冷凍サイクル装置
【課題】運転状態変化に影響されずに過熱度制御の制御性を向上させ、安定した運転状態を維持できる冷凍サイクル装置を提供する。
【解決手段】冷凍空調装置１００は、圧縮機１と、凝縮器２と、第１膨張弁３と、気液分離器７と、内部熱交換器６と、第２膨張弁４と、蒸発器５と、バイパス配管８と、第３膨張弁９と、を備えた。複数の減圧装置、中間圧冷媒と低圧冷媒とで熱交換させる内部熱交換器及び気液分離器を備えたので、複数の減圧装置により中間圧を一定に維持することができ、中間圧と低圧の圧力差を一定にすることが可能となる。
【解決手段】冷凍空調装置１００は、圧縮機１と、凝縮器２と、第１膨張弁３と、気液分離器７と、内部熱交換器６と、第２膨張弁４と、蒸発器５と、バイパス配管８と、第３膨張弁９と、を備えた。複数の減圧装置、中間圧冷媒と低圧冷媒とで熱交換させる内部熱交換器及び気液分離器を備えたので、複数の減圧装置により中間圧を一定に維持することができ、中間圧と低圧の圧力差を一定にすることが可能となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、過熱度制御の制御性を向上させ、運転状態の安定化を図るようにした冷凍サイクル装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、過熱度制御を実行するようにした冷凍サイクル装置が存在する。そのようなものとして、「圧縮機、凝縮器、高圧側絞り装置、レシーバ、低圧側絞り装置、蒸発器とを順次接続して冷媒に沸点の異なる２種以上の冷媒からなる非共沸混合冷媒を使用し、前記蒸発器の出口の冷媒の状態が湿り状態で循環する冷凍サイクルと、前記蒸発器と前記圧縮機の間に設けられ、湿り状態である前記蒸発器の出口の冷媒を過熱し目標過熱度に過熱するのに必要な熱交換量を有する再蒸発手段と、前記再蒸発手段にて過熱された後の前記圧縮機の入り口の吸入冷媒の過熱度に相当する過熱特性を検知する過熱検知手段と、前記過熱検知手段により検知された前記過熱度の情報に基づき湿り状態である前記蒸発器出口の冷媒を前記圧縮機の入り口では目標過熱度になるように前記低圧側絞り装置の開口面積を調整し制御する制御手段と、を備えた冷凍サイクル装置」が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、「圧縮機、凝縮器、第１の減圧装置、第２の減圧装置及び蒸発器が環状に接続された冷凍空調装置において、前記第１の減圧装置と前記第２の減圧装置の間の冷媒と、前記蒸発器と前記圧縮機との間の冷媒とを熱交換する内部熱交換器と、前記凝縮器出口の冷媒の過冷却度を検出する過冷却度検出手段と、前記過冷却度検出手段により検出された過冷却度が予め定められた値となるように前記第１の減圧装置の流量調整を行う第１の制御手段と、前記内部熱交換器での熱交換量を検出する熱交換量検出手段と、前記内部熱交換器により過熱された後の前記圧縮機入り口の冷媒の過熱度を検出する過熱度検出手段と、前記熱交換量検出手段により検出された前記内部熱交換量より前記蒸発器出口の冷媒が飽和ガス状態となる場合の圧縮機入り口の冷媒の過熱度を算出する目標過熱度算出手段と、前記過熱度算出手段により算出された過熱度を目標過熱度とし、前記過熱度検出手段が検出する圧縮機入り口の冷媒の過熱度が前記目標過熱度に近づくように前記第２の減圧装置の流量調整を行う第２の制御装置とを備えた冷凍空調装置」が提案されている（たとえば、特許文献２参照）。
【０００４】
さらに、「圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器を主な構成部品として備え、これら構成部品を順次主配管で接続した空気調和装置において、前記膨張弁と蒸発器との間に気液分離器を接続し、該気液分離器は該気液分離器で分離された液冷媒部分を前記蒸発器に接続する一方、ガス冷媒部分をバイパス配管を介して蒸発器の出口側に接続し、前記バイパス配管に該パイパス配管を流れるガス冷媒の流量を可変制御可能な可変絞り機構を介装させ、前記蒸発器の制御すべき目標の乾き度を割り出し、該目標の乾き度になるように前記可変絞り機構の絞り量を制御するようにした空気調和方法」が提案されている（たとえば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２６３８３１号公報（第５−７頁、図１、図２等）
【特許文献２】特開２００９−１６２３８８号公報（実施の形態２、図４等）
【特許文献３】特開２００８−１７５４５２号公報（第５−７頁、図１等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来技術として既に開示されている冷凍サイクル装置においては、性能を最大限発揮させるために蒸発能力が最大となるように制御するのが通常である。蒸発能力を最大とするには、蒸発器出口の冷媒の状態を飽和の状態にするのがよい。そこで、従来技術としての冷凍サイクル装置においては、そのような冷媒の状態を実現するために、たとえば圧縮機入口の冷媒状態を所定の目標過熱度に近づけるように冷媒絞り手段としての膨張弁の開度を調整するようにしている。
【０００７】
特許文献１や特許文献２に記載されているような冷凍サイクル装置では、内部熱交換器を設け、複数設置された膨張弁間の中間圧冷媒と、蒸発器出口と圧縮機入口との間の低圧冷媒と、で熱交換させて、蒸発器出口と圧縮機入口との間の低圧冷媒を過熱するようにしている。これらの文献に記載された構成にすると、運転中に運転条件に変化が生じた場合（たとえば高圧が上昇した場合）は、中間圧も上昇し、中間圧の冷媒温度も上昇、低圧側の冷媒状態にも変化が生じることになる。すなわち、圧縮機入口の冷媒過熱度も変化するため、膨張弁の開度を変化させて目標過熱度になるように調整しなければならない。
【０００８】
そこで、膨張弁の開度を一定の割合に変化させて調整しようとする場合、膨張弁の開度が大きく変化し過ぎてしまい、冷媒循環量が安定せず、蒸発器出口の冷媒状態が湿りすぎたり、乾きすぎたりして目標の冷媒状態にならない。このため、膨張弁の開度変化を繰り返す状態に陥ってしまい、安定した運転状態にならないといった課題があった。なお、ここでいう「安定」とは、所定時間経過後も高圧、低圧の圧力変動が小さく、凝縮温度や蒸発温度など各々の冷媒温度が所定時間前と略同一である状態のことをいうものとする。
【０００９】
特許文献３に記載されているような冷凍サイクル装置では、内部熱交換器を設けて、凝縮器出口の高圧冷媒と蒸発器出口の低圧冷媒とで熱交換させている。この文献に記載された構成にすると、高圧が上昇した場合は内部熱交換器の熱交換量が増大してしまう。そのため、特許文献３に記載されている冷凍サイクル装置においても、上記と同様の理由で安定した運転状態にならないといった課題があった。
【００１０】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、運転状態変化に影響されずに過熱度制御の制御性を向上させ、安定した運転状態を維持できる冷凍サイクル装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る冷凍サイクル装置は、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から吐出された冷媒の熱を放熱させる凝縮器と、前記凝縮器から流出された冷媒の流量を調整する第１減圧装置と、前記第１減圧装置から流出された冷媒を気液分離する気液分離器と、前記気液分離器で分離された液冷媒と前記圧縮機の吸入側の冷媒とで熱交換する内部熱交換器と、前記内部熱交換器で前記圧縮機の吸入側の冷媒と熱交換した冷媒の流量を調整する第２減圧装置と、前記第２減圧装置から流出された冷媒に熱を吸熱させる蒸発器と、前記気液分離器で分離されたガス冷媒を前記蒸発器の出口側にバイパスするバイパス配管と、前記バイパス配管に設置され、前記バイパス配管を流れるガス冷媒の流量を調整する第３減圧装置と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る冷凍サイクル装置によれば、複数の減圧装置、中間圧冷媒と低圧冷媒とで熱交換させる内部熱交換器及び気液分離器を備えたので、運転状態変化に影響されず、安定した運転状態を維持することが可能になる。つまり、本発明に係る冷凍サイクル装置によれば、冷凍サイクルの運転状態が変化、たとえば高圧が上昇するといった変化が生じたとしても、複数の減圧装置により中間圧を一定に維持することができ、中間圧と低圧の圧力差が一定にすることが可能となり、第３減圧装置の開閉動作が安定するため、冷媒循環量が安定、蒸発器出口の冷媒状態が乾きすぎたり湿りすぎたりせず、蒸発能力も安定することになる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１に係る冷凍空調装置の冷媒回路構成を示す冷媒回路図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る冷凍空調装置に搭載される蒸発器における冷媒と被冷熱流体との熱交換形態の一例を模式的に示した模式図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る冷凍空調装置の冷媒の状態遷移を示すＰ−ｈ線図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る冷凍空調装置の制御動作の流れを示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施の形態２に係る冷凍空調装置の制御動作の流れを示すフローチャートである。
【図６】本発明の実施の形態３に係る冷凍空調装置の冷媒回路構成を示す冷媒回路図である。
【図７】蒸発器出口乾き度と蒸発能力との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る冷凍空調装置１００の冷媒回路構成を示す冷媒回路図である。図２は、蒸発器５における冷媒と被冷熱流体との熱交換形態の一例を模式的に示した模式図である。図３は、冷凍空調装置１００の冷媒の状態遷移を示すＰ−ｈ線図である。図４は、冷凍空調装置１００の制御動作の流れを示すフローチャートである。図１〜図４に基づいて、冷凍空調装置１００の構成及び動作について説明する。この冷凍空調装置１００は、蒸気圧縮式の冷凍サイクル運転を行なう冷凍サイクル装置の一例を示している。なお、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。
【００１５】
［装置構成］
冷凍空調装置１００は、圧縮機１、凝縮器（放熱器）２、減圧装置である第１膨張弁３及び第２膨張弁４、蒸発器５、内部熱交換器６、気液分離器７を有しており、これらを冷媒配管５０で接続して冷媒回路Ａを構成している。また、冷凍空調装置１００は、気液分離器７と、蒸発器５と内部熱交換器６を接続している冷媒配管５０と、を接続するバイパス配管８が設けられており、このバイパス配管８には減圧装置である第３膨張弁９が設置されている。そして、圧縮機１、凝縮器２、第１膨張弁３、気液分離器７、第３膨張弁９を冷媒配管５０及びバイパス配管８で接続してバイパス流路を構成している。
【００１６】
（圧縮機１）
