JP2006077998A - 冷凍サイクル装置および制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】レシーバやアキュームレータといった冷媒量調節手段を備えず、内部熱交換器を備えた冷凍サイクル装置において、減圧器の開度調整における制御性の課題を克服し、機器の小型化と信頼性の向上、ＣＯＰの改善を両立させることを目的とする。
【解決手段】冷媒として高圧側で超臨界状態となりうる冷媒を用い、少なくとも圧縮機２１、放熱器２２、内部熱交換器２７、減圧器２３、蒸発器２５を備え、冷媒量調節手段を備えていない冷凍サイクル装置において、前記圧縮機２１から前記放熱器２２までの冷媒温度を検出する吐出温度検知手段３０と、前記吐出温度検知手段３０の出力値に基づいて前記減圧器２３の開度を操作する第１減圧器操作器３１とを備えることを特徴とする。
【選択図】図１
【解決手段】冷媒として高圧側で超臨界状態となりうる冷媒を用い、少なくとも圧縮機２１、放熱器２２、内部熱交換器２７、減圧器２３、蒸発器２５を備え、冷媒量調節手段を備えていない冷凍サイクル装置において、前記圧縮機２１から前記放熱器２２までの冷媒温度を検出する吐出温度検知手段３０と、前記吐出温度検知手段３０の出力値に基づいて前記減圧器２３の開度を操作する第１減圧器操作器３１とを備えることを特徴とする。
【選択図】図１
Description
本発明は、冷媒として高圧側で超臨界状態となりうる冷媒を用い、レシーバやアキュームレータといった冷媒量調整手段を備えず、内部熱交換器を備えた冷凍サイクル装置および制御方法に関するものである。
従来、冷凍サイクル装置内に封入される冷媒としては、フッ素原子を含有する炭化水素類（フロン類）が用いられてきた。しかし、フロン類はオゾン層を破壊する性質を有していたり、大気中での寿命が長いために温室効果が大きいので地球温暖化に影響を与えたりと、必ずしも満足な冷媒とはいえない。そこでフロン類の代わりに、オゾン破壊係数がゼロでありかつ地球温暖化係数もフロン類に比べれば格段に小さい、二酸化炭素（以下、ＣＯ2という）やエタンなどを冷媒として用いる冷凍サイクル装置が提案されている。
ＣＯ2冷媒やエタンなどの冷媒は、臨界温度が低く、この温度よりも高い温度を利用する場合には、冷凍サイクル装置の高圧側（圧縮機出口〜放熱器〜減圧器入口）ではＣＯ2冷媒の凝縮が生じない超臨界状態となり、従来の冷媒に比べて、冷凍サイクル装置の運転効率（ＣＯＰ）が低下する。したがって、ＣＯ2冷媒を用いた冷凍サイクル装置にあっては、ＣＯＰを向上させる手段が重要である。
このような手段として、内部熱交換器を備えて冷凍サイクルの効率を向上させる冷凍サイクル装置および制御方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。図６は従来の冷凍サイクル装置の概略構成図である。図６の冷凍サイクル装置は、圧縮機１、放熱器２、減圧器３、およびファン４により送風される外気と熱交換させる蒸発器５などからなる冷媒サイクル回路Ａと、給水ポンプ８、放熱器２、および給湯タンク９などからなる給湯サイクル回路Ｂとを備え、放熱器２において圧縮機１から吐出された冷媒により給水ポンプ８からの水を加熱してお湯とし、そのお湯を給湯タンク９に貯めておくようにした給湯機である。
６は蒸発器５と圧縮機１の間に設けられ、余剰な冷媒を液冷媒として貯蔵するアキュームレータ、７は放熱器２と減圧器３との間の冷媒と、蒸発器５と圧縮機１の間の冷媒とを熱交換させる内部熱交換器である。１０は蒸発器５の入口から出口の間の温度（蒸発温度）を検知する蒸発温度検知手段、１１は内部熱交換器７と圧縮機１の間の温度（吸入温度）、あるいは、蒸発器５と内部熱交換器７の間の温度（蒸発器出口温度）を検知する過熱温度検知手段、１２は蒸発温度検知手段１０、過熱温度検知手段１１が検知した値から過熱度（吸入温度−蒸発温度、あるいは、蒸発器出口温度−蒸発温度）を演算する過熱度演算手段、１３は過熱度演算手段１２の出力値に基づき減圧器３の開度を演算、操作する減圧器操作器である。
このような冷凍サイクル装置では、減圧器操作器１３により、吸入過熱度、あるいは、蒸発器出口過熱度により、減圧器３の開度を調整するので、過熱度が大きくなり吐出温度が高くなりがちな内部熱交換器７を用いた冷凍サイクル装置であっても、圧縮機１の吐出温度が異常に上昇することを防止しながら、ＣＯＰの改善を図ることが可能である。
