(57)【要約】【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異常な上昇を抑制し、信頼性を損なうことなく機器を小型化する。【解決手段】圧縮機１１，給湯用熱交換器としての放熱器１２の冷媒流路１２ａ，内部熱交換手段１５の高圧側冷媒流路１５ａ，減圧器１３，蒸発器１４，内部熱交換手段１５の低圧側冷媒流路１５ｂから冷媒回路Ａを形成する冷凍サイクル装置において、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇したことを圧力検出装置２４により検出し、バイパス回路１６に設けた第一電磁弁１７を電磁弁制御装置２５により閉状態となるように制御し、蒸発器１４出口と圧縮機１１入口の間の低圧側冷媒流路１５ｂに低圧側冷媒を流入し、放熱器１２出口と減圧器１３入口の間の高圧側冷媒流路１５ａを流れる高圧側冷媒を冷却して、高圧側圧力を低減させる。【選択図】        図１
2010101621.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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、放熱器、減圧器、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、前記放熱器出口と前記減圧器入口の間の冷媒を冷却する内部熱交換手段を備えていることを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記内部熱交換手段は、前記放熱器出口と前記減圧器入口の間の冷媒を、前記蒸発器出口と前記圧縮機入口の間の冷媒により冷却す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。
【請求項３】
前記内部熱交換手段は、前記放熱器出口と前記減圧器入口の間の冷媒を、前記減圧器出口と前記蒸発器入口の間の冷媒により冷却す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。
【請求項４】
前記内部熱交換手段は、前記放熱器出口と前記減圧器入口の間の冷媒を、前記放熱器を出た冷媒の一部を分岐し、第二減圧器により減圧した冷媒により冷却す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。
【請求項５】
請求項１に記載の冷凍サイクル装置において、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した場合に、前記内部熱交換手段を実質的に作動させることを特徴とする冷凍サイクル装置の制御方法。
【請求項６】
請求項２に記載の冷凍サイクル装置において、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した場合に、前記内部熱交換手段をバイパスするバイパス回路上に備えられた第一電磁弁を閉じることで、前記内部熱交換手段を実質的に作動させることを特徴とする冷凍サイクル装置の制御方法。
【請求項７】
請求項３に記載の冷凍サイクル装置において、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した場合に、前記内部熱交換手段をバイパスするバイパス回路上に備えられた第二電磁弁を閉じることで、前記内部熱交換手段を実質的に作動させることを特徴とする冷凍サイクル装置の制御方法。
【請求項８】
請求項４に記載の冷凍サイクル装置において、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した場合に、前記第二減圧器の開度を調節することで、前記内部熱交換手段を実質的に作動させることを特徴とする冷凍サイクル装置の制御方法。
【請求項９】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の冷凍サイクル装置において、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した場合に、前記蒸発器の送風ファンの回転数を低下させることで、前記内部熱交換手段を実質的に作動させることを特徴とする冷凍サイクル装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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た冷凍サイクル装置およびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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〜減圧器入口）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、減圧器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。
なお、特許文献１の図２に記載されている向流型熱交換器１２は、「この装置の機能を達成するために絶対に必要であるというものではないが、その効率、特に能力増大要件に対する応答速度を改善する。」と記載されており、高圧側の冷媒ホールド量を調整する目的で備えられているものではなく、効率改善の目的で備えられているものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特公平７−１８６０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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比較的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を備えない冷凍サイクル装置を用い、様々な検討を行った結果、通常の運転状態では、減圧器の開度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、高圧側圧力が異常に上昇してしまい、冷凍サイクル装置の信頼性が低下するといった課題があることが明らかになった。
【０００５】
従って本発明は、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、別の手段を用いて異常高圧に対処して信頼性の課題を克服し、機器の小型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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１記載の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、放熱器、減圧器、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、前記放熱器出口と前記減圧器入口の間の冷媒を冷却する内部熱交換手段を備えていることを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載の冷凍サイクル装置において、前記内部熱交換手段は、前記放熱器出口と前記減圧器入口の間の冷媒を、前記蒸発器出口と前記圧縮機入口の間の冷媒により冷却することを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項１に記載の冷凍サイクル装置において、前記内部熱交換手段は、前記放熱器出口と前記減圧器入口の間の冷媒を、前記減圧器出口と前記蒸発器入口の間の冷媒により冷却することを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項１に記載の冷凍サイクル装置において、前記内部熱交換手段は、前記放熱器出口と前記減圧器入口の間の冷媒を、前記放熱器を出た冷媒の一部を分岐し、第二減圧器により減圧した冷媒により冷却することを特徴とする。
