JP6188916B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、空気調和装置に関し、特に充填冷媒量の増加を抑制しつつ、圧縮機からの吐出温度の上昇を抑制するようにした冷凍サイクル装置に関するものである。

従来、不燃性であるＲ４１０Ａのような「ＨＦＣ冷媒」を使用して冷凍サイクルを実行する冷凍サイクル装置が存在している。このＲ４１０Ａは、従来のＲ２２のような「ＨＣＦＣ冷媒」と異なり、オゾン層破壊係数（以下「ＯＤＰ」と称す）がゼロであって、オゾン層を破壊することはないが、地球温暖化係数（以下「ＧＷＰ」と称す）が高いという性質を有している。そのため、地球の温暖化防止の一環として、Ｒ４１０ＡのようなＧＷＰが高いＨＦＣ冷媒から、ＧＷＰが低い冷媒（以下「低ＧＷＰ冷媒」と称す）への変更の検討が進められている。

低ＧＷＰ冷媒の候補として、組成中に炭素の二重結合を持たないＨＦＣ冷媒、例えばＲ４１０ＡよりもＧＷＰが低いＲ３２（ＣＨ_２Ｆ_２；ジフルオロメタン）が存在している。また、同じような候補冷媒として、Ｒ３２と同様にＨＦＣ冷媒の一種であって、組成中に炭素の二重結合を有するハロゲン化炭化水素が存在している。このようなハロゲン化炭化水素としては、例えばＨＦＯ−１２３４ｙｆ（ＣＦ_３ＣＦ＝ＣＨ_２；テトラフルオロプロペン）やＨＦＯ−１２３４ｚｅ（ＣＦ_３−ＣＨ＝ＣＨＦ）が知られている。なお、Ｒ３２のように組成中に炭素の二重結合を持たないＨＦＣ冷媒と区別するために、炭素の二重結合を持つＨＦＣ冷媒を、オレフィン（炭素の二重結合を持つ不飽和炭化水素がオレフィンと呼ばれる）の「Ｏ」を使って、「ＨＦＯ冷媒」と表現することが多い。

このような低ＧＷＰ冷媒（ＨＦＣ冷媒、ＨＦＯ冷媒）は、自然冷媒であるＲ２９０（Ｃ_３Ｈ_８；プロパン）のようなＨＣ冷媒ほど強燃性ではないものの、不燃性であるＲ４１０Ａとは異なり、微燃レベルの可燃性を有している。これより以降、微燃レベルであっても可燃性を有する冷媒のことを「可燃性冷媒」と称する。

これらの可燃性冷媒を冷凍サイクル装置に用いる場合、安全性を考慮して充填冷媒量の増加を抑制することが望ましい。一方で、冷凍サイクル装置の効率についても考慮する必要がある。

可燃性冷媒を使用した冷凍サイクル装置として、Ｒ３２冷媒またはＲ３２を７０％以上の混合冷媒を用い、凝縮温度、蒸発温度、過冷却熱交膨張弁の開度にしたがって目標吐出温度を算出し、この目標吐出温度となるように主膨張弁の開度を調整するようにした冷凍装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
また、圧縮機内の温度により変性の可能性を有する冷媒を使用し、凝縮器出口から排出される冷媒の一部を分岐して、前記圧縮機の内部に供給するようにした冷凍回路が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特許第３４４０９１０号公報 特開２０１０−１９４５７号公報

しかしながら、特許文献１に記載されているような技術では、圧縮機からの吐出温度の上昇を抑制することは可能であるが、過冷却熱交換器を運転条件に関わらず使用するため、凝縮器出口に設置された熱交換器の容積増加と蒸発器入口乾き度の低下により、充填冷媒量が増加してしまう。そのため、冷媒が漏洩した場合に、安全性に欠けるだけでなく、地球温暖化に影響を及ぼすことになる。

また、特許文献２に記載されているような技術では、高外気温高負荷の冷房運転時に、圧縮機からの吐出温度の上昇を抑制することは可能であるが、蒸発器入口の乾き度を低減できない。そのため、蒸発器に冷媒を保持できず、凝縮圧力が上昇してしまい、凝縮圧力の上昇の影響により、冷媒が変性してしまう可能性がある。冷媒が変性してしまうと、本来の能力を発揮することができなくなってしまう。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、充填冷媒量の増加を抑制しつつ、圧縮機からの吐出温度の上昇を抑制することができる冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

本発明に係る冷凍サイクル装置は、圧縮機、第１熱交換器、第１膨張弁、及び、第２熱交換器を接続した主冷媒回路と、前記第１熱交換器、前記第１熱交換器を凝縮器として作用させたときの冷媒の流れ下流側に設置された過冷却熱交換器の１次側、第２膨張弁、及び、前記第２熱交換器を接続した分岐回路と、前記過冷却熱交換器の冷媒の１次側の下流側から分岐させたインジェクション配管で第３膨張弁、前記過冷却熱交換器の２次側、前記圧縮機を接続したインジェクション回路と、を備える冷凍サイクル装置であって、前記主冷媒回路に前記冷媒を流す通常運転モードと、前記分岐回路及び前記インジェクション回路に前記冷媒を流し、前記過冷却熱交換器を利用するとともに、前記過冷却熱交換器の２次側を流れた前記冷媒を前記圧縮機にインジェクションする高外気温運転モードとを有し、外気温度が予め定めた温度以上の場合、前記高外気温運転モードを実施するものである。

本発明に係る冷凍サイクル装置によれば、予め定めた通常運転時において蒸発器として作用する第２熱交換器の入口乾き度の低下を抑制することにより充填冷媒量の増加を抑制でき、高外気温冷房運転時において圧縮機にインジェクションすることによる吐出温度の抑制及び凝縮圧力増加の抑制が可能になる。

