JP2006284033A - 空気調和装置およびその膨張弁制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 中間冷却器内の冷媒の液位を過剰に上昇させないように膨張弁の開度を制御する空気調和装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 凝縮器側からの冷媒を導入するとともに圧縮機の中間段へとガス冷媒を供給する中間冷却器と、凝縮器に貯留された液冷媒を膨張させる高圧膨張弁と、中間冷却器に貯留された液冷媒を膨張させる低圧膨張弁と、高圧膨張弁および低圧膨張弁の開度を制御する制御部とを備えた空気調和装置において、制御部は、凝縮器または蒸発器に接続された負荷に応じて設定された設定条件から算出される予測開度ＣＶ＃と、現在の条件から算出される現在開度ＣＶと、これら予測開度ＣＶ＃および現在開度ＣＶに基づいて算出され、各膨張弁に与えられる指示開度ｃｖとを各時刻において有し、予測開度ＣＶ＃が急激に又はステップ的に変化した場合、予測開度ＣＶ＃よりも大きい開度を指示開度ｃｖとして低圧膨張弁に与えることを特徴とする。
【選択図】 図５

Description

本発明は、中間冷却器を備えた空気調和装置およびその膨張弁制御方法に関するものである。

空気調和装置には、圧縮機によって圧縮された後に凝縮器において凝縮された高温高圧の液冷媒を絞るための膨張弁が設けられている。この膨張弁の制御方法は種々提案されており、例えば特許文献１には次のような技術が開示されている。
つまり、設定条件に基づく膨張弁の開度と現在の条件に基づく膨張弁の開度とを各時刻において計算しておき、大きい方の開度を選択することにより、流入冷水温度が急変した場合（すなわち負荷が急変した場合）であっても凝縮器で凝縮しない冷媒ガスが循環することを防止している。

特開２００２−３１８０１４号公報（段落［００３１］〜［００３９］並びに図１及び図２）

しかし、中間冷却器を備えた空気調和装置に対して、特許文献１のように流入冷水温度の急変に応じて膨張弁開度を急激に又はステップ的に変化させると、過渡状態において次のような問題が生じる。
中間冷却器は、凝縮器と蒸発器との間に設けられており、凝縮器との間に設けられた高圧膨張弁によって絞られた液冷媒が中間冷却器に流れ込む。中間冷却器において蒸発したガス冷媒は圧縮機の中間段へと送られ再圧縮される。中間冷却器において蒸発せずに凝縮したままの液冷媒は、蒸発器との間に設けられた低圧膨張弁によって絞られて、蒸発器へと流れ込む。一般に、中間冷却器は、装置全体をコンパクト化するという要請から、凝縮器よりも小さな体積とされる。例えば、凝縮器の体積の１０分の１といった程度である。したがって、内部に貯留される液冷媒の液位の変化は、中間冷却器の方が凝縮器よりも大きくなる。ということは、急激に又はステップ的に高圧膨張弁の開度を変化させると、凝縮器の冷媒の液位の変化が微小であっても、中間冷却器の液位の変化は何倍にもなり無視できないものとなる。最悪の場合には、中間冷却器内の冷媒の液位が上がりすぎて、圧縮機の中間段に液冷媒を送り込んでしまうという問題がある。圧縮機に液冷媒が流れ込むと本来はガスを圧縮するための圧縮機に液体が流れ込むため（液圧縮）、圧縮機を破損させるおそれがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、中間冷却器内の冷媒の液位を大幅に上昇させないように膨張弁の開度を制御する空気調和装置およびその膨張弁制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の空気調和装置およびその膨張弁制御方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる空気調和装置は、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、凝縮された冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記凝縮器側からの冷媒を導入するとともに前記圧縮機の中間段へとガス冷媒を供給する１又は複数の中間冷却器と、前記凝縮器に貯留された液冷媒を膨張させる高圧膨張弁と、前記中間冷却器に貯留された液冷媒を膨張させる低圧膨張弁と、前記高圧膨張弁および前記低圧膨張弁の開度を制御する制御部と、を備えた空気調和装置において、前記制御部は、前記凝縮器または前記蒸発器に接続された負荷に応じて設定された設定条件から算出される予測開度と、現在の条件から算出される現在開度と、これら予測開度および現在開度に基づいて算出され、前記各膨張弁に与えられる指示開度とを各時刻において有し、前記予測開度が急激に又はステップ的に変化した場合、該予測開度よりも大きい開度を前記指示開度として前記低圧膨張弁に与えることを特徴とする。