請求項５記載の本発明の冷凍サイクル装置の制御方法は、請求項１に記載の冷凍サイクル装置において、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した場合に、前記内部熱交換手段を実質的に作動させることを特徴とする。
請求項６記載の本発明の冷凍サイクル装置の制御方法は、請求項２に記載の冷凍サイクル装置において、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した場合に、前記内部熱交換手段をバイパスするバイパス回路上に備えられた第一電磁弁を閉じることで、前記内部熱交換手段を実質的に作動させることを特徴とする。
請求項７記載の本発明の冷凍サイクル装置の制御方法は、請求項３に記載の冷凍サイクル装置において、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した場合に、前記内部熱交換手段をバイパスするバイパス回路上に備えられた第二電磁弁を閉じることで、前記内部熱交換手段を実質的に作動させることを特徴とする。
請求項８記載の本発明の冷凍サイクル装置の制御方法は、請求項４に記載の冷凍サイクル装置において、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した場合に、前記第二減圧器の開度を調節することで、前記内部熱交換手段を実質的に作動させることを特徴とする。
請求項９記載の本発明の冷凍サイクル装置の制御方法は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の冷凍サイクル装置において、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した場合に、前記蒸発器の送風ファンの回転数を低下させることで、前記内部熱交換手段を実質的に作動させることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
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、内部熱交換手段により高圧側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、高圧側圧力の異常な上昇を抑制し、信頼性を損なうことなく機器の小型化を達成できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１の実施例における冷凍サイクル装置を示す構成図
【図２】本発明の第２の実施例における冷凍サイクル装置を示す構成図
【図３】本発明の第３の実施例における冷凍サイクル装置を示す構成図
【図４】本発明の第４の実施例における冷凍サイクル装置を示す構成図
【図５】図４に示す内部熱交換手段の構成図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の第１の実施の形態による冷凍サイクル装置は、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、放熱器出口と減圧器入口の間の冷媒を冷却する内部熱交換手段を備えたものである。本実施の形態によれば、放熱器に流入する流体の温度が高くなり高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した場合に、放熱器出口と減圧器入口の間の高圧側冷媒を冷却して高圧側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。このため、高圧側圧力の異常な上昇を抑制し、信頼性を損なうことなく機器の小型化が達成できる。
本発明の第２の実施の形態による冷凍サイクル装置は、内部熱交換手段では、放熱器出口と減圧器入口の間の冷媒を、蒸発器出口と圧縮機入口の間の冷媒により冷却するものである。本実施の形態によれば、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した場合に、放熱器出口と減圧器入口の間の高圧側冷媒を冷却することで、高圧側圧力を低減できるため、高圧側圧力の異常な上昇を抑制し、信頼性を損なうことなく機器の小型化が達成できる。
本発明の第３の実施の形態による冷凍サイクル装置は、内部熱交換手段では、放熱器出口と減圧器入口の間の冷媒を、減圧器出口と蒸発器入口の間の冷媒により冷却するものである。本実施の形態によれば、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した場合に、放熱器出口と減圧器入口の間の高圧側冷媒を冷却することで、高圧側圧力を低減できるため、高圧側圧力の異常な上昇を抑制し、信頼性を損なうことなく機器の小型化が達成できる。
本発明の第４の実施の形態による冷凍サイクル装置は、内部熱交換手段では、放熱器出口と減圧器入口の間の冷媒を、放熱器を出た冷媒の一部を分岐し、第二減圧器により減圧した冷媒により冷却するものである。本実施の形態によれば、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した場合に、放熱器出口と減圧器入口の間の高圧側冷媒を冷却することで、高圧側圧力を低減できるため、高圧側圧力の異常な上昇を抑制し、信頼性を損なうことなく機器の小型化が達成できる。
本発明の第５の実施の形態による冷凍サイクル装置の制御方法は、第１の実施の形態による冷凍サイクル装置において、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した場合に、内部熱交換手段を実質的に作動させるものである。本実施の形態によれば、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した場合に、低圧側冷媒で高圧側冷媒を冷却して高圧側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。このため、高圧側圧力の異常な上昇を抑制し、信頼性を損なうことなく機器の小型化が達成できる。
本発明の第６の実施の形態による冷凍サイクル装置の制御方法は、第２の実施の形態による冷凍サイクル装置において、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した場合に、内部熱交換手段をバイパスするバイパス回路上に備えられた第一電磁弁を閉じることで、内部熱交換手段を実質的に作動させるものである。本実施の形態によれば、内部熱交換手段をバイパスするバイパス回路上に備えられた第一電磁弁を閉じることにより、放熱器出口と減圧器入口の間の高圧側冷媒を冷却して高圧側圧力を低減できるため、高圧側圧力の異常な上昇を抑制し、信頼性を損なうことなく機器の小型化が達成できる。
