WO2013160929A1

WO2013160929A1 - 冷凍サイクルシステム

Info

Publication number: WO2013160929A1
Application number: PCT/JP2012/002776
Authority: WO
Inventors: 悟梁池; 加藤　央平
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2012-04-23
Filing date: 2012-04-23
Publication date: 2013-10-31
Also published as: CN104246393B; CN104246393A; DE112013002162T5; US9822994B2; US20150075196A1; DE112013002162B4; WO2013161725A1; CN203421870U; JPWO2013161725A1; JP5901750B2

Abstract

　負荷側熱交換器３から流出した冷媒が、第１内部熱交換器７及び第２内部熱交換器８の高圧側流路をそれぞれ流通し、熱源側熱交換器６から流出した冷媒が、第１内部熱交換器７及び第２内部熱交換器８の低圧側流路をそれぞれ流通する並列運転モードと、負荷側熱交換器３から流出した冷媒が、第１内部熱交換器７の高圧側流路を流通したあと第２内部熱交換器８の高圧側流路を流通し、熱源側熱交換器６から流出した冷媒が、第１内部熱交換器７の低圧側流路を流通したあと第２内部熱交換器８の低圧側流路を流通する直列運転モードと、を切り替え可能である。

Description

冷凍サイクルシステム

　この発明は、凝縮器出口から膨張手段までの高圧側の冷媒と、蒸発器出口から圧縮機吸入までの低圧側の冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を備えた冷凍サイクルシステムに関する。

　従来の技術においては、凝縮器出口から膨張手段までの高圧側の冷媒と、蒸発器出口から圧縮機吸入までの低圧側の冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を備えた冷凍サイクルシステムが提案されている。内部熱交換器で高圧側の冷媒と低圧側の冷媒とが熱交換を行うことにより、蒸発器出口からの液冷媒を蒸発させることができ、圧縮機に過度の液冷媒が戻ること（以下、液バックと称する）を防止し、圧縮機の潤滑油の濃度減少による焼き付きが発生するのを防止する効果がある。また、蒸発器の出入口エンタルピ差を大きくすることで冷媒循環量を減らし、ＣＯＰ（冷房能力や暖房能力を入力で除した値）を向上させる効果がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０－２８２３８４号公報

　しかしながら、特許文献１の技術では、内部熱交換器の交換熱量は一定であるので、過渡的に負荷が変動して冷媒循環量が増加して液バックが生じた場合や、除霜運転で圧縮機に液冷媒が溜まった場合などに、内部熱交換器の交換熱量を大きくすることができない。このため、過渡的に負荷が変動した場合の液バックにより、圧縮機の循環用の油濃度が低下し、信頼性が低下するという問題点があった。
　この過渡的な液バックへの対処として、内部熱交換器の配管経路を長くすることや、内部熱交換器の配管を太くするなどして、伝熱面積を大きくする方法が考えられる。しかし、冷凍サイクルシステムにおいて、蒸発器出口から圧縮機吸入にかけての圧力損失は、ＣＯＰの低下に大きく影響する。内部熱交換器の配管経路を長くすると、液バック発生時には有効ではあるが、液バックが発生していない場合には圧力損失増大により、ＣＯＰが低下する。また、内部熱交換器の配管径を太くすると、冷媒流速が低下し、冷凍機油が冷媒の流れに乗って圧縮機に戻ることが出来なくなり、焼付きを引き起こしてしまう。

　また、圧縮機の吐出温度が過度に上昇すると、圧縮機を駆動するモーターの磁石が減磁し、圧縮機の性能の低下や喪失といった問題が起こる。このような場合には、圧縮機の吸入乾き度を下げて、吐出温度を抑えることが必要となる。特許文献１の技術のように、内部熱交換器の容量が固定の場合、吐出温度が異常上昇した場合にも内部熱交換器が熱交換するため、圧縮機吸入の乾き度を下げるのが困難である。

　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、液バックや吐出温度の異常上昇時の信頼性向上と高効率運転を両立できる冷凍サイクルシステムを提供するものである。

　本発明に係る冷凍サイクルシステムは、圧縮機（１）、負荷側熱交換器（３）、内部熱交換器（４）、膨張手段（５）、及び熱源側熱交換器（６）が配管で接続され、冷媒を循環させる冷媒回路を備え、前記内部熱交換器（４）は、高圧側流路を流れる冷媒と低圧側流路を流れる冷媒とが熱交換を行う第１内部熱交換器（７）と、高圧側流路を流れる冷媒と低圧側流路を流れる冷媒とが熱交換を行う第２内部熱交換器（８）と、前記第１内部熱交換器（７）及び前記第２内部熱交換器（８）の高圧側流路の一方側と、前記負荷側熱交換器（３）の出口側との間に設けられた第１高圧側流路切替装置（１１）と、前記第１内部熱交換器（７）及び前記第２内部熱交換器（８）の高圧側流路の他方側と、前記膨張手段（５）との間に設けられた第２高圧側流路切替装置（１２）と、前記第１高圧側流路切替装置（１１）と前記第２内部熱交換器（８）の高圧側流路とを接続する配管から分岐し、前記第２内部熱交換器（８）の高圧側流路と前記第２高圧側流路切替装置（１２）とを接続する高圧側バイパス配管（１３）と、前記第１内部熱交換器（７）及び前記第２内部熱交換器（８）の低圧側流路の一方側と、前記熱源側熱交換器（６）の出口側との間に設けられた第１低圧側流路切替装置（９）と、前記第１内部熱交換器（７）及び前記第２内部熱交換器（８）の低圧側流路の他方側と、前記圧縮機（１）との間に設けられた第２低圧側流路切替装置（１０）と、前記第１低圧側流路切替装置（９）と前記第２内部熱交換器（８）の低圧側流路とを接続する配管から分岐し、前記第２内部熱交換器（８）の低圧側流路と前記第２低圧側流路切替装置（１０）とを接続する低圧側バイパス配管（１４）と、を備え、前記第１高圧側流路切替装置（１１）、前記第２高圧側流路切替装置（１２）、前記第１低圧側流路切替装置（９）、及び、前記第２低圧側流路切替装置（１０）により冷媒の流路を切り替えることにより、前記負荷側熱交換器（３）から流出した冷媒が、前記第１内部熱交換器（７）及び前記第２内部熱交換器（８）の高圧側流路をそれぞれ流通したあと前記膨張手段（５）に流入し、前記熱源側熱交換器（６）から流出した冷媒が、前記第１内部熱交換器（７）及び前記第２内部熱交換器（８）の低圧側流路をそれぞれ流通して前記圧縮機（１）に流入する並列運転モードと、前記負荷側熱交換器（３）から流出した冷媒が、前記第１内部熱交換器（７）の高圧側流路を流通したあと前記第２内部熱交換器（８）の高圧側流路を流通し、前記高圧側バイパス配管（１３）を介して前記膨張手段（５）に流入し、前記熱源側熱交換器（６）から流出した冷媒が、前記第１内部熱交換器（７）の低圧側流路を流通したあと前記第２内部熱交換器（８）の低圧側流路を流通し、前記低圧側バイパス配管（１４）を介して前記圧縮機（１）に流入する直列運転モードと、を切り替え可能であることを特徴とする。

