JP2024049103A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】非共沸混合冷媒を用いる冷凍サイクル装置では、冷媒回路を循環する冷媒の組成がベース組成から乖離して、熱交換性能及び制御性が低下するおそれがある。【解決手段】冷凍サイクル装置１００は、圧縮機２１と、利用側熱交換器３１と、熱源側膨張弁２５と、熱源側熱交換器２３と、アキュームレータ２６と、メイン冷媒回路１０とを備える。メイン冷媒回路１０には、非共沸混合冷媒が封入される。第１量から第２量を引いた値を第１量で割った第１値は、混合冷媒に応じて決められる値を上回る。第１量は、メイン冷媒回路１０に封入される混合冷媒の量である。第２量は、アキュームレータ２６内に貯留されている液冷媒の量である。【選択図】図５

Description

冷凍サイクル装置に関する。

従来、非共沸混合冷媒を用いる冷凍サイクル装置が知られている。特許文献１（特開２０１５－２００４３１号公報）には、圧縮機の吸入側に接続されるアキュームレータを備え、低沸点冷媒と高沸点冷媒とを混合した非共沸混合冷媒を用いる冷凍サイクル装置である空気調和装置が開示されている。

このような冷凍サイクル装置では、アキュームレータに溜まる余剰冷媒は、高沸点冷媒を多く含む液冷媒となり、冷凍サイクル装置の冷媒回路を循環する循環冷媒は、低沸点冷媒を多く含む冷媒となる傾向がある。そのため、循環冷媒の組成が、非共沸混合冷媒のベース組成から乖離して、冷凍サイクル装置の熱交換性能及び制御性が低下するおそれがある。

第１観点の冷凍サイクル装置は、圧縮機と、凝縮器と、膨張機構と、蒸発器と、アキュームレータと、冷媒回路と、を備える。冷媒回路には、圧縮機、凝縮器、膨張機構、蒸発器、及び、アキュームレータが環状に接続される。冷媒回路には、混合冷媒が封入される。混合冷媒は、非共沸混合冷媒である。第１量から第２量を引いた値を第１量で割った第１値は、混合冷媒に応じて決められる値を上回る。第１量は、冷媒回路に封入される混合冷媒の量である。第２量は、アキュームレータ内に貯留されている液冷媒の量である。

第１観点の冷凍サイクル装置では、冷媒回路に封入される冷媒の種類及び量に応じて、アキュームレータ内に貯留される液冷媒の量が制限されている。これにより、冷媒回路を循環する冷媒の組成が、冷媒回路に封入される非共沸混合冷媒のベース組成から乖離することが抑制される。

第２観点の冷凍サイクル装置は、第１観点の冷凍サイクル装置であって、第２量は、アキュームレータの有効容積と、圧縮機に吸入される混合冷媒の圧力における混合冷媒の飽和液体密度と、の積である。

第３観点の冷凍サイクル装置は、第１観点又は第２観点の冷凍サイクル装置であって、冷媒回路に封入される混合冷媒は、第１の組成を有する。アキュームレータ内に液冷媒が貯留されている場合に、冷媒回路を循環する混合冷媒は、第２の組成を有する。Ｔ３からＴ１を引いた第２値が１Ｋ以下となるように、第１値が設定される。Ｔ１は、第１の組成を有する混合冷媒の飽和液温度である。Ｔ２は、凝縮器の出口における、第１の組成を有する混合冷媒の温度の目標値である。Ｔ３は、凝縮器の出口における混合冷媒の温度がＴ２に制御されている場合に、混合冷媒の組成が第１の組成から第２の組成に変化した後における、第２の組成を有する混合冷媒の飽和液温度である。

第３観点の冷凍サイクル装置では、冷媒回路を循環する冷媒の組成がベース組成から乖離した場合の温度グライドの変化量が所定値以下となるように、アキュームレータ内に貯留されている液冷媒の量が設定されている。温度グライドは、冷媒の飽和ガス温度と、冷媒の飽和液温度との差である。これにより、冷媒回路を循環する冷媒の組成が、ベース組成から乖離することが抑制される。

第４観点の冷凍サイクル装置は、第１乃至第３観点のいずれか１つの冷凍サイクル装置であって、混合冷媒は、２１．５質量％のＲ３２と、７８．５質量％のＲ１２３４ｙｆと、を含む。第１値は、０．６５を上回る。

第５観点の冷凍サイクル装置は、第１乃至第３観点のいずれか１つの冷凍サイクル装置であって、混合冷媒は、２３．０質量％のＲ１１３２（Ｅ）と、７７．０質量％のＲ１２３４ｙｆと、を含む。第１値は、０．１５を上回る。

第６観点の冷凍サイクル装置は、第１乃至第３観点のいずれか１つの冷凍サイクル装置であって、混合冷媒は、２２．０質量％のＲ１１３２（Ｅ）と、５６．０質量％のＲ１２３４ｙｆと、２２．０質量％のＲ３２と、を含む。第１値は、０．２２を上回る。

第７観点の冷凍サイクル装置は、第１乃至第３観点のいずれか１つの冷凍サイクル装置であって、混合冷媒は、３４．０質量％のＲ１１２３と、６６．０質量％のＲ１２３４ｙｆと、を含む。第１値は、０．１２を上回る。

第８観点の冷凍サイクル装置は、第１乃至第７観点のいずれか１つの冷凍サイクル装置であって、アキュームレータの入口における混合冷媒の湿り度に関するパラメータを制御する制御部をさらに備える。

第８観点の冷凍サイクル装置では、例えば、膨張機構の開度を制御することで、冷媒回路を循環する冷媒の組成が、ベース組成から乖離することが抑制される。

第９観点の冷凍サイクル装置は、第１乃至第８観点のいずれか１つの冷凍サイクル装置であって、アキュームレータは、所定値以下の有効容積を有する。

第９観点の冷凍サイクル装置では、アキュームレータの有効容積の上限値を設定することで、冷媒回路を循環する冷媒の組成が、ベース組成から乖離することが抑制される。

冷凍サイクル装置１００の全体構成の一例を示す図である。 制御部７０のブロック図である。 Ｒ４５４Ｃのモリエル線図である。 Ｒ３２とＲ１２３４ｙｆとの混合冷媒の気液平衡図である。 Ｒ３２とＲ１２３４ｙｆとの混合冷媒に関して、Ｒ３２の含有率と、温度グライドとの関係を示す図である。 Ｒ４５４Ｃを使用する場合における、冷媒クオリティと、循環冷媒のＲ３２の含有率との関係を示す図である。 温度グライドの低下量を説明するための図である。 循環冷媒の組成を測定するための試験機である冷凍サイクル装置２００の全体構成の一例を示す図である。

