JP2017020687A

JP2017020687A - 冷凍サイクル装置

Info

Publication number: JP2017020687A
Application number: JP2015137376A
Authority: JP
Inventors: 伊織丸橋; Iori Maruhashi; 道美日下; Michimi Kusaka; 良美林; Yoshimi Hayashi; 朋一郎田村; Tomoichiro Tamura; 文紀河野; Fuminori Kono
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2015-07-09
Filing date: 2015-07-09
Publication date: 2017-01-26

Abstract

【課題】蒸発器の冷媒液の液面及び凝縮器の冷媒液の液面のそれぞれの高さを適切な高さに維持するための技術を提供する。【解決手段】冷凍サイクル装置（１００）は、液相の冷媒を貯留し、冷媒を蒸発させる蒸発器（１）と、蒸発器（１）で生成された気相の冷媒を圧縮する圧縮機（２）と、圧縮機（２）で圧縮された気相の冷媒を凝縮させて液相の冷媒を貯留する凝縮器（３）と、液相の冷媒を凝縮器（３）から蒸発器（１）へと戻すために使用される戻し経路（４１）と、圧縮機（２）における冷媒の流量を直接的又は間接的に検出する流量検出器（７）と、戻し経路（４１）に設けられ、流量検出器（７）で検出された冷媒の流量に応じて、戻し経路（４１）における冷媒の流量を調整する流量調整器（６）とを備えている。【選択図】図１

Description

本開示は、冷凍サイクル装置に関する。

従来の冷凍サイクル装置には、フロン、代替フロンなどのハロゲン化炭化水素が冷媒として広く使用されている。しかし、これらの冷媒は、オゾン層の破壊、地球温暖化などの問題を有している。そこで、地球環境に対する負荷が極めて小さい冷媒である水を用いた冷凍サイクル装置が提案されている。

特許文献１には、そのような冷凍サイクル装置として、冷房専用の空気調和装置が開示されている。特許文献１の空気調和装置は、自然冷媒を使用することに基づいて環境負荷の低減を達成できる。また、水の潜熱量は従来の冷媒よりも大きいので、特許文献１の空気調和装置は、低い質量流量で従来の空気調和装置と同等の能力を発揮できる。すなわち、冷房専用の空気調和装置の用途において、水を冷媒として用いた冷凍サイクル装置は、高いＣＯＰ（Coefficient of Performance）を達成できる。

特開２００８−１２２０１２号公報（図１）

特許文献１に記載された冷凍サイクル装置においては、蒸発器の内部の圧力と凝縮器の内部の圧力との差に基づいて凝縮器から蒸発器に冷媒液が戻される。しかし、この方法では、蒸発器の冷媒液の液面及び凝縮器の冷媒液の液面のそれぞれの高さを適切な高さに維持することが難しい。特に、冷凍サイクル装置の過渡期運転などにおいて、液面の高さの問題が顕在化しやすい。

本開示は、蒸発器の冷媒液の液面及び凝縮器の冷媒液の液面のそれぞれの高さを適切な高さに維持するための技術を提供することを目的とする。

すなわち、本開示は、
常温での飽和蒸気圧が負圧である冷媒を循環させる冷凍サイクル装置であって、
液相の前記冷媒を貯留し、前記冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器で生成された気相の前記冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機で圧縮された気相の前記冷媒を凝縮させて液相の前記冷媒を貯留する凝縮器と、
液相の前記冷媒を前記凝縮器から前記蒸発器へと戻すために使用される戻し経路と、
前記圧縮機における前記冷媒の流量を直接的又は間接的に検出する流量検出器と、
前記戻し経路に設けられ、前記流量検出器で検出された前記冷媒の流量に応じて、前記戻し経路における前記冷媒の流量を調整する前記流量調整器と、
を備えた、冷凍サイクル装置を提供する。

