(57)【要約】  冷凍サイクル装置（１００）は、第１圧縮機構（１１）および膨張機構（１３）を含む膨張機一体型圧縮機（１）と、第２圧縮機構（２１）を含む副圧縮機（２）を備える。第１圧縮機構（１１）と第２圧縮機構（２１）は、冷媒回路（３０）中で並列に接続される。さらに、冷凍サイクル装置（１００）は、膨張機構（１３）をバイパスするバイパス路（６）を備える。バイパス路（６）には、上流側から順に、第１流量制御弁（６１）、気液分離器（６２）、および第２流量制御弁（６３）が設けられる。気液分離器（６２）で液冷媒と分離されたガス冷媒は、インジェクション路（７）により第２圧縮機構（２１）に導かれる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を圧縮する第１圧縮機構、および膨張する冷媒から動力を回収する膨張機構を含む膨張機一体型圧縮機と、
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圧縮機構を含む副圧縮機と、
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、
前記膨張機構から吐出される冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記第１圧縮機構および前記第２圧縮機構から前記放熱器に冷媒を導く第１配管と、
前記放熱器から前記膨張機構に冷媒を導く第２配管と、
前記膨張機構から前記蒸発器に冷媒を導く第３配管と、
前記蒸発器から前記第１圧縮機構および前記第２圧縮機構に冷媒を導く第４配管と、
前記第２配管から前記膨張機構をバイパスして前記第３配管に至るバイパス路と、
前記バイパス路に上流側から順に設けられた、第１流量制御弁、気液分離器、および第２流量制御弁と、
前記気液分離器で液冷媒と分離されたガス冷媒を前記第２圧縮機構に導くインジェクション路と、
を備える冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記インジェクション路には、開閉弁が設けられている、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項３】
要求負荷が予め定められた規定値以上になったときに、前記開閉弁および前記第１流量制御弁を開く制御手段をさらに備える、請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項４】
前記放熱器は、冷媒と水との間で熱交換を行って湯を生成するための熱交換器であり、
前記放熱器への入水温度を検知する入水温度検知手段と、外気温度を検知する外気温度検知手段と、をさらに備え、
前記制御手段は、前記入水温度検知手段で検知される入水温度および前記外気温度検知手段で検知される外気温度から、前記第１配管を通じて前記放熱器に導かれるべき冷媒についての適正圧力を算出する、請求項３に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項５】
冷凍サイクルの高圧側の圧力を検知する圧力検知手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記圧力検知手段で検知される圧力が前記適正圧力となるように前記第１流量制御弁の開度を調整する、請求項４に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項６】
前記第１配管を通じて前記放熱器に導かれる冷媒の温度を検知する冷媒温度検知手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記冷媒温度検知手段で検知される冷媒温度および前記外気温度検知手段で検知される外気温度から前記放熱器に導かれる冷媒の圧力を算出し、この算出した圧力が前記適正圧力となるように前記第１流量制御弁の開度を調整する、請求項４に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項７】
前記冷媒は二酸化炭素である、請求項１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、圧縮機構の吸入冷媒の密度と膨張機構の吸入冷媒の密度との比が、それぞれの吸入容積の比に固定されてしまうという、いわゆる密度比一定の制約が生じる。このため、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、特開２００７−１３２６２２号公報参照）。【０００４】
図６は、特開２００７−１３２６２２号公報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、膨張機一体型圧縮機１００の第１圧縮機構１０１と副圧縮機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、特開２００７−１３２６２２号公報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の回転数と副圧縮機１１０の第２電動機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、特開２００７−１３２６２２号公報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、特開２００７−１３２６２２号公報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。【０００６】
ところで、冷凍サイクル装置では、例えば給湯負荷あるいは暖房負荷の観点から、一時的に高い放熱能力が求められることがある。これを実現するには、膨張機一体型圧縮機および副圧縮機の電動機の回転数を上げて、冷媒の循環量を増加させることが考えられる。【０００７】
しかしながら、電動機の回転数を上げた場合には、電動機の効率が低下するために結果的に冷凍サイクル装置のＣＯＰが低下することになる。【０００８】
