WO2020008916A1

WO2020008916A1 - 冷凍サイクル装置およびその制御方法

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Publication number: WO2020008916A1
Application number: PCT/JP2019/024744
Authority: WO
Inventors: 洋平葛山; 啓赤塚; 透黒岩
Original assignee: 三菱重工サーマルシステムズ株式会社
Priority date: 2018-07-06
Filing date: 2019-06-21
Publication date: 2020-01-09
Also published as: JPWO2020008916A1; EP3819556A1; JP7078724B2; CN112368523A; KR20210018444A; KR102460317B1; EP3819556A4; CN112368523B

Abstract

非共沸冷媒を使用した冷媒回路に関し、コストを抑えつつ、温度すべりによる蒸発器の入口温度の低下を抑えることが可能な冷凍サイクル装置およびその制御方法を提供すること。冷凍サイクル装置（１）は、非共沸である冷媒が流れる冷媒回路（１０）と、冷媒回路（１０）を構成する要素を制御する制御部（２０）とを備える。冷媒回路（１０）は、直列に接続され、冷媒を圧縮する低段圧縮機（１１）および高段圧縮機（１２）と、第１熱交換器（１３）および第２熱交換器（１４）と、第１減圧部（１５）と、凝縮過程を経た冷媒に対して圧力が減少した中間圧の冷媒を高段圧縮機（１２）に供給する中間圧インジェクション部（３０）とを有する。制御部（２０）は、蒸発器入口温度を示す指標に基づいて、あるいは、蒸発器入口温度の低下を抑制する所定のモードに設定されたときに、低段圧縮機（１１）および高段圧縮機（１２）の回転速度を制御する。

Description

冷凍サイクル装置およびその制御方法

　本発明は、冷媒が流れる冷媒回路を備えた冷凍サイクル装置、および冷凍サイクル装置の制御方法に関する。

　近年、環境への負荷を低減するため、地球温暖化係数（GWP；Global Warming Potential）の低い冷媒への移行が進んでいる。低GWP冷媒として代表的なものに、HFC-134aの代替冷媒として開発されたHFO-1234yfがある。
　但し、HFO-1234yf等のGWPが低い単一の冷媒を使用する場合は、冷媒回路に得られる圧力が低い傾向にある。そのため、HFO-1234yf等の低GWP冷媒は、圧力を補うために、例えばR32等の冷媒と混合して用いられることがある。

　HFO-1234yfとR32のように沸点の異なる2種以上の混合冷媒を非共沸冷媒と呼ぶ。単一冷媒を用いる場合は、凝縮過程や蒸発過程において冷媒の温度が一定であるのに対し、非共沸冷媒を用いる場合は、凝縮過程や蒸発過程において冷媒の温度が推移することが知られている。かかる冷媒温度の推移は、温度すべりと呼ばれる。

　図６（ａ）には、単一冷媒を使用する場合の蒸発過程を破線で示している。図６（ｂ）には、非共沸冷媒を使用する場合の蒸発過程を破線で示している。（ａ）および（ｂ）のいずれにも一点鎖線により冷媒の温度が等しい等温線を示している。図６（ａ）および（ｂ）のいずれでも、蒸発器入口を円形で囲んで示している。
　非共沸冷媒を使用すると、温度すべりのため、蒸発器入口に近いほど冷媒温度が低い傾向にある。そのため、非共沸冷媒を使用する場合は、暖房等の加熱運転時において、単一冷媒を使用する場合と比べて高い外気温であっても蒸発器に着霜が発生してしまう。

　非共沸冷媒の温度すべりに起因した蒸発器の入口温度の低下を抑制するために、特許文献１では、蒸発器の上流に位置する第１の膨張弁とは別に、蒸発過程の途中に第２の膨張弁を配置している。この第２の膨張弁により冷媒温度を下げ、かつ平均の蒸発温度を上げることで、蒸発器の入口温度を引き上げて着霜を抑制している。

特開２００９－２２２３５７号公報

　特許文献１の方法によれば、第２の膨張弁の装置コストに加え、第２の膨張弁を蒸発過程に配置するために蒸発器の分割に要するコストが必要となるため、主として装置に関する製造コストが増大してしまう。
　そのため、装置には極力変更を加えず、冷媒回路の制御による解決を図りたい。
　以上より、本発明は、非共沸冷媒を使用した冷媒回路に関し、コストを抑えつつ、温度すべりによる蒸発器の入口温度の低下を抑えることが可能な冷凍サイクル装置およびその制御方法を提供することを目的とする。

　本発明の冷凍サイクル装置は、非共沸である冷媒が流れる冷媒回路と、冷媒回路を構成する要素を制御する制御部と、を備える。
　冷媒回路は、直列に接続され、冷媒を圧縮する第１圧縮機構および第２圧縮機構と、熱源と冷媒とを熱交換させる第１熱交換器と、冷媒の圧力を減少させる第１減圧部と、熱負荷と冷媒とを熱交換させる第２熱交換器と、第１熱交換器および第２熱交換器のいずれか一方による凝縮過程を経た冷媒に対して圧力が減少した中間圧の冷媒を第２圧縮機構に供給する中間圧供給部と、を有する。
　そして、本発明は、制御部が、第１熱交換器および第２熱交換器のいずれか一方による蒸発過程の始端部の温度である蒸発器入口温度を示す指標に基づいて、第１圧縮機構および第２圧縮機構の動作速度を制御するか、あるいは、蒸発器入口温度の低下を抑制する所定のモードに設定されたときに、第１圧縮機構および第２圧縮機構の動作速度を制御することを特徴とする。

