JP7150191B2 - 室外ユニットおよび冷凍サイクル装置 - Google Patents

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この発明は、室外ユニットおよび冷凍サイクル装置に関する。

国際公開第２０１０／１５０３４４号（特許文献１）には、主冷媒回路の凝縮器と主減圧機構との間で分配された冷媒を、圧縮機において冷媒が中間圧となる中間圧部へ注入するように接続したインジェクション流路を備える、冷凍サイクル装置が開示されている。インジェクション流路を採用することによって、容積式の圧縮機を用いた蒸気圧縮サイクルにおいて、高効率と高信頼性を確保することができる。

国際公開第２０１０／１５０３４４号

冷凍サイクル装置においては、冷媒量の過不足は冷凍装置の能力低下および構成機器の損傷を生じさせる原因となる。したがって、圧縮機が故障する前に冷媒不足を検出している場合が多い。

一般に、冷媒回路に封入された冷媒が充填量不足または漏洩などによって不足すると、冷凍サイクル装置は圧縮機の吐出冷媒の温度が目標温度よりも上昇するなどして、効率が低下する。したがって、冷媒不足によって圧縮機の故障などに至らない段階であっても、冷媒の漏洩などによって進行する冷媒不足はなるべく早期に検知することが望ましい。

この発明の目的は、早期の段階で冷媒不足を検出することができる室外ユニットおよび冷凍サイクル装置を提供することである。

本開示は、第１膨張装置および蒸発器を含む負荷装置に接続されるように構成された冷凍サイクル装置の室外ユニットに関する。室外ユニットは、負荷装置と接続するための冷媒出口ポートおよび冷媒入口ポートと、冷媒入口ポートから冷媒出口ポートに至る流路であって、負荷装置とともに冷媒が循環する循環流路を形成する第１流路と、第１流路において冷媒入口ポートから冷媒出口ポートに向けて順に配置される、圧縮機および凝縮器と、第１流路の凝縮器と冷媒出口ポートとの間の部分から分岐し、凝縮器を通過した冷媒を圧縮機に戻すように構成された第２流路と、第２流路の第１流路からの分岐点から順に第２流路に配置される第２膨張装置、受液器および減圧装置と、圧縮機、第２膨張装置を制御する制御装置とを備える。制御装置は、減圧装置に流れる冷媒の流量が、冷媒が液相かつ単相であるときに減圧装置に流れる流量よりも少ない場合に、冷媒が不足していることを報知する。

本開示の室外ユニットおよびそれを備える冷凍サイクル装置によれば、インジェクション流路に受液器を配置する構成において冷媒の漏洩などによって冷媒が不足した場合に、早期の段階で冷媒不足を検出することができる。

実施の形態１に従う冷凍サイクル装置１の全体構成図である。 実施の形態１における膨張弁７１の制御および冷媒量不足の検知の制御を説明するためのフローチャートである。 実施の形態２に従う冷凍サイクル装置１Ａの全体構成図である。 実施の形態２における膨張弁７１の制御を説明するためのフローチャートである。 実施の形態２における冷媒量の不足を検出する処理を説明するためのフローチャートである。 実施の形態３に従う冷凍サイクル装置１Ｂの全体構成図である。 実施の形態３における冷媒量の不足を検出する処理を説明するためのフローチャートである。 実施の形態４に従う冷凍サイクル装置１Ｃの全体構成図である。 実施の形態４における冷媒量の不足を検出する処理を説明するためのフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。以下では、複数の実施の形態について説明するが、各実施の形態で説明された構成を適宜組み合わせることは出願当初から予定されている。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に従う冷凍サイクル装置１の全体構成図である。なお、図１では、冷凍サイクル装置における各機器の接続関係および配置構成を機能的に示しており、物理的な空間における配置を必ずしも示すものではない。

図１を参照して、冷凍サイクル装置１は、室外ユニット２と、負荷装置３と、配管８４，８８とを備える。室外ユニット２は、負荷装置３と接続するための冷媒出口ポートＰＯ２および冷媒入口ポートＰＩ２を有する。負荷装置３は、室外ユニット２と接続するための冷媒出口ポートＰＯ３および冷媒入口ポートＰＩ３を有する。配管８４は、室外ユニット２の冷媒出口ポートＰＯ２と負荷装置３の冷媒入口ポートＰＩ３とを接続する。配管８８は、負荷装置３の冷媒出口ポートＰＯ３と室外ユニット２の冷媒入口ポートＰＩ２とを接続する。

冷凍サイクル装置１の室外ユニット２は、負荷装置３に接続されるように構成される。室外ユニット２は、吸入ポートＧ１、吐出ポートＧ２、中間圧ポートＧ３を有する圧縮機１０と、凝縮器２０と、ファン２２と、配管８０，８１，８２，８９とを備える。

負荷装置３は、膨張装置である膨張弁５０と、蒸発器６０と、配管８５、８６，８７とを含む。蒸発器６０は空気と冷媒との間で熱交換を行なうように構成される。冷凍サイクル装置１では、蒸発器６０は、冷却対象空間の空気からの吸熱によって冷媒を蒸発させる。膨張弁５０は、例えば、室外ユニット２と独立して制御される温度膨張弁である。なお、膨張弁５０は冷媒を減圧することができる電子膨張弁であってもよい。

