JP6316452B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍サイクル装置に関するものである。

空調装置などに用いられる冷凍サイクル装置は、一般的に、圧縮機と、凝縮器（放熱器）と、膨張弁と、蒸発器とを備え、冷媒を循環させる配管により接続されている。圧縮機にて圧縮された高温高圧の冷媒が凝縮器にて外気と熱交換され液化し、液化した冷媒が膨張弁を経て気液混合の低温流体となり、蒸発器にて熱交換され気化する。気化した冷媒は、再度圧縮機に入る。冷凍サイクル装置は、冷媒をこのように循環させている。
従来の冷凍サイクル装置においては、さらに凝縮器から流出する冷媒を過冷却させる過冷却装置を備え、凝縮器から流出する液冷媒の一部が液冷媒の圧力降下や熱の侵入などにより気化してフラッシュガスとなることを抑制しているものが各種提案されている（たとえば、特許文献１及び特許文献２を参照）。なお、フラッシュガスが発生すると、その分、凝縮器の下流側の絞り装置に流入する冷媒の流量が低減し、冷凍サイクル装置の冷凍能力が低下してしまう。

特許文献１では、フラッシュガスの発生により冷凍能力が低下してしまうことを抑制するため、二重管熱交換器などで構成した過冷却装置を凝縮器の下流側に設置し、凝縮器で凝縮液化した冷媒の温度を低くして過冷却する構成の冷凍サイクル装置が提案されている。
また、特許文献２では、過冷却装置と室内機（負荷装置）とを接続している配管が凝縮器から流出した冷媒によって結露することを抑制する制御手段を有したモード（結露抑制優先モード）と、過冷却装置にて液冷媒温度を下げ冷凍能力を優先するモード（冷凍能力優先モード）とを備え、切り換えることができ、選択するモードに合わせて過冷却装置の過冷却量を調整する構成の冷凍サイクル装置が提案されている。

特許第３３７６８４４号公報（図１） 特開２０１４−１５３０３６号公報（第８−１５頁、図８）

特許文献１で提案されている冷凍サイクル装置のように、冷媒を過冷却装置により冷却して過冷却をつけると、冷凍能力は増大するが、過冷却装置から流出した液冷媒の温度が、外気温度以下になる場合がある。過冷却装置と室内機（負荷装置）とを接続している配管の温度が周囲の温度より低下すると、その表面に結露が発生しやすくなる。冷凍サイクル装置が多く利用されているコンビニエンスストアやスーパーマーケットでは、冷凍サイクル装置の冷媒回路配管は、天井裏などに配置される場合が多く、結露すると天井裏にカビ等が繁殖したり、場合によっては天井からの水漏れが発生するため、配管に断熱処理等を施す必要がある。また、その長さは店舗の規模により１００ｍ程度もある場合があり、その断熱処理は簡単ではなく工事費増大などの問題がある。また、既に工事が完了した店舗において、天井裏などの配管に断熱処理を追加するのは、施工性が悪く、工事に多くの時間やコストを費やしてしまうなどの課題もある。

特許文献２で提案されている冷凍サイクル装置においては、冷凍能力優先するモードと結露抑制する優先モードの切換手段を備えている。結露抑制優先モード時には、過冷却装置内の過冷却用の冷媒の流量を増やし、過冷却装置から圧縮機の中間圧に流入するインジェクション量を増加させることで、圧縮機の中間圧力と凝縮器の凝縮温度とを上昇させ、過冷却装置の液冷媒側の温度を結露しない温度まで上昇させている。一方、冷凍能力優先モードでは、特許文献１と同様、過冷却装置と室内機（負荷装置）とを接続している配管温度が低下し、配管結露に至るという課題がある。また、結露抑制モードでは、圧縮機の中間圧へのインジェクション流量を増大させるため、過冷却装置からの吐出温度が低下し、圧縮機の中間圧側での液バックによる圧縮機故障に至るという課題がある。また、凝縮器の熱交換容量が小さく、圧縮機の入力に対し、高圧圧力が上がりやすい場合には、インジェクション流量を増やすことにより、配管結露を抑制することができる。しかし、凝縮器の熱交換容量が大きく、圧縮機の入力に対して、高圧圧力が上がりにくい場合には、圧縮機の中間圧へのインジェクション流量を増やしても中間圧力も上げることができないため、過冷却装置を経た液冷媒の温度が、結露しない温度まで上昇せず、配管が結露してしまうという課題がある。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、配管に断熱処理を施すなどの大がかりな工事を施すことなく、より簡単に配管の結露を防止することができる冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

