(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷凍機油を含む冷媒の静電容量（Ｃ）を測定する静電容量測定手段（２００）と、
前記冷媒および前記冷凍機油の少なくとも一方の密度（ρ）を測定する密度測定手段（３００）と、
前記密度測定手段（３００）によって測定された前記密度（ρ）を用いて、前記静電容量（Ｃ）と前記冷凍機油を含む冷媒量に対する前記冷凍機油量の割合を示す油分率（χ）との相関特性を演算する演算手段（４００）と、
前記演算手段（４００）によって得られた前記相関特性を用いて、前記静電容量測定手段（２００）によって測定された静電容量（Ｃｓ）から、その時の油分率（χｓ）を決定する油分率決定手段（５００）とを有することを特徴とする油分率測定装置。
【請求項２】
前記演算手段（４００）は、複数の温度、圧力条件において予め準備された前記静電容量（Ｃ）と前記油分率（χ）との複数の相関特性を基に、前記冷媒の密度（ρｒ）を用いて線形補間することにより測定時の温度、圧力条件における前記静電容量（Ｃ）と前記油分率（χ）との相関特性を演算するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の油分率測定装置。
【請求項３】
前記演算手段（４００）は、前記静電容量（Ｃ）が前記油分率（χ）、前記冷媒の密度（ρｒ）、前記冷凍機油の密度（ρｏｉｌ）によって決定されるように予め定めた演算式によって、前記静電容量（Ｃ）と前記油分率（χ）との相関特性を演算するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の油分率測定装置。
【請求項４】
前記密度測定手段（３００）は、前記冷媒の温度を検出する温度検出手段（３０１）および圧力を検出する圧力検出手段（３０２）を有し、前記密度（ρ）は、前記温度検出手段（３０１）および前記圧力検出手段（３０２）によって検出された検出値によって算出されるようにしたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の油分率測定装置。
【請求項５】
前記静電容量（Ｃ）は、真空中の静電容量（Ｃｏ）で除した比誘電率（ε）に置換えられて前記油分率（χ）が決定されるようにしたことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の油分率測定装置。
【請求項６】
前記静電容量（Ｃ）および前記密度（ρ）は、前記冷媒を圧縮する圧縮機（１１）の吸入側あるいは吐出側の近傍で測定されるようにしたことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の油分率測定装置。
【請求項７】
前記圧縮機（１１）の吸入側の近傍で前記静電容量（Ｃ）および前記密度（ρ）が測定される場合に、
前記静電容量測定手段（２００）の電極（２０７、２０８）表面には、撥水処理が施されたことを特徴とする請求項６に記載の油分率測定装置。
【請求項８】
冷媒を気液分離するアキュムレータ（１８）を有し、分離された液相冷媒中の冷凍機油が前記冷媒を圧縮する圧縮機（１１）に供給されるための油戻し流路（１９）が設けられた冷凍装置において、
前記請求項１〜請求項７のいずれかに記載の油分率測定装置（１００）が、前記冷媒が流通する配管（２１）中に設けられ、
前記油分率測定装置（１００）によって決定された油分率（χｓ）に応じて、前記油戻し流路（１９）を流通する前記冷凍機油の量が可変されるようにしたことを特徴とする冷凍装置。
【請求項９】
前記静電容量測定手段（２００）の電極（２０７、２０８）は、針状のものとし、
前記電極（２０７、２０８）は、前記冷媒が流通する前記配管（２１）内に配設されるようにしたことを特徴とする請求項８に記載の冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空調装置等の冷凍機における冷媒中の冷凍機油量を測定する油分率測定装置およびこれを用いた冷凍装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
冷凍機内の冷媒圧縮機を潤滑させる冷凍機油（潤滑油）は、圧縮機の耐久寿命を確保するために重要なものであり、冷媒中の冷凍機油量（更に実質的には、冷媒圧縮機自身にどれだけの冷凍機油が循環しているか）を把握することは冷凍機の確実な運転を行なう上で極めて重要な事柄となっている。
【０００３】
従来の冷凍機油量を測定する技術として、日本冷凍空調学会論文集、Ｔｒａｎｓ．Ｏｆ  ｔｈｅ  ＪＳＲＡＥ  ｖｏｌ．１６，Ｎｏ．３（１９９９）における「静電容量センサによる冷凍機油中の冷媒溶解度の測定」が、周知のものとして揚げられる。
【０００４】
この測定方法においては、冷凍機油と冷媒の静電容量の差を利用しており、両者の溶解状態における静電容量は、冷媒溶解度（逆に言えば油分率と定義でき、以下油分率と呼ぶことにする。）と相関関係を有することから静電容量を測定して油分率を求めるものとしている。
【０００５】
