JP6778884B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

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Description

本開示は、冷凍サイクル装置に関する。
ターボ圧縮機を用いた冷凍サイクル装置では、起動運転時、部分負荷運転時などの非定常運転時において、ターボ圧縮機の吐出口から吸入口への冷媒の逆流現象（サージ）が発生することがある。サージは、騒音及び軸振動の原因となる。サージの主な原因は、冷凍サイクル装置における圧力比がターボ圧縮機の特定の回転数における許容値を超過することにある。つまり、ターボ圧縮機の回転数に対して圧力比が大きすぎるとサージが発生する。サージを防止するためには、圧力比を下げることが有効である。
図９に示すように、特許文献１に記載されたターボ冷凍機は、ターボ圧縮機１、凝縮器２、減圧弁３、蒸発器４、ホットガスバイパス弁５及びホットガスバイパス路６を備えている。ホットガスバイパス弁５を開くと、ターボ圧縮機１から吐出された高圧ガスの一部がホットガスバイパス路６を通じて蒸発器４に導かれる。これにより、圧力比が許容値まで下がり、サージが防止される。
特開平３−２９００９３号公報
冷凍サイクル装置における圧力比は、一般に、冷媒の種類に大きく依存する。そのため、図９に示す従来の構成は、特定の冷媒を用いた冷凍サイクル装置において十分な効果が認められる一方、別の冷媒を用いた冷凍サイクル装置において十分な効果が認められない可能性がある。
本開示の目的は、より確実にサージを防止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、
液相の冷媒を貯留するとともに、前記液相の冷媒を蒸発させて気相の冷媒を生成する蒸発器と、
前記蒸発器において生成された前記気相の冷媒を圧縮するターボ圧縮機と、
前記ターボ圧縮機によって圧縮された前記気相の冷媒を凝縮させることによって液相の冷媒を生成し、生成された前記液相の冷媒を貯留する凝縮器と、
前記蒸発器の一の部分に接続された第１流路と、
前記蒸発器の他の部分に接続された第２流路と、
前記凝縮器の一の部分に接続された第３流路と、
前記凝縮器の他の部分に接続された第４流路と、
弁を含み、前記弁を用いて、前記第１流路、前記第２流路、前記第３流路及び前記第４流路の相互間の接続状態を複数の接続状態から選ばれる１つの接続状態に切り替える切替機構であって、前記複数の接続状態は、前記第１流路と前記第４流路とが接続され、かつ前記第２流路と前記第３流路とが接続される第１接続状態を含む、切替機構と、
前記第２流路に配置され、前記蒸発器に貯留された前記液相の冷媒を前記切替機構に向かって供給する第１ポンプと、
前記第４流路に配置され、前記凝縮器に貯留された前記液相の冷媒を前記切替機構に向かって供給する第２ポンプと、
前記ターボ圧縮機の運転状態がサージ状態又はチョーク状態にあるときに、前記切替機構を制御して前記第１流路、前記第２流路、前記第３流路及び前記第４流路の相互間の前記接続状態を前記第１接続状態に設定する制御器と、
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、より確実にサージを防止することができる。
図１は、実施形態１に係る冷凍サイクル装置の構成図である。 図２は、四方弁を含む切替機構の構成図である。 図３は、２つの三方弁を含む切替機構の構成図である。 図４は、４つの弁を含む切替機構の構成図である。 図５は、ターボ圧縮機の特性を示すグラフである。 図６は、実施形態１の冷凍サイクル装置において実行されるべきサージ制御のフローチャートである。 図７は、実施形態２に係る冷凍サイクル装置の構成図である。 図８は、実施形態２の冷凍サイクル装置において実行されるべきサージ制御のフローチャートである。 図９は、従来のターボ冷凍機の構成図である。
（本開示の基礎となった知見）
図９に示す従来の構成は、例えば、フロン系冷媒を用いた冷凍サイクル装置に有用である。一方、低圧冷媒を用いた冷凍サイクル装置は、フロン系冷媒を用いた冷凍サイクル装置に比べて、より大きい圧力比で運転される。例えば、水を用いた冷凍サイクル装置における圧力比は、フロン系冷媒を用いた冷凍サイクル装置における圧力比の約３倍である。この場合、図９に示すホットガスバイパス路が設けられたとしても、凝縮器に貯留された冷媒液の温度及び蒸発器に貯留された冷媒液の温度を大幅に変化させることは困難であり、圧力比を十分に下げることも困難である。したがって、低圧冷媒を用いた冷凍サイクル装置におけるサージ防止にも有効な技術が求められている。
本開示の第１態様にかかる冷凍サイクル装置は、
液相の冷媒を貯留するとともに、前記液相の冷媒を蒸発させて気相の冷媒を生成する蒸発器と、
前記蒸発器において生成された前記気相の冷媒を圧縮するターボ圧縮機と、
前記ターボ圧縮機によって圧縮された前記気相の冷媒を凝縮させることによって液相の冷媒を生成し、生成された前記液相の冷媒を貯留する凝縮器と、
前記蒸発器の一の部分に接続された第１流路と、
前記蒸発器の他の部分に接続された第２流路と、
