(57)【要約】【課題】熱交換器の出口の冷媒過熱度をフィードバック制御で調節する冷凍装置において、運転条件が変化しても冷媒過熱度を安定させる。【解決手段】運転中の実際の冷凍サイクルにおいてフィードバック制御で定められる膨張機構（22a,22b）（36）の開度を、運転条件から定まる理論上の冷凍サイクルにおいて計算で求められる必要開度を含む所定範囲内に制限する制御器（90）を設ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機（31）と放熱器（15）（21a,21b）と膨張機構（22a,22b）（36）と蒸発器（21a,21b）（15）とが順に接続されて蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷媒回路（11,12）と、
上記冷媒回路（11,12）の冷凍サイクルの動作を制御する制御器（90）と、を備え、
上記制御器（90）が、上記蒸発器（21a,21b）（15）の出口側の冷媒過熱度が目標値となるように、上記膨張機構（22a,22b）（36）の開度をフィードバック制御で定めるように構成された冷凍装置であって、
上記制御器（90）は、運転中の実際の冷凍サイクルにおいてフィードバック制御で定められる上記膨張機構（22a,22b）（36）の開度を、運転条件から定まる理論上の冷凍サイクルにおいて計算で求められる必要開度を含む所定範囲内に制限する
ことを特徴とする冷凍装置。
【請求項２】
請求項１において、
上記制御器（90）は、運転中の実際の冷凍サイクルにおいてフィードバック制御で定められる上記膨張機構（22a,22b）（36）の開度が、上記必要開度を含む所定範囲の上限を上回ると、その膨張機構（22a,22b）（36）の開度を、上記所定範囲の上限の開度に設定し、上記フィードバック制御で定められる上記膨張機構（22a,22b）（36）の開度が、上記必要開度を含む所定範囲の下限を下回ると、その膨張機構（22a,22b）（36）の開度を、上記所定範囲の下限の開度に設定する
ことを特徴とする冷凍装置。
【請求項３】
請求項１または２において、
上記制御器（90）は、
上記膨張機構（22a,22b）（36）への冷媒の流入側圧力と流出側圧力との圧力差をΔＰ、
上記圧縮機（31）の単位時間当たりの吸入冷媒量をＧ、
上記膨張機構（22a,22b）（36）を単位時間当たりに通過する冷媒の体積流量をＱ、
及び係数をαとすると、
上記膨張機構（22a,22b）（36）の開度と冷媒流量との関係を表す流量特性を表す値Ｃｖを、Ｃｖ＝α×Ｑ×（Ｇ／ΔＰ）１／２で表される式から求め、
上記流量特性値Ｃｖが得られる膨張機構（22a,22b）（36）の開度を、上記必要開度に設定する
ことを特徴とする冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、冷凍装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷凍装置において、蒸発器となる熱交換器の出口側の実際の冷媒過熱度を求め、この冷媒過熱度が目標値になるように、蒸発器の流入側に設けられている膨張弁の開度を制御するものがある（例えば、特許文献１参照）。いわゆるフィードバック制御である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６１−１７５４５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
膨張弁を蒸発器の出口の冷媒過熱度に基づいてフィードバック制御する場合、膨張弁（膨張機構）の開度を必要以上に調節してしまうことがある。例えば、冷凍負荷が急激に変化したり、室外に設置される熱交換器に強風が吹き付けられるような急激な運転条件の変化が生じたりしたときに、礼装装置の制御器がこれらの変化に対応しようとする場合などである。
【０００５】
膨張弁の開度を必要以上に調節すると、冷媒過熱度が目標過熱度を通り過ぎて変化して、今度は膨張弁の開度を逆方向に調節することになり、膨張弁開度が増減を繰り返すおそれがある。そうすると、冷媒過熱度も増減を繰り返し、いわゆるハンチングの不安定な動作が生じてしまう。
【０００６】
本開示の目的は、熱交換器の出口の冷媒過熱度をフィードバック制御で調節する冷凍装置において、運転条件が変化しても冷媒過熱度を安定させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示の第１の態様は、
圧縮機（31）と放熱器（15）（21a,21b）と膨張機構（22a,22b）（36）と蒸発器（21a,21b）（15）とが順に接続されて蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷媒回路（11,12）と、
上記冷媒回路（11,12）の冷凍サイクルの動作を制御する制御器（90）と、を備え、
上記制御器（90）が、上記蒸発器（21a,21b）（15）の出口側の冷媒過熱度が目標値となるように、上記膨張機構（22a,22b）（36）の開度をフィードバック制御で定めるように構成された冷凍装置を前提とする。
