JP2018059665A - 冷媒回路システム及び制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートポンプ等の利用側入口温度に変動がある場合でも効率よく運転できる冷媒回路システムを提供する。【解決手段】冷媒回路システムは、圧縮機１０と、利用側熱交換器１１と、利用側熱交換器１１から流入する冷媒を減圧する第１膨張弁１２と、レシーバ１４と、レシーバ１４から流出する冷媒を減圧する第２膨張弁１５と、熱源側熱交換器１７と、第１膨張弁１２を通過する冷媒の流れをバイパスする第１バイパス回路１３と、第２膨張弁１５を通過する冷媒の流れをバイパスする第２バイパス回路１６と、第１バイパス回路１３の開閉と、第２バイパス回路１６の開閉とを制御する制御装置１００と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、冷媒回路システム、制御方法に関する。

ヒートポンプを用いた給湯器には、温度の低い給水を目標温度まで昇温した温水を供給する一過式システムと、循環させた給水を目標温度まで昇温して供給する循環式システムが存在する。一過式システムでは、外気温などに応じて変動する任意の温度の給水（例えば５℃）を設定温度（例えば８０℃）まで昇温する。一方、循環式システムでは一定温度の温水（例えば７５℃）を設定温度（例えば８０℃）まで昇温する。一過式システムと循環式システムの両方に対応する給湯器が備える次のような冷媒回路を考える。すなわち、この冷媒回路は、給水を昇温させる凝縮器、レシーバ、蒸発器、圧縮機等に加え、レシーバを挟んで凝縮器の下流側と蒸発器の上流側にそれぞれ膨張弁を備えている。この冷媒回路では、凝縮器の利用側入口温度に変化（例えば、５℃と７５℃）があるので、凝縮器には、利用側入口温度の変化に対応可能な容量の熱交換器を用いる必要がある。

なお、特許文献１には、負荷に応じて二段圧縮運転と単段圧縮運転とが切り替え可能な冷凍サイクル装置について記載がある。

特開２００７−１０２８２号公報

ところで、利用側入口温度が低い場合（例えば５℃）、凝縮器下流側の膨張弁の前後における圧力差は大きくなる。この場合、圧力差が大きいので小口径の膨張弁で冷媒の流量を確保することができる。一方、利用側入口温度が高い場合（例えば７５℃）、凝縮器下流側の膨張弁の前後における圧力差は小さくなる。従って、必要な冷媒の流量を確保するためには大口径の膨張弁が必要となる。このような圧力差の大小に対応するためには、凝縮器の下流側の膨張弁に、例えば、大口径の流量制御弁を用いることが考えられるが、圧力差が大きい場合、低開度での流量調整が必要になる。しかし、大口径の流量制御弁での低開度域での制御は、１パルスあたりの変化量が大きく安定した制御は困難であるという問題がある。また、大口径の流量制御弁を用いるとコスト高になるという問題もある。

そこでこの発明は、上述の課題を解決することのできる冷媒回路システム及び制御方法を提供することを目的としている。

本発明の第１の態様は、冷媒を圧縮する一つ又は複数の圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された前記冷媒を凝縮させる利用側熱交換器と、前記利用側熱交換器から流入する前記冷媒を減圧する第１膨張弁と、前記第１膨張弁で減圧された前記冷媒の一部を貯留するレシーバと、前記レシーバから流出する前記冷媒を減圧する第２膨張弁と、前記第２膨張弁にて減圧された前記冷媒を蒸発させる熱源側熱交換器と、前記第１膨張弁を通過する前記冷媒の流れをバイパスする第１バイパス回路と、前記第１バイパス回路の開閉を制御する制御装置と、を備える冷媒回路システムである。

本発明の第２の態様は、冷媒を圧縮する一つ又は複数の圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された前記冷媒を凝縮させる利用側熱交換器と、前記利用側熱交換器から流入する前記冷媒を減圧する第１膨張弁と、前記第１膨張弁で減圧された前記冷媒の一部を貯留するレシーバと、前記レシーバから流出する前記冷媒を減圧する第２膨張弁と、前記第２膨張弁にて減圧された前記冷媒を蒸発させる熱源側熱交換器と、前記第２膨張弁を通過する前記冷媒の流れをバイパスする第２バイパス回路と、前記第２バイパス回路の開閉を制御する制御装置と、を備える冷媒回路システムである。

本発明の第３の態様は、冷媒を圧縮する一つ又は複数の圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された前記冷媒を凝縮させる利用側熱交換器と、前記利用側熱交換器から流入する前記冷媒を減圧する第１膨張弁と、前記第１膨張弁で減圧された前記冷媒の一部を貯留するレシーバと、前記レシーバから流出する前記冷媒を減圧する第２膨張弁と、前記第２膨張弁にて減圧された前記冷媒を蒸発させる熱源側熱交換器と、前記第１膨張弁を通過する前記冷媒の流れをバイパスする第１バイパス回路と、前記第２膨張弁を通過する前記冷媒の流れをバイパスする第２バイパス回路と、前記第１バイパス回路の開閉と、前記第２バイパス回路の開閉とを制御する制御装置と、を備える冷媒回路システムである。

本発明の第４の態様における前記制御装置は、前記利用側熱交換器の出口側の温度または前記利用側熱交換器の出口側の過冷却度と、前記第１膨張弁の開度と、に基づいて前記第１バイパス回路の開閉を制御する。

本発明の第５の態様における前記制御装置は、前記熱源側熱交換器の出口側の過熱度または前記圧縮機の吸入側の過熱度と、前記第２膨張弁の開度と、に基づいて前記第２バイパス回路の開閉を制御する。

本発明の第６の態様は、上記の何れか１つに記載の冷媒回路システムにおいて、高段側圧縮機と低段側圧縮機が設けられている場合に、前記レシーバから流出する前記冷媒を前記高段側圧縮機に供給するインジェクション回路と、前記インジェクション回路の途中に設けられる第３膨張弁と、前記インジェクション回路を通過する前記冷媒の流れをバイパスする第３バイパス回路と、をさらに備え、前記制御装置は、さらに前記第３バイパス回路の開閉を制御する冷媒回路システムである。

