WO2017060986A1

WO2017060986A1 - 冷凍サイクル装置

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Publication number: WO2017060986A1
Application number: PCT/JP2015/078485
Authority: WO
Inventors: 正紘伊藤; 航祐田中; 拓也伊藤; 靖大越; 和之石田
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2015-10-07
Filing date: 2015-10-07
Publication date: 2017-04-13
Also published as: JPWO2017060986A1; JP6433602B2

Abstract

冷房モードから暖房モードに切り替えたときの液バックを抑制することのできる冷凍サイクル装置を提供する。　冷凍サイクル装置１は、第一熱交換器４と主減圧装置５との間から分岐して主減圧装置と第二熱交換器６との間に接続され、主減圧装置と並列に設けられたバイパス回路８、８Ａを備え、バイパス回路は、第一熱交換器よりも重力方向において下側に配置されており、冷房モードから暖房モードへ運転が切り替わる際、圧縮機２が動作している状態で流路切替装置３は第二流路を形成し、その後、圧縮機が停止し、主減圧装置が閉じ、その後、液移動時間が経過すると、主減圧装置及び圧縮機が暖房モードの負荷に基づいて動作する。

Description

冷凍サイクル装置

　本発明は、冷房モードと暖房モードとを切り替えて運転することのできる冷凍サイクル装置に関する。

　従来、気液分離器を圧縮機の吸入側に設け、蒸発した冷媒が気液分離器で気液分離された後、圧縮機に吸い込まれて再び圧縮されるように構成されたチリングユニットが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許第５４０１５６３号公報（第１０頁、図８）

　冷凍サイクル装置においては、減圧装置を通過した後の液冷媒は、蒸発器として機能する熱交換器においてガス冷媒となり、このガス冷媒が圧縮機に吸入される。圧縮機が吸入する冷媒はガス状態であるのが理想的である。液冷媒が圧縮機に吸入されると、圧縮機の故障を招く可能性があり、また冷凍サイクルの運転効率を低下させるからである。液冷媒が圧縮機に吸入される液バックが生じないように、蒸発器の出口側、つまり圧縮機の吸入側の過熱度を目標値に近づけるように減圧装置を過熱度制御する冷凍サイクル装置もある。

　ところが、冷房モードから暖房モードへモードを切り替えて運転すると、液バックが生じるおそれがあった。具体的には、冷房モードの際には凝縮器として機能する熱交換器に冷媒が滞留しており、この状態で冷房モードから暖房モードへ運転を切り替えると、冷凍回路の高低圧が反転し、凝縮器の冷媒が圧縮機に向かう流れとなり、液バックが生じるおそれがあった。このため、冷房モードから暖房モードに切り替えたときでも液バックを抑制することのできる冷凍サイクル装置が望まれていた。

　特許文献１に記載の装置では、圧縮機の吸入側に気液分離器（アキュムレータ）を設けることで、圧縮機に液冷媒が流入するのを抑制している。ここで、アキュムレータの容積は、圧縮機への液冷媒の流入を抑制するため、冷凍サイクル装置内を循環する全冷媒量の７割程度とされるのが一般的である。アキュムレータは一般に圧縮機や流路切替装置等とともに機械室等の筐体に設置されるが、アキュムレータの容積が大きいため、機械室の筐体も大型化してしまう。機械室が設置される例えば屋上や専用敷地のスペースは限られていることから、アキュムレータの小型化のためにも、液バックを抑制できる冷凍サイクル装置が望まれていた。

　本発明は、上述のような課題を背景としてなされたものであり、冷房モードから暖房モードに切り替えたときの液バックを抑制することのできる冷凍サイクル装置を提供するものである。

　本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機と、第一熱交換器と、前記第一熱交換器と直列に接続された第二熱交換器と、前記第一熱交換器と前記第二熱交換器との間に接続された主減圧装置と、冷房モードで前記圧縮機から吐出された冷媒を前記第一熱交換器に流す第一流路を形成し、暖房モードで前記圧縮機から吐出された冷媒を前記第二熱交換器に流す第二流路を形成する流路切替装置と、前記第一熱交換器と前記主減圧装置との間から分岐して前記主減圧装置と前記第二熱交換器との間に接続され、前記主減圧装置と並列に設けられたバイパス回路と、を備え、前記バイパス回路及び前記第二熱交換器は、前記第一熱交換器よりも重力方向において下側に配置されており、前記冷房モードから前記暖房モードへ運転が切り替わる際、前記圧縮機が動作している状態で前記流路切替装置は前記第二流路を形成し、その後、前記圧縮機が停止し、前記主減圧装置が閉じ、その後、液移動時間が経過すると、前記主減圧装置及び前記圧縮機が前記暖房モードの負荷に基づいて動作するものである。

