(57)【要約】【課題】効率の良い，信頼性の高い膨張機を用いた冷凍サイクル装置を実現する。【解決手段】冷凍サイクル装置は，冷媒を圧縮する圧縮機５０１と，圧縮された冷媒を冷却する放熱器５０２と，冷媒を膨張させる膨張機５０３と，膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器５０４とからなる冷凍サイクルと，膨張機５０３に接続された発電機５０７と，発電機５０７が出力する交流電力を変換して直流電力を出力するとともに発電機５０７の駆動制御を行う可変速コンバータ５０８とからなる制御回路とを備え，発電機電力が電動機電力を超えたときに直流電力部の電圧値の異常上昇を送風ファン５２２の回転数を高く設定することで抑制し，構成部品の破壊のない信頼性の高いかつ効率の良い冷凍サイクル装置を実現する。【選択図】        図１
2008275209.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動流体を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機により圧縮された冷媒を冷却する放熱器と、
前記放熱器を通過した冷媒を膨張させる膨張機と、
前記膨張機により膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記圧縮機、放熱器、膨張機、蒸発器間を順次接続し、冷媒を循環させる冷媒配管と、
前記膨張機をバイパスして冷媒を流すためのバイパス管路と，
前記バイパス管路における冷媒の流量を調節するための流量調節手段と，
高圧側の圧力を検出する圧力検出手段と，
前記膨張機に接続して、前記膨張機の回転に応じて交流電力を発生させる発電機と、
前記発電機が出力する交流の発電機電力を変換して直流電力を出力するとともに前記発電機の駆動を制御する可変速コンバータと、
前記圧縮機に接続された電動機と、
直流電圧を所定の周波数の交流電圧に変換するとともに前記電動機の駆動を制御するインバータとを有し，
前記圧縮機の起動時から所定時間の間は，高圧側圧力が設定圧力を超えるように膨張機の回転数を設定する冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記冷凍サイクル装置は，前記設定圧力を超えると，高圧側を安全装置のはたらく圧力の上限値を超えないように前記流量調節手段を制御する圧力制御手段を有する請求項１に記載の冷凍サイクル装置
【請求項３】
前記圧力制御手段は，前記圧力検出手段により得られた圧力情報に基づいて，高圧側圧力が前記設定された圧力になるように流量調節手段を制御する請求項２に記載の冷凍サイクル装置
【請求項４】
前記圧力検出手段は，放熱器出口側に取り付けられた圧力センサによって高圧側圧力情報を取得する請求項１から請求項３のいずれかに記載の冷凍サイクル装置
【請求項５】
前記圧力検出手段は，前記膨張機出口側もしくは前記蒸発器中のいずれかに取り付けられ，冷媒の温度を検出する温度検出手段と，前記圧縮機に流れる電流情報とによって高圧側圧力情報を取得する請求項１から請求項３のいずれかに記載の冷凍サイクル装置
【請求項６】
前記圧力検出手段は，前記膨張機出口側もしくは前記蒸発器中のいずれかに取り付けられ，冷媒の温度を検出する温度検出手段と，前記膨張機に流れる電流情報とによって高圧側圧力情報を取得する請求項１から請求項３のいずれかに記載の冷凍サイクル装置
【請求項７】
前記圧力制御手段は，前記設定圧力を超えると，高圧側を安全装置のはたらく圧力の上限値を超えないように前記流量調節手段と膨張機の回転数を制御する請求項１から請求項６のいずれかに記載の冷凍サイクル装置
【請求項８】
前記圧力制御手段は，前記圧力検出手段により得られた圧力情報に基づいて，高圧側圧力が前記設定された圧力になるように流量調節手段と膨張機の回転数を制御する請求項１から請求項７のいずれか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，冷媒などの膨張力を利用する膨張機を用いた動力回収装置，特に二酸化炭素を冷媒として用いる蒸気圧縮式冷凍装置の効率向上のための膨張機の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の一般的な蒸気圧縮式冷凍装置としては，図１０に示す構成のものがある。図１０の蒸気圧縮式冷凍装置は，圧縮機３０１，放熱器３０２，膨張弁３０３，及び蒸発器３０４から構成される。それらの要素は配管により連結され，冷媒が図示の白抜き矢印のように移動する。
【０００３】