圧縮機１は、冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮して高温・高圧の状態にするものである。圧縮機１は、運転容量を可変することが可能な圧縮機であり、たとえばインバーターにより制御されるモーター（図示せず）によって駆動される容積式圧縮機から構成されている。なお、図１においては、圧縮機１が１台のみ搭載されている状態を例に示しているが、これに限定されず、２台以上の圧縮機を並列もしくは直列に接続して搭載するようにしてもよい。
【００１７】
（凝縮器２）
凝縮器２は、圧縮機１から吐出された高温高圧の冷媒と被熱交換媒体とが熱交換するものである。凝縮器２は、たとえば間隔をおいて薄板を多数並べて、周縁部をシールし、各薄板間に形成された空間を交互に冷媒流路と水流路としてなるプレート式熱交換器で構成するとよい。プレート式熱交換器を用いる場合であって、被熱交換媒体がたとえば水のような流体である場合、ポンプなどの送出手段（図示せず）を用いて被熱交換媒体を凝縮器２に供給すればよい。なお、被熱交換媒体を水に限定するものではなく、凝固点を降下させる添加物を混ぜたブライン等であってもよい。
【００１８】
凝縮器２は、プレート式熱交換器に限定されず、伝熱管と多数のフィンとにより構成されたクロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器で構成してもよい。フィン・アンド・チューブ型熱交換器を用いる場合であって、被熱交換媒体が空気である場合、ファン等の送出手段を用いては被熱交換媒体を凝縮器２に供給すればよい。また、図１においては、凝縮器２が１台のみ搭載されている状態を例に示しているが、これに限定されず２台以上の凝縮器を並列もしくは直列に接続して搭載するようにしてもよい。その他、凝縮器２は、マイクロチャネル熱交換器、シェルアンドチューブ式熱交換器、ヒートパイプ式熱交換器、あるいは、二重管式熱交換器等で構成してもよい。
【００１９】
（減圧装置）
減圧装置（第１膨張弁（第１減圧装置）３、第２膨張弁（第２減圧装置）４、第３膨張弁（第３減圧装置）９）は、冷媒を減圧して膨張させるものである。減圧装置は、冷媒回路Ａ及びバイパス流路を流れる冷媒の流量の調節等を行なうことが可能なステッピングモーター（図示せず）により絞り開度を調整することが可能な電子膨張弁等で構成するとよい。第３膨張弁９は、バイパス配管８を流れるガス冷媒の流量を制御するためのものである。なお、第３膨張弁９には、電子膨張弁以外にも、可変制御可能な流量制御弁、キャピラリー、定差圧弁等を用いてもよい。
【００２０】
（蒸発器５）
蒸発器５は、第２膨張弁４で減圧された低温低圧の冷媒と被冷熱流体とが熱交換するものである。蒸発器５は、たとえば間隔をおいて薄板を多数並べて、周縁部をシールし、各薄板間に形成された空間を交互に冷媒流路と水流路としてなるプレート式熱交換器で構成するとよい。プレート式熱交換器を用いる場合であって、被冷熱流体がたとえば水のような流体である場合、ポンプなどの被冷熱流体送出手段１０を用いて被冷熱流体を蒸発器５に供給すればよい。
【００２１】
蒸発器５としてプレート式熱交換器を用いる場合、図２に示すように、蒸発器５では、冷媒回路Ａにて循環する冷媒と、被冷熱流体流路Ｂにて循環する被冷熱流体と、が熱交換する形態になる。被冷熱流体流路Ｂは、冷熱負荷と、被冷熱流体送出手段１０と、蒸発器５の被冷熱流体と、を流体配管で接続して構成されている。冷熱負荷（たとえば、冷蔵庫や室内機等）から被冷熱流体送出手段１０によって駆動された被冷熱流体は、蒸発器５において冷媒回路Ａを流れる液冷媒の蒸発により冷却され、冷熱負荷へ戻るようになっている。
【００２２】
なお、冷媒回路Ａを流れる冷媒の流れ方向は実線の矢印で表した方向、つまり冷媒と被冷熱流体が対向流となる方向であってもよいし、破線の矢印で表した方向、つまり冷媒と被冷熱流体が並行流となる方向であってもよい。また、被冷熱流体は、たとえば単なる水であってもよいし、凝固点を降下させる添加物を混ぜたブライン等であってもよい。さらに、被冷熱流体送出手段１０は、たとえばポンプ等のような流体を駆動させるもので構成すればよい。
【００２３】
蒸発器５は、プレート式熱交換器に限定されず、伝熱管と多数のフィンとにより構成されたクロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器で構成してもよい。フィン・アンド・チューブ型熱交換器を用いる場合であって、被冷熱流体が空気である場合、ファン等の送出手段を用いては被冷熱流体を蒸発器５に供給すればよい。また、図１においては、蒸発器５が１台のみ搭載されている状態を例に示しているが、これに限定されず２台以上の蒸発器を並列もしくは直列に接続して搭載するようにしてもよい。その他、蒸発器５は、マイクロチャネル熱交換器、シェルアンドチューブ式熱交換器、ヒートパイプ式熱交換器、あるいは、二重管式熱交換器等で構成してもよい。
【００２４】
（内部熱交換器６）
内部熱交換器６は、第１膨張弁３と第２膨張弁４との間を流れる冷媒、いわゆる中間圧冷媒と、蒸発器５と圧縮機１との間を流れる冷媒、いわゆる低圧冷媒と、で熱交換するように設置される。つまり、内部熱交換器６は、圧縮機１の吸入側に設置され、蒸発器５から流出し、冷媒配管５０を流れる低温低圧の冷媒と、気液分離器７から流出し、第２膨張弁４に至るまでの間における冷媒配管５０を流れる冷媒と、で熱交換するようになっている。
【００２５】
（気液分離器７）
気液分離器７は、内部熱交換器６よりも上流側（冷媒回路Ａ及びバイパス流路の双方の上流側）に配置されている。そして、気液分離器７で分離された液冷媒が流出する液冷媒部を内部熱交換器６の高圧側入口に接続し、気液分離器７で分離されたガス冷媒が流出するガス冷媒部をバイパス配管８を介して、内部熱交換器６の低圧側入口に接続している。
【００２６】
（計測・制御系）
冷凍空調装置１００には、各種センサー（温度センサー４０（温度センサー４０ａ、４０ｂ・・・の総称）、圧力センサー４１（圧力センサー４１ａ、４１ｂ・・・の総称））が設置されている。また、冷凍空調装置１００には、その運転動作が統括制御される計測制御部３０が搭載されている。計測制御部３０は、各種センサーによって計測された各情報に基づいて各アクチュエーター（たとえば、圧縮機１、減圧装置、図示省略の送出手段等）の動作を制御する。
【００２７】
温度センサー（媒吐出温度検出手段）４０ａは、圧縮機１の吐出側（出口側）に設置され、設置場所の冷媒温度（吐出温度）を計測するものである。温度センサー４０ｂは、凝縮器２の出口側に設置され、設置場所の冷媒温度（凝縮器出口温度）を計測するものである。温度センサー４０ｃは、圧縮機１の吸入側（入口側）に設置され、設置場所の冷媒温度（吸入温度）を計測するものである。温度センサー４０ｄは、後述する被冷熱流体流路Ｂにおける蒸発器５の出口側に設置され、設置場所の被冷熱流体温度を計測するものである。
【００２８】
圧力センサー４１ａは、圧縮機１の吐出側（出口側）に設置され、設置場所の冷媒圧力（高圧）を計測するものである。圧力センサー（中間圧検出手段）４１ｂは、第１膨張弁３と第２膨張弁４との間に設置され、設置場所の冷媒圧力（中間圧）を計測するものである。圧力センサー４１ｃは、圧縮機１の吸入側（入口側）に設置され、設置場所の冷媒圧力（低圧）を計測するものである。なお、圧力センサー４１ｂは、図１に示された箇所に限定されず、第１膨張弁３と第２膨張弁４の間、つまり中間圧状態の冷媒の圧力を計測できる場所であれば、どこに設置してもよい。
【００２９】
また、計測制御部３０は、温度センサー４０や圧力センサー４１からの計測情報や、冷凍空調装置１００の使用者からたとえばリモコン等を介して指示される運転内容に基づいて、圧縮機１の運転方法、各膨張弁の開度、被冷熱流体送出手段１０の回転数、図示省略の送出手段の回転数、などを制御するものである。この計測制御部３０は、たとえばマイクロコンピューター等で構成するとよい。
【００３０】
（冷媒の種類）
冷凍空調装置１００に用いられる冷媒には、たとえばＲ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ４０４ＡなどのＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）冷媒、Ｒ２２、Ｒ１３４ａなどのＨＣＦＣ（ハイドロクロロフルオロカーボン）冷媒、もしくは炭化水素、ヘリウムのような自然冷媒などがあるが、これに限定されず同様な役割を果たすものであれば、他の冷媒であってもよい。
【００３１】
［運転動作］
図３に基づいて冷凍空調装置１００の運転動作を説明する。
圧縮機１から吐出された高温高圧のガス冷媒（点１）は、凝縮器２に流入し、ここで放熱しながら凝縮液化し、高圧低温の冷媒となる（点２）。凝縮器２で凝縮液化した冷媒は、第１膨張弁３にて若干減圧されて中間圧二相冷媒となり（点３）、気液分離器７に流入する。気液分離器７に流入した二相冷媒は、液冷媒とガス冷媒に分離される。液冷媒は、飽和液冷媒（点４）であり、内部熱交換器６の高圧側に導入される。その一方で、分離されたガス冷媒は、気液分離器７を出て第３膨張弁９で流量調整され、バイパス配管８を介して内部熱交換器６の低圧側へ導入される。
【００３２】
気液分離器７で分離された液冷媒は、内部熱交換器６にて低温低圧の冷媒（蒸発器５から流出した冷媒）と熱交換して冷却され、過冷却液冷媒（図３点５）となる。この過冷却冷媒は、その後、第２膨張弁４でさらに低圧まで減圧されて二相冷媒（図３点６）となって、蒸発器５に流入する。この二相冷媒は、蒸発器５で、吸熱し蒸発ガス化しながら、被冷熱流体に冷熱を供給し、低圧のガス冷媒となる（図３点７）。蒸発器５を出た低圧ガス冷媒は、バイパス配管８からのガス冷媒と合流した後で内部熱交換器６の低圧側に流入する。流入した低圧ガス冷媒は、内部熱交換器６で中間圧二相冷媒と熱交換し過熱されて（図３点８）、圧縮機１に吸入される。
【００３３】
［運転制御動作］
次に、図４に基づいて冷凍空調装置１００の運転制御動作を説明する。
計測制御部３０は、運転開始後、まず圧縮機１の容量、第１膨張弁３の開度、第２膨張弁４の開度、第３膨張弁９の開度を初期値に設定する（ステップＳ１）。なお、本実施の形態１では、第３膨張弁９については固定開度（流路抵抗Ｃｖ一定）とする。そして、それから所定時間が経過すると（ステップＳ２）、計測制御部３０は、それ以降の運転状態に応じて各アクチュエーターを以下のように制御する。
【００３４】
圧縮機１の容量は、基本的に蒸発器５出口の温度センサー４０ｄで計測される被冷熱流体温度が、冷凍空調装置１００の使用者が設定する温度になるように制御される。すなわち、計測制御部３０は、被冷熱流体温度と設定温度とを比較し（ステップＳ３）、被冷熱流体温度が設定温度と等しいか或いは近接している場合には、圧縮機１の容量をそのまま維持し（ステップＳ３；ＹＥＳ）、次のステップに進む。被冷熱流体温度が設定温度より大きく上昇している場合は、圧縮機１の容量を増加し、被冷熱流体温度が設定温度より低下している場合には、圧縮機１の容量を低下するというように圧縮機１の容量を変更する（ステップＳ３；ＮＯ、ステップＳ４）。圧縮機１の容量を変化させた場合、第１膨張弁３の開度制御に移行する。
【００３５】
