JP2001235239A

JP2001235239A - 超臨界蒸気圧縮サイクル装置

Info

Publication number: JP2001235239A
Application number: JP2000046045A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Iijima; 博史飯島
Original assignee: Seiko Seiki KK
Current assignee: Seiko Seiki KK
Priority date: 2000-02-23
Filing date: 2000-02-23
Publication date: 2001-08-31

Abstract

(57)【要約】【課題】放熱器を通過した超臨界高圧気相冷媒とアキ
ュムレータにより分離された低圧気相冷媒とを適度に内
部熱交換器３で熱交換して冷房効率を向上するととも
に、過度の熱交換による圧縮機吐出温度の上昇、放熱器
出口圧力の上昇を防ぐ。【解決手段】内部熱交換器３の低圧側の熱交換通路３
ｂと並列にバイパス路７を設け、流量制御弁９、１０に
より低圧側の熱交換通路３ｂの気相冷媒流量とバイパス
路７の気相冷媒流量とを制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、高圧側で凝縮し
ないＣＯ₂ 等の冷媒を使用するカーエアコン、空調装
置、ヒートポンプ等の超臨界蒸気圧縮サイクル装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】近年、地球環境の汚染、とりわけ、オゾ
ン層の破壊、地球温暖化を防止するために、カーエアコ
ン等に使用する冷媒として、フロンよりはるかに影響の
少ない炭酸ガス（ＣＯ₂ ）を使用する超臨界蒸気圧縮サ
イクル装置の研究開発が進められている。

【０００３】特公平７−１８６０２号公報には、能力を
調整、制御できる超臨界蒸気圧縮サイクル装置が開示さ
れている。この超臨界蒸気圧縮サイクル装置の概要を図
１０を参照して説明すると、圧縮機１が冷媒を超臨界状
態に圧縮し、圧縮した冷媒を放熱器２で放熱して冷却
し、内部熱交換器（向流型熱交換器）３の高圧側の熱交
換通路３ａに通して更に温度を下げた後、膨張弁４で膨
張させて減圧し、蒸発器５で外部からの吸熱により蒸発
させ、アキュムレータ（液体分離器）６に溜めて気液二
相に分離し、その飽和状態の気相冷媒を内部熱交換器３
の低圧側の熱交換通路３ｂに通して圧縮機１に戻す。内
部熱交換器３の熱交換により、高圧側の冷媒温度を一層
下げ、冷却能力を向上している。そして、上記特公平７
−１８６０２号公報では、更に、系の冷媒流量を膨張弁
４や別途設けた絞り弁で調整して能力を調整、制御して
いる。

【０００４】図１２のモリエル線図を参照して、図１０
の超臨界蒸気圧縮サイクル装置の温度と圧力の関係を説
明すると、圧縮機１はＡ点からＢ点へ圧力を上げ、その
際、温度も上昇する。放熱器２では、冷媒の圧力を維持
したまま、Ｂ点からＣ点へ温度を下げる。

【０００５】もし、ここで、Ｃ点から膨張弁４へ直接冷
媒を送って冷媒を膨張させると、圧力が下がって図１２
でＣ点の真下Ｅ' 点へ移動する。次の蒸発器５ではＥ'
点から飽和蒸気圧線Ｓとの交点Ｆまでの吸熱が行われる
ことになる。内部熱交換器３は、その高圧側熱交換通路
３ａを通る冷媒をＣ点から更にＤ点まで温度降下させ、
Ｅ' 点をＥ点に移動することにより、蒸発器５での吸熱
量をより多くして冷凍効果を増加し、効率を向上する。

【０００６】蒸発器５とアキュムレータ６を通過してＦ
点にある冷媒は、内部熱交換器３の低圧側熱交換通路３
ｂを通って高圧側熱交換通路３ａ側の放熱分だけ加熱さ
れて温度が上昇し、Ａ点に至る。

【０００７】この低圧側熱交換通路３ｂにおける温度上
昇Ｆ−Ａは圧縮機１にとって必ずしも好ましいことでは
ない。圧縮機１の冷媒吐出温度は、ほぼＦ−Ａに比例し
て上昇する。特に、熱負荷が大きいと、圧力上昇に伴い
吐出温度が上昇し、それに加えて内部熱交換器３の熱交
換量が増加（Ｃ−Ｄ，Ｆ−Ａ増）すると、更に吐出温度
上昇が大きくなってしまう。

