(57)【要約】【課題】ＣＯ２冷媒を使用した冷凍サイクル装置において、信頼性の低下を回避しつつ、高効率な冷凍サイクル装置を提供すること、またそのような冷凍サイクル装置の運転方法を提供すること。【解決手段】第１の冷凍サイクル装置は、減圧器吐出温度制御器、減圧器最適高圧制御器、減圧器開度操作器、圧縮機能力制御器によって減圧器と圧縮機を適正に制御することで、信頼性の低下を回避しつつ、利用者等から要求された能力に応じ、かつ、効率の高い状態で運転可能な装置である。第２の冷凍サイクル装置は、減圧器過熱度制御器、減圧器最適高圧制御器、減圧器開度操作器、圧縮機能力制御器によって減圧器と圧縮機を適正に制御する装置である。第３の冷凍サイクル装置は、減圧器乾き度制御器、減圧器最適高圧制御器、減圧器開度操作器、圧縮機能力制御器によって減圧器と圧縮機を適正に制御する装置である。【選択図】　図１
2004061061.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化炭素を冷媒として用い、少なくとも、圧縮機、放熱器、減圧器、吸熱器を接続した冷凍サイクル装置において、前記圧縮機の冷媒吐出温度を検知する吐出温度検知器と、前記吐出温度検知器が検知した冷媒吐出温度に応じて前記減圧器の開度を操作し冷媒吐出温度を調整する減圧器吐出温度制御器と、前記放熱器の冷媒出口温度を検知する出口温度検知器と、前記出口温度検知器が検知した冷媒出口温度に応じて前記減圧器の開度を操作し高圧を調整する減圧器最適高圧制御器と、前記吐出温度検知器が検知した冷媒吐出温度に応じて前記減圧器吐出温度制御器と前記減圧器最適高圧制御器とを切り替えて前記減圧器の開度を操作する減圧器開度操作器と、前記吸熱器の冷媒蒸発温度を検知する蒸発温度検知器と、前記蒸発温度検知器が検知した冷媒蒸発温度に応じて前記圧縮機の回転数を操作し能力を調整する圧縮機能力制御器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】
二酸化炭素を冷媒として用い、少なくとも、圧縮機、放熱器、減圧器、吸熱器を接続した冷凍サイクル装置において、前記吸熱器出口から前記圧縮機吸入までのいずれかの位置での冷媒過熱度を演算する過熱度演算器と、前記過熱度演算器が演算した冷媒過熱度に応じて前記減圧器の開度を操作し冷媒過熱度を調整する減圧器過熱度制御器と、前記放熱器の冷媒出口温度を検知する出口温度検知器と、前記出口温度検知器が検知した冷媒出口温度に応じて前記減圧器の開度を操作し高圧を調整する減圧器最適高圧制御器と、前記過熱度演算器が演算した冷媒過熱度に応じて前記減圧器過熱度制御器と前記減圧器最適高圧制御器とを切り替えて前記減圧器の開度を操作する減圧器開度操作器と、前記吸熱器の冷媒蒸発温度を検知する蒸発温度検知器と、前記蒸発温度検知器が検知した冷媒蒸発温度に応じて前記圧縮機の回転数を操作し能力を調整する圧縮機能力制御器とを備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項３】
二酸化炭素を冷媒として用い、少なくとも、圧縮機、放熱器、減圧器、吸熱器を接続した冷凍サイクル装置において、前記吸熱器出口から前記圧縮機吸入までのいずれかの位置での冷媒乾き度を演算する乾き度演算器と、前記乾き度演算器が演算した冷媒乾き度に応じて前記減圧器の開度を操作し冷媒乾き度を調整する減圧器乾き度制御器と、前記放熱器の冷媒出口温度を検知する出口温度検知器と、前記出口温度検知器が検知した冷媒出口温度に応じて前記減圧器の開度を操作し高圧を調整する減圧器最適高圧制御器と、前記乾き度演算器が演算した冷媒乾き度に応じて前記減圧器乾き度制御器と前記減圧器最適高圧制御器とを切り替えて前記減圧器の開度を操作する減圧器開度操作器と、前記吸熱器の冷媒蒸発温度を検知する蒸発温度検知器と、前記蒸発温度検知器が検知した冷媒蒸発温度に応じて前記圧縮機の回転数を操作し能力を調整する圧縮機能力制御器とを備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項４】
前記圧縮機が少なくとも圧縮要素と電動要素とを密閉容器内に収納した圧縮機であって、かつ、前記密閉容器内を冷凍サイクルにおける高圧側圧力と略同圧力とした圧縮機であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
【請求項５】
前記蒸発温度検知器が検知した冷媒蒸発温度に応じて前記圧縮機の回転数を操作し前記吸熱器の凍結を防止する圧縮機フロスト制御器と、前記蒸発温度検知器が検知した冷媒蒸発温度に応じて前記圧縮機能力制御器と前記圧縮機フロスト制御器とを切り替えて前記圧縮機の回転数を操作する圧縮機回転数操作器とをさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
【請求項６】
前記圧縮機の冷媒吐出温度を検知する吐出温度検知器と、冷凍サイクルにおける高圧側圧力を検知する高圧検知器とをさらに備え、前記乾き度演算器は、前記吐出温度検知器と前記高圧検知器と前記蒸発温度検知器が検知した値から冷媒乾き度を演算することを特徴とする請求項３記載の冷凍サイクル装置。
【請求項７】
前記吸熱器出口から前記圧縮機吸入までのいずれかの位置での冷媒乾き度が０．８以上１．０以下であることを特徴とする請求項３記載の冷凍サイクル装置。
【請求項８】
前記圧縮機と前記吸熱器との間の冷媒と、前記放熱器と前記減圧器との間の冷媒を熱交換させる内部熱交換器をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
【請求項９】
二酸化炭素を冷媒として用い、少なくとも、圧縮機、放熱器、減圧器、吸熱器を接続した冷凍サイクル装置において、前記圧縮機の冷媒吐出温度および前記放熱器の冷媒出口温度に応じて前記減圧器の開度を操作し、かつ、前記吸熱器の冷媒蒸発温度に応じて前記圧縮機の回転数を操作することで冷凍サイクルの制御を行うことを特徴とする冷凍サイクル装置の運転方法。
【請求項１０】
二酸化炭素を冷媒として用い、少なくとも、圧縮機、放熱器、減圧器、吸熱器を接続した冷凍サイクル装置において、前記吸熱器出口から前記圧縮機吸入までのいずれかの位置での冷媒過熱度および前記放熱器の冷媒出口温度に応じて前記減圧器の開度を操作し、かつ、前記吸熱器の冷媒蒸発温度に応じて前記圧縮機の回転数を操作することで冷凍サイクルの制御を行うことを特徴とする冷凍サイクル装置の運転方法。
【請求項１１】
二酸化炭素を冷媒として用い、少なくとも、圧縮機、放熱器、減圧器、吸熱器を接続した冷凍サイクル装置において、前記吸熱器出口から前記圧縮機吸入までのいずれかの位置での冷媒乾き度および前記放熱器の冷媒出口温度に応じて前記減圧器の開度を操作し、かつ、前記吸熱器の冷媒蒸発温度に応じて前記圧縮機の回転数を操作することで冷凍サイクルの制御を行うことを特徴とする冷凍サイクル装置の運転方法。
【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使用した冷凍サイクル装置およびその運転方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
空調機、カーエアコン、給湯器等には、圧縮機、放熱器、減圧器、吸熱器等を接続してなる冷凍サイクル装置が使われているが、この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。
【０００３】
