JP4462436B2

JP4462436B2 - 冷凍装置

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Publication number: JP4462436B2
Application number: JP2005331128A
Authority: JP
Inventors: 哲也伊藤; 聡冨岡; 隆廣松永; 剛清水
Original assignee: Fujitsu General Ltd
Current assignee: Fujitsu General Ltd
Priority date: 2005-11-16
Filing date: 2005-11-16
Publication date: 2010-05-12
Anticipated expiration: 2025-11-16
Also published as: JP2007139257A

Description

本発明は、空気調和機などに適用される冷凍装置に関し、さらに詳しく言えば、凝縮器と蒸発器との間にレシーバタンク（気液分離器）と過冷却熱交換器（ＳＣ（サブクール）熱交換器）とが接続されているとともに、さらにレシーバタンクに液面検知手段が設けられている冷凍装置に関するものである。

図６に示すように、空気調和機は室外機１と室内機２０とを備え、スプリット型ではそれらが所定の配管を介して接続される。基本的な構成として、室外機１には、圧縮機２，四方弁３，室外ファン４ａを有する室外熱交換器４および絞り機構としての例えば膨張弁５とが設けられ、冷媒戻り側の低圧配管にはアキュムレータ７が接続される。

一方、室内機２０には室内ファン２１ａを有する室内熱交換器２１が設けられるが、この例のように、１台の室外機１に対して、例えば２台の室内機２０ａ，２０ｂが接続される多室型空気調和機においては、それらを接続する配管長が長いことや設置の自由度を持たせるため、室内機２０ａ，２０ｂの各々に絞り機構としての例えば膨張弁２３が設けられる。

また、室外機１側の膨張弁５と室内機２０側の膨張弁２３との間には、余剰冷媒の調整を行うレシーバタンク（気液分離器）６が設けられる。なお、この例での多室型空気調和機においては、室外機１の圧縮機２として、インバータ制御による可変速型圧縮機２ａと一定速型圧縮機２ｂとが用いられている。

冷房運転時には、図６中実線矢印に示すように、圧縮機２で生成された高温高圧のガス冷媒が室外熱交換器４に送られ、室外空気との熱交換により凝縮されて高温高圧の液冷媒となる。この高温高圧の液冷媒は、膨張弁５とこれに並列に接続された逆止弁５ａを通過して（ここでの圧力損失は無視できるレベルに設計されている）、レシーバタンク６に流入する。そして、この高温高圧の液冷媒は、レシーバタンク６から室内熱交換器２１，２１に送られ、室内機側の電子膨張弁２３で減圧されることにより、低温低圧の２相冷媒となる。この２相冷媒が室内空気との熱交換により室内空気を冷却し、自身は加温され蒸発して低温低圧のガス冷媒となる。この低温低圧のガス冷媒は、流路切替弁としての四方弁３およびアキュムレータ７を経て圧縮機２に戻される。このように、冷房運転時、室外熱交換器４側が凝縮器となり、室内熱交換器２１，２１側が蒸発器となる。

一方、暖房運転時には四方弁３が切り替えられ、図６中破線矢印に示すように、圧縮機２で生成された高温高圧のガス冷媒は室内熱交換器２１，２１に送られ、室内空気との熱交換により室内空気を加温し、自身は冷却されて凝縮し高温高圧の液冷媒となる。この高温高圧の液冷媒は、室内機側の電子膨張弁２３で減圧されて２相冷媒となり、接続配管を介してレシーバタンク６に入り、膨張弁５で減圧されて低温低圧の２相冷媒となる。そして、室外熱交換器４で室外空気との熱交換により加温され蒸発し、低温低圧のガス冷媒となる。この低温低圧のガス冷媒は、四方弁３およびアキュムレータ７を経て圧縮機２に戻される。このように、暖房運転時には、室外熱交換器４側が蒸発器となり、室内熱交換器２１，２１側が凝縮器となる。

上記したように、特に１台の室外機に対して複数台の室内機が接続される多室型空気調和機においては、運転モード（冷房もしくは暖房）や運転室内機容量，それに室内外の温度条件によって運転に必要とされる冷媒量が変化するため、レシーバタンク６を設けて余剰冷媒量の調整を行うようにしているが、暖房運転時において、膨張弁５で必要とされる冷媒流量を確保できない場合がある。

この点について、暖房運転時の冷媒状態の変化を示した図７のモリエル線図により説明する。Ａ点での低圧ガス冷媒が圧縮機２に吸い込まれ圧縮されてＢ点の高圧ガス冷媒になる。この高圧ガス冷媒が室内熱交換器２１にて凝縮されＣ点の高圧液冷媒となる。この高圧ガス冷媒は室内機膨張弁２３にて減圧され、かつ、接続配管での圧力損失も加わり、レシーバタンク６の入口のＤ点では２相冷媒となる。この２相冷媒は室外機膨張弁５で減圧されることにより、室外機膨張弁５の出口側のＥ点では低圧２相冷媒となる。この低圧２相冷媒は室外熱交換器４で蒸発されてＡ点に戻る。

