(57)【要約】【課題】  中間レシーバ内の中間圧ガス冷媒を圧縮機の圧縮工程の中間圧力部にバイパスする中間圧冷媒バイパス回路の機能を有効に維持できるようにした冷凍装置を提供すること。【解決手段】  圧縮機、高圧側ガス冷媒を冷却する高圧ガス冷却器、第１絞り装置、冷凍サイクル内の冷媒量を調節する中間レシーバ、第２絞り装置、外気を熱源とする蒸発器、気液分離器を順次直列に接続して閉回路を形成した冷凍サイクル装置を備える。また、この冷凍サイクル装置に、前記中間レシーバ内の中間圧ガス冷媒を圧縮機の圧縮工程の中間圧力部にバイパスする中間圧冷媒バイパス回路を備えるとともに、この中間圧冷媒バイパス回路には、圧縮機から中間レシーバへの冷媒流れを阻止する逆止弁と、この逆止弁の中間レシーバ側の冷媒温度を検出する冷媒温度センサーを設ける。さらに、この冷媒温度センサーの検出するガス冷媒温度が空気温度センサーの検出する周囲空気温度より高温になるように第１絞り装置及び第２絞り装置の少なくとも一方の弁開度を制御する。【選択図】        図１ 
2005214442.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、高圧側ガス冷媒を冷却する高圧ガス冷却器、第１絞り装置、冷凍サイクル内の冷媒量を調節する中間レシーバ、第２絞り装置、外気を熱源とする蒸発器、気液分離器を順次直列に接続して閉回路を形成した冷凍サイクル装置を備え、さらに、この冷凍サイクル装置は、前記中間レシーバ内の中間圧ガス冷媒を圧縮機の圧縮工程の中間圧力部にバイパスする中間圧冷媒バイパス回路を備えるとともに、この中間圧冷媒バイパス回路には、圧縮機から中間レシーバへの冷媒流れを阻止する逆止弁と、この逆止弁と中間レシーバとの間の冷媒温度を検出する冷媒温度センサーと、中間圧冷媒バイパス回路の周囲空気温度を検出する空気温度センサーとを設け、さらに、この冷媒温度センサーの検出するガス冷媒温度が空気温度センサーの検出する周囲空気温度より高くなるように第１絞り装置及び第２絞り装置の少なくとも一方の弁開度を制御してなることを特徴とする冷凍装置。
【請求項２】
圧縮機、高圧側ガス冷媒を冷却する高圧ガス冷却器、第１絞り装置、冷凍サイクル内の冷媒量を調節する中間レシーバ、第２絞り装置、外気を熱源とする蒸発器、気液分離器を順次直列に接続して閉回路を形成した冷凍サイクル装置を備え、さらに、この冷凍サイクル装置は、前記中間レシーバ内の中間圧ガス冷媒を圧縮機の圧縮工程の中間圧力部にバイパスする中間圧冷媒バイパス回路を備えるとともに、この中間圧冷媒バイパス回路には、圧縮機から中間レシーバへの冷媒流れを阻止する逆止弁と、この逆止弁と中間レシーバとの間の冷媒温度を検出する冷媒温度センサーとを設け、さらに、この冷媒温度センサーの検出するガス冷媒温度が予測される中間圧冷媒バイパス回路の周囲空気温度より高くなるように第１絞り装置及び第２絞り装置の少なくとも一方の弁開度を制御してなることを特徴とする冷凍装置。
【請求項３】
圧縮機、高圧側ガス冷媒を冷却する高圧ガス冷却器、第１絞り装置、冷凍サイクル内の冷媒量を調節する中間レシーバ、第２絞り装置、外気を熱源とする蒸発器、気液分離器を順次直列に接続して閉回路を形成した冷凍サイクル装置を備え、さらに、この冷凍サイクル装置は、前記中間レシーバ内の中間圧ガス冷媒を圧縮機の圧縮工程の中間圧力部にバイパスする中間圧冷媒バイパス回路を備えるとともに、この中間圧冷媒バイパス回路における入口側冷媒温度を検出する冷媒温度センサー及び出口側の冷媒温度を検出する冷媒温度センサー、並びに、中間圧冷媒バイパス回路の周囲空気温度を検出する空気温度センサーを設け、中間圧冷媒バイパス回路の入口側冷媒温度センサーの検出する冷媒温度が空気温度センサーの検出する空気温度より高くなるように、かつ、入口側冷媒温度センサーの検出する冷媒温度が出口側冷媒温度センサーの検出する冷媒温度より高くなるように第１絞り装置及び第２絞り装置の少なくとも一方の弁開度を制御するように構成されていることを特徴とする冷凍装置。
【請求項４】
圧縮機、高圧側ガス冷媒を冷却する高圧ガス冷却器、第１絞り装置、冷凍サイクル内の冷媒量を調節する中間レシーバ、第２絞り装置、外気を熱源とする蒸発器、気液分離器を順次直列に接続して閉回路を形成した冷凍サイクル装置を備え、さらに、この冷凍サイクル装置は、前記中間レシーバ内の中間圧ガス冷媒を圧縮機の圧縮工程の中間圧力部にバイパスする中間圧冷媒バイパス回路を備えるとともに、この中間圧冷媒バイパス回路における入口側冷媒温度を検出する冷媒温度センサー及び出口側の冷媒温度を検出する冷媒温度センサーを設け、入口側冷媒温度センサーの検出する冷媒温度が予測される中間圧冷媒バイパス回路の周囲空気温度より高くなるように、かつ、入口側冷媒温度センサーの検出する冷媒温度が出口側冷媒温度センサーの検出する冷媒温度より高くなるように、第１絞り装置及び第２絞り装置の少なくとも一方の弁開度を制御するように構成されていることを特徴とする冷凍装置。
【請求項５】
圧縮機、高圧側ガス冷媒を冷却する高圧ガス冷却器、第１絞り装置、冷凍サイクル内の冷媒量を調節する中間レシーバ、第２絞り装置、外気を熱源とする蒸発器、気液分離器を順次直列に接続して閉回路を形成した冷凍サイクル装置を備え、さらに、この冷凍サイクル装置は、前記中間レシーバ内の中間圧ガス冷媒を圧縮機の圧縮工程の中間圧力部にバイパスする中間圧冷媒バイパス回路を備えるとともに、この中間圧冷媒バイパス回路における入口側及び出口側の冷媒圧力を検出する圧力センサーを設け、入口側圧力センサーの検出する入口側冷媒圧力が出口側圧力センサーの検出する出口側冷媒圧力より高くなるように、第１絞り装置及び第２絞り装置の少なくとも一方の弁開度を制御するように構成されていることを特徴とする冷凍装置。
