(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷凍サイクルの少なくとも一部で作動冷媒が超臨界状態となる冷凍装置（３０１）であって、
冷媒を減圧させる第１膨張機構（５，９５ｅ、３０５Ｃ）および第２膨張機構（９ｅ）と、
冷媒を蒸発させる蒸発器（６）と、
冷媒を吸入して圧縮させて吐出する第１圧縮要素（２ｃ）と、前記第１圧縮要素から吐出された冷媒を吸入してさらに圧縮させて吐出する第２圧縮要素（２ｄ）と、を有する二段圧縮要素（２）と、
前記第１圧縮要素（２ｃ）から吐出した冷媒を前記第２圧縮要素（２ｄ）に吸入させるための第３冷媒配管（２２）と、
前記第２圧縮要素の吐出側に接続された放熱器（４）と、
前記放熱器（４）と前記蒸発器（６）とを接続する第１冷媒配管（７２，７３，７４，７６）と、
前記第１冷媒配管の途中の分岐点（２８Ｃ）と、前記第１冷媒配管の途中であって前記分岐点（２８Ｃ）よりも下流側の合流点（Ｌ）と、を接続する第１熱交バイパス配管（７３ｇ，７４ｇ，７５ｇ）と、
前記第１熱交バイパス配管（７３ｇ，７４ｇ，７５ｇ）から分岐（Ｘ）して、前記第２膨張機構（９ｅ）まで延びる第４冷媒配管（９ａ）と、
前記第２膨張機構（９ｅ）から前記第３冷媒配管（２２）まで延びている第５冷媒配管（９ｂ、９ｃ）と、
前記第１熱交バイパス配管（７３ｇ，７４ｇ，７５ｇ）を流れる冷媒と前記第５冷媒配管（９ｂ，９ｃ）を流れる冷媒との間で熱交換を行わせる第２熱交換器（２０）と、
前記蒸発器と前記第１圧縮要素の吸入側とを接続する第２冷媒配管（７７，２ａ）と、
前記第１冷媒配管（７２，７３，７４，７６）を流れる冷媒と、前記第２冷媒配管（７７，２ａ）を流れる冷媒との間で熱交換を行わせる第１熱交換器（８，８Ｌ，８Ｇ）と、
前記分岐点（２８Ｃ）に設けられ、前記第１冷媒配管のうち前記第１熱交換器（８Ｌ）を通過する部分（７３，７４）に冷媒を流す状態と、前記第１熱交バイパス配管（７３ｇ，７４ｇ，７５ｇ）に冷媒を流す状態と、を切り換え可能な熱交換器切換機構（２８Ｃ）と、
前記蒸発器（６）の周辺の空気温度と、前記第１圧縮要素（２ｃ）および前記第２圧縮要素（２ｄ）の少なくともいずれか一方の吐出冷媒温度と、の少なくともいずれか一方を検知する温度検知部（６Ｔ，２Ｔ）と、
前記温度検知部（６Ｔ、２Ｔ）により検知される値が空気温度である場合には前記空気温度が所定高温空気温度より高いこと、前記温度検知部により検知される値が冷媒温度である場合には前記冷媒温度が所定低温冷媒温度よりも低いこと、という条件を満たした場合に、前記熱交換器切換機構（２８Ｃ）を制御することで、前記第１冷媒配管のうち前記第１熱交換器（８Ｌ）を通過する部分を流れる冷媒量を増大させつつ、前記第１熱交バイパス配管（７３ｇ，７４ｇ，７５ｇ）を流れる冷媒量を減少させる制御部（９９）と、
を備え、
前記第１膨張機構（５，９５ｅ、３０５Ｃ）は、
前記第１冷媒配管における前記第１熱交換器（８Ｌ）と前記合流点（Ｌ）の間および前記第１熱交バイパス配管（７３ｇ，７４ｇ，７５ｇ）における前記第２熱交換器（２０）と前記合流点（Ｌ）の間の両方に設けられているか、
もしくは、
前記合流点（Ｌ）と前記蒸発器（６）の間に設けられているか、
のいずれかである、
冷凍装置（３０１）。
【請求項２】
前記第１膨張機構（５，９５ｅ）は、前記第１冷媒配管における前記第１熱交換器（８Ｌ）と前記合流点（Ｌ）の間、および、前記第１熱交バイパス配管（７３ｇ，７４ｇ，７５ｇ）における前記第２熱交換器（２０）と前記合流点（Ｌ）の間の両方に設けられている、
請求項１に記載の冷凍装置（３０１）。
【請求項３】
前記第１膨張機構（５，９５ｅ、３０５Ｃ）は、前記合流点（Ｌ）と前記蒸発器（６）の間に設けられている、
請求項１に記載の冷凍装置（３０１）。
【請求項４】
前記第１圧縮要素（２ｃ）、および、前記第２圧縮要素（２ｄ）は、それぞれ回転駆動することで圧縮仕事を行うための共通の回転軸（２１ｃ）を有している、
請求項１から３のいずれか１項に記載の冷凍装置（３０１）。
【請求項５】
前記作動冷媒は、二酸化炭素である、
請求項１から４のいずれか１項に記載の冷凍装置（３０１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍装置、特に、超臨界状態の過程を含んで作動する冷媒を使用して多段圧縮式冷凍サイクルを行う冷凍装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、超臨界域で作動する冷媒を使用して多段圧縮式冷凍サイクルを行う冷凍装置の１つとして、特許文献１に示されるような、二酸化炭素を冷媒として使用して二段圧縮式冷凍サイクルを行う空気調和装置がある。この空気調和装置は、主として、直列に接続された２つの圧縮要素を有する圧縮機と、室外熱交換器と、膨張弁と、室内熱交換器とを有している。
【特許文献１】特開２００７−２３２２６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述の空気調和装置では、冷凍装置の負荷が変動した場合における成績係数の維持に関する考慮がなされていない。
【０００４】
また、単に、負荷変動に対応させて成績係数の向上を図るだけでは、機器への負担が増大してしまうおそれもある。
【０００５】
本発明の課題は、超臨界状態の過程を含んで作動する冷媒を使用した冷凍装置において、負荷が変動する場合であっても機器の信頼性を維持しつつ成績係数を向上させることが可能な冷凍装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１発明の冷凍装置は、冷凍サイクルの少なくとも一部で作動冷媒が超臨界状態となる冷凍装置であって、第１膨張機構、第２膨張機構、蒸発器、二段圧縮要素、第３冷媒配管、放熱器、第１熱交バイパス配管、第４冷媒配管、第５冷媒配管、第２熱交換器、第１冷媒配管、第２冷媒配管、第１熱交換器、熱交換器切換機構、温度検知部、および、制御部を備えている。第１膨張機構は、冷媒を減圧させる。第２膨張機構は、冷媒を減圧させる。蒸発器は、冷媒を蒸発させる。二段圧縮要素は、冷媒を吸入して圧縮させて吐出する第１圧縮要素と、第１圧縮要素から吐出された冷媒を吸入してさらに圧縮させて吐出する第２圧縮要素と、を有している。第３冷媒配管は、第１圧縮要素から吐出した冷媒を第２圧縮要素に吸入させる。放熱器は、第２圧縮要素の吐出側に接続されている。第１冷媒配管は、放熱器と蒸発器とを接続している。第１熱交バイパス配管は、第１冷媒配管の途中の分岐点と、第１冷媒配管の途中であって分岐点よりも下流側の合流点と、を接続する。第４冷媒配管は、第１熱交バイパス配管から分岐して、第２膨張機構まで延びる。第５冷媒配管は、第２膨張機構から第３冷媒配管まで延びている。第２熱交換器は、第１熱交バイパス配管を流れる冷媒と第５冷媒配管を流れる冷媒との間で熱交換を行わせる。第２冷媒配管は、蒸発器と第１圧縮要素の吸入側とを接続している。第１熱交換器は、第１冷媒配管を流れる冷媒と、第２冷媒配管を流れる冷媒との間で熱交換を行わせる。熱交換器切換機構は、分岐点に設けられ、第１冷媒配管のうち第１熱交換器を通過する部分に冷媒を流す状態と、第１熱交バイパス配管に冷媒を流す状態と、を切り換え可能となっている。温度検知部は、蒸発器の周辺の空気温度と、第１圧縮要素および第２圧縮要素の少なくともいずれか一方の吐出冷媒温度と、の少なくともいずれか一方を検知する。制御部は、温度検知部により検知される値が空気温度である場合には空気温度が所定高温空気温度より高いこと、温度検知部により検知される値が冷媒温度である場合には冷媒温度が所定低温冷媒温度よりも低いこと、という条件を満たした場合に、熱交換器切換機構を制御することで、第１冷媒配管のうち第１熱交換器を通過する部分を流れる冷媒量を増大させつつ、第１熱交バイパス配管を流れる冷媒量を減少させる。第１膨張機構は、第１冷媒配管における第１熱交換器と合流点の間および第１熱交バイパス配管における第２熱交換器と合流点の間の両方に設けられているか、もしくは、合流点と蒸発器の間に設けられているか、のいずれかである。
【０００７】
この冷凍装置では、第１熱交換器における熱交換によって、膨張機構に向かう冷媒の比エンタルピを下げることで成績係数を向上させることができる。さらに、第１熱交換器における熱交換によって、第１圧縮要素の吸入冷媒に適度の過熱を付けることができ、第１圧縮要素での液圧縮の発生を抑えて機器の信頼性を維持するとともに吐出温度を高めて得られる水温を高く維持することが可能になる。
【０００８】
また、この冷凍装置では、蒸発器の周辺の空気温度が高くなったり、もしくは、圧縮要素からの吐出冷媒温度が低くなったりする状況になりそうな場合でも、第１冷媒配管のうち第１熱交換器を通過する部分を流れる冷媒量を増大させることができる。
【０００９】
これにより、膨張機構に向かう冷媒の比エンタルピを下げることができ、成績係数を向上させることが可能になる。
【００１０】
なお、第１圧縮要素の吸入冷媒に適度の過熱度を付けさせることができるため、第１圧縮要素において液圧縮が生じにくくすることができる。
【００１１】
さらに、第１圧縮要素の吸入冷媒の過熱度を上げることができるため、放熱器で要求される温度が高い場合に対応することが可能になる。
【００１２】
第２発明の冷凍装置は、第１発明の冷凍装置において、第１膨張機構は、第１冷媒配管における第１熱交換器と合流点の間、および、第１熱交バイパス配管における第２熱交換器と合流点の間の両方に設けられている。
【００１３】
第３発明の冷凍装置は、第１発明の冷凍装置において、第１膨張機構は、合流点と蒸発器の間に設けられている。
【００１４】
第４発明の冷凍装置は、第１発明から第３発明のいずれかの冷凍装置において、第１圧縮要素、および、第２圧縮要素は、それぞれ回転駆動することで圧縮仕事を行うための共通の回転軸を有している。
【００１５】
この冷凍装置では、遠心力を互いに相殺させながら駆動することで、振動の発生やトルク負荷の変動を抑えることが可能になる。
【００１６】
第５発明の冷凍装置は、第１発明から第４発明のいずれかの冷凍装置において、作動冷媒は、二酸化炭素である。
【００１７】
この冷凍装置では、臨界点近傍の超臨界状態の二酸化炭素は、冷媒圧力を少し変えるだけで冷媒の密度を劇的に変化させることができる。このため、少ない圧縮仕事によって、冷凍装置の効率を向上させることができる。
【００１８】
