JP2011179697A - 冷凍サイクル装置および冷温水装置 - Google Patents

Abstract

【課題】除霜運転の初期段階や低外気温条件での冷房運転において、バイパス回路を流れる冷媒量を適正とすることで、蒸発器の効率を最大限に引出し、運転効率を向上することができる冷凍サイクル装置を提供する。
【解決手段】冷凍サイクル装置１ａは、過冷却熱交換器２３が設けられた主冷媒回路２と、過冷却熱交換器２３を経由するバイパス回路３と、主冷媒回路２中の主膨張弁２４およびバイパス回路３中のバイパス膨張弁３１を制御する制御装置４ａとを備え、蒸発器となる利用側熱交換器２５の入口温度が、利用側熱交換器２５の入口冷媒圧力から算出される冷媒飽和温度より低い場合、蒸発器入口温度が冷媒飽和温度となるように、バイパス膨張弁３１を流れる冷媒量を減少させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、凝縮器から流出した冷媒を過冷却するバイパス回路の冷媒流量を制御する冷凍サイクル装置およびこの冷凍サイクル装置を用いた冷温水装置に関する。

従来、冷媒回路の凝縮器の下流側に過冷却熱交換器が設けられ、この過冷却熱交換器に膨張させた冷媒を流入させることにより凝縮器から流出した冷媒を過冷却する冷凍サイクル装置が知られている。例えば、特許文献１には、図８に示すような冷凍サイクル装置１００が開示されている。

この冷凍サイクル装置１００は、冷媒を循環させる冷媒回路１１０と、バイパス回路１２０とを備えている。冷媒回路１１０は、圧縮機１１１、凝縮器１１２、過冷却熱交換器１１３、主膨張弁１１４および蒸発器１１５が配管により環状に接続されて構成されている。

バイパス回路１２０は、凝縮器１１２と過冷却熱交換器１１３との間で冷媒回路１１０から分岐し、過冷却熱交換器１１３を経由して蒸発器１１５と圧縮機１１１の間で冷媒回路１１０につながっている。また、バイパス回路１２０には、過冷却熱交換器１１３よりも上流側にバイパス膨張弁１２１が設けられている。蒸発器１１５の入口、および出口には、温度センサー１６１、および１６２が設置されている。

上記冷凍サイクル装置１００において、蒸発器１１５の入口温度センサー１６１により、蒸発器１１５の入口における冷媒飽和温度を検出し、蒸発器１１５の出口温度センサー１６２による出口温度との温度差を算出することによって、蒸発器１１５出口における冷媒過熱度を検出できる。

上記蒸発器１１５の入口、出口の温度差、すなわち、冷媒過熱度が予め設定された目標温度差になるように、バイパス膨張弁１２１の開度を制御するため、通常の冷暖房負荷を対象とした設計では蒸発器１１５の能力を最大限利用でき、冷凍能力を最大限まで向上させることができる。

特許第４０３６２８８号公報

しかしながら、特許文献１の構成および制御によれば、暖房運転と逆方向に冷媒を循環させること（逆サイクル運転）により暖房運転時には蒸発器となっていた室外側熱交換器１１２への着霜状態を解消する除霜運転の初期段階（暖房運転から除霜運転への切り替え直後）や、低外気温条件での冷房運転においては、以下のような問題が生じる。

つまり、逆サイクルによる除霜運転の初期段階では、凝縮器となる室外熱交換器１１２が着霜して氷結に近い状態になっているため、圧縮機１１１から吐出されたガス冷媒は室外熱交換器１１２にてたちまちに冷却、凝縮され、室外熱交換器１１２出口での過冷却度が極端に増大してしまう場合がある。

また、低外気温条件での冷房運転においても、凝縮器となる室外熱交換器１１２に流入する空気温度が低いため、除霜運転の初期段階と同様、室外熱交換器１１２における凝縮能力が大きくなり、圧縮機１１１から吐出されたガス冷媒は室外熱交換器１１２にて冷却、凝縮され、室外熱交換器１１２出口での過冷却度が極端に増大してしまう場合がある。

これらの場合では、室外熱交換器１１２出口における過冷却度が過大となってしまい、主膨張弁１１４での減圧後、通常の運転条件では二相冷媒状態となる蒸発器１１５入口において、冷媒過冷却が取れてしまい、蒸発器１１５の入口温度センサー１６１では蒸発器１１５の冷媒飽和温度を検出することができなくなる。

