JP4386071B2 - 冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、超臨界域で作動する冷媒を利用した冷凍装置に関する。

冷媒として超臨界域で作動する超臨界冷媒（例えば、ＣＯ２冷媒）を利用した冷凍装置がある（特許文献１参照）。
特開２０００−２３４８１４号公報

しかしながら、起動時で冷媒の高圧圧力が上がりきっていない場合や、低外気温時で冷媒が臨界温度以上になっていない場合に、冷媒が気液二相状態で膨張機構に流入してしまう場合がある。この場合に、膨張機構の入口付近において、流動音が発生し易くなり、運転時の騒音につながる。

本発明の課題は、冷媒の流動音の発生を抑制することで、運転時の騒音の発生を低減することにある。

第１発明に係る冷凍装置は、超臨界冷媒を利用し、高圧圧力が臨界圧力以上の領域で作動する冷凍装置であって、圧縮機と、ガスクーラと、膨張機構と、蒸発器と、吐出圧力検出手段と、制御部とを備える。圧縮機は、超臨界冷媒を圧縮する。ガスクーラは、圧縮機で圧縮された超臨界冷媒を冷却する。膨張機構は、超臨界冷媒を減圧する。蒸発器は、膨張機構で減圧された超臨界冷媒を蒸発させる。吐出圧力検出手段は、圧縮機の吐出圧力を検出可能である。制御部は、起動時、かつ、吐出圧力が臨界圧力未満である場合に、膨張機構の開度を調整して、吐出圧力が臨界圧力以上になるように制御し、また、定常運転時に、前記膨張機構の開度を調整して、前記吐出圧力が前記臨界圧力以上になるように制御する。

本発明では、制御部は、起動時において吐出圧力が臨界圧力未満であると判断すると、膨張機構の開度を調整し吐出圧力が臨界圧力以上になるように制御する。

したがって、冷凍サイクルにおける超臨界冷媒の高圧圧力を臨界圧力以上にすることで膨張機構の入口付近における超臨界冷媒の状態を気液二相状態から超臨界状態または液相状態とすることができるため、気泡の破裂などによる流動音の発生を抑えることができる。

また、本発明では、起動時だけでなく、定常運転時においても吐出圧力が臨界圧力以上になるように制御している。したがって、常に膨張機構の入口付近の冷媒の状態を超臨界状態または液相状態にすることができ、膨張機構入口における流動音を低減することができる。

第２発明に係る冷凍装置は、第１発明に係る冷凍装置であって、制御部は、吐出圧力が臨界圧力未満である場合に、膨張機構の開度を全閉または微小開度にする第１制御を行う。

本発明では、制御部は、吐出圧力が臨界圧力未満である場合に、膨張機構の開度を全閉または微小開度にする。したがって、冷凍サイクルにおける高圧圧力が臨界圧力以上になりやすくでき、膨張機構の入口付近における流動音の発生を抑えることができる。

第３発明に係る冷凍装置は、第２発明に係る冷凍装置であって、制御部は、第１制御の後で、かつ、吐出圧力が臨界圧力以上である場合に、膨張機構の開度を大きくする第２制御を行う。

冷媒は、超臨界冷媒の圧力が臨界圧力以上になると、超臨界状態または液相状態となり気液二相状態ではなくなるため、さらに圧力を上げなくとも膨張機構の入口付近における流動音の発生を低減することができる。

本発明では、制御部は、高圧圧力を上げやすくする第１制御の後で、吐出圧力が臨界圧力以上である場合に、膨張機構を開ける第２制御を行う。このため、無駄に吐出圧力を上げることなく最適な圧力に制御でき、エネルギー消費を少なくすることができる。

第４発明に係る冷凍装置は、第１発明から第３発明のいずれかに係る冷凍装置であって、吐出圧力検出手段は、圧縮機の吐出側に設けられる圧力センサである。

本発明では、圧力センサにより吐出圧力を検出し、冷媒が超臨界状態であるか否かを判断している。したがって、吐出圧力から冷凍サイクルにおける高圧圧力をダイレクトに検出することができ、第１制御の時間を必要最小限にして第２制御に移行することができる。無駄に高圧圧力を上げることなく最適な圧力に制御でき、エネルギーのロスを少なくすることができる。

第５発明に係る冷凍装置は、第１発明から第４発明のいずれかに係る冷凍装置であって、制御部は、吐出圧力と圧縮機の運転容量とから膨張機構の入口圧力を演算する。また、制御部は、入口圧力が臨界圧力未満である場合に、膨張機構の開度を調整して吐出圧力が臨界圧力以上になるように制御する。

本発明では、吐出圧力、および圧縮機容量から膨張機構の入口圧力を演算している。吐出圧力と膨張機構の入口圧力とは、冷媒配管の圧損があるために異なる値となる。したがって、騒音の原因となっている膨張機構の入口付近における冷媒の状態をより確実に気液二相状態から超臨界状態または液相状態に制御できる。

第６発明に係る冷凍装置は、第１発明から第３発明のいずれかに係る冷凍装置であって、圧力検出手段は、ガスクーラの出口から膨張機構の入口までの間の超臨界冷媒の温度を検出可能な温度センサである。制御部は、入口温度が臨界温度未満である場合に、入口圧力が臨界圧力未満となっている可能性があると判断し、膨張機構の開度を調整して入口温度が臨界温度以上になるように制御する。

