(57)【要約】【課題】膨張行程の冷媒の内部エネルギを機械エネルギに変換し、再び、この機械エネルギを冷媒の内部エネルギとする際の効率の低減を抑制することを実現する空気調和装置を提供することを目的としている。【解決手段】主圧縮機、凝縮器、絞り装置、及び蒸発器を有し、これらが冷媒配管で接続された冷媒回路を有する空気調和装置において、冷媒回路に接続され、冷媒が通過することで回転し、冷媒を減圧させる遠心式膨張機と、遠心式膨張機の回転が伝達される動力伝達部と、冷媒回路に接続され、動力伝達部を介して遠心式膨張機の回転が伝達されて回転し、冷媒を圧縮する遠心式圧縮機と、を備え、動力伝達部は、遠心式膨張機の回転速度に対する遠心式圧縮機の回転速度を変化させる変速機構を有する。【選択図】図２
2014145558.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主圧縮機、凝縮器、絞り装置、及び蒸発器を有し、これらが冷媒配管で接続された冷媒回路を有する空気調和装置において、
前記冷媒回路に接続され、冷媒が通過することで回転し、冷媒を減圧させる遠心式膨張機と、
前記遠心式膨張機の回転が伝達される動力伝達部と、
前記冷媒回路に接続され、前記動力伝達部を介して前記遠心式膨張機の回転が伝達されて回転し、冷媒を圧縮する遠心式圧縮機と、
を備え、
前記動力伝達部は、
前記遠心式膨張機の回転速度に対する前記遠心式圧縮機の回転速度を変化させる変速機構を有する
ことを特徴とする空気調和装置。
【請求項２】
前記遠心式膨張機は、
内部に冷媒を減圧させる空間を有し、外側側面と前記動力伝達部とが接触して自身の回転を前記動力伝達部に伝達する膨張部と、
前記膨張部に設けられ、冷媒が通過すると前記膨張部とともに回転し、冷媒を減圧させる第１の旋回部と、を有し、
前記遠心式圧縮機は、
内部に冷媒を圧縮する空間を有し、外側側面と前記動力伝達部とが接触して前記動力伝達部の回転が伝達される圧縮部と、
前記圧縮部に設けられ、回転することで前記圧縮部の冷媒を圧縮する第２の旋回部とを有している
ことを特徴とする請求項１に記載の空気調和装置。
【請求項３】
前記動力伝達部は、
前記遠心式膨張機の回転速度と前記遠心式圧縮機の回転速度との比が、１：１〜１：５０の範囲となるように構成されている
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の空気調和装置。
【請求項４】
前記遠心式膨張機、前記動力伝達部、及び前記遠心式圧縮機を収容する密閉容器を備え、
前記遠心式膨張機及び前記遠心式圧縮機は、
前記密閉容器に対して回転自在に支持されている
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の空気調和装置。
【請求項５】
前記遠心式膨張機及び前記遠心式圧縮機は、
前記第１の旋回部の回転軸と、前記第２の旋回部の回転軸とが平行になるように、前記密閉容器に支持されている
ことを特徴とする請求項４に記載の空気調和装置。
【請求項６】
前記冷媒回路に接続され、液冷媒を貯留するレシーバを有し、
前記密閉容器は、
前記レシーバ内に収容されている
ことを特徴とする請求項４又は５に記載の空気調和装置。
【請求項７】
前記凝縮器の飽和圧力から算出され、前記遠心式膨張機に流入する冷媒密度と、前記遠心式膨張機の回転速度とに基づいて前記遠心式膨張機に流入する冷媒の質量流量を算出するとともに、
前記蒸発器の飽和圧力から算出され、前記遠心式圧縮機に流入する冷媒密度と、前記遠心式圧縮機の回転速度とに基づいて前記遠心式圧縮機に流入する冷媒の質量流量を算出する演算装置を有し、
前記演算装置は、
前記遠心式膨張機に流入する冷媒の質量流量と、前記遠心式圧縮機に流入する冷媒の質量流量との比が１になるように前記動力伝達部の変速機構を制御する
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の空気調和装置。
【請求項８】
前記動力伝達部は、
前記遠心式膨張機の回転方向によらず、前記遠心式圧縮機の回転方向が予め設定された方向とする回転方向変更機構を有している
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の空気調和装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気調和装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
