JP5324749B2 - 冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍装置、特に冷凍サイクル中に冷媒が超臨界状態となる冷凍装置に関する。

従来、圧縮機と、圧縮機から吐出される冷媒を放熱する放熱器と、放熱器から流出する冷媒を減圧する第１膨張弁と、第１膨張弁から流出する冷媒の一部を貯蔵する受液器と、受液器から流出する冷媒を減圧する第２膨張弁と、第２膨張弁から流出する冷媒を蒸発させる蒸発器と、および放熱器の出口側と第１膨張弁の冷媒流入側とを接続する冷媒配管に流れる冷媒と蒸発器の出口側と圧縮機の冷媒吸入側とを接続する冷媒配管に流れる冷媒とを熱交換させる内部熱交換器とを順次接続した冷媒回路を備える冷凍装置が公に知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−２２８２８２号公報（図１０）

しかし、上記のように第１膨張弁の冷媒流入側に単純に内部熱交換器を設けるだけでは、第１膨張弁通過後の冷媒に十分な過冷却度を付与するのが難しいだけでなく圧縮機に吸入される冷媒の過熱度が大きくなりすぎるおそれがある。

本発明の課題は、上記のような冷媒装置において第１膨張機構通過後の冷媒に十分な過冷却度を付与することができ且つ圧縮機に吸入される冷媒の過熱度を適正に保つことができるようにすることにある。

第１発明に係る冷凍装置は、圧縮機構、放熱器、第１膨張機構、第２膨張機構、蒸発器、第１内部熱交換器、分岐配管、第３膨張機構、第２内部熱交換器、受液器および制御部を備える。圧縮機構は、冷媒を圧縮する。放熱器は、圧縮機構の冷媒吐出側に接続される。第１膨張機構は、放熱器の出口側に接続される。第２膨張機構は、第１膨張機構の冷媒流出側に接続される。蒸発器は、第２膨張機構の冷媒流出側に接続されると共に圧縮機構の冷媒吸入側に接続される。第１内部熱交換器は、放熱器の出口側と第１膨張機構の流入側とを接続する第１冷媒配管に流れる冷媒と、蒸発器の出口側と圧縮機構の冷媒吸入側とを接続する第２冷媒配管に流れる冷媒との間で熱交換を行わせる。分岐配管は、放熱器の出口側と第２膨張機構の冷媒流入側とを接続する第３冷媒配管から分岐し第２冷媒配管に合流する。第３膨張機構は、分岐配管に設けられる。第２内部熱交換器は、第１膨張機構から流出する冷媒と、第３膨張機構から流出する冷媒との間で熱交換を行わせる。分岐配管は、さらに第３膨張機構から流出し第２内部熱交換器において熱交換された冷媒が第２冷媒配管を流れる冷媒であって第１内部熱交換器に流入する前の冷媒と合流するように第２冷媒配管に合流する。受液器は、第１膨張機構の冷媒流出側と第２内部熱交換器の第１冷媒配管を流れる冷媒の流入口との間に配置される。制御部は、分岐配管と前記第２冷媒配管との合流点から前記圧縮機構の冷媒吸入側に流れる冷媒の過熱度が所定の範囲内に収まるように第３膨張機構を制御し、第１膨張機構から流出した冷媒の状態が臨界点近傍の状態にならないように第１内部熱交換器により前記第１冷媒配管を流れる冷媒を冷却する冷媒冷却制御を行う。

受液器が第１膨張機構の冷媒流出側と第２内部熱交換器の第１冷媒配管を流れる冷媒の流入口との間に配置された冷凍装置においては、第１膨張機構によって冷媒が飽和線近傍の状態まで膨張されると、設置環境によっては（例えば、夏季で過負荷となった場合など）その冷媒が臨界点近傍の状態となってしまう場合がある。このように冷媒が臨界点近傍の状態となってしまうと、キャビテーションが生じ冷媒回路の構成部品に悪影響を及ぼすおそれがあるだけでなく、受液器における冷媒の液面制御が困難になり、冷媒回路内の冷媒を適切な量に保つことができなくなるおそれがある。

しかし、本願では、分岐配管が、第３膨張機構から流出し第２内部熱交換器において熱交換された冷媒が第２冷媒配管を流れる冷媒であって第１内部熱交換器に流入する前の冷媒と合流するように第２冷媒配管に合流される。

この冷凍装置では、蒸発器の出口側と圧縮機構の冷媒吸入側とを接続する第２冷媒配管に、放熱器の出口側と第２膨張機構の冷媒流入側とを接続する第３冷媒配管から分岐する分岐配管が合流し、この分岐配管に第３膨張機構が設けられる。また、冷媒冷却制御時おいて、制御部により、第２内部熱交換器において第１膨張機構から流出する冷媒と第３膨張機構から流出する冷媒との間で熱交換が行われ、第１膨張機構通過後の冷媒に十分な過冷却度を付与するように制御し、分岐配管を、第３膨張機構から流出し第２内部熱交換器において熱交換された冷媒が第２冷媒配管を流れる冷媒であって第１内部熱交換器に流入する前の冷媒と合流するように第２冷媒配管に合流させ、第１内部熱交換器の能力を調節することができるように制御する。

このため、この冷凍装置では、圧縮機構に吸入される冷媒の過熱度を適正に保つことができる。また、この冷凍装置では、第２内部熱交換器において、第１膨張機構から流出する冷媒と、第３膨張機構から流出する冷媒との間で熱交換が行われる。このため、この冷凍装置では、第１膨張機構通過後の冷媒に十分な過冷却度を付与することができる。

また、この冷凍装置では、分岐配管が、第３膨張機構から流出し第２内部熱交換器において熱交換された冷媒が第２冷媒配管を流れる冷媒であって第１内部熱交換器に流入する前の冷媒と合流するように第２冷媒配管に合流する。このため、この冷凍装置では、第１内部熱交換器の能力を調節することができる。

