(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の圧縮機構を備え、前段の圧縮機構から流出した冷媒を後段の圧縮機構で圧縮し、冷媒の圧縮過程に中圧冷媒をインジェクションする機構を有する圧縮機、該圧縮機からの吐出冷媒を放熱させて熱交換を実施する放熱器、該放熱器から流出した高圧冷媒を冷却する第１内部熱交換器、該第１内部熱交換器から流出した高圧冷媒を冷却する第２内部熱交換器、該第２内部熱交換器から流出した冷媒を膨張させて低圧冷媒とする第１膨張装置、及び、該低圧冷媒に吸熱させて熱交換を実施する蒸発器を順に冷媒配管によって接続して構成された主冷媒回路と、
前記放熱器と前記第１膨張装置との間の冷媒配管から分岐し、エジェクター及び前記第１内部熱交換器を介して、前記圧縮機の圧縮過程に中圧冷媒をインジェクションするインジェクション回路と、
前記エジェクターの流入部側の冷媒配管から分岐し、冷媒を膨張させる第２膨張装置と、前記第２膨張装置に接続される前記第２内部熱交換器とを介して、前記エジェクターの吸引部に冷媒を吸引させる吸引回路と、
を備え、
前記第１内部熱交換器は、
前記放熱器から前記第１膨張装置へ向かって流れる高圧冷媒と、前記エジェクターから流出する中圧冷媒との熱交換を実施し、
前記第２内部熱交換器は、
前記放熱器から前記第１膨張装置へ向かって流れる高圧冷媒と、前記吸引回路の前記第２膨張装置から前記エジェクターの前記吸引部へ向かって流れる冷媒との熱交換を実施する
ことを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記インジェクション回路は、前記放熱器と前記第１内部熱交換器との間から分岐して設けられた
ことを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル装置。
【請求項３】
前記第２内部熱交換器から前記第１膨張装置へ向かって流れる高圧冷媒と、前記蒸発器から前記圧縮機へ向かって流れる低圧冷媒との間で熱交換を実施する吸入加熱熱交換器を備えた
ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の冷凍サイクル装置。
【請求項４】
前記圧縮機から吐出された冷媒の温度である吐出温度を検出する吐出温度検出手段と、
前記エジェクター及び前記第２膨張装置の開度を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記吐出温度検出手段によって検出された吐出温度である検出吐出温度が、第１所定温度より大きい場合、前記エジェクター及び前記第２膨張装置を開状態として、前記インジェクション回路を介して前記圧縮機に対するインジェクション動作を実施し、
前記検出吐出温度が、前記第１所定温度と第２所定温度との間になるように、前記エジェクターの開度を制御する
ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項５】
前記制御装置は、前記検出吐出温度が前記第２所定温度よりも高い場合、前記エジェクターの開度を増加させる
ことを特徴とする請求項４記載の冷凍サイクル装置。
【請求項６】
前記制御装置は、前記インジェクション動作を実施している場合、前記検出吐出温度が前記第１所定温度以下である第３所定温度よりも小さくなった場合、前記エジェクター及び前記第２膨張装置を閉状態にして、前記インジェクション動作を停止する
ことを特徴とする請求項４又は請求項５記載の冷凍サイクル装置。
【請求項７】
前記制御装置は、前記第２内部熱交換器から流出する冷媒の過熱度が一定となるように、前記第２膨張装置の開度を制御する
ことを特徴とする請求項４〜請求項６のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項８】
冷媒は、前記圧縮機から吐出されたとき超臨界域で作動するものである
ことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項９】
冷媒は、二酸化炭素である
ことを特徴とする請求項８記載の冷凍サイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮過程にインジェクションを実施する機構を有する圧縮機を備えた冷凍サイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の冷凍装置として、超臨界域で作動する冷媒を使用した多段圧縮式の圧縮機を備え、二酸化炭素を冷媒とし、主回路から分岐した冷媒を圧縮機の中間へインジェクションするものがある（例えば、特許文献１参照）。この冷凍装置は、二段圧縮式の圧縮機と、放熱器と、蒸発器と、放熱器から蒸発器に送られる冷媒を減圧する膨張弁と、インジェクション管と、内部熱交換器と、吸入加熱熱交換器とを備えている。ここで、インジェクション管は、冷媒を減圧する後段側インジェクション弁を有しており、放熱器から膨張弁へ向けて送られる冷媒を分岐させ、後段側の圧縮部に戻す冷媒配管である。また、内部熱交換器は、放熱器から膨張弁へ向けて送られる冷媒とインジェクション管を流れる冷媒との熱交換器を実施するものである。また、吸入加熱熱交換器は、内部熱交換器から膨張弁に送られる冷媒を冷却するものである。
【０００３】
