝縮器サイクル圧力の推定値Ｐ_２、または、凝縮冷媒温度の推定値Tc’を基準とした所定範囲のことを意味している。そして、この推定値と実測値の差が、所定値Ｃ_１、Ｃ_２より大きい場合に、冷媒不足による能力低下で圧力低下または温度低下に至っているものと判断し、冷媒漏洩を検知する。

ここで、実測の凝縮器サイクル圧力Ｐ_１とは、圧力センサＡの検知圧力、または、凝縮器である室外熱交換器３ａ内に設置された温度センサＤの検知温度を基に冷媒物性から換算した圧力である。また、実測の凝縮冷媒温度Ｔ_１とは、圧力センサＡの検知圧力を基に冷媒物性から換算した温度、または、温度センサＤの検知温度である。ただし、温度センサＤの検知温度は、熱交換器流路圧力損失や熱伝導による温度差を補正したものでも良い。

一方、推定の凝縮器サイクル圧力Ｐ_２とは、冷房定格運転条件における凝縮能力をＱ、凝縮器熱交換性能をKA、室外空気温度をTa、推定の凝縮冷媒温度をTc’と定義した場合に、対数平均温度差TbはTb＝Q/KAとなり、凝縮器吹出空気温度Tco≒凝縮冷媒温度Tc’（凝縮器吹出空気温度Tco＝凝縮冷媒温度−０．５と仮定）としてTb＝{(Tc’-Ta)-0.5}/ln{(Tc’-Ta)-0.5}と定義することで、Tb＝Q/KA＝{(Tc’-Ta)-0.5}/ln{(Tc’-Ta)-0.5}となり、前式が成立する推定の凝縮冷媒温度Tc’を収束算出し、Tc’を冷媒物性から換算した圧力を言う。

または、前記における温度差Tb＝Q/KAについて、対数平均温度差ではなく算術平均温度差を使うことで、算出精度が低下するもののより容易に凝縮器吹出空気温度Tcoの算出が可能となる。

次に、運転条件や施工条件により変化する凝縮能力Ｑについて詳しく説明する。

前述の冷房定格運転条件における凝縮能力Ｑは、代表室内機種を代表台数接続時、かつ代表接続配管長さの場合と限定することで、決まった値に固定することができる。そこで、代表室内機を４方向機種、代表台数を１台、代表配管長を7.5ｍと仮定し、これを前提として以下記載する。この時の圧縮機周波数をＦ、室外ファン風量をVo、代表室内機の設定室内ファン風量をVi、温度センサＢが計測する室外空気温度をTa、温度センサＣが計測する室内空気温度をTiと定義する。このとき、凝縮器となる室外熱交換器３ａの上流の温度センサＢで測定された室内空気温度Taが凝縮器吸込空気温度となり、蒸発器となる室内熱交換器３ｂの上流の温度センサＣで測定された室内空気温度Tiが蒸発器吸込空気温度となる。

ここで、凝縮能力Ｑは、
凝縮能力Ｑ＝定格能力−熱ロス＋圧縮機消費電力
で算出される。

熱ロスとは、接続配管から冷凍サイクル外の周囲へ放熱する熱量を意味しており、接続配管に巻かれた断熱材熱熱伝達率20W/m²・K程度から損失を考慮することができる。ただし、冷房時の熱ロスは凝縮能力に対して小さいため無視してもよい。

圧縮機消費電力とは、冷房定格運転時COP≒２〜５の範囲内ならば、定格能力の0.5〜0.2倍値程度で与えることができる。

冷房定格運転条件以外の冷房運転における凝縮能力Ｑは、以下のように定格能力を補正すると冷媒漏洩検知の精度が高まる。

つまり、圧縮機周波数Ｆ、室外ファン風量Vo、室内ファン風量Vi、室外空気温度Ta、室内空気温度Tiが冷房定格運転条件時と異なる値の場合に、以下のように定格能力を補正することで冷媒漏洩検知の精度が高まる。

圧縮機周波数Ｆの値が異なる場合の補正は、定格運転時の圧縮機周波数と周波数差異の比率で補正できる。定格運転時の圧縮機周波数Ｆより実際の圧縮機周波数が高いほど補正係数は高く、圧縮機周波数が低いほど補正係数は低い。例えば、定格運転時の圧縮機周波数＝60Hz、実運転の圧縮機周波数＝50Hzの場合、差分は10Hz低くなるため、定格能力を10／60≒17％低く補正する。