【０００８】これらによる圧縮機１出口の冷媒の過度の
温度上昇は、圧縮機１の潤滑不良、シール不良等、圧縮
機１の損傷を招くおそれを生じる。

【０００９】一般に、高圧側の圧力を上げると、冷房能
力が向上する。しかし、高圧側の圧力を上げるには、圧
縮機により大きい動力が必要になる。冷房能力／動力の
比、いわゆる成績係数ＣＯＰと放熱器出口圧力との関係
は、図１１に示すような線図となり、高圧側である放熱
器出口圧力が上昇するにつれてＣＯＰは上昇するが、放
熱器出口圧力が限度を越えると、次第にＣＯＰは減少に
転じる。すなわち、ＣＯＰにピーク値が存在する。そし
て、図に示すように、ＣＯＰのピーク値は放熱器出口温
度により変化し、放熱器出口温度が高くなるとＣＯＰの
ピーク値が低下し、同時に、ピーク値となるときの放熱
器出口圧力は上昇する。

【００１０】従って、放熱器出口温度に応じて、放熱器
出口圧力を変え、ＣＯＰがピーク値となるように超臨界
蒸気圧縮サイクル装置を運転することが要求される。こ
の点は、内部熱交換器を用いる場合にも同様のことがい
える。また、このようなサイクル運転を行う場合、吐出
温度の過度の上昇は、放熱器２の出口温度を上昇させ、
等温線Ｉとの交点Ｃを右側（図示の等温線Ｉよりも高温
の等温線（図示省略）との交点）にシフトし、それにつ
れて、内部熱交換器３の高圧側、低圧側の出口温度も上
昇することにより、内部熱交換器３の冷房効率向上効果
を阻害し、放熱器出口等の高圧側圧力を更に上昇させて
しまうという悪循環を生じることにもなってしまう。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、上述の問
題点を解決し、圧縮機から吐出された超臨界高圧冷媒と
蒸発器で気化した低圧冷媒とを適度に内部熱交換器で熱
交換して冷房効率を向上するとともに、過度の熱交換に
よる圧縮機吐出温度の上昇、放熱器出口圧力の上昇を防
ぐ超臨界蒸気圧縮サイクル装置を提供するものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
めに、この発明は、所定の過熱度に加熱された冷媒を超
臨界状態に圧縮する圧縮機と、上記圧縮機により圧縮さ
れた冷媒を放熱して冷却する放熱器と、上記放熱器で放
熱された超臨界高圧冷媒を高圧側の熱交換通路に導入し
て低圧側の熱交換通路の低圧冷媒と熱交換する内部熱交
換器と、上記高圧側の熱交換通路を通過した超臨界高圧
冷媒を減圧する膨張弁と、上記膨張弁により膨張して減
圧され、気液二相化した低圧冷媒を導入して外部からの
吸熱により蒸発させる蒸発器とを備え、上記蒸発器を通
過した低圧冷媒を上記低圧側の熱交換通路に導入して熱
交換した後、上記圧縮機に送るようにした超臨界蒸気圧
縮サイクル装置において、上記内部熱交換器の一方側の
熱交換通路と並列にバイパス路を設け、流量制御弁によ
り一方側の熱交換通路の冷媒流量とバイパス路の冷媒流
量とを制御するものである。

【００１３】流量制御弁は、上記一方側の熱交換通路側
の流路とバイパス路との双方にそれぞれ設けたり、上記
一方側の熱交換通路の中間と上記バイパス路との間に更
に第２のバイパス路を設けて、この第２のバイパス路に
第３の流量制御弁を設けたりすると、熱交換通路の冷媒
流量とバイパス路の冷媒流量との制御がしやすい。

【００１４】上記一方側の熱交換通路として、低圧側の
熱交換通路を用いると、流量制御弁、配管継ぎ目等に加
わる熱的、圧力的負荷が小さいのでより信頼性が高くな
る。

【００１５】流量制御弁開閉の調節は、放熱器の源流に
当たる圧縮機の出口温度、すなわち、圧縮機から吐出さ
れる冷媒の温度に基づいてすると、放熱器出口温度に基
づく調節よりも、放熱器出口温度の変化を先行して検出
でき、応答遅れが起こりにくくなって好ましい。

【００１６】内部熱交換器の出口や入口の冷媒の温度お
よび圧力、あるいは、更に、蒸発器の温度や負荷情報
を、圧縮機の出口温度に付加して、これらを基に、流量
制御弁の開閉を調節することもでき、このようにする
と、一層適応性に優れた超臨界蒸気圧縮サイクル装置と
することができる。