本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路構成の一例を概略的に示す冷媒回路構成図である。 本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置が実行する運転モードに応じた各アクチュエータの制御パターンを説明するための説明図である。 本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路構成の一例を概略的に示す冷媒回路構成図である。 本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置が実行する運転モードに応じた各アクチュエータの制御パターンを説明するための説明図である。 本発明の実施の形態３に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路構成の一例を概略的に示す冷媒回路構成図である。 本発明の実施の形態３に係る冷凍サイクル装置が実行する運転モードに応じた各アクチュエータの制御パターンを説明するための説明図である。

以下、図面を適宜参照しながら本発明の実施の形態について説明する。なお、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。また、図１を含め、以下の図面において、同一の符号を付したものは、同一又はこれに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通することとする。さらに、明細書全文に表わされている構成要素の形態は、あくまでも例示であって、これらの記載に限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置（以下、冷凍サイクル装置１００Ａと称する）の冷媒回路構成の一例を概略的に示す冷媒回路構成図である。図１に基づいて、冷凍サイクル装置１００Ａについて説明する。

冷凍サイクル装置１００Ａは、可燃性冷媒を主成分として使用することを想定したものであり、室外機１と、室内機２と、を有している。室外機１と室内機２とは、液配管７及びガス配管９を介して接続されている。なお、室外機１及び室内機２の接続代数を１台に限定するものではなく、いずれかまたはそれぞれを複数台としてもよい。

室外機（熱源機）１は、冷媒を圧縮する圧縮機３と、冷媒と室外送風機５ａによって搬送される室外機１の周囲の空気とで熱交換する室外熱交換器（第１熱交換器）５と、冷媒の流量を制御する第１電子膨張弁（第１膨張弁）６と、冷媒の流れを制御する開閉弁２１、冷媒と冷媒とで熱交換する過冷却熱交換器２２と、冷媒の流量を制御する第２電子膨張弁（第２膨張弁）２３と、冷媒の流量を制御する第３電子膨張弁（第３膨張弁）２４とを備えている。また、室外熱交換器５は、空気を供給する室外送風機５ａと、外気温度を検出する外気温度センサＴ_１と、を有している。また、圧縮機３の吐出側には、圧縮機３から吐出される冷媒の温度を検出する吐出温度センサＴ_２と、圧縮機３から吐出される冷媒の圧力を検出する吐出圧力センサＰ_１とが設けられている。さらに、過冷却熱交換器２２の一端には、過冷却熱交換器２２を通過した後の冷媒の温度を検出する冷媒温度センサＴ_３が設けられている。

室内機（利用側機）２は、冷媒と室内送風機８ａによって搬送される室内機２の周囲の空気とで熱交換し、例えば室内空間の冷却又は加熱を行うことで冷房又は暖房を実現する室内熱交換器（第２熱交換器）８を備えている。室内熱交換器８は、空気を供給する室内送風機８ａを有する。

冷媒を圧縮する圧縮機３としては、インバータ回路により回転数が制御され容量制御されるタイプの容積式圧縮機を用いるとよい。容積式圧縮機には、例えば、ロータリ圧縮機、スクロール圧縮機、スクリュー圧縮機、往復圧縮機等がある。圧縮機３には、吐出配管３ａが接続されている。

室外熱交換器５は、凝縮器又は蒸発器として機能し、例えば伝熱管と多数のフィンとにより構成されたクロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器で構成することができる。

室外送風機５ａは、室外熱交換器５に空気を供給するものであり、空気の流量を可変することが可能なもので構成されている。例えば、室外送風機５ａとして、ＤＣファンモータなどのモータによって駆動される遠心ファンや多翼ファン等を使用することができる。

第１電子膨張弁６は、後述する制御装置３０により開度が制御され、冷媒の圧力を減圧しつつ、冷媒流量の調節等を行うよう構成されている。

室内熱交換器８は、蒸発器又は凝縮器として機能し、例えば伝熱管と多数のフィンとにより構成されたクロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器で構成することができる。

室内送風機８ａは、室内熱交換器８に空気を供給するものであり、空気の流量を可変することが可能なもので構成されている。例えば、室内送風機８ａとして、ＤＣファンモータなどのモータによって駆動される遠心ファンや多翼ファン等を使用することができる。

そして、圧縮機３、室外熱交換器５、第１電子膨張弁６、及び、室内熱交換器８が、吐出配管３ａ、液配管７及びガス配管９を含めた主冷媒配管３１で接続されることで主冷媒回路を構成する。

また、室外機１は、室外熱交換器５と第１電子膨張弁６との間における主冷媒配管３１から分岐させ、第１電子膨張弁６と室内熱交換器８との間に接続させた分岐配管２５を有している。室外熱交換器５、過冷却熱交換器２２の１次側（分岐配管２５を流れる冷媒側）、第２電子膨張弁２３、及び、室内熱交換器８が、分岐配管２５及び主冷媒配管３１で接続されることで分岐回路を構成する。

さらに、室外機１は、過冷却熱交換器２２と第２電子膨張弁２３との間における分岐配管２５から分岐させ、圧縮機３の吸入側に接続させたインジェクション配管２６を有している。第３電子膨張弁２４、及び、過冷却熱交換器２２の２次側（インジェクション配管２６を流れる冷媒側）、圧縮機３の吸入側が、インジェクション配管２６で接続されることでインジェクション回路を構成する。

開閉弁２１は、分岐配管２５の室外熱交換器５と過冷却熱交換器２２との間に設けられ、後述する制御装置３０により開閉が制御され、分岐配管２５を開閉するものである。

過冷却熱交換器２２は、分岐配管２５を流れる冷媒とインジェクション配管２６を流れる冷媒との間で熱交換を行うものであり、例えば、マイクロチャネル熱交換器、シェルアンドチューブ式熱交換器、ヒートパイプ式熱交換器、二重管式熱交換器、プレート熱交換器等で構成するとよい。

