WO2015198475A1 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

　冷凍サイクル装置１００は、冷媒熱交換器２０が冷媒容器５の内部に設けられ、冷媒熱交換器２０によって、バイパス回路３１を流れる冷媒と、冷媒容器５の内部に貯留されている冷媒と、が熱交換させるように構成されている。

Description

冷凍サイクル装置

　本発明は、冷媒容器を備えた冷凍サイクル装置に関するものである。

　レシーバを備えた冷凍サイクル装置が従来から知られている。
　そのようなものとして、「室外熱交換器とレシーバ間に膨張弁を配するとともに、該レシーバと室内熱交換器の間に過冷却器をレシーバとは別ユニットとして介装し、該過冷却器の伝熱管には過冷却器の下部から延設したバイパス回路を連通する構成としたヒートポンプ」が開示されている（たとえば、特許文献１参照）。

　また、「圧縮機、四方弁、室内熱交換器、第１の減圧装置、室外熱交換器を環状に接続し、前記室内熱交換器から温熱を供給する冷凍空調装置において、前記室内熱交換器と第１の減圧装置との間に中圧レシーバを設け、前記中圧レシーバ内の冷媒と前記室外熱交換器と前記圧縮機との間の冷媒とを熱交換する第１の内部熱交換器を備え、前記室内熱交換器と前記第１の減圧装置との間の冷媒を一部バイパスし、前記圧縮機内の圧縮室にインジェクションするインジェクション回路と、該インジェクション回路に第２の減圧装置および該第２の減圧装置で減圧された冷媒と前記室内熱交換器と前記第１の減圧装置との間の冷媒とを熱交換する第２の内部熱交換器と、前記インジェクション回路中の前記第２の内部熱交換器と前記圧縮機との間に冷媒加熱用熱源を備えた冷凍空調装置」が開示されている（たとえば、特許文献２参照）。

特開２０００―２８３５８３号公報（段落[００１５]～[００２１]等参照） 特開２００６―１１２７５３号公報（図１等参照）

　特許文献１に記載されているような技術においては、レシーバと過冷却器を別ユニットとして構成するようになっている。そのため、設置スペースが大きくなり、コストも増加してしまう。
　特許文献１の図１～図８には、膨張弁４５からレシーバへ流入する流入管端部がレシーバ上部に配置される一方、流出管端部はレシーバ下端に配置されていることが記載されている。そのため、冷暖の切り替えにより冷媒の流れ方向が逆になりレシーバ上部にある流入管６４端部が冷媒の流出部になると、レシーバ内に過剰な冷媒が溜まり、冷媒不足が発生することになる。
また、レシーバ内に流入し流出する冷媒と伝熱管６０を通過する冷媒とが対向流となるような構成としているため、伝熱管６０への流入位置はレシーバ流入管５１の端部よりも低く設置する必要があり、構造上の制約を受けてしまう。

　特許文献２に記載されているような技術においては、冷房もしくは暖房時にのみ第２内部熱交換器が利用可能であり、利用条件が限られている。
また、第２内部熱交換器は冷媒容器とは別に配置されるため、部品点数増加、設置スペース確保が困難といった問題点もある。
さらに、飽和液を第２内部熱交換器で冷却するため、蒸発器入口乾き度が大きく低下し、第２内部熱交換器が無い場合に比べて蒸発器内の冷媒量が増加してしまう。

　本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、冷媒容器を備えたものであって、サイクル効率を向上するとともに、低コスト化、省スペース化を図れるようにした冷凍サイクル装置を提供することを目的としている。

　本発明に係る冷凍サイクル装置は、圧縮機、冷媒流路切換装置、第１熱交換器、第１減圧装置、冷媒容器、第２減圧装置、第２熱交換器が配管接続された冷媒回路と、前記冷媒容器の内部に貯留されている冷媒の少なくとも一部を、第３減圧装置、冷媒熱交換器を介して前記圧縮機の吸入側に導くバイパス回路と、を有し、前記冷媒熱交換器は、前記冷媒容器の内部に設けられ、前記バイパス回路を流れる冷媒と、前記冷媒容器の内部に貯留されている冷媒と、を熱交換させるように構成されているものである。

　本発明に係る冷凍サイクル装置によれば、冷媒容器に貯留されている冷媒の一部をバイパスすることで低圧側を流れる冷媒の流量が減り、低圧側の圧損を抑制でき、サイクル効率が向上する。また、本発明に係る冷凍サイクル装置によれば、冷媒熱交換器を冷媒容器内に配置するため、二重管を設置するためのスペースが不要となり、低コスト化、省スペース化が図れる。

本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の回路構成の一例を示す概略回路図である。 本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の冷房運転時のｐ－ｈ線図である。 本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の回路構成の他の一例を示す概略回路図である。 本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の変形例の冷房運転時のｐ－ｈ線図である。 本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の回路構成の一例を示す概略回路図である。 本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の冷房運転時のｐ－ｈ線図の関係を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の冷房運転時のｐ－ｈ線図の関係を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置が実行する膨張弁３の制御処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の冷房運転時のｐ－ｈ線図の関係を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の回路構成の他の一例を示す概略回路図である。 本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の変形例の冷房運転時のｐ－ｈ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回路構成の一例を示しており、暖房運転時の冷媒の流れを示す概略回路図である。 本発明の実施の形態３に係る冷凍サイクル装置の回路構成の一例を示しており、暖房除霜運転時の冷媒の流れを示す概略回路図である。 冷媒容器の構成の一例を示す概略構成図である。

