(57)【要約】  圧縮機２、凝縮器３、絞り装置４、及び蒸発器５を有し、これらが冷媒配管で接続されて構成された冷凍サイクルを有し、該冷凍サイクルを循環させる冷媒として非共沸混合冷媒を採用した冷凍空調装置１００、２００において、圧縮機２の冷媒圧力、圧縮機２の冷媒温度、及び圧縮機２の回転数を検知する運転状態検知手段１１〜１４と、圧縮機２の出力を検知する出力検知手段１５と、圧縮機の冷媒圧力と、圧縮機の冷媒温度と、圧縮機２の回転数と、圧縮機２の出力と、冷媒組成と、の相関関係を算出し、該相関関係を示すデータを保有する組成検知手段２０と、を有し、組成検知手段２０は、運転状態検知手段１１〜１４の検知結果と、出力検知手段の検知結果１５と、相関関係を示すデータとに基づいて冷凍サイクルを循環する冷媒の組成を算出する。
2013005260.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、凝縮器、絞り装置、及び蒸発器を有し、これらが冷媒配管で接続されて構成された冷凍サイクルを有し、該冷凍サイクルを循環させる冷媒として非共沸混合冷媒を採用した冷凍空調装置において、
前記圧縮機の運転状態を検知する運転状態検知手段と、
前記圧縮機の出力を検知する出力検知手段と、
前記運転状態と、前記出力と、冷媒組成との相関関係を算出し、該相関関係を示すデータを保有する組成検知手段と、
を有し、
前記組成検知手段は、
前記運転状態検知手段の検知結果と、前記出力検知手段の検知結果と、前記相関関係を示すデータとに基づいて前記冷凍サイクルを循環する冷媒の組成を算出する
ことを特徴とする冷凍空調装置。
【請求項２】
前記運転状態検知手段は、
前記運転状態として、前記圧縮機の吸入側の冷媒圧力及び吐出側の冷媒圧力、前記圧縮機の吸入側の冷媒温度、及び前記圧縮機の回転数を検知する
ことを特徴とする請求項１に記載の冷凍空調装置。
【請求項３】
前記出力検知手段は、前記出力として前記圧縮機の消費電力を検知する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の冷凍空調装置。
【請求項４】
前記出力検知手段は、前記圧縮機の電流を検知し、
前記組成検知手段は、前記出力検知手段の前記電流の検知結果に基づいて前記圧縮機の消費電力を算出する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の冷凍空調装置。
【請求項５】
前記運転状態検知手段は、前記圧縮機の吐出側冷媒の温度を検知し、
前記出力検知手段は、前記出力として前記圧縮機の吐出側冷媒の温度を検知する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の冷凍空調装置。
【請求項６】
前記組成検知手段は、
前記運転状態検知手段の検知結果と、前記相関関係を示すデータとに基づいて、冷媒物性及び圧縮機特性を算出し、
該算出された前記冷媒物性及び前記圧縮機特性に基づいて、前記圧縮機の出力を算出し、
前記出力検知手段の検知結果と、前記算出された前記圧縮機の出力と、前記相関関係を示すデータとに基づいて、前記冷媒組成を算出する
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の冷凍空調装置。
【請求項７】
前記組成検知手段が算出する前記冷媒物性は、
前記圧縮機の吸入側の冷媒密度、前記圧縮機の吸入側のエントロピー、前記圧縮機の吸入側のエンタルピー、及び前記圧縮機の吐出側のエンタルピーであり、
前記組成検知手段が算出する前記圧縮機特性は、
前記圧縮機の体積効率、及び前記圧縮機の圧縮機効率である
ことを特徴とする請求項１〜４に従属する請求項６に記載の冷凍空調装置。
【請求項８】
前記組成検知手段が算出する前記冷媒物性は、
前記圧縮機の吸入側の冷媒密度、前記圧縮機の吸入側のエントロピー、前記圧縮機の吸入側のエンタルピー、及び前記圧縮機の吐出側のエンタルピーであり、
前記組成検知手段が算出する前記圧縮機特性は、
前記圧縮機の圧縮機効率である
ことを特徴とする請求項５に従属する請求項６に記載の冷凍空調装置。
【請求項９】
前記非共沸冷媒は２成分以上の冷媒から構成され、
前記２成分以上の冷媒のうちの低沸点冷媒がＲ３２であり、
前記２成分以上の冷媒のうちの高沸点冷媒がハイドロフルオロオレフィン系冷媒可燃性冷媒である
ことを特徴とする請求項１〜８に記載の冷凍空調装置。
【請求項１０】
圧縮機、凝縮器、絞り装置、及び蒸発器を有し、これらが冷媒配管で接続されて構成された冷凍サイクルを有し、該冷凍サイクルを循環させる冷媒として非共沸混合冷媒を採用した冷凍空調装置の制御方法において、
前記圧縮機の冷媒圧力、前記圧縮機の冷媒温度、前記圧縮機の回転数、前記圧縮機の出力、及び前記冷媒組成の相関関係に基づいて、前記冷凍サイクルを循環する冷媒の組成を算出する
ことを特徴とする冷凍空調装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒として非共沸混合冷媒が採用された冷凍空調装置に関し、特に、この冷媒の組成の検知精度を向上させる改良がなされた冷凍空調装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
非共沸混合冷媒が採用された冷凍空調装置は、非共沸混合冷媒に含まれる冷媒の沸点がそれぞれ異なるために、循環する冷媒の組成が変化してしまうことがある。特に、冷凍空調装置の規模が大きいとその冷媒組成の変化が顕著となる。このように、冷媒組成が変化すると、同一の圧力であっても凝縮温度や蒸発温度が変化してしまう可能性がある。つまり、熱交換器での冷媒飽和温度が適切でないため、熱交換器にて冷媒の凝縮液化、或いは蒸発ガス化がされにくくなってしまい、熱交換効率が低減してしまう可能性があった。【０００３】
また、冷媒組成が変化すると、熱交換器の冷媒流出側が同一温度、同一圧力であってもスーパーヒートやサブクールが変化してしまう可能性がある。つまり、圧縮機に吸入される前にて適切なスーパーヒートがとれず、圧縮機に液冷媒が流入して圧縮機が損傷してしまったり、膨張弁に流入する前にて適切なサブクールがとれず、気液２相状態となり冷媒音発生や不安定現象が生じてしまったりする可能性があった。
ここで、低圧側の冷媒貯留容器（アキュムレーター）を有する冷凍空調装置よりも、高圧側の冷媒貯留容器（レシーバ）を有する冷凍空調装置の方が、循環する冷媒組成の変動幅が小さいことが知られている。しかし、冷凍サイクルで冷媒漏洩が生じると、冷媒貯留容器が低圧側であるか高圧側であるかにかかわらず、冷媒組成の変動幅が大きくなる。つまり、冷媒組成の変動を検知することで、冷媒漏洩を検知することができるということである。【０００４】
そこで、熱交換効率低減の抑制、圧縮機損傷の回避、冷媒音発生の抑制、不安定現象の抑制、及び冷媒漏洩の検知のために、冷媒組成を検知する手段が備えられた冷凍空調装置が各種提案されている。
そのような冷凍空調装置として、圧縮機をバイパスするように接続されるバイパス回路を有し、該バイパス回路に二重管熱交換器及び毛細管が接続されたものが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の技術は、毛細管の冷媒流入側温度、毛細管の冷媒流出側温度、及び毛細管の冷媒流出側圧力を検知し、これらの検知結果に基づいて冷媒組成を算出するものである。【０００５】
また、そのような冷凍空調装置として、アキュムレーター内の余剰冷媒量を検知して冷媒組成を算出するものが提案されている（たとえば、特許文献２参照）。すなわち、特許文献２に記載の技術は、室内機運転台数や外気温度といった情報と、予め求めた冷媒組成との相関により冷媒組成を算出し、アキュムレーター内の余剰冷媒量を検知して、算出した冷媒組成を補正することで、循環する冷媒組成を算出するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−６３７４７号公報（たとえば、明細書の段落［００２７］〜［００２９］参照）
