(57)【要約】【課題】冷媒不足を確実に判断可能な冷凍サイクル装置を提供すること。【解決手段】冷凍サイクルと、吐出冷媒の温度を検出する吐出温度検出手段と、目標吐出温度を設定する目標吐出温度設定手段と、流体の温度を検出する放熱器流体出口温度検出手段２１と、流体の目標温度を設定する放熱器流体出口温度設定手段２２と、流体を搬送する流体搬送手段１５と、流体の循環量を制御する循環量制御手段２３と、減圧装置１３を制御する減圧装置制御手段４３とを備え、流体搬送手段１５で搬送される流体の循環量が所定値α未満であり、かつ、放熱器出口温度と目標温度との差が所定値β以上であり、かつ、圧縮機から吐出される冷媒の吐出温度と放熱器出口温度設定手段で設定された目標温度との差が所定値γ以上である場合に、冷媒の量が不足していると判断する。【選択図】図１
2008267761.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
臨界圧力以上で運転される冷媒を使用し、少なくとも圧縮機、放熱器、減圧装置、蒸発器を冷媒配管にて順次環状に接続した冷凍サイクルと、前記圧縮機から吐出される冷媒の温度を検出する吐出温度検出手段と、前記圧縮機から吐出される冷媒の目標吐出温度を設定する目標吐出温度設定手段と、前記放熱器で冷媒と熱交換された後の流体の温度を検出する放熱器流体出口温度検出手段と、前記放熱器で冷媒と熱交換された後の流体の目標温度を設定する放熱器流体出口温度設定手段と、前記放熱器に流体を搬送する流体搬送手段と、前記流体搬送手段で搬送される流体の循環量を制御する循環量制御手段と、前記減圧装置を制御する減圧装置制御手段とを備え、前記減圧装置制御手段は、前記目標吐出温度検出手段で検出される温度が、前記目標吐出温度設定手段で設定された目標吐出温度となるように前記減圧装置を制御するとともに、前記循環量制御手段は、前記放熱器出口温度検出手段で検出される温度が、前記放熱器出口温度設定手段で設定された目標温度となるように前記流体搬送手段を制御する冷凍サイクル装置であって、前記流体搬送手段で搬送される流体の循環量が所定値α未満であり、かつ、前記放熱器出口温度と目標温度との差が所定値β以上であり、かつ、前記圧縮機から吐出される冷媒の吐出温度と前記放熱器出口温度設定手段で設定された目標温度との差が所定値γ以上である場合に、前記冷凍サイクルを循環する冷媒の量が不足していると判断することを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項２】
さらに前記冷凍サイクル装置の通電電流を検出する電流検出手段を備え、前記電流検出手段で検出された電流値が、所定値Ｉ０未満であれば、前記冷凍サイクルを循環する冷媒の量が不足していると判断す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】
さらに前記減圧装置の開度方向を判定する減圧装置開度方向判定手段を備え、前記開度方向判定手段で前記減圧装置の開度方向が開方向に動作していると判定すれば、前記冷凍サイクルを循環する冷媒の量が不足していると判断す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】
さらに前記冷凍サイクル装置が除霜運転中であるか否かを判定する除霜運転判定手段を備え、前記除霜運転判定手段で前記冷凍サイクル装置が除霜運転中でないと判定すれば、前記冷凍サイクルを循環する冷媒の量が不足していると判断することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項５】
冷媒に二酸化炭素を使用したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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】
一般的に、冷凍サイクル装置を有する給湯装置などの据付工事不良、配管の損傷等により、冷凍サイクル中の冷媒が漏れると、冷凍サイクル全体の圧力が低下したり、冷媒循環量が不足して、その結果、能力が低下してしまい、さらに、冷媒が不足したまま運転を継続すると、圧縮機が損傷してしまう恐れがある。
【０００３】
そこで、上記のような冷媒漏れによる故障を防止する目的で、冷媒不足を判定する判定手段が設けられている。例えば、圧縮機の吐出温度がある設定値を上回り、かつ、圧縮機の通電電流が設定値よりも下回る場合に冷媒不足を判定する判定手段や、放熱器で冷媒と熱交換する流体の循環量と、流体の放熱器出口温度とを検出し、流体の放熱器出口温度の目標値と、流体の放熱器出口温度の検出値との温度差を演算し、流体の循環量が所定値以下であり、かつ、流体の放熱器出口温度の目標値と検出値との温度差が所定値以上であることを冷媒が不足している判定基準として設けていた（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００４】