第１膨張弁３は、圧力センサー４１ｂで検出される中間圧が予め設定された目標値、たとえば１．６ＭＰａＧになるように開度が制御される。すなわち、計測制御部３０は、中間圧と目標値とを比較し（ステップＳ５）、中間圧が目標値と等しいか或いは近接している場合には、第１膨張弁３の開度をそのまま維持し（ステップＳ５；ＹＥＳ）、次のステップに進む。中間圧が目標値よりも大きい場合には、第１膨張弁３の開度を小さくし、中間圧が目標値よりも小さい場合には、第１膨張弁３の開度を大きくするというように第１膨張弁３の開度を変更する（ステップＳ５；ＮＯ、ステップＳ６）。第１膨張弁３の開度を変化させた後、第２膨張弁４の開度制御に移行する。
【００３６】
第２膨張弁４は、温度センサー４０ｃで検知される圧縮機１の吸入温度と圧力センサー４１ｃで検出される圧縮機１の吸入圧力の圧力値を飽和温度に換算した低圧冷媒の飽和温度との差温で検知される圧縮機１の吸入冷媒過熱度ＳＨ（以下、単にＳＨと称する）が予め設定された目標値、たとえば６℃になるように制御される。温度センサー４０ｃ及び圧力センサー４１ｃが吸入冷媒過熱度検出手段として機能する。すなわち、計測制御部３０は、ＳＨと目標値とを比較し（ステップＳ７）、ＳＨと目標値が等しいか或いは近接している場合には、第２膨張弁４の開度をそのまま維持し（ステップＳ７；ＹＥＳ）、ステップＳ２に戻る。ＳＨが目標値より大きい場合には、第２膨張弁４の開度を大きくし、ＳＨが目標値より小さい場合には、第２膨張弁４の開度を小さくするというように第２膨張弁４の開度を変更する（ステップＳ８）。第２膨張弁４の開度を変化させた後、ステップＳ２に戻る。
【００３７】
［作用効果］
本実施の形態に係る冷凍空調装置１００によって実現される作用効果について説明する。従来から、複数の膨張弁（減圧装置）と内部熱交換器を設け、内部熱交換器において中間圧冷媒と低圧冷媒とで熱交換させるようにした構成は知られている。しかしながら、本実施の形態に係る冷凍空調装置１００のような回路構成を採用したものはなかった。冷凍空調装置１００は、上述した回路構成を採用したことによって、以下に示すような顕著な効果が得られるようになっている。
【００３８】
冷凍空調装置１００では、凝縮器２の出口側の低圧冷媒を、第１膨張弁３で減圧された中間圧二相冷媒から気液分離器７でガス冷媒を抜き出して中間圧飽和液冷媒として、内部熱交換器６の高圧側入口へ導入し、低圧冷媒と熱交換させるようにしている。
【００３９】
第１膨張弁３の下流に気液分離器７が備えられているので、第１膨張弁３の開度調整によって気液分離器７に導入される第１膨張弁３の出口側の二相冷媒の状態量（圧力、温度、エンタルピー）が制御可能となっている。また、状態量が制御された二相冷媒を気液分離器７で分離し、その液冷媒部を内部熱交換器６の高圧側入口へ接続するので、内部熱交換器６の高圧側へ導入する冷媒は常に液冷媒となっている。さらに、気液分離器７の下流側に内部熱交換器６が備えられているので、第１膨張弁３によって状態量が制御され、気液分離器７でガス冷媒が抜き出された中間圧飽和液冷媒を内部熱交換器６の高圧側へ導入することができる。
【００４０】
したがって、冷凍空調装置１００によれば、何らかの要因で高圧が上昇する等、凝縮器２における高圧冷媒の状態量に変化が生じたとしても、内部熱交換器６の高圧側入口液冷媒の状態量は変化せず、そのままの状態量を維持することができるので、中間圧冷媒の圧力や温度を一定に制御することが可能になる。
【００４１】
また、冷凍空調装置１００によれば、上記のように第１膨張弁３の開度を調整して中間圧冷媒の状態量を一定にすることで、内部熱交換器６の熱交換量を一定に維持することが可能となる。よって、冷凍空調装置１００によれば、高圧が上昇しても制御対象である圧縮機１の吸入冷媒過熱度に変化はなく、第２膨張弁４の開度は大きな開閉動作の必要もなく、目標過熱度に到達することになる。また、低圧が変化しなければ中間圧一定であるから、第２膨張弁４による減圧は常に一定だけ減圧すればよいので、第２膨張弁４の開度をほぼ一定に制御できる。これにより、冷媒流量が安定し、冷凍サイクルとして安定した運転状態が実現できる。
【００４２】
ここで、中間圧の制御目標値は、所定の運転条件において冷凍空調装置１００を運転させたときの高圧圧力の値よりも低い値を設定する。所定の運転条件とは、たとえば冷凍空調装置１００の定格条件を意味しているものとする。また、所定の運転条件とは、たとえば圧縮機運転周波数、外気温、被冷熱流体の温度や流量等が定められた運転条件を意味するしているものとする。
【００４３】
上記のように、中間圧の制御目標値を設定することで、検出された高圧圧力値が所定の運転条件での目標高圧圧力値より高くなった場合においても、内部熱交換器６の熱交換量を所定の運転条件における熱交換量のまま、一定に維持することができ、安定した運転状態が実現できる。なお、ここでは、第１膨張弁３の制御対象となる冷媒状態量を中間圧（圧力値）としたが、中間圧の圧力値を検出する圧力センサー４１ｂの代わりに、温度センサー（中間圧冷媒温度検出手段）を設置し、中間圧冷媒の冷媒温度を制御対象の冷媒状態量としても同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００４４】
実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２に係る冷凍空調装置の制御動作の流れを示すフローチャートである。図５に基づいて、実施の形態２に係る冷凍空調装置の特徴部分である制御動作について説明する。実施の形態２に係る冷凍空調装置は、実施の形態１に係る冷凍空調装置１００と同様に蒸気圧縮式の冷凍サイクル運転を行なう冷凍サイクル装置の一つの例である。なお、この実施の形態２では上述した実施の形態１との相違点を中心に説明するものとし、冷媒回路構成など実施の形態１と同一の箇所については説明を割愛するものとする。
【００４５】
［運転制御動作］
図５に基づいて実施の形態２に係る冷凍空調装置の運転制御動作を説明する。実施の形態２に係る冷凍空調装置では、第３膨張弁９の開度制御を加えて点で実施の形態１に係る冷凍空調装置１００と相違している。なお、ステップＳ１１〜ステップＳ１４（初期設定〜圧縮機容量変更）は、実施の形態１における図４のステップＳ１〜ステップＳ４とそれぞれ同様となるので、それらの説明を省略するものとする。
【００４６】
第１膨張弁３は、圧力センサー４１ａで検出される圧縮機１の吐出圧力の圧力値を飽和温度に換算した高圧冷媒の飽和温度と温度センサー４０ｂで検出される凝縮器２の出口温度との差温で得られる凝縮器２の出口冷媒過冷却度ＳＣ（以下、単にＳＣと称する）が予め設定された目標値、たとえば３℃になるように制御される。圧力センサー４１ａ及び温度センサー４０ｂが過冷却度検出手段として機能する。すなわち、計測制御部３０は、ＳＣと目標値とを比較し（ステップＳ１５）、ＳＣが目標値と等しいか或いは近接している場合には、第１膨張弁３の開度をそのまま維持し（ステップＳ１５；ＹＥＳ）、次のステップに進む。ＳＣが目標値よりも大きい場合には、第１膨張弁３の開度を大きくし、ＳＣが目標値よりも小さい場合には、第１膨張弁３の開度を小さくするというように第１膨張弁３の開度を変更する（ステップＳ１５；ＮＯ、ステップＳ１６）。第１膨張弁３の開度を変化させた後、第３膨張弁９の開度制御に移行する。
【００４７】
第３膨張弁９は、圧力センサー４１ｂで検知される中間圧と圧力センサー４１ｃで検出される圧縮機１の吸入圧力の圧力値との差圧で検知される中低圧差ΔＰｍが予め設定された目標値、たとえば０．７ＭＰａＧになるように制御される。圧力センサー４１ｂ及び圧力センサー４１ｃが中低圧差検出手段として機能する。すなわち、計測制御部３０は、中低圧差ΔＰｍと目標値とを比較し（ステップＳ１７）、中低圧差ΔＰｍと目標値が等しいか或いは近接している場合には、第３膨張弁９の開度をそのまま維持し（ステップＳ１７；ＹＥＳ）、次のステップに進む。中低圧差ΔＰｍが目標値より大きい場合には、第３膨張弁９の開度は大きく、中低圧差ΔＰｍが目標値より小さい場合には、第３膨張弁９の開度は小さく制御されるというように第３膨張弁９の開度を変更する（ステップＳ１８）。第３膨張弁９の開度を変化させた後、第２膨張弁４の開度制御に移行する。
【００４８】
第２膨張弁４は、温度センサー４０ｃで検知される圧縮機１の吸入温度と圧力センサー４１ｃで検出される圧縮機１の吸入圧力の圧力値を飽和温度に換算した低圧冷媒の飽和温度との差温で検知される圧縮機１の吸入冷媒過熱度ＳＨ（以下、単にＳＨと称する）が予め設定された目標値、たとえば６℃になるように制御される。すなわち、計測制御部３０は、ＳＨと目標値とを比較し（ステップＳ１９）、ＳＨと目標値が等しいか或いは近接している場合には、第２膨張弁４の開度をそのまま維持し（ステップＳ１９；ＹＥＳ）、ステップＳ１２に戻る。ＳＨが目標値より大きい場合には、第２膨張弁４の開度を大きくし、ＳＨが目標値より小さい場合には、第２膨張弁４の開度を小さくするというように第２膨張弁４の開度を変更する（ステップＳ２０）。第２膨張弁４の開度を変化させた後、ステップＳ１２に戻る。
【００４９】
［作用効果］
実施の形態２に係る冷凍空調装置によって実現される作用効果について説明する。実施の形態２に係る冷凍空調装置は、冷媒回路構成が実施の形態１に係る冷凍空調装置１００と同様であるが、各アクチュエーター、特に膨張弁の制御が実施の形態１に係る冷凍空調装置１００と異なるものとしている。実施の形態２に係る冷凍空調装置は、上述した制御方法を採用したことによって、以下に示すような顕著な効果が得られるようになっている。
【００５０】
実施の形態２に係る冷凍空調装置では、実施の形態１に係る冷凍空調装置１００と異なる点として、第１膨張弁３の開度を調整して凝縮器２の出口冷媒過冷却度ＳＣを一定に制御していることである。この場合において、第３膨張弁９の開度を調整してバイパス配管８を流れるガス冷媒の流量を調整することで、中間圧と低圧の圧力差である中低圧差ΔＰｍを一定に制御することができる。これにより、低圧が一定であれば、中間圧も一定となる。
【００５１】
すなわち、実施の形態２に係る冷凍空調装置によれば、実施の形態１に係る冷凍空調装置１００と同様に中間圧を一定に制御することができる。つまり、何らかの要因で高圧が上昇する等、凝縮器２における高圧冷媒の状態に変化が生じても、内部熱交換器６に導入する液冷媒の状態量（圧力、温度、エンタルピー）を一定に保つことができるため、内部熱交換器６の熱交換量を一定に維持することができる。よって、実施の形態２に係る冷凍空調装置によれば、高圧が上昇しても制御対象である圧縮機１の吸入冷媒過熱度に変化はなく、第２膨張弁４の開度を変えることなく目標過熱度に到達する。また、中間圧が一定に制御されていれば、第２膨張弁４による減圧は常に一定だけ減圧すればよいので、第２膨張弁４の開度を変化させなくてもよい。これにより、第２膨張弁４の開度が安定するので冷媒流量が安定し、冷凍サイクルとして安定した運転状態が実現できる。
【００５２】
ここで、中低圧差の制御目標値は、所定の運転条件において実施の形態２に係る冷凍空調装置を運転させたときの高圧圧力の値よりも中間圧が低くなるように、中低圧差の目標値を設定する。
【００５３】
上記のように、中低圧差を一定に制御することで、検出された高圧圧力値が所定の運転条件での目標高圧圧力値より高くなった場合においても、内部熱交換器６の熱交換量を所定の運転条件における熱交換量のまま、一定に維持することができ、安定した運転状態が実現できる。
【００５４】