　以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。なお、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。また、図１を含め、以下の図面において、同一の符号を付したものは、同一又はこれに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通することとする。さらに、明細書全文に表わされている構成要素の形態は、あくまでも例示であって、これらの記載に限定されるものではない。

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１００の回路構成の一例を示す概略回路図である。図２は、冷凍サイクル装置１００の冷房運転時のｐ－ｈ線図である。図１及び図２に基づいて、冷凍サイクル装置１００の構成及び動作について説明する。この冷凍サイクル装置１００は、例えば一般的な家屋やビル、マンション等に設置され、蒸気圧縮式の冷凍サイクル運転を行うことによって、設置される室内等の空調対象域の冷房や暖房に使用されるものである。

＜冷凍サイクル装置１００の構成＞
　冷凍サイクル装置１００は、圧縮機１、第１熱交換器２、膨張弁（減圧装置）３、第２熱交換器４、冷媒容器（レシーバ）５、を有し、これらが配管接続されて冷媒回路（以下、主回路３０と称する）が形成される。なお、図１に示すように、圧縮機１の吐出側に冷媒流路切換装置６を設け、冷媒の流れを切り換え可能に構成してもよい。

　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、例えばインバーターにより周波数が制御されるモーターによって駆動される容積式圧縮機等で構成するとよい。
　第１熱交換器２は、圧縮機１の吐出側に設けられており、圧縮機１から供給される高温高圧の冷媒と熱媒体（たとえば、空気や水など）との間で熱交換を行い、冷媒を凝縮液化または蒸発ガス化するものである。第１熱交換器２は、その形式を特に限定するものではないが、例えば伝熱管と多数のフィンとにより構成されたクロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器で構成するとよい。

　膨張弁３は、冷媒容器５の前後に少なくとも２つ設けられている。
　膨張弁（第１減圧装置）３ａは、凝縮器として機能する第１熱交換器２の下流側に設置され、冷媒を減圧して膨張させるものである。この膨張弁３ａは、開度が可変に制御可能なもの、例えば電子式膨張弁等で構成するとよい。
　膨張弁（第２減圧装置）３ｂは、蒸発器として機能する第２熱交換器４の上流側に設置され、冷媒を減圧して膨張させるものである。この膨張弁３ｂは、開度が可変に制御可能なもの、例えば電子式膨張弁等で構成するとよい。

　第２熱交換器４は、圧縮機１の吸入側に設けられており、膨張弁３にから供給される低温低圧高圧の冷媒と熱媒体（たとえば、空気や水など）と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。第２熱交換器４は、その形式を特に限定するものではないが、例えば伝熱管と多数のフィンとにより構成されたクロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器で構成するとよい。

　冷媒流路切換装置６は、暖房運転時における冷媒の流れの方向と冷房運転時における熱源側冷媒の流れの方向とを切り換えるものである。冷房運転時には、冷媒流路切換装置６は、実線矢印で示されるように圧縮機１の吐出側と第１熱交換器２のガス側とを接続するように切り換え、第１熱交換器２を凝縮器として機能させ、第２熱交換器４を蒸発器として機能させる。暖房運転時には、冷媒流路切換装置６は、点線矢印で示されるように圧縮機１の吐出側と第２熱交換器４とを接続するように切り換え、第１熱交換器２を蒸発器として機能させ、第２熱交換器４を凝縮器として機能させる。

　冷媒容器５は、膨張弁３ａと膨張弁３ｂとの間に設置され、冷媒を貯留するものである。冷媒容器５には、配管（第１配管）５１と配管（第２配管）５２が連通して設けられている。配管５１は、冷媒の流れに応じて流入配管又は流出配管として機能する。配管５１も、冷媒の流れに応じて流出配管又は流入配管として機能する。図１に示すように、配管５１の冷媒容器５の内部における端部、及び、配管５２の冷媒容器５の内部における端部は、ともに冷媒容器５の下方（冷媒容器５の中心よりも下側）に配置される。

　また、冷媒容器５には、冷媒容器５の内部に貯留されている冷媒の少なくとも一部を取り出す分岐管２１の一端側が連通するように設けられている。分岐管２１の他端は、冷媒熱交換器２０から流出した冷媒を第２熱交換器４と圧縮機１との間の合流部２５に接続するように設けられている。
　分岐管２１には、冷媒容器５から流出した冷媒を減圧する膨張弁（第３減圧装置）３ｃが設けられている。
　さらに、冷媒容器５の内部には、膨張弁３ｃによって減圧した冷媒と冷媒容器５の内部における冷媒とを熱交換する冷媒熱交換器２０が設けられている。

　冷凍サイクル装置１００は、分岐管２１、膨張弁３ｃ、及び、冷媒熱交換器２０を介して、冷媒容器５の内部に貯留されている冷媒の少なくとも一部を、第２熱交換器４と圧縮機１との間の合流部２５に合流させるバイパス回路３１を備える。なお、分岐管２１のうち膨張弁３ｃと冷媒熱交換器２０とを接続している部分を分岐管中間部２２と称し、分岐管２１のうち冷媒熱交換器２０と合流部２５とを接続している部分を合流配管２３と称するものとする。

　また、冷凍サイクル装置１００は、冷凍サイクル装置１００を構成する各機器の動作を制御する制御装置５０を有している。そして、制御装置５０は、冷凍サイクル装置１００の制御を行うために設けられたマイクロコンピューターやメモリー等を有している。制御装置５０は、冷凍サイクル装置１００を個別に操作するためのリモコン（図示せず）との間で制御信号等のやりとりを行なうことができるようになっている。

