JP3178103B2 - 冷凍サイクル - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は冷凍サイクルに関わり、
特に冷媒として非共沸混合冷媒を作動媒体とした冷凍サ
イクルの制御に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】まず、非共沸混合冷媒を作動媒体として
用いる場合の問題点を説明する。非共沸混合冷媒は、沸
点が異なる冷媒を二種類、もしくは二種類以上混合した
冷媒であり、図１に示すような特性を有する。図１は、
二種類の冷媒を混合した非共沸混合冷媒の特性を表す気
液平衡線図であり、横軸が沸点の低い冷媒の組成比Ｘ、
縦軸が温度を表し、パラメ−タが圧力である。組成比Ｘ
＝０は高沸点冷媒のみを表し、組成比Ｘ＝１．０は低沸
点冷媒のみの場合を表し、混合冷媒では組成によって図
１のように、飽和液線、飽和蒸気線が決まる。飽和液線
より下側は過冷却状態、飽和蒸気線より上側は過熱状態
を表す。また、飽和液線、飽和蒸気線で囲まれた部分
は、液と蒸気の二相状態となっている。図１で、Ｘ０は
冷凍サイクル内に封入された冷媒の組成を表し、点１か
ら点４は冷凍サイクルの代表点を表し、点１は圧縮機出
口部、点２は凝縮機出口部、点３は蒸発器入口部、点４
は圧縮機入口部を表す。

【０００３】以下、冷凍サイクルの外部への漏れに係る
問題点、冷凍サイクルの起動時等の非定常状態における
冷凍サイクル内循環冷媒の組成変動に係る問題点、冷凍
サイクルの運転制御に係る問題点について説明する。

【０００４】密閉式のエアコンや冷凍機でも、冷凍サイ
クル外への冷媒の漏れが、皆無ではない。図１で、点Ａ
は冷凍サイクルにおける二相部の状態を示し、組成Ｘａ
1の液と、組成Ｘａ２の蒸気が存在する。万一、熱交換
器の伝熱管あるいは要素の接続管などの接続部から外部
への漏れが生じた場合、液が漏れると組成Ｘａ1の冷媒
が漏れ、蒸気がもれると組成Ｘａ２の冷媒が漏れること
になる。したがって、冷凍サイクル内に残る冷媒の組成
は、液が漏れるか、蒸気が漏れるかで異なる。

【０００５】図２は、外部への冷媒漏れによって生じる
問題点の説明図である。液が漏れると残された混合冷媒
は、低沸点冷媒の比率が大きいＸ１の状態となり、蒸気
が漏れると高沸点冷媒の比率が大きいＸ２の状態とな
る。ここで、Ｘ０は初期に封入した冷媒組成である。組
成がＸ０の場合とＸ１の場合とを同じ圧力で比較する
と、組成がＸ１の場合の方が温度が低くなる。一方、組
成がＸ０の場合とＸ２の場合とを同じ圧力で比較する
と、組成がＸ２の場合の方が温度が高くなる。

【０００６】図３は、低沸点冷媒組成比に対する冷凍サ
イクルの一般的特性を表し、設計組成Ｘ０に対して低沸
点冷媒組成比Ｘが大きくなると吐出圧力、吸入圧力が高
くなり、能力は大きくなるが。設計組成Ｘ０に対して低
沸点冷媒組成比Ｘが小さくなると吐出圧力、吸入圧力が
低くなり、能力は小さくなる。

【０００７】次に、冷凍サイクルの起動状態などの非定
常状態における問題点を説明する。図４は冷凍サイクル
の構成を表す。図４において、１は圧縮機、２は四方
弁、３は熱源側熱交換器、４は冷媒減圧装置、５はアキ
ュムレ−タ、６は利用側熱交換器である。冷媒として非
共沸混合冷媒が封入される。図４で冷媒は、冷房運転時
には実線矢印の方向に、一方暖房運転時には破線矢印の
方向に循環する。図４の冷凍サイクルを起動した場合の
圧力及び循環する冷媒組成の変化を、図５に示す。冷凍
サイクルが起動されると、低圧側圧力が低下するが、こ
の減圧によって、アキュムレ−タ他に溜っていた液冷媒
からは、沸点の低い冷媒が気化し循環冷媒は低沸点冷媒
の組成比が大きい状態になる。前述のように低沸点冷媒
の組成比が大きくなると、吐出圧力、吸入圧力とも高く
なり、吐出圧力が上限値を超えることもありうる。

【０００８】以上説明したように、非共沸混合冷媒を作
動媒体とした冷凍サイクルでは、万一外部への漏れが発
生すると、漏れ個所によっては冷凍サイクル内部に残さ
れた冷媒の組成が初期組成すなわち装置の設計組成から
変化する。また、外部への漏れが無くても、冷凍サイク
ルの非定常状態では、冷凍サイクル内を循環する冷媒の
組成が変動する可能性がある。