本発明では、温度センサにより、ガスクーラの出口から膨張機構の入口までの間の冷媒温度を検出し冷媒が超臨界状態であるか否かを判断している。このため、膨張機構の入口付近の冷媒の状態が気液二相状態でないと判断でき、流動音の原因となる気泡の破裂音などを低減することができる。また、第４発明における圧力センサの代用として圧力センサよりも安価な温度センサを利用できるため、生産コストを削減できる。

第７発明に係る冷凍装置は、第１発明から第６発明のいずれかに係る冷凍装置であって、送風機をさらに備える。送風機は、ガスクーラの冷却を促進する。制御部は、起動時、かつ、吐出圧力が臨界圧力未満である場合に、送風機の風量を０にする、または、小さくするように制御する。

本発明では、起動時、かつ、吐出圧力が臨界圧力未満である場合に、ガスクーラに送風して冷却を促進する送風機の風量を０にする、または、小さくしている。したがって、ガスクーラにおける冷却効果を小さくすることができ、ガスクーラ内の冷媒の温度および圧力を高くすることができる。このため、ガスクーラ出口の冷媒の状態を超臨界状態または液相状態にすることができ、膨張機構の入口付近における流動音を低減することができる。

第８発明に係る冷凍装置は、第１発明から第７発明のいずれかに係る冷凍装置であって、制御部は、定常運転時、かつ、低外気温時に、膨張機構の開度を調整して吐出圧力が臨界圧力以上になるように制御する。

定常運転時において、低外気温時には、膨張機構の入口付近における冷媒の状態が気液二相状態になる場合がある。本発明では、低外気温時においても、膨張機構の開度を調整して、高圧圧力が臨界圧力以上になるように制御している。したがって、低外気温時においても、膨張機構の入口付近における冷媒の状態を超臨界状態または液相状態にすることができる。

第９発明に係る冷凍装置は、第８発明に係る冷凍装置であって、低外気温時は、外気温度が２０℃以下の場合である。

本発明では、外気温度が２０℃以下であるような超臨界冷媒が気液二相状態になりやすい条件下において、吐出圧力が臨界圧力以上になるように制御している。したがって、外気温度が２０度以下の場合においても、膨張機構の入口付近における超臨界冷媒の状態を気液二相状態から超臨界状態または液相状態にすることができる。

第１０発明に係る冷凍装置は、超臨界冷媒を利用し、高圧圧力が臨界圧力以上の領域で作動する冷凍装置であって、圧縮機と、ガスクーラと、膨張機構と、蒸発器と、温度検出手段と、制御部とを備える。圧縮機は、超臨界冷媒を圧縮する。ガスクーラは、圧縮機で圧縮された超臨界冷媒を冷却する。膨張機構は、超臨界冷媒を減圧する。蒸発器は、膨張機構で減圧された超臨界冷媒を蒸発させる。温度検出手段は、膨張機構の入口温度を検出可能である。制御部は、起動時、かつ、入口温度が臨界温度未満である場合に、膨張機構の開度を調整して、入口温度が臨界温度以上になるように制御する。

本発明では、制御部は、膨張機構の入口温度が臨界温度未満であると判断すると、膨張機構の開度を調整し膨張機構の入口温度が臨界温度以上になるように制御する。したがって、冷凍サイクルにおける超臨界冷媒の膨張機構の入口温度を臨界温度以上にすることで、膨張機構の入口における超臨界冷媒の状態を気液二相状態ではない超臨界状態にすることができる。このため、膨張機構の入口付近における流動音の発生を抑えることができる。

第１１発明に係る冷凍装置は、第１発明から第１０発明のいずれかに係る冷凍装置であって、超臨界冷媒は、ＣＯ２冷媒である。

本発明では、冷媒にＣＯ２冷媒を利用している。ＣＯ２冷媒は、オゾン破壊係数が０のためオゾン層を破壊することがない。また、ＣＯ２冷媒は、地球温暖化係数が１であり、数百から１万程度のフルオロカーボン冷媒よりも遙かに低い。したがって、環境負荷が小さいＣＯ２冷媒を利用することで、地球環境が悪化することを抑えることができる。

第１発明に係る冷凍装置では、冷凍サイクルにおける超臨界冷媒の高圧圧力を臨界圧力以上にすることで常に超臨界冷媒の状態を気液二相状態から超臨界状態または液相状態とすることができるため、気泡の破裂などによる流動音の発生を抑えることができる。

第２発明に係る冷凍装置では、冷凍サイクルにおける高圧圧力が臨界圧力以上になりやすくでき、気泡の破裂などによる流動音の発生を抑えることができる。

第３発明に係る冷凍装置では、無駄に吐出圧力を上げることなく最適な圧力に制御でき、エネルギー消費を少なくすることができる。

第４発明に係る冷凍装置では、吐出圧力から冷凍サイクルにおける高圧圧力をダイレクトに検出することができ、第１制御の時間を必要最小限にして第２制御に移行することができる。無駄に高圧圧力を上げることなく最適な圧力に制御でき、エネルギーのロスを少なくすることができる。

第５発明に係る冷凍装置では、騒音の原因となっている膨張機構の入口付近における冷媒の状態をより確実に気液二相状態から超臨界状態または液相状態に制御できる。

第６発明に係る冷凍装置では、膨張機構の入口付近の冷媒の状態が気液二相状態でないと判断でき、流動音の原因となる気泡の破裂音などを低減することができる。また、第４発明における圧力センサの代用として圧力センサよりも安価な温度センサを利用できるため、生産コストを削減できる。

