(57)【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冷却する放熱器と、
第１作動室と、第２作動室と、前記第１作動室に冷媒を吸入させる第１吸入孔と、前記第１作動室と前記第２作動室とを連通する連通孔と、前記第２作動室から冷媒を吐出させる吐出孔と、前記圧縮機に結合されたシャフトとを有し、前記放熱器を通過した冷媒を前記第１作動室、前記連通孔および前記第２作動室で構成された膨張室で膨張させる、２段ロータリ式の膨張機と、
前記膨張機の前記第１作動室に冷媒を吸入させる第２吸入孔が設けられたポート部材と、前記ポート部材に前記シャフトの周りの回転力を与えるアクチュエータとを有する容積可変機構と、
前記膨張機により膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記圧縮機および前記膨張機の回転数に応じて、前記容積可変機構の前記アクチュエータを制御して前記第１作動室に対する前記第２吸入孔の位置を変更し、前記膨張機において吸入過程が行われる時間の長さに対する膨張過程が行われる時間の長さの比を変化させる制御器と、
を備えた、ヒートポンプ装置。
【請求項２】
前記制御器は、前記圧縮機および前記膨張機の回転数が増加するにしたがい、前記容積可変機構の前記アクチュエータを制御して前記膨張機の吸入容積を減少させる、請求項１記載のヒートポンプ装置。
【請求項３】
前記制御器は、前記圧縮機および前記膨張機の回転数が減少するにしたがい、前記容積可変機構の前記アクチュエータを制御して前記膨張機の吸入容積を増加させる、請求項１または請求項２記載のヒートポンプ装置。
【請求項４】
前記制御器は、前記圧縮機および前記膨張機の回転数変更時には、前記回転数と前記吸入容積との積が一定となるように、前記容積可変機構の前記アクチュエータを制御して前記膨張機の吸入容積を変更する、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のヒートポンプ装置。
【請求項５】
前記制御器は、前記圧縮機および前記膨張機の回転起動時に、前記容積可変機構の前記アクチュエータを制御して前記膨張機の吸入容積を設定可能な最小の吸入容積に設定する、請求項１記載のヒートポンプ装置。
【請求項６】
前記制御器は、前記圧縮機および前記膨張機の回転停止前の所定期間に、前記容積可変機構の前記アクチュエータを制御して前記膨張機の吸入容積を設定可能な最大の吸入容積に設定する、請求項１記載のヒートポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプ装置に関し、特に、動力回収機能を有する膨張機一体型圧縮機を構成要素として備えたヒートポンプ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、空気調和機には、冷媒の循環により温冷環境を実現する、いわゆるヒートポンプ装置が用いられている。この種のヒートポンプ装置は、通常、圧縮機、放熱器、膨張弁および蒸発器を配管で接続したループを有する。このループに沿って冷媒が気液変換操作を受けながら循環し、冷媒の循環に伴って熱源から熱が汲み出される。冷媒の非フロン化に伴い、ヒートポンプ装置には、以前にも増して効率の向上が求められている。
【０００３】
そのようなヒートポンプ装置において、膨張弁に代えて動力回収が可能な膨張機を採用し、高効率化を実現する構成が提案されている。特許文献１および２は、ＣＯＰ（coefficient of performance）の向上のために、膨張機から回収した動力を圧縮機の補助動力として用いる動力回収機構を備えたヒートポンプ装置（冷凍サイクル装置）を開示する。そのヒートポンプ装置の概略を図１２に示す。
【０００４】