本発明の第７の実施の形態による冷凍サイクル装置の制御方法は、第３の実施の形態による冷凍サイクル装置において、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した場合に、内部熱交換手段をバイパスするバイパス回路上に備えられた第二電磁弁を閉じることで、内部熱交換手段を実質的に作動させるものである。本実施の形態によれば、内部熱交換手段をバイパスするバイパス回路上に備えられた第二電磁弁を閉じることにより、放熱器出口と減圧器入口の間の高圧側冷媒を冷却して高圧側圧力を低減できるため、高圧側圧力の異常な上昇を抑制し、信頼性を損なうことなく機器の小型化が達成できる。
本発明の第８の実施の形態による冷凍サイクル装置の制御方法は、第４の実施の形態による冷凍サイクル装置において、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した場合に、第二減圧器の開度を調節することで、内部熱交換手段を実質的に作動させるものである。本実施の形態によれば、第二減圧器の開度を調節することにより、放熱器出口と減圧器入口の間の高圧側冷媒を冷却して高圧側圧力を低減できるため、高圧側圧力の異常な上昇を抑制し、信頼性を損なうことなく機器の小型化が達成できる。
本発明の第９の実施の形態による冷凍サイクル装置の制御方法は、第１から第４の実施の形態による冷凍サイクル装置において、高圧側圧力が設計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で、内部熱交換手段を実質的に作動させるものである。本実施の形態によれば、蒸発器の送風ファンの回転数を低下させることにより、放熱器出口と減圧器入口の間の高圧側冷媒を冷却して高圧側圧力を低減できるため、高圧側圧力の異常な上昇を抑制し、信頼性を損なうことなく機器の小型化が達成できる。
【実施例１】
【００１０】
以下、本発明の一実施例による冷凍サイクル装置について、給湯器を例に取り、図面を参照しながら説明する。なお、本実施例によって本発明が限定されるものではない。図１は、本発明の第１の実施例における冷凍サイクル装置を示す構成図である。
第１の実施例の冷凍サイクル装置は、圧縮機１１，給湯用熱交換器としての放熱器１２の冷媒流路１２ａ，内部熱交換手段１５の高圧側冷媒流路１５ａ，減圧器１３，蒸発器１４，内部熱交換手段１５の低圧側冷媒流路１５ｂなどからなる冷媒回路Ａと、給水ポンプ１９，放熱器１２の流体流路１２ｂ，給湯タンク２０などからなる流体回路Ｂとから構成されている。
上記冷媒回路Ａにおいて、内部熱交換手段１５の高圧側冷媒流路１５ａは、放熱器１２（冷媒流路１２ａ）出口と減圧器１３入口の間に設置され、低圧側冷媒流路１５ｂは、蒸発器１４出口と圧縮機１１入口の間に設置されて、放熱器１２（冷媒流路１２ａ）出口と減圧器１３入口の間の高圧側冷媒流路１５ａを流れる高圧側冷媒を、蒸発器１４出口と圧縮機１１入口の間の低圧側冷媒流路１５ｂ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、低圧側冷媒流路１５ｂをバイパスするバイパス回路１６と、バイパス回路１６上に設けられた第一電磁弁１７と、高圧側の圧力を検出する圧力検出装置２４と、圧力検出装置２４の検出した圧力に基づいて第一電磁弁１７の開度を制御する電磁弁制御装置２５とを備える。さらに、蒸発器１４に外気を送風する送風ファン１８を備える構成である。
【００１１】
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、給湯タンク２０の底部から給水ポンプ１９により放熱器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、給湯タンク２０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、放熱器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、冷媒は内部熱交換手段１５の高圧側冷媒流路１５ａに供給される。その後、冷媒は減圧器１３で減圧され低温低圧の気液二相状態となり、蒸発器１４に供給される。蒸発器１４では、冷媒は送風ファン１８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。
ここで、通常の運転状態においては、バイパス回路１６に設けられた第一電磁弁１７は開状態となるように制御される。したがって、蒸発器１４を出た低温の冷媒は、内部熱交換手段１５の低圧側流路１５ｂをほとんど流れず、主にバイパス回路１６を流れて再び圧縮機１１に吸入される。すなわち、内部熱交換手段１５の高圧側冷媒流路１５ａを流れる冷媒は、ほとんど冷却されることなく、減圧器１３に流入する。このような場合には、高圧側の圧力は、減圧器１３の開度調整により、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調整される。
【００１２】
一方、給湯タンク２０の底部まで、高温の湯が貯湯されると、放熱器１２の流体流路１２ｂに流入する水の温度が高くなるために、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した運転状態になってしまう場合がある。
このような場合には、圧力検出装置２４及び電磁弁制御装置２５によって、バイパス回路１６に設けられた第一電磁弁１７は閉状態となるように制御される。したがって、蒸発器１４を出た低温の冷媒は、内部熱交換手段１５の低圧側流路１５ｂに流入し、高圧側冷媒流路１５ａを流れる冷媒を冷却した後、再び圧縮機１１に吸入される。この場合には、高圧側冷媒流路１５ａを流れる冷媒が冷却されることで、高圧側の冷媒の密度が大きくなるために、高圧側のホールド量が同じであっても高圧側圧力を低減することができる。
【００１３】
上記のように構成された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、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した場合に、第一電磁弁１７を閉状態となるように制御することで、放熱器１２（冷媒流路１２ａ）出口と減圧器１３入口の間の冷媒を、蒸発器１４出口と圧縮機１１入口の間の冷媒により冷却し、高圧側の冷媒の密度を増大させることが可能となり、高圧側のホールド量が同じであっても高圧側圧力を低減できる。このため、高圧側圧力の異常な上昇を抑制し、信頼性を損なうことなく機器の小型化が達成され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ができる。
なお、本実施例においては、バイパス回路１６は内部熱交換手段１５の低圧側流路１５ｂの方をバイパスする構成としているが、高圧側流路１５ａの方をバイパスする構成にしても良い。また、低圧側流路１５ｂ及び高圧側流路１５ａの両方をバイパスする構成であっても良い。さらに、第一電磁弁１７は開度調整できる膨張弁であって、内部熱交換手段１５の低圧側流路１５ｂに流入する冷媒の流量を調節し、内部熱交換手段１５での熱交換量を調節しても良い。
【実施例２】
【００１４】