その結果、バイパス膨張弁１２１の開度制御を適正に行えず、蒸発器１１５の能力を最大限利用できないことになってしまう。

また、一般に冷媒乾き度が０．５前後以下の二相冷媒では、冷媒乾き度が低いほど蒸発熱伝達率は低下し、過冷却液では更に伝熱性能は低下することが知られている。従って、蒸発器１１５入口が過冷却状態の場合は蒸発器１１５内部での液冷媒過多となり、平均蒸発熱伝達率が二相冷媒状態の場合に比べて低下し、その結果、蒸発器性能が低下してしまう。

また、過冷却熱交換器１１３出口が過熱状態となる領域が大きい場合は、過冷却熱交換器１１３内部でのガス冷媒過多となり、平均蒸発熱伝達率が二相冷媒状態の場合に比べて低下し、その結果、過冷却熱交換器性能が低下してしまう。

本発明は、このような事情に鑑み、除霜運転の初期段階（暖房運転から除霜運転への切り替え直後）や、低外気温条件での冷房運転において、バイパス膨張弁１２１の開度制御を適正に行い、かつ蒸発器１１５や過冷却熱交換器１１３の性能を最大限に引出し、除霜運転時間の短縮、および低外気温条件での冷房運転時の効率向上を図ることができる冷凍サイクル装置及び冷温水装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の冷凍サイクル装置は、冷媒回路における凝縮器と過冷却熱交換器との間または過冷却熱交換器と主膨張手段との間から分岐して、バイパス膨張手段、過冷却熱交換器を介して圧縮機の吸入側に接続したバイパス回路と、前記蒸発器の冷媒飽和温度を検出する冷媒飽和温度検出手段と、蒸発器の入口側に配設した温度センサと、制御手段とを備えるものである。

これによって、蒸発器の冷媒飽和温度を適正に検出でき、その冷媒飽和温度より、蒸発器入口温度が低い場合、すなわち蒸発器入口の冷媒が過冷却状態にある場合、蒸発器入口温度が冷媒飽和温度となるように、バイパス膨張手段を流れる冷媒量が減少される。その結果、蒸発器入口における冷媒が飽和液状態に保持され、蒸発器性能が最大限に引き出される。

上記の構成によれば、蒸発器入口において冷媒が過冷却状態となる場合においても、蒸発器性能を最大限に引き出せるように、バイパス膨張手段の開度制御を適正に行うことができる。

その結果、除霜運転時間の短縮、および低外気温条件での冷房運転時の効率向上を図ることができる。

本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の概略構成図 本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置のモリエル線図 本発明の実施の形態１における制御装置が行う制御のフローチャート 本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の概略構成図 本発明の実施の形態２における制御装置が行う制御のフローチャート 本発明の実施の形態３に係る冷凍サイクル装置の概略構成図 本発明の実施の形態３における制御装置が行う制御のフローチャート 従来の冷凍サイクル装置の概略構成図

第１の発明は、圧縮機、凝縮器、過冷却熱交換器、主膨張手段、蒸発器が環状に接続された主冷媒回路と、凝縮器と過冷却熱交換器との間または過冷却熱交換器と主膨張手段の間から分岐して、バイパス膨張手段、過冷却熱交換器を介して圧縮機の吸入側に接続したバイパス回路と、蒸発器の冷媒飽和温度を検出する冷媒飽和温度検出手段と、蒸発器の入口側に配設した温度センサと、制御手段とを備え、過冷却熱交換器は、凝縮器からの高圧冷媒とバイパス膨張手段で減圧された低圧冷媒とを熱交換するとともに、温度センサの検出値が、冷媒飽和温度検出手段が検出した冷媒飽和温度より低い場合には、温度センサの検出値が冷媒飽和温度となるように、バイパス膨張手段を流れる冷媒量を少なくするものである。

これによって、除霜運転の初期段階（暖房運転から除霜運転への切り替え直後）や、低外気温条件での冷房運転において、凝縮器出口における過冷却度が過大となり、蒸発器入口において冷媒が過冷却状態となる場合においても、蒸発器における冷媒飽和温度を適正に検出できるとともに、蒸発器入口における冷媒が飽和液状態に保持されるので、蒸発器性能が最大限に引き出され、除霜運転時間の短縮、および低外気温条件での冷房運転時の効率向上を図ることができる。

第２の発明は、特に、第１の発明において、温度センサの検出値が、冷媒飽和温度検出手段が検出した冷媒飽和温度と略同一の場合には、バイパス膨張手段を流れる冷媒量を多くするものである。