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（以下、ＣＯ２冷媒という）やエタンなどを冷媒として用いる冷凍サイクル装置の可能性が検討されつつある。例えば、特許２１３２３２９号には、ＣＯ２冷媒を使用した冷凍サイクル装置が開示されている。
【０００４】
特許２１３２３２９号に開示されている冷凍サイクル装置の構成の概略を図１０を用いて説明する。図１０の冷凍サイクル装置は、ＣＯ２冷媒を使用し、圧縮機１、放熱器２、低圧側流路３ａと高圧側流路３ｂが熱交換するように構成された内部熱交換器３、減圧器４、吸熱器５を基本構成要素としている。なお、内部熱交換器３の低圧側流路３ａは吸熱器５〜圧縮機１吸入の間の冷媒が流れるように構成されており、高圧側流路３ｂは放熱器２〜減圧器４の間の冷媒が流れるように構成されている。
【０００５】
この冷凍サイクル装置の動作について説明する。なお、図中において、実線の矢印は冷媒の流れ方向を示している。圧縮機１で圧縮されたＣＯ２冷媒は高温高圧状態となり放熱器２へ導入される。放熱器２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、内部熱交換器３の高圧側流路３ｂにおいてさらに冷却される。さらに、減圧器４では減圧されて低圧の気液二相状態となり吸熱器５へ導入される。吸熱器５では、空気や水などの外部流体を冷却しＣＯ２冷媒は吸熱する。その後、内部熱交換器３の低圧側流路３ａにおいてガス状態となり、再び圧縮機１に吸入される。このようなサイクルを繰り返すことにより、放熱器２で放熱による加熱作用、例えば、暖房や水加熱、吸熱器５で吸熱による冷却作用、例えば、冷房や除湿を行うことができる。
【０００６】
ここで、ＣＯ２冷媒を用いた圧縮機１の冷媒吐出温度は、従来用いられてきた冷媒であるフロン類（ＨＣＦＣ２２やＲ４１０ＡやＲ４０７Ｃなど）に比較して、約２０Ｋ程度高くなることが判明してきた。そこで、このような冷凍サイクル装置に用いられる圧縮機１については、例えば、特開２０００−９７１７７号に開示されているように、圧縮要素や電動要素などを収納した密閉容器内を冷凍サイクルにおける低圧側圧力（減圧器４出口〜吸熱器５〜内部熱交換器の低圧側流路３ａ〜圧縮機１吸入の圧力）と略同圧力とし、密閉容器内に収納された電動要素の絶縁材料が冷凍機油等の温度上昇によって変質することを防止し圧縮機の信頼性を向上させることが提案されている。
【０００７】
なお、従来の冷媒を用いた圧縮機の電動要素の巻線の絶縁層や、電線の接続部、絶縁フィルム、結束糸などの絶縁材料には、耐冷媒特性、加工性の良さ、供給しやすさなどの点から、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレルタレート、ポリエチレンナフタレートなどの有機材料が汎用的に使用されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、冷凍機油としてポリアルキレングリコール油やポリオールエステル油を使用し、ＣＯ２冷媒を用いた圧縮機１の密閉容器内を冷凍サイクルにおける低圧側圧力と略同圧力とすると、ＣＯ２冷媒は従来の冷媒に比べてこれらの冷凍機油に溶解する溶解量が多いために、冷凍機油の粘度が低下して、冷媒とともに密閉容器外へ吐出される冷凍機油の量（以下、オイル吐出量という）が増加してしまう。この吐出された冷凍機油によって、放熱器２や吸熱器５での熱伝達が阻害され、冷凍サイクル装置の性能が低下するといった新たな問題が生じることが明らかになった。
【０００９】
このようなオイル吐出量が増加する問題を解決する手段として、従来の冷媒の場合と同様に、圧縮機１の密閉容器内を冷凍サイクルにおける高圧側圧力（圧縮機１吐出〜放熱器２〜内部熱交換器の高圧側流路３ｂ〜減圧器４入口の圧力）と略同圧力とし、圧縮機１内の圧縮要素から冷媒とともに吐出される冷凍機油を一度、密閉容器内に吐出することで、圧縮機１の密閉容器外へ吐出されるオイル吐出量を低減することが考えられる。
【００１０】
しかし、密閉容器内を冷凍サイクルにおける高圧側圧力と略同圧力とした圧縮機の電動要素の雰囲気温度は、吐出冷媒雰囲気となるため密閉容器内を冷凍サイクルにおける低圧側圧力と略同圧力とした圧縮機に比べて上昇するために、密閉容器内に封入される電動要素の絶縁材料が変質し、圧縮機の信頼性を低下させるといった問題が生じる恐れがあり、特にＣＯ２冷媒の場合には、前述のように、吐出温度が従来のフロン類より高温となるため大きな問題となる恐れがある。
【００１１】
そこで本発明は、上述した問題に対して、ＣＯ２冷媒を使用した冷凍サイクル装置において、信頼性の低下を回避しつつ、高効率な冷凍サイクル装置を提供すること、またそのような冷凍サイクル装置の運転方法を提供することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、第１の本発明（請求項１に対応）は、二酸化炭素を冷媒として用い、少なくとも、圧縮機、放熱器、減圧器、吸熱器を接続した冷凍サイクル装置において、前記圧縮機の冷媒吐出温度を検知する吐出温度検知器と、前記吐出温度検知器が検知した冷媒吐出温度に応じて前記減圧器の開度を操作し冷媒吐出温度を調整する減圧器吐出温度制御器と、前記放熱器の冷媒出口温度を検知する出口温度検知器と、前記出口温度検知器が検知した冷媒出口温度に応じて前記減圧器の開度を操作し高圧を調整する減圧器最適高圧制御器と、前記吐出温度検知器が検知した冷媒吐出温度に応じて前記減圧器吐出温度制御器と前記減圧器最適高圧制御器とを切り替えて前記減圧器の開度を操作する減圧器開度操作器と、前記吸熱器の冷媒蒸発温度を検知する蒸発温度検知器と、前記蒸発温度検知器が検知した冷媒蒸発温度に応じて前記圧縮機の回転数を操作し能力を調整する圧縮機能力制御器とを備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置である。また、第２の本発明（請求項２に対応）は、二酸化炭素を冷媒として用い、少なくとも、圧縮機、放熱器、減圧器、吸熱器を接続した冷凍サイクル装置において、前記吸熱器出口から前記圧縮機吸入までのいずれかの位置での冷媒過熱度を演算する過熱度演算器と、前記過熱度演算器が演算した冷媒過熱度に応じて前記減圧器の開度を操作し冷媒過熱度を調整する減圧器過熱度制御器と、前記放熱器の冷媒出口温度を検知する出口温度検知器と、前記出口温度検知器が検知した冷媒出口温度に応じて前記減圧器の開度を操作し高圧を調整する減圧器最適高圧制御器と、前記過熱度演算器が演算した冷媒過熱度に応じて前記減圧器過熱度制御器と前記減圧器最適高圧制御器とを切り替えて前記減圧器の開度を操作する減圧器開度操作器と、前記吸熱器の冷媒蒸発温度を検知する蒸発温度検知器と、前記蒸発温度検知器が検知した冷媒蒸発温度に応じて前記圧縮機の回転数を操作し能力を調整する圧縮機能力制御器とを備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置である。
また、第３の本発明（請求項３に対応）は、二酸化炭素を冷媒として用い、少なくとも、圧縮機、放熱器、減圧器、吸熱器を接続した冷凍サイクル装置において、前記吸熱器出口から前記圧縮機吸入までのいずれかの位置での冷媒乾き度を演算する乾き度演算器と、前記乾き度演算器が演算した冷媒乾き度に応じて前記減圧器の開度を操作し冷媒乾き度を調整する減圧器乾き度制御器と、前記放熱器の冷媒出口温度を検知する出口温度検知器と、前記出口温度検知器が検知した冷媒出口温度に応じて前記減圧器の開度を操作し高圧を調整する減圧器最適高圧制御器と、前記乾き度演算器が演算した冷媒乾き度に応じて前記減圧器乾き度制御器と前記減圧器最適高圧制御器とを切り替えて前記減圧器の開度を操作する減圧器開度操作器と、前記吸熱器の冷媒蒸発温度を検知する蒸発温度検知器と、前記蒸発温度検知器が検知した冷媒蒸発温度に応じて前記圧縮機の回転数を操作し能力を調整する圧縮機能力制御器とを備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置である。
