JPWO2011135616A1 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

超臨界状態に遷移する冷媒を用い、高圧側で超臨界状態となる冷凍サイクル装置において、過負荷条件となったときでも冷房能力を大きくすることが可能な冷凍サイクル装置を提供する。冷凍サイクル装置１００は、制御装置５０によって、第２膨張弁６の開度及び放熱器２の伝熱面積を制御することによって、主冷媒回路を流れる冷媒の高圧側圧力を調整している。

Description

本発明は、超臨界状態に遷移する冷媒を用いた冷凍サイクル装置に関するものであり、特にインジェクション回路を備えた冷凍サイクル装置に関するものである。

従来の二酸化炭素（ＣＯ₂ ）等の超臨界領域で冷媒を使用する蒸気圧縮式冷凍サイクルとして、放熱器から流出した一方の冷媒を分岐させて減圧装置により減圧し、放熱器から流出した他方の冷媒と熱交換する冷却器を備え、一方の冷媒を圧縮機の圧縮行程途中にインジェクションするようにしたものがある（たとえば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の蒸気圧縮式冷凍サイクルは、他方の冷媒の比エンタルピを小さくして、冷凍能力を大きくしている。また、減圧装置は、冷却器の一方の冷媒の出口の過熱度が所定の過熱度より大きいときに開度を拡大するようにしている。

特許第４２０７２３５号公報（請求項１、第１図）

しかしながら、従来の蒸気圧縮式冷凍サイクルには、以下のような問題があった。
放熱器と蒸発器の入口空気温度が高くなる過負荷条件になると、高圧側圧力と低圧側圧力が高くなる。そうすると、放熱器から分岐して減圧された一方の冷媒の圧力も高くなり、超臨界状態となる場合がある。特許文献１に記載されているような蒸気圧縮式冷凍サイクルでは、過負荷条件となった場合に、冷却器の一方の冷媒の出口の過熱度を算出できず、他方の冷媒の比エンタルピを制御することができなくなる場合がある。また、一方の冷媒が超臨界状態となると、冷媒が加熱される過程で潜熱変化を伴わないので、冷却器で他方の冷媒を冷却する効果があまり期待できない。

本発明は、上述のような問題を解決するためになされたもので、超臨界状態に遷移する冷媒を用い、高圧側で超臨界状態となる冷凍サイクル装置において、過負荷条件となったときでも冷房能力を大きくすることが可能な冷凍サイクル装置を提供することを目的としている。

本発明に係る冷凍サイクル装置は、冷媒を圧縮する圧縮機、前記圧縮機で圧縮された冷媒の熱を放散する放熱器、前記放熱器を通過した冷媒と前記放熱器を通過して前記圧縮機にインジェクションされる冷媒との間で熱交換させる内部熱交換器の一次側流路、前記内部熱交換器の一次側流路を通過した冷媒を減圧する第１減圧装置、前記第１減圧装置で減圧された冷媒が蒸発する蒸発器、を順に配管接続した主冷媒回路と、前記放熱器を通過して前記圧縮機にインジェクションされる冷媒を減圧する第２減圧装置、前記内部熱交換器の二次側流路、前記圧縮機のインジェクションポートを順に配管接続したインジェクション回路と、前記第２減圧装置の開度及び前記放熱器の伝熱面積を制御することによって、前記主冷媒回路を流れる冷媒の高圧側圧力を調整する制御装置と、を備えていることを特徴とする。

本発明に係る冷凍サイクル装置によれば、第２減圧装置の開度及び放熱器の伝熱面積を制御することによって、主冷媒回路を流れる冷媒の高圧側圧力を調整することができるので、たとえば冷房運転が過負荷条件となり中間圧が超臨界となるような運転条件でも、高圧側圧力を確実に高くすることができ、冷房能力を大きくすることができる。

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を模式的に表す回路構成図である。 圧縮機の断面構成を示す概略縦断面図である。 放熱器の形態の一例を説明するための説明図である。 本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の冷房運転時における冷媒の変遷を示すＰ−ｈ線図である。 本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の制御装置が実行する第２膨張弁、電磁弁の具体的な制御処理の流れを示すフローチャートである。 インジェクション率に対する能力比と放熱器の伝熱面積との関係を示したグラフである。 インジェクション率に対するＣＯＰ比と放熱器の伝熱面積との関係を示したグラフである。 インジェクション率に対する高圧側圧力と放熱器の伝熱面積との関係を示したグラフである。 本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の制御装置が実行する第２膨張弁、電磁弁の具体的な制御処理の流れを示すフローチャートである。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。
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１００の冷媒回路構成を模式的に表す回路構成図である。図２は、圧縮機１の断面構成を示す概略縦断面図である。図３は、放熱器２の形態の一例を説明するための説明図である。図４は、冷凍サイクル装置１００の冷房運転時における冷媒の変遷を示すＰ−ｈ線図である。図１〜図４に基づいて、冷凍サイクル装置１００の回路構成及び動作について説明する

実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００は、冷媒を循環させる冷凍サイクルを備えた装置、たとえば冷蔵庫や冷凍庫、自動販売機、空気調和装置（たとえば、家庭用や業務用、車両用等）、冷凍装置、給湯装置等として利用される。特に、高圧側が超臨界状態となる冷媒を用いた冷凍サイクル装置で効果が大きい。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。

冷凍サイクル装置１００は、圧縮機１と、放熱器２と、内部熱交換器３と、減圧装置である第１膨張弁４と、蒸発器５と、減圧装置である第２膨張弁と、を少なくとも有している。そして、圧縮機１、放熱器２、内部熱交換器３の一次側流路、第１膨張弁４、及び、蒸発器５を配管接続することで主冷媒回路を形成している。また、圧縮機１、放熱器２、第２膨張弁６、内部熱交換器３の二次側流路、及び、圧縮機１のインジェクションポート１１３を配管接続することでインジェクション回路を形成している。さらに、冷凍サイクル装置１００は、冷凍サイクル装置１００の全体の制御を統制する制御装置５０を有している。