　本発明によれば、冷房モードから暖房モードに移行したときの圧縮機への液バックを抑制することができる。

実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の回路構成図である。実施の形態１に係る冷凍サイクル装置のハードウェア構成図である。実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の、冷房モードから暖房モードへ運転を切り替えるときの制御フローチャートである。実施の形態１に係る過渡運転におけるアクチュエータの動作を説明するタイミングチャートである。実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の回路構成図であり、過渡運転の状態を示している。実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の回路構成図であり、暖房モードの状態を示している。実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の回路構成図である。実施の形態２に係る過渡運転におけるアクチュエータの動作を説明するタイミングチャートである。

　本発明の実施の形態に係る冷凍サイクル装置について図面を参照して説明する。なお、各図面では、各構成部材の相対的な寸法関係または形状等が実際のものとは異なる場合がある。

実施の形態１．
［冷凍サイクル装置の構成］
　図１は、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の回路構成図である。図１では、冷媒の流れる経路を太線で概念的に示すとともに、冷媒の流れる方向を矢印で示している。図１に示すように、冷凍サイクル装置１は、圧縮機２と、圧縮機２の吐出側に設けられた流路切替装置３と、第一熱交換器４と、主減圧装置５と、第二熱交換器６と、アキュムレータ７とが配管で接続された冷凍回路を有する。冷凍サイクル装置１には、第一熱交換器４と主減圧装置５から分岐して主減圧装置５と第二熱交換器６との間に接続され、主減圧装置５と並列に設けられた回路であるバイパス回路８が設けられている。冷凍回路の内部には、二酸化炭素やＲ４１０Ａ等の相変化を伴う冷媒が循環する。実施の形態１で例示する冷凍サイクル装置１は、第二熱交換器６で加熱または冷却された水回路１４の水が室内の空調等に利用される、チリングユニットの一部として機能する。なお、水回路１４及びポンプ１５は、本発明に係る冷凍サイクル装置に必須の構成ではない。

　圧縮機２は、低圧冷媒を吸入して圧縮し、高圧冷媒として吐出する。圧縮機２は、冷媒の吐出容量が可変な、例えばインバータ圧縮機である。冷凍サイクル装置１内の冷媒循環量は、圧縮機２の吐出容量を調整することにより制御される。

　主減圧装置５は、高圧冷媒を減圧する。開度を調整可能な弁体を備えた装置、例えば電子制御式膨張弁を主減圧装置５として用いることができる。

　流路切替装置３は、圧縮機２の吐出側を第一熱交換器４に接続するとともに圧縮機２の吸入側を第二熱交換器６に接続して、圧縮機２から吐出された冷媒を第一熱交換器４に流す第一流路を形成する動作と、圧縮機２の吐出側を第二熱交換器６に接続するとともに圧縮機２の吸入側を第一熱交換器４に接続して、圧縮機２から吐出された冷媒を第二熱交換器６に流す第二流路を形成する動作と、を選択的に行う。流路切替装置３は、冷媒が流れる配管に設けられた弁体を有し、この弁体の開閉状態を切り替えることによって上述のような流路の切り替えを行う装置である。

　第一熱交換器４は、冷媒が流れる流路を有する冷媒－空気熱交換器である。第一熱交換器４では、流路を流れる冷媒と、流路の外部の空気との間で熱交換が行われる。第一熱交換器４の近傍には送風機１３が設けられており、送風機１３からの空気によって第一熱交換器４における熱交換が促進される。送風機１３は、例えば回転数が可変の送風機であり、第一熱交換器４における冷媒の吸熱量は、送風機１３の回転数を調整することにより調整される。

　第二熱交換器６は、冷媒が流れる流路と水回路１４の水が流れる流路とを有する冷媒－水熱交換器である。第二熱交換器６では、冷媒と水との間で熱交換が行われる。

　冷凍サイクル装置１は、冷房と暖房とを切り替えて運転できる。冷房モードでは、流路切替装置３が圧縮機２の吐出側を第一熱交換器４に接続して圧縮機２から吐出された冷媒を第一熱交換器４に流す第一流路を形成し、第一熱交換器４は凝縮器として機能するとともに第二熱交換器６は蒸発器として機能する。暖房モードでは、流路切替装置３が圧縮機２の吐出側を第二熱交換器６を接続して圧縮機２から吐出された冷媒を第二熱交換器６に流す第二流路を形成し、第一熱交換器４は蒸発器として機能するとともに第二熱交換器６は凝縮器として機能する。第一熱交換器４が熱源側熱交換器として機能し、第二熱交換器６が利用側熱交換器として機能する。冷房モードと暖房モードで要求される負荷を考慮し、第一熱交換器４の熱交換容量は、第二熱交換器６の熱交換容量よりも大きい。なお、第一熱交換器４及び第二熱交換器６は、冷媒が流れる流路を有する熱交換器であればよく、熱交換対象は上記の例に限定されない。