第２発明に係る冷凍装置は、圧縮機構、放熱器、第１膨張機構、第２膨張機構、蒸発器、第１内部熱交換器、分岐配管、第３膨張機構、第２内部熱交換器、受液器、および制御部を備える。圧縮機構は、冷媒を圧縮する。放熱器は、圧縮機構の冷媒吐出側に接続される。第１膨張機構は、放熱器の出口側に接続される。第２膨張機構は、第１膨張機構の冷媒流出側に接続される。蒸発器は、第２膨張機構の冷媒流出側に接続されると共に圧縮機構の冷媒吸入側に接続される。第１内部熱交換器は、放熱器の出口側と第１膨張機構の流入側とを接続する第１冷媒配管に流れる冷媒と、蒸発器の出口側と圧縮機構の冷媒吸入側とを接続する第２冷媒配管に流れる冷媒との間で熱交換を行わせる。分岐配管は、放熱器の出口側と第２膨張機構の冷媒流入側とを接続する第３冷媒配管から分岐し第２冷媒配管に合流する。第３膨張機構は、分岐配管に設けられる。第２内部熱交換器は、第１膨張機構から流出する冷媒と、第３膨張機構から流出する冷媒との間で熱交換を行わせる。分岐配管は、さらに第３膨張機構から流出し第２内部熱交換器において熱交換された冷媒が、第２冷媒配管を流れる冷媒であって第１内部熱交換器を通過した後の冷媒と合流するように第２冷媒配管に合流する。受液器は、第１膨張機構の冷媒流出側と第２内部熱交換器の第１冷媒配管を流れる冷媒の流入口との間に配置される。制御部は、分岐配管と前記第２冷媒配管との合流点から前記圧縮機構の冷媒吸入側に流れる冷媒の過熱度が所定の範囲内に収まるように第３膨張機構を制御し、第１膨張機構から流出した冷媒の状態が臨界点近傍の状態にならないように第１内部熱交換器により前記第１冷媒配管を流れる冷媒を冷却する冷媒冷却制御を行う。受液器が第１膨張機構の冷媒流出側と第２内部熱交換器の第１冷媒配管を流れる冷媒の流入口との間に配置された冷凍装置においては、第１膨張機構によって冷媒が飽和線近傍の状態まで膨張されると、設置環境によっては（例えば、夏季で過負荷となった場合など）その冷媒が臨界点近傍の状態となってしまう場合がある。このように冷媒が臨界点近傍の状態となってしまうと、キャビテーションが生じ冷媒回路の構成部品に悪影響を及ぼすおそれがあるだけでなく、受液器における冷媒の液面制御が困難になり、冷媒回路内の冷媒を適切な量に保つことができなくなるおそれがある。

この冷凍装置では、蒸発器の出口側と圧縮機構の冷媒吸入側とを接続する第２冷媒配管に、放熱器の出口側と第２膨張機構の冷媒流入側とを接続する第３冷媒配管から分岐する分岐配管が合流し、この分岐配管に第３膨張機構が設けられる。このため、この冷凍装置では、圧縮機構に吸入される冷媒の過熱度を適正に保つことができる。また、この冷凍装置では、第２内部熱交換器において、第１膨張機構から流出する冷媒と、第３膨張機構から流出する冷媒との間で熱交換が行われる。このため、この冷凍装置では、第１膨張機構通過後の冷媒に十分な過冷却度を付与することができる。

また、この冷凍装置では、分岐配管が、第３膨張機構から流出し第２内部熱交換器において熱交換された冷媒が、第２冷媒配管を流れる冷媒であって第１内部熱交換器を通過した後の冷媒と合流するように第２冷媒配管に合流する。冷媒冷却制御時おいて、制御部により、第２内部熱交換器において第１膨張機構から流出する冷媒と第３膨張機構から流出する冷媒との間で熱交換が行われ、第１膨張機構通過後の冷媒に十分な過冷却度を付与するように制御し、分岐配管を、第３膨張機構から流出し第２内部熱交換器において熱交換された冷媒が第２冷媒配管を流れる冷媒であって第１内部熱交換器に通過した後の冷媒と合流するように第２冷媒配管に合流させ、第１内部熱交換器の能力を調節することができるように制御する。

このため、この冷凍装置では、例えば、圧縮機構に吸入される冷媒の過熱度が著しく大きくなった場合に、第３膨張機構によって湿り状態した冷媒を圧縮機構に吸入される冷媒に合流させることにより圧縮機構に吸入される冷媒の過熱度を適正に保つことができる。

第３発明に係る冷凍装置は、第１または第２発明に係る冷凍装置であって、分岐配管は、第１膨張機構の冷媒流出側と第２膨張機構の冷媒流入側とを接続する第４冷媒配管から分岐し第２冷媒配管に合流する。

この冷凍装置では、蒸発器の出口側と圧縮機構の冷媒吸入側とを接続する第２冷媒配管に、第１膨張機構の冷媒流出側と第２膨張機構の冷媒流入側とを接続する第４冷媒配管から分岐する分岐配管が合流し、この分岐配管に第３膨張機構が設けられる。このため、この冷凍装置では、第１膨張機構通過後の冷媒にさらに十分な過冷却度を付与することができる。

第４発明に係る冷凍装置は、第１〜３のいずれかの発明に係る冷凍装置であって、冷媒冷却制御では、第１膨張機構から流出した冷媒の状態が臨界点近傍の状態にならないように第１膨張機構と第２膨張機構とが制御される。

この冷凍装置では、冷媒冷却制御において第１膨張機構から流出した冷媒の状態が臨界点近傍の状態にならないように第１膨張機構と第２膨張機構とが制御される。このため、この冷凍装置では、第１膨張機構によって冷媒が飽和線近傍の状態まで膨張される場合に冷媒が臨界点近傍の状態となることを回避することができる。

第５発明に係る冷凍装置は、第１〜４のいずれかの発明に係る冷凍装置であって、冷媒冷却制御では、第１膨張機構から流出した冷媒の圧力が｛臨界圧力（ＭＰａ）−０．３ＭＰａ｝の圧力以下となるように第１内部熱交換器により第１冷媒配管を流れる冷媒が冷却される。

この冷凍装置では、冷媒冷却制御において第１膨張機構から流出した冷媒の圧力が｛臨界圧力（ＭＰａ）−０．３ＭＰａ｝の圧力以下となるように第１内部熱交換器により第１冷媒配管を流れる冷媒が冷却される。このため、この冷凍装置では、第１膨張機構によって冷媒が飽和線近傍の状態まで膨張される場合に冷媒が臨界点近傍の状態となることを回避することができる。

