JP2019100695A - 冷凍サイクル装置及び冷凍サイクル装置の駆動方法 - Google Patents

冷凍サイクル装置及び冷凍サイクル装置の駆動方法 Download PDF

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文紀 河野
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Abstract

【課題】サージングの発生を防ぎつつ冷凍サイクル装置を起動するための技術を提供する。【解決手段】冷凍サイクル装置２００は、蒸発器２、第１圧縮機３ａ、第２圧縮機３ｂ、凝縮器４、気液分離タンク５、第１循環路６、及び、第２循環路７を備えている。気液分離タンク５に貯留された液相冷媒を気液分離タンク５の外部に排出した後に、第１圧縮機３ａと第２圧縮機３ｂとを起動する。気液分離タンク５に貯留された液相冷媒を気液分離タンク５の外部に導く排出路８ａが設けられていてもよい。【選択図】図１Ａ

Description

本開示は、冷凍サイクル装置及び冷凍サイクル装置の駆動方法に関する。
従来、冷媒を二段階で膨張させるように構成された冷凍サイクル装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
図６は、特許文献１に記載された従来の冷凍サイクル装置１００を示すものである。図６に示すように、ＣＯ2冷凍サイクル装置１００は、ＣＯ2冷媒を超臨界域まで圧縮する圧縮機１０３、圧縮されたＣＯ2冷媒を冷却する冷却器１０４、冷却されたＣＯ2冷媒を２相状態まで減圧する減圧装置１０６，１０７、及び、減圧されたＣＯ2冷媒を蒸発させる蒸発器１０２から構成される。ＣＯ2冷凍サイクル装置１００の減圧装置１０６，１０７は、第１段減圧装置１０６、及び、第２段減圧装置１０７を含む。
第１段減圧装置１０６と第２段減圧装置１０７との間に気液分離器１０５が設けられている。圧縮機１０３は、スクリュー圧縮機１０３である。気液分離器１０５の気相部１０５ａとスクリュー圧縮機１０３の閉じ込み空間との間に吸入回路１０８が設けられている。気液分離器１０５の液相部１０５ｂに第２段減圧装置１０７が接続されている。
特許文献１に記載された運転方法では、第１段減圧装置１０６で減圧された２相状態のＣＯ2冷媒を気液分離器１０５で気相冷媒と液相冷媒とに分離する。そして、分離した気相冷媒をスクリュー圧縮機１０３の閉じ込み空間に導入するとともに、分離した液相冷媒を第２段減圧装置１０７に導入して安定運転を行なう。
特開2006-292229号公報
従来の構成においては、圧縮機１０３がスクリュー圧縮機であるため、圧縮機の吸入口と吐出口との間の圧力比によらず、圧縮機１０３の回転数を所定の回転数まで増加させることが可能である。つまり、冷凍サイクル装置を起動することが可能である。
しかし、圧縮手段として複数のターボ圧縮機を用いた場合、複数のターボ圧縮機の回転数を上昇させる過程で低圧段圧力比が通常運転時における低圧段圧力比を大幅に上回ることがある。その結果、低圧段の圧縮機においてサージングが発生し、冷凍サイクル装置を起動できないことがある。本開示は、サージングの発生を防ぎつつ冷凍サイクル装置を起動するための技術を提供する。
冷凍サイクル装置を駆動する方法であって、
前記冷凍サイクル装置は、
液相冷媒を蒸発させて気相冷媒を生成させる蒸発器と、
前記蒸発器の前記気相冷媒を圧縮して吐出する第１圧縮機と、
前記第１圧縮機から吐出された前記気相冷媒を圧縮して吐出する第２圧縮機と、
前記第２圧縮機から吐出された前記気相冷媒を凝縮させて液相冷媒を生成する凝縮器と、
前記凝縮器によって生成された前記液相冷媒を貯留するとともに、前記液相冷媒を蒸発させて気相冷媒を生成し、前記第２圧縮機に前記気相冷媒を供給する気液分離タンクと、
を備え、
前記第１圧縮機及び前記第２圧縮機のそれぞれが速度型圧縮機であり、
前記方法は、
前記気液分離タンクに貯留された前記液相冷媒を前記気液分離タンクの外部に排出した後に、前記第１圧縮機と前記第２圧縮機とを起動することを含む、冷凍サイクル装置の駆動方法を提供する。
本開示の技術によれば、サージングの発生を防ぎつつ冷凍サイクル装置を起動することができる。
図１Ａは、本開示の実施形態１に係る冷凍サイクル装置の構成図である。 図１Ｂは、変形例１に係る冷凍サイクル装置の構成図である。 図２は、本開示の実施形態１に係る冷凍サイクル装置を起動するために実行される処理のフローチャートである。 図３Ａは、本開示の実施形態２に係る冷凍サイクル装置の構成図である。 図３Ｂは、変形例２に係る冷凍サイクル装置の構成図である。 図３Ｃは、変形例３に係る冷凍サイクル装置の構成図である。 図４は、本開示の実施形態３に係る冷凍サイクル装置の構成図である。 図５Ａは、本開示の実施形態４に係る冷凍サイクル装置の構成図である。 図５Ｂは、実施形態４に係る冷凍サイクル装置の停止時の状態を示す図である。 図５Ｃは、変形例４に係る冷凍サイクル装置の構成図である。 図５Ｄは、変形例５に係る冷凍サイクル装置の構成図である。 図５Ｅは、変形例６に係る冷凍サイクル装置の構成図である。 図６は、従来の冷凍サイクル装置の構成図である。
（本開示の基礎となった知見）
高温下（例えば３０℃）に置かれた状態から冷凍サイクル装置を起動する場合、蒸発器に貯留された液相冷媒の温度は、液相冷媒自身の蒸発によって徐々に低下する。蒸発器の内部の圧力は、液相冷媒の温度の低下に伴って徐々に低下する。一方、気液分離器に貯留された液相冷媒が高温のまま維持されることによって、中間圧が高い状態が続く。中間圧は、気液分離器に貯留された液相冷媒の温度によって決まるからである。圧縮機が容積型圧縮機である場合、中間圧によらず、冷凍サイクル装置を起動することが可能である。
しかし、複数のターボ圧縮機によって冷媒を圧縮する場合には、ターボ圧縮機の回転数を上昇させる過程で低圧段圧力比が通常運転時における低圧段圧力比を大幅に上回ることがある。その結果、低圧段の圧縮機においてサージングが発生し、冷凍サイクル装置を起動できないことがある。サージングを防ぐためには、低圧段圧力比の拡大を抑制することが有効である。
「低圧段圧力比」は、蒸発器の内部の圧力に対する中間圧の比を意味する。中間圧は、気液分離器の内部の圧力である。
（本開示に係る一態様の概要）
本開示の第１態様に係る冷凍サイクル装置の駆動方法は、
冷凍サイクル装置を駆動する方法であって、
前記冷凍サイクル装置は、
液相冷媒を蒸発させて気相冷媒を生成させる蒸発器と、
前記蒸発器の前記気相冷媒を圧縮して吐出する第１圧縮機と、
前記第１圧縮機から吐出された前記気相冷媒を圧縮して吐出する第２圧縮機と、
前記第２圧縮機から吐出された前記気相冷媒を凝縮させて液相冷媒を生成する凝縮器と、
前記凝縮器によって生成された前記液相冷媒を貯留するとともに、前記液相冷媒を蒸発させて気相冷媒を生成し、前記第２圧縮機に前記気相冷媒を供給する気液分離タンクと、
を備え、
前記第１圧縮機及び前記第２圧縮機のそれぞれが速度型圧縮機であり、
前記方法は、
前記気液分離タンクに貯留された前記液相冷媒を前記気液分離タンクの外部に排出した後に、前記第１圧縮機と前記第２圧縮機とを起動することを含む。
第１態様によれば、低圧段圧力比（中間圧／蒸発器内の圧力）が通常運転時における低圧段圧力比を大幅に上回ることを防止することによって、高温下に置かれた状態からでも、サージングを生じさせることなく冷凍サイクル装置を起動することが可能となる。