ここで、問題となるのは、図７のサイクルで暖房運転を行う際、レシーバタンク６内にいつでも液冷媒が溜まることを保証できないという点である。レシーバタンク６内に液冷媒が溜まらないと、室外機膨張弁５での通過流量を確保できず、室外熱交換器４での蒸発能力低下→低圧低下→暖房能力不足という運転になってしまう。

また、レシーバタンク６内に液冷媒が溜まらない状態で、室外機膨張弁５での通過流量を確保しようとすると、必要以上に大きな膨張弁（電子膨張弁）を用いなければならなくなり、コストアップとなる。

このように、従来の冷凍装置では、暖房運転中に室外機膨張弁の通過流量が不足し、暖房能力不足が発生することがある。理想的な暖房運転を行うには、蒸発器（室外熱交換器）で必要している冷媒流量を室外機膨張弁を制御して供給する必要がある。

蒸発器で必要としている冷媒流量は、運転圧縮機容量，室外負荷（外気温度），熱交換面積により決められる。熱交換面積が不変とすると、運転圧縮機容量，室外負荷の２つの条件により、蒸発器が必要とする冷媒流量が決められる。この必要流量より室外機膨張弁の通過流量が少ないと低圧降下により暖房能力不足が発生し、多すぎると湿り運転となり圧縮機の信頼性を低下させることになる。

この必要流量にあった冷媒流量を室外機膨張弁で制御する方法として、特許文献１の方法がある。特許文献１に記載の発明では、暖房運転時に、室外機側のみで検出した圧縮機の吸入側および吐出側の各温度（または圧力）、室外熱交換器の温度と、圧縮機のポリトロープ指数とにより目標吐出冷媒温度を算出し、この目標吐出冷媒温度に実際の圧縮機の吐出温度が追従するように室外機膨張弁の開度を制御する。

特開２００４−１１６９７８号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の発明でも、レシーバタンク内に液冷媒が溜まっていることが前提であり、そうでない場合には制御自体が成り立たない。

レシーバタンク内に液冷媒が溜まらないと、室外機膨張弁での通過流量を確保することができない理由は、室外機膨張弁を通過する質量流量をｑｍ［ｋｇ／ｓ］，室外機膨張弁の開度の流量係数換算をＣｖ［単位なし］，室外機膨張弁の入口側と出口側の差圧をΔＰ［ＭＰａ］，室外機膨張弁の入口側での冷媒密度をＤ［ｋｇ／ｍ^３］とすると、
ｑｍ＝Ｃｖ×（ΔＰ×Ｄ）^０．５／Ｃｏｎｓｔ
となる。つまり、レシーバタンク内に液冷媒が溜まらず２相状態となると、冷媒の密度が急速に低下するため、流量が確保できなくなる。

図８に２相冷媒の乾き度と密度の関係を表したグラフを示す。このグラフにおいて、乾き度＝０の点が飽和液状態であり、その状態から２相領域に入ると急激に冷媒の密度が低下することが分かる。

したがって、本発明の課題は、暖房運転時において、室外機膨張弁での通過流量不足をきたさいように、レシーバタンク内の液面を制御することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、圧縮機，流路切替弁，凝縮器および蒸発器を含み、上記流路切替弁の切り替えにより冷房運転と暖房運転とを選択的に実行する冷凍サイクルを備え、上記凝縮器と上記蒸発器との間にレシーバタンクと過冷却熱交換器とが接続されているとともに、上記レシーバタンクに液面検知手段が設けられている冷凍装置において、暖房運転時、上記液面検知手段からの液面レベル検出信号に基づいて上記過冷却熱交換器の膨張弁の開度を制御する制御手段を備えていることを特徴としている（請求項１）。

本発明において、上記制御手段は、上記液面検知手段にて検出される上記レシーバタンク内の液面レベルが所定値よりも低い場合には、上記過冷却熱交換器の膨張弁の開度を大きくする方向に制御し、上記液面レベルが所定値よりも高い場合には、上記過冷却熱交換器の膨張弁の開度を絞る方向に制御する（請求項２）。

本発明の好ましい態様として、上記制御手段は、上記圧縮機側に戻される上記過冷却熱交換器の冷却用冷媒が湿った冷媒とならないように、上記レシーバタンク内の液面レベルの制御に優先して、上記過冷却熱交換器のスーパーヒート制御を実行する（請求項３）。