第６発明に係る冷凍装置は、第５発明に係る冷凍装置であって、温度検知部をさらに備える。温度検知部は、放熱器の出口近傍または第１膨張機構の冷媒流入口近傍に設けられる。そして、冷媒冷却制御では、温度検知部によって検知される温度が所定の温度以上である場合に、第１膨張機構から流出した冷媒の圧力が｛臨界圧力（ＭＰａ）−０．３ＭＰａ｝の圧力以下となるように第１内部熱交換器により第１冷媒配管を流れる冷媒が冷却される。

この冷凍装置では、冷媒冷却制御において温度検知部によって検知される温度が所定の温度以上である場合に、第１膨張機構から流出した冷媒の圧力が｛臨界圧力（ＭＰａ）−０．３ＭＰａ｝の圧力以下となるように第１内部熱交換器により第１冷媒配管を流れる冷媒が冷却される。このため、この冷凍装置では、第１膨張機構によって冷媒が飽和線近傍の状態まで膨張される場合であって冷媒が臨界点近傍の状態となるおそれのある場合に冷媒が臨界点近傍の状態となることを回避することができる。

第１発明に係る冷凍装置では、圧縮機構に吸入される冷媒の過熱度を適正に保つことができると共に第１膨張機構通過後の冷媒に十分な過冷却度を付与することができ、且つ第１内部熱交換器の能力を調節することができ、圧縮機構に吸入される冷媒の過熱度を適正に保つことができる。また、第１膨張機構によって冷媒が飽和線近傍の状態まで膨張される場合に冷媒が臨界点近傍の状態となることを回避することができる。

第２発明に係る冷凍装置では、圧縮機構に吸入される冷媒の過熱度を適正に保つことができると共に第１膨張機構通過後の冷媒に十分な過冷却度を付与することができる。また、例えば、圧縮機構に吸入される冷媒の過熱度が著しく大きくなった場合に、第３膨張機構によって湿り状態した冷媒を圧縮機構に吸入される冷媒に合流させることにより圧縮機構に吸入される冷媒の過熱度を適正に保つことができる。第１膨張機構によって冷媒が飽和線近傍の状態まで膨張される場合に冷媒が臨界点近傍の状態となることを回避することができる。

第３発明に係る冷凍装置では、第１膨張機構通過後の冷媒にさらに十分な過冷却度を付与することができる。

第４発明に係る冷凍装置では、第１膨張機構によって冷媒が飽和線近傍の状態まで膨張される場合に冷媒が臨界点近傍の状態となることを回避することができる。

第５発明に係る冷凍装置では、第１膨張機構によって冷媒が飽和線近傍の状態まで膨張される場合に冷媒が臨界点近傍の状態となることを回避することができる。

第６発明に係る冷凍装置では、第１膨張機構によって冷媒が飽和線近傍の状態まで膨張される場合であって冷媒が臨界点近傍の状態となるおそれのある場合に冷媒が臨界点近傍の状態となることを回避することができる。

＜空気調和装置の構成＞
本発明の実施の形態に係る空気調和装置１の概略冷媒回路２を図１に示す。

この空気調和装置１は、二酸化炭素を冷媒として冷房運転および暖房運転が可能な空気調和装置であって、主に冷媒回路２、送風ファン２３，３２、制御装置２７、高圧圧力センサ２４、中間圧圧力センサ２６、第１温度センサ２５、および第２温度センサ２９等から構成されている。

冷媒回路２は、主に、主冷媒回路３、第１バイパスライン４、ガス抜きライン５、油戻しライン６及び第２バイパスライン７から構成される。以下、それぞれの回路について詳述する。

（１）主冷媒回路
主冷媒回路３には主に、圧縮機１１、油分離器１２、四路切換弁１３、室外熱交換器１４、第１内部熱交換器１５、第１電動膨張弁１６、受液器１７、第２内部熱交換器１８、第２電動膨張弁２０、および室内熱交換器３１が配備されており、各装置は図１に示されるように冷媒配管を介して接続されている。

（２）バイパスライン
第１バイパスライン４は、図１に示されるように、第２内部熱交換器１８と第２電動膨張弁２０とを接続する冷媒配管（以下、第１１冷媒配管という）から分岐し四路切換弁１３と第１内部熱交換器１５とを接続する冷媒配管（以下、第１２冷媒配管という）に合流するラインであって、第２内部熱交換器１８を通っている。そして、この第１バイパスライン４では、第１１冷媒配管との分岐点から第２内部熱交換器１８までの間の部分に第３電動膨張弁１９が配置される。

（３）ガス抜きライン
ガス抜きライン５は、受液器１７の上部から延び第１内部熱交換器１５と圧縮機１１の吸入側とを接続する冷媒配管（以下、第１３冷媒配管という）に合流するラインである。そして、このガス抜きライン５には、開閉弁５１が配置される。なお、この開閉弁５１とは、例えば電磁弁などであり、後述する制御装置２７によってその開閉状態が制御される。

（４）油戻しライン
油戻しライン６は、油分離器１２から延び圧縮機１１の吸入管に合流するラインである。そして、この油戻しライン６には、キャピラリー２８が配置される。

（５）第２バイパスライン
第２バイパスライン７は、油分離器１２と四路切換弁１３とを接続する冷媒配管から分岐し第１３冷媒配管のうち第１内部熱交換器１５とガス抜きライン５の合流点とに挟まれる部分に合流するラインである。そして、この第２バイパスライン７には開閉弁５２が配置される。なお、この開閉弁５２とは、例えば電磁弁などであり、後述する制御装置２７によってその開閉状態が制御される。また、この開閉弁は、圧縮機の吸入側を流れる冷媒に過熱をつけたり、圧縮機起動時に低圧側の圧力が下がりすぎた場合に高圧のガス冷媒を注入して低圧側を保護するために使用される。