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た冷凍サイクル装置において、ＣＯＰを高く維持したままで放熱能力を増加できるようにすることである。
【発明の開示】
【０００９】
ところで、近年では、放熱能力を一時的に高めるために、圧縮機構にインジェクションすることが提案されている。例えば、国際公開第２００７／０７２７６０号には、膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクル装置において、膨張機構をバイパスするバイパス路に気液分離器を設け、この気液分離器で分離されたガス冷媒を圧縮機構にインジェクションする構成が開示されている。そこで、この構成を、図６に示すような膨張機一体型圧縮機と副圧縮機を用いた圧縮機構並列式の冷凍サイクル装置に採用することが考えられる。すなわち、バイパス路１６０に気液分離器を設けるとともに、この気液分離器から膨張機一体型圧縮機１００の第１圧縮機構１０１へガス冷媒を供給できるようにすることが考えられる。
【００１０】
しかしながら、膨張機一体型圧縮機１００は、密閉容器内に膨張機構１０３が収容された構造となっているために、副圧縮機１１０と比べて温度が低くなる。しかも、膨張機一体型圧縮機１００の密閉容器は、副圧縮機１１０の密閉容器よりも容積が大きなものであるため、大気中への放熱量が大きく、副圧縮機１１０と比べてさらに低温になる。このため、例えば膨張機一体型圧縮機１００の第１電動機１０２と副圧縮機１１０の第２電動機１１２を同一の回転数とした場合には、膨張機一体型圧縮機１００から第１配管１４１に送り出される冷媒の温度は、副圧縮機１１０から第１配管１４１に送り出される冷媒の温度よりも低くなる。このような状況下で、膨張機一体型圧縮機１００の第１圧縮機構１０１へ放熱後の冷媒をインジェクションすると、膨張機一体型圧縮機１００から第１配管１４１に送り出される冷媒の温度はさらに低下する。その結果、双方の圧縮機１００，１１０から第１配管１４１に送り出される冷媒間の温度差が大きくなる。そうすると、温度差の大きな冷媒が合流することになり、冷凍サイクルの安定性が悪くなる。
【００１１】
本発明は、上記のような観点からなされたものである。すなわち、本発明は、冷媒を圧縮する第１圧縮機構、および膨張する冷媒から動力を回収する膨張機構を含む膨張機一体型圧縮機と、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圧縮機構を含む副圧縮機と、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、前記膨張機構から吐出される冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記第１圧縮機構および前記第２圧縮機構から前記放熱器に冷媒を導く第１配管と、前記放熱器から前記膨張機構に冷媒を導く第２配管と、前記膨張機構から前記蒸発器に冷媒を導く第３配管と、前記蒸発器から前記第１圧縮機構および前記第２圧縮機構に冷媒を導く第４配管と、前記第２配管から前記膨張機構をバイパスして前記第３配管に至るバイパス路と、前記バイパス路に上流側から順に設けられた、第１流量制御弁、気液分離器、および第２流量制御弁と、前記気液分離器で液冷媒と分離されたガス冷媒を前記第２圧縮機構に導くインジェクション路と、を備える冷凍サイクル装置を提供する。
【００１２】
この構成によれば、インジェクション路を通じた第２圧縮機構へのガス冷媒の供給、いわゆるインジェクションにより、放熱器を通る冷媒の循環量を大きくすることができる。これにより、ＣＯＰを高く維持したままで放熱能力を一時的に増加することができる。しかも、第２圧縮機構へインジェクションすることにより、膨張機一体型圧縮機から第１配管に送り出される冷媒と副圧縮機から第１配管に送り出される冷媒の間の温度差を小さくすることができる。これにより、冷凍サイクルの安定性を損なうことなく、むしろ良好にした状態で放熱能力を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係る冷凍サイクル装置の概略構成図
【図２】図２Ａはインジェクションを実行しない場合のモリエル線図、図２Ｂはインジェクションを実行した場合のモリエル線図。
【図３】制御手段が行うインジェクション運転のフローチャート
【図４】変形例の冷凍サイクル装置の概略構成図
【図５】他の変形例の冷凍サイクル装置の概略構成図
【図６】従来の冷凍サイクル装置の概略構成図
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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。【００１５】
図１は、本発明の一実施形態に係る冷凍サイクル装置１００を示している。この冷凍サイクル装置１００は、冷媒回路３０を備えている。冷媒回路３０は、膨張機一体型圧縮機１、副圧縮機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。【００１６】
膨張機一体型圧縮機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。副圧縮機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。【００１７】
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、膨張機構１３から第３配管３ｃに吐出され、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。【００１８】
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ことが好ましい。このようになっていれば、第１圧縮機構１１と第２圧縮機構２１とを共通の部材で構成することができ、コストを抑えることができる。【００１９】