更に具体的には、予め油分率に対する静電容量の関係を温度をパラメータとして求めて、既知データとして準備しておき、静電容量センサを用いて静電容量を測定することによって、油分率を求めるようにしており、安価で比較的容易な測定方法としている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記技術においては液相状態における冷媒を測定対象としており、温度をパラメータとした静電容量の変化のみを考慮して、油分率を求めているため、例えば、冷凍機中の冷媒が超臨界状態、気相状態、あるいは気液二相状態でほとんどが占められる超臨界冷凍サイクルに適用しようとした場合には、単純にこの技術を用いて油分率を求めることができない。
【０００７】
即ち、液相状態に対して上記の超臨界状態や気相状態においては、冷媒の静電容量は温度条件に加えて圧力条件によっても大きく変化するために、予め準備すべき静電容量と油分率の関係を示す既知データが膨大な量となり、事実上の対応が困難となる。
【０００８】
本発明の目的は、上記問題に鑑み、冷媒が超臨界状態や気相状態でも油分率が容易に測定できる油分率測定装置およびこれを用いた冷凍装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。
【００１０】
請求項１に記載の発明では、油分率測定装置において、冷凍機油を含む冷媒の静電容量（Ｃ）を測定する静電容量測定手段（２００）と、冷媒および冷凍機油の少なくとも一方の密度（ρ）を測定する密度測定手段（３００）と、密度測定手段（３００）によって測定された密度（ρ）を用いて、静電容量（Ｃ）と冷凍機油を含む冷媒量に対する冷凍機油量の割合を示す油分率（χ）との相関特性を演算する演算手段（４００）と、演算手段（４００）によって得られた相関特性を用いて、静電容量測定手段（２００）によって測定された静電容量（Ｃｓ）から、その時の油分率（χｓ）を決定する油分率決定手段（５００）とを有することを特徴としている。
【００１１】
これにより、例えば、超臨界冷凍サイクルのように冷凍機内の冷媒が、温度、圧力に応じてその静電容量が大きく変化する超臨界状態や気相状態においても、冷媒や冷凍機油の密度（ρ）を用いることで測定時の温度、圧力における静電容量（Ｃ）を算出でき、油分率（χ）との相関特性を決定できるので、予め膨大な既知データを準備しなくとも油分率（χ）を容易に求めることができる。
【００１２】
そして、この油分率測定装置を用いて例えばサービス店等で定期的に油分率（χ）をチェックすることにより、冷凍装置（１０）内の圧縮機（１１）の早期破損の未然防止が可能となる。
【００１３】
また、通常の気相状態および液相状態を有する蒸気圧縮式冷凍サイクルにおいては、安定した液相状態の冷媒は過冷却機能を有する放熱器（１２）の流出側のみに限定され、この部位で従来技術での油分率（χ）の測定が可能では有るが、気相状態となる圧縮機（１１）の吐出側、吸入側では測定不能であったため、圧縮機（１１）に対する正確な油分率（χ）の測定ができなかったものに対して、本発明ではこれを可能とすることができる。
【００１４】
請求項２に記載の発明では、演算手段（４００）は、複数の温度、圧力条件において予め準備された静電容量（Ｃ）と油分率（χ）との複数の相関特性を基に、冷媒密度（ρｒ）を用いて線形補間することにより測定時の温度、圧力条件における静電容量（Ｃ）と油分率（χ）との相関特性を演算するようにしたことを特徴としている。
【００１５】
本発明においては、静電容量（Ｃ）は冷媒密度（ρｒ）によって直線近似できることを見出しており、これにより、冷媒密度（ρｒ）を用いて既知の相関特性から測定時に必要とされる相関特性を精度よく決定できるようになり、膨大な既知データを必要とせずに容易に油分率（χ）を求めることができる。
【００１６】
請求項３に記載の発明では、演算手段（４００）は、静電容量（Ｃ）が油分率（χ）、冷媒の密度（ρｒ）、冷凍機油の密度（ρｏｉｌ）によって決定されるように予め定めた演算式によって、静電容量（Ｃ）と油分率（χ）との相関特性を演算するようにしたことを特徴としている。
【００１７】
本発明においては、静電容量測定手段（２００）のコンデンサ部（２０９）内の冷媒と冷凍機油が直列状態にあると仮定して、静電容量（Ｃ）と油分率（χ）との相関特性において、冷媒の密度（ρｒ）、冷凍機油の密度（ρｏｉｌ）を含む演算式として導出しており、これにより、相関特性の既知データを持たなくとも、容易に検出される密度（ρｒ、ρｏｉｌ）を用いて相関特性の演算ができ、油分率（χ）を求めることができる。
【００１８】
請求項４に記載の発明では、密度測定手段（３００）は、冷媒の温度を検出する温度検出手段（３０１）および圧力を検出する圧力検出手段（３０２）を有し、密度（ρ）は、温度検出手段（３０１）および圧力検出手段（３０２）によって検出された検出値によって算出されるようにしたことを特徴としている。
【００１９】
これにより、複雑な装置を必要とせずに密度（ρ）の検出ができ、油分率（χ）を求めることができる。
【００２０】
