JP4986701B2 - 冷媒流量の計測方法、冷凍装置の冷暖房能力を求める方法および冷媒流量計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷媒流量の計測方法、冷凍機をはじめとする冷凍装置の冷房／暖房能力を求める方法および冷媒流量計測装置に関するものであり、特にビル用マルチ空調システムなど蒸発圧縮式冷凍サイクルで冷房能力や暖房能力を計測するため、設備の運転に支障なく、かつ高精度に冷媒の流量を計測するのに適したものである。

ビル用マルチ空調システムは、低価格や設計施工、個別制御、操作の容易さから、業務用建物の空調システムの約７割に使用されている。また最近は大容量化や省エネ化の進展に伴って大規模建物にも市場を拡大している。いわゆる省エネ法改正後、省エネルギー対策のため、稼動中建物での既設設備の性能評価に対する顧客の要望が強まる一方で、現地でビル用マルチ空調システムの冷暖房能力測定は困難な状況である。この理由は、能力計測の一つの方法として冷媒流量と冷媒状態（エンタルピー）を用いた冷媒側からの計測方法が考えられるが、当該計測方法を実施する際に必要な冷媒流量を、現地の後付けで確実に計測できる方法がないためである。

ビル用マルチ空調システムは室内機の台数も多く（室外機１台に対して室内機１台〜数台）、居室（客室や業務空間）に設置されるなど、性能計測の実務上の制約が多いことから、室外機での計測が検討されている。

室外機での計測によって冷暖房能力を推定する一つの方法としてコンプレッサーカーブ法が提案されている。これは、コンプレッサー入口の冷媒状態（冷媒温度、圧力）とコンプレッサーの周波数、およびメーカが保有する代表試験機の運転特性データを用いて冷凍サイクルにおける冷媒流量を推定するものである。そしてこの冷媒流量に冷凍サイクル内の各状態点でのエンタルピーを用いて冷暖房能力を推定する方法である。

しかしながら、かかる方法は特定メーカの製品のみを対象とした推定方法であり、さらにシステムの新旧にも制約があるため、汎用性に欠ける。また機器の製造上や設置上の個体差があるために、性能計測の精度にも欠けている。

ところで、蒸発圧縮式冷凍サイクルにおいては、冷房能力は冷媒の蒸発器出入口エンタルピー差に、暖房能力は凝縮器出入口エンタルピー差に、各々冷媒流量を乗じて求めることになるが、実運転中の蒸発圧縮式冷凍サイクルで、室外機の冷媒側から冷暖房能力を実測する場合には、配管（液管）を流れる冷媒流量の計測が必要となる。

かかる場合、冷媒が非導電性であるため電磁流量計が使用できないことから、コリオリ式の質量流量計を使用している。しかしながら、質量流量計は配管路中に設置するため、設備を停止して配管を切断しなければならない。さらに冷媒の抜き出し、注入といった作業も発生するため、実稼動中の建物においての実施は困難である。

一般に、稼動中建物で配管を切らずに配管外表面からの流量計測を行う方法として、超音波流量計による方法があり、２０Ａ（外径約２０ｍｍ）以上の口径が大半の空調用冷温水配管においては、伝播時間差式の超音波流量計が利用できる。また冷媒配管（液管）のように、外径約６ｍｍ程度までの細い配管用についても市販の超音波流量計が存在する。

そして冷媒流量を超音波流量計で計測し、冷媒状態の計測と併せて能力計測を行うことが提案されていた（特許文献１）。しかしながら、超音波流量計は配管内に気泡が存在すると流量を正確に計測できない。これは配管内を液体とともに気泡が流れることで配管内における超音波の伝播が妨げられ、信号の受信強度が得られずに計測不能となるからである。なおドップラー式の超音波流量計については、流体とともに流れる気泡や微粒子にあたってはね返る超音波反射波の周波数のずれから流速の変化量を計測するものであって、流量の絶対値を計測するには基準となる流量（流速）が必要であるため、そのままでは適用することができない。すなわち、基準となる流量計を別途設けなければならない。

一方、気化しやすく、結果的に気液二相化しやすい冷媒や液化ガスの流量を測定する際に、流量測定前にこれら冷媒や液化ガスを冷却して、気化を抑えるようにした技術も提案されている（特許文献２、３）。

特開２００６−１８３９５３号公報 特開昭５７−３５７７３号公報 実公昭６２−３７３９７号公報

しかしながら、特許文献２は、ＬＰＧ、ＬＮＧ等の燃料系の液化ガスについてのものであり、これらはその後ガス燃料として用いられるものであるから、液相段階で流量を計測した後は、その後気化して気相になっても何ら問題はないので、流量を計測した後の手当てについては何ら提示されておらず、またその必要もないものであった。一方特許文献２についても、対象となる冷媒は電力ケーブルの冷却用の冷媒であり、冷媒の流量の気化を抑えて計測した後は、その後当該冷媒がどのようになっていても冷却能力自体を具備していれば問題ではなく、したがって、流量を計測した後の手当てについては、何ら開示するところはなかった。