　本発明の冷凍サイクル装置において、冷媒回路は、凝縮過程を経た一部の冷媒の圧力を減少させる第２減圧部と、中間圧よりも圧力が大きい一次冷媒を、第２減圧部により圧力が減少した二次冷媒と熱交換させることで冷却する内部熱交換器と、をさらに有し、中間圧供給部は、内部熱交換器を経た二次冷媒を第２圧縮機構に供給することが好ましい。

　本発明の冷凍サイクル装置において、冷媒回路は、凝縮過程を経た冷媒を貯留し、減圧させる第２減圧部をさらに有することが好ましい。

　本発明の冷凍サイクル装置において、冷凍サイクル装置は、冷媒回路により熱負荷を加熱する加熱運転が可能であり、加熱運転時に、第１熱交換器は蒸発器として機能し、第２熱交換器は凝縮器として機能することが好ましい。

　本発明の冷凍サイクル装置において、制御部は、中間圧の目標値を増大させて、中間圧が目標値となるように第１圧縮機構の動作速度を制御することが好ましい。

　本発明の冷凍サイクル装置において、制御部は、指標の所定の可変範囲に亘り、指標と目標値とを互いに対応させて記憶する記憶部を有することが好ましい。

　本発明の冷凍サイクル装置において、冷媒回路は、蒸発器入口温度を検出する温度センサ、蒸発器近傍の大気の温度を検出する気温センサ、および、蒸発過程の始端部における冷媒の圧力を検出する圧力センサの少なくとも一つをさらに有し、指標は、温度センサにより検出された温度、気温センサにより検出された温度、および圧力センサにより検出された圧力の少なくとも一つを用いて定められることが好ましい。

　また、本発明は、非共沸である冷媒が流れる回路であって、第１圧縮機構および第２圧縮機構と、第２圧縮機構に、凝縮過程を経た冷媒に対して圧力が減少した中間圧の冷媒を供給する中間圧供給部と、を有する冷媒回路を備えた冷凍サイクル装置を制御する方法であって、蒸発過程の始端部の温度である蒸発器入口温度を示す指標に基づいて、蒸発器入口温度低下の抑制の必要性を判定する判定ステップと、蒸発器入口温度低下の抑制の必要があると判定された場合に、第１圧縮機構および第２圧縮機構の動作速度を制御する制御ステップと、を含むことを特徴とする。

　さらに、本発明は、非共沸である冷媒が流れる回路であって、第１圧縮機構および第２圧縮機構と、第２圧縮機構に、凝縮過程を経た冷媒に対して圧力が減少した中間圧の冷媒を供給する中間圧供給部と、を有する冷媒回路を備えた冷凍サイクル装置を制御する方法であって、蒸発過程の始端部の温度である蒸発器入口温度の低下を抑制する所定のモードに設定されたときに、第１圧縮機構および第２圧縮機構の動作速度を制御する制御ステップを含むことを特徴とする。

　本発明の制御方法において、制御ステップでは、中間圧の目標値を増大させて、中間圧が目標値となるように第１圧縮機構の動作速度を制御することが好ましい。

　本発明の制御方法において、制御ステップでは、可変である指標に応じた値に中間圧の目標値を設定し、中間圧が目標値となるように第１圧縮機構の動作速度を制御することが好ましい。

　本発明の冷凍サイクル装置に備わる冷媒回路は、二段の圧縮機を備え、かつ中間圧のインジェクションを行う同種の冷媒回路に構成要素を付加することなく、既存の同種の冷媒回路と同様に構成することができる。
　さらに、本発明によれば、詳しくは後述するように、蒸発器入口温度の低下を抑制する必要がある場合に中間圧を増大させて第１圧縮機の回転速度を制御すると、冷凍能力に影響が出ることなく、インジェクション量を減少させて蒸発器入口温度を引き上げることができる。
　以上より、コストを抑えつつ、能力を確保しながら、非共沸冷媒の使用により低下しがちな蒸発器入口温度の低下を抑制し、加熱運転時には蒸発器の着霜を抑制することができる。

本発明の実施形態に係る冷凍サイクル装置を模式的に示す図である。加熱運転時を基準として「蒸発過程」および「凝縮過程」を記している。本発明の実施形態に係るｐ－ｈ線図である。（ａ）は、蒸発器入口温度抑制の制御なしの場合の冷凍サイクルを破線で示している。（ｂ）は、蒸発器入口温度抑制の制御なしの場合の冷凍サイクルに加えて、蒸発器入口温度抑制の制御ありの場合の冷凍サイクルを実線で示している。本発明の実施形態に係る蒸発器入口温度の低下抑制制御の手順を示す図である。（ａ）は、蒸発器入口温度の低下抑制の制御による着霜抑制の効果を説明するための模式図である。（ｂ）は、蒸発器入口温度を示す指標と、中間圧の目標値との対応関係を示す図である。本発明の変形例に係る冷凍サイクル装置を模式的に示す図である。加熱運転時を基準として「蒸発過程」および「凝縮過程」を記している。（ａ）は単一冷媒を使用する場合の冷媒温度傾向を示す図であり、（ｂ）は非共沸冷媒を使用する場合の冷媒温度傾向を示す図である。

　以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
　図１に示す冷凍サイクル装置１は、非共沸冷媒が流れる冷媒回路１０と、冷媒回路１０を制御する制御部２０とを備えている。
　冷凍サイクル装置１は、冷媒が流れる冷媒回路を備えた種々の装置、例えば、空気調和機や冷凍機、給湯機、ヒートポンプ等として構成することができる。