本開示の第２態様において、例えば、第１態様に係る冷凍サイクル装置の駆動方法では、前記冷凍サイクル装置は、前記気液分離タンクに貯留された前記液相冷媒を前記気液分離タンクの外部に導く排出路をさらに備えていてもよく、前記排出路を介して前記気液分離タンクの外部に前記液相冷媒を排出してもよい。気液分離タンクの外部に液相冷媒を排出できればサージングを防止できる。
本開示の第３態様において、例えば、第２態様に係る冷凍サイクル装置の駆動方法では、前記排出路は、前記気液分離タンクと前記蒸発器とを接続していてもよく、前記気液分離タンクから前記蒸発器に向かって、前記気液分離タンクに貯留された前記液相冷媒が流れてもよい。排出路の接続先が凝縮器である場合、気液分離タンクの液相冷媒を退避させるためのタンクを別途設ける必要がない。
本開示の第４態様において、例えば、第３態様に係る冷凍サイクル装置の駆動方法では、前記気液分離タンクから前記蒸発器に前記液相冷媒を供給するのを停止するとともに、前記第１圧縮機と前記第２圧縮機とを起動してもよい。このようにすれば、サージングを確実に防止できる。
本開示の第５態様において、例えば、第２態様に係る冷凍サイクル装置の駆動方法では、前記排出路は、前記気液分離タンクと前記凝縮器とを接続していてもよく、前記気液分離タンクから前記凝縮器に向かって、前記気液分離タンクに貯留された前記液相冷媒が流れてもよい。排出路の接続先が凝縮器である場合、気液分離タンクの液相冷媒を退避させるためのタンクを別途設ける必要がない。
本開示の第６態様において、例えば、第５態様に係る冷凍サイクル装置の駆動方法では、前記気液分離タンクから前記凝縮器に前記液相冷媒を供給するのを停止するとともに、前記第１圧縮機と前記第２圧縮機とを起動してもよい。このようにすれば、サージングを確実に防止できる。
本開示の第７態様において、例えば、第１から第６態様のいずれか１つに係る冷凍サイクル装置の駆動方法は、前記第１圧縮機と前記第２圧縮機とを起動した後、前記気液分離タンクにおける前記液相冷媒の液面を上昇させることをさらに含んでいてもよい。これにより、温度制御することなく所定の中間圧の二相状態を作ることが可能となる。
本開示の第８態様において、例えば、第１から第７態様のいずれか１つに係る冷凍サイクル装置の駆動方法では、前記冷凍サイクル装置の設置面から前記気液分離タンクの底までの高さをｈ１とし、前記冷凍サイクル装置の停止時における、前記設置面から前記蒸発器内の前記液相冷媒の液面までの高さをｈ２とするとき、ｈ１≧ｈ２を満たしてもよい。このような構成によれば、ポンプの助けを借りることなく、気液分離タンクから液相冷媒を完全に排出することが可能である。専用の排出路も省略可能である。
本開示の第９態様に係る冷凍サイクル装置は、
液相冷媒を蒸発させて気相冷媒を生成させる蒸発器と、
速度型圧縮機であって、前記蒸発器の前記気相冷媒を圧縮して吐出する第１圧縮機と、
速度型圧縮機であって、前記第１圧縮機から吐出された前記気相冷媒を圧縮して吐出する第２圧縮機と、
前記第２圧縮機から吐出された前記気相冷媒を凝縮させて液相冷媒を生成する凝縮器と、
前記凝縮器によって生成された前記液相冷媒を蒸発させて気相冷媒を生成し、前記第２圧縮機に前記気相冷媒を供給する気液分離タンクと、
前記凝縮器内の前記液相冷媒を前記気液分離タンクに導く第１循環路と、
前記気液分離タンク内の前記液相冷媒を前記蒸発器に導く第２循環路と、
前記第１循環路及び前記第２循環路とは別の経路であって、前記気液分離タンクから前記蒸発器、又は、前記気液分離タンクから前記凝縮器に前記液相冷媒を導く排出路と、
を備えている。
第９態様によれば、第１態様と同じ効果が得られる。第９態様によれば、第１循環路及び第２循環路に課される制約が少なく、通常運転時の効率を想定した最適な設計にて第１循環路及び第２循環路を構成することができる。
本開示の第１０態様において、例えば、第９態様に係る冷凍サイクル装置は、前記排出路に配置されたポンプをさらに備えていていもよい。このような構成によれば、ポンプの働きによって、蒸発器と気液分離タンクとの位置関係によらず、液相冷媒を確実に蒸発器に排出することができる。同様に、ポンプの働きによって、凝縮器と気液分離タンクとの位置関係によらず、液相冷媒を確実に凝縮器に排出することができる。
本開示の第１１態様において、例えば、第９又は第１０態様に係る冷凍サイクル装置は、前記第１圧縮機及び前記第２圧縮機の駆動を制御する制御回路をさらに備えていてもよく、前記制御回路は、前記排出路を介して前記気液分離タンク内から前記蒸発器又は前記凝縮器に前記液相冷媒を排出させ、前記液相冷媒を排出した後、前記第１圧縮機と前記第２圧縮機とを起動させてもよい。このようにすれば、サージングを確実に防止できる。
本開示の第１２態様において、例えば、第１０態様に係る冷凍サイクル装置では、前記気液分離タンク内の前記液相冷媒の液面が所定のレベル以下になった場合、前記ポンプを停止するとともに、前記第１圧縮機と前記第２圧縮機とを起動してもよい。このようにすれば、サージングを確実に防止できる。
本開示の第１３態様において、例えば、第９から第１２態様のいずれか１つに係る冷凍サイクル装置では、前記第１圧縮機と前記第２圧縮機とを起動した後、前記気液分離タンクにおける前記液相冷媒の液面を上昇させてもよい。これにより、温度制御することなく所定の中間圧の二相状態を作ることが可能となる。
本開示の第１４態様において、例えば、第９態様に係る冷凍サイクル装置は、吸熱用熱交換器と、前記気液分離タンクと前記吸熱用熱交換器とを接続する経路上に配置されたポンプと、をさらに備えていてもよい。このような構成によれば、必要なポンプ台数を削減することが可能となる。
本開示の第１５態様において、例えば、第９態様に係る冷凍サイクル装置は、放熱用熱交換器と、前記気液分離タンクと前記放熱用熱交換器とを接続する経路上に配置されたポンプと、をさらに備えていてもよい。このような構成によれば、必要なポンプ台数を削減することが可能となる。
本開示の第１６態様に係る冷凍サイクル装置は、
液相冷媒を蒸発させて気相冷媒を生成させる蒸発器と、
前記蒸発器によって生成された前記気相冷媒を圧縮して吐出する第１圧縮機と、
前記第１圧縮機から吐出された前記気相冷媒を圧縮して吐出する第２圧縮機と、
前記第２圧縮機から吐出された前記気相冷媒を凝縮させて液相冷媒を生成する凝縮器と、
前記凝縮器によって生成された前記液相冷媒を貯留するとともに、前記液相冷媒を蒸発させて気相冷媒を生成し、前記第２圧縮機に前記気相冷媒を供給する気液分離タンクと、
前記気液分離タンクに接続され、前記気液分離タンクに貯留された前記液相冷媒を前記気液分離タンクの外部に導く排出路と、
前記第１圧縮機及び前記第２圧縮機の駆動を制御する制御回路と、
を備え、
前記第１圧縮機及び前記第２圧縮機のそれぞれが速度型圧縮機であり、
前記制御回路は、前記気液分離タンクに貯留された前記液相冷媒が、前記冷媒排出経路を介して、前記気液分離タンクの外部に排出された後に、前記第１圧縮機及び前記第２圧縮機を起動する。
第１６態様によれば、第１態様と同じ効果が得られる。
本開示の第１７態様において、例えば、第１６態様に係る冷凍サイクル装置では、前記制御回路は、前記第１圧縮機及び前記第２圧縮機を起動した後に、前記気液分離タンクにおける前記液相冷媒の液面を上昇させてもよい。これにより、温度制御することなく所定の中間圧の二相状態を作ることが可能となる。