特開２０００−２０５６７０号公報
ところが、上記、従来技術の場合、液冷媒を貯蔵するためには比較的容積の大きなレシ
ーバやアキュームレータが必要であり、機器が大型化するといった課題が生じていた。このため、レシーバやアキュームレータを備えない冷凍サイクル装置を考案した。
ーバやアキュームレータが必要であり、機器が大型化するといった課題が生じていた。このため、レシーバやアキュームレータを備えない冷凍サイクル装置を考案した。
レシーバやアキュームレータを備えない冷凍サイクル装置でも、通常の運転状態では、従来技術に提案さているように吸入過熱度、あるいは、蒸発器出口過熱度により、減圧器の開度を調整することで、圧縮機１の吐出温度が異常に上昇することを防止しながら、ＣＯＰの改善を図ることが可能である。しかしレシーバやアキュームレータといった冷媒量調整手段を備えていない冷凍サイクル装置では、蒸発器５で冷媒と熱交換する流体の温度（例えば外気温度）や放熱器２で冷媒と熱交換する流体の温度（例えば入水温度）が低い場合には、蒸発器５や圧縮機１に戻る液冷媒の量が多くなるために、吸入過熱度、あるいは、蒸発器出口過熱度がほとんど検出できなくなり、十分に減圧器３の開度を調整することができなくなるといった課題が生じていた。
特に、内部熱交換器７を備えた冷凍サイクル装置では、吐出温度が上昇しやすいために、減圧器３の開度調整が十分でないと、圧縮機内の潤滑油やモータ材料が高温により劣化するといった信頼性上の課題が生じていた。
そこで、本発明は、上記課題を解決するため、レシーバやアキュームレータといった冷媒量調節手段を備えず、内部熱交換器を備えた冷凍サイクル装置において、減圧器の開度調整における制御性の課題を克服し、機器の小型化と信頼性の向上、ＣＯＰの改善を両立させることを目的とする。
本発明の冷凍サイクル装置は、冷媒として高圧側で超臨界状態となりうる冷媒を用い、少なくとも圧縮機、放熱器、内部熱交換器、減圧器、蒸発器を備え、冷媒量調節手段を備えていない冷凍サイクル装置において、前記圧縮機から前記放熱器までの冷媒温度を検出する吐出温度検知手段と、前記吐出温度検知手段の出力値に基づいて前記減圧器の開度を操作する第１減圧器操作器とを備えることを特徴とする。
また、本発明の冷凍サイクル装置は、冷媒として高圧側で超臨界状態となりうる冷媒を用い、少なくとも圧縮機、放熱器、内部熱交換器、減圧器、蒸発器を備え、冷媒量調節手段を備えていない冷凍サイクル装置において、前記圧縮機から前記放熱器までの冷媒温度を検出する吐出温度検知手段と、前記圧縮機入口あるいは前記蒸発器出口での冷媒過熱度を演算する過熱度演算手段と、前記吐出温度検知手段の出力値と前記過熱度演算手段の出力値とのいずれかを所定の条件で選択する選択手段と、前記選択手段の出力値に基づいて前記減圧器の開度を操作する第２減圧器操作器とを備えることを特徴とする。
また、本発明の冷凍サイクル装置の制御方法は、冷媒として高圧側で超臨界状態となりうる冷媒を用い、少なくとも圧縮機、放熱器、内部熱交換器、減圧器、蒸発器を備え、冷媒量調節手段を備えていない冷凍サイクル装置において、前記圧縮機から前記放熱器までの冷媒温度に基づいて前記減圧器の開度を調整することを特徴とする。
また、本発明の冷凍サイクル装置の制御方法は、冷媒として高圧側で超臨界状態となりうる冷媒を用い、少なくとも圧縮機、放熱器、内部熱交換器、減圧器、蒸発器を備え、冷媒量調節手段を備えていない冷凍サイクル装置において、前記圧縮機から前記放熱器までの冷媒温度と、前記圧縮機入口あるいは前記蒸発器出口での冷媒過熱度とのいずれかの値を選択し、前記選択した値に基づいて前記減圧器の開度を調整することを特徴とする。
本発明の冷凍サイクル装置および制御方法は、レシーバやアキュームレータといった冷
媒量調節手段を備えず、内部熱交換器を備えた冷凍サイクル装置において、吐出温度に基づいて減圧器の開度を調整することで、機器の小型化と信頼性の向上、ＣＯＰの改善を両立が可能である。
媒量調節手段を備えず、内部熱交換器を備えた冷凍サイクル装置において、吐出温度に基づいて減圧器の開度を調整することで、機器の小型化と信頼性の向上、ＣＯＰの改善を両立が可能である。