＜冷凍サイクル装置１００の動作＞
　冷凍サイクル装置１００の動作の概要について冷房運転を例に説明する。図１では、冷房運転時の冷媒の流れを実線矢印で表している。図２に示すＡ～Ｉ（ｍ、ｎ、ｏを含む）は、図１に示すＡ～Ｉ（ｍ、ｎ、ｏを含む）の位置における冷媒の状態に対応している。

（主回路３０の冷媒の流れ）
　圧縮機１によって圧縮され吐出ガス（Ｂ）となって流出した高温高圧のガス冷媒は、冷媒配管を通じて第１熱交換器２の入口（Ｃ）へ至る。第１熱交換器２に流入した高温高圧のガス冷媒は、第１熱交換器２で冷却され、高温高圧の液冷媒（Ｄ）となり、膨張弁３ａへ流入する。膨張弁３ａで減圧され中圧となった冷媒は、冷媒容器５の配管５１より冷媒容器５の内部へ流入する（Ｅ）。

　冷媒容器５の内部では、分岐管２１によって冷媒熱交換器２０を流れる低温冷媒と冷媒容器５の内部の中温冷媒とが熱交換し、飽和液となって配管５２を経由して冷媒容器５から流出する（Ｆ）。冷媒容器５から流出した冷媒は、膨張弁３ｂでさらに減圧され、第２熱交換器４へ流入する（Ｇ）。第２熱交換器４に流入した低温冷媒は、第２熱交換器４で加熱され、乾き度が高い状態で流出する（Ｈ）。その後、冷媒配管を経由して圧縮機１の吸入部（Ａ）へ流入する。

（バイパス回路３１の冷媒の流れ）
　冷媒容器５の内部の冷媒の一部は、分岐管２１を介して冷媒容器５より流出させる（ｍ）。この冷媒は、膨張弁３ｃによって減圧され、低温冷媒となる（ｎ）。その後、冷媒容器５の内部に設けた冷媒熱交換器２０に流入し、冷媒容器５の内部の中温冷媒との温度差によって熱交換が行われて加熱される（ｏ）。そして、この冷媒は、合流配管２３を経由して、主回路３０の冷媒（Ｉ）と合流する。

　ここで、冷媒容器５について詳細に説明する。
　冷媒容器５の内部に貯留されている冷媒は、液部とガス部との二相の状態、つまり飽和状態となる。液部は冷媒容器５の下に溜まることから、配管５１又は配管５２のうち流出管となる端部を冷媒容器５の下方に配置している。
　なお、冷媒容器５を冷房及び暖房の双方で使う場合は、配管５１と配管５２の端部を、冷媒容器５の下方に配置し、かつ高さを一致させる構成とするとよい。これにより、冷暖の必要冷媒量差が不明でも、冷媒容器５の内部に貯留されている冷媒の量が溜まりこむことなく、正常な運転が可能となり、設計も容易となる。

　ここで、冷媒熱交換器２０について詳細に説明する。
　冷媒熱交換器２０は、内部に冷媒が流れる伝熱管を備えている。冷媒熱交換器２０に用いられる伝熱管には、一般的な円管や、円管表面に突起等の加工を施し、伝熱面積や熱伝達率を向上させたものを用いてもよい。また、表面積が大きい扁平形状の伝熱管を用いてもよい。
　なお、伝熱管の配置は、冷媒容器５の円周方向に積層させてもよいし、垂直方向に積層させてもよい。

　以上のように、冷凍サイクル装置１００は、バイパス回路３１を設けたことにより、冷媒の一部を圧縮機１の吸入側にバイパスすることができる。そのため、冷凍サイクル装置１００によれば、低圧側（膨張弁３から圧縮機１に至るまでの間）を流れる冷媒の流量が減り、低圧側圧損を抑制でき、サイクル効率が向上することになる。

　また、冷凍サイクル装置１００によれば、冷媒熱交換器２０を冷媒容器５の内部に配置するため、二重管を設置するためのスペースが不要となり、低コスト化、省スペース化が図れる。
　さらに、冷凍サイクル装置１００によれば、冷房及び暖房の両方で同様の効果が得られる。
　またさらに、冷凍サイクル装置１００によれば、冷媒容器５の下流側の膨張弁入口乾き度が飽和液となるため、従来技術に比べて蒸発器内の冷媒量が減少し、結果封入冷媒量が少なくて済む。

　なお、冷凍サイクル１００の運転中に吐出温度が高くなる場合でも、液状態の冷媒を圧縮機１の吸入側へバイパスすることで、吐出温度上昇を抑制することが可能となる。

　また、圧縮機１に高圧シェルを採用した場合、吐出温度が低いと冷凍機油に冷媒が溜まりこみ、冷凍機油の粘度が低下して、潤滑不良を引き起こす。それに対して、冷凍サイクル装置１００では、冷媒熱交換器２０によって過熱ガスとなった冷媒が圧縮機１の吸入側に吸引されるため、吐出温度低下を抑制できる。結果、Ｒ１２３４ｙｆやプロパンのように吐出温度が低い冷媒の場合を冷凍サイクル装置１００に用いても、信頼性低下を防止できる。

［冷凍サイクル装置１００の変形例］
　図３は、冷凍サイクル装置１００の回路構成の他の一例を示す概略回路図である。図４は、冷凍サイクル装置１００の変形例の冷房運転時のｐ－ｈ線図である。図３及び図４に基づいて、冷凍サイクル装置１００の変形例について説明する。図３では、冷房運転時の冷媒の流れを実線矢印で表している。図４に示すＡ～Ｉ（Ａ’、Ｘ、ｍ、ｎ、ｏを含む）は、図３に示すＡ～Ｉ（Ａ’、Ｘ、ｍ、ｎ、ｏを含む）の位置における冷媒の状態に対応している。

