JP2011242056A

JP2011242056A - 冷凍装置

Info

Publication number: JP2011242056A
Application number: JP2010114386A
Authority: JP
Inventors: Hisahira Kato; 央平加藤; Makoto Saito; 信齊藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-05-18
Filing date: 2010-05-18
Publication date: 2011-12-01
Anticipated expiration: 2030-05-18
Also published as: JP5068342B2

Abstract

【課題】中間圧インジェクションを実施している場合でも、吸入加熱熱交換器の熱交換量を制御することによって、圧縮機の吐出圧力を制御し、運転効率の低下を抑制する冷凍装置を得る。
【解決手段】本実施の形態に係る冷凍装置５０は、少なくとも、圧縮機１、放熱器２、内部熱交換器６、中間膨張弁３ｃ、吸入加熱熱交換器５、主膨張弁３ａ、蒸発器４、吸入加熱熱交換器５、そして、再び圧縮機１の順で環状に冷媒配管によって接続されて構成された主回路３１を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、多段圧縮式冷凍サイクルを備えた冷凍装置に関するものである。

従来において、例えば、超臨界で作動する冷媒を使用した多段圧縮式冷凍サイクルとして、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部へインジェクションすることによって二段圧縮式冷凍サイクルを構成する冷凍装置がある（例えば、特許文献１参照）。この冷凍装置は、前後二段の圧縮部を有する圧縮機と、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、放熱器から膨張弁に送られる冷媒を分岐して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送られる冷媒と後段側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。そして、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。

この冷凍装置は、内部熱交換器によって中間圧の冷媒のインジェクションが実施されること（以下、「中間圧インジェクション」という）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、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へ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することから、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ることができる。

特開２００９−２０４２４４号公報（第１４頁、図５）

しかしながら、このような構成の場合、内部熱交換器から流出し吸入加熱熱交換器へ流れる冷媒の温度と冷凍サイクルの低圧冷媒の温度の差が大きい場合、又は、吸入加熱熱交換器の性能が大きすぎる場合に吸入加熱熱交換器での熱交換量が大きくなり、蒸発器の入口乾き度が大きく低下し、蒸発器内の冷媒量が増加することによって、放熱器の冷媒量が減少し、圧縮機の吐出圧力が冷凍サイクルにとって最適な値とならずに運転効率が低下するという問題点があった。

また、特許文献１における冷凍装置においては、内部熱交換器への冷媒分岐を、吸熱加熱熱交換器の上流側において実施しているため、特に、中間圧インジェクションにおける冷媒が超臨界状態である場合、内部熱交換器における高圧側の冷媒と中圧側の冷媒との熱交換量が小さく、中間圧インジェクションによる効果が十分に得られないという問題点があった。

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、中間圧インジェクションを実施している場合でも、吸入加熱熱交換器の熱交換量を制御することによって、圧縮機の吐出圧力を制御し、運転効率の低下を抑制することを目的とする。

本発明に係る冷凍装置は、前段圧縮部と後段圧縮部を有した二段圧縮式の圧縮機、冷媒を放熱させて熱交換を実施する放熱器、冷媒を減圧及び膨張させる主膨張弁、及び、冷媒に吸熱させて熱交換を実施する蒸発器を備え、これらを冷媒配管によって環状に接続した冷媒回路と、前記放熱器から前記主膨張弁へ流通する冷媒と、前記蒸発器から前記圧縮機へ流通する冷媒との熱交換を実施する吸入加熱熱交換器と、前記放熱器と前記主膨張弁とを接続する冷媒配管から分岐し、インジェクション量調整弁を介して、前記圧縮機の前記後段圧縮部へ接続され、冷媒のインジェクションを実施するインジェクション回路と、前記放熱器から前記主膨張弁へ流通する冷媒と、前記インジェクション回路によって前記インジェクション量調整弁から前記圧縮機へインジェクションされる冷媒との熱交換を実施する内部熱交換器と、前記放熱器と前記吸入加熱熱交換器との間の冷媒配管に設置され、流通する冷媒を減圧及び膨張させる中間膨張弁と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、中間膨張弁によって冷媒が減圧されるため、吸入加熱熱交換器における熱交換量が小さくなり、蒸発器の入口近傍の冷媒の乾き度が上昇し、蒸発器内の冷媒量の増加を抑制できるので、圧縮機の吐出圧力の低下を抑制し、冷凍装置の運転効率を向上させることができる。

