JP2014142158A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスインジェクションサイクルを構成する冷凍サイクル装置の成績係数（ＣＯＰ）を安定的に向上させる。
【解決手段】高圧冷媒と中間圧冷媒とを熱交換させる内部熱交換器５を備えるガスインジェクションサイクルを構成する冷凍サイクル装置１０に、内部熱交換器５へ流入する中間圧冷媒の入口側温度Ｔａを検出する入口側温度センサ１１および内部熱交換器５から流出して圧縮機１へインジェクションさせる中間圧冷媒の出口側温度Ｔｂを検出する出口側温度センサ１２を設け、温度差Ｔｂ−Ｔａが正の値に設定された基準値αに近づくように、中間圧用膨張弁４の作動を制御する。これにより、圧縮機１へインジェクションさせる中間圧冷媒の状態が気液二相状態となってしまうことを抑制して、ＣＯＰを安定的に向上させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガスインジェクションサイクルを構成する冷凍サイクル装置に関する。

従来、蒸気圧縮式の冷凍サイクルの成績係数（ＣＯＰ）を向上させるためのサイクル構成として、いわゆるガスインジェクションサイクル（エコノマイザ式冷凍サイクル）が知られている。

例えば、特許文献１には、放熱器から流出した高圧冷媒の流れを分岐し、分岐された一方の高圧冷媒を中間圧用減圧手段にて中間圧冷媒となるまで減圧し、この中間圧冷媒と分岐部にて分岐された他方の高圧冷媒と内部熱交換器にて熱交換させ、さらに、内部熱交換器から流出した中間圧冷媒を圧縮機にて圧縮過程の冷媒に合流させるとともに、内部熱交換器から流出した高圧冷媒を低圧冷媒となるまで減圧させて蒸発器へ流入させるガスインジェクションサイクルが開示されている。

さらに、特許文献１のガスインジェクションサイクルでは、内部熱交換器から流出する中間圧冷媒が、飽和気相冷媒に近い比較的乾き度の高い気液二相状態となるように中間圧用減圧手段の絞り開度を制御している。これにより、内部熱交換器から流出する高圧冷媒のエンタルピを低下させ、蒸発器出口側冷媒のエンタルピと蒸発器入口側冷媒のエンタルピとのエンタルピ差（冷凍能力Ｑ）を増大させることによって、より一層のＣＯＰの向上を図ろうとしている。

特開２００９−２５７７０６号公報

ところが、冷凍サイクルの成績係数（ＣＯＰ）は、冷凍能力Ｑを圧縮機の消費動力Ｌで除した値で定義されるので、特許文献１のように内部熱交換器から流出する高圧冷媒のエンタルピを低下させて冷凍能力Ｑを増大させることができたとしても圧縮機の駆動動力Ｌが増加してしまうと、ＣＯＰを向上させることができない。

そこで、本発明者は、圧縮機にて圧縮過程の冷媒に合流させる中間圧冷媒の状態とＣＯＰとの関係を調査した。その結果、図３に示すように、中間圧冷媒が飽和気相状態となっている場合にＣＯＰが極大値となり、中間圧冷媒の乾き度の低下あるいは過熱度の上昇に伴ってＣＯＰが低下することが判った。さらに、乾き度の低下に対するＣＯＰの低下度合が、過熱度の上昇に対するＣＯＰの低下度合よりも大きいことが判った。

このことは、特許文献１のように、中間圧冷媒の乾き度が比較的高い値となるように中間圧膨張弁の絞り開度を制御しても、僅かに乾き度が低下しただけでＣＯＰが大きく低下してしまうことを意味している。従って、特許文献１のように中間圧膨張弁の絞り開度を制御しても、ガスインジェクションサイクルのＣＯＰを安定的に向上させることは難しい。