実施の形態１では、冷凍サイクル装置１００が、冷媒として二酸化炭素（ＣＯ₂ ）を用いているものとして説明する。二酸化炭素は、従来のフロン系冷媒と比較して、オゾン層破壊係数がゼロであり、地球温暖化係数が小さいという特性を有している。ただし、冷媒を二酸化炭素に限定するものではなく、超臨界状態に遷移する他の単一冷媒や混合冷媒（たとえば二酸化炭素とジエチルエーテルの混合冷媒）等を冷媒として用いてもよい。

圧縮機１は、電気モーター１０２と電気モーター１０２によって駆動される駆動軸１０３によって吸入した冷媒を圧縮して高温・高圧の状態にするものである。この圧縮機１は、たとえば容量制御可能なインバータ圧縮機などで構成するとよい。なお、圧縮機１の詳細については図２に基づいて後述するものとする。

放熱器２は、主冷媒回路を流れる冷媒と熱媒体（たとえば、空気や水等）とが熱交換することで、冷媒が有している熱を熱媒体に放熱するものである。放熱器２は、たとえば図示省略の送風機から供給される空気と冷媒との間で熱交換を行なうようになっている。この放熱器２は、たとえば冷媒を通過させる伝熱管およびその伝熱管を流れる冷媒と空気との間の伝熱面積を大きくするためのフィン（図示せず）を有し、冷媒と空気（外気）との熱交換を行ない、凝縮器又はガスクーラーとして機能する。場合によっては、完全にガス化、気化させず、液体とガスとの二相混合（気液二相冷媒）の状態にすることもある。

また、図３に示すように、放熱器２は、第１放熱器２ａ、第２放熱器２ｂに並列に冷媒が流れるように分割してもよい。そして、分割された一方の第２放熱器２ｂの冷媒入口には開閉装置である電磁弁４１ａを、冷媒出口には電磁弁４１ｂを、設けるとよい。このような構成にすると、場合によって電磁弁４１ａ、電磁弁４１ｂを閉めて第２放熱器２ｂを流れる冷媒を遮断することができるため、放熱器２の伝熱面積を小さくすることができることになる。なお、図３では、放熱器２を２つに分割した状態を例に示しているが、３つ以上に分割するようにしてもよい。

内部熱交換器３は、放熱器２と第１膨張弁４との間における主冷媒回路を流れる冷媒（一次側）と、第２膨張弁６と圧縮機１のインジェクションポート１１３との間におけるインジェクション回路を流れる冷媒（二次側）と、で熱交換するものである。内部熱交換器３は、一方の冷媒の流入口を、放熱器２を流出した後に分岐した一方の冷媒（二次側の冷媒）が流れる配管１３と接続し、他方の冷媒の流入口を、放熱器２を流出した後に分岐した他方の冷媒（一次側の冷媒）が流れる配管１２と接続している。配管１３には、第２膨張弁６が設けられており、内部熱交換器３に流入する一方の冷媒を減圧している。これによって、一次側の冷媒よりも二次側の冷媒の方が温度が低くなるため、内部熱交換器３では、一次側の冷媒は冷却され、二次側の冷媒は加熱されることになる。

第１膨張弁４は、主冷媒回路を流れる冷媒を減圧して膨張させるものであり、開度が可変に制御可能なもの、たとえば電子式膨張弁等で構成するとよい。

蒸発器５は、主冷媒回路を流れる冷媒と熱媒体（たとえば、空気や水等）とが熱交換することで、熱媒体が有している熱を冷媒に吸熱させるものである。放熱器２は、たとえば図示省略の送風機から供給される空気と冷媒との間で熱交換を行なうようになっている。この蒸発器５は、たとえば冷媒を通過させる伝熱管及び伝熱管を流れる冷媒と空気との間の伝熱面積を大きくするためのフィン（図示せず）を有し、冷媒と空気（室内空気）と間での熱交換を行ない、冷媒を蒸発させてガス（気体）化させる。

第２膨張弁６は、インジェクション回路を流れる冷媒を減圧して膨張させるものであり、開度が可変に制御可能なもの、たとえば電子式膨張弁等で構成するとよい。

主冷媒回路において各構成機器を接続する冷媒配管は、圧縮機１の吐出配管１６、放熱器２の冷媒出口側の配管１１、内部熱交換器３の一次側入口の配管１２、及び、蒸発器５の冷媒出口側の配管１４で構成されている。インジェクション回路における冷媒配管は、配管１１から分岐して内部熱交換器３の二次側入口に接続する配管１３、及び、内部熱交換器３の二次側出口と圧縮機１のインジェクションポート１１３とを接続する配管１５で構成されている。

また、冷凍サイクル装置１００には、第１圧力検知手段である圧力センサー２１、第１温度検知手段である温度センサー３１、第２圧力検知手段である圧力センサー２２、温度検知手段である温度センサー２３、及び、第２温度検知手段である温度センサー３２が設けられている。これらの各種検知手段で検知された情報（圧力情報、温度情報）は、制御装置５０に送られ、冷凍サイクル装置１００を構成している各機器の制御に利用されることになる。

圧力センサー２１は、放熱器２の冷媒出口の配管１１に設けられ、放熱器２の冷媒出口側における冷媒圧力を検知するものである。温度センサー３１は、放熱器２の外表面等、放熱器２の近傍に設けられ、放熱器２に入る空気等の熱媒体の温度を検知するものであり、たとえばサーミスター等で構成するとよい。圧力センサー２２は、蒸発器５の冷媒出口の配管１４に設けられ、蒸発器５の冷媒出口側における冷媒圧力を検知するものである。温度センサー２３は、蒸発器５の冷媒出口の配管１４に設けられ、蒸発器５の冷媒出口側における冷媒温度を検知するものであり、たとえばサーミスター等で構成するとよい。温度センサー３２は、蒸発器５の外表面等、蒸発器５の近傍に設けられ、蒸発器５に入る空気等の熱媒体の温度を検知するものであり、たとえばサーミスター等で構成するとよい。