中間冷却器内には、凝縮器に貯留された液冷媒が高圧膨張弁を介して供給される。そして、中間冷却器内では、高圧膨張弁によって減圧された液冷媒が蒸発する。蒸発したガス冷媒は、圧縮機の中間段へと導かれて再び圧縮される。中間冷却器内で蒸発せずに貯留した液冷媒は、低圧膨張弁によって減圧された後、蒸発器へと導かれる。
予測開度が急激に又はステップ的に変化した場合、予測開度は、この変化に応じて、負荷に応じて設定された設定条件（例えば負荷が要求する温度）を満たすように変化する。この際に、制御部により、予測開度よりも大きい開度を指示開度として低圧膨張弁に与えることとしたので、低圧膨張弁が閉まりすぎることがなく、中間冷却器内の液冷媒の液面は下がり気味に制御され、液面が大幅に上昇することが回避される。したがって、中間冷却器内の液面が大幅に上昇して圧縮機内へと液冷媒が流入して液圧縮を引き起こすという不具合が防止される。
また、中間冷却器内の液位が急上昇することがないので、中間冷却器の内容積を大きくして液位の急上昇を抑えることにより、圧縮機の液圧縮を回避する必要がない。したがって、凝縮器に対して中間冷却器を大幅に小さく設計することができ、全体としてコンパクトな空気調和装置を実現することができる。

さらに、本発明の空気調和装置によれば、前記制御部は、前記現在開度が前記予測開度よりも大きい場合、前記現在開度と前記予測開度との差分量の所定割合だけ該現在開度から減じた開度を前記指示開度とすることを特徴とする。

例えば負荷が急に小さくなり（冷房運転の場合には、蒸発器と熱交換する冷水の流入温度が急降下し）、現在開度が予測開度よりも大きくなった場合、予測開度に一致するように高圧膨張弁および低圧膨張弁を急に閉めると、空気調和装置全体を流れる冷媒の圧力および温度が平衡に達するには所定の時間を要するため、低圧膨張弁が閉まりすぎとなり、凝縮器内の液面が上昇する。特に、中間冷却器の容積が凝縮器よりも小さい場合には（一般的にはこの関係にある。）、中間冷却器内の液冷媒の液位は急上昇してしまう。
本発明では、現在開度と予測開度との差分量の所定割合だけ現在開度から減じた開度を指示開度として、つまり予測開度よりも大きな開度を低圧膨張弁に与えることとしたので、中間冷却器内の液位が急上昇することがない。
また、現在開度と予測開度との差分量を基準として指示開度を算出することとし、つまり、現在開度の変化に応じて低圧膨張弁を制御することとした。これにより、膨張弁開度を予測値に無駄なく収束させることができる。

さらに、本発明の空気調和装置によれば、前記制御部は、前記現在開度が前記予測開度よりも小さい場合、前記現在開度と前記予測開度との差分量の所定割合だけ前記予測開度に対して加えた開度を前記指示開度とすることを特徴とする。

例えば負荷が急に大きくなり（冷房運転の場合には、蒸発器と熱交換する冷水の流入温度が急上昇し）、現在開度が予測開度よりも小さくなった場合、予測開度は開方向に制御される。この予測開度に指示開度が一致するように低圧膨張弁を急に開けると、空気調和装置全体を流れる冷媒の圧力および温度が平衡に達するには所定の時間を要するため、低圧膨張弁を開けても中間冷却器から液冷媒が所望量だけ流出せず、一方で、凝縮器内で貯留された液冷媒が高圧膨張弁を介して中間冷却器へと流れ込むので、中間冷却器内の液冷媒の液位が急上昇してしまう。
本発明では、現在開度と予測開度との差分量の所定割合だけ予測開度に対して加えた開度を指示開度として、低圧膨張弁を制御することとしたので、低圧膨張弁の開度を予測開度よりも大きくして、多くの液冷媒を蒸発器側に流すことができる。したがって、液冷媒が中間冷却器内で急激に溜まり込むことが防止され、液位の急上昇が防止される。

また、本発明の空気調和装置の膨張弁制御方法は、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、凝縮された冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記凝縮器側からの冷媒を導入するとともに前記圧縮機の中間段へとガス冷媒を供給する１又は複数の中間冷却器と、前記凝縮器に貯留された液冷媒を膨張させる高圧膨張弁と、前記中間冷却器に貯留された液冷媒を膨張させる低圧膨張弁とを備えた空気調和装置に対して、前記高圧膨張弁および前記低圧膨張弁の開度を制御する空気調和装置の膨張弁制御方法において、前記凝縮器または前記蒸発器に接続された負荷に応じて設定された設定条件から算出される予測開度と、現在の温度圧力条件から算出される現在開度と、これら予測開度および現在開度に基づいて算出され、前記各膨張弁に与えられる指示開度とを各時刻において得ておき、前記予測開度が急激に又はステップ的に変化した場合、該予測開度よりも大きい開度を前記指示開度として前記低圧膨張弁に与えることを特徴とする。

