JP2007187407A - 冷凍サイクル装置及び冷凍サイクル装置の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 外気温度及び給水温度等の運転状況に左右されることなく、装置の限界範囲内の圧縮機吐出圧力及び吐出温度で運転できる信頼性の高い冷凍サイクル装置及び冷凍サイクル装置の運転方法を得る。
【解決手段】 主冷媒回路６０における放熱器２と膨張弁３の間の配管と、蒸発器４と圧縮機１の間の配管とを、高圧側減圧手段３ｂ、冷媒貯留容器５、低圧側減圧手段３ｃ、３ｄ及び開閉弁６ａを介して接続して高圧圧力制御回路７とする。減圧手段の圧力損失は３ｃ＞３ｂ＞３ｃ＋３ｄとし、高圧圧力制御回路７には常に冷媒を流通させると共に、通常運転では３ｂ＞３ｃ＋３ｄとして冷媒貯留容器５に臨界圧力以下の冷媒を流通させる。吐出圧力または吐出温度が許容値より大きい場合は３ｃ＞３ｂとして冷媒貯留容器５内に臨界圧力以上の冷媒を流通させ、主冷媒回路６０を循環する冷媒量を減少して吐出圧力及び吐出温度を低減する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、高圧側で臨界圧力以上となる冷媒を用い、冷熱または温熱を利用する冷凍サイクル装置及び冷凍サイクル装置の運転方法に関するものである。

従来の冷凍サイクル装置として、蒸気圧縮サイクルの高サイドにおいては超臨界圧力で運転される一体的閉回路を形成するように、直列連結された圧縮機、冷却装置、絞り手段及び蒸発器を備えた超臨界蒸気圧縮サイクルの運転方法において、前記閉回路に配設された緩衝用冷媒レシーバの液体残量を変更することによって、前記閉回路の高サイド内の冷媒充填量を変動させてその高サイドの圧力を調整し、前記蒸気圧縮サイクルの所定の冷却能力をもたらすことを特徴とするものがあった（例えば、特許文献１参照）。
特に、閉回路の高サイドにおける冷媒充填量の変動を、弁を備える管路により閉回路の高サイド及び低サイドに連結される貯蔵手段に対する冷媒の充填量又はそこからの除去量を継続的に調整すると共に、貯蔵手段における圧力を高サイド圧力及び低サイド圧力の中間値に保持することにより達成している。

また、二酸化炭素を冷媒として用い、圧縮機、ガス冷却器、膨張弁、及び蒸発器を備えてこの順に配管によって接続して冷凍回路を構成し、前記冷凍回路に設けられたバイパス回路と、バイパス回路中に設けられ、冷媒を一時貯蔵又は一時通過させる一時貯蔵通過部材とを備え、貯蔵通過部材前後に設けた弁の操作によって、冷媒通過冷媒流量または貯蔵冷媒量を変化させ、冷凍回路内を循環する冷媒量を調整するものもあった（例えば、特許文献２参照）。

特公平７−１８６０２号公報（第１頁、第５頁、第４図） 特開２００１−１４１３１６号公報（第３頁〜第５頁、図１、図６）

しかしながら、特許文献１に見られる冷媒量制御は、貯蔵手段内の冷媒圧力を中間圧力に保持し、貯蔵手段内の液体残量を調整して高圧圧力を制御するものであり、臨界圧力以上の冷媒を貯留する場合の、外気温度および出湯温度に応じた圧縮機出口圧力（吐出圧力）、圧縮機出口温度（吐出温度）の制御については論じられていない。このため、外気温度や出湯温度などの運転状況によっては吐出圧力や吐出温度が装置本体の許容範囲よりも高くなりすぎて、信頼性が低下するという問題点があった。

また、特許文献２における冷媒量制御は、弁の開閉制御によって冷媒貯蔵通過部材内の冷媒量を変化させて高圧圧力を制御するものであるが、冷媒貯蔵部材内に冷媒を溜め込むことにより液封が発生し易く、冷媒貯蔵部材内の圧力が上がってしまうなど、信頼性が低下するという問題があった。
また、特許文献１と同様、上記のような従来の冷凍サイクル装置で、例えば凝縮器で給水に温熱と熱交換し蒸発器で外気と熱交換するような給湯装置を構成した場合、外気温度及び給水温度等の運転状況によっては、圧縮機吐出圧力や吐出温度が冷凍サイクル装置の運転限界を超える可能性もあった。

このように従来装置では、運転効率（ＣＯＰ）が最大となる冷媒量で運転するためにレシーバ内の冷媒量や冷媒貯蔵部材内の冷媒量を調整して余剰冷媒を処理しているのであるが、例えば蒸発器が熱交換する媒体の温度が低い場合、冷媒循環量が少なくなってしまう。この状態で運転すると、吐出圧力や吐出温度が上がりすぎてしまうという問題点があった。

この発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、凝縮器及び蒸発器と熱交換する媒体等の運転状況に左右されることなく、圧縮機吐出圧力及び吐出温度が運転限界範囲を超えることなく運転でき、さらに液封が生じることのない信頼性の高い冷凍サイクル装置及び冷凍サイクル装置の運転方法を得るものである。

この発明に係る冷凍サイクル装置は、圧縮機、放熱器、主回路減圧手段、蒸発器を順次配管で環状に接続して成る主冷媒回路と、前記放熱器と前記主回路減圧手段の間の高圧側配管と、前記蒸発器と前記圧縮機との間の低圧側配管とを冷媒貯留容器を介して接続する高圧圧力制御回路と、前記冷媒貯留容器と前記高圧側配管の間に設けた高圧側減圧手段と、前記冷媒貯留容器と前記低圧側配管の間に設けた低圧側減圧手段と、を備え、前記高圧側減圧手段の減圧量Ｍと前記低圧側減圧手段の減圧量Ｎの大きさを、Ｍ＞ＮとＭ＜Ｎに切り替え可能とすると共に、前記高圧圧力制御回路には常時冷媒を通過させて運転することを特徴とするものである。
また、この発明に係る冷凍サイクル装置の運転方法は、圧縮機、放熱器、主回路減圧手段、蒸発器を順次配管で環状に接続し冷媒を循環させる主冷媒回路を構成する冷凍サイクル装置であって、前記圧縮機の吐出温度または吐出圧力を検知する検知ステップと、前記圧縮機の吐出温度または吐出圧力と装置本体の許容値と比較する比較ステップと、前記吐出圧力または前記吐出温度が許容値よりも大きいときに前記主冷媒回路を流れる臨界圧力以上の冷媒の一部を冷媒貯留容器に流通させて前記主冷媒回路を循環する冷媒量を減少させる冷媒量制御ステップと、を備えたことを特徴とするものである。

この発明は、高圧圧力制御回路により、圧縮機の吐出圧力を所定の値以下となるように制御し、外気温度及び被加熱流体入口温度などの運転状況によらず、吐出圧力が冷凍サイクル装置の限界値を超えないように運転できるという効果がある。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１による冷凍サイクル装置として、ヒートポンプ給湯機について説明する。
図１は、この実施の形態に係わるヒートポンプ給湯機を示す回路構成図である。ヒートポンプ給湯機の冷凍サイクルを構成するヒートポンプ回路６１は、インバータによって運転周波数を変化させることにより容量制御が可能な圧縮機１、利用側熱交換器である放熱器２、第一減圧装置である主回路減圧手段で例えば膨張弁３ａ、熱源側熱交換器である蒸発器４を順次配管で環状に接続して成る主冷媒回路６０、及び点線で囲んで示した高圧圧力制御回路７を有する。高圧圧力制御回路７は、主冷媒回路６０を構成する放熱器２と膨張弁３ａとの間の高圧側配管と、蒸発器４と圧縮機１との間の低圧側配管とを冷媒貯留容器５を介して接続している。さらに、高圧圧力制御回路７は、高圧側配管と冷媒貯留容器５の間に高圧側減圧手段として、第二減圧装置である減圧手段で例えばキャピラリ３ｂを有し、冷媒貯留容器５と低圧側配管の間に低圧側減圧手段として、第三減圧装置である減圧手段で例えばキャピラリ３ｃ、キャピラリ３ｃと第一開閉弁である開閉手段６ａを介して並列に配置される第四減圧装置である減圧手段で例えばキャピラリ３ｄを有する。開閉手段例えば開閉弁６ａは、キャピラリ３ｄを高圧圧力制御回路７に接続または非接続の切り替えを可能とする。それぞれのキャピラリは、３ｃ＞３ｂ＞３ｃ＋３ｄの順で圧力損失が大きくなるものを用いる。これは、例えばキャピラリ内径が同じ場合キャピラリ長さが長いほど圧力損失が大きいので、キャピラリ３ｂ、３ｃ、３ｄの長さを変化させることで設定することができる。

