JP2015218909A - 冷凍サイクル装置およびそれを備えた温水生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｒ１１２３を含む作動流体を用いるのにより適した冷凍サイクル装置を提供すること。【解決手段】圧縮機２１、放熱器２２、主膨張手段２４、蒸発器２５が冷媒配管によって環状に接続された冷媒回路２と、主膨張手段２４、及び、圧縮機２１を制御する制御装置４と、を備え、冷媒回路２を循環する冷媒としてＲ１１２３冷媒を４０重量％以上７５重量％未満含む作動流体を用い、制御装置４は、圧縮機２１から吐出される冷媒の吐出圧力が所定圧力以下となるように、又は、圧縮機２１から吐出される冷媒の吐出温度が所定温度以下となるように、圧縮機２１及び主膨張手段２４を制御することにより、冷媒の不均化反応が発生する下限温度または下限圧力以下となる条件で運転が行われるため、冷媒の不均化反応が生じることなく、信頼性を確保しつつ、低ＧＷＰが実現できる。【選択図】図１

Description

本発明は、Ｒ１１２３を含む作動流体を用いる冷凍サイクル装置に関するものである。

一般に、冷凍サイクル装置は、圧縮機、必要に応じて四方弁、放熱器（または凝縮器）、キャピラリーチューブや膨張弁等の減圧器、蒸発器、等を配管接続して冷凍サイクルを構成し、その内部に冷媒を循環させることにより、冷却または加熱作用を行っている。

これらの冷凍サイクル装置における冷媒としては、フロン類（フロン類はＲ○○またはＲ○○○と記すことが、米国ＡＳＨＲＡＥ３４規格により規定されている。以下、Ｒ○○またはＲ○○○と示す）と呼ばれるメタンまたはエタンから誘導されたハロゲン化炭化水素が知られている。

上記のような冷凍サイクル装置用冷媒としては、Ｒ４１０Ａが多く用いられているが、Ｒ４１０Ａ冷媒の地球温暖化係数（ＧＷＰ）は２０９０と大きく、地球温暖化防止の観点から問題がある。

そこで、地球温暖化防止の観点からは、ＧＷＰの小さな冷媒として、例えば、Ｒ１１２３（１，１，２−トリフルオロエチレン）や、Ｒ１１３２（１，２−ジフルオロエチレン）が提案されている（例えば特許文献１または特許文献２）。

また、従来より、この種の温水生成装置として、冷媒回路の放熱器の下流側に過冷却熱交換器が設けられ、この過冷却熱交換器に主流冷媒の一部を膨張させて流入させ、放熱器から流出した主流冷媒を過冷却するものがある（例えば、特許文献３参照）。

これにより、蒸発器でのエンタルピー差が増大する。また、主流冷媒の一部をバイパスさせることにより蒸発器内および圧縮機の吸入側配管での圧力損失を減少する。このようにして、温水生成装置としての加熱／冷却能力の向上、冷凍サイクル装置の成績係数の向上を図っている。

国際公開第２０１２／１５７７６４号 国際公開第２０１２／１５７７６５号 特許第３４４０９１０号公報

しかしながら、Ｒ１１２３（１，１，２−トリフルオロエチレン）や、Ｒ１１３２（１，２−ジフルオロエチレン）は、Ｒ４１０Ａなどの従来の冷媒に比べて安定性が低く、ラジカルを生成した場合、不均化反応により別の化合物に変化する恐れがある。不均化反応は大きな熱放出を伴うため、圧縮機や冷凍サイクル装置の信頼性を低下させる恐れがある。このため、Ｒ１１２３やＲ１１３２を圧縮機や冷凍サイクル装置に用いる場合には、この不均化反応を抑制する必要がある。

本発明は、上記従来のこのような課題を考慮し、Ｒ１１２３を含む作動流体を用いるのにより適した冷凍サイクル装置を提供するものである。

前記従来の課題を解決するために、本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機、放熱器、主膨張手段、蒸発器が冷媒配管によって環状に接続された冷媒回路と、少なくとも、前記主膨張手段、及び、前記圧縮機を制御する制御装置と、を備え、前記冷媒回路を循環する冷媒としてＲ１１２３冷媒を４０重量％以上７５重量％未満含む作動流体を用い、前記制御装置は、前記圧縮機から吐出される冷媒の吐出圧力が所定圧力以下となるように、又は、前記圧縮機から吐出される冷媒の吐出温度が所定温度以下となるように、前記圧縮機及び前記主膨張手段を制御することを特徴とするものである。

