JP2006284034A - 空気調和装置およびその膨張弁制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ヒートポンプ運転時において蒸発器内の液冷媒が圧縮機側に流れ込むことを防止する。
【解決手段】 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、凝縮器に貯留された液冷媒を膨張させる膨張弁と、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、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、ヒートポンプ運転時に、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＃よりも小さい開度を指示開度ｃｖとして膨張弁に与えることを特徴とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ヒートポンプ運転を行う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貯留される冷媒液が過剰に多くなることや、凝縮しない冷媒ガスが循環することを防止している。

一方、ヒートポンプ運転時には、蒸発器（主として室外に配置されて外気と熱交換を行う空気熱交換器）において液冷媒が十分に蒸発するように、膨張弁の開度制御が行われる。

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

しかし、特許文献１のように流入温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、過渡状態において膨張弁開度が開きすぎとなる場合があり、蒸発器における蒸発能力を超えて液冷媒が圧縮機側に流れ込んでしまう（いわゆるキャリーオーバ）。液冷媒が圧縮機に流れ込むと、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、液圧縮を起こしてしまい圧縮機が破損するおそれがある。

特に、蒸発器として用いられる空気熱交換器がフィン・アンド・チューブ熱交換器とされ、各チューブが両側のヘッダ管と接続されている平行流形式とされている場合には、チューブの位置によって熱伝達の状態が異なるので、各チューブにおける冷媒の蒸発量が異なる。このような場合、キャリーオーバを回避するために、最も熱伝達の悪いチューブに合わせて膨張弁開度を制御する必要があり、過渡状態における制御が更に困難になる。

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、ヒートポンプ運転時において蒸発器内の液冷媒が圧縮機側に流れ込むことを防止する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、前記凝縮器に貯留された液冷媒を膨張させる膨張弁と、前記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、前記膨張弁に与えられる指示開度とを各時刻において有し、ヒートポンプ運転時に、前記予測開度が急激に又はステップ的に変化した場合、前記予測開度よりも小さい開度を前記指示開度として前記膨張弁に与えることを特徴とする。

ヒートポンプ運転の場合、蒸発器において蒸発する冷媒量は膨張弁によって制御される。膨張弁の現在開度が予測開度よりも大きい場合には、蒸発器において冷媒が十分に蒸発することができず、液冷媒が圧縮機へと流れ込むおそれがある。
そこで、ヒートポンプ運転時に、予測開度よりもわずかに小さい開度を指示開度として膨張弁に与えることとした。これにより、蒸発器に過剰な液冷媒が流れ込むことが回避され、液圧縮が防止される。

また、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、ヒートポンプ運転時に、前記予測開度が急激に又はステップ的に変化した場合、前記予測開度よりも小さい開度を前記指示開度として前記高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。
ヒートポンプ運転の場合、蒸発器において蒸発する冷媒量は、冷媒の全体流量をコントロールする高圧膨張弁によって制御される。高圧膨張弁の現在開度が予測開度よりも大きい場合には、多くの冷媒が蒸発器へと流れ込み、蒸発器において冷媒が十分に蒸発することができず、液冷媒が圧縮機へと流れ込むおそれがある。
そこで、ヒートポンプ運転時に、予測開度よりもわずかに小さい開度を指示開度として高圧膨張弁に与えることとした。これにより、蒸発器に過剰な液冷媒が流れ込むことが回避され、液圧縮が防止される。

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、前記凝縮器と前記蒸発器との間に設けられ、該凝縮器に貯留された液冷媒を膨張させる主膨張弁と、前記凝縮器と前記圧縮機の中間段との間に設けられ、該凝縮器に貯留された液冷媒を膨張させる副膨張弁と、前記凝縮器から前記主膨張弁へと流れる冷媒と前記副膨張弁によって膨張した冷媒とを熱交換させる一又は複数のエコノマイザと、前記主膨張弁および前記副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、ヒートポンプ運転時に、前記予測開度が急激に又はステップ的に変化した場合、前記予測開度よりも小さい開度を前記指示開度として前記主膨張弁に与えることを特徴とする。