本発明の第７の態様は、冷媒を圧縮する一つ又は複数の圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された前記冷媒を凝縮させる利用側熱交換器と、前記利用側熱交換器から流入する前記冷媒を減圧する第１膨張弁と、前記第１膨張弁で減圧された前記冷媒の一部を貯留するレシーバと、前記レシーバから流出する前記冷媒を減圧する第２膨張弁と、前記第２膨張弁にて減圧された前記冷媒を蒸発させる熱源側熱交換器と、前記第１膨張弁を通過する前記冷媒の流れをバイパスする第１バイパス回路と、を備える冷媒回路システムにおいて、前記利用側熱交換器の出口側温度または前記利用側熱交換器の出口側の過冷却度と、前記第１膨張弁の開度と、に基づいて前記第１バイパス回路の開閉を制御する制御方法である。

本発明の第８の態様は、冷媒を圧縮する一つ又は複数の圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された前記冷媒を凝縮させる利用側熱交換器と、前記利用側熱交換器から流入する前記冷媒を減圧する第１膨張弁と、前記第１膨張弁で減圧された前記冷媒の一部を貯留するレシーバと、前記レシーバから流出する前記冷媒を減圧する第２膨張弁と、前記第２膨張弁にて減圧された前記冷媒を蒸発させる熱源側熱交換器と、前記第２膨張弁を通過する前記冷媒の流れをバイパスする第２バイパス回路と、を備える冷媒回路システムにおいて、前記熱源側熱交換器の出口側の過熱度または前記圧縮機の吸入側の過熱度と、前記第２膨張弁の開度と、に基づいて前記第２バイパス回路の開閉を制御する制御方法である。

本発明によれば、利用側入口温度が変化する場合でも、膨張弁に所定の口径の流量制御弁を利用して効率的な運転が可能になる。

本発明の第一実施形態における冷媒回路システムの一例を示す第一の図である。 本発明の第一実施形態における冷媒回路システムのＰ−ｈ線図である。 本発明の第一実施形態における制御装置のフローチャートである。 本発明の第一実施形態における冷媒回路システムの一例を示す第二の図である。 本発明の第一実施形態における冷媒回路システムの一例を示す第三の図である。 本発明の第二実施形態における冷媒回路システムの一例を示す図である。 本発明の第二実施形態における冷媒回路システムのＰ−ｈ線図である。

＜第一実施形態＞
以下、本発明の第一実施形態による冷媒回路システムを図１〜図５を参照して説明する。
図１は、本発明の第一実施形態における冷媒回路システムの一例を示す第一の図である。
冷媒回路システム１は、給湯器に用いられる冷媒回路である。冷媒回路システム１は、外部から供給された給水を所定の温度（例えば８０℃）に上昇させ、この温水をユーザに供給する。本実施形態では、外部からの給水温度が変化（例えば５℃と７５℃）する場合に効率よく温水を供給できる冷媒回路システム１を提供する。
図１が示すとおり冷媒回路システム１は、圧縮機１０、利用側熱交換器（凝縮器）１１、第１膨張弁１２、第１バイパス回路１３、レシーバ１４、第２膨張弁１５、第２バイパス回路１６、熱源側熱交換器（蒸発器）１７、アキュムレータ１８、それらを接続する配管１９、制御装置１００を含んで構成される。第１バイパス回路１３には、第１二方弁１３Ａ、第１キャピラリチューブ１３Ｂが設けられている。第２バイパス回路１６には、第２二方弁１６Ａ、第２キャピラリチューブ１６Ｂが設けられている。
なお、図１に示す冷媒回路システム１の具体的な構成は、冷媒回路システム１の基本的な構成を模式的に示したものであって、さらに他の構成要素が含まれていてもよい。

圧縮機１０は、冷媒を圧縮して高圧冷媒を吐出する。この高圧冷媒は、利用側熱交換器１１へ供給される。利用側熱交換器１１は、凝縮器として機能する。利用側熱交換器１１に供給された高圧冷媒は、ユーザが利用する給水と熱交換して放熱し、凝縮されて液化される。一方、利用側熱交換器１１へと供給された給水は、高圧冷媒から吸熱し、所定の設定温度（利用側出口温度）に昇温され、ユーザに提供される。なお、図中、点線矢印は、給水の流れ方向を示し、実線矢印は、冷媒の流れ方向を示している。
熱交換後の高圧冷媒は、第１膨張弁１２で減圧、膨張されレシーバ１４へ供給される。レシーバ１４は、供給された冷媒の一部を一時的に貯留する圧力容器である。レシーバ１４では、気体と液体の２相の冷媒が混在して存在する。レシーバ１４から流出する冷媒は、第２膨張弁１５においてさらに減圧、膨張され低圧冷媒となる。低圧冷媒は、熱源側熱交換器１７に供給される。熱源側熱交換器１７は、蒸発器として機能する。熱源側熱交換器１７に供給された低圧冷媒は、外気等の熱源から吸熱して低圧冷媒の温度を上昇、蒸発させる。低圧冷媒はアキュムレータ１８へ供給される。低圧冷媒は、アキュムレータ１８で気体と液体に分離され、気体の冷媒のみが圧縮機１０へ吸入される。冷媒は、再び圧縮機１０によって高圧冷媒とされ、上記の経路を巡回する。

