(57)【要約】【課題】二酸化炭素冷媒を用いたインジェクションサイクルにおいて、液冷媒のインジェクションを防止して圧縮機の信頼性を向上する。【解決手段】インジェクション圧縮機１０１、放熱器１０２と放熱用送風機１２８、分岐部１０３、第１膨張弁１０４、第２膨張弁１０６、吸熱器１０７と吸熱用送風機１２９、第１内部熱交換器１２６、第２の熱交換手段である第２内部熱交換器１２５、流量制御弁１４１、第１配管温度センサー１１２、第２配管温度センサー１４２、蒸発温度センサー１４３、インジェクション回路制御装置１１０などの要素で構成し、蒸発温度センサー１４３と第１配管温度センサー１１２の検出温度の差に基づいて第１の膨張弁１０４を制御し、蒸発温度センサー１４３と第２配管温度センサー１４２の検出温度との差に基づいて流量制御弁１４１を制御することで信頼性の高い冷凍サイクル装置を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
低圧吸入口と中間圧吸入口をもち、冷媒を圧縮して高温高圧の冷媒を送り出すインジェクション圧縮機と、前記高温高圧の冷媒の熱を放出する放熱手段と、放熱した高圧の冷媒を前記インジェクション圧縮機の低圧吸入口側経路と中間圧吸入口側経路とに分流する分岐部と、前記中間圧吸入口側経路に高圧の冷媒を中間の圧力に減圧膨張させるための第１の減圧手段と、前記中間圧吸入口側経路の中間圧で蒸発する冷媒と前記放熱手段で放熱した高圧の冷媒との間で熱交換を行う第１と第２の２つの熱交換手段と、前記２つの熱交換手段で熱交換した高圧の冷媒を低圧に減圧膨張させるための第２の減圧手段と、前記第２の減圧手段の後に低圧の冷媒による吸熱手段と、前記中間圧吸入口側経路の前記第２の熱交換手段の後に流量制御弁を有して前記第１の熱交換手段をバイパスするバイパス経路とを備え、
前記中間圧吸入口側経路の前記第１の減圧手段を出た冷媒は第２の熱交換手段から第１の熱交換手段へと流れるとともに、前記バイパス経路を通っても前記インジェクション圧縮機の前記中間圧吸入口へと導かれる構成とし、
前記第１の熱交換手段と前記第２の熱交換手段とで冷却されたもう一方の高圧の冷媒は、前記第２の減圧手段と前記吸熱手段とを通って前記インジェクション圧縮機の前記低圧吸入口へと導かれる構成とし、
前記中間圧吸入口側経路においては、前記第１の減圧手段と前記流量制御弁とを調整して中間圧吸入口へ吸入される冷媒の状態を制御するインジェクション回路制御手段を備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項２】
分岐部を第１の熱交換手段の手前に配設し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】
分岐部を第１の熱交換手段と第２の熱交換手段との間に配設し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４】
中間圧吸入口側経路において、第２の熱交換手段における冷媒の蒸発温度を検出する蒸発温度検出手段と、前記第２の熱交換手段の出口の冷媒の温度を検出する第１の冷媒温度検出手段と、中間圧吸入口手前の冷媒の温度を検出する第２の冷媒温度検出手段とを備え、インジェクション回路制御手段が前記蒸発温度検出手段と前記第１の冷媒温度検出手段と前記第２の冷媒温度検出手段とによる温度情報に基づいて、第１の減圧手段と流量制御弁とを制御することを特徴とする請求項１から３記載の冷凍サイクル装置。
【請求項５】
インジェクション回路制御手段が、蒸発温度検出手段の検出温度と第１の冷媒温度検出手段の検出温度とを比較して、その温度差が所定の値になるように第１の減圧手段を操作するとともに、前記蒸発温度検出手段の検出温度と第２の冷媒温度検出手段の検出温度とを比較して、その温度差が所定の値になるように流量制御弁を操作することを特徴とする請求項４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、インジェクションサイクルを用いた冷凍サイクル装置に関するものである。