JP2001194017A - 超臨界蒸気圧縮機式冷凍サイクル - Google Patents

超臨界蒸気圧縮機式冷凍サイクル

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 実際の超臨界サイクルの効率（成績係数）が
悪化してしまうことを防止しつつ、必要な能力を発揮さ
せる。 【解決手段】 サイクルの実効率η（サイクルの理論効
率×圧縮機１００の効率ηｍ）を高めるように、圧縮機
１００の吐出冷媒量及び圧力制御弁３００の開度を制御
する。これにより、サイクルの実効率ηを高めつつ、必
要な能力を発揮させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高圧側の冷媒圧力
が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界蒸気圧縮式冷凍サイ
クル（以下、超臨界サイクルと略す。）に関するもの
で、空調装置に適用して有効である。
【０００２】なお、超臨界サイクルにおいて、高圧側と
は圧縮機の吐出側から減圧手段（本明細書では圧力制御
弁）までの領域であって、減圧手段にて減圧される前の
状態を言う。
【０００３】
【従来の技術】超臨界サイクルは、例えば特開平７−２
９４０３３号公報に記載のごとく、放熱器出口側の冷媒
温度に基づいて減圧手段の開度を制御するものが一般的
である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記公報の
ごとく、減圧手段（圧力制御弁）のみにて超臨界サイク
ルの能力を制御する場合において、能力（冷凍能力又は
加熱能力）を上昇させるには減圧手段の開度を小さくし
て高圧側の冷媒圧力を上昇させる必要があるが、高圧側
の冷媒圧力が上昇すると、圧縮機の効率が低下するの
で、実際の超臨界サイクルの効率（成績係数）が悪化し
てしまうという問題が発生する。
【０００５】本発明は、上記点に鑑み、実際の超臨界サ
イクルの効率（成績係数）が悪化してしまうことを防止
しつつ、必要な能力を発揮し得る超臨界サイクルを提供
することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、請求項１に記載の発明では、冷媒を蒸発
及び圧縮することにより低温側から高温側に熱を移動さ
せるとともに、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上
となる超臨界蒸気圧縮機式冷凍サイクルであって、冷媒
を吸入圧縮する圧縮機（１００）と、圧縮機（１００）
から吐出する冷媒を冷却する放熱器（２００）と、放熱
器（２００）から流出する冷媒を減圧するとともに、開
度を調節することにより高圧側の冷媒圧力を制御する圧
力制御弁（３００）と、圧力制御弁（３００）にて減圧
された冷媒を蒸発させる蒸発器（４００）と、圧縮機
（１００）の吐出冷媒量及び圧力制御弁（３００）の開
度を制御するサイクル制御手段（７００）とを備えるこ
とを特徴とする。
【０００７】これにより、実際の超臨界サイクルの効率
（成績係数）が悪化してしまうことを防止しつつ、必要
な能力を発揮することが可能となる。
【０００８】請求項２に記載の発明では、冷媒を蒸発及
び圧縮することにより低温側から高温側に熱を移動させ
るとともに、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上と
なる超臨界蒸気圧縮機式冷凍サイクルであって、冷媒を
吸入圧縮する圧縮機（１００）と、圧縮機（１００）か
ら吐出する冷媒を冷却する放熱器（２００）と、放熱器
（２００）から流出する冷媒を減圧するとともに、開度
を調節することにより高圧側の冷媒圧力を制御する圧力
制御弁（３００）と、圧力制御弁（３００）にて減圧さ
れた冷媒を蒸発させる蒸発器（４００）と、冷凍サイク
ルの理論成績係数と圧縮機（１００）の効率とに基づい
て圧縮機（１００）の吐出冷媒量及び圧力制御弁（３０
０）の開度を制御するサイクル制御手段（７００）とを
備えることを特徴とする。
【０００９】これにより、冷凍サイクルの理論成績係数
と圧縮機（１００）の効率とによって決定されるサイク
ルの実成績係数が悪化してしまうことを防止しつつ、必
要な能力を発揮することが可能となる。
【００１０】請求項３に記載の発明では、冷媒を蒸発及
び圧縮することにより低温側から高温側に熱を移動させ
るとともに、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上と
なる超臨界蒸気圧縮機式冷凍サイクルであって、冷媒を
吸入圧縮する圧縮機（１００）と、圧縮機（１００）か
ら吐出する冷媒を冷却する放熱器（２００）と、放熱器
（２００）から流出する冷媒を減圧するとともに、開度
を調節することにより高圧側の冷媒圧力を制御する圧力
制御弁（３００）と、圧力制御弁（３００）にて減圧さ
れた冷媒を蒸発させる蒸発器（４００）と、実際に低温
側から高温側に移動した熱量及び実際に圧縮機（１０
０）にて消費した消費動力から冷凍サイクルの実成績係
数を演算し、その実成績係数に基づいて圧縮機（１０
０）の吐出冷媒量及び圧力制御弁（３００）の開度を制
御するサイクル制御手段（７００）とを備えることを特
徴とする。
【００１１】これにより、実際の超臨界サイクルの効率
（成績係数）が悪化してしまうことを防止しつつ、必要
な能力を発揮することが可能となる。
【００１２】なお、請求項４に記載の発明のごとく、圧
縮機（１００）の吐出冷媒量を変化させた後に、圧力制
御弁（３００）の開度を制御してもよい。
【００１３】また、請求項５に記載の発明のごとく、圧
力制御弁（３００）の開度を変化させた後に、圧縮機
（１００）の吐出冷媒量を制御してもよい。
【００１４】請求項６に記載の発明では、冷媒を蒸発及
び圧縮することにより低温側から高温側に熱を移動させ
るとともに、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上と
なる超臨界蒸気圧縮機式冷凍サイクルであって、冷媒を
吸入圧縮する圧縮機（１００）と、圧縮機（１００）か
ら吐出する冷媒を冷却する放熱器（２００）と、放熱器
（２００）から流出する冷媒を減圧するとともに、開度
を調節することにより高圧側の冷媒圧力を制御する圧力
制御弁（３００）と、圧力制御弁（３００）にて減圧さ
れた冷媒を蒸発させる蒸発器（４００）と、高圧側の冷
媒温度を検出する高圧冷媒温度検出手段（６７０）と、
高圧冷媒温度検出手段（６７０）の検出温度が所定温度
以下となるように、圧縮機（１００）の吐出冷媒量及び
圧力制御弁（３００）の開度のうち少なくとも一方を制
御するサイクル制御手段（７００）とを備えることを特
徴とする。
【００１５】これにより、実際の超臨界サイクルの効率
（成績係数）が悪化してしまうことを防止しつつ、必要
な能力を発揮することが可能となるとともに、超臨界サ
イクルの構成機器が熱損傷してしまうことを防止でき
る。
【００１６】なお、サイクル制御手段（７００）は、請
求項７に記載の発明のごとく、高圧冷媒温度検出手段
（６７０）の検出温度が所定温度を越えたときに、圧縮
機（１００）の吐出冷媒量及び圧力制御弁（３００）の
開度のいずれを制御するかを決定する決定手段（Ｓ７１
２〜Ｓ８０２）を有することが望ましい。
【００１７】ところで、例えば放熱器（２００）の冷却
風の風量が少ない場合や冷却風の温度が高い場合には、
放熱器（２００）出口側の冷媒圧力が上昇するので、圧
力制御弁（３００）は、その開度を縮小させて放熱器
（２００）出口側の冷媒圧力を上昇させていく。このた
め、放熱器（２００）出口側の冷媒圧力（高圧側の冷媒
圧力）の上昇と共に、圧縮機（１００）を駆動するに必
要なトルクが増大してしまう。
【００１８】これに対して、請求項８に記載の発明で
は、圧縮機（１００）の駆動トルクが所定トルク以下と
なるように、圧力制御弁（３００）及び圧縮機（１０
０）の吐出流量を制御することを特徴とするので、例え
ば放熱器（２００）の冷却風の風量が少ない場合や冷却
風の温度が高い場合であっても、圧縮機（１００）の駆
動トルクが過度に大きくなることを防止しつつ、所定の
冷凍能力を発揮することが可能となる。
【００１９】なお、駆動トルクが所定トルクとなったと
きには、請求項９に記載の発明のごとく、高圧側の冷媒
圧力が放熱器（２００）出口側の冷媒温度に基づいて決
定される目標高圧圧力より低くなるように圧力制御弁