第２電子膨張弁２３は、分岐配管２５の過冷却熱交換器２２の下流側に設けられ、後述する制御装置３０により開度が制御され、分岐配管２５を流れる冷媒の圧力を減圧しつつ、冷媒の流量の調節等が行うことが可能なものである。

第３電子膨張弁２４は、インジェクション配管２６の過冷却熱交換器２２の上流側に設けられ、後述する制御装置３０により開度が制御され、インジェクション配管２６を流れる冷媒の圧力を減圧しつつ、冷媒の流量の調節等が行うことが可能なものである。

また、冷凍サイクル装置１００Ａは、冷凍サイクル装置１００Ａを統括制御する制御装置３０を備えている。制御装置３０は、外気温度センサＴ_１、吐出圧力センサＰ_１、吐出温度センサＴ_２および冷媒温度センサＴ_３を含む各検知器からの検出値に基づき、各アクチュエータ（圧縮機３、室外送風機５ａ、第１電子膨張弁６、開閉弁２１、第２電子膨張弁２３、第３電子膨張弁２４、室内送風機８ａ等の駆動部品）の制御を行い、各運転モードを実施する。制御装置３０は、その機能を実現する回路デバイスのようなハードウェアで構成することもできるし、マイコンやＣＰＵのような演算装置と、その上で実行されるソフトウェアとにより構成することもできる。

なお、室外機１と室内機２とを接続している液配管７は、液側ストップバルブ３２を介して接続されている。
同様に、室外機１と室内機２とを接続しているガス配管９は、ガス側ストップバルブ３３を介して接続されている。
つまり、液側ストップバルブ３２及びガス側ストップバルブ３３を介して、室外機１と室内機２とを切り離すことが可能になっている。

図２は、冷凍サイクル装置１００Ａが実行する運転モードに応じた、制御装置３０による各アクチュエータ（ここでは、開閉弁２１、第１電子膨張弁６、第２電子膨張弁２３、第３電子膨張弁２４）の制御パターンを説明するための説明図である。図１及び図２に基づいて、冷凍サイクル装置１００Ａの動作について説明する。

冷凍サイクル装置１００Ａは、外気温度センサＴ_１で検出される外気温度によって、過冷却熱交換器２２の利用を決定するようになっている。以下の説明において、通常外気温時における過冷却熱交換器２２を利用しないときの運転モードを「通常運転モード」と称し、高外気温時における過冷却熱交換器２２を利用するときの運転モードを「高外気温運転モード」と称する。

なお、通常外気温時とは、厳密な温度範囲を定めることはできないが、外気温度センサＴ_１で検出される外気温度が冷凍サイクル装置１００Ａを使用する地域の通常の使用範囲される温度の範囲内であるときを想定しており、予め定められているものとする。
また、高外気温時とは、厳密な温度範囲を定めることはできないが、外気温度センサＴ_１で検出される外気温度が冷凍サイクル装置１００Ａの予め定められた通常外気温時の温度の上限以上（例えば、４０℃以上）のときを想定しており、予め定められているものとする。

＜通常運転モード＞
通常運転モードでは、図２に示すように、制御装置３０によって、開閉弁２１が閉、第２電子膨張弁２３が全開、第３電子膨張弁２４が全閉に制御され、吐出温度センサＴ_２の検出結果に基づき第１電子膨張弁６で圧縮機３からの吐出冷媒の温度が制御されるようになっている。つまり、通常外気温時においては、冷凍サイクル装置１００Ａは、蒸発器として機能する室内熱交換器８の入口乾き度の低下を抑制し、室内熱交換器８への必要冷媒量の増加を抑制するため、過冷却熱交換器２２をバイパスさせる。

圧縮機３から吐出した高温・高圧のガス冷媒は、凝縮器として作用する室外熱交換器５に流入し、室外送風機５ａにより送風される室外空気に放熱する。この冷媒は、第１電子膨張弁６にて減圧され低圧二相冷媒となり、蒸発器として作用する室内熱交換器８にて室内空気を冷却して低圧ガス冷媒となる。その後、ガス配管９を経由して、再び圧縮機３に吸入される。

＜高外気温運転モード＞
高外気温運転モードでは、図２に示すように、制御装置３０によって、開閉弁２１が開、第１電子膨張弁６が全閉に制御され、吐出温度センサＴ_２の検出結果に基づき第２電子膨張弁２３で圧縮機３からの吐出冷媒の温度が制御され、第３電子膨張弁２４で過冷却熱交換器２２の出口における冷媒の過冷却度（ＳＣ）が制御されるようになっている。つまり、高外気温時においては、冷凍サイクル装置１００Ａは、分岐回路に冷媒を流し、過冷却熱交換器２２を利用して、蒸発器として機能する室内熱交換器８の入口乾き度を低い状態にし、室内熱交換器８に冷媒を多く保持することで、圧縮機３からの吐出冷媒の高圧の上昇を抑制している。

また、高外気温時においては、冷凍サイクル装置１００Ａは、過冷却熱交換器２２を通過した冷媒を圧縮機３の吸入側にインジェクションして、圧縮機３からの吐出冷媒の吐出温度の上昇を抑制している。

圧縮機３から吐出した高温・高圧のガス冷媒は、凝縮器として作用する室外熱交換器５に流入し、室外送風機５ａにより送風される室外空気に放熱する。この冷媒は、開閉弁２１を介して過冷却熱交換器２２に流入する。この冷媒は、過冷却熱交換器２２にて低圧冷媒により冷却された後、第２電子膨張弁２３にて減圧され低圧二相冷媒となり、蒸発器として作用する室内熱交換器８にて室内空気を冷却して低圧ガス冷媒となる。その後、ガス配管９を経由して、再び圧縮機３に吸入される。