付記１の冷凍装置は、冷凍サイクルの少なくとも一部で作動冷媒が超臨界状態となる冷凍装置であって、冷媒を減圧させる第１膨張機構および第２膨張機構、蒸発器、二段圧縮要素、第３冷媒配管、放熱器、第１冷媒配管、第４冷媒配管、第５冷媒配管、第２熱交換器、温度検知部、および、制御部を備えている。蒸発器は、第１膨張機構と接続され、冷媒を蒸発させる。二段圧縮要素は、第１圧縮要素と第２圧縮要素を有している。第１圧縮要素は、冷媒を吸入して圧縮させて吐出する。第２圧縮要素は、第１圧縮要素から吐出された冷媒を吸入してさらに圧縮させて吐出する。第３冷媒配管は、第１圧縮要素から吐出した冷媒を第２圧縮要素に吸入させるように延びている。放熱器は、第２圧縮要素の吐出側に接続されている。第１冷媒配管は、放熱器と第１膨張機構とを接続している。第４冷媒配管は、第１冷媒配管から分岐して、第２膨張機構まで延びている。第５冷媒配管は、第２膨張機構から第３冷媒配管まで延びている。第２熱交換器は、第１冷媒配管を流れる冷媒と第５冷媒配管を流れる冷媒との間で熱交換を行わせる。温度検知部は、蒸発器の周辺の空気温度と、第１圧縮要素および第２圧縮要素の少なくともいずれか一方の吐出冷媒温度と、の少なくともいずれか一方を検知する。制御部は、温度検知部により検知される値が空気温度である場合には空気温度が所定低温空気温度より低いこと、温度検知部により検知される値が冷媒温度である場合には冷媒温度が所定高温冷媒温度よりも高いこと、という条件を満たした場合に、第２膨張機構を制御して通過する冷媒量を増量させる。
【００１９】
この冷凍装置では、膨張機構に向かう冷媒の比エンタルピを下げることで成績係数を向上させることが可能になる。
【００２０】
また、第１冷媒配管を流れる冷媒の温度よりも、第５冷媒配管から合流する冷媒温度のほうが低い場合には、第２圧縮要素の吐出冷媒温度の過剰な上昇を抑えることが可能になる。さらに、放熱器を通過する冷媒量を増大させることができる。
【００２１】
また、二段圧縮要素からの吐出冷媒温度が高くなりそうな場合もしくは蒸発器の周辺の空気温度が低くなる場合であっても、第２膨張機構を通過する冷媒量を増大させることで第２圧縮要素の吐出冷媒温度の過剰な上昇を抑えることができ、二段圧縮要素の信頼性を向上させることが可能になる。
【００２２】
付記２の冷凍装置は、付記１の冷凍装置において、第３冷媒配管を通過する冷媒を冷却可能な外部冷却部と、外部冷却部を通過する流体温度を検知する外部温度検知部と、第３冷媒配管を通過する冷媒温度を検知する第３冷媒温度検知部と、をさらに備えている。そして、制御部は、外部温度検知部による検知温度と第３冷媒温度検知部の検知温度との差が所定値未満になった場合に、第２膨張機構を制御して通過する冷媒量を増量させる。
【００２３】
この冷凍装置では、第１冷媒配管を流れる冷媒の外部冷却部による冷却効果が十分に得られない場合であっても、第５冷媒配管を合流させることで第３冷媒配管を通過する冷媒温度を下げることで、冷凍サイクルの成績係数を向上させることが可能になる。
【００２４】
付記３の冷凍装置は、冷凍サイクルの少なくとも一部で作動冷媒が超臨界状態となる冷凍装置であって、冷媒を減圧させる第１膨張機構および第２膨張機構、蒸発器、二段圧縮要素、放熱器、第１冷媒配管、第２冷媒配管、第３冷媒配管、第１熱交換器、第４冷媒配管、第５冷媒配管、第２熱交換器、温度検知部、および、制御部をさらに備えている。蒸発器は、冷媒を蒸発させる。二段圧縮要素は、第１圧縮要素と第２圧縮要素を有している。第１圧縮要素は、冷媒を吸入して圧縮させて吐出する。第２圧縮要素は、第１圧縮要素から吐出された冷媒を吸入してさらに圧縮させて吐出する。放熱器は、第２圧縮要素の吐出側に接続されている。第１冷媒配管は、放熱器と第１膨張機構とを接続する。第２冷媒配管は、蒸発器と第１圧縮要素の吸入側とを接続している。第３冷媒配管は、第１圧縮要素から吐出した冷媒を第２圧縮要素に吸入させるために延びている。第１熱交換器は、第１冷媒配管を流れる冷媒と第２冷媒配管を流れる冷媒との間で熱交換を行わせる。第４冷媒配管は、第１冷媒配管から分岐して第２膨張機構まで延びている。第５冷媒配管は、第２膨張機構と第３冷媒配管とを接続している。第２熱交換器は、第１冷媒配管を流れる冷媒と第５冷媒配管を流れる冷媒との間で熱交換を行わせる。温度検知部は、蒸発器の周辺の空気温度と、第１圧縮要素および第２圧縮要素の少なくともいずれか一方の吐出冷媒温度と、の少なくともいずれか一方を検知する。第２膨張制御部は、温度検知部により検知される値が空気温度である場合には空気温度が所定低温空気温度より低いこと、温度検知部により検知される値が冷媒温度である場合には冷媒温度が所定高温冷媒温度よりも高いこと、という条件を満たした場合に、第２膨張機構を制御して通過する冷媒量を増量させる。
【００２５】
この冷凍装置では、膨張機構に向かう冷媒の比エンタルピを下げて成績係数を向上させつつ、第１圧縮要素の吸入冷媒に適度の加熱を付けて第１圧縮要素での液圧縮を防止させおよび／または第１冷媒配管を流れる冷媒を冷却させることが可能になる。さらに、圧縮要素からの吐出冷媒温度が高くなりそうな場合もしくは蒸発器の周辺の空気温度が低くなった場合であっても、第２膨張機構を通過する冷媒量を増大させることで第２圧縮要素の吐出冷媒温度の過剰な上昇を抑えることができ、二段圧縮要素の信頼性を向上させることが可能になる。
【００２６】
付記４の冷凍装置は、付記４の冷凍装置において、第１熱交バイパス配管および熱交換器切換機構をさらに備えている。第１熱交バイパス配管は、第１冷媒配管のうち第１熱交換器を通過する部分の一端側と他端側とを接続している。熱交換器切換機構は、第１冷媒配管のうち第１熱交換器を通過する部分に冷媒を流す状態と、第１熱交バイパス配管に冷媒を流す状態と、を切り換えることができる。
【００２７】
この冷凍装置では、第１熱交換器については熱交換器切換機構の切換により、第２熱交換器については第２膨張機構における冷媒の通過を許容する状態と許容しない状態との切換により、それぞれ使用状況を調節することが可能になる。
【００２８】
付記５の冷凍装置は、付記４の冷凍装置において、温度検知部と熱交切換制御部をさらに備えている。温度検知部は、蒸発器の周辺の空気温度と、第１圧縮要素および第２圧縮要素の少なくともいずれか一方の吐出冷媒温度と、の少なくともいずれか一方を検知する。熱交切換制御部は、温度検知部により検知される値が空気温度である場合には空気温度が所定高温空気温度より高いこと、温度検知部により検知される値が冷媒温度である場合には冷媒温度が所定低温冷媒温度よりも低いこと、という条件を満たした場合に、熱交換器切換機構を制御して第１冷媒配管のうち第１熱交換器を通過する部分を流れる冷媒量を増大させる。
【００２９】
この冷凍装置では、圧縮要素からの吐出冷媒温度が低くなりそうな場合もしくは蒸発器の周辺の空気温度が高くなった場合であっても、第１冷媒配管のうち第１熱交換器を通過する部分を流れる冷媒量を増大させることで第１圧縮要素の吸入冷媒の過熱度を上げることができ、放熱器で要求される温度が高い場合に対応することが可能になる。
【００３０】
付記６の冷凍装置は、付記３から付記５のいずれかの冷凍装置において、第３冷媒配管を通過する冷媒を冷却可能な外部冷却部と、外部冷却部を通過する流体温度を検知する外部温度検知部と、第３冷媒配管を通過する冷媒温度を検知する第３冷媒温度検知部と、をさらに備えている。そして、第２膨張制御部は、外部温度検知部による検知温度と第３冷媒温度検知部の検知温度との差が所定値未満になった場合に、第２膨張機構を制御して通過する冷媒量を増量させる。
【００３１】
この冷凍装置では、外部冷却部による第３冷媒配管を通過する冷媒の冷却効果が十分に得られない場合であっても、第５冷媒配管を通過する冷媒が合流することで第３冷媒配管を通過する冷媒温度を下げることにより、冷凍サイクルの成績係数を向上させることが可能になる。
【発明の効果】
【００３２】
以上の説明に述べたように、本発明によれば、以下の効果が得られる。
【００３３】
第１発明では、成績係数を向上させつつ、第１圧縮要素での液圧縮の発生を抑えて機器の信頼性を向上させるとともに吐出温度を高めて得られる水温を高く維持することが可能になる。また、膨張機構に向かう冷媒の比エンタルピを下げることができ、成績係数を向上させることが可能になる。
【００３４】
第４発明では、遠心力を互いに相殺させながら駆動することで、振動の発生やトルク負荷の変動を抑えることが可能になる。
【００３５】
第５発明では、少ない圧縮仕事によって、冷凍装置の効率を向上させることができる。
【００３６】
付記１に係る冷凍装置では、二段圧縮要素の信頼性を向上させることが可能になる。
【００３７】
付記２に係る冷凍装置では、第１冷媒配管を流れる冷媒の外部冷却部による冷却効果が十分に得られない場合であっても、冷凍サイクルの成績係数を向上させることが可能になる。
【００３８】
付記３に係る冷凍装置では、成績係数を向上させつつ、第１圧縮要素での液圧縮を防止させおよび／または第１冷媒配管を流れる冷媒を冷却させることができ、圧縮要素からの吐出冷媒温度が高くなりそうな場合もしくは蒸発器の周辺の空気温度が低くなった場合であっても、二段圧縮要素の信頼性を向上させることが可能になる。
【００３９】
付記４に係る冷凍装置では、第１熱交換器および第２熱交換器の使用状況を調節することが可能になる。
【００４０】
付記５に係る冷凍装置では、圧縮要素からの吐出冷媒温度が低くなりそうな場合もしくは蒸発器の周辺の空気温度が高くなった場合であっても、放熱器で要求される温度が高い場合に対応することが可能になる。
【００４１】
付記６に係る冷凍装置では、外部冷却部による第３冷媒配管を通過する冷媒の冷却効果が十分に得られない場合であっても、冷凍サイクルの成績係数を向上させることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
＜１＞第１実施形態
＜１−１＞空気調和装置の構成
図１は、本発明にかかる冷凍装置の一実施形態としての空気調和装置１の概略構成図である。空気調和装置１は、超臨界域で作動する冷媒（ここでは、二酸化炭素）を使用して二段圧縮式冷凍サイクルを行う装置である。
【００４３】
空気調和装置１の冷媒回路１０は、主として、圧縮機構２と、熱源側熱交換器４と、膨張機構５と、利用側熱交換器６と、液ガス熱交換器８と、液ガス三方弁８Ｃと、液ガスバイパス配管８Ｂと、これらを接続する接続配管７１，７２，７３，７４，７５，７６，７７等と、利用側温度センサ６Ｔ、熱源側温度センサ４Ｔと、を有している。
【００４４】
圧縮機構２は、本実施形態において、２つの圧縮要素で冷媒を二段圧縮する圧縮機２１から構成されている。圧縮機２１は、ケーシング２１ａ内に、圧縮機駆動モータ２１ｂと、駆動軸２１ｃと、圧縮要素２ｃ、２ｄとが収容された密閉式構造となっている。圧縮機駆動モータ２１ｂは、駆動軸２１ｃに連結されている。そして、この駆動軸２１ｃは、２つの圧縮要素２ｃ、２ｄに連結されている。すなわち、圧縮機２１は、２つの圧縮要素２ｃ、２ｄが単一の駆動軸２１ｃに連結されており、２つの圧縮要素２ｃ、２ｄがともに圧縮機駆動モータ２１ｂによって回転駆動される、いわゆる一軸二段圧縮構造となっている。圧縮要素２ｃ、２ｄは、本実施形態において、ロータリ式やスクロール式等の容積式の圧縮要素である。そして、圧縮機２１は、吸入管２ａから冷媒を吸入し、この吸入された冷媒を圧縮要素２ｃによって圧縮した後に、圧縮要素２ｄに吸入させて冷媒をさらに圧縮した後に吐出管２ｂに吐出するように構成されている。また、吐出管２ｂは、圧縮機構２から吐出された冷媒を熱源側熱交換器４に送るための冷媒管であり、吐出管２ｂには、油分離機構４１と逆止機構４２とが設けられている。油分離機構４１は、圧縮機構２から吐出される冷媒に同伴する冷凍機油を冷媒から分離して圧縮機構２の吸入側へ戻す機構であり、主として、圧縮機構２から吐出される冷媒に同伴する冷凍機油を冷媒から分離する油分離器４１ａと、油分離器４１ａに接続されており冷媒から分離された冷凍機油を圧縮機構２の吸入管２ａに戻す油戻し管４１ｂとを有している。油戻し管４１ｂには、油戻し管４１ｂを流れる冷凍機油を減圧する減圧機構４１ｃが設けられている。減圧機構４１ｃは、本実施形態において、キャピラリチューブが使用されている。逆止機構４２は、圧縮機構２の吐出側から熱源側熱交換器４への冷媒の流れを許容し、かつ、熱源側熱交換器４から圧縮機構２の吐出側への冷媒の流れを遮断するための機構であり、本実施形態において、逆止弁が使用されている。
