JP5985418B2 - 冷凍サイクル装置、ならびに冷凍サイクル装置を備えた冷凍装置および空気調和装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍サイクル装置、ならびに冷凍サイクル装置を備えた冷凍装置および空気調和装置に関する。

一般的に、空冷チラーユニット（チリングユニットともいう）では、複数の熱源側空気熱交換器を、その下方、側面が囲まれた状態で、機械室が構成されている。機械室内には、熱源側空気熱交換器の他に、圧縮機、各種制御弁、利用側熱交換器等が順次配管で接続され、冷凍サイクルを構成している。なお、利用側熱交換器は、冷凍サイクルを流れる冷媒により熱媒体（例えば、水、ブライン）を冷却、加熱するものであり、プレート式熱交換器やシェルチューブ式の熱交換器などが使用されている。

従来の冷凍装置では、複数の利用側熱交換器のブラインおよび冷媒回路を直列、並列に切り替えることでブラインポンプの動力低減や、ブラインの温度制御の好適化および小型化を図ることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０−２６７４９４号公報

ところで、近年、機器性能の指標として代表的に使用されてきた定格成績係数ＣＯＰ（Coefficient of Performance：熱源機が定格能力を出すときの成績係数）に代わり、期間成績係数であるＡＰＦ（Annual Performance Factor）やＩＰＬＶ（Integrated Part Load Value）等の実際の使用実態に即した機器性能の算出方法が導入されている。また、定格運転等の所定の負荷条件のみならず、部分負荷運転のような負荷率の低いまたは負荷率（要求負荷）が変動する運転条件における性能向上が要求されている。

要求負荷の変動に伴い、冷凍サイクル内を循環する冷媒量は大きく変化することになるが、冷凍サイクルを構成する複数の利用側熱交換器を直列に接続して使用する場合、冷媒流量が少ないときは伝熱性能が低下し、冷媒流量が多いときは圧力損失が増大し、利用側熱交換器を有効に活用できない課題があった。

本発明は、利用側熱交換器を複数備えたものにおいて、要求負荷が大（例えば、定格運転）から小（例えば、部分負荷運転）に変化する場合において、より適切に利用側熱交換器への冷媒の分配を可能とし、期間成績係数を向上させることが可能な冷凍サイクル装置、ならびに冷凍サイクル装置を備えた冷凍装置および空気調和装置を提供することを課題とする。

本発明は、冷媒を圧縮する圧縮機と、冷媒と空気との間で熱交換を行う熱源側熱交換器と、冷媒を減圧する減圧装置と、冷媒と利用側の熱媒体との間で熱交換を行う複数の利用側熱交換器と、を順に接続して環状に形成された冷媒回路と、前記利用側熱交換器に対する前記冷媒の流れを、並列、直列、単段に切り替える第１切替手段と、要求負荷の縮小に伴って、前記第１切替手段を制御する制御手段と、を備え、前記複数の利用側熱交換器は、鉛直方向に直交する方向に並んで配置されるとともに前記制御手段により前記第１切替手段が前記直列に切り替えられた場合、上流側に配置した前記利用側熱交換器に冷媒が上昇しながら流れ、下流側に配置した前記利用側熱交換器に冷媒が下降しながら流れるように構成したことを特徴とする。

本発明によれば、利用側熱交換器を複数備えたものにおいて、要求負荷が大から小に変化する部分負荷運転においても、より適切に利用側熱交換器への冷媒の分配を可能とし、期間成績係数を向上させることが可能な冷凍サイクル装置、ならびに冷凍サイクル装置を備えた冷凍装置および空気調和装置を提供できる。

第１実施形態に係る冷凍サイクル装置を備えた冷凍装置を示す全体構成図である。 第１実施形態において冷媒を並列に流すときの状態図である。 第１実施形態において冷媒を直列に流すときの状態図である。 第１実施形態において冷媒を単段に流すときの状態図である。 並列運転から直列運転に切り替える際の動作を示すフローチャートである。 運転状態検出の動作を示すフローチャートである。 運転切替条件検出の動作を示すフローチャートである。 運転切替判定の動作を示すフローチャートである。 複数の利用側熱交換器の分配流路数の関係を示す構成図である。 利用側熱交換器の配置例を示す構成図である。 利用側熱交換器の別の配置例を示す構成図である。 利用側熱交換器の変形例を示す構成図である。 変形例において熱媒体を並列に流すときの状態図である。 変形例において熱媒体を直列に流すときの状態図である。 変形例において熱媒体を単段に流すときの状態図である。 第２実施形態に係る冷凍サイクル装置を備えた冷凍装置を示す全体構成図を示し、熱媒体を並列に流すときの状態図である。 第２実施形態において熱媒体を直列に流すときの状態図である。 第２実施形態において熱媒体を単段に流すときの状態図である。 第３実施形態に係る冷凍サイクル装置を備えた冷凍装置を示す全体構成図である。

以下、本実施形態について、図面を用いて具体的に説明する。まず、冷凍装置の全体構成について説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付して重複した説明を省略する。

近年、チラーなどの冷凍装置では、年間の成績係数が重要視されているため、１００％負荷から２５％負荷までの幅広い範囲で高い性能が要求され、このような要求により、冷媒循環量の制御範囲も大きく広がっている。

また、従来の冷凍サイクル装置を備えた機器では、複数のプレート式熱交換器を直列に配置した場合、定格運転条件で冷媒循環量が多いと、蒸発時の圧力損失が増大し、成績係数が低下するという問題があった。また、蒸発時の圧力損失の増大を防ぐために、熱交換器のプレートの枚数を増したり、複数の熱交換器を並列に配置した冷媒回路にしたとしても、部分負荷運転条件などで冷媒循環量が減少すると、プレート間への冷媒分配が不均一となり、熱交換性能が低下するという問題があった。

発明者らによる検討の結果、複数の利用側熱交換器を直列にして使用する場合、それぞれの利用側熱交換器での圧力損失の増加割合と熱交換量との関係から、利用側熱交換器に供給すべき冷媒流量の比率を変化させることで、成績係数向上の可能性があることが確認された。以下、本発明に係る実施形態について詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る冷凍サイクル装置を備えた冷凍装置を示す全体構成図である。
図１に示すように、冷凍装置１は、冷媒が循環する冷媒回路１０と、利用側熱交換器６Ａ，６Ｂに対する冷媒の流れを並列、直列、単段に切り替える第１切替手段２０と、制御装置（制御手段）３０と、を含む冷凍サイクル装置１００を備えている。

冷媒回路１０は、冷媒を圧縮する圧縮機２と、冷媒と空気との間で熱交換を行う複数の熱源側熱交換器４Ａ，４Ｂと、冷媒を減圧する膨張弁５（減圧装置）と、冷媒と利用側（負荷側）の熱媒体との間で熱交換を行う複数の利用側熱交換器６Ａ，６Ｂと、を備え、これらの機器を冷媒配管８により順に接続して環状に形成したものである。

圧縮機２は、例えば、容量制御が可能な可変容量型のものである。この圧縮機２としては、ピストン式、ロータリ式、スクロール式、スクリュー式、遠心式など各種のものを適用することができる。また、圧縮機２は、インバータ制御による容量制御により、低速から高速まで回転速度を可変にできるものである。なお、冷媒としては、ＨＦＣ単一冷媒、ＨＦＣ混合冷媒、ＨＦＯ−１２３４ｙｆ、ＨＦＯ−１２３４ｚｅ、自然冷媒（例えば、ＣＯ_２冷媒）などを用いることができる。

