(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、凝縮器、絞り機構、及び蒸発器をこの順に配置して非共沸混合冷媒である冷媒を循環させる冷媒回路と、
前記凝縮器と前記絞り機構との間の前記冷媒回路に設けられた分岐部と前記圧縮機とを連通するエコノマイザ流路と、
前記エコノマイザ流路に設けられたエコノマイザ膨張弁と、
前記凝縮器を通過した前記冷媒と、前記エコノマイザ膨張弁を通過した前記冷媒とを熱交換させるエコノマイザ熱交換器と、
前記冷媒回路を前記分岐部から前記絞り機構へ流れる前記冷媒と、前記蒸発器を通過した前記冷媒回路の前記冷媒とを熱交換させる冷媒熱交換器と、
前記エコノマイザ熱交換器を通過した直後の前記冷媒回路の前記冷媒の温度または該冷媒と実質的に同じ状態の前記冷媒の温度を検出する温度センサと、
前記冷媒のモリエル線図において、前記凝縮器の出口の前記冷媒の状態を示す第１点、前記絞り機構の入口の前記冷媒の状態を示す第２点、前記第１点と前記第２点との中点である第３点、及び前記温度センサの検出位置の前記冷媒の状態を示す第４点を表した場合、前記第４点が前記第１点と前記第３点との間に位置する状態となるように、前記温度センサで検出した前記冷媒の温度に基づいて前記エコノマイザ膨張弁の開度を制御する制御装置と
を備える、ヒートポンプシステム。
【請求項２】
前記エコノマイザ流路は前記圧縮機における中間圧力領域と連通するように構成されている、請求項１に記載のヒートポンプシステム。
【請求項３】
前記温度センサは前記エコノマイザ熱交換器と前記冷媒熱交換器との間の前記冷媒回路、または前記分岐部と前記エコノマイザ膨張弁との間の前記エコノマイザ流路に配置されている、請求項１または２に記載のヒートポンプシステム。
【請求項４】
前記制御装置は、
前記温度センサにより検出された前記冷媒の温度が予め設定された温度より低いと判定した場合、前記エコノマイザ膨張弁の開度を減少させ、
前記温度センサにより検出された前記冷媒の温度が予め設定された温度より高いと判定した場合、前記エコノマイザ膨張弁の開度を増加させる、請求項１から３のいずれか１項に記載のヒートポンプシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ヒートポンプシステムにおいて、冷媒として非共沸混合冷媒を用いた場合、冷媒の非等温性によって、例えばフロン系の冷媒Ｒ２２のような単一冷媒を用いた場合よりも着霜が生じやすくなることが知られている。
【０００３】
図１０は、蒸発器出口で着霜限界温度Ｔ０よりも高い温度Ｔ１となるように圧力調整されたヒートポンプシステムの冷凍サイクルの一部を示す。このシステムにおいて、冷媒として非共沸混合冷媒を用いると、蒸発器入口で着霜限界温度Ｔ０を下回る温度Ｔ２となる場合があり、特に蒸発器入口における着霜が顕著となる。
【０００４】
蒸発器入口での着霜を防止することを目的として、特許文献１には、図１１に示すヒートポンプシステム１００が開示されている。ヒートポンプシステム１００では、圧縮機１０１の下流の凝縮器１０２と主膨張弁１０５との間に副膨張弁１０３、気液分離器１０４が設けられている。また、気液分離器１０４の気相部１０４ａと主膨張弁１０５の下流の蒸発器１０６とがデフロスト用バイパス配管１０８で接続されている。さらに、気液分離器１０４の気相部１０４ａと、蒸発器１０６と圧縮機１０１との間に設けられた液だめ１０７とがバイパス冷媒配管１０９で接続されている。
【０００５】
このシステム１００では、冬期の低外気温時などにおいて室外にある蒸発器１０６に着霜が生じた場合に、気液分離器１０４で分離された気相成分を室外にある蒸発器１０６の除霜に用いる。
【０００６】
しかしながら、ヒートポンプシステム１００に副膨張弁１０３、気液分離器１０４を追加することにより、ユニットサイズが大きくなるとともに、ユニットコストが高くなる。