第１の発明は、冷媒として高圧側で超臨界状態となりうる冷媒を用い、内部熱交換器を備え冷媒量調節手段を備えていない冷凍サイクル装置において、吐出温度を検出する吐出温度検知手段と、吐出温度検知手段の出力値に基づいて減圧器の開度を演算、操作する第１減圧器操作器とを備えることにより、吐出温度に基づいて減圧器の開度を調整するので、吸入過熱度や蒸発器出口過熱度がほとんど検出できなくなった場合でも、効率のよい冷凍サイクル装置の運転が可能である。また、吐出温度を直接検知して減圧器の開度を調整しているので、内部熱交換器を備えていても吐出温度が上がりすぎるといった信頼性の課題を生じさせることがなく、機器の小型化が可能となる。
第２の発明は、冷媒として高圧側で超臨界状態となりうる冷媒を用い、内部熱交換器を備え冷媒量調節手段を備えていない冷凍サイクル装置において、吐出温度を検出する吐出温度検知手段と、吸入過熱度あるいは蒸発器出口過熱度を演算する過熱度演算手段と、吐出温度検知手段の出力値と過熱度演算手段の出力値とのいずれかを所定の条件で選択する選択手段と、その選択手段の出力値に基づいて減圧器の開度を演算、操作する第２減圧器操作器とを備えることにより、吸入過熱度や蒸発器出口過熱度がほとんど検出できなくなる場合には、吐出温度に基づいて減圧器の開度を調整するので、効率のよい冷凍サイクル装置の運転が可能である。また、吐出温度を直接検知して減圧器の開度を調整しているので、内部熱交換器を備えていても吐出温度が上がりすぎるといった信頼性の課題を生じさせることがなく、機器の小型化が可能となる。
第３の発明は、第２の発明において、蒸発器で熱交換する流体温度に応じて、吐出温度検知手段の出力値と過熱度演算手段の出力値とのいずれかを選択する選択手段を備えたことにより、蒸発器で熱交換する流体温度が低いために、吸入過熱度や蒸発器出口過熱度がほとんど検出できなくなる場合でも、吐出温度に基づいて減圧器の開度を調整するので、効率のよい冷凍サイクル装置の運転が可能である。また、吐出温度を直接検知して減圧器の開度を調整しているので、内部熱交換器を備えていても吐出温度が上がりすぎるといった信頼性の課題を生じさせることがなく、機器の小型化が可能となる。
第４の発明は、第２の発明において、放熱器で熱交換する流体温度に応じて、吐出温度検知手段の出力値と過熱度演算手段の出力値とのいずれかを選択する選択手段を設けたことにより、放熱器で熱交換する流体温度が低いために、吸入過熱度や蒸発器出口過熱度がほとんど検出できなくなる場合でも、吐出温度に基づいて減圧器の開度を調整するので、効率のよい冷凍サイクル装置の運転が可能である。また、吐出温度を直接検知して減圧器の開度を調整しているので、内部熱交換器を備えていても吐出温度が上がりすぎるといった信頼性の課題を生じさせることがなく、機器の小型化が可能となる。
第５の発明は、放熱器出口と減圧器入口の間の冷媒を、蒸発器出口と圧縮機入口の間の冷媒により冷却するように構成した内部熱交換器を備えた冷凍サイクル装置において、吐出温度に基づいて減圧器の開度を調整するので、吸入過熱度や蒸発器出口過熱度がほとんど検出できなくなった場合にも、効率のよい冷凍サイクル装置の運転が可能である。また、吐出温度を直接検知して減圧器の開度を調整しているので、冷媒量調節手段を備えていなくても吐出温度が上がりすぎるといった信頼性の課題を生じさせることがなく、機器の小型化が可能となる。
第６の発明は、放熱器出口と減圧器入口の間の冷媒を、放熱器を出た冷媒の一部を分岐
し、副減圧器により減圧した冷媒により冷却するように構成した内部熱交換器を備えた冷凍サイクル装置において、吐出温度に基づいて減圧器の開度を調整するので、吸入過熱度や蒸発器出口過熱度がほとんど検出できなくなった場合にも、効率のよい冷凍サイクル装置の運転が可能である。また、吐出温度を直接検知して減圧器の開度を調整しているので、冷媒量調節手段を備えていなくても吐出温度が上がりすぎるといった信頼性の課題を生じさせることがなく、機器の小型化が可能となる。
し、副減圧器により減圧した冷媒により冷却するように構成した内部熱交換器を備えた冷凍サイクル装置において、吐出温度に基づいて減圧器の開度を調整するので、吸入過熱度や蒸発器出口過熱度がほとんど検出できなくなった場合にも、効率のよい冷凍サイクル装置の運転が可能である。また、吐出温度を直接検知して減圧器の開度を調整しているので、冷媒量調節手段を備えていなくても吐出温度が上がりすぎるといった信頼性の課題を生じさせることがなく、機器の小型化が可能となる。
