(57)【要約】【課題】密度比一定の拘束を受ける冷凍サイクル装置において、運転条件に拘わらず、冷凍サイクルのバランスを保ちつつ効率の向上を図る。【解決手段】冷凍サイクル装置１は、圧縮機２と、放熱器３と、膨張機４と、蒸発器５と、が順次接続された冷媒回路１０を備えている。冷媒回路１０の放熱器３と膨張機４との間には、バイパス流路１１が並列接続されている。冷媒回路１０のバイパス流路１１と並列接続された部分には、開閉弁１２が設けられている。また、冷凍サイクル装置１の放熱器３の下流側には、高温側流路１３を流れる冷媒と低温側流路１４を流れる冷媒とを熱交換させる内部熱交換器１５が設けられている。冷凍サイクル装置１は流量制御装置２０を備えており、流量制御装置２０は、圧力センサ３１の検出値に基づき、圧縮機２から吐出された冷媒の圧力が所定の範囲内となるように開閉弁１２を開閉制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機により圧縮された冷媒を放熱させる放熱器と、冷媒を膨張させる膨張機と、前記膨張機で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器と、が順次接続され、前記圧縮機の回転数と前記膨張機の回転数との比が一定である冷媒回路と、
前記放熱器から流出した冷媒が流入する高温側流路と、前記膨張機から吐出された冷媒が流入する低温側流路とを有し、前記高温側流路内の冷媒と前記低温側流路内の冷媒とを熱交換させる内部熱交換器と、
前記内部熱交換器による熱交換量を制御する制御装置と、を備えた冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記制御装置は、
前記内部熱交換器の前記高温側流路に並列接続されたバイパス流路と、
前記冷媒回路の前記バイパス流路が並列接続された部分に設けられた開閉弁と、
前記開閉弁を開閉制御する流量制御装置と、
を有している、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項３】
前記制御装置は、
前記内部熱交換器の前記高温側流路に並列接続されたバイパス流路と、
前記バイパス流路に設けられた開閉弁と、
前記開閉弁を開閉制御する流量制御装置と、
を有している、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項４】
前記制御装置は、
前記内部熱交換器の前記低温側流路に並列接続されたバイパス流路と、
前記冷媒回路の前記バイパス流路が並列接続された部分に設けられた開閉弁と、
前記開閉弁を開閉制御する流量制御装置と、
を有している、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項５】
前記制御装置は、
前記内部熱交換器の前記低温側流路に並列接続されたバイパス流路と、
前記バイパス流路に設けられた開閉弁と、
前記開閉弁を開閉制御する流量制御装置と、
を有している、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項６】
前記制御装置は、
前記内部熱交換器の前記高温側流路に並列接続された高圧側バイパス流路と、
前記内部熱交換器の前記低温側流路に並列接続された低圧側バイパス流路と、
前記冷媒回路の前記高圧側バイパス流路が並列接続された部分に設けられた高圧側開閉弁と、
前記冷媒回路の前記低圧側バイパス流路が並列接続された部分に設けられた低圧側開閉弁と、
前記高圧側開閉弁および前記低圧側開閉弁のいずれか一方または両方を開閉制御する流量制御装置と、
を有している、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項７】
前記制御装置は、
前記内部熱交換器の前記高温側流路に並列接続された高圧側バイパス流路と、
前記内部熱交換器の前記低温側流路に並列接続された低圧側バイパス流路と、
前記高圧側バイパス流路に設けられた高圧側開閉弁と、
前記低圧側バイパス流路に設けられた低圧側開閉弁と、
前記高圧側開閉弁および前記低圧側開閉弁のいずれか一方または両方を開閉制御する流量制御装置と、
を有している、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項８】
前記圧縮機から吐出された冷媒の圧力を検出する圧力センサを備え、
前記流量制御装置は、前記圧力センサの検出値に基づき、前記圧力センサの検出値が所定の値となるように、前記開閉弁の開度を変更する、請求項２〜５のいずれか１つに記載の冷凍サイクル装置。
【請求項９】
前記膨張機に吸入される冷媒の圧力を検出する圧力センサを備え、
前記流量制御装置は、前記圧力センサの検出値に基づき、前記圧力センサの検出値が所定の値となるように、前記開閉弁の開度を変更する、請求項２〜５のいずれか１つに記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１０】
前記圧縮機に吸入される冷媒の圧力を検出する圧力センサを備え、
前記流量制御装置は、前記圧力センサの検出値に基づき、前記圧力センサの検出値が所定の値となるように、前記開閉弁の開度を変更する、請求項２〜５のいずれか１つに記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１１】
前記膨張機から吐出された冷媒の圧力を検出する圧力センサを備え、
前記流量制御装置は、前記圧力センサの検出値に基づき、前記圧力センサの検出値が所定の値となるように、前記開閉弁の開度を変更する、請求項２〜５のいずれか１つに記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１２】
前記圧縮機から吐出された冷媒の温度を検出する温度センサを備え、
前記流量制御装置は、前記温度センサの検出値に基づき、前記温度センサの検出値が所定の値となるように、前記開閉弁の開度を変更する、請求項２〜５のいずれか１つに記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１３】
前記膨張機に吸入される冷媒の温度を検出する温度センサを備え、
前記流量制御装置は、前記温度センサの検出値に基づき、前記温度センサの検出値が所定の値となるように、前記開閉弁の開度を変更する、請求項２〜５のいずれか１つに記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１４】
前記膨張機から吐出された冷媒の温度を検出する温度センサを備え、
前記流量制御装置は、前記温度センサの検出値に基づき、前記温度センサの検出値が所定の値となるように、前記開閉弁の開度を変更する、請求項２〜５のいずれか１つに記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１５】
冷媒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放熱させる放熱器と、冷媒を膨張させる膨張機と、前記膨張機で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器と、が順次接続され、前記圧縮機の回転数と前記膨張機の回転数との比が一定である冷媒回路と、
前記放熱器から流出した冷媒が流入する高温側流路と、前記膨張機から吐出された冷媒が流入する低温側流路とを有し、前記高温側流路内の冷媒と前記低温側流路内の冷媒とを熱交換させる内部熱交換器と、
前記内部熱交換器の前記高温側流路に並列接続された第１のバイパス流路と、
前記冷媒回路における前記放熱器に並列接続された第２のバイパス流路と、
前記冷媒回路の前記第１のバイパス流路が並列接続された部分に設けられた第１の開閉弁と、
前記第２のバイパス流路に設けられた第２の開閉弁と、
前記第１の開閉弁と前記第２の開閉弁とを開閉制御する流量制御装置と、
を備える冷凍サイクル装置。
【請求項１６】
冷媒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放熱させる放熱器と、冷媒を膨張させる膨張機と、前記膨張機で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器と、が順次接続され、前記圧縮機の回転数と前記膨張機の回転数との比が一定である冷媒回路と、
前記放熱器から流出した冷媒が流入する高温側流路と、前記膨張機から吐出された冷媒が流入する低温側流路とを有し、前記高温側流路内の冷媒と前記低温側流路内の冷媒とを熱交換させる内部熱交換器と、
前記内部熱交換器の前記低温側流路に並列接続された第１のバイパス流路と、