【０００９】冷凍サイクル内の冷媒組成が変化すると能
力が変化したり、圧力や温度が異常となるなどの不具合
が生じ、冷凍サイクルを適切に制御する必要がある。

【００１０】従来、非共沸混合冷媒を作動媒体とした冷
凍サイクルの制御に関して以下に示す技術がある。

【００１１】特開平１−２５６７６５では、漏れによっ
て冷凍サイクル内の冷媒組成が変化しても、冷凍サイク
ルを構成する蒸発器出口の冷媒過熱度を常に一定にする
技術が開示されている。すなわち、冷凍サイクル内を循
環する冷媒の組成を、冷凍サイクルの高圧液部分での圧
力、温度の測定値と予め記憶された非共沸混合冷媒の温
度、圧力特性とを比較して判定し、判定された組成にお
いても、組成変化前の冷媒過熱度に常に維持する技術が
提案されている。

【００１２】次に、特開平１−２００１５３では、冷凍
サイクルを構成する圧縮機が回転数可変形の圧縮機であ
り、圧縮機吐出部に圧力検出機構を設けて、吐出部圧力
が一定値より上昇しないように圧縮機回転数を制御する
技術が記載されている。

【００１３】また、単一冷媒を用いる冷凍サイクルの制
御法の従来技術として、例えば実開昭４７−２７０５５
号、特開平１−３０５２７２号等がある。これら従来技
術では、圧力を一定に制御する方法が示されている。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、非共沸
混合冷媒を封入した冷凍サイクルでは、冷凍サイクルか
ら外部へ漏れた場合あるいは冷凍サイクルの非定常運転
時に冷凍サイクル内の冷媒の組成が変化する可能性があ
る。したがって、冷凍サイクルの制御に関しても冷媒組
成に応じた適切な運転制御が必要である。

【００１５】これに対し、前記従来技術では、冷凍サイ
クルの蒸発機出口の冷媒過熱度を、冷媒組成が変化して
も一定に制御していたが、組成が変化した場合に制御し
ょうとする特性を組成に応じて変える点については、配
慮されていなかった。また、圧縮機回転数により吐出圧
力をある値より高くならないように制御していたが、組
成に応じて吐出圧力の上限を変更するなど組成に応じて
制御する点については配慮されていなかった。

【００１６】また、単一の冷媒を用いる冷凍サイクルの
従来制御法においては、当然のことながら、冷媒の組成
は考慮されていなかった。

【００１７】本発明の目的は、冷凍サイクル内の冷媒組
成を検出して、冷凍サイクルの運転状態を、検出される
組成に応じた制御方法で制御を行うことであり、さらに
検出される組成に応じた制御目標値で制御を行うことで
あり、さらに、組成が変化した場合に、組成の変化に応
じて制御目標を変更することであり、冷媒組成が変化し
た場合でも安定した運転ができる冷凍サイクルを得るこ
とにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、圧縮機、熱源側熱交換器、利用側熱交換
器、冷媒減圧装置を有し、冷媒として非共沸混合冷媒を
作動媒体として用いるとともに、前記圧縮機、冷媒減圧
装置を制御する制御装置を備えた冷凍サイクルにおい
て、前記冷凍サイクルを循環する非共沸混合冷媒の低沸
点冷媒の組成比が小さいほど前記圧縮機の吸入圧力の設
定値を低くして前記圧縮機の回転数の制御を行うもので
ある。 これにより、冷凍サイクルを循環する冷媒を非共
沸混合冷媒とした場合、吸入圧力の設定値を低沸点冷媒
の組成比が小さいほど低くするので、冷媒組成が変化し
ても能力が減少したり、吐出圧力が異常に上昇したりす
ることがなくなる。よって外部へ冷媒が漏れた場合ばか
りでなく、非定常運転時などにおいても、安定した冷凍
サイクルの運転が可能となり性能、信頼性を確保するこ
とができる。 また、本発明は、圧縮機、熱源側熱交換
器、利用側熱交換器、冷媒減圧装置を有し、冷媒として
非共沸混合冷媒を作動媒体として用いるとともに、前記
圧縮機、冷媒減圧装置及び前記圧縮機への液バイパス量
を制御する制御装置を備えた冷凍サイクルにおいて、前
記冷凍サイクルを循環する非共沸混合冷媒の低沸点冷媒
の組成比が大きいほど前記圧縮機の吐出ガス温度の設定
値が高くなるように前記液バイパス量を制御するもので
ある。 さらに、本発明は、圧縮機、室外側熱交換器、利
用側熱交換器、冷媒減圧装置を有し、冷媒として非共沸
混合冷媒を作動媒体として用いるとともに、前記圧縮
機、室外制御弁を制御する制御装置を備えた冷凍サイク
ルにおいて、前記冷凍サイクルを循環する非共沸混合冷
媒の低沸点冷媒の組成比が大きいほど吐出圧力の設定値
が高くなるように前記室外制御弁を制御するものであ
る。 さらに、本発明は、回転数可変圧縮機、熱源側熱交
換器、利用側熱交換器、冷媒減圧装置を有し、冷媒とし
て非共沸混合冷媒を作動媒体として用いるとともに、前
記回転数可変圧縮機、冷媒減圧装置を制御する制御装置
を備えた冷凍サイクルにおいて、前記冷凍サイクルを循
環する非共沸混合冷媒の低沸点冷媒の組成比が大きいほ
ど前記回転数可変圧縮機の起動からの回転数立ち上げ速
度をゆるやか になるように制御するものである。 さら
に、上記のものにおいて、前記冷媒の組成を検出する冷
媒組成センサを備え、前記冷凍サイクルの起動から一定
時間経過後の検出値を前記冷凍サイクル内の冷媒組成で
あると判定することが望ましい。 さらに、上記のものに
おいて、前記冷媒減圧装置である制御弁は前記冷凍サイ
クルを循環する非共沸混合冷媒の低沸点冷媒の組成比が
大きいほどその初期開度が小さくされることが望まし
い。