本発明に係る冷凍サイクル装置は、圧縮機、凝縮器、第１膨張装置、及び蒸発器を冷媒配管で接続した冷媒回路を有し、前記圧縮機及び前記凝縮器が搭載される熱源装置と、前記蒸発器が搭載される負荷装置とを備えている冷凍サイクル装置において、前記凝縮器に空気を送る凝縮器ファンと、前記凝縮器の下流側であって前記第１膨張装置の上流側に接続され、前記凝縮器から流出した冷媒を過冷却する過冷却装置と、前記過冷却装置から流出した冷媒が流れる、前記熱源装置と前記負荷装置とを接続している冷媒配管の温度を検出する配管温度検出手段と、前記凝縮器に吸込まれる空気の温度を検出する外気温度検出手段と、一端が前記圧縮機に接続され、他端が前記過冷却装置と前記第１膨張装置との間に接続されているインジェクション配管と、前記インジェクション配管を流れる冷媒を減圧させる第２膨張装置と、前記凝縮器ファンの回転速度、及び、前記第２膨張装置の開度を制御する制御装置と、を有し、前記過冷却装置は、上流側が前記凝縮器に接続され、下流側が前記第１膨張装置及び前記インジェクション配管の他端に接続される第１流路と、前記第２膨張装置の下流側の前記インジェクション配管に接続される第２流路とを有し、前記第１流路を流れる冷媒と前記第２流路を流れる冷媒とを熱交換させる熱交換器で構成されており、前記制御装置は、前記凝縮器に吸込まれる空気の温度から前記熱源装置と前記負荷装置とを接続している冷媒配管の温度を引いた差が設定値を超えないように、前記凝縮器ファンの回転速度を制御すると共に、前記圧縮機の吐出冷媒温度が予め設定される下限値以上である場合には、前記圧縮機の吐出冷媒温度が予め設定される下限値未満である場合よりも、前記第２膨張装置の開度を大きくする制御を実施するものである。

本発明に係る冷凍サイクル装置は、凝縮器吸込温度を検出する外気温度値と過冷却装置後の配管温度との差が設定値を超えている場合に、制御装置により凝縮器ファンの回転速度を減少させる制御を行い、凝縮器での冷媒の凝縮温度を上げることで、凝縮器から流出する冷媒の温度を上げて外気温より高くすることにより、熱源装置及び負荷装置回路を接続する配管での結露を防止することができる。また、凝縮器の熱交換器容量が大きい場合でも、配管の結露を防止することができる。これにより、配管に断熱処理を施すなどの大がかりな工事を施すことなく、より簡単に配管の結露を防止することができるものである。

本発明の実施の形態１〜３に係る冷凍サイクル装置の回路構成の一例である。 本発明の実施の形態３に係る冷凍サイクル装置のモリエル線図である。 本発明の実施の形態３に係る冷凍サイクル装置の制御フローの一例である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置５００の冷媒回路構成の一例である。

（冷凍サイクル装置５００の構成説明）
図１の冷凍サイクル装置５００は、例えば冷蔵庫などに該当するものであり、例えば室内などに設置され庫内に食品などの貯蔵品を載置する空間を冷却する負荷装置２００と、例えば室外などに設置される熱源装置１００と、負荷装置２００と熱源装置１００とを接続する配管３００及び配管４００とを有している。配管３００は液冷媒が通る配管であり、配管４００は吸入ガスが通る配管である。
冷凍サイクル装置５００は、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機１と、冷媒を凝縮させる凝縮器２（放熱器）と、凝縮器２の下流に接続され液冷媒とガス冷媒とに分離する液溜め３と、液溜め３から流出した冷媒を冷却して過冷却する過冷却装置４と、冷媒を減圧させる第１膨張装置５と、冷媒を蒸発させる蒸発器６とを有している。そして、冷凍サイクル装置５００は、圧縮機１、凝縮器２、液溜め３、過冷却装置４、第１膨張装置５、及び蒸発器６が冷媒配管で接続されて構成された冷凍回路を有している。

（熱源装置１００）
熱源装置１００は、圧縮機１、凝縮器２、液溜め３、過冷却装置４を備える。
また、熱源装置１００は、凝縮器２に空気を供給し当該空気と凝縮器２内を流れる冷媒との熱交換を促進させる凝縮器ファン７、過冷却装置４に膨張させた冷媒を供給する第２膨張装置４２、過冷却装置４を経た冷媒を圧縮機１の中間圧へ送るインジェクション配管４３を備えている。第２膨張装置４２は、例えば、電子式の膨張弁又は、長さの異なるキャピラリーチューブと電磁弁を並列に組合わせた回路を採用できる。本実施の形態においては、第２膨張装置４２は、電子式の膨張弁を例に説明を行う。

また、熱源装置１００は、凝縮器２の吸い込む空気の温度を検出する外気温度センサ８と、過冷却装置４の下流の負荷装置２００と熱源装置１００とを接続する配管３００の温度を検出する配管温度センサ９と、外気温度センサ８及び配管温度センサ９の検出値を取り込み、凝縮器ファン７の回転数を制御する制御装置１０とを備えている。

（負荷装置２００）
負荷装置２００は、第１膨張装置５と蒸発器６とを備えている。凝縮器２から出て液溜め３を経たあとの冷媒の配管は、熱源装置１００の過冷却装置４の下流側で配管が分岐し、一方は配管３００を通じて負荷装置２００に接続される。負荷装置２００内にて第１膨張装置５と蒸発器６とを経た冷媒の配管は、配管４００を通じて熱源装置１００内の圧縮機１の吸入側に接続されている。