また、第４の本発明（請求項４に対応）は、第１乃至３のいずれかの本発明において、前記圧縮機が少なくとも圧縮要素と電動要素とを密閉容器内に収納した圧縮機であって、かつ、前記密閉容器内を冷凍サイクルにおける高圧側圧力と略同圧力とした圧縮機であることを特徴とする冷凍サイクル装置である。
また、第５の本発明（請求項５に対応）は、第１乃至４のいずれかの本発明において、前記蒸発温度検知器が検知した冷媒蒸発温度に応じて前記圧縮機の回転数を操作し前記吸熱器の凍結を防止する圧縮機フロスト制御器と、前記蒸発温度検知器が検知した冷媒蒸発温度に応じて前記圧縮機能力制御器と前記圧縮機フロスト制御器とを切り替えて前記圧縮機の回転数を操作する圧縮機回転数操作器とをさらに備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置である。
また、第６の本発明（請求項６に対応）は、第３の本発明において、前記圧縮機の冷媒吐出温度を検知する吐出温度検知器と、冷凍サイクルにおける高圧側圧力を検知する高圧検知器とをさらに備え、前記乾き度演算器は、前記吐出温度検知器と前記高圧検知器と前記蒸発温度検知器が検知した値から冷媒乾き度を演算することを特徴とする冷凍サイクル装置である。
また、第７の本発明（請求項７に対応）は、第３の本発明において、前記吸熱器出口から前記圧縮機吸入までのいずれかの位置での冷媒乾き度が０．８以上１．０以下であることを特徴とする冷凍サイクル装置である。
また、第８の本発明（請求項８に対応）は、第１乃至７のいずれかの本発明において、前記圧縮機と前記吸熱器との間の冷媒と、前記放熱器と前記減圧器との間の冷媒を熱交換させる内部熱交換器をさらに備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置である。
また、第９の本発明（請求項９に対応）は、二酸化炭素を冷媒として用い、少なくとも、圧縮機、放熱器、減圧器、吸熱器を接続した冷凍サイクル装置において、前記圧縮機の冷媒吐出温度および前記放熱器の冷媒出口温度に応じて前記減圧器の開度を操作し、かつ、前記吸熱器の冷媒蒸発温度に応じて前記圧縮機の回転数を操作することで冷凍サイクルの制御を行うことを特徴とする冷凍サイクル装置の運転方法である。
また、第１０の本発明（請求項１０に対応）は、二酸化炭素を冷媒として用い、少なくとも、圧縮機、放熱器、減圧器、吸熱器を接続した冷凍サイクル装置において、前記吸熱器出口から前記圧縮機吸入までのいずれかの位置での冷媒過熱度および前記放熱器の冷媒出口温度に応じて前記減圧器の開度を操作し、かつ、前記吸熱器の冷媒蒸発温度に応じて前記圧縮機の回転数を操作することで冷凍サイクルの制御を行うことを特徴とする冷凍サイクル装置の運転方法である。
また、第１１の本発明（請求項１１に対応）は、二酸化炭素を冷媒として用い、少なくとも、圧縮機、放熱器、減圧器、吸熱器を接続した冷凍サイクル装置において、前記吸熱器出口から前記圧縮機吸入までのいずれかの位置での冷媒乾き度および前記放熱器の冷媒出口温度に応じて前記減圧器の開度を操作し、かつ、前記吸熱器の冷媒蒸発温度に応じて前記圧縮機の回転数を操作することで冷凍サイクルの制御を行うことを特徴とする冷凍サイクル装置の運転方法である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて説明する。
【００１４】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の概略を示す構成図である。
図１の冷凍サイクル装置は、ＣＯ２冷媒を使用し、圧縮機２１、放熱器２２、低圧側流路２３ａと高圧側流路２３ｂが熱交換するように構成された内部熱交換器２３、減圧器２４、吸熱器２５を基本構成要素としている。なお、内部熱交換器２３の低圧側流路２３ａは吸熱器２５〜圧縮機２１吸入の間の冷媒が流れるように構成されており、高圧側流路２３ｂは放熱器２２〜減圧器２４の間の冷媒が流れるように構成されている。
図１において、３１は圧縮機２１の冷媒吐出温度を検知する吐出温度検知器、３２は吐出温度検知器３１で検知された冷媒吐出温度が設定温度となるように減圧器２４の開度を制御する減圧器吐出温度制御器、３３は放熱器２２の冷媒出口温度を検知する出口温度検知器、３４は出口温度検知器３３で検知された冷媒出口温度からＣＯＰ（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｏｆ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）が最大となる冷凍サイクルにおける高圧側圧力（圧縮機２１吐出〜放熱器２２〜内部熱交換器の高圧側流路２３ｂ〜減圧器２４入口）（以下、最適高圧という）を演算する最適高圧演算器、３５は高圧側圧力を検知する高圧検知器、３６は高圧検知器３５で検知された高圧側圧力が最適高圧演算器３４で演算された最適高圧となるように減圧器２４の開度を制御する減圧器最適高圧制御器、３７は減圧器吐出温度制御器３２と減圧器最適高圧制御器３６の出力を吐出温度検知器３１で検知された冷媒吐出温度に応じて切り替えあるいは融合して減圧器２４の開度を操作する減圧器開度操作器である。また、４１は吸熱器２５での冷媒蒸発温度を検知する蒸発温度検知器、４２は蒸発温度検知器４１で検知された冷媒蒸発温度が、吸熱器２５が凍結することのないようにあらかじめ定められた冷媒蒸発温度（以下、第１設定温度ともいう）以上になるように圧縮機２１の回転数を制御する圧縮機フロスト制御器、４３は蒸発温度検知器４１で検知された冷媒蒸発温度が、利用者等から要求された能力を供給するのに必要なあらかじめ定められた冷媒蒸発温度（以下、第２設定温度という）になるように圧縮機２１の回転数を制御する圧縮機能力制御器、４４は圧縮機フロスト制御器４２と圧縮機能力制御器４３の出力を蒸発温度検知器４１で検知された冷媒蒸発温度に応じて切り替えあるいは融合して圧縮機２１の回転数を操作する圧縮機回転数操作器である。
【００１５】
本冷凍サイクル装置の動作のうちＣＯ２冷媒の流れについては以下の通りである。すなわち、図中において、実線の矢印はＣＯ２冷媒の流れ方向を示している。圧縮機２１で圧縮されたＣＯ２冷媒は高温高圧状態となり放熱器２２へ導入される。放熱器２２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、内部熱交換器２３の高圧側流路２３ｂにおいてさらに冷却される。さらに、減圧器２４では減圧されて低圧の気液二相状態となり吸熱器２５へ導入される。吸熱器２５では、空気や水などの外部流体を冷却しＣＯ２冷媒は吸熱する。その後、内部熱交換器２３の低圧側流路２３ａにおいてガス状態となり、再び圧縮機２１に吸入される。このようなサイクルを繰り返すことにより、放熱器２２で放熱による加熱作用、例えば、暖房や水加熱、吸熱器２５で吸熱による冷却作用、例えば、冷房や除湿を行うことができる。
【００１６】