中間冷却器内には、凝縮器に貯留された液冷媒が高圧膨張弁を介して供給される。そして、中間冷却器内では、高圧膨張弁によって減圧された液冷媒が蒸発する。蒸発したガス冷媒は、圧縮機の中間段へと導かれて再び圧縮される。中間冷却器内で蒸発せずに貯留した液冷媒は、低圧膨張弁によって減圧された後、蒸発器へと導かれる。
予測開度が急激に又はステップ的に変化した場合、予測開度は、この変化に応じて、負荷に応じて設定された設定条件（例えば負荷が要求する温度）を満たすように変化する。この際に、予測開度よりも大きい開度を指示開度として低圧膨張弁に与えることとしたので、低圧膨張弁が閉まりすぎることがなく、中間冷却器内の液冷媒の液面は下がり気味に制御され、液面が大幅に上昇することが回避される。したがって、中間冷却器内の液面が大幅に上昇して圧縮機内へと液冷媒が流入して液圧縮を引き起こすという不具合が防止される。
また、中間冷却器内の液位が急上昇することがないので、中間冷却器の内容積を大きくして液位の急上昇を抑えることにより、圧縮機の液圧縮を回避する必要がない。したがって、凝縮器に対して中間冷却器を大幅に小さく設計することができ、全体としてコンパクトな空気調和装置を実現することができる。

本発明によれば、予測開度よりも大きい開度を指示開度として低圧膨張弁に与えることとしたので、中間冷却器内の冷媒の液位が過剰に上昇することがない。したがって、中間冷却器から液冷媒が圧縮機へと流れ込むおそれがなく、信頼性の高い空気調和装置を提供することができる。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
図１及び図２には、ターボ式の圧縮機（以下単に「圧縮機」という。）を用いたターボ冷凍機１の概略構成図が示されている。図１には冷房運転時が示されており、図２にはヒートポンプ運転による暖房運転時が示されている。これらの図に示されたターボ冷凍機（空気調和装置）１は、２段圧縮２段膨張のサイクルを構成している。

ターボ冷凍機１は、冷媒を圧縮する圧縮機３と、外気である空気と冷媒が熱交換する空気熱交換器５と、冷温水管１１が接続された水熱交換器６と、空気熱交換器５と水熱交換器６との間に設けられた中間冷却器７とを備えている。また、中間冷却器７と空気熱交換器５との間の冷媒配管には第１膨張弁９が、中間冷却器７と水熱交換器６との間の冷媒配管には第２膨張弁１０が、それぞれ設けられている。また、暖房時（図２参照）における空気熱交換器５と圧縮機３との間には、空気熱交換器５から流出した冷媒の液分を貯留するレシーバ１３が設けられている。

圧縮機３は、高圧力比が得られる遠心圧縮機となっている。圧縮機３は、軸線周りに回転する羽根車を備えている。
羽根車の冷媒流れ上流側には、流入する冷媒の流量を調節する入口ベーン１５が設けられている。この入口ベーン１５は、制御部によって制御される入口ベーン駆動モータ（図示せず）によって回転角が変更されるようになっており、これにより流入する冷媒流量が調節される。
圧縮機３は、電動機１７によって駆動される。電動機１７は、インバータによる周波数制御によって回転数が適宜変更され得るようになっている。

空気熱交換器５は、チューブ５ａにフィン５ｂが取り付けられたフィン・アンド・チューブ式の熱交換器とされており、チューブ５ａ内を冷媒が流通するようになっている。チューブ５ａは、水平方向に延在しており、上下方向に複数本設けられている。各チューブ５ａの両端（左右端）は、ヘッダ５ｅに接続されている。したがって、各チューブ５ａを流れる冷媒は上下のチューブ５ａと同様に平行に流れる。
空気熱交換器５の上方には、ファン５ｃが設けられており、このファン５ｃによってチューブ５ａ及びフィン５ｂ周りを流れる空気の流れを促進し、熱交換を向上させるようになっている。ファン５ｃは、インバータモータ５ｄによって回転数制御される。もちろん、インバータモータ５ｄに代えて、一定速の電動モータを用いても良い。なお、チューブ５ａ及びフィン５ｂに冷却水を散布するようにして、一層の熱交換の向上を図っても良い。
空気熱交換器５は、冷房時（図１参照）には凝縮器となり、暖房時（図２参照）には蒸発器となる。