（圧縮機１及び凝縮器２）
圧縮機１は、冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮して高温高圧の状態にして吐出するものである。圧縮機１は、冷媒吐出側が凝縮器２（放熱器）に接続され、冷媒吸入側が配管４００に接続されている。なお、圧縮機１は、たとえばインバーター圧縮機などで構成される。本実施の形態１では、圧縮機１が１台設置された場合を例に説明したが、それに限定されるものではなく、複数台の圧縮機が直列又は並列に設けられていてもよい。
凝縮器２は、上流側が圧縮機１の吐出側に接続され、下流側が液溜め３に接続されている。凝縮器２は、圧縮機１から吐出された冷媒と空気との間で熱交換を行わせるものである。なお、凝縮器２は、たとえば、凝縮器２を流れる冷媒とフィンを通過する空気との間で熱交換ができるようなプレートフィンアンドチューブ型熱交換器で構成される。

（液溜め３）
液溜め３は、冷媒を液冷媒とガス冷媒とに分離するものであり、上流側が凝縮器２に接続され、下流側が過冷却装置４に接続されている。より詳細には、液溜め３は、凝縮器２から流出する気液２相冷媒を、液冷媒とガス冷媒とに分離する。そして、液溜め３は、過冷却装置４に液冷媒を供給し、ガス冷媒については液溜め３内に留まるように構成されている。

（過冷却装置４）
過冷却装置４は、上流側が液溜め３に接続され、下流側が配管３００を介して負荷装置２００に搭載されている第１膨張装置５に接続されている。過冷却装置４は、液溜め３から供給された冷媒を冷却して冷媒の過冷却度をとってから配管３００に流す。過冷却装置４は、冷凍サイクル装置５００の冷凍能力を確保するために利用されるものである。
過冷却装置４は、熱源装置１００及び負荷装置２００を循環する冷媒の冷却方法については特に限定されるものではないが、たとえば、２重管熱交換器、プレート型熱交換器などを採用する。なお、本実施の形態１では、一例として、過冷却装置４がプレート型熱交換器を有している場合を例に説明する。

過冷却装置４のプレート型熱交換器には、２つの冷媒が流れる流路が形成されている。すなわち、熱源装置１００及び負荷装置２００を循環する冷媒が流れる第１流路４１と、この流路を流れる冷媒を冷却する冷媒が流れる第２流路４５である。
過冷却装置４は、第２流路４５を流れる冷媒の冷熱を、第１流路４１を流れる冷媒に供給することができるプレート型熱交換器を有するため、配管３００を流れる冷媒に過冷却度をつけることができるようになっている。

（インジェクション配管４３）
インジェクション配管４３は、上流側の端部が配管３００に接続され、下流側の端部が圧縮機１に接続されている配管である。すなわち、インジェクション配管４３は、過冷却装置４の第１流路４１、第２膨張装置４２、及び過冷却装置４の第２流路４５を介して圧縮機１に冷媒をインジェクションする配管である。インジェクション配管４３には、上流側から順番に、第２膨張装置４２及び過冷却装置４の第２流路４５が接続されている。
なお、圧縮機１は、圧縮機１の吸入側から取り入れたときにおける圧力である低圧から、この低圧よりも高い圧力である高圧へと圧縮する途中の工程となる中間ポート（図示なし）を有しており、インジェクション配管４３の下流側の端部はこの中間ポートに接続されている。

（第２膨張装置４２）
第２膨張装置４２は、冷媒を膨張させるためのものであり、上流側が配管３００に接続され、下流側が過冷却装置４の第２流路４５に接続されているものである。第２膨張装置４２は、たとえば開度が可変である電子膨張弁などで構成される。なお、第２膨張装置４２の開度は、制御装置１０により制御される。

なお、本実施の形態では、第２膨張装置４２が電子膨張弁であるものとして説明するが、それに限定されるものではなく、複数個並列に接続されたキャピラリーチューブにおいてキャピラリーの上流もしくは下流に電磁弁などの流路を制御する弁などを設置し、キャピラリーチューブを通過するパス数を制御することにより、膨張装置における絞り量を制御する構成を採用してもよい。

（制御装置１０及び設定装置１１）
制御装置１０は、外気温度センサ８及び配管温度センサ９の検出値、圧縮機１の吐出冷媒温度、圧縮機シェル温度、吸入冷媒温度の各温度を検出する温度センサ（図示せず）の検出結果、圧縮機１の高圧側圧力及び低圧側圧力の各圧力を検出する圧力センサ（図示せず）の検出結果、設定装置１１の出力などに基づいて、圧縮機１の回転数（運転及び停止含む）、凝縮器２に付設される凝縮器ファン７や蒸発器６に付設されるファン（図示なし）の回転数（運転及び停止含む）、第１膨張装置５の開度、及び過冷却装置４などを制御するものである。なお、この制御装置１０は、たとえばマイコンなどで構成されるものである。
また、図１においては制御装置１０に設定装置１１が接続されているが、これは実施の形態２にて用いられるものである。設定装置１１は、設定値等の表示部と設定値の入力部を備えており、例えばスイッチ若しくはボタン又はこれらの組み合わせなどで構成されている。
なお、制御装置１０は、設定装置１１とともに熱源装置１００の制御基板（図示なし）に搭載されているものとしたが、それに限定されるものではなく、たとえば、負荷装置２００側に搭載されていてもよい。

