(57)【要約】  圧縮機にインジェクションを行う冷凍サイクル装置において、インジェクション配管から圧縮機内へ流れる冷媒のインジェクション量を調整する流量調整器と流量調整器の開度制御を行う制御装置とを備える。制御装置は、圧縮機の吸入側から吸入された冷媒とインジェクション配管から供給された冷媒との合流部の乾き度が１以上になるように、流量調整器の開度を制御する。
2015001613.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器を順に接続した冷凍サイクルが形成された冷凍サイクル装置であって、
前記凝縮器と前記膨張弁との間から前記圧縮機内へ冷媒が流れるインジェクション配管と、
前記インジェクション配管に配置され、前記インジェクション配管から前記圧縮機内へ流れる冷媒のインジェクション量を調整する流量調整器と、
前記流量調整器の開度制御を行う制御装置と、
を備え、
冷媒のポリトロープ指数は、１．２８以上であり、
前記制御装置は、前記圧縮機の吸入側から吸入された冷媒と前記インジェクション配管から供給された冷媒との合流部の乾き度が１以上になるように、前記流量調整器の開度を制御するものである
ことを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記制御装置は、前記圧縮機の吸入側から吸入された冷媒と前記インジェクション配管から供給された冷媒との合流部の乾き度を１から１．１の間になるように、前記流量調整器の開度を制御するものであ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】
冷媒の比熱比は、１．２以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項４】
冷媒は、Ｒ３２冷媒の単一冷媒もしくはＲ３２冷媒を含む混合冷媒であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項５】
前記圧縮機の吸入側における冷媒の吸入温度を検出する吸入温度センサと、
前記圧縮機の吐出側における冷媒の吐出温度を検出する吐出温度センサと、
前記インジェクション配管を流れる冷媒の中間温度を検出する中間温度センサと、
前記圧縮機の吸入側における冷媒の吸入圧力を検出する吸入圧力センサと、
前記圧縮機の吐出側における冷媒の吐出圧力を検出する吐出圧力センサと
をさらに有し、
前記制御装置は、
前記吸入温度、前記吐出温度、前記中間温度、前記吸入圧力、前記吐出圧力及び前記圧縮機の運転周波数を用いて前記合流部における乾き度を算出する乾き度算出手段と、
前記乾き度算出手段により算出された乾き度が１以上になるように前記流量調整器の開度を制御する開度調整手段と
を備えたものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮機にインジェクションを行う冷凍サイクル装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器が順に接続された冷凍サイクルにおいて、圧縮機にインジェクションを行うものが知られている（例えば特許文献１−５参照）。特許文献１、２には、凝縮器と膨張弁の間に圧縮機内の圧縮過程の中途に至るインジェクション配管（バイパス）が設けられており、インジェクション配管の開閉弁等の流量調整器を制御してインジェクション量を制御する空気調和機が開示されている。特に、特許文献１においては、冷媒としてＲ３２冷媒が用いられており、特許文献３には、Ｒ３２冷媒の比熱比が１．５１であることが開示されている。【０００３】
特許文献４には、ポリトロープ指数に基づいて中間インジェクション部の温度を算出し、算出した温度に基づいてインジェクション量を制御する空気調和機が開示されている。特許文献５には、凝縮器と膨張弁の間から、圧縮機の吸入に至る第２のバイパス経路を有し、第２のバイパス経路上に第２のキャピラリと第２の開閉弁を設け、開閉弁の第２の開閉弁の開度制御を行う制御装置を有する冷凍装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１３／００１５７２号（段落０１３２−０１３５）
