WO2016017430A1 - 室外機および冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

　本発明の室外機は、圧縮機と、凝縮器と、減圧装置と、気液分離器と、複数の伝熱管および流入した冷媒を伝熱管に分配する流入側ヘッダーとを少なくとも有する蒸発器となる室外熱交換器とを配管接続して構成する冷媒回路の圧縮機、気液分離器および室外熱交換器を少なくとも備え、気液分離器が分離した気体状の冷媒を室外熱交換器をバイパスさせる気液分離器バイパス配管と、気液分離器バイパス配管を通過する冷媒の流量を調整する気液分離器側流量調整弁と、流入側ヘッダーの冷媒流入側と反対側のヘッダー終端側において一端が流入側ヘッダーと接続され、冷媒を吸引するヘッダーバイパス配管と、ヘッダーバイパス配管を通過する冷媒の流量を調整するヘッダー側流量調整弁と、圧縮機の周波数から気液分離器側流量調整弁とヘッダー側流量調整弁との開度を判定する判定装置とをさらに備える。

Description

室外機および冷凍サイクル装置

　本発明は、室外機などに関するものである。特に室外熱交換器が有する伝熱管に対する冷媒の分配に関するものである。

　たとえば、冷凍サイクルを利用する冷凍サイクル装置は、基本的に、圧縮機、凝縮器、膨張弁（減圧装置）および蒸発器を冷媒配管で接続し、冷媒を循環させる冷媒回路を構成している。冷凍サイクル装置において、凝縮器で凝縮された液体状の冷媒（液冷媒、冷媒液）は、膨張弁によって減圧され、気体（ガス）状の冷媒（ガス冷媒、冷媒蒸気）と液冷媒とが混在する気液二相状態となって蒸発器に流入する。冷媒が気液二相状態で蒸発器に流入すると、たとえば熱交換器における分配特性が悪化するなどに起因して冷凍サイクル装置のエネルギー効率が低下する。

　そこで、従来、蒸発器では、伝熱管などに冷媒を分配するヘッダー内への枝管突出し量、ヘッダー内部の仕切り板、噴出孔の設置など、ヘッダー内部の構造を調整して、分配特性を改善させるようにしていた（たとえば、特許文献１参照）。

　また、ヘッダー内部に流入させる冷媒の状態を変化させる方法として、フロート弁を用いることで、ヘッダーに液単相の冷媒を流入させて分配するようにし、分配性能を改善する方法があった（たとえば、特許文献２参照）。

特開平５－２０３２８６号公報（図１） 特表２００８－５２８９３９号公報（図１）

　しかし、特許文献１のように、ヘッダー内部の構造を調整しても、分配特性があまり改善されない、熱交換器の冷媒流入口に多大な圧力損失が発生するなどの問題点があった。しかも、冷媒流量（冷媒量）の多い運転条件に合わせてヘッダーの構造を調整すると、冷媒流量の少ない運転条件では分配特性がさらに悪化する。

　また、特許文献２のように、気液分離器、ヘッダー上部などにガス冷媒を抜く機構を取りつけて、熱交換器に液単相の冷媒をヘッダーに流入させ、分配を改善する方法がある。この方法は冷媒流量の影響を受けやすい。たとえば、冷媒流量が多い場合は冷媒を均等に分配することが可能であるが、冷媒流量が少ない場合はヘッダー上部に液冷媒が流れず、均等分配ができなくなる可能性があった。

　そこで、本発明の目的は、運転条件に関わらず、分配性能の改善をはかることができる室外機などを提供することである。

　本発明に係る室外機は、吸入した冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、冷媒に放熱させて冷媒を凝縮させる凝縮器と、凝縮された冷媒を減圧させる減圧装置と、減圧装置を通過した気体状の冷媒と液体状の冷媒に分離する気液分離器と、冷媒に吸熱させて冷媒を蒸発させる複数の伝熱管および流入した冷媒を伝熱管に分配する流入側ヘッダーとを少なくとも有する蒸発器とを配管接続して構成する冷媒回路の圧縮機、気液分離器および蒸発器となる室外熱交換器を少なくとも備え、気液分離器が分離した気体状の冷媒を蒸発器をバイパスさせる気液分離器バイパス配管と、気液分離器バイパス配管を通過する冷媒の流量を調整する気液分離器側流量調整装置と、流入側ヘッダーの冷媒流入側と反対側のヘッダー終端側において一端が流入側ヘッダーと接続され、流入側ヘッダーに流入した冷媒を吸引するヘッダーバイパス配管と、ヘッダーバイパス配管を通過する冷媒の流量を調整するヘッダー側流量調整装置と、圧縮機の周波数から気液分離器側流量調整装置とヘッダー側流量調整装置との開度を判定する判定装置とをさらに備えるものである。

　本発明によれば、判定装置が、圧縮機の周波数から気液分離器側流量調整装置とヘッダー側流量調整装置との開度を判定するようにしたので、幅広い運転条件に対して冷媒の分配を改善することができる。

