(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮された冷媒を冷却し、内部の圧力が冷媒の臨界圧力を越える放熱器と、
前記放熱器から流出した冷媒を分岐させる分岐部と、
前記分岐部にて分岐された一方の冷媒を第１所定圧力まで減圧する第１減圧装置と、
前記第１減圧装置にて減圧された冷媒と他方側の冷媒とを熱交換して他方側の冷媒を冷却するエコノマイザと、
前記エコノマイザにて冷却された他方側の冷媒を、前記第１所定圧力より低い第２所定圧力まで減圧する第２減圧装置と、
前記第２減圧装置にて減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器から流出した冷媒を吸収圧縮し、前記放熱器に向けて吐出する圧縮装置とを備え、
前記第１減圧装置にて減圧された冷媒を前記圧縮装置の吸入圧縮工程の途中に導くための冷媒インジェクションラインを備えた超臨界蒸気圧縮冷凍サイクルであって、
前記圧縮装置を往復式とし、
前記冷媒インジェクションラインを複数に分岐させてそれぞれ異なる圧縮段階に開口させるとともに、分岐した各冷媒インジェクションラインに開閉弁の開閉操作タイミングを調整するインジェクション圧力切換手段を設けたことを特徴とする超臨界蒸気圧縮冷凍サイクル。
【請求項２】
圧縮された冷媒を冷却し、内部の圧力が冷媒の臨界圧力を越える放熱器と、
前記放熱器から流出した冷媒を分岐させる分岐部と、
前記分岐部にて分岐された一方の冷媒を第１所定圧力まで減圧する第１減圧装置と、
前記第１減圧装置にて減圧された冷媒と他方側の冷媒とを熱交換して他方側の冷媒を冷却するエコノマイザと、
前記エコノマイザにて冷却された他方側の冷媒を、前記第１所定圧力より低い第２所定圧力まで減圧する第２減圧装置と、
前記第２減圧装置にて減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記エコノマイザと前記蒸発器との間に位置し、前記他方側の冷媒を前記蒸発器から流出した冷媒で冷却するインタークーラと、
前記蒸発器から前記インタークーラを経て流出した冷媒を吸収圧縮し、前記放熱器に向けて吐出する圧縮装置とを備え、
前記第１減圧装置にて減圧された冷媒を前記圧縮装置の吸入圧縮工程の途中に導くための冷媒インジェクションラインを備えた超臨界蒸気圧縮冷凍サイクルであって、
前記放熱器と前記分岐部との間に設置した第１開閉弁と、
前記エコノマイザと前記インタークーラとの間に設置した第２開閉弁と、
前記放熱器と前記第１開閉弁との間から分岐して前記第２開閉弁と前記インタークーラとの間に連結され途中に第３開閉弁を備えた第１バイパスラインと、
前記エコノマイザと前記第２開閉弁との間から分岐して前記インタークーラと前記第２減圧装置との間に連結され途中に第４開閉弁を備えた第２バイパスラインとを設けたことを特徴とする超臨界蒸気圧縮冷凍サイクル。
【請求項３】
圧縮された冷媒を冷却し、内部の圧力が冷媒の臨界圧力を越える放熱器と、
前記放熱器から流出した冷媒を分岐させる分岐部と、
前記分岐部にて分岐された一方の冷媒を第１所定圧力まで減圧する第１減圧装置と、
前記第１減圧装置にて減圧された冷媒と他方側の冷媒とを熱交換して他方側の冷媒を冷却するエコノマイザと、
前記エコノマイザにて冷却された他方側の冷媒を、前記第１所定圧力より低い第２所定圧力まで減圧する第２減圧装置と、
前記第２減圧装置にて減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記エコノマイザと前記蒸発器との間に位置し、前記他方側の冷媒を前記蒸発器から流出した冷媒で冷却するインタークーラと、
前記蒸発器から前記インタークーラを経て流出した冷媒を吸収圧縮し、前記放熱器に向けて吐出する圧縮装置とを備え、
前記第１減圧装置にて減圧された冷媒を前記圧縮装置の吸入圧縮工程の途中に導くための冷媒インジェクションラインを備えた超臨界蒸気圧縮冷凍サイクルであって、
前記冷媒インジェクションラインにインジェクション圧力切換手段を設けるとともに、
前記放熱器と前記分岐部との間に設置した第１開閉弁と、
前記エコノマイザと前記インタークーラとの間に設置した第２開閉弁と、
前記放熱器と前記第１開閉弁との間から分岐して前記第２開閉弁と前記インタークーラとの間に連結され途中に第３開閉弁を備えた第１バイパスラインと、
前記エコノマイザと前記第２開閉弁との間から分岐して前記インタークーラと前記第２減圧装置との間に連結され途中に第４開閉弁を備えた第２バイパスラインとを設けたことを特徴とする超臨界蒸気圧縮冷凍サイクル。
【請求項４】
前記圧縮装置が複数のインジェクションポートを備えたスクロール圧縮機であり、前記インジェクション圧力切換手段は、前記インジェクションラインを複数に分岐させてそれぞれに開閉弁を設け、分岐したインジェクションラインをそれぞれ異なるインジェクションポートに連結してなることを特徴とする請求項３に記載の超臨界蒸気圧縮冷凍サイクル。
【請求項５】
前記圧縮装置が往復式であり、前記インジェクション圧力切換手段は、前記インジェクションラインに設けた開閉弁の開閉操作タイミングを調整することを特徴とする請求項３に記載の超臨界蒸気圧縮冷凍サイクル。
【請求項６】
前記第１開閉弁、第２開閉弁、第３開閉弁及び第４開閉弁の開閉は、前記圧縮装置から吐出される冷媒温度を検出して切換操作されることを特徴とする請求項２または３に記載の超臨界蒸気圧縮冷凍サイクル。
【請求項７】
圧縮された冷媒を冷却し、内部の圧力が冷媒の臨界圧力を越える放熱器と、
前記放熱器から流出した冷媒を分岐させる分岐部と、
前記分岐部にて分岐された一方の冷媒を第１所定圧力まで減圧する第１減圧装置と、
前記第１減圧装置にて減圧された冷媒と他方側の冷媒とを熱交換して他方側の冷媒を冷却するエコノマイザと、
前記エコノマイザにて冷却された他方側の冷媒を、前記第１所定圧力より低い第２所定圧力まで減圧する第２減圧装置と、
前記第２減圧装置にて減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器から流出した冷媒を吸収圧縮し、前記放熱器に向けて吐出する圧縮装置とを備え、
前記第１減圧装置にて減圧された冷媒を前記圧縮装置の吸入圧縮工程の途中に導くための冷媒インジェクションラインを備えた超臨界蒸気圧縮冷凍サイクルであって、
前記圧縮装置が直列に配列された低段圧縮機及び高段圧縮機よりなり、前記冷媒インジェクションラインを前記低段圧縮機及び高段圧縮機間に連結するとともに、
前記エコノマイザから流出した冷媒を２相域まで減圧する手段と、余剰冷媒を保持する中間圧力レシーバと、液冷媒の流動状態を判断する視認部とを具備してなる冷媒量管理手段を設け、
前記中間圧力レシーバの上部と前記高圧段圧縮機の吸入側とを連結するガス抜き回路を設けて、気液２相域状態の前記中間圧力レシーバ内から気相冷媒を前記高圧段圧縮機の吸入側に抽気するように構成したことを特徴とする超臨界蒸気圧縮冷凍サイクル。
【請求項８】
