JP2018071827A - 冷凍システムおよび冷凍方法 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸気圧縮式の冷凍システムにおいて冷媒間熱交換器を用いると、使用環境によって冷却性能が変動する。【解決手段】本発明の冷凍システムは、冷媒液を受熱により気化させて冷媒蒸気を生成する蒸発手段と、冷媒蒸気を圧縮して高圧冷媒蒸気を生成する圧縮手段と、高圧冷媒蒸気を凝縮させ高圧冷媒液を生成する凝縮手段と、高圧冷媒液を膨張させて低圧にした冷媒液を生成する膨張手段と、冷媒蒸気と、高圧冷媒蒸気および高圧冷媒液のいずれか一方とを熱交換させる冷媒間熱交換手段と、冷媒間熱交換手段に、高圧冷媒蒸気および高圧冷媒液のいずれか一方を供給する冷媒供給手段、とを有する。【選択図】 図１

Description

本発明は、蒸気圧縮式冷凍サイクルを用いた冷凍システムおよび冷凍方法に関し、特に、冷媒間で熱交換を行う熱交換器を備えた冷凍システムおよび冷凍方法に関する。

蒸気圧縮式冷凍サイクルにおいて、圧縮機に流入する前の冷媒蒸気を加熱することによって、冷凍システムの安定性や性能が向上することが知られている。このような蒸気圧縮式冷凍サイクルを用いた空調システムの一例が特許文献１に記載されている。

特許文献１に記載された関連する空調システムは、圧縮機、低熱源熱交換器（蒸発器）、第１の高熱源熱交換器（顕熱熱交換器）、第２の高熱源熱交換器（凝縮器）、および膨張弁を構成機器とした蒸気圧縮式冷凍サイクルを備える。関連する空調システムの蒸気圧縮式ヒートポンプは、この蒸気圧縮式冷凍サイクルに加えて、低熱源熱交換器（蒸発器）から圧縮機に至る経路中に冷媒熱交換器を設けた構成としている。この冷媒熱交換器において、圧縮機吸い込み前の低圧冷媒と顕熱熱交換器を出た高圧の湿り蒸気とが熱交換する。その後、高圧の湿り蒸気が凝縮器に流動するようにサイクルが構成されている。

このように構成されたヒートポンプを熱源とする関連するデシカント空調システムによれば、過熱蒸気の持つ顕熱で再生空気の温度を凝縮温度よりも高い温度まで加熱することが可能になる。そのため、デシカントの除湿能力が従来に比べて向上する、としている。

また、上述したような冷媒間で熱交換を行う熱交換器（冷媒間熱交換器）としての二重管熱交換器を、空調装置に適用した例が特許文献２に記載されている。

特許文献２に記載された関連する空調装置は、室内熱交換器、室外熱交換器、四方弁、圧縮機、および二重管熱交換器を有する。この二重管熱交換器は圧縮機の入口前に配置される。関連する空調装置は、さらに、室内熱交換器と室外熱交換器との間に冷媒流動切り替え装置を配置し、冷暖房運転切り替え時においても二重管熱交換器の入口及び出口での冷媒流動方向を一定に維持する構成としている。

関連する空調装置においては、冷房時には、凝縮機出口側の中温高圧の液体冷媒と蒸発器出口側の低温低圧の冷媒を熱交換させることによって、凝縮機出口側の液体冷媒の過冷度を増加させる。過冷度が大きいほど蒸発器入口側のエンタルピーが小さくなり、蒸発器の入口及び出口間のエンタルピー差が大きくなるので、冷房能力が増加する。

また、暖房時には、凝縮機出口側の中温高圧の液体冷媒と蒸発器出口側の低温低圧の冷媒を熱交換させることによって、圧縮機入口側の過熱度を増大させることができる。これにより、圧縮機において液体圧縮が発生する可能性が減少するので、圧縮機の運転信頼性を向上させることができる、としている。

特開平１０−２６７５７７号公報 特開２００５−８３７４１号公報

上述したように、蒸気圧縮式冷凍サイクルを用いた関連する空調装置は、冷媒間熱交換器において凝縮器から流出する高温高圧の冷媒液と蒸発器から流出する低温低圧の冷媒蒸気を熱交換させる構成としている。これにより、圧縮機に流入する冷媒蒸気の過熱度を増大させ、圧縮機における液体圧縮を回避することができるとしている。

しかしながら上記効果が得られるのは、凝縮器から流出する冷媒液の温度が、蒸発器から流出する冷媒蒸気の温度よりも高い場合に限られる。例えば、凝縮器において外気と熱交換させることによって冷媒蒸気を冷却し凝縮液化させる場合、外気温度によっては、凝縮器から流出する冷媒液の温度が、蒸発器から流出する冷媒蒸気の温度よりも低くなる。この場合、冷媒間熱交換器において、圧縮機に流入する冷媒蒸気を加熱することはできず、かえって、凝縮器から流出する冷媒液によって冷却されることになる。そうすると、圧縮機において液体圧縮が発生する可能性が増大し、冷凍システムの冷却性能が低下してしまう。

このように、蒸気圧縮式の冷凍システムにおいて冷媒間熱交換器を用いると、使用環境によって冷却性能が変動する、という問題があった。

本発明の目的は、上述した課題である、蒸気圧縮式の冷凍システムにおいて冷媒間熱交換器を用いると、使用環境によって冷却性能が変動する、という課題を解決する冷凍システムおよび冷凍方法を提供することにある。

本発明の冷凍システムは、冷媒液を受熱により気化させて冷媒蒸気を生成する蒸発手段と、冷媒蒸気を圧縮して高圧冷媒蒸気を生成する圧縮手段と、高圧冷媒蒸気を凝縮させ高圧冷媒液を生成する凝縮手段と、高圧冷媒液を膨張させて低圧にした冷媒液を生成する膨張手段と、冷媒蒸気と、高圧冷媒蒸気および高圧冷媒液のいずれか一方とを熱交換させる冷媒間熱交換手段と、冷媒間熱交換手段に、高圧冷媒蒸気および高圧冷媒液のいずれか一方を供給する冷媒供給手段、とを有する。