図２は、本発明の第２の実施例における冷凍サイクル装置を示す構成図である。なお、本実施例において、第１の実施例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、本実施例の第１の実施例と異なる構成及び動作について説明する。
第２の実施例の冷凍サイクル装置では、内部熱交換手段２１の高圧側冷媒流路２１ａは、放熱器１２（冷媒流路１２ａ）出口と減圧器１３入口の間に設置され、低圧側冷媒流路２１ｂは、減圧器１３出口と蒸発器１４入口の間に設置され、放熱器１２（冷媒流路１２ａ）出口と減圧器１３入口の間の高圧側冷媒流路２１ａを流れる高圧側冷媒を、減圧器１３出口と蒸発器１４入口の間の低圧側冷媒流路２１ｂ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、低圧側冷媒流路２１ｂをバイパスするバイパス回路２２と、バイパス回路２２上に設けられた第二電磁弁２３と、圧力検出装置２４の検出圧力に基づいて第二電磁弁２３を制御する電磁弁制御装置２５とを備える構成である。
【００１５】
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。
通常の運転状態においては、バイパス回路２２に設けられた第二電磁弁２３は開状態となるように制御される。したがって、減圧器１３を出た低温の冷媒は、内部熱交換手段２１の低圧側流路２１ｂをほとんど流れず、主にバイパス回路２２を流れて蒸発器１４に流入する。すなわち、内部熱交換手段２１の高圧側冷媒流路２１ａを流れる冷媒は、ほとんど冷却されることなく、減圧器１３に流入する。
一方、第１の実施例の場合と同様に、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇する運転状態においては、圧力検出装置２４及び電磁弁制御装置２５によって、バイパス回路２２に設けられた第二電磁弁２３は閉状態となるように制御される。したがって、減圧器１３を出た低温の冷媒は、内部熱交換手段２１の低圧側流路２１ｂに流入し、高圧側冷媒流路２１ａを流れる冷媒を冷却した後、蒸発器１４に流入する。この場合には、高圧側冷媒流路２１ａを流れる冷媒が冷却されることで、高圧側の冷媒の密度が大きくなるために、高圧側のホールド量が同じであっても高圧側圧力を低減することができる。
【００１６】
上記のように構成された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、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した場合に、第二電磁弁２３を閉状態となるように制御することで、放熱器１２（冷媒流路１２ａ）出口と減圧器１３入口の間の冷媒を、減圧器１３出口と蒸発器１４入口の間の冷媒により冷却し、高圧側の冷媒の密度を増大させることで、高圧側のホールド量が同じであっても高圧側圧力を低減できる。このため、高圧側圧力の異常な上昇を抑制し、信頼性を損なうことなく機器の小型化が達成できる。
なお、本実施例においては、バイパス回路２２は内部熱交換手段２１の低圧側流路２１ｂをバイパスするように構成しているが、高圧側流路２１ａをバイパスするように構成しても良い。また、低圧側流路２１ｂ及び高圧側流路２１ａの両方をバイパスする構成であっても良い。さらに、第二電磁弁１７は開度調整できる膨張弁であって、内部熱交換手段２１の低圧側流路２１ｂに流入する冷媒の流量を調節し、内部熱交換手段２１での熱交換量を調節しても良い。
【実施例３】
【００１７】
図３は、本発明の第３の実施例における冷凍サイクル装置を示す構成図である。なお、本実施例において、第１の実施例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、本実施例の第１の実施例と異なる構成及び動作について説明する。
第３の実施例の冷凍サイクル装置では、内部熱交換手段３１の高圧側冷媒流路３１ａは、放熱器１２（冷媒流路１２ａ）出口と減圧器１３入口の間に設置され、低圧側冷媒流路３１ｂは、放熱器１２（冷媒流路１２ａ）と内部熱交換手段３１の高圧側冷媒流路３１ａの間を分岐し、第二減圧器３３を介し、蒸発器１４と圧縮機１１の間に接続されたバイパス回路３２上に設置されている。そして、放熱器１２（冷媒流路１２ａ）出口と減圧器１３入口の間の高圧側冷媒流路３１ａを流れる高圧側冷媒を、放熱器１２（冷媒流路１２ａ）を出て分岐してバイパス回路３２を流れ、第二減圧器３３により減圧されて低圧側冷媒流路３１ｂに流入した低圧側冷媒により冷却するように構成されている。また、圧力検出装置２４の検出圧力に基づいて第二減圧器３３を制御する減圧器制御装置３５を備える構成である。
【００１８】
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。
通常の運転状態においては、第二減圧器３３は全開状態となるように制御される。したがって、放熱器１２（冷媒流路１２ａ）を出た冷媒は、内部熱交換手段３１の低圧側流路３１ｂを流れず、内部熱交換手段３１の高圧側流路３１ａに流入し、冷却されることなく、減圧器１３に流入する。
一方、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇してしまう場合には、圧力検出装置２４及び減圧器制御装置３５によって、第二減圧器３３は全閉に近い状態（全閉を含まず）から全開状態までのいずれかの開度となるように制御される。したがって、放熱器１２（冷媒流路１２ａ）を出た冷媒の一部は、バイパス回路３２に分岐して流れ、第二減圧器３３で減圧されて低温の冷媒となり、内部熱交換手段３１の低圧側流路３１ｂに流入し、高圧側冷媒流路３１ａを流れる冷媒を冷却した後、圧縮機１１に吸入される。この場合には、高圧側冷媒流路３１ａを流れる冷媒が冷却されることで、高圧側の冷媒の密度が大きくなるために、高圧側のホールド量が同じであっても高圧側圧力を低減することができる。
【００１９】
上記のように構成された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、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した場合に、第二減圧器３３の開度を調節することで、放熱器１２（冷媒流路１２ａ）出口と減圧器１３入口の間の冷媒を、放熱器１２（冷媒流路１２ａ）を出た冷媒の一部を分岐して第二減圧器３３により減圧した冷媒により冷却し、高圧側の冷媒の密度を増大させることで、高圧側のホールド量が同じであっても高圧側圧力を低減できるため、高圧側圧力の異常な上昇を抑制し、信頼性を損なうことなく機器の小型化が達成できる。
【実施例４】
【００２０】
図４は、本発明の第４の実施例における冷凍サイクル装置を示す構成図である。また、図５は、図４に示す内部熱交換手段１５の構成図である。なお、本実施例において、第１の実施例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、本実施例の第１の実施例と異なる構成及び動作について説明する。
第４の実施例の冷凍サイクル装置では、圧力検出装置２４の検出圧力に基づいて蒸発器１４の送風ファン１８を制御するファン制御装置４５を備える。また、図５に示す内部熱交換手段１５は、放熱器１２（冷媒流路１２ａ）出口と減圧器１３入口とを接続する銅管の一部を高圧側冷媒流路１５ａとし、蒸発器１４出口と圧縮機１１入口とを接続する銅管の一部を低圧側冷媒流路１５ｂとし、それらの銅管をろう付け接合することで構成している。なお、高圧側冷媒流路１５ａ及び低圧側冷媒流路１５ｂのそれぞれを流れる高圧側冷媒及び低圧側冷媒は、図５のように対向流として流れるように構成するのが望ましい。
