(57)【要約】【課題】運転条件が変化しても、膨張機の動力回収効率を高く維持することが可能な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３００Ａは、圧縮機構１２０、放熱器３１０、膨張機構１３０、蒸発器３２０およびこれらの要素をこの順番で接続する主配管３３０を含む主冷媒回路３０１と、圧縮機構１２０で圧縮されて放熱器３１０で放熱する前の冷媒の一部を、放熱器３１０に流入させることなく、膨張機構１３０の入口付近にバイパスさせて、放熱器３１０で放熱した膨張前の冷媒に合流させるバイパス回路３０２とを備えている。【選択図】図１
2008134024.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機で圧縮された前記冷媒を放熱させる放熱器と、
前記放熱器で放熱した前記冷媒を膨張させる膨張機と、
前記膨張機で膨張した前記冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記圧縮機で圧縮されて前記放熱器で放熱する前の前記冷媒の一部が、前記放熱器に流入することなく、前記放熱器から前記膨張機へ向かう経路または前記膨張機にバイパスして、前記放熱器で放熱した膨張前の前記冷媒または膨張過程にある前記冷媒に合流するように、始端が前記圧縮機または前記圧縮機から前記放熱器への経路に接続され、終端が前記膨張機または前記放熱器から前記膨張機へ向かう経路に接続されたバイパス回路と、
を備えた、冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記バイパス回路が、当該バイパス回路を流通する前記冷媒の流量を調整する流量調整器を含み、
当該冷凍サイクル装置の成績係数が最大値に近づくように、前記流量調整器を制御する制御器をさらに備えた、請求項１記載の冷凍サイクル装置。
【請求項３】
前記圧縮機、前記放熱器、前記膨張機および前記蒸発器をこの順番に接続し、これらの要素とともに主冷媒回路を構成する主配管をさらに備え、
前記制御器は、前記主冷媒回路における前記冷媒の状態に応じて前記流量調整器を制御する、請求項２記載の冷凍サイクル装置。
【請求項４】
前記バイパス回路の前記終端が、前記主冷媒回路の前記放熱器と前記膨張機との間の部分である前記主配管に接続され、
前記制御器は、前記主冷媒回路と前記バイパス回路の前記終端との接続位置から、前記膨張機へ向かって前記主冷媒回路を流通する、合流後の前記冷媒の状態に応じて、前記流量調整器を制御する、請求項３記載の冷凍サイクル装置。
【請求項５】
前記主冷媒回路と前記バイパス回路の前記終端との接続位置と、前記膨張機との間における前記主冷媒回路上に設けられ、合流後の前記冷媒の温度を計測する温度センサをさらに備え、
前記制御器は、前記温度センサの計測結果を用いて前記膨張機の入口における前記冷媒の状態を推定し、その推定結果に基づいて、前記流量調整器を制御する、請求項４記載の冷凍サイクル装置。
【請求項６】
前記圧縮機が、前記冷媒を圧縮する圧縮機構、前記冷媒を膨張させる膨張機構、および前記圧縮機構と前記膨張機構とを連結するシャフトを有する膨張機一体型圧縮機の前記圧縮機構として構成され、
前記膨張機が、前記膨張機一体型圧縮機の前記膨張機構として構成されている、請求項１記載の冷凍サイクル装置。
【請求項７】
前記膨張機は、シリンダと、前記シリンダの内外を貫くシャフトと、前記シャフトに取り付けられて前記シリンダ内を偏心回転するピストンと、前記シリンダと前記ピストンとの間に形成される空間を吸入側空間と吐出側空間とに仕切る仕切り部材とを備えたロータリ膨張機であり、
前記バイパス回路を流れた前記冷媒が前記吸入側空間に直接注入されるように、前記シリンダに前記バイパス回路が接続している、請求項１記載の冷凍サイクル装置。
【請求項８】
前記膨張機は、
第１シリンダと、
前記第１シリンダの内外を貫くシャフトと、
前記シャフトに取り付けられて前記第１シリンダ内を偏心回転する第１ピストンと、
前記シャフトを共有する形で前記第１シリンダと同心状に配置された第２シリンダと、
前記シャフトに取り付けられて前記第２シリンダ内を偏心回転する第２ピストンと、
前記第１シリンダと前記第１ピストンとの間に形成される空間を第１吸入側空間と第１吐出側空間とに仕切る第１仕切り部材と、
前記第２シリンダと前記第２ピストンとの間に形成される空間を第２吸入側空間と第２吐出側空間とに仕切る第２仕切り部材と、
前記第１吐出側空間と前記第２吸入側空間とを連通して１つの膨張室を形成する連通孔を有するとともに、前記第１シリンダと前記第２シリンダとを隔てる中板とを備え、前記膨張室において前記冷媒を膨張させる多段ロータリ膨張機とされ、
前記バイパス回路を流れた前記冷媒が前記膨張室に直接注入されるように、前記バイパス回路の接続先が定められている、請求項１記載の冷凍サイクル装置。
【請求項９】
前記バイパス回路の前記終端が、前記主冷媒回路の前記放熱器と前記膨張機との間の部分である前記主配管に接続され、
前記制御器は、前記放熱器から、前記主冷媒回路と前記バイパス回路の前記終端との接続位置へ向かって前記主冷媒回路を流通する、合流前の前記冷媒の状態に応じて、前記流量調整器を制御する、請求項３記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１０】
前記放熱器と、前記主冷媒回路と前記バイパス回路の前記終端との接続位置との間における前記主冷媒回路上に設けられ、合流前の前記冷媒の温度を計測する温度センサをさらに備え、
前記制御器は、前記温度センサの計測結果を用いて前記膨張機の入口における前記冷媒の状態を推定し、その推定結果に基づいて、前記流量調整器を制御する、請求項９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、膨張機を備えた冷凍サイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
昨今、資源問題や地球温暖化問題の深刻化を受けて、給湯器や空気調和装置に用いられる冷凍サイクル装置の省エネルギー化に関する研究開発が活発に行われている。従来の冷凍サイクル装置は、膨張弁で冷媒を膨張させる仕組みになっているが、膨張弁に代えて膨張機を採用することにより、冷媒の膨張エネルギーを膨張機で回収し、回収したエネルギーを圧縮機の補助動力として利用する試みが提案されている。例えば、特許文献１には、圧縮機と膨張機とがシャフトで連結された、いわゆる膨張機一体型圧縮機を用いた空気調和装置が開示されている。
【０００３】
通常、冷凍サイクル装置では、運転条件の変化（例えば、熱交換するべき水や空気の温度変化）にともない、圧縮機または膨張機の入口における冷媒の圧力および温度が変化するため、圧縮機および膨張機のそれぞれに流入する冷媒の密度も変化する。
【０００４】
