JP6964776B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

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本開示は、冷凍サイクル装置に関する。

特開２０１７−２１９２１６号公報（特許文献１）は、冷凍サイクル装置に用いられる熱交換器の構成を開示する。この熱交換器は、メインの熱交換領域と、サブの熱交換領域とを含む。サブの熱交換領域は、当該熱交換器が凝縮器として用いられる冷房運転時にメインの熱交換領域よりも下流側となるように配置される。冷媒は、サブの熱交換領域を流れる際に、過冷却された液冷媒となる。

各熱交換領域は、並列する複数の伝熱管を含んで構成される。サブの熱交換領域は、メインの熱交換領域よりも伝熱管の並列数（以下「パス数」とも称する。）が少なくなるように構成されている。これにより、熱交換器における熱伝達率を高めて熱交換器の性能を向上させている（特許文献１参照）。

特開２０１７−２１９２１６号公報

冷凍サイクルの能力は、圧縮機の回転数（運転周波数）を変えることで冷媒の循環量を変化させることにより調整することができる。たとえば、冷凍サイクルを用いた空気調和機では、冷房運転中において、室温が高い場合は、圧縮機の回転数を上げて冷媒循環量を増加させることにより冷房能力を増加させる（高負荷運転）。そして、室温が低下してくると、圧縮機の回転数を下げて冷媒循環量を抑えることにより冷房能力を抑制する（低負荷運転）。

圧縮機の回転数が低い低負荷運転では、冷媒の質量流量が小さいため、凝縮器において、高負荷運転（たとえば定格運転）時に比べて冷媒が上流側で凝縮し始める。たとえば、特許文献１に記載の熱交換器のようにメインの熱交換領域（以下「メイン熱交換器」とも称する。）とサブの熱交換領域（以下「サブクール熱交換器」とも称する。）とを含む熱交換器においては、低負荷運転中はメイン熱交換器の途中で冷媒が液冷媒となり得る。このように、低負荷運転中は凝縮器内に冷媒（液冷媒）が溜め込まれることから、低負荷運転において要求される冷媒量（冷媒回路に封入される冷媒の総量）は、高負荷運転において要求される冷媒量よりも多くなる。

冷凍サイクルにおいては、冷媒回路における冷媒量は、冷凍サイクルの性能に影響する。詳細は後述するが、定性的には、冷媒量が適正量に対して少ない場合は、冷媒の過冷却度が低下するため、熱交換器でのエンタルピ差が小さくなり、その結果、冷凍サイクルの性能は低下する。一方、冷媒量が適正量に対して多い場合は、凝縮器内に多くの冷媒が溜め込まれることにより気液二相の領域が少なくなるため、凝縮器の平均管内熱伝達率が低下し、熱通過率が低下する。熱通過率が低下すると、凝縮温度が上昇するため、圧縮機の仕事量が増加し、その結果、冷凍サイクルの性能は低下する。このように、冷媒量が適正量に対して少なくても多くても冷凍サイクルの性能は低下し、冷凍サイクルの性能を最大にする冷媒量が存在する。

冷凍サイクル装置に対しては、高負荷運転でも低負荷運転でも高い性能が求められる。たとえば、冷凍サイクルを用いた空気調和機では、上述のように室温によって高負荷運転となったり低負荷運転となったりするため、いずれの運転状態に対しても高い性能を実現することが求められる。しかしながら、高負荷運転と低負荷運転とでは、上述のように要求される冷媒量が異なり、冷凍サイクルの性能を最大にする冷媒量も異なるため、たとえば、高負荷運転（定格運転等）に合わせて冷媒量を設定すると、低負荷運転に対しては冷媒量が不足し、低負荷運転での性能が低下し得る。

本開示は、かかる問題を解決するためになされたものであり、本開示の目的は、高負荷運転及び低負荷運転の双方で高い性能を実現可能な冷凍サイクル装置を提供することである。

本開示の冷凍サイクル装置は、圧縮機、凝縮器、膨張弁及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を備える。凝縮器は、メイン熱交換器と、サブクール熱交換器と、バイパス回路とを含む。サブクール熱交換器は、メイン熱交換器を通過した冷媒が流れるように構成される。バイパス回路は、サブクール熱交換器から凝縮器の出側へ冷媒をバイパスするように構成される。

メイン熱交換器を通過した冷媒が流れるサブクール熱交換器には、液相の冷媒（液冷媒）が流れるところ、この冷凍サイクル装置においては、バイパス回路によって、サブクール熱交換器から凝縮器の出側へ冷媒（液冷媒）がバイパスされるので、凝縮器に冷媒が溜まり込むのを確実に抑制することができる。

したがって、この冷凍サイクル装置によれば、低負荷運転時にバイパス回路を通流させることによって、バイパス回路が設けられない場合（サブクール熱交換器に液冷媒が溜まり込む場合）に対して、低負荷運転において要求される冷媒量を少なくすることが可能となる。その結果、高負荷運転において要求される冷媒量と低負荷運転において要求される冷媒量との乖離を小さくすることができ、高負荷運転及び低負荷運転の双方で高い性能を実現することが可能となる。

本開示の冷凍サイクル装置によれば、高負荷運転及び低負荷運転の双方で高い性能を実現可能な冷凍サイクル装置を提供することができる。

本開示の実施の形態１に従う冷凍サイクル装置が適用される空気調和機の全体構成図である。 冷房運転中の冷媒の流れを示す図である。 暖房運転中の冷媒の流れを示す図である。 高負荷運転中の凝縮器内の冷媒の状態を示す図である。 低負荷運転中の凝縮器内の冷媒の状態を示す図である。 冷凍サイクルのｐ−ｈ線図である。 冷凍サイクルのｐ−ｈ線図である。 冷媒量とＣＯＰとの定性的な関係を示す図である。 図１に示す室外熱交換器の詳細な構成を示す図である。 図１に示す制御装置による切換装置の制御の処理手順を示すフローチャートである。 変形例１における室外熱交換器の構成を示す図である。 制御装置による三方弁の制御の処理手順を示すフローチャートである。 変形例２における室外熱交換器の構成を示す図である。 実施の形態２における室外熱交換器の構成を示す図である。 圧力開閉弁が閉状態であるときの弁の状態を示す図である。 圧力開閉弁が開状態であるときの弁の状態を示す図である。 圧力開閉弁の他の構成例を示す図である。 実施の形態３における室外熱交換器の構成を示す図である。 実施の形態４に従う冷凍サイクル装置が適用される空気調和機の全体構成図である。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