冷凍サイクル装置は、毛細管若しくは膨張弁などが設けられ、毛細管若しくは膨張弁を通過する冷媒に対して等エンタルピ変化を行わせている。
ここで、毛細管若しくは膨張弁のように冷媒を膨張させる機構（容積変化式膨張機）を備えるとともに、冷媒が膨張する際の力を利用して冷媒を圧縮する機構（遠心式圧縮機）を備える流体機械が搭載された冷凍サイクル装置が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１に記載の技術は、冷凍サイクルの膨張過程において、容積変化式膨張機にて内部エネルギを機械エネルギに変換しながら冷媒の減圧を行うとともに、この変換された機械エネルギを利用して遠心式圧縮機を作動させて冷媒を圧縮するものである。このように、特許文献１に記載の技術は、膨張過程における内部エネルギを機械エネルギとして回収し、冷媒の圧縮に利用することで、冷凍サイクル装置の効率が低減してしまうことを抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−６３２４７号公報（たとえば、要約書、段落［００２８］及び図２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の流体機械は、膨張過程における内部エネルギを機械エネルギとして回収することはできるが、容積変化式膨張機と遠心式圧縮機とが同一回転数で回転するように構成されているため、容積変化式膨張機に流入する冷媒の冷媒密度及び遠心式圧縮機に流入する冷媒の冷媒密度などによっては、冷媒の内部エネルギを機械エネルギとした後に、この機械エネルギを再び冷媒の内部エネルギとする際の効率が低減してしまう場合があるという課題があった。
なお、この効率が低減してしまうと、遠心式圧縮機から冷凍サイクルへの入力が、その分低減することになり、冷凍サイクル装置の成績係数が低減してしまうことになる。
【０００６】
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、膨張行程の冷媒の内部エネルギを機械エネルギに変換し、再び、この機械エネルギを冷媒の内部エネルギとする際の効率の低減を抑制することを実現する空気調和装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る空気調和装置は、主圧縮機、凝縮器、絞り装置、及び蒸発器を有し、これらが冷媒配管で接続された冷媒回路を有する空気調和装置において、冷媒回路に接続され、冷媒が通過することで回転し、冷媒を減圧させる遠心式膨張機と、遠心式膨張機の回転が伝達される動力伝達部と、冷媒回路に接続され、動力伝達部を介して遠心式膨張機の回転が伝達されて回転し、冷媒を圧縮する遠心式圧縮機と、を備え、動力伝達部は、遠心式膨張機の回転速度に対する遠心式圧縮機の回転速度を変化させる変速機構を有するものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る空気調和装置によれば、上記構成を有しているため、膨張行程の冷媒の内部エネルギを機械エネルギに変換し、再び、この機械エネルギを冷媒の内部エネルギとする際の効率の低減を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態に係る空気調和装置の冷媒回路構成例図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る空気調和装置の流体装置の模式図である。
【図３】図２に示す回転方向変更歯車を説明する模式図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る空気調和装置のＰ−ｈ線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
実施の形態．
図１は、実施の形態に係る空気調和装置２００の冷媒回路構成例図である。図２は、実施の形態に係る空気調和装置２００の流体装置１００の模式図である。図３は、図２に示す回転方向変更歯車３Ｄを説明する模式図である。
本実施の形態に係る空気調和装置２００は、膨張行程の冷媒の内部エネルギを機械エネルギに変換し、再び、この機械エネルギを冷媒の内部エネルギとする際の効率の低減を抑制する改良が加えられたものである。
【００１１】