前記冷媒回路における前記放熱器に並列接続された第２のバイパス流路と、
前記冷媒回路の前記第１のバイパス流路が並列接続された部分に設けられた第１の開閉弁と、
前記第２のバイパス流路に設けられた第２の開閉弁と、
前記第１の開閉弁と前記第２の開閉弁とを開閉制御する流量制御装置と、
を備える冷凍サイクル装置。
【請求項１７】
前記圧縮機と前記膨張機とは同軸の回転軸により連結されている、請求項１〜１６のいずれか一つに記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１８】
前記冷媒は二酸化炭素である、請求項１〜１７のいずれか一つ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、冷凍サイクル装置、特に、圧縮機と膨張機との回転数比が一定となる冷凍サイクル装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
オゾン層破壊および地球温暖化防止の観点から、自然環境に適した炭酸ガス冷媒（ＣＯ２）を用いた冷凍サイクル装置が、近年、注目されている。ＣＯ２冷媒は、臨界温度が略３１℃と低い。そのため、従来の冷媒に比べて、冷凍サイクル装置のＣＯＰが低下する。そこで、ＣＯ２冷媒を用いた冷凍サイクル装置では、ＣＯＰを向上させる手段が重要となる。
【０００３】
そこで、以前より、圧縮機と膨張機との回転数比が常に一定となる冷凍サイクル装置、例えば、圧縮機と膨張機とが回転軸により機械的に連結された膨張機一体型圧縮機を備えた冷凍サイクル装置が用いられている。当該膨張機一体型圧縮機では、膨張機において発生する膨張エネルギーが回収され、圧縮機における冷媒の圧縮に利用される。これにより、圧縮機を回転駆動する電動機等の動力が低減されるため、ＣＯＰを向上させることができる。
【０００４】
上記膨張機一体型圧縮機を備えた冷凍サイクル装置では、回転軸の回転数をＮ、圧縮機のシリンダ容積をＶｃ、膨張機のシリンダ容積をＶｅとすると、圧縮機の体積循環量は（Ｖｃ×Ｎ）、膨張機の体積循環量は（Ｖｅ×Ｎ）となる。また、圧縮機および膨張機のそれぞれを流れる冷媒の質量循環量Ｇは等しい。そのため、圧縮機に吸入される冷媒（圧縮機吸入冷媒）の密度Ｄｃは（Ｇ／（Ｖｃ×Ｎ））となり、膨張機に吸入される冷媒（膨張機吸入冷媒）の密度Ｄｅは、（Ｇ／（Ｖｅ×Ｎ））となる。また、これらの密度比（Ｄｅ／Ｄｃ）は、（Ｇ／（Ｖｅ×Ｎ））／（Ｇ／（Ｖｃ×Ｎ））＝Ｖｃ／Ｖｅとなる。Ｖｃ／Ｖｅ（設計容積比）は機器の設計時に定まる定数である。以上より、当該冷凍サイクル装置は、圧縮機吸入冷媒と膨張機吸入冷媒との密度比Ｄｅ／Ｄｃが常に一定の値（Ｖｃ／Ｖｅ）となるように運転される（以下、このことを、「密度比一定の拘束」と呼ぶ。）。
【０００５】
しかし、冷凍サイクル装置の運転条件は必ずしも一定ではない。そのため、所定の密度比で最適となるように設計された冷凍サイクル装置では、運転条件が設計時に想定したものから変化した場合、例えば、放熱器において十分に冷媒の熱を放熱できない場合、密度比一定の拘束から高圧側圧力（圧縮機から吐出され、膨張機に吸入されるまでの冷媒の圧力）を上昇させることによりサイクルはバランスしようとする。そのため、圧縮機吐出冷媒の圧力と温度とが上昇し、冷凍サイクルの効率が低下する。これにより、冷凍サイクルのバランスが崩れ、最適なＣＯＰを維持することが困難となる。最適なＣＯＰを維持するためには、運転条件に応じて、運転条件に最適な動作状態（冷媒圧力、温度）とすることが必要となる。
【０００６】
そこで、このような場合に、膨張機に吸入される冷媒を圧縮機に吸入される冷媒と熱交換させて冷却する冷凍サイクル装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。当該冷凍サイクル装置では、放熱器において十分に冷媒の熱を放熱できない場合、膨張機に吸入される冷媒を冷却することにより、膨張機に吸入される冷媒の密度を上げる。これにより、密度比一定の拘束を回避し、冷凍サイクルのバランスを図ることとしている。
【特許文献１】特開２００４−１０８６８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、圧縮機に吸入される冷媒は気液二相の冷媒ではなく、気体である。そのため、圧縮機に吸入される冷媒は、膨張機に吸入される高温の冷媒との熱交換に伴って温度が上昇してしまう。したがって、圧縮機に吸入される冷媒では、膨張機に吸入される冷媒を十分に冷却することができないという問題があった。
【０００８】
本発明は、かかる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、密度比一定の拘束を受ける冷凍サイクル装置において、運転条件に拘わらず、冷凍サイクルのバランスを保ちつつ効率の向上を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る冷凍サイクル装置は、冷媒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放熱させる放熱器と、冷媒を膨張させる膨張機と、前記膨張機で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器と、が順次接続され、前記圧縮機の回転数と前記膨張機の回転数との比が一定である冷媒回路と、前記放熱器から流出した冷媒が流入する高温側流路と、前記膨張機から吐出された冷媒が流入する低温側流路とを有し、前記高温側流路内の冷媒と前記低温側流路内の冷媒とを熱交換させる内部熱交換器と、前記内部熱交換器による熱交換量を制御する制御装置と、を備えたものである。
【００１０】
上記冷凍サイクル装置は、放熱器から流出した冷媒（膨張機に吸入される冷媒）と、膨張機から吐出された冷媒とを熱交換する内部熱交換器を備えている。そのため、運転条件が設計時に想定したものから変化した場合、例えば、放熱器において冷媒の熱を十分に放熱できない場合であっても、内部熱交換器において、膨張機に吸入される冷媒は膨張機から吐出された冷媒によって冷却される。これにより、膨張機に吸入される冷媒の密度が上がるため、膨張機に吸入される冷媒の冷却不足に起因する高圧側圧力の上昇を防止することができる。したがって、高圧側圧力の上昇による圧縮機の効率の低下を防止することができる。
【００１１】
また、上記冷凍サイクル装置では、膨張機から吐出された冷媒は気液二相状態にあるため、内部熱交換器において、温度一定での熱交換（潜熱変化による熱交換）が行われる。そのため、膨張機から吐出された冷媒は、圧縮機に吸入される冷媒（気体の冷媒）と異なり、膨張機に吸入される冷媒と高い温度差を保ったまま熱交換を行うことができる。したがって、上記冷凍サイクル装置によれば、膨張機に吸入される冷媒（膨張機吸入冷媒）を十分に冷却することができる。
【００１２】
さらに、上記冷凍サイクル装置は、内部熱交換器による熱交換量を制御する制御装置を備えている。そのため、熱交換量を運転状態に応じて適宜変更することが可能となる。したがって、上記冷凍サイクル装置によれば、運転条件に拘わらず冷凍サイクルのバランスをとることができる。
【００１３】
前記制御装置は、前記内部熱交換器の前記高温側流路に並列接続されたバイパス流路と、前記冷媒回路の前記バイパス流路が並列接続された部分に設けられた開閉弁と、前記開閉弁を開閉制御する流量制御装置と、を有していることが好ましい。
【００１４】
上記制御装置によれば、開閉弁を開閉することにより、内部熱交換器の高温側流路を流れる冷媒（放熱器から流出した冷媒）の流量を制御することができる。これにより、内部熱交換器による熱交換量を制御することができる。したがって、上記冷凍サイクル装置によれば、膨張機吸入冷媒と膨張機吐出冷媒との熱交換量を、簡単な流量制御により適宜変更することが可能となる。
【００１５】
前記制御装置は、前記内部熱交換器の前記高温側流路に並列接続されたバイパス流路と、前記バイパス流路に設けられた開閉弁と、前記開閉弁を開閉制御する流量制御装置と、を有していることが好ましい。
【００１６】
上記制御装置によれば、開閉弁を開閉してバイパス流路へ流れる冷媒の流量を制御することにより、内部熱交換器の高温側流路を流れる冷媒（放熱器から流出した冷媒）の流量を制御することができる。これにより、内部熱交換器による熱交換量を制御することができる。したがって、上記冷凍サイクル装置によれば、膨張機吸入冷媒と膨張機吐出冷媒との熱交換量を、簡単な流量制御により適宜変更することが可能となる。
【００１７】