【００１９】

【００２０】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。まず、図
６に本発明の一実施例を示す。図６は、１台の室外機に
複数の室内機を接続してなる冷凍サイクルを示す。図６
で、１は圧縮機、２は四方弁、３は室外熱交換器、４は
室外冷媒制御弁、５はアキュムレ−タ、６は液バイパス
用冷媒制御弁、７はレシ−バ、８は室外送風機、９は圧
縮機吐出側に設けられた温度センサ、１０は圧縮機吐出
側に設けられた圧力センサ、１１は冷媒組成センサ、１
２は圧縮機吸入側に設けられた圧力センサである。冷媒
組成センサ１１は、静電容量形のセンサである。１３、
１４は室内機と室外機を接続する配管、１５は冷媒分流
器である。

【００２１】また、１１１、１１２、１１３は室内熱交
換器、１２１、１２２、１２３は室内冷媒制御弁、１３
１、１３２、１３３は冷房時の室内熱交換器出口冷媒温
度センサ、１４１、１４２、１４３は冷房時の室内熱交
換器入り口冷媒温度センサ、１５１、１５２、１５３は
室内空気温度を検出する温度センサである。なお、室内
送風機は省略されている。

【００２２】次に、冷凍サイクルの制御系について説明
する。まず、室外機側では、センサからの信号を変換す
るＡＤ変換器を含み、制御プログラムなどが記憶され演
算制御を行う演算制御装置、圧縮機の回転数を制御する
回転数制御装置、制御弁を駆動する駆動装置等により構
成される。また、各室内機側では、センサからの信号を
変換するＡＤ変換器を含み、、制御プログラムなどが記
憶され演算制御を行う演算制御装置、制御弁を駆動する
駆動装置及びリモ−トコントロ−ラ等により構成され
る。また、室外機側演算制御装置と室内機側の演算制御
装置は、信号線で接続されている。圧縮機１の吐出側に
設けられた組成センサ１１、温度センサ９、圧力センサ
１０、圧縮機吸入側に設けられた圧力センサ１２の信号
は演算制御装置に入力される。演算制御装置からは、圧
縮機回転制御装置、制御弁駆動回路に信号が出され、圧
縮機の回転数、制御弁開度が制御される。各室内機側で
は、冷房時の冷媒入り口、出口の温度センサ１３１、１
４１、及び空気温度センサ１５１の信号が演算制御装置
に入力され、演算制御装置によって制御弁１２１が制御
される。また、リモ−トコントロ−ラと演算制御部は信
号線で接続されている。

【００２３】冷房運転時には、冷媒は実線矢印の方向に
循環し、室内熱交換器が蒸発器となり冷房が行われる。
一方、暖房運転時には、冷媒は破線矢印の方向に循環
し、室内熱交換器が凝縮器となり暖房が行われる。

【００２４】次に、図７に制御法の実施例を示す。図７
上部は室外機、下部は室内機の制御ブロック図を表す。
まず、冷房運転について説明する。圧縮機１の吸入圧力
は圧縮機１の回転数で制御される。圧縮機１の吸入圧力
の制御目標値は、組成センサ１１により検出される循環
冷媒の組成にもとずき予め記憶されたプログラムにより
決定される。制御演算部では、吸入圧力センサ１２によ
り検出された値と制御目標値との差に応じ、予め記憶さ
れた制御プログラムによって圧縮機１の回転数の修正値
が演算され、回転数制御装置に指令される。圧縮機１は
回転数制御装置の指令回転数で運転され、冷凍サイクル
の特性によって吸入圧力が定まる。例えば、図６で室内
機の運転台数が増加すると、冷凍サイクルにとって蒸発
器が大きくなったことで吸入圧力は高くなるが、制御目
標値より高くなると、圧縮機１の回転数が上昇し、吸入
圧力が低下して目標値に落ち着く。

【００２５】次に、吐出圧力の制御目標値も循環する冷
媒の組成を考慮して決定され、室外制御弁４により制御
される。制御演算部では、吐出圧力センサ１０により検
出された値と制御目標値との差に応じ、予め記憶された
制御プログラムによって室外制御弁４の開度修正値が演
算され、駆動装置に指令される。駆動装置により室外制
御弁４が作動し、冷凍サイクルの特性によって吐出圧力
が定まる。例えば、冷房運転で室外空気温度が低くなる
と、吐出圧力が低下する。吐出圧力が制御目標より低下
すると、室外制御弁４の開度が小さくなり、室外熱交換
器３に冷媒が溜り吐出圧力が上昇し目標値に安定する。

【００２６】次に、吐出ガス温度の制御目標値も循環す
る冷媒の組成を考慮して決定され、液バイパス制御弁６
により制御される。制御演算部では、吐出ガス温度セン
サ９により検出された値と制御目標値との差に応じ、予
め記憶された制御プログラムによって液バイパス制御弁
６の開度修正値が演算され、駆動装置に指令される。駆
動装置により液バイパス制御弁６が作動し、冷凍サイク
ルの特性によって吐出ガス温度が定まる。例えば、吐出
ガス温度が上昇すると液バイパス制御弁６の開度が大き
くなり、液バイパス量が増大して圧縮機１の吸入側温度
が低下して吐出温度も低下する。