空気調和装置２００は、空調対象空間に空調空気を供給する利用側の室内機（図示省略）及び熱源機として機能する室外機（図示省略）を有し、室内機と室外機とが冷媒配管などで接続されたものである。
空気調和装置２００は、冷媒を圧縮する主圧縮機１３と、冷媒流路を切り替える四方弁１４と、凝縮器（放熱器）又は蒸発器として機能する第１熱交換器１５と、蒸発器又は凝縮器として機能する第２熱交換器２０と、冷媒を減圧させる絞り装置１６、１９と、液冷媒を貯留することができるレシーバ１８と、冷媒を膨張させる遠心式膨張機１及び冷媒を圧縮する遠心式圧縮機２を有する流体装置１００とを有している。そして、空気調和装置２００は、主圧縮機１３、四方弁１４、第１熱交換器１５、第２熱交換器２０、絞り装置１６、１９、レシーバ１８及び流体装置１００が冷媒配管で接続されて構成された冷媒回路を有している。この冷媒回路によって、空気調和装置２００の冷凍サイクルが構成されている。
空気調和装置２００は、第１熱交換器１５に設置されたサーミスタ２２と、第２熱交換器２０に設置されたサーミスタ２３と、サーミスタ２２及びサーミスタ２３の検出結果などに基づいて流体装置１００を制御する演算装置５０とを有している。
【００１２】
［主圧縮機１３］
主圧縮機１３は、冷媒を圧縮して吐出するものである。主圧縮機１３は、吸入側がレシーバ１８に接続され、吐出側が四方弁１４に接続されている。この主圧縮機１３は、下流側に設けられた流体装置１００の遠心式圧縮機２によって予め圧縮された冷媒をさらに圧縮する。主圧縮機１３は、たとえば、容量が可変であるインバーター圧縮機などで構成するとよい。
【００１３】
［四方弁１４］
四方弁１４は、冷房運転と暖房運転との切り替えなどを実行するために、冷媒流路を切り替えるものである。すなわち、四方弁１４は、（１）主圧縮機１３の吐出側と第１熱交換器１５とを接続するとともに主圧縮機１３の吸入側と第２熱交換器２０とをレシーバ１８を介して接続すること、及び、（２）主圧縮機１３の吐出側と第２熱交換器２０とを接続するとともに、主圧縮機１３の吸入側と第１熱交換器１５とをレシーバ１８を介して接続すること、を切り替えるものである。
たとえば、第１熱交換器１５が利用側（室内側）の熱交換器であり、第２熱交換器２０が熱源側（室外側）の熱交換器である場合において、暖房運転時には四方弁１４が上記（１）の接続となるように切り替えられ、冷房運転時には四方弁１４が上記（２）の接続となるように四方弁１４が切り替えられる。
【００１４】
［第１熱交換器１５及び第２熱交換器２０］
第１熱交換器１５及び第２熱交換器２０は、凝縮器又は蒸発器として機能するものである。なお、第１熱交換器１５が凝縮器として機能しているときには、第２熱交換器２０は蒸発器として機能し、第１熱交換器１５が蒸発器として機能しているときには、第２熱交換器２０は凝縮器として機能する。
第１熱交換器１５は、一方が四方弁１４に接続され、他方が絞り装置１６に接続されているものである。第２熱交換器２０は、一方が四方弁１４に接続され、他方が絞り装置１９に接続されているものである。
【００１５】
第１熱交換器１５及び第２熱交換器２０の熱交換の対象は、特に限定されるものではなく、たとえば、冷媒と冷媒、冷媒と水、冷媒と空気、又は冷媒と地熱などを採用してよい。たとえば、第１熱交換器１５及び第２熱交換器２０は、第１熱交換器１５及び第２熱交換器２０に付設される図示省略のファンから供給される空気と、自身を流れる冷媒とが熱交換するように、複数の平板状のフィンが並行に設けられ、この複数のフィンにチューブが接続されたフィン・アンド・チューブ熱交換器などで構成してよい。また、第１熱交換器１５及び第２熱交換器２０は、冷媒と冷媒とを熱交換させる二重管熱交換器などで構成してもよいし、水と冷媒とを熱交換させるプレート式熱交換器などで構成してもよい。
【００１６】
［絞り装置１６、１９］
絞り装置１６、１９は、冷媒を減圧させるものである。絞り装置１６は、一方が第１熱交換器１５に接続され、他方がレシーバ１８に接続されている。絞り装置１９は、一方が第２熱交換器２０に接続され、他方がレシーバ１８に接続されている。
絞り装置１６、１９は、たとえば、毛細管を有するキャピラリーチューブ、又は弁体を制御して開度調整ができるようになっている電子式膨張弁などを採用するとよい。
【００１７】
［レシーバ１８］
レシーバ１８は、底部側に液冷媒を貯留し、この液冷媒の上側にガス冷媒を貯留する容器１８Ａを有するものである。
