JP6161005B2 - 冷凍サイクル装置およびそれを備えた温水生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、Ｒ３２を冷媒として用いた冷凍サイクル装置およびこの冷凍サイクル装置を用いた温水生成装置に関するものである。

従来の冷凍サイクル装置および温水生成装置は、冷媒回路の放熱器の下流側に過冷却熱交換器が設けられ、この過冷却熱交換器に膨張させた冷媒を流入させることにより放熱器から流出した冷媒を過冷却する（例えば、特許文献１参照）。

図９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。

図９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、バイパス路１２０とを備えている。

冷媒回路１１０は、圧縮機１１１、放熱器１１２、過冷却熱交換器１１３、主膨張弁１１４および蒸発器１１５が配管により環状に接続されて構成されている。

バイパス路１２０は、過冷却熱交換器１１３と主膨張弁１１４の間で冷媒回路１１０から分岐し、過冷却熱交換器１１３を経由して蒸発器１１５と圧縮機１１１の間で冷媒回路１１０に接続している。また、バイパス路１２０には、過冷却熱交換器１１３よりも上流側にバイパス膨張弁１２１が設けられている。

そして、特許文献１には、冷凍能力および運転効率の向上を図るために、バイパス路１２０において過冷却熱交換器１１３から流出する冷媒の乾き度が０．８以上１．０未満となるようにバイパス膨張弁１２１の開度が調整された場合に、放熱器１１２での、当該放熱器１１２に流入する冷媒と被加熱流体との間の熱交換量に対する、過冷却熱交換器１１３での、バイパス膨張弁１２１によって減圧された冷媒と放熱器１１２から流出した冷媒との間の熱交換量の比率が、０．２以上０．８以下となるように、過冷却熱交換器１１３を構成することが記載されている。

また、従来の他の冷凍サイクル装置は、冷凍サイクル装置を循環させる冷媒として、地球温暖化係数の低いＲ３２を使用することで低ＧＷＰの実現を図る（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１１−８０６３４号公報 特開２００１−１９４０１５号公報

ところで、上記のような冷凍サイクル装置において高効率な運転を実現するためには、蒸発器を高い熱交換効率で利用することが好ましい。そのために、蒸発器の冷媒における平均熱伝達率が高くなる状態、即ち蒸発器出口の冷媒乾き度が０．９近傍となるように運転する必要があることが一般的に知られている。

しかしながら、特許文献１の構成では、冷凍サイクル装置の冷媒に、従来のＲ４１０Ａなどと比較して比熱比の大きいＲ３２を用い、蒸発器出口冷媒の乾き度が０．９近傍で、かつバイパス路における過冷却熱交換器出口冷媒の乾き度が０．８以上１．０未満となるように運転する場合、例えば、圧縮機の圧縮比が大きくなる外気温度が低い条件下では、圧縮機から吐出される冷媒の温度が過度に上昇し、圧縮機の信頼性が低下するという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、比熱比の大きな冷媒を用いた場合でも、圧縮機から吐出される冷媒の過度な温度上昇を抑制しながら、高効率な運転が可能な冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

本発明は、圧縮機、放熱器、過冷却熱交換器、主膨張手段および蒸発器が冷媒配管によって環状に接続された冷媒回路と、前記放熱器と前記主膨張手段の間で前記冷媒回路から分岐し、前記過冷却熱交換器を経由して伸張して前記圧縮機の圧縮室または前記蒸発器と前記圧縮機との間の前記冷媒回路に接続されたバイパス路と、前記バイパス路における前記過冷却熱交換器の上流側に接続されたバイパス膨張手段と、制御装置と、を備え、前記冷媒回路を循環する冷媒としてＲ３２を使用するとともに、前記過冷却熱交換器は、前記蒸発器から流出する前記冷媒の乾き度が０．８以上１．０未満となるように前記主膨張手段および前記バイパス膨張手段の開度が前記制御装置で調整された場合に、前記放熱器での、前記冷媒と被加熱流体との間の熱交換量Ｑｃに対する、前記過冷却熱交換器での、前記バイパス膨張手段で減圧された前記冷媒と前記放熱器から流出した前記冷媒との間の熱交換量Ｑｓｃの比率である熱交換比率Ｑｓｃ／Ｑｃが、０．１以上０．６以下となるように構成されている、冷凍サイクル装置である。

