(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機と熱源側熱交換器と膨張機と利用側熱交換器とを有し、前記圧縮機から吐出される二酸化炭素冷媒が流れる方向が運転モードによって逆転する冷凍サイクル装置において、前記熱源側熱交換器を放熱器として用いる運転モード及び前記利用側熱交換器を放熱器として用いる運転モードのうち、前記放熱器の冷媒出口温度が、より低温となる方の運転モードでは、前記膨張機をバイパスさせて前記二酸化炭素冷媒を循環させる構成としたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項２】
圧縮機と熱源側熱交換器と膨張機と利用側熱交換器とを有し、前記圧縮機から吐出される二酸化炭素冷媒が流れる方向が運転モードによって逆転する冷凍サイクル装置において、前記膨張機の前後の圧力差が他の運転モードのときよりも小さい運転モードでは、前記膨張機をバイパスさせて前記二酸化炭素冷媒を循環させる構成としたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項３】
圧縮機と熱源側熱交換器と膨張機と利用側熱交換器とを有し、前記圧縮機から吐出される二酸化炭素冷媒が流れる方向が運転モードによって逆転する冷凍サイクル装置において、前記利用側熱交換器を放熱器として用いる運転モードでは、前記膨張機をバイパスさせて前記二酸化炭素冷媒を循環させる構成としたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項４】
前記熱源側熱交換器と前記膨張機との間の流路と、前記圧縮機に導入される側の低圧側流路とを熱交換させる内部熱交換器を有することを特徴とする請求項1から請求項３のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
【請求項５】
前記膨張機をバイパスさせるバイパス回路に減圧器を有し、前記減圧器の開度を調整することで前記膨張機に流入する二酸化炭素冷媒量を変更することを特徴とする請求項1から請求項３のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
【請求項６】
前記膨張機の流入側に予膨張弁を設けることを特徴とする請求項1から請求項３のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
【請求項７】
ＣＯＰが最大となるように、前記圧縮機の出口から前記膨張機の入口までの圧力を、前記膨張機をバイパスさせるバイパス回路に備えられた減圧器、かつ／または、前記予膨張弁の開度調節により制御することを特徴とする請求項６に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項８】
前記膨張機の駆動軸と前記圧縮機の駆動軸とを連結することを特徴とする請求項1から請求項３のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
【請求項９】
前記膨張機の駆動軸に発電機の駆動軸を連結することを特徴とする請求項1から請求項３のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１０】
前記発電機によって発生する電力によってペルチェ素子を作動させることを特徴とする請求項９に記載の冷凍サイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷媒として二酸化炭素を使用した冷凍サイクル装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
空調機、カーエアコン、給湯器等には、圧縮機、放熱器、減圧器、蒸発器等を接続してなる冷凍サイクル装置が使われているが、この冷凍サイクル装置内に封入される冷媒としては、フッ素原子を含有する炭化水素類（フロン類）が用いられてきた。
【０００３】
しかし、フロン類は、オゾン層を破壊する性質を有していたり、大気中での寿命が長いために温室効果が大きいので地球温暖化に影響を与えたりと、必ずしも満足な冷媒とはいえない。
【０００４】
そこでフロン類の代わりに、オゾン破壊係数がゼロでありかつ地球温暖化係数もフロン類に比べれば格段に小さい、二酸化炭素（以下、ＣＯ2という）やエタンなどを冷媒として用いる冷凍サイクル装置の可能性が検討され、ＣＯ2冷媒を使用した冷凍サイクル装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
しかしながら、ＣＯ2冷媒は、臨界温度が３１.０６℃と低く、通常の冷凍サイクル装置の高圧側（圧縮機出口〜放熱器〜減圧器入口）ではＣＯ2冷媒の凝縮が生じない超臨界サイクルとなりうる。また、ＣＯ2冷媒は、従来の冷媒に比べて、物質のもつ理論効率が低く、冷凍サイクル装置の運転効率が低下するといった特徴を有する。
【０００６】
このため、内部熱交換器や、膨張機を備えることで、冷凍サイクル装置の運転効率を向上させる方法が提案されている。
【０００７】
さらに、四方弁等を用いて、冷媒の流れ方向を変更し、運転モードが切り替え可能な冷凍サイクル装置、すなわち、利用側熱交換器を蒸発器、熱源側熱交換器を放熱器として作用させる運転モードと、逆に、利用側熱交換器を放熱器、熱源側熱交換器を蒸発器として作用させる運転モードとを有する冷凍サイクル装置（例えば、ヒートポンプ式冷暖房型空調機）などにおいても、内部熱交換器や膨張機を作用させる構成が提案されている（例えば特許文献２参照）。また、膨張機を備えた冷凍サイクル装置において、暖房時と冷房時で冷媒の流れが切り替わっても、膨張機と圧縮機の回転方向を常に同じ方向とする四方弁を設けたものもある（例えば特許文献３参照）。
【０００８】
これらの構成を、図１１を用いて説明する。図１１は、冷凍サイクル装置（例えば、ヒートポンプ式冷暖房型空調機）を示す構成図であり、ＣＯ2冷媒を用い、圧縮機１、四方弁２、４、熱源側熱交換器（例えば、室外熱交換器）３、内部熱交換器５、減圧器６、利用側熱交換器（例えば、室内熱交換器）７を基本構成要素としている。
【０００９】
図中において、四方弁２、４の切り替え方向、および、それに対応した冷媒の流れを、利用側熱交換器７を蒸発器とする運転モード（例えば、冷房運転モード）時を実線で、利用側熱交換器７を放熱器とする運転モード（例えば、暖房運転モード）時を破線で、それぞれ示している。
【００１０】
まず、利用側熱交換器を蒸発器とする運転モード（例えば、冷房運転モード）時の動作について説明する。圧縮機１で圧縮されたＣＯ2冷媒は高温高圧状態となり、四方弁２を経て、熱源側熱交換器（例えば、室外熱交換器）３へ導入される。熱源側熱交換器３では、ＣＯ2冷媒は超臨界状態であるので、気液二相状態とはならずに、空気や水などの外部流体に放熱する。その後、ＣＯ2冷媒は、四方弁４を経て、内部熱交換器５の高圧側流路（図示せず）においてさらに冷却される。さらに、減圧器６では減圧されて、低圧の気液二相状態となり、再び四方弁４を経て、利用側熱交換器（例えば、室内熱交換器）７へ導入される。利用側熱交換器７では、空気や水などの外部流体を冷却する。さらに、再び四方弁２を経て、内部熱交換器５の低圧側流路（図示せず）においてガス状態となり、再び圧縮機１に吸入される。このようなサイクルを繰り返すことにより、利用側熱交換器７で吸熱による冷却作用、例えば、冷房を行う。