上記の技術によれば、蒸発器の冷媒液の液面及び凝縮器の冷媒液の液面のそれぞれの高さを適切な高さに維持することができる。

図１は、本開示の一実施形態に係る冷凍サイクル装置の構成図である。図２は、圧縮機における冷媒の流量を算出するための方法を説明するグラフである。

特許文献１に記載された冷凍サイクル装置においては、蒸発器の内部の圧力と凝縮器の内部の圧力との差に基づいて凝縮器から蒸発器に冷媒液が戻される。つまり、特許文献１に記載された冷凍サイクル装置は、凝縮器から蒸発器に冷媒液を戻すための特別な制御を行う必要が無い点で優れている。しかし、冷凍サイクル装置を正常に運転するために必要十分な冷媒液の量を蒸発器及び凝縮器のそれぞれで維持することが難しい。具体的には、蒸発器で冷媒液がオーバーフローし、圧縮機に冷媒液が流入する可能性がある。このことは、圧縮機の性能の低下及び圧縮機の起動に影響を及ぼし、圧縮機の信頼性を低下させる。この問題は、冷凍サイクル装置の起動運転などの過渡期運転において顕在化する可能性がある。

本開示の第１態様にかかる冷凍サイクル装置は、
常温での飽和蒸気圧が負圧である冷媒を循環させる冷凍サイクル装置であって、
液相の前記冷媒を貯留し、前記冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器で生成された気相の前記冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機で圧縮された気相の前記冷媒を凝縮させて液相の前記冷媒を貯留する凝縮器と、
液相の前記冷媒を前記凝縮器から前記蒸発器へと戻すために使用される戻し経路と、
前記圧縮機における前記冷媒の流量を直接的又は間接的に検出する流量検出器と、
前記戻し経路に設けられ、前記流量検出器で検出された前記冷媒の流量に応じて、前記戻し経路における前記冷媒の流量を調整する前記流量調整器と、
を備えたものである。

第１態様によれば、流量検出器で検出された冷媒の流量に応じて、戻し経路における冷媒の流量が調整される。これにより、運転条件の変化などによる過渡期においても、蒸発器の冷媒量と凝縮器の冷媒量とのバランスを保つことができる。その結果、液面が上昇して、圧縮機に冷媒液が流入することを防止でき、圧縮機の信頼性を向上させることができる。

本開示の第２態様において、例えば、第１態様にかかる冷凍サイクル装置の前記流量検出器は、前記圧縮機の吸入圧力を検出する第１圧力センサと、前記圧縮機の吐出圧力を検出する第２圧力センサとを含み、前記圧縮機の回転数と、前記第１圧力センサによって検出された前記吸入圧力と、前記第２圧力センサによって検出された前記吐出圧力とを用いて、前記圧縮機における前記冷媒の流量を特定する。

第２態様では、圧縮機の吸入圧力、圧縮機の吐出圧力及び圧縮機の回転数から圧縮機における冷媒の流量を特定する。詳細には、圧力比、吸入温度及び圧縮機の回転数から冷媒の流量を特定することができる。冷媒の流量は、流量計などによって直接検出することも可能である。この場合、冷媒蒸気が凝縮したり、計器に液滴が接触したりすることが測定精度に影響する可能性がある。これに対し、第２態様の方法によれば、流量を直接検出する方法よりも、より正確に冷媒の流量を検出しうる。夏場における圧力比の大きい冷房運転及び冬場における圧力比の大きい暖房運転では、凝縮器から蒸発器に正確な量の冷媒液を戻すことによって、圧縮機の吸入圧力の変動を抑制することができる。そのため、第２態様によれば、冷凍サイクル装置の信頼性がさらに向上する。

本開示の第３態様において、例えば、第１態様にかかる冷凍サイクル装置の前記流量検出器は、前記蒸発器の内部の温度を検出する第１温度センサと、前記凝縮器の内部の温度を検出する第２温度センサとを含み、前記圧縮機の回転数と、前記第１温度センサによって検出された前記蒸発器の内部の温度と、前記第２温度センサによって検出された前記凝縮器の内部の温度とを用いて、前記圧縮機における前記冷媒の流量を特定する。