本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る気液分離器側流量調整弁６およびヘッダー側流量調整弁９の制御に関する図である。 本発明の実施の形態１に係る気液分離器側流量調整弁６およびヘッダー側流量調整弁９の制御の流れを示す図である。 本発明の実施の形態１に係る室外熱交換器３が凝縮器として機能する場合の気液分離器側流量調整弁６およびヘッダー側流量調整弁９の制御の流れを示す図である。 本発明の実施の形態１に係る流入側ヘッダー２と伝熱管１５との関係を示す図である。 ヘッダー冷媒流入口における運動量が大きい場合の流入側ヘッダー２における気液二相冷媒の分配特性を示す図である。 ヘッダー冷媒流入口における運動量が小さい場合の流入側ヘッダー２における気液二相冷媒の分配特性を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る流入側ヘッダー２における気液二相冷媒の分配特性を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態３に係る冷凍サイクル装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態３に係る室外熱交換器３の概略を示す図である。 本発明の実施の形態３に係る伝熱管１５内の冷媒と温度との関係を説明する図である。 本発明の実施の形態３に係る気液分離器側流量調整弁６およびヘッダー側流量調整弁９の制御の流れを示す図である。 本発明の実施の形態４に係る冷凍サイクル装置を示す図である。 本発明の実施の形態４に係る室外熱交換器３の概要を示す図である。 本発明の実施の形態５に係る流入側ヘッダー２とヘッダーバイパス配管８との関係を示す図である。 本発明の実施の形態５に係る流入側ヘッダー２とヘッダーバイパス配管８との関係の別例を示す図である。 本発明の実施の形態６に係る冷凍サイクル装置を示す図である。 本発明の実施の形態７に係る冷凍サイクル装置を示す図である。

　以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。ここで、図１を含めた、以下の図面において、同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、以下に記載する実施の形態の全文において共通することとする。そして、明細書全文に表されている構成要素の形態は、あくまでも例示であって、明細書に記載された形態に限定するものではない。特に構成要素の組み合わせは、各実施の形態における組み合わせのみに限定するものではなく、他の実施の形態に記載した構成要素を別の実施の形態に適用することができる。また、図における上方を「上」とし、下方を「下」として説明する。そして、図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。

実施の形態１．
　図１は本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の構成を示す図である。図１において、実施の形態１の冷凍サイクル装置は、室外機（室外ユニット）１００と負荷機（負荷側ユニット）２００とを冷媒配管により配管接続して冷媒回路を構成し、冷媒を循環させる。室外機１００は、負荷機２００に対して冷媒を介した能力供給を行う。また、負荷機２００は、対象となる負荷に熱を供給する。

　負荷機２００は、負荷熱交換器１８を有している。負荷熱交換器１８は凝縮器（放熱器）として機能し、冷媒を凝縮させ、負荷に対して加熱する。ここで、本実施の形態では、負荷熱交換器１８は凝縮器として機能するが、たとえば、冷凍サイクル装置が空気調和装置である場合、負荷熱交換器１８は蒸発器としても機能する。

　一方、室外機１００は、圧縮機１１、室外熱交換器３、膨張弁１６、気液分離器１、気液分離器バイパス配管５、気液分離器側流量調整弁６、ヘッダーバイパス配管８およびヘッダー側流量調整弁９を有している。圧縮機１１は、吸入した冷媒を圧縮して吐出する。ここで、圧縮機１１をたとえばインバータ回路などにより、駆動周波数を任意に変化させることにより、圧縮機１１の容量（単位時間あたりの冷媒を送り出す量）を変化させることができるようにしてもよい。減圧装置（絞り装置）となる膨張弁１６は、冷媒を減圧して膨張させる。気液分離器１は、流入した冷媒をガス冷媒と液冷媒（気液二相冷媒を含む）とに分離する。気液二相冷媒は二相冷媒配管１３を流れる。

　気液分離器バイパス配管５は、気液分離器１のガス流出側と圧縮機１１の吸入側配管１４とを接続する配管である。気液分離器側流量調整装置となる気液分離器側流量調整弁６は、流量調整弁開度コントローラ１７の制御に基づき、気液分離器バイパス配管５を通過する冷媒流量を調整する弁である。また、ヘッダーバイパス配管８は、流入側ヘッダー２の上部（冷媒吸入側とは反対側の終端側）と圧縮機１１の吸入側配管１４とを接続する配管である。ヘッダー側流量調整装置となるヘッダー側流量調整弁９は、流量調整弁開度コントローラ１０の制御に基づき、ヘッダーバイパス配管８を通過する冷媒流量を調整する弁である。ここでは、気液分離器側流量調整弁６およびヘッダー側流量調整弁９による弁開度の調整により冷媒流量調整を行っているが、他の装置で流量調整を行うようにしてもよい。

　制御基板２２は、冷凍サイクル装置の制御を行う基板である。本実施の形態では、たとえば、冷凍サイクル装置が空気調和装置である場合には、冷房運転、暖房運転などの運転モードのデータを含む信号をメモリー１９に送る。また、圧縮機１１から送られる周波数（駆動周波数）に関する信号を圧縮機周波数読み取り器２０に送る。圧縮機周波数読み取り器２０は、圧縮機１１の周波数を読み取り、圧縮機周波数のデータを含む信号をメモリー１９に送る。記憶装置となるメモリー１９は、たとえば判定装置２１が判定を行うのに必要となるデータを一時的または長期的に記憶する装置である。たとえば、本実施の形態では、制御基板２２から送られた運転モードのデータを記憶する。また、圧縮機周波数読み取り器２０から送られた信号に含まれる圧縮機周波数のデータを記憶する。判定装置２１は、冷凍サイクル装置における判定処理を行う装置である。ここでは、特にメモリー１９に記憶されたデータを読み込み、気液分離器側流量調整弁６およびヘッダー側流量調整弁９を制御するための処理を行う。

　図２は本発明の実施の形態１に係る気液分離器側流量調整弁６およびヘッダー側流量調整弁９の制御に関する図である。気液分離器側流量調整弁６およびヘッダー側流量調整弁９を制御において、本実施の形態では、冷凍サイクル装置の負荷を、たとえば、６７％以上１００％以下（定格負荷）、３４％以上６６％未満（中間負荷）および０％以上３３％未満（１／４負荷）の、少なくとも３つに分類する。

