JP2008101837A - 冷凍サイクル装置およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高圧側で超臨界状態となりうる冷媒を用いた冷凍サイクル装置において、レシーバやアキュームレータ等を備えずに高圧側圧力の過度な上昇を抑制し、信頼性を損なうことなく機器の小型化と高効率化を達成する。
【解決手段】高圧側で超臨界状態となりうる冷媒を用い、少なくとも圧縮機構１１、放熱器１２、減圧手段、蒸発器１５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、前記減圧手段を動力回収を行う膨張機２３で構成するもので、冷媒量調節手段を備えていなくても、膨張機２３により蒸発器１５入口の冷媒の密度を増大させることで、高圧側圧力を低減できるため、高圧側圧力の過度な上昇を抑制し、信頼性を損なうことなく機器の小型化と高効率化を両立できる。
【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、冷媒量調節手段を備えていない冷凍サイクル装置およびその制御方法に関する。

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（例えば、特許文献１参照）。

二酸化炭素やエタンなどの冷媒は、臨界温度が低く、従来の冷凍サイクル装置の高圧側（圧縮機出口〜放熱器〜膨張弁入口）では凝縮が生じず、臨界圧力以上で運転される超臨界サイクルとなる。このため、高圧側の圧力は、高圧側の冷媒の温度とは無関係に任意に調整でき、通常は冷凍サイクル装置の効率が最良となる圧力に調整される。

高圧側圧力を調整するには、高圧側における冷媒の質量、すなわち、高圧側の冷媒ホールド量を変化させることにより達成できる。特許文献１には、高圧側圧力を調整する方法として、膨張弁開度の調整により緩衝用冷媒レシーバの液体残量を変更し、高圧側の冷媒ホールド量を変化させる方法、すなわち、レシーバに貯蔵した液冷媒を、高圧側に付加または除去する方法が提案されている。
特公平７−１８６０２号公報

ところが、上記特許文献１に示された従来技術の場合、液冷媒を貯蔵するためには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といった冷媒量調整手段を備えず、圧縮機構、放熱器、膨張弁、蒸発器から構成された冷凍サイクル装置を用い、様々な検討を行った結果、以下の課題が明らかになった。すなわち、通常の運転状態では、膨張弁の減圧量を調整することにより低圧側のホールド量と高圧側のホールド量の割合を変化させることで、高圧側の圧力をある程度調整できるが、放熱器で放熱する流体（例えば、空調機の場合では室内空気や外気、給湯器の場合では水など）の温度が高い場合に、高圧側圧力が過度に上昇してしまい、冷凍サイクル装置の信頼性が低下するといった課題である。

したがって本発明は、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用いず、別の手段を用いて過度な高圧上昇に対処して信頼性の課題を克服し、機器の小型化と高効率化を達成する冷凍サイクル装置およびその制御方法を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の冷凍サイクル装置は、高圧側で超臨界状態となりうる冷媒を用い、少なくとも圧縮機構、放熱器、減圧手段、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、減圧手段が動力回収を行う膨張機で
あるものである。これによると、高圧側圧力が過度に上昇する恐れがある場合に、膨張機の回収動力が増加するために、蒸発器冷媒ホールド量が極端に減少することがなくなり、高圧側圧力の過度な上昇を抑制できる。これにより、信頼性を損なうことなく機器の小型化と高効率化が達成できる。

また、本発明の冷凍サイクル装置の制御方法は、高圧側で超臨界状態となりうる冷媒を用い、少なくとも圧縮機構、放熱器、動力回収を行う膨張機、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、高圧側圧力が予め設定した設定圧力より上昇した場合に、蒸発器の送風手段である送風ファンの回転数を低下させることで、送風能力を低下させるものである。これによると、高圧側圧力が過度に上昇する恐れがある場合に、送風ファンの回転数を低下させることで、膨張機の回収動力を増加させ、蒸発器冷媒ホールド量が増加するので、高圧側圧力の過度な上昇を抑制できる。

また、本発明の冷凍サイクル装置の制御方法は、高圧側で超臨界状態となりうる冷媒を用い、少なくとも圧縮機構、放熱器、動力回収を行う膨張機、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、圧縮機構の出口側に設けた温度検出手段の検出値と膨張機の回転数とから、高圧側圧力が予め設定した設定圧力近傍まで上昇したと判定し、蒸発器の送風手段である送風ファンの回転数を低下させることで、送風能力を低下させるものである。これによると、高圧側圧力が設定圧力近傍まで上昇したことを判定するための圧力センサーなどの圧力検知装置を備える必要がなくなる。さらに、高圧側圧力が設定圧力近傍まで上昇したと判定された場合には、送風ファンの回転数を低下させることで、膨張機の回収動力を増加させ、蒸発器冷媒ホールド量が増加するので、高圧側圧力の過度な上昇を抑制できる。

また、本発明の冷凍サイクル装置の制御方法は、高圧側で超臨界状態となりうる冷媒を用い、少なくとも圧縮機構、放熱器、動力回収を行う膨張機、蒸発器、膨張機をバイパスするバイパス回路、バイパス回路を流れる流量を調節するバイパス弁を備え、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、圧縮機構の出口側に設けた温度検出手段の検出値と膨張機の回転数とバイパス弁の開度とから、高圧側圧力が予め設定した設定圧力近傍まで上昇したと判定し、蒸発器の送風手段である送風ファンの回転数を低下させることで、送風能力を低下させるものである。これによると、高圧側圧力が設定圧力近傍まで上昇したことを判定するための圧力センサーなどの圧力検知装置を備える必要がなくなる。さらに、高圧側圧力が設定圧力近傍まで上昇したと判定された場合には、送風ファンの回転数を低下させることで、膨張機の回収動力を増加させ、蒸発器冷媒ホールド量が増加するので、高圧側圧力の過度な上昇を抑制できる。