ここで、第１膨張弁１２および第２膨張弁１５は流量制御弁であって、制御装置１００によって、それぞれの開度が調整される。例えば、第１膨張弁１２の開度は、利用側熱交換器１１の出口側温度が、利用側入口温度より所定温度（例えば２℃）だけ高くなることを目標に制御される。利用側入口温度とは、利用側熱交換器１１に流入する給水の温度である。この給水の温度は、本実施形態の場合、例えば、５℃または７５℃である（一過式システムの場合は５℃、循環式システムの場合は７５℃）。例えば、利用側入口温度が７５℃の場合に利用側熱交換器１１の出口側温度が目標温度を上回っていれば（目標温度は例えば７７℃）となっていれば、制御装置１００は、第１膨張弁１２の開度を増加させ、出口側温度が目標温度となるよう制御を行う。ここで、第１バイパス回路１３は、第１膨張弁１２を通過する冷媒の流れをバイパスする回路である。第１膨張弁１２の前後の圧力差が小さい場合、冷媒回路を流れる冷媒の量が少なくなるおそれがあるため、制御装置１００は、第１バイパス回路１３を開き、冷媒の流量を確保する。具体的には、制御装置１００は、第１二方弁１３Ａを開く制御を行う。第１二方弁１３Ａが開状態に制御されると、利用側熱交換器１１から流出した冷媒は、第１膨張弁１２と第１バイパス回路１３を通過してレシーバ１４へ供給される。なお、第１キャピラリチューブ１３Ｂは、例えば、第１膨張弁１２が全開、第１二方弁１３Ａが開状態に制御されている場合、第１バイパス回路１３側にだけ冷媒が流入しないよう抵抗を調整するために設けられている。

また、例えば、第２膨張弁１５の開度は、熱源側熱交換器１７の出口側温度が、所定の過熱度（例えば３Ｋ）となることを目標に制御される。例えば、制御装置１００は、熱源側熱交換器１７の出口側過熱度が１０Ｋとなっていれば、第２膨張弁１５の開度を増加させる制御を行う。ここで、第２バイパス回路１６は、第２膨張弁１５を通過する冷媒の流れをバイパスする回路である。第２膨張弁１５の前後の圧力差が小さい場合、冷媒回路を流れる冷媒の量が少なくなるおそれがあるため、制御装置１００は、第２バイパス回路１６を開き、冷媒回路を流れる冷媒の流量を確保する。具体的には、制御装置１００は、第２二方弁１６Ａを開状態とする制御を行う。この場合、レシーバ１４から流出した冷媒は、第２膨張弁１５と第２バイパス回路１６の両方を通過して熱源側熱交換器１７へ供給される。なお、第２キャピラリチューブ１６Ｂは、例えば、第２膨張弁１５が全開、第２二方弁１６Ａが開に制御されている場合、第２バイパス回路１６側にだけ冷媒が流入しないよう抵抗の調整をするために設けられている。

なお、利用側熱交換器１１の出口側には温度センサ３１、熱源側熱交換器１７の出口側には温度センサ３２と圧力センサ３３が設けられている。制御装置１００は、温度センサ３１が計測した利用側熱交換器１１の出口側温度と、温度センサ３２が計測した熱源側熱交換器１７の出口側温度、圧力センサ３３が計測した熱源側熱交換器１７の出口側圧力を取得する。また、制御装置１００は、第１膨張弁１２、第２膨張弁１５の弁開度を制御する。また、制御装置１００は、第１膨張弁１２の弁開度と温度センサ３１が計測した温度とに基づいて第１二方弁１３Ａの開閉を制御する。また、制御装置１００は、第２膨張弁１５の弁開度と温度センサ３２が計測した温度と圧力センサ３３が計測した圧力とに基づいて第２二方弁１６Ａの開閉を制御する。なお、制御装置１００は、マイコン等のコンピュータ装置である。

利用側出口温度と利用側入口温度が共に一定であれば、その運転に合わせた容量の第１膨張弁１２、第２膨張弁１５を設計することができる。しかし、本実施形態のように利用側出口温度が一定（例えば８０℃）で利用側入口温度が変化（５℃と７５℃）する場合、第１膨張弁１２および第２膨張弁１５が制御対象とする圧力の範囲（制御域）にも変化が生じる。次に図２を用いて第１膨張弁１２および第２膨張弁１５が制御対象とする圧力の範囲の変動について説明する。

図２は、本発明の第一実施形態における冷媒回路システムのＰ−ｈ線図である。
図２は、本実施形態に係る冷媒回路システム１の冷凍サイクルを表した圧力とエンタルピの関係線図である。図２において各記号はそれぞれ次の状態を示す。すなわち、Ａ１は圧縮機１０が吐出した高温高圧の冷媒の状態、Ａ２は利用側入口温度が高温（例えば７５℃）のときの利用側熱交換器１１出口側での冷媒の状態、Ａ３は利用側入口温度が高温のときの第１膨張弁１２の出口側での冷媒の状態、Ａ４は利用側入口温度が高温のときの第２膨張弁１５の出口側での冷媒の状態、Ａ５は利用側入口温度が低温（例えば５℃）のときの利用側熱交換器１１の出口側での冷媒の状態、Ａ６は利用側入口温度が低温のときの第１膨張弁１２の出口側での冷媒の状態、Ａ７は利用側入口温度が低温のときの第２膨張弁１５の出口側での冷媒の状態、Ａ８は熱源側熱交換器１７の出口側での冷媒の状態、をそれぞれ示している。
利用側入口温度の変化に対応する第１膨張弁１２および第２膨張弁１５の制御域の変化はそれぞれ以下のようになる。

（利用側入口温度が高温の場合）
圧縮機１０から吐出される高温高圧の冷媒（状態Ａ１）は、利用側熱交換器１１にて給水にわずかに放熱して凝縮液化し、高圧の液冷媒（状態Ａ２）となる。そして第１膨張弁１２を通過し、わずかに減圧（ＰＨ２）した冷媒（状態Ａ３）はレシーバ１４を通って、第２膨張弁１５に至る。そして、冷媒は、第２膨張弁１５によって、さらに減圧（ＰＬ２）され（状態Ａ４）、熱源側熱交換器１７へと流入し、外気より吸熱して蒸発し、低圧ガス冷媒（状態Ａ８）となる。低圧ガス冷媒は、アキュムレータ１８に流入し、気体の冷媒だけが圧縮機１０に吸入され、再度同じサイクルを繰り返す。
この冷凍サイクルの中で、第１膨張弁１２の前後における圧力の差は、低差圧（ＰＨ２）である。一方、第２膨張弁１５の前後における圧力の差は、高差圧（ＰＬ２）である。つまり、第２膨張弁１５による制御域は高差圧、第１膨張弁１２による制御域は低差圧となる。

