(57)【要約】【課題】圧縮機に液冷媒が吸い込まれる不都合を確実に防止しながら、蒸発器全体で吸熱能力を発揮させて、蒸発器の冷却能力を改善することができる冷凍サイクル装置を提供する。【解決手段】コンプレッサ（圧縮機）１、放熱器２、膨張弁３及び蒸発器４を順次配管接続して成る冷媒回路を備えた冷凍サイクル装置Ｓにおいて、蒸発器４の出口側に接続されたヘッダー５と、蒸発器４入口の冷媒温度を検出する第１の温度センサ２０と、ヘッダー５における冷媒温度を検出する第２の温度センサ２２と、両温度センサ２０、２２の出力に基づいて膨張弁３の弁開度を制御する制御装置３０（制御手段）とを備えた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、放熱器、膨張弁及び蒸発器を順次配管接続して成る冷媒回路を備えた冷凍サイクル装置において、
前記蒸発器の出口側に接続されたヘッダーと、前記蒸発器入口の冷媒温度を検出する第１の温度センサと、前記ヘッダーにおける冷媒温度、若しくは、当該ヘッダー出口の冷媒温度を検出する第２の温度センサと、両温度センサの出力に基づいて前記膨張弁の弁開度を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記両温度センサの出力に基づいて前記蒸発器における冷媒の過熱度を判断し、該過熱度が大きい場合に前記膨張弁の弁開度を拡大し、前記過熱度が小さい場合は前記膨張弁の弁開度を縮小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】
前記放熱器を出た冷媒と前記ヘッダーを出た冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項４】
冷媒として二酸化炭素を使用することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか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、放熱器、膨張弁及び蒸発器を順次配管接続して成る冷媒回路を備えた冷凍サイクル装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来この種冷凍サイクル装置は、圧縮機、放熱器、膨張弁、蒸発器等を配管接続することにより冷媒回路が構成されている。そして、圧縮機で圧縮されて高温高圧となった冷媒は、放熱器にて放熱され、膨張弁にて圧力が低下した後、蒸発器にて周囲と熱交換して蒸発する。そして、蒸発器から出た冷媒は、再び圧縮機に吸い込まれるサイクルを繰り返すものであった。このような冷凍サイクル装置では、圧縮機に液冷媒が戻り、当該圧縮機が液圧縮して損傷を受ける不都合を防ぐために、圧縮機に流入する冷媒の状態に基づいて膨張弁の弁開度が制御されていた。
【０００３】
具体的には、蒸発器の入口側と出口側とに当該蒸発器の出入口における冷媒温度を検出することができる温度センサ（温度測定用サーミス等）を夫々設置し、各温度センサにて検出される冷媒温度に基づいて、蒸発器から出る冷媒の過熱度が十分に確保されるように膨張弁の開度が制御されていた。また、蒸発器の出口側に設けられた温度センサに換えて、圧縮機の直前に温度センサを設けて、膨張弁の弁開度を制御するものもあった（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００１−２４１７８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のように蒸発器の出入口の冷媒温度に基づき膨張弁の弁開度を制御した場合には、圧縮機に液冷媒が吸い込まれる不都合は解消できるが、蒸発器の出口側に設けられた温度センサに至る前に冷媒が既に気体（ガス）の状態となるように制御されるため、蒸発器内の出口付近で冷媒が既に気体の状態となる場合が多く、蒸発器全体で吸熱能力を発揮させることができなかった。また、蒸発器の出口側に設けられた温度センサに換えて、圧縮機の直前に温度センサを設けて、膨張弁を制御したとしても、冷媒が蒸発器の出口まで冷媒の液分が残っていたか、或いは、蒸発器４内の出口付近で既に気体の状態であったかを判断することができなかった。従って、蒸発器全体で吸熱能力を発揮させることが困難であった。
【０００５】
本発明は、係る従来技術の課題を解決するために成されたものであり、圧縮機に液冷媒が吸い込まれる不都合を確実に防止しながら、蒸発器全体で吸熱能力を発揮させて、蒸発器の冷却能力を改善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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機、放熱器、膨張弁及び蒸発器を順次配管接続して成る冷媒回路を備えたものであって、蒸発器の出口側に接続されたヘッダーと、蒸発器入口の冷媒温度を検出する第１の温度センサと、ヘッダーにおける冷媒温度、若しくは、ヘッダー出口の冷媒温度を検出する第２の温度センサと、両温度センサの出力に基づいて膨張弁の弁開度を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。