【特許文献２】特開２００１−９９５０１号公報（たとえば、明細書の段落［００４１］、［００４２］、及び［００５１］〜［００５３］参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載の技術は、毛細管における膨張過程の前後の状態に基づいて組成検知する構成であり、たとえば冷凍空調装置の冷凍サイクルに膨張過程が並列に複数存在するような場合は、検知される冷媒組成の検知精度が低下してしまう可能性があった。
特許文献１に記載の技術は、バイパス回路を設ける分、冷凍サイクルを循環する冷媒量が低減してしまうので、冷凍空調装置が発揮する能力が低減し、冷凍空調装置の動作信頼性が低減してしまう可能性があった。
また、特許文献１に記載の技術において、過渡運転で圧縮機に液冷媒が流入し、圧縮機の出吐出側の冷媒配管からも二相冷媒が流出する場合には、バイパス回路に分岐する際に、冷凍サイクルを循環する冷媒と同一の冷媒組成の冷媒がバイパス回路に流入しない可能性がある。この場合には、バイパス経路で冷媒組成を検知しても、冷凍サイクルを循環する冷媒組成を検知することにならない。したがって、圧縮機に液冷媒が流入していてもそれを検知することができず、圧縮機を損傷してしまい、冷凍空調装置の動作信頼性が低減してしまう可能性があった。
さらに、特許文献１に記載の技術は、２重管熱交換器及び毛細管が搭載されているので、その分コストアップしてしまっていた。【０００８】
特許文献２に記載の技術は、アキュムレーターに液面検知器を設けているので、その分コストアップしてしまっていた。
また、特許文献２に記載の技術は、冷凍空調装置の運転状態から冷媒組成を予め把握する必要があり、冷凍空調装置ごとに多大な評価やシミュレーションが必要であるので、開発負荷や開発コストが増加してしまっていた。【０００９】
本発明に係る冷凍空調装置は、コストアップを抑制しながら、循環する冷媒組成の検知精度を向上させ、運転時の動作信頼性を向上させた冷凍空調装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る冷凍空調装置は、圧縮機、凝縮器、絞り装置、及び蒸発器を有し、これらが冷媒配管で接続されて構成された冷凍サイクルを有し、該冷凍サイクルを循環させる冷媒として非共沸混合冷媒を採用した冷凍空調装置において、圧縮機の運転状態を検知する運転状態検知手段と、圧縮機の出力を検知する出力検知手段と、運転状態と、出力と、冷媒組成との相関関係を算出し、該相関関係を示すデータを保有する組成検知手段と、を有し、組成検知手段は、運転状態検知手段の検知結果と、出力検知手段の検知結果と、相関関係を示すデータとに基づいて冷凍サイクルを循環する冷媒の組成を算出するものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る冷凍空調装置は、組成検知手段が、運転状態検知手段の検知結果と、出力検知手段の検知結果と、相関関係を示すデータとに基づいて冷凍サイクルを循環する冷媒の組成を算出する。これにより、コストアップを抑制しながら、循環する冷媒組成の検知精度を向上させ、運転時の動作信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１に係る冷凍空調装置の冷媒回路構成例である。
【図２】低沸点冷媒の冷媒組成比を変化させた際において、圧縮機の圧縮過程における状態変化を説明するモリエル線図である。
【図３】循環する冷媒中に含まれる低沸点冷媒の割合と、冷媒密度との関係を説明するグラフである。
【図４】循環する冷媒中に含まれる低沸点冷媒の割合と、圧縮機の圧縮過程（圧縮前後）におけるエンタルピー差との関係を説明するグラフである。
【図５】循環する冷媒中に含まれる低沸点冷媒の割合と、圧縮機の消費電力との関係を説明するグラフである。
【図６】本発明の実施の形態１に係る冷凍空調装置の冷媒組成を検知するための制御を説明するフローチャートである。
【図７】本発明の実施の形態２に係る冷凍空調装置の冷媒回路構成例である。
【図８】循環する冷媒中に含まれる低沸点冷媒の割合と、圧縮機の吐出側の温度との関係を説明するグラフである。
【図９】本発明の実施の形態２に係る冷凍空調装置の冷媒組成を検知するための制御を説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る冷凍空調装置１００の冷媒回路構成例である。
本実施の形態１に係る冷凍空調装置１００は、冷媒として非共沸混合冷媒が採用されており、この冷媒組成を検知することで、絞り装置（後述の減圧機構４に対応）の開度などの各種機器の制御を実行するものである。そして、本実施の形態１に係る冷凍空調装置１００は、冷媒の組成の検知精度を向上させる改良がなされたものである。
なお、以下の説明において、組成（冷媒組成）とは、冷凍サイクルを循環する冷媒の組成をさすものとし、充填する冷媒の組成や、冷凍サイクルの構成要素の中に存在する冷媒の組成ではない。
【００１４】
図１に図示されるように、冷凍空調装置１００は、冷媒を圧縮する圧縮機２、冷媒を凝縮液化させる凝縮器３、冷媒を減圧して膨張させる減圧機構４、冷媒を蒸発ガス化させる蒸発器５、及び余剰冷媒を蓄えるアキュムレーター６を有しており、これらが冷媒配管で接続されて構成される冷凍サイクルを有しているものである。ここで、冷凍空調装置１００は、この冷凍サイクルを循環する冷媒として、非共沸混合冷媒が採用されている。本実施の形態１では、非共沸混合冷媒として、低沸点の冷媒としてＲ３２（充填組成はＲ３２が５４ｗｔ％）が採用され、高沸点の冷媒としてＨＦＯ１２３４ｙｆ（充填組成は４６ｗｔ％）が採用されているものとする。なお、この充填組成の場合には、非共沸混合冷媒の地球温暖化係数（ＧＷＰ）は３００となる。
【００１５】
また、冷凍空調装置１００には、非共沸混合冷媒の組成を検知するための各種機器が備えられている。すなわち、冷凍空調装置１００は、圧縮機２に吸入される冷媒圧力を検知する吸入側圧力検知手段１１、圧縮機２に吸入される冷媒温度を検知する吸入側温度検知手段１２、圧縮機２から吐出される冷媒圧力を検知する吐出側圧力検知手段１３、圧縮機２の回転数を検知する回転数検知手段１４、圧縮機２の出力を検知する出力検知手段１５を有している。
さらに、冷凍空調装置１００は、これらの検知手段１１〜１５の検知結果に基づいて冷媒組成を検知する組成検知手段２０、圧縮機２の回転数、及び各種機器を統括制御する制御装置２１を有している。
【００１６】
圧縮機２は、冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮して高温・高圧の状態にして吐出するものである。この圧縮機２は、吐出側が凝縮器３に接続され、吸引側がアキュムレーター６に接続されている。圧縮機２は、たとえば容量制御可能なインバータ圧縮機などで構成するとよい。
凝縮器３は、圧縮機２から供給される高温・高圧の冷媒を凝縮液化させるものである。この凝縮器３は、一方が圧縮機２に接続され、他端が減圧機構４に接続されている。なお、凝縮器３には、送風ファン（図示省略）が付設されており、送風ファンから供給される空気と冷媒との熱交換を促進している。そして、冷媒と熱交換した空気は、送風ファンの作用によって、たとえば室外などに空気を吹き出される。
【００１７】
減圧機構４は、凝縮器３から流入する液冷媒を減圧して膨張させるものである。減圧機構４は、開度が可変に制御可能なもの、たとえば電子式膨張弁などで構成するとよい。この減圧機構４は、一端が凝縮器３に接続され、他端が蒸発器５に接続されている。