本冷凍サイクル装置は、ＣＯ２冷媒を用いていることと、圧縮機２１を密閉容器内を冷凍サイクルにおける高圧側圧力と略同圧力とした圧縮機とした場合、従来用いられてきたフロン類を冷媒として用いた場合や、密閉容器内を冷凍サイクルにおける低圧側圧力と略同圧力とした圧縮機を用いた場合に比べて、圧縮機２１の電動要素の雰囲気温度が上昇して、圧縮機２１の電動要素の絶縁材料が変質し、圧縮機の信頼性を低下させるといった問題が生じる恐れがある。
【００１７】
しかし、本実施の形態においては、圧縮機回転数操作器４４によって圧縮機２１が適切に操作され、減圧器開度操作器３７によって減圧器２４が適切に操作されることから、上記のような問題の発生を未然に防止することができる。図２は圧縮機回転数操作器４４による圧縮機２１の動作と、減圧器開度操作器３７による減圧器２４の動作を示すフローチャートである。以下、このフローチャートを用いて説明する。
【００１８】
まず、圧縮機２１の動作について説明する。蒸発温度検知器４１で検知された冷媒蒸発温度と第１蒸発温度閾値Ｔｅ１（例えば吸熱器２５が凍結する冷媒蒸発温度をもとに設定）との比較を行い（ステップ２０１）、冷媒蒸発温度が第１蒸発温度閾値Ｔｅ１よりも低い場合には蒸発温度メンバシップ値を０に設定し（ステップ２０２）、冷媒蒸発温度が第１蒸発温度閾値Ｔｅ１より高い場合には第１蒸発温度閾値Ｔｅ１より高い第２蒸発温度閾値Ｔｅ２（例えば吸熱器２５が凍結する冷媒蒸発温度より若干高い温度に設定）との比較を行い（ステップ２０３）、冷媒蒸発温度が第２蒸発温度閾値Ｔｅ２よりも低い場合には温度に応じて０から１までの範囲で単調で連続した変化をする蒸発温度メンバシップ値を設定し（ステップ２０４）、冷媒蒸発温度が第２蒸発温度閾値Ｔｅ２より高い場合には蒸発温度メンバシップ値を１に設定する（ステップ２０５）。なお、第１蒸発温度閾値は、第１設定温度と同じ温度を設定してもよいが、これにこだわる必要はなく、例えば、第１設定温度より、若干低めの温度を設定してもよい。また、第２蒸発温度閾値についても、第１蒸発温度閾値より若干高く、第１設定温度より、若干低い温度を設定してもよい。
【００１９】
それから、圧縮機能力制御器４３による圧縮機２１の回転数と蒸発温度メンバシップ値との積量と、圧縮機フロスト制御器４２による圧縮機２１の回転数と１から蒸発温度メンバシップ値を減じた値との積量の和として圧縮機回転数を決定して圧縮機２１を操作する（ステップ２０６）。ここで、圧縮機能力制御器４３は、蒸発温度検知器４１で検知された冷媒蒸発温度が、利用者等から要求された能力を供給するのに必要なあらかじめ定められた冷媒蒸発温度（第２設定温度）となるように、圧縮機２１の回転数を決定するものである（図２中では能力制御という）。一方、圧縮機フロスト制御器４２は、蒸発温度検知器４１で検知された冷媒蒸発温度が、吸熱器２５が凍結することのないようにあらかじめ定められた冷媒蒸発温度（第１設定温度）以上になるように、圧縮機２１の回転数を決定するものである（図２中ではフロスト防止制御という）。
【００２０】
すなわち、蒸発温度検知器４１で検知される冷媒蒸発温度がステップ２０１で第１蒸発温度閾値Ｔｅ１より低いと判断されたときは、冷媒蒸発温度が低く吸熱器２５が凍結してしまう恐れがあることから、ステップ２０６では圧縮機フロスト制御器４２による圧縮機回転数を最優先にして、圧縮機２１の回転数を低下させて冷媒蒸発温度を上昇させる。また蒸発温度検知器４１で検知される冷媒蒸発温度がステップ２０１で第１蒸発温度閾値Ｔｅ１より高いと判断され、かつ、ステップ２０３で第２蒸発温度閾値Ｔｅ２より高いと判断されたときには、冷媒蒸発温度は吸熱器２５が凍結してしまう恐れのない状態であることから、ステップ２０６では圧縮機能力制御器４３による圧縮機回転数を最優先にして、利用者等から要求された能力を供給するのに必要なあらかじめ定められた冷媒蒸発温度（第２設定温度）となるように、圧縮機回転数を決定する。この時、蒸発温度検知器４１で検知された冷媒蒸発温度が第２設定温度よりも高いときには、能力が不足していると判断し圧縮機能力制御器４３により圧縮機回転数を増加方向に決定し、冷媒循環量を増大させる。逆に蒸発温度検知器４１で検知された冷媒蒸発温度が第２設定温度よりも低いときには、能力が過剰であると判断し圧縮機能力制御器４３により圧縮機回転数を減少方向に決定し、冷媒循環量を減少させる。また蒸発温度検知器４１で検知された冷媒蒸発温度がステップ２０１で第１蒸発温度閾値Ｔｅ１より高いと判断され、かつ、ステップ２０３で第２蒸発温度閾値Ｔｅ２より低いと判断されたときには、冷媒蒸発温度が低く、吸熱器２５がすぐに凍結してしまう恐れはないが、あまり好ましくない状態であるので、ステップ２０６では圧縮機フロスト制御器４２による圧縮機回転数と圧縮機能力制御器４３による圧縮機回転数とを混合して圧縮機２１を操作することから、吸熱器２５の凍結を防止しつつ、利用者等から要求された能力に応じた冷媒蒸発温度となるような運転が実現できる。
【００２１】
次に、減圧器２４の動作について説明する。吐出温度検知器３１で検知された冷媒吐出温度と第１吐出温度閾値Ｔｄ１（例えば圧縮機２１の許容使用範囲上限をもとに設定）との比較を行い（ステップ３０１）、冷媒吐出温度が第１吐出温度閾値Ｔｄ１よりも高い場合には吐出温度メンバシップ値を０に設定し（ステップ３０２）、冷媒吐出温度が第１吐出温度閾値Ｔｄ１より低い場合には第１吐出温度閾値Ｔｄ１より低い第２吐出温度閾値Ｔｄ２（例えば圧縮機２１の常用使用範囲上限をもとに設定）との比較を行い（ステップ３０３）、冷媒吐出温度が第２吐出温度閾値Ｔｄ２よりも高い場合には冷媒吐出温度に応じて０から１までの範囲で単調で連続した変化をする吐出温度メンバシップ値を設定し（ステップ３０４）、冷媒吐出温度が第２吐出温度閾値Ｔｄ２より低い場合には吐出温度メンバシップ値を１に設定する（ステップ３０５）。
【００２２】
それから、減圧器最適高圧制御器３６による減圧器２４の開度と吐出温度メンバシップ値との積量と、減圧器吐出温度制御器３２による減圧器２４の開度と１から吐出温度メンバシップ値を減じた値との積量の和として減圧器２４の開度を決定して減圧器２４の開度を操作する（ステップ３０６）。ここで、減圧器最適高圧制御器３６は、高圧検知器３５で検知された高圧側圧力が、出口温度検知器３３で検知された冷媒出口温度に基づいて最適高圧演算器３４で演算された最適高圧よりも高ければ減圧器２４の開度を増加方向に、低ければ減圧器２４の開度を減少方向に減圧器２４の開度を決定するものである（図２中では最適高圧制御という）。一方、減圧器吐出温度制御器３２は、吐出温度検知器３１で検知された冷媒吐出温度が、あらかじめ定められた冷媒吐出温度より高ければ減圧器２４の開度を増加方向に、低ければ減圧器２４の開度を減少方向に減圧器２４の開度を決定するものである（図２中では吐出温度制御という）。
【００２３】