【０００７】
請求項２の発明の冷凍サイクル装置は、上記において制御手段は、両温度センサの出力に基づいて蒸発器における冷媒の過熱度を判断し、この過熱度が大きい場合に膨張弁の弁開度を拡大し、過熱度が小さい場合は膨張弁の弁開度を縮小することを特徴とする。
【０００８】
請求項３の発明の冷凍サイクル装置は、上記各発明において放熱器を出た冷媒とヘッダーを出た冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を備えたことを特徴とする。
【０００９】
請求項４の発明の冷凍サイクル装置は、請求項１乃至請求項３の何れかに記載の発明において冷媒として二酸化炭素を使用することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、圧縮機、放熱器、膨張弁及び蒸発器を順次配管接続して成る冷媒回路を備えた冷凍サイクル装置において、蒸発器の出口側に接続されたヘッダーと、蒸発器入口の冷媒温度を検出する第１の温度センサと、ヘッダーにおける冷媒温度、若しくは、ヘッダー出口の冷媒温度を検出する第２の温度センサと、両温度センサの出力に基づいて膨張弁の弁開度を制御する制御手段とを備えたので、例えば、請求項２の発明の如く制御手段が、両温度センサの出力に基づいて蒸発器における冷媒の過熱度を判断し、この過熱度が大きい場合に膨張弁の弁開度を拡大し、過熱度が小さい場合は膨張弁の弁開度を縮小するものとすれば、蒸発器出口まで液状態の冷媒が来るように最適な状態に制御することができる。これにより、蒸発器全体で吸熱能力を発揮させて冷却能力を改善することができるようになる。更に、係る蒸発器の冷却能力の改善により消費電力の低減も図ることができるようになる。
【００１１】
また、請求項３の発明では、上記各発明において放熱器を出た冷媒とヘッダーを出た冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を備えたので、放熱器から出た冷媒を当該内部熱交換器にてヘッダーを出た冷媒と熱交換させて冷却することができる。これにより、冷却能力をより一層改善することができるようになる。
【００１２】
特に、蒸発器の出口側にヘッダーを接続し、このヘッダーを出た冷媒を内部熱交換器に流すことで、この内部熱交換器に流れるヘッダーを経た冷媒は気体となるので、冷媒回路の状態を安定させることができる。
【００１３】
更に、万がー、ヘッダーからの冷媒に液状態の冷媒が混在している場合であっても、当該内部熱交換器にて蒸発させることができるので、圧縮機に液状態の冷媒が吸い込まれて、圧縮機が液圧縮する不都合も確実に解消することができる。
【００１４】
また、請求項１乃至請求項３の何れかの発明の冷凍サイクル装置において、請求項４の如く冷媒として二酸化炭素を用いた場合にも、冷却能力を改善することができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明は、圧縮機、放熱器、膨張弁及び蒸発器を順次配管接続して成る冷媒回路を備えた冷凍サイクル装置において、圧縮機に液状態の冷媒が吸い込まれる不都合を確実に解消しながら、蒸発器の出口まで液状態の冷媒が来るような最適な状態とすることが困難であったという問題を解消するためになされたものである。圧縮機が液圧縮する不都合を確実に防ぎながら、蒸発器全体で吸熱能力を発揮させて、冷却能力を改善するという目的を、蒸発器の出口側に接続されたヘッダーと、蒸発器入口の冷媒温度を検出する第１の温度センサと、ヘッダーにおける冷媒温度、若しくは、ヘッダー出口の冷媒温度を検出する第２の温度センサと、両温度センサの出力に基づいて膨張弁の弁開度を制御する制御手段とを備えることにより実現した。以下、図面に基づき本発明の実施の形態を詳述する。
【実施例１】
【００１６】
図１は、本発明の一実施例の冷凍サイクル装置の冷媒回路図を示している。冷凍サイクル装置Ｓは、コンプレッサ１、放熱器２、膨張弁３及び蒸発器４等を順次配管接続して成る冷媒回路から構成されている。本実施例の冷凍サイクル装置Ｓは、例えば、冷蔵庫等の冷却用途に使用されるものであり、従って、蒸発器４は冷蔵庫の庫内を冷却可能に設置されているものとする。
【００１７】
また、実施例のコンプレッサ１は、駆動要素としての図示しない電動要素と、この電動要素にて駆動される第１の圧縮要素１Ａと第２の圧縮要素１Ｂから成る多段（２段）圧縮式の圧縮機であり、低段となる第１の圧縮要素１Ａの吸込側（入口側）には第１の圧縮要素１Ａに冷媒を導入するための冷媒導入管１０が接続されている。
【００１８】
また、第１の圧縮要素１Ａの吐出側（出口側）と高段となる第２の圧縮要素１Ｂの吸込側（入口側）とは冷媒導入管１１にて接続されており、この冷媒導入管１１は、コンプレッサ１の外部に構成された中間冷却器８を通過するように配置されている。当該中間冷却器８は、第１の圧縮要素１Ａで圧縮された後、第２の圧縮要素１Ｂに吸い込まれる冷媒を冷却するためのものである。即ち、第１の圧縮要素１Ａで圧縮され、中間圧となった冷媒は中間冷却器８にて冷却された後、第２の圧縮要素１Ｂに吸い込まれるよう構成されている。そして、第２の圧縮要素１Ｂの吐出側には冷媒吐出管１２の一端が接続され、ここからコンプレッサ１にて圧縮された冷媒が外部に吐出されることとなる。