これによって、蒸発器の冷媒飽和温度より蒸発器入口の冷媒温度が低くなっていき、再度、蒸発器入口の冷媒が過冷却状態になると、逆に、蒸発器入口の冷媒温度が蒸発器の冷媒飽和温度となるように、バイパス膨張手段を流れる冷媒量が減少される。このため、蒸発器入口における冷媒を常にほぼ飽和液状態に保持して、蒸発器性能が最大限に引き出される。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明において、バイパス回路における過冷却熱交換器の入口側及び出口側に配設した第１温度センサ及び第２温度センサをさらに備え、温度センサの検出値が、冷媒飽和温度検出手段が検出した冷媒飽和温度と略同一の場合には、第１温度センサと第２温度センサの検出値とが略同一となるように、バイパス膨張手段を流れる冷媒量を多くするものである。

これによって、過冷却熱交換器出口における冷媒を飽和状態とすることができ、過冷却熱交換器出口が過熱状態となる領域が大きくなることがなく、過冷却熱交換器内での平均蒸発熱伝達率が向上し、過冷却熱交換器の伝熱性能を最大限に引き出される。

第４の発明は、特に、第１〜３のいずれか１つの発明の冷凍サイクル装置を有する冷温水装置とすることにより、凝縮器が冷媒対空気熱交換器の場合だけでなく、冷媒対水熱交
換器の場合にも適用でき、第１〜３のいずれか１つの発明と同様の効果を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１に、本発明の第１の実施の形態に係る冷凍サイクル装置１ａを示す。この冷凍サイクル装置１ａは、冷媒を循環させる主冷媒回路２と、バイパス回路３と、制御装置４ａとを備えている。冷媒としては、例えば、Ｒ４０７Ｃ等の非共沸混合冷媒、Ｒ４１０Ａ等の擬似共沸混合冷媒、または単一冷媒等を用いることができる。

主冷媒回路２は、圧縮機２１、除霜運転および冷房運転時に凝縮器となる熱源側熱交換器２２、過冷却熱交換器２３の１次側熱交換部２３ａ、主膨張弁（主膨張手段）２４および、除霜運転および冷房運転時に蒸発器となる利用側熱交換器２５が配管により環状に接続されて構成されている。

本実施の形態では、主冷媒回路２には、暖房運転から冷房運転、あるいは除霜運転へ切り換えるための四方弁２８が設けられている。図１では、除霜運転、および冷房運転時の冷媒の流れ方向を矢印で示している。

また、四方弁２８と圧縮機２１の吸入側との間に、気液分離を行うサブアキュムレータ２６および主アキュムレータ２７が設けられている。

バイパス回路３は、熱源側熱交換器２２と過冷却熱交換器２３の間で主冷媒回路２から分岐し、過冷却熱交換器２３の２次側熱交換部２３ｂを経由して四方弁２８と圧縮機２１の吸入側との間で主冷媒回路２につながっている。本実施の形態では、サブアキュムレータ２６と主アキュムレータ２７の間でバイパス回路３が主冷媒回路２につながっている。

また、バイパス回路３には、過冷却熱交換器２３の２次側熱交換部２３ｂよりも上流側にバイパス膨張弁（バイパス膨張手段）３１が設けられている。

本実施の形態では、利用側熱交換器２５には供給管７１と回収管７２が接続され、循環ポンプ（図示せず）、例えばラジエータ等の熱交換ユニット（図示せず）、貯湯タンク（図示せず）などとともに、水が循環する水回路を構成している。そして、利用側熱交換器２５を流れる冷媒と水との間で熱交換が行われる。

つまり、冷凍サイクル装置１ａは、利用側熱交換器２５において、暖房運転時には温水を生成し、冷房運転時には冷水を生成し、その温水や冷水を直接的または貯湯タンクを介して送り、熱交換ユニットにて暖房や冷房に利用する冷温水装置を構成している。

主冷媒回路２には、利用側熱交換器２５の入口側の冷媒温度Ｔｉｎを検出する温度センサ６１が設けられている。

また、冷媒飽和温度検出手段は、検出部としての圧力センサ６２と算出部とから構成されており、圧力センサ６２は、利用側熱交換器２５の入口側の冷媒圧力ＰＬを検出するように設けられている。算出部は、制御装置４ａの一部として設けられ、予め制御装置４ａのメモリなどに記憶されているテーブルや、冷媒物性式などを用いて、圧力センサ６２が検出した冷媒圧力ＰＬから冷媒飽和温度を算出する。

さらに、圧縮機２１の吐出側に、圧縮機２１の吐出温度を検出する吐出温度センサ６５が設けられている。

本実施の形態では、制御装置４ａは、各種のセンサ６１、６２及び６５で検出される検出値等に基づいて、主膨張弁２４、およびバイパス膨張弁３１の開度を制御する。

以上のように構成された冷凍サイクル装置の動作について説明する。まず、暖房運転時には、四方弁２８は、圧縮機２１から吐出された冷媒が四方弁２８を介して利用側熱交換器２５に送られるように切り換えられる。圧縮機２１から吐出された高圧ガス冷媒は、凝縮器となる利用側熱交換器２５に流入し、利用側熱交換器２５を通過する水に放熱する。利用側熱交換器２５から流出した高圧冷媒は、主膨張弁２４で減圧される。