このような特許文献２、３の技術では、圧縮冷凍サイクルを有する冷凍装置の冷媒の流量測定はできない。なぜなら冷却して液相のままその後に冷媒を循環させると、運転に支障をきたしたり、本来の能力を発揮できなくなるおそれがあるからである。たとえば特許文献２に開示の技術を冷凍サイクルに適用して、冷却した後にそのまま冷媒を循環させると、能力が過多になり、通常の運転とはならない。発明者らの知見によれば２割の誤差が生ずると考えられる。したがって、このような冷凍サイクル中の冷媒を測定しても、本来の能力を正しく計測することができない。同様に、特許文献３の技術のように、冷却した後にバイパスして気液二相化しても、定常の運転状態を再現することが難しく、正しい計測を行なえないばかりか、運転自体に支障をきたすおそれがある。

これをより詳述する。図１３は、凝縮器、膨張弁、圧縮機、蒸発器を持った蒸気圧縮冷凍装置の通常時のサイクルと、冷却を加えたときの冷媒サイクル（モリエル線図）を示している。この図において、凝縮器から出た冷媒を冷却すると、膨張側の冷媒状態が変化（エンタルピーが低下）する。これにより、蒸発側のエンタルピー差（冷凍効果）が拡大する。したがって、通常運転時のエンタルピーｈ０と比べると、冷媒冷却した際のエンタルピーｈ１との差が大きくなってしまう。また室外機から室内機の膨張弁までの配管内が液状態となるため冷媒液管の圧損が減少する。このような理由により、計測しようとしている運転状態が、機器性能が向上する側に変わってしまう。また冷凍効果が拡大することで、負荷一定の場合には圧縮機の発停回数が増えたり、冷媒流量が減少することで、実際の性能と異なったものになってしまうのである。

以上に述べたことから、結局のところビル用マルチ空調システムの室外機については、当該室外機の液管（液化した後の冷媒が流れる配管）は、メーカ、機種、運転条件、外気条件にもよるが、気泡が混入している事実があるため、前記した従来技術では、いずれもビル用マルチ空調システムの冷媒流量計測は困難であった。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、蒸気圧縮式冷凍サイクルの下で循環する冷媒であっても、その流量を超音波流量計によって計測することができ、かつ計測した後も適切に処理して、当該冷凍サイクルを利用した設備機器の運転に支障が出ないようにすることを目的としている。

前記目的を達成するため，本発明は蒸気圧縮式冷凍サイクルの下で循環する冷媒の流量を計測する方法であって、前記冷凍サイクルにおいて液化した後の冷媒が流れる配管において、気液二相状態の冷媒を、冷却装置によって液相状態にまで冷却して、配管内を液で満たす満液状態にし、前記液相状態となった後の冷媒の流量を超音波流量計によって計測し、前記計測が終わった後の冷媒を、冷却前の気液二相状態にまで加熱装置によって加熱することを特徴としている。

本発明によれば，冷凍サイクルにおいて液化した後の冷媒が流れる配管において、気液二相状態の冷媒を液相状態、つまり配管内を液で満たす満液状態にまで冷却装置によって冷却し、当該液相状態となった後の冷媒の流量を超音波流量計によって計測するので、当該満液状態における冷媒中には気泡が殆ど無く、後述の実験例でも示したように、正確に冷媒の流量（体積流量）を計測することができる。そして、前記計測が終わった後の冷媒については、冷却前の気液二相状態にまで加熱装置によって加熱するようにしたので、当該冷凍サイクルの運転能力に影響を与えず、運転にも支障をきたさない。

これを図１に基づいて説明すると、図１は冷媒を冷却してその後加熱して冷媒状態を気液二相状態に戻す場合の冷媒サイクル（モリエル線図）を示しており、凝縮器から出る冷媒を冷却装置によって冷却して液相状態にして、配管内を液で満たす満液状態にする。そして満液状態で流量計測を行ったのち、冷却した熱量以上の加熱を加熱装置によって冷媒に対して行い、冷媒状態を気液二相状態に戻す。これにより、冷凍サイクルの運転状態を大きく変えずに、超音波流量計による流量計測ができる。なお冷却熱量に対して加熱量を大きくし過ぎると、液管の気相が多くなって圧損が増大するため運転効率の低下（運転状態の変化）が考えられる。加熱量に対して冷却熱量を大きくし過ぎると、もともと気液二相で液管を流れていた冷媒が液相かつ過冷却した状態になるため、液管の圧損は低減かつ冷凍効果が増大するため、運転効率の向上（運転状態の大きな変化）が考えられるから、冷媒の冷却熱量と加熱量が等しいのが好ましく、またこのときに、最も精度の良い運転性能の計測が可能になる。