前記凝縮器の一の部分に接続された第３流路と、
前記凝縮器の他の部分に接続された第４流路と、
弁を含み、前記弁を用いて、前記第１流路、前記第２流路、前記第３流路及び前記第４流路の相互間の接続状態を複数の接続状態から選ばれる１つの接続状態に切り替える切替機構であって、前記複数の接続状態は、前記第１流路と前記第４流路とが接続され、かつ前記第２流路と前記第３流路とが接続される第１接続状態を含む、切替機構と、
前記第２流路に配置され、前記蒸発器に貯留された前記液相の冷媒を前記切替機構に向かって供給する第１ポンプと、 前記第４流路に配置され、前記凝縮器に貯留された前記液相の冷媒を前記切替機構に向かって供給する第２ポンプと、
前記ターボ圧縮機の運転状態がサージ状態又はチョーク状態にあるときに、前記切替機構を制御して前記第１流路、前記第２流路、前記第３流路及び前記第４流路の相互間の前記接続状態を前記第１接続状態に設定する制御器と、
を備えたものである。
第１態様によれば、圧縮機の運転状態がサージ状態又はチョーク状態にあるとき、第１〜第４流路の相互間の接続状態が第１接続状態に設定される。蒸発器に貯留された冷媒液と凝縮器に貯留された冷媒液が蒸発器及び凝縮器のそれぞれにおいて混合される。蒸発器に貯留された冷媒液の温度が上がり、蒸発器の内部の圧力も上昇する。凝縮器に貯留された冷媒液の温度が下がり、凝縮器の内部の圧力も低下する。圧力比を許容値（閾値）まで下げることができるので、圧縮機のサージ又はチョークが防止される。
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蒸発器の前記一の部分は、前記蒸発器に貯留された前記液相の冷媒の液面よりも上方に位置し、前記蒸発器の前記他の部分は、前記蒸発器に貯留された前記液相の冷媒の前記液面よりも下方に位置し、前記複数の接続状態は、前記第１流路と前記第２流路とが接続され、かつ前記第３流路と前記第４流路とが接続される第２接続状態をさらに含む。第１〜第４流路の相互間の接続状態が第２接続状態にあるときに第１ポンプを駆動すると、蒸発器に貯留された冷媒液が第１流路及び第２流路を循環する。その結果、冷媒液の蒸発が促進される。
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の前記制御器は、前記ターボ圧縮機の運転状態が前記サージ状態又は前記チョーク状態にあるときに、前記切替機構を制御して前記第１流路、前記第２流路、前記第３流路及び前記第４流路の相互間の前記接続状態を前記第２接続状態から前記第１接続状態へと切り替える。第３態様によれば、第１態様における効果が確実に得られる。
本開示の第４態様において、例えば、第１〜第３態様のいずれか１つにかかる冷凍サイクル装置は、前記第１流路に配置され、開度を調整可能な第１弁と、前記第３流路に配置され、開度を調整可能な第２弁と、をさらに備えている。第４態様によれば、第１弁及び第２弁によって、圧力比を所望の値に微調整できる。
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制御装置は、前記第１流路、前記第２流路、前記第３流路及び前記第４流路の相互間の前記接続状態が前記第１接続状態に設定され、かつ、前記凝縮器に貯留された前記液相の冷媒の温度と前記蒸発器に貯留された前記液相の冷媒の温度との差が閾値以上であるときに、前記第１弁を制御して前記第１弁の前記開度を増やし、前記第２弁を制御して前記第２弁の前記開度を増やす。第５態様によれば、第１弁及び第２弁によって、圧力比を所望の値に微調整できるので、蒸発器と凝縮器との間で冷媒液を交換することによる損失を減らすことができる。
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の前記制御器は、前記ターボ圧縮機の回転数が閾値回転数以下であるとき、前記ターボ圧縮機の運転状態が前記サージ状態にあるとみなして前記切替機構の制御を実行する。第６態様によれば、冷凍サイクル装置の起動運転時及び停止運転時におけるサージを確実に防止することができる。
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制御器は、前記ターボ圧縮機の回転数が閾値回転数よりも大きく、前記ターボ圧縮機の吸入圧力に対する吐出圧力の比が閾値圧力比以上であるとき、前記ターボ圧縮機の運転状態が前記サージ状態にあるとみなして前記切替機構の制御を実行する。第７態様によれば、圧縮機のサージをより確実に防止することができる。
本開示の第８態様において、例えば、第１〜第７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９態様にかかる方法は、冷凍サイクル装置の制御方法であって、
前記冷凍サイクル装置は、
液相の冷媒を貯留するとともに、前記液相の冷媒を蒸発させて気相の冷媒を生成する蒸発器と、
前記蒸発器において生成された前記気相の冷媒を圧縮するターボ圧縮機と、
前記ターボ圧縮機によって圧縮された前記気相の冷媒を凝縮させることによって液相の冷媒を生成し、生成された前記液相の冷媒を貯留する凝縮器と、
前記蒸発器の一の部分に接続された第１流路と、
