(57)【要約】【課題】冷媒の流れ方向に応じた膨張機を用いることで、密度比一定の制約を最大限回避し、幅広い運転範囲の中で高い動力回収効果を得ること。【解決手段】冷媒に二酸化炭素を用い、圧縮機と室外側熱交換器と膨張機と室内側熱交換器とを備えた冷凍サイクルに、膨張機と並列に設けたバイパス回路と、バイパス回路を流れる冷媒流量を調整する制御弁とを設け、膨張機で回収した動力により圧縮機を駆動し、膨張機を流れる第１冷凍サイクルとバイパス回路を流れる第２冷凍サイクルとの最適高圧をＰｈ、Ｐｈにおけるバイパス回路を流れるバイパス量比をＲｂ０、Ｐｈにおける第１冷凍サイクルの最大冷凍サイクル効率ＣＯＰｅ、Ｐｈにおける第２冷凍サイクルの最大冷凍サイクル効率ＣＯＰｂとしたとき、（１−Ｒｂ０）×ＣＯＰｅ＋Ｒｂ０×ＣＯＰｂを最大にする最適高圧Ｐｈを決定する冷凍サイクル装置の高圧冷媒圧力の決定方法。【選択図】        図１
2004150750.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒として二酸化炭素を用い、圧縮機と室外側熱交換器と膨張機と室内側熱交換器とを備えた冷凍サイクルに、前記膨張機と並列に設けたバイパス回路と、前記バイパス回路を流れる冷媒流量を調整する制御弁とを設け、前記膨張機で回収した動力によって前記圧縮機を駆動する冷凍サイクル装置の高圧冷媒圧力の決定方法であって、前記膨張機を流れる第１冷凍サイクルと前記バイパス回路を流れる第２冷凍サイクルとの最適高圧をＰｈ、前記Ｐｈにおける前記バイパス回路を流れるバイパス量比をＲｂ０、前記Ｐｈにおける前記第１冷凍サイクルの最大冷凍サイクル効率ＣＯＰｅ、前記Ｐｈにおける前記第２冷凍サイクルの最大冷凍サイクル効率ＣＯＰｂとしたとき、（１−Ｒｂ０）×ＣＯＰｅ＋Ｒｂ０×ＣＯＰｂを最大にする最適高圧Ｐｈを決定することを特徴とする冷凍サイクル装置の高圧冷媒圧力の決定方法。
【請求項２】
請求項１に記載の冷凍サイクル装置の高圧冷媒圧力の決定方法によって決定された高圧冷媒圧力となるように前記制御弁を制御す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３】
冷媒として二酸化炭素を用い、圧縮機と室外側熱交換器と膨張機と室内側熱交換器とを備えた冷凍サイクルに、前記膨張機と並列に設けたバイパス回路と、前記バイパス回路を流れる冷媒流量を調整する制御弁とを設け、前記膨張機で回収した動力によって前記圧縮機を駆動する冷凍サイクル装置であって、前記バイパス回路を流れる高圧冷媒と、前記圧縮機に吸入される前の低圧冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を設けたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項４】
冷媒として二酸化炭素を用い、圧縮機と室外側熱交換器と膨張機と室内側熱交換器と補助圧縮機とを備えた冷凍サイクルに、前記膨張機と並列に設けたバイパス回路と、前記バイパス回路を流れる冷媒流量を調整する制御弁とを設け、前記膨張機で回収した動力によって前記補助圧縮機を駆動する冷凍サイクル装置であって、前記バイパス回路を流れる高圧冷媒と、前記圧縮機に吸入される前の低圧冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を設けたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項５】
請求項３又は請求項４に記載の冷凍サイクル装置において、前記膨張機を流れる第１冷凍サイクルと前記バイパス回路を流れる第２冷凍サイクルとの最適高圧をＰｈ、前記Ｐｈにおける前記バイパス回路を流れるバイパス量比をＲｂ０、前記Ｐｈにおける前記第１冷凍サイクルの最大冷凍サイクル効率ＣＯＰｅ、前記Ｐｈにおける前記第２冷凍サイクルの最大冷凍サイクル効率ＣＯＰｂとしたとき、（１−Ｒｂ０）×ＣＯＰｅ＋Ｒｂ０×ＣＯＰｂが最大となるＰｈを決定することを特徴とする冷凍サイクル装置の高圧冷媒圧力の決定方法。
【請求項６】
請求項５に記載の冷凍サイクル装置の高圧冷媒圧力の決定方法によって決定された高圧冷媒圧力となるように前記制御弁を制御す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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷媒として二酸化炭素を用い、圧縮機と室外側熱交換器と膨張機と室内側熱交換器とを備えた冷凍サイクルに、膨張機と並列に設けたバイパス回路と、バイパス回路を流れる冷媒流量を調整する制御弁とを設け、膨張機で回収した動力によって圧縮機又は補助圧縮機を駆動する冷凍サイクル装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
