JP2005069566A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 主冷媒回路を流れる冷媒の一部を圧縮機の吸入側に戻すようにバイパスし、そのバイパスされた冷媒を用いて主冷媒回路を流れる冷媒を過冷却状態にすることができる冷凍装置において、主冷媒回路を流れる冷媒の過冷却度を高める。
【解決手段】 空気調和装置１は、主冷媒回路１０と、圧縮機２１の吐出温度を検出する温度センサＴｄと、バイパス冷媒回路４１と、バイパス用膨張弁４２と、バイパス冷媒回路４１を流れる冷媒によって主冷媒回路１０を流れる冷媒を冷却する冷却器２７と、冷却器２７出口の冷媒の過熱度を検出する温度センサＴｓｈと、温度センサＴｓｈにより検出される過熱度に基づいてバイパス冷媒回路４１を流れる冷媒の過熱度が所定の値となるようにバイパス用膨張弁４２を制御する制御部とを備えている。この所定の値は、温度センサＴｄにより検出される吐出温度に基づいて、圧縮機２１が湿り運転にならないような値に設定されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、冷凍装置、特に、主冷媒回路を流れる冷媒の一部を圧縮機の吸入側に戻すようにバイパスし、そのバイパスされた冷媒を用いて主冷媒回路を流れる冷媒を過冷却状態にすることができるように構成された冷凍装置に関する。

従来の蒸気圧縮式の冷媒回路を備えた冷凍装置の１つとして、主冷媒回路を流れる冷媒の一部を圧縮機の吸入側に戻すようにバイパスし、そのバイパスされた冷媒を用いて主冷媒回路を流れる冷媒を過冷却状態にすることができるように構成された空気調和装置がある。このような空気調和装置は、圧縮機と熱源側熱交換器と利用側熱交換器とを含む主冷媒回路と、熱源側熱交換器から利用側熱交換器へ送られる冷媒の一部を主冷媒回路から分岐させて圧縮機の吸入側に戻すように主冷媒回路に接続されたバイパス冷媒回路と、バイパス冷媒回路に設けられバイパス冷媒回路を流れる冷媒の流量を調節するバイパス用膨張機構と、バイパス用膨張機構の出口から圧縮機の吸入側に戻される冷媒によって、主冷媒回路の熱源側熱交換器から利用側熱交換器に送られる冷媒を冷却するための冷却器と、バイパス冷媒回路に設けられ冷却器の出口側の冷媒の過熱度を検出する過熱度検出機構と、過熱度検出機構により検出される過熱度に基づいてバイパス冷媒回路を流れる冷媒の過熱度が所定の過熱度以上となるようにバイパス用膨張機構を制御する膨張機構制御手段とを備えている。

このような空気調和装置では、冷房運転時において、主冷媒回路の熱源側熱交換器から利用側熱交換器へ送られる液冷媒の一部が、バイパス用膨張機構によって流量調節されながら、主冷媒回路から分岐されてバイパス冷媒回路を介して圧縮機の吸入側に戻される。そして、バイパス冷媒回路のバイパス用膨張機構の出口から圧縮機の吸入側に向かって流れる冷媒は、冷却器を通過して、熱源側熱交換器から利用側熱交換器へ送られる液冷媒と熱交換を行う。ここで、バイパス用膨張機構を通過した後の冷媒は、主冷媒回路の熱源側熱交換器から利用側熱交換器へ送られる冷媒の温度よりも低くなっているため、主冷媒回路の熱源側熱交換器から利用側熱交換器へ送られる液冷媒を冷却するとともに、加熱される。ここで、バイパス用膨張機構は、過熱度検出機構により検出されるバイパス冷媒回路側の冷却器出口の冷媒の過熱度が所定の過熱度以上となるように膨張機構制御手段によって制御されているため、バイパス冷媒回路を流れる冷媒は、冷却器を通過した後、所定の過熱度以上まで加熱された後、圧縮機の吸入側に戻されるようになっている。また、冷却器において冷却された主冷媒回路を流れる冷媒は、冷却器におけるバイパス冷媒回路を流れる冷媒との間の交換熱量に応じた過冷却状態まで冷却される。このようにして、この空気調和装置では、主冷媒回路を流れる冷媒が過冷却状態となるように過熱度制御が行われている（例えば、特許文献１参照）。

しかし、上記のような空気調和装置では、過熱度検出機構により検出される過熱度に基づいて、主冷媒回路からバイパスされて冷却器を通過する冷媒の過熱度が所定値以上になるようにバイパス用膨張機構を制御する膨張機構制御手段を備えているため、冷却器を通過して圧縮機の吸入側に戻される冷媒は、所定値以上の過熱度を有する状態で主冷媒回路の圧縮機の吸入側に戻されることになる。このため、主冷媒回路の圧縮機の吸入側を流れる冷媒が、バイパス冷媒回路から冷却器を通過した冷媒が戻されて合流した後においても十分な過熱状態となっている場合のように、さらにバイパス冷媒回路を流れる冷媒の流量を増加させることによって冷却器における熱交換を促進して主冷媒回路を流れる冷媒の過冷却度を大きくすることができる場合であっても、常に、冷却器を通過して圧縮機の吸入側に戻される冷媒が、所定値以上の過熱度を有する状態となるように、バイパス用膨張機構が運転制御されているため、主冷媒回路を流れる冷媒の過冷却度を大きくすることができない。
特開平７−４７５６公報

本発明の課題は、主冷媒回路を流れる冷媒の一部を圧縮機の吸入側に戻すようにバイパスし、そのバイパスされた冷媒を用いて主冷媒回路を流れる冷媒を過冷却状態にすることができるように構成された冷凍装置において、主冷媒回路を流れる冷媒の過冷却度を高めることができるようにする。