ヒートポンプ給湯機の給水回路６２では、貯湯タンク５２内または水道水からの水をポンプ５１で汲み上げ、放熱器２の温熱と熱交換させる。給水回路６２によって、例えば給水温度１７℃程度の冷水を、使用者によって設定される出湯温度、例えば６５℃程度の温水に昇温する。

ヒートポンプ回路６１には第一圧力検出手段である圧縮機出口圧力センサ１１ａが圧縮機１の出口側に、第二圧力検出手段である圧縮機入口圧力センサ１１ｂが圧縮機１の吸入側に設けられており、設置場所の圧力を測定する。また、第一温度検出手段である圧縮機出口温度センサ１２ａが圧縮機１の出口側に、第二温度検出手段である蒸発器出口温度センサ１２ｂが蒸発器４の出口側に、第三温度検出手段である出湯温度センサ１２ｃが放熱器２の給水回路側出口に設けられており、設置場所の温度を測定する。

また、ヒートポンプ給湯機には、例えばマイクロコンピュータで構成された計測制御装置２２が設けられており、圧力センサや温度センサなどで計測した計測情報や、ヒートポンプ給湯機使用者から指示される運転内容に基づいて、圧縮機１の容量制御、開閉弁６ａの開閉、膨張弁３ａの開度などを制御する。

次に、このヒートポンプ給湯機の動作について説明する。ヒートポンプ回路６１には冷媒として例えばＣＯ２を循環させる。ＣＯ２の臨界温度は３１℃、臨界圧力は７．１８ＭＰａであり、圧縮機１の出口から膨張弁３ａの入口までは高圧値で臨界圧力より高い圧力で運転し、膨張弁３ａの出口から圧縮機１の入口までは低圧値となり、高圧値よりも低い圧力で運転する。
まず、通常の給湯運転について説明する。圧縮機１により吸引され、臨界圧力以上に昇圧された高温高圧冷媒は、放熱器２へ流入する。放熱器２では、高温の冷媒と、水道水または貯湯タンク５２からポンプ５１により給水される低温の水との熱交換が行われ、放熱器２から流出する水は高温となり、冷媒は低温となる。なお、放熱器２では冷媒と水の流れが対向流となるように構成されている。放熱器２から流出する低温の冷媒は、電気的に開度を制御される膨張弁３ａによって減圧される。減圧された低圧冷媒は、蒸発器４で外気の熱によって蒸発気化される。この後、低圧冷媒は再び圧縮機１へ吸引される。

通常運転では、高圧圧力制御回路７の開閉弁６ａは開に設定され、常時少量の冷媒が分岐点Ａから分岐点Ｂに流れ、その間の冷媒が冷媒貯留容器５を通過する。ただし、キャピラリ３ｂ、３ｃ、３ｄの圧力損失は３ｃ＞３ｂ＞３ｃ＋３ｄであるように構成しているので、開閉弁６ａを開とすることで、冷媒貯留容器５の高圧側に配置されるキャピラリ３ｂでの圧力損失が、低圧側に配置されるキャピラリ３ｃと３ｄでの圧力損失よりも大きくなる。このため、冷媒貯留容器５内は、蒸発器４と圧縮機１との間の配管を流れる冷媒状態に近くなり、低温側の臨界圧力以下の冷媒が通過することになる。
高圧圧力制御回路７には通常運転、吐出圧力抑制制御運転、吐出温度抑制制御運転など、この実施の形態で後述する運転モードに関係なく、常に冷媒が冷媒貯留容器５に流通するように構成している。冷媒貯留容器５の前後で常に密閉されることがないので、液封の発生を防止でき、信頼性の高い冷凍サイクル装置が得られる。また、高圧圧力制御回路７の全体を開閉する制御が必要なく安定して冷媒を循環させることができる。さらに常に高圧圧力制御回路７に冷媒を流通させることで、圧縮機１の吐出圧力が上昇しにくい構成となり、信頼性を高めることができる。

次に、給湯運転において、計測制御装置２２で行う出湯温度制御について図２に示すフローチャート図に基づいて説明する。出湯温度センサ１２ｃで出湯温度を検知し（Ｓ１０１）、検知した出湯温度と出湯温度の目標値との関係を判断する（Ｓ１０２）。この出湯温度の目標値は予めシステムの使用状況や使用者などによって例えば６５℃程度に設定されているものである。検知した出湯温度が目標値よりも大きい場合は、圧縮機１の運転周波数を減少させる（Ｓ１０３ａ）ことで、放熱器２の熱交換量が低下するため出湯温度が低下する。一方、検知した出湯温度が目標値よりも低い場合は、圧縮機１の運転周波数を増加させる（Ｓ１０３ｂ）ことで、放熱器２の熱交換量が増加するため出湯温度が上昇する。上記制御を繰り返すことにより、出湯温度を目標値と一致させることができる。

次に、給湯運転において、計測制御装置２２が行う蒸発器出口過熱度制御について図３に示すフローチャート図に基づいて説明する。圧縮機入口圧力センサ１１ｂで圧縮機入口圧力を、蒸発器出口温度センサ１２ｂで蒸発器出口温度を検知する（Ｓ１１１）。圧縮機入口圧力から飽和温度を算出して（Ｓ１１２）、蒸発器出口過熱度を算出する（Ｓ１１３）。そして、算出した蒸発器出口過熱度と蒸発器出口過熱度の目標値との関係を判断する（Ｓ１１４）。この蒸発器出口過熱度の目標値は、例えば５℃程度に予め設定しておく。算出した蒸発器出口過熱度が目標値よりも大きい場合は、膨張弁３ａの開度を大きくして過熱度を低下させる（Ｓ１１５ａ）。Ｓ１１４の判断で、算出した蒸発器出口過熱度が目標値よりも小さい場合は、膨張弁３ａの開度を小さくして過熱度を増加させる（Ｓ１１５ｂ）。上記制御を繰り返すことにより、蒸発器出口過熱度を目標値と一致させることができる。
蒸発器出口過熱度を目標値と一致させることで、圧縮機１に吸入される冷媒状態をガス冷媒状態にできる。通常運転で圧縮機１にガス冷媒状態で冷媒を吸入させると、圧縮機１内の潤滑油として存在する圧縮機油の機能を損なうことがなく、良好な状態で運転することができる。

前記蒸発器出口過熱度制御では、Ｓ１１２で圧縮機入口圧力から飽和温度を算出しているが、蒸発器入口部に第四温度検出手段として蒸発器入口温度センサを設け、この温度センサで検知した蒸発器入口温度を飽和温度とし、蒸発器出口過熱度を算出してもよい。

圧縮機１の回転周波数による出湯温度制御、及び膨張弁３ａの開度による蒸発器出口過熱度制御は、出湯温度及び蒸発器過熱度の目標値が設定されれば、給湯運転では通常行われる制御である。例えばこの冷凍システム装置を給水温度１７℃程度、外気温度１６℃程度の状況で運転することを定格運転とし、この状況で通常運転した時の冷凍サイクルを圧力―エンタルピー線図（Ｐ−ｈ線図）に示すと、図４の実線Ｃ２０３のようになる。図４は横軸に比エンタルピーｈ（ｋＪ/ｋｇ）、縦軸に圧力Ｐ（ＭＰａ）を示すグラフである。図において、Ｌ２０１は冷凍サイクル装置の圧縮機出口圧力の限界値、Ｌ２０２は圧縮機出口温度の限界値を示す。例えばＬ２０１は１２ＭＰａ程度、Ｌ２０２は１２０℃程度である。Ｃ２０３で、ａは圧縮機入口部の冷媒状態、ｂは圧縮機出口部の冷媒状態、ｃは放熱器出口部の冷媒状態、ｄは蒸発器入口部の冷媒状態に対応する。通常運転では、圧縮機出口圧力が限界値Ｌ２０１を超えたり、圧縮機出口温度が限界値Ｌ２０２を超えることはないように冷凍サイクル装置が設計されている。

