JP4165049B2 - 冷凍装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷凍装置に関し、特に、冷凍サイクルの高圧が冷媒の臨界圧力以上になる冷凍装置に係るものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、閉回路内で冷媒を循環させて蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷凍装置が知られており、空調機等として広く利用されている。この種の冷凍装置としては、例えば、特開平１０−５４６１７号公報に開示されているように、炭酸ガス（ＣＯ_２）を冷媒とし、冷凍サイクルの高圧を冷媒の臨界圧力以上に設定したいわゆる超臨界冷凍サイクルを行うものがある。
【０００３】
そして、上記冷凍装置は、例えば、暖房運転を行う場合、圧縮機で圧縮された冷媒を室内熱交換器で放熱させ、膨張機構で減圧した後、室外熱交換器で蒸発させて圧縮機に戻る循環を行う。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した冷凍装置において、負荷、例えば、暖房負荷に対して如何に運転を制御するかが問題となる。
【０００５】
つまり、例えば、室内空気温度と設定温度との差温に基づいて圧縮機の容量を制御するのみでは、超臨界冷凍サイクルの特徴を充分に利用しきれないという問題があった。
【０００６】
また、暖房運転を行うに当たり、多様な要求に対応できないという問題があった。つまり、室内空気温度を設定温度に暖房するのみならず、室内熱交換器の吹出空気温度を所望の温度にしたいという要求がある。この場合、単に圧縮機の容量を増減するのみでは、所望温度の吹出空気を得ることができないという問題があった。
【０００７】
本発明は、斯かる点に鑑みて成されたもので、超臨界冷凍サイクルの特徴を充分に利用すると共に、多様な暖房運転を可能にすることを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
具体的に、図１に示すように、第１の発明は、冷媒が循環する冷媒回路（10）を備え、該冷媒回路（10）の冷媒を圧縮機（21）によって該冷媒の臨界圧力以上に圧縮して冷凍サイクルを行い、加熱対象物を加熱する加熱運転を少なくとも行う冷凍装置を対象としている。そして、上記加熱対象物の対象温度が目標温度になるように冷媒回路（10）の圧縮機（21）の容量を制御する容量制御手段（51）を備えている。加えて、上記冷媒回路（10）における圧縮機（21）の吐出冷媒圧力と、上記加熱対象物の対象温度と、冷媒回路（10）における冷媒の蒸発温度とに基づいて加熱対象物の加熱温度が目標温度となる圧縮機（21）の吐出冷媒温度の所定温度を導出し、該圧縮機（21）の吐出冷媒温度が所定温度となるように冷媒回路（10）の膨張機構（2E）を制御する膨張制御手段（52）を備えている。
【０００９】
また、第２の発明は、圧縮機（21）と室外熱交換器（12）と膨張機構（2E）と室内熱交換器（11）と有する冷媒回路（10）を備え、該冷媒回路（10）の冷媒を圧縮機（21）によって該冷媒の臨界圧力以上に圧縮して冷凍サイクルを行い、少なくとも暖房運転を行う冷凍装置を対象としている。そして、室内空気温度が目標温度になるように圧縮機（21）の容量を制御する容量制御手段（51）を備えている。加えて、上記圧縮機（21）の吐出冷媒圧力と、室内空気温度と、室外熱交換器（12）の冷媒蒸発温度とに基づいて室内熱交換器（11）の吹出空気温度が目標温度となる圧縮機（21）の吐出冷媒温度の所定温度を導出し、該圧縮機（21）の吐出冷媒温度が所定温度となるように膨張機構（2E）を制御する膨張制御手段（52）を備えている。
【００１０】
すなわち、本発明では、容量制御手段（51）が、加熱対象物の対象温度が目標温度になるように冷媒回路（10）の圧縮機（21）の容量を制御する。一方、膨張制御手段（52）が、上記加熱対象物の加熱温度に基づく圧縮機（21）の吐出冷媒温度が所定温度になるように冷媒回路（10）の膨張機構（2E）によって圧縮機（21）の吐出冷媒圧力を制御する。
【００１１】
つまり、第１の発明では、容量制御手段（51）が、加熱対象物の対象温度が目標温度になるように冷媒回路（10）の圧縮機（21）の容量を制御する。一方、膨張制御手段（52）は、冷媒回路（10）における圧縮機（21）の吐出冷媒圧力と、上記加熱対象物の対象温度と、冷媒回路（10）における冷媒の蒸発温度とに基づいて加熱対象物の加熱温度が目標温度となる圧縮機（21）の吐出冷媒温度の所定温度を導出し、該圧縮機（21）の吐出冷媒温度が所定温度となるように冷媒回路（10）の膨張機構（2E）を制御する。
