JP2017101897A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液戻し流量調節部を小型に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１は、アキュムレータ１７と、液戻し配管１８と、液戻し流量調節部１９と、高圧圧力センサ２０と、凝縮液温度センサ２１と、制御部２２とを持つ。アキュムレータ１７は、第二の熱交換器１４と圧縮機１０との間の主配管１５に設けられる。液戻し配管１８は、アキュムレータ１７、及びアキュムレータ１７と圧縮機１０との間の主配管に接続される。液戻し流量調節部１９は、液戻し配管１８に設けられている。高圧圧力センサ２０は、圧縮機１０の吐出口の冷媒の圧力を検出する。凝縮液温度センサ２１は、第一の熱交換器１２の出口における冷媒の温度を検出する。制御部２２は、高圧圧力センサ２０が検出した圧力に対する冷媒の飽和温度である高圧飽和温度を算出し、高圧飽和温度と凝縮液温度センサ２１が検出した温度との差に基づいて膨張部１３の開度を調節する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、冷凍サイクル装置に関する。

従来、圧縮機、第一の熱交換器、第一の流量調節弁（膨張部）、及び第二の熱交換器を備え、四方弁（流路切替え部）等により加熱運転と冷却運転とを切替え可能な冷凍サイクル装置が知られている。この種の冷凍サイクル装置は、両熱交換器のうち、蒸発器として機能させた熱交換器を出た冷媒と凝縮器として機能させた熱交換器を出た冷媒とを気液熱交換器で熱交換させることで、冷凍サイクル装置の性能を向上させている。

冷凍サイクル装置が、気液熱交換器に冷媒を流すか否かを切替える第二の流量調節弁（液戻し流量調節部）を備えることが検討されている。
冷凍サイクル装置が、第一の流量調節弁と並列に、気液熱交換器及び第二の流量調節弁が設けられた配管を備える場合が考えられる。この場合、第二の流量調節弁を開くと、気液熱交換器での交換熱量が抑制され、第一の流量調節弁の入口での冷媒の温度が大きく変化する。第一の流量調節弁に流れる冷媒の流量も大きく変動するため、気液熱交換器の交換熱量を調節した場合に冷凍サイクル装置の性能の変動が大きくなる。

一方で、冷凍サイクル装置が、気液熱交換器及び第二の流量調節弁を並列に接続したものに第一の流量調節弁を直列に接続した場合が考えられる。この場合、第二の流量調節弁を閉じても第一の流量調節弁を流れる冷媒の流量はほとんど変化しないため、第一の流量調節弁と並列に第二の流量調節弁等を設けた場合よりも冷凍サイクル装置の性能の変動を抑えることができる。しかし、気液熱交換器に冷媒を流さずに第二の流量調節弁及び第一の流量調節弁に冷媒を流す場合には、第二の流量調節弁による圧力損失を充分に下げる、すなわち、第二の流量調節弁を充分に大型化する必要がある。

特開２００１−２２１５２７号公報 特開２０１４−１８１８６９号公報

本発明が解決しようとする課題は、液戻し流量調節部を小型にすることができ、液戻し流量調節部を制御しても性能の変動が少ない冷凍サイクル装置を提供することである。

実施形態の冷凍サイクル装置は、圧縮機と、第一の熱交換器と、膨張部と、第二の熱交換器と、主配管と、アキュムレータと、液戻し配管と、液戻し流量調節部と、高圧圧力センサと、凝縮液温度センサと、制御部と、を持つ。前記膨張部は、開度を調節可能である。前記主配管は、前記圧縮機、前記第一の熱交換器、前記膨張部、及び前記第二の熱交換器を順次接続し、冷媒及び冷凍機油が流通している。前記アキュムレータは、前記第二の熱交換器と前記圧縮機との間の前記主配管に設けられ、液相の前記冷媒及び前記冷凍機油の少なくとも一方を下部に収容し、気相の前記冷媒を前記圧縮機に供給する。前記液戻し配管は、前記アキュムレータの下部、及び、前記アキュムレータと前記圧縮機との間の前記主配管にそれぞれ接続されている。前記液戻し流量調節部は、開度を調節可能であって前記液戻し配管に設けられている。前記高圧圧力センサは、前記圧縮機の吐出口における前記冷媒の圧力を検出する。前記凝縮液温度センサは、前記第一の熱交換器の出口における前記冷媒の温度を検出する。前記制御部は、前記膨張部の開度及び前記液戻し流量調節部の開度を調節する。前記制御部は、前記高圧圧力センサが検出した圧力に対する前記冷媒の飽和温度である高圧飽和温度を算出する。前記制御部は、前記高圧飽和温度と前記凝縮液温度センサが検出した温度との差である過冷却度を算出する。前記制御部は、前記過冷却度に基づいて前記膨張部の開度を調節する。

第１の実施形態の冷凍サイクル装置を示す概略構成図。 第１の実施形態の冷凍サイクル装置のアキュムレータの断面図。 第１の実施形態の冷凍サイクル装置を第二のＰＭＶが最小開度開いている状態で運転したときのモリエル線図。 第１の実施形態の冷凍サイクル装置を第二のＰＭＶの開度を大きくして運転したときのモリエル線図。 第１の実施形態の冷凍サイクル装置を運転させたときの、第二のＰＭＶの開度による圧縮機の吐出口及び吸入口の温度の変化を表す図。 第１の実施形態の変形例における冷凍サイクル装置のアキュムレータの断面図。 第１の実施形態の変形例における冷凍サイクル装置のアキュムレータの断面図。 第２の実施形態の冷凍サイクル装置を示す概略構成図。 高圧のケースを有する圧縮機における各温度及び圧縮機の運転周波数の変化を示す図。 第４の実施形態の冷凍サイクル装置を示す概略構成図。