　定格負荷における冷凍サイクル装置の運転では、室外機１００に流れる冷媒流量が多くなる。定格負荷の運転条件（運転条件Ａとする）においては、気液分離器側流量調整弁６を開け、ヘッダー側流量調整弁９を閉める制御を行う。また、中間負荷における冷凍サイクル装置の運転では、室外機１００に流れる冷媒流量が定格負荷の場合よりも少なくなる。中間負荷の運転条件（運転条件Ｂとする）においては、気液分離器側流量調整弁６およびヘッダー側流量調整弁９を閉める制御を行う。そして、１／４負荷における冷凍サイクル装置の運転では、室外機１００に流れる冷媒流量が中間負荷の場合よりもさらに少なくなる。１／４負荷の運転条件（運転条件Ｃとする）においては、気液分離器側流量調整弁６を閉め、ヘッダー側流量調整弁９を開ける制御を行う。

　図３は本発明の実施の形態１に係る気液分離器側流量調整弁６およびヘッダー側流量調整弁９の制御の流れを示す図である。図３に基づいて、気液分離器側流量調整弁６およびヘッダー側流量調整弁９の制御について説明する。ここで、たとえば、負荷と圧縮機１１の周波数との関係を、あらかじめ実験、計算などによって求めておく。たとえば、負荷が１００％における圧縮機周波数をｆ１とする。駆動している圧縮機周波数をｆと定義したときに、たとえば０．６７×ｆ１＜ｆ≦ｆ１は定格負荷とする。また、０．３４×ｆ＜ｆ１≦０．６７は中間負荷とする。そして、０＜ｆ≦０．３４×ｆ１を１／４負荷とする。そして、図２において説明した気液分離器側流量調整弁６およびヘッダー側流量調整弁９の開度と負荷との関係を、開度データとしてメモリー１９に記憶しておく。

　初期状態においては、気液分離器側流量調整弁６およびヘッダー側流量調整弁９は閉じた状態（開度０）である（Ｓ１）。冷凍サイクル装置が運転を開始すると、圧縮機１１が駆動する（Ｓ２）。圧縮機１１から制御基板２２に周波数の信号が送られる（Ｓ３）。圧縮機周波数読み取り器２０が駆動中の圧縮機１１の周波数を判断し、圧縮機周波数のデータをメモリー１９に記憶する（Ｓ４）。

　判定装置２１は、メモリー１９から圧縮機周波数のデータと開度データとを読み込む（Ｓ５）。そして、圧縮機周波数のデータと開度データとを比較する（Ｓ６）。運転条件が、運転条件Ａ（定格負荷）、運転条件Ｂ（中間負荷）または運転条件Ｃ（１／４負荷）のいずれの運転条件であるかを判定する（Ｓ７）。そして、流量調整弁開度コントローラ１０および流量調整弁開度コントローラ１７に、判定した運転条件に基づく開度信号を送信する（Ｓ８）。Ｓ２に戻って、圧縮機１１の周波数に基づく運転条件の判定を繰り返す。

　流量調整弁開度コントローラ１０および流量調整弁開度コントローラ１７は、受け取った開度信号に基づいて気液分離器側流量調整弁６およびヘッダー側流量調整弁９を制御する。開度を変更する場合には、気液分離器側流量調整弁６およびヘッダー側流量調整弁９に信号を送る。

　以上のようにして、圧縮機１１の周波数から気液分離器側流量調整弁６およびヘッダー側流量調整弁９を制御することで、幅広い運転条件に応じて伝熱管１５への冷媒の偏流を抑制することができる。また、室外熱交換器３の伝熱管１５に流入する冷媒乾き度を調整することができる。

　また、図１において、室外熱交換器３は、本実施の形態においては、蒸発器として機能し、室外の空気（外気）と熱交換して冷媒を蒸発させ、気化させる（蒸発ガス化させる）。ここで、本実施の形態では、室外熱交換器３は蒸発器として機能するが、たとえば、冷凍サイクル装置が空気調和装置である場合、室外熱交換器３は凝縮器としても機能する。ここで、室外熱交換器３が凝縮器として機能する場合には、気液分離器側流量調整弁６およびヘッダー側流量調整弁９は全閉となるように制御する。

　図４は本発明の実施の形態１に係る室外熱交換器３が凝縮器として機能する場合の気液分離器側流量調整弁６およびヘッダー側流量調整弁９の制御の流れを示す図である。たとえば、冷凍サイクル装置が空気調和装置である場合には、室外熱交換器３が凝縮器または蒸発器として機能するが、ここでは凝縮器として機能し、負荷を冷却する場合について説明する。本制御の初期状態においては、気液分離器側流量調整弁６およびヘッダー側流量調整弁９は任意の開度となっている（Ｓ１１）。制御基板２２は、冷凍サイクル装置が行っている運転を示す信号を送り、メモリー１９に運転モードのデータとして記憶させる（Ｓ１２）。

　判定装置２１は、運転モードデータを読み込む（Ｓ１３）。そして、冷凍サイクル装置が冷房運転を行うかどうかを判定する（Ｓ１４）。冷房運転を行うものと判定すると、判定装置２１は、流量調整弁開度コントローラ１０および流量調整弁開度コントローラ１７に、弁を閉じる旨の開度信号を送信する（Ｓ１５）。

　流量調整弁開度コントローラ１０および流量調整弁開度コントローラ１７は、受け取った開度信号に基づいて気液分離器側流量調整弁６およびヘッダー側流量調整弁９の弁を閉じる制御を行う。

　室外熱交換器３は、流入側ヘッダー２、伝熱管１５、フィンなどで構成する熱交換部３Ａおよび流出側ヘッダー４を有する。熱交換部３Ａにおいて、伝熱管１５を通過する冷媒と外気とが熱交換することで、冷媒が吸熱などにより蒸発ガス化する。流出側ヘッダー４は、伝熱管１５から流出するガス冷媒を合流させて圧縮機１１の吸入側の配管に流出させる管である。