これによって、吐出圧力及び吐出温度が所定値以下となるように圧縮機、主膨張手段が制御されるので、作動流体の吐出温度及び吐出圧力が過度に上昇し、作動流体内のＲ１１２３の分子運動が活発化した結果生じる不均化反応を抑制することが可能となり、信頼性を高めることができる。

本発明は、Ｒ１１２３を含む作動流体を用いるのにより適した冷凍サイクル装置を得ることができる。

本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置及びそれを備えた温水生成装置の概略構成図 Ｒ１１２３を含む作動流体を用いた場合において組成比率と圧力との関係から不均化反応が起こる領域と不均化反応が起こらない領域とを示すグラフ Ｒ１１２３を７５重量％含む作動流体を用いた場合において圧力と温度との関係から不均化反応が起こる領域と不均化反応が起こらない領域とを示すグラフ 本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置において凝縮温度と蒸発温度とに応じて定まる熱交換比率の目標値を示すグラフ 同冷凍サイクル装置の通常運転時の制御のフローチャート

第１の発明は、圧縮機、放熱器、主膨張手段、蒸発器が冷媒配管によって環状に接続された冷媒回路と、少なくとも、前記主膨張手段、及び、前記圧縮機を制御する制御装置と、を備え、前記冷媒回路を循環する冷媒としてＲ１１２３冷媒を４０重量％以上７５重量％未満含む作動流体を用い、前記制御装置は、前記圧縮機から吐出される冷媒の吐出圧力が所定圧力以下となるように、又は、前記圧縮機から吐出される冷媒の吐出温度が所定温度以下となるように、前記圧縮機及び前記主膨張手段を制御することを特徴とする冷凍サイクル装置である。

これにより、Ｒ１１２３を４０重量％以上７５重量％未満含む作動流体の吐出圧力が所定圧力（冷媒の不均化反応が発生する下限圧力）以下となるように、または、作動流体の吐出温度が所定温度（冷媒の不均化反応が発生する下限温度）以下となるように、主膨張手段、圧縮機が制御されるため、吐出圧力及び吐出温度が低下する。

ここで、不均化反応は、圧力及び温度が高いほど生じやすい。したがって、吐出圧力及び吐出温度が過度に上昇し、作動流体内のＲ１１２３の分子運動が活発化した結果生じる不均化反応を抑制することが可能となり、信頼性を高めることができる。

第２の発明は、特に第１の発明において、前記放熱器と前記主膨張手段との間に設けられた過冷却熱交換器と、前記放熱器と前記主膨張手段との間で前記冷媒回路から分岐して
、前記過冷却熱交換器を介して、前記圧縮機の圧縮室、又は、前記蒸発器と前記圧縮機との間の前記冷媒回路に接続するバイパス路と、前記過冷却熱交換器の上流側の前記バイパス路に設けられたバイパス膨張手段と、を備え、前記制御装置は、前記蒸発器から流出する冷媒の乾き度が０．８以上１．０未満となるように、前記圧縮機、前記主膨張手段、前記バイパス膨張手段を制御することを特徴とするものである。

これにより、蒸発器出口の冷媒乾き度が、水平管内における局所の蒸発熱伝達率が最大となる０．８以上１．０未満の間となるので、蒸発器の伝熱効率が高くなる。さらに、蒸発に寄与しない冷媒がバイパス路側に流れるため、蒸発器での冷媒圧力損失が低下し、圧縮機吸入側での圧力低下が抑制される。

その結果、過冷却熱交換器とバイパス路を有する冷凍サイクル装置において、Ｒ１１２３を含む混合冷媒の使用により、Ｒ４１０ＡやＲ３２に対して、ＧＷＰが１／６〜１／２に低減でき、かつ、冷媒の不均化反応が生じない吐出圧力、吐出温度での運転が可能となるため、地球温暖化の抑制、および、機器の信頼性の確保を両立できる。

第３の発明は、特に第１または第２の発明の冷凍サイクル装置を備え、前記放熱器において熱媒体としての液体を加熱して、前記熱媒体を、給湯と暖房との少なくとも一方に利用することを特徴とする温水生成装置である。