なかでも、二酸化炭素を冷媒として用い、冷媒間で熱交換を行う熱交換器を備えた構成において、冷房過負荷運転時の性能改善と信頼性向上を行う技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、二酸化炭素を用いた臨界圧力を超える蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷凍能力を損なうことなく圧縮機などの大型化を防止する蒸気圧縮式冷凍サイクルの技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この技術は、図３に示すように、圧縮装置３０１、放熱器３０２、分岐部３０３、第１減圧装置３０４、冷却器３０５、第２減圧装置３０６、蒸発器３０７などで構成されている。さらに、アキュムレータ３０８、制御装置３１０、冷却された吹出し空気の温度を検出する温度センサー３１１、インジェクションする冷媒の温度を検出する温度センサー３１２、インジェクションする冷媒の圧力を検出する圧力センサー３１３、室内温度センサー３１４、室外温度センサー３１５、温度設定手段３１６、放熱器３０２の出口冷媒温度を検出する温度センサー３１７、同じく出口冷媒圧力を検出する圧力センサー３１８、送風機３２８、３２９などが設けられ、装置全体を構成している。またここで、矢印３３０、３３１は吹出し空気を示している。
【０００４】
図３において、放熱器３０２を通過した二酸化炭素冷媒を分岐部３０３で分岐させ、一方をインジェクション冷媒として第１減圧装置３０４にて減圧するとともに、減圧された冷媒と他方側の冷媒とを冷却器３０５にて熱交換して他方側の冷媒を冷却する。これにより、第２減圧装置３０６の入口側における他方側の冷媒の比エンタルピーを小さくすることができるので、蒸発器３０７の入口と出口との比エンタルピー差を大きくすることができる。従って、冷凍能力を損なうことなく、圧縮装置３０１などの各機器の大型化を防止することができるとしている。
【特許文献１】特開平１０−２８８４１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の従来の装置において、インジェクション冷媒の経路にはアキュムレータが配備されておらず、第１減圧装置により液冷媒がインジェクションされない過熱度５Ｋ程度に保つとされているが、圧縮機の運転周波数の変更や室内風量の変更などによるサイクル状態の変化に対し、第１減圧装置だけでは対応できなくなり過量の液冷媒をインジェクションして圧縮機の故障をまねく可能性があるという課題がある。
【０００６】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、圧縮機の運転周波数の変更や室内風量の変更などによるサイクル状態の変化が生じても、インジェクション冷媒の状態を制御して、特に液冷媒をインジェクションすることを防止し、信頼性の高い冷凍サイクル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】
前記従来の課題を解決するために、本発明の冷凍サイクル装置は、第１の減圧手段を出た冷媒の中間圧吸入口側経路において、高圧の冷媒と熱交換するための第２の熱交換手段と第１の熱交換手段との間に流量制御弁を持つバイパス経路を設け、第１の減圧手段を出た冷媒は第２の熱交換手段からバイパス経路を通って、あるいは第１の熱交換手段を通っ
てインジェクション圧縮機の中間圧吸入口へと導かれるものである。これにより、第１の減圧手段を出た冷媒と放熱手段を出た冷媒の熱交換能力を速やかに変更することができる。
【０００８】
また、前記従来の課題を解決するために、本発明の冷凍サイクル装置は、第２の熱交換手段において冷媒の蒸発温度を検出する蒸発温度検知手段と、第２の熱交換手段の出口において第１の減圧手段を出た冷媒の温度を検出する第１の冷媒温度検出手段と、バイパス経路の合流後から中間圧吸入口手前に第１の減圧手段を出た冷媒の温度を検出する第２の冷媒温度検出手段を備え、蒸発温度検知手段の検出温度と、第１の冷媒温度検出手段、および第２の冷媒温度検出手段の検出温度比較するものである。これにより、冷媒の過熱度を温度検出手段のみで検出することがでるとともに、２箇所で監視することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の冷凍サイクル装置は、流量制御弁を通常開き、バイパス経路から冷媒を中間圧吸入口へ返す状態で運転を行い、運転状態の変化により中間圧吸入口へ帰る冷媒の乾き度が低下してきた場合に流量制御弁を閉じ、第１の減圧手段を出た冷媒のすべてが第２の熱交換手段を出た後第１の熱交換手段を通すもので、中間圧吸入口へ帰る冷媒の乾き度の変化に対し素早く対応して液戻りを防ぎ、信頼性の向上を図ることができる。