請求項５に記載の発明では、静電容量（Ｃ）は、真空中の静電容量（Ｃｏ）で除した比誘電率（ε）に置換えられて油分率（χ）が決定されるようにしたことを特徴としている。
【００２１】
これにより、静電容量（Ｃ）を無次元化した物理量（ε）として扱えるようになり、静電容量測定手段（２００）の仕様が変更された場合でも、相関特性にかかわる既知データを無駄にすること無く、常に活用できるようになる。
【００２２】
請求項６に記載の発明では、静電容量（Ｃ）および密度（ρ）は、冷媒を圧縮する圧縮機（１１）の吸入側あるいは吐出側の近傍で測定されるようにしたことを特徴としている。
【００２３】
これにより、圧縮機（１１）自身の近傍での油分率（χ）を把握できることになるので、圧縮機（１１）の耐久寿命に対する良否の判断が正確に且つ早期にできる。
【００２４】
請求項７に記載の発明では、圧縮機（１１）の吸入側の近傍で静電容量（Ｃ）および密度（ρ）が測定される場合に、静電容量測定手段（２００）の電極（２０７、２０８）表面には、撥水処理が施されたことを特徴としている。
【００２５】
これにより、冷媒が低温、低圧となる圧縮機（１１）の吸入側においては、冷凍機油の粘度が高くなることによって静電容量測定手段（２００）の内部に付着しやすくなるのを防止できるので、油分率（χ）を正確に求めることができ、且つ、冷凍機油を圧縮機（１１）に確実に循環させることができる。
【００２６】
請求項８に記載の発明では、冷媒を気液分離するアキュムレータ（１８）を有し、分離された液相冷媒中の冷凍機油が冷媒を圧縮する圧縮機（１１）に供給されるための油戻し流路（１９）が設けられた冷凍装置において、上記請求項１〜請求項７のいずれかに記載の発明の油分率測定装置（１００）を、冷媒が流通する配管（２１）中に設け、この油分率測定装置（１００）によって決定された油分率（χｓ）に応じて、油戻し流路（１９）を流通する冷凍機油の量が可変されるようにしたことを特徴としている。
【００２７】
これにより、必要とされる冷凍機油を確実に圧縮機（１１）に供給させることができ、圧縮機（１１）の耐久性を向上させることができる。
【００２８】
請求項９に記載の発明では、静電容量測定手段（２００）の電極（２０７、２０８）を針状のものとし、冷媒が流通する配管（２１）内に配設されるようにしたことを特徴としている。
【００２９】
これにより、静電容量測定手段（２００）自身の容器を廃止でき、省スペース化ができ、また安価にできる。そして、電極（２０７、２０８）を針状としているので形状の融通性が高く、配管（２１）が例えば曲がっているような部位においても設置が可能となり、搭載性に優れたものとすることができる。
【００３０】
尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００３１】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態を図１〜図１０に示す。第１実施形態は、冷凍装置１０の冷媒中の油分率χを測定するようにしたものであり、その全体構成を図１に示している。
【００３２】
冷凍装置１０は、周知の冷凍サイクルを構成するものであり、冷媒を高温、高圧に圧縮する圧縮機１１、圧縮された冷媒を冷却する放熱器１２、冷却された冷媒を断熱膨張させる膨張弁１４、膨張された冷媒を蒸発気化させる蒸発器１５、冷媒を気液分離させるアキュムレータ１８が、配管２１によって順次接続されたものである。放熱器１２には、冷媒冷却時の熱交換を促進させるための送風ファン１３が設けられ、また、蒸発器１５は空調ケース１７内に収容され、送風ファン１６によって送風される空気を冷媒蒸発時の蒸発潜熱により冷却するようにしている。
【００３３】
この冷凍装置１０の冷媒としては、ＣＯ2が用いられるようにしており、圧縮機１１による高圧側の圧力は臨界圧力を越える、所謂超臨界冷凍サイクルとして作動するようにしたものとしている。また、圧縮機１１内には自身の作動を円滑にするための冷凍機油（以下、潤滑油と呼ぶ）が入れられており、この潤滑油は、圧縮機１１の作動により冷媒と共に配管２１内を流通する。
【００３４】
本発明にかかわる油分率測定装置１００は、上記冷凍装置１０の放熱器１２と膨張弁１４の間に配設されて油分率χを測定可能とするものとしており、静電容量測定装置２００、密度測定装置３００、演算装置４００、油分率決定装置５００とから成る。
【００３５】
静電容量測定装置２００は、静電容量測定手段を成すものであり、図２に示すように、ボディ２０１、２０２内にコンデンサ部２０９が設けられたものである。耐圧容器を成すボディ２０１、２０２によって形成される内部空間に端子棒２０５、２０６が設けられ、この端子棒２０５、２０６にはそれぞれ複数の電極２０７、２０８がろう付けされ、交互に非接触状態となるように配列され、コンデンサ部２０９を形成している。そして、このコンデンサ部２０９は、絶縁体２１０、２１１、２１２によって外側のボディ２０１、２０２と絶縁されるようにしている。また、ボディ２０１には入口部２０３および出口部２０４が設けられ、冷凍装置１０内の冷媒がコンデンサ部２０９の電極２０７、２０８間を流通するようにしている。