（第１膨張装置５及び蒸発器６）
第１膨張装置５は、冷媒を膨張させるためのものであり、上流側が配管３００を介して過冷却装置４に接続され、下流側が蒸発器６に接続されている。なお、第１膨張装置５は、たとえば開度が可変である電子膨張弁、キャピラリーチューブなどで構成される。蒸発器６は、第１膨張装置５で減圧された冷媒と、空気との間で熱交換を行わせるものである。なお、蒸発器６は、凝縮器２と同様に、たとえば、蒸発器６を流れる冷媒とフィンを通過する空気との間で熱交換ができるようなプレートフィンアンドチューブ型熱交換器で構成される。

（冷凍サイクル装置５００の動作）
次に図１の冷凍サイクル装置５００の動作について説明する。
冷媒は、圧縮機１にて高温高圧の過熱ガスに圧縮された後、凝縮器２にて空気などの媒体と冷媒との間で熱交換を行うことで、高温高圧の液冷媒に凝縮される。凝縮器２を出た液冷媒は、液溜め３で気液分離され、過冷却装置４により高圧で過冷却が付加された液冷媒とされる。
過冷却装置４は、液溜め３から冷媒が送られてくる第１流路４１と、第１流路４１を流れてきた冷媒の一部を過冷却装置４の下流側で分岐させ、第２膨張装置４２で膨張させ低圧二相ガスにした冷媒を流す第２流路４５とを備える。つまり、第２膨張装置４２で膨張させた低圧二相ガスとなった冷媒は、過冷却装置４に入り、第１流路４１を流れる高圧側の液冷媒と熱交換する構造である。過冷却装置４に入った低圧二相ガスは、第１流路４１の高圧側の液冷媒と熱交換後、インジェクション配管４３を通り、圧縮機１の中間圧（中間ポート）に入る。圧縮機１の中間圧に入った低圧二相ガス冷媒は、圧縮機１の吐出温度上昇を抑制し、高温高圧の過熱ガスに圧縮される。
過冷却装置４で高圧で過冷却された液冷媒のうち負荷装置２００側へ流れる液冷媒は、熱源装置１００を出て、配管３００を通り、負荷装置２００に入る。負荷装置２００に入った過冷却された液冷媒は、第１膨張装置５で膨張させ低圧二相ガスにし、蒸発器６内で周囲の空気や水と熱交換されて低温低圧の過熱ガスの状態となる。低温低圧の過熱ガスは、負荷装置２００を出て、配管４００を通り、熱源装置１００に戻る。そして、再度圧縮機１に吸入され、高温高圧の過熱ガスに圧縮される。以降、上記の冷媒回路サイクルを繰り返す。

このように、上記の冷凍サイクル装置５００では、凝縮器２を出た液冷媒は、過冷却装置４により、液冷媒温度を低下させることで、冷凍サイクル装置５００の能力を増大させることができる。しかし、過冷却装置４によって、配管３００の配管温度が周囲の露点温度を下回ると、配管表面から結露が発生する。例えば、配管３００が配置されている店舗の天井裏などに結露水が垂れることになる。これを回避するために、実施の形態１の冷凍サイクル装置５００には、以下のような手段が採用されている。

（凝縮器ファン７の制御）
制御装置１０は、冷凍サイクル装置５００が起動すると、その動作中、凝縮器２の空気吸込温度を検出する外気温度センサ８、及び熱源装置１００内で過冷却装置４の下流の配管３００の温度を検出する配管温度センサ９の各検出値を取り込んで、それらの値を比較する。そして、配管３００の配管温度が、凝縮器２の吸込空気温度とほぼ等しい場合には、制御装置１０は、特別な制御を行わず現状のまま運転を継続する。これに対して、凝縮器２の吸込温度の値から配管３００の配管温度の値を引いた温度差が、設定値を超える場合には、凝縮器ファン７を停止するか、又は減速を行うように制御する。例えば、凝縮器２の吸込空気温度が、配管３００の配管温度より６Ｋ高い場合に、凝縮器ファン７の回転速度を、通常の回転速度の８０％を上限に減速するように制御する。
凝縮器ファン７の回転速度が低下すると、凝縮器２に送り込まれる単位時間当たりの空気の量が低下するため、凝縮器２での冷媒の温度の低下が抑制される。すると、過冷却装置４に流れ込む冷媒の温度が上がり、配管３００を通過する冷媒の温度も上がるため、凝縮器ファン７の回転速度が低下する前と比較すると、配管３００の温度は上昇することになる。