本発明の冷凍サイクル装置およびその制御方法は、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ていなくても、膨張機により蒸発器入口の冷媒の密度を増大させることで、高圧側圧力を低減できるため、高圧側圧力の過度な上昇を抑制し、信頼性を損なうことなく機器の小型化と高効率化を両立できる。

第１の発明は、高圧側で超臨界状態となりうる冷媒を用い、少なくとも圧縮機構、放熱器、減圧手段、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、減圧手段を動力回収を行う膨張機で構成することにより、高圧側圧力が過度に上昇する恐れがある場合に、膨張機の回収動力が増加するために、蒸発器冷媒ホールド量が極端に減少することがなくなり、高圧側圧力の過度な上昇を抑制できる。このため、信頼性を損なうことなく機器の小型化と高効率化が達成できる。

第２の発明は、第１の発明における冷凍サイクル装置において、減圧手段を、第１の軸により連結された第１電動機と第１膨張機構とが、減圧手段の入口の冷媒と略同等の温度と圧力の冷媒で満たされた第１密閉容器内に収納された膨張機で構成することにより、冷媒ホールド量の変化を小さく出来るために、高圧側圧力の過度な上昇を抑制することができる。

第３の発明は、第１の発明における冷凍サイクル装置において、減圧手段を、第２の軸により連結された圧縮機構と第２電動機と第２膨張機構とが、圧縮機構の出口の冷媒と略同等の温度と圧力の冷媒で満たされた第２密閉容器内に収納された膨張機で構成することにより、冷媒ホールド量の変化を小さく出来るために、高圧側圧力の過度な上昇を抑制することができる。

第４の発明は、高圧側で超臨界状態となりうる冷媒を用い、少なくとも圧縮機構、放熱器、動力回収を行う膨張機、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、高圧側圧力が設定圧力近傍まで上昇した場合に、蒸発器の送風ファンの回転数を低下させることにより、膨張機の回収動力を増加させ、蒸発器冷媒ホールド量が増加するので、高圧側圧力の過度な上昇を抑制できる。

第５の発明は、高圧側で超臨界状態となりうる冷媒を用い、少なくとも圧縮機構、放熱器、動力回収を行う膨張機、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、圧縮機構の出口側に設けた温度検出手段の検出値と膨張機の回転数から高圧側圧力が設定圧力近傍まで上昇したことを判定した場合に、蒸発器の送風ファンの回転数を低下させることにより、膨張機の回収動力を増加させ、蒸発器冷媒ホールド量が増加するので、高圧側圧力の過度な上昇を抑制できる。

第６の発明は、高圧側で超臨界状態となりうる冷媒を用い、少なくとも圧縮機構、放熱器、動力回収を行う膨張機、蒸発器、膨張機をバイパスするバイパス回路、バイパス回路を流れる流量を調節するバイパス弁を備え、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、圧縮機構の出口側に設けた温度検出手段の検出値と膨張機の回転数とバイパス弁の開度から高圧側圧力が設定圧力近傍まで上昇したことを判定した場合に、蒸発器の送風ファンの回転数を低下させることにより、膨張機の回収動力を増加させ、蒸発器冷媒ホールド量が増加するので、高圧側圧力の過度な上昇を抑制できる。

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、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（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構成図である。

第１の実施の形態の冷凍サイクル装置は、圧縮機構１１、放熱器としての給湯用熱交換器１２の冷媒流路１２ａ、内部熱交換器１３の高圧側冷媒流路１３ａ、膨張機２３の第１膨張機構１４、蒸発器１５、内部熱交換器１３の低圧側冷媒流路１３ｂなどを順に配管接続して構成した冷媒回路Ａと、放熱器側流体搬送手段としての給水ポンプ１７、給湯用熱交換器１２の流体流路１２ｂ、貯湯タンク１８などからなる流体回路Ｂとから構成されている。また、蒸発器１５には熱交換を行う流体を搬送する蒸発器側流体搬送手段として送風ファン１６が備えられている。

冷媒回路Ａには冷媒として、二酸化炭素が封入されている。膨張機２３は、第１膨張機構１４と第１電動機２０とが第１の軸２１により連結され、第１密閉容器２２内に収納されている。第１密閉容器２２内は、第１膨張機構１４入口の冷媒と略同等の温度と圧力の
冷媒によって満たされている。つまり、膨張機２３は高圧シェル式電動膨張機である。圧縮機２７は、圧縮機構１１と第２電動機２４とが駆動軸２５により連結され、圧縮機密閉容器２６内に収納されている。第２密閉容器２２内は、圧縮機構１１出口の冷媒と略同等の温度と圧力の冷媒によって満たされている。つまり、圧縮機２７は高圧シェル式電動圧縮機である。

また、内部熱交換器１３は、高圧側冷媒流路１３ａが給湯用熱交換器１２（冷媒流路１２ａ）出口と第１膨張機構１４入口の間に設置され、低圧側冷媒流路１３ｂが蒸発器１５出口と圧縮機構１１入口の間に設置されており、給湯用熱交換器１２（冷媒流路１２ａ）出口と第１膨張機構１４入口の間の高圧側冷媒流路１３ａを流れる高圧側冷媒を、蒸発器１５出口と圧縮機構１１入口の間の低圧側冷媒流路１３ｂを流れる低圧側冷媒により冷却するように構成されている。また、高圧側（圧縮機構１１出口から第１膨張機構１４入口まで）の圧力を検出する圧力検知装置３０と、圧力検知装置３０の検出した圧力に基づいて、送風ファン１６の回転数などを演算する電子制御装置３１、および、送風ファン１６の回転数を変更するファン回転数制御装置３２とを備えている。