【請求項６】
前記冷凍サイクル装置は、冷媒として二酸化炭素が充填され、超臨界サイクルで運転されることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項記載の冷凍装置。
【請求項７】
前記冷凍サイクル装置は、高圧ガス冷却器により水を加熱するように構成されていることを特徴とする請求項６記載の冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍装置に関し、特に、中間圧力のガス冷媒を圧縮機の圧縮工程中にバイパスする所謂ガスインジェクションの作用を有効に維持する手段に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、オゾン層破壊の問題及び給湯装置における給湯の高温化ニーズへの対応のために、二酸化炭素などの超臨界冷凍サイクルで冷凍運転される自然冷媒が注目を浴びている。また、このような超臨界サイクル冷凍運転を行う冷凍装置として、特許文献１に記載されているものが知られている。また、このような超臨界冷凍サイクルのように圧縮比が大きくなると、圧縮効率の低下や吐出ガス冷媒温度の上昇という問題があるため２段圧縮方式が用いられている。
【０００３】
このような冷凍装置の一例としては、例えば非特許文献１の図１及び図２に示すようなものがある。すなわち、図１の冷凍装置は、高段側圧縮機、高圧ガス冷却器、第１絞り弁、中間レシーバ、第２絞り弁、蒸発器、低段側圧縮機、高段側圧縮機を順次直列に接続して閉回路を構成した冷凍サイクル装置により、超臨界冷凍サイクルで運転するように構成されている。また、中間レシーバのガス部分を高段側圧縮機のシリンダに接続し、中間圧ガス冷媒を低段側圧縮機の吐出ガスに混合して高段側圧縮機に吸入させ、冷凍サイクルの成績係数の向上を図っている。
また、同文献の図２の冷凍装置は、ガスインジェクションポートを備えた１段圧縮機、高圧ガス冷却器、第１絞り弁、中間レシーバ、第２絞り弁、蒸発器、前記１段圧縮機を順次直列に接続して閉回路を構成した冷凍サイクル装置により、超臨界冷凍サイクルで運転するように構成されている。また、中間レシーバのガス部分を圧縮機のガスインジェクションポートに接続して、中間圧ガス冷媒を圧縮機の圧縮工程の途中に吸入させて、冷凍サイクルの成績係数の向上を図っている。
【０００４】
【非特許文献１】J.C.Goosmann and F.R.Zumbro、"Recent Improvements in CO2 Equipment" The American Society of Refrigerating Engineers 発行、"REFRIGERATING EBGINEERING"、１９２８年７月、第１６巻、第１号、第１頁〜。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般に、このような冷凍装置において、中間レシーバの圧力如何によっては、中間レシーバのガス部分から圧縮機の圧縮工程の途中にガス冷媒が流通しないことがある。しかしながら、上記従来技術においては、このような問題に関し、何らの対策が講じられていない。
【０００６】
本発明は、このような従来技術の課題を解決するためになされたものであって、中間レシーバ内の中間圧ガス冷媒を圧縮機の圧縮工程の中間圧力部にバイパスする中間圧冷媒バイパス回路の機能を有効に維持できるようにした冷凍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】
【０００７】
本発明は上記課題を解決するものであって、第１の課題解決手段に係る冷凍装置は、圧縮機、高圧側ガス冷媒を冷却する高圧ガス冷却器、第１絞り装置、冷凍サイクル内の冷媒量を調節する中間レシーバ、第２絞り装置、外気を熱源とする蒸発器、気液分離器を順次直列に接続して閉回路を形成した冷凍サイクル装置を備え、さらに、この冷凍サイクル装置は、前記中間レシーバ内の中間圧ガス冷媒を圧縮機の圧縮工程の中間圧力部にバイパスする中間圧冷媒バイパス回路を備えるとともに、この中間圧冷媒バイパス回路には、圧縮機から中間レシーバへの冷媒流れを阻止する逆止弁と、この逆止弁と中間レシーバとの間の冷媒温度を検出する冷媒温度センサーと、中間圧冷媒バイパス回路の周囲空気温度を検出する空気温度センサーとを設け、さらに、この冷媒温度センサーの検出するガス冷媒温度が空気温度センサーの検出する周囲空気温度より高温になるように第１絞り装置及び第２絞り装置の少なくとも一方の弁開度を制御してなることを特徴とする。
【０００８】
また、第２の課題解決手段に係る冷凍装置は、第１の課題解決手段のように中間圧冷媒バイパス回路の周囲空気温度を空気温度センサーで検出するのではなく、中間圧冷媒バイパス回路の周囲空気温度を予測値としたものである。すなわち、第２の課題解決手段に係る冷凍装置は、圧縮機、高圧側ガス冷媒を冷却する高圧ガス冷却器、第１絞り装置、冷凍サイクル内の冷媒量を調節する中間レシーバ、第２絞り装置、外気を熱源とする蒸発器、気液分離器を順次直列に接続して閉回路を形成した冷凍サイクル装置を備え、さらに、この冷凍サイクル装置は、前記中間レシーバ内の中間圧ガス冷媒を圧縮機の圧縮工程の中間圧力部にバイパスする中間圧冷媒バイパス回路を備えるとともに、この中間圧冷媒バイパス回路には、圧縮機から中間レシーバへの冷媒流れを阻止する逆止弁と、この逆止弁と中間レシーバとの間の冷媒温度を検出する冷媒温度センサーとを設け、さらに、この冷媒温度センサーの検出するガス冷媒温度が予測される中間圧冷媒バイパス回路の周囲空気温度より高温になるように第１絞り装置及び第２絞り装置の少なくとも一方の弁開度を制御してなることを特徴とする。