＜冷凍サイクル装置１００の変形例の構成＞
　図３に示すように、冷凍サイクル装置１００の変形例では、圧縮機１を多段構成又はインジェクション圧縮機とし、合流配管２３を低段側圧縮機１ａと高段側圧縮機１ｂとの間に接続、又は、圧縮機１のインジェクションポートに接続する。つまり、圧縮機１を多段構成とした場合には、バイパス回路３１の合流配管２３が低段側圧縮機１ａの吐出側と合流し、高段側圧縮機１ｂへ吸入されるようになっている。また、圧縮機１をインジェクション圧縮機とした場合には、バイパス回路３１の合流配管２３が圧縮機１のインジェクションポートと接続し、圧縮機１の中間圧部へ吸入されるようになっている。

＜冷凍サイクル装置１００の変形例の動作＞
（主回路３０の冷媒の流れ）
　低段側圧縮機１ａから吐出した冷媒（Ａ’）と、冷媒容器５の内部で加熱され流出した冷媒（ｏ）が合流し（Ｘ）、高段側圧縮機１ｂへ吸引され、圧縮される。高段側圧縮機１ｂによって圧縮され吐出ガス（Ｂ）となって流出した高温高圧のガス冷媒は、冷媒配管を通じて第１熱交換器２の入口（Ｃ）へ至る。第１熱交換器２に流入した高温高圧のガス冷媒は、第１熱交換器２で冷却され、高温高圧の液冷媒（Ｄ）となり、膨張弁３ａへ流入する。膨張弁３ａで減圧され中圧となった冷媒は、冷媒容器５の配管５１より冷媒容器５の内部へ流入する（Ｅ）。

　冷媒容器５の内部では、分岐管２１によって冷媒熱交換器２０を流れる低温冷媒と冷媒容器５の内部の中温冷媒とが熱交換し、飽和液となって配管５２を経由して冷媒容器５から流出する（Ｆ）。冷媒容器５から流出した冷媒は、膨張弁３ｂでさらに減圧され、第２熱交換器４へ流入する（Ｇ）。第２熱交換器４に流入した低温冷媒は、第２熱交換器４で加熱され、乾き度が高い状態で流出する（Ｈ）。その後、冷媒配管を経由して低段側圧縮機１ａの吸入部（Ａ）へ流入する。

（バイパス回路３１の冷媒の流れ）
　冷媒容器５の内部の冷媒の一部は、分岐管２１を介して冷媒容器５より流出させる（ｍ）。この冷媒は、膨張弁３ｃによって減圧され、低温冷媒となる（ｎ）。その後、冷媒容器５の内部に設けた冷媒熱交換器２０に流入し、冷媒容器５の内部の中温冷媒との温度差によって熱交換が行われて加熱される（ｏ）。そして、この冷媒は、合流配管２３を経由して、主回路３０の冷媒（Ａ’）と合流する。

　このような構成としても、図１及び図２で説明した冷凍サイクル装置１００と同様の効果を奏することができる。

実施の形態２．
　図５は、本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置２００の回路構成の一例を示す概略回路図である。図６及び図７は、冷凍サイクル装置２００の冷房運転時のｐ－ｈ線図の関係を示す図である。図５～図７に基づいて、冷凍サイクル装置２００について説明する。なお、実施の形態２では実施の形態１との相違点を中心に説明し、実施の形態１と同一部分には、同一符号を付して説明を省略するものとする。また、実施の形態１と同様の構成部分について適用される変形例は、本実施の形態２についても同様に適用される。

　冷凍サイクル装置２００は、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００と同様に、例えばビルやマンション等に設置され、蒸気圧縮式の冷凍サイクル運転を行うことによって、設置される空調対象域の冷房や暖房に使用されるものである。また、冷凍サイクル装置２００は、冷媒容器５の内部圧力を、膨張弁３を使用して調整するものである。

＜冷凍サイクル装置２００の構成＞
　冷凍サイクル装置２００の基本的な構成は、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００の構成と同様である。
　それに加えて、冷凍サイクル装置２００は、第１圧力センサ（高圧圧力検出手段）５５、第２圧力センサ（低圧圧力検出手段）５６、第３圧力センサ（中圧圧力検出手段）５７を有している。

　第１圧力センサ５５は、圧縮機１の吐出口から冷媒容器５の上流側の膨張弁３ａの入口までの間に設けられ、圧縮機１から吐出された冷媒の圧力（高圧圧力）を検出するものでる。
　第２圧力センサ５６は、冷媒容器５の下流側の膨張弁３ｂの出口から圧縮機１の吸入までの間に設けられ、圧縮機１に吸入する冷媒の圧力（低圧圧力）を検出するものである。
　第３圧力センサ５７は、冷媒容器５の上流側の膨張弁３ａの出口から冷媒容器５の下流側の膨張弁３ｂの入口までの間に設けられ、この間を流れる冷媒の圧力（中圧圧力）を検出するものである。
　なお、配管の二相部温度を検出し、検出した温度を圧力へ変換して利用するようにしてもよい。

　第１圧力センサ５５、第２圧力センサ５６、及び、第３圧力センサ５７で検出された圧力情報は、制御装置５０に送られる。
　制御装置５０は、冷媒容器５の上流側の膨張弁３ａの開度が所定値を上回った場合に、膨張弁３の前後の差圧を大きくするため、膨張弁３ｃの現在の開度を変化させる制御を行う。