実施の形態１．
＜冷凍サイクル装置の構成＞
図１は、本開示の実施の形態１に従う冷凍サイクル装置が適用される空気調和機の全体構成図である。図１を参照して、空気調和機１は、室外機２と、室内機３とを備える。室外機２は、屋外に設置され、室内機３は、空調を行なう対象空間（室内）に設置される。

室外機２は、圧縮機１０と、四方弁２０と、室外熱交換器３０と、ファン３８と、膨張弁４０とを含む。また、室外機２は、配管６４，６６，６８，７０と、温度センサ８２，８４と、制御装置１００とをさらに含む。室内機３は、室内熱交換器５０と、ファン５８とを含む。室内機３は、配管６８，７０を通じて室外機２に接続されている。圧縮機１０、四方弁２０、室外熱交換器３０、膨張弁４０、室内熱交換器５０、及び配管６４，６６，６８，７０は、冷凍サイクルにおける冷媒回路を構成する。

配管６２は、圧縮機１０の吐出ポートと四方弁２０のポートｐ１とを接続する。配管６４は、四方弁２０のポートｐ２と室外熱交換器３０とを接続する。配管６６は、室外熱交換器３０と膨張弁４０とを接続する。配管６８は、膨張弁４０と室内熱交換器５０とを接続する。配管７０は、室内熱交換器５０と四方弁２０のポートｐ３とを接続する。配管７２は、四方弁２０のポートｐ４と圧縮機１０の吸入ポートとを接続する。

圧縮機１０は、配管７２から吸入される冷媒を圧縮して配管６２へ出力する。圧縮機１０は、制御装置１００からの制御信号に従って回転数（運転周波数）を調整するように構成される。圧縮機１０の回転数を調整することで冷媒回路の冷媒循環量が調整され、空気調和機１の能力を調整することができる。圧縮機１０には種々のタイプのものを採用可能であり、たとえば、ロータリータイプ、往復タイプ、スクロールタイプ、スクリュータイプ等のものを採用し得る。

四方弁２０は、制御装置１００からの制御信号に従って、第１状態（冷房運転）及び第２状態（暖房運転）のいずれかに切替えられる。第１状態では、ポートｐ１とポートｐ２とが連通し、ポートｐ３とポートｐ４とが連通する。これにより、第１状態では、配管６２と配管６４とが接続され、配管７０と配管７２とが接続される。第２状態では、ポートｐ１とポートｐ３とが連通し、ポートｐ２とポートｐ４とが連通する。これにより、第２状態では、配管６２と配管７０とが接続され、配管６４と配管７２とが接続される。

室外熱交換器３０は、冷房運転中は、凝縮器として機能し、圧縮機１０から四方弁２０を通じて配管６４に出力された冷媒を凝縮して配管６６へ出力する。室外熱交換器３０は、圧縮機１０から出力された高温高圧の過熱蒸気（冷媒）が外気と熱交換（放熱）を行なうように構成される。この熱交換により、冷媒は凝縮されて液相に変化する。一方、暖房運転中は、室外熱交換器３０は、蒸発器として機能し、膨張弁４０から配管６６へ出力された冷媒を蒸発させて配管６４へ出力する。

室外熱交換器３０は、メイン熱交換器３２と、サブクール熱交換器３４と、配管１１２〜１１５と、切換装置３６とを含む。メイン熱交換器３２及びサブクール熱交換器３４は、配管１１２によって直列に接続されており、メイン熱交換器３２及びサブクール熱交換器３４がそれぞれ配管６４，６６に接続されるように配置される。

メイン熱交換器３２は、互いに並列に接続される複数のパスを含み、メイン熱交換器３２のパス数がサブクール熱交換器３４のパス数よりも多くなるように構成されている。言い換えると、サブクール熱交換器３４は、そのパス数がメイン熱交換器３２のパス数よりも少なくなるように構成されている。この例では、メイン熱交換器３２のパス数は３であり、サブクール熱交換器３４のパス数は１である。

この空気調和機１では、サブクール熱交換器３４のパス数がメイン熱交換器３２のパス数よりも少なくなるように室外熱交換器３０を構成することによって、室外熱交換器３０の性能が高められている。すなわち、室外熱交換器３０が凝縮器として機能する冷房運転では、室外熱交換器３０内で冷媒がガス相から液相に変化する。液相の冷媒（液冷媒）は、ガス相から液相に変化する際の気液二相の冷媒に比べて熱伝達率が低いため、凝縮器においては、液冷媒の流速を高めることで凝縮器の熱伝達率を高めることができる。そこで、この空気調和機１では、メイン熱交換器３２により液相に変化した冷媒が流れるサブクール熱交換器３４のパス数をメイン熱交換器３２のパス数よりも少なくすることによって、サブクール熱交換器３４を流れる液冷媒の流速が高められる。これにより、室外熱交換器３０の性能（熱伝達率）が高められている。

なお、メイン熱交換器３２及びサブクール熱交換器３４のパス数は、上記のものに限定されない。メイン熱交換器３２のパス数は、２でもよいし４以上であってもよく、サブクール熱交換器３４のパス数は、複数であってもよい。

配管１１３は、サブクール熱交換器３４と切換装置３６とを接続する。配管１１４は、切換装置３６と配管６６とを接続する。配管１１５は、切換装置３６とサブクール熱交換器３４とを接続する。配管１１３，１１４は、サブクール熱交換器３４から配管６６へ冷媒をバイパスするためのバイパス回路を形成する。配管１１５は、サブクール熱交換器３４へ冷媒を戻すための戻り路を形成する。