本発明の冷凍方法は、冷却対象から受熱させることにより冷媒液を気化させて冷媒蒸気を生成し、冷媒蒸気を圧縮することにより高圧冷媒蒸気を生成し、高圧冷媒蒸気の熱を外気に放出させることによって高圧冷媒蒸気を凝縮させて高圧冷媒液を生成し、冷媒蒸気と、高圧冷媒蒸気および高圧冷媒液のいずれか一方とを熱交換させる。

本発明の冷凍システムおよび冷凍方法によれば、蒸気圧縮式の冷凍システムにおいて冷媒間熱交換器を用いる場合であっても、使用環境による冷却性能の変動を抑制することができる。

本発明の第１の実施形態に係る冷凍システムの構成を示す概略図である。 本発明の第１の実施形態に係る冷凍システムの一の状態における構成を示す概略図である。 本発明の第１の実施形態に係る冷凍システムの他の状態における構成を示す概略図である。 本発明の第２の実施形態に係る冷凍システムの構成を示す概略図である。 本発明の第２の実施形態に係る冷凍システムの一の状態における構成を示す概略図である。 本発明の第２の実施形態に係る冷凍システムの他の状態における構成を示す概略図である。 本発明の第２の実施形態に係る冷凍システムの別の構成を示す概略図である。 本発明の第２の実施形態に係る冷凍システムのさらに別の構成を示す概略図であり、流路切替手段として三方弁を用いた場合を示す。 本発明の第２の実施形態に係る冷凍システムのさらに別の構成を示す概略図であり、流路切替手段として四方弁を用いた場合を示す。 本発明の第２の実施形態に係る冷凍システムの動作を説明するためのフローチャートである。 本発明の第３の実施形態に係る冷凍システムの構成を示す概略図である。 本発明の第３の実施形態に係る冷凍システムの動作を説明するためのフローチャートである。 本発明の第４の実施形態に係る冷凍システムの構成を示す概略図である。 本発明の第４の実施形態に係る冷凍システムの動作を説明するためのフローチャートである。

以下に、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。

〔第１の実施形態〕
図１は、本発明の第１の実施形態に係る冷凍システム１００の構成を示す概略図である。同図中、破線の矢印は冷凍サイクルにおける冷媒の流れを示す。

本実施形態による冷凍システム１００は、蒸発器（蒸発手段）１１０、圧縮機（圧縮手段）１２０、凝縮器（凝縮手段）１３０、膨張弁（膨張手段）１４０、冷媒間熱交換器（冷媒間熱交換手段）１５０、および冷媒供給構造（冷媒供給手段）１６０を有する。

蒸発器１１０は、冷媒液を受熱により気化させて冷媒蒸気Ｒ１を生成する。圧縮機１２０は、冷媒蒸気を圧縮して高圧冷媒蒸気Ｒ２を生成する。凝縮器１３０は、高圧冷媒蒸気を凝縮させ高圧冷媒液Ｒ３を生成する。膨張弁１４０は、高圧冷媒液を膨張させて低圧にした冷媒液Ｒ４を生成する。このように、蒸発器１１０、圧縮機１２０、凝縮器１３０、および膨張弁１４０が蒸気圧縮式冷凍サイクルを構成している。

冷媒間熱交換器１５０は、冷媒蒸気Ｒ１と、高圧冷媒蒸気Ｒ２および高圧冷媒液Ｒ３のいずれか一方とを熱交換させる。そして、冷媒供給構造１６０は、冷媒間熱交換器１５０に、高圧冷媒蒸気Ｒ２および高圧冷媒液Ｒ３のいずれか一方を供給する。

すなわち、冷媒供給構造１６０は、図２Ａに示すように、冷媒間熱交換器１５０に高圧冷媒液Ｒ３を供給する機能を有する。また、冷媒供給構造１６０は、図２Ｂに示すように、冷媒間熱交換器１５０に高圧冷媒蒸気Ｒ２を供給する機能を有する。

このように、冷凍システム１００は、冷媒間熱交換器１５０において冷媒蒸気Ｒ１と熱交換する冷媒を、高圧冷媒蒸気Ｒ２および高圧冷媒液Ｒ３から使用環境に応じて選択することが可能である。したがって、本実施形態の冷凍システム１００によれば、蒸気圧縮式の冷凍システムにおいて冷媒間熱交換器を用いる場合であっても、使用環境による冷却性能の変動を抑制することができる。

冷凍システム１００で用いる冷媒には、低沸点の材料を使用することができる。例えば、ハイドロフロロカーボンやハイドロフロロエーテルなどの有機冷媒を用いることができる。

冷媒間熱交換器１５０は、冷媒蒸気Ｒ１が流動する第１の配管、高圧冷媒蒸気Ｒ２または高圧冷媒液Ｒ３が流動する第２の配管、および、これらの冷媒間の熱交換を媒介する熱交換部を備えた構成とすることができる。具体的には例えば、冷媒蒸気Ｒ１が流動する外層管と、高圧冷媒蒸気Ｒ２または高圧冷媒液Ｒ３が流動する内層管とからなり、内層管の外周面と外層管の内周面を共有する二重管を備えた構成とすることができる。

次に、本実施形態による冷凍方法について説明する。

本実施形態による冷凍方法においては、まず、冷却対象から受熱させることにより冷媒液を気化させて冷媒蒸気を生成する。この冷媒蒸気を圧縮することにより高圧冷媒蒸気を生成する。続いて、この高圧冷媒蒸気の熱を外気に放出させることによって高圧冷媒蒸気を凝縮させて高圧冷媒液を生成する。そして、冷媒蒸気と、高圧冷媒蒸気および高圧冷媒液のいずれか一方とを熱交換させる。

以上説明したように、本実施形態の冷凍システム１００および冷凍方法によれば、蒸気圧縮式の冷凍システムにおいて冷媒間熱交換器を用いる場合であっても、使用環境による冷却性能の変動を抑制することができる。

〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図３に、本発明の第２の実施形態に係る冷凍システム２００の構成を模式的に示す。同図中、破線の矢印Ｒ１〜Ｒ４は冷凍サイクルにおける冷媒の流れを示す。