本発明の実施の形態１に係る冷凍装置５０の構成図である。図１における冷凍装置５０において中間膨張弁３ｃがない場合におけるモリエル線図である。本発明の実施の形態１に係る冷凍装置５０の冷凍サイクルのモリエル線図である。冷凍装置５０における中間膨張弁３ｃの有無によるインジェクション流量をパラメーターとした場合の蒸発器４の入口近傍の冷媒の乾き度の変化の相違を示す図である。冷凍装置５０における中間膨張弁３ｃの有無によるインジェクション流量をパラメーターとした場合の圧縮機１の吐出圧力の変化の相違を示す図である。冷凍装置５０における中間膨張弁３ｃの有無によるインジェクション流量をパラメーターとした場合の放熱器２における加熱能力の変化の相違を示す図である。冷凍装置５０における中間膨張弁３ｃの有無によるインジェクション流量をパラメーターとした場合のＣＯＰ比（インジェクション流量が０におけるＣＯＰを１００とした場合のＣＯＰ）の変化の相違を示す図である。本発明の実施の形態１に係る冷凍装置５０における吐出温度及び吐出圧力の制御動作を示すフローチャートである。放熱器２への入水温度の違いによってインジェクション流量をパラメーターとした場合のＣＯＰ向上率の変化を示す図である。本発明の実施の形態２に係る冷凍装置５０の構成図である。本発明の実施の形態２に係る冷凍装置５０の冷凍サイクルのモリエル線図である。本発明の実施の形態３に係る冷凍装置５０における吸入加熱熱交換器５の構成図である。

実施の形態１．
（冷凍装置の構成）
図１は、本発明の実施の形態１に係る冷凍装置５０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装置５０は、少なくとも、圧縮機１、放熱器２、内部熱交換器６、中間膨張弁３ｃ、吸入加熱熱交換器５、主膨張弁３ａ、蒸発器４、吸入加熱熱交換器５、そして、再び圧縮機１の順で環状に冷媒配管によって接続されて構成された主回路３１を備えている。また、冷凍装置５０は、吸入加熱熱交換器５と主膨張弁３ａとの間の冷媒配管から分岐して、インジェクション量調整弁３ｂ及び内部熱交換器６を経由して、圧縮機１のインジェクションポート１３へ接続されるインジェクション回路４１を備えている。冷凍装置５０における冷凍サイクルは、上記の主回路３１及びインジェクション回路４１によって構成されている。さらに、冷凍装置５０は、圧縮機１の回転数制御等を実施する制御装置２１を備えている。この冷凍サイクルを流通する冷媒として、例えば、臨界圧以上において作動する冷媒である二酸化炭素が封入されている。

圧縮機１は、吸入した冷媒を圧縮し、高温高圧の冷媒として吐出するものである。この圧縮機１のインジェクションポート１３には、前述のように、インジェクション回路４１が接続されており、圧縮機１は、このインジェクションポート１３を境にして、冷媒の吸入側である前段圧縮部１１、及び、冷媒の吐出側である後段圧縮部１２を有した二段圧縮機となっている。この前段圧縮部１１は、吸入部から吸入された冷媒を圧縮して、後段圧縮部１２へ送る。そして、後段圧縮部１２において、前段圧縮部１１から送られてきた冷媒と、インジェクション回路４１からインジェクションポート１３を介して流入する冷媒とが混合し、後段圧縮部１２は、この混合冷媒を圧縮して吐出する。また、圧縮機１の吐出側には、吐出冷媒の温度（以下、「吐出温度」という）を検出する冷媒温度検出手段１４、及び、吐出冷媒の圧力（以下、「吐出圧力」という）を検出する冷媒圧力検出手段１５が設置されている。この冷媒温度検出手段１４及び冷媒圧力検出手段１５は、制御装置２１に接続されており、それぞれ、検出情報を制御装置２１へ送信する。

放熱器２は、圧縮機１から吐出された高温高圧の冷媒の熱を、空気又は水等へ放熱して熱交換を実施する。そして、放熱器２から流出した冷媒は、内部熱交換器６へ送られる。

主膨張弁３ａは、吸入加熱熱交換器５から流れてくる冷媒を、減圧及び膨張させるものである。この主膨張弁３ａは、開度が可変な電子式膨張弁であり、蒸発器４の出口過熱度、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。

インジェクション量調整弁３ｂは、吸入加熱熱交換器５と主膨張弁３ａとの間の冷媒配管から分岐してインジェクション回路４１に流入してくる冷媒を、減圧及び膨張（以下、減圧された冷媒圧力を「中間圧力」という）させ、インジェクション回路４１を流通する冷媒量（以下、「インジェクション流量」という）を調節する。このインジェクション量調整弁３ｂは、開度が可変な電子式膨張弁であり、後述するように、インジェクション流量の制御、及び、それによる吐出温度の制御に利用される。

中間膨張弁３ｃは、内部熱交換器６から流出した冷媒を、減圧及び膨張させるものである。この中間膨張弁３ｃは、開度が可変な電子式膨張弁であり、後述するように、吸入加熱熱交換器５へ流入する冷媒の温度の制御に利用される。