この冷凍装置は、内部熱交換器による中間圧インジェクションを実施することによって、冷凍サイクルの中間圧が臨界圧力付近まで上昇するような場合であっても、後段側の圧縮要素から吐出される冷媒の温度を低下させるとともに、圧縮機構の消費動力を減らし、運転効率の向上を図れるようにしている。しかも、内部熱交換器から膨張弁に送られる冷媒の温度が高いという問題、及び、二酸化炭素等のような超臨界域で作動する冷媒を使用する場合における冷媒の温度変化に対するエントロピー変化が大きいという特性を考慮して、内部熱交換器から膨張弁に送られる冷媒を冷却する吸入加熱熱交換器を設けるようにし、かつ、冷凍サイクルにおいて最も温度が低い低圧冷媒を冷却源として使用し、膨張弁による膨張ロスを減らし、冷凍サイクルの成績係数及び運転効率を向上させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２０４２４４号公報（第４−５頁、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このような構成の場合、インジェクション管を流れる冷媒を膨張する後段側インジェクション弁で膨張ロスが発生してしまうという問題点があった。また、圧縮機において、吐出と吸入の圧力差が小さく、また、中間圧力の飽和温度と放熱器出口の温度との差が小さい場合、内部熱交換器の熱交換量が小さくなるため冷媒を十分に加熱できず、インジェクション時における吐出温度が下がり過ぎてしまい、十分なインジェクション量を確保できず能力が低下する恐れがあるという問題点があった。
【０００６】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、インジェクション回路においてエジェクターによって膨張動力を回収し、また、インジェクションさせる冷媒の熱交換量を確保することによって、インジェクション動作時における吐出温度の低下を抑制し、かつ、インジェクション量を確保して能力低下を抑制することができる冷凍サイクル装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る冷凍サイクル装置は、冷媒の圧縮過程に中圧冷媒をインジェクションする機構を有する圧縮機、該圧縮機からの吐出冷媒を放熱させて熱交換を実施する放熱器、該放熱器から流出した高圧冷媒を冷却する第１内部熱交換器、該第１内部熱交換器から流出した高圧冷媒を冷却する第２内部熱交換器、該第２内部熱交換器から流出した冷媒を膨張させて低圧冷媒とする第１膨張装置、及び、該低圧冷媒に吸熱させて熱交換を実施する蒸発器を順に冷媒配管によって接続して構成された主冷媒回路と、前記放熱器と前記第１膨張装置との間の冷媒配管から分岐し、エジェクター及び前記第１内部熱交換器を介して、前記圧縮機の圧縮過程に中圧冷媒をインジェクションするインジェクション回路と、前記エジェクターの流入部側の冷媒配管から分岐し、冷媒を膨張させる第２膨張装置と、前記第２膨張装置に接続される前記第２内部熱交換器とを介して、前記エジェクターの吸引部に冷媒を吸引させる吸引回路と、を備え、前記第１内部熱交換器は、前記放熱器から前記第１膨張装置へ向かって流れる高圧冷媒と、前記エジェクターから流出する中圧冷媒との熱交換を実施し、前記第２内部熱交換器は、前記放熱器から前記第１膨張装置へ向かって流れる高圧冷媒と、前記吸引回路の前記第２膨張装置から前記エジェクターの前記吸引部へ向かって流れる冷媒との熱交換を実施するものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、インジェクション回路における第１内部熱交換器の熱交換量に加え、吸引回路における第２内部熱交換器の熱交換量が付加されるので内部熱交換器全体の熱交換量が増加するので、蒸発器における冷凍能力が向上し、圧縮機へインジェクションされる冷媒の乾き度が高くなり、インジェクション流量を増加させても、圧縮機の吐出温度が下がりにくくなるので、冷凍サイクル装置の能力を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置５０ａの構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置５０ａにおけるエジェクター７の構成図である。
【図３】図１における冷凍サイクル装置５０ａから第２内部熱交換器６及び吸引回路２３を除き、エジェクター７の代わりに第２膨張弁３ｂを配置した冷凍サイクル装置５０の構成図である。
【図４】図１における冷凍サイクル装置５０ａから第２内部熱交換器６及び吸引回路２３を除き、エジェクター７の代わりに第２膨張弁３ｂを配置した冷凍サイクル装置５０の冷凍サイクルのモリエル線図である。
【図５】温度差ΔＴｈｉｃと、第１内部熱交換器５における熱交換量との関係図である。
【図６】インジェクション流量Ｇｉｎｊと、第２膨張弁３ｂにおける膨張損失との関係図である。
【図７】本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置５０ａの冷凍サイクルのモリエル線図である。
【図８】本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置５０ａにおける吐出温度の制御動作を示すフローチャートである。
【図９】本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置５０ｂの構成図である。
【図１０】本実施の形態に係る冷凍サイクル装置５０ｂの冷凍サイクルのモリエル線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１．
