(57)【要約】  冷凍サイクル装置は、膨張機一体型圧縮機である第１圧縮機１と、第２圧縮機２を備えている。第１圧縮機１の第１圧縮機構１１と第２圧縮機２の第２圧縮機構２１は、冷媒回路３０中に並列に配置されている。また、冷凍サイクル装置には、インジェクション路６が設けられている。第１圧縮機１の第１電動機１２および第２圧縮機２の第２電動機２２ならびにインジェクションバルブ６１の開度は、制御手段７によって制御される。この制御手段７は、第１配管３ａを通じて放熱器４に導かれる吐出冷媒の圧力または温度を略一定に保ちながらインジェクションバルブ６１の開度を全閉または全開に近づけるインジェクションバルブ開度適正化運転を行う。
2010007730.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を圧縮する第１圧縮機構と、膨張する冷媒から動力を回収する膨張機構と、シャフトにより前記第１圧縮機構および前記膨張機構と連結された第１電動機と、前記第１圧縮機構、前記膨張機構、および前記第１電動機を収容する第１密閉容器と、を含む第１圧縮機と、
冷媒を圧縮する第２圧縮機構であって冷媒回路中で前記第１圧縮機構と並列に接続される第２圧縮機構と、シャフトにより前記第２圧縮機構と連結された第２電動機と、前記第２圧縮機構および前記第２電動機を収容する第２密閉容器と、を含む第２圧縮機と、
前記第１圧縮機構および前記第２圧縮機構から吐出される冷媒を放熱させる放熱器と、
前記第１圧縮機構と前記第２圧縮機構と前記放熱器とを接続する第１配管と、
前記放熱器と前記膨張機構とを接続する第２配管と、
前記第２配管から分岐し、膨張過程の前記膨張機構にさらに冷媒を供給するインジェクション路と、
前記インジェクション路に設けられた、開度調整可能なインジェクションバルブと、
前記第１配管を通じて前記放熱器に導かれる吐出冷媒の圧力または温度を略一定に保ちながら前記インジェクションバルブの開度を全閉または全開に近づけるように、前記第１電動機および前記第２電動機の回転数ならびに前記インジェクションバルブの開度を制御して、インジェクションバルブ開度適正化運転を行う制御手段と、
を備えた冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記インジェクションバルブ開度適正化運転を行う際、前記インジェクションバルブの開度を全閉に近づけるべきか全開に近づけるべきかを判定し、全閉に近づけるべきと判定した場合は前記第１電動機の回転数を上げるとともに前記第２電動機の回転数を下げながら前記インジャクションバルブの開度を下げ、全開に近づけるべきと判定した場合は前記第１電動機の回転数を下げるとともに前記第２電動機の回転数を上げながら前記インジャクションバルブの開度を上げる、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記第１電動機および前記第２電動機の回転数を所定量だけ変更した後に前記インジャクションバルブの開度を変更して前記吐出冷媒の圧力または温度を目的値に近づける調整処理を、前記吐出冷媒の圧力または温度が目的値に到達しなくなるまで繰り返し、前記吐出冷媒の圧力または温度が目的値に到達しなくなった場合は、前記第１電動機および前記第２電動機の回転数ならびに前記インジャクションバルブの開度を１回前の状態に戻す、請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記インジェクションバルブ開度適正化運転を行う際、前記インジャクションバルブの現状開度を検知するとともに予め定められた基準開度を取得し、前記現状開度が前記基準開度よりも小さな場合に前記インジェクションバルブの開度を全閉に近づけるべきと判定し、前記現状開度が前記基準開度よりも大きな場合に前記インジェクションバルブの開度を全開に近づけるべきと判定する、請求項２または３に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項５】
前記制御手段は、前記インジェクションバルブ開度適正化運転を行う際、前記第１電動機の回転数を所定量だけ下げるとともに前記第２電動機の回転数を所定量だけ上げ、かつ、前記吐出冷媒の圧力または温度が目的値に到達するように前記インジャクションバルブの開度を上げたときに、前記第１電動機の消費電力と前記第２電動機の消費電力の合計値が減少するか増加するかを判定し、前記合計値が減少すれば前記インジェクションバルブの開度を全開に近づけるべきと判定し、前記合計値が増加すれば前記インジェクションバルブの開度を全閉に近づけるべきと判定する、請求項２または３に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項６】
前記制御手段は、前記インジェクションバルブ開度適正化運転を行う際、前記第１電動機の回転数を所定量だけ上げるとともに前記第２電動機の回転数を所定量だけ下げ、かつ、前記吐出冷媒の圧力または温度が目的値に到達するように前記インジャクションバルブの開度を下げたときに、前記第１電動機の消費電力と前記第２電動機の消費電力の合計値が減少するか増加するかを判定し、前記合計値が減少すれば前記インジェクションバルブの開度を全閉に近づけるべきと判定し、前記合計値が増加すれば前記インジェクションバルブの開度を全開に近づけるべきと判定する、請求項２または３に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項７】
前記第１電動機の消費電力の代わりに前記第１電動機を流れる電流値が用いられ、前記第２電動機の消費電力の代わりに前記第２電動機を流れる電流値が用いられる、請求項５または６に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項８】
前記制御手段は、前記インジェクションバルブ開度適正化運転を行う際、前記第２配管を流れる冷媒の圧力および温度から飽和インジェクション圧力を算出するとともに、前記インジェクション路における前記インジェクションバルブより下流側のバルブ下流圧力を検知し、前記バルブ下流圧力が前記飽和インジェクション圧力よりも小さな場合に前記インジェクションバルブの開度を全閉に近づけるべきと判定し、前記バルブ下流圧力が前記飽和インジェクション圧力よりも大きな場合に前記インジェクションバルブの開度を全開に近づけるべきと判定する、請求項２または３に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項９】
前記制御手段は、起動時に前記第１電動機および前記第２電動機の回転数を外気温度に対応した同じ回転数まで上昇させ、その後に前記インジェクションバルブ開度適正化運転を行う、請求項１〜８のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１０】
前記制御手段は、起動時に前記第１電動機および前記第２電動機の回転数を外気温度に対応したそれぞれで異なる回転数まで上昇させ、その後に前記インジェクションバルブ開度適正化運転を行う、請求項１〜８のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１１】
前記制御手段は、前記第１電動機と前記第２電動機のどちらかの回転数が、運転許容範囲の下限値または上限値に等しくなった場合に、前記インジェクションバルブ開度適正化運転を終了する、請求項１〜１０のいずれか一項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、給湯機や空調機などに用いる、膨張機構と複数の圧縮機構を搭載した冷凍サイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、冷凍サイクル装置の更なる高効率化を図る手段として、膨張弁に代えて膨張機構を用い、冷媒が膨張する過程でその圧力エネルギーを膨張機構によって動力の形で回収し、その回収分だけ圧縮機構の駆動に要する電力を低減する動力回収式の冷凍サイクル装置が提案されている。このような冷凍サイクル装置では、電動機、圧縮機構、および膨張機構がシャフトで連結された膨張機一体型圧縮機が用いられる。【０００３】
ところで、膨張機一体型圧縮機では、圧縮機構と膨張機構とがシャフトによって連結されているので、運転条件によっては、圧縮機構の押しのけ量が不足したり膨張機構の押しのけ量が不足したりすることがある。そこで、圧縮機構の押しのけ量が不足するような運転条件でも回収動力を確保して冷凍サイクル装置のＣＯＰ（Coefficient of Performance）を高く維持できるようにするために、膨張機一体型圧縮機に加え、さらに第２の圧縮機を用いた冷凍サイクル装置も提案されている（例えば、特許文献１参照）。【０００４】
図１４は、特許文献１に記載された冷凍サイクル装置を示す構成図である。この冷凍サイクル装置では、冷媒回路１４０中に、第１圧縮機である膨張機一体型圧縮機１００の第１圧縮機構１０１と第２圧縮機１１０の第２圧縮機構１１１が並列に配置されている。具体的には、第１圧縮機構１０１および第２圧縮機構１１１は、第１配管１４１で放熱器１２０と接続されるとともに、第４配管１４４で蒸発器１３０と接続されている。また、膨張機一体型圧縮機１００の膨張機構１０３は、第２配管１４２で放熱器１２０と接続されるとともに、第３配管１４３で蒸発器１３０と接続されている。そして、特許文献１の冷凍サイクル装置では、膨張機構１０３に流入する冷媒の量に過不足が生じないように、膨張機一体型圧縮機１００の第１電動機１０２の回転数と第２圧縮機１１０の第２電動１１２の回転数を外気温度等に応じてそれぞれ決定できるようになっている。【０００５】
さらに、特許文献１の冷凍サイクル装置には、膨張機構１０３をバイパスするバイパス路１６０と、膨張機構１０３に冷媒の膨張過程でさらに冷媒を供給するインジェクション路１５０とが設けられている。これらのバイパス路１６０とインジェクション路１５０には、流量調整用のバイパスバルブ１６１とインジェクションバルブ１５１がそれぞれ設けられている。そして、特許文献１の冷凍サイクル装置では、冬期に、バイパスバルブ１６１が閉状態とされ、インジェクションバルブ１５１が開状態とされる。インジェクションバルブ１５１の開度は、外気温度等に基づいて決定される。これにより、膨張機構１０３の押しのけ量が不足する場合にも対応できるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１３２６２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、インジェクション路を備えた冷凍サイクル装置では、インジェクション路を流れる冷媒は、インジェクションバルブが全開状態でない限り、インジェクションバルブにおいてある程度膨張してしまう。そのため、膨張エネルギーの一部が回収できないという課題がある。【０００８】
