JP4363997B2 - 冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍装置に関し、特に、超臨界冷凍サイクルで運転される冷凍装置における液戻り防止に関する。

近年、オゾン層破壊の問題及び給湯装置における給湯の高温化ニーズへの対応のために、二酸化炭素などの超臨界冷凍サイクルで冷凍運転される自然冷媒が注目を浴びている。また、このような超臨界サイクル冷凍運転を行う冷凍装置として、特許文献１に記載されているものが知られている。

この冷凍装置は、例えば特許文献１の第２図に示されているように、圧縮機、熱交換器（高圧ガス冷却器）、高圧ガス冷媒と低圧冷媒とを向流型に熱交換する向流型熱交換器の高圧側通路、絞り弁、蒸発器、前記向流型熱交換器の低圧側通路、液体レシーバを順次直列に接続して閉回路を構成した冷凍サイクル装置により、超臨界冷凍サイクルで運転するように構成されている。また、液体レシーバの液体部分が圧縮機の吸入配管及び向流型熱交換器の低圧側通路の入り口側に接続されている。そして、絞り弁の開度を変更することにより蒸発器出口の余剰液冷媒量を変化させて、液体レシーバに貯留される液体冷媒量を変化させている。つまり、この従来技術では、余剰冷媒を低圧側の液体レシーバに貯留するように構成している。しかし、この従来技術は、低圧側に余剰冷媒を液状で貯留するため、通常運転中液冷媒が圧縮機に戻り易いという欠点がある。また、除霜運転時も液体レシーバに液冷媒が溜まり易くなるため、圧縮機に液戻りし易いという問題がある。さらに、冬季等において長期間運転を休止していたとき、或いは除霜運転した後に通常の運転に切り換えるとき等の過渡期には、より一層液冷媒が戻り易いという欠点がある。

また、同特許文献１における第３図のものは、圧縮機、熱交換器（高圧ガス冷却器）、高圧ガス冷媒と低圧冷媒とを向流型に熱交換する向流型熱交換器の高圧側通路、開閉弁、レシーバ、絞り弁、蒸発器、向流型熱交換器の低圧側通路を順次直列に接続して閉回路を構成した冷凍サイクル装置により、超臨界冷凍サイクルで運転するように構成されている。そして、レシーバ入口側の開閉弁を遮断すると同時に絞り弁の開度調整を同時に行っている。つまり、レシーバ入口を閉鎖しているときのレシーバから流出する冷媒量を増減することにより、余剰冷媒をレシーバに貯留するように構成している。
しかしながら、この従来技術では、レシ−バ出口を開閉するため、レシーバへの冷媒の流れが断続し、高圧側の圧力変動が大きくなるため冷媒貯留量の制御が困難である。また、前記過渡期には圧縮機への液冷媒の戻りを防止する対策については何ら記載していない。

また、同特許文献１における第４図のものは、圧縮機、熱交換器（高圧ガス冷却器）、高圧ガス冷媒と低圧冷媒とを向流型に熱交換する向流型熱交換器の高圧側通路、絞り弁、蒸発器、向流型熱交換器の低圧側通路を順次直列に接続して閉回路を構成し、かつ、絞り弁と並列に開閉弁、レシーバ、開閉弁の直列回路を接続した冷凍サイクル装置により、超臨界冷凍サイクルで運転するように構成されている。そして、絞り弁の開度制御とレシーバ出入口の開閉弁を開閉して、レシーバに対する流入冷媒量又は流出冷媒量を増減し、余剰冷媒をレシーバに貯留するように構成している。
しかしながら、この従来技術では、レシ−バ出入口の開閉弁を開閉することによりレシーバ内の圧力が高圧から低圧まで急激に変化するため、冷媒貯留量の制御が困難である。また、前記過渡期には圧縮機への液冷媒の戻りを防止する対策については何ら記載していない。
特公平７−１８６０２号公報

従来の技術は、上述のように通常運転中及び除霜運転中に圧縮機へ液戻りし易く、さらに、冬季の長期運転休止後の運転開始時或いは除霜運転後の通常運転への切り換え時などの過渡期には、より一層圧縮機へ液戻りし易いという欠点があった。

本発明は、このような従来技術の課題を解決するためになされたものであって、通常運転中、除霜運転中、冬季の長期運転休止後の運転開始時、或いは除霜運転後の通常運転への切り換え時に圧縮機に液戻りを起こすことなく冷凍サイクル内の冷媒量調節を調節可能にした冷凍装置を提供することを目的とする。

本発明に係る冷凍装置は、回転数可変型圧縮機、高圧側ガス冷媒を冷却する高圧側冷却装置、第１絞り装置、冷凍サイクル内の冷媒量を調整するための中間レシーバ、第２絞り装置、外気を熱源とする蒸発器、気液分離器を順次直列に接続して閉回路を形成した冷凍サイクル装置を備え、この冷凍サイクル装置は、通常運転時には超臨界冷凍サイクルで運転されるものであって、圧縮機と第１絞り装置との間が高圧状態となり、第１絞り装置と第２絞り装置との間が中間圧状態となり、第２絞り装置と圧縮機との間が低圧状態となり、かつ、蒸発器出口の冷媒が過熱状態となるように第１絞り装置及び第２絞り装置の少なくとも一方が制御され、さらに、運転開始時圧縮機を所定条件の間低速で運転するように制御されると共に、この所定条件の間として、圧縮機の吐出圧力が、過渡的状態の運転が完了したことを検知できるように予め設定された所定圧力に上昇するまでの間を採用することを特徴とする。