冷凍サイクル装置を循環する冷媒の質量循環量は、冷凍サイクルのどのポイントにおいても等しく、圧縮機と膨張機が同軸で回転しているサイクルにおいては、それぞれの回転数が等しいため、圧縮機を通る冷媒の吸入密度をＤＣ、膨張機を通る冷媒の吸入密度をＤＥとすると、ＤＥ／ＤＣ（密度比）は常に一定で運転される。
一方、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（以下、ＣＯ２という）を冷媒として用いる冷凍サイクル装置が近年着目されているが、ＣＯ２冷媒は、臨界温度が３１．０６℃と低く、この温度よりも高い温度を利用する場合には、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ＣＯ２冷媒の凝縮が生じない超臨界状態となり、従来の冷媒に比べて、冷凍サイクル装置の運転効率が低下するといった特徴を有する。従って、ＣＯ２冷媒を用いた冷凍サイクル装置において、最適なＣＯＰを維持するためには、冷媒温度の変化に応じて最適な冷媒圧力とすることが必要である。
しかし、冷凍サイクル装置に膨張機を設け、この膨張機で回収した動力を圧縮機の駆動力の一部に利用する場合には、圧縮機と膨張機が同軸で回転しているサイクルにおいては膨張機と圧縮機との回転数を同じにしなければならず、密度比一定の制約のもとでは、運転条件が変化した場合の最適なＣＯＰを維持することは困難である。
そこで、膨張機をバイパスするバイパス管を設けて、膨張機に流入する冷媒流量を制御することで、最適なＣＯＰを維持する構成が提案されている（例えば特許文献１及び特許文献２参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−２３４８１４号公報（段落番号（００２４）（００２５）図１）
【特許文献２】
特開２００１−１１６３７１号公報（段落番号（００２３）図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、例えば特許文献１では、高圧側の圧力が所定圧力以上の場合にはバイパス量を増加させ、所定圧力以下の場合にはバイパス量を減少させることが記載されているが、バイパス量を調整するための所定圧力の具体的な決定方法は示されていない。
【０００５】
そこで本発明は、膨張機をバイパスするバイパス回路を有する場合に、このバイパス量を具体的に決定する方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明の冷凍サイクル装置の高圧冷媒圧力の決定方法は、冷媒として二酸化炭素を用い、圧縮機と室外側熱交換器と膨張機と室内側熱交換器とを備えた冷凍サイクルに、前記膨張機と並列に設けたバイパス回路と、前記バイパス回路を流れる冷媒流量を調整する制御弁とを設け、前記膨張機で回収した動力によって前記圧縮機を駆動する冷凍サイクル装置の高圧冷媒圧力の決定方法であって、前記膨張機を流れる第１冷凍サイクルと前記バイパス回路を流れる第２冷凍サイクルとの最適高圧をＰｈ、前記Ｐｈにおける前記バイパス回路を流れるバイパス量比をＲｂ０、前記Ｐｈにおける前記第１冷凍サイクルの最大冷凍サイクル効率ＣＯＰｅ、前記Ｐｈにおける前記第２冷凍サイクルの最大冷凍サイクル効率ＣＯＰｂとしたとき、（１−Ｒｂ０）×ＣＯＰｅ＋Ｒｂ０×ＣＯＰｂを最大にする最適高圧Ｐｈを決定することを特徴とする。
請求項２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の高圧冷媒圧力の決定方法によって決定された高圧冷媒圧力となるように前記制御弁を制御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は、冷媒として二酸化炭素を用い、圧縮機と室外側熱交換器と膨張機と室内側熱交換器とを備えた冷凍サイクルに、前記膨張機と並列に設けたバイパス回路と、前記バイパス回路を流れる冷媒流量を調整する制御弁とを設け、前記膨張機で回収した動力によって前記圧縮機を駆動する冷凍サイクル装置であって、前記バイパス回路を流れる高圧冷媒と、前記圧縮機に吸入される前の低圧冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を設けたことを特徴とする。
請求項４記載の本発明の冷凍サイクル装置は、冷媒として二酸化炭素を用い、圧縮機と室外側熱交換器と膨張機と室内側熱交換器と補助圧縮機とを備えた冷凍サイクルに、前記膨張機と並列に設けたバイパス回路と、前記バイパス回路を流れる冷媒流量を調整する制御弁とを設け、前記膨張機で回収した動力によって前記補助圧縮機を駆動する冷凍サイクル装置であって、前記バイパス回路を流れる高圧冷媒と、前記圧縮機に吸入される前の低圧冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を設けたことを特徴とする。
