(57)【要約】      （修正有）【課題】油分離器内に貯留された冷凍機油の油量を精度良く検知することができる冷凍サイクル装置、および冷凍サイクル装置の制御方法を提供する。【解決手段】圧縮機１、凝縮器２、絞り装置、および蒸発器が冷媒配管で接続され冷媒が循環する冷媒回路と、冷媒に含まれる冷凍機油を分離する油分離器１０と、油分離器１０の荷重を検出する荷重検知手段１３と、油分離器１０に冷凍機油が貯留されていない状態における荷重の初期値の情報が記憶される記憶部と、少なくとも、荷重の初期値と、荷重検知手段１３により検出された油分離器１０の荷重とに基づき、油分離器１０内に貯留された冷凍機油の油量を求める演算部と、を備えたものである。【選択図】図２
2014231956.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、凝縮器、絞り手段、および蒸発器が冷媒配管で接続され冷媒が循環する冷媒回路と、
前記冷媒に含まれる冷凍機油を分離する油分離器と、
前記油分離器の荷重を検出する荷重検知手段と、
前記油分離器に前記冷凍機油が貯留されていない状態における荷重の初期値の情報が記憶される記憶手段と、
少なくとも、前記荷重の初期値と、前記荷重検知手段により検出された前記油分離器の荷重とに基づき、前記油分離器内に貯留された前記冷凍機油の油量を求める油量算出手段と、
を備えた
ことを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記記憶手段は、前記冷凍機油の密度の代表値の情報が記憶され、
前記油量算出手段は、
前記荷重検知手段により検出された前記油分離器の荷重と前記荷重の初期値との差分値と、前記密度の代表値とに基づき、前記油量を求める
ことを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項３】
前記油分離器に流入する前記冷媒の温度を検出する温度検出手段と、
前記油分離器に流入する前記冷媒の圧力を検出する圧力検出手段と、
を備え、
前記記憶手段は、前記油分離器の内容積の情報が記憶され、
前記油量算出手段は、
前記冷媒の温度に基づき、前記油分離器内に貯留された前記冷凍機油の密度を求め、
前記冷媒の温度および前記冷媒の圧力に基づき、前記油分離器内に貯留された前記冷媒の密度を求め、
前記荷重検知手段により検出された前記油分離器の荷重と前記荷重の初期値との差分値と、前記冷媒の密度と、前記冷凍機油の密度と、前記油分離器の内容積とに基づき、前記油量を求める
ことを特徴とする請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項４】
前記油量算出手段は、
予め設定した期間における前記荷重検知手段の検出値の平均値を、前記油分離器の荷重として前記油量を求める
ことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項５】
前記油量算出手段は、
前記圧縮機の運転経過時間が閾値以下の場合、前記荷重検知手段の検出値の実測値を、前記油分離器の荷重として前記油量を求め、
前記圧縮機の運転経過時間が閾値を超えた場合、予め設定した期間における前記荷重検知手段の検出値の平均値を、前記油分離器の荷重として前記油量を求める
ことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項６】
前記油分離器内に貯留された前記冷凍機油を前記圧縮機に返油する返油回路と、
前記油分離器から前記圧縮機へ返油される前記冷凍機油の流量を調整する流量調整手段と、
前記油量算出手段が求めた前記油量が多いほど前記流量を多くするように、前記流量調整手段を制御する返油量制御手段と、
を備えた
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。
【請求項７】
前記油量算出手段は、
前記油量を一定の制御周期で求め、
過去に求めた前記油量に基づき、次回の制御周期における前記油量を推定し、
前記返油量制御手段は、
次回の制御周期での前記油量の推定値に応じて、次回の制御周期における前記流量調整手段の調整量を決定する