【００１７】この発明においては、内部熱交換器の熱交
換量を適度に制御して、過度の熱交換を防ぎ、放熱器出
口圧力がＣＯＰのピーク値となるように内部熱交換器で
熱交換して冷房効率を向上するとともに、過度の熱交換
による圧縮機吐出温度の上昇を防ぐ。

【００１８】なお、この発明における流量制御弁は、Ｏ
Ｎ／ＯＦＦ制御型、無段階開閉度制御型、あるいは、こ
れらの組み合わせを適宜選択することができる。また、
三方弁のような複数の弁を複合した弁を用いることもで
きる。

【００１９】この発明における負荷情報とは、外気温
度、室内温度、設定室内温度、日射量等、超臨界蒸気圧
縮サイクル装置に加わる熱的な負荷、あるいは、圧縮機
の回転動力としてエンジンを用いる場合には、そのエン
ジン回転数、アクセルの開度等についての情報を意味す
る。

【００２０】

【発明の実施の形態】この発明の実施の形態を、以下、
図面を参照して説明する。

【００２１】［実施の形態１］図１は、この発明の一実
施の形態を示す説明図である。図１の超臨界蒸気圧縮サ
イクル装置は、図１０に示した超臨界蒸気圧縮サイクル
装置の内部熱交換器にバイパス路を形成したものであ
り、他は同様であるので、同一部分については同一符号
を付して、その説明を省略する。

【００２２】図１において、内部熱交換器３の低圧側の
熱交換通路３ｂと並列にバイパス路７が設けられ、低圧
側の熱交換通路３ｂの一方とアキュムレータ６の出口と
の間の流路８に第１の流量制御弁９が、また、バイパス
路７には第２の流量制御弁１０が設けられている。

【００２３】超臨界状態に圧縮した冷媒が吐出する圧縮
機１の吐出口には、温度センサ１１が設置され、この温
度センサ１１が圧縮機１から吐出される冷媒の温度を検
出する。１２は、温度センサ１１の検出温度に基づいて
上記流量制御弁９、１０に制御信号を送る制御部（コン
トロールユニット）である。

【００２４】上記第１および第２の流量制御弁９、１０
としては、全開から全閉まで無段階に開度を調節できる
無段階開閉度制御型の流量制御弁を用いている。なお、
中間開度のない開閉のみのＯＮ／ＯＦＦ制御型の流量制
御弁を用いてもよい。

【００２５】上記熱交換通路３ａ、３ｂとしては、高圧
側の熱交換通路３ａの周囲を低圧側の熱交換通路３ｂが
覆う二重管を用いている。

【００２６】図１の超臨界蒸気圧縮サイクル装置の制御
動作を以下に説明する。

【００２７】［超臨界蒸気圧縮サイクルの説明］圧縮機
１が、所定の過熱度に加熱された冷媒（図１２のＡの状
態）を臨界圧力を越えた超臨界状態（図１２のＢの状
態）に圧縮し、この圧縮機１から吐出される超臨界高圧
冷媒を放熱器２に導入して放熱する（図１２のＣの状
態）。放熱器２を通過した超臨界高圧冷媒を内部熱交換
器３の高圧側の熱交換通路３ａに導入して、後に説明す
る低圧側の熱交換通路３ｂの低圧冷媒と熱交換し、更に
温度を下げる（図１２のＤの状態）。この温度低下によ
り、冷房効率が向上する。

【００２８】内部熱交換器３の高圧側の熱交換通路３ａ
を通過した超臨界高圧冷媒を膨張弁４に導入して膨張さ
せ、減圧する。この過程で飽和蒸気圧線Ｓを横断して、
冷媒は気液二相となる（図１２のＥの状態）。この膨張
して減圧され、気液二相化した低圧冷媒を蒸発器５に導
入して外部からの吸熱により蒸発させ、これにより外部
を冷却する（図１２のＦの状態）。

【００２９】蒸発器５を通過した低圧冷媒をアキュムレ
ータ６に集め、気相と液相に分離し、そのうちの気相冷
媒を、更に、上記内部熱交換器３の低圧側の熱交換通路
３ｂに導入して熱交換し、高圧側の冷媒の冷却に使用す
る。この過程で飽和蒸気圧線Ｓを越え、冷媒は所定の過
熱度に加熱される（図１２のＡの状態）。

【００３０】以後、このサイクルを繰り返す。

【００３１】［内部熱交換器での熱交換量制御の説明］
温度センサ１１が検出した圧縮機１から吐出される冷媒
の温度は、制御部１２に送られ、制御部１２では、この
検出温度（圧縮機から吐出される冷媒の温度）に基づい
て流量制御弁９、１０に制御信号を送る。この制御信号
に応じて流量制御弁９、１０の開度はそれぞれ調節さ
れ、低圧側の温度上昇が過度にならない範囲で高圧側の
温度をできるだけ下げるように熱交換が行われる。