切換装置３６は、冷房運転中にサブクール熱交換器３４から配管１１３へ出力される冷媒を、配管１１４へ出力して配管６６へバイパスさせるか、それとも配管１１５へ出力してサブクール熱交換器３４へ戻すかを切換可能に構成される。切換装置３６は、制御装置からの制御信号Ｏｐ１によって制御され、冷房運転中において、空気調和機１が高負荷の場合には配管１１３から配管１１５へ冷媒を通流させ、低負荷の場合には配管１１３から配管１１４へ冷媒を通流させる。なお、暖房運転中は、切換装置３６は、配管１１５から配管１１３へ冷媒が流れるように作動する。サブクール熱交換器３４及び切換装置３６の構成については、後ほど詳しく説明する。

ファン３８は、室外熱交換器３０に併設され、室外熱交換器３０に空気を送風する。膨張弁４０は、冷房運転中、室外熱交換器３０から配管６６へ出力された冷媒を減圧して配管６８へ出力する。膨張弁４０は、たとえば電子膨張弁によって構成され、制御装置１００からの制御信号に従って開度が調整される。膨張弁４０の開度を閉方向に変化させると、膨張弁４０出側の冷媒圧力は低下し、冷媒の乾き度は上昇する。膨張弁４０の開度を開方向に変化させると、膨張弁４０出側の冷媒圧力は上昇し、冷媒の乾き度は低下する。

温度センサ８２は、室外熱交換器３０における冷媒の凝縮温度Ｔｃ１を検出し、その検出値を制御装置１００へ出力する。温度センサ８４は、室外機２（室外熱交換器３０）が設置される場所の外気温度Ｔａ１を検出し、その検出値を制御装置１００へ出力する。

室内熱交換器５０は、冷房運転中は、蒸発器として機能し、膨張弁４０から配管６８へ出力された冷媒を蒸発させて配管７０へ出力する。室内熱交換器５０は、膨張弁４０により減圧された冷媒が室内の空気と熱交換（吸熱）を行なうように構成される。この熱交換により、冷媒は蒸発して過熱蒸気となる。一方、暖房運転中は、室内熱交換器５０は、凝縮器として機能し、圧縮機１０から四方弁２０を通じて配管７０に出力された冷媒を凝縮して配管６８へ出力する。ファン５８は、室内熱交換器５０に併設され、室内熱交換器５０へ空気を送風する。

制御装置１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、メモリ（ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory））、各種信号を入出力するための入出力バッファ等を含んで構成される（いずれも図示せず）。ＣＰＵは、ＲＯＭに格納されているプログラムをＲＡＭ等に展開して実行する。ＲＯＭに格納されるプログラムは、制御装置１００の処理手順が記されたプログラムである。制御装置１００は、これらのプログラムに従って、空気調和機１における各機器の制御を実行する。この制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア（電子回路）で処理することも可能である。

図２は、冷房運転中の冷媒の流れを示す図である。図２を参照して、冷房運転中は、圧縮機１０によって高温高圧の蒸気状態とされた冷媒は、四方弁２０を経由して室外熱交換器３０へ供給され、室外熱交換器３０において外気と熱交換（放熱）することにより凝縮されて高圧の液冷媒となる。

その後、冷媒は、膨張弁４０で減圧されて室内熱交換器５０へ供給され、室内熱交換器５０において室内の空気と熱交換（吸熱）することにより蒸発して低圧のガス冷媒となる。そして、冷媒は、四方弁２０を経由して圧縮機１０に再び吸入される。これにより、室内熱交換器５０が設置された空間（室内）が冷房される。

図３は、暖房運転中の冷媒の流れを示す図である。図３を参照して、暖房運転中は、圧縮機１０によって高温高圧の蒸気状態とされた冷媒は、四方弁２０を経由して室内熱交換器５０へ供給され、室内熱交換器５０において室内の空気と熱交換（放熱）することにより凝縮されて高圧の液冷媒となる。

その後、冷媒は、膨張弁４０で減圧されて室外熱交換器３０へ供給され、室外熱交換器３０において外気と熱交換（吸熱）することにより蒸発して低圧のガス冷媒となる。そして、冷媒は、四方弁２０を経由して圧縮機１０に再び吸入される。これにより、室内熱交換器５０が設置された空間（室内）が暖房される。

＜凝縮器内の冷媒の状態＞
以下では、特に断りがない限り、空気調和機１が冷房運転を行なっている場合について説明する。したがって、冷媒は、図２に示した方向に流れるものとし、室外熱交換器３０及び室内熱交換器５０は、それぞれ凝縮器及び蒸発器として機能するものとする。

図４は、高負荷運転中の凝縮器内の冷媒の状態を示す図である。一方、図５は、低負荷運転中の凝縮器内の冷媒の状態を示す図である。この図４，図５に示される凝縮器は、図１に示した室外熱交換器３０に相当するものであるが、図１に示した配管１１３〜１１５及び切換装置３６を有していないものである。すなわち、ここで示される凝縮器は、従来の構成に相当するものである。

図４を参照して、この凝縮器は、室外熱交換器３０と同様に、メイン熱交換器２０２と、サブクール熱交換器２０４とを含む。各熱交換器のパス数も室外熱交換器３０と同じであり、メイン熱交換器２０２のパス数は３であり、サブクール熱交換器２０４のパス数は１である。

メイン熱交換器２０２に冷媒が流入する前の配管２０６では、冷媒は、ガス相（過熱蒸気）である。メイン熱交換器２０２内の伝熱管２０８Ａ〜２０８Ｃに冷媒が流入すると、冷媒は、外気と熱交換（放熱）することにより乾き度が低下して気液二相となり、メイン熱交換器３２の出力端辺りで液相となる。

メイン熱交換器２０２を通過した冷媒（液冷媒）は、配管２１０を通じてサブクール熱交換器２０４へ送られる。サブクール熱交換器２０４に冷媒が流入すると、冷媒は、外気と熱交換（放熱）することにより過冷却状態となり、配管２１２へ出力される。

図５を参照して、高負荷運転に対して圧縮機１０の回転数が下げられる低負荷運転では、高負荷運転に比べて冷媒の質量流量が小さいので、高負荷運転中に比べてより上流側で冷媒が凝縮を始める。このため、低負荷運転では、図４に示した高負荷運転の場合に比べて、メイン熱交換器２０２において冷媒が早期に液相に変化する。