上記点に鑑み、本発明では、ガスインジェクションサイクルを構成する冷凍サイクル装置の成績係数（ＣＯＰ）を安定的に向上させることを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために案出されたもので、請求項１に記載の発明では、冷媒を圧縮する圧縮機構へ低圧冷媒を吸入させる吸入ポート（１ａ）、圧縮機構にて圧縮過程の冷媒に中間圧冷媒を合流させるインジェクションポート（１ｂ）、および圧縮機構にて圧縮された高圧冷媒を吐出する吐出ポート（１ｃ）を有する圧縮機（１）と、吐出ポート（１ｃ）から吐出された高圧冷媒を放熱させる放熱器（２）と、放熱器（２）から流出した高圧冷媒の流れを分岐する分岐部（３）と、分岐部（３）にて分岐された一方の高圧冷媒を中間圧冷媒となるまで減圧させる中間圧用減圧手段（４）と、中間圧用減圧手段（４）にて減圧された中間圧冷媒を、分岐部（３）にて分岐された他方の高圧冷媒と熱交換させて、インジェクションポート（１ｂ）側へ流出させる内部熱交換器（５）と、内部熱交換器（５）から流出した高圧冷媒を低圧冷媒となるまで減圧させる低圧用減圧手段（６）と、低圧用減圧手段（６）にて減圧された低圧冷媒を蒸発させて、吸入ポート（１ａ）側へ流出させる蒸発器（７）とを備える冷凍サイクル装置であって、
さらに、内部熱交換器（５）入口側の中間圧冷媒の入口側温度（Ｔａ）を検出する入口側温度検出手段（１１）と、内部熱交換器（５）出口側の中間圧冷媒の出口側温度（Ｔｂ）を検出する出口側温度検出手段（１２）と、中間圧用減圧手段（４）の作動を制御する中間圧制御手段とを備え、
中間圧制御手段は、出口側温度（Ｔｂ）から入口側温度（Ｔａ）を減算した温度差（Ｔｂ−Ｔａ）が予め定めた正の値の基準値（α）に近づくように、中間圧用減圧手段（４）の作動を制御することを特徴とする。

これによれば、温度差（Ｔｂ−Ｔａ）が正の値（すなわち０より大きい値）に設定された基準値（α）に近づくように、中間圧制御手段が中間圧用減圧手段（４）の作動を制御するので、インジェクションポート（１ｂ）から圧縮過程の冷媒に合流させる中間圧冷媒の状態を基準値（α）に相当する過熱度を有する気相冷媒とすることができる。

従って、基準値（α）を小さな値に設定することにより、圧縮過程の冷媒に合流させる中間圧冷媒を飽和気相冷媒に近づけることができ、ガスインジェクションサイクルを構成する冷凍サイクル装置の成績係数（ＣＯＰ）を向上させることができる。

さらに、圧縮過程の冷媒に合流させる中間圧冷媒の状態が気液二相状態となってしまうことを抑制して、冷凍サイクル装置のＣＯＰが大きく低下してしまうことを抑制できる。その結果、ガスインジェクションサイクルを構成する冷凍サイクル装置のＣＯＰを安定的に向上させるができる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

一実施形態の冷凍サイクル装置の全体構成図である。 一実施形態の冷凍サイクル装置の制御処理の要部を示すフローチャートである。 圧縮過程の冷媒に合流させる中間圧冷媒の状態の変化に対する冷凍サイクル装置のＣＯＰの変化を示すグラフである。

以下、図面を用いて本発明の一実施形態について説明する。本実施形態の冷凍サイクル装置１０は、ヒートポンプ式給湯機に適用されており、給湯水を加熱する機能を果たす。また、この冷凍サイクル装置１０は、図１の全体構成図に示すように、圧縮機１の圧縮機構にて昇圧過程の冷媒にサイクル内の中間圧冷媒を合流させるガスインジェクションサイクル（エコノマイザ式冷凍サイクル）として構成されている。

具体的には、冷凍サイクル装置１０は、圧縮機１、水−冷媒熱交換器２、中間圧用膨張弁４、内部熱交換器５、低圧用膨張弁６、室外熱交換器７等を備えて構成されている。まず、圧縮機１は、冷凍サイクル装置１０において冷媒を吸入し、圧縮して吐出するもので、その外殻を形成するハウジングの内部に、スクロール型の圧縮機構、およびこの圧縮機構を回転駆動する電動モータを収容して構成された二段昇圧式の電動圧縮機である。

スクロール型の圧縮機構は、ハウジングに固定された固定スクロールおよび電動モータの回転軸に連結された可動スクロール（いずれも図示せず）を有している。固定スクロールには、可動スクロール側に向かって突出する渦巻き状の固定側歯部が形成されており、一方、可動スクロールには、固定スクロール側に向かって突出して固定側歯部に噛み合う渦巻き状の可動側歯部が形成されている。

そして、固定スクロールの固定側歯部と可動スクロールの可動側歯部が噛み合って複数箇所で接触することによって、回転軸方向から見たときに三日月形状に形成される圧縮室が複数個形成される。この圧縮室は、電動モータの回転軸の回転に伴って可動スクロールが公転運動することによって、回転軸回りに旋回しながら外周側から中心側へ容積を減少させながら移動して冷媒を圧縮する。