　本発明は、並列運転モードと直列運転モードとを切り替え可能とすることにより、液バックや吐出温度の異常上昇時の信頼性向上と高効率運転を両立できる冷凍サイクルシステムを得ることができる。

実施の形態１に係る冷凍サイクルシステムの構成を示す図である。実施の形態１に係る「並列運転モード」の冷媒回路構成を示す図である。実施の形態１に係る「並列運転モード」の圧力―エンタルピで示すサイクル特性図である。実施の形態１に係る「直列運転モード」の冷媒回路構成を示す図である。実施の形態１に係る「直列運転モード」の圧力―エンタルピで示すサイクル特性図である。実施の形態１に係る「直列運転モード」の液バック発生時の制御フローを示す図である。実施の形態１に係る「直列運転モード」の起動時と除霜復帰時の制御フローを示す図である。実施の形態１に係る「バイパス運転モード」の冷媒回路構成を示す図である。実施の形態１に係る「バイパス運転モード」の圧力―エンタルピで示すサイクル特性図である。実施の形態１に係る「バイパス運転モード」の制御フローを示す図である。実施の形態２に係る冷凍サイクルシステムの構成を示す図である。

実施の形態１．
　図１は、実施の形態１に係る冷凍サイクルシステムの構成を示す図である。
　図１に示すように、実施の形態１に係る冷凍サイクルシステムは、圧縮機１、四方弁２、負荷側熱交換器３、内部熱交換器４、膨張弁５、及び熱源側熱交換器６が冷媒配管で接続され、冷媒を循環させる冷媒回路を備えている。
　圧縮機１は、冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮して高温・高圧の状態にする。
　四方弁２は、圧縮機１、負荷側熱交換器３、内部熱交換器４、及び熱源側熱交換器６に接続される。四方弁２は、圧縮機１から吐出された冷媒の流路を切り替えるとともに、内部熱交換器４へ流入する冷媒の流路を切り替える。
　負荷側熱交換器３は、凝縮器（放熱器）又は蒸発器として機能し、熱媒体（空気や水など）と冷媒との間で熱交換を行い、冷媒を凝縮液化又は蒸発ガス化するものである。負荷側熱交換器３は、例えば伝熱管と多数のフィンとにより構成されるクロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器により構成され、例えば図示省略の送風手段から供給される空気（熱媒体）と冷媒との間で熱交換を行う。
　膨張弁５は、冷媒を減圧して膨張させるものである。この膨張弁５は、例えば開度が可変に制御可能である電子式膨張弁により構成される。なお、膨張弁５は、本発明における「膨張手段」に相当する。
　熱源側熱交換器６は、蒸発器や凝縮器（放熱器）として機能し、熱媒体（空気や水など）と冷媒の間で熱交換を行い、冷媒を蒸発ガス化又は凝縮液化するものである。熱源側熱交換器６は、例えば伝熱管と多数のフィンとにより構成されるクロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器により構成され、例えば図示省略の送風機から供給される空気（熱媒体）と冷媒との間で熱交換を行う。

　内部熱交換器４は、第１内部熱交換器７、第２内部熱交換器８、第１低圧側三方弁９、第２低圧側三方弁１０、第１高圧側三方弁１１、第２高圧側三方弁１２、第２高圧側バイパス配管１３、第２低圧側バイパス配管１４、第１低圧側バイパス配管１５、及び、第１高圧側バイパス配管１６を備えている。

　第１内部熱交換器７は、高圧側流路及び低圧側流路を有し、高圧側流路を流れる冷媒と低圧側流路を流れる冷媒との間で熱交換を行う。
　第２内部熱交換器８は、高圧側流路及び低圧側流路を有し、高圧側流路を流れる冷媒と低圧側流路を流れる冷媒との間で熱交換を行う。

　第１高圧側三方弁１１は、第１内部熱交換器７及び第２内部熱交換器８の高圧側流路の一方側（上流側）と、負荷側熱交換器３の出口側との間に設けられている。第１高圧側三方弁１１は、第１内部熱交換器７の高圧側流路と、第２内部熱交換器８の高圧側流路と、負荷側熱交換器３の出口側とを接続し、冷媒の流路を切り替える。
　第１高圧側バイパス配管１６は、第１内部熱交換器７の高圧側流路と第２内部熱交換器８の高圧側流路とを接続する配管から分岐し、第２高圧側三方弁１２に接続する。
　第２高圧側三方弁１２は、第１内部熱交換器７及び第２内部熱交換器８の高圧側流路の他方側（下流側）と、膨張弁５との間に設けられている。第２高圧側三方弁１２は、第１高圧側バイパス配管１６と、第２高圧側バイパス配管１３と、膨張弁５とを接続し、冷媒の流路を切り替える。
　第２高圧側バイパス配管１３は、第１高圧側三方弁１１と第２内部熱交換器８の高圧側流路とを接続する配管から分岐し、第２内部熱交換器８の高圧側流路と第２高圧側三方弁１２とを接続する。
　なお、第１高圧側三方弁１１は、本発明における「第１高圧側流路切替装置」に相当する。また、第２高圧側三方弁１２は、本発明における「第２高圧側流路切替装置」に相当する。また、第２高圧側バイパス配管１３は、本発明における「高圧側バイパス配管」に相当する。