一方、インジェクション配管２６に流れたインジェクション回路の冷媒は、第３電子膨張弁２４での減圧後に過冷却熱交換器２２にて高圧冷媒により加熱される。この冷媒は、圧縮機３の吸入側にインジェクションされ、ガス配管９を流れてきた冷媒と合流する。その後、ガス配管９を経由して、再び圧縮機３に吸入される。

なお、過冷却熱交換器２２の出口における冷媒の過冷却度（ＳＣ）は、吐出圧力センサＰ_１により検出される圧縮機３の吐出圧力から求められる冷媒の高圧側の飽和温度と、冷媒温度センサＴ_３によって検出される過冷却熱交換器２２を通過後の冷媒の温度と、の差で算出することができる。

＜運転モードの切り替え＞
冷媒回路へ封入する冷媒の充填量は、通常外気温時に定める。そのため、冷凍サイクル装置１００Ａでは、通常運転モードを実行し、過冷却熱交換器２２をバイパスして、蒸発器として機能する室内熱交換器８の入口冷媒の乾き度を高い状態に保持し、充填冷媒量の増加を抑制するようにしている。一方、冷媒充填量の増加を抑制しているので、高外気温の場合には、高圧が上昇してしまう可能性がある。

そこで、高外気温時においては、冷凍サイクル装置１００Ａは、高外気温運転モードを実行し、過冷却熱交換器２２を利用して、蒸発器として機能する室内熱交換器８の入口冷媒の乾き度を低い状態にし、室内熱交換器８に冷媒を多く保持することで、高圧の上昇を抑制することを可能にしている。加えて、冷凍サイクル装置１００Ａでは、高外気温運転モードを実行することにより、過冷却熱交換器２２を通過した冷媒を圧縮機３の吸入側にインジェクションして、圧縮機３から吐出される冷媒の吐出温度の上昇を抑制することを可能にしている。

このように、冷凍サイクル装置１００Ａは、外気温度が高外気温度かどうかによって、過冷却熱交換器２２の利用を決定するようになっている。そのため、冷凍サイクル装置１００Ａによれば、冷媒回路へ封入する冷媒の充填量を通常運転モードに合わせて定め、充填冷媒量の増加を抑制している。また、冷凍サイクル装置１００Ａによれば、必要に応じて過冷却熱交換器２２を利用することになるので、過冷却熱交換器２２を利用しない場合には、過冷却熱交換器２２の高圧側の圧力の低下を招くことなく、充填冷媒量の削減が可能になる。すなわち、冷凍サイクル装置１００Ａでは、可燃性冷媒を主成分として使用することを想定しているため、充填冷媒量の増加の抑制により、冷媒漏洩時においても安全性に配慮したものとなり、地球温暖化に与える影響を小さくすることができる。

更に、冷凍サイクル装置１００Ａによれば、高圧が上昇してしまう可能性がある高外気温時においては、高外気温運転モードを実行することにより、過冷却熱交換器２２及びインジェクション配管２６を利用して、吐出温度の上昇の抑制、及び、蒸発器として機能する室内熱交換器８の入口冷媒の乾き度の低下による凝縮圧力増加の抑制を図ることができる。そのため、冷凍サイクル装置１００Ａでは、高外気温時においても、高効率な運転を継続することが可能になる。

次に、冷凍サイクル装置１００Ａに使用する冷媒について説明する。
冷凍サイクル装置１００Ａは、可燃性冷媒を主成分とした冷媒を使用することを想定しているが、これに限定されるものではない。可燃性冷媒としては、Ｒ３２、ＨＦＯ−１２３４ｙｆ、ＨＦＯ−１２３４ｚｅ、Ｒ２９０（Ｃ_３Ｈ_８；プロパン）、Ｒ１２７０(Ｃ_３Ｈ_６；プロピレン)等が知られている。

なお、可燃性冷媒を主成分とするとは、上記に例示した可燃性冷媒が単体で使用されることも含め、混合させる他の冷媒（複数種類の冷媒であってもよい）の含有量が、可燃性冷媒の含有量を質量％で超えないことを意味する。また、実施の形態１を含め以下の実施の形態では、インジェクション配管２６を圧縮機３の吸入側に接続した回路を例に示すが、インジェクション配管２６を圧縮機３の中間圧力部に連通する中間ポートに接続するようにしてもよい。

以上のように、冷凍サイクル装置１００Ａは、充填冷媒量の増加を抑制しつつ、吐出温度の上昇の抑制を図ることが可能になっている。そのため、冷凍サイクル装置１００Ａによれば、充填冷媒量の増加の抑制により冷媒漏洩時においても安全性に配慮したものとなり、地球温暖化に与える影響を小さくでき、吐出温度の上昇の抑制により冷媒を変性させることがなく、高効率な運転を継続することが可能になる。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置（以下、冷凍サイクル装置１００Ｂと称する）の冷媒回路構成の一例を概略的に示す冷媒回路構成図である。図３に基づいて、冷凍サイクル装置１００Ｂについて説明する。なお、実施の形態２では実施の形態１との相違点を中心に説明し、実施の形態１と同一部分には、同一符号を付して説明を省略するものとする。

冷凍サイクル装置１００Ｂは、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００Ａと同様に、可燃性冷媒を主成分として使用することを想定したものである。冷凍サイクル装置１００Ｂは、室外機１の構成が、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００Ａと相違している。また。冷凍サイクル装置１００Ｂでは、主冷媒配管３１と分岐配管２５の構成が、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００Ａと相違している。