以上のように、本実施の形態の冷凍サイクル装置５００によれば、凝縮器２の吸込み空気温度が３２℃の場合、配管３００の配管温度が２６℃より低くなると、配管３００の温度が２６℃以上になるまで、凝縮器ファン７の回転速度が１００％から８０％に減速する。配管温度が２６℃の場合、配管３００の表面が結露する相対湿度は、ＲＨ＝６２％である。よって、冷凍サイクル装置５００の設置環境が、相対湿度ＲＨ＝６２％以下であれば、配管３００に結露を発生せずに、最大限の過冷却を確保できる能力を発揮することができるようになる。
例えば上記のように冷凍サイクル装置５００を制御し、配管３００に結露を発生させないことにより、配管３００を店舗の天井裏に設置した場合において、結露水による天井裏のカビなどの繁殖や、天井からの水漏れを防止できる。また、配管３００に結露が発生しない範囲内で冷媒の過冷却を取ることができるので、天井裏などに配置された液配管に断熱処理を施すなどの大がかりな工事も不要となり、冷凍サイクル装置５００の設置工事費を安価にすることが可能となる。さらに、既に配管が施工された既存店舗の冷凍サイクル装置に対して冷凍能力を大きくするために過冷却装置を追加する場合に、過冷却装置４の適用が容易に可能となる。

実施の形態２．
実施の形態１では、凝縮器２の吸込温度の値から配管３００の配管温度の値を引いた温度差が、設定値を超える場合に凝縮器ファン７を停止又は減速する方法について述べたが、本実施の形態では、さらに設定値を熱源装置１００から変更可能にし、凝縮器ファン７の風量の変更を設定値に応じて可能にした場合の構成について述べる。

本実施の形態に係る冷凍サイクル装置５００は、熱源装置１００内の制御装置１０に設定値等の表示部と設定値の入力部である設定装置１１を備えている。
本実施の形態に係る冷凍サイクル装置５００の冷媒回路図と動作は、実施の形態１と同じである。
制御装置１０は、定期的に、圧縮機１の高圧側圧力及び低圧側圧力の各圧力を検出する圧力センサの検出値と、配管３００の温度を検出する配管温度センサ９の検出値と、凝縮器２の空気吸込温度を検出する外気温度センサ８の検出値とを読み取り、凝縮器２の空気吸込温度と配管３００の温度との温度差の設定値を超えないように予測し、凝縮器ファン７の風量の調整を行う。

ここでは、スイッチ又は、ボタンなどで、凝縮器２の空気吸込温度と配管３００の温度との温度差の設定値を入力するとしたが、スケジュール機能を持ち、あらかじめ日々の時間帯ごとの設定値を決めておき、時間帯ごとに設定値を変更してもよい。また、熱源装置１００と負荷装置２００との間で電気的に通信で接続され、負荷装置２００側からの操作により、凝縮器２の空気吸込温度と配管３００の温度との温度差の設定値を変更する構成でもよい。
また、制御装置１０に入力される値は、凝縮器２の空気吸込温度と配管３００の温度との差に代えて、相対湿度を入力しても良い。その場合は、入力した相対湿度と凝縮器２の空気吸込温度の検出値とから露点を算出し、必要となる配管３００の温度を算出する。そして、配管３００の温度が算出した温度を下回らないように、冷凍サイクル装置５００の運転状態に合わせ、凝縮器ファン７の風量を調整する。

以上のように、本実施の形態によれば、外部から設定値を入力することにより、凝縮器ファン７の風量を調整できるようになる。適当な設定値を入力することにより、配管３００の配管温度は、常に結露しない温度で制御することができる。これにより、実施の形態１で述べた効果に加え、冷凍サイクル装置が設置される現地の環境に合わせ、柔軟に設定値の変更をすることができる。

実施の形態３．
本実施の形態では、実施の形態１及び２に係る冷凍サイクル装置５００が、凝縮器ファン７の風量調整だけでなく、さらに第２膨張装置４２の開度調整による結露抑制を併用した場合の構成について述べる。

［第２膨張装置４２の開度調整による結露抑制をしたときの冷媒サイクルの流れ］
本実施の形態に係る冷凍サイクル装置５００は、実施の形態１及び２と同じ冷媒回路である。
設定装置１１から制御装置１０に指示をすることにより、冷凍サイクル装置５００は、過冷却装置４を経た冷媒に過冷却度を大きくつける運転モードである冷凍能力優先モードと、過冷却度を大きくしないモードである結露抑制優先モードを切り替えて運転することができる。

図１を参照しながら、過冷却装置４などを流れる冷媒の流れについて説明する。
液溜め３から流出した高圧の冷媒は、過冷却装置４の第１流路４１に流入する。そして、この第１流路４１に流入した冷媒は、第２流路４５に流入した冷媒と熱交換を行って冷却され、過冷却をつける。

過冷却装置４の第１流路４１から流出し、過冷却された冷媒の一部は、配管３００を介して熱源装置１００から流出し、負荷装置２００へと流入する。過冷却装置４の第１流路４１から流出した冷媒の残りは、インジェクション配管４３に流入して配管３００の流れから分岐し、第２膨張装置４２を通り減圧されて温度が低下する。そして、この温度が低下した冷媒は、過冷却装置４の第２流路４５に流入し、第１流路４１の冷媒と熱交換する。

過冷却装置４の第２流路４５から流出した冷媒は、インジェクション配管４３を通って、圧縮機１の中間ポートに流入し圧縮機１から吐出するガス冷媒の温度を下げるのに利用される。すなわち、過冷却装置４の第２流路４５から流出した冷媒は、圧縮機１にインジェクションされて、圧縮機１から吐出されるガス冷媒の温度上昇を抑制し、冷凍機油の劣化の抑制などに利用される。