なお気液二相状態の冷媒が配管内を液で満たす満液状態にまで冷却したかどういかの確認については、例えば以下のようにして行なえばよい。

まず超音波流量計の指示値の変動の仕方から予想することができる。すなわち、（１）液相の場合は指示値の変動は小さく安定しているが、気液二相の場合には、指示値が早い周期で大きく揺れることや、異常値（たとえば考えられないほど大きい値やマイナスの値）が出力される。
（２）計測区間の上流（冷却している部位の下流）で計測する冷媒の温度と室外機で計測した圧力で求めた冷媒エンタルピーと、室外機で計測した圧力での飽和液エンタルピーを比較し、冷媒エンタルピーが飽和液エンタルピーより低いこと、すなわち、
冷媒の温度と圧力の計測値から求めたエンタルピー＜計測圧力での飽和液エンタルピー、
の条件を満たせば、「液」になったと確認できる。
（３）また温度を用いても基本的には同じである。
すなわち、計測区間の上流（冷却している部位の下流）で計測する冷媒温度と、室外機で計測した圧力での飽和液温度とを比較し、冷媒温度が飽和液温度より低いこと、すなわち、
冷媒の計測温度＜計測圧力における飽和液温度
の条件を満たせば、「液」になったと確認できる。
なお以上の場合、圧力の測定は、メンテナンス用タッピングを用いて計測することができる。また配管の表面温度から、冷媒温度を計測することができる。

なお水分や不純物の混入により、冷媒が液相化しないことも考えられるが、かかる場合には、さらに冷却することで対処できる。発明者らの考えでは、例えば定格冷媒流量で「飽和液温度−５Ｋ」程度に冷却できる冷却熱量とすればよい。また後述するが、室外機から計測区間までの配管長が長い場合には、室外機出口圧力から計測区間までの配管（液管）の圧損（推算値）を減じた圧力における飽和液温度から、さらに５Ｋ程度下げる冷却熱量とすれば良いと考える。

このようにして計測した冷媒流量に基づいて、前記蒸気圧縮式冷凍サイクルを利用した冷凍装置の冷暖房能力を求めることができる。すなわち、
冷房時／暖房時の能力：Ａ［ｋＷ］
前記冷媒流量：Ｆ［Ｌ／ｈ］
冷媒の比重：Ｓ［ｋｇ／Ｌ］
ガス冷媒エンタルピー：ＧＰ［ｋＪ／ｋｇ］
液体冷媒エンタルピー：ＬＰ［ｋＪ／ｋｇ］
冷凍装置の消費電力：Ｗ［ｋＷ］
冷媒を加熱した際の加熱量：Ｈ［ｋＷ］
冷媒を冷却した際の冷却熱量：Ｃ［ｋＷ］
としたとき、次式によって冷凍装置の冷暖房能力求めることが可能である。
Ａ＝Ｆ×Ｓ／３６００［ｓｅｃ／ｈ］×｛（ＧＰ−ＬＰ）−（Ｈ−Ｃ）÷（Ｆ×Ｓ／３６００［ｓｅｃ／ｈ］）｝

なおそのようにして求めた冷暖房能力を冷凍装置の消費電力で除することによって、当該冷凍装置の成績係数（ＣＯＰ）を求めることができる。

ところで室外機での能力計測は、室内機が冷房機として機能する場合、図２に示したように、室外機１から室内機２に向かう配管３と、室内機２から室外機１に戻る配管４での熱ロスによって、室内機２側冷媒で計測した場合と比べて、差異が生ずる。しかしながら配管３が液管の場合には、細くて管径は小さく冷媒温度が環境温度に比較的近いため、その影響は小さい。なおこの例では、室外機１に凝縮器５、圧縮機６が設けられ、一方室内機２が蒸発器として機能する。また室外機１で冷媒エンタルピーを算出する場合、配管３における室外機１側の箇所に設けた温度計１１、圧力計１２、並びに配管４における室外機１側の箇所に設けた温度計１３、圧力計１４の測定結果が使用される。したがって、配管３が液管として機能する際の室外機１側冷媒エンタルピー２１、配管４がガス管として機能する際の室外機１側冷媒エンタルピー２２と、各々の室内機２側の冷媒エンタルピー２３、２４とでは、当該熱ロス分の差が生じている。

一方配管４がガス管の場合には、これとは逆に太くて管径は大きく表面積が大きいために熱ロスの影響を受けやすいものの、一般的には結露防止のために保温材によって十分な断熱処理がなされている。したがって熱ロスは冷房能力に比べて極めて小さく、無視できるものと考えられる。それゆえ、通常の室外機、室内機の配置では問題にはならない。