なお、圧力センサー２１、温度センサー３１、圧力センサー２２、温度センサー２３、及び、温度センサー３２の設置位置は、図１で示した位置に限定するものではなく、それぞれが放熱器２を出た冷媒の圧力、放熱器２に入る熱媒体の温度、蒸発器５を出た冷媒の圧力、蒸発器５を出た冷媒の温度、蒸発器５に入る熱媒体の温度を検知できる位置であればよい。また、制御装置５０は、圧縮機１の駆動周波数、放熱器２及び蒸発器５近傍に設けられる図示省略の送風機の回転数、第１膨張弁４の開度、第２膨張弁６の開度、設置されているならば電磁弁４１ａ及び電磁弁４１ｂの開閉を制御する。

図２に基づいて、圧縮機１の構成及び動作について説明する。
圧縮機１は、圧縮機１の外郭を構成するシェル１０１の内部に、駆動源である電気モーター１０２や、電気モーター１０２によって回転駆動される駆動軸１０３、駆動軸１０３に先端部に取り付けられ、駆動軸１０３とともに回転駆動する揺動スクロール１０４、揺動スクロール１０４の上側に配置され、揺動スクロール１０４の渦巻体と噛み合う渦巻体が形成されている固定スクロール１０５等が収納され、構成されている。また、シェル１０１には、シェル１０１内に冷媒を流入させる流入配管１０６、吐出配管１６に接続される流出配管１１２、及び、配管１５に接続されるインジェクション配管１１４が連接されている。

シェル１０１の内部であって、揺動スクロール１０４及び固定スクロール１０５の渦巻体の最外周部には、流入配管１０６と導通している低圧空間１０７が形成されている。シェル１０１の内部上方には、流出配管１１２と導通している高圧空間１１１が形成されている。揺動スクロール１０４の渦巻体と固定スクロールの渦巻体とが互いに噛み合わされることで相対的に容積が変化する圧縮室が複数形成される（たとえば、圧縮室１０８や圧縮室１０９）。圧縮室１０９は、揺動スクロール１０４及び固定スクロール１０５の略中央部に形成される圧縮室を示している。圧縮室１０８は、圧縮室１０９より外側の圧縮過程中間に形成される圧縮室を示している。

固定スクロール１０５の略中央部には、圧縮室１０９と高圧空間１１１とを導通する流出ポート１１０が設けられている。固定スクロール１０５の圧縮過程中間部には、圧縮室１０８とインジェクション配管１１４とを導通するインジェクションポート１１３が設けられている。また、シェル１０１内には、揺動スクロール１０４の偏心旋回運動中における自転運動を阻止するための図示省略のオルダムリングが配設されている。このオルダムリングは、揺動スクロール１０４の自転運動を阻止するとともに、公転運動を可能とする機能を果たすようになっている。

なお、固定スクロール１０５は、シェル１０１内に固定されている。また、揺動スクロール１０４は、固定スクロール１０５に対して自転することなく公転運動を行なうようになっている。さらに、電気モーター１０２は、シェル１０１内部に固着保持された固定子と、固定子の内周面側に回転可能に配設され、駆動軸１０３に固定された回転子と、で少なくとも構成されている。固定子は、通電されることによって回転子を回転駆動させる機能を有している。回転子は、固定子に通電がされることにより回転駆動し、駆動軸１０３を回転させる機能を有している。

圧縮機１の動作について簡単に説明する。
電気モーター１０２に通電されると、電気モーター１０２を構成している固定子と回転子とにトルクが発生し、駆動軸１０３が回転する。駆動軸１０３の先端部には揺動スクロール１０４が装着されており、揺動スクロール１０４が公転運動を行なう。揺動スクロール１０４の旋回運動とともに圧縮室が中心に向かって容積を減少させながら移動し、冷媒が圧縮される。

インジェクション回路を構成している配管１５を流れる冷媒は、インジェクション配管１１４から圧縮機１に流入する。一方、配管１４を流れる冷媒は、流入配管１０６から圧縮機１に流入する。流入配管１０６から流入した冷媒は、低圧空間１０７に流入し、圧縮室に閉じ込められ、漸次圧縮される。そして、圧縮室が圧縮過程の中間位置である圧縮室１０８に至ると、インジェクションポート１１３から圧縮室１０８に冷媒が流入する。

すなわち、インジェクション配管１１４から流入した冷媒と、流入配管１０６から流入した冷媒とが、圧縮室１０８で混合されることになる。その後、混合された冷媒は漸次圧縮されて圧縮室１０９に至る。圧縮室１０９に至った冷媒は、流出ポート１１０及び高圧空間１１１を経由した後、流出配管１１２を介してシェル１０１外へ吐出され、吐出配管１６を導通することになる。

冷凍サイクル装置１００の運転動作について図１及び図４を参照しながら説明する。なお、図１で示す記号Ａ〜Ｉは、図４で示す記号Ａ〜Ｉに対応している。ここで、冷凍サイクル装置１００の冷媒回路等における圧力の高低については、基準となる圧力との関係により定まるものではなく、圧縮機１での昇圧、第１膨張弁４や第２膨張弁６での減圧等によりできる相対的な圧力を高圧、低圧として表わすものとする。また、温度の高低についても同様であるものとする。さらに、実施の形態１では、放熱器２を室外熱交換器、蒸発器５を室内熱交換器とした場合における冷房運転について説明する。すなわち、冷媒は、放熱器２で室外空気と熱交換し、蒸発器５で室内空気と熱交換することになる。

まず、圧縮機１に低圧の冷媒が吸入される。圧縮機１に吸入された低圧の冷媒は、圧縮されて中圧の冷媒になる（状態Ａから状態Ｈ）。圧縮機１の圧縮行程の中間において、インジェクション回路を構成している配管１５から中間圧の冷媒（状態Ｇ）がインジェクションされ、圧縮機１の内部で混合する（状態Ｉ）。圧縮機１では、混合された冷媒がさらに圧縮され、高温高圧の冷媒になる（状態Ｉから状態Ｂ）。圧縮機１で圧縮された高温高圧の冷媒は、圧縮機１から吐出され、放熱器２に流入する。