【００３６】
そして、両端子棒２０５、２０６にそれぞれ正負の異なる電荷が与えられ、コンデンサ部２０９を流通する冷媒（潤滑油を含む冷媒）の静電容量Ｃが測定されるようにしている。尚、ここでは静電容量Ｃの測定精度を向上させるために４端子法を用いている。
【００３７】
密度測定装置３００は、密度測定手段を成すものであり、温度検出手段としての温度センサ３０１、圧力検出手段としての圧力センサ３０２および密度演算部３０３とから成る。温度センサ３０１、圧力センサ３０２はそれぞれ上記静電容量測定装置２００の近傍となる位置で配管２１に設けられるようにしている。そして、密度演算部３０３には、両センサ３０１、３０２からの潤滑油を含む冷媒の温度、圧力検出信号が入力され、予め記憶された密度特性線図（温度、圧力に対する密度値）から測定時の冷媒密度ρｒが決定されるようにしている。
【００３８】
演算装置４００は、演算手段を成すものであり、潤滑油を含む冷媒の静電容量Ｃと冷媒中の潤滑油の割合を示す油分率χとの相関特性を演算する演算機能を備えたものである。ここでは、予め準備可能な複数の温度および圧力をパラメータとした静電容量Ｃと油分率χとの相関特性が既知データとして複数記憶されている。そして、上記密度測定装置３００で測定された冷媒密度ρｒを用いて、既知データから測定時における相関特性を線形補間により演算するようにしているが、その詳細につては後述する。
【００３９】
尚、上記油分率χの定義は、ここでは数式１に示すものとしている。
【００４０】
（数１）
油分率χ＝潤滑油の質量／（冷媒の質量＋潤滑油の質量）
尚、潤滑油、冷媒の質量は共に単位体積当りの値である。
【００４１】
油分率決定装置５００は、油分率決定手段を成すものであり、上記演算装置４００で線形補間により演算された測定時の静電容量Ｃと油分率χとの相関特性から、上記静電容量測定装置２００で測定された静電容量Ｃｓに基づいてその時の油分率χｓを求める演算機能を持たせたものである。
【００４２】
上記密度演算部３０３、演算装置４００、油分率決定装置５００は、演算部４００Ａとして一体で形成するようにしている。
【００４３】
次に上記構成に基づく作動について、演算装置４００での静電容量Ｃと油分率χとの相関特性の演算方法を重点にして以下説明する。
【００４４】
冷凍装置１０の作動に伴ない、配管２１内を冷媒および潤滑油が流通する。まず、静電容量測定装置２００によって、冷凍装置１０の作動時における潤滑油を含む冷媒の静電容量Ｃｓが測定される。また、密度測定装置３００の両センサ３０１、３０２によってこの作動時の温度Ｔｓおよび圧力Ｐｓが測定される。そして、測定された温度Ｔｓ、圧力Ｐｓに基づいて密度演算部３０３で冷媒密度ρｒｓが算出される。
【００４５】
そして、演算部４００において、予め準備された複数の既知データ、即ち、温度および圧力をパラメータとした静電容量Ｃと油分率χとの相関特性から上記測定された温度Ｔｓ、圧力Ｐｓにおける相関特性を推定するために冷媒密度ρｒ（測定時のρｒｓおよび任意のρｒ１〜ρｒ６）を用いて線形補間を行なう。
【００４６】
ここで、理解を深めるために静電容量Ｃと油分率χとの相関特性および既知データについて補足説明を加えた後に、線形補間について説明していく。
【００４７】
静電容量Ｃと油分率χとの相関特性とは、図３に示すように両者を関係付けたものである。冷媒（ここではＣＯ2）と潤滑油（ここではＰＡＧ）とではそれぞれの比誘電率に差が有り、具体的には、冷媒よりも潤滑油の方が比誘電率が大きいため、両者の混合比率、即ち、油分率χが大きくなる程、潤滑油を含む冷媒の比誘電率が大きくなる。一般に、静電容量Ｃを測定するコンデンサ部２０９の電極部の面積をＳ、電極間の距離をｄｏ、真空中の誘電率をεｏとし、比誘電率をεとすれば、Ｃ＝ε・εｏ・Ｓ／ｄｏであり、静電容量Ｃは比誘電率εに比例するので、静電容量Ｃは上記より油分率χに対して大きくなるような相関を有するものとなる。この相関特性を用いて、測定された静電容量Ｃｓから油分率χｓを求めるようにしたものが、本発明における基本の考え方になっている。
【００４８】
冷媒が液相状態においては、温度が定まれば圧力も一義的に定まり、例えば温度をパラメータとして測定時の温度条件を含む相関特性を予め準備しておけば、従来技術の項で説明したように油分率χが測定できることになる。
【００４９】
しかしながら、冷媒が超臨界状態や気相状態においては、図４に示すように、同一圧力の場合でも、温度が変われば冷媒の比誘電率εｒは大きく変化するため、正確な油分率χを得るためには、温度および圧力をパラメータとした膨大な量の相関特性を予め準備する必要が生ずることになるが、本実施形態では後述する冷媒密度ρｒを用いて、図５に示すように、測定時に取りうる圧力および温度範囲内で準備可能なパラメータの水準数とした相関特性（ここでは最小限の条件として圧力２水準、温度４水準としている。）を基にして線形補間することで油分率χの算出を可能としており、この図５に示すような相関特性を本実施形態における既知データとして演算装置４００に予め記憶させるようにしている。
【００５０】