【０００８】
この冷凍装置は、上記制御器（90）が、運転中の実際の冷凍サイクルにおいてフィードバック制御で定められる上記膨張機構（22a,22b）（36）の開度を、運転条件から定まる理論上の冷凍サイクル（以下、理論冷凍サイクルともいう）において計算で求められる必要開度を含む所定範囲内に制限する
ことを特徴とする。
【０００９】
上記の「計算で求められる必要開度」は、運転条件が変わる都度計算で求められる開度に限らない。例えば、上記必要開度は、運転条件ごとに予め計算で求められた値が記録されたデータを、上記制御器（90）が読み込む構成であってもよい。
【００１０】
第１の態様では、膨張機構（22a,22b）（36）の開度は、基本的には、運転中の実際の冷凍サイクルにおいてフィードバック制御で定められる。言い換えると、制御器（90）は、蒸発器（21a,21b）（15）の出口の冷媒過熱度が目標値より大きい場合は膨張機構（22a,22b）（36）の開度を大きくして冷媒流量を増やし、蒸発器（21a,21b）（15）の出口の冷媒過熱度が目標値より小さい場合は膨張機構（22a,22b）（36）の開度を小さくして冷媒流量を減らす制御を行う。
【００１１】
一方、制御器（90）は、フィードバック制御を行うと同時に、そのときの運転条件から定められる理論冷凍サイクルにおける膨張機構（22a,22b）（36）の必要開度を求める。制御器（90）は、実際の運転中にフィードバック制御で求めた膨張機構（22a,22b）（36）の開度が上記必要開度を含む所定範囲を超える場合は、実際の開度を、その所定範囲内に入るように制限する。このことにより、開度の調節範囲が制限されるので、運転条件が急激に変化しても、膨張機構（22a,22b）（36）の開度は必要以上に変化しない。よって、冷媒過熱度が増減を繰り返すハンチングの不安定な動作を抑制できる。
【００１２】
本開示の第２の態様は、第１の態様において、
上記制御器（90）は、運転中の実際の冷凍サイクルにおいてフィードバック制御で定められる上記膨張機構（22a,22b）（36）の開度が、上記必要開度を含む所定範囲の上限を上回ると、その膨張機構（22a,22b）（36）の開度を、上記所定範囲の上限の開度に設定し、上記フィードバック制御で定められる上記膨張機構（22a,22b）（36）の開度が、上記必要開度を含む所定範囲の下限を下回ると、その膨張機構（22a,22b）（36）の開度を、上記所定範囲の下限の開度に設定する
ことを特徴とする。
【００１３】
第２の態様では、実際の運転中にフィードバック制御で求めた膨張機構（22a,22b）（36）の開度が上記必要開度を含む所定範囲を超えて大きくなる場合は、実際の開度がその所定範囲の上限に設定される。フィードバック制御で求めた膨張機構（22a,22b）（36）の開度が上記必要開度を含む所定範囲を下回る小さな値になる場合は、実際の開度がその所定範囲の下限に設定される。いずれの場合も、膨張機構（22a,22b）（36）の開度は必要以上に調節されず、しかもフィードバック制御で求められた値に近い開度に設定される。
【００１４】
本開示の第３の態様は、第１または第２の態様において、
上記制御器（90）は、
上記膨張機構（22a,22b）（36）への冷媒の流入側圧力と流出側圧力との圧力差をΔＰ、
上記圧縮機（31）の単位時間当たりの吸入冷媒量をＧ、
上記膨張機構（22a,22b）（36）を単位時間当たりに通過する冷媒の体積流量をＱ、
及び係数をαとすると、
上記膨張機構（22a,22b）（36）の開度と冷媒流量との関係を表す流量特性を表す値Ｃｖを、Ｃｖ＝α×Ｑ×（Ｇ／ΔＰ）１／２で表される式から求め、
上記流量特性値Ｃｖが得られる膨張機構（22a,22b）（36）の開度を、上記必要開度に設定する
ことを特徴とする。
【００１５】
第３の態様では、理論冷凍サイクルにおける膨張機構（22a,22b）（36）の必要開度が、上記の圧力差、吸入冷媒量、冷媒の体積流量から求めた膨張機構（22a,22b）（36）の流量特性値Ｃｖにより求められる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、実施形態のチラー装置の構成を示す冷媒回路図である。
【図２】図２は、冷却運転中の冷媒の流れを示すチラー装置の冷媒回路図である。
【図３】図３は、加熱運転中の冷媒の流れを示すチラー装置の冷媒回路図である。
【図４】図４は、熱源側膨張弁の開度−流量特性（開度（パルス数）とＣｖ値との関係）を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本実施形態のチラー装置（1）は、冷凍サイクルを行う冷凍装置である。図１に示すように、このチラー装置（1）は、冷媒を循環させて蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷媒回路（11,12）を備え、冷媒によって熱媒水を冷却し又は加熱する。チラー装置（1）において冷却され又は加熱された熱媒水の冷熱又は温熱は、水熱交換器（15）を介して図外のファンコイルユニットへ伝達され、室内空間の冷房または暖房に利用される。本実施形態では、熱源機（2）であるチラー装置（1）に対し、水熱交換器（15）に室内器（3）であるファンコイルユニットが接続される。
