(57)【要約】【課題】  圧縮機及び膨張機に流入する冷媒の流量Gと密度ρとの比を適切に制御し、ＣＯＰを向上させることができる冷凍サイクル装置を提供する。【解決手段】  冷凍サイクル装置は、冷媒を圧縮する第１圧縮機１と、第１圧縮機１により圧縮された冷媒をさらに圧縮する第２圧縮機２と、第２圧縮機２により圧縮された冷媒を外気との熱交換により冷却する放熱熱交換器５，１２と、第１圧縮機１と同軸に形成され、放熱熱交換器５，１２により冷却された冷媒を膨張させる膨張機１１と、膨張機１１で膨張した冷媒を加熱する吸熱熱交換器１２，５と、を含んで構成され、放熱熱交換器５，１２で冷却された冷媒の一部を減圧して第１圧縮機１に流入させる第１バイパス流路９，１９と、放熱熱交換器５，１２で冷却された冷媒の一部を減圧して第２圧縮機２に流入させる第２バイパス流路と、９，２０をさらに備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を圧縮する第１圧縮機と、
前記第１圧縮機により圧縮された冷媒をさらに圧縮する第２圧縮機と、
前記第２圧縮機により圧縮された冷媒を外気との熱交換により冷却する放熱熱交換器と、
前記第１圧縮機と同軸に形成され、前記放熱熱交換器により冷却された冷媒を膨張させる膨張機と、
前記膨張機で膨張した冷媒を加熱する吸熱熱交換器と、
を含んで構成され、
前記放熱熱交換器で冷却された冷媒の一部を減圧して前記第１圧縮機に流入させる第１バイパス流路と、
前記放熱熱交換器で冷却された冷媒の一部を減圧して前記第２圧縮機に流入させる第２バイパス流路と、
をさらに備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記放熱熱交換器と前記膨張機との間に、前記放熱熱交換器で冷却された冷媒と、前記第１バイパス流路及び前記第２バイパス流路の少なくとも一方で減圧された冷媒と、を熱交換する内部熱交換器をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項３】
前記第１バイパス流路と前記第２バイパス流路とは、前記放熱熱交換器で冷却された冷媒を分岐する分岐点から下流の一部が共通することを特徴とする請求項１又は２に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項４】
前記第１バイパス流路と前記第２バイパス流路との前記共通部分に、前記放熱熱交換器により冷却された冷媒を減圧する減圧手段と前記内部熱交換器とが順次設けられたことを特徴とする請求項３に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項５】
前記第１バイパス流路は、前記共通部分の下流に冷媒の流量を調整する第１弁手段を備え、
前記第２バイパス流路は、前記共通部分の下流に冷媒の逆流を防止する第２弁手段を備えたことを特徴とする請求項３又は４に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項６】
前記第１バイパス流路と前記第２バイパス流路との前記共通部分に設けられた前記減圧手段と前記内部熱交換器との間に、液相冷媒を貯留する冷媒タンクをさらに備えたことを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項７】
前記吸熱熱交換器と前記第１圧縮機との間に、前記吸熱熱交換器で加熱された冷媒を圧縮する第３圧縮機をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項８】
前記第３圧縮機と前記第１圧縮機との間に、前記第３圧縮機で圧縮された冷媒を外気との熱交換により冷却する補助熱交換器をさらに備えたことを特徴とする請求項７に記載の冷凍サイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮機と膨張機とが同軸に形成された冷凍サイクル装置に関し、詳しくは、圧縮機及び膨張機に流入する冷媒の流量と密度との比を適切に制御し、ＣＯＰを向上させることができる冷凍サイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、冷凍サイクル装置に使用される容積式の圧縮機において、圧縮機に流入する冷媒の流量（圧縮機流量）Ｇ１は、圧縮機に流入する冷媒の密度（圧縮機密度）ρ１と、圧縮機の容積（圧縮機容積）Ｖ１と、圧縮機の回転数（圧縮機回転数）Ｎ１との積により算出される。また、冷凍サイクル装置に使用される容積式の膨張機において、膨張機に流入する冷媒の流量（膨張機流量）Ｇ２は、膨張機に流入する冷媒の密度（膨張機密度）ρ２と、膨張機の容積（膨張機容積）Ｖ２と、膨張機の回転数（膨張機回転数）Ｎ２との積により算出される。すなわち、以下の式が成立する。
圧縮機流量Ｇ１＝ρ１×Ｖ１×Ｎ１
膨張機流量Ｇ２＝ρ２×Ｖ２×Ｎ２
【０００３】
