JP6822007B2 - 冷媒回路装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷媒回路装置に関し、より詳細には、２段圧縮２段膨張サイクルの冷媒回路を備える冷媒回路装置に関するものである。

従来、２段圧縮２段膨張サイクルの冷媒回路を備える冷媒回路装置が、特許文献１に提案されている。この特許文献１の冷媒回路装置は、圧縮機と、凝縮器と、高段膨張弁と、気液分離器と、低段膨張弁と、蒸発器とを冷媒管路にて接続して構成された冷媒回路を有している。

圧縮機は、冷媒を低圧から中間圧に圧縮する低段圧縮部と、冷媒を中間圧から高圧に圧縮する高段圧縮部とを有しており、これら低段圧縮部と高段圧縮部とが直列に配列されている。かかる圧縮機は、低段圧縮部と高段圧縮部とが、互いの回転数比が一定となる態様で共通の駆動源で駆動するものである。

凝縮器は、圧縮機によって圧縮された高圧冷媒を凝縮するものである。高段膨張弁は、凝縮器によって凝縮された冷媒を減圧膨張して中間圧にするものである。気液分離器は、高段膨張弁から導入された中間圧冷媒を気液分離し、分離させた気相の冷媒を高段圧縮部に吸入させるものである。低段膨張弁は、気液分離器によって分離させられた液相の冷媒を減圧膨張して低圧にするものである。蒸発器は、低段膨張弁から導入した低圧冷媒を、外部熱源から回収した排熱で蒸発させ、低段圧縮部に吸入させるものである。

特開２００９−１８６０３３号公報

ところで、上述した冷媒回路装置において、上記圧縮機は、低段圧縮部と高段圧縮部とが互いの回転数比が一定となる態様で共通の駆動源で駆動するものであるので、低段圧縮部と高段圧縮部との流量を独立に制御することができないという特性がある。

一方、外部熱源から回収した排熱の温度条件、すなわち蒸発器での冷媒の蒸発温度の条件により、高段圧縮部での冷媒の流量に対する低段圧縮部での冷媒の流量の比である冷媒流量比の最適値が異なることが知られている。

そのため、上述した冷媒回路装置においては、上記圧縮機が所定の蒸発温度（以下、基準蒸発温度ともいう）での運転条件（定格運転条件）に合わせて設計された場合に次のような問題があった。

すなわち、外部熱源の温度が上昇若しくは低下した場合に、冷媒流量比を調整することができずにＣＯＰ（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｏｆ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ：成績係数）の低下を招来した。

本発明は、上記実情に鑑みて、圧縮機における低段圧縮部と高段圧縮部との冷媒の流量を独立に制御できない場合でも、種々の運転条件に応じて冷媒流量比を変更して運転効率の向上を図ることができる冷媒回路装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る冷媒回路装置は、冷媒を低圧から中間圧に圧縮する低段圧縮部と、冷媒を中間圧から高圧に圧縮する高段圧縮部とが互いの回転数比が一定となる態様で共通の駆動源で駆動する圧縮機と、前記圧縮機によって圧縮された高圧冷媒を凝縮する凝縮器と、前記凝縮器によって凝縮された冷媒を減圧膨張して中間圧にする高段膨張弁と、前記高段膨張弁から導入した中間圧冷媒を気液分離する気液分離器と、前記気液分離器の気相側出口から導入した中間圧冷媒を前記高段圧縮部に吸入させる中間配管と、前記気液分離器の液相側出口から導入した中間圧冷媒を減圧膨張して低圧にする低段膨張弁と、前記低段膨張弁から導入した低圧冷媒を蒸発させ、前記低段圧縮部に吸入させる蒸発器と、を冷媒管路にて接続して構成された冷媒回路を備える冷媒回路装置において、前記中間配管を流通する中間圧冷媒及び前記蒸発器を流通した低圧冷媒の少なくとも一方の加熱量を調整する加熱量調整機構と、前記加熱量調整機構により加熱された冷媒の密度と、運転条件に基づいて予め設定された目標値との比較結果に応じて前記加熱量調整機構による加熱量を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする。

また本発明は、上記冷媒回路装置において、前記加熱量調整機構は、前記凝縮器を流通した高圧冷媒と、前記中間配管を流通する中間圧冷媒とを熱交換させる高圧／中間圧内部熱交換器と、前記凝縮器から導入した高圧冷媒が前記高圧／中間圧内部熱交換器を迂回可能とするバイパス配管と、前記高圧／中間圧内部熱交換器へ導入される高圧冷媒の流量と、前記バイパス配管へ導入される高圧冷媒の流量とを制御する流量制御弁と、を備え、前記制御部は、前記高段圧縮部に吸入される中間圧冷媒の密度と、前記目標値との比較結果に応じて前記流量制御弁を制御することを特徴とする。

また本発明は、上記冷媒回路装置において、前記加熱量調整機構は、前記凝縮器を流通した高圧冷媒と、前記中間配管を流通する中間圧冷媒とを熱交換させる高圧／中間圧内部熱交換器と、前記中間配管を流通する中間圧冷媒が前記高圧／中間圧内部熱交換器を迂回可能とするバイパス配管と、前記高圧／中間圧内部熱交換器へ導入される中間圧冷媒の流量と、前記バイパス配管へ導入される中間圧冷媒の流量とを制御する流量制御弁と、を備え、前記制御部は、前記高段圧縮部に吸入される中間圧冷媒の密度と、前記目標値との比較結果に応じて前記流量制御弁を制御することを特徴とする。

また本発明は、上記冷媒回路装置において、前記加熱量調整機構は、前記気液分離器の液相側出口から導入された中間圧冷媒と、前記蒸発器を流通した低圧冷媒とを熱交換させる中間圧／低圧内部熱交換器と、前記気液分離器の液相側出口から導入した中間圧冷媒が前記中間圧／低圧内部熱交換器を迂回可能とするバイパス配管と、前記中間圧／低圧内部熱交換器へ導入される中間圧冷媒の流量と、前記バイパス配管へ導入される中間圧冷媒の流量とを制御する流量制御弁と、を備え、前記制御部は、前記低段圧縮部に吸入される低圧冷媒の密度と、前記目標値との比較結果に応じて前記流量制御弁を制御することを特徴とする。