放熱器２に流入した冷媒は、放熱器２に供給される室外空気と熱交換することで熱を放散し、室外空気に熱を伝達して低温高圧の冷媒となる（状態Ｂから状態Ｃ）。この低温高圧の冷媒は、放熱器２から流出し、一方の冷媒が第２膨張弁６で減圧されて中間圧の冷媒となり、配管１３を介して内部熱交換器３に流入する。放熱器２から流出して分流された他方の冷媒は、状態を変えずに配管１２を介して内部熱交換器３に流入する。内部熱交換器に流入した冷媒は、互いに熱交換する。一方の冷媒は、加熱され（状態Ｆから状態Ｇ）、圧縮機１にインジェクションされる。他方の冷媒は、冷却され（状態Ｃから状態Ｄ）、第１膨張弁４に流入する。

第１膨張弁４に流入した冷媒は、減圧されて低温となり、乾き度が低い状態になる（状態Ｄから状態Ｅ）。第１膨張弁４から流出した冷媒は、蒸発器５で室内空気から吸熱して蒸発し、低圧のまま、乾き度が高い状態になる（状態Ｅから状態Ａ）。これにより、室内空気は冷却される。蒸発器５から流出した冷媒は、再び圧縮機１に吸入される。前述した動作を繰り返すことで、室内の空気の熱が室外の空気へ伝達されて、室内が冷房されることになる。

〈能力と流量の制御〉
圧縮機１は、インバーターにより回転数が制御され容量制御されるタイプであり、冷房能力は圧縮機１の回転数によって制御される。蒸発器５を流れる冷媒流量は、蒸発器５の冷媒出口過熱度を基に、第１膨張弁４の開度で調整する。蒸発器５の冷媒出口過熱度は、圧力センサー２２が検知する圧力を基に、制御装置５０で演算される冷媒の飽和温度と、温度センサー２３が検知する温度によって算出する。蒸発器５の過熱度は、大きすぎると蒸発器５での伝熱性能が悪化し、小さすぎると圧縮機１に多量の冷媒液が流れ込んで圧縮機１が破損する恐れがあるため、およそ２〜１０℃程度とするのが望ましい。

〈内部熱交換器の効果〉
冷凍サイクル装置１００では、放熱器２から流出して第１膨張弁４に流入する前の冷媒を内部熱交換器３でさらに冷却しているため、二酸化炭素のように高圧側で超臨界状態となるような冷媒でも、蒸発器５での冷媒エンタルピ差を大きくすることができる。また、冷凍サイクル装置１００では、内部熱交換器３で加熱された中間圧の冷媒を圧縮機１の圧縮行程の途中にインジェクションする。したがって、冷凍サイクル装置１００は、圧縮機１では中間圧で冷媒を冷却することになり、圧縮機１の吐出温度が高くなりすぎるのを防止でき、冷凍機油やシール面等に大きな負担がかかるのを防止できる。

〈インジェクションによる高圧上昇効果〉
冷凍サイクル装置１００では、圧縮機１の圧縮行程途中に冷媒をインジェクションすることにより以下のような効果が得られる。圧縮機１で低圧から吸入される冷媒流量をＧｓｕｃ、インジェクションされる冷媒流量をＧｉｎｊ、圧縮機１から吐出される冷媒流量をＧｄｉｓとすると、下記式（１）の関係が成立する。
式（１） Ｇｄｉｓ＝Ｇｓｕｃ＋Ｇｉｎｊ
そのため、圧縮機１に冷媒をインジェクションすることによって、放熱器２に入る冷媒流量が増加する。このため、放熱器２の放熱量が増加することになる。

＜過負荷条件での冷房運転＞
ここで、冷凍サイクル装置１００が過負荷条件で冷房運転をする場合について説明する。過負荷条件とは、夏期などで室外、室内共に空気温度が高くなる条件であり、例として室外空気温度４５℃、室内空気温度３５℃程度である場合における条件である。室外温度及び室内温度がこのような場合における冷房運転について説明する。

図４のＰ−ｈ線図上に、過負荷条件での冷房運転の状態の一例（インジェクションしない場合）を破線で示す。これに示すように、高圧側圧力は１１．５ＭＰａとなっている。室外空気温度が４５℃と高いため、放熱器２の冷媒が十分に冷却できず、約４９℃と高くなる。また、高圧側圧力が超臨界状態となると、等温線の影響により高圧側圧力が十分に高くない場合、放熱能力が小さく蒸発器でのエンタルピ差が小さくなる。一方、蒸発器５では、室内空気温度が３５℃と高くなる影響で蒸発温度が約２０℃（飽和圧力で約５．５ＭＰａ）と高くなる。

このような過負荷条件で、内部熱交換器３にて第１膨張弁４に流入する冷媒を冷却して蒸発器５でのエンタルピ差を大きくしようとすると、以下のような問題点がある。中間圧ＰＭを高圧側圧力ＰＨと低圧側圧力ＰＬの相乗平均とすると、下記式（２）で表すことができる。

この式（２）から、高圧側圧力ＰＨを１１．５ＭＰａ、低圧側圧力ＰＬを５．５ＭＰａとすると、中間圧ＰＭは約８．０ＭＰａとなり、臨界点圧力７．３８ＭＰａより高くなる。

すなわち、中間圧の冷媒が超臨界状態となるため、内部熱交換器３にて潜熱変化を伴うことができないため、第１膨張弁４に流入する冷媒を十分に冷却することができない。また、たとえば第２膨張弁６の開度によって内部熱交換器３の冷却能力を制御しようとすると、中間圧の冷媒が超臨界状態となり、飽和温度を持たないため、第２膨張弁６から内部熱交換器３の間の配管１３の冷媒温度によって中間圧の冷媒の飽和温度を検知すること、出口温度との差によって過熱度の演算をすることができず、冷却能力を制御することが困難である。