前記制御装置は、前記内部熱交換器の前記低温側流路に並列接続されたバイパス流路と、前記冷媒回路の前記バイパス流路が並列接続された部分に設けられた開閉弁と、前記開閉弁を開閉制御する流量制御装置と、を有していることが好ましい。
【００１８】
上記制御装置によれば、開閉弁を開閉することにより、内部熱交換器の低温側流路を流れる冷媒（膨張機から吐出された冷媒）の流量を制御することができる。これにより、内部熱交換器による熱交換量を制御することができる。したがって、上記冷凍サイクル装置によれば、膨張機吸入冷媒と膨張機吐出冷媒との熱交換量を、簡単な流量制御により適宜変更することが可能となる。
【００１９】
前記制御装置は、前記内部熱交換器の前記低温側流路に並列接続されたバイパス流路と、前記バイパス流路に設けられた開閉弁と、前記開閉弁を開閉制御する流量制御装置と、を有していることが好ましい。
【００２０】
上記制御装置によれば、開閉弁を開閉してバイパス流路へ流れる冷媒の流量を制御することにより、内部熱交換器の低温側流路を流れる冷媒（膨張機から吐出された冷媒）の流量を制御することができる。これにより、内部熱交換器による熱交換量を制御することができる。したがって、上記冷凍サイクル装置によれば、膨張機吸入冷媒と膨張機吐出冷媒との熱交換量を、簡単な流量制御により適宜変更することが可能となる。
【００２１】
前記制御装置は、前記内部熱交換器の前記高温側流路に並列接続された高圧側バイパス流路と、前記内部熱交換器の前記低温側流路に並列接続された低圧側バイパス流路と、前記冷媒回路の前記高圧側バイパス流路が並列接続された部分に設けられた高圧側開閉弁と、前記冷媒回路の前記低圧側バイパス流路が並列接続された部分に設けられた低圧側開閉弁と、前記高圧側開閉弁および前記低圧側開閉弁のいずれか一方または両方を開閉制御する流量制御装置と、を有していることが好ましい。
【００２２】
上記制御装置によれば、高圧側開閉弁および低圧側開閉弁のいずれか一方または両方を開閉制御することにより、内部熱交換器の高温側流路または低温側流路を流れる冷媒の流量を制御することができる。これにより、内部熱交換器による熱交換量を制御することができる。したがって、上記冷凍サイクル装置によれば、膨張機吸入冷媒と膨張機吐出冷媒との熱交換量を、簡単な流量制御により適宜変更することが可能となる。
【００２３】
前記制御装置は、前記内部熱交換器の前記高温側流路に並列接続された高圧側バイパス流路と、前記内部熱交換器の前記低温側流路に並列接続された低圧側バイパス流路と、前記高圧側バイパス流路に設けられた高圧側開閉弁と、前記低圧側バイパス流路に設けられた低圧側開閉弁と、前記高圧側開閉弁および前記低圧側開閉弁のいずれか一方または両方を開閉制御する流量制御装置と、を有していることが好ましい。
【００２４】
上記流量制御装置によれば、高圧側開閉弁および低圧側開閉弁のいずれか一方または両方を開閉制御して高圧側バイパス流路または低圧側バイパス流路へ流れる冷媒の流量を制御することにより、内部熱交換器の高温側流路または低温側流路を流れる冷媒の流量を制御することができる。これにより、内部熱交換器による熱交換量を制御することができる。したがって、上記冷凍サイクル装置によれば、膨張機吸入冷媒と膨張機吐出冷媒との熱交換量を、簡単な流量制御により適宜変更することが可能となる。
【００２５】
前記冷凍サイクル装置は、前記圧縮機から吐出された冷媒の圧力を検出する圧力センサを備え、前記流量制御装置は、前記圧力センサの検出値に基づき、前記圧力センサの検出値が所定の値となるように、前記開閉弁の開度を変更することが好ましい。
【００２６】
上記冷凍サイクル装置の流量制御装置は、圧縮機吐出冷媒の圧力が所定の値となるように開閉弁の開度を変更する。これにより、内部熱交換器における熱交換量は圧縮機から吐出された冷媒の圧力に応じて適宜調整される。したがって、上記冷凍サイクル装置によれば、運転条件に拘わらず、高圧側圧力が自動的に好適に調節され、サイクルを安定化させることができる。
【００２７】
前記冷凍サイクル装置は、前記膨張機に吸入される冷媒の圧力を検出する圧力センサを備え、前記流量制御装置は、前記圧力センサの検出値に基づき、前記圧力センサの検出値が所定の値となるように、前記開閉弁の開度を変更することが好ましい。
【００２８】
上記冷凍サイクル装置の流量制御装置は、膨張機吸入冷媒の圧力が所定の値となるように開閉弁の開度を変更する。これにより、内部熱交換器における熱交換量は膨張機に吸入される冷媒の圧力に応じて適宜調整される。したがって、上記冷凍サイクル装置によれば、運転条件に拘わらず、高圧側圧力が自動的に好適に調節され、サイクルを安定化させることができる。
【００２９】
前記冷凍サイクル装置は、前記圧縮機に吸入される冷媒の圧力を検出する圧力センサを備え、前記流量制御装置は、前記圧力センサの検出値に基づき、前記圧力センサの検出値が所定の値となるように、前記開閉弁の開度を変更することが好ましい。
【００３０】
上記冷凍サイクル装置の流量制御装置は、圧縮機に吸入される冷媒の圧力が所定の値となるように開閉弁の開度を変更する。これにより、内部熱交換器における熱交換量は圧縮機に吸入される冷媒の圧力に応じて適宜調整される。したがって、上記冷凍サイクル装置によれば、低圧側圧力（膨張機から吐出され、圧縮機に吸入されるまでの冷媒の圧力）が自動的に好適に調節され、サイクルを安定化させることができる。
【００３１】
前記冷凍サイクル装置は、前記膨張機から吐出された冷媒の圧力を検出する圧力センサを備え、前記流量制御装置は、前記圧力センサの検出値に基づき、前記圧力センサの検出値が所定の値となるように、前記開閉弁の開度を変更することが好ましい。
【００３２】
上記冷凍サイクル装置の流量制御装置は、膨張機から吐出された冷媒の圧力が所定の値となるように開閉弁の開度を変更する。これにより、内部熱交換器における熱交換量は膨張機から吐出された冷媒の圧力に応じて適宜調整される。したがって、上記冷凍サイクル装置によれば、低圧側圧力が自動的に好適に調節され、サイクルを安定化させることができる。
【００３３】
前記冷凍サイクル装置は、前記圧縮機から吐出された冷媒の温度を検出する温度センサを備え、前記流量制御装置は、前記温度センサの検出値に基づき、前記温度センサの検出値が所定の値となるように、前記開閉弁の開度を変更することが好ましい。
【００３４】
上記冷凍サイクル装置の流量制御装置は、圧縮機から吐出された冷媒の温度が所定の値となるように開閉弁の開度を変更する。これにより、内部熱交換器における熱交換量は圧縮機から吐出された冷媒の温度に応じて適宜調整される。したがって、上記冷凍サイクル装置によれば、圧縮機から吐出された冷媒の温度が自動的に好適に調節されるため、サイクルを安定化させることができる。
【００３５】
前記冷凍サイクル装置は、前記膨張機に吸入される冷媒の温度を検出する温度センサを備え、前記流量制御装置は、前記温度センサの検出値に基づき、前記温度センサの検出値が所定の値となるように、前記開閉弁の開度を変更することが好ましい。
【００３６】
上記冷凍サイクル装置の流量制御装置は、膨張機に吸入される冷媒の温度が所定の値となるように開閉弁の開度を変更する。これにより、内部熱交換器における熱交換量は膨張機に吸入される冷媒の温度に応じて適宜調整される。したがって、上記冷凍サイクル装置によれば、膨張機に吸入される冷媒の温度が自動的に好適に調節されるため、サイクルを安定化させることができる。
【００３７】
前記冷凍サイクル装置は、前記膨張機から吐出された冷媒の温度を検出する温度センサを備え、前記流量制御装置は、前記温度センサの検出値に基づき、前記温度センサの検出値が所定の値となるように、前記開閉弁の開度を変更することが好ましい。
【００３８】
上記冷凍サイクル装置の流量制御装置は、膨張機から吐出された冷媒の温度が所定の値となるように開閉弁の開度を変更する。これにより、内部熱交換器における熱交換量は膨張機から吐出された冷媒の温度に応じて適宜調整される。したがって、上記冷凍サイクル装置によれば、膨張機から吐出された冷媒の温度が自動的に好適に調節されるため、サイクルを安定化させることができる。
【００３９】
本発明に係る冷凍サイクル装置は、冷媒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放熱させる放熱器と、冷媒を膨張させる膨張機と、前記膨張機で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器と、が順次接続され、前記圧縮機の回転数と前記膨張機の回転数との比が一定である冷媒回路と、前記放熱器から流出した冷媒が流入する高温側流路と、前記膨張機から吐出された冷媒が流入する低温側流路とを有し、前記高温側流路内の冷媒と前記低温側流路内の冷媒とを熱交換させる内部熱交換器と、前記内部熱交換器の前記高温側流路に並列接続された第１のバイパス流路と、前記冷媒回路における前記放熱器に並列接続された第２のバイパス流路と、前記冷媒回路の前記第１のバイパス流路が並列接続された部分に設けられた第１の開閉弁と、前記第２のバイパス流路に設けられた第２の開閉弁と、前記第１の開閉弁と前記第２の開閉弁とを開閉制御する流量制御装置と、を備えるものである。