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。【００２０】
本実施形態の冷凍サイクル装置１００は、貯湯タンクに貯えられた湯を給湯栓に供給する給湯機に、水を加熱して湯を生成するヒートポンプユニットとして用いられるものである。すなわち、放熱器４は、水と冷媒との間で熱交換を行う水加熱用の熱交換器として機能するものである。そして、冷凍サイクル装置１００は、図略の貯湯タンクから放熱器４に水を送るための送り管４１と、放熱器４から生成された湯を図略の貯湯タンクに戻すための戻し管４２とをさらに備えている。【００２１】
さらに、冷凍サイクル装置１００は、第２配管３ｂから膨張機構１３をバイパスして第３配管に至るバイパス路６を備えている。このバイパス路６の途中には、上流側から順に、第１流量制御弁６１、気液分離器６２、および第２流量制御弁６３が設けられている。また、気液分離器６２と副圧縮機２の第２圧縮機構２１はインジェクション路７で接続されており、このインジェクション路７によって気液分離器６２で液冷媒と分離されたガス冷媒が第２圧縮機構２１に導かれるようになっている。インジェクション路７には、開閉弁７１が設けられている。【００２２】
第１流量制御弁６１は、バイパス路６を冷媒が流れることを許可したり禁止したりする役割を果たすとともに、インジェクション路６を通じた第２圧縮機構２１へのガス冷媒の供給、いわゆるインジェクションを実行する際の冷凍サイクルの高圧側の圧力（以下単に「高圧」ともいう。）を調整する役割を果たす。本実施形態では、第１流量制御弁６１として膨張弁が用いられている。【００２３】
一方、第２流量制御弁６３は、気液分離器６２内の圧力、すなわちインジェクションすべき冷媒の圧力（中間圧Ｐｍ）を決定する役割を果たす。インジェクション路７は第２圧縮機構２１の内部の容積変動する圧縮室へ開口しており、その開口位置は、圧縮室が特定の中間の容積となったときにインジェクション路７と圧縮室が連通する位置に設定されている。そして、中間圧Ｐｍは、その開口位置から求められる所定圧力Ｐｂ以上となるように決定される。このように中間圧Ｐｍは所定圧力Ｐｂ以上であればよいため、本実施形態では、第２流量制御弁６３として固定絞り（例えばオリフィス）が用いられている。【００２４】
開閉弁７１は、インジェクション路７をガス冷媒が流れることを許可したり禁止したりする役割を果たす。【００２５】
また、冷凍サイクル装置１００は、主に第１電動機１２および第２電動機２２の回転数ならびに第１流量制御弁６１および開閉弁７１を制御する、制御手段８を備えている。本実施形態では、制御手段８は、外気温度を検知する外気温度センサ（外気温度検知手段）８１、送り管９１を流れる水の温度、すなわち放熱器４への入水温度を検知する入水温度センサ（入水温度検知手段）８２、および冷凍サイクルの高圧側の圧力を検知する圧力センサ（圧力検知手段）９１と接続されている。本実施形態では、圧力センサ９１が第２配管３ｂのバイパス路６がつながる位置よりも上流側に設けられているが、圧力センサ９１は第１配管３ａの本管に設けられていてもよい。【００２６】
次に、制御手段８が行う制御について説明する。その前に、まず、インジェクションを実行しない場合とした場合について説明する。【００２７】
図２Ａおよび図２Ｂは、インジェクションの有無によるモリエル線図の違いを示した図である。インジェクションを実行した場合には、図２Ｂに示すように、放熱器４を出た冷媒（Ｅ点）は、膨張機構１３を流れてＦ点へ向かうものと、バイパス路６を流れてＨ点へ向かうものとに分かれる。さらにバイパス路６で中間圧Ｐｍになった気液分離器６２内のＧ点の冷媒のうちのガス冷媒は、インジェクション路７を流れた後に、Ａ点からＢ点まで圧縮された冷媒と合流してＣ点に至る。そして、Ｃ点の冷媒は、さらに圧縮されＤ点へと到達する。以上がインジェクションを実行した場合の冷媒の動作である。【００２８】
次に、気液分離器６２で分離されたガス冷媒を副圧縮機２の第２圧縮機構２１へインジェクションすることで高効率化が図れる原理について図２Ａおよび図２Ｂを用いて説明する。【００２９】
インジェクションを実行した場合において、第２圧縮機構２１への吸入冷媒を中間圧Ｐｍまで圧縮させた場合のエンタルピ増加量をａ、インジェクションされた冷媒と合流した後の冷媒を所定の圧力まで圧縮させた場合のエンタルピ増加量をｃとする。また、インジェクションを実行しない場合についても中間圧Ｐｍを想定し、第２圧縮機構２１への吸入冷媒を中間圧Ｐｍまで圧縮させた場合のエンタルピ増加量をａ、中間圧Ｐｍから所定の圧力まで圧縮させた場合のエンタルピ増加量をｂとする。冷媒循環量をＧｒとしてインジェクションの有無による圧縮動力の違いは以下のようになる。
・インジェクションを実行しない場合の圧縮動力：Ｇｒ×（ａ＋ｂ）
・インジェクションを実行した場合の圧縮動力：Ｇｒ×ａ＋（Ｇｒ＋α）×ｃ
（αはインジェクション量）
・両者の差：Ｇｒ×（ａ＋ｂ）−Ｇｒ×（ａ＋ｃ）＝Ｇｒ×（ｂ−ｃ）
（ただし、インジェクション量αを除外して比較）【００３０】
ここで、等エントロピ線の傾きからｂ＞ｃとなることからインジェクションを実行した場合はインジェクションを実行しない場合に比べてＧｒ×（ｂ−ｃ）の分だけ圧縮動力を低減でき、ＣＯＰを向上させることができる。【００３１】
制御手段８は、まず起動運転を行い、その後に定常運転を行う。定常運転中は、開閉弁７１および第１流量制御弁６１が閉状態とされる。さらに、制御手段８は、定常運転中に、放熱能力を一時的に増加させる必要性が生じた場合には、インジェクション運転を行う。そのインジェクション運転のフローチャートを図３に示す。【００３２】
まず、制御手段８は、要求負荷Ｑｍ［ｋＷ］が予め定められた規定値Ｑ１［ｋＷ］以上であるか否かを判定する（ステップＳ１）。要求負荷Ｑｍは、本実施形態のように冷凍サイクル装置１００が給湯機に用いられる場合には、ユーザーがリモコン等で出湯温度を設定したときに、そのユーザー設定温度と貯湯タンク内の湯温との差から求めることができる。ユーザー設定温度と貯湯タンク内の湯温との差が２倍になれば、要求負荷も２倍となる。既定値Ｑ１は、例えばインジェクションを実行しない場合の放熱器４による最大加熱能力とすればよい。【００３３】