（冷凍サイクル装置５０ａの構成）
図１は、本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置５０ａの構成図であり、図２は、同冷凍サイクル装置５０ａにおけるエジェクター７の構成図である。
図１で示されるように、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置５０ａは、圧縮機１、放熱器２、第１膨張弁３ａ、第２膨張弁３ｂ、蒸発器４、第１内部熱交換器５、第２内部熱交換器６、エジェクター７、及び、制御装置３１を備えている。圧縮機１、放熱器２、第１内部熱交換器５、第２内部熱交換器６、第１膨張弁３ａ、蒸発器４、そして、再び圧縮機１の順に冷媒配管によって環状に接続された主冷媒回路２１が構成されている。また、放熱器２と第１内部熱交換器５とを接続する冷媒配管上の第１分岐点３５から、第２膨張弁３ｂへ流れる冷媒配管とエジェクター７へ流れる冷媒配管との分岐点である第２分岐点３６を経由して、エジェクター７の液冷媒流入部７ｄ（図２において後述）へ接続され、このエジェクター７から、さらに、第１内部熱交換器５を経由して、圧縮機１のインジェクションポート１３へ接続されてインジェクション回路２２が構成されている。さらに、第２分岐点３６から、第２膨張弁３ｂ及び第２内部熱交換器６を経由して、エジェクター７のガス冷媒吸引部７ｅ（図２において後述）へ接続されて吸引回路２３が構成されている。本実施の形態に係る冷凍サイクル装置５０ａの冷凍サイクルは、上記の主冷媒回路２１、インジェクション回路２２及び吸引回路２３によって構成されている。
【００１１】
圧縮機１は、蒸発器４から流出したガス冷媒を圧縮する前段圧縮部１１、及び、この前段圧縮部１１によって圧縮されたガス冷媒をさらに圧縮する後段圧縮部１２を備えた二段圧縮機である。前述のインジェクションポート１３は、この前段圧縮部１１から後段圧縮部１２へ送られる冷媒流路に設けられており、圧縮過程に冷媒のインジェクションを実施するためのものである。後段圧縮部１２は、前段圧縮部１１から送られてきたガス冷媒と、インジェクション回路２２を経由してインジェクションポート１３を介してインジェクションされた冷媒との混合冷媒を圧縮する。また、圧縮機１の吐出側の冷媒配管には、吐出冷媒の温度である吐出温度を検出する吐出温度検出手段４１、及び、吐出冷媒の圧力である吐出圧力を検出する吐出圧力検出手段４２が設置されている。
【００１２】
放熱器２は、圧縮機１から吐出された高温高圧の冷媒と、空気又は水等との間で熱交換を実施し、高温高圧の冷媒を放熱させ、高圧の液冷媒とするものである。放熱器２の熱交換の対象が空気である場合、この放熱器２には放熱器用ファン２ａが設けられており、放熱器用ファン２ａの回転駆動によって放熱器２に空気が送り込まれ、高温高圧の冷媒との熱交換が実施される。図１においては、冷媒が空気と熱交換される場合の例を示しており、放熱器２には放熱器用ファン２ａが設けられていることが示されている。この放熱器２から流出した高圧冷媒は、第１分岐点３５を経由して、第１内部熱交換器５、及び、インジェクション回路２２に送られる。
【００１３】
第１内部熱交換器５は、放熱器２と第２内部熱交換器６との間を流れる高圧冷媒と、インジェクション回路２２において、エジェクター７とインジェクションポート１３との間を流れる中間圧力の第１中圧冷媒との熱交換を実施するものであり、高圧冷媒を冷却すると共に、第１中圧冷媒を加熱する作用を有する。
【００１４】
第２内部熱交換器６は、第１内部熱交換器５と第１膨張弁３ａとの間を流れる高圧冷媒と、吸引回路２３において、第２膨張弁３ｂと、エジェクター７のガス冷媒吸引部７ｅとの間を流れ、第１中圧冷媒の圧力よりも低く、圧縮機１の吸入圧力よりも高い中間圧力の第２中圧冷媒との熱交換を実施するものであり、高圧冷媒を冷却すると共に、第２中圧冷媒を加熱する作用を有する。
【００１５】
第１膨張弁３ａは、第２内部熱交換器６から流出した高圧冷媒を膨張して減圧させて、気液二相冷媒とするものであり、例えば、開度が可変な電子式膨張弁によって構成されている。この第１膨張弁３ａの開度は、制御装置３１によって制御され、蒸発器４による過熱度、圧縮機１の吐出温度及び吐出圧力等の制御に利用される。
【００１６】
蒸発器４は、第１膨張弁３ａから流出した気液二相冷媒と、空気又は水等との間で熱交換を実施し、気液二相冷媒に吸熱及び蒸発させ、低温低圧のガス冷媒とするものである。蒸発器４の熱交換の対象が空気である場合、この蒸発器４には蒸発器用ファン４ａが設けられており、蒸発器用ファン４ａの回転駆動によって蒸発器４に空気が送り込まれ、気液二相冷媒との熱交換が実施される。図１においては、気液二相冷媒が空気と熱交換される場合の例を示しており、蒸発器４には蒸発器用ファン４ａが設けられていることが示されている。この蒸発器４から流出したガス冷媒は、圧縮機１に送られる。
【００１７】
第２膨張弁３ｂは、第１分岐点３５から分岐されてインジェクション回路２２に流入し、第２分岐点３６を介して、吸引回路２３に流入した高圧冷媒を膨張して減圧させて、気液二相冷媒とするものであり、例えば、開度が可変な電子式膨張弁によって構成されている。この第２膨張弁３ｂの開度は、制御装置３１によって制御され、吸引回路２３の冷媒流量等の制御に利用される。
【００１８】