【００４５】
このように、圧縮機構２は、本実施形態において、２つの圧縮要素２ｃ、２ｄを有しており、これらの圧縮要素２ｃ、２ｄのうちの前段側の圧縮要素から吐出された冷媒を後段側の圧縮要素で順次圧縮するように構成されている。
【００４６】
熱源側熱交換器４は、空気を熱源として冷媒の放熱器として機能する熱交換器である。熱源側熱交換器４は、その一端が接続配管７１および逆止機構４２を介して圧縮機構２の吐出側に接続されており、その他端が接続配管７２を介して液ガス三方弁８Ｃに接続されている。
【００４７】
膨張機構５は、一端が接続配管７３，液ガス熱交換器８（液側の液ガス熱交換器８Ｌ）、接続配管７４，７５を介して液ガス三方弁８Ｃに接続されており、多端が接続配管７６を介して利用側熱交換器６に接続されている。この膨張機構５は、冷媒を減圧する機構であり、本実施形態において、電動膨張弁が使用されている。また、本実施形態において、膨張機構５は、熱源側熱交換器４において冷却された高圧の冷媒を利用側熱交換器６に送る前に冷媒の飽和圧力付近まで減圧する。
【００４８】
利用側熱交換器６は、冷媒の蒸発器として機能する熱交換器である。利用側熱交換器６は、その一端が接続配管７６を介して膨張機構に接続されており、その他端が接続配管７７を介して液ガス熱交換器８（液側の液ガス熱交換器８Ｇ）に接続されている。なお、ここでは図示しないが、利用側熱交換器６には、利用側熱交換器６を流れる冷媒と熱交換を行う加熱源としての水や空気が供給されるようになっている。
【００４９】
利用側温度センサ６Ｔは、上述した利用側熱交換器６を流れる冷媒と熱交換を行わせるために加熱源として供給される水や空気の温度を検知する。
【００５０】
液ガス熱交換器８は、接続配管７３から接続配管７４に向けて流れる冷媒を通過させる液側の液ガス熱交換器８Ｌと、接続配管７７から吸入管２ａに向けて流れる冷媒を通過させるガス側の液ガス熱交換器８Ｇと、を有している。そして、液ガス熱交換器８は、この液側の液ガス熱交換器８Ｌを流れる冷媒と、ガス側の液ガス熱交換器８Ｇを流れる冷媒との間で熱交換を行わせる。なお、ここでは、「液」側、「液」ガス熱交換器８等の文言で説明するが、液側の液ガス熱交換器８Ｌを通過する冷媒は液状態に限られず、例えば超臨界状態の冷媒であってもよい。また、ガス側の液ガス熱交換器８Ｌを流れる冷媒についても、ガス状態の冷媒に限られず、例えば湿り気味の冷媒が流れていてもよい。
【００５１】
液ガスバイパス配管８Ｂは、液側の液ガス熱交換器８Ｌの上流側である接続配管７３に接続された液ガス三方弁８Ｃの１つの切り替えポートと、液側の液ガス熱交換器８Ｌの下流側に伸びる接続配管７４の端部と、を接続している。
【００５２】
液ガス三方弁８Ｃは、熱源側熱交換器４から伸びる接続配管７２を液側の液ガス熱交換器８Ｌから伸びる接続配管７３に接続する液ガス利用接続状態と、熱源側熱交換器４から伸びる接続配管７２を液側の液ガス熱交換器８Ｌから伸びる接続配管７３に接続することなく液ガスバイパス配管８Ｂに接続する液ガス非利用接続状態とに切り換えることができる。
【００５３】
熱源側温度センサ４Ｔは、熱源側熱交換器４が配置されている空間における加熱対象として供給される水や空気の温度を検出する。
【００５４】
さらに、空気調和装置１は、圧縮機構２、膨張機構５、液ガス三方弁８Ｃ、利用側温度センサ６Ｔ等の空気調和装置１を構成する各部の動作を制御する制御部９９を有している。
【００５５】
＜１−２＞空気調和装置の動作
次に、本実施形態の空気調和装置１の動作について、図１、図２および図３を用いて説明する。
【００５６】
ここで、図２は、冷凍サイクルが図示された圧力−エンタルピ線図であり、図３は、冷凍サイクルが図示された温度−エントロピ線図である。
【００５７】
（液ガス利用接続状態）
液ガス利用接続状態では、液ガス熱交換器８において、液側の液ガス熱交換器８Ｌを通過する冷媒と、ガス側の液ガス熱交換器８Ｇを通過する冷媒との間で熱交換が行われるように、液ガス三方弁８Ｃの接続状態が制御部９９によって切り換え制御される。
【００５８】
ここでは、圧縮機構２の吸入管２ａから吸入された冷媒（図２、図３の点Ａ参照）が、低段側の圧縮要素２ｃによって圧縮され（図２，図３の点Ｂ，Ｃ参照）、さらに後段側の圧縮要素２ｄによって臨界圧力を超える圧力となるまで圧縮されて（図２，図３の点Ｄ参照）、圧縮機構２から熱源側熱交換器４に向けて高温高圧冷媒が送られる。その後、熱源側熱交換器４において、冷媒の熱が放熱される。なお、ここでは、二酸化炭素が作動冷媒として採用されており、超臨界状態となって熱源側熱交換器４に流入しているため、放熱工程では冷媒圧力が一定のまま顕熱変化によって外部に放熱しつつ、冷媒自体の温度は連続的に低下していく（図２，図３のＫ参照）。そして、熱源側熱交換器４を出た冷媒は、液側の液ガス熱交換器８Ｌに流入し、ガス側の液ガス熱交換器８Ｇを流れる低温低圧のガス冷媒との間で熱交換が行われることで、さらに放熱しつつ、冷媒自体の温度がさらに連続的に低下していく（図２，図３の点Ｌ参照）。この液側の液ガス熱交換器８Ｌを出た冷媒は、膨張機構５によって減圧され（図２，図３の点Ｍ参照）、利用側熱交換器６に流入していく。利用側熱交換器６では、圧力一定のままで、外部の空気や水との熱交換によって、冷媒が外部から奪った熱を潜熱変化に消費しながら蒸発していくことで、冷媒の乾き度が増大する（図２，図３の点Ｐ参照）。利用側熱交換器６から出た冷媒は、ガス側の液ガス熱交換器８Ｇにおいて、圧力一定のままで、今度は液側の液ガス熱交換器８Ｌを通過する高温高圧と冷媒との熱交換によって奪った熱により、さらに潜熱変化しながら蒸発していき、この圧力における乾き飽和蒸気曲線を超えて過熱状態となる。そして、この過熱状態の冷媒が、吸入管２ａを通じて圧縮機構２に吸入される（図２，図３の点Ａ）。液ガス利用接続状態では、このような冷媒の循環を繰り返す。
【００５９】
（液ガス非利用接続状態）
液ガス非利用接続状態では、液ガス熱交換器８における熱交換が行われないように、制御部９９が液ガス三方弁８Ｃの接続状態を制御して、接続配管７２と液ガスバイパス配管８Ｂとを接続する状態にする。
【００６０】
なお、液ガス非利用接続状態においても、図４，図５の点Ａ’、点Ｂ’、点Ｃ’、点Ｄ’については、液ガス利用接続状態と同様であるため説明を省略する。
【００６１】
ここでは、熱源側熱交換器４を出た冷媒は、液側の液ガス熱交換器８Ｌに流入することなく、液ガスバイパス配管８Ｂを流れて膨張機構５において減圧される（図４，図５の点Ｋ’，点Ｌ’参照）。そして、膨張機構５において減圧され、利用側熱交換器６に流入する（図４，図５の点Ｍ’参照）。利用側熱交換器６においては、圧力一定のままで、外部の空気や水との熱交換によって、冷媒が外部から奪った熱を潜熱変化に消費しながら蒸発していくことで、この圧力における乾き飽和蒸気曲線を超えて過熱状態となる。そして、この過熱状態の冷媒が、吸入管２ａを通じて圧縮機構２に吸入される（図２，図３の点Ｐ’，点Ａ’参照）。液ガス非利用接続状態では、このような冷媒の循環を繰り返す。
【００６２】
（目標能力出力制御）
このような冷凍サイクルにおいて、制御部９９は、以下のような目標能力出力制御を行う。
【００６３】
まず、制御部９９は、図示しないコントローラ等を介したユーザからの設定温度の入力値、および、熱源側温度センサ４Ｔによって検出される熱源側熱交換器４が配置されている空間の気温等に基づいて、熱源側熱交換器４の設けられている空間において必要とされる放出熱量を算出する。そして、制御部９９は、この必要とされる放出熱量に基づいて、圧縮機構２の吐出冷媒圧力について目標吐出圧力を算出する。
【００６４】
なお、ここでは、目標能力出力制御における目標値を、目標吐出圧力とする場合を例に挙げて説明するが、この目標吐出圧力以外にも、例えば、吐出冷媒圧力に吐出冷媒温度を乗じた値が所定範囲内となるように吐出冷媒圧力および吐出冷媒温度の目標値をそれぞれ定めるようにしてもよい。ここでは、負荷が変わった場合において、吸入冷媒の過熱度が高い場合には吐出冷媒の密度が低くなってしまうため、仮に、高段側の圧縮要素２ｄからの吐出冷媒温度を維持できたとしても、熱源側熱交換器４において要求される放出熱量を確保できなくなってしまうことがあるからである。
【００６５】
次に、制御部９９は、利用側温度センサ６Ｔが検出する温度に基づいて、目標蒸発温度および目標蒸発圧力（臨界圧力以下の圧力）を定める。この目標蒸発圧力の設定は、利用側温度センサ６Ｔが検出する温度が変化する毎に行われる。
【００６６】
また、制御部９９は、この目標蒸発温度の値に基づいて、圧縮機構２が吸入する冷媒の過熱度が目標の値ｘ（過熱度目標値）となるように過熱度制御を行う。
【００６７】
そして、制御部９９は、圧縮工程において、このようにして定まった過熱度におけるエントロピの値を維持させる等エントロピ変化をさせながら、目標吐出圧力に至まで冷媒温度を上昇させるように圧縮機構２の運転容量を制御する。ここでは、回転数制御によって圧縮機構２の運転容量を制御する。なお、圧縮機構２の吐出圧力は、臨界圧力を超える圧力となるように制御される。
【００６８】
ここで、熱源側熱交換器４での放熱工程では、冷媒が超臨界状態であるため、目標吐出圧力で維持されながら等圧変化を行いながら冷媒温度が連続的に低下していくことになる。そして、熱源側熱交換器４を流れる冷媒は、加熱対象として供給される水や空気の温度以上であって、この加熱対象として供給される水や空気の温度に近い値ｙまで冷却される。ここでは、図示しない加熱対象の供給装置（水の場合にはポンプ、空気の場合にはファン等）による供給量が制御されることで、ｙの値が決定される。
【００６９】
さらに、ここでは、液ガス熱交換器８が設けられているため、上述の液ガス利用接続状態では、目標吐出圧力で維持されて等圧変化を行いながら、冷媒温度がさらに連続的に低下していくことになる。これにより、冷凍サイクルにおける冷凍能力が向上するため、成績係数がより良好になる。また、上述の液ガス非利用接続状態では、液ガス熱交換器８における熱交換が行われないため、圧縮機構２の吸入冷媒の過熱度が高くなりすぎることを防止でき、これにより、圧縮機構２の吐出冷媒を目標吐出圧力にしたとしても、吐出冷媒温度が上がりすぎることが防止でき、圧縮機構２の信頼性を向上させることができる。
【００７０】
なお、このようにして熱源側熱交換器４（および液ガス熱交換器８）において冷却された冷媒は、膨張機構５によって、目標蒸発圧力（臨界圧力以下の圧力）となるまで減圧され、利用側熱交換器６に流入する。
【００７１】