また本発明は、上記冷媒回路装置において、前記加熱量調整機構は、前記気液分離器の液相側出口から導入された中間圧冷媒と、前記蒸発器を流通した低圧冷媒とを熱交換させる中間圧／低圧内部熱交換器と、前記蒸発器を流通した低圧冷媒が前記中間圧／低圧内部熱交換器を迂回可能とするバイパス配管と、前記中間圧／低圧内部熱交換器へ導入される低圧冷媒の流量と、前記バイパス配管へ導入される低圧冷媒の流量とを制御する流量制御弁と、を備え、前記制御部は、前記低段圧縮部に吸入される低圧冷媒の密度と、前記目標値との比較結果に応じて前記流量制御弁を制御することを特徴とする。

また本発明は、上記冷媒回路装置において、前記蒸発器は、外部熱源から回収した排熱で前記低圧冷媒を蒸発させることを特徴とする。

本発明によれば、加熱量調整機構が、中間配管を流通する中間圧冷媒及び前記蒸発器を流通した低圧冷媒の少なくとも一方の加熱量を調整し、制御部が、加熱量調整機構により加熱された冷媒の密度と、運転条件に基づいて予め設定された目標値との比較結果に応じて加熱量調整機構による加熱量を制御するので、高段圧縮部の冷媒の密度に対する低段圧縮部の冷媒の密度の比である密度比を変化させることができる。これにより、高段圧縮部での冷媒の流量に対する低段圧縮部での冷媒の流量の比である冷媒流量比を増減させて、当該運転に最適な値にすることができる。従って、圧縮機における低段圧縮部と高段圧縮部との冷媒の流量を独立に制御できない場合でも、種々の運転条件に応じて冷媒流量比を変更して運転効率の向上を図ることができるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態１である冷媒回路装置の構成を模式的に示す模式図である。 図２は、図１に示した冷媒回路装置での冷媒の循環における比エンタルピと圧力との変化を示すＰ−ｈ線図である。 図３は、図１に示した制御部が実施する流量制御処理の処理内容を示すフローチャートである。 図４は、本発明の実施の形態１である冷媒回路装置の変形例を模式的に示す模式図である。 図５は、本発明の実施の形態２である冷媒回路装置の構成を模式的に示す模式図である。 図６は、図５に示した冷媒回路装置での冷媒の循環における比エンタルピと圧力との変化を示すＰ−ｈ線図である。 図７は、図５に示した制御部が実施する流量制御処理の処理内容を示すフローチャートである。 図８は、本発明の実施の形態２である冷媒回路装置の変形例を模式的に示す模式図である。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る冷媒回路装置の好適な実施の形態について詳細に説明する。

＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施の形態１である冷媒回路装置の構成を模式的に示す模式図である。ここで例示する冷媒回路装置は、冷媒回路１０及び制御部５０を備えて構成されている。

冷媒回路１０は、圧縮機２１、凝縮器２２、高段膨張弁２３、気液分離器２４、低段膨張弁２５及び蒸発器２６が冷媒管路にて接続され、かつ内部に冷媒が封入されて構成されている。

圧縮機２１は、低段圧縮部２１ａと高段圧縮部２１ｂとが直列に配列され、互いの回転数比が一定となる態様で共通の駆動源により駆動されるものである。低段圧縮部２１ａは、第１吸入口２１１から吸入した低圧冷媒を圧縮して中間圧冷媒を高段圧縮部２１ｂに吐出するものである。高段圧縮部２１ｂは、第２吸入口２１２から吸入した中間圧冷媒、すなわち低段圧縮部２１ａで圧縮された中間圧冷媒と、詳細は後述するが気液分離器２４から導入した中間圧冷媒とを圧縮して高圧冷媒を吐出口２１３より吐出するものである。この吐出口２１３に接続された冷媒配管２ａは、凝縮器２２の入口２２１に接続されており、圧縮機２１と凝縮器２２とを接続する冷媒管路を構成している。

凝縮器２２は、圧縮機２１から吐出された高圧冷媒と、周囲を通過する被加熱水とを熱交換させることにより、高圧冷媒を凝縮させるものである。

この凝縮器２２の出口２２２に接続された冷媒配管２ｂは、流量制御弁３１の入口３１１に接続されている。流量制御弁３１は、上記入口３１１の他に第１出口３１２及び第２出口３１３を備えており、制御部５０から与えられる指令に応じて入口３１１から第１出口３１２への冷媒の流量と、入口３１１から第２出口３１３への冷媒の流量とを制御する弁である。

上記第１出口３１２に接続された冷媒配管２ｃは、内部熱交換器（高圧／中間圧内部熱交換器）４１の高圧冷媒流路４１ａの入口４１１に接続されている。高圧冷媒流路４１ａは、凝縮器２２で凝縮された高圧冷媒が通過する流路である。この高圧冷媒流路４１ａの出口４１２に接続された冷媒配管２ｄは、高段膨張弁２３の入口２３１に接続されている。

上記流量制御弁３１における第２出口３１３にはバイパス配管２ｅが接続されている。このバイパス配管２ｅは、一端が第２出口３１３に接続され、他端が高圧冷媒流路４１ａの出口４１２と高段膨張弁２３の入口２３１とを接続する冷媒配管２ｄの途中に合流している。

このように凝縮器２２と高段膨張弁２３とを接続する冷媒管路は、複数の冷媒配管２ｂ，２ｃ，２ｄ、流量制御弁３１、高圧冷媒流路４１ａ及びバイパス配管２ｅにより構成されている。

かかるバイパス配管２ｅは、凝縮器２２から導入した高圧冷媒が内部熱交換器４１を迂回可能とするものである。

高段膨張弁２３は、凝縮器２２によって凝縮された高圧冷媒を減圧膨張して気液二相の中間圧冷媒にするものである。この高段膨張弁２３の出口２３２に接続された冷媒配管２ｆは、気液分離器２４の入口２４１に接続されており、高段膨張弁２３と気液分離器２４とを接続する冷媒管路を構成している。