容積式の圧縮機、冷媒を冷却する放熱熱交換器、容積式の膨張機、及び冷媒を加熱する吸熱熱交換器を含んで構成され、圧縮機と膨張機とが同軸に形成された冷凍サイクル装置においては、上記の圧縮機回転数Ｎ１と膨張機回転数Ｎ２とは等しくなる。また、圧縮機容積Ｖ１と膨張機容積Ｖ２とは、設計により決定されるため、その比（Ｖ１／Ｖ２）は、定数ｋで表すことができる。したがって、このような冷凍サイクル装置は、
Ｇ１／ρ１＝ｋ（Ｇ２／ρ２）
という条件式を満たしながら稼動することとなる。
【０００４】
しかしながら、外気温度の変化により放熱熱交換器や吸熱熱交換器での熱交換量が変化すると、これに応じて冷媒の流量や密度も変化する。すると、上記の式を満たせずに冷凍サイクル装置が稼動しなくなったり、上記の式を満たすために余計な負荷がかかり、冷凍サイクル装置の効率が低下するという問題があった。
【０００５】
そこで、このような問題を解決するために、従来の冷凍サイクル装置には、冷媒の一部に膨張機をバイパスさせ、バイパスさせる冷媒と膨張機に流入する冷媒とを内部熱交換器で熱交換させるものがあった（例えば、特許文献１）。このような冷凍サイクル装置は、外気温度の変化により過剰になった冷媒流量を、膨張機をバイパスさせることで調整し、上記の式を満たすように制御することができた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−２１２０２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、前記従来の冷凍サイクル装置においては、膨張機をバイパスした冷媒は、全て圧縮機に流入したため、膨張機をバイパスさせる冷媒の流量と圧縮機に流入させる冷媒の流量とを独立して制御することができず、冷媒流量を適切に制御するのが困難であった。このため、外気温度の変化により、冷凍サイクル装置の効率が低下するおそれがあった。
【０００８】
そこで、このような問題点に対処し、本発明が解決しようとする課題は、圧縮機及び膨張機に流入する冷媒の流量と密度との比を適切に制御することにより、ＣＯＰを向上させることができる冷凍サイクル装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するために、本発明による冷凍サイクル装置は、冷媒を圧縮する第１圧縮機と、前記第１圧縮機により圧縮された冷媒をさらに圧縮する第２圧縮機と、前記第２圧縮機により圧縮された冷媒を外気との熱交換により冷却する放熱熱交換器と、前記第１圧縮機と同軸に形成され、前記放熱熱交換器により冷却された冷媒を膨張させる膨張機と、前記膨張機で膨張した冷媒を加熱する吸熱熱交換器と、を含んで構成され、前記放熱熱交換器で冷却された冷媒の一部を減圧して前記第１圧縮機に流入させる第１バイパス流路と、前記放熱熱交換器で冷却された冷媒の一部を減圧して前記第２圧縮機に流入させる第２バイパス流路と、をさらに備えたものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明による冷凍サイクル装置によれば、放熱熱交換器で冷却された冷媒の一部を、第１バイパス流路及び第２バイパス流路により、第１圧縮機及び第２圧縮機にそれぞれ流入させることができるため、膨張機をバイパスする冷媒の流量と、膨張機と同軸に形成された第１圧縮機に流入する冷媒の流量と、を独立して制御することができる。これにより、外気温度が変化した場合であっても、膨張機及び圧縮機に流入する冷媒の流量を適切に制御し、冷凍サイクル装置のＣＯＰを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明による冷凍サイクル装置の実施形態を示す構成図である。
【図２】前記実施形態の冷凍サイクルを示すモリエル線図である。
【図３】膨張機入口の冷媒温度と第１弁手段の開度との関係を示すグラフである。
【図４】膨張機入口の冷媒温度と膨張弁の開度との関係を示すグラフである。
【図５】放熱熱交換器出口温度ごとの、高圧とＣＯＰとの関係を示すグラフである。
【図６】第１弁手段の開度と高圧との関係を示すグラフである。
【図７】膨張弁の開度と高圧との関係を示すグラフである。
【図８】放熱熱交換器出口温度と最適高圧との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
まず、本実施形態による冷凍サイクル装置の構成と、その各部における冷媒の状態について、図１及び図２を参照して説明する。図１は本発明による冷凍サイクル装置の実施形態を示す構成図である。この冷凍サイクル装置は、冷媒としてＣＯ２を使用する空調設備であって、冷媒の流路を切り替えることにより、冷房及び暖房のいずれにも使用することが可能であり、図１に示すように、第１圧縮機１と、第２圧縮機２と、室外機５と、内部熱交換器１０と、膨張機１１と、室内機１２と、膨張弁１７と、第１流路１９と、第２流路２０と、を含んで構成される。以下、冷凍サイクル装置を冷房として使用した場合の冷媒流路（以下、「冷房サイクル」という）に沿って、本実施形態について説明する。