【００１１】
次に、利用側熱交換器を放熱器とする運転モード（例えば、暖房運転モード）時の動作について説明する。圧縮機１で圧縮されたＣＯ2冷媒は高温高圧状態となり、四方弁２を経て、利用側熱交換器（例えば、室内熱交換器）７へ導入される。利用側熱交換器７では、ＣＯ2冷媒は超臨界状態や、場合によっては、気液二相状態となり、空気や水などの外部流体を加熱する。その後、ＣＯ2冷媒は、四方弁４を経て、内部熱交換器５の高圧側流路（図示せず）においてさらに冷却される。さらに、減圧器６では減圧されて、低圧の気液二相状態となり、再び四方弁４を経て、熱源側熱交換器（例えば、室外熱交換器）３へ導入される。熱源側熱交換器３では、空気や水などの外部流体から吸熱する。さらに、再び四方弁２を経て、内部熱交換器５の低圧側流路（図示せず）においてガス状態となり、再び圧縮機１に吸入される。このようなサイクルを繰り返すことにより、利用側熱交換器７で放熱による加熱作用、例えば、暖房を行う。
【００１２】
このように、運転モードによって内部熱交換器５と減圧器６とをＣＯ2冷媒が流れる順序が逆転しないように、四方弁４を追加、構成することにより、利用側熱交換器７を蒸発器とする運転モード（例えば、冷房運転モード）、利用側熱交換器７を放熱器とする運転モード（例えば、暖房運転モード）のいずれにおいても、内部熱交換器５の高圧側流路で放熱器を出た冷媒をさらに冷却することで、蒸発器の入口エンタルピを減少させ、蒸発器でのエンタルピ差を拡大させること、また、ＣＯＰが最大となる高圧側圧力も低下することから、ＣＯＰを向上させることができ、冷凍サイクル装置の運転効率を向上させることができる。
【００１３】
また、図１１の減圧器６を膨張機に変更することで、利用側熱交換器７を蒸発器とする運転モード（例えば、冷房運転モード）、利用側熱交換器７を放熱器とする運転モード（例えば、暖房運転モード）のいずれにおいても、膨張機における膨張行程のエンタルピ差に相当する動力が回収されること、また、ＣＯＰが最大となる高圧側圧力も低下することから、ＣＯＰを向上させることができ、冷凍サイクル装置の運転効率を向上させることができる。
【００１４】
【特許文献１】
特公平７−１８６０２号公報
【特許文献２】
特開２００１−１０８３１７号公報
【特許文献３】
特開２００１−６６００６号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、図１１に示したような従来の構成の冷凍サイクル装置の場合には、内部熱交換器や膨張機を流れる冷媒の流れ方向が運転モードにより異なるのを防止するように構成しているために、新たに四方弁４が必要となり、構成も複雑で、コストが高いといった課題がある。
【００１６】
本発明は、上述した課題に対して、ＣＯ2冷媒を使用した空調冷凍装置において、ＣＯ2冷媒の特性を考慮して、高コストの課題を解決し、かつ、運転効率の高い冷凍サイクル装置を提供することを目的とするものである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機と熱源側熱交換器と膨張機と利用側熱交換器とを有し、前記圧縮機から吐出される二酸化炭素冷媒が流れる方向が運転モードによって逆転する冷凍サイクル装置において、前記熱源側熱交換器を放熱器として用いる運転モード及び前記利用側熱交換器を放熱器として用いる運転モードのうち、前記放熱器の冷媒出口温度が、より低温となる方の運転モードでは、前記膨張機をバイパスさせて前記二酸化炭素冷媒を循環させる構成としたことを特徴とする。
請求項２記載の本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機と熱源側熱交換器と膨張機と利用側熱交換器とを有し、前記圧縮機から吐出される二酸化炭素冷媒が流れる方向が運転モードによって逆転する冷凍サイクル装置において、前記膨張機の前後の圧力差が他の運転モードのときよりも小さい運転モードでは、前記膨張機をバイパスさせて前記二酸化炭素冷媒を循環させる構成としたことを特徴とする。
請求項３記載の本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機と熱源側熱交換器と膨張機と利用側熱交換器とを有し、前記圧縮機から吐出される二酸化炭素冷媒が流れる方向が運転モードによって逆転する冷凍サイクル装置において、前記利用側熱交換器を放熱器とする運転モードでは、前記膨張機をバイパスさせて前記二酸化炭素冷媒を循環させる構成としたことを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の冷凍サイクル装置において、前記熱源側熱交換器と前記膨張機との間の流路と、前記圧縮機に導入される側の低圧側流路とを熱交換させる内部熱交換器を有することを特徴とする。
請求項５記載の本発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の冷凍サイクル装置において、前記膨張機をバイパスさせるバイパス回路に減圧器を有し、前記減圧器の開度を調整することで前記膨張機に流入する二酸化炭素冷媒量を変更することを特徴とする。
請求項６記載の本発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の冷凍サイクル装置において、前記膨張機の流入側に予膨張弁を設けることを特徴とする。
請求項７記載の本発明は、請求項６に記載の冷凍サイクル装置において、ＣＯＰが最大となるように、前記圧縮機の出口から前記膨張機の入口までの圧力を、前記膨張機をバイパスさせるバイパス回路に備えられた減圧器、かつ／または、前記予膨張弁の開度調節により制御することを特徴とする。
請求項８記載の本発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の冷凍サイクル装置において、前記膨張機の駆動軸と前記圧縮機の駆動軸とを連結することを特徴とする。
請求項９記載の本発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の冷凍サイクル装置において、前記膨張機の駆動軸に発電機の駆動軸を連結することを特徴とする。
請求項１０記載の本発明は、請求項９に記載の冷凍サイクル装置において、前記発電機によって発生する電力によってペルチェ素子を作動させることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（参考技術）
まず、参考技術について説明する。第１の参考技術の形態は、放熱器の冷媒出口温度が他の運転モードの時よりも高温となる運転モードでは内部熱交換器による熱交換を機能させることでＣＯＰの向上を図り、放熱器の冷媒出口温度が他の運転モードの時よりも低温となる運転モードではＣＯＰの向上効果が小さいことから、内部熱交換器による熱交換を機能させないことで四方弁などを追加しないで冷凍サイクルを実現するものである。