気液分離器２４は、高段膨張弁２３から導入された中間圧冷媒を気液分離し、分離させた気相の冷媒（中間圧冷媒）を気相側出口２４２から送出する一方、分離させた液相の冷媒（中間圧冷媒）を液相側出口２４３から送出するものである。

気液分離器２４の気相側出口２４２に接続された冷媒配管２ｇは、上記内部熱交換器４１の中間圧冷媒流路４１ｂの入口４１３に接続されている。中間圧冷媒流路４１ｂは、気液分離器２４によって分離させられた中間圧冷媒（主に気相の冷媒）が通過する流路であり、上記高圧冷媒流路４１ａと熱交換可能に構成されている。この中間圧冷媒流路４１ｂの出口４１４に接続された冷媒配管２ｈは、圧縮機２１の第２吸入口２１２に接続されている。

これら冷媒配管２ｇ、中間圧冷媒流路４１ｂ及び冷媒配管２ｈは、気液分離器２４の気相側出口２４２から導入された中間圧冷媒を、低段圧縮部２１ａで圧縮された中間圧冷媒とともに高段圧縮部２１ｂに吸入させる中間配管を構成している。

また、冷媒配管２ｈには、温度センサＴ１及び圧力センサＳ１が設けられている。温度センサＴ１は、該冷媒配管２ｈを通過する冷媒、すなわち、高段圧縮部２１ｂに吸入される中間圧冷媒の温度を検出する温度検出手段である。かかる温度センサＴ１は、検出した吸入冷媒温度を温度信号として制御部５０に与えるものである。

圧力センサＳ１は、該冷媒配管２ｈを通過する冷媒、すなわち、高段圧縮部２１ｂに吸入される中間圧冷媒の圧力を検出する圧力検出手段である。かかる圧力センサＳ１は、検出した吸入冷媒圧力を圧力信号として制御部５０に与えるものである。

そして、内部熱交換器４１は、凝縮器２２を流通した高圧冷媒と、中間配管を流通する中間圧冷媒とを熱交換させるものである。

上記気液分離器２４の液相側出口２４３に接続された冷媒配管２ｉは、低段膨張弁２５の入口２５１に接続されており、気液分離器２４と低段膨張弁２５とを接続する冷媒管路を構成している。

低段膨張弁２５は、気液分離器２４によって分離させられた液相の中間圧冷媒を減圧膨張して低圧冷媒にするものである。この低段膨張弁２５の出口２５２に接続された冷媒配管２ｊは、蒸発器２６の入口２６１に接続されており、低段膨張弁２５と蒸発器２６とを接続する冷媒管路を構成している。

蒸発器２６は、低段膨張弁２５から導入した低圧冷媒を、外部熱源から回収した排熱で蒸発させるものである。この蒸発器２６の出口２６２に接続された冷媒配管２ｋは、圧縮機２１の第１吸入口２１１に接続されており、蒸発器２６と圧縮機２１とを接続する冷媒管路を構成している。

制御部５０は、メモリ５５に記憶されたプログラムやデータにしたがって冷媒回路装置の動作を統括的に制御するものであり、入力処理部５１、判定処理部５２及び出力処理部５３を備えている。尚、制御部５０は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等の処理装置にプログラムを実行させること、すなわちソフトウェアにより実現してもよいし、ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）等のハードウェアにより実現してもよいし、ソフトウェア及びハードウェアを併用して実現してもよい。

入力処理部５１は、温度センサＴ１から与えられた温度信号（吸入冷媒温度）や圧力センサＳ１から与えられた圧力信号（吸入冷媒圧力）を入力するものである。

判定処理部５２は、入力処理部５１を通じて入力された温度信号（吸入冷媒温度）及び圧力信号（吸入冷媒圧力）を用いて冷媒密度を算出するものである。冷媒密度の算出方法は、例えば冷媒物性データテーブルから線形近似で演算してもよいし、あるいは温度と圧力との多項式で近似した相関式を用いて演算してもよい。

また判定処理部５２は、メモリ５５から基準情報を読み出し、基準情報に含まれる目標値と、算出した密度とを比較判定するものである。ここで基準情報に含まれる目標値は、運転条件に基づいて予め設定されたものである。ここでいう運転条件とは、例えば冷媒の種類、蒸発器における冷媒の蒸発温度、中間圧、外部に送出する蒸気温度等が挙げられる。

出力処理部５３は、流量制御弁３１に対して入口３１１から第２出口３１３への冷媒の流量を増減させる指令信号を与えるものである。

以上のような構成を有する冷媒回路装置においては、圧縮機２１が駆動することにより冷媒が冷媒回路１０を次のように循環する。図２は、図１に示した冷媒回路装置での冷媒の循環における比エンタルピと圧力との変化を示すＰ−ｈ線図である。

第１吸入口２１１を通じて圧縮機２１に吸入された低圧冷媒は、低段圧縮部２１ａで圧縮されて中間圧冷媒となる（図２の点Ｐ１から点Ｐ２）。そして、低段圧縮部２１ａで圧縮された中間圧冷媒は、中間配管２ｇ等を流通した中間圧冷媒と混合し（図２の点Ｐ２から点Ｐ３）、高段圧縮部２１ｂで圧縮されて高圧冷媒となる（図２の点Ｐ３から点Ｐ４）。

圧縮機２１の吐出口２１３より吐出された高圧冷媒は、凝縮器２２で被加熱水と熱交換して凝縮する（図２の点Ｐ４から点Ｐ５）。凝縮した高圧冷媒は、高段膨張弁２３で減圧膨張され（図２の点Ｐ５から点Ｐ６）、中間圧冷媒となって気液分離器２４に導入される。