【００４０】
上記冷凍サイクル装置は、放熱器から流出した冷媒（膨張機に吸入される冷媒）の一部と、膨張機から吐出された冷媒とを熱交換する内部熱交換器と、放熱器に並列接続された第２のバイパス流路とを備えている。そのため、運転条件が設計時に想定したものから変化した場合であっても、冷凍サイクルのバランスを図ることができる。例えば、放熱器において十分に冷媒の熱を放熱できない場合には、内部熱交換器において、膨張機に吸入される冷媒を膨張機から吐出された冷媒によって冷却する。これにより、膨張機に吸入される冷媒の密度を上げて、冷凍サイクルのバランスを図ることができる。一方、例えば、放熱器において過剰に放熱されてしまうため、冷凍サイクルのバランスが崩れるような状況下にある場合、放熱器に流入する冷媒の一部を第２のバイパス流路に流入させる。これにより、放熱量を制御し、膨張機に吸入される冷媒の密度を下げることにより、冷凍サイクルのバランスを図ることができる。
【００４１】
本発明に係る冷凍サイクル装置は、冷媒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放熱させる放熱器と、冷媒を膨張させる膨張機と、前記膨張機で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器と、が順次接続され、前記圧縮機の回転数と前記膨張機の回転数との比が一定である冷媒回路と、前記放熱器から流出した冷媒が流入する高温側流路と、前記膨張機から吐出された冷媒が流入する低温側流路とを有し、前記高温側流路内の冷媒と前記低温側流路内の冷媒とを熱交換させる内部熱交換器と、前記内部熱交換器の前記低温側流路に並列接続された第１のバイパス流路と、前記冷媒回路における前記放熱器に並列接続された第２のバイパス流路と、前記冷媒回路の前記第１のバイパス流路が並列接続された部分に設けられた第１の開閉弁と、前記第２のバイパス流路に設けられた第２の開閉弁と、前記第１の開閉弁と前記第２の開閉弁とを開閉制御する流量制御装置と、を備えるものである。
【００４２】
上記冷凍サイクル装置は、放熱器から流出した冷媒（膨張機に吸入される冷媒）と、膨張機から吐出された冷媒の一部とを熱交換する内部熱交換器と、放熱器に並列接続された第２のバイパス流路とを備えている。そのため、運転条件が設計時に想定したものから変化した場合（例えば、放熱器において十分に冷媒の熱を放熱できない場合や、放熱器において過剰に放熱されすぎる場合）であっても、冷凍サイクルのバランスを図ることができる。
【００４３】
前記圧縮機と前記膨張機とは同軸の回転軸により連結されていることが好ましい。
【００４４】
このことにより、圧縮機の回転軸と膨張機の回転軸とを動力伝達機構を介して連結する場合に比べて、圧縮機と膨張機とをコンパクトに配置することができる。なお、回転軸は一体物であってもよく、複数の部材を同軸状に結合させたものであってもよい。
【００４５】
前記冷媒は二酸化炭素であってもよい。
【００４６】
一般的に、冷凍サイクル装置の冷媒として二酸化炭素を用いた場合、ＣＯＰはフロン等を冷媒としたものに比べ低下する。そのため、例えば、膨張機一体型圧縮機等の動力回収型の膨張機を用いてＣＯＰを向上させることが必要となる。ところが、膨張機一体型圧縮機のような圧縮機と膨張機との回転数比が常に一定となる膨張機を用いた冷凍サイクル装置では、密度比一定の拘束をうけてしまう。そのため、当該冷凍サイクル装置では、サイクルのバランスが崩れやすく、そのままでは却ってＣＯＰが低下するおそれがある。しかし、本発明に係る冷凍サイクル装置によれば、上述のように冷凍サイクルのバランスをとりつつＣＯＰを向上させることができる。そのため、冷媒として二酸化炭素を用いた場合であっても上述のような問題を解決することができ、ＣＯＰを向上させることができる。
【発明の効果】
【００４７】
以上のように、本発明によれば、密度比一定の拘束を受ける冷凍サイクル装置において、運転条件に拘わらず、冷凍サイクルのバランスを保ちつつ効率の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本実施形態の冷凍サイクル装置は、冷凍装置、空気調和装置、給湯機等に使用可能であるが、以下では、給湯機に使用する場合について説明する。
【００４９】
（第１の実施形態）
−冷凍サイクル装置の構成−
図１に示すように、本実施形態に係る冷凍サイクル装置１は、圧縮機２と、放熱器３と、膨張機４と、蒸発器５と、が順次接続された冷媒回路１０を備えている。また、冷媒回路１０の放熱器３と膨張機４との間には、バイパス流路１１が並列接続されている。
【００５０】
冷凍サイクル装置１の圧縮機２と膨張機４とは同軸の回転軸６によって連結されている。回転軸６の圧縮機２と膨張機４との間には、電動機７が設けられており、圧縮機２と膨張機４と電動機７とは回転軸６によって一体となり、同期して動作する。また、圧縮機２と膨張機４と電動機７とは、同一のケーシング８ａ内に収納され、膨張機一体型圧縮機８として冷媒回路１０に組み込まれている。
【００５１】
放熱器３は、高温側流路３ａと低温側流路３ｂとを有する熱交換器である。放熱器３の高温側流路３ａは冷媒回路１０に接続されており、低温側流路３ｂは、図示しない給水タンク、給水ポンプ等と接続されている。また、低温側流路３ｂには、給水ポンプにより給水タンク内の水が供給される。放熱器３は、高温側流路３ａを流れる高温高圧の冷媒と低温側流路３ｂを流れる水とを熱交換させ、水を加熱すると共に、高温側流路３ａを流れる冷媒を冷却する。
【００５２】
また、冷凍サイクル装置１の放熱器３の下流側には、内部熱交換器１５が設けられている。内部熱交換器１５は、高温高圧の冷媒を流通させる高温側流路１３と、低温低圧の冷媒を流通させる低温側流路１４とを有しており、高温側流路１３を流れる冷媒と低温側流路１４を流れる冷媒とを熱交換させる。内部熱交換器１５の高温側流路１３は、冷媒回路１０の放熱器３と膨張機４との間に接続され、低温側流路１４は冷媒回路１０の膨張機４と蒸発器５との間に接続されている。なお、前述のバイパス流路１１は、内部熱交換器１５の高温側流路１３をバイパスするように設けられている。
【００５３】
冷媒回路１０のバイパス流路１１と並列接続された部分には、内部熱交換器１５の高温側流路１３へ流れる冷媒量を制御するための開閉弁１２が設けられている。
【００５４】
冷凍サイクル装置１は、開閉弁１２を開閉制御する流量制御装置２０を備えている。また、冷媒回路１０の圧縮機２と放熱器３との間には、圧縮機２から吐出された冷媒の圧力を検出する圧力センサ３１が設けられている。圧力センサ３１は流量制御装置２０に接続されている。流量制御装置２０は、圧力センサ３１の検出値に基づき、圧縮機２から吐出された冷媒の圧力が所定の範囲内となるように開閉弁１２を開閉制御する。なお、流量制御装置２０の具体的な制御方法については、後に詳述する。
【００５５】
この冷媒回路１０には、高圧部分（圧縮機２から放熱器３を経て膨張機４に至る部分）において超臨界状態（臨界温度、臨界圧力を超えた状態）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。
【００５６】
以上が、本実施形態に係る冷凍サイクル装置１の構成である。
【００５７】
−冷凍サイクル装置の動作−
次に、冷凍サイクル装置１の運転時の動作について説明する。なお、動作と共に冷媒の状態についても図２のモリエル線図を参照しつつ説明する。以下、圧縮機２のシリンダ容積をＶｃ、膨張機４のシリンダ容積をＶｅ、圧縮機２に吸入される冷媒の密度（圧縮機吸入冷媒）をＤｃ、膨張機４に吸入される冷媒の密度（膨張機吸入冷媒密度）をＤｅとして説明する。図２において、一点鎖線は飽和線Ｓを示し、飽和線Ｓより下方では冷媒は気液二相状態となる。また、右上がりの直線は等密度線Ｄ１（８５０ｋｇ／ｍ２），Ｄ２（７５０ｋｇ／ｍ２）を示し、左上がりの破線は等温度線ｔ１（３５℃），ｔ２（２０℃）を示している。
【００５８】
まず、実際の運転状態での密度比（Ｄｅ／Ｄｃ）が設計時に想定した設計容積比（Ｖｃ／Ｖｅ）と略同等である場合について説明する。このとき、開閉弁１２は流量制御装置２０によって全閉状態に制御される。