熱源側熱交換器４Ａ，４Ｂは、互いに並列に配置され、室外ファン９５Ａ，９５Ｂから送風される熱源である空気（外気）と、冷媒との間で熱交換するものである。この熱源側熱交換器４Ａ，４Ｂは、例えば、複数枚積層した板状のフィン（不図示）と、このフィンを貫通する複数の伝熱管（不図示）が多段に設けられたフィンチューブ式の熱交換器が用いられ、伝熱管の開口端をベンド管などで接続することで複数の冷媒パスを構成している。

また、熱源側熱交換器４Ａ，４Ｂでは、冷媒が冷媒パス内を流れ、空気が室外ファン９５Ａ，９５Ｂにより送風されて、積層された板状のフィンの間を流れることで、フィンおよび伝熱管を介して空気と冷媒との間で熱交換が行われる。また、熱源側熱交換器４Ａ，４Ｂは、冷房運転時は凝縮器として機能し、暖房運転時は蒸発器として機能する。なお、本実施形態では、２つの熱源側熱交換器４Ａ，４Ｂを備えた場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、１つであってもよく、３つ以上であってもよい。

利用側熱交換器６Ａ，６Ｂは、１次側伝熱路（１次側流路）ａ１，ｂ１を通流する冷媒と２次側伝熱路（２次側流路）ａ２，ｂ２を通流する熱媒体との間で熱交換するものである。この利用側熱交換器６Ａ，６Ｂとしては、冷媒と熱媒体とがプレートで交互に仕切られた複数の冷媒流路の内部を流れて熱交換を行うプレート式熱交換器や、シェルチューブ式熱交換器などを用いることができる。ちなみに、プレート式熱交換器は、シェルチューブ式熱交換器に比べて制御が容易になる。

なお、熱媒体は、配管６２を介して、ポンプなどの循環手段（不図示）により、負荷側の熱交換器４０（室内側）と利用側熱交換器６Ａ，６Ｂとの間を循環することで熱の授受を行う。また、利用側熱交換器６Ａ，６Ｂは、冷房運転時は蒸発器として機能し、暖房運転時は凝縮器として機能する。また、熱媒体としては、水や、エチレングリコールなどのブライン（不凍液）などを用いることができる。これらの点は、後記する各実施形態においても同様である。

冷媒配管８は、圧縮機２の吐出口と四方弁３とを接続する配管８ａと、四方弁３から延びるとともに途中で分岐して熱源側熱交換器４Ａ，４Ｂの一端と接続される配管８ｂと、熱源側熱交換器４Ａ，４Ｂの他端から延びるとともに途中で合流して膨張弁５の一端と接続される配管８ｃと、膨張弁５の他端から延びる配管８ｄと、配管８ｄから分岐して利用側熱交換器６Ａの１次側伝熱路ａ１の一端と接続される配管８ｅと、配管８ｄから分岐して利用側熱交換器６Ｂの１次側伝熱路ｂ１の一端と接続される配管８ｆと、利用側熱交換器６Ａの１次側伝熱路ａ１の他端と接続される配管８ｇと、利用側熱交換器６Ｂの１次側伝熱路ｂ１の他端と接続される配管８ｈと、配管８ｇと配管８ｈとを合流させて四方弁３と接続される配管８ｉと、四方弁３と圧縮機２の吸入口とを接続する配管８ｊと、から構成されている。

第１切替手段２０は、配管８ｅに設けられる開閉弁（遮断弁）Ｖ１と、配管８ｆに設けられる開閉弁（遮断弁）Ｖ２と、配管８ｉに設けられる開閉弁（遮断弁）Ｖ３と、一端が開閉弁Ｖ１と利用側熱交換器６Ａとの間の配管８ｅに接続されるとともに他端が開閉弁Ｖ３と四方弁３との間の配管８ｉに接続される配管８ｓと、配管８ｓに設けられる開閉弁（遮断弁）Ｖ４と、から構成されている。これら開閉弁Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４は、制御装置３０によって全開状態か全閉状態のいずれかに制御される。

制御装置３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、プログラムを記憶したＲＯＭ（Read Only Memory）、各種インタフェイス、電子回路等を含んで構成されており、記憶されたプログラムに従って、本実施形態に係る冷凍装置１を制御するようになっている。すなわち、制御装置３０は、圧縮機２の回転速度、四方弁３の流路切替、室外ファン９５Ａ，９５Ｂの回転速度、膨張弁５の開度、開閉弁Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４の各開閉動作を制御する。

また、配管８ａには、圧縮機２の冷媒の吐出圧力を検出する圧力センサＰｄが設けられている。配管８ｊには、圧縮機２の冷媒の吸入圧力を検出する圧力センサＰｓが設けられている。配管８ｃには、冷媒の圧力を検出する圧力センサＰｃが設けられている。配管８ｅには、利用側熱交換器６Ａの一端側の冷媒の圧力を検出する圧力センサＰ１が設けられている。配管８ｆには、利用側熱交換器６Ｂの一端側の冷媒の圧力を検出する圧力センサＰ２が設けられている。配管８ｇには、利用側熱交換器６Ａの他端側の冷媒の圧力を検出する圧力センサＰ３が設けられている。配管８ｉには、配管８ｓとの接続点よりも四方弁３（圧縮機２）寄りの圧力を検出する圧力センサＰ４が設けられている。また、配管８ｇには、利用側熱交換器６Ａの他端側の冷媒の温度を検出する温度センサＴ１が設けられている。配管８ｈには、利用側熱交換器６Ｂの他端側の冷媒の温度を検出する温度センサＴ２が設けられている。これら圧力センサＰｄ，Ｐｓ，Ｐｃ，Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４によって検出された検出値および温度センサＴ１，Ｔ２によって検出された検出値は、制御装置３０に入力され、冷凍装置１の各種運転を制御する。なお、温度センサや圧力センサの構成は一例であり、本実施形態に限定されるものではなく、例えば、温度センサＰ１，Ｐ２の位置に、温度センサがあってもよい。

次に、本実施形態の冷凍装置１を冷房運転する場合について図１を参照して説明する。なお、ここでは、利用側熱交換器６Ａ，６Ｂに冷媒が流れる場合を例に挙げて説明する。なお、開閉弁Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３は開弁し、開閉弁Ｖ４は閉弁しているものとする。

すなわち、圧縮機２から吐出された高温高圧のガス冷媒は、配管８ａ、四方弁３、配管８ｂを通って凝縮器として機能する熱源側熱交換器４Ａ，４Ｂに流入する。熱源側熱交換器４Ａ，４Ｂに流入した冷媒は、室外ファン９５Ａ，９５Ｂから送られる外気（空気）に放熱することで凝縮して液冷媒となる。そして、液冷媒は、配管８ｃを通って、所定の開度に調整された膨張弁５によって減圧され、低温低圧の気液二相状態の冷媒となり、配管８ｄ，８ｅ，８ｆを通って、利用側熱交換器６Ａ，６Ｂの１次側伝熱路（１次側流路）ａ１，ｂ１に流入する。利用側熱交換器６Ａ，６Ｂを流れる冷媒は、２次側伝熱路（２次側流路）ａ２，ｂ２を流れる熱媒体から吸熱することにより蒸発して気化する。気化した冷媒は、配管８ｇ，８ｈ，８ｉ、四方弁３、配管８ｊを通って圧縮機２に戻る。このようにして、冷凍装置１の冷凍サイクル装置１００が構成されている。

