JP2014211263A - 蒸気圧縮式冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 部品点数の増加を抑制し、かつ、吐出温度の上昇を抑制可能な蒸気圧縮式冷凍機を提供する。【解決手段】 第２減圧装置１３にて減圧された気液二相状態の冷媒を圧縮過程の圧縮装置９に注入する。これにより、第１圧縮装置９Ａによる第１圧縮過程で圧縮されて温度が上昇した冷媒は、注入された液相冷媒が蒸発することにより冷却される。そして、第１圧縮装置９Ａから吐出した気相冷媒、並びに注入された気相冷媒及び注入により蒸発して気化した冷媒は、第２圧縮装置９Ｂに吸引されて高圧熱交換器３側に吐出される。このため、第２圧縮装置９Ｂに吸引される気相冷媒の加熱度が小さくなるので、第２圧縮過程を経て圧縮装置９から吐出される冷媒の温度が大きく上昇してしまうことを抑制できる。【選択図】図１

Description

本発明は、コンピュータ等の電気発熱体を冷却するための蒸気圧縮式冷凍装置に関する。

例えば、特許文献１に記載の発明では、気相冷媒を圧縮過程に注入する場合と、液相冷媒を圧縮過程に注入する場合とを、圧縮機から吐出された冷媒温度に基づいて切替制御している。なお、圧縮過程に冷媒を「注入する」ことを「インジェクション」ともいう。

特開平５−３０２７６０号公報

特許文献１では、液相冷媒を圧縮過程に注入することにより、圧縮装置の吐出温度が上昇することを抑制している。しかし、注入対象となる冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離する必要がある。したがって、気液分離器を必要とするため、蒸気圧縮式冷凍機の部品点数の増加を招いてしまう。

本発明は、上記点に鑑み、部品点数の増加を抑制し、かつ、吐出温度の上昇を抑制可能な蒸気圧縮式冷凍機を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍装置において、高圧の冷媒を冷却する高圧熱交換器（３）と、高圧熱交換器（３）にて冷却された高圧の冷媒を減圧する第１減圧装置（５）と、第１減圧装置（５）にて減圧された低圧の冷媒を蒸発させる低圧熱交換器（７）と、低圧の冷媒を圧縮して高圧熱交換器（３）側に吐出する圧縮装置であって、気液二相状態の冷媒が圧縮過程で注入される圧縮装置（９）とを備えることを特徴とする。

なお、以下、圧縮過程で注入される気液二相状態の冷媒を注入冷媒という。注入冷媒が注入される前の圧縮過程を第１圧縮過程と呼ぶ。注入冷媒が注入された後の圧縮過程を第２圧縮過程と呼ぶ。

そして、本発明では、気液分離器等を設けることなく、圧縮過程に液相冷媒を注入できる。第１圧縮過程で圧縮されて温度が上昇した冷媒は、注入された液相冷媒により冷却される。

このため、第２圧縮過程を経て圧縮装置（９）から吐出される冷媒の温度が上昇してしまうことを抑制できる。したがって、外気温度が高い夏場等、大きな冷凍能力が必要とする場合に、圧縮装置（９）の吐出圧力が上昇した場合であっても、吐出温度が大きく上昇することを抑制できる。

また、液相冷媒と共に気相冷媒も圧縮過程に注入されるので、いわゆる「ガスインジェクション冷凍機」と同様に、蒸気圧縮式冷凍機の効率を向上させることができる。つまり、本発明では、部品点数の増加、及び吐出温度の上昇を抑制しつつ、大きな冷凍能力が必要とする場合であっても、効率的に蒸気圧縮式冷凍機を運転させることができる。

因みに、上記各手段等の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段等との対応関係を示す一例であり、本発明は上記各手段等の括弧内の符号に示された具体的手段等に限定されるものではない。

本発明の第１実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機の模式図である。 本発明に係る蒸気圧縮式冷凍機の作動を示すｐ−ｈ線図である。 本発明の第２実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機の模式図である。 本発明の第３実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機の模式図である。 本発明の第３実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機の制御系ブロック図である。 本発明の第３実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機の制御フローチャートである。 本発明の第４実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機の模式図である。 本発明の第４実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機の制御フローチャートである。

以下に説明する「発明の実施形態」は実施形態の一例を示すものである。つまり、特許請求の範囲に記載された発明特定事項等は、下記の実施形態に示された具体的手段や構造等に限定されるものではない。

本実施形態は、高圧側圧力が冷媒の臨界圧力より低い圧力にて運転される蒸気圧縮式冷凍機に本発明を適用したものである。当該蒸気圧縮式冷凍機は、室内空気を冷却することにより、コンピュータ等の電気発熱体を間接的に冷却する。

