JP2003148821A

JP2003148821A - 超臨界冷凍サイクル装置及び給湯装置

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Publication number: JP2003148821A
Application number: JP2001349038A
Authority: JP
Inventors: Sadahiro Takizawa; 禎大滝澤; Kiyoshi Koyama; 清小山; Shigeo Tsukue; 重男机; Satoshi Hoshino; 聡星野; Chiaki Shikichi; 千明式地; Shigeya Ishigaki; 茂弥石垣
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd; Sanyo Electric Air Conditioning Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd; Sanyo Electric Air Conditioning Co Ltd
Priority date: 2001-11-14
Filing date: 2001-11-14
Publication date: 2003-05-21

Abstract

(57)【要約】【課題】広範囲の運転負荷条件において、液戻りさせ
ずに運転可能とした超臨界冷凍サイクル装置を提供する
こと。【解決手段】閉回路の全内部容積Ｖａに占める高圧側
回路部分の内部容積Ｖｈ及び中間圧力回路部分の内部容
積Ｖｍの占める割合、及び、閉回路の全内部容積１リッ
トルあたりの冷媒充填量Ｗｒについて次の２式を満足さ
せる。 (Kb+Ka*100*(Vh+Vm)/Va)*0.6≦Ｗｒ≦(Kb+Ka*100*(Vh+V
m)/Va)*1.4 ４０≦100*(Vh+Vm)/Va≦６０ただし、Ka＝１８ｇ／ｌ、Kb＝−３６０ｇ／ｌである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高圧側圧力を超臨
界圧力として冷凍運転する超臨界冷凍サイクル装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】空調機や冷蔵、冷凍機器に用いられる冷
媒として従来一般的に用いられてきた冷媒ＣＦＣ、ＨＣ
ＦＣは、オゾン層破壊の疑いがあり、代替冷媒への切替
えが提唱されている。このようなことから二酸化炭素、
エチレン、エタン、酸化窒素などの冷媒が検討されてい
るが、これら冷媒を用いる場合は高圧側圧力が超臨界圧
力になる。そこで、高圧側圧力が高くなるという特性を
利用した機器の開発が先ず進められている。例えば、外
気を熱源とし、高温の高圧側冷媒からの放熱により水を
加熱する給湯装置の開発が進められている。

【０００３】給湯装置は年間を通じて運転が必要である
ので、上記給湯装置では外気や温水が年間を通じ大きく
変化する点が通常の空気調和機とは大きく異なる。例え
ば、冬季では、高圧側冷却器の冷却媒体である給湯用温
水は、焚き始めの段階では夏季よりも低温であり、一
方、蒸発器の熱源媒体である外気温度は夏季に比し著し
く低下している。またこのような場合は、設計条件によ
っては定常運転中において圧縮機への液戻りが発生し易
くなるという問題がある。ところが、従来はこのような
液戻りについては、未だ詳細な研究がなされていない。

【０００４】上記のような給湯装置に適用される超臨界
冷凍サイクル装置としては、例えば特公平７−１８６０
２号公報に記載されているものがある。この超臨界冷凍
サイクル装置では、蒸発器出口が湿り状態となることを
前提として運転するものであり、蒸発器出口と圧縮機と
の間に緩衝用レシーバを設け、この緩衝用レシーバで気
体冷媒と液体冷媒の重力差により気液分離を行うものが
用いられている。

【０００５】しかしながら、この従来のもののように、
定常運転時において圧縮機の吸い込み側で気体冷媒と液
体冷媒とを重力差により気液分離しようとすると、この
容器内での冷媒の流速を大きく減速させる必要があるた
め、相当大きな容積の容器を必要とする。したがって、
このような気液分離器としての緩衝用レシーバを用いる
と装置が大型になり、閉回路（冷媒回路）内に充填する
冷媒量が増加し、コストが増大するという問題があっ
た。