【００１８】
チラー装置（1）は、第１冷媒回路（11）と第２冷媒回路（12）とを備える。第１冷媒回路（11）と第２冷媒回路（12）は、一つの水熱交換器（15）を共用する。また、チラー装置（1）は、室外ファン（5）を、冷媒回路（11,12）毎に一つずつ備える。各室外ファン（5）は、対応する冷媒回路（11,12）の室外熱交換器（21a,21b）へ室外空気を送る。更に、チラー装置（1）は、制御器（90）を備える。
【００１９】
−冷媒回路−
第１冷媒回路（11）と第２冷媒回路（12）は、それぞれの構成が互いに同じである。図１は、第１冷媒回路（11）の具体構成を図示し、第２冷媒回路（12）の具体構成の図示を省略する。ここでは、第１冷媒回路（11）について説明する。冷媒回路（11,12）は、後述の室外熱交換器（21a,21b）と水熱交換器（15）の一方が放熱器となり、他方が蒸発器となって冷凍サイクルを行う。
【００２０】
第１冷媒回路（11）は、圧縮機（31）と、四方切換弁（32）と、ブリッジ回路（40）と、受液器（33）と、過冷却用熱交換器（35）と、利用側膨張弁（36）とを、一つずつ備える。第１冷媒回路（11）には、水熱交換器（15）が接続される。第１冷媒回路（11）は、一方向管路（53）と、過冷却管路（54）と、機器冷却管路（55）と、吸入接続管路（60）と、ガス抜き管路（61）とを、一つずつ備える。また、第１冷媒回路（11）は、二つの分岐管路（20a,20b）を備える。各分岐管路（20a,20b）には、室外熱交換器（21a,21b）と熱源側膨張弁（22a,22b）とが一つずつ設けられる。熱源側膨張弁（22a,22b）は本開示の膨張機構である。
【００２１】
〈圧縮機〉
圧縮機（31）は、全密閉型のスクロール圧縮機である。圧縮機（31）の運転容量は可変である。圧縮機（31）の電動機には、図外のインバータから交流が供給される。インバータの出力周波数を変更すると、圧縮機（31）に設けられた電動機の回転速度が変化し、圧縮機（31）の運転容量が変化する。
【００２２】
圧縮機（31）の吸入管は、吸入配管（51）に接続する。圧縮機（31）の吐出管は、吐出配管（52）に接続する。圧縮機（31）の中間インジェクション管は、過冷却管路（54）に接続する。吐出配管（52）には、逆止弁（CV13）が設けられる。この逆止弁（CV13）は、圧縮機（31）から流出する向きの冷媒の流通を許容し、逆向きの冷媒の流通を阻止する。
【００２３】
〈四方切換弁〉
四方切換弁（32）は、四つのポートを有する切換弁である。四方切換弁（32）の第１のポートは、吐出配管（52）を介して圧縮機（31）に接続する。四方切換弁（32）の第２のポートは、吸入配管（51）を介して圧縮機（31）に接続する。四方切換弁の第３のポートは、各分岐管路（20a,20b）の一端に接続する。四方切換弁（32）の第４のポートは、水熱交換器（15）に接続する。
【００２４】
四方切換弁（32）は、図１に実線で示す第１状態と、図１に破線で示す第２状態とに切り換わる。第１状態の四方切換弁（32）では、第１のポートが第３のポートと連通し、第２のポートが第４のポートと連通する。第２状態の四方切換弁（32）では、第１のポートが第４のポートと連通し、第２のポートが第３のポートと連通する。
【００２５】
〈分岐管路〉
二つの分岐管路（20a,20b）は、互いに並列に接続される。各分岐管路（20a,20b）のガス側端は、四方切換弁（32）の第３のポートに接続する。各分岐管路（20a,20b）の液側端は、ブリッジ回路（40）に接続する。
【００２６】
第１分岐管路（20a）には、第１室外熱交換器（21a）とそれに対応する第１熱源側膨張弁（22a）とが直列に配置される。第２分岐管路（20b）には、第２室外熱交換器（21b）とそれに対応する第２熱源側膨張弁（22b）とが直列に配置される。各分岐管路（20a,20b）では、分岐管路（20a,20b）のガス側端寄りに室外熱交換器（21a,21b）が配置され、分岐管路（20a,20b）の液側端寄りに熱源側膨張弁（22a,22b）が配置される。
【００２７】
各室外熱交換器（21a,21b）は、冷媒を室外空気と熱交換させる熱源側熱交換器である。第１室外熱交換器（21a）の熱交換容量は、第２室外熱交換器（21b）の熱交換容量よりも大きい。各熱源側膨張弁（22a,22b）は、開度調整可能な電子膨張弁である。
【００２８】
第１冷媒回路（11）に対応する室外ファン（5）は、第１冷媒回路（11）の第１室外熱交換器（21a）と第２室外熱交換器（21b）の両方へ室外空気を送る。
【００２９】
〈ブリッジ回路〉
ブリッジ回路（40）は、四つの配管（41〜44）を備える。第１配管（41）には第１逆止弁（CV1）が、第２配管（42）には第２逆止弁（CV2）が、第３配管（43）には第３逆止弁（CV3）が、第４配管（44）には第４逆止弁（CV4）が、それぞれ設けられる。各逆止弁（CV1〜CV4）は、対応する配管（41〜44）の流入端から流出端に向かう方向の冷媒の流通を許容し、逆向きの冷媒の流通を阻止する。