（３００）を制御するとともに、蒸発器（４００）で発
生する冷凍能力が所定能力となるように圧縮機（１０
０）の吐出流量を制御することが望ましい。
【００２０】また、請求項１０に記載の発明のごとく、
圧縮機（１００）を駆動する電動モータ（Ｍ）がインバ
ータにより可変制御されているときには、駆動トルクを
インバータの電流により検出することが望ましい。
【００２１】ところで、空調装置において、例えば放熱
器（２００）を通過した空気の温度が、放熱器（２０
０）の冷媒出口側における冷媒温度より低い場合には、
冷媒から空気に与えることが可能な熱量が冷媒に残存し
ていることを意味し、暖房効率（超臨界サイクルに投入
したエネルギーに対して暖房能力として回収することが
できた熱エネルギの比）は必ずしも高くない。
【００２２】しかし、吐出流量が大きい場合には、放熱
器（２００）内での冷媒流速が大きく空気と冷媒との熱
交換時間が短いため、十分な量の熱量を冷媒から空気に
与える（伝熱する）ことができない。一方、吐出流量を
小さくすると、冷媒が放熱器（２００）内を流通する間
に空気に対して与えることができる熱量を増大させて熱
交換効率を向上させることができるものの、吐出流量が
減少しているので、室内に吹き出す空気に対して与える
ことができる熱量の絶対量が減少してしまい、暖房能力
が低下してしまう。
【００２３】これに対して、請求項１１に記載の発明で
は、放熱器（２００）出口側の冷媒温度と放熱器（２０
０）内を流通する冷媒と熱交換する流体の温度との温度
差（ΔＴ）が所定温度差以上であるときは、温度差（Δ
Ｔ）が所定温度差未満であるときに比べて、圧縮機（１
００）の吐出流量を低下させた状態で、放熱器（２０
０）出口側の冷媒温度に基づいて決定される目標高圧圧
力より高い目標圧力となるように圧力制御弁（３００）
を制御することを特徴としているので、放熱器（２０
０）での熱交換効率を向上させつつ、暖房能力が低下す
ることを防止でき、暖房効率を向上させることができ
る。
【００２４】請求項１２に記載の発明では、少なくとも
外気通路（８１０）に外気が導入されている状態におい
ては、外気の温度に基づいて決定される目標高圧圧力と
なるように圧力制御弁（３００）を制御しつつ、圧縮機
（１００）の吐出冷媒流量を制御することを特徴とす
る。
【００２５】これにより、請求項１１に記載の発明のご
とく、温度差（ΔＴ）に基づいて圧力制御弁（３００）
を制御するもに比べて、圧力制御弁３００の制御を簡素
化することができる。
【００２６】なお、冷媒は、請求項１３に記載の発明の
ごとく、二酸化炭素を用いることが望ましい。
【００２７】因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後
述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す
一例である。
【００２８】
【発明の実施の形態】（第１実施形態）本実施形態は、
本発明に係る超臨界サイクルを暖房用の空調装置に適用
したものであって、図１は本実施形態に係る超臨界サイ
クルの模式図である。図１中、１００は冷媒（本実施形
態では、二酸化炭素）を吸入圧縮する圧縮機であり、こ
の圧縮機１００は、同期式の電動モータ（インダクショ
ンモータ）により駆動されるもので、本実施形態では、
圧縮機１００と電動モータＭとが一体化された電動圧縮
機を採用している。
【００２９】なお、電動モータＭはインバータにより可
変制御されており、その発生トルクはインバータ電流に
制御され、回転数はインバータ電流の周波数を制御する
ことにより制御されている。
【００３０】２００は圧縮機１００から吐出した冷媒と
室内に吹き出す空気（空調風）とを熱交換して空調風を
加熱するとともに、内部の圧力（高圧側の圧力）が冷媒
の臨界圧力以上となる放熱器であり、３００は放熱器２
００から流出する冷媒を減圧するとともに、開度を調節
することにより放熱器２００出口側の冷媒圧力（高圧側
の冷媒圧力）を制御する電気式の圧力制御弁である。
【００３１】４００は圧力制御弁３００にて減圧された
冷媒を蒸発させて室外空気から熱を吸収する蒸発器であ
り、５００は超臨界サイクル内の余剰冷媒を貯えるとと
もに、蒸発器４００から流出する冷媒を気相冷媒と液相
冷媒とに分離して気相冷媒を圧縮機１００側に流出させ
るアキュームレータ（気液分離手段）である。
【００３２】６１０は放熱器２００出口側（高圧側）の
冷媒温度を検出する冷媒温度センサ（冷媒温度検出手
段）であり、６２０は放熱器２００出口側（高圧側）の
冷媒圧力を検出する第１圧力センサ（第１冷媒圧力検出
手段）であり、６３０は圧力制御弁３００にて減圧され
た低圧側の冷媒圧力を検出する第２圧力センサ（第２冷
媒圧力検出手段）である。６４０は放熱器２００に流入
する（放熱器２００にて加熱される前の）空気の温度を
検出する流入空気温度センサ（流入空気温度検出手段）
であり、６５０は放熱器２００から流出する（放熱器２
００にて加熱された）空気の温度を検出する流出空気温
度センサ（流出空気温度検出手段）であり、６６０は人
員が希望する室内温度を人員が設定入力するための設定
温度入力手段である。
【００３３】そして、この設定温度入力手段６６０の設
定温度及び各センサ６１０〜６５０の検出値は、電子制
御装置（ＥＣＵ）７００に入力されており、ＥＣＵ７０
０は、設定温度入力手段６６０の設定温度及び各センサ
６１０〜６５０に基づいて予め設定されたプログラムに
従って圧力制御弁３００の開度（放熱器２００出口側の
冷媒圧力）、並びに圧縮機１００（電動モータ）の回転
数（圧縮機１００の吐出冷媒量）を制御する。
【００３４】次に、図２〜５に示すフローチャートに基
づいて本実施形態に係る超臨界サイクルの制御作動を述
べる。
【００３５】空調装置（超臨界サイクル）の起動スイッ
チ（Ａ／Ｃスイッチ）が投入（ＯＮ）されると（Ｓ１０
０）、圧縮機１００が起動する前に放熱器２００出口側
の冷媒圧力（第１圧力センサ６２０の検出圧力）を読み
込む（Ｓ１１０）。
【００３６】そして、Ｓ１１０にて読み込んだ冷媒圧力
（以下、この冷媒圧力を起動前圧力Ｐｏと呼ぶ。）に基
づいて起動時における最大圧力（以下、この圧力を制御
圧力Ｐｃと呼ぶ。）を決定するとともに（Ｓ１２０）、
圧力制御弁３００の開度を予め設定された初期開度とす
る（Ｓ１３０）。なお、本実施形態では、起動前圧力Ｐ
ｏに約２ＭＰａの圧力を加算した、起動前圧力Ｐｏより
大きい圧力を制御圧力Ｐｃとしている。
【００３７】次に、圧縮機１００が起動した時から圧縮
機１００の回転数が所定回転数に到達するまでの間は、
放熱器２００出口側の冷媒圧力（高圧側）が、制御圧力
Ｐｃ以下となるように圧力制御弁３００の開度を調節し
ながら、圧縮機１００の回転数を所定回転数まで上昇さ
せる（Ｓ１４０〜Ｓ２１０）。なお、所定回転数とは、
電動モータが脱調することなく安定的に回転することが
できる回転数を言うものである。
【００３８】具体的には、圧縮機１００が起動後（Ｓ１
４０）、圧縮機１００の回転数が所定回転数以下である
か否かを判定し（Ｓ１５０）、圧縮機１００の回転数が
所定回転数以下であって、放熱器２００出口側の冷媒圧
力が制御圧力Ｐｃ以下の間は、圧力制御弁３００の開度
を初期開度とした状態で圧縮機１００の回転数を上昇さ
せる（Ｓ１５０〜Ｓ１８０）。
【００３９】また圧縮機１００の回転数が所定回転数以
下であって、放熱器２００出口側の冷媒圧力が制御圧力
Ｐｃを越えたときには、圧力制御弁３００の開度を増大
させて放熱器２００出口側の冷媒圧力が制御圧力Ｐｃ以
下となるようにしながら、圧縮機１００の回転数を上昇
させる（Ｓ１９０〜Ｓ２１０）。
【００４０】そして、圧縮機１００の回転数が所定回転
数を越えたときには、設定温度Ｔｓ及び放熱器２００に
流入する空気の温度（流入空気温度センサ６４０の検出
温度Ｔｉから目標とする吹出空気の温度（目標吹出空気
温度Ｔｔ）を演算する（Ｓ２２０）。なお、本実施形態
では、Ｓ１００〜Ｓ２１０まで制御を起動時制御と呼
び、Ｓ２２０以降の制御を通常制御と呼ぶ。
【００４１】次に、放熱器２００出口側（高圧側）の冷
媒温度（冷媒温度センサ６１０の検出温度）Ｔｇを読み
込み、冷媒温度Ｔｇと放熱器２００出口側の冷媒圧力と
が図６の太線（最適制御線η）で示される関係となり、
かつ、室内に吹き出す空気の温度（流出空気温度センサ
６５０の検出温度）Ｔｒが目標吹出空気温度Ｔｔとなる