前記蒸発器の他の部分に接続された第２流路と、
前記凝縮器の一の部分に接続された第３流路と、
前記凝縮器の他の部分に接続された第４流路と、
弁を含み、前記弁を用いて、前記第１流路、前記第２流路、前記第３流路及び前記第４流路の相互間の接続状態を複数の接続状態から選ばれる１つの接続状態に切り替える切替機構であって、前記複数の接続状態は、前記第１流路と前記第４流路とが接続され、かつ前記第２流路と前記第３流路とが接続される第１接続状態を含む、切替機構と、
前記第２流路に配置され、前記蒸発器に貯留された前記液相の冷媒を前記切替機構に向かって供給する第１ポンプと、
前記第４流路に配置され、前記凝縮器に貯留された前記液相の冷媒を前記切替機構に向かって供給する第２ポンプと、
を備え、
前記制御方法は、前記ターボ圧縮機の運転状態がサージ状態又はチョーク状態にあるとき、前記切替機構を制御して前記第１流路、前記第２流路、前記第３流路及び前記第４流路の相互間の前記接続状態を前記第１接続状態に設定することを含むものである。
第９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。
（実施形態１）
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２２及び凝縮器２３を備えている。蒸発器２１は、冷媒液（液相の冷媒）を貯留するとともに、冷媒液を蒸発させて冷媒蒸気（気相の冷媒）を生成する。圧縮機２２は、蒸発器２１で生成された冷媒蒸気を圧縮する。凝縮器２３は、圧縮機２２によって圧縮された冷媒蒸気を凝縮させることによって冷媒液を生成し、冷媒液を貯留する。
圧縮機２２は、遠心圧縮機、軸流圧縮機などのターボ圧縮機である。
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の内部の圧力は大気圧よりも低い。圧縮機２２の吸入口での圧力は、例えば、０．５〜５ｋＰａＡの範囲にある。圧縮機２２の吐出口での圧力は、例えば、５〜１５ｋＰａＡの範囲にある。
冷凍サイクル装置１００は、さらに、蒸気経路２９を備えている。蒸気経路２９は、上流部分２９ａ及び下流部分２９ｂを含む。上流部分２９ａは、蒸発器２１の蒸気出口（冷媒蒸気の出口）と圧縮機２２の吸入口とを接続している。下流部分２９ｂは、圧縮機２２の吐出口と凝縮器２３の蒸気入口（冷媒蒸気の入口）とを接続している。
冷凍サイクル装置１００は、さらに、低圧循環路２４、高圧循環路２５、第１ポンプ２６、第２ポンプ２７及び切替機構２８を備えている。低圧循環路２４は、第１流路２４ａ及び第２流路２４ｂを含む。低圧循環路２４において、第１流路２４ａが下流部分であり、第２流路２４ｂが上流部分である。高圧循環路２５は、第３流路２５ａ及び第４流路２５ｂを含む。高圧循環路２５において、第３流路２５ａが下流部分であり、第４流路２５ｂが上流部分である。
低圧循環路２４の両端は、蒸発器２１に接続されている。第１流路２４ａは、蒸発器２１の一の部分（上部）に接続された一端と、切替機構２８に接続された他端とを有する。第２流路２４ｂは、蒸発器２１の他の部分（下部）に接続された一端と、切替機構２８に接続された他端とを有する。蒸発器２１の一の部分は、蒸発器２１に貯留された冷媒液の液面よりも上方に位置している。蒸発器２１の他の部分は、蒸発器２１に貯留された冷媒液の液面よりも下方に位置している。このような位置関係によれば、冷媒液が低圧循環路２４に確実に引き込まれる。
第１流路２４ａの一端が冷媒液の液面よりも上方に位置している場合、第１流路２４ａから蒸発器２１の内部空間に向かって冷媒液が散布されうる。この場合、冷媒液の蒸発を促進することができる。
高圧循環路２５の両端は、凝縮器２３に接続されている。第３流路２５ａは、凝縮器２３の一の部分に接続された一端と、切替機構２８に接続された他端とを有する。第４流路２５ｂは、凝縮器２３の他の部分に接続された一端と、切替機構２８に接続された他端とを有する。凝縮器２３の一の部分は、凝縮器２３に貯留された冷媒液の液面よりも上方に位置していてもよいし、下方に位置していてもよい。凝縮器２３の他の部分は、凝縮器２３に貯留された冷媒液の液面より下方に位置している。このような位置関係によれば、冷媒液が高圧循環路２５に確実に引き込まれる。
第１ポンプ２６は、低圧循環路２４の第２流路２４ｂに配置されている。第１ポンプ２６は、蒸発器２１に貯留された冷媒液を切替機構２８に向かって供給する。第２ポンプ２７は、高圧循環路２５の第４流路２５ｂに配置されている。第２ポンプ２７は、凝縮器２３に貯留された冷媒液を切替機構２８に向かって供給する。
図２に示すように、切替機構２８は、４つの接続口２８ａ〜２８ｄを含む。第１流路２４ａ、第２流路２４ｂ、第３流路２５ａ及び第４流路２５ｂは、それぞれ、接続口２８ａ、接続口２８ｂ、接続口２８ｃ及び接続口２８ｄに接続されている。本実施形態において、切替機構２８は、四方弁である。切替機構２８の役割は、第１流路２４ａ、第２流路２４ｂ、第３流路２５ａ及び第４流路２５ｂの相互間の接続状態を複数の接続状態から選ばれる１つの接続状態から他の接続状態に切り替えることにある。複数の接続状態には、破線で示された第１接続状態及び実線で示された第２接続状態が含まれる。第１接続状態は、第１流路２４ａと第４流路２５ｂとが接続され、かつ第２流路２４ｂと第３流路２５ａとが接続された状態である。第２接続状態は、第１流路２４ａと第２流路２４ｂとが接続され、かつ第３流路２５ａと第４流路２５ｂとが接続された状態である。
