JP2018146144A - 冷凍サイクル装置及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】冷凍サイクル装置の運転開始時点から冷凍サイクル装置の運転状態が定常状態に達するまでの時間を短縮するための技術を提供する。
【解決手段】本開示の冷凍サイクル装置（１００）は、蒸発器（２１）、圧縮機構（３１）、凝縮器（５１）、中間冷却器（４１）、第１戻し経路（３９ａ）及び制御装置（５０）を備えている。第１戻し経路（３９ａ）には、第１流量調整弁（２６）が設けられている。制御装置（５０）は、中間冷却器（４１）の内部の圧力が目標圧力範囲外にあるとき、中間冷却器（４１）に貯留された冷媒液の液面が閾値レベルを下回るように第１流量調整弁（２６）を制御し、中間冷却器（４１）の内部の圧力が目標圧力範囲に収まっているとき、中間冷却器（４１）における冷媒液の液面が閾値レベルを上回るように第１流量調整弁（２６）を制御する。
【選択図】図１

Description

本開示は、冷凍サイクル装置及びその運転方法に関する。

従来、冷凍サイクル装置の冷媒には代替フロンが使用されている。しかし、代替フロンの地球温暖化効果は大きいため、環境負荷がより小さい冷媒への転換が進められている。例えば、特許文献１には、冷媒として水を用いた冷房専用の空気調和装置が開示されている。

図６に示すように、特許文献１に記載の空気調和装置５００は、蒸発器１１０、遠心圧縮機１３１、蒸気冷却器１３３、ルーツ式圧縮機１３２及び凝縮器１２０を備えている。水を冷媒として用いた場合、体積流量が非常に大きい冷媒蒸気を高い圧縮比で圧縮する必要がある。空気調和装置５００は、遠心圧縮機１３１で圧縮した冷媒蒸気をルーツ式圧縮機１３２でさらに圧縮するように構成されている。遠心圧縮機１３１とルーツ式圧縮機１３２との間に配置された蒸気冷却器１３３において、冷媒蒸気が冷却される。この構成によれば、高温の冷媒によって空気調和装置５００の構成部品の劣化が進むことを抑制できる。

特開２００８−１２２０１２号公報

しかし、蒸気冷却器の存在は、冷凍サイクル装置の運転開始時点から冷凍サイクル装置の運転状態が定常状態に達するまでの時間を大幅に増加させる可能性がある。本開示の目的の１つは、冷凍サイクル装置の運転開始時点から冷凍サイクル装置の運転状態が定常状態に達するまでの時間を短縮するための技術を提供することにある。

すなわち、本開示は、
冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器で生成された冷媒蒸気を圧縮する第１圧縮機と、前記第１圧縮機で圧縮された前記冷媒蒸気をさらに圧縮する第２圧縮機とを含む圧縮機構と、
前記圧縮機構で圧縮された前記冷媒蒸気を凝縮させる凝縮器と、
前記第１圧縮機から前記第２圧縮機への前記冷媒蒸気の流路を含み、冷媒液を貯留しており、前記第１圧縮機で圧縮された前記冷媒蒸気と前記冷媒液とを直接的に接触させることによって前記第１圧縮機で圧縮された前記冷媒蒸気を冷却する中間冷却器と、
第１流量調整弁を含み、前記中間冷却器と前記蒸発器とを接続している第１戻し経路と、
前記中間冷却器の内部の圧力が目標圧力範囲外にあるとき、前記中間冷却器に貯留された前記冷媒液の液面が閾値レベルを下回るように前記第１流量調整弁を制御し、前記中間冷却器の内部の圧力が前記目標圧力範囲に収まっているとき、前記中間冷却器における前記冷媒液の前記液面が前記閾値レベルを上回るように前記第１流量調整弁を制御する制御装置と、
を備えた、冷凍サイクル装置を提供する。

本開示の技術によれば、冷凍サイクル装置の運転開始時点から冷凍サイクル装置の運転状態が定常状態に達するまでの時間を短縮できる。

図１は、本開示の実施形態１にかかる冷凍サイクル装置の構成図である。 図２は、冷凍サイクル装置の起動時に実行されるべき処理を示すフローチャートである。 図３は、図２に示す起動運転を実行したときの蒸発器及び中間冷却器の状態を示す図である。 図４Ａは、中間冷却器における圧力と冷媒液の液面の経時変化を示すグラフである。 図４Ｂは、中間冷却器における圧力と冷媒液の液面の経時変化を示す別のグラフである。 図５は、変形例にかかるフローチャートである。 図６は、従来の冷凍サイクル装置の構成図である。

（本開示の基礎となった知見）
特許文献１は、蒸気冷却器１３３（図６）において、冷媒蒸気が空気又は冷却水によって間接的に冷却されることが望ましいことを示唆している。しかし、蒸気冷却器１３３が間接型冷却器である場合、蒸気冷却器１３３における冷媒の圧力損失が大きいため、圧縮機１３１及び１３２の仕事が大幅に増加するおそれがある。特に、水などの低圧冷媒の体積流量は非常に大きく、圧力損失も大きくなりがちである。なお、本明細書において「低圧冷媒」の語句は、常温での飽和蒸気圧が負圧の冷媒を意味する。

本発明者らは、冷媒蒸気を中間冷却器（蒸気冷却器）に貯留された冷媒液と直接的に接触させることによって、圧力損失の増大を抑制しつつ冷媒蒸気を効率的に冷却できるかどうか鋭意検討を行った。この構成によれば、冷凍サイクル装置の運転を開始すると、圧縮機で圧縮された冷媒蒸気が中間冷却器に流入し、中間冷却器に貯留された冷媒液と冷媒蒸気との間で熱交換が行われ、冷媒液の温度が上昇する。

このとき、中間冷却器の中の冷媒液には、冷媒蒸気の過熱度に相当する量の熱が与えられる。すなわち、冷媒液に与えられる熱は、冷媒蒸気が持っている顕熱であり、その熱量は、中間冷却器の中の冷媒液の温度を速やかに上昇させるのに必ずしも十分ではない。そのため、中間冷却器の冷媒液の温度は上がりにくい。また、中間冷却器の内部は飽和状態であり、中間冷却器の飽和圧力は冷媒液の温度に依存するため、中間冷却器の飽和圧力も上がりにくい。さらに、上流側の圧縮機の吐出圧力は中間冷却器の飽和圧力に等しいため、上流側の圧縮機の吐出圧力も上がりにくい。結果として、上流側の圧縮機の吐出温度（吐出冷媒の温度）が上がりにくく、それに伴って中間冷却器の冷媒液の温度も上がりにくい。

以上の相関関係により、冷凍サイクル装置の運転を開始しても、中間冷却器に貯留された冷媒液の温度及び中間冷却器の内部の圧力が速やかに上がらず、冷凍サイクル装置の運転状態が定常状態に達するまでに非常に長い時間が必要になる。

他方、外気温度が非常に高いとき、冷凍サイクル装置の起動時における中間冷却器に貯留された冷媒液の温度は、目標温度を大幅に上回っている可能性がある。言い換えれば、中間冷却器の内部の圧力が目標圧力を大幅に上回っている可能性がある。この場合、中間冷却器に貯留された冷媒液の温度を下げて中間冷却器の内部の圧力を下げる必要がある。しかし、十分な量の高温の冷媒液が中間冷却器に貯留されていると、中間冷却器に貯留された冷媒液の温度を下げて中間冷却器の内部の圧力を下げるのに非常に長い時間が必要である。