蒸発器４は、主膨張弁３ａから流出した二相冷媒を、空気又は水等から吸熱して熱交換を実施し、冷媒を蒸発させる。また、蒸発器４の近傍には、蒸発器４に空気を送り込む蒸発器ファン４ａが設置されており、図１においては、その送られてくる空気と冷媒との熱交換が実施されるものとしている。そして、蒸発器４から流出した気体冷媒は、吸入加熱熱交換器５へ送られる。

吸入加熱熱交換器５は、中間膨張弁３ｃと主膨張弁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。ここで、吸入加熱熱交換器５においては、高圧冷媒と低圧冷媒との温度差が大きいほど、熱交換量は増加する特性がある。

内部熱交換器６は、放熱器２と中間膨張弁３ｃとの間を流れる高圧冷媒と、インジェクション回路４１におけるインジェクション量調整弁３ｂと圧縮機１との間を流れる中間圧力の冷媒（以下、「中圧冷媒」という）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、中圧冷媒を加熱する作用を有する。

制御装置２１は、冷媒温度検出手段１４によって検出された吐出温度、及び、冷媒圧力検出手段１５によって検出された吐出圧力の情報を受信する。また、制御装置２１は、圧縮機１を駆動し、その回転数を制御し、また、主膨張弁３ａ、インジェクション量調整弁３ｂ及び中間膨張弁３ｃの開度を制御する。

インジェクション回路４１は、インジェクション量調整弁３ｂが設置されており、前述のように、吸入加熱熱交換器５と主膨張弁３ａとの間の冷媒配管から分岐して、圧縮機１のインジェクションポート１３に接続されている。このインジェクション量調整弁３ｂが開かれることによって、インジェクション回路４１に流入した冷媒は、内部熱交換器６を経由して、圧縮機１のインジェクションポート１３から圧縮機１の後段圧縮部１２に流入し（中間圧インジェクション）、圧縮機１から吐出される冷媒量が増加し、放熱器２における冷媒の熱交換量も増加する。

（冷凍装置における冷凍サイクルの動作）
図２は、図１における冷凍装置５０において中間膨張弁３ｃがない場合におけるモリエル線図であり、図３は、本発明の実施の形態１に係る冷凍装置５０の冷凍サイクルのモリエル線図である。図２及び図３における点Ｐ１〜点Ｐ１１は、図１における点Ｐ１〜点Ｐ１１に対応し、図２及び図３における点Ｐ２’は、前段圧縮部１１から後段圧縮部１２へ吐出される冷媒の圧力点を示す。

また、図４は、冷凍装置５０における中間膨張弁３ｃの有無によるインジェクション流量をパラメーターとした場合の蒸発器４の入口近傍の冷媒の乾き度の変化の相違を示す図であり、図５は、同じく圧縮機１の吐出圧力の変化の相違を示す図であり、図６は、同じく放熱器２における加熱能力の変化の相違を示す図であり、そして、図７は、同じくＣＯＰ比（インジェクション流量が０におけるＣＯＰを１００とした場合のＣＯＰ）の変化の相違を示す図である。図４〜図７は、放熱器２の負荷側入口温度が高い場合（例えば、６０℃）で、外気温度が低い場合（例えば、−１５℃）とした場合のグラフである。

まず、図１で示される冷凍装置５０において中間膨張弁３ｃがない場合における冷凍サイクルの動作について、図２を参照しながら説明する。
最初に、主回路３１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４１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（Ｐ２）、この後段圧縮部１２において圧縮されて圧縮機１から吐出される。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、内部熱交換器６に流入する。この内部熱交換器６に流入した冷媒は、インジェクション回路４１を流通する中圧冷媒に対して放熱することによって冷却され、内部熱交換器６から流出する。内部熱交換器６から流出した冷媒（Ｐ５（Ｐ６））は、吸入加熱熱交換器５に流入する。この吸入加熱熱交換器５に流入した冷媒は、蒸発器４から流出した低圧冷媒に対して放熱することによって冷却され、吸入加熱熱交換器５から流出する。吸入加熱熱交換器５から流出した冷媒（Ｐ７）は、主膨張弁３ａへ向かう冷媒、及び、インジェクション回路４１に流入してインジェクション量調整弁３ｂへ向かう冷媒に分岐する。主膨張弁３ａに流入した冷媒は、主膨張弁３ａによって減圧及び膨張され（Ｐ８）、蒸発器４に流入する。この蒸発器４に流入した冷媒は、蒸発器ファン４ａの回転動作によって送られてくる空気と熱交換が実施されて、吸入して蒸発し、蒸発器４から流出する。蒸発器４から流出した冷媒（Ｐ９）は、吸入加熱熱交換器５に流入する。この吸入加熱熱交換器５に流入した冷媒は、内部熱交換器６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、吸入加熱熱交換器５から流出する。吸入加熱熱交換器５から流出した気体冷媒（Ｐ１）は、再び、圧縮機１へ流入して圧縮される。以後、上記動作が繰り返される。

