WO2017170538A1

WO2017170538A1 - 冷凍装置

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Publication number: WO2017170538A1
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Authority: WO
Inventors: 知之配川; 知厚南田; 平良　繁治
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Filing date: 2017-03-28
Publication date: 2017-10-05
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Abstract

冷凍装置の圧縮機に内蔵されたモータに対してトルクを制御することにより圧縮機から吐出される冷媒の温度が過度に高温になるのを防止する。圧縮機（３１）は、インバータ制御によって回転が制御されるモータ（３１ａ）を内蔵している。インバータ制御部（５１）は、圧縮機（３１）の運転周波数が１０Ｈｚ以上４０Ｈｚ以下の範囲にある少なくとも１つの値のときにインバータ制御によりモータ（３１ａ）のトルクを制御する。機器制御部（５２）は、少なくとも、運転周波数が１０Ｈｚ以上４０Ｈｚ以下の範囲にあり、モータ（３１ａ）のトルクが制御されており、且つ圧縮機（３１）から吐出される冷媒の温度が過度の高温となり易い所定条件下において、圧縮機（３１）に吸入される冷媒が湿り状態になるように冷媒回路（２０）に設置されている機器を制御する。

Description

冷凍装置

　本発明は、冷凍装置に関する。

　従来から、インバータ制御される圧縮機モータを備える冷凍装置においては、特許文献１（特開平６－７５１５４号公報）に記載されているように、トルク制御により圧縮機の低速運転領域における振動を抑制できることが知られている。

　しかしながら、特許文献１などに記載されているトルク制御を行うと圧縮機モータを流れる電流が増加し、モータの効率が悪化して圧縮機モータで発生する熱エネルギーが増加する。その結果、特に圧縮機内部に圧縮機モータを収納している場合には、圧縮機モータで発生した熱によって圧縮機で圧縮される冷媒が加熱される。さらに、外気温度が高いために凝縮温度が高くなっているときほど圧縮時のトルク変動が増大し、トルク制御が必要となるが、このときにトルク制御を行うと、トルク制御で発生する熱も加わって圧縮機から吐出される冷媒の温度が過度に高温になる不具合が発生する場合がある。

　本発明の課題は、冷凍装置の圧縮機に内蔵されたモータに対してトルクを制御することにより圧縮機から吐出される冷媒の温度が過度に高温になるのを防止することである。

　本発明の第１観点に係る冷凍装置は、インバータ制御によって回転が制御されるモータを内蔵し、冷媒回路で循環する冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機の運転周波数が１０Ｈｚ以上４０Ｈｚ以下の範囲にある少なくとも１つの値のときにインバータ制御によりモータのトルクを制御するインバータ制御部と、少なくとも、運転周波数が１０Ｈｚ以上４０Ｈｚ以下の範囲にあり、モータのトルクが制御されており、且つ圧縮機から吐出される冷媒の温度が過度の高温となり易い所定条件下において、圧縮機に吸入される冷媒が湿り状態になるように又は圧縮機における圧縮途中の冷媒に冷媒回路中の中間圧冷媒がインジェクションされるように冷媒回路に設置されている機器を制御する機器制御部と、を備える。

　第１観点に係る冷凍装置では、圧縮機から吐出される冷媒の温度が過度の高温となり易いときにトルクの制御によるモータの発熱が加わっても、機器制御部により冷媒回路を構成する機器を制御することによって圧縮機に吸入される冷媒を湿り状態にするか又は圧縮機における圧縮途中の冷媒に冷媒回路中の中間圧冷媒をインジェクションすることができることから、圧縮機から吐出する冷媒の温度を下げることができる。

　本発明の第２観点に係る冷凍装置は、第１観点に係る冷凍装置であって、所定条件は、冷媒回路の凝縮温度が４５℃以上になるという凝縮温度条件、冷媒回路の高圧側の圧力が所定圧力以上になるという高圧条件、冷媒回路の高圧側の圧力と低圧側の圧力の差圧が所定差圧以上になるという差圧条件、及び冷媒回路を流れる冷媒と熱交換される外気の温度が所定温度以上となるという外気温度条件の中から選択された１つの条件である、ものである。

　第２観点に係る冷凍装置では、所定条件が凝縮温度条件、高圧条件、差圧条件、外気温度条件の中から選択された１つの条件であることから、所定条件になっているか否かの判断が行い易くなる。

　本発明の第３観点に係る冷凍装置は、第１観点又は第２観点に係る冷凍装置であって、冷媒回路を流れる冷媒の圧力を減圧するために冷媒回路の機器として冷媒回路に設置されている減圧機構と、冷媒回路を流れる冷媒と熱交換される外気を供給するために冷媒回路の機器として冷媒回路に設置され、送風量を変更可能に構成されている室外ファンと、をさらに備え、機器制御部は、少なくとも、運転周波数が１０Ｈｚ以上４０Ｈｚ以下の範囲にあり、モータのトルクが制御されており、且つ所定条件下において、減圧機構の減圧度合いの変更及び／又は室外ファンの送風量を制御することにより、圧縮機に吸入される冷媒を湿り状態にする、ものである。

　第３観点に係る冷凍装置では、減圧機構の減圧度合いの変更及び／又は室外ファンの送風量を制御することにより、圧縮機に吸入される冷媒を湿り状態にすることから、運転周波数が１０Ｈｚ以上４０Ｈｚ以下の範囲にあり、モータのトルクが制御されており、且つ所定条件下において、冷媒回路で汎用される機器である減圧機構及び／又は室外ファンを用いて、圧縮機から吐出する冷媒の温度を下げることができる。そのため、圧縮機のトルク制御を行なう際に冷媒温度が過度の高温になるのを防ぐために新たな機器を冷媒回路に設置する必要がなくなる。