図５は、インジェクション路を備えた冷凍サイクル装置において、冷媒がインジェクションバルブを通過する際の圧力降下に伴うエネルギー損失（以下、「インジェクション損失」という。）を実験により測定した結果を示すグラフである。図５のグラフの横軸はインジェクション流量（インジェクション路を流れる冷媒の流量）、縦軸はインジェクション損失を表す。図５に示すように、インジェクション流量が少なくなる、すなわちインジェクションバルブの開度が小さくなるにつれて、あるいはインジェクション流量が多くなる、すなわちインジェクションバルブの開度が大きくなるにつれて、インジェクション損失が小さくなる。そして、インジェクション流量がゼロ（インジェクションバルブが全閉）になったとき、およびインジェクション流量が最大（インジェクションバルブが全開）になったときに、インジェクション損失は最小になる。一方、インジェクションバルブによってインジェクション流量がある程度絞られる場合には、インジェクション損失が相対的に大きくなる。【０００９】
このように、インジェクション損失は、インジェクション流量、すなわちインジェクションバルブの開度に依存し、それによって大きく変わる。このため、インジェクションバルブの開度は、インジェクション損失が小さくなるように決定されることが好ましい。しかしながら、特許文献１には、インジェクションバルブの開度の決定方法については、外気温度等に基づいて決定するとしか記載されていない。【００１０】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、膨張機構と複数の圧縮機構を搭載し、かつ、インジェクション路を備えた冷凍サイクル装置において、インジェクションバルブの開度を適切に設定してインジェクション損失を小さく抑えられるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
図５を見れば、インジェクションバルブの開度を全閉または全開にすれば、インジェクション損失の発生を防止できることが分かる。しかしながら、冷凍サイクル装置においては、冷凍サイクルの高圧を最適高圧に保つことが最も好ましいのであって、単にインジェクションバルブの開度を全閉または全開にしただけでは、冷凍サイクルの高圧が最適高圧から大きくずれてしまうおそれがある。そこで、本発明の発明者らは、冷凍サイクルの高圧を最適高圧に維持したままでインジェクション損失を小さくできる好ましい開度があるのではないかと考えた。【００１２】
本発明は、このような観点からなされたものであり、
冷媒を圧縮する第１圧縮機構と、膨張する冷媒から動力を回収する膨張機構と、シャフトにより前記第１圧縮機構および前記膨張機構と連結された第１電動機と、前記第１圧縮機構、前記膨張機構、および前記第１電動機を収容する第１密閉容器と、を含む第１圧縮機と、
冷媒を圧縮する第２圧縮機構であって冷媒回路中で前記第１圧縮機構と並列に接続される第２圧縮機構と、シャフトにより前記第２圧縮機構と連結された第２電動機と、前記第２圧縮機構および前記第２電動機を収容する第２密閉容器と、を含む第２圧縮機と、
前記第１圧縮機構および前記第２圧縮機構から吐出される冷媒を放熱させる放熱器と、
前記第１圧縮機構と前記第２圧縮機構と前記放熱器とを接続する第１配管と、
前記放熱器と前記膨張機構とを接続する第２配管と、
前記第２配管から分岐し、膨張過程の前記膨張機構にさらに冷媒を供給するインジェクション路と、
前記インジェクション路に設けられた、開度調整可能なインジェクションバルブと、
前記第１配管を通じて前記放熱器に導かれる吐出冷媒の圧力または温度を略一定に保ちながら前記インジェクションバルブの開度を全閉または全開に近づけるように、前記第１電動機および前記第２電動機の回転数ならびに前記インジェクションバルブの開度を制御して、インジェクションバルブ開度適正化運転を行う制御手段と、
を備えた冷凍サイクル装置を提供する。
【発明の効果】
【００１３】
上記のように構成された本発明の冷凍サイクル装置によれば、冷凍サイクルの高圧を最適高圧に維持したままでインジェクション損失を小さく抑えることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る冷凍サイクル装置の概略構成図
【図２】本発明の第１実施形態における冷凍サイクル装置の運転パターン例
【図３】本発明の第１実施形態における冷凍サイクル装置の運転パターン例
【図４】本発明の第１実施形態における冷凍サイクル装置の運転パターン例
【図５】インジェクション流量とインジェクション損失の関係図
【図６】本発明の第１実施形態における制御のフローチャート
【図７】図７Ａおよび図７Ｂは本発明の第１実施形態における制御のフローチャート
【図８】本発明の第２実施形態に係る冷凍サイクル装置の概略構成図
【図９】本発明の第２実施形態における制御のフローチャート
【図１０】第２実施形態の変形例のフローチャート
【図１１】本発明の第３実施形態に係る冷凍サイクル装置の概略構成図
【図１２】本発明の第３実施形態における制御のフローチャート
【図１３】図１３Ａはインジェクション流量とインジェクション損失・圧力の関係図、図１３Ｂは飽和インジェクション圧力を説明するためのモリエル線図
【図１４】従来のヒートポンプ装置の概略構成図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１６】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る冷凍サイクル装置を示している。この冷凍サイクル装置は、冷媒回路３０を備えている。冷媒回路３０は、第１圧縮機（膨張機一体型圧縮機）１、第２圧縮機２、放熱器４、蒸発器５、およびこれらの機器を接続する第１〜第４配管（冷媒配管）３ａ〜３ｄで構成されている。
【００１７】
第１圧縮機１は、互いに第１シャフト１５により連結された第１圧縮機構１１、第１電動機１２、および膨張機構１３を収容する第１密閉容器１０を有している。第２圧縮機２は、互いに第２シャフト２５により連結された第２圧縮機構２１および第２電動機２２を収容する第２密閉容器２０を有している。第１圧縮機構１１および第２圧縮機構２１は、２本の枝管が１本の本管になる第１配管３ａを介して放熱器４に接続されており、放熱器４は、第２配管３ｂを介して膨張機構１３に接続されている。また、膨張機構１３は、第３配管３ｃを介して蒸発器５に接続されており、蒸発器５は、１本の本管が２本の枝管になる第４配管３ｄを介して第１圧縮機構１１および第２圧縮機構２１に接続されている。すなわち、冷媒回路３０中には、第１圧縮機構１１と第２圧縮機構２１とが並列に配置されていている。換言すれば、冷媒回路３０中では、第１圧縮機構１１は第２圧縮機構２１と並列に接続されている。
【００１８】
そして、第１圧縮機構１１で圧縮された冷媒および第２圧縮機構２１で圧縮された冷媒は、第１圧縮機構１１または第２圧縮機構２１から第１配管３ａに吐出された後、第１配管３ａを流れる途中で合流し、放熱器４に導かれる。圧縮機構１１，２１で圧縮された冷媒は、圧縮機構１１，２１からいったん密閉容器１０，２０内に吐出された後に密閉容器１０，２０から第１配管３ａに排出されるようになっていてもよい。放熱器４に導かれた冷媒は、ここで放熱した後に、第２配管３ｂを通って膨張機構１３に導かれる。膨張機構１３に導かれた冷媒は、ここで膨張する。このとき、膨張機構１３は、膨張する冷媒から動力を回収する。膨張した冷媒は、第３配管３ｃを通って蒸発器５に導かれる。蒸発器５に導かれた冷媒は、ここで吸熱した後に、第４配管３ｄを流れる途中で分流し、第１圧縮機構１１および第２圧縮機構２１に導かれる。
【００１９】
さらに、冷凍サイクル装置は、第２配管３ｂから分岐し、膨張機構１３に冷媒の膨張過程でさらに冷媒を供給するインジェクション路６を備えている。このインジェクション路６の途中には、流量調整用の開度調整可能なインジェクションバルブ６１が設けられている。
【００２０】
また、冷凍サイクル装置は、主に第１電動機１２および第２電動機２２の回転数ならびにインジェクションバルブ６１の開度を制御する、制御手段７を備えている。
【００２１】
冷媒回路３０には、高圧部分（第１圧縮機構１１および第２圧縮機構２１から放熱器４を経て膨張機構１３に至る部分）において超臨界状態となる冷媒が充填されている。本実施形態では、そのような冷媒として冷媒回路３０に二酸化炭素（ＣＯ2）が充填されている。ただし、冷媒の種類は特に限定されるものではない。冷媒は、運転時に超臨界状態とならない冷媒（例えばフロン系の冷媒等）であってもよい。
【００２２】
また、本発明の冷凍サイクル装置が備える冷媒回路は、冷媒を一方向にのみ流通させる冷媒回路３０に限られず、冷媒の流通方向の変更が可能な冷媒回路、例えば四方弁等を有することによって暖房運転および冷房運転の切り替えが可能な冷媒回路であってもよい。
【００２３】
次に、本実施形態の冷凍サイクル装置の運転パターンを図２〜図４を用いて説明する。
【００２４】
図２は、第１電動機１２および第２電動機２２が同じ回転数ｆａで回転している時の運転パターンを示している。なお、第１圧縮機構１１の押しのけ容積と第２圧縮機構２１の押しのけ容積は同じである。第１圧縮機構１１および第２圧縮機構２１の吐出流量はＦｃａであり、冷媒回路３０を流れる冷媒の循環流量はＦ（＝Ｆｃａ+Ｆｃａ）である。このときの、インジェクションバルブ６１の開度はＸａであり、インジェクション流量はＦｉａ、第２配管３ｂから膨張機構１３に導かれる冷媒の主流量はＦｅａ、インジェクション路６におけるインジェクションバルブ６１より下流側のバルブ下流圧力はＰｉａ、第２配管３ｂを流れる冷媒の圧力はＰｅである。この状態を、ある外気温度条件における基準運転状態とする。
【００２５】
図３および図４は、図２と同じ外気温度条件で、冷凍サイクルの高圧および低圧ならびに冷媒の温度および循環流量を同じに保つように、第１電動機１２および第２電動機２２の回転数ならびにインジェクションバルブ６１の開度を変化させた時の運転パターンである。
【００２６】
図３の場合、第１電動機１２の回転数ｆｂ１はｆａより高く、第２電動機２２の回転数ｆｂ２はｆａより低い。第１電動機１２の回転数が高くなると、膨張機構１３の回転数も高くなるので、第２配管３ｂから膨張機構１３へ流入する冷媒流量Ｆｅｂが増加する。このため、インジェクション流量を低減させることで膨張機構１３を通過する循環流量Ｆを図２の運転パターンの時と同じにすることができる。インジェクション流量を抑えるため、このときのインジェクションバルブの開度ＸｂはＸａより小さく、そのためバルブ下流圧力ＰｉｂもＰｉａより低い。つまり、インジェクションバルブ６１で、大きく減圧させながら少量のインジェクション流量にてインジェクションを行うことになる。
【００２７】