〈対策〉
そこで、冷凍サイクル装置１００は、運転状態が過負荷条件となるとき、内部熱交換器３で加熱された中間圧の冷媒を圧縮機１の圧縮行程の途中にインジェクションし、さらに放熱器２を分割して伝熱面積を小さくして、放熱器２での高圧側圧力を上昇させて、放熱量を増加させて冷房能力を大きくするようにしている。

〈放熱器の分割方法〉
放熱器２の伝熱面積を小さくする方法について述べる。前述したように、放熱器２は、第１放熱器２ａ、第２放熱器２ｂに並列に冷媒が流れるように分割されていて、伝熱面積を小さくする際は、電磁弁４１ａ、電磁弁４１ｂを閉止して、第１放熱器２ａのみに冷媒が流れるようにする。

〈高圧側圧力が上がる原理〉
高圧側圧力が上昇する原理について述べる。前述したように、圧縮機１の圧縮行程の途中に冷媒をインジェクションすると、放熱器２を流れる冷媒流量が増加し、放熱量が増加する。放熱器２での放熱量を増加させるために、高圧側圧力を上昇させて冷媒と空気との温度差を大きくし、放熱器２での冷媒エンタルピ差を大きくするように冷凍サイクルが変化する。このとき、放熱器２では冷媒出口温度は空気入口温度よりも低くすることはできないため、冷媒出口温度は空気入口温度におよそ支配されることになる。また、第１放熱器２ａのみに冷媒が流れるようにすることで、伝熱面積が小さくなり、冷凍サイクルのバランスにより冷媒と空気との温度差を大きくする必要があるため、高圧側圧力がさらに上昇する。

〈放熱器分割＋インジェクションの組み合わせ効果〉
しかしながら、放熱器２の伝熱面積を小さくするのみでは、冷媒と空気との温度差が大きくなり高圧側圧力は高くなるが、放熱量はあまり大きくならないため、放熱器２での冷媒エンタルピ差を大きくすることができない。そこで、前述したように、圧縮機１の圧縮行程の途中に冷媒をインジェクションすることにより、放熱量を大きくすることができる。すなわち、冷凍サイクル装置１００は、圧縮機１の圧縮行程の途中に冷媒をインジェクションすることと、放熱器２の伝熱面積を小さくすることにより、高圧側圧力を上昇させて放熱量を増加させているのである。

〈高圧側圧力が上がると冷房能力が大きくなる原理〉
高圧側圧力を高くして、放熱量を増加させることによって、以下の効果がある。図４に示すＰ−ｈ線図上で、超臨界状態の冷媒は、等温線上では圧力が高いほどエンタルピが低くなる性質がある。特に、温度が高くなるほど圧力に対するエンタルピの変化が大きい。また、前述したように、放熱器２での冷媒出口温度は、空気入口温度に支配される。よって、放熱器２の空気入口温度、すなわち室外空気温度が高くなる条件ほど、高圧側圧力を高くすることで、放熱量が増加する。これによって、蒸発器５の冷媒入口エンタルピも低くなり、蒸発器５での冷媒エンタルピ差が大きくなるので、冷房能力を増加させることができる。

図５は、制御装置５０が実行する第２膨張弁６、電磁弁４１ａ、電磁弁４１ｂの具体的な制御処理の流れを示すフローチャートである。次に、図５に基づいて、第２膨張弁６、電磁弁４１ａ、電磁弁４１ｂの具体的な操作方法について説明する。

冷凍サイクル装置１００が冷房運転をしているとき、制御装置５０は、圧力センサー２１からの情報によって高圧側圧力ＰＨ、圧力センサー２２からの情報によって低圧側圧力ＰＬを検知する（ステップ２０１）。この高圧側圧力ＰＨと低圧側圧力ＰＬから、制御装置５０は中間圧ＰＭを演算する（ステップ２０２）。この中間圧ＰＭは、前述の式（２）によって求める。なお、第２膨張弁６の冷媒出口から、インジェクション回路の配管１５に圧力センサーを別途設け、直接中間圧ＰＭを検知してもよい。

制御装置５０は、中間圧ＰＭが臨界点圧力ＰＣＲより高いか否かを判定する（ステップ２０３）。なお、二酸化炭素の臨界点圧力ＰＣＲは、前述したように約７．３８ＭＰａである。中間圧ＰＭが臨界点圧力ＰＣＲより高いと判定した場合（ステップ２０３；Ｙｅｓ）、制御装置５０は、電磁弁４１ａ、電磁弁４１ｂが開いているか否かを判定する（ステップ２０４）。電磁弁４１ａ、電磁弁４１ｂが開いていれば（ステップ２０４；Ｙｅｓ）、制御装置５０は、電磁弁４１ａ、電磁弁４１ｂを閉止して、第１放熱器２ａのみに冷媒が流れるようにする（ステップ２０５）。その後、制御装置５０は、目標高圧側圧力ＰＨＭを設定する(ステップ２０６)。この目標高圧側圧力ＰＨＭについては後述する。

目標高圧側圧力ＰＨＭを設定した後、制御装置５０は、再び高圧側圧力ＰＨを検知する（ステップ２０７）。そして、制御装置５０は、高圧側圧力ＰＨが目標高圧側圧力ＰＨＭより高いか否かを判定する（ステップ２０８）。高圧側圧力ＰＨが目標高圧側圧力ＰＨＭより高ければ（ステップ２０８；Ｙｅｓ）、制御装置５０は、高圧側圧力ＰＨを低くするため第２膨張弁６の開度が小さくなるように操作する（ステップ２０９）。一方、高圧側圧力ＰＨが目標高圧側圧力ＰＨＭより低ければ（ステップ２０８；Ｎｏ）、制御装置５０は、高圧側圧力ＰＨを高くするため第２膨張弁６の開度が大きくなるように操作する（ステップ２１０）。その後、ステップ２０１に戻る。