第２の参考技術の形態は、放熱器の冷媒出口温度が他の運転モードの時よりも高温となる運転モードでは、内部熱交換器に放熱器から流出する冷媒と圧縮機に吸入される冷媒を流し、放熱器の冷媒出口温度が他の運転モードの時よりも低温となる運転モードでは、内部熱交換器に蒸発器に流入する冷媒と圧縮機に吸入される冷媒を流すことで、放熱器の冷媒出口温度が他の運転モードの時よりも高温となる運転モードに、内部熱交換器による熱交換を機能させるものである。
第３及び第４の参考技術の形態は、第２の参考技術の形態において、放熱器の冷媒出口温度が他の運転モードの時よりも低温となる運転モードでは内部熱交換器をバイパスさせることで、内部熱交換器による圧力損出を低減することができる。
第５の参考技術の形態は、第一減圧器、内部熱交換器、第二減圧器における二酸化炭素冷媒が流れる順序が運転モードによって逆転する冷凍サイクル装置において、第一減圧器及び第二減圧器のうち、内部熱交換器の高圧側流路の下流側に位置する方の減圧器で減圧させるように構成し、放熱器の冷媒出口温度が他の運転モードの時よりも高温となる運転モードでは内部熱交換器の高圧側流路と低圧側流路のそれぞれの冷媒流れ方向が対向流となるように構成し、放熱器の冷媒出口温度が他の運転モードの時よりも低温となる運転モードでは内部熱交換器の高圧側流路と低圧側流路のそれぞれの冷媒流れ方向が並行流となるように構成したものである。本実施の形態によれば、放熱器の冷媒出口温度が他の運転モードの時よりも低温となる運転モードでは内部熱交換器による効率的な熱交換が行われないが、放熱器の冷媒出口温度が低温の場合には内部熱交換器によるＣＯＰの向上率は小さいために運転効率は実質的にはほとんど低下することがなく、一方で内部熱交換器の高圧側流路の流れを常に同一方向とするための冷媒切り替え手段を設けないためコスト高や圧力損出を生じることがない。
本発明による第１の実施の形態は、放熱器の冷媒出口温度が、より高温となる方の運転モードでは、膨張機を作用させることでＣＯＰの向上を図り、より低温となる方の運転モードでは、ＣＯＰの向上効果が小さいことから、膨張機をバイパスさせて二酸化炭素冷媒を循環させる構成とすることで、四方弁などを追加することなく、高効率な冷凍サイクルを実現するものである。
本発明による第２の実施の形態は、膨張機の前後の圧力差が他の運転モードのときよりも小さい運転モードでは、膨張機をバイパスさせて二酸化炭素冷媒を循環させる構成としたものである。
本発明による第３の実施の形態は、利用側熱交換器を放熱器とする運転モードでは、膨張機をバイパスさせて二酸化炭素冷媒を循環させる構成としたものである。
第１から第３の実施の形態によれば、効率を大きく低下させることなく、新たに四方弁等を追加することによる高コスト化することもなしに高効率な冷凍サイクル装置を実現することができる。
本発明による第４の実施の形態は、第１から第３の実施の形態において、熱源側熱交換器と膨張機との間の流路と、圧縮機に導入される側の低圧側流路とを熱交換させる内部熱交換器を設けることで、ＣＯＰの向上を図ることができる。
本発明による第５の実施の形態は、第１から第３の実施の形態において、膨張機をバイパスさせるバイパス回路に減圧器を有し、減圧器の開度を調整することで膨張機に流入する二酸化炭素冷媒量を変更することで、膨張機の動作圧力を最適に保つように制御することができる。
本発明による第６の実施の形態は、第１から第３の実施の形態において、膨張機の流入側に予膨張弁を設けることで、この予膨張弁によって冷媒密度を変更させ、膨張機を流れる冷媒の流量を変更するように制御することができる。
本発明による第７の実施の形態は、第６の実施の形態において、膨張機をバイパスさせるバイパス回路に備えられた減圧器、かつ／または、予膨張弁の開度調節により、圧縮機の出口から膨張機の入口までの圧力を、ＣＯＰが最大となるように制御できる。
本発明による第8の実施の形態は、第１から第３の実施の形態において、膨張機の駆動軸と圧縮機の駆動軸とを連結することで、膨張機で回収した動力を直接圧縮機の駆動力の一部として利用することができる。
本発明による第９の実施の形態は、第１から第３の実施の形態において、膨張機の駆動軸に発電機の駆動軸を連結することで、膨張機で回収した動力を電力として変換することができる。
本発明による第１０の実施の形態は、第９の実施の形態において、発電機によって発生する電力によってペルチェ素子を作動させることで、冷凍サイクル装置の運転時に、冷却用又は加熱用としてペルチェ素子を利用することができるので蓄電することなく膨張機で回収した電力を利用することができる。
なお、利用側熱交換器を蒸発器として利用する運転モードでは、膨張機で回収した動力で発電し、この発電した電力によってペルチェ素子を作動させ、ペルチェ素子を用いて利用側熱交換器の入口側の冷媒を冷却することで、利用側熱交換器での冷房能力を増加させ、効率的な冷房運転を行うことができる。また、利用側熱交換器を蒸発器として利用する運転モードでは、膨張機で回収した動力で発電し、この発電した電力によってペルチェ素子を作動させ、ペルチェ素子を用いて冷却又は除湿を行うことで、利用側熱交換器での冷房負荷を減じることで効率的な冷房運転を行うことができ、又は利用側熱交換器での冷房能力を低下させることなく除湿機能を付加することができる。
なお、第４の実施の形態において、放熱器の冷媒出口温度が高温となる運転モードで、内部熱交換器の高圧側流路と低圧側流路のそれぞれの冷媒流れ方向が対向流となるように構成したことで、ＣＯＰの向上割合の高い運転状態で、ＣＯＰの向上を効果的に図ることができる。
【００１９】
【実施例】
（参考技術例）
まず、参考技術例について、図面に基づいて説明する。
図１および図２は、ＣＯ2冷媒を用いたヒートポンプ式冷暖房型空調機を、内部熱交換器を作用させる場合と作用させない場合について、冷房運転と暖房運転２つの運転モードで実験し、比較検討した結果から推定した特性図である。
【００２０】
図１は、放熱器出口温度と内部熱交換器を作用させることによるＣＯＰの向上率（内部熱交換器を作用させる場合のＣＯＰが内部熱交換器を作用させない場合のＣＯＰからの向上する率）を示した特性図である。図１では、蒸発温度などの違いによりデータに多少のばらつきがあるものの、内部熱交換器を作用させることによる冷凍サイクルのＣＯＰ向上率（すなわち冷凍サイクル装置の運転効率の向上率）は、放熱器出口温度が比較的高温であれば、内部熱交換器を作用させることによるＣＯＰ向上効果が大きく、放熱器出口温度が比較的低温であれば、内部熱交換器を作用させることによるＣＯＰ向上効果が小さいことが明らかになった。
【００２１】
この理由については、図２に示す放熱器出口温度とＣＯＰが最大となる高圧側圧力の低下量（内部熱交換器を作用させない場合のＣＯＰが最大となる高圧側圧力と内部熱交換器を作用させる場合のＣＯＰが最大となる高圧側圧力の差）の関係から説明できる。すなわち、蒸発温度などの違いによりデータに多少のばらつきがあるものの、内部熱交換器を作用させることにより、ＣＯＰが最大となる高圧側圧力は低下するが、その低下量は、放熱器出口温度が比較的低温となるほど、小さくなるか、あるいは、ほとんどなくなる。この結果、放熱器出口温度が比較的低温となるほど、ＣＯＰの向上割合も小さくなると考えられる。
【００２２】