本実施形態による冷凍システム２００は、蒸発器（蒸発手段）１１０、圧縮機（圧縮手段）１２０、凝縮器（凝縮手段）１３０、膨張弁（膨張手段）１４０、冷媒間熱交換器（冷媒間熱交換手段）１５０、および冷媒供給構造（冷媒供給手段）を有する。これにより、蒸気圧縮式冷凍サイクルが構成される。ここまでの構成は、第１の実施形態による冷凍システム１００の構成と同様である。

本実施形態の冷凍システム２００においては、冷媒供給構造（冷媒供給手段）は、流路構造と流路切替手段を備えた構成とした。図３では、流路切替手段としてバルブ２６１〜２６６を備えた構成を示す。そして、制御手段としての制御部２９０が、高圧冷媒液Ｒ３の状態に基いて、流路切替手段としてのバルブ２６１〜２６６を制御する構成とした。なお、バルブ２６１〜２６６は典型的には開閉式バルブであり、また、流路構造は典型的には金属配管である。

冷凍システム２００はさらに、第１の温度計２１１と第２の温度計２１２を備える。第１の温度計２１１は、冷媒蒸気Ｒ１の温度を測定して第１の温度Ｔ１を出力する。第２の温度計２１２は、高圧冷媒液Ｒ３の温度を測定して第２の温度Ｔ２を出力する。このとき制御部２９０は、高圧冷媒液Ｒ３の状態として第２の温度Ｔ２を用いてバルブ２６１〜２６６を制御する構成とすることができる。

すなわち、制御部２９０は、第２の温度Ｔ２が、第１の温度Ｔ１に第１の温度差ΔＴ１を加算した温度よりも大きい場合（Ｔ２＞Ｔ１＋ΔＴ１）、冷媒間熱交換器１５０に高圧冷媒液Ｒ３を供給するように流路切替手段としてのバルブ２６１〜２６６を制御する。具体的には、図４Ａに示すように、バルブ２６１、２６４、２６５を開状態とし、バルブ２６２、２６３、２６６を閉状態となるように制御する。この場合、圧縮機１２０、凝縮器１３０、冷媒間熱交換器１５０、および膨張弁１４０が、この順で接続された冷凍サイクルが構成される。

このような構成とすることにより、冷媒間熱交換器１５０において、冷媒蒸気Ｒ１は高圧冷媒液Ｒ３によって加熱される（図４Ａ中の破線矢印Ｈ）。その結果、圧縮機１２０における液圧縮を回避することができるという効果が得られる。同時に、冷媒間熱交換器１５０において、高圧冷媒液Ｒ３は冷却されるので、冷媒液の過冷却度を増大させることができるという効果も得ることができる。特に低圧系冷媒を用いる場合には、液圧縮を回避することができる効果が大きく、冷凍サイクルの性能を大きく向上させることができる。

一方、制御部２９０は、第２の温度Ｔ２が、第１の温度Ｔ１に第２の温度差ΔＴ２を加算した温度よりも小さい場合（Ｔ２＜Ｔ１＋ΔＴ２）、冷媒間熱交換器１５０に高圧冷媒蒸気Ｒ２を供給するように流路切替手段としてのバルブ２６１〜２６６を制御する。具体的には、図４Ｂに示すように、バルブ２６２、２６３、２６６を開状態とし、バルブ２６１、２６４、２６５を閉状態となるように制御する。この場合、圧縮機１２０、冷媒間熱交換器１５０、凝縮器１３０、および膨張弁１４０が、この順で接続された冷凍サイクルが構成される。

このような構成とすることにより、冷媒間熱交換器１５０において、冷媒蒸気Ｒ１は圧縮機１２０が生成する高圧冷媒蒸気Ｒ２によって加熱される（図４Ｂ中の破線矢印Ｈ）。その結果、第２の温度Ｔ２が、第１の温度Ｔ１に第２の温度差ΔＴ２を加算した温度よりも小さい場合であっても、圧縮機１２０における液圧縮を回避することができるという効果が得られる。

上述した第１の温度差ΔＴ１および第２の温度差ΔＴ２は、冷凍システム２００の熱負荷や冷媒間熱交換器１５０の性能に基いて、あらかじめ定めた値とすることができる。この場合、制御部２９０は、第１の温度差ΔＴ１と第２の温度差ΔＴ２を記憶する記憶装置（記憶手段）２９１を備えた構成とすることができる。

以上説明したように、本実施形態の冷凍システム２００は、冷媒蒸気Ｒ１に基く第１の温度Ｔ１と、高圧冷媒液Ｒ３に基く第２の温度Ｔ２との温度差によって、冷媒間熱交換器１５０と凝縮器１３０の接続順序を切り替える構成としている。これにより、それぞれの温度条件において冷凍サイクルの性能を最大化することが可能になる。すなわち、本実施形態の冷凍システム２００によれば、蒸気圧縮式の冷凍システムにおいて冷媒間熱交換器を用いる場合であっても、使用環境による冷却性能の変動を抑制することができる。

上記説明では、冷凍システム２００は、高圧冷媒液Ｒ３の温度を測定して第２の温度Ｔ２を出力する第２の温度計２１２を備えることとした。しかし、これに限らず、凝縮器１３０の近傍の外気の温度を測定して第３の温度を出力する第３の温度計２１３を、第２の温度計２１２に替えて備えた構成としてもよい。このような構成とした冷凍システム２０１の構成を図５に示す。

冷凍システム２０１が備える凝縮器１３０が、流入する高圧冷媒蒸気Ｒ２の熱量に対して十分な放熱性能を有している場合、凝縮器１３０は外気温度である第３の温度まで冷却された高圧冷媒液Ｒ３を排出する。したがって、この場合は、上述したように、第２の温度計２１２に替えて、外気温度を測定する第３の温度計２１３を備えた構成とすることができる。その結果、冷凍システム２０１の構成を簡易化することができる。

冷凍システム２０１の制御部２９０は、第３の温度Ｔ３が第１の温度Ｔ１に第１の温度差ΔＴ１を加算した温度よりも大きい場合（Ｔ３＞Ｔ１＋ΔＴ１）、冷媒間熱交換器１５０に高圧冷媒液Ｒ３を供給するように流路切替手段としてのバルブ２６１〜２６６を制御する。一方、制御部２９０は、第３の温度Ｔ３が、第１の温度Ｔ１に第２の温度差ΔＴ２を加算した温度よりも小さい場合（Ｔ３＜Ｔ１＋ΔＴ２）、冷媒間熱交換器１５０に高圧冷媒蒸気Ｒ２を供給するように流路切替手段としてのバルブ２６１〜２６６を制御する。