しかし、例えば外気温度がー１５℃程度とか給水温度が６０℃程度の状況で上記のような制御方法で運転していると、圧縮機出口圧力が限界値Ｌ２０１を超えたり、圧縮機出口温度が限界値Ｌ２０２を超えるような冷凍サイクルになってしまうことがある。例えば低外気低給水温度条件で運転すると冷凍サイクルは図４のＣ２０４になり、高外気高給水温度条件で運転するとＣ２０５のようになる。
どちらの場合も通常運転（Ｃ２０３）に対して圧縮機出口圧力及び圧縮機出口温度は上昇し、特に循環冷媒量が一定の場合、圧縮機出口圧力限界値（Ｌ２０１）及び圧縮機出口温度限界値（Ｌ２０２）以上となる可能性がある。そこで、圧縮機出口圧力及び圧縮機出口温度が限界値（Ｌ２０１、Ｌ２０２）を超えないように運転するための対策が必要となる。

以下、外気温度が低温になった場合について、さらに詳しく説明する。外気温度が例えばー１５℃程度の低温になった場合、図５の一点差線で示すような冷凍サイクルになる。即ち、低圧側の圧力が低下して圧縮機１の入口側の冷媒密度が下がる。これに対応して同様の能力を得ようとすると、圧縮機１の回転数を増加するように制御される。このため、圧縮機１によって高圧側へ冷媒が運ばれて高圧側の圧力が例えば１２ＭＰａ以上に上昇する。図５中、点線は通常運転における冷凍サイクルを示し、吐出圧力は例えば９．６ＭＰａ程度であり、吐出温度と共に正常な状態で運転している。
高圧側の圧力が上昇して図５の一点差線で示す冷凍サイクルになってしまうと、圧縮機出口圧力が限界値Ｌ２０１を超えることになる。これに対して、この実施の形態では、高圧圧力制御回路７を設け、通常運転時よりも多量の冷媒を冷媒貯留容器５に流通させて放熱器２内の冷媒量を減らすことで高圧側の圧力上昇を抑制する。

ここでは圧縮機出口圧力（以下、吐出圧力とも記す）が限界値を超えないような運転方法（吐出圧力抑制制御）について、図６に示す吐出圧力抑制制御のフローチャート図に基づいて説明する。これは、計測制御装置２２で行われ、吐出圧力が許容値以下のときの通常運転に対し、吐出圧力抑制制御運転と称する。まず、圧縮機出口圧力センサ１１ａで圧縮機出口圧力を検知する（Ｓ１２１）。計測制御装置２２では、検知した圧縮機出口圧力と出口圧力の設定許容値との関係を判断する（Ｓ１２２）。出口圧力の設定許容値は、冷凍システムの圧縮機出口圧力限界値（Ｌ２０１）を考慮して予め設定される。例えば冷凍サイクル装置の設計圧力１２ＭＰａ程度の場合、設定許容値として少し余裕を持って１１．５ＭＰａ程度の値を設定しておく。Ｓ１２２の判断で、検知した圧縮機出口圧力が設定許容値より大きい場合は、開閉弁６ａを閉じる（Ｓ１２３）。ここで、キャピラリの３ｂ、３ｃ、３ｄの圧力損失は３ｃ＞３ｂ＞３ｃ＋３ｄに設定しており、開閉弁６ａを閉としてキャピラリ３ｄを高圧圧力制御回路７に非接続とすることで、冷媒貯留容器５の高圧側に配置されるキャピラリ３ｂでの圧力損失が、低圧側に配置されるキャピラリ３ｃの圧力損失よりも小さくなる。このため、冷媒貯留容器５内は、放熱器２と膨張弁３ａとの間の配管を流れる冷媒状態に近くなり、高圧側の臨界圧力以上のガス冷媒が通過する。

冷媒貯留容器５内の冷媒が、開閉弁６ａを閉じる操作より前の圧力よりも高くなることによる冷媒密度の増加に伴い、通常運転時よりも冷媒貯留容器５内の冷媒量が増加する。例えば通常運転では高圧側減圧手段３ｂの減圧量Ｍ＞低圧側減圧手段３ｃ、３ｄの減圧量Ｎであり、図５の冷媒状態Ｐ１付近の５．５ＭＰａ程度の圧力の冷媒が冷媒貯留容器５内に流通して一時貯留される。これに対し、開閉弁６ａを閉じることで、低圧側減圧手段の減圧量が変化して高圧側減圧手段３ｂの減圧量Ｍ＜低圧側減圧手段３ｃの減圧量Ｎとなり、図５の冷媒状態Ｐ２付近の１０．５ＭＰａ程度の圧力の冷媒が冷媒貯留容器５内に流通して一時貯留される。この結果、冷媒貯留容器５内の冷媒量が通常運転時よりも１０％程度増加する。これにつれて、ヒートポンプ回路６１で高圧圧力制御回路７を除く主冷媒回路６０を循環する冷媒量が減少し、吐出圧力が低下する。吐出圧力を下げることで、冷凍サイクルの高圧側の圧力値は低減され、図５に示すＰ−ｈ線図上では、実線で示すように状態変化するようになり、吐出圧力を限界値以下、例えば１１．５ＭＰａ程度にすることができる。この時、吐出温度も若干低減される。

図６のように制御することで、高圧側減圧手段３ｂの減圧量Ｍと前記低圧側減圧手段３ｃ、３ｄの減圧量Ｎの大きさを、Ｍ＞ＮとＭ＜Ｎに切り替え可能とし、通常運転ではＭ＞Ｎ、吐出圧力が許容値よりも上昇したときにはＭ＜Ｎとすることで、高圧側の冷媒量を低減して吐出圧力を許容値以下で運転することができるる効果がある。
ここでは、高圧側減圧手段をキャピラリ３ｂ、低圧側減圧手段をキャピラリ３ｃ、３ｄで構成し、減圧量をＭ＞Ｎとする場合には３ｂ＞３ｃ＋３ｄとなるようにキャピラリを接続し、減圧量をＭ＜Ｎとする場合には３ｂ＜３ｃとなるようにキャピラリを接続するように構成することで、実現している。

また、図７では圧縮機出口圧力が限界値Ｌ２０１を超えると共に、圧縮機出口温度（以下、吐出温度とも記す）が限界値Ｌ２０２を超える場合を示している。このようなときには、図６と同様の制御を行うことで、前述のように圧縮機出口圧力を低減すると共に圧縮機出口温度を低減することができる。また、圧縮機出口温度が冷凍サイクル装置の温度限界値を超えてしまうことが、圧縮機出口圧力が温度限界値を超えてしまうことよりも重要視される場合には、圧縮機出口温度に着目して制御を行ってもよい。図６と同様の制御であるが、その制御フローチャート図を図８に示す。冷凍サイクル装置の吐出温度限界値が１２０℃程度の場合、余裕を持って圧縮機出口温度許容値として１１０℃程度を予め設定しておく。図８において、Ｓ１３１で圧縮機出口温度センサ１２ａで圧縮機出口温度を検知し、検知した圧縮機出口温度が圧縮機出口温度許容値よりも大きいかどうか判断する（Ｓ１３２）。そして、出口温度が圧縮機出口温度許容値よりも大きい場合に、Ｓ１３３で弁６ａを閉じる。これにより、冷媒貯留容器５の高圧側に接続するキャピラリ３ｂの圧力損失が低圧側に接続するキャピラリ３ｃの圧力損失よりも小さくなり、冷媒貯留容器５内には臨界圧力以上の冷媒が流通する。一方、検出した温度が圧縮機出口温度許容値以下の場合には、弁６ａを開のままとすることで、冷媒貯留容器５には臨界圧力よりも小さい圧力の冷媒が流通する。即ち、冷媒貯留容器５に流通する冷媒の密度を可変として、圧縮機出口温度が上昇したときに高圧圧力制御回路７を除く冷凍サイクルの主回路６０を循環する冷媒量を通常運転時よりも減少させることで、吐出温度が低減される。上記制御により吐出温度を設定許容値以下とすることができ、信頼性を向上できる。

また、圧縮機出口圧力は限界値以下でも出口温度が上昇する場合もある。例えば、吸入過熱度が高かったり、出湯温度が高く設定しなおされたりする場合になどに起こりやすい。この場合には、低圧側の圧力が低下することによって、冷媒状態ａ１から冷媒状態ｂ１への変化において、等エントロピー線の傾斜が緩やかになって寝てくると同時に、ＣＯ２の等温線がＬ２０２のように右下がりになっているので、圧縮機出口温度が上がりやすくなる。このように等エントロピー線が寝ることによって吐出温度がＬ２０２の限界値を超えるような場合には、図８のＳ１３１、Ｓ１３２で圧縮機出口温度＞許容値であることを検知した後に、圧縮機１の吸入部における冷媒の乾き度を低減する、即ち冷媒状態を湿らせると、図５の実線Ｘ１から実線Ｘ２のように状態変化し、吐出温度を許容値以下に低減できる。