このため、本実施形態の圧縮機１のハウジングには、最外周側に移動した圧縮室に連通してハウジングの外部から圧縮室へ低圧冷媒を吸入させる吸入ポート１ａ、外周側から中心側へ至る中間位置に移動した圧縮室に連通してハウジングの外部から圧縮室にて圧縮過程の冷媒に中間圧冷媒を合流させるインジェクションポート１ｂ、および中心側へ移動した圧縮室に連通して圧縮室から高圧冷媒を吐出する吐出ポート１ｃが設けられている。

電動モータは、後述する制御装置から出力される制御信号によって、その作動（回転数）が制御されるもので、交流モータ、直流モータのいずれの形式を採用してもよい。そして、この制御装置による回転数制御によって、圧縮機１の冷媒吐出能力が変更される。

なお、本実施形態の冷凍サイクル装置１０は、冷媒として二酸化炭素を採用しており、圧縮機１の吐出ポート１ｃから中間圧用膨張弁４および低圧用膨張弁６へ至るサイクルの高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界冷凍サイクルを構成している。さらに、この冷媒には圧縮機１を潤滑するための冷凍機油が混入されており、この冷凍機油の一部は冷媒とともにサイクルを循環している。

圧縮機１の吐出ポート１ｃには、水−冷媒熱交換器２の冷媒通路の入口側が接続されている。水−冷媒熱交換器２は、圧縮機１の吐出ポート１ｃから吐出された高温高圧冷媒の有する熱を給湯水へ放熱させる放熱器である。なお、本実施形態の冷凍サイクル装置１０は、超臨界冷凍サイクルを構成しているので、水−冷媒熱交換器２の冷媒通路では、高圧冷媒は凝縮することなく超臨界状態のまま放熱して、エンタルピを低下させる。

具体的には、水−冷媒熱交換器２は、高圧冷媒を流通させる冷媒通路を形成する複数本のチューブを有し、隣り合う冷媒通路（チューブ）間に水通路を形成し、水通路内に給湯水と冷媒との間の熱交換を促進するインナーフィンを配置して構成されたものである。さらに、水−冷媒熱交換器２は、冷媒通路を流れる冷媒の流れ方向と水通路を流れる給湯水の流れ方向が対向流となる対向流型の熱交換器として構成されている。

このような対向流型の水−冷媒熱交換器２では、冷媒通路入口側の冷媒と水通路出口側の給湯水とを熱交換させ、冷媒通路出口側の冷媒と水通路入口側の給湯水とを熱交換させることができるので、熱交換領域の全域に亘って給湯水と冷媒との温度差を確保して熱交換効率を向上させることができる。

水−冷媒熱交換器２の冷媒通路の出口側には、分岐部３の冷媒流入口が接続されている。分岐部３は、水−冷媒熱交換器２の冷媒通路から流出した高圧冷媒の流れを分岐するもので、３つの流入出口を有する三方継手によって構成されている。このような分岐部３は、配管を接合して構成してもよいし、金属ブロックや樹脂ブロックに複数の冷媒通路を設けて構成してもよい。

分岐部３の一方の冷媒流出口には、中間圧用膨張弁４の入口側が接続されている。また、分岐部３の他方の冷媒流出口には、内部熱交換器５の高圧冷媒通路５ｂの入口側が接続されている。中間圧用膨張弁４は、分岐部３にて分岐された一方の高圧冷媒を中間圧冷媒となるまで減圧させる中間圧用減圧手段である。

具体的には、中間圧用膨張弁４は、冷媒を減圧させる絞り通路の開度を変更する弁体と、この弁体を変位させるステッピングモータからなる電動アクチュエータとを有して構成された電動式の可変絞り機構である。さらに、中間圧用膨張弁４は、制御装置から出力される制御信号によってその作動が制御される。

中間圧用膨張弁４の出口側には、内部熱交換器５の中間圧冷媒通路５ａの入口側が接続されている。内部熱交換器５は、分岐部３にて分岐された高圧冷媒と中間圧用膨張弁４にて減圧されて温度低下した中間圧冷媒とを熱交換させ、高圧冷媒を冷却してのエンタルピを低下させるものである。

このような内部熱交換器５としては、中間圧冷媒を流通させる中間圧冷媒通路５ａを形成する外側管の内側に、高圧冷媒を流通させる高圧冷媒通路５ｂを形成する内側管を配置する二重管方式の熱交換器等を採用することができる。さらに、本実施形態の内部熱交換器５は、中間圧冷媒通路５ａを流れる中間圧冷媒の流れ方向と高圧冷媒通路５ｂを流れる高圧冷媒の流れ方向が対向流となる対向流型の熱交換器として構成されている。