図７は、蒸発器出口乾き度と蒸発能力との関係を示すグラフである。図７に基づいて、蒸発器出口乾き度と蒸発能力との関係について説明する。実施の形態１や実施の形態２に係る冷凍空調装置においては、圧縮機１の吸入冷媒過熱度ＳＨの制御目標値は、たとえば所定の運転条件において蒸発器５の出口冷媒状態が乾き度１となるように設定するとよい。図７から、蒸発器出口冷媒の状態が乾き度１の飽和ガス状態となる場合において冷凍サイクルにおける蒸発能力が最大となることがわかる。
【００５５】
したがって、このように蒸発器５の出口冷媒が乾き度１となるように運転制御をすることで、実施の形態１や実施の形態２に係る冷凍空調装置を当該条件において蒸発能力が最大となる状態で使うことができ、冷凍サイクルの高効率化を図ることができる。また、所定の運転条件よりも高圧が高くなった場合においても、内部熱交換器６の熱交換量が一定に維持されるため、同様に蒸発器５の出口冷媒が乾き度１である状態、つまり蒸発能力が最大となる状態で使うことができる。
【００５６】
［変形例］
実施の形態１及び実施の形態２の冷凍空調装置では、第２膨張弁４の制御対象を圧縮機１の吸入冷媒過熱度ＳＨとしたが、圧縮機１の吸入冷媒過熱度の代わりに、温度センサー４０ａで検出される圧縮機１の吐出冷媒温度、又は、温度センサー４０ａで検出される圧縮機１の吐出冷媒温度と圧力センサー４１ａで検出される圧縮機１の吐出圧力の圧力値を飽和温度に換算した高圧冷媒の飽和温度との差温で得られる圧縮機１の吐出冷媒過熱度のいずれかを制御対象としてもよい。圧縮機１の吐出冷媒過熱度を制御対象とする場合、温度センサー４０ａ及び圧力センサー４１ａが冷媒吐出過熱度検出手段として機能する。
【００５７】
また、圧縮機１の吸入冷媒過熱度の代わりに、圧力センサー４１ａで検出される圧縮機１の吐出圧力の圧力値を飽和温度に換算した高圧冷媒の飽和温度と温度センサー４０ｂで検出される凝縮器２の出口温度との差温で得られる凝縮器２の出口冷媒過冷却度ＳＣが、予め設定された目標値になるように第２膨張弁４を制御するようにしてもよい。
【００５８】
実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３に係る冷凍空調装置２００の冷媒回路構成を示す冷媒回路図である。図６に基づいて、冷凍空調装置２００の特徴部分について説明する。実施の形態３に係る冷凍空調装置２００は、実施の形態１及び実施の形態２に係る冷凍空調装置の変形例の一つである。なお、この実施の形態３では上述した実施の形態１との相違点を中心に説明するものとし、冷媒回路構成など実施の形態１と同一の箇所については説明を割愛するものとする。
【００５９】
さらに、実施の形態１及び実施の形態２では、蒸発器５をプレート式熱交換器で構成した場合を例に説明したが、蒸発器５及び凝縮器２の両方を伝熱管と多数のフィンとにより構成されたクロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器で構成してもよい。この場合の被熱交換媒体は空気であり、ファンなどの送出手段（図示せず）によって送風される空気と熱交換する。
【００６０】
実施の形態３に係る冷凍空調装置２００は、蒸発器５及び凝縮器２の両方をフィン・アンド・チューブ型熱交換器で構成しているものとする。この構成の場合は、たとえば図６に示すように各センサーを配置する。
【００６１】
温度センサー４０ｅは、凝縮器２の中間部の冷媒流路上に設置され、設置場所の冷媒温度を計測するものである。温度センサー（中間圧冷媒温度検出手段）４０ｆは、第１膨張弁３と第２膨張弁４との間に設置され、設置場所の冷媒温度を計測するものである。温度センサー４０ｇは、蒸発器５の中間部の冷媒流路上に設置され、設置場所の冷媒温度を計測するものである。温度センサー４０ｈは、凝縮器２の空気吸入側付近に設置され、凝縮器２に吸気される空気の温度を計測するものである。温度センサー４０ｉは、蒸発器５の空気吸入側付近に設置され、蒸発器５に吸気される空気の温度を計測するものである。
【００６２】
温度センサー４０ｅ、温度センサー４０ｇは、それぞれ熱交換器（凝縮器２、蒸発器５）の中間で気液二相状態となっている冷媒温度を検知することにより、高低圧の冷媒飽和温度を検知することができる。また、凝縮器２の吸入側付近に温度センサー４０ｈを設置し、蒸発器５の吸入側付近に温度センサー４０ｉを設置し、それぞれの熱交換器に吸気される空気温度を計測するようにしている。
【００６３】
冷凍空調装置２００の場合は、図４や図５のフローに示す運転制御動作において、温度センサー４０ｃで検知される圧縮機１の吸入温度と温度センサー４０ｇで検出される低圧冷媒の飽和温度との差温を圧縮機１の吸入冷媒過熱度ＳＨとし、温度センサー４０ｅで検出される高圧冷媒の飽和温度と温度センサー４０ｂで検出される凝縮器２の出口の冷媒温度との差温を凝縮器２の出口冷媒過冷却度ＳＣとし、温度センサー４０ｆで検出される冷媒温度を中間圧冷媒温度として、各膨張弁の制御動作を実行させる。また、被冷熱流体温度の代わりに、温度センサー４０ｉで検出される蒸発器５での空気温度、又は温度センサー４０ｈで検出される凝縮器２での空気温度のいずれかが、予め設定された目標値になるように圧縮機１の容量を調整する。
【００６４】
冷凍空調装置２００を上記のような冷媒回路構成・運転制御動作とした場合においても、実施の形態１や実施の形態２で述べた内容と同様の効果が得られる。
【００６５】
なお、各実施の形態では、冷凍サイクル装置の一例として冷凍空調装置を例に説明したが、他の冷凍サイクル装置、たとえば冷凍機、冷蔵庫、空気調和装置等にも適用可能であることは言うまでもない。また、本発明の特徴事項を実施の形態１〜実施の形態３に分けて説明したが、それらの実施の形態で説明した内容に限定するものでなく、本発明の技術範囲内で適宜変更が可能である。さらに、各実施の形態で説明した本発明の特徴事項を適宜組み合わせて冷凍サイクル装置を構成するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００６６】
１ 圧縮機、２ 凝縮器、３ 第１膨張弁、４ 第２膨張弁、５ 蒸発器、６ 内部熱交換器、７ 気液分離器、８ バイパス配管、９ 第３膨張弁、１０ 被冷熱流体送出手段、３０ 計測制御部、４０ 温度センサー、４０ａ 温度センサー、４０ｂ 温度センサー、４０ｃ 温度センサー、４０ｄ 温度センサー、４０ｅ 温度センサー、４０ｆ 温度センサー、４０ｇ 温度センサー、４０ｈ 温度センサー、４０ｉ 温度センサー、４１ 圧力センサー、４１ａ 圧力センサー、４１ｂ 圧力センサー、４１ｃ 圧力センサー、５０ 冷媒配管、１００ 冷凍空調装置、２００ 冷凍空調装置、Ａ 冷媒回路、Ｂ 被冷熱流体流路。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、過熱度制御の制御性を向上させ、運転状態の安定化を図るようにした冷凍サイクル装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、過熱度制御を実行するようにした冷凍サイクル装置が存在する。そのようなものとして、「圧縮機、凝縮器、高圧側絞り装置、レシーバ、低圧側絞り装置、蒸発器とを順次接続して冷媒に沸点の異なる２種以上の冷媒からなる非共沸混合冷媒を使用し、前記蒸発器の出口の冷媒の状態が湿り状態で循環する冷凍サイクルと、前記蒸発器と前記圧縮機の間に設けられ、湿り状態である前記蒸発器の出口の冷媒を過熱し目標過熱度に過熱するのに必要な熱交換量を有する再蒸発手段と、前記再蒸発手段にて過熱された後の前記圧縮機の入り口の吸入冷媒の過熱度に相当する過熱特性を検知する過熱検知手段と、前記過熱検知手段により検知された前記過熱度の情報に基づき湿り状態である前記蒸発器出口の冷媒を前記圧縮機の入り口では目標過熱度になるように前記低圧側絞り装置の開口面積を調整し制御する制御手段と、を備えた冷凍サイクル装置」が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、「圧縮機、凝縮器、第１の減圧装置、第２の減圧装置及び蒸発器が環状に接続された冷凍空調装置において、前記第１の減圧装置と前記第２の減圧装置の間の冷媒と、前記蒸発器と前記圧縮機との間の冷媒とを熱交換する内部熱交換器と、前記凝縮器出口の冷媒の過冷却度を検出する過冷却度検出手段と、前記過冷却度検出手段により検出された過冷却度が予め定められた値となるように前記第１の減圧装置の流量調整を行う第１の制御手段と、前記内部熱交換器での熱交換量を検出する熱交換量検出手段と、前記内部熱交換器により過熱された後の前記圧縮機入り口の冷媒の過熱度を検出する過熱度検出手段と、前記熱交換量検出手段により検出された前記内部熱交換量より前記蒸発器出口の冷媒が飽和ガス状態となる場合の圧縮機入り口の冷媒の過熱度を算出する目標過熱度算出手段と、前記過熱度算出手段により算出された過熱度を目標過熱度とし、前記過熱度検出手段が検出する圧縮機入り口の冷媒の過熱度が前記目標過熱度に近づくように前記第２の減圧装置の流量調整を行う第２の制御装置とを備えた冷凍空調装置」が提案されている（たとえば、特許文献２参照）。
【０００４】
さらに、「圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器を主な構成部品として備え、これら構成部品を順次主配管で接続した空気調和装置において、前記膨張弁と蒸発器との間に気液分離器を接続し、該気液分離器は該気液分離器で分離された液冷媒部分を前記蒸発器に接続する一方、ガス冷媒部分をバイパス配管を介して蒸発器の出口側に接続し、前記バイパス配管に該パイパス配管を流れるガス冷媒の流量を可変制御可能な可変絞り機構を介装させ、前記蒸発器の制御すべき目標の乾き度を割り出し、該目標の乾き度になるように前記可変絞り機構の絞り量を制御するようにした空気調和方法」が提案されている（たとえば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２６３８３１号公報（第５−７頁、図１、図２等）
【特許文献２】特開２００９−１６２３８８号公報（実施の形態２、図４等）
【特許文献３】特開２００８−１７５４５２号公報（第５−７頁、図１等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来技術として既に開示されている冷凍サイクル装置においては、性能を最大限発揮させるために蒸発能力が最大となるように制御するのが通常である。蒸発能力を最大とするには、蒸発器出口の冷媒の状態を飽和の状態にするのがよい。そこで、従来技術としての冷凍サイクル装置においては、そのような冷媒の状態を実現するために、たとえば圧縮機入口の冷媒状態を所定の目標過熱度に近づけるように冷媒絞り手段としての膨張弁の開度を調整するようにしている。
【０００７】
特許文献１や特許文献２に記載されているような冷凍サイクル装置では、内部熱交換器を設け、複数設置された膨張弁間の中間圧冷媒と、蒸発器出口と圧縮機入口との間の低圧冷媒と、で熱交換させて、蒸発器出口と圧縮機入口との間の低圧冷媒を過熱するようにしている。これらの文献に記載された構成にすると、運転中に運転条件に変化が生じた場合（たとえば高圧が上昇した場合）は、中間圧も上昇し、中間圧の冷媒温度も上昇、低圧側の冷媒状態にも変化が生じることになる。すなわち、圧縮機入口の冷媒過熱度も変化するため、膨張弁の開度を変化させて目標過熱度になるように調整しなければならない。
【０００８】