本開示の第１態様にかかる冷凍サイクル装置は、
冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器で生成された冷媒蒸気を圧縮する第１圧縮機と、前記第１圧縮機で圧縮された前記冷媒蒸気をさらに圧縮する第２圧縮機とを含む圧縮機構と、
前記圧縮機構で圧縮された前記冷媒蒸気を凝縮させる凝縮器と、
前記第１圧縮機から前記第２圧縮機への前記冷媒蒸気の流路を含み、冷媒液を貯留しており、前記第１圧縮機で圧縮された前記冷媒蒸気と前記冷媒液とを直接的に接触させることによって前記第１圧縮機で圧縮された前記冷媒蒸気を冷却する中間冷却器と、
第１流量調整弁を含み、前記中間冷却器と前記蒸発器とを接続している第１戻し経路と、
前記中間冷却器の内部の圧力が目標圧力範囲外にあるとき、前記中間冷却器に貯留された前記冷媒液の液面が閾値レベルを下回るように前記第１流量調整弁を制御し、前記中間冷却器の内部の圧力が前記目標圧力範囲に収まっているとき、前記中間冷却器における前記冷媒液の前記液面が前記閾値レベルを上回るように前記第１流量調整弁を制御する制御装置と、
を備えたものである。

第１態様によれば、冷凍サイクル装置の起動後、中間冷却器に貯留された冷媒液の液面が閾値レベルよりも下のレベルまで低下する。つまり、中間冷却器に貯留された冷媒液の量が一時的に減少する。中間冷却器の冷媒液の量を十分に減らすと、中間冷却器の中の冷媒液の温度を所定の温度まで速やかに上げる又は下げることができる。言い換えれば、中間圧力を目標圧力範囲に速やかに収斂させることができる。その結果、冷凍サイクル装置の運転開始時点から冷凍サイクル装置の運転状態が定常状態に達するまでの時間を短縮できる。

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第１戻し経路がポンプを含み、前記冷凍サイクル装置は、前記中間冷却器における飽和温度を検出する第１温度センサと、前記冷媒液の前記液面よりも下の位置において前記中間冷却器の内部に設けられている、又は、前記中間冷却器と前記ポンプとの間において前記第１戻し経路に設けられている第１圧力センサと、をさらに備えている。第１温度センサ及び第１圧力センサの検出結果を用いて、第１流量調整弁を制御することができる。これにより、中間冷却器の冷媒液の量を所望の量に調節することができる。

本開示の第３態様において、例えば、第２態様にかかる冷凍サイクル装置は、前記蒸発器における飽和温度を検出する第２温度センサと、前記蒸発器に貯留された冷媒液の液面よりも下の位置において前記蒸発器の内部に設けられている、又は、前記第１流量調整弁と前記蒸発器との間において前記第１戻し経路に設けられている第２圧力センサと、をさらに備えている。第２温度センサ及び第２圧力センサの検出結果を用いて、第１流量調整弁を制御することができる。これにより、中間冷却器の冷媒液の量を所望の量に調節することができる。

本開示の第４態様において、例えば、第３態様にかかる冷凍サイクル装置の前記第１温度センサによって検出された前記飽和温度から特定される前記中間冷却器の内部の圧力をＰｍと定義し、前記第２温度センサによって検出された前記飽和温度から特定される前記蒸発器の内部の圧力をＰｅと定義し、前記第１圧力センサによって検出された圧力をＰ１と定義し、前記第２圧力センサによって検出された圧力をＰ２と定義し、前記冷凍サイクル装置の設置面から前記第１圧力センサまでの高さをＨ１と定義し、前記設置面から前記第２圧力センサまでの高さをＨ２と定義し、前記中間冷却器に貯留された前記冷媒液の密度をρと定義し、重力加速度をｇと定義したとき、前記制御装置は、前記圧力Ｐｍが前記目標圧力範囲外にあるとき、（Ｐ２−Ｐｅ）−（Ｐ１−Ｐｍ）＋ρｇ（Ｈ２−Ｈ１）＞０の関係が成立するように前記第１流量調整弁を制御する。第４態様によれば、冷凍サイクル装置の起動後、中間冷却器の内部の圧力を速やかに上昇又は下降させることができる。その結果、冷凍サイクル装置の運転開始時点から冷凍サイクル装置の運転状態が定常状態に達するまでの時間を短縮できる。

本開示の第５態様において、例えば、第４態様にかかる冷凍サイクル装置の前記設置面から前記第１圧力センサまでの高さＨ１が前記設置面から前記第２圧力センサまでの高さＨ２に等しい。第５態様によれば、特別な補正を加えることなく、（Ｐ２−Ｐｅ）−（Ｐ１−Ｐｍ）＋ρｇ（Ｈ２−Ｈ１）＞０の関係が成立しているかどうかを判断することができる。

本開示の第６態様において、例えば、第１〜第５態様のいずれか１つにかかる冷凍サイクル装置は、前記凝縮器と前記中間冷却器とを接続している第２戻し経路と、前記第２戻し経路に配置された第２流量調整弁と、をさらに備えている。第１流量調整弁に加えて、第２流量調整弁が設けられていると、中間冷却器における冷媒液の量をより正確に調節することができる。

本開示の第７態様において、例えば、第１〜第６態様のいずれか１つにかかる冷凍サイクル装置の前記第１戻し経路がポンプを含み、前記制御装置は、前記第１圧力センサによって検出された圧力Ｐ１が前記ポンプの有効吸込ヘッドを上回るように前記第１流量調整弁を制御する。第７態様によれば、ポンプにおけるキャビテーションの発生が防止される。

本開示の第８態様において、例えば、第１〜第５態様のいずれか１つにかかる冷凍サイクル装置は、前記凝縮器と前記中間冷却器とを接続している第２戻し経路と、前記第２戻し経路に配置された第２流量調整弁と、をさらに備え、前記第１戻し経路がポンプを含み、前記制御装置は、前記第１圧力センサによって検出された圧力Ｐ１が前記ポンプの有効吸込ヘッドを上回るように前記第２流量調整弁を制御する。これにより、ポンプに必要とされる最小限の冷媒液の量が中間冷却器において確保され、ポンプにおけるキャビテーションの発生が防止される。

本開示の第９態様において、例えば、第１〜第５態様のいずれか１つにかかる冷凍サイクル装置は、前記凝縮器と前記中間冷却器とを接続している第２戻し経路と、前記第２戻し経路に配置された第２流量調整弁と、をさらに備え、前記第１戻し経路がポンプを含み、前記制御装置は、前記第１圧力センサによって検出された圧力Ｐ１が前記ポンプの有効吸込ヘッドを上回るように前記第１流量調整弁及び前記第２流量調整弁を制御する。例えば、第２戻し経路における冷媒液の流量が第１戻し経路における冷媒液の流量を上回っていると、蒸発器における冷媒液の液面を上昇させつつ、中間冷却器の中の冷媒液の液面を上げることができる。これにより、ポンプに必要とされる最小限の冷媒液の量が中間冷却器において確保され、ポンプにおけるキャビテーションの発生が防止される。

本開示の第１０態様にかかる冷凍サイクル装置は、
冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器で生成された冷媒蒸気を圧縮する第１圧縮機と、前記第１圧縮機で圧縮された前記冷媒蒸気をさらに圧縮する第２圧縮機とを含む圧縮機構と、
前記圧縮機構で圧縮された前記冷媒蒸気を凝縮させる凝縮器と、
前記第１圧縮機から前記第２圧縮機への前記冷媒蒸気の流路を含み、冷媒液を貯留しており、前記第１圧縮機で圧縮された前記冷媒蒸気と前記冷媒液とを直接的に接触させることによって前記第１圧縮機で圧縮された前記冷媒蒸気を冷却する中間冷却器と、
第１流量調整弁及びポンプを含み、前記中間冷却器と前記蒸発器とを接続している第１戻し経路と、
前記中間冷却器における飽和温度を検出する第１温度センサと、
前記冷媒液の前記液面よりも下の位置において前記中間冷却器の内部に設けられている、又は、前記中間冷却器と前記ポンプとの間において前記第１戻し経路に設けられている第１圧力センサと、
を備えたものである。

第１０態様によれば、第１温度センサ及び第１圧力センサの検出結果を用いて、第１流量調整弁を制御することができる。これにより、中間冷却器の冷媒液の量を所望の量に調節することができる。例えば、冷凍サイクル装置の起動時において、中間冷却器の冷媒液の量を十分に減らすと、中間冷却器の中の冷媒液の温度を所定の温度まで速やかに上げる又は下げることができる。言い換えれば、中間圧力を目標圧力範囲に速やかに収斂させることができる。その結果、冷凍サイクル装置の運転開始時点から冷凍サイクル装置の運転状態が定常状態に達するまでの時間を短縮できる。