請求項１に記載の冷凍装置は、主冷媒回路と、吐出温度検出機構と、バイパス冷媒回路と、バイパス用膨張機構と、冷却器と、過熱度検出機構と、膨張機構制御手段とを備えている。主冷媒回路は、圧縮機と熱源側熱交換器と利用側熱交換器とを含んでいる。吐出温度検出機構は、主冷媒回路に設けられ、圧縮機の吐出側の冷媒の吐出温度を検出する。バイパス冷媒回路は、熱源側熱交換器から利用側熱交換器へ送られる冷媒の一部を主冷媒回路から分岐させて圧縮機の吸入側に戻すように主冷媒回路に接続されている。バイパス用膨張機構は、バイパス冷媒回路に設けられ、バイパス冷媒回路を流れる冷媒の流量を調節する。冷却器は、バイパス用膨張機構の出口から圧縮機の吸入側に戻される冷媒によって、主冷媒回路の熱源側熱交換器から利用側熱交換器に送られる冷媒を冷却する。過熱度検出機構は、バイパス冷媒回路に設けられ、冷却器の出口側の冷媒の過熱度を検出する。膨張機構制御手段は、過熱度検出機構により検出される過熱度に基づいて、バイパス冷媒回路を流れる冷媒の過熱度が所定の過熱度となるようにバイパス用膨張機構を制御する。そして、所定の過熱度の値は、吐出温度検出機構により検出される吐出温度に基づいて、圧縮機が湿り運転にならないような値に設定されている。

この冷凍装置では、冷房運転時において、主冷媒回路の熱源側熱交換器から利用側熱交換器へ送られる液冷媒の一部が、バイパス用膨張機構によって流量調節されながら、主冷媒回路から分岐されてバイパス冷媒回路を介して圧縮機の吸入側に戻される。そして、バイパス冷媒回路のバイパス用膨張機構の出口から圧縮機の吸入側に向かって流れる冷媒は、冷却器を通過して、熱源側熱交換器から利用側熱交換器へ送られる液冷媒と熱交換を行う。ここで、バイパス用膨張機構を通過した後の冷媒は、主冷媒回路の熱源側熱交換器から利用側熱交換器へ送られる冷媒の温度よりも低くなっているため、主冷媒回路の熱源側熱交換器から利用側熱交換器へ送られる液冷媒を冷却するとともに、加熱される。ここで、バイパス用膨張機構は、従来と同様に、過熱度検出機構により検出されるバイパス冷媒回路側の冷却器出口の冷媒の過熱度が所定の過熱度となるように膨張機構制御手段によって制御されているため、バイパス冷媒回路を流れる冷媒は、冷却器を通過した後、所定の過熱度まで加熱された後、圧縮機の吸入側に戻されるようになっている。また、冷却器において冷却された主冷媒回路を流れる冷媒は、冷却器におけるバイパス冷媒回路を流れる冷媒との間の交換熱量に応じた過冷却状態まで冷却される。しかし、この冷凍装置における膨張機構制御手段は、バイパス冷媒回路を流れる冷媒の過熱度を、吐出温度検出機構によって検出される圧縮機の吐出温度に基づいて、圧縮機が湿り運転とならない範囲で過熱度の値を設定してバイパス用膨張機構を制御することができるようになっている。

これにより、主冷媒回路の圧縮機の吸入側を流れる冷媒が、バイパス冷媒回路から冷却器を通過した冷媒が戻されて合流した後においても十分な過熱状態となっている場合において、圧縮機が湿り運転とならない範囲で過熱度の所定値を小さくすることによって、バイパス冷媒回路を流れる冷媒の流量を増加させて、冷却器における熱交換を促進して主冷媒回路を流れる冷媒の過冷却度を高めることができる。

請求項２に記載の冷凍装置は、請求項１において、膨張機構制御手段は、吐出温度検出機構により検出される吐出温度が所定の値以上になる場合に、所定の値よりも小さくなるようにバイパス用膨張機構を制御する。
この冷凍装置では、膨張機構制御手段が、吐出温度検出機構により検出される吐出温度が所定の値より小さい場合には、圧縮機が湿り運転とならない範囲においてバイパス冷媒回路を流れる冷媒の過熱度を制御しているが、吐出温度検出機構により検出される吐出温度が所定の値以上になる場合には、バイパス冷媒回路を流れる冷媒の過熱度制御の代わりに、吐出温度検出機構により検出される吐出温度が所定の値より小さくなるように、バイパス用膨張機構を制御するようになっている。

これにより、バイパス冷媒回路を流れる冷媒の過熱度を制御することによって主冷媒回路を流れる冷媒の過冷却度を高める運転を行いつつ、圧縮機の過熱運転を防止する運転を行うことができる。また、圧縮機の過熱運転を防止するための冷媒回路を設ける別途必要がないため、コストダウンにも寄与できる。
請求項３に記載の冷凍装置は、請求項１又は２において、冷却器は、主冷媒回路側を流れる冷媒とバイパス冷媒回路側を流れる冷媒とが対向するように流れる流路を有する熱交換器である。

この冷凍装置では、冷却器が主冷媒回路側を流れる冷媒とバイパス冷媒回路側を流れる冷媒とが対向するように流れる流路を有する熱交換器であるため、主冷媒回路側を流れる冷媒をバイパス冷媒回路を流れる冷媒の出口温度よりも低い温度まで冷却できるようになっている。
これにより、バイパス冷媒回路を流れる冷媒の冷熱を有効に利用して、主冷媒回路を流れる冷媒の過冷却度をさらに高めることができる。

請求項４に記載の冷凍装置は、請求項１〜３のいずれかにおいて、主冷媒回路は、圧縮機と熱源側熱交換器と冷却器とを含む熱源ユニットと、利用側熱交換器を含む利用ユニットとが、液冷媒連絡配管及びガス冷媒連絡配管とによって接続されることによって構成されている。利用ユニットは、利用側熱交換器の液冷媒連絡配管側に接続され利用ユニット内を流れる冷媒の流量を調節する利用側膨張機構を有している。

この冷凍装置では、冷房運転時において、熱源側熱交換器において凝縮された冷媒は、冷却器で過冷却状態になった後に、液冷媒連絡配管を介して利用ユニットに送られて、利用ユニット内で膨張されるようになっている。
これにより、液冷媒連絡配管が長配管の場合や、利用ユニットが熱源ユニットよりも高所に設置される場合であっても、液冷媒連絡配管内を流れる冷媒が減圧蒸発して二相流になるのを防ぐことができるようになり、利用ユニットの利用側膨張機構を通過する際の異音等を抑えることができる。

請求項５に記載の冷凍装置は、請求項４において、利用ユニットは、複数台あり、液冷媒連絡配管及びガス冷媒連絡配管を介して並列に熱源ユニットに接続されている。
この冷凍装置では、熱源ユニットに対して液冷媒連絡配管及びガス冷媒連絡配管を介して並列に複数の利用ユニットが接続されており、冷房運転時において、熱源側熱交換器において凝縮された冷媒は、冷却器で過冷却状態になった後に、液冷媒連絡配管を介して利用ユニットに分岐されるようになっている。