＜冷凍サイクル装置２００の動作＞
（膨張弁３の開度と差圧の関係）
　流体の流量と膨張弁３の前後の差圧の関係をＣｖ値という無次元数によって式（１）のように表す。

　ここで、Ｍは流量［ｇａｌ／ｍｉｎ］、Ｇは比重、ΔＰは膨張弁３の前後の差圧［ｐｓｉ］である。

　Ｃｖ値とは、「バルブ（膨張弁）の特定な開度において、圧力差が１ｌｂ／ｉｎ^２［６．８９５ｋＰａ］のときバルブを流れる６０゜Ｆ（約１５．５℃）の温度の水の流量が、ＵＳｇａｌ／ｍｉｎ（１ＵＳｇａｌ＝３．７８５Ｌ）で表される数値（無次元）」と定義される。
　一般的に、バルブ（膨張弁）の選定を行う時に、流体仕様からＣｖ値を求め、弁メーカが示すＣｖ値と対比させることで弁種、口径を定める。つまり、Ｃｖ値の対比は、バルブの選定を行うときに用いられる簡便な方法のひとつである。
　式（１）より、流体の流量Ｍ、比重Ｇ、前後差圧ΔＰが求まれば、Ｃｖ値が求まる。

　つまり、差圧ΔＰが小さくなると、同一流量を流すためのＣｖ値、つまり膨張弁の開度が大きくなる。しかし、膨張弁の開度には上限が設けられており、上限以上になると膨張弁が適正に制御できなくなる。
　逆に、差圧ΔＰが大きくなり過ぎると、同一流量を流すためのＣｖ値が小さくなる。しかし、膨張弁の開度には下限が設けられており、下限値以下になるとやはり膨張弁が適正に制御できなくなる。

（膨張弁３の差圧と第１熱交換器２の出口過冷却度（サブクール））
　図６に示すように、冷媒容器５の内部に冷媒熱交換器２０を設置していない場合において、第１熱交換器２の出口過冷却度が小さいと、冷媒容器５が飽和状態とすると、冷媒容器５の上流側の膨張弁３ａの差圧は小さくなり、冷媒容器５の下流側の膨張弁３ｂの差圧は大きくなる。
　一方、図７に示すように、冷媒容器５の内部に冷媒熱交換器２０を設置していない場合において、第１熱交換器２の出口過冷却度が大きいと、冷媒容器５が飽和状態とすると、冷媒容器５の上流側の膨張弁３ａの差圧は大きくなり、冷媒容器５の下流側の膨張弁３ｂの差圧は小さくなる。
　このように、第１熱交換器２の出口過冷却度によって中圧、つまり冷媒容器５の内部の圧力が変化するため、膨張弁３の差圧へ影響を及ぼす。

（冷凍サイクル装置２００による膨張弁３の差圧確保）
　第１熱交換器２の出口過冷却度が小さくても、冷媒熱交換器２０の交換熱量を調整することで、中圧を下げることが可能となる。具体的には、冷媒熱交換器２０の交換熱量を大きくすれば、中間圧力は低下し、交換熱量が小さければ中間圧力は上昇する。そこで、冷凍サイクル装置２００では、膨張弁３ｃの開度を制御することによって、冷媒容器５の内部の冷媒熱交換器２０の交換熱量を調整するようになっている。

＜膨張弁３の制御処理の流れ＞
　図８は、冷凍サイクル装置２００が実行する膨張弁３の制御処理の流れを示すフローチャートである。図９は、冷凍サイクル装置２００の冷房運転時のｐ－ｈ線図の関係を示す図である。図８及び図９に基づいて、冷凍サイクル装置２００が実行する膨張弁３の制御処理の流れについて説明する。

　制御装置５０は、膨張弁３の開度を判定する（ステップＳ１０１）。つまり、制御装置５０は、通常の膨張弁３の制御で開度が決まった時に、膨張弁３の開度の上限及び下限の判定を始める。
　制御装置５０は、膨張弁３ａの開度が膨張弁３ａの開度の上限値以上であるかどうかを判定する（ステップＳ１０２）。
　膨張弁３ａの開度が膨張弁３ａの開度の上限値以上であると判定すると（ステップ１０２；ＹＥＳ）、制御装置５０は、膨張弁３ｃの開度を現在の開度よりも大きくする（ステップＳ１０３）。これにより、図９に示すように、膨張弁３ａの前後差圧を現在の差圧よりも大きくでき、冷媒容器５の内部の冷媒熱交換器２０の交換熱量を調整できる。

　一方、膨張弁３ａの開度が膨張弁３ａの開度の上限値以上でないと判定すると（ステップ１０２；ＮＯ）、制御装置５０は、膨張弁３ｂの開度が膨張弁３ｂの開度の下限値以下であるかどうかを判定する（ステップＳ１０４）。
　膨張弁３ｂの開度が膨張弁３ｂの開度の下限値以下であると判定すると（ステップ１０４；ＹＥＳ）、制御装置５０は、膨張弁３ｃの開度を現在の開度よりも小さくする（ステップＳ１０５）。これにより、図９に示すように、膨張弁３ｂの前後差圧を現在の差圧よりも大きくでき、冷媒容器５の内部の冷媒熱交換器２０の交換熱量を調整できる。
　また、膨張弁３ｂの開度が膨張弁３ｂの開度の下限値以下でないと判定すると（ステップ１０４；ＮＯ）、制御装置５０は、膨張弁３の開度を通常制御する（ステップＳ１０６）。