　図５は本発明の実施の形態１に係る流入側ヘッダー２と伝熱管１５との関係を示す図である。流入側ヘッダー２は、流入した冷媒を複数の伝熱管１５に分配する管である。ここで、本実施の形態における室外熱交換器３は、流入側ヘッダー２に流入した気液二相冷媒を、流入側ヘッダー２における冷媒通過方向と垂直となる方向に接続した複数の伝熱管１５に分配する構造（垂直ヘッダー）である。そして、室外機１００においては、流入側ヘッダー２の管が鉛直方向となるように室外熱交換器３が設置される。このため、図５に示すように、二相冷媒配管１３を流れた気液二相冷媒は、流入側ヘッダー２下部のヘッダー冷媒流入口から流入し、流入側ヘッダー２内を鉛直上向き方向に上昇流で流れて各伝熱管１５に分流し、伝熱管１５では垂直方向（水平方向）に流れる。ここで、図５などでは、二相冷媒配管１３と流入側ヘッダー２とを流入側ヘッダー２の最下端部分において接続し、冷媒を流入させている。しかし、気液分離器バイパス配管５が二相冷媒配管１３よりも上側に位置していれば、二相冷媒配管１３と流入側ヘッダー２とを流入側ヘッダー２の下部側面において接続してもよい。

　本実施の形態は、流入側ヘッダー２において、気液二相冷媒中の液冷媒の幅広い運転条件における分配改善を実現するものである。ここで、流入側ヘッダー２における液冷媒の分配は、冷媒の流入側にあるヘッダー冷媒流入口における冷媒（気液二相冷媒）の運動量によって傾向が異なる。

　図６はヘッダー冷媒流入口における運動量が大きい場合の流入側ヘッダー２における気液二相冷媒の分配特性を示す図である。また、図７はヘッダー冷媒流入口における運動量が小さい場合の流入側ヘッダー２における気液二相冷媒の分配特性を示す図である。運動量は、冷媒流量または冷媒中のガス流量が多いと大きくなり、冷媒流量または冷媒中のガス流量が少ないと小さくなる。図６および図７は共にガス冷媒と液冷媒とが２：８とし、図６が冷媒流量が多い場合を表し、図７が冷媒流量が少ない場合を表している。たとえば、冷媒流量（ガス流量）が多く、冷媒の運動量が大きい場合には、ヘッダー内における冷媒の勢いが強く、多くの液冷媒がヘッダー上部に搬送される分配特性となる。一方、冷媒流量（ガス流量）が少なく、冷媒の運動量が小さい場合、液冷媒はヘッダー上部まで搬送されず、多くがヘッダー下部に搬送される分配特性となる。

　図８は本発明の実施の形態１に係る流入側ヘッダー２における気液二相冷媒の分配特性を示す図である。本実施の形態では気液分離器１、気液分離器バイパス配管５、気液分離器側流量調整弁６、ヘッダーバイパス配管８およびヘッダー側流量調整弁９を用いて流入側ヘッダー２における冷媒の運動量を調整する。

　たとえば、上述したように、冷媒の運動量が大きい場合（定格負荷）では、液冷媒が流入側ヘッダー２の上部に多く搬送される。このような場合には、ヘッダー側流量調整弁９を全閉にし、気液分離器側流量調整弁６を開放して開度の制御を行う。気液分離器１が分離したガス冷媒の一部を、圧縮機１１の吸入側配管１４にバイパスすることで、流入側ヘッダー２に流入するガス冷媒の流量が減る。このため、流入側ヘッダー２内部に流れる冷媒の運動量を低下させることができる。運転条件Ａにおいて、気液分離器側流量調整弁６を開放して開度を調整することで運動量を最適化し、図８に示すように液冷媒を比較的均等に分配することができる。

　また、定格負荷より冷媒流量が少なく、冷媒の運動量が定格負荷より小さい中間の場合（中間負荷）において、流入側ヘッダー２内部に流れる冷媒の運動量が最適になるようにヘッダー径を設計しておくようにする。このため、運転条件Ｂにおいて、気液分離器側流量調整弁６およびヘッダー側流量調整弁９を全閉にした状態で、図８に示すように、液冷媒を比較的均等に分配することができる。

　そして、冷媒の運動量が小さい場合（１／４負荷）では、運転条件Ｃにおいて、気液分離器側流量調整弁６を全閉にして、流入側ヘッダー２に流れるガス流量を減らさないようにする。さらに、ヘッダー側流量調整弁９を開けて、ヘッダー上部に気液二相冷媒が流れる吸引流を起こすようにする。加えて、流入側ヘッダー２では、重力によって、液のヘッド差が生じている。このため、ガス冷媒の方が、液冷媒よりも優先的にヘッダーバイパス配管８に流れやすくなる。したがって、ヘッダーバイパス配管８に液冷媒が流れることによる熱交換量の低下は小さい。ヘッダーバイパス配管８およびヘッダー側流量調整弁９の開度、ヘッダーバイパス配管８の流動抵抗などを制御し、最適な吸引流を引き起こすことで、図８に示すように液冷媒を比較的均等に分配することができる。

　流量調整弁開度コントローラ１７および流量調整弁開度コントローラ１０が制御する気液分離器側流量調整弁６およびヘッダー側流量調整弁９の弁開度の制御目標値は、前述したようにあらかじめ流入側ヘッダー２における単体実験、シミュレーションなどの結果に基づいて、冷媒流量と分配に最適なガス流量との関係を求めておき、それらから圧縮機周波数と開度の関係を求めておき、メモリー１９に保存しておくことで、たとえば、圧縮機１１の駆動周波数に連動させるように気液分離器側流量調整弁６およびヘッダー側流量調整弁９を制御する。

　また、本実施の形態では、気液分離器バイパス配管５およびヘッダーバイパス配管８を流れる冷媒の流量を流量調整弁で調整するようにしたが、これに限定するものではない。たとえば、キャピラリーチューブと切り替えバルブとの組み合わせなどで代用することができる。この場合、流量調整弁を使用するよりもコストを低減することができる。