【００１３】
前記第１圧縮機１は、レシプロ圧縮機、斜板式圧縮機、スクリュー圧縮機、及びスクロール圧縮機等を含む容積式の圧縮機である。第１圧縮機１が圧縮する冷媒の流量（圧縮機流量）Ｇ１は、第１圧縮機１に流入する冷媒の密度（圧縮機密度）ρ１と、第１圧縮機１が取り込む冷媒の容積（圧縮機容積）Ｖ１と、第１圧縮機１の回転数（圧縮機回転数）Ｎ１との積により求められる。すなわち、
圧縮機流量Ｇ１＝圧縮機密度ρ１×圧縮機容積Ｖ１×圧縮機回転数Ｎ１
が成り立つ。第１圧縮機１は、同軸に形成された膨張機１１により駆動される。
【００１４】
冷媒が第１圧縮機１により圧縮されると、冷媒の状態は、図２のＡからＢまで等エンタルピー線に沿って変化する。この冷媒は、後述する第２流路２０から流入する冷媒（第２冷媒）と合流点Ｐ４で合流して混合され、状態Ｃに変化する。状態Ｃに変化した冷媒は、第１圧縮機１の下流に設けられた第２圧縮機２に流入する。
【００１５】
第２圧縮機２は、周知の圧縮機から任意に選択することができ、容積式の圧縮機に限られず、遠心式圧縮機や軸流式圧縮機を含むターボ式の圧縮機であってもよい。第２圧縮機２は、例えばモータ３により駆動され、第１圧縮機１とは独立して回転する。
【００１６】
第２圧縮機２で冷媒が圧縮されると、冷媒の状態は、図２のＣからＤに変化する。状態Ｄに変化した冷媒は、第２圧縮機２の下流に設けられた四方弁４を通って室外機５（放熱熱交換器）に流入する。
【００１７】
四方弁４は、冷房使用時の冷媒流路と暖房使用時の冷媒流路（以下、「暖房サイクル」という）とを切り替えるものであり、内蔵された電磁コイルに通電することによりこの切換が行われる。図１に示すように、四方弁４内の実線部分が冷房使用時の四方弁４内の流路であり、破線部分が暖房使用時の四方弁４内の流路である。
【００１８】
冷房使用時において、冷媒は四方弁４内の実線部分を通って下流に設けられた室外機５に流入する。四方弁４を通過する際、冷媒の状態は図２のＤのまま変化しない。
【００１９】
室外機５は、冷房使用時には、本発明における放熱熱交換器として機能し、外気との熱交換によって冷媒を冷却する。
【００２０】
室外機５（放熱熱交換器）で冷媒が冷却されると、冷媒の状態は図２のＤからＥまで変化する。この冷媒は、室外機５の下流に設けられたブリッジ回路６を通って内部熱交換器１０に流入する。
【００２１】
ブリッジ回路６は、環状に連結された４つの逆止弁７ａ〜７ｄを含んで構成され、冷凍サイクルにおける高圧側（図２における状態Ｄ、Ｅ及びＦ）の冷媒と低圧側（図２における状態Ｇ及びＨ）の冷媒との圧力差を利用して、冷房サイクルと暖房サイクルとを自動的に切り替える。より詳細にいうと、ブリッジ回路６は、冷房使用時には、逆止弁７ａ，７ｂが開き、逆止弁７ｃ，７ｄが閉じ、冷房サイクルを形成する。これは、逆止弁７ａに高圧側（状態Ｅ）の冷媒が流入し、逆止弁７ｂに低圧側（状態Ｇ）の冷媒が流入することにより、逆止弁７ｃ，７ｄが逆止弁７ａ側から押圧され、開かないためである。このように、ブリッジ回路６を放熱熱交換器（冷房使用時における室外機５又は暖房使用時における室内機１２）の下流に配置することにより、冷房使用時及び暖房使用時のいずれの場合でも、膨張機１１に同一の方向から冷媒を流入させることができる。
【００２２】
冷房使用時において、室外機５で冷却された状態Ｅの冷媒は、逆止弁７ａを通過し、下流の冷媒配管上に設けられた分岐点Ｐ１で分岐される。なお、逆止弁７ａを通過する際、冷媒の状態は図２のＥのまま変化しない。
【００２３】
冷媒配管は、この分岐点Ｐ１で、膨張機１１に連通する冷媒の流路（以下、「主流路」という）８と、膨張機１１をバイパスする冷媒の流路（以下、「副流路」という）９とに分岐する。したがって、室外機５で冷却された冷媒は、この分岐点Ｐ１で、主流路８に流入する冷媒（以下、「主冷媒」という）と、副流路９に流入する冷媒（以下、「副冷媒」という）との２つに分岐される。
【００２４】
まず主流路８について説明する。分岐点Ｐ１の下流の主流路８上には、内部熱交換器１０が設けられている。この内部熱交換器１０は、分岐点Ｐ１で分岐した主流路８と副流路９との両方にまたがって設けられており、主冷媒と副冷媒とを熱交換することにより、主冷媒を冷却し、副冷媒を加熱する。
【００２５】
主冷媒が内部熱交換器１０で冷却されることにより、主冷媒の状態は、図２のＥからＦまで変化する。このように、内部熱交換器１０により、主冷媒を冷却することにより、主冷媒の過冷却度を大きくすることができる。これにより、冷凍サイクル装置の効率を向上させることができる。状態Ｆに変化した冷媒は、主流路８上にて内部熱交換器１０の下流に設けられた膨張機１１に流入する。
【００２６】