本開示の第１１態様において、例えば、第１０態様にかかる冷凍サイクル装置は、前記中間冷却器に貯留された前記冷媒液を前記中間冷却器の空間部分に導く循環経路をさらに備えている。循環経路を通じて中間冷却器の上部の空間に冷媒液を噴霧したり、降り注いだりすると、冷媒蒸気と冷媒液との接触界面が増加し、冷媒蒸気が効率的に冷却される。

本開示の第１２態様において、例えば、第１０又は第１１態様にかかる冷凍サイクル装置は、前記蒸発器における飽和温度を検出する第２温度センサと、前記蒸発器に貯留された冷媒液の液面よりも下の位置において前記蒸発器の内部に設けられている、又は、前記第１流量調整弁と前記蒸発器との間において前記第１戻し経路に設けられている第２圧力センサと、をさらに備えている。第２温度センサ及び第２圧力センサの検出結果を用いて、第１流量調整弁を制御することができる。これにより、中間冷却器の冷媒液の量を所望の量に調節することができる。

本開示の第１３態様において、例えば、第１〜第１２態様のいずれか１つにかかる冷凍サイクル装置の前記冷媒は、常温での飽和蒸気圧が負圧の冷媒である。本開示の技術は、このような冷媒を用いた冷凍サイクル装置に特に有用である。

本開示の第１４態様において、例えば、第１〜第１３態様のいずれか１つにかかる冷凍サイクル装置の前記冷媒は、主成分として水を含む。水を主成分として含む冷媒は、環境に対する負荷が小さい。

本開示の第１５態様は、冷凍サイクル装置の運転方法であって、
前記冷凍サイクル装置は、
冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器で生成された冷媒蒸気を圧縮する第１圧縮機と、前記第１圧縮機で圧縮された前記冷媒蒸気をさらに圧縮する第２圧縮機とを含む圧縮機構と、
前記圧縮機構で圧縮された前記冷媒蒸気を凝縮させる凝縮器と、
前記第１圧縮機から前記第２圧縮機への前記冷媒蒸気の流路を含み、冷媒液を貯留しており、前記第１圧縮機で圧縮された前記冷媒蒸気と前記冷媒液とを直接的に接触させることによって前記第１圧縮機で圧縮された前記冷媒蒸気を冷却する中間冷却器と、
第１流量調整弁を含み、前記中間冷却器と前記蒸発器とを接続している第１戻し経路と、
を備えたものであり、
前記運転方法は、
前記中間冷却器の内部の圧力が目標圧力範囲外にあるとき、前記中間冷却器に貯留された前記冷媒液の液面が閾値レベルを下回るように前記第１流量調整弁を制御することと、
前記中間冷却器の内部の圧力が前記目標圧力範囲に収まっているとき、前記中間冷却器における前記冷媒液の前記液面が前記閾値レベルを上回るように前記第１流量調整弁を制御することを含むものである。

第１５態様によれば、第１態様と同じ効果が得られる。

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２１、圧縮機構３１、中間冷却器４１、凝縮器５１、蒸気経路３４及び戻し経路３９を備えている。圧縮機構３１は、第１圧縮機３２及び第２圧縮機３３を含む。第１圧縮機３２及び第２圧縮機３３は、それぞれ、蒸気経路３４に配置されている。第２圧縮機３３は、中間冷却器４１を介して、第１圧縮機３２に直列に接続されている。中間冷却器４１は、第１圧縮機３２から第２圧縮機３３への冷媒蒸気の流路を含む。

蒸発器２１において冷媒が蒸発し、冷媒蒸気（気相の冷媒）が生成される。蒸発器２１で生成された冷媒蒸気が第１圧縮機３２に吸入されて圧縮される。圧縮された冷媒蒸気は、中間冷却器４１において冷却され、第２圧縮機３３に吸入されてさらに圧縮される。第２圧縮機３３で圧縮された冷媒蒸気は凝縮器５１に供給される。凝縮器５１において冷媒蒸気が冷却されて冷媒液（液相の冷媒）が生成される。冷媒液は、中間冷却器４１を経由して、凝縮器５１から蒸発器２１に送られる。蒸気経路３４及び戻し経路３９は、それぞれ、複数の配管で構成されている。

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。このような冷媒としては、水、アルコール又はエーテル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、例えば、大気圧よりも低い。冷媒として水を用いて冷房運転を行う場合、凝縮器９における冷媒の温度及び凝縮器５１の内部の圧力は、例えば、３６℃で５．９５ｋＰａＡである。中間冷却器４１における冷媒の温度及び中間冷却器４１の内部の圧力は、例えば、２０℃で２．３４ｋＰａＡである。蒸発器２１における冷媒の温度及び蒸発器２１の内部の圧力は、例えば、６℃で０．９４ｋＰａＡである。

冷凍サイクル装置１００は、さらに、吸熱回路１２及び放熱回路１４を備えている。

吸熱回路１２は、蒸発器２１で冷却された冷媒液を使用するための回路であり、ポンプ、室内熱交換器などの必要な機器を有している。吸熱回路１２の一部は蒸発器２１の内部に位置している。蒸発器２１の内部において、吸熱回路１２の一部は、冷媒液の液面よりも上に位置していてもよいし、冷媒液の液面よりも下に位置していてもよい。吸熱回路１２には、水、ブラインなどの熱媒体が充填されている。

蒸発器２１に貯留された冷媒液は、吸熱回路１２を構成する部材（配管）に接触する。これにより、冷媒液と吸熱回路１２の内部の熱媒体との間で熱交換が行われ、冷媒液が蒸発する。吸熱回路１２の内部の熱媒体は、冷媒液の蒸発潜熱によって冷却される。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、吸熱回路１２の熱媒体によって室内の空気が冷却される。室内熱交換器は、例えば、フィンチューブ熱交換器である。

放熱回路１４は、凝縮器５１の内部の冷媒から熱を奪うために使用される回路であり、ポンプ、冷却塔などの必要な機器を有している。放熱回路１４の一部は凝縮器５１の内部に位置している。詳細には、凝縮器５１の内部において、放熱回路１４の一部は、冷媒液の液面よりも上に位置している。放熱回路１４には、水、ブラインなどの熱媒体が充填されている。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、凝縮器５１は室外に配置され、放熱回路１４の熱媒体によって凝縮器５１の冷媒が冷却される。

圧縮機構３１から吐出された高温の冷媒蒸気は、凝縮器５１の内部において、放熱回路１４を構成する部材（配管）に接触する。これにより、冷媒蒸気と放熱回路１４の内部の熱媒体との間で熱交換が行われ、冷媒蒸気が凝縮する。放熱回路１４の内部の熱媒体は、冷媒蒸気の凝縮潜熱によって加熱される。冷媒蒸気によって加熱された熱媒体は、例えば、放熱回路１４の冷却塔（図示せず）において外気又は冷却水によって冷却される。

蒸発器２１は、例えば、断熱性及び耐圧性を有する容器によって構成されている。蒸発器２１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。蒸発器２１の内部の冷媒液は、蒸発器２１の外部からもたらされた熱を吸収し、沸騰する。すなわち、吸熱回路１２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２１の中で沸騰及び蒸発する。本実施形態において、蒸発器２１に貯留された冷媒液は、吸熱回路１２を循環する熱媒体と間接的に接触する。つまり、蒸発器２１に貯留された冷媒液の一部は、吸熱回路１２の熱媒体によって加熱され、飽和状態の冷媒液を加熱するために使用される。