なお、四方弁３を切り替えて、圧縮機２から吐出した高温高圧のガス冷媒を冷房運手時と逆方向に循環させることにより、冷凍サイクル装置１００を暖房運転として機能させることができる。すなわち、暖房運転の場合は、圧縮機２で圧縮された高温高圧のガス冷媒は、配管８ａ，８ｉを通って凝縮器として機能する利用側熱交換器６Ａ，６Ｂに流入する。利用側熱交換器６Ａ，６Ｂに流入した冷媒は、熱媒体に放熱することで凝縮して液冷媒となる。この液冷媒は、所定の開度に調整された膨張弁５によって減圧され、低温低圧の気液二相状態の冷媒となり、熱源側熱交換器４Ａ，４Ｂに流れ、室外空気の熱を吸熱することにより蒸発して気化する。気化した冷媒は、配管８ｂ、四方弁３、配管８ｊを通って圧縮機２に戻る。

図２に示すように、負荷側の熱交換器４０に対する要求負荷（Ｑ１）が高い場合（例えば、定格運転（１００％負荷）時、過負荷運転時）には、利用側熱交換器６Ａ，６Ｂを並列（第１状態）に接続するように冷媒流路の切替が行われる。なお、要求負荷とは、どのくらいの温度の熱媒体（水など）をどのくらいの流量で供給することを意味している。また、定格運転とは、１００％負荷での運転、過負荷運転とは、１００％を超える負荷での運転を意味する。

この場合、制御装置３０は、開閉弁Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３を開弁するとともに開閉弁Ｖ４を閉弁する。これにより、膨張弁５で減圧された冷媒（気液二相状態の冷媒）は、配管８ｄ，８ｅを通って利用側熱交換器６Ａの１次側伝熱路ａ１に流入し、また配管８ｄ，８ｆを通って利用側熱交換器６Ｂの１次側伝熱路ｂ１に流入する。そして、利用側熱交換器６Ａ，６Ｂから流出した冷媒は、配管８ｇ，８ｈを通って配管８ｉで合流し、四方弁３、配管８ｊを通って圧縮機２に戻る。

図３に示すように、熱交換器４０に対する要求負荷（Ｑ２）が前記要求負荷（Ｑ１）よりも低い場合（例えば、部分負荷運転時、Ｑ２＜Ｑ１）には、利用側熱交換器６Ａ，６Ｂを直列（第２状態）に接続するように冷媒流路の切替が行われる。

この場合、制御装置３０は、開閉弁Ｖ１，Ｖ３を閉弁するとともに開閉弁Ｖ２，Ｖ４を開弁する。これにより、膨張弁５で減圧された冷媒（気液二相状態の冷媒）は、まず配管８ｄ，８ｆを通って利用側熱交換器６Ｂの１次側伝熱路ｂ１に流入し、その後、配管８ｈ，８ｇを通って利用側熱交換器６Ａの１次側伝熱路ａ１に流入する。そして、利用側熱交換器６Ａから流出した冷媒は、配管８ｅの一部、配管８ｓ、配管８ｉの一部、四方弁３、配管８ｊを通って圧縮機２に戻る。

なお、図３では、利用側熱交換器６Ｂ、利用側熱交換器６Ａの順に冷媒が直列に流れる場合を例に挙げて説明したが、配管８ｓの下流端はそのままで上流端を開閉弁Ｖ２と利用側熱交換器６Ｂとの間の配管８ｆに接続することで、利用側熱交換器６Ａ、利用側熱交換器６Ｂの順に直列に冷媒が流れるようにしてもよい。

図４に示すように、熱交換器４０に対する要求負荷（Ｑ３）が前記要求負荷（Ｑ２）よりも低い場合（例えば、Ｑ３＜Ｑ２）には、利用側熱交換器６Ａのみ（単段、第３状態）となるように接続するように冷媒流路の切替が行われる。なお、単段とは、冷媒が一つの利用側熱交換器６Ａ（または６Ｂ）に流れることを意味する。

この場合、制御装置３０は、開閉弁Ｖ１，Ｖ３を開弁するとともに開閉弁Ｖ２，Ｖ４を閉弁する。これにより、膨張弁５で減圧された冷媒（気液二相状態の冷媒）は、配管８ｄ，８ｅを通って利用側熱交換器６Ａの１次側伝熱路ａ１に流入し、配管８ｇを通って流出する。

なお、利用側熱交換器６Ａを単段で利用する場合に限定されず、開閉弁Ｖ１，Ｖ４を閉弁するとともに開閉弁Ｖ２，Ｖ３を開弁して、利用側熱交換器６Ｂを単段で接続するようにしてもよい。

例えば、熱交換器４０に対する要求負荷が低く、冷媒の循環流量が少ない場合には、利用側熱交換器６Ａのみに冷媒を供給することで、冷媒流路（１次側伝熱路ａ１）に流入する冷媒量が増加するため、冷媒流路内の流速が増加し、冷媒側の熱伝達率が向上して良好な熱交換が行われ、要求される能力を得ることが可能になる。

また、熱交換器４０に対する要求負荷が高く、冷媒循環量が多い場合には、利用側熱交換器６Ａ，６Ｂを並列に接続して冷媒を供給することで、冷媒流路に流入する冷媒量が適正化されて、良好な熱交換が行われ、過度の圧力損失の増大を防ぐことができる。

このように、要求負荷が低下するにつれて利用側熱交換器６Ａ，６Ｂを並列、直列、単段の順に切り替えることで、冷媒循環量が減少したとしても、圧力損失の増大および冷媒分配の不均一を抑制でき、冷凍サイクル装置１００としての期間成績係数を向上させることが可能になる。

次に、冷凍サイクル装置１の動作について図５ないし図８を参照して説明する。図５は複数の利用側熱交換器の分配流路数の関係を示す構成図、図６は利用側熱交換器の配置例を示す構成図、図７は利用側熱交換器の別の配置例を示す構成図、図８は利用側熱交換器の変形例を示す構成図である。なお、以下では、利用側熱交換器６Ａを熱交換器６Ａ、利用側熱交換器６Ｂを熱交換器６Ｂとそれぞれ略記する。

図５に示すように、制御装置３０は、ステップＳ１０において、運転状態検出を実行する。

図６に示すように、ステップＳ１１において、制御装置３０は、システム（冷凍サイクル装置１）の運転状態を確認する。このシステムの運転状態は、要求負荷Ｑcと外気温度Ｔairとに基づいて確認する。なお、外気温度Ｔairは、図示しない外気温度センサに基づいて検出される。

そして、ステップＳ１２に進み、制御装置３０は、熱交換器６Ａ，６Ｂの運転モードを確認する。つまり、熱交換器６Ａ，６Ｂが、並列運転（Ｍ１）であるか、直列運転（Ｍ２）であるか、単段運転（Ｍ３）であるかを確認する。いずれの運転モードであるか否かは、開閉弁Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４の弁状態に基づいて判定することができる。

図５のステップＳ１０に戻って、ステップＳ２０に進み、制御装置３０は、運転切替条件検出を実行する。

図７に示すように、制御装置３０は、ステップＳ２１において、サイクル状態量を検出する。すなわち、制御装置３０は、温度センサＴ１，Ｔ２から冷媒温度、圧力センサＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４から冷媒圧力、圧縮機２の回転速度Ｎｃ、膨張弁５の開度ＰＬを検出する。また、制御装置３０は、図示しない熱媒体の温度を検出する温度センサから熱媒体温度、図示しない熱媒体の流量を検出する流量センサから熱媒体流量を検出する。