　本発明の第４観点に係る冷凍装置は、第１観点から第３観点のいずれかに係る冷凍装置であって、機器制御部は、少なくとも、運転周波数が１０Ｈｚ以上４０Ｈｚ以下の範囲にあり、モータのトルクが制御されており、且つ所定条件下において、圧縮機から吐出される冷媒の温度を目標吐出温度に一致させるように機器を制御することにより、圧縮機に吸入される冷媒を湿り状態にする、ものである。

　第４観点に係る冷凍装置では、圧縮機から吐出される冷媒の温度を目標吐出温度に一致させれば圧縮機に吸入される冷媒を湿り状態にできることから、圧縮機から吐出される冷媒の温度を監視しながら機器を制御すればよくなる。

　本発明の第５観点に係る冷凍装置は、第１観点から第４観点のいずれかに係る冷凍装置であって、冷媒回路を循環する冷媒は、Ｒ３２を５０重量％よりも多く含む冷媒である、ものである。

　第５観点に係る冷凍装置では、Ｒ３２を５０重量％よりも多く含む冷媒が冷媒回路を循環するときには冷媒温度が比較的高く設定される傾向があることからトルク制御を掛け難かったが、トルクの制御によるモータの発熱が加わっても冷媒温度が過度に高温になるのを防止することができるようになる。

　本発明の第１観点に係る冷凍装置によれば、モータを内蔵する圧縮機のトルク制御を行っても、冷媒温度が過度の高温になるのを防止することができる。

　本発明の第２観点に係る冷凍装置によれば、機器制御部による機器の制御が容易になる。

　本発明の第３観点に係る冷凍装置によれば、圧縮機のトルク制御を行う際に冷媒温度が過度の高温になるのを防止するために掛かるコストの増加を抑制できる。

　本発明の第４観点に係る冷凍装置によれば、機器制御部によってトルク制御時に行なわれる、圧縮機に吸入される冷媒を湿り状態にする制御が容易になる。

　本発明の第５観点に係る冷凍装置によれば、Ｒ３２を５０重量％よりも多く含む冷媒が循環する冷媒回路においても圧縮機のモータのトルクを制御し易くなる。

実施形態に係る冷凍装置の構成の概要を示す回路図。図１の冷凍装置の動作を説明するためのモリエル線図。トルク制御をしないときに圧縮機のモータに供給される電流波形の一例を示す波形図。トルク制御をしているときに圧縮機のモータに供給される電流波形の一例を示す波形図。トルク制御をしているときに圧縮機のモータに供給される電流波形の他の例を示す波形図。トルク制御量と圧縮機に入力される電力との関係を示すグラフ。トルク制御量と圧縮機の振動との関係を示すグラフ。トルク制御量と圧縮機が吐出する冷媒の温度との関係を示すグラフ。変形例Ａに係る冷凍装置の構成の概要を示す回路図。変形例Ｃに係る冷凍装置の構成の概要を示す回路図。

　（１）空気調和装置の構成
　本発明の一実施形態に係る冷凍装置としての空気調和装置を例に挙げて図１を用いて説明する。図１には、冷凍装置の全体構成の概略が示されている。

　図１に示されている冷凍装置１０は、蒸気圧縮冷凍サイクルを行なう冷媒回路２０と冷媒回路を制御するための制御装置５０とを備えている空気調和装置である。冷媒回路２０は、室外ユニット３０と室内ユニット４０とが連絡配管２１と連絡配管２２とによって環状に接続されることによって構成されている。連絡配管２１には、主に液状の冷媒が流れ、連絡配管２２には、主にガス状の冷媒が流れる。冷媒回路２０は、室外ユニット３０内に圧縮機３１と四路切換弁３２と室外熱交換器３３と減圧機構３４とを有し、室内ユニット４０内に室内熱交換器４１を有している。この冷媒回路２０を循環する冷媒はＲ３２である。

　（２）詳細構成
　（２－１）室外ユニット
　室外ユニット３０に収納されている圧縮機３１は、吸入側を吸入管３５の一端に接続され、吐出側を吐出管３６の一端に接続されている。吐出管３６の他端すなわち圧縮機３１の吐出側が四路切換弁３２の第１ポートＰｏ１に接続され、吸入管３５の他端すなわち圧縮機３１の吸入側が四路切換弁３２の第３ポートＰｏ３に接続されている。この圧縮機３１は、内蔵しているモータ３１ａが制御装置５０からの指示に応じて運転周波数すなわち回転数を変更できるように構成されている。制御装置５０のインバータ制御部５１は、圧縮機３１のモータ３１ａをインバータ制御により制御している。つまり、モータ３１ａは、インバータ制御により回転が制御される。圧縮機３１は、モータ３１ａの回転数の変化によって運転容量を変更できるように構成されている。圧縮機３１の回転数の変化は、冷媒回路２０の冷媒循環量の変化をもたらす。

　室外ユニット３０に収納されている室外熱交換器３３は、一方の出入口を四路切換弁３２の第４ポートＰｏ４に接続され、他方の出入口を減圧機構３４に接続されている。また、室外ユニット３０には、室外熱交換器３３に室外空気を送風するための室外ファン３７が収納されている。室外熱交換器３３では、室外ファン３７によって送風される室外空気と冷媒回路２０を循環する冷媒との間で熱交換が行われる。室外ファン３７は、回転数が制御装置５０の機器制御部５２によって制御されており、回転数を変えることにより送風量を変更できるように構成されている。

　室外ユニット３０に収納されている減圧機構３４は、一端を室外熱交換器３３の他方の出入口に接続され、他端を連絡配管２１に接続されている。減圧機構３４は、絞り膨張によって冷媒回路２０を循環する冷媒を減圧する。この減圧機構３４は、制御装置５０の機器制御部５２から送信される指令に応じて開度を調整できるように構成されている。従って、制御装置５０は、減圧機構３４の開度を調整することによって、冷媒回路２０の低圧側の冷媒圧力及び／又は冷媒循環量を調節する。このような減圧機構３４は、例えば電動膨張弁で構成することができる。

