本発明の冷凍サイクル装置の一実施形態� ��ついて、図面を参照しながら説明する。

 図1に示すように、本実施形態の冷凍サイ クル装置100は、冷媒を圧縮する第1圧縮機101� �、冷媒回路において第1圧縮機101に対して並� ��に設けられた第2圧縮機102と、第1圧縮機101� �よび第2圧縮機102で圧縮された冷媒を冷却す� ��放熱器103と、冷媒を減圧および膨張させる� ��張機104と、膨張機104で膨張した冷媒を加熱� ��る蒸発器105とを備えている。これらの機器� ��配管で接続されることによって冷媒回路が� ��成されている。第1圧縮機101および第2圧縮� �102のそれぞれに冷媒が導かれるように、蒸� �器105の下流側で冷媒回路が分岐している。� �縮された冷媒の全量が放熱器103に流入する� �うに、放熱器103の上流側で冷媒回路が合流� �ている。冷媒回路には、二酸化炭素やハイ� �ロフルオロカーボン等の冷媒が充填されて� �る。

 例えば、冷凍サイクル装置100が給湯機に� ��用される場合、放熱器103が水-冷媒熱交換器 であり、蒸発器105がフィンチューブ熱交換器 である。冷凍サイクル装置100が空調機に適用 される場合、放熱器103および蒸発器105の両者 がフィンチューブ熱交換器である。

 第1圧縮機101、第2圧縮機102および膨張機10 4は、それぞれ、スクロール型、ロータリ型� �レシプロ型等の容積型流体機械で構成され� �いる。冷媒が膨張時に開放するエネルギー� �、膨張機104によって動力の形で回収される� �膨張機104による回収動力が第1圧縮機101で使� ��されるように、第1圧縮機101と膨張機104とが 回転軸123によって連結されている。第1圧縮� �101と膨張機104との間には、回転軸123を駆動� �るためのモータ110が配置されている。回転� �123で連結されているため、本実施形態では� �第1圧縮機101の回転数と膨張機104の回転数と� ��常に等しい。他方、第2圧縮機102には、専用 のモータ111が接続されている。モータ110とモ ータ111とは別々に回転数を制御可能である。 言い換えれば、第1圧縮機101の回転数と第2圧� ��機102の回転数とを独立して制御可能である� ��これにより、密度比一定の制約を回避でき� ��。

 第1圧縮機101、モータ110、回転軸123および 膨張機104は、共通の密閉容器(図示せず)内に� ��容されている。このタイプの流体機械は、� ��えば国際公開2006/035934号パンフレットに開� �されている。同様に、第2圧縮機102およびモ� ��タ111も共通の密閉容器(図示せず)内に収容� �れている。

 冷凍サイクル装置100は、さらに、運転を� ��御する手段としてのコントローラ112と、モ� ��タ110に給電する第1インバータ125と、モータ 111に給電する第2インバータ127とを備えてい� �。具体的に、コントローラ112には、A/D変換� �路、入出力回路、演算回路、記憶装置等を� �むDSP(Digital Signal Processor)が用いられる。コ� ��トローラ112は、インバータ125,127を制御する ことによって、モータ110,111の回転数、すな� �ち、第1圧縮機101および第2圧縮機102の回転数 を制御する。

 冷媒回路には、第1圧縮機101の入口におけ る冷媒の温度を検出する第1温度センサ106と� �第1圧縮機101の出口における冷媒の温度を検� ��する第2温度センサ107と、膨張機104の入口に おける冷媒の温度を検出する第3温度センサ10 8と、膨張機104の出口における冷媒の温度を� �出する第4温度センサ109と、蒸発器105内の伝� ��管の表面温度を検出する着霜温度センサ120� ��、蒸発器105の周囲の外気温度を検出する外� ��温度センサ121とが設けられている。これら� ��温度センサには、サーミスタや熱電対など� ��温度検出素子を使用できる。各温度センサ� ��信号はコントローラ112に入力される。

 第1圧縮機101の設計上の押しのけ容積と、 第2圧縮機102の設計上の押しのけ容積とは、� �なっていてもよいが、等しい方が有利であ� �。第1圧縮機101と第2圧縮機102とに共通の流体 機械を用いることによって、コストを低減で きるからである。なお、「押しのけ容積」と は、吸入完了時の閉じ込め容積のことである 。