以下、実施形態の冷凍サイクル装置を、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置１は、圧縮機１０と、四方弁（流路切替え部）１１と、第一の熱交換器１２と、第一のＰＭＶ（Pulse Motor Valve、膨張部）１３と、第二の熱交換器１４と、主配管１５と、アキュムレータ１７と、液戻し配管１８と、第二のＰＭＶ（液戻し流量調節部）１９と、高圧圧力センサ２０と、凝縮液温度センサ２１と、制御部２２とを備える。

圧縮機１０は、公知のインバータ制御により運転周波数を変更することができる。圧縮機１０は、後述する冷凍機油が溶け込んだ冷媒Ｒを圧縮する。なお、圧縮機１０として運転周波数を変更できないものを用いてもよい。
四方弁１１は、主配管１５を流れる冷媒Ｒ及び図示しない冷凍機油（以下、冷媒Ｒ等と称する）の向きを切替える。
第一の熱交換器１２は、加熱又は冷却する対象となるチラー等の対象配管５０と熱交換する。対象配管５０内には、水等の第二の冷媒（不図示）が流れていて、第一の熱交換器１２との熱交換により加熱又は冷却される。第一の熱交換器１２及び対象配管５０で、いわゆる水熱交換器５１を構成する。例えば、水熱交換器５１はプレート式の熱交換器である。
対象配管５０には、第二の冷媒を流すためのポンプ５２が設けられている。

第一のＰＭＶ１３は、開度を調節可能なものである。例えば、第一のＰＭＶ１３は、図示はしないが、貫通孔が形成された弁本体と、貫通孔に対して進退可能なニードルとを有している。貫通孔をニードルで塞いだときに、第一のＰＭＶ１３に冷媒Ｒ等が流れなくなる。このとき、第一のＰＭＶ１３は閉じた状態になり、第一のＰＭＶ１３の開度は最も小さくなる。
一方で、貫通孔からニードルが最も離間したときに、第一のＰＭＶ１３に冷媒Ｒ等が最も流れやすくなる。このとき、第一のＰＭＶ１３は開いた状態になり、第一のＰＭＶ１３の開度は最も大きくなる。

例えば、第二の熱交換器１４はフィンチューブ式の熱交換器（空気熱交換器）である。第二の熱交換器１４の内容積は、第一の熱交換器１２の内容積よりも大きい。第二の熱交換器１４の内容積とは、第二の熱交換器１４のうち冷媒Ｒ等が充填される部分の内容積のことを意味する。第一の熱交換器１２の内容積についても同様である。第二の熱交換器１４に対応して送風機２８が配置されている。
主配管１５及び液戻し配管１８は、銅管等で形成されている。主配管１５は、圧縮機１０、四方弁１１、第一の熱交換器１２、第一のＰＭＶ１３、及び第二の熱交換器１４を順次接続する。圧縮機１０、四方弁１１、第一の熱交換器１２、第一のＰＭＶ１３、第二の熱交換器１４、及び主配管１５内には、冷媒Ｒ及び冷凍機油が流通している。冷媒Ｒとしては、Ｒ４１０Ａ等を用いることができる。冷凍機油としては、例えばポリオールエステル系の冷凍機油等を用いることができる。

アキュムレータ１７は、第二の熱交換器１４と圧縮機１０との間の主配管１５に設けられている。アキュムレータ１７は、図２に示すように、球殻状のケース２５と、ケース２５に取付けられケース２５を支持する脚部２６とを有している。ケース２５は、上下方向に沿った長軸を有する。ケース２５及び脚部２６は、鉄鋼等の金属で形成されている。ケース２５の下部には、液相の冷媒Ｒ及び冷凍機油が収容されている。ケース２５の上部には、気相の冷媒Ｒが収容されている。
なお、ケース２５の下部に液相の冷媒Ｒ及び冷凍機油の少なくとも一方が収容されているとしてもよい。

ケース２５の上部には、主配管１５を構成する流入管１５ａ及び流出管１５ｂが接続されている。ケース２５内における流出管１５ｂの端部は、ケース２５の上部であって気相の冷媒Ｒがある所に配置されている。流出管１５ｂから気相の冷媒Ｒが主配管１５を介して圧縮機１０に流出することで、アキュムレータ１７は気相の冷媒Ｒを圧縮機１０に供給する。
ケース２５の底面（下部）には、液戻し配管１８の一端部が接続されている。図１に示すように、液戻し配管１８の他端部は、アキュムレータ１７と圧縮機１０との間の主配管１５であって、後述する気液熱交換器２９よりも冷媒Ｒが流れる方向の上流側の部分に接続されている。
液戻し配管１８の長手方向の中間部には、前述の第二のＰＭＶ１９が設けられている。第二のＰＭＶ１９は、第一のＰＭＶ１３と同様に構成され、開度を調節可能である。なお、液戻し配管１８及び第二のＰＭＶ１９で液戻し回路３２を構成する。

