WO2022230034A1

WO2022230034A1 - 空気調和装置

Info

Publication number: WO2022230034A1
Application number: PCT/JP2021/016709
Authority: WO
Inventors: 正典佐藤
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2021-04-27
Filing date: 2021-04-27
Publication date: 2022-11-03
Also published as: EP4332466A4; EP4332466A1; JPWO2022230034A1

Abstract

空気調和装置（１０００）は、少なくとも圧縮機（２００）、凝縮器（２１０）、膨張弁（２３０）、および蒸発器（１１０）を含み、冷媒が循環する冷媒回路（５００）と、凝縮器（２１０）を通過した冷媒と圧縮機（２００）に吸入される冷媒とを熱交換させる熱交換器（２５０）と、熱交換器（２５０）を冷却するための熱媒体を熱交換器に供給する量を調整する流量調整装置（４２０）と、熱媒体の温度を検出する温度センサ（４１１）と、温度センサ（４１１）の出力に応じて流量調整装置（４２０）を制御する制御装置（１００）とを備える。

Description

空気調和装置

　本開示は、空気調和装置に関する。

　欧州の冷媒規制等の要求により、空気調和装置の冷凍サイクルに使用される冷媒にも地球温暖化係数（GWP：Global　Warming　Potential）の低い冷媒を用いることが求められてきている。特開２００９－１６２４０３号公報（特許文献１）では、ＧＷＰの低いＨＣ冷媒、即ちプロパン（Ｒ２９０）またはイソブタンを冷媒回路の冷媒として用いた空気調和装置を開示する。この空気調和装置では、効率を上げるために内部熱交換器を使用している。

特開２００９－１６２４０３号公報

　しかしながら、内部熱交換器を用いると圧縮機に吸入される冷媒の密度が減少してしまう。このため、内部熱交換器を設けても、冷凍サイクルの性能が十分に向上しない場合も考えられる。また、内部熱交換器での熱交換量を大きくしようとすると、内部熱交換内での高温冷媒と低温冷媒の熱交換が進むに連れ、冷媒間の温度差が小さくなるため、熱交換効率が悪くなる。このため、内部熱交換器の熱交換する冷媒流路長を長くする必要があり、内部熱交換器が過剰に大きくなるといった課題があった。

　本開示は、上記のような課題を解決するためになされたものであって、内部熱交換器のサイズを小さく保ちつつ、内部熱交換器を使用した冷凍サイクルのさらなる性能向上を実現できる空気調和装置を開示することを目的とする。

　本開示は、空気調和装置に関する。空気調和装置は、少なくとも圧縮機、凝縮器、膨張弁、および蒸発器を含み、冷媒が循環する冷媒回路と、凝縮器を通過した冷媒と圧縮機に吸入される冷媒とを熱交換させる熱交換器と、熱交換器を冷却するための熱媒体を熱交換器に供給する量を調整する流量調整装置と、熱媒体の温度を検出する温度センサと、温度センサの出力に応じて流量調整装置を制御する制御装置とを備える。

　本開示の空気調和装置は、圧縮機の吸入冷媒の密度を低下させることなく、蒸発器のエンタルピー差拡大による効果を得ることが可能になる。これによって、内部熱交換器を使用した冷凍サイクルでさらなる性能向上が可能となる。

実施の形態１に係る空気調和装置１０００の構成を示す図である。検討例の空気調和装置２０００の構成を示す図である。検討例の構成において、Ｒ２９０冷媒を用いた冷凍サイクルの内部熱交換器なしの場合のＰＨ線図である。検討例の構成において、Ｒ２９０冷媒を用いた冷凍サイクルの内部熱交換器ありの場合のＰＨ線図である。実施の形態１の構成において、Ｒ２９０冷媒を用いた冷凍サイクルの内部熱交換器ありの場合のＰＨ線図である。内部熱交換器２５０の外観を示す斜視図である。図６の断面Ｆにおける内部熱交換器２５０の断面図である。冷房時の流量調整装置４２０の制御を説明するためのフローチャートである。冷房時の膨張弁２３０の制御を説明するためのフローチャートである。暖房時に使用するセンサが追加された空気調和装置１００１の構成を示す図である。暖房時の流量調整装置４２０の制御を説明するためのフローチャートである。実施の形態２に係る空気調和装置１００２の構成を示す図である。

　以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。以下では、複数の実施の形態について説明するが、各実施の形態で説明された構成を適宜組み合わせることは出願当初から予定されている。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。なお、以下の図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、実施の形態１に係る空気調和装置１０００の構成を示す図である。図１に示す空気調和装置１０００は、冷媒回路５００と、内部熱交換器２５０と、流量調整装置４２０と、制御装置１００とを備える。