【００３０】
第１配管（41）の流出端と第２配管（42）の流入端とは、分岐管路（20a,20b）の液側端に接続する。第２配管（42）の流出端と第３配管（43）の流出端とは、一方向管路（53）の一端に接続する。第３配管（43）の流入端と第４配管（44）の流出端とは、利用側膨張弁（36）の一端に接続する。第４配管（44）の流入端と第１配管（41）の流入端とは、一方向管路（53）の他端に接続する。
【００３１】
〈利用側膨張弁〉
利用側膨張弁（36）は、開度可変の電子膨張弁である。利用側膨張弁（36）の他端は、水熱交換器（15）に接続する。
【００３２】
〈水熱交換器〉
水熱交換器（15）は、利用側熱交換器である。水熱交換器（15）は、第１冷媒回路（11）及び第２冷媒回路（12）の冷媒を熱媒水と熱交換させる。
【００３３】
水熱交換器（15）には、水流路（16）と、第１冷媒流路（17）と、第２冷媒流路（18）とが形成される。水流路（16）には、熱媒水の循環回路が接続する。第１冷媒流路（17）には、第１冷媒回路（11）が接続する。第２冷媒流路（18）には、第２冷媒回路（12）が接続する。各冷媒流路（17,18）の一端は、対応する冷媒回路（11,12）の四方切換弁（32）の第４のポートに接続する。各冷媒流路（17,18）の他端は、対応する冷媒回路（11,12）の利用側膨張弁（36）の他端に接続する。
【００３４】
〈一方向管路、過冷却管路、過冷却熱交換器〉
一方向管路（53）には、一端から他端へ向かって順に、受液器（33）と過冷却用熱交換器（35）とが配置される。
【００３５】
過冷却管路（54）の一端は、一方向管路（53）における受液器（33）と過冷却用熱交換器（35）の間に接続する。過冷却管路（54）の他端は、圧縮機（31）の中間インジェクション管に接続する。過冷却管路（54）には、一端から他端へ向かって順に、過冷却用膨張弁（34）と過冷却用熱交換器（35）とが配置される。
【００３６】
過冷却用熱交換器（35）には、一次側流路（35a）と二次側流路（35b）とが形成される。一次側流路（35a）は、一方向管路に接続する。二次側流路（35b）は、過冷却管路に接続する。過冷却用熱交換器（35）は、一次側流路（35a）の冷媒を二次側流路（35b）の冷媒と熱交換させて冷却する。
【００３７】
〈機器冷却管路、機器冷却器〉
機器冷却管路（55）の一端は、第１分岐管路（20a）における第１室外熱交換器（21a）と第１熱源側膨張弁（22a）の間に接続する。機器冷却管路（55）の他端は、二つの分岐管路（20a,20b）の液側端とブリッジ回路（40）を繋ぐ配管に接続する。
【００３８】
機器冷却管路（55）には、一端から他端へ向かって順に、流量調節弁（57）と機器冷却器（56）とが配置される。流量調節弁（57）は、開度可変の電子膨張弁である。機器冷却器（56）は、チラー装置（1）の構成部品を冷却するための部材である。機器冷却器（56）によって冷却される構成部品の一例としては、例えばインバータのパワー素子などの発熱する電気部品が挙げられる。機器冷却器（56）は、冷却対象の構成部品に熱的に接続され、その構成部品において発生した熱を冷媒に吸収させる。
【００３９】
〈吸入接続管路〉
吸入接続管路（60）の一端は、過冷却管路（54）における過冷却用熱交換器（35）の下流側に接続する。吸入接続管路（60）の他端は、吸入配管（51）に接続する。
【００４０】
吸入接続管路（60）には、一端から他端へ向かって順に、電磁弁（SV1）と逆止弁（CV11）とが配置される。逆止弁（CV11）は、吸入接続管路（60）の一端から他端に向かう冷媒の流通を許容し、逆向きの冷媒の流通を阻止する。
【００４１】
〈ガス抜き管路〉
ガス抜き管路（61）の一端は、受液器（33）の頂部に接続する。ガス抜き管路（61）の他端は、吸入接続管路（60）における逆止弁（CV11）の下流側に接続する。
【００４２】
ガス抜き管路（61）には、一端から他端へ向かって順に、電磁弁（SV2）と、キャピラリチューブ（62）と、逆止弁（CV12）とが配置される。逆止弁（CV12）は、ガス抜き管路（61）の一端から他端に向かう冷媒の流通を許容し、逆向きの冷媒の流通を阻止する。
【００４３】
〈圧力センサ、温度センサ〉
第１冷媒回路（11）には、吸入圧力センサ（81）と、吐出圧力センサ（82）とが設けられる。吸入圧力センサ（81）は、吸入配管（51）に接続され、吸入配管（51）を通って圧縮機（31）へ吸入される冷媒の圧力を計測する。吐出圧力センサ（82）は、吐出配管（52）に接続され、圧縮機（31）から吐出されて吐出配管（52）を流れる冷媒の圧力を計測する。
【００４４】
第１冷媒回路（11）には、吸入温度センサ（83）と、吐出温度センサ（84）とが設けられる。吸入温度センサ（83）は、吸入配管（51）に取り付けられ、吸入配管（51）の温度を計測する。吸入温度センサ（83）の計測値は、実質的に、吸入配管（51）を通って圧縮機（31）へ吸入される冷媒の温度である。吐出温度センサ（84）は、吐出配管（52）に取り付けられ、吐出配管（52）の温度を計測する。吐出温度センサ（84）の計測値は、実質的に、圧縮機（31）から吐出されて吐出配管（52）を流れる冷媒の温度である。