利用側熱交換器６を流れる冷媒は、加熱源として供給される水や空気からの熱を吸収することで、目標蒸発温度および目標蒸発圧力を維持したまま等温等圧変化を行いながら、冷媒の乾き度を向上させていく。そして、制御部９９は、過熱度が過熱度目標値となるように、図示しない加熱源の供給装置（水の場合にはポンプ、空気の場合にはファン等）による供給量を制御する。
【００７２】
このようにして制御を行う際に、制御部９９は、冷凍サイクルにおける成績係数（ＣＯＰ）が最も高くなるように、ｘの値およびｙの値を算出し、上記目標能力出力制御を行う。ここで、成績係数が最も良好となるｘの値およびｙの値の算出においては、作動冷媒としての二酸化炭素の物性（モリエル線図等）に基づいて、制御部９９が算出を行う。
【００７３】
なお、成績係数をある程度良好に維持できる条件を定めておいて、この条件内であれば、圧縮仕事がより小さい値となるようにｘの値およびｙの値を求めるようにしてもよい。また、圧縮仕事が所定値以下に抑えることを前提条件として、この前提条件を満たす中で成績係数が最も良好となるｘの値およびｙの値を求めるようにしてもよい。
【００７４】
（液ガス熱交換器切換制御）
また、制御部９９は、上記目標能力出力制御を行いつつ、上述の液ガス利用接続状態と、液ガス非利用接続状態とを切り換える液ガス熱交換器切換制御を行う。
【００７５】
この液ガス熱交換器切換制御では、制御部９９が、利用側温度センサ６Ｔの検知温度に応じて液ガス三方弁８Ｃの接続状態を切り換える。
【００７６】
上述の目標能力出力制御では、利用側温度センサ６Ｔが検出する温度に基づいて目標蒸発温度が定められるが、利用側温度センサ６Ｔの検知温度が低くなって目標蒸発温度もより低く設定されるようになると、圧縮機構２の目標吐出圧力は変わらない制御条件下（熱源側熱交換器４において要求される放出熱量を確保する必要がある条件下）では、吐出冷媒温度が上昇してしまう。このよう吐出冷媒温度が上昇し過ぎてしまうと、圧縮機構２の信頼性を損ねてしまう。そのため、ここでは、制御部９９は、液ガス三方弁８Ｃの接続状態を、液ガス非利用接続状態とする制御を行う。これにより、利用側温度センサ６Ｔの検知温度が低くなって目標蒸発温度もより低く設定されたとしても、圧縮機構２が吸入する冷媒の過熱度の上昇程度が抑えて吐出冷媒温度の上昇を抑えつつ、要求されている放熱量を維持することができるようになる。
【００７７】
他方、上述の目標能力出力制御では、利用側温度センサ６Ｔが検出する温度に基づいて目標蒸発温度が定められるが、利用側温度センサ６Ｔの検知温度が高くなって目標蒸発温度もより高く設定されるようになると、圧縮機構２の目標吐出圧力は変わらない制御条件下（熱源側熱交換器４において要求される放出熱量を確保する必要がある条件下）では、吐出冷媒温度が低下していくことになる。この場合には、熱源側熱交換器４に必要とされる放出熱量を有する状態の冷媒を供給することができなくなることがある。このような場合には、制御部９９は、液ガス三方弁８Ｃの接続状態を切り換えて液ガス利用接続状態として、圧縮機構２の吸入冷媒の過熱度を上げさせて、熱源側熱交換器４において必要とされる放出熱量を確保するようにすることができる。また、このように必要とされる放出熱量を供給できたとしても、成績係数を改善できる場合がある。このような場合には、制御部９９は、液ガス三方弁８Ｃの接続状態を切り換えて液ガス利用接続状態として、膨張機構５の吸入冷媒の比エンタルピを下げて、冷凍サイクルの冷凍能力を向上させることで、要求される放熱熱量を確保しつつ成績係数を向上させることができる。なお、圧縮機構２の吸入冷媒に適度の過熱度を確保させることができるため、圧縮機構２において液圧縮が生じてしまうおそれを防止することができる。
【００７８】
＜１−３＞変形例１
上記実施形態では、利用側温度センサ６Ｔの検知温度に基づいて（定まる目標蒸発温度に基づいて）制御部９９が液ガス三方弁８Ｃの接続状態を切り換える場合を例に挙げて説明した。
【００７９】
しかし、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、図４に示すように、利用側温度センサ６Ｔの代わりに圧縮機構２の吐出冷媒温度を検知する吐出冷媒温度センサ２Ｔを有する冷媒回路１０Ａが採用されていてもよい。
【００８０】
この吐出冷媒温度センサ２Ｔでは、上述の利用側温度センサ６Ｔの検知温度が高くなる場合が吐出冷媒温度センサ２Ｔの検知温度が低くなる場合に対応し、上述の利用側温度センサ６Ｔの検知温度が低くなる場合が吐出冷媒温度センサ２Ｔの検知温度が高くなる場合に対応する。すなわち、吐出冷媒温度センサ２Ｔの検知温度が高くなりすぎると、圧縮機構２の信頼性を維持できなくなってしまうため、制御部９９は、液ガス三方弁８Ｃの接続状態を液ガス非利用接続状態として、圧縮機構２の吸入冷媒の過熱度が大きくなることを防止する。また、吐出冷媒温度センサ２Ｔの検知温度が低くなると、制御部９９は、熱源側熱交換器４において要求される放出熱量を供給できなくなるため、液ガス三方弁８Ｃの接続状態を液ガス利用接続状態として、圧縮機構２の吸入冷媒の過熱度を上昇させ、能力を確保させる。また、圧縮機構２の吸入冷媒の温度が低く、過熱度を上げたとしても圧縮機構２の吐出冷媒温度が上昇し過ぎない状況には、制御部９９は、液ガス三方弁８Ｃの接続状態を液ガス利用接続状態として、膨張機構５に送られる冷媒の比エンタルピを下げて、冷凍サイクルの冷凍能力を向上させることで成績係数を上げる。
【００８１】
＜１−４＞変形例２
上記実施形態では、熱源側熱交換器４が放熱器として機能する場合を例に挙げて説明した。
【００８２】
しかし、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、図５に示すように、熱源側熱交換器４が蒸発器としても機能できるように、熱源側熱交換器４をさらに備えた冷媒回路１０Ｂを採用してもよい。
【００８３】
＜１−５＞変形例３
上記実施形態および変形例１、２では、液ガス三方弁８Ｃの接続状態を切り換えて、液ガス利用接続状態と液ガス非利用接続状態とを切り換える場合を例に挙げて説明した。
【００８４】
しかし、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、液ガス三方弁８Ｃの切換状態を調節することで、液ガスバイパス配管８Ｂと液ガス熱交換器８Ｌの両方に冷媒を流しつつ、両流路の冷媒流量比を制御するようにしてもよい。
【００８５】
＜１−６＞変形例４
上記実施形態および変形例１〜３では、液ガス三方弁８Ｃが設けられた冷媒回路を例に挙げて説明した。
【００８６】
しかし、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、液ガス三方弁８Ｃに代えて、接続配管７３に開閉弁を設け、さらに液ガスバイパス配管８Ｂにも開閉弁を設けた冷媒回路を採用してもよい。
【００８７】
＜１−７＞変形例５
上記実施形態および変形例１〜４では、二段階で圧縮される圧縮機構２が１つだけ設けられた冷媒回路を例に挙げて説明した。
【００８８】
しかし、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、上述の二段階で圧縮を行う圧縮機構２を互いに並列に設けた冷媒回路を採用してもよい。
【００８９】
また、冷媒回路において、複数の利用側熱交換器６を互いに並列に配置させてもよい。この際、各利用側熱交換器６に対して供給される冷媒量を制御できるように、膨張機構をそれぞれの利用側熱交換器の直前に配置して、膨張機構についても互いに並列に配置された冷媒回路を採用してもよい。
【００９０】
＜２＞第２実施形態
＜２−１＞空気調和装置の構成
第２実施形態の空気調和装置２０１では、上記第１実施形態の空気調和装置１の液ガス熱交換器８、液ガス三方弁８Ｃ等が設けられていない代わりに、エコノマイザ回路９およびエコノマイザ熱交換器２０を有しており、圧縮機構２の低段側の圧縮要素２ｃから吐出される冷媒を高段側の圧縮要素２ｄに導く中間冷媒管２２が設けられている冷媒回路２１０が採用されている。以下、上記実施形態の相違点を中心に説明する。
【００９１】
エコノマイザ回路９は、接続配管７２と接続配管７３ｃとの間の分岐点Ｘから分岐している分岐上流配管９ａ、冷媒を減圧させるエコノマイザ膨張機構９ｅ、エコノマイザ膨張機構９ｅで減圧された冷媒をエコノマイザ熱交換器２０まで導く分岐中流配管９ｂ、エコノマイザ熱交換器２０から流れ出た冷媒を中間冷媒管２２の合流点Ｙまで導く分岐下流配管９ｃを有している。
【００９２】
分岐配管７３ｃはエコノマイザ熱交換器２０を通じて接続配管７５ｃに冷媒を導く。この接続配管７５ｃは膨張機構５に接続されている。
【００９３】
他の構成は、上述した第１実施形態の空気調和装置１と同様である。
【００９４】
＜２−２＞空気調和装置の動作
次に、本実施形態の空気調和装置１の動作について、図６、図７および図８を用いて説明する。
【００９５】
ここで、図７は、冷凍サイクルが図示された圧力−エンタルピ線図であり、図８は、冷凍サイクルが図示された温度−エントロピ線図である。
【００９６】
（エコノマイザ利用状態）
エコノマイザ利用状態では、エコノマイザ膨張機構９ｅの開度を調節することで、エコノマイザ回路９に冷媒を流す。
【００９７】
エコノマイザ回路９では、分岐点Ｘから分岐上流配管９ａに分岐して流れてきた冷媒が、エコノマイザ膨張機構９ｅにおいて減圧されて（図６，図７および図８の点Ｒ参照）、分岐中流配管９ｂを介してエコノマイザ熱交換器２０に流入する。
【００９８】
そして、エコノマイザ熱交換器２０では、接続配管７３ｃと接続配管７５ｃを流れる冷媒（図６，図７および図８の点Ｘ→点Ｑ参照）と、分岐中流配管９ｂを介してエコノマイザ熱交換器２０に流入する冷媒（図６，図７および図８の点Ｒ→点Ｙ参照）と、の間で熱交換が行われる。
【００９９】
この際に、接続配管７３ｃと接続配管７５ｃを流れる冷媒については、エコノマイザ熱交換器２０で減圧されて冷媒温度が低下している分岐中流配管９ｂを流れる冷媒によって冷却され、比エンタルピが下がる（図６，図７および図８の点Ｘ→点Ｑ参照）。このように、膨張機構５に送られる冷媒の過冷却度が増大することで、冷凍サイクルの冷凍能力が上昇し、成績係数が向上する。そして、この比エンタルピが下がった冷媒は、膨張機構５を通過することで、減圧され、利用側熱交換器６に流入する（図６，図７および図８の点Ｑ→点Ｍ参照）。そして、利用側熱交換器６において冷媒は、蒸発していき、圧縮機構２に吸入される（図６，図７および図８の点Ｍ→点Ａ参照）。圧縮機構２に吸入された冷媒は、低段側圧縮要素２ｃによって圧縮されて、温度上昇をともないつつ中間圧力まで圧力が上昇した冷媒が中間冷媒管２２を流れる状態になる。
【０１００】
また、分岐中流配管９ｂを介してエコノマイザ熱交換器２０に流入する冷媒は、接続配管７３ｃと接続配管７５ｃを流れる冷媒によって加熱されることで、冷媒の乾き度が向上する（図６，図７および図８の点Ｒ→点Ｙ参照）。
【０１０１】