【００１２】
具体的に、第２の発明では、室内空気温度と室内設定温度とが異なり、室内空気温度が室内設定温度より低い場合、容量制御手段（51）が圧縮機（21）の容量を増大させる。逆に、上記室内空気温度が室内設定温度より高い場合、容量制御手段（51）が圧縮機（21）の容量を低下させる。
【００１３】
一方、膨張制御手段（52）は、圧縮機（21）の吐出圧力、室内空気温度、及び室外熱交換温度を予め記憶する関係式へ代入し、室内熱交換器（11）の吹出空気温度が目標温度となる圧縮機（21）の吐出管温度の所定温度を導出する。そして、吐出管温度が所定温度の差に基づいて膨張機構（2E）の制御量を決定し、その値に従って膨張機構（2E）を制御する。
【００１４】
そして、上記室内熱交換器（11）の吹出空気温度と目標温度とが異なり、吹出空気温度が目標温度より低い場合、膨張制御手段（52）が膨張機構（2E）を制御し、吹出空気温度を上昇させる。逆に、上記吹出空気温度が目標温度より高い場合、膨張制御手段（52）が膨張機構（2E）を制御し、吹出空気温度を低下させる。
【００１５】
【発明の効果】
したがって、本発明によれば、加熱対象物の加熱温度に基づいて圧縮機（21）の吐出冷媒温度が所定温度になるように膨張機構（2E）を制御するので、多様な暖房運転を行うことができる。
【００１６】
具体的に、第２の発明では、室内熱交換器（11）の吹出空気温度が目標温度になるように圧縮機（21）の吐出冷媒温度を膨張機構（2E）によって制御するので、多様な暖房運転を行うことができる。
【００１７】
つまり、いわゆる超臨界冷凍サイクルを行う冷凍装置においては、圧縮機（21）の吐出冷媒圧力を変更することによって、所望の吐出冷媒温度を得ることができる。
【００１８】
例えば、室内熱交換器（11）において、冷媒は、１００℃から３５℃に変化するので、所望の吹出空気温度を容易に生成することができ、目標温度の変更に対応することができる。この結果、冷媒の特性を十分に利用した多様な暖房運転を行うことができる。
【００１９】
一方、上記圧縮機（21）の吸込温度は、つまり、外気条件によって定まるので、この吸込温度が定まると、等エントロピ線に沿って吹出空気温度に基づき、吐出冷媒温度によって圧縮機（21）の吐出冷媒圧力が定まる。このことから、上記膨張機構（2E）を制御するに当たり、制御パラメータを定めることができ、運転状態に対した適切な膨張機構（2E）の制御を実現するととができる。
【００２０】
【発明の実施の形態１】
以下、本発明の実施形態１を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２１】
図１に示すように、本実施形態１は、本発明に係る冷凍装置により構成された空調機である。この空調機は、冷媒回路（10）とコントローラ（50）とを備え、冷房運転と暖房運転を切り換えて行うように構成されている。
【００２２】
上記冷媒回路（10）には、室内熱交換器（11）、室外熱交換器（12）、第１四路切換弁（13）、第２四路切換弁（14）、圧縮機（21）、膨張機（22）、膨張弁（23）、及びレシーバタンク（31）が設けられている。上記冷媒回路（10）では、膨張機（22）と膨張弁（23）が直列に配置されており、これらが冷媒の膨張機構（2E）を構成している。また、上記冷媒回路（10）には、二酸化炭素（ＣＯ_２）が冷媒として充填されている。
【００２３】
上記室内熱交換器（11）は、利用側熱交換器であって、いわゆるクロスフィン型のフィン・アンド・チューブ熱交換器により構成されている。上記室内熱交換器（11）は、図示しないが、室内ファンによって室内空気が供給される。上記室内熱交換器（11）は、供給された室内空気と冷媒回路（10）の冷媒との熱交換を行う。そして、上記室内熱交換器（11）の一端は、第１四路切換弁（13）の第１のポートに配管接続され、その他端は、第２四路切換弁（14）の第１のポートに配管接続されている。
【００２４】
上記室外熱交換器（12）は、熱源側熱交換器であって、いわゆるクロスフィン型のフィン・アンド・チューブ熱交換器により構成されている。上記室外熱交換器（12）は、図示しないが、室外ファンによって室外空気が供給される。上記室外熱交換器（12）は、供給された室外空気と冷媒回路（10）の冷媒との熱交換を行う。そして、上記室外熱交換器（12）の一端は、第１四路切換弁（13）の第２のポートに配管接続され、その他端は、第２四路切換弁（14）の第２のポートに配管接続されている。
【００２５】