第１〜第４流路２４ａ，２４ｂ，２５ａ及び２５ｂの相互間の接続状態が第１接続状態にあるときに第１ポンプ２６及び第２ポンプ２７を駆動すると、蒸発器２１と凝縮器２３との間で冷媒液が相互に交換される。具体的には、第１ポンプ２６の働きにより、蒸発器２１に貯留された冷媒液が第２流路２４ｂ、切替機構２８及び第３流路２５ａを経由して凝縮器２３に移される。第２ポンプ２７の働きにより、凝縮器２３に貯留された冷媒液が第４流路２５ｂ、切替機構２８及び第１流路２４ａを経由して蒸発器２１に移される。蒸発器２１及び凝縮器２３のそれぞれにおいて、低温の冷媒液と高温の冷媒液とが混合される。
第１〜第４流路２４ａ，２４ｂ，２５ａ及び２５ｂの相互間の接続状態が第２接続状態にあるときに第１ポンプ２６を駆動すると、蒸発器２１に貯留された冷媒液が低圧循環路２４を循環する。その結果、冷媒液の蒸発が促進される。第２接続状態において、第２ポンプ２７は停止させたままでもよいし、駆動させてもよい。
切替機構２８は四方弁に限定されない。図３は、変形例に係る切替機構２８１を示している。図４は、別の変形例に係る切替機構２８２を示している。図３に示す切替機構２８１は、２つの三方弁３８を含む。図４に示す切替機構２８２は、４つの弁３９を含む。つまり、本開示における切替機構は、少なくとも１つの弁を含み、少なくとも１つの弁を用いて、第１〜第４流路２４ａ，２４ｂ，２５ａ及び２５ｂの相互間の接続状態を複数の接続状態から選ばれる１つの接続状態に切り替える能力を持っている。
図４に示す切替機構２８２において、４つの弁３９は、例えば、開閉弁である。弁３９が開閉弁であるとき、切替機構２８２は安価に構築されうる。
冷凍サイクル装置１００は、さらに、戻し経路４０を備えている。戻し経路４０には流量調整弁４１が配置されている。戻し経路４０は、凝縮器２３と蒸発器２１とを接続している。戻し経路４０の始端は、凝縮器２３の下部に接続されている。戻し経路４０の終端は、蒸発器２１の下部又は上部に接続されている。戻し経路４０を通じて凝縮器２３から蒸発器２１に冷媒液が導かれるので、蒸発器２１に冷媒液を補給する必要がない。流量調整弁４１を制御することによって、戻し経路４０における冷媒液の流量が調整されうる。流量調整弁４１は省略されてもよい。
冷凍サイクル装置１００は、さらに、吸熱回路１１及び放熱回路１２を備えている。
吸熱回路１１は、蒸発器２１において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１１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１１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１１には、水、ブラインなどの液相の第１の熱媒体が充填されている。
冷媒液は、低圧循環路２４を通じて蒸発器２１の上部から散布され、吸熱回路１１を構成する部材（配管）に接触する。冷媒液と吸熱回路１１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１１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１１の熱媒体によって室内の空気が冷却される。
放熱回路１２は、凝縮器２３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１２の一部は凝縮器２３の内部に位置している。凝縮器２３の内部において、放熱回路１２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１２には、水、ブラインなどの液相の第２の熱媒体が充填されている。
圧縮機２２から吐出された高温の冷媒蒸気は、凝縮器２３の内部において、放熱回路１２を構成する部材（配管）に接触する。冷媒蒸気と放熱回路１２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１２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１２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形成されている。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。すなわち、吸熱回路１１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１１を循環する熱媒体と間接的に接触する。蒸発器２１に貯留された冷媒液の一部は、吸熱回路１１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。