室外機（熱源機）１は、圧縮機３と、室外熱交換器５と、三方弁２７と、過冷却熱交換器２２と、第２電子膨張弁２３と、第３電子膨張弁２４とを備えている。つまり、冷凍サイクル装置１００Ｂは、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００Ａの室外機１が備えている第１電子膨張弁６および開閉弁２１を備えていない代わりに、三方弁２７を備えている。そのため、第２電子膨張弁２３が、本発明の「第１電子膨張弁」として機能する。

三方弁２７は、流路切替装置としての機能を有し、室外熱交換器５の下流側に設けられる。三方弁は、制御装置３０の制御の下、主冷媒配管３１（主冷媒回路）と分岐配管２５（分岐回路）とのいずれかに冷媒流路を切り替えるものである。ここでは、流路切替装置が三方弁２７である場合を例に説明するが、流路切替装置を三方弁２７に限定するものではない。例えば、流路切替装置は、冷媒流路を切り替えられるものであればよく、例えば、二方弁を組み合わせて構成したり、四方弁の１つ流路を閉塞する等として構成したりすることができる。

冷凍サイクル装置１００Ｂでは、圧縮機３、室外熱交換器５、三方弁２７、第２電子膨張弁２３、及び、室内熱交換器８が、吐出配管３ａ、液配管７及びガス配管９を含めた主冷媒配管３１で接続されることで主冷媒回路を構成する。

また、分岐配管２５は、三方弁２７を介して主冷媒配管３１から分岐し、過冷却熱交換器２２を経由した後、三方弁２７と第２電子膨張弁２３との間に接続している。室外熱交換器５、三方弁２７、過冷却熱交換器２２の１次側（分岐配管２５を流れる冷媒側）、第２電子膨張弁２３、及び、室内熱交換器８が、分岐配管２５及び主冷媒配管３１で接続されることで分岐回路を構成する。

なお、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００Ａと同様に、室外機１は、過冷却熱交換器２２と第２電子膨張弁２３との間における分岐配管２５から分岐させ、圧縮機３の吸入側に接続させたインジェクション配管２６を有している。第３電子膨張弁２４、及び、過冷却熱交換器の２次側（インジェクション配管２６を流れる冷媒側）、圧縮機３の吸入側が、インジェクション配管２６で接続されることでインジェクション回路を構成する。

図４は、冷凍サイクル装置１００Ｂが実行する運転モードに応じた、制御装置３０による各アクチュエータ（ここでは、三方弁２７、第２電子膨張弁２３、第３電子膨張弁２４）の制御パターンを説明するための説明図である。図３及び図４に基づいて、冷凍サイクル装置１００Ｂの動作について説明する。

冷凍サイクル装置１００Ｂは、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００Ａと同様に、外気温度センサＴ_１で検出される外気温度によって、過冷却熱交換器２２の利用を決定するようになっている。なお、通常運転モード、高外気温運転モードの定義については、実施の形態１と同様である。

＜通常運転モード＞
通常運転モードでは、図４に示すように、制御装置３０によって、三方弁２７が室外熱交換器５と第２電子膨張弁２３とを接続するように切り替えられ、第３電子膨張弁２４が全閉に制御され、吐出温度センサＴ_２の検出結果に基づき第２電子膨張弁２３で圧縮機３からの吐出冷媒の温度が制御されるようになっている。つまり、通常外気温時においては、冷凍サイクル装置１００Ｂは、蒸発器として機能する室内熱交換器８の入口乾き度の低下を抑制し、室内熱交換器８への必要冷媒量の増加を抑制するため、過冷却熱交換器２２をバイパスさせる。

圧縮機３から吐出した高温・高圧のガス冷媒は、凝縮器として作用する室外熱交換器５に流入し、室外送風機５ａにより送風される室外空気に放熱する。この冷媒は、三方弁２７を介して第２電子膨張弁２３に流入する。そして、第２電子膨張弁２３にて減圧され低圧二相冷媒となり、蒸発器として作用する室内熱交換器８にて室内空気を冷却して低圧ガス冷媒となる。その後、ガス配管９を経由して、再び圧縮機３に吸入される。

＜高外気温運転モード＞
高外気温運転モードでは、図４に示すように、制御装置３０によって、三方弁２７が室外熱交換器５と過冷却熱交換器２２とを接続するように切り替えられ、吐出温度センサＴ_２の検出結果に基づき第２電子膨張弁２３で圧縮機３からの吐出冷媒の温度が制御される。また、制御装置３０によって、第３電子膨張弁２４で過冷却熱交換器２２の出口における冷媒の過冷却度（ＳＣ）が制御されるようになっている。つまり、高外気温時においては、冷凍サイクル装置１００Ｂは、分岐回路に冷媒を流し、過冷却熱交換器２２を利用して、蒸発器として機能する室内熱交換器８の入口乾き度を低い状態にし、室内熱交換器８に冷媒を多く保持することで、圧縮機３からの吐出冷媒の高圧の上昇を抑制している。

また、高外気温時においては、冷凍サイクル装置１００Ｂは、過冷却熱交換器２２を通過したインジェクション回路の冷媒を圧縮機３の吸入側にインジェクションして、圧縮機３からの吐出冷媒の吐出温度の上昇を抑制している。

圧縮機３から吐出した高温・高圧のガス冷媒は、凝縮器として作用する室外熱交換器５に流入し、室外送風機５ａにより送風される室外空気に放熱する。この冷媒は、三方弁２７を介して過冷却熱交換器２２に流入する。この冷媒は、過冷却熱交換器２２にて低圧冷媒により冷却された後、第２電子膨張弁２３にて減圧され低圧二相冷媒となり、蒸発器として作用する室内熱交換器８にて室内空気を冷却して低圧ガス冷媒となる。その後、ガス配管９を経由して、再び圧縮機３に吸入される。