しかしながら冷媒配管が極端に長い場合や、冷媒配管の周囲温度が高温と見込まれる場合には、単位長さあたりの冷媒配管、保温材の熱損失に配管長を乗じて熱ロス分を算定し、冷房能力を補正することが好ましい。したがって、このような場合には、冷媒配管の単位長さ当たりの保温材からの熱損失：ＬＯ［ｋＷ／ｍ］
冷媒配管の配管長：Ｌ［ｍ］、としたとき、
次式によって求めることが好ましい。
Ａ＝Ｆ×Ｓ／３６００［ｓｅｃ／ｈ］×｛（ＧＰ−ＬＰ）−（Ｈ−Ｃ）÷（Ｆ×Ｓ／３６００［ｓｅｃ／ｈ］）｝＋Ｌ×ＬＯ

なおより厳密に言えば、配管３が液管、配管４がガス管の場合、配管３が放熱側に、ガス管４で受熱側になるので、ＬＯの内訳は、冷房時／暖房時の能力Ａを増加する側を＋（プラス側）とすれば、
Ｌ×ＬＯ＝ Ｌ×Ｌｏ（液管放熱分）−Ｌ×Ｌｏ（ガス管受熱分）となり、
Ｌが共通とすると、
Ｌ×ＬＯ＝Ｌ×｛Ｌｏ（液管放熱分）−Ｌｏ（ガス管受熱分）｝から、結局、
ＬＯ＝Ｌｏ（液管放熱分）−Ｌｏ（ガス管受熱分）となる。

本発明の冷媒流量の計測方法を実施するための装置としては、次のようなものを提案できる。
すなわち、前記冷凍サイクルにおいて液化した後の冷媒が流れる配管内の流体の流量を測定する超音波流量計と、前記超音波流量計のトランスデューサを前記配管に取り付ける位置の上流側に設置されて、配管内の冷媒を液相状態にまで冷却して、配管内を液で満たす満液状態にする冷却装置と、前記トランスデューサを前記配管に取り付ける位置の下流側に設置されて、配管内の冷媒を気液二相状態にまで加熱する加熱装置と、を有することを特徴とする、冷媒流量計測装置である。

かかる冷媒流量計測装置を使用すれば、本発明の冷媒流量の計測方法を好適に実施することが可能である。また加熱装置、冷却装置は、冷媒配管の外付けとすることができるから、超音波流量計を含めて、冷媒流量計測装置全体をユニット化することが可能である。したがって、既設の設備に取り付けて計測することができ、また計測後は撤去して持ち去ることができる。もちろん新築時の試運転調整時においても使用することができ、また汎用性もある。

加熱装置としては、例えば電気ヒータ、温水を循環させる温水ジャケットを用いることができ、冷却装置としては、ブラインを循環させる冷却ジャケットを用いることができるが、いずれの場合であっても加熱装置、冷却装置を同時に運転させることが必要である。かかる場合、既述したように、冷却熱量と加熱量との関係は、冷媒の冷却熱量と加熱量が等しいときが、最も精度の良い運転性能の計測が可能になることから、加熱、冷却を同時に実施し、また双方の熱量を等しくするという観点から、冷却装置としてペルチェ素子の吸熱側を用い、該ペルチェ素子の発熱側を加熱装置として用いることが提案できる。かかる構成の加熱装置、冷却装置を使用することで、電力の投入によって吸熱と発熱（放熱）が同時に生じるため、冷却部と加熱部の連動の機構を改めて設ける必要がない。また素子内の電気抵抗の発熱分を、例えば素子冷却液等で調整することで、適正な加熱量に調整でき、冷却熱量と加熱量の相互間での制御が容易である。

本発明によれば、蒸気圧縮式冷凍サイクルの下で循環する冷媒の流量を、運転状態に大きな影響を与えず、超音波流量計によって精度よく計測することが可能である。

以下、好ましい実施の形態について説明すると、図３は本実施の形態にかかる冷媒流量計測装置を用いて冷媒の流量を計測しようとする、蒸気圧縮式冷凍サイクルを持った空調機の概略を示しており、この例では図２と同様、冷房運転時においては、室外機１の凝縮器５で凝縮されて液化された冷媒は、配管３を通じて室内機２へと送られ、蒸発器として機能する室内機２によって気化した後の冷媒は、配管４を通じて、圧縮機６へと戻されるようになっている。

本実施の形態は、そのような冷凍サイクルにおける液化した後の冷媒が流れる配管３内の冷媒を測定するための超音波流量計３１を有している。この超音波流量計３１は、配管３の表面に上流側と下流側に位置を変えて２箇所に取り付けられる１対の超音波を送信、受信するセンサとしてのトランスデューサ３２、３３を備えており、トランスデューサ３２、３３間で相互に送受信した際の超音波を受信した時間を測定し、これに基づいて配管３内を流れる流体（この例では液化した冷媒）流量を求めるものである。