主膨張弁２４によって減圧された低圧冷媒は、過冷却熱交換器２３の１次側熱交換部２３ａを介して、蒸発器となる熱源側熱交換器２５に流入する。熱源側熱交換器２５は室外熱交換器であり、熱源側熱交換器２５に流入した低圧冷媒は、ここで空気（外気）から吸熱する。熱源側熱交換器２５から流出した低圧冷媒は、再度、圧縮機２１に吸入される。

一方、供給管７１を通じて利用側熱交換器２５に供給された水は、利用側熱交換器２５で加熱され温水となり、回収管７２を通じて回収される。回収管７２により回収された温水は、熱交換ユニットに直接的または貯湯タンクを介して送られ、これにより暖房が行われる。

次に、除霜運転、及び冷房運転について説明する。図２に本発明の第１の実施の形態に係る冷凍サイクル装置のモリエル線図（圧力−エンタルピ線図）を示す。なお、図２中のａ〜ｈの符号は、図１においてａ〜ｈの符号を付した箇所の冷媒の状態を示している。

除霜運転では、四方弁２８は、圧縮機２１から吐出された冷媒が四方弁２８を介して熱源側熱交換器２２に送られるように切り換えられる。圧縮機２１から吐出された高圧ガス冷媒（図２中ａ点）は、熱源側熱交換器２２に流入する。熱源側熱交換器２２は、低外気温条件での暖房運転時に蒸発器として機能することにより熱交換器表面に着霜現象が生じている。熱源側熱交換器２２に流入した高圧ガス冷媒は、熱源側熱交換器２２表面の霜層あるいは結露水が凍結して生成された氷層と熱交換して、霜層あるいは氷層を融解すべく加熱して、冷媒自身は放熱して液化凝縮する。

熱源側熱交換器２２から流出した高圧液冷媒（図２中ｂ点）は、過冷却熱交換器２３の入口側にて過冷却熱交換器２３の１次側熱交換部２３ａ側とバイパス膨張弁３１側とに分岐される。

また、冷房運転でも基本的動作は上記除霜運転の場合と同様であり、圧縮機２１から吐出された高圧ガス冷媒（図２中ａ点）は、熱源側熱交換器２２に流入し、熱源側熱交換器２２表面を介して外気と熱交換して、外気へ放熱加熱し、冷媒自身は放熱して液化凝縮する。熱源側熱交換器２２から流出した高圧液冷媒（図２中ｂ点）は、過冷却熱交換器２３の入口側にて過冷却熱交換器２３の１次側熱交換部２３ａ側とバイパス膨張弁３１側とに分岐される。

過冷却熱交換器２３の１次側熱交換部２３ａに流入した冷媒は、バイパス膨張弁３１で減圧された低圧冷媒（図２中ｆ点）によって過冷却される（図２中ｃ点）。その後、バイパス膨張弁３１によって減圧されて膨張した後に（図２中ｄ点）、蒸発器となる利用側熱交換器２５に流入する。利用側熱交換器２５に流入した低圧二相冷媒は、ここで蒸発して水側から吸熱して、冷媒自身は加熱される（図２中ｅ点）。

一方、バイパス膨張弁３１側に流入した冷媒は、過冷却熱交換器２３の２次側熱交換部２３ｂで、１次側熱交換部２３ａを流れる冷媒により加熱され（図２中ｇ点）、利用側熱交換器２５から流出した低圧冷媒（図２中ｅ点）と合流し（図２中ｈ点）、再度圧縮機２１に吸入される。

主膨張弁２４は、吐出温度センサ６５で検出した吐出温度が予め定められた目標値となるように開度を調整することにより、熱源側熱交換器２２出口の冷媒を減圧する。その減圧された冷媒が流入する利用側熱交換器２５の入口側において、冷媒が二相状態にある場合、圧力センサ６２で検出される圧力ＰＬから算出される冷媒飽和温度Ｔｅと、温度センサ６１で検出される温度Ｔｉｎはほぼ等しくなる。

それに対して、利用側熱交換器２５の入口側において、冷媒が過冷却状態にある場合は、圧力センサ６２で検出される圧力ＰＬから算出される冷媒飽和温度Ｔｅより、温度センサ６１で検出される温度Ｔｉｎは低くなる。