〔非共沸冷媒〕
　非共沸冷媒は、沸点の異なる２種以上の冷媒が混合されたものを言う。例えば、HFO-1234yfとR32とが混合されたものが非共沸冷媒に該当する。その他の非共沸冷媒としては、例えば、HFO-1234zeとR32とが混合された冷媒や、炭化水素とR32とが混合された冷媒等を挙げることができる。
　非共沸冷媒（以下、単に冷媒）は、所定の混合比率により冷媒回路１０に封入されて冷媒回路１０を循環する。
　蒸発過程における非共沸冷媒の温度すべり（図６（ｂ））に起因して、蒸発器入口における冷媒の温度は、単一の冷媒を使用する場合（図６（ａ））と比べて低い傾向にある。

　本実施形態の制御部２０による制御により、蒸発器の入口における冷媒温度の低下を抑えることができる。そのため、冷凍サイクル装置１の加熱運転時には、蒸発器に着霜が発生することを抑制することができる。

〔冷媒回路〕
　冷媒回路１０（図１）は、低段圧縮機１１（第１圧縮機構）と、高段圧縮機１２（第２圧縮機構）と、２つの熱交換器１３，１４（第１熱交換器および第２熱交換器）と、第１減圧部１５と、第２減圧部３１を含む中間圧インジェクション部３０（中間圧供給部）と、四方弁１６とを有している。
　冷媒回路１０は、四方弁１６により冷媒の流れの向きが切り替えられることで、冷却運転と加熱運転との両方が可能である。
　図１には、加熱運転時に冷媒が冷媒回路１０を流れる向きを矢印で示している。
　冷凍サイクル装置１は、冷媒回路１０を流れる冷媒の圧縮、凝縮、減圧による膨張、および蒸発の過程からなる冷凍サイクルにより、外気を熱源として、熱負荷を冷却または加熱する。
　冷凍サイクル装置１は、変動する熱負荷に応じて能力が可変に構成されていてもよいし、熱負荷によらず、能力が一定に構成されていてもよい。

　冷媒回路１０は、複数段の圧縮機１１，１２および圧縮機１１，１２間に中間圧Ｐｍの冷媒を供給する中間圧インジェクション部３０を有する。そのため、冷媒回路１０によれば、１段圧縮により同じ冷凍能力を得る場合と比べて、圧縮効率を担保し、かつ圧縮機から吐出される冷媒の温度を抑制することができる。
　冷媒回路１０の構成は、低段圧縮機１１および高段圧縮機１２と、中間圧インジェクション部３０とを含む同種の冷媒回路に典型的な構成に該当する。本実施形態の冷媒回路１０は、同種の冷媒回路に備わる構成要素のみから構成することができる。

（圧縮機）
　低段圧縮機１１および高段圧縮機１２は、それぞれ、電動機等の動力源によりスクロールやロータリーピストンを回転させたりベーンを往復動させたりすることで冷媒を圧縮する。
　低段圧縮機１１は、例えばスクロール圧縮機構等の適宜な圧縮機構（図示しない）と、圧縮機構を収容するハウジング１１１とを備えている。低段圧縮機１１がハウジング１１１の内部に複数の圧縮機構を備えていてもよい。
　高段圧縮機１２も、同様に、例えばスクロール圧縮機構等の適宜な圧縮機構（図示しない）と、圧縮機構を収容するハウジング１２１とを備えている。高段圧縮機１２がハウジング１２１内に複数の圧縮機構を備えていてもよい。
　低段圧縮機１１および高段圧縮機１２のいずれも、制御部２０からの指令に基づいて、圧縮機構の動作速度が可変に構成されている。例えば、モータを動力源とする電動スクロール圧縮機である場合は、スクロールの回転速度を示す指令に基づいて、圧縮機に備わる駆動装置により生成された駆動電流がモータに印加されることで、スクロールの回転速度が制御される。
　以下では、回転動作により冷媒を圧縮する圧縮機構を想定して、動作速度のことを回転速度と称する。

　低段圧縮機１１により圧縮された冷媒は、高段圧縮機１２に吸入されてより高い圧力にまで圧縮される。低段圧縮機１１から冷媒を吐出する吐出部１１Ｂと、高段圧縮機１２へと冷媒を導入する導入部１２Ａとが配管１２０により接続されている。

（熱交換器）
　第１熱交換器１３は、熱源である外気と冷媒とを熱交換させる。第１熱交換器１３は、冷却運転時には凝縮器として機能し、加熱運転時には蒸発器として機能する。
　第２熱交換器１４は、熱負荷である空気や水等と冷媒とを熱交換させる。第２熱交換器１４は、冷却運転時には蒸発器として機能し、加熱運転時には凝縮器として機能する。
　図１における第１、第２熱交換器１３，１４にはそれぞれ、加熱運転時にそれぞれ受け持つ過程（蒸発過程／凝縮過程）が付記されている。

（第１減圧部）
　第１減圧部１５は、凝縮過程を経た冷媒の圧力を減少させる。第１減圧部１５としては、膨張弁やキャピラリーチューブ等を用いることができる。

（中間圧インジェクション部）
　中間圧インジェクション部３０は、加熱運転時および冷却運転時のいずれにおいても、凝縮過程を経た冷媒に対して圧力が減少した中間圧Ｐｍの冷媒を第２圧縮機１２に供給する。
　本実施形態の中間圧インジェクション部３０は、第２減圧部３１と、内部熱交換器３２とを備えている。

　第２減圧部３１は、凝縮過程を経た一部の冷媒の圧力を減少させて、内部熱交換器３２に供給する。第１熱交換器１３あるいは第２熱交換器１４において凝縮過程を経た冷媒が、第２減圧部３１および内部熱交換器３２を経由して、インジェクション流路３３を第２圧縮機１２に向けて流れる。

　第２減圧部３１としては、膨張弁や、キャピラリーチューブおよび弁の組み合わせ等を用いることができる。
　第２減圧部３１は、典型的には膨張弁であり、制御部２０からの指令に応じて絞り量が制御される。

