JP2004190894A - 冷凍サイクルの冷媒充填方法および冷媒充填装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒を放出することなく適正量に追加充填することのできる冷媒充填方法および冷媒充填装置を提供する。
【解決手段】冷媒を貯蔵している冷媒貯蔵容器６と、その冷媒貯蔵容器６から冷凍サイクルＲへ冷媒を供給する供給路Ｋと、その供給路Ｋの途中から分岐して設けられた容積可変部５とを設け、外気温度Ｔａが冷媒の臨界温度Ｔｃよりも低い場合、冷凍サイクルＲに容積可変部５内の容積Ｖ０を加えて冷媒を適正量充填した時の冷媒圧力Ｐｎｌまで追加充填した後、容積可変部５内の冷媒を冷凍サイクルＲ内に吸引させる。
これにより、冷媒を放出することなく適正量に追加充填することができる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧縮機、凝縮器、減圧装置および蒸発器を環状に接続した冷凍サイクルに冷媒を追加充填する場合の冷媒充填方法および冷媒充填装置に関するものであり、特に、臨界温度の低いＣＯ_２等の冷媒の冷媒充填方法および冷媒充填装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、臨界温度の高いフロン冷媒等では、冷媒の気液状態をレシーバのサイトグラスから確認しながら適正量の追加充填ができる。これに対し、臨界温度の低いＣＯ_２冷媒等では冷媒がガスの単相状態となるため、目視で確認しながら適正量を追加充填するということができない。そのため、ＣＯ_２冷媒等を用いた冷凍サイクルにおいて冷媒を追加充填する場合、実際には一旦冷凍サイクル内の冷媒を全て放出してから、重量を計測しながら正規の充填量だけ冷媒を充填し直している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した冷凍サイクル内の冷媒を全て放出してから充填し直す上では次のような問題点がある。
・ 冷媒放出時、コンプレッサオイルも同時に放出されるため、充填し直した後にコンプレッサオイルの不足によりコンプレッサの潤滑不良を引き起こす可能性がある。
・ 放出したコンプレッサオイルが霧状となって人体に吸入され、気管支系の障害等で悪影響を及ぼす可能性がある。
・ 正規の充填量を計測するためには、ボンベ等の冷媒容器ごと重量計測できる上、充填した量を検出できるだけの精度を持った量りが必要となる。
【０００４】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みて成されたものであり、その目的は、冷媒を放出することなく適正量に追加充填することのできる冷媒充填方法および冷媒充填装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１ないし請求項５に記載の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明では、冷媒の圧縮機（１０）、凝縮器（１１）、減圧装置（１２）、および蒸発器（１３）を順に冷媒配管（１４）で環状に接続した冷凍サイクル（Ｒ）と、冷媒を貯蔵している冷媒貯蔵手段（６）と、冷媒貯蔵手段（６）から冷凍サイクル（Ｒ）へ冷媒を供給する供給路（Ｋ）と、供給路（Ｋ）の途中から分岐して設けられた容積可変部（５）とを設け、冷凍サイクル（Ｒ）に冷媒を追加充填する際の冷媒充填方法であり、
外気温度（Ｔａ）が冷媒の臨界温度（Ｔｃ）よりも低い場合、冷凍サイクル（Ｒ）に容積可変部（５）の容積（Ｖ０）を加えて冷媒を適正量充填した時の冷媒圧力（Ｐｎ０）まで追加充填した後、容積可変部（５）の冷媒を冷凍サイクル（Ｒ）内に吸引させることを特徴とする。
【０００６】