ように、圧力制御弁３００の開度及び圧縮機１００の回
転数を制御する（Ｓ２２０〜Ｓ２７０）。
【００４２】なお、最適制御線ηは、例えば特願平８−
１１２４８号に記載のごとく、放熱器２００出口側の冷
媒温度と成績係数が最大となる放熱器２００出口側の冷
媒圧力との関係を示すものである。
【００４３】そして、放熱器２００出口側（高圧側）の
冷媒温度Ｔｇ、放熱器２００出口側（高圧側）の冷媒圧
力（第１圧力センサ６２０の検出圧力）ＰＨ、及び圧力
制御弁３００にて減圧された低圧側の冷媒圧力（第２圧
力センサ６３０の検出圧力）ＰＬから超臨界サイクルの
成績係数（ＣＯＰ）、並びに高圧側圧力ＰＨ、低圧側冷
媒圧力ＰＬ及び圧縮機１００の回転数Ｎから圧縮機の効
率ηｍを演算する（Ｓ２８０）。
【００４４】ここで、暖房運転時における超臨界サイク
ルの理論成績係数（理論効率）とは、周知のごとく、冷
媒の単位質量流量当たりの理論圧縮仕事量に対する放熱
器２００にて放熱された熱量の比（図７において、Δｈ
ｇ／Δｈｃｏｍｐ）で表されるもので、理論成績係数と
圧縮機の効率ηｍとの積がサイクルの実効率ηである。
【００４５】一方、圧縮機１００の効率ηｍとは、図８
に示す圧縮効率ηｗ（＝理論圧縮仕事／実際に必要な冷
媒圧縮仕事）と電動モータの効率との積であり、圧縮機
１００毎に異なる固有値である。因みに、ηｍ＝理論圧
縮仕事／消費動力Ｗｉの関係がある。
【００４６】次に、圧縮機１００の回転数を所定回転数
（例えば、１００ｒｐｍ）低下させて吐出冷媒量を低下
させたと仮定したときに、現状の暖房能力（放熱器２０
０の放熱量）を維持するに必要な高圧側（放熱器２００
出口側）の冷媒圧力を（超臨界サイクルの挙動）をシミ
レーション（演算）するとともに、そのシミレーション
（演算）結果に基づいてサイクルの理論効率及び圧縮機
１００の効率ηｍを演算する（Ｓ２９０）。なお、圧縮
機１００の回転数変化や高圧側圧力（吐出圧）の変化に
より圧縮機の体積効率ηｖが変化すると、冷媒流量が変
化するので、冷媒圧力を（超臨界サイクルの挙動）をシ
ミレーション（演算）する際には、体積効率ηｖも考慮
する。因みに、体積効率ηｖとは、圧縮機１００の吸入
容積の回転数から計算させる理論吸入質量流量Ｍｉに対
する吐出質量流量Ｍｄの比（Ｍｄ／Ｍｉ）を言う。
【００４７】そして、Ｓ２９０にて演算したサイクルの
実効率ηと、現状のサイクルの実効率ηとを比較し（Ｓ
３００）、Ｓ２９０にて演算したサイクルの実効率ηが
現状のサイクルの実効率ηより大きいときには、圧縮機
１００の回転数を実際に所定回転数だけ低下させるとと
もに、高圧側の冷媒圧力がＳ２９０にて演算した冷媒圧
力となるように圧力制御弁３００の開度を制御する（Ｓ
３１０）。
【００４８】一方、Ｓ３００にてＳ２９０にて演算した
サイクルの実効率ηが現状のサイクルの実効率η以下で
あると判定されたときには、圧縮機１００の回転数を所
定回転数（例えば、１００ｒｐｍ）増大させて吐出冷媒
量を増大させたと仮定したときに、現状（Ｓ２８０で）
の暖房能力を維持するに必要な高圧側の冷媒圧力をシミ
レーション（演算）するとともに、そのシミレーション
（演算）結果に基づいてサイクルの理論効率及び圧縮機
１００の効率ηｍを演算する（Ｓ３２０）。
【００４９】そして、Ｓ３２０にて演算したサイクルの
実効率ηと、現状のサイクルの実効率ηとを比較し（Ｓ
３３０）、Ｓ３２０にて演算したサイクルの実効率ηが
現状のサイクルの実効率ηより大きいときには、圧縮機
１００の回転数を実際に所定回転数だけ増大させるとと
もに、高圧側の冷媒圧力がＳ３２０にて演算した冷媒圧
力となるように圧力制御弁３００の開度を制御する（Ｓ
３１０）。一方、Ｓ３２０にて演算したサイクルの実効
率ηが現状のサイクルの実効率η以下であるときには、
圧力制御弁３００の開度及び圧縮機１００の回転数を現
状（Ｓ２８０で）のままとする（Ｓ３４０）。
【００５０】次に、目標吹出空気温度Ｔｔを演算し、か
つ、室内に吹き出す空気の温度Ｔｒを再び検出するとと
もに（Ｓ３５０、Ｓ３６０）、目標吹出空気温度Ｔｔと
室内に吹き出す空気の温度Ｔｒとを比較する（Ｓ３７
０）。そして、目標吹出空気温度Ｔｔと室内に吹き出す
空気の温度Ｔｒとが等しいときには、圧力制御弁３００
の開度及び圧縮機１００の回転数を現状（Ｓ２８０）の
ままとし（Ｓ３４０）、目標吹出空気温度Ｔｔと室内に
吹き出す空気の温度Ｔｒとが相違するときには、高圧側
の冷媒温度Ｔｇを読み込み、その冷媒温度Ｔｇと放熱器
２００出口側の冷媒圧力とが最適制御線ηで示される関
係となり、かつ、再度検出された室内に吹き出す空気の
温度Ｔｒが再度演算された目標吹出空気温度Ｔｔとなる
ように、圧力制御弁３００の開度及び圧縮機１００の回
転数を制御する（Ｓ３８０〜Ｓ４３０）。そして、Ｓ２
８０に戻り、Ｓ２８０〜Ｓ４３０を繰り返す。
【００５１】次に、本実施形態の特徴を述べる。
【００５２】本実施形態によれば、圧縮機１００の吐出
冷媒量及び圧力制御弁３００の開度を制御するので、サ
イクルの理論効率及び圧縮機１００の効率ηｍの両効率
を制御することができる。したがって、サイクルの実効
率ηを高めつつ、必要な能力を発揮させることができ
る。
【００５３】因みに、図１０の破線は従来の技術におけ
る圧力制御が描く最適制御線η（図６の太線に相当）で
あり、図１０の実線は本実施形態に係る圧力制御が描く
最適制御線ηであり、図１０から明らかなように、本実
施形態では、常に従来に比べてサイクルの実効率ηが向
上していることが判る。
【００５４】（第２実施形態）第１実施形態では、サイ
クルの理論効率及び圧縮機１００の効率ηｍからサイク
ルの実効率ηを求めたが、本実施形態は、サイクルの実
効率ηを実測した後、その実測したサイクルの実効率η
に基づいて圧縮機１００の吐出冷媒量及び圧力制御弁３
００の開度を制御するものである。
【００５５】以下、図１１〜１４に示すフローチャート
に基づいて本実施形態の作動を述べる。
【００５６】空調装置（超臨界サイクル）の起動スイッ
チ（Ａ／Ｃスイッチ）が投入（ＯＮ）されると（Ｓ５０
０）、圧縮機１００が起動する前に放熱器２００出口側
の冷媒圧力（第１圧力センサ６２０の検出圧力）を読み
込む（Ｓ５１０）。
【００５７】そして、Ｓ５１０にて読み込んだ起動前圧
力Ｐｏに基づいて起動時における制御圧力Ｐｃを決定す
るとともに（Ｓ５２０）、圧力制御弁３００の開度を予
め設定された初期開度とする（Ｓ５３０）。なお、本実
施形態では、起動前圧力Ｐｏに約２ＭＰａの圧力を加算
した、起動前圧力Ｐｏより大きい圧力を制御圧力Ｐｃと
している。
【００５８】次に、圧縮機１００が起動した時から圧縮
機１００の回転数が所定回転数に到達するまでの間は、
放熱器２００出口側の冷媒圧力（高圧側）が、制御圧力
Ｐｃ以下となるように圧力制御弁３００の開度を調節し
ながら、圧縮機１００の回転数を所定回転数まで上昇さ
せる（Ｓ５４０〜Ｓ６１０）。
【００５９】具体的には、圧縮機１００が起動後（Ｓ５
４０）、圧縮機１００の回転数が所定回転数以下である
か否かを判定し（Ｓ５５０）、圧縮機１００の回転数が
所定回転数以下であって、放熱器２００出口側の冷媒圧
力が制御圧力Ｐｃ以下の間は、圧力制御弁３００の開度
を初期開度とした状態で圧縮機１００の回転数を上昇さ
せる（Ｓ５５０〜Ｓ５８０）。
【００６０】また圧縮機１００の回転数が所定回転数以
下であって、放熱器２００出口側の冷媒圧力が制御圧力
Ｐｃを越えたときには、圧力制御弁３００の開度を増大
させて放熱器２００出口側の冷媒圧力が制御圧力Ｐｃ以
下となるようにしながら、圧縮機１００の回転数を上昇
させる（Ｓ５９０〜Ｓ６１０）。
【００６１】そして、圧縮機１００の回転数が所定回転
数を越えたときには、設定温度Ｔｓ及び放熱器２００に
流入する空気の温度（流入空気温度センサ６４０の検出
温度Ｔｉから目標とする吹出空気の温度（目標吹出空気
温度Ｔｔ）を演算する（Ｓ６２０）。なお、本実施形態
では、Ｓ５００〜Ｓ６１０まで制御を起動時制御と呼
び、Ｓ６２０以降の制御を通常制御と呼ぶ。
【００６２】次に、放熱器２００出口側（高圧側）の冷
媒温度（冷媒温度センサ６１０の検出温度）Ｔｇを読み
込み、冷媒温度Ｔｇと放熱器２００出口側の冷媒圧力と
が図６の太線（最適制御線η）で示される関係となり、
かつ、室内に吹き出す空気の温度（流出空気温度センサ
６５０の検出温度）Ｔｒが目標吹出空気温度Ｔｔとなる
ように、圧力制御弁３００の開度及び圧縮機１００の回
転数を制御する（Ｓ６２０〜Ｓ６７０）。