以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。なお、少なくとも符号を付して説明した部材又は部位は、「複数」や「２つ以上」等の断りをした場合を除き、少なくとも１つ設けられている。

（第１実施形態）
１．蒸気圧縮式冷凍機の構成等
本実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機１は、図１に示すように、高圧熱交換器３、第１減圧装置５、低圧熱交換器７及び圧縮装置９等を備えている。高圧熱交換器３は、圧縮装置９から吐出された高圧の冷媒（以下、吐出冷媒ともいう。）を冷却する。

つまり、高圧熱交換器３は、室外空気と吐出冷媒とを熱交換して、吐出冷媒を冷却する。なお、本実施形態では、図２に示すｐ−ｈ線図（モリエル線図ともいう。）に示されるように、吐出冷媒の圧力は、冷媒の臨界圧力より小さい。このため、気相状態の吐出冷媒は、高圧熱交換器３にて冷却されて凝縮（液化）する。

第１減圧装置５は、図１に示すように、高圧熱交換器３にて冷却された高圧の冷媒を減圧する。通常、高圧熱交換器３から流出する冷媒の過冷却度は、図２に示すように、０（ゼロ）又は小さい。このため、第１減圧装置５にて減圧された冷媒は、通常、気液二相状態となっている。

低圧熱交換器７では、第１減圧装置５にて減圧された低圧の液相冷媒を蒸発させる。つまり、低圧熱交換器７では、室内に供給される空気と第１減圧装置５にて減圧された冷媒とを熱交換することにより、主に液相冷媒を蒸発（気化）させて当該空気を冷却する。

圧縮装置９は、低圧の冷媒を圧縮して高圧熱交換器３側に吐出する。当該圧縮装置９は、図１に示すように、第１圧縮装置９Ａ及び第２圧縮装置９Ｂを有する。第１圧縮装置９Ａは、低圧熱交換器７から流出する冷媒のうち気相冷媒を吸引して圧縮する。このため、第１圧縮装置９Ａの吸入側には、気液分離器１１が設けられている。

気液分離器１１は、低圧熱交換器７から流出する冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離するとともに、分離された液相冷媒を蓄える。このため、必要とされる冷凍能力（冷媒負荷ともいう。）が小さいときには、余剰冷媒が液相冷媒として気液分離器１１に蓄えられる。そして、冷房負荷が大きくなると、気液分離器１１に貯留している液相冷媒が蒸発し、蒸気圧縮式冷凍機１内を循環する冷媒量が増大して冷凍能力が大きくなる。

第２圧縮装置９Ｂは、第１圧縮装置９Ａから吐出された冷媒、及び第２減圧装置１３にて減圧された冷媒を吸入して圧縮する。そして、第２圧縮装置９Ｂから吐出する冷媒が、上記の吐出冷媒として高圧熱交換器３に流入する。

第２圧縮装置９Ｂは、電動モータ（図示せず。）により駆動される固定容量方式の圧縮機により構成されている。なお、固定容量方式とは、圧縮機が１回転する際に吐出される理論吐出量が一定の圧縮機をいう。このため、単位時間当たりに吐出される理論吐出量は、電動モータ、つまり第２圧縮装置９Ｂの回転数に比例する。

第２圧縮装置用制御部１５は、第２圧縮装置９Ｂ、つまり上記電動モータの回転数を制御する。なお、第２圧縮装置用制御部１５は、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＯＭ等を有するマイクロコンピュータにて構成されている。そして、第２圧縮装置用制御部１５、つまりＣＰＵは、ＲＯＭ等の不揮発性記憶部に予め記憶されたプログラムに従って制御を実行する。

圧力検出器１５Ａは、高圧熱交換器３に流入する冷媒、つまり吐出冷媒の圧力を検出する。そして、第２圧縮装置用制御部１５は、圧力検出器１５Ａにより検出された圧力に基づいて第２圧縮装置９Ｂの作動を制御する。

すなわち、第２圧縮装置用制御部１５は、第２圧縮装置９Ｂの吐出圧、つまり圧力検出器１５Ａに検出された圧力が予め設定された所定圧力以下となるように、単位時間当たりに第２圧縮装置９Ｂから吐出される理論吐出量を可変制御する。

なお、「第２圧縮装置９Ｂの吐出圧が所定圧力以下となるように、単位時間当たりに第２圧縮装置９Ｂから吐出される理論吐出量を可変制御する」とは、具体的には、例えば、以下の通りである。

第２圧縮装置９Ｂの吐出圧が所定圧力を超えている場合に、第２圧縮装置用制御部１５は、現在の第２圧縮装置９Ｂの回転数を予め設定された回転数ΔＮだけ低下させた後、第２圧縮装置９Ｂの吐出圧を再び検出する。