一方、冷凍サイクル装置内に封入される冷媒として、フッ素原子を含有する炭化水素類（フロン類）が使用されてきた。しかしながらフロン類は、オゾン層を破壊する性質を有していたり、大気中での寿命が長く、温室効果が大きいため地球温暖化に大きく影響してしまい、満足な冷媒であるとは言えなかった。
【０００５】
そこで、フロン類の代わりに、オゾン破壊係数がゼロであり、かつ、地球温暖化係数もフロン類に比較すれば格段に小さい、二酸化炭素やエタンなどを冷媒として用いる冷凍サイクル装置が提案されている（例えば、特許文献３参照）。二酸化炭素やエタンなどの冷媒は臨界温度が低く、従来の冷凍サイクル装置の高圧側（圧縮機出口〜放熱器〜減圧器入口）では凝縮が生じないため、臨界圧力以上で運転される超臨界サイクルとなる。そのため、高圧側の圧力は、冷媒の凝縮温度とは無関係に任意に調節でき、通常は冷凍サイクル装置の効率が最良となる圧力に調整される。
【０００６】
また、圧縮機としては図１２に示すようなスクロール圧縮機が用いられる。図１２は従来から使用されているスクロール圧縮機の断面図であり、鏡板から渦巻きラップが立ち上がる固定スクロール１０１および旋回スクロール１０２を噛み合わせて双方間に圧縮室１０３を形成し、旋回スクロール１０２を自転拘束機構１０４による自転の拘束のもとに円軌道に沿って旋回させたとき圧縮室１０３が容積を変えながら移動することで冷媒の吸入、圧縮、吐出を行う。旋回スクロール１０２とこれの背面側をバックアップする固定部材１０５との間に、旋回スクロール１０２の背面の中央部に潤滑用のオイルにより高圧を与える高圧部１０６が設けられ、この高圧部１０６との間をシールリング１０７によって仕切られ前記背面の外周部に前記高圧部１０６よりも低い所定の圧力（背圧）を印加する背圧室１０８を設け、これらの高圧と背圧により、旋回スクロール１０２を固定スクロール部品１０１に押しつけることで、旋回スクロール１０２が固定スクロール部品１０１から離れて転覆するようなことがないようにしている（例えば、特許文献４参照）。
【特許文献１】特開平４−５５６７１号公報
【特許文献２】特開２００５−１３３９５８号公報
【特許文献３】特公平７−１８６０２号公報
【特許文献４】特開２００２−２６６７７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載の判定方法（吐出冷媒温度が所定値を上回った場合、冷媒漏れと判断する方法）では、臨界圧力を超えて運転される冷媒（例えば、二酸化炭素など）を用いた場合、冷媒不足時の吐出冷媒温度の上昇度合いが小さいために、冷媒不足を判定できず信頼性を確保することができなかった。
【０００８】
また、特許文献２に記載の判定方法（流体の目標温度と、放熱器から出る流体の検出温度との差が所定温度以上のときに冷媒不足であると判断する方法）では、スクロール圧縮機を用いた冷凍サイクルで転覆現象が発生した場合にも、冷媒の循環量が不足して冷凍能力が低下してしまい、所望の流体温度を検出することが出来ず、転覆現象を発生しているだけで冷媒が不足していないにも関わらず、冷媒が不足していると判断されてしまうという課題を有していた。
【０００９】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、冷媒不足を確実に判断可能な冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記従来の課題を解決するために、本発明の冷凍サイクル装置は、臨界圧力以上で運転される冷媒を使用し、少なくとも圧縮機、放熱器、減圧装置、蒸発器を冷媒配管にて順次環状に接続した冷凍サイクルと、前記圧縮機から吐出される冷媒の温度を検出する吐出温度検出手段と、前記圧縮機から吐出される冷媒の目標吐出温度を設定する目標吐出温度設定手段と、前記放熱器で冷媒と熱交換された後の流体の温度を検出する放熱器流体出口温度検出手段と、前記放熱器で冷媒と熱交換された後の流体の目標温度を設定する放熱器流体出口温度設定手段と、前記放熱器に流体を搬送する流体搬送手段と、前記流体搬送手段で搬送される流体の循環量を制御する循環量制御手段と、前記減圧装置を制御する減圧装置制御手段とを備え、前記減圧装置制御手段は、前記目標吐出温度検出手段で検出される温度が、前記目標吐出温度設定手段で設定された目標吐出温度となるように前記減圧装置を制御するとともに、前記循環量制御手段は、前記放熱器出口温度検出手段で検出される温度が、前記放熱器出口温度設定手段で設定された目標温度となるように前記流体搬送手段を制御する冷凍サイクル装置であって、前記流体搬送手段で搬送される流体の循環量が所定値α未満であり、かつ、前記放熱器出口温度と目標温度との差が所定値β以上であり、かつ、前記圧縮機から吐出される冷媒の吐出温度と前記放熱器出口温度設定手段で設定された目標温度との差が所定値γ以上である場合に、前記冷凍サイクルを循環する冷媒の量が不足していると判断することを特徴とするものである。
【００１１】
これによって、冷媒不足の誤判定を防止するとともに、確実に冷媒不足の判定が可能となり、圧縮機の損傷や、冷凍サイクル装置の信頼性の低下を防止することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の冷凍サイクル装置は、冷媒不足を確実に判断することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