本実施形態の冷凍サイクル装置１は、気液熱交換器２９を備えている。気液熱交換器２９は、アキュムレータ１７と圧縮機１０との間の主配管１５と、第一の熱交換器１２と第一のＰＭＶ１３との間の主配管１５とを熱交換する。
高圧圧力センサ２０は、圧縮機１０の吐出口１０ａにおける冷媒Ｒの圧力を検出する。高圧圧力センサ２０は制御部２２に接続され、検出結果を制御部２２に送信する。
凝縮液温度センサ２１は、第一の熱交換器１２の出口における冷媒Ｒの温度を検出する。凝縮液温度センサ２１は制御部２２に接続され、検出結果を制御部２２に送信する。
本実施形態では、圧縮機１０の吸入口１０ｂ近くの主配管１５に、圧縮機１０の吸入口１０ｂにおける冷媒Ｒの圧力を検出する低圧圧力センサ３０が設けられている。低圧圧力センサ３０は制御部２２に接続され、検出結果を制御部２２に送信する。
圧縮機１０の吸入口１０ｂ近くの主配管１５に、圧縮機１０の吸入口１０ｂにおける冷媒Ｒの温度を検出する吸入温度センサ３１が設けられている。吸入温度センサ３１は制御部２２に接続され、検出結果を制御部２２に送信する。

圧縮機１０、四方弁１１、第一のＰＭＶ１３、送風機２８、第二のＰＭＶ１９は制御部２２に接続され、制御部２２により制御される。

制御部２２は、図示はしないが演算素子、メモリ等を有している。メモリには、制御プログラム、冷媒Ｒの圧力に対する冷媒Ｒの飽和温度の表等が記憶されている。
制御部２２の演算素子は、圧力センサ２０、３０、温度センサ２１、３１の検出結果に基づいて、第一のＰＭＶ１３の開度及び第二のＰＭＶ１９の開度を調節する。
なお、冷凍サイクル装置１は、主配管１５にレシーバ（受液器）を備えない。

ここで、冷凍サイクル装置１に充填される冷媒Ｒの量（以下、冷媒Ｒの充填量とも略称する）について説明する。冷媒Ｒの充填量が不足していると、蒸発器（熱交換器１２、１４のうち蒸発器として機能するもの）の出口における冷媒Ｒは乾いた状態となり、冷媒Ｒの充填量が多いと湿った状態となる。このため、冷媒Ｒの充填量が多くなるように調節することが好ましい。
具体的には、冷媒Ｒの充填量が多く必要な、空気熱交換器である第二の熱交換器１４が凝縮器として機能する後述する冷却運転において、冷媒Ｒの充填量が過不足なく冷凍サイクル装置１を運転できるように冷媒Ｒの充填量を調節する。この時、制御部２２は、第一のＰＭＶ１３を圧縮機１０の過熱度（SuperHeat）が一定の値になるように制御する（ＳＨ制御する）。
冷媒Ｒの充填量がこの状態で四方弁１１を切替え、水熱交換器５１を構成する第一の熱交換器１２が凝縮器として機能する後述する加熱運転をした時に、第一の熱交換器１２の内容積と第二の熱交換器１４の内容積との差により余剰な冷媒Ｒが生じる。その余剰な冷媒Ｒにより、アキュムレータ１７内に液相の冷媒Ｒが収容される。

このように構成された冷凍サイクル装置１では、制御部２２は圧縮機１０を駆動させるとともに四方弁１１を切替え、送風機２８を運転させる。これにより、圧縮機１０、第一の熱交換器１２、第一のＰＭＶ１３、第二の熱交換器１４、アキュムレータ１７の順で冷媒Ｒ等を流す。第一の熱交換器１２で冷媒Ｒを凝縮させ、第一の熱交換器１２を凝縮器として機能させる。第二の熱交換器１４で冷媒Ｒを蒸発させ、第二の熱交換器１４を蒸発器として機能させる。こうして、冷凍サイクル装置１を加熱運転にする。
このとき、制御部２２は、高圧圧力センサ２０が検出した圧力、及び、メモリに記憶された冷媒Ｒの飽和温度の表に基づいて、この圧力に対する冷媒Ｒの飽和温度である高圧飽和温度を算出する。高圧飽和温度と凝縮液温度センサ２１が検出した温度との差である、過冷却度（SubCool）を算出する。
制御部２２は、冷凍サイクル装置１を加熱運転させたときに、過冷却度が一定の値になるように（過冷却度に基づいて）第一のＰＭＶ１３の開度を調節する（ＳＣ制御をする）。ここで言う一定の値とは、例えば１Ｋ（ケルビン）から５Ｋである。

図３に、冷凍サイクル装置１を加熱運転したときのモリエル線図を示す。図３の横軸は比エンタルピーを示し、縦軸は圧力を示す。曲線Ｌ_１は冷媒Ｒの飽和蒸気線であり、曲線Ｌ_２は冷媒Ｒの飽和液線である。曲線Ｌ_３は、等温線である。
圧縮機１０の吐出口１０ａにおける冷媒Ｒの高圧かつ高温の状態を、モリエル線図上で吐出状態Ｓ_０とする。吐出状態Ｓ_０の冷媒Ｒは、第一の熱交換器１２において圧力が変わらないまま凝縮して液化する。第一の熱交換器１２の出口における冷媒Ｒの状態は、吐出状態Ｓ_０の冷媒Ｒに対して比エンタルピーが低下することで液相の状態Ｓ_１となる。
このとき、水熱交換器５１においてポンプ５２により対象配管５０内を流れる第二の冷媒が加熱される。
高圧圧力センサ２０が検出した圧力はＰ_０であり、高圧飽和温度はＴ_１である。凝縮液温度センサ２１が検出した温度はＴ_２であり、過冷却度はＴ_１とＴ_２との差である。
気液熱交換器２９により、状態Ｓ_１の冷媒Ｒが圧力が変わらないまま、比エンタルピーでＪ_１冷却される。気液熱交換器２９の出口では、冷媒Ｒは状態Ｓ_２となる。