上記蒸気圧縮式冷凍装置の運転原理は次のとおりである。冷媒蒸気の圧力及び温度は圧縮機３０１によって増大され，次いで，その冷媒蒸気が放熱器３０２に入り，そこで冷却される。この後，高圧冷媒は膨張弁３０３により蒸発圧力に絞られ，蒸発器３０４において気化し，その周辺から熱を吸収する。そして，蒸発器３０４の出口を通って冷媒蒸気は圧縮機３０１に戻る。この冷媒には，オゾン層を破壊せず地球温暖化係数の極めて小さい二酸化炭素が用いられる。
【０００４】
しかし，二酸化炭素を冷媒とする蒸気圧縮式冷凍装置は，一般に使用されてきたフロンを冷媒とする冷凍装置に比べ，エネルギー効率である成績係数（ＣＯＰ）が低い。さらに，同等の冷凍能力を考えた場合，フロンを冷媒とする冷凍装置より多くの電力が必要になる。そのため多くの化石燃料がエネルギーとして必要になるため，冷媒自体の地球温暖化係数が小さくても，結果的に多くの二酸化炭素が排出される。したがって，二酸化炭素を冷媒とする蒸気圧縮式冷凍装置のＣＯＰを向上させることが必要であり，既にさまざまな方法が提案されている。
【０００５】
上記提案の一例として，図１１に示す従来の膨張機を用いた冷凍装置（特許文献１を参照）がある。この冷凍装置では，原動機４０５により駆動される圧縮機４０１により，圧縮された冷媒は放熱器４０２で冷却され，その後，膨張機４０３を通過する際に，膨張機４０３に取り付けられた発電機４０４が発電し電力を発生する。そして，膨張機４０３内で膨張した冷媒は，蒸発器４０６内で外部より吸熱して気化した後，再び圧縮機４０１へ戻る。この時，圧力センサ４１０及び温度センサ４１１の情報に基づき，演算手段４０９により演算した最適高圧値になるように，回転数制御手段４１２により，発電機４０４の発電量，即ち膨張機４０３の回転数が制御される。また，圧縮機４０１の前後には，性能，信頼性向上のためオイルセパレータ４０７及びアキュムレータ４０８が設置されている。
【０００６】
このような構成の膨張機を使用する冷凍装置により，冷媒の膨張による力で発電機を回転させることにより電力を発生し，その電力を有効利用することにより総合的に使用されるエネルギー量は低減され，それによりＣＯＰを向上させることが可能である。
【０００７】
図１２は，従来の膨張機を用いた動力回収装置を示すブロック構成図である（特許文献２）。図１２において，交流電源６０１からの入力を整流回路６０２で直流に整流した直流電圧は，平滑コンデンサ６０３により平滑化されたあと，インバータ６０４により３相の交流電圧に変換され，この交流電圧によって電動機６０６が駆動される。そして，電動機６０６の駆動により圧縮機６０７が圧縮機能を果たす。
【０００８】
このインバータ６０４は，直流電圧を交流に変換するためのスイッチング素子群６０５
などから構成されており，ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式でスイッチング素子群６０５を所定の交流周波数を実現するようにＯＮ−ＯＦＦさせることにより，任意の交流を出力することができるものである。
【０００９】
一方，膨張機６１１により動力を回収するために設置された発電機６１０には，その発電機６１０により発電される３相交流電力を直流に変換するための可変速コンバータ６０８が接続されている。この可変速コンバータ６０８は，発電機６１０により発電される交流電力を直流に変換するとともに，内部に構成されたスイッチング素子群６０９をＰＷＭ方式でスイッチングすることにより，与えられる目標回転数で発電機６１０を回転させる機能を有する。
【００１０】
この発電機６１０の回転数を制御する機能により，発電機６１０を介して膨張機６１１の回転数を制御することが可能となり，それにより，膨張機６１１を用いた冷凍サイクル装置において，その膨張機６１１を最適な回転数で駆動することができる。
【００１１】
また，可変速コンバータ６０８からの直流出力線は，整流回路６０２から平滑コンデンサ６０３を介して得られる直流電力ラインに並列接続される。これにより，可変速コンバータ６０８から回生された電力は，インバータ６０４を介し電動機６０６の駆動エネルギーに消費されるため，システムとして高い効率をあげることができる。
【００１２】
さらに，図１３に示すように特許文献３では，図１１に示す従来の冷凍サイクル装置に加えて，膨張機７０３と並列にバイパス回路７０６と，バイパス回路に流量調節弁７０７を設置する構成が示されている。本文献では，システムの起動の際，制御手段７０９が流量調節弁７０７を適切に制御することで，起動時に膨張機が停止していると，主回路が閉塞するのを防ぎ圧縮機７０１と膨張機７０３の機械的な信頼性の向上が述べられている。また，膨張機７０３が発電機７０４によって発電を開始すると，流量調節弁７０７を全閉とし，膨張機７０３側へのみ冷媒を供給することで膨張エネルギーを効率よく回収することができる。