図４では、図３とは逆に、第１電動機１２の回転数ｆｃ１はｆａより低く、第２電動機２２の回転数ｆｃ２はｆａより高い。つまり、第１電動機１２の回転数が低くなると、膨張機構１３の回転数も低くなるので、第２配管３ｂから膨張機構１３へ流入する冷媒流量Ｆｅｃが減少する。このため、インジェクション流量を増加させることで膨張機構１３を通過する循環流量Ｆを図２の運転パターンの時と同じにすることができる。インジェクション流量を増やすため、このときのインジェクションバルブの開度ＸｃはＸａより大きく、そのためバルブ下流圧力ＰｉｃもＰｉａより高い。つまり、インジェクションバルブ６１で、あまり減圧させずに多量のインジェクション流量にてインジェクションを行うことになる。
【００２８】
以上のように、冷凍サイクル装置の見かけの状態としては、図２、図３、図４のいずれの運転パターンも同じであるが、そのときのインジェクション流量は異なっており、インジェクションバルブ６１で減圧されるときに生じるエネルギー損失にも差が生じる。
【００２９】
図５は、発明が解決しようとする課題の欄で説明したように、インジェクション流量とインジェクション損失の関係を実験で求めたグラフである。インジェクション流量が０のとき、すなわちインジェクションバルブ６１の開度が全閉のときは、そもそもインジェクション路６に流れは存在しないので、インジェクション損失も０となる。逆に、インジェクションバルブ６１の開度を全開にし、インジェクション流量を最大にするときは、インジェクションバルブ６１での減圧は起こらないため、この場合においてもインジェクション損失は発生しない。つまりインジェクション損失とは、インジェクションバルブ６１にて減圧させた場合に発生し、その減圧の程度が中程度で、インジェクション路６を流れるインジェクション流量も中程度のときに最も大きくなる性質を有する。そして、インジェクション損失を小さく抑えることができれば、外気温度が変化しても広い運転範囲に亘って高いエネルギー回収効率を得ることが可能になる。これを実現するためには、第１電動機１２および第２電動機２２の回転数とインジェクションバルブ６１の開度を最適にコントロールし、インジェクション流量が最小になるように制御するか、またはインジェクション流量が最大になるように制御することが好ましい。ただし、この制御は、冷凍サイクルの高圧を最適高圧に維持しながら行う必要がある。
【００３０】
次に、制御手段７が行う制御について説明する。制御手段７は、最初に起動運転を行い、その後に上述したようなインジェクションバルブ開度適正化運転（以下、単に「適正化運転」という。）を行う。
【００３１】
まず、起動運転について説明すると、制御手段７は、冷凍サイクル装置を停止状態から特定の定常状態にする。特定の定常状態とは、冷凍サイクルの高圧がその時の外気温度に応じた最適高圧（ＣＯＰが最も高くなる圧力）に略等しくなった状態のことである。本実施形態では、制御手段７は、図１に示すように第１配管３ａの本管部分に設けられた温度センサ８１によって第１配管３ａを通じて放熱器４に導かれる吐出冷媒の温度Ｔｃを検知し、この温度Ｔｃが目的値（冷凍サイクルの高圧が最適高圧となる温度）に到達するように制御を行う。この目的値は、外気温度と対応して予め制御装置７に記憶されている。
【００３２】
例えば、制御手段７は、起動時に第１電動機１２および第２電動機２２の回転数を外気温度に対応した同じ回転数まで上昇させた後、吐出冷媒の温度Ｔｃが目的値となるようにインジェクションバルブ６１の開度Ｘを調整して、起動運転を行う。このように起動運転を行えば、第１電動機１２と第２電動機２２とが同じ回転数となるので、その後に行う適正化運転における回転数の調整幅が大きくなり、広い運転範囲に対応することができる。
【００３３】
あるいは、制御手段７は、起動時に第１電動機１１および第２電動機１２を外気温度に対応したそれぞれで異なる回転数まで上昇させた後、吐出冷媒の温度Ｔｃが目的値となるようにインジェクションバルブ６１の開度Ｘを調整して、起動運転を行ってもよい。このように起動運転を行えば、例えば第１圧縮機構１１と膨張機構１３の二つの回転機構を有する第１圧縮機１の回転数を第２圧縮機２の回転数よりも低くすることで、第１圧縮機１からのオイル吐出量を抑えることができる。すなわち、第１密閉容器１０および第２密閉容器２０内には、回転機構を潤滑するためのオイルが貯められており、このオイルが冷媒と共に密閉容器外に吐出する。一般的に、複数の回転機構を有する第１圧縮機１の方が第２圧縮機２よりも密閉容器外に吐出するオイル量が大きく、第１圧縮機１の回転数を下げた方が、第１圧縮機１と第２圧縮機２のオイル吐出量の合計も少なくなる。このため、第１圧縮機１でのオイル溜りも十分に保持され、機器の信頼性が向上する。
【００３４】
また、本実施形態の冷凍サイクル装置では、起動開始時にインジェクションバルブ６１の開度Ｘを全閉にしておいてもよい。このようにすることで、起動時に冷凍サイクルの高低圧差を速やかにつけることができ、定常運転までの移行時間を短縮することができる。
【００３５】
次に、制御手段７が行う適正化運転について説明する。図６および図７に適正化運転のフローチャートを示す。適正化運転では、制御手段７は、吐出冷媒の温度Ｔｃを略一定に保ちながら、インジェクションバルブ６１の開度Ｘを全閉または全開に近づける。具体的に、制御手段７は、適正化運転を行う際、インジェクションバルブ６１の開度Ｘを全閉に近づけるべきか全開に近づけるべきかを判定し、全閉に近づけるべきと判定した場合は第１電動機１２の回転数ｆ１を上げるとともに第２電動機２２の回転数ｆ２を下げながらインジャクションバルブ６１の開度Ｘを下げ、全開に近づけるべきと判定した場合は第１電動機１２の回転数ｆ１を下げるとともに第２電動機２２の回転数ｆ２を上げながらインジャクションバルブ６１の開度Ｘを上げる。
【００３６】
より詳しくは、図６に示すように、制御手段７は、始めにインジェクションバルブ６１の現状開度Ｘを検知し（ステップＳ１）、ついで予め定められた基準開度ＰＸを取得する（ステップＳ２）。基準開度ＰＸとしては、インジェクション損失が最大となる開度を用いることが好ましく、これは、実験またはシミュレーションによって外気温度ごとに決定可能である。この場合、基準開度ＰＸは外気温度に対応した数値として予め制御手段７の記憶部に記憶されており、制御手段７はその記憶部からその時の外気温度に対応する基準開度ＰＸを読み込む。あるいは、基準開度ＰＸとしては、固定のまたは選択式の任意の開度（例えば５０％）を用いてもよい。
【００３７】
そして、制御手段７は、現状開度Ｘと基準開度ＰＸとを比較し（ステップＳ３）、現状開度Ｘが基準開度ＰＸよりも小さな場合は（ステップＳ３でＹＥＳ）、開度Ｘを全閉に近づけるべきと判定し、図７Ａに示すステップＳ１１に進む。逆に、現状開度Ｘが基準開度ＰＸよりも大きな場合は（ステップＳ３でＮＯ）、制御手段７は、開度Ｘを全開に近づけるべきと判定し、図７Ｂに示すステップＳ２１に進む。なお、本実施形態では、Ｘ＝ＰＸの場合はステップＳ１１に進むようになっているが、Ｘ＝ＰＸの場合はステップＳ２１に進むようになっていてもよいし、そのまま適正化運転を終了するようになっていてもよい。
【００３８】
その後、制御手段７は、第１電動機１２および第２電動機２２の回転数ｆ１，ｆ２を所定量だけ変更した後にインジャクションバルブ６１の開度Ｘを変更して吐出冷媒の温度Ｔｃを目的値に近づける調整処理を、吐出冷媒の温度Ｔｃが目的値に到達しなくなるまで繰り返す。そして、制御手段７は、吐出冷媒の温度Ｔｃが目的値に到達しなくなったときに、第１電動機１２および第２電動機２２の回転数ｆ１，ｆ２ならびにインジャクションバルブ６１の開度Ｘを１回前の状態に戻して適正化運転を終了する。
【００３９】
具体的に、制御手段７は、開度Ｘを全閉に近づけるべきと判定した場合は、第１電動機１２の回転数ｆ１をａＨｚ上げ、第２電動機２２の回転数ｆ２をａＨｚ下げる（ステップＳ１１）。次に、第１電動機１１の回転数ｆ１が上がった分、インジェクション流量を減少させるために、インジェクションバルブ６１の開度Ｘを下げて、吐出冷媒の温度Ｔｃを目的値に近づける（ステップＳ１２）。このステップは、例えば、インジェクションバルブ６１の開度Ｘを僅かずつ下げ、その時々で吐出冷媒の温度Ｔｃが目的値に到達するかを確認することにより行う。その結果、吐出冷媒の温度Ｔｃが目的に到達すれば（ステップＳ１３でＹＥＳ）、開度Ｘにはまだ下げられる可能性があるので、調整処理（ステップＳ１１，Ｓ１２）を再度行う。この調整処理を繰り返し、インジェクションバルブ６１の開度Ｘが全閉（０％）になってもあるいはその前に吐出冷媒の温度Ｔｃが目的値に到達しなくなった場合に（ステップＳ１３でＮＯ）、第１電動機１２の回転数ｆ１をａＨｚ下げるとともに第２電動機２２の回転数ｆ２をａＨｚ上げ（ステップＳ１４）、吐出冷媒の温度Ｔｃを目的値に調整し直して（ステップＳ１５）、制御を終了する。
【００４０】
一方、開度Ｘを全開に近づけるべきと判定した場合は、制御手段７は上記の制御と逆の制御を行う。すなわち、制御手段７は、第１電動機１２の回転数ｆ１をａＨｚ下げ、第２電動機２２の回転数ｆ２をａＨｚ上げる（ステップＳ２１）。次に、第１電動機１１の回転数ｆ１が下がった分、インジェクション流量を増加させるために、インジェクションバルブ６１の開度Ｘを上げて、吐出冷媒の温度Ｔｃを目的値に近づける（ステップＳ２２）。このステップは、例えば、インジェクションバルブ６１の開度Ｘを僅かずつ上げ、その時々で吐出冷媒の温度Ｔｃが目的値に到達するかを確認することにより行う。その結果、吐出冷媒の温度Ｔｃが目的に到達すれば（ステップＳ２３でＹＥＳ）、開度Ｘにはまだ上げられる可能性があるので、調整処理（ステップＳ２１，Ｓ２２）を再度行う。この調整処理を繰り返し、インジェクションバルブ６１の開度Ｘが全開（１００％）になってもあるいはその前に吐出冷媒の温度Ｔｃが目的値に到達しなくなった場合に（ステップＳ２３でＮＯ）、第１電動機１２の回転数ｆ１をａＨｚ上げるとともに第２電動機２２の回転数ｆ２をａＨｚ下げ（ステップＳ２４）、吐出冷媒の温度Ｔｃを目的値に調整し直して（ステップＳ２５）、制御を終了する。
【００４１】
ここで、適正化運転の１回の調整処理で変化させる第１電動機１２および第２電動機２２の回転数刻みａＨｚは、制御手段７が成し得る最小の刻み幅であることが望ましいが、それよりも大きな刻み（例えば５Ｈｚ程度）であってもよい。
【００４２】
以上のような適正化運転によって、冷凍サイクルの高圧を最適高圧に維持したままでインジェクション損失を小さく抑えることができる。これにより、高効率な動力回収を実現することができる。
【００４３】
ここで、インジェクションバルブ６１の開度Ｘを先に下げて、その後に吐出冷媒の温度Ｔｃが目的値に到達するように第１電動機１２および第２電動機２２の回転数ｆ１，ｆ２を変更することも考えられる。しかし、このようにすると、一般に回転数の調整最小幅はそれほど細かくないために、吐出冷媒の温度Ｔｃが目的値に到達しないおそれがある。これに対し、本実施形態のように、第１電動機１２および第２電動機２２の回転数ｆ１，ｆ２を変更した後にインジェクションバルブ６１の開度Ｘを調整するようにすれば、バルブでは一般に開度の調整最小幅が非常に細かいために、吐出冷媒の温度Ｔｃを目的値に合わせ易くすることができる。