（１）冷凍サイクル装置１００の構成
冷凍サイクル装置１００は、蒸気圧縮式の冷凍サイクルによって、所定の空調対象空間の冷房運転及び暖房運転を行う空気調和装置である。

図１に示されるように、冷凍サイクル装置１００は、主として、熱源ユニット２と、利用ユニット３と、液側冷媒連絡配管６と、ガス側冷媒連絡配管７と、リモコン８と、制御部７０と、を備える。冷凍サイクル装置１００では、熱源ユニット２と利用ユニット３とが、液側冷媒連絡配管６及びガス側冷媒連絡配管７を介して接続されることで、冷媒が循環するメイン冷媒回路１０が構成される。

冷凍サイクル装置１００では、メイン冷媒回路１０内に封入される冷媒が、圧縮され、凝縮され、減圧され、蒸発された後に、再び圧縮される、という蒸気圧縮式の冷凍サイクルが行われる。

冷凍サイクル装置１００は、複数台の利用ユニット３を備えてもよい。この場合、１台の熱源ユニット２に対して複数台の利用ユニット３が並列に接続されることで、メイン冷媒回路１０が構成される。

メイン冷媒回路１０内に封入される冷媒は、非共沸混合冷媒である。非共沸混合冷媒は、沸点が互いに異なる複数種類の冷媒の混合物である。

（１－１）熱源ユニット２
熱源ユニット２は、空調対象空間を有する建物の外部等の屋外に設置される。図１に示されるように、熱源ユニット２は、主として、圧縮機２１と、四路切換弁２２と、熱源側熱交換器２３と、熱源側ファン２４と、熱源側膨張弁２５と、アキュームレータ２６と、液側閉鎖弁２８と、ガス側閉鎖弁２９と、を有する。

圧縮機２１は、冷凍サイクルにおける低圧の冷媒を高圧になるまで圧縮する機器である。圧縮機２１は、ロータリ式又はスクロール式等の容積可変型の圧縮要素（図示せず）が圧縮機モータ２１ａによって回転駆動される密閉構造を有する。圧縮機モータ２１ａは、インバータにより運転周波数（圧縮機２１の回転数）の制御が可能である。

四路切換弁２２は、メイン冷媒回路１０の接続状態を切り換えることで、冷房運転接続状態と暖房運転接続状態とを相互に切り換える。冷房運転接続状態（図１の点線の状態）では、圧縮機２１の吐出側と熱源側熱交換器２３のガス側とが接続され、かつ、圧縮機２１の吸入側とガス側閉鎖弁２９とが接続される。暖房運転接続状態（図１の実線の状態）では、圧縮機２１の吐出側とガス側閉鎖弁２９とが接続され、かつ、圧縮機２１の吸入側と熱源側熱交換器２３のガス側とが接続される。四路切換弁２２の接続ポートの１つは、圧縮機２１の吐出側と第１配管５１を介して接続される。

熱源側熱交換器２３は、冷房運転時には冷凍サイクルにおける高圧の冷媒の放熱器（凝縮器）として機能し、暖房運転時には冷凍サイクルにおける低圧の冷媒の吸熱器（蒸発器）として機能する。

熱源側ファン２４は、熱源ユニット２内に空調対象空間外の空気（外気等）を熱源側熱交換器２３に供給し、熱源側熱交換器２３において冷媒と熱交換させた後に、熱源ユニット２の外部に排出するための空気流れを生じさせる。熱源側ファン２４は、熱源側ファンモータ２４ａによって回転駆動される。

熱源側膨張弁２５は、冷媒を減圧する機能を有する絞り機構である。熱源側膨張弁２５は、熱源側熱交換器２３の液側と、液側閉鎖弁２８との間に設けられる。熱源側膨張弁２５は、制御部７０による制御により開度を調節可能な電動膨張弁である。

アキュームレータ２６は、圧縮機２１の吸入側と、四路切換弁２２の接続ポートの１つとの間に設けられる。暖房運転接続状態のメイン冷媒回路１０において、アキュームレータ２６は、圧縮機２１と熱源側熱交換器２３との間に設けられる。アキュームレータ２６の内部には、圧縮機２１の吸入側に接続される第２配管５２の端部と、四路切換弁２２の接続ポートの１つに接続される第３配管５３の端部とが配置される。第２配管５２と第３配管５３とは、アキュームレータ２６を介して互いに接続される。

アキュームレータ２６は、メイン冷媒回路１０における余剰冷媒を液冷媒として一時的に貯留することが可能な冷媒容器である。メイン冷媒回路１０を循環する冷媒は、第３配管５３を流れてアキュームレータ２６の内部に流入する。アキュームレータ２６の内部に貯留される冷媒は、第２配管５２を流れてアキュームレータ２６から流出する。

液側閉鎖弁２８は、熱源ユニット２の、液側冷媒連絡配管６との接続部分に配置される手動弁である。

ガス側閉鎖弁２９は、熱源ユニット２の、ガス側冷媒連絡配管７との接続部分に配置される手動弁である。

熱源ユニット２は、熱源ユニット２を構成する各部品の動作を制御する熱源ユニット制御部２０を有する。熱源ユニット制御部２０は、制御部７０を構成する。熱源ユニット制御部２０は、例えば、ＣＰＵ及びメモリ等を含むマイクロコンピュータである。熱源ユニット制御部２０は、利用ユニット３の利用ユニット制御部３０と通信線を介して接続され、制御信号等の送受信を行う。

（１－２）利用ユニット３
利用ユニット３は、空調対象空間である部屋等の壁及び天井等に設置される。図１に示されるように、利用ユニット３は、主として、利用側熱交換器３１と、利用側ファン３２と、を有する。