【特許文献２】特開２００４−１８３９１３号公報（図１）
【特許文献３】特開２００１−３０４６９９号公報（段落０００６）
【特許文献４】特開２０１０−６０１７９号公報（段落００４６）
【特許文献５】特開平９−１５９２８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の場合、合流直後のＲ３２冷媒が飽和ガス近辺の状態になるように、すなわち乾き度が０．９〜０．９９の間になるようにインジェクション量を制御するようにしている。また、上述したＲ３２冷媒以外の冷媒を用いて液インジェクションを行う際には、一般的にはインジェクション量が少ないほど性能が良く、圧縮機（吐出ガス温度）の信頼性の制約でインジェクション量が規定されている。しかし、特許文献１−５よりもさらに圧縮機の信頼性を確保しながら効率の良い運転を行うことが望まれている。【０００６】
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、比熱比の高い冷媒を用いた場合であっても、圧縮機の信頼性を確保しながら効率の良い運転を行う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ものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器を順に接続した冷凍サイクルが形成された冷凍サイクル装置であって、凝縮器と膨張弁との間から圧縮機内へ冷媒が流れるインジェクション配管と、インジェクション配管に配置され、インジェクション配管から圧縮機内へ流れる冷媒のインジェクション量を調整する流量調整器と、流量調整器の開度制御を行う制御装置と、を備え、冷媒のポリトロープ指数は、１．２８以上であり、制御装置は、圧縮機の吸入側から吸入された冷媒とインジェクション配管から供給された冷媒との合流部の乾き度が１以上になるように、流量調整器の開度を制御するものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の冷凍サイクル装置によれば、ポリトロープ指数が１．２８以上の冷媒を用いた際に、合流部での乾き度が１以上になるようにインジェクション量を制御することにより、断熱圧縮時の温度上昇が大きい比熱比の高い冷媒を用いた場合であっても、高効率及び高信頼性を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の冷凍サイクル装置の実施形態１を示す冷媒回路図である。
【図２】図１の冷凍サイクル装置の圧縮機におけるインジェクション時のＰ−ｈ線図を示すグラフである。
【図３】図１の冷凍サイクル装置において、異なる種類の冷媒毎の合流部の乾き度とＣＯＰとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照しながら本発明の冷凍サイクル装置の実施形態について説明する。図１は本発明の冷凍サイクル装置の実施形態１を示す冷媒回路図であり、図１を参照して冷凍サイクル装置１について説明する。冷凍サイクル装置１は、圧縮機２、凝縮器３、膨張弁４、蒸発器５が配管により接続された冷凍サイクルを形成している。この冷凍サイクル装置１に流れる冷媒として、ポリトロープ指数が１．２８以上（比熱比が１．２以上）の冷媒が用いられており、例えばＲ３２冷媒の単一冷媒もしくはＲ３２冷媒を含む混合冷媒が用いられている。
【００１１】
圧縮機２は、冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮して高温・高圧の状態にして吐出するものである。凝縮器３は、圧縮機２から吐出された冷媒と空気（外気）との間で熱交換を行うものであって、例えば冷媒を通過させる伝熱管と、伝熱管を流れる冷媒と外気との間の伝熱面積を大きくするためのフィンとを備えた構造を有している。膨張弁４は、蒸発器７を通過する冷媒の圧力を調整するものである。蒸発器５は、冷媒と空気（外気）との間で熱交換を行うものであって、例えば冷媒を通過させる伝熱管と、伝熱管を流れる冷媒と外気との間の伝熱面積を大きくするためのフィンとを備えた構造を有している。