吐出温度を低くするために圧縮機１の吸入部における冷媒の状態を湿らせるには、ヒートポンプ回路６１を循環する冷媒の一部を圧縮機１の吸入側に流入させる冷媒流入手段を備えればよい。冷媒流入手段としては、具体的には例えば膨張弁３ａの開度を若干大きくして蒸発器出口過熱度を低下させたり、また放熱器２から流出する冷媒を減圧して液冷媒または気液二相冷媒として蒸発器４の出口部に流入させるバイパス回路を設け、蒸発器４の出口を湿らせるように構成してもよい。この蒸発器出口部を出口側とするバイパス回路の入口側は、放熱器２の出口部から蒸発器４の入口部までのどこに接続してもよい。

また、図４のＣ２０５のような冷凍サイクルになった場合、例えば給水温度が高温、例えば６０℃程度の高温になった場合、図９の一点差線で示すような冷凍サイクルになる。即ち、蒸発器４内の乾き度が低下して蒸発器４内の冷媒量が減少する。このため、蒸発器４内に溜まれなくなった冷媒は放熱器２に溜まろうとする。放熱器２内の冷媒量が増加するので、高圧側の圧力が上昇する。
高圧側の圧力が上昇して図９の一点差線で示す冷凍サイクルになってしまうと、圧縮機出口圧力及び圧縮機出口温度が限界値Ｌ２０１、Ｌ２０２を超えることになる。これに対して、この実施の形態では、高圧圧力制御回路７を設け、通常運転よりも多量の冷媒を冷媒貯留容器５に通過させることで、放熱器２に溜まろうとする冷媒量を減らして高圧側の圧力上昇を抑制する。

このときの圧縮機出口圧力が限界値を超えないような運転方法、即ち吐出圧力抑制制御運転は図６に示したフローチャート図と同様である。冷媒貯留容器５内に冷媒状態Ｐ３付近の高圧値よりも少し減圧された冷媒を流通させる。この冷媒状態Ｐ３付近の臨界圧力以上の冷媒を流通させて冷媒貯留容器５内の冷媒密度を高くすると、通常運転時よりも冷媒貯留容器５内の冷媒量が増加する。従って、主冷媒回路６０を循環する冷媒量が減少する。主冷媒回路６０を循環する冷媒量を減少させることで、冷凍サイクルの高圧側の圧力値は低減され、図９に示すＰ−ｈ線上では、実線で示すような状態変化となる。上記制御により吐出圧力を設定許容値以下とすることができ、信頼性を向上できる。
また、この場合にも吐出温度に着目して制御する場合には、図８に示した吐出温度抑制制御を行えばよい。

高圧圧力制御回路７の他の構成例として、図１０に示すように、キャピラリ３ｂを低圧側、３ｃ、３ｄを高圧側にしてもよい。この場合もキャピラリ３ｄは開閉弁６ａを開閉することで高圧圧力制御回路７へ接続／非接続で可変とする。キャピラリによる圧力損失が３ｃ＞３ｂ＞３ｃ＋３ｄとなるようにキャピラリを選定し、冷媒貯留容器５内に低圧冷媒を流通させる場合は開閉弁６ａを閉、臨界圧力以上とする場合は開とすることで、図１の場合と同様の効果が得られる。即ち、図１０のような構成で通常運転では開閉弁６ａを閉として運転する。そして、圧縮機出口圧力または圧縮機出口温度が許容値よりも大きくなった場合に、図６、図８で示したフローチャート図のＳ１２３またはＳ１３３で、開閉弁６ａを開とすれば、臨界圧力以上の冷媒が冷媒貯留容器５に流通する。

図１や図１０のように冷媒回路を構成し、図６または図８のように冷媒貯留容器５に流通させる冷媒の圧力を制御することで冷媒貯留容器５に流通する冷媒密度を可変にでき、外気温度及び被加熱流体入口温度などの運転状況によらず、吐出圧力や吐出温度が冷凍サイクル装置の限界値を超えないように運転できる。

特に、この実施の形態では、冷媒貯留容器５に流通させる冷媒の密度を変化させて主冷媒回路を循環する冷媒量を変化させるという簡単な構成で、吐出圧力及び吐出温度が限界値を超えることを防止している。
ここで、冷媒貯留容器５の容量は、定格の冷媒量即ち通常運転でＣＯＰ最大となる冷媒量と、低外気温度、例えば外気温度がー１５℃の時に必要である最小の冷媒量を計算し、その差の冷媒量が冷媒貯留容器５に流通して一時的に停留できるように設定すればよい。

冷媒貯留容器５の高圧側と低圧側に接続する減圧手段の圧力損失に関しては以下の通りである。
図１、図１０の構成のように、通常運転では高圧側の圧力損失＞低圧側の圧力損失となり、吐出圧力または吐出温度の抑制制御運転では高圧側の圧力損失＜低圧側の圧力損失となるように構成可能ならば、どのようなものを用いてもよい。

例えば、減圧手段３ｂ、３ｃのどちらか少なくとも一つを、電子式膨張弁のような開度の変更が可能な弁とすることで、冷媒貯留容器５内の圧力を所望の値になるように細かく制御することができるため、高信頼性に加えてＣＯＰが最大となる最適吐出圧力で給湯運転を行うことができる。 この場合には、キャピラリ３ｄ、開閉弁６ａは不必要となる。例えば高圧側減圧手段３ｂを電子式膨張弁で構成し、低圧側減圧手段３ｃをキャピラリで構成した場合、通常運転では電子式膨張弁３ｂの圧力損失＞キャピラリ３ｃの圧力損失になるように電子式膨張弁３ｂの開度を設定し、検知した圧縮機出口圧力が限界値よりも高くなった、または検知した圧縮機出口温度が限界値よりも高くなった場合、電子式膨張弁３ｂの圧力損失＜キャピラリ３ｃの圧力損失になるように電子式膨張弁３ｂの開度を設定すればよい。また、減圧手段３ｂ、３ｃのどちらも開度調節が可能な電子式膨張弁を用いると、さらに細かく制御することができる。
また、高圧側減圧手段や低圧側減圧手段としてキャピラリを使う場合、キャピラリ３ｃやキャピラリ３ｂにさらにキャピラリ３ｄと同様に並列にキャピラリを設け、高圧側及び低圧側減圧手段の減圧量を段階的に複数段で設定すれば、冷媒貯留容器５を流通させる冷媒密度を複数段階で制御することができる。

なお、図１の構成では、高圧側減圧手段３ｂと低圧側減圧手段３ｃ＋３ｄの圧力損失の差が大きほど低圧側の冷媒により近い状態の冷媒を冷媒貯留容器５に流すことができ、高圧側減圧手段３ｂと低圧側減圧手段３ｃの圧力損失の差が大きいほど高圧側の冷媒により近い状態の冷媒を冷媒貯留容器５に流すことができる。このように冷媒貯留容器５の高圧側と低圧側で圧力損失の差を大きくつけると、冷媒貯留容器５に流通して一時的に停留する冷媒の密度差が大きくなり、吐出圧力及び吐出温度の制御幅を広く設定することができる。これを考慮して減圧手段３ｂ、３ｃ、３ｄの圧力損失を設定すればよい。
なお、図６、図８による制御で、開閉弁６ａを操作して圧縮機出口圧力上昇または圧縮機出口温度上昇を抑制した後、例えば圧縮機回転数、圧縮機出口圧力、圧縮機出口温度、外気温度、給水温度などを検知することなどによって運転状況が通常運転に戻ったことを検知した時点で、再び開閉弁６ａを操作して通常運転の構成に戻せばよい。

また、図１１に示す回路構成では、図１に示した構成に加えて、蒸発器４の出口部と、高圧圧力制御回路７と主冷媒回路の合流部Ｂと、の間に液冷媒を貯留する冷媒緩衝容器１０を設けたものである。この冷媒緩衝容器１０は、例えば循環するガス冷媒または気液二相冷媒冷媒を容器１０の重力方向で下方へ流入し、上方からガス冷媒を流出するように構成する。即ち、圧縮機１の入口部にはガス冷媒が流入するように機能する。圧縮機１内に液冷媒が流入すると、圧縮機１内の潤滑油を希釈することで機械的な動作に支障をきたすなどの不具合が生じるが、冷媒緩衝容器１０を設けることで、圧縮機１にはガス冷媒のみが戻ることになる。このため、信頼性の高い冷凍サイクル装置が得られる。