 なお、膨張機104をバイパスする回路を設� ��たり、放熱器103と膨張機104との間に予膨張� ��を設けたりしてもよい(図示省略)。

 次に、冷凍サイクル装置100の除霜運転に� ��いて説明する。

 本実施形態において、「除霜運転」とは� ��第1圧縮機101および第2圧縮機102で圧縮した� �媒を実質的に冷却せずに膨張機104で減圧し� �蒸発器105に流すことによって、蒸発器105に� �着した霜や氷を溶かす非定常運転のことで� �る。具体的には、放熱器103に流入する水ま� �は空気の量をゼロにする、給湯機における� �ポンプや空調機におけるファンを停止する� �とによって、冷媒が実質的に冷却されずに� �張機104へと流れる。

 なお、放熱器103をバイパスする回路に冷� ��を流すホットガスバイパス方式、または、� ��媒回路に設けた四方弁によって冷媒を逆流� ��せる四方弁切り替え方式を採用してもよい� ��

 図2は、本実施形態の冷凍サイクル装置の 除霜運転時のモリエル線図である。図2に示� �3つのサイクル(除霜サイクル)は、それぞれ� �除霜運転開始時のサイクルP1、除霜運転中間 時のサイクルP2および除霜運転終了時のサイ� ��ルP3を模式的に表している。

 除霜運転開始時のサイクルP1を例に挙げ� �と、点A1→点B1で冷媒は圧縮機101,102によって 圧縮され、放熱器103に流入する。放熱器103で 熱交換しないので、点B1が膨張機104の入口で� ��冷媒の状態に対応する。冷媒は膨張機104で� ��圧され、蒸発器105の入口(点C1)に移動する。 点B1と点C1とのエンタルピ差δHが膨張機104の� �収動力に対応する。蒸発器105に流入した冷� �は、蒸発器105を加熱することで霜を溶かし� �後、圧縮機101,102の入口(点A1)に戻る。点C1と� ��A1とのエンタルピ差δhが蒸発器105に与えら� �る熱量に対応する。これらの説明は、中間� �のサイクルP2および終了時のサイクルP3でも� ��じである。

 本実施形態では、除霜運転において、第1圧 縮機101の出口における冷媒の流量と第2圧縮� �102の出口における冷媒の流量との合計を霜� �解凍に応じて徐々に増やす。除霜運転が進� �につれて、冷凍サイクル装置100の各部にお� �る冷媒の温度が上昇し、これに伴って、サ� �クルはモリエル線図の右方向にシフトし、� �イクルの高圧および低圧が共に上昇する(P1� �P2→P3)。膨張機104の入口における冷媒の密度 ρ _e と圧縮機101,102の入口における冷媒の密度ρ _c との比(ρ _e /ρ _c )は、次第に大きくなる。サイクルP1,P2,P3に関 して、圧縮機101,102の入口における冷媒の密� �をρ _A1 ,ρ _A2 ,ρ _A3 、膨張機の入口における冷媒の密度をρ _B1 ,ρ _B2 ,ρ _B3 とすると、(ρ _B1 /ρ _A1 )<(ρ _B2 /ρ _A2 )<(ρ _B3 /ρ _A3 )の関係が成り立つ。

 仮に、除霜運転の開始直後から終了まで� ��縮機101,102を最大回転数で駆動すると、冷媒 の密度比が変化しえないので、膨張機104が押 しのけるべき冷媒の流量不足が次第に顕著と なり、理想的なサイクルから大きく外れたサ イクルでの運転を強いられる。これに対し、 本実施形態では、第1圧縮機101の出口におけ� �冷媒の流量と第2圧縮機102の出口における冷� ��の流量との合計を徐々に増やすことで、膨� ��機104が押しのけるべき冷媒の流量不足を解� ��ないし補てんできる。

 第1圧縮機101の出口における冷媒の流量と第 2圧縮機102の出口における冷媒の流量との合� �を徐々に増やすために、本実施形態では次� �制御を行う。
・除霜運転の開始後、第1圧縮機101の回転数� �徐々に上げる(Aパターン)
・除霜運転の開始後、第2圧縮機102の回転数� �徐々に上げる(Bパターン)

 なお、本明細書において「流量を徐々に� ��やす」とは、流量を連続的に増やしてもよ� ��し、段階的に増やしてもよいことを意味す� ��。同様に、「回転数を徐々に上げる」とは� ��回転数を連続的に上げてもよいし、段階的� ��上げてもよいことを意味する。

 第1圧縮機101の回転数を徐々に上げるAパ� �ーンを図3に、第2圧縮機102の回転数を徐々に 上げるBパターンを図4に示す。比較例として� ��第2圧縮機102の回転数を徐々に下げるCパタ� �ンを図5に、第1圧縮機101および第2圧縮機102� �回転数を除霜開始から除霜終了まで最大に� �るDパターンを図6に示す。