第二のＰＭＶ１９は、圧縮機１０に冷凍機油を戻すために、完全に閉じることなく最小開度開いている。第二のＰＭＶ１９の開度が大きいと、蒸発器（第二の熱交換器１４）の出口における乾き度が低下し、蒸発器の性能が低下するためである。
第二のＰＭＶ１９が開いていることで、ケース２５の下部に収容されている液相の冷媒Ｒ及び冷凍機油が液戻し配管１８内を流れる。液相の冷媒Ｒの気化熱等により、状態Ｓ_１の冷媒Ｒが冷却される。アキュムレータ１７から液戻し配管１８を通して圧縮機１０に供給される液相の冷媒Ｒの流量（以下、液戻し量とも略称する）は、第二のＰＭＶ１９の開度により制御される。
なお、第二のＰＭＶ１９は液相の冷媒Ｒ及び冷凍機油を流すためのものであるため、比較的小型のものが用いられる。
アキュムレータ１７内の気相の冷媒Ｒは、流出管１５ｂ及び主配管１５を介して圧縮機１０に供給される。このように、アキュムレータ１７は、気相の冷媒Ｒと液相の冷媒Ｒとを分離する気液分離器として機能する。

液化した状態Ｓ_２の冷媒Ｒは、第一のＰＭＶ１３により、比エンタルピーが一定のままで圧力Ｐ_０よりも低圧の圧力Ｐ_１まで膨張し減圧され、低圧かつ低温の状態Ｓ_４となる。
膨張して状態Ｓ_４となった冷媒Ｒは、第二の熱交換器１４において圧力が変わらないまま蒸発して気化する。第二の熱交換器１４の出口における冷媒Ｒの状態は、例えば状態Ｓ_５となる。
気液熱交換器２９により、状態Ｓ_５の冷媒Ｒが圧力が変わらないまま、比エンタルピーでＪ_２加熱される。比エンタルピーＪ_２は、比エンタルピーＪ_１に等しい。気液熱交換器２９の出口では、冷媒Ｒは状態Ｓ_６となる。
状態Ｓ_６の冷媒Ｒは、圧縮機１０の吸入口１０ｂから吸入され、圧縮されて吐出状態Ｓ_０となる。

加熱運転時には、制御部２２がＳＣ制御を行うことで、余剰の冷媒Ｒがアキュムレータ１７に収容される。このため、アキュムレータ１７に液相の冷媒Ｒが常に収容された状態で、冷凍サイクル装置１を運転することになる。

例えば、冷媒Ｒの全循環量に対して、重量比で９８％が流出管１５ｂ内を流れ、２％が液戻し配管１８内を流れるとする。この場合、流出管１５ｂ内を流れる冷媒Ｒは気相なので乾き度は１．０、液戻し配管１８内を流れる冷媒Ｒは液相なので乾き度は０．０となる。すると、主配管１５に液戻し配管１８が接続された部分での冷媒Ｒの乾き度は、０．９８になる。

なお、冷凍サイクル装置１において、例えば圧縮機１０の圧縮比が増加した場合等には、気液熱交換器２９の交換熱量が増加し、圧縮機１０の吸入口１０ｂにおける過熱度である吸入過熱度が増加する。
吸入過熱度がある値を超えた時に、制御部２２は第二のＰＭＶ１９の開度を大きくする。すると、液戻し配管１８内を流れる液相の冷媒Ｒ及び冷凍機油の流量が増加し、図４に示すように、気液熱交換器２９で熱交換する比エンタルピーＪ_２が増加し、圧縮機１０の吸入口１０ｂにおける冷媒Ｒの温度が低下する。したがって、圧縮機１０の吐出口１０ａにおける冷媒Ｒの温度（以下、吐出温度とも略称する）が低下する。
ＳＣ制御を行う場合、基本的に、凝縮器（第一の熱交換器１２）の出口における冷媒Ｒは液相状態である。したがって、凝縮不良により第一のＰＭＶ１３を流れる冷媒Ｒの流量が不足する等の不具合を防止することができる。

例えば、第二のＰＭＶ１９の開度を大きくすることで、冷媒Ｒの全循環量に対して、重量比で９５％が流出管１５ｂ内を流れ、５％が液戻し配管１８内を流れるとする。この場合、主配管１５に液戻し配管１８が接続された部分での冷媒Ｒの乾き度は、０．９５に低下する。

図５に、本実施形態の冷凍サイクル装置１を運転させ、第二のＰＭＶ１９の開度を変えたときの圧縮機１０の吐出口１０ａの温度（吐出温度）、及び吸入口１０ｂの温度の変化を示す。図５の横軸は第二のＰＭＶ１９の開度を表し、ステップ数が多いほど第二のＰＭＶ１９の開度が大きいことを意味する。左側の縦軸は圧縮機１０の吐出口１０ａにおける冷媒Ｒの温度を表し、右側の縦軸は圧縮機１０の吸入口１０ｂにおける冷媒Ｒの温度を表す。
第二のＰＭＶ１９の開度が大きくなるにしたがって、吐出口１０ａの冷媒Ｒの温度及び吸入口１０ｂの温度が低下することが分かった。しかし、第二のＰＭＶ１９の開度を調節しても、圧縮機１０の吐出口１０ａ及び吸入口１０ｂの温度や、後述するＣＯＰ等の性能の変動は比較的少ない。