第１の発明の冷凍サイクル装置は、臨界圧力以上で運転される冷媒を使用し、少なくとも圧縮機、放熱器、減圧装置、蒸発器を冷媒配管にて順次環状に接続した冷凍サイクルと、前記圧縮機から吐出される冷媒の温度を検出する吐出温度検出手段と、前記圧縮機から吐出される冷媒の目標吐出温度を設定する目標吐出温度設定手段と、前記放熱器で冷媒と熱交換された後の流体の温度を検出する放熱器流体出口温度検出手段と、前記放熱器で冷媒と熱交換された後の流体の目標温度を設定する放熱器流体出口温度設定手段と、前記放熱器に流体を搬送する流体搬送手段と、前記流体搬送手段で搬送される流体の循環量を制
御する循環量制御手段と、前記減圧装置を制御する減圧装置制御手段とを備え、前記減圧装置制御手段は、前記目標吐出温度検出手段で検出される温度が、前記目標吐出温度設定手段で設定された目標吐出温度となるように前記減圧装置を制御するとともに、前記循環量制御手段は、前記放熱器出口温度検出手段で検出される温度が、前記放熱器出口温度設定手段で設定された目標温度となるように前記流体搬送手段を制御する冷凍サイクル装置であって、前記流体搬送手段で搬送される流体の循環量が所定値α未満であり、かつ、前記放熱器出口温度と目標温度との差が所定値β以上であり、かつ、前記圧縮機から吐出される冷媒の吐出温度と前記放熱器出口温度設定手段で設定された目標温度との差が所定値γ以上である場合に、前記冷凍サイクルを循環する冷媒の量が不足していると判断することにより、冷媒不足の誤判定を防止するとともに、確実に冷媒不足の判定が可能となり、圧縮機の損傷や、冷凍サイクル装置の信頼性の低下を防止することができる。
【００１４】
第２の発明の冷凍サイクル装置は、特に第１の発明において、さらに前記冷凍サイクル装置の通電電流を検出する電流検出手段を備え、前記電流検出手段で検出された電流値が、所定値Ｉ未満であれば、前記冷凍サイクルを循環する冷媒の量が不足していると判断することにより、さらに冷媒不足の判定基準に加えることによって圧縮機の高負荷運転時などに誤判定することなく、確実に冷媒不足を判定することができる。
【００１５】
第３の発明の冷凍サイクル装置は、特に第１または第２の発明において、さらに前記減圧装置の開度方向を判定する減圧装置開度方向判定手段を備え、前記開度方向判定手段で前記減圧装置の開度方向が開方向に動作していると判定すれば、前記冷凍サイクルを循環する冷媒の量が不足していると判断することにより、保護制御の実施後のような冷凍サイクルが安定していない場合などに誤判定することがなく、確実に冷媒不足を判定することができる。
【００１６】
第４の発明の冷凍サイクル装置は、特に第１〜第３のいずれかの発明において、さらに前記冷凍サイクル装置が除霜運転中であるか否かを判定する除霜運転判定手段を備え、前記除霜運転判定手段で前記冷凍サイクル装置が除霜運転中でないと判定すれば、前記冷凍サイクルを循環する冷媒の量が不足していると判断することにより、除霜運転中に誤判定することがなく、確実に冷媒不足を判定することができる。
【００１７】
第５の発明の冷凍サイクル装置は、特に第１〜第４のいずれかの発明において、冷媒に二酸化炭素を使用したことにより、製品コストを抑えるとともに、信頼性を向上させることができる。また二酸化炭素は、オゾン破壊係数がゼロであり、地球温暖化係数も代替冷媒ＨＦＣ−４０７Ｃの約１７００分の１と非常に小さいため、地球環境にやさしい製品を提供することができる。
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００１９】
（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一実施例である給湯装置を示す概略図である。本実施の形態１における給湯装置は、ヒートポンプユニットＡと貯湯ユニットＢとで構成され、少なくともインバータ式のスクロール圧縮機１１、放熱器１２の冷媒流路１２ａ、減圧装置１３、蒸発器１４を冷媒配管にて順次環状に接続された冷凍サイクルと、蒸発器１４に外気を送風する送風ファン１７を有している。冷凍サイクルの冷媒には、高圧側が臨界圧力を超える二酸化炭素を使用する。またスクロール圧縮機１１がアキュームレータのない圧縮機構成としたもので、アキュームレータがないため冷凍サイクル装置本体の小型化、軽量化が可能となる。
【００２０】
また、温水を貯える貯湯タンク１６と、放熱器１２の流体流路１２ｂと、貯湯タンク１６内に貯えられている液体（本実施の形態では水）を放熱器１２の流体流路１２ｂに搬送する流体搬送手段である水ポンプ１５とを備えており、貯湯タンク１６の下方部の水を水ポンプ１５を駆動することにより流体流路１２ｂに搬送し、放熱器１２で高温水を生成後、貯湯タンク１６の上方部より積層上に高温水を貯えていく。さらに放熱器１２では冷媒流路１２ａと、流体流路１２ｂとが対向流を成しており、効率の良い熱交換を可能としている。
【００２１】