【０００９】
また、第３の課題解決手段に係る冷凍装置は、圧縮機、高圧側ガス冷媒を冷却する高圧ガス冷却器、第１絞り装置、冷凍サイクル内の冷媒量を調節する中間レシーバ、第２絞り装置、外気を熱源とする蒸発器、気液分離器を順次直列に接続して閉回路を形成した冷凍サイクル装置を備え、さらに、この冷凍サイクル装置は、前記中間レシーバ内の中間圧ガス冷媒を圧縮機の圧縮工程の中間圧力部にバイパスする中間圧冷媒バイパス回路を備えるとともに、この中間圧冷媒バイパス回路における入口側冷媒温度を検出する冷媒温度センサー及び出口側の冷媒温度を検出する冷媒温度センサー、並びに、中間圧冷媒バイパス回路の周囲空気温度を検出する空気温度センサーを設け、中間圧冷媒バイパス回路の入口側冷媒温度センサーの検出する冷媒温度が空気温度センサーの検出する空気温度より高くなるように、かつ、入口側冷媒温度センサーの検出する冷媒温度が出口側冷媒温度センサーの検出する冷媒温度より高くなるように第１絞り装置及び第２絞り装置の少なくとも一方の弁開度を制御するように構成されていることを特徴とする。
【００１０】
また、第４の課題解決手段に係る冷凍装置は、第３の課題解決手段のように中間圧冷媒バイパス回路の周囲空気温度を空気温度センサーで検出するのではなく、中間圧冷媒バイパス回路の周囲空気温度を予測値としたものである。すなわち、第４の課題解決手段に係る冷凍装置は、圧縮機、高圧側ガス冷媒を冷却する高圧ガス冷却器、第１絞り装置、冷凍サイクル内の冷媒量を調節する中間レシーバ、第２絞り装置、外気を熱源とする蒸発器、気液分離器を順次直列に接続して閉回路を形成した冷凍サイクル装置を備え、さらに、この冷凍サイクル装置は、前記中間レシーバ内の中間圧ガス冷媒を圧縮機の圧縮工程の中間圧力部にバイパスする中間圧冷媒バイパス回路を備えるとともに、この中間圧冷媒バイパス回路における入口側冷媒温度を検出する冷媒温度センサー及び出口側の冷媒温度を検出する冷媒温度センサーを設け、入口側冷媒温度センサーの検出する冷媒温度が予測される中間圧冷媒バイパス回路の周囲空気温度より高くなるように、かつ、入口側冷媒温度センサーの検出する冷媒温度が出口側冷媒温度センサーの検出する冷媒温度より高くなるように、第１絞り装置及び第２絞り装置の少なくとも一方の弁開度を制御するように構成されていることを特徴とする。
【００１１】
また、第５の課題解決手段に係る冷凍装置は、圧縮機、高圧側ガス冷媒を冷却する高圧ガス冷却器、第１絞り装置、冷凍サイクル内の冷媒量を調節する中間レシーバ、第２絞り装置、外気を熱源とする蒸発器、気液分離器を順次直列に接続して閉回路を形成した冷凍サイクル装置を備え、さらに、この冷凍サイクル装置は、前記中間レシーバ内の中間圧ガス冷媒を圧縮機の圧縮工程の中間圧力部にバイパスする中間圧冷媒バイパス回路を備えるとともに、この中間圧冷媒バイパス回路における入口側及び出口側の冷媒圧力を検出する圧力センサーを設け、入口側圧力センサーの検出する入口側冷媒圧力が出口側圧力センサーの検出する出口側冷媒圧力より高くなるように、第１絞り装置及び第２絞り装置の少なくとも一方の弁開度を制御するように構成されていることを特徴とする。
【００１２】
また、上記第１及び第２の課題解決手段に係る冷凍サイクル装置において、前記冷凍サイクル装置は、冷媒として二酸化炭素が充填され、超臨界サイクルで運転されるようにしてもよい。
【００１３】
また、上記第１及び第２の課題解決手段に係る冷凍装置において、冷凍サイクル装置を、高圧ガス冷却器により給湯水を加熱するように構成されている給湯装置としてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
上記第１の課題解決手段に係る冷凍装置は、中間レシーバ内の中間圧ガス冷媒を圧縮機の圧縮工程の中間圧力部にバイパスする中間圧冷媒バイパス回路を備えるとともに、この中間圧冷媒バイパス回路に逆止弁を設け、さらに、中間圧冷媒バイパス回路内における逆止弁上流側のガス冷媒の温度が空気温度センサーにより検出される周囲空気温度より高くなるように第１絞り装置及び第２絞り装置の少なくとも一方の弁開度を制御するので、中間圧冷媒バイパス回路に中間圧ガス冷媒が流通していることを維持することができる。なお、中間圧冷媒バイパス回路内に冷媒が流通していない場合は、入口側冷媒温度センサーの検出する冷媒温度と周囲空気温度と同一となる。また、中間圧冷媒バイパス回路における中間レシーバから圧縮機への中間圧ガス冷媒のバイパスを維持し、かつ、中間圧冷媒バイパス回路内における冷媒の逆流を防止することができる。
【００１５】
また、上記第２の課題解決手段に係る冷凍装置は、中間圧冷媒バイパス回路の周囲空気温度を、第１の課題解決手段のような空気温度センサーによる検出値ではなく予測値としたものであるので、空気温度センサーを不要とすることで装置を簡略化しながら、中間圧冷媒バイパス回路における中間レシーバから圧縮機への中間圧ガス冷媒のバイパスを維持し、かつ、中間圧冷媒バイパス回路内における冷媒の逆流を防止することができる。
【００１６】
また、上記第３の課題解決手段に係る冷凍装置は、入口側冷媒温度センサーの検出する冷媒温度が中間圧冷媒バイパス回路の周囲空気温度を検出する空気温度センサーの検出する空気温度より高くなるように、かつ、入口側冷媒温度センサーの検出する冷媒温度が出口側冷媒温度センサーの検出する冷媒温度より高くなるように第１絞り装置及び第２絞り装置の少なくとも一方の弁開度を制御するので、中間圧冷媒バイパス回路における中間レシーバから圧縮機への中間圧ガス冷媒のバイパスを維持することができる。