なお、このような冷媒緩衝容器１０は、蒸発器４の出口部から圧縮機１入口部までの間の配管のどこに設けてもよい。

以上述べたように、ヒートポンプ回路６１に高圧圧力制御回路７を設け吐出圧力抑制制御または吐出温度抑制制御を行うことで、外気温度や給水温度に左右されることなく、出湯温度や蒸発器出口過熱度を所望の値とする給湯運転を行い、吐出圧力または吐出温度が冷凍サイクル装置の限界値を超えることなく信頼性の高い冷凍サイクル装置が得られる。
その構成としては、圧縮機１、放熱器２、主回路減圧手段３ａ、蒸発器４を順次配管で環状に接続して成る主冷媒回路６０と、放熱器２と減圧手段３ａの間の高圧側配管と、蒸発器４と圧縮機１との間の低圧側配管とを冷媒貯留容器５を介して接続する高圧圧力制御回路７と、冷媒貯留容器５と高圧側配管の間に設けた高圧側減圧手段（図１の場合には３ｂ、図１０の場合には３ｃと３ｄ）と、冷媒貯留容器５と低圧側配管の間に設けた低圧側減圧手段（図１の場合には３ｃと３ｄ、図１０の場合には３ｂ）と、を備え、高圧側減圧手段の減圧量Ｍと低圧側減圧手段の減圧量Ｎの大きさを、Ｍ＞ＮとＭ＜Ｎに切り替え可能とすると共に、高圧圧力制御回路５には常時冷媒を流通させて運転することにより、吐出圧力または吐出温度を許容値以下に制御できる構成が得られる。さらに運転中には常に高圧圧力制御回路７の冷媒貯留容器５には高圧側から低圧側に常時冷媒が少量流れるように構成することで、冷媒貯留容器５の前後で常に密閉されずに液封が発生することなく、信頼性の高い冷凍サイクル装置が得られる。

また、圧縮機１出口から減圧手段３ａ入口までの高圧値を臨界圧力より高い圧力とし、減圧手段３ａ出口から圧縮機１入口までの低圧値を高圧値よりも低い圧力とし、高圧値が予め設定した許容値よりも大きくなった場合に、高圧側減圧手段の減圧量Ｍと低圧側減圧手段の減圧量Ｎの大きさを、Ｍ＜Ｎに切り替えて冷媒貯留容器に臨界圧力以上の冷媒を流通させるようにしたことにより、吐出圧力または吐出温度を許容値以下で運転することができ、信頼性を向上できる。

また、高圧側減圧手段（図１の場合には３ｂ、図１０の場合には３ｃと３ｄ）及び低圧側減圧手段（図１の場合には３ｃと３ｄ、図１０の場合には３ｂ）の少なくともいずれか一方は、減圧手段とこの減圧手段に開閉手段６ａを介して並列に接続する別の減圧手段で構成し、開閉手段６ａの開閉によって高圧側減圧手段または低圧側減圧手段の減圧量を可変にしたことにより、簡単な構成で高圧側減圧手段と低圧側減圧手段の減圧量を切り替え可能にできる。

また、圧縮機１の出口部の圧力を検出する吐出圧力検出手段１１ａと、吐出圧力検出手段１１ａで検出した圧縮機出口圧力を入力し、圧縮機出口圧力が装置本体の限界圧力値以下である許容値より大きくなったときに、高圧側減圧装置（図１の場合には３ｂ、図１０の場合には３ｃと３ｄ）または低圧側減圧装置の減圧量（図１の場合には３ｃと３ｄ、図１０の場合には３ｂ）を変化させて冷媒貯留容器５に臨界圧力以上の冷媒を通過させるように制御する制御装置２２を備えたことにより、簡単な制御で高圧側減圧手段と低圧側減圧手段の減圧量を切り替え可能にでき、確実に吐出圧力を許容値以下で運転して信頼性を向上できる。

また、圧縮機１の出口部の温度を検出する吐出温度検出手段１２ａと、吐出温度検出手段１２ａで検出した圧縮機出口温度を入力し、圧縮機出口温度が装置本体の限界温度値以下である許容値より大きくなったときに、圧縮機の吸入部における冷媒状態の乾き度を低減するように冷凍サイクルを循環する冷媒を吸入部に流入させる冷媒流入手段と、を備えたことにより、吐出温度を許容値以下で運転して信頼性を向上できる。

また、圧縮機１の出口部の温度を検出する吐出温度検出手段１２ａと、吐出温度検出手段１２ａで検出した圧縮機出口温度を入力し、圧縮機出口温度が装置本体の限界温度値以下である許容値より大きくなったときに、高圧側減圧装置または低圧側減圧装置の減圧量を変化させて冷媒貯留容器５に臨界圧力以上の冷媒を流通させるように制御する制御装置、を備えたことにより、簡単な制御で高圧側減圧手段と低圧側減圧手段の減圧量を切り替え可能にでき、確実に吐出圧力を許容値以下で運転して信頼性を向上できる。

また、圧縮機１、放熱器２、主回路減圧手段３ａ、蒸発器４を順次配管で環状に接続し冷媒を循環させて主冷媒回路６０を構成する冷凍サイクル装置であって、圧縮機１の吐出温度または吐出圧力を検知する検知ステップ（Ｓ１２１、Ｓ１３１）と、圧縮機１の吐出温度または吐出圧力と装置本体の許容値と比較する比較ステップ（Ｓ１２２、Ｓ１３２）と、吐出圧力または吐出温度が許容値よりも大きいときに主冷媒回路６０を流れる臨界圧力以上の冷媒の一部を冷媒貯留容器５に流通させて主冷媒回路６０を循環する冷媒量を減少させる冷媒量制御ステップ（Ｓ１２３、Ｓ１３３）と、を備えたことにより、外気温度や給水温度などの運転状況に左右されることなく、吐出圧力または吐出温度が冷凍サイクル装置の限界値を超えることない信頼性の高い冷凍サイクル装置の運転方法が得られる。

以下、この発明の実施の形態１による冷凍サイクル装置として、ヒートポンプ給湯機の他の構成例について説明する。
図１２は、この実施の形態に係わるヒートポンプ給湯機を示す回路構成図である。図１と同一符号は同一、または相当部分を示し、ここでは説明を省略する。図１の構成に加え、ヒートポンプ給湯機のヒートポンプ回路６１には、膨張弁３ａと蒸発器４の間の配管と、主冷媒回路６０における蒸発器３の出口部と圧縮機１の入口部の間の配管、または高圧圧力制御回路７の低圧側減圧手段３ｃ、３ｄの下流側の配管とを、開閉弁６ｂを介して接続する低圧バイパス回路８を設け、低圧バイパス回路８内を流れる冷媒と、放熱器２出口部から高圧圧力制御回路７の分岐部Ａまでの間の配管を流れる高圧冷媒を熱交換させる熱交換部９を設けた。開閉弁６ｂは低圧バイパス回路８を主冷媒回路６０に接続／非接続を切り替えるものであり、開閉弁６ｂを開とした時に低圧バイパス回路８は主冷媒回路６０に接続され、熱交換部９はオン状態になる。また、開閉弁６ｂを閉とした時に低圧バイパス回路８を主冷媒回路６０に非接続となり、熱交換部９はオフ状態になる。キャピラリ３ｅは主冷媒回路６０から低圧バイパス回路８に流入する冷媒量を決定する減圧手段であり、このキャピラリ３ｅの減圧量即ち圧力損失は熱交換部９での熱交換量に影響する。

次に、このヒートポンプ給湯機の動作について説明する。通常の給湯運転、出湯温度制御方法（図２）、蒸発器出口過熱度制御方法（図３）は図１の構成と同様であり、ここでは省略する。以下、吐出圧力抑制制御運転について説明する。