第７の発明は、冷媒として高圧側で超臨界状態となりうる冷媒を用い、内部熱交換器を備え冷媒量調節手段を備えていない冷凍サイクル装置において、吐出温度に基づいて減圧器の開度を調整することにより、吸入過熱度や蒸発器出口過熱度がほとんど検出できなくなった場合にも、効率のよい冷凍サイクル装置の運転が可能である。また、吐出温度を直接検知して減圧器の開度を調整しているので、内部熱交換器を備えていても吐出温度が上がりすぎるといった信頼性の課題を生じさせることがなく、機器の小型化が可能となる制御方法である。
第８の発明は、冷媒として高圧側で超臨界状態となりうる冷媒を用い、内部熱交換器を備え冷媒量調節手段を備えていない冷凍サイクル装置において、吐出温度と、吸入過熱度あるいは蒸発器出口過熱度とのいずれかの値を選択し、その選択した値に基づいて前記減圧器の開度を調整することにより、吸入過熱度や蒸発器出口過熱度がほとんど検出できなくなる場合にも、吐出温度に基づいて減圧器の開度を調整するので、効率のよい冷凍サイクル装置の運転が可能である。また、吐出温度を直接検知して減圧器の開度を調整しているので、内部熱交換器を備えていても吐出温度が上がりすぎるといった信頼性の課題を生じさせることがなく、機器の小型化が可能となる制御方法である。
第９の発明は、第８の発明において、蒸発器で熱交換する流体温度に応じて、吐出温度と冷媒過熱度とのいずれかを選択することにより、蒸発器で熱交換する流体温度が低いために、吸入過熱度や蒸発器出口過熱度がほとんど検出できなくなる場合でも、吐出温度に基づいて減圧器の開度を調整するので、効率のよい冷凍サイクル装置の運転が可能である。また、吐出温度を直接検知して減圧器の開度を調整しているので、内部熱交換器を備えていても吐出温度が上がりすぎるといった信頼性の課題を生じさせることがなく、機器の小型化が可能となる制御方法である。
第１０の発明は、放熱器で熱交換する流体温度に応じて、吐出温度と冷媒過熱度とのいずれかを選択することにより、放熱器で熱交換する流体温度が低いために、吸入過熱度や蒸発器出口過熱度がほとんど検出できなくなる場合でも、吐出温度に基づいて減圧器の開度を調整するので、効率のよい冷凍サイクル装置の運転が可能である。また、吐出温度を直接検知して減圧器の開度を調整しているので、内部熱交換器を備えていても吐出温度が上がりすぎるといった信頼性の課題を生じさせることがなく、機器の小型化が可能となる制御方法である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、給湯機を例にとり説明するが、本実施例の給湯機に本発明が限定されるものではなく、空気調和機などであってもよい。
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における冷凍サイクル装置を示す概略構成図である。図１の冷凍サイクル装置は、圧縮機２１、給湯用熱交換器としての放熱器２２の冷媒流路、内部熱交換器２７の高圧側冷媒流路、減圧器２３、蒸発器２５、内部熱交換器２７の低圧側冷媒流路などからなる冷媒回路Ａと、給水ポンプ２８、放熱器２２の流体流路、および給湯タンク２９などからなる流体回路Ｂとから構成されている。
図１は、本発明の第１の実施の形態における冷凍サイクル装置を示す概略構成図である。図１の冷凍サイクル装置は、圧縮機２１、給湯用熱交換器としての放熱器２２の冷媒流路、内部熱交換器２７の高圧側冷媒流路、減圧器２３、蒸発器２５、内部熱交換器２７の低圧側冷媒流路などからなる冷媒回路Ａと、給水ポンプ２８、放熱器２２の流体流路、および給湯タンク２９などからなる流体回路Ｂとから構成されている。
内部熱交換器２７は、放熱器２２の出口と減圧器２３の間の冷媒と、蒸発器２５の出口と圧縮機２１の入口の間の冷媒とを熱交換するように構成されている。２４は蒸発器２５に外気を送風する送風ファンである。３０は圧縮機２１出口と放熱器２２入口の間の温度（吐出温度）を検知する吐出温度検知手段、３１は吐出温度検知手段３０の出力値に基づき減圧器２３の開度を演算、操作する第１減圧器操作器である。
次に、上述のように構成された冷凍サイクル装置の運転時の動作について説明する。
流体回路Ｂでは、給湯タンク２９の底部から給水ポンプ２８により放熱器２２の流体流路へ送り込まれた流体（例えば、水）は、放熱器２２の冷媒流路を流れる冷媒により加熱され、高温の流体（例えば、お湯）となり、その高温流体を給湯タンク２９の頂部から貯める。