膨張機１１は、容積式で第１圧縮機１と同軸に形成されており、第１圧縮機１と共に回転する。したがって、第１圧縮機１の回転数Ｎ１と膨張機１１の回転数Ｎ２とは等しい。ここで、膨張機１１が膨張させる冷媒の流量（膨張機流量）Ｇ２は、膨張機１１に流入する冷媒の密度（膨張機密度）ρ２と、膨張機１１が取り込む冷媒の容積（膨張機容積）Ｖ２と、膨張機１１の回転数（膨張機回転数）Ｎ２との積により求められる。すなわち、
膨張機流量Ｇ２＝膨張機密度ρ２×膨張機容積Ｖ２×膨張機回転数Ｎ２
が成り立つ。また、前述の通り、第１圧縮機１が圧縮する圧縮機流量G１は、
圧縮機流量Ｇ１＝圧縮機密度ρ１×圧縮機容積Ｖ１×圧縮機回転数Ｎ１
と表される。さらに、圧縮機回転数Ｎ１＝膨張機回転数Ｎ２であり、圧縮機容積Ｖ１／膨張機容積Ｖ２を定数ｋで表すと、本発明の冷凍サイクル装置は、結局、
Ｇ１／ρ１＝ｋ（Ｇ２／ρ２）
という条件を満たしながら稼動する。
【００２７】
膨張機１１に流入した冷媒は膨張し、冷媒の状態は、図２のＦからＧまで変化する。状態Ｇとなった冷媒は、ブリッジ回路６（逆止弁７ｂ）を通過し、下流に設けられた室内機１２に流入する。
【００２８】
室内機１２は、冷房使用時には、本発明における吸熱熱交換器であり、内気と冷媒とを熱交換させることによって、内気を冷却し、冷媒を加熱する。
【００２９】
室内機１２で冷媒が加熱されると、冷媒の状態は、図２のＧからＨまで変化する。状態Ｈとなった冷媒は、四方弁４の実線部分を通過し、下流に設けられた第３圧縮機１３に流入する。なお、四方弁４を通過する際、冷媒の状態は図２のＨのまま変化しない。
【００３０】
第３圧縮機１３は、室内機１２で加熱された冷媒を圧縮する圧縮機であり、周知の圧縮機から任意に選択することができる。第３圧縮機１３は、容積式の圧縮機に限られず、遠心式圧縮機や軸流式圧縮機を含むターボ式の圧縮機であってもよい。第３圧縮機１３は、第１圧縮機１を駆動するモータ（図示省略）とは異なるモータ１４により駆動され、第１圧縮機１とは独立して回転する。第３圧縮機１３は、第２圧縮機２と同軸に形成されてもよく、この場合、共通のモータにより駆動されるのが好ましい。
【００３１】
第３圧縮機１３により冷媒が圧縮されると、冷媒の状態は、図２のＨからＩまで変化する。これにより、第１圧縮機１に流入する冷媒の圧力が高められる。状態Ｉに変化した冷媒は、第３圧縮機１３の下流に設けられた補助熱交換器１５に流入する。
【００３２】
補助熱交換器１５は、第３圧縮機１３で圧縮された冷媒を外気との熱交換により冷却する熱交換器であり、ファン１６を含んで構成される。冷房使用時には、冷媒を補助熱交換器１５で冷却することにより、第１圧縮機１に流入する冷媒の過熱度を小さくし、図２の状態Ａから状態Ｂまでの等エンタルピー線の傾きを、図２の縦軸に対して小さくすることができる。これにより、冷凍サイクル装置の効率を向上させることができる。また、暖房使用時には、補助熱交換器１５での熱交換を行わないのが好ましい。具体的には、ファン１６を停止したり、補助熱交換器１５をバイパスする冷媒流路（図示省略）を設け、冷媒が補助熱交換器１５を通らないようにするのが好ましい。これにより、第１圧縮機１に流入する冷媒の過熱度が小さくなるのを防止する。したがって、放熱熱交換器（室内機１２）での熱交換による暖房効果が低下するのを防ぐことができる。また、補助熱交換器１５のファン１６の回転数を制御することにより、第１圧縮機１に流入する冷媒の密度ρ１を調整することができる。
【００３３】
補助熱交換器１５で冷媒が冷却されると、冷媒の状態は、図２のＩからＪまで変化する。状態Ｊとなった冷媒は、後述する合流点Ｐ３で他の冷媒と合流して混合される。そして、この冷媒の状態は、図２のＪからＡまで変化し、再び第１圧縮機１に流入する。
【００３４】
次に、副流路９について説明する。副流路９は、本発明における第１バイパス流路と第２バイパス流路との共通部分であり、放熱熱交換器５で冷却された冷媒を分岐する分岐点Ｐ１から下流の分岐点Ｐ２まで連通している。この副流路９上には、冷媒を減圧する減圧手段として膨張弁１７が設けられている。この膨張弁１７は、副流路９上の分岐点Ｐ１と内部熱交換器１０との間に設けられており、分岐点Ｐ１で分岐された副冷媒を膨張（減圧）させる。膨張弁１７の開度は、冷凍サイクル装置を循環する冷媒の状態に応じて制御することができるが、一定の開度を維持するのが好ましい。
【００３５】
副冷媒が膨張弁１７で膨張すると、副冷媒の状態は、図２のＥからＫまで変化する。状態Ｋ（気液共存状態）となった冷媒は、膨張弁１７の下流に設けられた冷媒タンク１８に流入する。
【００３６】
冷媒タンク１８は、膨張弁１７と内部熱交換器１０との間に設けられており、膨張弁１７で膨張した気液共存状態の冷媒のうち、液相冷媒の少なくとも一部が貯留される。冷媒タンク１８中に貯留された液相の冷媒は、冷媒流量のバッファの役割を果たす。したがって、冷凍サイクル装置に封入する冷媒の量の適正範囲を広くすることができる。また、冷凍サイクル装置から冷媒が漏れた場合であっても、性能の低下を抑制することができる。
【００３７】