　以上のように、実施の形態１によれば、流入側ヘッダー２の冷媒流入口における冷媒の運動量が大きいような場合には、気液分離器側流量調整弁６を開くことで、冷媒流入口における気液二相冷媒中のガス冷媒の流量を少なくし、また、気液二相冷媒の運動量が小さいような場合には、ヘッダー側流量調整弁９により、吸引流を起こし、液冷媒をヘッダー上部まで持ち上げて、流入側ヘッダー２の終端部に接続したヘッダーバイパス配管８に冷媒を流すようにすることで、冷媒流量の少ない運転条件から多い運転条件まで幅広い条件下において、流入側ヘッダー２の分配改善をはかることができる。

実施の形態２． 
　図９は本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の構成を示す図である。図９において、図１と同じ符号を付している機器などについては、実施の形態１で説明したことと同様の動作を行う。

　実施の形態２の冷凍サイクル装置においては、複数の伝熱管１５のうち、ヘッダ上部の一部の伝熱管１５をヘッダーバイパス配管８の一部として構成し、ヘッダーバイパス配管８が室外熱交換器３の熱交換部３Ａを通過するようにしたものである。たとえば、流入側ヘッダー２内に吸引流を起こすと、液冷媒がヘッダーバイパス配管８を通過する可能性がある。ヘッダーバイパス配管８を通過する液冷媒は、熱交換には寄与しない。

　そこで、ヘッダーバイパス配管８が熱交換部３Ａを通過するように室外機１００（冷凍サイクル装置）構成することで、流入側ヘッダー２の上部で吸引される気液二相冷媒の液冷媒についても無駄なく室外熱交換器３で熱交換させることができる。このため、液冷媒をヘッダー上部バイパスで吸引することによる熱交換器における熱交換量の低下を防止することができる。

　ここで、ヘッダー上部において吸引流を起こすには、ヘッダーバイパス配管８の流動抵抗が吸入側配管１４における流動抵抗よりも小さくする必要がある。このため、ヘッダーバイパス配管８となる伝熱管には、他の伝熱管１５よりも内径（等価直径）の大きなものを使用する。また、他にも、ヘッダーバイパス配管８となる伝熱管には溝の付いていない平滑管を使用するなどしてもよい。たとえば、ヘッダーバイパス配管８となる伝熱管を円管とし、そうでない伝熱管１５を扁平管とするなど、管の種類を変えてもよい。

　また、吸引流が不十分で、流入側ヘッダー２において液冷媒を最上端まで到達させることができない場合、吸入側配管１４にキャピラリーチューブなどの流動抵抗体を設置したり、流出側ヘッダー４の内径を細径化するなどして、流出側ヘッダー４からヘッダーバイパス配管８との合流部までの配管経路の流動抵抗を大きくすることで、液冷媒がヘッダーバイパス配管８に流れやすくなる。

　本実施の形態の冷凍サイクル装置においても、図３および図４に基づいて実施の形態１で説明したように、気液分離器側流量調整弁６およびヘッダー側流量調整弁９の開度制御を行うことで、幅広い運転条件において分配を改善することができる。

実施の形態３．
　図１０は本発明の実施の形態３に係る冷凍サイクル装置の構成を示す図である。また、図１１は本発明の実施の形態３に係る室外熱交換器３の概略を示す図である。本実施の形態では、温度検出手段である上部側温度センサー２３および下部側温度センサー２４を、室外熱交換器３の上部および下部に少なくとも取り付けるようにしたものである。上部側温度センサー２３および下部側温度センサー２４において、温度を検出するために、熱電対、白金測温抵抗体などを用いる。ただし、これらに限るものではない。上部側温度センサー２３および下部側温度センサー２４を取り付ける位置について説明する。図１１に示すように、本実施の形態では、室外熱交換器３の下部側に設置される下部側温度センサー２４と上部側に設置される上部側温度センサー２３とを有している。下部側温度センサー２４および上部側温度センサー２３は、それぞれ設置位置における冷媒の温度を検出する。ここで、下部側温度センサー２４が検出する温度をＴ１とし、上部側温度センサー２３が検出する温度をＴ２とする。また、温度読み取り器２５は、上部側温度センサー２３および下部側温度センサー２４が検出した温度を読み取り、メモリー１９にデータとして記憶させる。メモリー１９には、少なくとも直近の検出温度Ｔ１および検出温度Ｔ２のデータが記憶される。

　本実施の形態では、流入側ヘッダー２から流出側ヘッダー４までの長さを１としたときに、流入側ヘッダー２からの距離が３／４以下（より好ましくは１／２以下）になるような位置に下部側温度センサー２４および上部側温度センサー２３をそれぞれ設置するようにしたものである。本実施の形態で示す位置に下部側温度センサー２４および上部側温度センサー２３を配置して温度検出を行うことで、ヘッダーバイパス配管８のヘッダー側流量調整弁９をより分配改善に適した弁開度に制御することが可能になる。ここで、たとえば、下部側温度センサー２４については、上部側温度センサー２３を設置した伝熱管１５（上部伝熱管１５Ａ）よりも下側の伝熱管１５（下部伝熱管１５Ｂ）であれば、任意に設置することができる。ただし、特に限定するものではないが、たとえば、上部側温度センサー２３を最上段の伝熱管１５に配置するようにし、下部側温度センサー２４を最下段の伝熱管１５に配置するようにすることで、より最適な弁開度に調整することができる。