本発明において、上記液面検知手段は、一端が上記レシーバタンクの所定高さ部位に接続される少なくとも１本の液面検知用配管と、上記液面検知用配管内を流れる冷媒を減圧する減圧手段と、上記液面検知用配管内の冷媒を加熱する加熱手段と、上記加熱手段にて加熱された冷媒の温度を検出する温度検出手段とを有し、上記液面検知用配管の他端が、上記過冷却熱交換器の冷却側配管に接続され、上記液面検知に用いた冷媒が上記過冷却熱交換器に流され、その蒸発潜熱を利用する（請求項４）。

また、上記液面検知手段は、上記温度検出手段から得られる冷媒温度に基づいて、上記液面検知用配管の一端が接続されている位置での上記レシーバタンク内の冷媒の相状態を検知する（請求項５）。

本発明の好ましい態様によれば、上記加熱手段として、上記圧縮機の冷媒吐出管から発熱される熱を利用する（請求項６）。

本発明によれば、圧縮機，流路切替弁，凝縮器および蒸発器を含み、流路切替弁の切り替えにより冷房運転と暖房運転とを選択的に実行する冷凍サイクルを備え、凝縮器と蒸発器との間にレシーバタンクと過冷却熱交換器とが接続されているとともに、レシーバタンクに液面検知手段が設けられている冷凍装置において、暖房運転時、液面検知手段からの液面レベル検出信号に基づいて過冷却熱交換器の膨張弁の開度を制御する、すなわち液面検知手段にて検出されるレシーバタンク内の液面レベルが所定値よりも低い場合には、過冷却熱交換器の膨張弁の開度を大きくする方向に制御し、液面レベルが所定値よりも高い場合には、過冷却熱交換器の膨張弁の開度を絞る方向に制御することにより、レシーバタンク内に常に液冷媒が溜められ、室外機膨張弁で必要とされる通過流量が確保されるため、暖房能力不足に陥ることがない。

次に、図１ないし図５により、本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。図１は本発明の冷凍装置を空気調和機に適用した例の全体的な構成を示す模式図，図２は本発明の要部であるレシーバタンクの液面検知手段と過冷却熱交換器とを拡大して示す模式図，図３は液面検知手段の作用を説明するためのモリエル線図，図４は過冷却熱交換器の作用を説明するためのモリエル線図，図５はレシーバタンクでの外気との熱交換状態を説明するための模式図である。

まず、図１を参照して、この実施形態に係る空気調和機の全体的な構成を説明する。この空気調和機には、室外機１０と室内機２０とが含まれている。室外機１０と室内機２０は、それらが所定の配管部材を介して接続されるスプリット型であるが、室内機２０は壁掛け式，天井埋め込み式もしくは床置き式のいずれであってもよい。なお、この実施形態における空気調和機は多室型空気調和機で、室内機２０には、先の図６で説明した従来例と同じく、同一構成で並列的に接続された２台の室内機２０ａ，２０ｂが含まれている。

この空気調和機は、冷房運転と暖房運転とが可能なヒートポンプ式の冷媒回路を備えている。そのため、室外機１０は、基本的な構成として、圧縮機１１，流路切替弁としての四方弁１２，室外送風ファン１３ａを有する室外熱交換器１３，レシーバタンク（気液分離器）１４，並列に接続された逆止弁１５ａを有する室外機膨張弁１５およびアキュムレータ１６を備えるが、この場合、レシーバタンク１４には液面検知手段３０が設けられ、また、レシーバタンク１４には過冷却熱交換器４０が接続される。この例において、圧縮機１１には、インバータ制御による可変速型圧縮機１１ａと、一定速型圧縮機１１ｂとが含まれている。

図２を参照して、液面検知手段３０は、レシーバタンク１４の例えば上限位置に接続される第１液面検知用配管３１，中間位置に接続される第２液面検知用配管３２および下限位置に接続される第３液面検知用配管３３の３本の液面検知用配管を備えている。

各液面検知用配管３１，３２，３３には、減圧手段としてのキャピラリチューブ３１ａ，３２ａ，３３ａが設けられ、その下流側には、減圧された冷媒を加熱するための加熱手段３４が設けられている。加熱手段３４をキャピラリチューブ３１ａ，３２ａ，３３ａの上流側に設けてもよい。

各キャピラリチューブ３１ａ，３２ａ，３３ａの仕様は同一であることを条件として任意に決められてよいが、一例として内径０．８ｍｍ，長さ１０００ｍｍのキャピラリチューブを用いることができる。なお、この例ではキャピラリチューブ３１ａ，３２ａ，３３ａの上流側に、キャピラリチューブの目詰まり防止用のストレーナ３１ｃ，３２ｃ，３３ｃが設けられている。