室外ファン風量Voの値が異なる場合の補正は、凝縮器熱交換性能が変化することで室外ファン風量が定格風量の50〜100％で0.75〜1.00程度で補正できる。室外ファン風量が定格風量より低くなることで補正係数も1.00より低くなる。

室内ファン風量Viや、接続室内機機種、接続室内機台数の値が異なる場合の補正は、蒸発器熱交換性能が変化することで圧縮機吸入冷媒密度が変化するため、冷媒循環量の変化率を示す係数として1.10〜0.85程度で補正できる。蒸発器熱交換性能が高いほど補正係数は高く、蒸発器熱交換性能が低いほど補正係数は低い。

室外空気温度Taの値が異なる場合の補正は、外気空気温度Ta＝20〜40℃（乾球温度）の範囲で1.15〜0.95倍程度（Ta＝35で1.00倍）で補正できる。外気空気温度が低いほど補正係数は高く、外気空気温度が高いほど補正係数は低い。

室内空気温度Tiの値が異なる場合の補正は、室内空気温度Ti＝20〜34℃（乾球温度）の範囲で0.80〜1.20倍程度（Ti＝27で1.00倍）で補正できる。室内空気温度Tiが低いほど補正係数は低く、室外空気温度Taが高いほど補正係数は高い。

補正方法については、運転条件における圧縮機効率の変化や、経年劣化による熱交換器汚れの性能変化など、上記以外にも能力に影響する条件を考慮することも可能である。

上記内容を例に取り、冷房定格運転条件を圧縮機周波数Ｆ＝60Hz、室外ファン風量＝定格風量、室内ファン風量＝定格風量、室外空気温度Ta＝35℃（乾球温度）、室内空気温度Ti＝27℃（乾球温度）、冷房定格能力＝14kWの出力容量機種において、熱ロス＝０kW、圧縮機消費電力＝16×0.4＝6.2kW、圧縮機運転周波数＝50Hzで補正係数＝1+(50-60)/60＝0.83、室外ファン風量＝定格風量80％で補正係数＝0.75+(1-0.75)×(0.8-0.5)/0.5＝0.90、室内ファン風量＝定格風量80％で補正係数≒0.98、室外空気温度Ta＝30℃（乾球温度）で補正係数＝1.05、室内空気温度Ti＝30℃（乾球温度）で補正係数＝1+0.2×(30-27)/(34-27)≒1.09と仮定すると、
凝縮能力Ｑ＝定格能力×補正係数−熱ロス＋圧縮機消費電力
＝14×(0.83×0.90×0.98×1.05×1.09)-0+6.2 ≒ 17.9ｋＷになる。

また、冷房定格運転時の凝縮器熱交換性能KA＝3.0kW/Kと仮定すると、定格能力同様、運転状態から推定するKA値も補正する必要があるため、室外ファン風量＝定格風量80％による補正係数≒0.98により、KA＝3.0×0.98＝2.94となる。

推定のTb＝Q/KA＝17.9/2.94≒6.1℃となり、凝縮器吹出空気温度Tco≒凝縮冷媒温度Tc’と仮定して対数平均温度差で収束算出すると、Tc’≒47.5℃となるため、推定の凝縮器サイクル圧力≒2.8MPaGとなる。

この時、実測の凝縮器サイクル圧力＝2.2MPaG、実測の凝縮冷媒温度＝37℃の場合、推定の凝縮器サイクル圧力より0.6MPa低く、推定の凝縮冷媒温度より10.5℃低いこととなる。

先の記述で、実測の凝縮器サイクル圧力または凝縮冷媒温度が推定値のそれと比べて所定値より下回っている場合に、冷媒不足による能力低下で圧力低下に至っているものと判断し、冷媒漏洩有りと検知するとしており、本実施例では、所定値Ｃ_１を凝縮器サイクル圧力差で0.6MPa、所定値Ｃ_２を凝縮冷媒温度差で10.5℃に設定しており、推定値と実測値の差がこれらを超えた場合に、冷媒漏洩を検知する。

前述の所定値Ｃ_１、Ｃ_２については、Tbの算出仮定条件のバラつきや、凝縮能力Ｑが小さい運転時に推定の精度のバラつきなどにより、冷媒漏洩の誤検知に至らないように各所定値に裕度をもって設定すると良い。