第３態様では、蒸発器の内部の温度、凝縮器の内部の温度及び圧縮機の回転数から冷媒の流量を特定する。温度センサは、既存のシステムにも搭載されている可能性のあるデバイスである。この場合、新たな計測機器を設ける必要がないので、第３態様は、コストの削減及びシステムの簡素化に有利である。蒸発器の内部及び凝縮器の内部において、冷媒は飽和状態にあるので、既知の飽和蒸気圧曲線に基づき、温度から飽和蒸気圧を特定することができる。つまり、圧縮機の吸入圧力及び吐出圧力を特定することができる。したがって、圧力比、吸入温度及び圧縮機の回転数から冷媒の流量を特定することができる。第３態様によれば、刻々と変化する蒸発器の冷媒の温度及び凝縮器の冷媒の温度を正確に把握できる。そのため、冷媒の流量も正確に特定することができる。起動時、停止時などの特定の期間に冷媒液を凝縮器から蒸発器に戻すことで、蒸発器の冷媒の温度及び凝縮器の冷媒の温度が変化し、圧縮機の運転条件が大幅に変化する可能性がある。しかし、温度センサを使用すれば、冷媒の温度変化を正確に把握でき、冷媒の戻し量を適切に調整できる。その結果、圧縮機において、トルク変動による負荷が低減され、圧縮機の信頼性が向上する。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されない。

図１に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置１００は、蒸発器１、凝縮器３、蒸気経路４０、戻し経路４１（連結管）及び制御器５３を備えている。蒸発器１で生成された冷媒蒸気（気相の冷媒）が蒸気経路４０を経由して凝縮器３に供給される。蒸気経路４０には、圧縮機２が設けられている。冷媒蒸気は、圧縮機２によって圧縮される。凝縮器３の冷媒液（液相の冷媒）が戻し経路４１を経由して蒸発器１に供給される。

冷凍サイクル装置１００には、常温（日本工業規格：２０℃±１５℃／JIS Z8703）での飽和蒸気圧が負圧（絶対圧で大気圧よりも低い圧力）の物質を主成分として含む冷媒が充填されている。そのような冷媒としては、水を主成分として含む冷媒が挙げられる。「主成分」とは、質量比で最も多く含まれた成分を意味する。

冷凍サイクル装置１００の運転時において、冷凍サイクル装置１００の内部の圧力は大気圧よりも低い。圧縮機２の吸入圧力（吸入口での圧力）は、例えば、０．３〜５ｋＰａＡの範囲にある。圧縮機２の吐出圧力（吐出口での圧力）は、例えば、３〜１５ｋＰａＡの範囲にある。

冷凍サイクル装置１００は、さらに、吸熱循環経路５０及び放熱循環経路５１を備えている。

吸熱循環経路５０は、ポンプ４、第１熱交換器１０及び流路３０〜３２を有する。吸熱循環経路５０の両端はそれぞれ蒸発器１に接続されている。具体的には、流路３０の一端が蒸発器１の下部（液面よりも下の部分）に接続され、流路３０の他端がポンプ４の吸入口に接続されている。流路３１の一端がポンプ４の吐出口に接続され、流路３１の他端が第１熱交換器１０の入口に接続されている。流路３２の一端が第１熱交換器１０の出口に接続され、流路３２の他端が蒸発器１の上部又は中間部に接続されている。ポンプ４は、当該ポンプ４の吸入口から蒸発器１に貯留された冷媒液の液面までの高さが必要吸込ヘッド（required NPSH）よりも大きくなるような位置に配置されている。

吸熱循環経路５０は、蒸発器１と第１熱交換器１０との間で熱媒体を循環させる。本実施形態において、吸熱循環経路５０を循環する熱媒体は、蒸発器１に貯留された冷媒液である。吸熱循環経路５０の働きにより、蒸発器１に貯留された冷媒液を効率的に加熱することができる。また、蒸発器１に貯留された冷媒液を吸熱循環経路５０に循環させるので、他の熱媒体を吸熱循環経路５０に循環させる場合と比較して、蒸発器１及び吸熱循環経路５０の構造が簡素である。

第１熱交換器１０は、フィンチューブ熱交換器、シェルチューブ熱交換器などの公知の熱交換器でありうる。例えば、冷熱サイクル装置１００が室内の冷房を行う空気調和装置である場合、第１熱交換器１０は室内に配置され、室内の空気を冷媒液によって冷却する。

放熱循環経路５１は、ポンプ５、第２熱交換器１１及び流路３３〜３５を有する。放熱循環経路５１の両端はそれぞれ凝縮器３に接続されている。具体的には、流路３３の一端が凝縮器３の下部（液面よりも下の部分）に接続され、流路３３の他端がポンプ５の吸入口に接続されている。流路３４の一端がポンプ５の吐出口に接続され、流路３４の他端が第２熱交換器１１の入口に接続されている。流路３５の一端が第２熱交換器１１の出口に接続され、流路３５の他端が凝縮器３の上部又は中間部に接続されている。ポンプ５は、該当ポンプ５の吸入口から凝縮器３に貯留された冷媒液の液面までの高さが必要吸込ヘッド（required NPSH）よりも大きくなるような位置に配置されている。