冷媒タンク１８を通過した副冷媒は、冷媒タンク１８の下流に設けられた内部熱交換器１０に流入する。上記の通り、内部熱交換器１０は、主流路８と副流路９との両方にまたがるように設けられており、主冷媒と副冷媒とを熱交換させる。したがって、膨張弁１７で膨張した副冷媒の一部は、内部熱交換器１０にて主冷媒との熱交換により加熱される。
【００３８】
内部熱交換器１０で副冷媒が加熱されると、冷媒の状態は、図２のＫからＬまで変化する。状態Ｌとなった副冷媒は、内部熱交換器１０の下流の冷媒配管上に設けられた分岐点Ｐ２で、２つに分岐される。
【００３９】
分岐点Ｐ２は、副流路９が第１流路１９と第２流路２０とに分岐される点である。内部熱交換器１０で加熱された副冷媒は、この分岐点Ｐ２で、第１流路１９に流入する第１冷媒と、第２流路２０に流入する第２冷媒と、の２つに分岐される。
【００４０】
第１流路１９は、副流路９とともに本発明の第１バイパス流路を構成する冷媒流路であり、副冷媒の少なくとも一部（第１冷媒）が第１圧縮機１に流入するように、室内機１２と第１圧縮機１との間の冷媒配管に合流点Ｐ３で接続されており、本実施形態においては、補助熱交換器１５と第１圧縮機１との間に接続されている。
【００４１】
第１流路１９上には、第１弁手段２１が設けられている。第１弁手段２１は、第１冷媒の流量を調整する弁であり、膨張弁が使用される。この第１弁手段２１は、冷凍サイクル装置を循環する冷媒の状態に応じて開度を制御され、これにより、第１冷媒の流量が調整される。より詳細には、室外機５により冷却された後、膨張機１１に流入する前の冷媒の温度（膨張機入口温度）及び圧力（高圧）に応じて、第１弁手段２１の開度（第１弁手段開度）は制御される。前記冷媒の温度及び圧力は、内部熱交換器１０と膨張機１１との間に設けられた温度センサー及び圧力センサー（いずれも図示省略）により計測される。
【００４２】
第１冷媒が第１弁手段２１で膨張すると、冷媒の状態は図２のＬからＭまで変化する。膨張した第１冷媒は、補助熱交換器１５により冷却された状態Ｊの冷媒と、合流点Ｐ３で合流して混合される。混合された冷媒は、状態Ａとなり、再び第１圧縮機１に流入する。
【００４３】
第２流路２０は、副流路９とともに本発明の第２バイパス流路を構成する冷媒流路であり、副冷媒の少なくとも一部（第２冷媒）が第２圧縮機２に流入するように、第１圧縮機１と第２圧縮機２との間の冷媒配管に合流点Ｐ４で接続されている。この第２流路２０上には、第２弁手段２２が設けられている。第２弁手段２２は、第２冷媒の逆流を防止する弁であり、例えば逆止弁を使用することができる。第２冷媒の流量は、第１弁手段２１の開度に応じて変化する。
【００４４】
第２冷媒は、第２弁手段２２を通過した後、第１圧縮機１で圧縮された状態Ｂの冷媒と、合流点Ｐ４で合流して混合される。混合された冷媒は、状態Ｃとなり、再び第２圧縮機２に流入する。
【００４５】
このように構成された冷凍サイクル装置を暖房として使用する場合には、室内機１２が本発明の放熱熱交換器として機能し、室外機５が本発明の吸熱熱交換器として機能する。この場合、第２圧縮機２で圧縮された冷媒は、四方弁４の破線部分を通って室内機１２に流入する。また、ブリッジ回路６は、逆止弁７ｃ，７ｄが開き、逆止弁７ａ，７ｂが閉じ、暖房サイクルを形成する。これは、逆止弁７ｃに高圧側の冷媒が流入し、逆止弁７ｄに低圧側の冷媒が流入することにより、逆止弁７ａ，７ｂが逆止弁７ｃ側から押圧され、開かないためである。
【００４６】
次に、このように構成された冷凍サイクル装置における、冷媒流量の制御について、図１〜図７を参照して説明する。
本発明による冷凍サイクル装置は、上記の通りＧ１／ρ１＝ｋ（Ｇ２／ρ２）という式を満たすように制御される。この制御は、第１弁手段２１の開度、膨張弁１７の開度、又は補助熱交換器１６による熱交換量を調整することにより可能となる。
【００４７】
（冷凍サイクル装置の設計点）
本実施形態による冷凍サイクル装置は、高圧側の状態Ｄ、Ｅ及びＦの圧力（高圧）が１０ＭＰａ，低圧側の状態Ｇ及びＨの圧力（低圧）が２．６４９ＭＰａ，第３圧縮機出力（状態Ｉ）が４ＭＰａ，第１弁手段開度（流量）が５０％，膨張弁開度（流量）が１０％，放熱熱交換器入口温度（状態Ｄ）が２５℃，膨張機入口温度（状態Ｆ）が１８．４℃のとき、
圧縮機流量Ｇ１＝９５％
圧縮機密度ρ１＝９１ｍ３／ｋｇ
膨張機流量Ｇ２＝９０％
膨張機密度ρ２＝８６８ｍ３／ｋｇ
定数ｋ（＝Ｖ１／Ｖ２）＝１０．０
となるように設計されている（図２参照）。圧縮機流量Ｇ１及び圧縮機密度ρ１は、第１圧縮機１に流入する冷媒、すなわち図２のＡにおける冷媒の流量及び密度であり、膨張機流量Ｇ２及び膨張機密度ρ２は、膨張機１１に流入する冷媒、すなわち図２のＦにおける冷媒の流量及び密度である。これらの値を得るために、内部熱交換器１０と膨張機１１との間、及び合流点Ｐ３と第１圧縮機１との間には、冷媒の温度及び圧力を計測するためのセンサー（図示省略）が設けられている。なお、圧縮機流量Ｇ１及び膨張機流量Ｇ２は、便宜のため、冷凍サイクル装置を循環する冷媒全体に対する割合で示した。