内部熱交換器５の中間圧冷媒通路５ａの出口側には、圧縮機１のインジェクションポート１ｂが接続されている。なお、内部熱交換器５の中間圧冷媒通路５ａの出口側と圧縮機１のインジェクションポート１ｂとを接続する冷媒通路には、圧縮機１側から内部熱交換器５側へ冷媒が逆流してしまうことを防止するための図示しない逆止弁が配置されている。なお、この逆止弁は圧縮機１に一体的に構成されていてもよい。

一方、内部熱交換器５の高圧冷媒通路５ｂの出口側には、低圧用膨張弁６の入口側が接続されている。低圧用膨張弁６は、内部熱交換器５の高圧冷媒通路５ｂから流出した冷媒を低圧冷媒となるまで減圧させる低圧用減圧手段である。低圧用膨張弁６の基本的構成は、中間圧用膨張弁４と同様である。従って、低圧用膨張弁６は、制御装置から出力される制御信号によってその作動が制御される。

低圧用膨張弁６の出口側には、室外熱交換器７の冷媒入口側が接続されている。室外熱交換器７は、低圧用膨張弁６にて減圧された低圧冷媒を、図示しない電動送風ファンから送風された外気と熱交換させて蒸発させる蒸発器である。

具体的には、室外熱交換器７は、複数枚の熱交換促進用のプレートフィンに、複数本の冷媒チューブを串刺し状に配置し、各冷媒チューブ同士を蛇行状に接続して構成されたフィンアンドチューブ型の熱交換器である。室外熱交換器７の冷媒出口側には、圧縮機１の吸入ポート１ａが接続されている。

なお、室外熱交換器７の冷媒出口側に、室外熱交換器７から流出した冷媒の気液を分離して余剰冷媒を蓄える気液分離器としての、アキュムレータを配置し、このアキュムレータの気相冷媒出口に、圧縮機１の吸入ポートａが接続されていてもよい。

また、ヒートポンプ式給湯機は、冷凍サイクル装置１０の他に、水−冷媒熱交換器２の水通路にて加熱された給湯水を貯湯する貯湯タンク、貯湯タンクと水−冷媒熱交換器２との間で給湯水を循環させる給湯水循環回路、および給湯水循環回路に配置されて給湯水を圧送する水ポンプ（いずれも図示せず）等を有している。

次に、本実施形態の電気制御部の概要を説明する。制御装置は、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭ等を含む周知のマイクロコンピュータとその周辺回路から構成されている。制御装置の出力側には、前述の圧縮機１の電動モータ、中間圧用膨張弁４、低圧用膨張弁６、室外熱交換器７へ外気を送風する電動送風ファン、給湯水循環回路の水ポンプ等が接続され、制御装置は、これらの各種制御対象機器の作動を制御する。

一方、制御装置の入力側には、圧縮機１の吐出ポート１ｃから吐出された高圧冷媒の高圧側冷媒圧力Ｐｄを検出する高圧側圧力検出手段としての高圧側圧力センサ、水−冷媒熱交換器２の水通路から流出する給湯水の沸上温度Ｔｗｏを検出する沸上温度検出手段としての沸上温度センサ、外気温Ｔａｍを検出する外気温検出手段としての外気温センサ、内部熱交換器５の中間圧冷媒通路５ａの入口側における中間圧冷媒の入口側温度Ｔａを検出する入口側温度検出手段としての入口側温度センサ１１、内部熱交換器５の中間圧冷媒通路５ａの出口側における中間圧冷媒の出口側温度Ｔｂを検出する出口側温度検出手段としての出口側温度センサ１２といった各種給湯機制御用のセンサ群が接続され、これらのセンサ群の検出信号が制御装置へ入力される。

なお、本実施形態の入口側温度センサ１１は、中間圧用膨張弁４の出口側と内部熱交換器５の中間圧冷媒通路５ａの入口側とを接続する冷媒配管を流通する冷媒の温度を検出するように配置されているが、入口側温度センサ１１の配置はこれに限定されず、例えば、内部熱交換器５の中間圧冷媒通路５ａの入口側に一体的に配置されていてもよい。

また、出口側温度センサ１２は、内部熱交換器５の中間圧冷媒通路５ａの出口側とインジェクションポート１ｂとを接続する冷媒配管を流通する冷媒の温度を検出するように配置されているが、出口側温度センサ１２の配置はこれに限定されず、例えば、内部熱交換器５の中間圧冷媒通路５ａの出口側に一体的に配置されていてもよいし、インジェクションポート１ｂへ流入する冷媒の温度を検出できれば圧縮機１のハウジングに配置されていてもよい。

さらに、制御装置の入力側には、図示しない操作パネルが接続されている。この操作パネルには、ヒートポンプ式給湯機の作動信号あるいは停止信号を出力する作動スイッチ、給湯水の沸上温度（目標加熱温度）を設定する温度設定スイッチ等が設けられ、これらのスイッチの操作信号が制御装置へ入力される。