すなわち、吐出温度検知器３１で検知される冷媒吐出温度がステップ３０１で第１吐出温度閾値Ｔｄ１より高いと判断されたときは、冷媒吐出温度が圧縮機２１の許容使用範囲をはずれており圧縮機２１の信頼性を著しく損なう状態であることから、ステップ３０６では減圧器吐出温度制御器３２による減圧器開度を最優先にして、減圧器２４の開度を増加させて冷媒吐出温度を低下させる。また吐出温度検知器３１で検知される冷媒吐出温度がステップ３０１で第１吐出温度閾値Ｔｄ１より低いと判断され、かつ、ステップ３０３で第２吐出温度閾値Ｔｄ２より低いと判断されたときには、冷媒吐出温度は圧縮機２１の常用使用範囲内であり圧縮機２１の信頼性には問題ない状態であることから、ステップ３０６では減圧器最適高圧制御器３６による減圧器開度を最優先にして減圧器開度を決定する。この時、高圧検知器３５で検知された冷凍サイクルにおける高圧側圧力が、出口温度検知器３３で検知された冷媒出口温度に基づいて、最適高圧演算器３４により演算された最適高圧よりも高いときには減圧器最適高圧制御器３６により減圧器２４の開度を増加方向に決定する。この結果、高圧側（圧縮機２１吐出〜放熱器２２〜内部熱交換器の高圧側流路２３ｂ〜減圧器２４入口）の冷媒が低圧側（減圧器２４出口〜吸熱器２５〜内部熱交換器の低圧側流路２３ａ〜圧縮機２１吸入）へ移動して高圧側圧力が低下するので、高圧側圧力を最適高圧に一致させることができ、ＣＯＰの高い状態での運転が実現できる。逆に高圧検知器３５で検知された高圧側圧力が最適高圧演算器３４により演算された最適高圧よりも低いときには、減圧器最適高圧制御器３６により減圧器２４の開度を減少方向に決定する。この結果、低圧側の冷媒が高圧側へ移動して高圧側圧力が上昇するので、高圧側圧力を最適高圧に一致させることができ、ＣＯＰの高い状態での運転が実現できる。また吐出温度検知器３１で検知される冷媒吐出温度がステップ３０１で第１吐出温度閾値Ｔｄ１より低いと判断され、かつ、ステップ３０３で第２吐出温度閾値Ｔｄ２より高いと判断されたときには、冷媒吐出温度は圧縮機２１の使用許容範囲内ではあるが常用使用範囲外であり圧縮機２１の信頼性の面からはあまり好ましくない状態であるので、ステップ３０６では減圧器吐出温度制御器３２による減圧器２４の開度と減圧器最適高圧制御器３６による減圧器２４の開度とを混合して減圧器２４を操作することから、冷媒吐出温度を圧縮機２１の常用使用範囲内に収めつつ、高圧側圧力を最適高圧に一致させることができ、ＣＯＰの高い状態での運転が実現できる。
【００２４】
以上のような操作を一定時間間隔で繰り返し行うことで、ＣＯ２冷媒を用い、圧縮機２１が密閉容器内を冷凍サイクルにおける高圧側圧力と略同圧力とした圧縮機であっても、圧縮機能力制御器４３による能力制御と圧縮機フロスト制御器４２によるフロスト防止制御を圧縮機回転数操作器４４が切り替えあるいは融合することで吸熱器２５の凍結を防止しつつ、利用者等から要求された能力に応じた冷凍サイクル装置の運転が実現でき、かつ、減圧器最適高圧制御器３６による最適高圧制御と減圧器吐出温度制御器３２による吐出温度制御を減圧器開度操作器３７が切り替えあるいは融合することで、圧縮機２１の電動要素の絶縁材料が変質するほど、圧縮機２１の冷媒吐出温度が上昇するのを防止しながら、冷凍サイクル装置を効率の高い状態での運転が実現できる。
【００２５】
なお、吸熱器２５が水冷式などの熱交換器であって、吸熱器２５が凍結する恐れがない場合などでは、圧縮機フロスト制御器４２を省略し、上記説明した操作から圧縮機フロスト制御器４２にまつわる部分を省略することも可能である。さらに、吐出温度検知器３１、出口温度検知器３３、蒸発温度検知器４１による冷媒吐出温度、冷媒出口温度、冷媒蒸発温度の検知は、圧縮機２１や放熱器２２や吸熱器２５の温度を直接測定することで検知しても良いし、圧縮機２１や放熱器２２や吸熱器２５の周囲温度を測定して間接的に検知しても良い。また、高圧検知器３５についても、直接圧力を検知しても良いし、冷凍サイクルの状態の一部を検知して推定するようにしても良い。最適高圧演算器３４も、出口温度検知器３３が検知した温度により最適高圧を算出すると説明しているが、冷凍サイクルの状態の少なくとも一つを検知して最適高圧を算出するようにしても良い。また、本実施の形態では圧縮機２１の操作による冷媒循環量の変更を、圧縮機２１の回転数で行うものとして説明したが、圧縮機２１により冷媒循環量を変更する他の手段、例えば、往復型圧縮機のピストンのストローク量の増減などで行っても良い。
【００２６】
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２における冷凍サイクル装置の概略を示す構成図である。図３においては、図１と同じ構成要素については同一の符号を付し、説明を省略する。図３において、５１は吸熱器２５出口での冷媒過熱度を演算する過熱度演算器（なお、冷媒過熱度は吸熱器２５出口の冷媒温度と冷媒蒸発温度の差であり、検知した吸熱器２５出口の温度から蒸発温度検知器４１で検知した温度を引いて冷媒過熱度を演算すると良い。）、５２は過熱度演算器５１で演算された冷媒過熱度が設定値となるように減圧器２４の開度を制御する減圧器過熱度制御器、５３は減圧器過熱度制御器５２と減圧器最適高圧制御器３６の出力を過熱度演算器５１で演算された冷媒過熱度に応じて切り替えあるいは融合して減圧器２４の開度を操作する減圧器開度操作器である。
【００２７】
本冷凍サイクル装置は、ＣＯ２冷媒を用いていることと、圧縮機２１を密閉容器内を冷凍サイクルにおける高圧側圧力と略同圧力とした圧縮機とした場合、従来用いられてきたフロン類を冷媒として用いた場合や、密閉容器内を冷凍サイクルにおける低圧側圧力と略同圧力とした圧縮機を用いた場合に比べて、圧縮機２１の電動要素の雰囲気温度が上昇して、圧縮機２１の電動要素の絶縁材料が変質し、圧縮機の信頼性を低下させるといった問題が生じる恐れがある。
【００２８】
しかし、本実施の形態においては、圧縮機回転数操作器４４によって圧縮機２１が適切に操作され、減圧器開度操作器５３によって減圧器２４が適切に操作されることから、上記のような問題の発生を未然に防止することができる。図４は圧縮機回転数操作器４４による圧縮機２１の動作と、減圧器開度操作器５３による減圧器２４の動作を示すフローチャートである。以下、このフローチャートを用いて説明する。
【００２９】
圧縮機２１の動作については（実施の形態１）と同様であるため、説明を省略する。
次に、減圧器２４の動作について説明する。過熱度演算器５１で演算された冷媒過熱度と第１過熱度閾値ＳＨ１（例えば圧縮機２１の冷媒吐出温度が許容使用範囲上限となる冷媒過熱度をもとに設定）との比較を行い（ステップ４０１）、冷媒過熱度が第１過熱度閾値ＳＨ１よりも大きい場合には過熱度メンバシップ値を０に設定し（ステップ４０２）、冷媒過熱度が第１過熱度閾値ＳＨ１より小さい場合には第１過熱度閾値ＳＨ１より小さい第２過熱度閾値ＳＨ２（例えば圧縮機２１の冷媒吐出温度が常用使用範囲上限となる冷媒過熱度をもとに設定）との比較を行い（ステップ４０３）、冷媒過熱度が第２過熱度閾値ＳＨ２よりも大きい場合には冷媒過熱度に応じて０から１までの範囲で単調で連続した変化をする過熱度メンバシップ値を設定し（ステップ４０４）、冷媒過熱度が第２過熱度閾値ＳＨ２より小さい場合には過熱度メンバシップ値を１に設定する（ステップ４０５）。
【００３０】
それから、減圧器最適高圧制御器３６による減圧器２４の開度と過熱度メンバシップ値との積量と、減圧器過熱度制御器５２による減圧器２４の開度と１から過熱度メンバシップ値を減じた値との積量の和として減圧器２４の開度を決定して減圧器２４の開度を操作する（ステップ４０６）。ここで、減圧器最適高圧制御器３６は、高圧検知器３５で検知された高圧側圧力が、出口温度検知器３３で検知された冷媒出口温度に基づいて最適高圧演算器３４で演算された最適高圧よりも高ければ減圧器２４の開度を増加方向に、低ければ減圧器２４の開度を減少方向に減圧器２４の開度を決定するものである（図４中では最適高圧制御という）。一方、減圧器過熱度制御器５２は、過熱度演算器５１で演算された過熱度が、あらかじめ定められた過熱度より大きければ減圧器２４の開度を増加方向に、小さければ減圧器２４の開度を減少方向に減圧器２４の開度を決定するものである（図４中では過熱度制御という）。
【００３１】