【００２７】次に、各室内機では、リモ−トコントロ−
ラからの室内空気温度設定値と室内空気温度センサ１５
１で検出される温度の差に応じて、予め記憶された制御
プログラムによって室内制御弁１２１の開度修正値が演
算され、駆動装置に指令される。駆動装置により室内制
御弁１２１が作動し、室内熱交換器１１１の能力が変化
し、室内空気温度が設定値で安定する。

【００２８】図８は、制御目標演算部に記憶される混合
冷媒組成と圧力、温度の設定値の関係の実施例を表す。
本実施例においては、２種類の冷媒の混合冷媒について
説明するものとし、低沸点冷媒はＨＦＣ３２、高沸点冷
媒はＨＦＣ１３４ａである。図８の横軸は低沸点冷媒の
組成比Ｘである。Ｘ０は設計組成である。まず、吸入圧
力の設定値について述べる。冷凍サイクル外へ液冷媒が
漏れた場合、あるいは冷凍サイクルの非定常状態で、組
成Ｘ０に対して、循環冷媒組成がＸ２に変化した場合、
前述のように圧力が高くなる。したがって、図７で示し
た吸入圧力制御法において、冷媒組成の補正が無いと圧
縮機の回転数が上昇し、冷媒流量が増大して能力過大、
吐出圧力上昇を招く。そこで、吸入圧力の設定値を図８
に示すように低沸点冷媒の組成比が大きいほど高くする
必要がある。しかし、むやみに高くすると圧縮機のオ−
バ−ロ−ドの原因となることから、図８のようにあるＸ
以上では設定値を一定にすることも必要である。

【００２９】逆に、組成Ｘ０に対して、循環冷媒組成が
Ｘ１に変化した場合、前述のように圧力が低くなる。し
たがって、図７で示した吸入圧力制御法において、冷媒
組成の補正が無いと圧縮機の回転数が低下し、冷媒流量
が減少して能力不足となる。

【００３０】高沸点冷媒の組成が大きくなると、図３で
示したように能力が減少することから圧縮機回転数の低
下と合わせて、さらに能力が低下することになる。そこ
で、吸入圧力の設定値を図８に示すように低沸点冷媒の
組成比が小さいほど低くする必要がある。ここで、組成
比と吸入圧力設定値の関係は、連続的でも図８に示され
るようにステップ的でもよい。

【００３１】次に、圧縮機吐出ガス温度の設定値につい
て説明する。ＨＦＣ３２の組成が大きいほど吐出ガス温
度を高くすることが望ましい。しかし、むやみに高くす
ると圧縮機のモ−タ巻線温度の上昇など信頼性低下の原
因となるため、ある温度以上にならないようにすること
が必要である。

【００３２】冷媒の組成の検出については、図７の説明
では運転中に検出したが、組成の検出のタイミングにつ
いては、制御の全体のフロ−の中で適宜行えばよい。例
えば、検出精度をあげるには、冷凍サイクルの起動から
一定時間経過後の検出値を冷凍サイクル内の冷媒組成で
あると判定すれば正確な組成を得ることができる。ま
た、組成センサの出力が時間的に安定したことを確認し
て、その検出値を冷凍サイクル内の冷媒組成であると判
定すれば正確な組成を得ることができる。また、冷凍サ
イクルが停止の状態で検出判定することも可能である。
さらに、非定常状態で、検出精度を上げるには、圧力、
温度等の検出値、あるいは経過時間等により補正すれば
良い。つぎに、図８で、設計組成をＸ０として表した
が、このＸ０はあらかじめ組成変換部に記憶させること
が可能であり、また、冷凍サイクルが稼働した直後の組
成すなわち初期組成をを基準組成として記憶し、その後
検出される組成との比較で組成変動と判定することも可
能である。

【００３３】次に、制御演算部について説明する。制御
演算部には、制御プログラムが予め記憶されている。制
御プログラムとしては、ＰＩＤアルゴリズムあるいはフ
ァジィ制御法などが考えられるが、特に限定されるもの
ではない。

【００３４】次に、図９には他の制御法の実施例を示
す。図９は、吐出ガス温度の制御目標値を決定する上で
吐出圧力センサ１０の出力と冷媒組成センサ１１の出力
をを考慮した場合である。つまり、吐出ガス温度の制御
目標値は吐出圧力の関数として決定される。また、圧縮
機吐出部の冷媒過熱度を制御する場合には、吐出ガス温
度と検出された吐出圧力をもとに算出される冷媒飽和温
度との差によりに冷媒過熱度を算出し、一方で、冷媒過
熱度目標値も冷媒組成を考慮して決定し、両過熱度の差
に応じて液バイパス制御弁６により制御される。