凝縮器２３は、例えば、断熱性及び耐圧性を有する容器によって形成されている。凝縮器２３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。冷媒蒸気は、放熱回路１２の熱媒体によって冷却され、凝縮する。
吸熱回路１１には、蒸発器２１に貯留された冷媒液を循環させてもよい。放熱回路１２には、凝縮器２３に貯留された冷媒液を循環させてもよい。
冷凍サイクル装置１００は、さらに、第１圧力センサ３１、第２圧力センサ３３、第１温度センサ３２及び第２温度センサ３４を備えている。第１圧力センサ３１は、例えば、蒸気経路２９の下流部分２９ｂに配置されている。第２圧力センサ３３は、例えば、蒸気経路２９の上流部分２９ａに配置されている。第１圧力センサ３１は、圧縮機２２の吐出口における冷媒蒸気の圧力（吐出圧力）を検出する。第２圧力センサ３３は、圧縮機２２の吸入口における冷媒蒸気の圧力（吸入圧力）を検出する。第１圧力センサ３１及び第２圧力センサ３３の検出結果から、冷凍サイクル装置１００における圧力比が算出されうる。吸入圧力及び吐出圧力を検出できるのであれば、圧力センサ３１及び３３の位置は特に限定されない。第１圧力センサ３１は、凝縮器２３の内部に配置されていてもよい。第２圧力センサ３３は、蒸発器２１の内部に配置されていてもよい。
第１温度センサ３２は、例えば、凝縮器２３の内部に配置されている。詳細には、第１温度センサ３２は、凝縮器２３に貯留された冷媒液の液面よりも下方に位置している。第２温度センサ３４は、例えば、蒸発器２１の内部に配置されている。詳細には、第２温度センサ３４は、蒸発器２１に貯留された冷媒液の液面よりも下方に位置している。第１温度センサ３２は、凝縮器２３に貯留された冷媒液の温度（凝縮温度）を検出する。第２温度センサ３４は、蒸発器２１に貯留された冷媒液の温度（蒸発温度）を検出する。凝縮温度及び蒸発温度を検出できるのであれば、温度センサ３２及び３４の位置は特に限定されない。第１温度センサ３２は、高圧循環路２５の第４流路２５ｂに配置されていてもよいし、凝縮器２３と流量調整弁４１との間において、戻し経路４０に配置されていてもよい。第２温度センサ３４は、低圧循環路２４の第２流路２４ｂに配置されていてもよい。
凝縮温度から吐出圧力が特定され、蒸発温度から吸入圧力が特定されるので、第１温度センサ３２及び第２温度センサ３４の検出結果から、冷凍サイクル装置１００における圧力比が算出されうる。つまり、圧力センサ３１及び３３は、温度センサ３２及び３４で代用されうる。
冷凍サイクル装置１００は、さらに、制御器３０を備えている。制御器３０は、圧縮機２２、第１ポンプ２６、第２ポンプ２７、切替機構２８及び流量調整弁４１を制御する。制御器３０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）が使用されうる。制御器３０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。センサ３１〜３４は、制御器３０に接続されている。制御器３０は、センサ３１〜３４から出力されたセンサ信号を取得する。取得したセンサ信号に基づき、制御器３０は切替機構２８を制御する。
制御器３０は、圧力センサ３１及び３３からセンサ信号を取得し、取得したセンサ信号から冷凍サイクル装置１００における圧力比（吐出圧力／吸入圧力）を特定する。あるいは、制御器３０は、温度センサ３２及び３４からセンサ信号を取得し、取得したセンサ信号から冷凍サイクル装置１００における圧力比を特定する。制御器３０は、さらに、特定した圧力比及び圧縮機２２における冷媒の流量（質量流量）に基づき、圧縮機２２の運転状態を特定する。言い換えれば、制御器３０は、圧力比及び冷媒の流量の組み合わせがサージ領域、正常領域及びチョーク領域のどの領域に位置するのかを特定する。冷媒の流量は、圧縮機２２の回転数から推定することができる。一般に、ターボ圧縮機が十分に大きい回転数で運転されているとき、流量は回転数に概ね比例する。「十分に大きい回転数」は、ターボ圧縮機の設計に応じて決まる。
ターボ圧縮機が特定の回転数で運転されているときにシステムの圧力比（吐出圧力／吸入圧力）が許容値を超えると、サージが発生する。ターボ圧縮機が特定の回転数で運転されているときにシステムの圧力比（吐出圧力／吸入圧力）が許容値を下回ると、チョーク（流れの閉塞）が発生する。つまり、ターボ圧縮機の回転数とシステムの圧力比との間には一定の制約が存在し、その制約の範囲外でターボ圧縮機を運転するとサージ又はチョークが発生する。
図５は、圧縮機２２の特性を示している。圧縮機２２における冷媒の流量及び冷凍サイクル装置１００の圧力比に応じて、圧縮機２２は、曲線Ｐによって囲まれた正常領域、曲線Ｐの外のサージ領域及び曲線Ｐの外のチョーク領域のいずれかの領域において運転される。図５のグラフは、例えば、テーブルの形式で制御器３０のメモリに記憶されている。制御器３０は、流量及び圧力比の組み合わせがサージ領域、正常領域及びチョーク領域のどの領域に位置するのかを特定する。
圧縮機２２の回転数が所定の閾値回転数よりも大きいとき、冷媒の流量は、圧縮機２２の回転数に応じて決まる。したがって、圧縮機２２の回転数を用いて、圧縮機２２の運転状態がサージ状態にあるかどうかを判断することができる。詳細には、吸入圧力及び圧縮機２２の回転数に応じて、冷媒の流量が決まる。吸入圧力、吐出圧力及び圧縮機２２の回転数に基づいて、圧縮機２２の状態を特定することができる。「閾値回転数」は、圧縮機２２の設計値である。