本開示の第１８態様において、例えば、第１６又は第１７態様に係る冷凍サイクル装置では、前記排出路は、前記蒸発器又は前記凝縮器に接続されていてもよく、前記冷凍サイクル装置は、さらに、前記排出路上に設けられたポンプを備えていてもよい。このような構成によれば、ポンプの働きによって、蒸発器と気液分離タンクとの位置関係によらず、液相冷媒を確実に蒸発器に排出することができる。同様に、ポンプの働きによって、凝縮器と気液分離タンクとの位置関係によらず、液相冷媒を確実に凝縮器に排出することができる。
本開示の第１９態様において、例えば、第１６から第１８態様のいずれか１つに係る冷凍サイクル装置では、前記冷凍サイクル装置の設置面から前記気液分離タンクの底までの高さをｈ１とし、前記冷凍サイクル装置の停止時における、前記設置面から前記蒸発器内の前記液相冷媒の液面までの高さをｈ２とするとき、ｈ１≧ｈ２を満たしてもよい。このような構成によれば、ポンプの助けを借りることなく、気液分離タンクから液相冷媒を完全に排出することが可能である。専用の排出路も省略可能である。
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施形態によって本開示が限定されるものではない。
（実施形態１）
図１Ａは、本開示の実施形態１に係る冷凍サイクル装置２００の構成を示している。図１Ｂは、変形例１に係る冷凍サイクル装置２０２の構成を示している。
図１Ａにおいて、冷凍サイクル装置２００は、蒸発器２、複数の圧縮機３、凝縮器４、気液分離タンク５、第１循環路６、第２循環路７、排出路８ａ、ポンプ９を備えている。
冷凍サイクル装置２００には、単一の冷媒が充填されている。冷凍サイクル装置２００に充填される冷媒としては、ＨＣＦＣ（hydrochlorofluorocarbon）及びＨＦＣ（hydrofluorocarbon）等のフロン系冷媒、ＨＦＯ−１２３４ｙｆ等の地球温暖化係数の低い冷媒、並びにＣＯ2及び水等の自然冷媒を用いることができる。水などの低圧冷媒を用いた場合には、サイクルの圧力比が大きくなることで圧縮機がサージングを起こしやすいため、本開示により起動特性が改善される領域は大きくなる。
冷凍サイクル装置２００には、常温での飽和蒸気圧が負圧の物質を主成分として含む冷媒が充填されていてもよい。このような冷媒としては、水、アルコール又はエーテルを主成分として含む冷媒が挙げられる。「主成分」とは、質量比で最も多く含まれた成分を意味する。「負圧」は、絶対圧で大気圧よりも低い圧力を意味する。「常温」は、日本工業規格（JIS Z8703）によれば、２０℃±１５℃の範囲内の温度を意味する。
蒸発器２は、例えば、断熱性及び耐圧性を有する容器によって構成されている。蒸発器２は、液相冷媒を貯留するとともに、外部からもたらされた熱を吸収することにより冷媒を内部で蒸発させる。蒸発器２に貯留された液相冷媒の温度、及び、蒸発器２で生成された気相冷媒の温度は、例えば５℃である。また、蒸発器２は、シェルチューブ熱交換器のように液相冷媒と他の熱媒体とが間接的に熱交換する間接型の熱交換器であってもよいし、噴霧式又は充填材式のような直接接触型の熱交換器であってもよい。
複数の圧縮機３は、少なくとも２つの翼車を含み、蒸発器２で生成された気相冷媒を吸入して圧縮する。気相冷媒の流れ方向において、複数の圧縮機３は、前段の第１圧縮機３ａと後段の第２圧縮機３ｂとを備える。前段の第１圧縮機３ａと後段の第２圧縮機３ｂとの間には、第１圧縮機３ａの吐出口と第２圧縮機３ｂの吸入口とを接続する圧縮機経路２０が配置されている。
複数の圧縮機３は、例えば速度型圧縮機であって、少なくとも２つの翼車によって冷媒を圧縮して吐出する。本実施形態では、多段の翼車によって冷媒が圧縮される。多段の翼車の構成は、複数の速度型圧縮機を直列に接続することによって実現されてもよく、リターンチャンネルを備えた多段圧縮機によって実現されてもよい。つまり、第１圧縮機３ａ及び第２圧縮機３ｂのそれぞれが少なくとも１つの翼車を有しうる。第１圧縮機３ａ及び第２圧縮機３ｂは、共通の回転軸を有していてもよい。遠心圧縮機を例に挙げると、回転軸の一端に取り付けられた翼車が第１圧縮機３ａとして機能し、回転軸の他端に取り付けられた翼車が第２圧縮機３ｂとして機能しうる。速度型圧縮機とは、気相冷媒に運動量を与え、その後、減速させることによって気相冷媒の圧力を上昇させる圧縮機である。速度型圧縮機（ターボ圧縮機）として、遠心圧縮機、斜流圧縮機、軸流圧縮機などが挙げられる。複数の圧縮機３は、インバータによって駆動されるモータなど、回転数を変化させるための機構を備えてもよい。第２圧縮機３ｂの吐出口における冷媒の温度は、例えば１００℃〜１５０℃である。
凝縮器４は、例えば、断熱性及び耐圧性を有する容器によって構成されている。凝縮器４は、液相冷媒を貯留するとともに、外部に熱を放出することにより気相冷媒を内部で凝縮させる。凝縮器４に導入される気相冷媒の温度は、例えば１００℃〜１５０℃である。凝縮器４で凝縮した液相冷媒の温度は、例えば３５℃である。また、凝縮器４は、シェルチューブ熱交換器のように冷媒と他の熱媒体とが間接的に熱交換する間接型の熱交換器であってもよいし、噴霧式又は充填材式のような直接接触型の熱交換器であってもよい。
気液分離タンク５は、例えば、断熱性及び耐圧性を有する容器によって構成されている。気液分離タンク５の下部に液相冷媒が貯留される。気液分離タンク５は、凝縮器４から供給された二相冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離する。気液分離タンク５は、重力方向において、貯留された液相冷媒の液面以下の位置から、第２循環路７に分離された液相冷媒を供給する。気液分離タンク５は、重力方向において、貯留された液相冷媒の液面より上の位置から、圧縮機経路２０に分離された気相冷媒を供給する。気液分離タンク５は、冷凍サイクル装置２００のＣＯＰ（coefficient of performance）を向上させるエコノマイザとして機能する。「重力方向」は、重力に平行な方向を意味する。
気液分離タンク５から第２圧縮機３ｂへ気相冷媒を供給する経路には、液相冷媒の液滴が気相冷媒に同伴することを抑制するためデミスターが配置されていてもよい。
第１循環路６は、例えば、断熱性及び耐圧性を有する配管によって構成されている。第１循環路６は、凝縮器４と気液分離タンク５とを接続している。第１循環路６は、凝縮器４内の液相冷媒を気液分離タンク５へ導く冷媒流路であり、凝縮器４内の液相冷媒をフラッシュ膨張させる冷媒流路である。第１循環路６には、液相冷媒をフラッシュ膨張させる膨張弁、又は、流量制御弁が配置されていてもよい。
第２循環路７は、例えば、断熱性及び耐圧性を有する配管によって構成されている。第２循環路７は、気液分離タンク５と蒸発器２とを接続している。第２循環路７は、気液分離タンク５から蒸発器２に冷媒を導く冷媒流路である。
排出路８ａは、例えば、断熱性及び耐圧性を有する配管によって構成されている。排出路８ａは、気液分離タンク５と凝縮器４とを接続しており、気液分離タンク５内の液相冷媒を凝縮器４に排出するために使用される。排出路８ａの接続先が凝縮器４である場合、気液分離タンク５の液相冷媒を退避させるためのタンクを別途設ける必要がない。
図１Ｂに示すように、冷凍サイクル装置２０２は、排出路８ａに代えて、排出路８ｂを備えている。排出路８ｂは、例えば、断熱性及び耐圧性を有する配管によって構成されている。冷凍サイクル装置２０２において、排出路８ｂは、気液分離タンク５と蒸発器２とを接続しており、気液分離タンク５内の液相冷媒を蒸発器２に排出するために使用される。排出路８ａの接続先が凝縮器４である場合、気液分離タンク５の液相冷媒を退避させるためのタンクを別途設ける必要がない。