エジェクター７は、図２で示されるように、ノズル部７ａ、混合部７ｂ及びディフューザー部７ｃによって構成されている。エジェクター７は、液冷媒流入部７ｄから流入した駆動流である高圧の液冷媒を、ノズル部７ａにおいて、膨張及び減圧させて気液二相冷媒として流通速度を加速させる。次に、エジェクター７は、第２内部熱交換器６から流出したガス状態の第２中圧冷媒を吸引流としてガス冷媒吸引部７ｅから吸引し、混合部７ｂにおいて、ノズル部７ａによって流通速度が加速された気液二相冷媒と、ガス冷媒吸引部７ｅから吸引されたガス冷媒とを混合させる。そして、エジェクター７は、混合部７ｂにおける気液二相状態の混合冷媒の流通速度を、ディフューザー部７ｃにおいて減速させることによって、混合冷媒の圧力を回復させて流出する。この圧力回復が、ノズル部７ａにおける膨張過程で捨てているエネルギーである膨張動力の回収分となる。なお、このエジェクター７のノズル部７ａにおける流路を、ニードル等によって拡大又は縮小させることによって、エジェクター７の駆動流の流量を可変にすることができる。エジェクター７から流出した気液二相冷媒は、第１内部熱交換器５に送られる。
【００１９】
インジェクション回路２２へ流入した高圧の液冷媒は、エジェクター７へ駆動流として流入し、このエジェクター７において、吸引回路２３から吸引流として吸引された気液二相冷媒と混合されて、エジェクター７から流出し、さらに、第１内部熱交換器５において加熱され、乾き度の高い気液二相冷媒となる。この乾き度の高い気液二相冷媒は、インジェクションポート１３から圧縮機１内部へインジェクションされることによって、圧縮機１から吐出される冷媒量が増加し、放熱器２及び蒸発器４における冷媒の熱交換量が増加する。
【００２０】
吸引回路２３へ流入した高圧の液冷媒は、第２膨張弁３ｂによって膨張及び減圧され、気液二相冷媒（第２中圧冷媒）となる。この気液二相冷媒は、エジェクター７から流出する第１中圧冷媒よりも温度が低いため、第１内部熱交換器５において冷却された高圧冷媒の温度よりも低い。したがって、第２膨張弁３ｂによって減圧された第２中圧冷媒は、第２内部熱交換器６において加熱され、ガス冷媒となって、エジェクター７のガス冷媒吸引部７ｅから吸引流として吸引され昇圧される。
【００２１】
制御装置３１は、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置全体を制御するものであり、具体的には、圧縮機１の回転数、第１膨張弁３ａ及び第２膨張弁３ｂの開度、並びに、エジェクター７のノズル部７ａの開度を制御する。また、制御装置３１は、吐出温度検出手段４１及び吐出圧力検出手段４２に接続されており、吐出温度検出手段４１から吐出冷媒の温度情報、そして、吐出圧力検出手段４２から吐出冷媒の圧力情報を受信する。
【００２２】
なお、第１膨張弁３ａ及び第２膨張弁３ｂは、それぞれ本発明の「第１膨張装置」及び「第２膨張装置」に相当する。
【００２３】
（従来のインジェクション動作を含む冷凍サイクルの動作）
図３は、図１における冷凍サイクル装置５０ａから第２内部熱交換器６及び吸引回路２３を除き、エジェクター７の代わりに第２膨張弁３ｂを配置した冷凍サイクル装置５０の構成図であり、図４は、同冷凍サイクル装置５０の冷凍サイクルのモリエル線図である。図３における点Ｐ１〜点Ｐ１０は、図４における点Ｐ１〜点Ｐ１０に対応する。
【００２４】
まず、図３を参照しながら冷凍サイクル装置５０の構成について、図１で示される本実施の形態に係る冷凍サイクル装置５０ａと相違する点を中心に説明する。
図３で示されるように、主冷媒回路２１は、圧縮機１、放熱器２、第１内部熱交換器５、第１膨張弁３ａ、蒸発器４、そして再び圧縮機１の順に冷媒配管によって環状に接続されて構成されている。インジェクション回路２２は、放熱器２と第１内部熱交換器５とを接続する冷媒配管上の第１分岐点３５から、第２膨張弁３ｂ及び第１内部熱交換器５を経由して、圧縮機１のインジェクションポート１３へ接続されて構成されている。
【００２５】
次に、図３及び図４を参照しながら、主冷媒回路２１における冷凍サイクルの動作について説明する。
圧縮機１に流入した冷媒（Ｐ１）は、前段圧縮部１１によって圧縮されて（Ｐ２）、後段圧縮部１２に送られる。後段圧縮部１２に送られた冷媒は、インジェクション回路２２からインジェクションポート１３を介して流入してくる中圧冷媒と合流し（Ｐ１３）、その後、後段圧縮部１２によって圧縮され、圧縮機１より吐出される。圧縮機１から吐出された高温高圧の冷媒（Ｐ３）は、放熱器２に流入する。この放熱器２に流入した冷媒は、空気又は水等と熱交換が実施されて放熱し、放熱器２から流出する。放熱器２から流出した冷媒（Ｐ４）は、第１内部熱交換器５へ向かう冷媒、及び、第１分岐点３５からインジェクション回路２２に流入して第２膨張弁３ｂへ向かう冷媒に分岐する。第１内部熱交換器５に流入した冷媒は、インジェクション回路２２を流れる中圧冷媒に対して放熱することによって冷却され、第１内部熱交換器５から流出する。第１内部熱交換器５から流出した冷媒（Ｐ５）は、第１膨張弁３ａによって膨張及び減圧され（Ｐ７）、蒸発器４に流入する。蒸発器４に流入した冷媒は、空気又は水等と熱交換が実施されて、吸熱して蒸発し、蒸発器４から流出する。蒸発器４から流出した冷媒（Ｐ１）は、再び、圧縮機１に流入して圧縮される。
【００２６】
次に、インジェクション回路２２における冷凍サイクルの動作について説明する。