本実施の形態において、空気調和装置１は、分離型の空気調和装置であって、室内ユニット３０、室外ユニット１０、室内ユニット３０の冷媒液等配管と室外ユニット１０の冷媒液等配管とを接続する第１連絡配管４１、および室内ユニット３０の冷媒ガス等配管と室外ユニット１０の冷媒ガス等配管とを接続する第２連絡配管４２から構成されているとも言える。なお、室外ユニット１０の冷媒液等配管と第１連絡配管４１とは室外ユニット１０の第１閉鎖弁２１を介して、室外ユニット１０の冷媒ガス等配管と第２連絡配管４２とは室外ユニット１０の第２閉鎖弁２２を介してそれぞれ接続されている。また、本実施の形態において、室内ユニット３０には、主に、室内熱交換器３１および室内ファン３２が配置される。一方、室外ユニット１０には、主に、圧縮機１１、油分離器１２、四路切換弁１３、室外熱交換器１４、第１内部熱交換器１５、第１電動膨張弁１６、受液器１７、第２内部熱交換器１８、第２電動膨張弁２０、第３電動膨張弁１９、開閉弁５１，５２、キャピラリー２８、高圧圧力センサ２４、中間圧圧力センサ２６、第１温度センサ２５、第２温度センサ２９、制御装置２７、および室外ファン２３が配置される。

（６）室内ユニット
室内ユニット３０は、主に、室内熱交換器３１および室内ファン３２等を有している。

室内熱交換器３１は、空調室内の空気である室内空気と冷媒との間で熱交換をさせるための熱交換器である。

室内ファン３２は、ユニット３０内に空調室内の空気を取り込み、室内熱交換器３１を介して冷媒と熱交換した後の空気である調和空気を再び空調室内への送り出すためファンである。

そして、この室内ユニット３０は、このような構成を採用することによって、冷房運転時には室内ファン３２により内部に取り込んだ室内空気と室内熱交換器３１を流れる液冷媒とを熱交換させて調和空気（冷気）を生成し、暖房運転時には室内ファン３２により内部に取り込んだ室内空気と室内熱交換器３１を流れる超臨界冷媒とを熱交換させて調和空気（暖気）を生成することが可能となっている。

（７）室外ユニット
室外ユニット１０は、主に、圧縮機１１、油分離器１２、四路切換弁１３、室外熱交換器１４、室外ファン２３、第１内部熱交換器１５、第１電動膨張弁１６、受液器１７、第２内部熱交換器１８、第２電動膨張弁２０、第３電動膨張弁１９、開閉弁５１，５２、キャピラリー２８、高圧圧力センサ２４、中間圧圧力センサ２６、第１温度センサ２５、第２温度センサ２９、および制御装置２７等を有している。

圧縮機１１は、吸入管を流れる低圧のガス冷媒を吸入し、圧縮して超臨界状態とした後、吐出管に吐出するための装置である。

油分離器１２は、圧縮機１１から吐出される冷媒に混入している冷凍機油を分離するための装置である。

四路切換弁１３は、各運転に対応して、冷媒の流れ方向を切り換えるための弁であり、冷房運転時には圧縮機１１の吐出側と室外熱交換器１４の高温側とを接続するとともに圧縮機１１の吸入側と室内熱交換器３１のガス側とを第１内部熱交換器１５を介して接続し、暖房運転時には圧縮機１１の吐出側と第２閉鎖弁２２とを接続するとともに圧縮機１１の吸入側と室外熱交換器１４のガス側とを接続することが可能である。

室外熱交換器１４は、冷房運転時において圧縮機１１から吐出された高圧の超臨界冷媒を空調室外の空気を熱源として冷却させることが可能であり、暖房運転時には室内熱交換器３１から戻る液冷媒を蒸発させることが可能である。

室外ファン２３は、ユニット１０内に室外の空気を取り込み、室外熱交換器１４を介して冷媒と熱交換した後の空気を排気するためファンである。

第１内部熱交換器１５は、室外熱交換器１４の低温側（あるいは液側）と第１電動膨張弁１６とを接続する冷媒配管（以下、第１４冷媒配管という）と、圧縮機１１の吸入側と四路切換弁１３とを接続する冷媒配管（以下、第１５冷媒配管という）とを近接配置することによって構成された熱交換器である。この第１内部熱交換器１５では、冷房運転時において第１４冷媒配管に流れる高温高圧の超臨界冷媒と第１５冷媒配管に流れる低温低圧のガス冷媒との間で熱交換が行われる。

第１電動膨張弁１６は、室外熱交換器１４の低温側から流出する超臨界冷媒（冷房運転時）あるいは受液器１７を通って流入する液冷媒（暖房運転時）を減圧するためのものである。

受液器１７は、運転モードや空調負荷に応じて余剰となる冷媒を貯蔵しておくためのものである。

第２内部熱交換器１８は、受液器１７と第２電動膨張弁２０とを接続する冷媒配管（以下、第１６冷媒配管という）と、第１バイパスライン４（第３電動膨張弁１９と第１２冷媒配管との合流点との間の部分）とを近接配置することによって構成された熱交換器である。この第２内部熱交換器１８では、冷房運転時において第１６冷媒配管に流れる飽和状態の冷媒と第１バイパスライン４に流れる冷媒との間で熱交換が行われる。

第２電動膨張弁２０は、受液器１７から流出し第２内部熱交換器１８を通過した液冷媒（冷房運転時）あるいは室内熱交換器３１の低温側から流出する超臨界冷媒（暖房運転時）を減圧するためのものである。