このとき、第２圧縮装置９Ｂの吐出圧が所定圧力以下となった場合には、第２圧縮装置用制御部１５は、変更後の回転数を維持する。第２圧縮装置９Ｂの吐出圧が所定圧力を超えている場合には、第２圧縮装置用制御部１５は、再び、現在の第２圧縮装置９Ｂの回転数を回転数ΔＮだけ低下させた後、第２圧縮装置９Ｂの吐出圧を再び検出する。

そして、第２圧縮装置９Ｂの吐出圧が所定圧力以下となった場合には、第２圧縮装置用制御部１５は、変更後の回転数を維持する。第２圧縮装置９Ｂの吐出圧が所定圧力を超えている場合には、第２圧縮装置用制御部１５は、更に、現在の第２圧縮装置９Ｂの回転数を回転数ΔＮだけ低下させた後、第２圧縮装置９Ｂの吐出圧を再び検出する。

このように、第２圧縮装置用制御部１５は、第２圧縮装置９Ｂの吐出圧が所定圧力以下となるまで第２圧縮装置９Ｂの回転数を回転数ΔＮだけ低下させ続ける。
第２減圧装置１３は、高圧熱交換器３にて冷却された高圧の冷媒を、第１減圧装置５にて減圧された冷媒の圧力より高い圧力まで減圧する。上述したように、高圧熱交換器３から流出する冷媒の過冷却度は、０（ゼロ）又は小さい。

このため、第２減圧装置１３にて減圧された冷媒も、第１減圧装置５にて減圧された冷媒と同様に気液二相状態となっている。つまり、圧縮装置９には、気液二相状態の冷媒が圧縮過程で注入される。

第２減圧装置１３は、可変絞り装置（図示せず。）、吐出冷媒温度検出器１３Ａ、及び第２減圧装置用制御部１３Ｂ等を有している。可変絞り装置は、絞り開度を変更調節する電気式のアクチュエータ（図示せず。）を有する。吐出冷媒温度検出器１３Ａは、高圧熱交換器３に流入する冷媒、つまり吐出冷媒の温度を検出する。

第２減圧装置用制御部１３Ｂは、吐出冷媒温度検出器１３Ａにより検出された温度に基づいて、可変絞り装置、つまり上記アクチュエータの作動を制御して第２減圧装置１３の絞り開度を変更する。

すなわち、第２減圧装置用制御部１３Ｂは、高圧熱交換器３に流入する冷媒の温度、つまり吐出冷媒温度検出器１３Ａの検出温度が、予め設定された所定温度以下となる圧力まで冷媒を減圧する。なお、上記「所定温度」は、蒸気圧縮式冷凍機１の高圧側における耐熱温度等に基づいて適宜決定される温度である。

なお、第１減圧装置５も第２減圧装置１３と同様な構成である。すなわち、第２減圧装置１３は、可変絞り装置（図示せず。）、加熱度検出器５Ａ、及び第１減圧装置用制御部５Ｂ等を有している。

可変絞り装置は、絞り開度を変更調節する電気式のアクチュエータ（図示せず。）を有する。加熱度検出器５Ａは、低圧熱交換器７から流出する冷媒の温度を検出する。第１減圧装置用制御部５Ｂは、加熱度検出器５Ａにより検出された温度に基づいて、低圧熱交換器７から流出する冷媒の加熱度が、０以上の値であって予め設定された所定の値となるように第１減圧装置５の絞り開度を制御する。

第１減圧装置用制御部５Ｂ及び第２減圧装置用制御部１３Ｂは、共に、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＯＭ等を有するマイクロコンピュータにて構成されている。そして、両制御部５Ｂ、１３Ｂは、ＲＯＭ等の不揮発性記憶部に予め記憶されたプログラムに従って制御を実行する。

２．本実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機の特徴
本実施形態では、図１に示すように、第２減圧装置１３にて減圧された気液二相状態の冷媒が、気液分離器等を経由することなく、圧縮過程の圧縮装置９に注入される。このため、第１圧縮装置９Ａによる第１圧縮過程で圧縮されて温度が上昇した冷媒は、注入された液相冷媒が蒸発することにより冷却される。

そして、第１圧縮装置９Ａから吐出した気相冷媒、並びに注入された気相冷媒及び注入により蒸発して気化した冷媒は、第２圧縮装置９Ｂに吸引されて高圧熱交換器３側に吐出される。

このため、図２のＡ部に示されるように、第２圧縮装置９Ｂに吸引される気相冷媒の加熱度が小さくなるので、第２圧縮過程を経て圧縮装置９から吐出される冷媒の温度が大きく上昇してしまうことを抑制できる。したがって、外気温度が高い夏場等、大きな冷凍能力が必要とする場合に、圧縮装置９の吐出圧力が上昇した場合であっても、吐出温度が大きく上昇することを抑制できる。