そしてこれらトランスデューサ３２、３３が取り付けられる領域（計測区間）の上流側の配管３の表面には、配管３内の冷媒を冷却する冷却装置４１が設けられ、またトランスデューサ３２、３３が取り付けられる領域（計測区間）の下流側の配管３の表面には、配管３内の冷媒を加熱する加熱装置４２が設けられている。冷却装置４１と加熱装置４２は、例えば配管に巻き回すシート状の部材を用い、配管に対して着脱自在に構成されている。冷却装置４１による冷却熱量は、冷房能力の１割程度（１〜数ｋＷ程）であり、また加熱装置４２による加熱量は、冷却装置４１による冷却熱量以上となるように設定されている。これは、冷却熱量が加熱量よりも大きい場合、気液二相が液相まで変化してしまうと液管の圧損が小さくなるため計測しようとする能力や効率に大きな変化を与えてしまうと考えられるが、逆に加熱量が冷却熱量より大きい場合は気液二相の状態は元と変わらないことから、前者に比べると影響は小さいと考えられるからである。

この実施の形態にかかる冷媒流量計測装置を使用すれば、冷却装置４１によって、配管３内の冷媒を冷却して気液二相状態にあった冷媒を液相状態（満液状態）にさせることができ、また加熱装置４２によって冷媒を加熱して、液相状態（満液状態）の冷媒を再び冷却前の気液二相状態に戻すことができる。したがってトランスデューサ３２、３３が取り付けられる領域（計測区間）では、液相状態（満液状態）の冷媒に対して超音波による流量計測を実施して、冷媒流量を精度よく計測することができる。しかもそのようにして冷媒の流量を計測した後は、加熱装置４２によって冷媒を加熱して、液相状態（満液状態）の冷媒を再び冷却前の気液二相状態に戻すことができるから、冷却前と同じ気液二相状態に戻し、冷凍サイクルの運転状態を大きく変えることはない。またこれら冷却装置４１、加熱装置４２、並びに超音波流量計３１トランスデューサ３２、３３は、いずれも既設の配管に対して適用可能であるから、稼動中の設備の運転性能の実測も可能であり、計測した後は容易にこれらを持ち去ることができる。

次に加熱装置、冷却装置の例を説明する。図３に示した冷却装置は、ブラインが循環する、配管３に対して着脱自在な冷却ジャケット５１として構成されている。冷却ジャケット５１内を巡るブラインは、ブライン冷却槽５２から、ポンプ５３によって往管５４を通じて冷却ジャケット５１内に送られ、冷却ジャケット５１によって配管３内の冷媒を冷却して昇温したブラインは、還管５５を経てブライン冷却槽５２に戻される。ブラインの流量調整は、往管５４に設けた流量調整バルブ５６によって制御される。なお往管５４には、温度計５７、流量計５８が設けられ、還管５５には温度計５９が設けられている。これらによって、冷却熱量が計測される。

一方加熱装置は、温水が循環する、配管３に対して着脱自在な温水ジャケット６１として構成されている。温水ジャケット６１内を巡る温水は、温水加熱槽６２から、ポンプ６３によって往管６４を通じて温水ジャケット６１内に送られ、温水ジャケット６１によって配管３内の冷媒を加熱して降温した温水は、還管６５を経て温水加熱槽６２に戻される。温水の流量調整は、往管６４に設けた流量調整バルブ６６によって制御される。なお往管６４には、温度計６７、流量計６８が設けられ、還管６５には温度計６９が設けられている。これらによって、加熱量が計測される。

ところで、本発明においては、加熱装置、冷却装置を同時に運転する必要がある。したがって、図４に示し例では、例えば冷却側のブライン用のポンプ５３と、加熱側の温水用のポンプ６３とは、その発停を同期させる必要がある。かかる点に鑑み、図４に示した例では、ポンプ５３、６３はいずれもインバータ制御装置５０、６０によって制御されるとともに、これらインバータ制御装置５０、６０は制御装置ＣＲによって制御される。また冷却ジャケット５１による冷却熱量、温水ジャケット６１による加熱量も、制御装置ＣＲによって制御される。

図５に示した例では、冷却側は図４と同様、ブラインが循環する冷却ジャケット５１が使用されているが、加熱側は、電力の供給によって発熱する電気ヒータ７１が使用されている。すなわち、この電気ヒータ７１は、交流電源７２からケーブル７３、７４を通じて供給される電力によって発熱して配管３内の冷媒を過熱する構成を有しており、電気ヒータ７１自体は、配管３の表面に取り付け自在である。そして加熱量は、電力計７５によって計測される。交流電源７２の電力供給量、並びに供給の発停は、サイリスタ等の制御装置７６によって制御される。かかる構成を有する加熱装置としての電気ヒータ７１であっても、冷却装置である冷却ジャケット５１とは、その発停を同期化したり、冷却熱量、加熱量を制御する必要があるので、制御装置ＣＲによって、インバータ制御装置５０と制御装置７６は制御されている。