すなわち、過熱度演算器５１で演算される冷媒過熱度がステップ４０１で第１過熱度閾値ＳＨ１より大きいと判断されたときは、冷媒過熱度が大きいために圧縮機２１の冷媒吐出温度が許容使用範囲をはずれており圧縮機２１の信頼性を著しく損なう状態であることから、ステップ４０６では減圧器過熱度制御器５２による減圧器開度を最優先にして、減圧器２４の開度を増加させて冷媒過熱度を小さくすることにより冷媒吐出温度を低下させる。また過熱度演算器５１で演算される冷媒過熱度がステップ４０１で第１過熱度閾値ＳＨ１より小さいと判断され、かつ、ステップ４０３で第２過熱度閾値ＳＨ２より小さいと判断されたときには、冷媒過熱度は適正値であり圧縮機２１の冷媒吐出温度は圧縮機２１の常用使用範囲内であり信頼性には問題ない状態であることから、ステップ４０６では減圧器最適高圧制御器３６による減圧器開度を最優先にして減圧器開度を決定する。この時、高圧検知器３５で検知された冷凍サイクルにおける高圧側圧力が、出口温度検知器３３で検知された冷媒出口温度に基づいて、最適高圧演算器３４により演算された最適高圧よりも高いときには減圧器最適高圧制御器３６により減圧器２４の開度を増加方向に決定する。この結果、高圧側の冷媒が低圧側へ移動して高圧側圧力が低下するので、高圧側圧力を最適高圧に一致させることができ、ＣＯＰの高い状態での運転が実現できる。逆に高圧検知器３５で検知された高圧側圧力が最適高圧演算器３４により演算された最適高圧よりも低いときには、減圧器最適高圧制御器３６により減圧器２４の開度を減少方向に決定する。この結果、低圧側の冷媒が高圧側へ移動して高圧側圧力が上昇するので、高圧側圧力を最適高圧に一致させることができ、ＣＯＰの高い状態での運転が実現できる。また過熱度演算器５１で演算される冷媒過熱度がステップ４０１で第１過熱度閾値ＳＨ１より小さいと判断され、かつ、ステップ４０３で第２過熱度閾値ＳＨ２より大きいと判断されたときには、圧縮機２１の冷媒吐出温度が圧縮機２１の使用許容範囲内ではあるが常用使用範囲外となり圧縮機２１の信頼性の面からはあまり好ましくない状態となる冷媒過熱度であるので、ステップ４０６では減圧器過熱度制御器５２による減圧器２４の開度と減圧器最適高圧制御器３６による減圧器２４の開度とを混合して減圧器２４を操作することから、冷媒吐出温度が圧縮機２１の常用使用範囲内となる冷媒過熱度を保ちつつ、高圧側圧力を最適高圧に一致させることができ、ＣＯＰの高い状態での運転が実現できる。
【００３２】
以上のような操作を一定時間間隔で繰り返し行うことで、ＣＯ２冷媒を用い、圧縮機２１が密閉容器内を冷凍サイクルにおける高圧側圧力と略同圧力とした圧縮機であっても、圧縮機能力制御器４３による能力制御と圧縮機フロスト制御器４２によるフロスト防止制御を圧縮機回転数操作器４４が切り替えあるいは融合することで吸熱器２５の凍結を防止しつつ、利用者等から要求された能力に応じた冷凍サイクル装置の運転が実現でき、かつ、減圧器最適高圧制御器３６による最適高圧制御と減圧器過熱度制御器５２による過熱度制御を減圧器開度操作器５３が切り替えあるいは融合することで、圧縮機２１の電動要素の絶縁材料が変質するほど、圧縮機２１の冷媒吐出温度が上昇するのを防止しながら、冷凍サイクル装置を効率の高い状態での運転が実現できる。
【００３３】
なお、本実施の形態では過熱度演算器５１は、吸熱器２５出口〜内部熱交換器の低圧側流路２３ａ入口での冷媒過熱度を演算するものとして説明したが、内部熱交換器の低圧側流路内や、内部熱交換器の低圧側流路２３ａ出口〜圧縮機２１吸入での冷媒過熱度を演算してもよい。
【００３４】
（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３における冷凍サイクル装置の概略を示す構成図であり、図３と同じ構成要素については同一の符号を付すか図から省略し、説明を省略する。図５において、６１は吸熱器２５出口での冷媒乾き度を演算する乾き度演算器、６２は乾き度演算器６１で演算された冷媒乾き度が設定値となるように減圧器２４の開度を制御する減圧器乾き度制御器、６３は減圧器乾き度制御器６２と減圧器最適高圧制御器３６の出力を乾き度演算器６１で演算された冷媒乾き度に応じて切り替えあるいは融合して減圧器２４の開度を操作する減圧器開度操作器である。乾き度演算器６１は、吐出温度検知器３１が検知した冷媒吐出温度、高圧検知器３５が検知した冷凍サイクルにおける高圧側圧力、蒸発温度検知器４１が検知した冷媒蒸発温度をもとに、冷媒乾き度を演算する。すなわち、図６に示すモリエル線図から、吐出温度検知器３１が検知した冷媒吐出温度Ｔｄと高圧検知器３５が検知した高圧側圧力Ｐｈから、点１が求められ、さらに、あらかじめ定められた圧縮機の効率を考慮したエントロピの傾きｓの点１を通る直線と、蒸発温度検知器４１が検知した冷媒蒸発温度Ｔｅを飽和温度として演算して求めた低圧側圧力Ｐｅとの交点により、点２が求められる。求められた点２のエンタルピと、冷媒蒸発温度Ｔｅ、あるいは、低圧側圧力Ｐｅから演算できる点Ｌおよび点Ｖのエンタルピの関係から乾き度を求めるとよい。
【００３５】
図７は圧縮機回転数操作器４４による圧縮機２１の動作と、減圧器開度操作器６３による減圧器２４の動作を示すフローチャートである。以下、このフローチャートを用いて説明する。
【００３６】
圧縮機２１の動作については（実施の形態１）や（実施の形態２）と同様であるため、説明を省略する。
次に、減圧器２４の動作について説明する。乾き度演算器６１で演算された冷媒乾き度と第１乾き度閾値χ１（例えば圧縮機２１の冷媒吐出温度が許容使用範囲上限となる冷媒乾き度をもとに設定）との比較を行い（ステップ５０１）、冷媒乾き度が第１乾き度閾値χ１よりも大きい場合には乾き度メンバシップ値を０に設定し（ステップ５０２）、冷媒乾き度が第１乾き度閾値χ１より小さい場合には第１乾き度閾値χ１より小さい第２乾き度閾値χ２（例えば圧縮機２１の冷媒吐出温度が常用使用範囲上限となる冷媒乾き度をもとに設定）との比較を行い（ステップ５０３）、冷媒乾き度が第２乾き度閾値χ２よりも大きい場合には冷媒乾き度に応じて０から１までの範囲で単調で連続した変化をする乾き度メンバシップ値を設定し（ステップ５０４）、冷媒乾き度が第２乾き度閾値χ２より小さい場合には乾き度メンバシップ値を１に設定する（ステップ５０５）。
【００３７】
それから、減圧器最適高圧制御器３６による減圧器２４の開度と乾き度メンバシップ値との積量と、減圧器乾き度制御器６２による減圧器２４の開度と１から乾き度メンバシップ値を減じた値との積量の和として減圧器２４の開度を決定して減圧器２４の開度を操作する（ステップ５０６）。ここで、減圧器最適高圧制御器３６は、高圧検知器３５で検知された高圧側圧力が、出口温度検知器３３で検知された冷媒出口温度に基づいて最適高圧演算器３４で演算された最適高圧よりも高ければ減圧器２４の開度を増加方向に、低ければ減圧器２４の開度を減少方向に減圧器２４の開度を決定するものである（図７中では最適高圧制御という）。一方、減圧器乾き度制御器６２は、乾き度演算器６１で演算された乾き度が、あらかじめ定められた乾き度より大きければ減圧器２４の開度を増加方向に、小さければ減圧器２４の開度を減少方向に減圧器２４の開度を決定するものである（図７中では乾き度制御という）。
【００３８】