蒸発器５は、減圧機構４から流入する気液２相冷媒を蒸発ガス化させるものである。この蒸発器５は、一端が減圧機構４に接続され、他端がアキュムレーター６に接続されている。なお、蒸発器５には、送風ファン（図示省略）が付設されており、送風ファンから供給される空気と冷媒との熱交換を促進している。そして、冷媒と熱交換した空気は、送風ファンの作用によって、空調対象空間（たとえば室内、倉庫など）などに吹き出される。
アキュムレーター６は、過渡的な運転の変化（たとえば、圧縮機２の出力の変化）に対する余剰冷媒を蓄えるものである。このアキュムレーター６は、一端が蒸発器５に接続され、他端が圧縮機２の吸入側に接続されている。
【００１８】
吸入側圧力検知手段１１は、圧縮機２に吸入される冷媒圧力（低圧側冷媒圧力）を検知するものであり、たとえば圧力センサなどからなるものである。すなわち、吸入側圧力検知手段１１は、冷媒組成を検知するために、減圧機構４の作用により低圧となった冷媒の圧力を検知するものである。また、吸入側圧力検知手段１１は、組成検知手段２０に接続されている。ここで、図１では、吸入側圧力検知手段１１が圧縮機２の吸入口の近傍の冷媒配管に設置されている例を図示しているが、それに限定されるものではない。すなわち、吸入側圧力検知手段１１は、減圧機構４の冷媒流出口から圧縮機２の吸入口までの冷媒配管（蒸発器５及びアキュムレーター６を含む）に設置されていてもよい。これにより、凝縮器３の送風機ファンの回転数や減圧機構４の開度などの制御のための圧力検出センサ（図示省略）と共通化を図れることができるので、その分コストを抑制することができる。
【００１９】
吸入側温度検知手段１２は、圧縮機２に吸入される冷媒温度（低圧側冷媒温度）を検知するものであり、たとえば温度センサなどからなるものである。また、吸入側温度検知手段１２は、組成検知手段２０に接続されている。ここで、図１では、吸入側温度検知手段１２が、アキュムレーター６と圧縮機２を接続する冷媒配管に設置されている例を図示しているが、それに限定されるものではない。すなわち、吸入側温度検知手段１２は、圧縮機２の内部であって、冷媒が圧縮される前の位置（圧縮過程に入る前の位置）に設置されていてもよい。
ここで、吸込側温度検知手段１２が配管表面に設けられると、周囲の環境（外乱）の影響を受けやすい。たとえば、一種類の圧縮機が、複数の異なる冷凍空調装置に設置された場合には、冷凍空調装置ごとに吸込側温度検知手段１２の設置位置が異なる可能性があり、この設置位置の相違に起因する検出結果の誤差などの影響を受けてしまう。
しかし、吸入側温度検知手段１２が、圧縮機２の内部であって、冷媒が圧縮される前の位置に設置されると、このような外乱を抑制することができ、冷媒組成を高精度に検知することができる。
【００２０】
吐出側圧力検知手段１３は、圧縮機２から吐出される冷媒圧力（高圧側冷媒圧力）を検知するものであり、たとえば圧力センサなどからなるものである。すなわち、吐出側圧力検知手段１３は、圧縮機２の作用により高圧となった冷媒の圧力を検知するものである。また、吐出側圧力検知手段１３は、組成検知手段２０に接続されている。ここで、図１では、吐出側圧力検知手段１３が圧縮機２の吐出口の近傍の冷媒配管に設置されている例を図示しているが、それに限定されるものではない。すなわち、吐出側圧力検知手段１３は、圧縮機２の吐出口から減圧機構４の冷媒流入口までの冷媒配管（凝縮器３を含む）に設置されていてもよい。これにより、蒸発器５の送風機ファンの回転数や減圧機構４の開度などの制御のための圧力検出センサ（図示省略）と共通化を図れることができるので、その分コストを抑制することができる。
【００２１】
回転数検知手段１４は、圧縮機２の回転数を検知するものであり、たとえば非接触の回転速度センサなどからなるものである。なお、回転数検知手段１４の回転数を検知する方式は、それに限定されるものではなく、圧縮機２の回転数を制御する制御手段２１が圧縮機２に出力する指令値を、回転数として採用する方式でもよい。また、回転数検知手段１４は、組成検知手段２０に接続されている。
このように、吸入側圧力検知手段１１、吸入側温度検知手段１２、吐出側圧力検知手段１３、及び回転数検知手段１４は圧縮機２の運転状態を検知するものであり、これらの検知手段１１〜１４は運転状態検知手段を構成する。
【００２２】
出力検知手段１５は、圧縮機２の出力を検知するものである。この出力検知手段１５は、圧縮機２と制御装置２１との間に電力供給線Ｌを介して接続されている。これにより、出力検知手段１５は、図示省略の電源から制御装置２０を介して圧縮機２に供給される電力を検知することができる。また、出力検知手段１５は、組成検知手段２０に接続されている。
【００２３】
組成検知手段２０は、後述する式１〜式８に記載の関数が記憶されており、吸入側圧力検知手段１１、吸入側温度検知手段１２、吐出側圧力検知手段１３、及び回転数検知手段１４の検知結果と、上記式１〜式８とに基づいて、圧縮機２の消費電力を算出するものである。この組成検知手段２０は、たとえばマイコン又はそれと等価な電子回路などで構成されるものである。そして、組成検知手段２０は、算出された圧縮機２の消費電力と、出力検知手段１５の検知結果とに基づいて、冷媒組成を算出するものである。なお、組成検知手段２０は、式１〜式８に記載の関数が記憶されていると述べたが、引数（Ｐｄ、Ｐｓ、Ｔｓ、α、Ｎなど）の多項式によって定式化されて記憶されているということである。
この組成検知手段２０は、上記した検知手段１１〜１５に接続されている。なお、組成検知手段２０とこれら検知手段１１〜１５との接続は配線で接続されていてもよいし、無線で接続されていてもよく、特に限定されるものではない。  
【００２４】
組成検知手段２０は、式１〜式８に記載の関数が記憶された形態ではなく、式１〜式８に対応するデータテーブルを作成して記憶しており、適宜データを内挿する形態であってもよい。このように、データテーブル化することで演算時間を低減できるので、組成検知手段２０の制御性を安定させることができる。
また、本実施の形態１に係る冷凍空調装置１００においては、組成検知手段２０が、低沸点冷媒の冷媒組成を検出するものとする。すなわち、組成検知手段２０は、低沸点冷媒に対応する定式、及びデータテーブルが記憶されているということである。そして、高沸点冷媒の冷媒組成は、低沸点冷媒の冷媒組成の値をαとしたとき、１−αにより算出することができる。
さらに、組成検知手段２０は、定式、及びデータテーブルを予め記憶していてもよいし、後から設定して更新することができるものでもよい。
【００２５】
制御装置２１は、減圧機構４の開度、圧縮機２の回転数、凝縮器３及び蒸発器５のそれぞれに付設された送風ファンの回転数などの動作を統括制御するものである。本実施の形態１に係る冷凍空調装置１００の制御装置２１は、組成検知手段２０の検知結果に基づいて、上述した各種機器の動作を統括制御可能である。また、制御装置２１は、図示省略の電源に接続されており、また、電力供給線Ｌを介して出力検知手段１５及び圧縮機２に接続されている。
【００２６】
冷凍空調装置１００の冷媒動作について説明する。圧縮機２で圧縮された高温・高圧のガス冷媒は、凝縮器３に流入して凝縮液化する。凝縮器３から流出した液冷媒は、減圧機構４に流入して減圧される。減圧機構４から流出した低圧の気液２相冷媒は、蒸発器５に流入して蒸発ガス化する。蒸発器５から流出したガス冷媒は、アキュムレーター６に流入し、冷凍空調装置１００の運転条件や負荷条件などよって発生する余剰冷媒が貯留される。アキュムレーター６から流出したガス冷媒は、圧縮機２に吸い込まれて再び圧縮される。
【００２７】
ここで、冷媒組成の変化する理由について、以下の３つを例として説明する。なお、冷媒組成の変化とは、冷凍サイクルに充填した冷媒組成に対する、冷凍サイクルを循環する冷媒組成の変化を指す。