又、回転数可変型圧縮機、高圧側ガス冷媒を冷却する高圧側冷却装置、第１絞り装置、冷凍サイクル内の冷媒量を調整するための中間レシーバ、第２絞り装置、外気を熱源とする蒸発器、気液分離器を順次直列に接続して閉回路を形成した冷凍サイクル装置を備え、この冷凍サイクル装置は、通常運転時には超臨界冷凍サイクルで運転されるものであって、圧縮機と第１絞り装置との間が高圧状態となり、第１絞り装置と第２絞り装置との間が中間圧状態となり、第２絞り装置と圧縮機との間が低圧状態となり、かつ、蒸発器出口の冷媒が過熱状態となるように第１絞り装置及び第２絞り装置の少なくとも一方が制御され、さらに、運転開始時圧縮機を所定条件の間低速で運転するように制御されると共に、この冷凍サイクル装置は、前記所定条件の間として、圧縮機の吐出ガス温度が、過渡的状態の運転が完了したことを検知できるように予め設定された所定温度に上昇するまでの間を採用することを特徴とする。

前記冷凍サイクル装置は、前記気液分離器が蒸発器の冷媒出口の上方に配置され、気液分離器で分離された液冷媒が蒸発器と気液分離器とをつなぐ配管を介して蒸発器へ重力で戻るように構成したものとしてもよい。

前記冷凍サイクル装置は、前記気液分離器が外気と熱交換する熱交換器として作用するものとしてもよい。

前記冷凍サイクル装置は、蒸発器と気液分離器とをつなぐ配管の断面積が圧縮機吸入配管の断面積より大きく構成されているものとしてもよい。

前記冷凍サイクル装置は、除霜運転を停止したときに一時的に圧縮機を停止させ、所定時間経過後に運転を再開するように制御されるものとしてもよい。

前記冷凍サイクル装置は、高圧ガス冷却器、第１絞り装置間の高圧冷媒と蒸発器、気液分離器間の低圧冷媒とを熱交換する熱交換器を備えている構成としたものでもよい。

本発明に係る冷凍装置は、冷凍サイクル装置内の冷媒量を調節する中間レシーバが中間圧状態となる第１絞り装置と第２絞り装置との間に設けられているので、低圧側回路に液冷媒を貯留させることなく冷凍サイクル装置内の冷媒量の調節を行うことができる。また、従来の冷凍装置では低圧側に低圧レシーバを備えているが、本発明の冷凍サイクル装置は、このような低圧レシーバを設けずに、通常運転中蒸発器出口の冷媒が過熱状態となるように第１絞り装置及び第２絞り装置の少なくとも一方を制御しているので、蒸発器出口に液冷媒が流出することがない。また、本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機の吸入回路に液冷媒の貯留容器がないので、圧縮機への液冷媒の戻りが防止される。
さらに、本発明の冷凍サイクル装置は、運転開始時に所定条件の間、圧縮機を低速で運転するようにしているので、運転開始時の圧縮機への液冷媒の戻りをより確実に防止することができる。特に、冬季等における長期運転休止期間中の寝込み冷媒や、除霜運転後における運転態様の切り換え時においては圧縮機へ液戻りし易いが、上記のように圧縮機を低速運転することにより、その危険性を回避することができる。

本発明の冷凍サイクル装置は、上記所定条件の間として、運転開始後の運転時間が、運転開始の過渡的状態の運転が完了することを予測して設定された所定時間経過するまでの間とすれば、簡易な装置により所定条件の間を設定することができる。
また、上記所定条件の間として、圧縮機の吐出圧力が、運転開始後の過渡的状態の運転が完了することを予測して設定された所定圧力に上昇するまでの間を採用しても同様の効果がある。さらには、上記所定条件の間として、圧縮機の吐出ガス冷媒温度が、運転開始後の過渡的状態の運転が完了することを予測して設定された所定温度に上昇するまでの間を採用しても同様の効果がある。

また、前記冷凍サイクル装置において、気液分離器を蒸発器の冷媒出口の上方に配置し、気液分離器で分離された液冷媒が蒸発器と気液分離器とをつなぐ配管を介して蒸発器へ重力で戻るように構成すれば、運転開始時、所定条件の間圧縮機を低速で運転することとが相俟って、起動時等の過渡期の液戻りをより確実に防止することができる。このため、液圧縮することなく起動されるため、吐出ガス温度の上昇が早く、立ち上がり時間が短縮される。また、圧縮機の耐久性、信頼性がより一層向上する。

また、前記気液分離器が外気と熱交換する熱交換器として作用するものとすれば、気液分離器に流れてきた冷媒が蒸発器に戻るばかりでなく外気と熱交換して蒸発するので、より確実に液冷媒の戻りを防止することができる。

また、蒸発器と気液分離器とをつなぐ配管の断面積を圧縮機吸入配管の断面積より大きく構成すると、この配管を気液分離器の一部として考えることができ、それだけ気液分離器の容積を小さくすることができる。

また、上記冷凍サイクル装置において、除霜運転を停止したときに、一時的に圧縮機を停止させて所定時間経過後に運転を再開するようにすると、除霜運転時に気液分離器に流入した液冷媒を確実に蒸発器に戻すことができるので、除霜後における運転再開時の液冷媒の戻りをより確実に防止することができる。また、除霜後における運転開始時、所定条件の間圧縮機を低速で運転することとが相俟って、起動時等の過渡期の液戻りをより確実に防止することができる。