これにより、液冷媒連絡配管内を流れる冷媒が減圧蒸発して二相流になるのを防ぐことができるようになり、利用ユニット間における冷媒の偏流を防ぐことができる。

以上の説明に述べたように、本発明によれば、以下の効果が得られる。
請求項１にかかる発明では、バイパス用膨張機構を制御する膨張機構制御手段が、バイパス冷媒回路を流れる冷媒の過熱度を、吐出温度検出機構によって検出される圧縮機の吐出温度に基づいて、圧縮機が湿り運転とならない範囲で過熱度の値を設定してバイパス用膨張機構を制御することができるようになっているため、主冷媒回路の圧縮機の吸入側を流れる冷媒が、バイパス冷媒回路から冷却器を通過した冷媒が戻されて合流した後においても十分な過熱状態となっている場合において、圧縮機が湿り運転とならない範囲で過熱度の所定値を小さくすることによって、バイパス冷媒回路を流れる冷媒の流量を増加させて、冷却器における熱交換を促進して主冷媒回路を流れる冷媒の過冷却度を高めることができる。

請求項２にかかる発明では、膨張機構制御手段が、吐出温度検出機構により検出される吐出温度が所定の値より小さい場合には、圧縮機が湿り運転とならない範囲においてバイパス冷媒回路を流れる冷媒の過熱度を制御しているが、吐出温度検出機構により検出される吐出温度が所定の値以上になる場合には、バイパス冷媒回路を流れる冷媒の過熱度制御の代わりに、吐出温度検出機構により検出される吐出温度が所定の値より小さくなるように、バイパス用膨張機構を制御するようになっているため、バイパス冷媒回路を流れる冷媒の過熱度を制御することによって主冷媒回路を流れる冷媒の過冷却度を高める運転を行いつつ、圧縮機の過熱運転を防止する運転を行うことができる。

請求項３にかかる発明では、冷却器が、主冷媒回路側を流れる冷媒とバイパス冷媒回路側を流れる冷媒とが対向するように流れる流路を有する熱交換器であるため、主冷媒回路側を流れる冷媒をバイパス冷媒回路を流れる冷媒の出口温度よりも低い温度まで冷却できるようになり、バイパス冷媒回路を流れる冷媒の冷熱を有効に利用して、主冷媒回路を流れる冷媒の過冷却度をさらに高めることができる。

請求項４にかかる発明では、冷房運転時において、熱源側熱交換器において凝縮された冷媒は、冷却器で過冷却状態になった後に、液冷媒連絡配管を介して利用ユニットに送られて、利用ユニット内で膨張されるようになっているため、液冷媒連絡配管が長配管の場合や、利用ユニットが熱源ユニットよりも高所に設置される場合であっても、液冷媒連絡配管内を流れる冷媒が減圧蒸発して二相流になるのを防ぐことができるようになり、利用ユニットの利用側膨張機構を通過する際の異音等を抑えることができる。

請求項５にかかる発明では、熱源ユニットに対して液冷媒連絡配管及びガス冷媒連絡配管を介して並列に複数の利用ユニットが接続されており、冷房運転時において、熱源側熱交換器において凝縮された冷媒は、冷却器で過冷却状態になった後に、液冷媒連絡配管を介して利用ユニットに分岐されるようになっているため、液冷媒連絡配管内を流れる冷媒が減圧蒸発して二相流になるのを防ぐことができるようになり、利用ユニット間における冷媒の偏流を防ぐことができる。

以下、本発明にかかる冷凍装置の実施形態について、図面に基づいて説明する。
（１）空気調和装置の構成
図１は、本発明にかかる冷凍装置の一実施形態としての空気調和装置１の概略冷媒回路図である。空気調和装置１は、例えば、ビル等の冷暖房に使用される装置であり、１台の熱源ユニット２と、それに並列に接続された複数台（本実施形態では、２台）の利用ユニット５と、熱源ユニット２と利用ユニット５とを接続するための液冷媒連絡配管６及びガス冷媒連絡配管７とを備えている。

（２）利用ユニットの構成
利用ユニット５は、主に、利用側膨張弁５１（利用側膨張機構）と、利用側熱交換器５２と、これらを接続する配管とから構成されている。本実施形態において、利用側膨張弁５１は、冷媒圧力の調節や冷媒流量の調節等を行うために、利用側熱交換器５２の液側に接続された電動膨張弁である。本実施形態において、利用側熱交換器５２は、クロスフィンチューブ式の熱交換器であり、室内の空気と熱交換するための機器である。本実施形態において、利用ユニット５は、ユニット内に室内の空気を取り込み、送り出すための室内ファン５３を備えており、室内の空気と利用側熱交換器５２を流れる冷媒との熱交換を行わせることが可能である。

（３）熱源ユニットの構成
熱源ユニット２は、主に、圧縮機２１と、四路切換弁２２と、熱源側熱交換器２３と、熱源側膨張弁２４と、ブリッジ回路２５と、レシーバ２６と、冷却器２７と、バイパス冷媒回路４１と、液側閉鎖弁２８と、ガス側閉鎖弁２９と、これらを接続する冷媒配管とから構成されている。

圧縮機２１は、本実施形態において、電動機駆動のスクロール式の圧縮機であり、吸入した冷媒ガスを圧縮するための機器である。
四路切換弁２２は、冷房運転と暖房運転との切り換え時に、冷媒の流れの方向を切り換えるための弁であり、冷房運転時には圧縮機２１の吐出側と熱源側熱交換器２３のガス側とを接続するとともに圧縮機２１の吸入側とガス側閉鎖弁２９とを接続し（図１の四路切換弁２２の実線を参照）、暖房運転時には圧縮機２１の吐出側とガス側閉鎖弁２９とを接続するとともに圧縮機２１の吸入側と熱源側熱交換器２３のガス側とを接続することが可能である（図１の四路切換弁２２の破線を参照）。

熱源側熱交換器２３は、本実施形態において、クロスフィンチューブ式の熱交換器であり、空気を熱源として冷媒と熱交換するための機器である。本実施形態において、熱源ユニット２は、ユニット内に屋外の空気を取り込み、送り出すための室外ファン３０を備えており、屋外の空気と熱源側熱交換器２３を流れる冷媒との熱交換を行わせることが可能である。