これにより、バイパス路出口の冷媒乾き度を低い状態に維持して、圧縮機に吸入される冷媒のエンタルピを低い状態にすることで、圧縮機から吐出される冷媒の過度な温度上昇を抑制することができる。また、蒸発器に流入する気相冷媒量を減少させて蒸発器の入口と出口との間における冷媒エンタルピ差を増大させることができる。よって、蒸発器の吸熱性能を向上させることができる。

本発明によれば、比熱比が大きな冷媒を用いた場合でも、蒸発器を効率的に使用した状態で圧縮機の吐出温度を適正に維持するので、圧縮機の信頼性低下を回避しつつ、省エネルギーと低ＧＷＰを実現する冷凍サイクル装置を実現することができる。

本発明の一実施の形態に係る冷凍サイクル装置の概略構成図 （ａ）冷媒Ｒ３２における局所蒸発熱伝達率と冷媒の乾き度の相関図（ｂ）冷媒Ｒ３２および冷媒Ｒ４１０Ａにおける局所蒸発熱伝達率と冷媒の乾き度の相関図 蒸発器入口での冷媒の乾き度と熱交換比率の相関図 （ａ）蒸発器入口の冷媒乾き度が０．４３のときの冷凍サイクル装置のモリエル線図（ｂ）蒸発器入口の冷媒乾き度が０のとき冷凍サイクル装置のモリエル線図 バイパス路出口の冷媒乾き度と熱交換比率の相関図 圧縮機の吐出冷媒温度と熱交換比率の相関図 放熱器での冷媒凝縮温度によって異なる関係を示す蒸発温度と熱交換比率の相関図 本実施の形態における冷凍サイクル装置の運転制御のフローチャート 従来の冷凍サイクル装置の概略構成図

第１の発明は、圧縮機、放熱器、過冷却熱交換器、主膨張手段および蒸発器が冷媒配管によって環状に接続された冷媒回路と、前記放熱器と前記主膨張手段の間で前記冷媒回路から分岐し、前記過冷却熱交換器を経由して伸張して前記圧縮機の圧縮室または前記蒸発器と前記圧縮機との間の前記冷媒回路に接続されたバイパス路と、前記バイパス路における前記過冷却熱交換器の上流側に接続されたバイパス膨張手段と、制御装置と、を備え、前記冷媒回路を循環する冷媒としてＲ３２を使用するとともに、前記過冷却熱交換器は、前記蒸発器から流出する前記冷媒の乾き度が０．８以上１．０未満となるように前記主膨張手段および前記バイパス膨張手段の開度が前記制御装置で調整された場合に、前記放熱器での、前記冷媒と被加熱流体との間の熱交換量Ｑｃに対する、前記過冷却熱交換器での、前記バイパス膨張手段で減圧された前記冷媒と前記放熱器から流出した前記冷媒との間の熱交換量Ｑｓｃの比率である熱交換比率Ｑｓｃ／Ｑｃが、０．１以上０．６以下となるように構成されている、冷凍サイクル装置である。

これにより、蒸発器出口の冷媒乾き度が、蒸発熱伝達率が最大となる０．８以上１．０未満の間となるので、蒸発器の伝熱効率が高くなる。また、熱交換比率Ｑｓｃ／Ｑｃを０．１以上に設定しているので、過冷却熱交換器出口の冷媒過冷却度が確実に増大されて、蒸発器に流入する気相状態の冷媒が減少して、冷凍サイクルの低圧側配管の圧力損失が低減する。また、熱交換比率Ｑｓｃ／Ｑｃを０．６以下に設定しているので、バイパス路出口の冷媒乾き度が低い状態に維持される。

したがって、蒸発器を効率的に使用した状態で圧縮機の吐出温度を適正に維持する。よって、冷凍サイクルの性能低下や圧縮機の信頼性低下を回避しつつ、省エネルギーと低ＧＷＰが実現できる。

第２の発明は、特に第１の発明において、前記制御装置は、前記蒸発器から流出する前記冷媒の乾き度が０．８以上１．０未満となるように、前記蒸発器に流入する前記冷媒の温度と前記蒸発器から流出する前記冷媒の温度との温度差によって、前記主膨張手段を制御することを特徴とするものである。

これにより、蒸発器および放熱器に掛かる負荷に応じて蒸発器出口の冷媒乾き度が適正な乾き度に制御される。したがって、幅広い運転範囲において、最適な運転状態を形成することができるので、さらに、冷凍サイクルの信頼性と省エネルギー性が向上する。