また、液相冷媒と共に気相冷媒も圧縮過程に注入されるので、いわゆる「ガスインジェクション冷凍機」と同様に、蒸気圧縮式冷凍機の効率を向上させることができる。つまり、本発明では、部品点数の増加、及び吐出温度の上昇を抑制しつつ、大きな冷凍能力が必要とする場合であっても、効率的に蒸気圧縮式冷凍機１を運転させることができる。

（第２実施形態）
本実施形態は、第２圧縮装置９Ｂの吸入圧も考慮して第２減圧装置１３の絞り開度及び第２圧縮装置９Ｂの回転数を制御するものである。具体的には、図３に示すように、第２圧縮装置９Ｂに吸入される冷媒の圧力を検出する第２圧力検出器１５Ｂが設けられている。なお、以下、圧力検出器１５Ａを第１圧力検出器１５Ａという。

本実施形態に係る第２圧縮装置用制御部１５は、第１圧力検出器１５Ａにより検出された吐出圧と第２圧力検出器１５Ｂにより検出された吸入圧との圧力比又は圧力差を利用して吐出圧を予め設定された所定圧力以下となるように第２圧縮装置９Ｂの回転数を制御する。なお、「圧力比」とは、圧縮機の吐出圧と吸入圧との比をいう。

すなわち、本実施形態では、吐出圧及び圧力比と第２圧縮装置９Ｂの回転数と関係がマップ又は関数値等の形式でＲＯＭに記憶されている。第２圧縮装置用制御部１５は、第１圧力検出器１５Ａ及び第２圧力検出器１５Ｂにより検出された圧力から算出された圧力比及び上記マップ等に基づいて回転数を決定し、第２圧縮装置９Ｂを制御する。

本実施形態では、第２減圧装置用制御部１３Ｂにも第２圧力検出器１５Ｂの検出信号が入力されている。第２減圧装置用制御部１３Ｂは、圧力比が予め設定された許容最低圧力比以上となる範囲において、高圧熱交換器３に流入する冷媒、つまり第２圧縮装置９Ｂから吐出する吐出冷媒の温度が、予め設定された所定温度以下となる圧力まで冷媒を減圧する。

許容最低圧力比とは、各圧縮装置等の仕様により決まる圧力比であって、当該圧力比より小さい圧力比にて圧縮装置を運転することができない圧力比をいう。本実施形態に係る第２圧縮装置９Ｂの許容最低圧力比は約１．２である。

そして、本実施形態に係る第２減圧装置用制御部１３Ｂは、吐出冷媒の温度が上記所定温度以下となる圧力まで冷媒を減圧すると、圧力比が許容最低圧力比より小さくなると判断したときは（以下、この判断をしたときを限界判断という。）、圧力比が許容最低圧力比となるまで冷媒を減圧する。

したがって、第２減圧装置用制御部１３Ｂは、限界判断をしたときには、吐出冷媒温度の制御より第２圧縮装置９Ｂの稼働を優先する。これは、圧力比が許容最低圧力比より小さくなると、事実上、第２圧縮装置９Ｂが停止して冷媒に循環が滞るため、蒸気圧縮式冷凍機１が停止するからである。

第２減圧装置用制御部１３Ｂは、限界判断していないとき、つまり、圧力比が許容最低圧力比以上となると判断したときには、吐出冷媒の温度が上記所定温度以下となる圧力まで冷媒を減圧する。

なお、図３では、第２圧縮装置用制御部１５、第２減圧装置用制御部１３Ｂ及び第１減圧装置用制御部５Ｂが別々に記載されているが、後述する第３実施形態と同様に、第２圧縮装置用制御部１５、第２減圧装置用制御部１３Ｂ及び第１減圧装置用制御部５Ｂを統合して１つの制御部としてもよい。

（第３実施形態）
１．蒸気圧縮式冷凍機の概要
第１実施形態では、第２圧縮装置９Ｂの回転数を制御することにより、第２圧縮装置９Ｂの吐出圧を予め設定された所定圧力以下とした。

これに対して、本実施形態は、図４に示すように、直列に繋がれた複数の圧縮機９Ｃ〜９Ｅにより第２圧縮装置９Ｂ構成し、かつ、冷媒を注入する圧縮過程の位置（以下、当該位置を「注入圧力」という。）及びタイミングを制御することにより、第２圧縮装置９Ｂの吐出圧を予め設定された所定圧力以下とするものである。

すなわち、本実施形態に係る第２圧縮装置９Ｂは、複数の圧縮機９Ｃ〜９Ｅ、分配器９Ｊ、及び複数のバルブ９Ｆ〜９Ｈを有している。分配器９Ｊは、圧縮装置９に注入される冷媒を複数の圧縮機９Ｃ〜９Ｅに分配する。