上記内容を踏まえた上で、次に測定時における静電容量Ｃと油分率χとの相関特性を決定する線形補間について説明する。
【００５１】
ここでの線形補間は、２つの既知の相関特性の間に存在すると思われる測定時の相関特性を、それぞれの相関特性の温度、圧力条件における冷媒密度ρｒの比を持って求めるようにしたものである。これは、冷媒の比誘電率εｒがその密度ρｒによって線形近似できることに着目したものである。
【００５２】
具体的には、数式２、数式３に示すクラジウスーモソッティの式より冷媒の比誘電率εｒが冷媒密度ρｒによって線形近似できることを見出している。
【００５３】
（数２）
εｒ＝（Ｄ＋２ρｒ）／（Ｄ−ρｒ）
（数３）
Ｄ＝３・εｏ・Ｍ／α・Ｎ
ここで、εｒ：冷媒の比誘電率
ρｒ：冷媒の密度［ｋｇ／ｍ2］
εｏ：真空中の誘電率［Ｆ／ｍ］
Ｍ：分子量［ｋｇ／ｍｏｌ］
α：分極率［Ｆｍ2］
Ｎ：アボガドロ数［１／ｍｏｌ］である。
【００５４】
上記数式２、数式３より、冷媒の比誘電率εｒを冷媒の密度ρｒで微分してやると、数式４に示すように、ほぼ一定値となることから、冷媒の比誘電率εｒは冷媒の密度ρｒによって線形近似できると考えられ、即ち、これは図６に示すように、冷媒の比誘電率εｒに比例する静電容量Ｃは、冷媒密度ρｒによって線形近似できると考えられる訳である。
【００５５】
（数４）
∂εｒ／∂ρｒ＝３Ｄ／（Ｄ−ρｒ）2
＝３×６５８０／（６５８０−ρｒ）2
≒ｃｏｎｓｔ  （ρｒ≪６５８０）
この考え方を基に以下具体的な線形補間の要領について説明する。上記のように各測定装置２００、３００によって静電容量Ｃｓ、温度Ｔｓ、圧力Ｐｓ、冷媒密度ρｒｓが測定された後、既知データより温度Ｔｓ、圧力Ｐｓに近い条件の相関特性を４つ選択する。即ち、図７に示すように、圧力については、Ｐ２≦Ｐｓ＜Ｐ１となるＰ１、Ｐ２を選択し、圧力Ｐ１においてＴ２≦Ｔｓ＜Ｔ１となるＴ１、Ｔ２を有する相関特性を選択する。また、圧力Ｐ２においてＴ４≦Ｔｓ＜Ｔ３となるＴ３、Ｔ４を有する相関特性を選択する。
【００５６】
次に選択した４つの相関特性の各温度、圧力条件から冷媒密度ρｒ１〜ρｒ４を密度測定装置３００によって算出する。更に、高圧側の圧力Ｐ１、測定温度Ｔｓにおける冷媒密度ρｒ５と低圧側の圧力Ｐ２、測定温度Ｔｓにおける冷媒密度ρｒ６も合せて算出する。
【００５７】
そして、図８に示すように、冷媒密度ρｒ１、ρｒ２、ρｒ５を用いて内挿し、線形補間により圧力Ｐ１、測定温度Ｔｓにおける相関特性を推定する。これは、上記で説明したように静電容量Ｃは冷媒密度ρｒによって線形近似できることから、既知の２つの相関特性の間を、ａ／ｂ＝（ρｒ１−ρｒ５）／（ρｒ５−ρｒ２）として比例配分によってその推定を可能としているのである。
【００５８】
同様に、図９に示すように、冷媒密度ρｒ３、ρｒ４、ρｒ６を用いて内挿し、線形補間により圧力Ｐ２、測定温度Ｔｓにおける相関特性を推定する。（ここでは、ｃ／ｅ＝（ρｒ３−ρｒ６）／（ρｒ６−ρｒ４）として比例配分している。）
最後に、図８、図９で得られた冷媒密度ρｒ５、ρｒ６および当初に測定された冷媒密度ρｒｓを用いて内挿し、図１０に示すように圧力Ｐｓ、温度Ｔｓにおける相関特性を推定する。（ここでは、ｆ／ｇ＝（ρｒ５−ρｒｓ）／（ρｒｓ−ρｒ６）として比例配分している。）
以上の線形補間により得られた図１０に示す相関特性が測定時における相関特性となるわけであり、この相関特性を用いて油分率決定装置５００において測定された静電容量Ｃｓに対応する油分率χｓが算出されることになる。
【００５９】
これにより、本実施形態のように、超臨界冷凍サイクルのように冷凍機内の冷媒が、温度、圧力に応じてその静電容量Ｃが大きく変化する超臨界状態や気相状態においても、冷媒の密度ρｒを用いることで油分率χとの相関特性を決定できるので、予め膨大な既知データを準備しなくとも油分率χを容易に求めることができる。
【００６０】
具体的には、本発明では静電容量Ｃが冷媒密度ρｒによって線形近似可能であることを見出しており、冷媒密度ρｒを用いて既知の相関特性から測定時に必要とされる相関特性を線形補間により精度よく決定できるので、膨大な既知データを必要とせずに容易に油分率χを求めることができる。
【００６１】
そして、この油分率測定装置１００を用いて例えばサービス店等で定期的に油分率χをチェックすることにより、あるいは車両に搭載して定期的にユーザが油分率χをチェックすることにより、冷凍装置１０内の圧縮機１１の早期破損の未然防止が可能となる。
【００６２】
本実施形態では、冷媒密度ρｒは、温度センサ３０１および圧力センサ３０２によって検出された検出値によって算出されるようにしており、複雑な装置を必要とせずに容易に冷媒密度ρｒの検出ができ、油分率χを求めることができるようにしている。
【００６３】
また、通常の気相状態および液相状態を有する蒸気圧縮式冷凍サイクルにおいては、安定した液相状態の冷媒は過冷却機能を有する放熱器１２の流出側のみに限定され、この部位で従来技術での油分率χの測定が可能では有るが、気相状態となる圧縮機１１の吐出側、吸入側では測定不能であったため、圧縮機１１に対する正確な油分率χの測定ができなかったものに対して、本発明ではこれを可能とすることができる。