したがって、特許文献１に開示されている膨張機一体型圧縮機のように、圧縮機と膨張機の回転数が常に等しく、かつ圧縮機と膨張機の容積が一定である場合、圧縮機と膨張機のそれぞれにおける冷媒の体積流量にアンバランスを生じ、圧縮仕事に対する動力回収量が低下し、成績係数が却って低下する可能性すらある。この問題を回避するため、特許文献１の空気調和装置では、流量調整弁を有するバイパス経路を膨張機に対して並列に設けている。
【特許文献１】特開２００１−１１６３７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
膨張機に対して並列にバイパス経路を設けると、膨張機に流入する冷媒の体積流量を自由に変化させることが可能になるので、体積流量のアンバランスを解消することが可能である。しかしながら、体積流量を広範に変化させるには、相当量の冷媒をバイパス回路に流す必要がある。バイパス回路に流す冷媒の割合が多くなればなるほど、膨張機における動力回収効率が低下し、成績係数の向上効果を期待できなくなる。
【０００６】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、運転条件が変化しても、膨張機の動力回収効率を高く維持することが可能な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】
【０００７】
すなわち、本発明は、
冷媒を圧縮する圧縮機と、
圧縮機で圧縮された冷媒を放熱させる放熱器と、
放熱器で放熱した冷媒を膨張させる膨張機と、
膨張機で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器と、
圧縮機で圧縮されて放熱器で放熱する前の冷媒の一部が、放熱器に流入することなく、放熱器から膨張機へ向かう経路または膨張機にバイパスして、放熱器で放熱した膨張前の冷媒または膨張過程にある冷媒に合流するように、始端が圧縮機または圧縮機から放熱器への経路に接続され、終端が膨張機または放熱器から膨張機へ向かう経路に接続されたバイパス回路と、
を備えた、冷凍サイクル装置を提供する。
【０００８】
上記圧縮機は、冷媒を圧縮する圧縮機構、冷媒を膨張させる膨張機構、および圧縮機構と膨張機構とを連結するシャフトを有する膨張機一体型圧縮機（流体機械）の圧縮機構として構成することができる。同様に、上記膨張機は、膨張機一体型圧縮機の膨張機構として構成することができる。
【発明の効果】
【０００９】
上記冷凍サイクル装置によれば、バイパス回路を設けたことにより、圧縮後の低密度かつ高エンタルピーの冷媒の一部を、膨張前または膨張過程にある高密度の冷媒に混合することができる。運転状況に応じて、バイパスさせる冷媒の流量を適切に調整することにより、圧縮機と膨張機の回転数が等しく、かつ圧縮機と膨張機の容積が一定という条件の下でも、放熱器と膨張機との間または膨張機内における冷媒の密度を適切に制御することができる。つまり、冷媒の体積流量を変化させることができるので、圧縮機と膨張機のそれぞれにおける体積流量のアンバランスを解消ないし緩和することができる。したがって、季節変動や負荷変動等によって運転条件が変動したとしても、膨張機の動力回収効率を高く維持することができ、ひいては優れた成績係数を持つ冷凍サイクル装置を提供できる。さらに、本発明によれば、膨張機（膨張機構）の容積を大きく設計することが可能である。一般に、膨張機は、容積が大きくなるにつれて冷媒の漏れ率が低下するので、効率が高まる。また、膨張機の容積を大きくすることにより、膨張機と圧縮機の容積比を小さくすることが可能である。
【００１０】
冷媒の種類や装置の運転状況にもよるが、一般に、圧縮後の冷媒の密度と、膨張前の冷媒の密度との間には、相当大きな開きがある。したがって、圧縮後の高温低密度の冷媒をほんの僅かバイパスさせるだけで、膨張前または膨張過程にある冷媒の密度を大きく変化させることが可能である。バイパスさせる冷媒は僅かでよい（例えば、圧縮後の冷媒の全量の１０質量％以内）ため、放熱器の能力低下が成績係数に及ぼす影響は小さく、動力回収を行うことによる成績係数の向上を十分に期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１２】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の冷凍サイクル装置の構成を示すブロック図である。冷凍サイクル装置３００Ａは、冷媒が循環する主冷媒回路３０１を備えている。主冷媒回路３０１は、冷媒を圧縮する圧縮機構１２０、圧縮機構１２０で圧縮された冷媒を放熱させる放熱器３１０、放熱器３１０で放熱した冷媒を膨張させる膨張機構１３０、膨張機構１３０で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器３２０、および、これらの要素をこの順番に接続する複数本の主配管３３０によって構成されている。
【００１３】
圧縮機構１２０、膨張機構１３０、シャフト１２７および電動機１８０は、それぞれ、膨張機一体型圧縮機１００Ａの一部を構成する。膨張機一体型圧縮機１００Ａにおいて、圧縮機構１２０と膨張機構１３０とは、シャフト１２７によって互いに連結されており、常に同期回転する。電動機１８０がシャフト１２７を回転駆動することにより、圧縮機構１２０が作動する。膨張機構１３０は、冷媒が膨張する際の膨張力をトルクに変換してシャフト１２７に与え、電動機１８０によるシャフト１２７の回転駆動をアシストする。冷媒の膨張エネルギーをいったん電気エネルギーに変換することなく圧縮機構１２０に直接伝達するこの仕組みにより、高い動力回収効率を見込める。
【００１４】
冷凍サイクル装置３００Ａは、さらに、主冷媒回路３０１から分岐したバイパス回路３０２を備えている。バイパス回路３０２は、バイパス配管３６０および流量調整弁３５０を含む。バイパス回路３０２の始端は、主冷媒回路３０１の圧縮機構１２０と放熱器３１０との間の部分（主配管３３０）に接続され、終端は主冷媒回路３０１の放熱器３１０と膨張機構１３０との間の部分（主配管３３０）に接続されている。圧縮機構１２０で圧縮されて放熱器３１０で放熱する前の冷媒の一部は、放熱器３１０に流入することなく、放熱器３１０から膨張機構１３０へ向かう経路にバイパスし、放熱器３１０で放熱した膨張前の冷媒に合流する。
【００１５】
流量調整弁３５０（流量調整器）は、バイパス回路３０２を流通する冷媒の流量を調整可能にする。バイパス回路３０２を流通する冷媒の流量を調整することにより、膨張機構１３０に吸入される冷媒の体積流量を自由に調整することが可能である。流量調整弁３５０に代えて、冷媒を圧送しうるポンプを採用してもよい。
【００１６】