エコノマイザでは、凝縮器と主膨張弁との間を流れる冷媒と、副膨張弁によって膨張した冷媒とが熱交換される。副膨張弁によって蒸発した飽和状態に近いガス冷媒は、圧縮機の中間段へと導かれて再び圧縮される。主膨張弁を流れる液冷媒は、副膨張弁を通過した冷媒の蒸発により冷却された後、蒸発器へと導かれる。
ヒートポンプ運転の場合、蒸発器において蒸発する冷媒量は、冷媒の全体流量をコントロールする主膨張弁によって制御される。主膨張弁の現在開度が予測開度よりも大きい場合には、蒸発器において冷媒が十分に蒸発することができず、液冷媒が圧縮機へと流れ込むおそれがある。
そこで、ヒートポンプ運転時に、予測開度よりも小さい開度を指示開度として主膨張弁に与えることとした。これにより、蒸発器に過剰な液冷媒が流れ込むことが回避され、液圧縮が防止される。

さらに、上記空気調和装置の前記制御部は、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現在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。

ヒートポンプ運転時に例えば負荷が急に大きくなり（凝縮器と熱交換する温水の流入温度が急降下し）、現在開度が予測開度よりも小さくなった場合、多くの冷媒量を流すように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膨張弁、高圧膨張弁または主膨張弁を急に開けると、多くの冷媒が蒸発器に流れ込み、蒸発器の蒸発能力を超えてしまう。
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に対して加えた開度を指示開度として、膨張弁、高圧膨張弁または主膨張弁を制御することとしたので、その開度を予測開度よりも小さくすることができる。したがって、膨張弁、高圧膨張弁または主膨張弁の予測開度を現在開度が超えることが防止され、液圧縮が回避される。

さらに、上記空気調和装置の前記制御部は、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前記予測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。

ヒートポンプ運転時に例えば負荷が急に小さくなり（蒸発器と熱交換する温水の流入温度が急上昇し）、現在開度が予測開度よりも大きくなった場合、冷媒流量を少なくするように現在開度が予測開度に一致するように膨張弁、高圧膨張弁または主膨張弁を閉めると、現在開度は予測開度に対して開き方向から漸近することになる。膨張弁、高圧膨張弁または主膨張弁が開き方向から予測開度に漸近すると、予測開度よりも多くの冷媒が蒸発器に流れ込むことになり、蒸発器の蒸発能力を超えてしまう。
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から減じた開度を指示開度とすることとしたので、閉まり方向から膨張弁、高圧膨張弁または主膨張弁を制御することができる。したがって、蒸発能力以上の冷媒量を蒸発器に流すことがないので、圧縮機の液圧縮が防止される。

さらに、上記空気調和装置の前記制御部は、前記蒸発器へと流れ込む冷媒量に変化を及ぼす制御量が変化した場合に、その変化に応じた補正量を前記指示開度に与えることを特徴とする。

蒸発器へと流れ込む冷媒量に変化を及ぼす制御量が変化すると、蒸発器の蒸発能力に見合った適正な膨張弁の指示開度に対する誤差が生じる。そこで、蒸発器へと流れ込む冷媒量に変化を及ぼす制御量が変化した場合に、その変化に応じた補正量を指示開度に与えることとした。

さらに、前記蒸発器へと流れ込む冷媒量に変化を及ぼす前記制御量は、前記圧縮機へ流入する冷媒量を調節する吸込冷媒量調整手段の制御量、前記圧縮機の吐出側と吸込側とをバイパスする冷媒量を調整するホットガスバイパス調整手段の制御量、および前記圧縮機の回転数を制御する回転数制御手段の制御量の少なくともいずれか一つを含んでいることを特徴とする。

蒸発器へと流れ込む冷媒量に変化を及ぼす制御量としては、圧縮機へ流入する冷媒量を調節する吸込冷媒量調整手段の制御量、圧縮機の吐出側と吸込側とをバイパスする冷媒量を調整するホットガスバイパス調整手段の制御量、および圧縮機の回転数を制御する回転数制御手段の制御量が挙げられる。