一方、インジェクション配管２６に流れた冷媒は、第３電子膨張弁２４での減圧後に過冷却熱交換器２２にて高圧冷媒により加熱される。この冷媒は、圧縮機３の吸入側にインジェクションされ、ガス配管９を流れてきた冷媒と合流する。その後、ガス配管９を経由して、再び圧縮機３に吸入される。

以上のように、冷凍サイクル装置１００Ｂは、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００Ａと同様に、充填冷媒量の増加を抑制しつつ、吐出温度の上昇の抑制及び蒸発器として機能する室内熱交換器８の入口冷媒の乾き度の低下による凝縮圧力増加の抑制を図ることが可能になっている。そのため、冷凍サイクル装置１００Ｂによれば、充填冷媒量の増加の抑制により冷媒漏洩時においても安全性に配慮したものとなり、地球温暖化に与える影響を小さくでき、吐出温度の上昇の抑制により冷媒を変性させることがなく、高効率な運転を継続することが可能になる。

また、冷凍サイクル装置１００Ｂによれば、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００Ａに比べて、バルブの数を少なくすることができる。

実施の形態３．
図５は、本発明の実施の形態３に係る冷凍サイクル装置（以下、冷凍サイクル装置１００Ｃと称する）の冷媒回路構成の一例を概略的に示す冷媒回路構成図である。図５に基づいて、冷凍サイクル装置１００Ｃについて説明する。なお、実施の形態３では実施の形態１、２との相違点を中心に説明し、実施の形態１、２と同一部分には、同一符号を付して説明を省略するものとする。

冷凍サイクル装置１００Ｃは、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００Ａと同様に、可燃性冷媒を主成分として使用することを想定したものである。冷凍サイクル装置１００Ｃは、室外機１の構成が、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００Ａと相違している。また。冷凍サイクル装置１００Ｃでは、主冷媒配管３１と分岐配管２５の構成が、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００Ａと相違している。

室外機（熱源機）１は、圧縮機３と、冷媒流路切替装置２８と、室外熱交換器５と、第４電子膨張弁（第４膨張弁）２９と、過冷却熱交換器２２と、第２電子膨張弁２３と、第３電子膨張弁２４とを備えている。つまり、冷凍サイクル装置１００Ｃは、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００Ａの室外機１が備えている第１電子膨張弁６および開閉弁２１を備えていない代わりに、冷媒流路切替装置２８および第４電子膨張弁２９を備えている。そのため、第４電子膨張弁２９が、本発明の「第１電子膨張弁」として機能する。

また、冷凍サイクル装置１００Ｃでは、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００Ａの室外機１が備えている主冷媒配管３１から分岐配管２５を分岐させておらず、主冷媒配管３１に分岐配管２５を連結させた構成を採用している。

冷媒流路切替装置２８は、圧縮機３の吐出側に設けられ、制御装置３０の制御の下、冷媒の流れを切り替えるものである。冷媒流路切替装置２８は、例えば図５に示すように四方弁で構成することができる。ただし、冷媒流路切替装置２８を四方弁に限定するものではなく、二方弁や三方弁を組み合わせて冷媒流路切替装置２８としてもよい。

第４電子膨張弁２９は、制御装置３０により開度が制御され、冷媒の圧力を減圧しつつ、冷媒流量の調節等が行うよう構成されている。第４電子膨張弁２９は、室外熱交換器５と過冷却熱交換器２２との間に設けられている。

冷凍サイクル装置１００Ｃでは、圧縮機３、冷媒流路切替装置２８、室外熱交換器５、第４電子膨張弁２９、過冷却熱交換器２２、及び、室内熱交換器８が、吐出配管３ａ、分岐配管２５、液配管７及びガス配管９を含めた主冷媒配管３１で接続されることで主冷媒回路を構成する。つまり、分岐配管２５が、主冷媒配管３１の一部を構成している。

そのため、室外熱交換器５、第４電子膨張弁２９、過冷却熱交換器２２の１次側（分岐配管２５を流れる冷媒側）、第２電子膨張弁２３、及び、室内熱交換器８が、分岐配管２５及び主冷媒配管３１で接続されることで分岐回路を構成する。

なお、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００Ａと同様に、室外機１は、過冷却熱交換器２２と第２電子膨張弁２３との間における分岐配管２５から分岐させ、圧縮機３の吸入側に接続させたインジェクション配管２６を有している。第３電子膨張弁２４、及び、過冷却熱交換器の２次側（インジェクション配管２６を流れる冷媒側）、圧縮機３の吸入側が、インジェクション配管２６で接続されることでインジェクション回路を構成する。

図６は、冷凍サイクル装置１００Ｃが実行する運転モードに応じた、制御装置３０による各アクチュエータ（ここでは、第２電子膨張弁２３、第３電子膨張弁２４、第４電子膨張弁２９）の制御パターンを説明するための説明図である。図５及び図６に基づいて、冷凍サイクル装置１００Ｃの動作について説明する。

冷凍サイクル装置１００Ｃは、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００Ａと同様に、外気温度センサＴ_１によって検出される外気温度によって、過冷却熱交換器２２の利用を決定するようになっている。なお、通常運転モード、高外気温運転モードの定義については、実施の形態１と同様である。また、冷凍サイクル装置１００Ｃは、冷媒流路切替装置２８の作用によって冷媒の流れを反転されたときの運転モードを「暖房運転モード」と称する。

＜通常運転モード＞
通常運転モードでは、図６に示すように、制御装置３０によって、第２電子膨張弁２３が全開、第３電子膨張弁２４が全閉に制御され、吐出温度センサＴ_２の検出結果に基づき第４電子膨張弁２９で圧縮機３からの吐出冷媒の温度が制御されるようになっている。つまり、通常外気温時においては、冷凍サイクル装置１００Ｃは、蒸発器として機能する室内熱交換器８の入口乾き度の低下を抑制し、室内熱交換器８への必要冷媒量の増加を抑制するため、過冷却熱交換器２２をバイパスさせる。