これにより、放熱器は、水−空気熱交換器や、不凍液−水熱交換器など、種類を限定する必要がない。

したがって、放熱器により加温された熱媒体を、暖房機器（温風機、ラジエータ、床暖房パネル等）や給湯機器（カラン、シャワー）へと送り、暖房及び給湯を行うことができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本実施の形態における冷凍サイクル装置および温水生成装置の概略構成図を示すものである。図１において、冷凍サイクル装置１Ａは、冷媒を循環させる冷媒回路２と、バイパス路３と、制御装置４とを備えている。

冷媒回路２を循環する冷媒としては、低ＧＷＰであるＲ１１２３冷媒を４０重量％以上７５重量％未満含んだ作動流体が用いられている。この作動流体には、後述するＲ１１２３の不均化反応を抑制するため、Ｒ３２冷媒が２５重量％以上６０重量％未満含まれている。低いＧＷＰと不均化反応の抑制との両立を図る観点からは、Ｒ１１２３は４０重量％以上６０重量％未満含まれ、Ｒ３２は４０重量％以上６０重量％未満含まれていることが好ましい。

冷媒回路２は、圧縮機２１、放熱器２２、過冷却熱交換器２３、主膨張弁（主膨張手段）２４および蒸発器２５が配管により環状に接続されて構成されている。本実施の形態では、蒸発器２５と圧縮機２１の間に、気液分離を行うサブアキュムレータ２６および主アキュムレータ２７が設けられている。

制御装置４は、複数の運転を実行することができる。複数の運転には、放熱器２２にて熱媒体を加熱する通常運転と、蒸発器２５に付着した霜を融解させるデフロスト運転とを含む。通常運転とデフロスト運転とでは、冷媒回路２を流れる冷媒の循環方向が異なる。
冷媒回路２には、冷媒の循環方向を切り換えるための四方弁２８が設けられている。

本実施の形態では、冷凍サイクル装置１Ａが、加熱手段により生成した温水を暖房に利用する温水生成装置の加熱手段を構成しており、放熱器２２が、冷媒と熱媒体（水、又は、不凍液）との間で熱交換を行わせて水を加熱する熱交換器となっている。

具体的には、放熱器２２に供給管７１と回収管７２が接続されて熱媒体経路７０が構成されている。熱媒体は、供給管７１を通じて放熱器２２に水が供給され、放熱器２２で加熱された水（温水）が回収管７２を通じて回収されるようになっている。回収管７２により回収された水（温水）は、例えばラジエータ等の暖房機器やカラン等の給湯端末に、直接的または貯湯タンクを介して間接的に送られ、これにより暖房や給湯が行われる。

本実施の形態では、バイパス路３は、過冷却熱交換器２３と主膨張弁２４の間で冷媒回路２から分岐し、過冷却熱交換器２３を経由して蒸発器２５と圧縮機２１の間で冷媒回路２につながっている。本実施の形態では、サブアキュムレータ２６と主アキュムレータ２７の間でバイパス路３が冷媒回路２につながっている。また、バイパス路３には、過冷却熱交換器２３よりも上流側にバイパス膨張弁（バイパス膨張手段）３１が設けられている。なお、バイパス路３は、過冷却熱交換器２３と主膨張弁２４の間で冷媒回路２から分岐して、圧縮機２１の圧縮室に接続されていてもよい。

通常運転では、圧縮機２１から吐出された冷媒が四方弁２８を介して放熱器２２に送られ、デフロスト運転では、圧縮機２１から吐出された冷媒が四方弁２８を介して蒸発器２５に送られる。図１では、通常運転時の冷媒の流れ方向を矢印で示している。以下、通常運転における冷媒の状態変化を説明する。

圧縮機２１から吐出された高圧冷媒は、放熱器２２に流入し、放熱器２２を通過する水に放熱する。放熱器２２から流出した高圧冷媒は、過冷却熱交換器２３に流入し、バイパス膨張弁３１で減圧された低圧冷媒によって過冷却される。過冷却熱交換器２３から流出した高圧冷媒は、主膨張弁２４側とバイパス膨張弁３１側とに分流する。