【特許文献１】特開２０００−２４１０３３号公報
【特許文献２】国際公開第２００６／０７５７２４号パンフレット
【特許文献３】特開２００６−１６２１８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら，図１１に示した特許文献１における膨張機を用いた冷凍サイクル装置において，次のような課題がある。運転開始の際，圧力センサ４１０及び温度センサ４１１の情報に基づき，演算手段４０９により演算した最適高圧値になるように，回転数制御手段４１２により膨張機４０３の回転数が制御されるが，図１０に示した従来の膨張弁を用いた冷凍サイクルと比較すると，放熱器出口圧力の上昇に対する圧縮機側吐出部の温度上昇の応答特性が悪くなる。図１４は、本発明者らの検討で明らかになった、起動時における膨張弁のシステムと膨張機のシステムの放熱器出口圧力Phを同じ立ち上がりにしたときのそれぞれの圧縮機吐出温度Toの応答特性を示した図である。つまり，膨張機を用いた冷凍サイクルを給湯用途に用いると，吐出温度の立ち上がりが悪くなるため沸き上げ完了までの時間が長くなる。これは，膨張弁を用いたシステムよりも膨張機を用いた冷凍サイクル装置は構成要素が大きく，さらに膨張機に必要な潤滑油の量も増加するため，システム全体としての熱容量が大きくなることが上げられる。
【００１４】
したがって本発明は，上記の課題を解決するもので，運転開始後，膨張機７０３を高圧側圧力が起動目標圧力を超えるような回転数で運転し，起動目標圧力を越えた段階で膨張機７０３と並列に接続されたバイパス回路７０６に設置された流量調節弁７０７を起動目
標圧力になるように制御する。ここでは高圧側の制御に膨張機７０３に比べサイクルの応答性の速い流量調節弁７０７を利用することで，確実に上限を超えないように高圧を制御することができ，起動目標圧力を安全装置がはたらく上限値近くに設定することにより，サイクルの高圧側を早く立ち上げることができ，信頼性の高い膨張機を用いた冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するために、本発明の冷凍サイクル装置は、
作動流体を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機により圧縮された冷媒を冷却する放熱器と、
前記放熱器を通過した冷媒を膨張させる膨張機と、
前記膨張機により膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記圧縮機、放熱器、膨張機、蒸発器間を順次接続し、冷媒を循環させる冷媒配管と、
前記膨張機をバイパスして冷媒を流すためのバイパス管路と，
前記バイパス管路における冷媒の流量を調節するための流量調節手段と，
高圧側の圧力を検出する圧力検出手段と，
前記膨張機に接続して、前記膨張機の回転に応じて交流電力を発生させる発電機と、
前記発電機が出力する交流の発電機電力を変換して直流電力を出力するとともに前記発電機の駆動を制御する可変速コンバータと、
前記圧縮機に接続された電動機と、
直流電圧を所定の周波数の交流電圧に変換するとともに前記電動機の駆動を制御するインバータとを有し，
前記圧縮機の起動時から所定時間の間は，高圧側圧力が設定圧力を超えるように膨張機の回転数を設定したものである。
【００１６】
このことにより，冷凍サイクル装置の高圧側圧力の立ち上がり自体を早くすることによって，膨張機特有の課題であった圧縮機出口側における吐出温度の立ち上がりを早くすることができる。
【００１７】
また、より望ましくは、前記設定圧力を超えると，高圧側を安全装置のはたらく圧力の上限値を超えないように前記流量調節手段を制御する圧力制御手段を有してもよい。
【００１８】
これにより，冷凍サイクル装置の高圧側圧力の立ち上がり自体を早くすることによって安全装置のはたらく圧力の上限値を超えることがなくなるため，機器の信頼性を高めることができる。
【００１９】
さらに，前記圧力制御手段は，前記圧力検出手段により得られた圧力情報に基づいて，高圧側圧力が前記設定された圧力になるように流量調節手段を制御してもよい。
【００２０】
これにより，高圧側の圧力を一定値にすることができるため，機器の信頼性を高めることができる。
【００２１】
また，前記圧力検出手段は，放熱器出口側に取り付けられた圧力センサによって高圧側圧力情報を取得してもよい。
【００２２】