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、前記凝縮器に貯留された液冷媒を膨張させる膨張弁と、前記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対して、前記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、ヒートポンプ運転時に、前記予測開度が急激に又はステップ的に変化した場合、前記予測開度よりも小さい開度を前記指示開度として前記膨張弁に与えることを特徴とする。

ヒートポンプ運転の場合、蒸発器において蒸発する冷媒量は膨張弁によって制御される。膨張弁の現在開度が予測開度よりも大きい場合には、蒸発器において冷媒が十分に蒸発することができず、液冷媒が圧縮機へと流れ込むおそれがある。
そこで、ヒートポンプ運転時に、予測開度よりも小さい開度を指示開度として膨張弁に与えることとした。これにより、蒸発器に過剰な液冷媒が流れ込むことが回避され、液圧縮が防止される。

本発明によれば、膨張弁、高圧膨張弁または主膨張弁を予測開度に対して閉まり方向から制御することとしたので、蒸発器の蒸発能力以上の冷媒が蒸発器に流されることが回避される。したがって、蒸発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。同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（低圧膨張弁）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（高圧膨張弁）１０が、それぞれ設けられている。また、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（吸込冷媒量調整手段）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（制御量）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、制御部（回転数制御手段）によって制御され、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。
このような構成の空気熱交換器５は、空気流れの状態に応じて各チューブ５ａにおける熱伝達の状態が異なるものとなる。本実施形態では上方にファン５ｃが設けられているので、上方のチューブ５ａほど熱交換が促進され、下方のチューブ５ａほど熱交換が悪くなる傾向にある。したがって、本実施形態のように上方にファン５ｃが設けられている場合には、下方のチューブ５ａほど冷媒蒸発量が少なくなるので、この熱交換量の少ないチューブ５ａに合わせて第２膨張弁１０の開度制御が行われる。

なお、空気熱交換に加えて、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。
また、ヒートポンプ運転を示す図１では、空気熱交換器５は蒸発器となっているが、冷房を行う際には凝縮器となる。

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、図１のようなヒートポンプ運転を行う場合には温水が流れ、冷房時には冷水が流れる。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、暖房時（ヒートポンプ運転時）の流入水温度Ｔ０は４０℃に、流出水温度Ｔ１は４５℃に設定される。また、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。
なお、ヒートポンプ運転を示す図１では、水熱交換器６は凝縮器となっているが、冷房を行う際には蒸発器となる。
また、図１に示した本実施形態では水熱交換器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（水熱交換器６）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、図１のように暖房時には、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。図示しないが、冷房時には、第１膨張弁９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との間に位置することとなり、高圧膨張弁となる。

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、図１のように暖房時には、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。図示しないが、冷房時には、低圧の蒸発器（水熱交換器６）と中間圧の中間冷却器７との間に位置することとなり、低圧膨張弁となる。

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。制御部では、外気温、冷媒圧力、冷温水出入口温度等に基づき制御周期（例えば０．５ｓｅｃ）ごとにデジタル演算により各制御量が算出され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（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をもとに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。

圧縮機３の吐出側と圧縮機３の吸込側であるレシーバ１３との間には、ホットガスバイパス管１４ａが設けられている。ホットガスバイパス管１４ａには、冷媒流量を調整するためのホットガスバイパス弁（ホットガスバイパス調整手段）１４が設けられている。このホットガスバイパス弁１４によって流量が調整された高温高圧の吐出冷媒が、レシーバ１３へと導かれ、圧縮機３の吸込側へとバイパスされるようになっている。

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。なお、本発明は暖房時（ヒートポンプ運転時）に適用されるものなので、暖房運転についての説明を行い、冷房運転については省略する。

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、制御部により、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２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２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２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２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２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２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２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２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２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。