一方、冷媒回路Ａでは、冷媒であるＣＯ2冷媒を、圧縮機２１で臨界圧力を越える圧力まで圧縮する。その圧縮された冷媒は、高温高圧状態となり、放熱器２２の冷媒流路を流れる際に、放熱器２２の流体流路を流れる流体（例えば、水）に放熱し冷却される。さらに、冷媒は内部熱交換器２７の高圧側冷媒流路に供給され、内部熱交換器２７の低圧側冷媒流路を流れる低温の冷媒に冷却される。その後、冷媒は減圧器２３で減圧され低温低圧の気液二相状態となり、蒸発器２５に供給される。蒸発器２５では、冷媒は送風ファン２４によって送り込まれた外気によって加熱され、気液二相またはガス状態となる。蒸発器２５を流出した冷媒は、内部熱交換器２７の低圧側冷媒流路でさらに加熱された後、再び、圧縮機２１に吸入される。
ここで、蒸発器２５で冷媒と熱交換する流体の温度（例えば外気温度）や放熱器２２で冷媒と熱交換する流体の温度（例えば入水温度）が低くなった場合には、蒸発器２５や圧縮機２１に戻ってくる液冷媒の量が多くなる。このために、蒸発器２５や内部熱交換器２７での冷媒の状態変化は潜熱変化が大部分を占めるようになり、吸入温度、あるいは、蒸発器出口温度と蒸発温度との温度差が、比較的取れやすくなる内部熱交換器２７を備えた冷凍サイクル装置であっても、吸入温度、あるいは、蒸発器出口温度と蒸発温度との温度差がほとんど取れなくなる。したがって、圧縮機２１の吸入過熱度や蒸発器２５の出口過熱度の演算が困難となるために、吸入過熱度や蒸発器出口過熱度に基づいて減圧器２３の開度を最適に調整することは困難である。
しかしながら、本実施の形態における冷凍サイクル装置では、減圧器２３は、第１減圧器操作器３１により吐出温度検知手段３０が検知した吐出温度に基づいて開度を調整されているので、吸入過熱度や蒸発器出口過熱度がほとんど検出できなくなった場合でも、最適な減圧器の開度に調整することで、効率のよい冷凍サイクル装置の運転が可能である。また、圧縮機２１の吐出温度を直接検知して減圧器２３の開度を調整しているので、内部熱交換器２７を備えていても吐出温度が上がりすぎるといった信頼性の課題を生じさせることがない。
次に、減圧器２３の具体的な操作方法として、第１減圧器操作器３１が行う制御について、図２に示すフローチャートに基づいて説明する。冷凍サイクル装置の運転時には、吐出温度検知手段３０からの検出値（吐出温度Ｔｄ）（ステップ１００）が取り込まれる。予めＲＯＭ等に記憶されている目標吐出温度（目標Ｔｄ）とステップ１００で取り込んだ吐出温度とを比較する（ステップ１１０）。吐出温度が目標吐出温度より低い場合には、減圧器２３の開度を小さくし（ステップ１２０）、減圧器２３を通過する冷媒量を減少させ、吸入過熱度や蒸発器出口過熱度、さらには吐出温度を上昇させる。逆に、吐出温度が目標吐出温度より高い場合には、減圧器２３の開度を大きくし（ステップ１３０）、減圧
器２３を通過する冷媒量を増加させ、吸入過熱度や蒸発器出口過熱度、さらには吐出温度を低下させる。以上のステップの後、ステップ１００に戻り、以後ステップ１００からステップ１３０まで繰り返すことで、吐出温度に基づいて、減圧器２３の開度を調整する。
器２３を通過する冷媒量を増加させ、吸入過熱度や蒸発器出口過熱度、さらには吐出温度を低下させる。以上のステップの後、ステップ１００に戻り、以後ステップ１００からステップ１３０まで繰り返すことで、吐出温度に基づいて、減圧器２３の開度を調整する。
このような冷凍サイクル装置の制御方法では、目標吐出温度を最適な吸入過熱度、あるいは、蒸発器出口温度となる冷凍サイクルの状態から予め定めておくことで、外気温度や入水温度が低く、吸入過熱度や蒸発器出口過熱度がほとんど検出できなくなった場合でも、吐出温度に基づいて最適な減圧器の開度に調整でき、効率のよい冷凍サイクル装置の運転が可能である。また、圧縮機２１の吐出温度を直接検知して減圧器２３の開度を調整しているので、内部熱交換器２７を備えていても吐出温度が上がりすぎるといった信頼性の課題を生じさせることもない。
なお、最適な吸入過熱度、あるいは、蒸発器出口温度と吐出温度との関係は、外気温度や入水温度の影響を受けやすい為に、目標吐出温度を外気温度や入水温度によって補正するものとしてもよい。
（実施の形態２）
図３は、本発明の第２の実施の形態における冷凍サイクル装置である給湯装置を示す概略構成図である。図３において、図１と同様の構成要素は図１と同じ番号を与え、説明を省略する。図３の冷凍サイクル装置では、内部熱交換器４１は、放熱器２２の出口と減圧器２３の間の冷媒を、放熱器２２出口より一部を分岐し副減圧器４２を介して圧縮機２１の入口に接続された回路に流れる冷媒により冷却するように構成されている。