【００５９】
冷凍回路１０を流れる低圧のガス状態（点Ａ）の冷媒は、圧縮機２において圧縮されて高温高圧の超臨界状態（点Ｂ’）となる。その後、圧縮機２から吐出された高温高圧の冷媒は、放熱器３の高温側流路３ａに流入する。放熱器３において、高温側流路３ａに流入した冷媒は、低温側流路３ｂに供給される水と熱交換することにより冷却され、低温（ｔ２）の液体状態（点Ｅ）となる。一方、低温側流路３ｂに供給された水は、高温側流路３ａに流入した冷媒から吸熱し、加熱される。
【００６０】
高温側流路３ａにおいて冷却された冷媒は、開閉弁１２が全閉状態にあるため、内部熱交換器１５側には流れず、全てバイパス流路１１に流れ込む。その後、液体状態（点Ｅ）の冷媒は膨張機４に吸入されて減圧され、飽和液を経て気液二相状態（点Ｆ）となる。なお、膨張機４では、冷媒の圧力エネルギーが動力に変換され、その動力は回転軸６に伝達される。この回転軸６に伝達された動力により、電動機７の入力が低減される。
【００６１】
膨張機４から吐出された減圧後の気液二相状態（点Ｆ）の冷媒は、蒸発器５に流入する。そして、冷媒は、蒸発器５付近の空気によって加熱され、蒸発を伴いながらガス状態となる（点Ａ）。その後、冷媒は、再び圧縮機２に吸入され、同様のサイクルが繰り返される。
【００６２】
次に、実際の運転状態での密度比（Ｄｅ／Ｄｃ）が、設計時に想定した設計容積比（Ｖｃ／Ｖｅ）と異なる場合について説明する。
【００６３】
例えば、放熱器３において冷媒が十分に冷却されない場合、実際に膨張機４に吸入される冷媒の密度Ｄｅが小さくなる。つまり、密度比（Ｄｅ／Ｄｃ）が、設計時に想定した設計容積比（Ｖｃ／Ｖｅ）より小さくなる。このような場合、冷凍サイクル装置１のサイクルは設計範囲から外れ、冷凍サイクル装置１は正常に稼働できなくなる。例えば、放熱器３に供給される水の温度が３０℃以上であるため、冷媒が温度ｔ１（３５℃）までしか冷却されない場合、サイクルは破線の閉ループＡＢＣＤのようになる。
【００６４】
このような場合、開閉弁１２を全閉状態のままにしておくと、放熱器３において冷媒を温度ｔ１（３５℃）までしか冷却できず、膨張機４に吸入される冷媒の密度（Ｄｅ）が温度ｔ２（２０℃）まで冷却できる場合に比べて低下してしまう。しかし、圧縮機２と膨張機４とが同期して動作する膨張機一体型圧縮機８を用いた冷凍サイクル装置１では、密度比（Ｄｅ／Ｄｃ）は常に一定でなければならない（密度比一定の拘束）。そのため、冷凍サイクル装置１のサイクルは、高圧側圧力（圧縮機２から放熱器３を経て膨張機４に至る部分における圧力）を上昇させることにより密度比を一定に保ち、サイクルを安定化させようとする。これにより、圧縮機２の吐出冷媒は、設計時に想定された圧力（点Ｂ’）よりも高い圧力（点Ｂ）となる。
【００６５】
ところが、高圧側圧力が望ましい圧力（点Ｂ’）より上昇すると（点Ｂ）、圧縮機２の吐出温度と圧力とが上昇し、圧縮仕事量が増加することにより、電動機７への入力が増加してしまう。これにより、冷凍サイクル装置１の運転効率が低下する。また、許容範囲外の運転となり信頼性が低下する。
【００６６】
そこで、本発明に係る冷凍サイクル装置１では、このような場合、開閉弁１２を開き、冷媒をバイパス流路１１だけでなく、高温側流路１３側にも流入するようにする。具体的には、圧力センサ３１によって検出された圧縮機２の吐出冷媒の圧力Ｐ１が流量制御装置２０に入力される。すると、流量制御装置２０は、開閉弁１２を、圧力センサ３１の検出値Ｐ１に応じて所定量だけ開く。開閉弁１２が開かれると、膨張機４から吐出された冷媒は、バイパス流路１１のみでなく高温側流路１３側にも流入する。
【００６７】
冷媒回路１０のバイパス流路１１が並列接続された部分に流入した冷媒は（点Ｃ’）、やがて内部熱交換器１５の高温側流路１３に流入し、低温側流路１４を流れる温度ｔ３（５℃）の冷媒により温度ｔ２（２０℃）まで十分に冷却される（点Ｅ）。これにより、膨張機４に吸入される冷媒の密度は上昇し、密度比（Ｄｅ／Ｄｃ）が設計時に想定した設計容積比（Ｖｃ／Ｖｅ）に近づき、サイクルが安定化することとなる。そして、圧縮機２の吐出冷媒の圧力は上昇することなく、設計時に設定した望ましい圧力となる（点Ｂ’）。
【００６８】
その後、冷媒は、膨張機４に流入し、減圧されて液相（点Ｅ）から飽和液を経て、温度ｔ３（５℃）の気液二相状態へと圧力を降下させる（点Ｆ）。そして、冷媒は、内部熱交換器１５の低温側流路１４に流入し、高温側流路１３を流れる冷媒によって加熱されて温度が上昇する（点Ｄ’）。その後、冷媒は蒸発器５に流入し、蒸発器５において加熱され、気液二相状態（点Ｄ’）から蒸発を伴いながら気相（点Ａ）へと変化する。
【００６９】
なお、開閉弁１２の開度により、内部熱交換器１５の高温側流路１３を流れる冷媒の流量は変化する。そのため、開閉弁１２の開度を制御することにより、内部熱交換器１５において冷却される冷媒の流量も変化する。したがって、流量制御装置２０が、開閉弁１２の開度を変化させることにより熱交換量が変化することとなり、膨張機４に吸入される冷媒の温度を調節することができる。これにより、点Ｅの温度を、開閉弁１２の開度により、内部熱交換器１５の低温側流路１４の下流端付近（点Ｄ’）の温度ｔ３（５℃）から高温側流路１３の上流端付近（点Ｃ’）の温度ｔ１（３５℃）までの範囲で任意に設定することができる。また、内部熱交換器１５の低温側流路１４を流れる冷媒は、減圧された気液二相状態である。そのため、一定の低温ｔ３（５℃）に保たれ、高温側流路１３を流れる冷媒を十分に冷却することができる。
【００７０】
−開閉弁の制御−
次に、流量制御装置２０による開閉弁１２の制御方法について図３のフローチャートを参照しながら説明する。
【００７１】
まず、ステップＳ１において、圧縮機２の吐出冷媒の圧力Ｐ１の下限値（Ｐｍｉｎ）と上限値（Ｐｍａｘ）とが流量制御装置２０に入力される。上記値が入力されると、ステップＳ２に進み、圧力センサ３１によって圧縮機２の吐出冷媒の圧力Ｐ１が検出され、検出値が流量制御装置２０に入力される。
【００７２】
圧力Ｐ１が入力されると、ステップＳ３に進み、流量制御装置２０は、圧力Ｐ１が下限値（Ｐｍｉｎ）よりも大きい値であるか否かを判定する。圧力Ｐ１が下限値（Ｐｍｉｎ）以下の場合、ステップＳ４に進む。ステップＳ４では、開閉弁１２の開度を小さくし、内部熱交換器１５の高温側流路１３を流れる冷媒量を減少させる。つまり、内部熱交換器１５における熱交換量を減じる。なお、開閉弁１２の開度変更量はＰ１とＰｍｉｎとの差に応じて調節される。
【００７３】
一方、圧力Ｐ１が下限値（Ｐｍｉｎ）よりも大きい値である場合、ステップＳ５に進む。ステップＳ５では、圧力Ｐ１が上限値（Ｐｍａｘ）よりも小さいか否かを判定する。圧力Ｐ１が上限値（Ｐｍａｘ）以上の場合、ステップＳ６に進む。ステップＳ６では、開閉弁１２の開度を大きくし、内部熱交換器１５の高温側流路１３を流れる冷媒量を増加させる。つまり、内部熱交換器１５における熱交換量を増加させる。なお、開閉弁１２の開度変更量はＰ１とＰｍａｘとの差に応じて調節される。
【００７４】
一方、圧力Ｐ１が上限値（Ｐｍａｘ）よりも小さい場合、ステップＳ７に進む。ステップＳ７では、開閉弁１２の開度を変更することなく維持する。ただし、ここでは、開閉弁１２の開度を僅かに変動させることも、開閉弁１２の開度変更なしに含まれることとする。
【００７５】
ステップＳ４、ステップＳ６またはステップＳ７を経た後、ステップＳ２に戻る。そして、上述の各ステップを繰り返す。
【００７６】
以上より、本実施形態に係る冷凍サイクル装置１は、膨張機４に吸入される冷媒と膨張機４から吐出された冷媒とを熱交換させる内部熱交換器１５を備えている。そのため、運転条件が設計時に想定したものから変化した場合、例えば、放熱器３に供給される冷却水の温度が高く、冷媒が十分に冷却されないような場合であっても、内部熱交換器１５において膨張機４の吸入冷媒を好適な温度に冷却することができる。これにより、膨張機４の吸入冷媒の密度を上げることができるため、膨張機４の吸入冷媒の冷却不足に起因する高圧側圧力の上昇を防止することができる。したがって、高圧側圧力の上昇による圧縮機２の信頼性の低下を防止することができる。また、圧縮仕事量の増加による電動機７への入力の増加を防止することもでき、ＣＯＰの向上を図ることができる。
【００７７】
また、本冷凍サイクル装置１では、膨張機４に吸入される冷媒を膨張機４からの吐出冷媒により冷却する。膨張機４から吐出された冷媒は、膨張機４により減圧されて気液二相状態にあるため、温度一定での熱交換（潜熱変化による熱交換）が行われる。そのため、膨張機４から吐出された冷媒は、膨張機４に吸入される冷媒と高い温度差を保ったまま熱交換を行うことができる。したがって、上記冷凍サイクル装置１によれば、膨張機４の吸入冷媒を膨張機４の吐出冷媒により十分に冷却することができる。