なお、本実施形態の制御装置は、その出力側に接続された各種制御対象機器を制御する制御手段が一体的に構成されたものであるが、制御装置のうちそれぞれの制御対象機器の作動を制御する構成（ハードウェアおよびソフトウェア）が、それぞれの制御対象機器の作動を制御する制御手段を構成している。

例えば、制御装置のうち、圧縮機１の電動モータの作動（回転数）を制御する構成（ハードウェアおよびソフトウェア）が圧縮機制御手段を構成し、中間圧用減圧手段である中間圧用膨張弁４の作動を制御する構成（ハードウェアおよびソフトウェア）が中間圧制御手段を構成している。もちろん、圧縮機制御手段、中間圧制御手段等を制御装置に対して別の装置で構成してもよい。

次に、上記構成における本実施形態のヒートポンプ式給湯機の作動を説明する。ヒートポンプ式給湯機に外部から電源が供給された状態で、操作パネルに設けられた給湯機の作動信号が制御装置に入力されると、制御装置が予め記憶回路に記憶している制御処理（制御プログラム）を実行する。

より具体的には、この制御処理のメインルーチンでは、操作パネルの操作信号および上述した給湯器制御用のセンサ群により検出された検出信号を読み込み、読み込まれた操作信号および検出信号に基づいて、冷凍サイクル装置１０の各種制御対象機器の制御状態（具体的には、各種制御対象機器へ出力される制御信号あるいは制御電圧）を決定する。

例えば、圧縮機１の電動モータへ出力される制御信号については、操作パネルからの給湯温度設定信号および外気温センサにより検出された外気温Ｔａｍに基づいて、制御装置のＲＯＭ（記憶回路）に記憶された制御マップを参照して決定される。具体的には、給湯温度設定信号による設定温度の上昇および外気温Ｔａｍの低下に伴って、圧縮機１の回転数（冷媒吐出能力）が増加するように決定される。

また、中間圧用膨張弁４の電動アクチュエータに出力される制御信号については、ヒートポンプ式給湯機の起動時（すなわち、冷凍サイクル装置１０の圧縮機１の起動時）には、中間圧用膨張弁４の絞り開度が予め定めた初期開度となるように決定する。その後、通常運転に移行した際には、出口側温度センサ１２によって検出された出口側温度Ｔｂから入口側温度センサ１１によって検出された入口側温度Ｔａを減算した温度差（Ｔｂ−Ｔａ）が予め定めた正の値の基準値α（例えば、１℃）となるように決定される。

より具体的には、中間圧用膨張弁４の電動アクチュエータに出力される制御信号については、図２のフローチャートに示すように決定される。なお、図２のフローチャートは、メインルーチンのサブルーチンとして実行される制御フローである。

まず、ステップＳ１では、ヒートポンプ式給湯機の起動時（すなわち、圧縮機１の起動時）であるか否かが判定される。ステップＳ１にて、ヒートポンプ式給湯機の起動時であると判定された場合は、ステップＳ２へ進み、中間圧用膨張弁４の絞り開度が予め定めた初期開度となるように制御信号を決定してステップＳ３へ進む。

この初期開度は、温度差（Ｔｂ−Ｔａ）が前述の基準値（α）よりも大きい値（例えば、５℃）となるように決定された開度である。従って、ヒートポンプ式給湯機の起動時には、インジェクションポート１ｂから圧縮機１内へ流入する中間圧冷媒は、基準値αより高い過熱度を有する気相冷媒となる。

一方、ステップＳ１にて、ヒートポンプ式給湯機の起動時であると判定されなかった場合は、ステップＳ３へ進む。ステップＳ３では、温度差（Ｔｂ−Ｔａ）と基準値αとを比較する。

具体的には、ステップＳ３にて、温度差（Ｔｂ−Ｔａ）＞基準値αになっていると判定された場合は、インジェクションポート１ｂから圧縮機１内へ流入する中間圧冷媒が基準値αより高い過熱度を有する気相冷媒になっているので、ステップＳ４へ進み、中間圧用膨張弁４の絞り開度を予め定めた所定量増加させてメインルーチンへ戻る。

このように中間圧用膨張弁４の絞り開度を増加させることにより、内部熱交換器５の高圧冷媒通路５ｂを流通する高圧冷媒の流量を減少させるとともに、内部熱交換器５の中間圧冷媒通路５ａを流通する中間圧冷媒の流量を増加させることができる。従って、インジェクションポート１ｂから圧縮機１内へ流入する中間圧冷媒の過熱度を低下させてαに近づけることができる。