主冷媒回路２１において放熱器２から流出した冷媒（Ｐ４）の一部は、第１分岐点３５から分岐してインジェクション回路２２に流入し、第２膨張弁３ｂに流入する。第２膨張弁３ｂに流入した冷媒は、膨張及び減圧され（Ｐ９）、中圧冷媒となって第１内部熱交換器５に流入する。第１内部熱交換器５に流入した中圧冷媒は、主冷媒回路２１における放熱器２から流出した高圧冷媒から吸熱することによって、加熱され、第１内部熱交換器５から流出する。第１内部熱交換器５から流出した冷媒（Ｐ１０）は、圧縮機１のインジェクションポート１３を介して、圧縮機１の後段圧縮部１２へ流入（インジェクション）する。
【００２７】
以上のように、インジェクション回路２２によって圧縮機１へ中圧冷媒のインジェクションが実施されることによって、圧縮機１から吐出される冷媒量が増加し、かつ、放熱器２における熱交換量が増加するので、蒸発器４における冷凍能力が向上し、冷凍サイクル装置５０の運転効率も向上する。このとき、インジェクションポート１３を介して圧縮機１にインジェクションされる冷媒流量（インジェクション流量Ｇｉｎｊ）に比例して、放熱器２の能力が向上する。
【００２８】
図５は、温度差ΔＴｈｉｃと、第１内部熱交換器５における熱交換量との関係図であり、図６は、インジェクション流量Ｇｉｎｊと、第２膨張弁３ｂにおける膨張損失との関係図である。
図５で示されるように、第１内部熱交換器５における熱交換量は、図３及び図４における点Ｐ４と点Ｐ９との温度差ΔＴｈｉｃに比例するため、この温度差ΔＴｈｉｃが小さいほど、第１内部熱交換器５から流出した点Ｐ１０の冷媒の乾き度が低くなる。このとき、同じインジェクション流量Ｇｉｎｊでも、点Ｐ１０における冷媒の乾き度が低いと、圧縮機１における吐出温度が低下し、圧縮機１において規定されていると吐出温度の下限値未満となって、所定流量を圧縮機１へインジェクションできなくなり、蒸発器４における所定の冷凍能力が得られなくなる。
【００２９】
また、前述の図４で示されるように、第２膨張弁３ｂにおける減圧動作は、断熱変化（点Ｐ４→点Ｐ９）が理想であるが、実際は、第２膨張弁３ｂ内の摩擦によって膨張損失が発生し、点Ｐ４から点Ｐ８に状態変化する。この膨張損失は、点Ｐ８と点Ｐ９とのエンタルピー差と、インジェクション流量Ｇｉｎｊとの積で表され、図６で示されるように、インジェクション流量Ｇｉｎｊが大きいほど、膨張損失も大きくなってしまう。
【００３０】
（冷凍サイクル装置５０ａのインジェクション動作を含む冷凍サイクルの動作）
図７は、本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置５０ａの冷凍サイクルのモリエル線図である。以下、図１及び図７を参照しながら、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置５０ａの冷凍サイクルの動作について説明する。図１における点Ｐ１〜点Ｐ１４は、図７における点Ｐ１〜点Ｐ１４に対応する。
【００３１】
最初に、図１及び図７を参照しながら、主冷媒回路２１における冷凍サイクルの動作について説明する。
圧縮機１に流入した冷媒（Ｐ１）は、前段圧縮部１１によって圧縮されて（Ｐ２）、後段圧縮部１２に送られる。後段圧縮部１２に送られた冷媒は、インジェクション回路２２からインジェクションポート１３を介して流入してくる第１中圧冷媒と合流し（Ｐ１３）、その後、後段圧縮部１２によって圧縮され、圧縮機１より吐出される。圧縮機１から吐出された高温高圧の冷媒（Ｐ３）は、放熱器２に流入する。この放熱器２に流入した冷媒は、空気又は水等と熱交換が実施されて放熱し、放熱器２から流出する。放熱器２から流出した冷媒（Ｐ４）は、第１内部熱交換器５へ向かう冷媒、及び、第１分岐点３５からインジェクション回路２２に流入する冷媒に分岐する。第１内部熱交換器５に流入した冷媒は、インジェクション回路２２を流れる第１中圧冷媒に対して放熱することによって冷却され、第１内部熱交換器５から流出する。第１内部熱交換器５から流出した冷媒（Ｐ５）は、第２内部熱交換器６に流入する。第２内部熱交換器６に流入した冷媒は、吸引回路２３を流れる第２中圧冷媒に対して放熱することによって、さらに冷却され、第２内部熱交換器６から流出する。第２内部熱交換器６から流出した冷媒（Ｐ６）は、第１膨張弁３ａによって膨張及び減圧され（Ｐ７）、蒸発器４に流入する。蒸発器４に流入した冷媒は、空気又は水等と熱交換が実施されて、吸熱して蒸発し、蒸発器４から流出する。蒸発器４から流出した冷媒（Ｐ１）は、再び、圧縮機１に流入して圧縮される。
【００３２】
次に、インジェクション回路２２における冷凍サイクルの動作について説明する。
主冷媒回路２１において放熱器２から流出した冷媒（Ｐ４）の一部は、第１分岐点３５から分岐してインジェクション回路２２に流入する。インジェクション回路２２に流入した冷媒は、さらに、第２分岐点３６から、エジェクター７へ向かう冷媒、及び、吸引回路２３に流入して第２膨張弁３ｂへ向かう冷媒に分岐する。エジェクター７に駆動流として流入した高圧冷媒は、ノズル部７ａにおいて、膨張及び減圧されて、気液二相冷媒（Ｐ８）となる。この気液二相冷媒は、混合部７ｂにおいて、エジェクター７のガス冷媒吸引部７ｅから吸引された吸引流である第２中圧冷媒（Ｐ１２）と混合される。この混合冷媒（Ｐ１４）は、ディフューザー部７ｃにおいて、流通速度が減速させられることによって、圧力回復して膨張動力を回収し（Ｐ９）、エジェクター７から第１中圧冷媒として流出する。エジェクター７から流出した第１中圧冷媒は、第１内部熱交換器５に流入する。第１内部熱交換器５に流入した第１中圧冷媒は、主冷媒回路２１における放熱器２から流出した高圧冷媒から吸熱することによって、加熱され、乾き度の高い冷媒となって、第１内部熱交換器５から流出する。第１内部熱交換器５から流出した第１中圧冷媒（Ｐ１０）は、圧縮機１のインジェクションポート１３を介して、圧縮機１の後段圧縮部１２へインジェクションされる。