【００７８】
さらに、本冷凍サイクル装置１は、内部熱交換器１５の高温側流路１３をバイパスするバイパス流路１１と、高温側流路１３を流れる冷媒の流量を調節するための開閉弁１２とを備えている。そのため、高温側流路１３への冷媒の流量を調節することにより、内部熱交換器１５での熱交換量を好適に調節することができる。したがって、本冷凍サイクル装置１によれば、運転条件等に応じて、内部熱交換器１５を用いて膨張機４への吸入冷媒の冷却を補うことができる。また、内部熱交換器１５における熱交換が不要な場合においては、開閉弁１２を閉じることにより、放熱器３によってのみ冷媒を冷却することが可能であり、このような変更を簡単な流量制御により行うことができる。これにより、本冷凍サイクル装置１によれば、運転条件に拘わらず冷凍サイクルのバランスを図ることができる。
【００７９】
また、本冷凍サイクル装置１は、内部熱交換器１５の高温側流路１３に流れる冷媒の流量を自動的に調節する流量制御装置２０と、圧縮機２の吐出冷媒の圧力を検出する圧力センサ３１とを備えている。上述したように、流量制御装置２０は、圧縮機２の吐出冷媒の圧力Ｐ１と予め設定されたＰ１の上限値Ｐｍａｘまたは下限値Ｐｍｉｎとの差に応じて、自動的に開閉弁１２の開度を調節する。これにより、圧縮機２から吐出された冷媒の圧力Ｐ１は所定の範囲内となるように制御される。したがって、本冷凍サイクル装置１によれば、運転条件が変化した場合であっても、内部熱交換器１５を流れる冷媒の流量が自動的に調節され、膨張機４に吸入される冷媒は、圧縮機２から吐出された冷媒の圧力Ｐ１に応じて必要な分だけ冷却される。そのため、本冷凍サイクル装置１では、運転条件に拘わらず、サイクルの高圧側圧力が好適に調節されるため、サイクルを安定化させることができる。
【００８０】
（変形例１）
変形例１に係る冷凍サイクル装置１は、図４（ａ）に示すように、圧力センサ３１の代わりに、内部熱交換器１５の高温側流路１３と膨張機４との間に、膨張機４の吸入冷媒の圧力Ｐ２を検出する圧力センサ３２を設けたものである。
【００８１】
変形例１の流量制御装置２０は、圧力センサ３２が検出した膨張機４の吸入冷媒の圧力Ｐ２に基づき、開閉弁１２の開度を変更する。また、流量制御装置２０は、上記第１の実施形態と同様に、膨張機４の吸入冷媒の圧力Ｐ２と予め設定されたＰ２の上限値Ｐｍａｘまたは下限値Ｐｍｉｎとの差に応じて、自動的に開閉弁１２の開度を調節する。これにより、膨張機４の吸入冷媒の圧力Ｐ２は所定の範囲内となるように制御される。
【００８２】
したがって、本冷凍サイクル装置１によっても、運転条件が変化した場合であっても、内部熱交換器１５を流れる冷媒の流量が自動的に調節され、膨張機４に吸入される冷媒は膨張機４の吸入冷媒の圧力Ｐ２に応じて必要な分だけ冷却される。そのため、本冷凍サイクル装置１においても、運転条件に拘わらず、サイクルの高圧側圧力が好適に調節されるため、運転の効率を向上させることができると共に、サイクルを安定化させることができる。
【００８３】
（変形例２）
変形例２に係る冷凍サイクル装置１は、図４（ｂ）に示すように、圧力センサ３１の代わりに、蒸発器５と圧縮機２との間に、圧縮機２の吸入冷媒の圧力Ｐ３を検出する圧力センサ３３を設けたものである。
【００８４】
変形例２の流量制御装置２０は、圧力センサ３３が検出した圧縮機２の吸入冷媒の圧力Ｐ３に基づき、開閉弁１２の開度を変更する。また、流量制御装置２０は、上記第１の実施形態と同様に、圧縮機２の吸入冷媒の圧力Ｐ３と予め設定されたＰ３の上限値Ｐｍａｘまたは下限値Ｐｍｉｎとの差に応じて、自動的に開閉弁１２の開度を調節する。これにより、圧縮機２の吸入冷媒の圧力Ｐ３は所定の範囲内となるように制御される。例えば、低圧側圧力が高い場合、開閉弁１２の開度が大きくなるように制御される。これにより、内部熱交換器１５における熱交換量が増加し、これに伴い圧縮機２の吸入冷媒の温度が上昇すると共に冷媒密度が小さくなる。そのため、圧縮機に吸入される冷媒量が減少し、低圧側圧力が低下する。したがって、本冷凍サイクル装置１によっても、運転条件に拘わらず、運転の効率を向上させることができると共に、サイクルを安定化させることができる。
【００８５】
（変形例３）
変形例３に係る冷凍サイクル装置１は、図４（ｃ）に示すように、変形例２の圧力センサ３３の代わりに、膨張機４と内部熱交換器１５の低温側流路１４との間に、膨張機４の吐出冷媒の圧力Ｐ４を検出する圧力センサ３４を設けたものである。
【００８６】
変形例３の流量制御装置２０は、圧力センサ３４が検出した膨張機４の吐出冷媒の圧力Ｐ４に基づき、開閉弁１２の開度を変更する。また、流量制御装置２０は、膨張機４の吐出冷媒の圧力Ｐ４と予め設定されたＰ４の上限値Ｐｍａｘまたは下限値Ｐｍｉｎとの差に応じて、自動的に開閉弁１２の開度を調節する。これにより、膨張機４の吐出冷媒の圧力Ｐ４は所定の範囲内となるように制御される。つまり、低圧側圧力が所定の範囲内となるように制御される。したがって、本冷凍サイクル装置１によっても、運転条件に拘わらず、運転の効率を向上させることができると共に、サイクルを安定化させることができる。
【００８７】
（変形例４）
変形例４に係る冷凍サイクル装置１は、図５（ａ）に示すように、第１の実施形態に係る冷凍サイクル装置１において用いられていた圧力センサ３１の代わりに、圧縮機２と放熱器３との間に、圧縮機２の吐出冷媒の温度Ｔ１を検出する温度センサ３５を設けたものである。このような場合、流量制御装置２０による開閉弁１２の開閉制御は、図６のフローチャートのようになる。以下、図６を参照しながら開閉弁１２の開閉制御について説明する。
【００８８】
まず、ステップＳ１１において、圧縮機２の吐出冷媒の温度Ｔ１の下限値（Ｔｍｉｎ）と上限値（Ｔｍａｘ）とが流量制御装置２０に入力される。上記値が入力されると、ステップＳ１２に進み、温度センサ３５によって圧縮機２の吐出冷媒の温度Ｔ１が検出され、検出値が流量制御装置２０に入力される。
【００８９】
温度Ｔ１が入力されると、ステップＳ１３に進み、流量制御装置２０は、温度Ｔ１が下限値（Ｔｍｉｎ）よりも大きい値であるか否かを判定する。温度Ｔ１が下限値（Ｔｍｉｎ）以下の場合、ステップＳ１４に進む。ステップＳ１４では、開閉弁１２の開度を小さくし、内部熱交換器１５の高温側流路１３を流れる冷媒量を減少させる。つまり、内部熱交換器１５における熱交換量を減少させる。なお、開閉弁１２の開度変更量はＴ１とＴｍｉｎとの差に応じて調節される。
【００９０】
一方、温度Ｔ１が下限値（Ｐｍｉｎ）よりも大きい値である場合、ステップＳ１５に進む。ステップＳ１５では、温度Ｔ１が上限値（Ｔｍａｘ）よりも小さいか否かを判定する。温度Ｔ１が上限値（Ｔｍａｘ）以上の場合、ステップＳ１６に進む。ステップＳ１６では、開閉弁１２の開度を大きくし、内部熱交換器１５の高温側流路１３を流れる冷媒量を増加させる。つまり、内部熱交換器１５における熱交換量を増加させる。なお、開閉弁１２の開度変更量はＴ１とＴｍａｘとの差に応じて調節される。
【００９１】
一方、温度Ｔ１が上限値（Ｔｍａｘ）よりも小さい場合、ステップＳ１７に進む。ステップＳ１７では、開閉弁１２の開度を変更することなく維持する。ただし、ここでは、開閉弁１２の開度を僅かに変動させることも、開閉弁１２の開度変更なしに含まれることとする。
【００９２】
ステップＳ１４、ステップＳ１６またはステップＳ１７を経た後、ステップＳ１２に戻る。そして、上述の各ステップを繰り返す。
【００９３】
このようにして、変形例４の流量制御装置２０は、温度センサ３５が検出した圧縮機２の吐出冷媒の温度Ｔ１に基づき、開閉弁１２の開度を変更する。また、流量制御装置２０は、上記第１の実施形態と同様に、圧縮機２の吐出冷媒の温度Ｔ１と予め設定されたＴ１の上限値Ｔｍａｘまたは下限値Ｔｍｉｎとの差に応じて、自動的に開閉弁１２の開度を調節する。これにより、圧縮機２の吐出冷媒の温度Ｔ１は所定の範囲内となるように制御される。
【００９４】
ここで、圧縮機２から吐出された冷媒の温度を所定の範囲内となるように制御すると、当該冷媒の圧力も所定の範囲内に保持される。つまり、冷凍サイクル装置１において、圧縮機２の吐出冷媒の温度を制御することにより、圧縮機２の吐出冷媒の圧力を制御することができる。これにより、本冷凍サイクル装置１でも、運転条件が変化した場合に、自動的に内部熱交換器１５を流れる冷媒の流量が調節され、膨張機４に吸入される冷媒は圧縮機２の吐出冷媒の温度Ｔ１に応じて必要な分だけ冷却される。したがって、本冷凍サイクル装置１においても、運転条件に拘わらず、サイクルの高圧側圧力が好適に調節されるため、運転の効率を向上させることができると共に、サイクルを安定化させることができる。