冷媒は、電動機１０５によって駆動される圧縮機１０１により圧縮される。圧縮された冷媒は、放熱器１０２で冷却され、その後、圧縮機１０１とシャフト１０４で連結された膨張機１０３を通過する際に、膨張機１０３内で膨張して圧縮機１０１の駆動を補助するトルクを発生させる。さらに、冷媒は、蒸発器１０６内で外部より吸熱して気化した後、再び圧縮機１０１へ戻る。圧力センサ１１０と温度センサ１１１は、放熱器１０２の出口側の冷媒の圧力および温度を検出する。演算器１０９は、圧力センサ１１０と温度センサ１１１からの情報を元に、冷凍サイクルの高圧側の最適圧力値を演算する。膨張比制御器１１２は、演算器１０９から演算結果（最適圧力値）を取得し、冷凍サイクルの高圧側の圧力が最適圧力値に近づくように、冷媒流路の開閉を制御する。
【０００５】
このような膨張機一体型の圧縮機を備えたヒートポンプ装置の場合、圧縮機１０１側と膨張機１０３側とで、冷媒の密度比一定の条件が成立する必要がある。図１２のヒートポンプ装置によれば、膨張比制御器１１２が冷媒流路を開閉することにより、膨張機１０３の吸入容積を変更すると同時に、密度比一定の条件を満たすことができる。
【０００６】
また、ヒートポンプ装置を使用した空気調和機において、圧縮機が停止したときに、空気調和機内の冷媒圧力差が均一になるのに時間がかかり、圧縮機にオイルが戻ってこず、圧縮機の再起動時に機械部に損失を生じさせるという問題がある。この問題を解決するために、圧縮機が停止状態となったら膨張弁の絞り量を広げる制御をする膨張弁制御器を備えた空気調和機が提案されている（特許文献３参照）。
【０００７】
また、多段圧縮式のロータリ式圧縮機をヒートポンプ装置に適用すると、圧縮機の吸入側と吐出側の圧力の均衡状態により動作が不安定になる場合がある。動作が不安定になることを防止するために、起動時に膨張弁の開度をいったん全閉にするという改善案が提案されている（特許文献４参照）。
【特許文献１】特開２０００−２４９４１１号公報
【特許文献２】特開２０００−２４１０３３号公報
【特許文献３】特開平４−１３０５１号公報
【特許文献４】特開２００３−２９４３２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記したように、膨張機一体型圧縮機を用いたヒートポンプ装置においては、サイクル効率（冷凍サイクルの効率）を向上させるため、さらには間接的に圧縮機と膨張機の冷媒の密度比一定の条件を成立させるために、膨張機の膨張比または吸入容積を変更する制御を行っている。具体的には、高圧側の圧力がサイクル効率を最大にする圧力値になるように膨張機の膨張比を制御している。
【０００９】
冷凍サイクルにおいて、循環する冷媒の流量（質量流量）は圧縮機と膨張機で同一となるので、圧縮機および膨張機を通過する冷媒の流量は、下記（式１）（式２）で表され、圧縮機流量＝膨張機流量なる関係が成り立つ。圧縮機および膨張機の吸入容積をいずれも変更せず、体積効率がほぼ同等であると考えると、回転数ωが変化しても冷媒の密度が不変であれば同様の関係が成り立つ。逆に言うと、冷凍サイクルの能力を変更したり、高圧側の圧力を制御する目的で冷媒の圧力や温度、つまり密度を変化させたりするためには、膨張機の吸入容積を変更する必要がある。
【００１０】
（式１）
圧縮機流量＝圧縮機吸入冷媒密度×圧縮機吸入容積×回転数ω×圧縮機体積効率      
【００１１】
（式２）
膨張機流量＝膨張機吸入冷媒密度×膨張機吸入容積×回転数ω×膨張機体積効率
【００１２】
従来の膨張機一体型圧縮機においては、例えば、高圧側の圧力をサイクル効率を最大にする圧力値にするために、圧力センサおよび温度センサを設け、その測定値が所望の値となるように膨張機の膨張比または吸入容積を制御していた。そのため、冷凍サイクルの能力を変更する、もしくは冷媒の圧力や温度を変化させるなどの目的で膨張機一体型圧縮機の回転数を変更した場合でも、圧力センサや温度センサの測定値が変動して初めて膨張機の膨張比または吸入容積を調整する構成となっていた。そのため、圧力センサや温度センサの検出遅れがボトルネックとなり、高圧側の圧力をサイクル効率を最大にする圧力値にする制御を迅速に行うことが困難であった。