利用側熱交換器３１は、冷房運転時には冷凍サイクルにおける低圧の冷媒の吸熱器（蒸発器）として機能し、暖房運転時には冷凍サイクルにおける高圧の冷媒の放熱器（凝縮器）として機能する。利用側熱交換器３１の液側から延びる配管は、液側冷媒連絡配管６と接続される。利用側熱交換器３１のガス側から延びる配管は、ガス側冷媒連絡配管７と接続される。これにより、メイン冷媒回路１０には、圧縮機２１、熱源側熱交換器２３、熱源側膨張弁２５、及び、利用側熱交換器３１が環状に接続される。

利用側ファン３２は、利用ユニット３内に空調対象空間の空気を利用側熱交換器３１に供給し、利用側熱交換器３１において冷媒と熱交換させた後に、空調対象空間に排出するための空気流れを生じさせる。利用側ファン３２は、利用側ファンモータ３２ａによって回転駆動される。

利用ユニット３は、利用ユニット３を構成する各部品の動作を制御する利用ユニット制御部３０を有する。利用ユニット制御部３０は、制御部７０を構成する。利用ユニット制御部３０は、例えば、ＣＰＵ及びメモリ等を含むマイクロコンピュータである。利用ユニット制御部３０は、熱源ユニット２の熱源ユニット制御部２０と通信線を介して接続され、制御信号等の送受信を行う。

（１－３）リモコン８
リモコン８は、空調対象空間、又は、空調対象空間を有する建物内の特定の空間に配置される。リモコン８は、冷凍サイクル装置１００のユーザが、冷凍サイクル装置１００に各種指示を入力するための入力装置として機能する。ユーザは、例えば、リモコン８を操作して、冷凍サイクル装置１００の運転状態（暖房運転又は冷房運転）を切り換えたり、空調対象空間の設定温度を調整したりする。リモコン８は、冷凍サイクル装置１００の運転状態、及び、所定の報知情報を表示するための表示装置としても機能する。リモコン８は、熱源ユニット制御部２０及び利用ユニット制御部３０と通信線を介して接続され、相互に信号の送受信を行う。

（１－４）制御部７０
冷凍サイクル装置１００では、熱源ユニット制御部２０と利用ユニット制御部３０とが通信線を介して接続されることで、冷凍サイクル装置１００の動作を制御するハードウェアである制御部７０が構成される。制御部７０による制御は、熱源ユニット制御部２０及び利用ユニット制御部３０が一体的に動作することにより実現される。

図２に示されるように、制御部７０は、熱源ユニット２に含まれるアクチュエータと電気的に接続される。熱源ユニット２に含まれるアクチュエータは、具体的には、圧縮機２１の圧縮機モータ２１ａ、熱源側膨張弁２５、及び、熱源側ファン２４の熱源側ファンモータ２４ａである。制御部７０は、リモコン８、及び、利用ユニット３に含まれるアクチュエータとも電気的に接続される。利用ユニット３に含まれるアクチュエータは、具体的には、利用側ファン３２の利用側ファンモータ３２ａである。

図２に示されるように、制御部７０は、主として、記憶部７１と、通信部７２と、モード制御部７３と、アクチュエータ制御部７４と、表示制御部７５とを有する。これらの各要素は、制御部７０の特定の機能を実現する。制御部７０は、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びフラッシュメモリ等に記憶された制御プログラムを実行することで、これらの機能を実行する。

記憶部７１は、制御部７０の他の要素からの依頼を受けて、所定の情報を所定の記憶領域に格納する。所定の情報とは、例えば、制御部７０が実行する演算の結果、及び、リモコン８に入力されるコマンドである。

通信部７２は、制御部７０に接続される各機器と、信号の送受信を行うための通信インターフェースとして機能する。通信部７２は、アクチュエータ制御部７４からの依頼を受けて、指定されたアクチュエータに所定の信号を送信する。通信部７２は、リモコン８等から出力された信号を受信して、所定の記憶領域に格納するよう記憶部７１に依頼する。

モード制御部７３は、冷凍サイクル装置１００の運転モードの切り替え等を行う。

アクチュエータ制御部７４は、制御プログラムに基づいて、冷凍サイクル装置１００に含まれる各アクチュエータの動作を制御する。例えば、アクチュエータ制御部７４は、設定温度等に応じて、圧縮機２１の回転数、熱源側膨張弁２５の開度、熱源側ファン２４の回転数、及び、利用側ファン３２の回転数等をリアルタイムに制御する。

表示制御部７５は、表示装置としてのリモコン８の動作を制御する機能部である。表示制御部７５は、冷凍サイクル装置１００の運転状態及び状況に係る情報等をユーザに通知するために、リモコン８に所定の情報を出力させる。例えば、表示制御部７５は、運転モード及び設定温度等の情報をリモコン８のディスプレイに表示させる。

（２）冷凍サイクル装置１００の運転モード
空気調和装置である冷凍サイクル装置１００は、冷房運転モード又は暖房運転モードで運転して、空調対象空間の空気の温度及び湿度を調整する。制御部７０は、ユーザによってリモコン８に入力された指示に基づいて、冷房運転モード及び暖房運転モードのいずれの運転モードで運転すべきかを判断する。

（２－１）冷房運転モード
冷房運転モードでは、制御部７０は、四路切換弁２２を冷房運転接続状態にして、空調対象空間における冷房運転を実行する。冷房運転モードでは、制御部７０は、例えば、メイン冷媒回路１０における冷媒の蒸発温度が目標蒸発温度になるように、圧縮機２１の回転数を制御する。

冷房運転モードでは、熱源ユニット２の圧縮機２１から吐出されたガス冷媒は、第１配管５１及び四路切換弁２２を通過して、熱源側熱交換器２３を流れる。熱源側熱交換器２３を流れる冷媒は、屋外の空気と熱交換することにより放熱又は凝縮した後、熱源側膨張弁２５に向かって流れる。制御部７０は、熱源側熱交換器２３の過冷却度、及び、利用側熱交換器３１の過熱度が所定の目標値になる等の条件が満たされるように、熱源側熱交換器２３と利用側熱交換器３１との間に位置する熱源側膨張弁２５の開度を制御する。