【００４４】
（第２実施形態）
図８に、本発明の第２実施形態に係る冷凍サイクル装置を示し、図９に、第２実施形態における適正化運転の前半部分のフローチャートを示す。第２実施形態では、第１実施形態と、インジェクションバルブ６１の開度Ｘを全閉に近づけるか全開に近づけるかの判定方法が異なるのみであるため、以下ではこの点についてのみ説明する。
【００４５】
制御手段７は、起動運転後に適正化運転を行う際に、まず、第１電動機１２の消費電力ｗ１と第２電動機２２の消費電量ｗ２を測定し、その合計値Ｗａ（＝ｗ１+ｗ２）を求める（ステップＳ３１）。次に、第１電動機１２の回転数ｆ１をａＨｚ下げ、第２電動機１２の回転数ｆ２をａＨｚ上げる（ステップＳ３２）。そして、第１電動機１２の回転数ｆ１が下がった分、インジェクション流量を増加させるために、インジェクションバルブ６１の開度Ｘを上げ、吐出冷媒の温度Ｔｃを目的値に近づける（ステップＳ３３）。これらのステップＳ３２およびステップＳ３３は、第１実施形態で説明した、図７Ｂに示すステップＳ２１およびステップＳ２２と同様にして行う。このとき、もし、吐出冷媒の温度Ｔｃが目的値に到達しなかった場合は（ステップＳ３４でＮＯ）、第１電動機１２および第２電動機２２の回転数ｆ１，ｆ２ならびにインジェクションバルブ６１の開度Ｘを元に戻して（ステップＳ３７およびステップＳ３８）、適正化処理を終了する。
【００４６】
ステップＳ３３の結果、吐出冷媒の温度Ｔｃが目的値に到達した場合は（ステップＳ３４でＹＥＳ）、再び第１電動機１１の消費電力ｗ１と第２電動機１２の消費電量ｗ２を測定し、その合計値Ｗｂ（＝ｗ１+ｗ２）を求める（ステップＳ３５）。その後、この合計値Ｗｂと前に求めた合計値Ｗａを比較し（ステップＳ３６）、第１電動機１１の消費電力ｗ１と第２電動機１２の消費電量ｗ２の合計値がステップＳ３２およびステップＳ３３の前後で減少したか増加したかを判定する。
【００４７】
そして、制御手段７は、ＷｂがＷａよりも小さい場合、すなわち消費電力の合計値が減少した場合は（ステップＳ３６でＹＥＳ）、インジェクションバルブ６１の開度Ｘを全開に近づけるべきと判定して図７Ｂに示すステップＳ２１に進み、ＷｂがＷａよりも大きい場合、すなわち消費電力の合計値が増加した場合は（ステップＳ３６でＮＯ）、インジェクションバルブ６１の開度Ｘを全閉に近づけるべきと判定して図７Ａに示すステップＳ１１に進む。その後は、第１実施形態と同様の制御が行われる。なお、本実施形態では、Ｗｂ＝Ｗａの場合はステップＳ１１に進むようになっているが、Ｗｂ＝Ｗａの場合はステップＳ２１に進むようになっていてもよいし、そのまま適正化運転を終了するようになっていてもよい。
【００４８】
以上のようにすれば、第１電動機１２および第２電動機２２の入力の合計値を判断しながら制御を行えるので、運転パターンを冷凍サクル装置のＣＯＰが確実に向上する方向にシフトさせることができる。しかも、第１実施形態のような温度センサ８１が不要となり、装置としての構成も簡易化することができる。
【００４９】
また、本実施形態では、第１電動機１２および第２電動機２２の消費電力値ｗ１，ｗ２を直接測定しているが、消費電力に代えて電動機１２，２２を流れる電流値を測定するようにしてもよい。一般的に、電流値から電動機の消費電力を推算することは可能であるため、より測定が容易な電流値を用いることで、制御手段７を簡易かつ安価に構成することができる。
【００５０】
なお、本実施形態では、インジェクションバルブ６１の開度Ｘを全閉に近づけるべきか全開に近づけるべきかを判定するために、インジェクションバルブ６１の開度Ｘをいったん上げる方向に制御したが、逆に制御してもよい。すなわち、図１０に示すように、ステップＳ３１の次に、第１電動機１２の回転数ｆ１を上げるとともに第２電動機２２の回転数を下げた後（ステップＳ３２’）、インジェクションバルブ６１の開度Ｘを下げて吐出冷媒の温度Ｔｃを目的値に近づける（ステップＳ３３’）。その結果、吐出冷媒の温度Ｔｃが目的値に到達しなかった場合は（ステップＳ３４でＮＯ）、第１電動機１２および第２電動機２２の回転数ｆ１，ｆ２ならびにインジェクションバルブ６１の開度Ｘを元に戻して（ステップＳ３７’およびステップＳ３８’）、適正化処理を終了する。
【００５１】
一方、ステップＳ３４でＹＥＳの場合は、図９に示すフローチャートと同様に、ステップＳ３５に進み、第１電動機１１の消費電力ｗ１と第２電動機１２の消費電量ｗ２の合計値がステップＳ３２’およびステップＳ３３’の前後で減少したか増加したかを判定する（ステップＳ３６）。ただし、図１０に示すフローチャートの場合は、制御手段７は、図９に示すフローチャートとは逆に、ＷｂがＷａよりも小さい場合、すなわち消費電力の合計値が減少した場合は（ステップＳ３６でＹＥＳ）、インジェクションバルブ６１の開度Ｘを全閉に近づけるべきと判定して図７Ａに示すステップＳ１１に進み、ＷｂがＷａよりも大きい場合、すなわち消費電力の合計値が増加した場合は（ステップＳ３６でＮＯ）、インジェクションバルブ６１の開度Ｘを全開に近づけるべきと判定して図７Ｂに示すステップＳ２１に進む。
【００５２】
（第３実施形態）
図１１に、本発明の第３実施形態に係る冷凍サイクル装置を示し、図１２に、第３実施形態における適正化運転の前半部分のフローチャートを示す。第３実施形態では、第２実施形態と同様に、第１実施形態と、インジェクションバルブ６１の開度Ｘを全閉に近づけるか全開に近づけるかの判定方法が異なるのみであるため、以下ではこの点についてのみ説明する。
【００５３】
制御手段７は、起動運転後に適正化運転を行う際に、まず、第２配管３ｂを流れる冷媒の圧力Ｐｅおよび温度Ｔｅを第２配管３ｂに設けられた圧力センサ８２および温度センサ８３によって検知するとともに、バルブ下流圧力Ｐｉをインジェクション路６に設けられた圧力センサ８４によって検知する（ステップＳ４１）。次に、圧力Ｐｅと温度Ｔｅを用いて、飽和インジェクション圧力Ｐを算出する（ステップＳ４２）。ここで、飽和インジェクション圧力Ｐについて、図１３Ｂを用いて説明する。インジェクション路６を流れる冷媒は、インジェクションバルブ６１を通過する前は第２配管から膨張機構５に導かれる冷媒と同じ圧力および温度となっており、インジェクションバルブ６１を通過する際に等エンタルピー減圧されながら流量を調節される。つまり、冷凍サイクル装置のモリエル線図で説明すると、インジェクション路６を流れる冷媒は、Ｐｅ，Ｔｅから等エンタルピー減圧し、飽和曲線に交わる。そして、その交わった点の圧力が飽和インジェクション圧力Ｐとなる。すなわち、制御手段７は、圧力Ｐｅおよび温度Ｔｅと飽和曲線とから飽和インジェクション圧力を算出する。
【００５４】
また、インジェクション流量とインジェクション損失およびバルブ下流圧力との関係は、図１３Ａに示すようになっている。インジェクション路６を流れる冷媒の圧力が飽和インジェクション圧力Ｐより高いときは、超臨界状態となっているために圧力変化に対して密度変化は小さく、逆に、飽和インジェクション圧力Ｐより低いときは、気液二相状態となることから密度変化は急激に大きくなる。このような違いから、インジェクション流量の変化に対するバルブ下流圧力Ｐｉの変化量は、飽和インジェクション圧力Ｐを境に異なっている。そして、バルブ下流圧力Ｐｉが飽和インジェクション圧力Ｐになったときにインジェクション損失がほぼ最大になることが実験により確認された。
【００５５】
図１２に戻って、制御手段７は、飽和インジェクション圧力Ｐを算出した後に、バルブ下流圧力Ｐｉと飽和インジェクション圧力Ｐとを比較し（ステップＳ４３）、バルブ下流圧力Ｐｉが飽和インジェクション圧力Ｐよりも小さな場合は（ステップＳ４３でＹＥＳ）、インジェクションバルブ６１の開度Ｘを全閉に近づけるべきと判定して図７Ａに示すステップＳ１１に進む。逆に、バルブ下流圧力Ｐｉが飽和インジェクション圧力Ｐよりも大きな場合は（ステップＳ４３でＮＯ）、制御手段７は、インジェクションバルブ６１の開度Ｘを全開に近づけるべきと判定して図７Ｂに示すステップＳ２１に進む。その後は、第１実施形態と同様の制御が行われる。なお、本実施形態では、Ｐｉ＝Ｐの場合はステップＳ１１に進むようになっているが、Ｐｉ＝Ｐの場合はステップＳ２１に進むようになっていてもよいし、そのまま適正化運転を終了するようになっていてもよい。
【００５６】
以上のようにすれば、バルブ下流圧力Ｐｉを用いた判定によって高精度な制御が可能になる。
【００５７】
なお、圧力センサ８２および温度センサ８３はインジェクション路６のインジェクションバルブ６１よりも上流側に設けられていても、これらのセンサ８２，８３によって第２配管３ｂを流れる冷媒の圧力Ｐｅおよび温度Ｔｅを検知することは可能である。
【００５８】
（変形例）
前記各実施形態の冷凍サイクル装置では、制御手段７がインジェクションバルブ６１の開度Ｘを調整する際に、吐出冷媒の温度Ｔｃを用いているが、代わりに吐出冷媒の圧力を用いるようにしてもよい。このようにすることで、圧縮機構１１，２１の吐出圧力に基づいて冷凍サイクル装置のＣＯＰが最も高くなる開度Ｘを決定するこができる。
【００５９】
また、前記各実施形態では、押しのけ容積が互いに同じ第１圧縮機構１１と第２圧縮機構２１を採用しているが、第１圧縮機構１１と第２圧縮機構２１とで押しのけ容積が異なっていてもよい。この場合、適正化運転の１回の調整処理における第１電動機１１および第２電動機２１の回転数刻みとしては、前記各実施形態のように共に同じａＨｚを用いるのではなく、第１圧縮機構１１と第２圧縮機構２１の押しのけ容積の比に応じて異なった値を用いればよい。
【００６０】
また、前記各実施形態においては、第１電動機１２および第２電動機２２のどちらかの回転数が、運転許容範囲の下限値または上限値に等しくなった場合に、適正化運転を終了するようにしてもよい。このようにすることで、第１圧縮機１および第２圧縮機２の信頼性を確保し、機器の寿命を延ばすことができる。
【００６１】
また、前記各実施形態においては、第１電動機１２と第２電動機２２との回転数差が、ある閾値を越えた時に、または、第１電動機１２と第２電動機２２との回転数比がある閾値を越えた場合に、適正化運転を終了するようにしてもよい。このようにすることで、極度に回転数の差が生じるのを防ぎ、密閉容器底部に保持しているオイル溜りのアンバランスを抑制することができ、第１圧縮機１および第２圧縮機２の信頼性を確保し、機器の寿命を延ばすことができる。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明の冷凍サイクル装置は、冷凍サイクルにおける冷媒の膨張エネルギーを回収して動力回収を行う手段として有用である。
【図１】
2010007730.tif 000003
【図２】
2010007730.tif 000004
【図３】
2010007730.tif 000005
【図４】
2010007730.tif 000006
【図５】