第３の発明は、特に第２の発明において、蒸発器における冷媒の蒸発温度を検出する蒸発温度検出手段をさらに備え、前記制御装置は、蒸発温度検出手段が蒸発温度の低下を検出するとき、前記熱交換比率が大きくなるように前記バイパス膨張手段を制御することを特徴とするものである。

これにより、蒸発器の入口部の冷媒エンタルピを低下させることができ、蒸発温度の低下に伴い増加する蒸発器入口部での気相状態の冷媒が減少するので、冷媒回路の低圧側の圧力損失が低減される。したがって、蒸発器が外気から吸熱する空気熱源機のように、熱源側媒体の温度変化範囲が幅広い使用条件においても、高効率な運転を維持することができる。

第４の発明は、特に第２または第３の発明において、前記放熱器における前記冷媒の凝縮温度を検出する凝縮温度検出手段をさらに備え、前記制御装置は、凝縮温度検出手段が凝縮温度の低下を検出するとき、前記熱交換比率が大きくなるように前記バイパス膨張手段を制御することを特徴とするものである。

これにより、凝縮温度の上昇に伴う蒸発器入口部の冷媒エンタルピ上昇が抑制され、蒸発器入口部での気相状態の冷媒が減少するので、冷媒回路の低圧側の圧力損失が低減される。したがって、上記第２または第３の発明の効果に加え、放熱器が水に放熱するような場合のように、利用熱媒体の温度変化範囲が幅広い使用条件においても、高効率な運転を維持することができる。

第５の発明は、特に第１〜４のいずれか１つの発明の冷凍サイクル装置を備えた温水生成装置であって、前記被加熱流体を、水または不凍液とし、前記放熱器にて加熱された前記被加熱流体を、給湯または暖房に利用することを特徴とするものである。

これにより、被加熱流体を用いて給湯や暖房を行う熱交換器は、水−空気熱交換器や、不凍液−水熱交換器など、種類を限定する必要がない。したがって、放熱器により加熱された熱媒体を、暖房機器（温風機、ラジエータ、床暖房パネル等）や給湯機器などに幅広く使用することができ、加えて第１〜第４の発明と同様の効果を得ることができる。

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。

図１は、本発明の一実施の形態における冷凍サイクル装置および温水生成装置の概略構成図である。図１において、冷凍サイクル装置１Ａは、冷媒を循環させる冷媒回路２と、バイパス路３と、制御装置４とを備えている。冷媒としては、低ＧＷＰであるＲ３２を用いている。

冷媒回路２は、圧縮機２１、放熱器２２、過冷却熱交換器２３、主膨張弁（主膨張手段）２４および蒸発器２５が冷媒配管により環状に接続されて構成されている。本実施の形態では、蒸発器２５と圧縮機２１の間に、気液分離を行うサブアキュムレータ２６および主アキュムレータ２７が設けられている。また、冷媒回路２には、放熱器２２にて非加熱流体の加熱を行う通常運転と蒸発器２５に付着した霜を融解させるデフロスト運転とを切り換えるための四方弁２８が設けられている。

本実施の形態では、冷凍サイクル装置１Ａが加熱手段として使用され、図１に示すように、冷凍サイクル装置１Ａによって生成した温水を暖房に利用可能な温水生成装置が構成されている。温水は、放熱器２２にて冷媒と水（被加熱流体）との間で熱交換が行われることにより生成される。具体的には、放熱器２２に供給管７１と回収管７２が接続されており、供給管７１を通じて放熱器２２に水が供給され、放熱器２２で加熱された水（温水）が回収管７２を通じて回収される。回収管７２により回収された水（温水）は、例えばラジエータ等の暖房機に直接的または貯湯タンクを介して送られ、これにより暖房や給湯が行われる。

本実施の形態では、バイパス路３は、過冷却熱交換器２３と主膨張弁２４の間で冷媒回路２から分岐して伸張して過冷却熱交換器２３を経由して蒸発器２５と圧縮機２１の間で冷媒回路２に接続している。本実施の形態では、サブアキュムレータ２６と主アキュムレータ２７の間でバイパス路３が冷媒回路２に接続している。また、バイパス路３には、過冷却熱交換器２３よりも上流側にバイパス膨張弁（バイパス膨張手段）３１が設けられている。

通常運転では、圧縮機２１から吐出された冷媒が四方弁２８を介して放熱器２２へと流れる。デフロスト運転では、圧縮機２１から吐出された冷媒が四方弁２８を介して蒸発器２５に送られる。図１の矢印は、通常運転時の冷媒の流れ方向を示している。以下、通常運転における冷媒の状態変化を説明する。