【００９５】
（変形例５）
変形例５に係る冷凍サイクル装置１は、図５（ｂ）に示すように、変形例４における温度センサ３５の代わりに、内部熱交換器１５の高温側流路１３と膨張機４との間に、膨張機４の吸入冷媒の温度Ｔ２を検出する温度センサ３６を設けたものである。
【００９６】
変形例５の流量制御装置２０は、温度センサ３６が検出した膨張機４の吸入冷媒の温度Ｔ２に基づき、開閉弁１２の開度を変更する。また、流量制御装置２０は、膨張機４の吸入冷媒の温度Ｔ２と予め設定されたＴ２の上限値Ｔｍａｘまたは下限値Ｔｍｉｎとの差に応じて、自動的に開閉弁１２の開度を調節する。これにより、膨張機４の吸入冷媒の温度Ｔ２は所定の範囲内となるように制御される。つまり、高圧側の冷媒の温度が所定の範囲内となるように制御される。したがって、本冷凍サイクル装置１によっても、運転条件に拘わらず、運転の効率を向上させることができると共に、サイクルを安定化させることができる。
【００９７】
（変形例６）
変形例６に係る冷凍サイクル装置１は、図５（ｃ）に示すように、変形例４における温度センサ３５の代わりに、膨張機４と内部熱交換器１５の低温側流路１４との間に、膨張機４の吐出冷媒の温度Ｔ３を検出する温度センサ３７を設けたものである。
【００９８】
変形例６の流量制御装置２０は、温度センサ３７が検出した膨張機４の吐出冷媒の温度Ｔ３に基づき、開閉弁１２の開度を変更する。また、流量制御装置２０は、膨張機４の吐出冷媒の温度Ｔ３と予め設定されたＴ３の上限値Ｔｍａｘまたは下限値Ｔｍｉｎとの差に応じて、自動的に開閉弁１２の開度を調節する。これにより、膨張機４の吐出冷媒の温度Ｔ３は所定の範囲内となるように制御される。例えば、低圧側の冷媒の温度が高い場合、開閉弁１２の開度が小さくなるように制御され、内部熱交換器１５における熱交換量が減少する。これにより、膨張機４の吸入冷媒の温度は上昇し、密度は低下する。これに伴い、膨張機４が吐出する冷媒量は増加し、吐出冷媒の圧力は上昇する。このようにして、気液二相状態である膨張機４の吐出冷媒の温度は低下することとなる。したがって、本冷凍サイクル装置１によっても、運転条件に拘わらず、運転の効率を向上させることができると共に、サイクルを安定化させることができる。
【００９９】
（変形例７）
変形例７の冷凍サイクル装置１は、図７（ａ）に示すように、第１の実施形態において、冷媒回路１０のバイパス流路１１と並列接続された部分に設けられていた開閉弁１２をバイパス流路１１の中途部に設けたものである。開閉弁１２は、第１の実施形態と同様に内部熱交換器１５の高温側流路１３へ流れる冷媒量を制御するためのものであり、流量制御装置２０によって開閉制御される。その他の構成は第１の実施形態に係る冷凍サイクル装置１と同様であるので説明を省略する。
【０１００】
なお、流量制御装置２０による開閉弁１２の開閉制御については第１の実施形態のものと逆となる。図８のフローチャートに示すように、ステップＳ１〜Ｓ３、Ｓ５、Ｓ７については第１の実施形態のものと同様である。以下、第１の実施形態のフローチャート（図３参照）と異なるステップＳ２４、Ｓ２６についてのみ説明する。
【０１０１】
ステップＳ３において、圧力Ｐ１が吐出冷媒の圧力の下限値（Ｐｍｉｎ）以下の場合、ステップＳ２４に進む。ステップＳ２４では、開閉弁１２の開度を大きくし、バイパス流路１１に流れる冷媒量を増加させる。つまり、内部熱交換器１５の高温側流路１３を流れる冷媒量を減少させることにより、内部熱交換器１５における熱交換量を減じる。なお、開閉弁１２の開度変更量はＰ１とＰｍｉｎとの差に応じて調節される。
【０１０２】
一方、圧力Ｐ１が下限値（Ｐｍｉｎ）よりも大きい値である場合、ステップＳ５に進む。ステップＳ５では、圧力Ｐ１が上限値（Ｐｍａｘ）よりも小さいか否かを判定する。圧力Ｐ１が上限値（Ｐｍａｘ）以上の場合、ステップＳ２６に進む。ステップＳ２６では、開閉弁１２の開度を小さくし、バイパス流路１１に流れる冷媒量を減少させる。つまり、内部熱交換器１５の高温側流路１３を流れる冷媒量を増加させることにより、内部熱交換器１５における熱交換量を増加させる。なお、開閉弁１２の開度変更量はＰ１とＰｍａｘとの差に応じて調節される。
【０１０３】
一方、圧力Ｐ１が上限値（Ｐｍａｘ）よりも小さい場合、ステップＳ７に進む。ステップＳ７では、開閉弁１２の開度を変更することなく維持する。ただし、ここでは、開閉弁１２の開度を僅かに変動させることも、開閉弁１２の開度変更なしに含まれることとする。
【０１０４】
ステップＳ７、ステップＳ２６またはステップＳ２４を経た後、ステップＳ２に戻る。そして、上述の各ステップを繰り返す。
【０１０５】
以上より、開閉弁１２をバイパス流路１１の中途部に設けた場合であっても、内部熱交換器１５において、第１の実施形態と同様の熱交換量制御を行うことができ、同様の効果を奏することができる。
【０１０６】
（変形例８）
変形例８の冷凍サイクル装置１は、図７（ｂ）に示すように、第１の実施形態において、冷媒回路１０のバイパス流路１１と並列接続された部分、かつ、内部熱交換器１５の高温側流路１３の上流側に設けられていた開閉弁１２を、内部熱交換器１５の高温側流路１３の下流側に設けたものである。開閉弁１２は、第１の実施形態と同様に内部熱交換器１５の高温側流路１３へ流れる冷媒量を制御するためのものであり、流量制御装置２０によって開閉制御される。その他の構成は第１の実施形態に係る冷凍サイクル装置１と同様であるので説明を省略する。このような形態によっても、第１の実施形態と同様の効果を奏することができる。
【０１０７】
（第２の実施形態）
第２の実施形態に係る冷凍サイクル装置１は、図９に示すように、第１の実施形態における内部熱交換器１５の高温側流路１３をバイパスするバイパス流路１１に代えて、内部熱交換器１５の低温側流路１４をバイパスするバイパス流路２１を設けたものである。
【０１０８】
バイパス流路２１は、冷媒回路１０の膨張機４と蒸発器５との間に内部熱交換器１５の低温側流路１４に対して並列に接続されている。また、冷媒回路１０のバイパス流路２１と並列接続された部分には、内部熱交換器１５の低温側流路１４へ流れる冷媒量を制御するための開閉弁２２が設けられている。なお、その他の構成は第１の実施形態と同様であるため説明を省略する。
【０１０９】
なお、本実施形態の流量制御装置２０は、開閉弁１２の代わりに開閉弁２２を開閉制御する。開閉制御の具体的な方法については、第１の実施形態の開閉弁１２の場合と同様であるため、説明を省略する。本実施形態では、開閉弁２２が開かれると、膨張機４から吐出された冷媒は、バイパス流路２１のみでなく内部熱交換器１５の低温側流路１４に流れる。これにより、内部熱交換器１５では、膨張機４の吸入冷媒と吐出冷媒との熱交換が行われ、膨張機４の吸入冷媒は吐出冷媒によって冷却されることとなる。
【０１１０】
以上より、本実施形態に係る冷凍サイクル装置１においても、第１の実施形態に係る冷凍サイクル装置１と同様に、膨張機４の吸入冷媒の冷却不足に起因する高圧側圧力の上昇を防止し、圧縮機２の信頼性の低下を防止することができる。また、その他の効果についても同様に奏することができる。
【０１１１】
（変形例１）
変形例１の冷凍サイクル装置１は、図１０（ａ）に示すように、第２の実施形態において、冷媒回路１０のバイパス流路２１と並列接続された部分に設けられていた開閉弁２２をバイパス流路２１の中途部に設けたものである。開閉弁２２は、第２の実施形態と同様に内部熱交換器１５の低温側流路１４へ流れる冷媒量を制御するためのものであり、流量制御装置２０によって開閉制御される。その他の構成は第２の実施形態に係る冷凍サイクル装置１と同様であり、流量制御装置２０による開閉弁１２の開閉制御については第１の実施形態の変形例７と同様である（図８参照）。このような形態であっても、内部熱交換器１５において、第２の実施形態と同様の熱交換量制御を行うことができ、同様の効果を奏することができる。
【０１１２】
（変形例２）
変形例２の冷凍サイクル装置１は、図１０（ｂ）に示すように、第２の実施形態において、冷媒回路１０のバイパス流路２１と並列接続された部分、かつ、内部熱交換器１５の低温側流路１４の上流側に設けられていた開閉弁２２を、内部熱交換器１５の低温側流路１４の下流側に設けたものである。開閉弁２２は、第２の実施形態と同様に内部熱交換器１５の低温側流路１４へ流れる冷媒量を制御するためのものであり、流量制御装置２０によって開閉制御される。その他の構成は第２の実施形態に係る冷凍サイクル装置１と同様であるので説明を省略する。このような形態によっても、第２の実施形態と同様の効果を奏することができる。