蒸気経路３４は、蒸発器２１から凝縮器５１に冷媒蒸気を導くための流路である。蒸気経路３４は、蒸発器２１の蒸気出口に接続された一端と凝縮器５１の蒸気入口に接続された他端とを有する。本実施形態において、蒸気経路３４は、上流部分３５、下流部分３６及び中間圧部分３７を有する。上流部分３５は、蒸発器２１の蒸気出口から圧縮機構３１の吸入口（本実施形態では、第１圧縮機３２の吸入口）まで延びている。下流部分３６は、圧縮機構３１の吐出口（本実施形態では、第２圧縮機３３の吐出口）から凝縮器５１の蒸気入口まで延びている。中間圧部分３７は、第１部分３７ａ及び第２部分３７ｂを含む。第１部分３７ａは、第１圧縮機３２の吐出口から中間冷却器４１の蒸気入口まで延びている。第２部分３７ｂは、中間冷却器４１の蒸気出口から第２圧縮機３３の吸入口まで延びている。このような構成によれば、中間冷却器４１の内部空間（特に、冷媒液の液面よりも上の部分）を第１圧縮機３２から第２圧縮機３３への冷媒蒸気の流路として利用しつつ、中間冷却器４１に貯留された冷媒液に冷媒蒸気を直接的に接触させて冷媒蒸気を効率的に冷却することができる。

圧縮機構３１は、第１圧縮機３２及び第２圧縮機３３を含み、冷媒蒸気を２段階で圧縮する。第１圧縮機３２及び第２圧縮機３３は、それぞれ、蒸気経路３４に配置されている。第１圧縮機３２及び第２圧縮機３３は、例えば、容積型圧縮機又は速度型圧縮機である。容積型圧縮機は、容積変化によって冷媒を圧縮する圧縮機である。容積型圧縮機として、ロータリ圧縮機、スクリュー圧縮機、スクロール圧縮機、レシプロ圧縮機などが挙げられる。速度型圧縮機は、冷媒に運動量を与えることによって冷媒を圧縮する圧縮機である。速度型圧縮機（ターボ圧縮機）として、遠心圧縮機、軸流圧縮機などが挙げられる。第１圧縮機３２及び第２圧縮機３３は、それぞれ、回転数を変化させるための可変速機構を備えていてもよい。可変速機構の例は、圧縮機のモータを駆動するインバータである。蒸気経路３４に３台以上の圧縮機が設けられていてもよい。第１圧縮機３２の型式は、第２圧縮機３３の型式と同一であってもよいし、異なっていてもよい。本開示の技術は、第１圧縮機３２及び第２圧縮機３３が速度型圧縮機である場合に特に有効である。

凝縮器５１は、例えば、断熱性及び耐圧性を有する容器によって構成されている。凝縮器５１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。本実施形態では、過熱状態の冷媒蒸気が、外部環境に熱を放出することによって冷却された熱媒体に間接的に接触して凝縮する。つまり、冷媒蒸気は、放熱回路１４の熱媒体によって冷却され、凝縮する。

本実施形態において、蒸発器２１及び凝縮器５１は、間接接触型の熱交換器（例えば、シェルチューブ熱交換器）である。ただし、蒸発器２１及び凝縮器５１は、直接接触型の熱交換器であってもよい。つまり、吸熱回路１２及び放熱回路１４に冷媒液を循環させることによって、冷媒液を加熱したり冷却したりしてもよい。さらに、吸熱回路１２及び放熱回路１４の少なくとも１つが省略されていてもよい。

戻し経路３９は、凝縮器５１から蒸発器２１に冷媒液を導くための流路である。戻し経路３９は、凝縮器５１の液出口に接続された一端と蒸発器２１の液入口に接続された他端とを有する。本実施形態において、戻し経路３９は、第１戻し経路３９ａ及び第２戻し経路３９ｂを含む。第１戻し経路３９ａは、中間冷却器４１の液出口から蒸発器２１の液入口まで延びている。第２戻し経路３９ｂは、凝縮器５１の液出口から中間冷却器４１の液入口まで延びている。つまり、中間冷却器４１は、戻し経路３９に配置されている。第１戻し経路３９ａを経由して、中間冷却器４１に貯留された冷媒液が蒸発器２１に供給される。第２戻し経路３９ｂを経由して、凝縮器５１に貯留された冷媒液が中間冷却器４１に供給される。冷媒液は、中間冷却器４１を経由して、凝縮器５１から蒸発器２１に移される。このような構成によれば、冷熱源としての冷媒液を中間冷却器４１に容易に供給することができる。

第１戻し経路３９ａには、ポンプ２２及び第１流量調整弁２６が設けられている。第２戻し経路３９ｂには、第２流量調整弁２７が設けられている。第１流量調整弁２６は、中間冷却器４１から蒸発器２１に供給されるべき冷媒の流量（質量流量）を調節する。第２流量調整弁２７は、凝縮器５１から中間冷却器４１に供給されるべき冷媒の流量を調節する。ポンプ２２は、中間冷却器４１から蒸発器２１への冷媒液の移送を助ける。ポンプ２２を運転することによって、中間冷却器４１から蒸発器２１に強制的に冷媒液を供給することができる。第１戻し経路３９ａにおいて、ポンプ２２が上流側に配置され、第１流量調整弁２６が下流側に配置されている。第１戻し経路３９ａにおいて、ポンプ２２と蒸発器２１との間に第１流量調整弁２６が存在する。第１戻し経路３９ａにおいて、第１流量調整弁２６と中間冷却器４１との間にポンプ２２が存在する。第１流量調整弁２６に加えて、第２流量調整弁２７が設けられていると、中間冷却器４１における冷媒液の量をより正確に調節することができる。

ポンプ２２は、例えば、容積型ポンプ又は速度型ポンプである。容積型ポンプは、容積変化によって冷媒を昇圧するポンプである。容積型ポンプとして、ピストンポンプ、プランジャポンプ、ギアポンプ、ルーツポンプ、ベーンポンプ、ロータリポンプなどが挙げられる。速度型ポンプは、冷媒に運動量を与えることによって冷媒を昇圧するポンプである。速度型ポンプとして、遠心ポンプ、斜流ポンプ、軸流ポンプなどが挙げられる。ポンプ２２は、回転数を変化させるための可変速機構を備えていてもよい。可変速機構の例は、ポンプ２２のモータを駆動するインバータである。

中間冷却器４１は、例えば、断熱性及び耐圧性を有する容器によって構成されている。中間冷却器４１は、第１圧縮機３２で圧縮された冷媒蒸気と冷媒液とを直接的に接触させることによって第１圧縮機３２で圧縮された冷媒蒸気を冷却する。つまり、本実施形態において、中間冷却器４１は、冷媒蒸気と冷媒液と直接的に接触させる直接接触型の熱交換器である。中間冷却器４１で冷却された冷媒蒸気が第２圧縮機３３に吸入され、圧縮される。中間冷却器４１によれば、圧縮機構３１の吐出冷媒の温度が過度に上がることを防止できるので、冷凍サイクル装置１００の構成部品の劣化が進むことを抑制できる。また、中間冷却器４１によれば、冷媒蒸気の温度を効率的に下げることができる。

本実施形態において、中間冷却器４１は、第１圧縮機３２から第２圧縮機３３への冷媒蒸気の流路を含む。中間冷却器４１には冷媒液が貯留されている。中間冷却器４１に貯留された冷媒液の液面よりも上の空間が第１圧縮機３２から第２圧縮機３３への冷媒蒸気の流路を構成している。冷媒液の液面にて冷媒蒸気と冷媒液との熱交換が行われる。中間圧部分３７の第１部分３７ａ及び第２部分３７ｂは、それぞれ、液面よりも上の空間に開口している。第１戻し経路３９ａ及び第２戻し経路３９ｂは、それぞれ、液面よりも下において、中間冷却器４１に接続されている。