図５のステップＳ２０に戻って、ステップＳ３０に進み、制御装置３０は、運転切替判定を実行する。

図８に示すように、制御装置３０は、ステップＳ３１において、冷媒状態量を算出する。すなわち、圧力センサＰ１から冷媒飽和温度Ｔsat１を推算し、圧力センサＰ２から冷媒飽和温度Ｔsat２を推算する。また、制御装置３０は、冷媒過熱度ΔＴshＡ＝Ｔsat１−Ｔ１を推算し、冷媒過熱度ΔＴshＢ＝Ｔsat２−Ｔ２を推算する。また、制御装置３０は、圧縮機２の回転速度Ｎcから冷媒循環量Ｇr１を推算する。なお、冷媒循環量Ｇr１は、Ｎcに限定されるものではなく、熱交換器６Ａ，６Ｂの熱量から推算してもよい。また、制御装置３０は、圧力センサＰ１，Ｐ３の圧力から熱交換器６Ａの圧力差ΔＰhＡを算出し、圧力センサＰ２，Ｐ３の圧力から熱交換器６Ｂの圧力差ΔＰhＢを算出する。また、制御装置３０は、熱交換器６Ａを流れる熱媒体の温度と冷媒飽和温度Ｔsat１から熱交換効率Ｎaを算出し、熱交換器６Ｂを流れる熱媒体の温度と冷媒飽和温度Ｔsat２から熱交換効率Ｎbを算出する。

そして、ステップＳ３２に進み、制御装置３０は、冷媒循環量Ｇr１が冷媒循環量判定値Ｘ１よりも多く、かつ、冷媒循環量判定値Ｘ２未満である（Ｘ２＜Ｇr１＜Ｘ１）か否かを判定する。なお、冷媒循環量判定値Ｘ１，Ｘ２は、事前の試験等に基づいて決定される。

ステップＳ３２において、制御装置３０は、Ｘ２＜Ｇr１＜Ｘ１であると判定した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ３３に進み、Ｘ２＜Ｇr１＜Ｘ１ではないと判定した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ３６に進む。

ステップＳ３３において、制御装置３０は、ΔＰhＡ＜ＸＰＡ、および、ΔＰhＢ＜ＸＰＢの少なくとも一方を満たすか否かを判定する。なお、ＸＰＡ，ＸＰＢは、熱交換器圧力差判定値であり、事前の試験等に基づいて決定される。

ステップＳ３３において、制御装置３０は、ΔＰhＡ＜ＸＰＡ、および、ΔＰhＢ＜ＸＰＢの少なくとも一方を満たすと判定した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ３４に進み、ΔＰhＡ＜ＸＰＡ、ΔＰhＢ＜ＸＰＢのいずれも満たさないと判定した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ３６に進む。

ステップＳ３４において、制御装置３０は、Ｎa＜ＸＮa、および、Ｎb＜ＸＮbの少なくとも一方を満たすか否かを判定する。なお、ＸＮa，ＸＮbは、熱交換効率判定値であり、事前の試験等に基づいて決定される。

ステップＳ３４において、制御装置３０は、Ｎa＜ＸＮa、および、Ｎb＜ＸＮbの少なくとも一方を満たす場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ３５に進み、Ｎa＜ＸＮa、および、Ｎb＜ＸＮbのいずれも満たさないと判定した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ３６に進む。

ステップＳ３５において、制御装置３０は、ステップＳ３２，Ｓ３３，Ｓ３４の条件をすべて満たす場合には、図２に示す並列運転から図３に示す直列運転に切り替えると判定する。

ステップＳ３６において、制御装置３０は、ステップＳ３２，Ｓ３３，Ｓ３４の少なくとも一つでも満たさない場合には、図２に示す並列運転を継続すると判定する。

図５のステップＳ３０に戻り、ステップＳ４０に進み、制御装置３０は、熱交換器運転モードの切替が必要であるか否かを判定する。なお、運転モードの切替が必要であるか否かは、ステップＳ３０の運転切替判定に基づいて判定される。

ステップＳ４０において、制御装置３０は、運転モードの切替が必要であると判定した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ５０に進み、運転モードの切替が不要であると判定した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ７０に進む。

ステップＳ５０において、制御装置３０は、運転モード切替指令を出力し、そしてステップＳ６０に進み、図２に示す並列運転から、図３に示す直列運転に切り替わるように切り替える。なお、切替動作については、前記したので省略する。

ステップＳ７０において、制御装置７０は、要求能力（要求負荷）の調整操作を実行する。要求能力調整操作は、製品が通常備えている自動機能の制御の一部であり、圧縮機２により冷凍サイクルを作動させることにより、熱媒体を所定の温度に近づける機能である。例えば、高圧圧力Ｐｄと低圧圧力Ｐｓ、圧縮機２の吸込過熱度や吐出過熱度などの制御が行われる。具体的には、圧縮機２の回転速度Ｎｃ、ファン９５Ａ，９５Ｂの回転速度（凝縮器側）、膨張弁５の開度ＰＬ、水流量調整（蒸発器側）を制御する。利用側熱交換器６Ａ，６Ｂを切り替えた後に、要求能力に対して、熱媒体が所定の温度に制御できているかを再調整する。なお、他の自動機能としては、熱媒体の凍結防止のための保護運転、熱源側熱交換器４Ａ，４Ｂの除霜運転などを挙げることができる。

ここで、冷媒流路の切替の判定は、要求負荷が満足された状態で、圧縮機２のモータの回転速度の検出値から推定される冷媒の循環流量Ｇr１、圧力センサＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の検出値から得られる利用側熱交換器６Ａ，６Ｂにおける圧力差、温度センサＴ１，Ｔ２の検出値と熱媒体温度から得られる熱交換効率、の順に有効となり、成績係数が最適となるように制御装置３０によって制御される。

このように、要求負荷が減少し、利用側熱交換器６Ａ，６Ｂを流れる冷媒循環量を減少させる場合には、利用側熱交換器６Ａ，６Ｂを並列から直列に切り替える。なお、運転切替判定（Ｓ３０）としては、図８に示す処理に限定されず、例えば、以下に示す処理を実行してもよく、図８に示す処理と組み合わせてもよい。例えば、冷媒の流れ方向と熱媒体の流れ方向とが対向して流れている際（熱媒体の流れも並列）、２つの利用側熱交換器６Ａ，６Ｂの熱媒体の出入口の温度差が大きく異なると判定された場合、２つの利用側熱交換器６Ａ，６Ｂに流れる冷媒量に偏りがあると推定する。

２つの利用側熱交換器６Ａ，６Ｂを流れる冷媒量に偏りがない場合（例えば、６Ａ：６Ｂ＝５：５）には、２つの利用側熱交換器６Ａ，６Ｂの出入口の冷媒圧力損失（ΔＰhＡ、ΔＰhＢ）が判定値（ＸＰＡ、ＸＰＢ）よりも小さく、かつ、２つの利用側熱交換器６Ａ，６Ｂのスーパーヒート（ΔＴshＡ、ΔＴshＢ）が判定値（事前の試験等により決定される値）よりも大きく、かつ、圧縮機２の入口での過熱度（ＳＨ）が判定値（事前の試験等により判定される）よりも大きいと判定したとき、利用側熱交換器６Ａ，６Ｂを並列から直列に切り替える。