【００３３】
次に、吸引回路２３における冷凍サイクルの動作について説明する。
第２分岐点３６から分岐して吸引回路２３に流入した冷媒は、第２膨張弁３ｂによって膨張及び減圧され（Ｐ１１）、第２中圧冷媒として第２内部熱交換器６に流入する。第２内部熱交換器６に流入した第２中圧冷媒は、主冷媒回路２１における第１内部熱交換器５から流出した高圧冷媒からから吸熱することによって、加熱され、第２内部熱交換器６から流出する。第２内部熱交換器６から流出した第２中圧冷媒（Ｐ１２）は、エジェクター７のガス冷媒吸引部７ｅから吸引流として、エジェクター７に吸引される。
【００３４】
以上のように、インジェクション回路２２における第１内部熱交換器５の熱交換量に加え、吸引回路２３における第２内部熱交換器６の熱交換量が付加されるので内部熱交換器全体の熱交換量が増加するので、蒸発器４における冷凍能力が向上する。また、これによって、インジェクション回路２２を流通し、インジェクションポート１３を介して圧縮機１へインジェクションされる冷媒の乾き度が高くなり、インジェクション流量Ｇｉｎｊを増加させても、圧縮機１の吐出温度が下がりにくくなるので、冷凍サイクル装置５０ａの能力を向上させることができる。
さらに、高圧から中間圧力へ減圧する際に発生する摩擦損失である膨張動力をエジェクター７によって回収されることによって、冷凍サイクル装置５０ａの運転効率を向上させることができる。
【００３５】
（吐出温度の制御動作）
図８は、本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置５０ａにおける吐出温度の制御動作を示すフローチャートである。以下、図８を参照しながら、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置５０ａにおける吐出温度の制御動作について説明する。
【００３６】
（Ｓ１）
制御装置３１は、エジェクター７のノズル部７ａ、及び、第２膨張弁３ｂの開度を閉状態とし、圧縮機１に対するインジェクションを実施しない冷凍サイクル運転（以下、通常運転という）を実施しているものとする。
【００３７】
（Ｓ２）
制御装置３１は、吐出温度検出手段４１によって検出された吐出温度Ｔｄが、所定温度Ｔｄ１よりも大きいか否かを判定する。その判定の結果、吐出温度Ｔｄが所定温度Ｔｄ１よりも大きい場合、ステップＳ３へ進む。一方、吐出温度Ｔｄが所定温度Ｔｄ１以下である場合、ステップＳ１へ戻り、制御装置３１は、通常運転を継続し、引き続き、吐出温度検出手段４１によって検出された吐出温度Ｔｄについて上記判定を実施する。
【００３８】
（Ｓ３）
制御装置３１は、第２膨張弁３ｂの開度を開状態とし、エジェクター７のノズル部７ａの開度を所定量増加させる。
【００３９】
（Ｓ４）
制御装置３１は、吐出温度検出手段４１によって検出された吐出温度Ｔｄが、所定温度Ｔｄ２（＞Ｔｄ１）よりも小さいか否かを判定する。その判定の結果、吐出温度Ｔｄが所定温度Ｔｄ２よりも小さい場合、制御装置３１は、この吐出温度Ｔｄが冷凍サイクル装置５０ａの運転上安全な温度であると判断し、ステップＳ５へ進む。一方、吐出温度Ｔｄが所定温度Ｔｄ２以上である場合、ステップＳ３へ戻る。
【００４０】
（Ｓ５）
制御装置３１は、現状の吐出温度Ｔｄが冷凍サイクル装置５０ａの運転上安全な温度であると判断して、エジェクター７のノズル部７ａの開度を固定してインジェクションによる運転を継続する。
【００４１】
（Ｓ６）
制御装置３１は、インジェクションによる運転動作中に、吐出温度検出手段４１によって検出された吐出温度Ｔｄが、所定温度Ｔｄ３よりも小さいか否かを判定する。その判定の結果、吐出温度Ｔｄが所定温度Ｔｄ３よりも小さい場合、制御装置３１は、この吐出温度Ｔｄが冷凍サイクル装置５０ａの運転上危険な温度であると判断し、ステップＳ１へ戻る。一方、吐出温度Ｔｄが所定温度Ｔｄ３（≦Ｔｄ１）以上である場合、制御装置３１は、この吐出温度Ｔｄが冷凍サイクル装置５０ａの運転上安全な温度であると判断して、ステップＳ５へ戻る。
【００４２】
以上のように、エジェクター７を用いたインジェクションによる動作及び通常運転による吐出温度の制御によって、冷凍サイクル装置５０ａにおける圧縮機１の吐出温度を運転上安全な温度に制御することができる。
【００４３】
なお、上記のような、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置５０ａの動作において、制御装置３１は、第２膨張弁３ｂの開度を、第２内部熱交換器６から流出する冷媒（図１及び図７における点Ｐ１２）の過熱度が一定となるように制御するようにしてもよい。これによって、エジェクター７のガス冷媒吸引部７ｅから吸引流として吸引される冷媒は、常にガス冷媒となるので、エジェクター７の性能を低下させることなく冷凍サイクル装置５０ａの運転が可能となる。
【００４４】
また、所定温度Ｔｄ１、所定温度Ｔｄ２及び所定温度Ｔｄ３は、それぞれ本発明の「第１所定温度」、「第２所定温度」及び「第３所定温度」に相当する。
【００４５】
（実施の形態１の効果）