【００２１】
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。
第４の実施例の冷凍サイクル装置では、第１の実施例のバイパス回路１６や第一電磁弁１７が設けられていないので、通常の運転状態においても、内部熱交換手段１５では、高圧側冷媒流路１５ａを流れる冷媒と低圧側冷媒流路１５ｂを流れる冷媒との間で熱交換するが、その熱交換量はあまり大きくない。
一方、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、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇してしまう場合には、内部熱交換手段１５の高圧側冷媒流路１５ａに流入する冷媒温度も高くなるために、高圧側冷媒流路１５ａを流れる冷媒と低圧側冷媒流路１５ｂを流れる冷媒との温度差が拡大し、熱交換量が増加する。したがって、高圧側冷媒流路１５ａを流れる冷媒がより冷却されることになり、高圧側の冷媒の密度が大きくなるために、高圧側のホールド量が同じであっても高圧側圧力を低減することができる。
上記のように構成された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、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した場合には、内部熱交換手段１５の熱交換量が増大するため、放熱器１２（冷媒流路１２ａ）出口と減圧器１３入口の間の冷媒を、蒸発器１４出口と圧縮機１１入口の間の冷媒により冷却でき、高圧側の冷媒の密度を増大させることで、高圧側のホールド量が同じであっても高圧側圧力を低減できる。このため、高圧側圧力の異常な上昇を抑制し、信頼性を損なうことなく機器の小型化が達成できる。
【００２２】
さらに、高圧側冷媒流路１５ａを流れる冷媒と低圧側冷媒流路１５ｂを流れる冷媒との間で熱交換する熱交換量を増加させるために、圧力検出装置２４及びファン制御装置４５によって、蒸発器１４の送風ファン１８の回転数を低下させるように制御する。この場合には、蒸発器１４での蒸発温度が低下するために、内部熱交換手段１５の低圧側冷媒流路１５ｂに流入する冷媒温度も低くなるために、高圧側冷媒流路１５ａを流れる冷媒と低圧側冷媒流路１５ｂを流れる冷媒との温度差が拡大し、熱交換量が増加する。
上記のように構成された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、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した場合に、蒸発器１４の送風ファン１８の回転数を低下させるように制御することで、内部熱交換手段１５の熱交換量が増大するため、放熱器１２（冷媒流路１２ａ）出口と減圧器１３入口の間の冷媒を、蒸発器１４出口と圧縮機１１入口の間の冷媒により冷却でき、高圧側の冷媒の密度を増大させることで、高圧側のホールド量が同じであっても高圧側圧力を低減できる。このため、高圧側圧力の異常な上昇を抑制し、信頼性を損なうことなく機器の小型化が達成できる。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
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が達成される冷凍サイクル装置を提供することができる。
【符号の説明】
【００２４】
１１  圧縮機
１２  放熱器
１３  減圧器
１４  蒸発器
１５，２１，３１  内部熱交換手段
１６，２２，３２  バイパス回路
１７  第一電磁弁
１８  送風ファン
１９  給水ポンプ
２０  給湯タンク
２３  第二電磁弁
２４  圧力検出装置
２５  電磁弁制御装置
３３  第二減圧器
３５  減圧器制御装置
４５  ファン制御装置
【図１】
2010101621.tif 000003
【図２】
2010101621.tif 000004
【図３】
2010101621.tif 000005
【図４】
2010101621.tif 000006
【図５】
2010101621.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成22年3月12日(2010.3.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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た冷凍サイクル装置およびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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〜減圧器入口）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、減圧器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。
なお、特許文献１の図２に記載されている向流型熱交換器１２は、「この装置の機能を達成するために絶対に必要であるというものではないが、その効率、特に能力増大要件に対する応答速度を改善する。」と記載されており、高圧側の冷媒ホールド量を調整する目的で備えられているものではなく、効率改善の目的で備えられているものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特公平７−１８６０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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比較的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を備えない冷凍サイクル装置を用い、様々な検討を行った結果、通常の運転状態では、減圧器の開度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、高圧側圧力が異常に上昇してしまい、冷凍サイクル装置の信頼性が低下するといった課題があることが明らかになった。
【０００５】
従って本発明は、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、別の手段を用いて異常高圧に対処して信頼性の課題を克服し、機器の小型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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１記載の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、放熱器、減圧器、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、放熱器出口と前記減圧器入口の間の冷媒を冷却する内部熱交換手段を備え、前記放熱器に流入する流体の温度が高くなった場合にも、前記内部熱交換手段により前記放熱器出口と前記減圧器入口の間の冷媒を冷却することで、前記高圧側の冷媒の密度を増大させることを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載の冷凍サイクル装置において、前記内部熱交換手段は、前記放熱器出口と前記減圧器入口の間の冷媒を、前記蒸発器出口と前記圧縮機入口の間の冷媒により冷却することを特徴とする。