以上で説明した、本実施例の冷媒漏洩検出方法によれば、運転中の冷凍サイクル状態（各種サイクル温度、圧力）から冷媒漏洩状態を検知可能となるため、従来の冷媒センサでは検知不可能な微小な冷媒漏れや、冷媒センサ設置場所以外からの冷媒漏れを早期に検知可能となり、更には、冷媒センサが不要であるので、製造コスト低減も達成できる。

次に、実施例２の空気調和機１００を説明する。なお、実施例１との共通点は重複説明を省略する。

実施例１の空気調和機１００は室外機１０１に一台の室内機１０２を接続したものであったが、本実施例の空気調和機１００は室外機１０１に複数台の室内機１０２を接続したものである。この場合、各室内機を個別に運転／停止可能な場合は、冷房運転中の室内機１０２の熱交換器性能KAを使用して、停止中の室内機１０２の熱交換器性能は含めずに凝縮冷媒温度を推定することで、冷媒漏洩検知の精度をより高めることができる。または、全室内機が冷房運転している場合のみ、冷媒漏洩を検知してもよい。

次に、図４に基づき、暖房運転中の冷媒漏洩検知方法の詳細を説明する。なお、実施例１との共通点は重複説明を省略する。

図４中の矢印は、暖房運転時の冷媒の流れ方向を示しており、圧縮機１から吐出された高圧高温のガス冷媒は、四方弁２、ガス阻止弁７ａ、接続ガス配管８ａを通過し、室内機１０２の室内熱交換器３ｂへと流入する。室内熱交換器３ｂへ流入した高圧高温ガス冷媒は、室内ファン４ｂの送風により室内熱交換器３ｂを介して室内空気へ放熱し、高圧高温ガス冷媒は凝縮して高圧液冷媒となる。室内熱交換器３ｂを出た高圧液冷媒は、室内膨張弁５ｂ、接続液配管８ｂ、液阻止弁７ｂを通過し、室外機１０１へと流入する。

室外機１０１へ流入した高圧液冷媒は室外膨張弁５ａにより減圧され、低圧低温液冷媒となり室外熱交換器３ａへ流入する。低圧低温液冷媒は、室外ファン４ａの送風により室外熱交換器３ａを介して室外空気から吸熱し、低圧低温液冷媒は蒸発して低圧ガス冷媒となる。

室外熱交換器３ａを出た低圧ガス冷媒は、四方弁２を通過し、アキュムレータ６にてガス冷媒に混合する液冷媒を分離され、ガス冷媒を所定の乾き度に調整して圧縮機１へ吸入され、再び圧縮されて高圧高温ガス冷媒として圧縮機１から吐出される。この冷凍サイクル中で、室内熱交換器３ｂにて室内空気へ放熱する作用により、室内熱交換器３ｂを通過した空気が温風として室内機１０２から吹き出され、暖房運転を行う。

次に、暖房運転中の冷媒漏洩検知方法を図２、図３のフローチャートに基づいて説明する。これらに示すように、本実施例の空気調和機１００では、暖房運転を開始し（Ｓ２０、Ｓ３０）、安定運転への移行を確認（Ｓ２１、Ｓ３２）した後に、冷媒漏洩の検知を開始する。ここで行われる冷媒漏洩検知は、凝縮器サイクル圧力が正常範囲内であるか（Ｓ２２）、または、凝縮冷媒温度が正常範囲内であるか（Ｓ３２）を基準にするものであり、それらが異常であった場合は、冷媒が漏洩していると判断し、冷媒漏洩検知時の処理を実行する（Ｓ２３、Ｓ３３）。冷媒漏洩検知時の処理としては、例えば、アラームにより冷媒漏洩を報知したり、室外ファン４ａ、室内ファン４ｂ等を回転数を高め、高濃度冷媒を室外機１０１または室内機１０２内から排気したりする処理が挙げられるが、他の処理を実行しても良い。そして、冷媒漏洩検知時処理の実行後に、暖房運転を停止することで、安全に空気調和機１００を停止することができる。