加熱手段３４には電気ヒータなどを用いてもよいが、圧縮機１１の冷媒吐出管から発熱される熱を利用することが好ましい。これには、配管の一部分を冷媒吐出管に沿わせて溶接すればよい。

また、各液面検知用配管３１，３２，３３には、加熱された冷媒の温度を検出する例えばサーミスタからなる温度センサ３１ｂ，３２ｂ，３３ｂが設けられている。各液面検知用配管３１，３２，３３は、加熱手段３４による冷媒の加熱後、最終的に１本にまとめられ、電磁弁３５を介して過冷却熱交換器４０の冷却側配管に接続される。

各温度センサ３１ｂ，３２ｂ，３３ｂにて検出された冷媒温度は、例えばマイクロコンピュータからなる制御手段５０に入力され、制御手段５０は、それらの検出冷媒温度に基づいて、レシーバタンク１４内の液面レベルや相状態を判定する。

ここで、レシーバタンク１４内の液面レベルが上限位置と中間位置との間にあり、第１液面検知用配管３１にはガス冷媒が流され、第２，第３液面検知用配管３２，３３には液冷媒が流されるとして、冷媒液面検知手段３０の作用について説明する。なお、第２液面検知用配管３２と第３液面検知用配管３３は同一条件下におかれるため、液冷媒側は第３液面検知用配管３３について説明する。

第１液面検知用配管３１において、キャピラリチューブ３１ａの入口点をＡ１，出口点をＣ１，温度センサ３１ｂの検出点をＥ１とする。また、第３液面検知用配管３３において、キャピラリチューブ３３ａの入口点をＢ１，出口点をＤ１，温度センサ３３ｂの検出点をＦ１とする。

圧力系は、レシーバタンク１４内の圧力を吐出圧力Ｐｈ，上記検出点Ｅ１，Ｆ１での飽和圧力をＰｍ，電磁弁３５の流出側の圧力をＰｌとする。これらの各圧力は図示しない圧力センサにより計測される。

電磁弁３５を開けると、第１液面検知用配管３１にはガス冷媒が流され、第３液面検知用配管３３には液冷媒が流される。その各冷媒は、それぞれキャピラリチューブ３１ａ，３３ａに等しく減圧され、図３のモリエル線図に示すように、Ａ１点はＣ１点の状態となり、Ｂ１点はＤ１点の状態となる。

Ｃ１点とＤ１点はともにＰｍの圧力線上にあるため同一温度であるが、その後、加熱手段３４での加熱（好ましくは圧縮機１１の冷媒吐出管との熱交換）により、第１液面検知用配管３１側のガス冷媒はＣ１点から過熱領域内のＥ１点にまで温度上昇する。ノンフロンタイプのＲ４１０Ａの場合でも、Ｅ１点の温度ＴＥは、Ｃ１点の温度ＴＣよりも好ましくは１０℃以上高くなる（ＴＥ＞ＴＣ＋１０℃）。

これに対して、第３液面検知用配管３３側の冷媒は液冷媒であるため、減圧して加熱したのちもエンタルピーは上昇するが温度は変わらず飽和領域に存在し、Ｄ１点が同じ温度のＦ１点に移動するだけである。すなわち、Ｄ１点の温度ＴＤとＦ１点の温度ＴＦは同温度である（ＴＤ＝ＴＦ）。

制御手段５０は、温度センサ３１ｂにて検出されたＥ１点の温度ＴＥと、温度センサ３３ｂにて検出されたＦ１点の温度ＴＦとを比較して、レシーバタンク１４内の液面レベルを判定する。この場合、ＴＥ＞ＴＦであるから、液面レベルが上限位置と下限位置との間にあると判定するが、この場合、その温度差が大きいため、判定結果に高い信頼性が得られる。

ところで、温度センサ３１ｂの検出温度ＴＥと温度センサ３３ｂの検出温度ＴＦとが等しい場合には、レシーバタンク１４内がガス冷媒だけ、もしくは液冷媒だけの２通りが想定される。このレシーバタンク１４内の全体の相状態を判定可能とするため、制御手段５０は次の処理を行う。

すなわち、Ｆ１点での圧力Ｐｍから求められる飽和温度Ｔ（Ｐｍ）を基準温度Ｔｓとし、この基準温度Ｔｓと温度センサ３３ｂから得られる検出温度ＴＦとを比較し、Ｄを所定値として、ＴＦ−Ｔｓ＜Ｄを満たした場合には、レシーバタンク１４内が液冷媒だけの状態で、ＴＦ−Ｔｓ＜Ｄを満たさない場合には、レシーバタンク１４内がガス冷媒だけの状態であると判定する。

