JP2020003156A

JP2020003156A - 冷凍サイクル装置およびそれを備えた液体加熱装置

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Publication number: JP2020003156A
Application number: JP2018124064A
Authority: JP
Inventors: 俊二森脇; Shunji Moriwaki; 由樹山岡; Yoshiki Yamaoka; 常子今川; Tsuneko Imagawa; 繁男青山; Shigeo Aoyama; 和人中谷; Kazuto Nakatani; 町田　和彦; Kazuhiko Machida; 和彦町田; 一貴小石原; Kazutaka Koishihara; 季セン徐; Ji Sen Xu
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2018-06-29
Filing date: 2018-06-29
Publication date: 2020-01-09
Anticipated expiration: 2038-06-29
Also published as: JP7038277B2

Abstract

【課題】熱源側熱交換器の除霜運転実行終了後の利用側熱交換器における加熱運転の実行時においても、利用側熱交換器における加熱運転時の加熱能力の低下を抑制できる冷凍サイクル装置およびそれを備えた液体加熱装置を提供すること。【解決手段】圧縮機構２１の圧縮回転要素２１ｂから吐出された冷媒により、利用側熱交換器２２において利用側熱媒体を加熱する加熱運転モードと、圧縮回転要素２１ｂから吐出された冷媒により、熱源側熱交換器２４の除霜を行う除霜運転モードと、有し、除霜運転モードの実行終了後に実行される加熱運転モードにおいて、加熱運転モードの実行開始時より少なくとも所定期間は、第１膨張装置２３を流れる冷媒流量が、第２膨張装置３１を流れる冷媒流量より少なくなるそれぞれの所定開度に、制御装置４は、第１膨張装置２３の開度と第２膨張装置３１の開度とを設定している冷凍サイクル装置。【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍サイクル装置およびそれを備えた液体加熱装置に関するものである。

従来、この種の冷凍サイクル装置として、二段圧縮機講を備え、利用側熱交換器の下流側から冷媒の一部を膨張させて、二段圧縮機講の圧縮途中に中間冷媒をバイパスする冷凍サイクル装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

図４は、特許文献１に記載された従来の冷凍サイクル装置を示すものである。

図４に示すように、冷凍サイクル装置１００は、冷媒を循環させる冷媒回路１１０と、後段側インジェクション管１２０とを備えている。冷媒回路１１０は、直列に接続された複数の圧縮回転要素を有する圧縮機構２１１、熱源側熱交換器１１２、膨張機構１１３ａ、１１３ｂ、利用側熱交換器１１４が配管により環状に接続されるとともに、加熱運転と冷却運転を切り換えるための切替機構１１５で構成されている。

また、前段側の圧縮回転要素から吐出された冷媒を後段側の圧縮回転要素に吸入させるための中間冷媒管１１６に設けられ、前段側の圧縮回転要素から吐出されて後段側の圧縮回転要素に吸入される冷媒の冷却器として機能する中間冷却器１１７と、中間冷却器１１７をバイパスするように中間冷媒管１１６に接続されている中間冷却器バイパス管１３０が設けられている。

後段側インジェクション管１２０は、熱源側熱交換器１１２と利用側熱交換器１１４の間で冷媒回路１１０から分岐し、分岐した冷媒が圧縮機構２１１の後段側の圧縮回転要素に戻るように連通されている。また、インジェクション管１２０には、開度制御が可能な後段側インジェクション弁１２１が設けられている。

さらに、冷凍サイクル装置１００は、切替機構１１５を冷却運転状態に切り換えることで熱源側熱交換器１１２の除霜を行う逆サイクル除霜運転を行う際に、熱源側熱交換器１１２、中間冷却器１１７及び後段側インジェクション管１２０に冷媒を流し、中間冷却器１１７の除霜が完了したことを検知した後に、中間冷却器バイパス管１３０を用いて、中間冷却器１１７に冷媒が流れないようにするとともに、後段側インジェクション弁１２１の開度が大きくなるように制御している。