【００３５】次に、図１０には室内機側制御法の他の実
施例を示す。図１０は、蒸発器となる室内熱交換器１１
１の冷媒出口状態の制御法に関するものである。図１１
は冷媒組成と温度の関係を表わし、蒸発器内部での冷媒
温度変化の様子が示されている。点Ａが室内熱交換器１
１１の入り口を表わし、点Ｂ、Ｃ、Ｄは出口の状態を表
わす。点Ｂは室内熱交換器１１１出口が、液が混入する
湿り状態となる場合を表わし、また点Ｃは飽和状態を表
わし、点Ｄは過熱状態を表わす。したがって、室内熱交
換器１１１の入り口、出口の冷媒温度を、図６の温度セ
ンサ１４１、１３１により検出し、両者の温度差を制御
することによって、室内熱交換器１１１の出口の状態を
湿り状態、過熱状態に任意に設定することができる。室
内熱交換器１１１の入り口、出口の冷媒温度の制御目標
設定には図１０に示すように、循環する冷媒の組成を考
慮することが望ましい。

【００３６】次に、室外機側の制御法の他の実施例を図
１２に示す。図１２では吐出圧力は室外送風機８の回転
数により制御される。吐出圧力が低下すると、室外送風
機８の回転数が減少し吐出圧力の低下が防止される。こ
の場合にも吐出圧力の制御目標値決定に冷媒の組成を考
慮することが望ましい。室外送風機８の回転数は、連続
的でも、段階的でも可能である。また、図１２下段は吐
出ガス温度制御の他の実施例を表わし、液バイパス制御
弁６の代わりに開閉弁を用いることも可能である。次
に、図１３に、一台の室外機に複数の室内機を接続する
冷凍サイクルの他の例を示す。図１３で構成要素の番号
のうち、図６と同じ番号のものは同じ要素を表わす。た
だ、１６１、１６２、１６３は室内熱交換器の伝熱管温
度を検出する温度センサである。冷媒は、冷房運転時に
は、実線矢印方向に、また、暖房運転時には、破線矢印
方向に循環する。次に、図１４は制御ブロック図を表わ
す。以下、図１３、図１４を用いて暖房運転における制
御法を説明する。

【００３７】まず、圧縮機１の吐出圧力は圧縮機１の回
転数で制御される。制御目標は冷媒循環組成に応じて決
定され、制御演算部で吐出圧力センサ１０で検出された
圧力との差を基に予め記憶された制御プログラムによっ
て圧縮機１の回転数が演算され、回転数制御装置に指令
され、回転数制御装置出力で圧縮機１が運転される。次
に、吐出ガス温度の制御目標値も循環する冷媒の組成を
考慮して決定され、室外制御弁４により制御される。制
御演算部では、吐出ガス温度センサ９により検出された
値と制御目標値との差に応じ、予め記憶された制御プロ
グラムによって室外制御弁４の開度修正値が演算され、
駆動装置に指令される。駆動装置により室外制御弁４が
作動し、冷凍サイクルの特性によって吐出ガス温度が定
まる。

【００３８】次に、各室内機では、リモ−トコントロ−
ラからの室内空気温度設定値と室内空気温度センサ１５
１で検出される温度の差に応じて、予め記憶された制御
プログラムによって室内制御弁１２１の開度修正値が演
算され、駆動装置に指令される。駆動装置により室内制
御弁１２１が作動し、室内の暖房負荷状態に見合った暖
房能力となり、室内空気温度が設定値で安定する。

【００３９】次に、図１５は室内制御弁１２１の制御法
の他の実施例を表わす。室内熱交換器の冷媒飽和温度は
温度センサ１６１で検出され、室内熱交換器出口温度は
温度センサ１４１で検出される。過冷却度は両温度差か
ら演算され、過冷却度の制御目標値は冷媒循環組成に応
じて制御目標演算部で決定され、制御演算部では、過冷
却度演算値と制御目標値との差に応じ、予め記憶された
制御プログラムによって室内制御弁１２１の開度修正値
が演算され、駆動装置に指令される。ここで、冷媒の飽
和温度を室内熱交換器の温度から求めたが、圧力センサ
を用い圧力から飽和温度を求めることも可能である。

【００４０】以上は主に定常状態におけるフィ−ドバッ
ク制御法について説明したが、以下では、非定常運転時
の制御実施例について説明する。まず、図１６は起動時
の圧力の時間的変動パタ−ンを表わす。吐出圧力は起動
後上昇しオ−バ−シュ−トの後定常圧力に安定する。一
方吸入圧力は起動後低下しアンダ−シュ−トの後、定常
圧力に安定する。ここで、図１６に示すように循環する
冷媒の組成が低沸点の冷媒の組成が大きいと吐出圧力の
オ−バ−シュ−トが大きくなる可能性がある。

【００４１】循環する冷媒が低沸点冷媒組成比の大きい
状態は、外部に液部の冷媒がもれた場合に生じるし、ま
た起動時の低圧側圧力が低下する際の低沸点冷媒の気化
によっても生じる。したがって、起動時などの非定常運
転時の制御にも冷媒組成を考慮することが必要である。