【００３２】低圧側の熱交換通路３ｂに連なる流路８に
ある流量制御弁９は全開としておき、バイパス路７の流
量制御弁１０の開度を調節して、低圧側の熱交換通路３
ｂの冷媒流量とバイパス路７の冷媒流量とを制御する。
あるいは、逆に、バイパス路７の流量制御弁１０を全開
としておき、流路８の流量制御弁９の開度を調節して流
量を制御する。前者の状態では、バイパス路７の流量制
御弁１０を全閉したとき熱交換通路３ｂの冷媒流量は１
００％（全冷媒が通過）となり、流量制御弁１０を開く
と熱交換通路３ｂ側とバイパス路７側との流体抵抗の比
に応じて冷媒は分流する。後者の状態では、流路８の流
量制御弁９を全閉したとき熱交換通路３ｂの冷媒流量は
０％（内部熱交換なし）となり、流量制御弁９を開くと
熱交換通路３ｂ側とバイパス路７側との流体抵抗の比に
応じて冷媒は分流する。例えば、圧縮機１から吐出され
る冷媒の温度が目標値より大幅に上昇した場合は、熱交
換通路３ｂの冷媒流量を０％として内部熱交換を中止
し、冷媒を全部バイパス路７にバイパスして、圧縮機吐
出温度を急速に下げることができる。

【００３３】流量制御弁９および１０として、ＯＮ／Ｏ
ＦＦ制御型流量制御弁を用いた場合の制御のフローを図
２に示す。ＯＮ／ＯＦＦ制御型流量制御弁は、こまかい
制御にはやや不向きだが、弁の価格が安価であり、制御
システムも簡単であり、実際の制御には十分に使用でき
る。

【００３４】温度センサ１１が検出する圧縮機１の吐出
温度を、図２のステップ２０１で一定時間間隔で制御部
１２に入力する。制御部１２では、予め設定した許容吐
出温度と入力された現在の吐出温度とを比較し（ステッ
プ２０２）、現在の吐出温度が許容温度以上であれば、
現在の吐出温度が高過ぎ、圧縮機１に好ましくないの
で、内部熱交換器３側の流量制御弁９を閉じ、バイパス
路７の流量制御弁１０を開いて、内部熱交換を中止する
（ステップ２０３）。ステップ２０２で、現在の吐出温
度が許容温度未満であれば、吐出温度を今以上に上げて
も支障ないので、内部熱交換器３側の流量制御弁９を開
き、バイパス路７の流量制御弁１０を閉じて、内部熱交
換を行い（ステップ２０４）、内部熱交換器３の高圧側
出口の冷媒の温度を下げ、冷房効率を上げる。ステップ
２０３または２０４の処理後、再びステップ２０１に戻
る。

【００３５】以上のようにして、図１に示した超臨界蒸
気圧縮サイクル装置においては、内部熱交換器３の熱交
換量が制御され、圧縮機１へ送られる低圧側冷媒（図１
２のＡ）の過熱度を適度に抑え、圧縮機の損傷を防ぎ、
しかも、蒸発器５へ送られる冷媒の温度を内部熱交換器
３によって一層下げて蒸発器５の吸熱量を効率よく上げ
ることができる。なお、圧縮機の出口温度の許容値は、
予め実験等により求めておく。

【００３６】なお、図１において、第１の流量制御弁９
は内部熱交換器３の低圧側の熱交換通路３ｂの上流側で
なく、下流側に設けてもよい。また、熱交換量の制御範
囲は狭くなるが、第１の流量制御弁９か第２の流量制御
弁１０かいずれか一方の流量制御弁のみとし、熱交換通
路３ｂまたはバイパス路７には流量制御弁なしとして
も、上記一方の流量制御弁の制御によって熱交換通路３
ｂの流量を調節することができる。

【００３７】［実施の形態２］図３は、ふたつの流量制
御弁として、ひとつの三方電磁弁１３を用いた場合の例
を示す。図１の第１の実施の形態と同一の部分には、同
一の符号を付して、その説明を省略する。三方電磁弁１
３は、図に示すように、アキュムレータ６から低圧側の
熱交換通路３ｂとバイパス路７との分岐点に設ける。あ
るいは、低圧側の熱交換通路３ｂとバイパス路７との合
流点に設けてもよい。三方電磁弁１３はその電磁石のＯ
Ｎ／ＯＦＦにより、低圧側の熱交換通路３ｂまたはバイ
パス路７を開通し、他方を閉鎖して、図２に準じたフロ
ーで制御を行う。