特開２００９-１３３５８１号公報

しかしながら、前記従来の冷凍サイクル装置においては、除霜能力による機器の性能低下は抑制できるが、熱源側熱交換器の除霜運転終了後の加熱運転開始時の運転制御については、一切開示していない。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、熱源側熱交換器の除霜運転実行終了後の利用側熱交換器における加熱運転の実行時においても、利用側熱交換器における加熱運転時の加熱能力の低下を抑制できる冷凍サイクル装置およびそれを備えた液体加熱装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮回転要素から構成される圧縮機構、前記圧縮回転要素から吐出された冷媒により利用側熱媒体を加熱する利用側熱交換器、中間熱交換器、第１膨張装置、熱源側熱交換器が配管で順次接続されて形成される主冷媒回路と、前記利用側熱交換器から前記第１膨張装置までの間の前記配管から分岐され、第２膨張装置により減圧された後に、前記中間熱交換器で前記主冷媒回路を流れる冷媒と熱交換され、前記圧縮回転要素の圧縮途中の冷媒に合流されるバイパス冷媒回路と、制御装置と、を備え、前記圧縮回転要素から吐出された冷媒により、前記利用側熱交換器において前記利用側熱媒体を加熱する加熱運転モードと、前記圧縮回転要素から吐出された冷媒により、前記熱源側熱交換器の除霜を行う除霜運転モードと、有し、前記除霜運転モードの実行終了後に実行される前記加熱運転モードにおいて、前記加熱運転モードの実行開始時より少なくとも所定期間は、前記第１膨張装置を流れる冷媒流量が、前記第２膨張装置を流れる冷媒流量より少なくなるそれぞれの所定開度に、前記制御装置は、前記第１膨張装置の開度と前記第２膨張装置の開度とを設定していることを特徴とするものである。

これにより、第１膨張手段を流れる冷媒流量を少なくし、かつ、第２膨張手段を流れる冷媒流量を多くすることで、主冷媒回路における第１膨張手段による減圧量を減少させることができるため、熱源側熱交換器を流れる冷媒の圧力低下を抑制できるとともに、圧縮回転要素の圧縮途中の冷媒に合流されるバイパス冷媒回路の冷媒の圧力を上昇させて、圧縮回転要素の圧縮途中の冷媒に合流される冷媒の密度を増加させることができるため、利用側熱交換器を流れる冷媒流量を十分に確保することができる。

本発明によれば、熱源側熱交換器の除霜運転実行終了後の利用側熱交換器における加熱運転の実行時においても、利用側熱交換器における加熱運転時の加熱能力の低下を抑制できる冷凍サイクル装置およびそれを備えた液体加熱装置を提供できる。

本発明の実施の形態１における液体加熱装置の構成図同冷凍サイクル装置の除霜運転モード実行後の加熱運転モード実行時のモリエル線図同冷凍サイクル装置の除霜運転モード実行後の加熱運転モード実行制御のフローチャート従来の冷凍サイクル装置の構成図

第１の発明は、圧縮回転要素から構成される圧縮機構、前記圧縮回転要素から吐出された冷媒により利用側熱媒体を加熱する利用側熱交換器、中間熱交換器、第１膨張装置、熱源側熱交換器が配管で順次接続されて形成される主冷媒回路と、前記利用側熱交換器から前記第１膨張装置までの間の前記配管から分岐され、第２膨張装置により減圧された後に、前記中間熱交換器で前記主冷媒回路を流れる冷媒と熱交換され、前記圧縮回転要素の圧縮途中の冷媒に合流されるバイパス冷媒回路と、制御装置と、を備え、前記圧縮回転要素から吐出された冷媒により、前記利用側熱交換器において前記利用側熱媒体を加熱する加熱運転モードと、前記圧縮回転要素から吐出された冷媒により、前記熱源側熱交換器の除霜を行う除霜運転モードと、有し、前記除霜運転モードの実行終了後に実行される前記加熱運転モードにおいて、前記加熱運転モードの実行開始時より少なくとも所定期間は、前記第１膨張装置を流れる冷媒流量が、前記第２膨張装置を流れる冷媒流量より少なくなるそれぞれの所定開度に、前記制御装置は、前記第１膨張装置の開度と前記第２膨張装置の開度とを設定していることを特徴とする冷凍サイクル装置である。

これにより、第１膨張手段を流れる冷媒流量を少なくすることで、蒸発器の冷媒流量が低下して、蒸発器出口の冷媒のエンタルピーが増大し、アキュムレーターを備えている場合には、アキュムレーターに滞留する冷媒の気化が促進される。

さらに、第２膨張手段を流れる冷媒量を多くすることで、主冷媒回路における第１膨張手段による減圧量を減少させることができるため、熱源側熱交換器を流れる冷媒の圧力低下を抑制できるとともに、圧縮回転要素の圧縮途中の冷媒に合流されるバイパス冷媒回路の冷媒の圧力を上昇させて、圧縮回転要素の圧縮途中の冷媒に合流される冷媒の密度を増加させることができるため、利用側熱交換器を流れる冷媒流量を十分に確保することができる。

したがって、着霜量が多い高湿度の外気温度条件下における除霜運転モード実行後の加熱運転モードにおいても、加熱能力を迅速に高めることでき、加熱運転の加熱能力の低下を抑制できる冷凍サイクル装置を提供できる。