ところで、中間圧ＰＭが臨界点圧力ＰＣＲより低いと判定した場（ステップ２０３；Ｎｏ）、制御装置５０は、電磁弁４１ａ、電磁弁４１ｂが閉まっているか否かを判定する（ステップ２１１）。電磁弁４１ａ、電磁弁４１ｂが閉まっていれば（ステップ２１１；Ｙｅｓ）、制御装置５０は、電磁弁４１ａ、電磁弁４１ｂを開放して第２放熱器２ｂに冷媒が流れるようにする（ステップ２１２）。その後、ステップ２０１に戻る。制御装置５０は、以上の動作を繰り返して、冷房能力を大きくする運転を実行する。

〈高圧目標値と放熱器分割比について〉
ここで、目標高圧側圧力ＰＨＭについて説明する。図６は、インジェクション率に対する能力比と放熱器２の伝熱面積との関係を示したグラフである。図７は、インジェクション率に対するＣＯＰ比と放熱器２の伝熱面積との関係を示したグラフである。図８は、インジェクション率に対する高圧側圧力と放熱器２の伝熱面積との関係を示したグラフである。ここで、インジェクション率とは、圧縮機１で低圧から吸入される冷媒流量Ｇｓｕｃに対するインジェクションされる冷媒流量をＧｉｎｊの比、すなわちＧｉｎｊ／Ｇｓｕｃとして定義する。また、能力とＣＯＰの基準は、放熱器２を分割せずに伝熱面積を１００％にして、インジェクションを行なわない場合とする。

図６より、インジェクション率を大きくするほど、かつ、放熱器２の伝熱面積を小さくするほど能力比が大きくなることがわかる。これは、図８から分かるように、インジェクション率を大きくし、かつ、放熱器２の伝熱面積を小さくするほど、高圧側圧力が高くなるためである。

しかしながら、図７より、インジェクション率と放熱器２の伝熱面積の大きさで、ＣＯＰの最大値が存在していることがわかる。前述したように高圧側圧力を高くすると冷房能力は増加するが、高圧側圧力がある程度高くなると、圧力上昇に対してエンタルピの低下が小さくなっているということがＰ−ｈ線図の等温線から分かる。同時に、圧縮機１の圧縮行程の圧力差が増大し、圧縮機１での必要な動力が増加していくため、ＣＯＰの最大値が存在することになる。

前述したように、能力比を大きくして、かつ、ＣＯＰを悪化させないためには、好適な高圧側圧力が存在する。冷凍サイクル装置１００は、室内空気温度が高くなる過負荷条件で特に有効であるため、できるだけ冷房能力を大きくして室内空気温度を低くするように運転する必要がある。よって、図６〜図８より、放熱器２の伝熱面積を約８５％、インジェクション率を約０．１５、高圧側圧力を約１４．２ＭＰａとすると、伝熱面積１００％、インジェクション率０の運転条件と比較して、ＣＯＰが１００％となるためＣＯＰを低下させずに、冷房能力を約３５％大きくすることができることが分かる。

すなわち、冷凍サイクル装置１００では、第１放熱器２ａの伝熱面積を放熱器２全体の約８５％として、目標高圧側圧力ＰＨＭを１４．２ＭＰａとするのがよい。なお、放熱器２の伝熱面積の比率や目標高圧側圧力ＰＨＭの値は、特に好適な値を示しており、これらの値に限定するものではない。

以上より、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００は、室内空気温度が高くなる過負荷条件のときに、冷房能力を大きくすることができるため、より速く室内温度を下げることができる。

また、冷房能力を大きくする制御を高圧側圧力と低圧側圧力を検知して行なっている場合を例に説明したが、たとえば温度センサー３１が検知する放熱器２の入口空気温度と温度センサー３２が検知する蒸発器５の入口空気温度に基づいて冷房能力を大きくする制御を行なってもよい。これは、放熱器２の入口空気温度が高いときは放熱器２の冷媒出口温度が当然高くなり、冷房能力を大きくする必要があるためである。また、蒸発器入口空気温度が高くなれば冷媒の蒸発温度が当然高くなるため、室内空気温度と低圧側圧力に相関関係があるためである。

さらに、中間圧が超臨界圧力となるときの動作について説明したが、中間圧が臨界点圧力以下であっても、高圧側圧力を目標値として第２膨張弁６の開度を調整すれば、確実に冷房能力を大きくすることができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、中間圧が超臨界状態となるときに冷房能力を大きくするようにしたものであるが、実施の形態２では、冷凍サイクル装置の起動時に冷房能力を大きくするようにしている。実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の基本的な構成及び動作は、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００と同様である。なお、実施の形態２では上述した実施の形態１との相違点を中心に説明するものとし、実施の形態１で使用した符号と同一の符号を用いて説明するものとする。

図９は、本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の制御装置５０が実行する第２膨張弁６、電磁弁４１ａ、電磁弁４１ｂの具体的な制御処理の流れを示すフローチャートである。図９に基づいて、第２膨張弁６、電磁弁４１ａ、電磁弁４１ｂの具体的な操作方法について説明する。

冷凍サイクル装置が冷房運転を開始すると、制御装置５０は、まず目標室内空気温度Ｔａｍを設定する（ステップ３０１）。目標室内空気温度Ｔａｍについては、後述する。
それから、制御装置５０は、温度センサー３２からの情報によって室内空気温度Ｔａを検知する（ステップ３０２）。制御装置５０は、室内空気温度Ｔａが目標室内空気温度Ｔａｍより高いか否かを判定する（ステップ３０３）。室内空気温度Ｔａが目標室内空気温度Ｔａｍより高い場合（ステップ３０３；Ｙｅｓ）、制御装置５０は、電磁弁４１ａ、電磁弁４１ｂが開いているか否かを判定する（ステップ３０４）。

電磁弁４１ａ、電磁弁４１ｂが開いていれば（ステップ３０４；Ｙｅｓ）、制御装置５０は、電磁弁４１ａ、電磁弁４１ｂを閉止して、第１放熱器２ａのみに冷媒が流れるようにする（ステップ３０５）。その後、制御装置５０は、目標高圧側圧力ＰＨＭを設定する(ステップ３０６)。