2010007730.tif 000007
【図６】
2010007730.tif 000008
【図７】
2010007730.tif 000009
【図８】
2010007730.tif 000010
【図９】
2010007730.tif 000011
【図１０】
2010007730.tif 000012
【図１１】
2010007730.tif 000013
【図１２】
2010007730.tif 000014
【図１３】
2010007730.tif 000015
【図１４】
2010007730.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成22年1月18日(2010.1.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、給湯機や空調機などに用いる、膨張機構と複数の圧縮機構を搭載した冷凍サイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、冷凍サイクル装置の更なる高効率化を図る手段として、膨張弁に代えて膨張機構を用い、冷媒が膨張する過程でその圧力エネルギーを膨張機構によって動力の形で回収し、その回収分だけ圧縮機構の駆動に要する電力を低減する動力回収式の冷凍サイクル装置が提案されている。このような冷凍サイクル装置では、電動機、圧縮機構、および膨張機構がシャフトで連結された膨張機一体型圧縮機が用いられる。
【０００３】
ところで、膨張機一体型圧縮機では、圧縮機構と膨張機構とがシャフトによって連結されているので、運転条件によっては、圧縮機構の押しのけ量が不足したり膨張機構の押しのけ量が不足したりすることがある。そこで、圧縮機構の押しのけ量が不足するような運転条件でも回収動力を確保して冷凍サイクル装置のＣＯＰ（Coefficient of Performance）を高く維持できるようにするために、膨張機一体型圧縮機に加え、さらに第２の圧縮機を用いた冷凍サイクル装置も提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
図１４は、特許文献１に記載された冷凍サイクル装置を示す構成図である。この冷凍サイクル装置では、冷媒回路１４０中に、第１圧縮機である膨張機一体型圧縮機１００の第１圧縮機構１０１と第２圧縮機１１０の第２圧縮機構１１１が並列に配置されている。具体的には、第１圧縮機構１０１および第２圧縮機構１１１は、第１配管１４１で放熱器１２０と接続されるとともに、第４配管１４４で蒸発器１３０と接続されている。また、膨張機一体型圧縮機１００の膨張機構１０３は、第２配管１４２で放熱器１２０と接続されるとともに、第３配管１４３で蒸発器１３０と接続されている。そして、特許文献１の冷凍サイクル装置では、膨張機構１０３に流入する冷媒の量に過不足が生じないように、膨張機一体型圧縮機１００の第１電動機１０２の回転数と第２圧縮機１１０の第２電動１１２の回転数を外気温度等に応じてそれぞれ決定できるようになっている。
【０００５】
さらに、特許文献１の冷凍サイクル装置には、膨張機構１０３をバイパスするバイパス路１６０と、膨張機構１０３に冷媒の膨張過程でさらに冷媒を供給するインジェクション路１５０とが設けられている。これらのバイパス路１６０とインジェクション路１５０には、流量調整用のバイパスバルブ１６１とインジェクションバルブ１５１がそれぞれ設けられている。そして、特許文献１の冷凍サイクル装置では、冬期に、バイパスバルブ１６１が閉状態とされ、インジェクションバルブ１５１が開状態とされる。インジェクションバルブ１５１の開度は、外気温度等に基づいて決定される。これにより、膨張機構１０３の押しのけ量が不足する場合にも対応できるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１３２６２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、インジェクション路を備えた冷凍サイクル装置では、インジェクション路を流れる冷媒は、インジェクションバルブが全開状態でない限り、インジェクションバルブにおいてある程度膨張してしまう。そのため、膨張エネルギーの一部が回収できないという課題がある。
【０００８】
図５は、インジェクション路を備えた冷凍サイクル装置において、冷媒がインジェクションバルブを通過する際の圧力降下に伴うエネルギー損失（以下、「インジェクション損失」という。）を実験により測定した結果を示すグラフである。図５のグラフの横軸はインジェクション流量（インジェクション路を流れる冷媒の流量）、縦軸はインジェクション損失を表す。図５に示すように、インジェクション流量が少なくなる、すなわちインジェクションバルブの開度が小さくなるにつれて、あるいはインジェクション流量が多くなる、すなわちインジェクションバルブの開度が大きくなるにつれて、インジェクション損失が小さくなる。そして、インジェクション流量がゼロ（インジェクションバルブが全閉）になったとき、およびインジェクション流量が最大（インジェクションバルブが全開）になったときに、インジェクション損失は最小になる。一方、インジェクションバルブによってインジェクション流量がある程度絞られる場合には、インジェクション損失が相対的に大きくなる。
【０００９】
このように、インジェクション損失は、インジェクション流量、すなわちインジェクションバルブの開度に依存し、それによって大きく変わる。このため、インジェクションバルブの開度は、インジェクション損失が小さくなるように決定されることが好ましい。しかしながら、特許文献１には、インジェクションバルブの開度の決定方法については、外気温度等に基づいて決定するとしか記載されていない。
【００１０】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、膨張機構と複数の圧縮機構を搭載し、かつ、インジェクション路を備えた冷凍サイクル装置において、インジェクションバルブの開度を適切に設定してインジェクション損失を小さく抑えられるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
図５を見れば、インジェクションバルブの開度を全閉または全開にすれば、インジェクション損失の発生を防止できることが分かる。しかしながら、冷凍サイクル装置においては、冷凍サイクルの高圧を最適高圧に保つことが最も好ましいのであって、単にインジェクションバルブの開度を全閉または全開にしただけでは、冷凍サイクルの高圧が最適高圧から大きくずれてしまうおそれがある。そこで、本発明の発明者らは、冷凍サイクルの高圧を最適高圧に維持したままでインジェクション損失を小さくできる好ましい開度があるのではないかと考えた。
【００１２】
本発明は、このような観点からなされたものであり、
冷媒を圧縮する第１圧縮機構と、膨張する冷媒から動力を回収する膨張機構と、シャフトにより前記第１圧縮機構および前記膨張機構と連結された第１電動機と、前記第１圧縮機構、前記膨張機構、および前記第１電動機を収容する第１密閉容器と、を含む第１圧縮機と、
冷媒を圧縮する第２圧縮機構であって冷媒回路中で前記第１圧縮機構と並列に接続される第２圧縮機構と、シャフトにより前記第２圧縮機構と連結された第２電動機と、前記第２圧縮機構および前記第２電動機を収容する第２密閉容器と、を含む第２圧縮機と、
前記第１圧縮機構および前記第２圧縮機構から吐出される冷媒を放熱させる放熱器と、
前記第１圧縮機構と前記第２圧縮機構と前記放熱器とを接続する第１配管と、
前記放熱器と前記膨張機構とを接続する第２配管と、
前記第２配管から分岐し、膨張過程の前記膨張機構にさらに冷媒を供給するインジェクション路と、
前記インジェクション路に設けられた、開度調整可能なインジェクションバルブと、
前記第１配管を通じて前記放熱器に導かれる吐出冷媒の圧力または温度を略一定に保ちながら前記インジェクションバルブの開度を全閉または全開に近づけるように、前記第１電動機および前記第２電動機の回転数ならびに前記インジェクションバルブの開度を制御して、インジェクションバルブ開度適正化運転を行う制御手段と、
を備えた冷凍サイクル装置を提供する。
【発明の効果】
【００１３】
上記のように構成された本発明の冷凍サイクル装置によれば、冷凍サイクルの高圧を最適高圧に維持したままでインジェクション損失を小さく抑えることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る冷凍サイクル装置の概略構成図
【図２】本発明の第１実施形態における冷凍サイクル装置の運転パターン例
【図３】本発明の第１実施形態における冷凍サイクル装置の運転パターン例
【図４】本発明の第１実施形態における冷凍サイクル装置の運転パターン例
【図５】インジェクション流量とインジェクション損失の関係図
【図６】本発明の第１実施形態における制御のフローチャート
【図７】図７Ａおよび図７Ｂは本発明の第１実施形態における制御のフローチャート
【図８】本発明の第２実施形態に係る冷凍サイクル装置の概略構成図
【図９】本発明の第２実施形態における制御のフローチャート
【図１０】第２実施形態の変形例のフローチャート
【図１１】本発明の第３実施形態に係る冷凍サイクル装置の概略構成図
【図１２】本発明の第３実施形態における制御のフローチャート
【図１３】図１３Ａはインジェクション流量とインジェクション損失・圧力の関係図、図１３Ｂは飽和インジェクション圧力を説明するためのモリエル線図
【図１４】従来のヒートポンプ装置の概略構成図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１６】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る冷凍サイクル装置を示している。この冷凍サイクル装置は、冷媒回路３０を備えている。冷媒回路３０は、第１圧縮機（膨張機一体型圧縮機）１、第２圧縮機２、放熱器４、蒸発器５、およびこれらの機器を接続する第１〜第４配管（冷媒配管）３ａ〜３ｄで構成されている。
【００１７】
第１圧縮機１は、互いに第１シャフト１５により連結された第１圧縮機構１１、第１電動機１２、および膨張機構１３を収容する第１密閉容器１０を有している。第２圧縮機２は、互いに第２シャフト２５により連結された第２圧縮機構２１および第２電動機２２を収容する第２密閉容器２０を有している。第１圧縮機構１１および第２圧縮機構２１は、２本の枝管が１本の本管になる第１配管３ａを介して放熱器４に接続されており、放熱器４は、第２配管３ｂを介して膨張機構１３に接続されている。また、膨張機構１３は、第３配管３ｃを介して蒸発器５に接続されており、蒸発器５は、１本の本管が２本の枝管になる第４配管３ｄを介して第１圧縮機構１１および第２圧縮機構２１に接続されている。すなわち、冷媒回路３０中には、第１圧縮機構１１と第２圧縮機構２１とが並列に配置されていている。換言すれば、冷媒回路３０中では、第１圧縮機構１１は第２圧縮機構２１と並列に接続されている。