以上説明した図４、図５の例では、冷却側、加熱側は、いずれも異なったエネルギー源系の冷却装置、加熱装置を使用していたが、図６に示した例では、１のエネルギー源系によって、冷却と加熱の双方を同時に実行できるペルチェ素子を用いている。

この例で用いたペルチェ素子８１は、吸熱側、すなわち冷却側と、発熱側、すなわち加熱側に、Ｐ型素子８２、Ｎ型素子８３を各々交互に配列して金属板８４によって直列に接続し、さらにまた冷却側と加熱側の各Ｐ型素子８２、Ｎ型素子８３を各々をリード線８５、８６で接続した構成を有している。そして吸熱側、すなわち冷却側は、金属板８４の一側面に伝熱材８７を配し、この伝熱材８７を、配管３に対して着脱自在でかつ熱伝達性が良好なジャケット８８の外周に取り付けた構成を有している。また一方発熱側、すなわち加熱側も、金属板８４の一側面に伝熱材８９を配し、この伝熱材８９を、配管３に対して着脱自在でかつ熱伝達性が良好なジャケット９０の外周に取り付けた構成を有している。そして伝熱材８９に対しては、例えば冷却液を出入りさせるチューブ９１、９２によって冷却可能になっている。

かかる構成を有するペルチェ素子８１を使用すれば、例えばリード線８５、８６を介して、直流電源９３からの直流電流を供給することで、冷却側に配置されたＰ型素子８２、Ｎ型素子８３では、吸熱作用が生じ、加熱側に配置されたＰ型素子８２、Ｎ型素子８３では、発熱（放熱）作用が生じる。したがって、冷却側のジャケット８８は、配管３内の冷媒を冷却し、加熱側のジャケット９０は、配管３内の冷媒を加熱する。

このようにペルチェ素子８１を使用すれば、冷却、加熱を同時に実行することができ、これらの動作を同期させる制御装置は不要であり、例えば図６に示したように、直流電源９３からの直流供給回路に開閉スイッチ９４を設ければよい。しかも、ペルチェ素子８１による冷却、加熱はひとつのエネルギー源系であり、冷却熱量と加熱量との制御についても、加熱側の伝熱材８９に対して供給する冷却液の制御で済むものである。

次に本発明にしたがって、ビル用マルチ空調システムの性能計測の例について説明する。図７に示した構成は、冷凍サイクルの構成は、図２、図３に示したものと同一であり、また冷却装置の構成、加熱装置の構成については、各々図４にて説明したブラインを使用した冷却ジャケット５１、温水を使用した温水ジャケット６１に拠ったものであり、その周辺機器の構成は図４に示した例と同じであり、したがって同一符号によって示される部材、装置、構成は、図４に示した例と同一のものである。

図７に示したように、配管３内を流れる液化した冷媒の流量（体積流量）の計測には、先に説明した超音波流量計３１を使用する。また液化した冷媒のエンタルピー２１は、配管３における室外機１側に設けた温度計１１、圧力計１２の測定結果が用いられ、ガス化した冷媒のエンタルピー２２は、配管４における室外機１側に設けた温度計１３、圧力計１４の測定結果が使用される。また交流電源１０１から室外機１側に供給された電力、すなわち消費電力は、クランプオンタイプの電力計１０２で計測される。また超音波流量計３１によって計測される液相状態（満液状態）の冷媒の温度は、配管３における計測区間に取り付けられた温度計１０３の測定値が使用される。この液相状態（満液状態）の冷媒の温度は、冷媒（液）の圧力計測値から算出する飽和液温度と比較して、満液状態を確認するとともに、超音波流量計３１への流体温度入力値の設定の目安として使用される。なお温度から計算した流体中の音速値として入力する場合もある。以上の各測定結果は全てデータロガー１０４へと出力され、得られたデータは、例えばパソコン１０５で演算、処理される。

次にかかる構成を使用した室外機１、室内機２が発揮する冷暖房能力について説明する。図８は、冷房時の概要をモリエル線図で示したものであり、まず冷媒（ガス）計測と冷媒（液）計測点での冷媒状態を計測し、このときの冷凍効果から冷媒の加熱と冷却の熱量差の分を引いて、冷媒エンタルピー差を求める。これに超音波流量計３１で計測された体積流量に、冷媒の比重を乗じた冷媒流量（質量流量）を乗ずれば、冷房能力が算出できる。またこれを消費電力で除することで、冷房時の成績係数（ＣＯＰ）が算出できる。

図９は、暖房時の概要をモリエル線図で示したものであり、冷媒（ガス）計測と冷媒（液）計測点での冷媒状態を計測し、この差から冷媒の加熱量と冷却の熱量差の分を引いて、冷媒エンタルピー差を求める。これに超音波流量計３１で計測された体積流量に、冷媒の比重を乗じた冷媒流量（質量流量）を乗ずれば、暖房能力が算出できる。またこれを消費電力で除することで、暖房時の成績係数（ＣＯＰ）が算出できる。