また、蒸発器１０６へ流れる冷媒は、冷沸点冷媒がリッチとなり、取り出せる熱量も大幅に低下する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平７−３３２８１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、非共沸混合冷媒を用いたヒートポンプシステムにおいて、大型化及び製造コストの増加を回避しつつ着霜の可及的な低減を実現するとともに、加熱能力を維持することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するための手段として、本発明のヒートポンプシステムは、圧縮機、凝縮器、絞り機構、及び蒸発器をこの順に配置して非共沸混合冷媒である冷媒を循環させる冷媒回路と、前記凝縮器と前記絞り機構との間の前記冷媒回路に設けられた分岐部と前記圧縮機とを連通するエコノマイザ流路と、前記エコノマイザ流路に設けられたエコノマイザ膨張弁と、前記凝縮器を通過した前記冷媒と、前記エコノマイザ膨張弁を通過した前記冷媒とを熱交換させるエコノマイザ熱交換器と、前記冷媒回路を前記分岐部から前記絞り機構へ流れる前記冷媒と、前記蒸発器を通過した前記冷媒回路の前記冷媒とを熱交換させる冷媒熱交換器と、前記エコノマイザ熱交換器を通過した直後の前記冷媒回路の前記冷媒の温度または該冷媒と実質的に同じ状態の前記冷媒の温度を検出する温度センサと、前記冷媒のモリエル線図において、前記凝縮器の出口の前記冷媒の状態を示す第１点、前記絞り機構の入口の前記冷媒の状態を示す第２点、前記第１点と前記第２点との中点である第３点、及び前記温度センサの検出位置の前記冷媒の状態を示す第４点を表した場合、前記第４点が前記第１点と前記第３点との間に位置する状態となるように、前記温度センサで検出した前記冷媒の温度に基づいて前記エコノマイザ膨張弁の開度を制御する制御装置とを備えるようにした。
【００１０】
この構成によれば、温度センサで検出した冷媒の温度に基づいてエコノマイザ膨張弁の開度を制御する制御装置を備えることにより、モリエル線図における分岐部の冷媒の状態と実質的に同じ状態を示す第４点の位置を変更できる。これにより、冷媒熱交換器での熱交換量を増減させることができる。つまり、温度センサで検出した冷媒の温度に基づいて、モリエル線図における第４点を第１点と第３点との間に位置させるようにエコノマイザ膨張弁の開度を調整することができる。これにより、冬期にエコノマイザ熱交換器での過冷却量を減らして冷媒熱交換器での熱交換量を増やすことで、蒸発器の出入口のエンタルピ差を小さくでき、出入口の温度差を小さくできる。すなわち、蒸発器内の冷媒の温度勾配が小さくできる。また、蒸発器の出口の冷媒のクオリティを小さくすることができ、冷媒の伝熱性能を向上させることができる。よって、蒸発温度が上昇し、冷媒入口温度も高くなることで、着霜の可及的な低減を実現できる。また、蒸発器に着霜する場合であっても、空気流れ方向において、着霜が均一化し、デフロストインターバルを長くすることができる。本構成では、副膨張弁、気液分離器等の追加の構成を必要としないため、装置の大型化及び製造コストの増加を回避することができる。つまり、冷媒として非共沸混合冷媒を用いたヒートポンプシステムにおいて、大型化及び製造コストの増加を回避しつつ着霜の可及的な低減を実現できる。なお、上記のように、冷媒熱交換器での熱交換量を増加させる、すなわち、エコノマイザ膨張弁の開度を減少させた場合、エコノマイザ熱交換における冷媒の過冷却量が減少する。しかし、蒸発器での冷媒の蒸発圧力を上昇させることができ、熱交換量が増加するため、システム全体としての取り出せる熱量を維持できる。従って、加熱能力を維持することができる。
【００１１】
上記構成では、前記エコノマイザ流路は前記圧縮機における中間圧力領域と連通することが好ましい。
【００１２】
前記温度センサは前記エコノマイザ熱交換器と前記冷媒熱交換器との間の前記冷媒回路、または前記分岐部と前記エコノマイザ膨張弁との間の前記エコノマイザ流路に配置されることが好ましい。
【００１３】
前記制御装置は、前記温度センサにより検出された前記冷媒の温度が予め設定された温度より低いと判定した場合、前記エコノマイザ膨張弁の開度を減少させ、前記温度センサにより検出された前記冷媒の温度が予め設定された温度より高いと判定した場合、前記エコノマイザ膨張弁の開度を増加させることが好ましい。この構成によれば、冷媒回路を分岐部から絞り機構へ流れる冷媒と、蒸発器を通過した冷媒回路の冷媒とを熱交換させる冷媒熱交換器での熱交換量を高精度に調整できる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、温度センサで検出した冷媒の温度に基づいてエコノマイザ膨張弁の開度を制御する制御装置を備えるので、非共沸混合冷媒を用いたヒートポンプシステムにおいて、大型化及び製造コストの増加を回避しつつ着霜の可及的な低減を実現できる。また、加熱能力を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係るヒートポンプシステムを示す概略図。