２つの利用側熱交換器６Ａ，６Ｂを流れる冷媒量に偏りがある場合（例えば、６Ａ：６Ｂ＝３：７）には、２つの利用側熱交換器６Ａ，６Ｂのうち、どちらか一方の利用側熱交換器６Ａ（または６Ｂ）の出入口の冷媒圧力損失ΔＰhＡ（またはΔＰhＢ）が判定値ＸＰＡ（ＸＰＢ）よりも大きく、かつ、２つの利用側熱交換器６Ａ，６Ｂのうち、どちらか一方の利用側熱交換器６Ａ（または６Ｂ）の出口の過熱度が判定値（事前の試験等により判定される）よりも大きいと判定したとき、利用側熱交換器６Ａ，６Ｂを並列から直列に切り替える。

また、要求負荷が増加し、利用側熱交換器６Ａ，６Ｂを流れる冷媒量を増加させる場合には、利用側熱交換器６Ａ，６Ｂを直列から並列に切り替える。例えば、冷媒の流れ方向と熱媒体の流れ方向とが対向して流れている際（熱媒体の流れも直列）、下流側の利用側熱交換器６Ａ（または６Ｂ）を流れる冷媒の出口温度と、この冷媒の出口温度に対応する熱媒体の入口温度とを比較して熱媒体の入口温度よりも冷媒の出口温度が高いとき、下流側の利用側熱交換器６Ａ（または６Ｂ）では熱交換不足であると推定して、利用側熱交換器６Ａ，６Ｂを並列に切り替える。

例えば、利用側熱交換器６Ａ，６Ｂの出入口の圧力Ｐ１，Ｐ２から冷媒の飽和温度Ｔsat１，Ｔsat２を推算し、利用側熱交換器６Ａ，６Ｂの熱媒体の出入口の温度変化を確認し、さらに利用側熱交換器６Ａ，６Ｂの冷媒圧力損失ΔＰhＡ（またはΔＰhＢ）が所定範囲外であると判定した場合には、利用側熱交換器６Ａ，６Ｂを直列から並列に切り替える。なお、冷媒の飽和温度の推定は、圧力センサＰ１，Ｐ２を検出して、予め記憶された圧力と飽和温度との関係を定めたテーブルに基づいて推定できる。

また、要求負荷が減少し、利用側熱交換器６Ａ，６Ｂを流れる冷媒量をさらに減少させる場合には、利用側熱交換器６Ａ，６Ｂを直列から単段に切り替える。例えば、２つの利用側熱交換器６Ａ，６Ｂのうち、下流側の利用側熱交換器６Ａ（または６Ｂ）の出口の冷媒過熱度が増加し、かつ、圧縮機２の入口の冷媒過熱度が増加したと判定したとき、利用側熱交換器６Ａ，６Ｂを単段に切り替える。なお、必要に応じて、使用していない方の利用側熱交換器６Ａ（または６Ｂ）に液冷媒を貯留する運転を実行する。

また、要求負荷が増加し、１台の利用側熱交換器６Ａ（または６Ｂ）では、熱交換量が不足する場合には、利用側熱交換器６Ａ，６Ｂを単段から直列に切り替える。例えば、冷媒の流れ方向と熱媒体の流れ方向とが対向して流れている際（熱媒体の流れも直列）、冷媒が流れている利用側熱交換器６Ａ（または６Ｂ）の冷媒の出口温度と、対応する熱媒体の入口温度とを比較し、熱媒体の入口温度よりも冷媒の出口温度が高いと判定した場合には、熱交換不足と推定して、利用側熱交換器６Ａ，６Ｂを直列に切り替える。

例えば、利用側熱交換器６Ａ（または６Ｂ）の出入口の圧力Ｐ１，Ｐ２から冷媒の飽和温度Ｔsat１，Ｔsat２を推算し、利用側熱交換器６Ａ（または６Ｂ）の熱媒体の出入口の温度を確認し、さらに利用側熱交換器６Ａ（または６Ｂ）の冷媒圧力損失ΔＰhＡ（またはΔＰhＢ）が所定範囲外であると判定した場合には、利用側熱交換器６Ａ（または６Ｂ）を単段から直列に切り替える。なお、利用側熱交換器６Ａ（または６Ｂ）に冷媒を貯留していた場合、必要に応じて、冷媒を冷凍サイクル内に放出する運転を実行する。

このようにして、利用側熱交換器６Ａ，６Ｂを並列（第１状態）から直列（第２状態）、直列（第２状態）から単段（第３状態）、単段（第３条体）から直列（第２状態）、力列（第２状態）から並列（第１状態）のいずれかに切り替える。

なお、利用側熱交換器６Ａ，６Ｂを切り替える運転モードと、冷却と加熱とを切り替える通常の運転モードとを、選択的に切り替えられるように構成してもよい。

また、開閉弁Ｖ１，Ｖ２については、全開状態と全閉状態のみ動作する弁に限定されるものではなく、弁開度を調整する機構を有する流量制御弁を用いた構成であってもよい。これにより、利用側熱交換器６Ａ，６Ｂの１次側伝熱路ａ１，ｂ１の伝熱面に対して、好適な冷媒の流量が分配される。よって、利用側熱交換器６Ａ，６Ｂの有効伝熱面積が確保され、成績係数がより最適となるように制御される。ちなみに、冷媒が利用側熱交換器６Ａ，６Ｂの入口近くで蒸発してしまうとガスだけになり、それ以降の熱交換に寄与しなくなるので、利用側熱交換器６Ａ，６Ｂの出口近くで蒸発が完了することで、有効伝熱面積が確保されることになる。

なお、本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば、図９に示すように、利用側熱交換器６Ａの冷媒の分配流路数と、利用側熱交換器６Ｂの冷媒の分配流路数とが異なるように構成してもよい。例えば、利用側熱交換器６Ａの分配流路数を１０本とし、利用側熱交換器６Ｂの分配流路数を２０本とすることができるが、この関係に限定されるものではない。

これにより、利用側熱交換器６Ａ，６Ｂを単段で使用する場合において、分配流路数の多い利用側熱交換器６Ｂの途中で液冷媒の蒸発が完了し、その後の熱交換が行われなくなるときには、分配流路数の少ない利用側熱交換器６Ａ側に切り替えて冷媒を流すことにより、利用側熱交換器６Ａの途中で蒸発が完了するのを抑制できる。逆に、利用側熱交換器６Ａ，６Ｂを単段で使用する場合において、液冷媒が分配流路数の少ない利用側熱交換器６Ａ内で蒸発が完了せず、残りの液冷媒が圧縮機２に導入され、圧縮機２の不具合の原因となるおそれがあるときには、分配流路数の多い利用側熱交換器６Ｂ側に冷媒を流すことにより、利用側熱交換器６Ｂ内で液冷媒の蒸発を完了させることができるので、圧縮機２での不具合を防止できる。

このように、膨張弁５から流出した気液二相状態の冷媒のうちの液冷媒の状態（量）に応じて、利用側熱交換器６Ａ，６Ｂのいずれかに切り替えることにより、利用側熱交換器６Ａ，６Ｂが互いに同じ分配流路数で構成されている場合よりも、より適切に熱交換を行うことが可能になり、成績係数を向上させることができる。

ところで、冷凍サイクル装置１００の配管８内には、圧縮機２から吐出された冷凍機油が冷媒とともに循環している。この冷媒は、気液二相状態で利用側熱交換器６Ａ，６Ｂに流入して蒸発気化して圧縮機２に吸入される。このとき冷凍機油は、冷媒のガス流れに随伴されて流動するため、配管途中で滞留し難い配管構成とすることが望ましい。