【００３８】［実施の形態３］図４は、この発明の他の
実施の形態を示す説明図である。図４の超臨界蒸気圧縮
サイクル装置は、図１の超臨界蒸気圧縮サイクル装置に
おいて、低圧側の熱交換通路３ｂの中間３ｃとバイパス
路７との間に第２のバイパス路１４を設け、この第２の
バイパス路１４に第３の流量制御弁１５を設けたもので
ある。なお、図１の第１の実施の形態と同一の部分に
は、同一の符号を付して、その説明を省略する。

【００３９】図４においては、第１〜第３の流量制御弁
９、１０、１５として、中間開度のない開閉のみのＯＮ
／ＯＦＦ制御型の流量制御弁を用いている。なお、全開
から全閉まで無段階に開度を調節できる無段階開閉度制
御型の流量制御弁を用いてもよい。

【００４０】これらの第１〜第３の流量制御弁９、１
０、１５は、図１の超臨界蒸気圧縮サイクル装置と同様
に、温度センサ１１が検出した圧縮機１から吐出される
冷媒の温度信号に基づいて制御される。

【００４１】第２のバイパス路１４を設け、第１〜第３
の流量制御弁９、１０、１５として開閉のみの流量制御
弁を用いたことにより、（ａ）第１の流量制御弁９を
開、第２の流量制御弁１０と第３の流量制御弁１５を閉
とすれば、冷媒は全量内部熱交換器３の全熱交換通路で
熱交換が行われ、最も多く熱交換される、（ｂ）第１の
流量制御弁９と第２の流量制御弁１０を閉、第３の流量
制御弁１５を開とすれば、冷媒は全量内部熱交換器３の
半分の距離の熱交換通路下流側半分（図の３ｃ右半分）
で熱交換が行われ、（ａ）の約半分の熱交換量となる、
（ｃ）第１の流量制御弁９と第３の流量制御弁１５を
閉、第２の流量制御弁１０を開とすれば、冷媒は全量バ
イパス路７を通り、内部熱交換は行われない。

【００４２】第１〜第３の流量制御弁９、１０、１５と
して開閉のみの流量制御弁を用いると、ステップ状の制
御になるが、図１の超臨界蒸気圧縮サイクル装置と同
様、内部熱交換器３の熱交換量を制御して、圧縮機１へ
送られる低圧側冷媒（図１２のＡ）の過熱度を適度に抑
えて圧縮機の損傷を防ぎ、蒸発器５へ送られる冷媒の温
度を内部熱交換器３によって下げて蒸発器５の吸熱量を
効率よく上げることができる。

【００４３】なお、図４において、第１〜第３の流量制
御弁９、１０、１５の設置位置は、例えば次のように変
更しても同様の制御を行うことができる。

【００４４】第１の流量制御弁９を低圧側の熱交換通路
３ｂの下流側に移し、第２の流量制御弁１０をバイパス
路７の中で上流のアキュムレータ６側に移して、第３の
流量制御弁１５のバイパス路７との接続点を第２の流量
制御弁１０の下流側にする。この場合は、開閉のみの流
量制御弁であれば、低圧側の熱交換通路３ｂの上流側半
分で熱交換したり、全熱交換通路で熱交換することにな
る。

【００４５】また、開度を調節できる流量制御弁を用い
れば、熱交換通路３ｂの上流側あるいは下流側の冷媒流
量を無段階に細かく調節しながら熱交換量を制御するこ
ともできる。

【００４６】以上に説明した実施の形態では、圧縮機吐
出温度の情報のみにより内部熱交換量の制御を行うもの
について説明した。

【００４７】次に、外部の熱負荷状況に応じて膨張弁の
制御と内部熱交換量の制御とを同時に制御する、統合制
御を行う実施の形態を説明する。

【００４８】統合制御を行う以下の実施の形態において
は、いずれも、内部熱交換器の入口温度、入口圧力ある
いは出口温度、出口圧力を検知して、膨張弁で圧力を制
御し、最良のＣＯＰ（図１１参照）で運転しようとする
もので、外気温、圧縮機回転数等の運転環境に応じて高
効率を維持できる適応性の高い超臨界蒸気圧縮サイクル
装置を実現するものである。なお、以下の実施の形態に
おいても、圧縮機の出口温度の許容値は、予め実験等に
より求めておく。