【００４８】
この設計条件において、
Ｇ１／ρ１＝９５／９１＝１．０４
ｋ（Ｇ２／ρ２）＝１０．０（９０／８６８）＝１．０４
となり、Ｇ１／ρ１＝ｋ（Ｇ２／ρ２）が成り立つ。
【００４９】
（冷媒流量・密度の制御）
ここで、膨張機入口温度が１８．４℃から例えば１４．６℃に低下した場合、
圧縮機密度ρ１＝９０ｍ３／ｋｇ
膨張機密度ρ２＝８９２ｍ３／ｋｇ
となるため、冷媒流量の制御が行われなければ、
Ｇ１／ρ１＝９５／９０＝１．０６
ｋ（Ｇ２／ρ２）＝１０．０（９０／８９２）＝１．０１
となり、Ｇ１／ρ１＝ｋ（Ｇ２／ρ２）が成り立たず、冷凍サイクル装置の効率は低下する。また、膨張機入口温度が１８．４℃から２２．２℃に上昇した場合、
圧縮機密度ρ１＝９２ｍ３／ｋｇ
膨張機密度ρ２＝８４０ｍ３／ｋｇ
となるため、冷媒流量の制御が行われなければ、
Ｇ１／ρ１＝９５／９２＝１．０３
ｋ（Ｇ２／ρ２）＝１０．０（９０／８４０）＝１．０７
となり、Ｇ１／ρ１＝ｋ（Ｇ２／ρ２）が成り立たず、やはり冷凍サイクル装置の効率は低下する。
【００５０】
（１）第１弁手段２１による制御
このように、膨張機入口温度が変化した場合には、膨張機入口温度の変化に応じて、第１弁手段１の開度を制御し、冷凍サイクル装置の効率を向上させることができる。図３は、膨張機入口温度と第１弁手段１の開度との関係を示したグラフである。図３に示すように、膨張機入口温度が１４．６℃の場合には、第１弁手段開度を５０％から１４％とすることにより、圧縮機流量Ｇ１が減少し、
Ｇ１／ρ１＝９１／９０＝１．０１
ｋ（Ｇ２／ρ２）＝１０．０（９０／８９２）＝１．０１
となり、Ｇ１／ρ１＝ｋ（Ｇ２／ρ２）を成り立たせることができる。また、膨張機入口温度が２２．２℃の場合には、第１弁手段開度を５０％から９３％とすることにより、圧縮機流量Ｇ１が増加し、
Ｇ１／ρ１＝９９／９２＝１．０７
ｋ（Ｇ２／ρ２）＝１０．０（９０／８４０）＝１．０７
となり、Ｇ１／ρ１＝ｋ（Ｇ２／ρ２）を成り立たせることができる。
【００５１】
図３に示すように、膨張機入口温度が高くなるほど、第１弁手段開度は大きくなる。このように、膨張機入口温度に応じて第１弁手段２１の開度を制御することにより、冷凍サイクル装置の効率を向上させることができる。また、第１弁手段２１の開度を変化させても、主冷媒及び副冷媒の流量は変化しない。したがって、主冷媒（膨張機１１に流入する冷媒）の過冷却度を確実に大きくすることができる。
【００５２】
（２）補助熱交換器１５による制御
また、膨張機入口温度が変化した場合には、膨張機入口温度の変化に応じて、補助熱交換器１５での熱交換量を制御し、冷凍サイクル装置の効率を向上させることができる。例えば、膨張機入力温度が設計点（１８．４℃）よりも低下した場合、ファン１６の回転数を上げ、補助熱交換器１５での熱交換量を増大させることにより、圧縮機密度ρ１を大きくし、Ｇ１／ρ１の値を低下させ、Ｇ１／ρ１＝ｋ（Ｇ２／ρ２）を成り立たせることができる。逆に、膨張機入力温度が設計点（１８．４℃）よりも上昇した場合、ファン１６の回転数を下げ、補助熱交換器１５での熱交換量を減少させることにより、圧縮機密度ρ１を小さくし、Ｇ１／ρ１の値を上昇させ、Ｇ１／ρ１＝ｋ（Ｇ２／ρ２）を成り立たせることができる。このような制御は、冷房使用時のみ行われる。
【００５３】
（３）膨張弁１７による制御
さらに、膨張機入口温度が変化した場合には、膨張機入口温度の変化に応じて、膨張弁１７の開度を制御し、冷凍サイクル装置の効率を向上させることができる。図４は、膨張機入口温度と膨張弁１７の開度との関係を示したグラフである。図４に示すように、膨張機入口温度が１４．６℃の場合には、膨張弁開度を１０％から３％とすることにより、圧縮機流量Ｇ１が減少するとともに膨張機流量Ｇ２が増加し、
Ｇ１／ρ１＝９８．５／９０．４＝１．０９
ｋ（Ｇ２／ρ２）＝１０．０（９７／８９３）＝１．０９
となり、Ｇ１／ρ１＝ｋ（Ｇ２／ρ２）を成り立たせることができる。また、膨張機入口温度が２２．２℃の場合には、膨張弁開度を１０％から１７％とすることにより、圧縮機流量Ｇ１が増加するとともに膨張機流量Ｇ２が減少し、
Ｇ１／ρ１＝９１／９２＝０．９９
ｋ（Ｇ２／ρ２）＝１０．０（８３／８４０）＝０．９９
となり、Ｇ１／ρ１＝ｋ（Ｇ２／ρ２）を成り立たせることができる。図４に示すように、膨張機入口温度が高くなるほど、膨張弁開度は大きくなる。なお、膨張弁開度を変化させると、圧縮機流量Ｇ１及び膨張機流量Ｇ２の変化にともない、圧縮機密度ρ１及び膨張機密度ρ２も変化する。
【００５４】
以上説明した冷媒流量・密度の制御は、第１弁手段２１による制御、補助熱交換器１５による制御、膨張弁１７による制御、の順で行われるのが好ましい。このような順番により、冷媒の圧力を変化しにくくすることができる。
【００５５】
（高圧の制御）