 図3~図6において、時間Rは除霜開始時間、 時間Sおよび時間Vは第1圧縮機101または第2圧� �機102の回転数が一定になる時間、時間Ta~Tdは 除霜終了時間、時間Uは第2圧縮機102の回転数� ��下がり始める時間を表している。第1圧縮機 101の回転数がHz1で示され、第2圧縮機102の回� �数がHz2で示されている。回転数Lは、第1圧縮 機101および第2圧縮機102の設計上の最大回転� �で、例えば70~90Hzである。回転数Mは、第1圧� �機101および第2圧縮機102の定格回転数または� ��の近傍の回転数で、例えば50~70Hzである。回 転数Nは、定格回転数よりも低い回転数で、� �えば20~50Hzである。除霜運転に入る直前にお� ��て、第2圧縮機102が停止して第1圧縮機101の� �が動いている場合もあるので、回転数Nはゼ� ��であってもよい。ただし、L、M、Nの値は冷� ��サイクル装置の仕様、用途、使用環境等に� ��じて定められるもので、上記の範囲に限定� ��れない。

 一例として、Aパターンにおいて、第1圧� �機101の回転数を2~20Hz/分(または4~15Hz/分)のレ� ��トで上げるとよい。同様に、Bパターンにお いて、第2圧縮機102の回転数を2~20Hz/分(または 4~15Hz/分)のレートで上げるとよい。この程度� ��ゆっくりしたレートで各圧縮機を加速する� ��とで、除霜時間を確実に短縮でき、消費電� ��も低減できる。なお、別の視点から見ると� ��蒸発器105の出口における冷媒の温度が2~4℃/ 分のレートで上がるように制御を行ってもよ い。

 また、除霜時間を予測して除霜運転の開� ��から終了に至るまで加速を継続してもよい� ��、途中で加速を止めてもよい。つまり、所� ��回転数まである程度ゆっくりしたレートで� ��転数を上げた後、除霜運転の終了までその� ��定回転数を保持してもよい。例えばAパター ンでは、時間R(除霜開始)から時間Sまで第1圧� ��機101の加速を行い、時間Sから時間Ta(除霜終 了)まで第1圧縮機101の回転数をMで保持してい る。同様に、Bパターンでは、時間R(除霜開始 )から時間Sまで第2圧縮機102の加速を行い、時 間Sから時間Tb(除霜終了)まで第2圧縮機102の回 転数をMで保持している。さらに、各圧縮機10 1,102の回転数を単調に(連続的に)上げてもよ� �し、段階的に上げてもよい。

 図1に示す冷凍サイクル装置(給湯機用)を� ��製し、各パターンにしたがって除霜運転を� ��ない、除霜に要した時間(除霜時間)と消費� �力とを調べた。まず、蒸発器105を気温2℃の� ��境におき、冷凍サイクル装置を定格(第1圧� �機101:60Hz、第2圧縮機:60Hz)で運転した。そし� �、蒸発器105内の伝熱管の表面温度が-6℃にな った時点から30分後に除霜運転を開始した。� ��発器105の出口における冷媒の温度が10℃に� �した時点を除霜終了時とした。冷凍サイク� �装置の具体的な構成は以下の通りである。

<<冷凍サイクル装置の構成>>
加熱能力:9kw
第1圧縮機:スクロール型
第2圧縮機:スクロール型
膨張機:ロータリ型
放熱器:水-冷媒熱交換器(除霜運転中は水の流 入を停止)
蒸発器:フィンチューブ熱交換器
冷媒:二酸化炭素

 結果を表1に示す。表1において、「除霜� �間」および「消費電力」はBパターンの値を1 00としたときの相対比で示されている。時間( R)(S)(T)(U)(V)は、それぞれ、図3~図6に示された� ��間に対応している。

 図2を参照して説明したように、除霜運転 が進むにつれて、膨張機104の入口における冷 媒の密度と圧縮機101,102の入口における冷媒� �密度との比は大きくなる。一方の圧縮機の� �転数をできるだけ高くし、他方の圧縮機の� �転数を徐々に上げることにより、密度比の� �化に対応して効率の良い運転を行なえる。

 Aパターンは、除霜運転の開始後、第2圧� �機102の回転数を最大回転数Lに保持するとと� ��に、第1圧縮機101の回転数を最大回転数Lよ� �も低い回転数Nから徐々に上げる制御パター� ��である。Aパターンでは、除霜運転開始時の 膨張機104の回転数が低いため、冷媒の循環量 が低下し、除霜時間もやや長くなった。しか し、Bパターンほどではないが、Aパターンで� ��一定の効果が得られた。