排出路８ａは、冷凍サイクル装置２００の通常運転時には使用されない流路である。冷凍サイクル装置２００の通常運転時において、冷媒は、第１循環路６及び第２循環路７を介して凝縮器４から蒸発器２に移動する。排出路８ａは、第１循環路６及び第２循環路７とは別の経路である。このような構成によれば、第１循環路６及び第２循環路７に課される制約が少なく、通常運転時の効率を想定した最適な設計にて第１循環路６及び第２循環路７を構成することができる。このことは、排出路８ｂも同様である。
図１Ａに示す排出路８ａは、図１Ｂに示す排出路８ｂよりも有利である。気液分離タンク５の液相冷媒を凝縮器４に排出することによって、蒸発器２における液相冷媒の温度上昇を回避できる。その結果、蒸発器２における液相冷媒の温度を迅速に低下させることができるとともに、複数の圧縮機３の動力も節約できる。
排出路８ａ及び８ｂは、気液分離タンク５内の液相冷媒を凝縮器４又は蒸発器２に排出する空間であれば上記構成に限定されない。排出路８ａと排出路８ｂとを共存させることも可能である。
ポンプ９は、排出路８ａ又は８ｂに配置されている。ポンプ９は、排出路８ａ又は８ｂを介して、気液分離タンク５内の液相冷媒を凝縮器４、又は、蒸発器２に排出する。ポンプ９は、例えば速度型ポンプである。速度型ポンプとは、液相冷媒に運動量を与え、その後、減速させることによって液相冷媒の圧力を上昇させるポンプである。速度型ポンプ（ターボポンプ）として、遠心ポンプ、斜流ポンプ、軸流ポンプなどが挙げられる。ポンプ９は、インバータによって駆動されるモータなど、回転数を変化させるための機構を備えていてもよい。
ポンプ９の働きによって、蒸発器２と気液分離タンク５との位置関係によらず、液相冷媒を確実に蒸発器２に排出することができる。同様に、ポンプ９の働きによって、凝縮器４と気液分離タンク５との位置関係によらず、液相冷媒を確実に凝縮器４に排出することができる。
冷凍サイクル装置２００は、第１圧縮機３ａ、第２圧縮機３ｂ及びポンプ９の駆動を制御する制御回路２１をさらに備えている。制御回路２１は、Ａ／Ｄ変換回路、入出力回路、演算回路、記憶装置などを含むＤＳＰ（Digital Signal Processor）でありうる。制御回路２１には、冷凍サイクル装置２００を適切に運転するためのプログラムが格納されている。
以上のように構成された冷凍サイクル装置２００の運転について、図２を用いて説明する。図２のフローチャートは、冷凍サイクル装置２００を起動するために実行される処理を示している。図２は、詳細には、制御回路２１によって実行される処理を示している。
冷凍サイクル装置２００が一定期間（例えば夜間）放置された場合、冷凍サイクル装置２００の内部の温度は、ほぼ周囲温度に均衡し、冷凍サイクル装置２００の内部の圧力は、特定の圧力に均衡する。例えば周囲温度が３０℃のときには、冷凍サイクル装置２００の内部の温度も３０℃に均衡する。
まず、ポンプ９を起動する（ステップＳ１０１）。ポンプ９を起動することによって、排出路８ａ又は８ｂを介して、気液分離タンク５内の液相冷媒を凝縮器４、又は、蒸発器２に排出する（ステップＳ１０２）。
次に、ポンプ９によって液相冷媒を排出しながら、気液分離タンク５内の液相冷媒の液面が所定のレベル以下になったかどうかを判断する（ステップＳ１０３）。つまり、本実施形態では、気液分離タンク５内の液相冷媒の液面が、所定のレベル以下になるまで冷媒を排出する。所定のレベルは、液相冷媒がほぼない状態のレベルであってもよい。つまり、所定のレベルは、気液分離タンク５の底面から０ｍｍの高さであってもよい。ステップＳ１０３は、気液分離タンク５が空になったかどうかを判断するステップでありうる。
冷凍サイクル装置２００は、気液分離タンク５における液相冷媒の液面の位置を確かめるためのレベルセンサを備えていてもよい。レベルセンサは、気液分離タンク５の内部に設けられていてもよく、気液分離タンク５の外部に設けられていてもよい。レベルセンサとしては、フロート式レベルセンサ、超音波式レベルセンサ、静電容量式レベルセンサ、レーザー式レベルセンサなどが挙げられる。
さらに、ポンプ９の起動直後から所定時間が経過したとき、液相冷媒の液面が所定のレベル以下になったと判断してもよい。「所定時間」は、予め実験的に調べることによって定められた十分な時間でありうる。
液相冷媒の液面が所定のレベル以下になった場合、ポンプ９を停止する（ステップＳ１０４）。
第１圧縮機３ａ及び第２圧縮機３ｂを起動する（ステップＳ１０５）。
気液分離タンク５における液相冷媒の液面のレベルに応じて、第１圧縮機３ａ及び第２圧縮機３ｂを起動すべきタイミングを判断することによって、サージングを確実に防止することができる。
ポンプ９を停止することによって気液分離タンク５から凝縮器４又は蒸発器２に液相冷媒を供給するのを停止するとともに、第１圧縮機３ａと第２圧縮機３ｂとを起動する。詳細には、気液分離タンク５から凝縮器４又は蒸発器２に液相冷媒を供給するのを停止した後、第１圧縮機３ａと第２圧縮機３ｂとを起動する。このようにすれば、サージングを確実に防止できる。
ただし、ポンプ９を停止する直前に第１圧縮機３ａ及び第２圧縮機３ｂを起動してもよい。つまり、ステップＳ１０４の処理とステップＳ１０５の処理とをこの順番で実行することは必須ではない。例えば、ポンプ９の回転数の低下中に第１圧縮機３ａ及び第２圧縮機３ｂを起動してもよい。ポンプ９が完全に停止する前に第１圧縮機３ａ及び第２圧縮機３ｂを起動したとしても、直ちにサージングが起こるとは限らない。この場合、ポンプ９の停止のタイミングが第１圧縮機３ａ及び第２圧縮機３ｂの起動のタイミングより後であったとしても、サージングを防止することができる。
第１圧縮機３ａ及び第２圧縮機３ｂが起動すると、蒸発器２内の圧力が徐々に低下する。外気の熱を冷媒が吸収することによって蒸発器２において気相冷媒が生成される。
蒸発器２内で生成された気相冷媒は、第１圧縮機３ａに吸入され、第１圧縮機３ａ及び第２圧縮機３ｂによって圧縮され、第２圧縮機３ｂから吐出される。第２圧縮機３ｂからから吐出された高圧の気相冷媒は、凝縮器４に導入され、外気に熱を放出することで凝縮して液相冷媒となる。凝縮器４に貯留された液相冷媒は、第１循環路６を介して気液分離タンク５にフラッシュ膨張しながら供給される。冷媒は、気液分離タンク５において気相冷媒と液相冷媒とに分離される。気相冷媒は、気液分離タンク５から複数の圧縮機３の多段の翼車間の空間に供給される。本実施形態では、気相冷媒は、気液分離タンク５から圧縮機経路２０に供給され、第２圧縮機３ｂに吸入される。液相冷媒は、第２循環路７を介して、気液分離タンク５から蒸発器２にフラッシュ膨張しながら供給される。
以上のように、本実施形態では、気液分離タンク５に貯留された液相冷媒を気液分離タンク５の外部に排出した後、第１圧縮機３ａ及び第２圧縮機３ｂを起動する。つまり、冷凍サイクル装置２００を起動する。このようにすれば、気液分離タンク５内の圧力が凝縮器４の圧力と蒸発器２の圧力によって決まる。そのため、第１圧縮機３ａ及び第２圧縮機３ｂの各圧力比は、互いに等しい圧力比となる。
「各圧力比」は、低圧段圧力比（中間圧／蒸発器内の圧力）と高圧段圧力比（凝縮器内の圧力／中間圧）とを含む。低圧段圧力比は、第１圧縮機３ａにおける圧力比である。高圧段圧力比は、第２圧縮機３ｂにおける圧力比である。
低圧段圧力比（中間圧／蒸発器内の圧力）が通常運転時における低圧段圧力比を大幅に上回ることを防止することによって、高温下に置かれた状態からでも、サージングを生じさせることなく冷凍サイクル装置２００を起動することが可能となる。中間圧とは、圧縮機経路２０の圧力であって、気液分離タンク５の内部に存在する気相冷媒の圧力である。