　以上のように、冷凍サイクル装置２００は、膨張弁３ｃによって、冷媒容器５の内部の冷媒熱交換器２０の交換熱量を調整することができる。そのため、冷凍サイクル装置２００によれば、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００と同様の効果を奏するだけでなく、膨張弁３ａ、膨張弁３ｂの前後差圧を適正な状態にできるので、膨張弁３の制御性が向上し、製品の品質も向上する。

＜冷凍サイクル装置２００の変形例の構成＞
　図１０は、冷凍サイクル装置２００の回路構成の他の一例を示す概略回路図である。図１１は、冷凍サイクル装置２００の変形例の冷房運転時のｐ－ｈ線図である。図１０及び図１１に基づいて、冷凍サイクル装置２００の変形例について説明する。図１０では、暖房運転時の冷媒の流れを実線矢印で表している。図１１に示すＡ～Ｉ（Ａ’、Ｘ、ｍ、ｎ、ｏを含む）は、図１０に示すＡ～Ｉ（Ａ’、Ｘ、ｍ、ｎ、ｏを含む）の位置における冷媒の状態に対応している。

＜冷凍サイクル装置２００の変形例の構成＞
　図１０に示すように、冷凍サイクル装置２００の変形例では、圧縮機１を多段構成又はインジェクション圧縮機としている。そして、合流配管２３を低段側圧縮機１ａの吸入側に接続する。また、冷媒容器５の出口側（図１０の場合は配管５１側）に、内部熱交換器７を設け、冷媒容器５と内部熱交換器７との間で配管５１を分岐し、膨張弁３ｄ及び内部熱交換器７を経由させて、低段側圧縮機１ａと高段側圧縮機１ｂとの間に接続している。つまり、冷凍サイクル装置２００の変形例は、配管５１、膨張弁（第４減圧装置）３ｄ、及び、内部熱交換器７を介して、冷媒容器５の内部に貯留されている冷媒の少なくとも一部を、低段側圧縮機１ａと高段側圧縮機１ｂとの間に合流させるバイパス回路３２を備える。

　バイパス回路３２を流れる冷媒は、膨張弁３ｄで減圧され、内部熱交換器７で加熱され、低段側圧縮機１ａの吐出側と合流する。
　膨張弁３ｄは、内部熱交換器７の交換熱量が大きく取れるように、冷媒容器５の内部の圧力が高くなるように開度が制御される。

＜冷凍サイクル装置２００の変形例の動作＞
　低段側圧縮機１ａから吐出した冷媒（Ａ’）と、内部熱交換器７で加熱された冷媒（ｑ）が合流し（Ｘ）、高段側圧縮機１ｂへ吸引され、圧縮される。高段側圧縮機１ｂによって圧縮され吐出ガス（Ｂ）となって流出した高温高圧のガス冷媒は、冷媒配管を通じて第２熱交換器４の入口（Ｈ）へ至る。第２熱交換器４に流入した高温高圧のガス冷媒は、第２熱交換器４で冷却され、高温高圧の液冷媒（Ｇ）となり、膨張弁３ｂへ流入する。膨張弁３ｂで減圧され中圧となった冷媒は、冷媒容器５の配管５２より冷媒容器５の内部へ流入する（Ｆ）。

　冷媒容器５の内部では、分岐管２１によって冷媒熱交換器２０を流れる低温冷媒と冷媒容器５の内部の中温冷媒とが熱交換し、飽和液となって配管５１を経由して冷媒容器５から流出する（Ｅ）。冷媒容器５から流出した冷媒（Ｅ）は、バイパス回路３２と、主回路３０と、に分岐される。バイパス回路３２に流れた液冷媒は、膨張弁３ｄによって減圧され、内部熱交換器７で加熱される（ｑ）。そして、低段側圧縮機１ａの吐出側（Ａ’）と合流し（Ｘ）、高段側圧縮機１ｂへ吸引される。インジェクション圧縮機の場合は、内部熱交換器で加熱された冷媒（ｑ）はインジェクションポートへ流入する。

　以上のように、冷凍サイクル装置２００の変形例は、上流側の膨張弁（図１０では膨張弁３ｂ）の開度が上限に達しない間、冷媒容器５の内部の圧力を、膨張弁３ｄを調整することで、上昇させる。こうすることにより、冷凍サイクル装置２００の変形例では、内部熱交換器７の液側（Ｅ）とガス側（ｐ）との温度差が拡大し、熱交換量も増加することになる。その結果、冷凍サイクル装置２００の変形例によれば、同一吐出過熱度（Ｂ）において、冷媒のバイパス量が増え、冷媒熱交換器２０が無い場合に比べて暖房能力が向上することになる。

実施の形態３．
　図１２は、本発明の実施の形態３に係る冷凍サイクル装置３００の回路構成の一例を示しており、暖房運転時の冷媒の流れを示す概略回路図である。図１３は、冷凍サイクル装置３００の回路構成の一例を示しており、暖房除霜運転時の冷媒の流れを示す概略回路図である。図１２及び図１３に基づいて、冷凍サイクル装置３００について説明する。なお、実施の形態３では実施の形態１、２との相違点を中心に説明し、実施の形態１、２と同一部分には、同一符号を付して説明を省略するものとする。また、実施の形態１、２と同様の構成部分について適用される変形例は、本実施の形態３についても同様に適用される。

　冷凍サイクル装置３００は、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００と同様に、例えばビルやマンション等に設置され、蒸気圧縮式の冷凍サイクル運転を行うことによって、設置される空調対象域の冷房や暖房に使用されるものである。また、冷凍サイクル装置３００は、連続暖房運転が可能な冷媒回路を備えている。