第３電動膨張弁１９は、受液器１７から流出し第２内部熱交換器１８を通過した液冷媒（冷房運転時）を減圧するためのものである。

開閉弁５１，５２は、上述したように制御装置２７によってその開閉状態が制御される。

キャピラリー２８は、油分離器１２から流出する油リッチな冷媒を減圧して蒸発させるためのものである。

高圧圧力センサ２４は、圧縮機１１の吐出側に設けられている。

中間圧圧力センサ２６は、第１電動膨張弁１６と受液器１７との間に設けられている。

第１温度センサ２５は、室外熱交換器１４の低温側（あるいは液側）近傍に設けられている。

第２温度センサ２９は、圧縮機１１の吸入側に設けられている。

制御装置２７は、高圧圧力センサ２４、中間圧圧力センサ２６、第１温度センサ２５、第２温度センサ２９、第１電動膨張弁１６、第２電動膨張弁２０、および第３電動膨張弁１９等に通信接続されており、第１温度センサ２５から送られてくる温度情報や、高圧圧力センサ２４から送られてくる高圧圧力情報、中間圧圧力センサ２６から送られてくる中間圧圧力情報に基づいて第１電動膨張弁１６および第２電動膨張弁２０の開度を制御したり、第２温度センサ２９から送られてくる温度情報が所定の範囲内に収まるように第３電動膨張弁１９の開度を制御したりする。冷媒冷却制御では、第１電動膨張弁１６から流出した冷媒の状態が飽和線上の状態になり且つ臨界点近傍の状態にならないように第１電動膨張弁１６および第２電動膨張弁２０の開度が制御され、受液器１７内の冷媒の状態が飽和状態に維持される。ここで、モリエ線図を利用して冷媒冷却制御について詳述する。図２には、二酸化炭素のモリエ線図上に本実施の形態に係る空気調和装置１の冷凍サイクルを表した図が示されている。なお、図２において、Ａ→Ｂは圧縮行程を示し、Ｂ→Ｃ₁，Ｃ₂は第１冷却行程（Ｂ→Ｃ₁は室外熱交換器１４での冷却であり、Ｃ₁→Ｃ₂は第１内部熱交換器１５による冷却）を示し、Ｃ₁，Ｃ₂→Ｄ₁，Ｄ₂は第１膨張行程（第１電動膨張弁１６による減圧）を示し、Ｄ₁，Ｄ₂→Ｆ₁，Ｆ₂は第２冷却行程（Ｄ₁→Ｆ₁及びＤ₂→Ｆ₂は第２内部熱交換器１８による冷却）を示し、Ｆ₁，Ｆ₂→Ｅ₁，Ｅ₂は第２膨張行程（第２電動膨張弁２０による減圧）を示し、Ｅ₁，Ｅ₂→Ａは蒸発行程を示している。また、Ｋは臨界点を示している（なお、図２においてＫ点とＤ₁点とは重なっている）。また、Ｔｍは等温線である。さて、ここで、Ａ→Ｂ→Ｃ₁→Ｄ₁（Ｋ）→Ｆ₁→Ｅ₁→Ａの冷凍サイクルを見ると、第１電動膨張弁１６から流出した冷媒は臨界点近傍の状態となってしまう。しかし、本実施の形態に係る空気調和装置１には圧縮機１１の吐出側に高圧圧力センサ２４、室外熱交換器１４の低温側近傍に第１温度センサ２５が配置されているため、第１電動膨張弁１６から流出した冷媒がＣ₁点の状態になることを検知することができる。そこで、この空気調和装置１において第１電動膨張弁１６から流出した冷媒がＣ₁点の状態になると検知されると、第１電動膨張弁１６および第２電動膨張弁２０の開度を適宜調節して第１電動膨張弁１６から流出した冷媒を冷却しその冷媒をＣ₂点の状態にする。このようにすると、その冷凍サイクルは、Ａ→Ｂ→Ｃ₂→Ｄ₂→Ｆ₂→Ｅ₂→Ａの冷凍サイクルへと変更される。つまり、冷媒がＣ₂点の状態まで冷却されるため、冷媒の状態が飽和線近傍の状態になり且つ臨界点近傍の状態にならないようにすることができる。なお、本実施の形態では、制御装置２７は、中間圧圧力センサ２６が示す圧力が｛臨界圧力（ＭＰａ）−０．３（ＭＰａ）｝の圧力以下となるように第１電動膨張弁１６および第２電動膨張弁２０を制御する。ここで、｛臨界圧力（ＭＰａ）−０．３（ＭＰａ）｝という圧力は、次のように決定されている。発明者の行った試験の結果から第１電動膨張弁１６と第２電動膨張弁２０との間の圧力（以下、中間圧力という）の制御は冷媒の場合で目標値から±０．１ＭＰａ以内の程度の範囲で制御できることが明らかとなっている。そして、中間圧力が臨界点近傍にならないようにするためには、安全率を３として中間圧力の目標値を臨界圧力（ＭＰａ）−０．３（ＭＰａ）とするのが好ましい。

＜空気調和装置の動作＞
空気調和装置１の運転動作について、図１を用いて説明する。この空気調和装置１は、上述したように冷房運転および暖房運転を行うことが可能である。

（１）冷房運転
冷房運転時は、四路切換弁１３が図１の実線で示される状態、すなわち、圧縮機１１の吐出側が室外熱交換器１４の高温側に接続され、かつ、圧縮機１１の吸入側が第１内部熱交換器１５を介して第２閉鎖弁２２に接続された状態となる。また、このとき、第１閉鎖弁２１および第２閉鎖弁２２は開状態とされる。

この冷媒回路２の状態で、圧縮機１１を起動すると、ガス冷媒が、圧縮機１１に吸入され、圧縮されて超臨界状態となった後、油分離器１２および四路切換弁１３を経由して室外熱交換器１４に送られ、室外熱交換器１４において冷却される。なお、このとき、油分離器１２では、冷媒に混入している冷凍機油が分離される。そして、この分離された冷凍機油は、油戻しライン６を通って再度圧縮機１１に吸入される。

そして、この冷却された超臨界冷媒は、第１内部熱交換器１５を経由して第１電動膨張弁１６に送られる。なお、このとき、この超臨界冷媒は、第１内部熱交換器１５の第１５冷媒配管に流れる低温のガス冷媒により冷却される。そして、第１電動膨張弁１６に送られた超臨界冷媒は、減圧されて飽和状態とされた後に受液器１７および第２内部熱交換器１８を経由して第２電動膨張弁２０に送られると共に第３電動膨張弁１９にも送られる。なお、このとき、この第２電動膨張弁２０に流れる飽和状態の冷媒は、第３電動膨張弁１９により減圧され第１バイパスライン４に流入する冷媒により冷却される。第２電動膨張弁２０に送られた飽和状態の冷媒は、減圧されて液冷媒となった後に第１閉鎖弁２１を経由して室内熱交換器３１に供給され、室内空気を冷却するとともに蒸発されてガス冷媒となる。

そして、そのガス冷媒は、第２閉鎖弁２２および四路切換弁１３を通過した後、第３電動膨張弁１９により減圧され第１バイパスライン４に流入した冷媒と合流し、第１内部熱交換器１５に流入する。そして、この合流した冷媒は、第１内部熱交換器１５の第１４冷媒配管に流れる高温高圧の超臨界冷媒により加熱された後、再び、圧縮機１１に吸入される。