レシーバ１８は、一方が絞り装置１６に接続され、他方が絞り装置１９に接続されているものである。すなわち、レシーバ１８には、「絞り装置１６が接続された冷媒配管１８Ｂの一部」と、「絞り装置１９が接続された冷媒配管１８Ｃの一部」とが接続されている。なお、レシーバ１８は、この冷媒配管１８Ｂの一部及び冷媒配管１８Ｃの一部に加えて、「一方が主圧縮機１３の吸入側に接続され、他方が四方弁１４に接続された冷媒配管１８Ｄの一部」が接続されている。
【００１８】
容器１８Ａの内部には、流体装置１００が設けられている。これにより、流体装置１００の遠心式膨張機１及び遠心式圧縮機２が駆動することで発生する音及び振動などが、容器１８Ａにて減衰され、ユーザーの快適性を向上させることができるようになっている。
また、容器１８Ａの内部に流体装置１００が設けられると、その分、主圧縮機１３及びレシーバ１８などといった各種機器が設置される室外機の機械室の省スペース化を図ることができる。
なお、本実施の形態では、容器１８Ａの内部に流体装置１００が設けられているものとして説明するが、それに限定されるものではなく、上述のユーザーの快適性及び省スペース化の効果は得られなくなるが、容器１８Ａの外側に流体装置１００が設けられていてもよい。
【００１９】
冷媒配管１８Ｂは、一方が絞り装置１６に接続され、他方がレシーバ１８に接続されている配管である。なお、冷媒配管１８Ｂのうち容器１８Ａ内の部分には、遠心式膨張機１が接続されている。
冷媒配管１８Ｃは、一方が絞り装置１９に接続され、他方がレシーバ１８に接続されている。
冷媒配管１８Ｄは、一方が主圧縮機１３の吸入側に接続され、他方が四方弁１４に接続されている。なお、冷媒配管１８Ｄのうち容器１８Ａ内の部分には、遠心式圧縮機２が接続されている。
【００２０】
［流体装置１００］
流体装置１００は、冷媒を膨張させる遠心式膨張機１と、遠心式膨張機１で冷媒が膨張する力を利用して冷媒を圧縮する遠心式圧縮機２と、遠心式膨張機１で冷媒が膨張する力を遠心式圧縮機２で高効率に回収するのに利用される動力伝達部３と、遠心式膨張機１、遠心式圧縮機２及び動力伝達部３などが設けられた密閉容器４とを有しているものである。
【００２１】
（遠心式膨張機１）
遠心式膨張機１は、絞り装置１６側の冷媒配管１８Ｂに接続される接続部１Ａと、容器１８Ａの内部に位置する冷媒配管１８Ｂの開口端部側に接続される接続部１Ｂと、冷媒が膨張するのに利用される空間を有する膨張部１Ｃと、膨張部１Ｃに設けられた旋回翼１Ｄと、膨張部１Ｃの外側側面に設けられた動力伝達歯車１Ｅと、を有している。
【００２２】
接続部１Ａは、一方が絞り装置１６側の冷媒配管１８Ｂに接続され、他方が膨張部１Ｃに接続されたものである。接続部１Ａは、密閉容器４に回転自在に支持されている。
なお、接続部１Ａは、一方が絞り装置１６側の冷媒配管１８Ｂに接続されているが、この冷媒配管１８Ｂに対して回転自在となっている。すなわち、接続部１Ａは、接続部１Ａの径の中心を軸として回転することができるように、冷媒配管１８Ｂと接続されているということである。このように、接続部１Ａと冷媒配管１８Ｂとを回転自在に接続する構成としては、たとえば、次のようなものがある。
接続部１Ａは、冷媒配管１８Ｂとの接続部分が球面状に形成されている。また、冷媒配管１８Ｂは、接続部１Ａとの接続部分であって球面状に形成された部分を覆うように形成された挿入部が形成されている。そして、接続部１Ａの接続部分を、冷媒配管１８Ｂの接続部分に挿入することで、接続部１Ａと冷媒配管１８Ｂとを回転自在に接続することができる。なお、接続部１Ａと冷媒配管１８Ｂとの接続部分から冷媒が漏れないように、たとえばＯリングなどを設けるとよい。
【００２３】
接続部１Ｂは、一方が容器１８Ａの内部に位置する冷媒配管１８Ｂの開口端部側に接続され、他方が膨張部１Ｃに接続されたものである。接続部１Ｂは、密閉容器４に回転自在に支持されている。
接続部１Ｂについては、一方が容器１８Ａの内部に位置する冷媒配管１８Ｂの開口端部側に接続されているが、この冷媒配管１８Ｂに対して回転自在となっている。なお、接続部１Ｂと冷媒配管１８Ｂとを回転自在に接続する構成は、たとえば、上述の接続部１Ａと同様とすればよい。
【００２４】
膨張部１Ｃは、遠心式膨張機１を通過する冷媒が膨張する空間を有する部分であり、その内部に旋回翼１Ｄが設けられている。そして、膨張部１Ｃは、密閉容器４内で回転するように、一方が接続部１Ａに接続され、他方が接続部１Ｂに接続されているものである。