【００１８】
そして、第１圧縮機構１１で圧縮された冷媒および第２圧縮機構２１で圧縮された冷媒は、第１圧縮機構１１または第２圧縮機構２１から第１配管３ａに吐出された後、第１配管３ａを流れる途中で合流し、放熱器４に導かれる。圧縮機構１１，２１で圧縮された冷媒は、圧縮機構１１，２１からいったん密閉容器１０，２０内に吐出された後に密閉容器１０，２０から第１配管３ａに排出されるようになっていてもよい。放熱器４に導かれた冷媒は、ここで放熱した後に、第２配管３ｂを通って膨張機構１３に導かれる。膨張機構１３に導かれた冷媒は、ここで膨張する。このとき、膨張機構１３は、膨張する冷媒から動力を回収する。膨張した冷媒は、第３配管３ｃを通って蒸発器５に導かれる。蒸発器５に導かれた冷媒は、ここで吸熱した後に、第４配管３ｄを流れる途中で分流し、第１圧縮機構１１および第２圧縮機構２１に導かれる。
【００１９】
さらに、冷凍サイクル装置は、第２配管３ｂから分岐し、膨張機構１３に冷媒の膨張過程でさらに冷媒を供給するインジェクション路６を備えている。このインジェクション路６の途中には、流量調整用の開度調整可能なインジェクションバルブ６１が設けられている。
【００２０】
また、冷凍サイクル装置は、主に第１電動機１２および第２電動機２２の回転数ならびにインジェクションバルブ６１の開度を制御する、制御手段７を備えている。
【００２１】
冷媒回路３０には、高圧部分（第１圧縮機構１１および第２圧縮機構２１から放熱器４を経て膨張機構１３に至る部分）において超臨界状態となる冷媒が充填されている。本実施形態では、そのような冷媒として冷媒回路３０に二酸化炭素（ＣＯ2）が充填されている。ただし、冷媒の種類は特に限定されるものではない。冷媒は、運転時に超臨界状態とならない冷媒（例えばフロン系の冷媒等）であってもよい。
【００２２】
また、本発明の冷凍サイクル装置が備える冷媒回路は、冷媒を一方向にのみ流通させる冷媒回路３０に限られず、冷媒の流通方向の変更が可能な冷媒回路、例えば四方弁等を有することによって暖房運転および冷房運転の切り替えが可能な冷媒回路であってもよい。
【００２３】
次に、本実施形態の冷凍サイクル装置の運転パターンを図２〜図４を用いて説明する。
【００２４】
図２は、第１電動機１２および第２電動機２２が同じ回転数ｆａで回転している時の運転パターンを示している。なお、第１圧縮機構１１の押しのけ容積と第２圧縮機構２１の押しのけ容積は同じである。第１圧縮機構１１および第２圧縮機構２１の吐出流量はＦｃａであり、冷媒回路３０を流れる冷媒の循環流量はＦ（＝Ｆｃａ+Ｆｃａ）である。このときの、インジェクションバルブ６１の開度はＸａであり、インジェクション流量はＦｉａ、第２配管３ｂから膨張機構１３に導かれる冷媒の主流量はＦｅａ、インジェクション路６におけるインジェクションバルブ６１より下流側のバルブ下流圧力はＰｉａ、第２配管３ｂを流れる冷媒の圧力はＰｅである。この状態を、ある外気温度条件における基準運転状態とする。
【００２５】
図３および図４は、図２と同じ外気温度条件で、冷凍サイクルの高圧および低圧ならびに冷媒の温度および循環流量を同じに保つように、第１電動機１２および第２電動機２２の回転数ならびにインジェクションバルブ６１の開度を変化させた時の運転パターンである。
【００２６】
図３の場合、第１電動機１２の回転数ｆｂ１はｆａより高く、第２電動機２２の回転数ｆｂ２はｆａより低い。第１電動機１２の回転数が高くなると、膨張機構１３の回転数も高くなるので、第２配管３ｂから膨張機構１３へ流入する冷媒流量Ｆｅｂが増加する。このため、インジェクション流量を低減させることで膨張機構１３を通過する循環流量Ｆを図２の運転パターンの時と同じにすることができる。インジェクション流量を抑えるため、このときのインジェクションバルブの開度ＸｂはＸａより小さく、そのためバルブ下流圧力ＰｉｂもＰｉａより低い。つまり、インジェクションバルブ６１で、大きく減圧させながら少量のインジェクション流量にてインジェクションを行うことになる。
【００２７】
図４では、図３とは逆に、第１電動機１２の回転数ｆｃ１はｆａより低く、第２電動機２２の回転数ｆｃ２はｆａより高い。つまり、第１電動機１２の回転数が低くなると、膨張機構１３の回転数も低くなるので、第２配管３ｂから膨張機構１３へ流入する冷媒流量Ｆｅｃが減少する。このため、インジェクション流量を増加させることで膨張機構１３を通過する循環流量Ｆを図２の運転パターンの時と同じにすることができる。インジェクション流量を増やすため、このときのインジェクションバルブの開度ＸｃはＸａより大きく、そのためバルブ下流圧力ＰｉｃもＰｉａより高い。つまり、インジェクションバルブ６１で、あまり減圧させずに多量のインジェクション流量にてインジェクションを行うことになる。
【００２８】
以上のように、冷凍サイクル装置の見かけの状態としては、図２、図３、図４のいずれの運転パターンも同じであるが、そのときのインジェクション流量は異なっており、インジェクションバルブ６１で減圧されるときに生じるエネルギー損失にも差が生じる。
【００２９】
図５は、発明が解決しようとする課題の欄で説明したように、インジェクション流量とインジェクション損失の関係を実験で求めたグラフである。インジェクション流量が０のとき、すなわちインジェクションバルブ６１の開度が全閉のときは、そもそもインジェクション路６に流れは存在しないので、インジェクション損失も０となる。逆に、インジェクションバルブ６１の開度を全開にし、インジェクション流量を最大にするときは、インジェクションバルブ６１での減圧は起こらないため、この場合においてもインジェクション損失は発生しない。つまりインジェクション損失とは、インジェクションバルブ６１にて減圧させた場合に発生し、その減圧の程度が中程度で、インジェクション路６を流れるインジェクション流量も中程度のときに最も大きくなる性質を有する。そして、インジェクション損失を小さく抑えることができれば、外気温度が変化しても広い運転範囲に亘って高いエネルギー回収効率を得ることが可能になる。これを実現するためには、第１電動機１２および第２電動機２２の回転数とインジェクションバルブ６１の開度を最適にコントロールし、インジェクション流量が最小になるように制御するか、またはインジェクション流量が最大になるように制御することが好ましい。ただし、この制御は、冷凍サイクルの高圧を最適高圧に維持しながら行う必要がある。
【００３０】
次に、制御手段７が行う制御について説明する。制御手段７は、最初に起動運転を行い、その後に上述したようなインジェクションバルブ開度適正化運転（以下、単に「適正化運転」という。）を行う。
【００３１】
まず、起動運転について説明すると、制御手段７は、冷凍サイクル装置を停止状態から特定の定常状態にする。特定の定常状態とは、冷凍サイクルの高圧がその時の外気温度に応じた最適高圧（ＣＯＰが最も高くなる圧力）に略等しくなった状態のことである。本実施形態では、制御手段７は、図１に示すように第１配管３ａの本管部分に設けられた温度センサ８１によって第１配管３ａを通じて放熱器４に導かれる吐出冷媒の温度Ｔｃを検知し、この温度Ｔｃが目的値（冷凍サイクルの高圧が最適高圧となる温度）に到達するように制御を行う。この目的値は、外気温度と対応して予め制御装置７に記憶されている。
【００３２】
例えば、制御手段７は、起動時に第１電動機１２および第２電動機２２の回転数を外気温度に対応した同じ回転数まで上昇させた後、吐出冷媒の温度Ｔｃが目的値となるようにインジェクションバルブ６１の開度Ｘを調整して、起動運転を行う。このように起動運転を行えば、第１電動機１２と第２電動機２２とが同じ回転数となるので、その後に行う適正化運転における回転数の調整幅が大きくなり、広い運転範囲に対応することができる。
【００３３】
あるいは、制御手段７は、起動時に第１電動機１２および第２電動機２２を外気温度に対応したそれぞれで異なる回転数まで上昇させた後、吐出冷媒の温度Ｔｃが目的値となるようにインジェクションバルブ６１の開度Ｘを調整して、起動運転を行ってもよい。このように起動運転を行えば、例えば第１圧縮機構１１と膨張機構１３の二つの回転機構を有する第１圧縮機１の回転数を第２圧縮機２の回転数よりも低くすることで、第１圧縮機１からのオイル吐出量を抑えることができる。すなわち、第１密閉容器１０および第２密閉容器２０内には、回転機構を潤滑するためのオイルが貯められており、このオイルが冷媒と共に密閉容器外に吐出する。一般的に、複数の回転機構を有する第１圧縮機１の方が第２圧縮機２よりも密閉容器外に吐出するオイル量が大きく、第１圧縮機１の回転数を下げた方が、第１圧縮機１と第２圧縮機２のオイル吐出量の合計も少なくなる。このため、第１圧縮機１でのオイル溜りも十分に保持され、機器の信頼性が向上する。
【００３４】
また、本実施形態の冷凍サイクル装置では、起動開始時にインジェクションバルブ６１の開度Ｘを全閉にしておいてもよい。このようにすることで、起動時に冷凍サイクルの高低圧差を速やかにつけることができ、定常運転までの移行時間を短縮することができる。
【００３５】
次に、制御手段７が行う適正化運転について説明する。図６および図７に適正化運転のフローチャートを示す。適正化運転では、制御手段７は、吐出冷媒の温度Ｔｃを略一定に保ちながら、インジェクションバルブ６１の開度Ｘを全閉または全開に近づける。具体的に、制御手段７は、適正化運転を行う際、インジェクションバルブ６１の開度Ｘを全閉に近づけるべきか全開に近づけるべきかを判定し、全閉に近づけるべきと判定した場合は第１電動機１２の回転数ｆ１を上げるとともに第２電動機２２の回転数ｆ２を下げながらインジャクションバルブ６１の開度Ｘを下げ、全開に近づけるべきと判定した場合は第１電動機１２の回転数ｆ１を下げるとともに第２電動機２２の回転数ｆ２を上げながらインジャクションバルブ６１の開度Ｘを上げる。
【００３６】
より詳しくは、図６に示すように、制御手段７は、始めにインジェクションバルブ６１の現状開度Ｘを検知し（ステップＳ１）、ついで予め定められた基準開度ＰＸを取得する（ステップＳ２）。基準開度ＰＸとしては、インジェクション損失が最大となる開度を用いることが好ましく、これは、実験またはシミュレーションによって外気温度ごとに決定可能である。この場合、基準開度ＰＸは外気温度に対応した数値として予め制御手段７の記憶部に記憶されており、制御手段７はその記憶部からその時の外気温度に対応する基準開度ＰＸを読み込む。あるいは、基準開度ＰＸとしては、固定のまたは選択式の任意の開度（例えば５０％）を用いてもよい。
【００３７】
そして、制御手段７は、現状開度Ｘと基準開度ＰＸとを比較し（ステップＳ３）、現状開度Ｘが基準開度ＰＸよりも小さな場合は（ステップＳ３でＹＥＳ）、開度Ｘを全閉に近づけるべきと判定し、図７Ａに示すステップＳ１１に進む。逆に、現状開度Ｘが基準開度ＰＸよりも大きな場合は（ステップＳ３でＮＯ）、制御手段７は、開度Ｘを全開に近づけるべきと判定し、図７Ｂに示すステップＳ２１に進む。なお、本実施形態では、Ｘ＝ＰＸの場合はステップＳ１１に進むようになっているが、Ｘ＝ＰＸの場合はステップＳ２１に進むようになっていてもよいし、そのまま適正化運転を終了するようになっていてもよい。