圧縮機３から吐出された高温高圧のガス冷媒は、その一部がホットガスバイパス管１４ａを通りホットガスバイパス弁１４で冷媒流量が調整された後、レシーバ１３を経由して圧縮機３へと導かれるようになっている。これにより、低風量における圧縮機３の旋回失速を回避するようになっている。

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、高圧膨張弁（暖房時は第２膨張弁１０）の制御について特徴を有するので、主として高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＃よりも小さい場合、具体的には、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を開くように制御する。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上昇する。
高圧膨張弁（第２膨張弁１０）の指示開度ｃｖは、下式に従って与えられる。
ｃｖ＝ＣＶ＋（ＣＶ＃−ＣＶ）×ＫＫ＋ｃｖ＃１＋ｃｖ＃２＋ｃｖ＃３ ・・・・（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として、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に加えた開度が与えられる。

式（１）のｃｖ＃１は、入口ベーン開度の変化に応じた補正量である。このｃｖ＃１は、入口ベーン１５の開度変化による冷媒流量の変化を補正するように与えられる。なお、ここでいう変化とは、前時刻に対する入口ベーン開度変化を意味する。
入口ベーン開度補正量ｃｖ＃１は、図４（ａ）に示すように、入口ベーン開度が小さいほど大きな補正量が与えられ、入口ベーン開度が１００％に近くなるにつれて小さな補正量が与えられる。これは、入口ベーン開度の変化による冷媒流量変化に対応している。
制御部は、制御周期ごとに逐次入口ベーン１５開度をデジタル演算により把握している。前時刻と比較し、入口ベーン開度が変化していない場合は、入口ベーン開度補正量ｃｖ＃１は０である。前時刻と比較し、入口ベーン開度が変化した場合は、その入口ベーン開度に応じた補正量ｃｖ＃１が与えられる。例えば、前時刻と比較して入口ベーン開度が変化し、その時点での開度が５０％であれば約１％の補正量が式（１）に加えられる。このように、蒸発器へと流れ込む冷媒量の変化量を考慮し、入口ベーン開度の変化量に応じた補正量が与えられる。具体的には、変化量が開方向でｃｖ＃１≧０、変化量が閉方向でｃｖ＃１＜０とする。

式（１）のｃｖ＃２は、ホットガスバイパス弁１４の変化量に応じた補正量である。このｃｖ＃２は、ホットガスバイパス弁１４の開度変化による冷媒量の変化を補正するように与えられる。なお、ここでいう変化とは、前時刻に対するホットガスバイパス弁開度変化を意味する。
ホットガスバイパス弁補正量ｃｖ＃２は、図４（ｂ）に示すように、ホットガスバイパス弁開度が約２５％のあたりで大きな補正量が与えられ、ホットガスバイパス弁開度が１００％に近くなるにつれて小さな補正量が与えられる。これは、ホットガスバイパス弁開度の変化による冷媒流量変化に対応している。
制御部は、制御周期ごとに逐次ホットガスバイパス弁開度をデジタル演算により把握している。前時刻と比較し、ホットガスバイパス弁開度が変化していない場合は、ホットガスバイパス弁補正量ｃｖ＃２は０である。前時刻と比較し、ホットガスバイパス弁開度が変化した場合は、そのホットガスバイパス弁開度に応じた補正量ｃｖ＃２が与えられる。例えば、前時刻と比較してホットガスバイパス弁開度が変化し、その時点での開度が２５％であれば約５％の補正量が式（１）に加えられる。このように、蒸発器へと流れ込む冷媒量の変化量を考慮し、ホットガスバイパス弁開度の変化量に応じた補正量が与えられる。具体的には、変化量が開方向でｃｖ＃２＜０、変化量が閉方向でｃｖ＃２≧０とする。