　室外ユニット３０に収納されている四路切換弁３２においては、第１ポートＰｏ１に吐出管３６の他端が接続され、第２ポートＰｏ２に連絡配管２２を介して室内熱交換器４１の一方の出入口が接続され、第３ポートＰｏ３に吸入管３５の他端が接続され、第４ポートＰｏ４に室外熱交換器３３の一方の出入口が接続されている。四路切換弁３２は、制御装置５０によって冷房のための接続と暖房のための接続とを切り換えられるように構成されている。暖房時には、図１に実線で示されているように、第１ポートＰｏ１と第２ポートＰｏ２の間が開通するとともに、第３ポートＰｏ３と第４ポートＰｏ４との間が開通する。一方、冷房時には、図１に破線で示されているように、第１ポートＰｏ１と第４ポートＰｏ４との間が開通し、第２ポートＰｏ２と第３ポートＰｏ３の間が開通する。

　吸入管３５には管内の冷媒の圧力を測定する吸入圧力センサ６１が取り付けられている。吸入圧力センサ６１で測定される圧縮機３１の吸入圧力の値は、制御装置５０に送信される。また、吸入管３５には管内の冷媒の温度を測定する吸入温度センサ６３が取り付けられ、吐出管３６には管内の冷媒の温度を測定する吐出温度センサ６４が取り付けられている。吸入温度センサ６３及び吐出温度センサ６４で測定される圧縮機３１の吸入温度及び吐出温度の値は、制御装置５０に送信される。

　室外熱交換器３３には、室外熱交換器３３の伝熱管内で相変化しつつある冷媒の温度を測定する室外熱交換器温度センサ６５が取り付けられるとともに、室外熱交換器３３に送風される室外空気の温度を測定する室外温度センサ６６が取り付けられている。室外熱交換器温度センサ６５及び室外温度センサ６６で測定される温度の値は、制御装置５０に送信される。室外熱交換器温度センサ６５で測定される冷媒の温度は、冷房運転時には凝縮温度であり、暖房運転時には蒸発温度である。さらに、室外熱交換器３３の他方の出入口には室外熱交換器３３の他方の出入口を通る液冷媒の温度を測定する室外液側温度センサ６７が取り付けられている。室外液側温度センサ６７で測定される温度の値は、制御装置５０に送信される。

　（２－２）室内ユニット
　室内ユニット４０に収納されている室内熱交換器４１は、一方の出入口が連絡配管２２を介して四路切換弁３２の第２ポートＰｏ２に接続され、他方の出入口が連絡配管２１に接続されている。室内ユニット４０には、室内熱交換器４１に室内空気を送風するための室内ファン４２が収納されている。室内熱交換器４１では、室内ファン４２によって送風される室内空気と冷媒回路２０を循環する冷媒との間で熱交換が行われる。この室内ファン４２は、回転数が制御装置５０の機器制御部５２によって制御されており、回転数を変えることにより送風量を変更できるように構成されている。

　また、室内熱交換器４１の他方の出入口には室内熱交換器４１の他方の出入口を通る液冷媒の温度を測定する室内液側温度センサ７４が取り付けられている。室内液側温度センサ７４で測定される温度の値は、制御装置５０に送信される。

　室内熱交換器４１には、室内熱交換器４１の伝熱管内で相変化しつつある冷媒の温度を測定する室内熱交換器温度センサ７５が取り付けられるとともに、室内熱交換器４１に送風される室内空気の温度を測定する室内温度センサ７６が取り付けられている。室内熱交換器温度センサ７５及び室内温度センサ７６で測定される温度の値は、制御装置５０に送信される。室内熱交換器温度センサ７５で測定される冷媒の温度は、暖房運転時には凝縮温度であり、冷房運転時には蒸発温度である。

　（３）冷凍装置１０の動作
　（３－１）動作の概要
　冷凍装置１０において、冷媒は、圧縮機３１と室外熱交換器３３と減圧機構３４と室内熱交換器４１とを含む冷媒回路２０を循環する。そして、冷媒回路２０では、蒸気圧縮冷凍サイクルが行なわれる。すなわち、冷房運転時には、圧縮機３１で圧縮して吐出されたガス冷媒が四路切換弁３２を経由して室外熱交換器３３に送られる。室外ユニット３０の室外熱交換器３３では、高温高圧の冷媒が室外空気と熱交換され、高圧のガス冷媒から凝縮熱が放出されて冷媒の液化が起きる。室外へ熱を放出して冷えた冷媒は、減圧機構３４によって低温でも蒸発しやすい状態になるまで圧力が下げられる。低圧になった冷媒は、室内ユニット４０の室内熱交換器４１に流れ、室内熱交換器４１で冷媒は室内空気と熱交換され、低圧の液冷媒が蒸発熱を取り込むことによって室内空気から熱を奪う。室内熱交換器４１で熱を奪って気化（若しくは相変化）した冷媒は、四路切換弁３２を経由して圧縮機３１に吸入される。

　暖房運転時には、冷房運転時とは逆に、圧縮機３１で圧縮して吐出されたガス冷媒が四路切換弁３２を経由して室内熱交換器４１に送られる。室内熱交換器４１では、高温高圧のガス冷媒が室内空気と熱交換され、高圧のガス冷媒から凝縮熱が放出されて冷媒の液化が起きる。室内へ熱を放出して冷えた冷媒は、減圧機構３４によって低温でも蒸発しやすい状態になるまで圧力が下げられる。そして、低圧になった冷媒は、室外熱交換器３３で室外空気と熱交換されて低圧の液冷媒から蒸発熱を取り込む。室外熱交換器３３で熱を奪って気化（若しくは相変化）した冷媒は、四路切換弁３２を経由して圧縮機３１に吸入される。