【００１７】
また、上記第４の課題解決手段に係る冷凍装置は、中間圧冷媒バイパス回路の周囲空気温度を、第３の課題解決手段のような空気温度センサーによる検出値ではなく予測値としたものであるので、空気温度センサーを不要とすることで装置を簡略化しながら、中間圧冷媒バイパス回路における中間レシーバから圧縮機への中間圧ガス冷媒のバイパスを維持することができる。
【００１８】
また、各冷凍サイクル装置において、二酸化炭素冷媒を充填して超臨界サイクルで運転すると、可燃性、毒性のない安全な冷媒を使用しながら高圧側のガス冷媒温度が高くなる冷凍サイクルで運転を行うことができる。
【００１９】
また、上記冷凍サイクル装置において、高圧ガス冷却器により水を加熱するように構成すると、超臨界冷凍サイクルを利用した高温の暖房用温水や、高温の給湯水を供給することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、各実施例について図面に基づき説明する。
【実施例１】
【００２１】
図１〜図３に基づき本発明の実施例１を説明する。
図１は実施例１に係る冷凍装置の冷媒回路図である。図２は同冷凍装置における超臨界冷凍サイクルのモリエル線図である。図３は同冷凍装置の蒸発器及び気液分離器周りの構成図である。
【００２２】
図１に示すように、実施例１に係る冷凍サイクル装置は、圧縮機１、高温の高圧側ガス冷媒を冷却するとともに室内空気、暖房用温水、給湯水などの被加熱流体を加熱する高圧ガス冷却器２、第１絞り装置３、冷凍サイクル内の冷媒量を調節する中間レシーバ４、第２絞り装置５、外気から熱を汲み上げる蒸発器６、気液分離器７を順次直列に接続して閉回路を形成している。また、この冷凍装置は、冷媒回路内に二酸化炭素が冷媒として充填さ、超臨界冷凍サイクルで運転される装置として構成されている。
【００２３】
圧縮機１は、密閉ケーシング１１内に低段側圧縮機部１２、高段側圧縮機部１３、電動機などを収納し、密閉ケーシング１１内に低段側圧縮機部１２から吐出された中間圧のガス冷媒を充満させ、高段側圧縮機部１３はこの中間圧ガス冷媒を吸入して吐出するように形成した所謂内部中間圧ドーム型２段圧縮機である。また、この２段圧縮機１はインバータにより回転数可変に形成されている。また、外気温度が低下したときに、この超臨界冷凍サイクルによる加熱負荷が増大するため２段圧縮機１は高速化され、逆に、外気温度が上昇したときに低速化されるように制御される。
【００２４】
高圧ガス冷却器２は、高段側圧縮機部１３から吐出された吐出ガスを冷却する熱交換器である。この冷凍サイクル装置は超臨界冷凍サイクル装置を形成しているので、この高圧ガス冷却器２では冷媒は凝縮されない。なお、高圧ガス冷却器２は、温水暖房装置の場合暖房用温水を加熱し、温風暖房装置の場合室内空気を加熱し、給湯装置の場合給湯水を加熱するように構成される。
【００２５】
第１絞り装置３及び第２絞り装置５としてはそれぞれ電動膨張弁が用いられている。中間レシーバ４は、冷凍サイクル内の冷媒量を調節するものであって、第１絞り装置３及び第２絞り装置５の開度制御により圧力が臨界点以下となるように制御される。これにより中間レシーバ４内に超臨界冷凍サイクルの余剰冷媒が液冷媒として貯留される。
【００２６】
蒸発器６は、外気を熱源として熱交換する熱交換器であって、低圧液冷媒が蒸発することにより外気から熱を汲み上げて冷媒自身が蒸発する。また、この蒸発器６は、蒸発器６中間の冷媒温度を検出する冷媒温度センサー６１と、蒸発器６出口の冷媒温度を検出する冷媒温度センサー６２とを有している。なお、この両冷媒温度センサー６１、６２が検出する冷媒温度の温度差により、蒸発器６出口における冷媒の過熱度が検出される。また、前記第１絞り装置３及び第２絞り装置５の少なくとも一方は、蒸発器６出口の冷媒が過熱状態となるように開度制御される。
また、この蒸発器６は、冷媒が上部から下方に向かって流れるように、熱交換パイプ６５が上方から下方に向かって蛇行するように形成されている（図３参照）。なお、図１及び図３において、符号６３は冷媒入口であり、符号６４は冷媒出口である。
【００２７】
また、上気超臨界冷凍サイクルには、中間レシーバ４のガス部４１と圧縮機１の密閉ケーシング１１内とを接続することにより、中間レシーバ４内の中間圧ガス冷媒を圧縮機１の圧縮工程の中間圧力部にバイパスする中間圧冷媒バイパス回路８が形成されている。なお、この中間圧冷媒バイパス回路８には流量調整用のキャピラリーチューブ８１と圧縮機１から中間レシーバ４への冷媒流れを阻止する逆止弁８２が設けられている。また、この中間圧冷媒バイパス回路８におけるキャピラリーチューブ８１と逆止弁８２との間には、その位置における中間圧冷媒バイパス回路８内の冷媒温度を検出する冷媒温度センサー８３が設けられている。さらに、この冷凍装置には、中間圧冷媒バイパス回路８の周囲空気温度を検出する空気温度センサー（図示せず）が設けられている。そして、冷媒温度センサー８３が検出する冷媒温度が空気温度センサー（図示せず）により検出される中間圧冷媒バイパス回路８の周囲空気温度より高くなるように、第１絞り装置３及び第２絞り装置５の少なくとも一方が制御されている。
【００２８】
また、超臨界冷凍サイクルには、圧縮機１の圧縮工程中間のガス冷媒を蒸発器６にバイパスすることにより蒸発器６を除霜するためのデフロスト回路９が設けられている。なお、このデフロスト回路９には、デフロスト回路９を開閉するための開閉弁９１が設けられている。この開閉弁９１は通常運転中は閉塞され、除霜運転時に開放される。
【００２９】