このような構成とした冷凍システム２０１によっても、それぞれの温度条件において冷凍サイクルの性能を最大化することが可能になる。

なお、上記説明では、流路切替手段として開閉式バルブを用いることとしたが、これに限らず、流路切替手段は三方弁および四方弁の少なくとも一方を備える構成としてもよい。

図６に、流路切替手段として三方弁２７１〜２７４を用いた冷凍システム２０２の構成を示す。同図中、三方弁２７１〜２７４の無印の三角形状は常時開状態の弁を示し、「Ａ」および「Ｂ」は、各切り替えパターンにおいて開状態となる弁を示す。

また、図７に、流路切替手段として四方弁２８１、２８２を用いた冷凍システム２０３の構成を示す。同図中、四方弁２８１、２８２中の実線は、冷媒間熱交換器１５０に高圧冷媒液Ｒ３を供給する第１の流路を構成している状態を示す。また、四方弁２８１、２８２中の破線は、冷媒間熱交換器１５０に高圧冷媒蒸気Ｒ２を供給する第２の流路を構成している状態を示す。

次に、本実施形態による冷凍システムの動作について、図７に示した冷凍システム２０３を例にさらに詳細に説明する。

図８に、本実施形態による冷凍システム２０３の動作を説明するためのフローチャートを示す。

冷凍システム２０３が備える制御部２９０は、まず、四方弁２８１、２８２を、冷媒間熱交換器１５０に高圧冷媒蒸気Ｒ２を供給する第２の流路を構成している状態に設定する（ステップＳ１１）。そして、第１の温度計２１１から、冷媒蒸気Ｒ１の温度を測定することによって得られる第１の温度Ｔ１を取得する（ステップＳ１２）。また、第２の温度計２１２から、高圧冷媒液Ｒ３の温度を測定することによって得られる第２の温度Ｔ２を取得する（ステップＳ１３）。

次に、制御部２９０は、第２の温度Ｔ２が、第１の温度Ｔ１に第１の温度差ΔＴ１を加算した温度よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１４）。第２の温度Ｔ２が、第１の温度Ｔ１に第１の温度差ΔＴ１を加算した温度以下である場合（ステップＳ１４／ＮＯ）、再度、第１の温度Ｔ１および第２の温度Ｔ２を取得する（ステップＳ１２、ステップＳ１３）。

一方、第２の温度Ｔ２が、第１の温度Ｔ１に第１の温度差ΔＴ１を加算した温度よりも大きい場合（ステップＳ１４／ＹＥＳ）、制御部２９０は四方弁２８１、２８２を切り替える。すなわち、制御部２９０は四方弁２８１、２８２を、冷媒間熱交換器１５０に高圧冷媒液Ｒ３を供給する第１の流路を構成している状態に設定する（ステップＳ１５）。この状態で、第１の温度計２１１から、冷媒蒸気Ｒ１の温度を測定することによって得られる第１の温度Ｔ１を取得する（ステップＳ１６）。また、第２の温度計２１２から、高圧冷媒液Ｒ３の温度を測定することによって得られる第２の温度Ｔ２を取得する（ステップＳ１７）。

続いて、制御部２９０は、第２の温度Ｔ２が、第１の温度Ｔ１に第２の温度差ΔＴ２を加算した温度よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１８）。第２の温度Ｔ２が、第１の温度Ｔ１に第２の温度差ΔＴ２を加算した温度よりも大きい場合（ステップＳ１８／ＹＥＳ）、再度、第１の温度Ｔ１および第２の温度Ｔ２を取得する（ステップＳ１６、ステップＳ１７）。

一方、第２の温度Ｔ２が、第１の温度Ｔ１に第２の温度差ΔＴ２を加算した温度以下である場合（ステップＳ１８／ＮＯ）、制御部２９０は四方弁２８１、２８２を切り替える。すなわち、制御部２９０は四方弁２８１、２８２を冷媒間熱交換器１５０に高圧冷媒蒸気Ｒ２を供給する第２の流路を構成している状態に設定する（ステップＳ１１）。この後、上述したステップＳ１２〜Ｓ１８を繰り返す。

ここで、第１の温度差ΔＴ１および第２の温度差ΔＴ２は、冷媒間熱交換器１５０において冷媒蒸気Ｒ１が加熱されるように熱交換を行うために必要となる、第１の温度Ｔ１と第２の温度Ｔ２の最小限の温度差である。この第１の温度差ΔＴ１および第２の温度差ΔＴ２は、冷凍システム２０３の熱負荷および冷媒間熱交換器１５０の性能に依存して定まる。ここでは、第１の温度差ΔＴ１および第２の温度差ΔＴ２はあらかじめ定められた値であり、制御部２９０が備える記憶部２９１に記憶されているものとした。具体的には、例えば、第１の温度差ΔＴ１は約２０℃、第２の温度差ΔＴ２は約１５℃に設定することができる。このように、第１の温度差ΔＴ１を第２の温度差ΔＴ２よりも大きな値に設定（ΔＴ１＞ΔＴ２）することによって、四方弁２８１、２８２の頻繁な切り替え動作を抑制することができる。

次に、本実施形態による冷凍方法について説明する。

本実施形態による冷凍方法においては、まず、冷却対象から受熱させることにより冷媒液を気化させて冷媒蒸気を生成する。この冷媒蒸気を圧縮することにより高圧冷媒蒸気を生成する。続いて、この高圧冷媒蒸気の熱を外気に放出させることによって高圧冷媒蒸気を凝縮させて高圧冷媒液を生成する。そして、冷媒蒸気と、高圧冷媒蒸気および高圧冷媒液のいずれか一方とを熱交換させる。

本実施形態による冷凍方法においては、さらに、冷媒蒸気の温度を測定することによって得られる第１の温度を取得し、また、高圧冷媒液の温度を測定することによって得られる第２の温度を取得する。