第７発明に係る冷凍装置では、ガスクーラにおける冷却効果を小さくすることができ、ガスクーラ内の冷媒の温度および圧力を高くすることができる。このため、ガスクーラ出口の冷媒の状態を超臨界状態または液相状態にすることができ、膨張機構の入口付近における流動音を低減することができる。

第８発明に係る冷凍装置では、低外気温時においても、膨張機構の入口付近における冷媒の状態を超臨界状態または液相状態にすることができる。

第９発明に係る冷凍装置では、外気温度が２０度以下の場合においても、超臨界冷媒の状態を気液二相状態から超臨界状態または液相状態にすることができる。

第１０発明に係る冷凍装置では、冷凍サイクルにおける超臨界冷媒の膨張機構の入口温度を臨界温度以上にすることで、膨張機構の入口における超臨界冷媒の状態を気液二相状態ではない超臨界状態にすることができる。このため、気泡の破裂などによる流動音の発生を抑えることができる。

第１１発明に係る冷凍装置では、環境負荷が小さいＣＯ２冷媒を利用することで、地球環境が悪化することを抑えることができる。

以下、図面に基づいて、本発明に係る空気調和装置の実施形態について説明する。

＜空気調和装置の構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係る空気調和装置１の概略構成図である。空気調和装置１は、ビル等の室内の冷暖房に使用される装置である。本発明では、冷媒に超臨界冷媒であるＣＯ２冷媒を利用している。空気調和装置１は、主として、１台の熱源ユニットとしての室外ユニット２と、それに接続された利用ユニットとしての室内ユニット３と、室外ユニット２と室内ユニット３とを接続する冷媒連絡配管４とを備えている。冷媒連絡配管４は、液冷媒連絡配管４１とガス冷媒連絡配管４２とから構成される。すなわち、本実施形態の空気調和装置１の冷媒回路１０は、室外ユニット２と、室内ユニット３と、冷媒連絡配管４とが接続されることによって構成されている。

（１）室外ユニット
室外ユニット２は、ビル等の室外に設置されており、冷媒連絡配管４を介して室内ユニット３に接続されており、冷媒回路１０を構成している。

次に、室外ユニット２の構成について説明する。室外ユニット２は、主として、冷媒回路１０の一部を構成する室外側冷媒回路２０を有している。この室外側冷媒回路２０は、主として、圧縮機２１と、四路切換弁Ｖ１と、熱源側熱交換器としての室外熱交換器２３と、膨張機構としての室外膨張弁Ｖ２と、液側閉鎖弁Ｖ３と、ガス側閉鎖弁Ｖ４とを有している。

圧縮機２１は、運転容量を可変することが可能な圧縮機であり、本実施形態において、インバータにより回転数が制御されるモータ２２によって駆動される容積式圧縮機である。本実施形態において、圧縮機２１は、１台のみであるが、これに限定されず、室内ユニットの接続台数等に応じて、２台以上の圧縮機が並列に接続されていても良い。

四路切換弁Ｖ１は、室外熱交換器２３をガスクーラおよび蒸発器として機能させるために設けられた弁である。四路切換弁Ｖ１は、室外熱交換器２３と、圧縮機２１の吸入側と、圧縮機２１の吐出側と、ガス冷媒連絡配管４２とに接続されている。そして、室外熱交換器２３をガスクーラとして機能させる際には、圧縮機２１の吐出側と室外熱交換器２３とを接続するとともに、圧縮機２１の吸入側とガス冷媒連絡配管４２とを接続する（図１の実線の状態）。逆に、室外熱交換器２３を蒸発器として機能させる際には、室外熱交換器２３と圧縮機２１の吸入側とを接続するとともに、圧縮機２１の吐出側とガス冷媒連絡配管４２とを接続する（図１の破線の状態）。

室外熱交換器２３は、ガスクーラまたは蒸発器として機能させることが可能な熱交換器であり、本実施形態において、空気を熱源として冷媒と熱交換するクロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器である。室外熱交換器２３は、一方が四路切換弁Ｖ１に接続され、他方が室外膨張弁Ｖ２に接続されている。

室外膨張弁Ｖ２は、室外側冷媒回路２０内を流れる冷媒の圧力や流量等の調節を行うために、室外熱交換器２３と液側閉鎖弁Ｖ３との間に接続された電動膨張弁である。

また、室外ユニット２は、ユニット内に室外空気を吸入して、室外熱交換器２３において冷媒と熱交換させた後に、室外に排出するための送風ファンとしての室外ファン２４を有している。この室外ファン２４は、室外熱交換器２３に供給する空気の風量を可変することが可能なファンであり、本実施形態において、ＤＣファンモータからなるモータ２５によって駆動されるプロペラファン等である。

また、室外ユニット２には、各種のセンサが設けられている。具体的には、室外ユニット２には、圧縮機２１の吐出圧力Ｐｄを検出する吐出圧力センサＰ１が設けられている。室外ユニット２の室外空気の吸入口側には、室外ユニット２内に流入する室外空気の温度（すなわち、外気温度）を検出する外気温度センサＴ１が設けられている。本実施形態において、外気温度センサＴ１は、サーミスタからなる。