第２の発明は、特に、第１の発明において、前記主冷媒回路の低圧側の冷媒の温度、または、前記主冷媒回路の低圧側の冷媒の圧力、を検出する低圧側検出部を備え、前記制御装置は、前記加熱運転モードの実行開始時より、前記低圧側検出部の検出値が所定値以下の期間は、前記第１膨張装置の開度と前記第２膨張装置の開度とを、前記第１膨張装置を流れる冷媒流量が、前記第２膨張装置を流れる冷媒流量より少なくなる開度に設定していることを特徴とするものである。

これにより、熱源側熱交換器において吸熱できる熱量が少ない場合に、バイパス冷媒回路を流れる冷媒流量は主冷媒回路を流れる冷媒流量より多くなり、かつ、バイパス冷媒回路を流れる冷媒は、熱源側熱交換器から圧縮機構へ吸入される主冷媒回路の冷媒よりも圧力が高いため冷媒密度も高くなり、バイパス冷媒回路を流れる冷媒の質量流量も増加するため、圧縮機構から吐出されて利用側熱交換器へ流入する全冷媒流量が増加するだけでなく、利用側熱交換器における加熱能力を高めることができる。

なお、アキュムレーターを備えている場合には、アキュムレーター内に滞留した液冷媒が蒸発し、主冷媒回路を循環すると、主冷媒回路の低圧側の圧力が上昇するので、主冷媒回路の低圧側の圧力が予め設定した所定値まで上昇した場合には、アキュムレーターの滞留液冷媒がなくなったことが判断でき、その場合には、通常の加熱運転モードにおける第１膨張装置の開度と第２膨張装置の開度に切り替えることができる。

第３の発明は、特に、第１の発明において、前記熱源側熱交換器を通過する空気の温度を検出する温度サーミスタを備え、前記制御装置は、前記加熱運転モードの実行開始時より所定時間以内は、前記第１膨張装置の開度と前記第２膨張装置の開度とを、前記第１膨張装置を流れる冷媒流量が、前記第２膨張装置を流れる冷媒流量より少なくなる開度に設定しているものである。

なお、アキュムレーターを備えている場合には、アキュムレーター内に滞留した液冷媒が蒸発し、主冷媒回路を循環すると、主冷媒回路の低圧側の圧力が上昇するので、加熱運転モードの実行開始時より予め設定した所定時間経過後には、アキュムレーターの滞留液冷媒がなくなったと推測でき、その場合には、通常の加熱運転モードにおける第１膨張装置の開度と第２膨張装置の開度に切り替えることができる。

第４の発明は、特に、第１〜第３のいずれかの発明において、前記除霜運転モードにおいて、前記圧縮回転要素から吐出された冷媒は、前記利用側熱交換器、前記第１膨張装置、前記熱源側熱交換器の順に流れることを特徴とするのである。

これにより、除霜運転モード実行中においても、利用側熱交換器に高温の吐出冷媒が流れるので、利用側熱交換器の温度低下が抑制され、除霜運転モードの実行終了後に実行される加熱運転モードにおいて、利用側熱交換器の温度上昇を促進でき、着霜量が多い高湿度の外気温度条件下における除霜運転モード実行後の加熱運転モードにおいても、加熱能力を早く高めることできる。

第５の発明は、特に、第１〜第４のいずれかの発明において、前記冷媒として、二酸化炭素を用いることを特徴とするものである。

これにより、利用側熱交換器において、冷媒で利用側熱媒体を加熱したときの、利用側熱媒体の高温化を実現できる。

第６の発明は、第１〜第５のいずれかの発明の冷凍サイクル装置と、搬送装置によって前記利用側熱媒体を循環させる利用側熱媒体回路とを備えたことを特徴とする液体加熱装置である。

これにより、冷媒で利用側熱媒体を加熱したときの、利用側熱媒体の高温化を実現できる液体加熱装置を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における液体加熱装置の構成図を示すものである。液体加熱装置は、冷凍サイクル装置１と、利用側熱媒体回路５と、液体加熱装置の運転動作を制御する制御装置４とから構成されている
また、冷凍サイクル装置１は、主冷媒回路２、バイパス冷媒回路３とから構成されている。

主冷媒回路２は、圧縮機構２１、放熱器（利用側熱交換器）２２、冷却用熱交換器（中間熱交換器）２６、主膨張弁（第１膨張装置）２３、蒸発器（熱源側熱交換器）２４が、配管１６で順次接続されて形成され、冷媒として二酸化炭素（ＣＯ２）を用いている。

