(57)【要約】【課題】ガスインジェクションは吐出温度が十分に下がらず、インジェクション量を増加させるとシリンダ内に液冷媒が流入して液圧縮され、信頼性が保証できなかった。【解決手段】少なくとも圧縮機、放熱器、第一絞り装置、蒸発器を環状に接続して冷凍サイクルの主回路を構成し、運転中に前記放熱器で超臨界状態となりうる冷媒を封入し、前記放熱器出口の前記冷媒を前記圧縮機のシリンダ内にインジェクションするインジェクション配管を備えたことを特徴とする冷凍装置。【選択図】  図１
2004218964.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも圧縮機、放熱器、第一絞り装置、蒸発器を環状に接続して冷凍サイクルの主回路を構成し、運転中に前記放熱器で超臨界状態となりうる冷媒を封入し、前記放熱器出口の前記冷媒を前記圧縮機のシリンダ内にインジェクションするインジェクション配管を備えたことを特徴とする冷凍装置。
【請求項２】
前記インジェクション配管の途中に第二絞り装置を設け、圧縮機の吐出温度が所定値を超えた場合に前記第二絞り装置を開けることを特徴とする請求項１記載の冷凍装置。
【請求項３】
少なくとも圧縮機、四方弁、室外熱交換器、第一絞り装置、室内熱交換器を構成要素として冷凍サイクルの主回路を構成し、運転中に前記室外熱交換器または前記室内熱交換器で超臨界状態となりうる冷媒を封入し、直列に接続された前記室外熱交換器と前記第一絞り装置の間と、直列に接続された前記室内熱交換器と前記第一絞り装置の間とを、それぞれ第１の逆止弁と第２の逆止弁を介して接続し、前記第１の逆止弁と第２の逆止弁との間と、前記圧縮機のシリンダ内とを接続し、前記第１逆止弁と前記第２逆止弁は、それぞれ前記圧縮機のシリンダ内に向かってのみ流れるように設け、前記室外熱交換器と前記第一絞り装置との間または、前記室内熱交換器と前記第一絞り装置との間の前記冷媒を前記圧縮機のシリンダ内にインジェクションすることを特徴とする冷凍装置。
【請求項４】
前記第１の逆止弁と前記第２の逆止弁との間と、圧縮機のシリンダ内との間に第二絞り装置を設け、前記圧縮機の吐出温度が所定値を超えた場合に前記第二絞り装置を開くことを特徴とする請求項３記載の冷凍装置。
【請求項５】
冷媒は二酸化炭素であることを特徴とする請求項１から４いずれか一項記載の冷凍装置。
【請求項６】
少なくとも圧縮機、放熱器、第一絞り装置、蒸発器を環状に接続して冷凍サイクルの主回路を構成し、運転中に超臨界状態となりうる冷媒を封入し、前記超臨界状態の冷媒を前記圧縮機のシリンダ内にインジェクションすることを特徴とする冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はエアコンなどに用いられている冷凍装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の冷凍装置は、図４に示すものがある（たとえば特許文献１参照）。図４において、１は圧縮機、２は室外熱交換器、３は室内熱交換器、４はアキュームレータ、５は四方弁である。また、室外熱交換器２と室内熱交換器３とは冷媒路２１を介して接続されているが、この冷媒路１７には第１の膨張弁１１と第２の膨張弁１２と第３の膨張弁１３とが直列に介設されるとともに、第１の膨張弁１１と第２の膨張弁１２の中間位置には気液分離用のレシーバ７が、また第２の膨張弁１２と第３の膨張弁１３との中間位置には高圧側伝熱部８ａと低圧側伝熱部８ｂを備えた内部熱交換器８の高圧側伝熱部８ａが介設されている。さらに、この内部熱交換器８の低圧側伝熱部８ｂは、その一端が冷媒路１４に、その他端が冷媒路１５にそれぞれ接続されている。また、レシーバ７の気相部は、制御弁１０を備えた冷媒路１６を介して圧縮機１の圧縮室に接続されている。そして、冷媒は二酸化炭素を用いている。