また、上記冷凍サイクル装置において、高圧ガス冷却器、第１絞り装置間の高圧冷媒と蒸発器、気液分離器間の低圧冷媒とを熱交換する熱交換器を設けると、圧縮機への液戻りをより確実に防止することができる。また、高圧ガス冷却器の出口冷媒の温度を低下させることができるので、高圧ガス冷却器の出口冷媒の比エンタルピー及び蒸発器入口側の比エンタルピーを小さくすることができ、エネルギー効率を向上させることができる。

以下、各実施例について図面に基づき説明する。

図１〜図３に基づき本発明の実施例１を説明する。
図１は実施例１に係る冷凍装置の冷媒回路図である。図２は同冷凍装置における超臨界冷凍サイクルのモリエル線図である。図３は同冷凍装置の蒸発器及び気液分離器周りの構成図である。

図１に示すように、実施例１に係る冷凍サイクル装置は、圧縮機１、高圧側ガス冷媒を冷却して暖房用温水、給湯水、室内空気などの加熱流体を加熱する高圧ガス冷却器２、第１絞り装置３、冷凍サイクル内の冷媒量を調節する中間レシーバ４、第２絞り装置５、外気から熱を汲み上げる蒸発器６、気液分離器７を順次直列に接続して閉回路を形成している。また、この冷却装置は、冷媒回路内に二酸化炭素が冷媒として充填された超臨界冷凍サイクルであって、高圧ガス冷却器２で暖房用温水、給湯水、室内空気などの被加熱流体を加熱する装置として形成されている。

圧縮機１は、所謂内部中間圧ドーム型２段圧縮機であって、密閉ケーシング１１内に低段側圧縮機部１２、高段側圧縮機部１３、電動機などを収納し、密閉ケーシング１１内に低段側圧縮機部１２から吐出された中間圧のガス冷媒を充満させ、高段側圧縮機部１３はこの中間圧ガス冷媒を吸入して吐出するように形成したものである。また、この２段圧縮機１はインバータにより回転数可変に形成されていて、運転開始時は所定条件の間低速で運転される。
この所定条件の間は、冷凍装置の運転開始時において、過渡的状態の運転が完了したことを検知できるように予め設定された所定運転条件に達するまでの間を意味する。冷凍装置は、運転開始時においては、圧縮機１の吐出圧力及び吐出ガス温度が次第に上昇して過渡的状態の運転から通常状態の運転に移行する。また、過渡的状態の運転を検出するには、運転開始から過渡的状態の運転が完了するまでの運転時間、過渡的状態の運転が完了するときの吐出圧力又は吐出ガス温度を所定条件として設定しておき、この所定条件が満たされたときに過渡的状態の運転が完了したものとして、圧縮機１を低速運転から通常時の回転速度に切り換えるように構成している。
また、通常運転に移行した後において、圧縮機１は、超臨界冷凍サイクルによる加熱負荷が増大する外気温度が低下したときに高速で運転され、逆に、加熱負荷が減少する外気温度が上昇したときに低速で運転されるように構成されている。

高圧ガス冷却器２は、高段側圧縮機部１３から吐出された吐出ガスを冷却する熱交換器である。この冷凍サイクル装置は超臨界冷凍サイクル装置を形成しているので、高圧ガス冷却器２では冷媒は凝縮されない。なお、高圧ガス冷却器２は、温水暖房装置の場合暖房用温水を加熱し、温風暖房装置の場合室内空気を加熱し、給湯装置の場合給湯水を加熱するように構成される。

第１絞り装置３及び第２絞り装置５としてはそれぞれ電動膨張弁が用いられている。中間レシーバ４は、冷凍サイクル内の冷媒量を調節するものであって、第１絞り装置３及び第２絞り装置５の開度制御により臨界点以下の圧力となるように制御される。これにより中間レシーバ４内に超臨界冷凍サイクルの余剰冷媒が液冷媒として貯留される。
なお、中間レシーバ４は、運転条件の変化による冷凍サイクル装置内の余剰冷媒を貯留し得る大きさの容積を有する。

蒸発器６は、外気を熱源として熱交換する熱交換器であって、低圧液冷媒が蒸発することにより外気から熱を汲み上げて冷媒自身が蒸発する。また、この蒸発器６は、蒸発器６中間の冷媒温度を検出する冷媒温度センサー６１と、蒸発器６出口の冷媒温度を検出する冷媒温度センサー６２とを有している。なお、この両冷媒温度センサー６１、６２が検出する冷媒温度の温度差により、蒸発器６出口における冷媒の過熱度が検出される。また、前記第１絞り装置３及び第２絞り装置５の少なくとも一方は、蒸発器６出口の冷媒が過熱状態となるように開度制御される。
また、この蒸発器６は、冷媒が上部から下方に向かって流れるように、熱交換パイプ６５を上方から下方に向かって蛇行させている（図３参照）。なお、図１及び図３において、符号６３は冷媒入口であり、符号６４は冷媒出口である。

また、上記超臨界冷凍サイクルには、中間レシーバ４のガス部４１と圧縮機１の密閉ケーシング１１内とを接続することにより、中間レシーバ４内の中間圧のガス冷媒を圧縮機の圧縮工程の中間圧力部にバイパスする中間圧冷媒バイパス回路８が形成されている。なお、この中間圧冷媒バイパス回路８には流量調整用のキャピラリーチューブ８１と圧縮機１から中間レシーバ４への冷媒流れを阻止する逆止弁８２が設けられている。また、超臨界冷凍サイクルには、圧縮機の圧縮工程の中間圧力のガス冷媒を蒸発器６にバイパスすることにより蒸発器６を除霜するためのデフロスト回路９も設けられている。なお、このデフロスト回路９には、デフロスト回路９を開閉するための開閉弁９１が設けられている。この開閉弁９１は通常運転中は閉塞され、除霜運転時に開放される。