このように、高負荷運転と低負荷運転とでは、凝縮器における冷媒の相変化の状況が異なり、低負荷運転中は、高負荷運転中よりも冷媒が液冷媒となって凝縮器内に溜め込まれる。このため、低負荷運転において冷媒回路に要求される冷媒量は、高負荷運転において要求される冷媒量よりも多くなる。

＜冷媒量とＣＯＰとの関係＞
冷凍サイクルにおいては、冷媒回路に封入される冷媒量は、冷凍サイクルの性能に影響を与える。

図６は、冷凍サイクルのｐ−ｈ線図である。図６を参照して、縦軸は圧力ｐ（ＭＰａ）を示し、横軸は比エンタルピｈ（ｋＪ／ｋｇ）を示す。４本の直線で示される実線は、ある冷媒量が封入された状態で冷凍サイクルが作動するときの状態を示す。曲線は、冷媒の飽和液線（飽和蒸気線）である。

実線で示される状態に対して冷媒量が少ない状態で冷凍サイクルを運転すると、点線で示されるように、冷媒の過冷却度ＳＣが減少する。これにより、凝縮器（冷房運転中の室外熱交換器３０）でのエンタルピ差Δｈｃが減少する。

ところで、冷凍サイクルの冷房能力Ｑｅは、次式によって示すことができる。
Ｑｅ＝Ｇｒ×Δｈｅ …（１）
ここで、Ｇｒは冷媒の循環流量（ｋｇ／ｓ）を示し、Δｈｅは蒸発器（冷房運転中の室内熱交換器５０）でのエンタルピ差を示す。

また、冷凍サイクルの暖房能力Ｑｃは、次式によって示すことができる。
Ｑｃ＝Ｇｒ×Δｈｃ …（２）
なお、暖房運転においては、Δｈｃは凝縮器（暖房運転中の室内熱交換器５０）でのエンタルピ差を示す。

図から分かるように、冷媒の過冷却度ＳＣが減少すると、エンタルピ差Δｈｅ，Δｈｃは減少するので、冷凍サイクルの冷房能力Ｑｅ及び暖房能力Ｑｃは低下する。このため、冷媒量が少ない状態で、実線で示される運転状態と同等の冷房能力Ｑｅ及び暖房能力Ｑｃを得るには、圧縮機の動力（仕事量）を大きくして冷媒の循環流量Ｇｒを増加させる必要がある。

圧縮機の動力Ｗｃｏｍｐは、次式によって示される。
Ｗｃｏｍｐ＝Ｇｒ×Δｈｃｏｍｐ …（３）
ここで、Δｈｃｏｍｐは、圧縮機でのエンタルピ差を示す。このように、冷媒の循環流量Ｇｒの増加に伴なって、圧縮機の動力Ｗｃｏｍｐが増加する。

冷凍サイクルの性能を示すＣＯＰ（性能係数）は、次式によって示される。
冷房運転：ＣＯＰ＝Ｑｅ／Ｗｃｏｍｐ＝Δｈｅ／Δｈｃｏｍｐ …（４）
暖房運転：ＣＯＰ＝Ｑｃ／Ｗｃｏｍｐ＝Δｈｃ／Δｈｃｏｍｐ …（５）
式（４），（５）から、圧縮機の動力Ｗｃｏｍｐが増加すると、冷凍サイクルのＣＯＰが低下することが理解できる。以上により、冷媒量が少ない状態で冷凍サイクルを運転すると、冷媒の過冷却度ＳＣが減少し、その結果、冷凍サイクルの性能は低下する。

一方、冷媒回路に封入される冷媒量が多過ぎる状態で冷凍サイクルを運転しても、冷凍サイクルの性能は低下する。以下、この点について説明する。

冷媒回路に封入される冷媒量が多いほど、凝縮器（冷房運転中の室外熱交換器３０）内に多くの冷媒（液冷媒）が溜まり込むことになる。液冷媒が凝縮器内に溜まり込むと、凝縮器内における気液二相の領域が減少する。気液二相の冷媒の熱伝達率は、液相の冷媒の熱伝達率よりも数倍高いので、気液二相の領域が減少すると、凝縮器における平均管内熱伝達率αｉが低下し、凝縮器の熱通過率Ｋが低下する。

ここで、凝縮器における冷媒と空気との交換熱量Ｑは、次式によって示される。
Ｑ＝Ａ×Ｋ×（Ｔｃ−Ｔａ） …（６）
ここで、Ａは凝縮器の管外表面積を示す。また、Ｔｃは凝縮温度を示し、Ｔａは凝縮器の吸込空気温度（外気温度）を示す。

冷媒回路に多くの冷媒が封入されることによって熱通過率Ｋが低下した場合、冷媒側の能力自体は変化せず、管外表面積Ａも不変であるから、温度Ｔａが一定であれば、凝縮温度Ｔｃが上昇する。凝縮温度Ｔｃが上昇すると、図７のｐ−ｈ線図において、点線で示されるように、凝縮器での圧力ｐが上昇する。このため、圧縮機でのエンタルピ差Δｈｃｏｍｐが大きくなり、式（３）で示されるように圧縮機の動力Ｗｃｏｍｐが増加する。したがって、冷凍サイクルのＣＯＰは低下する。

このように、冷媒量が少な過ぎても多過ぎても冷凍サイクルの性能は低下するので、冷凍サイクルの性能を最大にする冷媒量が存在する。

図８は、冷媒量とＣＯＰとの定性的な関係を示す図である。図８を参照して、線Ｌ１は、冷凍サイクルが高負荷で作動する高負荷条件での冷媒量とＣＯＰとの関係を示す。線Ｌ２は、冷凍サイクルが低負荷で作動する低負荷条件での冷媒量とＣＯＰとの関係を示す。図４，図５で説明したように、低負荷運転において冷媒回路に要求される冷媒量は、高負荷運転において要求される冷媒量よりも多くなるため、低負荷条件において冷凍サイクルの性能を最大にする冷媒量Ｍ２は、高負荷条件において冷凍サイクルの性能を最大にする冷媒量Ｍ１よりも多くなる。

冷凍サイクル装置に対しては、高負荷運転でも低負荷運転でも高い性能が求められる。本実施の形態１のように、冷凍サイクル装置が適用される空気調和機１では、室温によって高負荷運転となったり低負荷運転となったりするため、いずれの運転状態に対しても高い性能を実現することが求められる。