すなわち、接続部１Ａ及び接続部１Ｂは、密閉容器４に回転自在に支持されているとともに、冷媒配管１８Ｂに回転自在に接続されている。このため、膨張部１Ｃは、密閉容器４内で回転自在となっているということである。
なお、膨張部１Ｃの外側側面には、後述する動力伝達部３の回転方向変更歯車３Ｄと噛み合うように歯車状に形成された動力伝達歯車１Ｅが設けられている。すなわち、膨張部１Ｃが回転することで、膨張部１Ｃの外側側面に設けられた動力伝達歯車１Ｅも回転し、回転方向変更歯車３Ｄが回転する。
【００２５】
旋回翼１Ｄは、膨張部１Ｃ内に固定されて設けられたものであり、接続部１Ａ又は接続部１Ｂから膨張部１Ｃに流入した冷媒により回転力を受ける。そして、旋回翼１Ｄは冷媒から回転力を受けると、旋回翼１Ｄ自身と旋回翼１Ｄと一体の膨張部１Ｃとが軸回転するようになっている。
すなわち、旋回翼１Ｄは、冷媒の膨張過程における冷媒の内部エネルギを、動力伝達部３及び遠心式圧縮機２を駆動する機械エネルギとしながら、冷媒の減圧を行うものである。
旋回翼１Ｄの直径、旋回翼１Ｄの角度、旋回翼１Ｄの翼ピッチ、及び旋回翼１Ｄに施される表面処理などは、たとえば、流入する冷媒に応じて決定される。
なお、遠心式膨張機１及び遠心式圧縮機２は、旋回翼１Ｄの回転軸と、旋回翼２Ｄの回転軸とが平行になるように密閉容器４に収容されている。
【００２６】
（遠心式圧縮機２）
遠心式圧縮機２は、四方弁１４側の冷媒配管１８Ｄに接続される接続部２Ａと、主圧縮機１３側の冷媒配管１８Ｄに接続される接続部２Ｂと、冷媒を圧縮するのに利用される空間を有する圧縮部２Ｃと、圧縮部２Ｃに設けられた旋回翼２Ｄと、圧縮部２Ｃの外側側面に設けられた動力伝達歯車２Ｅと、を有している。
【００２７】
接続部２Ａは、一方が四方弁１４側の冷媒配管１８Ｄに接続され、他方が圧縮部２Ｃに接続されたものである。接続部２Ａは、密閉容器４に回転自在に支持されている。
なお、接続部２Ａは、一方が四方弁１４側の冷媒配管１８Ｄに接続されているが、この冷媒配管１８Ｄに対して回転自在となっている。すなわち、接続部２Ａは、接続部２Ａの径の中心を軸として回転することができるように、冷媒配管１８Ｄと接続されているということである。なお、接続部２Ａと冷媒配管１８Ｄとを回転自在に接続する構成は、たとえば、上述の接続部１Ａ及び接続部１Ｂと同様とすればよい。
【００２８】
接続部２Ｂは、一方が主圧縮機１３側の冷媒配管１８Ｄに接続され、他方が圧縮部２Ｃに接続されたものである。接続部２Ａは、密閉容器４に回転自在に支持されている。
接続部２Ｂについては、一方が主圧縮機１３側の冷媒配管１８Ｄに接続されているが、この冷媒配管１８Ｄに対して回転自在となっている。すなわち、接続部２Ｂは、接続部２Ｂの径の中心を軸として回転することができるように、冷媒配管１８Ｄと接続されているということである。なお、接続部２Ｂと冷媒配管１８Ｄとを回転自在に接続する構成は、たとえば、上述の接続部１Ａ、接続部１Ｂ及び接続部２Ａと同様とすればよい。
【００２９】
圧縮部２Ｃは、遠心式圧縮機２を通過する冷媒を圧縮する空間を有する部分であり、その内部に旋回翼２Ｄが設けられている。そして、圧縮部２Ｃは、密閉容器４内で回転するように、一方が接続部２Ａに接続され、他方が接続部２Ｂに接続されているものである。
すなわち、接続部２Ａ及び接続部２Ｂは、密閉容器４に回転自在に支持されているとともに、冷媒配管１８Ｄに回転自在に接続されている。このため、圧縮部２Ｃは、密閉容器４内で回転自在となっているということである。
なお、圧縮部２Ｃの外側側面には、後述する動力伝達部３の回転方向変更歯車３Ｄと噛み合うように歯車状に形成された動力伝達歯車２Ｅが設けられている。すなわち、後述の回転方向変更歯車３Ｄが回転することで、圧縮部２Ｃの外側側面に設けられた動力伝達歯車２Ｅが回転することから、併せて圧縮部２Ｃ及び旋回翼２Ｄも回転する。
【００３０】
旋回翼２Ｄは、圧縮部２Ｃ内に固定されて設けられたものであり、接続部２Ａから圧縮部２Ｃに流入した冷媒を圧縮するものである。
旋回翼２Ｄは、後述する回転方向変更歯車３Ｄを介して回転力を受けた圧縮部２Ｃが軸回転することにより、圧縮部２Ｃに固定された旋回翼２Ｄも軸回転する。すなわち、旋回翼２Ｄは、遠心式膨張機１及び動力伝達部３の有する機械エネルギによって回転し、冷媒に内部エネルギを加えて冷媒を圧縮し、接続部２Ｂ側に冷媒を排出するものである。