このように、エコノマイザ回路９を通じた冷媒（図６，図７および図８の点Ｙ）は、上述した中間冷媒管２２の合流点Ｙにおいて、中間冷媒管２２を流れる冷媒（図６，図７および図８の点Ｂ）に合流し、中間圧力を維持したままで、冷媒温度が低下し、低段側の圧縮要素２ｃからの吐出冷媒の過熱度を低減させつつ、高段側の圧縮要素２ｄに吸入される（図６，図７および図８の点Ｙ、点Ｂおよび点Ｃ参照）。これにより、高段側の圧縮要素２ｄの吸入冷媒の冷媒温度が低下することから、高段側の圧縮要素２ｄの吐出冷媒温度が上がりすぎることを防止することができる。また、高段側の圧縮要素２ｄの吸入冷媒の温度が低下することで冷媒密度が上昇し、かつ、エコノマイザ回路９を介してインジェクションされた冷媒によって熱源側熱交換器４を循環する冷媒量が増大するため、熱源側熱交換器４に供給できる能力を大幅に増大させることができる。
【０１０２】
エコノマイザ利用状態では、このような冷媒の循環を繰り返す。
【０１０３】
（エコノマイザ非利用状態）
エコノマイザ非利用状態では、エコノマイザ回路９におけるエコノマイザ膨張機構９ｅが全閉状態とされる。これにより、分岐中流配管９ｂにおける冷媒流れが無くなり、エコノマイザ熱交換器２０が機能しない状態となる（図６，図７および図８の点Ｑ‘、点Ｍ’、点Ｄ‘参照）。
【０１０４】
これにより、中間冷媒管２２を流れる冷媒の冷却効果が無くなるため、高段側の圧縮要素２ｄの吐出冷媒の温度が上昇する。
【０１０５】
（目標能力出力制御）
このような冷凍サイクルにおいて、制御部９９は、以下のような目標能力出力制御を行う。
【０１０６】
まず、制御部９９は、図示しないコントローラ等を介したユーザからの設定温度の入力値、および、熱源側温度センサ４Ｔによって検出される熱源側熱交換器４が配置されている空間の気温等に基づいて、熱源側熱交換器４の設けられている空間において必要とされる放出熱量を算出する。そして、制御部９９は、この必要とされる放出熱量に基づいて、圧縮機構２の吐出冷媒圧力について目標吐出圧力を算出する。
【０１０７】
なお、ここでは、目標能力出力制御における目標値を、目標吐出圧力とする場合を例に挙げて説明するが、この目標吐出圧力以外にも、例えば、吐出冷媒圧力に吐出冷媒温度を乗じた値が所定範囲内となるように吐出冷媒圧力および吐出冷媒温度の目標値をそれぞれ定めるようにしてもよい。ここでは、負荷が変わった場合において、吸入冷媒の過熱度が高い場合には吐出冷媒の密度が低くなってしまうため、仮に、高段側の圧縮要素２ｄからの吐出冷媒温度を維持できたとしても、熱源側熱交換器４において要求される放出熱量を確保できなくなってしまうことがあるからである。
【０１０８】
次に、制御部９９は、利用側温度センサ６Ｔが検出する温度に基づいて、目標蒸発温度および目標蒸発圧力（臨界圧力以下の圧力）を定める。この目標蒸発圧力の設定は、利用側温度センサ６Ｔが検出する温度が変化する毎に行われる。
【０１０９】
また、制御部９９は、この目標蒸発温度の値に基づいて、圧縮機構２が吸入する冷媒の過熱度が目標の値ｘ（過熱度目標値）となるように過熱度制御を行う。
【０１１０】
そして、制御部９９は、圧縮工程において、このようにして定まった過熱度におけるエントロピの値を維持させる等エントロピ変化をさせながら、目標吐出圧力に至まで冷媒温度を上昇させるように圧縮機構２の運転容量を制御する。ここでは、回転数制御によって圧縮機構２の運転容量を制御する。なお、圧縮機構２の吐出圧力は、臨界圧力を超える圧力となるように制御される。
【０１１１】
ここで、熱源側熱交換器４での放熱工程では、冷媒が超臨界状態であるため、目標吐出圧力で維持されながら等圧変化を行いながら冷媒温度が連続的に低下していくことになる。そして、熱源側熱交換器４を流れる冷媒は、加熱対象として供給される水や空気の温度以上であって、この加熱対象として供給される水や空気の温度に近い値ｙまで冷却される。ここでは、図示しない加熱対象の供給装置（水の場合にはポンプ、空気の場合にはファン等）による供給量が制御されることで、ｙの値が決定される。
【０１１２】
さらに、ここでは、エコノマイザ回路９が設けられているため、上述のエコノマイザ利用状態では、目標吐出圧力で維持されて等圧変化を行いながら、接続配管７３ｃからエコノマイザ熱交換器２０に流入した冷媒温度がさらに連続的に低下して接続配管７５ｃに送られることになる。これにより、冷凍サイクルにおける冷凍能力が向上するため、成績係数がより良好になる。また、エコノマイザ回路９を通じた冷媒のインジェクションにより、中間冷媒管２２を流れて高段側の圧縮要素２ｄに吸入される冷媒温度が低下されることで高段側の圧縮要素２ｄからの吐出冷媒温度の異常上昇を防止することができる。また、上述のエコノマイザ非利用状態では、エコノマイザ熱交換器２０での熱交換が行われないため、高段側の圧縮要素２ｄの吸入冷媒の温度が低下することがなく、熱源側熱交換器４において要求される放出熱量を確保するようにすることができる。
【０１１３】
なお、このようにして熱源側熱交換器４（およびエコノマイザ熱交換器２０）において冷却された冷媒は、膨張機構５によって、目標蒸発圧力（臨界圧力以下の圧力）となるまで減圧され、利用側熱交換器６に流入する。
【０１１４】
利用側熱交換器６を流れる冷媒は、加熱源として供給される水や空気からの熱を吸収することで、目標蒸発温度および目標蒸発圧力を維持したまま等温等圧変化を行いながら、冷媒の乾き度を向上させていく。そして、制御部９９は、過熱度が過熱度目標値となるように、図示しない加熱源の供給装置（水の場合にはポンプ、空気の場合にはファン等）による供給量を制御する。
【０１１５】
このようにして制御を行う際に、制御部９９は、冷凍サイクルにおける成績係数（ＣＯＰ）が最も高くなるように、ｘの値およびｙの値を算出し、上記目標能力出力制御を行う。ここで、成績係数が最も良好となるｘの値およびｙの値の算出においては、作動冷媒としての二酸化炭素の物性（モリエル線図等）に基づいて、制御部９９が算出を行う。
【０１１６】
なお、成績係数をある程度良好に維持できる条件を定めておいて、この条件内であれば、圧縮仕事がより小さい値となるようにｘの値およびｙの値を求めるようにしてもよい。また、圧縮仕事が所定値以下に抑えることを前提条件として、この前提条件を満たす中で成績係数が最も良好となるｘの値およびｙの値を求めるようにしてもよい。
【０１１７】
（エコノマイザ切換制御）
また、制御部９９は、上記目標能力出力制御を行いつつ、上述のエコノマイザ利用状態と、エコノマイザ非利用状態とを切り換えるエコノマイザ切換制御を行う。
【０１１８】
このエコノマイザ切換制御では、制御部９９が、利用側温度センサ６Ｔの検知温度に応じてエコノマイザ膨張機構９ｅの開度を制御する。
【０１１９】
上述の目標能力出力制御では、利用側温度センサ６Ｔが検出する温度に基づいて目標蒸発温度が定められるが、利用側温度センサ６Ｔの検知温度が低くなって目標蒸発温度もより低く設定されるようになると、圧縮機構２の目標吐出圧力は変わらない制御条件下（熱源側熱交換器４において要求される放出熱量を確保する必要がある条件下）では、吐出冷媒温度が上昇してしまう。このよう吐出冷媒温度が上昇し過ぎてしまうと、圧縮機構２の信頼性を損ねてしまう。そのため、ここでは、制御部９９は、エコノマイザ膨張機構９ｅを開けてエコノマイザ回路９に冷媒を流すことでエコノマイザ熱交換器２０を機能させる、エコノマイザ利用状態とする制御を行う。これにより、利用側温度センサ６Ｔの検知温度が低くなって目標蒸発温度もより低く設定されたとしても、圧縮機構２の高段側の圧縮要素２ｄが吸入する冷媒温度の上昇程度が抑えて吐出冷媒温度の上昇を抑えつつ、要求されている放熱量を維持することができるようになる。
【０１２０】
他方、上述の目標能力出力制御では、利用側温度センサ６Ｔが検出する温度に基づいて目標蒸発温度が定められるが、利用側温度センサ６Ｔの検知温度が高くなって目標蒸発温度もより高く設定されるようになると、圧縮機構２の目標吐出圧力は変わらない制御条件下（熱源側熱交換器４において要求される放出熱量を確保する必要がある条件下）では、吐出冷媒温度が低下していくことになる。この場合には、熱源側熱交換器４に必要とされる放出熱量を有する状態の冷媒を供給することができなくなることがある。このような場合には、制御部９９は、エコノマイザ膨張機構９ｅを全閉状態とするエコノマイザ非利用状態として、圧縮機構２の高段側の圧縮要素２ｄが吸入する冷媒の過熱度が低下しないようにして、熱源側熱交換器４において必要とされる放出熱量を確保するようにすることができる。また、このように必要とされる放出熱量を供給できたとしても、成績係数を改善できる場合がある。このような場合には、制御部９９は、エコノマイザ膨張機構９ｅを開けてエコノマイザ利用状態として、膨張機構５の吸入冷媒の比エンタルピが下げて、冷凍サイクルの冷凍能力を向上させることで、要求される放熱熱量を確保しつつ成績係数を向上させることができる。
【０１２１】
＜２−３＞変形例１
上記実施形態では、利用側温度センサ６Ｔの検知温度に基づいて（定まる目標蒸発温度に基づいて）制御部９９がエコノマイザ膨張機構９ｅの開度切り換える場合を例に挙げて説明した。
【０１２２】
しかし、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、図９に示すように、利用側温度センサ６Ｔの代わりに圧縮機構２の吐出冷媒温度を検知する吐出冷媒温度センサ２Ｔを有する冷媒回路２１０Ａが採用されていてもよい。
【０１２３】
この吐出冷媒温度センサ２Ｔでは、上述の利用側温度センサ６Ｔの検知温度が高くなる場合が吐出冷媒温度センサ２Ｔの検知温度が低くなる場合に対応し、上述の利用側温度センサ６Ｔの検知温度が低くなる場合が吐出冷媒温度センサ２Ｔの検知温度が高くなる場合に対応する。すなわち、吐出冷媒温度センサ２Ｔの検知温度が高くなりすぎると、圧縮機構２の信頼性を維持できなくなってしまうため、制御部９９は、エコノマイザ膨張機構９ｅの開度を上げてエコノマイザ利用状態として、圧縮機構２の高段側の圧縮要素２ｄの吸入冷媒の過熱度を下げて、高段側の圧縮要素２ｄの徒手ル冷媒温度が高くなるすぎることを防止する。また、吐出冷媒温度センサ２Ｔの検知温度が低くなると、制御部９９は、熱源側熱交換器４において要求される放出熱量を供給できなくなるため、エコノマイザ膨張機構９ｅを全閉状態としてエコノマイザ非利用状態として、圧縮機構２の吸入冷媒の過熱度を低下させることなく、能力を確保させる。また、圧縮機構２の吸入冷媒の温度が低く、過熱度を上げたとしても圧縮機構２の吐出冷媒温度が上昇し過ぎない状況には、制御部９９は、エコノマイザ膨張機構９ｅの開度を上げてエコノマイザ利用状態として、膨張機構５に送られる冷媒の比エンタルピを下げて、冷凍サイクルの冷凍能力を向上させることで成績係数を上げる。
【０１２４】
＜２−４＞変形例２
上記実施形態では、熱源側熱交換器４が放熱器として機能する場合を例に挙げて説明した。
【０１２５】
しかし、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、図１０に示すように、熱源側熱交換器４が蒸発器としても機能できるように、切換機構３をさらに備えた冷媒回路２１０Ｂを採用してもよい。
【０１２６】
＜２−５＞変形例３
上記実施形態および変形例１、２では、エコノマイザ膨張機構９ｅの開度を調節して、エコノマイザ利用状態とエコノマイザ非利用状態とを切り換える場合を例に挙げて説明した。