気液分離器７は、円筒状などの適宜形状の密閉容器であって、この容器の下部に冷媒入口７１を備え、上部に冷媒出口７２を備えている。また、この気液分離器７は、図３に示すように、蒸発器６の冷媒出口６４に対し冷媒入口７１が所定ヘッド差Ｈ１高くなる位置に設けられている。また、気液分離器７の冷媒入口７１と蒸発器６の冷媒出口６４とを接続する配管７３、すなわち、気液分離器７から蒸発器６への液冷媒の戻り配管７３の断面積を、大径の配管を使用するなどして圧縮機吸入配管１４の断面積より大きく構成している。
【００３０】
以上のように構成された超臨界冷凍サイクルの作動について、図２のモリエル線図に基づいて説明する。このモリエル線図上の各点を表示する符合は、図１の冷媒回路に付された回路上の各符号の位置における冷媒の状態を示すように対応して示す。
【００３１】
まず、通常運転時における冷凍サイクルについて説明する。なお、この説明にはモリエル線図の各点を表示する符合を併記する。
２段圧縮機１の低段側圧縮機部１２では、気液分離器７出口側の低圧ガス冷媒ａ１が吸入されて圧縮される。低段側圧縮機部１２で圧縮された中間圧ガス冷媒ｂ１が密閉ケーシング１１内に吐出される。この密閉ケーシング１１内には、中間レシーバ４において気液分離された中間圧ガス冷媒ｇ１が中間レシーバ４のガス部から送られてくるので、前述の低段側圧縮機部１２の吐出ガスｂ１と混合されたガス冷媒ｃ１となる。高段側圧縮機部１３は、この混合冷媒ｃ１を吸入して高圧冷媒ｄ１となって２段圧縮機１から吐出される。
【００３２】
２段圧縮機１から吐出された高圧冷媒ｄ１は高圧ガス冷却器２で暖房用温水、給湯水又は室内空気を加熱することにより冷却される。冷却された高圧ガス冷媒ｅ１は、第１絞り装置３により膨張され臨界点以下の圧力の気液混合冷媒ｆ１となって中間レシーバ４に流入する。この気液混合冷媒ｆ１は中間レシーバ４内で気液分離される。中間レシーバ４内で気液分離された中間圧ガス冷媒ｇ１は前述のように中間圧冷媒バイパス回路８を通って２段圧縮機１の密閉ケーシング１１内に流れ込む。
【００３３】
一方、中間レシーバ４で気液分離された液冷媒ｈ１は、第２絞り装置５で減圧され、低圧の気液混合冷媒ｉ１となって、蒸発器６に流入する。蒸発器６に流入した低圧の気液混合冷媒ｉ１は、外気と熱交換して（外気から熱を汲み上げて）蒸発し、低圧ガス冷媒ｊ１となって気液分離器７に流入する。また、気液分離器７を流出した低圧ガス冷媒ｊ１、すなわち、低圧ガス冷媒ａ１は前述のように低段側圧縮機部１２に吸入される。
【００３４】
このような超臨界冷凍サイクルにおいて、第１絞り装置３及び第２絞り装置５の少なくとも一方は、蒸発器６の出口冷媒が過熱状態となるように制御される。また、このとき冷媒の過熱度は、蒸発器６の中間部に設けた冷媒温度センサー６１の検出する冷媒温度と蒸発器６の出口側に設けた冷媒温度センサー６２が検出する冷媒温度との差温が一定となるように制御することにより、蒸発器６出口側の冷媒が一定の過熱度を有するように制御される。
【００３５】
さらに、第１絞り装置３及び第２絞り装置５の少なくとも一方は、中間圧冷媒バイパス回路８内における逆止弁８２上流側のガス冷媒の温度が空気温度センサーにより検出される周囲空気温度より高くなるように弁開度制御される。これにより、中間圧冷媒バイパス回路８において中間レシーバ４から圧縮機１の圧縮工程中間への中間圧ガス冷媒のバイパスが維持される。
【００３６】
また、上記冷凍サイクル装置において、蒸発器６の除霜が必要になった場合は、デフロスト回路９の開閉弁９１を開き、第１絞り装置３及び第２絞り装置５の少なくとも一方の開度を調節することにより、低段側圧縮機部１２から吐出された中間圧ガス冷媒を２段圧縮機１からデフロスト回路９を介して蒸発器６に送り込むことができる。これにより、中間圧ガス冷媒の有する潜熱により着霜した蒸発器６を加熱して除霜することができる。なお、高段側圧縮機部１３から吐出された冷媒は、高圧ガス冷却器２、第１絞り装置３、中間レシーバ４のガス部４１、キャピラリーチューブ８１、逆止弁８２、中間圧冷媒バイパス回路８を介してデフロスト回路９に流れ込むが、第１絞り装置３の開度を調節することにより少量とすることができる。また、中間レシーバ４内の液冷媒も第２絞り装置５の開度を調節することにより蒸発器６側への冷媒流れを防止することができる。
【００３７】
また、上記冷凍サイクル装置において、冬季長時間運転を停止していたときは、外気に触れる蒸発器６や気液分離器７において冷媒が凝縮液化する。なお、気液分離器７で凝縮液化した冷媒は、気液分離器７の冷媒入口７１が蒸発器６の冷媒出口６４に対し所定高さＨ１だけ高く形成されていることにより、蒸発器６に戻される。また、気液分離器７内から蒸発器６へ戻った液冷媒や蒸発器６で液化した液冷媒は蒸発器６内に貯留されている。この状態で起動した場合、蒸発器６から液冷媒が流出するが、この液冷媒は気液分離器７で気液分離されるので、圧縮機１には液冷媒が戻ることがない。同様に、蒸発器６を除霜運転した後に通常の運転に戻るときは蒸発器６から液冷媒が流出するが、気液分離器７により気液分離されるので、圧縮機１に液冷媒の戻る心配がない。
【００３８】
実施例１に係る冷却装置は、以上のように構成されているので、次のような効果を奏する。
（１）  実施例１に係る冷凍装置は、冷凍サイクル装置内の冷媒量を調節する中間レシーバ４が中間圧状態となる第１絞り装置３と第２絞り装置５との間に設けられているので、低圧側回路に液冷媒を貯留させることなく冷凍サイクル装置内の冷媒量の調節を行うことができる。したがって、通常運転時においては、蒸発器６出口を湿り状態とする必要がない、また、長期間の停止により冷媒が寝込んでいるような場合における起動時や、除霜運転直後の通常運転への切換時のような過渡期を除いて、蒸発器６から液冷媒が流出する運転を防止することが可能になる。また、中間圧力下、中間レシーバ４で余剰冷媒を貯留するため、低圧側に余剰冷媒を貯留する場合に比し冷媒を貯留する中間レシーバ４の容積を小容量化することができる。