第２膨張装置４２の開度を大きくすると、配管３００から分岐してインジェクション配管４３に供給される冷媒の流量が多くなる一方で、減圧量が小さいため圧縮機１の中間ポートに入る冷媒圧力（中間圧圧力）は高くなり、冷媒温度も高くなる傾向にある。それに伴い、圧縮機１から吐出されるガスの圧力（高圧圧力）も上昇する。逆に、第２膨張装置４２の開度を小さくすると、配管３００から分岐してインジェクション配管４３に供給される冷媒の流量が小さくなり、冷媒圧力（中間圧圧力）は低くなり、冷媒温度も小さくなる。それに伴い、圧縮機１から吐出されるガスの圧力（高圧圧力）も低下する。

［冷凍サイクル装置５００のモリエル線図］
図２は、実施の形態３に係る冷凍サイクル装置５００のモリエル線図である。図２のモリエル線図を参照して第２膨張装置４２の開度に応じた冷媒状態を説明する。
なお、図２の説明では、第２膨張装置４２の開度を（１）小さくした場合、及び（２）この（１）よりも相対的に大きくした場合、について定性的な説明をするものとする。
また、（１）及び（２）のいずれの場合においても、第１膨張装置５で減圧した後の圧力である「低圧圧力」が同じとした場合について説明する。
なお、（１）の場合が、図２の実線に対応しており、（２）の場合が、図２の点線に対応している。

まず、（１）の場合について説明する。
第２膨張装置４２の開度を（２）の場合よりも小さくすると、図２の実線に示すように、中間圧圧力及び高圧圧力（冷媒凝縮温度＝冷媒飽和液温度）は低くなる。
この（１）の場合には、圧縮機１から凝縮器２に流入する冷媒及び凝縮器２から流出する冷媒の圧力である「高圧圧力」が、（２）の場合よりも相対的に低くなる（図２のＰ１とＱ１を参照）。このため、凝縮器２での放熱性能が同じである場合には、凝縮器２から流出する冷媒温度（≒冷媒凝縮温度＝冷媒飽和液温度となる）は、（２）の場合よりも相対的に低くなる。

また、（１）の場合には、第２膨張装置４２を通過し、インジェクション配管４３を流れる冷媒の圧力である「中間圧圧力」も、（２）の場合よりも相対的に低くなる（図２のＰ２とＱ２を参照）。
すなわち、（２）の場合と比較すると、（１）の場合には、「高圧圧力の低下」及び「過冷却装置４の第１流路４１を通過し、第２膨張装置４２に流入する前の冷媒温度の低下（高圧液冷媒の温度の低下）」をしており（Ｐ１参照）、第２膨張装置４２で減圧される「中間圧圧力」の冷媒の温度も低下する（Ｐ２参照）。
したがって、（１）の場合には、過冷却装置４で熱交換された後の液冷媒が、（２）の場合と比較すると、低い温度で流出することとなる。すなわち、第１膨張装置５には、低い温度の冷媒が流れることになり、蒸発器６の冷媒流入側と冷媒流出側とでのエンタルピ差が大きくすることができ、冷凍サイクル装置５００の冷凍能力が向上する。

さらに、（１）の場合には、「高圧圧力」が低下することにより、圧縮機１の必要動力も小さくなることから、消費電力も低下する。したがって、ＣＯＰ（冷凍能力と消費電力の比）が大きくなり省エネルギーとなる。

なお、（１）の場合のように、第２膨張装置４２の開度を小さくすると、（２）の場合と比較すると、「高圧液冷媒の温度の低下」をすると述べたが、必要以上に第２膨張装置４２の開度を小さくしすぎると、インジェクション配管４３における冷媒流量が小さくなりすぎ、過冷却装置４で第１流路４１と第２流路４５との間の熱交換が行われなくなり、第１流路４１の高圧液冷媒の温度が逆に高くなる場合があることに注意する必要がある。
また、第２膨張装置４２は、圧縮機１の吐出冷媒の温度を下げるインジェクションとしての役割も兼ねている。このため、必要以上に第２膨張装置４２の開度を小さくしすぎると、圧縮機１の吐出冷媒温度が上昇し圧縮機１が故障にいたる可能性もある。そこで、圧縮機１が故障しない最低限の開度を維持しておく必要があることにも注意する。

次に、（２）の場合について説明する。
第２膨張装置４２の開度を大きくした場合は、（１）とは逆となる。すなわち、（１）と比較して、「高圧圧力の上昇」及び「過冷却装置４の第１流路４１を通過し、第２膨張装置４２に流入する前の冷媒温度の上昇」をしており（Ｑ１参照）、第２膨張装置４２で減圧される「中間圧圧力」の冷媒の温度も上昇している（Ｑ２参照）。
なお、（２）の場合の注意点としては、圧縮機１の中間ポートに流入する冷媒流量が、（１）と比較すると相対的に多くなり、吐出冷媒温度が低くなり、圧縮機１の故障の原因となることである。