前記中間圧力レシーバ内で分離した液冷媒成分の流動状態を視認部で確認して冷媒量を判断することを特徴とした請求項７に記載の超臨界蒸気圧縮冷凍サイクル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二酸化炭素（ＣＯ2 ）等を冷媒として使用する超臨界蒸気圧縮冷凍サイクルに係り、特に、外気温度が高い条件下での冷却能力を確保して効率よく運転するのに好適な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球環境の保全に対する関心が高まっているが、車両用空調装置等の冷媒として従来用いられているＲ１３４ａといった代替フロンは、地球温暖化に対して影響を与えることが懸念されている。このため、このような代替フロン冷媒等に代わる物質として、元来自然界に存在する物質、いわゆる自然冷媒を用いた冷凍サイクルの研究が行われている。
このような自然冷媒の候補として、二酸化炭素（ＣＯ2 ）が注目されている。このＣＯ2 は、地球温暖化に対する寄与が代替フロンよりもはるかに小さいだけでなく、可燃性がないうえ、基本的には人体に無害である。
【０００３】
ＣＯ2 冷媒を利用した蒸気圧縮式冷凍サイクル（以下、ＣＯ2 冷凍サイクルと略す。）の作動原理は、フロン冷媒を使用した従来の蒸気圧縮式冷凍サイクルと基本的には同じである。そこで、図１０に一般的なＣＯ2 冷凍サイクルの構成を示し、図１１にモリエル線図を示して簡単に説明する。
図１０において、図中の符号１は気相状態のＣＯ2 冷媒を圧縮する圧縮機、２は圧縮機１で圧縮されたＣＯ2 冷媒を外気等との間で熱交換して冷却するガスクーラ（放熱器）、３はガスクーラ２の出口側配管に設けられた圧力（高圧）制御弁、４は高圧のＣＯ2 冷媒を減圧する膨張弁（減圧装置）、５は冷却器として機能するエバポレータ（蒸発器）であり、気液２相状態のＣＯ2 冷媒はエバポレータ４内で気化（蒸発）する際に空気から蒸発潜熱を奪って冷却する。
【０００４】
このＣＯ2 冷凍サイクルの作動は、フロンを冷媒として使用した従来の蒸気圧縮式冷凍サイクルと同様である。
すなわち、ＣＯ2 モリエル線図（図１１参照）にＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ａで示されるように、圧縮機１で気相状態のＣＯ2 冷媒を圧縮し（Ａ−Ｂ）、この高温圧縮された気相状態のＣＯ2 冷媒をガスクーラ２にて冷却する（Ｂ−Ｃ）。そして、膨張弁により減圧して（Ｃ−Ｄ）、気液２相状態となったＣＯ2 冷媒をエバポレータ４で蒸発させて（Ｄ−Ａ）、蒸発潜熱を空気等の外部流体から奪って外部流体を冷却する。
【０００５】
しかしながら、ＣＯ2 冷媒の臨界温度は約３１℃と従来の冷媒であるフロンの臨界温度と比べてかなり低いので、夏場等外気温の高いときには、ガスクーラ２側におけるＣＯ2 冷媒の温度がＣＯ2 の臨界点温度よりも高くなってしまう。つまり、ガスクーラ２の出口側において、ＣＯ2 冷媒は凝縮しない（線分ＢＣが飽和液線ＳＬと交差しない）超臨界域が存在することになる。超臨界域では、同一冷媒温度での高圧圧力は不定であり、冷媒温度、厳密にはガスクーラ出口冷媒温度（外気温度＋α℃）に対して高圧圧力（厳密にはガスクーラ出口冷媒圧力）を決定する必要がある。
【０００６】
すなわち、ガスクーラ２の出口側（Ｃ点）の状態は、圧縮機１の吐出圧力とガスクーラ出口側におけるＣＯ2 温度とによって決定され、さらに、ガスクーラ出口側でのＣＯ2 温度はガスクーラ２の放熱能力と外気温度（制御不可）とによって決定されるので、ガスクーラ出口での冷媒温度は、実質的には制御することができない。したがって、ガスクーラ出口側（Ｃ点）の状態は、圧縮機１の吐出圧力（ガスクーラ出口側圧力）を制御することによって制御可能となる。つまり、夏場等外気温の高い時には、十分な冷却能力（エンタルピ差）を確保するためには、モリエル線図にＥ−Ｆ−Ｇ−Ｈ−Ｅで示されるように、ガスクーラ出口側圧力を高くする必要がある。そのために、圧縮機１の運転圧力は、従来のフロンを用いた冷凍サイクルに比べて高く設定する必要がある。
車両用空調装置を例にすると、圧縮機１の運転圧力は、従来のＲ１３４（フロン）冷媒では３ｋｇ／ｃｍ2 程度であるのに対して、ＣＯ2 冷媒では４０ｋｇ／ｃｍ2 程度と高くなり、また、運転停止圧力は、Ｒ１３４（フロン）冷媒では１５ｋｇ／ｃｍ2 程度であるのに対して、ＣＯ2 冷媒では１００ｋｇ／ｃｍ2 程度と高くなる。
【０００７】
このように、ガスクーラ出口圧力を高くするには、前述のように圧縮機１の吐出圧力を高くしなければならないので、圧縮機１の圧縮仕事（圧縮過程のエンタルピ変化量ΔＬ）が増加する。したがって、蒸発過程（Ｄ−Ａ）におけるエンタルピ変化量ΔＩの増加量より圧縮過程（Ａ−Ｂ）におけるエンタルピ変化量ΔＬの増加量が大きい場合には、ＣＯ2 冷凍サイクルの成績係数（ＣＯＰ＝ΔＩ／ΔＬ）が悪化する。
図１１における太い実線ηmax は、ガスクーラ出口側におけるＣＯ2 温度と成績係数が最大となる圧力とを算出して示した最適制御線であり、上述したＣＯ2 冷凍サイクルを効率よく運転するためには、ガスクーラ出口側圧力とガスクーラ出口側のＣＯ2 温度とを、最適制御線ηmax で示されるように制御する必要がある。
【０００８】
上述した背景から、たとえば特願平１０−２５７０号公報にはエコノマイザを用いたＣＯ2 冷凍サイクル（以下、エコノマイザサイクルと呼ぶ）が記載されている。このエコノマイザサイクルでは、図１２に示すように、ガスクーラ２から流出した高圧（外気温＋α℃）のＣＯ2 冷媒を分岐させる分岐部６が設けられ、該分岐部６と膨張弁４との間にエコノマイザ７が配置されている。エコノマイザ７は、分岐部６から分岐し絞り弁８で所定の中間圧力まで減圧及び低温化された一部のＣＯ2 冷媒（インジェクション冷媒）と、ガスクーラ２から直接導かれた他の高圧側ＣＯ2 冷媒（冷凍冷媒）との間で熱交換を行う向流型の熱交換器であり、この熱交換により膨張弁４及びエバポレータ５へ供給されるＣＯ2 冷媒（冷凍冷媒）の温度を下げるように構成されている。
なお、中間圧力まで冷却されたインジェクション冷媒は、冷媒インジェクションライン９を通って圧縮機１の圧縮行程中にインジェクションされる。
【０００９】
また、たとえば特願平３−５１５５７０号公報には、ガスクーラ２の後流側にインタークーラと呼ばれる向流型熱交換器を配置したＣＯ2 冷凍サイクル（図１３参照）が記載されている。このインタークーラ１０は、ガスクーラ２から流出した高圧（外気温＋α℃）のＣＯ2 冷媒をエバポレータ５から流出したＣＯ2 冷媒で冷却するように構成され、上述したエコノマイザ７と同様に、膨張弁４及びエバポレータ５を通過するＣＯ2 冷媒の温度を下げる機能を有している。なお、図中の符号１１はレシーバを示している。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、エコノマイザやインタークーラを採用することでガスクーラ出口側冷媒の温度を下げ、外気温度が高い場合であっても冷却能力を得るようにしたＣＯ2 冷凍サイクルは従来よりある。