（利用側入口温度が低温の場合）
圧縮機１０から吐出される高温高圧の冷媒（状態Ａ１）は、利用側熱交換器１１にて給水に大量の放熱を行って凝縮液化し、高圧の液冷媒（状態Ａ５）となる。そして第１膨張弁１２を通過することによって、大きく減圧（ＰＨ１）した冷媒（状態Ａ６）はレシーバ１４を通って、第２膨張弁１５に至る。そして、冷媒は、第２膨張弁１５によって、わずかに減圧（ＰＬ１）され（状態Ａ７）、熱源側熱交換器１７へと流入する。次に冷媒は、熱源側熱交換器１７によって蒸発し、低圧ガス冷媒（状態Ａ８）となる。低圧ガス冷媒は、アキュムレータ１８に流入し、気体の冷媒だけが圧縮機１０に吸入され、再度同じサイクルを繰り返す。
この冷凍サイクルの中で、第１膨張弁１２の前後における圧力の差は、高差圧（ＰＨ１）である。一方、第２膨張弁１５の前後における圧力の差は、低差圧（ＰＬ１）である。つまり、第１膨張弁１２による制御域は高差圧、第２膨張弁１５による制御域は低差圧となる。

このように、第１膨張弁１２が制御しなければならない圧力差は、利用側入口温度が高温の場合（ＰＨ２）と利用側入口温度が低温の場合（ＰＨ１）とで大きく異なる。同様に、第２膨張弁１５が制御しなければならない圧力差は、利用側入口温度が高温の場合（ＰＬ２）と利用側入口温度が低温の場合（ＰＬ１）とで大きく異なる。
利用側入口温度が低温（制御域が高差圧）の場合の運転に合わせるならば、第１膨張弁１２に小口径の流量制御弁を用いても冷媒の流量を確保することができる。しかし、利用側入口温度が高温（制御域が低差圧）の場合の運転を考えると、第１膨張弁１２に比較的大口径の流量制御弁を用いなければ冷媒の流量を確保することができない。

同様に第２膨張弁１５について考えると、利用側入口温度が高温（制御域が高差圧）の場合の運転に合わせるならば、第２膨張弁１５に小口径の流量制御弁を用いても冷媒の流量を確保することができる。しかし、利用側入口温度が低温（制御域が低差圧）の場合、第２膨張弁１５に比較的大口径の流量制御弁を用いなければ冷媒の流量を確保することができない。冷媒の流量が確保できない場合、蒸発器による冷媒の過熱度が上昇しＣＯＰ（Coefficient Of Performance）が低下するなどの問題が生じる。

冷媒の流量を確保するためには、第１膨張弁１２、第２膨張弁１５ともに大口径の流量制御弁を用いれば解決できるようにも思えるが、大口径の流量制御弁の場合、低開度での１パルスあたりの流量変化が大きく、細かい制御が難しいという問題がある。また、大口径の流量制御弁を利用する場合、コスト高となるという問題もある。そこで、本実施形態では、通常差圧の場合を想定して第１膨張弁１２、第２膨張弁１５に用いる流量制御弁の口径を選定し、第１膨張弁１２、第２膨張弁１５と並列に、開閉可能な絞り機能を有するバイパス回路（第１バイパス回路１３、第２バイパス回路１６）を設ける。そして、運転条件によって流量制御弁の前後が低差圧となる場合、バイパス回路を開とし、流量制御弁とバイパス回路の両方に冷媒を流すことで冷媒の流量を確保する。つまり、流量制御弁側を流れる冷媒の流量を低減し、残りをバイパス回路側に流すことで必要な冷媒流量を賄う。一方、流量制御弁の前後が高差圧となる場合、バイパス回路を閉とし、流量制御弁のみを流れる回路とし、流量制御弁によって細やかな流量の制御を行う。

具体的には、図２で例示した冷媒の状態遷移において、利用側入口温度が高温の場面で制御装置１００は、冷媒の流量が足りないかどうかを判定し、足りない場合、第１バイパス回路１３（第１二方弁１３Ａ）を開とする制御を行う。また、利用側入口温度が低温の場面で制御装置１００は、冷媒の流量が足りなければ、第２バイパス回路１６（第２二方弁１６Ａ）を開とする制御を行う。
次に制御装置１００による第１バイパス回路１３および第２バイパス回路１６の開閉制御について図１の構成を例に詳しく説明する。

図３は、本発明の第一実施形態における制御装置のフローチャートである。
前提として、制御装置１００は、所定の時間間隔で温度センサ３１、温度センサ３２が計測した温度の情報を取得し、取得した温度の情報を内蔵する記憶部（図示せず）に記録する。また、制御装置１００は、所定の時間間隔で圧力センサ３３が計測した圧力の情報を取得し、取得した圧力の情報を記憶部に記録する。また、制御装置１００は、圧縮機１０の回転数（周波数）、第１膨張弁１２、第２膨張弁１５の弁開度を制御しており、運転中のこれらの各値は、記憶部に記録されている。以下、第１膨張弁１２の弁開度、温度センサ３１が計測した利用側熱交換器１１の出口側温度に基づいて、第１膨張弁１２の開閉を制御する場合を例に説明を行う。

まず、制御装置１００は、記憶部から第１膨張弁１２の弁開度を読み出す。次に制御装置１００は読み出した弁開度が所定の範囲内かどうかを判定する（ステップＳ１１）。所定の範囲とは、例えば２０％〜８０％である。弁開度が所定の範囲内の場合（ステップＳ１１；Ｙｅｓ）、制御装置１００は、通常の運転を継続する（ステップＳ１７）。通常運転を継続する場合、制御装置１００は、利用側熱交換器１１の出口側温度が、利用側入口温度より所定温度（例えば２℃）だけ高い温度となるように弁開度の調整を継続する。なお、この第１膨張弁１２の弁開度の制御について、利用側熱交換器１１の出口側に圧力センサを設け、制御装置１００は、この圧力センサの計測結果が示す圧力下での飽和温度を求め、この飽和温度から温度センサ３１の計測した温度を減算した値である過冷却度が所定の目標値となるように弁開度を制御してもよい。