【００６４】
尚、上記実施形態では、ＣＯ2を冷媒とし臨界圧力以上で作動する超臨界冷凍サイクルの冷凍装置１０として説明したが、これに限定されるものではなく、フロン等を冷媒とする通常の冷凍装置に適用しても良い。
【００６５】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図１１に示す。図１１は測定時における静電容量Ｃと油分率χとの相関特性を線形補間により算出する要領を示したものであり、この第２実施形態は、上記第１実施形態に対して、演算装置４００における測定時の相関特性の算出方法を変更したものとしている。
【００６６】
基本構成は上記第１実施形態と同一であるが、冷媒密度ρｒを主体にして既知データを選択するようにしており、既知データの温度Ｔ、圧力Ｐに対する冷媒密度ρｒを予め算出しておくようにしている。
【００６７】
まず測定時の冷媒密度ρｒｓを密度測定装置３００により算出する。そして、既知データよりこのρｒｓに近い条件の相関特性を２つ選択する。即ち、ρｒ２≦ρｒｓ＜ρｒ１となるように、冷媒密度ρｒ１、圧力Ｐ１、温度Ｔ１における相関特性と、冷媒密度ρｒ２、圧力Ｐ２、温度Ｔ２における相関特性の２つを選択する。
【００６８】
そして、図１１に示すように、上記第１実施形態と同様の要領で冷媒密度ρｒ１、ρｒ２、ρｒｓを用いて内挿し、線形補間により圧力Ｐｓ、測定温度Ｔｓにおける相関特性を推定し（ここでは、ｈ／ｉ＝（ρｒ１−ρｒｓ）／（ρｒｓ−ρｒ２）として比例配分している。）、静電容量Ｃｓに対する油分率χｓが算出されるようにしている。
【００６９】
これにより、上記第１実施形態では、既知データから４つの相関特性を選択し、３回の線形補間を行なって測定時の相関特性を求めるようにしていたが、ここでは冷媒密度ρｒを主体にして既知データから２つの相関関数を選択し、１回の線形補間で測定時の相関特性の算出が可能としており、更に容易に油分率χを求めることができる。
【００７０】
（第３実施形態）
第３実施形態は、上記第１実施形態に対して静電容量Ｃを比誘電率ε（潤滑油を含む冷媒の比誘電率）に置換えて油分率χを求めるようにしたものである。
【００７１】
基本構成は、上記第１実施形態と同一であるが、静電容量測定装置２００において、測定された静電容量Ｃを数式５に基づいて比誘電率εに換算する演算機能を付加している。尚、静電容量測定装置２００によって得られる測定時の比誘電率は、以下、εｓと表示することにする。
【００７２】
（数５）
潤滑油を含む冷媒の比誘電率ε＝（測定した静電容量Ｃ−浮遊容量）／（真空中の静電容量Ｃｏ−浮遊容量）
また、演算装置４００に記憶される既知データとしての相関特性は、上記比誘電率εと油分率χとの関係になるようにしたものとしている。
【００７３】
油分率χの測定にあたっては、静電容量Ｃｓを測定した後、この測定値を比誘電率εｓに換算し、以降は、上記第１実施形態と同様に測定時の相関特性（比誘電率εに対する油分率χの関係）を線形補間により算出し、比誘電率εｓに対する油分率χｓを求めるようにしている。
【００７４】
尚、比誘電率εと油分率χとの相関特性において、線形補間が可能となる理由は、上記第１実施形態の数式２〜数式４における説明より明白である。
【００７５】
これにより、静電容量Ｃを無次元化した物理量（ε）として扱えるので、静電容量測定装置２００の仕様（コンデンサ部２０９）が変更された場合でも、相関特性にかかわる既知データを無駄にすること無く、常に活用できるようになる。
【００７６】
（第４実施形態）
第４実施形態は、上記第１〜第３実施形態に対して、既知データとしての相関特性を必要とせずに、静電容量Ｃが、油分率χと密度測定装置３００によって測定される冷媒密度ρｒおよび潤滑油密度ρｏｉｌによって決定されるように予め演算式を設けて、相関特性を算出した後に、油分率χを求めるようにしたものである。
【００７７】
基本構成は、上記第１実施形態と同一であるが、密度測定装置３００において、冷媒密度ρｒに加えて潤滑油密度ρｏｉｌも同時に算出されるようにしており、また、演算装置４００には、予め相関特性演算式が記憶されており、測定される静電容量Ｃおよび両密度ρｒ、ρｏｉｌを用いて相関特性を求めるようにしている。この相関特性演算式の設定の考え方について、以下、図１２を用いて説明する。
【００７８】
まず、静電容量測定装置２００内のコンデンサ部２０９のモデルを仮定する。
即ち、実際の冷媒と潤滑油は、図１２（ａ）に示すように、共に混ざり有った状態でコンデンサ部２０９内を流通しているが、ここでは図１２（ｂ）に示すように、冷媒で満たされたコンデンサ部２０９ａと潤滑油で満たされたコンデンサ部２０９ｂが直列に接続されているモデルに置換えられると仮定している。
【００７９】
このモデルをベースにして以下相関特性演算式を導出していく。コンデンサ部２０９全体の静電容量Ｃは、コンデンサ部２０９ａの冷媒の静電容量Ｃｒとコンデンサ部２０９ｂの潤滑油の静電容量Ｃｏｉｌによって数式６で表される。
【００８０】
（数６）