したがって、ＣＯ2冷媒がもつこの特性に着目し、冷凍サイクル装置の運転モードによって内部熱交換器と減圧器とを冷媒が流れる順序が逆転する冷凍サイクル装置においても、放熱器の冷媒出口温度が比較的高温となる運転モードで、内部熱交換器が作用するように構成し、放熱器の冷媒出口温度が比較的低温となる運転モードで、内部熱交換器を作用させないように構成すれば、従来の構成にくらべて、効率を大きく低下させることなく、新たに四方弁等を追加するなどの高コスト化することなしに、高効率な冷凍サイクル装置を実現することができる。
【００２３】
具体的には、ヒートポンプ式冷暖房型空調機などの冷凍サイクル装置においては、熱源側熱交換器（例えば、室外熱交換器）を放熱器として利用する冷房運転モードでは、放熱器でＣＯ2冷媒と熱交換する外部流体は夏季の外気（約３０〜４０℃）であるのに対し、利用側熱交換器（例えば、室内熱交換器）を放熱器として利用する暖房運転モードでは、放熱器でＣＯ2冷媒と熱交換する外部流体は冬季の室内空気（約２０〜３０℃）であるために、放熱器出口温度は、熱源側熱交換器（例えば、室外熱交換器）を放熱器として利用する冷房運転モードの方が比較的高温となる。したがって、熱源側熱交換器（例えば、室外熱交換器）を放熱器として利用する冷房運転モードで、内部熱交換器が作用するように構成し、利用側熱交換器（例えば、室内熱交換器）を放熱器として利用する暖房運転モードで、内部熱交換器を作用させないように構成すれば、従来の構成にくらべて、効率を大きく低下させることなく、新たに四方弁等を追加するなどの高コスト化することなしに、高効率な冷凍サイクル装置を実現することができる。
【００２４】
次に、このような冷凍サイクル装置の具体的な構成について図３を用いて説明する。図３は、本発明の一参考技術例における冷凍サイクル装置（例えば、ヒートポンプ式冷暖房型空調機）を示す構成図であり、ＣＯ2冷媒を用い、圧縮機１、四方弁２、熱源側熱交換器（例えば、室外熱交換器）３、内部熱交換器５、減圧器６、利用側熱交換器（例えば、室内熱交換器）７を基本構成要素としている。
【００２５】
図中において、四方弁２の切り替え方向、および、それに対応した冷媒の流れを、利用側熱交換器７を蒸発器とする運転モード（例えば、冷房運転モード）時には実線で、利用側熱交換器７を放熱器とする運転モード（例えば、暖房運転モード）時には破線で、それぞれ示している。
【００２６】
まず、利用側熱交換器７を蒸発器とする運転モード（例えば、冷房運転モード）時の動作について説明する。圧縮機１で圧縮されたＣＯ2冷媒は高温高圧状態となり、四方弁２を経て、熱源側熱交換器（例えば、室外熱交換器）３へ導入される。熱源側熱交換器３では、ＣＯ2冷媒は超臨界状態であるので、気液二相状態とはならずに、空気や水などの外部流体に放熱する。その後、ＣＯ2冷媒は、内部熱交換器５の高圧側流路（図示せず）においてさらに冷却される。さらに、減圧器６で減圧されて、低圧の気液二相状態となり、利用側熱交換器（例えば、室内熱交換器）７へ導入される。利用側熱交換器７では、空気や水などの外部流体を冷却する。さらに、再び四方弁２を経て、内部熱交換器５の低圧側流路（図示せず）においてガス状態となり、再び圧縮機１に吸入される。このようなサイクルを繰り返すことにより、利用側熱交換器７で吸熱による冷却作用、例えば、冷房を行う。
【００２７】
このように、利用側熱交換器７を蒸発器とする運転モード（例えば、冷房運転モード）では、従来の構成と同様に、内部熱交換器５の高圧側流路で放熱器を出た冷媒をさらに冷却することで、蒸発器の入口エンタルピを減少させ、蒸発器でのエンタルピ差を拡大させること、また、ＣＯＰが最大となる高圧側圧力も低下することから、ＣＯＰを向上させることができ、冷凍サイクル装置の運転効率を向上させることができる。
【００２８】
次に、利用側熱交換器７を放熱器とする運転モード（例えば、暖房運転モード）時の動作について説明する。圧縮機１で圧縮されたＣＯ2冷媒は高温高圧状態となり、四方弁２を経て、利用側熱交換器（例えば、室内熱交換器）７へ導入される。利用側熱交換器７では、ＣＯ2冷媒は超臨界状態や、場合によっては、気液二相状態となり、空気や水などの外部流体を加熱する。その後、ＣＯ2冷媒は、減圧器６で減圧されて、低圧の気液二相状態となり、内部熱交換器５の高圧側流路（図示せず）を経て、熱源側熱交換器（例えば、室外熱交換器）３へ導入される。熱源側熱交換器３では、空気や水などの外部流体から吸熱する。さらに、再び四方弁２、内部熱交換器５の低圧側流路（図示せず）を経て、再び圧縮機１に吸入される。このようなサイクルを繰り返すことにより、利用側熱交換器７で放熱による加熱作用、例えば、暖房を行う。
【００２９】
このように、利用側熱交換器７を放熱器とする運転モード（例えば、暖房運転モード）では、内部熱交換器５の高圧側流路を流れる冷媒と内部熱交換器５の低圧側流路を流れる冷媒はともに、減圧器６で減圧された、低圧の気液二相状態の冷媒であり、実質的に温度差はほとんど生じないので、内部熱交換器５において熱交換が行われることはない。しかしながら、上述のように利用側熱交換器７を放熱器とする運転モード（例えば、暖房運転モード）では、放熱器出口温度が低いために、内部熱交換器５を作用させることによるＣＯＰの向上率（すなわち冷凍サイクル装置の運転効率の向上率）は、もともと小さいために、内部熱交換器５を作用させなくても、冷凍サイクル装置の運転効率は実質的にはほとんど低下しないものである。
【００３０】
したがって、従来の構成のように内部熱交換器と減圧器とをＣＯ2冷媒が流れる順序が冷凍サイクル装置の運転モードにより異なるのを防止するために新たに四方弁等を追加して、高コスト化することなしに、高効率な冷凍サイクル装置を実現することができる。
【００３１】
なお、本参考技術例で示したヒートポンプ式冷暖房型空調機以外の場合、例えば、冷暖房型カーエアコンや給湯機能付きヒートポンプ空調機などの冷凍サイクル装置についても、放熱器出口温度に着目すれば同様の特性となることは、明らかである。
【００３２】
図４は、他の参考技術例における冷凍サイクル装置（例えば、ヒートポンプ式冷暖房型空調機）を示す構成図であり、図４においては、図３と同じ構成要素については同一の符号を付し、説明を省略する。図４の冷凍サイクルでは、内部熱交換器５の高圧側流路（図示せず）をバイパスするバイパス流路３１、およびバイパス流路に設けられた逆止弁３２とをさらに有している。
【００３３】
利用側熱交換器７を蒸発器とする運転モード（例えば、冷房運転モード）時の動作は、熱源側熱交換器（例えば、室外熱交換器）３を流出した冷媒が、バイパス流路３１に設けられた逆止弁３２の作用によりバイパス流路３１には冷媒が流れず、内部熱交換器５の高圧側流路を流れるために、図３に示す利用側熱交換器７を蒸発器とする運転モード（例えば、冷房運転モード）時の動作と同様となるため、動作の説明を省略する。
【００３４】
利用側熱交換器７を蒸発器とする運転モード（例えば、冷房運転モード）では、従来の構成と同様に、内部熱交換器５の高圧側流路で放熱器を出た冷媒をさらに冷却することで、蒸発器の入口エンタルピを減少させ、蒸発器でのエンタルピ差を拡大させること、また、ＣＯＰが最大となる高圧側圧力も低下することから、ＣＯＰを向上させることができ、冷凍サイクル装置の運転効率を向上させることができる。