請求項５記載の本発明の冷凍サイクル装置の高圧冷媒圧力の決定方法は、請求項３又は請求項４に記載の冷凍サイクル装置において、前記膨張機を流れる第１冷凍サイクルと前記バイパス回路を流れる第２冷凍サイクルとの最適高圧をＰｈ、前記Ｐｈにおける前記バイパス回路を流れるバイパス量比をＲｂ０、前記Ｐｈにおける前記第１冷凍サイクルの最大冷凍サイクル効率ＣＯＰｅ、前記Ｐｈにおける前記第２冷凍サイクルの最大冷凍サイクル効率ＣＯＰｂとしたとき、（１−Ｒｂ０）×ＣＯＰｅ＋Ｒｂ０×ＣＯＰｂが最大となるＰｈを決定す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５に記載の冷凍サイクル装置の高圧冷媒圧力の決定方法によって決定された高圧冷媒圧力となるように前記制御弁を制御することを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明による第１の実施の形態は、膨張機を流れる第１冷凍サイクルとバイパス回路を流れる第２冷凍サイクルとの最適高圧をＰｈ、Ｐｈにおけるバイパス回路を流れるバイパス量比をＲｂ０、Ｐｈにおける第１冷凍サイクルの最大冷凍サイクル効率ＣＯＰｅ、Ｐｈにおける第２冷凍サイクルの最大冷凍サイクル効率ＣＯＰｂとしたとき、（１−Ｒｂ０）×ＣＯＰｅ＋Ｒｂ０×ＣＯＰｂが最大となるＰｈを決定するものである。
本実施の形態によれば、（１−Ｒｂ０）×ＣＯＰｅ＋Ｒｂ０×ＣＯＰｂを最大にする最適高圧Ｐｈを決定することで、膨張機をバイパスするバイパス回路を有する冷凍サイクル装置において、適正な所定圧力を具体的に決定することができる。
本発明による第２の実施の形態は、第１の実施の形態冷凍サイクル装置の高圧冷媒圧力の決定方法によって決定された高圧冷媒圧力となるように制御弁を制御するものである。
本実施の形態によれば、膨張機をバイパスするバイパス回路を有する冷凍サイクル装置において、最適高圧で運転することができ、ＣＯＰを最大にすることができる。また高圧の上昇を防止することができ、圧縮機の信頼性を向上することができる。
本発明による第３及び第４の実施の形態は、バイパス回路を流れる高圧冷媒と、圧縮機に吸入される前の低圧冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を設けたものである。
本実施の形態によれば、制御弁入口のエンタルピが減少して冷凍能力が増加し、ＣＯＰが向上する。
本発明による第５の実施の形態は、第３又は第４の実施の形態において、（１−Ｒｂ０）×ＣＯＰｅ＋Ｒｂ０×ＣＯＰｂが最大となるＰｈを決定するものであり、膨張機をバイパスするバイパス回路を有する冷凍サイクル装置において、適正な所定圧力を具体的に決定することができる。
本発明による第６の実施の形態は、第５の実施の形態においてによって決定された高圧冷媒圧力となるように制御弁を制御するものであり、最適高圧で運転することができるためＣＯＰを最大にすることができ、また高圧の上昇を防止することができ、圧縮機の信頼性を向上することができる。
【０００８】
【実施例】
以下、本発明の一実施例による冷凍サイクル装置を、ヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置について、図面を参照して説明する。
図１は、本実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置の構成図である。
図に示すように、本実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置は、冷媒としてＣＯ２冷媒を使用し、モータ１１を有する圧縮機１と、室外側熱交換器３と、膨張機６と、室内側熱交換器８とを配管で接続した冷媒回路から構成される。
また膨張機６の流入側には予膨張弁５が設けられている。
また予膨張弁５及び膨張機６と並列に、予膨張弁５及び膨張機６をバイパスするバイパス回路が設けられ、このバイパス回路に制御弁７が設けられている。
また、膨張機６の駆動軸と圧縮機１の駆動軸とは連結されており、圧縮機１は膨張機６で回収した動力を駆動に利用している。
そしてこの冷媒回路には、圧縮機１の吐出側配管と吸入側配管とが接続される第１四方弁２と、予膨張弁５の吸入側配管と膨張機６の吐出側配管とが接続されるとともにバイパス回路が接続される第２四方弁４とを備えている。
【０００９】
本実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置の動作について以下に説明する。
まず、室外側熱交換器３を放熱器、室内側熱交換器８を蒸発器として用いる冷房運転モードについて説明する。この冷房運転モードでの冷媒流れを、図中実線矢印で示す。