また、弁開度が所定の範囲外の場合（ステップＳ１１；Ｎｏ）、制御装置１００は、第１膨張弁１２の弁開度が下限未満かどうかを判定する（ステップＳ１２）。弁開度の下限とは、例えば２０％である。弁開度が下限未満の場合（ステップＳ１２；Ｙｅｓ）、制御装置１００は、制御値（利用側熱交換器１１の出口側温度または出口側過冷却度）が目標値を達成しているかどうかを判定する（ステップＳ１３）。目標値を達成している場合（ステップＳ１３；Ｙｅｓ）、制御装置１００は、通常の運転を継続する（ステップＳ１７）。目標値を達成していない場合（ステップＳ１３；Ｎｏ）、冷媒流量が過大となり目標値の達成ができないと考えられることから、制御装置１００は、第１バイパス回路１３を閉に制御する（ステップＳ１４）。具体的には、制御装置１００は、第１二方弁１３Ａを閉とする。制御装置１００は、第１バイパス回路１３を閉に制御したうえで、通常の運転を継続する（ステップＳ１７）。

一方、第１膨張弁１２の弁開度が下限未満ではない場合（ステップＳ１２；Ｎｏ）、つまり、第１膨張弁１２の弁開度が上限（８０％）を上回っている場合、制御装置１００は、制御値（利用側熱交換器１１の出口側温度または出口側過冷却度）が目標値を達成しているかどうかを判定する（ステップＳ１５）。目標値を達成している場合（ステップＳ１５；Ｙｅｓ）、制御装置１００は、通常の運転を継続する（ステップＳ１７）。目標値を達成していない場合（ステップＳ１５；Ｎｏ）、第１膨張弁１２の弁開度が十分であるにもかかわらず冷媒流量の不足により目標値の達成ができないと考えられることから、制御装置１００は、第１バイパス回路１３を開に制御する（ステップＳ１６）。具体的には、制御装置１００は、第１二方弁１３Ａを開とする。制御装置１００は、第１バイパス回路１３を開としたうえで、通常の運転を継続する（ステップＳ１７）。

次に、制御装置１００が運転を継続するかどうかを判定する（ステップＳ１８）。例えば、運転を停止する指令が入力されれば制御装置１００、運転を停止すると判定する。また、運転指令が入力されれば制御装置１００は、運転を継続すると判定する。運転を継続すると判定した場合（ステップＳ１８；Ｙｅｓ）、ステップＳ１１からの処理を繰り返す。運転を停止すると判定した場合（ステップＳ１８；Ｎｏ）、処理フローを終了する。

次に第２二方弁１６Ａの開閉制御の説明を行う。まず、ステップＳ１３、ステップＳ１５の判定において、制御装置１００は、熱源側熱交換器１７の出口側過熱度または圧縮機１０の吸入側過熱度とそれらの目標値とを比較して、目標値の達成か未達かの判定を行う。例えば、熱源側熱交換器１７の出口側過熱度であれば、制御装置１００は、圧力センサ３３が計測した圧力での飽和温度を求め、温度センサ３２が計測した温度から飽和温度を減算して過熱度を算出する。なお、制御装置１００の記憶部には、圧力と飽和温度の変換テーブルが記録されており、制御装置１００は、圧力センサ３３が計測した圧力とこの変換テーブルとから飽和温度を算出する。
また、ステップＳ１４、ステップＳ１６のバイパス回路の制御については、制御装置１００は、第２二方弁１６Ａを開にすることによって第２バイパス回路１６を開にする。また、制御装置１００は、第２二方弁１６Ａを閉にすることによって第２バイパス回路１６を閉にする。また、ステップＳ１７の運転では、制御装置１００は、熱源側熱交換器１７の出口側過熱度または圧縮機１０の吸入側過熱度が、それらの目標値となるように第２膨張弁１５の開度を制御する。

本実施形態によれば、第１膨張弁１２、第２膨張弁１５における圧力差が低差圧となる場合でも、冷媒の流量を確保し、冷媒回路システム１のＣＯＰ低下や、大口径の流量制御弁を用いることによるコストアップなどを防ぐことができる。例えば、利用側入口温度が低温（例えば５℃）の場合、第２バイパス回路を開くことで、低ＣＯＰの要因となる熱源側熱交換器（蒸発器）１７の出口側過熱度の過度な上昇を防ぐことができる。

＜他の実施例１＞
図４は、本発明の第一実施形態における冷媒回路システムの一例を示す第二の図である。
図４に例示するように、図１の冷媒回路システム１において第２バイパス回路１６を設けず、第１バイパス回路１３のみを設ける構成としてもよい。例えば、利用側入口温度が比較的高温で、第２膨張弁１５側の圧力差が高差圧の状態を維持して運転を行うことができる場合、給湯器には、図４で例示した冷媒回路システム１Ａを用いることができる。
冷媒回路システム１Ａの場合、制御装置１００は、図３で説明したフローチャートの制御方法によって、第１二方弁１３Ａの開閉制御のみを行う。第１二方弁１３Ａを開にする（第１バイパス回路１３を開にする）制御を行うことで、第１膨張弁１２側が低差圧となった場合でも、冷媒の流量を確保し、冷媒回路システム１Ａを効率よく運転することができる。

＜他の実施例２＞
図５は、本発明の第一実施形態における冷媒回路システムの一例を示す第三の図である。
図５に例示するように、図１の冷媒回路システム１において第１バイパス回路１３を設けず、第２バイパス回路１６のみを設ける構成としてもよい。例えば、利用側入口温度が比較的低温で、第１膨張弁１２側の圧力差が高差圧の状態を維持して運転を行うことができる場合、給湯器には、図５で例示した冷媒回路システム１Ｂを用いることができる。
冷媒回路システム１Ｂの場合、制御装置１００は、図３で説明したフローチャートの制御方法によって、第２二方弁１６Ａの開閉制御のみを行う。第２二方弁１６Ａを開とする（第２バイパス回路１６を開とする）制御を行うことで、第２膨張弁１５側が低差圧となった場合でも、冷媒の流量を確保し、冷媒回路システム１Ｂを効率よく運転することができる。