圧縮機１０は、配管８９から吸入される冷媒を圧縮して配管８０へ吐出する。また、圧縮機１０には中間圧ポートＧ３が設けられており中間圧ポートＧ３からの冷媒を圧縮工程の途中部分に流入させることができる。圧縮機１０には種々のタイプのものを採用可能であり、例えば、スクロールタイプ、ロータリータイプ、スクリュータイプ等のものを採用し得る。圧縮機１０は、インバータ制御により運転周波数を任意に変更することができるものであっても良い。この場合には、圧縮機１０は、制御装置１００からの制御信号に従って回転速度を調整するように構成される。圧縮機１０の回転速度を調整することで冷媒の循環量が調整され、冷凍サイクル装置１の能力を調整することができる。ただし、室外ユニット２のコストを下げるために、一定速度で回転するモータによって駆動される構成のものがしばしば採用される。

凝縮器２０は、圧縮機１０から吐出された高温高圧のガス冷媒が外気と熱交換（放熱）を行なうように構成される。この熱交換により、ガス冷媒は凝縮されて液相に変化する。圧縮機１０から配管８０に吐出された冷媒は、凝縮器２０において凝縮および液化され配管８１へ流出する。熱交換の効率を上げるため外気を送るファン２２が凝縮器２０に取り付けられている。ファン２２は、凝縮器２０において冷媒が熱交換を行なう外気を凝縮器２０に供給する。ファン２２の回転数を調整することにより、圧縮機１０の吐出側の冷媒圧力（高圧側圧力）を調整することができる。配管８１の下流には配管８２が接続されている。

室外ユニット２は、冷媒入口ポートＰＩ２から、配管８９、圧縮機１０、配管８０、凝縮器２０、配管８１，８２を順に経て冷媒出口ポートＰＯ２に至る第１流路Ｆ１を備える。第１流路Ｆ１は、負荷装置３の膨張弁５０および蒸発器６０が配置される流路とともに、冷媒が循環する循環流路を形成する。以下、この循環流路を冷凍サイクルの「主冷媒回路」とも言う。

室外ユニット２は、循環流路の凝縮器２０の出口と冷媒出口ポートＰＯ２との間の分岐点ＢＰから、圧縮機１０の中間圧ポートＧ３に冷媒を流す配管９１，９２，９３，９４，９６を含んで構成される第２流路Ｆ２をさらに備える。以下において、主冷媒回路から分岐して圧縮機１０に冷媒を送る第２流路Ｆ２を、「インジェクション流路」とも言う。

室外ユニット２は、さらに、第２流路Ｆ２に配置される、膨張装置である膨張弁７１と、受液器７３と、減圧装置７２と、流量制限装置７０とを備える。受液器７３は、液冷媒を貯留する。膨張弁７１は、主冷媒回路から分岐した配管９１と受液器７３の入口に接続された配管９２との間に配置される。配管９３は、受液器７３のガス排出口と配管９４とを接続し受液器７３内の冷媒ガスを排出する。流量制限装置７０は、配管９３と配管９４との間に配置され、冷媒ガスの流量を制限する。流量制限装置７０としては例えばキャピラリチューブが使用できる。

配管９１は、主冷媒回路の分岐点ＢＰから分岐し受液器７３へ冷媒を流入させる配管である。膨張弁７１は主冷媒回路の高圧部の冷媒を中間圧力まで低下させることができる電子膨張弁である。受液器７３は、減圧され二相となった冷媒の気相と液相の分離を容器内で行ない、冷媒を貯蔵し主冷媒回路の冷媒の循環量を調整することができる容器である。受液器７３の上部に接続される配管９３と受液器７３の下部に接続される配管９４は、受液器７３の中でガス冷媒と液冷媒に分離した冷媒を分離した状態で取り出すための配管である。減圧装置７２は、配管９４に設けられ、液冷媒の流量を制限するように構成されるが、電子制御の流量調整弁などのように流量を可変に制御することはできない。減圧装置７２としては、たとえば代表的にはキャピラリチューブを使用することができるが、オリフィスなど流路の断面積が狭くなり圧力差が生じるものであれば良い。減圧装置７２は、流量制限装置７０とともに流量を制限するので、冷媒の充填量が適正であれば受液器７３には適量の液冷媒が貯留される。配管９４の下流部分と中間圧ポートＧ３との間には配管９６が設けられており、配管９３を流れるガス冷媒と配管９４を流れる液冷媒が合流した冷媒が流れる。

このようにインジェクション流路に受液器７３を設けることにより、液管である配管８１における過冷却度を確保することが容易となる。一般に受液器７３にはガス冷媒が存在するため、冷媒の温度は飽和温度となるので、配管８１に受液器７３を配置すると過冷却度を確保できないからである。

室外ユニット２は、さらに、圧力センサ１１０，１１１と、温度センサ１２０，１２１と、圧縮機１０、および膨張弁７１を制御する制御装置１００とを備える。

圧力センサ１１０は、圧縮機１０の吸入ポート部分の圧力ＰＬを検出し、その検出値を制御装置１００へ出力する。圧力センサ１１１は、圧縮機１０の吐出冷媒の圧力ＰＨを検出し、その検出値を制御装置１００へ出力する。