請求項３記載の本発明の冷凍サイクル装置の制御方法は、請求項１または請求項２に記載の冷凍サイクル装置において、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した場合に、前記蒸発器の送風ファンの回転数を低下させることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
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、内部熱交換手段により高圧側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、高圧側圧力の異常な上昇を抑制し、信頼性を損なうことなく機器の小型化を達成できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１の実施例における冷凍サイクル装置を示す構成図
【図２】本発明の第２の実施例における冷凍サイクル装置を示す構成図
【図３】本発明の第３の実施例における冷凍サイクル装置を示す構成図
【図４】本発明の第４の実施例における冷凍サイクル装置を示す構成図
【図５】図４に示す内部熱交換手段の構成図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の第１の実施の形態による冷凍サイクル装置は、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、放熱器出口と減圧器入口の間の冷媒を冷却する内部熱交換手段を備え、放熱器に流入する流体の温度が高くなった場合にも、内部熱交換手段により放熱器出口と減圧器入口の間の冷媒を冷却することで、高圧側の冷媒の密度を増大させたものである。本実施の形態によれば、放熱器に流入する流体の温度が高くなり高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した場合に、放熱器出口と減圧器入口の間の高圧側冷媒を冷却して高圧側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。このため、高圧側圧力の異常な上昇を抑制し、信頼性を損なうことなく機器の小型化が達成できる。
本発明の第２の実施の形態による冷凍サイクル装置は、内部熱交換手段では、放熱器出口と減圧器入口の間の冷媒を、蒸発器出口と圧縮機入口の間の冷媒により冷却するものである。本実施の形態によれば、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した場合に、放熱器出口と減圧器入口の間の高圧側冷媒を冷却することで、高圧側圧力を低減できるため、高圧側圧力の異常な上昇を抑制し、信頼性を損なうことなく機器の小型化が達成できる。
本発明の第３の実施の形態による冷凍サイクル装置の制御方法は、第１または第２の実施の形態による冷凍サイクル装置において、高圧側圧力が設計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ものである。本実施の形態によれば、蒸発器の送風ファンの回転数を低下させることにより、放熱器出口と減圧器入口の間の高圧側冷媒を冷却して高圧側圧力を低減できるため、高圧側圧力の異常な上昇を抑制し、信頼性を損なうことなく機器の小型化が達成できる。
【実施例１】
【００１０】
以下、本発明の一実施例による冷凍サイクル装置について、給湯器を例に取り、図面を参照しながら説明する。なお、本実施例によって本発明が限定されるものではない。図１は、本発明の第１の実施例における冷凍サイクル装置を示す構成図である。
第１の実施例の冷凍サイクル装置は、圧縮機１１，給湯用熱交換器としての放熱器１２の冷媒流路１２ａ，内部熱交換手段１５の高圧側冷媒流路１５ａ，減圧器１３，蒸発器１４，内部熱交換手段１５の低圧側冷媒流路１５ｂなどからなる冷媒回路Ａと、給水ポンプ１９，放熱器１２の流体流路１２ｂ，給湯タンク２０などからなる流体回路Ｂとから構成されている。
上記冷媒回路Ａにおいて、内部熱交換手段１５の高圧側冷媒流路１５ａは、放熱器１２（冷媒流路１２ａ）出口と減圧器１３入口の間に設置され、低圧側冷媒流路１５ｂは、蒸発器１４出口と圧縮機１１入口の間に設置されて、放熱器１２（冷媒流路１２ａ）出口と減圧器１３入口の間の高圧側冷媒流路１５ａを流れる高圧側冷媒を、蒸発器１４出口と圧縮機１１入口の間の低圧側冷媒流路１５ｂ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、低圧側冷媒流路１５ｂをバイパスするバイパス回路１６と、バイパス回路１６上に設けられた第一電磁弁１７と、高圧側の圧力を検出する圧力検出装置２４と、圧力検出装置２４の検出した圧力に基づいて第一電磁弁１７の開度を制御する電磁弁制御装置２５とを備える。さらに、蒸発器１４に外気を送風する送風ファン１８を備える構成である。
【００１１】
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、給湯タンク２０の底部から給水ポンプ１９により放熱器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、給湯タンク２０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、放熱器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、冷媒は内部熱交換手段１５の高圧側冷媒流路１５ａに供給される。その後、冷媒は減圧器１３で減圧され低温低圧の気液二相状態となり、蒸発器１４に供給される。蒸発器１４では、冷媒は送風ファン１８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。
ここで、通常の運転状態においては、バイパス回路１６に設けられた第一電磁弁１７は開状態となるように制御される。したがって、蒸発器１４を出た低温の冷媒は、内部熱交換手段１５の低圧側流路１５ｂをほとんど流れず、主にバイパス回路１６を流れて再び圧縮機１１に吸入される。すなわち、内部熱交換手段１５の高圧側冷媒流路１５ａを流れる冷媒は、ほとんど冷却されることなく、減圧器１３に流入する。このような場合には、高圧側の圧力は、減圧器１３の開度調整により、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調整される。
【００１２】
一方、給湯タンク２０の底部まで、高温の湯が貯湯されると、放熱器１２の流体流路１２ｂに流入する水の温度が高くなるために、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した運転状態になってしまう場合がある。