【００１２】
また、冷凍サイクル装置１は、凝縮器３と膨張弁４との間から圧縮機２内へ冷媒が流れるインジェクション配管（バイパス）１１と、インジェクション配管１１に配置され、インジェクション配管１１から圧縮機２内へ流れるインジェクション量Ｇｉｎｊを調整する流量調整器１２とを有している。ここで、圧縮機２は、例えば低段側圧縮部と後段側圧縮部とを有する２段圧縮機であって、低圧側圧縮部で中間圧まで圧縮し、高圧側圧縮部で最高圧力まで圧縮する機能を有している。インジェクション配管１１は、圧縮機２における低圧側圧縮部と高圧側圧縮部との間に合流部２ａに接続されており、インジェクション配管１１から圧縮機２内に流入した冷媒は、圧縮機２内の圧縮機構における圧縮過程の中途であって低圧側圧縮部から吐出された冷媒と合流部２ａにおいて合流する。
【００１３】
次に、冷凍サイクル装置１における冷媒の流れについて説明する。まず、低圧ガスの冷媒が圧縮機２において圧縮され高温高圧のガス状態になる。高圧ガス状態の冷媒は、凝縮器３において外気と熱交換され、冷媒のエネルギーを熱源（空気や水）に伝達することで凝縮し高圧液冷媒となる。その後、冷媒は膨張弁４で減圧され低圧二相状態となり、蒸発器５に入る。蒸発器５において、冷媒は空気のエネルギーを吸収して蒸発し低圧ガスとなる。このとき、冷媒と熱交換された水または空気等は冷却される。その後、蒸発器５から流出した冷媒は再び圧縮機２に吸入される。
【００１４】
このとき、凝縮器３と膨張弁４との間から高圧低温の液冷媒の一部が分岐して、インジェクション配管１１側に流れる。インジェクション配管１１内の冷媒は流量調整器１２で流量を調整されながら減圧され中間圧の二相となり、圧縮機２内の合流部２ａで合流し、合流した冷媒は圧縮機２内の高圧側圧縮部で圧縮されて吐出する。
【００１５】
上述したインジェクション配管１１を流れる冷媒のインジェクション量（バイパス量）Ｇｉｎｊは流量調整器１２により制御されており、流量調整器１２の開度は制御装置３０により各センサ２１〜２５の出力に基づいて制御されている。具体的には、冷凍サイクル装置１は、吐出温度センサ２１、吸入温度センサ２２、中間温度センサ２３、吐出圧力センサ２４、吸入圧力センサ２５、を有している。吐出温度センサ２１は、圧縮機２の吐出側に設けられており、圧縮機２から吐出される冷媒の吐出温度を検出するものである。吸入温度センサ２２は、圧縮機２の吸入側に設けられており、圧縮機２に吸入される冷媒の吸入温度を検出するものである。中間温度センサ２３は、インジェクション配管１１上に設けられており、インジェクション配管１１を流れる冷媒の中間温度を検出するものである。吐出圧力センサ２４は圧縮機２の吐出側（高圧側）に配置されており、圧縮機２から吐出される冷媒の吐出圧力を検出するものである。吸入圧力センサ２５は、圧縮機２の吸入側（低圧側）に配置されており、圧縮機２へ吸入される冷媒の吸入圧力を検出するものである。
【００１６】
制御装置３０は、乾き度算出手段３１及び開度調整手段３２を有している。乾き度算出手段３１は、各センサ２１〜２５において検出された吸入温度、吐出温度、吸入圧力、吐出圧力及び圧縮機２の運転周波数（回転数）を用いて、圧縮機２の合流部２ａにおける乾き度Ｘｉｎを算出するものである。例えば、乾き度算出手段３１は、吸入圧力、吐出圧力及び圧縮機２の回転数と圧縮機効率との関係を予め記憶したテーブルもしくは関数を有しており、各センサ２１〜２５により検出された吸入圧力、吐出圧力及び圧縮機２の回転数から圧縮機効率を導出する。同時に、乾き度算出手段３１は中間温度から飽和圧力を算出する。インジェクション配管１１内を流れる冷媒は気液二相状態であって中間温度は気液二相状態の冷媒温度であるため、中間温度から飽和圧力が算出することができる。そして、乾き度算出手段３１は、検出した吐出側圧力及び吐出温度と算出した飽和圧力Ｔｍ及び圧縮機効率ηとから合流部２ａにおける乾き度Ｘｉｎを算出する。
【００１７】