気液分離器７は、円筒状などの適宜形状の密閉容器であって、この容器の下部に冷媒入口７１を備え、上部に冷媒出口７２を備えている。また、この気液分離器７は、図３に示すように、蒸発器６の冷媒出口６４に対し冷媒入口７１が所定ヘッド差Ｈ１高くなる位置に設けられている。また、気液分離器７の冷媒入口７１と蒸発器６の冷媒出口６４とをつなぐ配管７３、すなわち、気液分離器７から蒸発器６への液冷媒の戻り配管７３の断面積を、大径の配管を使用するなどして圧縮機吸入配管１４の断面積より大きく構成している。また、気液分離器７は、除霜時の圧縮機への液バックを防止し得る容積を有する。

以上のように構成された超臨界冷凍サイクルの作動について、図２のモリエル線図に基づいて説明する。このモリエル線図上の各点を表示する符合は、図１の冷媒回路に付された回路上の各符号の位置における冷媒の状態を示すように対応して示す。

まず、通常運転時における冷凍サイクルについて説明する。なお、この説明にはモリエル線図の各点を表示する符合を併記する。
２段圧縮機１の低段側圧縮機部１２では、気液分離器７出口側の低圧ガス冷媒ａ１が吸入されて圧縮される。低段側圧縮機部１２で圧縮された中間圧ガス冷媒ｂ１が密閉ケーシング１１内に吐出される。この密閉ケーシング１１内では、中間レシーバ４において気液分離された中間圧ガス冷媒ｇ１と低段側圧縮機部１２の吐出ガスｂ１とが混合されてガス冷媒ｃ１となる。高段側圧縮機部１３は、この混合冷媒ｃ１を吸入して高圧冷媒ｄ１として２段圧縮機１から吐出する。

２段圧縮機１から吐出された高圧冷媒ｄ１は高圧ガス冷却器２で暖房用温水、給湯水、室内空気などの加熱流体を加熱することにより冷却される。冷却された高圧ガス冷媒ｅ１は、第１絞り装置３により膨張され臨界点以下の圧力の気液混合冷媒ｆ１となって中間レシーバ４に流入する。この気液混合冷媒ｆ１は中間レシーバ４内で気液分離される。中間レシーバ４内で気液分離された中間圧ガス冷媒ｇ１は前述のように中間圧冷媒バイパス回路８を通って２段圧縮機１の密閉ケーシング１１内に流れ込む。

一方、中間レシーバ４で気液分離された液冷媒ｈ１は、第２絞り装置５で減圧され、低圧の気液混合冷媒ｉ１となって、蒸発器６に流入する。蒸発器６に流入した低圧の気液混合冷媒ｉ１は、外気と熱交換して（外気から熱を汲み上げて）蒸発し、低圧ガス冷媒ｊ１となって気液分離器７に流入する。また、気液分離器７を流出した低圧ガス冷媒ｊ１、すなわち、低圧ガス冷媒ａ１は前述のように低段側圧縮機部１２に吸入される。

このような超臨界冷凍サイクルにおいて、第１絞り装置３及び第２絞り装置５の少なくとも一方は、蒸発器６の出口冷媒が所定の過熱状態となるように制御される。また、このとき冷媒の過熱度は、蒸発器６の中間部に設けられた冷媒温度センサー６１の検出する冷媒温度と蒸発器６の出口側に設けられた冷媒温度センサー６２が検出する冷媒温度との差温から検出され、この差温を一定とするように制御することにより、蒸発器６出口側の冷媒を一定の過熱度に制御している。

以上は通常運転時における冷凍サイクルであるが、運転開始時においては、圧縮機１が高低圧力がバランスしている状態からスタートするため、圧縮機１の吐出圧力及び吐出ガス温度が低く、さらに、圧縮機１の吸入圧力が高い。また、運転開始時、上記通常状態の運転に至るまでの過渡的状態の運転において、圧縮機１の吐出圧力及び吐出ガス温度が次第に上昇し、吸入圧力が次第に低くなる。つまり、この間においては、蒸発器６や気液分離機７などの低圧側回路に存在する液冷媒が圧縮機１に吸入され易い状態となっている。
そこで、本発明においては、所定条件の間、換言すると、過渡的状態の運転が完了したことを検知できるように予め設定された所定運転条件の間圧縮機１を低速で運転するようにしている。より具体的には、運転開始時において、運転時間が予め設定された所定時間が経過するまでの間、吐出圧力が予め設定された所定圧力に上昇するまでの間、又は、吐出ガス温度が予め設定された所定温度に上昇するまでの間、圧縮機１を低速で運転するようにしている。これにより、低圧側回路に存在する液冷媒が圧縮機１に吸入され難いようにし、圧縮機１への液冷媒の戻りを抑制するようにしている。

また、上記冷凍サイクル装置において、冬季長時間運転を停止していたときは、外気に触れる蒸発器６や気液分離器７において冷媒が凝縮液化する。なお、気液分離器７で凝縮液化した冷媒は、気液分離器７の冷媒入口７１が蒸発器６の冷媒出口６４に対し所定高さＨ１だけ高く形成されていることにより、蒸発器６に戻される。また、気液分離器７内から戻った液冷媒や蒸発器６で液化した液冷媒は蒸発器６内に貯留される。この状態で起動した場合、蒸発器６から液冷媒が流出するが、この液冷媒は気液分離器７で気液分離されるので、圧縮機１には液冷媒が戻ることがない。
したがって、このように構成したことに加えて、前述のように運転開始時、通常状態の運転に至るまでの過渡的状態の運転において、圧縮機１を低速で運転することとが相俟って、起動時等の過渡期の液戻りをより確実に防止される。