また、冷凍サイクルにおいて、スクロール圧縮機１１の冷媒吐出口には、吐出冷媒の温度（以下、吐出冷媒温度と称する）を検出する吐出温度検出手段４１を設けており、一方、放熱器１２の流体流路１２ｂから出湯する湯の温度（以下、出湯温度検出値と称する）を検出する放熱器流体出口温度検出手段２１を設けている。
【００２２】
また、外気温度や、流体流路１２ｂの入り口側の温度（以下、入水温度と称する）や、使用者によるリモコン設定等から、流体流路１２ｂの出口側の温度（以下、出湯温度と称する）の目標値（以下、出湯温度目標値と称する）を演算、設定する放熱器流体出口温度設定手段２２を設けている。
【００２３】
また、出湯温度検出値と出湯温度目標値に応じて、水ポンプ１５の回転数を演算、制御する循環量制御手段２３と、水ポンプ１５への回転数指示値から流体流路１２ｂを流れる循環量を推定する循環量検出手段２４とを備えている。
【００２４】
また、放熱器流体出口温度設定手段２２が設定した出湯温度目標値と、出湯温度検出値との差を演算する放熱器出口流体温度差演算手段２５を備えている。
【００２５】
また、スクロール圧縮機１１を駆動する駆動手段３１を有しており、駆動手段３１からスクロール圧縮機１１への通電電流を検出する電流検出手段３２を備えている。
【００２６】
また、外気温度や、入水温度等から減圧装置１３の開度の第１目標値を演算、設定する減圧装置目標開度設定手段４２と、目標吐出温度設定手段（図示せず）で設定される目標吐出温度に吐出冷媒温度を合わせるような減圧装置１３の開度の第２目標値を演算し、第１目標値もしくは第２目標値のいずれか１つの開度の目標値を選択して減圧装置１３の開度を操作する減圧装置制御手段４３を備える。
【００２７】
また、減圧装置１３の開度の第１目標値と第２目標値（或いは、減圧装置制御手段４３が実際に操作した減圧装置１３の開度）とを比較して、減圧装置１３の開度が、開方向に調整しつつあるか、或いは、閉方向に調整しつつあるかを判定する減圧装置開度方向判定手段４４を備える。
【００２８】
また、吐出冷媒温度と、出湯温度目標値との温度差を演算する温度差演算手段４５を備え、冷凍サイクル装置が除霜運転中であるか否かを判定する除霜運転判定手段５１を備えている。
【００２９】
そして、循環量検出手段２４、放熱器出口流体温度差演算手段２５、電流検出手段３２、減圧装置開度方向判定手段４４、温度差演算手段４５、除霜運転判定手段５１からの幾つかの信号により冷媒不足を判定する冷媒不足判定手段６１を備えている。
【００３０】
以上のように構成された冷凍サイクル装置について、以下その動作について説明する。冷凍サイクルを構成するスクロール圧縮機１１にて、冷媒である二酸化炭素を臨界圧力を超える圧力まで圧縮し、圧縮された冷媒は高温・高圧状態となり、放熱器１２の冷媒流路
１２ａを流れる際に、流体流路１２ｂを流れる水に放熱する。
【００３１】
そして、放熱器１２で冷却された冷媒は、減圧装置１３で減圧され、低温・低圧の気液二相状態となり、蒸発器１４に入る。蒸発器１４では、冷媒は送風ファン１７によって送り込まれた外気によって加熱され、気液二相またはガス状態となり、再び、スクロール圧縮機１１に吸入される。
【００３２】
一方、貯湯タンク１６の底部から水ポンプ１５により放熱器１２の流体流路１２ｂへ送り込まれた水は、冷媒流路１２ａを流れる高温冷媒によって加熱され、高温の湯となり、貯湯タンク１６の上部から貯める。
【００３３】
上記のような動作を繰り返すことにより、貯湯タンク１６には上から下へ温度分布が積層式に形成されるように高温水が貯えられる。また、貯湯タンク１６の底部には給水源から水を供給する給水口が設けられており、貯湯タンク１６の上部には給湯端末へ湯を供給する給湯口が設けられている。
【００３４】
次に減圧装置１３の制御について説明する。減圧装置１３は応答性の向上を目的として、起動時などの冷凍サイクルが安定していないときには、減圧装置制御手段４３は、減圧装置目標開度設定手段４２で設定した第１目標値となるように減圧装置１３の開度を調整（フィードフォワード制御）しており、冷凍サイクルが安定しているときには、減圧装置制御手段４３は、吐出温度検出手段４１が検出するスクロール圧縮機１１から吐出される冷媒の温度が、予め定められた目標吐出温度となるように、減圧装置制御手段４３が演算・設定した第２目標値となるように、減圧装置１３の開度を調整（フィードバック制御）している。
【００３５】
また、放熱器流体出口温度検出手段２１で検出される出湯温度検出値が、放熱器流体出口温度設定手段２２が設定した出湯温度目標値となるように、フィードバック制御により循環量制御手段２３は、水ポンプ１５の回転数を調整し、放熱器１２の流体流路１２ｂを流れる水の循環量を調節することで、一定の温度の湯が貯湯タンク１６に貯められるように制御している。
【００３６】
次に、冷媒漏れ等による冷媒不足判定の動作について、図２のフローチャートを用いて説明する。
【００３７】
スクロール圧縮機１１の運転が開始され、所定時間経過後、経過時間計測値ｔをリセットし、再度経過時間の計測を開始する。（ステップ１０１）