冷凍サイクル装置３００Ａは、さらに、第１温度センサ３１１、第２温度センサ３１３および第３温度センサ３１５を備えている。第１温度センサ３１１は、主冷媒回路３０１とバイパス回路３０２の終端との接続位置（合流位置）と、膨張機構１３０との間における主冷媒回路３０１上に設けられており、主冷媒回路３０１とバイパス回路３０２の終端との接続位置から、膨張機構１３０へ向かって主冷媒回路３０１を流通する、合流後の冷媒の温度を計測する。第２温度センサ３１３は、主冷媒回路３０１とバイパス回路３０２の始端との接続位置（分岐位置）と、圧縮機構１２０との間における主冷媒回路３０１上に設けられており、圧縮機構１２０から吐出された分岐前の冷媒の温度を計測する。第３温度センサ３１５は、膨張機構１３０と蒸発器３２０との間における主冷媒回路３０１上に設けられており、膨張機構１３０で膨張して蒸発器に流入する前の冷媒の温度を計測する。第３温度センサ３１５は、気液二相領域にある冷媒の温度を計測するので、蒸発器３２０の内部に設けてもよい。これらの温度センサ３１１，３１３，３１５は、例えば熱電対やサーミスタを用いたセンサであり、その出力信号は、図示しない増幅回路およびＡ／Ｄ変換回路を経由して、冷凍サイクル装置３００Ａの制御器３０５（図６参照）に与えられる。
【００１７】
図６に示すように、制御器３０５は、温度センサ３１１，３１３，３１５の計測結果や、電動機１８０の動作状態（回転数、電流値、消費電力）等の実測値に基づいて、冷凍サイクル装置３００Ａの成績係数が最大値に近づくように、流量調整弁３５０の開度を制御する。具体的には、上記実測値から、膨張機構１３０に吸入される冷媒の状態と、圧縮機構１２０に吸入される冷媒の状態とを推定する。推定するべき冷媒の状態は、膨張機構１３０に吸入される前の冷媒の密度ρｅと、圧縮機構１２０に吸入される前の冷媒の密度ρｃとでありうる。密度ρｅ，ρｃは、それぞれ、膨張機構１３０の入口における冷媒の密度ρｅと、圧縮機構１２０の入口における冷媒の密度ρｃであり、これらが分かれば、成績係数が最大値に近づくように流量調整弁３５０の開度を制御できる。
【００１８】
密度ρｅ，ρｃを導出するには、一般に、冷媒の温度と圧力とが必要であるが、本実施形態では圧力センサを用いずに導出する方法を採用している。冷媒の密度ρｅ，ρｃは、例えば、温度センサ３１１，３１３，３１５の計測結果や、電動機１８０の動作状態（回転数、電流値、消費電力）等の実測値を用いて推定（導出）することができる。電動機１８０の動作状態は、電動機１８０を駆動するインバータや電流センサから知ることができる。センサ等から得られる実測値と、密度ρｅ，ρｃの推定値との対応関係を計算機シミュレーションや試験機から予め調べ、当該対応関係を見出すための相関式やデータベースを冷凍サイクル装置３００Ａの制御器３０５（図６）に持たせておく。これにより、圧力センサを使用せずに密度ρｅ，ρｃを推定可能となる。
【００１９】
例えば、圧縮機構１２０の入口における冷媒の密度ρｃは、第３温度センサ３１５の計測結果と、冷凍サイクルの過熱度とから推定可能である。冷凍サイクルの過熱度は、運転状況に応じて所定範囲内（例えば２℃〜５℃）に設定される値であり、例えば、ファン風量の増減により蒸発器３２０の熱交換量を変化させて調整することができる。膨張機構１３０の入口における冷媒の密度ρｅは、（１）温度センサ３１１，３１３，３１５の３点の計測結果から推定する方法や、（２）第１温度センサ３１１の計測結果と電動機１８０の消費電力とから推定する方法がある。ただし、密度ρｅ，ρｃを推定する方法は多様であり、これらに限定されない。
【００２０】
また、制御器３０５は、必要とされる加熱能力または冷却能力が発揮される回転数で電動機１８０が駆動するように、インバータ３１７に指令を与える。インバータ３１７は、制御器３０５からの指令に基づいて電動機１８０を制御する。インバータ３１７は、マイクロコンピュータ等の制御系を含むインバータユニットとして構成することができる。したがって、制御器３０５の役割をインバータ３１７のマイクロコンピュータに兼用させてもよい。
【００２１】
図９Ａに示すごとく、本実施形態の冷凍サイクル装置３００Ａが給湯器５００に適用される場合、放熱器３１０は、水を温める加熱器の役割を担う。制御器３０５は、放熱器３１０の加熱能力ＱGCを導出するために、給湯器５００に設けられた水温センサ５０２および湯温センサ５０３の出力信号と、同じく給湯器５００に設けられたポンプ５０１からの回転数信号とを取得する。水温センサ５０２は、放熱器３１０に水を送る経路５０４（配管５０４）に設けられ、放熱器３１０に流入する水の温度Ｔinを計測する。湯温センサ５０３は、放熱器３１０から貯湯タンク５０６等のユースポイントへとお湯を送る経路５０５（配管５０５）に設けられ、放熱器３１０から流出するお湯の温度Ｔoutを計測する。ポンプ５０１の回転数から放熱器３１０を通過した水量Ｖinが求まる。湯温Ｔoutと水温Ｔinとの差ΔＴ（＝Ｔout−Ｔin）、および水量Ｖinから放熱器３１０の加熱能力ＱGC（ｋＷ）が求まる。
【００２２】
図２は図１に示す膨張機一体型圧縮機１００Ａの縦断面図であり、図３Ａは図２に示すＡ１−Ａ１断面図であり、図３ＢはＢ１−Ｂ１断面図である。図２に示すように、膨張機一体型圧縮機１００Ａは、密閉容器１０１、密閉容器１０１内に配置された圧縮機構１２０、同じく密閉容器１０１内に配置された膨張機構１３０、圧縮機構１２０と膨張機構１３０とを連結するシャフト１２７、および、シャフト１２７を回転駆動する電動機１８０を備えている。
【００２３】
圧縮機構１２０には、冷媒を吸入させる吸入管１１２と、圧縮後の冷媒を吐出させる吐出管１１３とが、密閉容器１０１の内外を貫通する形で接続されている。同様に、膨張機構１３０には、冷媒を吸入させる吸入管１１４と、膨張後の冷媒を吐出する吐出管１１５とが、密閉容器１０１の内外を貫通する形で接続されている。これら吸入管１１２，１１４および吐出管１１３，１１５は、それぞれ、図１に示す主冷媒回路３０１を構成する主配管３３０に相当する部品である。膨張機構１３０の吸入管１１４には、バイパス回路３０２を構成するバイパス配管３６０が接続され、膨張機構１３０の入口に冷媒がバイパスする。このように吸入管１１４にバイパス配管３６０を接続すれば、膨張機構１３０のシリンダの加工が不要、密閉容器１０１の外部での接続が可能といった構造上の利点がある。ただし、後述する第５実施形態の冷凍サイクル装置３００Ｅ（図１４参照）のように、膨張機構１３０にバイパス回路３０２を直結することも可能である。
【００２４】
なお、図１では、放熱器３１０と膨張機構１３０とを連絡する主配管３３０（吸入管１１４）とバイパス配管３６０との接続位置よりも膨張機構１３０側に第１温度センサ３１１が配置されているが、図２中では省略してある。
【００２５】
電動機１８０は、シャフト１２７に固定されたロータ１８１と、密閉容器１０１に固定されたステータ１８２とで構成されている。密閉容器１０１の上部には、端子１８４が設けられており、この端子１８４に一端が接続し、他端がステータ１８２に接続する配線１８３により、電動機１８０に電力が供給される。
【００２６】
圧縮機構１２０は、スクロール式であり、旋回スクロール１２４、固定スクロール１２２、オルダムリング１２８、軸受部材１２１、吸入管１１２および吐出管１１３を備えている。シャフト１２７の偏心軸１２７ａに嵌合され、かつ、オルダムリング１２８により自転運動を拘束された旋回スクロール１２４は、渦巻き形状のラップ１２４ａが、固定スクロール１２２のラップ１２２ａと噛み合いながら、シャフト１２７の回転に伴って旋回運動を行い、ラップ１２４ａ，１２２ａの間に形成される三日月形状の作動室１２４ｈが外側から内側に移動しながら容積を縮小することにより、吸入管１１２から吸入された冷媒を圧縮する。圧縮された冷媒は、固定スクロール１２２の中央部に形成された吐出ポート１２６を経由して、吐出管１１３から吐出される。