また、請求項２に記載の発明では、冷媒の圧縮機（１０）、凝縮器（１１）、減圧装置（１２）、および蒸発器（１３）を順に冷媒配管（１４）で環状に接続した冷凍サイクル（Ｒ）に冷媒を追加充填する際の冷媒充填方法および冷媒充填装置あり、冷媒を貯蔵している冷媒貯蔵手段（６）と、冷媒貯蔵手段（６）から冷凍サイクル（Ｒ）へ冷媒を供給する供給路（Ｋ）と、供給路（Ｋ）の途中から分岐して設けられた容積可変部（５）とを備え、
外気温度（Ｔａ）が冷媒の臨界温度（Ｔｃ）よりも低い場合、冷凍サイクル（Ｒ）に容積可変部（５）の容積（Ｖ０）を加えて冷媒を適正量充填した時の冷媒圧力（Ｐｎ０）まで追加充填した後、容積可変部（５）の冷媒を冷凍サイクル（Ｒ）内に吸引させることを特徴とする。
【０００７】
これらにより、冷媒を放出することなく適正量に追加充填する（補充だけですませる）ことができる。また、冷媒を放出しなくなることより、コンプレッサオイルを放出してコンプレッサの潤滑不良を引き起こしたり、人体に悪影響を及ぼしたりする可能性がなくなるうえ、従来作業と比べて作業安全が確保でき、作業時間も短縮できる。また、従来と同様の圧力計だけで適正な充填量を量ることができる。
【０００８】
請求項３に記載の発明では、容積可変部（５）の容積（Ｖ０）は、外気温度（Ｔａ）が冷媒の臨界温度（Ｔｃ）よりも低くても容積可変部（５）内の容積（Ｖ０）を加えることにより冷凍サイクル（Ｒ）内の冷媒がガスの単相状態になる容積（Ｖ０）としたことを特徴とする。これにより、冷媒充填作業を行なう時の環境温度（外気温度）が様々であっても、冷媒をガスの単相状態にそろえて冷媒充填作業を行なうことができる。
【０００９】
請求項４に記載の発明では、容積可変部（５）をフリーピストン（５ａ）で構成したことを特徴とする。これにより、冷凍サイクル（Ｒ）内の残圧で容易に冷凍サイクル（Ｒ）の容積を増やすことができるうえ、冷凍サイクル（Ｒ）側で吸引することにより容易に増やした容積をゼロにすることができる。
【００１０】
請求項５に記載の発明では、冷媒はフロンガスよりも臨界温度（Ｔｃ）の低い冷媒であることを特徴とする。これは、本発明が従来一般的なフロンガスよりも臨界温度（Ｔｃ）が低くガスの単相状態になり易いＣＯ_２等の冷媒を追加充填する際の冷媒充填方法および冷媒充填装置に好適なことによる。尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を、図面に基づき説明する。図１の（ａ）は、本発明の一実施形態における冷媒充填装置１００の構成を示す模式図、（ｂ）は、冷媒を二相から単相にする時の容積可変部５の説明図、（ｃ）は、冷媒吸引時の容積可変部５の説明図である。また、図２は、冷凍サイクルＲの概略の構成を示す模式図である。
【００１２】
本実施形態は、ＣＯ_２冷媒を用いた車両用空調装置の冷凍サイクルＲに冷媒を追加充填する際の冷媒充填装置の構成および冷媒充填方法について説明する。まず、図２に示すように、車両の冷凍サイクルＲは、冷媒のコンプレッサ（圧縮機）１０、コンデンサ（凝縮器）１１、膨張弁（減圧装置）１２、エバポレータ（蒸発器）１３およびアキュムレータ１５を順次冷媒配管１４により接続して構成され、冷媒として臨界温度の低いＣＯ_２を使用している。
【００１３】
コンプレッサ１０は、共に図示しない車両走行用エンジンもしくは内蔵する電動モータによって駆動され、アキュムレータ１５より吸引した冷媒を一般的使用条件において臨界圧力以上まで圧縮して吐出する。コンデンサ１１は、コンプレッサ１０より吐出された高圧のガス冷媒と送風機１１ａによって送風される外部空気（以下、外気）とを熱交換するもので、冷媒が流れる冷媒通路と、外気が流れる空気通路とを有し、冷媒の流れ方向と空気の流れ方向とが直交するように構成されている。
【００１４】
しかし、コンデンサ１１に流入するＣＯ_２冷媒は、コンプレッサ１０で臨界圧力以上に加圧されているので、コンデンサ１１で放熱しても凝縮することはない。膨張弁１２は、コンデンサ１１から流出する冷媒を弁開度に応じて減圧する減圧装置であり、制御装置（図示せず）によって弁開度が電気的に制御される。