式（１）のｃｖ＃３は、圧縮機３の回転数、すなわち電動機１７に与えられる回転数指示値の変化量に応じた補正量である。このｃｖ＃３は、圧縮機３の回転数変化による冷媒量の変化を補正するように与えられる。なお、ここでいう変化とは、前時刻に対する回転数変化を意味する。
圧縮機回転数補正量ｃｖ＃３、図４（ｃ）に示すように、各回転数（ｒｐｍ）において一定の補正量が与えられるようになっている。これは、圧縮機３の回転数の変化による冷媒流量変化に対応している。
制御部は、制御周期ごとに逐次、圧縮機３の回転数をデジタル演算により把握している。前時刻と比較し、圧縮機回転数が変化していない場合は、圧縮機回転数補正量ｃｖ＃３は０である。前時刻と比較し、圧縮機回転数が変化した場合は、その圧縮機回転数に応じた補正量ｃｖ＃３が与えられる。例えば、前時刻と比較して圧縮機回転数が変化した場合には、所定値の補正量が式（１）に加えられる。このように、蒸発器へと流れ込む冷媒量の変化量を考慮し、圧縮機回転数の変化量に応じた補正量が与えられる。具体的には、変化量が増大方向でｃｖ＃３≧０、変化量が減少方向でｃｖ＃３＜０とする。

図３には、時間に対する高圧膨張弁の各開度が示されている。
時刻ｔ１において、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、流出水温度Ｔ１を設定温度に維持するように、予測開度ＣＶ＃をステップ的に上昇させる（図３の破線参照）。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に加えた開度が与えられる。すると、現在開度ＣＶは、徐々に予測開度ＣＶ＃に漸近するように閉まり方向から予測開度ＣＶ＃に漸近し、最終的に予測開度ＣＶ＃に一致する。

このように、高圧膨張弁の指示開度ｃｖを予測開度ＣＶ＃よりも小さい値となるように与えているので、現在開度ＣＶは予測開度ＣＶ＃を超えることがない。したがって、適正値以上の冷媒量が蒸発器に流れ込むことがなく、液圧縮が回避される。

また、補正量として、入口ベーン開度補正量ｃｖ＃１、ホットガスバイパス弁補正量ｃｖ＃２及び圧縮機回転数補正量ｃｖ＃３を与えることとしたので、蒸発器に流れ込む冷媒量が瞬時に変化したとしても、これに対応した適正な指示値を高圧膨張弁に与えることができる。

また、蒸発器における蒸発量を正確にコントロールできるので、圧縮機３に流入する前の冷媒の過熱度を小さくすることができ（従来では３〜４℃あったものが１℃程度になる）、効率を向上させることができる。

（２）ＣＶ＃（予測開度）＜ＣＶ（現在開度）
現在開度ＣＶが予測開度ＣＶ＃よりも大きい場合、具体的には、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を閉めるように制御する。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。
高圧膨張弁（第２膨張弁１０）の指示開度ｃｖは、下式に従って与えられる。
ｃｖ＝ＣＶ＃−（ＣＶ−ＣＶ＃）×ＫＫ’
＋ｃｖ＃１＋ｃｖ＃２＋ｃｖ＃３
・・・・・（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、閉まり方向から高圧膨張弁を制御することとなる。
ｃｖ＃１，ｃｖ＃２及びｃｖ＃３は、式（１）と同様である。

図５には、時間に対する高圧膨張弁の各開度が示されている。
時刻ｔ１において、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＃をステップ的に降下させる（図５の破線参照）。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＃から減じ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＃を下回り、予測開度ＣＶ＃よりも小さ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＃に漸近するように上昇し、最終的に予測開度ＣＶ＃に一致する。

このように、高圧膨張弁の指示開度ｃｖを、予測開度ＣＶ＃を下回るように絞り気味に設定することとしたので、現在開度ＣＶは予測開度ＣＶ＃を超えることがない。したがって、適正値以上の冷媒量が蒸発器に流れ込むことがなく、液圧縮が回避される。

また、補正量として、入口ベーン開度補正量ｃｖ＃１、ホットガスバイパス弁補正量ｃｖ＃２及び圧縮機回転数補正量ｃｖ＃３を与えることとしたので、蒸発器に流れ込む冷媒量が瞬時に変化したとしても、これに対応した適正な指示値を高圧膨張弁に与えることができる。