なお、冷凍サイクル装置１００Ｃでは、過冷却熱交換器２２を冷媒が流れているが、インジェクション配管２６を冷媒が流れないため、冷媒同士の熱交換が実行されない。そのため、この場合も、過冷却熱交換器２２をバイパスすると表現している。

圧縮機３から吐出した高温・高圧のガス冷媒は、凝縮器として作用する室外熱交換器５に流入し、室外送風機５ａにより送風される室外空気に放熱する。この冷媒は、第４電子膨張弁２９に流入する。そして、第４電子膨張弁２９にて減圧され低圧二相冷媒となり、蒸発器として作用する室内熱交換器８にて室内空気を冷却して低圧ガス冷媒となる。その後、ガス配管９を経由して、再び圧縮機３に吸入される。

＜高外気温運転モード＞
高外気温運転モードでは、図６に示すように、制御装置３０による制御の下、第２電子膨張弁２３によって、吐出温度センサＴ_２の検出結果に基づき、圧縮機３からの吐出冷媒の温度が制御され、第３電子膨張弁２４によって過冷却熱交換器２２の出口における冷媒の過冷却度（ＳＣ）が制御され、第４電子膨張弁２９は全開に制御されるようになっている。つまり、高外気温時においては、冷凍サイクル装置１００Ｃは、分岐回路に冷媒を流し、過冷却熱交換器２２を利用して、蒸発器として機能する室内熱交換器８の入口乾き度を低い状態にし、室内熱交換器８に冷媒を多く保持することで、圧縮機３からの吐出冷媒の高圧の上昇を抑制している。

また、高外気温時においては、冷凍サイクル装置１００Ｃは、過冷却熱交換器２２を通過したインジェクション回路の冷媒を圧縮機３の吸入側にインジェクションして、圧縮機３からの吐出冷媒の吐出温度の上昇を抑制している。

圧縮機３から吐出した高温・高圧のガス冷媒は、凝縮器として作用する室外熱交換器５に流入し、室外送風機５ａにより送風される室外空気に放熱する。この冷媒は、第４電子膨張弁２９を介して過冷却熱交換器２２に流入する。この冷媒は、過冷却熱交換器２２にて低圧冷媒により冷却された後、第２電子膨張弁２３にて減圧され低圧二相冷媒となり、蒸発器として作用する室内熱交換器８にて室内空気を冷却して低圧ガス冷媒となる。その後、ガス配管９を経由して、再び圧縮機３に吸入される。

一方、インジェクション配管２６に流れた冷媒は、第３電子膨張弁２４での減圧後に過冷却熱交換器２２にて高圧冷媒により加熱される。この冷媒は、圧縮機３の吸入側にインジェクションされ、ガス配管９を流れてきた冷媒と合流する。その後、ガス配管９を経由して、再び圧縮機３に吸入される。

＜暖房運転モード＞
暖房運転モードでは、図６に示すように、制御装置３０による制御の下、第４電子膨張弁２９によって、吐出温度センサＴ_２の検出結果に基づき、圧縮機３からの吐出冷媒の温度が制御され、第３電子膨張弁２４によって過冷却熱交換器２２の出口における冷媒の過冷却度（ＳＣ）が制御され、第２電子膨張弁２３は全開に制御されるようになっている。つまり、暖房運転モード時においては、冷凍サイクル装置１００Ｃは、過冷却熱交換器２２を利用して、蒸発器として機能する室内熱交換器８の入口乾き度を低い状態にし、室内熱交換器８に冷媒を多く保持することで、圧縮機３からの吐出冷媒の高圧の上昇を抑制している。

また、暖房運転モード時においては、冷凍サイクル装置１００Ｃは、過冷却熱交換器２２を通過した冷媒を圧縮機３の吸入側にインジェクションして、圧縮機３からの吐出冷媒の吐出温度の上昇を抑制している。

圧縮機３から吐出した高温・高圧のガス冷媒は、冷媒流路切替装置２８を介して凝縮器として作用する室内熱交換器８に流入し、室内送風機８ａにより送風される室外空気に放熱する。この冷媒は、第２電子膨張弁２３を介して過冷却熱交換器２２に流入する。この冷媒は、過冷却熱交換器２２にて低圧冷媒により冷却された後、第４電子膨張弁２９にて減圧され低圧二相冷媒となり、蒸発器として作用する室外熱交換器５にて室外空気を冷却して低圧ガス冷媒となる。その後、ガス配管９を経由して、再び圧縮機３に吸入される。

一方、インジェクション配管２６に流れた冷媒は、第３電子膨張弁２４での減圧後に過冷却熱交換器２２にて高圧冷媒により加熱される。この冷媒は、圧縮機３の吸入側にインジェクションされ、ガス配管９を流れてきた冷媒と合流する。その後、ガス配管９を経由して、再び圧縮機３に吸入される。

以上のように、冷凍サイクル装置１００Ｃは、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００Ａと同様に、充填冷媒量の増加を抑制しつつ、吐出温度の上昇の抑制及び蒸発器として機能する室内熱交換器８の入口冷媒の乾き度の低下による凝縮圧力増加の抑制を図ることが可能になっている。そのため、冷凍サイクル装置１００Ｃによれば、充填冷媒量の増加の抑制により冷媒漏洩時においても安全性に配慮したものとなり、地球温暖化に与える影響を小さくでき、吐出温度の上昇の抑制により冷媒を変性させることがなく、高効率な運転を継続することが可能になる。