　内部熱交換器３２は、凝縮過程を経た後、第２減圧部３１には流入しないで第１減圧部１５に向かう一次冷媒と、第２減圧部３１により圧力が減少した二次冷媒とを熱交換させることで、一次冷媒を冷却する。
　内部熱交換器３２を流れる一次冷媒に対し、第２減圧部３１により圧力が減少した二次冷媒の圧力は小さく、温度も低い。そのため、内部熱交換器３２において、実線で示す経路を流れる一次冷媒と、破線で示す経路を流れる二次冷媒とが、温度差に基づいて熱を授受する。内部熱交換器３２では、基本的に、高圧の液である一次冷媒と、低圧のガスである二次冷媒との間で熱交換が行われることとなる。そして、内部熱交換器３２において一次冷媒からの吸熱によりさらにガス化した二次冷媒が、第２圧縮機１２に供給される。

　第２減圧部３１および内部熱交換器３２を介して第２圧縮機１２に供給される冷媒の量（インジェクション量）は、第２減圧部３１を制御して第２減圧部３１に流入する冷媒の流量を調整することにより調整することができる。
　内部熱交換器３２の熱交換の効率は、一次冷媒と二次冷媒との温度差に依存するため、制御部２０は、二次冷媒の温度が上昇したならば第２減圧部３１を絞り、インジェクション量を減少させる。第２減圧部３１は完全に閉じられてもよい。一次冷媒と二次冷媒との温度差が小さければ、内部熱交換器３２において二次冷媒が十分にガス化しないまま高段圧縮機１２に供給されるのを避ける意味でも、制御部２０は、第２減圧部３１を絞り、インジェクション量を減少させる。

　二次冷媒の温度は、高段圧縮機１２に供給される冷媒の圧力（中間圧Ｐｍ）が増大することで上昇する。そのため、低段圧縮機１１と高段圧縮機１２との間に位置する圧力センサ１８により検出される中間圧Ｐｍが高いほど、制御部２０は第２減圧部３１を絞ってインジェクション量を減少させる。インジェクション量が減少した分、凝縮器から第１減圧部１５に流れる冷媒の量が増えることとなる。

　本実施形態の中間圧インジェクション部３０は、低段圧縮機１１と高段圧縮機１２とを接続する配管１２０に中間圧の冷媒を噴射することで、低段圧縮機１１から吐出された冷媒と共に中間圧Ｐｍの冷媒を高段圧縮機１２のハウジング１２１の内部に供給する。
　但し、中間圧インジェクション部３０が、低段圧縮機１１から吐出された冷媒とは別に、中間圧の冷媒を第２圧縮機１２に供給するように構成することもできる。

〔冷凍サイクル〕
　冷媒回路１０による冷凍サイクルを図２（ａ）および（ｂ）に示している。
　図２（ａ）は、制御部２０により、後述する蒸発器入口温度の低下を抑制する制御を行わない場合の冷凍サイクルＹ１を破線で示している。
　図２（ｂ）は、冷凍サイクルＹ１に加え、制御部２０により、後述する蒸発器入口温度の低下を抑制する制御を行う場合の冷凍サイクルＹ２を実線で示している。

　まず、図２（ａ）に示す冷凍サイクルＹ１について説明する。
　冷凍サイクルＹ１の圧縮過程は、低段圧縮機１１による圧縮過程ａ１と、高段圧縮機１２による圧縮過程ａ２とからなる。
　ここで、圧縮過程ａ１と圧縮過程ａ２との境界の圧力が、中間圧インジェクション部３０により高段圧縮機１２に供給される中間圧Ｐｍに相当する。低段圧縮機１１から吐出された冷媒が中間圧Ｐｍの冷媒により冷却されることで、高段圧縮機１２の圧縮機構に吸入される冷媒の温度がΔｈ１に相当する分だけ低下する。

　低段圧縮機１１および高段圧縮機１２により圧縮された冷媒は、凝縮器（例えば第２熱交換器１４）による凝縮過程ｂ１を経て、一部の減圧した冷媒により内部熱交換器３２において吸熱されることでさらに凝縮する。そうすると、図２（ａ）に示す例では過冷却される（ｂ２）。
　凝縮過程ｂ１と、内部熱交換器３２による凝縮過程ｂ２とからなる凝縮過程を終えると、第１減圧部１５により冷媒の圧力が減少する（ｃ２）。冷凍サイクルＹ１の減圧過程は、第２減圧部３１による減圧過程ｃ１と、第１減圧部１５による減圧過程ｃ２とからなる。
　減圧過程ｃ２を経た冷媒は、蒸発器（例えば第１熱交換器１３）による蒸発過程ｄを経て、圧縮過程ａ１へと至る。

〔制御部〕
　制御部２０（図１）は、種々のセンサにより検知された温度、圧力等の計測値や、予め定められた温度、圧力等の設定値を用いて、冷媒回路１０に備わる減圧部１５，３１等の種々の弁や圧縮機１１，１２等の要素の動作を制御する。

　制御部２０は、直列に接続された低段圧縮機１１および高段圧縮機１２と、高段圧縮機１２に中間圧Ｐｍの冷媒を供給する中間圧インジェクション部３０とを含む冷媒回路１０に適用される。
　冷媒回路１０を制御する制御部２０は、熱負荷の変動や運転状況等に応じて、膨張弁等である第２減圧部３１に指令を送ることで、中間圧インジェクション部３０により高段圧縮機１２に供給される冷媒の量（インジェクション量）を調整可能である。こうした制御は、高段圧縮機１２に中間圧Ｐｍの冷媒を供給する冷媒回路に用いられる典型的な制御部による制御と同様であってよい。