【００１９】
上記冷媒吐出管１２の他端は放熱器２の入口に接続されている。放熱器２の出口に接続された冷媒配管１３は、内部熱交換器７を経て膨張弁３に至る。この膨張弁３は冷凍サイクル装置Ｓの制御手段としての制御装置３０により絞り量が全閉状態から全開状態までそれぞれ段階的に制御（ステップ制御）される電動膨張弁にて構成されている。また、膨張弁３から出た冷媒配管１４は蒸発器４の入口に接続され、蒸発器４から出た冷媒配管１５は後述するヘッダー５の入口４２に接続されている。また、ヘッダー５の出口４３には、前記コンプレッサ１の冷媒導入管１０が接続されて、これにより、環状の冷媒回路が構成されている。
【００２０】
また、上記内部熱交換器７は、放熱器２を出て冷媒配管１３を流れる高圧側の冷媒と上記ヘッダー５を出て冷媒導入管１０を流れる低圧側の冷媒とを熱交換させるための熱交換器である。また、図中１７は逆止弁であり、この逆止弁１７はコンプレッサ１の吸込側（第１の圧縮要素１Ａ側）を順方向として冷媒導入管１０の途中部であって、内部熱交換器７の冷媒下流側に介設されている。
【００２１】
上記冷媒回路には冷媒として地球環境にやさしく、可燃性及び毒性等を考慮して自然冷媒であるＣＯ2（二酸化炭素）が用いられている。本実施例では当該二酸化炭素冷媒を超臨界状態まで圧縮するものとし、放熱器２では凝縮させず、従って、冷媒の温度のみを低下させ、膨張弁３における減圧で超臨界状態から気相（ガス）／液相の混在した二相混合状態に変化させるものとする。
【００２２】
ところで、このような冷凍サイクル装置Ｓでは蒸発器４にて冷媒が完全に蒸発せずに、液状態の冷媒（液相冷媒）が残った状態となり、この液状態の冷媒が混在した状態のままコンプレッサ１に戻ると、コンプレッサ１が液圧縮して損傷を受けるため、コンプレッサ１に吸い込まれる冷媒は確実に気体の状態とする必要がある。そのため、蒸発器４の冷媒温度に基づいて、膨張弁３の弁開度を制御し、コンプレッサ１に吸い込まれる冷媒の過熱度を十分に確保しなければならなかった。
【００２３】
この場合、従来の冷凍サイクル装置では、図８に示すように蒸発器４の入口側の配管１４と蒸発器４の出口側の配管１５にそれぞれ温度測定用サーミスタから成る温度センサ２０、２５を取り付け、両温度センサ２０、２５にて検出される冷媒の温度に基づき膨張弁３の弁開度が制御されていた。
【００２４】
具体的には、蒸発器４にて冷媒が完全に蒸発して、蒸発器４から吐出される冷媒が完全に気体となる場合には、温度センサ２５にて検出される冷媒温度は高くなる。即ち、温度センサ２０にて検出される冷媒と温度センサ２５にて検出される冷媒との温度差が大きくなる。これに対し、蒸発器４にて冷媒が完全に蒸発せずに、液状態の冷媒が混在した状態では、温度センサ２５にて検出される冷媒温度は低くなる。即ち、温度センサ２０にて検出される冷媒と温度センサ２５にて検出される冷媒との温度差が小さくなる。
【００２５】
そこで、従来の冷凍サイクル装置では、制御装置（制御手段）により、温度センサ２０と温度センサ２５にて検出される冷媒温度の出力に基づいて、両温度センサ２０、２５にて検出される冷媒の温度差が大きくなるように膨張弁３の弁開度を制御して、蒸発器４にて冷媒を完全に蒸発させて、係るコンプレッサ１の液圧縮を確実に防いでいた。
【００２６】
しかしながら、上記の如く膨張弁３を制御した場合、蒸発器４から出る冷媒を完全に気体の状態とすることができるが、蒸発器４内の出口付近で冷媒が既に気体の状態となるため、係る蒸発器４全体で吸熱能力を発揮させることができなかった。
【００２７】
また、蒸発器４の出口側に設けた温度センサ２５に換えてコンプレッサ１の吸込側（図８では内部熱交換器７の出口側の冷媒導入管１０）に温度センサを設けて、この温度センサと蒸発器４の入口の温度センサ２０にて検出される冷媒温度に基づいて、膨張弁３を制御したとしても、上記同様にコンプレッサ１に吸い込まれる冷媒が完全に気体となるように制御することができるだけで、蒸発器４内において冷媒が出口付近まで液状態であるか否かを判断することはできなかった。従って、この場合にも蒸発器４全体で吸熱能力を発揮させることが困難であった。
【００２８】
そこで、本発明では、蒸発器４の出口側にヘッダー５と、蒸発器入口の冷媒温度を検出する第１の温度センサ（温度測定用サーミスタ）と、前記ヘッダー５における冷媒温度、若しくは、当該ヘッダー５出口の冷媒温度を検出する第２の温度センサ（温度測定用サーミスタ等）とを設けて、両温度センサの出力に基づいて膨張弁３の弁開度を制御するものとする。
【００２９】
具体的に、本実施例では前記蒸発器４の出口温度を検出する温度センサ２５を廃止し、蒸発器４の出口側にヘッダー５を設けて、新たにこのヘッダー５における冷媒温度を検出する温度センサ２２（第２の温度センサ）を設置すると共に、制御装置３０が蒸発器４の入口側の温度センサ２０（第１の温度センサ）と、温度センサ２２の出力に基づいて膨張弁３の弁開度を段階的に制御（ステップ制御）するものとする。