温度センサ１２０は、圧縮機１０の吐出冷媒の温度ＴＨを検出し、その検出値を制御装置１００へ出力する。温度センサ１２１は、凝縮器２０の出口の配管８１の冷媒の温度Ｔ１を検出し、その検出値を制御装置１００へ出力する。

本実施の形態では第２流路Ｆ２は、減圧されて温度が低下した冷媒を圧縮機１０へ流入させることによって圧縮機１０の吐出冷媒の温度ＴＨを制御するものである。加えて第２流路Ｆ２上に設置した受液器７３によって主冷媒回路の冷媒量を調整することができる。

制御装置１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１０２と、メモリ１０４（ＲＯＭ（Read Only Memory）およびＲＡＭ（Random Access Memory））と、各種信号を入出力するための入出力バッファ（図示せず）等を含んで構成される。ＣＰＵ１０２は、ＲＯＭに格納されているプログラムをＲＡＭ等に展開して実行する。ＲＯＭに格納されるプログラムは、制御装置１００の処理手順が記されたプログラムである。制御装置１００は、これらのプログラムに従って、室外ユニット２における各機器の制御を実行する。この制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア（電子回路）で処理することも可能である。

制御装置１００は、膨張弁７１を、圧縮機１０の吐出冷媒の温度ＴＨが目標温度に一致するようにフィードバック制御するとともに、膨張弁７１の制御に併せて冷媒不足の検知と警告を行なうように構成される。冷媒量が適正である場合には、温度ＴＨは目標温度（たとえば１００℃）に制御されるが、冷媒量が不足すると、インジェクション流路を流れる冷媒量が減少し、温度ＴＨは目標温度よりも上昇する。

図２は、実施の形態１における膨張弁７１の制御および冷媒量不足の検知の制御を説明するためのフローチャートである。制御装置１００は、圧縮機１０の吐出冷媒の温度ＴＨが目標温度より高い場合には（Ｓ２１でＹＥＳ）、ステップＳ２２において、膨張弁７１の開度が全開であるか否かを判断する。

ステップＳ２２において、膨張弁７１の開度が全開であった場合には、ステップＳ２３において制御装置１００は、膨張弁７１の開度を増加させる。なお、ここでの「全開」とは、膨張弁７１の開度が予め定められた開度の上限値になることも含む。これによって、受液器７３を経由して中間圧ポートＧ３に流入する冷媒が増えるため、温度ＴＨが低下する。

一方、圧縮機１０の吐出冷媒の温度ＴＨが目標温度より低い場合には（Ｓ２１でＮＯかつＳ２６でＹＥＳ）、制御装置１００は、膨張弁７１の開度を減少させる（Ｓ２７）。これによって、受液器７３を経由して中間圧ポートＧ３に流入する冷媒が減るため、温度ＴＨが上昇する。

温度ＴＨ＝目標温度であれば（Ｓ２１でＮＯかつＳ２６でＮＯ）、制御装置１００は、膨張弁７１の開度を現在の状態に維持する。

このように、制御装置１００は、圧縮機１０の吐出冷媒の温度ＴＨが目標温度に近づくように膨張弁７１の開度を制御する。

一方、ステップＳ２２において、膨張弁７１の開度が全開であった場合には、これ以上膨張弁７１の開度を増加させることはできない。そこで、制御装置１００は、ステップＳ２４において、膨張弁７１の開度が全開である状態が、判定時間（たとえば１０分）継続したか否かを判断する。

膨張弁７１の開度が全開である状態が、判定時間（たとえば１０分）継続していない場合（Ｓ２４でＮＯ）、制御装置１００は、ステップＳ２８に処理を進め、膨張弁７１の開度を現在の状態（全開状態）に維持する。

一方、膨張弁７１の開度が全開である状態が、判定時間（たとえば１０分）継続した場合（Ｓ２４でＹＥＳ）、制御装置１００は、ステップＳ２５に処理を進め、冷媒が不足していることを示す警報を報知装置１０１に出力させる。報知装置１０１は、たとえば、液晶ディスプレイなどの表示装置、警告ランプなどであり、通信回線を介して外部装置への警告信号を送信する装置であっても良い。

以上説明したように、実施の形態１によれば、一定速度で運転する圧縮機１０および安価な減圧装置７２を採用する室外ユニット２に対して、早い段階で冷媒不足を検知することができるので、冷凍サイクル装置の能力低下および冷媒漏洩の拡大を防ぐことができる。

実施の形態２．
実施の形態１においては、インジェクション流路を有する構成の冷凍サイクル装置において、圧縮機から吐出される冷媒の温度の上昇を検出することによりインジェクション流路における冷媒の流量の低下を検出し、これにより早期の段階における冷媒不足の警報を出力した。インジェクション流路の流量低下は、他の方法でも検出することが可能である。

図３は、実施の形態２に従う冷凍サイクル装置１Ａの全体構成図である。なお、図３においても図１と同様に、冷凍サイクル装置における各機器の接続関係および配置構成を機能的に示しており、物理的な空間における配置を必ずしも示すものではない。