次に、インジェクション回路４１における冷凍サイクルの動作について説明する。主回路３１における吸入加熱熱交換器５から流出した冷媒から、インジェクション回路４１に流入して分岐した冷媒は、インジェクション量調整弁３ｂに流入する。このインジェクション量調整弁３ｂに流入した冷媒は、インジェクション量調整弁３ｂによって中間圧力にまで減圧及び膨張され（Ｐ１０）、内部熱交換器６へ流入する。この内部熱交換器６に流入した冷媒は、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、内部熱交換器６から流出する。内部熱交換器６から流出した冷媒（Ｐ１１）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に流入する。

図２で示されるように、内部熱交換器６においては高圧冷媒と中圧冷媒との温度差によって熱交換されるのに対し、吸入加熱熱交換器５においては高圧冷媒と低圧冷媒との温度差によって熱交換されるので、吸入加熱熱交換器５における熱交換量ＳＬＨＸは、内部熱交換器６における熱交換量ＨＩＣよりも圧倒的に大きくなるという特徴がある。

上記のように、インジェクション回路４１によって圧縮機１へ中間圧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流量が増加することになり、放熱器２における加熱能力が向上し、また、蒸発器４における蒸発エンタルピーが増加するため、冷凍装置５０の運転効率も向上する。特に、放熱器２へ流入する水又は空気の温度が高い場合、得られる蒸発エンタルピーが低下することから、中間圧インジェクションの効果がより大きくなる特性がある。

しかしながら、図２で示されるように、内部熱交換器６及び吸入加熱熱交換器５において、放熱器２から流出した高圧冷媒が冷却されることによって、蒸発器４の入口近傍の冷媒の乾き度が低下する。したがって、内部熱交換器６及び吸入加熱熱交換器５における熱交換量は、蒸発器４内に存在する冷媒量に影響を及ぼす。すなわち、蒸発器４の入口近傍の冷媒の乾き度が低下すると、蒸発器４内の冷媒量が増加し、放熱器２内の冷媒量が減少するため、圧縮機１の吐出圧力が低下し、運転効率が低下してしまう。

次に、図１で示される中間膨張弁３ｃを有する本実施の形態に係る冷凍装置５０における冷凍サイクルの動作について、図３を参照しながら説明する。なお、図２で示される冷凍サイクルの動作と相違する点を中心に説明する。

主回路３１において、冷媒が圧縮機１から吐出され、内部熱交換器６から流出するまでは図２で示される冷凍サイクルと同様である。内部熱交換器６から流出した冷媒（Ｐ５）は、中間膨張弁３ｃに流入する。この中間膨張弁３ｃに流入した冷媒は、中間膨張弁３ｃによって減圧及び膨張され（Ｐ６）、吸入加熱熱交換器５に流入する。この吸入加熱熱交換器５に流入した冷媒は、蒸発器４から流出した低圧冷媒に対して放熱することによって冷却され、吸入加熱熱交換器５から流出する。

このように、中間膨張弁３ｃによって冷媒が減圧（Ｐ６）されるため、吸入加熱熱交換器５における熱交換量が小さくなり、蒸発器４の入口近傍の冷媒の乾き度が上昇（図４参照）し、蒸発器４内の冷媒量の増加を抑制することができる。これによって、圧縮機１の吐出圧力の低下を抑制（図５参照）し、放熱器２における加熱能力（図６参照）及び冷凍装置５０の運転効率を向上（図７参照）させることができる。

また、冷媒が吸入加熱熱交換器５から流出し、再び、圧縮機１へ流入するまでの動作は図２で示される冷凍サイクルと同様であり、インジェクション回路４１における冷凍サイクルの動作も図２で示される冷凍サイクルと同様である。

（冷凍装置の吐出温度及び吐出圧力の制御動作）
図８は、本発明の実施の形態１に係る冷凍装置５０における吐出温度及び吐出圧力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装置５０における吐出温度及び吐出圧力の制御動作について説明する。

（Ｓ０１）
冷凍装置５０は、インジェクション量調整弁３ｂを閉状態とし、中間圧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。

（Ｓ０２）
制御装置２１は、冷媒温度検出手段１４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Ｓ０３へ進む。一方、吐出温度Ｔｄが所定温度Ｔｄ１以下である場合、制御装置２１は、通常運転を継続し、引き続き、冷媒温度検出手段１４によって検出された吐出温度Ｔｄについての上記の判定を実施する。

（Ｓ０３）
制御装置２１は、インジェクション量調整弁３ｂを開状態（開度は所定量）とし、中間圧インジェクションを開始させる。

（Ｓ０４）
制御装置２１は、冷媒温度検出手段１４によって検出された吐出温度Ｔｄが、所定温度Ｔｄ２（＞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Ｔｄ２よりも小さい場合、制御装置２１は、この吐出温度Ｔｄが冷凍装置５０の運転上安全な温度であるものと判断して、ステップＳ０６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Ｓ０５へ進む。