＜冷凍サイクル装置３００の構成＞
　冷凍サイクル装置３００の基本的な構成は、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００の構成と同様である。
　それに加えて、冷凍サイクル装置３００は、圧縮機１の吐出側と第２熱交換器４との間に開閉弁（第１開閉弁）８ａを設け、冷媒流路切換装置６と第２熱交換器４との間に開閉弁（第２開閉弁）８ｂを設けている。
　開閉弁８ａ、開閉弁８ｂは、開閉が制御されることで、冷媒を導通したりしなかったりするものである。

＜冷凍サイクル装置３００の動作＞
（通常の暖房運転時の冷媒の流れ）
　冷凍サイクル装置３００の通常の暖房運転時においては、開閉弁８ａを閉じ、開閉弁８ｂを開く。これにより、圧縮機１によって圧縮され吐出ガス（Ｂ）となって流出した高温高圧のガス冷媒は、冷媒配管を流れ、冷媒流路切換装置６及び開閉弁８ｂを通過して第２熱交換器４の入口（Ｈ）へ至る。第２熱交換器４に流入した高温高圧のガス冷媒は、第２熱交換器４で冷却され、高温高圧の液冷媒（Ｇ）となり、膨張弁３ｂへ流入する。膨張弁３ｂで減圧され中圧となった冷媒は、冷媒容器５の配管５２より冷媒容器５の内部へ流入する（Ｆ）。

　冷媒容器５の内部では、分岐管２１によって冷媒熱交換器２０を流れる低温冷媒と冷媒容器５の内部の中温冷媒とが熱交換し、飽和液となって配管５１を経由して冷媒容器５から流出する（Ｅ）。冷媒容器５から流出した冷媒は、膨張弁３ａでさらに減圧され、第１熱交換器２へ流入する（Ｄ）。第１熱交換器２に流入した低温冷媒は、第１熱交換器２で加熱され、乾き度が高い状態で流出する（Ｃ）。その後、冷媒配管を経由して圧縮機１の吸入部（Ａ）へ流入する。

　圧縮機１によって圧縮され吐出ガス（Ｂ）となって流出した高温高圧のガス冷媒は、冷媒配管を通じて第１熱交換器２の入口（Ｃ）へ至る。第１熱交換器２に流入した高温高圧のガス冷媒は、第１熱交換器２で冷却され、高温高圧の液冷媒（Ｄ）となり、膨張弁３ａへ流入する。膨張弁３ａで減圧され中圧となった冷媒は、冷媒容器５の配管５１より冷媒容器５の内部へ流入する（Ｅ）。

　冷媒容器５の内部では、分岐管２１によって冷媒熱交換器２０を流れる低温冷媒と冷媒容器５の内部の中温冷媒とが熱交換し、飽和液となって配管５２を経由して冷媒容器５から流出する（Ｆ）。冷媒容器５から流出した冷媒は、膨張弁３ｂでさらに減圧され、第２熱交換器４へ流入する（Ｇ）。第２熱交換器４に流入した低温冷媒は、第２熱交換器４で加熱され、乾き度が高い状態で流出する（Ｈ）。その後、冷媒配管を経由して圧縮機１の吸入部（Ａ）へ流入する。なお、バイパス回路３１の冷媒の流れは、実施の形態１で説明した通りである。

（暖房除霜運転時の冷媒の流れ）
　外気温度が低い条件で暖房運転を行うと、外気と熱交換を行う第１熱交換器２を構成しているフィン表面に霜が付着（着霜）することがある。着霜が発生することにより、フィン間が閉塞してくる。フィン間が閉塞してくるに伴い、次第に風量も低下してしまう。風量が低下すると、暖房能力が大きく低下することになる。そのため、霜を溶かす運転（除霜運転）が必要となる。

　冷凍サイクル装置３００の暖房除霜運転時においては、開閉弁８ａを開き、開閉弁８ｂを閉じる。これにより、圧縮機１によって圧縮され吐出ガス（Ｂ）となって流出した高温高圧のガス冷媒は、冷媒配管を流れ、開閉弁８ａへ流入する冷媒と、第１熱交換器２へ流入する冷媒とに分岐される。

　開閉弁８ａへ流入した冷媒は、第２熱交換器４で放熱して暖房熱源として使われる。
　一方、第１熱交換器２へ流入した冷媒は、第１熱交換器２に付着した霜を溶かすための熱源として使われる。
　各熱交換器を流出した冷媒は、冷媒容器５に流入し、合流する。この冷媒は、分岐管２１を通過し、膨張弁３ｃで減圧後に、冷媒熱交換器２０で加熱され、圧縮機１の吸入側へ合流する。

　図１４は、冷媒容器５の構成の一例を示す概略構成図である。冷媒容器５を図１４に示すような構成としてもよい。具体的には、冷媒容器５の内部に連通するガス戻し配管２４を冷媒容器５に設け、ガス戻し配管２４に開閉弁（第３開閉弁）８ｃを設け、ガス戻し配管２４の一端を圧縮機１の吸入側に配管接続する。なお、ガス戻し配管２４は、例えば一般的なアキュームレータ内に設けられているＵ字管と同様の構成とするとよい。

　以上のように、冷凍サイクル装置３００は、開閉弁８ａ、開閉弁８ｂを設けたことにより、暖房運転を継続しながら、除霜運転することが可能となっている。そのため、冷凍サイクル装置３００によれば、除霜運転する際に、暖房運転を停止しなくて済むので、快適性が向上する。また、冷凍サイクル装置３００は、冷媒容器５に冷媒が貯留されるため、圧縮機１への液バックが抑制できる。そのため、冷凍サイクル装置３００によれば、信頼性の低下を抑制できる。