＜第二実施形態＞
以下、本発明の第二実施形態による冷媒回路システムを図６〜図７を参照して説明する。
図６は、本発明の第二実施形態における冷媒回路システムの一例を示す図である。
図６が示すとおり冷媒回路システム１Ｃは、高段側圧縮機１０Ａ、低段側圧縮機１０Ｂ、利用側熱交換器（凝縮器）１１、第１膨張弁１２、第１バイパス回路１３、レシーバ１４、第２膨張弁１５、第２バイパス回路１６、熱源側熱交換器（蒸発器）１７、アキュムレータ１８、それらを接続する配管１９、中間熱交換器２０、第３膨張弁２１、第３バイパス回路２２、インジェクション回路２３、制御装置１００を含んで構成される。第１バイパス回路１３には、第１二方弁１３Ａ、第１キャピラリチューブ１３Ｂが設けられている。第２バイパス回路１６には、第２二方弁１６Ａ、第２キャピラリチューブ１６Ｂが設けられている。第３バイパス回路２２には、第３二方弁２２Ａ、第３キャピラリチューブ２２Ｂが設けられている。また、第３膨張弁２１はインジェクション回路２３の途中に設けられている。以下、第一実施形態と異なる構成について説明を行い、第一実施形態と同様の構成については説明を省略する。

低段側圧縮機１０Ｂと高段側圧縮機１０Ａとは直列に接続されている。低段側圧縮機１０Ｂの吸入側は、アキュムレータ１８に接続されている。また、低段側圧縮機１０Ｂの吐出側は、高段側圧縮機１０Ａの吸入側に接続される。低段側圧縮機１０Ｂは、低圧冷媒を吸入し、圧縮を行い中間圧力冷媒を高段側圧縮機１０Ａ側へ吐出する。また、レシーバ１４の下流側では、第２膨張弁１５、熱源側熱交換器１７へ接続される主流回路から冷媒の一部を分岐し、その分岐流を高段側圧縮機１０Ａの吸入側へ供給するインジェクション回路２３が設けられている。また、インジェクション回路２３には、インジェクション回路２３を流れ、第３膨張弁２１にて減圧された冷媒と、主流回路を流れる冷媒との熱交換を行う中間熱交換器２０が設けられている。分岐した冷媒は第３膨張弁２１により減圧された後、中間熱交換器２０の高段側圧縮機側出口を出て、高段側圧縮機１０Ａへ戻され再圧縮される。このインジェクション回路２３によって、公知のように冷凍サイクルのＣＯＰを向上させることができる。一方、主流回路を流れる冷媒は、中間熱交換器２０で中間圧力の冷媒と熱交換されて過冷却された後、第２膨張弁１５により減圧、膨張され、熱源側熱交換器１７に流入する。ここで、第３バイパス回路２２は、第３膨張弁２１を通過する冷媒の流れをバイパスする回路である。本実施形態の第３バイパス回路２２は、第３膨張弁２１の前後における差圧が低差圧であってインジェクション回路２３を経由して高段側圧縮機１０Ａへ戻される冷媒の流量を確保できない場合に開状態となるよう制御される。他の構成については、第一実施形態と同様である。

図７は、本発明の第二実施形態における冷媒回路システムのＰ−ｈ線図である。
図７は、本実施形態に係る冷媒回路システム１Ｃの冷凍サイクルを表した圧力とエンタルピの関係線図である。図７において各記号はそれぞれ次の状態を示す。すなわち、Ａ１は高段側圧縮機１０Ａが吐出した冷媒の状態、Ａ２は利用側入口温度が高温（例えば７５℃）のときの利用側熱交換器１１の出口側での冷媒の状態、Ａ３は利用側入口温度が高温のときの第１膨張弁１２の出口側での冷媒の状態、Ａ４は利用側入口温度が高温のときの第２膨張弁１５の入口側での冷媒の状態、Ａ５は利用側入口温度が高温のときの第２膨張弁１５の出口側での冷媒の状態、Ａ６は熱源側熱交換器１７の出口側での冷媒の状態、Ａ７は低段側圧縮機１０Ｂが吐出した冷媒の状態、Ａ８は利用側入口温度が高温のときの第３膨張弁２１の出口側での冷媒の状態、Ａ９は高段側圧縮機１０Ａの吸入側での冷媒の状態、をそれぞれ示している。

また、Ｂ２は利用側入口温度が低温（例えば５℃）のときの利用側熱交換器１１の出口側での冷媒の状態、Ｂ３は利用側入口温度が低温のときの第１膨張弁１２の出口側での冷媒の状態、Ｂ４は利用側入口温度が低温のときの第２膨張弁１５の入口側での冷媒の状態、Ｂ５は利用側入口温度が低温のときの第２膨張弁１５の出口側での冷媒の状態、Ｂ８は利用側入口温度が低温のときの第３膨張弁２１出口側での冷媒の状態、をそれぞれ示している。
利用側入口温度の変化に対応する第１膨張弁１２、第２膨張弁１５、第３膨張弁２１の制御域の変化はそれぞれ以下のようになる。