（Ｓ０５）
制御装置２１は、吐出温度が運転上安全な温度よりも高いと判断し、インジェクション量調整弁３ｂの開度を所定量だけ増加させ、インジェクション流量を増加させる。そして、ステップＳ０４へ戻る。

（Ｓ０６）
制御装置２１は、冷媒圧力検出手段１５によって検出された吐出圧力Ｐｄが、所定圧力Ｐｄ１よりも小さいか否かを判定する。その判定の結果、吐出圧力Ｐｄが所定圧力Ｐｄ１よりも小さい場合、ステップＳ０７へ進む。一方、吐出圧力Ｐｄが所定圧力Ｐｄ１以上である場合、ステップＳ０８へ進む。

（Ｓ０７）
制御装置２１は、吐出圧力が適正な圧力よりも小さいと判断し、中間膨張弁３ｃの開度を絞る（所定量だけ低下させる）。これによって、吸入加熱熱交換器５へ流入する冷媒の温度が低下するので、吸入加熱熱交換器５における熱交換量が低下し、蒸発器４の入口近傍の冷媒の乾き度を上昇させることができる。そして、ステップＳ０２へ戻る。

（Ｓ０８）
制御装置２１は、冷媒圧力検出手段１５によって検出された吐出圧力Ｐｄが、所定圧力Ｐｄ２（≧Ｐｄ１）よりも大きいか否かを判定する。その判定の結果、吐出圧力Ｐｄが所定圧力Ｐｄ２よりも大きい場合、ステップＳ０９へ進む。一方、吐出圧力Ｐｄが所定圧力Ｐｄ２以下である場合、制御装置２１は、吐出圧力が適正な圧力であると判断し、通常運転へ移行すべくステップＳ０１へ戻る。

（Ｓ０９）
制御装置２１は、吐出圧力が適正な圧力よりも大きいと判断し、圧縮機１の回転数を低下させる。これによって、吐出圧力の上昇を抑制することができる。そして、ステップＳ０２へ戻る。

以上の吐出温度及び吐出圧力の制御動作によって、冷凍装置５０における圧縮機１の吐出温度が運転上安全な温度、かつ、その吐出圧力が適正な圧力となるように制御することができ、運転効率の低下を抑制し、かつ、信頼性の高い運転を実現することができる。

（実施の形態１の効果）
以上の構成及び動作のように、中間圧インジェクションを実施することによって、圧縮機１から吐出される冷媒流量が増加し、放熱器２における加熱能力が向上し、また、蒸発器４における蒸発エンタルピーが増加するため、冷凍装置５０の運転効率を向上させることができる。特に、放熱器２へ流入する水又は空気の温度が高い場合、得られる蒸発エンタルピーが低下することから、中間圧インジェクションの効果がより大きくなる特性がある。
また、中間膨張弁３ｃによって冷媒が減圧されるため、吸入加熱熱交換器５における熱交換量が小さくなり、蒸発器４の入口近傍の冷媒の乾き度が上昇し、蒸発器４内の冷媒量の増加を抑制できる。これによって、圧縮機１の吐出圧力の低下を抑制し、放熱器２における加熱能力及び冷凍装置５０の運転効率を向上させることができる。
そして、インジェクション回路４１への分岐点を吸入加熱熱交換器５の下流側に設けることによって、内部熱交換器６において、放熱器２と中間膨張弁３ｃとの間を流れる高圧冷媒と、インジェクション回路４１における中圧冷媒との温度差が大きくなり、同一インジェクション量の場合における熱交換量が大きくなるので、放熱器２における加熱能力をさらに向上させることができる。特に、中圧冷媒が超臨界状態で作動する場合、その効果は大きくなる。また、図９で示されるように、放熱器２への入水温度が高い場合（例えば、３５℃以上）において、運転効率の向上の効果が見込める。
さらに、上記の吐出温度及び吐出圧力の制御動作によって、冷凍装置５０における圧縮機１の吐出温度が運転上安全な温度となり、かつ、その吐出圧力が適正な圧力となるように制御することができるので、運転効率の低下を抑制し、かつ、信頼性の高い運転を実現することができる。