ことを特徴とする請求項６に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項８】
前記圧縮機と前記油分離器とを接続する前記冷媒配管の振動を減衰させる振動減衰手段を備えた、
ことを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項９】
前記油分離器が収容された筐体を備え、
前記荷重検知手段は、前記油分離器が前記筐体に固定される固定部にかかる荷重を検出する
ことを特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１０】
前記冷媒として、ＨＦＣ系冷媒を使用し、
前記冷凍機油として、前記冷媒に対して相溶性のある鉱物油または合成油を使用した
ことを特徴とする請求項１〜９の何れか一項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１１】
前記冷媒として、ＨＦＣ系冷媒を使用し、
前記冷凍機油として、前記冷媒に対して相溶性のない合成油を使用した
ことを特徴とする請求項１〜９の何れか一項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１２】
圧縮機、凝縮器、絞り手段、および蒸発器が冷媒配管で接続され冷媒が循環する冷媒回路と、
前記冷媒に含まれる冷凍機油を分離する油分離器と、
前記油分離器内に貯留された前記冷凍機油を前記圧縮機に返油する返油回路と、
前記油分離器から前記圧縮機へ返油される前記冷凍機油の流量を調整する流量調整手段と、を備えた冷凍サイクル装置の制御方法であって、
前記油分離器の荷重を検出する荷重検出ステップと、
前記油分離器に前記冷凍機油が貯留されていない状態における荷重の初期値と、前記荷重検出ステップにより検出された前記油分離器の荷重とに基づき、前記油分離器内に貯留された前記冷凍機油の油量を求める油量算出ステップと、
前記油量が多いほど前記流量を多くするように、前記流量調整手段を制御する返油量制御ステップと、
を有する
ことを特徴とする冷凍サイクル装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒に含まれる冷凍機油を分離する油分離器を備えた冷凍サイクル装置、およびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
冷凍サイクル装置は、一般的に、圧縮機、凝縮器、絞り装置、および蒸発器の４つの要素を中心に構成されている。このうち圧縮機については、内部部品の潤滑のため、シェル内部に冷凍機油が充填される。この冷凍機油は、冷媒との相溶又は非相溶に関わらず、その一部が圧縮機運転時に冷媒と一緒に圧縮機外に持ち出される。このとき、油循環率の値が大きくなるにしたがって、特許文献１に記載されるように、冷媒の伝熱特性の変化および圧力損失の増大といった影響があることがわかっている。
【０００３】
また、圧縮機の寸法上の制約から、封入可能な油量が限られているため、特に小型の冷凍サイクル装置においては、冷媒回路の総配管長が長くなる場合などに、圧縮機内部に残存する油量が、適正な潤滑を得るための必要量を下回り、圧縮機内部の潤滑不足による故障に至るおそれがある。
【０００４】
この問題に対して従来は、圧縮機と凝縮器との間に、冷媒に含まれる冷凍機油を分離する油分離器を設け、分離した冷凍機油を、返油回路を介して圧縮機へ返油するようにしている。
例えば特許文献２に記載の技術では、油分離器の下流側への油循環率低減と、返油回路における冷媒バイパスによる能力低下の抑制を両立させることを目的として、油分離器内の油面高さを検知して、油分離器の返油回路に設けた開閉弁または流量調整手段により返油量を調整している。
【０００５】
また例えば、特許文献３に記載の技術では、圧縮機ハウジング側面に設けた温度計測手段またはハウジング内部の圧力から、圧縮機内部の液冷媒および冷凍機油の量を計算し、その結果に基づいて返油量を調整している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３４６８１７４号公報（段落［０００４］）
【特許文献２】特開２００８−２６７７８７号公報（段落［０００６］〜［００１０］）