【００１０】
また、本発明の冷凍サイクル装置は、蒸発温度検知手段の検出温度と、第１の冷媒温度検出手段、および第２の冷媒温度検出手段の検出温度とを比較して、冷媒の過熱度を温度検出手段のみで検出するとともに、２箇所で監視するもので、安価な構成で制御の信頼性向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
第１の発明は、第１の減圧手段を出た冷媒の経路において、第２の熱交換手段と第１の熱交換手段の間に流量制御弁を持つバイパス経路を設け、第１の減圧手段を出た冷媒は第２の熱交換手段からバイパス経路を通って、あるいは第１の熱交換手段を通ってインジェクション圧縮機の中間圧吸入口へと導かれるものである。そして、流量制御弁を通常開き、バイパス経路から冷媒を中間圧吸入口へ返す状態で運転を行い、運転状態の変化により中間圧吸入口へ帰る冷媒の乾き度が低下してきた場合に流量制御弁を閉じ、第１の減圧手段を出た冷媒のすべてが第２の熱交換手段を出た後第１の熱交換手段を通すもので、中間圧吸入口へ帰る冷媒の乾き度の変化に対し素早く対応して液戻りを防ぎ、信頼性の向上を図ることができる。
【００１２】
第２の発明は、特に第１の発明において、高圧冷媒を第１の減圧手段へ分岐する位置を第１の熱交換手段の手前とするもので、第１の減圧手段を通過する冷媒の冷熱が第２の減圧手段を通る冷媒にすべて与えられ、吸熱手段で熱を吸収するので、冷凍性能の優れた装置を提供することができる。
【００１３】
第３の発明は、特に第１の発明において、高圧冷媒を第１の減圧手段へ分岐する位置を第１の熱交換手段と前記第２の熱交換手段の間とするもので、第１の減圧手段を通過する冷媒は、放熱手段を出て分岐する前の循環量の多い冷媒と熱交換するため、第１の熱交換手段における第１の減圧手段を通過する冷媒の加熱能力が高く、中間圧吸入口への液戻りを防ぐ力が高く、信頼性に優れた装置を提供することができる。
【００１４】
第４の発明は、特に第１から第３の発明において、インジェクション回路制御手段が蒸発温度検知手段の検出温度と、第１の冷媒温度検出手段、および第２の冷媒温度検出手段の検出温度とを比較して、冷媒の過熱度を温度検出手段のみで検出するとともに、２箇所で監視するもので、安価な構成で制御の信頼性向上を図ることができる。
【００１５】
第５の発明は、特に第４の発明において、蒸発温度検知手段の検出温度と第２の冷媒温度検出手段の検出温度を比較して、温度差が所定の値になるよう第１の減圧手段を操作するとともに、蒸発温度検知手段の検出温度と第１の冷媒温度検出手段の検出温度を比較して、温度差が所定の値になるよう流量制御弁を操作するもので、簡単な制御アルゴリズムで信頼性の高い制御を行うことができる。
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００１７】
（実施の形態１）
図１は、本発明における第１の実施の形態である冷凍サイクル装置の構成図である。図１に示すように、インジェクション圧縮機１０１、放熱手段である放熱器１０２と放熱用送風機１２８、放熱した高圧の冷媒を分流する分岐部１０３、第１の減圧手段である第１膨張弁１０４、第２の減圧手段である第２膨張弁１０６、吸熱手段である吸熱器１０７と吸熱用送風機１２９、第１の熱交換手段である第１内部熱交換器１２６、第２の熱交換手段である第２内部熱交換器１２５、流量制御弁１４１、第１の冷媒温度検出手段である第１配管温度センサー１１２、第２の冷媒温度検出手段である第２配管温度センサー１４２、蒸発温度検出手段である蒸発温度センサー１４３、インジェクション回路制御装置１１０、などの要素で構成されている。
【００１８】
インジェクション圧縮機１０１の吐出口１５０から送り出された高温高圧で超臨界状態の二酸化炭素冷媒（以降、冷媒と称する）は、放熱器１０２で冷却された後、分岐部１０３において、第１膨張弁１０４へ向かう中間圧吸入口側経路１５３と第１内部熱交換器１２６へ向かう低圧吸入口側経路１５４とに分けられる。
【００１９】