【００４５】
また、第１冷媒回路（11）には、第１ガス側温度センサ（85a）と、第２ガス側温度センサ（85b）とが設けられる。第１ガス側温度センサ（85a）は、第１分岐管路（20a）のガス側端と第１室外熱交換器（21a）の間に取り付けられる。第２ガス側温度センサ（85b）は、第２分岐管路（20b）のガス側端と第２室外熱交換器（21b）の間に取り付けられる。各ガス側温度センサ（85a,85b）は、対応する分岐管路（20a,20b）の温度を計測する。各ガス側温度センサ（85a,85b）の計測値は、実質的に、対応する分岐管路（20a,20b）のうちガス側温度センサ（85a,85b）が取り付けられた箇所を流れる冷媒の温度である。なお、図１では図示を省略するが、第１冷媒回路（11）には、吸入温度センサ（83）、吐出温度センサ（84）、及びガス側温度センサ（85a,85b）以外にも多数の温度センサが設けられる。
【００４６】
−制御器−
制御器（90）は、演算処理ユニット（91）と、メモリーユニット（92）とを備える。演算処理ユニット（91）は、例えば集積回路から成るマイクロプロセッサである。メモリーユニット（92）は、例えば集積回路から成る半導体メモリーである。制御器（90）は、運転指令やセンサの検出信号に基づいて、チラー装置（1）の各機器の動作を調節し、冷媒回路（11,12）における冷凍サイクルの動作を制御する。
【００４７】
制御器（90）は、例えば各室外熱交換器（21a,21b）が蒸発器になる後述の加熱運転時に、その蒸発器の出口側の冷媒過熱度が目標値となるように、熱源側膨張弁（22a,22b）の開度をフィードバック制御により調節する。具体的には、制御器（90）は、蒸発器の出口側の冷媒過熱度が目標値より大きい場合は、熱源側膨張弁（22a,22b）の開度を大きくして冷媒流量を増やす。逆に、蒸発器（21a,21b）（15）の出口の冷媒過熱度が目標値より小さい場合は、制御器（90）は、膨張機構（22a,22b）（36）の開度を小さくして冷媒流量を減らす。
【００４８】
一方、制御器（90）は、フィードバック制御を行うと同時に、そのときの運転条件から定められる理論上の冷凍サイクル（理論冷凍サイクル）における熱源側膨張弁（22a,22b）の必要開度を求める。そして、制御器（90）は、実際の運転中にフィードバック制御で求めた熱源側膨張弁（22a,22b）の開度が上記必要開度を含む所定範囲を超える場合は、実際の開度を、その所定範囲内に入るように制限する。
【００４９】
特に、制御器（90）は、運転中の実際の冷凍サイクルにおいてフィードバック制御で定められる熱源側膨張弁（22a,22b）の開度が、運転条件から定まる理論上の冷凍サイクルにおいて計算で求められる必要開度を含む所定範囲の上限を上回ると、熱源側膨張弁（22a,22b）の開度を、その所定範囲の上限の開度に設定する。制御器（90）は、上記フィードバック制御で定められる熱源側膨張弁（22a,22b）の開度が、上記必要開度を含む所定範囲の下限を下回ると、熱源側膨張弁（22a,22b）の開度を、その所定範囲の下限の開度に設定する。ただし、熱源側膨張弁（22a,22b）は、必要開度を含む所定範囲の上限と下限に開度調節する必要はなく、上記所定範囲内に入るように制御すればよい。
【００５０】
このように、本実施形態では、熱源側膨張弁（22a,22b）を蒸発器の出口の冷媒過熱度に基づいて単にフィードバック制御するだけでなく、開度調節をするに当たって、その調節範囲に、理論冷凍サイクルにおける必要開度を基準とする制限を設けている。
【００５１】
制御器（90）は、熱源側膨張弁（22a,22b）への冷媒の流入側圧力と流出側圧力との圧力差と、圧縮機（31）の単位時間当たりの吸入冷媒量と、熱源側膨張弁（22a,22b）を通過する冷媒の体積流量と、熱源側膨張弁（22a,22b）を通過する冷媒の密度から、熱源側膨張弁（22a,22b）の流量特性を表す容量係数（いわゆるＣｖ値）を算出し、そのＣｖ値になる開度を上記必要開度として設定する。
【００５２】
Ｃｖ値は、Ｃｖ＝α×Ｑ×（Ｇ／ΔＰ）１／２で表される式により求められる。ここで、Ｑは、熱源側膨張弁（22a,22b）を通過する冷媒の体積流量であり、Ｑ＝Ｇ／Ｄである。Ｇは、単位時間当たりに圧縮機（31）へ吸入される冷媒の質量である。Ｄは、熱源側膨張弁（22a,22b）を通過する冷媒の密度である。ΔＰは、“熱源側膨張弁（22a,22b）の入口における冷媒の圧力（流入側圧力）”と“熱源側膨張弁（22a,22b）の出口における冷媒の圧力（流出側圧力）”の差である。αは、係数である。
【００５３】
上式により求めたＣｖ値は、熱源側膨張弁（22a,22b）の開度と冷媒流量との関係を表す流量特性であり、冷媒の流れやすさを表す指標である。本実施形態では、求められたＣｖ値に対応する開度を上記必要開度とする。その際、Ｃｖ値に対応する開度は、図４のグラフから求められる。図４は、熱源側膨張弁（22a,22b）の開度−流量特性（開度（パルス数）とＣｖ値との関係）を示すグラフである。このグラフに示すように、熱源側膨張弁（22a,22b）は、パルス数を増やして開度を大きくすると、冷媒が流通する口径が大きくなり、Ｃｖ値が大きくなる。そして、熱源側膨張弁（22a,22b）が適切なＣｖ値となるように、必要開度が定められる。