　この蒸気圧縮冷凍サイクルが、図２に示されている。図２の曲線Ｌ１は飽和液線であり、曲線Ｌ２は乾き飽和蒸気線である。図２において、点Ｃ１及び点Ｃ１１の状態が圧縮機３１の吐出側すなわち吐出管３６内の冷媒の状態に対応する。言い換えると、点Ｃ１及び点Ｃ１１の状態は凝縮器すなわち暖房運転時の室内熱交換器４１又は冷房運転時の室外熱交換器３３の入口の冷媒の状態に対応する。次の点Ｃ２の状態は、凝縮器の出口の状態に対応しており、減圧機構３４の入口の状態に対応している。凝縮器の出口の冷媒には過冷却度ＳＣがついている。次の点Ｃ３の状態は、減圧機構３４の出口の状態に対応している。言い換えると、点Ｃ３の状態は、蒸発器すなわち冷房運転時の室内熱交換器４１又は暖房運転時の室外熱交換器３３の入口の状態に対応する。点Ｃ４及び点Ｃ４１の状態は、圧縮機３１の吸入側すなわち吸入管３５の状態に対応する。

　（３－２）圧縮機３１の吐出温度の制御
　冷凍装置１０では、圧縮機３１の吐出温度に基づいた制御が行われる。制御装置５０は、圧縮機３１の吐出側の冷媒の温度を吐出温度センサ６４から取得し、室外熱交換器３３の内部の冷媒の温度を室外熱交換器温度センサ６５から取得し、室内熱交換器４１の内部の冷媒の温度を室内熱交換器温度センサ７５から取得する。冷房運転時には、室外熱交換器温度センサ６５で計測される温度を凝縮温度ＴＣとして用い、室内熱交換器温度センサ７５で計測される温度を蒸発温度ＴＥとして用いる。暖房運転時には、室外熱交換器温度センサ６５で計測される温度を蒸発温度ＴＥとして用い、室内熱交換器温度センサ７５で計測される温度を凝縮温度ＴＣとして用いる。

　制御装置５０は、内部に記憶しているデータを用いて、目標吐出温度ＴＴｄを決定する。そして、制御装置５０は、吐出温度センサ６４で計測される圧縮機３１の吐出側の冷媒の温度が上述の目標吐出温度ＴＴｄになるように減圧機構３４の開度を調節する。そのために、制御装置５０は、圧縮機３１の吐出温度と目標吐出温度ＴＴｄとを比較する。制御装置５０は、吐出温度センサ６４の計測値が目標吐出温度ＴＴｄよりも小さいときには、減圧機構３４の開度を小さくする。逆に、吐出温度センサ６４の計測値が目標吐出温度ＴＴｄよりも大きいときに制御装置５０は、減圧機構３４の開度を大きくして圧縮機３１の吐出側の冷媒の温度を下げる方向に制御する。

　（３－３）圧縮機３１のトルク制御
　圧縮機３１がロータリ圧縮機で、圧縮機３１のシリンダが１つの場合には、特に、圧縮機３１の振動が大きくなり易い傾向がある。そこで、以下の説明では、圧縮機３１が１シリンダ型のロータリ圧縮機であり、偏心して回転するローラが１個だけの場合を例に挙げて説明する。圧縮機３１では運転周波数が低い場合、例えば運転周波数が１０Ｈｚから４０Ｈｚまでの範囲で特に振動が発生しやすい傾向がある。このような傾向は、１シリンダ型の圧縮機３１で顕著である。室外ユニット３０には、圧縮機３１に接続された吸入管３５及び吐出管３６があり、圧縮機３１の振動が吸入管３５及び吐出管３６などを伝わって室外ユニット３０の外に伝播し、騒音の原因となる。

　そこで、圧縮機３１の振動を抑えるために、制御装置５０のインバータ制御部５１は、１０Ｈｚから４０Ｈｚまでの運転周波数を含む所定の範囲で圧縮機３１のトルクを制御する。図３、図４及び図５にインバータ制御されたモータ３１ａに供給される電流波形が示されている。モータ３１ａに供給される電流は三相交流である。図３には、トルク制御が行われていない場合の電流波形が示されている。図４には、トルク制御量が約６０％の場合の電流波形が示されている。図５には、トルク制御が１００％の場合の電流波形が示されている。トルク制御が１００％とは、この圧縮機３１で許容されている最大のトルク制御を掛けることである。図３の電流波形と図４及び図５の電流波形とを比較すると、トルク制御量が多くなるほど電流波形の歪が大きくなっていることが分かる。

　このことを別の観点から見るために、図６にトルク制御量と圧縮機３１の入力電力との関係を示し、図７にトルク制御量と圧縮機３１の振動幅の関係を示し、図８にトルク制御量と圧縮機３１の吐出温度の関係を示している。なお、図６乃至図８において、トルク制御量以外のパラメータは変化させていない。図６に示されているように、トルク制御を全く掛けないときに、圧縮機３１の入力電力が１５０ワットであったものが、トルク制御量を１００％にすると、圧縮機の３１の入力電力が１６０ワットに上昇する。このことは、上述の電流波形からも容易に分かることで、トルク制御量が大きくなるほど電流波形の歪が大きくなり、言い換えるとロスが大きくなっているということである。

　トルク制御量を増やすとロスが大きくなるものの、図７に示されているように、圧縮機３１の振動は抑制される。しかし、図８に示されているように、トルク制御量が大きくなるに従って、ロスが大きくなることによってモータ３１ａで熱が生じる。圧縮機３１がモータ３１ａを内蔵しているために、圧縮機３１内部のモータ３１ａで発生した熱が圧縮機３１から吐出される冷媒に伝わることによって、圧縮機３１から吐出される冷媒の温度が上昇する。この冷凍装置１０では、例えば、トルク制御で効率が数％低下すると、圧縮機３１から吐出される冷媒の温度が約１～５℃上昇する。

　そこで、運転周波数が１０Ｈｚから４０Ｈｚの間の１つの値、例えば４０Ｈｚでトルク制御を掛けた場合について説明する。上述のようにトルク制御のロスにより熱が発生しても、圧縮機３１から吐出される冷媒の温度が過度の高温にならない場合には、従来と同様に冷凍装置１０の運転を続ける。