図３を参照して、冷凍サイクル装置１Ａは、室外ユニット２Ａと、負荷装置３と、配管８４，８８とを備える。負荷装置３については、実施の形態１と同様であるので、説明は繰返さない。

室外ユニット２Ａは、図１を用いて説明した室外ユニット２の構成において、圧力センサ１１２をさらに備え、制御装置１００に代えて制御装置１００Ａを備える。室外ユニット２Ａの他の部分の構成については、室外ユニット２と同様であるので、説明は繰返さない。

圧力センサ１１２は、配管９２の圧力ＰＭを検出し、その検出値を制御装置１００Ａへ出力する。制御装置１００Ａは、ＣＰＵ１０２と、メモリ１０４と、各種信号を入出力するための入出力バッファ（図示せず）等を含んで構成される。制御装置１００Ａは、膨張弁７１を、圧縮機１０の吐出冷媒の温度ＴＨが目標温度に一致するようにフィードバック制御するように構成される。また制御装置１００Ａは、圧力ＰＭを監視し、冷媒量の不足を検出するように構成される。

冷媒の充填量不足または漏洩などによって、冷媒量が不足すると、受液器７３内の液冷媒の量が減少し、受液器７３から減圧装置７２を通過して排出される冷媒が液相状態から二相状態に変化する。このときガス状態の冷媒は、気泡となって減圧装置７２を通過する。液相単相状態の冷媒が通過する場合よりも、気泡が混じった二相状態の冷媒が通過する方が、減圧装置７２の通過抵抗は大きくなる。

したがって、冷媒量が不足すると、減圧装置７２の前後の圧力差が増大するので、受液器７３の圧力ＰＭも増加する。実施の形態２では、圧力センサ１１２を設けることによって受液器７３の圧力ＰＭを測定し、制御装置１００Ａが圧力ＰＭの増加を検出することによって冷媒量の不足を検知する。

このときに、図２で説明した温度ＴＨを用いた冷媒量の不足の判定を行なわない場合、膨張弁７１の制御はもっと簡単でよい。

図４は、実施の形態２における膨張弁７１の制御を説明するためのフローチャートである。制御装置１００Ａは、圧縮機１０の吐出冷媒の温度ＴＨが目標温度より高い場合には（Ｓ４１でＹＥＳ）、膨張弁７１の開度を増加させる（Ｓ４２）。これによって、受液器７３を経由して中間圧ポートＧ３に流入する冷媒が増えるため、温度ＴＨが低下する。

一方、圧縮機１０の吐出冷媒の温度ＴＨが目標温度より低い場合には（Ｓ４１でＮＯかつＳ４３でＹＥＳ）、制御装置１００Ａは、膨張弁７１の開度を減少させる（Ｓ４４）。これによって、受液器７３を経由して中間圧ポートＧ３に流入する冷媒が減るため、温度ＴＨが上昇する。

温度ＴＨ＝目標温度であれば（Ｓ４１でＮＯかつＳ４３でＮＯ）、制御装置１００Ａは、膨張弁７１の開度を現在の状態に維持する。

このように、制御装置１００Ａは、圧縮機１０の吐出冷媒の温度ＴＨが目標温度に近づくように膨張弁７１の開度を制御する。

図５は、実施の形態２における冷媒量の不足を検出する処理を説明するためのフローチャートである。制御装置１００Ａは、図５に示すフローチャートの処理を一定時間経過毎に繰返して、冷媒量が不足しているか否かを監視している。

制御装置１００Ａは、ステップＳ５１において、圧力ＰＭが判定値を超えるか否かを判断する。圧力ＰＭが判定値を超えていなければ（Ｓ５１でＮＯ）、ステップＳ５３に処理が進められ、圧力ＰＭの監視が継続される。たとえば、圧力ＰＭの判定値は、圧力ＰＬと圧力ＰＨの中央値から＋１０％上昇した値に設定することができる。

圧力ＰＭが判定値を超えていれば（Ｓ５１でＹＥＳ）、ステップＳ５２に処理が進められる。ステップＳ５２では、制御装置１００Ａは、冷媒が不足していることを示す警報を報知装置１０１に出力させる。報知装置１０１は、たとえば、液晶ディスプレイなどの表示装置、警告ランプなどであり、通信回線を介して外部装置への警告信号を送信する装置であっても良い。

以上説明したように、実施の形態２によれば、一定速度で運転する圧縮機１０および安価な減圧装置７２を採用する室外ユニット２に対して、早い段階で冷媒不足を検知することができるので、冷凍サイクル装置の能力低下および冷媒漏洩の拡大を防ぐことができる。

なお、処理を簡単にするために、図４では冷媒量不足の判断は行なわなかったが、図４のフローチャートの処理に代えて図２のフローチャートの処理を行なっても良い。この場合には、圧力ＰＭに基づく冷媒量不足の判断と、温度ＴＨに基づく冷媒量不足の判断とを組み合わせて用いるため、冷媒量不足をより確実に検出することができる。

実施の形態３．
実施の形態３においては、冷媒出口ポートＰＯ２の過冷却度を確保するために熱交換器を液管に設けた構成における冷媒量不足の検出について説明する。

図６は、実施の形態３に従う冷凍サイクル装置１Ｂの全体構成図である。なお、図６においても図１と同様に、冷凍サイクル装置における各機器の接続関係および配置構成を機能的に示しており、物理的な空間における配置を必ずしも示すものではない。