【０１２７】
しかし、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、エコノマイザ膨張機構９ｅの弁開度を調節することで、エコノマイザ回路９および接続配管７３ｃ、７５Ｃに流れる冷媒流量比を制御するようにしてもよい。
【０１２８】
＜２−６＞変形例４
上記実施形態では、中間冷媒管２２を流れる冷媒の過熱度を低下させる手段としてエコノマイザ回路９を通じて合流点Ｙにおいて冷媒をインジェクションさせる場合を例に挙げて説明した。
【０１２９】
しかし、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、図１１に示すように、中間冷媒管２２を流れる冷媒を対象として、外部熱源を有する中間冷却器７によって冷却させる冷媒回路２１０Ｃを採用してもよい。
【０１３０】
ここでは、中間冷媒管２２は、低段側の圧縮要素２ｃの吐出側から中間冷却器７まで延びている低段側中間冷媒管２２ａ、および、高段側の圧縮要素２ｄの吸入側から中間冷却器７まで延びる高段側中間冷媒管２２ｂを有している。ここで、エコノマイザ回路９から中間冷媒管２２へのインジェクションを行う合流点Ｙは、高段側中間冷媒管２２ｂに設けられており、中間冷却器７を通過した後にエコノマイザ回路９を通じたインジェクションがなされるようになっている。また、低段側中間冷媒管２２ａと高段側中間冷媒管２２ｂとを中間冷却器７を介することなく接続する中間冷却バイパス回路７Ｂと、この中間冷却バイパス回路７Ｂの途中に設けられて開閉を行う中間冷却バイパス開閉弁７Ｃと、が設けられている。この中間冷却バイパス開閉弁７Ｃを開けることで、中間冷却バイパス回路７Ｂを流れる冷媒の抵抗よりも中間冷却器７に向かう冷媒流れの抵抗が大きい状態となり、冷媒は主として中間冷却バイパス回路７Ｂを流れ、中間冷却器７の機能を落とすことができる。なお、中間冷却器７を通過する冷媒の温度を検出する中間冷却冷媒温度センサ２２Ｔと、中間冷却器７を通過する外部冷却媒体（水や空気）の温度を検出する中間冷却外部媒体温度センサ７Ｔと、が設けられており、制御部９９は、これらの温度センサの検知値に基づく等して、中間冷却バイパス開閉弁７Ｃを開閉制御する。
【０１３１】
ここで、図１２は、冷凍サイクルが図示された圧力−エンタルピ線図であり、図１３は、冷凍サイクルが図示された温度−エントロピ線図である。
【０１３２】
ここでは、エコノマイザ膨張機構９ｅの開度が調節されてエコノマイザ利用状態とされ、中間冷却バイパス開閉弁７Ｃが全閉されることで中間冷却器７が利用されている状態では、図１２、図１３における点Ｃおよび点Ｄをたどる冷凍サイクルが実行され、高段側の圧縮要素２ｄの吸入冷媒の冷媒密度が上昇し、圧縮効率が向上する。
【０１３３】
また、エコノマイザ膨張機構９ｅの開度が調節されてエコノマイザ利用状態とされ、中間冷却バイパス開閉弁７Ｃが全開状態されることで中間冷却器７の機能を落としている状態では、図１２、図１３における点Ｃ”および点Ｄ”をたどる冷凍サイクルが実行され、負荷が変わっても、圧縮効率をある程度維持しつつ、熱源側熱交換器４において要求される放出熱量を確保することができる。
【０１３４】
また、エコノマイザ膨張機構９ｅが全閉されてエコノマイザ非利用状態とされ、中間冷却バイパス開閉弁７Ｃが全開されることで中間冷却器７の機能を落としている状態では、図１２、図１３における点Ｃ’および点Ｄ’をたどる冷凍サイクルが実行され、負荷が変わっても、高段側の圧縮要素２ｄの吐出温度を上昇させることで、熱源側熱交換器４において要求される放出熱量を確保することができる。
【０１３５】
なお、ここでは、エコノマイザ膨張機構９ｅが全閉状態とされてエコノマイザ非利用状態とされ、中間冷却バイパス開閉弁７Ｃが全閉状態されることで中間冷却器７が利用されている状態については省略するが、上記図１２、図１３における点Ｃ”および点Ｄ”をたどる冷凍サイクルに近い状態となる。
【０１３６】
このように、制御部９９が、利用側温度センサ６Ｔ、中間冷却冷媒温度センサ２２Ｔおよび中間冷却外部媒体温度センサ７Ｔの検知値に基づいて、熱源側熱交換器４において要求される放出熱量を確保する前提で、成績係数が最も良好となるようにエコノマイザ膨張機構９ｅおよび中間冷却バイパス開閉弁７Ｃの制御を行う。
【０１３７】
＜２−７＞変形例５
上記実施形態および変形例１〜４では、二段階で圧縮される圧縮機構２が１つだけ設けられた冷媒回路を例に挙げて説明した。
【０１３８】
しかし、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、上述の二段階で圧縮を行う圧縮機構２を互いに並列に設けた冷媒回路を採用してもよい。
【０１３９】
また、冷媒回路において、複数の利用側熱交換器６を互いに並列に配置させてもよい。この際、各利用側熱交換器６に対して供給される冷媒量を制御できるように、膨張機構をそれぞれの利用側熱交換器の直前に配置して、膨張機構についても互いに並列に配置された冷媒回路を採用してもよい。
【０１４０】
＜３＞第３実施形態
＜３−１＞空気調和装置の構成
第３実施形態の空気調和装置３０１では、図１４に示すように、上記第１実施形態の空気調和装置１の液ガス熱交換器８および第２実施形態のエコノマイザ回路９の両方が設けられた冷媒回路３１０が採用されている。以下、上記実施形態の相違点を中心に説明する。
【０１４１】
ここでは、接続配管７２に対して切換三方弁２８Ｃが設けられている。この切換三方弁２８Ｃは、接続配管７３ｇと接続されるエコノマイザ状態と、接続配管７３と接続される液ガス状態と、エコノマイザ回路９も液ガス熱交換器８も利用しない両機能非利用状態と、を切り換えることができる。
【０１４２】
この接続配管７３には、液ガス熱交換器８の液側の液ガス熱交換器８Ｌが接続されている。この液側の液ガス熱交換器８Ｌを通過した冷媒は接続配管７４を介して接続配管７６の合流点Ｌまで延びている。この接続配管７４には、途中に冷媒を減圧させる膨張機構９５ｅが設けられている。
【０１４３】
また、接続配管７３ｇは、分岐点Ｘを介して接続配管７４ｇ側と、分岐上流配管９ａ側とに分岐している。このエコノマイザ回路９自体については、上記実施形態と同様である。そして、接続配管７４ｇはエコノマイザ熱交換器２０を通じて接続配管７５ｇと接続されている。接続配管７５ｇは、膨張機構５と接続されている。膨張機構５は、接続配管７６を介して利用側熱交換器６と接続されている。
【０１４４】
他の構成は、上述した第１実施形態の空気調和装置１や第２実施形態の空気調和装置２０１において説明した内容と同様である。
【０１４５】
＜３−２＞空気調和装置の動作
次に、本実施形態の空気調和装置１の動作について、図１４、図１５および図１６を用いて説明する。
【０１４６】
ここで、図１５は、冷凍サイクルが図示された圧力−エンタルピ線図であり、図１６は、冷凍サイクルが図示された温度−エントロピ線図である。
【０１４７】
なお、エコノマイザ状態における点Ｑの比エンタルピと、液ガス状態における点Ｔの比エンタルピとは、それぞれ膨張機構５や膨張機構９５ｅの開度制御によっていずれが大きな値となるかが変化するため、図１５、図１６で示す例に限定されるものではない。
【０１４８】
（エコノマイザ状態）
エコノマイザ状態では、制御部９９が接続配管７３には冷媒が流れないようにしつつ接続配管７３ｇに冷媒が流れるように切換三方弁２８Ｃの接続状態を切り換えて、エコノマイザ膨張機構９ｅの開度を上げて、エコノマイザ回路９に冷媒を流すように冷凍サイクルを行う。ここでは、図１４，図１５および図１６において点Ａ，点Ｂ，点Ｃ，点Ｄ，点Ｋ，点Ｘ，点Ｒ，点Ｙ，点Ｑ，点Ｌ，点Ｐで示すように、上記実施形態２におけるエコノマイザ利用状態と同様の冷凍サイクルが行われる。
【０１４９】
ここでは、エコノマイザ熱交換器２０における熱交換によって接続配管７５ｇを通過して膨張機構５に流入する冷媒の比エンタルピを下げることができ、冷凍サイクルの冷凍能力を向上させて成績係数を良好な値とすることができる。さらに、エコノマイザ回路９を通じて中間冷媒管２２の合流点Ｙにおいて合流される冷媒によって、圧縮機構２の高段側の圧縮要素２ｄの吸入冷媒の過熱度を小さくすることができ、圧縮要素２ｄの吸入冷媒の密度を上げて圧縮効率を向上させることができるとともに、吐出冷媒温度の異常上昇を防止することができる。また、この際に、エコノマイザ回路９を介して中間冷媒管２２にインジェクションされることにより、熱源側熱交換器４に供給される冷媒量が増大し、供給される熱量も増大させることができるようになる。
【０１５０】
（液ガス状態）
液ガス状態では、制御部９９が、接続配管７３ｇには冷媒が流れないようにしつつ接続配管７３に冷媒が流れるように切換三方弁２８Ｃの接続状態を切り換えて、液ガス熱交換器８を機能させた冷凍サイクルを行う。ここでは、図１４，図１５および図１６において点Ａ，点Ｂ，点Ｃ’，点Ｄ’，点Ｋ，点Ｔ，点Ｌ’，点Ｐ’で示すように、上記実施形態１における液ガス利用接続状態と同様の冷凍サイクルが行われる。
【０１５１】
ここでは、膨張機構９５ｅに流入する冷媒の比エンタルピを下げることができるため、冷凍サイクルにおける冷凍能力を向上させて成績係数を良好な値とすることができるとともに、圧縮機構２の低段側の圧縮要素２ｃの吸入冷媒の過熱度を確保して液圧縮を防止しつつ、吐出温度を高くして熱源側熱交換器４において要求される熱量を確保することができるようになる。
【０１５２】
（両機能非利用状態）
両機能非利用状態では、制御部９９が接続配管７３には冷媒が流れないようにしつつ接続配管７３ｇに冷媒が流れるように切換三方弁２８Ｃの接続状態を切り換えて、エコノマイザ膨張機構９ｅを全閉状態として、エコノマイザ回路９も液ガス熱交換器８も利用しないように冷凍サイクルを行う。ここでは、図１４，図１５および図１６において点Ａ，点Ｂ，点Ｃ，点Ｄ’’，点Ｋ，点Ｘ，点Ｑ’’，点Ｌ’’，点Ｐで示すような単純な冷凍サイクルが行われる。
【０１５３】
ここでは、圧縮機構２の高段側の圧縮要素２ｄから吐出される冷媒温度を高くすることができるので、熱源側熱交換器４において必要とされる放出熱量が増大した場合であっても、要求される熱量を供給することができるようになる。
【０１５４】
（目標能力出力制御）
このような冷凍サイクルにおいて、制御部９９は、以下のような目標能力出力制御を行う。
【０１５５】
まず、制御部９９は、図示しないコントローラ等を介したユーザからの設定温度の入力値、および、熱源側温度センサ４Ｔによって検出される熱源側熱交換器４が配置されている空間の気温等に基づいて、熱源側熱交換器４の設けられている空間において必要とされる放出熱量を算出する。そして、制御部９９は、この必要とされる放出熱量に基づいて、圧縮機構２の吐出冷媒圧力について目標吐出圧力を算出する。
【０１５６】