熱源側膨張弁２５で減圧された冷媒は、液側閉鎖弁２８及び液側冷媒連絡配管６を通過して利用ユニット３に流入し、利用側熱交換器３１を流れる。利用側熱交換器３１を流れる冷媒は、空調対象空間の空気と熱交換することで吸熱又は蒸発した後、ガス側冷媒連絡配管７を流れて、ガス側閉鎖弁２９から熱源ユニット２に流入する。熱源ユニット２に流入した冷媒は、四路切換弁２２、第３配管５３、アキュームレータ２６及び第２配管５２を経て、再び、圧縮機２１に吸入される。アキュームレータ２６では、利用側熱交換器３１で蒸発しきれなかった液冷媒が余剰冷媒として貯留される。

（２－２）暖房運転モード
暖房運転モードでは、制御部７０は、四路切換弁２２を暖房運転接続状態にして、空調対象空間における暖房運転を実行する。暖房運転モードでは、制御部７０は、例えば、メイン冷媒回路１０における冷媒の凝縮温度が目標凝縮温度になるように、圧縮機２１の回転数を制御する。

暖房運転モードでは、熱源ユニット２の圧縮機２１から吐出されたガス冷媒は、第１配管５１、四路切換弁２２、ガス側閉鎖弁２９及びガス側冷媒連絡配管７を通過して利用ユニット３に流入し、利用側熱交換器３１を流れる。利用側熱交換器３１を流れる冷媒は、空調対象空間の空気と熱交換することで放熱又は凝縮した後、液側冷媒連絡配管６を流れて、液側閉鎖弁２８から熱源ユニット２に流入する。熱源ユニット２に流入した冷媒は、熱源側膨張弁２５で減圧される。制御部７０は、利用側熱交換器３１の過冷却度、及び、熱源側熱交換器２３の過熱度が所定の目標値になる等の条件が満たされるように、利用側熱交換器３１と熱源側熱交換器２３との間に位置する熱源側膨張弁２５の開度を制御する。

熱源側膨張弁２５で減圧された冷媒は、熱源側熱交換器２３を流れる。熱源側熱交換器２３を流れる冷媒は、屋外の空気と熱交換することにより吸熱又は蒸発した後、四路切換弁２２、第３配管５３、アキュームレータ２６及び第２配管５２を経て、再び、圧縮機２１に吸入される。アキュームレータ２６では、熱源側熱交換器２３において蒸発しきれなかった液冷媒が余剰冷媒として貯留される。

（３）詳細構成
循環冷媒量及び滞留冷媒量を次のように定義する。循環冷媒量とは、冷凍サイクル装置１００の運転中にメイン冷媒回路１０を循環する冷媒である循環冷媒の重量である。滞留冷媒量とは、冷凍サイクル装置１００の運転中にアキュームレータ２６内に貯留される液冷媒である滞留冷媒の重量である。滞留冷媒は、冷凍サイクル装置１００の運転中にメイン冷媒回路１０を循環しない。アキュームレータ２６内のガス冷媒は、循環冷媒の一部であり、循環冷媒と同じ組成を有する。アキュームレータ２６内のガス冷媒の温度は、滞留冷媒の温度と同じである。例えば、滞留冷媒の温度が－４０℃の場合、アキュームレータ２６には－４０℃の冷媒が流入し、アキュームレータ２６からは－４０℃のガス冷媒が流出する。滞留冷媒の温度は、アキュームレータ２６の外部の気体の温度と同じである。

メイン冷媒回路１０内の冷媒が封入される空間を１つの容器と見なし、この容器を冷媒回路容器と呼ぶ。冷媒回路容器の内部には、ガス状の循環冷媒と、液状の滞留冷媒とが、気液平衡状態で存在している。冷媒回路容器内の循環冷媒量をＷ１とし、冷媒回路容器内の滞留冷媒量をＷ２とする場合、メイン冷媒回路１０に封入される冷媒の重量である封入冷媒量Ｗ３は、以下の式（Ｉ）で表される。
Ｗ３＝Ｗ１＋Ｗ２ ・・・（Ｉ）

封入冷媒量Ｗ３は、メイン冷媒回路１０に冷媒を充填する時に計測可能な値である。滞留冷媒量Ｗ２は、例えば、アキュームレータ２６の有効容積と、圧縮機２１に吸入される冷媒の圧力における冷媒の飽和液体密度と、の積である。また、滞留冷媒量Ｗ２は、アキュームレータ２６内に貯留される液冷媒の液面の高さに基づいて算出されてもよい。液冷媒の液面の高さは、例えば、アキュームレータ２６に取り付けられる液面計を用いて測定される。

冷媒回路容器内のガス冷媒重量比を冷媒クオリティと呼ぶ。冷媒クオリティＱは、以下の式（ＩＩ）又は式（ＩＩＩ）で表される。
Ｑ＝Ｗ１／（Ｗ１＋Ｗ２） ・・・（ＩＩ）
Ｑ＝（Ｗ３－Ｗ２）／Ｗ３ ・・・（ＩＩＩ）

冷媒クオリティＱの範囲は、０以上、かつ、１以下である。冷凍サイクル装置１００では、冷媒クオリティは、メイン冷媒回路１０に封入される冷媒の種類に応じて決められる所定の値を上回る。具体的には、冷媒クオリティが所定の値を上回るように、冷凍サイクル装置１００の運転が制御されたり、メイン冷媒回路１０が設計されたりする。

例えば、制御部７０は、アキュームレータ２６の入口における混合冷媒の湿り度に関するパラメータを制御することで、冷媒クオリティが所定の値を上回るようにする。この場合、制御部７０は、熱源側膨張弁２５の開度、及び、熱源側ファン２４の回転数を調整することで、冷媒クオリティが所定の値を上回るようにする。また、冷媒クオリティが所定の値を上回るように、アキュームレータ２６の有効容積が所定値以下になるように設計される。