なお、冷媒としては、二酸化炭素を用いるのが最適だが、例えば、Ｒ４０７Ｃ等の非共沸混合冷媒、Ｒ４１０Ａ等の擬似共沸混合冷媒、または、Ｒ３２等の単一冷媒を用いることもできる。

冷媒を圧縮する圧縮機構２１は、低段側圧縮回転要素２１ａと高段側圧縮回転要素２１ｂとで構成される。放熱器２２は、高段側圧縮回転要素２１ｂから吐出された冷媒により利用側熱媒体を加熱する。なお、圧縮機構２１を構成する低段側圧縮回転要素２１ａと高段側圧縮回転要素２１ｂとの容積比は一定で、駆動軸（図示せず）を共通化させ、１つの容器内に配置した１台の圧縮機で構成されている。

なお、本実施の形態では、圧縮回転要素が、低段側圧縮回転要素２１ａと高段側圧縮回転要素２１ｂとで構成される圧縮機構２１を用いて説明するが、単一の圧縮回転要素においても適用でき、単一の圧縮回転要素の場合には、バイパス冷媒回路３からの冷媒が合流する位置を圧縮回転要素の圧縮途中とし、バイパス冷媒回路３からの冷媒が合流する位置までの圧縮回転要素を低段側圧縮回転要素２１ａとし、バイパス冷媒回路３からの冷媒が合流する位置以降の圧縮回転要素を高段側圧縮回転要素２１ｂとして適用することができる。

また、低段側圧縮回転要素２１ａと高段側圧縮回転要素２１ｂとが、それぞれが独立した２台の圧縮機から構成されている圧縮機構２１の構成でもよい。

バイパス冷媒回路３は、放熱器２２から主膨張弁２３までの間の配管１６から分岐され、低段側圧縮回転要素２１ａと高段側圧縮回転要素２１ｂとの間の配管１６に接続されている。

バイパス冷媒回路３には、バイパス膨張弁（第２膨張装置）３１を設けられている。放熱器２２を通過後の一部の高圧冷媒、又は、冷却用熱交換器２６を通過後の一部の高圧冷媒は、バイパス膨張弁３１により減圧されて中間圧冷媒となった後に、冷却用熱交換器２６で主冷媒回路２を流れる高圧冷媒と熱交換され、低段側圧縮回転要素２１ａと高段側圧縮回転要素２１ｂとの間の冷媒と合流される。

また、蒸発器２４の出口側と圧縮機構２１の吸入側との間には、気液分離を行うアキュムレーター２５が設けられている。また、主冷媒回路２には、主冷媒回路２において、圧縮機構２１から吐出された高圧冷媒を放熱器２２側に流すか、あるいは、蒸発器２４側に流すかの流路を切り換えるための四方弁２７が設けられている。

利用側熱媒体回路５においては、放熱器２２に、熱媒体戻り管５３と熱媒体往き管５４とが接続されている。熱媒体戻り管５３には、搬送ポンプ（搬送装置）５５が設けられている。この搬送ポンプ５５が動作することにより、熱媒体戻り管５３を通じて放熱器２２に利用側熱媒体が供給され、放熱器２２で加熱された利用側熱媒体が、熱媒体往き管５４から、例えば、床暖房等の暖房機（図示せず）や貯湯タンク（図示せず）に供給される。

これにより、暖房や給湯が行われる。その後、利用側熱媒体は、熱媒体戻り管５３を介して再び放熱器２２戻る構成となっている。なお、利用側熱媒体としては、水または不凍液が用いられている。

また、主冷媒回路２の主膨張弁２３の下流側と圧縮機構２１の吸入側とを接続する主冷媒回路２の低圧側の配管１６には、低圧側検出部として、低圧側の蒸発圧力を検出する圧力センサー５１が設けられている。

なお、低圧側検出部としては、主冷媒回路２の主膨張弁２３の下流側と圧縮機構２１の吸入側とを接続を接続する主冷媒回路２の低圧側の配管１６に設けられ、低圧側の気液二層状態の冷媒の蒸発温度を検出する蒸発温度サーミスタ（図示せず）を用いてもよい。

また、蒸発器２４の周辺には温度サーミスタ２８が設けられており、ファン２９が駆動することで、蒸発器２４に熱を供給する空気の温度を、温度サーミスタ２８を用いて検出している。

また、本実施の形態における冷凍サイクル装置１においては、通常運転モードであり、搬送ポンプ５５を動作させ、利用側熱媒体を利用側熱媒体回路５において放熱器２２を介して循環させ、圧縮機構２１の高段側圧縮回転要素２１ｂから吐出された冷媒により、放熱器２２で循環する利用側熱媒体を加熱する加熱運転モードと、圧縮機構２１の高段側圧縮回転要素２１ｂから吐出された冷媒により、蒸発器２４の除霜を行う除霜運転モードとを有している。