【０００３】
冷凍装置の冷房運転時の作動を、図５に示す「Ｐ−ｈ線図」を併用しつつ説明する。
【０００４】
冷房運転時、圧縮機１から吐出されたＣＯ２冷媒（ガス冷媒）は、四方弁５を介して室外熱交換器２に導入され、室外熱交換器２において超臨界領域で放熱される（図５の点Ｄ〜点Ｅの領域）。室外熱交換器２から流出する超臨界状態のＣＯ２冷媒は、第１の膨張弁１１において一次膨張され（点Ｅ〜点Ｆの領域）、気液二相状態でレシーバ７に導入され、ここで気液分離される（点Ｇ及び点Ｈ）。
【０００５】
そして、レシーバ７で分離された液冷媒は、全開状態にある第２の膨張弁１２を通って内部熱交換器８の高圧側伝熱部８ａに流入し、その入口（点Ｈ）から出口（点Ｉ）へ向かって流れる間に、その低圧側伝熱部８ｂをその入口（点Ｋ）から出口（点Ａ）へ向かって流れるガス冷媒との間で内部熱交換を行った後、第３の膨張弁１３において二次膨張（点Ｉ〜点Ｊの領域）された後、室内熱交換器３に送られ、その入口（点Ｊ）から出口（点Ｋ）を流れる間に蒸発しガス冷媒とされる。尚、このガス冷媒は再度圧縮機１に吸入されて圧縮されるが、その吸入温度は、室内熱交換器３の出口温度（点Ｋに対応する温度）よりも、内部熱交換器８における内部熱交換による昇温分（「ｄ」で示す）だけ高い温度（即ち、点Ａに対応する温度）とされる。
【０００６】
一方、レシーバ７で分離されたガス冷媒は、冷媒路１６を介して圧縮機１の圧縮行程途中にある圧縮室にインジェクションされる（点Ｇ参照）。このように圧縮機１の圧縮室にガス冷媒がインジェクションされこれが該圧縮室内のガス冷媒に混合することで、該圧縮室内におけるガス冷媒の冷却と高密度化が促進されることから、上述のように、内部熱交換によって圧縮機１の吸入温度が上昇しており、この高い吸入温度から圧縮が開始されるにも拘わらず、圧縮室内のガス冷媒の温度は、ガスインジェクション時の点Ｂに対応する温度から点Ｃに対応する温度まで一旦低下し、この低下した温度から再度昇圧昇温され、点Ｄに対応する温度が吐出温度となる。従って、この吐出温度は、ガスインジェクションに伴う温度低下の影響を受けて、ガスインジェクションが行われず点Ａから点Ｄ０まで圧縮される場合の温度（点Ｄ０に対応する温度）よりも低温とすることができるものであり、圧縮機１の高信頼性を可能とするものである。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１―２９６０６７号公報（第８頁、図４、図５）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような従来の方式では、外気温が低い場合の暖房運転など、圧縮機１の圧縮比、すなわち図５の点Ｄの吐出圧力と点Ａの吸入圧力との比が大きい場合には、冷媒である二酸化炭素の特性上、吐出温度が異常に高くなり、そのためレシーバ７で分離したガス冷媒を圧縮機１にガスインジェクションしても吐出温度が十分に下がらず、圧縮機１の信頼性が十分ではなかった。
【０００９】
また、それを回避するために、制御弁１０をさらに開放して冷媒のインジェクション流量を増加させようとすると、レシーバ７内で分離した液冷媒もインジェクションするようになり、そのため、圧縮機１の圧縮行程中のシリンダ内に液冷媒が流入し、非圧縮性の液冷媒を圧縮することになるため、シリンダや軸受けなどの磨耗を促進し、信頼性が保証できなかった。
【００１０】