制御装置４ａは、利用側熱交換器２５の入口側において、圧力センサ６２で検出される圧力から算出される冷媒飽和温度Ｔｅより、温度センサ６１で検出される温度Ｔｉｎが低い場合、冷媒が過冷却状態にあるため、温度センサ６１で検出される温度Ｔｉｎが冷媒飽和温度となるように、バイパス膨張弁３１を流れる冷媒量を少なくするように制御する。これにより、蒸発器である利用側熱交換器２５側を流れる冷媒流量が多くなり、蒸発器入口の冷媒温度が高くなっていき、蒸発器入口の冷媒が飽和状態となる。

逆に、制御装置４ａは、利用側熱交換器２５の入口側において、圧力センサ６２で検出される圧力ＰＬから算出される冷媒飽和温度Ｔｅと、温度センサ６１で検出される温度Ｔｉｎが略同一の場合、冷媒が二相状態ではあるものの、冷媒乾き度が限定できないため、バイパス膨張弁３１を流れる冷媒量を多くするように制御する。これにより、利用側熱交換器２５側を流れる冷媒流量が少なくなり、蒸発器入口の冷媒温度が低くなっていき、再度、蒸発器入口の冷媒が過冷却状態になる。

この結果、制御装置４ａは、蒸発器入口の冷媒温度が、蒸発器入口の冷媒圧力の冷媒飽和温度Ｔｅに略同一となるように、逆にバイパス膨張弁３１を流れる冷媒量を少なくするように制御できる。

除霜運転、および冷房運転時の制御装置４ａは、主膨張弁２４、及びバイパス膨張弁３１の開度制御を繰り返して行うものであり、図３に示すフローチャートを参照して以下に詳細に説明する。

まず、制御装置４ａは主膨張弁２４の開度制御を行う。すなわち、吐出温度センサ６５で吐出温度Ｔｄを検出し（ステップＳ１）、この吐出温度Ｔｄが予め定められ制御装置４ａのメモリなどに記憶されている目標値となるように主膨張弁２４の開度を調整する（ステップＳ２）。

次に、制御装置４ａはバイパス膨張弁３１の開度制御を行う。すなわち、冷媒飽和温度検出手段の検出部である圧力センサ６２で蒸発器入口における低圧圧力ＰＬを検出するとともに、温度センサ６１で蒸発器入口における冷媒温度Ｔｉｎを検出する（ステップＳ３）。さらに、制御装置４ａに設けられた冷媒飽和温度検出手段の算出部は、検出した低圧圧力ＰＬから冷媒飽和温度Ｔｅを算出する（ステップＳ４）。

そして、制御装置４ａは、低圧圧力ＰＬから算出した冷媒飽和温度Ｔｅと、蒸発器の入
口側冷媒温度Ｔｉｎとの大小関係を比較する（ステップＳ５）。そして、蒸発器の入口側における冷媒飽和温度Ｔｅより、温度センサ６１の検出値Ｔｉｎが低い場合、つまり、蒸発器の入口冷媒が過冷却状態の場合には、温度センサ６１の検出値が冷媒飽和温度Ｔｅと略同一になるように、バイパス膨張弁３１の開度を小さくして、バイパス回路３を流れる冷媒量を少なくする（ステップＳ６）。

これによって、蒸発器の入口側における冷媒飽和温度Ｔｅと、温度センサ６１の検出値Ｔｉｎの温度差が小さくなる方向に動作した後、再度、ステップＳ１へ戻る。

逆に、蒸発器の入口側における冷媒飽和温度Ｔｅと、温度センサ６１の検出値Ｔｉｎが略同一の場合、バイパス膨張弁３１の開度を大きくして、バイパス回路３を流れる冷媒量を多くする（ステップＳ７）。このため、蒸発器である利用側熱交換器２５側を流れる冷媒流量が少なくなり、蒸発器入口における温度センサ６１の検出値Ｔｉｎが冷媒飽和温度Ｔｅより低くなる方向に動作し、再度、蒸発器入口の冷媒が過冷却状態になる。その後、再度、ステップＳ１へ戻る。

以上のように制御装置４ａでは、ステップＳ１〜ステップＳ７の動作を繰り返す。

以上説明したように、本実施の形態では、冷媒飽和温度検出手段が、圧力センサ６２により蒸発器の入口の冷媒圧力ＰＬを検出し、その冷媒圧力に基づいて冷媒飽和温度Ｔｅを算出することにより、蒸発器の飽和温度Ｔｅを適正に検出でき、その冷媒飽和温度Ｔｅより、蒸発器の入口冷媒温度Ｔｉｎが低い場合、すなわち蒸発器入口の冷媒が過冷却状態にある場合には、蒸発器入口の冷媒温度Ｔｉｎが蒸発器の入口の冷媒飽和温度Ｔｅとなるように、バイパス膨張弁３１を流れる冷媒量が減少される。