次に、上述のように構成された冷凍サイクル装置の動作について説明する。流体回路Ｂでは、貯湯タンク１８の底部から給水ポンプ１７により給湯用熱交換器１２の流体流路１２ｂへ送り込まれた流体（例えば、水）は、冷媒流路１２ａを流れる冷媒により加熱されて高温の流体（例えば、湯）となり、その高温流体は、貯湯タンク１８の頂部から導入されて貯留される。

一方、冷媒回路Ａでは、冷媒である二酸化炭素を、圧縮機構１１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、給湯用熱交換器１２の冷媒流路１２ａを流れる際に、流体流路１２ｂを流れる水に放熱して冷却される。さらに、冷媒は内部熱交換器１３の高圧側冷媒流路１３ａに供給される。その後、冷媒は第１膨張機構１４で減圧され低温低圧の気液二相状態となる。この際、第１膨張機構１４では冷媒の圧力エネルギーを動力に変換し、その動力は第１電動機２０にて電力に変換される。このように、膨張時の圧力エネルギーを電力として回収しＣＯＰを向上させることができる。第１膨張機構１４で減圧された冷媒は蒸発器１５に供給される。蒸発器１５では、冷媒は送風ファン１６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。

次に、上述のように構成された冷凍サイクルの動作について、図２および図３の圧力・エンタルピ線図を用いて説明する。なお、図２、図３中の破線は等エントロピ線である。まず、貯湯タンク１８の底部の低温の水が給湯用熱交換器１２の流体流路１２ｂに流入する通常の運転状態について説明する。この場合には、サイクルの状態変化は、図２のＡ→Ｂ→Ｃ→Ｅ→Ａで示される変化となる。すなわち、Ａ点で示される冷媒が圧縮機構１１で圧縮され、Ｂ点で示される超臨界状態の高温高圧状態となり、給湯用熱交換器１２および内部熱交換器１３でＣ点まで冷却される。

そして、第１膨張機構１４によって減圧されＥ点で示される低圧の気液二相状態となる。その後、蒸発器１５および内部熱交換器１３で加熱され、再び、Ａ点に至る。第１膨張機構１４を用いていない従来の膨張弁を用いたサイクルの状態変化は、Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ａで示されるような変化となる。つまり、膨張弁での等エンタルピ変化（Ｃ→Ｄ）は、第１膨張機構１４での略等エントロピ変化（Ｃ→Ｅ）となる。すなわち、Ｅ点とＤ点の間のエンタルピ差分だけ第１膨張機構１４でエネルギを回収できる。

また、Ｄ点からＥ点に変化する分だけ、蒸発器１５の入口の冷媒密度が大きくなる。しかし、通常の運転状態においては、Ｄ点とＥ点のエンタルピ差はあまり大きくない。この
ような場合の高圧側圧力は、第１膨張機構１４の回転数を調整することにより、蒸発器１５内の冷媒量（蒸発器冷媒ホールド量）と給湯用熱交換器１２内の冷媒量（放熱器冷媒ホールド量）の割合を変化させることで調整される。

一方、貯湯タンク１８の底部まで、高温の湯が貯湯されると、給湯用熱交換器１２の流体流路１２ｂに流入する水の温度が高くなるために、高圧側圧力が過度に上昇してしまう場合がある。このような場合のサイクルの状態変化は、図３のＡ’→Ｂ’→Ｃ’→Ｅ’→Ａ’で示される変化となる。第１膨張機構１４を用いていない従来の膨張弁を用いたサイクルの状態変化は、Ａ’→Ｂ’→Ｃ’→Ｄ’→Ａ’で示されるような変化となる。すなわち、給湯用熱交換器１２の流体流路１２ｂに流入する水の温度が高くなるので、冷媒流路１２ａ出口の冷媒の温度も上昇し、これにより、点Ｃ’のエンタルピは、図２のＣ点に比べて大きくなる。

さらに、Ｄ’点のエンタルピもＤ点に比べて大きくなる。図３のＤ’点の冷媒密度は、図２のＤ点の冷媒密度より小さいために、蒸発器１５の入口の冷媒密度が小さくなり、蒸発器冷媒ホールド量が減少する。レシーバやアキュームレータといった冷媒量調節手段がない冷凍サイクル装置では、蒸発器冷媒ホールド量の減少分を、冷媒量調整手段で吸収することができない。つまり、蒸発器冷媒ホールド量の減少分は、そのまま放熱器冷媒ホールド量の増加につながるために、放熱器（給湯用熱交換器）１２の圧力、すなわち、高圧側圧力が過度に上昇してしまうものである。

しかし、本実施の形態の冷凍サイクル装置では、従来の膨張弁のかわりに動力回収を行う第１膨張機構１４が備えられているために、Ｄ’点はＥ’点となる。つまり、Ｅ’点とＤ’点の間のエンタルピ差分だけ第１膨張機構１４でエネルギを回収できる。また、Ｄ’点からＥ’点に変化する分だけ、蒸発器１５の入口の冷媒密度が大きくなる。しかも、給湯用熱交換器１２の流体流路１２ｂに流入する水の温度が高くなる運転状態でのＤ’点とＥ’点のエンタルピの差は、流体流路１２ｂに流入する水の温度が低い通常の運転状態でのＤ点とＥ点のエンタルピの差に比べて大きい。