　アキュムレータ７は、内部に冷媒を貯留する容器であり、圧縮機２の吸入側に設置されている。アキュムレータ７の上部には冷媒が流入する配管が接続され、下部には冷媒が流出する配管が接続されており、アキュムレータ７内において冷媒が気液分離される。気液分離されたガス冷媒は、圧縮機２に吸入される。

　バイパス回路８は、第一熱交換器４と主減圧装置５との間と、主減圧装置５と第二熱交換器６との間を接続する回路であって、主減圧装置５と並列に設けられた回路である。バイパス回路８には、第一熱交換器４に近い側から順に、第一副減圧装置９と、冷媒タンク１１と、第二副減圧装置１０とが、直列に接続されている。すなわち、二つの減圧装置である第一副減圧装置９と第二副減圧装置１０との間に、冷媒タンク１１が配置されている。なお、説明の便宜上、冷凍サイクル装置１を構成する冷凍回路のうち、バイパス回路８を除く回路であって、圧縮機２、第一熱交換器４、主減圧装置５、及び第二熱交換器６が接続された回路を、メイン回路と称することがある。

　第一副減圧装置９及び第二副減圧装置１０は、高圧冷媒を減圧する。開度を調整可能な弁体を備えた装置、例えば電子制御式膨張弁を、第一副減圧装置９及び第二副減圧装置１０として用いることができる。冷媒タンク１１は、内部に冷媒を貯留する容器である。

［冷凍サイクル装置１の構成要素の位置関係］
　冷凍サイクル装置１を構成する要素のうち、第二熱交換器６及び冷媒タンク１１は、重力方向において第一熱交換器４よりも下側に設けられている。より望ましくは、さらに圧縮機２及びアキュムレータ７が、第一熱交換器４よりも重力方向において下側に設けられている。具体的には、図１に符号Ａで示す第一熱交換器４の下端部は、図１に符号Ｂで示す圧縮機２、アキュムレータ７、第二熱交換器６、及び冷媒タンク１１の下端部よりも高い位置にある。より望ましくは、第一熱交換器４の下端部Ａよりも下側に、圧縮機２、アキュムレータ７、第二熱交換器６、及び冷媒タンク１１の上端部が位置している。例えば、圧縮機２、アキュムレータ７、第二熱交換器６、及び冷媒タンク１１を、機械室などの筐体の底面に設置し、この機械室を構成する筐体の上側に、第一熱交換器４を設置することができる。

［冷媒タンク１１と第二熱交換器６の容積］
　冷媒タンク１１の容積と、第二熱交換器６の容積との合計は、全冷媒の容積以上である。例えば、密度が１０００ｋｇ／ｍ^３の冷媒を１４ｋｇ用いた場合、冷媒タンク１１と第二熱交換器６の容積の合計は、１４Ｌ以上である。この場合、例えば冷媒タンク１１の容積を８．５Ｌ、第二熱交換器６の容積を５．５Ｌとすることができるが、冷媒タンク１１及び第二熱交換器６の具体的な容積はこれに限定されない。

［ハードウェア構成］
　図２は、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置のハードウェア構成図である。冷凍サイクル装置１は、全体の制御を司る制御装置２０を備える。制御装置２０は、圧縮機２、流路切替装置３、主減圧装置５、第一副減圧装置９、第二副減圧装置１０、及び送風機１３に対して指令を出すことにより、これらアクチュエータの動作を制御する。制御装置２０は、メモリ２１及びタイマ２２を有する。また、制御装置２０は、機能ブロックとして、液移動時間経過判定部２３を有する。

　制御装置２０は、メモリ２１に格納されるプログラムを実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサともいう）で構成される。

　制御装置２０がＣＰＵの場合、制御装置２０が実行する各機能は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアやファームウェアはプログラムとして記述され、メモリ２１に格納される。ＣＰＵは、メモリ２１に格納されたプログラムを読み出して実行することにより、制御装置２０の各機能を実現する。ここで、メモリ２１は、例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ等の、不揮発性または揮発性の半導体メモリである。