本発明は上記従来の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、二酸化炭素を冷媒として高圧縮比運転を行っても、圧縮機の吐出温度を確実に、しかも安全に低下させることのできる冷凍装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために本発明は、放熱器出口の超臨界冷媒を圧縮機のシリンダ内にインジェクションするインジェクション配管を備えたので、放熱器を出たエンタルピーの低い超臨界冷媒を直接圧縮機にインジェクションするため、少量でも圧縮機の吐出温度を低下させる効果が大きく、しかも、液冷媒ではなく超臨界冷媒をインジェクションするため、液圧縮等が起こらず信頼性が向上する。
【００１２】
また、本発明は、四方弁の切り換えにより冷暖房運転される場合にも、逆止弁の組合せにより簡単な構成で室外熱交換器出口または室内熱交換器出口の超臨界冷媒を圧縮機のシリンダ内にインジェクションするように構成したので、エンタルピーの低い超臨界冷媒を直接圧縮機にインジェクションでき、圧縮機の吐出温度を大きく低減できると共に、超臨界冷媒のため、液圧縮等が起こらず信頼性が向上する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係わる冷凍装置を具体的な実施例により説明する。
【００１４】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における冷凍装置の構成図を示す。
【００１５】
図１において、２１は圧縮機、２２は放熱器、２３は第一絞り装置、２４は蒸発器である。２５は放熱器２２用のファン、２６は蒸発器２４用のファンである。また、放熱器２２の出口と圧縮機２１のシリンダ内（図示せず）とを接続しており、その途中に第二絞り装置２７を設けており、放熱器２２の出口冷媒が圧縮機２１のシリンダ内にインジェクションされる構成となっている。
【００１６】
２８は圧縮機２１の吐出ガス温度を検知する温度センサーであり、２９はその吐出ガス温度と設定値とを比較して、第二絞り装置２７の開度を制御する制御装置である。
【００１７】
本実施の形態においては、冷媒は二酸化炭素を用いている。
【００１８】
上記冷凍装置の動作を、図２に示す「Ｐ−ｈ線図」を併用しつつ説明する。
【００１９】
圧縮機２１で高圧まで圧縮されて吐出された冷媒（二酸化炭素）は、放熱器２２に導入され、ファン２５によって空気と熱交換され、超臨界領域で放熱される（図２の点Ｄ〜点Ｅの領域）。放熱器２２から流出する超臨界状態の二酸化炭素冷媒は、第一絞り装置２３において膨張され（点Ｅ〜点Ｆの領域）、蒸発器２４に送られ、ファン２６によって空気と熱交換され、ここを流れる間に蒸発しガス冷媒となる（点Ｆ〜点Ａの領域）。
【００２０】
さらにガス冷媒は再度圧縮機２１に吸入され（点Ａ）、圧縮される。
【００２１】
一方、温度センサー２８で検知した圧縮機２１の吐出ガス温度が、制御装置２９にあらかじめ設定している温度よりも高い場合、制御装置２９は第二絞り装置２７の開度を大きくして冷媒が流れるように指令を出す。
【００２２】
この場合、放熱器２２を出た超臨界冷媒（点Ｅ）は第二絞り装置２７を通り、圧縮機２１のシリンダー内にインジェクションされる。
【００２３】
そして、シリンダー内で圧縮された吸入ガス（点Ａ）が、点Ｂまで圧縮され、ここで、インジェクションされた冷媒と混合されて、点Ｃの状態まで温度が低下し、さらに圧縮されて、点Ｄの高圧の状態となる。
【００２４】
ここでは、エンタルピの低い点Ｅの超臨界の冷媒を直接インジェクションするため、点Ｄの状態は、インジェクションしない場合の吐出ガス温度（点Ｄ´）と比較して、温度を大きく低下でき、温度上昇による圧縮機の信頼性低下を防止できる。
【００２５】
また、インジェクションした超臨界の冷媒は、液冷媒ではないため圧縮性がある。たとえば、二酸化炭素において、液温度２０℃、圧力６ＭＰａの液冷媒は、断熱圧縮されて圧力が超臨界の３０ＭＰａになった場合、密度は約１０％しか大きくならず、ほとんど圧縮されないが、たとえば、温度３５℃、圧力８ＭＰａの超臨界の二酸化炭素は、圧力が同じく３０ＭＰａまで断熱圧縮されると、その密度は約６０％大きくなり、圧縮性が大きい。