水熱交換器６は、シェル・アンド・チューブ式の熱交換器とされている。水熱交換器６には、冷温水管１１が接続されており、この冷温水管１１内を流れる水とシェル内の冷媒とが熱交換を行う。冷温水管１１は、室内機等の負荷と接続されており、冷房時には冷水が、暖房時には温水が流れる。冷温水管１１の上流側には熱交換前の流入水温度Ｔ０を計測する流入水温度センサ１１ａが、冷温水管１１の下流側には熱交換後の流出水温度Ｔ１を計測する流出水温度センサ１１ｂが、それぞれ設けられている。一般に、冷房時の流入水温度Ｔ０は１２℃に、流出水温度Ｔ１は７℃に設定される。また、暖房時の流入水温度Ｔ０は４０℃に、流出水温度Ｔ１は４５℃に設定される。
水熱交換器６は、冷房時（図１参照）には蒸発器となり、暖房時（図２参照）には凝縮器となる。
また、本実施形態では、図１に示したように水熱交換器６はシェル・アンド・チューブ式となっているが、プレート式としても良く、シェル・アンド・チューブであっても管内冷媒、シェル内冷温水での適用としても良い。

中間冷却器７は、空気熱交換器５と水熱交換器６との間に設けられ、内部に凝縮した液冷媒が貯留される容器となっている。中間冷却器７の内容積は、空気熱交換器５の冷媒流路の内容積の１／１０程度、或いは、水熱交換器６の内容積の１／１０程度となっている。
中間冷却器７には、圧縮機３の中間段との間に、中間圧冷媒配管７ａが接続されている。中間圧冷媒配管７ａの下端（冷媒流れの上流端）は、中間冷却器７内の上方空間に位置しており、中間冷却器７内のガス冷媒を吸い込むようになっている。
中間冷却器７では、凝縮器（冷房運転時は空気熱交換器、暖房運転時は水熱交換器）からの高圧液冷媒が蒸発するようになっており、この蒸発潜熱によって中間圧冷媒配管７ａを介して圧縮機３の中間段へと導かれるガス冷媒が冷却される。そして、このように冷却されて飽和温度付近とされたガス冷媒は、圧縮機３において低圧から中間段まで圧縮されたガス冷媒と混合され、中間段から圧縮されるガス冷媒を冷却している。

第１膨張弁９は、空気熱交換器５と中間冷却器７との間に設けられており、液冷媒を絞ることによって等エンタルピー膨張させるものである。第１膨張弁９は、冷房時（図１参照）には、高圧の凝縮器（空気熱交換器５）と中間圧の中間冷却器７との間に位置するので高圧膨張弁となり、暖房時（図２参照）には、中間圧の中間冷却器７と低圧の蒸発器（空気熱交換器５）との間に位置するので低圧膨張弁となる。

第２膨張弁１０は、水熱交換器６と中間冷却器７との間に設けられており、液冷媒を絞ることによって等エンタルピー膨張させるものである。第２膨張弁１０は、冷房時（図１参照）には、低圧の蒸発器（水熱交換器６）と中間圧の中間冷却器７との間に位置するので低圧膨張弁となり、暖房時（図２参照）には、高圧の凝縮器（水熱交換器６）と中間圧の中間冷却器７との間に位置するので高圧膨張弁となる。

第１膨張弁９および第２膨張弁１０は、それぞれ、制御部によってその開度が制御されるようになっている。

制御部は、ターボ冷凍機１の制御盤内の制御基板に設けられており、ＣＰＵおよびメモリを備えている。制御部は、外気温、冷媒圧力、冷温水出入口温度等に基づき制御周期ごとにデジタル演算により各制御量が算出するようになっている。
また、制御部は、水熱交換器６に接続された負荷に応じて設定された設定条件から算出される予測開度ＣＶ＃と、現在の条件から算出される現在開度ＣＶと、これら予測開度および現在開度に基づいて算出され、前記各膨張弁に与えられる指示開度ｃｖとを各時刻において有している。

予測開度ＣＶ＃は、設定された流出水温度（例えば冷房時は７℃、暖房時は４５℃）、設定時の冷媒循環流量、膨張弁の前後の設定差圧によって決定される。
現在開度ＣＶは、冷温水管１１内を現在流れている流入水および流出水の温度から導出される現在の冷媒循環流量、現在の膨張弁の前後の差圧によって決定される。

次に、上記構成のターボ冷凍機１の動作について説明する。
（１）冷房運転（図１参照）
圧縮機３は、電動機１７によって駆動され、制御部によるインバータ制御により所定周波数で回転させられる。入口ベーン１５は、制御部によって、設定温度（例えば、流入水温度１２℃、流出水温度７℃）を達成するようにその開度が調整されている。