このような場合には、圧力検出装置２４及び電磁弁制御装置２５によって、バイパス回路１６に設けられた第一電磁弁１７は閉状態となるように制御される。したがって、蒸発器１４を出た低温の冷媒は、内部熱交換手段１５の低圧側流路１５ｂに流入し、高圧側冷媒流路１５ａを流れる冷媒を冷却した後、再び圧縮機１１に吸入される。この場合には、高圧側冷媒流路１５ａを流れる冷媒が冷却されることで、高圧側の冷媒の密度が大きくなるために、高圧側のホールド量が同じであっても高圧側圧力を低減することができる。
【００１３】
上記のように構成された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、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した場合に、第一電磁弁１７を閉状態となるように制御することで、放熱器１２（冷媒流路１２ａ）出口と減圧器１３入口の間の冷媒を、蒸発器１４出口と圧縮機１１入口の間の冷媒により冷却し、高圧側の冷媒の密度を増大させることが可能となり、高圧側のホールド量が同じであっても高圧側圧力を低減できる。このため、高圧側圧力の異常な上昇を抑制し、信頼性を損なうことなく機器の小型化が達成され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ができる。
なお、本実施例においては、バイパス回路１６は内部熱交換手段１５の低圧側流路１５ｂの方をバイパスする構成としているが、高圧側流路１５ａの方をバイパスする構成にしても良い。また、低圧側流路１５ｂ及び高圧側流路１５ａの両方をバイパスする構成であっても良い。さらに、第一電磁弁１７は開度調整できる膨張弁であって、内部熱交換手段１５の低圧側流路１５ｂに流入する冷媒の流量を調節し、内部熱交換手段１５での熱交換量を調節しても良い。
【実施例２】
【００１４】
図２は、本発明の第２の実施例における冷凍サイクル装置を示す構成図である。なお、本実施例において、第１の実施例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、本実施例の第１の実施例と異なる構成及び動作について説明する。
第２の実施例の冷凍サイクル装置では、内部熱交換手段２１の高圧側冷媒流路２１ａは、放熱器１２（冷媒流路１２ａ）出口と減圧器１３入口の間に設置され、低圧側冷媒流路２１ｂは、減圧器１３出口と蒸発器１４入口の間に設置され、放熱器１２（冷媒流路１２ａ）出口と減圧器１３入口の間の高圧側冷媒流路２１ａを流れる高圧側冷媒を、減圧器１３出口と蒸発器１４入口の間の低圧側冷媒流路２１ｂ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、低圧側冷媒流路２１ｂをバイパスするバイパス回路２２と、バイパス回路２２上に設けられた第二電磁弁２３と、圧力検出装置２４の検出圧力に基づいて第二電磁弁２３を制御する電磁弁制御装置２５とを備える構成である。
【００１５】
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。
通常の運転状態においては、バイパス回路２２に設けられた第二電磁弁２３は開状態となるように制御される。したがって、減圧器１３を出た低温の冷媒は、内部熱交換手段２１の低圧側流路２１ｂをほとんど流れず、主にバイパス回路２２を流れて蒸発器１４に流入する。すなわち、内部熱交換手段２１の高圧側冷媒流路２１ａを流れる冷媒は、ほとんど冷却されることなく、減圧器１３に流入する。
一方、第１の実施例の場合と同様に、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇する運転状態においては、圧力検出装置２４及び電磁弁制御装置２５によって、バイパス回路２２に設けられた第二電磁弁２３は閉状態となるように制御される。したがって、減圧器１３を出た低温の冷媒は、内部熱交換手段２１の低圧側流路２１ｂに流入し、高圧側冷媒流路２１ａを流れる冷媒を冷却した後、蒸発器１４に流入する。この場合には、高圧側冷媒流路２１ａを流れる冷媒が冷却されることで、高圧側の冷媒の密度が大きくなるために、高圧側のホールド量が同じであっても高圧側圧力を低減することができる。
【００１６】
上記のように構成された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、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した場合に、第二電磁弁２３を閉状態となるように制御することで、放熱器１２（冷媒流路１２ａ）出口と減圧器１３入口の間の冷媒を、減圧器１３出口と蒸発器１４入口の間の冷媒により冷却し、高圧側の冷媒の密度を増大させることで、高圧側のホールド量が同じであっても高圧側圧力を低減できる。このため、高圧側圧力の異常な上昇を抑制し、信頼性を損なうことなく機器の小型化が達成できる。
なお、本実施例においては、バイパス回路２２は内部熱交換手段２１の低圧側流路２１ｂをバイパスするように構成しているが、高圧側流路２１ａをバイパスするように構成しても良い。また、低圧側流路２１ｂ及び高圧側流路２１ａの両方をバイパスする構成であっても良い。さらに、第二電磁弁１７は開度調整できる膨張弁であって、内部熱交換手段２１の低圧側流路２１ｂに流入する冷媒の流量を調節し、内部熱交換手段２１での熱交換量を調節しても良い。
【実施例３】
【００１７】
図３は、本発明の第３の実施例における冷凍サイクル装置を示す構成図である。なお、本実施例において、第１の実施例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、本実施例の第１の実施例と異なる構成及び動作について説明する。
第３の実施例の冷凍サイクル装置では、内部熱交換手段３１の高圧側冷媒流路３１ａは、放熱器１２（冷媒流路１２ａ）出口と減圧器１３入口の間に設置され、低圧側冷媒流路３１ｂは、放熱器１２（冷媒流路１２ａ）と内部熱交換手段３１の高圧側冷媒流路３１ａの間を分岐し、第二減圧器３３を介し、蒸発器１４と圧縮機１１の間に接続されたバイパス回路３２上に設置されている。そして、放熱器１２（冷媒流路１２ａ）出口と減圧器１３入口の間の高圧側冷媒流路３１ａを流れる高圧側冷媒を、放熱器１２（冷媒流路１２ａ）を出て分岐してバイパス回路３２を流れ、第二減圧器３３により減圧されて低圧側冷媒流路３１ｂに流入した低圧側冷媒により冷却するように構成されている。また、圧力検出装置２４の検出圧力に基づいて第二減圧器３３を制御する減圧器制御装置３５を備える構成である。
【００１８】
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。
通常の運転状態においては、第二減圧器３３は全開状態となるように制御される。したがって、放熱器１２（冷媒流路１２ａ）を出た冷媒は、内部熱交換手段３１の低圧側流路３１ｂを流れず、内部熱交換手段３１の高圧側流路３１ａに流入し、冷却されることなく、減圧器１３に流入する。
一方、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇してしまう場合には、圧力検出装置２４及び減圧器制御装置３５によって、第二減圧器３３は全閉に近い状態（全閉を含まず）から全開状態までのいずれかの開度となるように制御される。したがって、放熱器１２（冷媒流路１２ａ）を出た冷媒の一部は、バイパス回路３２に分岐して流れ、第二減圧器３３で減圧されて低温の冷媒となり、内部熱交換手段３１の低圧側流路３１ｂに流入し、高圧側冷媒流路３１ａを流れる冷媒を冷却した後、圧縮機１１に吸入される。この場合には、高圧側冷媒流路３１ａを流れる冷媒が冷却されることで、高圧側の冷媒の密度が大きくなるために、高圧側のホールド量が同じであっても高圧側圧力を低減することができる。