　冷媒回路５００は、少なくとも圧縮機２００、室外熱交換器２１０、膨張弁２３０、および室内熱交換器１１０を含み、冷媒が循環するように構成される。冷媒は、たとえば、Ｒ２９０を使用する。図１の例では、冷媒回路５００は、圧縮機２００、室外熱交換器２１０、室外送風機２２０、膨張弁２３０、四方弁２４０、室内熱交換器１１０、室内送風機１２０によって構成される。四方弁２４０は、ポートＰ１～Ｐ４を有する。膨張弁２３０としては、たとえば電子膨張弁（LEV：Linear　Expansion　Valve）を用いることができる。

　圧縮機２００は、制御装置１００から受ける制御信号によって運転周波数を変更するように構成される。具体的には、圧縮機２００は、インバータ制御された回転速度が可変の駆動モータを内蔵しており、運転周波数が変更されると駆動モータの回転速度が変化する。圧縮機２００の運転周波数を変更することにより圧縮機２００の出力が調整される。圧縮機２００には種々のタイプ、たとえば、ロータリータイプ、往復タイプ、スクロールタイプ、スクリュータイプ等のものを採用することができる。

　四方弁２４０は、制御装置１００から受ける制御信号によって冷房運転状態および暖房運転状態のいずれかになるように制御される。冷房運転状態は、破線で示すように、ポートＰ１とポートＰ４とが連通し、ポートＰ２とポートＰ３とが連通する状態である。暖房運転状態は、実線で示すように、ポートＰ１とポートＰ３とが連通し、ポートＰ２とポートＰ４とが連通する状態である。冷房運転状態で圧縮機２００を運転することによって、破線矢印に示す向きに冷媒が冷媒回路中を循環する。また、暖房運転状態で圧縮機２００を運転することによって、実線矢印に示す向きに冷媒が冷媒回路中を循環する。

　内部熱交換器２５０は、冷房時において、凝縮器（室外熱交換器２１０）を通過した高圧高温の冷媒と圧縮機２００が吸入する低圧低温の冷媒とを熱交換させる。内部熱交換器２５０は、加えて、流路４１０から搬送される外部の冷却用の熱媒体との熱交換も行なうように構成される。ここでは、冷却用の熱媒体を水とする。水は、たとえば、内部熱交換器２５０を通過した後にクーリングタワーなどで冷却された後に流路４１０から再供給されるように循環させても良い。また、蒸発器からのドレン水、水道水、地下水などを循環させずに流すようにしてもよい。なお、熱媒体によって内部熱交換器が冷却できれば良く、必ずしも内部に熱媒体を通過させる流路を設けなくても良い。たとえば、外部から散水して内部熱交換器２５０を冷却しても良い。

　流量調整装置４２０は、内部熱交換器２５０を冷却するための水などの熱媒体を内部熱交換器２５０に供給する量を調整する。流量調整装置４２０としては、たとえば制御信号に応じて開度が０～１００％まで変化する制御弁などを用いることができる。

　空気調和装置１０００は、温度センサ２６０～２６３、４１１をさらに含む。温度センサ２６０は、圧縮機２００の吸入配管に配置され、冷媒の吸入温度Ｔ２６０を計測する。温度センサ２６１は、室外熱交換器２１０と内部熱交換器２５０とを接続する配管に配置され、冷媒温度Ｔ２６１を計測する。温度センサ２６２は、室内熱交換器１１０に配置され、冷房時は蒸発温度、暖房時は凝縮温度となる冷媒温度Ｔ２６２を計測する。温度センサ２６３は、室内熱交換器１１０と四方弁２４０のポートＰ３とを接続する配管に配置され、冷媒の温度Ｔ２６３を計測する。

　温度センサ４１１は、水などの熱媒体の温度Ｔ４１１を検出する。水温が、温度センサ２６１で取得される高圧冷媒の内部熱交換器２５０の入口温度より低い温度であれば、水によって冷却することが可能なため、内部熱交換器２５０の高圧冷媒の出口温度を低下させることができる。

　制御装置１００は、温度センサ４１１の出力に応じて流量調整装置４２０を制御するように構成される。また、制御装置１００は、蒸発器出口部の冷媒のＳＨ（スーパーヒート：加熱度）を調整するように膨張弁２３０の開度を制御する。

　制御装置１００は、ＣＰＵ（Central　Processing　Unit）１０１と、メモリ１０２（ＲＯＭ（Read　Only　Memory）およびＲＡＭ（Random　Access　Memory））と、入出力バッファ（図示せず）等を含んで構成される。ＣＰＵ１０１は、ＲＯＭに格納されているプログラムをＲＡＭ等に展開して実行する。ＲＯＭに格納されるプログラムは、制御装置１００の処理手順が記されたプログラムである。制御装置１００は、これらのプログラムに従って、空気調和装置１０００における各機器の制御を実行する。この制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア（電子回路）で処理することも可能である。