次に、循環量検出手段２４により流体（湯水）の循環量Ｇｗを検出する。（ステップ１０２）本実施の形態では、循環量を直接検出するのではなく、循環量制御手段２３が水ポンプ１５に対して指示した回転数より、循環量を推定している。
【００３８】
次に、検出した循環量Ｇｗが、予め定められた循環量α未満であるか否かの比較を行い、流体の循環量Ｇｗと予め定められた循環量αとの大小判定を行う。（ステップ１０３）Ｇｗ≧αの場合には、ステップ１０１に戻り、Ｇｗ＜αの場合には、ステップ１０４に進む。
【００３９】
次に、放熱器流体出口温度検出手段２１（例えば、配管上に設けられ配管の温度を検出する温度センサや、配管中に設けられ直接水温を検出する温度センサ）により出湯温度Ｔｗを検出する。（ステップ１０４）
次に、検出した出湯温度Ｔｗと、放熱器流体出口温度設定手段２２により予め定められた出湯温度目標値Ｔｗ０との温度差ΔＴｗを演算する。（ステップ１０５）
次に、ΔＴｗが、予め設定されたβ以上であるか否かの比較を行い、出湯温度が出湯温度目標値に達しているか否かを判定する。（ステップ１０６）ΔＴｗ＜βの場合には、ステップ１０１に戻り、ΔＴｗ≧βの場合には、ステップ１０７に進む。
【００４０】
次に、吐出温度検出手段４１（例えば、配管上に設けられた配管の温度を検出する温度センサ）により吐出冷媒温度Ｔｄを検出する。（ステップ１０７）
次に、検出した吐出冷媒温度Ｔｄと、放熱器流体出口温度設定手段２２により予め定められた出湯温度目標値Ｔｗ０との温度差ΔＴｄを算出する。（ステップ１０８）
次に、温度差ΔＴｄが、予め定めた値γ以上であるかの比較を行い、ΔＴｄ≧γの場合には、ステップ１１０に進み、ΔＴｄ＜γの場合には、ステップ１０１に戻る。（ステップ１０９）
次に、経過時間計測値ｔが、予め定められた時間ｔ０以上であるか否かの判定を行う。（ステップ１１０）ここでは、各々の検出手段の誤検出を防止するために、ステップ１０３、１０６、１０９の条件が連続して一定時間成立しているか否かの判定を行っており、経過時間ｔが一定時間ｔ０以上経過した場合には、ステップ１１１に進み、経過していない場合には、ステップ１０２に戻る。
【００４１】
以上のステップ１０３、１０６、１０９の条件が連続して一定時間成立しているか否かの判定を行い、所定の時間成立した場合には、冷媒不足判定手段６１は冷媒不足の状態であると判定し、リモコン等の表示機器（図示せず）に異常表示を行うとともに、スクロール圧縮機１１を停止し、インバータ式のスクロール圧縮機１１を損傷等の信頼性の低下を防止する。
【００４２】
次に、冷媒不足となった場合の冷凍サイクルの動きについて説明する。図３は冷媒量に対応する水ポンプ１５の回転数を図に示したものである。図３において、横軸の冷媒量比とは、適正な冷媒量に対する冷媒不足時の冷媒量の比である。つまり冷媒量比５０％とは、適正な冷媒量に対して５０％の冷媒量しか有していないことを示す。また、縦軸のうち左の軸に示すものは、出湯温度検出値および出湯温度目標値を示すものであり、右の軸に示すものは、適正な冷媒量時における水ポンプの回転数に対する割合であり、循環量比８０％とは、適正な冷媒量時における水ポンプの回転数の８０％の回転数しか出力していないことを示す。なお、図３に示す図は冷凍サイクル装置の一実施例について示すものであり、これに限定されることはない。
【００４３】
一般的に、冷媒不足を生じると、スクロール圧縮機１１が吐出する冷媒の循環量が不足し、放熱器１２での加熱能力が低下する。しかしながら、上述のように、出湯温度検出値が出湯温度目標値となるように、流体の循環量を水ポンプ１５により調整しているので、図３に示すように、ある程度の冷媒不足であれば、（図３において示すのであれば、冷媒量比４０〜５０％までの冷媒量までは）水の循環量を低下させることによって、出湯温度を目標値に維持することは可能である。
【００４４】
しかしながら、それ以下の冷媒量になると、水ポンプ１５の回転数は、最小回転数となってしまい、水の循環量をそれ以上低下させることができず、出湯温度検出値と出湯温度目標値との温度差が大きく拡大してしまうため、出湯温度検出値と出湯温度目標値との温度差が、所定温度以上拡大したときには、冷媒漏れ判定の基準の一つであるといえる。
【００４５】
上記のように構成、あるいは、制御された冷凍サイクル装置の効果について説明する。図４は、放熱器１２において冷媒から水に与えられる熱量（放熱能力）が一定となるように制御された状態で、冷媒が不足した場合の高圧側圧力の変化を示している。図４より、二酸化炭素（ＣＯ２）を用いた場合には、従来冷媒であるＲ４１０Ａを用いた場合に比べて、冷媒不足時の高圧側圧力の低下度合いが大きい。これは、図５、６に示す適正冷媒量
（実線）から冷媒不足時（破線、一点鎖線）の圧力・エンタルピ線図上に示した冷凍サイクルの動きから説明できる。図５のように、二酸化炭素（ＣＯ２）を用いた場合には、適正冷媒量（実線）や若干の冷媒不足時（破線）では超臨界サイクルとなる。また、大きく冷媒不足（一点鎖線）となった場合にも、高圧側のエンタルピ変化の大部分は二相域よりもガス域での変化となる。このため、放熱器１２の冷媒流路１２ａにおける入口と出口との冷媒温度差が大きく（温度勾配が大きく）なるために、高圧側圧力が低くても、流体流路１２ｂを流れる水との温度差が確保できるので十分な熱交換が行える（加熱能力が確保できる）。一方、図６のように、従来の冷媒であるＲ４１０Ａを用いた場合には、高圧側のエンタルピ変化の大部分は二相域での変化となるので、流体流路２ｂを流れる水との温度差を確保するために比較的高い凝縮温度に応じた高圧側圧力となり、冷媒不足となっても大幅に高圧側圧力が低下することはない。