Ｓ２２、Ｓ３２での冷媒漏洩検知は、安定運転時に実測した凝縮器サイクル圧力または凝縮冷媒温度が正常範囲内であるかどうかで、冷媒漏洩の有無を判定するものである。この基準となる正常範囲とは、室外機１０１の出力容量から定まる暖房定格能力運転条件を踏まえ、定格能力運転時の室外空気温度、室内空気温度、圧縮機運転周波数、室外ファン風量、室内ファン風量、接続室内機機種関係から演算できる、正常運転時（冷媒漏洩が無い運転時）の凝縮器サイクル圧力の推定値Ｐ_２、または、凝縮冷媒温度の推定値Tc’を基準とした所定範囲のことを意味している。そして、この推定値と実測値の差が所定値Ｃ_１、Ｃ_２より大きい場合に、冷媒不足による能力低下で圧力低下または温度低下に至っているものと判断し、冷媒漏洩を検知する。

ここで、実測の凝縮器サイクル圧力Ｐ_１とは、圧力センサＡの検知圧力、または、凝縮器である室内熱交換器３ｂ内に設置された温度センサＥの検知温度を冷媒物性から換算した圧力である。また、実測の凝縮冷媒温度Ｔ_１とは、圧力センサＡの検知圧力を冷媒物性から換算した温度、または、温度センサＥの検知温度である。ただし、温度センサＥの検知温度は、熱交換器流路圧力損失や熱伝導による温度差を補正したものでも良い。

一方、推定の凝縮器サイクル圧力Ｐ_２とは、暖房定格運転条件における凝縮能力をＱ、凝縮器熱交換性能をKA、室内空気温度をTi、推定の凝縮冷媒温度をTc’と定義した場合に、対数平均温度差TbはTb＝Q/KAとなり、凝縮器吹出空気温度Tco≒凝縮冷媒温度Tc’（＝凝縮冷媒温度−0.5とする）と仮定してTb＝{(Tc’-Ti)-0.5}/ln{(Tc’-Ti)-0.5}と定義することで、Tb＝Q/KA＝{(Tc’-Ti)-0.5}/ln{(Tc’-Ti)-0.5}となり、前式が成立する推定の凝縮冷媒温度Tc’に収束算出させ、Tc’を冷媒物性から換算した圧力を言う。

または、前記における温度差Tb＝Q/KAについて、対数平均温度差ではなく算術平均温度差を使うことで、算出精度が低下するもののより容易に凝縮器吹出空気温度Tcoの算出が可能となる。

次に、運転条件や施工条件により変化する凝縮能力Ｑについて詳しく説明する。

前述の暖房定格運転条件における凝縮能力Ｑは、代表室内機種を代表台数接続時、かつ代表接続配管長さの場合と限定することで、決まった値に固定することができる。そこで、代表室内機を４方向機種、代表台数を１台、代表配管長を7.5mと仮定し、これを前提として以下記載する。この時の圧縮機周波数をＦ、室外ファン風量をVo、代表室内機の設定室内ファン風量をVi、温度センサＢが計測する室外空気温度をTa、温度センサＣが計測する室内空気温度をTiと定義する。このとき、蒸発器となる室外熱交換器３ａの上流の温度センサＢで測定された室内空気温度Taが蒸発器吸込空気温度となり、凝縮器となる室内熱交換器３ｂの上流の温度センサＣで測定された室内空気温度Tiが凝縮器吸込空気温度となる。

ここで、凝縮能力Ｑは、
凝縮能力Ｑ＝定格能力＋熱ロス−圧縮機消費電力
で算出される。

熱ロスとは、接続配管から冷凍サイクル外の周囲へ放熱する熱量を意味しており、接続配管に巻かれた断熱材熱熱伝達率20W/m²・K程度から損失を考慮することができる。例えば、暖房時の熱ロスは接続配管周囲温度が低い時ほど大きくなり、接続配管と周囲温度の差が30℃、接続配管長さが30mにおいて、約0.35〜0.70kW程度となる。
圧縮機消費電力とは、暖房定格運転時ＣＯＰ≒２〜５の範囲内ならば、定格能力の0.5〜0.2倍値程度で与えることができる。

暖房定格運転条件以外の暖房運転における凝縮能力Ｑは、以下のように定格能力を補正すると冷媒漏洩検知の精度が高まる。

つまり、圧縮機周波数Ｆ、室外ファン風量Vo、室内ファン風量Vi、室外空気温度Ta、室内空気温度Tiが暖房定格運転条件時と異なる値の場合に、以下のように定格能力を補正することで冷媒漏洩検知の精度が高まる。