なお、乾き度Ｘｉｎの算出は、例えば上述したパラメータを引数としたテーブルを予め記憶しておき、テーブルを参照することにより算出してもよいし、上述したパラメータを引数とした近似式から算出してもよい。さらに、各センサ２１〜２５の検出結果に基づいて乾き度Ｘｉｎを算出する場合について例示しているが、算出精度を向上するために、吸入温度などのパラメータ（引数）を増やしてもよいし、その他種々の公知の手法を用いることができる。
【００１８】
開度調整手段３２は、乾き度算出手段３１において算出された乾き度Ｘｉｎに基づいて、乾き度Ｘｉｎが１以上になるように流量調整器１２の開度を制御するものである。具体的には、開度調整手段３２は、１以上の目標の乾き度Ｘｒｅｆ（例えば下限目標乾き度＝１．０、上限目標乾き度＝１．１）と乾き度Ｘｉｎとの差分（Ｘｉｎ−Ｘｒｅｆ）を算出し、差分（Ｘｉｎ−Ｘｒｅｆ）に所定の係数を乗じて過不足分のインジェクション量Ｇｉｎｊ（開度）の増減量を算出する。開度調整手段３２は、算出した増減量に従い現在の流量調整器１２の開度を制御する。例えば乾き度Ｘｉｎが１．０未満の場合、開度調整手段３２は開度を開く方向に流量調整器１２を制御し、乾き度Ｘｉｎが乾き度１．１より大きい場合、開度調整手段３２は開度を閉じる方向に流量調整器１２を制御する。
【００１９】
このように、例えばＲ３２冷媒のような比熱比κが高く吐出温度が高くなるような冷媒を用いた場合に乾き度Ｘｉｎが１以上になるようにインジェクション量Ｇｉｎｊを制御することにより、信頼性を維持しながら高効率運転を行うことができる。特に、吐出ガス温度が高くなる高圧縮比運転において、高効率運転が実施できる。
【００２０】
以下に、例えばＲ３２冷媒のようなポリトロープ指数が１．２８以上（比熱比が１．２以上）の冷媒が用いた場合、乾き度が１以上になるようにインジェクション量Ｇｉｎｊを制御する理由について説明する。まず、一般的に圧縮機２を駆動するために必要な電力である圧縮機入力Ｗが小さいほどＣＯＰは高くなる。図２は図１の圧縮機での状態を示すＰＨ線図である。なお、図２において、実線があるインジェクション量Ｇｉｎｊがある場合であり、破線はインジェクション量Ｇｉｎｊが無い場合である。また、以下において、能力一定で高圧と低圧と中間圧と吸入温度が変化しないことを前提にする。
【００２１】
インジェクション配管１１からインジェクションがある場合、圧縮機入力Ｗは下記式（１）で示される。なお、式（１）において、Δｈ１は低段側の圧縮機２のエンタルピ差、Δｈ２はインジェクションがなされた後の高段側の圧縮機２のエンタルピ差、Ｇｅは圧縮機２の吸入側から入る冷媒流量、Ｇｉｎｊはインジェクション配管１１から圧縮機２に流入されるインジェクション量を示している。
【００２２】
【数１】
2015001613.tif 000003
【００２３】
一方、インジェクションがない場合、の圧縮機入力Ｗｏは下記式（２）で示される。なお、Δｈ２０はインジェクションがない場合の高段側（吐出側）の圧縮機２のエンタルピ差を示している。
【００２４】
【数２】
2015001613.tif 000004
【００２５】
上記式（１）、（２）からインジェクションがなされた圧縮機入力Ｗは下記式（３）のように表すことができる。
【００２６】
【数３】
2015001613.tif 000005
【００２７】
式（３）において、右辺第２項はインジェクション量Ｇｉｎｊによる圧縮機入力Ｗの増加量を示し、右辺第３項は高段側の圧縮機２のインジェクションによる圧縮機入力Ｗの減少量を示している。つまり、インジェクション量Ｇｉｎｊの変化により圧縮機入力Ｗが変化するものであって、インジェクション量Ｇｉｎｊが増加すると右辺第２項が増加し、右辺第３項が単調減少する。
【００２８】
また、インジェクション量に対する圧縮機２の入力の変化は、式（３）をインジェクション量Ｇｉｎｊで微分した下記式（４）で示される。
【００２９】
【数４】
2015001613.tif 000006
【００３０】
式（４）において、右辺第１項の高段側のエンタルピ差Δｈ２は、正の値になるものであるが（Δｈ２＞０）、インジェクション量Ｇｉｎｊの増加に対し単調減少する。また、右辺第２項は、負の値になるものであるが、インジェクション量Ｇｉｎｊの増加に対し単調増加し、０に漸近する。