【００１９】
上記のように構成された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、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した場合に、第二減圧器３３の開度を調節することで、放熱器１２（冷媒流路１２ａ）出口と減圧器１３入口の間の冷媒を、放熱器１２（冷媒流路１２ａ）を出た冷媒の一部を分岐して第二減圧器３３により減圧した冷媒により冷却し、高圧側の冷媒の密度を増大させることで、高圧側のホールド量が同じであっても高圧側圧力を低減できるため、高圧側圧力の異常な上昇を抑制し、信頼性を損なうことなく機器の小型化が達成できる。
【実施例４】
【００２０】
図４は、本発明の第４の実施例における冷凍サイクル装置を示す構成図である。また、図５は、図４に示す内部熱交換手段１５の構成図である。なお、本実施例において、第１の実施例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、本実施例の第１の実施例と異なる構成及び動作について説明する。
第４の実施例の冷凍サイクル装置では、圧力検出装置２４の検出圧力に基づいて蒸発器１４の送風ファン１８を制御するファン制御装置４５を備える。また、図５に示す内部熱交換手段１５は、放熱器１２（冷媒流路１２ａ）出口と減圧器１３入口とを接続する銅管の一部を高圧側冷媒流路１５ａとし、蒸発器１４出口と圧縮機１１入口とを接続する銅管の一部を低圧側冷媒流路１５ｂとし、それらの銅管をろう付け接合することで構成している。なお、高圧側冷媒流路１５ａ及び低圧側冷媒流路１５ｂのそれぞれを流れる高圧側冷媒及び低圧側冷媒は、図５のように対向流として流れるように構成するのが望ましい。
【００２１】
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。
第４の実施例の冷凍サイクル装置では、第１の実施例のバイパス回路１６や第一電磁弁１７が設けられていないので、通常の運転状態においても、内部熱交換手段１５では、高圧側冷媒流路１５ａを流れる冷媒と低圧側冷媒流路１５ｂを流れる冷媒との間で熱交換するが、その熱交換量はあまり大きくない。
一方、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、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇してしまう場合には、内部熱交換手段１５の高圧側冷媒流路１５ａに流入する冷媒温度も高くなるために、高圧側冷媒流路１５ａを流れる冷媒と低圧側冷媒流路１５ｂを流れる冷媒との温度差が拡大し、熱交換量が増加する。したがって、高圧側冷媒流路１５ａを流れる冷媒がより冷却されることになり、高圧側の冷媒の密度が大きくなるために、高圧側のホールド量が同じであっても高圧側圧力を低減することができる。
上記のように構成された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、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した場合には、内部熱交換手段１５の熱交換量が増大するため、放熱器１２（冷媒流路１２ａ）出口と減圧器１３入口の間の冷媒を、蒸発器１４出口と圧縮機１１入口の間の冷媒により冷却でき、高圧側の冷媒の密度を増大させることで、高圧側のホールド量が同じであっても高圧側圧力を低減できる。このため、高圧側圧力の異常な上昇を抑制し、信頼性を損なうことなく機器の小型化が達成できる。
【００２２】
さらに、高圧側冷媒流路１５ａを流れる冷媒と低圧側冷媒流路１５ｂを流れる冷媒との間で熱交換する熱交換量を増加させるために、圧力検出装置２４及びファン制御装置４５によって、蒸発器１４の送風ファン１８の回転数を低下させるように制御する。この場合には、蒸発器１４での蒸発温度が低下するために、内部熱交換手段１５の低圧側冷媒流路１５ｂに流入する冷媒温度も低くなるために、高圧側冷媒流路１５ａを流れる冷媒と低圧側冷媒流路１５ｂを流れる冷媒との温度差が拡大し、熱交換量が増加する。
上記のように構成された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、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した場合に、蒸発器１４の送風ファン１８の回転数を低下させるように制御することで、内部熱交換手段１５の熱交換量が増大するため、放熱器１２（冷媒流路１２ａ）出口と減圧器１３入口の間の冷媒を、蒸発器１４出口と圧縮機１１入口の間の冷媒により冷却でき、高圧側の冷媒の密度を増大させることで、高圧側のホールド量が同じであっても高圧側圧力を低減できる。このため、高圧側圧力の異常な上昇を抑制し、信頼性を損なうことなく機器の小型化が達成できる。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
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が達成される冷凍サイクル装置を提供することができる。
【符号の説明】
【００２４】
１１  圧縮機
１２  放熱器
１３  減圧器
１４  蒸発器
１５，２１，３１  内部熱交換手段
１６，２２，３２  バイパス回路
１７  第一電磁弁
１８  送風ファン
１９  給水ポンプ
２０  給湯タンク
２３  第二電磁弁
２４  圧力検出装置
２５  電磁弁制御装置
３３  第二減圧器
３５  減圧器制御装置
４５  ファン制御装置
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項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、放熱器、減圧器、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、放熱器出口と前記減圧器入口の間の冷媒を冷却する内部熱交換手段を備え、前記放熱器に流入する流体の温度が高くなった場合にも、前記内部熱交換手段により前記放熱器出口と前記減圧器入口の間の冷媒を冷却することで、前記高圧側の冷媒の密度を増大させることを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記内部熱交換手段は、前記放熱器出口と前記減圧器入口の間の冷媒を、前記蒸発器出口と前記圧縮機入口の間の冷媒により冷却す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。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の冷凍サイクル装置において、高圧側圧力が設計圧力近傍まで上昇した場合に、前記蒸発器の送風ファンの回転数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。