一般に、冷凍サイクル装置に関して、放熱熱交換器から吐出される冷媒の温度（放熱熱交換器出口温度）に応じてＣＯＰ（成績係数）が最高となる高圧（最適高圧）が変化することが知られている。本実施形態において、図５に示すように、冷凍サイクル装置に効率８１％の膨張機１１が使用されている場合、放熱熱交換器出口温度が３５℃の時は約８．５ＭＰａが、４０℃の時は約１０ＭＰａが、４５℃の時は約１１ＭＰａが、最適高圧となる。そこで、本実施形態において、放熱熱交換器出口温度に応じた高圧の制御が行われる。なお、放熱熱交換器出口温度を得るために、放熱熱交換器（冷房使用時の室外機５又は暖房使用時の室内機１２）と内部熱交換器１０との間、特にブリッジ回路６と内部熱交換器１０との間に、冷媒の温度及び圧力を計測するためのセンサー（図示省略）が設けられる。
【００５６】
（１）第１弁手段２１による制御
図６は、第１弁手段開度と高圧との関係を示すグラフである。図６に示すように、第１弁手段開度が小さいほど高圧は高くなり、第１弁手段開度が大きいほど高圧は低くなる。例えば、放熱熱交換器出口温度が４５℃であった場合、最適高圧は約１１ＭＰａとなる（図５参照）。したがって、第１弁手段開度は約３０％に調整され、これによりＣＯＰが最高となる。
【００５７】
（２）膨張弁１７による制御
図７は、膨張弁開度と高圧との関係を示すグラフである。図７に示すように、膨張弁開度が小さいほど高圧は高くなり、膨張弁開度が大きいほど高圧は低くなる。例えば、放熱熱交換器出口温度が４５℃であった場合、最適高圧は約１１ＭＰａとなる（図５参照）。したがって、膨張弁開度は約８％に調整され、これによりＣＯＰが最高となる。
【００５８】
図８は、膨張機の効率が４９％，６４％及び８１％の場合それぞれの、放熱熱交換器出口温度と最適高圧との関係を示したグラフである。図８に示すように、膨張機１１の効率によらず、放熱熱交換器出口温度と最適高圧との関係は略一定である。したがって、上記の高圧の制御は、冷凍サイクル装置に使用される膨張機の効率によらず、適用することができる。
【００５９】
以上説明した高圧の制御は、第１弁手段２１による制御、膨張弁１７による制御、の順で行われるのが好ましい。このような順番により、冷媒の圧力を変化しにくくすることができる。
【００６０】
本実施形態によれば、冷凍サイクル装置は、冷媒を圧縮する第１圧縮機１と、第１圧縮機１により圧縮された冷媒をさらに圧縮する第２圧縮機２と、第２圧縮機２により圧縮された冷媒を外気との熱交換により冷却する放熱熱交換器（冷房使用時における室外機５）と、第１圧縮機１と同軸に形成され、放熱熱交換器５により冷却された冷媒（主冷媒）を膨張させる膨張機１１と、膨張機１１で膨張した冷媒（主冷媒）を加熱する吸熱熱交換器（冷房使用時における室内機１２）と、を含んで構成され、放熱熱交換器５で冷却された冷媒の一部（副冷媒のうちの第１冷媒）を減圧して第１圧縮機１に流入させる第１バイパス流路（副流路９及び第１流路１９）と、放熱熱交換器５で冷却された冷媒の一部（副冷媒のうちの第２冷媒）を減圧して第２圧縮機２に流入させる第２バイパス流路（副流路９及び第２流路２０）と、をさらに備えるため、第１圧縮機１に流入する冷媒（第１冷媒）の流量と膨張機１１に流入する冷媒（主冷媒）の流量とを独立して制御することができる。したがって、外気温度が変化した場合であっても、第１圧縮機１及び膨張機１１に流入する冷媒の流量と密度との比を適切に制御することが可能となり、冷凍サイクル装置のＣＯＰを向上させることができる。
【００６１】
また、本実施形態によれば、冷凍サイクル装置は、放熱熱交換器５と膨張機１１との間に、放熱熱交換器５で冷却された冷媒（主冷媒）と、副流路９に設けられた膨張弁１７で減圧された冷媒（副冷媒）と、を熱交換する内部熱交換器１０をさらに備えるため、膨張機１１に流入する冷媒（主冷媒）の冷却度を大きくすることができる。また、従来の冷凍サイクル装置は、膨張機と圧縮機とに流入する冷媒の流量と密度との比を制御するために、外気温度の変化に応じて膨張機をバイパスさせる冷媒（本発明における副冷媒）の流量を変化させる必要があったが、本実施形態による冷凍サイクルによればその必要はない。なぜなら、膨張機１１と圧縮機１とに流入する冷媒の流量と密度との比は、第１冷媒及び第２冷媒の流量を変化させることにより制御可能なためである。したがって、本実施形態によれば、従来の冷凍サイクル装置に比べ、副冷媒の流量を確実に確保することができ、膨張機１１に流入する冷媒の冷却度を確実に大きくすることができる。これにより、冷凍サイクル装置のＣＯＰを向上させることができる。
【００６２】
また、本実施形態によれば、第１バイパス流路と第２バイパス流路とは、放熱熱交換器５で冷却された冷媒を分岐する分岐点Ｐ１から下流の一部（副流路９）が共通するため、冷媒配管の構成が簡単になる。
【００６３】
また、本実施形態によれば、冷凍サイクル装置は、第１バイパス流路と第２バイパス流路との共通部分（副流路９）に、放熱熱交換器５により冷却された冷媒を減圧する減圧手段（膨張弁１７）と内部熱交換器１０とが順次設けられているため、減圧手段と内部熱交換器１０とを共通とすることが可能となり、部品点数を削減することができる。これにより、冷凍サイクル装置を安価に製造することができる。