圧縮機周波数Ｆの値が異なる場合の補正は、定格運転時の圧縮機周波数と周波数差異の比率で補正できる。定格運転時の圧縮機周波数Ｆより実際の圧縮機周波数が高いほど補正係数は高く、圧縮機周波数が低いほど補正係数は低い。例えば定格運転時の圧縮機周波数＝60Hz、実運転の圧縮機周波数＝50Hzの場合、差分は10Hz低くなるため、定格能力を10/60≒17％低く補正する。

室外ファン風量Ｖｏの値が異なる場合の補正は、室外ファン風量が定格風量の50〜100％で蒸発器熱交換性能が変化することで圧縮機吸入冷媒密度が変化するため、冷媒循環量の変化率を示す係数として0.85〜1.00程度で補正できる。室外ファン風量が定格風量より低くなることで補正係数も1.00より低くなる。

室内ファン風量Viや、接続室内機機種、接続室内機台数の値が異なる場合の補正は、凝縮器熱交換性能が変化することで0.75〜1.10程度で補正できる。

凝縮器熱交換性能が高いほど補正係数は高く、蒸発器熱交換性能が低いほど補正係数は低い。

室外空気温度Taの値が異なる場合の補正は、外気空気温度Ta＝−10〜10℃（乾球温度）の範囲で0.55〜1.10倍程度（Ta＝７で1.00倍）で補正できる。外気空気温度が低いほど補正係数は低く、外気空気温度が高いほど補正係数は高い。

室内空気温度Tiの値が異なる場合の補正は、室内空気温度Ti＝10〜30℃（乾球温度）の範囲で1.15〜0.85倍程度（Ti＝20で1.00倍）で補正できる。室内空気温度が低いほど補正係数は高く、外気空気温度が高いほど補正係数は低い。

補正方法については、運転条件における圧縮機効率の変化や、経年劣化による熱交換器汚れの性能変化など、上記以外にも能力に影響する条件を考慮することも可能である。

上記内容を例に取り、暖房定格運転条件を圧縮機周波数Ｆ＝60Hz、室外ファン風量＝定格風量、室内ファン風量＝定格風量、室外空気温度Ta＝７℃（乾球温度）、室内空気温度Ti＝20℃（乾球温度）、暖房定格能力＝16kWの出力容量機種において、熱ロス＝0.1kW、圧縮機消費電力＝16×0.3＝4.8kW、圧縮機運転周波数＝50Hzで補正係数＝1+(50-60)/60＝0.83、室外ファン風量＝定格風量80％で補正係数≒0.98、室内ファン風量＝定格風量80％で補正係数≒0.90、室外空気温度Ta＝10℃（乾球温度）で補正係数＝1.10、室内空気温度Ti＝30℃（乾球温度）で補正係数＝0.85と仮定すると、
凝縮能力Ｑ＝定格能力×補正係数−熱ロス＋圧縮機消費電力
＝16×(0.83×0.98×0.90×1.10×0.85)+0.1-4.8 ≒ 6.3kWになる。

また、暖房定格運転時の凝縮器熱交換性能KA＝2.0kW/Kと仮定すると、定格能力同様、運転状態から推定するKA値も補正する必要があるため、室内ファン風量＝定格風量８０％による補正係数≒0.90により、KA＝2.0×0.90＝1.8となる。

推定のTb＝Q/KA＝6.3/1.8≒3.5℃となり、凝縮器吹出空気温度Tco≒凝縮冷媒温度Tc’と仮定して対数平均温度差で収束算出すると、Tc’≒42℃となるため、推定の凝縮器サイクル圧力≒2.5MPaGとなる。

この時、実測の凝縮器サイクル圧力＝2.2MPaG、実測の凝縮冷媒温度＝37℃の場合、推定の凝縮器サイクル圧力より0.3MPa低く、推定の凝縮冷媒温度より５℃低いこととなる。

先の記述で、実測の凝縮器サイクル圧力または凝縮冷媒温度が推定値のそれと比べて所定値より下回っている場合に、冷媒不足による能力低下で圧力低下に至っているものと判断し、冷媒漏洩有りと検知するとしており、本実施例では、所定値Ｃ_１を凝縮器サイクル圧力差で0.3MPa、所定値Ｃ_２を凝縮冷媒温度差で５℃に設定しており、推定値と実測値の差がこれらを超えた場合に、冷媒漏洩を検知する。

前述の所定値Ｃ_１、Ｃ_２については、Tbの算出仮定条件のバラつきや、凝縮能力Ｑが小さい運転時に推定の精度のバラつきなどにより、冷媒漏洩の誤検知に至らないように各所定値に裕度をもって設定すると良い。