以上の構成及び動作によって、インジェクション回路２２における第１内部熱交換器５の熱交換量に加え、吸引回路２３における第２内部熱交換器６の熱交換量が付加されるので内部熱交換器全体の熱交換量が増加するので、蒸発器４における冷凍能力が向上する。また、これによって、インジェクション回路２２を流通し、インジェクションポート１３を介して圧縮機１へインジェクションされる冷媒の乾き度が高くなり、インジェクション流量Ｇｉｎｊを増加させても、圧縮機１の吐出温度が下がりにくくなるので、冷凍サイクル装置５０ａの能力を向上させることができる。
【００４６】
また、高圧から中間圧力へ減圧する際に発生する摩擦損失である膨張動力をエジェクター７によって回収されることによって、冷凍サイクル装置５０ａの運転効率を向上させることができる。
【００４７】
また、エジェクター７における膨張動力回収効果は、エジェクター７の入口エンタルピーが大きいほど大きいため、主冷媒回路２１からインジェクション回路２２へ分岐する第１分岐点３５の位置を放熱器２と第１内部熱交換器５との間にすることによって、前述した効果を得やすくなる。
【００４８】
また、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置５０ａの冷凍サイクルを流通する冷媒として、例えば、二酸化炭素のように、圧縮機１から吐出される冷媒の圧力が、臨界圧力以上となる冷媒を用いた場合、第２内部熱交換器６を流通する第２中圧冷媒の飽和温度が低下しやすくなり、内部熱交換器全体の熱交換量が増加するため、冷凍サイクル装置５０ａの能力向上及び運転効率向上の効果が特に大きくなる。また、放熱器２に送り込まれる空気又は水等の温度が、例えば、臨界温度以上というように高い場合、エジェクター７の膨張動力回収効果が大きくなり、さらに、上記の効果が大きくなる。
【００４９】
また、図８で示されるように、エジェクター７の開度を圧縮機１から吐出される冷媒の吐出温度を冷凍サイクル装置５０ａの運転上安全な温度となるように制御することによって、信頼性の高い運転を実現することができる。
【００５０】
また、上記のように二酸化炭素のような、圧縮機１の吐出圧力が臨界圧力以上となる冷媒は、運転効率が最大となる高圧圧力（吐出圧力）が存在する。そして、その高圧圧力は、第１内部熱交換器５又は第２内部熱交換器６における熱交換量を変化させることによって調整することができる。したがって、制御装置３１が第２内部熱交換器６を流れる冷媒流量を第２膨張弁３ｂによって制御することによって、高圧圧力を調整することができ、冷凍サイクル装置５０ａの運転効率を向上させることができる。
【００５１】
なお、図１で示される冷凍サイクル装置５０ａについて、一つの圧縮機１の圧縮過程に中圧冷媒をインジェクションする動作を説明したが、これに限定されるものではなく、圧縮機を２個用いて、低段側圧縮機と高段側圧縮機とに分け、低段側圧縮機の吐出側（高段側圧縮機の吸入側）にインジェクション回路２２を接続してインジェクションする構成としても、同様の効果を得ることができる。
【００５２】
また、図２で示されるエジェクター７のノズル部７ａにおける流路をニードル等によって拡大又は縮小するものとして、駆動流の流量を可変にするものとしたが、これに限定されるものではなく、エジェクター７のノズル部７ａの流路断面積は固定とし、エジェクター７の上流側に開度可変の膨張弁を用いて、インジェクション回路２２を流れる冷媒流量を制御するものとしてもよい。
【００５３】
また、冷凍サイクル装置５０ａの動作範囲が固定である場合は、第２膨張弁３ｂをキャピラリー等によって固定開度とし、若しくは、エジェクター７のノズル部７ａの流路断面積を固定とし、あるいは、その両方というような構成としてもよい。
【００５４】
実施の形態２．
本実施の形態に係る冷凍サイクル装置５０ｂについて、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置５０ａの構成及び動作と相違する点を中心に説明する。
（冷凍サイクル装置５０ｂの構成）
図９は、本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置５０ｂの構成図である。
図９で示されるように、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置５０ｂは、圧縮機１、放熱器２、第１膨張弁３ａ、第２膨張弁３ｂ、蒸発器４、第１内部熱交換器５、第２内部熱交換器６、エジェクター７、吸入加熱熱交換器８、及び、制御装置３１を備えている。圧縮機１、放熱器２、第１内部熱交換器５、第２内部熱交換器６、吸入加熱熱交換器８、第１膨張弁３ａ、蒸発器４、吸入加熱熱交換器８、そして、再び圧縮機１の順に冷媒配管によって環状に接続された主冷媒回路２１が構成されている。また、インジェクション回路２２及び吸引回路２３の構成は、図１で示される実施の形態１に係る冷凍サイクル装置５０ａと同様である。本実施の形態に係る冷凍サイクル装置５０ｂの冷凍サイクルは、上記の主冷媒回路２１、インジェクション回路２２及び吸引回路２３によって構成されている。
【００５５】
吸入加熱熱交換器８は、第２内部熱交換器６と第１膨張弁３ａとの間を流れる高圧冷媒と、蒸発器４と圧縮機１との間を流れる低圧冷媒との熱交換を実施するものであり、高圧冷媒を冷却すると共に、低圧冷媒を加熱する作用を有する。
【００５６】