目標高圧側圧力ＰＨＭを設定した後、制御装置５０は、高圧側圧力ＰＨを検知する（ステップ３０７）。そして、制御装置５０は、高圧側圧力ＰＨが目標高圧側圧力ＰＨＭより高いか否かを判定する（ステップ３０８）。高圧側圧力ＰＨが目標高圧側圧力ＰＨＭより高ければ（ステップ３０８；Ｙｅｓ）、制御装置５０は、高圧側圧力ＰＨを低くするため第２膨張弁６の開度が小さくなるように操作する（ステップ３０９）。一方、高圧側圧力ＰＨが目標高圧側圧力ＰＨＭより低ければ（ステップ３０８；Ｎｏ）、制御装置５０は、高圧側圧力ＰＨを高くするため第２膨張弁６の開度が大きくなるように操作する（ステップ３１０）。その後、ステップ３０２に戻る。

ところで、室内空気温度Ｔａが目標室内空気温度Ｔａｍより低いと判定した場（ステップ３０３；Ｎｏ）、制御装置５０は、電磁弁４１ａ、電磁弁４１ｂが閉まっているか否かを判定する（ステップ３１１）。電磁弁４１ａ、電磁弁４１ｂが閉まっていれば（ステップ３１１；Ｙｅｓ）、制御装置５０は、電磁弁４１ａ、電磁弁４１ｂを開放して第２放熱器２ｂに冷媒が流れるようにする（ステップ３１２）。その後、定時制御に移行する（ステップ３１３）。定時制御とは、制御装置５０の指令に基づき実施される通常の冷房運転を指す。前述した目標室内空気温度Ｔａｍは、たとえば標準的な冷房運転の室内空気温度である２７℃とすればよい。

以上より、実施の形態２に係る冷凍サイクル装置は、室内温度が標準的な冷房運転の室内空気温度より高いときに、高圧側圧力を高くして冷房能力を大きくすることができるため、室内空気温度をより速く低くすることができる。したがって、利用者の快適性を更に得ることができることになる。

なお、実施の形態２に係る冷凍サイクル装置では、目標高圧側圧力ＰＨＭや放熱器２全体の伝熱面積に対する第１放熱器２ａの伝熱面積の割合等は、実施の形態１で説明したのと同様に定めればよい。また、実施の形態２に係る冷凍サイクル装置は、ステップ３０３で室内空気温度が目標室内空気温度より低くなったときにステップ３１３の定時制御に移行するようにしているため、高圧側圧力を高くしすぎて室内空気を冷やしすぎたり、電力を無駄に消費したりすることがない。

なお、実施の形態１及び実施の形態２に係る冷凍サイクル装置は、蒸発器５の冷媒出口に設けた圧力センサー２２で低圧側圧力を検知しているとして説明したが、圧力センサー２２の代わりに第１膨張弁４の冷媒出口から蒸発器５の冷媒入口までの間に温度センサーを別途設け、この温度センサーが検知する冷媒の飽和温度から低圧側圧力を演算するようにしてもよい。

実施の形態１及び実施の形態２に係る冷凍サイクル装置によれば、高圧側圧力を目標値として第２膨張弁６の開度を調整するようにしているため、過負荷条件のように中間圧が超臨界状態となって飽和圧力が計算できなくなるような条件でも、確実に冷房能力を大きくすることができる。

また、実施の形態１及び実施の形態２では、冷凍サイクル装置の冷房運転時における動作のみを説明しているが、たとえば冷媒の流路を切り替える四方弁等を設けて、放熱器２で室内空気を加熱する暖房運転を実行可能にしてもよい。暖房運転を実行可能にした場合でも、実施の形態１及び実施の形態２で説明した運転動作を行なえば、暖房能力を大きくすることが可能になる。

実施の形態１及び実施の形態２では、第２放熱器２ｂを流れる冷媒を遮断するために、二方弁である電磁弁４１ａ、電磁弁４１ｂを設けた場合を例に説明しているが、これに限定するものではなく、たとえば第２放熱器２ｂの冷媒出口側を逆止弁にしてもよく、冷媒を遮断する手段であれば何でもよい。

また、実施の形態１及び実施の形態２では、放熱器２及び蒸発器５が空気と熱交換する熱交換器であるものとして説明しているが、これに限定するものではなく、空気以外の熱媒体、たとえば水やブライン等と熱交換する熱交換器としてもよい。

実施の形態１及び実施の形態２では、圧縮機１にインジェクションを行なうことと、放熱器２の伝熱面積を小さくすることで高圧側圧力を上昇させているが、これに限定するものではない。放熱器２の伝熱面積を小さくする代わりに、たとえば放熱器２の外表面に強制的に空気を通過させるためのファン（図示せず）の風量を小さくしてもよく、水やブラインなど他の熱媒体を循環させるポンプ（図示せず）の流量を小さくしてもよい。こうすることによっても、放熱器２の圧力を高くすることができる。

また、実施の形態１及び実施の形態２では、中間圧の冷媒を圧縮機１の圧縮室１０８にインジェクションするようにした場合を例に説明したが、たとえば圧縮機１の圧縮機構を二段圧縮として、低段側圧縮室と後段側圧縮室をつなぐ経路にインジェクションするようにしてもよい。さらに、圧縮機１を複数の圧縮機で二段圧縮する構成としてもよい。

１ 圧縮機、２ 放熱器、２ａ 第１放熱器、２ｂ 第２放熱器、３ 内部熱交換器、４ 第１膨張弁、５ 蒸発器、６ 第２膨張弁、１１ 配管、１２ 配管、１３ 配管、１４ 配管、１５ 配管、１６ 吐出配管、２１ 圧力センサー、２２ 圧力センサー、２３ 温度センサー、３１ 温度センサー、３２ 温度センサー、４１ａ 電磁弁、４１ｂ 電磁弁、５０ 制御装置、１００ 冷凍サイクル装置、１０１ シェル、１０２ 電気モーター、１０３ 駆動軸、１０４ 揺動スクロール、１０５ 固定スクロール、１０６ 流入配管、１０７ 低圧空間、１０８ 圧縮室、１０９ 圧縮室、１１０ 流出ポート、１１１ 高圧空間、１１２ 流出配管、１１３ インジェクションポート、１１４ インジェクション配管。