図１３は図１２のような構成の冷凍サイクル装置において、計測制御装置２２で行う吐出圧力抑制制御運転を示すフローチャート図である。
通常運転では開閉弁６ｂを閉、開閉弁６ａを開として運転しており、冷媒貯留容器５の高圧側に配置されているキャピラリ３ｂの圧力損失が低圧側に配置されているキャピラリ３ｃ、３ｄの圧力損失よりも大きい。このため、わずかの冷媒が高圧側から冷媒貯留容器５を通過して低圧側に流れると共に、冷媒貯留容器５内には低圧側の冷媒状態に近い冷媒が流通する。
外気温度が低くなったり給水温度が高くなったりして、吐出圧力の上昇が生じた場合、計測制御装置２２は図１３に従って吐出圧力抑制制御を行う。まず、圧力センサ１１ａで圧縮機出口圧力（吐出圧力）を検知し（Ｓ１４１）、検知した圧縮機出口圧力と予め設定してある吐出圧力の許容値との関係を判断する（Ｓ１４２）。吐出圧力の許容値とは、前記と同様、冷凍サイクル装置の限界圧力以下で、ある程度余裕を持って設定してある圧力上限値である。検知した圧縮機出口圧力が許容値よりも大きい場合は、開閉弁６ａを閉じることで（Ｓ１４３）、キャピラリ３ｄを高圧圧力制御回路７と非接続にする。これによって、冷媒貯留容器５の高圧側に配置されるキャピラリ３ｂの圧力損失が低圧側に配置されるキャピラリ３ｃの圧力損失よりも小さくなり、冷媒貯留容器５内には臨界圧力以上のガス冷媒が流通する。

冷媒貯留容器５内の冷媒が臨界圧力以上となることによる冷媒密度の増加に伴い、通常運転時よりも冷媒貯留容器５内の冷媒量が増加する。このため、主冷媒回路６０を循環する冷媒量が減少し、圧縮機出口圧力、即ち吐出圧力が低下する。ここまでは図６と同様の動作である。さらにここでは再び圧縮機出口圧力を圧力センサ１１ａで検知し（Ｓ１４４）、検知した圧縮機出口圧力と吐出圧力の許容値との関係を判断する（Ｓ１４５）。検知した圧縮機出口圧力が許容値よりもまだ大きい場合は、開閉弁６ｂを開き、低圧バイパス回路８を主冷媒回路６０に接続し、膨張弁３ａの下流側の二相冷媒または液冷媒を圧縮機１の吸入側へバイパスさせる。このとき、低圧バイパス回路８に設けた熱交換部９では、放熱器２出口の高圧冷媒と低圧バイパス回路８を流れる低温低圧冷媒との熱交換が行われ、高圧冷媒は温度が若干、例えば数度程度低下する。冷媒貯留容器５内には放熱器２出口の高圧冷媒が若干温度が下がった状態で流通するため、放熱器２出口から流出したままの冷媒よりも温度低下分だけ密度が増加する。このため、冷媒貯留容器５内の冷媒量が増加し、吐出圧力が低下する。
また、熱交換部９で放熱器２から流出する高温高圧冷媒と低圧冷媒とを熱交換することで、蒸発器４に流入する冷媒の乾き度が下がり、蒸発器４内の冷媒量が多くなる。これに連れて高圧側の冷媒量が減って高圧圧力値が下がる。また、圧縮機１の吸入部の乾き度が減少することで、圧縮する際の等エントロピー線の傾斜が若干立つので、吐出温度も上がりにくくなる。
このように低圧バイパス回路８によって、図１の構成よりもさらに吐出圧力を下げることができ、確実に許容値以下とすることができる。このため、信頼性の高い冷凍サイクル装置が得られる。

ここで、キャピラリ３ｅを電子膨張弁のような減圧量の調整が可能な弁とすることで、開閉弁６ｂを設ける必要がなく、熱交換部９での熱交換量を制御できる。熱交換部９の熱交換量を制御して圧縮機入口部の乾き度を制御すれば、図７において圧縮機入口部ａ１の冷媒状態を向かって左にシフトし、直線Ｘ２のように等エントロピー線の傾斜を若干立つようにできるので、吐出温度の上昇も抑制することができる。

また、低圧バイパス回路８の入口部を膨張弁３ａの入口側で、高圧圧力制御回路７への分岐点Ａよりも下流側に設けてもよい。膨張弁３ａの入口部の高温高圧冷媒の一部を低圧バイパス回路８に流入させて、減圧手段３ｅで減圧した後、熱交換部９で圧縮機１から流出した高温高圧冷媒と熱交換するように構成しても、上記と同様の効果を奏する。

上記では図６に示した吐出圧力抑制制御運転を基にしてさらにＳ１４４〜Ｓ１４６で吐出圧力を下げるように制御しているが、吐出温度に着目した場合にさらに吐出温度を下げるように制御することもできる。即ち図８に示した吐出温度抑制制御運転を基にして、さらにＳ１４６と同様、開閉弁６ｂを開とすればよい。熱交換部９によって冷媒貯留容器５を通過する冷媒は、放熱器２出口から流出したままの冷媒よりも温度低下分だけ密度が増加する。このため、冷媒貯留容器５内の冷媒量が増加し、吐出温度が低下する。

このように、図１２に示した構成では、放熱器２出口から高圧圧力制御回路７への分岐部Ａまでの配管を流れる高圧冷媒と、膨張弁３ａの入口部から圧縮機１の入口部までを流れる低圧冷媒とを熱交換する熱交換部９を設ける。熱交換部９と熱交換することによって、高圧圧力制御回路７に流入し冷媒貯留容器５に流通する冷媒の圧力や温度を変化させ、冷媒の密度を上げることができる。吐出圧力や吐出温度が許容値よりも高くなった場合、図１の構成よりもより多くの冷媒を冷媒貯留容器５に流通させることができる。このため、主冷媒回路６０に循環する冷媒量を減らすことで、吐出圧力及び吐出温度を確実に許容値以下に抑え、信頼性をさらに向上できる。即ち、冷媒貯留容器５に流通する冷媒量を多くでき、吐出圧力及び吐出温度を低減する際の制御幅を大きくできる。

また、図１２における低圧バイパス回路８を設けずに、熱交換部９の低圧側の低温熱源を、高圧圧力制御回路７と主冷媒回路６０の低圧側合流部Ｂの下流側で、かつ圧縮機１入口側の配管を流れる冷媒とする構成を図１４に示す。この熱交換部９の高圧側の高温熱源は図１２と同様であり、吐出圧力及び吐出温度を低減する効果は同様の効果を奏する。図１４の構成では、低圧バイパス回路８を設けないことで、図１２の構成よりもヒートポンプ給湯機を簡素化することができる。
さらにこの構成では、放熱器２出口部の高温高圧冷媒と、高圧圧力制御回路７と主冷媒回路６０の低圧側合流部Ｂの下流側から圧縮機１入口側までの配管を流れる低圧冷媒とを熱交換している。このため、例えば高圧圧力制御回路７で低圧側合流部Ｂに液冷媒または気液二相冷媒となって低圧側に流れ込んだとしても、熱交換部９で確実に冷媒状態をガス冷媒にすることができ、圧縮機１への液バックを防止できる効果も奏する。

また、図１４で、高圧圧力制御回路７の低圧側合流部をＢではなく熱交換部９の低圧側出口より下流の配管Ｅに接続してもよい。即ち、熱交換部９の低圧側は、蒸発器４の出口から圧縮機１の入口までの間の配管を流れる冷媒とすればよい。図１４で、高圧圧力制御回路７の低圧側合流部をＥに接続した場合には、高圧圧力制御回路７を通過する臨界圧力以上の液冷媒または気液二相冷媒が低圧側合流部Ｅに合流し圧縮機１に吸入される。これにつれて圧縮機１吸入部へ流入する冷媒過熱度が下がり、冷媒密度が増える。このため、圧縮機１で同一流量を出そうとした場合には回転数が下がり圧縮機入力が減るという効果もある。また、圧縮機１の吸入部の冷媒過熱度が下がることで、吐出温度を下げることができるというさらなる効果もある。

図１４において、熱交換部９には常に冷媒が流れる構成であるが、熱交換部９を主冷媒回路６０に接続／非接続となるように開閉弁を有するバイパス回路を熱交換部９の近辺に設け、熱交換部９をオン／オフするように構成してもよいが、常に放熱器２出口部の高温高圧冷媒を熱交換部９で熱交換して若干低温にすることで、常に吐出圧力が上昇しにくい構成となる。このため、信頼性の高い冷凍サイクル装置が得られる。