しかしながら、上述のように、高負荷運転と低負荷運転とでは、冷凍サイクル装置の性能を最大にする冷媒量が異なる。このため、たとえば、高負荷運転に合わせて冷媒量をＭ１に設定すると、高負荷運転に対してはＣＯＰが最大となるが、低負荷運転に対しては冷媒量が不足し、低負荷運転におけるＣＯＰが低下する。

そこで、この実施の形態１に従う冷凍サイクル装置が適用される空気調和機１では、サブクール熱交換器３４から室外熱交換器３０の出側の配管６６へ冷媒をバイパスするためのバイパス回路（図１の配管１１３，１１４及び切換装置３６）が設けられる。このバイパス回路を用いて、低負荷運転時に、サブクール熱交換器３４に溜め込まれた冷媒（液冷媒）をサブクール熱交換器３４の出側へバイパスする。これにより、低負荷運転中にサブクール熱交換器３４に冷媒（液冷媒）が溜まり込むのを抑制することができるので、バイパス回路が設けられない場合（サブクール熱交換器３４に液冷媒が溜まり込む場合）に対して、低負荷運転時に要求される冷媒量を少なくすることができる。

すなわち、低負荷運転時にバイパス回路を作動させることによって、低負荷運転において冷媒回路に要求される冷媒量を少なくできるので、低負荷条件における冷媒量とＣＯＰとの関係を線Ｌ２から線Ｌ３へシフトさせることができる（図８）。したがって、高負荷条件において冷凍サイクルの性能を最大にする冷媒量Ｍ１と、低負荷条件において冷凍サイクルの性能を最大にする冷媒量との乖離を小さくすることができ、高負荷運転及び低負荷運転の双方で高い性能を実現することが可能となる。

＜バイパス回路の構成＞
図９は、図１に示した室外熱交換器３０の詳細な構成を示す図である。図９を参照して、メイン熱交換器３２及びサブクール熱交換器３４は、複数の伝熱管１２０を含んで構成される。メイン熱交換器３２は、互いに並列に接続される３つのパスを含み、各パスは、複数の伝熱管１２０（この例では６本）が直列に接続されて構成されている。サブクール熱交換器３４のパス数は１つであり、サブクール熱交換器３４も、複数の伝熱管１２０（この例では６本）を含んで構成されている。

切換装置３６は、電磁弁１３０，１３２を含む。電磁弁１３０は、配管１１３と配管１１５との間に設けられる。電磁弁１３２は、配管１１３と配管１１４との間に設けられる。この切換装置３６によって、サブクール熱交換器３４の途中から２つの流路を切換えることができる。すなわち、一つは、電磁弁１３０を通じてサブクール熱交換器３４の残りの伝熱管へ再度冷媒が流入する流路であり（流路Ａとする。）、もう一つは、電磁弁１３２を通じて配管６６へ冷媒がバイパスされる流路である（流路Ｂとする。）。

電磁弁１３０，１３２がそれぞれ開状態及び閉状態になると、流路Ａが形成され、冷媒は、サブクール熱交換器３４内に設けられる全ての伝熱管を通過する。一方、電磁弁１３０，１３２がそれぞれ閉状態及び開状態になると、流路Ｂが形成され、冷媒は、バイパス回路によって配管６６へバイパスされる。そして、電磁弁１３０，１３２の開閉は、空気調和機１の負荷によって制御装置１００（図１）により制御される。

図１０は、図１に示した制御装置１００による切換装置３６の制御の処理手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示される一連の処理は、空気調和機１が冷房運転を行なっている間、所定時間毎に繰り返し実行される。

図１０を参照して、制御装置１００は、ステップＳ１０からＳ３０の処理によって空気調和機１の負荷の高低を判定し、その判定結果に従って切換装置３６の電磁弁１３０，１３２の開閉を制御する。

詳しくは、制御装置１００は、温度センサ８２，８４（図１）からそれぞれ凝縮温度Ｔｃ１及び外気温度Ｔａ１を取得する（ステップＳ１０）。次いで、制御装置１００は、凝縮温度Ｔｃ１と外気温度Ｔａ１との温度差ΔＴ１を算出する（ステップＳ２０）。そして、制御装置１００は、算出された温度差ΔＴ１がしきい値Ｋ１よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ３０）。しきい値Ｋ１は、空気調和機１の負荷の高低を判定するための判定値であり、空気調和機１の事前評価やシミュレーション等により予め求められて制御装置１００のＲＯＭに記憶されている。

このように、この実施の形態１では、凝縮温度Ｔｃ１と外気温度Ｔａ１との温度差ΔＴ１によって、空気調和機１の負荷の高低が判定される。空気調和機１の負荷が高い場合は、凝縮器（冷房運転時の室外熱交換器３０）における冷媒と空気との交換熱量Ｑも大きくなるので、上記の式（６）から分かるように、凝縮温度Ｔｃ１と外気温度Ｔａ１との温度差ΔＴ１が大きくなる。言い換えると、温度差ΔＴ１が大きいときは、空気調和機１の負荷は高いと判定することができ、温度差ΔＴ１が小さいときは、空気調和機１の負荷は低いと判定することができる。

ステップＳ３０において温度差ΔＴ１がしきい値Ｋ１よりも大きいと判定されると（ステップＳ３０においてＹＥＳ）、制御装置１００は、空気調和機１は高負荷で運転されているものと判定する（ステップＳ４０）。そして、制御装置１００は、切換装置３６の電磁弁１３０，１３２をそれぞれ開状態及び閉状態に制御する（ステップＳ５０）。これにより、冷媒は、バイパス回路によってバイパスされることなくサブクール熱交換器３４内の全ての伝熱管を流れる。

一方、ステップＳ３０において温度差ΔＴ１がしきい値Ｋ１以下であると判定されると（ステップＳ３０においてＮＯ）、制御装置１００は、空気調和機１は低負荷で運転されているものと判定する（ステップＳ６０）。そして、制御装置１００は、切換装置３６の電磁弁１３０，１３２をそれぞれ閉状態及び開状態に制御する（ステップＳ７０）。これにより、冷媒は、サブクール熱交換器３４からバイパス回路によって配管６６へバイパスされる。