【００３９】
（２）  また、実施例１においては、蒸発器６出口の冷媒が過熱状態となるように第１絞り装置３及び第２絞り装置５の少なくとも一方を制御することにより、中間レシーバ４に余剰冷媒を貯留させながら圧縮機１への液戻りを防止した冷媒制御を行うことができる。
【００４０】
（３）  また、蒸発器６中間の冷媒温度を検出する冷媒温度センサー６１と蒸発器出口の冷媒温度を検出する冷媒温度センサー６２とを有し、両冷媒温度センサー６１、６２により検出される温度差に基づき蒸発器出口の過熱度を検出するようにしているので、通常運転時の蒸発器６出口における冷媒の過熱度を確実に検知することができる。
【００４１】
（４）  また、中間レシーバ４内の中間圧ガス冷媒を圧縮機１の圧縮工程の中間圧力部にバイパスする中間圧冷媒バイパス回路８を設けているので、バイパスされる中間圧ガス冷媒が中間圧から圧縮されるため、圧縮仕事量が軽減され、システムの成績係数が向上する。
【００４２】
（５）また、中間レシーバ４内の中間圧ガス冷媒を圧縮機１の圧縮工程の中間圧力部にバイパスする中間圧冷媒バイパス回路８を備えるとともに、この中間圧冷媒バイパス回路８には、圧縮機１から中間レシーバ４への冷媒流れを阻止する逆止弁８２と、この逆止弁８２の中間レシーバ側の冷媒温度を検出する冷媒温度センサー８３を設け、さらに、中間圧冷媒バイパス回路８内のガス冷媒の温度が空気温度センサー（図示せず）で検出される周囲空気温度より高温になるように第１絞り装置３及び第２絞り装置５の少なくとも一方の弁開度を制御するので、中間圧冷媒バイパス回路８に中間圧ガス冷媒が流通していることを維持することができる。
なお、中間圧冷媒バイパス回路８内に冷媒が流通していない場合は、冷媒温度センサー８３の検出する冷媒温度と周囲空気温度とが同一となる。また、中間圧冷媒バイパス回路８内に逆止弁８２が設けられているので、中間圧冷媒バイパス回路８内を冷媒が逆流することが防止される。
【００４３】
（６）  この場合において、圧縮機１は、２段圧縮機に構成され、低段側圧縮機部の吐出ガスを密閉ケーシング１１内に吐出する所謂内部中間圧ドーム型圧縮機であるので、中間圧冷媒バイパス回路８を容易に形成することができる。
【００４４】
（７）  また、実施例１に係る冷凍装置では、気液分離器７が蒸発器出口側に設けられており、特に、気液分離器７で分離された液冷媒が蒸発器６に戻るように形成されているので、前述の運転開始時などの過渡期においても圧縮機１へ液戻りすることがない。
【００４５】
（８）  また、気液分離器７の冷媒入口７１が蒸発器６の冷媒出口６４に比し高い位置となるように、気液分離器７が設けられているので、運転中及び運転停止中において、気液分離器７にガス冷媒とともに流入した液冷媒又は気液分離器７で液化した液冷媒は気液分離され重力により蒸発器６に戻される。したがって、気液分離器７から蒸発器６へ冷媒を戻すための動力が不要となり、その構成が簡略化される。また、運転停止時に何も運転することなく気液分離器７の液冷媒が必ず蒸発器６に戻されているので、起動時等の過渡期における圧縮機１への液戻りを確実に防止することができる。また、気液分離器７に液冷媒がない状態から再起動されるため、吐出温度の上昇が早く、立ち上がり時間が短縮される。
【００４６】
（９）  また、蒸発器６の冷媒出口６４と気液分離器７の冷媒入口７１とを接続する配管７３、すなわち、気液分離器７から蒸発器６への液冷媒の戻り配管７３の断面積を、圧縮機吸入配管１４の断面積より大きく構成しているので、戻り配管７３を気液分離器７の一部として考えることができ、それだけ気液分離器７の容積を小さくすることができる。
【００４７】
（１０）  また、中間レシーバ４の容積を、運転条件の変化による冷凍サイクル装置内の余剰冷媒を貯留し得る大きさとしているので、常に最適の冷媒量の状態で冷凍サイクルを運転することができ、運転成績係数を向上させることができる。
【００４８】
（１１）  また、上記冷凍サイクル装置に充填する冷媒を二酸化炭素としているので、可燃性、毒性のない安全な冷媒を使用しながら高圧側のガス冷媒温度が高くなる超臨界冷凍サイクルでの運転を行うことができる。
【００４９】
（１２）  また、上記冷凍サイクル装置を高圧ガス冷却器２により暖房用温水、給湯水などの水を加熱する装置として構成した場合は、高温の暖房用温水や高温の給湯水を供給することができる。
【実施例２】
【００５０】
次に、実施例２を図４及び図５に基づき説明する。なお、図４は実施例２に係る冷凍装置の冷媒回路図である。また、図５は同冷凍装置の冷凍サイクル装置による超臨界冷凍サイクルのモリエル線図である。
実施例２は、実施例１における圧縮機１を他の形式に変更可能であることを示すとともに、中間圧冷媒バイパス回路８における冷媒のバイパスを有効に維持する手段の他の例を示している。また、実施例１と異なり、蒸発器６と気液分離器７との間に高圧ガス冷媒と低圧冷媒とを熱交換する熱交換器１０３を設けている。
なお、その他の構成は、実施例１と同一である。また、図６において、実施例１と同一の要素には実施例１と同一の符号を付すことにより、その説明を省略する。
【００５１】
すなわち、この実施例２においては、実施例１における２段圧縮機１に代えてガスインジェクションポート１０２を備えた１段圧縮機１００を使用している。この１段圧縮機１００は１段の圧縮機構であるが圧縮機１００の圧縮工程の中間圧力部に中間圧ガス冷媒を導入可能とするガスインジェクションポート１０２を備え、さらに、密閉ケーシング１０１内には高圧ガス冷媒を導入している。