そこで、図１０に示すように、利用側熱交換器６Ａ，６Ｂを直列で使用した場合（図３参照）、利用側熱交換器６Ｂを冷媒が上昇するように配置し、利用側熱交換器６Ａを冷媒が下降するように配置することで、下流側の利用側熱交換器６Ａを通る冷媒が下降流となることにより、冷凍機油を圧縮機２の吸入側に戻し易くなり、圧縮機２での冷凍機油の減少を防ぐことができる。

また、図１１に示すように、利用側熱交換器６Ａ，６Ｂを直列に接続した場合、分配流路数が多い（最も多い）利用側熱交換器６Ａを下流側（最も下流側）に配置する構成にしてもよい。

つまり、下流側に配置される利用側熱交換器６Ａの方が、蒸発が進行してガス冷媒が多くなり、ガス冷媒が狭い流路を流れることで圧力損失が増大する。そこで、利用側熱交換器６Ａ，６Ｂを、図１１に示すように、下流側に位置する利用側熱交換器６Ａの分配流路数を上流側よりも多くすることにより、圧力損失が増大するのを抑えることができる。また、図１１に示すように、利用側熱交換器６Ａ，６Ｂを鉛直方向において上下に配置することにより、冷凍サイクル装置１００の設置スペースを縮小することができる。

図１２は、利用側熱交換器の変形例を示す構成図である。その他の構成は、第１実施形態と同様であるので、重複した説明を省略する。なお、図１２では、第１実施形態での四方弁３と膨張弁５との間の構成のみを示し、その他の構成については図示を省略している。変形例では、別体で構成された利用側熱交換器６Ａ，６Ｂに替えて、熱交換器６を備えたものである。

図１２に示すように、熱交換器６は、例えばプレート式の熱交換器であり、ひとつの熱交換器を内部で２つの冷媒流路に区画した第１熱交換部６Ｃ（利用側熱交換器）と第２熱交換部６Ｄ（利用側熱交換器）と、を有する。

第１熱交換部６Ｃは、冷媒が通流する１次側伝熱路（１次側流路）ｃ１と、熱媒体が通流する２次側伝熱路（２次側流路）ｃ２と、を有する。第２熱交換部６Ｄは、冷媒が通流する１次側伝熱路（１次側流路）ｄ１と、熱媒体が通流する２次側伝熱路（２次側流路）ｄ２と、を有する。また、２次側伝熱路ｃ２の一端と２次側伝熱路ｄ２の一端とは、熱交換器６の内部で連通するように構成されている。これにより、第１熱交換部６Ｃおよび第２熱交換部６Ｄでは、それぞれ冷媒と熱媒体との間で熱交換が行われる。

冷媒配管６１は、膨張弁５（図１参照）から延びる配管８ｄから分岐して第１熱交換部６Ｃの１次側伝熱路ｃ１の一端と接続される配管６１ａと、配管８ｄから分岐して第２熱交換部６Ｄの１次側伝熱路ｄ１の一端と接続される配管６１ｂと、第１熱交換部６Ｃの１次側伝熱路ｃ１の他端と接続される配管６１ｃと、第２熱交換部６Ｄの１次側伝熱路ｄ１の他端と接続される配管６１ｄと、配管６１ｃと配管６１ｄとを合流させて四方弁３（図１参照）と接続される配管８ｉと、から構成されている。

第１切替手段６０は、配管６１ａに設けられる開閉弁（遮断弁）Ｖ１１と、配管６１ｂに設けられる開閉弁（遮断弁）Ｖ２２と、配管８ｉに設けられる開閉弁（遮断弁）Ｖ３３と、一端が開閉弁Ｖ２２と第２熱交換部６Ｄとの間の配管６１ｂに接続されるとともに他端が開閉弁Ｖ３３と四方弁３（図１参照）との間の配管８ｉに接続される配管６１ｓと、配管６１ｓに設けられる開閉弁（遮断弁）Ｖ４４とから構成されている。これら開閉弁Ｖ１１，Ｖ２２，Ｖ３３，Ｖ４４は、制御装置３０（図１参照）によって全開状態か全閉状態のいずれかに制御される。

図１３に示すように、負荷側の熱交換器４０（図１参照）に対して要求される要求負荷（Ｑ１）が高い場合（例えば、定格運転時、過負荷運転時）には、第１熱交換部６Ｃと第２熱交換部６Ｄを並列（第１状態）に接続して冷媒を循環させるように冷媒流路の切替が行われる。

すなわち、開閉弁Ｖ１１，Ｖ２２，Ｖ３３を開弁するとともに開閉弁Ｖ４を閉弁することにより、膨張弁５（図１参照）で減圧された冷媒（気液二相状態の冷媒）が、配管８ｄ，６１ａを通って第１熱交換部６Ｃの１次側伝熱路ｃ１に流入するとともに、配管８ｄ，６１ｂを通って第２熱交換部６Ｄの１次側伝熱路ｄ１に流入する。そして、第１熱交換部６Ｃおよび第２熱交換部６Ｄから流出した冷媒は、配管６１ｃ，６１ｄを通って配管８ｉにおいて合流する。

図１４に示すように、熱交換器４０（図１参照）に対して要求される要求負荷（Ｑ２）が前記要求負荷（Ｑ１）よりも低い場合（例えば、部分負荷運転時、Ｑ２＜Ｑ１）には、第１熱交換部６Ｃと第２熱交換部６Ｄとを直列（第２状態）に接続して冷媒を循環させるように冷媒流路の切替が行われる。

すなわち、開閉弁Ｖ２２，Ｖ３３を閉弁するとともに開閉弁Ｖ１１，Ｖ４４を開弁することにより、膨張弁５で減圧された冷媒（気液二相状態の冷媒）が、配管８ｄ，６１ａを通って第１熱交換部６Ｃの１次側伝熱路ｃ１に流入し、その後に配管６１ｃ，６１ｄを通って第２熱交換部６Ｄの１次側伝熱路ｄ１に流入する。第２熱交換部６Ｄから流出した冷媒は、配管６１ｂの一部、配管６１ｓを通って配管８ｉに至る。

なお、第１熱交換部６Ｃ、第２熱交換部６Ｄの順に冷媒が直列に流れる場合を例に挙げて説明したが、第２熱交換部６Ｄ、第１熱交換部６Ｃの順に直列に冷媒が流れるようにしてもよい。

図１５に示すように、熱交換器４０（図１参照）に対して要求される要求負荷（Ｑ３）が前記要求負荷（Ｑ２）よりも低い場合（例えば、Ｑ３＜Ｑ２）には、第１熱交換部６Ｃのみ（単段、第３状態）接続して冷媒を循環させるように冷媒流路の切替が行われる。

すなわち、開閉弁Ｖ１１，Ｖ３３を開弁するとともに開閉弁Ｖ２２，Ｖ４４を閉弁することにより、膨張弁５で減圧された冷媒（気液二相状態の冷媒）が、配管８ｄ，６１ａを通って第１熱交換部６Ｃの１次側伝熱路ｃ１に流入し、配管６１ｃを通って第１熱交換部６Ｃから流出する。

なお、第１熱交換部６Ｃのみを利用する場合に限定されず、開閉弁Ｖ１１，Ｖ４４を閉弁するとともに開閉弁Ｖ２２，Ｖ３３を開弁して、第２熱交換部６Ｄのみに冷媒を循環させるように流路を切り替えてもよい。