しかしながら、上述した従来のエコノマイザサイクルでは、絞り弁８の開度調整によりエコノマイザ７の能力制御を行っているので、絞り弁８の開度が大きくなると中間圧力が上昇し、開度が小さくなると中間圧力は低下する。このため、開度を大きくするとインジェクション冷媒と高圧側冷媒（冷凍冷媒）との温度差は小さくなるが、質量流量が温度差の縮小を上回って増加するため、ＣＯ2 冷凍サイクルの冷却能力は増加し、これとは逆に、開度を小さくすると温度差は大きくなるが、質量流量が温度差の増大を上回って減少するため、冷凍能力は減少することとなる。したがって、開度を大きくしてインジェクション冷媒の質量流量を増すと、エコノマイザ７の能力が増して冷却能力を向上させることができるものの、インジェクション冷媒が増すことはエバポレータ５を通過する冷凍冷媒の循環流量が減少することにもなるので、大幅な冷却能力の増加は期待できないという問題があった。
【００１１】
また、インタークーラ１０を採用したＣＯ2 冷凍サイクルでは、インタークーラ１０で熱交換して温度上昇したＣＯ2 冷媒が圧縮機１に吸引されるので、吸入温度の高いＣＯ2 冷媒を圧縮機１で圧縮することになる。このため、圧縮機１の圧縮効率面で不利になり、また、吐出温度が上昇することで冷凍機油やシール面等に大きな負担がかかるという問題があった。
【００１２】
ところで、図１０のＣＯ2 冷凍サイクルにおいては、外気温度がたとえば５５℃とより高い過負荷条件では、最高のＣＯＰを得るバランス点（最適制御線との交点）での冷却能力（エンタルピ差）がさらに少なくなる。このため、冷凍能力を確保するには圧縮機１の回転数を上げ、ＣＯ2 冷媒の循環量を増やす他なく、したがって、ＣＯＰは極めて悪い。
また、あらゆる運転条件を想定すると、外気温度が高く、庫内温度が低い圧力比の大きい条件では、ＣＯ2 の物性上、フロン冷媒に対して圧縮機吐出温度が高くなるため、潤滑油保護のために冷却用インジェクション等が必要となり、ＣＯＰはさらに低下する。
【００１３】
また、従来から用いているフロン系冷凍サイクルでは、レシーバ出口にサイトグラスを設け、液冷媒の流動状態によって冷媒量を確認していた。
これに対して、超臨界サイクルであるＣＯ2 冷凍サイクルでは、超臨界域においてＣＯ2 は凝縮せず、膨張弁４内の流れも超臨界(気相)→ 液相 → 2相が瞬時に変わるため、ＣＯ2 冷媒の封入量が変化しても気相のままで最適冷媒量の判断がつかないため、最適冷媒量の確認手段が望まれる。
【００１４】
このように、上述した従来のＣＯ2 冷凍サイクル等の超臨界蒸気圧縮冷凍サイクルでは、過負荷条件における冷凍能力確保、広範囲条件での高効率運転及び冷媒量管理等に課題がある。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、過負荷条件における冷凍能力確保、広範囲条件での高効率運転及び冷媒量管理等を可能にした超臨界蒸気圧縮冷凍サイクルを提供するものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
請求項１に記載の超臨界蒸気圧縮冷凍サイクルは、圧縮された冷媒を冷却し、内部の圧力が冷媒の臨界圧力を越える放熱器と、前記放熱器から流出した冷媒を分岐させる分岐部と、前記分岐部にて分岐された一方の冷媒を第１所定圧力まで減圧する第１減圧装置と、前記第１減圧装置にて減圧された冷媒と他方側の冷媒とを熱交換して他方側の冷媒を冷却するエコノマイザと、前記エコノマイザにて冷却された他方側の冷媒を、前記第１所定圧力より低い第２所定圧力まで減圧する第２減圧装置と、前記第２減圧装置にて減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器から流出した冷媒を吸収圧縮し、前記放熱器に向けて吐出する圧縮装置とを備え、前記第１減圧装置にて減圧された冷媒を前記圧縮装置の吸入圧縮工程の途中に導くための冷媒インジェクションラインを備えた超臨界蒸気圧縮冷凍サイクルであって、前記圧縮装置を往復式とし、前記冷媒インジェクションラインを複数に分岐させてそれぞれ異なる圧縮段階に開口させるとともに、分岐した各冷媒インジェクションラインに開閉弁の開閉操作タイミングを調整するインジェクション圧力切換手段を設けたことを特徴とするものである。なお、往復式の圧縮機には、たとえばクランク式や斜板式などがある。
【００１６】
このような超臨界蒸気圧縮冷凍サイクルによれば、第１減圧装置によるインジェクション冷媒の流量制御に加えて、運転条件に応じた最適のインジェクション圧力を選択切換できるので、中間圧力（インジェクション側蒸発温度）を変えてエコノマイザ能力を制御することが可能になる。
【００１７】
請求項２に記載の超臨界蒸気圧縮冷凍サイクルは、圧縮された冷媒を冷却し、内部の圧力が冷媒の臨界圧力を越える放熱器と、前記放熱器から流出した冷媒を分岐させる分岐部と、前記分岐部にて分岐された一方の冷媒を第１所定圧力まで減圧する第１減圧装置と、前記第１減圧装置にて減圧された冷媒と他方側の冷媒とを熱交換して他方側の冷媒を冷却するエコノマイザと、前記エコノマイザにて冷却された他方側の冷媒を、前記第１所定圧力より低い第２所定圧力まで減圧する第２減圧装置と、前記第２減圧装置にて減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記エコノマイザと前記蒸発器との間に位置し、前記他方側の冷媒を前記蒸発器から流出した冷媒で冷却するインタークーラと、前記蒸発器から前記インタークーラを経て流出した冷媒を吸収圧縮し、前記放熱器に向けて吐出する圧縮装置とを備え、前記第１減圧装置にて減圧された冷媒を前記圧縮装置の吸入圧縮工程の途中に導くための冷媒インジェクションラインを備えた超臨界蒸気圧縮冷凍サイクルであって、
前記放熱器と前記分岐部との間に設置した第１開閉弁と、前記エコノマイザと前記インタークーラとの間に設置した第２開閉弁と、前記放熱器と前記第１開閉弁との間から分岐して前記第２開閉弁と前記インタークーラとの間に連結され途中に第３開閉弁を備えた第１バイパスラインと、前記エコノマイザと前記第２開閉弁との間から分岐して前記インタークーラと前記第２減圧装置との間に連結され途中に第４開閉弁を備えた第２バイパスラインとを設けたことを特徴とするものである。
【００１８】
このような超臨界蒸気圧縮冷凍サイクルによれば、第１開閉弁、第２開閉弁、第３開閉弁及び第４開閉弁の開閉操作により、エコノマイザ単独運転、インタークーラ単独運転及びエコノマイザ・インタークーラ併用運転の中から、最適の運転を選択切り換えすることが可能になる。
【００１９】
請求項３に記載の超臨界蒸気圧縮冷凍サイクルは、圧縮された冷媒を冷却し、内部の圧力が冷媒の臨界圧力を越える放熱器と、前記放熱器から流出した冷媒を分岐させる分岐部と、前記分岐部にて分岐された一方の冷媒を第１所定圧力まで減圧する第１減圧装置と、前記第１減圧装置にて減圧された冷媒と他方側の冷媒とを熱交換して他方側の冷媒を冷却するエコノマイザと、前記エコノマイザにて冷却された他方側の冷媒を、前記第１所定圧力より低い第２所定圧力まで減圧する第２減圧装置と、前記第２減圧装置にて減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記エコノマイザと前記蒸発器との間に位置し、前記他方側の冷媒を前記蒸発器から流出した冷媒で冷却するインタークーラと、前記蒸発器から前記インタークーラを経て流出した冷媒を吸収圧縮し、前記放熱器に向けて吐出する圧縮装置とを備え、前記第１減圧装置にて減圧された冷媒を前記圧縮装置の吸入圧縮工程の途中に導くための冷媒インジェクションラインを備えた超臨界蒸気圧縮冷凍サイクルであって、