図３は、本発明の第２の実施の形態における冷凍サイクル装置である給湯装置を示す概略構成図である。図３において、図１と同様の構成要素は図１と同じ番号を与え、説明を省略する。図３の冷凍サイクル装置では、内部熱交換器４１は、放熱器２２の出口と減圧器２３の間の冷媒を、放熱器２２出口より一部を分岐し副減圧器４２を介して圧縮機２１の入口に接続された回路に流れる冷媒により冷却するように構成されている。
上述のように構成された冷凍サイクル装置の運転時の動作について説明する。冷媒回路Ａでは、冷媒であるＣＯ2冷媒を、圧縮機２１で臨界圧力を越える圧力まで圧縮する。その圧縮された冷媒は、高温高圧状態となり、放熱器２２の冷媒流路を流れる際に、放熱器２２の流体流路を流れる流体（例えば、水）に放熱し冷却される。さらに、放熱器２２を流出した大部分の冷媒は内部熱交換器４１の高圧側冷媒流路に供給され、内部熱交換器４１の低圧側冷媒流路を流れる低温の冷媒に冷却される。
その後、冷媒は減圧器２３で減圧され低温低圧の気液二相状態となり、蒸発器２５に供給される。蒸発器２５では、冷媒は送風ファン２４によって送り込まれた外気によって加熱され、気液二相またはガス状態となる。一方、放熱器２２を流出した一部の冷媒は副減圧器４２により減圧され低温低圧の気液二相状態となり、内部熱交換器４１の低圧側冷媒流路に供給される。この冷温低圧の冷媒は内部熱交換器４１で、高圧側冷媒流路を流れる比較的高温の冷媒を冷却した後、蒸発器２５を流出した冷媒と合流する。その後、再び、圧縮機２１に吸入される。
本実施の形態における減圧器２３の具体的な操作方法は、第１の実施の形態で説明した操作方法と同様であるので、説明を省略する。このような冷凍サイクル装置や制御方法では、目標吐出温度を最適な吸入過熱度、あるいは、蒸発器出口温度となる冷凍サイクルの状態から予め定めておくことで、外気温度や入水温度が低く、吸入過熱度や蒸発器出口過熱度がほとんど検出できなくなった場合でも、吐出温度に基づいて最適な減圧器の開度に調整でき、効率のよい冷凍サイクル装置の運転が可能である。また、圧縮機２１の吐出温度を直接検知して減圧器２３の開度を調整しているので、内部熱交換器４１を備えていても吐出温度が上がりすぎるといった信頼性の課題を生じさせることがない。
なお、副減圧器４２は、キャピラリーチューブなどの減圧量が固定の減圧器であってもよいし、電動膨張弁などの減圧量が可変できる減圧器であってもよい。
（実施の形態３）
図４は、本発明の第３の実施の形態における冷凍サイクル装置である給湯装置を示す概略構成図である。図４において、図１と同様の構成要素は図１と同じ番号を与え、説明を省略する。図４の冷凍サイクル装置において、３２は蒸発器２５の入口から出口の間の温度（蒸発温度）を検知する蒸発温度検知手段、３３は内部熱交換器２７と圧縮機２１の間の温度（吸入温度）、あるいは、蒸発器２５と内部熱交換器２７の間の温度（蒸発器出口温度）を検知する過熱温度検知手段、３４は蒸発温度検知手段３２、過熱温度検知手段３３が検知した値から過熱度（吸入温度−蒸発温度、あるいは、蒸発器出口温度−蒸発温度）を演算する過熱度演算手段である。
図４は、本発明の第３の実施の形態における冷凍サイクル装置である給湯装置を示す概略構成図である。図４において、図１と同様の構成要素は図１と同じ番号を与え、説明を省略する。図４の冷凍サイクル装置において、３２は蒸発器２５の入口から出口の間の温度（蒸発温度）を検知する蒸発温度検知手段、３３は内部熱交換器２７と圧縮機２１の間の温度（吸入温度）、あるいは、蒸発器２５と内部熱交換器２７の間の温度（蒸発器出口温度）を検知する過熱温度検知手段、３４は蒸発温度検知手段３２、過熱温度検知手段３３が検知した値から過熱度（吸入温度−蒸発温度、あるいは、蒸発器出口温度−蒸発温度）を演算する過熱度演算手段である。
また、３５は蒸発器２５で冷媒と熱交換する流体の温度（例えば外気温度）を検出す流体温度検知手段である。３６は流体温度検知手段３５が検出した外気温度に応じて、過熱度演算手段３４が演算した過熱度か、吐出温度検知手段が検出した吐出温度かのいずれかを選択する選択手段、３７は選択手段３６が選択した値に基づき減圧器２３の開度を演算、操作する第２減圧器操作器である。
上述のように構成された冷凍サイクル装置の運転時の動作については、第１の実施の形態と同様であるので説明を省略し、減圧器２３の具体的な操作方法として、第２減圧器操作器３７が行う制御について、図５に示すフローチャートに基づいて説明する。