式（ＩＩＩ）より、冷媒クオリティが高いほど、滞留冷媒量が少なくなる。そのため、後述する理由により、冷媒クオリティが高いほど、循環冷媒の組成とベース組成との乖離が小さくなる。ベース組成とは、メイン冷媒回路１０に封入される時における非共沸混合冷媒の組成である。次に、循環冷媒の組成とベース組成との乖離について、図３及び図４を用いて説明する。以下、メイン冷媒回路１０に封入される混合冷媒は、Ｒ４５４Ｃであるとする。Ｒ４５４Ｃは、２１．５質量％のＲ３２と、７８．５質量％のＲ１２３４ｙｆと、を含む。そのため、メイン冷媒回路１０に封入される混合冷媒のベース組成は、２１．５質量％のＲ３２と、７８．５質量％のＲ１２３４ｙｆと、からなる。

図３は、Ｒ４５４Ｃの飽和液線Ｌ１及び乾き飽和蒸気線Ｌ２が描かれているモリエル線図である。実線Ｌ３は、Ｒ４５４Ｃの－４０℃の等温線である。点線Ｌ４は、所定の冷媒クオリティにおけるＲ４５４Ｃの状態を表す。実線Ｌ３と点線Ｌ４との交点における圧力Ｐ１は、所定の冷媒クオリティにおける、－４０℃のＲ４５４Ｃの圧力である。

図４は、図３の圧力Ｐ１における、Ｒ３２とＲ１２３４ｙｆとの混合冷媒の気液平衡図である。図４の横軸は、混合冷媒に含まれるＲ３２の含有率（０質量％～１００質量％）を表す。図４の縦軸は、混合冷媒の温度を表す。図４には、沸点曲線Ｌ５及び露点曲線Ｌ６が示されている。沸点曲線Ｌ５より低温の領域は液相である。露点曲線Ｌ６より高温の領域は気相である。沸点曲線Ｌ５と露点曲線Ｌ６との間の領域は気液混合相である。

図４に示されるように、Ｒ３２の含有率が２１．５質量％であるベース組成の混合冷媒は、温度－４０℃において気液二相状態である。温度－４０℃の直線Ｌ７と沸点曲線Ｌ５との交点におけるＲ３２の含有率Ｓ１は、滞留冷媒のＲ３２の含有率である。温度－４０℃の直線Ｌ７と露点曲線Ｌ６との交点におけるＲ３２の含有率Ｓ２は、循環冷媒のＲ３２の含有率である。冷凍サイクル装置１００では、循環冷媒のＲ３２の含有率Ｓ２と、ベース組成の混合冷媒のＲ３２の含有率（２１．５質量％）との差が所定の値以下となるように、所定の範囲内に冷媒クオリティが制限される。

次に、冷媒クオリティの範囲の決め方について、図５及び図６を用いて説明する。図５の横軸は、Ｒ３２とＲ１２３４ｙｆとの混合冷媒に含まれるＲ３２の含有率（質量％）を表す。図５の縦軸は、混合冷媒の温度グライドを表す。温度グライドとは、冷媒の飽和ガス温度と、冷媒の飽和液温度との差である。以降、冷媒の飽和ガス温度は、冷媒の凝縮温度であるとする。図６の横軸は、メイン冷媒回路１０に封入される冷媒の冷媒クオリティを表す。図６の縦軸は、循環冷媒に含まれるＲ３２の含有率（質量％）を表す。図６には、ベース組成の混合冷媒のＲ３２の含有率（２１．５質量％）が直線Ｌ８で示されている。

Ｒ１２３４ｙｆの沸点は、Ｒ３２の沸点よりも高い。そのため、滞留冷媒に含まれるＲ１２３４ｙｆの含有率は、循環冷媒に含まれるＲ１２３４ｙｆの含有率よりも高くなる傾向がある。また、循環冷媒に含まれるＲ３２の含有率は、滞留冷媒に含まれるＲ３２の含有率よりも高くなる傾向がある。そのため、冷媒クオリティが小さいほど、滞留冷媒量が多くなり、滞留冷媒に含まれるＲ１２３４ｙｆの重量が大きくなるため、循環冷媒に含まれるＲ１２３４ｙｆの重量が小さくなる。従って、図６に示されるように、冷媒クオリティが小さいほど、循環冷媒に含まれるＲ３２の含有率が大きくなる。図５に示されるように、循環冷媒に含まれるＲ３２の含有率が、ベース組成の混合冷媒のＲ３２の含有率（２１．５質量％）から大きくなると、温度グライドが低下する。そのため、温度グライドの低下量が小さいほど、循環冷媒の組成とベース組成との乖離が小さくなる。

冷凍サイクル装置１００では、温度グライドの低下量が１Ｋ以下となるように、冷媒クオリティの範囲が設定される。図５に示されるように、混合冷媒のＲ３２の含有率が、ベース組成の混合冷媒のＲ３２の含有率（２１．５質量％）である場合の温度グライドは７．７Ｋである。温度グライドが７．７Ｋから１Ｋ低下して６．７Ｋとなった時における、混合冷媒のＲ３２の含有率は３０．０質量％である。図６において、循環冷媒のＲ３２の含有率が３０．０質量％の時における、冷媒クオリティは０．６５である。そのため、冷媒クオリティが０．６５より大きい場合、循環冷媒のＲ３２の含有率は２１．５質量％～３０．０質量％となり、温度グライドは６．７Ｋ～７．７Ｋとなる。

以上より、冷凍サイクル装置１００では、メイン冷媒回路１０に封入される混合冷媒がＲ４５４Ｃである場合、冷媒クオリティは０．６５を上回るように設定される。これにより、温度グライドの低下量が１Ｋ以下に抑えられ、循環冷媒の組成とベース組成との乖離が抑制される。このように、冷媒クオリティの範囲は、温度グライドの低下量に基づいて決定される。次に、温度グライドの低下量について、図７を用いて説明する。

図７には、Ｒ３２とＲ１２３４ｙｆとの混合冷媒のモリエル線図が示されている。混合冷媒は、第１の組成又は第２の組成を有する。第１の組成を有する混合冷媒は、２１．５質量％のＲ３２と、７８．５質量％のＲ１２３４ｙｆと、を含む。第２の組成を有する混合冷媒は、６０．０質量％のＲ３２と、４０．０質量％のＲ１２３４ｙｆと、を含む。図７には、第１の組成の混合冷媒の飽和液線Ｌ１１と乾き飽和蒸気線Ｌ１２、及び、第２の組成の混合冷媒の飽和液線Ｌ２１と乾き飽和蒸気線Ｌ２２が示されている。図７には、第１の組成の混合冷媒の４０℃、３３℃、３０℃の等温線、及び、第２の組成の混合冷媒の４０℃、３８℃の等温線が示されている。