これにより，高圧側圧力を確実に検出できるため，構成機器の信頼性をあげることができる。
【００２３】
また，前記圧力検出手段は，前記膨張機出口側もしくは前記蒸発器中のいずれかに取り付けられ，冷媒の温度を検出する温度検出手段と，前記圧縮機に流れる電流情報とによっ
て高圧側圧力情報を取得してもよい。
【００２４】
前記圧力検出手段は，前記膨張機出口側もしくは前記蒸発器中のいずれかに取り付けられ，冷媒の温度を検出する温度検出手段と，前記膨張機に流れる電流情報とによって高圧側圧力情報を取得してもよい。
【００２５】
これらにより，高圧側に圧力センサを用いないため，構成機器の信頼性と構成機器のコストを下げることができる。
【００２６】
また，前記圧力制御手段は，前記設定圧力を超えると，高圧側を安全装置のはたらく圧力の上限値を超えないように前記流量調節手段と膨張機の回転数を制御してもよい。
【００２７】
これにより，これにより，冷凍サイクル装置の高圧側圧力の立ち上がり自体を早くすることによって安全装置のはたらく圧力の上限値を超えることがなくなるため，機器の信頼性を高めることができる。
【００２８】
また，前記圧力制御手段は，前記圧力検出手段により得られた圧力情報に基づいて，高圧側圧力が前記設定された圧力になるように流量調節手段と膨張機の回転数を制御してもよい。
【００２９】
これにより，高圧側の圧力を一定値にすることができるため，機器の信頼性を高めることができる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明の膨張機を用いた冷凍サイクル装置によれば，運転開始後の所定時間内に，膨張機を高圧側圧力が起動目標圧力を超えるような回転数で運転することで，高圧側圧力の立ち上がりを早くする。さらに，起動目標圧力を越えた段階で膨張機と並列に接続されたバイパス回路に設置された流量調節弁を起動目標圧力になるように制御することで，確実に安全装置がはたらく上限値を超えないように高圧側圧力を制御することができ，起動目標圧力を近くに設定することにより，圧縮機の吐出温度の立ち上がりの遅さを解消し，信頼性の高いシステムを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下，本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００３２】
（第１の実施形態）
図１は，本発明による第１の実施例の冷凍サイクル装置を示すブロック構成図である。
【００３３】
本実施例の冷凍サイクル装置は，冷媒を圧縮する圧縮機５０１と，圧縮機５０１により圧縮された冷媒を冷却する放熱器５０２と，放熱器５０２を通過した冷媒を膨張させる膨張機５０３と，膨張機５０３により膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器５０４と，以上の各要素機器間に冷媒を循環させる冷媒配管５１８とで冷凍サイクルの主回路を形成し，膨張機５０３をバイパスするバイパス回路５３１と，バイパス回路５３１内に減圧手段である流量調節弁５３２を設置し，膨張機５０３に接続された永久磁石型同期発電機５０７（以下，発電機５０７）と，発電機５０７が出力する交流電力を変換して直流電力を出力するとともに発電機５０７の駆動を制御する機能を有した可変速コンバータ５０８とを具備して構成される。なお，発電機５０７の駆動を制御する機能とは，例えば，発電機５０７の回転数もしくは電流値を所定の値に制御するものである。
【００３４】
そして，後述するが可変速コンバータ５０８は，冷凍サイクルが最適効率圧力になるよ
うに前記可変速コンバータ５０８によって発電機５０７を駆動制御する機能を有する構成となっている。
【００３５】
さらに，本実施例の冷凍サイクル装置は，圧縮機５０１を駆動する電動機５０５（ここではIPMSM（Interior  Permanent  Magnet  Synchronous  Motor）を用いる）と，直流を所定の周波数の交流に変換するとともに電動機５０５の回転数もしくは電流値を所定の値に制御するインバータ装置５０６（以下，インバータ５０６）と，圧力制御手段５０９と，放熱器５０２の出口温度を検出する温度センサ５１６と，放熱器５０２の出口圧力を検出する圧力センサ５１７とを備えている。
（通常運転時）
上記冷凍サイクル装置の通常運転時における動作について説明する。
【００３６】