【００３０】
上記ヘッダー５は、蒸発器４からの液状態の冷媒を貯留することができるものである。実施例のヘッダー５は、縦長円筒状の容器４０から構成され、この容器４０の底面４０Ｂの軸心方向の略中心には入口４２が形成されており、当該入口４２には前記蒸発器４の出口に接続された冷媒配管１５が接続され、この冷媒配管１５の一端が容器４０内の上方であって、当該容器４０内に貯留される液冷媒の液面より上となる位置にて開口している。また、容器４０の天面４０Ｔの軸心方向の略中心には出口４３が形成されている。この出口４３にはコンプレッサ１０の第１の圧縮要素１Ａの吸込側に至る前記冷媒導入管１０が接続されている。
【００３１】
これにより、入口４２に接続された冷媒配管１５より当該ヘッダー５の容器４０に流入した冷媒のうち、液状態の冷媒が当該容器４０内に蓄えられて、気体の冷媒のみが出口４３に接続された冷媒導入管１０よりヘッダー５から出て行くこととなる。
【００３２】
また、上記温度センサ２０は、膨張弁３の出口から蒸発器４の入口、或いは、蒸発器４に入った直後までの間に設けるものとする。本実施例の温度センサ２０は、膨張弁３の出口と蒸発器４の入口とを接続する冷媒配管１４の途中部に交熱的に取り付けられている。そして、本実施例の温度センサ２２は、図２に示すようにヘッダー５の容器４０入口に接続された冷媒配管１５の開口１５Ａの直上となる位置、即ち、当該ヘッダー５内に貯留される液冷媒の最大液位より上となる容器４０の側面に交熱的に取り付けられている。従って、温度センサ２２はヘッダー５内に流入した冷媒によって冷却された当該ヘッダー５自体の温度から実質的にヘッダー５内の冷媒温度を検出している。この場合、内部熱交換器７は温度センサ２２の冷媒下流側に位置することとなる。
【００３３】
ここで、制御装置３０は、前記温度センサ２０、２２にて検出される冷媒温度に基づいて、膨張弁３の弁開度を段階的に制御（ステップ制御）している。具体的に、制御装置３０は、両温度センサ２０、２２の出力に基づいて蒸発器４における冷媒の過熱度を判断し、この過熱度が大きい場合に膨張弁の弁開度を拡大し、過熱度が小さい場合は膨張弁の弁開度を縮小する。
【００３４】
この場合、本発明の如くヘッダー５を設けると共に、当該ヘッダー５に温度センサ２２を取り付けて、ヘッダー５における冷媒温度を検出することで、ヘッダー５内の液冷媒の有無により膨張弁３の弁開度を制御することができるようになる。即ち、蒸発器４から出た冷媒が殆ど気体の状態となると、ヘッダー５内の液冷媒が少なく、或いは、無くなるので、ヘッダー５内における冷媒温度がその分高くなる。これにより、蒸発器４に入る冷媒とヘッダー５における冷媒との温度差が大きくなることとなる。これに対して、蒸発器４から出た冷媒が気液混合状態中であって、その液分が多くなると、ヘッダー５内の液量が多くなり、蒸発器４に入る冷媒とヘッダー５における冷媒との温度差が小さくなる。
【００３５】
そこで、温度センサ２２にて検出されるヘッダー５における冷媒と温度センサ２０にて検出される蒸発器４入口の冷媒との温度差に基づいて、当該温度差がヘッダー５に液冷媒が所定量溜まっている状態となるように制御装置３０により膨張弁３の弁開度を制御するものとする。即ち、温度センサ２２にて検出される冷媒と温度センサ２０にて検出される冷媒との温度差がヘッダー５に液冷媒が所定量溜まっている状態となる所定範囲内、即ち、所定の上限値Ｔｍａｘと所定の下限値Ｔｍｉｎの間となるように予め設定し、この設定されたされた範囲内となるように制御装置３０により膨張弁３の弁開度を制御するものとする。具体的な膨張弁３の制御については後に詳述する。
【００３６】
以上の構成で、次に、本実施例の冷凍サイクル装置Ｓの動作を図３のｐ−ｈ線図（モリエル線図）を用いて説明する。先ず、冷凍サイクル装置Ｓの電源が投入されると、制御装置３０により、コンプレッサ１の図示しない電動要素に通電される。これにより、第１及び第２の圧縮要素１Ａ、１Ｂが駆動されて、冷媒導入管１０から第１の圧縮要素１Ａに蒸発器４からの低温低圧の冷媒が吸い込まれる（図３のＡの状態）。第１の圧縮要素１Ａに吸い込まれた冷媒は、圧縮されて中間圧となり、冷媒導入管１１に吐出される（図３のＢの状態）。冷媒導入管１１に吐出された中間圧の冷媒は、中間冷却器５を通過する過程で冷却される（図３のＣの状態）。これにより、第２の圧縮要素１Ｂに吸い込まれる冷媒を冷却することができるので、第２の圧縮要素１Ｂにおける圧縮効率を向上させることができる。更に、第２の圧縮要素１Ｂで圧縮され、吐出される冷媒の温度上昇も抑制して、蒸発器４における冷却能力（冷凍能力）の改善に寄与できる。
【００３７】
中間冷却器５で冷却され、図３のＣの状態となった冷媒は、第２の圧縮要素１Ｂに吸入され、２段目の圧縮が行われて高温高圧の冷媒ガスとなり、冷媒吐出管１２より圧縮機１の外部に吐出される。このとき、冷媒は適切な超臨界圧力まで圧縮されている（図３のＤの状態）。コンプレッサ１から吐出された冷媒は冷媒吐出管１２を経て放熱器２に流入し、そこで放熱した後（図３のＥの状態）、放熱器２から出て冷媒配管１３に入り、内部熱交換器７を通過する。