【００２６】
そのため、万一、一時的に多量にインジェクションされて、シリンダ内や軸受け内に超臨界冷媒が混入した場合にも、内部の容積減少などによる異常な圧力上昇は起こりにくく、圧縮機２１内部の各摺動部の磨耗が起こることを回避できるため、信頼性が向上する。
【００２７】
なお、第二絞り装置２７の開度は、温度センサー２８で検知した圧縮機２１の吐出ガス温度と、制御装置２９にあらかじめ設定している温度との温度差に関連付けて開閉制御させるとしたが、高圧や低圧を検知して、これらの圧力に関連付けて開閉制御させてもよく、これらも本発明に含まれる。
【００２８】
（実施の形態２）
図３は本発明の実施の形態２における冷凍装置の構成図を示す。
【００２９】
図３において、図１と同じ機能を有するものについては同じ符号を付け、説明は省略する。
【００３０】
ここにおいては、冷暖房運転を切り換える四方弁３０を設け、室外熱交換器３１、第一絞り装置２３、室内熱交換器３２を接続して冷凍サイクルの主回路を構成している。
【００３１】
さらに、室外熱交換器３１と第一絞り装置２３の間と逆止弁３３を図３の実線矢印方向にのみ流れるように接続し、また、室内熱交換器３２と第一絞り装置２３の間と逆止弁３４を図３の破線矢印方向にのみ流れるように接続している。
【００３２】
また、逆止弁３３の出口と逆止弁３４の出口は合流して第二絞り装置２７に接続され、さらに、圧縮機２１のシリンダ内（図示せず）に接続しており、室外熱交換器３１と第一絞り装置２３の間の冷媒または、室内熱交換器３２と第一絞り装置２３の間の冷媒が圧縮機２１のシリンダ内にインジェクションされる構成となっている。
【００３３】
本実施の形態においては、冷媒は二酸化炭素を用いている。
【００３４】
上記冷凍装置の動作を、実施の形態１で説明した図２に示す「Ｐ−ｈ線図」を併用しつつ説明する。
【００３５】
冷房運転時、圧縮機２１で高圧まで圧縮されて吐出された冷媒（二酸化炭素）は、四方弁３０を通って実線矢印方向に流れて室外熱交換器３１に導入され、ファン２５によって送られる室外の空気と熱交換し、超臨界領域で放熱される（図２の点Ｄ〜点Ｅの領域）。室外熱交換器３１から流出する超臨界状態の二酸化炭素冷媒は、第一絞り装置２３において膨張され（点Ｅ〜点Ｆの領域）、室内熱交換器３２に送られ、ファン２６によって送られる室内の空気と熱交換して冷房に寄与し、自らは蒸発してガス冷媒となる（点Ｆ〜点Ａの領域）。
【００３６】
さらにガス冷媒は四方弁３０を通って、再度圧縮機２１に吸入され（点Ａ）、圧縮される。
【００３７】
一方、逆止弁３３，３４の方向性により、第二絞り装置２７が閉止している場合には、第一絞り装置２３をバイパスして冷媒が流れることはない。
【００３８】
一方、温度センサー２８で検知した圧縮機２１の吐出ガス温度が、制御装置２９にあらかじめ設定している温度よりも高い場合、制御装置２９は第二絞り装置２７の開度を大きくして冷媒が流れるように指令を出す。
【００３９】
この場合、室外熱交換器３１を出た超臨界冷媒（点Ｅ）の一部は、逆止弁３３および第二絞り装置２７を通り、圧縮機２１のシリンダー内にインジェクションされる。
【００４０】
そして、シリンダー内で圧縮された吸入ガス（点Ａ）が、点Ｂまで圧縮され、ここで、インジェクションされた冷媒と混合されて、点Ｃの状態まで温度が低下し、さらに圧縮されて、点Ｄの高圧の状態となる。
【００４１】
ここでは、エンタルピの低い点Ｅの超臨界の冷媒を直接インジェクションするため、点Ｄの状態は、インジェクションしない場合の吐出ガス温度（点Ｄ´）と比較して、温度を大きく低下でき、温度上昇による圧縮機２１の信頼性低下を防止できる。
【００４２】