図１において，インバータ５０６により制御される電動機５０５によって圧縮機５０１が駆動され，圧縮機５０１により冷媒が圧縮される。圧縮された冷媒は，放熱器５０２で冷却され，その後，可変速コンバータ５０８により制御される発電機５０７に連結している膨張機５０３を通過する。このとき冷媒は，膨張機５０３内で膨張し，蒸発器５０４内で外部より吸熱して気化した後，再び圧縮機５０１へ戻る。また，バイパス回路５３１に設置されている流量調節弁５３２を全閉とし，膨張機５０３側へのみ冷媒を供給することで膨張機５０３は膨張エネルギーを効率よく回収することができる。
【００３７】
次に，冷凍サイクル装置の最適圧力制御について説明する。
【００３８】
図１において，冷媒の膨張力により発生した膨張機５０３のトルクは，発電機５０７の回転力となり発電が行われる。この発電機５０７により発電された交流電力は，可変速コンバータ５０８により直流電力に変換された後，圧縮機５０１のモータ駆動の補助動力として使用されることになる。
【００３９】
ここで，膨張機５０３及び発電機５０７の回転数は，可変速コンバータ５０８により制御される。また，圧縮機５０１及び電動機５０５の回転数は，インバータ５０６により制御される。可変速コンバータ５０８には，圧力制御手段５０９より目標回転数が与えられる。圧力制御手段５０９は，温度センサ５１６からの放熱器出口温度，および圧力センサ５１７からの放熱器出口圧力（Ph）の値により，目標回転数の最適な膨張機回転数を決定する。
【００４０】
最適な膨張機回転数は，図２に示す，放熱器出口圧力，放熱器出口温度に対する冷凍サイクルの効率のデータにより決定される。この図に示すように，本冷凍サイクル装置の冷凍サイクルの効率は，放熱器５０２の出口圧力及び温度により最大となる点が異なり，その最大点を結んだ線が図中の最適効率圧力線である。この圧力線を用いて，放熱器出口温度を計測することにより，そのときの放熱器出口圧力として最適圧力が求められる。
【００４１】
次に，圧力制御手段５０９の動作について説明する。
【００４２】
図３は，本実施例の冷凍サイクル装置における膨張機回転数決定のフローチャートであり，圧力制御手段５０９におけるサイクル効率を最大にする膨張機回転数の最適値の決定手順を示す。
【００４３】
まず，ステップ１０１において，測定された放熱器出口圧力及び温度の値を入力する。そして，図２に示す最適圧力のデータに従って，効率を最大にする最適圧力の値が演算される（ステップ１０２）。次に，測定された現在の出口圧力が，最適圧力より大きいかをステップ１０３にて判定する。出口圧力が最適圧力よりも大の場合には，出口圧力を下げ
るように膨張機５０３の目標回転数が上げられる（ステップ１０４）。即ち，圧力制御手段５０９は出口圧力を下降させる目標回転数を可変速コンバータ５０８に出力する。それにより，膨張機５０３における入口，出口の圧力差が低減し，結果として冷凍サイクルにおける高圧の圧力が低下していく（ステップ１０５）。
【００４４】
また，出口圧力が最適圧力よりも小の場合には，出口圧力を上げるように膨張機５０３の目標回転数が下げられる（ステップ１０６）。即ち，圧力制御手段５０９は可変速コンバータ５０８に出口圧力を上昇させる目標回転数を出力する。それにより，膨張機における入口，出口の圧力差が増加し，結果として冷凍サイクルにおける高圧の圧力が上昇していく（ステップ１０７）。これらの制御により，放熱器出口の圧力は，冷凍サイクルの効率を最大にするように制御される。以上のように，本実施例の冷凍サイクル装置では成績係数（ＣＯＰ）を高めることができるので，冷媒として地球温暖化係数が小さい二酸化炭素が利用できることに繋がる。
（起動時）
次に，本発明において重要なシステムの起動時における，圧力制御手段５０９が高圧側の圧力上限値Plimitを超えないように制御する動作について詳細に説明する。
【００４５】
図４は，圧縮機５０１の回転数，膨張機５０３の回転数，放熱器出口圧力Phの起動時のタイムチャートを示す。起動の際は，吐出温度の立ち上がりを早くするため差圧を短時間で大きくする必要がある。そのため，膨張機５０３の回転数は後に説明する流量調節弁５３２の制御がなければ，起動時におけるサイクルの過渡状態において，圧力上限値Plimtを超える回転数とする。以下に順を追って説明する。コントローラから運転開始指令入力されると圧縮機５０１が設定回転数で運転し始めるのと同時に，圧力制御手段５０９は膨張機５０３の回転数をNbaseで運転させ，流量調節弁５３２を全閉に設定する。本実施例ではNbaseを駆動可能な最低回転数とする。また，差圧をより短時間で発生させるために，流量調節弁５３２を全閉にして，すべての冷媒を主回路である膨張機側に流入させる。膨張機５０３を最低回転数Nbaseで運転させることによって，ある時間経過後，放熱器出口圧力Phは起動目標圧力Prefを超える。