　図２は、検討例の空気調和装置２０００の構成を示す図である。図１の空気調和装置１０００は、水で冷却可能な内部熱交換器２５０を備えていたが、これに代えて空気調和装置２０００は、一般的な内部熱交換器５５０を備える。図２に示す内部熱交換器５５０は、冷房時に室外熱交換器２１０の出口から流出した高温高圧の冷媒と圧縮機２００に吸入される低温低圧の冷媒との間で熱交換をする。

　このような内部熱交換器の違いにより、ＰＨ線図がどのように変化するかを以下図３～図５を用いて説明する。

　図３は、検討例の構成において、Ｒ２９０冷媒を用いた冷凍サイクルの内部熱交換器なしの場合のＰＨ線図である。図４は、検討例の構成において、Ｒ２９０冷媒を用いた冷凍サイクルの内部熱交換器ありの場合のＰＨ線図である。図５は、実施の形態１の構成において、Ｒ２９０冷媒を用いた冷凍サイクルの内部熱交換器ありの場合のＰＨ線図である。

　図３に示した内部熱交換器なしの結果は、吸入過熱度（ＳＨ）５ｄｅｇ、過冷却度（ＳＣ）５ｄｅｇ、蒸発温度（ＥＴ）１７℃、凝縮温度（ＣＴ）４０℃、圧縮機効率は１として計算した。一方、図４に示した内部熱交換器ありの結果は、蒸発器出口の低温低圧冷媒が、内部熱交換器５５０によって凝縮器出口の高温高圧冷媒と熱交換した結果１０℃上昇するとして計算した結果である。

　ここで、Ｒ２９０冷媒を用いた冷凍サイクルに内部熱交換器５５０を使用することで冷凍サイクルの性能が向上する理由を説明する。図３、図４を比較すると、内部熱交換器５５０を使用すると蒸発器の入口と出口のエンタルピー差がΔｈ［ｋＪ／ｋｇ］だけ増加することが分かる。実際、図３では蒸発器のエンタルピー差Δｈｅ＝ｈ（Ａ１）－ｈ（Ｄ１）＝３０９．７に対し、図４では、蒸発器のエンタルピー差Δｈｅ＝ｈ（Ａ２）－ｈ（Ｄ２）＝３２８．８と内部熱交換器での熱交換量Δｈ＝１９．１（６．２％）だけ蒸発器のエンタルピー差Δｈｅが増加している。

　一方、吸入密度ρｓ［ｋｇ／ｍ^３］は、ρｓ（内部熱交換器なし）＝１６．２２に対し、ρｓ（内部熱交換器あり）＝１５．３８とΔρ＝０．８４（５．２％）減少する。能力Ｑは、循環流量Ｇｒを用いて、Ｑ＝ＧｒΔｈｅ（∝ρｓΔｈｅ）と表わされる。したがって、内部熱交換器を使用することによって、蒸発器エンタルピー差Δｈｅの増加分が吸入密度ρｓの減少分よりも大きく作用すれば、能力Ｑを増加できることが分かる。

　能力Ｑが増加すれば、空調機器のＣＯＰが増加する。実際、Ｒ２９０冷媒では、上記で説明したように、蒸発器エンタルピー差Δｈｅの増加分が吸入密度ρｓの減少分よりも大きく作用するため、内部熱交換器を用いることで空調機器のＣＯＰを向上させることが可能である。

　しかしながら、内部熱交換器５５０を用いると、圧縮機吸入点が等温線を横切るように右にずれガス温度が上昇し吸入密度が減少してしまう。このため、蒸発器エンタルピー差拡大による効果を最大限享受できるわけではない。たとえば、Ｒ３２，Ｒ４１０などの冷媒の場合は、吸入密度の減少と蒸発器のエンタルピー差の増加とが相殺し合うので、内部熱交換器の効果は得られない。また、内部熱交換器での熱交換量を大きくしようとすると、内部熱交換内での高温冷媒と低温冷媒の熱交換が進むに連れ、冷媒間の温度差が小さくなるため、熱交換効率が悪くなる。このため、内部熱交換器の熱交換する冷媒流路長を長くする必要があり、内部熱交換器が過剰に大きくなってしまう。

　本実施の形態の冷媒回路のＰＨ線図を図４と同じ条件（蒸発温度１７℃、凝縮温度４０℃、蒸発器過熱度５deg、過冷却度５deg、圧縮機効率１）で計算すると、図５のようになる。なお、外部からの冷却源である水の温度は２２℃として計算した。