圧縮機２２がターボ圧縮機であるとき、閾値回転数（例えば、２万回転／ｍｉｎ）以下の回転数では、冷媒が十分に流れない。この現象は、冷凍サイクル装置１００の内部の圧力が大気圧よりも低い場合に顕著である。したがって、圧縮機２２の回転数が閾値回転数以下であるとき、圧縮機２２の運転状態がサージ状態にあるとみなすことができる。これにより、冷凍サイクル装置１００の起動運転時及び停止運転時におけるサージを確実に防止することができる。
次に、冷凍サイクル装置１００の運転について説明する。
冷凍サイクル装置１００の起動後、制御器３０は、図６に示すサージ制御を定期的に実行する。ステップＳ１において、圧縮機２２の現在の回転数が閾値回転数（例えば、２万回転／ｍｉｎ）以下であるかどうかを判断する。圧縮機２２の回転数が閾値回転数以下であるとき、圧縮機２２の運転状態がサージ状態にあるとみなし、ステップＳ５及びＳ６の処理を実行する。このようにすれば、冷凍サイクル装置１００の起動運転時及び停止運転時のサージが確実に防止されうる。制御器３０が圧縮機２２のモータを制御するための制御器である場合、圧縮機２２の回転数は、制御器３０のメモリに常に格納されている値である。
圧縮機２２の回転数が閾値回転数よりも大きい場合、ステップＳ２において、冷凍サイクル装置１００の現在の圧力比が閾値圧力比以上であるかどうかを判断する。圧力比が閾値圧力比以上であるとき、圧縮機２２の運転状態がサージ状態にあるとみなし、ステップＳ５及びＳ６の処理を実行する。このようにすれば、圧縮機のサージをより確実に防止することができる。圧力比は、圧力センサ３１及び３３の検出結果から求めることができる。図５から理解できるように「閾値圧力比」は、圧縮機２２の回転数（流量）に応じて定められる。さらに、図５のグラフは、蒸発温度に応じて準備されてもよい。つまり、閾値圧力比は、圧縮機２２の回転数及び蒸発温度に応じて定められてもよい。
要するに、ステップＳ１及びＳ２において、回転数及び圧力比の組み合わせがサージ領域にあるかどうかを判断する。制御器３０は、圧縮機２２の特性が記述されたテーブルを有していてもよい。テーブルを参照して、回転数及び圧力比の組み合わせがサージ領域に含まれているかどうかを判断することができる。
圧縮機２２の運転状態がサージ状態にある場合、ステップＳ５において、第１〜第４流路２４ａ，２４ｂ，２５ａ及び２５ｂの相互間の接続状態を第１接続状態に設定する。詳細には、圧縮機２２の運転状態がサージ状態にあるとき、切替機構２８（四方弁２８）を制御して、第１〜第４流路２４ａ，２４ｂ，２５ａ及び２５ｂの相互間の接続状態を第２接続状態から第１接続状態へと切り替える。第１接続状態（図１に破線で示された状態）においては、第１流路２４ａと第４流路２５ｂとが接続され、かつ第２流路２４ｂと第３流路２５ａとが接続される。さらに、ステップＳ６において、第１ポンプ２６及び第２ポンプ２７を駆動する。第１ポンプ２６及び第２ポンプ２７を駆動すると、蒸発器２１と凝縮器２３との間で冷媒液の交換が行われる。蒸発器２１と凝縮器２３との間で冷媒液が交換されると、蒸発器２１に貯留された冷媒液の温度と凝縮器２３に貯留された冷媒液の温度との差が縮小する。言い換えれば、蒸発温度と凝縮温度との差が縮小する。蒸発温度と凝縮温度との差が縮小すると、圧力比も下がる。その結果、圧縮機２２の運転状態がサージ領域における状態Ｐ１から正常領域における状態Ｐ２に移る（図５参照）。ステップＳ５とステップＳ６の順番は互いに入れ替わってもよい。
他方、圧縮機２２の運転状態がサージ状態にない場合、ステップＳ３において、第１〜第４流路２４ａ，２４ｂ，２５ａ及び２５ｂの相互間の接続状態を第２接続状態に設定する。つまり、圧縮機２２が正常状態にあるとき、切替機構２８（四方弁２８）を制御して、第１〜第４流路２４ａ，２４ｂ，２５ａ及び２５ｂの相互間の接続状態を第１接続状態から第２接続状態に切り替える。あるいは、第１〜第４流路２４ａ，２４ｂ，２５ａ及び２５ｂの相互間の接続状態を第２接続状態に維持する。第２接続状態（図１に実線で示された状態）においては、第１流路２４ａと第２流路２４ｂとが接続され、かつ第３流路２５ａと第４流路２５ｂとが接続される。第２接続状態は、冷凍サイクル装置１００の通常運転における接続状態である。第１〜第４流路２４ａ，２４ｂ，２５ａ及び２５ｂの相互間の接続状態が第２接続状態に設定されているときに第１ポンプ２６を駆動すると、蒸発器２１に貯留された冷媒液が低圧循環路２４を循環する。これにより、冷媒液の蒸発を促進することができる。第２接続状態において、第２ポンプ２７は停止させてもよいし（ステップＳ４）、駆動させてもよい。
本実施形態によれば、圧縮機２２の運転状態がサージ状態にあるとき、第１〜第４流路２４ａ，２４ｂ，２５ａ及び２５ｂの相互間の接続状態が第１接続状態に設定される。蒸発器２１に貯留された冷媒液と凝縮器２３に貯留された冷媒液が蒸発器２１及び凝縮器２３のそれぞれにおいて混合される。蒸発器２１に貯留された冷媒液の温度が上がり、蒸発器２１の内部の圧力も上昇する。凝縮器２３に貯留された冷媒液の温度が下がり、凝縮器２３の内部の圧力も低下する。低圧冷媒を用いた冷凍サイクル装置１００において、圧力比を許容値まで下げることができるので、圧縮機２２のサージが防止される。