【００３５】
次に、利用側熱交換器７を放熱器とする運転モード（例えば、暖房運転モード）時の動作について説明する。圧縮機１で圧縮されたＣＯ2冷媒は高温高圧状態となり、四方弁２を経て、利用側熱交換器（例えば、室内熱交換器）７へ導入される。利用側熱交換器７では、ＣＯ2冷媒は超臨界状態や、場合によっては、気液二相状態となり、空気や水などの外部流体を加熱する。さらに、ＣＯ2冷媒は、減圧器６で減圧されて、低圧の気液二相状態となる。その後、ＣＯ2冷媒は、流路抵抗の大きい内部熱交換器５の高圧側流路（図示せず）にはほとんど流入せず、流路抵抗の小さいバイパス流路３１（および、逆止弁３２）を経て、熱源側熱交換器（例えば、室外熱交換器）３へ導入される。熱源側熱交換器３では、空気や水などの外部流体から吸熱する。さらに、再び四方弁２、内部熱交換器５の低圧側流路（図示せず）を経て、再び圧縮機１に吸入される。このようなサイクルを繰り返すことにより、利用側熱交換器７で放熱による加熱作用、例えば、暖房を行う。
【００３６】
このように、利用側熱交換器７を放熱器とする運転モード（例えば、暖房運転モード）では、内部熱交換器５の高圧側流路を流れる冷媒をバイパスさせるために、内部熱交換器５において熱交換が行われることはない。しかしながら、図３に示す参考技術例で述べたように利用側熱交換器７を放熱器とする運転モード（例えば、暖房運転モード）では、放熱器出口温度が低いために、内部熱交換器５を作用させることによるＣＯＰの向上率（すなわち冷凍サイクル装置の運転効率の向上率）は、もともと小さいために、内部熱交換器５を作用させなくても、冷凍サイクル装置の運転効率は実質的にはほとんど低下しないものである。さらに、本参考技術例では、内部熱交換器５の高圧側流路をバイパスさせることにより、減圧器６〜熱源側熱交換器３の間の圧力損失を低減できるため冷凍サイクルのＣＯＰ（すなわち冷凍サイクル装置の運転効率）が向上するものである。
【００３７】
したがって、従来の構成のように内部熱交換器と減圧器とをＣＯ2冷媒が流れる順序が冷凍サイクル装置の運転モードにより異なるのを防止するために新たに四方弁等を追加して高コスト化することなしに、高効率な冷凍サイクル装置を実現することができる。
【００３８】
なお、別の逆止弁を熱源側熱交換器３と減圧器６の間に設け、利用側熱交換器７を放熱器とする運転モード（例えば、暖房運転モード）において、内部熱交換器５の高圧側流路を冷媒が流れるのを完全に防止するようにしてもよい。
【００３９】
さらに、逆止弁３２の代わりに電磁弁等を用いてもよい。この場合には、利用側熱交換器７を蒸発器とする運転モード（例えば、冷房運転モード）においても、電磁弁の開度を調整することで、内部熱交換器５の高圧側流路に流入するＣＯ2冷媒の量を調整できるために、例えば、圧縮機１の吐出温度や吸入過熱度に応じて、内部熱交換器５で熱交換する熱交換量を調整できるといった副次的なメリットも有する。
【００４０】
図５は、更に他の参考技術例における冷凍サイクル装置（例えば、ヒートポンプ式冷暖房型空調機）を示す構成図であり、図５においては、図３と同じ構成要素については同一の符号を付し、説明を省略する。図５の冷凍サイクルでは、内部熱交換器５の低圧側流路（図示せず）をバイパスするバイパス流路４１、およびバイパス流路４１に設けられた電磁弁４２とをさらに有している。なお本参考技術例は、図３に示す参考技術例にバイパス流路４１と電磁弁４２とを追加した場合を示しているが、図４に示す参考技術例にバイパス流路４１と電磁弁４２とを追加してもよい。
【００４１】
利用側熱交換器７を蒸発器とする運転モード（例えば、冷房運転モード）時の動作は、バイパス流路４１に設けられた電磁弁４２を全閉とすることで、冷媒は、利用側熱交換器（例えば、室内熱交換器）７から四方弁２を介して流出し、その後、バイパス流路４１には流れず、内部熱交換器５の低圧側流路を流れるために、図３に示す利用側熱交換器７を蒸発器とする運転モード（例えば、冷房運転モード）時の動作と同様となるため、動作の説明を省略する。
【００４２】
利用側熱交換器７を蒸発器とする運転モード（例えば、冷房運転モード）では、従来の構成と同様に、内部熱交換器５の高圧側流路で放熱器を出た冷媒をさらに冷却することで、蒸発器の入口エンタルピを減少させ、蒸発器でのエンタルピ差を拡大させること、また、ＣＯＰが最大となる高圧側圧力も低下することから、ＣＯＰを向上させることができ、冷凍サイクル装置の運転効率を向上させることができる。
【００４３】
次に、利用側熱交換器７を放熱器とする運転モード（例えば、暖房運転モード）時の動作について説明する。圧縮機１で圧縮されたＣＯ2冷媒は高温高圧状態となり、四方弁２を経て、利用側熱交換器（例えば、室内熱交換器）７へ導入される。利用側熱交換器７では、ＣＯ2冷媒は超臨界状態や、場合によっては、気液二相状態となり、空気や水などの外部流体を加熱する。その後、ＣＯ2冷媒は、減圧器６で減圧されて、低圧の気液二相状態となり、内部熱交換器５の高圧側流路（図示せず）を経て、熱源側熱交換器（例えば、室外熱交換器）３へ導入される。熱源側熱交換器３では、空気や水などの外部流体から吸熱する。さらに、再び四方弁２を経たＣＯ2冷媒は、電磁弁４２の開度を全開とすることで、流路抵抗の大きい内部熱交換器５の低圧側流路（図示せず）にはほとんど流入せず、流路抵抗の小さいバイパス流路４１を経て、再び圧縮機１に吸入される。このようなサイクルを繰り返すことにより、利用側熱交換器７で放熱による加熱作用、例えば、暖房を行う。
【００４４】
このように、利用側熱交換器７を放熱器とする運転モード（例えば、暖房運転モード）では、内部熱交換器５の低圧側流路を流れる冷媒をバイパスさせるために、内部熱交換器５において熱交換が行われることはない。しかしながら、図３に示す参考技術例で述べたように利用側熱交換器７を放熱器とする運転モード（例えば、暖房運転モード）では、放熱器出口温度が低いために、内部熱交換器５を作用させることによるＣＯＰの向上率（すなわち冷凍サイクル装置の運転効率の向上率）は、もともと小さいために、内部熱交換器５を作用させなくても、冷凍サイクル装置の運転効率は実質的にはほとんど低下しないものである。さらに、本実施の形態では、内部熱交換器５の低圧側流路をバイパスさせることにより、四方弁２から圧縮機１の間の圧力損失を低減できるため冷凍サイクルのＣＯＰ（すなわち冷凍サイクル装置の運転効率）が向上するものである。
【００４５】
したがって、従来の構成のように内部熱交換器と減圧器とをＣＯ2冷媒が流れる順序が冷凍サイクル装置の運転モードにより異なるのを防止するために新たに四方弁等を追加して高コスト化することなしに、高効率な冷凍サイクル装置を実現することができる。
【００４６】
なお、本参考技術例の場合には、利用側熱交換器７を蒸発器とする運転モード（例えば、冷房運転モード）においても、電磁弁４２の開度を調整することで、内部熱交換器５の低圧側流路に流入するＣＯ2冷媒の流量を調整できるために、例えば、圧縮機１の吐出温度や吸入過熱度に応じて、内部熱交換器５で熱交換する熱交換量を調整できるといった副次的なメリットも有する。
【００４７】