【００１３】
また、従来の膨張弁に代えて、動力回収が可能な膨張機を膨張機一体型圧縮機として備えたヒートポンプ装置においては、その起動時には、圧縮機の回転数上昇と同時に膨張機の回転数も上昇していく。そのため、高圧側の圧力を急速に上昇させ、システムの立ち上げを迅速に行うことは困難であった。また、圧縮機の吸入側と吐出側の圧力が均衡して、圧縮機の動作が不安定になる可能性もある。さらに、停止時には、圧縮機の回転数低下と同時に膨張機の回転数も低下していく。そのため、圧縮機が停止したときに、装置内の冷媒圧力差が均一になるのに時間がかかり、圧縮機にオイルが戻ってこず、圧縮機の再起動時に機械部に損失を生じさせる可能性もある。
【００１４】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、膨張機一体型圧縮機の回転数変更時にも迅速に所望の運転状態を実現できるヒートポンプ装置、すなわち、応答性が高く、ロスの少ないヒートポンプ装置を提供することを目的とする。本発明は、さらに、起動時の安定性を高めるとともに、速やかな停止と安定した再起動を実現できるヒートポンプ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】
すなわち、本発明は、
冷媒を圧縮する圧縮機と、
圧縮機により圧縮された冷媒を冷却する放熱器と、
第１作動室と、第２作動室と、第１作動室に冷媒を吸入させる第１吸入孔と、第１作動室と第２作動室とを連通する連通孔と、第２作動室から冷媒を吐出させる吐出孔と、圧縮機に結合されたシャフトとを有し、放熱器を通過した冷媒を第１作動室、連通孔および第２作動室で構成された膨張室で膨張させる、２段ロータリ式の膨張機と、
膨張機の第１作動室に冷媒を吸入させる第２吸入孔が設けられたポート部材と、ポート部材にシャフトの周りの回転力を与えるアクチュエータとを有する容積可変機構と、
膨張機により膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器と、
圧縮機および膨張機の回転数に応じて、容積可変機構のアクチュエータを制御して第１作動室に対する第２吸入孔の位置を変更し、膨張機において吸入過程が行われる時間の長さに対する膨張過程が行われる時間の長さの比を変化させる制御器と、を備えた、ヒートポンプ装置を提供する。
【発明の効果】
【００１８】
上記本発明のヒートポンプ装置は、圧縮機と膨張機がシャフトで連結されて同期回転する、いわゆる膨張機一体型圧縮機を備えている。制御器は、圧縮機および膨張機の回転数に応じて、膨張機の吸入容積を変更する制御を行う。圧縮機および膨張機の回転数は、圧力や温度に比べて、きわめて迅速かつ正確に検出することが可能である、したがって、上記制御器を備える本発明のヒートポンプ装置によれば、回転数の変更時にも迅速に所望の運転状態にすること、すなわち、応答性の向上、エネルギーロスの低減を図ることができる。
【００１９】
また、圧縮機および膨張機の回転起動時に、膨張機の吸入容積を設定可能な最小の吸入容積に設定することにより、圧縮機の吸入側と吐出側の圧力差が急速に拡大して、圧縮機の動作が素早く安定する。すなわち、応答性の向上、エネルギーロスの低減を図ることができる。
【００２０】
また、圧縮機および膨張機の回転停止前の所定期間に、膨張機の吸入容積を設定可能な最大の吸入容積に設定することにより、冷媒が循環するループ内の圧力差を速やかに解消することができる。これにより、オイルがスムーズに循環して圧縮機や膨張機の機械部にいきわたり、安定かつ低損失にて装置を再起動できるようになる。
【００２１】
なお、上記ヒートポンプ装置における制御器は、圧縮機および膨張機の回転数に応じて膨張機の吸入容積を変更する制御と、圧縮機および膨張機の回転起動時に膨張機の吸入容積を設定可能な最小の吸入容積に設定する制御と、圧縮機および膨張機の回転停止前の所定期間に膨張機の吸入容積を設定可能な最大の吸入容積に設定する制御とから選ばれる２以上の制御を行うものであってもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