中間圧冷媒のうち気相の冷媒は、中間配管２ｇ等を流通して吸入され（図２の点Ｐ６から点Ｐ３）、上述したように低段圧縮部２１ａで圧縮された中間圧冷媒と混合する。一方、中間圧冷媒のうち液相の冷媒は、低段膨張弁２５で減圧膨張され（図２の点Ｐ７から点Ｐ８）、低圧冷媒となって蒸発器２６に導入される。

蒸発器２６に導入された低圧冷媒は、外部熱源から回収した排熱で蒸発し（図２の点Ｐ８から点Ｐ１）、圧縮機２１の第１吸入口２１１に吸入されて冷媒回路１０を循環する。

図３は、図１に示した制御部５０が実施する流量制御処理の処理内容を示すフローチャートである。

この流量制御処理において制御部５０は、入力処理部５１を通じて温度センサＴ１から温度信号（吸入冷媒温度）及び圧力センサＳ１から圧力信号（吸入冷媒圧力）を入力した場合（ステップＳ１０１：Ｙｅｓ）、判定処理部５２を通じて冷媒の密度を算出する（ステップＳ１０２）。

このようにして冷媒の密度を算出した制御部５０は、判定処理部５２を通じてメモリ５５から基準情報を読み出し、算出密度と、基準情報に含まれる目標値とを比較する（ステップＳ１０３，ステップＳ１０４）。

そして、算出密度が目標値未満である場合（ステップＳ１０３：Ｙｅｓ）、制御部５０は、出力処理部５３を通じて流量制御弁３１に対して入口３１１から第２出口３１３への流量を減少させる指令を送出し（ステップＳ１０５）、その後に手順をリターンさせて今回の処理を終了する。

このように制御部５０が流量制御弁３１に対して入口３１１から第２出口３１３への流量を減少させる指令を送出すると、凝縮器２２で凝縮した高圧冷媒のうち内部熱交換器４１の高圧冷媒流路４１ａを通過する冷媒の割合が増加し、この内部熱交換器４１での熱交換量が増大する。これにより第２吸入口２１２に吸入される冷媒（中間圧の気相の冷媒）の温度が上昇する。このように第２吸入口２１２に吸入される冷媒の温度が上昇すると、高段圧縮部２１ｂにて圧縮される冷媒の温度も上昇し、結果的に、高段圧縮部２１ｂで圧縮される冷媒の密度が低減する。

ここで、高段圧縮部２１ｂでの冷媒の流量（Ｇｈ）に対する低段圧縮部２１ａでの冷媒の流量（Ｇｌ）の比である冷媒流量比（Ｇｌ／Ｇｈ）については、下記のような関係式（１）がある。

関係式（１） Ｇｌ／Ｇｈ＝（Ｖｌ／Ｖｈ）×（ρｌ／ρｈ）
（Ｖｌ：低段圧縮部２１ａの容積、Ｖｈ：高段圧縮部２１ｂの容積、ρｌ：低段圧縮部２１ａでの冷媒の密度、ρｈ：高段圧縮部２１ｂでの冷媒の密度）

上述したように圧縮機２１は、低段圧縮部２１ａと高段圧縮部２１ｂとが互いの回転数比が一定となる態様で共通の駆動源で駆動するものであるので、低段圧縮部２１ａと高段圧縮部２１ｂとの流量を独立に制御することができない。しかしながら、冷媒流量比（Ｇｌ／Ｇｈ）は、密度比（ρｌ／ρｈ）により変化することが関係式（１）から明らかである。

そして、上記ステップＳ１０５により高段圧縮部２１ｂでの冷媒の密度（ρｈ）を低減させることができるので、冷媒流量比（Ｇｌ／Ｇｈ）を増加させることができる。

これにより、高段圧縮部２１ｂでの中間圧冷媒の圧縮は、図２において点Ｐ３′から点Ｐ４′となる。

一方、上記流量制御処理において、算出密度が目標値を超える場合（ステップＳ１０３：Ｎｏ，ステップＳ１０４：Ｙｅｓ）、制御部５０は、出力処理部５３を通じて流量制御弁３１に対して入口３１１から第２出口３１３への流量を増大させる指令を送出し（ステップＳ１０６）、その後に手順をリターンさせて今回の処理を終了する。

これによれば、第２吸入口２１２に吸入される中間圧の気相の冷媒の温度が低下して、該冷媒の密度を増加させることができる。これにより、密度比（ρｌ／ρｈ）を低減させて冷媒流量比（Ｇｌ／Ｇｈ）を低減させることができ、冷媒流量比を当該運転条件に応じた最適なものにすることができる。

更に、上記流量制御処理において、算出密度が目標値に一致する場合（ステップＳ１０３：Ｎｏ，ステップＳ１０４：Ｎｏ）、制御部５０は、流量制御弁３１に何ら指令を送出することなく、その後に手順をリターンさせて今回の処理を終了する。

以上説明したように、本発明の実施の形態１である冷媒回路装置によれば、制御部５０は、高段圧縮部２１ｂに吸入される中間圧冷媒の密度と、運転条件に基づいて予め設定された目標値との比較結果に応じて流量制御弁３１を制御することにより、密度比（ρｌ／ρｈ）を変化させることができ、これにより、冷媒流量比（Ｇｌ／Ｇｈ）を増減させて、当該運転に最適な値にすることができる。従って、圧縮機２１における低段圧縮部２１ａと高段圧縮部２１ｂとの冷媒の流量を独立に制御できない場合でも、種々の運転条件に応じて冷媒流量比を変更して運転効率の向上を図ることができる。

図４は、本発明の実施の形態１である冷媒回路装置の変形例を模式的に示す模式図である。尚、上述した実施の形態１である冷媒回路装置の構成要素と同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。

ここで例示する冷媒回路装置は、冷媒回路１１及び制御部５０を備えて構成されている。

冷媒回路１１は、圧縮機２１、凝縮器２２、高段膨張弁２３、気液分離器２４、低段膨張弁２５及び蒸発器２６が冷媒管路にて接続され、かつ内部に冷媒が封入されて構成されている。