なお、ここでは、目標能力出力制御における目標値を、目標吐出圧力とする場合を例に挙げて説明するが、この目標吐出圧力以外にも、例えば、吐出冷媒圧力に吐出冷媒温度を乗じた値が所定範囲内となるように吐出冷媒圧力および吐出冷媒温度の目標値をそれぞれ定めるようにしてもよい。ここでは、負荷が変わった場合において、吸入冷媒の過熱度が高い場合には吐出冷媒の密度が低くなってしまうため、仮に、高段側の圧縮要素２ｄからの吐出冷媒温度を維持できたとしても、熱源側熱交換器４において要求される放出熱量を確保できなくなってしまうことがあるからである。
【０１５７】
次に、制御部９９は、利用側温度センサ６Ｔが検出する温度に基づいて、目標蒸発温度および目標蒸発圧力（臨界圧力以下の圧力）を定める。この目標蒸発圧力の設定は、利用側温度センサ６Ｔが検出する温度が変化する毎に行われる。
【０１５８】
また、制御部９９は、この目標蒸発温度の値に基づいて、圧縮機構２が吸入する冷媒の過熱度が目標の値ｘ（過熱度目標値）となるように過熱度制御を行う。
【０１５９】
そして、制御部９９は、圧縮工程において、このようにして定まった過熱度におけるエントロピの値を維持させる等エントロピ変化をさせながら、目標吐出圧力に至まで冷媒温度を上昇させるように圧縮機構２の運転容量を制御する。ここでは、回転数制御によって圧縮機構２の運転容量を制御する。なお、圧縮機構２の吐出圧力は、臨界圧力を超える圧力となるように制御される。
【０１６０】
ここで、熱源側熱交換器４での放熱工程では、冷媒が超臨界状態であるため、目標吐出圧力で維持されながら等圧変化を行いながら冷媒温度が連続的に低下していくことになる。そして、熱源側熱交換器４を流れる冷媒は、加熱対象として供給される水や空気の温度以上であって、この加熱対象として供給される水や空気の温度に近い値ｙまで冷却される。ここでは、図示しない加熱対象の供給装置（水の場合にはポンプ、空気の場合にはファン等）による供給量が制御されることで、ｙの値が決定される。
【０１６１】
なお、ここでは、エコノマイザ状態に制御される場合には、目標吐出圧力で維持されて等圧変化を行いながら、接続配管７３ｇからエコノマイザ熱交換器２０に流入した冷媒温度がさらに連続的に低下して接続配管７５ｇに送られることになる。これにより、冷凍サイクルにおける冷凍能力が向上するため、成績係数がより良好になる。また、エコノマイザ回路９を通じた冷媒のインジェクションにより、中間冷媒管２２を流れて高段側の圧縮要素２ｄに吸入される冷媒温度が低下されることで高段側の圧縮要素２ｄからの吐出冷媒温度の異常上昇を防止することができる。また、このエコノマイザ状態では、上述の第１実施形態における液ガス非利用接続状態と同様に、液ガス熱交換器８における熱交換が行われないため、圧縮機構２の吸入冷媒の過熱度が高くなりすぎることを防止でき、これにより、圧縮機構２の吐出冷媒を目標吐出圧力にしたとしても、吐出冷媒温度が上がりすぎることが防止でき、圧縮機構２の信頼性を向上させることができる。
【０１６２】
さらに、ここでは、液ガス状態に制御される場合には、目標吐出圧力で維持されて等圧変化を行いながら、冷媒温度がさらに連続的に低下していくことになる。これにより、冷凍サイクルにおける冷凍能力が向上するため、成績係数がより良好になる。また、この液ガス状態では、上述の第２実施形態におけるエコノマイザ非利用状態と同様に、エコノマイザ熱交換器２０での熱交換が行われないため、高段側の圧縮要素２ｄの吸入冷媒の温度が低下することがなく、熱源側熱交換器４において要求される放出熱量を確保するようにすることができる。
【０１６３】
なお、このようにして熱源側熱交換器４（および液ガス熱交換器８）において冷却された冷媒は、エコノマイザ状態の場合には膨張機構５によって、液ガス状態の場合には膨張機構９５ｅによって、目標蒸発圧力（臨界圧力以下の圧力）となるまで減圧され、利用側熱交換器６に流入する。
【０１６４】
利用側熱交換器６を流れる冷媒は、加熱源として供給される水や空気からの熱を吸収することで、目標蒸発温度および目標蒸発圧力を維持したまま等温等圧変化を行いながら、冷媒の乾き度を向上させていく。そして、制御部９９は、過熱度が過熱度目標値となるように、図示しない加熱源の供給装置（水の場合にはポンプ、空気の場合にはファン等）による供給量を制御する。
【０１６５】
このようにして制御を行う際に、制御部９９は、エコノマイザ状態と液ガス状態とでそれぞれ冷凍サイクルにおける成績係数（ＣＯＰ）が最も高くなるように、ｘの値およびｙの値を算出し、上記目標能力出力制御を行う。ここで、成績係数が最も良好となるｘの値およびｙの値の算出においては、作動冷媒としての二酸化炭素の物性（モリエル線図等）に基づいて、制御部９９が算出を行う。
【０１６６】
なお、成績係数をある程度良好に維持できる条件を定めておいて、この条件内であれば、圧縮仕事がより小さい値となるようにｘの値およびｙの値を求めるようにしてもよい。また、圧縮仕事が所定値以下に抑えることを前提条件として、この前提条件を満たす中で成績係数が最も良好となるｘの値およびｙの値を求めるようにしてもよい。
【０１６７】
このようにして制御を行う際に、制御部９９は、冷凍サイクルにおける成績係数（ＣＯＰ）が最も高くなるように、ｘの値およびｙの値を算出し、上記目標能力出力制御を行う。ここで、成績係数が最も良好となるｘの値およびｙの値の算出においては、作動冷媒としての二酸化炭素の物性（モリエル線図等）に基づいて、制御部９９が算出を行う。
【０１６８】
なお、成績係数をある程度良好に維持できる条件を定めておいて、この条件内であれば、圧縮仕事がより小さい値となるようにｘの値およびｙの値を求めるようにしてもよい。また、圧縮仕事が所定値以下に抑えることを前提条件として、この前提条件を満たす中で成績係数が最も良好となるｘの値およびｙの値を求めるようにしてもよい。
【０１６９】
（エコノマイザ状態、液ガス状態、両機能非利用状態の切換制御）
制御部９９は、圧縮機構２の吐出冷媒温度が異常上昇しない範囲となることを最優先とし、熱源側熱交換器４において必要とされる放出熱量を供給できることを二番目の優先事項とし、運転効率を良好にすること（成績係数を向上させることや、圧縮効率を上げることとのバランスで適宜決定できる）が三番目の優先事項となるように、上記状態を切り換える制御を行う。
【０１７０】
すなわち、熱源側熱交換器４における放出熱量が不足している場合には、吐出温度が異常上昇しない範囲であれば液ガス状態としつつ、吐出温度が異常上昇することを回避するのであれば両機能非利用状態とする制御を行う。また、熱源側熱交換器４における放出熱量が十分足りている場合には、エコノマイザ状態として、エコノマイザ膨張機構９ｅの開度を制御して、熱源側熱交換器４において要求される熱量を供給できる限度において弁開度を上げていき、冷凍サイクルの冷凍能力を向上させることで成績係数を良好な値としつつ、熱源側熱交換器４に供給できる冷媒量を増大することで供給熱量を増大させる制御を行う。
【０１７１】
なお、ここでの放出熱量については熱源側温度センサ４Ｔの検知温度と設定温度とに基づいて制御部９９が求める。また、吐出温度が異常上昇していないか否かについては、利用側温度センサ６Ｔの検知温度（に対応して定まる蒸発温度）に基づいて制御部９９が求める。
【０１７２】
＜３−３＞変形例１
上記実施形態では、制御部９９が、エコノマイザ状態と、液ガス状態と、両機能非利用状態とを切り換える制御を行う場合を例に挙げて説明した。
【０１７３】
しかし、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、エコノマイザ回路９を利用しつつ液ガス熱交換器８も利用する併用状態を採用できるようにしてもよい。
【０１７４】
ここでは、例えば、制御部９９は、圧縮機構２の吐出冷媒温度が異常上昇しない範囲（冷凍機油を劣化させてしまう範囲）とならず、吐出圧力が圧縮機構２の耐圧強度に対応する所定圧力以下となり、熱源側熱交換器４において必要とされる放出熱量を供給できることを前提条件として、運転効率を良好にすること（成績係数を向上させることや、圧縮効率を上げることとのバランスで適宜決定できる）ができるように、単に切換三方弁２８Ｃの接続状態を相互に切り換えるのではなく、エコノマイザ回路９と液ガス熱交換器８Lとの両方に冷媒が同時に流れる状況においてエコノマイザ回路９側を流れる冷媒の流量と液ガス熱交換器８Lの流量との比率を制御するようにしてもよい。なお、ここでの比率調節可能な構成としては、切換三方弁２８Cに限定されるものではなく、例えば、液ガス熱交換器８Ｌの直前に膨張機構を設けて流量比制御を行うようにしてもよい。
【０１７５】
ここでは、制御部９９は、エコノマイザ回路９側の流量と液ガス熱交換器８側の流量との比率は、利用側温度センサ６Ｔの検知温度に基づいて目標蒸発温度を定めた場合の圧縮機構２の吐出冷媒温度が異常上昇しない範囲（高段側の圧縮要素２ｄからの吐出冷媒温度が所定温度以下等の条件下）であって熱源側熱交換器４において必要とされる放出熱量を確保できるだけの熱量を算出する。
【０１７６】
そして、制御部９９は、例えば、まず、エコノマイザ回路９の流量がゼロであると仮定して、目標蒸発温度において吐出冷媒温度の異常上昇を防止できて、吐出圧力が圧縮機構２の耐圧強度に対応する所定圧力以下であり、放出熱量を確保するのに必要な液ガス熱交換器８Ｌの流量を算出する。次に、制御部９９は、この算出された液ガス熱交換器８Ｌ側の流量を減らしながら、減らした流量分の冷媒をエコノマイザ回路９に流したと仮定して、液ガス熱交換器８の流量が減少する分に伴って比エンタルピが増大することによる冷凍能力の低下分と、エコノマイザ回路９の流量が増加することに伴って比エンタルピが低下することによる冷凍能力の増大分と、エコノマイザ回路９の流量が増大することによって放出熱量確保のために高圧が上昇することによる圧縮機構の圧縮比の増大分と、エコノマイザ回路９の流量の増大により熱源側熱交換器４へ供給される冷媒密度が上昇することに伴う供給熱量の増大分と、を考慮して、圧縮機構２の低段側の圧縮要素２ｃおよび高段側の圧縮要素２ｄのそれぞれの圧縮比が所定の範囲内であって、成績係数が所定の範囲内となるように、流量比を制御する。
【０１７７】
例えば、制御部９９による流量比制御では、圧縮仕事を最小にする中間圧力として低段側の圧縮要素２ｃによる圧縮比と高段側の圧縮要素２ｄによる圧縮比が等しくなるような中間圧力を算出し、エコノマイザ膨張機構９ｅにおいて減圧される程度をこの中間圧力（およびこの中間圧力から所定範囲内の圧力）となるようにエコノマイザ膨張機構９ｅを制御した上で、成績係数が良好となるように切換三方弁２８Ｃにおける流量比を調節するようにしてもよい。
【０１７８】
＜３−４＞変形例２
上記実施形態では、利用側温度センサ６Ｔの検知温度に基づいて（定まる目標蒸発温度に基づいて）制御部９９が切換三方弁２８Ｃやエコノマイザ膨張機構９ｅの開度切り換える場合を例に挙げて説明した。
【０１７９】
しかし、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、図１７に示すように、利用側温度センサ６Ｔの代わりに圧縮機構２の吐出冷媒温度を検知する吐出冷媒温度センサ２Ｔを有する冷媒回路３１０Ａが採用されていてもよい。
【０１８０】
この吐出冷媒温度センサ２Ｔでは、上述の利用側温度センサ６Ｔの検知温度が高くなる場合が吐出冷媒温度センサ２Ｔの検知温度が低くなる場合に対応し、上述の利用側温度センサ６Ｔの検知温度が低くなる場合が吐出冷媒温度センサ２Ｔの検知温度が高くなる場合に対応する。