（２）暖房運転
暖房運転時は、四路切換弁１３が図１の破線で示される状態、すなわち、圧縮機１１の吐出側が第２閉鎖弁２２に接続され、かつ、圧縮機１１の吸入側が室外熱交換器１４のガス側に接続された状態となっている。また、このとき、第１閉鎖弁２１および第２閉鎖弁２２は開状態とされる。

この冷媒回路２の状態で、圧縮機１１を起動すると、ガス冷媒が、圧縮機１１に吸入され、圧縮されて超臨界状態となった後、油分離器１２、四路切換弁１３、および第２閉鎖弁２２を経由して室内熱交換器３１に供給される。なお、このとき、油分離器１２では、冷媒に混入している冷凍機油が分離される。そして、この分離された冷凍機油は、油戻しライン６を通って再度圧縮機１１に吸入される。

そして、その超臨界冷媒は、室内熱交換器３１において室内空気を加熱するとともに冷却される。冷却された超臨界冷媒は、第１閉鎖弁２１を通って第２電動膨張弁２０に送られる。なお、このとき、第３電動膨張弁１９は閉状態とされるため、超臨界冷媒は第１バイパスライン４に流入しない。そして、第２電動膨張弁２０に送られた超臨界冷媒は、減圧されて飽和状態とされた後に受液器１７を経由して第１電動膨張弁１６に送られる。第１電動膨張弁１６に送られた飽和状態の冷媒は、減圧されて液冷媒となった後に室外熱交換器１４に送られて、室外熱交換器１４において蒸発されてガス冷媒となる。そして、このガス冷媒は、四路切換弁１３を経由して、再び、圧縮機１１に吸入される。

このようにして、暖房運転が行われる。

＜空気調和装置の特徴＞
（１）
本実施の形態に係る空気調和装置１では、冷房運転時、第２内部熱交換器１８において第１電動膨張弁１６から流出する冷媒と第３電動膨張弁１９から流出する冷媒との間で熱交換が行われる。このため、この空気調和装置１では、第１電動膨張弁１６通過後の冷媒に十分な過冷却度を付与することができる。

（２）
本実施の形態に係る空気調和装置１では、第１１冷媒配管から分岐し第１２冷媒配管に合流する第１バイパスライン４が第２内部熱交換器１８を通っている。そして、この第１バイパスライン４では、第１１冷媒配管との分岐点から第２内部熱交換器１８までの間の部分に第３電動膨張弁１９が配置される。このため、この空気調和装置１では、第１内部熱交換器１５の能力を調節して圧縮機１１に吸入される冷媒の過熱度を適正に保つことができる。

（３）
本実施の形態に係る空気調和装置１では、第１電動膨張弁１６から流出した冷媒の状態が飽和線上の状態になり且つそのときの冷媒の圧力が｛臨界圧力（ＭＰａ）−０．３（ＭＰａ）｝の圧力以下となるように第１電動膨張弁１６および第２電動膨張弁２０が制御される。このため、この空気調和装置１では、第１電動膨張弁１６によって冷媒が飽和線近傍の状態まで膨張される場合に冷媒が臨界点近傍の状態となることを回避することができる。

＜変形例＞
（Ａ）
先の実施の形態では、本願発明が１台の室外ユニット１０に対して１台の室内ユニット３０が設けられるセパレート式の空気調和装置１に応用されたが、本願発明は図３に示されるな１台の室外ユニットに対して複数台の室内ユニットが設けられるマルチ式の空気調和装置１０１に応用されてもよい。なお、図３において、先の実施の形態に係る空気調和装置１の構成部品と同じ部品については同一の符号を用いている。また、図３において、符号１０２は冷媒回路を示し、符号１０３は主冷媒回路を示し、符号１１０は室外ユニットを示し、符号３０ａ，３０ｂは室内ユニットを示し、符号３１ａ，３１ｂは室内熱交換器を示し、符号３２ａ，３２ｂは室内ファンを示し、符号３３ａ，３３ｂは第２電動膨張弁を示し、符号３４ａ，３４ｂは室内制御装置を示し、符号１４１，１４２は連絡配管を示している。なお、かかる場合、制御装置２７は、室内制御装置３４ａ，３４ｂを介して第２電動膨張弁３３ａ，３３ｂを制御する。また、本変形例では第２電動膨張弁３３ａ，３３ｂが室内ユニット３０ａ，３０ｂに収容されたが、第２電動膨張弁３３ａ，３３ｂが室外ユニット１１０に収容されてもかまわない。

（Ｂ）
先の実施の形態に係る空気調和装置１では、第１４冷媒配管と第１５冷媒配管とが近接配置された第１内部熱交換器１５が採用されたが、第１内部熱交換器として二重管熱交換器が採用されてもよい。

（Ｃ）
先の実施の形態に係る空気調和装置１では、第１６冷媒配管と第１バイパスライン４とが近接配置された第２内部熱交換器１８が採用されたが、第２内部熱交換器として二重管熱交換器が採用されてもよい。

（Ｄ）
先の実施の形態に係る空気調和装置１では、第１バイパスライン４が第１２冷媒配管に合流していたが、これに代えて、第１バイパスライン４が図４に示されるように第１内部熱交換器１５と圧縮機１１の吸入側とを接続する冷媒配管に合流するようにしてもよい。なお、このとき、蒸発器３１から流出した冷媒は、第１内部熱交換器１５を通過した後にバイパスライン２０４から流入する冷媒と合流することになる。したがって、蒸発器３１から流出した冷媒が過熱されすぎているときに、バイパスライン２０４に流れる冷媒を湿り状態にするように第３電動膨張弁１９を制御すれば、冷媒の過熱度を下げ、適正な過熱度に収めることができる。

なお、図４において、先の実施の形態に係る空気調和装置１の構成部品と同一の部品については同一の符号を付している。そして、新たに付されている符号２０１，２０２，２０４，２１０はそれぞれ空気調和装置、冷媒回路、バイパスライン、室外ユニットを示している。また、変形例（Ａ）と同様に、この技術をマルチ式空気調和装置３０１に応用してもよい（図５参照）。なお、図５において先の実施の形態および上記に係る空気調和装置１，２０１の構成部品と同一の部品については同一の符号を付している。そして、新たに付されている符号３０２，３１０はそれぞれ冷媒回路、室外ユニットを示している。