複数のバルブ９Ｆ〜９Ｈは、分配器９Ｊから複数の圧縮機９Ｃ〜９Ｅに至る各冷媒通路Ｌ１〜Ｌ３を開閉する。つまり、複数のバルブ９Ｆ〜９Ｈのうち開かれたバルブに対応する注入圧力にて冷媒が圧縮過程の圧縮装置９に注入される。

そして、第２圧縮装置用制御部１５及び第２減圧装置用制御部１３Ｂが互いに協働して、第２圧縮装置９Ｂの吐出圧、つまり、圧縮機９Ｅの吐出圧を予め設定された所定圧力以下となるように、第２減圧装置１３の絞り開度、複数の圧縮機９Ｃ〜９Ｅの回転数、及び複数のバルブ９Ｆ〜９Ｈそれぞれの開閉を制御する。

２．第２圧縮装置用制御部及び第２減圧装置用制御部の制御例
本実施形態では、少なくとも第２圧縮装置用制御部１５及び第２減圧装置用制御部１３Ｂは、１つの制御装置（以下、制御装置１５と記す。）となっている。つまり、制御装置１５をなすコンピュータは、図５に示すように、ＣＰＵ、ＲＡＭ及びＲＯＭ等を有している。そして、複数のバルブ９Ｆ〜９Ｈの開閉等を制御するプログラムは、ＲＯＭ等の不揮発性記憶部に予め記憶されている。

制御装置１５には、圧力検出器１５Ａ、外気温検出器１７Ａ、吹出空気温検出器１７Ｂ、及び吐出冷媒温度検出器１３Ａの検出信号が入力されている。制御装置１５は、これら検出器１５Ａ、１７Ａ〜１７Ｃの信号を利用して予め設定された制御手順（プログラム）に従って第２減圧装置１３の絞り開度、複数の圧縮機９Ｃ〜９Ｅの回転数、及び複数のバルブ９Ｆ〜９Ｈそれぞれの開閉を制御する。

圧力検出器１５Ａは高圧熱交換器３に流入する冷媒の圧力を検出する。外気温検出器１７Ａは、室外空気、つまり吐出冷媒を冷却する空気の温度を検出する。吹出空気温検出器１７Ｂは、低圧熱交換器７にて冷却された室内空気の温度を検出する。吐出冷媒温度検出器１３Ａは、圧縮装置９、つまり圧縮機９Ｅから吐出する冷媒の温度を検出する。

図６は、制御装置１５で実行される制御の一例を示すフローチャートである。この制御は、不揮発性記憶部に記憶されているプログラムが読み込まれてＣＰＵで実行される。そして、当該プログラムが読み込まれると、先ず、吹出空気温検出器１７Ｂにより検出された吹き出し温度Ｔ１と予め設定された目標とする室内空気温度Ｔｏとの温度差ΔＴが演算される（Ｓ１０）。

次に、上記温度差ΔＴに基づいて第１圧縮装置９Ａの回転数（以下、目標回転数Ｎｅという。）が決定されるとともに、第１圧縮装置９Ａの回転数が当該目標回転数Ｎｅに制御される（Ｓ２０）。なお、目標回転数Ｎｅは、温度差ΔＴの関数値として予めＲＯＭに記憶されている。

その後、目標回転数Ｎｅ及び外気温検出器１７Ａにより検出された外気温度Ｔ２をパラメータとして、目標とする吐出冷媒圧力（以下、目標圧力ＨＰｏという。）、及び目標とする吐出冷媒温度（以下、目標温度ＨＴｏという。）が決定される（Ｓ３０）。なお、目標圧力ＨＰｏ及び目標温度ＨＴｏは、目標回転数Ｎｅ及び外気温度Ｔ２の関数値としてＲＯＭに予め記憶されている。

次に、目標温度ＨＴｏに基づいて複数のバルブ９Ｆ〜９Ｈのうちいずれのバルブを開き、他のバルブを閉じるか、又は全てのバルブ９Ｆ〜９Ｈを閉じるかが決定された後、その決定内容に従って複数のバルブ９Ｆ〜９Ｈの開閉が制御される（Ｓ４０）。なお、本実施形態では、複数のバルブ９Ｆ〜９Ｈの１つのバルブのみが開き、他のバルブは閉じるように制御される。

具体的には、各バルブ９Ｆ〜９Ｈは、以下のように開閉制御される。すなわち、目標温度ＨＴｏと吐出冷媒温度検出器１３Ａに検出された吐出冷媒温度との温度差が、予め決められた第１所定温度差より大きい場合には、バルブ９Ｆが開かれ、バルブ９Ｇ、９Ｈが閉じられる。