【００３１】
ところで、式（４）に示すように、圧縮機入力Ｗと圧縮機２でのエンタルピｈの変化（エンタルピ差Δｈ２）とは密接に関連している。このエンタルピは、理想ガスの場合に下記式（５）のように表すことができる。なお、式（５）においてＣｐは低圧比熱である。式（５）に示すように、エンタルピｈは温度Ｔの関数として表される。
【００３２】
［数５］
ｈ＝Ｃｐ・Ｔ          ・・・（５）
（Δｈ＝Ｃｐ・ΔＴ）
【００３３】
圧縮機２内での圧縮過程は断熱圧縮であり、温度変化は、下記式（６）のように表すことができる。なお、式（６）において、κは冷媒の比熱比を示す。
【００３４】
【数６】
2015001613.tif 000007
【００３５】
さらに、実際の変化を考慮したポリトロープ変化は、ポリトロープ指数をｎとしたとき、下記式（７）のようになる。
【００３６】
【数７】
2015001613.tif 000008
【００３７】
式（６）及び式（７）に示すように、エンタルピｈ（エンタルピ変化Δｈ）は、冷媒の比熱比κ又はポリトロープ指数ｎに依存する。つまり、冷媒の比熱比κ又はポリトロープ指数ｎが小さければ温度変化が小さくなりエンタルピ変化Δｈも小さくなる。一方、冷媒の比熱比κ又はポリトロープ指数ｎが大きければ温度変化が大きくなりエンタルピ変化Δｈも大きくなる。また、式（１）〜式（４）に示すように、インジェクション量Ｇｉｎｊに対する圧縮機入力Ｗの変化はエンタルピ変化Δｈに依存する。したがって、圧縮機入力Ｗの変化は、比熱比κ及びポリトロープ指数ｎに依存する。
【００３８】
比熱比κ及びポリトロープ指数ｎは、下記表１のように冷媒の種類によって異なるものであり、Ｒ３２冷媒は、Ｒ４０４Ａ冷媒よりも比熱比κ及びポリトロープ指数ｎが大きい。
【００３９】
【表１】
2015001613.tif 000009
【００４０】
まず、冷凍サイクルを流れる冷媒として一般的なＲ４０４Ａを採用した場合について述べる。Ｒ４０４Ａ冷媒は、表１に示すように比熱比κが小さく断熱圧縮時の温度変化ΔＴが比較的小さい。また、温度変化ΔＴが小さければエンタルピ変化Δｈも小さい。そのため、式（４）の右辺第１項は常に正の値であるのに対し、右辺第２項が常に小さい値になる。このため、インジェクション量Ｇｉｎｊに関係なく式（４）の圧縮機入力Ｗの変化率δＷ／δＧｉｎｊ＞０になる。これは、インジェクション量Ｇｉｎｊが増加すると圧縮機入力Ｗが単調増加することを意味している。よって、Ｒ４０４Ａ冷媒を用いた場合に圧縮機入力Ｗを最小にするためには、開度調整手段３２はインジェクション量Ｇｉｎｊが最小になるように流量調整器１２を制御することになる。これにより、インジェクションを行うことによる圧縮機２の信頼性を確保しながら広い運転範囲内で高効率運転を実現することができる。
Ｒ４０４Ａ冷媒を用いた場合の挙動を図３で示すと、インジェクション量Ｇｉｎｊの増加は合流部２ａの乾き度低下となり、圧縮機入力の増加はＣＯＰの低下となる。圧縮機（吐出ガス温度）の信頼性の制約で定まる乾き度より高い状態で運転できないため、同時にＣＯＰが定まる。
【００４１】
次に、Ｒ３２冷媒の場合について述べる。Ｒ３２冷媒は、表１に示すように比熱比κが大きく断熱圧縮時の温度変化が比較的大きい。また温度変化ΔＴが大きいと、エンタルピ変化Δｈも大きい。そのため式（４）の右辺第２項がインジェクション量Ｇｉｎｊの増加に従い大きく変化する。
【００４２】
具体的には、インジェクション量Ｇｉｎｊがゼロから第１所定値になるまでの範囲では、式（４）において｜右辺第１項｜＞｜右辺第２項｜の関係が成立し、圧縮機入力Ｗの変化率δＷ／δＧｉｎｊ＞０となる。一方、インジェクション量Ｇｉｎｊが第１所定値から第２所定値になるまでの範囲では、｜右辺第１項｜＜｜右辺第２項｜となり、圧縮機入力Ｗの変化率δＷ／δＧｉｎｊ＜０となる。さらに、インジェクション量Ｇｉｎｊが第２所定値よりも大きいとき、再び｜右辺第１項｜＞｜右辺第２項｜となり、圧縮機入力Ｗの変化率δＷ／δＧｉｎｊ＞０となる。よって、式（３）の圧縮機入力Ｗは、インジェクション量Ｇｉｎｊがゼロから第１所定値になるまでは増加し、第１所定値から第２所定値までの間では減少し、第２所定値より大きくなると増加する。このように、圧縮機入力Ｗの極小値（最小値）はインジェクション量Ｇｉｎｊ＝０の場合、もしくは第２所定値の場合である。