以上を式で説明すると、
冷房時／暖房時の能力：Ａ［ｋＷ］
前記冷媒流量：Ｆ［Ｌ／ｈ］
冷媒の比重：Ｓ［ｋｇ／Ｌ］
ガス冷媒エンタルピー：ＧＰ［ｋＪ／ｋｇ］
液体冷媒エンタルピー：ＬＰ［ｋＪ／ｋｇ］
冷媒を加熱した際の加熱量：Ｈ［ｋＷ］
冷媒を冷却した際の冷却熱量：Ｃ［ｋＷ］
としたとき、
Ａ＝Ｆ×Ｓ／３６００［ｓｅｃ／ｈ］×｛（ＧＰ−ＬＰ）−（Ｈ−Ｃ）÷（Ｆ×Ｓ／３６００［ｓｅｃ／ｈ］）｝
なおＧＰ−ＬＰは室外機としての冷凍効果となる。

また成績係数（ＣＯＰ）については、
室外機の消費電力：Ｗ［ｋＷ］
としたとき、ＣＯＰ＝Ａ／Ｗである。

次に、発明者らが実際に行なった超音波流量計を用いた冷媒流量の計測試験結果について説明する。図１０は、当該試験の方法の概要を示しており、室外機１からの液化した冷媒が流れる配管３に対して、冷却装置４１によって冷却し、配管３内の冷媒を液相化して満液状態とする。冷却装置４１には、プレート熱交換器を使用した。そして冷却装置４１の下流側に、質量流量計１１１と超音波流量計３１のトランスデューサ３２、３３を設置した。冷媒状態は、冷却装置４１の下流側に、圧力計１１２と薄膜白金表面温度計１１３を設置し、これらの測定結果に基づいて計測した。そして満液状態と、満液でない状態での冷媒流量の計測値を比較した。

図１１に試験結果を示す。図１１には、冷媒圧力と冷媒温度の計測値から算出したエンタルピーａと、冷媒圧力の計測値から算出した飽和液エンタルピーｂとを示している。エンタルピーａが飽和液エンタルピーｂよりも小さい場合は、冷媒が液の状態にある。同図中の線ｃは、冷媒が満液状態のとき１、満液でない状態なときを０として、冷媒状態を示したものである。

はじめに冷却装置４１で冷却を行って満液状態とし、そのあと冷却装置４１を停止して冷却しない（満液でない）状態で計測を行った。その結果を図１２に示した。Ｘが質量流量計１１１での計測値を示し、Ｙが超音波流量計での計測値を示している。この図からわかるように、満液状態のときには、質量流量計１１１と超音波流量計３１の計測値がよく一致している。しかしながら計測の後半部の満液でない状態のときには、超音波流量計３１の指示値は得られていない。なお満液でない状態では、質量流量計１１１の指示が変動し、質量流量計もメーカにより度合いは違うが、計測精度が低下することが確認できる。以上の事から、配管３内の冷媒を冷却によって液相化して満液状態とした状態での、超音波流量計３１による冷媒流量の計測の正確性が確認できた。

以上、本発明の内容を主としてビル用マルチ空調システムの室外機と室内機での冷凍サイクルを例にとって説明したが、本発明によれば、冷媒配管表面温度と圧力計測を併せて行うことで、ビル用マルチ空調システムだけでなく、パッケージ空調機（空冷、水冷）やコンデンシングユニットなどにおける、冷媒サイクルの能力やＣＯＰの性能計測ができる。

本発明は、ビル用マルチ空調システム、パッケージ空調機の冷媒サイクルの能力や成績係数の測定に有用であり、既設の設備に対して特に有用である。

本発明の原理を示すモリエル線図である。 配管熱ロスを示す説明図である。 実施の形態にかかる冷媒流量計測装置の概要および原理を示す説明図である。 実施の形態に使用できる冷却装置と加熱装置の一例を模式的に示した説明図である。 実施の形態に使用できる冷却装置と加熱装置の他の例を模式的に示した説明図である。 実施の形態に使用できる冷却装置と加熱装置にペルチェ素子を用いた例を模式的に示した説明図である。 冷凍サイクルの性能計測を行なう装置構成の例を模式的に示した説明図である。 図７の装置構成を用いて冷房時の性能計測を行った際の概要を示すモリエル線図である。 図７の装置構成を用いて暖房時の性能計測を行った際の概要を示すモリエル線図である。 配管内の冷媒を超音波流量計と質量流量計で計測した際の装置構成の概要を示す説明図である。 図１０の装置構成を用いて冷媒圧力と冷媒温度の計測値から算出したエンタルピーと、冷媒圧力の計測値から算出した飽和液エンタルピーとの比較を示したグラフである。 図１０の装置構成を用いて配管内の冷媒を超音波流量計と質量流量計で計測した結果を示すグラフである。 従来技術によるモリエル線図である。