そこで、膨張弁の開度を一定の割合に変化させて調整しようとする場合、膨張弁の開度が大きく変化し過ぎてしまい、冷媒循環量が安定せず、蒸発器出口の冷媒状態が湿りすぎたり、乾きすぎたりして目標の冷媒状態にならない。このため、膨張弁の開度変化を繰り返す状態に陥ってしまい、安定した運転状態にならないといった課題があった。なお、ここでいう「安定」とは、所定時間経過後も高圧、低圧の圧力変動が小さく、凝縮温度や蒸発温度など各々の冷媒温度が所定時間前と略同一である状態のことをいうものとする。
【０００９】
特許文献３に記載されているような冷凍サイクル装置では、内部熱交換器を設けて、凝縮器出口の高圧冷媒と蒸発器出口の低圧冷媒とで熱交換させている。この文献に記載された構成にすると、高圧が上昇した場合は内部熱交換器の熱交換量が増大してしまう。そのため、特許文献３に記載されている冷凍サイクル装置においても、上記と同様の理由で安定した運転状態にならないといった課題があった。
【００１０】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、運転状態変化に影響されずに過熱度制御の制御性を向上させ、安定した運転状態を維持できる冷凍サイクル装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る冷凍サイクル装置は、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から吐出された冷媒の熱を放熱させる凝縮器と、前記凝縮器から流出された冷媒の流量を調整する第１減圧装置と、前記第１減圧装置から流出された冷媒を気液分離する気液分離器と、前記気液分離器で分離された液冷媒と前記圧縮機の吸入側の冷媒とで熱交換する内部熱交換器と、前記内部熱交換器で前記圧縮機の吸入側の冷媒と熱交換した冷媒の流量を調整する第２減圧装置と、前記第２減圧装置から流出された冷媒に熱を吸熱させる蒸発器と、前記気液分離器で分離されたガス冷媒を前記蒸発器の出口側にバイパスするバイパス配管と、前記バイパス配管に設置され、前記バイパス配管を流れるガス冷媒の流量を調整する第３減圧装置と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る冷凍サイクル装置によれば、複数の減圧装置、中間圧冷媒と低圧冷媒とで熱交換させる内部熱交換器及び気液分離器を備えたので、運転状態変化に影響されず、安定した運転状態を維持することが可能になる。つまり、本発明に係る冷凍サイクル装置によれば、冷凍サイクルの運転状態が変化、たとえば高圧が上昇するといった変化が生じたとしても、複数の減圧装置により中間圧を一定に維持することができ、中間圧と低圧の圧力差が一定にすることが可能となり、第３減圧装置の開閉動作が安定するため、冷媒循環量が安定、蒸発器出口の冷媒状態が乾きすぎたり湿りすぎたりせず、蒸発能力も安定することになる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１に係る冷凍空調装置の冷媒回路構成を示す冷媒回路図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る冷凍空調装置に搭載される蒸発器における冷媒と被冷熱流体との熱交換形態の一例を模式的に示した模式図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る冷凍空調装置の冷媒の状態遷移を示すＰ−ｈ線図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る冷凍空調装置の制御動作の流れを示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施の形態２に係る冷凍空調装置の制御動作の流れを示すフローチャートである。
【図６】本発明の実施の形態３に係る冷凍空調装置の冷媒回路構成を示す冷媒回路図である。
【図７】蒸発器出口乾き度と蒸発能力との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る冷凍空調装置１００の冷媒回路構成を示す冷媒回路図である。図２は、蒸発器５における冷媒と被冷熱流体との熱交換形態の一例を模式的に示した模式図である。図３は、冷凍空調装置１００の冷媒の状態遷移を示すＰ−ｈ線図である。図４は、冷凍空調装置１００の制御動作の流れを示すフローチャートである。図１〜図４に基づいて、冷凍空調装置１００の構成及び動作について説明する。この冷凍空調装置１００は、蒸気圧縮式の冷凍サイクル運転を行なう冷凍サイクル装置の一例を示している。なお、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。
【００１５】
［装置構成］
冷凍空調装置１００は、圧縮機１、凝縮器（放熱器）２、減圧装置である第１膨張弁３及び第２膨張弁４、蒸発器５、内部熱交換器６、気液分離器７を有しており、これらを冷媒配管５０で接続して冷媒回路Ａを構成している。また、冷凍空調装置１００は、気液分離器７と、蒸発器５と内部熱交換器６を接続している冷媒配管５０と、を接続するバイパス配管８が設けられており、このバイパス配管８には減圧装置である第３膨張弁９が設置されている。そして、圧縮機１、凝縮器２、第１膨張弁３、気液分離器７、第３膨張弁９を冷媒配管５０及びバイパス配管８で接続してバイパス流路を構成している。
【００１６】
（圧縮機１）
圧縮機１は、冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮して高温・高圧の状態にするものである。圧縮機１は、運転容量を可変することが可能な圧縮機であり、たとえばインバーターにより制御されるモーター（図示せず）によって駆動される容積式圧縮機から構成されている。なお、図１においては、圧縮機１が１台のみ搭載されている状態を例に示しているが、これに限定されず、２台以上の圧縮機を並列もしくは直列に接続して搭載するようにしてもよい。
【００１７】
（凝縮器２）
凝縮器２は、圧縮機１から吐出された高温高圧の冷媒と被熱交換媒体とが熱交換するものである。凝縮器２は、たとえば間隔をおいて薄板を多数並べて、周縁部をシールし、各薄板間に形成された空間を交互に冷媒流路と水流路としてなるプレート式熱交換器で構成するとよい。プレート式熱交換器を用いる場合であって、被熱交換媒体がたとえば水のような流体である場合、ポンプなどの送出手段（図示せず）を用いて被熱交換媒体を凝縮器２に供給すればよい。なお、被熱交換媒体を水に限定するものではなく、凝固点を降下させる添加物を混ぜたブライン等であってもよい。
【００１８】
凝縮器２は、プレート式熱交換器に限定されず、伝熱管と多数のフィンとにより構成されたクロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器で構成してもよい。フィン・アンド・チューブ型熱交換器を用いる場合であって、被熱交換媒体が空気である場合、ファン等の送出手段を用いては被熱交換媒体を凝縮器２に供給すればよい。また、図１においては、凝縮器２が１台のみ搭載されている状態を例に示しているが、これに限定されず２台以上の凝縮器を並列もしくは直列に接続して搭載するようにしてもよい。その他、凝縮器２は、マイクロチャネル熱交換器、シェルアンドチューブ式熱交換器、ヒートパイプ式熱交換器、あるいは、二重管式熱交換器等で構成してもよい。
【００１９】
（減圧装置）
減圧装置（第１膨張弁（第１減圧装置）３、第２膨張弁（第２減圧装置）４、第３膨張弁（第３減圧装置）９）は、冷媒を減圧して膨張させるものである。減圧装置は、冷媒回路Ａ及びバイパス流路を流れる冷媒の流量の調節等を行なうことが可能なステッピングモーター（図示せず）により絞り開度を調整することが可能な電子膨張弁等で構成するとよい。第３膨張弁９は、バイパス配管８を流れるガス冷媒の流量を制御するためのものである。なお、第３膨張弁９には、電子膨張弁以外にも、可変制御可能な流量制御弁、キャピラリー、定差圧弁等を用いてもよい。
【００２０】
（蒸発器５）
蒸発器５は、第２膨張弁４で減圧された低温低圧の冷媒と被冷熱流体とが熱交換するものである。蒸発器５は、たとえば間隔をおいて薄板を多数並べて、周縁部をシールし、各薄板間に形成された空間を交互に冷媒流路と水流路としてなるプレート式熱交換器で構成するとよい。プレート式熱交換器を用いる場合であって、被冷熱流体がたとえば水のような流体である場合、ポンプなどの被冷熱流体送出手段１０を用いて被冷熱流体を蒸発器５に供給すればよい。
【００２１】
蒸発器５としてプレート式熱交換器を用いる場合、図２に示すように、蒸発器５では、冷媒回路Ａにて循環する冷媒と、被冷熱流体流路Ｂにて循環する被冷熱流体と、が熱交換する形態になる。被冷熱流体流路Ｂは、冷熱負荷と、被冷熱流体送出手段１０と、蒸発器５の被冷熱流体と、を流体配管で接続して構成されている。冷熱負荷（たとえば、冷蔵庫や室内機等）から被冷熱流体送出手段１０によって駆動された被冷熱流体は、蒸発器５において冷媒回路Ａを流れる液冷媒の蒸発により冷却され、冷熱負荷へ戻るようになっている。
【００２２】
なお、冷媒回路Ａを流れる冷媒の流れ方向は実線の矢印で表した方向、つまり冷媒と被冷熱流体が対向流となる方向であってもよいし、破線の矢印で表した方向、つまり冷媒と被冷熱流体が並行流となる方向であってもよい。また、被冷熱流体は、たとえば単なる水であってもよいし、凝固点を降下させる添加物を混ぜたブライン等であってもよい。さらに、被冷熱流体送出手段１０は、たとえばポンプ等のような流体を駆動させるもので構成すればよい。
【００２３】
蒸発器５は、プレート式熱交換器に限定されず、伝熱管と多数のフィンとにより構成されたクロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器で構成してもよい。フィン・アンド・チューブ型熱交換器を用いる場合であって、被冷熱流体が空気である場合、ファン等の送出手段を用いては被冷熱流体を蒸発器５に供給すればよい。また、図１においては、蒸発器５が１台のみ搭載されている状態を例に示しているが、これに限定されず２台以上の蒸発器を並列もしくは直列に接続して搭載するようにしてもよい。その他、蒸発器５は、マイクロチャネル熱交換器、シェルアンドチューブ式熱交換器、ヒートパイプ式熱交換器、あるいは、二重管式熱交換器等で構成してもよい。
【００２４】
（内部熱交換器６）
内部熱交換器６は、第１膨張弁３と第２膨張弁４との間を流れる冷媒、いわゆる中間圧冷媒と、蒸発器５と圧縮機１との間を流れる冷媒、いわゆる低圧冷媒と、で熱交換するように設置される。つまり、内部熱交換器６は、圧縮機１の吸入側に設置され、蒸発器５から流出し、冷媒配管５０を流れる低温低圧の冷媒と、気液分離器７から流出し、第２膨張弁４に至るまでの間における冷媒配管５０を流れる冷媒と、で熱交換するようになっている。
【００２５】
（気液分離器７）
気液分離器７は、内部熱交換器６よりも上流側（冷媒回路Ａ及びバイパス流路の双方の上流側）に配置されている。そして、気液分離器７で分離された液冷媒が流出する液冷媒部を内部熱交換器６の高圧側入口に接続し、気液分離器７で分離されたガス冷媒が流出するガス冷媒部をバイパス配管８を介して、内部熱交換器６の低圧側入口に接続している。
【００２６】
（計測・制御系）