上記の温度差が予め決められた第２所定温度差より小さい場合には、バルブ９Ｈが開かれ、バルブ９Ｆ、９Ｇが閉じられる。上記の温度差が第１所定温度差以下であって、第２所定温度差以上の場合には、バルブ９Ｇが開かれ、バルブ９Ｆ、９Ｈが閉じられる。なお、第２所定温度は第１所定温度差より小さい値である。

複数のバルブ９Ｆ〜９Ｈのうちいずれのバルブを開くかが決定されると（Ｓ４０）、第２減圧装置１３の絞り開度は、高圧熱交換器３から流出した冷媒を、その開かれるバルブに対応した注入圧力まで減圧可能な開度に制御される（Ｓ５０）。なお、全てのバルブ９Ｆ〜９Ｈを閉じると決定されたときには、第２減圧装置１３は全閉又は最小絞り開度となる。

そして、全てのバルブ９Ｆ〜９Ｈを閉じると決定されたときには、第１圧縮装置９Ａ及び圧縮機９Ｃ〜９Ｅは、（ａ）第１圧縮装置９Ａ及び圧縮機９Ｃ〜９Ｅでの回転数が同一となり、かつ、（ｂ）圧縮装置９、つまり圧縮機９Ｅから吐出される冷媒圧力が目標圧力ＨＰｏとなるように回転数が制御される（Ｓ６０）。

したがって、第１圧縮装置９Ａ及び圧縮機９Ｃ〜９Ｅの理論吐出量が全て同一の場合には、Ｓ６０においては、第１圧縮装置９Ａ及び圧縮機９Ｃ〜９Ｅは全て同一回転数となる。

バルブ９Ｆのみ開き、他のバルブ９Ｇ、９Ｈを閉じると決定されたときには、（ａ）圧縮機９Ｃ〜９Ｅでの回転数が同一となり、かつ、（ｂ）圧縮機９Ｅから吐出される冷媒圧力が目標圧力ＨＰｏとなるように回転数が制御される（Ｓ７０）。

つまり、第１圧縮装置９Ａ及び圧縮機９Ｃ〜９Ｅの理論吐出量が全て同一の場合には、Ｓ７０においては、少なくとも圧縮機９Ｃ〜９Ｅは同一回転数となる。
バルブ９Ｇのみ開き、他のバルブ９Ｆ、９Ｈを閉じると決定されたときには、（ａ）第１圧縮装置９Ａ及び圧縮機９Ｃの回転数が同一となり、（ｂ）圧縮機９Ｄ、９Ｅでの回転数が同一となり、かつ、（ｃ）圧縮機９Ｅから吐出される冷媒圧力が目標圧力ＨＰｏとなるように回転数が制御される（Ｓ８０）。

つまり、第１圧縮装置９Ａ及び圧縮機９Ｃ〜９Ｅの理論吐出量が全て同一の場合には、Ｓ８０においては、第１圧縮装置９Ａと圧縮機９Ｃと回転数は同一であり、圧縮機９Ｄ、９Ｅの回転数は同一となる。

バルブ９Ｈのみ開き、他のバルブ９Ｆ、９Ｇを閉じると決定されたときには、（ａ）第１圧縮装置９Ａ、圧縮機９Ｃ、９Ｄでの回転数が同一となり、かつ、（ｂ）圧縮機９Ｅから吐出される冷媒圧力が目標圧力ＨＰｏとなるように回転数が制御される（Ｓ９０）。

つまり、第１圧縮装置９Ａ及び圧縮機９Ｃ、９Ｄの理論吐出量が全て同一の場合には、Ｓ９０においては、第１圧縮装置９Ａ及び圧縮機９Ｃ、９Ｄは同一回転数となる。
Ｓ６０〜Ｓ９０の処理が終了すると、圧力検出器１５Ａにより検出された圧力（以下、吐出圧という。）が目標圧力ＨＰｏより小さいか否かが判定される（Ｓ１００）。吐出圧が目標圧力ＨＰｏ以上であると判定された場合には（Ｓ１００：ＮＯ）、Ｓ５０が実行される。吐出圧が目標圧力ＨＰｏより小さいと判定された場合には（Ｓ１００：ＹＥＳ）、Ｓ１０が実行される。

（第４実施形態）
本実施形態は、第３実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機１において、第２実施形態と同様に、第１圧縮装置９Ａ及び圧縮機９Ｃ〜９Ｅの吸入圧も考慮して第２減圧装置１３の絞り開度、並びに第１圧縮装置９Ａ及び圧縮機９Ｃ〜９Ｅの回転数を制御するものである。