（Ｅ）
先の実施の形態に係る空気調和装置１では圧縮機１１の吐出側に高圧圧力センサ２４が設けられたが、高圧圧力センサ２４は取り除いてもよい。かかる場合、室外熱交換器１４の低温側（あるいは液側）に配置される第１温度センサ２５から得られる温度が所定の温度以上となった場合に第１電動膨張弁１６から流出した冷媒の状態が飽和線上の状態になり且つそのときの冷媒の圧力が｛臨界圧力（ＭＰａ）−０．３（ＭＰａ）｝の圧力以下となるように第１電動膨張弁１６、第２電動膨張弁２０、および第３電動膨張弁１９の開度を制御するようにすればよい。

（Ｆ）
先の実施の形態に係る空気調和装置１では、第１内部熱交換器１５や、第２内部熱交換器１８、第１電動膨張弁１６、受液器１７、第２電動膨張弁２０などが室外ユニット１０に配置されていたが、これらの配置は特に限定されない。例えば、第２電動膨張弁２０が室内ユニット３０に配置されていてもよい。

（Ｇ）
先の実施の形態に係る空気調和装置１では冷媒の減圧手段として電動膨張弁が採用されたが、これに代えて、図６に示されるように膨張機１１６などが採用されてもよい。なお、このような空気調和装置４０１では、図６に示されるように、室外機４１０において膨張機１１６の冷媒流入側にブリッジ回路１１７を配置する必要がある。膨張機１１６には方向性があるからである。

（Ｈ）
先の実施の形態に係る空気調和装置１では温度センサ２５が室外熱交換器１４の低温側（あるいは液側）の口の近傍に設けられていたが、温度センサ２５は第１電動膨張弁１６の第１内部熱交換器側の口の近傍に設けられてもよい。

（Ｉ）
先の実施の形態に係る空気調和装置１では第１バイパスライン４が第２内部熱交換器１８と第２電動膨張弁２０とを接続する冷媒配管から分岐したが、第１バイパスラインは図７に示されるように室外熱交換器１４と第１内部熱交換器１５とを接続する冷媒配管から分岐してもよい。なお、図７において、符号５０１は本変形例に係る空気調和装置を示し、符号５１０は本変形例に係る室外機を示し、符号５０４は本変形例に係る第１バイパス
ラインを示している。

（Ｊ）
先の実施の形態に係る空気調和装置１では第１バイパスライン４が第２内部熱交換器１８と第２電動膨張弁２０とを接続する冷媒配管から分岐したが、第１バイパスラインは図８に示されるように第１内部熱交換器１５と第１電動膨張弁１６とを接続する冷媒配管から分岐してもよい。なお、図８において、符号６０１は本変形例に係る空気調和装置を示し、符号６１０は本変形例に係る室外機を示し、符号６０４は本変形例に係る第１バイパスラインを示している。

（Ｋ）
先の実施の形態に係る空気調和装置１では第１バイパスライン４が第２内部熱交換器１８と第２電動膨張弁２０とを接続する冷媒配管から分岐したが、第１バイパスラインは第１電動膨張弁１６と第２内部熱交換器１８とを接続する冷媒配管から分岐してもよい（図示せず）。なお、かかる場合、分岐点は受液器１７の前後いずれに位置してもかまわない。

本発明に係る冷凍装置は、第１膨張機構通過後の冷媒に十分な過冷却度を付与することができるという特徴を有し、特に二酸化炭素などを冷媒として採用した冷凍装置に有益である。

本発明の実施の形態に係る空気調和装置の冷媒回路図である。 本発明の実施の形態に係る空気調和装置の制御装置による冷媒冷却制御を説明するための図である。 変形例（Ａ）に係る空気調和装置の冷媒回路図である。 変形例（Ｄ）に係る空気調和装置（セパレート式）の冷媒回路図である。 変形例（Ｄ）に係る空気調和装置（マルチ式）の冷媒回路図である。 変形例（Ｇ）に係る空気調和装置の冷媒回路図である。 変形例（Ｉ）に係る空気調和装置の冷媒回路図である。 変形例（Ｊ）に係る空気調和装置の冷媒回路図である。

１，１０１，２０１，３０１，４０１，５０１，６０１ 空気調和装置（冷凍装置）
４，２０４，５０４，６０４ バイパスライン（分岐配管）
１１ 圧縮機（圧縮機構）
１４ 室外熱交換器（放熱器）
１５ 第１内部熱交換器
１６ 第１電動膨張弁（第１膨張機構）
１７ 受液器
１８ 第２内部熱交換器
１９ 第３電動膨張弁（第３膨張機構）
２０，３３ａ，３３ｂ 第２電動膨張弁（第２膨張機構）
２５ 第１温度センサ（温度検知部）
２７ 制御装置（第１制御部，第２制御部）
３１，３１ａ，３１ｂ 室内熱交換器（蒸発器）

Claims (6)