蒸発器（水熱交換器６）から吸い込まれた低圧ガス冷媒（図３の状態Ａ）は、圧縮機３によって圧縮され、中間圧まで圧縮される（図３の状態Ｂ）。中間圧まで圧縮されたガス冷媒は、中間圧冷媒配管７ａから流入する中間圧ガス冷媒によって冷却される（図３の状態Ｃ）。中間圧ガス冷媒によって冷却されたガス冷媒は、圧縮機３によって更に圧縮され高圧ガス冷媒となる（図３の状態Ｄ）。

圧縮機３から吐出された高圧ガス冷媒は、冷媒配管１９ａを通り、レシーバ１３を通過して凝縮器（空気熱交換器５）へと導かれる、
凝縮器（空気熱交換器５）において、ファン５ｃに誘引された外気によって高温高圧のガス冷媒は略等圧に冷却され、高圧低温の液冷媒となる（図３の状態Ｅ）。高圧低温の液冷媒は、冷媒配管１９ｂを通り高圧膨張弁（第１膨張弁９）へと導かれ、この高圧膨張弁によって等エンタルピー的に中間圧まで膨張させられる（図３の状態Ｆ）。中間圧まで膨張させられた冷媒は、冷媒配管１９ｃを介して中間冷却器７へと導かれる。中間冷却器７において、一部の冷媒は蒸発し（図３の状態Ｆから状態Ｃ）、中間圧冷媒配管７ａを介して圧縮機３の中間段へと導かれる。中間冷却器７において蒸発せずに凝縮したままの液冷媒は、中間冷却器７内に貯留される。中間冷却器７内に貯留された中間圧の液冷媒は、冷媒配管１９ｄを介して低圧膨張弁（第２膨張弁１０）へと導かれる。中間圧の液冷媒は、低圧膨張弁によって等エンタルピー的に低圧まで膨張させられる（図３の状態Ｇ）。
低圧まで膨張させられた冷媒は、蒸発器（水熱交換器６）において蒸発し（図３の状態Ｇから状態Ａ）、冷温水管１１から熱を奪う。これにより、１２℃で流入した冷水は７℃で負荷側に返送されることになる。
蒸発器（水熱交換器６）において蒸発した低圧ガス冷媒は、圧縮機３の低圧段へと導かれ、再び圧縮される。

（２）暖房運転（図２参照）
圧縮機３は、電動機１７によって駆動され、制御部によるインバータ制御により所定周波数で回転させられる。入口ベーン１５は、制御部によって、設定温度（例えば、流入水温度４０℃、流出水温度４５℃を達成するようにその開度が調整されている。

蒸発器（空気熱交換器５）から吸い込まれた低圧ガス冷媒（図３の状態Ａ）は、圧縮機３によって圧縮され、中間圧まで圧縮される（図３の状態Ｂ）。中間圧まで圧縮されたガス冷媒は、中間圧冷媒配管７ａから流入する中間圧ガス冷媒によって冷却される（図３の状態Ｃ）。中間圧ガス冷媒によって冷却されたガス冷媒は、圧縮機３によって更に圧縮され高圧ガス冷媒となる（図３の状態Ｄ）。
圧縮機３から吐出された高圧ガス冷媒は、冷媒配管２１ａを通り、凝縮器（水熱交換器６）へと導かれる、
凝縮器（水熱交換器６）において、高温高圧のガス冷媒は略等圧的に凝縮し、高圧低温の液冷媒となる（図３の状態Ｅ）。この際に得られる凝縮熱によって、冷温水管１１内を流れる水が加熱される。これにより、４０℃で流入した温水は４５℃で負荷側に返送されることになる。

凝縮器（水熱交換器６）において高圧低温とされた液冷媒は、冷媒配管２１ｂを通り高圧膨張弁（第２膨張弁１０）へと導かれ、この高圧膨張弁によって等エンタルピー的に中間圧まで膨張させられる（図３の状態Ｆ）。中間圧まで膨張させられた冷媒は、冷媒配管２１ｃを介して中間冷却器７へと導かれる。中間冷却器７において、一部の冷媒は蒸発し（図３の状態Ｆから状態Ｃ）、中間圧冷媒配管７ａを介して圧縮機３の中間段へと導かれる。中間冷却器７において蒸発せずに凝縮したままの液冷媒は、中間冷却器７内に貯留される。中間冷却器７内に貯留された中間圧の液冷媒は、冷媒配管２１ｄを介して低圧膨張弁（第１膨張弁９）へと導かれる。中間圧の液冷媒は、低圧膨張弁によって等エンタルピー的に低圧まで膨張させられる（図３の状態Ｇ）。
低圧まで膨張させられた冷媒は、蒸発器（空気熱交換器５）において蒸発する（図３の状態Ｇから状態Ａ）。
蒸発器（空気熱交換器５）において蒸発した低圧ガス冷媒は、レシーバ１３を通過した後、圧縮機３の低圧段へと導かれ、再び圧縮される。レシーバ１３では、蒸発せずに凝縮したままの液冷媒が貯留される。