また、室外ユニット２は、室外ユニット２を構成する各部の動作を制御する室外側制御部２７を有している。そして、室外側制御部２７は、室外ユニット２の制御を行うために設けられたマイクロコンピュータ、メモリ、モータ２２などを制御するインバータ回路等を有しており、後述する室内ユニット３の室内側制御部３４との間で伝送線５１を介して制御信号等のやりとりを行うことができるようになっている。すなわち、室外側制御部２７と室内側制御部３４と各制御部２７，３４間を接続する伝送線５１とによって、空気調和装置１全体の運転制御を行う制御部５が構成されている。

制御部５は、各種センサＰ１，Ｔ１の検出信号を受けることができるように接続されるとともに、これらの検出信号等に基づいて各種機器２１，２４，３２および弁Ｖ１，Ｖ２，Ｖ５を制御することができるように接続されている。ここで、図２は、空気調和装置１の制御ブロック図である。

（２）室内ユニット
室内ユニット３は、ビル等の室内の天井に埋め込みや吊り下げ等、または、室内の壁面に壁掛け等により設置されている。室内ユニット３は、冷媒連絡配管４を介して室外ユニット２に接続されており、冷媒回路１０の一部を構成している。

次に、室内ユニット３の構成について説明する。室内ユニット３は、主として、冷媒回路１０の一部を構成する室内側冷媒回路３０を有している。この室内側冷媒回路３０は、主として、利用側熱交換器としての室内熱交換器３１と、膨張機構としての室内膨張弁Ｖ５とを有している。

室内熱交換器３１は、伝熱管と多数のフィンとにより構成されたクロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器であり、冷房運転時には冷媒の蒸発器として機能して室内空気を冷却し、暖房運転時には冷媒のガスクーラとして機能して室内空気を加熱する熱交換器である。

室内膨張弁Ｖ５は、室外膨張弁Ｖ２と同様に、室内側冷媒回路３０内を流れる冷媒の圧力や流量等の調節を行うために、室内熱交換器３１の液側に接続された電動膨張弁である。

また、室内ユニット３は、室内空気をユニット内に吸入して、室内熱交換器３１において冷媒と熱交換させた後に、供給空気として室内に供給する送風ファンとしての室内ファン３２を有している。室内ファン３２は、室内熱交換器３１に供給する空気の風量を可変することが可能なファンであり、本実施形態において、ＤＣファンモータからなるモータ３３によって駆動される遠心ファンや多翼ファン等である。

また、室内ユニット３は、室内ユニット３を構成する各部の動作を制御する室内側制御部３４を備えている。そして、室内側制御部３４は、室内ユニット３の制御を行うために設けられたマイクロコンピュータやメモリ等を有しており、室内ユニット３を個別に操作するためのリモコン（図示せず）との間で制御信号等のやりとりや、室外ユニット２との間で伝送線５１を介して制御信号等のやりとり等を行うことができるようになっている。

（３）冷媒連絡配管
冷媒連絡配管４は、空気調和装置１をビル等の設置場所に設置する際に、現地にて施工される冷媒配管であり、設置場所や室外ユニット２と室内ユニット３との組み合わせ等の設置条件に応じて種々の長さや管径を有するものが使用される。

＜空気調和装置の動作＞
次に、本実施形態の空気調和装置１の動作について説明する。

本実施形態の空気調和装置１の運転モードとしては、起動時に冷凍サイクルが安定するまで行う起動モードと、冷凍サイクルが安定した後の通常モードとがある。通常モードには、室内ユニット３の冷暖房の負荷に応じて、室内ユニット３の冷房を行う冷房運転と、室内ユニット３の暖房を行う暖房運転とがある。

以下、空気調和装置１の各運転モードにおける動作について説明する。

（１）起動モード
図３は、起動モードにおける制御の流れを示すフローチャートである。起動モードは、冷房運転または暖房運転にかかわらず空気調和装置１を運転させる（圧縮機２１を起動させる）と立ち上がる。以下、図３に基づいて、起動モードについて説明する。

まず、ステップＳ１では、吐出圧力センサＰ１で検出された吐出圧力Ｐｄが、ＣＯ２冷媒の臨界圧力Ｐｋ未満であるか否かを確認する。この吐出圧力Ｐｄが、臨界圧力Ｐｋ未満であればステップＳ２へ移行し、臨界圧力Ｐｋ以上であればステップＳ３へ移行する。ステップＳ２では、冷房運転の場合には室外膨張弁Ｖ２の絞り開度θ１を小さくする絞り制御を行い、暖房運転の場合には室内膨張弁Ｖ５の絞り開度θ２を小さくする絞り制御を行う。なお、ここにいう「絞り制御」では、気液二相状態のＣＯ２冷媒が室外膨張弁Ｖ２または室内膨張弁Ｖ５を通過する際に、流動音が生じない程度の開度αに絞り開度θ１，θ２を制御している（後述図５参照）。吐出圧力Ｐｄが臨界圧力Ｐｋ未満であると、ＣＯ２冷媒は、超臨界状態ではなく気液二相状態である可能性が高い。ＣＯ２冷媒が気液二相状態であると、室外膨張弁Ｖ２または室内膨張弁Ｖ５付近で流動音が発生しやすくなる。このため、室外膨張弁Ｖ２の絞り開度θ１または室内膨張弁Ｖ５の絞り開度θ２を開度αにすることで、この冷凍サイクルにおけるＣＯ２冷媒の高圧圧力が臨界圧力Ｐｋ以上に早くなるようにしている。ステップＳ２が終了すると、ステップＳ１へ戻る。ステップＳ３では、通常モードへと移行する。