【０１１３】
（第３の実施形態）
第３の実施形態に係る冷凍サイクル装置１は、第１の実施形態におけるバイパス流路１１および開閉弁１２に加え、第２の実施形態におけるバイパス流路２１および開閉弁２２を設けたものである。
【０１１４】
図１１（ａ）に示すように、冷媒回路１０の放熱器３と膨張機４との間には、バイパス流路１１が並列接続され、冷媒回路１０の膨張機４と蒸発器５との間には、バイパス流路２１が並列接続されている。バイパス流路１１は内部熱交換器１５の高温側流路１３をバイパスするように設けられており、バイパス流路２１は内部熱交換器１５の低温側流路１４をバイパスするように設けられている。また、冷媒回路１０のバイパス流路１１と並列接続された部分には開閉弁１２が設けられており、冷媒回路１０のバイパス流路２１と並列接続された部分には開閉弁２２が設けられている。なお、その他の構成は第１の実施形態と同様であるため説明を省略する。
【０１１５】
以上より、本実施形態に係る冷凍サイクル装置１においても、第１の実施形態や第２の実施形態に係る冷凍サイクル装置１と同様に、膨張機４の吸入冷媒の冷却不足に起因する高圧側圧力の上昇を防止し、圧縮機２の信頼性の低下を防止することができる。また、その他の効果についても同様に奏することができる。
【０１１６】
なお、第３の実施形態では、開閉弁１２は冷媒回路１０のバイパス流路１１と並列接続された部分に設けられており、開閉弁２２は冷媒回路１０のバイパス流路２１と並列接続された部分に設けられていたが、図１１（ｂ）に示すように、開閉弁１２，２２をそれぞれバイパス流路１１，２１の中途部に設けることとしてもよい。このような形態であっても、内部熱交換器１５において、第３の実施形態と同様の熱交換量制御を行うことができ、同様の効果を奏することができる。
【０１１７】
（第４の実施形態）
図１２（ａ）に示すように、第４の実施形態に係る冷凍サイクル装置１は、第１の実施形態の冷凍サイクル装置１に放熱器３をバイパスするバイパス流路４１と、バイパス流路４１へ流れる冷媒量を制御するための開閉弁４２とを設けたものである。開閉弁４２は、バイパス流路４１の中途部に設けられている。本実施形態では、流量制御装置２０は、圧力センサ３１の検出値Ｐ１に応じて開閉弁１２を開閉制御すると共に、開閉弁４２を開閉制御する。
【０１１８】
具体的には、第１の実施形態と同様に、実際の運転状態での密度比（Ｄｅ／Ｄｃ）が設計時に想定した設計容積比（Ｖｃ／Ｖｅ）よりも小さい場合、例えば、放熱器３において冷媒が十分に冷却されない場合、流量制御装置２０により、開閉弁１２は開かれる。このとき、開閉弁４２は閉じられたままである。開閉弁１２が開くと、放熱器３から流出した冷媒は、バイパス流路１１だけでなく、冷媒回路１０側にも流入する。これにより、内部熱交換器１５の高温側流路１３に冷媒が流れ、膨張機４の吸入冷媒が冷却されることとなる。
【０１１９】
一方、実際の運転状態での密度比（Ｄｅ／Ｄｃ）が、設計時に想定した設計容積比（Ｖｃ／Ｖｅ）よりも大きい場合、例えば、放熱器３において冷媒を過剰に放熱しすぎてしまう場合、実際に膨張機４に吸入される冷媒の密度Ｄｅが大きくなる。これにより、密度比（Ｄｅ／Ｄｃ）が、設計時に想定した設計容積比（Ｖｃ／Ｖｅ）より大きくなる。このような場合、冷凍サイクル装置１のサイクルは設計範囲から外れ、冷凍サイクル装置１は正常に稼働できなくなる。
【０１２０】
このような場合、本実施形態にかかる流量制御装置２０は、開閉弁１２を閉じて開閉弁４２を開く。開閉弁４２が開くと、圧縮機２から吐出された冷媒の一部がバイパス流路４１に流入する。これにより、放熱器３に流入する冷媒量が減少するため、放熱器３における冷媒の放熱量が低減される。
【０１２１】
以上より、本実施形態に係る冷凍サイクル装置１では、第１の実施形態に係る冷凍サイクル装置１と同様に、膨張機４の吸入冷媒の冷却不足に起因する高圧側圧力の上昇を防止し、圧縮機２の信頼性の低下を防止することができる。また、逆に、膨張機４の吸入冷媒が過剰に冷却される場合であっても、開閉弁４２を開くことにより放熱器３における放熱量を低減することができるため、サイクルを正常な状態に維持することができる。したがって、本実施形態に係る冷凍サイクル装置１によれば、運転条件に拘わらず、より確実に冷凍サイクルの安定化を図ることができる。
【０１２２】
なお、図１２（ｂ）に示すように、第２の実施形態に係る冷凍サイクル装置１に放熱器３をバイパスするバイパス流路４１と、バイパス流路４１へ流れる冷媒量を制御するための開閉弁４２とを設けた冷凍サイクル装置１であっても、同様の効果を奏することができる。
【０１２３】
なお、前記各実施形態では、圧縮機２と膨張機４とは同一のケーシング８ａ内に収納されていたが、圧縮機２と膨張機４とはそれぞれのケーシングに収納され、別体に形成されていてもよい。また、圧縮機２と膨張機４とは同軸の回転軸６によって連結されていたが、圧縮機２の回転軸と膨張機４の回転軸とは別体でもよく、また、同軸でなくてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１２４】
以上説明したように、本発明は、冷凍サイクル装置、特に、圧縮機と膨張機との回転数比が一定となる冷凍サイクル装置（冷凍装置、空気調和装置、給湯機等）について有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１２５】
【図１】第１の実施形態に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路図
【図２】第１の実施形態に係る冷凍サイクル装置のモリエル線図
【図３】第１の実施形態に係る冷凍サイクル装置の制御方法を示すフローチャート
【図４】（ａ），（ｂ），（ｃ）は、第１の実施形態の変形例に係る冷媒回路図
【図５】（ａ），（ｂ），（ｃ）は、第１の実施形態の変形例に係る冷媒回路図
【図６】第１の実施形態の変形例に係る冷凍サイクル装置の制御方法を示すフローチャート
【図７】（ａ），（ｂ）は、第１の実施形態の変形例に係る冷媒回路図
【図８】第１の実施形態の変形例に係る冷凍サイクル装置の制御方法を示すフローチャート
【図９】第２の実施形態に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路図
【図１０】（ａ），（ｂ）は、第２の実施形態の変形例に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路図
【図１１】（ａ）は、第３の実施形態に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路図、（ｂ）は、第３の実施形態の変形例に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路図
【図１２】（ａ）は、第４の実施形態に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路図、（ｂ）は、第４の実施形態の変形例に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路図
【符号の説明】
【０１２６】
１    冷凍サイクル装置
２    圧縮機
３    放熱器
４    膨張機
５    蒸発器
６    回転軸
７    電動機
８    膨張機一体型圧縮機
１０  冷媒回路
１１  バイパス流路（バイパス流路、高圧側バイパス流路、第１のバイパス流路）
１２  開閉弁（開閉弁、高圧側開閉弁、第１の開閉弁）
１３  高温側流路
１４  低温側流路
１５  熱交換器
２０  流量制御装置
２１  バイパス流路（バイパス流路、低圧側バイパス流路、第１のバイパス流路）
２２  開閉弁（開閉弁、低圧側開閉弁、第１の開閉弁）
３１  圧力センサ
３２  圧力センサ
３３  圧力センサ
３４  圧力センサ
３５  温度センサ
３６  温度センサ
３７  温度センサ
４１  バイパス流路（第２のバイパス流路）
４２  開閉弁（第２の開閉弁）
【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】
2008106987.tif 000009
【図８】
2008106987.tif 000010
【図９】
2008106987.tif 000011
【図１０】
2008106987.tif 000012
【図１１】
2008106987.tif 000013
【図１２】
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