【００４６】
すなわち、二酸化炭素を用いた場合には、凝縮温度と無関係に高圧側圧力が決まる超臨界サイクルゆえの特徴により、冷媒不足時に高圧側圧力が大きく低下する。さらに、図７は、放熱器１２において冷媒から水に与えられる熱量が一定となるように制御された状態で、冷媒不足時の吐出温度の上昇を適正冷媒量での吐出温度からの差で示している。図７より、二酸化炭素（ＣＯ２）を用いた場合には、吸入過熱度や、吐出温度が一定となるように制御されていない場合でも、従来冷媒であるＲ４１０Ａを用いた場合に比べて、冷媒不足時の吐出温度の上昇度合いが小さいことがわかる。これは、図４で説明したように、二酸化炭素（ＣＯ２）を用いた場合には高圧側圧力の低下が大きいために、それに応じて吐出温度の上昇度合いも小さくなるものである。なお、吸入過熱度を一定とするように減圧器１３を制御している場合や、本実施の形態のように吐出温度を一定とするように減圧器１３を制御している場合には、吐出温度の上昇がさらに抑制される。したがって、冷媒に二酸化炭素のように高圧側で超臨界状態となりうる冷媒を用いた場合には、従来のように吐出温度の上昇により冷媒不足を判定するのは困難である。
【００４７】
しかしながら、特許文献２に示すような冷媒不足の判定方法（流体の循環量が所定値未満であり、出湯温度検出値と出湯温度目標値との温度差が所定値以上である時に冷媒不足であると判断する方法）を用いると、出湯温度検出値と出湯温度目標値との温度差が所定値以上であったとしても、転覆現象時にも同様に出湯温度検出値と出湯温度目標値との温度差が所定値以上拡大することがあり、冷媒不足でないにも関わらず、冷媒不足であると判定される。
【００４８】
そこで、本発明では、ステップ１０９の判断を行うことによって、確実に冷媒不足と転覆現象とを区別しており、より正確に冷媒不足を判定するものである。
【００４９】
図８は、転覆現象発生時の吐出冷媒温度と出湯温度とを示した図である。図８において、転覆現象発生時には、吐出冷媒温度および出湯温度が、目標吐出温度および出湯温度目標値よりも大きく低下していることが分かる。つまり、流体の循環量が所定値未満であり、かつ、出湯温度検出値が出湯温度目標値に達していない場合がある。
【００５０】
一方、冷媒不足時には能力が低下するが、吐出冷媒温度が転覆現象発生時に比較してそれほど低下していない。そのため、吐出冷媒温度（冷媒の温度）と出湯温度検出値（流体の温度）との温度差が所定値γ以上であれば、転覆現象ではなく、冷媒不足と判定することができる。
【００５１】
以上のように、吐出冷媒温度と出湯温度検出値との温度差が所定値γ以上であることを冷媒不足判定の基準のひとつとすることで、転覆現象と冷媒不足とを正確に判定することができ、使用性の高い冷凍サイクル装置を提供することができる。
【００５２】
（実施の形態２）
本発明の第２の実施の形態における冷凍サイクル装置である給湯装置について説明する。本実施の形態の概略構成は図１と同様であるため、構成および冷凍サイクルの動作の説明は省略する。
【００５３】
冷媒漏れ等による冷媒不足時の制御の動作について図９のフローチャートを用いて説明する。なお、図９において図２と同様のステップは同じ番号を付し、説明を省略する。ステップ１０１から１０９を行った後、電流検出手段３２（例えば、駆動手段３１であるインバータ回路から圧縮機１１へ通電される電流を検出する電流センサ）により通電電流を検出する（ステップ２０１）。検出した通電電流値Ｉと予め定められた電流値Ｉ０との比較を行い（ステップ２０２）、圧縮機１１が高負荷の状態であるか否かを判定する。通電電流値Ｉが予め定められた値Ｉ０未満の場合には次のステップに進み、設定値Ｉ０以上の場合にはステップ１０１に戻る。その後、ステップ１１０を行う。したがって、水の循環量が予め定められた値未満であり、かつ、出湯温度が出湯温度目標値に達しておらず、かつ、吐出温度と放熱器流体目標温度との温度差が所定値以上であり、かつ、通電電流が予め定められた値未満である条件が一定時間、成立した場合には、冷媒不足判定手段６１は冷媒不足の状態であると判定し、リモコン等の表示器（図示せず）に異常表示を行うとともに、スクロール圧縮機１１を停止し（ステップ１１１）、スクロール圧縮機１１を損傷させるといった冷凍サイクル装置の信頼性の低下を防止する。
【００５４】
次に、冷媒不足となった場合の冷凍サイクルの動きについて説明する。冷媒不足が生じると、スクロール圧縮機１１が吐出する冷媒の循環量が不足し、放熱器１２での加熱能力が低下する。また、冷媒の循環量が不足により圧縮機１１は低負荷となるので、圧縮機１１への通電電流は減少する。このため、水の循環量が予め定められた値未満であり、かつ、出湯温度が出湯温度目標値に達しておらず、かつ、吐出温度と放熱器流体目標温度との温度差が所定値以上であり、かつ、電流検出手段３２により検出された通電電流が予め定められた値未満である場合には、冷媒不足の状態であると判定できる。