次に、制御部による、第１膨張弁９及び第２膨張弁１０の制御について説明する。
本発明は、低圧膨張弁（冷房時は第２膨張弁１０，暖房時は第１膨張弁９）の制御について特徴を有するので、主として低圧膨張弁について説明する。
（１）ＣＶ＃（予測開度）＜ＣＶ（現在開度）
現在開度ＣＶが予測開度ＣＶ＃よりも大きい場合、具体的には、冷房時に流入水温度が急激に又はステップ的に低くなった場合、或いは、暖房時に流入水温度が急激に又はステップ的に高くなった場合には、負荷に対する交換熱量を下げるため、指示開度ｃｖを絞るように制御する。この際に、予測開度ＣＶ＃は、設定温度を達成するため、流入水温度の変化とともに急激に又はステップ的に変化する。
低圧膨張弁（冷房時は第２膨張弁１０，暖房時は第１膨張弁９）の指示開度ｃｖは、下式に従って与えられる。
ｃｖ＝ＣＶ−（ＣＶ−ＣＶ＃）×ＫＫ ・・・・・（１）
ここで、ＫＫは１よりも小さい定数
このように指示開度ｃｖを与えることにより、予測開度ＣＶ＃よりも大きい開度を指示開度として低圧膨張弁に与えることができる。
一方、高圧膨張弁（冷房時は第１膨張弁９，暖房時は第２膨張弁１０）は、予測開度ＣＶ＃に追従するようにステップ的に指示開度が与えられる。

図４には、時間に対する低圧膨張弁の各開度が示されている。
時刻ｔ１において、冷房時に流入水温度が急激に又はステップ的に低くなった場合、或いは、暖房時に流入水温度が急激に又はステップ的に高くなった場合には、流出水温度Ｔ１を設定温度に維持するように、予測開度ＣＶ＃をステップ的に低下させる（図４の実線参照）。指示開度ｃｖには、上式（１）に示すように、現在開度ＣＶと予測開度ＣＶ＃との差分量の所定割合ＫＫだけ現在開度ＣＶから減じた開度が与えられる。すると、現在開度ＣＶは、所定の時間遅れを伴った後、徐々に予測開度ＣＶ＃に漸近するように降下し、最終的に予測開度ＣＶ＃に一致する。
このように、低圧膨張弁の指示開度ｃｖを現在開度ＣＶと予測開度ＣＶ＃との間に位置するように与えているので、現在開度はオーバーシュートすることなく（予測開度よりも閉めすぎることなく）無駄なく予測開度ＣＶ＃に収束する。

図５には、上述のような低圧膨張弁の開度を制御することによる作用効果が示されている。
同図には、中間冷却器７における液冷媒の液位の変化が示されており、（ａ）は本実施形態による膨張弁開度の制御を用いた場合、（ｂ）は従来の膨張弁開度の制御を用いた場合である。
本実施形態では、図５（ａ）に示すように、予測開度ＣＶ＃がステップ的に降下すると、現在開度ＣＶが一定のままでも液位は若干降下する。これは、ステップ上の負荷低下に伴い中間冷却器７に流れ込む冷媒量が減少し、時間遅れのため蒸発器側の圧力が低圧のまま維持されており、蒸発器側に液冷媒が同じ量流れ込むため中間冷却器７内の滞留量が減少するためである。 その後、現在開度ＣＶよりも低い指示開度ｃｖを与えることにより、現在開度ＣＶを徐々に下げていく。そして、最終的に予測開度ＣＶ＃に収束させる。

このように、現在開度ＣＶが予測開度ＣＶ＃を下回らず、低圧膨張弁を閉めすぎることがないので、液位が大幅に上昇することがない。したがって、中間冷却器７から中間圧冷媒配管７ａを通って圧縮機３へと液冷媒が流れることがない。

これに対して、図５（ｂ）のように、従来のごとく低圧膨張弁を予測開度ＣＶ＃に一致するように指示開度ｃｖをステップ的に閉めると、現在開度ＣＶは急激に降下して閉めすぎとなる。すると、蒸発器側に液冷媒が流れず、中間冷却器７内の液位が上昇する。液位が大幅に上昇すると、最悪の場合には、液冷媒が中間圧冷媒配管７ａを通って圧縮機３へと流れ込み、圧縮機３の故障を招いてしまう。