要求負荷Ｑｍが既定値Ｑ１未満であれば（ステップＳ１でＮＯ）、制御手段８は再度ＱｍとＱ１とを比較する。要求負荷Ｑｍが既定値Ｑ１以上となったときには（ステップＳ１でＹＥＳ）、制御手段８は開閉弁７１を開ける（ステップＳ２）。このとき、開閉弁７１の開度は全開とされることが好ましい。開閉弁７１の開度を制御すればインジェクション流量（インジェクション路７を流れる冷媒の流量）を任意に調整して加熱能力を制御することができるが、開閉弁７１の開度を制限することによって圧力損失が生じ、インジェクションによる放熱能力向上効果が低下してしまうためである。【００３４】
ついで、制御手段８は、入水温度センサ８２で検知される入水温度および外気温度センサ８１で検知される外気温度から、第１配管３ａを通じて放熱器４に導かれるべき冷媒についての適正圧力（最適圧力）Ｐａを算出する（ステップＳ３）。その後、制御手段８は、第１流量制御弁６１を所定の開度まで開く（ステップＳ４）。そうすると、気液分離器６２で分離されたガス冷媒が副圧縮機２の第２圧縮機構２１にインジェクションされ、インジェクションが開始される。なお、第１流量制御弁６１の所定の開度は、適正圧力Ｐａが得られる開度を予め実験で測定しておいて、それを外気温度等に対応させて制御手段８のメモリに記憶させておいてもよい。【００３５】
インジェクションを開始した後は、制御手段８は、圧力センサ９１で冷凍サイクルの高圧側の圧力Ｐｄを検知し（ステップＳ５）、圧力センサ９１で検知された圧力ＰｄがステップＳ３で算出した適正圧力Ｐａと等しいか否かを判定する（ステップＳ６）。Ｐｄ＝Ｐａでない場合には（ステップＳ６でＮＯ）、制御手段８は、第１流量制御弁６１の開度を調整する（ステップＳ７）。冷凍サイクルの高圧は、第１流量制御弁６１の開度を開くと下がり、閉じると上がる。従って、第１流量制御弁６１の開度の調整は、Ｐｄ＞Ｐａの場合は開度を大きくし、Ｐｄ＜Ｐａの場合は開度を小さくするように行う。そして、再度ステップＳ５とステップＳ６を行い、Ｐｄ＝ＰａとなるまでステップＳ７，Ｓ５，Ｓ６を繰り返す。【００３６】
一方、Ｐｄ＝Ｐａである場合には（ステップＳ６でＹＥＳ）、ステップＳ８に進み、制御手段８は要求負荷Ｑｍが規定値Ｑ１未満となるまでその状態を維持する。その後、要求負荷Ｑｍが既定値Ｑ１未満となったときには、制御手段８は、開閉弁７１および第１流量制御弁６１を閉じ（ステップＳ９）、定常運転に戻る。【００３７】
以上説明したように、本実施形態の冷凍サイクル装置１００では、第２圧縮機構２１へのインジェクションにより、放熱器４を通る冷媒の循環量を大きくすることができる。これにより、ＣＯＰを高く維持したままで放熱能力を一時的に増加することができる。この第２圧縮機２１へのインジェクションは、第１電動機１２および第２電動機２２の回転数を増加させなくても、放熱器４による加熱能力をおよそ４％大きくすることができる。例えば、インジェクションを実行しない場合の放熱器４による加熱能力が５ｋＷであれば、インジェクションを実行することによってその加熱能力を５．２ｋＷまで向上させることができる。【００３８】
しかも、第２圧縮機構２１へインジェクションすることにより、膨張機一体型圧縮機１から第１配管３ａに送り出される冷媒と副圧縮機２から第１配管３ａに送り出される冷媒の間の温度差を小さくすることができる。これにより、冷凍サイクルの安定性を損なうことなく、むしろ良好にした状態で放熱能力を高めることができる。【００３９】
また、本実施形態では、インジェクション路７に開閉弁７１が設けられているので、開閉弁７１を閉じたままで第１流量制御弁６１を開けば、高圧側の冷媒の熱エネルギーで蒸発器５に付着した霜を溶かす除霜運転を行うことができる。なお、除霜運転を行う場合には、第２流量制御弁６３として固定絞りの代わりに開度調整可能な例えば開閉弁を用いることが好ましい。この構成であれば、除霜運転を行うときに第２流量制御弁６３の開度を全開にすることができ、これにより圧力損失の発生を避けることができる。【００４０】
（変形例）
前記実施形態では、第２流量制御弁６３として固定絞りを用いたが、第２流量制御弁６３として膨張弁を用いることも可能である。この場合には、図４に示す変形例の冷凍サイクル装置１００Ａのように、気液分離器６２内の圧力を検知する第２の圧力センサ（第２圧力検知手段）９２を設け、この圧力センサ９２で検知される中間圧Ｐｍが所定圧力Ｐｂ以上となるように第２流量制御弁６３の開度を制御手段８で調整してもよい。図４に示す例では、圧力センサ９２は、バイパス路６の第１流量制御弁６１と気液分離器６２との間に設けられている。【００４１】
あるいは、圧力センサ９２を設ける代わりに、図４に示すように気液分離器６２内の冷媒温度を検知する冷媒温度センサ８４を設け、この冷媒温度センサ８４で検知される冷媒温度から中間圧Ｐｍを制御手段８で推定し、推定した中間圧Ｐｍが所定圧力Ｐｂ以上となるように第２流量制御弁６３の開度を制御手段８で調整してもよい。バイパス路６を流れる冷媒は、第１流量制御弁６１で減圧されることにより超臨界状態から気液二相状態になるため、気液分離器６２内の冷媒温度から中間圧Ｐｍを推定することができる。【００４２】
また、冷凍サイクルの高圧側の圧力Ｐｄを検知する圧力センサ９１を設ける代わりに、図５に示す変形例の冷凍サイクル装置１００Ｂのような構成にすることも可能である。この冷凍サイクル装置１００Ｂでは、第１配管３ａの本管に、第１配管３ａを通じて放熱器４に導かれる冷媒の温度を検知する冷媒温度センサ（冷媒温度検知手段）８３が設けられている。そして、制御手段８は、冷媒温度センサ８３で検知される冷媒温度および外気温度センサ８１で検知される外気温度から放熱器４に導かれる冷媒の圧力、すなわち冷凍サイクルの高圧Ｐｄを算出し、この算出した高圧Ｐｄが適正圧力Ｐａとなるように第１流量制御弁６１の開度を調整する。すなわち、この場合のフローチャートは、図３に示すフローチャートからステップＳ５をＰｄ算出のステップに変更しただけのものとなる。このようにすれば、温度センサが圧力センサに比べて安価なため、製造コストを削減することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