放熱循環経路５１は、凝縮器３と第２熱交換器１１との間で熱媒体を循環させる。本実施形態において、放熱循環経路５１を循環する熱媒体は、凝縮器３に貯留された冷媒液である。放熱循環経路５１の働きにより、凝縮器３に貯留された冷媒液を効率的に冷却することができる。また、凝縮器３に貯留された冷媒液を放熱循環経路５１に循環させるので、他の熱媒体を放熱循環経路５１に循環させる場合と比較して、凝縮器３及び放熱循環経路５１の構造が簡素である。

第２熱交換器１１は、フィンチューブ熱交換器、シェルチューブ熱交換器などの公知の熱交換器でありうる。例えば、冷凍サイクル装置１００が室内の冷房を行う空気調和装置である場合、第２熱交換器１１は室外に配置され、室外の空気を冷媒液によって加熱する。

蒸発器１は、例えば、断熱性及び耐熱性を有する容器によって形成されている。蒸発器１は、冷媒液を貯留するとともに、冷媒液を内部で蒸発させる。すなわち、外部環境から熱を吸収することによって加熱された冷媒液が蒸発器１の中で沸騰する。本実施形態において、蒸発器１に貯留された冷媒液は、吸熱循環経路５０を循環する冷媒液に直接接触する。つまり、蒸発器１に貯留された冷媒液の一部は、第１熱交換器１０で加熱され、飽和状態の冷媒液を加熱するために使用される。

吸熱循環経路５０は、蒸発器１に貯留された冷媒液が吸熱循環経路５０を循環する熱媒体と混ざらないように構成されていてもよい。例えば、蒸発器１がシェルチューブ熱交換器のような構造を有している場合、吸熱循環経路５０を循環する熱媒体によって蒸発器１に貯留された冷媒液を加熱し、蒸発させることができる。このとき、第１熱交換器１０は、蒸発器１に貯留された冷媒液を加熱するための熱媒体を加熱する。このような構成は、真空系の経路の全長を短縮することができる点で有利である。また、蒸発器１に熱源が設けられていてもよい。

蒸気経路４０は、蒸発器１から凝縮器３に冷媒蒸気を導くための経路である。蒸気経路４０は、上流部分３６及び下流部分３７を有する。上流部分３６によって蒸発器１の上部が圧縮機２の吸入口に接続されている。下流部分３７によって圧縮機２の吐出口が凝縮器３の上部に接続されている。圧縮機２は、ターボ型圧縮機又は容積型圧縮機でありうる。圧縮機２は、上流部分３６を通じて蒸発器１から冷媒蒸気を吸込み、断熱的に圧縮する。圧縮された冷媒蒸気は、下流部分３７を通じて凝縮器３に供給される。

蒸気経路４０には、複数の圧縮機が設けられていてもよい。この場合、低圧側圧縮機と高圧側圧縮機との間に中間冷却器が設けられていてもよい。中間冷却器は、低圧側圧縮機で圧縮された冷媒蒸気を冷却する。これにより、高圧側圧縮機の性能及び信頼性を向上させることができる。中間冷却器で冷媒蒸気を冷却するために使用される流体は、冷凍サイクル装置１００の特定部分（例えば、放熱循環経路５１）を流れる冷媒であってもよいし、外部から供給された熱媒体（例えば、空気又は水）であってもよい。さらに、前者と後者とを併用してもよい。また、複数の中間冷却器が蒸気経路４０に設けられていてもよい。例えば、蒸気経路４０にｎ台（ｎは３以上の整数）の圧縮機が設けられているとき、（ｎ−１）台の中間冷却器が蒸気経路４０に配置されうる。

凝縮器３は、例えば、断熱性及び耐圧性を有する容器によって形成されている。凝縮器３は、冷媒蒸気を凝縮させるとともに、冷媒蒸気を凝縮させることによって生じた冷媒液を貯留する。本実態形態では、外部環境に熱を放出することによって冷却された冷媒液に過熱状態の冷媒蒸気が直接接触して凝縮する。つまり、凝縮器３に貯留された冷媒液の一部は、第２熱交換器１１で冷却され、過熱状態の冷媒蒸気を冷却するために使用される。