【０００６】ただし、上記従来のものでは、冷凍サイク
ルの冷却能力を増大するために、緩衝用レシーバから圧
縮機に吸入される冷媒を、高圧側冷却器を通過した後の
高温の高圧側冷媒で加熱する熱回収用熱交換器を設けて
いるので、この熱回収用熱交換器において吸入冷媒を十
分に加熱する場合には、緩衝用レシーバではそれほど厳
密な気液分離を行う必要がないとも思われる。しかし、
この場合も、熱回収用熱交換器が必要となるため更に装
置が複雑化かつ大型化し、コストが上昇するという問題
があった。

【０００７】また、発明者が研究したところによると、
圧縮機への液戻りを防止するには、蒸発器出口の過熱度
を調節する膨張弁を使用しない場合には、閉回路の高圧
側回路部分の内部容積及び低圧側回路部分の内部容積を
どのようにするかということと、この閉回路内にどの程
度の冷媒量を充填するかということとが大いに関係して
いることが分かった。また、これら要素をどのように設
定するかは、冷凍能力とも関係する。

【０００８】なお、超臨界冷凍サイクル装置における閉
回路の高圧側回路部分の内部容積、低圧側回路部分の内
部容積及び冷媒充填量に関して、特許第２８０４８４４
号公報によれば、高圧側回路の内部容積を全内部容積の
７０パーセント以上とし、冷媒を全内部容積１リッター
（ｌ）当たり０．５５〜０．７０キログラム（ｋｇ）充
填するものが開示されている。なお、これは、冷凍機の
効率を上昇させようとするものであって、前述の特公平
７−１８６０２号公報に記載された超臨界冷凍サイクル
装置のように、蒸発器出口の冷媒が湿り冷媒となること
を前提とし、蒸発出口側に緩衝用レシーバや、高圧側冷
却器の出口側の高温高圧冷媒により吸入冷媒を加熱する
熱回収用熱交換器を設けるような装置には適している
が、このような緩衝用レシーバや熱回収用熱交換器を設
けない超臨界冷凍サイクル装置には適用できないことが
判明した。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】以上のごとく、従来
は、超臨界冷凍サイクル装置およびこれを応用した給湯
装置に関しては、冷凍能力を向上させることについての
理論的検討のみ行われており、実用化する上で重要な圧
縮機への液戻り防止対策については十分な検討が進めら
れていなかった。また、これらは、液戻り防止の観点か
らみると、蒸発器出口を湿りとする方向での研究であ
り、逆方向の研究といえるものであった。

【００１０】本発明は、このような現状に鑑み、広範囲
の運転負荷条件において、液戻りさせずに運転可能とし
た超臨界冷凍サイクル装置を提供することを目的とする
ものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記のような目的を達成
するために、第１の発明は、高圧側圧力が超臨界圧力と
なる冷凍運転がなされるように、圧縮機、高圧側冷却
器、冷媒膨張装置、蒸発器を直列に接続するとともに、
内部に冷媒を充填した閉回路を有し、この閉回路は、 Vm：中間圧力回路部分の内部容積（リットル） Vh：高圧側回路部分の内部容積（リットル） Va：閉回路の全内部容積（リットル） Wr：閉回路の全内部容積１リットルあたりの冷媒充填量
（ｇ） Ka＝１８（ｇ／リットル） Kb＝−３６０（ｇ／リットル）としたときに、 (Kb+Ka*100*(Vh+Vm)/Va)*0.6≦Ｗｒ≦(Kb+Ka*100*(Vh+V
m)/Va)*1.4 と４０≦100*(Vh+Vm)/Va≦６０の両式を満たすものである。このように構成することに
より、高圧側冷却器の冷却媒体や蒸発器の熱源媒体など
の運転負荷条件が広範囲に変化した場合において、圧縮
機への液戻りなく、安全に冷凍運転することが可能とな
った。