【００５２】
また、この実施例２においては、中間圧冷媒バイパス回路８が中間レシーバ４のガス部４１とガスインジェクションポート１０２との間に設けられている。
そして、中間圧冷媒バイパス回路８における冷媒のバイパスを有効に維持する手段としては、中間圧冷媒バイパス回路８の入口側及び出口側に、中間圧冷媒バイパス回路８内の冷媒温度を検出する入口側冷媒温度センサー１０４と、出口側冷媒温度センサー１０５と、中間圧冷媒バイパス回路８の周囲空気温度を検出する空気温度センサー（図示せず）とを設ける。さらに、入口側冷媒温度センサー１０４の検出する冷媒温度が空気温度センサーの検出する空気温度より高くなり、かつ、入口側冷媒温度センサー１０４の検出する冷媒温度が出口側冷媒温度センサー１０５の検出する冷媒温度より高くなるように第１絞り装置３及び第２絞り装置５の少なくとも一方の弁開度を制御するように構成している。
なお、熱交換器１０３は、蒸発器６出口の低圧冷媒と高圧ガス冷却器２出口側の高圧ガス冷媒とを熱交換させるように構成したものである。
【００５３】
次に、上記のように構成された実施例２について、図５のモリエル線図に基づいて説明する。このモリエル線図上の各点を表示する符合は、図４の冷媒回路に付された回路上の位置における冷媒の状態を示すように対応して示す。
【００５４】
まず、通常運転時における冷凍サイクルについて説明する。なお、この説明にはモリエル線図の各点を表示する符合を併記する。
圧縮機１００では、気液分離器７出口側の低圧ガス冷媒ａ２が吸入されて圧縮される。一方中間レシーバ４において気液分離された中間圧ガス冷媒ｈ２が圧縮機１００のガスインジェクションポート１０２から圧縮機１００内の圧縮工程途中に導入される。したがって、圧縮機１００で中間圧まで圧縮されたガス冷媒ｂ２はガスインジェクションポート１０２から導入される中間圧ガス冷媒ｈ２と混合して混合冷媒ｃ２となる。さらに、この混合冷媒ｃ２は圧縮されて、密閉ケーシング１０１内に吐出される。また、この密閉ケーシング１０１内から高圧ガス冷媒ｄ２となって冷媒回路内に吐出される。
【００５５】
圧縮機１００から吐出された高圧ガス冷媒ｄ２は、高圧ガス冷却器２で暖房用温水、給湯水又は室内空気を加熱することにより冷却される。高圧ガス冷却器２で冷却された高圧ガス冷媒ｅ２は熱交換器１０３でさらに冷却される。高圧ガス冷却器２で冷却された高圧ガス冷媒ｆ２は、第１絞り装置３により膨張され臨界点以下の圧力の気液混合冷媒ｇ２となって中間レシーバ４に流入する。この気液混合冷媒ｇ２は中間レシーバ４内で気液分離される。中間レシーバ４内で気液分離された中間圧ガス冷媒ｈ２は前述のように中間圧冷媒バイパス回路８を通って圧縮機１００の密閉ケーシング１０１内に流れ込む。
【００５６】
一方、中間レシーバ４で気液分離された液冷媒ｉ２は、第２絞り装置５で減圧され、低圧の気液混合冷媒ｊ２となって蒸発器６に流入する。蒸発器６に流入した低圧の気液混合冷媒ｊ２は、外気と熱交換して外気から熱を汲み上げて蒸発し、湿り低圧冷媒ｋ２となって熱交換器１０３に流入する。熱交換器１０３に流入した湿り低圧冷媒ｋ２は、高圧ガス冷媒ｅ２と熱交換して加熱され、過熱された低圧ガス冷媒ｌ２となって気液分離器７に流入する。また、気液分離器７に流入した低圧ガス冷媒ｌ２、すなわち、低圧ガス冷媒ａ２は、気液分離器７を流出して圧縮機１００に吸入される。
【００５７】
このような超臨界冷凍サイクルにおいて、第１絞り装置３及び第２絞り装置５の少なくとも一方は、実施例１の場合と同様に、蒸発器６の出口冷媒が過熱状態となるように制御される。また、このとき冷媒の過熱度は、蒸発器６の中間部に設けた冷媒温度センサー６１の検出する冷媒温度と蒸発器６の出口側に設けた冷媒温度センサー６２が検出する冷媒温度との差温が一定となるように制御することにより、蒸発器６出口側の冷媒が一定の過熱度を有するように制御される。
【００５８】
さらに、第１絞り装置３及び第２絞り装置５の少なくとも一方は、入口側冷媒温度センサー１０４の検出する冷媒温度が空気温度センサーの検出する空気温度より高くなり、かつ、入口側冷媒温度センサー１０４の検出する冷媒温度が出口側冷媒温度センサー１０５の検出する冷媒温度より高くなるように弁開度制御される。これにより、中間圧冷媒バイパス回路８における中間レシーバ４から圧縮機１００への中間圧ガス冷媒のバイパスを維持することができる。
なお、中間圧冷媒バイパス回路８内に冷媒が流通していない場合は、中間圧冷媒バイパス回路８内の冷媒が周囲空気と熱交換し、入口側冷媒温度センサー１０４の検出する冷媒温度と出口側冷媒温度センサー１０５の検出する冷媒温度とが同一となる。なお、仮に、中間圧冷媒バイパス回路８内を圧縮機１００から中間レシーバ４へ冷媒が逆流する場合は、前述の所定の方向に流れている場合における入口側冷媒温度センサー１０４の検出する冷媒温度と出口側冷媒温度センサー１０５の検出する冷媒温度との関係が逆の関係になる。
【００５９】
また、上記冷凍サイクル装置において、蒸発器６の除霜が必要になった場合は、デフロスト回路９の開閉弁９１を開き、第１絞り装置３を開放するとともに第２絞り装置５の開度を調節することにより、圧縮機１００から吐出された高圧ガス冷媒が高圧ガス冷却器２、第１絞り装置３、中間レシーバ４のガス部４１、キャピラリーチューブ８１、中間圧冷媒バイパス回路８及びデフロスト回路９を介し、中間圧のガス冷媒となって蒸発器６に送り込まれる。これにより蒸発器６を加熱して除霜することができる。
【００６０】