例えば、比較例として、冷凍サイクル装置１を加熱運転するときに、圧縮機１０の過熱度が一定の値になるように冷凍サイクル装置１を制御する（ＳＨ制御する）場合を考える。このとき、蒸発器として機能する第二の熱交換器１４の出口における冷媒Ｒは、一般的に完全に乾いてしまう。
この場合、任意に制御できるのはアキュムレータ１７の入口における過熱度であり、気液熱交換器２９の出口における過熱度（圧縮機１０の吸入口１０ｂにおける過熱度）は制御できず成行きになる。圧縮機１０の吐出口１０ａにおける冷媒Ｒの温度が高くなったときには過熱度を小さくする必要がある。しかし、ＳＨ制御では過熱度を０Ｋよりも小さい値に制御できない。
これに対して本実施形態の冷凍サイクル装置１ではＳＣ制御をするため、第二の熱交換器１４の出口における冷媒Ｒが乾きにくくなり、アキュムレータ１７内に液相の冷媒Ｒが供給されやすくなる。

一方で、制御部２２は圧縮機１０を駆動させるとともに四方弁１１を切替え、送風機２８を運転させる。これにより、圧縮機１０、第二の熱交換器１４、第一のＰＭＶ１３、第一の熱交換器１２、アキュムレータ１７の順で冷媒Ｒ等を流す。第二の熱交換器１４で冷媒Ｒを凝縮させ、第一の熱交換器１２で冷媒Ｒを蒸発させる。こうして、冷凍サイクル装置１を冷却運転にする。
このとき、水熱交換器５１においてポンプ５２により対象配管５０内を流れる第二の冷媒が冷却される。

制御部２２は、低圧圧力センサ３０が検出した圧力、及び、メモリに記憶された冷媒Ｒの飽和温度の表に基づいて、この圧力に対する冷媒Ｒの飽和温度である低圧飽和温度を算出する。吸入温度センサ３１が検出した温度と低圧飽和温度との差である吸入過熱度を算出する。
制御部２２は、冷凍サイクル装置１を冷却運転させたときに、吸入過熱度が一定の値になるように（吸入過熱度に基づいて）第一のＰＭＶ１３の開度を調節する。また、吸入過熱度に基づいて第二のＰＭＶ１９の開度を調節する。例えば、制御部２２は吸入過熱度が閾値を超えたときに、第二のＰＭＶ１９の開度を大きくする。

比較例として冷凍サイクル装置が第一の熱交換器１２と第一のＰＭＶ１３との間の主配管１５にレシーバを備えた場合には、レシーバには液相の冷媒Ｒと気相の冷媒Ｒとが収容される。比較例の冷凍サイクル装置を加熱運転したときに、第一の熱交換器１２を凝縮器として機能する。しかし、第一の熱交換器１２内及びレシーバ内の冷媒Ｒ等の圧力を高くしても、レシーバ内に液相の冷媒Ｒがあるため、液相の冷媒Ｒの体積が減少する。したがって、冷媒Ｒ等の圧力を高くした効果が第一のＰＭＶ１３内を流れる冷媒Ｒ等に伝達されにくくなり、状態Ｓ_２における過冷却度が充分にとりにくくなる。
したがって、冷凍サイクル装置１がレシーバを備えないことで、冷凍サイクル装置１の後述するＣＯＰ等の性能が向上する。

冷凍サイクル装置１において、レシーバの有無によるＣＯＰ（Coefficient Of Performance：成績係数）の変化について説明する。なお、ＣＯＰは冷凍サイクル装置１の入力に対する能力の比で示される。ここで言う能力とは、水熱交換器５１での放熱量又は吸熱量を意味する。
第二の熱交換器１４を凝縮器として機能させた冷却運転では、レシーバの有無によらず冷凍サイクル装置１のＣＯＰは変わらない。一方で、第一の熱交換器１２を凝縮器として機能させた加熱運転では、レシーバを備えないことで、従来の冷凍サイクル装置に比べてＣＯＰが例えば５．３％向上する。

以上説明したように、本実施形態の冷凍サイクル装置１によれば、第二のＰＭＶ１９は液相の冷媒Ｒ及び冷凍機油を流すためのものであるため、比較的小型のものを用いることができる。第二のＰＭＶ１９の開度を調節したときに、冷凍サイクル装置１の性能の変動を少なくすることができる。
第一の熱交換器１２の内容積よりも第二の熱交換器１４の内容積の方が大きく、制御部２２は冷凍サイクル装置１を加熱運転にしたときにＳＣ制御をする。これにより、アキュムレータ１７内に液相の冷媒Ｒを収容し、レシーバを備えなくても熱交換器１２、１４の内容積の差に対応することができる。

低圧圧力センサ３０及び吸入温度センサ３１を備えることで、制御部２２が冷却運転時に吸入過熱度を算出してＳＨ制御することができる。
基本的には圧縮機１０の信頼性を確保するために、最低限必要な量の液相の冷媒Ｒを圧縮機１０の戻すように第二のＰＭＶ１９を制御すればよい。しかし、圧縮機１０の吸入過熱度が大きくなったときに液戻し量を増加させることで、吐出温度を低減することができる。

気液熱交換器２９を備えることで、冷凍サイクル装置１の能力を増加させることができる。しかし、気液熱交換器２９を備えると、吐出温度が高くなるという課題がある。
本実施形態では、第二のＰＭＶ１９の開度を調節して液戻し量を制御することで、圧縮機１０が吸入する冷媒Ｒを冷却し、吐出温度を低下することができる。