【００２７】
なお、圧縮機構１２０にバイパス配管３６０を直結する、すなわち、上記吐出ポート１２６からバイパス回路３０２を直接分岐させるようにしてもよい。
【００２８】
図２、図３Ａおよび図３Ｂに示すごとく、膨張機構１３０は、２段ロータリ式であり、上軸受部材１３１、第１シリンダ１３２、中板１３３、第２シリンダ１３４、下軸受部材１３５、第１ローラ１３６（第１ピストン）、第２ローラ１３７（第２ピストン）、第１ベーン１３８、第２ベーン１４１、第１バネ１３９および第２バネ１４２を備えている。
【００２９】
図２に示すごとく、第１シリンダ１３２は、シャフト１２７を支持する上軸受部材１３１の下部に固定されている。第１シリンダ１３２の下部には、中板１３３が固定されており、その中板１３３の下部に第２シリンダ１３４が固定されている。第１ローラ１３６は、第１シリンダ１３２内に配置されており、シャフト１２７の第１偏心部１２７ｂに回転可能に嵌合している。第２ローラ１３７は、第２シリンダ１３４内に配置されており、シャフト１２７の第２偏心部１２７ｃに回転可能に嵌合している。図３Ａに示すごとく、第１ベーン１３８は、第１シリンダ１３２に形成されたベーン溝にスライド可能に配置されている。図３Ｂに示すごとく、第２ベーン１４１は、第２シリンダ１３４のベーン溝にスライド可能に配置されている。第１ベーン１３８は、第１バネ１３９によって第１ローラ１３６に押し付けられ、第１シリンダ１３２と第１ローラ１３６との間の空間を吸入側空間１４０（作動室Ａ）と吐出側空間１４４ａ（作動室Ｂ）とに仕切る。第２ベーン１４１は、第２バネ１４２によって第２ローラ１３７に押し付けられ、第２シリンダ１３４と第２ローラ１３７との間の空間を吸入側空間１４４ｂ（作動室Ｃ）と吐出側空間１４３（作動室Ｄ）とに仕切る。中板１３３には、第１シリンダ１３２の吐出側空間１４４ａと、第２シリンダ１３４の吸入側空間１４４ｂとを連通して、両空間１４４ａ，１４４ｂによる１つの膨張室（作動室Ｂ＋作動室Ｃ）を形成する連通孔１４５が形成されている。
【００３０】
本実施形態において、第１ベーン１３８と第２ベーン１４１は、シャフト１２７の周りにおける角度位置が一致している。また、第１偏心部１２７ｂと第２偏心部１２７ｃの偏心方向も一致している。ただし、角度位置および／または偏心方向が、一定角度ずれた配置とすることも可能である。
【００３１】
図３Ａ，３Ｂに示すごとく、吸入管１１４から膨張機構１３０に吸入された冷媒は、第１シリンダ１３２に形成された吸入ポート１１６を経由して吸入側空間１４０に案内される。第１シリンダ１３２の吸入側空間１４０は、シャフト１２７の回転にともなって、吸入ポート１１６との連通が遮断され、吐出側空間１４４ａへと変化する。シャフト１２７がさらに回転すると、第１シリンダ１３２の吐出側空間１４４ａに移動した冷媒は、中板１３３の連通孔１４５を経由して、第２シリンダ１３４の吸入側空間１４４ｂに案内される。シャフト１２７がさらに回転すると、第２シリンダ１３４の吸入側空間１４４ｂの容積が増加し、第１シリンダ１３２の吐出側空間１４４ａの容積が減少するが、第２シリンダ１３４の吸入側空間１４４ｂの容積増加量が、第１シリンダ１３２の吐出側空間１４４ａの容積減少量よりも大きいので、冷媒は膨張する。そしてこの際、冷媒の膨張力がシャフト１２７に加わるので、電動機１８０の負荷が軽減される。シャフト１２７がさらに回転すると、第１シリンダ１３２の吐出側空間１４４ａと第２シリンダ１３４の吸入側空間１４４ｂとの連通が遮断され、第２シリンダ１３４の吸入側空間１４４ｂは、吐出側空間１４３へと変化する。第２シリンダ１３４の吐出側空間１４３に移動した冷媒は、第２シリンダ１３４に形成された吐出ポート１４６を経由して、吐出管１１５から吐出される。
【００３２】
吸入管１１４は、膨張機構１３０の冷媒吸入部である吸入ポート１１６に接続されている。そして、密閉容器１０１の外部に引き出されている吸入管１１４に、バイパス配管３６０が接続されている。吸入管１１４とバイパス配管３６０との接続は、Ｔ字管等の継手を用いて行なうことができる。なお、密閉容器１０１内において、吸入管１１４とバイパス配管３６０とが接続されていてもよい。
【００３３】
なお、圧縮機構や膨張機構の型式は、本実施形態に限定されるわけではなく、スクロール式やロータリ式のような容積式の機構を適宜採用できる。
【００３４】
次に、バイパス回路３０２によって得られる効果を詳細に説明する。
冷媒の種類は、冷凍サイクルの高圧で超臨界となる二酸化炭素であり、図１の冷凍サイクル装置３００Ａを給湯器５００（図９Ａ参照）に適用する場合を例にして説明を行う。なお、冷媒は二酸化炭素に限らず、冷凍サイクルの高圧が超臨界とならないフロン系の冷媒も使用可能である。
【００３５】
最初に、バイパス回路３０２に冷媒を全く流さない場合を考える。
本実施形態の膨張機一体型圧縮機１００Ａにおいて、圧縮機構１２０の容積Ｖｃと膨張機構１３０の容積Ｖｅは、共にある設計値を持つ。圧縮機構１２０と膨張機構１３０の容積比（Ｖｃ／Ｖｅ）は一定であり、図４Ａのモリエル線図中の点Ｎ1における冷媒の密度ρｅと、点Ｌにおける冷媒の密度ρｃとの比（ρｅ／ρｃ）に等しくなることが理想的である。密度ρｅは、膨張機構１３０の入口における膨張前の冷媒の密度であり、密度ρｃは、圧縮機構１２０の入口における冷媒の密度である。
【００３６】
膨張機構１３０の入口における冷媒の密度ρｅは、運転条件に応じて、例えば、６００ｋｇ／ｍ3〜１０００ｋｇ／ｍ3の範囲で変化する。圧縮機構１２０の入口における冷媒の密度ρｃは、例えば、９０ｋｇ／ｍ3〜１１０ｋｇ／ｍ3の範囲で変化する。密度比（ρｅ／ρｃ）に換算すると、約７〜１１となる。例えば、夏季には放熱器３１０で暖めるべき水の温度が高いので、放熱器３１０から吐出される冷媒の温度も高い。すなわち、密度ρｅは小さくなり、密度比（ρｅ／ρｃ）は約７となる。したがって、圧縮機構１２０と膨張機構１３０の容積比（Ｖｃ／Ｖｅ）が約７となるように設計を行えば、夏季条件では、特別な工夫を講じなくとも、ＬＭＮ1Ｏ1で表される理想的な冷凍サイクルで運転を行え、高い動力回収効率を達成できる。
【００３７】
一方、冬季になると水温が下がってくるので、放熱器３１０から吐出される冷媒の温度も下がり、冷凍サイクルの点Ｎ1は低温側の点Ｎ2へとシフトする。すなわち、冷媒の密度ρｅは夏季に比べて大きくなり、密度比（ρｅ／ρｃ）は上昇し、最大で約１１となる。ところが、密度比（ρｅ／ρｃ）は変化するのに容積比（Ｖｃ／Ｖｅ）は変化できないため、ここで、圧縮機構１２０と膨張機構１３０のそれぞれにおける体積流量にアンバランスが生ずる。他方、バイパス回路３０２の存在を無視する限り、冷媒の質量流量は冷媒回路のどこで測っても一定である。結局、体積流量を無理矢理バランスさせる作用が働き、容積Ｖｅに見合う体積の冷媒が膨張機構１３０に入っていかなくなる。