（１）アキュムレーター６内の冷媒は、高沸点の冷媒（ＨＦＯ１２３４）が多く含まれる液相と、低沸点の冷媒（Ｒ３２）が多く含まれる気相に分離される。そして、高沸点の冷媒が多く含まれる液相の冷媒は、アキュムレーター６内に貯溜される。一方、低沸点の冷媒が多く含まれる気相の冷媒は、アキュムレーター６から流出する。このように、アキュムレーター６内に高沸点の冷媒を多く含んでいる液相の冷媒が存在しているため、冷凍サイクル内を循環する全冷媒に対する低沸点の組成は、増大する。
なお、冷凍サイクル内を循環する全冷媒に対する低沸点の組成が、減少する場合もあることについて説明する。たとえば、冷凍空調装置が複数の室内機を有し、これらの室内機が暖房運転を実施している場合において、一部の室内機が短時間のうちに暖房運転を停止すると、室内機に液冷媒が滞留することがある。これにより、液冷媒の滞留分だけ、冷凍サイクル内を循環する全冷媒に対する低沸点の組成が、減少する。
（２）アキュムレーター６内の下方から冷媒漏洩が発生した場合には、アキュムレーター６の下方に貯留された液相の冷媒が漏洩する。液相の冷媒には高沸点の冷媒が多く含まれるので、この場合には、冷凍サイクル内を循環する全冷媒に対する低沸点の冷媒の組成が、増大する。
（３）凝縮器３と減圧機構４とを接続する冷媒配管のように、液単相の冷媒が流れる冷媒配管で冷媒漏洩が発生した場合には、低沸点の冷媒の方がガス化しやすい分、低沸点の冷媒が多く漏洩する。これにより、冷凍サイクル内を循環する全冷媒に対する高沸点の冷媒の組成が、増大する。
なお、冷媒漏洩の仕方によっては液冷媒が漏洩する可能性もあること、及びアキュムレーター６に液冷媒が存在しない場合には冷媒組成が変化しないことも述べておく。
【００２８】
次に、本実施の形態１に係る冷凍空調装置１００の組成検知手段２０が冷媒組成の算出の際に用いる式の説明をする。ここで、圧縮機２の吸入側冷媒の圧力をＰｓ、圧縮機２の吸入側冷媒の温度をＴｓ、圧縮機２の吐出側冷媒の圧力をＰｄ、圧縮機２の回転数をＮ、全冷媒に対する低沸点冷媒の冷媒組成をα、圧縮機２の行程容積をＶｓｔ、圧縮機２の吸入側冷媒の冷媒密度をρｓ、圧縮機２の吸入側冷媒のエントロピーをＳｓ、圧縮機２で冷媒が圧縮される前と後のエンタルピー差Δｈ、圧縮機２の圧縮機効率をηｃ、圧縮機２の体積効率をηｖ、冷媒循環量をＧｒ、圧縮機２の消費電力をＷとすると次式が成立する。
【００２９】
【数１】
2013005260.tif 000003
【００３０】
【数２】
2013005260.tif 000004
ただし、
【００３１】
【数３】
2013005260.tif 000005
【００３２】
【数４】
2013005260.tif 000006
【００３３】
【数５】
2013005260.tif 000007
【００３４】
【数６】
2013005260.tif 000008
【００３５】
【数７】
2013005260.tif 000009
【００３６】
ここで、式１〜式７により圧縮機消費電力Ｗについて整理すると、
【数８】
2013005260.tif 000010
を得る。
ここで、式１と式２は、それぞれ体積効率ηｖと圧縮機効率をηｃの定義式である。式３、式５及び式６は、圧力、温度、冷媒組成及びエントロピーより定まる関数である。より詳しくは、式３は圧力と温度と冷媒組成の関数である。また、式５の第１項は圧力とエントロピーと冷媒組成の関数であり、式５の第２項が圧力と温度と冷媒組成の関数である。さらに、式６は、圧力と温度と冷媒組成の関数である。
【００３７】
式４と式７は圧縮機２のパフォーマンスの指標であり、体積効率ηｖの定義式である式１と圧縮機効率をηｃの定義式である式２を元に展開したものである。そして、圧縮機２の単体評価を複数の条件で行い、該単体評価結果と、先ほど述べた体積効率ηｖの展開式及び圧縮機効率をηｃの展開式とをカーブフィットしてそれぞれの展開式の各種定数を定める。なお、体積効率ηｖ及び圧縮機効率をηｃは、精度が高ければシミュレーションで予測して得てもよい。また、上述した圧縮機２の単体評価とシミュレーションとを併用してもよい。すなわち、上述した単体評価の試験数を減らし、得られた結果をシミュレーションで内挿や外挿して体積効率ηｖ及び圧縮機効率ηｃを得るということである。
【００３８】
圧縮機２の消費電力Ｗは式８で表現される。具体的には、最初の括弧内に記載された項が冷凍空調装置１００の運転状態から演算される冷媒物性に対応する項であり、次の括弧内に記載された項が冷凍空調装置１００の運転状態から演算される圧縮機特性に対応する項である。なお、冷媒物性とは、冷媒密度ρｓ、及び圧縮過程におけるエンタルピー差Δｈである。また、圧縮機特性とは、圧縮機２の回転数Ｎ、圧縮機２の行程容積Ｖｓｔ、体積効率ηｖ、及び圧縮機効率ηｃある。なお、圧縮機２の行程容積Ｖｓｔは圧縮機２に固有のもので、既知の数値である。
組成検知手段２０は、冷媒組成を検知する際に式３〜式８の各種演算を実行するが、式１から式８に記載された引数は必須というわけではなく、問題なければ感度の低い引数は省略してもよい。たとえば、式３に示すように、冷媒密度ρｓの感度が低い場合には、式８における冷媒密度ρｓを定数としてもよいということである。
【００３９】
本実施の形態１に係る冷凍空調装置１００は、組成検知手段２０が、このように得られた式８に基づいて、圧縮機２の消費電力Ｗを算出し、該算出した消費電力と、出力検知手段１５の検知結果とに基づいて、冷媒組成を算出する。冷媒組成の算出方法の具体例については、後述の図６の説明を参照されたい。
【００４０】
図２は、低沸点冷媒の冷媒組成比を変化させた際において、圧縮機２の圧縮過程における状態変化を説明するモリエル線図である。図３は、循環する冷媒中に含まれる低沸点冷媒の割合と、冷媒密度との関係を説明するグラフである。図４は、循環する冷媒中に含まれる低沸点冷媒の割合と、圧縮機２の圧縮過程（圧縮前後）におけるエンタルピー差との関係を説明するグラフである。図５は、循環する冷媒中に含まれる低沸点冷媒の割合と、圧縮機２の消費電力との関係を説明するグラフである。図２〜図５を参照して、低沸点冷媒の割合（低沸点冷媒の組成比）を変化させた際におけるモリエル線図（図２）、冷媒密度ρｓ（図３）、圧縮過程のエンタルピー差Δｈ（図４）、及び圧縮機２の消費電力Ｗ（図５）について説明する。
【００４１】
なお、図２〜図５において、圧縮機２の吸入側冷媒の圧力、圧縮機２の吐出側冷媒の圧力、凝縮器３出口サブクール、蒸発器５出口スーパーヒートを固定して、循環する冷媒組成を変化させた。圧縮機２の吸入側冷媒の圧力、及び圧縮機２の吐出側冷媒を固定としたのは、冷媒組成の差がモリエル線図（図２）、冷媒密度ρｓ（図３）、圧縮過程のエンタルピー差Δｈ（図４）、及び圧縮機２の消費電力Ｗ（図５）に及ぼす影響を見るためである。また、図２〜図５に図示される結果は、凝縮器３出口サブクールに代えて、凝縮器３出口温度、蒸発器５出口スーパーヒートに代えて、蒸発器５出口温度としても同じ傾向である。
【００４２】
図２に図示されるように、低沸点冷媒の組成比、すなわち低沸点冷媒の割合が大きくなるにしたがって、圧縮過程が高エンタルピー側（紙面右側）にシフトし、なおかつ圧縮過程の傾きが大きくなる。また、図３に図示されるように、低沸点冷媒の割合が大きくなるにしたがって、冷媒密度ρｓは単調減少する。また、図４に図示されるように、低沸点冷媒の割合が大きくなるにしたがって、圧縮過程のエンタルピー差Δｈが大きくなる。したがって、図５に図示されるように、圧縮機２の消費電力Ｗは単調に増加する。
すなわち、図５において、圧縮機２の消費電力Ｗが単調に増加するのは、図３に図示される冷媒密度ρｓの減少度合いよりも、図４に図示される圧縮過程のエンタルピー差Δｈの増加度合いが大きいことを式８に対応させることで理解することができる。