図６を参照して、冷凍サイクル装置１Ｂは、室外ユニット２Ｂと、負荷装置３と、配管８４，８８とを備える。負荷装置３については、実施の形態１と同様であるので、説明は繰返さない。

室外ユニット２Ｂは、図１を用いて説明した室外ユニット２の構成において、熱交換器３０と温度センサ１２２とをさらに備え、制御装置１００に代えて制御装置１００Ｂを備える。

熱交換器３０には、第１通路Ｈ１と第２通路Ｈ２とが形成される。第１通路Ｈ１は、配管８１と配管８２との間に接続される。第２通路Ｈ２は、配管９４と配管９６との間に接続される。熱交換器３０は、凝縮器２０を通過した第１通路Ｈ１を流れる冷媒と受液器７３から排出され第２通路Ｈ２を流れる冷媒との間で熱交換するように構成される。

温度センサ１２２は、第１通路Ｈ１を通過した後に配管８２に流れる冷媒の温度Ｔ２を検出し、その検出値を制御装置１００Ｂへ出力する。温度センサ１２２は、温度センサ１２１とともに、第１通路Ｈ１を通過する前後の冷媒の温度差ΔＴ１を検出する温度差検出部Ｋ１を構成する。

制御装置１００Ｂは、ＣＰＵ１０２と、メモリ１０４と、各種信号を入出力するための入出力バッファ（図示せず）等を含んで構成される。

室外ユニット２Ｂの他の部分の構成については、室外ユニット２と同様であるので、説明は繰返さない。

制御装置１００Ｂは、膨張弁７１を、圧縮機１０の吐出冷媒の温度ＴＨが目標温度に一致するようにフィードバック制御するように構成される。制御装置１００Ｂは、膨張弁７１の開度について、図４に示したフローチャートと同様な制御を実行する。

また制御装置１００Ｂは、温度Ｔ１と温度Ｔ２との間の温度差ΔＴ１を監視し、冷媒量の不足を検出するように構成される。

冷媒の充填量不足または漏洩などによって、冷媒量が不足すると、受液器７３内の液冷媒の量が減少し、受液器７３から減圧装置７２を通過して排出される冷媒が液相状態または二相状態から気相状態に変化する。冷媒に液相が含まれなくなると、熱交換器３０の第２通路Ｈ２における熱伝達率が急激に低下する。このため、熱交換器３０における熱交換の効率が低下するので、第１通路Ｈ１を通過する冷媒は冷却されにくくなり、温度差ΔＴ１は小さくなる。

したがって、実施の形態３では、温度差検出部Ｋ１を設け、熱交換器３０の効率低下を検出することによって冷媒量の不足を検知する。

図７は、実施の形態３における冷媒量の不足を検出する処理を説明するためのフローチャートである。制御装置１００Ｂは、図７に示すフローチャートの処理を一定時間経過毎に繰返して、冷媒量が不足しているか否かを監視している。

制御装置１００Ｂは、ステップＳ６１において、温度Ｔ１と温度Ｔ２との温度差ΔＴ１が判定値より小さいか否かを判断する。温度差ΔＴ１が判定値以上であれば（Ｓ６１でＮＯ）、ステップＳ６３に処理が進められ、温度差ΔＴ１の監視が継続される。温度差ΔＴ１の判定値は、たとえば固定値２Ｋ（ケルビン）とすることができる。

温度差ΔＴ１が判定値より小さければ（Ｓ６１でＹＥＳ）、ステップＳ６２に処理が進められる。ステップＳ６２では、制御装置１００Ｂは、冷媒が不足していることを示す警報を報知装置１０１に出力させる。報知装置１０１は、たとえば、液晶ディスプレイなどの表示装置、警告ランプなどであり、通信回線を介して外部装置への警告信号を送信する装置であっても良い。

以上説明したように、実施の形態３によれば、一定速度で運転する圧縮機１０および安価な減圧装置７２を採用する室外ユニット２に対して、早い段階で冷媒不足を検知することができるので、冷凍サイクル装置の能力低下および冷媒漏洩の拡大を防ぐことができる。

なお、処理を簡単にするために、図４では冷媒量不足の判断は行なわなかったが、図４のフローチャートの処理に代えて図２のフローチャートの処理を行なっても良い。この場合には、温度差ΔＴ１に基づく冷媒量不足の判断と、温度ＴＨに基づく冷媒量不足の判断とを組み合わせて用いる。また、図３に示した圧力センサ１１２を追加し、圧力ＰＭに基づく冷媒量不足の判断をさらに組み合わせても良い。このような組み合わせによって、冷媒量不足をより確実に検出することができる。

実施の形態４．
実施の形態４においては、冷媒出口ポートＰＯ２の過冷却度を確保するために熱交換器を液管に設けた構成における他の方法による冷媒量不足の検出について説明する。

図８は、実施の形態４に従う冷凍サイクル装置１Ｃの全体構成図である。なお、図８においても図１と同様に、冷凍サイクル装置における各機器の接続関係および配置構成を機能的に示しており、物理的な空間における配置を必ずしも示すものではない。