そして、第２の温度が、第１の温度に第１の温度差を加算した温度よりも大きい場合、冷媒蒸気と高圧冷媒液を熱交換させる。一方、第２の温度が、第１の温度に第２の温度差を加算した温度よりも小さい場合、冷媒蒸気と高圧冷媒蒸気を熱交換させる。

また、冷媒蒸気の温度を測定することによって得られる第１の温度を取得し、外気の温度を測定することによって得られる第３の温度を取得することとしてもよい。このとき、第３の温度が、第１の温度に第１の温度差を加算した温度よりも大きい場合、冷媒蒸気と高圧冷媒液を熱交換させる。一方、第３の温度が、第１の温度に第２の温度差を加算した温度よりも小さい場合、冷媒蒸気と高圧冷媒蒸気を熱交換させる構成とすることができる。

以上説明したように、本実施形態の冷凍システム２００〜２０３および冷凍方法によれば、蒸気圧縮式の冷凍システムにおいて冷媒間熱交換器を用いる場合であっても、使用環境による冷却性能の変動を抑制することができる。

〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図９に、本発明の第３の実施形態に係る冷凍システム３００の構成を模式的に示す。同図中、破線の矢印Ｒ１〜Ｒ４は冷凍サイクルにおける冷媒の流れを示す。

本実施形態による冷凍システム３００は、蒸発器（蒸発手段）１１０、圧縮機（圧縮手段）１２０、凝縮器（凝縮手段）１３０、膨張弁（膨張手段）１４０、冷媒間熱交換器（冷媒間熱交換手段）１５０、および冷媒供給構造（冷媒供給手段）を有する。これにより、蒸気圧縮式冷凍サイクルが構成される。

また、冷凍システム３００は、第１の温度計２１１と第２の温度計２１２を備える。そして、冷媒供給構造は流路構造と流路切替手段を備え、流路切替手段として四方弁２８１、２８２を用いた構成としている。

ここまでの構成は、第２の実施形態による冷凍システム２０３の構成と同様である。

本実施形態による冷凍システム３００は、膨張弁１４０が出力する冷媒液Ｒ４の流量を測定し、冷媒流量を出力する冷媒流量測定部（冷媒流量測定手段）３１０をさらに有する構成とした。そして、冷凍システム３００が備える制御手段としての制御部が、冷媒流量に基いて、第１の温度差ΔＴ１と第２の温度差ΔＴ２を決定する構成とした。なお、図９では、制御部の構成の記載は省略した。

次に、本実施形態による冷凍システム３００の動作について説明する。図１０に、本実施形態による冷凍システム３００の動作を説明するためのフローチャートを示す。

冷凍システム３００が備える制御部は、まず、四方弁２８１、２８２を、冷媒間熱交換器１５０に高圧冷媒蒸気Ｒ２を供給する第２の流路を構成している状態に設定する（ステップＳ２０１）。そして、第１の温度計２１１から、冷媒蒸気Ｒ１の温度を測定することによって得られる第１の温度Ｔ１を取得する（ステップＳ２０２）。また、第２の温度計２１２から、高圧冷媒液Ｒ３の温度を測定することによって得られる第２の温度Ｔ２を取得する（ステップＳ２０３）。

次に、制御部は冷媒流量測定部３１０から、冷媒液Ｒ４の流量を測定することによって得られる冷媒流量Ｑを取得する（ステップＳ２０４）。そして、この冷媒流量Ｑに基いて第１の温度差ΔＴ１を決定する（ステップＳ２０５）。

制御部は、第２の温度Ｔ２が、第１の温度Ｔ１にここで求めた第１の温度差ΔＴ１を加算した温度よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ２０６）。第２の温度Ｔ２が、第１の温度Ｔ１に第１の温度差ΔＴ１を加算した温度以下である場合（ステップＳ２０６／ＮＯ）、再度、第１の温度Ｔ１、第２の温度Ｔ２、および冷媒流量Ｑを取得する（ステップＳ２０２〜ステップＳ２０４）。

一方、第２の温度Ｔ２が、第１の温度Ｔ１にここで求めた第１の温度差ΔＴ１を加算した温度よりも大きい場合（ステップＳ２０６／ＹＥＳ）、制御部は四方弁２８１、２８２を切り替える。すなわち、制御部は四方弁２８１、２８２を、冷媒間熱交換器１５０に高圧冷媒液Ｒ３を供給する第１の流路を構成している状態に設定する（ステップＳ２０７）。この状態で、第１の温度計２１１から、冷媒蒸気Ｒ１の温度を測定することによって得られる第１の温度Ｔ１を取得する（ステップＳ２０８）。また、第２の温度計２１２から、高圧冷媒液Ｒ３の温度を測定することによって得られる第２の温度Ｔ２を取得する（ステップＳ２０９）。

さらに制御部は、冷媒流量測定部３１０から、冷媒液Ｒ４の流量を測定することによって得られる冷媒流量Ｑを取得する（ステップＳ２１０）。そして、この冷媒流量Ｑに基いて第２の温度差ΔＴ２を決定する（ステップＳ２１１）。

制御部は、第２の温度Ｔ２が、第１の温度Ｔ１にここで求めた第２の温度差ΔＴ２を加算した温度よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ２１２）。第２の温度Ｔ２が、第１の温度Ｔ１に第２の温度差ΔＴ２を加算した温度よりも大きい場合（ステップＳ２１２／ＹＥＳ）、再度、第１の温度Ｔ１、第２の温度Ｔ２、および冷媒流量Ｑを取得する（ステップＳ２０８〜ステップＳ２１０）。

一方、第２の温度Ｔ２が、第１の温度Ｔ１にここで求めた第２の温度差ΔＴ２を加算した温度以下である場合（ステップＳ２１２／ＮＯ）、制御部は四方弁２８１、２８２を切り替える。すなわち、制御部は四方弁２８１、２８２を冷媒間熱交換器１５０に高圧冷媒蒸気Ｒ２を供給する第２の流路を構成している状態に設定する（ステップＳ２０１）。この後、上述したステップＳ２０２〜Ｓ２１２を繰り返す。