また、図５において、冷媒組成の割合と圧縮機２の消費電力Ｗとは、簡単な対応関係を有している。簡単な対応関係とは、たとえばリニアやリニアに近い曲線などのような１対１の関係であればよい。したがって、本実施の形態１に係る冷凍空調装置１００の組成検知手段２０は、確実に冷媒組成を検知することができる。
【００４３】
また、低沸点冷媒の割合の変化に対する体積効率ηｖ、及び圧縮機効率をηｃの変化についても述べておく。体積効率ηｖ、及び圧縮機効率をηｃは、式４及び式７にあるように、低沸点冷媒の割合の変化（冷媒組成の変化）の影響を受けるはずであるが、結果的にその影響の度合いが小さいといえる。
たとえば、圧縮機２内部でモータを冷却してから圧縮過程に入る低圧シェル型の圧縮機では、冷媒密度ρｓが低下すると体積効率ηｖが低下する。しかし、冷媒密度ρｓ自体があまり変化しないため、体積効率ηｖの変化が圧縮機２の消費電力Ｗに影響を及ぼさない。
また、たとえばスクロール形の圧縮機では、固定の圧縮容積比に依存する適正圧縮比で、圧縮機効率ηｃがピークとなる傾向を有する。高密度である低沸点冷媒が増加すると圧縮機の吸入側冷媒と吐出側冷媒の密度比が変化するため、圧縮容積比が固定でも適正圧縮比が変化する。しかし、密度比は冷媒密度ρｓと同様に変化の度合いが小さいため、圧縮機効率ηｃの変化が圧縮機の消費電力Ｗに影響を及ぼさない。
【００４４】
ここで、図２に図示されるように、循環する冷媒組成が変化すると、同じ圧力であってもエンタルピーが変化するため、冷凍空調装置１００の能力が変化する。要求される能力を冷凍空調装置１００が発揮するには、循環する冷媒組成を正確に検知して運転制御することが必要である。すなわち、本実施の形態１に係る冷凍空調装置１００は、次に説明する冷媒組成検知制御を実行して循環する冷媒組成を高精度で検出し、そして、該検出結果を運転制御に利用する。
【００４５】
図６は、本発明の実施の形態１に係る冷凍空調装置１００の冷媒組成を検知するための制御を説明するフローチャートである。図６を参照して、冷媒組成を検知する制御（冷媒組成検知制御）の一例について説明する。
（ステップＳ０）
制御装置２１の冷媒組成検知制御を要求信号が組成検知手段２０で受信され、組成検知手段２０は冷媒組成検知制御を開始する。その後、ステップＳ１に移行する。
【００４６】
（ステップＳ１）
組成検知手段２０は、一定の時間が経過したか否かを判定する。
所定の時間が経過した場合には、ステップＳ２に移行する。
所定の時間が経過していない場合には、ステップＳ１を繰り返す。
なお、一定の時間は、制御装置２１での他の制御の時間間隔と異なるほうが干渉しなくて制御性が安定する。そこで、たとえば１０秒や２０秒などの短い周期に設定するとよい。
【００４７】
（ステップＳ２）
吸入側圧力検知手段１１は圧縮機２の吸入側冷媒の圧力を検知し、吸入側温度検知手段１２は圧縮機２の吸入側冷媒の温度を検知し、吐出側圧力検知手段１３は圧縮機２の吐出側冷媒の圧力を検知し、回転数検知手段１４は圧縮機２の回転数を検知する。その後、ステップＳ３に移行する。
【００４８】
（ステップＳ３）
出力検知手段１５は、圧縮機２の出力として消費電力Ｗｄｅｔを検知する。その後、ステップＳ４に移行する。
【００４９】
（ステップＳ４）
冷凍サイクルを循環する低沸点冷媒の組成をαとしたとき、組成検知手段２０はこの冷媒組成αの値をαｔｍｐと仮定して設定する。その後、ステップＳ５に移行する。
なお、ステップＳ４〜ステップＳ１１のループに初めて入る際のαｔｍｐの設定値としては、直前の冷媒組成検知制御の冷媒組成αと設定されるとよい。これにより、ステップＳ４〜ステップＳ１１における収束に要するループ回数が少なく、制御性を安定させることができる。
【００５０】
（ステップＳ５）
組成検知手段２０は、冷媒物性を算出する。すなわち、組成検知手段２０は、ステップＳ２における吸入側圧力検知手段１１、吸入側温度検知手段１２、及び吐出側圧力検知手段１３の検知結果（Ｐｓ、Ｔｓ、Ｐｔ）と、ステップＳ４において設定されたαｔｍｐと、式３、式５及び式６とに基づいて、圧縮機２の吸入側冷媒の冷媒密度ρｓ、圧縮過程のエンタルピー差Δｈ、及び圧縮機２の吸入側冷媒のエントロピーＳｓを算出する。その後、ステップＳ６に移行する。
【００５１】
（ステップＳ６）
組成検知手段２０は、圧縮機特性を算出する。すなわち、組成検知手段２０は、ステップＳ２における吸入側圧力検知手段１１、吸入側温度検知手段１２、吐出側圧力検知手段１３、及び回転数検知手段１４の検知結果（Ｐｓ、Ｔｓ、Ｐｄ、Ｎ）と、ステップＳ３における出力検知手段１５の検知結果Ｗｄｅｔと、ステップＳ４において設定されたαｔｍｐと、圧縮機２の単体評価結果をカーブフィットさせて得られた体積効率ηｖの式４及び圧縮機効率ηｃの式７とに基づいて、体積効率ηｖ及び圧縮機効率ηｃを算出する。その後、ステップＳ７に移行する。
なお、圧縮機２の単体評価結果をカーブフィットさせるとは、圧縮機２のみにおける評価を複数の条件で行い、その評価結果から求めた圧縮機効率ηｃを、圧縮機効率ηｃの展開式とカーブフィットさせてこの展開式の各種定数を定めることをいう。
【００５２】
（ステップＳ７）
組成検知手段２０は、ステップＳ３の出力検知手段１５の検知結果（Ｗｄｅｔ）と、ステップＳ５で算出された圧縮機２の吸入側冷媒の冷媒密度ρｓ、及び圧縮過程のエンタルピー差Δｈと、予め設定されている行程容積Ｖｓｔと、ステップＳ６で算出された体積効率ηｖ及び圧縮機効率ηｃと、式８とに基づいて、圧縮機２の消費電力Ｗｃａｌを算出する。その後、ステップＳ８に移行する。
【００５３】
（ステップＳ８）
組成検知手段２０は、ステップＳ７で算出された消費電力Ｗｃａｌが、制限上限値であるＷｄｅｔ＋δＷ以下であるか否かを判定する。
制限上限値であるＷｄｅｔ＋δＷ以下である場合には、ステップＳ１０に移行する。
制限上限値であるＷｄｅｔ＋δＷ以下でない場合には、ステップＳ９に移行する。
なお、δＷ（＞０）は許容誤差である。また、δＷは固定値であってもよいし、ＷｃａｌとＷｄｅｔ＋δＷとの差分によって変化させてもよい。
【００５４】
（ステップＳ９）
組成検知手段２０は、ステップＳ４で設定したαｔｍｐから所定値δαを引いた値を、αｔｍｐとして設定する。その後、ステップ４に移行する。
なお、δαは固定値であってもよいし、ＷｃａｌとＷｄｅｔ＋δＷとの差分によって変化させてもよい。
【００５５】
（ステップＳ１０）
組成検知手段２０は、ステップＳ７で算出された消費電力Ｗｃａｌが、制限下限値であるＷｄｅｔ−δＷ以上であるか否かを判定する。
制限下限値であるＷｄｅｔ−δＷ以上である場合には、ステップＳ１２に移行する。
制限下限値であるＷｄｅｔ−δＷ以上でない場合には、ステップＳ１１に移行する。
なお、δＷ（＞０）は許容誤差である。また、δＷは固定値であってもよいし、ＷｃａｌとＷｄｅｔ−δＷとの差分によって変化させてもよい。
【００５６】
（ステップＳ１１）
組成検知手段２０は、ステップＳ４で設定したαｔｍｐから所定値δαを加えた値を、αｔｍｐとして設定する。その後、ステップＳ４に移行する。
なお、δαは固定値であってもよいし、ＷｃａｌとＷｄｅｔ−δＷとの差分によって変化させてもよい。
【００５７】
（ステップＳ１２）
組成検知手段２０は、αｔｍｐを、冷凍サイクルを循環する冷媒の組成αと設定する。その後、ステップＳ１３に移行する。
【００５８】
（ステップＳ１３）
組成検知手段２０は、冷媒組成を検知する制御を終了する。
【００５９】
ここで、ステップＳ５からステップＳ８は、圧縮機２の運転状態から圧縮機２の消費電力を算出する過程である。しかし、予め全ての運転状態を想定して圧縮機２の消費電力を算出しテーブル化することで、ステップ５からステップ８を１つのステップとしてもよい。
【００６０】
なお、本実施の形態１では、非共沸混合冷媒として、Ｒ３２とＲ１２３４ｙｆを採用したが、他の低沸点冷媒や、他の高沸点冷媒でもよい。例えば、２重結合を有するハイドロフルオロオレフィン系冷媒でもよいし、微燃性を有する冷媒でもよいし、可燃性を有するＨＣ系冷媒であってもよい。