すなわち、乾き度演算器６１で演算される冷媒乾き度がステップ５０１で第１乾き度閾値χ１より大きいと判断されたときは、冷媒乾き度が大きいために圧縮機２１の冷媒吐出温度が許容使用範囲をはずれており圧縮機２１の信頼性を著しく損なう状態であることから、ステップ５０６では減圧器乾き度制御器６２による減圧器開度を最優先にして、減圧器２４の開度を増加させて冷媒乾き度を小さくすることにより冷媒吐出温度を低下させる。また乾き度演算器６１で演算される冷媒乾き度がステップ５０１で第１乾き度閾値χ１より小さいと判断され、かつ、ステップ５０３で第２乾き度閾値χ２より小さいと判断されたときには、冷媒乾き度は適正値であり圧縮機２１の冷媒吐出温度は圧縮機２１の常用使用範囲内であり信頼性には問題ない状態であることから、ステップ５０６では減圧器最適高圧制御器３６による減圧器開度を最優先にして減圧器開度を決定する。この時、高圧検知器３５で検知された冷凍サイクルにおける高圧側圧力が、出口温度検知器３３で検知された冷媒出口温度に基づいて、最適高圧演算器３４により演算された最適高圧よりも高いときには減圧器最適高圧制御器３６により減圧器２４の開度を増加方向に決定する。この結果、高圧側の冷媒が低圧側へ移動して高圧側圧力が低下するので、高圧側圧力を最適高圧に一致させることができ、ＣＯＰの高い状態での運転が実現できる。逆に高圧検知器３５で検知された高圧側圧力が最適高圧演算器３４により演算された最適高圧よりも低いときには、減圧器最適高圧制御器３６により減圧器２４の開度を減少方向に決定する。この結果、低圧側の冷媒が高圧側へ移動して高圧側圧力が上昇するので、高圧側圧力を最適高圧に一致させることができ、ＣＯＰの高い状態での運転が実現できる。また乾き度演算器６１で演算される冷媒乾き度がステップ５０１で第１乾き度閾値χ１より小さいと判断され、かつ、ステップ５０３で第２乾き度閾値χ２より大きいと判断されたときには、圧縮機２１の冷媒吐出温度が圧縮機２１の使用許容範囲内ではあるが常用使用範囲外となり圧縮機２１の信頼性の面からはあまり好ましくない状態となる冷媒乾き度であるので、ステップ５０６では減圧器乾き度制御器６２による減圧器２４の開度と減圧器最適高圧制御器３６による減圧器２４の開度とを混合して減圧器２４を操作することから、冷媒吐出温度が圧縮機２１の常用使用範囲内となる冷媒乾き度を保ちつつ、高圧側圧力を最適高圧に一致させることができ、ＣＯＰの高い状態での運転が実現できる。
【００３９】
すなわち、本実施の形態においては、（実施の形態１）や（実施の形態２）と同様に、減圧器開度操作器６３によって減圧器２４が適切に操作されるために、ＣＯ２冷媒を用い、圧縮機２１が密閉容器内を冷凍サイクルにおける高圧側圧力と略同圧力とした圧縮機であっても、圧縮機能力制御器４３による能力制御と圧縮機フロスト制御器４２によるフロスト防止制御を圧縮機回転数操作器４４が切り替えあるいは融合することで吸熱器２５の凍結を防止しつつ、利用者等から要求された能力に応じた冷凍サイクル装置の運転が実現でき、かつ、減圧器最適高圧制御器３６による最適高圧制御と減圧器乾き度制御器６２による乾き度制御を減圧器開度操作器６３が切り替えあるいは融合することで、圧縮機２１の電動要素の絶縁材料が変質するほど、圧縮機２１の冷媒吐出温度が上昇するのを防止しながら、冷凍サイクル装置を効率の高い状態での運転が実現できる。
【００４０】
（実施の形態２）のような構成の冷凍サイクル装置と（実施の形態３）のような構成の冷凍サイクル装置で評価を行い、図８（ａ）に示すような吸熱器２５出口の冷媒過熱度または冷媒乾き度と圧縮機２１の冷媒吐出温度の関係を得た。図８（ａ）の縦軸は冷媒過熱度が０Ｋでの冷媒吐出温度を基準にした差であり、横軸は冷媒過熱度が０Ｋでの吸入エンタルピを基準にした差の軸に、冷媒過熱度と冷媒乾き度の軸を併せて表示している。図８（ａ）より冷媒過熱度を０Ｋ以上（すなわち冷媒乾き度１．０以上）の領域では、冷媒乾き度１．０以下（すなわち冷媒過熱度０Ｋ以下）の領域より、吸入エンタルピの増加に対する冷媒吐出温度の上昇が大きいことがわかる。すなわち、冷媒吐出温度の上昇を低減し、圧縮機２１の電動要素の絶縁材料が変質するのを防止するには、吸熱器２５出口の冷媒過熱度を０Ｋ以下、すなわち、冷媒乾き度を１．０以下となるように制御することが望ましい。次に、能力測定の結果を図８（ｂ）に示す。図８（ｂ）の縦軸は、冷媒過熱度が０Ｋでの能力を１００とした比である。図８（ｂ）より吸熱器２５出口における冷媒乾き度が０．８以下の場合には、吸熱器２５の入口と出口のエンタルピ差が減少するため、圧縮機能力制御器４３により圧縮機回転数を調整しているにも関わらず、能力が低下し冷凍サイクル装置として十分に機能しないことがわかる。したがって、これら両方の特性を考慮すると、冷媒乾き度を０．８以上１．０以下となるように制御することが望ましい。
【００４１】
図９は、本発明の冷凍サイクル装置に接続される圧縮機の一例の概略を示す構成図である。図９の圧縮機は冷媒としてＣＯ２冷媒が用いられており、密閉容器１０内には冷媒を圧縮する圧縮要素１１と、圧縮要素１１を動作させる電動要素１３が設けられ、底部には冷媒が溶解した冷凍機油１４が貯留している。ここで、密閉容器１０内は冷凍サイクルにおける高圧側圧力と略同圧力である。また、圧縮要素１１は駆動軸１５で電動要素１３と連結されており、圧縮要素１１の間には圧縮室１１０が形成されている。さらに、駆動軸１５には冷凍機油経路１５０が形成されている。電動要素１３は接続部（図示せず）を介して電源端子（図示せず）より電気を供給される。
【００４２】
電動要素１３は、その外周面を密閉容器１０に支持された円筒状のステータ１３１と、ステータ１３１の内周面から一定の間隔を保つように駆動軸１５によって支持されたロータ１３２によって構成されている。ステータ１３１は、鉄板を円筒状に積層したコア１６と、コア１６の円筒方向に多数形成されたスロット内を通るマグネットワイヤ１７と、このコア１６とマグネットワイヤ１７との間、および、マグネットワイヤ１７内の相関の絶縁フィルム１８と、コア１６の端面からはみ出したマグネットワイヤ１７を縛っている結束糸（図示せず）により構成されている。ここで、ステータ１３１の接続部、絶縁フィルム１８ならびに結束糸などの絶縁材料には、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレルタレート、ポリエチレンナフタレートなどの従来から汎用されている有機材料を使用してもよいが、好ましくは耐熱性に優れたポリビニルホルマール、ポリフェニレンサルファイド、ポリエステルイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリイミドのうち選ばれた少なくとも一つの有機材料を使用する。
【００４３】
次に、圧縮機の動作について説明する。電動要素１３のロータ１３２が回転することにより、その回転動力が駆動軸１５を介して圧縮要素１１に伝達され、ＣＯ２冷媒は吸入管１２から圧縮室１１０に吸入され、圧縮室１１０の縮小に伴いＣＯ２冷媒は圧縮され吐出孔１１１から密閉容器１０内に吐出される。密閉容器１０内に吐出されたＣＯ２冷媒は吐出管１９を介して圧縮機外へ吐出される。一方、冷凍機油１４はポンプ１５１により冷凍機油経路１５０を経由して、圧縮要素１１の各摺動部に供給される。冷凍機油１４は摺動部のみを潤滑すれば良いが、現実には圧縮室１１０内にも流れ込み、この結果、ＣＯ２冷媒とともに圧縮室１１０から吐出孔１１１を経由して吐出される。
【００４４】
このように、密閉容器１０内が冷凍サイクルにおける高圧側圧力と略同圧力である圧縮機の場合、吐出孔１１１から吐出されるＣＯ２冷媒と冷凍機油は一度、密閉容器１０内に吐出されるために、吐出された冷凍機油の大部分は、密閉容器１０内で吐出管１９に至るまでにＣＯ２冷媒から分離されて再び密閉容器１０底部に貯留する。したがって、吐出される冷凍機油によって、放熱器や吸熱器での熱伝達が阻害され、冷凍サイクル装置の性能を低下させることがなく、効率の良い圧縮機を実現することができる。表１に、電動要素１３の絶縁材料と冷凍機油１４に含まれる水分の重量含有率を変更した圧縮機を約１０ＭＰａの吐出圧力、約１６０℃の冷媒吐出温度という試験条件で２０００時間運転し、オリゴマの抽出やブリスタの発生などの絶縁材料の変質の程度を調べた結果を示す。