　しかし、トルク制御の熱が加わることで圧縮機３１の吐出冷媒が過度の高温となる場合には、圧縮機３１に吸入される冷媒が湿り状態になるように、制御装置５０の機器制御部５２が冷媒回路２０に設定されている機器を制御する。冷媒回路２０で、図２に示されているような冷凍サイクルが構成されているとすると、目標吐出温度ＴＴｄが例えば点Ｃ１の状態にある場合には圧縮機３１が吸入する冷媒は点Ｃ４の状態にあって乾いていて湿っていない。つまり、圧縮機３１が吐出する冷媒には過熱度ＳＨがついている。もし、目標吐出温度ＴＴｄが点Ｃ１１の状態にあるとすると圧縮機３１が吸入する冷媒は、点Ｃ４１の状態にあって湿っている。このように、点Ｃ４１から点Ｃ１１に変化するような冷凍サイクルが構成されるようにするために、具体的には、減圧機構３４の減圧度合いを変更することにより、圧縮機３１に吸入される冷媒を湿り状態（点Ｃ４１の状態）にする。圧縮機３１に吸入される冷媒を湿り状態にするために目標吐出温度ＴＴｄをどのように設定するかは、例えば、実機による実験及び／又はシミュレーションによって予め検討され、検討の結果によっては制御装置５０が目標吐出温度ＴＴｄを変更するように制御するように設定される場合もあれば変更せずに維持するように設定される場合もあり得る。

　圧縮機３１から吐出される冷媒の温度が過度の高温になり易い条件としては、例えば、室外ユニット３０が置かれている場所の外気温度が高外気温度である場合である。ここでは３５℃以上を高外気温度と呼ぶ。高外気温度で運転されている冷凍装置１０では、冷媒回路２０の凝縮温度が高くなる傾向があるので、圧縮機３１から吐出される冷媒の温度が過度の高温になり易い。この冷凍装置１０の制御装置５０では、凝縮温度が例えば４５℃以上になるという凝縮温度条件を満たすか否かで、圧縮機３１から吐出される冷媒の温度が過度の高温になり易い条件下にあると判断する。

　言い換えると、制御装置５０の機器制御部５２は、運転周波数が１０Ｈｚから４０Ｈｚの間の１つの値であり、モータ３１ａのトルクがインバータ制御によって制御されており、凝縮温度が４５℃以上になるという凝縮温度条件を満たすときに、例えば圧縮機３１に吸入される冷媒が図２の点Ｃ４１の状態になって湿り状態となるように、減圧機構３４の減圧度合いを変更する。このような条件が満たされる場合において減圧機構３４の開度を大きくするタイミングは、例えばトルク制御が開始されるときである。

　（４）変形例
　以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の具体的構成は、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で変更可能である。以下、本発明の実施形態に適用可能な変形例について説明する。

　　（４－１）変形例Ａ
　上記実施形態では、冷凍装置１０が、冷房及び暖房の両方に対応した空気調和装置である場合について説明したが、冷凍装置１０は、図９に示されているような冷房専用機器であってもよい。図９に示されている冷凍装置１０は、図１に示されている冷凍装置１０の四路切換弁３２を取り外して、吐出管３６の他端を室外熱交換器３３の一方の出入口に接続し、吸入管３５の他端に連絡配管２２が接続したものである。

　　（４－２）変形例Ｂ
　上記実施形態では、電動膨張弁を用いて減圧機構３４の減圧度合いを変更することにより圧縮機３１に吸入される冷媒を湿り状態にしたが、減圧機構３４は、電動膨張弁以外の減圧機構を用いることもでき、例えばダイアフラムを使った機械式膨張弁又はキャピラリチューブを用いることもできる。例えば、減圧度合いを変更するために、機械式膨張弁又はキャピラリチューブと電磁弁とを用いて湿り状態にするときに減圧度合いを変更するように構成することもできる。

　また、制御装置５０の機器制御部５２を、減圧機構３４の減圧度合いに代えて、室外ファン３７の送風量を変更することにより圧縮機３１に吸入される冷媒を湿り状態にする制御を行なうように構成してもよい。例えば、冷房運転時に、室外ファン３７の送風量を増やすと、送風量が少ない場合に比べて室外熱交換器３３における過冷却度ＳＣが大きくなり易くなり、圧縮機３１に吸入される冷媒を湿り状態にし易くなる。また、機器制御部５２を、減圧機構３４の減圧度合いと室外ファン３７の送風量の両方を変更することにより圧縮機３１に吸入される冷媒を湿り状態にする制御を行なうように構成してもよい。

　　（４－３）変形例Ｃ
　上記実施形態又は変形例Ｂでは、圧縮機３１から吐出される冷媒の温度を下げるために、減圧機構３４及び／又は室外ファン３７を冷媒回路２０の機器として制御する場合について説明したが、他の機器を用いて、圧縮機３１に吸入される冷媒が湿り状態になるように又は圧縮機３１における圧縮途中の冷媒に冷媒回路２０中の中間圧冷媒がインジェクションされるように構成してもよい。

　図１０には、インジェクションによって圧縮機３１から吐出される冷媒の温度を下げる構成を備える冷凍装置１０の一例が示されている。図１０に示されている冷凍装置１０は、ブリッジ回路９０と、高圧レシーバ１００と、インジェクション用電動弁８３と、インジェクション用熱交換器８４と、中間インジェクション開閉弁８６と、吸入インジェクション開閉弁８８とを有している。圧縮機３１は、圧縮機付属容器３８を介して吸入管３５からガス冷媒を吸入する。減圧機構３４は、その他端がブリッジ回路９０に接続されている。