冷房運転モード時の冷媒は、モータ１１で駆動される圧縮機１により高温高圧に圧縮されて吐出され、第１四方弁２を経て、室外側熱交換器３に導入される。室外側熱交換器３では、ＣＯ２冷媒は、超臨界状態であるので、気液二相状態とはならずに、空気や水などの外部流体に放熱する。その後ＣＯ２冷媒は、予膨張弁５及び膨張機６に導入され、予膨張弁５及び膨張機６で減圧される。この減圧時に膨張機６で回収した動力は圧縮機１の駆動に用いられる。このとき、例えば室外側熱交換器３の出口側で検出した高圧冷媒圧力に応じて制御弁７の開度を調整してバイパス回路に流す冷媒流量を制御する。
予膨張弁５及び膨張機６にて減圧されたＣＯ２冷媒は、第２四方弁４を経由して室内側熱交換器８に導かれ、室内側熱交換器８にて蒸発して吸熱する。この吸熱によって室内の冷房が行われる。蒸発を終えた冷媒は圧縮機１に吸入される。
【００１０】
次に、室外側熱交換器３を蒸発器、室内側熱交換器８を放熱器として用いる暖房運転モードについて説明する。この暖房運転モードでの冷媒流れを、図中波線矢印で示す。
暖房運転モード時の冷媒は、モータ１１で駆動される圧縮機１により高温高圧に圧縮されて吐出され、第１四方弁２を経て、室内側熱交換器８に導入される。室内側熱交換器８では、ＣＯ２冷媒は、超臨界状態であるので、気液二相状態とはならずに、空気や水などの外部流体に放熱し、この放熱を利用して例えば室内暖房が行われる。その後ＣＯ２冷媒は、予膨張弁５及び膨張機６に導入され、予膨張弁５及び膨張機６で減圧される。この減圧時に膨張機６で回収した動力は圧縮機１の駆動に用いられる。このとき、例えば室内側熱交換器８の出口側で検出した高圧冷媒圧力に応じて制御弁７の開度を調整してバイパス回路に流す冷媒流量を制御する。
予膨張弁５及び膨張機６にて減圧されたＣＯ２冷媒は、第２四方弁４を経由して室外側熱交換器３に導かれ、室外側熱交換器３にて蒸発して吸熱し、蒸発を終えた冷媒は第１四方弁２を経由して圧縮機１に吸入される。
【００１１】
次に、上記冷暖房運転時における制御弁７の開度を決定するための高圧冷媒圧力の決定方法と制御弁７の制御方法について説明する。
図２は、高圧圧力とＣＯＰとの関係を示す特性図であり、ＣＯＰ特性を、膨張機を流れる第１冷凍サイクルとバイパス回路を流れる第２冷凍サイクルとで別々に表したものである。図において、ＣＯＰｅは膨張機を流れる第１冷凍サイクルの特性を表し、ＣＯＰｂはバイパス回路を流れる第２冷凍サイクルの特性を表している。
図２において、Ｐｈは膨張機を流れる第１冷凍サイクルとバイパス回路を流れる第２冷凍サイクルとの最適高圧を表している。この最適高圧Ｐｈは、第１冷凍サイクルのＣＯＰｅと第２冷凍サイクルのＣＯＰｂとによって決定することができる。ただし第１冷凍サイクルを流れる冷媒流量と第２冷凍サイクルを流れる冷媒流量との比率を考慮する必要がある。
一方、図３はバイパス量比（冷凍サイクル装置全体を流れる冷媒流量に対するバイパス回路を流れる冷媒流量）と高圧との関係を示す特性図である。バイパス回路を流れる冷媒流量が増加するに従って高圧圧力は低下するが、最適高圧Ｐｈが決まれば、この最適高圧Ｐｈに対応するバイパス量比Ｒｂ０が決定される。
以上の関係から、（１−Ｒｂ０）×ＣＯＰｅ＋Ｒｂ０×ＣＯＰｂを最大にする最適高圧Ｐｈを決定することで、バイパス量比Ｒｂ０が決定される。そして決定したバイパス量比Ｒｂ０となるように制御弁７の開度を制御する。
以上のように、本実施例によれば、適正な所定圧力を具体的に決定することができ、最適高圧で運転することができ、ＣＯＰを最大にすることができる。また高圧の上昇を防止することができ、圧縮機の信頼性を向上することができる。
【００１２】
以下、本発明の他の実施例による冷凍サイクル装置を、ヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置について、図面を参照して説明する。
図４は、本実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置の構成図である。
図に示すように、本実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置は、冷媒としてＣＯ２冷媒を使用し、モータ１１を有する圧縮機１と、室外側熱交換器３と、膨張機６と、室内側熱交換器８とを配管で接続した冷媒回路から構成される。
また膨張機６の流入側には予膨張弁５が設けられている。
また予膨張弁５及び膨張機６と並列に、予膨張弁５及び膨張機６をバイパスするバイパス回路が設けられ、このバイパス回路に制御弁７が設けられている。
また内部熱交換器８０は、バイパス回路を流れる高圧冷媒と、圧縮機１に吸入される前の低圧冷媒とを熱交換させる。バイパス回路を流れる高圧冷媒と圧縮機１に吸入される前の低圧冷媒とは、対向流となるように構成されている。