【００４２】以下、図１３の冷凍サイクルの制御法につ
いて説明する。

【００４３】図１７は、圧縮機回転数の立ち上げに関す
る実施例である。起動指令に伴い圧縮機１の回転数を徐
々に上昇させるが、ある回転数からある回転数まで図１
７に示すΔＮ／ΔＴの速度で上昇し、全体としては図１
７のようにある経過時間Ｔ１かけてＮ０まで上昇させ
る。図１８は、回転数上昇速度と冷媒組成との関係の実
施例であり、低沸点冷媒の組成が大きいと回転数立ち上
げをゆるやかにすることが必要である。これによって図
１６に示す起動時の吐出圧力の異常上昇を防止できる。
ここで、回転数立ち上げ速度と冷媒組成の関係は、連続
的であっても図１８に示すようにステップ的であっても
よい。

【００４４】次に、図１９は制御弁の初期設定値の説明
図である。図１９に示すように制御弁は起動とともに、
ある初期開度に設定され、ある時間経過後にフィ−ドバ
ック制御に移行する。フィ−ドバック制御に移行するま
でに制御弁開度はシ−ケンス的に変化させても良い。フ
ィ−ドバック制御に移行するまでの制御弁開度を初期開
度とし、初期開度について冷媒の組成に応じて変えるこ
とが必要である。図２０には冷媒組成と初期開度の実施
例が示されている。低沸点冷媒組成が大きいほど初期開
度を小さくする必要がある。ただ、低沸点冷媒組成が大
きい領域、小さい領域では図２０に示すように上限、下
限を設けてもよい。また、初期開度と冷媒組成の関係
は、連続的であっても図２０に示すようにステップ的で
あってもよい。

【００４５】以上は、１台の室外機に、複数の室内機が
接続される冷凍サイクルについて説明したが、図２１に
示す１台の室内機が接続される様態の冷凍サイクルにつ
いても図２０までに説明した複数の室内機が接続される
冷凍サイクルに対して述べた制御法の適用が可能であ
る。図２１と図６で同じ番号を付した要素は、同じ構成
要素を表す。また、２０はホットガスバイパス用開閉
弁、２１は液バイパス用開閉弁であり、１０１は室内熱
交換器、１０２は室内送風機、１０３は室内制御弁、１
０４は室内空気温度センサである。圧縮機１は、回転数
制御される圧縮機である。制御系については、室外機側
に信号変換、演算を行う演算制御装置、圧縮機回転数制
御装置、室外制御弁４用の駆動装置、室外送風機８用の
回転数制御装置などから構成される。また、室内機側に
ついても、信号変換、演算を行う演算制御装置、室内制
御弁１０３用の駆動装置、リモ−トコントロ−ラなどか
ら構成される。図２１で冷媒は、冷房運転では、実線矢
印方向に、暖房運転時には、破線矢印方向に循環する。

【００４６】次に、図２２は１台の室内機が接続される
冷凍サイクルの他の様態を表す。

【００４７】図２２と図６で同じ番号を付した要素は、
同じ構成要素を表す。図２２で、２２、１０６は、キャ
ピラリチュ−ブ、２３、１０６は逆止弁である。ここ
で、圧縮機１は商用電源で駆動される圧縮機である。制
御系については、室外機側に信号変換、演算を行う演算
制御装置、電磁開閉器である圧縮機駆動回路、室外機用
送風機８用の回転数制御装置などから構成される。ま
た、室内機側についても、信号変換、演算を行う演算制
御装置、リモ−トコントロ−ラなどから構成される。図
２２で冷媒は、冷房運転では、実線矢印方向に、暖房運
転時には、破線矢印方向に循環する。圧縮機が商用電源
で駆動される図２２の冷凍サイクルの制御で必要な点
は、混合冷媒の組成が低沸点冷媒組成が大きくなった場
合に吐出圧力が上昇することに対する配慮である。図２
３は、冷凍サイクルが起動されてからの制御フロ−を表
す。リモ−トコントロ−ラから起動の指令が演算制御装
置に与えられると、室外送風機８、室内送風機１０２、
圧縮機１が起動される。その後冷媒組成判定が行われ、
低沸点冷媒の組成が大きい場合には、ホットガスバイパ
ス用開閉弁２０が開けられ、圧縮機から吐出された冷媒
の一部が吸入側に戻され、吐出圧力の異常上昇が防止さ
れる。非定常状態のみ低沸点冷媒の組成が大きい場合に
は、冷媒組成が設計組成で安定すればホットガスバイパ
ス用開閉弁は閉じられる。しかし、液冷媒が外部へ漏
れ、定常的にも低沸点冷媒の組成が大きい場合には、ホ
ットガスバイパス用開閉弁２０が開けられたままとする
ことも必要である。ただ、このままでは、圧縮機１の吐
出ガス温度、モ−タ巻線温度が高くなるため、液バイパ
ス開閉弁２１を開け高圧液の一部を吸入側に戻し、冷却
する必要がある。図２３では冷媒組成の検出、判定が送
風機、圧縮機の起動後に行われたが、起動前に冷媒組成
の検出、判定を行ってもよい。