冷凍空調装置１００には、各種センサー（温度センサー４０（温度センサー４０ａ、４０ｂ・・・の総称）、圧力センサー４１（圧力センサー４１ａ、４１ｂ・・・の総称））が設置されている。また、冷凍空調装置１００には、その運転動作が統括制御される計測制御部３０が搭載されている。計測制御部３０は、各種センサーによって計測された各情報に基づいて各アクチュエーター（たとえば、圧縮機１、減圧装置、図示省略の送出手段等）の動作を制御する。
【００２７】
温度センサー（媒吐出温度検出手段）４０ａは、圧縮機１の吐出側（出口側）に設置され、設置場所の冷媒温度（吐出温度）を計測するものである。温度センサー４０ｂは、凝縮器２の出口側に設置され、設置場所の冷媒温度（凝縮器出口温度）を計測するものである。温度センサー４０ｃは、圧縮機１の吸入側（入口側）に設置され、設置場所の冷媒温度（吸入温度）を計測するものである。温度センサー４０ｄは、後述する被冷熱流体流路Ｂにおける蒸発器５の出口側に設置され、設置場所の被冷熱流体温度を計測するものである。
【００２８】
圧力センサー４１ａは、圧縮機１の吐出側（出口側）に設置され、設置場所の冷媒圧力（高圧）を計測するものである。圧力センサー（中間圧検出手段）４１ｂは、第１膨張弁３と第２膨張弁４との間に設置され、設置場所の冷媒圧力（中間圧）を計測するものである。圧力センサー４１ｃは、圧縮機１の吸入側（入口側）に設置され、設置場所の冷媒圧力（低圧）を計測するものである。なお、圧力センサー４１ｂは、図１に示された箇所に限定されず、第１膨張弁３と第２膨張弁４の間、つまり中間圧状態の冷媒の圧力を計測できる場所であれば、どこに設置してもよい。
【００２９】
また、計測制御部３０は、温度センサー４０や圧力センサー４１からの計測情報や、冷凍空調装置１００の使用者からたとえばリモコン等を介して指示される運転内容に基づいて、圧縮機１の運転方法、各膨張弁の開度、被冷熱流体送出手段１０の回転数、図示省略の送出手段の回転数、などを制御するものである。この計測制御部３０は、たとえばマイクロコンピューター等で構成するとよい。
【００３０】
（冷媒の種類）
冷凍空調装置１００に用いられる冷媒には、たとえばＲ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ４０４ＡなどのＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）冷媒、Ｒ２２、Ｒ１３４ａなどのＨＣＦＣ（ハイドロクロロフルオロカーボン）冷媒、もしくは炭化水素、ヘリウムのような自然冷媒などがあるが、これに限定されず同様な役割を果たすものであれば、他の冷媒であってもよい。
【００３１】
［運転動作］
図３に基づいて冷凍空調装置１００の運転動作を説明する。
圧縮機１から吐出された高温高圧のガス冷媒（点１）は、凝縮器２に流入し、ここで放熱しながら凝縮液化し、高圧低温の冷媒となる（点２）。凝縮器２で凝縮液化した冷媒は、第１膨張弁３にて若干減圧されて中間圧二相冷媒となり（点３）、気液分離器７に流入する。気液分離器７に流入した二相冷媒は、液冷媒とガス冷媒に分離される。液冷媒は、飽和液冷媒（点４）であり、内部熱交換器６の高圧側に導入される。その一方で、分離されたガス冷媒は、気液分離器７を出て第３膨張弁９で流量調整され、バイパス配管８を介して内部熱交換器６の低圧側へ導入される。
【００３２】
気液分離器７で分離された液冷媒は、内部熱交換器６にて低温低圧の冷媒（蒸発器５から流出した冷媒）と熱交換して冷却され、過冷却液冷媒（図３点５）となる。この過冷却冷媒は、その後、第２膨張弁４でさらに低圧まで減圧されて二相冷媒（図３点６）となって、蒸発器５に流入する。この二相冷媒は、蒸発器５で、吸熱し蒸発ガス化しながら、被冷熱流体に冷熱を供給し、低圧のガス冷媒となる（図３点７）。蒸発器５を出た低圧ガス冷媒は、バイパス配管８からのガス冷媒と合流した後で内部熱交換器６の低圧側に流入する。流入した低圧ガス冷媒は、内部熱交換器６で中間圧二相冷媒と熱交換し過熱されて（図３点８）、圧縮機１に吸入される。
【００３３】
［運転制御動作］
次に、図４に基づいて冷凍空調装置１００の運転制御動作を説明する。
計測制御部３０は、運転開始後、まず圧縮機１の容量、第１膨張弁３の開度、第２膨張弁４の開度、第３膨張弁９の開度を初期値に設定する（ステップＳ１）。なお、本実施の形態１では、第３膨張弁９については固定開度（流路抵抗Ｃｖ一定）とする。そして、それから所定時間が経過すると（ステップＳ２）、計測制御部３０は、それ以降の運転状態に応じて各アクチュエーターを以下のように制御する。
【００３４】
圧縮機１の容量は、基本的に蒸発器５出口の温度センサー４０ｄで計測される被冷熱流体温度が、冷凍空調装置１００の使用者が設定する温度になるように制御される。すなわち、計測制御部３０は、被冷熱流体温度と設定温度とを比較し（ステップＳ３）、被冷熱流体温度が設定温度と等しいか或いは近接している場合には、圧縮機１の容量をそのまま維持し（ステップＳ３；ＹＥＳ）、次のステップに進む。被冷熱流体温度が設定温度より大きく上昇している場合は、圧縮機１の容量を増加し、被冷熱流体温度が設定温度より低下している場合には、圧縮機１の容量を低下するというように圧縮機１の容量を変更する（ステップＳ３；ＮＯ、ステップＳ４）。圧縮機１の容量を変化させた場合、第１膨張弁３の開度制御に移行する。
【００３５】
第１膨張弁３は、圧力センサー４１ｂで検出される中間圧が予め設定された目標値、たとえば１．６ＭＰａＧになるように開度が制御される。すなわち、計測制御部３０は、中間圧と目標値とを比較し（ステップＳ５）、中間圧が目標値と等しいか或いは近接している場合には、第１膨張弁３の開度をそのまま維持し（ステップＳ５；ＹＥＳ）、次のステップに進む。中間圧が目標値よりも大きい場合には、第１膨張弁３の開度を小さくし、中間圧が目標値よりも小さい場合には、第１膨張弁３の開度を大きくするというように第１膨張弁３の開度を変更する（ステップＳ５；ＮＯ、ステップＳ６）。第１膨張弁３の開度を変化させた後、第２膨張弁４の開度制御に移行する。
【００３６】
第２膨張弁４は、温度センサー４０ｃで検知される圧縮機１の吸入温度と圧力センサー４１ｃで検出される圧縮機１の吸入圧力の圧力値を飽和温度に換算した低圧冷媒の飽和温度との差温で検知される圧縮機１の吸入冷媒過熱度ＳＨ（以下、単にＳＨと称する）が予め設定された目標値、たとえば６℃になるように制御される。温度センサー４０ｃ及び圧力センサー４１ｃが吸入冷媒過熱度検出手段として機能する。すなわち、計測制御部３０は、ＳＨと目標値とを比較し（ステップＳ７）、ＳＨと目標値が等しいか或いは近接している場合には、第２膨張弁４の開度をそのまま維持し（ステップＳ７；ＹＥＳ）、ステップＳ２に戻る。ＳＨが目標値より大きい場合には、第２膨張弁４の開度を大きくし、ＳＨが目標値より小さい場合には、第２膨張弁４の開度を小さくするというように第２膨張弁４の開度を変更する（ステップＳ８）。第２膨張弁４の開度を変化させた後、ステップＳ２に戻る。
【００３７】
［作用効果］
本実施の形態に係る冷凍空調装置１００によって実現される作用効果について説明する。従来から、複数の膨張弁（減圧装置）と内部熱交換器を設け、内部熱交換器において中間圧冷媒と低圧冷媒とで熱交換させるようにした構成は知られている。しかしながら、本実施の形態に係る冷凍空調装置１００のような回路構成を採用したものはなかった。冷凍空調装置１００は、上述した回路構成を採用したことによって、以下に示すような顕著な効果が得られるようになっている。
【００３８】
冷凍空調装置１００では、凝縮器２の出口側の低圧冷媒を、第１膨張弁３で減圧された中間圧二相冷媒から気液分離器７でガス冷媒を抜き出して中間圧飽和液冷媒として、内部熱交換器６の高圧側入口へ導入し、低圧冷媒と熱交換させるようにしている。
【００３９】
第１膨張弁３の下流に気液分離器７が備えられているので、第１膨張弁３の開度調整によって気液分離器７に導入される第１膨張弁３の出口側の二相冷媒の状態量（圧力、温度、エンタルピー）が制御可能となっている。また、状態量が制御された二相冷媒を気液分離器７で分離し、その液冷媒部を内部熱交換器６の高圧側入口へ接続するので、内部熱交換器６の高圧側へ導入する冷媒は常に液冷媒となっている。さらに、気液分離器７の下流側に内部熱交換器６が備えられているので、第１膨張弁３によって状態量が制御され、気液分離器７でガス冷媒が抜き出された中間圧飽和液冷媒を内部熱交換器６の高圧側へ導入することができる。
【００４０】
したがって、冷凍空調装置１００によれば、何らかの要因で高圧が上昇する等、凝縮器２における高圧冷媒の状態量に変化が生じたとしても、内部熱交換器６の高圧側入口液冷媒の状態量は変化せず、そのままの状態量を維持することができるので、中間圧冷媒の圧力や温度を一定に制御することが可能になる。
【００４１】
また、冷凍空調装置１００によれば、上記のように第１膨張弁３の開度を調整して中間圧冷媒の状態量を一定にすることで、内部熱交換器６の熱交換量を一定に維持することが可能となる。よって、冷凍空調装置１００によれば、高圧が上昇しても制御対象である圧縮機１の吸入冷媒過熱度に変化はなく、第２膨張弁４の開度は大きな開閉動作の必要もなく、目標過熱度に到達することになる。また、低圧が変化しなければ中間圧一定であるから、第２膨張弁４による減圧は常に一定だけ減圧すればよいので、第２膨張弁４の開度をほぼ一定に制御できる。これにより、冷媒流量が安定し、冷凍サイクルとして安定した運転状態が実現できる。
【００４２】
ここで、中間圧の制御目標値は、所定の運転条件において冷凍空調装置１００を運転させたときの高圧圧力の値よりも低い値を設定する。所定の運転条件とは、たとえば冷凍空調装置１００の定格条件を意味しているものとする。また、所定の運転条件とは、たとえば圧縮機運転周波数、外気温、被冷熱流体の温度や流量等が定められた運転条件を意味するしているものとする。
【００４３】
上記のように、中間圧の制御目標値を設定することで、検出された高圧圧力値が所定の運転条件での目標高圧圧力値より高くなった場合においても、内部熱交換器６の熱交換量を所定の運転条件における熱交換量のまま、一定に維持することができ、安定した運転状態が実現できる。なお、ここでは、第１膨張弁３の制御対象となる冷媒状態量を中間圧（圧力値）としたが、中間圧の圧力値を検出する圧力センサー４１ｂの代わりに、温度センサー（中間圧冷媒温度検出手段）を設置し、中間圧冷媒の冷媒温度を制御対象の冷媒状態量としても同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００４４】
実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２に係る冷凍空調装置の制御動作の流れを示すフローチャートである。図５に基づいて、実施の形態２に係る冷凍空調装置の特徴部分である制御動作について説明する。実施の形態２に係る冷凍空調装置は、実施の形態１に係る冷凍空調装置１００と同様に蒸気圧縮式の冷凍サイクル運転を行なう冷凍サイクル装置の一つの例である。なお、この実施の形態２では上述した実施の形態１との相違点を中心に説明するものとし、冷媒回路構成など実施の形態１と同一の箇所については説明を割愛するものとする。
【００４５】
［運転制御動作］
図５に基づいて実施の形態２に係る冷凍空調装置の運転制御動作を説明する。実施の形態２に係る冷凍空調装置では、第３膨張弁９の開度制御を加えて点で実施の形態１に係る冷凍空調装置１００と相違している。なお、ステップＳ１１〜ステップＳ１４（初期設定〜圧縮機容量変更）は、実施の形態１における図４のステップＳ１〜ステップＳ４とそれぞれ同様となるので、それらの説明を省略するものとする。