熱源側膨張弁２４は、本実施形態において、熱源側熱交換器２３と利用側熱交換器５２との間を流れる冷媒の流量の調節等を行うための電動膨張弁である。
レシーバ２６は、熱源側熱交換器２３と利用側熱交換器５２との間を流れる冷媒を一時的に溜めるための容器である。レシーバ２６は、容器上部に入口を有しており、容器下部に出口を有している。レシーバ２６の入口は、ブリッジ回路２５を介して熱源側膨張弁２４及び液側閉鎖弁２８に接続されている。また、レシーバ２６の出口は、冷却器２７及びブリッジ回路２５を介して熱源側膨張弁２４及び液側閉鎖弁２８に接続されている。

ブリッジ回路２５は、熱源側膨張弁２４とレシーバ２６との間に接続された４つの逆止弁２５ａ〜２５ｄから構成された回路であり、熱源側熱交換器２３と利用側熱交換器５２との間を流れる冷媒が熱源側熱交換器２３側からレシーバ２６に流入する場合及び利用側熱交換器５２側からレシーバ２６に流入する場合のいずれの場合においても、レシーバ２６の入口からレシーバ２６内に冷媒を流入させ、かつ、レシーバ２６の出口から熱源側熱交換器２３と利用側熱交換器５２との間に冷媒を戻す機能を有している。具体的には、逆止弁２５ａは、利用側熱交換器５２から熱源側熱交換器２３へ向かって流れる冷媒をレシーバ２６の入口に導くように接続されている。逆止弁２５ｂは、熱源側熱交換器２３から利用側熱交換器５２へ向かって流れる冷媒をレシーバ２６の入口に導くように接続されている。逆止弁２５ｃは、レシーバ２６の出口から冷却器２７を介して流れる冷媒を利用側熱交換器５２側に流すことができるように接続されている。逆止弁２５ｄは、レシーバ２６の出口から冷却器２７を介して流れる冷媒を熱源側熱交換器２３側に流すことができるように接続されている。これにより、熱源側熱交換器２３と利用側熱交換器５２との間を流れる冷媒は、常に、レシーバ２６の入口から流入し、レシーバ２６の出口から流出して熱源側熱交換器２３と利用側熱交換器５２との間に戻されるようになっている。

液側閉鎖弁２８及びガス側閉鎖弁２９は、それぞれ、液冷媒連絡配管６及びガス冷媒連絡配管７に接続されている。液冷媒連絡配管６は、利用ユニット５の利用側膨張弁５１と熱源ユニット２の液側閉鎖弁２８との間を接続している。ガス冷媒連絡配管７は、利用ユニット５の利用側熱交換器５２のガス側と熱源ユニット２のガス側閉鎖弁２９との間を接続している。

尚、上記に説明した利用側膨張弁５１、利用側熱交換器５２、圧縮機２１、四路切換弁２２、熱源側熱交換器２３、熱源側膨張弁２４、ブリッジ回路２５、レシーバ２６、液側閉鎖弁２８及びガス側閉鎖弁２９が順次接続された冷媒回路を空気調和装置１の主冷媒回路１０とする。
次に、冷却器２７及びバイパス冷媒回路４１について説明する。

冷却器２７は、本実施形態において、２重管式の熱交換器であり、熱源側熱交換器２３において凝縮されて利用側熱交換器５２に送られる冷媒を冷却するために設けられている。冷却器２７は、本実施形態において、レシーバ２６とブリッジ回路２５との間に接続されている。
バイパス冷媒回路４１は、熱源側熱交換器２３から利用側熱交換器５２へ送られる冷媒の一部を主冷媒回路１０から分岐させて圧縮機２１の吸入側に戻すように主冷媒回路１０に接続されている。具体的には、バイパス冷媒回路４１は、レシーバ２６の出口とブリッジ回路２５の逆止弁２５ｄとを接続する回路部分から分岐されて冷却器２７の入口に接続された分岐回路４１ａと、冷却器２７の出口から圧縮機２１の吸入側に戻すために圧縮機２１の吸入管３１に合流するように接続された合流回路４１ｂとを有している。そして、分岐回路４１ａには、バイパス冷媒回路４１を流れる冷媒の流量を調節するためのバイパス用膨張弁４２（バイパス用膨張機構）が設けられている。ここで、バイパス用膨張弁４２は、冷却器２７に流す冷媒の流量の調節を行うための電動膨張弁である。これにより、主冷媒回路１０を流れる冷媒は、冷却器２７において、バイパス用膨張弁４２の出口から圧縮機２１の吸入管３１に戻される冷媒によって冷却されるようになっている。

また、冷却器２７は、主冷媒回路１０側を流れる冷媒とバイパス冷媒回路４１側を流れる冷媒とが対向するように流れる流路を有する熱交換器である。具体的には、冷却器２７は、図２に示されるように、一端がレシーバ２６に接続されるとともに他端がブリッジ回路２５に接続されて主冷媒回路側を流れる冷媒が通過する第１管部２７ａと、第１管部２７ａの外周を覆うように配置され一端がバイパス用膨張弁４２に接続されるとともに他端が圧縮機２１の吸入管３１に接続されてバイパス冷媒回路側を流れる冷媒が通過する第２管部２７ｂとを有している。そして、第１管部２７ａのレシーバ２６に接続された側の入口側端部２７ｃは、第２管部２７ｂの吸入管３１に接続された側の出口側端部２７ｄに対応するように配置されている。また、第１管部２７ａのブリッジ回路２５に接続された側の出口側端部２７ｅは、第２管部２７ｂのバイパス用膨張弁２４に接続された側の入口側端部２７ｆに対応するように配置されている。これにより、主冷媒回路側を流れる冷媒（図２中の矢印Ｆ₁参照）とバイパス冷媒回路側を流れる冷媒（図２中の矢印Ｆ₂参照）とが対向するように流れるようになるため、主冷媒回路１０を流れる冷媒をバイパス冷媒回路４１を流れる冷媒の出口温度よりも低い温度まで冷却できるようになっている。