　図５に示した例では、内部熱交換器２５０の高圧側冷媒出口のエンタルピーが、通常の内部熱交換器５５０を使用した場合よりも小さくなり、蒸発器エンタルピー差がｈ（Ｄ３）－ｈ（Ａ３）に拡大している。拡大した理由は、通常の内部熱交換器５５０の高圧出口の冷媒温度が２８．２℃であるのに対し、本実施の形態では、外部からの冷却源の温度が２２℃であるため、その温度（２２℃）まで内部熱交換器２５０の高圧出口の冷媒温度が低下するためである。

　吸入密度ρｓに関しては、通常の内部熱交換器５５０を使用した場合は、先に説明した通りρｓ＝１５．４ｋｇ／ｍ^３であるのに対し、内部熱交換器２５０を使用した場合には、吸入温度も２２℃まで低下するため、ρｓ＝１６．２ｋｇ／ｍ^３まで上昇する。

　なお、図５では、Ａ３点付近における低圧側の熱交換がないように見えるが、内部熱交換器２５０の低圧側の入口温度が２２℃であるのに対し、外部からの冷却源の温度が２２℃なので、低圧側の出口温度も２２℃まで低下するため、ＰＨ線図上では変化がないように見える。ただし、実際には、内部熱交換器２５０内で低圧冷媒は、高圧冷媒によって加熱されているとともに、外部からの冷却源によって冷却されているため、熱交換は行なわれている。

　以上説明したように、図１に示した構成では、蒸発器入口における比エンタルピーを小さくして、蒸発器におけるエンタルピー差Δｈｅを大きくし、ＣＯＰを向上させることが可能である。より好ましくは、温度センサ２６０で取得される圧縮機２００の吸入温度より水の温度が低い場合に、内部熱交換器２５０における水を用いた熱交換を実行させる。このようにすることで、蒸発器エンタルピー差拡大の効果に加え、外部の冷却媒体を使用しない内部熱交換器５５０を用いる場合よりも圧縮機２００の吸入密度を増加させることができ、さらにＣＯＰを向上させることが可能である。また、水の温度が高圧冷媒の内部熱交換器２５０の入口温度より高い温度である場合には、内部熱交換器２５０に水を送らないようにすることがより好ましい。

　図６は、内部熱交換器２５０の外観を示す斜視図である。図７は、図６の断面Ｆにおける内部熱交換器２５０の断面図である。図６、図７に示す内部熱交換器２５０は、内管２５１、中管２５２、外管２５３を備える３重管の構造を有する。内管２５１は、圧縮機２００の吸入部に戻る低圧冷媒が流れる流路Ｒ１となる。中管２５２は、室外熱交換器２１０の出口から流出した高圧冷媒が流れる流路Ｒ２となる。外管２５３は、流路４１０を通って外部から搬送される水が流れる流路Ｒ３となる。図７の矢印に示すように、流路Ｒ１に流れる冷媒と、流路Ｒ２に流れる冷媒とは対向流の関係となり、流路Ｒ２に流れる冷媒と、流路Ｒ３に流れる水とも対向流の関係となる。

　以下、図６，図７に示すように内部熱交換器２５０を構成した理由を説明する。内部熱交換器２５０に流入する水の温度は、内部熱交換器２５０の入口の高圧冷媒の温度より低いため、室外熱交換器２１０の出口から流出した高圧冷媒の温度が内部熱交換器２５０を通過する流体の中で最も高い温度となる。そのため、中管２５２に高圧冷媒を流すことで、内管２５１に流れる低圧冷媒と外管２５３に流れる水の両方と高圧冷媒とが熱交換できるので効率的である。

　なお、水を内管２５１に流し、外管２５３に低圧冷媒を流してもよいが、水を外管２５３に流す方が以下のような利点がある。

　たとえば、仮に外管２５３の外周に亀裂が入った場合、内部熱交換器２５０の外部に漏れるのが水になるため、外管２５３に冷媒が流れていた場合よりも問題が少ない。特に、冷媒に可燃性冷媒が使用されていた際は、可燃性冷媒が外部に放出されることを防ぐことができる。また、フロン系冷媒が使用されていた場合は、外部に冷媒が漏洩しにくいので、地球温暖化への影響を抑制することができる。

　本実施の形態では、内部熱交換器２５０は流路４１０を備え、流路４１０を流れる冷却媒体は水とし、内部熱交換器２５０は３重管とした。なお、冷却媒体は水でなくても良い。また、内部熱交換器２５０は、３重管でなくてもよく、水等の冷却媒体を流す流路を形成しなくてもよい。たとえば内部熱交換器２５０を２重管とし、上から散水して内部熱交換器２５０を冷却してもよい。また、内部熱交換器２５０は、冷房時に作用ように設置しているが、暖房時に作用するように設置しても問題ない。