凝縮器２２の出口２２２に接続された冷媒配管２ｍは、内部熱交換器（高圧／中間圧内部熱交換器）４１の高圧冷媒流路４１ａの入口４１１に接続されている。この高圧冷媒流路４１ａの出口４１２に接続された冷媒配管２ｄは、高段膨張弁２３の入口２３１に接続されている。

このように凝縮器２２と高段膨張弁２３とを接続する冷媒管路は、複数の冷媒配管２ｍ，２ｄ及び高圧冷媒流路４１ａにより構成されている。

気液分離器２４の気相側出口２４２に接続された冷媒配管２ｎは、流量制御弁３２の入口３２１に接続されている。流量制御弁３２は、上記入口３２１の他に第１出口３２２及び第２出口３２３を備えており、制御部５０から与えられる指令に応じて入口３２１から第１出口３２２への冷媒の流量と、入口３２１から第２出口３２３への冷媒の流量とを制御する弁である。

流量制御弁３２の第１出口３２２に接続された冷媒配管２ｐは、上記内部熱交換器４１の中間圧冷媒流路４１ｂの入口４１３に接続されている。この中間圧冷媒流路４１ｂの出口４１４に接続された冷媒配管２ｈは、圧縮機２１の第２吸入口２１２に接続されている。

これら冷媒配管２ｎ、冷媒配管２ｐ、中間圧冷媒流路４１ｂ及び冷媒配管２ｈは、気液分離器２４の気相側出口２４２から導入された中間圧冷媒を、低段圧縮部２１ａで圧縮された中間圧冷媒とともに高段圧縮部２１ｂに吸入させる中間配管を構成している。

上記流量制御弁３２における第２出口３２３にはバイパス配管２ｑが接続されている。このバイパス配管２ｑは、一端が第２出口３２３に接続され、他端が中間圧冷媒流路４１ｂの出口４１４と第２吸入口２１２とを接続する冷媒配管２ｈの途中に合流している。

かかるバイパス配管２ｑは、中間配管２ｎ等を流通する中間圧冷媒が内部熱交換器４１を迂回可能とするものである。

このような構成を有する冷媒回路装置によっても、制御部５０は、高段圧縮部２１ｂに吸入される中間圧冷媒の密度と、運転条件に基づいて予め設定された目標値との比較結果に応じて流量制御弁３２を制御することにより、密度比（ρｌ／ρｈ）を変化させることができ、これにより、冷媒流量比（Ｇｌ／Ｇｈ）を増減させて、当該運転に最適な値にすることができる。従って、圧縮機２１における低段圧縮部２１ａと高段圧縮部２１ｂとの冷媒の流量を独立に制御できない場合でも、種々の運転条件に応じて冷媒流量比を変更して運転効率の向上を図ることができる。

＜実施の形態２＞
図５は、本発明の実施の形態２である冷媒回路装置の構成を模式的に示す模式図である。尚、上述した実施の形態１である冷媒回路装置の構成要素と同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。ここで例示する冷媒回路装置は、冷媒回路１２及び制御部６０を備えて構成されている。

冷媒回路１２は、圧縮機２１、凝縮器２２、高段膨張弁２３、気液分離器２４、低段膨張弁２５及び蒸発器２６が冷媒管路にて接続され、かつ内部に冷媒が封入されて構成されている。

凝縮器２２の出口２２２に接続された冷媒配管２ｒは、高段膨張弁２３の入口２３１に接続されており、凝縮器２２と高段膨張弁２３とを接続する冷媒管路を構成している。

気液分離器２４の気相側出口２４２に接続された冷媒配管２ｓは、圧縮機２１の第２吸入口２１２に接続されており、気液分離器２４の気相側出口２４２から導入された中間圧冷媒を、低段圧縮部２１ａで圧縮された中間圧冷媒とともに高段圧縮部２１ｂに吸入させる中間配管を構成している。

気液分離器２４の液相側出口２４３に接続された冷媒配管２ｔは、流量制御弁３３の入口３３１に接続されている。流量制御弁３３は、上記入口３３１の他に第１出口３３２及び第２出口３３３を備えており、制御部６０から与えられる指令に応じて入口３３１から第１出口３３２への冷媒の流量と、入口３３１から第２出口３３３への冷媒の流量とを制御する弁である。

上記第１出口３３２に接続された冷媒配管２ｕは、内部熱交換器（中間圧／低圧内部熱交換器）４２の中間圧冷媒流路４２ａの入口４２１に接続されている。中間圧冷媒流路４２ａは、高段膨張弁２３で減圧膨張され、かつ気液分離器２４で分離された中間圧冷媒が通過する流路である。この中間圧冷媒流路４２ａの出口４２２に接続された冷媒配管２ｖは、低段膨張弁２５の入口２５１に接続されている。

上記流量制御弁３３における第２出口３３３にはバイパス配管２ｗが接続されている。このバイパス配管２ｗは、一端が第２出口３３３に接続され、他端が中間圧冷媒流路４２ａの出口４２２と低段膨張弁２５の入口２５１とを接続する冷媒配管２ｖの途中に合流している。

このように気液分離器２４と低段膨張弁２５とを接続する冷媒管路は、複数の冷媒配管２ｔ，２ｕ，２ｖ、流量制御弁３３、中間圧冷媒流路４２ａ及びバイパス配管２ｗにより構成されている。このバイパス配管２ｗは、気液分離器２４から導入した中間圧冷媒が内部熱交換器４２を迂回可能とするものである。

蒸発器２６の出口２６２に接続された冷媒配管２ｘは、上記内部熱交換器４２の低圧冷媒流路４２ｂの入口４２３に接続されている。低圧冷媒流路４２ｂは、蒸発器２６によって蒸発した低圧冷媒が通過する流路であり、上記中間圧冷媒流路４２ａと熱交換可能に構成されている。この低圧冷媒流路４２ｂの出口４２４に接続された冷媒配管２ｙは、圧縮機２１の第１吸入口２１１に接続されている。

また、この冷媒配管２ｙには、温度センサＴ２及び圧力センサＳ２が設けられている。温度センサＴ２は、該冷媒配管２ｙを通過する冷媒、すなわち、低段圧縮部２１ａに吸入される低圧冷媒の温度を検出する温度検出手段である。かかる温度センサＴ２は、検出した吸入冷媒温度を温度信号として制御部６０に与えるものである。