このように、第２膨張装置４２の開度に応じて冷媒状態を変化させることができる。
冷凍サイクル装置５００において冷凍能力優先モードを実行することは、図２の実線に示すモリエル線図に近づけることに対応し、冷凍サイクル装置５００において結露抑制優先モードを実行することは、図２の点線に示すモリエル線図に近づけることに対応している。
図２に基づいて冷凍能力優先モード及び結露抑制優先モードの定性的な説明をしたが、次に、第２膨張装置４２の開度調整による結露抑制優先モードについての具体的な制御方法について説明する。

［第２膨張装置４２の開度調整による結露抑制優先モードでの制御フロー］
図３は、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置５００の第２膨張装置４２の開度調整による結露抑制優先モードの制御フローの一例である。また、図４の制御開始（ＳＴＡＲＴ）は、第２膨張装置４２の開度調整による結露抑制優先モードに設定した時点である。図３を参照して、第２膨張装置４２の開度調整による結露抑制優先モードについて説明する。

（ステップＵ０）
制御装置１０は、第２膨張装置４２の開度調整による結露抑制優先モードの制御に移行する。

（ステップＵ１）
制御装置１０は、圧縮機１の吐出冷媒温度が、予め設定された値（下限規定値）以上であるか否かを判定する。なお、予め設定された値は、たとえば、７０℃などに設定される。予め設定された値以上である場合には、ステップＵ２に移行する。予め設定された値以上でない場合には、ステップＵ３に移行する。

（ステップＵ２）
制御装置１０は、第２膨張装置４２の開度を大きくする。
圧縮機１の吐出冷媒温度が下限規定値（たとえば７０℃）以上の場合には、第２膨張装置４２の開度を大きくし、「高圧圧力」及び「中間圧圧力」を大きくすることで、「高圧液冷媒」の温度を高くする。この「高圧液冷媒」が配管３００を流れる冷媒であるが、「高圧液冷媒」の温度が高くなる分、配管３００の温度も上昇し、結露が抑制される。
なお、本ステップＵ２における第２膨張装置４２の開度は、後述のステップＵ３における第２膨張装置４２の開度よりも大きい。

（ステップＵ３）
制御装置１０は、第２膨張装置４２の開度を小さくする。
圧縮機１の吐出冷媒温度が下限規定値以下の場合には、圧縮機１の吐出冷媒温度が低すぎて故障の原因となる。そこで、第２膨張装置４２の開度を小さくし、圧縮機１にインジェクションされる冷媒の流量を小さくし、圧縮機１の吐出冷媒を冷却するインジェクション流量を減らすことにより、圧縮機１の吐出冷媒温度を上昇させる。
ただし、本ステップＵ３では、配管３００が結露しない範囲の温度になるように、第２膨張装置４２の開度を小さくする。

［凝縮器ファン７の風量調整に第２膨張装置４２の開度調整による結露抑制優先モードを併用した場合の制御］
本実施の形態での、凝縮器ファン７の風量調整に加えて第２膨張措置の開度調整による結露抑制優先モードを併用した場合の制御について説明する。
凝縮器ファン７の回転速度を減速させる制御をした場合は、凝縮器２から流出する冷媒の温度低下が抑制されるため、配管３００の温度が上昇し、結露を抑制する方向に制御される。
一方、上記で述べた結露抑制優先モードにおいて結露することを抑制する制御手段は、インジェクション配管４３と第２膨張装置４２を使うものであり、圧縮機１の高圧高温の吐出冷媒温度を、液バックしない程度まで下げるようにするものである。つまり、第２膨張装置４２の開度を大きくし、圧縮機１の中間圧へのインジェクション流量を増やすようにしている。インジェクション流量が増大すると、圧縮機１内での入力（仕事量）が大きくなり、凝縮器２の高圧圧力とインジェクション配管４３の中間圧圧力が、上昇することになる。よって、過冷却装置４での熱交換後の配管３００の液温度は、中間圧圧力の飽和温度になるため、インジェクション流量の増加は、配管３００の液温度を上げることになる（図２のＱ１及びＱ２を参照）。つまり、凝縮器２の空気吸込温度よりも配管３００の配管温度が低い場合に、凝縮器２の空気吸込温度から配管３００の配管温度を引いた差は小さくなるため、配管３００の結露を抑制する方向に制御することができる。

すなわち、凝縮器ファン７の風量調整と第２膨張装置４２の開度調整による結露抑制優先モードとの併用は、配管３００の結露防止効果をさらに向上させることが可能となる。
特に、凝縮器２の熱交換器容量が大きい場合においては、上記で述べた結露抑制優先モードでの第２膨張装置４２の開度を大きくしても（例えば、図３のＵ２の場合）、インジェクション配管４３の流量（つまり中間圧圧力）の上昇幅が小さく、圧縮機１の吐出側が高圧ならず、配管３００の配管温度の上昇幅が小さい。また、第２膨張装置４２の開度を大きくしすぎると、圧縮機１の吐出冷媒を冷却しすぎてしまい、吐出冷媒温度が低くなり圧縮機１の故障に至るような場合もある。このような場合に、凝縮器２の吸い込み空気温度と配管３００の温度の差を検出し、その差の値が設定値を超えていた場合は凝縮器ファン７の回転速度を減速させることにより、配管３００の温度を上昇させることができる。つまり、凝縮器ファン７の風量調整に第２膨張装置４２の開度調整による結露抑制優先モードを併用することにより、第２膨張装置４２の開度を過度に大きくすることなく、配管３００の結露防止効果を確保することができる。