旋回翼２Ｄの直径、旋回翼２Ｄの角度、旋回翼２Ｄの翼ピッチ、及び旋回翼２Ｄに施される表面処理などは、たとえば、流入する冷媒に応じて決定される。
【００３１】
（動力伝達部３）
動力伝達部３は、予め設定された変速比で遠心式圧縮機２の圧縮部２Ｃを回転させる多段変速歯車３Ｂと、多段変速歯車３Ｂが接続された変速歯車連結軸３Ｃと、動力伝達歯車１Ｅの回転力を動力伝達歯車２Ｅに伝達する回転方向変更歯車３Ｄと、変速比及び回転方向を制御するのに利用される変速機制御用アクチュエータ３Ｅとを有している。
【００３２】
多段変速歯車３Ｂは、変速歯車連結軸３Ｃに付属しているものである。多段変速歯車３Ｂは、回転方向変更歯車３Ｄと組み合わせて用いられる歯車であり、動力伝達歯車１Ｅの回転を、予め設定された変速比で動力伝達歯車２Ｅが回転するように変換するのに利用される歯車である。多段変速歯車３Ｂは、歯数、径、ピッチなどが異なる複数の歯車で構成されたものである。
【００３３】
変速歯車連結軸３Ｃは、多段変速歯車３Ｂが付属しているものであり、多段変速歯車３Ｂとともに回転する軸である。
【００３４】
回転方向変更歯車３Ｄは、動力伝達歯車１Ｅ及び動力伝達歯車２Ｅに噛み合っており、動力伝達歯車１Ｅの回転力を動力伝達歯車２Ｅに伝達する歯車である。また、回転方向変更歯車３Ｄは、遠心式膨張機１の膨張部１Ｃの回転方向が変化しても、遠心式圧縮機２の圧縮部２Ｃの回転方向を一定の方向にするのに利用される歯車である。この回転方向を一定方向にすることについて説明する。
【００３５】
ここで、接続部１Ａ側から接続部１Ｂ側に冷媒が流れたときの遠心式膨張機１の回転方向を、たとえばＰ方向と定義する（図３（ａ）参照）。すると、接続部１Ｂ側から接続部１Ａ側に冷媒が流れたときには、遠心式膨張機１は、Ｐ方向とは逆のＱ方向に回転する（図３（ｂ）参照）。
回転方向変更歯車３Ｄは、図３（ａ）に示すように、たとえば、動力伝達歯車１ＥがＰ方向に回転しているとき、自身はＰ方向とは反対のＱ方向に回転する。その結果として、動力伝達歯車２Ｅは、Ｐ方向で回転することとなる。
一方、図３（ｂ）に示すように、動力伝達歯車１ＥがＱ方向に回転するときには、変速機制御用アクチュエータ３Ｅの作用により、「図３（ａ）に示す回転方向変更歯車３Ｄ」から「図３（ｂ）に示す回転方向変更歯車３Ｄ１、３Ｄ２」への変更がなされる。これにより、動力伝達歯車１ＥがＱ方向に回転すると、回転方向変更歯車３Ｄ１がＰ方向に回転して、回転方向変更歯車３Ｄ２がＱ方向に回転する。その結果として、動力伝達歯車２Ｅは、Ｐ方向で回転することとなる。
このように、遠心式膨張機１はＰ方向及びＱ方向に回転自在であるが、回転方向変更歯車３Ｄは、遠心式膨張機１の回転方向が逆転しても遠心式圧縮機２の圧縮部２Ｃが一定の方向に回転するようにする歯車である。
なお、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示す回転方向変更歯車３Ｄの構成は、一例を模式的に説明したものであり、この構成に限定されるものではない。
【００３６】
空気調和装置２００は、多段変速歯車３Ｂ及び回転方向変更歯車３Ｄなどからなる変速機構を有する動力伝達部３を備えることにより、主圧縮機１３の回転速度に応じて、遠心式圧縮機２の回転速度を遠心式膨張機１の回転速度に対して加速する機能を有している。
なお、動力伝達部３は、遠心式膨張機１と遠心式圧縮機２との回転速度の比が、たとえば、１：１〜１：５０の範囲になるように、動力伝達歯車１Ｅ、動力伝達歯車２Ｅ、多段変速歯車３Ｂ及び回転方向変更歯車３Ｄの径、歯数、歯のピッチなどが設定されている。
【００３７】
変速機制御用アクチュエータ３Ｅは、多段変速歯車３Ｂ及び回転方向変更歯車３Ｄの動作などを制御し、変速比及び回転方向を変えるのに利用されるものである。変速機制御用アクチュエータ３Ｅは、たとえば、密閉容器４のうちの接続部１Ｂ側及び接続部２Ｂ側の側面部分に取り付けられている。
【００３８】
（サーミスタ２２及びサーミスタ２３）
サーミスタ２２は、第１熱交換器１５に設けられた配管（チューブ）の温度を検出するものである。サーミスタ２３は、第２熱交換器２０に設けられた配管の温度を検出するものである。
なお、本実施の形態では、後述する冷媒密度の演算にあたりサーミスタ２２、２３が用いられているものとして説明したがそれに限定されるものではなく、たとえばサーミスタ２２、３４の代わりに圧力センサを用いてもよいし、サーミスタ及び圧力センサの双方を用いてもよい。