【００３８】
膨張機構１３０に入っていく冷媒の体積が少なくなると、冷凍サイクルの元々の膨張過程Ｎ1Ｏ1は、図４Ａに示すごとく、膨張過程Ｎ2Ｏ2へとシフトする。膨張過程Ｎ2Ｏ2は、圧力Ｐ1〜Ｐ2が動力回収に寄与する等エントロピー膨張であり、圧力Ｐ2〜Ｐ3は動力回収に寄与しない等エンタルピー膨張である。膨張機構１３０に入っていく体積が不足しているので、冷媒は、高圧から低圧まで等エントロピー膨張できず、膨張不足が起こる。結果的に、夏季の動力回収量（ｈ1−ｈ3）に比べ、冬季の動力回収量（ｈ2−ｈ4）は小さくなる。このことを膨張過程のＰ−Ｖ線図に表すと、図５Ａのようになる。圧力Ｐ2〜Ｐ3は、エンタルピー一定の定積変化である。夏季と冬季の動力回収量の差は、面積Ｓ1に相当する。
【００３９】
これに対し、バイパス回路３０２を用いた場合を考える。
圧縮機構１２０と放熱器３１０との間の高温低密度の冷媒を、膨張前の低温高密度の冷媒に混合すると、膨張機構１３０の入り口における冷媒の密度ρｅは低くなる。すると、体積流量のアンバランスが緩和され、容積Ｖｅに見合う体積の冷媒が膨張機構１３０に入っていくようになる。図４Ｂのモリエル線図に示すごとく、バイパス回路３０２を用いる前の冷凍サイクルの膨張過程Ｎ2Ｏ2は、高エンタルピー側の膨張過程Ｎ3Ｏ3へとシフトし、膨張不足が緩和される。このときの動力回収量（ｈ5−ｈ6）は、夏季の動力回収量（ｈ1−ｈ3）に近く、バイパス回路３０２を無視した場合の冬季の動力回収量（ｈ2−ｈ4）よりも大きい。図５ＢのＰ−Ｖ線図に示すごとく、面積Ｓ2（＜Ｓ1）が夏季と冬季の動力回収量の差となる。
【００４０】
なお、低密度の冷媒の一部をバイパスさせることにより、放熱器３１０を通過する冷媒の質量流量が減少し、放熱器３１０の能力が僅かに低下する。しかしながら、冷媒を全くバイパスさせない場合の動力回収量（ｈ2−ｈ4）と、冷媒をバイパスさせた場合の動力回収量（ｈ5−ｈ6）との差が、放熱器３１０の能力低下分を上回るように制御を行えば問題ない。要するに、冷媒の密度ρｅが低すぎる場合に、バイパス回路３０２を用いて密度ρｅを大きくし、成績係数を高めるという趣旨である。
【００４１】
図７に、制御器３０５による冷凍サイクル装置３００Ａの制御フローチャートを示す。制御器３０５は、本フローチャートに表される制御を定期的に実行することにより、冷凍サイクル装置３００Ａの成績係数（ＣＯＰ：coefficient of performance）を常に最適値付近に維持する。
【００４２】
ステップＳＴ１において、制御器３０５は、温度センサ３１１，３１３，３１５から信号を取得する。次に、ステップＳＴ２において、電動機１８０の電流値および回転数を特定するデータをインバータ３１７より取得する。
【００４３】
次に、ステップＳＴ３において、放熱器３１０の加熱能力ＱGCを導出する。放熱器３１０の加熱能力ＱGCは、図９Ａで説明した通り、放熱器３１０の入口における水温Ｔinと出口における湯温Ｔoutとの差ΔＴ、および放熱器３１０を通過した水量Ｖinから求めることができる。
【００４４】
放熱器３１０の加熱能力ＱGCを導出する他の１つの方法は、次の通りである。放熱器３１０に流入する冷媒のエンタルピーｈGC_inと放熱器３１０から吐出された冷媒のエンタルピーｈGC_outとを推定する。推定したエンタルピーの差Δｈ＝（ｈGC_in−ｈGC_out）に、電動機１８０の回転数に対応して定まる変数ＱCを乗ずることにより、加熱能力ＱGCを求めることができる（ＱGC＝ＱC・Δｈ）。
【００４５】
具体的には、図９Ｂに示すごとく、放熱器３１０の入口と出口のそれぞれに、温度センサ３２５，３２７および圧力センサ３２６，３２８を設け、それら温度センサ３２５，３２７および圧力センサ３２６，３２８の出力信号を制御器３０５に与える。放熱器３１０の入口側のセンサ３２５，３２６は、放熱器３１０と圧縮機構１２０との間の主冷媒回路３０１上に設けるとよい。放熱器３１０の出口側のセンサ３２７，３２８は、放熱器３１０と膨張機構１３０との間の主冷媒回路３０１上であって、主冷媒回路３０１とバイパス回路３０２との合流点よりも放熱器３１０側に設けるとよい。
【００４６】
なお、蒸発器３２０で空気や水を冷却する場合には、放熱器３１０の加熱能力ＱGCに代えて、蒸発器３２０の冷却能力ＱEVAを導出する。例えば、空気調和装置において、蒸発器３２０の冷却能力ＱEVAは、ファン回転数、過熱度、主冷媒回路３０１における冷媒の温度、電動機１８０の電流値や回転数のように、直接知ることができる条件の１つまたは複数を用いて求めることができる。より正確には、（１）放熱器３１０のファン回転数と、放熱器３１０の入口および出口のそれぞれにおける冷媒の温度とから、蒸発器３２０の入口における冷媒のエンタルピーを導出し、（２）圧縮機構１２０の吐出温度より過熱度を導出し、（３）電動機１８０の回転数から特性循環量（単位時間あたりの冷媒の循環量）を導出する。そして、これら（１）〜（３）の結果を用いて蒸発器３２０の能力ＱEVAを導出することができる。
【００４７】
図７に戻って説明を続ける。ステップＳＴ３において、現在の加熱能力ＱGCを導出した後、導出した加熱能力ＱGCが要求能力Ｑreq以上であるかどうかを判断する。要求能力Ｑreqは、給湯器であれば貯湯タンクに溜めるべきお湯の温度や水温、空気調和装置であれば冷暖房温度や風量に応じて定まる値である。加熱能力ＱGCが要求能力Ｑreq以上である場合には、ステップＳＴ５に進み、ＱGCとＱreqとの差の絶対値と、予め定められたしきい値φＱとの大小比較を行う。ＱGCとＱreqとの差の絶対値がしきい値φＱ未満でない場合、つまり、しきい値φＱ以上である場合には、ステップＳＴ６において、インバータ３１７（図６参照）に指令を与え、電動機１８０の回転数を低下する制御を行う。
【００４８】
ＳＴ４において、加熱能力ＱGCが要求能力Ｑreq未満である場合には、ステップＳＴ７に進み、ＱGCとＱreqとの差の絶対値と、予め定められたしきい値φＱとの大小比較を行う。ＱGCとＱreqとの差の絶対値がしきい値φＱ以上である場合には、ステップＳＴ８において、インバータ３１７（図６参照）に指令を与え、電動機１８０の回転数を増加する制御を行う。このように、本実施形態では、ＱGCがＱreqを中心として一定範囲内に収まっている限り、電動機１８０の回転数が変化しないようになっている、つまり、不感帯を設けている。
【００４９】
ＱGCがＱreqを中心として一定範囲内（例えばＱreq±５％）に収まっていることを条件として、ステップＳＴ９に進み、冷凍サイクルの現在の密度比（ρｅ／ρｃ）と、最適密度比（ρｅ／ρｃ）OPとの大小比較を行う。膨張機構１３０の入口における冷媒の密度ρｅと、圧縮機構１２０の入口における冷媒の密度ρｃは、先に説明したように、温度センサ３１１，３１３，３１５の計測結果と、電動機１８０の消費電力および回転数とを用いて推定する。
【００５０】