例えば、熱交換器４０（図１参照）に対する要求負荷が低く、冷媒の循環流量が少ない場合には、第１熱交換部６Ｃのみに冷媒を供給することで、冷媒流路（１次側伝熱路ｃ１）に流入する冷媒量が増加するため、冷媒流路内の流速が増加し、冷媒側の熱伝達率が向上して良好な熱交換が行われ、要求される能力を得ることが可能になる。

また、熱交換器４０（図１参照）に対する要求負荷が高く、冷媒循環量が多い場合には、第１熱交換部６Ｃと第２熱交換部６Ｄとを並列に接続して冷媒を供給することで、冷媒流路に流入する冷媒量が適正化されて、良好な熱交換が行われ、過度の圧力損失の増大を防ぐことができる。

このように、要求負荷の低下に応じて第１熱交換部６Ｃおよび第２熱交換部６Ｄを並列、直列、単段に順に切り替えることで、冷凍サイクル装置１００の成績係数を向上させることが可能になる。なお、冷媒流路を並列、直列、単段に切替える判定は、第１実施形態と同様に行われる。また、開閉弁Ｖ１１，Ｖ２２については、第１実施形態と同様に、全開状態と全閉状態のみ動作する弁に限定されるものではなく、弁開度を調整する機構を有する流量制御弁を用いた構成であってもよい。

また、前記した変形例に係る実施形態においても、第１熱交換部６Ｃと第２熱交換部６Ｄの分配流路数を互いに異なる構成にしてもよい（図９参照）。また、第１熱交換部６Ｃと第２熱交換部６Ｄを直列で使用する場合において、上流側の第１熱交換部６Ｃを流れる冷媒が上昇し、下流側の第２熱交換部６Ｄを流れる冷媒が下降するように、第１熱交換部６Ｃおよび第２熱交換部６Ｄを配置するようにしてもよい（図１０参照）。また、第１熱交換部６Ｃと第２熱交換部６Ｄを鉛直方向において上下に配置して直列で使用する場合において、最も下側に位置する第２熱交換部６Ｄの流路分配数が最も多くなるように構成してもよい（図１１参照）。

（第２実施形態）
図１６は、第２実施形態において熱媒体を並列に流すときの状態図、図１７は、第２実施形態において熱媒体を直列に流すときの状態図、図１８は、第２実施形態において熱媒体を単段に流すときの状態図である。なお、第１実施形態と同様の構成については同一の符号を付して重複した説明を省略し、異なる構成のみについて説明する。

図１６に示すように、冷凍装置１Ａは、冷媒が循環する冷媒回路１０と、利用側熱交換器６Ａ，６Ｂに対する冷媒の流れを並列、直列、単段に切り替える第１切替手段２０と、利用側熱交換器６Ａ，６Ｂに対する熱媒体の流れを、並列、直列、単段に切り替える第２切替手段７０と、を含む冷凍サイクル装置１００Ａを備えている。

第２切替手段７０は、配管６２ａ，６２ｂ，６２ｃ，６２ｄ，６２ｓ、開閉弁Ｖ１１１，Ｖ２２２，Ｖ３３３，Ｖ４４４により構成されている。開閉弁Ｖ１１１，Ｖ２２２，Ｖ３３３，Ｖ４４４は、制御装置３０により開閉制御される。

配管６２ａは、負荷側の熱交換器４０の一端と利用側熱交換器６Ａの２次側伝熱路（２次側流路）ａ２の一端とを接続する。配管６２ｂは、配管６２ａの途中と利用側熱交換器６Ｂの２次側伝熱路（２次側流路）ｂ２の一端とを接続する。配管６２ｃは、利用側熱交換器６Ａの２次側伝熱路（２次側流路）ａ２の他端と熱交換器４０の２次側伝熱路（２次側流路）ｂ２の他端とを接続する。配管６２ｄは、配管６２ｃの途中と利用側熱交換器６Ｂの他端とを接続する。開閉弁Ｖ１１１は、利用側熱交換器６Ａの２次側伝熱路（２次側流路）ａ２の一端と配管６２ｂの接続点との間の配管６２ａに設けられている。開閉弁Ｖ２２２は、配管６２ｂに設けられている。開閉弁Ｖ３３３は、熱交換器４０の他端と配管６２ｄの接続点との間の配管６２ｃに設けられている。配管６２ｓは、利用側熱交換器６Ｂの２次側伝熱路（２次側流路）ｂ２の一端と開閉弁Ｖ２２２との間の配管６２ｂと、熱交換器４０の他端と開閉弁Ｖ３３３との間の配管６２ｃとを接続する。開閉弁Ｖ４４４は、配管６２ｓに設けられている。

図１６に示すように、開閉弁Ｖ１１１，Ｖ２２２，Ｖ３３３を開弁するとともに開閉弁Ｖ４４４を閉弁することにより、熱媒体の流れが並列に設定される。これにより、熱交換器４０から流出した熱媒体が、配管６２ａを通って利用側熱交換器６Ａの２次側伝熱路ａ２に流入するとともに、配管６２ａの一部、配管６２ｂを通って利用側熱交換器６Ｂの２次側伝熱路ｂ１に流入し、冷媒と熱交換する。そして、利用側熱交換器６Ａ，６Ｂから流出した熱媒体は、配管６２ｃ，６２ｄを通って熱交換器４０に戻る。

図１７に示すように、開閉弁Ｖ２２２，Ｖ３３３を閉弁するとともに開閉弁Ｖ１１１，Ｖ４４４を開弁することにより、熱媒体の流れが直列に設定される。これにより、熱交換器４０から流出した熱媒体が、配管６２ａを通って利用側熱交換器６Ａの２次側伝熱路ａ２に流入して冷媒と熱交換を行い、その後に配管６２ｃ，６２ｄを通って利用側熱交換器６Ｂの２次側伝熱路ｂ２に流入して冷媒と熱交換を行う。利用側熱交換器６Ｂから流出した熱媒体は、配管６２ｂの一部、配管６２ｓ、配管６２ｃの一部を通って熱交換器４０に戻る。

図１８に示すように、開閉弁１１１，Ｖ３３３を開弁するとともに開閉弁Ｖ２２２，Ｖ４４４を閉弁することにより、熱媒体の流れが単段に設定される。これにより、熱交換器４０から流出した熱媒体が、配管６２ａを通って利用側熱交換器６Ａの２次側伝熱路ａ２に流入して冷媒と熱交換を行い、その後に配管６２ｃを通って熱交換器４０に戻る。なお、この場合、利用側熱交換器６Ａのみに冷媒が流れるように第１切替手段２０が切り替えられる。

ところで、冷凍装置１Ａでは、熱媒体の流量分布に応じて冷媒の供給がなされるため、冷媒の流れを並列、直列または単段に切り替えるだけではなく、熱媒体の流れを並列、直列または単段に切り替えることにより、熱媒体の流量分布の不均一に起因する熱交換量の低下を抑制し、成績係数の向上に寄与することが可能になる。

なお、利用側熱交換器６Ａを単段で利用する場合に限定されず、開閉弁Ｖ１１１，Ｖ４４４を閉弁するとともに開閉弁Ｖ２２２，Ｖ３３３を開弁して、利用側熱交換器６Ｂを単段で接続して熱媒体を循環させるように流路を切り替えてもよい。