また、膨張機６の駆動軸と圧縮機１の駆動軸とは連結されており、圧縮機１は膨張機６で回収した動力を駆動に利用している。
そしてこの冷媒回路には、圧縮機１の吐出側配管と吸入側配管とが接続される第１四方弁２と、予膨張弁５の吸入側配管と膨張機６の吐出側配管とが接続されるとともにバイパス回路が接続される第２四方弁４とを備えている。
【００１３】
本実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置の動作について以下に説明する。
まず、室外側熱交換器３を放熱器、室内側熱交換器８を蒸発器として用いる冷房運転モードについて説明する。この冷房運転モードでの冷媒流れを、図中実線矢印で示す。
冷房運転モード時の冷媒は、モータ１１で駆動される圧縮機１により高温高圧に圧縮されて吐出され、第１四方弁２を経て、室外側熱交換器３に導入される。室外側熱交換器３では、ＣＯ２冷媒は、超臨界状態であるので、気液二相状態とはならずに、空気や水などの外部流体に放熱する。その後ＣＯ２冷媒は、予膨張弁５及び膨張機６に導入され、予膨張弁５及び膨張機６で減圧される。この減圧時に膨張機６で回収した動力は圧縮機１の駆動に用いられる。このとき、例えば室外側熱交換器３の出口側で検出した高圧冷媒圧力に応じて制御弁７の開度を調整してバイパス回路に流す冷媒流量を制御する。ここで制御弁７の開度の調整は、上記で説明したように（１−Ｒｂ０）×ＣＯＰｅ＋Ｒｂ０×ＣＯＰｂを最大にする最適高圧Ｐｈを決定することで、バイパス量比Ｒｂ０が決定され、決定したバイパス量比Ｒｂ０となるように制御弁７の開度を制御する。
予膨張弁５及び膨張機６にて減圧されたＣＯ２冷媒は、第２四方弁４を経由して室内側熱交換器８に導かれ、室内側熱交換器８にて蒸発して吸熱する。この吸熱によって室内の冷房が行われる。蒸発を終えた冷媒は圧縮機１に吸入される。一方バイパス回路を流れる高圧冷媒は、内部熱交換器８０によって低圧冷媒と熱交換を行うことで、制御弁７の入口でのエンタルピが減少して冷凍能力が増加し、ＣＯＰが向上する。
【００１４】
次に、室外側熱交換器３を蒸発器、室内側熱交換器８を放熱器として用いる暖房運転モードについて説明する。この暖房運転モードでの冷媒流れを、図中波線矢印で示す。
暖房運転モード時の冷媒は、モータ１１で駆動される圧縮機１により高温高圧に圧縮されて吐出され、第１四方弁２を経て、室内側熱交換器８に導入される。室内側熱交換器８では、ＣＯ２冷媒は、超臨界状態であるので、気液二相状態とはならずに、空気や水などの外部流体に放熱し、この放熱を利用して例えば室内暖房が行われる。その後ＣＯ２冷媒は、予膨張弁５及び膨張機６に導入され、予膨張弁５及び膨張機６で減圧される。この減圧時に膨張機６で回収した動力は圧縮機１の駆動に用いられる。このとき、例えば室内側熱交換器８の出口側で検出した高圧冷媒圧力に応じて制御弁７の開度を調整してバイパス回路に流す冷媒流量を制御する。ここで制御弁７の開度の調整は、上記で説明したように（１−Ｒｂ０）×ＣＯＰｅ＋Ｒｂ０×ＣＯＰｂを最大にする最適高圧Ｐｈを決定することで、バイパス量比Ｒｂ０が決定され、決定したバイパス量比Ｒｂ０となるように制御弁７の開度を制御する。
予膨張弁５及び膨張機６にて減圧されたＣＯ２冷媒は、第２四方弁４を経由して室外側熱交換器３に導かれ、室外側熱交換器３にて蒸発して吸熱し、蒸発を終えた冷媒は第１四方弁２を経由して圧縮機１に吸入される。
一方バイパス回路を流れる高圧冷媒は、内部熱交換器８０によって低圧冷媒と熱交換を行うことで、制御弁７の入口でのエンタルピが減少して冷凍能力が増加し、ＣＯＰが向上する。
【００１５】
ここで本実施例による効果を図７及び図８を用いて説明する。
図７は蒸発温度とＣＯＰとの関係を示す特性図であり、膨張機とバイパス回路と内部熱交換器とを有する本実施例と、膨張機のみを有する比較例１と、膨張機とバイパス回路を有する比較例２とを表している。
図に示すように、いずれの蒸発温度においても、比較例１よりも比較例２がＣＯＰは高く、比較例２よりも本実施例の方が高いＣＯＰとなる。
【００１６】
また、図８はバイパス量の変化によるＣＯＰの向上割合を示す特性図であり、膨張機と内部熱交換器とを有する本実施例と、膨張機を有する比較例１と、内部熱交換器を有する比較例２とを表している。
図に示すように、比較例１の場合にはバイパス量が増加するに従ってＣＯＰの向上割合は低下する。一方比較例２の場合には、バイパス量が増加するに従ってＣＯＰの向上割合は上昇する。本実施例は比較例１と比較例２との双方の効果を有するため、バイパス量が増加した場合の膨張機でのＣＯＰ向上割合の低下を内部熱交換器による効果によって押さえることができる。
【００１７】
次に、本実施例における制御弁７の開度を決定するための高圧冷媒圧力の決定方法と制御弁７の制御方法について説明する。