中間圧吸入口側経路１５３において、分岐部１０３から第１膨張弁１０４へ流れる冷媒は、第１膨張弁１０４で減圧膨張した後に第２内部熱交換器１２５へ流れる。そして、分岐部１０３で分流されて第１内部熱交換器１２６へ流れ、続いて第２内部熱交換器１２５に流れてきたもう一方の冷媒から吸熱して蒸発しながら第２内部熱交換器１２５を出ると、第１内部熱交換器１２６へ流れてさらに吸熱して、あるいは第１内部熱交換器１２６は通らずに流量制御弁１４１を通ってインジェクション圧縮機１０１の中間圧吸入口１５１へ戻る。
【００２０】
一方、低圧吸入口側経路１５４において、分岐部１０３から第１内部熱交換器１２６、第２内部熱交換器１２５を流れ、超臨界状態のまま冷却された冷媒は、第２膨張弁１０６にて減圧膨張し、吸熱器１０７において吸熱し蒸発してインジェクション圧縮機１０１の低圧吸入口１５２へ戻る。低圧吸入口１５２の手前にはアキュムレータ１０８が設けられて冷媒が液状態のまま吸入される液戻りを防止している。
【００２１】
第１の実施の形態における冷凍サイクルの能力は、放熱器１０２の放熱能力を同じとすると、インジェクションを行わない冷凍サイクルに比べて吸熱器１０７を通る冷媒量は低下するが、第１内部熱交換器１２６、第２内部熱交換器１２５で冷却されるため能力は大きく変わらない。厳密には、中間圧吸入口１５１の比エンタルピーが低圧吸入口１５２の比エンタルピーより小さい分だけ能力を落とすことになる。しかしながら、低圧から高圧まで圧縮される冷媒が減ることによって圧縮動力が低減され、総合的には効率が向上する。
【００２２】
第１の実施の形態では、安定状態においては流量制御弁１４１が全開に設定されており、第１膨張弁１０４は、蒸発温度センサー１４３の検出温度と第１配管温度センサー１１
２の検出温度が所定の温度差を保つようインジェクション回路制御装置１１０によって制御されている。このように蒸発温度センサー１４３の検出温度との比較を行う構成としているので、高価な圧力センサーなどを使用せず安価に構成できる。
【００２３】
実際には蒸発温度センサー１４３の検出温度よりも第１配管温度センサー１１２の検出温度が３Ｋ程度高くなるように設定するのが望ましい。そして、流量制御弁１４１を通る冷媒と、第１内部熱交換器１２６を通りさらに加熱された冷媒とが合流した後の冷媒の温度、つまり第２配管温度センサー１４２の検出温度は蒸発温度センサー１４３の検出温度よりも５〜６Ｋ程度高くなる。
【００２４】
インジェクション圧縮機１０１の運転周波数を変化させた場合や、放熱用送風機１２８あるいは吸熱用送風機１２９の風量が変化した場合など、冷凍サイクルのバランスが変化し、蒸発温度センサー１４３の検出温度に対し第１配管温度センサー１１２の検出温度が低下してきた場合には、第１膨張弁１０４が絞られ温度差を維持するよう制御される。しかし、第１膨張弁１０４は不安定を避けるために制御速度が抑えられているため蒸発温度センサー１４３と第１配管温度センサー１１２の検出温度差を維持できなくなる場合がある。このとき、蒸発温度センサー１４３の検出温度に対し、第２配管温度センサー１４２の検出温度も相対的に低下していく。
【００２５】
第１の膨張弁１０４および流量制御弁１４１の一連制御において、最終目的は中間圧吸入口１５１の冷媒の過熱度を確保することであり、第２配管温度センサー１４２の検出温度が蒸発温度センサー１４３の検出温度よりも５〜６Ｋ程度高くすることである。したがって、蒸発温度センサー１４３の検出温度に対し、第２配管温度センサー１４２の検出温度が相対的に低下してくると、インジェクション回路制御装置１１０は流量制御弁１４１を絞っていき、最終的には遮断する。
【００２６】
この動作により、流量制御弁１４１を通る冷媒が減り、第１内部熱交換器１２６を通って加熱される冷媒が増えるので、蒸発温度センサー１４３の検出温度に対し、第２配管温度センサー１４２の検出温度が相対的に低下するのを抑え、中間圧吸入口１５１への液戻りを防止することができる。
【００２７】
（実施の形態２）
図２は、本発明における第２の実施の形態である冷凍サイクル装置の構成図である。第２の実施の形態が第１の実施の形態と異なる点は、放熱器１０２の後に第１の熱交換手段である第１内部熱交換器２２６、その後に分岐部２０３が配備されていることであり、分岐部２０３において第１膨張弁１０４へ向かう中間圧吸入口側経路２５３と第２内部熱交換器１２５へ向かう低圧吸入口側経路２５４とに分けられる。
【００２８】