【００４３】
このうち、インジェクション量Ｇｉｎｊ＝０の場合、吐出温度の上昇により圧縮機２の運転の信頼性が大きく下がってしまう。したがって、インジェクション量Ｇｉｎｊが第２所定値になるように制御する。この第２所定値は、高段側のエンタルピ差Δｈ２の変化が鈍感になるポイントであり、合流部２ａの冷媒は飽和ガス（乾き度Ｘｉｎ＝１）となる状態である。従って、圧縮機入力Ｗは、合流部２ａでの冷媒の乾き度Ｘｉｎ＝１のときに最小になる。したがって、開度調整手段３２は、乾き度Ｘｉｎが１以上になるように流量調整器１２を制御することにより、圧縮機２の信頼性を確保しながら圧縮機入力Ｗを最小にすることができる。
【００４４】
Ｒ３２冷媒を用いた場合の挙動を図３で示すと、インジェクション量Ｇｉｎｊの増加は合流部２ａの乾き度低下となり、圧縮機入力の増加はＣＯＰの低下となる。インジェクション量Ｇｉｎｊ＝０の場合から、第２所定値に変化すると、合流部２ａの乾き度は、１．１５以上から１．１に低下し、微小だがＣＯＰは単調に減少する。インジェクション量Ｇｉｎｊが第２所定値から第１所定値に変化すると、合流部２ａの乾き度は、１．１以上から１に低下し、微小だがＣＯＰは単調に増加する。インジェクション量Ｇｉｎｊが第１所定値からさらに低下すると、合流部２ａの乾き度は、１よりさらに低下し、ＣＯＰは単調に減少し、その低下量は大きい。
【００４５】
また、乾き度＝１となるように制御する場合であるが、実際は一つの値に制御することは困難であり、ある一定の幅を許容して制御する。この場合、乾き度１以下ではＣＯＰ低下が顕著となるため、好ましくない。乾き度を１から１．１までの間に許容しておけば、ＣＯＰ極大からの変化が小さく、安定して高ＣＯＰ状態で運転が可能である。
【００４６】
上述の通り、Ｒ４０４Ａ冷媒及びＲ３２冷媒を例示して説明したが、上述したＲ３２冷媒のようなＣＯＰが極大（圧縮機入力Ｗが極小）になる冷媒の特性を有するものであれば、合流部２ａの乾き度Ｘｉｎが１以上になるように制御すればよい。このＣＯＰが極大値を有する条件を以下に定式化する。
【００４７】
まず、冷凍サイクル装置１において、ある状態Ａと、状態Ａからインジェクション量ＧｉｎｊがΔＧだけ減少した状態Ｂとを比較する。状態Ａにおける圧縮機２の合流部２ａでのエネルギーバランスは下記式（８）のように表すことができる。なお、式（８）において、Ｈｍｉｘは合流部２ａのエンタルピ、Ｈｌｉｑは合流前のインジェクションエンタルピ、Δｈ１は低段側（吸入−合流前）の圧縮機２のエンタルピ差、ｈ１は圧縮機吸入でのエンタルピをそれぞれ示している。
【００４８】
【数８】
2015001613.tif 000010
【００４９】
一方、状態Ｂでの合流部２ａでのエネルギーバランスは下記式（９）のように表すことができる。なお式（９）において、ΔＧはインジェクション量Ｇｉｎｊの減少分、ΔＨは合流２ａのエンタルピの変化分、Δｈ＊は低段側（吸入−合流前）の圧縮機２のエンタルピ差の変化分を示す。
【００５０】
【数９】
2015001613.tif 000011
【００５１】
式（８）及び式（９）から式（１０）が成立する。
【００５２】
【数１０】
2015001613.tif 000012
【００５３】
一方、状態方程式から下記式（１１）が成立する。式（１１）において、ρは合流部２ａの密度、Δρは状態変化に伴う密度差、ΔＰは状態変化に伴う圧力差、ΔＴは状態変化に伴う温度差を示している。
【００５４】
【数１１】
2015001613.tif 000013
【００５５】
また、式（８）における低段側の圧縮機２のエンタルピ差Δｈ１は、下記式（１２）で表すことができる。式（１２）において、Ｐ１は圧縮機２の吸入圧力、Ｐ２は合流部２ａの圧力である。
【００５６】
【数１２】