さらに、空気調和装置１は、各部に設けられた圧力センサや温度センサ等のセンサ類と、これらのセンサ類が検出する信号に基づいて各機器を制御して冷房運転や暖房運転等の空調運転を行うための制御部６０とを備えている（図３参照）。次に、センサ類及び制御部６０について説明する。
（４）センサ類及び制御部
まず、図１を用いて、空気調和装置１に設けられた圧力センサや温度センサ等のセンサ類について説明する。

圧縮機２１の吸入管３１には、圧縮機２１の吸入側を流れる低圧のガス冷媒の圧力を検出するための低圧冷媒圧力センサＬＰが設けられている。圧縮機２１の吐出管３２には、圧縮機２１の吐出側を流れる高圧のガス冷媒の圧力を検出するための高圧冷媒圧力センサＨＰが設けられている。また、圧縮機２１の吐出管３２には、高圧のガス冷媒の圧力の過上昇を検出するための高圧圧力スイッチＨＰＳが設けられている。

そして、圧縮機２１の吐出管３２には、圧縮機２１の吐出側の冷媒の吐出温度を検出するための高圧冷媒温度センサＴｄ（吐出温度検出機構）が設けられている。また、熱源ユニット２の室外ファン３０の空気吸入口には、室外空気の温度を検出するための外気温度センサＴａが設けられている。熱源側熱交換器２３には、冷房運転時には冷媒の凝縮温度に相当し、かつ、暖房運転時には冷媒の蒸発温度に相当する冷媒の温度を検出するための熱源側熱交温度センサＴｂが設けられている。また、バイパス冷媒回路４１の合流回路４１ｂには、冷却器２７の出口側のバイパス冷媒回路４１を流れる冷媒の過熱度を検出するための冷却器出口バイパス冷媒温度センサＴｓｈ（過熱度検出機構）が設けられている。また、利用ユニット５の室内ファン５３の空気吸込口には、室内空気の温度を検出するための室内温度センサＴｒが設けられている。利用側熱交換器５２には、冷房運転時には蒸発温度に相当し、かつ、暖房運転時には凝縮温度に相当する冷媒の温度を検出するための利用側熱交温度センサＴｎが設けられている。

次に、制御部６０について説明する。制御部６０は、主に、マイクロコンピュータからなり、図３に示されるように、上記に説明した圧力センサＬＰ、ＨＰ及び温度センサＴｄ、Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｓｈ、Ｔｒの入力信号を受けることができるように接続されるとともに、これらの入力信号に基づいて各種機器及び弁類２１、２２、２４、３０、４２、５１、５３を制御することができるように接続されている。そして、この制御部６０は、各種機器及び弁類を制御して冷房運転や暖房運転を行うとともに、バイパス冷媒回路４１に設けられたバイパス用膨張弁４２を制御するバイパス用膨張弁制御手段としても機能している。具体的には、制御部６０のバイパス用膨張弁制御手段は、冷却器２７及びバイパス冷媒回路４１を使用して、主冷媒回路１０を流れる冷媒の一部をバイパス冷媒回路４１を介して圧縮機２１の吸入管３１に戻すようにバイパスし、そのバイパスされた冷媒と主冷媒回路１０を流れる冷媒とを冷却器２７において熱交換させて、主冷媒回路１０を流れる冷媒を過冷却状態にする過熱度制御を行う機能を有している。また、制御部６０のバイパス用膨張弁制御手段は、圧縮機２１の吐出側の冷媒の吐出温度が過度に高い状態で運転されること（以下、過熱運転と呼ぶ）を防止する過熱運転防止制御を行う機能を有している。

そして、制御部６０は、過熱度制御を行う際に、冷却器出口バイパス冷媒温度センサＴｓｈにより検出されるバイパス冷媒回路４１を流れる冷媒の過熱度の値（以下、実測過熱度ｔＳＨａする）に基づいて、バイパス冷媒回路４１を流れる冷媒の実測過熱度ｔＳＨａが所定の過熱度の値（以下、目標過熱度ｔＳＨｓとする）となるようにバイパス用膨張弁４２の開度を制御する。本実施形態において、実測過熱度ｔＳＨａは、冷却器出口バイパス冷媒温度センサＴｓｈにより検出されるバイパス冷媒回路４１を流れる冷媒の温度値から低圧冷媒圧力センサＬＰにより検出される低圧ガス冷媒の圧力値から算出された冷媒の飽和温度値を差し引いた値である。そして、目標過熱度ｔＳＨｓの値は、高圧冷媒温度センサＴｄにより検出される高圧ガス冷媒の吐出温度の値（以下、実測吐出温度ｔｄとする）に基づいて、圧縮機２１に液冷媒が吸入される運転（以下、湿り運転と呼ぶ）にならないような値に設定されている。この目標過熱度ｔＳＨｓの値は、本実施形態において、実測吐出温度ｔｄが所定の吐出温度の値（以下、目標吐出温度ｔｄｓとする）に近づくように可変される。具体的には、目標過熱度ｔＳＨｓは、実測吐出温度ｔｄが目標吐出温度ｔｄｓよりも高い場合には小さくなり、実測吐出温度ｔｄが目標吐出温度ｔｄｓよりも低い場合には大きくなるように可変される。尚、目標吐出温度ｔｄｓは、圧縮機２１が湿り運転になる吐出温度の値（以下、下限吐出温度ｔｄｍとする）よりも少し高い温度値に設定されている。

また、制御部６０は、実測吐出温度ｔｄよりも過度に高い温度値（以下、上限吐出温度ｔｄｘとする）以上になる場合に、過熱運転防止制御を行うことにより、この上限吐出温度ｔｄｘよりも小さくなるようにバイパス用膨張弁４２の開度を制御する。そして、実測吐出温度ｔｄの値が上限吐出温度ｔｄｘよりも低い温度に復帰すると、制御部６０は、再度、過熱度制御を行うようになっている。

すなわち、制御部６０は、制御を行う条件は異なるが、過熱度制御を行う際、及び過熱運転防止制御を行う際のいずれにおいても、バイパス用膨張弁４２の開度を制御するように機能している。つまり、制御部６０は、下限吐出温度ｔｄｍよりも高い温度から上限吐出温度ｔｄｘよりも低い温度までの温度範囲において過熱度制御を行い、上限吐出温度ｔｄｘ以上の温度範囲において過熱運転防止制御を行うようになっている。