【図２】蒸発器の概略を示す模式図。
【図３Ａ】本発明の実施形態に係るヒートポンプシステムにおける冷凍サイクルのモリエル線図（点Ａ６における冷媒の温度に基づくエコノマイザ膨張弁の開度制御あり）。
【図３Ｂ】比較例に係るヒートポンプシステムにおける冷凍サイクルのモリエル線図（点Ｂ１２における冷媒の過熱度に基づくエコノマイザ膨張弁の開度制御あり）。
【図４】非共沸混合冷媒の温度勾配の比較を示す図。
【図５Ａ】フロスト性改善前の着霜状態を示す模式図。
【図５Ｂ】フロスト性改善後の着霜状態を示す模式図。
【図６】蒸発器の性能曲線を示す図。
【図７】圧縮機の性能曲線を示す図。
【図８】蒸発器出口における冷媒のクオリティと局所熱伝達率との関係を示す線図。
【図９】本発明の変形例に係るヒートポンプシステムを示す概略図。
【図１０】非共沸混合冷媒の温度変化による着霜現象を説明する冷媒線図。
【図１１】従来のヒートポンプシステムを示す概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。
【００１７】
図１は、本発明の実施形態に係るヒートポンプシステム１０を示す。ヒートポンプシステム１０は、冷媒回路１１、冷媒熱交換器１２、エコノマイザ流路１３、エコノマイザ膨張弁１４、エコノマイザ熱交換器１５、温度センサ１６、及び制御装置１７を備えている。
【００１８】
冷媒回路１１は、圧縮機１８、凝縮器１９、主膨張弁（絞り機構）２０、及び蒸発器２１をこの順に配置して冷媒を循環させる回路である。ヒートポンプシステム１０で用いられる冷媒は、非共沸混合冷媒である。本実施形態における冷媒は、低沸点のＲ１３４ａ（フルオロカーボン系、沸点−２６．１℃）、及び高沸点のＲ２４５ｆａ（フルオロカーボン系、沸点１５．３℃）をそれぞれ７：３の割合で混合した混合冷媒である。
【００１９】
凝縮器１９と主膨張弁２０との間の冷媒回路１１には、エコノマイザ流路１３が分岐する分岐部２３が設けられている。エコノマイザ流路１３は、分岐部２３と後述する圧縮機１８の中間部１８ｄとを接続する。エコノマイザ流路１３に、冷媒を断熱状態で膨張させて低温低圧にするエコノマイザ膨張弁１４が設けられている。
【００２０】
凝縮器１９と分岐部２３との間の冷媒回路１１には、エコノマイザ熱交換器１５が設けられている。また、エコノマイザ熱交換器１５は、エコノマイザ膨張弁１４と凝縮器１９との間のエコノマイザ流路１３に設けられている。エコノマイザ熱交換器１５は、凝縮器１９を通過した冷媒液と、エコノマイザ膨張弁１４を通過した冷媒とを熱交換させる。
【００２１】
分岐部２３と主膨張弁２０との間の冷媒回路１１には、冷媒熱交換器１２が設けられている。また、冷媒熱交換器１２は、蒸発器２１と圧縮機１８との間の冷媒回路１１に設けられている。冷媒熱交換器１２は、蒸発器２１を通過した冷媒回路１１の冷媒と、冷媒回路１１を分岐部２３から主膨張弁２０へ流れる冷媒液とを熱交換させる。
【００２２】
圧縮機１８は、本実施形態ではスクリュ圧縮機である。圧縮機１８は、冷媒を吸い込む吸込口１８ａと、吸込口１８ａから吸い込んだ冷媒を圧縮する圧縮室１８ｂと、圧縮室１８ｂで圧縮した冷媒を吐出する吐出口１８ｃと、圧縮室１８ｂを外部と連通する中間部１８ｄとを備えている。また、圧縮機１８の圧縮室１８ｂは、吸込口１８ａの吸込圧力よりも高く、かつ吐出口１８ｃの吐出圧力よりも低い圧力となる中間圧力領域を備えている。中間圧力領域は中間部１８ｄに接続されたエコノマイザ流路１３と連通している。
【００２３】
凝縮器１９は、圧縮機１８とエコノマイザ熱交換器１５との間の冷媒回路１１に配置されている。凝縮器１９には、冷媒回路１１の冷媒と熱交換する熱媒体が流通する熱媒体流路２４が設けられている。凝縮器１９では、冷媒回路１１の冷媒は熱媒体流路２４の熱媒体に熱を奪われることで凝縮して液体となり、熱媒体は加熱される。
【００２４】
主膨張弁２０は、冷媒熱交換器１２と蒸発器２１との間の冷媒回路１１に配置されている。主膨張弁２０は、分岐部２３側から冷媒熱交換器１２を通過した冷媒を、断熱状態で膨張させて低温低圧にする。主膨張弁２０は、所定の開度に維持されている。