前記冷媒インジェクションラインにインジェクション圧力切換手段を設けるとともに、前記放熱器と前記分岐部との間に設置した第１開閉弁と、前記エコノマイザと前記インタークーラとの間に設置した第２開閉弁と、前記放熱器と前記第１開閉弁との間から分岐して前記第２開閉弁と前記インタークーラとの間に連結され途中に第３開閉弁を備えた第１バイパスラインと、前記エコノマイザと前記第２開閉弁との間から分岐して前記インタークーラと前記第２減圧装置との間に連結され途中に第４開閉弁を備えた第２バイパスラインとを設けたことを特徴とするものである。
【００２０】
このような超臨界蒸気圧縮冷凍サイクルによれば、第１減圧装置によるインジェクション冷媒の流量制御に加えて、運転条件に応じた最適のインジェクション圧力を選択切換できるので、中間圧力（インジェクション側蒸発温度）を変えてエコノマイザ能力を制御することが可能になり、さらに、第１開閉弁、第２開閉弁、第３開閉弁及び第４開閉弁の開閉操作により、エコノマイザ単独運転、インタークーラ単独運転及びエコノマイザ・インタークーラ併用運転の中から、最適の運転を選択切り換えすることが可能になる。
【００２１】
請求項３に記載の超臨界蒸気圧縮冷凍サイクルにおいては、前記圧縮装置が複数のインジェクションポートを備えたスクロール圧縮機であり、前記インジェクション圧力切換手段は、前記インジェクションラインを複数に分岐させてそれぞれに開閉弁を設け、分岐したインジェクションラインをそれぞれ異なるインジェクションポートに連結したものでもよいし、あるいは、前記圧縮装置が往復式であり、前記インジェクション圧力切換手段は、前記インジェクションラインに設けた開閉弁の開閉操作タイミングを調整するものでもよい。なお、往復式の圧縮機には、たとえばクランク式や斜板式などがある。
また、請求項２または３に記載の超臨界蒸気圧縮冷凍サイクルにおいては、前記第１開閉弁、第２開閉弁、第３開閉弁及び第４開閉弁の開閉は、前記圧縮装置から吐出される冷媒温度を検出して切換操作されることが好ましい。
【００２２】
第１参考例として記載の超臨界蒸気圧縮冷凍サイクルは、圧縮された冷媒を冷却し、内部の圧力が冷媒の臨界圧力を越える放熱器と、前記放熱器から流出した冷媒を分岐させる分岐部と、前記分岐部にて分岐された一方の冷媒を第１所定圧力まで減圧する第１減圧装置と、前記第１減圧装置にて減圧された冷媒と他方側の冷媒とを熱交換して他方側の冷媒を冷却するエコノマイザと、前記エコノマイザにて冷却された他方側の冷媒を、前記第１所定圧力より低い第２所定圧力まで減圧する第２減圧装置と、前記第２減圧装置にて減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器から流出した冷媒を吸収圧縮し、前記放熱器に向けて吐出する圧縮装置とを備え、前記第１減圧装置にて減圧された冷媒を前記圧縮装置の吸入圧縮工程の途中に導くための冷媒インジェクションラインを備えた超臨界蒸気圧縮冷凍サイクルであって、前記圧縮装置が直列に配列された複数の圧縮機よりなり、前記冷媒インジェクションラインを前記複数の圧縮機間に連結したことを特徴とするものである。
【００２３】
このような超臨界蒸気圧縮冷凍サイクルによれば、複数段圧縮１段膨張式の冷凍サイクルとなり、各圧縮機の独立運転が可能になるので、広範囲な条件において冷凍能力及び効率を確保することができる。
この場合、前記エコノマイザ出口で高圧制御を行うことが好ましく、また、前記複数の圧縮機は、それぞれ独立して回転数制御することが好ましい。なお、好適な回転数制御手段としては、インバータ制御や極数変換などがある。
【００２４】
第２参考例として記載の超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクルは、圧縮された冷媒を冷却し、内部の圧力が冷媒の臨界圧力を越える放熱器と、前記放熱器から流出した冷媒を所定圧力まで減圧する減圧装置と、前記減圧装置にて減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器から流出した冷媒を吸収圧縮し、前記放熱器に向けて吐出する圧縮装置とを備えた超臨界蒸気圧縮冷凍サイクルであって、前記放熱器から流出した冷媒を液相域まで減圧する手段と、余剰冷媒を保持する中間圧力レシーバと、液冷媒の流動状態を判断する視認部とを具備してなる冷媒量管理手段を設けたことを特徴とするものである。
【００２５】
このような超臨界蒸気圧縮冷凍サイクルによれば、放熱器を出た冷媒が意図的に液相状態とされ、その流動状態を視認部から可視確認できるようになるので、最適冷媒量の判断が可能となる。
この場合、前記視認部を前記中間圧力レシーバの下部または出口に設けることが好ましい。
【００２６】
請求項７に記載の超臨界蒸気圧縮冷凍サイクルは、圧縮された冷媒を冷却し、内部の圧力が冷媒の臨界圧力を越える放熱器と、前記放熱器から流出した冷媒を分岐させる分岐部と、前記分岐部にて分岐された一方の冷媒を第１所定圧力まで減圧する第１減圧装置と、前記第１減圧装置にて減圧された冷媒と他方側の冷媒とを熱交換して他方側の冷媒を冷却するエコノマイザと、前記エコノマイザにて冷却された他方側の冷媒を、前記第１所定圧力より低い第２所定圧力まで減圧する第２減圧装置と、前記第２減圧装置にて減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器から流出した冷媒を吸収圧縮し、前記放熱器に向けて吐出する圧縮装置とを備え、前記第１減圧装置にて減圧された冷媒を前記圧縮装置の吸入圧縮工程の途中に導くための冷媒インジェクションラインを備えた超臨界蒸気圧縮冷凍サイクルであって、前記圧縮装置が直列に配列された低段圧縮機及び高段圧縮機よりなり、前記冷媒インジェクションラインを前記低段圧縮機及び高段圧縮機間に連結するとともに、前記エコノマイザから流出した冷媒を２相域まで減圧する手段と、余剰冷媒を保持する中間圧力レシーバと、液冷媒の流動状態を判断する視認部とを具備してなる冷媒量管理手段を設け、前記中間圧力レシーバの上部と前記高圧段圧縮機の吸入側とを連結するガス抜き回路を設けて、気液２相域状態の前記中間圧力レシーバ内から気相冷媒を前記高圧段圧縮機の吸入側に抽気するように構成したことを特徴とするものである。
【００２７】
このような超臨界蒸気圧縮冷凍サイクルによれば、中間圧力レシーバ内が気液２相状態となり、蒸発器で仕事をしない冷媒の気相成分を高圧段圧縮機の吸入側に抽気することで低圧段圧縮機の動力を減少させ、効率を向上させることが可能となる。
この場合、前記中間圧力レシーバ内で分離した液冷媒成分の流動状態を視認部で確認して冷媒量を判断すれば、最適冷媒量を目視により容易に判断することが可能となる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る超臨界蒸気圧縮冷凍サイクルの一実施形態を、図面に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態では、超臨界域で使用される冷媒が二酸化炭素（ＣＯ2 ）であるものとして説明する。