また、ステップＳ３にて、温度差（Ｔｂ−Ｔａ）＝基準値αになっていると判定された場合は、インジェクションポート１ｂから圧縮機１内へ流入する中間圧冷媒が基準値αと等しい過熱度を有する気相冷媒になっているので、中間圧用膨張弁４の絞り開度を変化させることなくメインルーチンへ戻る。

また、ステップＳ３にて、温度差（Ｔｂ−Ｔａ）＜基準値αになっていると判定された場合は、インジェクションポート１ｂから圧縮機１内へ流入する中間圧冷媒が基準値αより低い過熱度を有する気相冷媒、飽和気相冷媒、あるいは気液二相冷媒になっているので、ステップＳ５へ進み、中間圧用膨張弁４の絞り開度を予め定めた所定量減少させてメインルーチンへ戻る。

このように中間圧用膨張弁４の絞り開度を減少させることにより、内部熱交換器５の高圧冷媒通路５ｂを流通する高圧冷媒の流量を増加させるとともに、内部熱交換器５の中間圧冷媒通路５ａを流通する中間圧冷媒の流量を減少させることができる。従って、インジェクションポート１ｂから圧縮機１内へ流入する中間圧冷媒の過熱度を上昇させてαに近づけることができる。

また、低圧用膨張弁６の電動アクチュエータに出力される制御信号については、冷凍サイクル装置１０の高圧側冷媒圧力Ｐｄが目標高圧となるように決定される。この目標高圧は、外気温Ｔａｍおよび圧縮機１の冷媒吐出能力から推定される圧縮機１吐出冷媒温度に基づいて、予め制御装置のＲＯＭに記憶された制御マップを参照して、冷凍サイクル装置１０の成績係数（ＣＯＰ）が略最大となるように決定される。

また、室外熱交換器７へ外気を送風する電動送風ファンへ出力される制御電圧については、外気温Ｔａｍに基づいて、予め制御装置のＲＯＭに記憶された制御マップを参照して決定される。また、給湯水循環回路の水ポンプへ出力される制御電圧については、フィードバック制御手法等を用いて、水−冷媒熱交換器２の水通路から流出する給湯水の沸上温度が温度設定スイッチによって設定された目標加熱温度に近づくように決定される。

そして、上記の如く決定された制御信号および制御電圧が各種制御対象機器へ出力される。その後、操作パネルによってヒートポンプ式給湯機の作動停止が要求されるまで、所定の制御周期毎に、上述の検出信号および操作信号の読み込み→各種制御対象機器の制御状態の決定→各種制御対象機器への制御電圧および制御信号の出力といった制御ルーチンが繰り返される。

従って、本実施形態のヒートポンプ式給湯機を作動させると、冷凍サイクル装置１０の圧縮機１から吐出された高温高圧冷媒が水−冷媒熱交換器２の冷媒通路へ流入する。水−冷媒熱交換器２の冷媒通路へ流入した高温高圧冷媒は、水−冷媒熱交換器２の水通路を流通する給湯水に放熱する。これにより、給湯水が加熱され、加熱された給湯水は、貯湯タンクへ流入して貯留される。

水−冷媒熱交換器２の冷媒通路から流出した高圧冷媒の流れは、分岐部３にて分岐される。分岐部３にて分岐された一方の冷媒は、中間圧用膨張弁４へ流入して中間圧冷媒となるまで減圧される。中間圧用膨張弁４にて減圧された中間圧冷媒は、内部熱交換器５の中間圧冷媒通路５ａへ流入し、分岐部３にて分岐されて高圧冷媒通路５ｂを流通する他方の高圧冷媒と熱交換して加熱される。

内部熱交換器５の中間圧冷媒通路５ａから流出した中間圧冷媒は、インジェクションポート１ｂから圧縮機１へ流入する。一方、内部熱交換器５の高圧冷媒通路５ｂから流出した高圧冷媒は、低圧用膨張弁６にて中間圧冷媒よりも低い圧力の低圧冷媒となるまで減圧され、室外熱交換器７へ流入する。室外熱交換器７へ流入した冷媒は、送風ファンから送風された外気から吸熱して蒸発する。そして、室外熱交換器７から流出した冷媒は、圧縮機１の吸入ポート１ａから吸入されて再び圧縮される。

本実施形態のヒートポンプ式給湯機は、以上の如く作動して、冷凍サイクル装置１０の水−冷媒熱交換器２にて給湯水を加熱することができる。また、本実施形態の冷凍サイクル装置１０はガスインジェクションサイクルを構成しているので、通常の冷凍サイクルよりもサイクルの成績係数（ＣＯＰ）の向上を図ることができる。