　第１低圧側三方弁９は、第１内部熱交換器７及び第２内部熱交換器８の低圧側流路の一方側（上流側）と、熱源側熱交換器６の出口側との間に設けられている。第１低圧側三方弁９は、第１内部熱交換器７の低圧側流路と、第２内部熱交換器８の低圧側流路と、負荷側熱交換器３の出口側とを接続し、冷媒の流路を切り替える。
　第１低圧側バイパス配管１５は、第１内部熱交換器７の低圧側流路と第２内部熱交換器８の低圧側流路とを接続する配管から分岐し、第２低圧側三方弁１０に接続する。
　第２低圧側三方弁１０は、第１内部熱交換器７及び第２内部熱交換器８の低圧側流路の他方側（下流側）と、圧縮機１との間に設けられている。第２低圧側三方弁１０は、第１低圧側バイパス配管１５と、第２低圧側バイパス配管１４と、圧縮機１とを接続し、冷媒の流路を切り替える。
　第２低圧側バイパス配管１４は、第１低圧側三方弁９と第２内部熱交換器８の低圧側流路とを接続する配管から分岐し、第２内部熱交換器８の低圧側流路と第２低圧側三方弁１０とを接続する。
　なお、第１低圧側三方弁９は、本発明における「第１低圧側流路切替装置」に相当する。また、第２低圧側三方弁１０は、本発明における「第２低圧側流路切替装置」に相当する。また、第２低圧側バイパス配管１４は、本発明における「低圧側バイパス配管」に相当する。

　なお、第１高圧側三方弁１１、第２高圧側三方弁１２、第１低圧側三方弁９、及び、第２低圧側三方弁１０は、三方弁に限らず流路を切り替えられるものであればよい。例えば、開閉弁等の二方流路の開閉を行うものを複数組み合わせることで、流路を切り替えるようにしても良い。

　また、図示省略の制御装置は、マイコン等で構成されており、圧縮機１の駆動周波数、四方弁２の切り替え、膨張弁５の開度等を制御する。また制御装置は、第１高圧側三方弁１１、第２高圧側三方弁１２、第１低圧側三方弁９、及び、第２低圧側三方弁１０により冷媒の流路を切り替えることにより、後述する各運転モードを実行する。

　次に、本実施の形態１に係る冷凍サイクルシステムの運転動作について説明する。
　本実施の形態１における冷凍サイクルシステムは、並列運転モード、直列運転モード、及びバイパス運転モードを切り替え可能である。

　まず、「並列運転モード」について説明する。
　図２は、実施の形態１に係る「並列運転モード」の冷媒回路構成を示す図である。
　並列運転モードでは、負荷側熱交換器３から流出した冷媒が、第１内部熱交換器７の高圧側流路と、第２内部熱交換器８の高圧側流路の双方に流入するように、第１高圧側三方弁１１を設定する。
　また、第１内部熱交換器７及び第２内部熱交換器８の高圧側流路を経て、第１高圧側バイパス配管１６を通過した冷媒が膨張弁５に流入し、第２高圧側バイパス配管１３を通過した冷媒が膨張弁５に流入しないように、第２高圧側三方弁１２を設定する。
　また、熱源側熱交換器６から流出し四方弁２を通過した冷媒が、第１内部熱交換器７の低圧側流路の低圧側流路と、第２内部熱交換器８の低圧側流路の双方に流入するように、第１低圧側三方弁９を設定する。
　また、第１内部熱交換器７及び第２内部熱交換器８の低圧側流路を経て、第１低圧側バイパス配管１５を通過した冷媒が圧縮機１に流入し、第２低圧側バイパス配管１４を通過した冷媒が圧縮機１に流入しないように、第２低圧側三方弁１０を設定する。

　これにより、負荷側熱交換器３から流出した冷媒が、第１内部熱交換器７及び第２内部熱交換器８の高圧側流路をそれぞれ流通したあと膨張弁５に流入する。そして、熱源側熱交換器６から流出した冷媒が、第１内部熱交換器７及び第２内部熱交換器８の低圧側流路をそれぞれ流通して圧縮機１に流入する。

　続いて、暖房運転時の冷媒の流れに沿って、各要素の機能と冷媒の状態について、図３を用いて説明する。
　図３は、実施の形態１に係る「並列運転モード」の圧力―エンタルピで示すサイクル特性図である。
　圧縮機１を吐出した冷媒は高温高圧のガス冷媒になる（点Ａ）。高温高圧のガス冷媒は四方弁２を通過し、負荷側熱交換器３で熱媒体（空気や水など）と熱交換することで凝縮し、高圧の液冷媒となる（点Ｂ）。そして、内部熱交換器４では、第１内部熱交換器７と第２内部熱交換器８に並列に冷媒が流通し、高圧液の冷媒と低圧ガスの冷媒とが熱交換することで、高圧液の冷媒が冷却される（点Ｃ）。高圧液の冷媒は膨張弁５で減圧され低圧二相の冷媒となる（点Ｄ）。低圧二相の冷媒は、熱源側熱交換器６で熱媒体（空気や水など）と熱交換することで蒸発する（点Ｅ）。そして、内部熱交換器４では、第１内部熱交換器７と第２内部熱交換器８に並列に冷媒が流通し、高圧液の冷媒と低圧ガスの冷媒とが熱交換することで冷媒が過熱され（点Ｆ）、圧縮機１の吸入へと戻る。