　図１には、暖房時の冷媒の流れが実線矢印で示され、冷房時の冷媒の流れが破線矢印で示されている。制御装置１００は、通常の空気調和装置と同じように、室内温度が目標（設定）温度になるように圧縮機２００の周波数を変更する。また、制御装置１００は、冷房時に流量調整装置４２０を以下のように制御する。

　図８は、冷房時の流量調整装置４２０の制御を説明するためのフローチャートである。まず、ステップＳ１１において、制御装置１００は、温度センサ２６１から室外熱交換器２１０の出口冷媒温度Ｔ２６１を取得し、温度センサ４１１から水の温度Ｔ４１１を取得する。ステップＳ１２において、制御装置１００は、温度センサ２６１から取得した温度Ｔ２６１が温度センサ４１１から取得した温度Ｔ４１１より高いか否かを判断する。

　Ｔ２６１＞Ｔ４１１が成立しない場合（Ｓ１２でＮＯ）、水の温度の方が高く水を内部熱交換器２５０の冷却に使用できないため、制御装置１００は、ステップＳ１３で、流量調整装置４２０を全閉に制御し、内部熱交換器２５０に水を流さないようにする。一方、Ｔ２６１＞Ｔ４１１が成立した場合（Ｓ１２でＹＥＳ）、制御装置１００は、ステップＳ１４で流量調整装置４２０を全開に制御する。

　次に、ステップＳ１５において、制御装置１００は、吸入冷媒の過熱度（以下、吸入ＳＨ）が判定値α（＞０）より小さいかを判断する。吸入ＳＨは、温度センサ２６０で取得された吸入温度から温度センサ２６２で取得された蒸発温度を引くことで計算される。ここで、判定値αは、圧縮機２００の吸入冷媒が十分にガス化されていると判断できる値、たとえば５Ｋに設定する。

　吸入ＳＨ＞＝αである場合（Ｓ１５でＮＯ）、圧縮機２００の吸入冷媒が十分にガス化されていると判断できるため、制御装置１００は、図８のフローチャートから抜ける。一方、ＳＨ＜αである場合（Ｓ１５でＹＥＳ）、圧縮機２００の吸入冷媒が十分にガス化されていると判断できない、つまり液冷媒が圧縮機２００に吸入されるおそれがあるため、制御装置１００は、ステップＳ１６において流量調整装置４２０を一定開度だけ閉める。このように水の流量を減少させ、熱交換量を低下させることによって、吸入ＳＨの値を増加させることができる。その後、ステップＳ１５の処理が再び実行される。

　なお、本実施の形態では、流量調整装置４２０を使用して内部熱交換器２５０への水の流量を調整したが、ポンプを用いて水の流量を制御してもよい。

　続いて、冷房時の膨張弁２３０の制御について説明する。図９は、冷房時の膨張弁２３０の制御を説明するためのフローチャートである。

　まず、ステップＳ２１において制御装置１００は、蒸発器の出口部分における冷媒の過熱度（以下、蒸発器出口ＳＨ）が判定値β（＞＝０）より小さいか否かを判断する。蒸発器出口ＳＨは、温度センサ２６３で取得された蒸発器出口温度Ｔ２６３から温度センサ２６２で取得された蒸発温度Ｔ２６２を引くことによって計算される。ここで、判定値βは判定値αより小さい値とする。たとえば、判定値αが５Ｋであるとき、判定値βは２Ｋに設定する。判定値βを判定値αより小さくする理由は、蒸発器は気液２相で使用すると熱交換効率がよいため、ガス冷媒が極力少なくするように蒸発器中の冷媒の状態を制御したいからである。

　蒸発器出口ＳＨ＞＝βである場合（Ｓ２１でＮＯ）、蒸発器出口の冷媒がガス化されていると判断できるため、制御装置１００は、ステップＳ２２で、膨張弁２３０の開度を一定値開ける。これにより、蒸発器出口ＳＨの値を減少させることができる。その後、ステップＳ２１の処理が再び実行される。

　一方、蒸発器出口ＳＨ＜βである場合（Ｓ２１でＹＥＳ）、蒸発器出口の冷媒がガス化されていない（蒸発器を効率良く使えている）と判断されるので、制御装置１００は、ステップＳ２３で流量調整装置４２０が全閉かどうかを判断する。