図８を参照して、冷凍サイクル装置１Ｃは、室外ユニット２Ｃと、負荷装置３と、配管８４，８８とを備える。負荷装置３については、実施の形態１と同様であるので、説明は繰返さない。

室外ユニット２Ｃは、図６を用いて説明した室外ユニット２Ｂの構成において、温度センサ１２１，１２２、制御装置１００Ｂに代えて、温度センサ１２３，１２４、制御装置１００Ｃを備える。

温度センサ１２３は、第２通路Ｈ２を通過する前の配管９４に流れる冷媒の温度Ｔ３を検出し、その検出値を制御装置１００Ｂへ出力する。温度センサ１２４は、第２通路Ｈ２を通過した後に配管９６に流れる冷媒の温度Ｔ４を検出し、その検出値を制御装置１００Ｂへ出力する。温度センサ１２４は、温度センサ１２３とともに、第２通路Ｈ２を通過する前後の冷媒の温度差ΔＴ２を検出する温度差検出部Ｋ２を構成する。

制御装置１００Ｃは、ＣＰＵ１０２と、メモリ１０４と、各種信号を入出力するための入出力バッファ（図示せず）等を含んで構成される。

室外ユニット２Ｃの他の部分の構成については、室外ユニット２Ｂと同様であるので、説明は繰返さない。

制御装置１００Ｃは、膨張弁７１を、圧縮機１０の吐出冷媒の温度ＴＨが目標温度に一致するようにフィードバック制御するように構成される。制御装置１００Ｃは、膨張弁７１の開度について、図４に示したフローチャートと同様な制御を実行する。

また制御装置１００Ｃは、温度Ｔ３と温度Ｔ４との間の温度差ΔＴ２を監視し、冷媒量の不足を検出するように構成される。

冷媒の充填量不足または漏洩などによって、冷媒量が不足すると、受液器７３内の液冷媒の量が減少し、受液器７３から減圧装置７２を通過して排出される冷媒が液相状態または二相状態から気相状態に変化する。二相状態では、熱交換器３０で熱交換が行なわれても、第２通路Ｈ２で起こる冷媒の相変化によって潜熱が奪われるので、温度差ΔＴ２は小さい。しかし、気相状態では、第１通路Ｈ１を通過する高温の冷媒によって、第２通路Ｈ２を通過するガス冷媒が加熱される。この場合、潜熱は関与せずガス冷媒の顕熱のみによって熱交換が行なわれるため、第２通路Ｈ２を通過することによって冷媒温度が上昇する。このため、冷媒量の不足時には温度差ΔＴ２が増加する。

したがって、実施の形態４では、温度差検出部Ｋ２を設け、温度差ΔＴ２を検出することによって冷媒量の不足を検知する。

図９は、実施の形態４における冷媒量の不足を検出する処理を説明するためのフローチャートである。制御装置１００Ｃは、図９に示すフローチャートの処理を一定時間経過毎に繰返して、冷媒量が不足しているか否かを監視している。

制御装置１００Ｃは、ステップＳ７１において、温度Ｔ４と温度Ｔ３との温度差ΔＴ２が判定値より大きいか否かを判断する。温度差ΔＴ２が判定値以下であれば（Ｓ７１でＮＯ）、ステップＳ７３に処理が進められ、温度差ΔＴ２の監視が継続される。温度差ΔＴ２の判定値は、たとえば固定値２Ｋ（ケルビン）とすることができる。

温度差ΔＴ２が判定値より大きければ（Ｓ７１でＹＥＳ）、ステップＳ７２に処理が進められる。ステップＳ７２では、制御装置１００Ｃは、冷媒が不足していることを示す警報を報知装置１０１に出力させる。報知装置１０１は、たとえば、液晶ディスプレイなどの表示装置、警告ランプなどであり、通信回線を介して外部装置への警告信号を送信する装置であっても良い。

以上説明したように、実施の形態４によれば、一定速度で運転する圧縮機１０および安価な減圧装置７２を採用する室外ユニット２に対して、早い段階で冷媒不足を検知することができるので、冷凍サイクル装置の能力低下および冷媒漏洩の拡大を防ぐことができる。

なお、処理を簡単にするために、図４では冷媒量不足の判断は行なわなかったが、図４のフローチャートの処理に代えて図２のフローチャートの処理を行なっても良い。この場合には、温度差ΔＴ２に基づく冷媒量不足の判断と、温度ＴＨに基づく冷媒量不足の判断とを組み合わせて用いる。また、図３に示した圧力センサ１１２を追加し、圧力ＰＭに基づく冷媒量不足の判断をさらに組み合わせても良い。図６に示した温度センサ１２１，１２２を追加し、温度差ΔＴ１に基づく冷媒量不足の判断をさらに組み合わせても良い。このような組み合わせによって、冷媒量不足をより確実に検出することができる。