　なお、負荷側熱交換器３や熱源側熱交換器６の熱交換を促進、調節するために、空気を熱媒体とする場合には送風機、水などの液体を熱媒体とする場合にはポンプなどを用い、空気の風量や水の流量を増減させてもよい。後述する他の運転モードにおいても同様である。

　冷凍サイクルシステムにおいて負荷変動や除霜運転など、過渡的に液バックが生じると、圧縮機１の潤滑用の油（以下、冷凍機油）の濃度が薄まり、潤滑不足となり圧縮機が焼付く問題が生じる。
　この過渡的な液バックへの対処方法としては、特許文献１の技術のように、内部熱交換器４の配管経路を長くすることや、内部熱交換器４の配管を太くするなどして、伝熱面積を大きくする方法が考えられる。しかし、冷凍サイクルシステムにおいて、蒸発器出口から圧縮機吸入にかけての圧力損失は、ＣＯＰの低下に大きく影響する。内部熱交換器４の配管経路を長くすると、液バック発生時には有効ではあるが、液バックが発生していない場合には圧力損失増大により、ＣＯＰが低下する。また、内部熱交換器４の配管径を太くすると、冷媒流速が低下し、冷凍機油が冷媒の流れに乗って圧縮機１に戻ることが出来なくなり、焼付きを引き起こしてしまう。
　本実施の形態１における「並列運転モード」では、第１内部熱交換器７と第２内部熱交換器８の断面積を、冷凍機油が冷媒の流れに乗って圧縮機１に戻ることができる程度の冷媒流速となるように設定する。このようにしておけば、圧力損失を抑えつつ、熱交換を行うことができ、信頼性を確保しつつ高いＣＯＰでの運転が可能である。

　このような「並列運転モード」において、負荷変動などで、過渡的に液バックが生じた場合には、極力早く圧縮機１の吸入へ戻る液冷媒の量を減らす必要がある。
　このような場合に、本実施の形態１に係る冷凍サイクルシステムは「直列運転モード」に切り換える。

　次に、「直列運転モード」について説明する。
　図４は、実施の形態１に係る「直列運転モード」の冷媒回路構成を示す図である。
　直列運転モードでは、負荷側熱交換器３から流出した冷媒が、第１内部熱交換器７の高圧側流路に流入し、第２内部熱交換器８の高圧側流路には流入しないように、第１高圧側三方弁１１を設定する。
　また、第１内部熱交換器７の高圧側流路を通過した冷媒が第１高圧側バイパス配管１６を介して膨張弁５へ流入しないようにし、第２高圧側バイパス配管１３を通過した冷媒が膨張弁５に流入するように、第２高圧側三方弁１２を設定する。
　また、熱源側熱交換器６から流出し四方弁２を通過した冷媒が、第１内部熱交換器７の低圧側流路の低圧側流路に流入し、第２内部熱交換器８の低圧側流路には流入しないように、第１低圧側三方弁９を設定する。
　また、第１内部熱交換器７の低圧側流路を通過した冷媒が第１低圧側バイパス配管１５を介して圧縮機１へ流入しないようにし、第２低圧側バイパス配管１４を通過した冷媒が圧縮機１に流入するように、第２低圧側三方弁１０を設定する。

　これにより、負荷側熱交換器３から流出した冷媒が、第１内部熱交換器７の高圧側流路を流通したあと第２内部熱交換器８の高圧側流路を流通し、第２高圧側バイパス配管１３を介して膨張弁５に流入する。そして、熱源側熱交換器６から流出した冷媒が、第１内部熱交換器７の低圧側流路を流通したあと第２内部熱交換器８の低圧側流路を流通し、第２低圧側バイパス配管１４を介して圧縮機１に流入する。

　続いて、暖房運転時の冷媒の流れに沿って、各要素の機能と冷媒の状態について、図５を用いて説明する。
　図５は、実施の形態１に係る「直列運転モード」の圧力―エンタルピで示すサイクル特性図である。
　圧縮機１を吐出した冷媒は高温高圧のガス冷媒になる（点Ｇ）。高温高圧のガス冷媒は四方弁２を通過し、負荷側熱交換器３で熱媒体（空気や水など）と熱交換することで凝縮し、高圧の液冷媒となる（点Ｈ）。そして、内部熱交換器４では、第１内部熱交換器７と第２内部熱交換器８に直列に冷媒が流通し、高圧液の冷媒と低圧ガスの冷媒とが熱交換することで、第１内部熱交換器７と第２内部熱交換器８の二段階で高圧液の冷媒が冷却される（点Ｉ、点Ｊ）。高圧液の冷媒は膨張弁５で減圧され低圧二相の冷媒となる（点Ｋ）。低圧二相の冷媒は、熱源側熱交換器６で熱媒体（空気や水など）と熱交換することで蒸発する（点Ｌ）。そして、内部熱交換器４では、第１内部熱交換器７と第２内部熱交換器８に直列に冷媒が流通し、高圧液の冷媒と低圧ガスの冷媒とが熱交換することで、第１内部熱交換器７と第２内部熱交換器８の二段階で過熱され（点Ｍ、点Ｎ）、圧縮機１の吸入へと戻る。

　ここで、「直列運転モード」における効果について説明する。
　「並列運転モード」では、第１内部熱交換器７と第２内部熱交換器８が冷媒の流れ方向に対し並列となり内部熱交換器４を構成するのに対し、「直列運転モード」では、第１内部熱交換器７と第２内部熱交換器８が冷媒の流れ方向に対し直列となり内部熱交換器４を構成する点が異なる。第１内部熱交換器７と第２内部熱交換器８が並列に並ぶ場合と、直列に並ぶ場合では、高圧冷媒と低圧冷媒が熱交換を行う伝熱面積は同じであるが、熱伝達率は直列に並ぶほうが大きい。このため、液バック発生時には、内部熱交換器４の伝熱性能が高く、圧縮機１の吸入に戻る液冷媒をより多く蒸発させることが出来る「直列運転モード」の方が信頼性が向上する。