（２）通常モード
図４は、通常モードにおける制御の流れを示すフローチャートである。通常モードは、上述の起動モードが終了した後に行われる。

まず、ステップＳ１１では、吐出圧力センサＰ１で検出された吐出圧力Ｐｄが、ＣＯ２冷媒の臨界圧力Ｐｋ未満であるか否かを確認する。吐出圧力Ｐｄが臨界圧力Ｐｋ未満であればステップＳ１２へ移行し、吐出圧力Ｐｄが臨界圧力Ｐｋ以上であればステップＳ１５へ移行する。ステップＳ１２では、冷房運転の場合には室外膨張弁Ｖ２の絞り開度θ１を小さくする絞り制御を行い、暖房運転の場合には室内膨張弁Ｖ５の絞り開度θ２を小さくする絞り制御を行う。ステップＳ１２が終了すると、ステップＳ１３へ移行する。ステップＳ１３では、冷房運転の場合には室外ファン２４が駆動中であるか否かを確認し、暖房運転の場合には室内ファン３２が駆動中であるか否かを確認する。室外ファン２４または室内ファン３２が駆動中であればステップＳ１４へ移行し、室外ファン２４または室内ファン３２が駆動中でなければステップＳ１１へ戻る。ステップＳ１４では、室外ファン２４または室内ファン３２を停止する。ステップＳ１４が終了すると、ステップＳ１１へ戻る。ステップＳ１１において、外気温度が２０℃を超えた場合に移行するステップＳ１５では、室外膨張弁Ｖ２または室内膨張弁Ｖ５が絞り制御中か否かを確認する。室外膨張弁Ｖ２または室内膨張弁Ｖ５が絞り制御中であればステップＳ１６へ移行し、室外膨張弁Ｖ２または室内膨張弁Ｖ５が通常制御中であればステップＳ１１へ戻る。ステップＳ１６では、室外膨張弁Ｖ２または室内膨張弁Ｖ５の通常制御を行う。なお、ここにいう「通常制御」とは、後述する冷房運転または暖房運転で行われる制御のことである。ステップＳ１６が終了すると、ステップＳ１７へ移行する。ステップＳ１７では、室外ファン２４または室内ファン３２が停止中であるか否かを確認する。室外ファン２４または室内ファン３２が停止中であればステップＳ１８へ移行し、室外ファン２４または室内ファンが駆動中であればステップＳ１１へ戻る。ステップＳ１８では、室外ファン２４または室内ファン３２を起動し、室外ファン２４または室内ファン３２において通常制御が行われる。ステップＳ１８が終了すると、ステップＳ１１へ戻る。

（３）絞り制御および通常制御
上述の通常モードのフローチャートのように、制御部５は、室外膨張弁Ｖ２または室内膨張弁Ｖ５を絞り制御する場合と通常制御する場合とに切り換えている。図５は、絞り制御から通常制御へ、通常制御から絞り制御への切換のタイミングを表すタイムフロー図である。図５では、横軸に時間ｔをとり、縦軸に吐出圧力Ｐｄと室外膨張弁Ｖ２の絞り開度θ１または室内膨張弁Ｖ５の絞り開度θ２をとっている。起動時の時間をｔ１、そのときの吐出圧力Ｐｄが初期吐出圧力Ｐ０であるとすると、時間ｔ１から絞り制御が行われ室外膨張弁Ｖ２の絞り開度θ１または室内膨張弁Ｖ５の絞り開度θ２は開度αに設定される。時間ｔ２になり吐出圧力Ｐｄが初期吐出圧力Ｐ０から臨界圧力Ｐｋとなると、絞り制御から通常制御に移行し、室外膨張弁Ｖ２の絞り開度θ１または室内膨張弁Ｖ５の絞り開度θ２は開度βに設定される。さらに、例えば外気温度が２０℃以下の条件で、吐出圧力Ｐｄが臨界圧力Ｐｋ以下になる（時間ｔ３）と、再び、通常制御から絞り制御へと移行する。このときの室外膨張弁Ｖ２の絞り開度θ１または室内膨張弁Ｖ５の絞り開度θ２は開度αに設定される。

次に通常制御における冷房運転および暖房運転について説明する。

（４）冷房運転
まず、冷房運転について、図１を用いて説明する。冷房運転時は、室外ユニット２の室外側冷媒回路２０において、四路切換弁Ｖ１が図１の実線で示される状態に切り換えられることによって、室外熱交換器２３がガスクーラとして機能し、かつ、室内熱交換器３１が蒸発器として機能するようになっている。

この冷媒回路１０の状態で、圧縮機２１、室外ファン２４、および室内ファン３２を起動すると、低圧Ｐｌのガス冷媒は、圧縮機２１に吸入されて圧縮されて高圧Ｐｈのガス冷媒となる。高圧Ｐｈに圧縮されたガス冷媒は、室外熱交換器２３に流入する。このとき室外熱交換器２３は、ガスクーラとして機能し室外ファン２４によって供給される室外空気に熱を放出して冷媒を冷却する。そして、室外膨張弁Ｖ２により高圧Ｐｈの状態から低圧Ｐｌまで減圧される。低圧Ｐｌに減圧された冷媒は、気液二相状態の冷媒となって、液側閉鎖弁Ｖ３および液冷媒連絡配管４１を経由して室内ユニット３に送られる。