上記圧縮機（21）は、例えば、ローリングピストン型の流体機械により構成されている。この圧縮機（21）は、吸入した冷媒（ＣＯ_２）をその臨界圧力以上にまで圧縮する。そして、上記圧縮機（21）の吐出側は、第１四路切換弁（13）の第３のポートに配管接続され、その吸入側は、第１四路切換弁（13）の第４のポートに配管接続されている。
【００２６】
上記膨張機（22）は、例えば、スクロール型の流体機械により構成されている。つまり、上記膨張機（22）は、例えば、内部容積比が一定の容積形流体機械により構成されている。上記膨張機（22）の流入側は、第２四路切換弁（14）の第３のポートに配管接続され、その流出側は、上記レシーバタンク（31）に配管接続されている。尚、膨張機（22）を構成する流体機械は、その内部容積比が一定のものであればスクロール型に限らず、例えばスクリュー型、歯車型、ルーツ型のものであってもよい。
【００２７】
上記レシーバタンク（31）は、縦長で円筒状の密閉容器であって、中間圧冷媒を貯留するように構成されている。上記レシーバタンク（31）は、膨張弁（23）の流入側と配管接続されている。このように、上記冷媒回路（10）では、膨張機（22）の下流側に膨張弁（23）が設けられている。
【００２８】
上記膨張弁（23）は、パルスモータ等で弁体を回転させることによって、その開度を変更できるように構成されている。上記膨張弁（23）の流出側は、第２四路切換弁（14）の第４のポートに配管接続されている。
【００２９】
上述したように、第１四路切換弁（13）は、第１のポートが室内熱交換器（11）に、第２のポートが室外熱交換器（12）に、第３のポートが圧縮機（21）の吐出側に、第４のポートが圧縮機（21）の吸入側にそれぞれ接続されている。この第１四路切換弁（13）は、第１のポートが第３のポートと連通し且つ第２のポートが第４のポートと連通する状態（図１に実線で示す状態）と、第１のポートが第４のポートと連通し且つ第２のポートが第３のポートと連通する状態（図１に破線で示す状態）とに切り換わるように構成されている。
【００３０】
一方、上記第２四路切換弁（14）は、第１のポートが室内熱交換器（11）に、第２のポートが室外熱交換器（12）に、第３のポートが膨張機（22）の流入側に、第４のポートが膨張弁（23）の流出側にそれぞれ接続されている。この第１四路切換弁（13）は、第１のポートが第３のポートと連通し且つ第２のポートが第４のポートと連通する状態（図１に実線で示す状態）と、第１のポートが第４のポートと連通し且つ第２のポートが第３のポートと連通する状態（図１に破線で示す状態）とに切り換わるように構成されている。
【００３１】
本実施形態において、上記圧縮機（21）の駆動軸には、上記膨張機（22）と圧縮機モータ（24）とが連結されている。この圧縮機（21）は、膨張機（22）での冷媒の膨張により得られた動力と、圧縮機モータ（24）へ通電することにより得られた動力との両方によって回転駆動される。また、上記圧縮機モータ（24）には、図外のインバータから所定周波数の交流電力が供給されている。そして、上記圧縮機（21）は、圧縮機モータ（24）へ供給される電力の周波数を変更することで、その容量が可変に構成されている。
【００３２】
本実施形態の空調機には、温度や圧力のセンサが設けられている。上記圧縮機（21）の吐出側に接続された配管には、吐出冷媒温度である吐出管温度Ｔ_ｄを検出する吐出管温度センサ（61）と、吐出冷媒圧力である吐出圧力ｐ_ｄを検出する吐出圧力センサ（62）とが設けられている。上記室内熱交換器（11）には、室内熱交換温度Ｔ_ｈｉを検出する室内熱交換温度センサ（63）が設けられている。上記室外熱交換器（12）には、室外熱交換温度Ｔ_ｈｏを検出する室外熱交換温度センサ（64）が設けられている。
【００３３】
更に、上記空調機には、室内空気温度Ｔ_ｒを検出する室内温度センサ（65）と、室外空気温度Ｔ_ｏを検出する室外温度センサ（66）と、室内熱交換器（11）から吹き出す空気の温度である吹出空気温度Ｔ_ｓを検出する吹出温度センサ（66）とが設けられている。そして、上記室内温度センサ（65）は、室内空気の温度である室内空気温度Ｔ_ｒが加熱対象物の対象温度であるので、この対象温度である室内空気温度Ｔ_ｒを検出する。上記吹出温度センサ（66）は、吹出空気温度Ｔ_ｓが加熱対象物の加熱温度であるので、この加熱温度である吹出空気温度Ｔ_ｓを検出する。
【００３４】
上記コントローラ（50）には、上述した各センサの検出値が入力されている。また、上記コントローラ（50）には、ユーザーによって設定された室内設定温度Ｔ_{ｒ．ｓｅｔ}が入力されると共に、吹出設定温度Ｔ_{ｓ．ｓｅｔ}が入力されている。そして、上記コントローラ（50）は、圧縮機（21）の容量調節や膨張弁（23）の開度調節を、各センサの検出値、室内設定温度Ｔ_{ｒ．ｓｅｔ}及び吹出設定温度Ｔ_{ｓ．ｓｅｔ}に基づいて行うように構成されている。この室内設定温度Ｔ_{ｒ．ｓｅｔ}が、加熱対象物の対象温度の目標温度であり、上記吹出設定温度Ｔ_{ｓ．ｓｅｔ}が、加熱対象物の加熱温度の目標温度である。