　なお、制御装置２０の機能の一部を専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェアまたはファームウェアで実現するようにしてもよい。ハードウェアで実現する場合には、例えば、単一回路、複合回路、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、またはこれらを組み合わせたものが用いられる。

　液移動時間経過判定部２３は、タイマ２２が計測する時間をカウントし、後述する液移動運転における液移動時間が経過したか否かを判定する。液移動時間は、予め定められてメモリ２１に記憶されている。

［冷房モードから暖房モードへの切り替え］
　図３は、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の、冷房モードから暖房モードへ運転を切り替えるときの制御フローチャートである。図３に示すように、冷房モードから暖房モードへ切り替えるときには、冷房モード（Ｓ１）の後、過渡運転（Ｓ２）を経てから暖房モード（Ｓ３）を実行する。

　過渡運転（Ｓ２）では、制御装置２０は、圧縮機２を減速させ（Ｓ２１）、流路切替装置３を暖房モード側に切り替える（Ｓ２２）。次に、制御装置２０は、圧縮機２を停止させ（Ｓ２３）、主減圧装置５を閉じる（Ｓ２４）。続けて制御装置２０は、第一副減圧装置９及び第二副減圧装置１０を開状態に制御し（Ｓ２５）、液移動時間が経過するまで待機する（Ｓ２６）。液移動時間が経過すると（Ｓ２６：Ｙｅｓ）、制御装置２０は、暖房モードに移行する（Ｓ３）。

　暖房モード（Ｓ３）では、制御装置２０は、主減圧装置５の開度を、暖房モードで要求される設定開度に制御する（Ｓ３１）。続けて制御装置２０は、第一副減圧装置９及び第二副減圧装置１０を、暖房モードで要求される設定開度に制御する（Ｓ３２）。その後制御装置２０は、圧縮機２を駆動する（Ｓ３３）。

　以上、冷房モードから過渡運転を経て暖房モードを開始する制御の流れを説明した。次に、図４～図６及び図１を参照して、冷凍サイクル装置１を構成する各アクチュエータの動作及び冷媒の流れを説明する。図４は、実施の形態１に係る過渡運転におけるアクチュエータの動作を説明するタイミングチャートである。図５は、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の回路構成図であり、過渡運転の状態を示している。図６は、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の回路構成図であり、暖房モードの状態を示している。

［冷房モード］
　冷房モードでは、流路切替装置３は冷房側に切り替えられている。具体的には、図１に示すように、流路切替装置３は、圧縮機２の吐出側を第一熱交換器４に接続するとともに、圧縮機２の吸入側を第二熱交換器６に接続している。圧縮機２、主減圧装置５、第一副減圧装置９、第二副減圧装置１０、及び送風機１３は、空調負荷に応じて適宜制御されている。冷房モードにおけるこれらアクチュエータの制御は、本発明の本質ではなく、任意の制御を行うことができる。

　図１に示すように、冷房モードでは、圧縮機２から吐出された高温高圧の冷媒は、流路切替装置３を介して第一熱交換器４に流入する。高温高圧の冷媒は、第一熱交換器４において送風機１３から送風される空気と熱交換し、温度低下して第一熱交換器４から流出する。第一熱交換器４から流出した冷媒は、主減圧装置５で減圧され、低温低圧の冷媒となって第二熱交換器６に流入する。第一副減圧装置９及び第二副減圧装置１０を開状態に制御してバイパス回路８を冷媒が流れるようにしてもよく、この場合は、主減圧装置５と並行して第一副減圧装置９及び第二副減圧装置１０で冷媒が減圧される。冷房モードにおいてバイパス回路８に冷媒を流すか否かは、空調負荷に応じて決定すればよい。減圧されて低温低圧となった冷媒は、第二熱交換器６において水回路１４を流れる水と熱交換し、温度上昇して第二熱交換器６から流出する。第二熱交換器６を流出した冷媒は、流路切替装置３を介してアキュムレータ７に流入し、アキュムレータ７内において気液分離される。アキュムレータ７内のガス冷媒は、圧縮機２に吸入される。

　このように冷房モードでは、利用側熱交換器である第二熱交換器６を流れる冷媒によって水回路１４を流れる水を冷却し、この冷却された水が室内の冷房に用いられる。

［過渡運転］
　図４に示すように、過渡運転を開始すると、まず、圧縮機２が減速し、流路切替装置３が暖房側に切り替わる。具体的には、流路切替装置３は、圧縮機２の吐出側を第二熱交換器６に接続するとともに、圧縮機２の吸入側を第一熱交換器４に接続する。流路切替装置３が暖房側に切り替わると、直ちに圧縮機２に停止指令が出され、圧縮機２が停止する。流路切替装置３が暖房側に切り替わってから直ちに圧縮機２を停止させることで、圧縮機２への液バックを抑制することができる。図４では、圧縮機２の減速を開始してから圧縮機２に停止指令が出されるまでの期間を、冷房待機運転と称している。