そして、起動完了後に、凝縮器４の液相冷媒を気液分離タンク５に供給し、フラッシュ膨張させる。言い換えれば、第１圧縮機３ａと第２圧縮機３ｂとを起動した後、気液分離タンク５における液相冷媒の液面を上昇させる。これにより、温度制御することなく所定の中間圧の二相状態を作ることが可能となる。そして、凝縮器４から蒸発器２へ循環する液相冷媒を、凝縮器４から気液分離タンク５への段階と、気液分離タンク５から蒸発器２への段階とを含む二段階で膨張させることが可能となる。その結果、定常運転時においてはＣＯＰを向上することができる。
本明細書において、「起動する（activate）」とは、圧縮機の回転数を０ｒｐｍから所定の回転数まで増加させることを意味する。例えば、圧縮機の運転が始まり、回転数が増加の過程にあるとき、圧縮機は起動中である。回転数が所定の回転数に到達すると、圧縮機の起動が完了したと判断される。「冷凍サイクル装置を起動する」とは、圧縮機を起動することを意味する。「所定の回転数」は、所望の冷凍能力を得るために制御回路２１によって決定される回転数でありうる。
本明細書において、「停止」とは、ポンプ又は圧縮機の回転数がゼロの状態を意味する。
本実施形態において、圧縮機３の数は特に限定されない。圧縮機３の数は、３以上であってもよい。
以下、いくつかの他の実施形態について説明する。実施形態１と他の実施形態との間の共通する要素には同じ参照符号を付し、それらの説明を省略することがある。各実施形態に関する説明は、技術的に矛盾しない限り、相互に適用されうる。技術的に矛盾しない限り、各実施形態は、相互に組み合わされてもよい。
（実施形態２）
図３Ａは、実施形態２に係る冷凍サイクル装置２０４の構成を示している。
図３Ａに示すように、冷凍サイクル装置２０４は、冷凍サイクル装置２０２の構成に加えて、遮断弁１０及び吸熱用熱交換器１１を備えている。
気液分離タンク５と吸熱用熱交換器１１とを接続する経路上にポンプ９が配置されている。詳細には、冷凍サイクル装置２０４は、吸熱経路１５をさらに備えている。吸熱経路１５は、蒸発器２と吸熱用熱交換器１１との間で冷媒を循環させるループ状の循環路である。本実施形態では、合流点Ｐ１において、吸熱経路１５に排出路８ｂが接続されている。吸熱経路１５において、合流点Ｐ１と吸熱用熱交換器１１の入口との間にポンプ９が配置されている。
遮断弁１０は、例えば、ボールバルブなどの流路遮断弁であり、気液分離タンク５とポンプ９の吸入口とに接続された排出路８ｂに配置されている。詳細には、排出路８ｂにおいて、気液分離タンク５と合流点Ｐ１との間に遮断弁１０が配置されている。ポンプ９を作動させるとともに遮断弁１０を開にすることにより、気液分離タンク５内に貯留された液相冷媒が蒸発器２内に排出される。遮断弁１０を閉にすることにより、排出路８ｂを介した液相冷媒の排出が停止する。
吸熱用熱交換器１１は、例えばプレート熱交換器であり、吸熱経路１５上に配置されている。吸熱用熱交換器１１は、例えば空調用の低温熱媒体と蒸発器２内の液相冷媒とを熱交換させるように構成されており、蒸発器２内で生成された低温の液相冷媒により、空調用の低温熱媒体を冷却する。
遮断弁１０、複数の圧縮機３及びポンプ９の駆動を制御する制御回路２１が冷凍サイクル装置２０４に設けられている。
以上のように構成された冷凍サイクル装置２０４について、制御回路２１で実行される処理は、遮断弁１０の制御が加わることを除き、図２を参照して説明した通りである。
まず、遮断弁１０が閉の状態でポンプ９を起動する。その結果、蒸発器２内の液相冷媒が吸熱用熱交換器１１と蒸発器２との間で循環する。
その後、遮断弁１０を開とする。その結果、気液分離タンク５内の液相冷媒は、ポンプ９に吸入されることにより、排出路８ｂ及び吸熱用熱交換器１１を介して、蒸発器２に排出される。
その後、気液分離タンク５内の液相冷媒の液面のレベルが０ｍｍ程度となった場合、遮断弁１０を閉とし、第１圧縮機３ａ及び第２圧縮機３ｂを起動する。その結果、蒸発器２内の圧力が低下し、外気から吸熱することによって気相冷媒が生成される。
蒸発器２内で生成された気相冷媒は、第１圧縮機３ａに吸入され、第１圧縮機３ａ及び第２圧縮機３ｂにおいて圧縮され、第２圧縮機３ｂから吐出される。
第２圧縮機３ｂから吐出された高圧の気相冷媒は、凝縮器４に導入され、外気に熱を放出することで凝縮して液相冷媒となる。凝縮器４に貯留された液相冷媒は、第１循環路６を介して気液分離タンク５にフラッシュ膨張しながら供給される。冷媒は、気液分離タンク５において気相冷媒と液相冷媒とに分離される。気相冷媒は、気液分離タンク５から複数の圧縮機３の多段の翼車間の空間に供給される。本実施形態では、気相冷媒は、気液分離タンク５から圧縮機経路２０に供給され、第２圧縮機３ｂに吸入される。液相冷媒は、第２循環路７を介して、気液分離タンク５から蒸発器２にフラッシュ膨張しながら供給される。
起動完了後に、凝縮器４の液相冷媒を気液分離タンク５に供給し、フラッシュ膨張させる。言い換えれば、第１圧縮機３ａと第２圧縮機３ｂとを起動した後、気液分離タンク５における液相冷媒の液面を上昇させる。これにより、温度制御することなく所定の中間圧の二相状態を作ることが可能となる。そして、凝縮器４から蒸発器２へ循環する液相冷媒を、凝縮器４から気液分離タンク５への段階と、気液分離タンク５から蒸発器２への段階とを含む二段階で膨張させることが可能となる。その結果、定常運転時においてはＣＯＰを向上することができる。
実施形態１において説明した理由と同じ理由により、本実施形態においても、サージングを発生させることなく冷凍サイクル装置２０２を起動することができる。
本実施形態では、気液分離タンク５から液相冷媒を排出するためのポンプ９は、蒸発器２と吸熱用熱交換器１１との間で液相冷媒を循環させるためのポンプに兼用されている。このような構成によれば、必要なポンプ台数を削減することが可能となる。
（変形例２）
図３Ｂは、変形例２に係る冷凍サイクル装置２０６の構成を示している。
図３Ｂに示すように、冷凍サイクル装置２０６は、冷凍サイクル装置２００の構成に加えて、遮断弁１０及び放熱用熱交換器１２を備えている。
気液分離タンク５と放熱用熱交換器１２とを接続する経路上にポンプ９が配置されている。詳細には、冷凍サイクル装置２０６は、放熱経路１６をさらに備えている。放熱経路１６は、凝縮器４と放熱用熱交換器１２との間で冷媒を循環させるループ状の循環路である。本変形例では、合流点Ｐ２において、放熱経路１６に排出路８ａが接続されている。放熱経路１６において、合流点Ｐ２と放熱用熱交換器１２の入口との間にポンプ９が配置されている。
遮断弁１０は、例えば、ボールバルブなどの流路遮断弁であり、気液分離タンク５とポンプ９の吸入口とに接続された排出路８ａに配置されている。詳細には、排出路８ａにおいて、気液分離タンク５と合流点Ｐ２との間に遮断弁１０が配置されている。ポンプ９を作動させるとともに遮断弁１０を開にすることにより、気液分離タンク５内に貯留された液相冷媒が凝縮器４内に排出される。遮断弁１０を閉にすることにより、排出路８ａを介した液相冷媒の排出が停止する。
放熱用熱交換器１２は、例えばプレート熱交換器であり、放熱経路１６上に配置されている。放熱用熱交換器１２は、例えば冷凍サイクルにより汲み上げた熱を大気に放出するための熱媒体と凝縮器４内の液相冷媒とが熱交換するように構成されており、凝縮器４内で生成された高温の液相冷媒により、熱媒体を加熱する。
凝縮器４は、例えば充填材又は噴霧による直接型凝縮器である。
以上のように構成された冷凍サイクル装置２０６について、制御回路２１で実行される処理は、遮断弁１０の制御が加わることを除き、図２を参照して説明した通りである。