最適密度比（ρｅ／ρｃ）OPについて説明する。図１０は、冷媒の密度ρｅ、膨張機効率ηe、バイパス開度ξbおよび成績係数（ＣＯＰ）の関係を示す相関図である。冷媒の密度ρｅを横軸、その他を左右の縦軸にとっている。膨張機効率ηeは、（実回収動力／理論回収動力）を意味する。
【００５１】
膨張機効率ηeは、冷凍サイクルの高低圧ＰH，ＰLと吸入される冷媒温度Ｔeとによって定まり、冷媒の密度ρｅが大きくなるにつれて低下することが知られている。他方、冷媒の密度ρｅは、バイパス開度ξbが大きくなるにつれて大きくなるが、バイパス開度ξbを大きくしすぎると、放熱器３１０を流れる冷媒の量が少なくなり、逆に成績係数が低下する。したがって、成績係数カーブは、膨張機構率ηeおよびバイパス開度ξbに対応する極大点を持ち、最適密度比（ρｅ／ρｃ）OPは、成績係数の極大点に対応して予め定めることができる。
【００５２】
図１０に示すような成績係数カーブは、電動機１８０の回転数、過熱度、放熱器３１０で加熱するべき水の温度、外気温等の条件にも依存する。例えば、上記条件と最適密度比とを対応付けたデータベースを予め作成し、このデータベースを制御器３０５にインプットすることができる。このようにすれば、上記条件を検索キーとして用いてデータベースを参照することにより、季節や運転状況に応じた最適密度比（ρｅ／ρｃ）OPを随時選択および設定することが可能となる。
【００５３】
なお、圧縮機構１２０の入口における冷媒の密度ρｃは、そう大きく変化しないので、これを一定値として予め制御器３０５にインプットしておき、膨張機構１３０の入口における冷媒の密度ρｅのみを温度等の実測値から推定し、現在の密度比（ρｅ／ρｃ）を導出するようにしてもよい。
【００５４】
ステップＳＴ９において、現在の密度比（ρｅ／ρｃ）が最適密度比（ρｅ／ρｃ）OP以上であると判断した場合には、ステップＳＴ１０に進み、現在の密度比（ρｅ／ρｃ）と最適密度比（ρｅ／ρｃ）OPとの差の絶対値と、予め定められたしきい値φ（ρｅ／ρｃ）との大小比較を行う。上記絶対値がしきい値φ（ρｅ／ρｃ）未満でない、つまり、しきい値φ（ρｅ／ρｃ）以上である場合には、ステップＳＴ１１において、バイパス開度（流量調整弁３５０の開度）を拡大する制御を行う。
【００５５】
他方、現在の密度比（ρｅ／ρｃ）が最適密度比（ρｅ／ρｃ）OP未満である場合には、ステップＳＴ１２に進み、両者の差の絶対値と、しきい値φ（ρｅ／ρｃ）との大小比較を行う。上記絶対値がしきい値φ（ρｅ／ρｃ）以上である場合には、ステップＳＴ１３において、バイパス開度（流量調整弁３５０の開度）を縮小する制御を行う。現在の密度比（ρｅ／ρｃ）が最適密度比（ρｅ／ρｃ）OPを中心として一定範囲内に収まっている限り、流量調整弁３５０の開度が変化しないようになっている、つまり、不感帯を設けている。
【００５６】
以上の手順により、要求能力Ｑreqを発揮しつつ、成績係数が最大値に近づくように、流量調整弁３５０の制御を行うことができる。
【００５７】
また、図７に示すフローチャートに代えて、図８に示すフローチャートにしたがって制御を行うようにしてもよい。
【００５８】
ステップＳ１において、制御器３０５は、現在のバイパス開度ξbをメモリから読み出し、温度センサ３１１，３１３，３１５より信号を取得する。ステップＳ２において、電動機１８０の電流値および回転数を特定するデータをインバータ３１７より取得する。ステップＳ３において、現在の加熱能力ＱGCまたは冷却能力ＱEVAと電動機１８０の消費電力とを導出する。ステップＳ１〜Ｓ３の処理は、図７のフローチャートのステップＳＴ１〜ＳＴ３の処理に対応する。
【００５９】
次に、ステップＳ４において、加熱能力ＱGCまたは冷却能力ＱEVAが要求能力Ｑreq以上であるかどうかを判断し、要求能力Ｑreq未満である場合には、ステップＳ５に進み、電動機１８０の回転数を増加する。ステップＳ４，Ｓ５の処理は、図７のフローチャートのステップＳＴ４〜ＳＴ８の処理に置き換えてもよい。
【００６０】
次に、ステップＳ６において、温度センサ３１１，３１３，３１５の計測結果と、電動機１８０の消費電力とから、現在の密度ρｅ，ρｃを導出（推定）する。次に、ステップＳ７において、バイパス制御目標開度ξobjと、制御しきい値Δξとを導出する。成績係数が最大となるバイパス制御目標開度ξobjは、冷媒の密度ρｅ，ρｃに対応した相関式やデータベースの形で制御器３０５に予めインプットされうる。したがって、ステップ７は、ステップＳ６で求めた密度ρｅ，ρｃを検索キーとして用い、データベースから適切なバイパス制御目標開度ξobjを見出す処理であったり、求めた密度ρｅ，ρｃをパラメータとして用い、予め定めた相関式からバイパス制御目標開度ξobjを見出す処理であったりする。制御しきい値Δξは、例えば、バイパス制御目標開度ξobjの±５％が割り当てられる。
【００６１】
次に、ステップＳ８において、バイパス制御目標開度ξobjと、現在のバイパス開度ξbとの大小比較を行う。現在のバイパス開度ξbがバイパス制御目標開度ξobj以上の場合には、ステップＳ９に進み、両者の差が制御しきい値Δξ未満かどうかを判断し、しきい値Δξ未満であると判断した場合には、ステップＳ１０において、バイパス開度（流量調整弁３５０の開度）を縮小する。他方、現在のバイパス開度ξbがバイパス制御目標開度ξobj以上である場合には、ステップＳ９に進み、両者の差がしきい値Δξ未満かどうかを判断し、しきい値Δξ未満であると判断した場合には、ステップＳ１２において、バイパス開度（流量調整弁３５０の開度）を拡大する。
【００６２】
（第２実施形態）
第１実施形態の冷凍サイクル装置３００Ａは、主冷媒回路３０１とバイパス回路３０２との接続位置よりも膨張機構１３０側で、冷媒の温度を計測し、密度ρｅを導出する構成となっている。しかしながら、バイパス配管３６０を膨張機構１３０の吸入ポート１１６（図２参照）に直結するといった実施形態も考えられるし、センサ類を配置するために必要な配管の長さを十分取れなかったりすることも考えられる。そのような場合には、下記（１）〜（３）より膨張機構１３０に吸入される冷媒の密度ρｅを間接的に導出する（推定する）ことができる。
【００６３】
（１）圧縮機構１２０の回転数（電動機１８０の回転数）
（２）バイパス回路３０２を流れた冷媒に合流する前の、放熱器３１０から吐出された冷媒の密度
（３）バイパス回路３０２を流れる冷媒の流量（流量調整弁３５０の開度）
【００６４】
具体的には、図１１に示す本実施形態の冷凍サイクル装置３００Ｂのごとく、放熱器３１０と、主冷媒回路３０１とバイパス回路３０２の終端との接続位置との間における主冷媒回路３０１上に温度センサ３１１を設けることができる。温度センサ３１１により、バイパス回路３０２を流れた冷媒に合流する前の、放熱器３１０から吐出された冷媒の温度を計測する。バイパス回路３０２を流れる冷媒の流量は、流量調整弁３５０の開度から特定することが可能である。流量調整弁３５０の開度を特定するデータは、制御器３０５のメモリに常時保持させておくことができる。また、電動機１８０の回転数を特定するためのデータは、必要に応じてインバータ３１７から取得してもよいし、制御器３０５自身が常時保持していてもよい。