【００６３】そして、放熱器２００に流入する空気の温
度と放熱器２００から流出する空気の温度との差（流入
空気温度センサ６４０の検出温度と流出空気温度センサ
６５０の検出温度との差）及び放熱器２００を通過する
風量等から実際に空気中に放熱された熱量を演算すると
ともに、圧縮機１００が実際にて消費した消費動力（本
実施形態では、圧縮機１００の消費電力）を検出して、
サイクルの実効率（実成績係数）ηを演算する（Ｓ６８
０）。
【００６４】因みに、本実施形態で演算されたサイクル
の実効率ηは、放熱器２００及び蒸発器４００における
冷媒の圧力損失、圧縮機１００（特に、電動モータ）で
のジュール損、及び圧縮機１００における熱損失等の超
臨界サイクルの稼働に伴って発生する全ての損失が含ま
れたサイクルの実効率ηで、第１実施形態にて演算した
サイクルの実効率ηより実際の効率に近いものである。
【００６５】また、放熱器２００に流入する空気の温度
と放熱器２００から流出する空気の温度との差及び放熱
器２００を通過する風量等から演算された放熱量とは、
低温側（蒸発器４００）側から高温側（放熱器２００
側）に移動した熱量に加えて、圧縮機１００から冷媒に
与えられた圧縮仕事を含む熱量である。
【００６６】次に、圧縮機１００の回転数を実際に所定
回転数（例えば、１００ｒｐｍ）増大させた後に、現状
（Ｓ６８０で）の暖房能力を維持するように圧力制御弁
３００の開度を大きくし（Ｓ６９０）、そのときのサイ
クルの実効率ηをＳ６８０と同様な手法にて演算する
（Ｓ７００）。そして、前回（この場合は、Ｓ６８０）
にて演算したサイクルの実効率η（以下、この実効率η
を前回実効率ηと呼ぶ。）とＳ７００にて演算したサイ
クルの実効率η（以下、この実効率ηを今回実効率ηと
呼ぶ。）とを比較し（Ｓ７１０）、今回実効率ηが前回
実効率ηより大きいときには、再び圧縮機１００の回転
数を実際に所定回転数増大させた後に、現状（Ｓ６８０
で）の暖房能力を維持するように圧力制御弁３００の開
度を大きくして（Ｓ６９０）、そのときのサイクルの実
効率ηをＳ６８０と同様な手法にて演算する（Ｓ７０
０）。
【００６７】その後、再び前回実効率η（この場合は、
前回のＳ７００にて演算したサイクルの実効率η）と今
回実効率η（この場合は、今回のＳ７００にて演算した
サイクルの実効率η）とを比較して（Ｓ７１０）、今回
実効率ηが前回実効率η以下となるまでＳ６９０〜Ｓ７
１０を繰り返す。
【００６８】次に、今回実効率ηが前回実効率η以下と
なったときには、圧縮機１００の回転数を実際に所定回
転数（例えば、１００ｒｐｍ）低下させた後に、現状
（Ｓ６８０で）の暖房能力を維持するように圧力制御弁
３００の開度を小さくし（Ｓ７２０）、そのときのサイ
クルの実効率ηをＳ６８０と同様な手法にて演算する
（Ｓ７３０）。
【００６９】そして、前回実効率η（この場合は、Ｓ７
００にて演算したサイクルの実効率η）とＳ７３０にて
演算した今回実効率ηとを比較し（Ｓ７４０）、今回実
効率ηが前回実効率ηより大きいときには、再び圧縮機
１００の回転数を所定回転数低下させた後に、現状（Ｓ
６８０で）の暖房能力を維持するように圧力制御弁３０
０の開度を小さくして（Ｓ７２０）、そのときのサイク
ルの実効率ηをＳ６８０と同様な手法にて演算する（Ｓ
７３０）。
【００７０】その後、再び前回実効率η（この場合は、
前回のＳ７３０にて演算したサイクルの実効率η）と今
回実効率η（この場合は、今回のＳ７３０にて演算した
サイクルの実効率η）とを比較して（Ｓ７４０）、今回
実効率ηが前回実効率η以下となるまでＳ７２０〜Ｓ７
４０を繰り返す。
【００７１】次に、目標吹出空気温度Ｔｔを演算し、か
つ、室内に吹き出す空気の温度Ｔｒを再び検出するとと
もに（Ｓ７５０、Ｓ７６０）、目標吹出空気温度Ｔｔと
室内に吹き出す空気の温度Ｔｒとを比較する（Ｓ７７
０）。そして、目標吹出空気温度Ｔｔと室内に吹き出す
空気の温度Ｔｒとが等しいときには、圧力制御弁３００
の開度及び圧縮機１００の回転数を現状（Ｓ７２０）の
ままとし、目標吹出空気温度Ｔｔと室内に吹き出す空気
の温度Ｔｒとが相違するときには、高圧側の冷媒温度Ｔ
ｇを読み込み、その冷媒温度Ｔｇと放熱器２００出口側
の冷媒圧力とが最適制御線ηで示される関係となり、か
つ、再度検出された室内に吹き出す空気の温度Ｔｒが再
度演算された目標吹出空気温度Ｔｔとなるように、圧力
制御弁３００の開度及び圧縮機１００の回転数を制御す
る（Ｓ７８０〜Ｓ８３０）。そして、Ｓ６８０に戻り、
Ｓ６８０〜Ｓ８３０を繰り返す。
【００７２】次に、本実施形態の特徴を述べる。
【００７３】本実施形態によれば、冷凍サイクルの実効
率（実成績係数）ηを演算し、その実効率ηに基づいて
圧縮機１００の吐出冷媒量（回転数）及び圧力制御弁３
００の開度（高圧側の冷媒圧力）を制御するので、サイ
クルの実効率ηを高めつつ、必要な能力を発揮させるこ
とができる。
【００７４】（第３実施形態）第２実施形態では、圧縮
機１００の吐出冷媒量を変化させた後に、圧力制御弁３
００の開度を制御したが、本実施形態では、圧力制御弁
３００の開度を変化させた後に、圧縮機１００の吐出冷
媒量を制御するものである。
【００７５】なお、本実施形態の作動は、第２実施形態
におけるＳ６９０〜Ｓ７４０を変更したのみであるの
で、第２実施形態に対して変更された点のみを図１５に
示すフローチャートに基づいて述べる。
【００７６】Ｓ６８０の次に、圧力制御弁３００の開度
を（圧力換算で０．１ＭＰａ）大きくして高圧側の冷媒
圧力を低下させた後に、現状（Ｓ６８０）の暖房能力を
維持するように圧縮機１００の回転数を増大し（Ｓ６９
１）、そのときのサイクルの実効率ηをＳ６８０と同様
な手法にて演算する（Ｓ７０１）。そして、前回実効率
η（この場合は、Ｓ６８０にて演算したサイクルの実効
率η）とＳ７０１にて演算した今回実効率ηとを比較し
（Ｓ７１１）、今回実効率ηが前回実効率ηより大きい
ときには、再び圧力制御弁３００の開度を（圧力換算で
０．１ＭＰａ）大きくした後に、現状（Ｓ６８０）の暖
房能力を維持するように圧縮機１００の回転数を増大し
（Ｓ６９１）、そのときのサイクルの実効率ηをＳ６８
０と同様な手法にて演算する（Ｓ７０１）。
【００７７】その後、再び前回実効率η（この場合は、
前回のＳ７０１にて演算したサイクルの実効率η）と今
回実効率η（この場合は、今回のＳ７０１にて演算した
サイクルの実効率η）とを比較して（Ｓ７１１）、今回
実効率ηが前回実効率η以下となるまでＳ６９１〜Ｓ７
１１を繰り返す。
【００７８】次に、今回実効率ηが前回実効率η以下と
なったときには、圧力制御弁３００の開度を（圧力換算
で０．１ＭＰａ）小さくして高圧側の冷媒圧力を増大さ
せた後に、現状（Ｓ６８０で）の暖房能力を維持するよ
うに圧縮機１００の回転数を低下し（Ｓ６９１）、その
ときのサイクルの実効率ηをＳ６８０と同様な手法にて
演算する（Ｓ７３１）。そして、前回実効率η（この場
合は、Ｓ７０１にて演算したサイクルの実効率η）とＳ
７３１にて演算した今回実効率ηとを比較し（Ｓ７４
１）、今回実効率ηが前回実効率ηより大きいときに
は、再び圧力制御弁３００の開度を（圧力換算で０．１
ＭＰａ）大きくした後に、現状（Ｓ６８０で）の暖房能
力を維持するように圧縮機１００の回転数を増大し（Ｓ
６９１）、そのときのサイクルの実効率ηをＳ６８０と
同様な手法にて演算する（Ｓ７３１）。
【００７９】その後、再び前回実効率η（この場合は、
前回のＳ７３１にて演算したサイクルの実効率η）と今
回実効率η（この場合は、今回のＳ７３１にて演算した
サイクルの実効率η）とを比較して（Ｓ７４１）、今回
実効率ηが前回実効率η以下となるまでＳ７２０〜Ｓ７
４０を繰り返す。
【００８０】（第４実施形態）本実施形態は、図１６に
示すように、高圧側の冷媒温度（本実施形態では、圧縮
機１００から吐出した直後の冷媒温度）を検出する高圧
冷媒温度センサ（高圧冷媒温度検出手段）６７０を設け
るとともに、高圧冷媒温度センサ６７０温度が所定温度
（本実施形態では、約１５０℃）Ｔｄｏ以下となるよう
にしつつ、サイクルの実効率ηができるだけ高く維持さ
れるように圧縮機１００の吐出冷媒量（回転数）、及び
圧力制御弁３００の開度を制御するものである。
【００８１】以下、本実施形態に係る超臨界サイクルの
作動を述べる。なお、本実施形態の作動は、第２実施形
態におけるＳ６８０以降を変更したのみであるので、第
２実施形態に対して変更された点のみを図１７に示すフ