【００２９】
＜第１の実施形態＞
図１に示す第１の実施形態において、符号の１は圧縮機、２はガスクーラ（放熱器）、４は膨張弁（第２減圧装置）、５はエバポレータ（蒸発器）、６は分岐部、７はエコノマイザ（冷却器）、８は絞り弁（第１減圧装置）、９は冷媒インジェクションラインを示しており、各機器を冷媒配管により連結することで、系内を循環する冷媒が状態変化を繰り返す冷凍サイクルが構成されている。
【００３０】
圧縮機１は、気相のＣＯ2 冷媒を吸収圧縮し、後述するガスクーラ２に向けて吐出する圧縮装置であり、たとえばスクロール圧縮機や往復式圧縮機（クランク式や斜板式など）が採用される。
ガスクーラ２は、圧縮機１で圧縮された高温高圧のＣＯ2 冷媒を外気等により冷却する熱交換器であり、内部の圧力がＣＯ2 冷媒の臨界圧力を越えるように設定されている。
【００３１】
ガスクーラ２から流出した高圧のＣＯ2 冷媒は、分岐部６において、直接エコノマイザ７へ流れるものと絞り弁８を通過してエコノマイザ７へ流れるものとに分流される。
一方のＣＯ2 冷媒は、絞り弁８を通過することで第１所定圧力（中間圧力）Ｐ１まで減圧されて低温となり、エコノマイザ７内の一方の流路を通過して圧縮機１へ送られるインジェクション冷媒であり、他方のＣＯ2 冷媒は、エコノマイザ７内の他方の流路を通過して膨張弁４及びエバポレータ５へ供給される冷凍冷媒である。
【００３２】
エコノマイザ７は、ガスクーラ２から直接導入した冷凍冷媒と絞り弁８を通過してきたインジェクション冷媒との間で熱交換させる向流型熱交換器であり、低温のインジェクション冷媒による冷凍冷媒の冷却が可能となる。
エコノマイザ７にて冷却された冷凍冷媒は、上述した第１所定圧力Ｐ１より低い第２所定圧力Ｐ２まで減圧する膨張弁４を通って減圧され、気液２相状態となってエバポレータ５へ送られる。エバポレータ５に送られた気液２相の冷媒は、エバポレータ５を通過する空気から蒸発潜熱を奪って蒸発するので、蒸発潜熱を奪われた空気は冷却されることとなる。こうして蒸発した冷凍冷媒は、エバポレータ５から圧縮機１に再度吸入される。
【００３３】
また、絞り弁８にて減圧されたインジェクション冷媒は、エコノマイザ７で冷凍冷媒を冷却した後、冷媒インジェクションライン９を通って圧縮機１の吸入圧縮工程の途中に導かれる。この結果、エバポレータ５から流出した冷凍冷媒及び圧縮行程中にインジェクションされたインジェクション冷媒は圧縮機１内で合流し、再度の圧縮を受けてガスクーラ２へ吐出される。したがって、ＣＯ2 冷媒は以後同様の状態変化を繰り返し、冷凍サイクル中を循環する。
【００３４】
そして、このような構成のＣＯ2 冷凍サイクルに対し、冷媒インジェクションライン９にはインジェクション圧力切換手段２０が設けられている。
このインジェクション圧力切換手段２０は、冷媒インジェクションライン９の圧縮機１側を複数（図示の例では３つ）に分岐させ、分岐流路２１，２２，２３のそれぞれに開閉弁２１ａ，２１ｂ，２１ｃを設けたものである。この場合の圧縮機１はスクロール圧縮機であり、各分岐流路２１，２２，２３はそれぞれ異なる圧縮段階に開口するインジェクションポートに連結されている。
【００３５】
ここで、スクロール圧縮機に設けられるインジェクションポートを図２に基づいて簡単に説明する。
図２において、図中の符号２４は固定スクロール、２５は固定スクロール２４に立設された固定側ラップ、２６は固定スクロールに設けられた吐出ポート、２７は旋回スクロールに立設された旋回側ラップを示している。スクロール圧縮機は、公知のように、固定側スクロール２５に対して旋回側スクロール２７が自転を阻止されて公転するように構成されており、外周部側の吸入口から吸引した圧縮ガスは中心側へ移動するにつれて圧縮され、中心の吐出ポート２６で最高圧力となって吐出される。
このようなスクロール圧縮機の固定スクロール２４には、外周側から中心の吐出ポート２６側へ順に第１インジェクションポート２８、第２インジェクションポート２９及び第３インジェクションポート３０が設けられ、それぞれが冷媒インジェクションライン９の分岐流路２１，２２，２３と連結されている。なお、各インジェクションポート２８，２９，３０は、それぞれ１８０度ずれた位置関係にある２箇所に設けられている。
【００３６】
したがって、スクロール圧縮機内における圧力は、分岐流路２１と連結された第１インジェクションポート２８＜分岐流路２２と連結されれた第２インジェクションポート２９＜分岐流路２３と連結された第３インジェクションポート３０のようになり、開閉弁２１ａ，２１ｂ，２１ｃの中から適宜選択した一つを開くことにより、圧縮機１における吸入圧縮行程中の異なる圧縮段階（すなわち圧力）にインジェクション冷媒をインジェクションすることが可能となる。
【００３７】
さて、エコノマイザ７における冷却能力は、ガスクーラ出口側（高圧側）冷媒の状態を一定とすると、これと熱交換するインジェクション冷媒（中間圧力側冷媒）の圧力（蒸発温度）及びインジェクション冷媒／冷凍冷媒の流量比で決定される。
ここで、インジェクション冷媒／冷凍冷媒の流量比は、絞り弁８の開度調整により可変となる。絞り弁８の開度を大きくすると、すなわちインジェクション流量を増加させると、中間圧力Ｐ１が上昇して冷凍冷媒との温度差は小さくなる。しかし、ＣＯ2 冷媒の質量流量が温度差の影響を上回って増加するため、エコノマイザ７における冷却能力は増大し、膨張弁４へ供給される冷凍冷媒の温度を下げることができる。
一方、絞り弁８の開度を小さくすると、すなわちインジェクション流量を減少させると、中間圧力Ｐ１が低下して冷凍冷媒との温度差は大きくなる。しかし、ＣＯ2 冷媒の質量流量が温度差の影響を上回って減少するため、エコノマイザ７における冷却能力は減少する。したがって、膨張弁４へ供給される冷凍冷媒の冷却は抑制される。
【００３８】
一方、インジェクション冷媒の圧力（蒸発温度）制御は、インジェクション圧力切換手段２０の操作により実施する。すなわち、所望の運転状況に応じて開閉弁２１ａ，２１ｂ，２１ｃの中から最適なものを選択して開き、インジェクション冷媒をインジェクションする圧力、すなわち中間圧力を調整する。
以下、この中間圧力制御について説明する。この実施形態の構成では、効率優先運転、能力優先運転の切換が可能である。効率を優先する場合、最適中間圧力はシステムの圧力比を等分する圧力であり、この時圧縮仕事量が最小となるためＣＯＰは最高となる。中間圧力（蒸発圧力）は、厳密にはインジェクション圧力＋配管圧力損失で決定され、インジェクションポート（圧縮行程中のポート部における冷媒圧力）を選択切換することで、中間圧力を制御する。図示の実施形態では、第２インジェクションポート２９を設ける位置がこれに相当する。
【００３９】