　上述したように、非共沸である混合冷媒を用いる場合は、単一冷媒を用いる場合と比べて、蒸発器の入口温度が低下する傾向にある。こうした蒸発器入口温度の低下を抑制して、特に加熱運転時の蒸発器への着霜を抑制するため、本実施形態の制御部２０は、蒸発器入口温度を示す指標に基づいて、低段圧縮機１１および高段圧縮機１２のそれぞれの圧縮機構の回転速度を制御する。
　「蒸発器入口温度」は、第１熱交換器１３および第２熱交換器１４のいずれか一方による蒸発過程の始端部における冷媒の温度に相当する。

　ここで、冷媒回路に用いられる制御部一般において、凝縮器における圧力（高段圧縮機１２から吐出される冷媒の圧力に相当）である高圧Ｐｈと、蒸発器における圧力である低圧Ｐｌ（低段圧縮機１１に吸入される冷媒の圧力に相当）とが設定されている。高段圧縮機１２に中間圧冷媒を供給する場合は、高圧Ｐｈおよび低圧Ｐｌに加えて、中間圧Ｐｍが設定されている。この中間圧Ｐｍは、高圧Ｐｈと低圧Ｐｌとの間の典型的には中心値またはその近傍に設定される。そして、制御部２０により、高段圧縮機１２の回転速度は、高圧Ｐｈに基づいてフィードバック制御され、低段圧縮機１１の回転速度は、中間圧Ｐｍに基づいてフィードバック制御される。
　低段圧縮機１１の回転速度と、高段圧縮機１２の回転速度とは、制御部２０による制御により、平常時は、所定の比率でバランスしている。

　上述したように第２減圧部３１によりインジェクション量を調整する制御や、高圧Ｐｈおよび中間圧Ｐｍに基づく圧縮機１１，１２の回転速度制御等の冷媒回路１０の基本的な制御を行いつつ、制御部２０は、蒸発器入口温度を示す指標Ｘに基づいて、蒸発器入口温度の低下を抑制する必要がある場合に、低段圧縮機１１の回転速度を増加させる。すると、後述するように高段圧縮機１２の回転速度が減少する。つまり、低段圧縮機１１の回転速度を増加させた結果、圧縮機１１，１２の回転速度比が平常時から変化する。蒸発器入口温度の低下を抑えるために行われる低段圧縮機１１および高段圧縮機１２の回転速度の制御は、冷凍サイクル装置１の能力に影響を与えないようにするため、第２減圧部３１等の制御に先行して行われることが好ましい。これについては後述する。

　蒸発器の入口温度の低下を抑制する制御を行うため、制御部２０は、蒸発器入口の温度を示す指標Ｘを用いる。かかる指標Ｘは、蒸発器入口温度を検出する温度センサ１７を用いて定められている。
　温度センサ１７は、加熱運転時に蒸発器として機能する第１熱交換器１３の入口の近傍に取り付けられている。加熱運転時に蒸発器への着霜を抑制する目的からは、第１熱交換器１３の入口近傍に温度センサ１７を取り付けていれば足りる。

　温度センサ１７に代えて、蒸発器の近傍の大気（外気）の温度を検出する温度センサ（気温センサ）により検出された温度を用いて指標Ｘを定めることもできる。
　あるいは、温度センサ１７や気温センサに代えて、蒸発器入口における冷媒の圧力を検出する圧力センサを蒸発器の入口近傍に取り付けることもできる。その圧力センサにより検出された圧力を用いて指標Ｘを定めることもできる。圧力センサは、蒸発器の内部の冷媒の温度を直接的に検出するため、通常は蒸発器の外側に取り付けられて蒸発器の部材を介して冷媒温度を検出する温度センサを用いる場合よりも蒸発器入口の冷媒温度を適切に示す指標Ｘを定めることができる。
　なお、温度センサ１７、気温センサ、および圧力センサの２つ以上を用いて指標Ｘを定めるようにしてもよい。

　その他、指標Ｘを定めるために、蒸発器の出口における冷媒の温度や乾き度をも用いることができる。

　指標Ｘは、冷凍サイクル装置１を運転させて行う試験や、シミュレーション等に基づいて予め定めることができる。制御部２０に備わる記憶部２１に指標Ｘを記憶しておき、記憶部２１から指標Ｘを読み出して制御に用いるとよい。

　制御部２０は、演算部２２および記憶部２１を備えたコンピュータとして構成することができる。この場合、制御部２０による制御に対応するコンピュータプログラムを作成し、コンピュータプログラムを実行することで制御部２０による制御を実現することができる。

〔冷凍サイクル装置の制御〕
　図３および図２を参照し、蒸発器入口温度の低下時における制御部２０の制御について説明する。この制御は、加熱運転時には、蒸発器への着霜を抑制する制御に該当する。

　制御部２０は、蒸発器入口温度を示す指標Ｘに基づいて、蒸発器入口温度低下の抑制の必要性を判定する（判定ステップＳ１）。例えば、温度センサ１７により検出された温度が指標Ｘであるとすると、温度センサ１７により検出された温度が、閾値以下であるならば、蒸発器入口温度の低下を抑制する必要があると判定される。
　判定ステップＳ１により、蒸発器入口温度の低下を抑制する必要があると判定されたならば（ステップＳ１でYes）、低段圧縮機１１の回転速度を増加させる（回転速度制御ステップＳ２）。
　なお、判定ステップＳ１のように閾値を用いて、蒸発器入口温度低下の抑制の必要性を判定するほか、例えば、一定期間中に温度センサ１７による温度の計測を繰り返し、温度計測値が、所定の回数以上、基準を上回った場合に、ステップＳ２以下に移行するようにしてもよい。