【００５４】
−チラー装置の運転動作−
チラー装置（1）は、冷却運転と加熱運転を行う。冷却運転は、水熱交換器（15）において熱媒水を冷却する運転である。加熱運転は、水熱交換器（15）において熱媒水を加熱する運転である。
【００５５】
〈冷却運転〉
冷却運転において、制御器（90）は、四方切換弁（32）を第１状態に設定し、第１熱源側膨張弁（22a）及び第２熱源側膨張弁（22b）と、利用側膨張弁（36）と、過冷却用膨張弁（34）と、流量調節弁（57）との開度を調節する。
【００５６】
図２に示すように、冷却運転において、圧縮機（31）から吐出された冷媒は、一部が第１分岐管路（20a）へ流入し、残りが第２分岐管路（20b）へ流入する。各分岐管路（20a,20b）へ流入した冷媒は、室外熱交換器（21a,21b）において室外空気へ放熱して凝縮し、続いて熱源側膨張弁（22a,22b）を通過してから合流する。また、第１分岐管路（20a）において第１室外熱交換器（21a）から流出した冷媒の一部は、流量調節弁（57）を通過後に機器冷却器（56）へ流入し、機器冷却器（56）において構成機器から吸熱し、ブリッジ回路（40）の上流側において、各分岐管路（20a,20b）の液側端から流出した冷媒と合流する。
【００５７】
続いて、冷媒は、ブリッジ回路（40）の第２配管（42）を通って一方向管路（53）へ流入し、その後に受液器（33）へ流入する。受液器（33）から流出した冷媒は、一部が過冷却管路（54）へ流入し、残りが過冷却用熱交換器（35）の一次側流路（35a）へ流入する。過冷却管路（54）へ流入した冷媒は、過冷却用膨張弁（34）を通過する際に中間圧にまで膨張し、続いて過冷却用熱交換器（35）の二次側流路（35b）へ流入して一次側流路（35a）の冷媒から吸熱し、その後に圧縮機（31）へ流入する。
【００５８】
過冷却用熱交換器（35）の一次側流路（35a）において冷却された冷媒は、ブリッジ回路（40）の第４配管（44）と利用側膨張弁（36）を順に通過する。利用側膨張弁（36）を通過する際に低圧にまで膨張した冷媒は、水熱交換器（15）の第１冷媒流路（17）へ流入し、水流路（16）の熱媒水から吸熱して蒸発する。水熱交換器（15）では、水流路（16）を流れる熱媒水が、冷媒によって冷却される。水熱交換器（15）から流出した冷媒は、圧縮機（31）へ吸入される。圧縮機（31）は、吸入した冷媒を圧縮して吐出する。
【００５９】
〈加熱運転〉
加熱運転において、制御器（90）は、四方切換弁（32）を第２状態に設定し、第１熱源側膨張弁（22a）及び第２熱源側膨張弁（22b）と、過冷却用膨張弁（34）と、流量調節弁（57）との開度を調節し、利用側膨張弁（36）の開度を実質的に全開に保持する。
【００６０】
図３に示すように、加熱運転において、圧縮機（31）から吐出された冷媒は、水熱交換器（15）の第１冷媒流路（17）へ流入し、水流路（16）の熱媒水へ放熱して凝縮する。水熱交換器（15）では、水流路（16）を流れる熱媒水が、冷媒によって加熱される。
【００６１】
水熱交換器（15）から流出した冷媒は、利用側膨張弁（36）とブリッジ回路（40）の第３配管（43）を順に通過し、その後に受液器（33）へ流入する。受液器（33）から流出した冷媒は、一部が過冷却管路（54）へ流入し、残りが過冷却用熱交換器（35）の一次側流路（35a）へ流入する。過冷却管路（54）へ流入した冷媒は、過冷却用膨張弁（34）を通過する際に中間圧にまで膨張し、その後に過冷却用熱交換器（35）の二次側流路（35b）へ流入して一次側流路（35a）の冷媒から吸熱し、その後に圧縮機（31）へ流入する。
【００６２】
過冷却用熱交換器（35）の一次側流路（35a）において冷却された冷媒は、ブリッジ回路（40）の第１配管（41）を通過する。その後、冷媒は、一部が機器冷却管路（55）へ流入し、残りが分岐管路（20a,20b）の液側端に向かって流れる。機器冷却管路（55）へ流入した冷媒は、機器冷却器（56）において構成機器から吸熱し、流量調節弁（57）を通過する際に低圧にまで膨張し、その後に第１分岐管路（20a）に流入する。
【００６３】
分岐管路（20a,20b）の液側端に向かって流れる冷媒は、一部が第１分岐管路（20a）へ流入し、残りが第２分岐管路（20b）へ流入する。各分岐管路（20a,20b）へ流入した冷媒は、熱源側膨張弁（22a,22b）を通過する際に低圧にまで膨張し、その後に室外熱交換器（21a,21b）へ流入する。その際、第１分岐管路（20a）において、第１熱源側膨張弁（22a）を通過した冷媒は、機器冷却管路（55）を通過した冷媒と合流後に第１室外熱交換器（21a）へ流入する。室外熱交換器（21a,21b）へ流入した冷媒は、室外空気から吸熱して蒸発し、その後に圧縮機（31）へ吸入される。圧縮機（31）は、吸入した冷媒を圧縮して吐出する。