【００３５】
尚、このコントローラ（50）は、室内熱交換温度Ｔ_ｈｉを冷房時の冷媒蒸発温度として用いると共に、室外熱交換温度Ｔ_ｈｏを暖房時の冷媒蒸発温度として用いることにより、所定の動作を行うように構成されている。このため、上記室内熱交換温度センサ（63）は、室内熱交換器（11）で冷房時に冷媒の過熱度がつかない位置に設置されている。また、上記室外熱交換温度センサ（64）は、室外熱交換器（12）で暖房時に冷媒の過熱度がつかない位置に設置されている。
【００３６】
上記コントローラ（50）は、容量制御手段（51）である容量制御部（51）と、膨張制御手段（52）である膨張制御部（52）とを備えている。
【００３７】
上記容量制御部（51）は、室内温度センサ（65）が検出する室内空気温度Ｔ_ｒと室内設定温度Ｔ_{ｒ．ｓｅｔ}との差温に基づいて圧縮機（21）の容量を増減制御するように構成されている。
【００３８】
上記膨張制御部（52）は、圧縮機（21）の吐出圧力と、加熱対象物の対象温度と、冷媒回路（10）における冷媒の蒸発温度とに基づいて加熱対象物の加熱温度が目標温度となる圧縮機（21）の吐出冷媒温度の所定温度を導出し、該圧縮機（21）の吐出冷媒温度が所定温度となるように冷媒回路（10）の膨張機構（2E）を制御する。
【００３９】
具体的に、上記膨張制御部（52）は、暖房運転時において、圧縮機（21）の吐出圧力ｐ_ｄと、室内空気温度Ｔ_ｒと、室外熱交換温度Ｔ_ｈｏとに基づいて室内熱交換器（11）の吹出空気温度Ｔ_ｓが目標温度である吹出設定温度Ｔ_{ｓ．ｓｅｔ}となる圧縮機（21）の吐出管温度Ｔ_ｄの所定温度を導出し、該圧縮機（21）の吐出管温度Ｔ_ｄが所定温度となるように膨張機構（2E）の膨張弁（23）を開度制御する。
【００４０】
−運転動作−
〈暖房運転〉
上記空調機の暖房運転時の動作について、図１及び図２を参照しながら説明する。尚、図２は、上記空調機における冷凍サイクルを、モリエル線図（圧力−エンタルピ線図）上に表したものである。
【００４１】
先ず、暖房運転時において、第１四路切換弁（13）及び第２四路切換弁（14）は、図１に実線で示す状態に切り換わる。この状態で圧縮機（21）を駆動すると、冷媒回路（10）で冷媒が循環して冷凍サイクルが行われる。その際、室内熱交換器（11）が放熱器として機能し、室外熱交換器（12）が蒸発器として機能する。
【００４２】
具体的に、圧縮機（21）からは、図２における点１の状態の高圧冷媒が吐出される。この高圧冷媒の圧力Ｐ_Ｈは、その臨界圧力Ｐ_Ｃよりも高くなっている。圧縮機（21）から吐出された冷媒は、第１四路切換弁（13）を通って室内熱交換器（11）へ導入される。
【００４３】
上記室内熱交換器（11）では、導入された高圧冷媒が室内空気と熱交換を行う。この熱交換により、高圧冷媒は室内空気に対して放熱し、そのエンタルピが点１の状態から点２の状態にまで低下する。点２の状態の高圧冷媒は、第２四路切換弁（14）を通って膨張機（22）へ導入される。一方、室内熱交換器（11）で高圧冷媒により加熱された室内空気は、調和空気として室内へ送り返される。
【００４４】
上記室内熱交換器（11）で放熱した後の点２の状態の冷媒は、膨張機（22）において膨張し、その圧力及びエンタルピが点３の状態にまで低下する。つまり、膨張機（22）では、高圧冷媒が膨張して圧力Ｐ_Ｍの中間圧冷媒となる。この中間圧冷媒は、その臨界圧力Ｐ_Ｃよりも低圧であって、気液二相状態となっている。そして、気液二相状態の中間圧冷媒が、膨張機（22）から流出し、レシーバタンク（31）を通って膨張弁（23）へ送られる。
【００４５】
上記膨張弁（23）では、中間圧冷媒が減圧され、その圧力が点３の状態から点４の状態にまで低下する。つまり、膨張弁（23）を通過することで、中間圧冷媒が減圧されて圧力Ｐ_Ｌの低圧冷媒となる。点４の状態の低圧冷媒は、第２四路切換弁（14）を通って室外熱交換器（12）へ導入される。
【００４６】
上記室外熱交換器（12）では、導入された低圧冷媒が室外空気と熱交換を行う。この熱交換により、低圧冷媒が室外空気から吸熱し、そのエンタルピが点４の状態から点５の状態にまで増大する。点５の状態の低圧冷媒は、室外熱交換器（12）から流出し、第１四路切換弁（13）を通って圧縮機（21）へ送られる。
【００４７】