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】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2009104375.tif 000007
【図６】
2009104375.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成22年6月17日(2010.6.17)
【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、圧縮機構の吸入冷媒の密度と膨張機構の吸入冷媒の密度との比が、それぞれの吸入容積の比に固定されてしまうという、いわゆる密度比一定の制約が生じる。このため、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６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、膨張機一体型圧縮機１００の第１圧縮機構１０１と副圧縮機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の回転数と副圧縮機１１０の第２電動機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】
ところで、冷凍サイクル装置では、例えば給湯負荷あるいは暖房負荷の観点から、一時的に高い放熱能力が求められることがある。これを実現するには、膨張機一体型圧縮機および副圧縮機の電動機の回転数を上げて、冷媒の循環量を増加させることが考えられる。
【０００８】
しかしながら、電動機の回転数を上げた場合には、電動機の効率が低下するために結果的に冷凍サイクル装置のＣＯＰが低下することになる。
【０００９】
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た冷凍サイクル装置において、ＣＯＰを高く維持したままで放熱能力を増加できるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
ところで、近年では、放熱能力を一時的に高めるために、圧縮機構にインジェクションすることが提案されている。例えば、国際公開第２００７／０７２７６０号には、膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクル装置において、膨張機構をバイパスするバイパス路に気液分離器を設け、この気液分離器で分離されたガス冷媒を圧縮機構にインジェクションする構成が開示されている。そこで、この構成を、図６に示すような膨張機一体型圧縮機と副圧縮機を用いた圧縮機構並列式の冷凍サイクル装置に採用することが考えられる。すなわち、バイパス路１６０に気液分離器を設けるとともに、この気液分離器から膨張機一体型圧縮機１００の第１圧縮機構１０１へガス冷媒を供給できるようにすることが考えられる。
【００１１】
しかしながら、膨張機一体型圧縮機１００は、密閉容器内に膨張機構１０３が収容された構造となっているために、副圧縮機１１０と比べて温度が低くなる。しかも、膨張機一体型圧縮機１００の密閉容器は、副圧縮機１１０の密閉容器よりも容積が大きなものであるため、大気中への放熱量が大きく、副圧縮機１１０と比べてさらに低温になる。このため、例えば膨張機一体型圧縮機１００の第１電動機１０２と副圧縮機１１０の第２電動機１１２を同一の回転数とした場合には、膨張機一体型圧縮機１００から第１配管１４１に送り出される冷媒の温度は、副圧縮機１１０から第１配管１４１に送り出される冷媒の温度よりも低くなる。このような状況下で、膨張機一体型圧縮機１００の第１圧縮機構１０１へ放熱後の冷媒をインジェクションすると、膨張機一体型圧縮機１００から第１配管１４１に送り出される冷媒の温度はさらに低下する。その結果、双方の圧縮機１００，１１０から第１配管１４１に送り出される冷媒間の温度差が大きくなる。そうすると、温度差の大きな冷媒が合流することになり、冷凍サイクルの安定性が悪くなる。
【００１２】
本発明は、上記のような観点からなされたものである。すなわち、本発明は、冷媒を圧縮する第１圧縮機構、および膨張する冷媒から動力を回収する膨張機構を含む膨張機一体型圧縮機と、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圧縮機構を含む副圧縮機と、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、前記膨張機構から吐出される冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記第１圧縮機構および前記第２圧縮機構から前記放熱器に冷媒を導く第１配管と、前記放熱器から前記膨張機構に冷媒を導く第２配管と、前記膨張機構から前記蒸発器に冷媒を導く第３配管と、前記蒸発器から前記第１圧縮機構および前記第２圧縮機構に冷媒を導く第４配管と、前記第２配管から前記膨張機構をバイパスして前記第３配管に至るバイパス路と、前記バイパス路に上流側から順に設けられた、第１流量制御弁、気液分離器、および第２流量制御弁と、前記気液分離器で液冷媒と分離されたガス冷媒を前記第２圧縮機構に導くインジェクション路と、を備える冷凍サイクル装置を提供する。
【発明の効果】
【００１３】
この構成によれば、インジェクション路を通じた第２圧縮機構へのガス冷媒の供給、いわゆるインジェクションにより、放熱器を通る冷媒の循環量を大きくすることができる。これにより、ＣＯＰを高く維持したままで放熱能力を一時的に増加することができる。しかも、第２圧縮機構へインジェクションすることにより、膨張機一体型圧縮機から第１配管に送り出される冷媒と副圧縮機から第１配管に送り出される冷媒の間の温度差を小さくすることができる。これにより、冷凍サイクルの安定性を損なうことなく、むしろ良好にした状態で放熱能力を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係る冷凍サイクル装置の概略構成図