除霜運転モードは、圧力センサー５１の検出圧力、または、蒸発温度サーミスタの検出温度がそれぞれ第１所定値以下となった場合や、あるいは、温度サーミスタ２８が検出する蒸発器２４に熱を供給する空気の温度が第１所定値以下で、その状態で加熱運転モードの実行時間が、所定時間以上継続した場合には、蒸発器２４が着霜していると判断し、圧縮機構２１の高段側圧縮回転要素２１ｂから吐出された冷媒の熱により、蒸発器２４の着霜している霜を融解して除去するものである。

図１において、通常の加熱運転モード実行時の冷媒の流れ方向を実線矢印で示している。以下、通常の加熱運転モード実行時における冷媒の状態変化について説明する。

圧縮機構２１から吐出された高圧冷媒は、四方弁２７を介して放熱器２２に流入し、放熱器２２を通過する利用側熱媒体に放熱する。放熱器２２から流出した高圧冷媒は、冷却用熱交換器２６側とバイパス膨張弁３１側とに分配される。冷却用熱交換器２６に流入した高圧冷媒は、バイパス膨張弁３１で減圧された中間圧冷媒によって冷却される。

主膨張弁２３側に分配された高圧冷媒は、主膨張弁２３によって減圧されて膨張した後に、蒸発器２４に流入する。蒸発器２４に流入した低圧冷媒は、蒸発器２４において空気から吸熱する。

一方、バイパス膨張弁３１側に分配された高圧冷媒は、バイパス膨張弁３１によって減圧されて膨張した後に、冷却用熱交換器２６に流入する。冷却用熱交換器２６に流入した中間圧冷媒は、放熱器２２から流出した高圧冷媒によって加熱される。その後、冷却用熱交換器２６から流出した中間圧冷媒は、圧縮機構２１の低段側圧縮回転要素２１ａから吐出された中間圧冷媒と合流し、高段側圧縮回転要素２１ｂに吸入される。

本実施の形態の冷凍サイクル装置１の構成は、加熱運転時に高圧冷媒の一部を、冷却用熱交換器２６を経由してバイパスさせることにより、低段側圧縮回転要素２１ａの圧縮動力を低減させるとともに、圧縮機構２１の高段側圧縮回転要素２１ｂの吸込み冷媒のエンタルピーが低下することによる冷媒密度の増大で、放熱器２２を流れる冷媒流量を増加させて、加熱能力または成績係数を向上させるためのものである。

しかし、このように加熱運転モードを実行させると、空気中の水分等が蒸発器２４で氷結して着霜し、蒸発器２４の伝熱性能低下による加熱能力低下や成績係数の低下が生じる。

このため、圧力センサー５１の検出圧力、または、蒸発温度サーミスタの検出温度がそれぞれ第１所定値以下となった場合や、あるいは、温度サーミスタ２８が検出する蒸発器２４に熱を供給する空気の温度が第１所定値以下で、その状態で加熱運転モードの実行時間が、所定時間以上継続した場合には、蒸発器２４が着霜していると判断し、圧縮機構２１の高段側圧縮回転要素２１ｂから吐出された冷媒の熱により、蒸発器２４の着霜している霜を融解して除去する除霜運転モードを実行する必要がある。

除霜運転モードの方式の代表的なものとしては、加熱運転モードの実行時に対して四方弁２７が連通する流路を切り替えて、冷媒の循環方向を逆転させ、圧縮機構２１から吐出された高温高圧の冷媒を蒸発器２４に流入させて、その凝縮熱で蒸発器２４の霜を融解するリバースサイクル除霜方式がある。

一方、四方弁２７を切り替えずに、加熱運転モード時と四方弁２７が連通する流路は同様とし、圧縮機構２１から吐出された高温高圧の冷媒を放熱器２２に流入させ、主膨張弁２３へと流し、主膨張弁２３の開度を大きくして、圧縮機構２１から吐出された高温高圧のガス冷媒を減圧せずに、主膨張弁２３を通過させ、その後、蒸発器２４に流入させて、蒸発器２４の霜を融解するホットガス除霜方式もある。