　一般に、交換熱量Ｑ、熱交換器の伝熱面積Ａ、熱伝達率Ｋ、高圧冷媒と低圧冷媒の温度差ｄＴの間には、式（１）で表される関係がある。

　第１内部熱交換器７と第２内部熱交換器８とに並列に冷媒が流れる場合と、直列に冷媒が流れる場合では、伝熱面積Ａは同じである。また、温度差ｄＴもほぼ同等と考えられる。そのため、内部熱交換器４の交換熱量Ｑは、熱伝達率Ｋの与える影響が大きい。

　熱伝達率Ｋは単相乱流の式として、式（２）に示す、Ｄｉｔｔｕｓ－Ｂｏｅｌｔｅｒの式が知られている。

　ここで、α：熱伝達率、ｄ：代表長さ、λ：動粘性係数、ｕ：冷媒流速、ν：動粘性係数、ａ：温度伝導率、δ：高圧側と低圧側を区切る板の厚み、λ’：高圧側と低圧側を区切る板の熱伝導率、α_ｉ：管内側の熱伝達率、α_ｏ：管外側の熱伝達率、である。

　このＤｉｔｔｕｓ－Ｂｏｅｌｔｅｒの式において、Ｎｕは熱伝達の大小を表現する無次元数、Ｐｒは物性の影響を表現する無次元数、Ｒｅは流れの乱れの影響を表現する無次元数である。
　第１内部熱交換器７と第２内部熱交換器８に並列に冷媒が流れる場合と直列に冷媒が流れる場合で、物性値が同じとすると、Ｐｒは第１内部熱交換器７と第２内部熱交換器８が並列の場合と直列の場合とで同じであるため、ＲｅがＮｕに最も影響を与える。

　並列運転モードの場合、冷媒は第１内部熱交換器７と第２内部熱交換器８にそれぞれ分かれて流れるのに対し、直列運転モードの場合は、第１内部熱交換器７を通過した後、第２内部熱交換器８を通過する。このため、直列運転モードの場合、並列運転モードの場合と比較して、２倍の流量の冷媒が第１内部熱交換器７と第２内部熱交換器８に流れることになる。よって、直列運転モードの場合、冷媒流速の増大によりＲｅが増加し、熱伝達が促進され、より大きな交換熱量を得ることができる。
　つまり、液バック発生時には、直列運転モードにより、第１内部熱交換器７と第２内部熱交換器８に直列に冷媒が流れるようにすれば、内部熱交換器４での交換熱量が大きくなり、より多くの液冷媒をガス化して圧縮機１の吸入へ戻せるため、冷凍機油の液冷媒による希釈を軽減でき、信頼性が向上する。

　さらに、直列運転モードにおける効果として、起動開始時や、除霜運転から通常運転に移行する除霜復帰での暖房能力の立ち上がり速度の向上が考えられる。起動開始時や除霜復帰時には、冷凍サイクルシステムを構成する配管や熱交換器などが冷えた状態にある。このため、起動時や除霜復帰時には、一端、冷えた配管や熱交換器を加熱する必要がある。そのため、負荷側に高温の空気や水を供給するまでに時間を要し、使用者の不快感に繋がる。

　起動開始時や除霜復帰時には、「直列運転モード」とすることで、圧縮機１の吸入の乾き度を大きくすることができ、圧縮機１の吐出温度が上昇するため、冷えた配管や熱交換器などを効率よく加熱することができ、負荷側に高温の吹き出し空気や水を素早く供給できる。

　ここで、並列運転モードにおいて、圧縮機１への液バックの発生を検知した場合、直列運転モードに切り替える制御動作について説明する。
　図６は、実施の形態１に係る「直列運転モード」の液バック発生時の制御フローを示す図である。以下、図６に基づき説明する。
　ＳＴＥＰ１で、制御装置は液バックの発生の有無を判断する。液バック発生の判断は、例えば、圧縮機１の吐出部に圧力センサーと温度センサーを取り付け、温度センサーで測定した温度と、圧力センサーで測定した圧力から演算した冷媒の飽和温度との差である吐出過熱度が、所定値を下回った場合に、液バック発生と判断する。また例えば、圧縮機１の吸入部に圧力センサーと温度センサーを取り付け、温度センサーで測定した温度と、圧力センサーで測定した圧力から演算した冷媒の飽和温度との差である吸入過熱度が、所定値を下回った場合に、液バック発生と判断する。
　ＳＴＥＰ１で、液バックが発生していないと判断すると、「並列運転モード」に切り替え、継続して液バック発生の有無を確認する。
　ＳＴＥＰ１で液バックが発生したと判断した場合には、ＳＴＥＰ２で「直列運転モード」に切り換える。
　ＳＴＥＰ３で、制御装置は、「直列運転モード」へ切り換え後に、液バックが継続して発生しているかを判断する。液バックが継続して発生している場合には、「直列運転モード」を継続する。
　ＳＴＥＰ３で液バックが解消したと判断した場合には、ＳＴＥＰ４で「並列運転モード」に切り換え、ＳＴＥＰ１に戻り上記動作を繰り返す。

　なお、液バック発生の有無を判断後、即座に「並列運転モード」と「直列運転モード」の切り替えを行うと、液バック発生の判断値の前後で冷凍サイクルシステムが動作している場合には、切り替えが頻繁に起こるため、機器が不安定になる可能性がある。そこで、液バック発生の継続時間や閾値の前後に猶予範囲を持たせるなどして、ディファレンシャルを設けると良い。