圧縮機２１から吐出された高圧冷媒は、放熱器２２に流入し、放熱器２２を通過する水に放熱する。放熱器２２から流出した高圧冷媒は、過冷却熱交換器２３に流入し、バイパス膨張弁３１で減圧された低圧冷媒と熱交換を行うことによって過冷却される。過冷却熱交換器２３から流出した高圧冷媒は、主膨張弁２４とバイパス膨張弁３１とに分流する。

主膨張弁２４に流れた高圧冷媒は、主膨張弁２４によって減圧されて膨張した後に、蒸発器２５に流入する。蒸発器２５に流入した低圧冷媒は、ここで空気から吸熱する。

一方、バイパス膨張弁３１に流れた高圧冷媒は、バイパス膨張弁３１によって減圧されて膨張した後に、過冷却熱交換器２３に流入する。過冷却熱交換器２３に流入した低圧の冷媒は、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、過冷却熱交換器２３から流出した低圧冷媒は、蒸発器２５から流出した低圧冷媒と合流し、再度、圧縮機２１に吸入される。

本実施の形態における冷凍サイクル装置１Ａの構成により、特に外気温度が低下した場合に生じる、圧縮機２１からの冷媒吐出温度の過度な上昇を、運転効率の低下を抑制しながら防止する。一般的に外気温度が低下すると、室外に配置された蒸発器２５において、冷媒が空気から吸熱する熱量が低下する。これにより、冷媒は、蒸発器２５において十分に蒸発することなく、液相状態の部分が多い状態で蒸発器２５から流出することになる。この状態を改善するために、制御装置４は、主膨張弁２４の開度を減少させて蒸発器２５へと流入する冷媒循環量を減少させ、蒸発器２５における単位流量あたりの冷媒の吸熱量の確保を図る。このように冷媒循環量が減少すると、圧縮機２１における冷媒の圧縮比が増大し、吐出温度が次第に上昇する。この吐出温度の過度な上昇を、運転効率の低下抑制を図りながら実施することが本発明の目的である。

これを実現するには、蒸発器２５へと流入する冷媒を過冷却して蒸発器２５でのエンタルピ差を増大させるとともに、湿り状態の冷媒をバイパス路３にバイパスさせる。そうすることで、圧縮機２１の吸入冷媒エンタルピを低下させながら冷媒回路２の低圧側部分、すなわち主膨張弁２４から圧縮機２１までの冷媒回路２、特に主膨張弁２４からバイパス路３と冷媒回路２との接続部分までの冷媒回路２における圧力損失を低減させることが重要である。

圧縮機２１へと吸入される冷媒のエンタルピが低下すれば、過度な吐出温度上昇は抑制される。また、冷媒回路２の低圧側部分での圧力損失が低減すれば、圧縮機２１に吸入される冷媒の圧力が上昇して比体積が減少するため、冷媒循環量が増加する。さらに、蒸発器２５でのエンタルピ差が増大すると、バイパス路３に冷媒をバイパスさせて冷媒回路２の蒸発器２５を通過する冷媒の質量流量が低下したとしても、蒸発器２５での吸熱量を確保することができる。すなわち、冷媒の過冷却度とバイパス量を適正に調整すれば、冷凍サイクル装置１Ａの運転効率低下を抑制しながら圧縮機２１の吐出温度を適正に維持することができる。

本実施の形態では、詳しくは後述するが、蒸発器２５から流出する冷媒の乾き度が、高い蒸発性能が得られる０．８以上１．０未満の範囲内となるように主膨張弁２４およびバイパス膨張弁３１の開度が制御装置４で調整された場合に、放熱器２２での、放熱器２２に流入する冷媒と水との間の熱交換量Ｑｃに対する、過冷却熱交換器２３での、バイパス路３で減圧された冷媒と放熱器２２から流出した冷媒との間の熱交換量Ｑｓｃの比率である熱交換比率Ｑｓｃ／Ｑｃが、０．１以上０．６以下となるように、過冷却熱交換器２３の伝熱面積が設定されている。

ここで、図２（ａ）（ｂ）に示すように、水平に配置された冷媒管の内部における局所の蒸発熱伝達率は、乾き度が０．８以上１．０未満の間で最大値をとるようになっている。本構成のように蒸発器２５から流出する冷媒の乾き度を０．８以上１．０未満の範囲で調整することで、蒸発器の伝熱効率が高くなり、冷凍サイクル装置１Ａの運転効率が向上する。