圧力センサＳ２は、該冷媒配管２ｙを通過する冷媒、すなわち、低段圧縮部２１ａに吸入される低圧冷媒の圧力を検出する圧力検出手段である。かかる圧力センサＳ２は、検出した吸入冷媒圧力を圧力信号として制御部６０に与えるものである。

このように蒸発器２６と圧縮機２１とを接続する冷媒管路は、複数の冷媒配管２ｘ，２ｙ及び低圧冷媒流路４２ｂにより構成されている。そして、内部熱交換器４２は、蒸発器２６によって蒸発された低圧冷媒と、気液分離器２４から低段膨張弁２５に送出される中間圧冷媒とを熱交換させるものである。

制御部６０は、メモリ６５に記憶されたプログラムやデータにしたがって冷媒回路装置の動作を統括的に制御するものであり、入力処理部６１、判定処理部６２及び出力処理部６３を備えている。尚、制御部６０は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等の処理装置にプログラムを実行させること、すなわち、ソフトウェアにより実現してもよいし、ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）等のハードウェアにより実現してもよいし、ソフトウェア及びハードウェアを併用して実現してもよい。

入力処理部６１は、温度センサＴ２から与えられた温度信号（吸入冷媒温度）や圧力センサＳ２から与えられた圧力信号（吸入冷媒圧力）を入力するものである。

判定処理部６２は、入力処理部６１を通じて入力された温度信号（吸入冷媒温度）及び圧力信号（吸入冷媒圧力）を用いて、上記実施の形態１で説明した算出方法によって冷媒密度を算出するものである。また、判定処理部６２は、メモリ６５から基準情報を読み出し、基準情報に含まれる目標値と、算出した密度とを比較判定するものである。ここで基準情報に含まれる目標値は、運転条件に基づいて予め設定されたものである。

出力処理部６３は、流量制御弁３３に対して入口３３１から第２出口３３３への冷媒の流量を増減させる指令信号を与えるものである。

以上のような構成を有する冷媒回路装置においては、圧縮機２１が駆動することにより冷媒が冷媒回路１２を次のように循環する。図６は、図５に示した冷媒回路装置での冷媒の循環における比エンタルピと圧力との変化を示すＰ−ｈ線図である。

第１吸入口２１１を通じて圧縮機２１に吸入された低圧冷媒は、低段圧縮部２１ａで圧縮されて中間圧冷媒となる（図６の点Ｑ１から点Ｑ２）。そして、低段圧縮部２１ａで圧縮された中間圧冷媒は、中間配管を構成する冷媒配管２ｓを流通した中間圧冷媒と混合し（図６の点Ｑ２から点Ｑ３）、高段圧縮部２１ｂで圧縮されて高圧冷媒となる（図６の点Ｑ３から点Ｑ４）。

圧縮機２１の吐出口２１３より吐出された高圧冷媒は、凝縮器２２で被加熱水と熱交換して凝縮する（図６の点Ｑ４から点Ｑ５）。凝縮した高圧冷媒は、高段膨張弁２３で減圧膨張され（図６の点Ｑ５から点Ｑ６）、中間圧冷媒となって気液分離器２４に導入される。

中間圧冷媒のうち気相の冷媒は、冷媒配管（中間配管）２ｓを流通して吸入され（図６の点Ｑ６から点Ｑ３）、上述したように低段圧縮部２１ａで圧縮された中間圧冷媒と混合する。一方、中間圧冷媒のうち液相の冷媒は、低段膨張弁２５で減圧膨張され（図６の点Ｑ７から点Ｑ８）、低圧冷媒となって蒸発器２６に導入される。

蒸発器２６に導入された低圧冷媒は、外部熱源から回収した排熱で蒸発し（図６の点Ｑ８から点Ｑ１）、圧縮機２１の第１吸入口２１１に吸入されて冷媒回路１２を循環する。

図７は、図５に示した制御部６０が実施する流量制御処理の処理内容を示すフローチャートである。

この流量制御処理において制御部６０は、入力処理部６１を通じて温度センサＴ２から温度信号（吸入冷媒温度）及び圧力センサＳ２から圧力信号（吸入冷媒圧力）を入力した場合（ステップＳ２０１：Ｙｅｓ）、判定処理部６２を通じて冷媒の密度を算出する（ステップＳ２０２）。

このようにして冷媒の密度を算出した制御部６０は、判定処理部６２を通じてメモリ６５から基準情報を読み出し、算出密度と、基準情報に含まれる目標値とを比較する（ステップＳ２０３，ステップＳ２０４）。

そして、算出密度が目標値未満である場合（ステップＳ２０３：Ｙｅｓ）、制御部６０は、出力処理部６３を通じて流量制御弁３３に対して入口３３１から第２出口３３３への流量を減少させる指令を送出し（ステップＳ２０５）、その後に手順をリターンさせて今回の処理を終了する。

このように制御部６０が流量制御弁３３に対して入口３３１から第２出口３３３への流量を減少させる指令を送出すると、気液分離器２４を通過した中間圧冷媒のうち内部熱交換器４２の中間圧冷媒流路４２ａを通過する冷媒の割合が増加し、この内部熱交換器４２での熱交換量が増大する。これにより第１吸入口２１１に吸入される冷媒（低圧冷媒）の温度が上昇する。このように第１吸入口２１１に吸入される冷媒の温度が上昇すると、低段圧縮部２１ａにて圧縮される冷媒の温度も上昇し、結果的に、低段圧縮部２１ａで圧縮される冷媒の密度が低減するとともに、高段圧縮部２１ｂで圧縮される冷媒の密度も僅かながら低減（微減）する。

上記ステップＳ２０５により低段圧縮部２１ａでの冷媒の密度（ρｌ）を低減させるとともに高段圧縮部２１ｂでの冷媒の密度（ρｈ）も微減させることができるので、冷媒流量比（Ｇｌ／Ｇｈ）を減少させることができる。