さらに、本実施形態の冷凍サイクル装置１０によれば、出口側温度センサ１２によって検出された出口側温度Ｔｂから入口側温度センサ１１によって検出された入口側温度Ｔａを減算した温度差（Ｔｂ−Ｔａ）が予め定めた正の値の基準値αに近づくように、制御装置が中間圧用膨張弁４の作動を制御しているので、ガスインジェクションサイクルを構成する冷凍サイクル装置１０のＣＯＰを安定的に向上させるができる。

より詳細には、温度差（Ｔｂ−Ｔａ）が基準値αに近づくように、中間圧用膨張弁４を作動させることで、圧縮機１のインジェクションポート１ｂから圧縮過程の冷媒に合流させる中間圧冷媒の状態を基準値αに相当する過熱度を有する気相冷媒とすることができる。従って、本実施形態の如く基準値αを１℃程度の小さな値に設定することにより、圧縮過程の冷媒に合流させる中間圧冷媒を飽和気相冷媒に近づけることができ、ガスインジェクションサイクルを構成する冷凍サイクル装置のＣＯＰを向上させることができる。

さらに、圧縮過程の冷媒に合流させる中間圧冷媒の状態が気液二相状態となってしまうことを抑制できるので、図３を用いて説明したように、冷凍サイクル装置のＣＯＰが大きく低下してしまうことを抑制できる。その結果、ガスインジェクションサイクルを構成する冷凍サイクル装置１０のＣＯＰを安定的に向上させることができる。

また、本実施形態の冷凍サイクル装置１０によれば、冷凍サイクル装置１０の起動時、すなわち、圧縮機１の起動時に、中間圧用膨張弁４の絞り開度を、温度差（Ｔｂ−Ｔａ）が基準値αよりも大きい値となるように決定された初期開度とするので、インジェクションポート１ｂから圧縮過程の冷媒に合流させる中間圧冷媒の状態を、確実に乾き度を有する気相冷媒とすることができる。

つまり、同一圧力における飽和液相状態の冷媒の温度と気液二相状態の冷媒の温度は、同じ温度となる。このため、温度差（Ｔｂ−Ｔａ）が０になっている場合は、温度差（Ｔａ−Ｔｂ）だけでは、冷媒の状態が飽和液相状態になっているか、あるいは、気液二相状態になっているかの判定することができない。

これに対して、本実施形態では、冷凍サイクル装置１０の起動時に、インジェクションポート１ｂから圧縮過程の冷媒に合流させる中間圧冷媒の状態を、確実に乾き度を有する気相冷媒として温度差（Ｔｂ−Ｔａ）を正の値とすることができる。その結果、図２で説明した制御フローによって、温度差（Ｔｂ−Ｔａ）を容易かつ確実に基準値αに近づけることができる。また、初期開度としては、通常運転時における中間圧用膨張弁４の絞り開度の範囲内で最小となる絞り開度等を採用することができる。

（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。

（１）上述の実施形態では、基準値αを一定値とした例を説明したが、基準値αを変数としてもよい。ここで、本発明者らの検討によれば、運転条件によってインジェクションポート１ｂから圧縮過程の冷媒に合流させる中間圧冷媒の乾き度を増加させた方がＣＯＰを向上させることができる。そこで、例えば、外気温Ｔａｍの上昇に伴って基準値αを増加させるようにしてもよいし、水−冷媒熱交換器２の水通路へ流入する入水温度の上昇に伴って基準値αを増加させるようにしてもよい。

（２）上述の実施形態では、入口側温度検出手段としての入口側温度センサ１１を採用した例を説明したが、入口側温度検出手段はこれに限定されない。例えば、中間圧用膨張弁４にて減圧された中間圧冷媒の圧力を検出する中間圧冷媒圧力センサを採用して、この中間圧冷媒圧力センサの検出値から、飽和温度を求め、この飽和温度を入口側温度Ｔａとして用いてもよい。

（３）上述の実施形態では、起動時に中間圧用膨張弁４の絞り開度を初期開度に設定した直後に、温度差（Ｔｂ−Ｔａ）を基準値αに近づけるように中間圧用膨張弁４の作動を制御した例を説明したが、例えば、図２の制御ステップＳ２の処理の後に、所定時間の経過を待ってから通常運転の制御（ステップＳ３以降の制御）を行うようにしてもよい。これにより、制御安定性を向上できる。