　次に、冷凍サイクルシステムの運転を開始した場合（起動開始時）、又は、除霜運転を終了した場合（除霜復帰時）、直列運転モードへの切り替え制御動作について説明する。
　図７は、実施の形態１に係る「直列運転モード」の起動時と除霜復帰時の制御フローを示す図である。
　ＳＴＥＰ１で、制御装置は、起動開始又は除霜復帰の有無を判断する。起動開始の判断は、例えばリモコン等からの操作指示により冷凍サイクルシステムの運転を開始させた場合に、起動開始を判断する。除霜復帰の判断は、例えばホットガス方式による除霜運転の場合、暖房運転時に蒸発器として機能する熱源側熱交換器６に対し、一時的に四方弁２を切り替えることで圧縮機１からのホットガスを供給する除霜運転のあと、四方弁２を切り替えて再び熱源側熱交換器６を蒸発器として機能させた場合に、除霜復帰を判断する。
　ＳＴＥＰ１で、起動開始又は除霜復帰を検知しない場合には、「並列運転モード」に切り替え、継続して起動開始又は除霜復帰の有無を判断する。
　ＳＴＥＰ１で、起動開始又は除霜復帰を検知すると、ＳＴＥＰ２で「直列運転モード」に切り換える。
　ＳＴＥＰ３で、制御装置は、「直列運転モード」の運転時間が所定時間経過したか否かを判断する。所定時間経過していない場合には、「直列運転モード」を継続する。この所定時間は、例えば、機器が十分に温まる時間を設定する。
　ＳＴＥＰ３で液バックが解消したと判断した場合には、ＳＴＥＰ４で「並列運転モード」に切り換え、ＳＴＥＰ１に戻り上記動作を繰り返す。
　ＳＴＥＰ３で所定時間経過した場合には、ＳＴＥＰ４で「並列運転モード」に切り換え、ＳＴＥＰ１に戻り上記動作を繰り返す。

　なお、ＳＴＥＰ３では、所定時間経過を判断基準にしているが、他の判断基準として、圧縮機１の吐出部の過熱度若しくは冷媒温度が所定値以上である場合に並列運転モードに切り替えるようにしてもよい。

　次に、「バイパス運転モード」について説明する。
　圧縮機１の吐出温度が過度に上昇すると、圧縮機１を駆動するモーターの磁石が減磁し、圧縮機１の性能の低下や喪失といった問題が起こる。このような場合には、圧縮機１の吸入乾き度を下げて、吐出温度を抑えることが必要となる。特許文献１の技術のように、内部熱交換器の容量が固定の場合、吐出温度が異常上昇した場合にも内部熱交換器が熱交換するため、圧縮機吸入の乾き度を下げるのが困難である。
　本実施の形態１に係る冷凍サイクルシステムの「バイパス運転モード」では、内部熱交換器４の交換熱量をゼロにすることができ、吐出温度の異常上昇に対して早急に対応できるため、信頼性が向上する。

　図８は、実施の形態１に係る「バイパス運転モード」の冷媒回路構成を示す図である。
　バイパス運転モードでは、負荷側熱交換器３から流出した冷媒が、第１内部熱交換器７の高圧側流路に流入しないようにし、第２高圧側バイパス配管１３に流入するように、第１高圧側三方弁１１を設定する。
　また、第２内部熱交換器８の高圧側流路を通過した冷媒が第１高圧側バイパス配管１６を介して膨張弁５へ流入しないようにし、第２高圧側バイパス配管１３を通過した冷媒が膨張弁５に流入するように、第２高圧側三方弁１２を設定する。
　また、熱源側熱交換器６から流出し四方弁２を通過した冷媒が、第１内部熱交換器７の低圧側流路の低圧側流路に流入しないようにし、第２低圧側バイパス配管１４に流入するように、第１低圧側三方弁９を設定する。
　また、第２内部熱交換器８の低圧側流路を通過した冷媒が第１低圧側バイパス配管１５を介して圧縮機１へ流入しないようにし、第２低圧側バイパス配管１４を通過した冷媒が圧縮機１に流入するように、第２低圧側三方弁１０を設定する。

　これにより、負荷側熱交換器３から流出した冷媒が、第１内部熱交換器７及び第２内部熱交換器８を経ずに、第２高圧側バイパス配管１３を介して膨張弁５に流入する。そして、熱源側熱交換器６から流出した冷媒が、第１内部熱交換器７及び第２内部熱交換器８を経ずに、第２低圧側バイパス配管１４を介して圧縮機１に流入する。

　続いて、暖房運転時の冷媒の流れに沿って、各要素の機能と冷媒の状態について、図９を用いて説明する。
　図９は、実施の形態１に係る「バイパス運転モード」の圧力―エンタルピで示すサイクル特性図である。
　圧縮機１を吐出した冷媒は高温高圧のガス冷媒になる（点Ｏ）。高温高圧のガス冷媒は四方弁２を通過し、負荷側熱交換器３で熱媒体（空気や水など）と熱交換することで凝縮し、高圧の液冷媒となる（点Ｐ）。負荷側熱交換器３を流出した高圧の液冷媒は、内部熱交換器４をバイパスして膨張弁５に流入する（点Ｐ）。高圧液の冷媒は膨張弁５で減圧され低圧二相の冷媒となる（点Ｑ）。低圧二相の冷媒は、熱源側熱交換器６で熱媒体（空気や水など）と熱交換することで蒸発する（点Ｒ）。そして、熱源側熱交換器６を流出した冷媒は内部熱交換器４をバイパスし（点Ｒ）、圧縮機１の吸入へと戻る。

　上記のように冷媒回路を構成することで、内部熱交換器４の交換熱量をゼロにすることができ、圧縮機１の吐出温度が異常上昇した場合には圧縮機１の吸入乾き度を下げることができ、信頼性が向上する。