【００３８】
その後、制御手段７は、第１電動機１２および第２電動機２２の回転数ｆ１，ｆ２を所定量だけ変更した後にインジャクションバルブ６１の開度Ｘを変更して吐出冷媒の温度Ｔｃを目的値に近づける調整処理を、吐出冷媒の温度Ｔｃが目的値に到達しなくなるまで繰り返す。そして、制御手段７は、吐出冷媒の温度Ｔｃが目的値に到達しなくなったときに、第１電動機１２および第２電動機２２の回転数ｆ１，ｆ２ならびにインジャクションバルブ６１の開度Ｘを１回前の状態に戻して適正化運転を終了する。
【００３９】
具体的に、制御手段７は、開度Ｘを全閉に近づけるべきと判定した場合は、第１電動機１２の回転数ｆ１をａＨｚ上げ、第２電動機２２の回転数ｆ２をａＨｚ下げる（ステップＳ１１）。次に、第１電動機１２の回転数ｆ１が上がった分、インジェクション流量を減少させるために、インジェクションバルブ６１の開度Ｘを下げて、吐出冷媒の温度Ｔｃを目的値に近づける（ステップＳ１２）。このステップは、例えば、インジェクションバルブ６１の開度Ｘを僅かずつ下げ、その時々で吐出冷媒の温度Ｔｃが目的値に到達するかを確認することにより行う。その結果、吐出冷媒の温度Ｔｃが目的に到達すれば（ステップＳ１３でＹＥＳ）、開度Ｘにはまだ下げられる可能性があるので、調整処理（ステップＳ１１，Ｓ１２）を再度行う。この調整処理を繰り返し、インジェクションバルブ６１の開度Ｘが全閉（０％）になってもあるいはその前に吐出冷媒の温度Ｔｃが目的値に到達しなくなった場合に（ステップＳ１３でＮＯ）、第１電動機１２の回転数ｆ１をａＨｚ下げるとともに第２電動機２２の回転数ｆ２をａＨｚ上げ（ステップＳ１４）、吐出冷媒の温度Ｔｃを目的値に調整し直して（ステップＳ１５）、制御を終了する。
【００４０】
一方、開度Ｘを全開に近づけるべきと判定した場合は、制御手段７は上記の制御と逆の制御を行う。すなわち、制御手段７は、第１電動機１２の回転数ｆ１をａＨｚ下げ、第２電動機２２の回転数ｆ２をａＨｚ上げる（ステップＳ２１）。次に、第１電動機１２の回転数ｆ１が下がった分、インジェクション流量を増加させるために、インジェクションバルブ６１の開度Ｘを上げて、吐出冷媒の温度Ｔｃを目的値に近づける（ステップＳ２２）。このステップは、例えば、インジェクションバルブ６１の開度Ｘを僅かずつ上げ、その時々で吐出冷媒の温度Ｔｃが目的値に到達するかを確認することにより行う。その結果、吐出冷媒の温度Ｔｃが目的に到達すれば（ステップＳ２３でＹＥＳ）、開度Ｘにはまだ上げられる可能性があるので、調整処理（ステップＳ２１，Ｓ２２）を再度行う。この調整処理を繰り返し、インジェクションバルブ６１の開度Ｘが全開（１００％）になってもあるいはその前に吐出冷媒の温度Ｔｃが目的値に到達しなくなった場合に（ステップＳ２３でＮＯ）、第１電動機１２の回転数ｆ１をａＨｚ上げるとともに第２電動機２２の回転数ｆ２をａＨｚ下げ（ステップＳ２４）、吐出冷媒の温度Ｔｃを目的値に調整し直して（ステップＳ２５）、制御を終了する。
【００４１】
ここで、適正化運転の１回の調整処理で変化させる第１電動機１２および第２電動機２２の回転数刻みａＨｚは、制御手段７が成し得る最小の刻み幅であることが望ましいが、それよりも大きな刻み（例えば５Ｈｚ程度）であってもよい。
【００４２】
以上のような適正化運転によって、冷凍サイクルの高圧を最適高圧に維持したままでインジェクション損失を小さく抑えることができる。これにより、高効率な動力回収を実現することができる。
【００４３】
ここで、インジェクションバルブ６１の開度Ｘを先に下げて、その後に吐出冷媒の温度Ｔｃが目的値に到達するように第１電動機１２および第２電動機２２の回転数ｆ１，ｆ２を変更することも考えられる。しかし、このようにすると、一般に回転数の調整最小幅はそれほど細かくないために、吐出冷媒の温度Ｔｃが目的値に到達しないおそれがある。これに対し、本実施形態のように、第１電動機１２および第２電動機２２の回転数ｆ１，ｆ２を変更した後にインジェクションバルブ６１の開度Ｘを調整するようにすれば、バルブでは一般に開度の調整最小幅が非常に細かいために、吐出冷媒の温度Ｔｃを目的値に合わせ易くすることができる。
【００４４】
（第２実施形態）
図８に、本発明の第２実施形態に係る冷凍サイクル装置を示し、図９に、第２実施形態における適正化運転の前半部分のフローチャートを示す。第２実施形態では、第１実施形態と、インジェクションバルブ６１の開度Ｘを全閉に近づけるか全開に近づけるかの判定方法が異なるのみであるため、以下ではこの点についてのみ説明する。
【００４５】
制御手段７は、起動運転後に適正化運転を行う際に、まず、第１電動機１２の消費電力ｗ１と第２電動機２２の消費電量ｗ２を測定し、その合計値Ｗａ（＝ｗ１+ｗ２）を求める（ステップＳ３１）。次に、第１電動機１２の回転数ｆ１をａＨｚ下げ、第２電動機２２の回転数ｆ２をａＨｚ上げる（ステップＳ３２）。そして、第１電動機１２の回転数ｆ１が下がった分、インジェクション流量を増加させるために、インジェクションバルブ６１の開度Ｘを上げ、吐出冷媒の温度Ｔｃを目的値に近づける（ステップＳ３３）。これらのステップＳ３２およびステップＳ３３は、第１実施形態で説明した、図７Ｂに示すステップＳ２１およびステップＳ２２と同様にして行う。このとき、もし、吐出冷媒の温度Ｔｃが目的値に到達しなかった場合は（ステップＳ３４でＮＯ）、第１電動機１２および第２電動機２２の回転数ｆ１，ｆ２ならびにインジェクションバルブ６１の開度Ｘを元に戻して（ステップＳ３７およびステップＳ３８）、適正化処理を終了する。
【００４６】
ステップＳ３３の結果、吐出冷媒の温度Ｔｃが目的値に到達した場合は（ステップＳ３４でＹＥＳ）、再び第１電動機１２の消費電力ｗ１と第２電動機２２の消費電量ｗ２を測定し、その合計値Ｗｂ（＝ｗ１+ｗ２）を求める（ステップＳ３５）。その後、この合計値Ｗｂと前に求めた合計値Ｗａを比較し（ステップＳ３６）、第１電動機１２の消費電力ｗ１と第２電動機２２の消費電量ｗ２の合計値がステップＳ３２およびステップＳ３３の前後で減少したか増加したかを判定する。
【００４７】
そして、制御手段７は、ＷｂがＷａよりも小さい場合、すなわち消費電力の合計値が減少した場合は（ステップＳ３６でＹＥＳ）、インジェクションバルブ６１の開度Ｘを全開に近づけるべきと判定して図７Ｂに示すステップＳ２１に進み、ＷｂがＷａよりも大きい場合、すなわち消費電力の合計値が増加した場合は（ステップＳ３６でＮＯ）、インジェクションバルブ６１の開度Ｘを全閉に近づけるべきと判定して図７Ａに示すステップＳ１１に進む。その後は、第１実施形態と同様の制御が行われる。なお、本実施形態では、Ｗｂ＝Ｗａの場合はステップＳ１１に進むようになっているが、Ｗｂ＝Ｗａの場合はステップＳ２１に進むようになっていてもよいし、そのまま適正化運転を終了するようになっていてもよい。
【００４８】
以上のようにすれば、第１電動機１２および第２電動機２２の入力の合計値を判断しながら制御を行えるので、運転パターンを冷凍サクル装置のＣＯＰが確実に向上する方向にシフトさせることができる。しかも、第１実施形態のような温度センサ８１が不要となり、装置としての構成も簡易化することができる。
【００４９】
また、本実施形態では、第１電動機１２および第２電動機２２の消費電力値ｗ１，ｗ２を直接測定しているが、消費電力に代えて電動機１２，２２を流れる電流値を測定するようにしてもよい。一般的に、電流値から電動機の消費電力を推算することは可能であるため、より測定が容易な電流値を用いることで、制御手段７を簡易かつ安価に構成することができる。
【００５０】
なお、本実施形態では、インジェクションバルブ６１の開度Ｘを全閉に近づけるべきか全開に近づけるべきかを判定するために、インジェクションバルブ６１の開度Ｘをいったん上げる方向に制御したが、逆に制御してもよい。すなわち、図１０に示すように、ステップＳ３１の次に、第１電動機１２の回転数ｆ１を上げるとともに第２電動機２２の回転数を下げた後（ステップＳ３２’）、インジェクションバルブ６１の開度Ｘを下げて吐出冷媒の温度Ｔｃを目的値に近づける（ステップＳ３３’）。その結果、吐出冷媒の温度Ｔｃが目的値に到達しなかった場合は（ステップＳ３４でＮＯ）、第１電動機１２および第２電動機２２の回転数ｆ１，ｆ２ならびにインジェクションバルブ６１の開度Ｘを元に戻して（ステップＳ３７’およびステップＳ３８’）、適正化処理を終了する。
【００５１】
一方、ステップＳ３４でＹＥＳの場合は、図９に示すフローチャートと同様に、ステップＳ３５に進み、第１電動機１２の消費電力ｗ１と第２電動機２２の消費電量ｗ２の合計値がステップＳ３２’およびステップＳ３３’の前後で減少したか増加したかを判定する（ステップＳ３６）。ただし、図１０に示すフローチャートの場合は、制御手段７は、図９に示すフローチャートとは逆に、ＷｂがＷａよりも小さい場合、すなわち消費電力の合計値が減少した場合は（ステップＳ３６でＹＥＳ）、インジェクションバルブ６１の開度Ｘを全閉に近づけるべきと判定して図７Ａに示すステップＳ１１に進み、ＷｂがＷａよりも大きい場合、すなわち消費電力の合計値が増加した場合は（ステップＳ３６でＮＯ）、インジェクションバルブ６１の開度Ｘを全開に近づけるべきと判定して図７Ｂに示すステップＳ２１に進む。
【００５２】
（第３実施形態）
図１１に、本発明の第３実施形態に係る冷凍サイクル装置を示し、図１２に、第３実施形態における適正化運転の前半部分のフローチャートを示す。第３実施形態では、第２実施形態と同様に、第１実施形態と、インジェクションバルブ６１の開度Ｘを全閉に近づけるか全開に近づけるかの判定方法が異なるのみであるため、以下ではこの点についてのみ説明する。
【００５３】
制御手段７は、起動運転後に適正化運転を行う際に、まず、第２配管３ｂを流れる冷媒の圧力Ｐｅおよび温度Ｔｅを第２配管３ｂに設けられた圧力センサ８２および温度センサ８３によって検知するとともに、バルブ下流圧力Ｐｉをインジェクション路６に設けられた圧力センサ８４によって検知する（ステップＳ４１）。次に、圧力Ｐｅと温度Ｔｅを用いて、飽和インジェクション圧力Ｐを算出する（ステップＳ４２）。ここで、飽和インジェクション圧力Ｐについて、図１３Ｂを用いて説明する。インジェクション路６を流れる冷媒は、インジェクションバルブ６１を通過する前は第２配管から膨張機構５に導かれる冷媒と同じ圧力および温度となっており、インジェクションバルブ６１を通過する際に等エンタルピー減圧されながら流量を調節される。つまり、冷凍サイクル装置のモリエル線図で説明すると、インジェクション路６を流れる冷媒は、Ｐｅ，Ｔｅから等エンタルピー減圧し、飽和曲線に交わる。そして、その交わった点の圧力が飽和インジェクション圧力Ｐとなる。すなわち、制御手段７は、圧力Ｐｅおよび温度Ｔｅと飽和曲線とから飽和インジェクション圧力を算出する。