　図１２は本発明の実施の形態３に係る伝熱管１５内の冷媒と温度との関係を説明する図である。気液二相冷媒が流れている伝熱管１５において、伝熱管１５に流れる液冷媒が多いほど、冷媒の温度が上がっていって空気温度に近い温度になるまでの距離が長くなる。流入側ヘッダー２入口における冷媒の運動量が小さく、ヘッダー上部に液冷媒があまり流れていない場合には、伝熱管１５の温度は比較的短い距離（全長を１とした場合、約１／２）で空気温度に近づく。このため、Ｔ２＞Ｔ１の場合には、液冷媒がヘッダー上部まで十分に流れていないと判断することができる。一方、Ｔ２とＴ１とがほぼ同じである場合には、液冷媒がヘッダー上部まで十分に流れているものと判断することができる。この関係を用いることで、流入側ヘッダー２の上部に液冷媒が到達するように気液分離器側流量調整弁６およびヘッダー側流量調整弁９を制御することができる。

　図１３は本発明の実施の形態３に係る気液分離器側流量調整弁６およびヘッダー側流量調整弁９の制御の流れを示す図である。判定装置２１は、運転条件が変更されると、図１３に示す処理を行うものとする。判定装置２１が運転条件を決定するまでの手順は、実施の形態１で説明したことと同様の手順で行う。

　ここで、運転条件Ａであると判定すると、気液分離器側流量調整弁６を全開にし、ヘッダー側流量調整弁９を全閉にする。運転条件Ｂであると判定すると、気液分離器側流量調整弁６およびヘッダー側流量調整弁９を全閉にする。運転条件Ｃであると判定すると、気液分離器側流量調整弁６を全閉とし、ヘッダー側流量調整弁９を全開にする。

　そして、判定装置２１は、上部側温度センサー２３の検出温度Ｔ２および下部側温度センサー２４の検出温度Ｔ１のデータをメモリー１９から読み込む（Ｓ２１）。

　判定装置２１は、運転条件Ｂであるかどうかを判定する（Ｓ２２）。運転条件Ｂであると判定すると、気液分離器側流量調整弁６およびヘッダー側流量調整弁９を変更する必要がないのでＳ２１に戻る。運転条件Ｂでないと判定すると、次に運転条件Ａであるかどうかを判定する（Ｓ２３）。

　判定装置２１は、運転条件Ａであると判定すると、検出温度Ｔ１と検出温度Ｔ２とについて、Ｔ２－Ｔ１＞２℃の不等式を満足するかどうかを判定する（Ｓ２４）。この不等式は、室外熱交換器３における上部伝熱管１５Ａの温度が、下部伝熱管１５Ｂの温度より２℃超であることを表している。上部伝熱管１５Ａの温度が高いということは、上部伝熱管１５Ａを流れる液冷媒の流量が少ないことを示している。このため、上部伝熱管１５Ａに液冷媒を多く供給する必要がある。そこで、判定装置２１は、不等式を満足すると判定すると、気液分離器側流量調整弁６の開度を減少する開度信号を流量調整弁開度コントローラ１７に送り（Ｓ２５）、Ｓ２４に戻る。

　一方、Ｓ２４において、不等式を満足しないと判定すると、｜Ｔ２－Ｔ１｜＜２℃（－２℃＜Ｔ２－Ｔ１）の不等式を満足するかどうかを判定する（Ｓ２６）。この判定は、気液分離器側流量調整弁６の開度が小さく、下部伝熱管１５Ｂに液冷媒が流れなくなることを防ぐために行う。そこで、｜Ｔ２－Ｔ１｜＜２℃の不等式を満足すると判定すると、気液分離器側流量調整弁６の開度を増加する開度信号を流量調整弁開度コントローラ１７に送り（Ｓ２７）、Ｓ２４に戻る。｜Ｔ２－Ｔ１｜＜２℃の不等式を満足しないと判定すると、Ｓ２１に戻る。したがって、運転条件Ａの場合には、－２℃≦Ｔ２－Ｔ１≦２℃となるように、気液分離器側流量調整弁６の開度を調整する制御を行う。

　また、判定装置２１は、Ｓ２２において、運転条件Ａでない（運転条件Ｃである）と判定すると、検出温度Ｔ１と検出温度Ｔ２とについて、Ｔ２－Ｔ１＞２℃の不等式を満足するかどうかを判定する（Ｓ２８）。前述したように、この不等式は、室外熱交換器３における上部伝熱管１５Ａの温度が、下部伝熱管１５Ｂの温度より２℃超であることを表している。そして、上部伝熱管１５Ａを流れる液冷媒の流量が少ないことを示している。そこで、判定装置２１は、不等式を満足すると判定すると、ヘッダー側流量調整弁９の開度を増加する開度信号を流量調整弁開度コントローラ１０に送り（Ｓ２９）、Ｓ２８に戻る。

　一方、Ｓ２８において、不等式を満足しないと判定すると、｜Ｔ２－Ｔ１｜＜２℃の不等式を満足するかどうかを判定する（Ｓ３０）。この判定は、ヘッダー側流量調整弁９の開度が大きく、上部伝熱管１５Ａに液冷媒が多く流れることで、下部伝熱管１５Ｂに液冷媒が流れなくなることを防ぐために行う。そこで、｜Ｔ２－Ｔ１｜＜２℃の不等式を満足すると判定すると、ヘッダー側流量調整弁９の開度を減少する開度信号を流量調整弁開度コントローラ１０に送り（Ｓ３１）、Ｓ２８に戻る。｜Ｔ２－Ｔ１｜＜２℃の不等式を満足しないと判定すると、Ｓ２１に戻る。したがって、運転条件Ｃの場合には、－２℃≦Ｔ２－Ｔ１≦２℃となるように、ヘッダー側流量調整弁９の開度を調整する制御を行う。