また、非共沸混合冷媒が２つの冷媒を混合して構成したが、３つ以上の冷媒を混合して構成してもよい。３つ以上の冷媒の場合においては、たとえば、冷媒組成を算出する冷媒に対する、その他の冷媒の冷媒組成（組成関係式）を、予め実験やシミュレーションなどで算出しておけばよい。これにより、本実施の形態１に係る冷凍空調装置１００のように１つの冷媒の冷媒組成を算出することで、その他の冷媒組成も算出することができる。
【００６１】
また、本実施の形態１に係る冷凍空調装置１００は、圧縮機２の出力として圧縮機の消費電力を採用した。ここで、出力検知手段１５の接続位置は、インバータ損失を含んだ１時側入力でも、インバータ損失を含まない２次側入力出でもよい。そして、式７や式４を算出するにあたり、圧縮機２の単体評価やシミュレーションなどを実施する際には、この出力検知手段１５の接続位置に関する条件を対応させればよい。
【００６２】
また、出力検知手段１５が検知する出力として、圧縮機２の消費電力を採用したが、圧縮機２の電流を採用してもよい。圧縮機２の消費電力は電圧と電流と力率の積で規定されるが、圧縮機２の運転状態が同じであれば消費電力と電流に１対１の相関があることが実機で確認されている。
そこで、組成検知手段２０が検出される電流に対応する消費電力を算出可能としておけば、出力検知手段１５は圧縮機２の電流を検知するもの（電流センサ）であってもよいということである。この場合には、出力検知手段１５を、過電流保護などの理由により設置されているものと共通化することで、コストを低減することができる。
【００６３】
本実施の形態１に係る冷凍空調装置１００は、上記ステップＳ０〜ステップＳ１３のような制御フローにより冷媒組成を検知するものである。すなわち、冷凍空調装置１００は、冷媒組成と圧縮機２の消費電力とが有する簡単な関係性に応じて、冷媒の組成を検知する。これにより、冷凍空調装置１００は、運転条件により循環する冷媒組成が変化しても、精度よく組成を検知することができる。
【００６４】
また、冷凍空調装置１００は、圧縮機２の吸入側冷媒の圧力及び温度、及び圧縮機２の吐出側冷媒の圧力に基づいて、冷媒組成を検知するものである。すなわち、冷凍空調装置１００は、圧縮機２単体の仕様が決まれば冷媒組成を検知する制御が実現することができ、冷凍空調装置１００の仕様に依存しない。これにより、冷凍空調装置１００の仕様毎に冷媒組成変化を実機評価やシミュレーションで把握する必要がなく、また、冷凍空調装置１００ごとに冷媒組成を検知するための制御フローを構築する必要がないので、開発負荷や開発コストが低減することができる。
【００６５】
さらに、本実施の形態１に係る冷凍空調装置１００は、図２に図示されるように、冷媒経路を分岐させ、分岐させた冷媒経路にて組成検知を行うものではない。すなわち、冷凍空調装置１００は、圧縮過程の単経路で組成検知を行うため、気液２相状態でも組成検知が可能である。これにより、冷凍空調装置１００の圧縮機２が損傷してしまうことが抑制されるので、信頼性の低減を抑制することができる。
また、本実施の形態１に係る冷凍空調装置１００は、吸入側圧力検知手段１１、吸入側温度検知手段１２、吐出側圧力検知手段１３、回転数検知手段１４、及び出力検知手段１５といった構成により、冷媒組成を検知するものである。すなわち、冷凍空調装置１００は、熱交換器及び膨張機構などから構成されるバイパス回路や、アキュムレーターの液面検知器などといった高価な部材を用いない分、低コストで冷媒組成を検知することができる。
【００６６】
実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２に係る冷凍空調装置２００の冷媒回路構成例である。また、本実施の形態２では、実施の形態１と同一部分には同一符号とし、実施の形態１との相違点を中心に説明するものとする。
実施の形態１では、圧縮機２の単体評価を複数の条件で行い、該単体評価結果と、圧縮機効率をηｃの展開式とをカーブフィットして、ηｖの展開式の各種定数を定めた。つまり、実施の形態１に係る冷凍空調装置１００の組成検知手段２０は、ηｖを算出するため、単体評価、及びカーブフィット等の演算をして、冷媒組成αを算出するのに対して、本実施の形態２に係る冷凍装置２００の組成検知手段２０は、式４を用いないで、冷媒組成αを算出するものである。これにより、開発負荷の低減、記憶装置の負荷低減、及び演算処理速度の向上を図ることができる。
【００６７】
本実施の形態２に係る冷凍空調装置２００は、アキュムレーター６、圧縮機２、四方弁５３及び室外熱交換器５４などが搭載される室外機５１と、室内熱交換器５７、及び減圧機構５６が搭載される室内機５２と、が液延長配管５５及びガス延長配管５８を介して接続されて、冷凍サイクルを構成するものである。なお、図７では、冷凍空調装置２００が、２つの室内機５２を有しているものを一例として図示しているが、それに限定されるものではなく３つ以上の室内機５２を有していてもよい。
【００６８】
室外機５１は、冷媒を圧縮する圧縮機２、冷媒流路を切り替える四方弁５３、冷房運転時に凝縮器、暖房運転時に蒸発器として機能する室外熱交換器５４、及び余剰冷媒を蓄えるアキュムレーター６を有している。
また、室外機５１は、実施の形態１で説明した吸入側圧力検知手段１１、吸入側温度検知手段１２、吐出側圧力検知手段１３、及び回転数検知手段１４、を有し、それらの検知手段１１〜１４に加えて、圧縮機２から吐出される冷媒温度を検知する吐出側温度検知手段１６を有している。なお、室外機５１は、実施の形態１で説明した出力検知手段１５については有していない。
さらに、室外機５１は、これらの検知手段１１〜１４、１６の検知結果に基づいて冷媒組成を検知する組成検知手段２０、圧縮機２の回転数、及び各種機器を統括制御する制御する制御装置２１を有している。
【００６９】
室内機５２は、冷房運転時に蒸発器、暖房運転時に凝縮器として機能する室内熱交換器５７、及び冷媒を減圧して膨張させる減圧機構５６を有している。
液延長配管５５及びガス延長配管５８は、室外機５１と室内機５２とを接続する配管である。液延長配管５５は、一端が室外熱交換器５４に接続され、他端が減圧機構５６に接続されている。また、ガス延長配管５８は、一端が四方弁５３に接続され、他端が室内熱交換器５７に接続されている。
【００７０】
四方弁５３は、冷媒流路を切り替えるものである。この四方弁５３は、冷房運転時において、圧縮機２と室外熱交換器５４、及びアキュムレーター６と室内熱交換器５７を接続するように切り替えられ、暖房運転時において、圧縮機２と室内熱交換器５７、及び室外熱交換器５４とアキュムレーター６を接続するように切り替えられる。
吐出側温度検知手段１６（運転状態検知手段を構成する）は、圧縮機２から吐出される冷媒温度（高圧側冷媒圧力）を検知するものである。また、吐出側温度検知手段１６は、組成検知手段２０に接続されている。ここで、図７では、吐出側温度検知手段１６が、アキュムレーター６と圧縮機２を接続する冷媒配管に設置されている例を図示しているが、それに限定されるものではない。すなわち、吐出側温度検知手段１６は、圧縮機２の内部であって、冷媒が圧縮された後の位置（圧縮過程の後の位置）に設置されていてもよい。これにより、冷媒組成を高精度に検知することができる。
なお、吐出側温度検知手段１６も吸入側温度検知手段１２と同様に、圧縮機２の内部であって、冷媒が圧縮される前の位置に設置されると、外乱を抑制することができ、冷媒組成を高精度に検知することができる。
【００７１】