【特許文献３】特開２００５−２１４５１５号公報（段落［０００４］〜［０００８］）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献２に記載の技術では、圧縮機と凝縮器との間に油分離器を設ける場合、流入する冷媒が完全にガス状態であり、液冷媒を含む場合に比べて冷媒流速が速くなることから、流入する冷媒ガスが油分離器内の液面を波立たせて液面の高さが安定せず、油面高さの検出精度が低いという課題があった。
【０００８】
また、特許文献３に記載の技術では、圧力または温度により圧縮機ハウジング内部の液体の冷媒／油の比率を計算で求めている。このため、圧縮機起動直後のような、油持出量が多く、かつ圧力および温度が安定していない状態での検出精度が低いという課題があった。さらに、検知対象である圧縮機が振動源であるため、検知対象となる液面の高さが安定せず、液面検知の精度が低いという課題があった。
【０００９】
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、油分離器内に貯留された冷凍機油の油量を精度良く検知することができる冷凍サイクル装置、および冷凍サイクル装置の制御方法を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る冷凍サイクル装置は、圧縮機、凝縮器、絞り手段、および蒸発器が冷媒配管で接続され冷媒が循環する冷媒回路と、前記冷媒に含まれる冷凍機油を分離する油分離器と、前記油分離器の荷重を検出する荷重検知手段と、前記油分離器に前記冷凍機油が貯留されていない状態における荷重の初期値の情報が記憶される記憶手段と、少なくとも、前記荷重の初期値と、前記荷重検知手段により検出された前記油分離器の荷重とに基づき、前記油分離器内に貯留された前記冷凍機油の油量を求める油量算出手段と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、油分離器内に貯留された冷凍機油の油量を精度良く検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。
【図２】本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の油分離器周辺の機器構成の概略図である。
【図３】本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の演算装置１００の内部構成を示す模式図である。
【図４】製品出荷時および製品運転時の油分離器１０内の状態を示す模式図である。
【図５】油分離器１０内の油量と油分離器１０の荷重との相関図である。
【図６】本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の制御フローチャートである。
【図７】本発明の実施の形態２における冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。
【図８】本発明の実施の形態２における冷凍サイクル装置の演算装置１００の内部構成を示す模式図である。
【図９】本発明の実施の形態２における冷凍サイクル装置の制御フローチャートである。
【図１０】本発明の実施の形態３における冷凍サイクル装置の油量の推定動作を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。
図１に示すように、冷媒回路は、圧縮機１、凝縮器２、絞り装置３、および蒸発器４が、環状に冷媒配管で接続されて構成されている。また、圧縮機１と凝縮器２との間には油分離器１０が設けられている。
圧縮機１は、例えば全密閉式圧縮機により構成され、圧縮機１の摺動部を潤滑させるための冷凍機油が封入されている。
冷媒回路を循環する冷媒としては、例えばＨＦＣ系冷媒を使用する。
【００１４】
油分離器１０は、冷媒に含まれる冷凍機油を分離する。油分離器１０内に貯留された冷凍機油は、返油回路１１によって圧縮機１に返油される。返油回路１１には、油分離器１０から圧縮機１へ返油される冷凍機油の流量（返油量）を調整する流量調整弁１２が設けられている。
冷凍機油としては、例えば、冷媒に対して相溶性のある鉱物油または合成油を使用する。なお、本発明はこれに限らず、冷凍機油として、冷媒に対して相溶性のない合成油を使用しても良い。