このように、バイパス冷媒回路４１は、主冷媒回路１０を流れる冷媒を過冷却状態にする機能と、圧縮機２１の過熱運転を防止する機能との２つの機能を有している。
（５）空気調和装置の動作
次に、空気調和装置１の冷房運転時の動作について、図１及び図４〜図６を用いて説明する。ここで、図４は、冷房運転時における空気調和装置１の冷凍サイクルを示すモリエル線図である。図５は、冷却器２７における主冷媒回路１０側を流れる冷媒とバイパス冷媒回路４１側を流れる冷媒との熱交換の状態を示す交換熱量−温度線図である。図６は、バイパス冷媒回路４１を流れる冷媒の流量と、バイパス冷媒回路４１を流れる冷媒の過熱度の値（ｔＳＨａ）及び主冷媒回路１０を流れる冷媒の過冷却度の値（ｔＳＣａ）との関係を示す線図である。

冷房運転時は、四路切換弁２２が図１の実線で示される状態、すなわち、圧縮機２１の吐出側が熱源側熱交換器２３のガス側に接続され、かつ、圧縮機２１の吸入側がガス側閉鎖弁２９に接続された状態となっている。また、液側閉鎖弁２８、ガス側閉鎖弁２９は開にされ、利用側膨張弁５１は冷媒を減圧するように開度調節されている。熱源側膨張弁２４は開にされている。バイパス用膨張弁４２は、制御部６０のバイパス用膨張弁制御手段によって開度調節されている。

この主冷媒回路１０及びバイパス冷媒回路４１の状態で、熱源ユニット２の室外ファン３０、圧縮機２１、及び利用ユニット５の室内ファン５３を起動すると、低圧のガス冷媒は、吸入管３１から圧縮機２１に吸入されて圧力ｐｓから圧力ｐｄまで圧縮される（図４の点Ａ及び点Ｂ参照）。その後、圧縮されたガス冷媒は、四路切換弁２２を経由して熱源側熱交換器２３に送られて、外気と熱交換して凝縮されて、冷媒の飽和温度まで冷却されるか又は飽和温度よりも少し低い温度まで過冷却される（図４の点Ｃ参照）。この凝縮した冷媒は、熱源側膨張弁２４及びブリッジ回路２５の逆止弁２５ｂを通じてレシーバ２６に流れ込む。そして、この液冷媒は、レシーバ２６に一時的に溜められた後、冷却器２７に流入し、バイパス冷媒回路４１側を流れる冷媒と熱交換してさらに冷却されて、過冷却状態となる（図４の点Ｄ及び過冷却度ｔＳＣａ参照）。そして、過冷却状態になった冷媒は、ブリッジ回路２５の逆止弁２５ｃ、液側閉鎖弁２８及び液冷媒連絡配管６を経由して、利用ユニット５に送られる。そして、利用ユニット５に送られた冷媒は、利用側膨張弁５１で減圧された後（図４の点Ｅ参照）、利用側熱交換器５２で室内空気と熱交換して蒸発される（図４の点Ａ参照）。この蒸発したガス冷媒は、ガス冷媒連絡配管７、ガス側閉鎖弁２９及び四路切換弁２２を経由して、再び、圧縮機２１に吸入される。

このとき、レシーバ２６に溜められた冷媒液の一部は、バイパス用膨張弁４２によって流量調節されながら、主冷媒回路１０から分岐されてバイパス冷媒回路４１を介して圧縮機２１の吸入管３１に戻される。ここで、バイパス用膨張弁４２を通過する冷媒は、圧力ｐｓ近くまで減圧されることによってその一部が蒸発される。そして、バイパス冷媒回路４１のバイパス用膨張弁４２の出口から圧縮機２１の吸入管３１に向かって流れる冷媒は、冷却器２７を通過して、主冷媒回路１０の熱源側熱交換器２３から利用側熱交換器５２へ送られる液冷媒と熱交換を行う。ここで、バイパス用膨張弁４２を通過した後の冷媒の温度（図５の温度ｔＶｉ参照）は、主冷媒回路１０の熱源側熱交換器２３から利用側熱交換器５２へ送られる冷媒の温度（図４及び図５のｔＭｉ参照）よりも低くなっているため、図４及び図５に示されるように、主冷媒回路１０の熱源側熱交換器２３から利用側熱交換器５２へ送られる液冷媒を温度ｔＭｏまで冷却するとともに、温度ｔＶｏまで加熱される。

ここで、バイパス用膨張弁４２は、制御部６０の過熱度制御によって、冷却器出口バイパス冷媒温度センサＴｓｈにより検出される実測過熱度ｔＳＨａに基づいて、バイパス冷媒回路４１を流れる冷媒の実測過熱度ｔＳＨａが目標過熱度ｔＳＨｓとなるように、開度が制御されている。このため、バイパス冷媒回路４１を流れる冷媒は、冷却器２７を通過した後、目標過熱度ｔＳＨｓまで加熱された後、圧縮機２１の吸入管３１に戻されるようになっている。そして、目標過熱度ｔＳＨｓの値は、高圧冷媒温度センサＴｄにより検出される高圧ガス冷媒の吐出温度値ｔｄに基づいて、圧縮機２１が湿り運転にならない目標吐出温度ｔｄｓになるように可変されている。これにより、主冷媒回路１０の圧縮機２１の吸入管３１を流れる冷媒が、バイパス冷媒回路４１から冷却器２７を通過した冷媒が戻されて合流した後においても十分な過熱状態となっている場合、すなわち、吐出温度ｔｄの値が目標吐出温度ｔｄｓよりも高い場合には、目標過熱度ｔＳＨｓの値を小さくすることにより、バイパス用膨張弁４２の開度を大きくしてバイパス冷媒回路４１を流れる冷媒の流量を増加させる。すると、図６に示されるように、実測過熱度ｔＳＨａが小さくなると実測過冷却度ｔＳＣａが大きくなる関係にあるため、冷却器２７における熱交換が促進されて主冷媒回路１０を流れる冷媒の過冷却度を高められる。逆に、吐出温度ｔｄの値が目標吐出温度ｔｄｓよりも低くなり湿り運転の懸念が生じる場合には、目標過熱度ｔＳＨｓの値を大きくすることにより、バイパス用膨張弁４２の開度を小さくしてバイパス冷媒回路４１を流れる冷媒の流量を減少させて、冷却器２７における熱交換を抑制して主冷媒回路１０を流れる冷媒の過冷却度ｔＳＣａを小さくするようにする。このようなバイパス用膨張弁４２の過熱度制御を行うことによって、バイパス冷媒回路４１を流れる冷媒の流量を増加させて、冷却器２７における熱交換を促進して主冷媒回路１０を流れる冷媒の過冷却度ｔＳＣａを高めることができる。