また、上記冷凍サイクル装置において、蒸発器６の除霜が必要になった場合は、デフロスト回路９の開閉弁９１を開き、第１絞り装置３及び第２絞り装置５の少なくとも一方の開度を調節することにより、低段側圧縮機部１２から吐出された中間圧ガス冷媒を２段圧縮機１からデフロスト回路９を介して蒸発器６の入口側に送り込んでいる。これにより、中間圧ガス冷媒の有する潜熱により着霜した蒸発器６を加熱して除霜する。なお、高段側圧縮機部１３から吐出された冷媒は、高圧ガス冷却器２、第１絞り装置３、中間レシーバ４のガス部４１、キャピラリーチューブ８１、逆止弁８２、中間圧冷媒バイパス回路８を介してデフロスト回路９に流れ込むが、第１絞り装置３の開度を調節することにより少量とすることができる。また、中間レシーバ４内の液冷媒も第２絞り装置５の開度を調節することにより蒸発器６側への冷媒流れを防止することができる。

また、蒸発器６を除霜運転した後に通常の運転に戻るときは蒸発器６から液冷媒が流出するが、気液分離器７により気液分離されるので、圧縮機１に液冷媒の戻る心配がない。また、本実施例では、除霜運転を停止したときに、一時的に圧縮機１を停止させて所定時間経過後に運転を再開するようにしている。このようにすると、除霜時一時的に液冷媒が気液分離器７に貯留しても、この貯留した液冷媒は圧縮機１の運転停止中に重力で蒸発器６に戻る。
したがって、このように構成したこととに加えて、前述のように運転開始時、通常状態の運転に至るまでの過渡的状態の運転において、圧縮機１を低速で運転することとが相俟って、起動時等の過渡期の液戻りをより確実に防止される。

実施例１に係る冷却装置は以上のように構成されているので、次のような効果を奏する。
（１） 実施例１に係る冷凍装置は、冷凍サイクル装置内の冷媒量を調節する中間レシーバ４が中間圧状態となる第１絞り装置３と第２絞り装置５との間に設けられているので、低圧側回路に液冷媒を貯留させることなく冷凍サイクル装置内の冷媒量の調節を行うことができる。また、本実施例の冷凍装置では低圧側に低圧レシーバを備えずに、通常運転中蒸発器６出口の冷媒が過熱状態となるように第１絞り装置３及び第２絞り装置５の少なくとも一方が制御されるので、蒸発器６出口に液冷媒が流出することがない。また、圧縮機１の吸入回路に液冷媒の貯留容器がないので、圧縮機１への液冷媒の戻りが防止される。
さらに、本実施例１に係る冷凍装置は、運転開始時所定条件の間、つまり、過渡的状態の運転が完了したことを検知できるように予め設定された所定運転条件に達するまでの間、圧縮機１を低速で運転するようにしているので、運転開始時の圧縮機１への液冷媒の戻りをより確実に防止することができる。特に、冬季等における長期運転休止期間中の寝込み冷媒や、除霜運転後における運転態様の切り換え時においては圧縮機１へ液戻りし易いが、上記のように圧縮機１を低速運転することにより、その危険性を回避することができる。
なお、上記所定条件の間として、運転開始後の運転時間が、運転開始の過渡的状態の運転が完了することを予測して設定された所定時間経過するまでの間を採用することにより、又は、圧縮機１の吐出圧力が、運転開始後の過渡的状態の運転が完了することを予測して設定された所定圧力に上昇するまでの間を採用することにより、又は、圧縮機１の吐出ガス冷媒温度が、運転開始後の過渡的状態の運転が完了することを予測して設定された所定温度に上昇するまでの間を採用することにより、簡易な装置により所定条件の間を設定することができる。

（２） また、実施例１においては、中間レシーバ４の容積を、運転条件の変化による冷凍サイクル装置内の余剰冷媒を貯留し得る大きさとしているので、低圧側回路への余剰冷媒の貯留を抑制することができ、通常の運転時や、運転を一旦停止した後の運転再開時などにおける液冷媒の圧縮機１への戻りをより確実に防止することができる。

（３） また、この冷凍サイクル装置では、気液分離器７が除霜時の圧縮機への液バックを防止し得る容積を有するので、除霜運転時の圧縮機１への液戻りをより確実に防止することができる。

（４） また、気液分離器７を蒸発器６の冷媒出口６４の上方に配置し、気液分離器７で分離された液冷媒が蒸発器６と気液分離器７とをつなぐ配管７３を介して蒸発器６へ重力で戻るように構成されているので、運転停止時に何も運転することなく液冷媒が気液分離器７から蒸発器６へ確実に戻される。また、運転開始時、所定条件の間圧縮機１を低速で運転することとが相俟って、起動時等の過渡期の液戻りをより確実に防止することができる。このため、液冷媒が圧縮機１に戻ることなく起動されるため、吐出ガス温度の上昇が早く、立ち上がり時間が短縮される。また、圧縮機１の耐久性、信頼性がより一層向上する。

（５） また、蒸発器６と気液分離器７とをつなぐ配管７３の断面積が圧縮機１の吸入配管１４の断面積より大きく構成されているので、この配管７３を気液分離器７の一部として考えることができ、それだけ気液分離器７の容積を小さくすることができる。