冷凍サイクル装置の運転時には、流体温度検知手段３５からの検出値（外気温度Ｔａ）（ステップ２００）が取り込まれる。予めＲＯＭ等に記憶されている設定外気温度（設定Ｔａ）とステップ２００で取り込んだ外気温度とを比較する（ステップ２１０）。外気温度が設定外気温度より高い場合には、吸入過熱度や蒸発器出口過熱度の演算が行うことができるので、選択手段３６は過熱度に基づいた減圧器２３の開度調整を選択する。すなわち、外気温度が設定外気温度より高い場合には、蒸発温度検知手段３２からの検出値（蒸発温度Ｔａ）が取り込まれ（ステップ２２０）、その後、過熱温度検知手段３３からの検出値（吸入温度あるいは蒸発器出口温度）（ステップ２３０）が取り込まれる。
さらに、過熱度演算手段３４により過熱度（ＳＨ）（吸入温度−蒸発温度、あるいは、蒸発器出口温度−蒸発温度）を演算する（ステップ２４０）。予めＲＯＭ等に記憶されている目標過熱度（目標ＳＨ）とステップ２４０で演算した過熱度とを比較する（ステップ２５０）。過熱度が目標過熱度より低い場合には、減圧器２３の開度を小さくし（ステップ２６０）、減圧器２３を通過する冷媒量を減少させ、吸入過熱度や蒸発器出口過熱度を上昇させる。逆に、過熱度が目標過熱度より高い場合には、減圧器２３の開度を大きくし（ステップ２７０）、減圧器２３を通過する冷媒量を増加させ、吸入過熱度や蒸発器出口過熱度を低下させる。
一方、ステップ２１０で外気温度が設定外気温度より低いと判断された場合には、蒸発器２５や圧縮機２１に戻る液冷媒の量が多くなるために、吸入過熱度や蒸発器出口過熱度の演算が行うことが困難である。したがって、選択手段３６は吐出温度に基づいた減圧器２３の開度調整を選択する。すなわち、吐出温度検知手段３０からの検出値（吐出温度Ｔｄ）（ステップ２８０）が取り込まれる。予めＲＯＭ等に記憶されている目標吐出温度（目標Ｔｄ）とステップ２８０で取り込んだ吐出温度とを比較する（ステップ２９０）。吐出温度が目標吐出温度より低い場合には、減圧器２３の開度を小さくし（ステップ３００）、減圧器２３を通過する冷媒量を減少させ、吸入過熱度や蒸発器出口過熱度、さらには吐出温度を上昇させる。
逆に、吐出温度が目標吐出温度より高い場合には、減圧器２３の開度を大きくし（ステップ３１０）、減圧器２３を通過する冷媒量を増加させ、吸入過熱度や蒸発器出口過熱度
を低下させ、吐出温度を低下させる。以上のステップの後、ステップ２００に戻り、以後ステップ２００からステップ３１０まで繰り返すことで、外気温度に応じて、過熱度に基づいた開度調整か、吐出温度に基づいた開度調整かのを選択して、減圧器２３の開度を調整できる。
を低下させ、吐出温度を低下させる。以上のステップの後、ステップ２００に戻り、以後ステップ２００からステップ３１０まで繰り返すことで、外気温度に応じて、過熱度に基づいた開度調整か、吐出温度に基づいた開度調整かのを選択して、減圧器２３の開度を調整できる。
このような冷凍サイクル装置の制御方法では、外気温度や入水温度が高く過熱度の演算が可能な場合には、吸入過熱度や蒸発器出口過熱度に基づいて最適な蒸発器の開度に調整できる。外気温度や入水温度が低く過熱度の演算が困難となる場合にも、目標吐出温度を最適な吸入過熱度、あるいは、蒸発器出口温度となる冷凍サイクルの状態から予め定めておくことで、吐出温度に基づいて最適な減圧器の開度に調整でき、効率のよい冷凍サイクル装置の運転が可能である。また、圧縮機２１の吐出温度を直接検知して減圧器２３の開度を調整しているので、内部熱交換器２７を備えていても吐出温度が上がりすぎるといった信頼性の課題を生じさせることがない。
なお、本実施の形態では外気温度に応じて、過熱度に基づいた開度調整か、吐出温度に基づいた開度調整かのいずれかを選択するものとして説明したが、放熱器２２で冷媒と熱交換する流体の温度（例えば入水温度）に応じて、選択を行っても、同様の効果が得られる。また、本実施の形態の内部熱交換器の構成は第１の実施の形態と同様な構成としているが、第２の実施の形態で説明した構成としても、同様の効果が得られる。
本発明の冷凍サイクル装置および制御方法は、冷媒として高圧側で超臨界状態となりうる冷媒（例えば、Ｒ３２、二酸化炭素、エタン、エチレン、酸化窒素およびそれらを含む混合冷媒など）を用い、レシーバやアキュームレータといった冷媒量調節手段を備えておらず、内部熱交換器を備えた給湯器、空調機、車両用空調機において、信頼性を損なうことなく機器の小型化とＣＯＰの向上を達成できる。