本実施形態によれば、圧縮機２２のサージを防止しつつ、起動運転、部分負荷運転などの非定常運転を実行することが可能である。また、冷凍サイクル装置１００の性能の低下も最小限に抑えることができる。さらに、サージを防止することによって、圧縮機２２の信頼性、ひいては冷凍サイクル装置１００の信頼性が高まる。
なお、圧縮機２２の運転状態がチョーク状態にある場合（回転数及び圧力比の組み合わせがチョーク領域にある場合）にも、第１〜第４流路２４ａ，２４ｂ，２５ａ及び２５ｂの相互間の接続状態が第１接続状態に設定される。これにより、圧力比が下がり、冷媒の流量が減少する。圧縮機２２の運転状態は、例えば、チョーク領域における状態Ｐ３から正常領域における状態Ｐ４に移る（図５参照）。
（実施形態２）
図７に示すように、本実施形態に係る冷凍サイクル装置２００は、第１弁３６及び第２弁３７を備えている。第１弁３６及び第２弁３７を除き、冷凍サイクル装置２００の構造は、第１実施形態の冷凍サイクル装置１００の構造と同じである。第１実施形態の冷凍サイクル装置１００と本実施形態の冷凍サイクル装置２００とで共通する要素には同じ参照符号を付し、それらの説明を省略することがある。すなわち、各実施形態に関する説明は、技術的に矛盾しない限り、相互に適用されうる。さらに、技術的に矛盾しない限り、各実施形態は、相互に組み合わされてもよい。
第１弁３６は、低圧循環路２４の第１流路２４ａに配置されている。第１弁３６は、流量調整弁である。第２弁３７は、高圧循環路２５の第３流路２５ａに配置されている。第２弁３７は、流量調整弁である。本実施形態によれば、蒸発器２１と凝縮器２３との間の冷媒液の交換流量を調整することができる。
冷凍サイクル装置２００の起動後、制御器３０は、図８に示すサージ制御を定期的に実行する。ステップＳ１１〜Ｓ１６は、それぞれ、図６を参照して説明したステップＳ１〜Ｓ６に対応している。
ステップＳ１７において、蒸発器２１に貯留された冷媒液の温度及び凝縮器２３に貯留された冷媒液の温度を検出する。これらの温度は、温度センサ３２及び３４の検出信号から特定されうる。次に、ステップＳ１８において、凝縮器２３に貯留された冷媒液の温度と蒸発器２１に貯留された冷媒液の温度との差が閾値以上かどうかを判断する。温度差が閾値以上である場合、ステップＳ１９において、第１弁３６を制御して第１弁３６の開度を増やし、第２弁３７を制御して第２弁３７の開度を増やす。例えば、第１弁３６及び第２弁３７の開度を１段階ずつ増やす。これにより、蒸発器２１から凝縮器２３に供給される冷媒液の流量及び凝縮器２３から蒸発器２１に供給される冷媒液の流量が段階的に増加し、冷凍サイクル装置２００における圧力比が低下する。これにより、蒸発器２１から凝縮器２３に供給される冷媒液の流量及び凝縮器２３から蒸発器２１に供給される冷媒液の流量が段階的に減少する。
本実施形態によれば、実施形態１と同じ効果が得られる。さらに、本実施形態によれば、第１弁３６及び第２弁３７によって、圧力比を所望の値に微調整できるので、蒸発器２１と凝縮器２３との間で冷媒液を交換することによる損失を減らすことができる。
（その他）
本開示の冷凍サイクル装置は、複数の圧縮機を備えていてもよい。複数の圧縮機は、少なくとも１つのターボ圧縮機を含む。例えば、１軸２段の遠心圧縮機が望ましく使用される。冷凍サイクル装置が複数の圧縮機を備えている場合、１段目の圧縮機の吐出口と２段目の圧縮機の吸入口とを接続する経路に冷媒蒸気を冷却するための中間冷却器が設けられていてもよい。中間冷却器は、シェルチューブ熱交換器、フィンチューブ熱交換器などの熱交換器で構成されうる。中間冷却器は、冷凍サイクル装置の外部から供給された熱媒体（例えば、空気又は水）を使用して冷媒蒸気を冷却するように構成されていてもよいし、冷媒液を使用して冷媒蒸気を冷却するように構成されていてもよい。
本明細書に開示された技術は、空気調和装置、チラー、蓄熱装置等に利用できる。
２１ 蒸発器
２２ 圧縮機
２３ 凝縮器
２４ 低圧循環路
２４ａ 第１流路
２４ｂ 第２流路
２５ 高圧循環路
２５ａ 第３流路
２５ｂ 第４流路
２６ 第１ポンプ
２７ 第２ポンプ
２８，２８１，２８２ 切替機構
３０ 制御器
３６ 第１弁
３７ 第２弁
３８ 三方弁
１００，２００ 冷凍サイクル装置

Claims (9)

  1. 液相の冷媒を貯留するとともに、前記液相の冷媒を蒸発させて気相の冷媒を生成する蒸発器と、
    前記蒸発器において生成された前記気相の冷媒を圧縮するターボ圧縮機と、
    前記ターボ圧縮機によって圧縮された前記気相の冷媒を凝縮させることによって液相の冷媒を生成し、生成された前記液相の冷媒を貯留する凝縮器と、
    前記蒸発器の一の部分に接続された第１流路と、
    前記蒸発器の他の部分に接続された第２流路と、
    前記凝縮器の一の部分に接続された第３流路と、
    前記凝縮器の他の部分に接続された第４流路と、