　流量調整装置４２０が全閉でない場合（Ｓ２３でＮＯ）は、図８のステップＳ１５，Ｓ１６に示されたように流量調整装置４２０によって吸入ＳＨが適切な値に制御されるため、制御装置１００は、図９のフローチャートの処理から一旦抜ける。一方、流量調整装置４２０が全閉である場合（Ｓ２３でＹＥＳ）、内部熱交換器２５０では、外部から供給される水との熱交換が行なわれないため、蒸発器出口ＳＨ≒吸入ＳＨとなる。すると、吸入ＳＨ≒β（＜α）となり、圧縮機２００の吸入冷媒が適切に加熱されていない状態になる。そのため、制御装置１００は、ステップＳ２４において、膨張弁２３０の開度を一定値だけ閉めることによって吸入ＳＨの値を増加させ、その後、ステップＳ２５の判定処理を実行する。

　制御装置１００は、ステップＳ２５において、吸入ＳＨが判定値α（＞０）より小さいか否かを判断する。吸入ＳＨ＞＝αである場合（Ｓ２５でＮＯ）、圧縮機２００の吸入冷媒が十分にガス化されていると判断できるため、制御装置１００は、図９のフローチャートの処理から一旦抜ける。一方、吸入ＳＨ＜αである場合（Ｓ２５でＹＥＳ）、圧縮機２００の吸入冷媒が十分にガス化されていると判断できない、つまり液冷媒が圧縮機２００に吸入されるおそれがあるため、制御装置１００は、ステップＳ２６において膨張弁２３０の開度を一定値だけ閉める。このように膨張弁２３０の開度を制御することによって、吸入ＳＨの値を増加させることができる。その後、ステップＳ２５の処理が再び実行される。

　以上、冷房時の流量調整装置４２０と膨張弁２３０の制御フローについて説明した。
　暖房時は、流量調整装置４２０を全閉とし、通常の空気調和装置と同様に制御してもよいが、以下のように流量調整装置４２０を制御しても良い。

　図１０は、暖房時に使用するセンサが追加された空気調和装置１００１の構成を示す図である。図１１は、暖房時の流量調整装置４２０の制御を説明するためのフローチャートである。

　まず、ステップＳ３１において、制御装置１００は、温度センサ２６４から内部熱交換器２５０の入口冷媒温度Ｔ２６４を取得し、温度センサ４１１から水の温度Ｔ４１１を取得する。ステップＳ３２において、制御装置１００は、温度センサ２６４から取得した温度Ｔ２６４が温度センサ４１１から取得した温度Ｔ４１１より高いか否かを判断する。

　Ｔ２６４＞Ｔ４１１が成立しない場合（Ｓ３２でＮＯ）、水の温度の方が高く内部熱交換器２５０の冷却に使用できないため、制御装置１００は、ステップＳ３３で、流量調整装置４２０を全閉に制御し、内部熱交換器２５０に水を流さないようにする。一方、Ｔ２６４＞Ｔ４１１が成立した場合（Ｓ３２でＹＥＳ）、制御装置１００は、ステップＳ３４で流量調整装置４２０を全開に制御する。

　次に、ステップＳ３５において、制御装置１００は、吸入冷媒の過熱度（吸入ＳＨ）が判定値α（＞０）より小さいかを判断する。吸入ＳＨは、温度センサ２６０で取得された吸入温度から温度センサ２６５で取得された蒸発温度を引くことによって計算される。ここで、判定値αは、圧縮機２００の吸入冷媒が十分にガス化されていると判断できる値、たとえば５Ｋに設定する。

　吸入ＳＨ＞＝αである場合（Ｓ３５でＮＯ）、圧縮機２００の吸入冷媒が十分にガス化されていると判断できるため、制御装置１００は、図１１のフローチャートから一旦抜ける。一方、ＳＨ＜αである場合（Ｓ３５でＹＥＳ）、圧縮機２００の吸入冷媒が十分にガス化されていると判断できない、つまり液冷媒が圧縮機２００に吸入されるおそれがあるため、制御装置１００は、ステップＳ３６において流量調整装置４２０を一定開度だけ閉める。このように水の流量を減少させ、熱交換量を低下させることによって、吸入ＳＨの値を増加させることができる。その後、ステップＳ３５の処理が再び実行される。

　なお、暖房時においても、流量調整装置４２０に代えて、ポンプを用いて水の流量を制御してもよい。

　暖房時の膨張弁２３０の制御については、図９に示した冷房時と同じ処理を実行すれば良い。ただし、蒸発器出口ＳＨは、温度センサ２６６の値から温度センサ２６５の値を引くことによって計算する。

　以上説明したように、実施の形態１の空気調和装置によれば、冷媒にＲ２９０を用い、内部熱交換器を使用した空気調和装置の成績係数ＣＯＰを向上させることができる。また冷媒は、Ｒ２９０を用いる場合に最も効果があるが、冷媒にＲ３２またはＲ４１０を使用する場合でも、図２に示した場合とは吸入密度が変わるので、内部熱交換器による効果が得られるようになり、ＣＯＰを改善することが可能となる。