【００４５】
【表１】
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【００４６】
表１から明らかなように、電動要素１３の雰囲気温度が上昇する密閉容器１０内が冷凍サイクルにおける高圧側圧力と略同圧力である圧縮機であっても、絶縁材料として、従来、用いられてきたポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレルタレート、ポリエチレンナフタレートなどより、耐熱性に優れたポリビニルホルマール、ポリフェニレンサルファイド、ポリエステルイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリイミドなどを使用すると、絶縁材料が変質し、圧縮機の信頼性を低下させるといった問題が生じることがない。
【００４７】
したがって、密閉容器１０内を冷凍サイクルにおける高圧側圧力と略同圧力とし、電動要素１３の絶縁材料をポリビニルホルマール、ポリフェニレンサルファイド、ポリエステルイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリイミドのうちの少なくとも１つとすることで、信頼性の低下を回避しつつ、高効率な圧縮機を実現できる。本発明の冷凍サイクル装置においてこのような耐熱性に優れた絶縁材料を使用した圧縮機を接続することは、本発明の冷凍サイクル装置がよりいっそうの信頼性を獲得することに貢献する。
【００４８】
さらに、表１から明らかなように、絶縁材料の変質をさらに低減し信頼性の低下を回避しつつ高効率な圧縮機を実現する上で、冷凍機油１４に含まれる水分の重量含有率は好ましくは１００重量ｐｐｍ以下、より好ましくは５０重量ｐｐｍ以下とするのが良い。また、冷凍機油１４に含まれる水分の重量含有率を好ましくは１００重量ｐｐｍ以下、より好ましくは５０重量ｐｐｍ以下とするためには、表２から明らかなように吸湿性の小さい、パラフィン油やナフテン油などの鉱油系油、アルキルベンゼン油およびそれらの混合物から選ばれるいずれか一つを主成分とした冷凍機油１４を用いることで水分管理が容易となる。なお、冷凍機油による摺動損失を減らすために冷凍機油の粘度を適切に設定することが好ましい。ＣＯ２冷媒は上記の冷凍機油への溶け込み量が少ない。従って、上記の冷凍機油については、４０℃での動粘度を４０ｍｍ２／ｓ以下に保つことが好ましい。
【００４９】
【表２】
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【００５０】
【発明の効果】
以上述べたところから明らかなように、本発明によれば、減圧器吐出温度制御器、減圧器最適高圧制御器、減圧器開度操作器、圧縮機能力制御器によって減圧器と圧縮機を適正に制御することで、利用者等から要求された能力に応じ、かつ、効率の高い状態で運転を維持しながら、圧縮機の電動要素の絶縁材料が変質するほどに圧縮機の冷媒吐出温度が上昇することを防止した運転が実現できるＣＯ２冷媒を使用する冷凍サイクル装置が提供される。
あるいは、減圧器過熱度制御器、減圧器最適高圧制御器、減圧器開度操作器、圧縮機能力制御器によって減圧器と圧縮機を適正に制御することで、利用者等から要求された能力に応じ、かつ、効率の高い状態で運転を維持しながら、圧縮機の電動要素の絶縁材料が変質するほどに圧縮機の冷媒吐出温度が上昇することを防止した運転が実現できるＣＯ２冷媒を使用する冷凍サイクル装置が提供される。
あるいは、減圧器乾き度制御器、減圧器最適高圧制御器、減圧器開度操作器、圧縮機能力制御器によって減圧器と圧縮機を適正に制御することで、利用者等から要求された能力に応じ、かつ、効率の高い状態で運転を維持しながら、圧縮機の電動要素の絶縁材料が変質するほどに圧縮機の冷媒吐出温度が上昇することを防止した運転が実現できるＣＯ２冷媒を使用する冷凍サイクル装置が提供される。
さらに、本発明の冷凍サイクル装置に、密閉容器内を冷凍サイクルにおける高圧側圧力と略同圧力とする圧縮機を接続することで、圧縮機の信頼性を低下させることなく、かつ、ＣＯ２冷媒とともに吐出される冷凍機油を低減できるために、吐出される冷凍機油によって、放熱器や吸熱器での熱伝達が阻害され、冷凍サイクル装置の性能を低下させることがない効率の高い冷凍サイクル装置を実現できる。
さらに、本発明の冷凍サイクル装置に、圧縮機フロスト制御器と圧縮機回転数操作器を備えることで、吸熱器２５の凍結を防止しつつ、利用者等から要求された能力に応じた冷凍サイクル装置の運転が実現できる。
さらに、冷媒乾き度を０．８以上１．０以下となるように制御することで、絶縁材料が変質し圧縮機の信頼性が低下してしまうことをさらに防止できる。
また、内部熱交換器２３を備えた冷凍サイクル装置では、圧縮機の冷媒吐出温度はさらに上昇する傾向になるため、本発明の冷凍サイクル装置の構成とすることによる効果が大となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の概略を示す構成図
【図２】本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の動作を示すフローチャート
【図３】本発明の実施の形態２における冷凍サイクル装置の概略を示す構成図
【図４】本発明の実施の形態２における冷凍サイクル装置の動作を示すフローチャート
【図５】本発明の実施の形態３における冷凍サイクル装置の概略を示す構成図
【図６】冷媒過熱度または冷媒乾き度と冷媒吐出温度、高圧、低圧の関係を示すモリエル線図
【図７】本発明の実施の形態３における冷凍サイクル装置の動作を示すフローチャート
【図８】本発明の実施の形態における冷媒過熱度または冷媒乾き度と冷媒吐出温度の関係
【図９】本発明の冷凍サイクル装置に接続される圧縮機の一例の概略を示す構成図
【図１０】従来の冷凍サイクル装置の概略を示す構成図
【符号の説明】
１、２１　　圧縮機
２、２２　　放熱器
３、２３　　内部熱交換器
４、２４　　減圧器
５、２５　　吸熱器
１０　　　　密閉容器
１１　　　　圧縮要素
１１０　　　圧縮室
１１１　　　吐出孔
１２　　　　吸入管
１３　　　　電動要素
１３１　　　ステータ
１３２　　　ロータ
１４　　　　冷凍機油
１５　　　　駆動軸
１５０　　　冷凍機油経路
１５１　　　ポンプ
１６　　　　コア
１７　　　　マグネットワイヤ
１８　　　　絶縁フィルム
１９　　　　吐出管
３１　　　　吐出温度検知器
３２　　　　減圧器吐出温度制御器
３３　　　　出口温度検知器
３４　　　　最適高圧演算器
３５　　　　高圧検知器
３６　　　　減圧器最適高圧制御器
３７、５３、６３　減圧器開度操作器
４１　　　　蒸発温度検知器
４２　　　　圧縮機フロスト制御器
４３　　　　圧縮機能力制御器
４４　　　　圧縮機回転数操作器
５１　　　　過熱度演算器
５２　　　　減圧器過熱度制御器
６１　　　　乾き度演算器
６２　　　　減圧器乾き度制御器
【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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