　回転速度制御ステップＳ２において、制御部２０は、中間圧Ｐｍの目標値を増大させて、中間圧Ｐｍが目標値となるように低段圧縮機１１の回転速度をフィードバック制御することで、低段圧縮機１１の回転速度を増加させる。これは、以下に述べる理由による。

　中間圧Ｐｍの増大に伴い、冷媒の温度も上昇するため、上述したように第２減圧部３１が絞られてインジェクション量が減少する。インジェクション量の減少に伴い、蒸発器入口のエンタルピが増加することで、蒸発器入口温度が引き上げられることとなる。
　ここで、インジェクション量が減少すると、蒸発器を流れる冷媒の流量が増加する。このとき、低圧Ｐｌ（低段圧縮機１１の吸入圧力）は変わらないため、冷媒循環量を増やすために、低段圧縮機１１の回転速度を増加させる。

　このときの高段圧縮機１２の回転速度について説明する。
　熱負荷が変化しない場合、高圧Ｐｈは変化せず、冷媒循環量は変化しない。但し、中間圧インジェクション部３０により高段圧縮機１２に供給される中間圧Ｐｍが増加したことで、高段圧縮機１２に吸入される冷媒の密度が増加する。そのため、同じ循環量を維持するために、高段圧縮機１２の回転速度を減少させる必要がある。
　ステップＳ２において、高圧Ｐｈが一定となるように制御部２０により高段圧縮機１２の回転速度がフィードバック制御されることにより、高段圧縮機１２の回転速度が減少する。

　図３に示す制御が行われることにより、冷媒回路１０による冷凍サイクルが、図２（ｂ）に示すように、破線で示す状態（Ｙ１）から実線で示す状態（Ｙ２）へと変化する。
　上述したように、指標Ｘに基づいて蒸発器入口温度の低下抑制の必要があると判定されると（ステップＳ１でYes）、制御部２０により、中間圧Ｐｍの目標値を増大させて、低段圧縮機１１の回転速度を増大させる（ステップＳ２）。すると、中間圧Ｐｍが増加し、上述したように、低圧Ｐｌおよび高圧Ｐｈは変化しないで、高段圧縮機１２の回転速度は減少する。
　そして、中間圧が増加したことで、インジェクション量に関する制御部２０の基本的制御により第２減圧部３１が絞られるため、インジェクション量ＩＮ（図２（ｂ）に白抜き矢印の太さで表現している）が減少する。
　第２減圧部３１が絞られると、二次冷媒の流量が減少するため、内部熱交換器３２の出口のエンタルピが増加する。同様に、蒸発器入口におけるエンタルピも増加することにより、蒸発器入口温度Ｔが引き上げられる（図２（ｂ）の黒塗りの矢印）。
　本実施形態の制御によれば、図２（ｂ）に破線で表している蒸発器入口温度の低下抑制制御を行わない場合に対し、蒸発器入口温度を引き上げることができる。

　以上で説明した制御は、加熱運転時および冷却運転時のいずれも可能である。
　本実施形態による制御により、蒸発器入口温度が引き上げられることで、加熱運転時には、蒸発器（第１熱交換器１３）に着霜が発生するのを抑えることができる。
　図４（ａ）は、上述した蒸発器入口温度の低下を抑制する制御の有無による蒸発器の着霜温度領域の違いを示している。かかる制御を行わない場合（上段）では、外気温度が相対的に高いうちから着霜するのに対し、かかる制御を行うことで（下段）、着霜が発生する外気温度を下げることができる。

　平常時の制御から、蒸発器入口温度の低下を抑制する制御（ステップＳ２）へ移行した後、例えば指標Ｘが所定の閾値を超えた際に、平常時の制御に復帰するとよい。このときの閾値は、平常時の制御から、蒸発器入口温度の低下を抑制する制御に移行する際の閾値よりも大きく設定することができる。
　あるいは、蒸発器入口温度の低下を抑制する制御へ移行してから、所定の時間が経過した後に、指標Ｘにかかわらず、平常時の制御に復帰するようにしてもよい。

　以上のように、指標Ｘに基づいて、低段圧縮機１１および高段圧縮機１２の回転速度を制御することに代えて、蒸発器入口温度の低下を抑制する所定のモードに制御部２０が設定されたときに、同様の制御を行うようにしてもよい。つまり、かかるモードに制御部２０が設定されると、制御部２０は、中間圧Ｐｍの目標値を増大させて、中間圧Ｐｍが目標値になるように低段圧縮機１１の回転速度を制御する。このとき低段圧縮機１１の回転速度が増加し、高段圧縮機１２の回転速度が減少する。そして、インジェクション量が減少することで、蒸発器入口温度の低下を抑制することができる。

〔本実施形態による効果〕
　本実施形態の冷凍サイクル装置１の冷媒回路１０は、二段の圧縮機１１，１２および中間圧インジェクション部３０を有する同種の冷媒回路に構成要素を付加することなく、既存の同種の冷媒回路と同様に構成することができる。蒸発器を分割して膨張弁を追加する必要はない。
　また、冷凍サイクル装置１の制御部２０も、冷媒回路１０と同種の冷媒回路に適用される制御部の基本的な制御に、蒸発器入口温度の低下を抑制する必要がある場合に中間圧Ｐｍを増大させて低段圧縮機１１の回転速度を増大させる制御を加えるだけで構成することができる。
　したがって、冷凍サイクル装置１によれば、既存の冷媒回路１０を使用可能であることでコストを抑えつつ、非共沸冷媒に起因する温度すべりによる蒸発器の入口温度の低下を抑え、加熱運転時には蒸発器の着霜を抑制することができる。