その結果、蒸発器入口における冷媒が飽和液状態に保持され、蒸発器の性能が最大限に引き出される。

また、蒸発器入口の冷媒飽和温度Ｔｅと、蒸発器の入口冷媒温度Ｔｉｎが略同一の場合、すなわち蒸発器の入口の冷媒が飽和状態にある場合、蒸発器の入口冷媒温度Ｔｉｎが、蒸発器の入口の冷媒飽和温度Ｔｅとなるように、バイパス膨張弁３１を流れる冷媒量が増加される。その結果、蒸発器の入口における冷媒を常にほぼ飽和液状態に保持して、蒸発器の性能が最大限に引き出される。

なお、図１では、圧力センサ６２が利用側熱交換器２５の入口側に設けられているが、圧力センサ６２は、主膨張弁２４の出口側と圧縮機２１の吸入側の間であれば、主冷媒回路２のどの位置に設けられていてもよい。

また、図１では、主冷媒回路２からバイパス回路３への分岐点は、熱源側熱交換器２２と過冷却熱交換器２３との間に位置するものとしているが、過冷却熱交換器２３と主膨張弁２４との間に位置するものでもよい。

さらに、暖房運転時にも、過冷却熱交換器２３が作用するように構成してもよい。

（実施の形態２）
図４に、本発明の第２の実施の形態に係る冷凍サイクル装置１ｂを示す。なお、本実施の形態では、第１の実施の形態と同一構成部分には同一符号を付して、その説明を省略する。

本実施の形態が、弟１の実施の形態と異なる点は、冷媒飽和温度検出手段として、検出
部の圧力センサ６２と制御装置４ａに設けた算出部のかわりに、蒸発温度センサ６６を設けた点である。蒸発温度センサ６６は、蒸発器となる利用側熱交換器２５の冷媒流路の流れ方向の略中央部に設けられている。

蒸発温度センサ６６の追加に伴い、制御装置４ｂは、圧力センサ６２が検出した冷媒圧力ＰＬに基づいて冷媒飽和温度Ｔｅを算出することなく、冷媒飽和温度Ｔｅを得ることができ、これに基づいてバイパス膨張弁３１の開度を制御する。

制御装置４ｂの制御を図５に示すフローチャートを参照して詳細に説明する。

まず、制御装置４ｂでは主膨張弁２４の開度制御、すなわち、ステップＳ１からステップＳ２までは、制御装置４ａの場合と同様であるため、説明を省略する。

次に、制御装置４ｂはバイパス膨張弁３１の開度制御を行う。すなわち、冷媒飽和温度検出手段としての蒸発温度センサ６６で蒸発器中央部付近における冷媒温度、すわなち、冷媒飽和温度Ｔｅを検出するとともに、温度センサ６１で蒸発器入口における冷媒温度Ｔｉｎを検出する（ステップＳ３’）。

そして、制御装置４ｂは、蒸発温度センサ６６が検出した冷媒飽和温度Ｔｅと、蒸発器の入口側冷媒温度Ｔｉｎとの大小関係を比較する（ステップＳ５）。そして、蒸発器の冷媒飽和温度Ｔｅより、温度センサ６１の検出値Ｔｉｎが低い場合、つまり、蒸発器の入口冷媒が過冷却状態の場合には、温度センサ６１の検出値が冷媒飽和温度Ｔｅと略同一になるように、バイパス膨張弁３１の開度を小さくして、バイパス回路３を流れる冷媒量を少なくする（ステップＳ６）。

これによって、冷媒飽和温度Ｔｅと、蒸発器の入口側における温度センサ６１の検出値Ｔｉｎの温度差が小さくなる方向に動作した後、再度、ステップＳ１へ戻る。

逆に、蒸発器の冷媒飽和温度Ｔｅと、蒸発器の入口側における温度センサ６１の検出値Ｔｉｎが略同一の場合、バイパス膨張弁３１の開度を大きくして、バイパス回路３を流れる冷媒量を多くする（ステップＳ７）。このため、蒸発器である利用側熱交換器２５側を流れる冷媒流量が少なくなり、蒸発器入口における温度センサ６１の検出値Ｔｉｎが冷媒飽和温度Ｔｅより低くなる方向に動作し、再度、蒸発器入口の冷媒が過冷却状態になる。その後、再度、ステップＳ１へ戻る。

以上のように制御装置４ｂでは、ステップＳ１〜ステップＳ７の動作を繰り返す。

以上説明したように、本実施の形態では、冷媒飽和温度検出手段としての蒸発温度センサ６６が蒸発器の中央部付近の冷媒温度を検出する。蒸発器の中央部付近では、冷媒が過冷却状態となることも、過熱状態となることもないため、蒸発器の飽和温度Ｔｅを適正に検出できる。