【００４６】
第１膨張弁３は、圧力センサー４１ａで検出される圧縮機１の吐出圧力の圧力値を飽和温度に換算した高圧冷媒の飽和温度と温度センサー４０ｂで検出される凝縮器２の出口温度との差温で得られる凝縮器２の出口冷媒過冷却度ＳＣ（以下、単にＳＣと称する）が予め設定された目標値、たとえば３℃になるように制御される。圧力センサー４１ａ及び温度センサー４０ｂが過冷却度検出手段として機能する。すなわち、計測制御部３０は、ＳＣと目標値とを比較し（ステップＳ１５）、ＳＣが目標値と等しいか或いは近接している場合には、第１膨張弁３の開度をそのまま維持し（ステップＳ１５；ＹＥＳ）、次のステップに進む。ＳＣが目標値よりも大きい場合には、第１膨張弁３の開度を大きくし、ＳＣが目標値よりも小さい場合には、第１膨張弁３の開度を小さくするというように第１膨張弁３の開度を変更する（ステップＳ１５；ＮＯ、ステップＳ１６）。第１膨張弁３の開度を変化させた後、第３膨張弁９の開度制御に移行する。
【００４７】
第３膨張弁９は、圧力センサー４１ｂで検知される中間圧と圧力センサー４１ｃで検出される圧縮機１の吸入圧力の圧力値との差圧で検知される中低圧差ΔＰｍが予め設定された目標値、たとえば０．７ＭＰａＧになるように制御される。圧力センサー４１ｂ及び圧力センサー４１ｃが中低圧差検出手段として機能する。すなわち、計測制御部３０は、中低圧差ΔＰｍと目標値とを比較し（ステップＳ１７）、中低圧差ΔＰｍと目標値が等しいか或いは近接している場合には、第３膨張弁９の開度をそのまま維持し（ステップＳ１７；ＹＥＳ）、次のステップに進む。中低圧差ΔＰｍが目標値より大きい場合には、第３膨張弁９の開度は大きく、中低圧差ΔＰｍが目標値より小さい場合には、第３膨張弁９の開度は小さく制御されるというように第３膨張弁９の開度を変更する（ステップＳ１８）。第３膨張弁９の開度を変化させた後、第２膨張弁４の開度制御に移行する。
【００４８】
第２膨張弁４は、温度センサー４０ｃで検知される圧縮機１の吸入温度と圧力センサー４１ｃで検出される圧縮機１の吸入圧力の圧力値を飽和温度に換算した低圧冷媒の飽和温度との差温で検知される圧縮機１の吸入冷媒過熱度ＳＨ（以下、単にＳＨと称する）が予め設定された目標値、たとえば６℃になるように制御される。すなわち、計測制御部３０は、ＳＨと目標値とを比較し（ステップＳ１９）、ＳＨと目標値が等しいか或いは近接している場合には、第２膨張弁４の開度をそのまま維持し（ステップＳ１９；ＹＥＳ）、ステップＳ１２に戻る。ＳＨが目標値より大きい場合には、第２膨張弁４の開度を大きくし、ＳＨが目標値より小さい場合には、第２膨張弁４の開度を小さくするというように第２膨張弁４の開度を変更する（ステップＳ２０）。第２膨張弁４の開度を変化させた後、ステップＳ１２に戻る。
【００４９】
［作用効果］
実施の形態２に係る冷凍空調装置によって実現される作用効果について説明する。実施の形態２に係る冷凍空調装置は、冷媒回路構成が実施の形態１に係る冷凍空調装置１００と同様であるが、各アクチュエーター、特に膨張弁の制御が実施の形態１に係る冷凍空調装置１００と異なるものとしている。実施の形態２に係る冷凍空調装置は、上述した制御方法を採用したことによって、以下に示すような顕著な効果が得られるようになっている。
【００５０】
実施の形態２に係る冷凍空調装置では、実施の形態１に係る冷凍空調装置１００と異なる点として、第１膨張弁３の開度を調整して凝縮器２の出口冷媒過冷却度ＳＣを一定に制御していることである。この場合において、第３膨張弁９の開度を調整してバイパス配管８を流れるガス冷媒の流量を調整することで、中間圧と低圧の圧力差である中低圧差ΔＰｍを一定に制御することができる。これにより、低圧が一定であれば、中間圧も一定となる。
【００５１】
すなわち、実施の形態２に係る冷凍空調装置によれば、実施の形態１に係る冷凍空調装置１００と同様に中間圧を一定に制御することができる。つまり、何らかの要因で高圧が上昇する等、凝縮器２における高圧冷媒の状態に変化が生じても、内部熱交換器６に導入する液冷媒の状態量（圧力、温度、エンタルピー）を一定に保つことができるため、内部熱交換器６の熱交換量を一定に維持することができる。よって、実施の形態２に係る冷凍空調装置によれば、高圧が上昇しても制御対象である圧縮機１の吸入冷媒過熱度に変化はなく、第２膨張弁４の開度を変えることなく目標過熱度に到達する。また、中間圧が一定に制御されていれば、第２膨張弁４による減圧は常に一定だけ減圧すればよいので、第２膨張弁４の開度を変化させなくてもよい。これにより、第２膨張弁４の開度が安定するので冷媒流量が安定し、冷凍サイクルとして安定した運転状態が実現できる。
【００５２】
ここで、中低圧差の制御目標値は、所定の運転条件において実施の形態２に係る冷凍空調装置を運転させたときの高圧圧力の値よりも中間圧が低くなるように、中低圧差の目標値を設定する。
【００５３】
上記のように、中低圧差を一定に制御することで、検出された高圧圧力値が所定の運転条件での目標高圧圧力値より高くなった場合においても、内部熱交換器６の熱交換量を所定の運転条件における熱交換量のまま、一定に維持することができ、安定した運転状態が実現できる。
【００５４】
図７は、蒸発器出口乾き度と蒸発能力との関係を示すグラフである。図７に基づいて、蒸発器出口乾き度と蒸発能力との関係について説明する。実施の形態１や実施の形態２に係る冷凍空調装置においては、圧縮機１の吸入冷媒過熱度ＳＨの制御目標値は、たとえば所定の運転条件において蒸発器５の出口冷媒状態が乾き度１となるように設定するとよい。図７から、蒸発器出口冷媒の状態が乾き度１の飽和ガス状態となる場合において冷凍サイクルにおける蒸発能力が最大となることがわかる。
【００５５】
したがって、このように蒸発器５の出口冷媒が乾き度１となるように運転制御をすることで、実施の形態１や実施の形態２に係る冷凍空調装置を当該条件において蒸発能力が最大となる状態で使うことができ、冷凍サイクルの高効率化を図ることができる。また、所定の運転条件よりも高圧が高くなった場合においても、内部熱交換器６の熱交換量が一定に維持されるため、同様に蒸発器５の出口冷媒が乾き度１である状態、つまり蒸発能力が最大となる状態で使うことができる。
【００５６】
［変形例］
実施の形態１及び実施の形態２の冷凍空調装置では、第２膨張弁４の制御対象を圧縮機１の吸入冷媒過熱度ＳＨとしたが、圧縮機１の吸入冷媒過熱度の代わりに、温度センサー４０ａで検出される圧縮機１の吐出冷媒温度、又は、温度センサー４０ａで検出される圧縮機１の吐出冷媒温度と圧力センサー４１ａで検出される圧縮機１の吐出圧力の圧力値を飽和温度に換算した高圧冷媒の飽和温度との差温で得られる圧縮機１の吐出冷媒過熱度のいずれかを制御対象としてもよい。圧縮機１の吐出冷媒過熱度を制御対象とする場合、温度センサー４０ａ及び圧力センサー４１ａが冷媒吐出過熱度検出手段として機能する。
【００５７】
また、圧縮機１の吸入冷媒過熱度の代わりに、圧力センサー４１ａで検出される圧縮機１の吐出圧力の圧力値を飽和温度に換算した高圧冷媒の飽和温度と温度センサー４０ｂで検出される凝縮器２の出口温度との差温で得られる凝縮器２の出口冷媒過冷却度ＳＣが、予め設定された目標値になるように第２膨張弁４を制御するようにしてもよい。
【００５８】
実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３に係る冷凍空調装置２００の冷媒回路構成を示す冷媒回路図である。図６に基づいて、冷凍空調装置２００の特徴部分について説明する。実施の形態３に係る冷凍空調装置２００は、実施の形態１及び実施の形態２に係る冷凍空調装置の変形例の一つである。なお、この実施の形態３では上述した実施の形態１との相違点を中心に説明するものとし、冷媒回路構成など実施の形態１と同一の箇所については説明を割愛するものとする。
【００５９】
さらに、実施の形態１及び実施の形態２では、蒸発器５をプレート式熱交換器で構成した場合を例に説明したが、蒸発器５及び凝縮器２の両方を伝熱管と多数のフィンとにより構成されたクロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器で構成してもよい。この場合の被熱交換媒体は空気であり、ファンなどの送出手段（図示せず）によって送風される空気と熱交換する。
【００６０】
実施の形態３に係る冷凍空調装置２００は、蒸発器５及び凝縮器２の両方をフィン・アンド・チューブ型熱交換器で構成しているものとする。この構成の場合は、たとえば図６に示すように各センサーを配置する。
【００６１】
温度センサー４０ｅは、凝縮器２の中間部の冷媒流路上に設置され、設置場所の冷媒温度を計測するものである。温度センサー（中間圧冷媒温度検出手段）４０ｆは、第１膨張弁３と第２膨張弁４との間に設置され、設置場所の冷媒温度を計測するものである。温度センサー４０ｇは、蒸発器５の中間部の冷媒流路上に設置され、設置場所の冷媒温度を計測するものである。温度センサー４０ｈは、凝縮器２の空気吸入側付近に設置され、凝縮器２に吸気される空気の温度を計測するものである。温度センサー４０ｉは、蒸発器５の空気吸入側付近に設置され、蒸発器５に吸気される空気の温度を計測するものである。
【００６２】
温度センサー４０ｅ、温度センサー４０ｇは、それぞれ熱交換器（凝縮器２、蒸発器５）の中間で気液二相状態となっている冷媒温度を検知することにより、高低圧の冷媒飽和温度を検知することができる。また、凝縮器２の吸入側付近に温度センサー４０ｈを設置し、蒸発器５の吸入側付近に温度センサー４０ｉを設置し、それぞれの熱交換器に吸気される空気温度を計測するようにしている。
【００６３】
冷凍空調装置２００の場合は、図４や図５のフローに示す運転制御動作において、温度センサー４０ｃで検知される圧縮機１の吸入温度と温度センサー４０ｇで検出される低圧冷媒の飽和温度との差温を圧縮機１の吸入冷媒過熱度ＳＨとし、温度センサー４０ｅで検出される高圧冷媒の飽和温度と温度センサー４０ｂで検出される凝縮器２の出口の冷媒温度との差温を凝縮器２の出口冷媒過冷却度ＳＣとし、温度センサー４０ｆで検出される冷媒温度を中間圧冷媒温度として、各膨張弁の制御動作を実行させる。また、被冷熱流体温度の代わりに、温度センサー４０ｉで検出される蒸発器５での空気温度、又は温度センサー４０ｈで検出される凝縮器２での空気温度のいずれかが、予め設定された目標値になるように圧縮機１の容量を調整する。
【００６４】
冷凍空調装置２００を上記のような冷媒回路構成・運転制御動作とした場合においても、実施の形態１や実施の形態２で述べた内容と同様の効果が得られる。
【００６５】
なお、各実施の形態では、冷凍サイクル装置の一例として冷凍空調装置を例に説明したが、他の冷凍サイクル装置、たとえば冷凍機、冷蔵庫、空気調和装置等にも適用可能であることは言うまでもない。また、本発明の特徴事項を実施の形態１〜実施の形態３に分けて説明したが、それらの実施の形態で説明した内容に限定するものでなく、本発明の技術範囲内で適宜変更が可能である。さらに、各実施の形態で説明した本発明の特徴事項を適宜組み合わせて冷凍サイクル装置を構成するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００６６】