なお、別の電磁弁を四方弁２と内部熱交換器５の低圧側流路の間や、圧縮機１と内部熱交換器５の低圧側流路の間に設け、利用側熱交換器７を放熱器とする運転モード（例えば、暖房運転モード）において、内部熱交換器５の低圧側流路を冷媒が流れるのを完全に防止するようにしてもよい。
【００４８】
図６は、他の参考技術例における冷凍サイクル装置（例えば、ヒートポンプ式冷暖房型空調機）を示す構成図であり、図６においては、図３と同じ構成要素については同一の符号を付し、説明を省略する。図６の冷凍サイクルでは、内部熱交換器５の高圧側流路（図示せず）と利用側熱交換器７の間に、利用側熱交換器７を蒸発器とする運転モード（例えば、冷房運転モード）用の減圧器として作用する第一減圧器５１を有しており、内部熱交換器５の高圧側流路（図示せず）と熱源側熱交換器３の間に、利用側熱交換器７を放熱器とする運転モード（例えば、暖房運転モード）用の減圧器として作用する第二減圧器５２をさらに有している。また、内部熱交換器５の高圧側流路と低圧側流路のそれぞれの冷媒流れ方向は、利用側熱交換器７を蒸発器とする運転モード（例えば、冷房運転モード）で、対向流となるように構成されている。なお本参考技術例は、図３に示す参考技術例において減圧器６に代えて第一減圧器５１を設け、また第二減圧器５２を追加した場合を示しているが、図４又は図５に示す参考技術例において減圧器６に代えて第一減圧器５１を設け、また第二減圧器５２を追加してもよい。
【００４９】
利用側熱交換器７を蒸発器とする運転モード（例えば、冷房運転モード）時の動作は、第二減圧器５２の開度を全開とし、第一減圧器５１を図３に示す減圧器６と同様に作用させることで、図３に示す利用側熱交換器７を蒸発器とする運転モード（例えば、冷房運転モード）時の動作と同様となるため、動作の説明を省略する。
【００５０】
利用側熱交換器７を蒸発器とする運転モード（例えば、冷房運転モード）では、従来の構成と同様に、内部熱交換器５の高圧側流路で放熱器を出た冷媒をさらに冷却することで、蒸発器の入口エンタルピを減少させ、蒸発器でのエンタルピ差を拡大させること、また、ＣＯＰが最大となる高圧側圧力も低下することから、ＣＯＰを向上させることができ、冷凍サイクル装置の運転効率を向上させることができる。
【００５１】
さらに、内部熱交換器５の高圧側流路と低圧側流路のそれぞれの冷媒流れ方向は、利用側熱交換器７を蒸発器とする運転モード（例えば、冷房運転モード）で、対向流となるように構成されているために、内部熱交換器５における高圧側流路と低圧側流路のそれぞれを流れる冷媒の平均温度差が拡大し、効率的な熱交換が行われる。
【００５２】
次に、利用側熱交換器７を放熱器とする運転モード（例えば、暖房運転モード）時の動作について説明する。圧縮機１で圧縮されたＣＯ2冷媒は高温高圧状態となり、四方弁２を経て、利用側熱交換器（例えば、室内熱交換器）７へ導入される。利用側熱交換器７では、ＣＯ2冷媒は超臨界状態や、場合によっては、気液二相状態となり、空気や水などの外部流体を加熱する。その後、ＣＯ2冷媒は、第一減圧器５１で減圧されて、あるいは、第一減圧器５１の開度を全開とすることで減圧されずに、内部熱交換器５の高圧側流路（図示せず）を経て、第二減圧器５２でさらに減圧されて、低圧の気液二相状態となり、熱源側熱交換器（例えば、室外熱交換器）３へ導入される。熱源側熱交換器３では、空気や水などの外部流体から吸熱する。さらに、再び四方弁２、内部熱交換器５の低圧側流路（図示せず）を経て、再び圧縮機１に吸入される。このようなサイクルを繰り返すことにより、利用側熱交換器７で放熱による加熱作用、例えば、暖房を行う。
【００５３】
第一減圧器５１で減圧される場合には、内部熱交換器５の高圧側流路を流れる冷媒と内部熱交換器５の低圧側流路を流れる冷媒はともに、第一減圧器５１で減圧された、低圧の気液二相状態の冷媒であり、実質的に温度差はほとんど生じないので、内部熱交換器５において熱交換が行われることはない。
【００５４】
あるいは、第一減圧器５１の開度を全開とした場合には、第一減圧器５１で減圧されないために、内部熱交換器５の高圧側流路を流れる冷媒と内部熱交換器５の低圧側流路を流れる冷媒に温度差が生じ、熱交換が行われる場合においても、内部熱交換器５の高圧側流路と低圧側流路のそれぞれの冷媒流れ方向は、利用側熱交換器７を蒸発器とする運転モード（例えば、冷房運転モード）で、対向流となるように構成されているために、利用側熱交換器７を放熱器とする運転モード（例えば、暖房運転モード）では、並行流となり、内部熱交換器５において、効率的な熱交換が行われることはない。
【００５５】
しかしながら、図３に示す参考技術例で述べたように利用側熱交換器７を放熱器とする運転モード（例えば、暖房運転モード）では、放熱器出口温度が低いために、内部熱交換器５を作用させることによるＣＯＰの向上率（すなわち冷凍サイクル装置の運転効率の向上率）は、もともと小さいために、内部熱交換器５を作用させなくても、冷凍サイクル装置の運転効率は実質的にはほとんど低下しないものである。
【００５６】
したがって、従来の構成のように内部熱交換器と減圧器とをＣＯ2冷媒が流れ
る順序が冷凍サイクル装置の運転モードにより異なるのを防止するために新たに四方弁等を追加して高コスト化することなしに、高効率な冷凍サイクル装置を実現することができる。
【００５７】
なお、本参考技術の形態では、第一減圧器５１、第二減圧器５２はともに減圧量を任意に調整できる膨張弁タイプの減圧器として説明したが、少なくとも、第一減圧器５１は減圧量を任意に調整できないキャピラリーチューブのような減圧器であってもよい。
【００５８】
次に、本発明の実施例について説明する。まず、ＣＯ2冷媒を用い、膨張機を備えた冷凍サイクル装置の特性について述べる。膨張機は、膨張機の前後の圧力差が大きい方が回収できる動力の絶対量が大きくなるといった特性を有する。また、ヒートポンプ式冷暖房型空調機などの冷凍サイクル装置においては、熱源側熱交換器（例えば、室外熱交換器）を放熱器として利用する冷房運転モードでは、放熱器でＣＯ2冷媒と熱交換する外部流体は夏季の外気（約３０〜４０℃）であるのに対し、利用側熱交換器（例えば、室内熱交換器）を放熱器として利用する暖房運転モードでは、放熱器でＣＯ2冷媒と熱交換する外部流体は冬季の室内空気（約２０〜３０℃）であるために、放熱器出口温度は、熱源側熱交換器（例えば、室外熱交換器）を放熱器として利用する冷房運転モードの方が比較的高温となる。
【００５９】
したがって、放熱器出口温度が高温になるとともに、ＣＯＰが最大となる高圧側圧力が高圧となるＣＯ2冷媒の特徴を鑑みれば、熱源側熱交換器（例えば、室外熱交換器）を放熱器として利用する冷房運転モードでは、膨張機の前後の差圧が比較的大きいのに対し、利用側熱交換器（例えば、室内熱交換器）を放熱器として利用する暖房運転モードでは、膨張機の前後の差圧が比較的小さくなる。
【００６０】
次に、利用側熱交換器を蒸発器とする運転モードの方が、利用側熱交換器を放熱器とする運転モードよりも膨張機による効率向上の効果が大きいことを、図７に示す特性図（圧力−エンタルピ線図）を用いて説明する。
【００６１】
図７では、膨張機を用いない場合を実線で、膨張機を用いる場合を破線で示している。なお、図中の番号のポイントは、１が圧縮機入口、２、２’が放熱器入口、３、３’が減圧器、または、膨張機入口、４、４’が蒸発器入口、それぞれの圧力とエンタルピの状態を表している。