まず、遮断弁１０が閉の状態でポンプ９を起動する。その結果、凝縮器４内の液相冷媒が放熱用熱交換器１２と凝縮器４との間で循環する。
その後、遮断弁１０を開とする。その結果、気液分離タンク５内の液相冷媒が、ポンプ９に吸入されることにより、排出路８ａ及び放熱用熱交換器１２を介して、凝縮器４に排出される。
その後、遮断弁１０を閉とし、第１圧縮機３ａ及び第２圧縮機３ｂを起動する。その結果、蒸発器２内の圧力が低下し、外気から吸熱することによって気相冷媒が生成される。
蒸発器２内で生成された気相冷媒は、第１圧縮機３ａに吸入され、第１圧縮機３ａ及び第２圧縮機３ｂにおいて圧縮され、第２圧縮機３ｂから吐出される。第２圧縮機３ｂから吐出された高圧の気相冷媒は、凝縮器４に導入され、外気に熱を放出することで凝縮して液相冷媒となる。凝縮器４に貯留された液相冷媒は、第１循環路６を介して気液分離タンク５にフラッシュ膨張しながら供給される。冷媒は、気液分離タンク５において気相冷媒と液相冷媒とに分離される。気相冷媒は、気液分離タンク５から複数の圧縮機３の多段の翼車間の空間に供給される。本変形例では、気相冷媒は、気液分離タンク５から圧縮機経路２０に供給され、第２圧縮機３ｂに吸入される。液相冷媒は、第２循環路７を介して、気液分離タンク５から蒸発器２にフラッシュ膨張しながら供給される。
起動完了後に、凝縮器４の液相冷媒を気液分離タンク５に供給し、フラッシュ膨張させる。言い換えれば、第１圧縮機３ａと第２圧縮機３ｂとを起動した後、気液分離タンク５における液相冷媒の液面を上昇させる。これにより、温度制御することなく所定の中間圧の二相状態を作ることが可能となる。そして、凝縮器４から蒸発器２へ循環する液相冷媒を、凝縮器４から気液分離タンク５への段階と、気液分離タンク５から蒸発器２への段階とを含む二段階で膨張させることが可能となる。その結果、定常運転時においてはＣＯＰを向上することができる。
実施形態１において説明した理由と同じ理由により、本変形例においても、サージングを発生させることなく冷凍サイクル装置２０６を起動することができる。
本変形例では、気液分離タンク５から液相冷媒を排出するためのポンプ９は、凝縮器４と放熱用熱交換器１２との間で液相冷媒を循環させるためのポンプに兼用されている。このような構成によれば、必要なポンプ台数を削減することが可能となる。
（変形例３）
図３Ｃは、変形例３に係る冷凍サイクル装置２０８の構成を示している。
図３Ｃに示すように、冷凍サイクル装置２０８は、冷凍サイクル装置２００の構成に加えて、遮断弁１０及び放熱用熱交換器１２を備えている。さらに、本変形例では、凝縮器４が凝縮エジェクタ１３及びバッファタンク１４に置き換えられている。つまり、本変形例は、変形例２における凝縮器４を凝縮エジェクタ１３及びバッファタンク１４に置き換えることによって得られる。
気液分離タンク５と吸熱用熱交換器１１とを接続する経路上にポンプ９が配置されている。詳細には、冷凍サイクル装置２０８は、放熱経路１６をさらに備えている。放熱経路１６は、バッファタンク１４、放熱用熱交換器１２及び凝縮エジェクタ１３の間で冷媒を循環させるループ状の循環路である。本変形例では、合流点Ｐ２において、放熱経路１６に排出路８ａが接続されている。放熱経路１６において、合流点Ｐ２と放熱用熱交換器１２の入口との間にポンプ９が配置されている。
遮断弁１０は、例えば、ボールバルブなどの流路遮断弁であり、気液分離タンク５とポンプ９の吸入口とに接続された排出路８ａに配置されている。詳細には、排出路８ａにおいて、気液分離タンク５と合流点Ｐ２との間に遮断弁１０が配置されている。ポンプ９を作動させるとともに遮断弁１０を開にすることにより、気液分離タンク５内に貯留された液相冷媒がバッファタンク１４内に排出される。遮断弁１０を閉にすることにより、排出路８ｂを介した液相冷媒の排出が停止する。
放熱用熱交換器１２の構成は先に説明した通りである。
凝縮エジェクタ１３は、液相冷媒を駆動流とし、気相冷媒を吸引流として、吸引した気相冷媒を昇圧するデバイスである。凝縮エジェクタ１３は、液相冷媒を微粒化して噴射する噴霧ノズル、蒸気を吸引する蒸気流入路、及び、微粒化された液相冷媒と吸引された気相冷媒とを混合して圧力を上昇させる混合室から構成される。噴霧ノズルは、真鍮などの金属材料で構成されている。混合室及び蒸気流入路は、ステンレス、鉄などの金属材料で構成されている。
バッファタンク１４は、例えば、断熱性及び耐圧性を有する容器によって構成されている。バッファタンク１４は、凝縮エジェクタ１３から吐出された冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して貯留する。貯留される冷媒の温度は、例えば３５℃である。
遮断弁１０、複数の圧縮機３及びポンプ９の駆動を制御する制御回路２１が冷凍サイクル装置２０８に設けられている。
以上のように構成された冷凍サイクル装置２０８について、制御回路２１で実行される処理は、遮断弁１０の制御が加わることを除き、図２を参照して説明した通りである。
遮断弁１０が閉の状態でポンプ９を起動すると、バッファタンク１４内の液相冷媒が放熱用熱交換器１２とバッファタンク１４との間で循環する。その後、遮断弁１０を開とすることにより、気液分離タンク５内の液相冷媒が、排出路８ａ、放熱用熱交換器１２及び凝縮エジェクタ１３を介して、バッファタンク１４に排出される。
その後、遮断弁１０を閉とし、第１圧縮機３ａ及び第２圧縮機３ｂを起動すると、蒸発器２内の圧力が低下し、外気から吸熱することによって気相冷媒が生成される。蒸発器２内で生成された気相冷媒は、第１圧縮機３ａに吸入され、第１圧縮機３ａ及び第２圧縮機３ｂにおいて圧縮され、第２圧縮機３ｂから吐出される。第２圧縮機３ｂから吐出された高圧の気相冷媒は、凝縮エジェクタ１３に吸入される。凝縮エジェクタ１３に吸入された気相冷媒は、放熱用熱交換器１２を介して凝縮エジェクタ１３に供給された液相冷媒と合流して二相状態となる。二相状態の冷媒の圧力が上昇することによって気相冷媒が凝縮する。液相冷媒は、バッファタンク１４に供給されて貯留される。バッファタンク１４内に貯留された液相冷媒は、放熱用熱交換器１２において放熱し、凝縮エジェクタ１３に再度供給される。また、バッファタンク１４内の液相冷媒の一部は、第１循環路６を介して気液分離タンク５にフラッシュ膨張しながら供給される。気液分離タンク５内で気液分離された気相冷媒は、複数の圧縮機３の多段の翼車間の空間に供給される。
起動完了後に、凝縮器４の液相冷媒を気液分離タンク５に供給し、フラッシュ膨張させる。言い換えれば、第１圧縮機３ａと第２圧縮機３ｂとを起動した後、気液分離タンク５における液相冷媒の液面を上昇させる。これにより、温度制御することなく所定の中間圧の二相状態を作ることが可能となる。そして、凝縮器４から蒸発器２へ循環する液相冷媒を、凝縮器４から気液分離タンク５への段階と、気液分離タンク５から蒸発器２への段階とを含む二段階で膨張させることが可能となる。その結果、定常運転時においてはＣＯＰを向上することができる。
本変形例では、気液分離タンク５から液相冷媒を排出するためのポンプ９は、凝縮エジェクタ１３に液相冷媒を供給するためのポンプに兼用されている。このような構成によれば、必要なポンプ台数を削減することが可能となる。
（実施形態３）
図４は、実施形態３に係る冷凍サイクル装置２１０の構成を示している。