そして、この室内ユニット３に送られた低圧Ｐｌの気液二相状態の冷媒は、室内膨張弁Ｖ５により流量の制御が行われ、室内熱交換器３１において室内空気と熱交換を行って蒸発して低圧Ｐｌのガス冷媒となる。低圧Ｐｌのガス冷媒は、ガス冷媒連絡配管４２を経由して室外ユニット２に送られ、ガス側閉鎖弁Ｖ４を通じて、再び、圧縮機２１に吸入される。

（５）暖房運転
暖房運転時は、室外ユニット２の室外側冷媒回路２０において、四路切換弁Ｖ１が図１の破線で示される状態に切り換えられることによって、室外熱交換器２３が蒸発器として機能し、かつ、室内熱交換器３１がガスクーラとして機能するようになっている。

この冷媒回路１０の状態で、圧縮機２１、室外ファン２４、および室内ファン３２を起動すると、低圧Ｐｌのガス冷媒は、圧縮機２１に吸入されて圧縮されて高圧Ｐｈのガス冷媒となり、四路切換弁Ｖ１、ガス側閉鎖弁Ｖ４を経由して、ガス冷媒連絡配管４２に送られる。

そして、ガス冷媒連絡配管４２に送られた高圧Ｐｈのガス冷媒は、室内ユニット３に送られる。この室内ユニット３に送られた高圧Ｐｈのガス冷媒は、室内熱交換器３１に送られる。この冷媒は、室内熱交換器３１において、室内空気と熱交換を行って冷却されて高圧Ｐｈの液冷媒となった後、室内膨張弁Ｖ５を通過する際に、室内膨張弁Ｖ５の絞り開度θ２に応じて低圧Ｐｌまで減圧され気液二相状態となる。

そして、気液二相状態となった冷媒は、液冷媒連絡配管４１を経由して室外ユニット２に送られる。この冷媒は、液側閉鎖弁Ｖ３および室外膨張弁Ｖ２を経由して室外熱交換器２３へ流入する。

この冷媒は、室外熱交換器２３において外気と熱交換を行って蒸発して低圧Ｐｌのガス冷媒となる。このとき、室外膨張弁Ｖ２は全開になっている。低圧Ｐｌのガス冷媒は、四路切換弁Ｖ１を経由して、再び、圧縮機２１に吸入される。

＜超臨界冷凍サイクル＞
次にこの空気調和装置１における冷凍サイクルについて説明する。図６は、超臨界条件下における冷凍サイクルをｐ−ｈ線図（モリエル線図）により示している。図６のＡ、Ｂ、Ｃ、およびＤは、冷房運転の場合の、図１におけるそれぞれの点に対応した冷媒の状態を表している。また、図６の括弧書きのＡ、Ｆ、Ｅ、およびＤは、暖房運転の場合の、図１におけるそれぞれの点に対応した冷媒の状態を表している。

この冷媒回路１０では、冷媒は、圧縮機２１により圧縮されて高温かつ高圧Ｐｈになる（Ａ→Ｂ）。このとき、冷媒であるＣＯ２は気体から超臨界状態となる。ここにいう「超臨界状態」とは、臨界点Ｋ以上の温度および圧力下における物質の状態であり、気体の拡散性と液体の溶解性とを併せ持っている状態のことである。超臨界状態とは、図６において、臨界温度等温線Ｔｋの右側で、かつ、臨界圧力Ｐｋ以上の領域における冷媒の状態である。なお、冷媒（物質）が超臨界状態になると、気相と液相との区別が無くなる。なお、ここにいう「気相」とは、飽和蒸気線Ｓｖより右側で、かつ、臨界圧力Ｐｋ以下の領域における冷媒の状態である。また、「液相」とは、飽和液線Ｓｌより左側で、かつ、臨界温度等温線Ｔｋよりも左側の領域における冷媒の状態である。そして、圧縮機２１により圧縮されて高温かつ高圧Ｐｈの超臨界状態となった冷媒は、ガスクーラとして機能している室外熱交換器２３により放熱されて低温かつ高圧Ｐｈの冷媒となる（Ｂ→Ｃ）。このとき、冷媒は、超臨界状態にあるため、室外熱交換器２３内部において顕熱変化（温度変化）を伴って作動している。そして、室外熱交換器２３において放熱した冷媒は、室外膨張弁Ｖ２が開放されることにより膨張して、圧力が高圧Ｐｈから低圧Ｐｌへと減圧される（Ｃ→Ｄ）。そして、室外膨張弁Ｖ２により減圧された冷媒は、蒸発器として機能する室内熱交換器３１において熱を吸収し、蒸発して圧縮機２１へ戻る（Ｄ→Ａ）。

＜特徴＞
（１）
本実施形態では、制御部５が、冷凍サイクルにおける吐出圧力Ｐｄが臨界圧力Ｐｋ未満であると判断すると、起動モードの場合に、室外膨張弁Ｖ２の絞り開度θ１または室内膨張弁Ｖ５の絞り開度θ２を微小開度である開度αに調整し吐出圧力Ｐｄが臨界圧力Ｐｋ以上になりやすくなるように制御する。また、通常モードの場合においても、同様の制御を行う。

したがって、ＣＯ２冷媒の状態を気液二相状態から超臨界状態または液相状態とすることができ、室外膨張弁Ｖ２および室内膨張弁Ｖ５の入口付近における流動音の発生を抑えることができる。