１ 圧縮機、２ 凝縮器、３ 第１膨張弁、４ 第２膨張弁、５ 蒸発器、６ 内部熱交換器、７ 気液分離器、８ バイパス配管、９ 第３膨張弁、１０ 被冷熱流体送出手段、３０ 計測制御部、４０ 温度センサー、４０ａ 温度センサー、４０ｂ 温度センサー、４０ｃ 温度センサー、４０ｄ 温度センサー、４０ｅ 温度センサー、４０ｆ 温度センサー、４０ｇ 温度センサー、４０ｈ 温度センサー、４０ｉ 温度センサー、４１ 圧力センサー、４１ａ 圧力センサー、４１ｂ 圧力センサー、４１ｃ 圧力センサー、５０ 冷媒配管、１００ 冷凍空調装置、２００ 冷凍空調装置、Ａ 冷媒回路、Ｂ 被冷熱流体流路。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機から吐出された冷媒の熱を放熱させる凝縮器と、
前記凝縮器から流出された冷媒の流量を調整する第１減圧装置と、
前記第１減圧装置から流出された冷媒を気液分離する気液分離器と、
前記気液分離器で分離された液冷媒と前記圧縮機の吸入側の冷媒とで熱交換する内部熱交換器と、
前記内部熱交換器で前記圧縮機の吸入側の冷媒と熱交換した冷媒の流量を調整する第２減圧装置と、
前記第２減圧装置から流出された冷媒に熱を吸熱させる蒸発器と、
前記気液分離器で分離されたガス冷媒を前記蒸発器の出口側にバイパスするバイパス配管と、
前記バイパス配管に設置され、前記バイパス配管を流れるガス冷媒の流量を調整する第３減圧装置と、を備えた
ことを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記第１減圧装置と前記第２減圧装置との間の中間圧状態の冷媒圧力を検出する中間圧検出手段と、
前記中間圧検出手段が検出した冷媒の圧力値が予め設定してある制御目標値となるように前記第１減圧手段の開度を制御する制御装置と、を備えた
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】
前記中間圧検出手段が検出した冷媒の圧力値の制御目標値は、所定の運転条件における高圧圧力よりも低い値として設定されている
ことを特徴とする請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項４】
前記第１減圧装置と前記第２減圧装置との間の中間圧状態の冷媒温度を検出する中間圧冷媒温度検出手段と、
前記中間圧冷媒温度検出手段が検出した冷媒の温度値が予め設定したある制御目標値となるように前記第１減圧手段の開度を制御する制御装置と、を備えた
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５】
前記中間圧冷媒温度検出手段が検出した冷媒の温度値の制御目標値は、所定の運転条件における前記凝縮器出口の冷媒温度よりも低い値として設定されている
ことを特徴とする請求項４に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項６】
前記凝縮器出口の冷媒過冷却度を検出する過冷却度検出手段と、
前記第１減圧装置と前記第２減圧装置との間の冷媒圧力と前記圧縮機の吸入側の冷媒圧力の圧力差を検出する中低圧差検出手段と、
前記過冷却度検出手段の検出した過冷却度が予め設定してある制御目標値となるように前記第１減圧装置の開度を制御し、前記中低圧差検出手段の検出した圧力差が予め設定してある制御目標値となるように前記第３減圧装置の開度を制御する制御装置と、を備えた
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７】
前記中低圧差検出手段の検出した圧力差の制御目標値は、所定の運転条件における高圧圧力よりも前記第１減圧装置と前記第２減圧装置との間の冷媒圧力の方が低くなるように設定されている
ことを特徴とする請求項６に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項８】
前記圧縮機吸入の冷媒過熱度を検出する吸入冷媒過熱度検出手段と、
前記吸入冷媒過熱度検出手段の検出した吸入冷媒過熱度が予め設定してある制御目標値となるように前記第２減圧手段の開度を制御する制御装置と、を備えた
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項９】
前記圧縮機出口の冷媒吐出温度を検出する冷媒吐出温度検出手段と、
前記冷媒吐出温度検出手段の検出した冷媒の吐出温度が予め設定したある制御目標値となるように前記第２減圧手段の開度を制御する制御装置と、を備えた
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１０】
前記圧縮機出口の冷媒吐出過熱度を検出する冷媒吐出過熱度検出手段と、
前記冷媒吐出過熱度検出手段の検出した冷媒吐出過熱度が予め設定してある制御目標値となるように前記第２減圧手段の開度を制御する制御装置と、を備えた
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１１】
前記凝縮器出口の冷媒過冷却度を検出する過冷却度検出手段と、
前記冷媒過冷却度検出手段の検出した冷媒過冷却度が予め設定してある制御目標値となるように前記第２減圧手段の開度を制御する制御装置と、を備えた
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１２】
前記吸入冷媒過熱度、前記冷媒吐出温度、もしくは、前記冷媒吐出過熱度の制御目標値は、前記蒸発器出口の冷媒の乾き度が１となるように設定されている
ことを特徴とする請求項８〜１０のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１】
冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機から吐出された冷媒の熱を放熱させる凝縮器と、
前記凝縮器から流出された冷媒の流量を調整する第１減圧装置と、
前記第１減圧装置から流出された冷媒を気液分離する気液分離器と、
前記気液分離器で分離された液冷媒と前記圧縮機の吸入側の冷媒とで熱交換する内部熱交換器と、
前記内部熱交換器で前記圧縮機の吸入側の冷媒と熱交換した冷媒の流量を調整する第２減圧装置と、
前記第２減圧装置から流出された冷媒に熱を吸熱させる蒸発器と、
前記気液分離器で分離されたガス冷媒を前記蒸発器の出口側にバイパスするバイパス配管と、
前記バイパス配管に設置され、前記バイパス配管を流れるガス冷媒の流量を調整する第３減圧装置と、を備えた
ことを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記第１減圧装置と前記第２減圧装置との間の中間圧状態の冷媒圧力を検出する中間圧検出手段と、
前記中間圧検出手段が検出した冷媒の圧力値が予め設定してある制御目標値となるように前記第１減圧手段の開度を制御する制御装置と、を備えた
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】
前記中間圧検出手段が検出した冷媒の圧力値の制御目標値は、所定の運転条件における高圧圧力よりも低い値として設定されている
ことを特徴とする請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項４】
前記第１減圧装置と前記第２減圧装置との間の中間圧状態の冷媒温度を検出する中間圧冷媒温度検出手段と、
前記中間圧冷媒温度検出手段が検出した冷媒の温度値が予め設定したある制御目標値となるように前記第１減圧手段の開度を制御する制御装置と、を備えた
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５】
前記中間圧冷媒温度検出手段が検出した冷媒の温度値の制御目標値は、所定の運転条件における前記凝縮器出口の冷媒温度よりも低い値として設定されている
ことを特徴とする請求項４に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項６】
前記凝縮器出口の冷媒過冷却度を検出する過冷却度検出手段と、
前記第１減圧装置と前記第２減圧装置との間の冷媒圧力と前記圧縮機の吸入側の冷媒圧力の圧力差を検出する中低圧差検出手段と、
前記過冷却度検出手段の検出した過冷却度が予め設定してある制御目標値となるように前記第１減圧装置の開度を制御し、前記中低圧差検出手段の検出した圧力差が予め設定してある制御目標値となるように前記第３減圧装置の開度を制御する制御装置と、を備えた
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７】
前記中低圧差検出手段の検出した圧力差の制御目標値は、所定の運転条件における高圧圧力よりも前記第１減圧装置と前記第２減圧装置との間の冷媒圧力の方が低くなるように設定されている
ことを特徴とする請求項６に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項８】
前記圧縮機吸入の冷媒過熱度を検出する吸入冷媒過熱度検出手段と、
前記吸入冷媒過熱度検出手段の検出した吸入冷媒過熱度が予め設定してある制御目標値となるように前記第２減圧手段の開度を制御する制御装置と、を備えた
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項９】
前記圧縮機出口の冷媒吐出温度を検出する冷媒吐出温度検出手段と、
前記冷媒吐出温度検出手段の検出した冷媒の吐出温度が予め設定したある制御目標値となるように前記第２減圧手段の開度を制御する制御装置と、を備えた
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１０】
前記圧縮機出口の冷媒吐出過熱度を検出する冷媒吐出過熱度検出手段と、
前記冷媒吐出過熱度検出手段の検出した冷媒吐出過熱度が予め設定してある制御目標値となるように前記第２減圧手段の開度を制御する制御装置と、を備えた
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１１】
前記凝縮器出口の冷媒過冷却度を検出する過冷却度検出手段と、
前記冷媒過冷却度検出手段の検出した冷媒過冷却度が予め設定してある制御目標値となるように前記第２減圧手段の開度を制御する制御装置と、を備えた
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１２】
前記吸入冷媒過熱度、前記冷媒吐出温度、もしくは、前記冷媒吐出過熱度の制御目標値は、前記蒸発器出口の冷媒の乾き度が１となるように設定されている
ことを特徴とする請求項８〜１０のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１９３８９７（Ｐ２０１２−１９３８９７Ａ）
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５８３０２（Ｐ２０１１−５８３０２）
【出願日】平成２３年３月１６日（２０１１．３．１６）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１６日（２０１１．３．１６）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
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