上記圧縮機（21）に吸入された点５の状態の冷媒は、圧縮されて点１の状態となる。つまり、圧縮機（21）では、圧力Ｐ_Ｌの低圧冷媒が圧縮されて圧力Ｐ_Ｈの高圧冷媒となる。そして、この高圧冷媒が圧縮機（21）から室内熱交換器（11）へ送られる。
【００４８】
上述のように、膨張機（22）において、冷媒の圧力及びエンタルピが点２から点３の状態にまで低下する。そして、この膨張機（22）では、点２と点３のエンタルピ差に相当する動力が得られ、この得られた動力が圧縮機（21）の駆動に利用される。
【００４９】
〈冷房運転〉
上記空調機の冷房運転時の動作について、図１及び図２を参照しながら説明する。
【００５０】
冷房運転時において、第１四路切換弁（13）及び第２四路切換弁（14）は、図１に破線で示す状態に切り換わる。この状態で圧縮機（21）を駆動すると、冷媒回路（10）で冷媒が循環して冷凍サイクルが行われる。その際、室外熱交換器（12）が放熱器として機能し、室内熱交換器（11）が蒸発器として機能する。
【００５１】
具体的に、圧縮機（21）からは、図２における点１の状態の高圧冷媒が吐出される。この高圧冷媒の圧力Ｐ_Ｈは、その臨界圧力Ｐ_Ｃよりも高くなっている。圧縮機（21）から吐出された冷媒は、第１四路切換弁（13）を通って室外熱交換器（12）へ導入される。
【００５２】
上記室外熱交換器（12）では、導入された高圧冷媒が室外空気と熱交換を行う。この熱交換により、高圧冷媒は室外空気に対して放熱し、そのエンタルピが点１の状態から点２の状態にまで低下する。点２の状態の高圧冷媒は、第２四路切換弁（14）を通って膨張機（22）へ導入される。
【００５３】
上記室外熱交換器（12）で放熱した後の点２の状態の冷媒は、膨張機（22）において膨張し、その圧力及びエンタルピが点３の状態にまで低下する。つまり、膨張機（22）では、高圧冷媒が膨張して圧力Ｐ_Ｍの中間圧冷媒となる。この中間圧冷媒は、その臨界圧力Ｐ_Ｃよりも低圧であって、気液二相状態となっている。そして、気液二相状態の中間圧冷媒が、膨張機（22）から流出し、レシーバタンク（31）を通って膨張弁（23）へ送られる。
【００５４】
上記膨張弁（23）では、中間圧冷媒が減圧され、その圧力が点３の状態から点４の状態にまで低下する。つまり、膨張弁（23）を通過することで、中間圧冷媒が減圧されて圧力Ｐ_Ｌの低圧冷媒となる。点４の状態の低圧冷媒は、第２四路切換弁（14）を通って室内熱交換器（11）へ導入される。
【００５５】
上記室内熱交換器（11）では、導入された低圧冷媒が室内空気と熱交換を行う。この熱交換により、低圧冷媒が室内空気から吸熱し、そのエンタルピが点４の状態から点５の状態にまで増大する。点５の状態の低圧冷媒は、室内熱交換器（11）から流出し、第１四路切換弁（13）を通って圧縮機（21）へ送られる。一方、室内熱交換器（11）で低圧冷媒により冷却された室内空気は、調和空気として室内へ送り返される。
【００５６】
上記圧縮機（21）に吸入された点５の状態の冷媒は、圧縮されて点１の状態となる。つまり、圧縮機（21）では、圧力Ｐ_Ｌの低圧冷媒が圧縮されて圧力Ｐ_Ｈの高圧冷媒となる。そして、この高圧冷媒が圧縮機（21）から室外熱交換器（12）へ送られる。
【００５７】
上述のように、膨張機（22）において、冷媒の圧力及びエンタルピが点２から点３の状態にまで低下する。そして、この膨張機（22）では、点２と点３のエンタルピ差に相当する動力が得られ、この得られた動力が圧縮機（21）の駆動に利用される。
【００５８】
−コントローラの制御動作−
暖房運転時や冷房運転時において、上記コントローラ（50）は、下記に示すような所定の制御動作を行い、圧縮機（21）の運転周波数や膨張弁（23）の開度を調節している。それに伴い、暖房運転中や冷房運転中には、冷凍サイクルの高圧Ｐ_Ｈと低圧Ｐ_Ｌの値が変動する。つまり、空調機の運転中には、冷凍サイクルにおける高圧Ｐ_Ｈと低圧Ｐ_Ｌの比Ｐ_Ｈ/Ｐ_Ｌが変化する。
【００５９】
本実施形態では、膨張機（22）をスクロール型の流体機械により構成しているため、膨張機（22）における膨張比、即ち膨張機（22）の出入口における冷媒の圧力比Ｐ_Ｈ/Ｐ_Ｍは一定で変化しない。一方、膨張弁（23）の開度を変更すると、膨張弁（23）の出入口における冷媒の圧力比Ｐ_Ｍ/Ｐ_Ｌが変化する。従って、膨張機（22）の膨張比が一定であっても、膨張弁（23）の開度を調節することにより、冷凍サイクルの高圧Ｐ_Ｈや低圧Ｐ_Ｌが運転状態に適した値に設定される。
【００６０】
〈暖房運転時の制御動作〉
暖房運転時には、コントローラ（50）が所定の制御動作を行い、圧縮機（21）の容量及び膨張弁（23）の開度を調節する。そこで、暖房起動時の制御を図３に基づいて説明する。
【００６１】