　ところで、圧縮機１１，１２の回転速度を制御することに代えて、第２減圧部３１における流量を制御してインジェクション量を減少させることによっても、蒸発器入口の温度低下を抑制することができる。
　しかし、単にインジェクション量を減少させただけでは、インジェクション量の減少分に対応する一次冷媒の流量増加により内部熱交換器３２の出口の二次冷媒の温度が上昇し、中間圧Ｐｍが変わらないと、高段圧縮機１２に吸入される冷媒の温度が過度に上昇する可能性がある。
　加えて、第２減圧部３１の制御によるインジェクション量の減少に、圧縮機１１，１２の回転速度の制御が追随する過程で、能力が一時的に低下する可能性がある。

　本実施形態では、蒸発器入口温度の低下を抑制するために、第２減圧部３１の制御によるインジェクション量の減少に先行して、圧縮機１１，１２の回転速度を制御している。本実施形態によれば、高圧Ｐｈを維持するように高段圧縮機１２の回転速度が制御される。したがって、冷凍サイクル装置１の能力に影響が出ることなく、要求される所定の能力を確保することができる。また、高段圧縮機１２に吸入される冷媒の温度を抑えて信頼性を確保することができる。

　中間圧の目標値を増大させる際は、一定の圧力にまで、あるいは所定の条件に応じて定められた可変の圧力にまで増大させることができる。あるいは、現在の中間圧目標値に一定の増分、あるいは可変の増分が加えられた圧力にまで増大させることができる。

　蒸発器入口温度の低下を抑制することの必要度は、指標Ｘに応じて変わるとも言える。その観点からは、中間圧の目標値を増大させるにあたり、可変である指標Ｘに対応する値に目標値を設定することが好ましい。
　図４（ｂ）は、指標Ｘが、蒸発器入口温度を検出する温度センサ１７により検出された温度である場合に、その指標Ｘと、中間圧目標値との対応関係を示している。ここでは、要求される冷凍能力が一定であると仮定する。
　指標Ｘが、基準の温度Ｘ_０に対して低いことに基づいて、蒸発器入口温度の抑制の必要があると判定された場合は、中間圧目標値が、指標Ｘに応じて可変に、この例では指標Ｘが低いほど大きくなるように中間圧目標値を設定する。中間圧目標値が大きいほど、中間圧Ｐｍがより一層増加し、それに伴いインジェクション量がより一層減少する。
　そのため、指標Ｘに対応する中間圧目標値を制御部２０に与えながら、圧縮機１１，１２の回転速度を制御することにより、蒸発器入口温度の低下を確実に抑制しながら、冷凍サイクル装置１を効率よく運転させることができる。
　指標Ｘの所定の可変範囲に亘り、指標Ｘと中間圧目標値とを互いに対応させて、制御部２０の記憶部２１に記憶させると好ましい。

　上述したように、蒸発器入口温度の低下を抑制する所定のモードに制御部２０が設定された後も、変化する指標Ｘに対応する中間圧目標値を制御部２０に与えながら、圧縮機１１、１２の回転速度を制御することが好ましい。

〔変形例〕
　次に、図５を参照し、本発明の変形例に係る冷凍サイクル装置２について説明する。
　以下の説明では、上述した実施形態と相違する事項を中心に説明する。上述の実施形態と同様の構成には同じ符号を付している。
　図５に示す例では、中間圧の冷媒を高段圧縮機１２に供給する機構として、レシーバ３４（第２減圧部）を用いる。レシーバ３４は、上記の第２減圧部３１および内部熱交換器３２に代えて、冷媒回路１０に組み込まれている。

　レシーバ３４は、凝縮過程を経た高圧液冷媒を受け入れて貯留し、減圧させる。レシーバ３４に流入した冷媒の圧力は、レシーバ３４の内部で減少する。レシーバ３４の内部では、冷媒の液相と気相との密度の違いにより、冷媒が液とガスとに分離する。レシーバ３４の内部のガス冷媒が、高段圧縮機１２に供給される。

　温度センサ１７により検出された温度である指標Ｘに基づいて、蒸発器入口温度の低下を抑制する必要があると判定されたものとする。
　その場合、上述の実施形態と同様に、中間圧目標値を増大させ、中間圧Ｐｍが中間圧目標値となるように低段圧縮機１１の回転速度を制御する（増加させる）。
　そうすると、中間圧Ｐｍが増加するため、レシーバ３４の内部と中間圧Ｐｍとの圧力差に基づいてレシーバ３４から高段圧縮機１２に供給される冷媒の量、すなわちインジェクション量が減少する。それに伴い、蒸発器入口温度の低下を抑制することができる。

　図５に示す構成によれば、図１に示す第２減圧部３１および内部熱交換器３２が必要ないため、冷媒回路１０の構成が簡素となる。したがって、上述の実施形態に対してより一層コストを抑えることができる。

　上記以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。

　本発明の冷凍サイクル装置は、熱負荷の加熱と冷却に兼用されるものに限らず、加熱専用あるいは冷却専用に構成されていてもよい。この場合、四方弁１６は必要ない。

　１つの圧縮機のハウジングの内部に、低段側の第１圧縮機構と、高段側の第２圧縮機構とが配置されており、これらの第１圧縮機構と第２圧縮機構との間に中間圧の冷媒が供給される場合がある。こうした圧縮機を備えた冷媒回路にも制御部２０を適用することが可能である。