すなわち、本実施形態では、図７に示すように、第１圧縮装置９Ａ及び圧縮機９Ｃ〜９Ｅの各吸入側に吸入圧を検出する圧力検出器１５Ｃ〜１５Ｆが設けられている。圧縮機９Ｃ、９Ｄの吐出側に吐出圧を検出する圧力検出器１５Ｇ、１５Ｈが設けられている。

なお、圧力検出器１５Ｄ〜１５Ｆは第２実施形態に係る第２圧力検出器１５Ｂに相当する。圧力検出器１５Ｄ〜１５Ｈの検出信号は、第２圧縮装置用制御部１５及び第２減圧装置用制御部１３Ｂに入力されている。

なお、図８は、本実施形態に係る制御装置１５で実行される制御の一例を示すフローチャートである。図８では、第３実施形態、つまり図６と同じ制御ステップは同じステップ番号が付されている。以下、図８において、第３実施形態と異なる箇所のみ説明する。

制御装置１５、つまり第２減圧装置用制御部１３Ｂは、図８のＳ５０においては、第２実施形態と同様に、圧縮機９Ｃ〜９Ｅ圧力比が許容最低圧力比以上となる範囲において、吐出冷媒の温度が所定温度以下となる圧力まで冷媒を減圧する。

第２圧縮装置用制御部１５及び第１圧縮装置９Ａを制御する制御部（図示せず。）は、図８のＳ６０、Ｓ７０、Ｓ９０及びＳ９０においては、第２実施形態と同様に、ＲＯＭ等に予め記憶されている吐出圧及び圧力比と回転数と関係を示すマップ等、並びに検出された圧力比に基づいて回転数を決定し、第１圧縮装置９Ａ及び圧縮機９Ｃ〜９Ｅを制御する。

具体的には、Ｓ６０では、第１圧縮装置９Ａ及び圧縮機９Ｃ〜９Ｅでの圧力比が同一となり、かつ、圧縮機９Ｅから吐出される冷媒圧力が目標圧力ＨＰｏとなるように回転数が制御される。Ｓ７０では、圧縮機９Ｃ〜９Ｅでの圧力比が同一となり、かつ、圧縮機９Ｅから吐出される冷媒圧力が目標圧力ＨＰｏとなるように回転数が制御される。

Ｓ８０では、第１圧縮装置９Ａ及び圧縮機９Ｃの圧力比が同一となり、圧縮機９Ｄ、９Ｅでの圧力比が同一となり、かつ、圧縮機９Ｅから吐出される冷媒圧力が目標圧力ＨＰｏとなるように回転数が制御される。Ｓ９０では、第１圧縮装置９Ａ、圧縮機９Ｃ、９Ｄでの圧力比が同一となり、かつ、圧縮機９Ｅから吐出される冷媒圧力が目標圧力ＨＰｏとなるように回転数が制御される。

なお、Ｓ６０〜Ｓ９０の処理において決定された第１圧縮装置９Ａ及び圧縮機９Ｃ〜９Ｅの圧力比が許容最低圧力比より小さい場合には、第１圧縮装置９Ａ等は、許容最低圧力比に相当する回転数に制御される。

（その他の実施形態）
上述の実施形態では、固定容量式の圧縮機に第２圧縮装置９Ｂを構成したが、本発明はこれに限定されるものではなく、可変容量式の圧縮機にて第２圧縮装置９Ｂを構成してもよい。

上述の実施形態では、複数の圧縮装置９Ａ、９Ｂにて圧縮装置９を構成したが、本発明はこれに限定されるものではなく、インジェクションポートを備える１台の圧縮機にて圧縮装置９を構成してもよい。なお、圧縮装置９の形式は、不問である。つまり、レシプロ方式、ロータリ方式、ベーン方式及びスクロール方式等のいずれの方式であってもよい。

上述の実施形態では、第１減圧装置５及び第２減圧装置１３は、絞り開度を変更可能な可変絞りであったが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばキャピラリーチューブ等の固定絞りやポンプ作用を兼ね備えるエジェクタを減圧装置として用いてもよい。

上述の実施形態では、本発明に係る蒸気圧縮式冷凍機を空調装置に適用したが、本発明はこれに限定されるものではなく、コンピュータ等の電気発熱体を冷媒や冷却水等の流体を電器発熱体に循環させて冷却する方式にも適用できる。

上述の実施形態では、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力より低くかったが、本発明はこれに限定されるものではなく、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界冷凍機にも適用できる。なお、超臨界冷凍機においては、高圧熱交換器３にて冷媒は凝縮しない。

第２及び第４実施形態では、圧力比を利用して第２圧縮装置９Ｂ及び第２減圧装置１３を制御したが、本発明はこれに限定されるものではなく、吐出圧と吸入圧との圧力差を利用して第２圧縮装置９Ｂ及び第２減圧装置１３を制御してもよい。