【００２５】
蒸発器２１は、主膨張弁２０と冷媒熱交換器１２との間の冷媒回路１１に配置されている。図２に示すように、蒸発器２１は、フィン（プレートフィン）２１ａとチューブ２１ｂとを組み合わせて構成された熱交換器であり、後述するように、疑似対向流となるように構成した熱交換器である。蒸発器２１は、主膨張弁２０と冷媒回路１１を介して接続された冷媒入口２１ｃ、及び冷媒熱交換器１２と冷媒回路１１を介して接続された冷媒出口２１ｄを備えている。蒸発器２１の詳細については後述する。
【００２６】
エコノマイザ熱交換器１５と冷媒熱交換器１２との間の冷媒回路１１または分岐部２３とエコノマイザ膨張弁１４との間のエコノマイザ流路１３には、温度センサ１６が設けられている。温度センサ１６は、エコノマイザ熱交換器１５を通過した直後の冷媒回路１１の冷媒の温度、または、その冷媒と実質的に同じ状態の冷媒の温度を検出する。本実施形態では、温度センサ１６の検出位置は、分岐部２３と冷媒熱交換器１２との間の冷媒回路１１に設けられている。
【００２７】
制御装置１７は、温度センサ１６と電気的に接続されている。制御装置１７は、温度センサ１６で検出された冷媒温度（検出値）、つまり温度センサ１６からの電気信号に応じた値に基づいてエコノマイザ膨張弁１４の開度を調整する。具体的には、温度センサ１６が検出した冷媒回路１１の冷媒の温度（検出値）が予め設定された値（設定値）よりも高い場合、制御装置１７はエコノマイザ膨張弁１４の開度を増加させる。温度センサ１６が検出した冷媒回路１１の冷媒の温度（検出値）が予め設定された値（設定値）よりも低い場合、制御装置１７はエコノマイザ膨張弁１４の開度を減少させる。
【００２８】
次に、図２を参照して蒸発器２１の詳細について説明する。上述したように、蒸発器２１は、フィン（プレートフィン）２１ａとチューブ２１ｂとを組み合わせて構成されるコイルエレメント（プレートフィンコイル）を備えた熱交換器である。
【００２９】
フィン２１ａは、フィン２１ａ，２１ａ間で空気の流路を形成するように、空気の流通方向と略直交する水平方向の蒸発器２１の一端と他端との間に互いに間隔をあけて複数配置されている。
【００３０】
チューブ２１ｂは、冷媒入口（入口ヘッダ）２１ｃで分岐して冷媒出口（出口ヘッダ）２１ｄで合流する複数の分岐流路２１ｅからなっている。各分岐流路２１ｅは、複数のフィン２１ａを貫通して複数のフィン２１ａと略直交する方向に延びる複数（本実施形態では４箇所）の内面溝付伝熱管からなる直線部分２１ｆ、及び前記一端または前記他端で直線部分２１ｆと直線部分２１ｆとを直列的に接続する複数（本実施形態では３箇所）のUベンド管からなる折り返し部分（図示せず）を有している。すなわち、各分岐流路２１ｅは、冷媒入口２１ｃと冷媒出口２１ｄとの間で蛇行するように形成されている。
【００３１】
各分岐流路２１ｅの４箇所の直線部分２１ｆは、空気の流通方向に交差する方向に配置されている。具体的には、互いに接続される直線部分２１ｆ，２１ｆ間では、空気入口２１ｇ側に位置する直線部分２１ｆが空気出口２１ｈ側に位置する直線部分２１ｆよりも上方に配置されている。４箇所の直線部分２１ｆは、空気出口２１ｈ側から空気入口２１ｇ側に向かって斜め上方に等間隔で配置されている。従って、各分岐流路２１ｅは内部に冷媒液が滞留しない構成となっている。複数の分岐流路２１ｅは、鉛直方向に等間隔で配置されている。
【００３２】
フィン２１ａ，２１ａ間には、チューブ２１ｂの冷媒と熱交換する空気の流路が形成されている。空気は空気入口２１ｇ（冷媒出口２１ｄ側）から導入され、空気出口２１ｈ（冷媒入口２１ｃ側）から導出される。一方、冷媒は、冷媒入口２１ｃから冷媒出口２１ｄの間でコイル２１ｂの各分岐流路２１ｅを蛇行しながら、風下側（空気出口２１ｈ側）から風上側（空気入口２１ｇ側）に向かって流れる。従って、空気入口２１ｇから空気出口２１ｈへ流通する空気と、冷媒入口２１ｃから冷媒出口２１ｄへ流通する冷媒とは、疑似対向流を形成する。
【００３３】
以上の構成からなるヒートポンプシステム１０の動作について、図１と図３Ａを参照して説明する。図３Ａにおける点Ａ１〜点Ａ１２のうち、点Ａ１、点Ａ２、点Ａ５〜点Ａ１０、及び点Ａ１２に対応する位置を図１に示す（点Ａ３、点Ａ４、及び点Ａ１１は図１には図示しない）。
【００３４】