【００６５】
（第３実施形態）
第１実施形態の冷凍サイクル装置３００Ａは、適用対象を給湯器としたが、本発明がこれに限定されるわけではない。例えば、図１２に示す冷凍サイクル装置３００Ｃは、空気調和装置を適用対象として想定したものである。本実施形態の冷凍サイクル装置３００Ｃの構成は、四方弁３８０，３８０により、放熱器３１０と蒸発器３２０の機能が相互に切り替わるようになっている。その他は、基本的に、第１実施形態の冷凍サイクル装置３００Ａと共通である。
【００６６】
放熱器３１０および蒸発器３２０は、それぞれ、フィンアンドチューブ型の熱交換器である。放熱器３１０または蒸発器３２０として機能する２つの熱交換器のうち、一方が室内ユニットに組み込まれ、他方が室外ユニットに組み込まれる。室内を冷房する場合には、室内ユニットの熱交換器が蒸発器３２０、室外ユニットの熱交換器が放熱器３１０として機能する。室内を暖房する場合には、室内ユニットの熱交換器が放熱器３１０、室外ユニットの熱交換器が蒸発器３２０として機能する。
【００６７】
もちろん、四方弁によって冷媒の流通方向を切り替える機構を、他の実施形態の冷凍サイクル装置に適用してもよい。その場合、放熱器および蒸発器は、冷媒と気体空気との熱交換を行うフィンアンドチューブ熱交換器だけでなく、冷媒と水との熱交換を行う二重管式熱交換器のような水熱交換器であってもよい。
【００６８】
（第４実施形態）
第１実施形態の冷凍サイクル装置３００Ａは、圧力センサを使用せずに全ての制御を行うようにしているが、本実施形態の冷凍サイクル装置３００Ｄに示すごとく、圧力センサ３１２，３１４を用いるようにしてもよい。第１圧力センサ３１２は、膨張機構１３０の入口における冷媒の圧力を計測し、第２圧力センサ３１４は、圧縮機構１２０の入口における冷媒の圧力を計測する。これらの圧力センサ３１２，３１４と、温度センサ３１１，３１３とを用いることにより、密度ρｅ，ρｃを直接的に導出することができる。このような圧力センサ３１２，３１４は、例えば圧電素子を用いたセンサであり、その出力信号は、温度センサ３１１，３１３，３１５と同様、制御器３０５に与えられる。
【００６９】
また、図１３に示す冷凍サイクル装置３００Ｄは、オイルセパレータ３９０と、ガス分離器３７０とをさらに備えている。オイルセパレータ３９０は、バイパス回路３０２を流通する冷媒から冷凍機油を分離し、分離した冷凍機油を主冷媒回路３０１における蒸発器３２０と圧縮機１２０との間に戻す。これにより、バイパス回路３０２に冷凍機油が流れていくことを防止できる。
【００７０】
（第５実施形態）
先の実施形態の冷凍サイクル装置３００Ａ，３００Ｂ，３００Ｃ，３００Ｄでは、膨張機構１３０に接続された主配管３３０（吸入管１１４）にバイパス配管３６０が接続されている。しかしながら、この構成は必須でない。すなわち、図１４に示す冷凍サイクル装置３００Ｅのごとく、バイパス配管３６０を膨張機構１３０に直結してもよい。この場合、バイパス配管３６０を膨張機構１３０のどこに接続するのかが問題となる。考えられる１つの好適な構成は、第１シリンダ１３２の吸入ポート１１６（図２参照）にバイパス配管３６０を接続する構成である。このようにすれば、第１実施形態と同じ効果を得ることができる。
【００７１】
他の１つの好適な構成は、図１５に示すごとく、膨張機一体型圧縮機１００Ｂの第２シリンダ１３４にバイパス配管３６０を接続する構成である。図１５に示す膨張機一体型圧縮機１００Ｂは、第２シリンダ１３４にバイパス配管３６０を直結している点以外、図２に示す膨張機一体型圧縮機１００Ａと共通である。第１実施形態でも説明したように、ロータリ式の膨張機構１３０は、第１シリンダ１３２と第２シリンダ１３４とで１つの膨張室を形成し、その膨張室に冷媒を閉じこめて膨張させる仕組みになっている。したがって、その膨張室にバイパス回路３０２を接続し、低密度の冷媒を膨張室に直接送り込めば、膨張過程にある冷媒の密度ρｅを変化させることができる。具体的には、バイパス回路３０２を流れた冷媒が膨張室に直接注入されるように、バイパス回路３２０（バイパス配管）の接続先が定められている。本実施形態では、第２シリンダ１３４にバイパス回路３０２（バイパス配管３６０）が接続している。
【００７２】
図１６Ａおよび図１６Ｂは、それぞれ、図１５の膨張機一体型圧縮機１００Ｂの膨張機構１３０の動作説明図である。第１シリンダ１３２への冷媒の吸入開始時点を０°として、各シリンダ１３２，１３４の様子をシャフト１２７の回転角度９０°おきに時系列で示す。膨張機構１３０の構成は、第２シリンダ１３４にバイパス配管３６０が接続されている以外、他の実施形態と共通である。第１シリンダ１３２に接続された吸入管１１４は、ベーンとのなす角度が約４５°である。バイパス配管３６０としての混合ノズル１４７は、ベーンとのなす角度が約６７．５°の位置おいて第２シリンダ１３４に接続されている。この混合ノズル１４７は、第２シリンダ１３４に形成されている注入ポート１４８を介して、第２シリンダ１３４内に低密度かつ高エンタルピーの冷媒を噴射する機能を有する。
【００７３】
図１６Ａに示すごとく、回転角度０°のとき、冷媒２０１は吸入管１１４に準備された状態であり、第１シリンダ１３２の吸入側空間１４０の容積はゼロである。シャフト１２７が反時計方向に回転することにともない、第１シリンダ１３２の吸入側空間１４０への冷媒２０１の吸入が開始される。少なくとも回転角度が２７０°までは、中板１３３の連通孔１４５と吸入側空間１４０とが連通していないので、冷媒２０１は第２シリンダ１３４に移動しない。シャフト１２７の回転角度が２７０°から３６０°の間で連通孔１４５が開き始め、第２シリンダ１３４の吸入側空間１４４ｂへの冷媒２０１の流れ込みが始まる。
【００７４】
図１６Ｂに示すごとく、回転角度が３６０°になると、第１シリンダ１３２では冷媒２０１の吸入が終了する。その時点から、第１シリンダ１３２の吐出側空間１４４ａおよび第２シリンダ１３４の吸入側空間１４４ｂに充填された冷媒２０１が膨張し始める。一方、第１シリンダ１３２では新たな冷媒２０２の吸入が始まる。シャフト１２７がさらに回転して回転角度が３８２．５°を超えると、バイパス回路３０２を流れた冷媒が、混合ノズル１４７および第２シリンダ１３４の注入ポート１４８を経由して吸入側空間１４４ｂに流入し始める。吸入側空間１４４ｂに低密度の冷媒が流入すると、その低密度の冷媒は、第１シリンダ１３２の吐出側空間１４４ａおよび第２シリンダ１３４の吸入側空間１４４ｂからなる膨張室において、超臨界の液相的状態から気液二相状態へと膨張し始めた冷媒２０１と衝突する。これにより、気液二相への変化が促進される。第２シリンダ１３４においては、回転角度が６３０°から７２０°の間で、吐出側空間１４３ａと吐出ポート１４６との連通が始まり、膨張後の冷媒２０１の吐出が始まる。
【００７５】