このように、本発明が備える液面検知手段３０によれば、レシーバタンク１４内から冷媒を取り出し、その冷媒を減圧したのち加熱するようにしたことにより、液冷媒とガス冷媒とで大きな温度差が出るため、レシーバタンク１４内の液面レベルを確実に検知することができる。また、レシーバタンク１４内が液冷媒だけもしくはガス冷媒だけとなった場合でも、その相状態をも検知することができる。

次に、過冷却熱交換器４０は、内側の冷却側配管（内管）４１と外側の被冷却側配管（外管）４２とを同軸配管とした２重熱交換器で、冷房運転時において、外側の被冷却側配管４２には、レシーバタンク１４から取り出した液冷媒が流され、内側の冷却側配管４１には、レシーバタンク１４の底部から取り出した液冷媒を過冷却熱交換器用膨張弁４３で減圧し、低圧ガス状態とした冷媒が流される。

この実施形態において、上記液面検知手段３０の各液面検知用配管３１，３２，３３を流れる冷媒は、加熱手段３４による冷媒の加熱後、最終的に１本にまとめられ、電磁弁３５を介して過冷却熱交換器用膨張弁４３の下流側で過冷却熱交換器４０の内側の冷却側配管４１に供給される。

なお、上記の例とは逆に、内管４１を被冷却側配管として、レシーバタンク１４から取り出した液冷媒を流し、外管４２を冷却側配管として、過冷却熱交換器用膨張弁４３で減圧し、低圧ガス状態とした冷媒および液面検知手段３０からの冷媒を流す構成としてもよい。

各室内機２０ａ，２０ｂは、室内送風ファン２１ａを有する室内熱交換器２１を備え、各室内機２０ａ，２０ｂごとに減圧手段としての膨張弁２３が設けられ、膨張弁２３により流量調整が行われる。

室内熱交換器２１の一端は、膨張弁２３，過冷却熱交換器４０，レシーバタンク１４および室外機膨張弁１５を介して室外熱交換器１３に接続され、他端は四方弁１２を介して圧縮機１１もしくはアキュムレータ１５のいずれか一方に選択的に接続される。

冷房運転時には、四方弁（流路切替弁）１２が図１の実線のように切り替えられ、冷媒が圧縮機１１→四方弁１２→室外熱交換器１３→室外機膨張弁１５に並列の逆止弁１５ａ→レシーバタンク１４→過冷却熱交換器４０→室内機膨張弁２３→室内熱交換器２１→四方弁１２→アキュムレータ１５→圧縮機１１へと流れる。この場合、室外熱交換器１３が凝縮器として作用し、室内熱交換器２１が蒸発器となる。

この冷房運転時において、室内熱交換器２１の冷媒流入側に設けられている蒸発温度検出サーミスタ２２ａの検出温度をＴＨ_ｉｎ，冷媒流出側に設けられているスーパーヒート（ＳＨ）検出サーミスタ２２ｂの検出温度をＴＨ_ｏｕｔとすると、室内機２０の図示しない制御部は、室内機膨張弁２３を次のように制御して、目標ＳＨ制御（能力最大制御）を行う。

すなわち、実際のＳＨをＳＨ_Ｒ（＝ＴＨ_ｏｕｔ−ＴＨ_ｉｎ）とし、目標ＳＨをＳＨ_Ｔとして、ＳＨ_Ｔ＜ＳＨ_Ｒの場合には、膨張弁２３を絞るように制御し、ＳＨ_Ｔ＞ＳＨ_Ｒの場合には、膨張弁２３を開くように制御する。一般的に能力を最大限発揮させるには、ＳＨ_Ｔ＝１〜３℃に設定される。

また、室温制御との関係についていえば、室内機２０の設定温度Ｔ_ＳＥＴ（通常，１８〜３０℃）と、図示しない温度センサにより検出される室内温度Ｔ_ＲＯＯＭとの差に応じて、目標ＳＨ（ＳＨ_Ｔ）を変える。すなわち、Ｔ_ＲＯＯＭ−Ｔ_ＳＥＴが小さい場合には、膨張弁２３を絞って目標ＳＨ_Ｔを大きくし、Ｔ_ＲＯＯＭ−Ｔ_ＳＥＴが大きい場合には、膨張弁２３を開いて目標ＳＨ_Ｔを小さくする。

なお、暖房運転時には、四方弁１２が図１の鎖線のように切り替えられ、冷媒が圧縮機１１→四方弁１２→室内熱交換器２１→室内機膨張弁２３→過冷却熱交換器４０→レシーバタンク１４→室外機膨張弁１５→室外熱交換器１３→四方弁１２→アキュムレータ１５→圧縮機１１へと流れる。この場合、室内熱交換器２１が凝縮器として作用し、室外熱交換器１３が蒸発器となる。