【００４９】［実施の形態４］図５は、内部熱交換量制
御に用いる情報として、図１の第１の実施の形態におけ
る圧縮機の吐出温度に加えて、内部熱交換器３の高圧側
熱交換通路３ａ入口、すなわち、この実施の形態では、
放熱器２の出口の冷媒の温度および圧力、蒸発器５（の
近傍の）温度、更に、外気温度、空調対象の室内温度、
設定室内温度、日射量等の負荷情報を検出して、これら
の情報を基に、内部熱交換量および膨張弁の絞り量を制
御するものである。図１の第１の実施の形態と同一の部
分には、同一の符号を付して、その説明を省略する。第
１および第２の流量制御弁９、１０としては、開度が自
由に調節できる無段階開閉度制御型の電磁弁を、また、
膨張弁４にも同様に開度が自由に調節できる電磁弁を用
いる。

【００５０】１６および１７は、内部熱交換器３の高圧
側熱交換通路３ａ入口の冷媒の温度を検出する高圧側入
口温度センサおよび冷媒の圧力を検出する高圧側入口圧
力センサ、１８は、蒸発器５の温度を検出する蒸発器温
度センサである。これらの高圧側入口温度センサ１６、
高圧側入口圧力センサ１７、および蒸発器温度センサ１
８の出力は、それぞれ制御部１２に入力される。また、
外気温度、空調対象の室内温度、設定室内温度、日射量
等の負荷情報１９は、図示しない温度センサ等により検
出され、これらも上記制御部１２に入力される。

【００５１】この実施の形態においては、放熱器２出口
温度と出口圧力、許容吐出温度、許容高圧側圧力、蒸発
器温度、負荷情報等の度合いに応じた最適内部熱交換量
を実験的に定めておき、制御部１２は、入力される諸デ
ータに応じて、放熱器出口温度に対して最適のＣＯＰと
なるように、膨張弁４弁開度を調節して高圧側圧力を制
御し、負荷情報等の熱負荷の度合いに応じた内部熱交換
量となるように、第１の流量制御弁９、第２の流量制御
弁１０の開度を調節する。

【００５２】なお、圧縮機１の吐出温度が過度に上昇し
て許容値を越えたときは、制御部が第１の流量制御弁９
を閉じ、第２の流量制御弁１０全開として内部熱交換を
一時中止する。

【００５３】［実施の形態５］図６は、図５の実施の形
態における、内部熱交換器３の高圧側熱交換通路３ａ入
口の冷媒の温度および圧力を検出する代わりに、内部熱
交換器３の高圧側熱交換通路３ａ出口の冷媒の温度およ
び圧力を検出を、高圧側出口温度センサ２０、高圧側出
口圧力センサ２１で行うものである。図５の実施の形態
と同一の部分には、同一の符号を付して、その説明を省
略する。第１および第２の流量制御弁９、１０として
は、開度が自由に調節できる無段階開閉度制御型の電磁
弁を、また、膨張弁４にも同様に開度が自由に調節でき
る電磁弁を用いる。

【００５４】内部熱交換器３の高圧側熱交換通路３ａ入
口（放熱器２の出口）の冷媒の温度および圧力を検出す
る代わりに、内部熱交換器３の高圧側熱交換通路３ａ出
口の冷媒の温度および圧力を検出するようにすると、高
圧側熱交換通路３出口温度、出口圧力とＣＯＰとの関係
の、図１１に準じた線図が得られる。この線図から、内
部熱交換器３の高圧側熱交換通路３ａ出口の温度に応じ
て、ＣＯＰが最大となるよう圧力を制御することができ
る。

【００５５】この実施の形態では、ＣＯＰは高く制御で
きるがＣＯＰを最適にすると、冷力がやや不足になるこ
とがある。そこで、例えば、外気温度の上昇や日射量が
増加した場合、強い冷力が必要なため、図１２の最適Ｃ
ＯＰになるような圧力制御を一時的に逸脱し、より高い
圧力に上昇させて急速冷房を行う。

【００５６】図７は、上記図５または図６の制御フロー
を示すフローチャートである。

【００５７】図７において、ステップ７０１で、温度セ
ンサ１１が検出する圧縮機１の吐出温度、内部熱交換器
３の入口（放熱器２の出口）温度および圧力、蒸発器５
の温度、更に、外気温度、室内温度、設定室内温度、日
射量等の負荷情報を、一定時間間隔で制御部１２に入力
する。ステップ７０２で、制御部１２では、予め設定し
た許容吐出温度と入力された現在の吐出温度とを比較
し、現在の圧縮機吐出温度が許容温度以下であれば、ス
テップ７０３で、入力された諸情報から内部熱交換器３
の入口または出口の高圧側圧力、熱交換量の最適値を演
算し、ステップ７０４で、この演算結果に基づいて膨張
弁４、第１および第２の流量制御弁９、１０の弁の開度
を制御する。