なお、図１で示されるように、圧縮機１の吐出側に吐出冷媒の圧力を検出する冷媒圧力検出手段１５が設置される構成としているが、これに限定されるものではなく、吐出圧力と吸入加熱熱交換器５の高圧側出口温度との関係、又は、吐出圧力と、吸入加熱熱交換器５の高圧側入口温度と低圧側入口温度との温度差との関係式に関する情報を保持しておくことによって、直接吐出圧力を検出しなくても、それらの温度によって吐出温度を予測することができ、この予測した吐出温度を代用するものとしてもよい。
また、図２及び図３で示される冷凍サイクルにおける冷媒は、超臨界状態において動作する二酸化炭素を例に説明したが、これに限定されるものではなく、超臨界状態で動作する冷媒として、例えば、Ｒ４１０Ａ又は炭化水素冷媒等を用いるものとしてもよく、あるいは、超臨界状態において動作しない冷媒を用いるものとしてもよい。
さらに、上記の図１で示される圧縮機１は、冷媒の吸入側である前段圧縮部１１、及び、冷媒の吐出側である後段圧縮部１２を有した二段圧縮機としているが、これに限定されるものではなく、例えば、スクロール圧縮機のような圧縮機を採用するものとしてもよく、この場合、圧縮工程の途中部に冷媒のインジェクション（この場合も「中間圧インジェクション」という）を実施する構成としてもよい。これによっても、上記と同様の効果を得ることができる。

実施の形態２．
図１で示される実施の形態１に係る冷凍装置５０は、吸入加熱熱交換器５の上流側に中間膨張弁３ｃを配置して、中間膨張弁３ｃの開度を絞ることによって、吸入加熱熱交換器５の熱交換量を制御しているのに対し、本実施の形態に係る冷凍装置５０は、吸入加熱熱交換器５及び主膨張弁３ａをバイパスする回路を設ける構成について説明する。なお、本実施の形態に係る冷凍装置については、実施の形態１に係る冷凍装置の構成及び動作と相違する点を中心に説明する。

（冷凍装置の構成）
図１０は、本発明の実施の形態２に係る冷凍装置５０の構成図である。
図１０で示されるように、本実施の形態に係る冷凍装置５０は、少なくとも、圧縮機１、放熱器２、内部熱交換器６、吸入加熱熱交換器５、主膨張弁３ａ、蒸発器４、吸入加熱熱交換器５、そして、再び圧縮機１の順で環状に冷媒配管によって接続されて構成された主回路３１を備えている。また、冷凍装置５０は、内部熱交換器６と吸入加熱熱交換器５との間の冷媒配管から分岐して、中間膨張弁３ｃを経由して、主膨張弁３ａと蒸発器４との間の冷媒配管に接続されるバイパス回路４２を備えている。

中間膨張弁３ｃは、内部熱交換器６から流出した冷媒のうち、バイパス回路４２に分岐した冷媒を、減圧及び膨張させるものである。

その他の構成は、実施の形態１に係る冷凍装置５０と同様である。

（冷凍装置における冷凍サイクルの動作）
図１１は、本発明の実施の形態２に係る冷凍装置５０の冷凍サイクルのモリエル線図である。図１１における点Ｐ１〜点Ｐ５及び点Ｐ７〜点Ｐ１３は、図１０における点Ｐ１〜点Ｐ５及び点Ｐ７〜点Ｐ１３に対応し、図１１における点２’は、前段圧縮部１１から後段圧縮部１２へ吐出される冷媒の圧力点を示す。以下、本実施の形態に係る冷凍装置５０における冷凍サイクルの動作について、図１１を参照しながら説明する。

主回路３１において、冷媒が圧縮機１から吐出され、内部熱交換器６から流出するまでは図３で示される実施の形態１における冷凍サイクルと同様である。内部熱交換器６から流出した冷媒（Ｐ５）は、吸入加熱熱交換器５へ向かう冷媒、及び、バイパス回路４２に流入して中間膨張弁３ｃへ向かう冷媒に分岐する。吸入加熱熱交換器５に流入した冷媒は、蒸発器４から流出した低圧冷媒に対して放熱することによって冷却され、吸入加熱熱交換器５から流出する。また、バイパス回路４２に流入して中間膨張弁３ｃに流入した冷媒は、中間膨張弁３ｃによって減圧及び膨張される。吸入加熱熱交換器５から流出した冷媒（Ｐ７）は、主膨張弁３ａへ向かう冷媒、及び、インジェクション回路４１に流入してインジェクション量調整弁３ｂへ向かう冷媒に分岐する。このうち、主膨張弁３ａに流入した冷媒は、主膨張弁３ａによって減圧及び膨張され（Ｐ１２）、中間膨張弁３ｃから流出した冷媒（Ｐ１３）と合流し（Ｐ８）、蒸発器４に流入する。

このように、中間膨張弁３ｃを開状態とすることによりバイパス回路４２へ冷媒が流れることによって吸入加熱熱交換器５における熱交換量が小さくなる（Ｐ１２）ので、蒸発器４の入口近傍の冷媒の乾き度が上昇し、蒸発器４内に冷媒量の増加を抑制することができる。これによって、圧縮機１の吐出圧力の低下を抑制し、放熱器２における加熱能力及び冷凍装置５０の運転効率を向上させることができる。