【００６２】
膨張機を用いない場合の冷房運転時のＣＯＰは、（ｈ１−ｈ４）／（ｈ２−ｈ１）であり、膨張機を用いない場合の暖房運転時のＣＯＰは、（ｈ２−ｈ３）／（ｈ２−ｈ１）である。
【００６３】
一方、膨張機を用いる場合の冷房運転時のＣＯＰは、（ｈ１−ｈ４’）／（（ｈ２’−ｈ１）−（ｈ３’−ｈ４‘））であり、膨張機を用いる場合の暖房運転時のＣＯＰは、（ｈ２’−ｈ３’）／（（ｈ２’−ｈ１）−（ｈ３’−ｈ４‘））である。
【００６４】
このことにより、利用側熱交換器を蒸発器とする運転モード、すなわち冷房運転モードでは、４から４’が冷房能力の増加をもたらすので、膨張機による効率向上効果が大きい。また利用側熱交換器を放熱器とする運転モード、すなわち暖房運転モードでは、３から３’が暖房能力の減少をもたらすので、膨張機による効率向上効果が小さい。
【００６５】
つまり、ＣＯ2冷媒がもつこれらの特性に着目し、冷凍サイクル装置の運転モ
ードによって膨張機を冷媒が流れる順序が逆転する冷凍サイクル装置においても、放熱器の冷媒出口温度が比較的高温となる運転モードで、膨張機が作用するように構成し、放熱器の冷媒出口温度が比較的低温となる運転モードで、膨張機を作用させないように構成すれば、従来の構成にくらべて、効率を大きく低下させることなく、新たに四方弁等を追加するなどの高コスト化することなしに、高効率な冷凍サイクル装置を実現することができる。
【００６６】
具体的には、ヒートポンプ式冷暖房型空調機などの冷凍サイクル装置においては、熱源側熱交換器（例えば、室外熱交換器）を放熱器として利用する冷房運転モードで、膨張機が作用するように構成し、利用側熱交換器（例えば、室内熱交換器）を放熱器として利用する暖房運転モードで、膨張機を作用させないように構成すれば、従来の構成にくらべて、効率を大きく低下させることなく、新たに四方弁等を追加するなどの高コスト化することなしに、高効率な冷凍サイクル装置を実現することができる。
【００６７】
次に、このような冷凍サイクル装置の具体的な構成について図８を用いて説明する。図８は、本発明の他の実施例における冷凍サイクル装置（例えば、ヒートポンプ式冷暖房型空調機）を示す構成図であり、図８においては、図３と同じ構成要素については同一の符号を付し、説明を省略する。図８の冷凍サイクルでは、内部熱交換器５の高圧側流路（図示せず）と利用側熱交換器７の間に、利用側熱交換器７を蒸発器とする運転モード（例えば、冷房運転モード）用の減圧器として作用する膨張機６１と膨張機６１の出口側に設けた逆止弁６２を有しており、内部熱交換器５の高圧側流路（図示せず）と利用側熱交換器７の間に、膨張機６１をバイパスするバイパス流路６３と、利用側熱交換器７を放熱器とする運転モード（例えば、暖房運転モード）用の減圧器として作用する減圧器６４をさらに有している。
【００６８】
なお本実施例は、図３に示す参考技術例において減圧器６に代えて膨張機６１と減圧器６４とを並列に設けた場合を示しているが、図４又は図５に示す参考技術例において減圧器６に代えて膨張機６１と減圧器６４とを並列に設けてもよい。また図６に示す参考技術例において第一減圧器５１に代えて膨張機６１と減圧器６４とを並列に設けてもよい。
【００６９】
図中において、四方弁２の切り替え方向、および、それに対応した冷媒の流れを、利用側熱交換器７を蒸発器とする運転モード（例えば、冷房運転モード）時には実線で、利用側熱交換器７を放熱器とする運転モード（例えば、暖房運転モード）時には破線で、それぞれ示している。
【００７０】
まず、利用側熱交換器７を蒸発器とする運転モード（例えば、冷房運転モード）時の動作について説明する。圧縮機１で圧縮されたＣＯ2冷媒は高温高圧状態となり、四方弁２を経て、熱源側熱交換器（例えば、室外熱交換器）３へ導入される。熱源側熱交換器３では、ＣＯ2冷媒は超臨界状態であるので、気液二相状態とはならずに、空気や水などの外部流体に放熱する。その後、ＣＯ2冷媒は、内部熱交換器５の高圧側流路（図示せず）においてさらに冷却される。その後、ＣＯ2冷媒は、減圧器６４の開度を全閉とすることにより、バイパス流路６３には流れず、膨張機６１に流入する。膨張機６１では、ＣＯ2冷媒が膨張する際の回転動力を、圧縮機１の回転軸と連結したシャフトを介して、伝達することにより動力が回収される。さらに、膨張機６１により減圧されて、低圧の気液二相状態となり、逆止弁６２を介して、利用側熱交換器（例えば、室内熱交換器）７へ導入される。利用側熱交換器７では、空気や水などの外部流体を冷却する。さらに、再び四方弁２を経て、内部熱交換器５の低圧側流路（図示せず）においてガス状態となり、再び圧縮機１に吸入される。このようなサイクルを繰り返すことにより、利用側熱交換器７で吸熱による冷却作用、例えば、外部流体が空気の場合には冷房を行う。
【００７１】
このように、利用側熱交換器７を蒸発器とする運転モード（例えば、冷房運転モード）では、従来の構成と同様に、膨張機６１を作用させることで、膨張機６１における膨張行程のエンタルピ差に相当する動力が回収されること、また、ＣＯＰが最大となる高圧側圧力も低下することから、ＣＯＰを向上させることができ、冷凍サイクル装置の運転効率を向上させることができる。
【００７２】
次に、利用側熱交換器７を放熱器とする運転モード（例えば、暖房運転モード）時の動作について説明する。圧縮機１で圧縮されたＣＯ2冷媒は高温高圧状態となり、四方弁２を経て、利用側熱交換器（例えば、室内熱交換器）７へ導入される。利用側熱交換器７では、ＣＯ2冷媒は超臨界状態や、場合によっては、気液二相状態となり、空気や水などの外部流体を加熱する。その後、ＣＯ2冷媒は、逆止弁６２により膨張機６１には流れず、バイパス流路６３に流入し、減圧器６４で減圧されて、低圧の気液二相状態となり、内部熱交換器５の高圧側流路（図示せず）を経て、熱源側熱交換器（例えば、室外熱交換器）３へ導入される。熱源側熱交換器３では、空気や水などの外部流体から吸熱する。さらに、再び四方弁２、内部熱交換器５の低圧側流路（図示せず）を経て、再び圧縮機１に吸入される。このようなサイクルを繰り返すことにより、利用側熱交換器７で放熱による加熱作用、例えば、暖房を行う。
【００７３】
このように、利用側熱交換器７を放熱器とする運転モード（例えば、暖房運転モード）では、膨張機６１をバイパスさせるので、膨張機６１において動力回収が行われることはない。しかしながら、上述のように利用側熱交換器７を放熱器とする運転モード（例えば、暖房運転モード）では、先に述べたＣＯ2冷媒のもつ特性により、膨張機６１を作用させることによるＣＯＰの向上率（すなわち冷凍サイクル装置の運転効率の向上率）は、もともと小さいために、膨張機６１を作用させなくても、冷凍サイクル装置の運転効率は実質的にはほとんど低下しないものである。
【００７４】
したがって、従来の構成のように膨張機６１をＣＯ2冷媒が流れる順序が冷凍サイクル装置の運転モードにより異なるのを防止するために新たに四方弁等を追加して、高コスト化することなしに、高効率な冷凍サイクル装置を実現することができる。
【００７５】
なお、本実施の形態で示したヒートポンプ式冷暖房型空調機以外の場合、例えば、冷暖房型カーエアコンや給湯機能付きヒートポンプ空調機などの冷凍サイクル装置についても、放熱器出口温度に着目すれば同様の特性となることは、明らかである。