【００３８】
そして、当該内部熱交換器７を流れる過程で冷媒配管１３を流れる放熱器２から出た高圧側の冷媒は、ヘッダー５を出た低圧側の冷媒と熱交換する。これにより、冷媒配管１３を流れる高圧側の冷媒は、冷媒導入管１０を流れる低圧側の冷媒に熱を奪われて更に冷却される（図３のＦの状態）。
【００３９】
この内部熱交換器７の存在により、放熱器２を経た高圧側の冷媒は、低圧側の冷媒に熱を奪われ冷却されて、図３のＥの状態からＦの状態となるるので、その分、冷媒の過冷却度が大きくなり、蒸発器４におけるエントルピー差を拡大することができる。これにより、蒸発器４における冷却能力を向上させることが可能となる。
【００４０】
係る内部熱交換器７で冷却されて図３のＦの状態となった冷媒は、膨張弁３に至る。そして、冷媒は膨張弁３における減圧作用で圧力が低下し（図３のＧの状態）、その状態で蒸発器４に流入して蒸発し、周囲の空気から吸熱することにより冷却作用を発揮する（図３のＨの状態）。蒸発器４にて蒸発した冷媒はヘッダー５に流入する。このとき、蒸発器４から出た冷媒は完全に気体の状態ではなく液体が混在した二相混合状態であり、この冷媒の液相分がヘッダー５において分離され、当該ヘッダー５の容器４０内に貯留される。
【００４１】
そして、この液相分と分離された気相冷媒はこの容器４０内に接続された冷媒導入管１０に流入し、前記内部熱交換器７を通過する。そして、内部熱交換器７を流れる過程で冷媒導入管１０を流れる低圧側の冷媒は、前述した冷媒配管１３を流れる放熱器２から出た高圧側の冷媒と熱交換する。これにより、冷媒導入管１０を流れる低圧側の冷媒は、冷媒配管１３を流れる高圧側の冷媒から熱を奪い、加熱作用を受けて図３のＡの状態となる。内部熱交換器７で加熱された冷媒は、コンプレッサ１の第１の圧縮要素１Ａに吸い込まれるサイクルを繰り返す。
【００４２】
次に、上記運転時における膨張弁３の弁開度制御について図４を用いて詳述する。先ず、上述したように制御装置３０によりコンプレッサ１の通電が開始されると（図４のステップＳ１）、制御装置３０は、ステップＳ２に進んで各温度センサ２０、２２の出力を検出する。即ち、温度センサ２０にて蒸発器４に入る冷媒温度（蒸発器入口温度）Ｔｅを検出すると共に、温度センサ２２にてヘッダー５内における冷媒温度（ヘッダー側温度）Ｔｈを検出する。
【００４３】
上記の如く各温度センサ２０、２２にて各冷媒温度Ｔｅ、Ｔｈを検出すると、制御装置３０は次にステップＳ３に移行し、過熱度を計算する。即ち、制御装置３０は上記ステップＳ２にて検出した各冷媒温度Ｔｈ、Ｔｅから過熱度ＳＨを算出する。具体的に、制御装置３０により、蒸発器４に入る冷媒温度Ｔｅとヘッダー５内における冷媒温度Ｔｈとの差（ＳＨ＝Ｔｈ−Ｔｅ）が算出される。
【００４４】
次に、制御装置３０はステップＳ４に移行し、上記ステップＳ３にて算出された過熱度ＳＨと、上述したように予め設定された所定の上限値Ｔｍａｘとを比較する。そして、過熱度ＳＨが上限値Ｔｍａｘより高い場合、制御装置３０はステップＳ５に移行し、膨張弁３の弁開度を拡大する。即ち、過熱度ＳＨが上限値Ｔｍａｘより高いということは、ヘッダー５内に液が無く、蒸発器４の出口付近の冷媒が殆ど気体の状態であることを意味する。
【００４５】
そこで、上記のようにステップＳ４にて過熱度ＳＨが上限値Ｔｍａｘより高いと判断された場合には、制御装置３０はステップＳ５に移行して、膨張弁３の弁開度を拡大する。具体的に、本実施例の制御装置３０は、膨張弁３を所定ステップ（例えば、１ステップ）開いた後、ステップＳ２に戻る。このように、過熱度ＳＨが上限値Ｔｍａｘより高い場合、膨張弁３の弁開度を拡大することで、膨張弁３の絞り量が減少し、蒸発器４により多くの冷媒が流れるようになる。
【００４６】
一方、ステップＳ４にて過熱度ＳＨが上限値Ｔｍａｘ以下である場合、制御装置３０は次にステップＳ６に移行し、過熱度ＳＨと、予め設定された所定の下限値Ｔｍｉｎとを比較する。そして、過熱度ＳＨが下限値Ｔｍｉｎより低い場合、制御装置３０はステップＳ７に移行し、膨張弁３の弁開度を縮小する。即ち、過熱度ＳＨが下限値Ｔｍｉｎより低いということは、蒸発器４から出る冷媒の液分が多く、ヘッダー５内の液量が過剰であることを意味する。この場合には、ヘッダー５にて液状態の冷媒を分離しきれずに、冷媒導入管１０内に冷媒中に液相の冷媒が流れ込む恐れがある。
【００４７】
そこで、上記のようにステップＳ６にて過熱度ＳＨが下限値Ｔｍｉｎより低いと判断された場合には、制御装置３０はステップＳ７に移行して、膨張弁３の弁開度を縮小する。具体的に、本実施例の制御装置３０は、膨張弁３を所定ステップ（例えば、１ステップ）閉じた後、ステップＳ２に戻る。このように、過熱度ＳＨが下限値Ｔｍｉｎより低い場合に、膨張弁３の弁開度を縮小することで、膨張弁３の絞り量が増大し、蒸発器４に流れる冷媒量が減少して、蒸発器４から出る冷媒の液分を少なくすることができる。
【００４８】