また、上記冷凍サイクル装置において、冬季長時間運転を停止していたときや、除霜運転した後に通常の運転を行うときは、蒸発器６から液冷媒が流出するが、実施例１の場合と同様に気液分離器７により気液分離されるので、圧縮機１に液冷媒の戻る心配がない。
【００６１】
実施例２に係る冷却装置は以上のように構成されているので、実施例１の場合と同様に、前述の（１）〜（４）、及び（７）〜（１２）の効果を奏することができる。
【００６２】
また、実施例２の場合は、中間圧冷媒バイパス回路８の入口側及び出口側に、中間圧冷媒バイパス回路８内の冷媒温度を検出する入口側冷媒温度センサー１０４と、出口側冷媒温度センサー１０５と、中間圧冷媒バイパス回路８の周囲空気温度を検出する空気温度センサー（図示せず）を設ける。さらに、入口側冷媒温度センサー１０４の検出する冷媒温度が空気温度センサーの検出する空気温度より高くなり、かつ、入口側冷媒温度センサー１０４の検出する冷媒温度が出口側冷媒温度センサー１０５の検出する冷媒温度より高くなるように第１絞り装置３及び第２絞り装置５の少なくとも一方の弁開度を制御しているので、中間圧冷媒バイパス回路８による中間レシーバ４から圧縮機１への中間圧ガス冷媒のバイパスを維持することができる。
【実施例３】
【００６３】
次に、実施例３を図６に基づき説明する。なお、図６は実施例３に係る冷凍装置の冷媒回路図である。また、図６において、実施例２と同一の要素には実施例２と同一の符号を付すことにより、その説明を省略する。
実施例３は、実施例２における中間圧冷媒バイパス回路８における冷媒のバイパスを有効に維持する手段を他の例に変更したものである。すなわち、実施例３では、中間圧冷媒バイパス回路８における入口側及び出口側の冷媒圧力を検出する圧力センサー２０１、２０２を設け、入口側圧力センサー２０１の検出する冷媒圧力が出口側圧力センサー２０２の検出する冷媒圧力より高くなるように、第１絞り装置３及び第２絞り装置５の少なくとも一方の弁開度を制御するようにしている。
【００６４】
このように構成すると、中間圧冷媒バイパス回路８において入口側（中間レシーバ４側）から出口側（圧縮機１側）に冷媒が流れるので、中間圧冷媒バイパス回路８に中間圧ガス冷媒が流通していることを維持することができる。なお、中間圧冷媒バイパス回路８内に冷媒が流通していない場合は、入口側圧力センサー２０１の検出する冷媒圧力と出口側圧力センサー２０２の検出する冷媒圧力とが同一となる。また、中間圧冷媒バイパス回路８内を冷媒が逆流する場合は出口側圧力センサー２０２の検出する冷媒圧力が入口側圧力センサー２０１の検出する冷媒圧力より高くなる。
【００６５】
（変形例）
なお、上述の実施例１及び実施例２においては、中間圧冷媒バイパス回路８の周囲空気温度を空気温度センサーにより検出していたが、これに代え、予め外気温度の変化を予測して外気温度より高くなる所定の温度を定めておく。そして、入口側冷媒温度センサー１０４の検出する冷媒温度が予測される中間圧冷媒バイパス回路８の周囲空気温度より高くなるように、かつ、入口側冷媒温度センサー１０４の検出する冷媒温度が出口側冷媒温度センサー１０５の検出する冷媒温度より高くなるように、第１絞り装置３及び第２絞り装置５の少なくとも一方の弁開度を制御するようにしてもよい。
【００６６】
このようにすれば、空気温度センサーが不要となるので、装置を簡略化しながら中間圧冷媒バイパス回路８における中間レシーバ４から圧縮機１への中間圧ガス冷媒のバイパスを維持し、かつ、中間圧冷媒バイパス回路８内における冷媒の逆流を防止することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
以上詳述した冷凍装置は、広く一般の冷凍装置に利用できるが、特に、外気を熱源とするヒートポンプ式家庭用エアコン、業務用エアコン（パッケージエアコン）、外気熱源のヒートポンプ式温水暖房装置、外気熱源のヒートポンプ式給湯装置などに利用されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の実施例１に係る冷凍装置の冷媒回路図である。
【図２】同冷凍装置における超臨界冷凍サイクルのモリエル線図である。
【図３】同冷凍装置の蒸発器及び気液分離器周りの構成図である。
【図４】本発明の実施例２に係る冷凍装置の冷媒回路図である。
【図５】同冷凍装置における超臨界冷凍サイクルのモリエル線図である。
【図６】本発明の実施例３に係る冷凍装置の冷媒回路図である。
【符号の説明】
【００６９】
１  圧縮機
２  高圧ガス冷却器
３  第１絞り装置
４  中間レシーバ
５  第２絞り装置
６  蒸発器
７  気液分離器
８  中間圧冷媒バイパス回路
９  デフロスト回路
１１  密閉ケーシング
１２  低段側圧縮機部
１３  高段側圧縮機部
１４  圧縮機吸入配管
４１  ガス部
６１  冷媒温度センサー
６２  冷媒温度センサー
６３  冷媒入口
６４  冷媒出口
８１  キャピラリーチューブ
８２  逆止弁
８３  冷媒温度センサー
１００  圧縮機
１０２  ガスインジェクションポート
１０４  入口側冷媒温度センサー
１０５  出口側冷媒温度センサー
２０１  入口側圧力センサー
２０２  出口側圧力センサー
【図１】
2005214442.tif 000003
【図２】
2005214442.tif 000004
【図３】
2005214442.tif 000005
【図４】
2005214442.tif 000006
【図５】
2005214442.tif 000007
【図６】
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