図１５は、この実施の形態に係る冷凍サイクル装置のさらに他の構成例を示す回路構成図である。実施の形態１と同一符号は同一、または相当部分を示す。さらにこの構成では、高圧圧力制御回路７において、高圧側減圧手段であるキャピラリ３ｂと冷媒貯留容器５の間の冷媒と、放熱器２出口部の冷媒とを熱交換させる熱交換部９を設けたものである。図６に示す吐出圧力抑制制御運転または図８に示す吐出温度抑制制御運転における開閉弁６ａの操作も図１と同様である。
図１５における各部分の冷媒状態を以下のように示す。
即ち、Ａ：高圧圧力制御回路７の入口の冷媒状態
＝熱交換器９の高圧側出口の冷媒状態
Ｂ：高圧圧力制御回路７の出口の冷媒状態
Ｆ：放熱器２出口の冷媒状態＝熱交換部９の高圧側入口の冷媒状態
Ｇ：熱交換部９の低圧側の入口の冷媒状態
Ｈ：熱交換器９の低圧側の出口の冷媒状態
＝冷媒貯留容器５に流通する冷媒状態
である。

図１６は、図１５に示した構成の冷凍サイクル装置の運転状況を示すモリエル線図であり、横軸に比エントロピー（ｈ）、縦軸に圧力（Ｐ）を示す。図１６のモリエル線図において、点線で示す冷凍サイクルは通常運転の場合であり、図１５に示した各部分Ａ、Ｆ、Ｇ、Ｈの冷媒状態が、それぞれＡ１、Ｆ１、Ｇ１、Ｈ１に対応している。また、一点差線で示す冷凍サイクルは、例えば外気温度が低くなった場合の冷凍サイクルを示しており、図１５に示した各部分Ａ、Ｆ、Ｇ、Ｈの冷媒状態が、それぞれＡ２、Ｆ２、Ｇ２、Ｈ２に対応している。
通常運転時は、キャピラリ３ｂの減圧量＞キャピラリ３ｃ、３ｄの減圧量となり、キャピラリ３ｂにて温度が低下し臨界圧力以下に減圧した低圧の二相冷媒Ｇ１と、放熱器２の出口冷媒Ｆ１と熱交換させガス化する。高圧圧力制御回路７側では、熱交換後の冷媒状態Ｈ１の冷媒が冷媒貯留容器５内に流通し、さらにキャピラリ３ｃを通過し減圧され、蒸発器４の出口側の主冷媒回路６０で合流する。冷媒貯留容器５内には冷媒状態Ｈ１付近の密度の小さい低圧ガス冷媒が一時的に停留される。
次に、吐出圧力抑制制御運転または吐出温度抑制制御運転では、開閉弁６ａを閉じることで、キャピラリ３ｂの減圧量＜キャピラリ３ｃ減圧量となり、冷媒貯留容器５内の圧力が上昇する。また、放熱器３出口の冷媒状態Ａ２の冷媒温度と高圧圧力制御回路７のキャピラリ３ｂで減圧された冷媒状態Ｇ２の冷媒温度との温度差が小さくなり、熱交換部９での熱交換量は小さくなる。このため、密度が高く保持された冷媒状態Ｈ２の冷媒が冷媒貯留容器５内に流通する。冷媒貯留容器５内には冷媒状態Ｈ２付近の密度の大きな臨界圧力以上の高圧冷媒が一時的に停留される。

このように、吐出圧力抑制制御運転または吐出温度抑制制御運転では、通常運転の場合よりも、密度の高い冷媒を冷媒貯留容器５内に流通させることで、吐出圧力を圧力限界値よりも低減することができる。または、吐出温度を温度限界値よりも低減することができ、信頼性の高い冷凍サイクル装置が得られる。
さらに、この構成では、吐出圧力抑制制御運転または吐出温度抑制制御運転で冷媒貯留容器５を通過する冷媒の密度を、通常運転の場合よりも７〜８倍とすることができ、吐出圧力の低減幅または吐出温度の低減幅を大きくできる。図１の熱交換部９を設けない場合と比較すると、図１の構成では、図５に示したＰ１（通常運転）とＰ２（吐出圧力抑制制御運転）の密度差分で冷媒貯留容器５に通過させる冷媒量を増減させているが、図１５の構成では、図１６に示したＨ１（通常運転）とＨ２（吐出圧力抑制制御運転）の密度差分で冷媒貯留容器５に通過させる冷媒量を増減させている。このため、図１５に示した構成のほうが同一容積の冷媒貯留容器５では多くの冷媒を流通させることができ、またこのため、冷媒貯留容器５の容積を小さくすることができる。

また、図１２、図１４、図１５のそれぞれの構成において、図１０に示した構成と同様、キャピラリ３ｂを低圧側、３ｃ、３ｄを高圧側にし、キャピラリによる圧力損失が３ｃ＞３ｂ＞３ｃ＋３ｄとなるように各キャピラリを選定してもよい。ただし、この場合、通常運転で開閉弁６ａを閉とし、図１３に示すフローチャート図では、Ｓ１４２で圧力が許容値よりも高くなった場合に、Ｓ１４３で開閉弁６ａを開とする。

また、図１２、図１４、図１５のそれぞれの構成において、図１１と同様、冷媒緩衝容器１０を設けてもよい。冷凍サイクル装置の起動時や蒸発器４の着霜を取り除くデフロスト運転後など、運転状態が安定していないときには圧縮機１の吸入側に液冷媒が流れ込む可能性がある。図１２、図１４、図１５のそれぞれの構成においても圧縮機１の吸入側に冷媒緩衝容器１０を設けることで、液冷媒が圧縮機１に吸入されるのを防ぎ、圧縮機油の希釈を防止でき、圧縮機１の破損を回避することができる。

また、図１、図１０、図１１、図１２、図１４、図１５のそれぞれの構成において、蒸発器４入口側に温度センサ、圧縮機１の入口側に温度センサを設け、蒸発温度及び圧縮機入口温度を検知し、蒸発温度、吐出温度、入口温度と使用する圧縮機のパフォーマンスから吐出圧力を算出できる吐出圧力演算手段を設けることにより、圧力センサ１１ａを設けずに、吐出圧力が算出できるようにしてもよい。

このように、高圧圧力制御回路７への分岐部Ａから圧縮機１の入口部までの配管とを接続する低圧バイパス回路８と、低圧パイパス回路８に設けられ低圧バイパス回路８に流入する冷媒を減圧するバイパス回路減圧手段３ｅと、放熱器２の出口から高圧圧力制御回路７への分岐部Ａまでの高圧冷媒とバイパス回路減圧手段３ｅで減圧された冷媒とを熱交換する熱交換部９と、熱交換部９での熱交換のオン／オフを切り替える開閉手段６ｂと、を備えたことにより、吐出圧力または吐出温度を許容値以下に制御する際の低下量を大きくすることができる冷凍サイクル装置が得られる。さらに図１の構成と同様、運転中には常に高圧圧力制御回路７の冷媒貯留容器５には高圧側から低圧側に常時冷媒が少量流れるように構成することで、冷媒貯留容器５の前後で常に密閉されずに液封が発生することなく、信頼性の高い冷凍サイクル装置が得られる。

また、放熱器２の出口から高圧圧力制御回路７への分岐部Ａまでの配管を流れる高圧冷媒と、蒸発器４の出口部から圧縮機１の入口部までの配管または高圧側減圧手段３ｂの出口部から冷媒貯留容器５の入口部までの配管を流れる冷媒とを熱交換する熱交換部９を備えたことにより、吐出圧力抑制運転または吐出温度抑制運転において、より多くの冷媒量を冷媒貯留容器５に流通させることができ、吐出圧力または吐出温度の制御幅を大きくすることができ、信頼性の高い冷凍サイクル装置が得られる。

また、放熱器２から流出する高圧冷媒と主回路減圧手段３ａまたは他の減圧手段によって減圧された冷媒とを熱交換する熱交換ステップ（Ｓ１４６）を備え、冷媒量制御ステップは、熱交換ステップで熱交換した後の臨界圧力以上の冷媒の一部を冷媒貯留容器５に流通させて主冷媒回路６０を循環する冷媒量を減少させることにより、より多くの冷媒量を冷媒貯留容器５に流通させることができ、吐出圧力または吐出温度の制御幅を大きくすることができ、信頼性の高い冷凍サイクル装置の運転方法が得られる。

なお、上記実施の形態では給湯機について説明したがこれに限るものではない。実施の形態１に示した構成において、例えば放熱器２を熱源側、蒸発器４を利用側とするチラーの場合や逆サイクルデフロストの場合も同様の効果が得られる。

また、上記実施の形態において、圧縮機１の形式は、スクロール、ロータリー、レシプロなどどのような種類のものであってもよいし、容量制御方法としてもインバータによる回転数制御だけでなく、複数台圧縮機がある場合の台数制御や、ストロークボリューム可変タイプ（多気筒タイプ）ならストロークボリュームを変更するなどといった各種方法をとってもよい。