放熱循環経路５１は、凝縮器３に貯留された冷媒液が放熱循環経路５１を循環する熱媒体と混ざらないように構成されていてもよい。例えば、凝縮器３がシェルチューブ熱交換器のような構造を有している場合、放熱循環経路５１を循環する熱媒体によって冷媒蒸気を冷却し、凝縮させることができる。このとき、第２熱交換器１１は、冷媒蒸気を冷却するための熱媒体を冷却する。このような構成は、真空系の経路の全長を短縮することができる点で有利である。また、凝縮器３に吸熱源が設けられていてもよい。

本実施形態においては、蒸発器１及び凝縮器３が直接接触型の熱交換器である。そのため、蒸発器１及び凝縮器３を小型化しやすい。他方、吸熱循環経路５０及び／又は放熱循環経路５１に冷媒とは別の熱媒体を循環させる場合には、ポンプ４及び／又はポンプ５の必要吸込ヘッドが低減されるため、冷凍サイクル装置１００の高さを縮小することが可能である。

戻し経路４１は、凝縮器３から蒸発器１に冷媒液を導くための経路である。本実施形態では、蒸発器１の下部と放熱循環経路５１とが戻し経路４１によって接続されている。詳細には、ポンプ５の吐出口と第２熱交換器１１の入口との間の流路３４から戻し経路４１が分岐している。ただし、凝縮器３の冷媒液を蒸発器１に戻すことができる限りにおいて、戻し経路４１の始端の位置は限定されない。戻し経路４１の始端は、凝縮器３に接続されていてもよいし、放熱循環経路５１の他の部分に接続されていてもよい。

戻し経路４１には、流量調整器６が設けられている。流量調整器６は、例えば、開度を変更可能な流量調整弁である。冷媒液は、流量調整器６において減圧されながら、戻し経路４１を通じて凝縮器３から蒸発器１に戻される。つまり、流量調整器６は、減圧機構の機能を有する。流量調整器６は、圧縮機２における冷媒蒸気の流量に応じて、戻し経路４１における冷媒液の流量を正確に調整しうる。戻し経路４１には冷媒液が流れており、流量の変動幅が狭いため、パルス制御方式の流量調整器６によって冷媒液の流量を正確に調整することが可能である。流量調整器６を閉じれば、戻し経路４１を冷媒液が流れることが禁止される。

本実施形態によれば、次の３つの駆動圧によって、放熱循環経路５１から蒸発器１に冷媒液が戻される。３つの駆動圧の１つは、放熱循環経路５１に設けられたポンプ５の吐出圧力に起因する駆動圧である。３つの駆動圧の他の１つは、蒸発器１に貯留された冷媒液の飽和蒸気圧と凝縮器３に貯留された冷媒液の飽和蒸気圧との間の差に起因する駆動圧である。３つの駆動圧の他の１つは、蒸発器１に貯留された冷媒液の液面の高さと凝縮器３に貯留された冷媒液の液面の高さとの差（液面ヘッド差）に起因する駆動圧である。

本実施形態によれば、戻し経路４１が凝縮器３に直接接続されていない。このことは、冷凍サイクル装置１００の構造の簡素化に寄与する。戻し経路４１は、ポンプ５の吐出口と第２放熱器１１の入口との間の流路３４から分岐している。したがって、ポンプ５の動力を使って、戻し経路４１を経由して、凝縮器３に貯留された冷媒液を蒸発器１に一方的に供給することができる。戻し経路４１に専用のポンプを設ける必要がないので、コストの増加を抑制することができる。もちろん、戻し経路４１に専用のポンプが設けられてもよい。戻し経路４１は、凝縮器３に直接接続されていてもよい。

また、冷凍サイクル装置１００は、流量検出器として流量計７を備えている。本実施形態において、流量計７は、蒸気経路４０の上流部分３６に配置されている。流量計７は、圧縮機２で圧縮されるべき冷媒蒸気の流量（質量流量）を直接的に検出する。流量計７は、蒸気経路４０の下流部分３７に配置されていてもよい。この場合、流量計７は、圧縮機２で圧縮された冷媒蒸気の流量を直接的に検出する。