１／Ｃ＝１／Ｃｒ＋１／Ｃｏｉｌ
真空中の静電容量Ｃｏは数式７で表され、冷媒の静電容量Ｃｒ、潤滑油の静電容量Ｃｏｉｌはそれぞれ数式７を用いて数式８、数式９で表される。
【００８１】
（数７）
Ｃｏ＝εｏ・Ｓ／ｄｏ
εｏ：真空中の誘電率［Ｆ／ｍ］
Ｓ：コンデンサ部の面積［ｍ2］
ｄｏ：コンデンサ部間距離［ｍ］
（数８）
Ｃｒ＝εｒ・εｏ・Ｓ／｛（１−ｄ）ｄｏ｝＝εｒ・Ｃｏ／（１−ｄ）
εｒ：冷媒の比誘電率
ｄ：潤滑油の占める体積割合
（数９）
Ｃｏｉｌ＝εｏｉｌ・εｏ・Ｓ／（ｄ・ｄｏ）＝εｏｉｌ・Ｃｏ／ｄ
εｏｉｌ：潤滑油の比誘電率
そして、数式８、数式９を数式６に代入することで数式１０が得られる。
【００８２】
（数１０）
Ｃ＝εｒ・εｏｉｌ・Ｃｏ／｛εｒ・ｄ＋εｏｉｌ（１−ｄ）｝
尚、潤滑油の占める体積割合ｄは、油分率χと冷媒密度ρｒと潤滑油密度ρｏｉｌで決まるパラメータとして数式１１のように表すことができる。
【００８３】
（数１１）
ｄ＝χ／｛χ＋（１００−χ）・ρｏｉｌ／ρｒ｝
上記数式１０において、冷媒の比誘電率εｒは、上記第１実施形態において説明した数式２、数式３のクラジウスーモソッティの式より冷媒密度ρｒを用いて算出することができ、また、潤滑油の比誘電率εｏｉｌは、液相状態であるために温度Ｔのみの関数として数式１２より算出することができる。
【００８４】
（数１２）
εｏｉｌ＝５．６０−０．０１・Ｔ
よって、数式１０、数式１１より冷媒密度ρｒ、潤滑油密度ρｏｉｌを用いて、静電容量Ｃと油分率χとの相関を決定することができることとなり、この数式１０、数式１１を相関特性演算式として演算装置４００に予め記憶させるようにしている。また、演算時に必要となる数式２、数式３、数式７、数式１２も合わせて、演算装置４００に予め記憶させるようにしている。
【００８５】
以下、上記相関特性演算式を用いた油分率χの測定方法について説明する。
【００８６】
まず、静電容量測定装置２００によって静電容量Ｃｓを求め、密度測定装置３００によって測定圧力Ｐｓ、測定温度Ｔｓにおける冷媒密度ρｒｓ、潤滑油密度ρｏｉｌｓを求める。
【００８７】
次に、演算装置４００において、上記冷媒密度ρｒｓ、潤滑油密度ρｏｉｌｓを用いて、数式１１より任意の油分率χにおける潤滑油の占める体積割合ｄを演算する。そして、数式２、数式３、数式１２より冷媒の比誘電率εｒ、潤滑油の比誘電率εｏｉｌを演算し、数式７より真空中の静電容量Ｃｏを演算する。
【００８８】
次に、上記潤滑油の占める体積割合ｄ、比誘電率εｒ、潤滑油の比誘電率εｏｉｌ、真空中の静電容量Ｃｏを数式１０に代入し、任意の油分率χにおける静電容量Ｃを演算する。以下、油分率χを任意に変化させて上記の演算を繰返すことで、静電容量Ｃと油分率χとの相関特性が得られる。
【００８９】
そして、当初測定された静電容量Ｃｓに対応する油分率χを求めることで、測定すべき油分率χｓとして決定される。
【００９０】
これにより、相関特性の既知データを持たなくとも、容易に検出される冷媒密度ρｒ、潤滑用密度ρｏｉｌから静電容量Ｃと油分率χとの相関特性の演算ができ、油分率χを求めることができる。
【００９１】
（第５実施形態）
本発明の第５実施形態を図１３、図１４に示す。第５実施形態は油分率測定装置１００の配設位置を上記第１実施形態に対して変更したものである。
【００９２】
基本の構成は上記第１実施形態と同一であるが、図１３に示すものは、冷凍装置１０において油分率測定装置１００を圧縮機１１の吐出側近傍となるように、圧縮機１１と放熱器１２との間に配設して油分率χを測定するようにしており、また、図１４に示すものは、圧縮機１１の吸入側近傍となるように、圧縮機１１とアキュムレータ１８との間に配設して油分率χを測定するようにしている。
【００９３】
これにより、圧縮機１１自身の近傍での油分率χを把握できることになるので、圧縮機１１の耐久寿命に対する良否の判断が正確に且つ早期にできるようになる。
【００９４】
また、油分率測定装置１００を圧縮機１１の吸入側近傍に配設して油分率χを測定する場合は、静電容量測定装置２００の電極２０７、２０８の表面に撥水処理を施すと良い。
【００９５】
これにより、冷媒が低温、低圧となる吸入側においては、潤滑油の粘度が高くなることによって静電容量測定装置２００の内部、特に電極２０７、２０８に付着しやすくなるのを防止できるので、油分率χを正確に求めることができ、且つ、潤滑油を圧縮機１１に確実に循環させることができる。
【００９６】
（第６実施形態）
本発明の第６実施形態を図１５に示す。第６実施形態は、油分率測定装置１００自信を冷凍装置１０内に組込み、得られる油分率χの値を基にして、アキュムレータ１８から圧縮機１１に供給される潤滑油量が適正に制御される冷凍装置１０としたものである。
【００９７】
基本構成は、上記第１実施形態に対して、アキュムレータ１８から圧縮機１１に潤滑油が供給される潤滑油戻し流路１９と、この潤滑油戻し流路１９をバイパスすると共に、自身を流通する潤滑油量を調節する電磁弁２０を有するバイパス流路２２を設けている。ここでは、電磁弁２０を開いた時には、バイパス流路２２を流通する潤滑油の流量が潤滑油戻し流路１９を流通する潤滑油の流量よりも大きくなるように、流路面積を大きくすることで対応するようにしている。