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。
図１は、本実施形態に係るヒートポンプ装置の構成図である。図１に示すように、ヒートポンプ装置２００は、圧縮機２０１、放熱器２０２、膨張機２０３および蒸発器２０４がこの順に冷媒配管で接続されてなる冷媒回路２１２を備えている。この冷媒回路２１２には、高圧側（圧縮機２０１から放熱器２０２を経て膨張機２０３に至る区間）において超臨界状態となる冷媒（作動流体）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）が充填されており、定格運転時には、高圧側は約１０ＭＰａ超、低圧側は約３〜５ＭＰａの圧力となる。ただし、冷媒の種類は特に限定されるものではなく、運転時に超臨界状態とならない冷媒であってもよい。
【００２３】
圧縮機２０１および膨張機２０３は、同一容器内に配置されるとともに、互いのシャフト２１３が結合された、いわゆる膨張機一体型圧縮機２１１を構成している。膨張機２０３において冷媒の膨張力によって得られるトルクは、シャフト２１３を介して圧縮機２０１の圧縮力を補助する。これにより、ヒートポンプ装置２００のエネルギー効率を向上させることができる。膨張機２０３は、容積可変機構２０７を備え、その吸入容積を任意に変更可能な構成となっている。すなわち、ヒートポンプ装置２００は、膨張機２０３の吸入容積を変更する制御を行う制御器２０８をさらに備えている。吸入容積を変更する制御は、圧縮機２０１および膨張機２０３の回転数に応じて実施する。そうすれば、圧縮機２０１および膨張機２０３の回転数が変更された場合であっても、迅速に高効率な運転状態が形成される。
【００２４】
また、膨張機一体型圧縮機２１１は、圧縮機２０１および膨張機２０３とシャフト２１３で接続された電動機２０５を備えている。電動機２０５には、直流を所定の周波数の交流に変換するとともに電動機２０５の回転数を所定の値に制御するインバータ装置２０６が接続されている。インバータ装置２０６により、当該ヒートポンプ装置２００の能力に応じて、膨張機一体型圧縮機２１１の回転数が変化する。
【００２５】
図２に示すのは、図１に示す膨張機一体型圧縮機の縦断面図である。
膨張機一体型圧縮機２１１は、密閉容器６０１と、その内部の上側に配置されたスクロール式の圧縮機２０１と、その下側に配置された２段ロータリー式の膨張機２０３と、圧縮機２０１と膨張機２０３との間に配置された電動機２０５と、それら圧縮機２０１、膨張機２０３および電動機２０５に共用のシャフト２１３とを備えている。電動機２０５がシャフト２１３を回転駆動することにより、圧縮機２０１が作動する。この膨張機一体型圧縮機２１１においては、冷媒が膨張機２０３で膨張する際にシャフト２１３に与えるトルクを、圧縮機２０１の補助動力として利用するようになっている。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２０１に直接伝達するので、高いエネルギー回収効率を見込める。
【００２６】
スクロール式の圧縮機２０１は、固定スクロール６０７、旋回スクロール６０８、オルダムリング６０９、軸受部材６１０、マフラー６１１、吸入管６１２および吐出管６１３を備えている。シャフト２１３の偏心軸６０６ａに嵌合され、かつ、オルダムリング６０９により自転運動を拘束された旋回スクロール６０８は、渦巻き形状のラップ６０８ａが、固定スクロール６０７のラップ６０７ａと噛み合いながら、シャフト２１３の回転に伴って旋回運動を行い、ラップ６０７ａ，６０８ａの間に形成される三日月形状の作動室６１４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６１２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６０７の中央部に設けた吐出孔６１６、マフラー６１１の内側空間６１１ａ、ならびに固定スクロール６０７および軸受部材６１０を貫通する流路６１５をこの順に経由して、密閉容器６０１の内部空間６０１ａへと吐出される。