（利用側入口温度が高温の場合）
高段側圧縮機１０Ａから吐出される高温高圧の冷媒（状態Ａ１）は、利用側熱交換器１１にて放熱して凝縮液化し、高圧の液冷媒（状態Ａ２）となる。そして第１膨張弁１２を通過し、わずかに減圧（ＰＨ４）された主流回路を流れる冷媒（状態Ａ３）は、中間熱交換器２０で冷却され（状態Ａ４）、第２膨張弁１５に至る。そして、冷媒は、第２膨張弁１５によって、さらに減圧（ＰＬ４）され（状態Ａ５）、熱源側熱交換器１７へと流入し、外気より吸熱して蒸発し、低圧ガス冷媒（状態Ａ６）となる。低圧ガス冷媒は、低段側圧縮機１０Ｂにより中間圧力まで昇圧され（状態Ａ７）、高段側圧縮機１０Ａの吸入側に供給される。一方、インジェクション回路２３に分岐した冷媒は、第３膨張弁２１によって中間圧力まで減圧（ＰＭ４）され（状態Ａ８）、中間熱交換器２０を介して吸熱し、高段側圧縮機１０Ａの吸入側に供給される。ここで、インジェクション回路２３を介して供給された冷媒と低段側圧縮機１０Ｂにより圧縮された冷媒とが混合することにより、温度が低下（状態Ａ９）した中間圧力の冷媒は、高段側圧縮機１０Ａに供給される。高段側圧縮機１０Ａは、中間圧力の冷媒を圧縮し高温高圧の冷媒（状態Ａ１）を吐出する。以降は、同じサイクルを繰り返す。
図７の例の場合、第１膨張弁１２の前後における圧力の差は、低差圧（ＰＨ４）である。第２膨張弁１５の前後における圧力の差は、高差圧（ＰＬ４）である。また、第３膨張弁２１の前後における圧力の差は、高差圧（ＰＭ４）である。

（利用側入口温度が低温の場合）
高段側圧縮機１０Ａから吐出される高温高圧の冷媒（状態Ａ１）は、利用側熱交換器１１にて大量の放熱を行って凝縮液化し、高圧の液冷媒（状態Ｂ２）となる。そして第１膨張弁１２によって大きく減圧（ＰＨ３）された主流回路を流れる冷媒（状態Ｂ３）は、中間熱交換器２０で冷却され（状態Ｂ４）、第２膨張弁１５に至る。そして、冷媒は、第２膨張弁１５によって減圧（ＰＬ３）され（状態Ｂ５）、熱源側熱交換器１７へと流入し、外気より吸熱して蒸発し、低圧ガス冷媒（状態Ａ６）となる。低圧ガス冷媒は、低段側圧縮機１０Ｂにより中間圧力まで圧縮され（状態Ａ７）、高段側圧縮機１０Ａの吸入側に供給される。一方、インジェクション回路２３に分岐した冷媒は、第３膨張弁２１によって中間圧力まで減圧（ＰＭ３）され（状態Ｂ８）、中間熱交換器２０を介して吸熱し、高段側圧縮機１０Ａの吸入側に供給される。ここで、インジェクション回路２３を介して供給された冷媒と低段側圧縮機１０Ｂにより圧縮された冷媒とが混合することにより、温度が低下（状態Ａ９）した中間圧力の冷媒は、高段側圧縮機１０Ａに供給される。高段側圧縮機１０Ａは、中間圧力の冷媒を圧縮し高温高圧の冷媒（状態Ａ１）を吐出する。以降は、同じサイクルを繰り返す。
図７の例の場合、第１膨張弁１２の前後における圧力の差は、高差圧（ＰＨ３）である。一方、第２膨張弁１５の前後における圧力の差は、低差圧（ＰＬ３）である。また、第３膨張弁２１の前後における圧力の差は、低差圧（ＰＭ３）である。

第一実施形態と同様に、各膨張弁（第１膨張弁１２、第２膨張弁１５、第３膨張弁２１）の前後における圧力差が低差圧となる運転状況では、必要な流量の冷媒を通過させることができない可能性がある。従って、制御装置１００は、例えば第３膨張弁２１の場合であれば第３バイパス回路２２を開にして、必要な量の冷媒がインジェクション回路２３を流れるように制御する。

次に第二実施形態における第１バイパス回路１３、第２バイパス回路１６、第３バイパス回路２２の制御方法について説明する。
第１バイパス回路１３の制御については第一実施形態と同様である。制御装置１００は、第１膨張弁１２の弁開度と、利用側熱交換器１１の出口側温度または過冷却度などに基づいて、第１二方弁１３Ａの開閉を制御する。
第２バイパス回路１６の制御については第一実施形態と同様である。制御装置１００は、第２膨張弁１５の弁開度と、熱源側熱交換器１７の出口側過熱度または低段側圧縮機１０Ｂの吸入側過熱度などに基づいて、第２二方弁１６Ａの開閉を制御する。
第３バイパス回路２２の制御についても同様である。制御装置１００は、例えば、第３膨張弁２１の弁開度と、温度センサ３４が計測した中間熱交換器２０の出口側温度とに基づいて、第３二方弁２２Ａの開閉を制御する。詳細な制御内容については図３のフローチャートで説明したとおりである。これにより、第３膨張弁２１を通過する冷媒の流量が少ないときでも、インジェクション回路２３に流入する冷媒を第３バイパス回路２２からも供給することで、インジェクション回路２３から高段側圧縮機１０Ａへ供給される中間圧力冷媒の流量を確保することができる。

本実施形態によれば、第１膨張弁１２、第２膨張弁１５、第３膨張弁２１の前後での圧力差が低差圧となる場合でも、冷媒の流量を確保し、冷媒回路システム１ＣのＣＯＰ低下や、各膨張弁に大口径の流量制御弁を用いることによるコストアップなどを防ぐことができる。なお、図６に示す冷媒回路システム１Ｃでは、第１バイパス回路１３、第２バイパス回路１６、第３バイパス回路２２を備える場合を例示したが、第１膨張弁１２、第２膨張弁１５、第３膨張弁２１の制御域の幅に応じて、これら３つのバイパス回路のうち、１つまたは２つのバイパス回路のみを備える構成としてもよい。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。また、この発明の技術範囲は上記の実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記の実施形態では、第１バイパス回路１３、第２バイパス回路１６、第３バイパス回路２２の構成例として、二方弁とキャピラリチューブとを組み合わせる構成としたが、この組み合わせを１つの流量制御弁に置き換え、第１バイパス回路１３等では置き換えた流量制御弁の弁開度を調整することで冷媒の流量を確保するようにしてもよい。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ・・・冷媒回路システム
１０・・・圧縮機
１０Ａ・・・高段側圧縮機
１０Ｂ・・・低段側圧縮機
１１・・・利用側熱交換器
１２・・・第１膨張弁
１３・・・第１バイパス回路
１３Ａ・・・第１二方弁
１３Ｂ・・・第１キャピラリチューブ
１４・・・レシーバ
１５・・・第２膨張弁
１６・・・第２バイパス回路
１６Ａ・・・第２二方弁
１６Ｂ・・・第２キャピラリチューブ
１７・・・熱源側熱交換器
１８・・・アキュムレータ
１９・・・配管
２０・・・中間熱交換器
２１・・・第３膨張弁
２２・・・第３バイパス回路
２２Ａ・・・第３二方弁
２２Ｂ・・・第３キャピラリチューブ
２３・・・インジェクション回路
３１、３２、３４・・・温度センサ
３３・・・圧力センサ
１００・・・制御装置