【００１５】
図２は、本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の油分離器周辺の機器構成の概略図である。
図２に示すように、冷凍サイクル装置の各構成部は、筐体の一部である製品ベース２００の上に配置される。
また、油分離器１０と製品ベース２００との間には、油分離器１０の荷重を検出する荷重検知手段１３が設けられている。
例えば、荷重検知手段１３は、油分離器１０を製品ベース２００に固定するための固定部２０１と、製品ベース２００との間に配置され、油分離器１０の荷重を検出する。荷重検知手段１３の検出値は、例えば制御ＢＯＸに配置された演算装置１００に入力される。
演算装置１００は、荷重検知手段１３の検出値に基づき、返油回路１１に設けられた流量調整弁１２の開度を制御し、返油量を制御する。詳細は後述する。
【００１６】
ここで、圧縮機１が駆動すると、その振動が吐出配管３０を介して油分離器１０に伝達され、荷重検知手段１３にかかる荷重が上下する。
このため、圧縮機１と油分離器１０とを接続する冷媒配管である吐出配管３０に、ゴムダンパー３１などの振動を減衰させる振動減衰手段を設け、このゴムダンパー３１を介して製品ベース２００に固定することで、振動源である圧縮機１からの振動伝播を減衰させることができる。よって、油分離器１０にかかる振動を抑制し、振動の影響による検出値のずれを抑えることができる。したがって、荷重検知手段１３の検出精度を向上することが可能となる。
【００１７】
図３は、本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の演算装置１００の内部構成を示す模式図である。
図３に示すように、演算装置１００は、演算部１０１、出力部１０２、記憶部１０３、および入力部１０４を備えている。
入力部１０４は、荷重検知手段１３の検出値（油分離器１０の荷重測定値）と、圧縮機１の運転状態の情報が入力される。
記憶部１０３は、油分離器１０に冷凍機油が貯留されていない状態における荷重の初期値（以下「荷重の初期値ＭＩＮＩ」という）の情報と、冷凍機油の密度の代表値（以下「密度の代表値ρ’ＯＩＬ」という）の情報とが記憶される。ここで、冷凍機油の密度の代表値とは、冷凍サイクル装置の標準的な使用条件（温度）における物性値である。
【００１８】
演算部１０１は、後述する動作により油分離器１０内の油量を求め、油量が多いほど流量を多くするように、流量調整弁１２の開度を設定する。
出力部１０２は、演算部１０１が設定した開度に応じて、流量調整弁１２へ開度信号を出力する。
【００１９】
なお、絞り装置３は、本発明における「絞り手段」に相当する。
また、流量調整弁１２は、本発明における「流量調整手段」に相当する。
吐出配管３０は、本発明における「圧縮機１と油分離器１０とを接続する冷媒配管」に相当する。
また、ゴムダンパー３１は、本発明における「振動減衰手段」に相当する。
また、演算部１０１は、本発明における「油量算出手段」および「返油量制御手段」に相当する。
また、記憶部１０３は、本発明における「記憶手段」に相当する。
また、製品ベース２００は、本発明における「筐体」の一部に相当する。
【００２０】
次に動作について説明する。
図４は、製品出荷時および製品運転時の油分離器１０内の状態を示す模式図である。
図４（ａ）に示すように、製品出荷時点においては、油分離器１０の内部には冷媒回路内に充填された冷媒または不活性ガスが介在する。
一方、図４（ｂ）に示すように、製品据付が完了し、圧縮機１が運転を開始すると、油分離器１０の内部には、吐出ガス冷媒と冷凍機油の混合流体が流れ込む。なお、図４（ｂ）に示す矢印は冷媒および冷凍機油の流れを表している。このとき、流量調整弁１２が閉じているか、または油分離器１０に流入する油量に対して返油回路１１を流れる油量が少ないと、分離された冷凍機油は油分離器１０内に滞留する。
【００２１】
図５は、油分離器１０内の油量と油分離器１０の荷重との相関図である。
冷凍機油の密度は、吐出ガス冷媒の密度に比べて数倍以上の値となる。例えば、Ｒ４０４Ａ冷媒のガス密度は、１０４．５ｋｇ／ｍ３（２．５ＭＰａ、１００℃）であるのに対し、冷凍機油の密度は、８８５ｋｇ／ｍ３（１００℃）である。