膨張機構１３０は、毎秒数十回転の速さで動作するので、冷媒の膨張過程は一瞬で終了することになる。ところが、図１７に示すごとく、単相から気液二相への変化が膨張機構１３０の動作に追いつかず、相変化遅れによる圧力低下を招来することがある。相変化遅れによる圧力低下は、斜線部に相当する動力回収ロスを伴う。
【００７６】
しかしながら、本実施形態によれば、膨張過程の冷媒に低密度の冷媒を混合する。つまり、超臨界（または液相）の液相的状態にある冷媒に、ガス冷媒を混合することにより、気体と液体との界面を積極的に形成する。こうした界面は、冷媒の液相から気液二相への変化を促進する。これにより、図１５に示すような相変化遅れの発生が防止され、相変化遅れにともなう動力回収ロスも発生せず、より優れた成績係数が達成される。特に、膨張過程が始まってから気液二相への変化が開始するまでに上記混合を行うことが好ましい。膨張過程は、第１シリンダ１３２の吐出側空間１４４ａと第２シリンダ１３４の吸入側空間１４４ｂとが連通孔１４５を介して１つにつながった時点から始まるので、混合ノズル１４７は、連通孔１４５が形成されている位置からシャフト１２７の回転方向に９０°までの角度範囲内において、第２シリンダ１３４に接続していることが好ましい。場合によっては、連通孔１４５内にガス冷媒の注入が行えるように、中板１３３に注入ポートを形成し、さらに、中板１３３に混合ノズル１４７を接続するようにしてもよい。
【００７７】
（第６実施形態）
先の冷凍サイクル装置３００Ａ〜３００Ｅは、いずれも、膨張機一体型圧縮機１００Ａ，１００Ｂが使用されている。しかしながら、図１８に示すごとく、圧縮機２２０と膨張機２３０とが分離されている冷凍サイクル装置３００Ｆも、本発明の好適な実施形態である。冷凍サイクル装置３００Ｆは、簡単にいえば、従来の冷凍サイクル装置の膨張弁を膨張機２３０で置き換えたうえで、バイパス回路３０２を設けた構成となっている。
【００７８】
冷凍サイクル装置３００Ｆは、圧縮機２２０の回転数と膨張機２３０の回転数とを独立して制御することにより、冷凍サイクルの高圧を制御し、冷凍サイクル効率を最適化することが可能であることが知られている。しかしながら、圧縮機２２０を駆動する電動機や膨張機２３０によって駆動される発電機の効率は、回転数に応じて大きく変化する。高効率で運転できる回転数の範囲は、そう広くない。したがって、圧縮機２２０や膨張機２３０の回転数の制御だけに頼って冷凍サイクル効率を最適化しようとしても、電動機や発電機の効率低下がネックとなり、成績係数を満足に高めることが困難となることが予測される。また、圧縮機２２０や膨張機２３０自体の効率も回転数によって変化する。
【００７９】
そこで分離型の冷凍サイクル装置３００Ｆに本発明を適用し、圧縮機２２０や膨張機２３０の回転数を変化させることに代えて、バイパス回路３０２を用いることによって冷媒の密度ρｅを変化させ、冷凍サイクル効率の最適化を図る制御方法を提案できる。この方法によれば、圧縮機２２０を駆動する電動機や膨張機２３０によって駆動される発電機の効率を高く保ちつつ、冷凍サイクル効率の最適化を図ることができる。もちろん、圧縮機２２０を駆動する電動機や膨張機２３０によって駆動される発電機の回転数と、バイパス回路３０２の冷媒流量との両方を制御し、冷凍サイクル効率の最適化を図るようにしてもよい。また、図１８の例では、第１温度センサ３１１が、バイパス回路３０２と主冷媒回路３０１との合流点よりも放熱器３１０側に配置されているが、この第１温度センサ３１１は、上記合流点よりも膨張機２３０側に配置してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明にかかる冷凍サイクル装置は、動力回収効率に優れ、空気調和装置、給湯器、各種乾燥機、冷凍冷蔵庫等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】第１実施形態の冷凍サイクル装置の構成を示すブロック図
【図２】図１のブロック図に示す膨張機一体型圧縮機の詳細な縦断面図
【図３Ａ】図２に示す膨張機一体型圧縮機のＡ１−Ａ１横断面図
【図３Ｂ】図２に示す膨張機一体型圧縮機のＢ１−Ｂ１横断面図
【図４Ａ】冷媒の密度変化にともなう問題点を説明するモリエル線図
【図４Ｂ】本発明の効果を説明するモリエル線図
【図５Ａ】冷媒の密度変化にともなう問題点を説明するＰ−Ｖ線図
【図５Ｂ】本発明の効果を説明するＰ−Ｖ線図
【図６】図１に示す冷凍サイクル装置の制御系のブロック図
【図７】図１に示す冷凍サイクル装置の制御フローチャート
【図８】図１に示す冷凍サイクル装置の他の１つの好適な制御フローチャート
【図９Ａ】放熱器の加熱能力の導出に用いられるセンサ群の配置図
【図９Ｂ】放熱器の加熱能力の導出に用いられるセンサ群の他の例の配置図
【図１０】冷媒の密度ρｅ、膨張機効率ηｅ、バイパス開度ξbおよび成績係数の関係を示す相関図
【図１１】第２実施形態の冷凍サイクル装置の構成を示すブロック図
【図１２】第３実施形態の冷凍サイクル装置の構成を示すブロック図
【図１３】第４実施形態の冷凍サイクル装置の構成を示すブロック図
【図１４】第５実施形態の冷凍サイクル装置の構成を示すブロック図
【図１５】図１４のブロック図に示す膨張機一体型圧縮機の詳細な縦断面図
【図１６Ａ】膨張機構の動作説明図
【図１６Ｂ】図１６Ａに続く説明図
【図１７】相変化遅れによる圧力低下の説明図
【図１８】第６実施形態の冷凍サイクル装置の構成を示すブロック図
【符号の説明】
【００８２】
１００Ａ，１００Ｂ  膨張機一体型圧縮機
１２０  圧縮機構
１２７  シャフト
１３０  膨張機構
１３２  第１シリンダ
１３３  中板
１３４  第２シリンダ
１３６  第１ピストン
１３７  第２ピストン
１３８  第１ベーン
１４１  第２ベーン
１４０，１４４ｂ  吸入側空間
１４４ａ，１４３  吐出側空間
１４５  連通孔
１８０  電動機
３００Ａ，３００Ｂ，３００Ｃ，３００Ｄ，３００Ｅ，３００Ｆ  冷凍サイクル装置
３０１  主冷媒回路
３０２  バイパス回路
３０５  制御器
３１１  第１温度センサ
３１３  第２温度センサ
３１５  第３温度センサ
３１０  放熱器
３２０  蒸発器
３３０  主配管
３５０  流量調整弁
３６０  バイパス配管
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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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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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７】
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【図１８】
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