組成検知手段２０は、実施の形態１で述べた式５〜式７に記載の関数が記憶されているのに加えて、式９に記載の関数が記憶されている。そして、組成検知手段２０は、吸入側圧力検知手段１１、吸入側温度検知手段１２、吐出側圧力検知手段１３、及び回転数検知手段１４の検知結果と、上記式５〜式７及び式９とに基づいて、圧縮機２の吐出側の冷媒温度を算出することができる。そして、組成検知手段２０は、算出された冷媒温度と、吐出側温度検知手段１６の検知結果とに基づいて、冷媒組成を算出する。
【００７２】
次に、本実施の形態２に係る冷凍空調装置２００の組成検知手段２０が、冷媒組成の算出の際に用いる式の説明をする。ここで、圧縮機２の吐出側の冷媒温度をＴとすると、式５〜式７より式９を得る。
【数９】
2013005260.tif 000011
【００７３】
すなわち、本実施の形態２に係る冷凍空調装置２００の組成検知手段２０は、吸入側圧力検知手段１１、吸入側温度検知手段１２、吐出側圧力検知手段１３、及び回転数検知手段１４の検知結果と、式９とに基づいて、圧縮機２の吐出側冷媒の温度Ｔを算出する。そして、組成検知手段２０は、この算出した吐出側冷媒の温度Ｔと、吐出側温度検知手段１６の検知結果とに基づいて、冷媒組成を算出する。冷媒組成の算出方法の具体例については、後述の図９の説明を参照されたい。
【００７４】
図８は、循環する冷媒中に含まれる低沸点冷媒の割合と、圧縮機２の吐出側の温度との関係を説明するグラフである。図８を参照して、低沸点冷媒の割合（低沸点冷媒の組成比）を変化させた際における、圧縮機２の吐出側冷媒の温度について説明する。なお、図８においても、上述した図２〜図５と同様に、圧縮機２の吸入側冷媒の圧力、圧縮機２の吐出側冷媒の圧力、凝縮器３出口サブクール、蒸発器５出口スーパーヒートを固定して、循環する冷媒組成を変化させた。
図８に図示されるように、圧縮機２の吐出側冷媒の温度は単調に増加する。そして、冷媒組成の割合と圧縮機２の吐出側冷媒の温度とは、簡単な対応関係を有している。したがって、本実施の形態２に係る冷凍空調装置２００の組成検知手段２０は、確実に冷媒組成を検知することができる。
【００７５】
図９は、本発明の実施の形態２に係る冷凍空調装置２００の冷媒組成を検知するための制御を説明するフローチャートである。図９を参照して、冷媒組成の検知する方法について説明する。
【００７６】
（ステップＳ５０）
制御装置２１の冷媒組成検知制御を要求信号が組成検知手段２０で受信され、組成検知手段２０は冷媒組成検知制御を開始する。その後、ステップＳ５１に移行する。
【００７７】
（ステップＳ５１）
組成検知手段２０は、一定の時間が経過したか否かを判定する。
所定の時間が経過した場合には、ステップＳ５２に移行する。
所定の時間が経過していない場合には、ステップＳ５１を繰り返す。
なお、一定の時間は、制御装置２１での他の制御の時間間隔と異なるほうが干渉しなくて制御性が安定する。そこで、たとえば１０秒や２０秒などの短い周期に設定するとよい。
【００７８】
（ステップＳ５２）
吸入側圧力検知手段１１は圧縮機２の吸入側冷媒の圧力を検知し、吸入側温度検知手段１２は圧縮機２の吸入側冷媒の温度を検知し、吐出側圧力検知手段１３は圧縮機２の吐出側冷媒の圧力を検知し、回転数検知手段１４は圧縮機２の回転数を検知する。その後、ステップＳ５３に移行する。
【００７９】
（ステップＳ５３）
吐出側温度検知手段１６は、圧縮機２の吐出側冷媒の温度Ｔｄｅｔを検知する。その後、ステップＳ５４に移行する。
【００８０】
（ステップＳ５４）
冷凍サイクルを循環する低沸点冷媒の冷媒組成をαとしたとき、組成検知手段２０はこの冷媒組成αの値をαｔｍｐと設定する。その後、ステップＳ５５に移行する。
なお、ステップＳ５４〜ステップＳ６１のループに初めて入る際のαｔｍｐの設定値としては、直前の冷媒組成検知制御の冷媒組成αと設定されるとよい。これにより、ステップＳ５４〜ステップＳ６１における収束に要するループ回数が少なく、制御性を安定させることができる。
【００８１】
（ステップＳ５５）
組成検知手段２０は、冷媒物性を算出する。すなわち、組成検知手段２０は、ステップＳ２における吸入側圧力検知手段１１、吸入側温度検知手段１２、及び吐出側圧力検知手段１３の検知結果（Ｐｓ、Ｔｓ、Ｐｄ）と、ステップＳ５４において設定されたαｔｍｐと、式３、式５及び式６とに基づいて、圧縮機２の吸入側冷媒のエントロピーＳｓ、及び圧縮過程のエンタルピー差Δｈを算出する。その後、ステップＳ５６に移行する。
【００８２】
（ステップＳ５６）
組成検知手段２０は、圧縮機特性を算出する。すなわち、組成検知手段２０は、ステップＳ５２における吸入側圧力検知手段１１、吸入側温度検知手段１２、吐出側圧力検知手段１３、及び回転数検知手段１４の検知結果（Ｐｓ、Ｔｓ、Ｐｄ、Ｎ）と、ステップＳ５３における吐出側温度検知手段１６の検知結果Ｔｄｅｔと、ステップＳ５４において設定されたαｔｍｐと、圧縮機２の単体評価結果をカーブフィットさせて得られた圧縮機効率ηｃの式７と、に基づいて圧縮機効率ηｃを算出する。その後、ステップＳ５７に移行する。
【００８３】
（ステップＳ５７）
組成検知手段２０は、ステップＳ５３の吐出側温度検知手段１６の検知結果（Ｔｄｅｔ）と、ステップＳ５５で算出された圧縮過程のエンタルピー差Δｈと、ステップＳ５６で算出された圧縮機効率ηｃと、式９とに基づいて、圧縮機２の吐出側冷媒の温度Ｔｃａｌを算出する。その後、ステップＳ５８に移行する。
【００８４】
（ステップＳ５８）
組成検知手段２０は、ステップＳ５７で算出された温度Ｔｃａｌが、制限上限値であるＴｄｅｔ＋δＴ以下であるか否かを判定する。
制限上限値であるＴｄｅｔ＋δＴ以下である場合には、ステップＳ６０に移行する。
制限上限値であるＴｄｅｔ＋δＴ以下でない場合には、ステップＳ５９に移行する。
なお、δＴ（＞０）は許容誤差である。また、δＴは固定値であってもよいし、ＴｃａｌとＴｄｅｔ＋δＴとの差分によって変化させてもよい。
【００８５】
（ステップＳ５９）
組成検知手段２０は、ステップＳ５４で設定したαｔｍｐから所定値δＴを引いた値を、αｔｍｐとして設定する。その後、ステップＳ５４に移行する。
なお、δＴは固定値であってもよいし、ＴｃａｌとＴｄｅｔ＋δＴとの差分によって変化させてもよい。
【００８６】
（ステップＳ６０）
組成検知手段２０は、ステップＳ５７で算出された温度Ｔｃａｌが、制限下限値であるＴｄｅｔ−δＴ以上であるか否かを判定する。
制限下限値であるＴｄｅｔ−δＴ以上である場合には、ステップＳ６２に移行する。
制限下限値であるＴｄｅｔ−δＴ以上でない場合には、ステップＳ６１に移行する。
なお、δＴ（＞０）は許容誤差である。また、δＴは固定値であってもよいし、ＴｃａｌとＴｄｅｔ−δＴとの差分によって変化させてもよい。
【００８７】
（ステップＳ６１）
組成検知手段２０は、ステップＳ５４で設定したαｔｍｐから所定値δＴを加えた値を、αｔｍｐとして設定する。その後、ステップＳ５４に移行する。
なお、δＴは固定値であってもよいし、ＴｃａｌとＴｄｅｔ−δＴとの差分によって変化させてもよい。
【００８８】
（ステップＳ６２）
組成検知手段２０は、αｔｍｐを、冷凍サイクルを循環する冷媒の組成αと設定する。その後、ステップＳ６３に移行する。
【００８９】
（ステップＳ６３）
組成検知手段２０は、冷媒組成を検知する制御を終了する。
【００９０】
本実施の形態２に係る冷凍空調装置２００は、上記ステップＳ５０〜ステップＳ６３のような制御フローにより冷媒組成を検知するものである。すなわち、冷凍空調装置２００は、冷媒組成と圧縮機２の吐出側冷媒の温度とが有する簡単な関係性に応じて、冷媒の組成を検知する。これにより、冷凍空調装置２００は、運転条件により循環する冷媒組成が変化しても、精度よく組成を検知することができる。
【００９１】