このように、本実施形態の冷凍システム３００においては、第１の温度差ΔＴ１および第２の温度差ΔＴ２を、冷媒流量Ｑに基いて決定する構成とした。ここで、第１の温度差ΔＴ１および第２の温度差ΔＴ２は、冷媒間熱交換器１５０において冷媒蒸気Ｒ１が加熱されるように熱交換を行うために必要となる、第１の温度Ｔ１と第２の温度Ｔ２の最小限の温度差である。

冷媒間熱交換器１５０における熱交換量は冷媒流量Ｑに大きく依存するため、第１の温度差ΔＴ１および第２の温度差ΔＴ２も冷媒流量Ｑに依存する。一方、冷媒流量Ｑは冷凍システム３００の熱負荷に比例する。上述したように、本実施形態の冷凍システム３００によれば、冷媒流量Ｑに応じて適正な第１の温度差ΔＴ１および第２の温度差ΔＴ２を設定することができるので、熱負荷の変動が生じても安定な動作を維持することが可能になる。

さらに、本実施形態の冷凍システム３００によれば、第１の実施形態および第２の実施形態による場合と同様に、蒸気圧縮式の冷凍システムにおいて冷媒間熱交換器を用いる場合であっても、使用環境による冷却性能の変動を抑制することができる。

〔第４の実施形態〕
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。図１１に、本発明の第４の実施形態に係る冷凍システム４００の構成を模式的に示す。同図中、破線の矢印Ｒ１〜Ｒ４は冷凍サイクルにおける冷媒の流れを示す。

本実施形態による冷凍システム４００は、蒸発器（蒸発手段）１１０、圧縮機（圧縮手段）１２０、凝縮器（凝縮手段）１３０、膨張弁（膨張手段）１４０、冷媒間熱交換器（冷媒間熱交換手段）１５０、および冷媒供給構造（冷媒供給手段）を有する。これにより、蒸気圧縮式冷凍サイクルが構成される。

また、冷凍システム４００は、第１の温度計２１１と第２の温度計２１２を備える。そして、冷媒供給構造は流路構造と流路切替手段を備え、流路切替手段として四方弁２８１、２８２を用いた構成としている。

ここまでの構成は、第２の実施形態による冷凍システム２０３の構成と同様である。

本実施形態による冷凍システム４００は、冷媒蒸気の圧力を測定し、冷媒圧力値を出力する冷媒圧力測定部（冷媒圧力測定手段）４１０をさらに有する構成とした。そして、冷凍システム４００が備える制御手段としての制御部が、この冷媒圧力値と、冷媒蒸気を圧縮する際の条件値とに基いて、第１の温度差ΔＴ１と第２の温度差ΔＴ２を決定する構成とした。具体的には、圧縮機１２０は回転式の圧縮機であって、制御部は冷媒圧力値と圧縮機１２０の回転数に基いて、第１の温度差ΔＴ１と第２の温度差ΔＴ２を決定する構成とした。なお、図１１では、制御部の構成の記載は省略した。

次に、本実施形態による冷凍システム４００の動作について説明する。図１２に、本実施形態による冷凍システム４００の動作を説明するためのフローチャートを示す。

冷凍システム４００が備える制御部は、まず、四方弁２８１、２８２を、冷媒間熱交換器１５０に高圧冷媒蒸気Ｒ２を供給する第２の流路を構成している状態に設定する（ステップＳ３０１）。そして、第１の温度計２１１から、冷媒蒸気Ｒ１の温度を測定することによって得られる第１の温度Ｔ１を取得する（ステップＳ３０２）。また、第２の温度計２１２から、高圧冷媒液Ｒ３の温度を測定することによって得られる第２の温度Ｔ２を取得する（ステップＳ３０３）。

次に、制御部は冷媒圧力測定部４１０から、圧縮機１２０に流入する冷媒蒸気の圧力を測定することによって得られる冷媒圧力値Ｐを取得する（ステップＳ３０４）。また、圧縮機１２０の回転数ｆを取得する（ステップＳ３０５）。そして、冷媒圧力値Ｐおよび回転数ｆに基いて第１の温度差ΔＴ１を決定する（ステップＳ３０６）。

制御部は、第２の温度Ｔ２が、第１の温度Ｔ１にここで求めた第１の温度差ΔＴ１を加算した温度よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ３０７）。第２の温度Ｔ２が、第１の温度Ｔ１に第１の温度差ΔＴ１を加算した温度以下である場合（ステップＳ３０７／ＮＯ）、再度、第１の温度Ｔ１、第２の温度Ｔ２、および冷媒圧力値Ｐと回転数ｆを取得する（ステップＳ３０２〜ステップＳ３０５）。

一方、第２の温度Ｔ２が、第１の温度Ｔ１にここで求めた第１の温度差ΔＴ１を加算した温度よりも大きい場合（ステップＳ３０７／ＹＥＳ）、制御部は四方弁２８１、２８２を切り替える。すなわち、制御部は四方弁２８１、２８２を冷媒間熱交換器１５０に高圧冷媒液Ｒ３を供給する第１の流路を構成している状態に設定する（ステップＳ３０８）。この状態で、第１の温度計２１１から、冷媒蒸気Ｒ１の温度を測定することによって得られる第１の温度Ｔ１を取得する（ステップＳ３０９）。また、第２の温度計２１２から、高圧冷媒液Ｒ３の温度を測定することによって得られる第２の温度Ｔ２を取得する（ステップＳ３１０）。

さらに制御部は、冷媒圧力測定部４１０から、圧縮機１２０に流入する冷媒蒸気の圧力を測定することによって得られる冷媒圧力値Ｐを取得する（ステップＳ３１１）。また、圧縮機１２０の回転数ｆを取得する（ステップＳ３１２）。そして、冷媒圧力値Ｐおよび回転数ｆに基いて第２の温度差ΔＴ２を決定する（ステップＳ３１３）。

制御部は、第２の温度Ｔ２が、第１の温度Ｔ１にここで求めた第２の温度差ΔＴ２を加算した温度よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ３１４）。第２の温度Ｔ２が、第１の温度Ｔ１に第２の温度差ΔＴ２を加算した温度よりも大きい場合（ステップＳ３１４／ＹＥＳ）、再度、第１の温度Ｔ１、第２の温度Ｔ２、および冷媒圧力値Ｐと回転数ｆを取得する（ステップＳ３０９〜ステップＳ３１２）。