本実施の形態においては、ホットガス除霜方式を用いて、除霜運転モードを実行するが、その場合の冷媒の状態変化について、図１を用いて説明する。

図１に記載の破線矢印は、ホットガス除霜方式を用いて、除霜運転モードを実行した場合の冷媒の流れ方向を示している。

圧縮機構２１から吐出された高圧冷媒は四方弁２７を介して放熱器２２に流入し、放熱器２２から流出した冷媒は、主膨張弁２３を通過後、蒸発器２４に流入し、堆積した霜に放熱して霜を融解する。蒸発器２４で放熱し流出した気液二相冷媒は、アキュムレーター２５に入り、ここで気液分離されて気相冷媒が、再び圧縮機構２１に戻る。

この場合、除霜運転モード実行中においても、放熱器２２に高温の吐出冷媒が流れるので、放熱器２２の温度低下が抑制されて、除霜運転モード実行後に開始される加熱運転モードにおける加熱能力の上昇が、逆サイクル除霜運転と比較して速くなる。

また、除霜効率を向上させるために、放熱器２２を流れる利用側熱媒体の循環、すなわち、搬送ポンプ５５の運転動作を停止したり、または、搬送ポンプ５５の運転回転数を低下させ利用側熱媒体の放熱器２２を流れる流量を少なくして、利用側熱媒体に放熱する熱量を低減したり、蒸発器２４に流入する冷媒の温度低下を抑制するために、主膨張弁２３の開度を大きく開けて減圧量を小さくしたりして運転している。

このように除霜運転モードは、加熱運転モードを安定的に継続するためには必要不可欠ではあるが、一方で、除霜運転モード実行中においては、蒸発器２４では冷媒を蒸発するための吸熱量がないため、蒸発器２４で凝縮した液相の冷媒は、アキュムレーター２５内に滞留してしまう。

その結果、除霜運転モード実行終了後の加熱運転モードの実行開始時においては、圧縮機構２１の吸入圧力が低下し、放熱器２２を流れる冷媒流量が十分に確保されないため、加熱能力が低下してしまう。この加熱能力に伴って生じる利用側熱媒体の温度低下により、利用側熱媒体による暖房能力や成績係数が低下するなどの課題が生じる。

これらの課題を解決するためには、除霜運転モード実行終了後の加熱運転モードの実行開始時において、除霜運転モード実行中にアキュムレーター２５に滞留した液相の冷媒を、短時間で蒸発させるとともに、いち早く放熱器２２に流れる冷媒流量を十分に確保することが必要となる。

そこで、本実施の形態では、制御装置４は、除霜運転モード実行終了後に、搬送ポンプ５５が動作を開始する加熱運転モードの実行開始時において、主膨張弁２３側を流れる冷媒流量がバイパス膨張弁３１側を流れる冷媒流量より少なくなるように、主膨張弁２３とバイパス膨張弁３１の弁開度を調整している。

これにより、蒸発器２４の出口の冷媒状態は、図２に示すように、ａ点からａ′点のようにエンタルピーが増加するので、アキュムレーター２５内に高エンタルピーの冷媒が流入する。よって、アキュムレーター２５内で冷媒が混合されることにより、滞留した液相冷媒の蒸発が促進され、短時間で滞留冷媒が減少する。

また、主膨張弁２３側を流れる冷媒流量を減少させることにより、バイパス冷媒回路３に流れる冷媒流量が増加し、図２に示すようの、ｂ点からｂ′点のように圧縮機構２１の高段側圧縮回転要素２１ｂの吸入圧力が上昇し、冷媒密度が増大する。よって、高段側圧縮回転要素２１ｂから吐出される冷媒流量が増加するとともに、図２に示すように、ｃ点からｃ′点のように吐出圧力が上昇するので、放熱器２２を流れる利用側熱媒体との温度差が拡大する。

このように、制御装置４が、主膨張弁２３側を流れる冷媒流量とバイパス膨張弁３１側を流れる冷媒流量との流量比率を適切に調整、すなわち、主膨張弁２３の弁開度とバイパス膨張弁３１の弁開度とを適切に調整することによって、蒸発器２４出口の冷媒のエンタルピーが増加し、液冷媒の蒸発が促進されるとともに、高段側圧縮回転要素２１ｂの吸入冷媒密度が増大することで、加熱能力が上昇するので、成績係数の低下が抑制された状態で、除霜運転モード実行終了後に実行される加熱運転モードにおける加熱能力をいち早く上昇させることができる。

以下、除霜運転モード実行終了後に実行される加熱運転モードにおける主膨張弁２３およびバイパス膨張弁３１の弁開度の動作について、図３に示すフローチャートに基づいて説明する。