【００６４】
−熱源側膨張弁の開度制御−
室外熱交換器（21a,21b）が蒸発器になるときの熱源側膨張弁（22a,22b）の開度の制御について説明する。
【００６５】
本実施形態では、熱源側膨張弁（22a,22b）は、蒸発器である室外熱交換器（21a,21b）の出口側の冷媒過熱度を目標値に保つように、基本的にはフィードバック制御で開度が調節される。言い換えると、制御器（90）は、蒸発器の出口側の冷媒過熱度が目標値より大きい場合は、熱源側膨張弁（22a,22b）の開度を大きくして冷媒流量を増やす。その結果、蒸発器の出口側の冷媒過熱度が小さくなり、目標値に近づく。逆に、蒸発器の出口の冷媒過熱度が目標値より小さい場合、制御器（90）は、膨張機構（22a,22b）の開度を小さくして冷媒流量を減らす。その結果、蒸発器の出口側の冷媒過熱度が大きくなり、目標値に近づく。
【００６６】
本実施形態では、制御器（90）は、熱源側膨張弁（22a,22b）の開度に基づいて単にフィードバック制御をするだけでなく、そのときの運転条件から定められる理論上の冷凍サイクル（理論冷凍サイクル）における熱源側膨張弁（22a,22b）の必要開度も用いて熱源側膨張弁（22a,22b）を制御する。
【００６７】
具体的には、制御器（90）は、運転中に、そのときの運転条件から定められる理論冷凍サイクルにおける熱源側膨張弁（22a,22b）の必要開度を求める。そして、制御器（90）は、実際の運転中にフィードバック制御で求めた熱源側膨張弁（22a,22b）の開度が上記必要開度を含む所定範囲を超える場合は、フィードバック制御で求めた開度を、必要開度を含む所定範囲内に入るように制限する。
【００６８】
具体的には、制御器（90）は、上記フィードバック制御で定められた熱源側膨張弁（22a,22b）の開度が、上記必要開度を含む所定範囲の上限を上回ると、熱源側膨張弁（22a,22b）の開度を、その所定範囲の上限の開度に設定する。また、制御器（90）は、上記フィードバック制御で定められた熱源側膨張弁（22a,22b）の開度が、上記必要開度を含む所定範囲の下限を下回ると、熱源側膨張弁（22a,22b）の開度を、その所定範囲の下限の開度に設定する。
【００６９】
このように、本実施形態では、チラー装置の実際の運転中にフィードバック制御で求められる熱源側膨張弁（22a,22b）の開度に、上記必要開度に基づく制限をかける制御を行っている。本実施形態の熱源側膨張弁（22a,22b）の開度制御は、その点で、単なるフィードバック制御とは異なる。
【００７０】
制御器（90）は、上記必要開度を、熱源側膨張弁（22a,22b）の開度と冷媒流量との関係を表す流量特性（いわゆるＣｖ値（容量係数））と、熱源側膨張弁（22a,22b）への冷媒の流入側圧力と流出側圧力との圧力差と、圧縮機（31）の単位時間当たりの吸入冷媒量と、熱源側膨張弁（22a,22b）を単位時間当たりに通過する冷媒の体積流量と、熱源側膨張弁（22a,22b）を通過する冷媒の密度と、から算出する。このようにすることにより、上記必要開度を高精度で求められる。
【００７１】
−実施形態の効果−
本実施形態のチラー装置（冷凍装置）（1）は、圧縮機（31）と放熱器になる水熱交換器（15）と膨張機構（22a,22b）（36）と蒸発器になる室外熱交換器（21a,21b）とが順に接続されて蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷媒回路（11,12）と、上記冷媒回路（11,12）の冷凍サイクルの動作を制御する制御器（90）と、を備えている。上記制御器（90）は、基本的には、上記蒸発器（21a,21b）の出口側の冷媒過熱度が目標値となるように、上記膨張機構（22a,22b）の開度をフィードバック制御で定めるように構成されている。
【００７２】
本実施形態のチラー装置（1）は、上記制御器（90）が、運転中の実際の冷凍サイクルにおいてフィードバック制御で定められる上記膨張機構（22a,22b）の開度を、運転条件から定まる理論上の冷凍サイクルにおいて計算で求められる必要開度を含む所定範囲内に制限する。
【００７３】
ここで、従来の装置において、膨張弁を蒸発器の出口の冷媒過熱度に基づいてフィードバック制御する場合、膨張弁の開度を必要以上に調節してしまうことがある。例えば、冷凍負荷が急激に変化したり、室外に設置される熱交換器に強風が吹き付けられるような急激な運転条件の変化が生じたりしたときに、これらの変化に対応しようとする場合などである。
【００７４】
膨張弁の開度を必要以上に調節することになると、冷媒過熱度が目標過熱度を通り過ぎて変化し、膨張弁開度が増減を繰り返すおそれがある。そうすると、冷媒過熱度も増減を繰り返し、いわゆるハンチングの不安定な動作が生じてしまう。
【００７５】