主膨張弁２４側に分流した高圧冷媒は、主膨張弁２４によって減圧されて膨張した後に、蒸発器２５に流入する。蒸発器２５に流入した低圧冷媒は、ここで空気から吸熱する。一方、バイパス膨張弁３１側に分流した高圧冷媒は、バイパス膨張弁３１によって減圧されて膨張した後に、過冷却熱交換器２３に流入する。過冷却熱交換器２３に流入した低圧冷媒は、放熱器２２から流出した高圧冷媒によって加熱される。その後、過冷却熱交換器２３から流出した低圧冷媒は、蒸発器２５から流出した低圧冷媒と合流し、再度、圧縮機２１に吸入される。

本実施の形態における冷凍サイクル装置１Ａの構成は、外気温度の低下に伴い圧縮機２１の圧縮比が増大して吐出冷媒温度が過度に上昇することを、運転効率の低下を抑制しながら防止するためものである。

次に、Ｒ１１２３を含む作動流体について説明する。Ｒ１１２３を含む作動流体は、地球温暖化係数であるＧＷＰ値を大きく減じる利点がある反面、不均化反応が生じる恐れがある。不均化反応とは、冷凍サイクル中でラジカルを生成した場合、化合物に変化する反応である。不均化反応は大きな熱放出を伴うため、圧縮機２１や冷凍サイクル装置１Ａの信頼性を低下させる恐れがある。

不均化反応が生じる条件は、微視的な視点では、分子間距離の近接や、分子挙動が活発に運動する状態であり、これを巨視的な視点で言い換えると、過度な高圧条件、高温度条
件下であるから、実際の冷凍サイクル装置でＲ１１２３を含む作動流体を用いるためには、圧力条件、温度条件を適正な水準に抑え、確実に安全な条件下で使用しなければならない。一方で、安全性を担保しつつ、冷凍サイクル装置としての機能も最大限発揮できるようにする必要がある。

本実施の形態では、Ｒ１１２３冷媒を４０重量％以上７５重量％未満、Ｒ３２冷媒を２５重量％以上６０重量％未満含む作動流体を用いる。

ここで、Ｒ１１２３にＲ３２を２５重量％以上混合すると、Ｒ１１２３の不均化反応を抑制できる。また、Ｒ３２の濃度が高いほど不均化反応をより抑制できる。これは、Ｒ３２のフッ素原子への分極が小さいことによる不均化反応を緩和する作用と、Ｒ１１２３とＲ３２は物理特性が似ていることから凝縮・蒸発など相変化時の挙動が一体となることによる不均化の反応機会を減少させる作用とにより、Ｒ１１２３の不均化反応を抑制することができる。

Ｒ１１２３冷媒を含む作動流体を用いる場合に、不均化反応が生じるのは、作動流体に含まれるＲ１１２３の重量比率を横軸とし、圧力を縦軸とすると、作動流体の温度に応じて図２及び図３に示すように定まる。すなわち、作動流体の温度に応じて引かれた線分の左側の領域では不均化反応が起こらず、線分の右側の領域では不均化反応が起こることを意味する。

ここで、通常の冷凍サイクル装置、例えばＲ４１０Ａ、Ｒ３２冷媒を用いた従来の冷凍サイクル装置では、圧縮機の吐出圧力（高圧）は４ＭＰａ程度である。ここで、吐出圧力の運転領域は、Ｒ１１２３冷媒を含む作動流体を用いた場合とＲ４１０Ａを用いた場合とでほとんど変わらない。また、通常の温水生成装置、例えばＲ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ３２冷媒を用いた従来の温水生成装置では、放熱器２２で生成する熱媒体の最高温度が７０℃程度であることから、圧縮機の吐出温度は最大で９０℃程度である。これを踏まえて、冷媒の不均化反応が生じない範囲を規定すると、図２からＲ１１２３冷媒の組成比率は最大７５重量％となる。また、Ｒ１１２３の組成比率が４０重量％未満の領域では、不均化反応は生じないから、低ＧＷＰ化を図る観点から、Ｒ１１２３の組成比率は４０〜７５重量％とする必要がある。