第１の組成は、メイン冷媒回路１０に封入される混合冷媒であるＲ４５４Ｃの組成である。言い換えると、第１の組成は、ベース組成である。第２の組成は、冷凍サイクル装置１００の運転中にアキュームレータ２６内に液冷媒が貯留されている場合の循環冷媒の組成の一例である。冷凍サイクル装置１００を起動させると、上述したように循環冷媒に含まれるＲ１２３４ｙｆの重量が小さくなるので、循環冷媒の組成が第１の組成から第２の組成に徐々に変化する。

図７には、第１の組成の循環冷媒の凝縮過程Ｃ１１～Ｃ１２、及び、第２の組成の循環冷媒の凝縮過程Ｃ２１～Ｃ２２が示されている。第１の組成及び第２の組成の循環冷媒の凝縮温度は、４０℃である。第１の組成の循環冷媒の飽和液温度Ｔ１は、３３℃である。第１の組成の循環冷媒は、凝縮過程における過冷却度が３℃に設定される。そのため、凝縮器の出口における循環冷媒の温度の目標値Ｔ２は、飽和液温度Ｔ１より３℃低い３０℃に設定される。凝縮器の出口における循環冷媒の温度が目標値Ｔ２と同じ３０℃になるように制御される場合、循環冷媒の組成が第１の組成から第２の組成に変化した後における、第２の組成の循環冷媒の飽和液温度Ｔ３は、３８℃となる。

第１の組成の循環冷媒の温度グライドは、７℃である。第２の組成の循環冷媒の温度グライドは、２℃である。そのため、循環冷媒の組成が第１の組成から第２の組成に変化した場合、温度グライドの低下量は、５℃である。また、温度グライドの低下量は、第２の組成の循環冷媒の飽和液温度Ｔ３から第１の組成の循環冷媒の飽和液温度Ｔ１を引いた値に相当する。

図７の場合、第２の組成の循環冷媒の飽和液温度Ｔ３は３８℃であるので、凝縮器の出口における循環冷媒の温度が３０℃になるように制御される場合、過冷却度は８℃となる。そのため、循環冷媒の組成が第１の組成から第２の組成に変化すると、過冷却度が５℃大きくなった状態で冷凍サイクル装置１００を運転することになり、凝縮器の性能が低下するおそれがある。そのため、循環冷媒の組成が変化しても過冷却度の増加量をできるだけ小さくするために、温度グライドの低下量は小さいほど好ましい。本実施形態では、循環冷媒の温度を測定するためのサーミスタの測定値のバラツキを考慮して、温度グライドの低下量の最大許容量が１Ｋに設定される。

（４）特徴
（４－１）
メイン冷媒回路１０を循環する冷媒のうち、蒸発器において蒸発しきれなかった液冷媒は、余剰冷媒としてアキュームレータ２６内に貯留される。メイン冷媒回路１０内に封入される冷媒は、低沸点冷媒と高沸点冷媒との混合物である非共沸混合冷媒である。高沸点冷媒の沸点は、低沸点冷媒の沸点よりも高い。そのため、アキュームレータ２６内に貯留される液冷媒である滞留冷媒は、メイン冷媒回路１０を循環する循環冷媒よりも、高沸点冷媒の含有率が高い。その結果、アキュームレータ２６内に滞留冷媒が徐々に貯留されると、循環冷媒の高沸点冷媒の含有率が低下して、循環冷媒の組成がベース組成から乖離するおそれがある。

冷凍サイクル装置１００では、メイン冷媒回路１０に封入される冷媒の種類及び量に応じて、アキュームレータ２６内に貯留される液冷媒の量が制限されている。具体的には、冷媒の種類に応じて設定される冷媒クオリティが所定の値を上回るように冷凍サイクル装置１００が制御される。

冷媒クオリティが高いほど、滞留冷媒量が少なくなり、かつ、循環冷媒量が多くなる。そのため、冷媒クオリティが高いほど、循環冷媒の組成がベース組成から乖離することが抑制される。循環冷媒の組成がベース組成から乖離すると、冷凍サイクル装置１００の熱交換性能及び制御性が低下するおそれがある。そのため、冷凍サイクル装置１００は、熱交換性能及び制御性の低下を抑制することができる。

（４－２）
冷凍サイクル装置１００では、循環冷媒の組成がベース組成から乖離した場合の温度グライドの変化量が所定値以下となるように、冷媒クオリティの範囲が設定される。具体的には、温度グライドの低下量が１Ｋ以下となるように、冷媒クオリティの範囲が設定される。上述した理由により、温度グライドの低下量が大きいほど、凝縮器の性能が低下するおそれがある。そのため、冷凍サイクル装置１００は、循環冷媒の組成の変化に起因する性能低下を抑制することができる。

（４－３）
冷凍サイクル装置１００では、メイン冷媒回路１０内に非共沸混合冷媒が封入される。非共沸混合冷媒に含まれるＲ１１２３等の冷媒が、ラジカルを生成する場合、不均化反応により別の化合物に変化する場合がある。不均化反応は多量の熱放出を伴う。そのため、循環冷媒に含まれる冷媒が不均化反応を引き起こすことで、冷凍サイクル装置１００の信頼性が低下するおそれがある。

冷凍サイクル装置１００では、循環冷媒の組成がベース組成から乖離することが抑制される。そのため、循環冷媒に含まれる、不均化反応を引き起こしやすい冷媒の含有率の増加が抑えられる。従って、冷凍サイクル装置１００は、冷媒の不均化反応に起因する信頼性の低下を抑制することができる。

（５）実施例
図６に示されるように、冷凍サイクル装置１００において、循環冷媒の組成は、冷媒クオリティに応じて変化する。循環冷媒の組成の変化量の確からしさを検証するために、次に説明するように、循環冷媒の組成の実測値と、循環冷媒の組成の予測値とを比較する実験を行った。実測値は、冷媒クオリティが所定の値である場合における、循環冷媒の組成を計測して得られた。予測値は、アキュームレータに貯留される冷媒の気液平衡状態に基づく組成の変化を算出して得られた。