    弁を含み、前記弁を用いて、前記第１流路、前記第２流路、前記第３流路及び前記第４流路の相互間の接続状態を複数の接続状態から選ばれる１つの接続状態に切り替える切替機構であって、前記複数の接続状態は、前記第１流路と前記第４流路とが接続され、かつ前記第２流路と前記第３流路とが接続される第１接続状態を含む、切替機構と、
    前記第２流路に配置され、前記蒸発器に貯留された前記液相の冷媒を前記切替機構に向かって供給する第１ポンプと、
    前記第４流路に配置され、前記凝縮器に貯留された前記液相の冷媒を前記切替機構に向かって供給する第２ポンプと、
    前記ターボ圧縮機の運転状態がサージ状態又はチョーク状態にあるときに、前記切替機構を制御して前記第１流路、前記第２流路、前記第３流路及び前記第４流路の相互間の前記接続状態を前記第１接続状態に設定する制御器と、
    を備えた、冷凍サイクル装置。
  2. 前記蒸発器の前記一の部分は、前記蒸発器に貯留された前記液相の冷媒の液面よりも上方に位置し、
    前記蒸発器の前記他の部分は、前記蒸発器に貯留された前記液相の冷媒の前記液面よりも下方に位置し、
    前記複数の接続状態は、前記第１流路と前記第２流路とが接続され、かつ前記第３流路と前記第４流路とが接続される第２接続状態をさらに含む、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
  3. 前記制御器は、前記ターボ圧縮機の運転状態が前記サージ状態又は前記チョーク状態にあるときに、前記切替機構を制御して前記第１流路、前記第２流路、前記第３流路及び前記第４流路の相互間の前記接続状態を前記第２接続状態から前記第１接続状態へと切り替える、請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
  4. 前記第１流路に配置され、開度を調整可能な第１弁と、
    前記第３流路に配置され、開度を調整可能な第２弁と、
    をさらに備えた、請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
  5. 前記第１流路、前記第２流路、前記第３流路及び前記第４流路の相互間の前記接続状態が前記第１接続状態に設定され、かつ、前記凝縮器に貯留された前記液相の冷媒の温度と前記蒸発器に貯留された前記液相の冷媒の温度との差が閾値以上であるときに、前記制御器は、前記第１弁を制御して前記第１弁の前記開度を増やし、前記第２弁を制御して前記第２弁の前記開度を増やす、請求項４に記載の冷凍サイクル装置。
  6. 前記制御器は、前記ターボ圧縮機の回転数が閾値回転数以下であるとき、前記ターボ圧縮機の運転状態が前記サージ状態にあるとみなして前記切替機構の制御を実行する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
  7. 前記制御器は、前記ターボ圧縮機の回転数が閾値回転数よりも大きく、前記ターボ圧縮機の吸入圧力に対する吐出圧力の比が閾値圧力比以上であるとき、前記ターボ圧縮機の運転状態が前記サージ状態にあるとみなして前記切替機構の制御を実行する、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１〜７のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
  9. 冷凍サイクル装置の制御方法であって、
    前記冷凍サイクル装置は、
    液相の冷媒を貯留するとともに、前記液相の冷媒を蒸発させて気相の冷媒を生成する蒸発器と、
    前記蒸発器において生成された前記気相の冷媒を圧縮するターボ圧縮機と、
    前記ターボ圧縮機によって圧縮された前記気相の冷媒を凝縮させることによって液相の冷媒を生成し、生成された前記液相の冷媒を貯留する凝縮器と、
    前記蒸発器の一の部分に接続された第１流路と、
    前記蒸発器の他の部分に接続された第２流路と、
    前記凝縮器の一の部分に接続された第３流路と、
    前記凝縮器の他の部分に接続された第４流路と、
    弁を含み、前記弁を用いて、前記第１流路、前記第２流路、前記第３流路及び前記第４流路の相互間の接続状態を複数の接続状態から選ばれる１つの接続状態に切り替える切替機構であって、前記複数の接続状態は、前記第１流路と前記第４流路とが接続され、かつ前記第２流路と前記第３流路とが接続される第１接続状態を含む、切替機構と、
    前記第２流路に配置され、前記蒸発器に貯留された前記液相の冷媒を前記切替機構に向かって供給する第１ポンプと、
    前記第４流路に配置され、前記凝縮器に貯留された前記液相の冷媒を前記切替機構に向かって供給する第２ポンプと、
    を備え、
    前記制御方法は、前記ターボ圧縮機の運転状態がサージ状態又はチョーク状態にあるとき、前記切替機構を制御して前記第１流路、前記第２流路、前記第３流路及び前記第４流路の相互間の前記接続状態を前記第１接続状態に設定することを含む、方法。
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