ここで，Prefとは圧力上限値Plimtからある余裕幅をとった値で，本実施例においては，Plimtが１３．５MPa，Prefは１２．５MPaとしている。放熱器出口圧力Phが起動目標圧力Prefを超えると，圧力制御手段５０９は放熱器出口圧力Phが目標圧力Prefになるように流量調節弁５３２の開度を制御する。ここでは，PhがPrefとなるように流量調節弁５３２の開度の制御には一般的なPI制御を用いている。これにより，放熱器出口圧力Phが所定の範囲に収めることが可能となる。起動後，所定時間（t１）が経過すると膨張機５０３の回転数をN１へ上昇させることで，放熱器出口圧力Phが常に起動目標圧力Prefより小さい一定値に収束する。このとき，圧力制御手段５０９は流量調節弁５３２の開度を全閉となるように制御する。以上のように制御することによって，放熱器出口圧力Phが圧力上限値Plimtを超えないように放熱器出口圧力Phを短い時間で上昇させることができるため，圧縮機の吐出温度を早く立ち上げることができる。
【００４６】
図５は，上記制御による圧力制御手段５０９のフローチャートであり，放熱器出口圧力Phを所定の範囲内に抑える制御手順を示す。まず，ステップ２０１では，圧力センサ５１７により現在の放熱器出口圧力Ph を検出し，前述した起動目標圧力Prefである１２．５MPa以下であるか判定する（ステップ２０２）。ステップ２０２で判定された結果がPref以下であれば，流量調節弁５３２を全閉となるように制御する（ステップ２０５）。しかし，ステップ２０２により検出された放熱器出口圧力PhがPrefを超えた場合，ステップ２０３により圧力制御手段５０９は流量調節弁５３２のパルス数を計算し，計算されたパルス数を流量調節弁５３２に出力する（ステップ２０５）。このことにより主回路を循環していた冷媒が，バイパス回路側５３１にも流れることとなり，高圧側の圧力はPrefに制御される。つまり，圧力PhがPrefを超えた場合において圧力制御手段５０９は流量調節弁５３２を制御し，超えていない場合は，圧力制御手段は流量調節弁５３２を制御しない。以上
のフローにより，通常運転時においては冷媒が主回路を循環することで膨張機５０３に直結された発電機５０７による発電を有効に利用することができるため効率の高い運転状態が得られ，起動時において急激な圧力上昇が必要な場合のみバイパス回路５３１を積極的に利用することで，放熱器出口圧力Phを所定範囲内に制御することができ，機器の安全性・信頼性が向上する。本実施例で重要なことは，膨張機５０３の回転数変化における放熱器出口圧力Phの変化と流量調節弁５３２の開度変化に対する放熱器出口圧力Phの変化を比較すると，流量調節弁５３２を使用するほうが圧力の応答特性が良いため，過渡時においては応答性の高い流量調節弁５３２を適切に利用することが本実施例の本質となる。
【００４７】
以上にこの発明の具他的な実施の形態について説明したが，この発明は上記実施形態に限定されるものではない。
【００４８】
なお，放熱器出口圧力の検出に用いられた圧力センサ５１７は圧縮機と放熱器間に取り付けられていてもよい。
【００４９】
また，圧縮機５０１と膨張機５０３の起動の順番は，本実施例においては同時に起動しているが，圧力制御手段５０９の制御動作に影響がない範囲であればどちらから起動してもよい。
【００５０】
また，放熱器出口圧力Phが起動目標圧力Prefとなるように流量調節弁５３２の開度の制御には一般的なPI制御を用いているが，単に比例制御や，パルス開度固定の開閉制御であってもよい。
【００５１】
また，起動時における膨張機５０３の回転数Nbase，N1，所定時間（t１）はあらかじめ設定した値でよく，圧力制御手段５０９が検出した圧力情報や温度情報等を利用する流量調節弁５３２の制御とは関係はなくてもよい。
【００５２】
（第２の実施形態）
以下，本発明の膨張機を用いた冷凍サイクル装置の第２の実施形態について説明する。
【００５３】
本第２の実施形態の構成は，図１に示す第１の実施形態のブロック構成図と同じであるが，圧力制御手段５０９の動作のみが第１の実施形態とは異なる。
【００５４】