【図２】図２Ａはインジェクションを実行しない場合のモリエル線図、図２Ｂはインジェクションを実行した場合のモリエル線図。
【図３】制御手段が行うインジェクション運転のフローチャート
【図４】変形例の冷凍サイクル装置の概略構成図
【図５】他の変形例の冷凍サイクル装置の概略構成図
【図６】従来の冷凍サイクル装置の概略構成図
【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】
図１は、本発明の一実施形態に係る冷凍サイクル装置１００を示している。この冷凍サイクル装置１００は、冷媒回路３０を備えている。冷媒回路３０は、膨張機一体型圧縮機１、副圧縮機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】
膨張機一体型圧縮機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。副圧縮機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、膨張機構１３から第３配管３ｃに吐出され、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】
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ことが好ましい。このようになっていれば、第１圧縮機構１１と第２圧縮機構２１とを共通の部材で構成することができ、コストを抑えることができる。
【００２０】
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。
【００２１】
本実施形態の冷凍サイクル装置１００は、貯湯タンクに貯えられた湯を給湯栓に供給する給湯機に、水を加熱して湯を生成するヒートポンプユニットとして用いられるものである。すなわち、放熱器４は、水と冷媒との間で熱交換を行う水加熱用の熱交換器として機能するものである。そして、冷凍サイクル装置１００は、図略の貯湯タンクから放熱器４に水を送るための送り管４１と、放熱器４から生成された湯を図略の貯湯タンクに戻すための戻し管４２とをさらに備えている。
【００２２】
さらに、冷凍サイクル装置１００は、第２配管３ｂから膨張機構１３をバイパスして第３配管に至るバイパス路６を備えている。このバイパス路６の途中には、上流側から順に、第１流量制御弁６１、気液分離器６２、および第２流量制御弁６３が設けられている。また、気液分離器６２と副圧縮機２の第２圧縮機構２１はインジェクション路７で接続されており、このインジェクション路７によって気液分離器６２で液冷媒と分離されたガス冷媒が第２圧縮機構２１に導かれるようになっている。インジェクション路７には、開閉弁７１が設けられている。
【００２３】
第１流量制御弁６１は、バイパス路６を冷媒が流れることを許可したり禁止したりする役割を果たすとともに、インジェクション路６を通じた第２圧縮機構２１へのガス冷媒の供給、いわゆるインジェクションを実行する際の冷凍サイクルの高圧側の圧力（以下単に「高圧」ともいう。）を調整する役割を果たす。本実施形態では、第１流量制御弁６１として膨張弁が用いられている。
【００２４】
一方、第２流量制御弁６３は、気液分離器６２内の圧力、すなわちインジェクションすべき冷媒の圧力（中間圧Ｐｍ）を決定する役割を果たす。インジェクション路７は第２圧縮機構２１の内部の容積変動する圧縮室へ開口しており、その開口位置は、圧縮室が特定の中間の容積となったときにインジェクション路７と圧縮室が連通する位置に設定されている。そして、中間圧Ｐｍは、その開口位置から求められる所定圧力Ｐｂ以上となるように決定される。このように中間圧Ｐｍは所定圧力Ｐｂ以上であればよいため、本実施形態では、第２流量制御弁６３として固定絞り（例えばオリフィス）が用いられている。
【００２５】
開閉弁７１は、インジェクション路７をガス冷媒が流れることを許可したり禁止したりする役割を果たす。
【００２６】
また、冷凍サイクル装置１００は、主に第１電動機１２および第２電動機２２の回転数ならびに第１流量制御弁６１および開閉弁７１を制御する、制御手段８を備えている。本実施形態では、制御手段８は、外気温度を検知する外気温度センサ（外気温度検知手段）８１、送り管９１を流れる水の温度、すなわち放熱器４への入水温度を検知する入水温度センサ（入水温度検知手段）８２、および冷凍サイクルの高圧側の圧力を検知する圧力センサ（圧力検知手段）９１と接続されている。本実施形態では、圧力センサ９１が第２配管３ｂのバイパス路６がつながる位置よりも上流側に設けられているが、圧力センサ９１は第１配管３ａの本管に設けられていてもよい。
【００２７】
次に、制御手段８が行う制御について説明する。その前に、まず、インジェクションを実行しない場合とした場合について説明する。
【００２８】
図２Ａおよび図２Ｂは、インジェクションの有無によるモリエル線図の違いを示した図である。インジェクションを実行した場合には、図２Ｂに示すように、放熱器４を出た冷媒（Ｅ点）は、膨張機構１３を流れてＦ点へ向かうものと、バイパス路６を流れてＨ点へ向かうものとに分かれる。さらにバイパス路６で中間圧Ｐｍになった気液分離器６２内のＧ点の冷媒のうちのガス冷媒は、インジェクション路７を流れた後に、Ａ点からＢ点まで圧縮された冷媒と合流してＣ点に至る。そして、Ｃ点の冷媒は、さらに圧縮されＤ点へと到達する。以上がインジェクションを実行した場合の冷媒の動作である。
【００２９】
次に、気液分離器６２で分離されたガス冷媒を副圧縮機２の第２圧縮機構２１へインジェクションすることで高効率化が図れる原理について図２Ａおよび図２Ｂを用いて説明する。
【００３０】