以上のように、この実施の形態１によれば、低負荷運転時にサブクール熱交換器３４から室外熱交換器３０の出側へ冷媒（液冷媒）がバイパスされるので、低負荷運転時に室外熱交換器３０に冷媒が溜まり込むのを確実に抑制することができる。これにより、低負荷運転において要求される冷媒量を少なくできるので、高負荷運転において要求される冷媒量と低負荷運転において要求される冷媒量との乖離を小さくすることができる。したがって、この実施の形態１によれば、高負荷運転及び低負荷運転の双方で高い性能を実現することができる。

また、この実施の形態１によれば、室外熱交換器３０は、メイン熱交換器３２とサブクール熱交換器３４とによって構成されているので、この構成による室外熱交換器３０の性能向上（熱伝達率向上）を図りつつ、さらにバイパス回路が設けられることによって室外熱交換器３０の負荷に拘わらず高い性能を実現することができる。

変形例１．
電磁弁１３０，１３２に代えて三方弁を用いてもよい。

図１１は、変形例１における室外熱交換器の構成を示す図である。この変形例１に従う空気調和機１では、実施の形態１における室外熱交換器３０に代えて室外熱交換器３０Ａを備える。

図１１を参照して、室外熱交換器３０Ａは、図９に示した室外熱交換器３０において、切換装置３６に代えて三方弁３６Ａを含む。三方弁３６Ａは、ポートｐ５〜ｐ７を有する。ポートｐ５〜ｐ７には、それぞれ配管１１３〜１１５が接続されている。

三方弁３６Ａによりポートｐ５とポートｐ７とが連通すると、流路Ａが形成され、冷媒は、サブクール熱交換器３４内に設けられる全ての伝熱管を通過する。一方、三方弁３６Ａによりポートｐ５とポートｐ６とが連通すると、流路Ｂが形成され、冷媒は、バイパス回路によって配管６６へバイパスされる。そして、三方弁３６Ａの動作は、空気調和機１の負荷によって制御装置１００により制御される。

図１２は、制御装置１００による三方弁３６Ａの制御の処理手順を示すフローチャートである。このフローチャートは、上記の実施の形態１で説明した図１０に対応するものであり、このフローチャートに示される一連の処理も、空気調和機１が冷房運転を行なっている間、所定時間毎に繰り返し実行される。

図１２を参照して、このフローチャートに示されるステップＳ１１０〜Ｓ１４０，Ｓ１６０の処理は、それぞれ図１０に示したステップＳ１０〜Ｓ４０，Ｓ６０の処理と同じである。そして、このフローチャートは、図１０のフローチャートに示したステップＳ５０，Ｓ７０に代えてそれぞれステップＳ１５０，Ｓ１７０を含む。

すなわち、ステップＳ１４０において空気調和機１は高負荷で運転されているものと判定されると（ステップＳ１４０）、制御装置１００は、三方弁３６Ａのポートｐ５とポートｐ７とが連通するように三方弁３６Ａを制御する（ステップＳ１５０）。これにより、空気調和機１が高負荷で運転している場合に、冷媒は、バイパス回路によってバイパスされることなくサブクール熱交換器３４内の全ての伝熱管を流れる。

また、ステップＳ１６０において空気調和機１は低負荷で運転されているものと判定されると（ステップＳ１６０）、制御装置１００は、三方弁３６Ａのポートｐ５とポートｐ６とが連通するように三方弁３６Ａを制御する（ステップＳ１７０）。これにより、空気調和機１が低負荷で運転している場合に、サブクール熱交換器３４からバイパス回路によって配管６６へバイパスされる。

この変形例１によっても、上記の実施の形態１と同様の効果が得られる。
変形例２．
この変形例２では、バイパス回路にキャピラリチューブが設けられる。キャピラリチューブが設けられることで、冷媒が配管６６へバイパスされる場合に、室外熱交換器３０の出側すなわちサブクール熱交換器３４の出側の圧力を下げることができる。このサブクール熱交換器３４の出側の圧力が外気温度における冷媒の飽和圧力よりも低くなるように、キャピラリチューブによって圧力を低下させることによって、電磁弁１３０からサブクール熱交換器３４の出側までに存在する冷媒を配管６６へ吸引することができる。これにより、サブクール熱交換器３４に冷媒が溜め込まれるのを確実に抑制することができる。

図１３は、変形例２における室外熱交換器の構成を示す図である。この変形例２に従う空気調和機１では、実施の形態１における室外熱交換器３０に代えて室外熱交換器３０Ｂを備える。

図１３を参照して、室外熱交換器３０Ｂは、図９に示した室外熱交換器３０において、切換装置３６に代えて切換装置３６Ｂを含む。切換装置３６Ｂは、切換装置３６において、キャピラリチューブ１３４をさらに含む。

キャピラリチューブ１３４は、電磁弁１３２と配管１１４との間に接続される。キャピラリチューブ１３４は、たとえば銅製の毛細管であり、冷媒がキャピラリチューブ１３４を通過することによって冷媒の圧力が低下する。一例として、キャピラリチューブ１３４は、低負荷運転時に、外気温度が仕様の範囲内で変動してもキャピラリチューブ１３４の出力側の圧力が外気温度での冷媒の飽和圧力よりも十分低くなるように設計される。

以上のように、この変形例２によれば、キャピラリチューブ１３４が設けられることにより、冷媒が配管６６へバイパスされる場合に、サブクール熱交換器３４内に冷媒が溜め込まれるのを確実に抑制することができる。

なお、特に図示しないが、上記の変形例１において、三方弁３６Ａ（図１１）のポートｐ６の出側にキャピラリチューブ１３４を設けてもよい。

実施の形態２．
この実施の形態２では、上記の電磁弁１３０，１３２や三方弁３６Ａに代えて、機械式の圧力開閉弁がバイパス回路に設けられる。これにより、弁を作動させるための電気的設備を不要とし、装置のコスト低減を図ることができる。