なお、高圧膨張弁は、予測開度ＣＶ＃のようにステップ的に制御しても良い。これは、高圧膨張弁の上流側に位置する凝縮器（空気熱交換器５，水熱交換器６）の容積が、中間冷却器７の容積よりも１０倍程度大きいため、液位の変化が少なく無視できるからである。

（２）ＣＶ＃（予測開度）＞ＣＶ（現在開度）
現在開度ＣＶが予測開度ＣＶ＃よりも小さい場合、具体的には、冷房時に流入水温度が急激に又はステップ的に高くなった場合、或いは、暖房時に流入水温度が急激に又はステップ的に低くなった場合には、負荷に対する交換熱量を上げるため、指示開度ｃｖを開けるように制御する。この際に、予測開度ＣＶ＃は、設定温度を達成するため、流入水温度の変化とともに急激に又はステップ的に変化する。
低圧膨張弁（冷房時は第２膨張弁１０，暖房時は第１膨張弁９）の指示開度ｃｖは、下式に従って与えられる。
ｃｖ＝ＣＶ＃＋（ＣＶ＃−ＣＶ）×ＫＫ’ ・・・・・（２）
ここで、ＫＫ’は１よりも小さい定数
このように指示開度ｃｖを与えることにより、予測開度ＣＶ＃よりも大きい開度を指示開度として低圧膨張弁に与えることができる。
一方、高圧膨張弁（冷房時は第１膨張弁９，暖房時は第２膨張弁１０）は、予測開度ＣＶ＃に追従するようにステップ的に指示開度を与える。

図６には、時間に対する低圧膨張弁の各開度が示されている。
時刻ｔ１において、冷房時に流入水温度が急激に又はステップ的に高くなった場合、或いは、暖房時に流入水温度が急激に又はステップ的に低くなった場合には、温水出口温度Ｔ１を設定温度に維持するように、予測開度ＣＶ＃をステップ的に上昇させる（図６の実線参照）。指示開度ｃｖには、上式（２）に示すように、現在開度ＣＶと前記予測開度ＣＶ＃との差分量の所定割合ＫＫ’だけ予測開度ＣＶ＃に対して加えた開度が与えられる。すると、現在開度ＣＶは、即座に予測開度ＣＶ＃を上回り、大きめの開度を維持するようになる。そして、時刻ｔ２以降は、ＣＶ＃＜ＣＶとなるので、上式（１）の指示開度ｃｖに基づいて徐々に予測開度ＣＶ＃に漸近するように降下し、最終的に予測開度ＣＶ＃に一致する。
このように、低圧膨張弁の指示開度ｃｖを、予測開度ＣＶ＃を超えるように設定することとしたので、多くの液冷媒を蒸発器側に流すことができる。

図７には、上述のような低圧膨張弁の開度を制御することによる作用効果が示されている。
同図には、中間冷却器７における液冷媒の液位の変化が示されており、（ａ）は本実施形態による膨張弁開度の制御を用いた場合、（ｂ）は従来の膨張弁開度の制御を用いた場合である。
本実施形態では、図７（ａ）に示すように、予測開度ＣＶ＃がステップ的に上昇しても、現在開度ＣＶが閉まり気味にならないように、予測開度ＣＶ＃を大きく越えるように指示開度ｃｖを与える。これにより、多くの液冷媒が蒸発器側に流れ込み、液位は一時低下する。ここで、液位が低下してガス冷媒が低圧膨張弁を通過したとしても、冷凍機の性能に大きな影響を与えることはない。なぜなら、低圧膨張弁を流れる冷媒流量は高圧膨張弁を流れる冷媒流量に比べて１／１０程度と小さいからである。
時刻ｔ２以降は、上述のように、現在開度ＣＶよりも低い指示開度ｃｖを与えることにより、現在開度ＣＶを徐々に下げていく。そして、最終的に予測開度ＣＶ＃に収束させる。

このように、現在開度ＣＶが予測開度ＣＶ＃を下回らず、低圧膨張弁を閉めすぎることがないので、液位が大幅に上昇することがない。したがって、中間冷却器７から中間圧冷媒配管７ａを通って圧縮機３へと液冷媒が流れることがない。