ステップＳＴ１において、入力された室内空気温度Ｔ_ｒと室外空気温度Ｔ_ｏとに基づいて制御領域分けを行い、その領域分けに従い、予め記憶している表から圧縮機（21）の運転周波数の初期値Ｆ_{ｃｏｍｐ．ｓｅｔ}を決定する。
【００６２】
続いて、ステップＳＴ２に移り、決定された運転周波数の初期値Ｆ_{ｃｏｍｐ．ｓｅｔ}と室外空気温度Ｔ_ｏとを予め記憶する関係式へ代入し、膨張弁（23）の開度の初期値Ev_ｓｅｔを決定する。
【００６３】
その後、ステップＳＴ３に移り、膨張弁（23）の開度を初期値Ev_ｓｅｔに設定する。そして、ステップＳＴ４に移り、圧縮機モータ（24）へ周波数Ｆ_{ｃｏｍｐ．ｓｅｔ}の交流電力を供給して圧縮機（21）を起動する。
【００６４】
一方、暖房運転中において、コントローラ（50）の容量制御部（51）が圧縮機（21）を制御し、膨張制御部（52）が膨張機構（2E）を制御する。
【００６５】
そこで、上記圧縮機（21）の制御について、図４に基づいて説明すると、ステップＳＴ１１において、室内空気温度Ｔ_ｒが室内設定温度Ｔ_{ｒ．ｓｅｔ}と同じ温度か否かを判定する。上記室内空気温度Ｔ_ｒと室内設定温度Ｔ_{ｒ．ｓｅｔ}とが同じである場合、現在の圧縮機（21）の容量で充足しているので、ステップＳＴ１１の判定がＹＥＳとなり、該ステップＳＴ１１の判定を繰り返す。
【００６６】
上記室内空気温度Ｔ_ｒと室内設定温度Ｔ_{ｒ．ｓｅｔ}とが異なる温度である場合、ステップＳＴ１１の判定がＮＯとなり、ステップＳＴ１２に移り、室内空気温度Ｔ_ｒが室内設定温度Ｔ_{ｒ．ｓｅｔ}より高いか否かを判定する。上記室内空気温度Ｔ_ｒが室内設定温度Ｔ_{ｒ．ｓｅｔ}より高くない場合、つまり、室内空気温度Ｔ_ｒが室内設定温度Ｔ_{ｒ．ｓｅｔ}より低い場合、ステップＳＴ１２の判定がＮＯとなってステップＳＴ１３に移る。そして、上記容量制御部（51）は、圧縮機（21）の周波数アップ指令を出力し、圧縮機（21）の容量を増大させ、上記ステップＳＴ１１に戻り、上述の動作を繰り返す。
【００６７】
上記室内空気温度Ｔ_ｒが室内設定温度Ｔ_{ｒ．ｓｅｔ}より高い場合、ステップＳＴ１２の判定がＹＥＳとなってステップＳＴ１４に移る。そして、上記容量制御部（51）は、圧縮機（21）の周波数ダウン指令を出力し、圧縮機（21）の容量を低下させ、上記ステップＳＴ１１に戻り、上述の動作を繰り返す。
【００６８】
次に、上記膨張弁（23）の制御について、図５に基づいて説明すると、ステップＳＴ２１において、室内熱交換器（11）の吹出空気温度Ｔ_ｓが目標温度である吹出設定温度Ｔ_{ｓ．ｓｅｔ}と同じ温度か否かを判定する。上記吹出空気温度Ｔ_ｓと吹出設定温度Ｔ_{ｓ．ｓｅｔ}とが同じである場合、現在の膨張弁（23）の開度で充足しているので、ステップＳＴ２１の判定がＹＥＳとなり、該ステップＳＴ２１の判定を繰り返す。
【００６９】
上記吹出空気温度Ｔ_ｓと吹出設定温度Ｔ_{ｓ．ｓｅｔ}とが異なる温度である場合、ステップＳＴ２１の判定がＮＯとなり、ステップＳＴ２２に移り、吹出空気温度Ｔ_ｓが吹出設定温度Ｔ_{ｓ．ｓｅｔ}より高いか否かを判定する。上記吹出空気温度Ｔ_ｓが吹出設定温度Ｔ_{ｓ．ｓｅｔ}より高くない場合、つまり、吹出空気温度Ｔ_ｓが吹出設定温度Ｔ_{ｓ．ｓｅｔ}より低い場合、ステップＳＴ２２の判定がＮＯとなってステップＳＴ２３に移る。そして、上記膨張制御部（52）は、膨張弁（23）の絞り指令を出力し、膨張弁（23）の開度を小さくし、上記ステップＳＴ２１に戻り、上述の動作を繰り返す。
【００７０】
上記吹出空気温度Ｔ_ｓが吹出設定温度Ｔ_{ｓ．ｓｅｔ}より高い場合、ステップＳＴ２２の判定がＹＥＳとなってステップＳＴ２４に移る。そして、上記膨張制御部（52）は、膨張弁（23）の開き指令を出力し、膨張弁（23）の開度を大きくし、上記ステップＳＴ２１に戻り、上述の動作を繰り返す。
【００７１】
そこで、上記膨張弁（23）の変更制御について説明すると、圧縮機（21）の吐出圧力ｐ_ｄ、室内空気温度Ｔ_ｒ、及び室外熱交換温度Ｔ_ｈｏを予め記憶する関係式へ代入し、室内熱交換器（11）の吹出空気温度Ｔ_ｓが吹出設定温度Ｔ_{ｓ．ｓｅｔ}となる圧縮機（21）の吐出管温度Ｔ_ｄの所定温度Ｔ_{ｄ．ｓｅｔ}を導出する。そして、吐出管温度Ｔ_ｄが所定温度Ｔ_{ｄ．ｓｅｔ}の差に基づいて膨張弁（23）の開度操作量ΔEvを決定し、その値に従って膨張弁（23）の開度を変更する。
【００７２】
〈冷房運転時の制御動作〉
冷房運転時には、コントローラ（50）が所定の制御動作を行い、圧縮機（21）の容量や膨張弁（23）の開度を調節する。
【００７３】