Claims (8)

1. 冷媒を圧縮する一つ又は複数の圧縮機と、
   前記圧縮機で圧縮された前記冷媒を凝縮させる利用側熱交換器と、
   前記利用側熱交換器から流入する前記冷媒を減圧する第１膨張弁と、
   前記第１膨張弁で減圧された前記冷媒の一部を貯留するレシーバと、
   前記レシーバから流出する前記冷媒を減圧する第２膨張弁と、
   前記第２膨張弁にて減圧された前記冷媒を蒸発させる熱源側熱交換器と、
   前記第１膨張弁を通過する前記冷媒の流れをバイパスする第１バイパス回路と、
   前記第１バイパス回路の開閉を制御する制御装置と、
   を備える冷媒回路システム。
2. 冷媒を圧縮する一つ又は複数の圧縮機と、
   前記圧縮機で圧縮された前記冷媒を凝縮させる利用側熱交換器と、
   前記利用側熱交換器から流入する前記冷媒を減圧する第１膨張弁と、
   前記第１膨張弁で減圧された前記冷媒の一部を貯留するレシーバと、
   前記レシーバから流出する前記冷媒を減圧する第２膨張弁と、
   前記第２膨張弁にて減圧された前記冷媒を蒸発させる熱源側熱交換器と、
   前記第２膨張弁を通過する前記冷媒の流れをバイパスする第２バイパス回路と、
   前記第２バイパス回路の開閉を制御する制御装置と、
   を備える冷媒回路システム。
3. 冷媒を圧縮する一つ又は複数の圧縮機と、
   前記圧縮機で圧縮された前記冷媒を凝縮させる利用側熱交換器と、
   前記利用側熱交換器から流入する前記冷媒を減圧する第１膨張弁と、
   前記第１膨張弁で減圧された前記冷媒の一部を貯留するレシーバと、
   前記レシーバから流出する前記冷媒を減圧する第２膨張弁と、
   前記第２膨張弁にて減圧された前記冷媒を蒸発させる熱源側熱交換器と、
   前記第１膨張弁を通過する前記冷媒の流れをバイパスする第１バイパス回路と、
   前記第２膨張弁を通過する前記冷媒の流れをバイパスする第２バイパス回路と、
   前記第１バイパス回路の開閉と、前記第２バイパス回路の開閉とを制御する制御装置と、
   を備える冷媒回路システム。
4. 前記制御装置が、前記利用側熱交換器の出口側の温度または前記利用側熱交換器の出口側の過冷却度と、前記第１膨張弁の開度と、に基づいて前記第１バイパス回路の開閉を制御する、
   請求項１または請求項３に記載の冷媒回路システム。
5. 前記制御装置が、前記熱源側熱交換器の出口側の過熱度または前記圧縮機の吸入側の過熱度と、前記第２膨張弁の開度と、に基づいて前記第２バイパス回路の開閉を制御する、
   請求項２または請求項３に記載の冷媒回路システム。
6. 請求項１から請求項５の何れか１項に記載の冷媒回路システムにおいて、高段側圧縮機と低段側圧縮機が設けられている場合に、
   前記レシーバから流出する前記冷媒を前記高段側圧縮機に供給するインジェクション回路と、
   前記インジェクション回路の途中に設けられる第３膨張弁と、
   前記インジェクション回路を通過する前記冷媒の流れをバイパスする第３バイパス回路と、
   をさらに備え、
   前記制御装置は、さらに前記第３バイパス回路の開閉を制御する冷媒回路システム。
7. 冷媒を圧縮する一つ又は複数の圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された前記冷媒を凝縮させる利用側熱交換器と、前記利用側熱交換器から流入する前記冷媒を減圧する第１膨張弁と、前記第１膨張弁で減圧された前記冷媒の一部を貯留するレシーバと、前記レシーバから流出する前記冷媒を減圧する第２膨張弁と、前記第２膨張弁にて減圧された前記冷媒を蒸発させる熱源側熱交換器と、前記第１膨張弁を通過する前記冷媒の流れをバイパスする第１バイパス回路と、を備える冷媒回路システムにおいて、
   前記利用側熱交換器の出口側温度または前記利用側熱交換器の出口側の過冷却度と、前記第１膨張弁の開度と、に基づいて前記第１バイパス回路の開閉を制御する制御方法。
8. 冷媒を圧縮する一つ又は複数の圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された前記冷媒を凝縮させる利用側熱交換器と、前記利用側熱交換器から流入する前記冷媒を減圧する第１膨張弁と、前記第１膨張弁で減圧された前記冷媒の一部を貯留するレシーバと、前記レシーバから流出する前記冷媒を減圧する第２膨張弁と、前記第２膨張弁にて減圧された前記冷媒を蒸発させる熱源側熱交換器と、前記第２膨張弁を通過する前記冷媒の流れをバイパスする第２バイパス回路と、を備える冷媒回路システムにおいて、
   前記熱源側熱交換器の出口側の過熱度または前記圧縮機の吸入側の過熱度と、前記第２膨張弁の開度と、に基づいて前記第２バイパス回路の開閉を制御する制御方法。

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