内側空間６０１ａに吐出された冷媒は、内部空間６０１ａに滞留する間に、混入した潤滑用のオイルを重力や遠心力などにより分離された後、吐出管６１３から冷凍サイクルへと吐出される。
【００２７】
ロータリ式の膨張機２０３は、冷媒を上下２段のシリンダ構成にて膨張させるものである。すなわち、膨張機２０３は、第１シリンダ４１０と、第１シリンダ４１０の下方に配置された第２シリンダ４１１とを備えている。これら第１シリンダ４１０および第２シリンダ４１１は同心状の配置となっており、共通のシャフト２１３が各シリンダ４１０，４１１の内外を貫通している。第１シリンダ４１０の上端は、ポート部材４１２ｂおよび第１閉塞部材４１３によって覆われている。ポート部材４１２ｂは、図１に示す容積可変機構２０７の一部を構成する部品である。第１シリンダ４１０の下端と第２シリンダ４１１の上端は、第２閉塞部材４１４によって覆われている。言い換えると、第１シリンダ４１０と第２シリンダ４１１との間には、第２閉塞部材４１４が挟み込まれている。第２シリンダ４１１の下端は、下側端板４１５によって覆われている。
【００２８】
発電機２０５は、密閉容器６０１の側壁に固定された固定子４０２ｂと、固定子４０２ｂの内側に配置された回転子４０２ａとを備えている。回転子４０２ａの中心部には、シャフト２１３が固定されている。シャフト２１３は、回転子４０２ａから下方に向かって延び、膨張機２０３に共用されている。密閉容器６０１の底部には、潤滑油を貯留する油溜まり４０５が形成されている。シャフト２１３の下端部は、この油溜まり４０５内に配置されている。シャフト２１３の下端部には図示しない油ポンプが形成され、シャフト２１３の内部または外周部には、図示しない給油通路が形成されている。シャフト２１３が回転すると、油溜まり４０５の潤滑油は上記油ポンプによって汲み上げられ、上記給油通路を通じて膨張機２０３の各摺動部に供給される。
【００２９】
シャフト２１３には、第１シリンダ４１０を貫通する位置に第１偏心部４０４ａが形成されており、第２シリンダ４１１を貫通する位置に第２偏心部４０４ｂが形成されている。第１偏心部４０４ａおよび第２偏心部４０４ｂは、中心軸線Ｏから半径方向外向きに膨出して、主軸部４０４ｃよりも径大になっている部分であり、主軸部４０４ｃとその中心軸線Ｏに対して偏心している。第１偏心部４０４ａには、第１シリンダ４１０との間に第１作動室４１８を形成するとともに、第１偏心部４０４ａから回転力を受けることにより、第１作動室４１８の容積を変化させながら第１シリンダ４１０の内部を回転するリング状の第１ピストン４１６が嵌め合わされている。同様に、第２偏心部４０４ｂには、第２シリンダ４１１との間に第２作動室４１９を形成するとともに、第２偏心部４０４ｂから回転力を受けることにより、第２作動室４１９の容積を変化させながら第２シリンダ４１１の内部を回転するリング状の第２ピストン４１７が嵌め合わされている。中心軸線Ｏは第１シリンダ４１０および第２シリンダ４１１の中心軸線でもある。ピストン４１６，４１７は、偏心部４０４ａ，４０４ｂとシリンダ４１０，４１１とのいずれに対しても摺動可能であるとともに、中心軸線Ｏに対して偏心した状態を保ちながらシリンダ４１０，４１１内を回転（偏心回転）する。このような構成によれば、ピストン４１６，４１７とシリンダ４１０，４１１との摩擦を小さくすることができる。
【００３０】