まず、制御装置４は、除霜運転モードの実行により、蒸発器２４に着霜している霜を融解し、その後、除霜運転モードの実行を終了する（ステップＳ１）。

そして、引き継続き圧縮機構２１が運転している状態で、主膨張弁２３の弁開度とバイパス膨張弁３１の弁開度を、それぞれ予め制御装置４に設定されているＯｍとＯｂとなるように設定する（ステップＳ２）。

なお、主膨張弁２３の弁開度Ｏｍとバイパス膨張弁３１の弁開度Ｏｂは、図１に示すように、主膨張弁２３を流れる冷媒流量Ｇｍが、バイパス膨張弁３１を流れる冷媒流量Ｇｂより少なくなる開度である（ステップＳ２）。

なお、除霜運転モード実行時には、圧縮機構２１から吐出された高温高圧の冷媒を、主膨張弁２３の弁開度を略最大の開度に、かつ、バイパス膨張弁３１の弁開度を略最小の開度とし、圧縮機構２１から吐出された高温高圧のガス冷媒を蒸発器２４に流入させている。

したがって、ステップＳ２の搬送ポンプ５５が動作を開始する加熱運転モードの実行開始時において、制御装置４は、主膨張弁２３の弁開度は閉方向に動作させ、バイパス膨張弁３１の弁開度は開方向に動作させることになる。

なお、主膨張弁２３の弁開度とバイパス膨張弁３１の弁開度を、それぞれ予め制御装置４に設定されているＯｍとＯｂとなるように設定した直後に、搬送ポンプ５５を動作させて、加熱運転モードの実行を開始してもよい。

次に、制御装置４は、低圧側検出部である圧力センサー５１で、主冷媒回路２の低圧側圧力Ｐｓを検出する（ステップＳ３）。

そして、圧力センサー５１で、主冷媒回路２の低圧側圧力Ｐｓ、すなわち、圧縮機構２１の吸入圧力（低段側圧縮回転要素２１ａの吸入圧力）を検出し、その検出値が、予め設定された第２所定値（所定圧力Ｐｓｔ）以下か否かを監視しながら判断する（ステップＳ４）。

ステップＳ４でＹＥＳの場合、すなわち、吸入圧力Ｐｓが第２所定値であるＰｓｔ以下の場合には、主膨張弁２３の弁開度とバイパス膨張弁３１の弁開度を、それぞれ予め制御装置４に設定されているＯｍとＯｂのままとする。

すなわち、主膨張弁２３を流れる冷媒流量Ｇｍが、バイパス膨張弁３１を流れる冷媒流量Ｇｂより少なくなるようにする状態を継続する。

一方、ステップＳ４でＮＯの場合、すなわち、吸入圧力Ｐｓが第２所定値であるＰｓｔより高い場合は、主膨張弁２３の弁開度とバイパス膨張弁３１の弁開度を、それぞれ予め制御装置４に設定されているＯｍとＯｂとする制御を解除し、通常の加熱運転モードにおける主膨張弁２３の弁開度とバイパス膨張弁３１の弁開度の動作制御に移行し、加熱運転モードの実行を継続する。

なお、低圧側検出部としては、圧力センサー５１の代わりに、主冷媒回路２の主膨張弁２３の下流側と圧縮機構２１の吸入側とを接続を接続する主冷媒回路２の低圧側の配管１６に設けられ、低圧側の気液二層状態の冷媒の蒸発温度を検出する蒸発温度サーミスタ（図示せず）を用いてもよい。

この場合、圧力センサー５１を用いた図３に示すフローチャートと同様に、蒸発温度サーミスタの検出値が第２所定値以下の期間は、主膨張弁２３の弁開度とバイパス膨張弁３１の弁開度とを、主膨張弁２３を流れる冷媒流量が、バイパス膨張弁３１を流れる冷媒流量より少なくなる開度に設定することとなる。

そして、低圧側検出部の代わりにその温度サーミスタ２８を用いて、制御装置４は、加熱運転モードの実行開始時より所定時間以内は、主膨張弁２３の弁開度とバイパス膨張弁３１の弁開度とを、主膨張弁２３を流れる冷媒流量が、バイパス膨張弁３１を流れる冷媒流量より少なくなる開度に設定するようにしてもよい。

この場合、加熱運転モードの実行開始時より所定時間を経過した後には、通常の加熱運転モードにおける主膨張弁２３の弁開度とバイパス膨張弁３１の弁開度の動作制御に移行し、加熱運転モードの実行を継続することとなる。

なお、本実施の形態では、主膨張弁２３の弁開度Ｏｍとバイパス膨張弁３１の弁開度Ｏｂとを、制御装置４に予め設定しておく構成としたが、弁開度Ｏｍと弁開度Ｏｂは、実際に流量を検出して主冷媒流量Ｇｍ＜バイパス冷媒流量Ｇｂとなるように制御してもよい。