また、インジェクションした超臨界の冷媒は、実施の形態１で述べたように液冷媒ではないため圧縮性があり、そのため、万一、一時的に多量にインジェクションされて、シリンダ内や軸受け内に超臨界冷媒が混入した場合にも、内部の容積減少などによる異常な圧力上昇は起こりにくく、圧縮機２１内部の各摺動部の磨耗が起こることを回避できるため、信頼性が向上する。
【００４３】
一方、暖房運転時には、圧縮機２１で高圧まで圧縮されて吐出された冷媒（二酸化炭素）は、四方弁３０を通って破線矢印方向に流れて室内熱交換器３２に導入され、ファン２６によって送られる室内の空気と熱交換して暖房に寄与し、超臨界領域で放熱される（図２の点Ｄ〜点Ｅの領域）。室内熱交換器３２から流出する超臨界状態の二酸化炭素冷媒は、第一絞り装置２３において膨張され（点Ｅ〜点Ｆの領域）、室外熱交換器３１に送られ、ファン２５によって送られる室外の空気と熱交換し、蒸発してガス冷媒となる（点Ｆ〜点Ａの領域）。
【００４４】
さらにガス冷媒は四方弁３０を通って、再度圧縮機２１に吸入され（点Ａ）、圧縮される。
【００４５】
一方、逆止弁３３，３４の方向性により、第二絞り装置２７が閉止している場合には、第一絞り装置２３をバイパスして冷媒が流れることはない。
【００４６】
一方、温度センサー２８で検知した圧縮機２１の吐出ガス温度が、制御装置２９にあらかじめ設定している温度よりも高い場合、制御装置２９は第二絞り装置２７の開度を大きくして冷媒が流れるように指令を出す。
【００４７】
この場合、室内熱交換器３２を出た超臨界冷媒（点Ｅ）の一部は、逆止弁３４および第二絞り装置２７を通り、圧縮機２１のシリンダー内にインジェクションされる。
【００４８】
そして、この場合の冷媒の状態を示す「Ｐ−ｈ線図」は、冷房運転時と同様であるので、ここでは説明は省略する。
【００４９】
この場合、特に、低外気温時の暖房運転など、高温風が必要な場合においては、吐出圧力が上昇し、吸入圧力が低下して、吐出温度が異常に上昇するため、本発明によって確実に吐出温度を低下させ、圧縮機２１内部の各摺動部の磨耗が起こることを回避できるため、信頼性が向上する。
【００５０】
なお、冷暖房運転時において、第二絞り装置２７の開度は、温度センサー２８で検知した圧縮機２１の吐出ガス温度と、制御装置２９にあらかじめ設定している温度との温度差に関連付けて開閉制御させるとしたが、高圧や低圧を検知して、これらの圧力に関連付けて開閉制御させてもよく、これらも本発明に含まれる。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の冷凍装置は、超臨界冷媒を直接圧縮機にインジェクションするため、少量でも圧縮機の吐出温度を低下させる効果が大きく、しかも、液冷媒よりも圧縮性のある超臨界冷媒であるので、シリンダ内や軸受け内に超臨界冷媒が混入した場合にも、従来の液圧縮のような異常な圧力上昇は起こりにくく、各摺動部の磨耗が起こるようなことは回避でき、信頼性を向上することができる。
【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を示すＰ−ｈ線図
【図３】本発明の実施の形態２における構成図
【図４】従来の冷凍装置における構成図
【図５】従来の冷凍装置における冷凍サイクルを示すＰ−ｈ線図
【符号の説明】
２１  圧縮機
２２  放熱器
２３  第一絞り装置
２４  蒸発器
２５、２６  ファン
２７  第二絞り装置
２８  温度センサー
２９  制御装置
３０  四方弁
３１  室外熱交換器
３２  室内熱交換器
３３，３４  逆止弁
【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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