図６は本実施形態において，高圧側の圧力上限値Plimitを超えないように制御する圧力制御手段５０９の動作について説明したタイムチャートである。第１の実施形態において，圧力制御手段５０９は放熱器出口圧力Phが起動目標圧力Prefを超えると，放熱器出口圧力Phが目標圧力Prefになるように流量調節弁５３２の開度を制御していたが，膨張機５０３の回転数は一定と設定していた。しかし，本実施例においては，膨張機５０３の回転数も変更することにより，より安全に放熱器出口圧力Phを動目標圧力Prefに制御することができる点で異なる。以下に順を追って説明する。コントローラから運転開始指令入力されると第１の実施形態と同様に，圧縮機５０１が設定回転数で運転し始めるのと同時に，圧力制御手段５０９は膨張機５０３の回転数をNbaseで運転させ，流量調節弁５３２を全閉に設定する。膨張機５０３を最低回転数Nbaseで運転させることによって，ある時間経過後，放熱器出口圧力Phは起動目標圧力Prefを超える。放熱器出口圧力Phが起動目標圧力Prefを超えると，圧力制御手段５０９は放熱器出口圧力Phが目標圧力Prefになるように流量調節弁５３２の開度と膨張機５０３の回転数を制御する。ここでは，PhがPrefとなるように流量調節弁５３２の開度と膨張機５０３の回転数の制御には一般的なPI制御を用いている。これにより，放熱器出口圧力Phが所定の範囲に収めることが可能となる。所定時間（t１）が経過すると第１の実施形態と同様に膨張機５０３の回転数をN１へ上昇させることで，放熱器出口圧力Phが常に起動目標圧力Prefより小さい一定値に収束する。このとき，
圧力制御手段５０９は流量調節弁５３２の開度を全閉となるように制御する。以上のように制御することによって，放熱器出口圧力Phが圧力上限値Plimtを超えないように放熱器出口圧力Phを短い時間で上昇させることができるため，圧縮機５０１の吐出温度を早く立ち上げることができる。
【００５５】
図７は，上記制御による圧力制御手段５０９のフローチャートであり，放熱器出口圧力Phを所定の範囲内に抑える制御手順を示す。まず，ステップ３０１では，圧力センサ５１７により現在の放熱器出口圧力Ph を検出し，前述した起動目標圧力Prefである１３MPa以下であるか判定する（ステップ３０２）。ステップ３０２で判定された結果がPref以下であれば，流量調節弁５３２を全閉となるように制御する（ステップ３０５）。しかし，ステップ３０２により検出された放熱器出口圧力PhがPrefを超えた場合，ステップ３０３により圧力制御手段５０９は流量調節弁５３２のパルス数を計算し，計算されたパルス数を流量調節弁５３２に出力する（ステップ３０５）。このことにより主回路を循環していた冷媒が，バイパス回路５３１にも流れ，さらに膨張機５０３の回転数を上昇させることで，高圧側の圧力はPrefに制御される。つまり，圧力PhがPrefを超えた場合において圧力制御手段５０９は流量調節弁５３２と膨張機５０３の回転数を制御し，超えていない場合は，圧力制御手段５０９は流量調節弁５３２と膨張機５０３の回転数を制御しない。以上のフローにより，第１の実施例よりも確実に放熱器出口圧力Phを所定範囲内に制御することができ，機器の安全性・信頼性が飛躍的に向上する。
【００５６】
以上にこの発明の具他的な実施の形態について説明したが，この発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば，放熱器出口圧力Phが起動目標圧力Prefとなるように流量調節弁５３２の開度と膨張機５０３の回転数の制御には一般的なPI制御を用いているが，単に比例制御や，パルス開度固定の開閉制御であってもよい。
【００５７】
（第３の実施形態）
以下，本発明の膨張機を用いた冷凍サイクル装置の第３の実施形態について説明する。
【００５８】
図８は，本発明による第３の実施形態の冷凍サイクル装置を示すブロック構成図である。
【００５９】
本第３の実施形態の構成は，図１に示す第１または第２の実施形態のブロック構成図とほぼ同じであるが，その圧力制御手段５０９への入力情報が圧力センサからの圧力情報ではなくて，第１の電流センサ５２５によって得られたインバータ５０６に流れるインバータ電流値Iinv，蒸発器５０４に取り付けられた蒸発器温度センサ５２７である部分が第１または第２の実施形態とは異なる。また，その他の動作については本発明による第１の実施例における動作と同じである。
【００６０】
次に圧力制御手段５０９において，高圧側圧力の推定動作について説明する。圧制御手段５０９は，第１の電流検出手段５２５により得られた検出値に基づいて計算された電動機の出力トルク値と電動機回転数により電動機出力Pmotorを導出する。そして，圧力制御手段５０９は，蒸発器温度センサ５２７によって得られた冷媒蒸発温度Te，放熱器出口での冷媒温度及び電動機の回転数，導出された電動機出力Pmotorにより，予めコントローラによって記録されているテーブル等を用いて圧縮機の吐出圧力を推定する。（具体的な算出方法については、国際公開第２００６／３０１８０４号パンフレットの第１３頁第１１行〜第１４頁第２３行に説明されている。）このようにして推定された圧力情報を，第１または第２の実施形態で得られた圧力情報と同様に利用することで放熱器出口圧力Phが起動目標圧力Prefになるように制御する。