実施の形態４．
　図１４は本発明の実施の形態４に係る冷凍サイクル装置を示す図である。図１４において、図１と同じ符号を付している機器などについては、実施の形態１において説明したことと同様の動作などを行う。図１４に示すように、本実施の形態の冷凍サイクル装置は、流出側ヘッダー４の冷媒流出口が流入側ヘッダー２の冷媒流入口よりも高い位置となるように室外熱交換器３を設置したものである。流出側ヘッダー４の冷媒流出口が流入側ヘッダー２の冷媒流入口よりも高く位置することで、液冷媒が上昇しやすくなる。ここで、流出側ヘッダー４における冷媒流出口の鉛直方向（高さ方向）位置が、流入側ヘッダー２のヘッダー冷媒流入口よりも高いほど液冷媒が上昇しやすくなるので、なおよい。

　図１５は本発明の実施の形態４に係る室外熱交換器３の概要を示す図である。図１５は流入側ヘッダー２と流出側ヘッダー４、両ヘッダーに連結された伝熱管１５とを表したものである。ここで、流入側ヘッダー２および流出側ヘッダー４の下端から最下段の伝熱管１５までの距離（高さ）をＬ１とする。また、最下段の伝熱管１５から最上段の伝熱管１５までの距離（高さ）をＬ２とする。そして、伝熱管１５の長さをＬ３とする。ここでＬ２＞Ｌ１である。

　液冷媒が流入側ヘッダー２のヘッダー上部まで到達しない場合、伝熱管１５の最下端パスＢにおいて液冷媒が多く流れる。このとき、流出側ヘッダー４の下端に冷媒流出口があると、最下端パスＢを通過する冷媒の経路はＡ→Ｂ→Ｃとなる。このとき、流路長はＬ１＋Ｌ３＋Ｌ１となる。一方、流出側ヘッダー４の上端に冷媒流出口があると、最下端パスＢを通過する冷媒の経路はＡ→Ｂ→Ｆとなる。このとき、流路長は約Ｌ１＋Ｌ３＋Ｌ２となる。流出側ヘッダー４の上端に冷媒流出口がある場合の方が冷媒の流路長が長く、その分、流動抵抗が大きくなって、液冷媒が流れにくくなる。このため、上部の伝熱管１５側に多く分配されることとなり、分配改善をはかることができる。

実施の形態５．
　図１６は本発明の実施の形態５に係る流入側ヘッダー２とヘッダーバイパス配管８との関係を示す図である。図１６では、伝熱管１５間のピッチＰよりも長い高さを有する空間を流入側ヘッダー２の終端部（流入側ヘッダー２において最上段の伝熱管１５よりも高い部分）に設け、流入側ヘッダー２の最上端においてヘッダーバイパス配管８と接続している。伝熱管１５間のピッチＰよりも長い空間を設けることで、この空間で気液二相冷媒が気液分離し、ガス冷媒がヘッダーバイパス配管８を通過するようになるため、ヘッダーバイパス配管８への液冷媒の流入を防ぐことができる。

　図１７は本発明の実施の形態５に係る流入側ヘッダー２とヘッダーバイパス配管８との関係の別例を示す図である。図１７では、ヘッダーバイパス配管８を流入側ヘッダー２の終端部に挿入し、流入側ヘッダー２内壁面よりも内部の空間に突き出すように設けている。液冷媒は管側壁に沿って流れやすい特性を活かし、液冷媒が流れにくい位置にヘッダーバイパス配管８の開口部分が位置するようにしたものである。ここで、流入側ヘッダー２の内径中心部まで突き出すようにすると、液冷媒が最も流れにくい位置に開口することとなるため、なおよい。

実施の形態６．
　図１８は本発明の実施の形態６に係る冷凍サイクル装置の構成を示す図である。図１８において図１と同じ符号を付している機器などについては、実施の形態１において説明したことと同様の動作などを行う。図１８に示すように、本実施の形態の冷凍サイクル装置は、内部熱交換器２６を備えることを特徴とするものである。内部熱交換器２６は、負荷機２００（負荷熱交換器１８）と膨張弁１６との間を接続する配管（負荷機下流配管２９）に流れる冷媒と、ヘッダーバイパス配管８に流れる低圧の冷媒とを熱交換させる。

　内部熱交換器２６を備えることで、ヘッダーバイパス配管８に液冷媒が混入した場合でも、冷媒が有する熱交換エネルギーを負荷機下流配管２９に流れる冷媒で回収することができる。このため、室外機１００における熱交換量の低下を防ぐことができる。また、負荷機下流配管２９に流れる冷媒を内部熱交換器２６で冷却することができる。このため、気液分離器１に流入する冷媒のガス冷媒を減らすことができ、気液分離器１の容器サイズを小型にすることができる。

実施の形態７．
　図１９は本発明の実施の形態７に係る冷凍サイクル装置の構成を示す図である。図１９において図１と同じ符号を付している機器などについては、実施の形態１において説明したことと同様の動作などを行う。図１９に示すように、本実施の形態の冷凍サイクル装置は、前述した実施の形態６の室外熱交換器３に、温度検出手段である上部側温度センサー２３および下部側温度センサー２４を、室外熱交換器３の上部および下部に少なくとも取り付けるようにしたものである。上部側温度センサー２３および下部側温度センサー２４を取り付ける位置、温度センサーの材料などについては、実施の形態３において説明したことと同様である。また、上部側温度センサー２３および下部側温度センサー２４の検出した温度に基づく気液分離器側流量調整弁６およびヘッダー側流量調整弁９の制御方法についても、実施の形態３において説明したことと同様である。

　上述した実施の形態１～５では、特に規定しなかったが、本発明に係る冷凍サイクル装置を、たとえば、ヒートポンプ装置など、給湯装置、冷凍装置などに適用することができる。