ここで、過冷却熱交換器４０の作用・効果について説明する。過冷却熱交換器４０を用いるのは、主として冷房運転時，レシーバタンク１４から取り出された冷媒（この時点では液飽和状態）を過冷却して液状態とすることにより、冷凍効果を大きくするためである。

図４のモリエル線図を参照して、過冷却熱交換器４０を用いない場合の冷凍サイクルのモリエル線図は、Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄとなる。Ａ点はレシーバタンク１４の出口で液飽和線上である。Ｂ点は室内熱交換器２１の出口側，Ｃ点は圧縮機１１の吸入側，Ｄ点は圧縮機１１の吐出側である。この冷凍サイクルの冷凍効果はΔＩｂであり、室内機２０での冷房能力Ｑｂは、冷媒循環量をｑｍｂとすると、Ｑｂ＝ｑｍｂ×ΔＩｂ［ｋＷ］で表される。

これに対して、過冷却熱交換器４０を用いた場合の冷凍サイクルのモリエル線図は、Ｅ→Ｆ→Ｃ→Ｄとなる。すなわち、Ａ点の冷媒を過冷却熱交換器４０で過冷却することにより、Ｅ点に変化する。この冷凍サイクルの冷凍効果はΔＩｆであり、室内機２０での冷房能力Ｑｆは、冷媒循環量をｑｍｆとすると、Ｑｆ＝ｑｍｆ×ΔＩｆ［ｋＷ］で表される。

この場合、冷媒の一部を過冷却熱交換器４０でアキュムレータ１５側にバイパスしているため、ｑｍｂ＞ｑｍｆとなるが、ΔＩｂ＜ΔＩｆであるため、過冷却熱交換器４０を用いた冷凍サイクルの方が能力，効率ともに高くなる。換言すれば、通常、Ｑｂ＜Ｑｆとなるように過冷却熱交換器４０を設計している。

なお、上記２つの冷凍サイクルでＣ点を共通としているが、これは室内機２０側の膨張弁２３の制御によるもので、室内機２０側では図４に示すＳＨ（スーパーヒート，過熱度）が上記したように目標値（例えば３℃）に追従するように制御している。よって、モリエル線図上では、過冷却が増えた分だけ、冷凍効果が高められる。

過冷却熱交換器４０を用いるもう一つの理由は、室外機１０と室内機２０との間の配管が長い場合、液配管での圧力損失が大きくなるため、図４のモリエル線図に示すように、室外機１０の出口での冷媒状態がＡ点のとき、室内機２０側の膨張弁２３の手前側で冷媒状態はＧ点となる。

過冷却熱交換器４０を用いていない冷凍サイクルでは、圧力損失があると液冷媒は容易に２相冷媒となってしまう。室内機２０の膨張弁２３の手前側で冷媒が２相状態となると、膨張弁２３から冷媒音が発生する。これは空気調和機としては大きな問題である。

これに対して、過冷却熱交換器４０を用いた冷凍サイクルでは、室外機１０の出口での冷媒が十分に過冷却されているため、仮に配管系に圧力損失があっても、室内機２０の膨張弁２３の手前において冷媒を液状態に保つことができる。図４のモリエル線図で説明すると、Ｅ点の冷媒が配管での圧力損失によりＨ点に変化しても、冷媒はまだ液領域であるため、膨張弁２３から冷媒音が発生することはない。

本発明では、上記したように、液面検知手段３０で使用した冷媒を過冷却熱交換器４０の冷却側配管４１に供給する。この液面検知に使用した冷媒は、先にも説明したように、Ｑ＝ｑｍ×（Ｉｃ−Ｉｆ）［ｋＷ］の蒸発潜熱をもっているため、被冷却側配管４２内を流れる液冷媒の過冷却に有効に利用することができる。

過冷却熱交換器用膨張弁４３は、室外機１０の制御手段５０により、被冷却側配管４２の冷媒流入側温度センサ４４での検出温度ＴＬ_ｉｎと、冷媒流出側温度センサ４５での検出温度ＴＬ_ｏｕｔとの温度差（ＴＬ_ｉｎ−ＴＬ_ｏｕｔ：これが過冷却）が目標値に追従するように制御される。

これと並行して、過冷却熱交換器用膨張弁４３は、冷却側配管４１の冷媒流入側温度センサ４６での検出温度ＴＧ_ｉｎと、冷媒流出側温度センサ４７での検出温度ＴＧ_ｏｕｔとの温度差（ＴＧ_ｉｎ−ＴＧ_ｏｕｔ：過冷却熱交換器４０でのスーパーヒート）が一定以上になるように制御される。このスーパーヒート制御は、冷凍サイクルの吸入側に湿った冷媒（蒸発潜熱を有する冷媒）を返さない，すなわち能力ロスを生じさせないために行われる。