【００６１】
（第４の実施形態）
以下，本発明の膨張機を用いた冷凍サイクル装置の第４の実施形態について説明する。
【００６２】
図９は，本発明による第４の実施形態の冷凍サイクル装置を示すブロック構成図である。
【００６３】
本第４の実施形態の構成は，図１に示す第１または第２の実施形態のブロック構成図とほぼ同じであるが，その圧力制御手段５２１への入力情報が圧力センサからの圧力情報ではなくて，第２の電流センサ５２６によって得られた可変速コンバータ５０７に流れるコンバータ電流値Iconvである部分が第１または第２の実施形態とは異なる。また，その他の動作については本発明による第１または第２の実施例における動作と同じである。
【００６４】
次に圧力制御手段５０９において，高圧側圧力の推定動作について説明する。圧制御手段５０９は，第２の電流検出手段５２６により得られた検出値に基づいて計算された発電機の出力トルク値と発電機回転数により発電機出力Pgeneを導出する。そして，圧力制御手段５０９は，蒸発器温度センサ５２７によって得られた冷媒蒸発温度Te，放熱器電口での冷媒温度及び発電機の回転数，導出された発電機出力Pgeneにより，予めコントローラによって記録されているテーブル等を用いて膨張機の吸入圧力を推定する。（具体的な算出方法については、国際公開第２００６／３０１８０４号パンフレットの第１３頁第１１行〜第１４頁第２３行に説明されている。）このようにして推定された圧力情報を，第１または第２の実施形態で得られた圧力情報と同様に利用することで放熱器出口圧力Phが起動目標圧力Prefになるように制御する。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
以上のように，本発明の膨張機を用いた冷凍サイクル装置は，起動時のサイクル特性の立ち上がりを早くすることができ，冷暖房装置や給湯機などのヒートポンプ式冷凍装置などに有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明による第１の実施形態の冷凍サイクル装置を示すブロック構成図
【図２】放熱器出口圧力，温度に対する冷凍サイクルの効率の一例を示す図
【図３】第１の実施形態の冷凍サイクル装置における膨張機回転数決定のフローチャート
【図４】第１の実施形態の冷凍サイクル装置における圧力推移と圧力制御手段５０９の動作を表すタイムチャート
【図５】第１の実施形態の冷凍サイクル装置における圧力制御手段５０９の動作を表すフローチャート
【図６】第２の実施形態の冷凍サイクル装置における圧力推移と圧力制御手段５０９の動作を表すタイムチャート
【図７】第２の実施形態の冷凍サイクル装置における圧力制御手段５０９の動作を表すフローチャート
【図８】第３の実施形態の冷凍サイクル装置を示すブロック構成図
【図９】第４の実施形態の冷凍サイクル装置を示すブロック構成図
【図１０】膨張弁を用いた一般的な冷凍サイクル装置の構成図
【図１１】膨張機を用いた一般的な冷凍サイクル装置の構成図
【図１２】膨張機を用いた動力回収装置を示すブロック図
【図１３】膨張機を用いた動力回収装置を示すブロック図
【図１４】放熱器出口圧力に対する圧縮機吐出温度の応答特性図
【符号の説明】
【００６７】
１０４    駆動手段
１０５ａ，１０５ｂ    電流センサ
１０６    ２軸電流変換手段
１０７    回転子位置・回転子速度推定手段
１０９    正弦波電圧出力手段
１１０          電流制御手段
１１１    電流指令作成手段
１１２    回転数制御手段
５０１    圧縮機
５０２    放熱器
５０３    膨張機
５０４    蒸発器
５０５    電動機
５０６    インバータ装置
５０７    発電機
５０８    可変速コンバータ
５０９    圧力制御手段
５１６    温度センサ
５１７    圧力センサ
５２５    第１の電流センサ
５２６    第２の電流センサ
５２７    蒸発器温度センサ
５３１    バイパス回路
５３２    流量調節弁
７０１    圧縮機
７０２    放熱器
７０３    膨張機
７０４    発電機
７０５    蒸発器
７０６    バイパス回路
７０７    流量調節弁
７０８    電流検出手段
７０９    制御手段
【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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