【００１２】また、第２の発明は、前記第１の発明にお
いて、前記冷媒を二酸化炭素としたものである。このよ
うに構成すれば、可燃性や毒性のない自然冷媒を使用し
たものとすることができる。

【００１３】また、第３の発明は、前記第１又は第２の
発明において、前記閉回路は、蒸発器と圧縮機との間に
アキュムレータを設けたものである。このように構成す
ることにより、定常運転時の液戻りを防止するほどのア
キュムレータでなく通常の簡易な小型のアキュムレータ
で、運転開始時の過渡的な液戻りを防止することができ
る。

【００１４】また、第４の発明は、前記第１〜第３の発
明において、前記圧縮機は、密閉ケーシング内に低段側
圧縮機と高段側圧縮機とを内蔵し、この密閉ケーシング
内空間を低段側圧縮機の吐出ガスで充満させた２段圧縮
機としたものである。このように構成することにより、
超臨界冷凍サイクルでは高低圧力差が大きくなるが、圧
縮を２段で行うことにより、圧縮機の圧縮比が小さくな
る。また、低段側圧縮機及び高段側圧縮機の周囲が中間
圧力である低段側圧縮機の吐出ガスとなる。このため、
高低圧力差に基づく大きな力が各部に作用せず、高信頼
性、低振動、低騒音、高効率な圧縮機とすることができ
る。

【００１５】また、第５の発明は、前記第１〜第４の発
明において、前記圧縮機は、容量可変式圧縮機としたも
のである。前掲特公平７−１８６０２号公報に記載の従
来の超臨界冷凍サイクル装置では、冷凍サイクル装置の
冷凍能力を変更する場合、膨張弁の開度を変更し、緩衝
用レシーバにおける冷媒緩衝作用（緩衝用レシーバにお
いて、蒸発器から流入する冷媒の湿り度と関係なく、飽
和ガス冷媒を流出させるというもの）により、緩衝用レ
シーバ内の液冷媒を高圧側回路に移動させ、高圧側回路
の内部に存在する冷媒量を増大させて高圧側圧力のみ上
昇させ、これにより冷凍サイクルの冷却能力を変更し、
その結果として冷凍サイクル装置の冷凍能力を変更して
いた。しかし、これは仮想理論的なものであり、実際的
には膨張弁の開度を変更すると低圧側圧力、高圧側圧
力、圧縮機吸入ガス冷媒の比容積、圧縮機吐出ガス冷媒
の過熱度及びエンタルピー、圧縮効率など種々の要素が
変化し単純には冷凍サイクルの冷却能力を変更させるこ
とが困難であった。これに対し、この第５発明のように
圧縮機の容量を変化させて行う場合は、圧縮機への液戻
りがなく、予定した冷凍能力を容易に得ることができ
る。

【００１６】また、第６の発明は、前記第１〜第５のい
ずれかの発明に係る超臨界冷凍サイクル装置を応用した
給湯装置である。このような給湯装置では、広範囲の運
転条件下、従来の冷凍サイクル装置を応用した給湯装置
では得られないような高温の給湯水を得ることができ
る。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明の実施
の形態に係る超臨界冷凍サイクル装置応用の給湯装置の
回路図であり、図２はこの給湯装置における外気温度及
び目標焚き上げ温度に対する運転周波数を示す図であ
り、図３は同じく外気温度及び目標焚き上げ温度に対す
る圧縮機から吐出される冷媒の目標吐出温度を示す図で
あり、図４は同じく超臨界冷凍サイクル装置の冷媒充填
量の説明図であり、図５は同じく超臨界冷凍サイクル装
置のモリエル線図を従来のものとの比較して示したもの
である。

【００１８】図１に示すように、実施の形態１に係る給
湯装置は、超臨界冷凍サイクル装置１、給湯ユニット２
及び制御装置３とを備えたものである。なお、この実施
の形態においては、制御装置３は超臨界冷凍サイクル装
置１内に設置されている。また、超臨界冷凍サイクル装
置１と給湯ユニット２とは連絡水用配管５、６により接
続されている。