図９は、高圧圧力とＣＯＰとの関係を示す特性図であり、ＣＯＰ特性を、膨張機を流れる第１冷凍サイクルと内部熱交換器を流れる第２冷凍サイクルとで別々に表したものである。図において、ＣＯＰｅは膨張機を流れる第１冷凍サイクルの特性を表し、ＣＯＰｉは内部熱交換器を流れる第２冷凍サイクルの特性を表している。
図９において、Ｐｈは膨張機を流れる第１冷凍サイクルと内部熱交換器を流れる第２冷凍サイクルとの最適高圧を表している。この最適高圧Ｐｈは、第１冷凍サイクルのＣＯＰｅと第２冷凍サイクルのＣＯＰｉとによって決定することができる。ただし第１冷凍サイクルを流れる冷媒流量と第２冷凍サイクルを流れる冷媒流量との比率を考慮する必要がある。
一方、図１０はバイパス量比（冷凍サイクル装置全体を流れる冷媒流量に対する内部熱交換器を流れる冷媒流量）と高圧との関係を示す特性図である。内部熱交換器を流れる冷媒流量が増加するに従って高圧圧力は低下するが、最適高圧Ｐｈが決まれば、この最適高圧Ｐｈに対応するバイパス量比Ｒｂ０が決定される。
以上の関係から、（１−Ｒｂ０）×ＣＯＰｅ＋Ｒｂ０×ＣＯＰｉを最大にする最適高圧Ｐｈを決定することで、バイパス量比Ｒｂ０が決定される。そして決定したバイパス量比Ｒｂ０となるように制御弁７の開度を制御する。
以上のように、本実施例によれば、適正な所定圧力を具体的に決定することができ、最適高圧で運転することができ、ＣＯＰを最大にすることができる。また高圧の上昇を防止することができ、圧縮機の信頼性を向上することができる。
【００１８】
以下、本発明の他の実施例による冷凍サイクル装置を、ヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置について、図面を参照して説明する。
図５は、本実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置の構成図である。
図に示すように、本実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置は、冷媒としてＣＯ２冷媒を使用し、モータ１１を有する圧縮機１と、室外側熱交換器３と、膨張機６と、室内側熱交換器８と、補助圧縮機１０とを配管で接続した冷媒回路から構成される。
また膨張機６の流入側には予膨張弁５が設けられている。
また予膨張弁５及び膨張機６と並列に、予膨張弁５及び膨張機６をバイパスするバイパス回路が設けられ、このバイパス回路に制御弁７が設けられている。
また内部熱交換器８０は、バイパス回路を流れる高圧冷媒と、補助圧縮機１０に吸入される前の低圧冷媒とを熱交換させる。バイパス回路を流れる高圧冷媒と補助圧縮機１０に吸入される前の低圧冷媒とは、対向流となるように構成されている。
また、膨張機６の駆動軸と補助圧縮機１０の駆動軸とは連結されており、補助圧縮機１０は膨張機６で回収した動力によって駆動される。
そしてこの冷媒回路には、圧縮機１の吐出側配管と補助圧縮機１０の吸入側配管とが接続される第１四方弁２と、予膨張弁５の吸入側配管と膨張機６の吐出側配管とが接続されるとともにバイパス回路が接続される第２四方弁４とを備えている。
【００１９】
本実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置の動作について以下に説明する。
まず、室外側熱交換器３を放熱器、室内側熱交換器８を蒸発器として用いる冷房運転モードについて説明する。この冷房運転モードでの冷媒流れを、図中実線矢印で示す。
冷房運転モード時の冷媒は、モータ１１で駆動される圧縮機１により高温高圧に圧縮されて吐出され、第１四方弁２を経て、室外側熱交換器３に導入される。室外側熱交換器３では、ＣＯ２冷媒は、超臨界状態であるので、気液二相状態とはならずに、空気や水などの外部流体に放熱する。その後ＣＯ２冷媒は、予膨張弁５及び膨張機６に導入され、予膨張弁５及び膨張機６で減圧される。この減圧時に膨張機６で回収した動力は補助圧縮機１０の駆動に用いられる。このとき、例えば室外側熱交換器３の出口側で検出した高圧冷媒圧力に応じて制御弁７の開度を調整してバイパス回路に流す冷媒流量を制御する。ここで制御弁７の開度の調整は、上記で説明したように（１−Ｒｂ０）×ＣＯＰｅ＋Ｒｂ０×ＣＯＰｉを最大にする最適高圧Ｐｈを決定することで、バイパス量比Ｒｂ０が決定され、決定したバイパス量比Ｒｂ０となるように制御弁７の開度を制御する。
予膨張弁５及び膨張機６にて減圧されたＣＯ２冷媒は、第２四方弁４を経由して室内側熱交換器８に導かれ、室内側熱交換器８にて蒸発して吸熱する。この吸熱によって室内の冷房が行われる。蒸発を終えた冷媒は、第１四方弁２を経て補助圧縮機１０に導かれ、補助圧縮機１０によって過給（チャージャ）され圧縮機１に吸入される。