本発明に係る冷凍サイクル装置は、冷媒を圧縮する圧縮機、前記圧縮機で圧縮された冷媒の熱を放散する放熱器、前記放熱器を通過した冷媒と前記放熱器を通過して前記圧縮機にインジェクションされる冷媒との間で熱交換させる内部熱交換器の一次側流路、前記内部熱交換器の一次側流路を通過した冷媒を減圧する第１減圧装置、前記第１減圧装置で減圧された冷媒が蒸発する蒸発器、を順に配管接続した主冷媒回路と、前記放熱器を通過して前記圧縮機にインジェクションされる冷媒を減圧する第２減圧装置、前記内部熱交換器の二次側流路、前記圧縮機のインジェクションポートを順に配管接続したインジェクション回路と、前記第２減圧装置の開度及び前記放熱器の伝熱面積を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、運転状態が室外、室内共に空気温度が高くなる過負荷条件であり、前記主回路を流れる冷媒の高圧側圧力が超臨界状態となるとき、前記第２減圧装置の開度を調整し、前記放熱器の伝熱面積を小さくすることで、高圧側圧力を上昇させる。

Claims (13)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機、前記圧縮機で圧縮された冷媒の熱を放散する放熱器、前記放熱器を通過した冷媒と前記放熱器を通過して前記圧縮機にインジェクションされる冷媒との間で熱交換させる内部熱交換器の一次側流路、前記内部熱交換器の一次側流路を通過した冷媒を減圧する第１減圧装置、前記第１減圧装置で減圧された冷媒が蒸発する蒸発器、を順に配管接続した主冷媒回路と、
   前記放熱器を通過して前記圧縮機にインジェクションされる冷媒を減圧する第２減圧装置、前記内部熱交換器の二次側流路、前記圧縮機のインジェクションポートを順に配管接続したインジェクション回路と、
   前記第２減圧装置の開度及び前記放熱器の伝熱面積を制御することによって、前記主冷媒回路を流れる冷媒の高圧側圧力を調整する制御装置と、を備えている
   ことを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記圧縮機の吐出部から前記第１減圧装置の入口までの間の冷媒の高圧側圧力を検知する第１圧力検知手段を設け、
   前記制御装置は、
   前記第１圧力検知手段で検知された前記高圧側圧力が所定の値よりも高いときに前記第２減圧装置の開度を小さくし、前記高圧側圧力が所定の値よりも低いときに前記第２減圧装置の開度を大きくすることで、前記主冷媒回路を流れる冷媒の高圧側圧力を調整している
   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. 前記放熱器を流れる冷媒の流れが並列になるように前記放熱器を複数に分割し、
   前記制御装置は、
   少なくとも前記分割された放熱器の一部に対しての冷媒の流出入により前記放熱器の伝熱面積を制御することで、前記主冷媒回路を流れる冷媒の高圧側圧力を調整している
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記分割された放熱器の一部の出入口側に冷媒を流出入させる開閉装置を設け、
   前記制御装置は、
   前記開閉装置の開閉を制御することで、前記主冷媒回路を流れる冷媒の高圧側圧力を調整している
   ことを特徴とする請求項３に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記開閉装置が電磁弁で構成されている
   ことを特徴とする請求項４に記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記開閉装置が電磁弁と逆止弁で構成されている
   ことを特徴とする請求項４に記載の冷凍サイクル装置。
7. 前記第１減圧装置の出口から前記圧縮機の吸入部までの間の冷媒の低圧側圧力を検知する第２圧力検知手段を設け、
   前記制御装置は、
   前記前記高圧側圧力と前記第２圧力検知手段で検知された前記低圧側圧力とを基に中間圧を演算し、前記中間圧が冷媒の臨界圧力より高いとき、前記第２減圧装置の開度及び前記放熱器の伝熱面積を変更することで、前記主冷媒回路を流れる冷媒の高圧側圧力を調整している
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
8. 前記制御装置は、
   前記第２減圧装置の出口から前記圧縮機のインジェクションポートまでの間の冷媒の中間圧を検知し、前記中間圧が冷媒の臨界圧力より高いとき、前記第２減圧装置の開度及び前記放熱器の伝熱面積を変更することで、前記主冷媒回路を流れる冷媒の高圧側圧力を調整している
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
9. 前記放熱器の入口空気温度を検知する第１温度検知手段、前記蒸発器の入口空気温度を検知する第２温度検知手段を設け、
   前記制御装置は、
   前記第１温度検知手段で検知された温度及び前記第２温度検知手段で検知された温度が所定の温度よりも高いとき、前記第２減圧装置の開度及び前記放熱器の伝熱面積を変更することで、前記主冷媒回路を流れる冷媒の高圧側圧力を調整している
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
10. 前記制御装置は、
    冷房運転を開始するとき、前記蒸発器の入口空気温度が所定の温度より高い間、前記第２減圧装置の開度及び前記放熱器の伝熱面積を変更することで、前記主冷媒回路を流れる冷媒の高圧側圧力を調整している
    ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
11. 前記放熱器に強制的に空気を通過させるファンを設け、
    前記制御装置は、
    前記ファンの回転数も変更することで、前記主冷媒回路を流れる冷媒の高圧側圧力を調整している
    ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
12. 前記放熱器に熱媒体を通過させる循環装置を設け、
    前記制御装置は、
    前記循環装置の回転数も変更することで、前記主冷媒回路を流れる冷媒の高圧側圧力を調整している
    ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
13. 冷媒として高圧側において超臨界状態となるものを用いている
    ことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。

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