実施の形態２における空気調和機１は、図１に示した空気調和機の構成において、室外熱交換器３０に代えて室外熱交換器３０Ｃを備える。

図１４は、実施の形態２における室外熱交換器３０Ｃの構成を示す図である。図１４を参照して、室外熱交換器３０Ｃは、メイン熱交換器３２と、サブクール熱交換器３４Ａと、切換装置３６Ｃとを含む。サブクール熱交換器３４Ａは、分岐部Ｂを有し、分岐部Ｂには、配管１１３が接続される。

切換装置３６Ｃは、圧力開閉弁１３６と、逆止弁１３８とを含む。圧力開閉弁１３６は、配管１１３と配管１４０との間に設けられる。逆止弁１３８は、配管１４０と配管１１４との間に設けられる。

圧力開閉弁１３６は、開閉動作に電気を必要としない。圧力開閉弁１３６は、配管１１３の圧力が所定圧を超えると閉状態となり、配管１１３の圧力が所定圧よりも低いときは開状態となるように構成される。圧力開閉弁１３６の具体的な構成については、後ほど説明する。

逆止弁１３８は、配管１１４から切換装置３６Ｃを通じて配管１１３へ冷媒が流れるのを防止する。この逆止弁１３８は、室外熱交換器３０Ｃが蒸発器として作動する場合（暖房運転時）に、配管６６から切換装置３６Ｃを通じてサブクール熱交換器３４Ａの分岐部Ｂへ冷媒が流れるのを防止するものである。

図１５及び図１６は、圧力開閉弁１３６の構成の一例を示す図である。図１５は、圧力開閉弁１３６が閉状態であるときの弁の状態を示し、図１６は、圧力開閉弁１３６が開状態であるときの弁の状態を示す。

図１５及び図１６を参照して、圧力開閉弁１３６は、ダイヤフラム１５２と、不凝縮性ガス１５４と、感温筒１５６と、弁体１５８と、弁座１６０と、バネ１６２とを含んで構成される。弁体１５８及び弁座１６０は、中空の筒状部材であり、弁体１５８の内周面と弁座１６０の外周面とが接しつつ弁座１６０に対して弁体１５８が上下に移動可能なように構成されている。弁体１５８の上部は、ダイヤフラム１５２に接続されている。弁座１６０は、圧力開閉弁１３６の側壁に固定されており、弁体１５８の内部は、配管１４０と連通している。また、弁体１５８と弁座１６０とは、バネ１６２によって接続されている。

ダイヤフラム１５２は、配管１１３の圧力が上昇すると上方へ移動し、配管１１３の圧力が下降すると下方へ移動する。したがって、配管１１３の圧力が上昇すると、ダイヤフラム１５２とともに弁体１５８が弁座１６０に対して上方へ移動する。一方、配管１１３の圧力が低下すると、ダイヤフラム１５２とともに弁体１５８が弁座１６０に対して下方へ移動する。

弁体１５８及び弁座１６０の各々には、開口部が設けられている。弁座１６０に対して弁体１５８が下方に移動している場合に、弁体１５８の開口部と弁座１６０の開口部とが重なるように各開口部が形成されている。なお、各開口部は、弁座１６０に対して弁体１５８が上方に移動している場合には、互いに重ならないように形成されている。

このような構成により、配管１１３の圧力が低下すると、ダイヤフラム１５２が下降することによって弁体１５８が下降し、弁体１５８及び弁座１６０の開口部を通じて配管１４０が配管１１３と通じた状態となる。低負荷運転中は、冷媒の循環流量が少ないので、室外熱交換器３０Ｃ内の圧力、すなわち配管１１３の圧力は相対的に低くなり、その結果、圧力開閉弁１３６は開状態となる（図１６）。

一方、配管１１３の圧力が上昇すると、ダイヤフラム１５２が上昇することによって弁体１５８が上昇し、互いの開口部がずれるため配管１１３と配管１４０とは不通となる。高負荷運転中は、冷媒の循環流量が多いので、配管１１３の圧力は相対的に高くなり、その結果、圧力開閉弁１３６は閉状態となる（図１５）。

なお、この圧力開閉弁１３６は、感温筒１５６を備えている。感温筒１５６は、外気に曝されており、外気温度が高いほど、不凝縮性ガス１５４の圧力が上昇する。このような感温筒１５６が設けられることにより、外気温度が高いために冷媒の圧力が上昇して、運転負荷に拘わらず圧力開閉弁１３６が閉じてしまうのを防止することができる。すなわち、感温筒１５６が設けられることによって、圧力開閉弁１３６の開閉動作が外気温に依存するのを抑制し、運転負荷に応じて圧力開閉弁１３６を作動させることができる。

但し、このような感温筒１５６は、必須の構成ではなく、図１７に示されるように、感温筒１５６が設けられていない圧力開閉弁１３６Ａを採用してもよい。

以上のように、この実施の形態２によれば、機械式の圧力開閉弁１３６を用いることによって、弁を作動させるための電気的設備を不要とし、装置のコストを低減することができる。

実施の形態３．
上記の各実施の形態及び各変形例では、サブクール熱交換器３４のパス数をメイン熱交換器３２のパス数よりも少なくすることで、サブクール熱交換器３４内の流速を高めて室外熱交換器３０の性能（熱伝達率）を高めるものとした。

この実施の形態３では、サブクール熱交換器３４の伝熱管の管径をメイン熱交換器３２の伝熱管の管径よりも小さくすることで、サブクール熱交換器３４内の流速を高めて室外熱交換器３０の性能（熱伝達率）が高められる。

そして、この実施の形態３においても、サブクール熱交換器３４からバイパス回路が形成され、低負荷運転時にサブクール熱交換器３４から室外熱交換器３０の出側へ冷媒（液冷媒）がバイパスされる。

実施の形態３における空気調和機１は、図１に示した空気調和機の構成において、室外熱交換器３０に代えて室外熱交換器３０Ｄを備える。

図１８は、実施の形態３における室外熱交換器３０Ｄの構成を示す図である。図１８を参照して、室外熱交換器３０Ｄは、メイン熱交換器３２Ａと、サブクール熱交換器３４と、切換装置３６とを含む。サブクール熱交換器３４及び切換装置３６については、図９で説明したとおりである。