　本発明は、直列に接続された３つ以上の圧縮機を備え、少なくとも１つの圧縮機に中間圧の冷媒が供給されるように構成された冷媒回路にも適用することができる。

１，２　　冷凍サイクル装置
１０　　　冷媒回路
１１　　　低段圧縮機（第１圧縮機構）
１１Ｂ　　吐出部
１２　　　高段圧縮機（第２圧縮機構）
１２Ａ　　導入部
１３　　　第１熱交換器
１４　　　第２熱交換器
１５　　　第１減圧部
１６　　　四方弁
１７　　　温度センサ
１８　　　圧力センサ
２０　　　制御部
２１　　　記憶部
２２　　　演算部
３０　　　中間圧インジェクション部（中間圧供給部）
３１　　　第２減圧部
３２　　　内部熱交換器
３３　　　インジェクション流路
３４　　　レシーバ（第２減圧部）
１１１　　ハウジング
１２０　　配管
１２１　　ハウジング
ａ１，ａ２　　　圧縮過程
ｂ１，ｂ２　　　凝縮過程
ｃ１，ｃ２　　　減圧過程
ｄ　　　　蒸発過程
ＩＮ　　　インジェクション量
Ｐｈ　　　高圧
Ｐｌ　　　低圧
Ｐｍ　　　中間圧
Ｓ１　　　判定ステップ
Ｓ２　　　回転速度制御ステップ
Ｔ　　　　蒸発器入口温度
Ｘ　　　　指標
Ｙ１，Ｙ２　　　冷凍サイクル

Claims

　非共沸である冷媒が流れる冷媒回路と、
　前記冷媒回路を構成する要素を制御する制御部と、を備え、
　前記冷媒回路は、
　直列に接続され、前記冷媒を圧縮する第１圧縮機構および第２圧縮機構と、
　熱源と前記冷媒とを熱交換させる第１熱交換器と、
　前記冷媒の圧力を減少させる第１減圧部と、
　熱負荷と前記冷媒とを熱交換させる第２熱交換器と、
　前記第１熱交換器および前記第２熱交換器のいずれか一方による凝縮過程を経た前記冷媒に対して圧力が減少した中間圧の前記冷媒を前記第２圧縮機構に供給する中間圧供給部と、を有し、
　前記制御部は、
　前記第１熱交換器および前記第２熱交換器のいずれか一方による蒸発過程の始端部の温度である蒸発器入口温度を示す指標に基づいて、前記第１圧縮機構および前記第２圧縮機構の動作速度を制御するか、あるいは、
　前記蒸発器入口温度の低下を抑制する所定のモードに設定されたときに、前記第１圧縮機構および前記第２圧縮機構の動作速度を制御する、
ことを特徴とする冷凍サイクル装置。
　前記冷媒回路は、
　前記凝縮過程を経た一部の前記冷媒の圧力を減少させる第２減圧部と、
　前記中間圧よりも圧力が大きい一次冷媒を、前記第２減圧部により圧力が減少した二次冷媒と熱交換させることで冷却する内部熱交換器と、をさらに有し、
　前記中間圧供給部は、
　前記内部熱交換器を経た前記二次冷媒を前記第２圧縮機構に供給する、
請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
　前記冷媒回路は、
　前記凝縮過程を経た前記冷媒を貯留し、減圧させる第２減圧部をさらに有する、
請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
　前記冷凍サイクル装置は、前記冷媒回路により前記熱負荷を加熱する加熱運転が可能であり、
　前記加熱運転時には、
　前記第１熱交換器が蒸発器として機能し、前記第２熱交換器が凝縮器として機能する、
請求項１から３のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
　前記制御部は、
　前記中間圧の目標値を増大させて、前記中間圧が前記目標値となるように前記第１圧縮機構の前記動作速度を制御する、
請求項１から４のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
　前記制御部は、
　前記指標の所定の可変範囲に亘り、前記指標と前記目標値とを互いに対応させて記憶する記憶部を有する、
請求項５に記載の冷凍サイクル装置。
　前記冷媒回路は、
　前記蒸発器入口温度を検出する温度センサ、
　蒸発器近傍の大気の温度を検出する気温センサ、および、
　前記蒸発過程の始端部における前記冷媒の圧力を検出する圧力センサの少なくとも一つをさらに有し、
　前記指標は、前記温度センサにより検出された温度、前記気温センサにより検出された温度、および前記圧力センサにより検出された圧力の少なくとも一つを用いて定められる、
請求項１から６のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
　非共沸である冷媒が流れる回路であって、第１圧縮機構および第２圧縮機構と、前記第２圧縮機構に、凝縮過程を経た前記冷媒に対して圧力が減少した中間圧の前記冷媒を供給する中間圧供給部と、を有する冷媒回路を備えた冷凍サイクル装置を制御する方法であって、
　蒸発過程の始端部の温度である蒸発器入口温度を示す指標に基づいて、前記蒸発器入口温度低下の抑制の必要性を判定する判定ステップと、
　前記蒸発器入口温度低下の抑制の必要があると判定された場合に、前記第１圧縮機構および前記第２圧縮機構の動作速度を制御する制御ステップと、を含む、
ことを特徴とする冷凍サイクル装置の制御方法。
　非共沸である冷媒が流れる回路であって、第１圧縮機構および第２圧縮機構と、前記第２圧縮機構に、凝縮過程を経た前記冷媒に対して圧力が減少した中間圧の前記冷媒を供給する中間圧供給部と、を有する冷媒回路を備えた冷凍サイクル装置を制御する方法であって、
　蒸発過程の始端部の温度である蒸発器入口温度の低下を抑制する所定のモードに設定されたときに、前記第１圧縮機構および前記第２圧縮機構の動作速度を制御する制御ステップを含む、
ことを特徴とする冷凍サイクル装置の制御方法。
　前記制御ステップでは、
　前記中間圧の目標値を増大させて、前記中間圧が前記目標値となるように前記第１圧縮機構の前記動作速度を制御する、
請求項８または９に記載の冷凍サイクル装置の制御方法。
　前記制御ステップでは、
　可変である前記指標に応じた値に前記中間圧の目標値を設定し、
　前記中間圧が前記目標値となるように前記第１圧縮機構の前記動作速度を制御する、
請求項８に記載の冷凍サイクル装置の制御方法。