一方バイパス回路を流れる高圧冷媒は、内部熱交換器８０によって低圧冷媒と熱交換を行うことで、制御弁７の入口でのエンタルピが減少して冷凍能力が増加し、ＣＯＰが向上する。
【００２０】
次に、室外側熱交換器３を蒸発器、室内側熱交換器８を放熱器として用いる暖房運転モードについて説明する。この暖房運転モードでの冷媒流れを、図中波線矢印で示す。
暖房運転モード時の冷媒は、モータ１１で駆動される圧縮機１により高温高圧に圧縮されて吐出され、第１四方弁２を経て、室内側熱交換器８に導入される。室内側熱交換器８では、ＣＯ２冷媒は、超臨界状態であるので、気液二相状態とはならずに、空気や水などの外部流体に放熱し、この放熱を利用して例えば室内暖房が行われる。その後ＣＯ２冷媒は、予膨張弁５及び膨張機６に導入され、予膨張弁５及び膨張機６で減圧される。この減圧時に膨張機６で回収した動力は補助圧縮機１０の駆動に用いられる。このとき、例えば室内側熱交換器８の出口側で検出した高圧冷媒圧力に応じて制御弁７の開度を調整してバイパス回路に流す冷媒流量を制御する。ここで制御弁７の開度の調整は、上記で説明したように（１−Ｒｂ０）×ＣＯＰｅ＋Ｒｂ０×ＣＯＰｉを最大にする最適高圧Ｐｈを決定することで、バイパス量比Ｒｂ０が決定され、決定したバイパス量比Ｒｂ０となるように制御弁７の開度を制御する。
予膨張弁５及び膨張機６にて減圧されたＣＯ２冷媒は、第２四方弁４を経由して室外側熱交換器３に導かれ、室外側熱交換器３にて蒸発して吸熱し、蒸発を終えた冷媒は第１四方弁２を経由して補助圧縮機１０に導かれ、補助圧縮機１０によって過給（チャージャ）され圧縮機１に吸入される。
一方バイパス回路を流れる高圧冷媒は、内部熱交換器８０によって低圧冷媒と熱交換を行うことで、制御弁７の入口でのエンタルピが減少して冷凍能力が増加し、ＣＯＰが向上する。
なお、本実施例による効果は図７及び図８に示す通りである。
【００２１】
図６は、本実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置の構成図である。
図に示すように、本実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置は、冷媒としてＣＯ２冷媒を使用し、モータ１１を有する圧縮機１と、補助圧縮機１０と、室外側熱交換器３と、膨張機６と、室内側熱交換器８とを配管で接続した冷媒回路から構成される。
また膨張機６の流入側には予膨張弁５が設けられている。
また予膨張弁５及び膨張機６と並列に、予膨張弁５及び膨張機６をバイパスするバイパス回路が設けられ、このバイパス回路に制御弁７が設けられている。
また内部熱交換器８０は、バイパス回路を流れる高圧冷媒と、圧縮機１に吸入される前の低圧冷媒とを熱交換させる。バイパス回路を流れる高圧冷媒と圧縮機１に吸入される前の低圧冷媒とは、対向流となるように構成されている。
また、膨張機６の駆動軸と補助圧縮機１０の駆動軸とは連結されており、補助圧縮機１０は膨張機６で回収した動力によって駆動される。
そしてこの冷媒回路には、圧縮機１の吸入側配管と補助圧縮機１０の吐出側配管とが接続される第１四方弁２と、予膨張弁５の吸入側配管と膨張機６の吐出側配管とが接続されるとともにバイパス回路が接続される第２四方弁４とを備えている。
【００２２】
本実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置の動作について以下に説明する。
まず、室外側熱交換器３を放熱器、室内側熱交換器８を蒸発器として用いる冷房運転モードについて説明する。この冷房運転モードでの冷媒流れを、図中実線矢印で示す。
冷房運転モード時の冷媒は、モータ１１で駆動される圧縮機１により高温高圧に圧縮されて吐出され、補助圧縮機１０に導かれ、補助圧縮機１０によって更に過圧（エクスプレッサ）された後に、第１四方弁２を経て、室外側熱交換器３に導入される。室外側熱交換器３では、ＣＯ２冷媒は、超臨界状態であるので、気液二相状態とはならずに、空気や水などの外部流体に放熱する。その後ＣＯ２冷媒は、予膨張弁５及び膨張機６に導入され、予膨張弁５及び膨張機６で減圧される。この減圧時に膨張機６で回収した動力は補助圧縮機１０の駆動に用いられる。このとき、例えば室外側熱交換器３の出口側で検出した高圧冷媒圧力に応じて制御弁７の開度を調整してバイパス回路に流す冷媒流量を制御する。ここで制御弁７の開度の調整は、上記で説明したように（１−Ｒｂ０）×ＣＯＰｅ＋Ｒｂ０×ＣＯＰｉを最大にする最適高圧Ｐｈを決定することで、バイパス量比Ｒｂ０が決定され、決定したバイパス量比Ｒｂ０となるように制御弁７の開度を制御する。
予膨張弁５及び膨張機６にて減圧されたＣＯ２冷媒は、第２四方弁４を経由して室内側熱交換器８に導かれ、室内側熱交換器８にて蒸発して吸熱する。この吸熱によって室内の冷房が行われる。蒸発を終えた冷媒は、第１四方弁２を経て圧縮機１に吸入される。