第１膨張弁３ａは、吸入加熱熱交換器８から流出した高圧冷媒を膨張して減圧させて、気液二相冷媒とするものであり、例えば、開度が可変な電子式膨張弁によって構成されている。この第１膨張弁３ａの開度は、制御装置３１によって制御され、圧縮機１の吐出温度及び吐出圧力等の制御に利用される。
【００５７】
蒸発器４は、第１膨張弁３ａから流出した気液二相冷媒と、空気又は水等との間で熱交換を実施し、気液二相冷媒に吸熱及び蒸発させ、低温低圧のガス冷媒とするものである。蒸発器４の熱交換の対象が空気である場合、この蒸発器４には蒸発器用ファン４ａが設けられており、蒸発器用ファン４ａの回転駆動によって蒸発器４に空気が送り込まれ、気液二相冷媒との熱交換が実施される。図９においては、気液二相冷媒が空気と熱交換される場合の例を示しており、蒸発器４には蒸発器用ファン４ａが設けられていることが示されている。この蒸発器４から流出したガス冷媒は、吸入加熱熱交換器８に送られる。
【００５８】
その他の構成は、図１で示される冷凍サイクル装置５０ａと同様である。
【００５９】
（冷凍サイクル装置５０ｂのインジェクション動作を含む冷凍サイクルの動作）
図１０は、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置５０ｂの冷凍サイクルのモリエル線図である。以下、図９及び図１０を参照しながら、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置５０ｂの冷凍サイクルの動作について説明する。図９における点Ｐ１〜点Ｐ１４、点Ｐ６ａ及び点Ｐ７ａに対応する。
【００６０】
最初に、図９及び図１０を参照しながら、主冷媒回路２１における冷凍サイクルの動作について説明する。
圧縮機１から吐出した冷媒が、第２内部熱交換器６から流出するまでの動作は、図７で示される実施の形態１における冷凍サイクルの動作と同様である。第２内部熱交換器６から流出した冷媒（Ｐ６）は、吸入加熱熱交換器８に流入する。吸入加熱熱交換器８に流入した冷媒は、蒸発器４と圧縮機１との間を流れる低圧冷媒に対して放熱することによって、さらに冷却され、吸入加熱熱交換器８から流出する。吸入加熱熱交換器８から流出した冷媒（Ｐ６ａ）は、第１膨張弁３ａによって膨張及び減圧され（Ｐ７）、蒸発器４に流入する。蒸発器４に流入した低圧冷媒は、空気又は水等と熱交換が実施されて、吸熱して蒸発し、蒸発器４から流出する。蒸発器４から流出した低圧冷媒（Ｐ７ａ）は、吸入加熱熱交換器８に流入する。吸入加熱熱交換器８に流入した低圧冷媒は、第２内部熱交換器６と第１膨張弁３ａとの間を流れる高圧冷媒から吸熱することによって、加熱されて、吸入加熱熱交換器８から流出する。吸入加熱熱交換器８から流出した冷媒（Ｐ１）は、再び、圧縮機１に流入して圧縮される。
【００６１】
また、インジェクション回路２２及び吸引回路２３における冷凍サイクルの動作は、図７で示される実施の形態１における冷凍サイクルの動作と同様である。
【００６２】
また、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置５０ｂにおいても、図８で示される実施の形態１に係る冷凍サイクル装置５０ａと同様に、圧縮機１の吐出温度を制御動作を実施してもよい。これによって、エジェクター７を用いたインジェクションによる動作及び通常運転による吐出温度の制御によって、冷凍サイクル装置５０ｂにおける圧縮機１の吐出温度を運転上安全な温度に制御することができる。
【００６３】
（実施の形態２の効果）
以上の構成及び動作のように、吸入加熱熱交換器８において、蒸発器４から流出した低圧冷媒が、第２内部熱交換器６から流出した高圧冷媒によって加熱されることによって、圧縮機１へ流入する冷媒をガス化又は乾き度を高くすることができるため、圧縮機１への液バックを抑制し、冷凍サイクル装置５０ｂの信頼性を向上させることができる。
【００６４】
その他、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置５０ｂは、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置５０ａと同様の効果を有するのは言うまでもない。
【符号の説明】
【００６５】
１  圧縮機、２  放熱器、２ａ  放熱器用ファン、３ａ  第１膨張弁、３ｂ  第２膨張弁、４  蒸発器、４ａ  蒸発器用ファン、５  第１内部熱交換器、６  第２内部熱交換器、７  エジェクター、７ａ  ノズル部、７ｂ  混合部、７ｃ  ディフューザー部、７ｄ  液冷媒流入部、７ｅ  ガス冷媒吸引部、８  吸入加熱熱交換器、１１  前段圧縮部、１２  後段圧縮部、１３  インジェクションポート、２１  主冷媒回路、２２  インジェクション回路、２３  吸引回路、３１  制御装置、３５  第１分岐点、３６  第２分岐点、４１  吐出温度検出手段、４２  吐出圧力検出手段、５０、５０ａ、５０ｂ  冷凍サイクル装置。
【図１】
0005377528.tif 000002
【図２】
0005377528.tif 000003
【図３】
0005377528.tif 000004
【図４】
0005377528.tif 000005
【図５】
0005377528.tif 000006
【図６】
0005377528.tif 000007
【図７】
0005377528.tif 000008
【図８】
0005377528.tif 000009
【図９】
0005377528.tif 000010
【図１０】
0005377528.tif 000011