【００５８】ステップ７０２で、現在の圧縮機吐出温度
が許容温度を越えていれば、現在の吐出温度が高過ぎ、
圧縮機１に好ましくないので、ステップ７０５におい
て、上記諸情報を加味して、危険回避のための内部熱交
換量、膨張弁４の開度を演算し、ステップ７０６で、こ
の演算結果に基づいて膨張弁４、第１および第２の流量
制御弁９、１０の弁の開度を制御する。

【００５９】ステップ７０４または７０６の処理後、再
びステップ７０１に戻る。

【００６０】［実施の形態６］図８は、内部熱交換量制
御に用いる情報として、図４の実施の形態における圧縮
機の吐出温度に加えて、図５の実施の形態と同様に、内
部熱交換器３の高圧側熱交換通路３ａ入口、すなわち、
この実施の形態では、放熱器２の出口の冷媒の温度およ
び圧力、蒸発器５（の近傍の）温度を検出して、これら
の情報を基に、内部熱交換量を制御するものである。図
４および図５の実施の形態と同一の部分には、同一の符
号を付して、その説明を省略する。第１、第２および第
３の流量制御弁９、１０、１５としては、ＯＮ／ＯＦＦ
制御型の電磁弁を、また、膨張弁４には、開度が自由に
調節できる電磁弁を用いる。

【００６１】第１、第２および第３の流量制御弁９、１
０、１５は、上記図４の場合と同様に、第１の流量制御
弁９：開、第２および第３の流量制御弁１０、１５：閉
第２の流量制御弁１０：開、第１および第３の流量制御
弁９、１５：閉第３の流量制御弁１５：開、第１および
第２の流量制御弁９、１０：閉の３段階に内部熱交換量
が制御される。

【００６２】この図８の実施の形態に、図５あるいは図
６で用いた負荷情報を更に付加して制御することも勿論
可能である。

【００６３】［実施の形態７］図９は、図８の実施の形
態における、内部熱交換器３の高圧側熱交換通路３ａ入
口の冷媒の温度および圧力を検出する代わりに、内部熱
交換器３の高圧側熱交換通路３ａ出口の冷媒の温度およ
び圧力を検出を、高圧側出口温度センサ２０、高圧側入
口圧力センサ２１で行うものである。図８の実施の形態
と同一の部分には、同一の符号を付して、その説明を省
略する。第１、第２および第３の流量制御弁９、１０、
１５としては、ＯＮ／ＯＦＦ制御型の電磁弁を、また、
膨張弁４には、開度が自由に調節できる電磁弁を用い
る。

【００６４】内部熱交換器３の高圧側熱交換通路３ａ入
口（放熱器２の出口）の冷媒の温度および圧力を検出す
る代わりに、内部熱交換器３の高圧側熱交換通路３ａ出
口の冷媒の温度および圧力を検出するようにすると、高
圧側熱交換通路３出口温度、圧力とＣＯＰとの関係の、
図１２に準じた線図が得られる。この線図から、内部熱
交換器３の高圧側熱交換通路３ａ出口の温度に応じて、
ＣＯＰが最大となるよう圧力を制御することができる。

【００６５】この実施の形態では、ＣＯＰは高く制御で
きるがＣＯＰを最適にすると、冷力がやや不足になるこ
とがある。そこで、例えば、外気温度の上昇や日射量が
増加した場合、強い冷力が必要なため、図１２の最適Ｃ
ＯＰになるような圧力制御を一時的に逸脱し、より高い
圧力に上昇させてで急速冷房を行う。

【００６６】なお、内部熱交換量の制御は、図８の実施
の形態同様に、３段階で行う。

【００６７】この図９の実施の形態においても、図５あ
るいは図６で用いた負荷情報を更に付加して制御するこ
とも可能である。

【００６８】上述の実施の形態では、いずれも低圧側熱
交換通路３ｂ側にバイパス路と流量制御弁を設けた。こ
のようにすると、低圧側の方が管路、流量制御弁等の耐
圧性が低くいもので済ませることができ、装置の信頼性
が高まるから好ましいが、高圧側熱交換通路３ａ側にバ
イパス路と流量制御弁を設けるようにしても、この発明
の作用効果は同様に得られる。