1. 冷凍サイクル中に冷媒が超臨界状態になる冷凍装置であって、
   冷媒を圧縮するための圧縮機構（１１）と、
   前記圧縮機構の冷媒吐出側に接続される放熱器（１４）と、
   前記放熱器の出口側に接続される第１膨張機構（１６）と、
   前記第１膨張機構の冷媒流出側に接続される第２膨張機構（２０，３３ａ，３３ｂ）と、
   前記第２膨張機構の冷媒流出側に接続されると共に前記圧縮機構の冷媒吸入側に接続される蒸発器（３１，３１ａ，３１ｂ）と、
   前記放熱器の出口側と前記第１膨張機構の流入側とを接続する第１冷媒配管に流れる冷媒と、前記蒸発器の出口側と前記圧縮機構の冷媒吸入側とを接続する第２冷媒配管に流れる冷媒との間で熱交換を行わせる第１内部熱交換器（１５）と、
   前記放熱器の出口側と前記第２膨張機構の冷媒流入側とを接続する第３冷媒配管から分岐し前記第２冷媒配管に合流する分岐配管（４，５０４，６０４）と、
   前記分岐配管に設けられる第３膨張機構（１９）と、
   前記第１膨張機構から流出する冷媒と、前記第３膨張機構から流出する冷媒との間で熱交換を行わせる第２内部熱交換器（１８）と、
   前記第１膨張機構（１６）の冷媒流出側と前記第２内部熱交換器（１８）の冷媒流入口との間に配置される受液器（１７）と、
   前記分岐配管と前記第２冷媒配管との合流点から前記圧縮機構の冷媒吸入側に流れる冷媒の過熱度が所定の範囲内に収まるように前記第３膨張機構の開度を制御し、前記第１膨張機構から流出した冷媒の状態が臨界点近傍の状態にならないように前記第１内部熱交換器により前記第１冷媒配管を流れる冷媒を冷却する冷媒冷却制御を行う制御部（２７）と、
   を備え
   前記第３膨張機構（１９）から流出し前記第２内部熱交換器（１８）において熱交換された冷媒は、前記蒸発器（３１，３１ａ，３１ｂ）から流れる冷媒であって前記第１内部熱交換器（１５）に流入する前の冷媒と合流し、合流後の冷媒が前記第１内部熱交換器（１５）で熱交換された後、前記圧縮機構（１１）の冷媒吸入側に吸入され、
   前記制御部（２７）は、前記冷媒冷却制御において、前記第２内部熱交換器（１８）において前記第１膨張機構（１６）から流出する冷媒と前記第３膨張機構（１９）から流出する冷媒との間で熱交換が行われ、前記第１膨張機構（１６）通過後の冷媒に十分な過冷却度を付与するように、且つ前記第１内部熱交換器（１５）の能力を調節することができるように、前記第１膨張機構（１６）、第２膨張機構（２０）、第３膨張機構（１９）の開度を制御する、
   冷凍装置（１，１０１，４０１，５０１，６０１）。
2. 冷凍サイクル中に冷媒が超臨界状態になる冷凍装置であって、
   冷媒を圧縮するための圧縮機構（１１）と、
   前記圧縮機構の冷媒吐出側に接続される放熱器（１４）と、
   前記放熱器の出口側に接続される第１膨張機構（１６）と、
   前記第１膨張機構の冷媒流出側に接続される第２膨張機構（２０，３３ａ，３３ｂ）と、
   前記第２膨張機構の冷媒流出側に接続されると共に前記圧縮機構の冷媒吸入側に接続される蒸発器（３１，３１ａ，３１ｂ）と、
   前記放熱器の出口側と前記第１膨張機構の流入側とを接続する第１冷媒配管に流れる冷媒と、前記蒸発器の出口側と前記圧縮機構の冷媒吸入側とを接続する第２冷媒配管に流れる冷媒との間で熱交換を行わせる第１内部熱交換器（１５）と、
   前記放熱器の出口側と前記第２膨張機構の冷媒流入側とを接続する第３冷媒配管から分岐し前記第２冷媒配管に合流する分岐配管（２０４）と、
   前記分岐配管に設けられる第３膨張機構（１９）と、
   前記第１膨張機構から流出する冷媒と、前記第３膨張機構から流出する冷媒との間で熱交換を行わせる第２内部熱交換器（１８）と、
   前記第１膨張機構（１６）の冷媒流出側と前記第２内部熱交換器（１８）の冷媒流入口との間に配置される受液器（１７）と、
   前記分岐配管と前記第２冷媒配管との合流点から前記圧縮機構の冷媒吸入側に流れる冷媒の過熱度が所定の範囲内に収まるように前記第３膨張機構（１９）の開度を制御し、前記第１膨張機構から流出した冷媒の状態が臨界点近傍の状態にならないように前記第１内部熱交換器により前記第１冷媒配管を流れる冷媒を冷却する冷媒冷却制御を行う制御部（２７）と、を備え、
   前記第３膨張機構（１９）から流出し前記第２内部熱交換器（１８）において熱交換された冷媒が、前記蒸発器（３０）から流れる冷媒であって前記第１内部熱交換器（１５）で熱交換した後の冷媒と合流し、前記圧縮機構（１１）の冷媒吸入側に吸入され、
   前記制御部は、前記冷媒冷却制御において、前記第２内部熱交換器（１８）において前記第１膨張機構（１６）から流出する冷媒と前記第３膨張機構（１９）から流出する冷媒との間で熱交換が行われ、前記第１膨張機構（１６）通過後の冷媒に十分な過冷却度を付与するように、前記第１膨張機構（１６）、第２膨張機構（２０）、第３膨張機構（１９）の開度を制御し、且つ前記蒸発器（３１）から流出した冷媒が過熱されすぎているときに、前記分岐配管（２０４）に流れる冷媒を湿り状態にするように前記第３膨張機構（１９）の開度を制御して冷媒の過熱度を下げ、適正な過熱度に収めるように制御する、
   冷凍装置（２０１，３０１）。
3. 前記分岐配管（４，２０４）は、前記第１膨張機構の冷媒流出側と前記第２膨張機構の冷媒流入側とを接続する第４冷媒配管から分岐し前記第２冷媒配管に合流する
   請求項１または２のいずれかに記載の冷凍装置。
4. 前記冷媒冷却制御では、前記第１膨張機構から流出した冷媒の状態が臨界点近傍の状態にならないように前記第１膨張機構及び前記第２膨張機構の開度が制御される
   請求項１〜３のいずれかに記載の冷凍装置。
5. 前記冷媒冷却制御では、前記第１膨張機構から流出した冷媒の圧力が｛臨界圧力（ＭＰａ）−０．３ＭＰａ｝の圧力以下となるように前記第１内部熱交換器により前記第１冷媒配管を流れる冷媒が冷却される
   請求項１〜４のいずれかに記載の冷凍装置。
6. 前記放熱器の出口近傍または前記第１膨張機構の冷媒流入口近傍に設けられる温度検知部（２５）をさらに備え、
   前記冷媒冷却制御では、前記温度検知部によって検知される温度が所定の温度以上である場合に、前記第１膨張機構から流出した冷媒の圧力が｛臨界圧力（ＭＰａ）−０．３ＭＰａ｝の圧力以下となるように前記第１内部熱交換器により前記第１冷媒配管を流れる冷媒が冷却される
   請求項５に記載の冷凍装置。

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