すなわち、吐出圧、吐出冷媒温度及び圧力差と第２圧縮装置９Ｂの回転数と関係がマップ又は関数値等の形式でＲＯＭに記憶されている。そして、第２減圧装置用制御部１３Ｂ及び第２圧縮装置用制御部１５は、上記マップ等に基づいて絞り開度及び回転数を決定した後、第２圧縮装置９Ｂ及び第２減圧装置１３を制御する。

本発明は、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨に合致するものであればよく、上述の実施形態に限定されるものではない。

１… 蒸気圧縮式冷凍機 ３… 高圧熱交換器 ５… 第１減圧装置
７… 低圧熱交換器 ９… 圧縮装置 ９Ａ… 第１圧縮装置
９Ｂ… 第２圧縮装置 １１… 気液分離器 １３… 第２減圧装置

Claims (10)

1. 低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍装置において、
   高圧の冷媒を冷却する高圧熱交換器と、
   前記高圧熱交換器にて冷却された高圧の冷媒を減圧する第１減圧装置と、
   前記第１減圧装置にて減圧された低圧の冷媒を蒸発させる低圧熱交換器と、
   低圧の冷媒を圧縮して前記高圧熱交換器側に吐出する圧縮装置であって、気液二相状態の冷媒が圧縮過程で注入される圧縮装置と
   を備えることを特徴とする蒸気圧縮式冷凍装置。
2. 前記高圧熱交換器にて冷却された高圧の冷媒を、前記第１減圧装置にて減圧された冷媒の圧力より高い圧力まで減圧する第２減圧装置を備え、
   前記第２減圧装置にて減圧された気液二相状態の冷媒が前記圧縮装置に注入されることを特徴とする請求項１に記載の蒸気圧縮式冷凍装置。
3. 前記第２減圧装置は、前記高圧熱交換器に流入する冷媒の温度が、予め設定された所定温度以下となる圧力まで冷媒を減圧する機能を有することを特徴とすることを特徴とする請求項２に記載の蒸気圧縮式冷凍装置。
4. 前記第２減圧装置は、
   前記高圧熱交換器に流入する冷媒の温度を検出する温度検出器、及び
   前記温度検出器により検出された温度に基づいて、絞り開度を変更する第２減圧装置用制御部
   を有することを特徴とする請求項３に記載の蒸気圧縮式冷凍装置。
5. 前記圧縮装置は、
   第１圧縮装置、並び
   前記第１圧縮装置から吐出された冷媒、及び前記注入される冷媒を吸入して圧縮する第２圧縮装置
   を有していることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の蒸気圧縮式冷凍装置。
6. 前記高圧熱交換器に流入する冷媒の圧力を検出する圧力検出器と、
   前記圧力検出器により検出された圧力に基づいて前記第２圧縮装置の作動を制御することにより、前記第２圧縮装置の吐出圧を予め設定された所定圧力以下とする第２圧縮装置用制御部と
   を備えることを特徴とする請求項５に記載の蒸気圧縮式冷凍装置。
7. 前記第２圧縮装置から吐出される冷媒の圧力を検出する第１圧力検出器と、
   前記第２圧縮装置に吸入される冷媒の圧力を検出する第２圧力検出器と、
   前記第２圧縮装置の作動を制御する第２圧縮装置用制御部であって、前記第１圧力検出器により検出された圧力と前記第２圧力検出器により検出された圧力との圧力差又は圧力比を利用して前記第１圧力検出器により検出された圧力を予め設定された所定圧力以下とする第２圧縮装置用制御部と
   を備えることを特徴とする請求項５に記載の蒸気圧縮式冷凍装置。
8. 前記第２減圧装置は、前記圧力比が予め設定された許容最低圧力比以上となる範囲において、前記高圧熱交換器に流入する冷媒の温度が、予め設定された所定温度以下となる圧力まで冷媒を減圧する機能を有することを特徴とすることを特徴とする請求項７に記載の蒸気圧縮式冷凍装置。
9. 前記第２圧縮装置用制御部は、単位時間当たりに前記第２圧縮装置から吐出される理論吐出量を可変制御することを特徴とする請求項６ないし８のいずれか１項に記載の蒸気圧縮式冷凍装置。
10. 前記第２圧縮装置は、
    複数の圧縮機、
    前記注入される冷媒を前記複数の圧縮機に分配する分配器、及び
    前記分配器から前記複数の圧縮機に至る各冷媒通路を開閉する複数のバルブを有し、
    前記第２圧縮装置用制御部は、前記複数のバルブそれぞれの開閉を制御することを請求項６ないし８のいずれか１項に記載の蒸気圧縮式冷凍装置。