液戻し配管１８の端部は、アキュムレータ１７と圧縮機１０と間の主配管１５であって、気液熱交換器２９よりも上流側に接続されている。
気液熱交換器２９の低圧側の主配管１５に液相の冷媒Ｒが流れることとなり、気液熱交換器２９での交換熱量が増加し、冷凍サイクル装置１の能力が増加する。
冷凍サイクル装置１がレシーバを備えないことで、冷凍サイクル装置１の性能を向上させ、冷凍サイクル装置１を小型化（省スペース化）することができる。

なお、本実施形態のアキュムレータ１７としては、冷媒Ｒを気相と液相とに分離でき、液戻し量を任意に制御できれば任意の形状のものを用いることができる。
例えば、図６に示すアキュムレータ１７Ａのように、液戻し配管１８Ａの端部を、ケース２５の上下方向の中央部まで延ばしてもよい。この場合、液戻し配管１８Ａに複数の液戻し孔１８ａを形成してもよい。各液戻し孔１８ａは、液戻し配管１８Ａの外面から液戻し配管１８Ａの管路に連通するまで延びている。複数の液戻し孔１８ａは、上下方向に並べて形成されている。
このように構成されたアキュムレータ１７Ａでは、液相の冷媒Ｒ及び冷凍機油は複数の液戻し孔１８ａを通して液戻し配管１８Ａ内に入り、液戻し配管１８Ａ内を流れる。

また、図７に示すアキュムレータ１７Ｂのように、流出管１５ｃをＵ字形に構成してもよい。流出管１５ｃは、端部が気相の冷媒Ｒ中に配置されるとともに、曲り部に形成された１つの液戻し孔１５ｄが液相の冷媒Ｒ中に配置されている。液戻し孔１５ｄは、流出管１５ｃの外面から流出管１５ｃの管路に連通するまで延びている。
このように構成されたアキュムレータ１７Ａでは、液相の冷媒Ｒ及び冷凍機油は液戻し孔１５ｄを通して流出管１５ｃ内に入り、気相の冷媒Ｒとともに圧縮機１０に供給される。
なお、流出管１５ｃに形成される液戻し孔１５ｄの数は１つに限定されず、必要であれば流出管１５ｃに液戻し孔１５ｄを複数形成してもよい。

内容積の小さい熱交換器を水熱交換器５１を構成する第一の熱交換器１２、内容積の大きい熱交換器を空気熱交換器である第二の熱交換器１４として説明した。しかし、熱交換器１２、１４の両方とも水熱交換器としてもよいし、熱交換器１２、１４の両方とも空気熱交換器としてもよい。例えば水熱交換器としてシェルアンドチューブ方式熱交換器を用いた場合、空気熱交換器よりも水熱交換器の方が内容積が大きくなる場合がある。このため、内容積の小さい熱交換器を空気熱交換器、内容積の大きい熱交換器を水熱交換器として冷凍サイクル装置を構成してもよい。

アキュムレータ１７の上流側の主配管１５に、第二の吸入温度センサを設けてもよい。この場合、制御部２２は、第二の吸入温度センサで検出された温度から得られる吸入過熱度に基づいて第一のＰＭＶ１３をＳＨ制御してもよい。
吐出温度を検出する吐出温度センサを主配管１５に設けてもよい。この場合、制御部２２は第一のＰＭＶ１３をＳＨ制御するのに代えて、第一のＰＭＶ１３を吐出温度で制御してもよい。この時、安定した通常の運転状態であれば、アキュムレータ１７内に液相の冷媒Ｒは溜まらない。液戻し配管１８内を気相の冷媒Ｒと少量の冷凍機油が流れることが、従来のアキュムレータにおける液戻し孔の役割を果たす。
この時、気液熱交換器２９内を流れるのは、高圧の二相の冷媒Ｒと低圧の気相の冷媒Ｒであり、気液熱交換器２９の主配管１５の間で熱交換をほとんど行わない。よって、空気熱交換器である第二の熱交換器１４を凝縮器として機能させる冷却運転において、気液熱交換器２９により吐出温度が上昇することは、ほとんどない。

本実施形態では、冷凍サイクル装置１が加熱運転専用であり冷却運転を行わない場合等には、冷凍サイクル装置１は四方弁１１を備えなくてもよい。この場合、冷凍サイクル装置１は、低圧圧力センサ３０及び吸入温度センサ３１を備えなくてもよい。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について図８を参照しながら説明するが、前記実施形態と同一の部位には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
図８に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置２は、第１の実施形態の冷凍サイクル装置１の制御部２２に代えて、圧縮機１０の吐出口１０ａにおける冷媒Ｒの温度を検出する吐出温度センサ３５、及び制御部２２Ａを備えている。吐出温度センサ３５は、圧縮機１０の吐出口１０ａに近い主配管１５に設けられている。吐出温度センサ３５は制御部２２Ａに接続され、検出結果を制御部２２Ａに送信する。
制御部２２Ａは、制御部２２に対してメモリに記憶された制御プログラムのみが異なる。

冷凍サイクル装置１では、吸入過熱度に基づいて第二のＰＭＶ１９の開度を調節したが、本実施形態の冷凍サイクル装置２では、制御部２２Ａは、吐出温度センサ３５が検出した温度（吐出温度）に基づいて第二のＰＭＶ１９の開度を調節する。例えば、制御部２２Ａは、吐出温度が閾値を超えた場合には、第二のＰＭＶ１９の開度を大きくして吐出温度を下げる。
吐出温度を閾値とすることで、吐出温度を直接的に低減することができる。吸入過熱度が０Ｋにほぼ等しい場合であっても、吐出温度をさらに低減することができる。