これにより、本実施の形態では、流体流路１２ｂに流入する水の温度が高くなる場合であっても、蒸発器冷媒ホールド量の減少が抑制される。したがって、放熱器冷媒ホールド量の増加も抑制され、高圧側圧力が過度に上昇することを抑制できる。なお、Ｄ’点とＥ’点のエンタルピの差が、Ｄ点とＥ点のエンタルピの差より、大きい理由は、図２および図３に示した等エントロピ線の傾きが、エンタルピが大きい状態ほど（図の右側に行くほど）、小さくなることと、図３の状態の方が、図２の状態に比べて差圧が大きいことによる。

すなわち、本実施の形態の冷凍サイクル装置においては、次のような効果が得られる。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なくても、放熱器１２の流体流路１２ｂに流入する流体の温度が高くなり、高圧側圧力が過度に上昇する場合には、第１膨張機構１４の回収動力が増加するために、蒸発器１５の入口の冷媒密度が上昇するので、蒸発器冷媒ホールド量の減少を抑制できる。このため、高圧側圧力の過度な上昇を抑制できる。これにより、信頼性を損なうことなく機器の小型化が達成できる。また、第１膨張機構１４が動力回収を行うことにより高効率化できるといった副次的メリットも有する。

また、本実施の形態の冷凍サイクル装置では、膨張機２３は、第１密閉容器２２内が第１膨張機構１４入口の冷媒と略同等の温度と圧力の冷媒によって満たされている高圧シェル式電動膨張機であるので、さらに、高圧側圧力の過度な上昇を抑制することができる。これについて、図４の圧力・エンタルピ線図を用いて説明する。なお、図４中の破線は等
密度線である。図４中のＡ点からＥ点は図２中のＡ点からＥ点と同じ点であり、図４中のＡ’点からＥ’点は図３中のＡ’点からＥ’点と同じ点を表している。

図４に示すように、Ｅ点やＥ’点近傍の二相域の等密度線の傾きと、Ｃ点やＣ’点近傍の超臨界領域の等密度線の傾きとは大きく異なっている。これにより、Ｃ’点の冷媒密度は、 Ｃ点の冷媒密度の約４／５であり、Ｅ’点の冷媒密度は、Ｅ点の冷媒密度の約１／３となっている。すなわち、第１膨張機構１４の入口の冷媒密度の変化の方が、第１膨張機構１４の出口の冷媒密度の変化より小さい。このため、第１密閉容器２２内が第１膨張機構１４出口の冷媒と略同等の温度と圧力の冷媒によって満たされている低圧シェル式電動膨張機を用いるより、第１密閉容器２２内が第１膨張機構１４入口の冷媒と略同等の温度と圧力の冷媒によって満たされている高圧シェル式電動膨張機が、第１密閉容器２２内の冷媒ホールド量の変化を小さく出来るために、高圧側圧力の過度な上昇を抑制することができる。

すなわち、本実施の形態の冷凍サイクル装置においては、次のような効果が得られる。第１密閉容器２２内が第１膨張機構１４入口の冷媒と略同等の温度と圧力の冷媒によって満たされている高圧シェル式電動膨張機を用いることで、膨張機２３のシェル内の冷媒ホールド量の変化を小さく出来るために、高圧側圧力の過度な上昇を抑制し、信頼性を損なうことなく機器の小型化が達成できる。

次に、本実施の形態の冷凍サイクル装置の制御方法について、図５のフローチャートを用いて説明する。冷凍サイクル装置の運転時には、圧力検知装置３０からの検出値（高圧側圧力Ｐｄ）（ステップ１００）が取り込まれる。電子制御装置３１では、予めＲＯＭ等に記憶されている設定圧力（設定Ｐｄ）とステップ１００で取り込んだ高圧側圧力とを比較する（ステップ１１０）。高圧側圧力が設定圧力より低い場合には、何の動作も追加せず、ステップ１１０に戻る。逆に、高圧側圧力が設定圧力より高い場合には、ファン回転数制御装置３２により送風ファン１６の回転数（Ｆｒｐｍ）を低下させる（ステップ１２０）。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１２０まで繰り返す。

このような冷凍サイクル装置の制御方法では、冷凍サイクル装置の設計圧力などから予め設定した設定圧力より高圧側圧力が高くなった場合、には、送風ファン１６の回転数を低下させることにより、第１膨張機構１４の前後の圧力差を大きくする。これにより、第１膨張機構１４の回収動力が増加するので、第１膨張機構１４の出口、すなわち、蒸発器１５の入口の冷媒密度が大きくなる。また、送風ファン１６の回転数を低下させることで、蒸発器１５の出口の冷媒密度も大きくなる。これらのことから、蒸発器冷媒ホールド量が増加するために、高圧側圧力の過度な上昇を抑制することができる。すなわち、本実施の形態の冷凍サイクル装置の制御方法においては、次のような効果が得られる。設定圧力より高圧側圧力が高くなった場合には、送風ファン１６の回転数を低下させることで、第１膨張機構１４の回収動力を増加させ、蒸発器冷媒ホールド量を増加させることができるので、高圧側圧力の過度な上昇を抑制でき、信頼性を損なうことなく機器の小型化が達成できる。