また、冷凍サイクル装置１００は、圧力センサ８ａ（第１圧力センサ）及び圧力センサ８ｂ（第２圧力センサ）を備えている。圧力センサ８ａは、例えば、圧縮機２の吸入口に配置されている。圧力センサ８ａは、圧縮機２の吸入圧力（吸入口における圧力）を検出する。言い換えれば、圧力センサ８ａは、圧縮機２で圧縮されるべき冷媒蒸気の圧力、又は、蒸発器１における冷媒蒸気の圧力（飽和蒸気圧）を検出する。圧力センサ８ｂは、例えば、圧縮機２の吐出口に配置されている。圧力センサ８ｂは、圧縮機２で圧縮された冷媒蒸気の圧力、又は、圧縮機２の吐出圧力（吐出口における圧力）を検出する。言い換えれば、圧力センサ８ｂは、凝縮器３における冷媒蒸気の圧力（飽和蒸気圧）を検出する。圧力センサ８ａ及び圧力センサ８ｂは、それぞれ、蒸発器１の内部及び凝縮器３の内部に配置されていてもよい。ただし、圧力センサ８ａ及び圧力センサ８ｂが圧縮機２の吸入口及び吐出口にそれぞれ配置されている場合、配管（流路３６，３７）における圧力損失を考慮に入れる必要が無いので、吸入圧力及び吐出圧力をより正確に検出できる。

また、冷凍サイクル装置１００は、温度センサ９ａ（第１温度センサ）及び温度センサ９ｂ（第２温度センサ）を備えている。温度センサ９ａは、例えば、蒸発器１の下部に配置されている。温度センサ９ａは、蒸発器１の内部の温度を検出する。詳細には、温度センサ９ａは、蒸発器１に貯留された冷媒液の温度を検出する。温度センサ９ａは、蒸発器１において冷媒蒸気の温度を検出しうる位置に配置されていてもよい。温度センサ９ｂは、例えば、凝縮器３の下部に配置されている。温度センサ９ｂは、凝縮器３の内部の温度を検出する。詳細には、温度センサ９ｂは、凝縮器３に貯留された冷媒液の温度を検出する。温度センサ９ｂは、凝縮器３において冷媒蒸気の温度を検出しうる位置に配置されていてもよい。

冷凍サイクル装置１００を運転すると、圧縮機２で圧縮された冷媒が連続的に凝縮器３へと送られる。凝縮器３の冷媒量が増加して液面が上昇し、蒸発器１の冷媒量が減少して液面が下降する。そのため、戻し経路４１を経由して、凝縮器３から蒸発器１に冷媒液を戻すことが必要となる。凝縮器３に貯留された冷媒液の一部を蒸発器１に戻すための処理は、例えば、以下の通りである。

冷凍サイクル装置１００の運転時において、戻し経路４１の流量調整器６は、蒸気経路４０の冷媒の流量に応じて制御される。詳細には、流量調整器６の開度が適切に調整されている。制御器５３は、流量計７などの流量検出器から信号を取得し、蒸気経路４０における冷媒蒸気の流量を検出する。その検出した流量に応じて（連動して）、戻し経路４１における冷媒液の流量を調整するための制御（流量調整器６の開度制御）が実行される。蒸気経路４０における冷媒蒸気の流量に連動して流量調整器６を開くと、ポンプ５の吐出圧力等の駆動圧によって、戻し経路４１を通じて、凝縮器３から蒸発器１に向かって冷媒液が流れる。

本実施形態によれば、流量計７によって検出された冷媒蒸気の流量に応じて、流量調整器６が適切に制御され、戻し経路４１における冷媒液の流量が調整される。これにより、起動時、停止時などの過渡期においても、蒸発器１の冷媒液の量及び凝縮器３の冷媒液の量がそれぞれ望ましい範囲に維持される。言い換えれば、蒸発器１の液面の位置及び凝縮器３の液面の位置がそれぞれ所定の範囲内に維持される。