基本的には、圧縮機１０の信頼性を確保するために最低限必要な量の液相の冷媒Ｒを圧縮機１０に戻すように、制御部２２Ａが第二のＰＭＶ１９を制御すればよい。吐出温度が上昇した時に液戻し量を増加することで、吐出温度を低減することができる。吐出温度を閾値とすることで、吸入過熱度が０Ｋにほぼ等しい場合でも液戻し量を制御することができるため、吸入過熱度よりも吐出温度で液戻し量を制御する方がよい。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について図８及び図９を参照しながら説明するが、前記実施形態と同一の部位には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
第２の実施形態の冷凍サイクル装置２では、吐出温度センサ３５が検出した温度（吐出温度）に基づいて第二のＰＭＶ１９の開度を調節するとした。本実施形態の冷凍サイクル装置３では、制御部２２Ｂが、吐出温度センサ３５が検出した温度と高圧飽和温度との差である吐出過熱度（ＤＳＨ：Discharge SuperHeat）を算出する。そして、制御部２２Ｂが吐出過熱度に基づいて第二のＰＭＶ１９の開度を調節する。
制御部２２Ｂは、制御部２２に対してメモリに記憶された制御プログラムのみが異なる。例えば、制御部２２Ｂは、吐出過熱度が閾値を超えた場合には、第二のＰＭＶ１９の開度を大きくして吐出過熱度を下げる。

なお、高圧飽和温度は、高圧圧力センサ２０が検出した圧力、及び、メモリに記憶された冷媒Ｒの飽和温度の表に基づいて算出している。しかし、空気熱交換器である第二の熱交換器１４が凝縮器として機能する冷却運転において、第二の熱交換器１４を構成するチューブの長手方向の中央部の温度を検出し、この検出した温度を高圧飽和温度（凝縮温度）としてもよい。

一般的に、冷凍機油が高温高圧の冷媒Ｒ中に溶け込んでいる高圧のケースを有する圧縮機（例えば、ロータリ方式の圧縮機）では、冷凍機油の希釈等を防止して圧縮機の信頼性を確保するため、冷凍機油の温度と凝縮温度との温度差（圧縮機ΔＴ）をある程度確保する必要がある。高圧のケースを有する圧縮機を用いた場合、吐出温度を低減させるために第二のＰＭＶ１９の開度を大きくした時を例にとって説明する。特に過熱度が０Ｋにほぼ等しい領域で圧縮機の信頼性が確保できているか判断するには、圧縮機内の冷凍機油の温度を検出する油温センサが必要になる。

ここで、図９を用いて、高圧のケースを有する圧縮機における各温度及び圧縮機の運転周波数の変化について説明する。図９の横軸は、経過時間を示す。図９の縦軸は、各温度（℃）、及び圧縮機の運転周波数（ｒｐｓ（revolutions per second））を示す。曲線Ｌ₆は、吐出温度である。曲線Ｌ_７は、圧縮機内の冷凍機油の温度である。曲線Ｌ_８は、圧縮機の運転周波数である。曲線Ｌ_９は、圧縮機のケースの温度である。曲線Ｌ_１０は、凝縮温度である。
吐出温度を表す曲線Ｌ₆と冷凍機油の温度を表す曲線Ｌ_７とが、ほぼ同様に推移することが分かる。すなわち、圧縮機ΔＴは、吐出温度と凝縮温度との温度差である吐出過熱度（ＤＳＨ）とほぼ同様に推移する。

よって、ＤＳＨを検出することで、冷凍機油の温度を検出するセンサを備えることなく圧縮機ΔＴを確保できているか推測できる。ＤＳＨを閾値として圧縮機ΔＴを制御することで、吐出温度の過度な低下を防ぐことができ、圧縮機の信頼性を確保したまま吐出温度を抑制することができる。
高圧のケースを有するロータリ方式の圧縮機において、圧縮機の信頼性は、冷凍機油の温度と凝縮温度との温度差が確保できているか否かに依存する。このため、吐出温度と冷凍機油の温度が近い値となるロータリ方式の圧縮機では、吐出温度よりもＤＳＨに基づいて第二のＰＭＶ１９の開度を調節する方がよい。

また、第１の実施形態のように、制御部２２Ｂが、吐出温度に基づいて第二のＰＭＶ１９の開度を調節してもよい。この場合、ＤＳＨが所定の値以下にならないようＤＳＨの下限値を設け、ＤＳＨが下限値以上になるように制御部２２Ｂが第二のＰＭＶ１９の開度を制御してもよい。
具体的には、吐出温度が所定の値以上となった時に制御部２２Ｂは第二のＰＭＶ１９の開度を大きくして吐出温度を抑制する。吐出温度が所定値を下回らない場合には、第二のＰＭＶ１９の開度をさらに大きくし、ＤＳＨが所定の値以下となるまで第二のＰＭＶ１９の開度を大きくし続ける。この時、ＤＳＨが前記所定の値以下となった場合、その時の第二のＰＭＶ１９の開度を上限開度として設定する。

なお、上限開度を設定した後で、ＤＳＨがさらに低下して圧縮機の信頼性が損なわれると判断した場合は、上限開度を小さくしてもよい。上限開度を設定した後で、ＤＳＨが上昇してさらに第二のＰＭＶ１９の開度を大きくしても問題ないと判断した場合は、上限開度を大きくしてもよい。
第二のＰＭＶ１９をこのように制御することで、直接的に吐出温度を抑制することができ、さらに圧縮機の信頼性を確保することができる。