2015001613.tif 000014
【００５７】
同様に、式（９）における低段側の圧縮機２のエンタルピ差Δｈ１＋Δｈ＊は、下記式（１３）で表すことができる。
【数１３】
2015001613.tif 000015
【００５８】
式（１２）と式（１３）より、下記式（１４）が成立する。
【００５９】
【数１４】
2015001613.tif 000016
【００６０】
上記式（１４）に、式（５）に示すΔＨ＝Ｃｐ・ΔＴと式（１０）及び式（１１）とを代入すると式（１５）のようになる。
【００６１】
【数１５】
2015001613.tif 000017
【００６２】
つまり、インジェクション量変化ΔＧの減少時（ΔＧ＜０）に圧力変化ΔＰが上昇するには（ΔＰ＞０）、下記式（１６）の条件を満たしたときである。
【００６３】
【数１６】
2015001613.tif 000018
【００６４】
上記式（１６）を満たすようなポリトロープ指数ｎ（比熱比κ）を有する冷媒の場合にはＣＯＰが極大値を有するため、合流部２ａの乾き度Ｘｉｎが１以上になるように制御すれば最大の運転効率を得ることができる。そして、この式（１６）を満たすのは、ポリトロープ指数ｎ≧１．２８、もしくは比熱比κ≧１．２である。
【００６５】
上記実施の形態によれば、従来のようにインジェクション量Ｇｉｎｊが増加するとＣＯＰが低下するのではなく、吐出温度が高い冷媒では合流部２ａの乾き度Ｘｉｎが１以上となるインジェクション量ＧｉｎｊのときにＣＯＰが最大になる特徴を利用し、高効率運転を実施でき、なおかつ信頼性が維持できる。
【００６６】
すなわち、冷凍用途などでは、低圧に対する高圧の比（圧縮比）が大きくなり、圧縮機２から出る冷媒の温度が高くなる。この冷媒の温度が高いと、圧縮機２の内部において、部材の膨張係数の差による圧縮機構への過大な荷重の発生、温度上昇による冷凍機油の粘度の低下に伴う異常摩耗、圧縮機２の内部の樹脂部材の劣化、スラッジの発生等の信頼性が低下し、さらには圧縮機２が損傷することで性能が低下する。このため、インジェクション配管１１から液冷媒を圧縮過程に供給することで潜熱分は圧縮機２の内部を冷却することができる。よって、圧縮機２の内部の温度上昇を防ぎ信頼性を確保することができる。なお、インジェクション配管１１へ入る冷媒は、過冷却液であっても、二相冷媒であってもよい。
【００６７】
また、ポリトロープ指数≧１．２８となる吐出温度が高い冷媒という制約の中で、合流部２ａの乾き度Ｘｉｎが１以上となるインジェクション量Ｇｉｎｊが最大ＣＯＰである特徴を利用し、高効率運転を実施できる。さらに、ポリトロープ指数ｎ又は比熱比κという動作状態での冷媒物性値と、動作状態での圧縮機性能特性で判別できる。さらに、仕様差による特性も考慮でき、精度よく判定できる。
【符号の説明】
【００６８】
１  冷凍サイクル装置、２  圧縮機、２ａ  合流部、３  凝縮器、４  膨張弁、５  蒸発器、１１  インジェクション配管、１２  流量調整器、２１  吐出温度センサ、２２  吸入温度センサ、２３  中間温度センサ、２４  吐出圧力センサ、２５  吸入圧力センサ、３０  制御装置、３１  乾き度算出手段、３２  開度調整手段、Ｇｉｎｊ  インジェクション量、ｈ  エンタルピ、Δｈ１、Δｈ２  エンタルピ差、Δｈ＊  低段側（吸入−合流前）の圧縮機のエンタルピ差の変化分、ｎ  ポリトロープ指数、Ｔｍ  飽和圧力、Ｗ、Ｗｏ  圧縮機入力、Ｘｉｎ  乾き度、Ｘｒｅｆ  目標の乾き度、ΔＧ  インジェクション量変化、Δｈ  エンタルピ変化、ΔＰ  圧力変化、Ｐ１  圧縮機の吸入圧力、Ｐ２  合流部の圧力、ΔＴ  温度変化、η  圧縮機効率、κ  比熱比。
【図１】
2015001613.tif 000019
【図２】
2015001613.tif 000020
【図３】
2015001613.tif 000021
【手続補正書】