その場合の流量検出装置（図示せず）としては、例えば、主膨張弁２３側の冷媒回路とバイパス路にそれぞれ流量計を設けてもよいし、各膨張弁の出入口の圧力差と開度の関数から、それぞれの冷媒流量を算出してもよい。

なお、バイパス冷媒回路３は、必ずしも放熱器２２と冷却用熱交換器２６の間で主冷媒回路２から分岐している必要はなく、冷却用熱交換器２６と主膨張弁２３の間で主冷媒回路２から分岐していてもよい。

さらに、本実施の形態の主膨張弁２３およびバイパス膨張弁３１は、必ずしも膨張弁である必要はなく、膨張する冷媒から動力を回収する膨張機でもよい。この場合、例えば、膨張機と連結された発電機によって負荷を変化させることにより、膨張機の回転数を制御すればよい。

以上のように、本発明にかかる冷凍サイクル装置は、中間熱交換器を備えた主冷媒回路とバイパス冷媒回路からなり、熱源側熱交換器の除霜運転実行終了後の加熱運転の実行時においても、加熱運転の加熱能力の低下を抑制できるので、冷凍サイクル装置を用いた冷凍、空調、給湯、暖房機器等に有用である。

１冷凍サイクル装置
２主冷媒回路
３バイパス冷媒回路
４制御装置
５利用側熱媒体回路
１６配管
２１圧縮機構
２１ａ低段側圧縮回転要素
２１ｂ高段側圧縮回転要素
２２放熱器（利用側熱交換器）
２３主膨張弁（第１膨張装置）
２４蒸発器（熱源側熱交換器）
２５アキュムレーター
２６冷却用熱交換器（中間熱交換器）
２８温度サーミスタ
２９ファン
３１バイパス膨張弁（第２膨張装置）
５１圧力センサー（低圧側検出部）
５３熱媒体戻り管
５４熱媒体往き管
５５搬送ポンプ（搬送装置）

Claims

圧縮回転要素から構成される圧縮機構、前記圧縮回転要素から吐出された冷媒により利用側熱媒体を加熱する利用側熱交換器、中間熱交換器、第１膨張装置、熱源側熱交換器が配管で順次接続されて形成される主冷媒回路と、
前記利用側熱交換器から前記第１膨張装置までの間の前記配管から分岐され、第２膨張装置により減圧された後に、前記中間熱交換器で前記主冷媒回路を流れる冷媒と熱交換され、前記圧縮回転要素の圧縮途中の冷媒に合流されるバイパス冷媒回路と、
制御装置と、
を備え、
前記圧縮回転要素から吐出された冷媒により、前記利用側熱交換器において前記利用側熱媒体を加熱する加熱運転モードと、
前記圧縮回転要素から吐出された冷媒により、前記熱源側熱交換器の除霜を行う除霜運転モードと、有し、
前記除霜運転モードの実行終了後に実行される前記加熱運転モードにおいて、
前記加熱運転モードの実行開始時より少なくとも所定期間は、
前記第１膨張装置を流れる冷媒流量が、前記第２膨張装置を流れる冷媒流量より少なくなるそれぞれの所定開度に、
前記制御装置は、前記第１膨張装置の開度と前記第２膨張装置の開度とを設定していることを特徴とする冷凍サイクル装置。
前記主冷媒回路の低圧側の冷媒の温度、または、前記主冷媒回路の低圧側の冷媒の圧力、を検出する低圧側検出部を備え、前記制御装置は、前記加熱運転モードの実行開始時より、前記低圧側検出部の検出値が所定値以下の期間は、前記第１膨張装置の開度と前記第２膨張装置の開度とを、前記第１膨張装置を流れる冷媒流量が、前記第２膨張装置を流れる冷媒流量より少なくなる開度に設定していることを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
前記熱源側熱交換器を通過する空気の温度を検出する温度サーミスタを備え、前記制御装置は、前記加熱運転モードの実行開始時より所定時間以内は、前記第１膨張装置の開度と前記第２膨張装置の開度とを、前記第１膨張装置を流れる冷媒流量が、前記第２膨張装置を流れる冷媒流量より少なくなる開度に設定していることを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
前記除霜運転モードにおいて、前記圧縮回転要素から吐出された冷媒は、前記利用側熱交換器、前記第１膨張装置、前記熱源側熱交換器の順に流れることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
前記冷媒として、二酸化炭素を用いることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置と、搬送装置によって前記利用側熱媒体を循環させる利用側熱媒体回路とを備えたことを特徴とする液体加熱装置。