また、上記実施の形態において、冷媒をＣＯ２として説明をしたが、ＣＯ２に限るものではなく、エチレン、エタン、酸化窒素などの臨界圧力以上で使用する他の冷媒を用いたものにも適用でき、それらを混合したものを冷媒として用いたものにも適用できる。
また、冷媒が２種類以上の成分からなる混合冷媒、例えばＣＯ２と共沸性の高い炭化水素類、例えば、プロパン、シクロプロパン、イソブタン、ブタン等と混合し、臨界圧力をＣＯ２単体よりも低い冷媒として用いたものにも適用できる。

この発明の実施の形態１に係るヒートポンプ給湯機を示す冷媒回路構成図である。 この発明の実施の形態１に係るヒートポンプ給湯機の出湯温度制御方法を示すフローチャート図である。 この発明の実施の形態１に係るヒートポンプ給湯機の蒸発器出口過熱度制御方法を示すフローチャート図である。 この発明の実施の形態１に係るヒートポンプ給湯機の運転条件毎の運転状況を示すモリエル線図であり、横軸に比エントロピー（ｈ）、縦軸に圧力（Ｐ）を示す。 この発明の実施の形態１に係るヒートポンプ給湯機の外気温度が低い場合の運転状況を示すモリエル線図であり、横軸に比エントロピー（ｈ）、縦軸に圧力（Ｐ）を示す。 この発明の実施の形態１に係るヒートポンプ給湯機の圧縮機吐出圧力抑制制御方法を示すフローチャート図である。 この発明の実施の形態１に係るヒートポンプ給湯機の外気温度が低い場合の運転状況を示すモリエル線図であり、横軸に比エントロピー（ｈ）、縦軸に圧力（Ｐ）を示す。 この発明の実施の形態１に係るヒートポンプ給湯機の圧縮機吐出温度抑制制御を示すフローチャート図である。 この発明の実施の形態１に係るヒートポンプ給湯機の給水温度が高い場合の運転状況を示すモリエル線図であり、横軸に比エントロピー（ｈ）、縦軸に圧力（Ｐ）を示す。 この発明の実施の形態１に係るヒートポンプ給湯機の他の構成例を示す冷媒回路構成図である。 この発明の実施の形態１に係るヒートポンプ給湯機のさらに他の構成例を示す冷媒回路構成図である。 この発明の実施の形態１に係るヒートポンプ給湯機のさらに他の構成例を示す冷媒回路構成図である。 この発明の実施の形態１に係るヒートポンプ給湯機の圧縮機吐出圧力抑制制御を示すフローチャート図である。 この発明の実施の形態１に係るヒートポンプ給湯機のさらに他の構成例を示す冷媒回路構成図である。 この発明の実施の形態１に係るヒートポンプ給湯機のさらに他の構成例を示す冷媒回路構成図である。 この発明の実施の形態１に係るヒートポンプ給湯機の運転状況を示すモリエル線図であり、横軸に比エントロピー（ｈ）、縦軸に圧力（Ｐ）を示す。

符号の説明

１ 圧縮機
２ 放熱器
３ａ 主回路減圧手段
３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ 減圧手段
４ 蒸発器
５ 冷媒貯留容器
６ａ、６ｂ、６ｃ 開閉弁
７ 高圧圧力制御回路
８ 低圧バイパス回路
９ 熱交換部
１１ａ、１１ｂ 圧力センサ
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ 温度センサ
２２ 計測制御装置
６０ 主冷媒回路
６１ ヒートポンプ回路
Ｌ２０１ 圧力限界値
Ｌ２０２ 温度限界値

Claims (10)

1. 圧縮機、放熱器、主回路減圧手段、蒸発器を順次配管で環状に接続して成る主冷媒回路と、前記放熱器と前記主回路減圧手段の間の高圧側配管と、前記蒸発器と前記圧縮機との間の低圧側配管とを冷媒貯留容器を介して接続する高圧圧力制御回路と、前記冷媒貯留容器と前記高圧側配管の間に設けた高圧側減圧手段と、前記冷媒貯留容器と前記低圧側配管の間に設けた低圧側減圧手段と、を備え、前記高圧側減圧手段の減圧量Ｍと前記低圧側減圧手段の減圧量Ｎの大きさを、Ｍ＞ＮとＭ＜Ｎに切り替え可能とすると共に、前記高圧圧力制御回路には常時冷媒を流通させて運転することを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記圧縮機の出口から前記主回路減圧手段の入口までの高圧値を臨界圧力より高い圧力とし、前記主回路減圧手段の出口から前記圧縮機の入口までの低圧値を前記高圧値よりも低い圧力とし、前記高圧値が予め設定した許容値よりも大きくなった場合に、前記高圧側減圧手段の減圧量Ｍと前記低圧側減圧手段の減圧量Ｎの大きさを、Ｍ＜Ｎとして前記冷媒貯留容器に臨界圧力以上の冷媒を流通させるようにしたことを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記高圧側減圧手段及び前記低圧側減圧手段の少なくともいずれか一方は、減圧手段とこの減圧手段に開閉手段を介して並列に接続する別の減圧手段で構成し、前記開閉手段の開閉によって前記高圧側減圧手段または前記低圧側減圧手段の減圧量を可変にしたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記圧縮機の出口部の圧力を検出する吐出圧力検出手段と、前記吐出圧力検出手段で検出した圧縮機出口圧力を入力し、前記圧縮機出口圧力が装置本体の限界圧力値以下である許容値より大きくなったときに、前記高圧側減圧装置または前記低圧側減圧装置の減圧量を変化させて前記冷媒貯留容器に臨界圧力以上の冷媒を通過させるように制御する制御装置、を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記圧縮機の出口部の温度を検出する吐出温度検出手段と、前記吐出温度検出手段で検出した圧縮機出口温度を入力し、前記圧縮機出口温度が装置本体の限界温度値以下である許容値より大きくなったときに、前記圧縮機の吸入部における冷媒の乾き度を低減するように冷凍サイクルを循環する冷媒を前記吸入部に流入させる冷媒流入手段と、を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記圧縮機の出口部の温度を検出する吐出温度検出手段と、前記吐出温度検出手段で検出した圧縮機出口温度を入力し、前記圧縮機出口温度が装置本体の限界温度値以下である許容値より大きくなったときに、前記高圧側減圧装置または前記低圧側減圧装置の減圧量を変化させて前記冷媒貯留容器に臨界圧力以上の冷媒を流通させるように制御する制御装置、を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
7. 前記高圧圧力制御回路への分岐部から前記圧縮機の入口部までの配管とを接続する低圧バイパス回路と、前記低圧パイパス回路に設けられ前記低圧バイパス回路に流入する冷媒を減圧するバイパス回路減圧手段と、前記放熱器の出口から前記高圧圧力制御回路への分岐部までの高圧冷媒と前記バイパス回路減圧手段で減圧された冷媒とを熱交換する熱交換部と、前記熱交換部での熱交換のオン／オフを切り替える開閉手段と、を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
8. 前記放熱器の出口から前記高圧圧力制御回路への分岐部までの配管を流れる高圧冷媒と、前記蒸発器の出口部から前記圧縮機の入口部までの配管または前記高圧側減圧手段の出口部から前記冷媒貯留容器の入口部までの配管を流れる冷媒とを熱交換する熱交換部、を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
9. 圧縮機、放熱器、主回路減圧手段、蒸発器を順次配管で環状に接続し冷媒を循環させて主冷媒回路を構成する冷凍サイクル装置であって、前記圧縮機の吐出温度または吐出圧力を検知する検知ステップと、前記圧縮機の吐出温度または吐出圧力と装置本体の許容値と比較する比較ステップと、前記吐出圧力または前記吐出温度が前記許容値よりも大きいときに前記主冷媒回路を流れる臨界圧力以上の冷媒の一部を冷媒貯留容器に流通させて前記主冷媒回路を循環する冷媒量を減少させる冷媒量制御ステップと、を備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置の運転方法。
10. 前記放熱器から流出する高圧冷媒と前記主回路減圧手段または他の減圧手段によって前記高圧冷媒を減圧した冷媒とを熱交換する熱交換ステップを備え、前記冷媒量制御ステップは、前記熱交換ステップで熱交換した後の臨界圧力以上の冷媒の一部を前記冷媒貯留容器に流通させて前記主冷媒回路を循環する冷媒量を減少させることを特徴とする請求項９記載の冷凍サイクル装置の運転方法。

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