上記したように、本発明では、液面検知に用いた蒸発潜熱を有する冷媒を過冷却熱交換器４０に流すが、それでも目標の過冷却に達しない場合は、過冷却熱交換器用膨張弁４３を上記のように制御すればよい。

なお、液面検知手段３０の電磁弁３５は、液面検知時にのみ開としてもよいが、本発明によれば、液面検知に用いた蒸発潜熱を有する冷媒を過冷却熱交換器４０用の冷媒として有効に使用することができるため、能力的にも、また、制御の応答性を改善するうえでも電磁弁３５を常時開放とすることが好ましい。

暖房運転時には、室外機１０の室外熱交換器１３が蒸発器として機能するため、過冷却熱交換器４０も蒸発器の一つとして用いられる。再び、暖房運転時の冷媒状態の変化を示した図７のモリエル線図を参照して、レシーバタンク１４の入口での冷媒状態はＤ点であり、この２相冷媒が液冷媒になるためには、レシーバタンク１４に流入する冷媒の質量流量をｑｍとして、
Ｑ［ｋＷ］＝ｑｍ［ｋｇ／ｓ］×ΔＩ［ｋｊ／ｋｇ］
なる熱量をレシーバタンク１４で捨てる必要がある。

レシーバタンク１４での熱交換量は、図５に示すように、ガス部分での容器外壁との熱交換量Ｑ１と、液部分での容器外壁との熱交換量Ｑ２とに分けられる。ここで、ガス部分での熱通過率Ｋ１と、液部分での熱通過率Ｋ２の関係はＫ１＞Ｋ２（計算上では３〜４倍のオーダー）である。すなわち、ガス部分が大きいほどレシーバタンク１４での熱交換量が大きくなる。

レシーバタンク１４内で液面が存在するためのバランスの式は、ガス部分，液部分の伝熱面積をＡ１，Ａ２、外気の温度をＴ１，冷媒の温度をＴ２として、
ｑｍ［ｋｇ／ｓ］×ΔＩ［ｋｊ／ｋｇ］
＝Ｑ１［ｋＷ］＋Ｑ２［ｋＷ］
＝Ｋ１×Ａ１×（Ｔ２−Ｔ１）＋Ｋ２×Ａ２×（Ｔ２−Ｔ１）
となる。

ガス部分，液部分の伝熱面積Ａ１，Ａ２は、液面高さｈとレシーバタンク１４の径ｄとの関数となるため、
Ａ１＝πｄ（ｈ_ｍａｘ−ｈ）＋π（ｄ／２）^２
Ａ２＝πｄｈ＋π（ｄ／２）^２
で表される。

以上のことから、レシーバタンク１４に流入する冷媒の乾き度が小さいほど（ΔＩが小さいほど）、レシーバタンク１４内での液面が出やすい、すなわち液面が高くなる、ということが言える。

そこで、本発明では、暖房運転時、レシーバタンク１４の流入側に位置する過冷却熱交換器４０を用いて、レシーバタンク１４に流入する冷媒の乾き度を変化させ、液面が出やすいように制御する。

図７のモリエル線図において、レシーバタンク１４に流入する冷媒はＤ点（２相冷媒）であるが、過冷却熱交換器４０で熱交換させることにより、冷媒状態を液飽和線に近づけることができる。すなわち、レシーバタンク１４内で液面が存在しやすい状態に制御することができる。

具体的に説明すると、少なくとも暖房運転中は、常時、電磁弁３５を開として液面検知手段３０によりレシーバタンク１４の液面レベルを監視する。制御手段５０は、その液面レベルが例えば中間よりも低い場合には、過冷却熱交換器用膨張弁４３の開度を開く方向に制御し、過冷却熱交換器４０での熱交換量を高める。これにより、レシーバタンク１４内の液面レベルが上昇する。

一方、レシーバタンク１４内の液面レベルが上限よりも高い場合には、過冷却熱交換器用膨張弁４３の開度を絞る方向に制御し、過冷却熱交換器４０での熱交換量を低くする。これにより、レシーバタンク１４内の液面レベルが下がる。

このように、本発明によれば、暖房運転時においてレシーバタンク１４の液面を制御することができる。したがって、レシーバタンク１４から室外機膨張弁１５に液冷媒を供給することができ、蒸発器（室外熱交換器１３）が必要とする冷媒流量を確保することが可能となる。よって、暖房能力不足となることはない。