なお、本実施の形態においては、圧力検知装置３０で高圧側圧力を検出しているが、圧力検知装置３０の代わりに吐出温度検知装置を設け、吐出温度検知装置が検出した圧縮機構１１の吐出温度から高圧側圧力を予測するようにしてもよい。さらに、吐出温度検知装置が検出した温度と予め定めた設定吐出温度を比較することで、高圧側圧力が設定圧力近傍まで上昇したことを判定するようにしてもよい。
また、本実施の形態において、内部熱交換器１３は備えられていなくても、本発明の効果が損なわれるものではない。

（実施の形態２）
図６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を示す構成図である。

第２の実施の形態の冷凍サイクル装置は、圧縮機構１１、放熱器としての給湯用熱交換器１２の冷媒流路１２ａ、第２膨張機構４０、蒸発器１５などを順に配管接続して構成した冷媒回路Ａと、放熱器側流体搬送手段としての給水ポンプ１７、給湯用熱交換器１２の流体流路１２ｂ、貯湯タンク１８などからなる流体回路Ｂとから構成されている。また、蒸発器１５には熱交換を行う流体を搬送する蒸発器側流体搬送手段として送風ファン１６が備えられている。

冷媒回路Ａには冷媒として、二酸化炭素が封入されている。圧縮機一体膨張機４１は、圧縮機構１１と第２膨張機構４０と第２電動機２４とが第２の軸４２により連結され、第２密閉容器４３内に収納されている。第２密閉容器４３内は、圧縮機構１１出口の冷媒と略同等の温度と圧力の冷媒によって満たされている。つまり、圧縮機一体膨張機４１は高圧シェル式電動圧縮・膨張機である。

また、高圧側（圧縮機構１１出口から第２膨張機構４０入口まで）の圧力を検出する圧力検知装置３０と、圧力検知装置３０の検出した圧力に基づいて、送風ファン１６の回転数などを演算する電子制御装置３１、および、送風ファン１６の回転数を変更するファン回転数制御装置３２とを備える。

次に、上述のように構成された冷凍サイクル装置の動作について説明する。流体回路Ｂでは、貯湯タンク１８の底部から給水ポンプ１７により給湯用熱交換器１２の流体流路１２ｂへ送り込まれた流体（例えば、水）は、冷媒流路１２ａを流れる冷媒により加熱されて高温の流体（例えば、湯）となり、その高温流体は、貯湯タンク１８の頂部から導入されて貯留される。

一方、冷媒回路Ａでは、冷媒である二酸化炭素を、圧縮機構１１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、給湯用熱交換器１２の冷媒流路１２ａを流れる際に、流体流路１２ｂを流れる水に放熱して冷却される。その後、冷媒は第２膨張機構４０で減圧され低温低圧の気液二相状態となる。この際、第２膨張機構４０では冷媒の圧力エネルギーを動力に変換し、その動力は第２の軸４２を介して、第２電動機２４が圧縮機構１１を駆動するのを補助する動力として用いられる。このように、膨張時の圧力エネルギーを動力として回収し、圧縮動力として利用することでＣＯＰを向上させることができる。第２膨張機構４０で減圧された冷媒は蒸発器１５に供給される。蒸発器１５では、冷媒は送風ファン１６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。

本実施の形態の冷凍サイクル装置においては、実施の形態１において図２、図３を用いて説明したことと同様に、次のような効果が得られる。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なくても、放熱器１２の流体流路１２ｂに流入する流体の温度が高くなり、高圧側圧力が過度に上昇する場合には、第２膨張機構４０の回収動力が増加するために、蒸発器１５の入口の冷媒密度が上昇するので、蒸発器冷媒ホールド量の減少を抑制できる。このため、高圧側圧力の過度な上昇を抑制できる。これにより、信頼性を損なうことなく機器の小型化が達成できる。また、第２膨張機構４０が動力回収を行うことにより高効率化できるといった副次的メリットも有する。

また、本実施の形態の冷凍サイクル装置においては、次のような効果が得られる。圧縮機一体膨張機４１は、第２密閉容器４３内が圧縮機構１１出口の冷媒と略同等の温度と圧
力の冷媒によって満たされている高圧シェル式電動圧縮・膨張機であることで、放熱器冷媒ホールド量の増加を吸収し、低圧シェル式電動圧縮・膨張機を採用した場合より、放熱器冷媒ホールド量の変化を小さく出来るために、高圧側圧力の過度な上昇を抑制し、信頼性を損なうことなく機器の小型化が達成できる。

さらに、実施の形態１の図５で説明したものと同様な制御方法を行えば、次のような効果が得られる。設定圧力より高圧側圧力が高くなった場合には、送風ファン１６の回転数を低下させることで、第２膨張機構４０の回収動力を増加させ、蒸発器冷媒ホールド量を増加させることができるので、高圧側圧力の過度な上昇を抑制でき、信頼性を損なうことなく機器の小型化が達成できる。

なお、本実施の形態においては、圧力検知装置３０で高圧側圧力を検出しているが、圧力検知装置３０の代わりに吐出温度検知装置を設け、吐出温度検知装置が検出した圧縮機構１１の吐出温度から高圧側圧力を予測するようにしてもよい。さらに、吐出温度検知装置が検出した温度と予め定めた設定吐出温度を比較することで、高圧側圧力が設定圧力近傍まで上昇したことを判定するようにしてもよい。

また、本実施の形態において、実施の形態１と同様に内部熱交換器１３を備えていても、本発明の効果が損なわれるものではない。

（実施の形態３）
図７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を示す構成図である。なお、本実施の形態において、第１の実施の形態と同様の構成要素は図１と同じ番号を付し、その説明を省略し、以下、本実施の形態の第１の実施の形態と異なる構成について説明する。