また、本構成によれば、過冷却熱交換器２３の伝熱面積が適切に設定されている。従って、蒸発器２５の出口冷媒乾き度が適正値となるように蒸発器２５を流通する冷媒循環量が調整されると、必然的にバイパス路３を流通する冷媒循環量が適切に調整される。その結果、冷媒回路２を流れる冷媒が適切な状態に過冷却されるとともに、過冷却熱交換器２３から流出するバイパス路３出口冷媒の乾き度が小さくなる。

本構成では、外気温度が低く、かつ、凝縮温度が高い条件、すなわち、放熱器２２での加熱能力を確保するために、過冷却熱交換器２３での熱交換量Ｑｓｃを最大限に確保する必要がある条件を想定して、熱交換比率Ｑｓｃ／Ｑｃを設定している。すなわち、図４（ａ）（ｂ）に示すように、温水生成装置において、ヒートポンプ装置での外気温度の下限として、外気温度ＡＴ＝−２５℃を外気温度の条件として想定する。また、Ｒ３２を用いたヒートポンプ装置での凝縮温度の上限として、凝縮温度Ｔｃ＝６０℃を凝縮温度の条件として想定する。この条件下において、冷媒回路２の過冷却熱交換器２３の出口側の冷媒を過冷却状態とし、過冷却熱交換器２３での熱交換量Ｑｓｃを最大限に確保することができるように熱交換比率Ｑｓｃ／Ｑｃを設定する。外気温度ＡＴ＝−２５℃、放熱器２２での冷媒の凝縮温度Ｔｃ＝６０℃の条件では、図３に示すとおり、熱交換比率Ｑｓｃ／Ｑｃが０．１以上０．６以下の範囲であれば、蒸発器２５に流入する冷媒の乾き度Ｘｅｉは０以上０．４３未満の範囲に収まる。ここで、蒸発器２５に流入する冷媒の乾き度Ｘｅｉが０．４３であると、図４（ａ）に示すように、主膨張弁２４で減圧される前の冷媒（図中α）が、乾き度０となる。よって、蒸発器２５に流入する冷媒の乾き度Ｘｅｉが０．４３未満となるように熱交換比率Ｑｓｃ／Ｑｃを設定すると、主膨張弁２４で減圧される前の冷媒、すなわち、冷媒回路２において過冷却熱交換器２３から流出する冷媒を過冷却状態にすることができる。また、図３、図４（ｂ）に示すように、熱交換比率Ｑｓｃ／Ｑｃが０．６であると、蒸発器２５に流入する冷媒の乾き度Ｘｅｉが０（図中β）となり、蒸発器２５におけるエンタルピ差を増大させて、蒸発器２５での吸熱量を確保することができる。以上のように、蒸発器２５に流入する冷媒の乾き度Ｘｅｉが０より大きく０．４３未満となるように熱交換比率Ｑｓｃ／Ｑｃを設定すると、冷媒回路２において過冷却熱交換器２３から流出する冷媒を確実に過冷却状態にすることができる。さらに、外気温度が低く、かつ、凝縮温度が高い条件においても、過冷却熱交換器２３での熱交換量Ｑｓｃを確保することができる。本実施の形態においては、冷媒回路２の過冷却熱交換器２３の出口側における冷媒を確実に過冷却状態にすることができるように、すなわち、蒸発器２５に流入する冷媒の乾き度Ｘｅｉが０．４３を確実に下回るように、熱交換比率Ｑｓｃ／Ｑｃを０．１以上に設定した。

また、図５に示すように、バイパス路３から流出する冷媒の乾き度Ｘｂｏは、熱交換比率Ｑｓｃ／Ｑｃが大きくなるにつれて上昇する傾向がある。この乾き度Ｘｂｏの上昇により圧縮機２１の吸入冷媒のエンタルピが上昇するため、圧縮機２１の吐出冷媒温度Ｔｄは上昇する。しかし、図６に示すように、熱交換比率Ｑｓｃ／Ｑｃが０．１以上０．６以下の範囲であれば、吐出冷媒温度Ｔｄは許容温度以下となる。本実施の形態では、圧縮機２１内部の冷凍機油の劣化や圧縮機２１の安全性を考慮して、許容温度を１００度に設定した。よって、本実施形態では、熱交換比率Ｑｓｃ／Ｑｃが０．１以上０．６以下の範囲になるように、過冷却熱交換器２３の伝熱面積を規定した。なお、図４中のＰｃは放熱器２２を通過する冷媒の圧力を、Ｐｓは蒸発器２５を通過する冷媒の圧力を指す。