次に、能力制御について説明する。中間圧力（蒸発温度）を変えることで、エコノマイザ７内における冷媒間（インジェクション冷媒と冷凍冷媒）の温度差を変更でき、温度差を拡大させるとエコノマイザ７の能力は増大し、インジェクション冷媒が低流量であっても冷凍冷媒を所定の膨張弁入口温度まで冷却することができる。このため、エバポレータ５を循環する冷凍冷媒量の減少率を小さくすることができ、大能力化が可能である。このような制御は、外気温度が高く、冷却能力（エバポレータ５における出入口のエンタルピ差）が不足する条件にて有効である。
なお、インジェクション冷媒の流量が一定の条件において、中間圧力（蒸発温度）を高くすると温度差が低下してエコノマイザ７の能力は減少し、中間圧力を低くすると温度差が拡大して能力は増強される。このように、中間圧力を制御することで、熱負荷に応じたシステムの能力制御を行うことができる。
そして、このような能力制御は、中間圧力制御と絞り弁による流量制御とを適宜組み合わせて行うことでより効果的なものとなる。
【００４０】
図３に中間圧力制御及びインジェクション流量制御による冷凍能力、ＣＯＰの特性（傾向）を示す。
この図によれば、中間圧力の低い圧縮行程初期（低圧側）へのインジェクション時に冷凍能力が高く、中間圧力の高い圧縮行程後期（高圧側）へのインジェクション時ほど冷凍能力が低下する。
そして、絞り弁８の開度を変えてインジェクション冷媒の流量制御を行えば、図３に白抜矢印で示すように、冷凍能力及びＣＯＰの特性は上下に平行移動してその絶対値が変化する。
【００４１】
したがって、冷却負荷が大きいとき、たとえば設定された冷房温度と実際の室温との差（Δｔ）が大きいような場合には、中間圧力が高くなるよう第１インジェクションポート２８を選択し、大きな冷凍能力が得られる能力優先運転を採用し、上述したΔｔが小さくなったら中間圧力を低く設定する第３インジェクションポート３０を選択するか、あるいは、効率優先運転となる第２インジェクションポート２９を選択すればよい。
このように、インジェクション圧力切換手段２０による中間圧力（インジェクション冷媒側の蒸発温度）制御及び絞り弁８によるインジェクション冷媒流量の制御を併用して実施することが可能になるので、エコノマイザ能力制御及び冷凍サイクル能力制御により、高効率運転及び高外気温条件下での冷凍能力確保が可能となる。
【００４２】
ところで、上述した実施形態では圧縮機１をスクロール圧縮機として説明したが、冷凍サイクル中にクランク式や斜板式など往復式圧縮機を採用することももちろん可能である。この場合のインジェクション圧力調整手段は、往復式圧縮機が有する圧縮動作の特徴から、冷媒インジェクションライン９を分岐させる必要はない。すなわち、冷媒インジェクションライン９に開閉弁を設けておき、同開閉弁を開閉するタイミングを圧縮行程に応じて変化させればよい。
この結果、圧縮行程の初期に開閉弁を開けばインジェクション圧力は低圧となり、また、圧縮行程の後期に開閉弁を開けばインジェクション圧力は高圧となるので、所望の運転状況に応じた最適のインジェクション圧力に選択切換できるようになり、上述したスクロール圧縮機と同様の作用効果が得られる。
【００４３】
＜第２の実施形態＞
図４に示す第２の実施形態には、エコノマイザ７とインタークーラ１０とを併用したＣＯ2 冷凍サイクルが示されている。
図４（ａ）に示す構成図において、図中の符号１０はインタークーラ、ＳＶ１は第１開閉弁、ＳＶ２は第２開閉弁、ＳＶ３は第３開閉弁、ＳＶ４第４開閉弁、３１は第１バイパスライン、３２は第２バイパスラインである。なお、他の構成要素については上述した第１の実施形態と同様であるため、ここではその詳細な説明を省略する。
【００４４】
このＣＯ2 冷凍サイクルは、エコノマイザ７とインタークーラ１０とを直列に配置し、エコノマイザ７の単独使用、インタークーラ１０の単独使用及びエコノマイザ７とインタークーラ１０との併用を運転状況に応じて適宜選択できるようにしたものである。
第１開閉弁ＳＶ１は、ガスクーラ２と分岐部６との間に配置され、そして、第２開閉弁ＳＶ２は、エコノマイザ７とインタークーラ１０との間に配置されている。
【００４５】
第１バイパスライン３１は、ガスクーラ３１と第１開閉弁ＳＶ１との間から分岐して第２開閉弁ＳＶ２とインタークーラ１０との間に連結され、同第１バイパスライン３１の途中には第３開閉弁ＳＶ３が配置されている。すなわち、第１バイパスライン３１は、分岐部６及びエコノマイザ７をバイパスする冷媒流路を形成している。
また、第２バイパスライン３２は、エコノマイザ７と第２開閉弁ＳＶ２との間から分岐してインタークーラ１０とエバポレータ５との間に連結され、同第２バイパスライン３２の途中には第４開閉弁ＳＶ４が配置されている。すなわち、第２バイパスライン３２は、インタークーラ１０をバイパスする冷媒流路を形成している。
【００４６】
このような構成としたため、エコノマイザ７及びインタークーラ１０を併用した運転時には、図４（ｂ）の弁開閉マトリクスに示したように、第１開閉弁ＳＶ１及び第２開閉弁ＳＶ２を開き、第３開閉弁ＳＶ３及び第４開閉弁ＳＶ４を閉じることで、第１バイパスライン３１及び第２バイパスライン３２が閉じられ、圧縮機１を出たＣＯ2 冷媒は、ガスクーラ２、エコノマイザ７、インタークーラ１０、膨張弁４及びエバポレータ５を通過して流れるＣＯ2 冷凍サイクルを形成することができる。
【００４７】
また、エコノマイザ７単独の運転時には、図４（ｂ）の弁開閉マトリクスに示したように、第１開閉弁ＳＶ１及び第４開閉弁ＳＶ４を開き、第２開閉弁ＳＶ２及び第３開閉弁ＳＶ３を閉じることで、第２バイパスライン３２を連通状態とする。この結果、第１バイパスライン３２が閉じられ、圧縮機１を出たＣＯ2 冷媒は、ガスクーラ２、エコノマイザ７、第２バイパスライン３２、膨張弁４及びエバポレータ５を通過すると共に、インタークーラ７をバイパスして流れるＣＯ2 冷凍サイクルを形成することができる。
【００４８】
さらに、インタークーラ１０単独の運転時には、図４（ｂ）の弁開閉マトリクスに示したように、第３開閉弁ＳＶ３のみを開き、第１開閉弁ＳＶ１、第２開閉弁ＳＶ２及び第４開閉弁ＳＶ４を閉じることで、第１バイパスライン３１を連通状態とする。この結果、第２バイパスライン３２が閉じられ、圧縮機１を出たＣＯ2 冷媒は、ガスクーラ２、第１バイパスライン３１、インタークーラ１０、膨張弁４及びエバポレータ５を通過すると共に、エコノマイザ７をバイパスして流れるＣＯ2 冷凍サイクルを形成することができる。
【００４９】
したがって、エコノマイザ７を単独で使用する運転は、インタークーラ７を単独で使用する運転と比較して圧縮機１の吸入温度を低くできるため、圧縮効率の面で有利になり、かつ、圧縮機１の吐出温度を抑制することができる。特に、ＣＯ2 冷媒はその物性上吐出温度が高くなるため、圧力比の大きい運転条件では、冷凍機油（潤滑油）及びシール面の劣化が問題となるので、耐久性を向上させるためにはエコノマイザ７の単独運転が有利である。
一方、圧力比が小さく、吐出温度を抑制しなくてよい運転条件では、より膨張弁４の入口温度を低くでき、冷却能力を拡大できるインタークーラ１０の単独運転を採用する。
そして、さらに冷却能力が必要となった場合には、エコノマイザ７及びインタークーラ１０の両方を用いた運転を実施することで対応することができる。
【００５０】