他方、ステップＳ６にて過熱度ＳＨが下限値Ｔｍｉｎ以上である場合、蒸発器４の出口まで液状態の冷媒が来ており、且つ、ヘッダー５内に所定量の液冷媒が溜まった最適な状態であることを意味する。そこで、ステップＳ６にて過熱度ＳＨが下限値Ｔｍｉｎ以上である場合、制御装置３０はステップＳ８に移行し、膨張弁３の弁開度を維持して（膨張弁３をそのままの状態として）、ステップＳ２に戻る。そして、制御装置３０は係る制御動作を電源の始動から停止するまで繰り返し実行する。
【００４９】
以上詳述したように、蒸発器４の出口側にヘッダー５と、蒸発器４の入口の冷媒温度を検出する温度センサ２０と、ヘッダー５における冷媒温度を検出する温度センサ２２とを設けて、制御装置３０により両温度センサ２０、２２の出力に基づいて蒸発器４における冷媒の過熱度ＳＨを判断し、この過熱度ＳＨが所定の上限値Ｔｍａｘより大きい場合には、膨張弁３の弁開度を拡大し、過熱度ＳＨが所定の下限値Ｔｍｉｎより小さい場合には、膨張弁３の弁開度を縮小することで、上述したように蒸発器４出口まで液状態の冷媒が来るように最適な状態に制御することができる。
【００５０】
これにより、蒸発器４全体で吸熱能力を発揮させて冷却能力を改善することができるようになる。更に、係る蒸発器４の冷却能力の改善により消費電力の低減も図ることができるようになる。
【００５１】
また、放熱器２を出た冷媒とヘッダー５を出た冷媒とを熱交換させる内部熱交換器７を備えることで、放熱器２から出た冷媒を当該内部熱交換器７にてヘッダー５を出た冷媒と熱交換させて冷却することができる。これにより、冷却能力をより一層改善することができる。特に、蒸発器４の出口側にヘッダー５を接続し、このヘッダー５を出た冷媒を内部熱交換器７に流すことで、この内部熱交換器７に流れるヘッダーを経た冷媒は通常、気体の状態となるため、当該内部熱交換器７における熱交換が安定し、従って、冷媒回路内を流れる冷媒の状態を安定化することができる。
【００５２】
更に、本実施例の如く内部熱交換器７を温度センサ２２の冷媒下流側に設けることで、万が一、ヘッダー５からの冷媒に液冷媒が混在している場合であっても、当該内部熱交換器７にて蒸発させることができるので、コンプレッサ１に液冷媒が吸い込まれて、コンプレッサ１が液圧縮する不都合も確実に解消することができる。
【００５３】
更にまた、本実施例の如く冷凍サイクル装置の冷媒として、二酸化炭素冷媒を用いた場合であっても、本発明により充分な冷却能力を得ることができる。従って、本実施例の如く当該二酸化炭素を冷媒として用いた冷凍サイクル装置を冷蔵庫等の冷却用途に用いることが可能となり、当該冷凍サイクル装置の汎用性を高めることができるようになる。
【００５４】
尚、本実施例では圧縮機として第１の圧縮要素１Ａと第２の圧縮要素１Ｂとを備えた２段圧縮式のコンプレッサ１を用いて説明したが、圧縮機は実施例の如き２段の圧縮要素を備えたコンプレッサに限定されるものでなく、３段、４段、或いは、それ以上の圧縮要素要素を備えた圧縮機を適用することも可能である。また、図５に示すように単段のコンプレッサ１を用いることも可能である。
【実施例２】
【００５５】
次に、本発明の他の実施例について図６を用いて説明する。尚、図６において前記図１乃至図５と同一の符号が付されたものは同様、或いは、類似の効果、若しくは、作用を奏するものであるため、ここでは説明を省略する。
【００５６】
上記実施例（実施例１）では、ヘッダー５の側面に温度センサ２２を設置し、温度センサ２２にてヘッダー５における冷媒温度を検出して、制御装置３０により両温度センサ２０、２２の出力に基づいて膨張弁３の弁開度を制御するものとしたが、本施例では、上記実施例１の温度センサ２２に換えて、図６に示す如きヘッダー５出口の冷媒温度を検出する温度センサ２３（第２の温度センサ）を設置し、制御装置３０により両温度センサ２０、２３の出力に基づいて膨張弁３の弁開度を制御する。
【００５７】
即ち、本実施例の温度センサ２３はヘッダー５の出口に接続された冷媒導入管１０の途中部に交熱的に取り付けられている。従って、温度センサ２３はヘッダー５から出た冷媒によって冷された冷媒導入管１０の温度から実質的にヘッダー５から出た冷媒の温度を検出している。
【００５８】
この場合、制御装置３０は、温度センサ２０、２３にて検出される冷媒温度に基づき、膨張弁３の弁開度を膨張弁３の弁開度を段階的に制御（ステップ制御）している。具体的に、制御装置３０は、両温度センサ２０、２３の出力に基づいて蒸発器４における冷媒の過熱度を判断し、この過熱度が大きい場合に膨張弁の弁開度を拡大し、過熱度が小さい場合は膨張弁の弁開度を縮小する。
【００５９】
本実施例の如くヘッダー５の出口に接続された冷媒導入管１０に温度センサ２３を取り付けて、ヘッダー５から出た冷媒の温度を検出することで、ヘッダー５内の液冷媒の有無を判断することができる。即ち、蒸発器４から出た冷媒が殆ど気体の状態となると、ヘッダー５内の液冷媒が少なく、或いは、無くなるので、冷媒導入管１０に流れる冷媒の温度がその分高くなる。これにより、蒸発器４に入る冷媒とヘッダー５の出口の冷媒（冷媒導入管１０を流れる冷媒）との温度差が大きくなる。これに対して、ヘッダー５内に液冷媒が貯留されており、且つ、冷媒導入管１０に流れる冷媒が気体の状態となる場合には、蒸発器４に入る冷媒とヘッダー５出口の冷媒（即ち、冷媒導入管１０に流れる冷媒）との温度差が上記より小さくなる。更に、ヘッダー５内の液量が過剰となり、冷媒導入管１０に流れる冷媒中に液分が混在する状態となると、蒸発器４に入る冷媒とヘッダー５出口の冷媒との温度差がより一層小さくなる。