符号の説明

１ 室外機
２ 室内機
３ 配管（液管）
４ 配管（ガス管）
５ 凝縮器
６ 圧縮機
１１、１３ 温度計
１２、１４ 圧力計
３１ 超音波流量計
３２、３３ トランスデューサ
４１ 冷却装置
４２ 加熱装置
５１ 冷却ジャケット
６１ 温水ジャケット

Claims (6)

1. 蒸気圧縮式冷凍サイクルの下で循環する冷媒の流量を計測する方法であって、
   前記冷凍サイクルにおいて液化した後の冷媒が流れる配管において、気液二相状態の冷媒を、冷却装置によって液相状態にまで冷却して、配管内を液で満たす満液状態にし、
   前記液相状態となった後の冷媒の流量を超音波流量計によって計測し、
   前記計測が終わった後の冷媒を、冷却前の気液二相状態にまで加熱装置によって加熱することを特徴とする、冷媒流量の計測方法。
2. 前記加熱の際の加熱量と前記冷却の際の冷却熱量との関係は、前記加熱の際の加熱量≧前記冷却の際の冷却熱量であることを特徴とする、請求項１に記載の冷媒流量の計測方法。
3. 請求項１または２に記載の冷媒流量の計測方法を用いて得られた冷媒流量に基づいて、前記蒸気圧縮式冷凍サイクルを利用した冷凍装置の冷暖房能力を求める方法であって、
   冷房時／暖房時の能力：Ａ［ｋＷ］
   前記冷媒流量：Ｆ［Ｌ／ｈ］
   冷媒の比重：Ｓ［ｋｇ／Ｌ］
   ガス冷媒エンタルピー：ＧＰ［ｋＪ／ｋｇ］
   液体冷媒エンタルピー：ＬＰ［ｋＪ／ｋｇ］
   冷媒を加熱した際の加熱量：Ｈ［ｋＷ］
   冷媒を冷却した際の冷却熱量：Ｃ［ｋＷ］
   としたとき、
   次式によって求めることを特徴とする、冷凍装置の冷暖房能力を求める方法。
   Ａ＝Ｆ×Ｓ／３６００［ｓｅｃ／ｈ］×｛（ＧＰ−ＬＰ）−（Ｈ−Ｃ）÷（Ｆ×Ｓ／３６００［ｓｅｃ／ｈ］）｝
4. 請求項１または２に記載の冷媒流量の計測方法を用いて得られた冷媒流量に基づいて、前記蒸気圧縮式冷凍サイクルを利用した冷凍装置の冷暖房能力を求める方法であって、
   冷房時／暖房時の能力：Ａ［ｋＷ］
   前記冷媒流量：Ｆ［Ｌ／ｈ］
   冷媒の比重：Ｓ［ｋｇ／Ｌ］
   ガス冷媒エンタルピ：ＧＰ［ｋＪ／ｋｇ］
   液体冷媒エンタルピ：ＬＰ［ｋＪ／ｋｇ］
   冷媒を加熱した際の加熱量：Ｈ［ｋＷ］
   冷媒を冷却した際の冷却熱量：Ｃ［ｋＷ］
   前記配管の単位長さ当たりの保温材からの熱損失：ＬＯ［ｋＷ／ｍ］
   前記配管の配管長：Ｌ［ｍ］、
   としたとき、
   次式によって求めることを特徴とする、冷凍装置の冷暖房能力を求める方法。
   Ａ＝Ｆ×Ｓ／３６００［ｓｅｃ／ｈ］×｛（ＧＰ−ＬＰ）−（Ｈ−Ｃ）÷（Ｆ×Ｓ／３６００［ｓｅｃ／ｈ］）｝＋Ｌ×ＬＯ
5. 蒸気圧縮式冷凍サイクルの下で循環する冷媒の流量を計測する装置であって、
   前記冷凍サイクルにおいて液化した後の冷媒が流れる配管内の流体の流量を測定する超音波流量計と、
   前記超音波流量計のトランスデューサを前記配管に取り付ける位置の上流側に設置されて、配管内の冷媒を液相状態にまで冷却して、配管内を液で満たす満液状態にする冷却装置と、
   前記トランスデューサを前記配管に取り付ける位置の下流側に設置されて、配管内の冷媒を気液二相状態にまで加熱する加熱装置と、
   を有することを特徴とする、冷媒流量計測装置。
6. 前記冷却装置は、ペルチェ素子の吸熱側を用いた冷却装置であり、前記加熱装置は、当該ペルチェ素子の発熱側を用いた加熱装置であることを特徴とする、請求項５に記載の冷媒流量計測装置。

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