このため、図５に示すように、荷重検知手段１３が検出する油分離器１０の荷重は、油分離器１０内の油量が増加するにつれて増加する。つまり、油分離器１０の内部が冷媒ガスのみで満たされている圧縮機１の運転開始前の状態に比べて増加する。このことを利用して、演算装置１００は、流量調整弁１２を用いた返流量調整を行う。動作の詳細を図６により説明する。
【００２２】
図６は、本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の制御フローチャートである。
以下、図６の各ステップに基づき説明する。
【００２３】
（Ｓ１）
荷重検知手段１３は、油分離器１０の荷重を検出し、測定値を演算装置１００に入力する。
【００２４】
（Ｓ２）
演算装置１００は、圧縮機１が運転中であるか否かを判断し、圧縮機１が運転中で無い場合にはＳ１に戻る。
【００２５】
（Ｓ３）
圧縮機１が運転中である場合、演算装置１００の演算部１０１は、記憶部１０３に記憶された、荷重の初期値ＭＩＮＩおよび密度の代表値ρ’ＯＩＬの情報を読み込む。
【００２６】
（Ｓ４）
演算装置１００の演算部１０１は、圧縮機１の運転経過時間が閾値以下であるか否かを判断する。ここでは例えば圧縮機１の運転開始より３分以内であるか否かを判断する。
なお、運転経過時間の閾値は、圧縮機１の運転状態が安定し、油分離器１０に流入する冷媒の圧力および温度が安定するまでの時間を設定する。
【００２７】
（Ｓ５）
圧縮機１の運転開始より３分以内である場合、演算部１０１は、以下の式（１）により油分離器１０内の油量ＶＯＩＬを計算する。
【００２８】
【数１】
2014231956.tif 000003
【００２９】
ＶＯＩＬ：油分離器１０内の油量
ＭＮＯＷ：荷重検知手段１３の実測値
ＭＩＮＩ：油分離器１０の荷重の初期値
ρ’ＯＩＬ：冷凍機油の密度の代表値
【００３０】
つまり、演算部１０１は、圧縮機１の運転経過時間が閾値以下の場合、荷重検知手段１３の検出値の実測値ＭＮＯＷを油分離器１０の荷重とし、この油分離器１０の荷重と、荷重の初期値ＭＩＮＩとの差分値と、密度の代表値ρ’ＯＩＬとに基づき、油量ＶＯＩＬを求める。
【００３１】
（Ｓ６）
一方、圧縮機１の運転開始より３分以内でない場合、演算部１０１は、以下の式（２）により油分離器１０内の油量ＶＯＩＬを計算する。
【００３２】
【数２】
2014231956.tif 000004
【００３３】
ＶＯＩＬ：油分離器１０内の油量
ＭＡＶＥ：荷重検知手段１３の検出値の平均値
ＭＩＮＩ：油分離器１０の荷重の初期値
ρ’ＯＩＬ：冷凍機油の密度の代表値
【００３４】
つまり、演算部１０１は、圧縮機１の運転経過時間が閾値を超えた場合、予め設定した期間（例えば５秒間）における荷重検知手段１３の検出値の平均値ＭＡＶＥを、油分離器１０の荷重とし、この油分離器１０の荷重と、荷重の初期値ＭＩＮＩとの差分値と、密度の代表値ρ’ＯＩＬとに基づき、油量ＶＯＩＬを求める。
【００３５】
このように圧縮機１の運転経過時間が閾値を超えたか否かにより、油量の算出式を変えることで、油量の検知精度の向上を図ることができる。
つまり、圧縮機１の起動直後には圧縮機１内に急激な圧力変動が生じるため、圧力が安定した場合と比較して短期間に大量の冷凍機油が圧縮機１から持ち出されやすくなる。このような過渡的な現象時においては、荷重検知手段１３の検出値の実測値ＭＮＯＷ（即ち瞬時値）を油分離器１０の荷重として油量の検知精度の向上を図っている。
また、圧縮機１の運転開始からある程度の時間が経過し、油分離器１０に流入する冷媒の圧力および温度が安定した状態においては、吐出冷媒の圧力脈動に対して荷重の測定値に変動が発生しうる。このような圧力脈動に起因する検出誤差に対しては、圧力脈動の周期を考慮した荷重の平均データを得るのに十分長い期間（例えば５秒間）における、荷重検知手段１３の検出値の平均値ＭＡＶＥを油分離器１０の荷重とすることで、短期的な荷重変動に対する平準化を行い、油量の検知精度の向上を図っている。
【００３６】
（Ｓ７）
次に、演算部１０１は、算出した油量ＶＯＩＬが１００ｃｃ未満であるか否かを判断し、１００ｃｃ未満である場合はＳ１０へ進み、１００ｃｃ未満でない場合はＳ８へ進む。
【００３７】