これに対して、図７（ｂ）のように、従来のごとく低圧膨張弁を予測開度ＣＶ＃に一致するように指示開度ｃｖをステップ的に開けると、現在開度ＣＶは予測開度ＣＶ＃よりも小さな開度から予測開度ＣＶ＃に漸近するようになる。つまり、予測開度ＣＶ＃よりも閉まり気味に低圧膨張弁が制御されることとなるので、蒸発器側に液冷媒が十分に流れず、液位が上昇する。液位が大幅に上昇すると、最悪の場合には、液冷媒が中間圧冷媒配管７ａを通って圧縮機３へと流れ込み、圧縮機３の故障を招いてしまう。

なお、高圧膨張弁は、予測開度ＣＶ＃のようにステップ的に制御する。これは、高圧膨張弁の上流側に位置する凝縮器（空気熱交換器５，水熱交換器６）の容積が、中間冷却器７の容積よりも１０倍程度大きいため、液位の変化が少なく無視できるからである。

また、式（１）のＫＫおよび式（２）のＫＫ’は、１以下の定数とされているが、運転条件に応じて変化させるようにしても良い。例えば、起動時等のように流出水温度Ｔ１の設定値が変更される場合には、この設定値に応じてＫＫ及びＫＫ’を変化させる（暖房運転時、温水出口温度の設定値が５５℃とされた場合には、より早く温度上昇するように通常の温水出口温度４５℃よりも大きなＫＫを設定する）。

本発明のターボ冷凍機の冷房時における冷媒回路構成を示した概略図である。 本発明のターボ冷凍機の暖房時における冷媒回路構成を示した概略図である。 本発明のターボ冷凍機の圧力−エンタルピー線図である。 本発明のターボ冷凍機の低圧膨張弁の制御を示した図である。 中間冷却器の液位を時間とともに示し、（ａ）は本発明、（ｂ）は従来の技術を示す。 本発明のターボ冷凍機の低圧膨張弁の制御を示した図である。 中間冷却器の液位を時間とともに示し、（ａ）は本発明、（ｂ）は従来の技術を示す。

符号の説明

１ ターボ冷凍機（空気調和装置）
３ 圧縮機
５ 空気熱交換器（凝縮器，蒸発器）
６ 水熱交換器（蒸発器，凝縮器）
７ 中間冷却器
９ 第１膨張弁（高圧膨張弁，低圧膨張弁）
１０ 第２膨張弁（低圧膨張弁，高圧膨張弁）

Claims (4)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、凝縮された冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記凝縮器側からの冷媒を導入するとともに前記圧縮機の中間段へとガス冷媒を供給する１又は複数の中間冷却器と、前記凝縮器に貯留された液冷媒を膨張させる高圧膨張弁と、前記中間冷却器に貯留された液冷媒を膨張させる低圧膨張弁と、前記高圧膨張弁および前記低圧膨張弁の開度を制御する制御部と、を備えた空気調和装置において、
   前記制御部は、前記凝縮器または前記蒸発器に接続された負荷に応じて設定された設定条件から算出される予測開度と、現在の条件から算出される現在開度と、これら予測開度および現在開度に基づいて算出され、前記各膨張弁に与えられる指示開度とを各時刻において有し、
   前記予測開度が急激に又はステップ的に変化した場合、該予測開度よりも大きい開度を前記指示開度として前記低圧膨張弁に与えることを特徴とする空気調和装置。
2. 前記制御部は、前記現在開度が前記予測開度よりも大きい場合、前記現在開度と前記予測開度との差分量の所定割合だけ該現在開度から減じた開度を前記指示開度とすることを特徴とする請求項１記載の空気調和装置。
3. 前記制御部は、前記現在開度が前記予測開度よりも小さい場合、前記現在開度と前記予測開度との差分量の所定割合だけ前記予測開度に対して加えた開度を前記指示開度とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の空気調和装置。
4. 冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、凝縮された冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記凝縮器側からの冷媒を導入するとともに前記圧縮機の中間段へとガス冷媒を供給する１又は複数の中間冷却器と、前記凝縮器に貯留された液冷媒を膨張させる高圧膨張弁と、前記中間冷却器に貯留された液冷媒を膨張させる低圧膨張弁とを備えた空気調和装置に対して、前記高圧膨張弁および前記低圧膨張弁の開度を制御する空気調和装置の膨張弁制御方法において、
   前記凝縮器または前記蒸発器に接続された負荷に応じて設定された設定条件から算出される予測開度と、現在の温度圧力条件から算出される現在開度と、これら予測開度および現在開度に基づいて算出され、前記各膨張弁に与えられる指示開度とを各時刻において得ておき、
   前記予測開度が急激に又はステップ的に変化した場合、該予測開度よりも大きい開度を前記指示開度として前記低圧膨張弁に与えることを特徴とする空気調和装置の膨張弁制御方法。

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