これにより、低段圧縮部２１ａでの低圧の冷媒の圧縮は、図６において点Ｑ１′から点Ｑ２′となり、高段圧縮部２１ｂでの中間圧の冷媒の圧縮は、図６において点Ｑ３′から点Ｑ４′となる。

一方、上記流量制御処理において、算出密度が目標値を超える場合（ステップＳ２０３：Ｎｏ，ステップＳ２０４：Ｙｅｓ）、制御部６０は、出力処理部６３を通じて流量制御弁３３に対して入口３３１から第２出口３３３への流量を増大させる指令を送出し（ステップＳ２０６）、その後に手順をリターンさせて今回の処理を終了する。

これによれば、第１吸入口２１１に吸入される中間圧の気相の冷媒の温度が低下して、該冷媒の密度を増加させることができる。これにより、密度比（ρｌ／ρｈ）を増加させて冷媒流量比（Ｇｌ／Ｇｈ）を増大させることができ、冷媒流量比を当該運転条件に応じた最適なものにすることができる。

更に、上記流量制御処理において、算出密度が目標値に一致する場合（ステップＳ２０３：Ｎｏ，ステップＳ２０４：Ｎｏ）、制御部６０は、流量制御弁３３に何ら指令を送出することなく、その後に手順をリターンさせて今回の処理を終了する。

以上説明したように、本発明の実施の形態２である冷媒回路装置によれば、制御部６０は、低段圧縮部２１ａに吸入される低圧冷媒の密度と、運転条件に基づいて予め設定された目標値との比較結果に応じて流量制御弁３３を制御することにより、密度比（ρｌ／ρｈ）を変化させることができ、これにより、冷媒流量比（Ｇｌ／Ｇｈ）を増減させて、当該運転に最適な値にすることができる。従って、圧縮機２１における低段圧縮部２１ａと高段圧縮部２１ｂとの冷媒の流量を独立に制御できない場合でも、種々の運転条件に応じて冷媒流量比を変更して運転効率の向上を図ることができる。

図８は、本発明の実施の形態２である冷媒回路装置の変形例を模式的に示す模式図である。尚、上述した実施の形態２である冷媒回路１２の構成要素と同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。

ここで例示する冷媒回路装置は、冷媒回路１３及び制御部６０を備えて構成されている。

冷媒回路１３は、圧縮機２１、凝縮器２２、高段膨張弁２３、気液分離器２４、低段膨張弁２５及び蒸発器２６が冷媒管路にて接続され、かつ内部に冷媒が封入されて構成されている。

気液分離器２４の液相側出口２４３に接続された冷媒配管２ｚは、内部熱交換器（中間圧／低圧内部熱交換器）４２の中間圧冷媒流路４２ａの入口４２１に接続されている。この中間圧冷媒流路４２ａの出口４２２に接続された冷媒配管２ｖは、低段膨張弁２５の入口２５１に接続されている。

このように気液分離器２４と低段膨張弁２５とを接続する冷媒管路は、複数の冷媒配管２ｚ，２ｖ及び中間圧冷媒流路４２ａにより構成されている。

蒸発器２６の出口２６２に接続された冷媒配管３ａは、流量制御弁３４の入口３４１に接続されている。流量制御弁３４は、上記入口３４１の他に第１出口３４２及び第２出口３４３を備えており、制御部６０から与えられる指令に応じて入口３４１から第１出口３４２への冷媒の流量と、入口３４１から第２出口３４３への冷媒の流量とを制御する弁である。

流量制御弁３４の第１出口３４２に接続された冷媒配管３ｂは、上記内部熱交換器４２の低圧冷媒流路４２ｂの入口４２３に接続されている。この低圧冷媒流路４２ｂの出口４２４に接続された冷媒配管３ｃは、圧縮機２１の第１吸入口２１１に接続されている。

上記流量制御弁３４における第２出口３４３にはバイパス配管３ｄが接続されている。このバイパス配管３ｄは、一端が第２出口３４３に接続され、他端が低圧冷媒流路４２ｂの出口４２４と第１吸入口２１１とを接続する冷媒配管３ｃの途中に合流している。

このように蒸発器２６と圧縮機２１とを接続する冷媒管路は、複数の冷媒配管３ａ，３ｂ，３ｃ、流量制御弁３４、低圧冷媒流路４２ｂ及びバイパス配管３ｄにより構成されている。かかるバイパス配管３ｄは、蒸発器２６を流通した低圧冷媒が内部熱交換器４２を迂回可能とするものである。

このような構成を有する冷媒回路装置によっても、制御部６０は、低段圧縮部２１ａに吸入される低圧冷媒の密度と、運転条件に基づいて予め設定された目標値との比較結果に応じて流量制御弁３４を制御することにより、密度比（ρｌ／ρｈ）を変化させることができ、これにより、冷媒流量比（Ｇｌ／Ｇｈ）を増減させて、当該運転に最適な値にすることができる。従って、圧縮機２１における低段圧縮部２１ａと高段圧縮部２１ｂとの冷媒の流量を独立に制御できない場合でも、種々の運転条件に応じて冷媒流量比を変更して運転効率の向上を図ることができる。

以上、本発明の好適な実施の形態１及びその変形例、並びに実施の形態２及びその変形例について説明したが、本発明はこれらに限られず種々の変更を行うことができる。

上述した実施の形態１においては、内部熱交換器４１、バイパス配管２ｅ，２ｑ及び流量制御弁３１，３２により、圧縮機２１に吸入される中間圧冷媒の加熱量を調整する加熱量調整機構を構成し、実施の形態２においては、内部熱交換器４２、バイパス配管２ｗ，３ｄ及び流量制御弁３３，３４により、圧縮機２１に吸入される低圧冷媒の加熱量を調整する加熱量調整機構を構成していたが、本発明においては、圧縮機に吸入される低圧冷媒及び中間圧冷媒の加熱量を調整するように構成されてもよいし、その加熱量の調整においても、内部熱交換器を用いずに行ってもよい。