（６） 除霜運転を停止したときに一時的に圧縮機１を停止させ、所定時間経過後に運転を再開するようにしているので、圧縮機１の運転停止中に一時的に気液分離器７に貯留した液冷媒が重力で蒸発器６に戻る。このため、圧縮機１に液冷媒が戻ることがなく圧縮機１の耐久性、信頼性を向上させることができる。また、除霜後における運転開始時、所定条件の間圧縮機１を低速で運転することとが相俟って、起動時等の過渡期の液戻りをより確実に防止することができる。

（７） また、上記冷凍サイクル装置に充填する冷媒を二酸化炭素としているので、可燃性、毒性のない安全な冷媒を使用しながら高圧側のガス冷媒温度が高くなる超臨界冷凍サイクルでの運転を行うことができる。

（８） また、高圧ガス冷却器２により暖房用温水、給湯水、室内空気などの被加熱流体を加熱する装置に応用した場合は、高温の暖房用温水、給湯水、温風などを供給することができる。

次に、実施例２を図４に基づき説明する。なお、図４は実施例２に係る冷凍装置の蒸発器及び気液分離器周りの構成図である。
実施例２は、実施例１における気液分離器７を外気と熱交換する気液分離器１００に変更したものであって、他の構成は実施例１の場合と同一である。
この気液分離器１００は、上部に上部ヘッダー１０１を、下部に下部ヘッダー１０２をそれぞれ配置し、この上下ヘッダー１０１、１０２間に熱交換チューブ１０３を垂直方向にして配置して構成されている。また、このように配設された熱交換チューブ１０３に対しプレートフィン１０４を水平方向に取り付けている。下部ヘッダー１０２は、蒸発器６の冷媒出口６４に対し、実施例１の場合と同様に所定のヘッド差Ｈ２を付けるように配置している。さらに、蒸発器６の冷媒出口６４と下部ヘッダー１０２とをつなぐ配管１０５、すなわち、気液分離器１００から蒸発器６への液冷媒の戻り配管１０５の断面積は、大径の配管などを利用するなどして、圧縮機吸入配管１４の断面積より大きく構成されている。

したがって、この気液分離器１００に気液混合の冷媒が流れてきた場合は、液冷媒の一部は外気と熱交換して蒸発し、残りの液冷媒は垂直方向の熱交換チューブ１０３内において気液分離され、分離された液冷媒は下部ヘッダー１０２及び戻り配管（蒸発器６の冷媒出口６４と下部ヘッダー１０２とをつなぐ配管）１０５を介して蒸発器６の冷媒入口６３側に流れるように形成されている。

実施例２は、以上のように気液分離器１００が外気と熱交換する熱交換器として作用するので、実施例１の場合より確実に液冷媒が圧縮機１に戻るのを防止することができる。
また、実施例１の場合と同様に、蒸発器６の冷媒出口６４と下部ヘッダー１０２とをつなぐ配管（戻り配管）１０５を気液分離器１００の一部として考えることができ、その分気液分離器１００の容積を小さくすることができる。

次に、実施例３を図５に基づき説明する。なお、図５は実施例３に係る冷凍装置の蒸発器及び気液分離器周りの構成図である。
実施例３は、実施例１における蒸発器６の構成を変更し、気液分離器７の位置を変更したものであって、他の構成は実施例１と同一である。
すなわち、実施例３においては、蒸発器２００は、冷媒入口２０１を下方に、また、冷媒出口２０２を上方に配置し、さらに、熱交換チューブ２０３を下方から上方に向かって蛇行状に配設して構成している。また、熱交換チューブ２０３に対しプレートフィン２０４が垂直方向に配置されている。一方、気液分離器７を蒸発器２００の上方に配置し、気液分離器７の冷媒入口７１と蒸発器２００の冷媒出口７２とを接続している。

したがって、この実施例３に係る蒸発器２００は、熱交換チューブ２０３が下方から上方に向かって蛇行状に配設しているので液冷媒を貯留し易い構造であり、液冷媒が冷媒出口２０２から気液分離器１００に流れ難い構造となっている。また、気液混合の冷媒が気液分離器７に流れてきた場合は、気液分離器７で気液分離され、液冷媒が気液分離器７の冷媒入口７１から下方の蒸発器２００の冷媒出口２０２を介して蒸発器６に戻って、蒸発器６に溜まるように構成されている。
このようにして、この実施例３では、蒸発器６に液冷媒が溜まるので、気液分離器７の容積を小さくすることができる。

次に実施例４を図６に基づき説明する。なお、図６は実施例４に係る冷凍装置の蒸発器及び気液分離器周りの構成図である。
実施例４は、実施例３において気液分離器７を実施例２における気液分離器１００に変更したものである。なお、その他の構成は、実施例３と同一である。

したがって、この実施例４に係る冷凍装置では、実施例２及び実施例３に係る冷凍装置と同様の効果を奏することができる。

次に実施例５について、図７及び図８に基づき説明する。なお、図７は実施例５に係る冷凍装置の冷媒回路図である。図８は同冷凍サイクル装置による超臨界冷凍サイクルのモリエル線図である。
実施例５は、実施例１において、圧縮機１を回転数可変の１段圧縮機３００とし、さらに、蒸発器６と気液分離器７との間に高圧ガス冷媒と低圧冷媒とを熱交換させる熱交換器３０３を設けたものである。

圧縮機３００は、圧縮工程の中間圧力部にガスインジェクションポート３０２を設けた１段圧縮機であり、密閉ケーシング３０１内には高圧ガス冷媒が導入されている。また、中間圧冷媒バイパス回路８が中間レシーバ４のガス部４１とガスインジェクションポート３０２との間に設けられている。圧縮機３００は、実施例１の場合と同様に、インバータにより回転数可変に形成されていて、運転開始時は所定条件の間低速で運転される。
また、熱交換器３０３は、蒸発器６出口の低圧冷媒と高圧ガス冷却器２出口側の高圧ガス冷媒とが熱交換するように構成されている。
なお、その他の構成は、実施例１と同一である。