【００１５】
エバポレータ１３は、膨張弁１２で減圧された冷媒を送風機１３ａによって送風される外気もしくは車室内空気との熱交換によって蒸発させる。アキユムレータ１５は、エバポレータ１３で蒸発した冷媒を気液分離して液冷媒を貯留し、気相冷媒のみコンプレッサ１０に吸引させ、サイクル中の余剰冷媒を蓄えておくものである。
【００１６】
次に、本発明の要部である冷媒充填装置１００の構成および冷媒充填方法について説明する。冷媒充填装置１００は、冷媒を貯蔵しているＣＯ_２ボンベ（冷媒貯蔵手段）６を内蔵もしくは接続できるようになっており、そのＣＯ_２ボンベ６と、そこから冷凍サイクルＲへ冷媒を供給する供給路Ｋとからなっている。供給路Ｋには冷媒の供給を断続させるためのバルブ１が設けられている。
【００１７】
また、供給路Ｋの途中から分岐して容積可変部５が設けられている。この容積可変部５は、圧力タンクとなっており、内部には容積を可変するためのフリーピストン５ａが内蔵されている（（ｂ）参照）。フリーピストン５ａは、Ｏリング５ｂでシールを保ちながら両側の圧力差によって自由に内部を摺動する構造となっている。
【００１８】
容積可変部５の一方には冷凍サイクルＲとの連通を断続させるためのバルブ２が設けられている。また、容積可変部５の他方には内部の気体を外部へ逃がす時に開閉するバルブ３と、ＣＯ_２ボンベ６との連通を断続させるためのバルブ４とが設けられている。１００ａは冷凍サイクルＲ側と接続するためのジョイント部である。
【００１９】
冷凍サイクルＲ側の接続部は、エバポレータ１３とアキュムレータ１５との間の冷媒配管１４に低圧側サービスバルブ１４ａが配設されている（図２参照）。ちなみに１４ｂは高圧側サービスバルブである。そして、ゲージマニホールド７で冷凍サイクルＲと冷媒充填装置１００とを接続する（図１参照）。尚、ゲージマニホールド７は冷凍サイクルの作動圧点検および真空引きや冷媒充填時に使用される器具である。
【００２０】
具体的に、低圧チャージングホース７ａを低圧側サービスバルブ１４ａに、高圧チャージングホース７ｂを高圧側サービスバルブ１４ｂに、そしてセンターチャージングホース７ｃを冷媒充填装置１００のジョイント１００ａに接続する。ちなみにこの時、ゲージマニホールド７の低圧バルブ７ｄ・高圧バルブ７ｅおよび冷媒充填装置１００のバルブ１〜４は全て閉じた状態とし、冷媒充填時にゲージマニホールド７の低圧バルブ７ｄを開いて冷凍サイクルＲと冷媒充填装置１００とを連通させる。
【００２１】
次に、ＣＯ_２ボンベ６から冷凍サイクルＲ内にＣＯ_２冷媒を追加充填させる手順について図３のフローチャートを用いて説明する。図３は本発明の冷媒充填装置１００における冷媒追加充填時の作動を示すフローチャートである。まず、冷媒充填作業を行なう前の必要データとして、正規の冷媒充填量Ｇｎと、冷凍サイクルＲの内容積Ｖｉｎを調べ、これらから下記の数式１で正規の冷媒充填量Ｇｎが充填された時の冷媒密度γｇを出しておく。
【００２２】
【数式１】
γｇ＝Ｇｎ／Ｖｉｎ
次に、ステップＳ１で冷媒充填作業を行なう時の環境温度として、外気温度Ｔａを読み込む。そして、ステップＳ２でその外気温度Ｔａが冷媒の臨界温度Ｔｃよりも高いか否かの判定を行なう。この判定で外気温度Ｔａが臨界温度Ｔｃより高くＹＥＳの場合はステップＳ３に進みバルブ１を開いて冷媒を供給する。外気温度Ｔａが冷媒の臨界温度Ｔｃよりも高いということは、冷凍サイクルＲ内の冷媒はガスの単相状態のため、適正冷媒量充填時の冷媒圧力Ｐｎが下記の数式２より導き出される。
【００２３】
【数式２】
Ｐｎ＝Ｐｎ（γｇ、Ｔａ）
そして、ステップＳ４でゲージマニホールド７のゲージで検出される冷凍サイクルの圧力ＰがＰｎに到達しておらず判定結果がＮＯの場合は、ステップＳ５で冷媒の追加充填を行ない、ステップＳ４で冷凍サイクルの圧力ＰがＰｎに到達して判定結果がＹＥＳになったらステップＳ６に進みバルブ１を閉じて冷媒の追加充填を終了する。