図３Ａにおいて、点Ａ１から、点Ａ２〜点Ａ９を経て点Ａ１に戻る状態変化線は、冷凍サイクルの冷媒回路１１の部分に対応し、点Ａ６から、点Ａ１０〜点Ａ１１を経て、点Ａ１２に至るまでの状態変化線は、冷凍サイクルのエコノマイザ流路１３の部分に対応する。
【００３５】
圧縮機１８の吸込口１８ａから吸い込まれた冷媒は、圧縮機１８の圧縮室１８ｂで圧縮された後、高温高圧となって吐出口１８ｃから吐出される。なお、圧縮機１８の吸込口１８ａは点Ａ１に対応し、圧縮機１８の吐出口１８ｃは点Ａ２に対応する。すなわち、ここで説明した圧縮行程に対応する範囲は、図３Ａにおける点Ａ１Ａ２間である。
【００３６】
圧縮機１８から吐出された冷媒は、冷媒回路１１を通って、凝縮器１９に導入される。凝縮器１９に導入された冷媒は、熱媒体流路２４の熱媒体と熱交換して凝縮する。熱媒体流路２４の熱媒体は、この熱交換により加熱され図示しない供給先へ供給される。なお、凝縮器１９の入口は点Ａ２に対応し、凝縮器１９の出口は点Ａ５に対応する。すなわち、ここで説明した凝縮行程に対応する範囲は、図３Ａにおける点Ａ２Ａ５間である。図３Ａにおいて、線分Ａ２Ａ５と飽和蒸気線との交点Ａ３では、冷媒は乾き飽和蒸気の状態である。線分Ａ２Ａ５と飽和液線との交点Ａ４では、冷媒は飽和液の状態である。
【００３７】
凝縮器１９で凝縮した冷媒は、冷媒回路１１へ流出し、エコノマイザ熱交換器１５を経て分岐部２３へ流れる。冷媒回路１１の冷媒は、エコノマイザ熱交換器１５を通過する際、エコノマイザ膨張弁１４を通過したエコノマイザ流路１３の冷媒と熱交換する。なお、冷媒回路１１側のエコノマイザ熱交換器１５の入口は点Ａ５に対応し、分岐部２３は点Ａ６に対応する。すなわち、エコノマイザ熱交換器１５における熱交換行程に対応する冷媒回路１１側の範囲は、図３Ａにおける点Ａ５Ａ６間である。
【００３８】
分岐部２３に到達した冷媒は、エコノマイザ膨張弁１４の開度に応じて、冷媒回路１１、及びエコノマイザ流路１３のそれぞれに分流される。
【００３９】
分岐部２３を通過したエコノマイザ流路１３の冷媒は、エコノマイザ膨張弁１４を通過した後、低温低圧となり、エコノマイザ熱交換器１５に流入する。流入した冷媒は、エコノマイザ熱交換器１５で凝縮器１９を通過した冷媒回路１１の冷媒と熱交換して圧縮機１８の中間部１８ｄに流入する。そして、中間部１８ｄから圧縮室１８ｂの中間圧力領域に流入した冷媒は、圧縮室１８ｂで圧縮されて吐出口１８ｃから吐出される。なお、分岐部２３は点Ａ６に対応し、エコノマイザ膨張弁１４の出口はＡ１０に対応する。すなわち、ここで説明したエコノマイザ膨張弁１４における膨張行程に対応する範囲は、図３Ａにおける点Ａ６Ａ１０間である。エコノマイザ熱交換器１５における熱交換行程に対応するエコノマイザ流路１３側の範囲は、図３Ａにおける点Ａ１０Ａ１２間である。図３Ａにおいて、線分Ａ１０Ａ１２と飽和蒸気線との交点Ａ１１では、冷媒は乾き飽和蒸気の状態である。
【００４０】
冷媒回路１１を分岐部２３から主膨張弁２０へ流れる冷媒は、冷媒熱交換器１２で蒸発器２１を通過した冷媒回路１１の冷媒と熱交換して過冷却される。なお、分岐部２３からの冷媒熱交換器１２の入口は点Ａ６に対応し、主膨張弁２０への冷媒熱交換器１２の出口は、点Ａ７に対応する。すなわち、ここで説明した冷媒熱交換器１２における熱交換行程に対応する分岐部２３と主膨張弁２０との間の範囲は、図３Ａにおける点Ａ６Ａ７間である。
【００４１】
冷媒熱交換器１２で過冷却された冷媒は、主膨張弁２０を通過した後、低温低圧となる。なお、主膨張弁２０の入口は点Ａ７に対応し、主膨張弁２０の出口は点Ａ８に対応する。すなわち、ここで説明した主膨張弁２０における膨張行程に対応する範囲は、図３Ａにおける点Ａ７Ａ８間である。
【００４２】
主膨張弁２０を通過した冷媒は、図１及び図２に示す冷媒入口２１ｃから蒸発器２１に流入する。流入した冷媒は、分岐流路２１ｅを蛇行して冷媒入口２１ｃから冷媒出口２１ｄに向かって流れる。一方、空気入口２１ｇ（冷媒出口２１ｄ側）から導入された空気は、空気出口２１ｈ（冷媒入口２１ｃ側）から導出される。以上のように、冷媒が蒸発器２１の端部間を蛇行しつつ、冷媒入口２１ｃから冷媒出口２１ｄに流れるので、冷媒入口２１ｃから冷媒出口２１ｄに直進する場合と比較して熱交換効率を上昇させることができる。また、冷媒入口２１ｃから冷媒出口２１ｄへ流通する冷媒と空気入口２１ｇから空気出口２１ｈへ流通する空気とが、疑似対向流を形成するようにして熱交換を行うので、熱交換効率を上昇させることができる。