また本発明では、上述した実施の形態１の冷媒回路１０において、凝縮器２２と高段膨張弁２３との間に冷媒を過冷却する過冷却器を設けてもよい。この場合、流量制御弁３１及び内部熱交換器４１は過冷却器よりも下流側に設けられることが望ましい。

上述した実施の形態１及び２では、いずれも冷媒の温度及び圧力を検出して冷媒密度を算出しているが、圧力（中間圧若しくは低圧）一定の条件下で運転する場合は、冷媒の温度検出結果のみから冷媒密度を算出してもよい。

２ｅ バイパス配管
１０ 冷媒回路
２１ 圧縮機
２１ａ 低段圧縮部
２１ｂ 高段圧縮部
２１１ 第１吸入口
２１２ 第２吸入口
２１３ 吐出口
２２ 凝縮器
２３ 高段膨張弁
２４ 気液分離器
２５ 低段膨張弁
２６ 蒸発器
３１ 流量制御弁
３１１ 入口
３１２ 第１出口
３１３ 第２出口
４１ 内部熱交換器
４１ａ 高圧冷媒流路
４１ｂ 中間圧冷媒流路
５０ 制御部
５１ 入力処理部
５２ 判定処理部
５３ 出力処理部
Ｓ１ 圧力センサ
Ｔ１ 温度センサ

Claims (6)

1. 冷媒を低圧から中間圧に圧縮する低段圧縮部と、冷媒を中間圧から高圧に圧縮する高段圧縮部とが互いの回転数比が一定となる態様で共通の駆動源で駆動する圧縮機と、
   前記圧縮機によって圧縮された高圧冷媒を凝縮する凝縮器と、
   前記凝縮器によって凝縮された冷媒を減圧膨張して中間圧にする高段膨張弁と、
   前記高段膨張弁から導入した中間圧冷媒を気液分離する気液分離器と、
   前記気液分離器の気相側出口から導入した中間圧冷媒を前記高段圧縮部に吸入させる中間配管と、
   前記気液分離器の液相側出口から導入した中間圧冷媒を減圧膨張して低圧にする低段膨張弁と、
   前記低段膨張弁から導入した低圧冷媒を蒸発させ、前記低段圧縮部に吸入させる蒸発器と、
   を冷媒管路にて接続して構成された冷媒回路を備える冷媒回路装置において、
   前記中間配管を流通する中間圧冷媒及び前記蒸発器を流通した低圧冷媒の少なくとも一方の加熱量を調整する加熱量調整機構と、
   前記加熱量調整機構により加熱された冷媒の密度と、運転条件に基づいて予め設定された目標値との比較結果に応じて前記加熱量調整機構による加熱量を制御することにより、前記高段圧縮部での冷媒の流量に対する前記低段圧縮部での冷媒の流量の比である冷媒流量比を増減させる制御部と、
   を備えたことを特徴とする冷媒回路装置。
2. 前記加熱量調整機構は、
   前記凝縮器を流通した高圧冷媒と、前記中間配管を流通する中間圧冷媒とを熱交換させる高圧／中間圧内部熱交換器と、
   前記凝縮器から導入した高圧冷媒が前記高圧／中間圧内部熱交換器を迂回可能とするバイパス配管と、
   前記高圧／中間圧内部熱交換器へ導入される高圧冷媒の流量と、前記バイパス配管へ導入される高圧冷媒の流量とを制御する流量制御弁と、
   を備え、
   前記制御部は、前記高段圧縮部に吸入される中間圧冷媒の密度と、前記目標値との比較結果に応じて前記流量制御弁を制御することを特徴とする請求項１に記載の冷媒回路装置。
3. 前記加熱量調整機構は、
   前記凝縮器を流通した高圧冷媒と、前記中間配管を流通する中間圧冷媒とを熱交換させる高圧／中間圧内部熱交換器と、
   前記中間配管を流通する中間圧冷媒が前記高圧／中間圧内部熱交換器を迂回可能とするバイパス配管と、
   前記高圧／中間圧内部熱交換器へ導入される中間圧冷媒の流量と、前記バイパス配管へ導入される中間圧冷媒の流量とを制御する流量制御弁と、
   を備え、
   前記制御部は、前記高段圧縮部に吸入される中間圧冷媒の密度と、前記目標値との比較結果に応じて前記流量制御弁を制御することを特徴とする請求項１に記載の冷媒回路装置。
4. 前記加熱量調整機構は、
   前記気液分離器の液相側出口から導入された中間圧冷媒と、前記蒸発器を流通した低圧冷媒とを熱交換させる中間圧／低圧内部熱交換器と、
   前記気液分離器の液相側出口から導入した中間圧冷媒が前記中間圧／低圧内部熱交換器を迂回可能とするバイパス配管と、
   前記中間圧／低圧内部熱交換器へ導入される中間圧冷媒の流量と、前記バイパス配管へ導入される中間圧冷媒の流量とを制御する流量制御弁と、
   を備え、
   前記制御部は、前記低段圧縮部に吸入される低圧冷媒の密度と、前記目標値との比較結果に応じて前記流量制御弁を制御することを特徴とする請求項１に記載の冷媒回路装置。
5. 前記加熱量調整機構は、
   前記気液分離器の液相側出口から導入された中間圧冷媒と、前記蒸発器を流通した低圧冷媒とを熱交換させる中間圧／低圧内部熱交換器と、
   前記蒸発器を流通した低圧冷媒が前記中間圧／低圧内部熱交換器を迂回可能とするバイパス配管と、
   前記中間圧／低圧内部熱交換器へ導入される低圧冷媒の流量と、前記バイパス配管へ導入される低圧冷媒の流量とを制御する流量制御弁と、
   を備え、
   前記制御部は、前記低段圧縮部に吸入される低圧冷媒の密度と、前記目標値との比較結果に応じて前記流量制御弁を制御することを特徴とする請求項１に記載の冷媒回路装置。
6. 前記蒸発器は、外部熱源から回収した排熱で前記低圧冷媒を蒸発させることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の冷媒回路装置。

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