ローチャートに基づいて述べる。
【００８２】Ｓ６７０の次に、高圧側の冷媒温度（高圧
冷媒温度センサ６７０の検出温度）Ｔｄを読み込み（Ｓ
６８２）、高圧側の冷媒温度Ｔｄが所定温度Ｔｄｏ以下
であるか否かを判定し（Ｓ７０２）、高圧側の冷媒温度
Ｔｄが所定温度Ｔｄｏ以下のときには、第２実施形態の
Ｓ６８０以降を実施する（Ｓ７０２）。
【００８３】一方、高圧側の冷媒温度Ｔｄが所定温度Ｔ
ｄｏより高いときには、サイクルの実効率η（第１実施
形態に示された手法にて求めた実効率η）を演算し（Ｓ
７１２）、仮に圧縮機１００の吐出冷媒量（回転数）は
変化させないで、圧力制御弁３００の開度を拡大して所
定圧力（例えば、０．２ＭＰａ）低下させたときに、高
圧側の冷媒温度Ｔｄが何度になるかをシミレーション
（演算）する（Ｓ７２２、Ｓ７３２）。
【００８４】そして、Ｓ７３２にて演算した高圧側の第
１理論冷媒温度Ｔｄｔｈ１と所定温度Ｔｄｏとを比較し
（Ｓ７４２）、第１理論冷媒温度Ｔｄｔｈ１が所定温度
Ｔｄｏより大きい場合には、第１理論冷媒温度Ｔｄｔｈ
１が所定温度Ｔｄｏ以下となるまでＳ７２２〜Ｓ７４２
を繰り返す。その後、第１理論冷媒温度Ｔｄｔｈ１が所
定温度Ｔｄｏ以下となったときには、第１理論冷媒温度
Ｔｄｔｈ１が所定温度Ｔｄｏ以下となったときのシミレ
ーション上の条件を用いてＳ７１２と同様な手法にてサ
イクルの実効率η１を演算する（Ｓ７２２）。
【００８５】次に、仮に高圧側の冷媒圧力を変化させな
いで、圧縮機１００の回転数を（例えば、５００ｒｐ
ｍ）低下させて吐出冷媒量を低下させたときに、高圧側
の冷媒温度Ｔｄが何度になるかをシミレーション（演
算）する（Ｓ７６２、Ｓ７７２）。
【００８６】そして、Ｓ７７２にて演算した高圧側の第
２理論冷媒温度Ｔｄｔｈ２と所定温度Ｔｄｏとを比較し
（Ｓ７８２）、第２理論冷媒温度Ｔｄｔｈ２が所定温度
Ｔｄｏより大きい場合には、第２理論冷媒温度Ｔｄｔｈ
２が所定温度Ｔｄｏ以下となるまでＳ７６２〜Ｓ７８２
を繰り返す。その後、第２理論冷媒温度Ｔｄｔｈ２が所
定温度Ｔｄｏ以下となったときには、第２理論冷媒温度
Ｔｄｔｈ２が所定温度Ｔｄｏ以下となったときのシミレ
ーション上の条件を用いてＳ７１２と同様な手法にてサ
イクルの実効率η２を演算する（Ｓ７９２）。
【００８７】次に、Ｓ７２２にて演算したサイクルの実
効率η１とＳ７９２にて演算したサイクルの実効率η２
とを比較し（Ｓ８０２）、サイクルの実効率η１がサイ
クルの実効率η２より大きいときには、圧力制御弁３０
０の開度を拡大して高圧側冷媒圧力を低下させ（Ｓ８１
２）、一方、サイクルの実効率η１がサイクルの実効率
η２以下のときには、圧縮機１００の回転数（吐出冷媒
量）を低下させる（Ｓ８２２）。そして、その後Ｓ６８
２に戻る。
【００８８】次に、本実施形態の特徴を述べる。
【００８９】本実施形態によれば、高圧側の冷媒温度が
所定温度Ｔｄｏ以下となるようにしつつ、サイクルの実
効率ηができるだけ高く維持されるように圧縮機１００
の吐出冷媒量（回転数）、及び圧力制御弁３００の開度
を制御するので、超臨界サイクルの構成機器が熱損傷し
てしまうことを防止しつつ、サイクルの実効率ηを高く
維持することができる。
【００９０】（第５実施形態）本実施形態は、本発明に
係る超臨界冷凍サイクルを冷房用の空調装置に適用した
もので、冷房用の空調装置では、蒸発器４００にて冷媒
と室内に吹き出す空気（空調風）とを熱交換して空調風
を冷却し、放熱器２００にて冷媒と室外空気とを熱交換
して蒸発器４００で吸熱した熱を外気中に放熱する点、
流出空気温度センサ６５０が蒸発器４００から流出する
（蒸発器４００にて冷却された）空気の温度を検出する
点、及びＳ２３０〜Ｓ２７０に示す高圧側冷媒圧力の制
御以外は、暖房用の空調装置（第１実施形態に係る空調
装置）と同様であるので、以下、Ｓ２４０との相違点を
中心に本実施形態を説明する。
【００９１】図１８は本実施形態に係る空調装置（超臨
界冷凍サイクル）の制御フローのうち、暖房用の空調装
置（第１実施形態に係る空調装置）の制御フローと相違
する部分（同じ部分は、同じ符号を記した。）を示した
フローチャートであり、Ｓ２２０にて目標吹出空気温度
Ｔｔを演算した後、放熱器２００の冷媒出口側での冷媒
温度（冷媒温度センサ６１０の検出温度）Ｔｇを読み込
むとともに（Ｓ２３０）、インバータ電流から圧縮機１
００の駆動トルク（電動モータＭの駆動トルク）が所定
トルク以下であるか否か判定する（Ｓ２３２）。
【００９２】なお、圧縮機１００の駆動トルク（電動モ
ータＭの駆動トルク）とは、実際に発生している駆動ト
ルクは勿論、ＥＣＵ７００の制御目標駆動トルク（実際
には発生していない駆動トルク）も含むものである。ま
た、所定トルクは、圧縮機１００（電動モータＭ）が発
揮し得る最大トルクに基づいて決定されるトルクであ
る。
【００９３】そして、圧縮機１００の駆動トルクが所定
トルク以下である場合には、冷媒温度Ｔｇと放熱器２０
０出口側の冷媒圧力とが図６に示す最適制御線ηで示さ
れる関係となるように圧力制御弁３００を制御するとと
もに（第１高圧制御）、室内に吹き出す空気の温度（流
出空気温度センサ６５０の検出温度）Ｔｒが目標吹出空
気温度Ｔｔとなるように圧縮機１００の回転数を制御す
る（Ｓ２４１〜Ｓ２７０）。
【００９４】一方、圧縮機１００の駆動トルクが所定ト
ルクより大きい場合には、放熱器２００出口側の冷媒圧
力が、最適制御線ηと冷媒温度Ｔｇとの関係に基づいて
決定される目標高圧圧力Ｔｐより低い圧力（本実施形態
では、例えば目標高圧圧力に対して１．１ＭＰａ低い圧
力）となるように圧力制御弁３００の開度を制御すると
ともに（第２高圧制御）、室内に吹き出す空気の温度Ｔ
ｒが目標吹出空気温度Ｔｔとなるように圧縮機１００の
回転数を制御する（Ｓ２４２〜Ｓ２７０）。
【００９５】なお、冷房能力（蒸発器４００で発生する
冷凍能力）は、周知のごとく、蒸発器４００の冷媒出口
側と冷媒入口側との比エンタルピ差と蒸発器４００を流
通する冷媒の質量流量との積に等しいので、「室内に吹
き出す空気の温度Ｔｒが目標吹出空気温度Ｔｔとなるよ
うに圧縮機１００の回転数を制御する」とは、蒸発器４
００を流通する冷媒の質量流量を制御して蒸発器４００
で発生する冷凍能力が所定能力となるように制御するこ
とに等しい。
【００９６】次に、本実施形態の特徴を述べる。
【００９７】例えば放熱器２００の冷却風の風量が少な
い場合や冷却風の温度が高い場合には、放熱器２００出
口側の冷媒圧力が上昇するので、圧力制御弁３００は、
その開度を縮小させて放熱器２００出口側の冷媒圧力を
最適制御線ηに沿って上昇させていく。
【００９８】しかし、放熱器２００出口側の冷媒圧力
（高圧側の冷媒圧力）の上昇と共に、圧縮機１００を駆
動するに必要なトルクが増大してくと、圧縮機１００の
駆動源である電動モータＭに通電するインバータ電流が
増加し、インバータ回路に過電流が流れるおそれがあ
る。
【００９９】なお、実際には、過電流が流れる前に（し
きい値を超えた時に）保護回路が働き、インバータ電流
が増大しなくなるので、放熱器２００出口側の冷媒圧力
が上昇しなくなり、益々、圧力制御弁３００の開度が縮
小していきく。このため、循環する冷媒の質量流量が低
下するので、所定の冷凍能力を発揮することができなく
なる。
【０１００】この問題に対しては、インバータの容量を
大きくして保護回路が働くしきい値を大きくする、又は
電動モータＭを大型化する等の手段が考えられるが、こ
の手段では空調装置の製造原価上昇を招いてしまう。
【０１０１】これに対して、本実施形態では、圧縮機１
００の駆動トルクが所定トルク以下となるように圧力制
御弁３００及び圧縮機１００の吐出流量（回転数）を制
御するので、空調装置（超臨界冷凍サイクル）の製造原
価上昇を招くことなく、例えば放熱器２００の冷却風の
風量が少ない場合や冷却風の温度が高い場合であっても
所定の冷凍能力を発揮することができる。
【０１０２】因みに、圧縮機１００駆動トルクＴは、以
下の数式１により表される。
【０１０３】
【数１】Ｔ＝ｋ・ＰＬ（αn−１） α＝ＰＨ／ＰＬ（圧縮比） ｎ＞０ ｋ：圧縮機の仕様毎に決定される係数 ＰＬ：超臨界冷凍サイクルの低圧側圧力（圧力制御弁３
００の出口側から圧縮機１００の吸入側までの圧力） ＰＨ：超臨界冷凍サイクルの高圧側圧力（圧縮機１００
の出口側から圧力制御弁３００の入口側までの圧力） このとき、圧力制御弁３００の開度が大きくなり高圧側