　次に、並列運転モードとバイパス運転モードとを切り替える制御動作について説明する。
　図１０は、実施の形態１に係る「バイパス運転モード」の制御フローを示す図である。以下、図１０に基づき説明する。
　ＳＴＥＰ１で、制御装置は、圧縮機１の吐出部の冷媒温度（吐出温度）が、所定値以上であるか否かを判断する。この吐出温度は、圧縮機１の吐出部に温度センサーを設置して検知するとよい。
　ＳＴＥＰ１で、吐出温度が所定値以上でないと判断すると、「並列運転モード」に切り替え、継続して吐出温度が所定値以上であるか否か確認する。
　ＳＴＥＰ１で吐出温度が所定値以上であると判断した場合には、ＳＴＥＰ２で「バイパス運転モード」に切り換える。
　ＳＴＥＰ３で、制御装置は、「バイパス運転モード」に切り換えた後、吐出温度が所定値未満であるか否かを判断する。吐出温度が所定値未満でない場合には、「バイパス運転モード」を継続する。
　ＳＴＥＰ３で吐出温度が所定値未満であると判断した場合には、ＳＴＥＰ４で「並列運転モード」に切り換え、ＳＴＥＰ１に戻り上記動作を繰り返す。

　なお、「バイパス運転モード」への切り替えの判断基準である、吐出温度の所定値前後で冷凍サイクル装置が動作している場合には、頻繁に「バイパス運転モード」と「並列運転モード」が切り替わるため、機器が不安定になる可能性がある。そこで、継続時間や閾値の前後に猶予範囲を持たせるなど、ディファレンシャルを持たせるとよい。

　なお、上記の説明では、第１内部熱交換器７及び第２内部熱交換器８は、高圧側流路を流れる冷媒と低圧側流路を流れる冷媒とが並行流である場合を説明したが、第１内部熱交換器７及び第２内部熱交換器８の高圧側流路を流れる冷媒と低圧側流路を流れる冷媒とが対向流としても良い。このような対向流とすることで、さらに交換熱量を増やすことができる。

　以上のように本実施の形態１においては、過渡的に負荷が変動して液バックが発生した場合に直列運転モードとする、内部熱交換器４の伝熱性能を増加させることができ、液バック状態を解消することができ、信頼性を向上させることができる。
　また、液バックが発生していない場合や吐出温度が異常でない場合には並列運転モードとすることで、状況に応じて内部熱交換器４の交換熱量を増加させたり、圧力損失を抑えたりすることができ、信頼性向上と高効率化を両立できる。
　さらに、圧縮機１の吐出温度が過度に上昇した場合にバイパス運転モードとすることで、内部熱交換器４の交換熱量をゼロにすることができ、吐出温度をすばやく下げることができる。

実施の形態２．
　図１１は、実施の形態２に係る冷凍サイクルシステムの構成を示す図である。
　本実施の形態２における冷凍サイクルシステムは、上記実施の形態１の構成に加え、負荷側熱交換器３、第１高圧側三方弁１１、膨張弁５、及び熱源側熱交換器６に接続したブリッジ回路１７を備えている。ブリッジ回路１７は、逆止弁１７ａ～１７ｄがブリッジ接続されて構成される。

　暖房運転時においては、四方弁２を切り替えて、圧縮機１から吐出された冷媒が負荷側熱交換器３に流入し、熱源側熱交換器６を流出した冷媒が第１低圧側三方弁９へ流入するように設定する。これにより、負荷側熱交換器３を凝縮器として機能させ、熱源側熱交換器６を蒸発器として機能させる。
　この暖房運転時において、負荷側熱交換器３を流出した冷媒は、ブリッジ回路１７の逆止弁１７ｂを流通して、内部熱交換器４へ至る。内部熱交換器４を流出し膨張弁５を通過した冷媒は、ブリッジ回路１７の逆止弁１７ｄを流通して熱源側熱交換器６へ至る。

　また、冷房運転時においては、四方弁２を切り替えて、圧縮機１から吐出された冷媒が熱源側熱交換器６に流入し、負荷側熱交換器３を流出した冷媒が第１低圧側三方弁９へ流入するように設定する。これにより、負荷側熱交換器３を蒸発器として機能させ、熱源側熱交換器６を凝縮器として機能させる。
　この冷房運転時において、熱源側熱交換器６を流出した冷媒は、ブリッジ回路１７の逆止弁１７ａを流通して、内部熱交換器４へ至る。内部熱交換器４を流出し膨張弁５を通過した冷媒は、ブリッジ回路１７の逆止弁１７ｃを流通して負荷側熱交換器３へ至る。

　このように本実施の形態２においては、ブリッジ回路１７を備えることで、暖房運転および冷房運転の何れの場合においても、負荷側熱交換器３及び熱源側熱交換器６のうち凝縮器として機能する熱交換器からの冷媒を、第１高圧側三方弁１１に流入させ、膨張弁５から流出した冷媒を、負荷側熱交換器３及び熱源側熱交換器６のうち蒸発器として機能する熱交換器に流入させる。よって、冷房運転と暖房運転の双方で内部熱交換器４が機能するため、冷房運転時にも高効率運転と信頼性向上の効果が得られる。

　１　圧縮機、２　四方弁、３　負荷側熱交換器、４　内部熱交換器、５　膨張弁、６　熱源側熱交換器、７　第１内部熱交換器、８　第２内部熱交換器、９　第１低圧側三方弁、１０　第２低圧側三方弁、１１　第１高圧側三方弁、１２　第２高圧側三方弁、１３　第２高圧側バイパス配管、１４　第２低圧側バイパス配管、１５　第１低圧側バイパス配管、１６　第１高圧側バイパス配管、１７　ブリッジ回路、１７ａ　逆止弁、１７ｂ　逆止弁、１７ｃ　逆止弁、１７ｄ　逆止弁。