また、Ｒ１１２３とＲ３２の混合冷媒は、Ｒ３２が３０重量％、Ｒ１１２３が７０％で共沸点を持ち、温度すべりがなくなる為、単一冷媒と同様な取り扱いが可能である。一方、Ｒ３２を６０重量％以上混合すると、温度すべりが大きくなり、単一冷媒と同様な取り扱いが困難となる可能性があるため、Ｒ３２を６０重量％以下で混合することが望ましい。特に、不均化を防止するとともに、共沸点に近づくため温度すべりをより小さくし、機器の設計が容易とするために、Ｒ３２を４０重量％以上５０重量％未満で混合することがより望ましい。

表１、表２は、Ｒ１１２３とＲ３２の混合作動流体のうち、Ｒ３２が３０重量％以上６０重量％以下となる混合割合での、冷凍サイクルの圧力、温度、圧縮機の押しのけ容積が同じ場合の冷凍能力およびサイクル効率（ＣＯＰ）を計算し、Ｒ４１０ＡとＲ１１２３と比較したものである。

まず、表１、表２の計算条件について説明する。近年、機器のサイクル効率を向上するため、熱交換器の高性能化が進み、実際の運転状態では、凝縮温度は低下し、蒸発温度は上昇する傾向にあり、吐出温度も低下する傾向にある。このため、実際の運転条件を考慮し、表１の冷房計算条件は、空気調和機器の冷房運転時（室内乾球温度：２７℃、湿球温度：１９℃、室外乾球温度：３５℃）に対応し、蒸発温度は１５℃、凝縮温度は４５℃、
圧縮機の吸入冷媒の過熱度は５℃、凝縮器出口の過冷却度は８℃としている。

また、表２の暖房計算条件は、空気調和機器の暖房運転時（室内乾球温度：２０℃、室外乾球温度：７℃、湿球温度：６℃）に対応した計算条件で、蒸発温度は２℃、凝縮温度は３８℃、圧縮機の吸入冷媒の過熱度は２℃、凝縮器出口の過冷却度は１２℃としている。

表１、表２より、Ｒ３２を３０重量％以上６０重量％以下で混合することにより、冷房および暖房運転時に、冷凍能力およびサイクル効率（ＣＯＰ）はＲ４１０Ａと同等であり、温暖化係数はＲ４１０Ａの１０〜２０％に低減できる。

以上説明したように、Ｒ１１２３とＲ３２の２成分系において、不均化の防止、温度すべりの大きさ、冷房運転時・暖房運転時の能力、ＣＯＰを総合的に鑑みると（すなわち、後述する圧縮機を用いた空気調和機器に適した混合割合を特定すると）、３０重量％以上６０重量％以下のＲ３２を含む混合物が望ましく、さらに望ましくは、４０重量％以上５０重量％以下のＲ３２を含む混合物が望ましい。

このような制約条件が存在する中、冷媒の不均化反応の発生を回避するためには、Ｒ１１２３を所定の組成比率で含む作動流体を用いて、特に通常運転中の圧縮機２１の吐出圧力、および吐出温度の組み合わせ条件のうち、不均化反応が起こらない運転条件とする必要がある。

また、冷凍サイクル装置１Ａとしての高効率化を図るためには、過冷却により蒸発器２５でのエンタルピ差を増大させるとともに、バイパス路３から湿り冷媒をバイパスさせる必要がある。これにより、圧縮機２１の吸入冷媒エンタルピを低下させながら冷媒回路２
の低圧側での圧力損失を低減させることができる。

したがって、本発明では、機器の信頼性と高効率化との両立を図るため、過冷却熱交換器２３の出口側における冷媒の過冷却度と、バイパス路３を流れる冷媒量を適正に調整することにより、冷凍サイクル装置１Ａの運転効率低下を抑制する。

本発明では、図３に示すように、所定のＲ１１２３組成比率（図３では７５％の場合）において、不均化反応が生じない冷媒圧力Ｐｘと冷媒温度Ｔｘの関係を、予め相関近似式として求めておく。制御装置４は、検出された冷媒の吐出圧力に応じて、冷媒の吐出温度Ｔｄが、不均化反応が生じない所定の冷媒温度Ｔｘ以下となるように、圧縮機２１の回転数、主膨張弁２４の弁開度を制御し、バイパス膨張弁３１を有する場合には合わせてバイパス膨張弁３１を制御する。また、制御装置４は、検出された冷媒の吐出温度に応じて、冷媒の吐出圧力Ｐｄが、不均化反応が生じない所定の冷媒圧力Ｐｘ以下となるように、圧縮機２１の回転数、主膨張弁２４の弁開度を制御し、バイパス膨張弁３１を有する場合には合わせてバイパス膨張弁３１を制御する。