（２）
本実施形態では、制御部５は、絞り制御の後で、吐出圧力Ｐｄが臨界圧力Ｐｋ以上である場合に、室外膨張弁Ｖ２または室内膨張弁Ｖ５の通常制御を行う。ＣＯ２冷媒の圧力が臨界圧力Ｐｋ以上になると、ＣＯ２冷媒は超臨界状態となり気相と液相との区別が無くなる。このため、無駄に吐出圧力Ｐｄを上げることなく最適な圧力に制御でき、エネルギーのロスを少なくすることができる。

（３）
本実施形態では、吐出圧力センサＰ１により、吐出圧力Ｐｄを検出し高圧側におけるＣＯ２冷媒の状態が超臨界状態または液相状態であるか否かを判断している。したがって、吐出圧力Ｐｄから冷凍サイクルにおける高圧圧力Ｐｈをダイレクトに検出することができ、絞り制御の時間（ｔ２−ｔ１）を必要最小限にして通常制御に移行することができる。このため、無駄に吐出圧力Ｐｄを上げることなく最適な圧力に制御でき、エネルギー消費を少なくすることができる。

（４）
本実施形態では、起動時に、ガスクーラとして機能している室外熱交換器２３または室内熱交換器３１に送風して冷却を促進する室外ファン２４または室内ファン３２を停止している。したがって、室外熱交換器２３または室内熱交換器３１における冷却効果を極力小さくすることができ、室外熱交換器２３内または室内熱交換器３１内のＣＯ２冷媒の温度および圧力を高くすることができる。このため、ガスクーラとして機能している室外熱交換器２３または室内熱交換器３１出口の冷媒の状態を超臨界状態または液相状態にすることができ、室外膨張弁Ｖ２または室内膨張弁Ｖ５の入口付近における流動音を低減することができる。

（５）
本実施形態では、外気温度が２０度以下になるような低外気温時においても、室外膨張弁Ｖ２の絞り開度θ１または室内膨張弁Ｖ５の絞り開度θ２を調整して、吐出圧力Ｐｄが臨界圧力Ｐｋ以上になるように制御している。したがって、外気温度が２０度以下になるような低外気温時においても、冷媒の状態を超臨界状態または液相状態にすることができる。

（６）
本実施形態では、冷媒にＣＯ２冷媒を利用している。ＣＯ２冷媒は、オゾン破壊係数が０のためオゾン層を破壊することがない。また、ＣＯ２冷媒は、地球温暖化係数が１であり、数百から１万程度のフルオロカーボン冷媒よりも遙かに低い。したがって、環境負荷が小さいＣＯ２冷媒を利用することで、地球環境が悪化することを抑えることができる。

＜変形例＞
（１）
本実施形態では、吐出圧力センサＰ１により圧縮機２１の吐出圧力Ｐｄを検出し、吐出圧力ＰｄがＣＯ２冷媒の臨界圧力Ｐｋ未満であるか否かで、絞り制御を行うか否かを判断しているが、これに限らない。吐出圧力Ｐｄと圧縮機２１の圧縮機容量とから室外膨張弁Ｖ２または室内膨張弁Ｖ５の入口付近の入口圧力を演算し、この入口圧力に基づいて絞り制御を行うか否かを判断しても良い。

吐出圧力Ｐｄと室外膨張弁Ｖ２または室内膨張弁Ｖ５の入口圧力とは、圧縮機２１の吐出側から各膨張弁Ｖ２，Ｖ５までの冷媒配管の圧損があるために異なる値となる。ここでは、算出された入口圧力に基づいて絞り制御を行うか否かを判断しており、騒音の原因となっている室外膨張弁Ｖ２または室内膨張弁Ｖ５の入口における気液二相状態の冷媒をより確実に超臨界状態または液相状態に制御できる。

（２）
本実施形態では、吐出圧力センサＰ１により圧縮機２１の吐出圧力Ｐｄを検出し、吐出圧力ＰｄがＣＯ２冷媒の臨界圧力Ｐｋ未満であるか否かで、絞り制御を行うか否かを判断しているが、これに限らない。例えば図７のように、室外熱交換器２３と室外膨張弁Ｖ２との間の第１液冷媒配管２８に第１液管温度センサＴ２を設け、また、室内熱交換器３１と室内膨張弁Ｖ５との間の第２液冷媒配管３５に第２液管温度センサＴ３を設けて、室外膨張弁Ｖ２または室内膨張弁Ｖ５の入口付近の入口温度を検出し、入口温度がＣＯ２冷媒の臨界温度である３１℃未満であるか否かで、絞り制御を行うか否かを判断しても良い。

したがって、室外膨張弁Ｖ２または室内膨張弁Ｖ５の入口付近の入口温度を検出することで、ＣＯ２冷媒が超臨界状態であるか否かを判断できる。このため、室外膨張弁Ｖ２または室内膨張弁Ｖ５の入口付近の冷媒の状態が気液二相状態でないことを判断でき、流動音の原因となる気泡の破裂音などを低減することができる。また、圧力センサの代用として圧力センサよりも安価な温度センサを利用できるため、生産コストを削減できる。