 Bパターンは、除霜運転の開始後、第1圧� �機101の回転数を最大回転数Lに保持するとと� ��に、第2圧縮機102の回転数を最大回転数Lよ� �も低い回転数Nから徐々に上げる制御パター� ��である。Bパターンによると、最も短い時間 で除霜が終わり、消費電力も最も少なかった 。この理由として、(i)除霜開始時のサイクル の高低圧差が比較的小さいため、冷媒が膨張 機104で失うエンタルピも少なく、蒸発器105を 加熱するための熱量δhを除霜初期から十分に 確保できること、(ii)除霜開始時から第1圧縮� ��101の回転数が高く、冷媒の循環量を十分に� ��保できることが挙げられる。

 Cパターンは、第1圧縮機101の回転数を最� �回転数Lで保持し、第2圧縮機102の回転数を徐 々に下げる制御パターンである。Cパターン� �よると、最も長い除霜時間を要した。除霜� �始時のサイクルの低圧が低すぎることが原� �に挙げられる。

 Dパターンは、第1圧縮機101の回転数およ� �第2圧縮機102の回転数を共に高い回転数に保� ��する制御パターンである。Dパターンによる と、AパターンおよびBパターンよりも長い除� ��時間を要し、消費電力も最も多かった。除� ��開始時のサイクルの低圧が低すぎること、� ��凍サイクル装置の状態の経時変化に対応で� ��ていないことが原因に挙げられる。

 なお、AパターンとBパターンとの組み合� �せとして、除霜運転の開始後、第1圧縮機101� ��回転数および第2圧縮機102の回転数を徐々に 上げる制御パターンも考えられる。冷媒の流 量を十分に確保できるのであれば、この制御 パターンも有効である。

 以上に説明したように、第1圧縮機101およ び第2圧縮機102から選ばれる少なくとも一方� �回転数を徐々に上げることによって冷媒の� �量を徐々に増やせば、除霜時間の短縮およ� �消費電力の低減を図れる。好ましくは、第1� ��縮機101の回転数を最大回転数Lで保持すると ともに、第2圧縮機102の回転数を当該第2圧縮� ��102の定格回転数よりも低い回転数Nから徐々 に上げることである。

 次に、図7に示す制御フローチャートを参 照して、Bパターンの制御についてさらに説� �する。図4に示すBパターンにおいて、第2圧� �機102の回転数Hz2を時間tの関数f(t)+Nで表す(N:� ��期回転数)。

 除霜運転の開始条件の成立に応じて、コ� ��トローラ112は、図7に示す制御を行なう。除 霜運転の開始条件は特に限定されない。一例 では、外気温度が所定温度以下で、蒸発器105 内の伝熱管の表面温度が所定の要除霜温度以 下になった時点から所定時間経過後に除霜運 転を開始する。例えば、外気温度センサ121に よる検出温度が0~5℃、着霜温度センサ120によ る検出温度が-5~-2℃になった時点(またはその 時点から所定時間経過後)で除霜運転を開始� �る。

 まず、ステップ201で、第1圧縮機101の回転 数Hz1をL、第2圧縮機102の回転数Hz2をf(t)+Nにセ� ��トする。第2圧縮機102の回転数Hz2の最大値を Mとする。L、M、Nは、それぞれ、図4中に示す� ��転数である。次に、ステップ202では、蒸発� ��105の出口における冷媒の温度Teoutと、設定� �Tem(例えば10℃)とを比較する。Teout>Temの場� ��に霜が十分に溶けたと判断し、除霜運転を� ��了する。Teout≦Temの場合は除霜が不十分で� �ると判断し、ステップ201に戻って第2圧縮機1 02の回転数を上げる。

 蒸発器105の出口における冷媒の温度Teout� �基づいて、除霜できたかどうかを確実に判� �できる。なお、温度Teoutは、第1圧縮機101の� �口における冷媒の温度に略等しいので、第1� ��度センサ106より取得できる。蒸発器105の出� ��付近に温度センサを別途設けてもよい。除� ��運転終了後は、第1圧縮機101および第2圧縮� �102の回転数を定格回転数にセットし、通常� �給湯運転(放熱器103への水の流入)を再開する 。

 以上のように、第2圧縮機102の回転数を徐 々に上げることによって、除霜時間の短縮お よび消費電力の低減を図れる。

 次に、図8に示す制御フローチャートを参 照して、図4のBパターンをさらに発展させた� ��御について説明する。図8に示す制御による と、除霜運転時のCOPの更なる改善および圧縮 機の部品温度の過昇を防止できる。