ところで、空気調和装置１の運転条件によっては、高圧冷媒温度センサＴｄにより検出される高圧ガス冷媒の吐出温度値ｔｄが上限吐出温度ｔｄｘ以上になる場合がある。このような場合、バイパス用膨張弁４２は、過熱度制御を行っていた制御部６０のバイパス用膨張弁制御手段が過熱運転防止制御を行う。すなわち、この上限吐出温度ｔｄｘよりも小さくなるようにバイパス用膨張弁４２の開度が制御される。これにより、圧縮機２１の吸入側の冷媒温度が低くなり、吐出温度値ｔｄが上限吐出温度ｔｄｘよりも低い温度に復帰される。この場合、バイパス用膨張弁４２は、吐出温度値ｔｄが上限吐出温度ｔｄｘを検出した際の開度よりも大きな開度になるように制御されるため、冷却器２７において主冷媒回路１０側を流れる冷媒が過冷却される運転が継続されている。そして、吐出温度値ｔｄが上限吐出温度ｔｄｘよりも低い温度に復帰すると、制御部６０のバイパス用膨張弁制御手段は、再度、過熱度制御を行うように切り換わるようになっている。

（６）空気調和装置の特徴
本実施形態の空気調和装置１には、以下のような特徴がある。
（Ａ）
従来の過熱度制御では、主冷媒回路１０の圧縮機２１の吸入側を流れる冷媒が、バイパス冷媒回路４１から冷却器２７を通過した冷媒が戻されて合流した後においても十分な過熱状態となっている場合において、図６に示されるように、空気調和装置１の運転中の吐出温度ｔｄに基づいた制御にしていないため、目標過熱度ｔＳＨｓ’を湿り運転に対する懸念から本実施形態の目標過熱度ｔＳＨｓのような小さい値にすることができない。このため、図４に示されるように、冷却器２７において冷却された後の主冷媒回路１０を流れる冷媒の過冷却度を本実施形態で得られる過冷却度ｔＳＣａよりも小さい過冷却度ｔＳＣａ’までしか高めることができない。

しかし、本実施形態の空気調和装置１では、バイパス用膨張弁制御手段としての制御部６０が、バイパス冷媒回路４１を流れる冷媒の過熱度ｔＳＨａを、高圧冷媒温度センサＴｄによって検出される圧縮機２１の吐出温度ｔｄに基づいて、圧縮機２１が湿り運転とならない範囲で（具体的には、ｔｄが下限吐出温度ｔｄｍより高い温度である目標過熱度ｔｄｓに近づくように）目標過熱度ｔＳＨｓの値を設定してバイパス用膨張弁４１を制御することができるようになっている。これにより、圧縮機２１が湿り運転とならない範囲で目標過熱度ｔＳＨｓの値を小さくすることによって、バイパス冷媒回路４１を流れる冷媒の流量を従来の過熱度制御における流量ｆ’よりも大きな流量ｆまで増加させて、冷却器２７における熱交換を促進して主冷媒回路１０を流れる冷媒の過冷却度を高めることができる。

（Ｂ）
本実施形態の空気調和装置１では、バイパス用膨張弁制御手段としての制御部６０が、高圧冷媒温度センサＴｄにより検出される吐出温度ｔｄが所定の値（具体的には、上限吐出温度ｔｄｘ）より小さい場合には、圧縮機２１が湿り運転とならない範囲においてバイパス冷媒回路４１を流れる冷媒の過熱度ｔＳＨａを制御しているが、高圧冷媒温度センサＴｄにより検出される吐出温度ｔｄが上限吐出温度ｔｄｘ以上の値になる場合には、バイパス冷媒回路４１を流れる冷媒の過熱度制御の代わりに、高圧冷媒温度センサＴｄにより検出される吐出温度ｔｄが上限吐出温度ｔｄｘより小さくなるように、バイパス用膨張弁４２を制御するようになっている。

これにより、バイパス冷媒回路４１を流れる冷媒の過熱度ｔＳＨａを制御することによって主冷媒回路１０を流れる冷媒の過冷却度ｔＳＣａを高める運転を行いつつ、圧縮機２１の過熱運転を防止する運転を行うことができる。また、圧縮機２１の過熱運転を防止するための冷媒回路を設ける別途必要がないため、コストダウンにも寄与できる。
（Ｃ）
本実施形態の空気調和装置１では、冷却器２７が主冷媒回路１０側を流れる冷媒とバイパス冷媒回路４１側を流れる冷媒とが対向するように流れる流路を有する熱交換器であるため、主冷媒回路１０側を流れる冷媒をバイパス冷媒回路４１側を流れる冷媒の出口温度ｔＶｏよりも低い温度ｔＭｏまで冷却できるようになっている。

これにより、バイパス冷媒回路４１を流れる冷媒の冷熱を有効に利用して、主冷媒回路１０を流れる冷媒の過冷却度ｔＳＣａをさらに高めることができる。
（Ｄ）
本実施形態の空気調和装置１では、冷房運転時において、熱源側熱交換器２３において凝縮された冷媒は、冷却器２７で過冷却状態になった後に、液冷媒連絡配管６を介して利用ユニット５に送られて、利用ユニット５内で膨張されるようになっている。

これにより、液冷媒連絡配管６が長配管の場合や、利用ユニット５が熱源ユニット２よりも高所に設置される場合であっても、液冷媒連絡配管６内を流れる冷媒が減圧蒸発して二相流になるのを防ぐことができるようになり、利用ユニット５の利用側膨張弁５１を通過する際の異音等を小さくすることができる。
また、熱源側熱交換器２３において凝縮された冷媒は、冷却器２７で過冷却状態になった後に、液冷媒連絡配管６を介して複数（本実施形態では、２基）の利用ユニット５に分岐されるようになっているため、利用ユニット５間における冷媒の偏流を防ぐことができる。