第３の実施の形態の冷凍サイクル装置では、第１膨張機構１４をバイパスするバイパス回路５０と、バイパス回路５０上に設けられた電動膨張弁あるいは電磁弁であるバイパス弁５１とを備えている。また、圧縮機構１１出口から給湯用熱交換器１２入口の間の冷媒温度、または、配管温度を検出する吐出温度検知装置６０、電子制御装置３１の指示により膨張機２３の回転数を変更する膨張機回転数制御装置６１、同じく、電子制御装置３１の指示によりバイパス弁５１の開度を変更するバイパス弁開度制御装置６２とを備えている。

次に、本実施の形態の冷凍サイクル装置の制御方法について、図８のフローチャートを用いて説明する。冷凍サイクル装置の運転時には、吐出温度検知装置６０からの検出値（吐出温度Ｔｄ）（ステップ２００）が取り込まれる。電子制御装置３１では、予めＲＯＭ等に記憶されている設定吐出温度（設定Ｔｄ）とステップ２００で取り込んだ吐出温度とを比較する（ステップ２１０）。吐出温度（Ｔｄ）が設定吐出温度（設定Ｔｄ）より低い場合には、高圧側圧力が予め設定した設定高圧側圧力より低いと判断する。そこで、冷凍サイクル装置が効率よく運転できるような制御を行う。

すなわち、予め、ファン騒音、冷凍サイクル装置の効率などを考慮して設定し、ＲＯＭ等に記憶されている送風ファン１６の設定ファン回転数（設定Ｆｒｐｍ）と、ファン回転数制御装置３２が操作している送風ファン回転数（Ｆｒｐｍ）とを比較する（ステップ２２０）。送風ファン回転数（Ｆｒｐｍ）が設定送風ファン回転数（設定Ｆｒｐｍ）より小さい場合には、ファン回転数制御装置３２により送風ファン回転（Ｆｒｐｍ）を増加させる（ステップ２３０）。一方、送風ファン回転数（Ｆｒｐｍ）が設定送風ファン回転数（設定Ｆｒｐｍ）と同じ場合には、膨張機回転数制御装置６１により膨張機２３の回転数（Ｈｚｅ）を低下させる（ステップ２４０）。これにより、圧縮機２７の吐出温度（Ｔｄ）
を予め設定した設定吐出温度に調整することができ、冷凍サイクル装置の効率よい運転が可能となる。

一方、ステップ２１０で、吐出温度（Ｔｄ）が設定吐出温度（設定Ｔｄ）より高い場合には、高圧側圧力が高いと判断し、高圧側圧力を低下させる制御を行う。すなわち、予め、膨張機構１４の信頼性などを考慮して設定し、ＲＯＭ等に記憶されている設定膨張機回転数（設定Ｈｚｅ）と、膨張機回転数制御装置６１が操作している膨張機回転数（Ｈｚｅ）とを比較する（ステップ２５０）。膨張機回転数（Ｈｚｅ）が設定膨張機回転数（設定Ｈｚｅ）より低い場合には、膨張機構１４の信頼性を低下させる恐れがないので、膨張機回転数制御装置６１により膨張機２３の回転数（Ｈｚｅ）を増加させ（ステップ２６０）、高圧側圧力を低下させる。

ステップ２５０で膨張機回転数（Ｈｚｅ）が設定膨張機回転数（設定Ｈｚｅ）より高い場合、すなわち、吐出温度（Ｔｄ）が設定吐出温度（設定Ｔｄ）より高く、かつ、膨張機回転数（Ｈｚｅ）が設定膨張機回転数（設定Ｈｚｅ）より高い場合には、高圧側圧力が冷凍サイクル装置の設計圧力などから予め設定した設定高圧側圧力近傍まで上昇していると判断する。そして、冷凍サイクル装置の信頼性の確保を優先し、高圧を低下させるために、ファン回転数制御装置３２により送風ファン１６の回転数（Ｆｒｐｍ）を低下させる（ステップ２７０）。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２７０まで繰り返す。

このような冷凍サイクル装置の制御方法では、圧縮機２７の吐出温度が予め定めた設定吐出温度より高く、かつ、膨張機２３すなわち第１膨張機構１４の回転数が予め定めた回転数より高い場合、すなわち、高圧側圧力が設定圧力近傍まで上昇したと判定された場合には、送風ファン１６の回転数を低下させることにより、第１膨張機構１４の前後の圧力差を大きくする。これにより、第１膨張機構１４の回収動力が増加するので、第１膨張機構１４の出口、すなわち、蒸発器１５の入口の冷媒密度が大きくなる。

また、送風ファン１６の回転数を低下させることで、蒸発器１５の出口の冷媒密度も大きくなる。これらのことから、蒸発器冷媒ホールド量が増加するために、高圧側圧力の過度な上昇を抑制することができる。すなわち、本実施の形態の冷凍サイクル装置の制御方法においては、次のような効果が得られる。圧縮機２７の吐出温度が予め定めた設定吐出温度より高く、かつ、膨張機２３すなわち第１膨張機構１４の回転数が予め定めた回転数より高い場合に、高圧側圧力が過度に上昇したものと判定しているので、圧力センサーなどの圧力検知装置を備える必要がない。

さらに、高圧側圧力が過度に上昇したと判定された場合には、送風ファン１６の回転数を低下させることで、第１膨張機構１４の回収動力を増加させ、蒸発器冷媒ホールド量を増加させることができるので、高圧側圧力の過度な上昇を抑制でき、信頼性を損なうことなく機器の小型化が達成できる。