【００６０】
このように、ヘッダー５出口の冷媒の状態やヘッダー５内の状態により温度センサ２０にて検出される冷媒と温度センサ２３にて検出される冷媒との間に温度差が生じるので、係る温度差を考慮して、膨張弁３の弁開度を制御することで、蒸発器４の出口まで液状態の冷媒が来て、且つ、コンプレッサ１の入口では気体の状態となるような最適な状態とすることができる。
【００６１】
そこで、本実施例では、温度センサ２３にて検出されるヘッダー５出口の冷媒温度と温度センサ２０にて検出される蒸発器４入口の冷媒温度との差に基づき、当該温度差がヘッダー５に液冷媒が溜まっている状態であって、且つ、係る温度センサ２３が設けられた冷媒導入管１０において冷媒が気体の状態となるように制御装置３０により膨張弁３の弁開度を制御するものとする。即ち、温度センサ２３にて検出される冷媒と温度センサ２０にて検出される冷媒との温度差がヘッダー５に液冷媒が所定量溜まっている状態であって、且つ、冷媒導入管１０において冷媒の状態が気体となる所定範囲内、即ち、所定の上限値Ｔｍａｘと所定の下限値Ｔｍｉｎの間となるように予め設定し、この設定されたされた範囲内となるように制御装置３０により膨張弁３の弁開度を制御するものとする。
【００６２】
ここで、上記膨張弁３の弁開度制御について詳述する。尚、冷凍サイクル装置Ｓの動作は前記実施例１と同様であるため、ここでは説明を省略する。また、膨張弁３の弁開度制御については前記実施例１で用いた図４を用いて説明する。
【００６３】
先ず、前記実施例同様に制御装置３０によりコンプレッサ１の通電が開始されると（図４のステップＳ１）、制御装置３０は、ステップＳ２に進んで各温度センサ２０、２３の出力を検出する。即ち、温度センサ２０にて蒸発器４に入る冷媒温度（蒸発器入口温度）Ｔｅを検出すると共に、温度センサ２３にて、冷媒導入管１０を流れるヘッダー５出口の冷媒温度（ヘッダー側温度）Ｔｈを検出する。
【００６４】
上記の如く各温度センサ２０、２３にて各冷媒温度Ｔｅ、Ｔｈを検出すると、制御装置３０は次にステップＳ３に移行し、過熱度を計算する。即ち、制御装置３０は上記ステップＳ２にて検出した各冷媒温度Ｔｈ、Ｔｅから過熱度ＳＨを算出する。具体的に、制御装置３０により、蒸発器４に入る冷媒温度Ｔｅとヘッダー５から出た冷媒温度Ｔｈとの差（ＳＨ＝Ｔｈ−Ｔｅ）が算出される。
【００６５】
次に、制御装置３０はステップＳ４に移行し、上記ステップＳ３にて算出された過熱度ＳＨと、上述したように予め設定された所定の上限値Ｔｍａｘとを比較する。そして、過熱度ＳＨが上限値Ｔｍａｘより高い場合、制御装置３０はステップＳ５に移行し、膨張弁３の弁開度を拡大する。即ち、過熱度ＳＨが上限値Ｔｍａｘより高いということは、ヘッダー５内に液が無く、蒸発器４の出口付近の冷媒が殆ど気体の状態であることを意味する
【００６６】
そこで、上記のようにステップＳ４にて過熱度ＳＨが上限値Ｔｍａｘより高いと判断された場合には、制御装置３０はステップＳ５に移行して、膨張弁３の弁開度を拡大する。具体的に、本実施例の制御装置３０は、膨張弁３を所定ステップ（例えば、１ステップ）開いた後、ステップＳ２に戻る。このように、過熱度ＳＨが上限値Ｔｍａｘより高い場合、膨張弁３の弁開度を拡大することで、膨張弁３の絞り量が減少し、蒸発器４により多くの冷媒が流れるようになる。
【００６７】
一方、ステップＳ４にて過熱度ＳＨが上限値Ｔｍａｘ以下である場合、制御装置３０は次にステップＳ６に移行し、過熱度ＳＨと、予め設定された所定の下限値Ｔｍｉｎとを比較する。そして、過熱度ＳＨが下限値Ｔｍｉｎより低い場合、制御装置３０はステップＳ７に移行し、膨張弁３の弁開度を縮小する。即ち、過熱度ＳＨが下限値Ｔｍｉｎより低いということは、蒸発器４から出る冷媒の液分が多く、ヘッダー５内の液量が過剰となり、ヘッダー５にて液状態の冷媒を分離しきれずに、冷媒導入管１０を通過する冷媒中に液冷媒が混在している恐れがあることを意味する。
【００６８】
そこで、上記のようにステップＳ６にて過熱度ＳＨが下限値Ｔｍｉｎより低いと判断された場合には、制御装置３０はステップＳ７に移行して、膨張弁３の弁開度を縮小する。具体的に、本実施例の制御装置３０は、膨張弁３を所定ステップ（例えば、１ステップ）閉じた後、ステップＳ２に戻る。このように、過熱度ＳＨが下限値Ｔｍｉｎより低い場合に、膨張弁３の弁開度を縮小することで、膨張弁３の絞り量が増大し、蒸発器４に流れる冷媒量が減少して、蒸発器４から出る冷媒の液分を少なくすることができる。
【００６９】
他方、ステップＳ６にて過熱度ＳＨが下限値Ｔｍｉｎ以上である場合、蒸発器４の出口まで液状態の冷媒が来て、且つ、コンプレッサ１の入口では気体の状態となる最適な状態であることを意味する。そこで、ステップＳ６にて過熱度ＳＨが下限値Ｔｍｉｎ以上である場合、制御装置３０はステップＳ８に移行し、膨張弁３の弁開度を維持して（膨張弁３をそのままの状態として）、ステップＳ２に戻る。そして、制御装置３０はこの制御動作を電源の始動から停止するまで繰り返し実行する。