一方、第２の温度Ｔ２が、第１の温度Ｔ１にここで求めた第２の温度差ΔＴ２を加算した温度以下である場合（ステップＳ３１４／ＮＯ）、制御部は四方弁２８１、２８２を切り替える。すなわち、制御部は四方弁２８１、２８２を冷媒間熱交換器１５０に高圧冷媒蒸気Ｒ２を供給する第２の流路を構成している状態に設定する（ステップＳ３０１）。この後、上述したステップＳ３０２〜Ｓ３１４を繰り返す。

このように、本実施形態の冷凍システム４００においては、第１の温度差ΔＴ１および第２の温度差ΔＴ２を、圧縮機１２０に流入する冷媒蒸気の冷媒圧力値Ｐと圧縮機１２０の回転数ｆに基いて決定する構成とした。この冷媒圧力値Ｐと回転数ｆとから、冷媒流量Ｑを算出することができる。したがって、冷媒流量Ｑを直接測定する構成に比べ、より簡易な構成で冷媒流量Ｑを見積もることができる。

上述したように、冷凍システム４００によれば、簡易な構成によって、冷媒流量Ｑに応じた適正な第１の温度差ΔＴ１および第２の温度差ΔＴ２を設定することができる。ここで、冷媒流量Ｑは冷凍システム３００の熱負荷に比例する。したがって、本実施形態の冷凍システム４００によれば、熱負荷の変動が生じても安定な動作を維持することが可能になる。

さらに、本実施形態の冷凍システム４００によれば、第１の実施形態および第２の実施形態による場合と同様に、蒸気圧縮式の冷凍システムにおいて冷媒間熱交換器を用いる場合であっても、使用環境による冷却性能の変動を抑制することができる。

本発明は上記実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれるものであることはいうまでもない。

上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。

（付記１）冷媒液を受熱により気化させて冷媒蒸気を生成する蒸発手段と、前記冷媒蒸気を圧縮して高圧冷媒蒸気を生成する圧縮手段と、前記高圧冷媒蒸気を凝縮させ高圧冷媒液を生成する凝縮手段と、前記高圧冷媒液を膨張させて低圧にした前記冷媒液を生成する膨張手段と、前記冷媒蒸気と、前記高圧冷媒蒸気および前記高圧冷媒液のいずれか一方とを熱交換させる冷媒間熱交換手段と、前記冷媒間熱交換手段に、前記高圧冷媒蒸気および前記高圧冷媒液のいずれか一方を供給する冷媒供給手段、とを有する冷凍システム。

（付記２）前記冷媒供給手段を制御する制御手段をさらに有し、前記冷媒供給手段は、流路構造と流路切替手段を備え、前記制御手段は、前記高圧冷媒液の状態に基いて、前記流路切替手段を制御する付記１に記載した冷凍システム。

（付記３）前記冷媒蒸気の温度を測定して第１の温度を出力する第１の温度計と、前記高圧冷媒液の温度を測定して第２の温度を出力する第２の温度計、をさらに有し、前記制御手段は、前記第２の温度が、前記第１の温度に第１の温度差を加算した温度よりも大きい場合、前記冷媒間熱交換手段に前記高圧冷媒液を供給するように前記流路切替手段を制御し、前記第２の温度が、前記第１の温度に第２の温度差を加算した温度よりも小さい場合、前記冷媒間熱交換手段に前記高圧冷媒蒸気を供給するように前記流路切替手段を制御する付記２に記載した冷凍システム。

（付記４）前記冷媒蒸気の温度を測定して第１の温度を出力する第１の温度計と、前記凝縮手段の近傍の外気の温度を測定して第３の温度を出力する第３の温度計、をさらに有し、前記制御手段は、前記第３の温度が、前記第１の温度に第１の温度差を加算した温度よりも大きい場合、前記冷媒間熱交換手段に前記高圧冷媒液を供給するように前記流路切替手段を制御し、前記第３の温度が、前記第１の温度に第２の温度差を加算した温度よりも小さい場合、前記冷媒間熱交換手段に前記高圧冷媒蒸気を供給するように前記流路切替手段を制御する付記２に記載した冷凍システム。

（付記５）前記制御手段は、前記第１の温度差と前記第２の温度差を記憶する記憶手段を備える付記３または４に記載した冷凍システム。

（付記６）前記冷媒液の流量を測定し、冷媒流量を出力する冷媒流量測定手段をさらに有し、前記制御手段は、前記冷媒流量に基いて、前記第１の温度差と前記第２の温度差を決定する付記３または４に記載した冷凍システム。

（付記７）前記冷媒蒸気の圧力を測定し、冷媒圧力値を出力する冷媒圧力測定手段をさらに有し、前記圧縮手段は、回転式の圧縮機を備え、前記制御手段は、前記冷媒圧力値と前記圧縮機の回転数に基いて、前記第１の温度差と前記第２の温度差を決定する付記３または４に記載した冷凍システム。

（付記８）前記制御手段は、前記第１の温度差を前記第２の温度差よりも大きな値に設定する付記３から７のいずれか一項に記載した冷凍システム。

（付記９）前記流路切替手段は、三方弁および四方弁の少なくとも一方を備える付記２から８のいずれか一項に記載した冷凍システム。

（付記１０）冷却対象から受熱させることにより冷媒液を気化させて冷媒蒸気を生成し、前記冷媒蒸気を圧縮することにより高圧冷媒蒸気を生成し、前記高圧冷媒蒸気の熱を外気に放出させることによって前記高圧冷媒蒸気を凝縮させて高圧冷媒液を生成し、前記冷媒蒸気と、前記高圧冷媒蒸気および前記高圧冷媒液のいずれか一方とを熱交換させる冷凍方法。

（付記１１）前記冷媒蒸気の温度を測定することによって得られる第１の温度を取得し、前記高圧冷媒液の温度を測定することによって得られる第２の温度を取得し、前記第２の温度が、前記第１の温度に第１の温度差を加算した温度よりも大きい場合、前記冷媒蒸気と前記高圧冷媒液を熱交換させ、前記第２の温度が、前記第１の温度に第２の温度差を加算した温度よりも小さい場合、前記冷媒蒸気と前記高圧冷媒蒸気を熱交換させる付記１０に記載した冷凍方法。