【００１９】超臨界冷凍サイクル装置１は、２段圧縮機
１１、高圧側熱交換器１２、電動膨張弁１３、蒸発器１
４、アキュムレータ１５を順次接続した閉回路（冷媒回
路）を備えている。この閉回路の内部には、超臨界冷凍
サイクルで運転されるような代替冷媒として二酸化炭素
（ＣＯ₂）が充填されている。冷凍・空調用の代表的な
自然冷媒としては、ハイドロカーボン（ＨＣ：プロパン
やイソブタンなど）、アンモニア、空気そしてＣＯ₂等
が挙げられる。しかしながら、冷媒特性として、ハイド
ロカーボンとアンモニアはエネルギー効率が良いという
反面可燃性や毒性の問題があり、空気は超低温域以外で
エネルギー効率が劣るなどといった問題がある。これに
対し二酸化炭素は、可燃性や毒性がなく安全である。

【００２０】２段圧縮機は、超臨界サイクル冷凍サイク
ル装置用に開発されたもので、密閉ケーシング内に低段
側圧縮機１１ａ、高段側圧縮機１１ｂ、これら圧縮機１
１ａ及び１１ｂを駆動する共用の電動機１１ｃを内蔵し
たものであり、低段側圧縮機１１ａの吐出側と高段側圧
縮機１１ｂの吸入側とを配管１１ｄにより連結してい
る。また、密閉ケーシング内空間は、中間圧力ガス、つ
まり低段側圧縮機の吐出ガスにより満たされている。な
お、このように密閉ケーシング内を中間圧力とした理由
は、各圧縮機の各部に作用する力、及び密閉ケーシング
の内外間の圧力差を適切な範囲内に保持し、大きな力が
作用することを回避したものであり、これにより高信頼
性、低振動、低騒音、高効率な圧縮機とすることができ
る。

【００２１】また、この２段圧縮機１１の電動機はイン
バータ制御されている。また、後述する制御装置３によ
り、外気温度の変化に対し目標焚き上げ温度（目標温水
温度）が得られるように電動機１１ｃの運転周波数が制
御される。なお、高段側圧縮機１１ｂの吐出配管には、
高段側圧縮機１１ｂから吐出される吐出ガス温度を検出
するための吐出ガス温度検出器３１が設けられている。

【００２２】高圧側熱交換器１２は、高段側圧縮機１１
ｂから吐出された高圧冷媒を導入する冷媒用熱交換チュ
ーブ１２ａと、給湯ユニット２内に配置されている貯湯
タンク２１から送水される給湯水を導入する水用熱交換
チューブ１２ｂとからなり、両者が熱交換関係に形成さ
れたものである。したがって、高段側圧縮機１１ｂから
吐出された高温高圧の冷媒ガスは貯湯タンク２１から送
水される給湯水により冷却され、この給湯水は高温高圧
冷媒が発生する熱により加熱される。

【００２３】電動膨張弁１３は、高圧側熱交換器１２で
冷却された高圧ガス冷媒を減圧するもので、パルスモー
タにより駆動される。また、後述する制御装置３によ
り、外気温度の変化に対し目標焚き上げ温度（目標温水
温度）が得られるように吐出温度を設定し、この吐出温
度が得られるように制御される。

【００２４】蒸発器１４は、電動膨張弁１３により減圧
された低圧の気液混合冷媒を熱源媒体としての外気と熱
交換させ、この冷媒を気化させるものである。なお、こ
の蒸発器１４には外気温度を検出するための外気温度検
出器３２が付設されている。