インジェクションを実行した場合において、第２圧縮機構２１への吸入冷媒を中間圧Ｐｍまで圧縮させた場合のエンタルピ増加量をａ、インジェクションされた冷媒と合流した後の冷媒を所定の圧力まで圧縮させた場合のエンタルピ増加量をｃとする。また、インジェクションを実行しない場合についても中間圧Ｐｍを想定し、第２圧縮機構２１への吸入冷媒を中間圧Ｐｍまで圧縮させた場合のエンタルピ増加量をａ、中間圧Ｐｍから所定の圧力まで圧縮させた場合のエンタルピ増加量をｂとする。冷媒循環量をＧｒとしてインジェクションの有無による圧縮動力の違いは以下のようになる。
・インジェクションを実行しない場合の圧縮動力：Ｇｒ×（ａ＋ｂ）
・インジェクションを実行した場合の圧縮動力：Ｇｒ×ａ＋（Ｇｒ＋α）×ｃ
（αはインジェクション量）
・両者の差：Ｇｒ×（ａ＋ｂ）−Ｇｒ×（ａ＋ｃ）＝Ｇｒ×（ｂ−ｃ）
（ただし、インジェクション量αを除外して比較）
【００３１】
ここで、等エントロピ線の傾きからｂ＞ｃとなることからインジェクションを実行した場合はインジェクションを実行しない場合に比べてＧｒ×（ｂ−ｃ）の分だけ圧縮動力を低減でき、ＣＯＰを向上させることができる。
【００３２】
制御手段８は、まず起動運転を行い、その後に定常運転を行う。定常運転中は、開閉弁７１および第１流量制御弁６１が閉状態とされる。さらに、制御手段８は、定常運転中に、放熱能力を一時的に増加させる必要性が生じた場合には、インジェクション運転を行う。そのインジェクション運転のフローチャートを図３に示す。
【００３３】
まず、制御手段８は、要求負荷Ｑｍ［ｋＷ］が予め定められた規定値Ｑ１［ｋＷ］以上であるか否かを判定する（ステップＳ１）。要求負荷Ｑｍは、本実施形態のように冷凍サイクル装置１００が給湯機に用いられる場合には、ユーザーがリモコン等で出湯温度を設定したときに、そのユーザー設定温度と貯湯タンク内の湯温との差から求めることができる。ユーザー設定温度と貯湯タンク内の湯温との差が２倍になれば、要求負荷も２倍となる。既定値Ｑ１は、例えばインジェクションを実行しない場合の放熱器４による最大加熱能力とすればよい。
【００３４】
要求負荷Ｑｍが既定値Ｑ１未満であれば（ステップＳ１でＮＯ）、制御手段８は再度ＱｍとＱ１とを比較する。要求負荷Ｑｍが既定値Ｑ１以上となったときには（ステップＳ１でＹＥＳ）、制御手段８は開閉弁７１を開ける（ステップＳ２）。このとき、開閉弁７１の開度は全開とされることが好ましい。開閉弁７１の開度を制御すればインジェクション流量（インジェクション路７を流れる冷媒の流量）を任意に調整して加熱能力を制御することができるが、開閉弁７１の開度を制限することによって圧力損失が生じ、インジェクションによる放熱能力向上効果が低下してしまうためである。
【００３５】
ついで、制御手段８は、入水温度センサ８２で検知される入水温度および外気温度センサ８１で検知される外気温度から、第１配管３ａを通じて放熱器４に導かれるべき冷媒についての適正圧力（最適圧力）Ｐａを算出する（ステップＳ３）。その後、制御手段８は、第１流量制御弁６１を所定の開度まで開く（ステップＳ４）。そうすると、気液分離器６２で分離されたガス冷媒が副圧縮機２の第２圧縮機構２１にインジェクションされ、インジェクションが開始される。なお、第１流量制御弁６１の所定の開度は、適正圧力Ｐａが得られる開度を予め実験で測定しておいて、それを外気温度等に対応させて制御手段８のメモリに記憶させておいてもよい。
【００３６】
インジェクションを開始した後は、制御手段８は、圧力センサ９１で冷凍サイクルの高圧側の圧力Ｐｄを検知し（ステップＳ５）、圧力センサ９１で検知された圧力ＰｄがステップＳ３で算出した適正圧力Ｐａと等しいか否かを判定する（ステップＳ６）。Ｐｄ＝Ｐａでない場合には（ステップＳ６でＮＯ）、制御手段８は、第１流量制御弁６１の開度を調整する（ステップＳ７）。冷凍サイクルの高圧は、第１流量制御弁６１の開度を開くと下がり、閉じると上がる。従って、第１流量制御弁６１の開度の調整は、Ｐｄ＞Ｐａの場合は開度を大きくし、Ｐｄ＜Ｐａの場合は開度を小さくするように行う。そして、再度ステップＳ５とステップＳ６を行い、Ｐｄ＝ＰａとなるまでステップＳ７，Ｓ５，Ｓ６を繰り返す。
【００３７】
一方、Ｐｄ＝Ｐａである場合には（ステップＳ６でＹＥＳ）、ステップＳ８に進み、制御手段８は要求負荷Ｑｍが規定値Ｑ１未満となるまでその状態を維持する。その後、要求負荷Ｑｍが既定値Ｑ１未満となったときには、制御手段８は、開閉弁７１および第１流量制御弁６１を閉じ（ステップＳ９）、定常運転に戻る。
【００３８】
以上説明したように、本実施形態の冷凍サイクル装置１００では、第２圧縮機構２１へのインジェクションにより、放熱器４を通る冷媒の循環量を大きくすることができる。これにより、ＣＯＰを高く維持したままで放熱能力を一時的に増加することができる。この第２圧縮機２１へのインジェクションは、第１電動機１２および第２電動機２２の回転数を増加させなくても、放熱器４による加熱能力をおよそ４％大きくすることができる。例えば、インジェクションを実行しない場合の放熱器４による加熱能力が５ｋＷであれば、インジェクションを実行することによってその加熱能力を５．２ｋＷまで向上させることができる。
【００３９】
しかも、第２圧縮機構２１へインジェクションすることにより、膨張機一体型圧縮機１から第１配管３ａに送り出される冷媒と副圧縮機２から第１配管３ａに送り出される冷媒の間の温度差を小さくすることができる。これにより、冷凍サイクルの安定性を損なうことなく、むしろ良好にした状態で放熱能力を高めることができる。
【００４０】
また、本実施形態では、インジェクション路７に開閉弁７１が設けられているので、開閉弁７１を閉じたままで第１流量制御弁６１を開けば、高圧側の冷媒の熱エネルギーで蒸発器５に付着した霜を溶かす除霜運転を行うことができる。なお、除霜運転を行う場合には、第２流量制御弁６３として固定絞りの代わりに開度調整可能な例えば開閉弁を用いることが好ましい。この構成であれば、除霜運転を行うときに第２流量制御弁６３の開度を全開にすることができ、これにより圧力損失の発生を避けることができる。
【００４１】
（変形例）