その冷媒飽和温度Ｔｅより、蒸発器の入口冷媒温度Ｔｉｎが低い場合、すなわち蒸発器入口の冷媒が過冷却状態にある場合には、蒸発器入口の冷媒温度Ｔｉｎが冷媒飽和温度Ｔｅとなるように、バイパス膨張弁３１を流れる冷媒量が減少される。その結果、蒸発器入口における冷媒が飽和液状態に保持され、蒸発器の性能が最大限に引き出される。

また、冷媒飽和温度Ｔｅと、蒸発器の入口冷媒温度Ｔｉｎが略同一の場合、すなわち蒸発器の入口の冷媒が飽和状態にある場合、蒸発器の入口冷媒温度Ｔｉｎが、冷媒飽和温度Ｔｅとなるように、バイパス膨張弁３１を流れる冷媒量が増加される。その結果、蒸発器
の入口における冷媒を常にほぼ飽和液状態に保持して、蒸発器の性能が最大限に引き出される。

さらに、本実施の形態では、高価な圧力センサのかわりに安価な温度センサを用いることで、容易に冷凍サイクル装置を実現できる。

なお、本実施の形態では、冷媒飽和温度Ｔｅとして蒸発温度センサ６６が検出した値をそのまま用いているが、蒸発器入口から蒸発温度センサ６６が設けられた蒸発器中央部付近までの冷媒の圧力損失や温度勾配を考慮して、蒸発温度センサ６６が検出した値を補正した値を冷媒飽和温度Ｔｅとして用いてもよい。

（実施の形態３）
図６に、本発明の第３の実施の形態に係る冷凍サイクル装置１ｃを示す。なお、本実施の形態では、第１の実施の形態と同一構成部分には同一符号を付して、その説明を省略する。

本実施の形態でも、第１の実施の形態と基本構成は同様であるが、温度センサの追加設置とそれに伴う制御装置４ｃが異なる。すなわち、第１の実施の形態のバイパス回路３における、過冷却熱交換器２３の２次側熱交換部２３ｂの入口側、および出口側の冷媒温度Ｔ１、およびＴ２を検出するために、第１温度センサ６３、および第２温度センサ６４が設けられている。

上記温度センサが追加設置されることに伴い、制御装置４ｃでは、蒸発器入口における圧力センサが検出した圧力から算出される冷媒飽和温度Ｔｅと、蒸発器入口における温度センサ６１の検出値が略同一の場合、第１温度センサ６３と第２温度センサ６４の検出値Ｔ１、およびＴ２とが略同一となるように、バイパス膨張弁３１を流れる冷媒量を調整する点が第１の実施の形態における制御装置４ａと異なる。

次に、制御装置４ｃの制御を図７に示すフローチャートを参照して詳細に説明する。

まず、制御装置４ｃでは主膨張弁２４の開度制御、およびバイパス膨張弁３１の開度制御の一部が制御装置４ａの場合と同様であるため、説明を省略する。

すなわち、圧縮機２１の吐出温度Ｔｄを検出するステップＳ１から、圧力センサ６２が検出した圧力ＰＬから算出される冷媒飽和温度Ｔｅと、温度センサの検出値Ｔｉｎの大小関係を比較して、大小関係の結果によって、バイパス膨張弁３１の開度を開閉動作させるステップＳ６、およびステップＳ７までは、制御装置４ａの場合と同様である。

それに対して制御装置４ｃでは、冷媒飽和温度Ｔｅと、温度センサの検出値Ｔｉｎとが略同一の場合、ステップＳ７により、冷媒が二相状態ではあるものの、冷媒乾き度が限定できないため、蒸発器側を流れる冷媒流量が少なくして、蒸発器の入口冷媒温度Ｔｉｎを低くすべく、バイパス膨張弁３１の開度を大きくするように制御した後、ステップＳ８の動作を行う。

ステップＳ８では、過冷却熱交換器２３の入口、および出口における第１温度センサ６３と第２温度センサ６４の検出値Ｔ１、およびＴ２の大小関係を比較する。すなわち、過冷却熱交換器２３の出口冷媒温度Ｔ２が、入口冷媒温度Ｔ２に対して所定温度差ｄＴ以上か、未満かを比較し、出口冷媒温度Ｔ２が、入口冷媒温度Ｔ２に対して所定温度差ｄＴ以上の場合、ステップＳ９に移行し、未満の場合はステップＳ１へ戻る。所定温度差ｄＴは、あらかじめ制御装置４ｃのメモリなどに記憶されている。