【００７０】
以上詳述したように、蒸発器４の出口側にヘッダー５と、蒸発器４の入口の冷媒温度を検出する温度センサ２０と、ヘッダー５出口の冷媒温度を検出する温度センサ２３とを設けて、制御装置３０により両温度センサ２０、２３の出力に基づいて蒸発器４における冷媒の過熱度ＳＨを判断し、この過熱度ＳＨが所定の上限値Ｔｍａｘより大きい場合には、膨張弁３の弁開度を拡大し、過熱度ＳＨが所定の下限値Ｔｍｉｎより小さい場合には、膨張弁３の弁開度を縮小することで、上記実施例同様の効果を得ることができるようになる。
【００７１】
即ち、本実施例の場合にも、蒸発器４出口まで液状態の冷媒が来るような最適な状態に制御することができる。これにより、蒸発器４全体で吸熱能力を発揮させて冷却能力を改善することができるようになる。更に、係る蒸発器４の冷却能力の改善により消費電力の低減も図ることができるようになる。
【００７２】
また、放熱器２を出た冷媒とヘッダー５を出た冷媒とを熱交換させる内部熱交換器７を備えることで、放熱器２から出た冷媒を当該内部熱交換器７にてヘッダー５を出た冷媒と熱交換させて冷却することができる。これにより、冷却能力をより一層改善することができる。特に、蒸発器４の出口側にヘッダー５を接続し、このヘッダー５を出た冷媒を内部熱交換器７に流すことで、この内部熱交換器７に流れるヘッダーを経た冷媒は通常、気体の状態となるため、当該内部熱交換器７における熱交換が安定し、従って、冷媒回路内を流れる冷媒の状態を安定化することができる。
【００７３】
更に、本実施例の如く内部熱交換器７を温度センサ２３の冷媒下流側に設けることで、万が一、ヘッダー５からの冷媒に液冷媒が混在している場合であっても、当該内部熱交換器７にて蒸発させることができるので、コンプレッサ１に液冷媒が吸い込まれて、コンプレッサ１が液圧縮する不都合も確実に解消することができる。
【００７４】
更にまた、本実施例の如く冷凍サイクル装置の冷媒として、二酸化炭素冷媒を用いた場合であっても、本発明により充分な冷却能力を得ることができる。従って、本実施例の如く当該二酸化炭素を冷媒として用いた冷凍サイクル装置を冷蔵庫等の冷却用途に用いることが可能となり、当該冷凍サイクル装置の汎用性を高めることができるようになる。
【００７５】
尚、本実施例では圧縮機として第１の圧縮要素１Ａと第２の圧縮要素１Ｂとを備えた２段圧縮式のコンプレッサ１を用いて説明したが、圧縮機は実施例の如き２段の圧縮要素を備えたコンプレッサに限定されるものでなく、３段、４段、或いは、それ以上の圧縮要素要素を備えた圧縮機を適用することも可能である。また、図７に示すように単段のコンプレッサ１を用いても差し支えない。
【００７６】
更に、上記各実施例の冷凍サイクル装置では、冷媒として二酸化炭素を用いるものとしたが、請求項１乃至請求項３の発明では、冷媒は二酸化炭素に限定されない。従って、冷凍サイクル装置の冷媒として二酸化炭素以外に他の冷媒を用いても上記各発明は有効である。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の一実施例の冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。（実施例１）
【図２】図１に示すヘッダーの拡大縦断面図である。
【図３】図１の冷凍サイクル装置の制御を示すフローチャートである。
【図４】図１の冷凍サイクル装置のｐ−ｈ線図（モリエル線図）である。
【図５】図１の冷凍サイクル装置の圧縮機として他の圧縮機（単段圧縮式の圧縮機）を用いた場合の一例を示す冷媒回路図である。
【図６】本発明の他の実施例の冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。（実施例２）
【図７】図６の冷凍サイクル装置の圧縮機として他の圧縮機（単段圧縮式の圧縮機）を用いた場合の一例を示す冷媒回路図である。
【図８】従来の冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。
【符号の説明】
【００７８】
Ｓ    冷凍サイクル装置
１    多段圧縮式コンプレッサ（圧縮機）
１Ａ  第１の圧縮要素
１Ｂ  第２の圧縮要素
２  放熱器
３  膨張弁
４  蒸発器
５  ヘッダー
７  内部熱交換器
８  中間冷却器
９  逆止弁
１０、１１  冷媒導入管
１２  冷媒吐出管
１３、１４、１５  冷媒配管
２０  温度センサ（第１の温度センサ）
２２、２３  温度センサ（第２の温度センサ）
３０  制御装置（制御手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2008196826.tif 000007
【図６】
2008196826.tif 000008
【図７】
2008196826.tif 000009
【図８】
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