このように、吐出温度抑制のためのエコノマイザ単独運転、能力拡大のためのインタークーラ単独運転及びより一層の能力拡大に適したエコノマイザ／インタークーラ併用運転を使い分けることにより、耐久性の面で不利になるエコノマイザ運転時間を短くでき、冷却能力の拡大と耐久性及び信頼性の向上とを両立できるようになる。なお、上述した運転切換操作は、たとえば圧縮機１から吐出される冷媒温度を検出して行えばよい。
【００５１】
＜第３の実施形態＞
図５に示す第３の実施形態は、上述した第１の実施形態と第２の実施形態とを組み合わせたものであり、それぞれの構成要素には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
このような構成とすれば、第２の実施形態においてエコノマイザ７を使用する運転時、すなわちエコノマイザ単独運転及びエコノマイザ／インタークーラ併用運転時において、インジェクション圧力切換手段２０によるインジェクション冷媒のインジェクション圧力制御が可能となる。このため、絞り弁８によるインジェクション冷媒流量の制御に加えて、中間圧力（インジェクション側蒸発温度）制御による高効率運転及び高外気温時の冷却能力確保が可能になる。
【００５２】
＜第１参考例＞
図６に示す第１参考例のＣＯ２冷凍サイクルは、独立して運転可能な２台の圧縮機を用いた構成が図１に示す第１の実施形態と異なっており、したがって、同一の構成要素には同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。すなわち、低段圧縮機１Ｌと高段圧縮機１Ｈとが直列に接続され、ガスクーラ２、エコマナイザ７、高圧制御弁３、膨張弁４、エバポレータ５及び絞り弁８を具備して構成される。なお、このＣＯ2冷凍サイクルでは、ガスクーラ出口温度に対する最適高圧圧力をエコノマイザ出口で制御する。
【００５３】
図６において、低段圧縮機１Ｌより吐出された冷媒は、高段圧縮機１Ｈにてさらに昇圧された後ガスクーラ２に入り、冷媒の熱を放熱する。ガスクーラ２から流出した出口冷媒の一部（インジェクション冷媒）は、分岐部６で分流して絞り弁８を通過するため、気液の２相域まで減圧・冷却される。
そして、このインジェクション冷媒と、分岐部６からエコノマイザ７側へ流れた残りの冷媒（冷凍冷媒）とをエコノマイザ７で熱交換させることで、膨張弁４の入口冷媒温度を低下させ、冷却効果を得る。エコノマイザ７から流出したインジェクション冷媒は、低段圧縮機１Ｌの吐出部に流入し、ここでも冷媒から蒸発潜熱を奪って高段圧縮機１Ｈの吸入温度を低下させる。すなわち、この動作によって、高段圧縮機１Ｈの吐出温度を抑制することができる。
一方、エコノマイザ７にて放熱し冷却された冷凍冷媒は、高圧制御弁３、膨張弁４を通りエバポレータ５にて吸熱し、低段圧縮機１Ｌに吸入される。
【００５４】
従来技術で説明した図１０のＣＯ2 冷凍サイクルでは、膨張弁４の入口温度を外気温度＋α℃までしか下げることができず、冷却能力（エンタルピ差）は外気温度に依存していた。
これに対し、図６に示すＣＯ2 冷凍サイクルでは、エコノマイザ７にて膨張弁４の入口冷媒温度を絞り弁８の出口冷媒温度付近まで下げることができるため、冷却能力（エンタルピ差）を十分確保できる。
【００５５】
広範囲な運転性能として、たとえば外気温度が高く冷却能力（エンタルピ差）が小さい条件では、高段圧縮機１Ｈのみを増速して吐出圧力を上げ、エコノマイザ７における仕事量を増大させることで、膨張弁４の入口温度を下げ、冷却効果を得ることができる。ここで、低段圧縮機１Ｌ及び高段圧縮機１Ｈは、それぞれが独立して回転数制御できるものとし、回転数制御の手段としては、インバータ制御や極数変換を採用すればよい。
また、別の方法として、上述した第１の実施形態等と同様に中間圧力（インジェクション冷媒の蒸発温度）を下げ、冷却能力（エンタルピ差）を確保することもできる。
【００５６】
先に説明したが、このＣＯ2 冷凍サイクルでは、インジェクション冷媒の蒸発潜熱にて高段圧縮機１Ｈの吸入温度も低下させるため、高段圧縮機１Ｈの吐出温度を抑制できる。
このように、本ＣＯ2 冷凍サイクルでは、運転条件に合わせて２台の圧縮機１Ｌ，１Ｈを独立して運転制御し、さらに高圧圧力、中間圧力、エコノマイザ７を流れる冷凍冷媒を制御することで、状況に応じて効率優先運転、能力優先運転を選択的に制御できる。
【００５７】
なお、高効率運転を実現するパラメータを以下の値とする。
（１）高圧圧力の制御については、ガスクーラ出口温度（℃）に対する最適高圧圧力（ＭＰａ）が図７に示す値となるように制御する。（本ＣＯ2 冷凍サイクルでは、最適高圧圧力がエコノマイザ７の出口圧力となる。）
（２）中間圧力については、〔数１〕に示すように、低段圧縮機１Ｌと高段圧縮機１Ｈとの圧力比を等圧力比とする。
【数１】
0004658347.tif 000002
（３）インジェクション冷媒流量は、膨張弁４の入口温度を限界まで低下させるのに必要な蒸発潜熱を得る流量とする。（高段圧縮機１Ｈの吐出温度を抑制したい時、インジェクション冷媒流量を前記流量から増やす。）
膨張弁入口温度＝エコノマイザ（２相側）の蒸発温度＋α℃
ここで、αはエコノマイザ７の能力により決まる。
【００５８】
＜第２参考例＞
この参考例は、超臨界サイクルであるＣＯ２冷凍サイクルにて、最適冷媒量を従来のフロン系冷媒と同様に、液冷媒の流動状態で確実に判断することができるようにしたものであり、たとえば図６に示した第１参考例に対し、過冷却制御弁１１、中間圧力レシーバ１２、サイトグラス１３を追加して設けた構成としてある。
図８に示すＣＯ２冷凍サイクルにて、過冷却制御弁１１の出口は超臨界圧力であり、この状態から断熱膨張させると、冷媒は超臨界（気相）→液相→２相に変わる。なお、モリエル線図において、臨界圧力と飽和液線により囲まれた領域が液相である。
【００５９】
このＣＯ2 冷凍サイクルでは、断熱膨張過程で過冷却制御弁１１にて臨界圧力と飽和液圧力との間の圧力（液相）まで減圧させ、中間圧力レシーバ１２で余剰冷媒をホールドすると共に、視認部として設けたサイトグラス１３で冷媒の流動状態から最適冷媒量を判断する。
また、上述した本発明の構成は、複数段の圧縮機を直列に配置した多段圧縮やエコノマイザ７を備えた超臨界蒸気圧縮冷凍サイクル以外、たとえば図１０に示したエコノマイザ７を備えていない単段圧縮構成の冷凍サイクルなど、超臨界サイクルを形成する全ての超臨界蒸気圧縮冷凍サイクルに適用することが可能であり、このような場合においても、ガスクーラ２から流出した冷媒を液相域まで減圧する手段としての過冷却制御弁１１及び中間圧力レシーバ１２を高圧制御弁３の後流側に、あるいは、高圧制御弁３がない場合はガスクーラ２の後流側に設ければよい。
【００６０】
視認部となるサイトグラス１３は、中間圧力レシーバ１２の下方に位置するよう設けるか、あるいは、中間圧力レシーバ１２の出口に単独で設ける。これにより、液冷媒の流動状態を容易に判断することができる。
なお、上述したガスクーラ２から流出した冷媒を液相域まで減圧する手段としては、上述した過冷却制御弁１１の他にも、たとえば圧力制御弁などが採用可能である。
【００６１】
＜第４の実施形態＞