次に、上記のように構成される実施例５について、図７のモリエル線図に基づいて説明する。このモリエル線図上の各点を表示する符合は、図７の冷媒回路に付された回路上の位置における冷媒の状態を示すように対応して示されている。

まず、通常運転時における冷凍サイクルについて説明する。なお、この説明にはモリエル線図の各点を表示する符合を併記する。
圧縮機３００では、気液分離器７出口側の低圧ガス冷媒ａ２が吸入されて圧縮される。一方中間レシーバ４において気液分離された中間圧ガス冷媒ｈ２が圧縮機３００のガスインジェクションポート３０２から圧縮機３００内の圧縮工程途中に導入される。したがって、圧縮機３００で中間圧まで圧縮されたガス冷媒ｂ２はガスインジェクションポート３０２から導入される中間圧ガス冷媒ｈ２と混合して混合冷媒ｃ２となる。さらに、この混合冷媒ｃ２は圧縮されて、密閉ケーシング３０１内に吐出される。そして、密閉ケーシング３０１内から高圧ガス冷媒ｄ２となって冷媒回路内に吐出される。

圧縮機３００から吐出された高圧ガス冷媒ｄ２は、高圧ガス冷却器２で暖房用温水、給湯水、室内空気などの被加熱流体を加熱することにより冷却される。高圧ガス冷却器２で冷却された高圧ガス冷媒ｅ２は熱交換器３０３でさらに冷却される。熱交換器３０３で冷却された高圧ガス冷媒ｆ２は、第１絞り装置３により膨張され臨界点以下の圧力の気液混合冷媒ｇ２となって中間レシーバ４に流入する。この気液混合冷媒ｇ２は中間レシーバ４内で気液分離される。中間レシーバ４内で気液分離された中間圧ガス冷媒ｈ２は前述のように中間圧冷媒バイパス回路８を通って圧縮機３００の密閉ケーシング３０１内に流れ込む。

一方、中間レシーバ４で気液分離された液冷媒ｉ２は、第２絞り装置５で減圧され、低圧の気液混合冷媒ｊ２となって蒸発器６に流入する。蒸発器６に流入した低圧の気液混合冷媒ｊ２は、外気と熱交換して外気から熱を汲み上げて蒸発し、湿り低圧冷媒ｋ２となって熱交換器３０３に流入する。熱交換器３０３に流入した湿り低圧冷媒ｋ２は、高圧ガス冷媒ｅ２と熱交換して加熱され、過熱された低圧ガス冷媒ｌ２となって気液分離器７に流入する。また、気液分離器７に流入した低圧ガス冷媒ｌ２、すなわち、低圧ガス冷媒ａ２は、気液分離器７を流出して圧縮機３００に吸入される。

このような超臨界冷凍サイクルにおいて、第１絞り装置３及び第２絞り装置５の少なくとも一方は、実施例１の場合と同様に、蒸発器６の出口冷媒が過熱状態となるように制御される。また、このとき冷媒の過熱度は、第１冷媒温度センサー６１の検出する冷媒温度と第２冷媒温度センサー６２が検出する冷媒温度との差温が一定となるように制御することにより、蒸発器６出口側の冷媒が一定の過熱度を有するように制御される。

以上は通常運転時における冷凍サイクルであるが、運転開始時所定条件の間、圧縮機３００を低速で運転することにより、低圧側回路に存在する液冷媒が圧縮機１に吸入され難いようにし、圧縮機１への液冷媒の戻りを抑制するようにしている。

また、上記冷凍サイクル装置において、冬季長時間運転を停止していたときや、除霜運転した後に通常の運転を行うときは、蒸発器６から液冷媒が流出するが、実施例１の場合と同様に気液分離器７により気液分離されることと運転開始時、通常状態の運転に至るまでの過渡的状態の運転において、圧縮機１を低速で運転することとが相俟って、起動時等の過渡期の液戻りをより確実に防止することができる。

また、上記冷凍サイクル装置において、蒸発器６の除霜が必要になった場合は、デフロスト回路９の開閉弁９１を開き、第１絞り装置３を開放するとともに第２絞り装置５の開度を調節することにより、圧縮機３００から吐出された高圧ガス冷媒が高圧ガス冷却器２、第１絞り装置３、中間レシーバ４のガス部４１、キャピラリーチューブ８１、中間圧冷媒バイパス回路８及びデフロスト回路９を介し中間圧力のガス冷媒となって蒸発器６の入口側に送られる。これにより蒸発器６を加熱して除霜することができる。

また、蒸発器６を除霜運転した後に通常の運転に戻るときは蒸発器６から液冷媒が流出するが、気液分離器７により気液分離されるので、圧縮機３００に液冷媒の戻る心配がない。また、本実施例では、除霜運転を停止したときに、一時的に圧縮機３００を停止させて所定時間経過後に運転を再開するようにしている。このようにすると、除霜時一時的に液冷媒が気液分離器７に貯留しても、この貯留した液冷媒は圧縮機３００の運転停止中に重力で蒸発器６に戻る。
したがって、このように構成したこととに加えて、前述のように運転開始時、通常状態の運転に至るまでの過渡的状態の運転において、圧縮機３００を低速で運転することとが相俟って、起動時等の過渡期の液戻りをより確実に防止される。

実施例５に係る冷却装置は以上のように構成されているので、実施例１の場合と同様に、前述の（１）〜（８）の効果を奏し、さらにこの効果に加えて次の効果を奏することができる。