冷房運転を開始する場合、冷房起動時は、暖房時と同様に行われ、室内空気温度Ｔ_ｒと室外空気温度Ｔ_ｏとに基づいて制御領域分けを行い、その領域分けに従い、予め記憶している表から圧縮機（21）の運転周波数の初期値Ｆ_{ｃｏｍｐ．ｓｅｔ}を決定する。続いて、決定された運転周波数の初期値Ｆ_{ｃｏｍｐ．ｓｅｔ}と室外空気温度Ｔ_ｏとを予め記憶する関係式へ代入し、膨張弁（23）の開度の初期値Ev_ｓｅｔを決定する。その後、膨張弁（23）の開度を初期値Ev_ｓｅｔに設定し、圧縮機モータ（24）へ周波数Ｆ_{ｃｏｍｐ．ｓｅｔ}の交流電力を供給して圧縮機（21）を起動する。
【００７４】
一方、冷房運転中において、上記圧縮機（21）の制御は、暖房時と同様に行われる。つまり、上記室内空気温度Ｔ_ｒと室内設定温度Ｔ_{ｒ．ｓｅｔ}とが同じである場合、現在の圧縮機（21）の容量で充足しているので、そのままの容量を維持する。上記室内空気温度Ｔ_ｒが室内設定温度Ｔ_{ｒ．ｓｅｔ}より低い場合、上記容量制御部（51）は、圧縮機（21）の容量を増大させる。逆に、上記室内空気温度Ｔ_ｒが室内設定温度Ｔ_{ｒ．ｓｅｔ}より高い場合、上記容量制御部（51）は、圧縮機（21）の容量を低下させる。
【００７５】
また、上記膨張弁（23）の制御は、圧縮機（21）の吐出圧力ｐ_ｄ、室内空気温度Ｔ_ｒ、及び室内熱交換温度Ｔ_ｈｉを予め記憶する関係式へ代入し、圧縮機（21）の吐出管温度Ｔ_ｄの所定温度Ｔ_{ｄ．ｓｅｔ}を導出する。そして、吐出管温度Ｔ_ｄが所定温度Ｔ_{ｄ．ｓｅｔ}の差に基づいて膨張弁（23）の開度操作量ΔEvを決定し、その値に従って膨張弁（23）の開度を変更する。
【００７６】
−実施形態１の効果−
以上のように、本実施形態によれば、吹出空気温度Ｔ_ｓが吹出設定温度Ｔ_{ｓ．ｓｅｔ}になるように吐出管温度Ｔ_ｄを制御するので、多様な暖房運転を行うことができる。
【００７７】
つまり、いわゆる超臨界冷凍サイクルを行う冷凍装置においては、図６に示すように、圧縮機（21）の吐出圧力ｐ_ｄを変更することによって、所望の吐出管温度ｐ_ｄを得ることができる。
【００７８】
つまり、図６のモリエル線図において、等温線がＡ１〜Ａ４に示すとおりとなり、圧縮機（21）の吐出圧力ｐ_ｄを変更することによって、圧縮機（21）の吐出管温度Ｔ_ｄがＢ３〜Ｂ１に変化する。
【００７９】
上記室内熱交換器（11）の入口側の冷媒温度である吐出管温度Ｔ_ｄがＢ３〜Ｂ１に対して、冷媒と室内空気とが熱交換し、室内熱交換器（11）の出口側の冷媒温度は、Ｃ３〜Ｃ１に大きく変化する。
【００８０】
例えば、等温線Ａ１を１００℃とし、等温線Ａ３を３５℃とすると、室内熱交換器（11）において、冷媒は、１００℃から３５℃に変化する。したがって、所望の吹出空気温度Ｔ_ｓを容易に生成することができ、吹出設定温度Ｔ_{ｓ．ｓｅｔ}の変更に対応することができる。この結果、冷媒の特性を十分に利用した多様な暖房運転を行うことができる。
【００８１】
一方、上記圧縮機（21）の吸込温度Ｄ１及びＤ２は、過熱度が一定となる線Ｓ上にあり、室外熱交換器（12）における冷媒と室外空気温度Ｔ_ｏとによって定まる。つまり、上記圧縮機（21）の吸込温度Ｄ１及びＤ２は、外気条件によって定まることになる。そして、上記圧縮機（21）において、冷媒は等エントロピ変化するので、上記圧縮機（21）の吸込温度Ｄ１又はＤ２が定まると、等エントロピ線Ｅ１又はＥ２が定まることになる。この結果、上記吹出空気温度Ｔ_ｓに基づく吐出管温度Ｔ_ｄ（Ｂ１〜Ｂ３）が定まると、圧縮機（21）の吐出圧力ｐ_ｄが定まることになる。このことから、上記膨張弁（23）の開度を制御するに当たり、パラメータを定めることができ、運転状態に対した適切な膨張弁（23）の開度制御を実現するととができる。
【００８２】
【発明の実施の形態２】
次に、本発明の実施形態２を図面に基づいて詳細に説明する。
【００８３】
本実施形態は、実施形態１の冷媒回路（10）にバイパス管路（35）を設けたものである。
【００８４】
上記バイパス管路（35）の一端は、第２四路切換弁（14）の第３のポートと膨張機（22）の流入側との間に接続され、他端は、膨張弁（23）と第２四路切換弁（14）の第４のポートとの間に接続されている。つまり、膨張機（22）と膨張弁（23）とにより構成される膨張機構（2E）の流入側と流出側とは、バイパス管路（35）によって連通可能となっている。
【００８５】
上記バイパス管路（35）には、流量調節弁であるバイパス弁（36）が設けられている。該バイパス弁（36）は、パルスモータ等で弁体を回転させることによって、その開度を変更できるように構成されている。上記バイパス弁（36）の開度を変更すると、バイパス管路（35）を流れる冷媒の流量が変化する。また、上記バイパス弁（36）を全閉すると、バイパス管路（35）が遮断状態となって全ての冷媒が膨張機（22）へ送られる。