【００２４】
次に、ステップＳ２の判定で外気温度Ｔａが臨界温度Ｔｃより低くＮＯの場合はステップＳ７に進みバルブ２・３を開く。外気温度Ｔａが冷媒の臨界温度Ｔｃよりも低いということは、冷凍サイクルＲ内の冷媒は気液二相状態のため、上記の手段で適正量は求められない。
【００２５】
そのため、バルブ２・３を開いて容積可変部５に冷凍サイクルＲ内の残圧を加えてフリーピストン５ａを移動させ、冷凍サイクルＲ内容積Ｖｉｎに容積可変部５の容積Ｖ０を加えて大きくし、冷凍サイクルＲ内の冷媒をガスの単相状態にする。ちなみに、容積可変部５の内部は図１（ｂ）の状態となる。
【００２６】
この容積を大きくした状態で正規の冷媒充填量Ｇｎが充填された時の冷媒密度γｇ０を下記の数式３より導き出す。また、ガスの単相状態のため、適正冷媒量充填時の冷媒圧力Ｐｎ０を下記の数式４で計算する。
【００２７】
【数式３】
γｇ０＝Ｇｎ／（Ｖｉｎ＋Ｖ０）
【００２８】
【数式４】
Ｐｎ０＝Ｐｎ０（γｇ０、Ｔａ）
そして、ステップＳ８で逃がしバルブ３を閉じると共に、バルブ１を開いて冷媒を供給する。ステップＳ９でゲージマニホールド７のゲージで検出される冷凍サイクルの圧力ＰがＰｎ０に到達しておらず判定結果がＮＯの場合は、ステップＳ１０で冷媒の追加充填を行ない、ステップＳ９で冷凍サイクルの圧力ＰがＰｎ０に到達して判定結果がＹＥＳになったらステップＳ１１に進む。
【００２９】
ステップＳ１１では、バルブ１を閉じて冷媒の供給を停止すると共に、バルブ４を開いてＣＯ_２ボンベ６の圧力をフリーピストン５ａがバルブ２側へ移動するように加える。次に、ステップＳ１２でコンプレッサ１０を駆動させ、容積可変部５内の冷媒を冷凍サイクルＲ内に吸引させる。ちなみにこの時、容積可変部５の内部は図１（ｃ）の状態となる。そして冷媒を吸引した後ステップＳ１３でバルブ２・４を閉じて冷媒の追加充填を終了する。
【００３０】
次に、本実施形態での特徴を説明する。まず、冷媒を貯蔵しているＣＯ_２ボンベ等の冷媒貯蔵手段６と、その冷媒貯蔵手段６から冷凍サイクルＲへ冷媒を供給する供給路Ｋと、その供給路Ｋの途中から分岐して設けられた容積可変部５とを設け、外気温度Ｔａが冷媒の臨界温度Ｔｃよりも低い場合、冷凍サイクルＲに容積可変部５の容積Ｖ０を加えて冷媒を適正量充填した時の冷媒圧力Ｐｎ０まで追加充填した後、容積可変部５の冷媒を冷凍サイクルＲ内に吸引させている。
【００３１】
これにより、冷媒を放出することなく適正量に追加充填する（補充だけですませる）ことができる。また、冷媒を放出しなくなることより、コンプレッサオイルを放出してコンプレッサの潤滑不良を引き起こしたり、人体に悪影響を及ぼしたりする可能性がなくなるうえ、従来作業と比べて作業安全が確保でき、作業時間も短縮できる。また、従来と同様の圧力計だけで適正な充填量を量ることができる。
【００３２】
また、容積可変部５の容積Ｖ０は、外気温度Ｔａが冷媒の臨界温度Ｔｃよりも低くても容積可変部５内の容積Ｖ０を加えることにより冷凍サイクルＲ内の冷媒がガスの単相状態になる容積Ｖ０としている。これにより、冷媒充填作業を行なう時の環境温度（外気温度）が様々であっても、冷媒をガスの単相状態にそろえて冷媒充填作業を行なうことができる。
【００３３】
また、容積可変部５をフリーピストン５ａで構成している。これにより、冷凍サイクルＲ内の残圧で容易に冷凍サイクルＲの容積を増やすことができるうえ、冷凍サイクルＲ側で吸引することにより容易に増やした容積をゼロにすることができる。
【００３４】
また、冷媒はフロンガスよりも臨界温度Ｔｃの低い例えばＣＯ_２等の冷媒である。これは、本発明が従来一般的なフロンガスよりも臨界温度Ｔｃが低くガスの単相状態になり易いＣＯ_２等の冷媒を追加充填する際の冷媒充填方法および冷媒充填装置に好適なことによる。
【００３５】