【００２５】給湯ユニット２は、貯湯タンク２１、温水
循環ポンプ２２、給湯配管２３、給水配管２４を備えて
構成されている。そして、貯湯タンク２１の上部及び下
部を前記水用熱交換チューブ１２ｂに対し、連絡水用配
管５、６を含む温水循環回路Ｐにより接続されている。
また、貯湯タンク２１では重力の差により上部になるほ
ど温水温度が高くなる。このため、貯湯タンク２１下部
の温度の低い水を水用熱交換チューブ１２ｂに送水し、
水用熱交換チューブ１２ｂで加熱された温度の高い水を
貯湯タンク２１の上部に導くように、温水循環回路Ｐが
形成されるとともに、この温水循環回路Ｐ中に温水循環
ポンプ２２が取り付けられている。なお、貯湯タンク２
１内上部の温水温度、すなわち焚き上げ温度は、貯湯タ
ンク２１上部に設けられた焚き上げ温度検出器３３によ
り測定されている。

【００２６】給湯配管２３は、温水蛇口、浴槽などに温
水を供給するためのものであり、貯湯タンク２１中の高
い温度の温水を供給できるように、貯湯タンク２１の上
部に接続されている。なお、この給湯回路には開閉弁２
５が取り付けられている。給水配管２４は、貯湯タンク
２１内に常時水道水を供給可能とするものであり、逆止
弁２６、減圧弁２７を介し貯湯タンク２１の底部に接続
されている。

【００２７】制御装置３は、前述のように、外気温度の
変化に対し目標焚き上げ温度（目標温水温度）が得られ
るように吐出温度を設定し、この吐出ガス温度が得られ
るように２段圧縮機１１の電動機１１ｃの運転周波数及
び電動膨張弁１３の開度を制御するものである。

【００２８】これを具体例により説明する。目標焚き上
げ温度を６０℃、７５℃、８５℃の３通りのいずれかに
設定できるようにした場合、図２にしたがって、２段圧
縮機１１に内蔵された電動機１１ｃの運転周波数が外気
温度に対し設定される。そして、電動機１１ｃはこの設
定された運転周波数となるように制御される。例えば、
目標焚き上げ温度が６０℃、外気温度が３０℃であれ
ば、電動機１１ｃは、図２から導かれるように、約８８
Ｈｚとなるように周波数制御される。この周波数制御
は、例えば３０分おきに行われ、その間運転周波数は略
一定に保たれる。

【００２９】また、目標焚き上げ温度及び外気温度か
ら、例えば図３にしたがって、２段圧縮機１１から吐出
される吐出ガスの目標吐出ガス温度が外気温度に対して
設定される。そして、２段圧縮機１１の高段側圧縮機１
１ｂから吐出される吐出ガスの温度を目標吐出ガス温度
にすべく電動膨張弁１３の弁開度が制御される。ここ
で、高段側圧縮機１１ｂから吐出される吐出ガスの温度
は、吐出ガス温度検出器３１で検知される。例えば、目
標焚き上げ温度が６０℃、外気温度が３０℃であれば、
図３から導かれるように、目標吐出ガス温度は約９７℃
である。そして、電動膨張弁１３の弁開度が制御され、
高段側圧縮機１１ｂから吐出される吐出ガスの温度が目
標吐出ガス温度にされる。

【００３０】また、上記構成の給湯装置では、冬季のよ
うに、蒸発器１４の熱源媒体である外気温度が低下し、
高圧側熱交換器１２の冷却水である貯湯タンク２１から
送水される温水温度が低下したときに、超臨界冷凍サイ
クル装置１の冷凍サイクルの高低圧が低下して２段圧縮
機１１に液戻りしやすくなる。このとき、定常運転時に
おいて２段圧縮機１１に液戻りしないように、低圧側回
路部分の内部容積Ｖｓ（ｌ）、中間圧力回路部分の内部
容積Ｖｍ（ｌ）、高圧側回路部分の内部容積Ｖｈ
（ｌ）、閉回路の全内部容積Ｖａ（ｌ）、閉回路の全内
部容積１リットルあたりの冷媒充填量Ｗｒ（ｇ）を一定
の関係に設定している。また、この設定に当たっては、
単に液戻りを防止するだけではなく、夏季のように外気
温度が高いときに高圧が上がり過ぎるのを抑制し、さら
に、冷凍能力が適正に発揮されるよう配慮しながら次の
ように設定されている。