【００８６】
また、本実施形態における圧縮機（21）と膨張機（22）とは、両者の押しのけ量比が冷房標準条件に適した値となるように、それぞれの押しのけ容積が設定されている。つまり、冷房標準条件においては、膨張弁（23）を全開してバイパス弁（36）を全閉した状態で冷凍サイクルを行うことができるように、圧縮機（21）及び膨張機（22）が設計されている。
【００８７】
したがって、暖房運転時には、膨張弁（23）の開度が適宜調節され、バイパス弁（36）が全閉され、実施形態１と同様に運転される。
【００８８】
一方、冷房運転中において、膨張機（22）の押しのけ容積が要求値に対して小さすぎる場合、膨張弁（23）が全開され、バイパス弁（36）の開度が適宜調節される。
【００８９】
また、上記冷房運転時において、膨張機（22）に要求される押しのけ容積が設計値と一致する場合には、バイパス弁（36）が全閉される。この場合において、室外熱交換器（12）から流出した冷媒は、その全てが膨張機（22）及び膨張弁（23）を通過し、室内熱交換器（11）へ流入する。その他の構成、作用及び効果は、実施形態１と同様である。
【００９０】
【発明の他の実施の形態】
上記実施形態においては、膨張機構（2E）に膨張弁（23）と膨張機（22）とを設けるようにしたが、本発明は、膨張機構（2E）を膨張弁（23）のみで構成してもよい。
【００９１】
また、本発明の冷媒回路（10）は、実施形態１及び２に限定されるものではない。
【００９２】
また、上記冷媒回路（10）の冷媒は、二酸化炭素（ＣＯ_２）に限られるものではなく、要するに超臨界冷凍サイクルを構成するものであればよい。
【００９３】
また、本実施形態の空調機は、冷暖房運転を行うものとしたが、本発明は、暖房運転のみを行う暖房機であってもよい。
【００９４】
また、本発明の冷凍装置は、空調機の他、給湯器など適用されるものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態１に係る空調機の冷媒回路図である。
【図２】 実施形態１に係る空調機の冷凍サイクルを示すモリエル線図である。
【図３】 実施形態１に係る空調機の起動制御を示す制御フロー図である。
【図４】 実施形態１に係る空調機の暖房運転時の圧縮機の容量制御を示す制御フロー図である。
【図５】 実施形態１に係る空調機の暖房運転時の膨張弁の開度制御を示す制御フロー図である。
【図６】 実施形態１に係る空調機の吐出管温度制御絵を説明するためのモリエル線図である。
【図７】 本発明の実施形態２に係る空調機の冷媒回路図である。
【符号の説明】
10 冷媒回路
11 室内熱交換器
12 室外熱交換器
13 第１四路切換弁
14 第２四路切換弁
21 圧縮機
22 膨張機
23 膨張弁
35 バイパス管路
50 コントローラ
51 容量制御部（容量制御手段）
52 膨張制御部（膨張制御手段）

Claims (2)

1. 冷媒が循環する冷媒回路（10）を備え、該冷媒回路（10）の冷媒を圧縮機（21）によって該冷媒の臨界圧力以上に圧縮して冷凍サイクルを行い、加熱対象物を加熱する加熱運転を少なくとも行う冷凍装置であって、
   上記加熱対象物の対象温度が目標温度になるように冷媒回路（10）の圧縮機（21）の容量を制御する容量制御手段（51）と、
   上記冷媒回路（10）における圧縮機（21）の吐出冷媒圧力と、上記加熱対象物の対象温度と、冷媒回路（10）における冷媒の蒸発温度とに基づいて加熱対象物の加熱温度が目標温度となる圧縮機（21）の吐出冷媒温度の所定温度を導出し、該圧縮機（21）の吐出冷媒温度が所定温度となるように冷媒回路（10）の膨張機構（2E）を制御する膨張制御手段（52）とを備えている
   ことを特徴とする冷凍装置。
2. 圧縮機（21）と室外熱交換器（12）と膨張機構（2E）と室内熱交換器（11）と有する冷媒回路（10）を備え、該冷媒回路（10）の冷媒を圧縮機（21）によって該冷媒の臨界圧力以上に圧縮して冷凍サイクルを行い、少なくとも暖房運転を行う冷凍装置であって、
   室内空気温度が目標温度になるように圧縮機（21）の容量を制御する容量制御手段（51）と、
   上記圧縮機（21）の吐出冷媒圧力と、室内空気温度と、室外熱交換器（12）の冷媒蒸発温度とに基づいて室内熱交換器（11）の吹出空気温度が目標温度となる圧縮機（21）の吐出冷媒温度の所定温度を導出し、該圧縮機（21）の吐出冷媒温度が所定温度となるように膨張機構（2E）を制御する膨張制御手段（52）とを備えている
   ことを特徴とする冷凍装置。

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