　また、暖房時に内部熱交換器２５０を使用する場合も、冷房時と同様に蒸発器エンタルピー差が拡大し、性能向上が期待できる。

　実施の形態２．
　実施の形態１で説明した図１の構成では、冷凍サイクルの冷却源が常に使用できる状況にない場合も考慮し、室外熱交換器２１０を空気熱交換器とした。たとえば、水道水などでは断水などで使えない場合などがある。したがって、冷凍サイクルとして必ず機能させるためには、室外熱交換器２１０の熱交換対象をいつでも利用できる外気とすることが適切である。また、室外熱交換器２１０を水―冷媒熱交換器とするには水配管を引き回す必要もあり、シンプルな構成とするため図１のように構成した。

　しかし、安定して冷却源を確保できる場合には、室外熱交換器を小さくする方が良い場合もある。図１２は、実施の形態２に係る空気調和装置１００２の構成を示す図である。

　図１に示した構成との差異のみ説明する。図１２に示す空気調和装置１００２では、図１の室外熱交換器２１０が熱交換器２７０に変更された。熱交換器２７０は、室外熱交換器２１０と異なり、外部からの冷却源である水と熱交換するように構成される。水は、クーリングタワーなどで循環させ冷却された後に給水管から再供給される。熱交換器２７０は、たとえばプレート熱交換器とする。また、熱交換器２７０と内部熱交換器２５０で使用される水は、同じ給水管から供給される。

　なお、流量調整装置４２０および膨張弁２３０の制御については、実施の形態１と同様であるため、説明は繰り返さない。

　実施の形態２の空気調和装置１００２は、実施の形態１と同様な効果が得られることに加え、実施の形態１に示した構成に比べ水による熱交換量が増加するため、水の戻りの温度が高くなり給湯等に使用できる。また、室外熱交換器がプレート熱交換器２７０になったことで、熱交換性能が向上するため実施の形態１と比べると熱交換器を小型化できる。

　（補足）
　以上説明した実施の形態１、２では、四方弁を備えた冷媒回路としたが、四方弁がない冷房専用の空気調和装置に、内部熱交換器２５０を用いてもよい。

　また、実施の形態１、２では、冷媒回路を循環する冷媒として、Ｒ２９０冷媒を用いる例で説明したが、Ｒ３２，Ｒ４１０などの他の冷媒を用いてもよい。たとえばＲ３２冷媒では、図２の検討例に示した内部熱交換器５５０では蒸発器におけるエンタルピー差拡大の影響と吸入冷媒の密度低下の影響が相殺し合うため、導入するメリットがない。これに比べて図１に示した内部熱交換器２５０は外部冷却源を使用し吸入冷媒の密度低下を抑制できるので、Ｒ３２冷媒を使用する場合でも空気調和装置の性能を向上させることができる。

　（まとめ）
　以下に、本実施の形態について再び図面を参照しながら総括する。なお、括弧内については、冷房時に該当するユニットを記載している。

　図１に示す空気調和装置１０００は、少なくとも圧縮機２００、凝縮器（室外熱交換器２１０）、膨張弁２３０、および蒸発器（室内熱交換器１１０）を含み、冷媒が循環する冷媒回路５００と、凝縮器（室外熱交換器２１０）を通過した冷媒と圧縮機２００に吸入される冷媒とを熱交換させる内部熱交換器２５０と、内部熱交換器２５０を冷却するための熱媒体を内部熱交換器に供給する量を調整する流量調整装置４２０と、熱媒体の温度を検出する温度センサ４１１と、温度センサ４１１の出力に応じて流量調整装置４２０を制御する制御装置１００とを備える。

　好ましくは、制御装置１００は、凝縮器（室外熱交換器２１０）を通過した冷媒の温度Ｔ２６１よりも熱媒体の温度Ｔ４１１が低い場合に、熱媒体が内部熱交換器２５０に供給されるように流量調整装置４２０を制御する。

　好ましくは、制御装置１００は、圧縮機２００に吸入される冷媒の温度Ｔ２６０よりも熱媒体の温度Ｔ４１１が低い場合に、熱媒体が内部熱交換器２５０に供給されるように流量調整装置４２０を制御する。

　好ましくは、制御装置１００は、凝縮器（室外熱交換器２１０）を通過した冷媒の温度Ｔ２６１よりも熱媒体の温度Ｔ４１１が高い場合には、熱媒体が内部熱交換器２５０に供給されないように流量調整装置４２０を制御する。