（５－１）試験機の構成
図８に示されるように、循環冷媒の組成の実測値を測定するための試験機である冷凍サイクル装置２００は、図１に示される冷凍サイクル装置１００と類似する構成を有する。ただし、冷凍サイクル装置２００では、アキュームレータ１２６は、熱源ユニット２の内部ではなく、熱源ユニット２の外部のガス側冷媒連絡配管７に取り付けられている。熱源ユニット２の内部では、圧縮機２１の吸入側に接続される第２配管５２は、四路切換弁２２の接続ポートの１つに直接接続される。アキュームレータ１２６には、アキュームレータ１２６に貯留される液冷媒の容量を計測するための液面計が取り付けられている。

ガス側冷媒連絡配管７は、アキュームレータ１２６によって、第１連絡配管７ａと第２連絡配管７ｂとに分割されている。第１連絡配管７ａは、利用側熱交換器３１のガス側と、アキュームレータ１２６とを接続する。第２連絡配管７ｂは、アキュームレータ１２６と、ガス側閉鎖弁２９とを接続する。第２連絡配管７ｂには、第１サンプリング弁６１と、第２サンプリング弁６２とが取り付けられている。第１サンプリング弁６１は、アキュームレータ１２６の近傍に取り付けられている。第２サンプリング弁６２は、ガス側閉鎖弁２９の近傍に取り付けられている。

（５－２）試験機の運転条件
試験機である冷凍サイクル装置２００は、冷房能力４．０ｋＷの空気調和装置である。冷凍サイクル装置２００は、冷房運転モードで運転される。液側冷媒連絡配管６の長さは、５．０ｍである。液側冷媒連絡配管６の外径は、６．４ｍｍである。ガス側冷媒連絡配管７の長さは、５．０ｍである。ガス側冷媒連絡配管７の外径は、９．５ｍｍである。

冷凍サイクル装置２００のメイン冷媒回路１０に封入される非共沸混合冷媒は、Ｒ４５４Ｃである。Ｒ４５４Ｃは、２１．５質量％のＲ３２と、７８．５質量％のＲ１２３４ｙｆと、を含む。

メイン冷媒回路１０には、最初に規定量の冷媒が充填された後、アキュームレータ１２６に液冷媒が溜まるように所定の量の冷媒が追加で充填される。追加の冷媒が充填される際、アキュームレータ１２６内に液冷媒が貯留されるように、循環冷媒の湿り度に関するパラメータが手動で制御される。

（５－３）測定結果
アキュームレータ１２６内のガス冷媒、及び、循環冷媒をサンプリングして、ガスクロマトグラフィーによって冷媒の組成を測定して、循環冷媒の組成の実測値を取得した。アキュームレータ１２６内のガス冷媒は、第１サンプリング弁６１からサンプリングした。循環冷媒は、第２サンプリング弁６２からサンプリングした。

以下の表に示されるように、実施例１～３のそれぞれについて、アキュームレータ１２６内のガス冷媒の組成の実測値、循環冷媒の組成の実測値、及び、循環冷媒の組成の予測値を取得又は算出した。

上の表において、冷媒循環量は、１時間当たりにメイン冷媒回路１０を循環する冷媒の重量である。冷媒充填量は、冷媒が追加で充填された後における、メイン冷媒回路１０に充填されている冷媒の重量である。液貯留量は、アキュームレータ１２６内に貯留されている液冷媒の重量である。冷媒クオリティは、上記の式（ＩＩＩ）に基づいて、次の式（ＩＶ）から算出される。
冷媒クオリティ＝（冷媒充填量－液貯留量）／冷媒充填量 ・・・（ＩＶ）

実施例１～３の冷媒クオリティは互いに異なっている。上の表において、組成の実測値及び予測値は、Ｒ３２の含有率（質量％）と、Ｒ１２３４ｙｆの含有率（質量％）とが順に記載されている。

実験の結果、循環冷媒の組成の実測値は、循環冷媒の組成の予測値に非常に近いことが確認された。また、アキュームレータ１２６内のガス冷媒の組成の実測値は、循環冷媒の組成の実測値とほぼ同じであることが確認された。

さらに、冷媒クオリティが高いほど、循環冷媒の組成のＲ３２の含有率の実測値と、ベース組成のＲ３２の含有率（２１．５質量％）との差が小さいことが確認された。従って、冷媒クオリティが高いほど、循環冷媒の組成がベース組成から乖離することが抑制されることが確認された。

（６）変形例
実施形態において、メイン冷媒回路１０に封入される混合冷媒は、Ｒ４５４Ｃである。Ｒ４５４Ｃは、２１．５質量％のＲ３２と、７８．５質量％のＲ１２３４ｙｆと、を含む。この場合、循環冷媒の組成がベース組成から乖離した場合の温度グライドの低下量が１Ｋ以下となるように、Ｒ３２の含有率が３０．０質量％以下に制限される。その結果、冷媒クオリティは０．６５を上回るように設定される。

次に、Ｒ４５４Ｃ以外の混合冷媒である第１～第３の混合冷媒がメイン冷媒回路１０に封入される場合における、冷媒クオリティの設定について説明する。第１～第３の混合冷媒を用いる場合の冷媒クオリティの範囲の決め方は、図５及び図６に示されるＲ４５４Ｃを用いる場合の冷媒クオリティの範囲の決め方と同じである。

（６－１）第１の混合冷媒
第１の混合冷媒は、Ｒ１１３２（Ｅ）とＲ１２３４ｙｆとを含む。第１の混合冷媒のベース組成は、２３．０質量％のＲ１１３２（Ｅ）と、７７．０質量％のＲ１２３４ｙｆと、からなる。第１の混合冷媒のＲ１１３２（Ｅ）の含有率が、ベース組成の第１の混合冷媒のＲ１１３２（Ｅ）の含有率（２３．０質量％）である場合の温度グライドは７．０Ｋである。温度グライドが７．０Ｋから１Ｋ低下して６．０Ｋとなった時における、第１の混合冷媒のＲ１１３２（Ｅ）の含有率は４５．０質量％である。