１、２１ 圧縮機
２、２２ 放熱器
３、２３ 減圧器
４、２４ 送風ファン
５、２５ 蒸発器
６ アキュームレータ
７、２７、４１ 内部熱交換器
８、２８ 給水ポンプ
９、２９ 給湯タンク
１０、３２ 蒸発温度検知手段
１１、３３ 過熱温度検知手段
１２、３４ 過熱度演算手段
３０ 吐出温度検知手段
３１ 第１減圧器操作器
３５ 流体温度検知手段
３６ 選択手段
３７ 第２減圧器操作器
４２ 副減圧器
２、２２ 放熱器
３、２３ 減圧器
４、２４ 送風ファン
５、２５ 蒸発器
６ アキュームレータ
７、２７、４１ 内部熱交換器
８、２８ 給水ポンプ
９、２９ 給湯タンク
１０、３２ 蒸発温度検知手段
１１、３３ 過熱温度検知手段
１２、３４ 過熱度演算手段
３０ 吐出温度検知手段
３１ 第１減圧器操作器
３５ 流体温度検知手段
３６ 選択手段
３７ 第２減圧器操作器
４２ 副減圧器
Claims (10)
- 冷媒として高圧側で超臨界状態となりうる冷媒を用い、少なくとも圧縮機、放熱器、内部熱交換器、減圧器、蒸発器を備え、冷媒量調節手段を備えていない冷凍サイクル装置において、前記圧縮機から前記放熱器までの冷媒温度を検出する吐出温度検知手段と、前記吐出温度検知手段の出力値に基づいて前記減圧器の開度を操作する第１減圧器操作器とを備えることを特徴とする冷凍サイクル装置。
- 冷媒として高圧側で超臨界状態となりうる冷媒を用い、少なくとも圧縮機、放熱器、内部熱交換器、減圧器、蒸発器を備え、冷媒量調節手段を備えていない冷凍サイクル装置において、前記圧縮機から前記放熱器までの冷媒温度を検出する吐出温度検知手段と、前記圧縮機入口あるいは前記蒸発器出口での冷媒過熱度を演算する過熱度演算手段と、前記吐出温度検知手段の出力値と前記過熱度演算手段の出力値とのいずれかを所定の条件で選択する選択手段と、前記選択手段の出力値に基づいて前記減圧器の開度を操作する第２減圧器操作器とを備えることを特徴とする冷凍サイクル装置。
- 前記選択手段は、前記蒸発器で前記冷媒と熱交換する流体温度に応じて、前記吐出温度検知手段の出力値と前記過熱度演算手段の出力値とのいずれかを選択する請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記選択手段は、前記放熱器で前記冷媒と熱交換する流体温度に応じて、前記吐出温度検知手段の出力値と前記過熱度演算手段の出力値とのいずれかを選択する請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記内部熱交換器は、前記放熱器出口と前記減圧器入口の間の冷媒を、前記蒸発器出口と前記圧縮機入口の間の冷媒により冷却するように構成されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記内部熱交換器は、前記放熱器出口と前記減圧器入口の間の冷媒を、前記放熱器を出た冷媒の一部を分岐し、副減圧器により減圧した冷媒により冷却するように構成されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
- 冷媒として高圧側で超臨界状態となりうる冷媒を用い、少なくとも圧縮機、放熱器、内部熱交換器、減圧器、蒸発器を備え、冷媒量調節手段を備えていない冷凍サイクル装置において、前記圧縮機から前記放熱器までの冷媒温度に基づいて前記減圧器の開度を調整することを特徴とする冷凍サイクル装置の制御方法。
- 冷媒として高圧側で超臨界状態となりうる冷媒を用い、少なくとも圧縮機、放熱器、内部熱交換器、減圧器、蒸発器を備え、冷媒量調節手段を備えていない冷凍サイクル装置において、前記圧縮機から前記放熱器までの冷媒温度と、前記圧縮機入口あるいは前記蒸発器出口での冷媒過熱度とのいずれかの値を選択し、前記選択した値に基づいて前記減圧器の開度を調整することを特徴とする冷凍サイクル装置の制御方法。
- 前記蒸発器で前記冷媒と熱交換する流体温度に応じて、前記冷媒温度と前記冷媒過熱度とのいずれかを選択することを特徴とする請求項８に記載の冷凍サイクル装置の制御方法。
- 前記放熱器で前記冷媒と熱交換する流体温度に応じて、前記冷媒温度と前記冷媒過熱度とのいずれかを選択することを特徴とする請求項８に記載の冷凍サイクル装置の制御方法。
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