圧力ＰＨが低下すると、これに連動して低圧側圧力が上
昇するが、圧縮比αが小さくなるので、駆動トルクＴは
小さくなる。一方、この状態で圧縮機１００の回転数を
上昇させると、圧力制御弁３００での圧力損失（減圧
度）が大きくなり低圧側圧力ＰＬが低下するが、圧縮比
αが大きくなるので、駆動トルクＴが増大する。
【０１０４】したがって、駆動トルクＴがしきい値に到
達した状態では、図１９に示すように、インバータ電流
（駆動トルクＴ）が一定状態で圧縮機１００の回転数が
上昇することにより必要とする目標冷凍能力を発揮して
いることが判る。
【０１０５】なお、図１９から明らかなように、必要と
する駆動トルクが大きい領域（第２高圧制御）では、高
圧側圧力と放熱器２００出口側の冷媒圧力とが最適制御
線ηに示す関係となっていなくても、成績係数（ＣＯ
Ｐ）は大きく悪化しない。
【０１０６】（第６実施形態）ところで、圧縮機１００
の駆動トルクＴは高圧側圧力の上昇に応じて大きくなり
（数式１参照）、また、放熱器２００の放熱能力が大き
く変化しないならば、高圧側圧力が上昇すると放熱器２
００出口側の冷媒温度が上昇する。
【０１０７】そこで、本実施形態では、図２０に示すよ
うに、放熱器２００出口側の冷媒温度Ｔｇが所定温度
（本実施形態では、４５℃）より大きくなったときに
は、駆動トルクＴが所定トルクを上回ったものと見なし
て、第２高圧制御を実行するものである。
【０１０８】（第７実施形態）ところで、前述のごと
く、駆動トルクＴは低圧側圧力が変動しても変動するの
で、例えば蒸発器４００に流入する空気の温度や風量が
変化すると、低圧側圧力が変動して駆動トルクＴが変動
する。このため、第６実施形態のごとく、放熱器２００
出口側の冷媒圧力Ｔｇのみをパラメータとする制御で
は、必ずしも超臨界冷凍サイクルを最適に制御すること
ができない。
【０１０９】そこで、本実施形態では、図２１に示すよ
うに、放熱器２００出口側の冷媒温度Ｔｇが所定温度
（本実施形態では、４５℃）より大きくなったときに
は、低圧側の圧力が高くなるほど、最適制御線ηと冷媒
温度Ｔｇとの関係に基づいて決定される目標高圧圧力に
対して低下させる圧力の大きさ（以下、この低下させる
圧力の大きさを圧力補正量と呼ぶ。）が大きくなるよう
に補正する。
【０１１０】（第８実施形態）第５〜７実施形態では、
駆動トルクＴが所定トルクより大きくなったとき、又は
放熱器２００出口側の冷媒温度Ｔｇが所定温度より大き
くなったときに第２高圧制御を実施したが、本実施形態
は、電動モータＭに通電するインバータ電流（実際の通
電量ではなく、制御目標インバータ電流値）が所定電流
より大きくなって駆動トルクＴが所定トルクより大きく
なるときは、図２２に示すように、その制御目標インバ
ータ電流値に対する圧力補正量ΔＰｈを決定し、その決
定された圧力補正量ΔＰｈとなるように圧力制御弁３０
０を制御するものである。
【０１１１】なお、実際の圧縮機１００の制御は、圧力
制御弁３００にて高圧側圧力を補正した後、第５〜７実
施形態と同様に、室内に吹き出す空気の温度Ｔｒが目標
吹出空気温度Ｔｔとなるように圧縮機１００の回転数を
制御する。
【０１１２】（第９実施形態）本実施形態は、第８実施
形態と同様に、制御目標インバータ電流値に基づいて圧
力補正量ΔＰｈを決定する際に、図２３に示すように、
低圧側の圧力が高くなるほど、圧力補正量ΔＰｈが大き
くなるように補正するものである。
【０１１３】（第１０実施形態）本実施形態は、第１実
施形態に係る空調装置とＳ２３０〜Ｓ２７０に示す高圧
側冷媒圧力の制御以外は同様であるので、以下、Ｓ２４
０との相違点を中心に本実施形態を説明する。
【０１１４】すなわち、本実施形態では、図２４に示す
ように、暖房運転時において、放熱器２００出口側の冷
媒温度Ｔｇと放熱器２００内を流通する冷媒と熱交換す
る流体（つまり、室内に吹き出す空気）の温度Ｔａとの
温度差ΔＴ（Ｔｇ−Ｔａ）が所定温度差ΔＴｏ以上であ
るときは、温度差ΔＴが所定温度差ΔＴｏ未満であると
きに比べて、圧縮機１００の回転数を低下させて吐出流
量を低下させた状態で、最適制御線ηに従って放熱器２
００出口側の冷媒温度に基づいて決定される目標高圧圧
力Ｔｐより高い目標圧力となるように圧力制御弁３００
を補正制御するものである。
【０１１５】次に、本実施形態の特徴を述べる。
【０１１６】例えば放熱器２００を通過した空気の温度
が、放熱器２００の冷媒出口側における冷媒温度より低
い場合には、冷媒から空気に与えることが可能な熱量が
冷媒に残存していることを意味し、暖房効率（超臨界サ
イクルに投入したエネルギーに対して暖房能力として回
収することができた熱エネルギの比）は必ずしも高くな
い。
【０１１７】しかし、吐出流量が大きい場合には、放熱
器２００内での冷媒流速が大きく空気と冷媒との熱交換
時間が短いため、十分な量の熱量を冷媒から空気に与え
る（伝熱する）ことができない。一方、吐出流量を小さ
くすると、冷媒が放熱器２００内を流通する間に空気に
対して与えることができる熱量を増大させて熱交換効率
を向上させることができるものの、吐出流量が減少して
いるので、室内に吹き出す空気に対して与えることがで
きる熱量の絶対量が減少してしまい、暖房能力が低下し
ていしまう。
【０１１８】これに対して、本実施形態では、暖房運転
時において、温度差ΔＴが所定温度差ΔＴｏ以上である
ときは、温度差ΔＴが所定温度差ΔＴｏ未満であるとき
に比べて、圧縮機１００の回転数を低下させて吐出流量
を低下させた状態で、最適制御線ηに従って放熱器２０
０出口側の冷媒温度に基づいて決定される目標高圧圧力
Ｔｐより高い目標圧力となるように圧力制御弁３００を
補正制御するので、放熱器２００での熱交換効率を向上
させつつ、暖房能力が低下することを防止でき、暖房効
率を向上させることができる。
【０１１９】なお、本実施形態の作動説明及び特徴説明
からも明らかなように、室内に吹き出す空気の温度は、
放熱器２００の空気流れ下流側で検出することがの望ま
しいが、適切な値を温度差ΔＴｏとして選定することに
より放熱器２００の空気流れ上流側で室内に吹き出す空
気の温度を検出してもよい。
【０１２０】（第１１実施形態）本実施形態は、図２５
に示すように、第１実施形態に係る空調装置に対して、
空調ケーシング８００のうち放熱器２００より空気流れ
上流側を２つの通路に仕切ることにより、車室外の空気
を導入して放熱器２００に導く外気通路８１０及び車室
内の空気を導入して放熱器２００に導く内気通路８２０
を設けるとともに、放熱器２００の冷媒出口側を外気通
路８１０側に位置させ、かつ、Ｓ２３０〜Ｓ２７０に示
す高圧側冷媒圧力の制御時に、下記に示すように圧力制
御弁３００及び圧縮機１００を制御するものである。な
お、空調ケーシング８００は、放熱器２００を収納する
とともに、室内に吹き出す空気の通路を構成するもので
ある。
【０１２１】すなわち、少なくとも外気通路８１０に外
気が導入されている状態においては、外気の温度（流入
空気温度センサ６４０の検出温度）に基づいて決定され
る目標高圧圧力となるように圧力制御弁３００を制御し
つつ、室内に吹き出す空気の温度Ｔｒが目標吹出空気温
度Ｔｔとなるように圧縮機１００の回転数を制御するも
のである。
【０１２２】次に、本実施形態の特徴を述べる。
【０１２３】図２６〜２８は、本実施形態に係る空調装
置において、外気通路８１０を流通する風量と内気通路
８２０を流通する風量とが略等しい状態において、外気
温度毎の成績係数（ＣＯＰ）と暖房能力（Ｑｗ）との関
係を示す試験結果であり、図２６（ｂ）〜２８（ｂ）か
ら明らかなように、圧縮機１００の回転数（吐出流量）
によらず、外気温度に対して成績係数が最大となる高圧
側の冷媒圧力は、ほぼ一義的に決定することが判る。
【０１２４】したがって、本実施形態のごとく、少なく
とも外気通路８１０に外気が導入されている状態におい
ては、外気の温度に基づいて決定される目標高圧圧力と
なるように圧力制御弁３００を制御しつつ、室内に吹き
出す空気の温度Ｔｒが目標吹出空気温度Ｔｔとなるよう
に圧縮機１００の回転数を制御すれば、第１０実施形態
のごとく、温度差ΔＴに基づいて圧力制御弁３００を制
御するものに比べて、圧力制御弁３００の制御を簡素化
することができる。
【０１２５】（その他の実施形態）上述の実施形態で
は、本発明に係る超臨界サイクルを暖房用の空調装置に
適用したが、冷房用の空調装置又は冷暖房切換可能な空
調装置にも適用することができる。