（その他の実施形態）
上述の実施形態では、車両用空調装置に対する冷媒の追加充填に本発明の冷媒充填方法および冷媒充填装置を適用しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、定置式の空調装置や給湯装置等冷媒を用いる冷凍サイクル全般の冷媒の追加充填に適用しても良い。また、冷媒もＣＯ_２に限らず、臨界温度の低いものであればエチレン・エタン・酸化窒素等の冷媒に適用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、本発明の一実施形態における冷媒充填装置の構成を示す模式図、（ｂ）は、冷媒を二相から単相にする時の容積可変部の説明図、（ｃ）は、冷媒吸引時の容積可変部の説明図である。
【図２】冷凍サイクルの概略の構成を示す模式図である。
【図３】本発明の冷媒充填装置における冷媒追加充填時の作動を示すフローチャートである。
【符号の説明】
５ 容積可変部
５ａ フリーピストン
６ ＣＯ_２ボンベ（冷媒貯蔵手段）
１０ コンプレッサ（圧縮機）
１１ コンデンサ（凝縮器）
１２ 膨張弁（減圧装置）
１３ エバポレータ（蒸発器）
１４ 冷媒配管
Ｋ 供給路
Ｐｎ０ 冷媒圧力
Ｒ 冷凍サイクル
Ｔａ 外気温度
Ｔｃ 臨界温度
Ｖ０ 容積可変部内の容積

Claims (5)

1. 冷媒の圧縮機（１０）、凝縮器（１１）、減圧装置（１２）、および蒸発器（１３）を順に冷媒配管（１４）で環状に接続した冷凍サイクル（Ｒ）と、
   冷媒を貯蔵している冷媒貯蔵手段（６）と、
   前記冷媒貯蔵手段（６）から前記冷凍サイクル（Ｒ）へ冷媒を供給する供給路（Ｋ）と、
   前記供給路（Ｋ）の途中から分岐して設けられた容積可変部（５）とを設け、前記冷凍サイクル（Ｒ）に冷媒を追加充填する際の冷媒充填方法であり、
   外気温度（Ｔａ）が冷媒の臨界温度（Ｔｃ）よりも低い場合、前記冷凍サイクル（Ｒ）に前記容積可変部（５）の容積（Ｖ０）を加えて冷媒を適正量充填した時の冷媒圧力（Ｐｎ０）まで追加充填した後、前記容積可変部（５）の冷媒を前記冷凍サイクル（Ｒ）内に吸引させることを特徴とする冷凍サイクルの冷媒充填方法。
2. 冷媒の圧縮機（１０）、凝縮器（１１）、減圧装置（１２）、および蒸発器（１３）を順に冷媒配管（１４）で環状に接続した冷凍サイクル（Ｒ）に冷媒を追加充填する際の冷媒充填装置であり、
   冷媒を貯蔵している冷媒貯蔵手段（６）と、
   前記冷媒貯蔵手段（６）から前記冷凍サイクル（Ｒ）へ冷媒を供給する供給路（Ｋ）と、
   前記供給路（Ｋ）の途中から分岐して設けられた容積可変部（５）とを備え、
   外気温度（Ｔａ）が冷媒の臨界温度（Ｔｃ）よりも低い場合、前記冷凍サイクル（Ｒ）に前記容積可変部（５）の容積（Ｖ０）を加えて冷媒を適正量充填した時の冷媒圧力（Ｐｎ０）まで追加充填した後、前記容積可変部（５）の冷媒を前記冷凍サイクル（Ｒ）内に吸引させることを特徴とする冷凍サイクルの冷媒充填装置。
3. 前記容積可変部（５）の容積（Ｖ０）は、外気温度（Ｔａ）が冷媒の臨界温度（Ｔｃ）よりも低くても前記容積可変部（５）の容積（Ｖ０）を加えることにより前記冷凍サイクル（Ｒ）内の冷媒がガスの単相状態になる容積（Ｖ０）としたことを特徴とする請求項２に記載の冷凍サイクルの冷媒充填装置。
4. 前記容積可変部（５）をフリーピストン（５ａ）で構成したことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の冷凍サイクルの冷媒充填装置。
5. 前記冷媒はフロンガスよりも前記臨界温度（Ｔｃ）の低い冷媒であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の冷凍サイクルの冷媒充填装置。

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