（４）上述の実施形態では、圧縮機としてスクロール型の圧縮機構を電動モータで回転駆動する電動圧縮機を採用した例を説明したが、圧縮機はこれに限定されない。

例えば、圧縮機構としては、容積を縮小させることによって圧縮室内の冷媒を圧縮する容積型の圧縮機構であれば、ベーン型圧縮機構、ローリングピストン型圧縮機構等の各種形式のものを採用することができる。さらに、圧縮機構を駆動する駆動手段についても電動モータに限定されることなく、例えば、内燃機関（エンジン）を採用してもよい。

また、上述の実施形態では、１つの圧縮機構を備える圧縮機１を採用しているが、インジェクションポート１ｂから中間圧冷媒を流入させて圧縮過程の冷媒に合流させることが可能であれば、例えば、２つの圧縮機構を１つのハウジング内に収容した圧縮機１を採用してもよい。

さらに、２つの圧縮機を直列的に接続して１つの圧縮機１を構成してもよい。この場合は、低段側に配置される低段側圧縮機の吸入ポートが圧縮機１全体としての吸入ポート１ａとなり、高段側に配置される高段側圧縮機の吐出ポートが圧縮機１全体としての吐出ポート１ｃとなり、低段側圧縮機の吐出ポートと高段側圧縮機の吸入ポートとの接続部に圧縮機１全体としてのインジェクション１ｂを設ければよい。

（５）上述の実施形態では、冷凍サイクル装置１０をヒートポンプ式給湯機に適用した例を説明したが、冷凍サイクル装置１０の適用はこれに限定されない。例えば、空調装置に適用して、空調対象空間へ送風される送風空気の温度を調整するために用いてもよい。

（６）上述の実施形態では、冷凍サイクルの冷媒として二酸化炭素を採用した例を説明したが、冷媒はこれに限定されない。例えば、冷媒としてＨＦＣ系冷媒（具体的には、Ｒ１３４ａ）やＨＦＯ系冷媒（例えば、Ｒ１２３４ｙｆ）等を採用して圧縮機１から吐出された高圧冷媒の圧力が冷媒の臨界圧力を超えない亜臨界冷凍サイクルを構成してもよい。

１ 圧縮機
１ａ 吸入ポート
１ｂ インジェクションポート
１ｃ 吐出ポート
２ 水−冷媒熱交換器（放熱器）
４ 中間圧用膨張弁（中間圧用減圧手段）
５ 内部熱交換器
６ 低圧用膨張弁（低圧用減圧手段）
７ 室外熱交換器（蒸発器）

Claims (2)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機構へ低圧冷媒を吸入させる吸入ポート（１ａ）、前記圧縮機構にて圧縮過程の冷媒に中間圧冷媒を合流させるインジェクションポート（１ｂ）、および前記圧縮機構にて圧縮された高圧冷媒を吐出する吐出ポート（１ｃ）を有する圧縮機（１）と、
   前記吐出ポート（１ｃ）から吐出された高圧冷媒を放熱させる放熱器（２）と、
   前記放熱器（２）から流出した高圧冷媒の流れを分岐する分岐部（３）と、
   前記分岐部（３）にて分岐された一方の高圧冷媒を中間圧冷媒となるまで減圧させる中間圧用減圧手段（４）と、
   前記中間圧用減圧手段（４）にて減圧された中間圧冷媒を、前記分岐部（３）にて分岐された他方の高圧冷媒と熱交換させて、前記インジェクションポート（１ｂ）側へ流出させる内部熱交換器（５）と、
   前記内部熱交換器（５）から流出した高圧冷媒を低圧冷媒となるまで減圧させる低圧用減圧手段（６）と、
   前記低圧用減圧手段（６）にて減圧された低圧冷媒を蒸発させて、前記吸入ポート（１ａ）側へ流出させる蒸発器（７）とを備える冷凍サイクル装置であって、
   さらに、前記内部熱交換器（５）入口側の中間圧冷媒の入口側温度（Ｔａ）を検出する入口側温度検出手段（１１）と、
   前記内部熱交換器（５）出口側の中間圧冷媒の出口側温度（Ｔｂ）を検出する出口側温度検出手段（１２）と、
   前記中間圧用減圧手段（４）の作動を制御する中間圧制御手段とを備え、
   前記中間圧制御手段は、前記出口側温度（Ｔｂ）から前記入口側温度（Ｔａ）を減算した温度差（Ｔｂ−Ｔａ）が予め定めた正の値の基準値（α）に近づくように、前記中間圧用減圧手段（４）の作動を制御することを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記中間圧制御手段は、前記圧縮機（１）の起動時に、前記中間圧用減圧手段（４）の絞り開度が予め定めた初期開度となるように、前記中間圧用減圧手段（４）の作動を制御し、
   前記初期開度は、前記温度差（Ｔｂ−Ｔａ）が前記基準値（α）よりも大きい値となるように決定された開度であることを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。

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