なお、上記したように、制御手段５０は、冷却側配管４１の冷媒流入側温度センサ４６での検出温度ＴＧ_ｉｎと、冷媒流出側温度センサ４７での検出温度ＴＧ_ｏｕｔとの温度差（ＴＧ_ｉｎ−ＴＧ_ｏｕｔ：過冷却熱交換器４０でのスーパーヒート）が一定以上になるように過冷却熱交換器用膨張弁４３を制御して、冷凍サイクルの吸入側に湿った冷媒（蒸発潜熱を有する冷媒）を返さないようにしているが、このスーパーヒート制御は、上記したレシーバタンク１４の液面レベル制御より優先して行われる。

すなわち、暖房運転時においては、過冷却熱交換器４０の冷却用ガス冷媒が湿らない範囲で、レシーバタンク１４の液面が好ましくは中間レベルとなるように、過冷却熱交換器用膨張弁４３を制御する。一方で、圧縮機１１の吐出温度が目標値に追従するように、室外機膨張弁１５を制御する、という２つの自立制御を実行する。

以上説明したように、本発明によれば、暖房運転時にレシーバタンク１４の前に位置することになる過冷却熱交換器４０での熱交換量を制御することにより、レシーバタンク１４内で液面が出やすい状態を作り出すことができる。したがって、暖房運転時に室外機膨張弁１５の前の冷媒状態を液状態に確保でき、蒸発器（室外熱交換器１３）に供給する冷媒不足を解消することができる。

本発明の冷凍装置を空気調和機に適用した例の全体的な構成を示す模式図。本発明の要部であるレシーバタンクの液面検知手段と過冷却熱交換器とを拡大して示す模式図。上記液面検知手段の作用を説明するためのモリエル線図。上記過冷却熱交換器の作用を説明するためのモリエル線図。レシーバタンクでの外気との熱交換状態を説明するための模式図。従来の多室型空気調和機の全体的な構成を示す模式図。上記従来例での暖房運転時の冷媒状態の変化を示したモリエル線図。２相冷媒の乾き度と密度の関係を表したグラフ。

符号の説明

１０室外機
１１圧縮機
１２四方弁
１３室外熱交換器
１４レシーバタンク
１５室外機膨張弁
１６アキュムレータ
２０室内機
２１室内熱交換器
２３室内機膨張弁
３０冷媒液面検知手段
３１〜３３液面検知用配管
３１ａ〜３３ａキャピラリチューブ（減圧手段）
３１ｂ〜３３ｂ温度センサ
３４加熱手段
３５電磁弁
４０過冷却熱交換器
４１冷却側配管
４２被冷却側配管
４３過冷却熱交換器用膨張弁
５０制御手段

Claims

圧縮機，流路切替弁，凝縮器および蒸発器を含み、上記流路切替弁の切り替えにより冷房運転と暖房運転とを選択的に実行する冷凍サイクルを備え、上記凝縮器と上記蒸発器との間にレシーバタンクと過冷却熱交換器とが接続されているとともに、上記レシーバタンクに液面検知手段が設けられている冷凍装置において、
暖房運転時、上記液面検知手段からの液面レベル検出信号に基づいて上記過冷却熱交換器の膨張弁の開度を制御する制御手段を備えていることを特徴とする冷凍装置。
上記制御手段は、上記液面検知手段にて検出される上記レシーバタンク内の液面レベルが所定値よりも低い場合には、上記過冷却熱交換器の膨張弁の開度を大きくする方向に制御し、上記液面レベルが所定値よりも高い場合には、上記過冷却熱交換器の膨張弁の開度を絞る方向に制御することを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
上記制御手段は、上記圧縮機側に戻される上記過冷却熱交換器の冷却用冷媒が湿った冷媒とならないように、上記レシーバタンク内の液面レベルの制御に優先して、上記過冷却熱交換器のスーパーヒート制御を実行することを特徴とする請求項２に記載の冷凍装置。
上記液面検知手段は、一端が上記レシーバタンクの所定高さ部位に接続される少なくとも１本の液面検知用配管と、上記液面検知用配管内を流れる冷媒を減圧する減圧手段と、上記液面検知用配管内の冷媒を加熱する加熱手段と、上記加熱手段にて加熱された冷媒の温度を検出する温度検出手段とを有し、
上記液面検知用配管の他端が、上記過冷却熱交換器の冷却側配管に接続され、上記液面検知に用いた冷媒が上記過冷却熱交換器に流され、その蒸発潜熱を利用するようにしたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の冷凍装置。
上記液面検知手段は、上記温度検出手段から得られる冷媒温度に基づいて、上記液面検知用配管の一端が接続されている位置での上記レシーバタンク内の冷媒の相状態を検知することを特徴とする請求項４に記載の冷凍装置。
上記加熱手段として、上記圧縮機の冷媒吐出管から発熱される熱を利用することを特徴とする請求項４または５に記載の冷凍装置。