すなわち、実施例５の場合は、蒸発器６と気液分離器７との間に高圧ガス冷媒と低圧冷媒とを熱交換する熱交換器３０３を備えるので、蒸発器６出口の湿り低圧冷媒ｋ２を加熱するとともに、高圧ガス冷却器２の出口冷媒の温度を低下させることができる。これにより圧縮機３００への液戻りをより確実に防止することができる。また、高圧ガス冷却器２の出口冷媒の比エンタルピー及び蒸発器入口側の比エンタルピーを小さくすることができ、エネルギー効率を向上させることができる。

以上詳述した冷凍装置は、広く一般の冷凍装置に利用できるが、特に、外気を熱源とするヒートポンプ式家庭用エアコン、業務用エアコン（パッケージエアコン）、外気熱源のヒートポンプ式温水暖房装置、外気熱源のヒートポンプ式給湯装置などに利用されるものである。

本発明の実施例１に係る冷凍装置の冷媒回路図である。 同冷凍装置における超臨界冷凍サイクルのモリエル線図である。 同冷凍装置の蒸発器及び気液分離器周りの構成図である。 実施例２に係る冷凍装置の蒸発器及び気液分離器周りの構成図である。 図５は実施例３に係る冷凍装置の蒸発器及び気液分離器周りの構成図である。 実施例４に係る冷凍装置の蒸発器及び気液分離器周りの構成図である。 本発明の実施例５に係る冷凍装置の冷媒回路図である。 同冷凍装置における超臨界冷凍サイクルのモリエル線図である。

符号の説明

１ （回転数可変型）圧縮機
２ 高圧ガス冷却器
３ 第１絞り装置
４ 中間レシーバ
５ 第２絞り装置
６ 蒸発器
７ 気液分離器
８ 中間圧冷媒バイパス回路
１４ 圧縮機吸入配管
４１ ガス部
６１ 冷媒温度センサー
６２ 冷媒温度センサー
６３ 冷媒入口
６４ 冷媒出口
７３ 配管
３００ 圧縮機
３０２ ガスインジェクションポート
３０３ 熱交換器
Ｈ１ ヘッド差
Ｈ２ ヘッド差

Claims (7)

1. 回転数可変型圧縮機、高圧側ガス冷媒を冷却する高圧側冷却装置、第１絞り装置、冷凍サイクル内の冷媒量を調整するための中間レシーバ、第２絞り装置、外気を熱源とする蒸発器、気液分離器を順次直列に接続して閉回路を形成した冷凍サイクル装置を備え、この冷凍サイクル装置は、通常運転時には超臨界冷凍サイクルで運転されるものであって、圧縮機と第１絞り装置との間が高圧状態となり、第１絞り装置と第２絞り装置との間が中間圧状態となり、第２絞り装置と圧縮機との間が低圧状態となり、かつ、蒸発器出口の冷媒が過熱状態となるように第１絞り装置及び第２絞り装置の少なくとも一方が制御され、さらに、運転開始時圧縮機を所定条件の間低速で運転するように制御されると共に、この所定条件の間として、圧縮機の吐出圧力が、過渡的状態の運転が完了したことを検知できるように予め設定された所定圧力に上昇するまでの間を採用することを特徴とする冷凍装置。
2. 回転数可変型圧縮機、高圧側ガス冷媒を冷却する高圧側冷却装置、第１絞り装置、冷凍サイクル内の冷媒量を調整するための中間レシーバ、第２絞り装置、外気を熱源とする蒸発器、気液分離器を順次直列に接続して閉回路を形成した冷凍サイクル装置を備え、この冷凍サイクル装置は、通常運転時には超臨界冷凍サイクルで運転されるものであって、圧縮機と第１絞り装置との間が高圧状態となり、第１絞り装置と第２絞り装置との間が中間圧状態となり、第２絞り装置と圧縮機との間が低圧状態となり、かつ、蒸発器出口の冷媒が過熱状態となるように第１絞り装置及び第２絞り装置の少なくとも一方が制御され、さらに、運転開始時圧縮機を所定条件の間低速で運転するように制御されると共に、この冷凍サイクル装置は、前記所定条件の間として、圧縮機の吐出ガス温度が、過渡的状態の運転が完了したことを検知できるように予め設定された所定温度に上昇するまでの間を採用することを特徴とする冷凍装置。
   
3. 
   前記冷凍サイクル装置は、前記気液分離器が蒸発器の冷媒出口の上方に配置され、気液分離器で分離された液冷媒が蒸発器と気液分離器とをつなぐ配管を介して蒸発器へ重力で戻るように構成されてなることを特徴とする請求項１、２の何れか１項に記載の冷凍装置。
   
4. 
   前記冷凍サイクル装置は、前記気液分離器が外気と熱交換する熱交換器として作用することを特徴とする請求項３記載の冷凍装置。
   
5. 
   前記冷凍サイクル装置は、蒸発器と気液分離器とをつなぐ配管の断面積が圧縮機吸入配管の断面積より大きく構成されていることを特徴とする請求項４記載の冷凍装置。
   
6. 
   前記冷凍サイクル装置は、除霜運転を停止したときに一時的に圧縮機を停止させ、所定時間経過後に運転を再開するように制御されることを特徴とする請求項３〜６の何れか１項記載の冷凍装置。
   
7. 
   前記冷凍サイクル装置は、高圧ガス冷却器、第１絞り装置間の高圧冷媒と蒸発器、気液分離器間の低圧冷媒とを熱交換する熱交換器を備えていることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の冷凍装置。

Images