　冷房待機運転の次は、液移動運転を行う。具体的には、圧縮機２が停止すると、主減圧装置５に対して全閉指令が出され、主減圧装置５が全閉状態になる。主減圧装置５が全閉状態になると、第一副減圧装置９に対して全開指令が出され、第一副減圧装置９が全開状態になる。第一副減圧装置９が全開状態になると、第二副減圧装置１０に対して全開指令が出され、第二副減圧装置１０が全開状態になる。主減圧装置５が全閉状態で、かつ第一副減圧装置９及び第二副減圧装置１０が全開の状態で、液移動時間が経過するまで待機する。

　液移動運転の冷媒の流れを、図５を参照して説明する。図５に示すように、第一熱交換器４の出口側と、第二熱交換器６の出口側とが、バイパス回路８を介して接続されている状態である。圧縮機２が停止したことで、冷媒はヘッド差を利用して移動する。大容量の第一熱交換器４内の冷媒は、重力により下方へ移動する。主減圧装置５は全閉状態、第一副減圧装置９は全開状態であるので、第一熱交換器４内の冷媒はすべて、バイパス回路８に流入し、第一副減圧装置９を経て、冷媒タンク１１、冷媒タンク１１よりも下側にある冷媒タンク１１と第二熱交換器６とを接続する配管内、及び第二熱交換器６に貯まっていく。

　図４に示すように、液移動時間が経過すると、圧縮機２は停止した状態のまま、主減圧装置５に対して指令が出され、主減圧装置５は暖房負荷に応じた開度状態になる。次に、第一副減圧装置９に対して指令が出され、第一副減圧装置９が暖房負荷に応じた開度状態になる。次に、第二副減圧装置１０に対して指令が出され、第二副減圧装置１０は暖房負荷に応じた開度状態になる。

　液移動運転の次は、暖房モードの開始に向けた暖房待機運転を行う。具体的には、主減圧装置５、第一副減圧装置９、及び第二副減圧装置１０についてはそのままの状態を維持したまま、圧縮機２を駆動して、暖房モードで要求される能力まで運転能力を上昇させる。その後は、暖房モードを実行する。

　図６に示すように、暖房モードを開始すると、圧縮機２から吐出された高温高圧の冷媒は、流路切替装置３を介して第二熱交換器６に流入する。高温高圧の冷媒は、第二熱交換器６において水回路１４を流れる水と熱交換し、温度低下して第二熱交換器６から流出する。第二熱交換器６から流出した冷媒は、主減圧装置５で減圧され、低温低圧の冷媒となって第一熱交換器４に流入する。第一副減圧装置９及び第二副減圧装置１０を開状態に制御してバイパス回路８を冷媒が流れるようにしてもよく、この場合は、主減圧装置５と並行して第一副減圧装置９及び第二副減圧装置１０で冷媒が減圧される。暖房モードにおいてバイパス回路８に冷媒を流すか否かは、空調負荷に応じて決定すればよい。低温低圧の冷媒は、第一熱交換器４において送風機１３から送風される空気と熱交換し、温度上昇して第一熱交換器４から流出する。第一熱交換器４を流出した冷媒は、流路切替装置３を介してアキュムレータ７に流入し、アキュムレータ７内において気液分離される。アキュムレータ７内のガス冷媒は、圧縮機２に吸入される。

　暖房モードのときに、第一熱交換器４と第二熱交換器６との熱交換容量の差によって余剰冷媒が生じる場合には、余剰冷媒を冷媒タンク１１内に貯めた状態で暖房モードを行うように第一副減圧装置９及び第二副減圧装置１０を制御する。これにより、余剰冷媒がメイン回路を循環することなく暖房モードが行われる。

　前述のように、暖房モードを開始する前の過渡運転において、第一熱交換器４内の冷媒を冷媒タンク１１、冷媒タンク１１と第二熱交換器６とを接続する配管、及び第二熱交換器６に集めた。したがって、暖房モードを開始するときには、第一熱交換器４内には液冷媒がほとんど無い状態である。したがって、冷房モードから暖房モードに切り替えて暖房モードを開始するときでも、第一熱交換器４から圧縮機２の吸入側に流入する液冷媒を減少させることができる。このため、アキュムレータ７を小型化した場合でも、液冷媒がアキュムレータ７からオーバーフローしにくく、圧縮機２への液バックを抑制することができる。アキュムレータ７を小型化できるので、アキュムレータ７等を収容する機械室等の筐体も小型化でき、コンパクトな冷凍サイクル装置１を得ることができる。