【００５４】
また、インジェクション流量とインジェクション損失およびバルブ下流圧力との関係は、図１３Ａに示すようになっている。インジェクション路６を流れる冷媒の圧力が飽和インジェクション圧力Ｐより高いときは、超臨界状態となっているために圧力変化に対して密度変化は小さく、逆に、飽和インジェクション圧力Ｐより低いときは、気液二相状態となることから密度変化は急激に大きくなる。このような違いから、インジェクション流量の変化に対するバルブ下流圧力Ｐｉの変化量は、飽和インジェクション圧力Ｐを境に異なっている。そして、バルブ下流圧力Ｐｉが飽和インジェクション圧力Ｐになったときにインジェクション損失がほぼ最大になることが実験により確認された。
【００５５】
図１２に戻って、制御手段７は、飽和インジェクション圧力Ｐを算出した後に、バルブ下流圧力Ｐｉと飽和インジェクション圧力Ｐとを比較し（ステップＳ４３）、バルブ下流圧力Ｐｉが飽和インジェクション圧力Ｐよりも小さな場合は（ステップＳ４３でＹＥＳ）、インジェクションバルブ６１の開度Ｘを全閉に近づけるべきと判定して図７Ａに示すステップＳ１１に進む。逆に、バルブ下流圧力Ｐｉが飽和インジェクション圧力Ｐよりも大きな場合は（ステップＳ４３でＮＯ）、制御手段７は、インジェクションバルブ６１の開度Ｘを全開に近づけるべきと判定して図７Ｂに示すステップＳ２１に進む。その後は、第１実施形態と同様の制御が行われる。なお、本実施形態では、Ｐｉ＝Ｐの場合はステップＳ１１に進むようになっているが、Ｐｉ＝Ｐの場合はステップＳ２１に進むようになっていてもよいし、そのまま適正化運転を終了するようになっていてもよい。
【００５６】
以上のようにすれば、バルブ下流圧力Ｐｉを用いた判定によって高精度な制御が可能になる。
【００５７】
なお、圧力センサ８２および温度センサ８３はインジェクション路６のインジェクションバルブ６１よりも上流側に設けられていても、これらのセンサ８２，８３によって第２配管３ｂを流れる冷媒の圧力Ｐｅおよび温度Ｔｅを検知することは可能である。
【００５８】
（変形例）
前記各実施形態の冷凍サイクル装置では、制御手段７がインジェクションバルブ６１の開度Ｘを調整する際に、吐出冷媒の温度Ｔｃを用いているが、代わりに吐出冷媒の圧力を用いるようにしてもよい。このようにすることで、圧縮機構１１，２１の吐出圧力に基づいて冷凍サイクル装置のＣＯＰが最も高くなる開度Ｘを決定するこができる。
【００５９】
また、前記各実施形態では、押しのけ容積が互いに同じ第１圧縮機構１１と第２圧縮機構２１を採用しているが、第１圧縮機構１１と第２圧縮機構２１とで押しのけ容積が異なっていてもよい。この場合、適正化運転の１回の調整処理における第１電動機１２および第２電動機２２の回転数刻みとしては、前記各実施形態のように共に同じａＨｚを用いるのではなく、第１圧縮機構１１と第２圧縮機構２１の押しのけ容積の比に応じて異なった値を用いればよい。
【００６０】
また、前記各実施形態においては、第１電動機１２および第２電動機２２のどちらかの回転数が、運転許容範囲の下限値または上限値に等しくなった場合に、適正化運転を終了するようにしてもよい。このようにすることで、第１圧縮機１および第２圧縮機２の信頼性を確保し、機器の寿命を延ばすことができる。
【００６１】
また、前記各実施形態においては、第１電動機１２と第２電動機２２との回転数差が、ある閾値を越えた時に、または、第１電動機１２と第２電動機２２との回転数比がある閾値を越えた場合に、適正化運転を終了するようにしてもよい。このようにすることで、極度に回転数の差が生じるのを防ぎ、密閉容器底部に保持しているオイル溜りのアンバランスを抑制することができ、第１圧縮機１および第２圧縮機２の信頼性を確保し、機器の寿命を延ばすことができる。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明の冷凍サイクル装置は、冷凍サイクルにおける冷媒の膨張エネルギーを回収して動力回収を行う手段として有用である。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を圧縮する第１圧縮機構と、膨張する冷媒から動力を回収する膨張機構と、シャフトにより前記第１圧縮機構および前記膨張機構と連結された第１電動機と、前記第１圧縮機構、前記膨張機構、および前記第１電動機を収容する第１密閉容器と、を含む第１圧縮機と、
冷媒を圧縮する第２圧縮機構であって冷媒回路中で前記第１圧縮機構と並列に接続される第２圧縮機構と、シャフトにより前記第２圧縮機構と連結された第２電動機と、前記第２圧縮機構および前記第２電動機を収容する第２密閉容器と、を含む第２圧縮機と、
前記第１圧縮機構および前記第２圧縮機構から吐出される冷媒を放熱させる放熱器と、
前記第１圧縮機構と前記第２圧縮機構と前記放熱器とを接続する第１配管と、
前記放熱器と前記膨張機構とを接続する第２配管と、
前記第２配管から分岐し、膨張過程の前記膨張機構にさらに冷媒を供給するインジェクション路と、
前記インジェクション路に設けられた、開度調整可能なインジェクションバルブと、
前記第１配管を通じて前記放熱器に導かれる吐出冷媒の圧力または温度を略一定に保ちながら前記インジェクションバルブの開度を全閉または全開に近づけるように、前記第１電動機および前記第２電動機の回転数ならびに前記インジェクションバルブの開度を制御して、インジェクションバルブ開度適正化運転を行う制御手段と、
を備えた冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記インジェクションバルブ開度適正化運転を行う際、前記インジェクションバルブの開度を全閉に近づけるべきか全開に近づけるべきかを判定し、全閉に近づけるべきと判定した場合は前記第１電動機の回転数を上げるとともに前記第２電動機の回転数を下げながら前記インジャクションバルブの開度を下げ、全開に近づけるべきと判定した場合は前記第１電動機の回転数を下げるとともに前記第２電動機の回転数を上げながら前記インジャクションバルブの開度を上げる、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記第１電動機および前記第２電動機の回転数を所定量だけ変更した後に前記インジャクションバルブの開度を変更して前記吐出冷媒の圧力または温度を目的値に近づける調整処理を、前記吐出冷媒の圧力または温度が目的値に到達しなくなるまで繰り返し、前記吐出冷媒の圧力または温度が目的値に到達しなくなった場合は、前記第１電動機および前記第２電動機の回転数ならびに前記インジャクションバルブの開度を１回前の状態に戻す、請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記インジェクションバルブ開度適正化運転を行う際、前記インジャクションバルブの現状開度を検知するとともに予め定められた基準開度を取得し、前記現状開度が前記基準開度よりも小さな場合に前記インジェクションバルブの開度を全閉に近づけるべきと判定し、前記現状開度が前記基準開度よりも大きな場合に前記インジェクションバルブの開度を全開に近づけるべきと判定する、請求項２または３に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項５】
前記制御手段は、前記インジェクションバルブ開度適正化運転を行う際、前記第１電動機の回転数を所定量だけ下げるとともに前記第２電動機の回転数を所定量だけ上げ、かつ、前記吐出冷媒の圧力または温度が目的値に到達するように前記インジャクションバルブの開度を上げたときに、前記第１電動機の消費電力と前記第２電動機の消費電力の合計値が減少するか増加するかを判定し、前記合計値が減少すれば前記インジェクションバルブの開度を全開に近づけるべきと判定し、前記合計値が増加すれば前記インジェクションバルブの開度を全閉に近づけるべきと判定する、請求項２または３に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項６】
前記制御手段は、前記インジェクションバルブ開度適正化運転を行う際、前記第１電動機の回転数を所定量だけ上げるとともに前記第２電動機の回転数を所定量だけ下げ、かつ、前記吐出冷媒の圧力または温度が目的値に到達するように前記インジャクションバルブの開度を下げたときに、前記第１電動機の消費電力と前記第２電動機の消費電力の合計値が減少するか増加するかを判定し、前記合計値が減少すれば前記インジェクションバルブの開度を全閉に近づけるべきと判定し、前記合計値が増加すれば前記インジェクションバルブの開度を全開に近づけるべきと判定する、請求項２または３に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項７】
前記第１電動機の消費電力の代わりに前記第１電動機を流れる電流値が用いられ、前記第２電動機の消費電力の代わりに前記第２電動機を流れる電流値が用いられる、請求項５または６に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項８】
前記制御手段は、前記インジェクションバルブ開度適正化運転を行う際、前記第２配管を流れる冷媒の圧力および温度から飽和インジェクション圧力を算出するとともに、前記インジェクション路における前記インジェクションバルブより下流側のバルブ下流圧力を検知し、前記バルブ下流圧力が前記飽和インジェクション圧力よりも小さな場合に前記インジェクションバルブの開度を全閉に近づけるべきと判定し、前記バルブ下流圧力が前記飽和インジェクション圧力よりも大きな場合に前記インジェクションバルブの開度を全開に近づけるべきと判定する、請求項２または３に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項９】
前記制御手段は、起動時に前記第１電動機および前記第２電動機の回転数を外気温度に対応した同じ回転数まで上昇させ、その後に前記インジェクションバルブ開度適正化運転を行う、請求項１〜８のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１０】
前記制御手段は、起動時に前記第１電動機および前記第２電動機の回転数を外気温度に対応したそれぞれで異なる回転数まで上昇させ、その後に前記インジェクションバルブ開度適正化運転を行う、請求項１〜８のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１１】
前記制御手段は、前記第１電動機と前記第２電動機のどちらかの回転数が、運転許容範囲の下限値または上限値に等しくなった場合に、前記インジェクションバルブ開度適正化運転を終了する、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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