　ブリッジ回路９０は、４つの逆止弁９１，９２，９３，９４を有している。入口逆止弁９１は、室外熱交換器３３から高圧レシーバ１００へ向かう冷媒の流れのみを許容する逆止弁である。出口逆止弁９２は、高圧レシーバ１００から室内熱交換器４１へ向かう冷媒の流れのみを許容する逆止弁である。入口逆止弁９３は、室内熱交換器４１から高圧レシーバ１００へ向かう冷媒の流れのみを許容する逆止弁である。出口逆止弁９４は、高圧レシーバ１００から減圧機構３４を経て室外熱交換器３３へ向かう冷媒の流れのみを許容する逆止弁である。すなわち、入口逆止弁９１，９３は、室外熱交換器３３及び室内熱交換器４１の一方から高圧レシーバ１００に冷媒を流す機能を果たし、出口逆止弁９２，９４は、高圧レシーバ１００から室外熱交換器３３及び室内熱交換器４１の他方に冷媒を流す機能を果たす。高圧レシーバ１００は、冷媒貯留タンクとして機能する容器であり、減圧機構３４と室内ユニット４０との間に設けられている。

　高圧レシーバ１００の出口とブリッジ回路９０の出口逆止弁９２，９４との間には、インジェクション用熱交換器８４が設けられている。また、高圧レシーバ１００の出口とインジェクション用熱交換器８４とを結ぶメイン冷媒流路２１ａの一部分からは、分岐管８２が分岐している。メイン冷媒流路２１ａは、室外熱交換器３３と室内熱交換器４１とを結ぶ液冷媒の主流路である。

　分岐管８２には、開度調整可能なインジェクション用電動弁８３が設けられている。また、分岐管８２は、インジェクション用熱交換器８４の第２流路８４ｂに接続されている。すなわち、インジェクション用電動弁８３が開いているとき、メイン冷媒流路２１ａから分岐管８２へと分岐した冷媒は、インジェクション用電動弁８３で減圧され、インジェクション用熱交換器８４の第２流路８４ｂに流れる。なお、インジェクション用熱交換器８４の第２流路８４ｂは、分岐管８２の一部を構成している。

　インジェクション用電動弁８３で減圧されてインジェクション用熱交換器８４の第２流路８４ｂに流れた冷媒は、インジェクション用熱交換器８４の第１流路８４ａを流れる冷媒と熱交換する。インジェクション用熱交換器８４の第１流路８４ａは、メイン冷媒流路２１ａの一部を構成している。このインジェクション用熱交換器８４での熱交換の後、分岐管８２を流れていく冷媒は、後述する中間インジェクション流路８５あるいは吸入インジェクション流路８７に流れ込むことになる。また、分岐管８２のインジェクション用熱交換器８４の下流側には、インジェクション用熱交換器８４での熱交換後の冷媒の温度を検出するインジェクション用温度センサ９６が取り付けられている。

　インジェクション用熱交換器８４は、例えば二重管構造を採る内部熱交換器であり、上述のように、主流路であるメイン冷媒流路２１ａを流れる冷媒と、インジェクションのためのメイン冷媒流路２１ａから分岐した分岐管８２を流れるインジェクションのための冷媒との間で熱交換を行わせる。インジェクション用熱交換器８４の第１流路８４ａの一端は高圧レシーバ１００の出口に接続されており、他端はブリッジ回路９０の出口逆止弁９２，９４に接続されている。

　圧縮機付属容器３８は、四路切換弁３２と圧縮機３１との間の吸入管３５に配置されており、過渡的に液成分を多く含む冷媒が流れ込んできたときに、圧縮機３１に多くの液冷媒が吸入されることを防止する役割を果たす。ここでは圧縮機付属容器３８を設けているが、これに加えて圧縮機３１への液バックを防止するためのアキュムレータを吸入管３５に配しても良い。

　吸入管３５のうち、圧縮機付属容器３８と圧縮機３１とを結ぶ配管には、吸入インジェクション流路８７が接続されている。吸入インジェクション流路８７は、上述の分岐管８２のインジェクション用熱交換器８４の下流側の部分と、吸入管３５とを結ぶ配管である。この吸入インジェクション流路８７には、吸入インジェクション開閉弁８８が設けられている。吸入インジェクション開閉弁８８は、開状態と閉状態とが切り替わる電磁弁である。

　上述のように、圧縮機３１には、中間インジェクションポート３９が設けられている。中間インジェクションポート３９は、圧縮機３１における圧縮途中の中間圧の冷媒に対して外部から冷媒を流し込むための冷媒導入用ポートである。この中間インジェクションポート３９には、中間インジェクション流路８５が接続されている。中間インジェクション流路８５は、上述の分岐管８２のインジェクション用熱交換器８４の下流側の部分と、中間インジェクションポート３９とを結ぶ配管である。この中間インジェクション流路８５には、中間インジェクション開閉弁８６が設けられている。中間インジェクション開閉弁８６は、開状態と閉状態とが切り替わる電磁弁である。なお、圧縮機３１を、２台の圧縮機が直列に配されたものに代えて、低段圧縮機の吐出ポートと高段圧縮機の吸入ポートとを結ぶ冷媒配管に中間インジェクション流路８５を接続する構成とすることも可能である。

　図１０に示されているように、インジェクション用熱交換器８４を通って圧縮機３１へと延びる分岐管８２の先端は、二股管を介して、中間インジェクション流路８５と吸入インジェクション流路８７とにつながっている。中間インジェクション開閉弁８６が開状態のときには、インジェクション用熱交換器８４を通って分岐管８２を流れてくる冷媒が中間インジェクション流路８５から中間インジェクションポート３９に注入され、吸入インジェクション開閉弁８８が開状態のときには、分岐管８２を流れてくる冷媒が吸入インジェクション流路８７から吸入管３５に注入されて圧縮機３１に吸入される。なお、図１０においては制御装置５０と冷媒回路２０の各機器との接続関係を示す破線の記載は省略している。