この実施形態のＣＯ２冷凍サイクルでは、図８に示した第２参考例の冷凍サイクルに対して、中間圧力レシーバ１２で分離された気相冷媒を高段圧縮機１Ｈの吸入部に抽気するためのガス戻し回路１４を追加して設け、同ガス戻し回路１４にはガス戻し量調整弁１５を設けてある。
そして、上述した第５の実施形態では、液冷媒の流動状態を確認するため中間圧力レシーバ１３内を液相域に制御したが、本実施形態の構成では、冷媒量を確認でき、かつ、高効率な運転が可能なＣＯ２冷凍サイクルとなる。
【００６２】
図９に示す第４の実施形態のＣＯ2冷凍サイクルにおいては、過冷却制御弁１１にて、中間圧力レシーバ１２内の圧力を高段圧縮機１Ｈの吸入圧力以上で、かつ飽和液圧力以下に制御する。このような条件では中間圧力レシーバ１２内は気液の２相状態であり、液冷媒と気相冷媒が混在している。しかしながら、エバポレータ５で蒸発し、冷却効果を得ることができるのは液冷媒成分のみであり、気相冷媒は冷却仕事をしない。
したがって、中間圧力レシーバ１２から気相冷媒をガス戻し回路１４より高段圧縮機１Ｈに抽気しても、液冷媒の循環量は実質的に変化しないため、エバポレータ５の冷却能力は変化しないことになる。
なお、ガス戻し量調整弁１５の機能は、中間圧力レシーバ内で分離したガス成分のみを高段圧縮機へ吸入抽気することにある。
【００６３】
上述したように中間圧力レシーバ１２内の気相冷媒を抽気する動作により、低段圧縮機１Ｌの冷媒循環量は減少するので、低段圧縮機１Ｌの消費動力は減少することになり、全体としての圧縮機動力も低減されるためＣＯＰが良化する。
また、冷媒量については、中間圧力レシーバ１２で分離された液冷媒成分の流動をサイトグラス１３から見て確認することができる。
【００６４】
上述した各実施形態では冷媒をＣＯ2 として説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、他の冷媒を用いた超臨界蒸気圧縮冷凍サイクルにも適用可能なことはいうまでもない。
そして、本発明の主旨を逸脱しない範囲内であれば、いかなる構成を採用してもよく、また、上述した各実施形態の構成を適宜組み合わせたものとしてもよいのはいうまでもない。
【００６５】
【発明の効果】
本発明の超臨界蒸気圧縮冷凍サイクルによれば、以下の効果を奏する。
請求項１に記載の超臨界蒸気圧縮冷凍サイクルによれば、インジェクション冷媒の流量制御とインジェクション圧力との両方を制御できるようになるので、エコノマイザ能力制御及び冷凍サイクルの能力制御を行うことで、高効率運転及び高外気温条件における冷却能力の確保が可能になる。
【００６６】
請求項２に記載の超臨界蒸気圧縮冷凍サイクルによれば、圧縮機の吐出温度を抑制するためにエコノマイザを使用する冷凍サイクルと、冷却能力を拡大するためにインタークーラを使用する冷凍サイクルと、さらに冷却能力拡大をするためにエコノマイザ及びインタークーラを併用する冷凍サイクルとを運転状況に応じて適宜選択することが可能となる。このため、吐出温度の上昇による冷凍機油やシール面の劣化を抑制して耐久性や信頼性を向上させることができ、また、冷却能力を必要とする状況では、冷却能力優先の運転を実施して大きな冷却能力を得ることができる。
【００６７】
請求項３に記載の超臨界蒸気圧縮冷凍サイクルによれば、圧縮機の吐出温度を抑制するためにエコノマイザを使用する冷凍サイクルと、冷却能力を拡大するためにインタークーラを使用する冷凍サイクルと、さらに冷却能力拡大をするためにエコノマイザ及びインタークーラを併用する冷凍サイクルとを運転状況に応じて適宜選択することが可能になり、さらに、エコノマイザを使用する運転時においては、インジェクション冷媒の流量制御及びインジェクション圧力の制御を併用することが可能になる。このため、耐久性や信頼性が向上するとともに、冷却能力を必要とする状況では大きな冷却能力を得ることができ、特に、エコノマイザ使用時には、高効率運転及び高外気温条件におけるより大きな冷却能力の確保が可能になる。
【００６８】
参考例１に記載の超臨界蒸気圧縮冷凍サイクルによれば、２段圧縮１段膨張の冷凍サイクルとしたので、各圧縮機を独立運転することで広範囲にわたって冷凍能力の確保や高効率の達成が可能となる。
【００６９】
参考例２に記載の超臨界蒸気圧縮冷凍サイクルによれば、放熱器の後流で冷媒を液相状態にし、中間圧力レシーバに設けた視認用のサイトグラスから冷媒の流動状態を確認できるようにしたので、超臨界蒸気圧縮冷凍サイクルにおいても最適冷媒量を目視で判断することができるようになる。
【００７０】
請求項７に記載の超臨界蒸気圧縮冷凍サイクルによれば、中間圧力レシーバ内が気液２相状態となり、蒸発器で冷却の仕事をしない気相冷媒を高圧段圧縮機の吸入側に抽気するようにしたので、低圧段圧縮機において消費される駆動力を低減することができ、その分ＣＯＰを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の超臨界蒸気圧縮冷凍サイクルに係る第１の実施形態を示す構成図である。
【図２】  スクロール圧縮機におけるインジェクションポートの配置例を示す説明図である。
【図３】  中間圧力と冷凍能力及び中間圧力とＣＯＰとの関係を示す図である。
【図４】  本発明の超臨界蒸気圧縮冷凍サイクルに係る第２の実施形態を示す図で、（ａ）は冷凍サイクルの構成図、（ｂ）は弁開閉マトリクスを示す図である。
【図５】  本発明の超臨界蒸気圧縮冷凍サイクルに係る第３の実施形態を示す構成図である。
【図６】  本発明の超臨界蒸気圧縮冷凍サイクルに係る第１参考例を示す構成図である。
【図７】  高圧圧力制御特性を示す図で、（ａ）は高圧圧力とＣＯＰとの関係を示す特性図、（ｂ）はガスクーラ出口温度と最適高圧圧力との関係を示す特性図である。
【図８】  本発明の超臨界蒸気圧縮冷凍サイクルに係る第２参考例を示す構成図である。
【図９】  本発明の超臨界蒸気圧縮冷凍サイクルに係る第４の実施形態を示す構成図である。
【図１０】  従来の蒸気圧縮式冷凍サイクルを示す構成図である。
【図１１】  図１０に示す蒸気圧縮式冷凍サイクルのモリエル線図である。
【図１２】  従来のエコノマイザサイクルを示す構成図である。
【図１３】  インタークーラを用いた従来の蒸気圧縮式冷凍サイクルの構成例を示す図である。
【符号の説明】
１    圧縮機（圧縮装置）
１Ｌ    低段圧縮機（圧縮装置）
１Ｈ    高段圧縮機（圧縮装置）
２    ガスクーラ（放熱器）
４    膨張弁（第２減圧装置）
５    エバポレータ（蒸発器）
７    エコノマイザ
８    絞り弁（第１減圧装置）
９    冷媒インジェクションライン
１０    インタークーラ
１１    過冷却制御弁（減圧する手段）
１２    中間圧力レシーバ
１３    サイトグラス（視認手段）
１４    ガス戻し回路（ガス抜き回路）
１５    ガス戻し量調整弁
２０    インジェクション圧力切換手段
２１，２２，２３    分岐流路
３１    第１バイパスライン
３２    第２バイパスライン
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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