【００３１】図４は、この設定の関係を説明する図であ
り、発明者が永年にわたる研究と実験により解明したも
のである。図４において横軸は閉回路の全内部容積Ｖａ
に占める高圧側回路部分の内部容積Ｖｈ及び中間圧力回
路部分の内部容積Ｖｍの占める割合を示し、縦軸は閉回
路の全内部容積１リットル（ｌ）あたりの冷媒充填量Ｗ
ｒ（ｇ）を示している。また、この図に示される斜線部
分となるように低圧側回路部分の内部容積Ｖｓ、中間圧
力回路部分の内部容積Ｖｍ、高圧側回路部分の内部容積
Ｖｈ、閉回路の全内部容積Ｖａ、閉回路の全内部容積１
リットルあたりの冷媒充填量Ｗｒを設定している。な
お、図４の斜線部分の中央を通る直線Ｙは次の関係式を
満たすものである。Ｗｒ＝（Ｋｂ＋Ｋａ×１００×（Ｖｈ＋Ｖｍ）／Ｖａ) ただし、Ｋａ＝１８ｇ／ｌＫｂ＝−３６０ｇ／ｌ

【００３２】すなわち、これら要素Ｖｓ、Ｖｍ、Ｖｈ、
Ｖａ、Ｗｒの望ましい範囲に設定するにはまず閉回路の
全内部容積Ｖａに占める高圧側回路部分の内部容積Ｖｈ
及び中間圧力回路部分の内部容積Ｖｍの占める割合を、
Ｘ₁（４０％）からＸ₂（６０％）の間に収めることであ
る。この幅の外側にあるときは高圧側熱交換器１２と蒸
発器１４とのバランスが崩れ冷凍能力の低下が大きくな
る。また、この割合がＸ₂（６０％）より大きい場合
は、高圧側圧力の変動により蒸発器１４内の液冷媒量が
増加し、液戻りの危険性も増加する。また、この割合が
Ｘ₁（４０％）より小さい場合は、夏季等の運転負荷の
大きいときに高圧圧力が大きくなり過ぎるという問題が
ある。

【００３３】更に、冷媒充填量ＷｒがＹ₁線より多い場
合は、蒸発器内の冷媒量が多くなり２段圧縮機１１への
液戻りが発生しやすくなり、また、冷媒充填量ＷｒがＹ
₂線より少ない場合は、蒸発器出口の冷媒過熱度が大き
くなり、２段圧縮機１１からの吐出ガス温度が大きくな
り過ぎる。このようなことから上記範囲が設定されてお
り、この範囲にあるときには、２段圧縮機へ液戻りする
ことなく適正な冷凍運転が行われる。

【００３４】このように設定した場合、本実施の形態に
おける閉回路の全内部容積Ｖａに占める高圧側回路部分
の内部容積Ｖｈ（Ｖｈ／Ｖａ）は、従来の特許第２８０
４８４４号公報では７０パーセント以上とされていたの
に対しかなり小さくなっており、その分低圧側低圧側回
路部分の内部容積Ｖｓの、閉回路の全内部容積Ｖａに対
する比率が上昇している。