Claims

　圧縮機（１）、負荷側熱交換器（３）、内部熱交換器（４）、膨張手段（５）、及び熱源側熱交換器（６）が配管で接続され、冷媒を循環させる冷媒回路を備え、
　前記内部熱交換器（４）は、
　高圧側流路を流れる冷媒と低圧側流路を流れる冷媒とが熱交換を行う第１内部熱交換器（７）と、
　高圧側流路を流れる冷媒と低圧側流路を流れる冷媒とが熱交換を行う第２内部熱交換器（８）と、
　前記第１内部熱交換器（７）及び前記第２内部熱交換器（８）の高圧側流路の一方側と、前記負荷側熱交換器（３）の出口側との間に設けられた第１高圧側流路切替装置（１１）と、
　前記第１内部熱交換器（７）及び前記第２内部熱交換器（８）の高圧側流路の他方側と、前記膨張手段（５）との間に設けられた第２高圧側流路切替装置（１２）と、
　前記第１高圧側流路切替装置（１１）と前記第２内部熱交換器（８）の高圧側流路とを接続する配管から分岐し、前記第２内部熱交換器（８）の高圧側流路と前記第２高圧側流路切替装置（１２）とを接続する高圧側バイパス配管（１３）と、
　前記第１内部熱交換器（７）及び前記第２内部熱交換器（８）の低圧側流路の一方側と、前記熱源側熱交換器（６）の出口側との間に設けられた第１低圧側流路切替装置（９）と、
　前記第１内部熱交換器（７）及び前記第２内部熱交換器（８）の低圧側流路の他方側と、前記圧縮機（１）との間に設けられた第２低圧側流路切替装置（１０）と、
　前記第１低圧側流路切替装置（９）と前記第２内部熱交換器（８）の低圧側流路とを接続する配管から分岐し、前記第２内部熱交換器（８）の低圧側流路と前記第２低圧側流路切替装置（１０）とを接続する低圧側バイパス配管（１４）と、
を備え、
　前記第１高圧側流路切替装置（１１）、前記第２高圧側流路切替装置（１２）、前記第１低圧側流路切替装置（９）、及び、前記第２低圧側流路切替装置（１０）により冷媒の流路を切り替えることにより、
　前記負荷側熱交換器（３）から流出した冷媒が、前記第１内部熱交換器（７）及び前記第２内部熱交換器（８）の高圧側流路をそれぞれ流通したあと前記膨張手段（５）に流入し、前記熱源側熱交換器（６）から流出した冷媒が、前記第１内部熱交換器（７）及び前記第２内部熱交換器（８）の低圧側流路をそれぞれ流通して前記圧縮機（１）に流入する並列運転モードと、
　前記負荷側熱交換器（３）から流出した冷媒が、前記第１内部熱交換器（７）の高圧側流路を流通したあと前記第２内部熱交換器（８）の高圧側流路を流通し、前記高圧側バイパス配管（１３）を介して前記膨張手段（５）に流入し、前記熱源側熱交換器（６）から流出した冷媒が、前記第１内部熱交換器（７）の低圧側流路を流通したあと前記第２内部熱交換器（８）の低圧側流路を流通し、前記低圧側バイパス配管（１４）を介して前記圧縮機（１）に流入する直列運転モードと、を切り替え可能である
ことを特徴とする冷凍サイクルシステム。
　前記並列運転モードにおいて、前記圧縮機（１）への液バックの発生を検知した場合、
　前記直列運転モードに切り替える
ことを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクルシステム。
　当該冷凍サイクルシステムの運転を開始した場合、又は、除霜運転を終了した場合、前記直列運転モードに切り替え、
　前記直列運転モードの運転時間が所定時間経過した場合、又は、前記圧縮機（１）の吐出部の過熱度若しくは冷媒温度が所定値以上の場合、前記並列運転モードに切り替える
ことを特徴とする請求項１または２記載の冷凍サイクルシステム。
　前記第１高圧側流路切替装置（１１）、前記第２高圧側流路切替装置（１２）、前記第１低圧側流路切替装置（９）、及び、前記第２低圧側流路切替装置（１０）により冷媒の流路を切り替えることにより、
　前記負荷側熱交換器（３）から流出した冷媒が、前記第１内部熱交換器（７）及び前記第２内部熱交換器（８）を経ずに、前記高圧側バイパス配管（１３）を介して前記膨張手段（５）に流入し、前記熱源側熱交換器（６）から流出した冷媒が、前記第１内部熱交換器（７）及び前記第２内部熱交換器（８）を経ずに、前記低圧側バイパス配管（１４）を介して前記圧縮機（１）に流入するバイパス運転モードに切り替え可能である
ことを特徴とする請求項１～３の何れか一項に記載の冷凍サイクルシステム。
　前記圧縮機（１）の吐出部の冷媒温度が所定値以上の場合、前記バイパス運転モードに切り替え、
　前記圧縮機（１）の吐出部の冷媒温度が所定値未満の場合、前記並列運転モードに切り替える
ことを特徴とする請求項４記載の冷凍サイクルシステム。
　前記第１内部熱交換器（７）の高圧側流路を流れる冷媒と低圧側流路を流れる冷媒とが対向流であり、
　前記第２内部熱交換器（８）の高圧側流路を流れる冷媒と低圧側流路を流れる冷媒とが対向流である
ことを特徴とする請求項１～５の何れか一項に記載の冷凍サイクルシステム。
　前記圧縮機（１）から吐出された冷媒の流路を、前記負荷側熱交換器（３）から前記熱源側熱交換器（６）に切り替えるとともに、前記第１低圧側流路切替装置（９）へ流入する冷媒の流路を、前記熱源側熱交換器（６）から前記負荷側熱交換器（３）に切り替える四方弁（２）と、
　前記負荷側熱交換器（３）、前記第１高圧側流路切替装置（１１）、前記膨張手段（５）、及び前記熱源側熱交換器（６）に接続したブリッジ回路（１７）と、
を備え、
　前記ブリッジ回路（１７）は、
　前記負荷側熱交換器（３）及び前記熱源側熱交換器（６）のうち凝縮器として機能する熱交換器からの冷媒を、前記第１高圧側流路切替装置（１１）に流入させ、
　前記膨張手段（５）から流出した冷媒を、前記負荷側熱交換器（３）及び前記熱源側熱交換器（６）のうち蒸発器として機能する熱交換器に流入させる
ことを特徴とする請求項１～６の何れか一項に記載の冷凍サイクルシステム。