この場合、循環冷媒の組成がベース組成から乖離した場合の温度グライドの低下量が１Ｋ以下となるように、Ｒ１１３２（Ｅ）の含有率が４５．０質量％以下に制限される。そのため、第１の混合冷媒を用いる場合、冷媒クオリティは０．１５を上回るように設定される。

（６－２）第２の混合冷媒
第２の混合冷媒は、Ｒ１１３２（Ｅ）とＲ１２３４ｙｆとＲ３２とを含む。第２の混合冷媒のベース組成は、２２．０質量％のＲ１１３２（Ｅ）と、５６．０質量％のＲ１２３４ｙｆと、２２．０質量％のＲ３２と、からなる。第２の混合冷媒のＲ１１３２（Ｅ）の含有率が、ベース組成の第２の混合冷媒のＲ１１３２（Ｅ）の含有率（２２．０質量％）である場合の温度グライドは５．３Ｋである。温度グライドが５．３Ｋから１Ｋ低下して４．３Ｋとなった時における、第２の混合冷媒のＲ１１３２（Ｅ）の含有率は３２．０質量％である。

この場合、循環冷媒の組成がベース組成から乖離した場合の温度グライドの低下量が１Ｋ以下となるように、Ｒ１１３２（Ｅ）の含有率が３２．０質量％以下に制限される。そのため、第２の混合冷媒を用いる場合、冷媒クオリティは０．２２を上回るように設定される。

（６－３）第３の混合冷媒
第３の混合冷媒は、Ｒ１１２３とＲ１２３４ｙｆとを含む。第３の混合冷媒のベース組成は、３４．０質量％のＲ１１２３と、６６．０質量％のＲ１２３４ｙｆと、からなる。第３の混合冷媒のＲ１１２３の含有率が、ベース組成の第３の混合冷媒のＲ１１２３の含有率（３４．０質量％）である場合の温度グライドは８．０Ｋである。温度グライドが８．０Ｋから１Ｋ低下して７．０Ｋとなった時における、第３の混合冷媒のＲ１１２３の含有率は６１．０質量％である。

この場合、循環冷媒の組成がベース組成から乖離した場合の温度グライドの低下量が１Ｋ以下となるように、Ｒ１１２３の含有率が６１．０質量％以下に制限される。そのため、第３の混合冷媒を用いる場合、冷媒クオリティは０．１２を上回るように設定される。

以上、本開示の実施形態を説明したが、特許請求の範囲に記載された本開示の趣旨及び範囲から逸脱することなく、形態や詳細の多様な変更が可能なことが理解されるであろう。

１０ ：メイン冷媒回路（冷媒回路）
２１ ：圧縮機
２３ ：熱源側熱交換器（蒸発器，凝縮器）
２５ ：熱源側膨張弁（膨張機構）
２６ ：アキュームレータ
３１ ：利用側熱交換器（凝縮器、蒸発器）
７０ ：制御部
１００ ：冷凍サイクル装置

特開２０１５－２００４３１号公報

Claims (9)

1. 圧縮機（２１）と、
   凝縮器（２３）と、
   膨張機構（２５）と、
   蒸発器（３１）と、
   アキュームレータ（２６）と、
   前記圧縮機、前記凝縮器、前記膨張機構、前記蒸発器、及び、前記アキュームレータが環状に接続され、混合冷媒が封入される冷媒回路（１０）と、
   を備え、
   前記冷媒回路に封入される前記混合冷媒の量を第１量として、前記アキュームレータ内に貯留されている液冷媒の量を第２量とした場合に、前記第１量から前記第２量を引いた値を前記第１量で割った第１値は、前記混合冷媒に応じて決められる値を上回り、
   前記混合冷媒は、非共沸混合冷媒である、
   冷凍サイクル装置（１００）。
2. 前記第２量は、前記アキュームレータの有効容積と、前記圧縮機に吸入される前記混合冷媒の圧力における前記混合冷媒の飽和液体密度と、の積である、
   請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記冷媒回路に封入される前記混合冷媒は、第１の組成を有し、
   前記アキュームレータ内に前記液冷媒が貯留されている場合に、前記冷媒回路を循環する前記混合冷媒は、第２の組成を有し、
   Ｔ１は、前記第１の組成を有する前記混合冷媒の飽和液温度であり、
   Ｔ２は、前記凝縮器の出口における、前記第１の組成を有する前記混合冷媒の温度の目標値であり、
   Ｔ３は、前記凝縮器の出口における前記混合冷媒の温度がＴ２に制御されている場合に、前記混合冷媒の組成が前記第１の組成から前記第２の組成に変化した後における、前記第２の組成を有する前記混合冷媒の飽和液温度であり、
   Ｔ３からＴ１を引いた第２値が１Ｋ以下となるように、前記第１値が設定される、
   請求項１又は２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記混合冷媒は、２１．５質量％のＲ３２と、７８．５質量％のＲ１２３４ｙｆと、を含み、
   前記第１値は、０．６５を上回る、
   請求項１又は２に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記混合冷媒は、２３．０質量％のＲ１１３２（Ｅ）と、７７．０質量％のＲ１２３４ｙｆと、を含み、
   前記第１値は、０．１５を上回る、
   請求項１又は２に記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記混合冷媒は、２２．０質量％のＲ１１３２（Ｅ）と、５６．０質量％のＲ１２３４ｙｆと、２２．０質量％のＲ３２と、を含み、
   前記第１値は、０．２２を上回る、
   請求項１又は２に記載の冷凍サイクル装置。
7. 前記混合冷媒は、３４．０質量％のＲ１１２３と、６６．０質量％のＲ１２３４ｙｆと、を含み、
   前記第１値は、０．１２を上回る、
   請求項１又は２に記載の冷凍サイクル装置。
8. 前記アキュームレータの入口における前記混合冷媒の湿り度に関するパラメータを制御する制御部（７０）をさらに備える、
   請求項１又は２に記載の冷凍サイクル装置。
9. 前記アキュームレータは、所定値以下の有効容積を有する、
   請求項１又は２に記載の冷凍サイクル装置。

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