【００３５】そして、このように設定した場合、本実施
の形態に係る超臨界冷凍サイクル装置の冷凍サイクルは
図５に示すようになる。図５において、実線及びそれに
付した符号Ａは本実施の形態の冷凍サイクルを説明する
ものであり、点線及びそれに付した符号Ｂは例えば特公
平７−１８６０２号公報に示されているような従来の冷
凍サイクルを説明するものである。なお、これら符号に
関し、Ａ１は本実施の形態の圧縮機吸入側（蒸発器出
口、アキュムレータ入口及び出口）、Ｂ１は従来の圧縮
機吸入側（熱回収用熱交換器の出口）、Ａ２、Ｂ２は圧
縮機吐出側（高圧側冷却器の入口）、Ａ３、Ｂ３は高圧
側冷却器の出口（膨張弁の入口）、Ａ４、Ｂ４は膨張弁
の出口（蒸発器の入口）、Ｂ５は従来の蒸発器出口（熱
回収用熱交換器入口）、Ａ１ｍは本実施の形態の低段側
圧縮機の吐出側、Ａ２ｍは本実施の形態の高段側圧縮機
の吸入側をそれぞれ示す。

【００３６】この図に示されているように、従来のもの
では、蒸発器出口が湿り状態であり、熱回収用熱交換器
による加熱により圧縮機吸入ガスを飽和状態としていた
のに対し、本実施の形態の場合は、蒸発器出口、アキュ
ムレータ入口及びアキュムレータ出口がそのまま圧縮機
吸入側となり、過熱ガスの状態となる。また、本実施の
形態では、従来に比し、低圧側回路部分の内部容積Ｖｓ
が大きくなり、高圧側回路部分の内部容積Ｖｈが小さく
なったことにより、低圧側圧力及び高圧側圧力が高くな
っている。

【００３７】

【発明の効果】本発明は以上のように構成されているの
で、次のような効果を奏する。本発明の第１の発明によ
れば、高圧側圧力が超臨界圧力となる冷凍運転がなされ
るように、圧縮機、高圧側冷却器、冷媒膨張装置、蒸発
器を直列に接続するとともに、内部に冷媒を充填した閉
回路を有し、この閉回路は、 Vm：中間圧力回路部分の内部容積（リットル） Vh：高圧側回路部分の内部容積（リットル） Va：閉回路の全内部容積（リットル） Wr：閉回路の全内部容積１リットルあたりの冷媒充填量
（ｇ） Ka＝１８（ｇ／リットル） Kb＝−３６０（ｇ／リットル）としたときに、 (Kb+Ka*100*(Vh+Vm)/Va)*0.6≦Ｗｒ≦(Kb+Ka*100*(Vh+V
m)/Va)*1.4 と４０≦100*(Vh+Vm)/Va≦６０の両式を満たすものであるので、高圧側冷却器の冷却媒
体や蒸発器の熱源媒体などの運転負荷条件が広範囲に変
化した場合において、圧縮機への液戻りがなく、安全に
冷凍運転することができる。

【００３８】また、本発明の第２の発明によれば、前記
第１の発明において、冷媒を二酸化炭素としたものであ
るので、可燃性や毒性のない自然冷媒を使用したものと
することができる。

【００３９】また、本発明の第３の発明によれば、前記
第１又は２の発明において、前記閉回路において、蒸発
器と圧縮機との間にアキュムレータを設けたものである
ので、通常の簡易な小型のアキュムレータで、運転開始
時の過渡的な液戻りを防止することができる。

【００４０】また、本発明の第４の発明によれば、前記
第１〜第３の発明において、前記圧縮機は、密閉ケーシ
ング内に低段側圧縮機と高段側圧縮機とを内蔵し、この
密閉ケーシング内空間を低段側圧縮機の吐出ガスで充満
させた２段圧縮機としているので、圧縮機の圧縮比が小
さくなる。また、低段側圧縮機及び高段側圧縮機の周囲
が中間圧力である低段側吐出ガスとなる。このため、高
低圧力差に基づく大きな力が各部に作用せず、高信頼
性、低振動、低騒音、高効率な圧縮機とすることができ
る。

【００４１】また、本発明の第５の発明によれば、前記
第１〜第４の発明において、前記圧縮機は容量可変式圧
縮機であるので、圧縮機への液戻りを心配することなく
容易に超臨界冷凍サイクル装置の冷凍能力を変更するこ
とができる。