　好ましくは、図６、図７に示すように、内部熱交換器２５０は、圧縮機２００に吸入される冷媒が通過する第１流路Ｒ１と、凝縮器（室外熱交換器２１０）を通過した冷媒が通過する第２流路Ｒ２と、熱媒体が通過する第３流路Ｒ３とを備える。第１流路Ｒ１を通過する冷媒と第２流路Ｒ２を通過する冷媒とは、対向流の関係にあり、第２流路Ｒ２を通過する冷媒と第３流路Ｒ３を通過する熱媒体とは、対向流の関係にある。

　好ましくは、図６、図７に示すように、内部熱交換器２５０は、圧縮機２００に吸入される冷媒が通過する第１流路Ｒ１と、凝縮器（室外熱交換器２１０）を通過した冷媒が通過する第２流路Ｒ２と、熱媒体が通過する第３流路Ｒ３とを備える。第２流路Ｒ２と第３流路Ｒ３は、熱交換するように隣接して配置される。

　より好ましくは、図６、図７に示すように、内部熱交換器２５０は、内側から外側に向けて内管２５１、中管２５２、外管２５３が順に配置された３重管式熱交換器である。内管２５１は、第１流路Ｒ１である。中管２５２と内管２５１との間に、第２流路Ｒ２が形成される。中管２５２と外管２５３との間に、第３流路Ｒ３が形成される。

　好ましくは、図１２に示すように、凝縮器（熱交換器２７０）は、熱媒体と冷媒とが熱交換するように構成される。

　好ましくは、冷媒は、プロパンである。
　今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

　１００　制御装置、１０１　ＣＰＵ、１０２　メモリ、１１０，２１０，２５０，２７０，５５０　熱交換器、１２０　室内送風機、２００　圧縮機、２２０　室外送風機、２３０　膨張弁、２４０　四方弁、２５１　内管、２５２　中管、２５３　外管、２６０～２６６，４１１　温度センサ、４１０，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３　流路、４２０　流量調整装置、５００　冷媒回路、１０００，１００１，１００２，２０００　空気調和装置、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４　ポート。

Claims

　少なくとも圧縮機、凝縮器、膨張弁、および蒸発器を含み、冷媒が循環する冷媒回路と、
　前記凝縮器を通過した前記冷媒と前記圧縮機に吸入される前記冷媒とを熱交換させる熱交換器と、
　前記熱交換器を冷却するための熱媒体を前記熱交換器に供給する量を調整する流量調整装置と、
　前記熱媒体の温度を検出する温度センサと、
　前記温度センサの出力に応じて前記流量調整装置を制御する制御装置とを備える、空気調和装置。
　前記制御装置は、前記凝縮器を通過した前記冷媒の温度よりも前記熱媒体の温度が低い場合に、前記熱媒体が前記熱交換器に供給されるように前記流量調整装置を制御する、請求項１に記載の空気調和装置。
　前記制御装置は、前記圧縮機に吸入される前記冷媒の温度よりも前記熱媒体の温度が低い場合に、前記熱媒体が前記熱交換器に供給されるように前記流量調整装置を制御する、請求項１に記載の空気調和装置。
　前記制御装置は、前記凝縮器を通過した前記冷媒の温度よりも前記熱媒体の温度が高い場合には、前記熱媒体が前記熱交換器に供給されないように前記流量調整装置を制御する、請求項１～３のいずれか１項に記載の空気調和装置。
　前記熱交換器は、
　前記圧縮機に吸入される前記冷媒が通過する第１流路と、
　前記凝縮器を通過した前記冷媒が通過する第２流路と、
　前記熱媒体が通過する第３流路とを備え、
　前記第１流路を通過する前記冷媒と前記第２流路を通過する前記冷媒とは、対向流の関係にあり、
　前記第２流路を通過する前記冷媒と前記第３流路を通過する前記熱媒体とは、対向流の関係にある、請求項１～４のいずれか１項に記載の空気調和装置。
　前記熱交換器は、
　前記圧縮機に吸入される前記冷媒が通過する第１流路と、
　前記凝縮器を通過した前記冷媒が通過する第２流路と、
　前記熱媒体が通過する第３流路とを備え、
　前記第２流路と前記第３流路は、熱交換するように隣接して配置される、請求項１～４のいずれか１項に記載の空気調和装置。
　前記熱交換器は、内側から外側に向けて内管、中管、外管が順に配置された３重管式熱交換器であり、
　前記内管は、前記第１流路であり、
　前記中管と前記内管との間に、前記第２流路が形成され、
　前記中管と前記外管との間に、前記第３流路が形成される、請求項６に記載の空気調和装置。
　前記凝縮器は、前記熱媒体と前記冷媒とが熱交換するように構成される、請求項１～７のいずれか１項に記載の空気調和装置。
　前記冷媒は、プロパンである、請求項１～８のいずれか１項に記載の空気調和装置。