以上説明した実施の形態１～４の室外ユニットおよび冷凍サイクル装置について、再び図面を参照して総括する。

図１には、膨張弁５０および蒸発器６０を含む負荷装置３に接続されるように構成された冷凍サイクル装置１の室外ユニット２を示す。室外ユニット２は、負荷装置３と接続するための冷媒出口ポートＰＯ２および冷媒入口ポートＰＩ２と、第１流路Ｆ１と、圧縮機１０および凝縮器２０と、第２流路Ｆ２と、膨張弁７１、受液器７３および減圧装置７２と、制御装置１００とを備える。第１流路Ｆ１は、冷媒入口ポートＰＩ２から冷媒出口ポートＰＯ２に至る流路であって、負荷装置３とともに冷媒が循環する循環流路を形成する。圧縮機１０および凝縮器２０は、第１流路Ｆ１において冷媒入口ポートＰＩ２から冷媒出口ポートＰＯ２に向けて順に配置される。第２流路Ｆ２は、第１流路Ｆ１の凝縮器２０と冷媒出口ポートＰＯ２との間の分岐点ＢＰから分岐し、凝縮器２０を通過した冷媒を圧縮機１０に戻すように構成される。膨張弁７１、受液器７３および減圧装置７２は、分岐点ＢＰから順に第２流路Ｆ２に配置される。制御装置１００は、圧縮機１０、膨張弁７１を制御するように構成される。制御装置１００は、減圧装置７２に流れる冷媒の流量が、冷媒が液相かつ単相であるときに減圧装置７２に流れる流量よりも少ない場合に、冷媒が不足していることを報知する。

このように判断することによって、中間圧のインジェクション流路である流路Ｆ２に受液器７３を設置しても冷媒不足が検知可能となる。

好ましくは、圧縮機１０は、回転速度が固定で運転されるように構成される。すなわち、圧縮機１０は、インバータ制御が行なわれておらず、通電すると一定速度で回転するように構成される。このように構成すれば、インジェクション流路である流路Ｆ２に減圧装置７２を配置し、かつ圧縮機１０を一定速度で運転する廉価な構成の室外ユニット２でも、冷媒不足または冷媒漏洩を早期の段階で検出することができる。

好ましくは、室外ユニット２は、圧縮機１０が吐出する冷媒の温度ＴＨを検出する温度センサ１２０をさらに備える。温度センサ１２０の検出する温度ＴＨが目標温度よりも低下した場合に、制御装置１００は、減圧装置７２に流れる冷媒の流量が、冷媒が液相かつ単相であるときに減圧装置７２に流れる流量よりも少ないと判断する。

図３に示す室外ユニット２Ａは、図１に示す室外ユニット２の構成に加えて、受液器７３内の冷媒の圧力ＰＭを検出する圧力センサ１１２をさらに備える。圧力センサ１１２の検出する圧力ＰＭが目標圧力よりも低下した場合に、制御装置１００Ａは、減圧装置７２に流れる冷媒の流量が、冷媒が液相かつ単相であるときに減圧装置７２に流れる流量よりも少ないと判断する。

図６に示す室外ユニット２Ｂは、図１に示す室外ユニット２の構成に加えて、熱交換器３０と、温度差検出部Ｋ１とをさらに備える。熱交換器３０は、第１通路Ｈ１および第２通路Ｈ２を有し、第１通路Ｈ１を流れる冷媒と第２通路Ｈ２を流れる冷媒との間で熱交換を行なうように構成される。温度差検出部Ｋ１は、第１通路Ｈ１の入口の温度Ｔ１と出口の温度Ｔ２との温度差ΔＴ１を検出する。熱交換器３０の第１通路Ｈ１は、第１流路Ｆ１の凝縮器２０と分岐点ＢＰとの間に配置される。熱交換器３０の第２通路Ｈ２は、第２流路Ｆ２の減圧装置７２と圧縮機１０との間に配置される。温度差ΔＴ１が判定値よりも小さい場合に、制御装置１００Ｂは、減圧装置７２に流れる冷媒の流量が、冷媒が液相かつ単相であるときに減圧装置７２に流れる流量よりも少ないと判断する。

図８に示す室外ユニット２Ｃは、図１に示す室外ユニット２の構成に加えて、第１通路Ｈ１および第２通路Ｈ２を有し、第１通路Ｈ１を流れる冷媒と第２通路Ｈ２を流れる冷媒との間で熱交換を行なうように構成された熱交換器３０と、第２通路Ｈ２の入口の温度Ｔ３と出口の温度Ｔ４との温度差ΔＴ２を検出する温度差検出部Ｋ２とをさらに備える。熱交換器３０の第１通路Ｈ１は、第１流路Ｆ１の凝縮器２０と分岐点ＢＰとの間に配置される。熱交換器３０の第２通路Ｈ２は、第２流路Ｆ２の減圧装置７２と圧縮機１０との間に配置される。温度差ΔＴ２が判定値よりも大きい場合に、制御装置１００Ｃは、減圧装置７２に流れる冷媒の流量が、冷媒が液相かつ単相であるときに減圧装置７２に流れる流量よりも少ないと判断する。

なお、実施の形態２（図３、図５）の圧力ＰＭ、実施の形態３（図６、図７）の温度差ΔＴ１、実施の形態４（図８、図９）の温度差ΔＴ２による判断のいずれか１つまたは複数を実施の形態１（図１、図２）による温度ＴＨを用いた判断に組み合わせて、冷媒不足の判定精度を向上させても良い。