その後、冷媒が蒸発器４を流出して、吸入加熱熱交換器５を経由し、再び、圧縮機１へ流入するまでの動作は図３で示される実施の形態１の冷凍サイクルと同様であり、インジェクション回路４１における冷凍サイクルの動作も図３で示される実施の形態１の冷凍サイクルと同様である。

（冷凍装置の吐出温度及び吐出圧力の制御動作）
次に、本実施の形態に係る冷凍装置５０の吐出温度及び吐出圧力の制御動作について、図８で示される実施の形態１に係る冷凍装置５０の同制御動作と相違する点を中心に説明する。

本実施の形態に係る冷凍装置５０の吐出温度及び吐出圧力の制御動作において、図８で示されるステップＳ０１〜ステップＳ０６、ステップＳ０８及びステップＳ０９に係る動作部分は、実施の形態１に係る冷凍装置５０と同様である。

（Ｓ０７）
制御装置２１は、吐出圧力が適正な圧力よりも小さいと判断し、中間膨張弁３ｃの開度を上げる（所定量だけ増加させる）。これによって、吸入加熱熱交換器５へ流入する冷媒量が少なくなるので、吸入加熱熱交換器５における熱交換量が低下し、蒸発器４の入口近傍の冷媒の乾き度を上昇させることができる。そして、ステップＳ０２へ戻る。

（実施の形態２の効果）
以上の構成及び動作においても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。特に、中間膨張弁３ｃが設置されたバイパス回路４２を設け、中間膨張弁３ｃを開状態にしてバイパス回路４２へ冷媒が流れることによって吸入加熱熱交換器５における熱交換量が小さくなり（Ｐ１２）、蒸発器４の入口近傍の冷媒の乾き度が上昇し、蒸発器４内に冷媒量の増加を抑制することができる。これによって、圧縮機１の吐出圧力の低下を抑制し、放熱器２における加熱能力及び冷凍装置５０の運転効率を向上させることができる。

さらに、上記の図１０で示される圧縮機１は、冷媒の吸入側である前段圧縮部１１、及び、冷媒の吐出側である後段圧縮部１２を有した二段圧縮機としているが、これに限定されるものではなく、実施の形態１と同様に、例えば、スクロール圧縮機のような圧縮機を採用するものとしてもよく、この場合、圧縮工程の途中部に冷媒のインジェクション（この場合も「中間圧インジェクション」という）を実施する構成としてもよい。これによっても、上記と同様の効果を得ることができる。

実施の形態３．
本実施の形態に係る冷凍装置は、実施の形態１又は実施の形態２に係る冷凍装置５０であるものとし、本実施の形態においては、冷凍装置５０における吸入加熱熱交換器５の構成について説明する。

図１２は、本発明の実施の形態３に係る冷凍装置５０における吸入加熱熱交換器５の構成図である。
図１２で示されるように、吸入加熱熱交換器５は、内部熱交換器６から主膨張弁３ａとの間を流れる高圧冷媒が流れる高圧配管１０１、及び、蒸発器４と圧縮機１との間を流れる低圧冷媒が流れる低圧配管１０２によって構成されている。図１２（ａ）で示される吸入加熱熱交換器５は、高圧配管１０１の内部に、低圧配管１０２を挿通させた構成となっている。図１２（ｂ）で示される吸入加熱熱交換器５は、高圧配管１０１と低圧配管１０２との配管の外壁を互いに溶接等によって長手方向に略平行に当接させたものである。そして、図１２（ｃ）で示される吸入加熱熱交換器５は、高圧配管１０１が低圧配管１０２の周りに巻き付いて構成されたものである。実施の形態１又は実施の形態２に係る冷凍装置５０は、上記の図１２（ａ）〜図１２（ｃ）で示される吸入加熱熱交換器５のいずれを採用するものとしてもよい。

（実施の形態３の効果）
以上のような構成によって、吸入加熱熱交換器５において、高圧冷媒及び低圧冷媒は効率的に熱交換を実施することができる。また、これによって、中間圧インジェクションの効果を向上させることができる。

１圧縮機、２放熱器、３ａ主膨張弁、３ｂインジェクション量調整弁、３ｃ中間膨張弁、４蒸発器、４ａ蒸発器ファン、５吸入加熱熱交換器、６内部熱交換器、１１前段圧縮部、１２後段圧縮部、１３インジェクションポート、１４冷媒温度検出手段、１５冷媒圧力検出手段、２１制御装置、３１主回路、４１インジェクション回路、４２バイパス回路、５０冷凍装置、１０１高圧配管、１０２低圧配管。