ステップＳ９では、過冷却熱交換器２３の出口冷媒温度Ｔ２が、入口冷媒温度Ｔ１に対して所定温度差ｄＴ以上ということは、過冷却熱交換器２３の出口において冷媒過熱度がｄＴ以上になっていることになるため、そのままではバイパス回路３が主冷媒回路２と合流する圧縮機２１の吸入側にて冷媒過熱度が過大になって、冷媒密度が低下し、圧縮機から吐出される冷媒流量の低下を招く。そこで、それを解消するべく、バイパス膨張弁３１の開度を大きくして、過冷却熱交換器２３の出口において冷媒過熱度の低下を図り、ステップＳ１へ戻る。

ここで、所定温度差ｄＴは０から最大でも３度程度とすることでシステムが保有する性能を最大限に引き出すことができる。以上のように制御装置４ｃでは、ステップＳ１〜ステップＳ９の動作を繰り返す。

以上説明したように、本実施の形態では、冷媒飽和温度検出手段が、圧力センサ６２により蒸発器の入口の冷媒圧力ＰＬを検出し、その冷媒圧力に基づいて算出した冷媒飽和温度Ｔｅと、温度センサ６１の検出値Ｔｉｎが略同一の場合、バイパス回路３における過冷却熱交換器２３の入口冷媒温度Ｔ１、および出口冷媒温度Ｔ２側が略同一となるように、バイパス膨張弁３１を流れる冷媒量を調整することにより、過冷却熱交換器２３の２次側熱交換部２３ｂの出口における冷媒をほぼ飽和状態とすることができ、過冷却熱交換器２３の２次側熱交換部２３ｂでの平均蒸発熱伝達率が向上し、過冷却熱交換器２３の伝熱性能を最大限に引き出すことができる。

なお、本実施の形態では、冷媒飽和温度検出手段として、圧力センサ６２が検出した蒸発器の冷媒圧力ＰＬから冷媒飽和温度を算出するものとして説明したが、実施の形態２のように、蒸発器の冷媒流路の中央部付近に設けた温度センサにより冷媒飽和温度を算出するものとしてもよい。

本発明の冷凍サイクル装置は、蒸発器入口において冷媒が過冷却状態となる場合においても、蒸発器性能を最大限に引き出せるように、バイパス膨張手段の開度制御を適正に行うことができるので、水を冷却・加熱し、その水を冷房・暖房に利用する冷温水装置などに特に有用である。

１ａ、１ｂ、１ｃ 冷凍サイクル装置
２ 主冷媒回路
３ バイパス回路
４ａ、４ｂ、４ｃ 制御装置
２１ 圧縮機
２２ 熱源側熱交換器
２３ 過冷却熱交換器
２４ 主膨張弁（主膨張手段）
２５ 利用側熱交換器
３１ バイパス膨張弁（バイパス膨張手段）
６１ 温度センサ
６２ 圧力センサ
６３ 第１温度センサ
６４ 第２温度センサ
６５ 吐出温度センサ
６６ 蒸発温度センサ

Claims (4)

1. 圧縮機、凝縮器、過冷却熱交換器、主膨張手段、蒸発器が環状に接続された主冷媒回路と、前記凝縮器と前記過冷却熱交換器との間または前記過冷却熱交換器と前記主膨張手段の間から分岐して、バイパス膨張手段、前記過冷却熱交換器を介して前記圧縮機の吸入側に接続したバイパス回路と、前記蒸発器の冷媒飽和温度を検出する冷媒飽和温度検出手段と、前記蒸発器の入口側に配設した温度センサと、制御手段とを備え、前記過冷却熱交換器は、前記凝縮器からの高圧冷媒と前記バイパス膨張手段で減圧された低圧冷媒とを熱交換するとともに、前記温度センサの検出値が、前記冷媒飽和温度検出手段が検出した冷媒飽和温度より低い場合には、前記温度センサの検出値が前記冷媒飽和温度となるように、前記バイパス膨張手段を流れる冷媒量を少なくすることを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記制御手段は、前記温度センサの検出値が、前記冷媒飽和温度検出手段が検出した冷媒飽和温度と略同一の場合には、前記バイパス膨張手段を流れる冷媒量を多くすることを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記バイパス回路における前記過冷却熱交換器の入口側及び出口側に配設した第１温度センサ及び第２温度センサをさらに備え、前記温度センサの検出値が、前記冷媒飽和温度検出手段が検出した冷媒飽和温度と略同一の場合には、前記第１温度センサと前記第２温度センサの検出値とが略同一となるように、前記バイパス膨張手段を流れる冷媒量を多くすることを特徴とする請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置を有する冷温水装置。