図２において、インジェクション圧縮機１０１の吐出口１５０から送り出された高温高圧で超臨界状態の冷媒は、放熱器１０２で冷却された後、第１内部熱交換器２２６で冷却された後、分岐部２０３において第１膨張弁１０４へ向かう冷媒と第２内部熱交換器１２５に向かう冷媒に分けられる。分岐部２０３から第１膨張弁１０４へ流れる冷媒、第２内部熱交換器１２５に向かう冷媒の動作や制御は以後第１の実施の形態と同様である。
【００２９】
第１内部熱交換器２２６の配置を変えた効果としては、第１内部熱交換器２２６において冷却される冷媒の流量が多くなるため、放熱器１０２後の冷媒の状態が同じであれば第１の実施の形態に比べて冷却される冷媒の平均温度が上がり、第２内部熱交換器１２５から流れてきた冷媒を加熱し、中間圧吸入口１５１への液戻りを防止する能力に優れている。
【００３０】
以上説明してきたように、本発明における冷凍サイクル装置は、第１内部熱交換器１２６あるいは２２６（図２）と、第２内部熱交換器１２５と、第１膨張弁１０４と、流量制御弁１４１を備え、第２内部熱交換器１２５と第１膨張弁１０４を制御することで中間圧吸入口１５１への液戻りを防止し、信頼性の高い装置を提供することができる。
【００３１】
また、本発明における冷凍サイクル装置は、図１に示すように分岐部１０３後に第１内部熱交換器１２６と第２内部熱交換器１２５とを配備することにより、冷凍能力をほとんど落とすことなく、圧縮動力を低減して効率の高い運転を行うことができる。
【００３２】
また、本発明における冷凍サイクル装置は、図２に示すように、放熱器１０２からの冷媒を第１内部熱交換器２２６で冷却した後、分岐部２０３において第１膨張弁１０４へ向かう冷媒と第２内部熱交換器１２５に向かう冷媒に分けるよう配置することで、中間圧吸入口１５１への液戻りを防止する能力に優れた装置を提供することができる。
【００３３】
また、本発明における冷凍サイクル装置は、図１、図２に示すように蒸発温度センサー１４３と、第１配管温度センサー１１２と、第２配管温度センサー１４２とを備え、その温度情報に基づいて第１膨張弁１０４と、流量制御弁１４１を制御することで、高価な圧力センサーを用いることなく安価な装置を提供することができる。
【００３４】
また、本発明における冷凍サイクル装置は、図１、図２に示すように、蒸発温度センサー１４３の検出温度と、第１配管温度センサー１１２の検出温度の差に基づいて第１膨張弁１０４を制御し、蒸発温度センサー１４３の検出温度と第２配管温度センサー１４２の検出温度との差に基づいて流量制御弁１４１を制御することで、簡単な制御アルゴリズムで信頼性の高い制御を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明の冷凍サイクル装置は、第１の減圧手段を出た冷媒の経路において、第２の熱交換手段と第１の熱交換手段の間に流量制御弁を持つバイパス経路を設け、第１の減圧手段と流量制御弁を、蒸発温度検知手段の検出温度と、第１の冷媒温度検出手段、および第２の冷媒温度検出手段の検出温度と比較して制御し、インジェクション圧縮機の中間圧吸入口への液戻りを防止するものであって、二酸化炭素冷媒を用いた空気調和機や冷凍装置に対して特に有効なものであるが、ヒートポンプ給湯装置などにも適用できる。また、二酸化炭素以外の冷媒を用いた装置においても効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の構成図
【図２】本発明の実施の形態２における冷凍サイクル装置の構成図
【図３】従来の技術を用いた冷凍サイクル装置の構成図
【符号の説明】
【００３７】
１０１  インジェクション圧縮機
１０２  放熱器
１０３，２０３  分岐部
１０４  第１膨張弁
１０６  第２膨張弁
１０７  吸熱器
１１０  インジェクション回路制御装置
１１２  第１配管温度センサー
１２５  第２熱交換器
１２６，２２６  第１熱交換器
１４１  流量制御弁
１４２  第２配管温度センサー
１４３  蒸発温度センサー
１５１  中間圧吸入口
１５２  低圧吸入口
１５３，２５３  中間圧吸入口側経路
１５４，２５４  低圧吸入口側経路
【図１】
2007051841.tif 000003
【図２】
2007051841.tif 000004
【図３】
2007051841.tif 000005