次に制御装置４が行う制御動作について説明する。

図１に示すように、冷媒回路２には、蒸発器２５に流入する冷媒の温度（蒸発温度）Ｔｅを検出する第１温度センサ６１と、蒸発器２５から流出する冷媒の温度（蒸発器出口温度）Ｔｅｏを検出する第２温度センサ６２と、放熱器２２に流入する冷媒の圧力（凝縮圧力）Ｐｃを検出する圧力センサ５１とが設けられている。

制御装置４は、各種のセンサ５１、６１、６２で検出される検出値等に基づいて、圧縮機２１の回転数、四方弁２８の切り換え、主膨張弁２４およびバイパス膨張弁３１の開度を制御する。

本実施の形態では、制御装置４は、通常運転時に、冷媒回路２において蒸発器２５から流出する冷媒の乾き度が０．８以上１．０未満になるように、主膨張弁２４を制御する。具体的には、第１温度センサ６１で検出される蒸発温度Ｔｅと第２温度センサ６２で検出される蒸発器出口温度Ｔｅｏの温度差ΔＴｅが予め定められた所定の温度差ΔＴｔとなるように主膨張弁２４の開度を調整する。ここで、蒸発器２５から流出する冷媒の乾き度を所定値にするために、第２温度センサ６２を四方弁２８の下流側に取り付けて、蒸発器２５から流出した冷媒が四方弁２８内部で圧縮機２１の吐出冷媒から吸熱した後の温度を蒸発器出口温度Ｔｅｏとして検出することが好ましい。これにより蒸発器出口温度Ｔｅｏは、蒸発器２５の出口部の冷媒の温度よりも高くなる。すなわち、蒸発器２５の出口部の冷媒は、四方弁２８において圧縮機２１の吐出冷媒から吸熱した冷媒よりも、乾き度が１．０未満の状態に近くなる。よって、蒸発器２５の出口部の冷媒の温度と蒸発器出口温度Ｔｅｏとの関係を考慮して、乾き度が所望の値となる温度差をΔＴｔに設定すればよい。

また、制御装置４は、バイパス膨張弁３１の開度を、圧力センサ５１で検出される凝縮圧力Ｐｃに基づいて算出される飽和温度（凝縮温度）Ｔｃと第１温度センサ６１で検出される蒸発温度Ｔｅとによって決定される、予め定められた設定開度Ｓｂに設定する。この設定開度Ｓｂは、蒸発温度Ｔｅが低いほど、また、凝縮温度Ｔｃが高いほど、熱交換比率Ｑｓｃ／Ｑｃが大きくなるように設定されている。

一般的に、外気温度の低下などによって蒸発器２５における蒸発温度Ｔｅが低下したときや、水温の上昇によって放熱器２２における凝縮温度Ｔｃが上昇したときに、過冷却熱交換器２３における過冷却度が変化しない場合、蒸発器２５に流入する冷媒の乾き度が大きくなる。よって、蒸発器２５に流入する冷媒のうち蒸発に寄与しない冷媒ガス成分が多くなるため、蒸発器２５の吸熱能力が低下してしまう。

そのような場合、制御装置４により、図７に示すとおり、蒸発温度Ｔｅが低いほど、また凝縮温度Ｔｃが高いほど、熱交換比率Ｑｓｃ／Ｑｃが大きくなるように主膨張弁２４およびバイパス膨張弁３１を制御することが好ましい。

このようにすれば、冷媒回路２の過冷却熱交換器２３の出口における冷媒の過冷却度を大きくして、蒸発器２５に流入する冷媒のエンタルピを低下させることができる。よって、熱交換比率Ｑｓｃ／Ｑｃが小さい場合に比べて、蒸発器２５における冷媒のエンタルピ差を拡大して吸熱能力を増大することができる。

その結果、外気温度の低下や水温の上昇時において、蒸発器２５に流入する冷媒のエンタルピ上昇に伴う蒸発器２５での冷媒の吸熱量の減少分を補完することができる。このとき、過冷却熱交換器２３の伝熱面積を適切に設定しているので、熱交換比率Ｑｓｃ／Ｑｃが０．１以上０．６以下になる。