【０１２６】また、上述の実施形態では、本発明に係る
超臨界サイクルを空調装置に適用したが、本発明はこれ
に限定されるものではなく、給湯器や冷凍機等のその他
のものにも適用することができる。
【０１２７】また、第４実施形態では、高圧側の冷媒温
度所定温度Ｔｄｏを越えたときに、圧縮機１００の吐出
冷媒量及び圧力制御弁３００の開度のいずれを制御する
かを決定した後にいずれか一方を制御したが、両者を同
時に制御してもよい。
【０１２８】また、上述の実施形態では、冷媒として二
酸化炭素を用いたが本発明に係る超臨界冷凍サイクルの
冷媒はこれに限定されるものではなく、例えば、エチレ
ン、エタン、酸化窒素等でもよい。
【０１２９】また、放熱器後の冷媒温度Ｔｇは、実際の
冷媒温度でなく、配管や熱交換器の表面温度から換算し
てもよい。同様に、他の検出値についても直接測るので
はなく、換算可能な信号を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る超臨界サイクルの
模式図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る超臨界サイクルの
作動を示すフローチャートである。
【図３】本発明の第１実施形態に係る超臨界サイクルの
作動を示すフローチャートである。
【図４】本発明の第１実施形態に係る超臨界サイクルの
作動を示すフローチャートである。
【図５】本発明の第１実施形態に係る超臨界サイクルの
作動を示すフローチャートである。
【図６】二酸化炭素のｐ−ｈ線図である。
【図７】二酸化炭素のｐ−ｈ線図である。
【図８】圧縮効率と圧縮率との関係を示すグラフであ
る。
【図９】体積効率と圧縮率との関係を示すグラフであ
る。
【図１０】高圧側冷媒圧力と実効率η（ＣＯＰ）との関
係を示すグラフである。
【図１１】本発明の第２実施形態に係る超臨界サイクル
の作動を示すフローチャートである。
【図１２】本発明の第２実施形態に係る超臨界サイクル
の作動を示すフローチャートである。
【図１３】本発明の第２実施形態に係る超臨界サイクル
の作動を示すフローチャートである。
【図１４】本発明の第２実施形態に係る超臨界サイクル
の作動を示すフローチャートである。
【図１５】本発明の第３実施形態に係る超臨界サイクル
の作動を示すフローチャートである。
【図１６】本発明の第４実施形態に係る超臨界サイクル
の模式図である。
【図１７】本発明の第４実施形態に係る超臨界サイクル
の作動を示すフローチャートである。
【図１８】本発明の第５実施形態に係る超臨界サイクル
の作動を示すフローチャートである。
【図１９】本発明の第５実施形態に係る超臨界サイクル
における高圧側圧力と、成績係数（ＣＯＰ）、冷房能
力、圧縮機の回転数及びインバータ電流との関係を示す
グラフである。
【図２０】本発明の第６実施形態に係る超臨界サイクル
における放熱器出口側の冷媒温度と高圧側圧力との関係
を示すグラフである。
【図２１】本発明の第７実施形態に係る超臨界サイクル
における放熱器出口側の冷媒温度と高圧側圧力との関係
を示すグラフである。
【図２２】本発明の第８実施形態に係る超臨界サイクル
における制御目標インバータ電流と圧力補正量との関係
を示すグラフである。
【図２３】本発明の第９実施形態に係る超臨界サイクル
における制御目標インバータ電流と圧力補正量との関係
を示すグラフである。
【図２４】本発明の第９実施形態に係る超臨界サイクル
におけるｐ−ｈ線図である。
【図２５】本発明の第１０実施形態に係る空調装置の模
式図である。
【図２６】（ａ）は外気温度が−２０℃の場合における
暖房能力と高圧側圧力との関係を示すグラフであり、
（ｂ）は外気温度が−２０℃の場合における成績係数
（ＣＯＰ）と高圧側圧力との関係を示すグラフである。
【図２７】（ａ）は外気温度が−１０℃の場合における
暖房能力と高圧側圧力との関係を示すグラフであり、
（ｂ）は外気温度が−１０℃の場合における成績係数
（ＣＯＰ）と高圧側圧力との関係を示すグラフである。
【図２８】（ａ）は外気温度が０℃の場合における暖房
能力と高圧側圧力との関係を示すグラフであり、（ｂ）
は外気温度が０℃の場合における成績係数（ＣＯＰ）と
高圧側圧力との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１００…圧縮機、２００…放熱器、３００…圧力制御
弁、４００…蒸発器、５００…アキュムレータ、６１０
…冷媒温度センサ、６２０…第１圧力センサ、６３０…
第２圧力センサ、６４０…流入空気温度センサ、６５０
…流出空気温度センサ、６６０…設定温度入力手段
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ２５Ｂ 1/00 ３７１ Ｆ２５Ｂ 1/00 ３７１Ｍ ３７１Ｎ (72)発明者 山口 素弘 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 伊藤 誠司 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 戸松 義貴 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 尾崎 幸克 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 冷媒を蒸発及び圧縮することにより低温
    側から高温側に熱を移動させるとともに、高圧側の冷媒
    圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界蒸気圧縮機式冷
    凍サイクルであって、 冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１００）と、 前記圧縮機（１００）から吐出する冷媒を冷却する放熱
    器（２００）と、 前記放熱器（２００）から流出する冷媒を減圧するとと
    もに、開度を調節することにより高圧側の冷媒圧力を制
    御する圧力制御弁（３００）と、 前記圧力制御弁（３００）にて減圧された冷媒を蒸発さ
    せる蒸発器（４００）と、 前記圧縮機（１００）の吐出冷媒量及び前記圧力制御弁
    （３００）の開度を制御するサイクル制御手段（７０
    ０）とを備えることを特徴とする超臨界蒸気圧縮機式冷
    凍サイクル。
  2. 【請求項２】 冷媒を蒸発及び圧縮することにより低温
    側から高温側に熱を移動させるとともに、高圧側の冷媒
    圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界蒸気圧縮機式冷
    凍サイクルであって、 冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１００）と、 前記圧縮機（１００）から吐出する冷媒を冷却する放熱
    器（２００）と、 前記放熱器（２００）から流出する冷媒を減圧するとと
    もに、開度を調節することにより高圧側の冷媒圧力を制
    御する圧力制御弁（３００）と、 前記圧力制御弁（３００）にて減圧された冷媒を蒸発さ
    せる蒸発器（４００）と、 冷凍サイクルの理論成績係数と前記圧縮機（１００）の
    効率とに基づいて前記圧縮機（１００）の吐出冷媒量及
    び前記圧力制御弁（３００）の開度を制御するサイクル
    制御手段（７００）とを備えることを特徴とする超臨界
    蒸気圧縮機式冷凍サイクル。
  3. 【請求項３】 冷媒を蒸発及び圧縮することにより低温
    側から高温側に熱を移動させるとともに、高圧側の冷媒
    圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界蒸気圧縮機式冷
    凍サイクルであって、 冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１００）と、 前記圧縮機（１００）から吐出する冷媒を冷却する放熱
    器（２００）と、 前記放熱器（２００）から流出する冷媒を減圧するとと
    もに、開度を調節することにより高圧側の冷媒圧力を制
    御する圧力制御弁（３００）と、 前記圧力制御弁（３００）にて減圧された冷媒を蒸発さ
    せる蒸発器（４００）と、 実際に低温側から高温側に移動した熱量及び実際に前記
    圧縮機（１００）にて消費した消費動力から冷凍サイク