（Ｓ８）
演算部１０１は、算出した油量ＶＯＩＬが３００ｃｃ未満であるか否かを判断し、３００ｃｃ未満である場合はＳ１１へ進み、３００ｃｃ未満でない場合はＳ９へ進む。
【００３８】
（Ｓ９）
演算部１０１は、算出した油量ＶＯＩＬが５００ｃｃ未満であるか否かを判断し、５００ｃｃ未満である場合はＳ１２へ進み、５００ｃｃ未満でない場合はＳ１３へ進む。
【００３９】
（Ｓ１０）
演算部１０１は、流量調整弁１２の開度を予め設定した開度Ａに設定し、Ｓ１に戻り上記動作を繰り返す。
【００４０】
（Ｓ１１）
演算部１０１は、流量調整弁１２の開度を予め設定した開度Ｂ（＞Ａ）に設定し、Ｓ１に戻り上記動作を繰り返す。
【００４１】
（Ｓ１２）
演算部１０１は、流量調整弁１２の開度を予め設定した開度Ｃ（＞Ｂ）に設定し、Ｓ１に戻り上記動作を繰り返す。
【００４２】
（Ｓ１３）
演算部１０１は、流量調整弁１２の開度を予め設定した開度Ｄ（＞Ｃ）に設定し、Ｓ１に戻り上記動作を繰り返す。
【００４３】
つまり、流量調整弁１２の開度はＡ＜Ｂ＜Ｃ＜Ｄの関係であり、上記Ｓ７〜Ｓ１３の処理により、流量調整弁１２の開度は、油量が多いほど流量を多くするように制御される。
なお、ここでは、流量調整弁１２の開度調整を４段階制御としているが、本発明はこれに限定されない。例えば、式（１）または式（２）で求めた油分離器１０内の油量ＶＯＩＬをパラメータとした関数式に基づいて流量調整弁１２の開度をリニアに制御するようにしても良い。これにより、返油量制御の追従性がさらに改善される。
【００４４】
以上のように本実施の形態１においては、油分離器１０の荷重を、荷重の初期値ＭＩＮＩと比較することにより、油分離器１０内部に滞留する油量を求める。
このため、吸入ガス冷媒の湿り度又は圧縮機１の油循環率を推定していた従来の技術と比べて、油量を精度よく検知することができる。
従って、油量に応じた返油量の制御の精度も向上し、凝縮器２に流入する油循環率を低減することによる冷凍サイクル運転の高効率化と、返油回路１１における冷媒バイパスによる能力低下の抑制を、従来以上の高精度で実現することが可能となる。
【００４５】
また、予め記憶した冷凍機油の密度の代表値を用いて油量を求めるので、冷媒の圧力および温度の過渡的な変動に影響されることなく、油量を精度良く検知することができる。
【００４６】
また、油分離器１０内部の油量を制御パラメータとしているため、圧縮機１起動直後などの過渡状態においても、圧力および温度の過渡的な変動に影響されることなく、高精度の返油量制御を行うことができる。
【００４７】
また、本実施の形態１では、荷重検知手段１３を油分離器１０の外部（油分離器１０と製品ベース２００との間）に設けている。
このため、例えばフロート式の液面検知器を内蔵する場合に比べて、液面検知器を設置および固定するスペースを必要とせず、油分離器１０をより小さいサイズで製作することができる。これにより、小型機種のような設置スペースの厳しい機種において構造設計面の制約を減らし、製品の簡素化による工作性の改善につながるだけでなく、圧力容器は、本体の外径が大きくなるほどに、耐圧強度を確保するための材料厚さが増すため、本実施の形態１の副次的効果として、油分離器１０の材料コストが抑制できる。
【００４８】
また、本実施の形態１では、荷重検知手段１３を１個設けるだけで油量の検知が可能となる。
このため、特許文献３に示すような、複数の圧力センサーと温度センサーを必要とする技術に比べて、入力信号を受け取る制御基板のサイズも小さくでき、機器の構成が簡素化できるため、安価な構成で製品を製作することが可能となるとともに、センサー異常による制御不能状態に陥るリスクを低減できる。
【００４９】
また、本実施の形態１では、荷重検知手段１３を油分離器１０の外部に設けている。
このため、荷重検知手段１３に何らかの異常が発生した場合でも、冷媒サイクルを開放することなくメンテナンスまたは交換を行うことができる。よって、冷媒回収、真空引き乾燥、冷媒再チャージといったメンテナンス作業者の負荷を軽減でき、メンテナンス作業時間および費用面での負担を削減できる。さらに、長時間のユニット停止が問題視される対物冷却用途においては、ユニット停止時間の短縮という、単なるメンテナンスコスト削減以上のメリットが得られる。