本実施形態によれば、蒸気経路４０における冷媒蒸気の流量に応じて戻し経路４１における冷媒液の流量が調整される。典型的には、蒸気経路４０における冷媒の流量と戻し経路４１における冷媒の流量とが一致するように流量調整器６が制御される。したがって、蒸発器１の冷媒量と凝縮器３の冷媒量とのバランスを常時保つことができる。流量調整器６は、凝縮器３から蒸発器１に冷媒液をスムーズに流すことができるように制御されうる。蒸発器１の冷媒量と凝縮器３の冷媒量とのバランスを保つのに適切な開度になるように流量調整器６が制御される。

蒸気経路４０における冷媒の流量を検出するための流量検出器は、流量計７に限定されない。流量検出器は、冷媒蒸気の流量を間接的に検出するように構成されていてもよい。例えば、制御器５３、圧力センサ８ａ及び圧力センサ８ｂを流量検出器として使用することができる。詳細には、圧縮機２の回転数と、圧力センサ８ａによって検出された吸入圧力と、圧力センサ８ｂによって検出された吐出圧力とを用いて、圧縮機２における冷媒の流量を特定することができる。

制御器５３は、圧縮機２における冷媒の流量を特定するためのテーブル（動作マップ）を持っている。具体的には、圧力比、吸入温度及び圧縮機２の回転数から冷媒の流量を特定するためのテーブルが制御器５３に格納されている。このテーブルは、実験データ又はシミュレーションに基づいて作成されるものであってもよいし、理論的な計算に基づいて作成されるものであってもよい。「圧力比」は、吸入圧力Ｐ_Lに対する吐出圧力Ｐ_Hの比率（Ｐ_H／Ｐ_L）である。「吸入温度」は、圧縮機２の吸入口における温度であり、圧力センサ８ａの検出結果から特定されうる。すなわち、冷凍サイクル装置１００に充填されている冷媒の飽和蒸気圧曲線は既知なので、圧力センサ８ａで検出された圧力（飽和蒸気圧）から圧縮機２に吸入される冷媒蒸気の温度（吸入温度）を特定することができる。圧縮機２の回転数は、圧縮機２のモータを駆動するためのインバータへの指令値であり、既知である。

図２に示す例では、吸入温度Ｔ_S（℃）が圧縮機２の回転数Ｒ（ｒｐｍ）、圧力比（Ｐ_H／Ｐ_L）及び圧縮機２における冷媒の流量ｍ（ｇ／ｓｅｃ）の関数で表されている。制御器５３は、このような関数に基づき、冷媒の流量ｍ（ｇ／ｓｅｃ）を算出しうる。

圧力センサ８ａ及び圧力センサ８ｂは、蒸気経路４０における冷媒蒸気の流量を検出する流量検出器として機能しうる。圧力センサ８ａ及び圧力センサ８ｂの検出結果に基づいて蒸気経路４０における冷媒蒸気の流量を特定し、特定された冷媒蒸気の流量に応じて、戻し経路４１における冷媒液の流量を調整することができる。圧力センサ８ａ及び圧力センサ８ｂは、蒸気経路４０における冷媒蒸気の流量を間接的に検出する手段であるものの、流量計７よりも安価でありうる。また、圧力センサ８ａ及び圧力センサ８ｂは、蒸気経路４０における冷媒蒸気の流量を検出する用途だけでなく、冷凍サイクル装置１００の制御にも使用されうる。

また、制御器５３、温度センサ９ａ及び温度センサ９ｂを流量検出器として使用することもできる。詳細には、圧縮機２の回転数と、温度センサ９ａによって検出された温度と、温度センサ９ｂによって検出された温度とを用いて、圧縮機２における冷媒の流量を特定することができる。

先に説明したように、制御器５３は、圧縮機２における冷媒の流量を特定するためのテーブルを持っている。このテーブルを参照すれば、圧力比、吸入温度及び圧縮機２の回転数から冷媒の流量を特定することができる。冷凍サイクル装置１００に充填されている冷媒の飽和蒸気圧曲線は既知なので、温度センサ９ａ及び温度センサ９ｂで検出された各温度における飽和蒸気圧から直ちに圧力（吸入圧力及び吐出圧力）を特定することができる。つまり、温度センサ９ａ及び温度センサ９ｂの検出結果から「圧力比」を特定することができる。「吸入温度」は、圧力センサ８ａの検出結果から特定されうる。圧縮機２の回転数は、圧縮機２のモータを駆動するためのインバータへの指令値であり、既知である。