冷凍サイクル装置１００は、さらに、循環経路４６を備えている。循環経路４６は、中間冷却器４１に貯留された冷媒液を中間冷却器４１の上部の空間に導くための流路である。循環経路４６を通じて中間冷却器４１の上部の空間に冷媒液を噴霧したり、降り注いだりすると、冷媒蒸気と冷媒液との接触界面が増加し、冷媒蒸気が効率的に冷却される。本実施形態において、循環経路４６は、第１戻し経路３９ａから分岐している。詳細には、ポンプ２２と第１流量調整弁２６との間に分岐位置Ｂが存在し、その分岐位置Ｂから循環経路４６が分岐して中間冷却器４１まで延びている。つまり、循環経路４６の入口は、中間冷却器４１に貯留された冷媒液の液面よりも下において、中間冷却器４１に接続されている。循環経路４６の出口は、中間冷却器４１に貯留された冷媒液の液面よりも上において、中間冷却器４１に接続されている。中間冷却器４１から分岐位置Ｂまで、第１戻し経路３９ａ及び循環経路４６が流路を共有している。ポンプ２２の働きによって、中間冷却器４１に貯留された冷媒液を蒸発器２１に供給することもできるし、循環経路４６に供給することもできる。つまり、このような位置にポンプ２２が設けられていると、ポンプ２２の数を必要最小限に抑えることができるので、コスト及び消費電力の抑制に資する。もちろん、循環経路４６が第１戻し経路３９ａから独立して設けられていてもよい。また、循環経路４６に開閉弁、流量調整弁などの弁が設けられていてもよい。循環経路４６に専用のポンプが設けられていてもよい。

冷凍サイクル装置１００は、さらに、第１温度センサ４４ａ及び第１圧力センサ４５ａを備えている。第１温度センサ４４ａは、中間冷却器４１の内部に配置されている。第１温度センサ４４ａは、中間冷却器４１の内部の温度を検出する。本実施形態において、第１温度センサ４４ａは、冷媒液の液面よりも上に位置しており、中間冷却器４１における冷媒蒸気の温度を検出する。ただし、第１温度センサ４４ａは、冷媒液の液面よりも下に位置していてもよい。この場合、第１温度センサ４４ａは、中間冷却器４１に貯留された冷媒液の温度を検出する。さらに、第１温度センサ４４ａは、中間圧部分３７の第２部分３７ｂ又は第２圧縮機３３の吸入口に配置されていてもよい。この場合、第１温度センサ４４ａは、第２圧縮機３３に吸入されるべき冷媒蒸気の温度（吸入温度）を検出する。要するに、第１温度センサ４４ａは、中間冷却器４１における飽和温度を検出する役割を担っている。中間冷却器４１に貯留された冷媒液の温度は、理論上、中間冷却器４１の上部の空間を満たす冷媒蒸気の圧力に対応する飽和温度に等しい。第１圧力センサ４５ａは、中間冷却器４１とポンプ２２との間において第１戻し経路３９ａに設けられている。第１圧力センサ４５ａは、冷媒液の液面よりも下の位置において中間冷却器４１の内部に設けられていてもよい。第１圧力センサ４５ａは、中間冷却器４１に貯留された冷媒液による水頭圧を検出する。第１温度センサ４４ａ及び第１圧力センサ４５ａの検出結果を用いて、第１流量調整弁２６及び第２流量調整弁２７を制御することができる。これにより、中間冷却器４１の冷媒液の量を所望の量に調節することができる。

冷凍サイクル装置１００は、さらに、第２温度センサ４４ｂ及び第２圧力センサ４５ｂを備えている。第２温度センサ４４ｂは、蒸発器２１の内部に配置されている。第２温度センサ４４ｂは、蒸発器２１の内部の温度を検出する。本実施形態において、第２温度センサ４４ｂは、冷媒液の液面よりも上に位置しており、蒸発器２１における冷媒蒸気の温度を検出する。ただし、第２温度センサ４４ｂは、冷媒液の液面よりも下に位置していてもよい。この場合、第２温度センサ４４ｂは、蒸発器２１に貯留された冷媒液の温度を検出する。さらに、第２温度センサ４４ｂは、蒸気経路３４の上流部分３５又は第１圧縮機３２の吸入口に配置されていてもよい。この場合、第２温度センサ４４ｂは、第１圧縮機３２に吸入されるべき冷媒蒸気の温度（吸入温度）を検出する。要するに、第２温度センサ４４ｂは、蒸発器２１における飽和温度を検出する役割を担っている。蒸発器２１に貯留された冷媒液の温度は、理論上、蒸発器２１の上部の空間を満たす冷媒蒸気の圧力に対応する飽和温度に等しい。第２圧力センサ４５ｂは、第１流量調整弁２６と蒸発器２１との間において第１戻し経路３９ａに設けられている。第２圧力センサ４５ｂは、冷媒液の液面よりも下の位置において蒸発器２１の内部に設けられていてもよい。第２圧力センサ４５ｂは、蒸発器２１に貯留された冷媒液による水頭圧を検出する。第２温度センサ４４ｂ及び第２圧力センサ４５ｂの検出結果を用いて、第１流量調整弁２６及び第２流量調整弁２７を制御することができる。これにより、中間冷却器４１の冷媒液の量を所望の量に調節することができる。

また、凝縮器５１の内部に温度センサが配置されていてもよい。凝縮器５１の内部において、温度センサは、凝縮器５１に貯留された冷媒液の液面よりも下に位置していてもよいし、上に位置していてもよい。つまり、凝縮器５１の内部において、温度センサは、冷媒蒸気の温度を検出する位置に配置されていてもよいし、冷媒液の温度を検出する位置に配置されていてもよい。凝縮器５１の内部の冷媒蒸気の温度が高温熱源の温度（例えば、外気温度）以上の凝縮温度まで上昇した場合、冷凍サイクル装置１００の運転状態が定常状態に達したものと判断することができる。凝縮器５１には、温度センサに代えて、又は、温度センサとともに圧力センサが設けられていてもよい。

冷凍サイクル装置１００は、さらに、制御器５０を備えている。制御器５０は、第１圧縮機３２、第２圧縮機３３、第１流量調整弁２６、第２流量調整弁２７、ポンプ２２などの機器を制御する。制御器５０として、Ａ／Ｄ変換回路、入出力回路、演算回路、記憶装置などを含むＤＳＰ（Digital Signal Processor）を使用できる。制御器５０には、冷凍サイクル装置１００を適切に運転するためのプログラムが格納されている。

本実施形態において、制御器５０は、第１温度センサ４４ａ、第２温度センサ４４ｂ、第１圧力センサ４５ａ及び第２圧力センサ４５ｂに電気的に接続されており、各センサから出力された検出信号を取得する。検出信号に基づき、制御器５０は、第１流量調整弁２６及び第２流量調整弁２７を制御する。

次に、冷凍サイクル装置１００の運転、特に、停止状態から定常状態までの運転について図２のフローチャートを参照しながら説明する。

「定常状態」は、例えば、中間冷却器４１の内部の圧力が目標圧力範囲に収まっているときの運転状態を意味する。中間冷却器４１の内部の圧力は、第１温度センサ４４ａによって検出された飽和温度から特定されうる。飽和温度から特定された中間圧力Ｐｍが目標圧力範囲に収まっている場合、冷凍サイクル装置１００が定常状態に達したものと判断されうる。目標圧力範囲は、下限圧力ＰＬと上限圧力ＰＨとによって規定される。目標圧力範囲は、圧縮機構３１の設計値などから定められる値である。例えば、目標圧力範囲における下限圧力ＰＬが２．３４ｋＰａＡ（中間冷却器４１に貯留された冷媒液の温度が２０℃）であり、上限圧力２．６５ｋＰａＡ（中間冷却器４１に貯留された冷媒液の温度が２２℃）であると仮定すると、中間圧力Ｐｍが２．３４ｋＰａＡ〜２．６５ｋＰａＡに収まった場合に冷凍サイクル装置１００が定常状態に達したものと判断される。下限圧力ＰＬ及び上限圧力ＰＨは、それぞれ、一定値であってもよいし、冷凍サイクル装置１００の運転モード、外気温度などの運転条件に応じて変動する値であってもよい。