【００６９】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、この発明
は、内部熱交換器の一方側の熱交換通路と並列にバイパ
ス路を設け、流量制御弁により一方側の熱交換通路の冷
媒流量とバイパス路の冷媒流量とを制御するようにした
から、超臨界高圧冷媒が流れる高圧側ラインと、低圧冷
媒が流れる低圧側ラインとの熱交換量を０〜１００％の
範囲で制御ができる。そして、これにより、熱負荷等に
応じた効率のよい運転を可能とし、かつ、圧縮機の過度
の吐出温度上昇を回避でき、圧縮機の損傷を防ぐことが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施の形態を示す説明図。

【図２】この発明の一実施の形態における制御処理フロ
ーを示すフローチャート。

【図３】この発明の他の実施の形態を示す説明図。

【図４】この発明の他の実施の形態を示す説明図。

【図５】この発明の他の実施の形態を示す説明図。

【図６】この発明の他の実施の形態を示す説明図。

【図７】図５または図６の実施の形態における制御処理
フローを示すフローチャート。

【図８】この発明の他の実施の形態を示す説明図。

【図９】この発明の他の実施の形態を示す説明図。

【図１０】従来の超臨界蒸気圧縮サイクル装置を示す説
明図。

【図１１】超臨界蒸気圧縮サイクルにおける放熱器出口
温度と成績係数との関係を示す放熱器出口温度・成績係
数線図。

【図１２】ＣＯ₂ 超臨界蒸気圧縮サイクルを示すモリエ
ル線図。

【符号の説明】

１圧縮機２放熱器３内部熱交換器３ａ高圧側の熱交換通路３ｂ低圧側の熱交換通路４膨張弁５蒸発器７バイパス路９第１の流量制御弁１０第２の流量制御弁１１温度センサ１２制御部１３三方電磁弁１４第２のバイパス路１５第３の流量制御弁１６内部熱交換器高圧側入口温度センサ１７内部熱交換器高圧側入口圧力センサ２０内部熱交換器高圧側出口温度センサ２１内部熱交換器高圧側出口圧力センサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の過熱度に加熱された冷媒を超臨界
状態に圧縮する圧縮機と、上記圧縮機により圧縮された冷媒を放熱して冷却する放
熱器と、上記放熱器で放熱された超臨界高圧冷媒を高圧側の熱交
換通路に導入して低圧側の熱交換通路の低圧冷媒と熱交
換する内部熱交換器と、上記高圧側の熱交換通路を通過した超臨界高圧冷媒を減
圧する膨張弁と、上記膨張弁により膨張して減圧され、気液二相化した低
圧冷媒を導入して外部からの吸熱により蒸発させる蒸発
器とを備え、上記蒸発器を通過した低圧冷媒を上記低圧側の熱交換通
路に導入して熱交換した後、上記圧縮機に送るようにし
た超臨界蒸気圧縮サイクル装置において、上記内部熱交換器の一方側の熱交換通路と並列にバイパ
ス路を設け、流量制御弁により一方側の熱交換通路の冷
媒流量とバイパス路の冷媒流量とを制御することを特徴
とする超臨界蒸気圧縮サイクル装置。
【請求項２】上記一方側の熱交換通路側の流路とバイ
パス路との双方に流量制御弁がそれぞれ設けられた請求
項１記載の超臨界蒸気圧縮サイクル装置。
【請求項３】上記一方側の熱交換通路の中間と上記バ
イパス路との間に第２のバイパス路が設けられ、上記第
２のバイパス路に第３の流量制御弁が設けられた請求項
２記載の超臨界蒸気圧縮サイクル装置。
【請求項４】上記一方側の熱交換通路が低圧側の熱交
換通路である請求項１、２または３に記載の超臨界蒸気
圧縮サイクル装置。
【請求項５】圧縮機から吐出される冷媒の温度に基づ
いて流量制御弁の開閉を調節する請求項１記載の超臨界
蒸気圧縮サイクル装置。
【請求項６】内部熱交換器の出口の冷媒の温度および
圧力に基づいて流量制御弁および膨張弁の開閉を調節す
る請求項５記載の超臨界蒸気圧縮サイクル装置。
【請求項７】内部熱交換器の入口の冷媒の温度および
圧力に基づいて流量制御弁および膨張弁の開閉を調節す
る請求項５記載の超臨界蒸気圧縮サイクル装置。
【請求項８】蒸発器の温度に基づいて流量制御弁およ
び膨張弁の開閉を調節する請求項５記載の超臨界蒸気圧
縮サイクル装置。
【請求項９】負荷情報に基づいて流量制御弁および膨
張弁の開閉を調節する請求項５記載の超臨界蒸気圧縮サ
イクル装置。