　また、冷媒容器５を図１４に示す構成とすることにより、ガスもしくは乾き度の高い冷媒を圧縮機１へ吸入させることができることになる。そのため、図１４に示す構成の冷媒容器５を備えた冷凍サイクル装置３００によれば、圧縮機１への過度な液バックを更に効率よく抑制することができる。

　以上、本発明の特徴を実施の形態に分けて説明したが、具体的な構成は、これらの実施の形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。また、各実施の形態の特徴事項を用途や目的に応じて適宜組み合わせるようにしてもよい。さらに、各実施の形態に係る冷凍サイクル装置に使用する冷媒を特に限定するものではないことは上述したが、例示した冷媒の他にも、例えば自然冷媒（二酸化炭素（ＣＯ_２）、炭化水素、ヘリウムなど）、塩素を含まない代替冷媒（ＨＦＣ４１０Ａ、ＨＦＣ４０７Ｃ、ＨＦＣ４０４Ａなど）、もしくは既存の製品に使用されているフロン系冷媒（Ｒ２２、Ｒ１３４ａなど）の冷媒も使用可能である。

　１　圧縮機、１ａ　低段側圧縮機、１ｂ　高段側圧縮機、２　第１熱交換器、３　膨張弁、３ａ　膨張弁、３ｂ　膨張弁、３ｃ　膨張弁、３ｄ　膨張弁、４　第２熱交換器、５　冷媒容器、６　冷媒流路切換装置、７　内部熱交換器、８ａ　開閉弁、８ｂ　開閉弁、２０　冷媒熱交換器、２１　分岐管、２２　分岐管中間部、２３　合流配管、２４　ガス戻し配管、２５　合流部、３０　主回路、３１　バイパス回路、３２　バイパス回路、５０　制御装置、５１　配管、５２　配管、５５　第１圧力センサ、５６　第２圧力センサ、５７　第３圧力センサ、１００　冷凍サイクル装置、２００　冷凍サイクル装置、３００　冷凍サイクル装置。

Claims (12)

1. 　圧縮機、冷媒流路切換装置、第１熱交換器、第１減圧装置、冷媒容器、第２減圧装置、第２熱交換器が配管接続された冷媒回路と、
   　前記冷媒容器の内部に貯留されている冷媒の少なくとも一部を、第３減圧装置、冷媒熱交換器を介して前記圧縮機の吸入側に導くバイパス回路と、を有し、
   　前記冷媒熱交換器は、
   　前記冷媒容器の内部に設けられ、
   　前記バイパス回路を流れる冷媒と、前記冷媒容器の内部に貯留されている冷媒と、を熱交換させるように構成されている
   　冷凍サイクル装置。
2. 　前記第１減圧装置及び前記第２減圧装置により、前記冷媒容器に貯留される冷媒の圧力を中間圧力とする
   　請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 　前記第３減圧装置によって前記冷媒熱交換器での交換熱量を調整する
   　請求項１又は２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 　前記第１熱交換器を凝縮器、前記第２熱交換器を蒸発器として機能させている場合において、
   　前記第１減圧装置の開度が上限値以上であるとき、前記第３減圧装置の開度を現在の開度よりも大きくし、前記第１減圧装置の前後差圧を現在の差圧よりも大きくする
   　請求項３に記載の冷凍サイクル装置。
5. 　前記第１減圧装置の開度が上限値以上ではなく、前記第２減圧装置の開度が下限値以下であるとき、前記第３減圧装置の開度を現在の開度よりも小さくし、前記第２減圧装置の前後差圧を現在の差圧よりも大きくする
   　請求項４に記載の冷凍サイクル装置。
6. 　前記圧縮機の吐出側と前記第２熱交換器との間に第１開閉弁を設け、
   　前記冷媒流路切換装置と前記第２熱交換器との間に第２開閉弁を設け、
   　前記第１熱交換器を蒸発器、前記第２熱交換器を凝縮器として機能させている場合において、
   　前記第１開閉弁を開き、前記第２開閉弁を閉じ、
   　前記圧縮機から吐出された冷媒を、前記第１熱交換器及び前記第２熱交換器の双方に流し、前記第１熱交換器の除霜運転を実行し、前記冷媒容器で合流させてから前記圧縮機の吸入側へ流す
   　請求項１～５のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
7. 　前記冷媒容器の内部に連通するガス戻し配管を設け、前記ガス戻し配管に第３開閉弁を設け、前記ガス戻し配管の一端を前記圧縮機の吸入側に接続する
   　請求項６に記載の冷凍サイクル装置。
8. 　前記圧縮機は、
   　低段側圧縮機と高段側圧縮機とで構成されている
   　請求項１～７のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
9. 　前記圧縮機は、
   　インジェクション圧縮機で構成されている
   　請求項１～７のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
10. 　前記冷媒容器と前記第１減圧装置との間に内部熱交換器を設け、
    　前記冷媒容器と前記内部熱交換器との間で第１配管を分岐し、第４減圧装置及び前記内部熱交換器を経由させて、前記段側圧縮機と前記高段側圧縮機との間に接続している
    　請求項８に記載の冷凍サイクル装置。
11. 　前記第１減圧装置と前記冷媒容器とを接続する第１配管の前記冷媒容器の内部における端部、及び、前記第２減圧装置と前記冷媒容器とを接続する第２配管の前記冷媒容器の内部における端部を、ともに前記冷媒容器の中心よりも下側に配置する
    　請求項１～１０のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
12. 　前記第１配管と前記第２配管の前記冷媒容器の内部における端部の高さを、一致させている
    　請求項１１に記載の冷凍サイクル装置。

Images