【００５５】
一方、冷媒不足でない場合であっても、例えば、低外気温での運転時などには、水の循環量が予め定められた値未満であり、かつ、出湯温度が出湯温度目標値に達していないことがある。しかし、この場合にはスクロール圧縮機１１は高負荷で運転されているので、通電電流は低減せれずにむしろ増大する。したがって、電流検出手段３２の検出した電流検出値が予め定められた値以上となり、冷媒不足判定手段６１は冷媒不足を判定せずに、スクロール圧縮機１１への通電を続行しその運転を継続させる。このため、本実施の形態ではスクロール圧縮機の高負荷運転時に誤って冷媒不足を判定するのを防止し、冷媒不足をより正確に検出することができる。
【００５６】
なお、電流検出手段３２は圧縮機１１への通電電流を検出するとしているが、送風ファン１７や、水ポンプ１５などへの通電電流を含む冷凍サイクル装置全体への通電電流を検出するようにしても、スクロール圧縮機１１への通電電流が冷凍サイクル装置全体への通電電流の大部分を占めるために、同様の効果が得られる。
【００５７】
また、予め定められた電流値Ｉ０は、スクロール圧縮機１１の運転周波数に応じた複数の値を設定してもよい。
【００５８】
（実施の形態３）
本発明の第３の実施の形態における冷凍サイクル装置である給湯装置について説明する。本実施の形態の概略構成は図１と同様であるため、構成および冷凍サイクルの動作の説明は省略する。
【００５９】
冷媒漏れ等による冷媒不足時の制御の動作について図１０のフローチャートを用いて説明する。なお、図１０において図９と同様のステップは同じ番号を付し、説明を省略する。ステップ１０１から１０９を行った後、減圧器開度方向判定手段４４によって、減圧器目標開度演算手段４２が演算したフィードフォワード制御の目標値（目標減圧器開度１）ＰＬＳ１と自らが演算したフィードバック制御の目標値（目標減圧器開度２）ＰＬＳ２との比較を行い（ステップ３０１）、減圧器１３が開方向に調整されつつあるか、あるいは、閉方向に調整されつつあるかを判定する。減圧器１３が開方向に調整されつつある場合には次のステップに進み、閉方向に調整されつつある場合にはステップ１０１に戻る。その後、ステップ１１０を行う。したがって、水の循環量が予め定められた値未満であり、かつ、出湯温度が出湯温度目標値に達しておらず、かつ、吐出温度と放熱器流体目標温度との温度差が所定値以上であり、かつ、減圧器１３が開方向に調整されつつある条件が一定時間、成立した場合には、冷媒不足判定手段６１は冷媒不足の状態であると判定し、リモコン等の表示器（図示せず）に異常表示を行うとともに、スクロール圧縮機１１を停止し（ステップ１１１）、スクロール圧縮機１１を損傷させるといった冷凍サイクル装置の信頼性の低下を防止する。
【００６０】
次に、冷媒不足となった場合の冷凍サイクルの動きについて説明する。冷媒不足が生じると、スクロール圧縮機１１が吐出する冷媒の循環量が不足し、放熱器１２での加熱能力が低下するとともに、吐出温度が上昇する。しかし、冷凍サイクルが安定しているときには、減圧器開度演算操作手段４３は、吐出温度検出手段４１が検出したスクロール圧縮機１１の吐出温度が、予め定められた目標吐出温度となるように、自ら演算した目標減圧器開度２に減圧器１３の開度を調整（フィードバック制御）する。すなわち、冷媒不足の状態では吐出温度は上昇傾向あるので、減圧器１３を開方向に調整しようとする。ここで、冷媒不足時の冷凍サイクルの状態をもとに演算したフィードバック制御の目標値（目標減圧器開度２）は、適正冷媒量での冷凍サイクルの状態をもとに演算されているフィードフォワード制御の目標値（目標減圧器開度１）より大きな値となるために、これらの値を比較することで減圧器１３の開度方向が判定できる。
【００６１】
したがって、水の循環量が予め定められた値未満であり、かつ、出湯温度が出湯温度目標値に達しておらず、かつ、吐出温度と放熱器流体目標温度との温度差が所定値以上であり、かつ、減圧器１３が開方向に調整されつつある場合には、冷媒不足の状態であると判定できる。一方、例えば、高圧側圧力や吐出温度による保護制御により減圧器１３を大きく開方向に調整する場合がある。この場合には、減圧器１３を大きく開けることで保護制御が解除されれば、再び吐出温度が一定となるように減圧器開度演算操作手段４３によって減圧器１３は閉方向に調整される。したがって、冷媒不足でない場合であっても、保護制御などにより減圧器１３を大きく開方向に調整されたことにより、水の循環量が予め定められた値未満であり、かつ、出湯温度が出湯温度目標値に達していないことがあるが、この場合には、減圧器１３は閉方向に調整されつつあるので、冷媒不足判定手段６１は冷媒不足を判定せずに、圧縮機１１への通電を続行しその運転を継続させる。したがって、本実施の形態では保護制御等の実施後のような冷凍サイクルが安定していない場合に、誤って冷媒不足を判定するのを防止し、冷媒不足をより正確に検出することができる。