（付記１２）前記冷媒蒸気の温度を測定することによって得られる第１の温度を取得し、前記外気の温度を測定することによって得られる第３の温度を取得し、前記第３の温度が、前記第１の温度に第１の温度差を加算した温度よりも大きい場合、前記冷媒蒸気と前記高圧冷媒液を熱交換させ、前記第３の温度が、前記第１の温度に第２の温度差を加算した温度よりも小さい場合、前記冷媒蒸気と前記高圧冷媒蒸気を熱交換させる付記１０に記載した冷凍方法。

（付記１３）前記第１の温度差と前記第２の温度差をあらかじめ決定する付記１１または１２に記載した冷凍方法。

（付記１４）前記冷媒液の流量を測定することによって得られる冷媒流量を取得し、前記冷媒流量に基いて、前記第１の温度差と前記第２の温度差を決定する付記１１または１２に記載した冷凍方法。

（付記１５）前記冷媒蒸気の圧力を測定することによって得られる冷媒圧力値を取得し、前記冷媒蒸気を圧縮する際の条件値と、前記冷媒圧力値とに基いて、前記第１の温度差と前記第２の温度差を決定する付記１１または１２に記載した冷凍方法。

（付記１６）前記第１の温度差を前記第２の温度差よりも大きな値に設定する付記１１から１５のいずれか一項に記載した冷凍方法。

１００、１００Ａ、１００Ｂ、２００、２００Ａ、２００Ｂ、２０１、２０２、２０３、３００、４００ 冷凍システム
１１０ 蒸発器
１２０ 圧縮機
１３０ 凝縮器
１４０ 膨張弁
１５０ 冷媒間熱交換器
１６０ 冷媒供給構造
２１１ 第１の温度計
２１２ 第２の温度計
２１３ 第３の温度計
２６１〜２６６ バルブ
２７１〜２７４ 三方弁
２８１、２８２ 四方弁
２９０ 制御部
２９１ 記憶装置
３１０ 冷媒流量測定部
４１０ 冷媒圧力測定部

Claims (10)

1. 冷媒液を受熱により気化させて冷媒蒸気を生成する蒸発手段と、
   前記冷媒蒸気を圧縮して高圧冷媒蒸気を生成する圧縮手段と、
   前記高圧冷媒蒸気を凝縮させ高圧冷媒液を生成する凝縮手段と、
   前記高圧冷媒液を膨張させて低圧にした前記冷媒液を生成する膨張手段と、
   前記冷媒蒸気と、前記高圧冷媒蒸気および前記高圧冷媒液のいずれか一方とを熱交換させる冷媒間熱交換手段と、
   前記冷媒間熱交換手段に、前記高圧冷媒蒸気および前記高圧冷媒液のいずれか一方を供給する冷媒供給手段、とを有する
   冷凍システム。
2. 前記冷媒供給手段を制御する制御手段をさらに有し、
   前記冷媒供給手段は、流路構造と流路切替手段を備え、
   前記制御手段は、前記高圧冷媒液の状態に基いて、前記流路切替手段を制御する
   請求項１に記載した冷凍システム。
3. 前記冷媒蒸気の温度を測定して第１の温度を出力する第１の温度計と、
   前記高圧冷媒液の温度を測定して第２の温度を出力する第２の温度計、をさらに有し、
   前記制御手段は、
   前記第２の温度が、前記第１の温度に第１の温度差を加算した温度よりも大きい場合、前記冷媒間熱交換手段に前記高圧冷媒液を供給するように前記流路切替手段を制御し、
   前記第２の温度が、前記第１の温度に第２の温度差を加算した温度よりも小さい場合、前記冷媒間熱交換手段に前記高圧冷媒蒸気を供給するように前記流路切替手段を制御する
   請求項２に記載した冷凍システム。
4. 前記冷媒蒸気の温度を測定して第１の温度を出力する第１の温度計と、
   前記凝縮手段の近傍の外気の温度を測定して第３の温度を出力する第３の温度計、をさらに有し、
   前記制御手段は、
   前記第３の温度が、前記第１の温度に第１の温度差を加算した温度よりも大きい場合、前記冷媒間熱交換手段に前記高圧冷媒液を供給するように前記流路切替手段を制御し、
   前記第３の温度が、前記第１の温度に第２の温度差を加算した温度よりも小さい場合、前記冷媒間熱交換手段に前記高圧冷媒蒸気を供給するように前記流路切替手段を制御する
   請求項２に記載した冷凍システム。
5. 前記制御手段は、前記第１の温度差と前記第２の温度差を記憶する記憶手段を備える
   請求項３または４に記載した冷凍システム。
6. 前記冷媒液の流量を測定し、冷媒流量を出力する冷媒流量測定手段をさらに有し、
   前記制御手段は、前記冷媒流量に基いて、前記第１の温度差と前記第２の温度差を決定する
   請求項３または４に記載した冷凍システム。
7. 前記冷媒蒸気の圧力を測定し、冷媒圧力値を出力する冷媒圧力測定手段をさらに有し、
   前記圧縮手段は、回転式の圧縮機を備え、
   前記制御手段は、前記冷媒圧力値と前記圧縮機の回転数に基いて、前記第１の温度差と前記第２の温度差を決定する
   請求項３または４に記載した冷凍システム。
8. 前記制御手段は、前記第１の温度差を前記第２の温度差よりも大きな値に設定する
   請求項３から７のいずれか一項に記載した冷凍システム。
9. 前記流路切替手段は、三方弁および四方弁の少なくとも一方を備える
   請求項２から８のいずれか一項に記載した冷凍システム。
10. 冷却対象から受熱させることにより冷媒液を気化させて冷媒蒸気を生成し、
    前記冷媒蒸気を圧縮することにより高圧冷媒蒸気を生成し、
    前記高圧冷媒蒸気の熱を外気に放出させることによって前記高圧冷媒蒸気を凝縮させて高圧冷媒液を生成し、
    前記冷媒蒸気と、前記高圧冷媒蒸気および前記高圧冷媒液のいずれか一方とを熱交換させる
    冷凍方法。

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