また、凝縮器ファン７の回転速度を減速させる制御と第２膨張装置４２の開度調整による結露抑制優先モードを併用した場合には、第２膨張装置４２の開度を過度に大きくする必要がなく、圧縮機１の中間圧へのインジェクション流量が過度に大きくなることはないため、圧縮機１の中間圧での液バックは生じなくなる。

１ 圧縮機、２ 凝縮器（放熱器）、３ 液溜め、４ 過冷却装置、５ 第１膨張装置、６ 蒸発器、７ 凝縮器ファン、８ 外気温度センサ、９ 配管温度センサ、１０ 制御装置、１１ 設定装置、４１ 第１流路、４２ 第２膨張装置、４３ インジェクション配管、４５ 第２流路、１００ 熱源装置、２００ 負荷装置、３００ （液冷媒が通る）配管、４００ （吸入ガスが通る）配管、５００ 冷凍サイクル装置。

Claims (3)

1. 圧縮機、凝縮器、第１膨張装置、及び蒸発器を冷媒配管で接続した冷媒回路を有し、前記圧縮機及び前記凝縮器が搭載される熱源装置と、前記蒸発器が搭載される負荷装置とを備えている冷凍サイクル装置において、
   前記凝縮器に空気を送る凝縮器ファンと、
   前記凝縮器の下流側であって前記第１膨張装置の上流側に接続され、前記凝縮器から流出した冷媒を過冷却する過冷却装置と、
   前記過冷却装置から流出した冷媒が流れる、前記熱源装置と前記負荷装置とを接続している冷媒配管の温度を検出する配管温度検出手段と、
   前記凝縮器に吸込まれる空気の温度を検出する外気温度検出手段と、
   一端が前記圧縮機に接続され、他端が前記過冷却装置と前記第１膨張装置との間に接続されているインジェクション配管と、
   前記インジェクション配管を流れる冷媒を減圧させる第２膨張装置と、
   前記凝縮器ファンの回転速度、及び、前記第２膨張装置の開度を制御する制御装置と、
   を有し、
   前記過冷却装置は、
   上流側が前記凝縮器に接続され、下流側が前記第１膨張装置及び前記インジェクション配管の他端に接続される第１流路と、
   前記第２膨張装置の下流側の前記インジェクション配管に接続される第２流路とを有し、
   前記第１流路を流れる冷媒と前記第２流路を流れる冷媒とを熱交換させる熱交換器で構成されており、
   前記制御装置は、
   前記凝縮器に吸込まれる空気の温度から前記熱源装置と前記負荷装置とを接続している冷媒配管の温度を引いた差が設定値を超えないように、前記凝縮器ファンの回転速度を制御すると共に、前記圧縮機の吐出冷媒温度が予め設定される下限値以上である場合には、前記圧縮機の吐出冷媒温度が予め設定される下限値未満である場合よりも、前記第２膨張装置の開度を大きくする制御を実施する、冷凍サイクル装置。
2. 圧縮機、凝縮器、第１膨張装置、及び蒸発器を冷媒配管で接続した冷媒回路を有し、前記圧縮機及び前記凝縮器が搭載される熱源装置と、前記蒸発器が搭載される負荷装置とを備えている冷凍サイクル装置において、
   前記凝縮器に空気を送る凝縮器ファンと、
   前記凝縮器の下流側であって前記第１膨張装置の上流側に接続され、前記凝縮器から流出した冷媒を過冷却する過冷却装置と、
   前記過冷却装置から流出した冷媒が流れる、前記熱源装置と前記負荷装置とを接続している冷媒配管の温度を検出する配管温度検出手段と、
   前記凝縮器に吸込まれる空気の温度を検出する外気温度検出手段と、
   一端が前記圧縮機に接続され、他端が前記過冷却装置と前記第１膨張装置との間に接続されているインジェクション配管と、
   前記インジェクション配管を流れる冷媒を減圧させる第２膨張装置と、
   前記凝縮器ファンの回転速度、及び、前記第２膨張装置の開度を制御する制御装置と、
   を有し、
   前記過冷却装置は、
   上流側が前記凝縮器に接続され、下流側が前記第１膨張装置及び前記インジェクション配管の他端に接続される第１流路と、
   前記第２膨張装置の下流側の前記インジェクション配管に接続される第２流路とを有し、
   前記第１流路を流れる冷媒と前記第２流路を流れる冷媒とを熱交換させる熱交換器で構成されており、
   前記制御装置は、
   前記圧縮機の吐出冷媒温度が予め設定される下限値以上である場合には、前記圧縮機の吐出冷媒温度が予め設定される下限値未満である場合よりも、前記第２膨張装置の開度を大きくし、
   前記外気温度検出手段により検出された温度から前記配管温度検出手段により検出された温度を引いた温度差を検出し、前記温度差が設定値を超えていた場合は、前記凝縮器ファンの回転速度を減速させる、冷凍サイクル装置。
3. 前記設定値を入力する設定装置を備えた、請求項１又は２に記載の冷凍サイクル装置。

Images