次に制御装置４が行う制御動作について説明する。

図１に示すように、冷媒回路２には、蒸発器２５に流入する冷媒の温度（蒸発温度）Ｔｅを検出する第１温度センサ６１と、蒸発器２５から流出する冷媒の温度（蒸発器出口温度）Ｔｅｏを検出する第２温度センサ６２と、圧縮機２１から吐出される冷媒の吐出温度を検出する第３温度センサ６３、放熱器２２に流入する冷媒の圧力（凝縮圧力）Ｐｃを検出する圧力センサ５１とが設けられている。

制御装置４は、各種のセンサ５１、６１、６２、６３で検出される検出値等に基づいて、圧縮機２１の回転数、四方弁２８の切り換え、ならびに主膨張弁２４およびバイパス膨張弁３１の開度を制御する。

本実施形態では、制御装置４は、通常運転時に、冷媒回路２において蒸発器２５から流出する冷媒の乾き度が０．８以上１．０未満になるように、主膨張弁２４とバイパス膨張弁３１とを制御する。

具体的には、第１温度センサ６１で検出される蒸発温度Ｔｅと第２温度センサ６２で検出される蒸発器出口温度Ｔｅｏの温度差ΔＴｅが予め定められた所定の温度差ΔＴｔとなるように主膨張弁２４の開度を調整する。温度差ΔＴｅが大きければ主膨張弁２４の開度を開き、温度差ΔＴｅが小さければ主膨張弁２４の開度を閉じる。

なお、蒸発器２５から流出する冷媒の乾き度を所定値にするためには、第２温度センサ６２を四方弁２８の下流側に取り付けて、蒸発器２５から流出した冷媒が四方弁２８内部で圧縮機２１の吐出冷媒から吸熱した後の温度を検出し、乾き度が所望の値となる温度差をΔＴｔに設定すればよい。

また、制御装置４は、バイパス膨張弁３１の開度を、圧力センサ５１で検出される凝縮圧力Ｐｃに基づいて算出される飽和温度（凝縮温度）Ｔｃと、第１温度センサ６１で検出される蒸発温度Ｔｅにより決定される予め定められた設定開度Ｓｂに設定する。この所定開度Ｓｂは、蒸発温度Ｔｅが低いほど、また、凝縮温度Ｔｃが高いほど、熱交換比率Ｑｓｃ／Ｑｃが大きくなるように設定されている。

一般的に、外気温度の低下などによる蒸発器２５における蒸発温度Ｔｅの低下や、水温の上昇による放熱器２２における凝縮温度Ｔｃの上昇により、過冷却熱交換器２３におけ
る過冷却度が同一の場合、蒸発器２５に流入する冷媒の乾き度が大きくなり、蒸発に寄与しない冷媒ガス成分が多くなるため、蒸発器２５の吸熱能力が低下してしまう。

そのような場合、制御装置４により、図４に示すとおり、蒸発温度Ｔｅが低いほど、また凝縮温度Ｔｃが高いほど、熱交換比率Ｑｓｃ／Ｑｃが大きくなるように主膨張弁２４およびバイパス膨張弁３１を制御することが好ましい。

このようにすれば、過冷却熱交換器２３出口における過冷却度を大きくでき、蒸発器２５に流入する冷媒のエンタルピを低下させることにより、熱交換比率Ｑｓｃ／Ｑｃが小さい場合に比べて、蒸発器２５における冷媒のエンタルピ変化量の拡大、すなわち吸熱能力の増大が図れる。

その結果、外気温度の低下や水温の上昇時において、蒸発器２５に流入する冷媒のエンタルピ上昇に伴う蒸発器２５での冷媒の吸熱量の減少分を補完することができる。

また、制御装置４は、予め求められた冷媒の不均化反応が生じる冷媒圧力Ｐｘと冷媒温度Ｔｘの相関近似式より、冷媒の不均化反応が発生する下限圧力、または、冷媒の不均化反応が発生する下限温度を求める。