【００７６】
さらに、放熱器出口温度と膨張機の前後の圧力差に相関関係のない冷凍サイクル装置の場合であっても、膨張機の前後の圧力差に着目して、膨張機の前後の圧力差が比較的大きくなる運転モードでは、膨張機を作動させ、膨張機の前後の圧力差が比較的小さくなる運転モードでは、膨張機をバイパスさせる構成とすれば、同様の効果が得られる。あるいは、利用側熱交換器７を蒸発器として利用する運転モードでは、膨張機を作動させ、利用側熱交換器７を放熱器として利用する運転モードでは、膨張機をバイパスさせる構成とすれば、同様の効果が得られる。
【００７７】
なお、本実施の形態において、内部熱交換器５は無くてもよい。また、逆止弁６２は、膨張機６１を構成する吐出バルブ等で代用するようにしてもよい。
【００７８】
さらに、利用側熱交換器７を蒸発器とする運転モード（例えば、冷房運転モード）においても、減圧器６４の開度を調整することで、膨張機６１に流入するＣＯ2冷媒の量を調整できるために、例えば、圧縮機１の吐出温度や吸入過熱度に応じて、膨張機６１で回収する動力を調整できるといった副次的なメリットも有する。また、膨張機６１に流入する体積流量が設計流量（最適流量）より多いときには、膨張機６１の動作圧力を最適に保つために、冷房時にも減圧器６４を開いて膨張機６１に流入する流量を減少させてもよい。
【００７９】
以上のように、放熱器の出口温度が高い運転モードか、膨張機６１の前後での圧力差が大きい運転モードか、又は利用側熱交換器７を蒸発器として利用する運転モード（冷房運転モード）の時に膨張機６１を利用することで、従来の構成のように膨張機６１をＣＯ2冷媒が流れる順序が冷凍サイクル装置の運転モードにより異なるのを防止するために新たに四方弁等を追加して、高コスト化することなしに、高効率な冷凍サイクル装置を実現することができる。
【００８０】
図９は、本発明の更に他の実施例における冷凍サイクル装置（例えば、ヒートポンプ式冷暖房型空調機）を示す構成図であり、図８に示す実施例に、予膨張弁６５を追加した場合を示している。
【００８１】
利用側熱交換器７を放熱器として利用する暖房運転モード時には、減圧器６４を開いてバイパス流路６３に冷媒を流す。
【００８２】
利用側熱交換器７を蒸発器として利用する冷房運転モード時には、放熱器となる熱源側熱交換器３の出口側の冷媒温度と冷媒圧力を検出し、演算器６７によって検出した冷媒温度に応じた冷媒圧力となるように演算処理を行い、この演算器６７からの信号によって制御器６６で減圧器６４と予膨張弁６５との弁開度を調整する。
【００８３】
例えば、検出圧力のＣＯＰが最大となる予め定められた最適圧力よりも高い場合には、減圧器６４の開度を大きくして膨張機６１に流入する冷媒流量を減少させる。また、検出圧力が最適圧力よりも低い場合には、予膨張弁６５の開度を小さくして冷媒密度を低下させ、膨張機６１に流入する冷媒流量を増加させる。
【００８４】
以上のように、減圧器６４と予膨張弁６５との弁開度を調整することで、ＣＯＰが最大となる最適な高圧側圧力を維持することができる。
【００８５】
図１０は、本発明の更に他の実施例を示す要部構成図であり、膨張機６１の駆動軸に発電機６８の駆動軸を連結することで、膨張機６１で回収した動力を電力として変換するものである。なお、図１０では、予膨張弁６５を示していないが図９に示すような予膨張弁６５、制御器６６、演算器６７を備えたものであってもよい。
【００８６】
また、図に示すように、発電機６８によって発生する電力によってペルチェ素子６９を作動させることができる。このように、発電機６８によってペルチェ素子６９を作動させることで、冷凍サイクル装置の運転時に、冷却用又は除湿用としてペルチェ素子６９を利用することができ、蓄電することなく膨張機６１で回収した電力を利用することができる。
【００８７】
例えば、ペルチェ素子６９を用いて利用側熱交換器７の入口側の冷媒を冷却することによって、利用側熱交換器７での冷房能力を増加させ、効率的な冷房運転を行うことができる。
【００８８】
また、ペルチェ素子６９を用いて、室内の冷却又は除湿を行うことによって、利用側熱交換器７での冷房負荷を減じることで効率的な冷房運転を行うことができ、又は利用側熱交換器７での冷房能力を低下させることなく除湿機能を付加することができる。
【００８９】
【発明の効果】
（参考技術の効果）
以上述べたところから明らかなように、参考技術によれば、冷凍サイクル装置の運転モードによって内部熱交換器と減圧器とを冷媒が流れる順序が逆転する冷凍サイクル装置においても、放熱器の冷媒出口温度が比較的高温となる運転モードで、内部熱交換器が作用するように構成し、放熱器の冷媒出口温度が比較的低温となる運転モードで、内部熱交換器を作用させないように構成すれば、高コスト化することなしに、高効率な冷凍サイクル装置を実現することができる。さらに、内部熱交換器をバイパスさせることにより、圧力損失を低減できるため高効率な冷凍サイクル装置を実現することができる。
（本発明の効果）
本発明によれば、冷凍サイクル装置の運転モードによって膨張機を冷媒が流れる順序が逆転する冷凍サイクル装置において、放熱器の冷媒出口温度が比較的高温となる運転モード、または、膨張機の前後の圧力差が比較的大きくなる運転モード、または利用側熱交換器を蒸発器として利用する運転モードにおいて膨張機が作用するように構成し、放熱器の冷媒出口温度が比較的低温となる運転モード、または、膨張機の前後の圧力差が比較的小さくなる運転モード、または利用側熱交換器を放熱器として利用する運転モードにおいて膨張機を作用させないように構成すれば、高コスト化することなしに、高効率な冷凍サイクル装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  放熱器出口温度と内部熱交換器を作用させることによるＣＯＰの向上率の特性を示すグラフ
【図２】  放熱器出口温度とＣＯＰが最大となる高圧側圧力の低下量の特性を示すグラフ
【図３】  参考技術の一例における冷凍サイクル装置を示す構成図
【図４】  参考技術の他の例における冷凍サイクル装置を示す構成図
【図５】  参考技術の更に他の例における冷凍サイクル装置を示す構成図
【図６】  参考技術の更に他の例における冷凍サイクル装置を示す構成図
【図７】  膨張機を用いない場合を実線で、膨張機を用いる場合を破線で示した特性図
【図８】  本発明の実施例における冷凍サイクル装置を示す構成図
【図９】  本発明の他の実施例における冷凍サイクル装置を示す構成図
【図１０】  本発明の更に他の実施例における冷凍サイクル装置を示す構成図
【図１１】  従来の冷凍サイクル装置を示す構成図
【符号の説明】
１  圧縮機
２，４  四方弁
３  熱源側熱交換器（室外熱交換器）
５  内部熱交換器
６，６４  減圧器
７  利用側熱交換器（室内熱交換器）
３１，４１，６３  バイパス流路
３２，６２  逆止弁
４２  電磁弁
５１  第一減圧器
５２  第二減圧器
６１  膨張機
【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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