冷凍サイクル装置２１０は、第１循環路６及び第２循環路７とは別の排出路を備えていない点で先に説明した実施形態と異なる。冷凍サイクル装置２１０において、気液分離タンク５から液相冷媒を排出するためのポンプ９が第２循環路７に配置されている。言い換えれば、本実施形態では、第２循環路７が排出路の役割も担っている。
図２を参照して説明したフローチャートの各処理を実行することによって、冷凍サイクル装置２１０を起動することができる。ただし、本実施形態では、図２のステップＳ１０４の処理に代えて、ポンプ９の回転数を調節する処理を実行する。典型的には、ポンプ９の回転数を低下させる。冷凍サイクル装置２１０の起動後も、ポンプ９は、必要な回転数で運転される。
本実施形態のように、専用の排出路を用いることなく、気液分離タンク５から液相冷媒を排出することが可能である。
（実施形態４）
図５Ａは、実施形態４に係る冷凍サイクル装置２１２の構成を示している。図５Ｂは、冷凍サイクル装置２１２の停止時の状態を示している。図５Ｃは、変形例４に係る冷凍サイクル装置２１４の構成を示している。
冷凍サイクル装置２１２は、第１循環路６及び第２循環路７とは別の排出路を備えていない点で先に説明した実施形態と異なる。本実施形態では、第２循環路７が排出路の役割も担っている。さらに、冷凍サイクル装置２１２は、気液分離タンク５から液相冷媒を排出するためのポンプを備えていない点で先に説明した実施形態と異なる。本実施形態では、冷凍サイクル装置２１２の停止時に液相冷媒が重力によって気液分離タンク５から排出されるように、気液分離タンク５と蒸発器２との位置関係が定められている。
具体的には、図５Ｂに示すように、冷凍サイクル装置２１２の設置面から気液分離タンク５の底までの高さをｈ１とし、冷凍サイクル装置２１２の停止時における、設置面から蒸発器２内の液相冷媒の液面までの高さをｈ２とするとき、ｈ１≧ｈ２が満たされている。本実施形態では、気液分離タンク５の全部が蒸発器２よりも上方に位置している。重力方向において、気液分離タンク５の底（下端）が蒸発器２の上端よりも上に位置している。「設置面」は、冷凍サイクル装置２１２が実際に設置されている床面であってもよく、重力方向における蒸発器２及び第２循環路７の最下点を通る仮想的な水平面であってもよい。「気液分離タンク５の底（下端）」は、重力方向における気液分離タンク５の最下点の位置を表す。「蒸発器２の上端」は、重力方向における蒸発器２の最上点の位置を表す。
冷凍サイクル装置２１２が停止したのち、冷凍サイクル装置２１２の内部の圧力が徐々に均衡することに伴って、気液分離タンク５から蒸発器２へと液相冷媒が徐々に排出される。上記のような構成によれば、ポンプの助けを借りることなく、気液分離タンク５から液相冷媒を完全に排出することが可能である。専用の排出路も省略可能である。
気液分離タンク５に液相冷媒が存在しないので、冷凍サイクル装置２１２を起動するべき旨の指示を制御回路２１が受け取ると、制御回路２１は、第１圧縮機３ａ及び第２圧縮機３ｂを直ちに起動する。つまり、起動時間を短縮することができる。
また、凝縮器４と気液分離タンク５との位置関係も蒸発器２と気液分離タンク５との位置関係と同じように定められている。冷凍サイクル装置２１２の停止時における、設置面から凝縮器４内の液相冷媒の液面までの高さをｈ２とするとき、ｈ１≧ｈ２が満たされている。言い換えれば、気液分離タンク５の全部が凝縮器４よりも上方に位置している。重力方向において、気液分離タンク５の底（下端）が凝縮器４の上端よりも上に位置している。「凝縮器４の上端」は、重力方向における凝縮器４の最上点の位置を表す。
本実施形態において、第２循環路７は、通常運転時に気液分離タンク５に液相冷媒が貯留されるように設計されている。第２循環路７には、例えば、制御を要しないキャピラリが配置されていてもよい。これにより、通常運転時に気液分離タンク５に液相冷媒が貯留されうる。
あるいは、図５Ｃに示す冷凍サイクル装置２１４のように、第２循環路７に開度を変更可能な流量調整弁１８が配置されていてもよい。流量調整弁１８は、制御回路２１によって制御される。第２循環路７に流量調整弁１８が配置されている場合、冷凍サイクル装置２１２を停止させるときに流量調整弁１８の開度は、例えば、最大開度に調節されうる。これにより、気液分離タンク５から蒸発器２に液相冷媒がスムーズに排出されうる。
（変形例５及び変形例６）
図５Ｄは、変形例５に係る冷凍サイクル装置２１６の構成を示している。図５Ｅは、変形例６に係る冷凍サイクル装置２１８の構成を示している。
図５Ｄに示す冷凍サイクル装置２１６は、図５Ａ及び図５Ｂを参照して説明した冷凍サイクル装置２１２の構成に加え、排出路８ａ及び遮断弁１０を備えている。排出路８ａの構成は、実施形態１において説明した通りである。遮断弁１０は、排出路８ａに配置されている。遮断弁１０の構成は、実施形態２において説明した通りである。
図５Ｅに示す冷凍サイクル装置２１８は、図５Ａ及び図５Ｂを参照して説明した冷凍サイクル装置２１２の構成に加え、排出路８ｂ及び遮断弁１０を備えている。排出路８ｂの構成は、実施形態１において説明した通りである。遮断弁１０は、排出路８ｂに配置されている。遮断弁１０の構成は、実施形態２において説明した通りである。
冷凍サイクル装置２１６又は２１８の通常運転時において、遮断弁１０は閉じられている。遮断弁１０は、冷凍サイクル装置２１６又は２１８を停止させるときに遮断弁１０が開放される。これにより、気液分離タンク５から凝縮器４又は蒸発器２に液相冷媒がスムーズに排出されうる。遮断弁１０は、冷凍サイクル装置２１６又は２１８の停止後に開放されてもよい。遮断弁１０は、冷凍サイクル装置２１６又は２１８を起動させる直前に開放されてもよい。図２を参照して説明したフローチャートのステップＳ１０１において、ポンプを起動することに代えて、遮断弁１０を開く。ステップＳ１０４において、ポンプを停止することに代えて、遮断弁１０を閉じる。
例えば、第２循環路７にキャピラリ、流量調整弁などが配置されている場合、気液分離タンク５から凝縮器４又は蒸発器２に液相冷媒を移動させて気液分離タンク５を空にするために比較的長い時間が必要である。これに対し、本変形例によれば、気液分離タンク５から凝縮器４又は蒸発器２に液相冷媒を迅速に排出することができる。ポンプを必須としないという利点もある。
（その他の変形例）
本開示において、気液分離タンク５の液相冷媒が排出されるべき空間は、蒸発器２及び凝縮器４に限定されない。例えば、冷凍サイクル装置の起動時に気液分離タンク５の液相冷媒が複数の圧縮機３の軸受に供給されるように、気液分離タンク５と複数の圧縮機３とが排出路によって接続されていてもよい。また、蒸発器２及び凝縮器４とは別の予備タンクが設けられていてもよい。冷凍サイクル装置の起動時に気液分離タンク５の液相冷媒が予備タンクに一時的に退避されるように、気液分離タンク５と予備タンクとが排出路によって接続されていてもよい。排出路は、気液分離タンク５に貯留された液相冷媒を気液分離タンク５の外部に導く流路でありうる。気液分離タンク５の外部に液相冷媒を排出できればサージングを防止できるので、液相冷媒の排出先は特に限定されない。
本開示の冷凍サイクル装置は、システム内の初期温度及び初期圧力によらず、確実かつ安全に起動されうる。本明細書に開示された冷凍サイクル装置は、空気調和装置、チラー、蓄熱装置などに有用である。本明細書に開示された冷凍サイクル装置は、特に、ビルのセントラル空気調和装置、プロセス冷却用のチラーなどに有用である。
２ 蒸発器
３ 圧縮機
３ａ 第１圧縮機
３ｂ 第２圧縮機
４ 凝縮器
５ 気液分離タンク
６ 第１循環路
７ 第２循環路
８ａ，８ｂ 排出路
９ ポンプ
１０ 遮断弁
１１ 吸熱用熱交換器