 まず、ステップ301で、第1圧縮機101の回転 数Hz1をL、第2圧縮機102の回転数Hz2をf(t)+Nにセ� ��トする。この点は、図7のステップ201と同じ である。次に、ステップ302では、除霜運転が 安定したかどうかを判断する。具体的には、 除霜開始から所定時間(例えば5分)が経過した かどうかを判断する。所定時間が経過してい る場合にはステップ303に移る。所定時間が経 過していない場合にはステップ301に戻る。な お、第2圧縮機102の回転数Hz2がこの所定時間� �に回転数Mに達するように、第2圧縮機102の加 速度を決めてもよい。

 次に、ステップ303では、第1圧縮機101の入 口における冷媒の温度Td(第1圧縮機101の吸入� �度)、第1圧縮機101の出口における冷媒の温度 Ts(第1圧縮機101の吐出温度)、膨張機104の入口� ��おける冷媒の温度Tj、膨張機104の出口にお� �る冷媒の温度Tk、第1圧縮機101の回転数Hz1お� �び第2圧縮機102の回転数Hz2を検出する。温度T d,Ts,Tj,Tkは、それぞれ、第1~第4温度センサ106~1 09から取得できる。回転数Hz1,Hz2は、コントロ ーラ112自身が管理しているデータである。

 次に、ステップ304に移り、上記検出値から� ��媒の密度比(ρ _e /ρ _c )を算出する。密度ρ _c は、第1圧縮機101の入口における冷媒の密度� �あり、密度ρ _e は、膨張機104の入口における冷媒の密度であ る。算出した密度比(ρ _e /ρ _c )に基づき、コントローラ112に予め記憶され� �いる相関式や数値データのテーブル等を利� �することにより、第1圧縮機101の目標吐出温� ��Tsmを求める。

 ステップ305では、実際の吐出温度Tsと目標� �出温度Tsmとを比較する。Ts>Tsmの場合は、� �イクルの高圧が高すぎると判断する。この� �合は、膨張機104の入口における冷媒の密度ρ _e が高くなるようにバランスしようとしている ため、ステップ306で第2圧縮機102の回転数を� �げて、膨張機104の入口における冷媒の流量� �落とす。これにより、第1圧縮機101の吐出温� ��Tsおよびサイクルの高圧が下がる。

 他方、Td≦Tsmの場合は、サイクルの高圧が� �すぎると判断する。この場合は、膨張機104� �入口における冷媒の密度ρ _e が低くなるようにバランスしようとしている ため、ステップ307で第2圧縮機102の回転数を� �げて、膨張機104の入口における冷媒の流量� �増やす。これにより、第1圧縮機101の吐出温� ��Tsおよびサイクルの高圧が上がる。

 ステップ308では、蒸発器105の出口におけ� ��冷媒の温度Teoutと、設定値Tem(例えば10℃)と� ��比較する。本実施形態では、温度Teoutは、� �1圧縮機101の吸入温度Tdに略等しい。Teout>Te mの場合に霜が十分に溶けたと判断し、除霜� �転を終了する。Teout≦Temの場合は除霜が不十 分であると判断し、ステップ303に戻る。

 以上のように、除霜運転を開始して所定時� ��が経過するまでの期間において、第2圧縮機 102の回転数を徐々に上げる。除霜運転開始か ら所定時間が経過した後、密度比(ρ _e /ρ _c )に基づいて、第1圧縮機101の目標吐出温度Tsm� ��算出し、実際の吐出温度Tsが目標吐出温度Ts mに近づくように第2圧縮機102の回転数を制御� ��る。これにより、より高いCOPを達成できる� ��また、圧縮機101,102の部品温度の過昇を防止 できるので、冷凍サイクル装置100の信頼性が 高まる。

 なお、本実施形態では、第1圧縮機101の回 転数および/または第2圧縮機102の回転数を徐� ��に上げることによって、冷媒の循環量を徐� ��に増やしている。しかし、冷媒の循環量を� ��々に増やす方法は、回転数を上げること以� ��にもある。例えば、第1圧縮機101および/ま� �は第2圧縮機102として、押しのけ容積が可変� ��圧縮機を用いることが考えられる。回転数� ��徐々に上げる代わりに、押しのけ容積を徐� ��に増やす制御を実施することにより、冷媒� ��循環量を徐々に増やすことができる。さら� ��、回転数を上げる制御と押しのけ容積を増� ��す制御とを併用しても同じ結果が得られる� ��