［液移動時間の算出方法］
　次に、過渡運転の液移動運転における液移動時間の算出方法を説明する。液移動時間は、冷媒物性と、冷凍サイクル装置１の仕様により定まる値であり、以下に示す方法で算出することができる。

　以下に示す式に含まれる記号は、次の意味である。
ｈ：液面高さの差［ｍ］≒第一熱交換器４の高さ－第二熱交換器６の高さ
Ｌ：配管長さ［ｍ］
ｄ：配管内径［ｍ］
Ｃｖ：各減圧装置の流量係数［－］
Ａ：配管断面積［ｍ^２］
Ｂ：単位換算　３６００＾２＊１０＾６
ｎ：減圧装置の個数［－］
ｍ：並列接続配管本数［－］
Ｇｒ：液移動量［ｋｇ／ｓ］
ｇ：重力加速度［ｋｇｍ／ｓ^２］
ν：動粘度［ｍ^２／ｓ］
ρ：液密度［ｋｇ／ｍ^３］

　まず、冷凍サイクル装置１の圧損バランスΔＰに関し、以下の式が成り立つ。ここで、ΔＰは、第一熱交換器４の液面と、第二熱交換器６及び冷媒タンク１１の液面との液ヘッドである。ΔＰ１は、配管圧損である。ΔＰ２は、第一副減圧装置９及び第二副減圧装置１０の圧損である。

　また、液ヘッドΔＰについては、以下の式が成り立つ。

　配管圧損ΔＰ１［Ｐａ］については、以下の式が成り立つ。

　摩擦損失係数λについては、以下の式が成り立つ。

　減圧装置圧損ΔＰ２［Ｐａ］については、以下の式が成り立つ。

　以上の５つの式を整理すると、次の式によって単位時間あたりの液移動量が導かれる。

　ここで、Ｘ、Ｙ、Ｚは以下のとおりである。
Z:ρg
X:0.3164*(d/ν)^(-0.25)*Lρ/(2d)*{1/(Aρm)}^1.75
Y:B/{ρ(86.5Cv)^2}

　単位時間当たりの液移動量の式（６）を積分した以下の式（７）により、すべての液冷媒の移動に要する時間、すなわち液移動時間を算出することができる。なお、全冷媒量は、冷房モード時における蒸発器である第一熱交換器４内の冷媒量で近似される。

　以上のように実施の形態１では、冷房モードから暖房モードに切り替える際、流路切替装置３を暖房モード側に切り替えた後に圧縮機２を停止させ、その後、主減圧装置５を閉じて液移動時間が経過するまで待機するようにした。この液移動時間において、冷房モード時に蒸発器として機能していた第一熱交換器４内の液冷媒を、バイパス回路８及び第二熱交換器６に移動させることができるので、暖房モードを開始したときの圧縮機２への液バックを抑制することができる。

実施の形態２．
［冷凍サイクル装置の構成］
　実施の形態２では、バイパス回路の他の構成例を説明する。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と同様の構成については同じ符号を付している。

　図７は、実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の回路構成図である。図７は、過渡運転の状態を示している。図７に示すように、実施の形態２は、バイパス回路８Ａの構成が実施の形態１と異なる。バイパス回路８Ａは、第一熱交換器４と主減圧装置５との間と、主減圧装置５と第二熱交換器６との間と、を接続する配管であって、主減圧装置５と並列に設けられた配管によって構成されている。バイパス回路８Ａには、第一副減圧装置９、第二副減圧装置１０、及び冷媒タンク１１は設けられていない。

　実施の形態１と同様に、第二熱交換器６及びバイパス回路８Ａを構成する配管の一部は、重力方向において第一熱交換器よりも下側に設けられている。より望ましくは、圧縮機２及びアキュムレータ７も、第一熱交換器４よりも重力方向において下側に設けられている。具体的には、図７に符号Ａで示す第一熱交換器４の下端部は、図７に符号Ｂで示す第二熱交換器６の下端部よりも高い位置にある。より望ましくは、第一熱交換器４の下端部Ａよりも下側に、第二熱交換器６の上端部が位置している。