次に、通常運転時の制御装置４の制御を図８に示すフローチャートを参照して詳細に説明する。

まず、制御装置４は、第１温度センサ６１で蒸発温度Ｔｅを、第２温度センサ６２で蒸発器出口温度Ｔｅｏを検出する（ステップＳ１）。その後、制御装置４は、Ｔｅｏ−Ｔｅによって温度差ΔＴｅを算出する（ステップＳ２）。そして、制御装置４は、温度差ΔＴｅが、予め蒸発器２５出口の冷媒乾き度が適正となるように設定された目標温度差ΔＴｔとなるように主膨張弁２４の開度を調整する（ステップＳ３）。

ついで、制御装置４は、圧力センサ５１で凝縮圧力Ｐｃを検出する（ステップＳ４）とともに、検出した凝縮圧力Ｐｃから放熱器２２に流入する冷媒の圧力での飽和温度（凝縮温度）Ｔｃを算出する（ステップＳ５）。この凝縮温度Ｔｃの算出は、冷媒物性式を用いて行われる。

その後、制御装置４は、予め定められた蒸発温度Ｔｅと凝縮温度Ｔｃの値によって決定されるバイパス膨張弁３１の開度が記録された設定開度テーブルから、現在の蒸発温度Ｔｅと凝縮温度Ｔｃに対応する設定開度Ｓｂを決定し（ステップＳ６）、バイパス膨張弁３１の開度を設定開度Ｓｂに調整する（ステップＳ７）。
すなわち、制御装置４は、蒸発温度検出手段６１が蒸発温度の低下を検出するとき熱交換比率が大きくなるようにバイパス膨張手段３１を制御する。また、制御装置４は、凝縮温度検出手段５１が凝縮温度の低下を検出するとき熱交換比率が大きくなるようにバイパス膨張手段３１を制御する。

以上のように、本実施の形態においては、蒸発器２５から流出する冷媒の乾き度が０．８以上１．０未満となるように主膨張弁２４およびバイパス膨張弁３１の開度が調整された場合に、放熱器２２での、冷媒と水との間の熱交換量に対する、過冷却熱交換器２３での、バイパス膨張弁３１で減圧された冷媒と放熱器２２から流出した冷媒との間の熱交換量の比率である熱交換比率が、０．１以上０．６以下となるように、過冷却熱交換器２３が構成されている。

これにより、蒸発器２５出口の冷媒乾き度が、水平に配置された冷媒管の内部における局所の蒸発熱伝達率が最大となる０．８以上１．０未満の間となるので、蒸発器２５の伝熱効率が高くなる。また、熱交換比率Ｑｓｃ／Ｑｃを０．１以上に設定しているので、過冷却熱交換器２３出口の冷媒過冷却度が確実に増大されて、蒸発器２５に流入する気相冷媒量が低減する。また、熱交換比率Ｑｓｃ／Ｑｃを０．６以下に設定しているので、バイパス路３出口の冷媒乾き度が低い状態に維持される。

したがって、低圧側配管の圧力損失が低減されるとともに、蒸発器２５を効率的に使用した状態で圧縮機２１の吐出温度を適正に維持する。よって、冷凍サイクルの性能低下や圧縮機の信頼性低下を回避しつつ、省エネルギーと低ＧＷＰが実現できる。

また、本実施の形態では、制御装置４が、通常運転時に蒸発器２５から流出する冷媒の乾き度が０．８以上１．０未満になるように、主膨張弁２４を制御しているので、蒸発側および凝縮側の負荷が変化しても、負荷に応じて蒸発器２５出口の冷媒乾き度が適正になる。よって、常に冷凍サイクルの信頼性と省エネルギー性が向上される。

さらに、本実施の形態では、蒸発器２５での蒸発温度Ｔｅが低くなるほど、また、放熱器２２での凝縮温度Ｔｃが高くなるほど、熱交換比率Ｑｓｃ／Ｑｃが大きくなるようにバイパス膨張弁３１を制御している。

これにより、蒸発温度Ｔｅの低下や凝縮温度Ｔｃの上昇に伴う蒸発器２５入口部の冷媒エンタルピ上昇が抑制され、蒸発器２５入口部での気相冷媒が、バイパス路によって確実にバイパスされるので、低圧側の圧力損失が低減される。

したがって、外気温度が低い条件下や、被加熱流体の温度が高い条件下でも、高効率な運転を維持することができる。

なお、図１では、圧力センサ５１が冷媒回路２における四方弁２８と放熱器２２の間に設けられているが、圧力センサ５１は、圧縮機２１の吐出部から主膨張弁２４の入口部の間であれば冷媒回路２のどの位置に設けられていてもよい。すなわち、放熱器２２から圧力センサ５１までの圧力損失分の補正をすればよい。