また、サーミスタ２２は、第１熱交換器１５に設置され、サーミスタ２３が第２熱交換器２０に設置される場合を例に説明したがそれに限定されるものではない。すなわち、遠心式膨張機１に流入する冷媒の冷媒密度及び遠心式圧縮機２に流入する冷媒の冷媒密度を算出することができれば、サーミスタ２２などのセンサを、レシーバ１８の内部に設置してもよいし、外部に設置してもよい。また、遠心式膨張機１の冷媒流入側或いは冷媒流出側に設置してもよいし、遠心式圧縮機２の冷媒流入側、或いは冷媒流出側に設置してもよい。
【００３９】
（演算装置５０）
演算装置５０は、（ａ）流体装置１００に流入する冷媒の冷媒密度と、（ｂ）遠心式膨張機１の回転速度及び遠心式圧縮機２の回転速度とに基づいて、（ｃ）冷媒の質量流量を算出し、動力伝達部３を制御するものである。
【００４０】
まず、（ａ）について説明する。
演算装置５０は、サーミスタ２２の検出結果に基づいて第１熱交換器１５の飽和圧力を演算し、サーミスタ２３の検出結果に基づいて第２熱交換器２０の飽和圧力を演算する。
そして、演算装置５０は、予め算出された冷媒の乾き度と第１熱交換器１５の飽和圧力とから、遠心式膨張機１に流入する冷媒の冷媒密度を演算する。また、演算装置５０は、予め算出された冷媒の乾き度と第２熱交換器２０の飽和圧力とから、遠心式圧縮機２に流入する冷媒の冷媒密度を演算する。
【００４１】
次に、（ｂ）について説明する。
図示は省略しているが、流体装置１００には、遠心式膨張機１の回転速度及び遠心式圧縮機２の回転速度を算出する回転速度センサが設置されている。そして、演算装置５０は、この回転速度センサの検出結果が出力される。
【００４２】
次に、（ｃ）について説明する。
演算装置５０は、遠心式膨張機１に流入する冷媒の冷媒密度と、遠心式膨張機１の回転速度とから、遠心式膨張機１に流入する冷媒の質量流量を算出する。
すなわち、遠心式膨張機１の回転速度から、単位時間あたりに遠心式膨張機１に流入する冷媒の体積を算出することができ、この体積に冷媒密度を掛けることで、冷媒の質量流量を得ることができる。
また、演算装置５０は、遠心式圧縮機２に流入する冷媒の冷媒密度と、遠心式圧縮機２の回転速度とから、遠心式圧縮機２に流入する冷媒の質量流量を算出する。すなわち、遠心式圧縮機２の回転速度から、単位時間あたりに遠心式圧縮機２に流入する冷媒の体積を算出することができ、この体積に冷媒密度を掛けることで、冷媒の質量流量を得ることができる。
【００４３】
演算装置５０は、遠心式膨張機１に流入する冷媒の質量流量と、遠心式圧縮機２に流入する冷媒の質量流量との比が１になるように動力伝達部３の変速機制御用アクチュエータ３Ｅを制御する。このように、遠心式膨張機１に流入する冷媒の質量流量と、遠心式圧縮機２に流入する冷媒の質量流量とが等しくなるように演算装置５０が動力伝達部３を制御して、遠心式圧縮機２の回転速度を調整することで、空気調和装置２００は、遠心式膨張機１の膨張行程の冷媒の内部エネルギを、遠心式圧縮機２の圧縮行程の冷媒の内部エネルギとして高効率に回収することができる。
【００４４】
［動作説明］
次に、図１及び図２を参照して、空気調和装置２００の動作について説明する。
流体装置１００は、遠心式膨張機１を有し、冷凍サイクルの膨張行程の一部の動力を、動力伝達部３を介して遠心式圧縮機２に伝達する。これにより、流体装置１００は、冷凍サイクルの圧縮工程の一部を、遠心式圧縮機２でまかなうことができる。
また、空気調和装置２００は、回転方向変更歯車３Ｄを有しているので、冷房運転及び暖房運転などを切り替えるため、四方弁１４の切り替えが行われて冷媒の流れ方向が反対になっても、遠心式圧縮機２で冷媒を圧縮することができる。
【００４５】
次に、図１を参照して動力伝達部３の制御について説明する。
第１熱交換器１５に設置されたサーミスタ２２により、第１熱交換器１５の配管温度を検出して、第１熱交換器１５の飽和圧力を演算する。そして、この飽和圧力に対して、空気調和装置２００の運転状態から算出される乾き度による補正を加え、遠心式膨張機１へ流入する冷媒の冷媒密度を演算する。
第２熱交換器２０に設置されたサーミスタ２３により、第２熱交換器２０の配管温度を検出して、第２熱交換器２０の飽和圧力を演算する。そして、この飽和圧力に対して、空気調和装置２００の運転状態から算出される乾き度による補正を加え、遠心式圧縮機２へ流入する冷媒の冷媒密度を演算する。
【００４６】