Claims

冷媒の圧縮過程に冷媒をインジェクションする機構を有する圧縮機、冷媒を放熱させて熱交換を実施する放熱器、冷媒を膨張させる主膨張弁、及び、冷媒に吸熱させて熱交換を実施する蒸発器を備え、これらを冷媒配管によって環状に接続した冷媒回路と、
前記放熱器から前記主膨張弁へ流通する冷媒と、前記蒸発器から前記圧縮機へ流通する冷媒との熱交換を実施する吸入加熱熱交換器と、
前記放熱器と前記主膨張弁とを接続する冷媒配管から分岐し、インジェクション量調整弁を介して、前記圧縮機の前記圧縮過程に冷媒のインジェクションを実施するインジェクション回路と、
前記放熱器から前記主膨張弁へ流通する冷媒と、前記インジェクション回路によって前記インジェクション量調整弁から前記圧縮機へインジェクションされる冷媒との熱交換を実施する内部熱交換器と、
前記放熱器と前記吸入加熱熱交換器との間の冷媒配管に設置され、流通する冷媒を膨張させる中間膨張弁と、
を備えた
ことを特徴とする冷凍装置。
冷媒の圧縮過程に冷媒をインジェクションする機構を有する圧縮機、冷媒を放熱させて熱交換を実施する放熱器、冷媒を膨張させる主膨張弁、及び、冷媒に吸熱させて熱交換を実施する蒸発器を備え、これらを冷媒配管によって環状に接続した冷媒回路と、
前記放熱器から前記主膨張弁へ流通する冷媒と、前記蒸発器から前記圧縮機へ流通する冷媒との熱交換を実施する吸入加熱熱交換器と、
前記放熱器と前記主膨張弁とを接続する冷媒配管から分岐し、インジェクション量調整弁を介して、前記圧縮機の前記圧縮過程に冷媒のインジェクションを実施するインジェクション回路と、
前記放熱器から前記主膨張弁へ流通する冷媒と、前記インジェクション回路によって前記インジェクション量調整弁から前記圧縮機へインジェクションされる冷媒との熱交換を実施する内部熱交換器と、
前記放熱器から前記吸入加熱熱交換器及び前記主膨張弁を経由して前記蒸発器へ流れる冷媒の流路において、前記吸入加熱熱交換器及び前記主膨張弁をバイパスするバイパス回路と、
該バイパス回路に設置され、流通する冷媒を膨張させる中間膨張弁と、
を備えた
ことを特徴とする冷凍装置。
前記内部熱交換器は、前記放熱器と前記中間膨張弁との間の冷媒配管に設置され、
前記インジェクション回路は、前記吸入加熱熱交換器と前記主膨張弁との間の冷媒配管から分岐した
ことを特徴とする請求項１記載の冷凍装置。
前記内部熱交換器は、前記放熱器と前記吸入加熱熱交換器との間の冷媒配管に設置され、
前記インジェクション回路は、前記吸入加熱熱交換器と前記主膨張弁との間の冷媒配管から分岐した
ことを特徴とする請求項２記載の冷凍装置。
前記圧縮機から吐出される冷媒の圧力（以下、「吐出圧力」という）を検出する冷媒圧力検出手段と、
前記中間膨張弁の開度を調整することによって、前記冷媒圧力検出手段によって検出される前記吐出圧力を制御する制御装置と、
を備えた
ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の冷凍装置。
前記制御装置は、前記圧縮機の回転数を調整することによって、前記冷媒圧力検出手段によって検出される前記吐出圧力を制御する
ことを特徴とする請求項５記載の冷凍装置。
前記圧縮機から吐出される冷媒の温度（以下、「吐出温度」という）を検出する冷媒温度検出手段を備え、
前記制御装置は、前記インジェクション量調整弁を制御することによって、前記冷媒温度検出手段によって検出される前記吐出温度を制御する
ことを特徴とする請求項５又は請求項６記載の冷凍装置。
前記吸入加熱熱交換器は、前記放熱器から前記主膨張弁へ冷媒が流通する高圧配管の内部に、前記蒸発器から前記圧縮機へ冷媒が流通する低圧配管が挿通して構成された
ことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載の冷凍装置。
前記吸入加熱熱交換器は、前記放熱器から前記主膨張弁へ冷媒が流通する高圧配管、及び、前記蒸発器から前記圧縮機へ冷媒が流通する低圧配管の外壁が互いに長手方向に略平行に当接して構成された
ことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載の冷凍装置。
前記吸入加熱熱交換器は、前記放熱器から前記主膨張弁へ冷媒が流通する高圧配管が、前記蒸発器から前記圧縮機へ冷媒が流通する低圧配管の周りに巻き付いて構成された
ことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載の冷凍装置。
冷媒は、少なくとも流通過程の一部で超臨界状態となる
ことを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれかに記載の冷凍装置。
冷媒は、二酸化炭素である
ことを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれかに記載の冷凍装置。
前記放熱器において冷媒と熱交換される熱交換対象の温度が３５℃以上である
ことを特徴とする請求項１〜請求項１２のいずれかに記載の冷凍装置。