温度センサ９ａ及び温度センサ９ｂは、蒸気経路４０における冷媒蒸気の流量を検出する流量検出器として機能しうる。温度センサ９ａ及び温度センサ９ｂの検出結果に基づいて蒸気経路４０における冷媒蒸気の流量を特定し、特定された冷媒蒸気の流量に応じて、戻し経路４１における冷媒液の流量を調整することができる。温度センサ９ａ及び温度センサ９ｂは、蒸気経路４０における冷媒蒸気の流量を間接的に検出する手段であるものの、流量計７よりも安価でありうる。また、温度センサ９ａ及び温度センサ９ｂは、蒸気経路４０における冷媒蒸気の流量を検出する用途だけでなく、冷凍サイクル装置１００の制御にも使用されうる。

本実施形態において、圧力センサ８ａは、蒸気経路４０の上流部分３６に取り付けられている。圧力センサ８ｂは、蒸気経路４０の下流部分３７に取り付けられている。温度センサ９ａは、蒸発器１の下部に取り付けられている。温度センサ９ｂは、凝縮器３の下部に取り付けられている。ただし、これらのセンサの位置は特に限定されない。

なお、システムの安全性を保証するために、水位センサが蒸発器１及び／又は凝縮器３に設けられていてもよい。例えば、水位センサによって蒸発器１の液面の位置及び／又は凝縮器３の液面の位置を検出し、凝縮器３から蒸発器１に冷媒液を戻すための処理を定期的に行うことができる。凝縮器３から蒸発器１に冷媒液を定期的に戻す場合、圧縮機２の吸入圧力が急激に上昇し、圧縮機２に過剰な負荷が加わる可能性がある。特に、圧縮機２がターボ型圧縮機の場合には、負荷の急激な変動は好ましくない。本実施形態によれば、蒸発器１の冷媒量と凝縮器３の冷媒量とのバランスが常時保たれるように制御が実行されるので、上記のような問題は生じにくい。

本明細書に開示された冷凍サイクル装置は、家庭用エアコン、業務用エアコンなどの空気調和装置に特に有用である。本明細書に開示された冷凍サイクル装置は、空気調和装置に限定されず、チラー、蓄熱装置などの他の装置であってもよい。第２熱交換器１１の加熱対象及び第１熱交換器１０の冷却対象は、空気以外の気体であってもよいし、液体であってもよい。

１蒸発器
２圧縮機
３凝縮器
４，５ポンプ
６流量調整器
７流量計
８ａ，８ｂ圧力センサ
９ａ，９ｂ温度センサ
１０第１熱交換器
１１第２熱交換器
４０蒸気経路
４１戻し経路
５０吸熱循環経路
５１放熱循環経路
５３制御器
１００冷凍サイクル装置

Claims

常温での飽和蒸気圧が負圧である冷媒を循環させる冷凍サイクル装置であって、
液相の前記冷媒を貯留し、前記冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器で生成された気相の前記冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機で圧縮された気相の前記冷媒を凝縮させて液相の前記冷媒を貯留する凝縮器と、
液相の前記冷媒を前記凝縮器から前記蒸発器へと戻すために使用される戻し経路と、
前記圧縮機における前記冷媒の流量を直接的又は間接的に検出する流量検出器と、
前記戻し経路に設けられ、前記流量検出器で検出された前記冷媒の流量に応じて、前記戻し経路における前記冷媒の流量を調整する前記流量調整器と、
を備えた、冷凍サイクル装置。
前記流量検出器は、前記圧縮機の吸入圧力を検出する第１圧力センサと、前記圧縮機の吐出圧力を検出する第２圧力センサとを含み、前記圧縮機の回転数と、前記第１圧力センサによって検出された前記吸入圧力と、前記第２圧力センサによって検出された前記吐出圧力とを用いて、前記圧縮機における前記冷媒の流量を特定する、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
前記流量検出器は、前記蒸発器の内部の温度を検出する第１温度センサと、前記凝縮器の内部の温度を検出する第２温度センサとを含み、前記圧縮機の回転数と、前記第１温度センサによって検出された前記蒸発器の内部の温度と、前記第２温度センサによって検出された前記凝縮器の内部の温度とを用いて、前記圧縮機における前記冷媒の流量を特定する、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。