【００４３】
蒸発器２１の冷媒入口２１ｃから流入した冷媒は、上述したように、空気と熱交換して気化し、湿り蒸気（熱平衡クオリティが１未満の蒸気）となって冷媒出口２１ｄから冷媒回路１１に流出する。空気は、前記熱交換により冷却され蒸発器２１の外部に放出される。なお、蒸発器２１の冷媒入口２１ｃは点Ａ８に対応し、蒸発器２１の冷媒出口２１ｄは点Ａ９に対応する。すなわち、ここで説明した蒸発行程に対応する範囲は、図３Ａにおける点Ａ８Ａ９間である。
【００４４】
蒸発器２１を通過した冷媒回路１１の冷媒は、上述したように、冷媒回路１１を分岐部２３から主膨張弁２０へ流れる冷媒と熱交換して加熱され過熱蒸気（熱平衡クオリティが１超える蒸気）となって圧縮機１８の吸込口１８ａに流入する。なお、蒸発器２１からの冷媒熱交換器１２の入口は、点Ａ９に対応し、圧縮機１８の吸込口１８ａは、点Ａ１に対応する。すなわち、ここで説明した冷媒熱交換器１２における熱交換行程に対応する蒸発器２１と圧縮機１８との間の範囲は、図３Ａにおける点Ａ９Ａ１間である。
【００４５】
制御装置１７は、上述したように、温度センサ１６で検出した冷媒の温度に基づいてエコノマイザ膨張弁１４の開度を制御する。具体的には、制御装置１７は、図３Ａに示す冷媒のモリエル線図において、上記点Ａ６（第４点）が、上記点Ａ５（第１点）と、上記点Ａ５（第１点）と上記点Ａ７（第２点）の中点Ａ０（第３点）との間に位置するようにエコノマイザ膨張弁１４の開度を制御する。ここで、点Ａ５（第１点）は凝縮器１９の出口の冷媒の状態を示す点である。点Ａ７（第２点）は主膨張弁２０の入口の冷媒の状態を示す点である。点Ａ０（第３点）は点Ａ５（第１点）と点Ａ７（第２点）の中点である。点Ａ６（第４点）は分岐部２３の冷媒の状態を示す点である。
【００４６】
続いて、ヒートポンプシステム１０の制御について具体的に説明する。なお、本発明の実施例に係る図３Ａにおける点Ａ１〜Ａ１２は、制御装置１７により点Ａ６における冷媒の温度に基づきエコノマイザ膨張弁１４を開度制御した場合の冷媒の各状態を示す点である。比較例に係る図３Ｂにおける点Ｂ１〜Ｂ１２は、制御装置１７により点Ｂ１２における冷媒の過熱度に基づきエコノマイザ膨張弁１４を開度制御した場合の冷媒の各状態を示す点である。図３ＢにおけるＢ１〜Ｂ１２は、図３ＡにおけるＡ１〜Ａ１２とそれぞれ対応した同一位置における冷媒の各状態を示す。
【００４７】
温度センサ１６が検出した冷媒回路１１の冷媒の温度（検出値）が、外気温度と関連付けて予め設定された値（設定値）よりも高い場合、制御装置１７は、エコノマイザ膨張弁１４の開度を増加させる。これは、図３Ａに示す冷媒のモリエル線図において、第４点（Ａ６）が第１点（Ａ５）と第３点（Ａ０）との間の所定位置に位置するように、制御装置１７がエコノマイザ膨張弁１４の開度を調整することと同じである。前記所定位置は、冷媒回路１１の冷媒の予め設定された温度により決定される。
【００４８】
温度センサ１６が検出した冷媒回路１１の冷媒の温度（検出値）が、外気温度と関連付けて予め設定された値（設定値）よりも低い場合、制御装置１７は、エコノマイザ膨張弁１４の開度を減少させる。これは、図３Ａに示す冷媒のモリエル線図において、第４点（Ａ６）が第１点（Ａ５）と第３点（Ａ０）との間の前記所定位置に位置するように、制御装置１７がエコノマイザ膨張弁１４の開度を調整することと同じである。
【００４９】
本発明の実施形態に係るヒートポンプシステム１０では、冷媒熱交換器１２の熱交換量にかかわらず、冷媒熱交換器１２の出口の冷媒の液温度はほぼ一定である。すなわち、図３ＢにおけるＢ６及びＢ７に対応する冷媒熱交換器１２の熱交換量を図３ＡにおけるＡ６及びＡ７に対応する冷媒熱交換器１２の熱交換量に変更しても、冷媒熱交換器１２の出口の冷媒の液温度はほぼ一定である。そのため、冬期にエコノマイザ過冷却量を、図３Ｂに示すＢ５Ｂ６に対応する量から図３Ａに示すＡ５Ａ６に対応する量となるように減らして冷媒熱交換器１２での熱交換量（Ａ６Ａ７）を増やすことで、蒸発器２１の冷媒入口２１ｃと冷媒出口２１ｄのエンタルピ差を小さくできる。これを示した図４から分かるように、「冷媒（改善後）」で示された温度勾配は、「冷媒（改善前）」で示された温度勾配よりも小さくなっていることが分かる。また、蒸発器２１内での温度勾配が小さくできるとともに、蒸発器２１出口のクオリティ低下に伴い、伝熱性能を向上させることができる。よって、蒸発温度が上昇し、冷媒入口温度も高くなることで着霜の低減を実現できる。また、着霜する場合であっても、図５Ｂに示すように、図５Ａと比較して、空気流れ方向で着霜が均一化され、フィン２１ａ，２１ａの一方のフィン２１ａから略一定の範囲内で着霜が生じる。空気流れ方向において、空気流路が閉塞されないので、デフロストインターバルを長くすることができる。図５Ｂに示した着霜状態を実現できる本発明により、図５Ａに示したフィン２１ａ，２１ａ間を閉塞するような着霜状態を改善できることが分かる。