また、圧力センサ５１の代わりに、放熱器２２における凝縮冷媒が２相状態となる部位に温度センサを設置し、温度センサで検知される検知温度を凝縮温度Ｔｃとしてもよい。すなわち、圧力センサや温度センサを適宜配置することにより、凝縮温度検出手段が構成されていればよい。

また、第１温度センサ６１の代わりに、圧力センサを主膨張弁２４の出口部から圧縮機２１の吸入部の間に設置し、圧力センサで検出される圧力に基づいて飽和温度を算出して蒸発温度Ｔｅとしてもよい。すなわち、圧力センサや温度センサを適宜配置することにより、蒸発温度検出手段が構成されていればよい。

また、バイパス路３は、必ずしも過冷却熱交換器２３と主膨張弁２４の間で冷媒回路２から分岐している必要はなく、放熱器２２と過冷却熱交換器２３の間で冷媒回路２から分岐していてもよい。また、バイパス路３は蒸発器２５と圧縮機２１との間の配管に接続される以外にも、圧縮機２１の圧縮室に直接接続される構成としてもよい。

さらに、本発明の主膨張手段およびバイパス膨張手段は、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あってもよい。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。

また、放熱器２２で加熱される被加熱流体は、必ずしも水である必要はなく、空気であってもよい。すなわち、本発明は空調装置にも適用可能である。

本発明は、冷凍サイクル装置によって水を加熱し、その水を暖房に利用する温水生成装置に特に有用である。

１Ａ 冷凍サイクル装置
２ 冷媒回路
２１ 圧縮機
２２ 放熱器
２３ 過冷却熱交換器
２４ 主膨張弁（主膨張手段）
２５ 蒸発器
３ バイパス路
３１ バイパス膨張弁（バイパス膨張手段）
４ 制御装置
５１ 圧力センサ（凝縮温度検出手段）
６１ 第１温度センサ（蒸発温度検出手段）
６２ 第２温度センサ

Claims (5)

1. 圧縮機、放熱器、過冷却熱交換器、主膨張手段および蒸発器が冷媒配管によって環状に接続された冷媒回路と、
   前記放熱器と前記主膨張手段の間で前記冷媒回路から分岐し、前記過冷却熱交換器を経由して伸張して前記圧縮機の圧縮室または前記蒸発器と前記圧縮機との間の前記冷媒回路に接続されたバイパス路と、
   前記バイパス路における前記過冷却熱交換器の上流側に接続されたバイパス膨張手段と、
   制御装置と、
   を備え、
   前記冷媒回路を循環する冷媒としてＲ３２を使用するとともに、
   前記過冷却熱交換器は、前記蒸発器から流出する前記冷媒の乾き度が０．８以上１．０未満となるように前記主膨張手段および前記バイパス膨張手段の開度が前記制御装置で調整された場合に、前記放熱器での、前記冷媒と被加熱流体との間の熱交換量Ｑｃに対する、前記過冷却熱交換器での、前記バイパス膨張手段で減圧された前記冷媒と前記放熱器から流出した前記冷媒との間の熱交換量Ｑｓｃの比率である熱交換比率Ｑｓｃ／Ｑｃが、０．１以上０．６以下となるように構成されている、
   冷凍サイクル装置。
2. 前記制御装置は、前記蒸発器から流出する前記冷媒の乾き度が０．８以上１．０未満となるように、前記蒸発器に流入する前記冷媒の温度と前記蒸発器から流出する前記冷媒の温度との温度差によって、前記主膨張手段を制御する、
   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前記冷媒の蒸発温度を検出する蒸発温度検出手段をさらに備え、
   前記制御装置は、前記蒸発温度検出手段が前記蒸発温度の低下を検出するとき、前記熱交換比率が大きくなるように前記バイパス膨張手段を制御する、
   請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記放熱器における前記冷媒の凝縮温度を検出する凝縮温度検出手段をさらに備え、
   前記制御装置は、前記凝縮温度検出手段が前記凝縮温度の低下を検出するとき、前記熱交換比率が大きくなるように前記バイパス膨張手段を制御する、
   請求項２または３に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記請求項１〜４のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置を備え、
   前記被加熱流体を、水または不凍液とし、
   前記放熱器にて加熱された前記被加熱流体を、給湯または暖房に利用することを特徴とする、
   温水生成装置。