冷凍サイクル装置１００が停止しているとき、蒸発器２１の液面、中間冷却器４１の液面及び凝縮器５１の液面は、図１に示すように、概ね同じ高さ（設置面からの高さ）に維持されている。定常状態における冷媒液の量の管理の容易性を考慮すると、蒸発器２１、中間冷却器４１及び凝縮器５１は、冷凍サイクル装置１００の設置面からそれぞれの底面のまでの高さが一致する位置関係にて配置されていることが望ましい。中間冷却器４１の容積Ｖｍに対する蒸発器２１の容積Ｖｅの比率（Ｖｅ／Ｖｍ）は、例えば、１〜１．５の範囲にある。蒸発器２１の容積Ｖｅは、中間冷却器４１の容積Ｖｍを上回っていてもよい。中間冷却器の容積Ｖｍに対する凝縮器５１の容積Ｖｃの比率（Ｖｃ／Ｖｍ）は、例えば、０．５〜１の範囲にある。このような構成によれば、中間冷却器４１に十分な冷却性能を付与しつつ、本開示の方法によって冷凍サイクル装置１００の起動時に中間圧力Ｐｍを速やかに上昇又は下降させることができる。

定常状態における冷却性能を十分に確保する観点から、中間冷却器４１の容量は比較的大きい。冷凍サイクル装置１００の停止時において、中間冷却器４１に貯留された冷媒液の熱容量も比較的大きい。そこで、中間冷却器４１の内部の圧力が下限圧力ＰＬよりも低いとき、中間冷却器４１に貯留された冷媒液の液面が閾値レベルＬｔを下回るように第１流量調整弁２６を制御する。さらに、中間冷却器４１の内部の圧力が下限圧力ＰＬ以上であるとき、中間冷却器４１における冷媒液の液面が閾値レベルＬｔを上回るように第１流量調整弁２６を制御する。この制御を冷凍サイクル装置１００の起動時に実行すれば、中間圧力Ｐｍを速やかに上昇させることができる。同様に、中間冷却器４１の内部の圧力が上限圧力ＰＨよりも高いとき、中間冷却器４１に貯留された冷媒液の液面が閾値レベルＬｔを下回るように第１流量調整弁２６を制御する。さらに、中間冷却器４１の内部の圧力が上限圧力ＰＨ以下であるとき、中間冷却器４１における冷媒液の液面が閾値レベルＬｔを上回るように第１流量調整弁２６を制御する。その結果、冷凍サイクル装置１００の運転開始時点から冷凍サイクル装置１００の運転状態が定常状態に達するまでの時間を短縮できる。

図２に示すように、制御装置５０は、冷凍サイクル装置１００の起動命令を取得すると、ステップＳ１において、圧縮機構３１及びポンプ２２の運転を開始する。冷凍サイクル装置１００の起動命令は、例えば、冷凍サイクル装置１００の運転スイッチをオンにすることによって発生し、制御装置５０に入力される。次に、制御装置５０は、ステップＳ２において、温度Ｔ１を取得する。温度Ｔ１は、第１温度センサ４４ａによって検出された温度であって、中間冷却器４１の内部を満たす冷媒蒸気の温度である。温度Ｔ１は、中間冷却器４１における飽和温度である。飽和温度から中間冷却器４１の上部の空間を満たす冷媒蒸気の圧力Ｐｍ（中間圧力Ｐｍ）を特定することができる。

次に、ステップＳ３において、制御装置５０は、現在の中間圧力Ｐｍが目標圧力範囲ＰＬ〜ＰＨに収まっているかどうかを判断する。中間圧力Ｐｍが目標圧力範囲外にあるとき、制御装置５０は、ステップＳ４において、中間冷却器４１の中の冷媒液の液面を下げるための処理を実行する。具体的には、制御装置５０は、中間冷却器４１に貯留された冷媒液の液面が閾値レベルＬｔを下回るように第１流量調整弁２６を制御する。より具体的には、第１流量調整弁２６の開度を増やす。第１流量調整弁２６の開度を増やすと、図３に示すように、中間冷却器４１において冷媒液の液面が下がり、蒸発器２１において冷媒液の液面が上がる。

時間の経過とともに、中間冷却器４１に貯留された冷媒液に対して、第１圧縮機３２で圧縮された冷媒蒸気から熱が与えられる。中間冷却器４１において、冷媒液の量は、十分に減らされており、冷媒液の熱容量も十分に小さい。そのため、中間冷却器４１の中の冷媒液の温度を所定の温度まで速やかに上げることができる。言い換えれば、中間圧力Ｐｍを下限圧力ＰＬまで速やかに上げることができる。あるいは、第２圧縮機３３の働きにより、時間の経過とともに、中間冷却器４１に貯留された冷媒液から熱が奪われる。中間冷却器４１において、冷媒液の量は、十分に減らされており、冷媒液の熱容量も十分に小さい。そのため、中間冷却器４１の中の冷媒液の温度を所定の温度まで速やかに下げることができる。言い換えれば、中間圧力Ｐｍを上限圧力ＰＨまで速やかに下げることができる。その結果、圧縮機３２及び３３のそれぞれにおける圧縮比（昇温幅）が限られていたとしても、冷凍サイクル装置１００の運転開始時点から冷凍サイクル装置１００の運転状態が定常状態に達するまでの時間を短縮できる。冷凍サイクル装置１００の起動時における圧縮機構３１の負荷も抑制されうる。

ただし、中間冷却器４１の冷媒液の量を減らしすぎると、ポンプ２２においてキャビテーションが発生する可能性がある。したがって、第１圧力センサ４５ａによって検出された圧力Ｐ１がポンプ２２の有効吸込ヘッドＮＰＳＨを上回るように冷媒液の液面を管理することが望ましい。ステップＳ５において、制御装置５０は、圧力Ｐ１が有効吸込ヘッドＮＰＳＨよりも大きいかどうかを判断する。圧力Ｐ１が有効吸込ヘッドＮＰＳＨよりも小さい場合、ステップＳ６において、制御装置５０は、中間冷却器４１の中の冷媒液の液面を上げるための処理を実行する。例えば、制御装置５０は、第１流量調整弁２６を制御して中間冷却器４１の冷媒液の量を増やす。これにより、ポンプ２２に必要とされる最小限の冷媒液の量が中間冷却器４１において確保され、ポンプ２２におけるキャビテーションの発生が防止される。高外気温度又は低外気温度の環境下で冷凍サイクル装置１００を起動するときにも、短時間で中間圧力Ｐｍを目標圧力範囲に収斂させることができる。制御装置５０は、第２流量調整弁２７を制御して中間冷却器４１の冷媒液の量を増やしてもよい。

あるいは、蒸発器２１における冷媒液の液面を上昇させつつ、中間冷却器４１の中の冷媒液の液面を上げることも可能である。例えば、制御装置５０は、第２流量調整弁２７を制御して中間冷却器４１の冷媒液の量を増やす。第２流量調整弁２７の制御とともに第１流量調整弁２６の制御も行ってもよい。第２戻し経路３９ｂにおける冷媒液の流量が第１戻し経路３９ａにおける冷媒液の流量を上回っていると、蒸発器２１における冷媒液の液面を上昇させつつ、中間冷却器４１の中の冷媒液の液面を上げることができる。これにより、ポンプ２２に必要とされる最小限の冷媒液の量が中間冷却器４１において確保され、ポンプ２２におけるキャビテーションの発生が防止される。

ステップＳ２〜Ｓ６の処理を繰り返すことによって、中間冷却器４１の冷媒液の液面を所定の範囲に維持することができる。図４Ａに示すように、起動時における中間圧力Ｐｍが目標圧力範囲の下限圧力ＰＬよりも低い場合、圧縮機構３１及びポンプ２２の運転開始後、中間冷却器４１の上部の空間の中間圧力Ｐｍは、初期値Ｐ０から徐々に上昇し、時刻ｔ１において下限圧力ＰＬを上回る。中間冷却器４１の冷媒液の液面は、初期レベルＬ１から徐々に減少し、中間圧力Ｐｍが目標圧力範囲に達するまで閾値レベルＬｔ（第１の閾値レベル）と閾値レベルＬ３との間のレベルＬ２に維持される。閾値レベルＬ３は、ポンプ２２においてキャビテーションが発生する可能性がある液面に対応していてもよい。閾値レベルＬｔと閾値レベルＬ３との間に液面を維持するために、ステップＳ２〜Ｓ６の処理は、例えば、公知のＰＩ制御又はＰＩＤ制御に従って実行されてもよい。