【００６２】
なお、減圧器開度方向判定手段４４は、フィードフォワード制御の目標値（目標減圧器開度１）とフィードバック制御の目標値（目標減圧器開度２）を比較して、減圧器１３の開度方向を判定するものとしているが、例えば、一定時間前の減圧器１３の開度と、現在の減圧器１３の開度を比較して、減圧器１３が開方向に調整されつつあるか、あるいは、閉方向に調整されつつあるかを判定してもよい。また、目標減圧器開度１や目標減圧器開度２に一定値を加算、乗算するなどの補正を行ってもよい。
【００６３】
また、減圧器１３は吐出温度が一定となるように制御されているとして説明したが、圧
縮機１１の吸入過熱度や、蒸発器１４の出口過熱度が一定になるように制御する場合でも、同様の効果が得られる。
（実施の形態４）
本発明の第４の実施の形態における冷凍サイクル装置である給湯装置について説明する。本実施の形態の概略構成は図１と同様であるため、構成および冷凍サイクルの動作の説明は省略する。
【００６４】
冷媒漏れ等による冷媒不足時の制御の動作について図１１のフローチャートを用いて説明する。なお、図１１において図９と同様のステップは同じ番号を付し、説明を省略する。ステップ１０１を行う前に、冷凍サイクルが除霜運転中であるか否を判定する（ステップ４０１）。冷凍サイクルが除霜運転中でない場合には次のステップに進み、除霜運転中である場合にはステップ４０１に戻る。その後、ステップ１０１から１０９、２０１および２０２、１１０を行う。したがって、水の循環量が予め定められた値未満であり、かつ、出湯温度が出湯温度目標値に達していない、かつ、吐出温度と放熱器流体目標温度との温度差が所定値以上である条件が一定時間、成立した場合には、冷媒不足判定手段６１は冷媒不足の状態であると判定し、リモコン等の表示器（図示せず）に異常表示を行うとともに、スクロール圧縮機１１を停止し（ステップ１１１）、スクロール圧縮機１１を損傷させるといった冷凍サイクル装置の信頼性の低下を防止する。
【００６５】
冷媒不足でない場合であっても、除霜運転中であるために、水の循環量が予め定められた値未満であり、かつ、出湯温度が出湯温度目標値に達していないことがあるが、この場合には、冷媒不足判定手段６１は冷媒不足を判定せずに、スクロール圧縮機１１への通電を続行しその運転を継続させる。したがって、本実施の形態では、除霜運転中である場合に、誤って冷媒不足を判定するのを防止し、冷媒不足をより正確に検出することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
以上のように、本発明の冷凍サイクル装置および制御方法は、冷媒として高圧側で超臨界状態となりうる冷媒（例えば、Ｒ３２、二酸化炭素、エタン、エチレン、酸化窒素およびそれらを含む混合冷媒など）を用いた給湯装置（給湯器）、空調機、車両用空調機（カーエアコン）において、安価な方法で、冷媒不足を確実に検知でき、冷凍サイクル装置の信頼性を損なうことがない。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置を示す構成図
【図２】同実施の形態１における制御方法を示すフローチャート
【図３】同実施の形態１における冷媒不足時の特性図
【図４】同実施の形態１におけるＲ４１０ＡとＣＯ２の冷媒不足時の高圧側圧力の比較図
【図５】同実施の形態１におけるＣＯ２の冷媒不足時の圧力・エンタルピ線図
【図６】同実施の形態１におけるＲ４１０Ａの冷媒不足時の圧力・エンタルピ線図
【図７】同実施の形態１におけるＲ４１０ＡとＣＯ２の冷媒不足時の吐出温度上昇度合いの比較図
【図８】同実施の形態１にける圧縮機転覆現象発生時の吐出冷媒温度と出湯温度の特性図
【図９】本発明の実施の形態２における制御方法を示すフローチャート
【図１０】本発明の実施の形態３における制御方法を示すフローチャート
【図１１】本発明の実施の形態４における制御方法を示すフローチャート
【図１２】従来のスクロール圧縮機の断面図
【符号の説明】
【００６８】
１１  スクロール圧縮機
１２  放熱器
１３  減圧装置
１４  蒸発器
１５  水ポンプ
１６  貯湯タンク
１７  送風ファン
２１  放熱器流体出口温度検出手段
２２  放熱器流体出口温度設定手段
２３  循環量制御手段
２４  循環量検出手段
２５  放熱器出口流体温度差演算手段
３１  駆動手段
３２  電流検出手段
４１  吐出温度検出手段
４２  減圧装置目標開度設定手段
４３  減圧装置制御手段
４４  減圧装置開度方向判定手段
４５  温度差演算手段
５１  除霜運転判定手段
６１  冷媒不足判定手段
【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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【図１１】
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【図１２】
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