制御装置４は、第３温度センサ６３で検出された吐出温度が下限温度以下となるように、または、圧力センサ５１で検出された吐出圧力が下限圧力以下となるように、圧縮機２１の回転数、主膨張弁２４の開度、バイパス膨張弁３１の開度を制御する。これにより、不均化反応の発生を防止することができる。

次に、通常運転時の制御装置４の制御を図５に示すフローチャートを参照して説明する。まず、制御装置４は、第１温度センサ６１で蒸発温度Ｔｅを、第２温度センサ６２で蒸発器出口温度Ｔｅｏを検出する（ステップＳ１）。その後、制御装置４は、Ｔｅｏ＝Ｔｅ、により温度差ΔＴｅを算出する（ステップＳ２）。そして、制御装置４は、温度差ΔＴｅが、予め蒸発器２５出口の冷媒乾き度が適正となるように設定された目標温度差ΔＴｔとなるように主膨張弁２４の開度を調整する（ステップＳ３）。

ついで、制御装置４は、圧力センサ５１で凝縮圧力Ｐｃを検出する（ステップＳ４）とともに、検出した凝縮圧力Ｐｃから放熱器２２に流入する冷媒の圧力での飽和温度（凝縮温度）Ｔｃを算出する（ステップＳ５）。この凝縮温度Ｔｃの算出は、冷媒物性式を用いて行われる。その後、制御装置４は、予め定められた蒸発温度Ｔｅと凝縮温度Ｔｃの値によって決定される設定開度テーブルから、現在の蒸発温度Ｔｅと凝縮温度Ｔｃに対応する設定開度Ｓｂを決定し（ステップＳ６）、バイパス膨張弁３１の開度を設定開度Ｓｂに調整する（ステップＳ７）。このとき、制御装置４は、第３温度センサ６３で検出された吐出温度が下限温度以下となるように、または、圧力センサ５１で検出された吐出圧力が下限圧力以下となるように、圧縮機２１の回転数、主膨張弁２４の開度、バイパス膨張弁３１の開度を制御する。

以上のように、本実施の形態においては、圧縮機２１、放熱器２２、過冷却熱交換器２３、主膨張手段２４および蒸発器２５が環状に接続された冷媒回路２と、放熱器２２と主膨張手段２４の間で冷媒回路２から分岐し、バイパス膨張手段３１、過冷却熱交換器２３を経由して、蒸発器２５と圧縮機２１との間の冷媒回路に接続したバイパス路３と、制御装置４と、圧縮機２１から吐出される冷媒の吐出圧力を検出する圧力センサ５１、および／または、圧縮機２１から吐出される冷媒の吐出温度を検出する第３温度センサ６３とを備え、作動流体として、Ｒ１１２３冷媒を４０重量％以上７５重量％未満含む作動流体を循環させるものである。

また、このような冷凍サイクル装置１Ａにおいて、蒸発器２５から流出する冷媒の乾き度が０．８以上１．０未満となるように主膨張手段２４およびバイパス膨張手段３１の開度が調整される。また、圧縮機２１から吐出される冷媒の吐出圧力Ｐｄが所定圧力（冷媒の不均化反応が発生する下限圧力）Ｐｘ以下となるように、または、圧縮機２１から吐出される冷媒の吐出温度Ｔｄが所定温度（冷媒の不均化反応が発生する下限温度）Ｔｘ以下となるように冷媒流量を制御することを特徴とするものである。

これにより、Ｒ１１２３を４０重量％以上７５重量％未満含む作動流体の吐出圧力Ｐｄ及び吐出温度Ｔｄが過度に上昇することが抑制される。したがって、冷媒の不均化反応が生じる温度条件が相対的に高くなるため、不均化反応が生じる領域から外れることになる。その結果、Ｒ１１２３を含む冷媒の使用により、Ｒ４１０ＡやＲ３２に対して、ＧＷＰが１／６〜１／２に低減でき、かつ、冷媒の不均化現象が生じない吐出圧力、温度での運転が可能となるため、地球温暖化の抑制、および、機器の信頼性の確保を両立できる。

また、本実施の形態では、制御装置４が、通常運転時に蒸発器２５から流出する冷媒の乾き度が０．８以上１．０未満になるように、主膨張弁２４を制御しているので、蒸発側および凝縮側の負荷が変化しても、負荷に応じて蒸発器２５出口の冷媒乾き度が適正になるので、冷凍サイクルの信頼性と省エネルギー性が向上する。