また、利用側熱交換器６Ａ，６Ｂにおいて、冷媒流路の切替（並列、直列、単段）と、熱媒体流路の切替（並列、直列、単段）と、を可能な限りのパターンで組み合わせてもよい。

（第３実施形態）
図１９は、第３実施形態に係る冷凍サイクル装置を備えた冷凍装置を示す全体構成図である。なお、第３実施形態の冷凍装置１Ｂは、第１実施形態に、冷媒を自然循環させる構成を追加した冷凍サイクル装置１００Ｂを備え、第１実施形態に配管８ｔ、開閉弁Ｖ５，Ｖ６，Ｖ７を追加した構成である。また、熱源側熱交換器４Ａ，４Ｂと利用側熱交換器６Ａ，６Ｂとの間には高低差が設けられている。つまり、熱源側熱交換器４Ａ，４Ｂが鉛直方向（重力方向）の上側、利用側熱交換器６Ａ，６Ｂが熱源側熱交換器４Ａ，４Ｂよりも鉛直方向（重力方向）の下側となるように配置されている。また、膨張弁５は、冷媒の自然循環の制御に適した開度に調整されるようになっている。

図１９に示すように、配管８ｔは、一端が開閉弁Ｖ４と配管８ｉの接続点との間の配管８ｓに接続され、他端が四方弁３と熱源側熱交換器４Ａ，４Ｂとの間の単一流路部分の配管８ｂに接続されている。

開閉弁Ｖ５は、四方弁３と、配管８ｔの接続点との間の配管８ｂに設けられている。開閉弁Ｖ６は、四方弁３と、配管８ｓの接続点との間の配管８ｉに設けられている。開閉弁Ｖ７は、配管８ｔに設けられている。これらの開閉弁Ｖ５，Ｖ６，Ｖ７は、制御装置３０により開閉制御される。開閉弁Ｖ５，Ｖ６が閉じるとともに開閉弁Ｖ７を開弁することで、開閉弁Ｖ３を通過した冷媒が、配管８ｓの一部、配管８ｔを通ることで、圧縮機２をバイパスして、熱源側熱交換器４Ａ，４Ｂへと流れるようになっている。

これにより、凝縮器として機能する熱源側熱交換器４Ａ，４Ｂでは、冷媒が室外空気（外気）に放熱することにより、凝縮して液化する。密度が高い液冷媒は、重力の影響を受けて下降し、膨張弁５を通って、蒸発器として機能する利用側熱交換器６Ａ，６Ｂに流入する。利用側熱交換器６Ａ，６Ｂの１次側伝熱路ａ１，ｂ１を流れる冷媒は、利用側熱交換器６Ａ，６Ｂの２次側伝熱路ａ２，ｂ２を流れる熱媒体と熱交換することにより、熱媒体から吸熱して、蒸発気化する。このとき、冷媒の密度差による圧力勾配が発生するため、利用側熱交換器６Ａ，６Ｂで蒸発した冷媒は、配管８ｓの一部および配管８ｔを通って、熱源側熱交換器４Ａ，４Ｂに向かって流れ、冷媒回路１０を循環する。

このような自然循環サイクルによる冷房運転は、一般に、中間期（外気温度が負荷側の要求温度よりも低い条件時）に実行される。この自然循環サイクルによる冷房運転が実行されるためには、外気温度と、負荷側の要求温度との間に、ある程度の温度差（例えば、ΔＴ＝５℃）が必要である。なお、制御装置３０は、外気温度センサ（不図示）の外気温度の条件と、負荷側の温度センサ（不図示）の要求温度差に応じて、利用側熱交換器６Ａ，６Ｂの数、室外ファン９５Ａ，９５Ｂの回速速度を制御する。

このような冷凍装置１Ｂによれば、圧縮機２を運転せずに冷媒の自然循環サイクルによる冷房運転を行うことができるため、消費電力を低減することができる。なお、この自然循環では、前記した要求負荷（Ｑ３）よりも低い場合に適用することができる。また、図１９に示す構成において、膨張弁５での圧力損失が大きい場合には、膨張弁５をバイパスするバイパス回路（開閉弁＋バイパス配管、または、流量調整弁＋バイパス配管）を設けて、冷媒の流量を調整するようにしてもよい。また、高低差を大きくすることにより、冷媒の循環量を増加させることができる。

また、冷凍装置１Ｂでは、利用側熱交換器６Ａ，６Ｂを並列に接続して冷媒を流す構成を例に挙げて説明しているが、これに限定されるものではなく、直列または単段を選択するようにしてもよい。また、冷凍装置１Ｂにおいても、熱媒体の流れを並列、直列、単段を切り替える第２切替手段７０（図１６参照）を追加してもよい。

なお、前記した各実施形態では、冷凍サイクル装置の適用装置として、利用側熱交換器６Ａ，６Ｂによって熱交換した熱媒体を負荷側の機器（熱交換器６Ｃ）に供給する冷凍装置１を例に挙げて説明したが、冷凍装置１に限定されるものではなく、空気調和装置などにも適用することができる。

なお、前記した各実施形態では、利用側熱交換器を２つ備える場合を例に挙げて説明したが、２つに限定されるものではなく、３つ以上であってもよい。

１，１Ａ，１Ｂ 冷凍装置
２ 圧縮機
３ 四方弁
４Ａ，４Ｂ 熱源側熱交換器
５ 膨張弁（減圧装置）
６Ａ，６Ｂ 利用側熱交換器
６Ｃ 第１熱交換部（利用側熱交換器）
６Ｄ 第２熱交換部（利用側熱交換器）
１０ 冷媒回路
２０，６０ 第１切替手段
３０ 制御装置（制御手段）
７０ 第２切替手段
１００，１００Ａ，１００Ｂ 冷凍サイクル装置

Claims (7)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、冷媒と空気との間で熱交換を行う熱源側熱交換器と、冷媒を減圧する減圧装置と、冷媒と利用側の熱媒体との間で熱交換を行う複数の利用側熱交換器と、を順に接続して環状に形成された冷媒回路と、
   前記利用側熱交換器に対する前記冷媒の流れを、並列、直列、単段に切り替える第１切替手段と、
   要求負荷の縮小に伴って、前記第１切替手段を制御する制御手段と、
   を備え、
   前記複数の利用側熱交換器は、鉛直方向に直交する方向に並んで配置されるとともに前記制御手段により前記第１切替手段が前記直列に切り替えられた場合、上流側に配置した前記利用側熱交換器に冷媒が上昇しながら流れ、下流側に配置した前記利用側熱交換器に冷媒が下降しながら流れるように構成したことを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記利用側熱交換器は、冷媒が複数に分配された後に合流する複数の分配流路を有し、
   前記複数の利用側熱交換器は、前記分配流路数が互いに異な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. 前記複数の利用側熱交換器は、前記制御手段により前記第１切替手段が前記直列に切り替えられた場合、最も下流側に配置した前記利用側熱交換器の分配流路数が最も多くなるように構成したことを特徴とする請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記利用側熱交換器に対する前記熱媒体の流れを、並列、直列、単段に切り替える第２切替手段を備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記熱源側熱交換器は、前記利用側熱交換器の鉛直方向上方に配置され、
   前記冷媒回路は、前記利用側熱交換器と、前記熱源側熱交換器と、前記減圧装置との間で冷媒が循環可能な回路を備えることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置を備えたことを特徴とする冷凍装置。
7. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置を備えたことを特徴とする空気調和装置。

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