（７）変形例１
前記実施形態では、制御部６０が過熱運転防止制御を行う際に、過熱運転防止制御を行う条件として、高圧冷媒温度センサＴｄにより検出される吐出温度ｔｄの値をそのまま使用しているが、さらに制御精度を高めるために、圧縮機２１の吐出側における過熱度の上限値を設定して、この値を過熱運転防止制御を行う条件として使用してもよい。ここで、圧縮機２１の吐出側における過熱度は、高圧冷媒温度センサＴｄにより検出される吐出温度ｔｄの値から高圧冷媒圧力センサＨＰにより検出される高圧ガス冷媒の圧力値から算出された冷媒の飽和温度値を差し引いた値である。

（８）変形例２
前記実施形態では、制御部６０が過熱度制御を行う際に、高圧冷媒温度センサＴｄにより検出される吐出温度ｔｄの値が目標吐出温度ｔｄｓに近づくように、目標過熱度ｔＳＨｓの値を可変するようにしているが、目標過熱度ｔＳＨｓの値と吐出温度ｔｄの値との関係を関数化してもよい。これにより、過熱度制御の安定性を高めることができる。

（９）他の実施形態
以上、本発明の実施形態について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、これらの実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
例えば、前記実施形態では、冷暖房切換運転可能な空気調和装置を例にして、説明したが、これに限定されず、冷房専用の空気調和装置や冷暖房同時運転可能な空気調和装置等の他の空気調和装置や冷凍装置に適用可能である。

本発明を利用すれば、主冷媒回路を流れる冷媒の一部を圧縮機の吸入側に戻すようにバイパスし、そのバイパスされた冷媒を用いて主冷媒回路を流れる冷媒を過冷却状態にすることができるように構成された冷凍装置において、主冷媒回路を流れる冷媒の過冷却度を高めることができるようになる。

本発明にかかる冷凍装置の一実施形態としての空気調和装置の概略冷媒回路図である。 冷却器の概略構造を示す断面図である。 空気調和装置の制御ブロック図である。 冷房運転時における空気調和装置の冷凍サイクルを示すモリエル線図である。 冷却器における主冷媒回路側を流れる冷媒とバイパス冷媒回路側を流れる冷媒との熱交換の状態を示す交換熱量−温度線図である。 バイパス冷媒回路を流れる冷媒の流量と、バイパス冷媒回路を流れる冷媒の過熱度の値（ｔＳＨａ）及び主冷媒回路を流れる冷媒の過冷却度の値（ｔＳＣａ）との関係を示す線図である。

符号の説明

１ 空気調和装置
２ 熱源ユニット
５ 利用ユニット
６ 液冷媒連絡配管
７ ガス冷媒連絡配管
１０ 主冷媒回路
２１ 圧縮機
２３ 熱源側熱交換器
２７ 冷却器
４１ バイパス冷媒回路
４２ バイパス用膨張弁
５１ 利用側膨張弁
５２ 利用側熱交換器
６０ 制御部
Ｔｄ 高圧冷媒温度センサ
Ｔｓｈ 冷却器出口バイパス冷媒温度センサ
ｔｄ 吐出温度
ｔｄｘ 上限吐出温度
ｔＳＨａ 実測過熱度
ｔＳＨｓ 目標過熱度

Claims (5)

1. 圧縮機（２１）と熱源側熱交換器（２３）と利用側熱交換器（５２）とを含む主冷媒回路（１０）と、
   前記主冷媒回路に設けられ、前記圧縮機の吐出側の冷媒の吐出温度（ｔｄ）を検出する吐出温度検出機構（Ｔｄ）と、
   前記熱源側熱交換器から前記利用側熱交換器へ送られる冷媒の一部を前記主冷媒回路から分岐させて前記圧縮機の吸入側に戻すように前記主冷媒回路に接続されたバイパス冷媒回路（４１）と、
   前記バイパス冷媒回路に設けられ、前記バイパス冷媒回路を流れる冷媒の流量を調節するバイパス用膨張機構（４２）と、
   前記バイパス用膨張機構の出口から前記圧縮機の吸入側に戻される冷媒によって、前記主冷媒回路の前記熱源側熱交換器から前記利用側熱交換器に送られる冷媒を冷却するための冷却器（２７）と、
   前記バイパス回路に設けられ、前記冷却器の出口側の冷媒の過熱度（ｔＳＨａ）を検出する過熱度検出機構（Ｔｓｈ）と、
   前記過熱度検出機構により検出される過熱度（ｔＳＨａ）に基づいて、前記バイパス冷媒回路を流れる冷媒の過熱度が所定の過熱度（ｔＳＨｓ）となるように前記バイパス用膨張機構を制御する膨張機構制御手段（６０）とを備え、
   前記所定の過熱度の値（ｔＳＨｓ）は、前記吐出温度検出機構により検出される吐出温度（ｔｄ）に基づいて、前記圧縮機が湿り運転にならないような値に設定されている、
   冷凍装置（１）。
2. 前記膨張機構制御手段（６０）は、前記吐出温度検出機構（Ｔｄ）により検出される吐出温度（ｔｄ）が所定の値（ｔｄｘ）以上になる場合に、前記所定の値よりも小さくなるように前記バイパス用膨張機構（４２）を制御する、請求項１に記載の冷凍装置（１）。
3. 前記冷却器（２７）は、主冷媒回路側を流れる冷媒とバイパス冷媒回路側を流れる冷媒とが対向するように流れる流路を有する熱交換器である、請求項１又は２に記載の冷凍装置（１）。
4. 前記主冷媒回路（１０）は、前記圧縮機（２１）と前記熱源側熱交換器（２３）と前記冷却器（２７）とを含む熱源ユニット（２）と、前記利用側熱交換器（５２）を含む利用ユニット（５）とが、液冷媒連絡配管（６）及びガス冷媒連絡配管（７）とによって接続されることによって構成されており、
   前記利用ユニットは、前記利用側熱交換器の前記液冷媒連絡配管側に接続され前記利用ユニット内を流れる冷媒の流量を調節する利用側膨張機構（５１）を有している、
   請求項１〜３のいずれかに記載の冷凍装置（１）。
5. 前記利用ユニット（５）は、複数台あり、前記液冷媒連絡配管（６）及び前記ガス冷媒連絡配管（７）を介して並列に前記熱源ユニット（２）に接続されている、請求項４に記載の冷凍装置（１）。

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