【００５０】
実施の形態２．
上記実施の形態１では、冷凍機油の密度の代表値ρ’ＯＩＬを用いて油分離器１０内の油量ＶＯＩＬを求めた。しかし、油分離器１０内には冷凍機油だけでなく冷媒ガスも存在する。また、油分離器１０内の冷凍機油の密度は温度によって変化する。本実施の形態２では、冷媒の温度および圧力によって冷凍機油の密度および冷媒の密度を求め、油分離器１０内の油量ＶＯＩＬをさらに精度よく求める。
【００５１】
図７は、本発明の実施の形態２における冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。
図８は、本発明の実施の形態２における冷凍サイクル装置の演算装置１００の内部構成を示す模式図である。
図７および図８に示すように、本実施の形態２における冷凍サイクル装置は、圧縮機１の吐出冷媒の温度（油分離器１０に流入する冷媒の温度）を検出する温度検出手段２０と、圧縮機１の吐出冷媒の圧力（油分離器１０に流入する冷媒の圧力）を検出する圧力検出手段２１とを備えている。
演算装置１００の入力部１０４は、荷重検知手段１３の検出値と、圧縮機１の運転状態の情報と、温度検出手段２０の検出値と、圧力検出手段２１の検出値とが入力される。
演算装置１００の記憶部１０３は、油分離器１０の荷重の初期値ＭＩＮＩの情報と、油分離器１０の内容積ＶＳＥＰＡＲＡＴＯＲの情報とが記憶される。
その他の構成は上記実施の形態１と同様であり同一部分には同一の符号を付する。
【００５２】
なお、本実施の形態２では、圧縮機１からの吐出冷媒の温度および圧力を検出する場合を説明するが、本発明はこれに限定されない。油分離器１０に流入する冷媒の温度と圧力とを検出する構成であれば良い。例えば、油分離器１０内の冷媒の温度と圧力とを検出しても良い。また例えば、凝縮器２の凝縮温度を検出し、飽和温度を飽和圧力に換算してこれを冷媒の圧力として近似しても良い。
【００５３】
次に動作について説明する。
図９は、本発明の実施の形態２における冷凍サイクル装置の制御フローチャートである。
以下、図９の各ステップに基づき説明する。なお、上記実施の形態１（図６）と同様の動作には同一のステップ番号を付し、説明を省略する。
【００５４】
（Ｓ２１）
演算部１０１は、温度検出手段２０が検出した冷媒の温度に基づき、油分離器１０内に貯留された冷凍機油の密度ρＯＩＬを算出する。また、温度検出手段２０が検出した冷媒の温度、および圧力検出手段２１が検出した冷媒の圧力に基づき、油分離器１０内に貯留された冷媒の密度ρＲＥＦを算出する。また、演算部１０１は、記憶部１０３に記憶された、油分離器１０の内容積ＶＳＥＰＡＲＡＴＯＲの情報を読み込む。
ここで、冷凍機油の密度ρＯＩＬおよび冷媒の密度ρＲＥＦの計算は、演算部１０１に予め記憶した物性計算式を用いて算出する。なお、算出方法はこれに限らず、例えば温度および圧力と密度との対応テーブル等を予め記憶して、この対応テーブルから求めても良い。
【００５５】
（Ｓ２２、Ｓ２３）
圧縮機１の運転開始より３分以内である場合、演算部１０１は、以下の式（３）および式（５）により油分離器１０内の油量ＶＯＩＬを計算する。
一方、圧縮機１の運転開始より３分以内でない場合、演算部１０１は、以下の式（４）および式（５）により油分離器１０内の油量ＶＯＩＬを計算する。
【００５６】
【数３】
2014231956.tif 000005
【００５７】
【数４】
2014231956.tif 000006
【００５８】
【数５】
2014231956.tif 000007
【００５９】
ＶＯＩＬ：油分離器１０内の油量
ＭＮＯＷ：荷重検知手段１３の実測値
ＭＡＶＥ：荷重検知手段１３の検出値の平均値
ＭＩＮＩ：油分離器１０の荷重の初期値
ｘ：油分離器内に占める冷凍機油の割合
ρＯＩＬ：冷凍機油の密度（吐出温度に基づいて計算）
ρＲＥＦ：冷媒の密度（吐出温度および吐出圧力に基づいて計算）
ＶＳＥＰＡＲＡＴＯＲ：油分離器１０の内容積
【００６０】
つまり、演算部１０１は、油分離器１０の荷重（ＭＮＯＷまたはＭＡＶＥ）と荷重の初期値ＭＩＮＩとの差分値と、冷媒の密度ρＲＥＦと、冷凍機油の密度ρＯＩＬと、油分離器１０の内容積とＶＳＥＰＡＲＡＴＯＲに基づき、油分離器１０内の油量ＶＯＩＬを求める。
【００６１】