    ルの実成績係数を演算し、その実成績係数に基づいて前
    記圧縮機（１００）の吐出冷媒量及び前記圧力制御弁
    （３００）の開度を制御するサイクル制御手段（７０
    ０）とを備えることを特徴とする超臨界蒸気圧縮機式冷
    凍サイクル。
  4. 【請求項４】 前記サイクル制御手段（７００）は、前
    記圧縮機（１００）の吐出冷媒量を変化させた後に、前
    記圧力制御弁（３００）の開度を制御することを特徴と
    する請求項１ないし３のいずれか１つに記載の超臨界蒸
    気圧縮機式冷凍サイクル。
  5. 【請求項５】 前記サイクル制御手段（７００）は、前
    記圧力制御弁（３００）の開度を変化させた後に、前記
    圧縮機（１００）の吐出冷媒量を制御することを特徴と
    する請求項１ないし３のいずれか１つに記載の超臨界蒸
    気圧縮機式冷凍サイクル。
  6. 【請求項６】 冷媒を蒸発及び圧縮することにより低温
    側から高温側に熱を移動させるとともに、高圧側の冷媒
    圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界蒸気圧縮機式冷
    凍サイクルであって、 冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１００）と、 前記圧縮機（１００）から吐出する冷媒を冷却する放熱
    器（２００）と、 前記放熱器（２００）から流出する冷媒を減圧するとと
    もに、開度を調節することにより高圧側の冷媒圧力を制
    御する圧力制御弁（３００）と、 前記圧力制御弁（３００）にて減圧された冷媒を蒸発さ
    せる蒸発器（４００）と、 高圧側の冷媒温度を検出する高圧冷媒温度検出手段（６
    ７０）と、 前記高圧冷媒温度検出手段（６７０）の検出温度が所定
    温度以下となるように、前記圧縮機（１００）の吐出冷
    媒量及び前記圧力制御弁（３００）の開度のうち少なく
    とも一方を制御するサイクル制御手段（７００）とを備
    えることを特徴とする超臨界蒸気圧縮機式冷凍サイク
    ル。
  7. 【請求項７】 前記サイクル制御手段（７００）は、前
    記高圧冷媒温度検出手段（６７０）の検出温度が前記所
    定温度を越えたときに、前記圧縮機（１００）の吐出冷
    媒量及び前記圧力制御弁（３００）の開度のいずれを制
    御するかを決定する決定手段（Ｓ７１２〜Ｓ８０２）を
    有していることを特徴とする請求項６に記載の超臨界蒸
    気圧縮機式冷凍サイクル。
  8. 【請求項８】 冷媒を蒸発及び圧縮することにより低温
    側から高温側に熱を移動させるとともに、高圧側の冷媒
    圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界蒸気圧縮機式冷
    凍サイクルであって、 冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１００）と、 前記圧縮機（１００）から吐出する冷媒を冷却する放熱
    器（２００）と、 前記放熱器（２００）から流出する冷媒を減圧するとと
    もに、前記放熱器（２００）出口側の冷媒温度に基づい
    て高圧側の冷媒圧力を制御する圧力制御弁（３００）
    と、 前記圧力制御弁（３００）にて減圧された冷媒を蒸発さ
    せる蒸発器（４００）と、 前記圧縮機（１００）の駆動トルクが所定トルク以下と
    なるように、前記圧力制御弁（３００）及び前記圧縮機
    （１００）の吐出流量を制御するサイクル制御手段（７
    ００）とを備えることを特徴とする超臨界蒸気圧縮機式
    冷凍サイクル。
  9. 【請求項９】 前記サイクル制御手段（７００）は、前
    記駆動トルクが所定トルクとなったときには、高圧側の
    冷媒圧力が前記放熱器（２００）出口側の冷媒温度に基
    づいて決定される目標高圧圧力より低くなるように前記
    圧力制御弁（３００）を制御するとともに、前記蒸発器
    （４００）で発生する冷凍能力が所定能力となるように
    前記圧縮機（１００）の吐出流量を制御することを特徴
    とする請求項８に記載の超臨界蒸気圧縮式冷凍サイク
    ル。
  10. 【請求項１０】 前記圧縮機（１００）は、インバータ
    により可変制御され電動モータ（Ｍ）により駆動されて
    おり、 前記駆動トルクを前記インバータの電流により検出する
    ことを特徴とする請求項８又は９に記載の超臨界蒸気圧
    縮機式冷凍サイクル。
  11. 【請求項１１】 冷媒を蒸発及び圧縮することにより低
    温側から高温側に熱を移動させるとともに、高圧側の冷
    媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界蒸気圧縮機式
    冷凍サイクルを用いた空調装置であって、 冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１００）と、 前記圧縮機（１００）から吐出する冷媒を冷却する放熱
    器（２００）と、 前記放熱器（２００）から流出する冷媒を減圧するとと
    もに、前記放熱器（２００）出口側の冷媒温度に基づい
    て高圧側の冷媒圧力を制御する圧力制御弁（３００）
    と、 前記圧力制御弁（３００）にて減圧された冷媒を蒸発さ
    せる蒸発器（４００）と、 前記放熱器（２００）出口側の冷媒温度と前記放熱器
    （２００）内を流通する冷媒と熱交換する流体の温度と
    の温度差（ΔＴ）が所定温度差以上であるときは、前記
    温度差（ΔＴ）が前記所定温度差未満であるときに比べ
    て、前記圧縮機（１００）の吐出流量を低下させた状態
    で、前記放熱器（２００）出口側の冷媒温度に基づいて
    決定される目標高圧圧力より高い目標圧力となるように
    前記圧力制御弁（３００）を制御するサイクル制御手段
    （７００）とを備えることを特徴とする空調装置。
  12. 【請求項１２】 冷媒を蒸発及び圧縮することにより低
    温側から高温側に熱を移動させるとともに、高圧側の冷
    媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界蒸気圧縮機式
    冷凍サイクルを用いた空調装置であって、 冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１００）と、 前記圧縮機（１００）から吐出する冷媒と室内に吹き出
    す空気とを熱交換する放熱器（２００）と、 前記放熱器（２００）から流出する冷媒を減圧するとと
    もに、前記放熱器（２００）出口側の冷媒温度に基づい
    て高圧側の冷媒圧力を制御する圧力制御弁（３００）
    と、 前記圧力制御弁（３００）にて減圧された冷媒を蒸発さ
    せて、室外空気から熱を回収する蒸発器（４００）と、 前記放熱器（２００）を収納するとともに、室内に吹き
    出す空気の通路を形成する空調ケーシング（８００）
    と、 前記空調ケーシング（８００）内のうち前記放熱器（２
    ００）より空気流れ上流側に設けられ、室外の空気を導
    入して前記放熱器（２００）に導く外気通路（８１０）
    と、 前記空調ケーシング（８００）内のうち前記放熱器（２
    ００）より空気流れ上流側に設けられ、室内の空気を導
    入して前記放熱器（２００）に導く内気通路（８２０）
    とを備え、 前記放熱器（２００）の冷媒出口側は、前記外気通路
    （８１０）側に位置しており、 さらに、少なくとも前記外気通路（８１０）に外気が導
    入されている状態においては、外気の温度に基づいて決
    定される目標高圧圧力となるように前記圧力制御弁（３
    ００）を制御しつつ、前記圧縮機（１００）の吐出冷媒
    流量を制御することを特徴とする空調装置。
  13. 【請求項１３】 冷媒として二酸化炭素を用いたことを
    特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の
    超臨界蒸気圧縮機式冷凍サイクル。
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