１２ 放熱用熱交換器
１３ 凝縮エジェクタ
１４ バッファタンク
１５ 吸熱経路
１６ 放熱経路
１８ 流量調整弁
２１ 制御回路
２００，２０２，２０４，２０６，２０８，２１０，２１２，２１４，２１６，２１８ 冷凍サイクル装置

Claims (19)

  1. 冷凍サイクル装置を駆動する方法であって、
    前記冷凍サイクル装置は、
    液相冷媒を蒸発させて気相冷媒を生成させる蒸発器と、
    前記蒸発器の前記気相冷媒を圧縮して吐出する第１圧縮機と、
    前記第１圧縮機から吐出された前記気相冷媒を圧縮して吐出する第２圧縮機と、
    前記第２圧縮機から吐出された前記気相冷媒を凝縮させて液相冷媒を生成する凝縮器と、
    前記凝縮器によって生成された前記液相冷媒を貯留するとともに、前記液相冷媒を蒸発させて気相冷媒を生成し、前記第２圧縮機に前記気相冷媒を供給する気液分離タンクと、
    を備え、
    前記第１圧縮機及び前記第２圧縮機のそれぞれが速度型圧縮機であり、
    前記方法は、
    前記気液分離タンクに貯留された前記液相冷媒を前記気液分離タンクの外部に排出した後に、前記第１圧縮機と前記第２圧縮機とを起動することを含む、冷凍サイクル装置の駆動方法。
  2. 前記冷凍サイクル装置は、前記気液分離タンクに貯留された前記液相冷媒を前記気液分離タンクの外部に導く排出路をさらに備え、
    前記排出路を介して前記気液分離タンクの外部に前記液相冷媒を排出する、請求項１に記載の冷凍サイクル装置の駆動方法。
  3. 前記排出路は、前記気液分離タンクと前記蒸発器とを接続し、
    前記気液分離タンクから前記蒸発器に向かって、前記気液分離タンクに貯留された前記液相冷媒が流れる、請求項２に記載の冷凍サイクル装置の駆動方法。
  4. 前記気液分離タンクから前記蒸発器に前記液相冷媒を供給するのを停止するとともに、前記第１圧縮機と前記第２圧縮機とを起動する、請求項３に記載の冷凍サイクル装置の駆動方法。
  5. 前記排出路は、前記気液分離タンクと前記凝縮器とを接続し、
    前記気液分離タンクから前記凝縮器に向かって、前記気液分離タンクに貯留された前記液相冷媒が流れる、請求項２に記載の冷凍サイクル装置の駆動方法。
  6. 前記気液分離タンクから前記凝縮器に前記液相冷媒を供給するのを停止するとともに、前記第１圧縮機と前記第２圧縮機とを起動する、請求項５に記載の冷凍サイクル装置の駆動方法。
  7. 前記第１圧縮機と前記第２圧縮機とを起動した後、前記気液分離タンクにおける前記液相冷媒の液面を上昇させることをさらに含む、請求項１から６のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置の駆動方法。
  8. 前記冷凍サイクル装置の設置面から前記気液分離タンクの底までの高さをｈ１とし、前記冷凍サイクル装置の停止時における、前記設置面から前記蒸発器内の前記液相冷媒の液面までの高さをｈ２とするとき、ｈ１≧ｈ２を満たす、請求項１から７のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置の駆動方法。
  9. 液相冷媒を蒸発させて気相冷媒を生成させる蒸発器と、
    速度型圧縮機であって、前記蒸発器の前記気相冷媒を圧縮して吐出する第１圧縮機と、
    速度型圧縮機であって、前記第１圧縮機から吐出された前記気相冷媒を圧縮して吐出する第２圧縮機と、
    前記第２圧縮機から吐出された前記気相冷媒を凝縮させて液相冷媒を生成する凝縮器と、
    前記凝縮器によって生成された前記液相冷媒を蒸発させて気相冷媒を生成し、前記第２圧縮機に前記気相冷媒を供給する気液分離タンクと、
    前記凝縮器内の前記液相冷媒を前記気液分離タンクに導く第１循環路と、
    前記気液分離タンク内の前記液相冷媒を前記蒸発器に導く第２循環路と、
    前記第１循環路及び前記第２循環路とは別の経路であって、前記気液分離タンクから前記蒸発器、又は、前記気液分離タンクから前記凝縮器に前記液相冷媒を導く排出路と、
    を備えた、冷凍サイクル装置。
  10. 前記排出路に配置されたポンプをさらに備えた、請求項９に記載の冷凍サイクル装置。
  11. 前記冷凍サイクル装置は、さらに、前記第１圧縮機及び前記第２圧縮機の駆動を制御する制御回路を備え、
    前記制御回路は、前記排出路を介して前記気液分離タンク内から前記蒸発器又は前記凝縮器に前記液相冷媒を排出させ、前記液相冷媒を排出した後、前記第１圧縮機と前記第２圧縮機とを起動させる、請求項９又は１０に記載の冷凍サイクル装置。
  12. 前記気液分離タンク内の前記液相冷媒の液面が所定のレベル以下になった場合、前記ポンプを停止するとともに、前記第１圧縮機と前記第２圧縮機とを起動する、請求項１０に記載の冷凍サイクル装置。
  13. 前記第１圧縮機と前記第２圧縮機とを起動した後、前記気液分離タンクにおける前記液相冷媒の液面を上昇させる、請求項９から１２のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
  14. 吸熱用熱交換器と、
    前記気液分離タンクと前記吸熱用熱交換器とを接続する経路上に配置されたポンプと、
    をさらに備えた、請求項９に記載の冷凍サイクル装置。
  15. 放熱用熱交換器と、
    前記気液分離タンクと前記放熱用熱交換器とを接続する経路上に配置されたポンプと、
    をさらに備えた、請求項９に記載の冷凍サイクル装置。
  16. 液相冷媒を蒸発させて気相冷媒を生成させる蒸発器と、
    前記蒸発器によって生成された前記気相冷媒を圧縮して吐出する第１圧縮機と、
    前記第１圧縮機から吐出された前記気相冷媒を圧縮して吐出する第２圧縮機と、
    前記第２圧縮機から吐出された前記気相冷媒を凝縮させて液相冷媒を生成する凝縮器と、
    前記凝縮器によって生成された前記液相冷媒を貯留するとともに、前記液相冷媒を蒸発させて気相冷媒を生成し、前記第２圧縮機に前記気相冷媒を供給する気液分離タンクと、
    前記気液分離タンクに接続され、前記気液分離タンクに貯留された前記液相冷媒を前記気液分離タンクの外部に導く排出路と、
    前記第１圧縮機及び前記第２圧縮機の駆動を制御する制御回路と、
    を備え、
    前記第１圧縮機及び前記第２圧縮機のそれぞれが速度型圧縮機であり、
    前記制御回路は、前記気液分離タンクに貯留された前記液相冷媒が、前記冷媒排出経路を介して、前記気液分離タンクの外部に排出された後に、前記第１圧縮機及び前記第２圧縮機を起動する、冷凍サイクル装置。
  17. 前記制御回路は、前記第１圧縮機及び前記第２圧縮機を起動した後に、前記気液分離タンクにおける前記液相冷媒の液面を上昇させる、請求項１６に記載の冷凍サイクル装置。
  18. 前記排出路は、前記蒸発器又は前記凝縮器に接続されており、
    前記冷凍サイクル装置は、さらに、前記排出路上に設けられたポンプを備えている、請求項１６又は１７に記載の冷凍サイクル装置。
  19. 前記冷凍サイクル装置の設置面から前記気液分離タンクの底までの高さをｈ１とし、前記冷凍サイクル装置の停止時における、前記設置面から前記蒸発器内の前記液相冷媒の液面までの高さをｈ２とするとき、ｈ１≧ｈ２を満たす、請求項１６から１８のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
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