以上で説明した、本実施例の冷媒漏洩検出方法によれば、運転中の冷凍サイクル状態（各種サイクル温度、圧力）から冷媒漏洩状態を検知可能となるため、従来の冷媒センサでは検知不可能な微小な冷媒漏れや、冷媒センサ設置場所以外からの冷媒漏れを早期に検知可能となり、更には、冷媒センサが不要であるので、製造コスト低減も達成できる。

次に、実施例４の空気調和機１００を説明する。なお、実施例３との共通点は重複説明を省略する。

実施例３の空気調和機１００は室外機１０１に一台の室内機１０２を接続したものであったが、本実施例の空気調和機１００は室外機１０１に複数台の室内機１０２を接続したものである。この場合、各室内機を運転／停止可能な場合は、暖房運転中の室内機の熱交換器性能KAを使用して、停止中の室内機１０２の熱交換器性能は含めずに凝縮冷媒温度を推定することで、冷媒漏洩検知の精度をより高めることができる。ただし、暖房運転時は、停止中の室内機に冷媒が溜まりこみ、冷媒漏洩状態と誤検知しやすいため、全室内機が暖房運転している場合のみ、冷媒漏洩を検知してもよい。

１ 圧縮機、
２ 四方弁、
３ａ 室外熱交換器、
３ｂ 室内熱交換器、
４ａ 室外ファン、
４ｂ 室内ファン、
５ａ 室外膨張弁、
５ｂ 室内膨張弁、
６ アキュムレータ、
７ａ ガス阻止弁、
７ｂ 液阻止弁、
８ａ 接続ガス配管、
８ｂ 接続液配管、
２０ 制御装置、
２１ リモコン、
１００ 空気調和機、
１０１ 室外機、
１０２ 室内機、
Ａ 圧力センサ、
Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ 温度センサ

Claims (11)