【００４８】以上、非共沸混合冷媒を用いた冷凍サイク
ルの制御法について説明したが、次に、混合冷媒の組成
を検出する静電容量センサ１１の構造の一例について説
明する。図２４は、図６に示される静電容量センサ形の
組成センサ１１の実施例の断面図である。図２４におい
て、５３は外管電極、５４は内管電極であり、各々は中
空管である。前記内管電極５４は、外管電極５３の中央
部に内管電極５４を固定できるように円形の溝を設けた
外管電極５３の内径程の大きさのストッパ５５ａ，５５
ｂで両端を固定し、前記ストッパ５５ａ，５５ｂは外径
が外管電極５３の内径程の大きさの冷媒導入管５９で固
定し、前記冷媒導入管５９は前記外管電極５３に固定さ
れる。これにより、前記内管電極５４は、外管電極５３
の中央部に固定される。前記外管電極５３、内管電極５
４には、静電容量値を検出するために外管電極信号線５
６、内管電極信号線５７が接続されている。また、内管
電極信号線５７の外側には、前記内管電極信号線５７を
外管電極５３の外側に導くと共に、内部の冷媒を外部へ
逃がさないようにするために信号線導出管５８（例え
ば、ハーメチック端子）が設けられている。また、前記
ストッパ５５ａ，５５ｂには、内部を流通する混合冷媒
の流れを阻害しないように、中央部に内管電極５４の内
径以下の貫通路と、内管電極５４と外管電極５３との間
に位置する場所に冷媒の流通路が少なくとも一つ以上設
けられている。

【００４９】次に、前記静電容量センサ形の組成センサ
１１を用いて混合冷媒の組成を検出する方法について説
明する。図２５は、前記静電容量センサを用いた場合の
冷媒組成と静電容量値の関係を示している。本図は、混
合冷媒として高沸点冷媒をHFC134aとし、低沸点冷媒をH
FC32として、図２４に示す組成センサ内にガスとして封
入した場合と液として封入した場合について測定した値
である。横軸はHFC32の組成比率を、縦軸は組成センサ
１１の出力である静電容量値を示す。図において、各々
の冷媒のガスと液の静電容量値を比較すると、液冷媒の
方が大きな値を示し、特にHFC134aの方は、ガスと液の
静電容量値の差が大きい。これは、冷媒の乾き度が変化
すると静電容量値が変化することを現している。一方、
HFC134aとHFC32の静電容量値を比較すると、液，ガスの
両方ともHFC32の方が静電容量値が大きな値を示してい
る。これは、組成センサ１１にガスないしは液冷媒のみ
が存在し、冷媒組成が変化すると静電容量値が変化する
ことを現している。ただし、組成センサ１１内が気液二
相状態になると、前者の特性から混合冷媒の組成以外に
冷媒の乾き度による静電容量値の変化が起こるため、組
成検出を行うことが不可能となる。そこで、組成センサ
１１を用いて混合冷媒の組成を検出する場合は、冷凍サ
イクル中で常にガス冷媒もしくは常に液冷媒である部分
に設置する必要がある。本発明の実施例では、冷凍サイ
クルの圧縮機出口に組成センサ１１を設けたが、冷凍サ
イクルの構成の上で、常にガス、あるいは常に液となる
部分に設ければよい。また、本発明を実施する上での組
成検出手段は、静電容量形以外の方式でもよい。

【００５０】次に、第２の発明の実施例を説明する。図
２６は、圧縮機が商用電源で駆動される冷凍サイクルを
表し、冷媒として非共沸混合冷媒を用いる。図２６と図
２１で、同じ番号の要素は同じ要素を示す。冷媒は、冷
房運転時には、実線矢印の方向に、暖房運転時には破線
矢印の方向に流れる。図２７は、非共沸混合冷媒の低沸
点冷媒の組成比と能力の関係を表し、パラメ−タが圧縮
機回転数出ある。図２７から、同じ冷媒組成比では圧縮
機の回転数が大きいほど能力は大きい。日本国内では商
用電源周波数が５０Ｈｚの地域、６０Ｈｚの地域があ
る。したがって、同じ冷凍サイクルでは５０Ｈｚの地域
の方が能力が小さい。そこで、５０Ｈｚの地域では低沸
点冷媒の組成を大きくし、６０Ｈｚの地域では低沸点冷
媒の組成を小さくすれば、電源周波数にかかわらず能力
を同じにすることができる。

【００５１】封入冷媒の組成比を変えるには、まず高沸
点の冷媒例えばＨＦＣ１３４ａをボンベから所定量先に
いれ、その後低沸点の冷媒例えばＨＦＣ３２を所定量封
入すれば良い。

【００５２】

【発明の効果】本発明によれば、冷凍サイクル内を循環
する冷媒の組成が検出、判定され、検出された組成に適
した制御が行われるために、外部への冷媒漏れあるいは
冷媒封入にともなう組成のばらつきが原因で、冷凍サイ
クル内を循環する冷媒の組成が、その冷凍サイクルの設
計組成から変化した場合でも安定した運転が可能とな
る。また、冷凍サイクルの非定常運転状態で、循環組成
が変動した場合でも、性能、信頼性の高い運転が可能で
ある。