さらに、本実施の形態では、蒸発器２５での蒸発温度Ｔｅが低くなるほど、放熱器２２での凝縮温度Ｔｃが高くなるほど熱交換比率が大きくなるようにバイパス膨張弁３１を制御している。

これにより、蒸発温度Ｔｅの低下や凝縮温度Ｔｃの上昇に伴う蒸発器２５入口部の冷媒エンタルピ上昇が抑制され、蒸発器２５入口部での気相冷媒が、バイパス路によって確実にバイパスされるので、低圧側の圧力損失が低減される。

したがって、外気温度の低下や循環水温度が上昇熱するような場合でも、高効率な運転を維持することができる。

なお、図１では、圧力センサ５１が冷媒回路２における四方弁２８と放熱器２２の間に設けられているが、圧力センサ５１は、圧縮機２１の吐出部から主膨張弁２４の入口部の間であれば冷媒回路２のどの位置に設けられていてもよく、放熱器２２から圧力センサ５１までの圧力損失分の補正をすればよい。

また、圧力センサ５１の代わりに、放熱器２２における凝縮冷媒が２相状態となる部位に温度センサを設置し、この温度センサの検知温度を凝縮温度Ｔｃとしてもよい。

また、第１温度センサ６１の代わりに、圧力センサを主膨張弁２４の出口部から圧縮機２１の吸入部の間に設置し、この圧力センサで検出される圧力に基づいて飽和温度を算出して蒸発温度Ｔｅとしてもよい。

また、バイパス路３は、必ずしも過冷却熱交換器２３と主膨張弁２４の間で冷媒回路２から分岐している必要はなく、放熱器２２と過冷却熱交換器２３の間で冷媒回路２から分岐していてもよい。

さらに、本発明の主膨張手段およびバイパス膨張手段は、必ずしも膨張弁である必要はなく、膨張する冷媒から動力を回収する膨張機であってもよい。この場合、例えば、膨張機と連結された発電機によって負荷を変化させることにより、膨張機の回転数を制御すれ
ばよい。

また、放熱器２２で加熱される被加熱流体は、必ずしも水である必要はなく、空気であってもよい。すなわち、本発明は空調装置にも適用可能である。

本発明は、冷凍サイクル装置によって水を加熱し、その水を給湯や暖房に利用する温水生成装置に特に有用である。

１Ａ 冷凍サイクル装置
２ 冷媒回路
３ バイパス路
４ 制御装置
２１ 圧縮機
２２ 放熱器
２３ 過冷却熱交換器
２４ 主膨張弁（主膨張手段）
２５ 蒸発器
３１ バイパス膨張弁（バイパス膨張手段）
５１ 圧力センサ
６１ 第１温度センサ
６２ 第２温度センサ
６３ 第３温度センサ

Claims (3)

1. 圧縮機、放熱器、主膨張手段、蒸発器が冷媒配管によって環状に接続された冷媒回路と、少なくとも、前記主膨張手段、及び、前記圧縮機を制御する制御装置と、を備え、
   前記冷媒回路を循環する冷媒としてＲ１１２３冷媒を４０重量％以上７５重量％未満含む作動流体を用い、
   前記制御装置は、前記圧縮機から吐出される冷媒の吐出圧力が所定圧力以下となるように、又は、前記圧縮機から吐出される冷媒の吐出温度が所定温度以下となるように、前記圧縮機及び前記主膨張手段を制御することを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記放熱器と前記主膨張手段との間に設けられた過冷却熱交換器と、
   前記放熱器と前記主膨張手段との間で前記冷媒回路から分岐して、前記過冷却熱交換器を介して、前記圧縮機の圧縮室、又は、前記蒸発器と前記圧縮機との間の前記冷媒回路に接続するバイパス路と、
   前記過冷却熱交換器の上流側の前記バイパス路に設けられたバイパス膨張手段と、を備え、
   前記制御装置は、前記蒸発器から流出する冷媒の乾き度が０．８以上１．０未満となるように、前記圧縮機、前記主膨張手段、前記バイパス膨張手段を制御することを特徴とする、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置を備え、
   前記放熱器において熱媒体としての液体を加熱して、
   前記熱媒体を、給湯と暖房との少なくとも一方に利用することを特徴とする温水生成装置。