また、冷凍空調装置２００は、圧縮機２の吸入側冷媒の圧力及び温度、及び圧縮機２の吐出側冷媒の圧力及び温度に基づいて、冷媒組成を検知するものである。すなわち、冷凍空調装置２００は、圧縮機２単体の仕様が決まれば冷媒組成を検知する制御が実現することができ、冷凍空調装置２００（ユニット）の仕様に依存しない。これにより、冷凍空調装置２００の仕様毎に冷媒組成変化を実機評価やシミュレーションで把握する必要がなく、また、冷凍空調装置２００ごとに冷媒組成を検知するための制御フローを構築する必要がないので、開発負荷や開発コストが低減することができる。
【００９２】
さらに、本実施の形態１に係る冷凍空調装置１００は、図１に図示されるように、冷媒経路を分岐させ、分岐させた冷媒経路にて組成検知を行うものではない。すなわち、冷凍空調装置１００は、圧縮過程の単経路で組成検知を行うため、気液２相状態でも組成検知が可能である。これにより、冷凍空調装置１００の圧縮機２が損傷してしまうことが抑制されるので、信頼性の低減を抑制することができる。
また、本実施の形態２に係る冷凍空調装置２００は、吸入側圧力検知手段１１、吸入側温度検知手段１２、吐出側圧力検知手段１３、回転数検知手段１４、及び出力検知手段１５といった構成により、冷媒組成を検知するものである。すなわち、冷凍空調装置２００は、熱交換器及び膨張機構などから構成されるバイパス回路や、アキュムレーターの液面検知器などといった高価な部材を用いない分、低コストで冷媒組成を検知することができる。
【符号の説明】
【００９３】
２  圧縮機、３  凝縮器、４  減圧機構、５  蒸発器、６  アキュムレーター、１１  吸入側圧力検知手段、１２  吸入側温度検知手段、１３  吐出側圧力検知手段、１４  回転数検知手段、１５  出力検知手段、１６  吐出側温度検知手段、２０  組成検知手段、２１  制御手段、５１  室外機、５２  室内機、５３  四方弁、５４  室外熱交換器、５５  液延長配管、５６  減圧機構、５７  室内熱交換器、５８  ガス延長配管、１００  冷凍空調装置、２００  冷凍空調装置、Ｌ  電力供給線。
【図１】
2013005260.tif 000012
【図２】
2013005260.tif 000013
【図３】
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【図４】
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【図５】
2013005260.tif 000016
【図６】
2013005260.tif 000017
【図７】
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【図８】
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【図９】
2013005260.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】平成25年12月19日(2013.12.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
本発明に係る冷凍空調装置は、圧縮機、凝縮器、絞り装置、及び蒸発器を有し、これらが冷媒配管で接続されて構成された冷凍サイクルを有し、該冷凍サイクルを循環させる冷媒として非共沸混合冷媒を採用した冷凍空調装置において、圧縮機の運転状態を検知する運転状態検知手段と、圧縮機の出力を検知する出力検知手段と、運転状態と、出力と、冷媒組成との相関関係を示すデータを保有する組成検知手段と、を有し、組成検知手段は、運転状態検知手段の検知結果と、出力検知手段の検知結果と、相関関係を示すデータとに基づいて冷凍サイクルを循環する冷媒の組成を算出するものである。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、凝縮器、絞り装置、及び蒸発器を有し、これらが冷媒配管で接続されて構成された冷凍サイクルを有し、該冷凍サイクルを循環させる冷媒として非共沸混合冷媒を採用した冷凍空調装置において、
前記圧縮機の運転状態を検知する運転状態検知手段と、
前記圧縮機の出力を検知する出力検知手段と、
前記運転状態と、前記出力と、冷媒組成との相関関係を示すデータを保有する組成検知手段と、
を有し、
前記組成検知手段は、
前記運転状態検知手段の検知結果と、前記出力検知手段の検知結果と、前記相関関係を示すデータとに基づいて前記冷凍サイクルを循環する冷媒の組成を算出する
ことを特徴とする冷凍空調装置。
【請求項２】
前記運転状態検知手段は、
前記運転状態として、前記圧縮機の吸入側の冷媒圧力及び吐出側の冷媒圧力、前記圧縮機の吸入側の冷媒温度、及び前記圧縮機の回転数を検知する
ことを特徴とする請求項１に記載の冷凍空調装置。
【請求項３】
前記出力検知手段は、前記出力として前記圧縮機の消費電力を検知する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の冷凍空調装置。
【請求項４】
前記出力検知手段は、前記圧縮機の電流を検知し、
前記組成検知手段は、前記出力検知手段の前記電流の検知結果に基づいて前記圧縮機の消費電力を算出する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の冷凍空調装置。
【請求項５】
前記運転状態検知手段は、前記圧縮機の吐出側冷媒の温度を検知し、
前記出力検知手段は、前記出力として前記圧縮機の吐出側冷媒の温度を検知する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の冷凍空調装置。
【請求項６】
前記組成検知手段は、
前記運転状態検知手段の検知結果と、前記相関関係を示すデータとに基づいて、冷媒物性及び圧縮機特性を算出し、
該算出された前記冷媒物性及び前記圧縮機特性に基づいて、前記圧縮機の出力を算出し、
前記出力検知手段の検知結果と、前記算出された前記圧縮機の出力と、前記相関関係を示すデータとに基づいて、前記冷媒組成を算出する
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の冷凍空調装置。
【請求項７】
前記組成検知手段が算出する前記冷媒物性は、
前記圧縮機の吸入側の冷媒密度、前記圧縮機の吸入側のエントロピー、前記圧縮機の吸入側のエンタルピー、及び前記圧縮機の吐出側のエンタルピーであり、
前記組成検知手段が算出する前記圧縮機特性は、
前記圧縮機の体積効率、及び前記圧縮機の圧縮機効率である
ことを特徴とする請求項１〜４に従属する請求項６に記載の冷凍空調装置。
【請求項８】
前記組成検知手段が算出する前記冷媒物性は、
前記圧縮機の吸入側の冷媒密度、前記圧縮機の吸入側のエントロピー、前記圧縮機の吸入側のエンタルピー、及び前記圧縮機の吐出側のエンタルピーであり、
前記組成検知手段が算出する前記圧縮機特性は、
前記圧縮機の圧縮機効率である
ことを特徴とする請求項５に従属する請求項６に記載の冷凍空調装置。
【請求項９】
前記非共沸冷媒は２成分以上の冷媒から構成され、
前記２成分以上の冷媒のうちの低沸点冷媒がＲ３２であり、
前記２成分以上の冷媒のうちの高沸点冷媒がハイドロフルオロオレフィン系冷媒可燃性冷媒である
ことを特徴とする請求項１〜８に記載の冷凍空調装置。
【請求項１０】
圧縮機、凝縮器、絞り装置、及び蒸発器を有し、これらが冷媒配管で接続されて構成された冷凍サイクルを有し、該冷凍サイクルを循環させる冷媒として非共沸混合冷媒を採用した冷凍空調装置の制御方法において、
前記圧縮機の冷媒圧力、前記圧縮機の冷媒温度、前記圧縮機の回転数、前記圧縮機の出力、及び前記冷媒組成の相関関係に基づいて、前記冷凍サイクルを循環する冷媒の組成を算出する
ことを特徴とする冷凍空調装置の制御方法。
【国際調査報告】
2013005260.tif 000021
2013005260.tif 000022
2013005260.tif 000023
2013005260.tif 000024