【００５３】

【図面の簡単な説明】

【図１】非共沸混合冷媒の特性を示す線図である。

【図２】非共沸混合冷媒の組成と温度との関係を示す線
図である。

【図３】非共沸混合冷媒冷凍サイクルの特性を示す線図
である。

【図４】非共沸混合冷媒冷凍サイクル構成図である。

【図５】非共沸混合冷媒冷凍サイクルの問題点を説明す
る線図である。

【図６】複数の室内機が接続された本発明の一実施例を
示す冷凍サイクル構成図である。

【図７】本発明の制御法の実施例を示す制御ブロック図
である。

【図８】本発明における制御目標値と混合冷媒組成との
関係の一例を示す線図である。

【図９】本発明の制御法の他の実施例を示す制御ブロッ
ク図である。

【図１０】室内機側制御法の他の実施例を示す制御ブロ
ック図である。

【図１１】蒸発器内での温度変化の例を示す線図であ
る。

【図１２】室内機側制御法のさらに他の実施例を示す制
御ブロック図である。

【図１３】複数の室内機が接続された本発明の他の実施
例を示す冷凍サイクル構成図である。

【図１４】本発明の制御法の実施例を示す制御ブロック
図である。

【図１５】室内機側制御法の他の実施例を示す制御ブロ
ック図である。

【図１６】起動時の圧力の時間的変動パタ−ンを示す線
図である。

【図１７】圧縮機回転数制御装置の立ち上げ速度の例を
示す線図である。

【図１８】圧縮機回転数制御装置の立ち上げ速度と冷媒
組成比との関係の例を示す線図である。

【図１９】制御弁の初期設定値の説明図である。

【図２０】制御弁初期設定パタ−ンと冷媒組成比との関
係の一例を示す線図である。

【図２１】室内機が１台の冷凍サイクルにおける本発明
の他の実施例を示す冷凍サイクル構成図である。

【図２２】室内機が１台の冷凍サイクルにおける本発明
のさらに他の実施例を示す冷凍サイクル構成図である。

【図２３】冷凍サイクルが起動されてからの制御フロ−
を示すフロ−チャ−トである。

【図２４】図６に示す静電容量センサ形の組成センサの
例を示す断面図である。

【図２５】混合冷媒の組成と静電容量値の関係を示す線
図である。

【図２６】圧縮機が商用電源で駆動される冷凍サイクル
の一例を示す構成図である。

【図２７】混合冷媒組成比と、商用電源周波数、能力の
関係を示す線図である。

【符号の説明】

１…圧縮機、３…室外熱交換器、４…室外制御弁、５…
アキュムレ−タ、９…温度センサ、１０，１２…圧力セ
ンサ、１１…冷媒組成センサ１１１，１１２，１１３…
室内熱交換器、１２１，１２２，１２３…室内制御弁。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−256765（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−228839（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F25B 1/00 F25B 13/00

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧縮機、熱源側熱交換器、利用側熱交換
   器、冷媒減圧装置を有し、冷媒として非共沸混合冷媒を
   作動媒体として用いるとともに、前記圧縮機、冷媒減圧
   装置を制御する制御装置を備えた冷凍サイクルにおい
   て、 前記冷凍サイクルを循環する非共沸混合冷媒の低沸点冷
   媒の組成比が小さいほど前記圧縮機の吸入圧力の設定値
   を低くして前記圧縮機の回転数の制御 を行うことを特徴
   とする冷凍サイクル。
2. 【請求項２】圧縮機、熱源側熱交換器、利用側熱交換
   器、冷媒減圧装置を有し、冷媒として非共沸混合冷媒を
   作動媒体として用いるとともに、前記圧縮機、冷媒減圧
   装置及び前記圧縮機への液バイパス量を制御する制御装
   置を備えた冷凍サイクルにおいて、 前記冷凍サイクルを循環する非共沸混合冷媒の低沸点冷
   媒の組成比が大きいほど前記圧縮機の吐出ガス温度の設
   定値が高くなるように前記液バイパス量を制御すること
   を特徴とする冷凍サイクル。
3. 【請求項３】圧縮機、室外側熱交換器、利用側熱交換
   器、冷媒減圧装置を有し、冷媒として非共沸混合冷媒を
   作動媒体として用いるとともに、前記圧縮機、室外制御
   弁を制御する制御装置を備えた冷凍サイクルにおいて、 前記冷凍サイクルを循環する非共沸混合冷媒の低沸点冷
   媒の組成比が大きいほど吐出圧力の設定値が高くなるよ
   うに前記室外制御弁を制御することを特徴とする冷凍サ
   イクル。
4. 【請求項４】回転数可変圧縮機、熱源側熱交換器、利用
   側熱交換器、冷媒減圧装置を有し、冷媒として非共沸混
   合冷媒を作動媒体として用いるとともに、前記回転数可
   変圧縮機、冷媒減圧装置を制御する制御装置を備えた冷
   凍サイクルにおいて、 前記冷凍サイクルを循環する非共沸混合冷媒の低沸点冷
   媒の組成比が大きいほど前記回転数可変圧縮機の起動か
   らの回転数立ち上げ速度をゆるやかになるよう に制御す
   る ことを特徴とする冷凍サイクル。
5. 【請求項５】請求項１又は４に記載のものにおいて、前
   記冷媒の組成を検出する冷媒組成センサを備え、前記冷
   凍サイクルの起動から一定時間経過後の検出値を前記冷
   凍サイクル内の冷媒組成であると判定することを特徴と
   する冷凍サイクル。
6. 【請求項６】請求項１又は４に記載のものにおいて、前
   記冷媒減圧装置である制御弁は前記冷凍サイクルを循環
   する非共沸混合冷媒の低沸点冷媒の組成比が大きいほど
   その初期開度が小さくされることを特徴とする冷凍サイ
   クル。