（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態について図１０を参照しながら説明するが、前記実施形態と同一の部位には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
図１０に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置４は、第２の実施形態の冷凍サイクル装置２において、液戻し配管１８の端部を、アキュムレータ１７と圧縮機１０との間の主配管１５であって、気液熱交換器２９よりも下流側に接続したものである。
このように構成されていることで、気液熱交換器２９の低圧側の入口における冷媒Ｒは、常に乾き度１で供給される。したがって、第二のＰＭＶ１９の開度を調節しても、気液熱交換器２９の低圧側の入口の冷媒Ｒの乾き度は変わらず、気液熱交換器２９での交換熱量がほとんど変化しない。
冷凍サイクル装置４をこのように構成することで、液戻し配管１８の端部を気液熱交換器２９の低圧側の入口に接続する構成よりも安定した制御を行うことができる。

なお、前記第１実施形態から第４実施形態では、膨張部及び液戻し流量調節部として電子制御式膨張弁（ＰＭＶ）を用いているが、膨張部及び液戻し流量調節部はこれに限られない。
冷凍サイクル装置は、気液熱交換器２９を備えなくてもよい。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、液戻し配管１８及び第二のＰＭＶ１９を持ち、制御部が過冷却度に基づいて第一のＰＭＶ１３の開度を調節することで、第二のＰＭＶ１９を小型にすることができ、第二のＰＭＶ１９を制御しても性能の変動が少なくすることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１、２、３…冷凍サイクル装置、１０…圧縮機、１２…第一の熱交換器、１３…第一のＰＭＶ（膨張部）、１４…第二の熱交換器、１５…主配管、１７、１７Ａ、１７Ｂ…アキュムレータ、１８、１８Ａ…液戻し配管、１９…第二のＰＭＶ（液戻し流量調節部）、２０…高圧圧力センサ、２１…凝縮液温度センサ、２２、２２Ａ、２２Ｂ…制御部、２９…気液熱交換器、３０…低圧圧力センサ、３１…吸入温度センサ、３５…吐出温度センサ、Ｒ…冷媒

Claims (9)

1. 圧縮機と、
   第一の熱交換器と、
   開度を調節可能な膨張部と、
   第二の熱交換器と、
   前記圧縮機、前記第一の熱交換器、前記膨張部、及び前記第二の熱交換器を順次接続し、冷媒及び冷凍機油が流通する主配管と、
   前記第二の熱交換器と前記圧縮機との間の前記主配管に設けられ、液相の前記冷媒及び前記冷凍機油の少なくとも一方を下部に収容し、気相の前記冷媒を前記圧縮機に供給するアキュムレータと、
   前記アキュムレータの下部、及び、前記アキュムレータと前記圧縮機との間の前記主配管にそれぞれ接続された液戻し配管と、
   開度を調節可能であって前記液戻し配管に設けられた液戻し流量調節部と、
   前記圧縮機の吐出口における前記冷媒の圧力を検出する高圧圧力センサと、
   前記第一の熱交換器の出口における前記冷媒の温度を検出する凝縮液温度センサと、
   前記膨張部の開度及び前記液戻し流量調節部の開度を調節する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記高圧圧力センサが検出した圧力に対する前記冷媒の飽和温度である高圧飽和温度を算出し、
   前記高圧飽和温度と前記凝縮液温度センサが検出した温度との差である過冷却度を算出し、
   前記過冷却度に基づいて前記膨張部の開度を調節する冷凍サイクル装置。
2. 前記主配管を流れる前記冷媒及び前記冷凍機油の向きを切替える流路切替え部を備え、
   前記流路切替え部は、前記制御部により制御され、
   前記第一の熱交換器の内容積よりも前記第二の熱交換器の内容積の方が大きく、
   前記制御部は、前記流路切替え部を切替えて、前記第一の熱交換器を凝縮器として機能させ、前記第二の熱交換器を蒸発器として機能させたときに、前記過冷却度が一定の値になるように前記膨張部の開度を調節する請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記圧縮機の吸入口における前記冷媒の圧力を検出する低圧圧力センサと、
   前記圧縮機の吸入口における前記冷媒の温度を検出する吸入温度センサと、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記低圧圧力センサが検出した圧力に対する前記冷媒の飽和温度である低圧飽和温度を算出し、
   前記吸入温度センサが検出した温度と前記低圧飽和温度との差である吸入過熱度を算出し、
   前記吸入過熱度に基づいて前記液戻し流量調節部の開度を調節する請求項１又は２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記圧縮機の吐出口における前記冷媒の温度を検出する吐出温度センサを備え、
   前記制御部は、前記吐出温度センサが検出した温度に基づいて前記液戻し流量調節部の開度を調節する請求項１又は２に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記制御部は、前記吐出温度センサが検出した温度と前記高圧飽和温度との差である吐出過熱度を算出し、
   前記吐出過熱度に基づいて前記液戻し流量調節部の開度を調節する請求項４に記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記アキュムレータと前記圧縮機との間の前記主配管と、前記第一の熱交換器と前記膨張部との間の前記主配管とを熱交換する気液熱交換器を備える請求項１から５のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
7. 前記液戻し配管は、前記アキュムレータと前記圧縮機との間の前記主配管であって、前記気液熱交換器よりも上流側に接続されている請求項６に記載の冷凍サイクル装置。
8. 前記液戻し配管は、前記アキュムレータと前記圧縮機との間の前記主配管であって、前記気液熱交換器よりも下流側に接続されている請求項６に記載の冷凍サイクル装置。
9. 前記主配管に受液器を備えない請求項１から８のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。

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