前記実施形態では、第２流量制御弁６３として固定絞りを用いたが、第２流量制御弁６３として膨張弁を用いることも可能である。この場合には、図４に示す変形例の冷凍サイクル装置１００Ａのように、気液分離器６２内の圧力を検知する第２の圧力センサ（第２圧力検知手段）９２を設け、この圧力センサ９２で検知される中間圧Ｐｍが所定圧力Ｐｂ以上となるように第２流量制御弁６３の開度を制御手段８で調整してもよい。図４に示す例では、圧力センサ９２は、バイパス路６の第１流量制御弁６１と気液分離器６２との間に設けられている。
【００４２】
あるいは、圧力センサ９２を設ける代わりに、図４に示すように気液分離器６２内の冷媒温度を検知する冷媒温度センサ８４を設け、この冷媒温度センサ８４で検知される冷媒温度から中間圧Ｐｍを制御手段８で推定し、推定した中間圧Ｐｍが所定圧力Ｐｂ以上となるように第２流量制御弁６３の開度を制御手段８で調整してもよい。バイパス路６を流れる冷媒は、第１流量制御弁６１で減圧されることにより超臨界状態から気液二相状態になるため、気液分離器６２内の冷媒温度から中間圧Ｐｍを推定することができる。
【００４３】
また、冷凍サイクルの高圧側の圧力Ｐｄを検知する圧力センサ９１を設ける代わりに、図５に示す変形例の冷凍サイクル装置１００Ｂのような構成にすることも可能である。この冷凍サイクル装置１００Ｂでは、第１配管３ａの本管に、第１配管３ａを通じて放熱器４に導かれる冷媒の温度を検知する冷媒温度センサ（冷媒温度検知手段）８３が設けられている。そして、制御手段８は、冷媒温度センサ８３で検知される冷媒温度および外気温度センサ８１で検知される外気温度から放熱器４に導かれる冷媒の圧力、すなわち冷凍サイクルの高圧Ｐｄを算出し、この算出した高圧Ｐｄが適正圧力Ｐａとなるように第１流量制御弁６１の開度を調整する。すなわち、この場合のフローチャートは、図３に示すフローチャートからステップＳ５をＰｄ算出のステップに変更しただけのものとなる。このようにすれば、温度センサが圧力センサに比べて安価なため、製造コストを削減することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
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、および膨張する冷媒から動力を回収する膨張機構を含む膨張機一体型圧縮機と、
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圧縮機構を含む副圧縮機と、
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、
前記膨張機構から吐出される冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記第１圧縮機構および前記第２圧縮機構から前記放熱器に冷媒を導く第１配管と、
前記放熱器から前記膨張機構に冷媒を導く第２配管と、
前記膨張機構から前記蒸発器に冷媒を導く第３配管と、
前記蒸発器から前記第１圧縮機構および前記第２圧縮機構に冷媒を導く第４配管と、
前記第２配管から前記膨張機構をバイパスして前記第３配管に至るバイパス路と、
前記バイパス路に上流側から順に設けられた、第１流量制御弁、気液分離器、および第２流量制御弁と、
前記気液分離器で液冷媒と分離されたガス冷媒を前記第２圧縮機構に導くインジェクション路と、
を備える冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記インジェクション路には、開閉弁が設けられている、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項３】
要求負荷が予め定められた規定値以上になったときに、前記開閉弁および前記第１流量制御弁を開く制御手段をさらに備える、請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項４】
前記放熱器は、冷媒と水との間で熱交換を行って湯を生成するための熱交換器であり、
前記放熱器への入水温度を検知する入水温度検知手段と、外気温度を検知する外気温度検知手段と、をさらに備え、
前記制御手段は、前記入水温度検知手段で検知される入水温度および前記外気温度検知手段で検知される外気温度から、前記第１配管を通じて前記放熱器に導かれるべき冷媒についての適正圧力を算出する、請求項３に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項５】
冷凍サイクルの高圧側の圧力を検知する圧力検知手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記圧力検知手段で検知される圧力が前記適正圧力となるように前記第１流量制御弁の開度を調整する、請求項４に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項６】
前記第１配管を通じて前記放熱器に導かれる冷媒の温度を検知する冷媒温度検知手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記冷媒温度検知手段で検知される冷媒温度および前記外気温度検知手段で検知される外気温度から前記放熱器に導かれる冷媒の圧力を算出し、この算出した圧力が前記適正圧力となるように前記第１流量制御弁の開度を調整する、請求項４に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項７】
前記冷媒は二酸化炭素である、請求項１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】
2009104375.tif 000009
【図２】
2009104375.tif 000010
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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