（３）
本実施形態では、冷凍装置が利用されているものとして空気調和装置１を挙げたが、これに限らずに、ヒートポンプ給湯機、冷蔵庫などあっても構わない。

本発明に係る冷凍装置は、騒音の発生を抑制する効果を有し、超臨界域で作動する冷媒を利用した冷凍装置等として有用である。

本発明の一実施形態に係る空気調和装置の冷媒回路図。 空気調和装置の制御ブロック図。 起動モードのフローチャート。 通常モードのフローチャート。 絞り制御と通常制御との切り換えのタイミングを表すタイムフロー図。 超臨界冷凍サイクルのｐ−ｈ線図（モリエル線図）。 変形例（２）に係る空気調和装置の冷媒回路図。

１，１ａ 空気調和装置（冷凍装置）
５ 制御部
２１ 圧縮機
２３ 室外熱交換器（ガスクーラ、蒸発器）
２４ 室外ファン（送風機）
３１ 室内熱交換器（ガスクーラ、蒸発器）
３２ 室内ファン（送風機）
Ｐ１ 吐出圧力センサ（圧力センサ）
Ｔ２ 第１液管温度センサ（温度センサ）
Ｔ３ 第２液管温度センサ（温度センサ）
Ｖ２ 室外膨張弁（膨張機構）
Ｖ５ 室内膨張弁（膨張機構）

Claims (11)

1. 超臨界冷媒を利用し、高圧圧力が臨界圧力以上の領域で作動する冷凍装置であって、
   前記超臨界冷媒を圧縮する圧縮機（２１）と、
   前記圧縮機で圧縮された前記超臨界冷媒を冷却するガスクーラ（２３，３１）と、
   前記超臨界冷媒を減圧する膨張機構（Ｖ２，Ｖ５）と、
   前記膨張機構で減圧された前記超臨界冷媒を蒸発させる蒸発器（３１，２３）と、
   前記圧縮機の吐出圧力を検出可能な吐出圧力検出手段（Ｐ１，Ｔ２，Ｔ３）と、
   起動時、かつ、前記吐出圧力が前記臨界圧力未満である場合に、前記膨張機構の開度を調整して、前記吐出圧力が前記臨界圧力以上になるように制御し、また、定常運転時に、前記膨張機構の開度を調整して、前記吐出圧力が前記臨界圧力以上になるように制御する制御部（５）と、
   を備える冷凍装置（１）。
2. 前記制御部は、前記吐出圧力が前記臨界圧力未満である場合に、前記膨張機構の開度を全閉または微小開度にする第１制御を行う、
   請求項１に記載の冷凍装置（１）。
3. 前記制御部は、前記第１制御の後で、かつ、前記吐出圧力が前記臨界圧力以上である場合に、前記膨張機構の開度を大きくする第２制御を行う、
   請求項２に記載の冷凍装置（１）。
4. 前記吐出圧力検出手段は、前記圧縮機の吐出側に設けられる圧力センサ（Ｐ１）である、
   請求項１から３のいずれかに記載の冷凍装置（１）。
5. 前記制御部は、前記吐出圧力と前記圧縮機の運転容量とから前記膨張機構の入口圧力を演算し、前記入口圧力が前記臨界圧力未満である場合に、前記膨張機構の開度を調整して前記吐出圧力が前記臨界圧力以上になるように制御する、
   請求項１から４のいずれかに記載の冷凍装置。
6. 前記圧力検出手段は、前記ガスクーラの出口から前記膨張機構の入口までの間の前記超臨界冷媒の温度を検出可能な温度センサ（Ｔ２，Ｔ３）であり、
   前記制御部は、前記入口温度が前記臨界温度未満である場合に、前記入口圧力が前記臨界圧力未満となっている可能性があると判断し、前記膨張機構の開度を調整して前記入口温度が前記臨界温度以上になるように制御する
   請求項１から３のいずれかに記載の冷凍装置（１ａ）。
7. 前記ガスクーラの冷却を促進する送風機（２４，３２）を、
   さらに備え、
   前記制御部は、起動時、かつ、前記吐出圧力が前記臨界圧力未満である場合に、前記送風機の風量を０にする、または、小さくするように制御する、
   請求項１から６のいずれかに記載の冷凍装置（１）。
8. 前記制御部は、定常運転時に低外気温時であっても、前記膨張機構の開度を調整して、前記吐出圧力が前記臨界圧力以上になるように制御する、
   請求項１から７のいずれかに記載の冷凍装置（１）。
9. 前記低外気温時は、外気温度が２０℃以下の場合である、
   請求項８に記載の冷凍装置（１）。
10. 超臨界冷媒を利用し、高圧圧力が臨界圧力以上の領域で作動する冷凍装置であって、
    前記超臨界冷媒を圧縮する圧縮機（２１）と、
    前記圧縮機で圧縮された前記超臨界冷媒を冷却するガスクーラ（２３，３１）と、
    前記超臨界冷媒を減圧する膨張機構（Ｖ２，Ｖ５）と、
    前記膨張機構で減圧された前記超臨界冷媒を蒸発させる蒸発器（３１，２３）と、
    前記膨張機構の入口温度を検出可能な温度検出手段（Ｔ２，Ｔ３）と、
    起動時、かつ、前記入口温度が前記臨界温度未満である場合に、前記膨張機構の開度を調整して、前記入口温度が前記臨界温度以上になるように制御する制御部（５）と、
    を備える冷凍装置（１）。
11. 前記超臨界冷媒は、ＣＯ２冷媒である、
    請求項１から１０のいずれかに記載の冷凍装置（１）。

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