　次に、この変形例に係る冷凍装置１０の動作について説明する。なお、以下に説明する各種運転における制御は、機能する制御装置５０によって行われる。制御装置５０は、運転能力の向上や圧縮機３１の吐出温度の低下を目的としている。制御装置５０の機器制御部５２は、運転周波数が１０Ｈｚから４０Ｈｚの間の１つの値を取っており、モータ３１ａのトルクがインバータ制御によって制御されており、凝縮温度が４５℃以上になるという凝縮温度条件を満たすときに、中間インジェクションあるいは吸入インジェクションを行う。中間インジェクションとは、凝縮器から蒸発器に向かってメイン冷媒流路２１ａを流れる冷媒の一部を分岐させ、冷媒ガスを中間インジェクション流路８５によって圧縮機３１の中間インジェクションポート３９に注入することである。吸入インジェクションとは、凝縮器から蒸発器に向かってメイン冷媒流路２１ａを流れる冷媒の一部を分岐させ、冷媒ガスを吸入インジェクション流路８７によって吸入管３５に注入して圧縮機３１に吸入させることである。中間インジェクションも、吸入インジェクションも、圧縮機３１の吐出温度を下げる効果を有する。

　中間インジェクション制御では、中間インジェクション開閉弁８６を開状態にし、吸入インジェクション開閉弁８８を閉状態にする。そして、圧縮機３１の吐出冷媒の吐出温度に基づいて、インジェクション用電動弁８３の開度が制御され、中間インジェクションさせるガス冷媒を湿らせる湿り制御が行われる。すなわち、制御装置５０は、中間インジェクションの冷却効果を高めるため、中間インジェクションされるガス冷媒が気液二相のフラッシュガスになるようにインジェクション用電動弁８３の開度を制御する。

　中間インジェクションも吸入インジェクションも行わせないときには、中間インジェクション開閉弁８６も吸入インジェクション開閉弁８８も閉状態にする。

　吸入インジェクション制御では、中間インジェクション開閉弁８６を閉状態にし、吸入インジェクション開閉弁８８を開状態にする。そして、インジェクション用電動弁８３の開度が制御され、吸入インジェクションさせるガス冷媒を湿らせる湿り制御が行われる。すなわち、制御装置５０は、吸入インジェクションの冷却効果を高めるため、吸入インジェクションされるガス冷媒が気液二相のフラッシュガスになるようにインジェクション用電動弁８３の開度を制御する。

　　（４－４）変形例Ｄ
　上記実施形態及び上記変形例Ａ～Ｃでは、冷媒回路２０の凝縮温度が４５℃以上になるという凝縮温度条件を、機器制御部５２が、圧縮機３１に吸入される冷媒が湿り状態になるように又は圧縮機３１における圧縮途中の冷媒に冷媒回路２０中の中間圧冷媒がインジェクションされるように冷媒回路２０に設置されている機器を制御するか否かを判断するための所定条件としている。しかし、この所定条件は、凝縮温度条件に代えて、冷媒回路２０の高圧側の圧力が所定圧力以上になるという高圧条件、冷媒回路２０の高圧側の圧力と低圧側の圧力の差圧が所定差圧以上になるという差圧条件、及び冷媒回路２０を流れる冷媒と熱交換される外気の温度が所定温度以上となるという外気温度条件のうちのいずれかを用いてもよい。高圧条件を満たしているか否かは、制御装置５０において、例えば吐出管３６に圧力センサを設けて圧力センサが検知した冷媒の圧力が所定圧力以上となっているか否かで判断される。差圧条件を満たしているか否かは、制御装置５０において、例えば吐出管３６に圧力センサを設けて圧力センサが検知した冷媒の圧力と吸入圧力センサ６１との圧力の差から冷媒回路２０の高圧側の圧力と低圧側の圧力の差圧を算出し、算出された差圧が所定差圧以上となっているか否かで判断される。また、外気温度条件を満たしているか否かは、制御装置５０において、室外温度センサ６６によって検知される外気の温度が所定温度以上となっているか否かで判断される。

　　（４－５）変形例Ｅ
　上記実施形態及び上記変形例Ａ～Ｄでは、分子式ＣＨ₂Ｆ₂で表されるＲ３２単体からなるＨＦＣ冷媒が冷媒回路２０を循環している場合について説明したが、冷媒回路２０を循環する冷媒は、Ｒ３２単体からなるＨＦＣ冷媒には限られない。しかし、冷媒回路２０を循環する冷媒は、Ｒ３２を５０重量％よりも多く含む冷媒であることが好ましい。Ｒ３２を５０重量％よりも多く含む冷媒としては、例えば、Ｒ３２とＨＦＯ－１２３４ｙｆとの混合物、及びＲ３２とＨＦＯ－１１２３との混合物等がある。Ｒ３２を５０重量％よりも多く含む冷媒であって塩素を含まないものは、クロロフルオロカーボンおよびハイドロクロロフルオロカーボン等の他のフッ素系冷媒と比べて、地球温暖化に与える影響が小さく、オゾン層を破壊する効果が小さく、且つ冷凍装置１０において比較的高い効率を得やすい。他の冷媒としては、例えばＣＯ₂、ＨＦＯ－１２３４ｙｆ、及びＨＦＯ－１１２３がある。

　（５）特徴
　（５－１）
　以上説明したように、上述の冷凍装置１０では、圧縮機３１から吐出される冷媒の温度が過度の高温となり易いときにトルクの制御によるモータの発熱が加わっても、機器制御部５２により減圧機構３４、室外ファン３７、インジェクション用電動弁８３、中間インジェクション開閉弁８６及び／又は吸入インジェクション開閉弁８８（冷媒回路２０を構成する機器の例）を制御することによって圧縮機３１に吸入される冷媒を湿り状態にするか又は圧縮機３１における圧縮途中の冷媒に冷媒回路２０中の中間圧冷媒をインジェクションすることができる。圧縮機３１に吸入される冷媒を湿り状態にするか又は圧縮機３１における圧縮途中の冷媒に冷媒回路２０中の中間圧冷媒をインジェクションすることによって、圧縮機３１から吐出する冷媒の温度を下げることができ、モータ３１ａを内蔵する圧縮機３１のトルク制御を行っても、冷媒温度が過度の高温になるのを防止することができる。