また、冷凍サイクル装置１００Ｃによれば、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００Ａに比べて、暖房運転モード時に過冷却熱交換器２２を通過した冷媒をインジェクションすることによる吐出温度上昇の抑制が可能になる。さらに、冷凍サイクル装置１００Ｃによれば、暖房運転モード時においても、液配管７の二相冷媒化を実現でき、充填冷媒量の削減に寄与している。

なお、各実施の形態で説明した冷凍サイクル装置は、空気調和装置（例えば、冷凍装置、ルームエアコン、パッケージエアコン、ビル用マルチエアコン等）、ヒートポンプ給湯機等、冷凍サイクルを備えた装置に適用して利用することができる。

１ 室外機、２ 室内機、３ 圧縮機、３ａ 吐出配管、５ 室外熱交換器、５ａ 室外送風機、６ 第１電子膨張弁、７ 液配管、８ 室内熱交換器、８ａ 室内送風機、９ ガス配管、２１ 開閉弁、２２ 過冷却熱交換器、２３ 第２電子膨張弁、２４ 第３電子膨張弁、２５ 分岐配管、２６ インジェクション配管、２７ 三方弁、２８ 冷媒流路切替装置、２９ 第４電子膨張弁、３０ 制御装置、３１ 主冷媒配管、３２ 液側ストップバルブ、３３ ガス側ストップバルブ、１００Ａ 冷凍サイクル装置、１００Ｂ 冷凍サイクル装置、１００Ｃ 冷凍サイクル装置、Ｔ_１ 外気温度センサ、Ｔ_２ 吐出温度センサ、Ｔ_３ 冷媒温度センサ、Ｐ_１ 吐出圧力センサ。

Claims (6)

1. 圧縮機、第１熱交換器、第１膨張弁、及び、第２熱交換器を接続した主冷媒回路と、
   前記第１熱交換器、前記第１熱交換器を凝縮器として作用させたときの冷媒の流れ下流側に設置された過冷却熱交換器の１次側、第２膨張弁、及び、前記第２熱交換器を接続した分岐回路と、
   前記過冷却熱交換器の冷媒の１次側の下流側から分岐させたインジェクション配管で第３膨張弁、前記過冷却熱交換器の２次側、前記圧縮機を接続したインジェクション回路と、を備える冷凍サイクル装置であって、
   前記主冷媒回路に前記冷媒を流す通常運転モードと、
   前記分岐回路及び前記インジェクション回路に前記冷媒を流し、前記過冷却熱交換器を利用するとともに、前記過冷却熱交換器の２次側を流れた前記冷媒を前記圧縮機にインジェクションする高外気温運転モードと、を有し、
   外気温度が予め定めた温度以上の場合、前記高外気温運転モードを実施する
   冷凍サイクル装置。
2. 前記主冷媒回路、前記分岐回路および前記インジェクション回路を制御して、前記通常運転モード及び前記高外気温運転モードを実施する制御装置をさらに備える
   請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記第１熱交換器と前記過冷却熱交換器との間に設けられた開閉弁をさらに備え、
   前記制御装置は、
   前記通常運転モードにおいて、
   前記開閉弁を閉、前記第２膨張弁を全開、前記第３膨張弁を全閉にし、前記第１膨張弁で前記圧縮機からの吐出冷媒の温度を制御し、
   前記高外気温運転モードにおいて、
   前記開閉弁を開、前記第１膨張弁を全閉にし、前記第２膨張弁で前記圧縮機からの吐出冷媒の温度を制御し、前記第３膨張弁で前記過冷却熱交換器の出口における冷媒の過冷却度を制御する
   請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記第１熱交換器と前記過冷却熱交換器との間に設けられ、前記主冷媒回路又は前記分岐回路に冷媒流路を切り替える流路切替装置をさらに備え、
   前記制御装置は、
   前記通常運転モードにおいて、
   前記流路切替装置を前記第１熱交換器と前記第２膨張弁とを接続するように切り替えて前記第２膨張弁を前記第１膨張弁として機能させ、前記第３膨張弁を全閉、前記第２膨張弁で前記圧縮機からの吐出冷媒の温度を制御し、
   前記高外気温運転モードにおいて、
   前記流路切替装置を前記第１熱交換器と前記過冷却熱交換器とを接続するように切り替え、前記第２膨張弁で前記圧縮機からの吐出冷媒の温度を制御し、前記第３膨張弁で前記過冷却熱交換器の出口における冷媒の過冷却度を制御する
   請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記第１熱交換器と前記過冷却熱交換器との間に設けられた第４膨張弁をさらに備え、
   前記制御装置は、
   前記通常運転モードにおいて、
   前記第２膨張弁を全開、前記第３膨張弁を全閉にし、前記第４膨張弁を前記第１膨張弁として機能させて前記第４膨張弁で前記圧縮機からの吐出冷媒の温度を制御し、
   前記高外気温運転モードにおいて、
   前記第４膨張弁を全開にし、前記第２膨張弁で前記圧縮機からの吐出冷媒の温度を制御し、前記第３膨張弁で前記過冷却熱交換器の出口における冷媒の過冷却度を制御し、
   前記第１熱交換器を蒸発器とて作用させたときの運転において、
   前記第２膨張弁は全開にし、前記第４膨張弁を前記第１膨張弁として機能させて前記第４膨張弁で前記圧縮機からの吐出冷媒の温度を制御し、前記第３膨張弁で前記過冷却熱交換器の出口における冷媒の過冷却度を制御する
   請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記圧縮機の吐出側に設けられた冷媒流路切替装置をさらに備え、
   前記冷媒流路切替装置によって、前記第１熱交換器を凝縮器又は蒸発器として機能させる
   請求項５に記載の冷凍サイクル装置。

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