図４Ｂに示すように、起動時における中間圧力Ｐｍが目標圧力範囲の上限圧力ＰＨよりも高い場合、圧縮機構３１及びポンプ２２の運転開始後、中間冷却器４１の上部の空間の圧力Ｐｍは、初期値Ｐ０から徐々に下降し、時刻ｔ１において上限圧力ＰＨを下回る。中間冷却器４１の冷媒液の液面は、初期レベルＬ１から徐々に減少し、中間圧力Ｐｍが目標圧力範囲に達するまで閾値レベルＬｔ（第１の閾値レベル）と閾値レベルＬ３との間のレベルＬ２に維持される。

中間圧力Ｐｍが目標圧力範囲に達した場合、ステップＳ７において、制御装置５０は、第１流量調整弁２６の開度を減らして中間冷却器４１の冷媒液の液面を徐々に上昇させる。図４Ａ及び図４Ｂに示すように、時刻ｔ１において、中間圧力Ｐｍが目標圧力範囲に達すると、第１流量調整弁２６の開度が減らされる。中間冷却器４１の冷媒液の液面は、閾値レベルＬｔを越えて所定のレベル（例えば初期レベルＬ１）まで回復する。

中間冷却器４１の液面は、第１温度センサ４４ａ及び第１圧力センサ４５ａの検出結果から特定することができる。この場合、中間冷却器４１にレベルセンサを設ける必要が無い。

ただし、中間冷却器４１の内部には、冷媒液の液面を検出するためのレベルセンサが設けられていてもよい。レベルセンサの検出結果に基づいて第１流量調整弁２６を制御すれば、中間冷却器４１に貯留された冷媒液の量を所望の範囲内（ＬｔとＬ３との間のレベル）に容易に維持することができる。言い換えれば、制御器５０は、レベルセンサの検出結果に基づいて第１流量調整弁２６を制御するように構成されていてもよい。例えば、制御器５０は、中間冷却器４１に貯留された冷媒液の量を所望の範囲内に維持されるように、レベルセンサの検出結果に基づいて第１流量調整弁２６の開度を調節したり、ポンプの回転数を調節したりする。レベルセンサとして、フロート式レベルセンサ、光学界面式レベルセンサ、超音波式レベルセンサ、電極式レベルセンサ、圧力式レベルセンサなどが挙げられる。

（変形例）
図５のフローチャートに従って冷凍サイクル装置１００の起動運転を行ってもよい。図５のフローチャートのＳＴ１、ＳＴ３及びＳＴ５〜ＳＴ８の処理は、それぞれ、図２を参照して説明したフローチャートのＳ１、Ｓ３及びＳＴ４〜ＳＴ７の処理に対応しているので、それらの説明は省略する。

制御装置５０は、ステップＳＴ２において、センサ群から圧力Ｐ１、圧力Ｐ２、温度Ｔ１及び温度Ｔ２を取得する。圧力Ｐ１は、第１圧力センサ４５ａによって検出された圧力である。圧力Ｐ２は、第２圧力センサ４５ｂによって検出された圧力である。温度Ｔ１は、第１温度センサ４４ａによって検出された温度であり、中間冷却器４１における飽和温度である。飽和温度Ｔ１から中間冷却器４１の上部の空間を満たす冷媒蒸気の圧力Ｐｍ（中間圧力Ｐｍ）を特定することができる。温度Ｔ２は、第２温度センサ４４ｂによって検出された温度であり、蒸発器２１における飽和温度である。飽和温度Ｔ２から蒸発器２１の上部の空間を満たす冷媒蒸気の圧力Ｐｅ（蒸発圧力Ｐｅ）を特定することができる。

ステップＳＴ３において、制御装置５０は、中間圧力Ｐｍが目標圧力範囲に収まっているかどうかを判断する。中間圧力Ｐｍが目標圧力範囲に収まっていないとき、制御装置５０は、ステップＳＴ４において、下記式（１）の関係が成立しているかどうかを判断する。

（Ｐ２−Ｐｅ）−（Ｐ１−Ｐｍ）＋ρｇ（Ｈ２−Ｈ１）＞０・・・（１）

式（１）の導出過程を説明する。第１温度センサ４４ａによって検出された飽和温度から特定される中間冷却器４１の内部の圧力をＰｍと定義する。第２温度センサ４４ｂによって検出された飽和温度から特定される蒸発器２１の内部の圧力をＰｅと定義する。第１圧力センサ４５ａによって検出された圧力をＰ１と定義する。第２圧力センサ４５ｂによって検出された圧力をＰ２と定義する。冷凍サイクル装置１００の設置面Ｆから第１圧力センサ４５ａまでの高さをＨ１と定義する。冷凍サイクル装置１００の設置面Ｆから第２圧力センサ４５ｂまでの高さをＨ２と定義する。第１圧力センサ４５ａから中間冷却器４１に貯留された冷媒液の液面までの高さをｈ１と定義する。第２圧力センサ４５ｂから蒸発器２１に貯留された冷媒液の液面までの高さをｈ２と定義する。中間冷却器４１に貯留された冷媒液の密度（蒸発器２１に貯留された冷媒液の密度と等しい）をρと定義する。重力加速度をｇと定義する。このとき、下記式（２）及び（３）によって表される関係が成立する。

Ｐ１＝Ｐｍ+ρｇ（Ｈ２−Ｈ１）＋ρｇｈ１・・・（２）
Ｐ２＝Ｐｅ＋ρｇｈ２・・・（３）

式（２）及び（３）より、以下の関係が導かれる。

ρｇｈ１＝Ｐ１−Ｐｍ−ρｇ（Ｈ２−Ｈ１）
ρｇｈ２＝Ｐ２−Ｐｅ
ρｇｈ２−ρｇｈ１＝ρｇ（ｈ２−ｈ１）＝（Ｐ２−Ｐｅ）−（Ｐ１−Ｐｍ）＋ρｇ（Ｈ２−Ｈ１）

ｈ２−ｈ１＞０のとき、先に説明した式（１）が導かれる。

式（１）の関係が成立していない場合、制御器５０は、ステップＳＴ５において、中間冷却器４１の中の冷媒液の液面を下げるための処理を実行する。すなわち、第１流量調整弁２６の開度を増やす。これにより、中間冷却器４１において冷媒液の液面が下がり、蒸発器２１において冷媒液の液面が上がる。

図３に示すように、中間冷却器４１の冷媒液の液面が蒸発器２１の冷媒液の液面を下回るとき、式（１）の関係が成立する。つまり、本変形例では、中間冷却器４１の冷媒液の量が蒸発器２１の冷媒液の量を下回るように、中間冷却器４１の冷媒液の量が調節される。

図３に示す例において、冷凍サイクル装置１００の設置面Ｆから第１圧力センサ４５ａまでの高さＨ１は、設置面Ｆから第２圧力センサ４５ｂまでの高さＨ２と異なっている。式（１）において、「Ｐ１−Ｐｍ」の値は、第１圧力センサ４５ａから中間冷却器４１の液面までの高さｈ１に対応する。「Ｐ２−Ｐｅ」の値は、第２圧力センサ４５ｂから蒸発器２１の液面までの高さｈ２に対応する。このような構成によれば、特別な補正を加えることなく、式（１）の関係が成立しているかどうかを判断することができる。もちろん、第１圧力センサ４５ａの位置及び第２圧力センサ４５ｂの位置は特に限定されない。図１は、Ｈ１＝Ｈ２の例を示している。

図５に示す各処理を実行することによって、図２を参照して説明した効果と同じ効果が得られる。

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、チラー、蓄熱装置などに有用であり、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。