メイン熱交換器３２Ａは、直列に接続された複数の伝熱管１２０Ａ（この例では６本）を含んで構成される。伝熱管１２０Ａの管径は、サブクール熱交換器３４における伝熱管１２０の管径よりも大きい。言い換えると、サブクール熱交換器３４の伝熱管１２０の管径は、メイン熱交換器３２Ａの伝熱管１２０Ａの管径よりも小さい。これにより、メイン熱交換器３２Ａに対してサブクール熱交換器３４を流れる液冷媒の流速が高められ、室外熱交換器３０Ｄの性能（熱伝達率）が高められている。

なお、この実施の形態３では、室外熱交換器３０Ｄは、切換装置３６を含むものとしたが、上記の各変形例及び実施の形態２のように、この実施の形態３において、切換装置３６に代えて三方弁３６Ａを採用してもよいし、キャピラリチューブ１３４を含む切換装置３６Ｂを採用してもよいし、圧力開閉弁１３６及び逆止弁１３８を含む切換装置３６Ｃを採用してもよい。

以上のように、この実施の形態３によっても、上記の各実施の形態及び各変形例と同様の効果が得られる。

実施の形態４．
暖房運転中に凝縮器として機能する室内熱交換器５０についても、メイン熱交換器とサブクール熱交換器とによって構成し、室内熱交換器５０のサブクール熱交換器から冷媒をバイパス可能な構成としてもよい。これにより、暖房運転中においても、高負荷運転及び低負荷運転の双方で高い性能を実現可能な空気調和機が実現される。

図１９は、実施の形態４に従う冷凍サイクル装置が適用される空気調和機の全体構成図である。図１９を参照して、この空気調和機１Ａは、室外機２と、室内機３Ａとを備える。室内機３Ａは、室内熱交換器５０Ａと、ファン５８と、温度センサ８６，８８とを含む。室内熱交換器５０Ａは、メイン熱交換器５２と、サブクール熱交換器５４と、切換装置５６とを含む。

メイン熱交換器５２及びサブクール熱交換器５４は、直列に接続されており、メイン熱交換器５２及びサブクール熱交換器５４がそれぞれ配管７０，６８に接続されるように配置される。メイン熱交換器５２及びサブクール熱交換器５４の構成は、それぞれ室外熱交換器３０のメイン熱交換器３２及びサブクール熱交換器３４の構成と同様である。このように、この実施の形態４においても、メイン熱交換器５２及びサブクール熱交換器５４が設けられることによって、暖房運転中の室内熱交換器５０Ａの性能（熱伝達率）が高められている。

切換装置５６の構成も、室外熱交換器３０の切換装置３６の構成と同様である。すなわち、切換装置５６は、暖房運転中にサブクール熱交換器５４から切換装置５６へ出力される冷媒を、配管６８へバイパスさせるか、それともサブクール熱交換器５４へ戻すかを切換可能に構成される。切換装置５６は、制御装置１００からの制御信号Ｏｐ２によって制御され、暖房運転中において、空気調和機１Ａが低負荷の場合に、サブクール熱交換器５４から配管６８へ冷媒をバイパスさせる。

温度センサ８６は、室内熱交換器５０Ａにおける冷媒の凝縮温度Ｔｃ２を検出し、その検出値を制御装置１００へ出力する。温度センサ８８は、ファン５８によって室内熱交換器５０Ａに供給される空気の温度Ｔａ２を検出し、その検出値を制御装置１００へ出力する。

このような構成とすることにより、空気調和機１Ａが暖房運転を行なう場合においても、高負荷運転及び低負荷運転の双方で高い性能を実現可能な空気調和機が実現される。

なお、特に図示しないが、この実施の形態４においても、実施の形態１に対する各変形例及び実施の形態２，３のように、切換装置５６に代えて三方弁を採用してもよいし、キャピラリチューブを含む切換装置を採用してもよい。また、圧力開閉弁及び逆止弁を含む切換装置を採用してもよいし、メイン熱交換器５２に代えてメイン熱交換器３２Ａ（図１８）と同様の構成を有する熱交換器を採用してもよい。

今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１，１Ａ 空気調和機、２ 室外機、３，３Ａ 室内機、１０ 圧縮機、２０ 四方弁、３０，３０Ａ〜３０Ｄ 室外熱交換器、３２，３２Ａ，５２，２０２ メイン熱交換器、３４，３４Ａ，５４，２０４ サブクール熱交換器、３６，３６Ｂ，３６Ｃ，５６ 切換装置、３６Ａ 三方弁、３８，５８ ファン、４０ 膨張弁、５０，５０Ａ 室内熱交換器、６２〜７２，１１２〜１１５，１４０，２０６，２１０，２１２ 配管、８２〜８８ 温度センサ、１００ 制御装置、１２０，１２０Ａ，２０８Ａ〜２０８Ｃ 伝熱管、１３０，１３２ 電磁弁、１３４ キャピラリチューブ、１３６，１３６Ａ 圧力開閉弁、１３８ 逆止弁、１５２ ダイヤフラム、１５４ 不凝縮性ガス、１５６ 感温筒、１５８ 弁体、１６０ 弁座、１６２ バネ、ｐ１〜ｐ７ ポート。

Claims (4)

1. 圧縮機、凝縮器、膨張弁及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を備え、
   前記凝縮器は、
   メイン熱交換器と、
   前記メイン熱交換器を通過した冷媒が流れるように構成されたサブクール熱交換器と、
   前記サブクール熱交換器から前記凝縮器の出側へ冷媒をバイパスするように構成されたバイパス回路とを含み、
   前記バイパス回路は、前記凝縮器の凝縮温度と外気温度との温度差が第１の温度差である場合には遮断され、前記温度差が前記第１の温度差よりも小さい第２の温度差である場合に、前記凝縮器の出側へ冷媒をバイパスするように構成される、冷凍サイクル装置。
2. 前記メイン熱交換器は、互いに並列に接続される複数のパスを含み、
   前記サブクール熱交換器は、少なくとも１つのパスを含み、
   前記サブクール熱交換器のパス数は、前記メイン熱交換器のパス数よりも少ない、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記サブクール熱交換器の伝熱管の管径は、前記メイン熱交換器の伝熱管の管径よりも小さい、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記凝縮器は、前記バイパス回路に設けられるキャピラリチューブをさらに含む、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。

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