【提出日】平成28年9月29日(2016.9.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器を順に接続した冷凍サイクルが形成された冷凍サイクル装置であって、凝縮器と膨張弁との間から圧縮機内へ冷媒が流れるインジェクション配管と、インジェクション配管に配置され、インジェクション配管から圧縮機内へ流れる冷媒のインジェクション量を調整する流量調整器と、流量調整器の開度制御を行う制御装置と、圧縮機の吐出側における冷媒の吐出温度を検出する吐出温度センサと、インジェクション配管を流れる冷媒の中間温度を検出する中間温度センサと、圧縮機の吸入側における冷媒の吸入圧力を検出する吸入圧力センサと、圧縮機の吐出側における冷媒の吐出圧力を検出する吐出圧力センサとを備え、冷媒のポリトロープ指数は、１．２８以上であり、制御装置は、吐出温度、中間温度、吸入圧力、吐出圧力及び圧縮機の運転周波数を用いて、圧縮機の吸入側から吸入された冷媒とインジェクション配管から供給された冷媒との合流部における乾き度を算出する乾き度算出手段と、乾き度算出手段により算出された乾き度が１以上になるように流量調整器の開度を制御する開度調整手段とを備えることを特徴とする。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
【数１】
2015001613.tif 000022
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
【数２】
2015001613.tif 000023
【手続補正４】
【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】
圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器を順に接続した冷凍サイクルが形成された冷凍サイクル装置であって、
前記凝縮器と前記膨張弁との間から前記圧縮機内へ冷媒が流れるインジェクション配管と、
前記インジェクション配管に配置され、前記インジェクション配管から前記圧縮機内へ流れる冷媒のインジェクション量を調整する流量調整器と、
前記流量調整器の開度制御を行う制御装置と、
前記圧縮機の吐出側における冷媒の吐出温度を検出する吐出温度センサと、
前記インジェクション配管を流れる冷媒の中間温度を検出する中間温度センサと、
前記圧縮機の吸入側における冷媒の吸入圧力を検出する吸入圧力センサと、
前記圧縮機の吐出側における冷媒の吐出圧力を検出する吐出圧力センサと
を備え、
冷媒のポリトロープ指数は、１．２８以上であり、
前記制御装置は、
前記吐出温度、前記中間温度、前記吸入圧力、前記吐出圧力及び前記圧縮機の運転周波数を用いて、前記圧縮機の吸入側から吸入された冷媒と前記インジェクション配管から供給された冷媒との合流部における乾き度を算出する乾き度算出手段と、
前記乾き度算出手段により算出された乾き度が１以上になるように前記流量調整器の開度を制御する開度調整手段と、を備える
ことを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記開度調整手段は、前記圧縮機の吸入側から吸入された冷媒と前記インジェクション配管から供給された冷媒との合流部の乾き度を１から１．１の間になるように、前記流量調整器の開度を制御するものであ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】
冷媒の比熱比は、１．２以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項４】
冷媒は、Ｒ３２冷媒の単一冷媒もしくはＲ３２冷媒を含む混合冷媒であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項５】
前記圧縮機の吸入側における冷媒の吸入温度を検出する吸入温度センサをさらに有し、
前記乾き度算出手段は、さらに前記吸入温度を用いて前記合流部における乾き度を算出することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2015001613.tif 000024
【国際調査報告】
2015001613.tif 000025
2015001613.tif 000026