【００５０】
図６は、蒸発器２１の冷媒出口２１ｄにおける冷媒が乾き状態（熱平衡クオリティが１以上）である場合と湿り状態（熱平衡クオリティが１未満）である場合との蒸発器性能の比較を示す。蒸発器２１の冷媒出口２１ｄにおいて、冷媒が湿り状態である場合の方が、乾き状態である場合よりも熱伝達率が向上していることが分かる。本発明によれば、蒸発器２１の出口の冷媒を湿り状態にすることにより、熱伝達率を上昇させることができる。すなわち、ヒートポンプシステム１０の性能を向上させることができる。
【００５１】
図７は、圧縮機１８の吸込口１８ａから吸い込まれる冷媒が乾き状態である場合と湿り状態である場合との圧縮機性能の比較を示す。圧縮機１８で吸い込まれる冷媒が乾き状態である場合の方が、湿り状態である場合よりも圧縮機１８の断熱効率比（％）が向上していることが分かる。従って、本発明によれば、冷媒熱交換器１２で圧縮機１８に吸い込まれる冷媒を加熱して乾き状態の度合いをより高めることにより、ヒートポンプシステム１０の性能を向上させることができる。
【００５２】
図８は、蒸発器２１の冷媒出口２１ｄ（Ａ９，Ｂ９）の冷媒のクオリティと局所熱伝達率との関係を示す。制御装置１７によるエコノマイザ膨張弁１４の開度制御を、エコノマイザ膨張弁１４と圧縮機１８の中間部１８ｄとの間のエコノマイザ流路における冷媒の過熱度に基づいて行なっている比較例に係るヒートポンプシステムでは、冷媒出口２１ｄ（点Ｂ９）における冷媒の状態が飽和蒸気に近い状態である。これに対して、制御装置１７によるエコノマイザ膨張弁１４の開度制御を、エコノマイザ熱交換器１５と冷媒熱交換器１２との間の冷媒回路１１における冷媒の温度に基づいて行なっている本発明の実施形態に係るヒートポンプシステム１０では、冷媒出口２１ｄ（点Ａ９）における冷媒の状態が、比較例に係るヒートポンプシステムよりも湿り側（低クオリティ側）に位置している。すなわち、本発明の実施形態に係るヒートポンプシステム１０での冷媒の局所熱伝達率は、制御装置１７によりエコノマイザ膨張弁１４をエコノマイザ流路における冷媒の過熱度に基づいて開度制御している比較例に係るヒートポンプシステムでの冷媒のそれよりも向上している。すなわち、本発明の実施形態に係るヒートポンプシステム１０の性能が比較例に対して向上している。
【００５３】
図３Ｂの蒸発行程（Ｂ８Ｂ９）は圧力Ｐ１で行われるのに対し、図３Ａの蒸発行程（Ａ８Ａ９）は圧力Ｐ２で行われる。このように、本発明では、エコノマイザ過冷却量を低下させることにより、蒸発器２１での蒸発圧力を上昇させることができるため、蒸発器２１での熱交換量を増加させることができ、システム全体として取り出せる熱量を維持できる。
【００５４】
本発明によれば、温度センサ１６で検出した冷媒の温度に基づいてエコノマイザ膨張弁１４の開度を制御する制御装置１７を備えることにより、モリエル線図における分岐部２３の冷媒の状態を示す第４点（Ａ６）の位置を変更できる。これにより、冷媒熱交換器１２での熱交換量を増減させることができる。つまり、温度センサ１６で検出した冷媒の温度に基づいて、モリエル線図における第４点（Ａ６）を第１点（Ａ５）と第３点（Ａ０）との間に位置させるようにエコノマイザ膨張弁１４の開度を調整することができる。これにより、冬期にエコノマイザ過冷却量を減らして冷媒熱交換器１２での熱交換量を増やすことで、蒸発器２１の出入口のエンタルピ差を小さくでき、出入口の温度差を小さくできる。すなわち、蒸発器２１内の冷媒の温度勾配が小さくできる。また、蒸発器２１の冷媒出口２１ｄの非共沸混合冷媒のクオリティが低下するので、前記冷媒の伝熱性能を向上させることができる。よって、蒸発温度が上昇し、冷媒入口温度も高くなることで、着霜の可及的な低減を実現できる。また、蒸発器２１に着霜する場合であっても、空気流れ方向において、着霜が均一化し、デフロストインターバルを長くすることができる。