【００４２】また、本発明の第６の発明によれば、前記
第１〜第５のいずれかの発明に係る超臨界冷凍サイクル
装置を応用した給湯装置であるので、通常の冷凍サイク
ル装置を応用した給湯装置では得られないような高温の
給湯水を、広範囲の運転条件に対し得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る超臨界冷凍サイクル
装置応用の給湯装置の回路図である。

【図２】図１記載の給湯装置における、外気温度及び目
標焚き上げ温度に対する運転周波数を示す図である。

【図３】図１記載の給湯装置における、外気温度及び目
標焚き上げ温度に対する圧縮機から吐出される吐出ガス
の目標吐出ガス温度を示す図である。

【図４】図１記載の給湯装置における超臨界冷凍サイク
ル装置の冷媒充填量説明図である。

【図５】図１記載の給湯装置における超臨界冷凍サイク
ル装置のモリエル線図を従来のものとの比較で示したも
のである。

【符号の説明】

１超臨界冷凍サイクル装置２給湯ユニット３制御装置１１２段圧縮機１１ａ低段側圧縮機１１ｂ高段側圧縮機１１ｃ電動機１２高圧側熱交換器１２ａ冷媒用熱交換チューブ１２ｂ水用熱交換チューブ１３電動膨張弁１４蒸発器１５アキュムレータ２１貯湯タンク３１吐出ガス温度検出器３２外気温度検出器Ｐ温水循環回路Ｖａ全内部容積Ｖｈ内部容積Ｖｍ内部容積Ｖｓ内部容積Ｗｒ冷媒充填量

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小山清栃木県足利市大月町１番地三洋電機空調株式会社内 (72)発明者机重男栃木県足利市大月町１番地三洋電機空調株式会社内 (72)発明者星野聡栃木県足利市大月町１番地三洋電機空調株式会社内 (72)発明者式地千明栃木県足利市大月町１番地三洋電機空調株式会社内 (72)発明者石垣茂弥栃木県足利市大月町１番地三洋電機空調株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高圧側圧力が超臨界圧力となる冷凍運転
がなされるように、圧縮機、高圧側冷却器、冷媒膨張装
置、蒸発器を直列に接続するとともに、内部に冷媒を充
填した閉回路を有し、この閉回路は、 Vm：中間圧力回路部分の内部容積（リットル） Vh：高圧側回路部分の内部容積（リットル） Va：閉回路の全内部容積（リットル） Wr：閉回路の全内部容積１リットルあたりの冷媒充填量
（ｇ） Ka＝１８（ｇ／リットル） Kb＝−３６０（ｇ／リットル）としたときに、 (Kb+Ka*100*(Vh+Vm)/Va)*0.6≦Ｗｒ≦(Kb+Ka*100*(Vh+V
m)/Va)*1.4 と４０≦100*(Vh+Vm)/Va≦６０の両式を満たす超臨界冷凍サイクル装置。
【請求項２】前記冷媒は、二酸化炭素である請求項１
記載の超臨界冷凍サイクル装置。
【請求項３】前記閉回路は、蒸発器と圧縮機との間に
アキュムレータを設けたものである請求項１又は２記載
の超臨界冷凍サイクル装置。
【請求項４】前記圧縮機は、密閉ケーシング内に低段
側圧縮機と高段側圧縮機とを内蔵し、この密閉ケーシン
グ内空間を低段側圧縮機の吐出ガスで充満させた２段圧
縮機である請求項１〜３のいずれか１項記載の超臨界冷
凍サイクル装置。
【請求項５】前記圧縮機は、容量可変式圧縮機である
請求項１〜４のいずれか１項記載の超臨界冷凍サイクル
装置。
【請求項６】請求項１〜５のいずれか１項に記載の超
臨界冷凍サイクル装置を応用した給湯装置。