これに対して、本実施形態によれば、膨張弁（22a,22b）の開度を、基本的には運転中の実際の冷凍サイクルにおいて蒸発器の過熱度のフィードバック制御で定められる。一方、本実施形態によれば、制御器（90）は、フィードバック制御を行うと同時に、そのときの運転条件から定められる理論冷凍サイクルにおける膨張機構（22a,22b）の必要開度を求め、フィードバック制御で求めた膨張弁（22a,22b）開度を制限する。具体的には、制御器（90）は、実際の運転中にフィードバック制御で求めた膨張機構（22a,22b）（36）の開度が上記必要開度を含む所定範囲を超える場合は、実際の開度を、その所定範囲内に入るように制限する。
【００７６】
このことにより、運転条件が急激に変化しても、膨張機構（22a,22b）（36）の開度は必要以上に変化しない。よって、冷媒過熱度が増減を繰り返すハンチングの不安定な動作を抑制できる。
【００７７】
また、本実施形態では、制御器（90）は、運転中の実際の冷凍サイクルにおいてフィードバック制御で定められる上記膨張機構（22a,22b）（36）の開度が、運転条件から定まる理論上の冷凍サイクルにおいて計算で求められる必要開度を含む所定範囲の上限を上回ると、膨張機構（22a,22b）（36）の開度を、その所定範囲の上限の開度に設定する。逆に、制御器（90）は、上記フィードバック制御で定められる上記膨張機構（22a,22b）（36）の開度が、上記必要開度を含む所定範囲の下限を下回ると、膨張機構（22a,22b）（36）の開度を、その所定範囲の下限の開度に設定する。
【００７８】
この構成によれば、実際の運転中にフィードバック制御で求めた膨張機構（22a,22b）（36）の開度が上記必要開度を含む所定範囲を超えて大きくなる場合は、実際の開度がその所定範囲の上限に設定される。フィードバック制御で求めた膨張機構（22a,22b）の開度が上記必要開度を含む所定範囲を下回る小さな値になる場合は、実際の開度がその所定範囲の下限に設定される。いずれの場合も、膨張機構（22a,22b）の開度は必要以上に調節されず、しかもフィードバック制御で求められた値に近い開度に設定される。
【００７９】
本実施形態では、上記必要開度を、膨張機構（22a,22b）の開度と冷媒流量との関係を表す流量特性と、膨張機構（22a,22b）（36）への冷媒の流入側圧力と流出側圧力との圧力差と、圧縮機（31）の単位時間当たりの吸入冷媒量と、膨張機構（22a,22b）（36）を単位時間当たりに通過する冷媒の体積流量と、膨張機構（22a,22b）（36）を通過する冷媒の密度とから、高精度で算出することができる。
【００８０】
本実施形態では、室外熱交換器（21a,21b）が蒸発器になるときに、フィードバック制御で求めた熱源側膨張弁（22a,22b）の開度を、理論冷凍サイクルの必要開度で制限するようにしている。室外の熱源機（2）は室内機（3）に比べて通風条件などが変化しやすく、その場合にフィードバック制御ではハンチングなどの不安定な動作が生じやすいが、本実施形態では、熱源機（2）に設けられる熱源側膨張弁（22a,22b）の不安定な制御を効果的に抑制できる。
【００８１】
《その他の実施形態》
上記実施形態については、以下のような構成としてもよい。
【００８２】
例えば、上記実施形態では、チラー装置（1）において室外熱交換器（21a,21b）が蒸発器になるときに熱源側膨張弁（22a,22b）を制御する制御器（90）を説明したが、本開示の過熱度制御は、水熱交換器（15）が蒸発器になるときの利用側膨張弁（36）の制御に適用してもよい。
【００８３】
また、本開示の過熱度制御は、冷蔵庫や冷凍庫の庫内を冷媒の冷熱で冷却する冷凍装置が並列接続の庫内熱交換器を有する構成において、庫内熱交換器の膨張機構の制御に適用してもよい。言い換えると、本開示の対象の冷凍装置はチラー装置には限定されない。
【００８４】
上記実施形態において説明した必要開度は、上述したとおり、理論冷凍サイクルの最適な膨張弁開度として計算で求めることができる開度のことである。言い換えると、必要開度は、必ずしも運転中に実際に計算で求めた開度である必要はない。例えば、上記実施形態において、種々の運転条件に対応する必要開度の値をデータとして、メモリーに保存しておいてもよい。
【００８５】
以上、実施形態および変形例を説明したが、特許請求の範囲の趣旨および範囲から逸脱することなく、形態や詳細の多様な変更が可能なことが理解されるであろう。また、以上の実施形態および変形例は、本開示の対象の機能を損なわない限り、適宜組み合わせたり、置換したりしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
以上説明したように、本開示は、冷凍装置について有用である。
【符号の説明】
【００８７】
1     チラー装置（冷凍装置）
11    第１冷媒回路
12    第２冷媒回路
21a   第１室外熱交換器（蒸発器、放熱器）
21b   第２室熱交換器（蒸発器、凝縮器）
22a   第１熱源側膨張弁（膨張機構）
22b   第２熱源側膨張弁（膨張機構）
31    圧縮機
90    制御器
【図１】
2020133998.tif 000003
【図２】
2020133998.tif 000004
【図３】
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【図４】
2020133998.tif 000006