なお、本実施の形態においては、吐出温度検知装置６０で吐出温度を検出しているが、吐出温度検知装置６０の代わりに圧縮機２７の吸入過熱度を検知する圧縮機吸入過熱度検知装置、あるいは、蒸発器１５の出口過熱度を検知する蒸発器出口過熱度を検知する蒸発器出口過熱度検知装置を設け、吐出温度の代わりに、これらのいずれかの値を用い、高圧側圧力が設定圧力より高いか低いかを判定するようにしてもよい。
また、本実施の形態において、内部熱交換器１３は備えられていなくても、本発明の効果が損なわれるものではない。

（実施の形態４）
第４の実施の形態の冷凍サイクル装置を示す構成図は第３の実施の形態の構成図である図７と同様であるので、構成の説明を省略する。本実施の形態の冷凍サイクル装置の制御方法について、図９のフローチャートを用いて説明する。

冷凍サイクル装置の運転時には、吐出温度検知装置６０からの検出値（吐出温度Ｔｄ）（ステップ３００）が取り込まれる。電子制御装置３１では、予めＲＯＭ等に記憶されている設定吐出温度（設定Ｔｄ）とステップ３００で取り込んだ吐出温度とを比較する（ステップ３１０）。吐出温度（Ｔｄ）が設定吐出温度（設定Ｔｄ）より低い場合には、高圧側圧力が予め設定した設定高圧側圧力より低いと判断する。

そこで、冷凍サイクル装置が効率よく運転できるような制御を行う。すなわち、予め、ファン騒音、冷凍サイクル装置の効率などを考慮して設定し、ＲＯＭ等に記憶されている送風ファン１６の設定ファン回転数（設定Ｆｒｐｍ）と、ファン回転数制御装置３２が操作している送風ファン回転数（Ｆｒｐｍ）とを比較する（ステップ３２０）。送風ファン回転数（Ｆｒｐｍ）が設定送風ファン回転数（設定Ｆｒｐｍ）より小さい場合には、ファン回転数制御装置３２により送風ファン回転（Ｆｒｐｍ）を増加させる（ステップ３３０）。一方、送風ファン回転数（Ｆｒｐｍ）が設定送風ファン回転数（設定Ｆｒｐｍ）と同じ場合には、まず、バイパス弁５１が全閉状態か否かを判定する（ステップ３４０）。

バイパス弁が全閉状態でない場合には、バイパス弁開度制御装置６２によりバイパス弁を閉方向に操作する（ステップ３５０）。ステップ３４０でバイパス弁が全閉状態である場合には、膨張機回転数制御装置６１により膨張機２３の回転数（Ｈｚｅ）を低下させる（ステップ３６０）。これにより、圧縮機２７の吐出温度（Ｔｄ）を予め設定した設定吐出温度に調整することができ、冷凍サイクル装置の効率よい運転が可能となる。

一方、ステップ３１０で、吐出温度（Ｔｄ）が設定吐出温度（設定Ｔｄ）より高い場合には、高圧側圧力が高いと判断し、高圧側圧力を低下させる制御を行う。すなわち、予め、膨張機構１４の信頼性などを考慮して設定し、ＲＯＭ等に記憶されている設定膨張機回転数（設定Ｈｚｅ）と、膨張機回転数制御装置６１が操作している膨張機回転数（Ｈｚｅ）とを比較する（ステップ３７０）。膨張機回転数（Ｈｚｅ）が設定膨張機回転数（設定Ｈｚｅ）より低い場合には、膨張機構１４の信頼性を低下させる恐れがないので、膨張機回転数制御装置６１により膨張機２３の回転数（Ｈｚｅ）を増加させ（ステップ３８０）、高圧側圧力を低下させる。

ステップ３７０で膨張機回転数（Ｈｚｅ）が設定膨張機回転数（設定Ｈｚｅ）より高い場合には、まず、バイパス弁５１が全開状態か否かを判定する（ステップ３９０）。バイパス弁が全開状態でない場合には、バイパス弁開度制御装置６２によりバイパス弁５１を開方向に操作する（ステップ４００）。ステップ３９０でバイパス弁が全開状態である場合、すなわち、吐出温度（Ｔｄ）が設定吐出温度（設定Ｔｄ）より高く、かつ、膨張機回転数（Ｈｚｅ）が設定膨張機回転数（設定Ｈｚｅ）より高く、かつ、バイパス弁５１が全開状態である場合には、高圧側圧力が冷凍サイクル装置の設計圧力などから予め設定した設定高圧側圧力近傍まで上昇していると判断する。そして、冷凍サイクル装置の信頼性の確保を優先し、高圧を低下させるために、ファン回転数制御装置３２により送風ファン１６の回転数（Ｆｒｐｍ）を低下させる（ステップ４１０）。以上のステップの後、ステップ３００に戻り、以後ステップ３００からステップ４１０まで繰り返す。

このような冷凍サイクル装置の制御方法では、圧縮機２７の吐出温度が予め定めた設定吐出温度より高く、かつ、膨張機２３すなわち第１膨張機構１４の回転数が予め定めた回転数より高く、かつ、バイパス弁５１が全開状態である場合、すなわち、高圧側圧力が設定圧力近傍まで上昇したと判定された場合には、送風ファン１６の回転数を低下させるこ
とにより、第１膨張機構１４の前後の圧力差を大きくする。これにより、第１膨張機構１４の回収動力が増加するので、第１膨張機構１４の出口、すなわち、蒸発器１５の入口の冷媒密度が大きくなる。また、送風ファン１６の回転数を低下させることで、蒸発器１５の出口の冷媒密度も大きくなる。これらのことから、蒸発器冷媒ホールド量が増加するために、高圧側圧力の過度な上昇を抑制することができる。