【０１８１】
＜３−５＞変形例３
上記実施形態では、熱源側熱交換器４が放熱器として機能する場合を例に挙げて説明した。
【０１８２】
しかし、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、図１８に示すように、熱源側熱交換器４が蒸発器としても機能できるように、切換機構３をさらに備えた冷媒回路３１０Ｂを採用してもよい。
【０１８３】
＜３−６＞変形例４
上記実施形態および変形例１〜３では、切換三方弁２８Ｃの接続状態を切り換えて、液ガス状態と、エコノマイザ状態および両機能非利用状態と、を切り換える場合を例に挙げて説明した。
【０１８４】
しかし、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、切換三方弁２８Ｃに代えて、接続配管７３ｇに開閉弁を設け、さらに接続配管７３にも開閉弁を設けた冷媒回路を採用してもよい。
【０１８５】
＜３−７＞変形例５
上記実施形態では、膨張機構５および膨張機構９５の両方が設けられた冷媒回路３１０を例に挙げて説明した。
【０１８６】
しかし、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、図１９に示すように、エコノマイザ状態で制御する場合にも、液ガス状態で制御する場合にも、いずれの制御においても併用することができる併用膨張機構３０５Ｃを有する冷媒回路３１０Ｃを採用してもよい。
【０１８７】
この場合には、上記第３実施形態における冷媒回路３１０よりも膨張機構の数を減らせることができる。
【０１８８】
＜３−８＞変形例６
上記実施形態では、エコノマイザ回路９に分岐する分岐点Ｘが、液ガス熱交換器８によってバイパスされている冷媒回路３１０を例に挙げて説明した。
【０１８９】
しかし、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、図２０に示すように、液ガス熱交換器８へ冷媒を送る切換三方弁２８Cから延びる接続配管７３ｈと、エコノマイザ回路９に冷媒を送る分岐点Ｘから延びる接続配管７３ｉと、の間の合流点Ｖにおいて、液ガス熱交換器８Ｌを通過した戻り冷媒を合流させるようにした冷媒回路３１０Ｄを採用するようにしてもよい。
【０１９０】
＜３−９＞変形例７
さらに、図２１に示すように、この冷媒回路３１０Ｄにおいて、膨張機構５および膨張機構９５ｅを共通化させた膨張機構３０５Ｅを有する冷媒回路３１０Ｅを採用するようにしてもよい。
【０１９１】
＜３−１０＞変形例８
また、図２２に示すように、切換三方弁２８Cを接続配管７５ｈと膨張機構５から延びる接続配管７５ｉとの間に配置して、膨張機構５と利用側熱交換器６とを接続する接続配管７６の合流点Ｖにおいて、液ガス熱交換器８Ｌを通過した戻り冷媒を合流させるようにした冷媒回路３１０Ｆを採用するようにしてもよい。
【０１９２】
この場合には、エコノマイザ膨張機構９ｅによって減圧される冷媒温度よりも、ガス側の液ガス熱交換器８Ｇを通過する冷媒温度の方が必ず低いのでエコノマイザ熱交換器２０において冷却した後に液側の液ガス熱交換器８Ｌを通過させることで、減圧される前の冷媒の冷却効率を向上させて、比エンタルピをより低下させることができる。これにより、冷凍サイクルにおける冷凍能力が向上し、成績係数が良好になる。
【０１９３】
＜３−１１＞変形例９
さらに、図２３に示すように、この冷媒回路３１０Ｆにおいて、膨張機構５および膨張機構９５ｅを共通化させた膨張機構３０５Ｆを有する冷媒回路３１０Ｅを採用するようにしてもよい。
【０１９４】
＜３−１２＞変形例１０
また、図２４に示すように、中間冷媒管２２において中間冷却器７およびこの中間冷却器７をバイパスさせるための中間冷却バイパス回路７Ｂおよび中間冷却バイパス開閉弁７Ｃを設け、さらに、液側の液ガス熱交換器８Ｌをバイパスさせるための液ガスバイパス配管８Ｂおよび液ガス三方弁８Ｃを設けた、冷媒回路３０１Ｈを採用するようにしてもよい。
【０１９５】
ここでは、エコノマイザ回路９による中間冷媒管２２の冷媒温度の低下効果だけでなく、中間冷却器７による低下効果も得られる。
【０１９６】
また、エコノマイザ熱交換器２０における熱交換を実行させながら、同時に液側の液ガス熱交換器８Ｌを通過させつつ、さらに、液ガスバイパス配管８Ｂを通過させることで液ガス熱交換器８における熱交換を行わせない冷媒を存在させることができるようにしてもよい。
【０１９７】
＜３−１３＞変形例１１
上記実施形態および変形例１〜１０では、二段階で圧縮される圧縮機構２が１つだけ設けられた冷媒回路を例に挙げて説明した。
【０１９８】
しかし、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、上述の二段階で圧縮を行う圧縮機構２を互いに並列に設けた冷媒回路を採用してもよい。
【０１９９】
また、冷媒回路において、複数の利用側熱交換器６を互いに並列に配置させてもよい。この際、各利用側熱交換器６に対して供給される冷媒量を制御できるように、膨張機構をそれぞれの利用側熱交換器の直前に配置して、膨張機構についても互いに並列に配置された冷媒回路を採用してもよい。
【０２００】
＜４＞他の実施形態
以上、本発明の実施形態およびその変形例について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、これらの実施形態およびその変形例に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
【０２０１】
例えば、上述の実施形態およびその変形例において、利用側熱交換器６を流れる冷媒と熱交換を行う加熱源または冷却源としての水やブラインを使用するとともに、利用側熱交換器６において熱交換された水やブラインと室内空気とを熱交換させる二次熱交換器を設けた、いわゆる、チラー型の空気調和装置に本発明を適用してもよい。
【０２０２】
また、冷房専用の空気調和装置等のような上述のチラータイプの空気調和装置とは異なる型式の冷凍装置であっても、本発明を適用可能である。
【０２０３】
また、超臨界域で作動する冷媒としては、二酸化炭素に限定されず、エチレン、エタンや酸化窒素等を使用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【０２０４】
本発明の冷凍装置は、超臨界状態の過程を含んで作動する冷媒を使用した冷凍装置において、負荷が変動する場合であっても機器の信頼性を維持しつつ成績係数を向上させることが可能になるため、多段圧縮式の圧縮要素を備えて作動冷媒として超臨界状態の過程を含んで作動する冷媒を使用した冷凍装置に適用した場合に特に有用である。
【図面の簡単な説明】
【０２０５】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる冷凍装置の一実施形態としての空気調和装置の概略構成図である。
【図２】第１実施形態にかかる空気調和装置の冷凍サイクルが図示された圧力−エンタルピ線図である。
【図３】第１実施形態にかかる空気調和装置の冷凍サイクルが図示された温度−エントロピ線図である。
【図４】第１実施形態の変形例１にかかる空気調和装置の概略構成図である。
【図５】第１実施形態の変形例２にかかる空気調和装置の概略構成図である。
【図６】本発明の第２実施形態にかかる冷凍装置の一実施形態としての空気調和装置の概略構成図である。
【図７】第２実施形態にかかる空気調和装置の冷凍サイクルが図示された圧力−エンタルピ線図である。
【図８】第２実施形態にかかる空気調和装置の冷凍サイクルが図示された温度−エントロピ線図である。
【図９】第２実施形態の変形例１にかかる空気調和装置の概略構成図である。
【図１０】第２実施形態の変形例２にかかる空気調和装置の概略構成図である。
【図１１】第２実施形態の変形例３にかかる空気調和装置の概略構成図である。
【図１２】第２実施形態の変形例３にかかる空気調和装置の冷凍サイクルが図示された圧力−エンタルピ線図である。
【図１３】第２実施形態の変形例３にかかる空気調和装置の冷凍サイクルが図示された温度−エントロピ線図である。
【図１４】本発明の第３実施形態にかかる冷凍装置の一実施形態としての空気調和装置の概略構成図である。
【図１５】第３実施形態にかかる空気調和装置の冷凍サイクルが図示された圧力−エンタルピ線図である。
【図１６】第３実施形態にかかる空気調和装置の冷凍サイクルが図示された温度−エントロピ線図である。
【図１７】第３実施形態の変形例２にかかる空気調和装置の概略構成図である。
【図１８】第３実施形態の変形例３にかかる空気調和装置の概略構成図である。
【図１９】第３実施形態の変形例５にかかる空気調和装置の概略構成図である。
【図２０】第３実施形態の変形例６にかかる空気調和装置の概略構成図である。
【図２１】第３実施形態の変形例７にかかる空気調和装置の概略構成図である。
【図２２】第３実施形態の変形例８にかかる空気調和装置の概略構成図である。
【図２３】第３実施形態の変形例９にかかる空気調和装置の概略構成図である。
【図２４】第３実施形態の変形例１０にかかる空気調和装置の概略構成図である。
【符号の説明】
【０２０６】
１  空気調和装置（冷凍装置）
２  圧縮機構
３  切換機構
４  熱源側熱交換器
５  膨張機構
６  利用側熱交換器
７  中間冷却器
８  液ガス熱交換器
２０  エコノマイザ熱交換器
２２  中間冷媒管
９９  制御部
Ｘ  分岐点
Ｙ  合流点
【図１】
0005120056.tif 000002
【図２】
0005120056.tif 000003
【図３】
0005120056.tif 000004
【図４】
0005120056.tif 000005
【図５】
0005120056.tif 000006
【図６】
0005120056.tif 000007
【図７】
0005120056.tif 000008
【図８】
0005120056.tif 000009
【図９】
0005120056.tif 000010
【図１０】
0005120056.tif 000011
【図１１】
0005120056.tif 000012
【図１２】
0005120056.tif 000013
【図１３】
0005120056.tif 000014
【図１４】
0005120056.tif 000015
【図１５】
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【図１６】
0005120056.tif 000017
【図１７】
0005120056.tif 000018
【図１８】
0005120056.tif 000019
【図１９】
0005120056.tif 000020
【図２０】
0005120056.tif 000021
【図２１】
0005120056.tif 000022
【図２２】
0005120056.tif 000023
【図２３】
0005120056.tif 000024
【図２４】
0005120056.tif 000025