以上のように本実施の形態２においては、冷媒の吐出温度と吐出圧力を計測し、冷媒の吐出温度に基づいて冷凍機油の密度ρＯＩＬを求め、冷媒の吐出温度および吐出圧力に基づいて冷媒の密度ρＲＥＦを求める。
このため、上記実施の形態１に比べて、油量をさらに精度よく検知することができる。
従って、油量に応じた返油量の制御の精度がさらに向上し、凝縮器２に流入する油循環率を低減することによる冷凍サイクル運転の高効率化と、返油回路１１における冷媒バイパスによる能力低下の抑制を、さらに改善することが可能となる。
【００６２】
なお、上記実施の形態１の動作と実施の形態２の動作を組み合わせて行うようにしても良い。
例えば、圧縮機１の起動直後のような、圧力および温度が過渡的に変動する場合には、上記実施の形態１の動作により冷凍機油の密度の代表値を用いて油量を求め、圧縮機１の運転開始からある程度の時間が経過し、油分離器１０に流入する冷媒の圧力および温度が安定した状態においては、実施の形態２の動作により冷凍機油の密度ρＯＩＬおよび冷媒の密度ρＲＥＦを冷媒の温度および圧力から算出するようにしても良い。
これにより、実施の形態２の動作のように、圧縮機１の起動直後のような、圧力および温度の変動が激しい条件において、制御の精度が悪化することが懸念される場合でも、圧縮機１の起動直後より一定時間は、冷媒の圧力および温度の影響を受けにくい実施の形態１に基づいた制御を行い、その後、実施の形態２の制御方式に切り替えることで、過渡的な冷媒状態変化の影響を排除しつつ高精度の返油量制御を行うことも可能である。
【００６３】
実施の形態３．
本実施の形態３では、過去に求めた油量に基づき、次回の制御周期における油量を推定し、次回の制御周期における流量調整弁１２の調整量を決定する動作について説明する。
なお、本実施の形態３における冷凍サイクル装置の構成は上記実施の形態１又は２の何れかと同一であり、同一の構成には同一の符号を付する。
【００６４】
図１０は、本発明の実施の形態３における冷凍サイクル装置の油量の推定動作を説明する図である。
本実施の形態３における演算部１０１は、油量を一定の制御周期（例えば１０秒）で求める。なお、油量の算出動作は上記実施の形態１又は２の何れかと同一である。そして、演算部１０１は、過去に求めた油量に基づき、次回の制御周期における油量を推定する。
例えば、図１０に示すように、直近３回分の油量、即ち、時刻ｔ−２（現在時刻の２０秒前）、時刻ｔ−１（現在時刻の１０秒前）、および現在時刻ｔ０における油量に基づいて、油分離器１０内の油量の近似式を求める。この近似式は、例えば最小二乗法などの統計的手法により求めることができる。なお近似式の算出方法はこれに限らず任意の回帰分析法等を用いても良い。
そして、演算部１０１は、この近似式を用いて、次回以降の制御周期における油量を推定する。
【００６５】
演算部１０１は、次回の制御周期での油量の推定値に応じて、次回の制御周期における流量調整弁１２の開度（調整量）を決定する。即ち、演算部１０１は、次回以降の制御周期における油分離器１０内の油量を推定し、この推定値に基づいたフィードフォワード制御により流量調整弁１２の開度を調整する。
【００６６】
以上のように本実施の形態３においては、油分離器１０内の油量を推定した制御を行うことで、例えばインバータ駆動方式の圧縮機１のように、圧縮機１運転中の圧力、温度および油循環率が変化するような冷凍サイクル装置であっても、その影響を受ける前に流量調整弁１２の開度調整を行うことができる。よって、返油量制御の追従性が向上し、凝縮器２側に流れる油循環率をより高精度で調整することが可能となる。
【符号の説明】
【００６７】
１  圧縮機、２  凝縮器、３  絞り装置、４  蒸発器、１０  油分離器、１１  返油回路、１２  流量調整弁、１３  荷重検知手段、２０  温度検出手段、２１  圧力検出手段、３０  吐出配管、３１  ゴムダンパー、１００  演算装置、１０１  演算部、１０２  出力部、１０３  記憶部、１０４  入力部、２００  製品ベース、２０１  固定部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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