　（５－２）
　上述のように、冷凍装置１０の制御装置５０において判断する所定条件が凝縮温度条件、高圧条件、差圧条件、外気温度条件の中から選択された１つの条件であれば、所定条件になっているか否かの制御装置５０での判断が行い易く、制御装置５０の機器制御部５２による機器の制御が容易になる。

　（５－３）
　減圧機構３４の減圧度合いの変更及び／又は室外ファン３７の送風量を制御することにより、圧縮機３１に吸入される冷媒を湿り状態にしている。つまり、冷媒回路２０で汎用される機器である減圧機構３４及び／又は室外ファン３７を用いることで、運転周波数が１０Ｈｚ以上４０Ｈｚ以下の範囲にあり、モータ３１ａのトルクが制御されており、且つ例えば凝縮温度が４５℃以上の条件（所定条件の例）の下において、圧縮機３１から吐出する冷媒の温度を下げることができている。このように、圧縮機３１のトルク制御を行なう際に冷媒温度が過度の高温になるのを防ぐために新たな機器を冷媒回路２０に設置する必要がなくなり、圧縮機３１のトルク制御を行う際に冷媒温度が過度の高温になるのを防止するために掛かるコストの増加を抑制できている。

　（５－４）
　上述の冷凍装置１０では、圧縮機３１から吐出される冷媒の温度を目標吐出温度ＴＴｄに一致させれば圧縮機３１に吸入される冷媒を湿り状態にできるようになっており、圧縮機３１から吐出される冷媒の温度を監視しながら機器を制御すればよく、機器制御部５２によってトルク制御時に行なわれる、圧縮機３１に吸入される冷媒を湿り状態にする制御が容易になっている。

　（５－５）
　Ｒ３２を５０重量％よりも多く含む冷媒が循環する冷媒回路２０においては、冷媒がＲ３２を５０重量％よりも多く含むために高温高圧になり易いが、トルクの制御によるモータ３１ａの発熱が加わっても上述の冷凍装置１０では、冷媒温度が過度に高温になるのを防止することができ、圧縮機３１のモータ３１ａのトルクを制御し易くなる。Ｒ３２を５０重量％よりも多く含むＨＦＣ系冷媒を冷媒回路２０で用いることにより、他のフッ素系冷媒と比べて、地球温暖化に与える影響が小さく、オゾン層を破壊する効果が小さく、且つ冷凍装置１０において比較的高い効率を得やすくなる。

　　１０　　　冷凍装置
　　２０　　　冷媒回路
　　３１　　　圧縮機
　　３１ａ　　　モータ
　　３４　　　減圧機構
　　３７　　　室外ファン
　　５０　　　制御装置
　　５１　　　インバータ制御部
　　５２　　　機器制御部
　　８３　　　インジェクション用電動弁
　　８６　　　中間インジェクション開閉弁
　　８８　　　吸入インジェクション開閉弁

特開平６－７５１５４号公報

Claims

　インバータ制御によって回転が制御されるモータ（３１ａ）を内蔵し、冷媒回路（２０）で循環する冷媒を圧縮する圧縮機（３１）と、
　前記圧縮機の運転周波数が１０Ｈｚ以上４０Ｈｚ以下の範囲にある少なくとも１つの値のときに前記インバータ制御により前記モータのトルクを制御するインバータ制御部（５１）と、
　少なくとも、前記運転周波数が１０Ｈｚ以上４０Ｈｚ以下の範囲にあり、前記モータのトルクが制御されており、且つ前記圧縮機から吐出される冷媒の温度が過度の高温となり易い所定条件下において、前記圧縮機に吸入される冷媒が湿り状態になるように又は前記圧縮機における圧縮途中の冷媒に前記冷媒回路中の中間圧冷媒がインジェクションされるように前記冷媒回路に設置されている機器を制御する機器制御部（５２）と、を備える冷凍装置。
　前記所定条件は、前記冷媒回路の凝縮温度が４５℃以上になるという凝縮温度条件、前記冷媒回路の高圧側の圧力が所定圧力以上になるという高圧条件、前記冷媒回路の高圧側の圧力と低圧側の圧力の差圧が所定差圧以上になるという差圧条件、及び前記冷媒回路を流れる冷媒と熱交換される外気の温度が所定温度以上となるという外気温度条件の中から選択された１つの条件である、
請求項１に記載の冷凍装置。
　前記冷媒回路を流れる冷媒の圧力を減圧するために前記機器として前記冷媒回路に設置されている減圧機構（３４）と、
　前記冷媒回路を流れる冷媒と熱交換される外気を供給するために前記機器として前記冷媒回路に設置され、送風量を変更可能に構成されている室外ファン（３７）と、
をさらに備え、
　前記機器制御部は、少なくとも、前記運転周波数が１０Ｈｚ以上４０Ｈｚ以下の範囲にあり、前記モータのトルクが制御されており、且つ前記所定条件下において、前記減圧機構の減圧度合いの変更及び／又は前記室外ファンの送風量を制御することにより、前記圧縮機に吸入される冷媒を湿り状態にする、
請求項１又は請求項２に記載の冷凍装置。
　前記機器制御部は、少なくとも、前記運転周波数が１０Ｈｚ以上４０Ｈｚ以下の範囲にあり、前記モータのトルクが制御されており、且つ前記所定条件下において、前記圧縮機から吐出される冷媒の温度を目標吐出温度に一致させるように前記機器を制御することにより、前記圧縮機に吸入される冷媒を湿り状態にする、
請求項１から３のいずれか一項に記載の冷凍装置。
　前記冷媒回路を循環する冷媒は、Ｒ３２を５０重量％よりも多く含む冷媒である、
請求項１から４のいずれか一項に記載の冷凍装置。