1. ガス冷媒を圧縮する圧縮機と、
   圧縮されたガス冷媒を凝縮し液冷媒にする凝縮器と、
   液冷媒を蒸発させガス冷媒にする蒸発器と、
   前記圧縮機、前記凝縮器、および、前記蒸発器を接続する接続配管と、
   を有する空気調和機の冷媒漏洩検知方法であって、
   圧縮機周波数をＦ[Hz]、
   該圧縮機周波数Ｆに基づく凝縮器熱交換量をＱ[kW]、
   凝縮器熱交換性能をKA[kW/K]、
   凝縮器吸込空気温度をTci［℃］、
   実測の凝縮冷媒温度Tc［℃］、
   温度差補正係数をα［℃］、
   温度差をTb[℃]＝(Tc’-Tci)-αとしたとき、
   Tb[℃]＝Q/KAとして得られる推定の凝縮冷媒温度Tc’[℃]と実測の凝縮冷媒温度Tc[℃]の差が、所定値より大きい場合に冷媒漏洩を検知することを特徴とする冷媒漏洩検知方法。
2. 請求項１に記載の冷媒漏洩検知方法において、
   凝縮器吹出空気温度をTco[℃]とし、
   前記温度差Tbを、対数平均温度差に置き換えて、
   Tb[℃]＝{(Tc’-Tci)-(Tc’-Tco)}/ ln{(Tc’-Tci)/(Tc’-Tco)}とし、
   前記凝縮器吹出空気温度Tco[℃]≒推定の凝縮冷媒温度Tc’に近似して、
   (Tc’-Tco)＞０で値を仮定し、
   Tb[℃]＝Q/KAから換算した、推定の凝縮冷媒温度Tc’[℃]と、
   実測の凝縮冷媒温度Tc[℃]とを比較し、
   冷媒漏洩を検知することを特徴とする冷媒漏洩検知方法。
3. 請求項１に記載の冷媒漏洩検知方法において、
   凝縮器吹出空気温度をTco[℃]とし、
   前記温度差Tbを、算術平均温度差に置き換えて、
   Tb[℃]＝(Tco-Tci)/2とし、
   Tb[℃]＝Q/KAから換算した、凝縮器吹出空気温度Tco[℃]を、
   前記凝縮器吹出空気温度Tco[℃]≒推定の凝縮冷媒温度Tc’に近似して、
   推定の凝縮冷媒温度Tc’[℃]と、
   実測の凝縮冷媒温度Tc[℃]とを比較し、
   冷媒漏洩を検知することを特徴とする冷媒漏洩検知方法。
4. 請求項１〜３の何れか一項に記載の冷媒漏洩検知方法において、
   室内機と室外機の間の接続配管における熱ロスをWlとし、
   圧縮機消費電力をWcとした場合、
   前記凝縮器熱交換量Ｑを、
   暖房運転時はＱ＝暖房定格能力+Wl-Wc
   冷房運転時はＱ＝冷房定格能力-Wl+Wc
   に補正することを特徴とする冷媒漏洩検知方法。
5. 請求項４に記載の冷媒漏洩検知方法において、
   実際の圧縮機周波数Ｆが
   定格運転時のＦより高い時、冷房定格能力・暖房定格能力を高い値に補正し、
   定格運転時のＦより低い時、冷房定格能力・暖房定格能力を低い値に補正することを特徴とする冷媒漏洩検知方法。
6. 請求項４に記載の冷媒漏洩検知方法において、
   前記凝縮器または前記蒸発器における実際の風量が定格運転時以外の場合であって、
   前記凝縮器または前記蒸発器における実際の風量が
   定格運転時の風量より多い時、冷房定格能力・暖房定格能力を高い値に補正し、
   定格運転時の風量より少ない時、冷房定格能力・暖房定格能力を低い値に補正することを特徴とする冷媒漏洩検知方法。
7. 請求項４に記載の冷媒漏洩検知方法において、
   実測の蒸発器吸込空気温度Teiが
   定格運転時のTeiより高い時、冷房定格能力・暖房定格能力を高い値に補正し、
   定格運転時のTeiより低い時、冷房定格能力・暖房定格能力を低い値に補正することを特徴とする冷媒漏洩検知方法。
8. 請求項４に記載の冷媒漏洩検知方法において、
   実測の凝縮器吸込空気温度Tciが
   定格運転時のTciより高い時、冷房定格能力・暖房定格能力を低い値に補正し、
   定格運転時のTciより低い時、冷房定格能力・暖房定格能力を高い値に補正することを特徴とする冷媒漏洩検知方法。
9. 請求項４に記載の冷媒漏洩検知方法において、
   １つの室外機に複数台の室内機を接続する場合、
   暖房運転時には、凝縮器となる複数台の室内機の凝縮器熱交換性能KAの合計値が、
   定格運転時のKAより高い時、暖房定格能力を高い値に補正し、
   定格運転時のKAより低い時、暖房定格能力を低い値に補正するとともに、
   冷房運転時には、蒸発器となる複数台の室内機の蒸発器熱交換性能KAの合計値が、
   定格運転時のKAより高い時、冷房定格能力を高い値に補正し、
   定格運転時のKAより低い時、冷房定格能力を低い値に補正する
   ことを特徴とする冷媒漏洩検知方法。
10. 請求項５〜９の何れか一項に記載の冷媒漏洩検知方法において、
    凝縮器熱交換性能KAが定格運転時以外の場合、
    前記凝縮器における実際の風量が定格運転時より多い時、KAを高い値に補正し、
    前記凝縮器における実際の風量が定格運転時より少ない時、KAを低い値に補正する、
    あるいは、
    実際の圧縮機周波数Ｆが定格運転時より高い時、KAを高い値に補正し、
    実際の圧縮機周波数Ｆが定格運転時より低い時、KAを低い値に補正することを特徴とする冷媒漏洩検知方法。
11. ガス冷媒を圧縮する圧縮機と、
    圧縮されたガス冷媒を凝縮し液冷媒にする凝縮器と、
    液冷媒を蒸発させガス冷媒にする蒸発器と、
    前記圧縮機、前記凝縮器、および、前記蒸発器を接続する接続配管と、
    前記圧縮機の高圧側圧力を測定する圧力センサと、
    前記凝縮器内の冷媒温度を測定する温度センサと、
    を有する空気調和機であって、
    正常運転時の推定の凝縮器サイクル圧力と、前記圧力センサまたは前記温度センサの出力から求めた実測の凝縮器サイクル圧力の差が所定値よりも大きい場合、
    または、正常運転時の推定の凝縮冷媒温度と、前記圧力センサまたは前記温度センサの出力から求めた実測の凝縮冷媒温度の差が所定値よりも大きい場合に、
    冷媒の漏洩を検知することを特徴とする空気調和機。

Images