一方バイパス回路を流れる高圧冷媒は、内部熱交換器８０によって低圧冷媒と熱交換を行うことで、制御弁７の入口でのエンタルピが減少して冷凍能力が増加し、ＣＯＰが向上する。
【００２３】
次に、室外側熱交換器３を蒸発器、室内側熱交換器８を放熱器として用いる暖房運転モードについて説明する。この暖房運転モードでの冷媒流れを、図中波線矢印で示す。
暖房運転モード時の冷媒は、モータ１１で駆動される圧縮機１により高温高圧に圧縮されて吐出され、補助圧縮機１０に導かれ、補助圧縮機１０によって更に過圧（エクスプレッサ）された後に、第１四方弁２を経て、室内側熱交換器８に導入される。室内側熱交換器８では、ＣＯ２冷媒は、超臨界状態であるので、気液二相状態とはならずに、空気や水などの外部流体に放熱し、この放熱を利用して例えば室内暖房が行われる。その後ＣＯ２冷媒は、予膨張弁５及び膨張機６に導入され、予膨張弁５及び膨張機６で減圧される。この減圧時に膨張機６で回収した動力は補助圧縮機１０の駆動に用いられる。このとき、例えば室内側熱交換器８の出口側で検出した高圧冷媒圧力に応じて制御弁７の開度を調整してバイパス回路に流す冷媒流量を制御する。ここで制御弁７の開度の調整は、上記で説明したように（１−Ｒｂ０）×ＣＯＰｅ＋Ｒｂ０×ＣＯＰｉを最大にする最適高圧Ｐｈを決定することで、バイパス量比Ｒｂ０が決定され、決定したバイパス量比Ｒｂ０となるように制御弁７の開度を制御する。
予膨張弁５及び膨張機６にて減圧されたＣＯ２冷媒は、第２四方弁４を経由して室外側熱交換器３に導かれ、室外側熱交換器３にて蒸発して吸熱し、蒸発を終えた冷媒は第１四方弁２を経由して圧縮機１に吸入される。
一方バイパス回路を流れる高圧冷媒は、内部熱交換器８０によって低圧冷媒と熱交換を行うことで、制御弁７の入口でのエンタルピが減少して冷凍能力が増加し、ＣＯＰが向上する。
なお、本実施例による効果は図７及び図８に示す通りである。
【００２４】
上記それぞれの実施例では、ヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置を用いて説明したが、室外側熱交換器３を第１の熱交換器、室内側熱交換器８を第２の熱交換器とし、これら第１の熱交換器や第２の熱交換器を、温冷水器や蓄冷熱器などに利用したその他の冷凍サイクル装置であってもよい。
またそれぞれの実施例において説明した予膨張弁５は設けなくてもよい。
【００２５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、膨張機をバイパスするバイパス回路を有する冷凍サイクル装置において、最適高圧で運転することができ、ＣＯＰを最大にすることができる。また高圧の上昇を防止することができ、圧縮機の信頼性を向上することができる。
また本発明によれば、バイパス回路を流れる高圧冷媒と、圧縮機に吸入される前の低圧冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を設けることで、制御弁入口のエンタルピが減少して冷凍能力が増加し、ＣＯＰが向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置の構成図
【図２】高圧圧力とＣＯＰとの関係を示す特性図
【図３】バイパス量比（冷凍サイクル装置全体を流れる冷媒流量に対するバイパス回路を流れる冷媒流量）と高圧との関係を示す特性図
【図４】本発明の他の実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置の構成図
【図５】本発明の他の実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置の構成図
【図６】本発明の他の実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置の構成図
【図７】蒸発温度とＣＯＰとの関係を示す特性図
【図８】バイパス量の変化によるＣＯＰの向上割合を示す特性図
【図９】高圧圧力とＣＯＰとの関係を示す特性図
【図１０】バイパス量比（冷凍サイクル装置全体を流れる冷媒流量に対する内部熱交換器を流れる冷媒流量）と高圧との関係を示す特性図
【符号の説明】
１  圧縮機
２  第１四方弁
３  室外側熱交換器
４  第２四方弁
５  予膨張弁
６  膨張機
７  制御弁
８  室内側熱交換器
１０  補助圧縮機
１１  モータ
８０  内部熱交換器
【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】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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