　１　気液分離器、２　流入側ヘッダー、３　室外熱交換器、３Ａ　熱交換部、４　流出側ヘッダー、５　気液分離器バイパス配管、６　気液分離器側流量調整弁、８　ヘッダーバイパス配管、９　ヘッダー側流量調整弁、１０　流量調整弁開度コントローラ、１１　圧縮機、１３　二相冷媒配管、１４　吸入側配管、１５　伝熱管、１５Ａ　上部伝熱管、１５Ｂ　下部伝熱管、１６　膨張弁、１７　流量調整弁開度コントローラ、１８　負荷熱交換器、１９　メモリー、２０　圧縮機周波数読み取り器、２１　判定装置、２２　制御基板、２３　上部側温度センサー、２４　下部側温度センサー、２５　温度読み取り器、２６　内部熱交換器、２９　負荷機下流配管、１００　室外機、２００　負荷機。

Claims (11)

1. 　吸入した冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、
   　前記冷媒に放熱させて前記冷媒を凝縮させる凝縮器と、
   　凝縮された前記冷媒を減圧させる減圧装置と、
   　減圧装置を通過した気体状の前記冷媒と液体状の前記冷媒に分離する気液分離器と、
   　前記冷媒に吸熱させて前記冷媒を蒸発させる複数の伝熱管および流入した前記冷媒を該伝熱管に分配する流入側ヘッダーとを少なくとも有する蒸発器と
   を配管接続して構成する冷媒回路の前記圧縮機、前記気液分離器および前記蒸発器となる室外熱交換器を少なくとも備え、
   　前記気液分離器が分離した前記気体状の冷媒を前記蒸発器をバイパスさせる気液分離器バイパス配管と、
   　該気液分離器バイパス配管を通過する前記冷媒の流量を調整する気液分離器側流量調整装置と、
   　前記流入側ヘッダーの冷媒流入側と反対側のヘッダー終端側において一端が前記流入側ヘッダーと接続され、前記流入側ヘッダーに流入した前記冷媒を吸引するヘッダーバイパス配管と、
   　該ヘッダーバイパス配管を通過する前記冷媒の流量を調整するヘッダー側流量調整装置と、
   　前記圧縮機の周波数から前記気液分離器側流量調整装置と前記ヘッダー側流量調整装置との開度を判定する判定装置と
   をさらに備える室外機。
2. 　周波数帯ｆ１＞周波数帯ｆ２＞周波数帯ｆ３を満足するように少なくとも３つの範囲に前記圧縮機の周波数帯を分けた場合に、
   　前記判定装置は、
   　前記圧縮機の周波数が、前記周波数帯ｆ１の範囲内にあるときは、前記気液分離器側流量調整装置を開き、前記ヘッダー側流量調整装置を閉じると判定し、
   　前記圧縮機の周波数が、前記周波数帯ｆ２の範囲内にあるときは、前記気液分離器側流量調整装置および前記ヘッダー側流量調整装置を閉じると判定し、
   　前記圧縮機の周波数が、前記周波数帯ｆ３の範囲内にあるときは、前記気液分離器側流量調整装置を閉じ、前記ヘッダー側流量調整装置を開くと判定する請求項１に記載の室外機。
3. 　前記複数の伝熱管のうち、一部の前記伝熱管を、前記ヘッダーバイパス配管の一部とする請求項１または請求項２に記載の室外機。
4. 　前記流入側ヘッダーの前記冷媒流入側の前記伝熱管と前記ヘッダー終端側の前記伝熱管とに少なくとも取り付けられ、それぞれ取り付けられた位置の温度を検出する温度検出手段をさらに備え、
   　前記冷媒流入側の前記伝熱管の検出温度をＴ１とし、前記ヘッダー終端側の前記伝熱管の検出温度をＴ２とした場合に、
   　前記判定装置は、
   　前記圧縮機の周波数が、前記周波数帯ｆ１の範囲内にあるとき、Ｔ２－Ｔ１＞２℃である場合には、前記気液分離器側流量調整装置の開度を減少させると判定し、Ｔ２－Ｔ１＜－２℃である場合には、前記気液分離器側流量調整装置の開度を増加させると判定し、
   　前記圧縮機の周波数が、前記周波数帯ｆ３の範囲内にあるとき、Ｔ２－Ｔ１＞２℃である場合には、前記ヘッダー側流量調整装置の開度を増加させると判定し、Ｔ２－Ｔ１＜－２℃である場合には、前記気液分離器側流量調整装置の開度を増加させると判定する請求項２または請求項３に記載の室外機。
5. 　前記複数の伝熱管を通過した前記冷媒を合流させて流出させる流出側ヘッダーの冷媒流出口が、前記流入側ヘッダーの冷媒流入口の位置よりも高い位置にあることを特徴とする請求項１～請求項４のいずれか一項に記載の室外機。
6. 　前記ヘッダーバイパス配管を前記液体状の冷媒が通過しない構造とすることを特徴とする請求項１～請求項５のいずれか一項に記載の室外機。
7. 　前記冷媒流入側から最も遠い位置にある前記伝熱管と前記流入側ヘッダーの最終端部分の間の距離が、前記伝熱管間の距離よりも長い構造とすることを特徴とする請求項６に記載の室外機。
8. 　前記ヘッダーバイパス配管の前記一端を前記流入側ヘッダーに突出させて、前記流入側ヘッダーと接続される構造とすることを特徴とする請求項６に記載の室外機。
9. 　請求項１～８のいずれか一項に記載の室外機と、
   　冷媒に放熱させて前記冷媒を凝縮させる凝縮器となる負荷熱交換器を有する負荷機と
   を配管接続して冷媒回路を構成することを特徴とする冷凍サイクル装置。
10. 　前記負荷熱交換器と減圧装置とを接続する配管と、前記ヘッダーバイパス配管との間に内部熱交換器を備え、
    　該内部熱交換器は、前記負荷熱交換器側から前記減圧装置側に流れる前記冷媒と前記ヘッダーバイパス配管を流れる前記冷媒とを熱交換する請求項９に記載の冷凍サイクル装置。
11. 　空気調和装置または冷凍装置である請求項９または請求項１０に記載の冷凍サイクル装置。

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