すなわち、本実施の形態の冷凍サイクル装置の制御方法においては、次のような効果が得られる。圧縮機２７の吐出温度が予め定めた設定吐出温度より高く、かつ、膨張機２３すなわち第１膨張機構１４の回転数が予め定めた回転数より高く、かつ、バイパス弁５１が全開状態である場合に、高圧側圧力が過度に上昇したものと判定しているので、圧力センサーなどの圧力検知装置を備える必要がない。さらに、高圧側圧力が過度に上昇したと判定された場合には、送風ファン１６の回転数を低下させることで、第１膨張機構１４の回収動力を増加させ、蒸発器冷媒ホールド量を増加させることができるので、高圧側圧力の過度な上昇を抑制でき、信頼性を損なうことなく機器の小型化が達成できる。

なお、本実施の形態においては、吐出温度検知装置６０で吐出温度を検出しているが、吐出温度検知装置６０の代わりに圧縮機２７の吸入過熱度を検知する圧縮機吸入過熱度検知装置、あるいは、蒸発器１５の出口過熱度を検知する蒸発器出口過熱度を検知する蒸発器出口過熱度検知装置を設け、吐出温度の代わりに、これらのいずれかの値を用い、高圧側圧力が設定圧力より高いか低いかを判定するようにしてもよい。

また、本実施の形態において、内部熱交換器１３は備えられていなくても、本発明の効果が損なわれるものではない。

本発明の冷凍サイクル装置およびその制御方法は、冷凍サイクルの高圧側が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、酸化窒素及びこれらを含む混合冷媒など）を用いた給湯器、家庭用空調機、車両用空調機等に適している。そして、信頼性を損なうことなく機器の小型化と高効率化が達成できる。

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構成図 同冷凍サイクル装置の動作を説明する圧力・エンタルピ線図 同他の冷凍サイクル装置の動作を説明する圧力・エンタルピ線図 同他冷凍サイクル装置の動作を説明する圧力・エンタルピ線図 同冷凍サイクル装置の制御方法を示すフローチャート 本発明の第２の実施の形態における冷凍サイクル装置を示す構成図 本発明の第３の実施の形態における冷凍サイクル装置を示す構成図 同冷凍サイクル装置の制御方法を示すフローチャート 本発明の第４の実施の形態における冷凍サイクル装置の制御方法を示すフローチャート

符号の説明

１１ 圧縮機構
１２ 放熱器（給湯用熱交換器）
１２ａ 冷媒流路
１２ｂ 流体流路
１３ 内部熱交換器
１３ａ 高圧側冷媒流路
１３ｂ 低圧側冷媒流路
１４ 第１膨張機構
１５ 蒸発器
１６ 蒸発器側流体搬送手段（送風ファン）
１７ 放熱器側流体搬送手段（給水ポンプ）
１８ 貯湯タンク
２０ 第１電動機
２１ 第１の軸
２２ 第１密閉容器
２３ 膨張機
２４ 第２電動機
２５ 駆動軸
２６ 圧縮機密閉容器
２７ 圧縮機
３０ 圧力検知装置
３１ 電子制御装置
３２ ファン回転数制御装置
４０ 第２膨張機構
４１ 圧縮機一体膨張機
４２ 第２の軸
４３ 第２密閉容器
５０ バイパス回路
５１ バイパス弁
６０ 吐出温度検知装置
６１ 膨張機回転数制御装置
６２ バイパス弁開度制御装置
Ａ 冷媒回路
Ｂ 流体回路

Claims (6)

1. 高圧側で超臨界状態となりうる冷媒を用い、少なくとも圧縮機構、放熱器、減圧手段、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、前記減圧手段が動力回収を行う膨張機であることを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記減圧手段は、第１の軸により連結された第１電動機と第１膨張機構とが、前記減圧手段の入口の冷媒と略同等の温度と圧力の冷媒で満たされた第１密閉容器内に収納された膨張機であることを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記減圧手段は、第２の軸により連結された前記圧縮機構と第２電動機と第２膨張機構とが、前記圧縮機構の出口の冷媒と略同等の温度と圧力の冷媒で満たされた第２密閉容器内に収納された膨張機であることを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
4. 高圧側で超臨界状態となりうる冷媒を用い、少なくとも圧縮機構、放熱器、動力回収を行う膨張機、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、高圧側圧力が予め設定した設定圧力より上昇した場合に、前記蒸発器の送風手段の送風能力を低下させることを特徴とする冷凍サイクル装置の制御方法。
5. 高圧側で超臨界状態となりうる冷媒を用い、少なくとも圧縮機構、放熱器、動力回収を行う膨張機、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、前記圧縮機構の出口側に設けた温度検出手段の検出値と前記膨張機の回転数とから、高圧側圧力が予め設定した設定圧力近傍まで上昇したことを判定し、前記蒸発器の送風手段の送風能力を低下させることを特徴とする冷凍サイクル装置の制御方法。
6. 高圧側で超臨界状態となりうる冷媒を用い、少なくとも圧縮機構、放熱器、動力回収を行う膨張機、蒸発器、前記膨張機をバイパスするバイパス回路、前記バイパス回路を流れる流量を調節するバイパス弁を備え、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、前記圧縮機構の出口側に設けた温度検出手段の検出値と前記膨張機の回転数と前記バイパス弁の開度とから、高圧側圧力が予め設定した設定圧力近傍まで上昇したことを判定し、前記蒸発器の送風手段の送風能力を低下させることを特徴とする冷凍サイクル装置の制御方法。

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