なお、冷媒は、凝縮器２０における圧力が臨界圧力以下で使用されるフロン、代替フロンなどの冷媒であってもよいが、凝縮器２０における圧力が臨界圧力より高圧で使用される二酸化炭素などであってもよい。本実施の形態の室外ユニットは、いずれも、中間圧であるインジェクション流路に受液器７３を設置しているので、二酸化炭素などの超臨界冷媒も液相で受液器７３に貯留可能であるとともに、受液器７３の設計圧力を下げてコストを削減することも可能である。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 冷凍サイクル装置、２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ 室外ユニット、３ 負荷装置、１０ 圧縮機、２０ 凝縮器、２２ ファン、３０ 熱交換器、５０，７１ 膨張弁、６０ 蒸発器、７０，７２ 流量制限装置、７３ 受液器、８０～８５，８８～９４，９６ 配管、１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ 制御装置、１０２ ＣＰＵ、１０４ メモリ、１１０～１１２ 圧力センサ、１２０～１２４ 温度センサ、ＢＰ 分岐点、Ｆ１，Ｆ２ 流路、Ｇ１ 吸入ポート、Ｇ２ 吐出ポート、Ｇ３ 中間圧ポート、Ｈ１ 第１通路、Ｈ２ 第２通路、Ｋ１，Ｋ２ 温度差検出部、ＰＩ２，ＰＩ３ 冷媒入口ポート、ＰＯ２，ＰＯ３ 冷媒出口ポート。

Claims (7)

1. 第１膨張装置および蒸発器を含む負荷装置に接続されるように構成された冷凍サイクル装置の室外ユニットであって、
   前記負荷装置と接続するための冷媒出口ポートおよび冷媒入口ポートと、
   前記冷媒入口ポートから前記冷媒出口ポートに至る流路であって、前記負荷装置とともに冷媒が循環する循環流路を形成する第１流路と、
   前記第１流路において前記冷媒入口ポートから前記冷媒出口ポートに向けて順に配置される、圧縮機および凝縮器と、
   前記第１流路の前記凝縮器と前記冷媒出口ポートとの間の分岐点から分岐し、前記凝縮器を通過した前記冷媒を前記圧縮機に戻すように構成された第２流路と、
   前記分岐点から順に前記第２流路に配置される第２膨張装置、受液器および減圧装置と、
   前記圧縮機、前記第２膨張装置を制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記減圧装置に流れる前記冷媒の流量が、前記冷媒が液相かつ単相であるときに前記減圧装置に流れる流量よりも少ない場合に、前記冷媒が不足していることを報知する、室外ユニット。
2. 前記圧縮機が吐出する前記冷媒の温度を検出する温度センサをさらに備え、
   前記温度センサの検出する温度が目標温度よりも低下した場合に、前記制御装置は、前記減圧装置に流れる前記冷媒の流量が、前記冷媒が液相かつ単相であるときに前記減圧装置に流れる流量よりも少ないと判断する、請求項１に記載の室外ユニット。
3. 前記受液器内の前記冷媒の圧力を検出する圧力センサをさらに備え、
   前記圧力センサの検出する圧力が目標圧力よりも低下した場合に、前記制御装置は、前記減圧装置に流れる前記冷媒の流量が、前記冷媒が液相かつ単相であるときに前記減圧装置に流れる流量よりも少ないと判断する、請求項１または２に記載の室外ユニット。
4. 第１通路および第２通路を有し、前記第１通路を流れる冷媒と前記第２通路を流れる冷媒との間で熱交換を行なうように構成された熱交換器と、
   前記第１通路の入口温度と出口温度との温度差を検出する温度差検出部とをさらに備え、
   前記熱交換器の前記第１通路は、前記第１流路の前記凝縮器と前記分岐点との間に配置され、
   前記熱交換器の前記第２通路は、前記第２流路の前記減圧装置と前記圧縮機との間に配置され、
   前記温度差が判定値よりも小さい場合に、前記制御装置は、前記減圧装置に流れる前記冷媒の流量が、前記冷媒が液相かつ単相であるときに前記減圧装置に流れる流量よりも少ないと判断する、請求項１または２に記載の室外ユニット。
5. 第１通路および第２通路を有し、前記第１通路を流れる冷媒と前記第２通路を流れる冷媒との間で熱交換を行なうように構成された熱交換器と、
   前記第２通路の入口温度と出口温度との温度差を検出する温度差検出部とをさらに備え、
   前記熱交換器の前記第１通路は、前記第１流路の前記凝縮器と前記分岐点との間に配置され、
   前記熱交換器の前記第２通路は、前記第２流路の前記減圧装置と前記圧縮機との間に配置され、
   前記温度差が判定値よりも大きい場合に、前記制御装置は、前記減圧装置に流れる前記冷媒の流量が、前記冷媒が液相かつ単相であるときに前記減圧装置に流れる流量よりも少ないと判断する、請求項１または２に記載の室外ユニット。
6. 前記圧縮機は、回転速度が固定で運転されるように構成される、請求項１に記載の室外ユニット。
7. 請求項１～６のいずれか１項に記載の室外ユニットと、前記負荷装置とを備える冷凍サイクル装置。

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