　また、実施の形態１では、第一熱交換器４の容量は第二熱交換器６の容量よりも大きかったが、実施の形態２では、第一熱交換器４と第二熱交換器６の容量は同程度である。暖房モードのときに余剰冷媒は生じないため、実施の形態１で示した冷媒タンク１１を設けていない。

　図８は、実施の形態２に係る過渡運転におけるアクチュエータの動作を説明するタイミングチャートである。実施の形態２の過渡運転における圧縮機２、流路切替装置３、及び主減圧装置５の動作は、実施の形態１と同様である。すなわち、過渡運転を開始すると、圧縮機２が減速して流路切替装置３が暖房側に切り替わる。流路切替装置３が暖房側に切り替わると、直ちに圧縮機２に停止指令が出され、圧縮機２が停止する。圧縮機２が停止すると、液移動時間が経過するまで待機する。

　ここで、図７を参照して過渡運転の冷媒の流れを説明する。圧縮機２が停止すると、冷媒はヘッド差を利用して移動する。第一熱交換器４内の冷媒は、重力により下方へ移動し、バイパス回路８Ａ、バイパス回路８Ａと第二熱交換器６を接続する配管内、及び第二熱交換器６に貯まっていく。

　図８に示すように、液移動時間が経過すると、圧縮機２は停止した状態のまま、主減圧装置５に対して全開指令が出され、主減圧装置５が全開状態になる。その後、実施の形態１と同様に、暖房待機運転を行う。

　以上のように実施の形態２では、冷房モードから暖房モードに切り替える際、流路切替装置３を暖房モード側に切り替えた後に圧縮機２を停止させ、その後、主減圧装置５を閉じて液移動時間が経過するまで待機するようにした。この液移動時間において、冷房モード時に蒸発器として機能していた第一熱交換器４内の液冷媒を、バイパス回路８Ａ及び第二熱交換器６に移動させることができるので、暖房モードを開始したときの圧縮機２への液バックを抑制することができる。

　なお、実施の形態１、２の冷房待機運転では圧縮機２の減速運転を行った後に圧縮機２を停止させる例を示した。しかし、圧縮機２の減速運転を行わなくてもよく、流路切替装置３を暖房側に切り替えた後に、圧縮機２を停止させればよい。

　以上説明したように、実施の形態１、２の冷凍サイクル装置１は、圧縮機２と、第一熱交換器４と、第一熱交換器４と直列に接続された第二熱交換器６と、第一熱交換器４と第二熱交換器６との間に接続された主減圧装置５と、冷房モードで圧縮機２から吐出された冷媒を第一熱交換器４に流す第一流路を形成し、暖房モードで圧縮機２から吐出された冷媒を第二熱交換器６に流す第二流路を形成する流路切替装置３と、第一熱交換器４と主減圧装置５との間から分岐して主減圧装置５と第二熱交換器６との間に接続され、主減圧装置５と並列に設けられたバイパス回路８と、を備え、バイパス回路８及び第二熱交換器６は、第一熱交換器４よりも重力方向において下側に配置されており、冷房モードから暖房モードへ運転が切り替わる際、圧縮機２が動作している状態で前記流路切替装置は前記第二流路を形成し、その後、圧縮機２が停止し、主減圧装置５が閉じ、その後、液移動時間が経過すると、主減圧装置５及び圧縮機２が暖房モードの負荷に基づいて動作する。

　この構成によれば、冷房モードのときに第一熱交換器４内に滞留している冷媒を、バイパス回路８及び第二熱交換器６に移動させた後、暖房モードを開始するので、暖房モードを開始したときの液バックを抑制することができる。

　第一熱交換器４の容量は、第二熱交換器６の容量よりも大きく、バイパス回路８は、重力方向の上から順に第一副減圧装置９と、冷媒タンク１１と、第二副減圧装置１０とが、直列に接続されており、冷媒タンク１１は、第一熱交換器４よりも重力方向において下側に配置されており、冷房モードから暖房モードへ運転が切り替わる際、圧縮機２が動作している状態で流路切替装置３が前記第二流路を形成し、その後、主減圧装置５が閉じ、第一副減圧装置９及び第二副減圧装置１０が開き、その後、液移動時間が経過すると、主減圧装置５、第一副減圧装置９、第二副減圧装置１０及び圧縮機２が暖房モードの負荷に基づいて動作するように構成されていてもよい。

　この構成によれば、冷房モードのときに第一熱交換器４内に滞留している冷媒を、バイパス回路８、冷媒タンク１１及び第二熱交換器６に移動させた後、暖房モードを開始するので、暖房モードを開始したときの液バックを抑制することができる。また、第一熱交換器４と第二熱交換器６の容量が異なる場合に、暖房モードで余剰となる冷媒を冷媒タンク１１に貯めることができる。