２１ 蒸発器
２２ ポンプ
２６ 第１流量調整弁
２７ 第２流量調整弁
３１ 圧縮機構
３２ 第１圧縮機
３３ 第２圧縮機
３９ 戻し経路
３９ａ 第１戻し経路
３９ｂ 第２戻し経路
４１ 中間冷却器
４４ａ 第１温度センサ
４４ｂ 第２温度センサ
４５ａ 第１圧力センサ
４５ｂ 第２圧力センサ
４６ 循環経路
５０ 制御装置
５１ 凝縮器
１００ 冷凍サイクル装置

Claims (15)

1. 冷媒を蒸発させる蒸発器と、
   前記蒸発器で生成された冷媒蒸気を圧縮する第１圧縮機と、前記第１圧縮機で圧縮された前記冷媒蒸気をさらに圧縮する第２圧縮機とを含む圧縮機構と、
   前記圧縮機構で圧縮された前記冷媒蒸気を凝縮させる凝縮器と、
   前記第１圧縮機から前記第２圧縮機への前記冷媒蒸気の流路を含み、冷媒液を貯留しており、前記第１圧縮機で圧縮された前記冷媒蒸気と前記冷媒液とを直接的に接触させることによって前記第１圧縮機で圧縮された前記冷媒蒸気を冷却する中間冷却器と、
   第１流量調整弁を含み、前記中間冷却器と前記蒸発器とを接続している第１戻し経路と、
   前記中間冷却器の内部の圧力が目標圧力範囲外にあるとき、前記中間冷却器に貯留された前記冷媒液の液面が閾値レベルを下回るように前記第１流量調整弁を制御し、前記中間冷却器の内部の圧力が前記目標圧力範囲に収まっているとき、前記中間冷却器における前記冷媒液の前記液面が前記閾値レベルを上回るように前記第１流量調整弁を制御する制御装置と、
   を備えた、冷凍サイクル装置。
2. 前記第１戻し経路がポンプを含み、
   前記冷凍サイクル装置は、
   前記中間冷却器における飽和温度を検出する第１温度センサと、
   前記冷媒液の前記液面よりも下の位置において前記中間冷却器の内部に設けられている、又は、前記中間冷却器と前記ポンプとの間において前記第１戻し経路に設けられている第１圧力センサと、
   をさらに備えた、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記蒸発器における飽和温度を検出する第２温度センサと、
   前記蒸発器に貯留された冷媒液の液面よりも下の位置において前記蒸発器の内部に設けられている、又は、前記第１流量調整弁と前記蒸発器との間において前記第１戻し経路に設けられている第２圧力センサと、
   をさらに備えた、請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記第１温度センサによって検出された前記飽和温度から特定される前記中間冷却器の内部の圧力をＰｍと定義し、前記第２温度センサによって検出された前記飽和温度から特定される前記蒸発器の内部の圧力をＰｅと定義し、前記第１圧力センサによって検出された圧力をＰ１と定義し、前記第２圧力センサによって検出された圧力をＰ２と定義し、前記冷凍サイクル装置の設置面から前記第１圧力センサまでの高さをＨ１と定義し、前記設置面から前記第２圧力センサまでの高さをＨ２と定義し、前記中間冷却器に貯留された前記冷媒液の密度をρと定義し、重力加速度をｇと定義したとき、
   前記制御装置は、前記圧力Ｐｍが前記目標圧力範囲外にあるとき、（Ｐ２−Ｐｅ）−（Ｐ１−Ｐｍ）＋ρｇ（Ｈ２−Ｈ１）＞０の関係が成立するように前記第１流量調整弁を制御する、請求項３に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記設置面から前記第１圧力センサまでの高さＨ１が前記設置面から前記第２圧力センサまでの高さＨ２に等しい、請求項４に記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記凝縮器と前記中間冷却器とを接続している第２戻し経路と、
   前記第２戻し経路に配置された第２流量調整弁と、
   をさらに備えた、請求項１〜５のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
7. 前記第１戻し経路がポンプを含み、
   前記制御装置は、前記第１圧力センサによって検出された圧力Ｐ１が前記ポンプの有効吸込ヘッドを上回るように前記第１流量調整弁を制御する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
8. 前記凝縮器と前記中間冷却器とを接続している第２戻し経路と、
   前記第２戻し経路に配置された第２流量調整弁と、
   をさらに備え、
   前記第１戻し経路がポンプを含み、
   前記制御装置は、前記第１圧力センサによって検出された圧力Ｐ１が前記ポンプの有効吸込ヘッドを上回るように前記第２流量調整弁を制御する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
9. 前記凝縮器と前記中間冷却器とを接続している第２戻し経路と、
   前記第２戻し経路に配置された第２流量調整弁と、
   をさらに備え、
   前記第１戻し経路がポンプを含み、
   前記制御装置は、前記第１圧力センサによって検出された圧力Ｐ１が前記ポンプの有効吸込ヘッドを上回るように前記第１流量調整弁及び前記第２流量調整弁を制御する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
10. 冷媒を蒸発させる蒸発器と、
    前記蒸発器で生成された冷媒蒸気を圧縮する第１圧縮機と、前記第１圧縮機で圧縮された前記冷媒蒸気をさらに圧縮する第２圧縮機とを含む圧縮機構と、
    前記圧縮機構で圧縮された前記冷媒蒸気を凝縮させる凝縮器と、
    前記第１圧縮機から前記第２圧縮機への前記冷媒蒸気の流路を含み、冷媒液を貯留しており、前記第１圧縮機で圧縮された前記冷媒蒸気と前記冷媒液とを直接的に接触させることによって前記第１圧縮機で圧縮された前記冷媒蒸気を冷却する中間冷却器と、
    第１流量調整弁及びポンプを含み、前記中間冷却器と前記蒸発器とを接続している第１戻し経路と、
    前記中間冷却器における飽和温度を検出する第１温度センサと、
    前記冷媒液の前記液面よりも下の位置において前記中間冷却器の内部に設けられている、又は、前記中間冷却器と前記ポンプとの間において前記第１戻し経路に設けられている第１圧力センサと、
    を備えた、冷凍サイクル装置。
11. 前記中間冷却器に貯留された前記冷媒液を前記中間冷却器の空間部分に導く循環経路をさらに備えた、請求項１０に記載の冷凍サイクル装置。
12. 前記蒸発器における飽和温度を検出する第２温度センサと、
    前記蒸発器に貯留された冷媒液の液面よりも下の位置において前記蒸発器の内部に設けられている、又は、前記第１流量調整弁と前記蒸発器との間において前記第１戻し経路に設けられている第２圧力センサと、
    をさらに備えた、請求項１０又は１１に記載の冷凍サイクル装置。
13. 前記冷媒は、常温での飽和蒸気圧が負圧の冷媒である、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
14. 前記冷媒は、主成分として水を含む、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
15. 冷凍サイクル装置の運転方法であって、
    前記冷凍サイクル装置は、
    冷媒を蒸発させる蒸発器と、
    前記蒸発器で生成された冷媒蒸気を圧縮する第１圧縮機と、前記第１圧縮機で圧縮された前記冷媒蒸気をさらに圧縮する第２圧縮機とを含む圧縮機構と、
    前記圧縮機構で圧縮された前記冷媒蒸気を凝縮させる凝縮器と、
    前記第１圧縮機から前記第２圧縮機への前記冷媒蒸気の流路を含み、冷媒液を貯留しており、前記第１圧縮機で圧縮された前記冷媒蒸気と前記冷媒液とを直接的に接触させることによって前記第１圧縮機で圧縮された前記冷媒蒸気を冷却する中間冷却器と、
    第１流量調整弁を含み、前記中間冷却器と前記蒸発器とを接続している第１戻し経路と、
    を備えたものであり、
    前記運転方法は、
    前記中間冷却器の内部の圧力が目標圧力範囲外にあるとき、前記中間冷却器に貯留された前記冷媒液の液面が閾値レベルを下回るように前記第１流量調整弁を制御することと、
    前記中間冷却器の内部の圧力が前記目標圧力範囲に収まっているとき、前記中間冷却器における前記冷媒液の前記液面が前記閾値レベルを上回るように前記第１流量調整弁を制御することを含む、冷凍サイクル装置の運転方法。

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