【００６４】
また、本実施形態によれば、第１バイパス流路は、共通部分（副流路９）の下流（第１流路１９）に冷媒の流量を調整する第１弁手段２１を備え、第２バイパス流路は、共通部分（副流路９）の下流（第２流路２０）に冷媒の逆流を防止する第２弁手段２２を備えるため、第１弁手段２１だけを制御することにより、第１冷媒と第２冷媒との流量を制御することができる。
【００６５】
また、本実施形態によれば、冷凍サイクル装置は、第１バイパス流路と第２バイパス流路との共通部分（副流路９）に設けられた減圧手段（膨張弁１７）と内部熱交換器１０との間に、液相冷媒を貯留する冷媒タンク１８をさらに備えるため、ここに貯留された液相冷媒がバッファの役割を果たし、冷凍サイクル装置に封入する冷媒の量の適正範囲を広くすることができる。また、冷凍サイクル装置から冷媒が漏れた場合であっても、性能の低下を抑制することができる。
【００６６】
また、本実施形態によれば、冷凍サイクル装置は、吸熱熱交換器１２と第１圧縮機１との間に、吸熱熱交換器１２で加熱された冷媒を圧縮する第３圧縮機１３をさらに備えるため、内部熱交換器１０で加熱された副冷媒を、第３圧縮機１３により昇圧された中圧（高圧と低圧の間の圧力）に戻すことができる。これにより、冷凍サイクル装置の効率を向上させることができる。
【００６７】
また、本実施形態によれば、第３圧縮機１３と第１圧縮機１との間に、第３圧縮機１３で圧縮された冷媒を外気との熱交換により冷却する補助熱交換器１５をさらに備えるため、冷房使用時に過熱度を小さくし、冷凍サイクル装置の効率を向上させることができる。
【００６８】
なお、本発明による冷凍サイクル装置は、四方弁４、ブリッジ回路６、第３圧縮機１３、補助熱交換器１５及び冷媒タンク１８を備えなくてもよい。この場合、冷凍サイクル装置は、冷房又は暖房のいずれか一方として使用され、安価に製造することができる。逆に、冷凍サイクル装置は、４つ以上の圧縮機を備えてもよい。
【００６９】
また、本実施形態において、冷媒としてＣＯ２が使用されたが、代替フロン等の周知の他の冷媒が使用されてもよい。例えば、冷媒として代替フロンが使用された場合、本発明における放熱熱交換器として凝縮器を使用し、吸熱熱交換器として蒸発器を使用することができる。
【００７０】
また、本発明による冷凍サイクル装置は、内部熱交換器１０を備えなくてもよいし、内部熱交換器１０が本実施形態とは異なる位置に設けられてもよい。例えば、内部熱交換器１０は、第１流路１９上（分岐点Ｐ２と合流点Ｐ３との間）又は第２流路２０上（分岐点Ｐ２と合流点Ｐ４との間）に設けられてもよいし、分岐点Ｐ１よりも上流、すなわち、放熱熱交換器５と分岐点Ｐ１との間に設けられてもよい。
【００７１】
また、本発明による第１バイパス流路及び第２バイパス流路は、放熱熱交換器で冷却された冷媒を減圧して第１圧縮機１及び第２圧縮機２にそれぞれ流入させるものであればよいため、それぞれ完全に別の流路として設けられてもよい。この場合、本実施形態における副流路９はなく、第１流路１９及び第２流路２０が第１バイパス流路及び第２バイパス流路に該当し、第１流路１９及び第２流路２０のそれぞれに減圧手段（膨張弁）が設けられる。本実施形態のように、第１バイパス流路と第２バイパス流路との一部が共通する場合であっても、共通する部分の下流、すなわち第１流路１９及び第２流路２０上にそれぞれ減圧手段（膨張弁）が設けられてもよい。
【００７２】
また、本実施形態において、第１流路１９及び第２流路２０には、それぞれ第１弁手段２１及び第２弁手段２２が設けられているが、かわりに分岐点Ｐ２に第１冷媒と第２冷媒との流量比を調整できるリニア三方弁が設けられてもよい。
【符号の説明】
【００７３】
１…第１圧縮機，２…第２圧縮機，３…モータ，４…四方弁，５…室外機，６…ブリッジ回路，７ａ〜７ｄ…逆止弁，８…主流路，９…副流路，１０…内部熱交換器，１１…膨張機，１２…室内機，１３…第３圧縮機，１４…モータ，１５…補助熱交換器，１６…ファン，１７…膨張弁，１８…冷媒タンク，１９…第１流路，２０…第２流路，２１…第１弁手段，２２…第２弁手段，Ｐ１，２…分岐点，Ｐ３，４…合流点，Ｇ１…圧縮機流量，Ｇ２…膨張機流量，ρ１…圧縮機密度，ρ２…膨張機密度，Ｖ１…圧縮機容積，Ｖ２…膨張機容積，ｋ…定数
【図１】
2014001916.tif 000003
【図２】
2014001916.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2014001916.tif 000007
【図６】
2014001916.tif 000008
【図７】
2014001916.tif 000009
【図８】
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