　冷媒タンク１１の容積と第二熱交換器６の容積の合計は、冷凍サイクル装置１内の全冷媒の容積以上としてもよい。

　この構成によれば、アキュムレータ７を設けない、あるいはアキュムレータ７を小型化した場合でも、圧縮機２への液バックを抑制することができる。

　液移動時間は、上述の式（７）により求めてもよい。

　この構成によれば、冷凍サイクル装置１のシステム構成に適した液移動時間で、液移動運転を行うことができる。無駄な液移動運転を行うことがないので、冷房モードから暖房モードに速やかに移行することができる。

　１　冷凍サイクル装置、２　圧縮機、３　流路切替装置、４　第一熱交換器、５　主減圧装置、６　第二熱交換器、７　アキュムレータ、８　バイパス回路、８Ａ　バイパス回路、９　第一副減圧装置、１０　第二副減圧装置、１１　冷媒タンク、１３　送風機、１４　水回路、１５　ポンプ、２０　制御装置、２１　メモリ、２２　タイマ、２３　液移動時間経過判定部。

Claims

　圧縮機と、
　第一熱交換器と、
　前記第一熱交換器と直列に接続された第二熱交換器と、
　前記第一熱交換器と前記第二熱交換器との間に接続された主減圧装置と、
　冷房モードで前記圧縮機から吐出された冷媒を前記第一熱交換器に流す第一流路を形成し、暖房モードで前記圧縮機から吐出された冷媒を前記第二熱交換器に流す第二流路を形成する流路切替装置と、
　前記第一熱交換器と前記主減圧装置との間から分岐して前記主減圧装置と前記第二熱交換器との間に接続され、前記主減圧装置と並列に設けられたバイパス回路と、を備え、
　前記バイパス回路及び前記第二熱交換器は、前記第一熱交換器よりも重力方向において下側に配置されており、
　前記冷房モードから前記暖房モードへ運転が切り替わる際、
　前記圧縮機が動作している状態で前記流路切替装置は前記第二流路を形成し、その後、前記圧縮機が停止し、前記主減圧装置が閉じ、その後、液移動時間が経過すると、前記主減圧装置及び前記圧縮機が前記暖房モードの負荷に基づいて動作する
　冷凍サイクル装置。
　前記第一熱交換器の容量は、前記第二熱交換器の容量よりも大きく、
　前記バイパス回路は、重力方向の上から順に第一副減圧装置と、冷媒タンクと、第二副減圧装置とが、直列に接続されており、
　前記冷媒タンクは、前記第一熱交換器よりも重力方向において下側に配置されており、
　前記冷房モードから前記暖房モードへ運転が切り替わる際、
　前記圧縮機が動作している状態で前記流路切替装置が前記第二流路を形成し、その後、前記圧縮機が停止し、前記主減圧装置が閉じ、前記第一副減圧装置及び前記第二副減圧装置が開き、その後、液移動時間が経過すると、前記主減圧装置、前記第一副減圧装置、前記第二副減圧装置及び前記圧縮機が前記暖房モードの負荷に基づいて動作する
　請求項１記載の冷凍サイクル装置。
　前記冷媒タンクの容積と前記第二熱交換器の容積の合計は、前記冷凍サイクル装置内の全冷媒の容積以上である
　請求項２記載の冷凍サイクル装置。
　前記液移動時間は、下記式により算出される時間である
　請求項１～請求項３のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。

　ここで、Ｇｒは以下の式より導かれる。

　さらに、上記式において、Ｘ，Ｙ，Ｚは以下のとおりである。
　Z:ρg
　X:0.3164*(d/ν)^(-0.25)*Lρ/(2d)*{1/(Aρm)}^1.75
　Y:B/{ρ(86.5Cv)^2}

ｈ：液面高さの差［ｍ］≒第一熱交換器４の高さ－第二熱交換器６の高さ
Ｌ：配管長さ［ｍ］
ｄ：配管内径［ｍ］
Ｃｖ：各減圧装置の流量係数［－］
Ａ：配管断面積［ｍ^２］
Ｂ：単位換算　３６００＾２＊１０＾６
ｍ：並列接続配管本数［－］
Ｇｒ：液移動量［ｋｇ／ｓ］
ｇ：重力加速度［ｋｇｍ／ｓ^２］
ν：動粘度［ｍ^２／ｓ］
ρ：液密度［ｋｇ／ｍ^３］