【００９８】
そして、油分率測定装置１００の演算装置４００には、上記電磁弁２０を開くための判定値となる所定の油分率χｌｏｗの値が予め記憶されるようにしており、油分率決定装置５００によって随時測定される油分量χｓと比較演算するようにしている。
【００９９】
そして、図１６のタイムチャートに示すように、油分量χｓが所定の油分量χｌｏｗを下回った時に電磁弁２０を開き、油分量χｓが所定の油分量χｌｏｗを上回った時には電磁弁２０を閉じるようにしている。
【０１００】
これにより、必要とされる潤滑油（油分率χｍｉｎ値）を確実に圧縮機１１に供給させることができ、圧縮機１１の耐久性を向上させることができる。
【０１０１】
尚、この油分率測定装置１００を組込んだ冷凍装置１０においては、静電容量測定装置２００の電極２０７、２０８は、図１７に示すように、針状のものとして、絶縁体２１０ａ、２１１ａ、２１２ａを介して配管２１内に設けるようにしても良い。
【０１０２】
これにより、静電容量測定装置２００自身の容器となるボディ２０１、２０２を廃止でき、省スペース化ができ、また安価にできる。そして、電極２０７、２０８を針状としているので形状の融通性が高く、配管２１が例えば曲がっているような部位においても設置が可能となり、搭載性に優れたものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態における全体構成を示す模式図である。
【図２】図１における静電容量測定装置を示す断面図である。
【図３】静電容量Ｃと油分率χとの相関特性図である。
【図４】圧力および温度により変化する冷媒の比誘電率を示すグラフである。
【図５】既知データのイメージを示す略図である。
【図６】静電容量が冷媒密度によって線形近似されることを示すグラフである。
【図７】線形補間を行なうために選択する圧力と温度の座標を示すグラフである。
【図８】圧力Ｐ１における、温度Ｔ１、Ｔ２間での線形補間を示すグラフである。
【図９】圧力Ｐ２における、温度Ｔ３、Ｔ４間での線形補間を示すグラフである。
【図１０】温度Ｔｓにおける、圧力Ｐ１、Ｐ２間での線形補間を示すグラフである。
【図１１】本発明の第２実施形態における冷媒密度ρｒ１、ρｒ２間での線形補間を示すグラフである。
【図１２】本発明の第４実施形態におけるコンデンサ部を示す（ａ）は冷媒と潤滑油が混ざり合った状態、（ｂ）は冷媒と潤滑油が直列状態にあると仮定した場合のモデル図である。
【図１３】本発明の第５実施形態におけるバリエーション１の全体構成を示す模式図である。
【図１４】本発明の第５実施形態におけるバリエーション２の全体構成を示す模式図である。
【図１５】本発明の第６実施形態における全体構成を示す模式図である。
【図１６】油分率の変化に対する電磁弁の開閉状態を示すタイムチャートである。
【図１７】本発明の第６実施形態におけるバリエーション３の電極を示す（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａにおける断面図である。
【符号の説明】
１０  冷凍装置
１１  圧縮機
１８  アキュムレータ
１９  潤滑油戻し流路
２１  配管
１００  油分率測定装置
２００  静電容量測定装置（静電容量測定手段）
２０７  電極
２０８  電極
３００  密度測定装置（密度測定手段）
３０１  温度センサ（温度検出手段）
３０２  圧力センサ（圧力検出手段）
４００  演算装置（演算手段）
５００  油分率測定装置（油分率測定手段）
【図１】
0004578729.tif 000002
【図２】
0004578729.tif 000003
【図３】
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【図４】
0004578729.tif 000005
【図５】
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【図６】
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【図７】
0004578729.tif 000008
【図８】
0004578729.tif 000009
【図９】
0004578729.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
0004578729.tif 000012
【図１２】
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【図１３】
0004578729.tif 000014
【図１４】
0004578729.tif 000015
【図１５】
0004578729.tif 000016
【図１６】
0004578729.tif 000017
【図１７】
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