本構成では、副膨張弁、気液分離器等の追加の構成を必要としないため、装置の大型化及び製造コストの増加を回避することができる。つまり、冷媒として非共沸混合冷媒を用いたヒートポンプシステム１０において、大型化及び製造コストの増加を回避しつつ着霜の可及的な低減を実現できる。上記のように、冷媒熱交換器１２での熱交換量を増加させる、すなわち、エコノマイザ膨張弁１４の開度を減少させた場合、エコノマイザ熱交換における冷媒の過冷却量が減少する。しかし、蒸発器２１での冷媒の蒸発圧力を上昇させることができ、熱交換量が増加するため、システム全体としての取り出せる熱量を維持できる。従って、加熱能力を維持することができる。
【００５５】
制御装置１７は、温度センサ１６により検出された冷媒の温度に応じた検出値が、外気温度と関連付けて予め設定された値（設定値）より低いと判定した場合、エコノマイザ膨張弁１４の開度を減少させる。また、温度センサ１６により検出された冷媒の温度に応じた検出値が、外気温度と関連付けて予め設定された値（設定値）より高いと判定した場合、エコノマイザ膨張弁１４の開度を増加させる。これにより、検出値が設定値となるように調整され、冷媒回路１１を分岐部２３から主膨張弁２０へ流れる冷媒と、蒸発器２１を通過した冷媒回路１１の冷媒とを熱交換させる冷媒熱交換器１２での熱交換量を高精度に調整することができる。
【００５６】
なお、本発明は、前記実施形態の構成に限定されるものではなく、以下に例示するように、変更が可能である。
【００５７】
非共沸混合冷媒は上記実施形態で用いた混合冷媒成分比でなくてもよく、また、上記実施形態で用いた混合冷媒以外の混合冷媒であってもよい。
【００５８】
圧縮機１８は、２段スクリュ圧縮機でもよいし、スクリュ圧縮機以外の圧縮機であってもよい。
【００５９】
絞り機構はオリフィスであってもよい。
【００６０】
蒸発器２１のコイル２１ｂの直線部分２１ｆの数は４以外であってもよい。
【００６１】
図９に示すように、主膨張弁２０と蒸発器２１との間の冷媒回路１１から分岐し、蒸発器２１と冷媒熱交換器１２との間の冷媒回路１１に合流する並行流路３１を設け、並行流路３１に水流路３３の水との熱交換により冷媒を気化させる蒸発器３２を配置してもよい。このような構成であっても、蒸発器３２の冷媒入口の温度を上昇させることができるので、水流路３３の水の凍結を回避できる。
【００６２】
並行流路３１を設けずに、蒸発器２１の代わりとして、水流路３３の水との熱交換により冷媒を気化させる蒸発器３２を採用してもよい。この場合も、水流路３３の凍結防止の効果が得られる。
【００６３】
上記実施形態では、温度センサ１６を、分岐部２３と冷媒熱交換器１２との間の冷媒回路１１に設けたが、この位置に限定されない。例えば、エコノマイザ熱交換器１５と分岐部２３との間の冷媒回路１１、または、分岐部２３とエコノマイザ膨張弁１４との間のエコノマイザ流路１３に温度センサ１６を設けてもよい。
【００６４】
上記実施形態では、ヒートポンプシステムを運転する際の外気温度を制御装置１７に予め記憶させている（初期設定する）ことが前提とされているが、制御装置１７は外気温度を初期設定するものに限定されない。制御装置１７は、外気温度センサを電気的に接続して外気温度（検出値）が必要に応じて都度設定されるように構成されていてもよい。
【符号の説明】
【００６５】
１０  ヒートポンプシステム
１１  冷媒回路
１２  冷媒熱交換器
１３  エコノマイザ流路
１４  エコノマイザ膨張弁
１５  エコノマイザ熱交換器
１６  温度センサ
１７  制御装置
１８  圧縮機
１８ａ  吸込口
１８ｂ  圧縮室
１８ｃ  吐出口
１８ｄ  中間部
１９  凝縮器
２０  主膨張弁（絞り機構）
２１  蒸発器
２１ａ  フィン（コイルエレメント）
２１ｂ  チューブ（コイルエレメント）
２１ｃ  冷媒入口（ヘッダ）
２１ｄ  冷媒出口（ヘッダ）
２１ｅ  分岐流路（コイルエレメント）
２１ｆ  直線部分（コイルエレメント）
２１ｇ  空気入口
２１ｈ  空気出口
２３  分岐部
２４  熱媒体流路
３１  並行流路
３２  蒸発器
３３  水流路
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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