また、蒸発器における蒸発量を正確にコントロールできるので、圧縮機３に流入する前の冷媒の過熱度を小さくすることができ（従来では３〜４℃あったものが１℃程度になる）、効率を向上させることができる。

なお、本実施形態にかかる高圧膨張弁制御は、図６に示したように、中間冷却器に代えてエコノマイザ７’を備えた空気調和装置に対しても適用できる。この場合には、主膨張弁９’を高圧膨張弁のように制御するとよく、好ましくは、主膨張弁９’だけでなく副膨張弁１０’も高圧膨張弁のように制御するとよい。

また、本発明は、中間冷却器７やエコノマイザ７’を備えていない構成の空気調和装置に対しても適用できる。すなわち、１段圧縮１段膨張の単段サイクルの空気調和装置の膨張弁に対して、上述の高圧膨張弁制御を適用できる。

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高圧膨張弁の制御を示した図である。 高圧膨張弁の制御に加えられる補正量を示し、（ａ）は入口ベーン開度補正量ｃｖ＃１、（ｂ）はホットガスバイパス弁補正量ｃｖ＃２、（ｃ）は圧縮機回転数補正量ｃｖ＃３を示す。 本発明のターボ冷凍機の高圧膨張弁の制御を示した図である。 エコノマイザを備えたターボ冷凍機の冷媒回路構成を示した図である。

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（蒸発器）
６ 水熱交換器（凝縮器）
７ 中間冷却器
９ 第１膨張弁（低圧膨張弁）
１０ 第２膨張弁（高圧膨張弁）

Claims (8)

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、
   前記凝縮器に貯留された液冷媒を膨張させる膨張弁と、
   前記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、前記膨張弁に与えられる指示開度とを各時刻において有し、
   ヒートポンプ運転時に、前記予測開度が急激に又はステップ的に変化した場合、前記予測開度よりも小さい開度を前記指示開度として前記膨張弁に与えることを特徴とする空気調和装置。
2. 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、
   ヒートポンプ運転時に、前記予測開度が急激に又はステップ的に変化した場合、前記予測開度よりも小さい開度を前記指示開度として前記高圧膨張弁に与えることを特徴とする空気調和装置。
3. 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、
   前記凝縮器と前記蒸発器との間に設けられ、該凝縮器に貯留された液冷媒を膨張させる主膨張弁と、
   前記凝縮器と前記圧縮機の中間段との間に設けられ、該凝縮器に貯留された液冷媒を膨張させる副膨張弁と、
   前記凝縮器から前記主膨張弁へと流れる冷媒と前記副膨張弁によって膨張した冷媒とを熱交換させる一又は複数のエコノマイザと、
   前記主膨張弁および前記副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、
   ヒートポンプ運転時に、前記予測開度が急激に又はステップ的に変化した場合、前記予測開度よりも小さい開度を前記指示開度として前記主膨張弁に与えることを特徴とする空気調和装置。
4. 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現在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から３のいずれかに記載の空気調和装置。
5. 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前記予測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から４のいずれかに記載の空気調和装置。
6. 前記制御部は、前記蒸発器へと流れ込む冷媒量に変化を及ぼす制御量が変化した場合に、その変化に応じた補正量を前記指示開度に与えることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の空気調和装置。
7. 前記蒸発器へと流れ込む冷媒量に変化を及ぼす前記制御量は、前記圧縮機へ流入する冷媒量を調節する吸込冷媒量調整手段の制御量、前記圧縮機の吐出側と吸込側とをバイパスする冷媒量を調整するホットガスバイパス調整手段の制御量、および前記圧縮機の回転数を制御する回転数制御手段の制御量の少なくともいずれか一つを含んでいることを特徴とする請求項６に記載の空気調和装置。
8. 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、前記凝縮器に貯留された液冷媒を膨張させる膨張弁と、前記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対して、前記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、
   ヒートポンプ運転時に、前記予測開度が急激に又はステップ的に変化した場合、前記予測開度よりも小さい開度を前記指示開度として前記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。

Images