算出した遠心式膨張機１に流入する冷媒の冷媒密度と、算出した遠心式圧縮機２に流入する冷媒の冷媒密度との比である冷媒密度比を、遠心式圧縮機２の圧縮効率により補正し、動力伝達部３の変速比を決定する。
なお、本実施の形態では、動力伝達部３の作用により遠心式圧縮機２の回転速度を制御するものとして説明したが、それに限定されるものではない。たとえば、動力伝達部３の作用に加えて、絞り装置１６及び絞り装置１９の開度の調整により、遠心式圧縮機２の回転速度を制御してもよい。すなわち、絞り装置１６及び絞り装置１９の開度を調整することで、遠心式膨張機１に流入する冷媒量を調整することができる。これにより、遠心式膨張機１の回転速度を調整することができ、遠心式圧縮機２の回転速度を調整することができる。
【００４７】
［Ｐ−ｈ線図について］
図４は、実施の形態に係る空気調和装置２００のＰ−ｈ線図である。なお、図４では、空気調和装置２００の冷凍サイクルを流れる冷媒として４１０Ａが用いられている場合を例に説明している。
Ｐ−ｈ線図上のＡ−Ｂの膨張工程においては、遠心式膨張機１が、冷媒の内部エネルギを機械エネルギとして受け取る。Ｄ−Ｅの圧縮行程においては、遠心式膨張機１の機械エネルギが遠心式圧縮機２に伝えられて遠心式圧縮機２が駆動し、主圧縮機１３に吸入される手前側で予備圧縮が行われる。なお、この予備圧縮の圧縮効率が低減しないように、動力伝達部３では、予め設定された変速比で遠心式圧縮機２が回転するように多段変速歯車３Ｂなどの設定がなされている。
【００４８】
遠心式圧縮機２で二相状態の冷媒を圧縮する予備圧縮が行われると、遠心式圧縮機２から冷凍サイクルへの入力が低減してしまうことを抑制することができる。これにより、空気調和装置２００の冷凍サイクルの成績係数が低減してしまうことを抑制することができる。また、予備圧縮をすることによって主圧縮機１３にて行われる圧縮量を低減することができる分、主圧縮機１３から吐出される冷媒の過剰加熱を抑制することができ、冷凍機油が劣化してしまうことを抑制することができる。
【００４９】
なお、本実施の形態に係る空気調和装置２００の動力伝達部３は、多段変速歯車３Ｂを有する構成としたが、それに限定されるものではなく、たとえば、プーリとベルトを用いて無段変速としてもよい。
また、本実施の形態に係る空気調和装置２００の動力伝達部３は、歯車の回転を利用して動力が伝達されるように構成したが、それに限定されるものではなく、たとえば、スプロケット及びチェーンなどの組合せであってもよい。
【００５０】
さらに、本実施の形態に係る空気調和装置２００の動力伝達部３の変速機構の負荷低減のために、電磁クラッチ若しくは流体クラッチが用いられていてもよい。
【００５１】
［本実施の形態に係る空気調和装置２００の有する効果］
本実施の形態に係る空気調和装置２００は、動力伝達部３を有しており、遠心式膨張機１の回転速度に対する遠心式圧縮機２の回転速度を変化させることができる。これにより、遠心式膨張機１の膨張行程の冷媒の内部エネルギを、遠心式圧縮機２の圧縮行程の冷媒の内部エネルギとして高効率に回収することができる。
特に、遠心式膨張機１に流入する冷媒の質量流量と、遠心式圧縮機２に流入する冷媒の質量流量との比が１になるように動力伝達部３を制御することで、その効率をより向上させることができる。
【符号の説明】
【００５２】
１  遠心式膨張機、１Ａ  接続部、１Ｂ  接続部、１Ｃ  膨張部、１Ｄ  旋回翼（第１の旋回部）、１Ｅ  動力伝達歯車、２  遠心式圧縮機、２Ａ  接続部、２Ｂ  接続部、２Ｃ  圧縮部、２Ｄ  旋回翼（第２の旋回部）、２Ｅ  動力伝達歯車、３  動力伝達部、３Ｂ  多段変速歯車（変速機構）、３Ｃ  変速歯車連結軸、３Ｄ、３Ｄ１、３Ｄ２  回転方向変更歯車（回転方向変更機構）、３Ｅ  変速機制御用アクチュエータ（変速機構及び回転方向変更機構）、４  密閉容器、１３  主圧縮機、１４  四方弁、１５  第１熱交換器、１６  絞り装置、１８  レシーバ、１８Ａ  容器、１８Ｂ  冷媒配管、１８Ｃ  冷媒配管、１８Ｄ  冷媒配管、１９  絞り装置、２０  第２熱交換器、２２  サーミスタ、２３  サーミスタ、５０  演算装置、１００  流体装置、２００  空気調和装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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