また、膨張機２０３の第１シリンダ４１０には、第１ピストン４１６の外周面に当接して第１作動室４１８を高圧側空間（吸入側空間）と低圧側空間（吐出側空間）とに仕切る第１ベーン４２０と、当該第１ベーン４２０を第１ピストン４１６に向かって付勢する第１ばね４２２とが設けられている。同様に、第２シリンダ４１１には、第２ピストン４１７の外周面に当接して第２作動室４１９を高圧側空間（吸入側空間）と低圧側空間（吐出側空間）とに仕切る第２ベーン４２１と、当該第２ベーン４２１を第２ピストン４１７に向かって付勢する第２ばね４２３とが設けられている。
【００３１】
また、第１シリンダ４１０には、第１作動室４１８の吸入側空間に冷媒を吸入させる第１吸入孔４３８が形成されている。第１シリンダ４１０の下端を閉塞する第２閉塞部材４１４には、第１作動室４１８の吐出側空間から冷媒を吐出させる吐出孔４１４ａが形成されている。第１吸入孔４３８と吐出孔４１４ａとは、周方向に所定角度離れている。吐出孔４１４ａは、第２シリンダ４１１が形成する作動室４１９の吸入側空間に連通する連通孔４１４ａでもある。第１シリンダ４１０の吐出孔４１４ａから吐出された冷媒は、そのまま第２シリンダ４１１に吸入される。つまり、第１シリンダ４１０の作動室４１８の吐出側空間と、第２シリンダ４１１の作動室４１９の吸入側空間は、第２閉塞部材４１４に形成された連通孔４１４ａにより連通しており、一つの作動室として機能する。
【００３２】
膨張機２０３には、さらに、シャフト２１３を支える軸受を備えた上側端板４２４および下側端板４１５と、マフラー４２５とが設けられている。シリンダ４３２，４１０，４１１および閉塞部材４１３，４１４には、膨張後の冷媒を吐出する吐出通路４２７が形成されている。高圧の冷媒は、吸入管４２８から吸入通路４３７を通り、第１シリンダ４１０に設けた第１吸入孔４３８から作動室４１８に流入した後、第１シリンダ４１０の作動室４１８と、第２シリンダ４１１の作動室４１９との体積変化を伴う形で膨張してシャフト２１３を回転させる。膨張して低圧になった冷媒は、第２シリンダ４１１の作動室４１９からマフラー４２５内に一旦吐出され、吐出通路４２７を経て吐出管４２６から冷凍サイクルに吐出される。
【００３３】
また、本実施形態の膨張機２０３は、さらに、ポート部材４１２ｂ（可動部材）およびアクチュエータ４０６を含む容積可変機構２０７を備えている。アクチュエータ４０６は、ポート部材４１２ｂに中心軸線Ｏ周りの回転力を与える。中心軸線Ｏの周りにおけるポート部材４１２ｂの回転角度を切り替えると、冷媒の吸入過程から膨張過程に移行するタイミングが変化し、吸入過程が行われる時間の長さに対する膨張過程が行われる時間の長さの比が変化する。つまり、ポート部材４１２ｂの回転角度に応じて膨張機２０３の吸入容積が変化する。
【００３４】
本実施形態においては、シャフト２１３の中心軸線Ｏと平行な方向において、アクチュエータ４０６、ポート部材４１２ｂおよび膨張機２０３が、この順番かつ同心状に並んで配置されている。このような配置とすれば、アクチュエータ４０６およびポート部材４１２ｂを新たに設けることによる寸法拡大を極力抑制することが可能であるため、小型の膨張機２０３に好都合である。
【００３５】
ポート部材４１２ｂは、中心部にシャフト２１３を貫通させる孔が形成された略円板状をなし、円筒状の第１閉塞部材４１３の内部に配置されている。第１閉塞部材４１３の内径と、ポート部材４１２ｂの外径とは略等しいが、ポート部材４１２ｂは第１閉塞部材４１３の内部をスムーズに回転できるようになっている。また、ポート部材４１２ｂの下側は、膨張機２０３の第１ピストン４１６および第１偏心部４０４ａにより閉塞されている。また、ポート部材４１２ｂには、第２吸入孔４１２ｃが形成されている。ポート部材４１２ｂが回転することにより、第２吸入孔４１２ｃの位置がシャフト２１３に対する回転方向に移動する。
【００３６】
図３Ａは、図２に示す容積可変機構２０７に含まれるアクチュエータ４０６部分のＡ−Ａ断面図である。図３Ａに示すように、アクチュエータ４０６は、ポート部材駆動用偏心部４１２ａ、ポート部材駆動用ピストン４３０、ポート部材駆動用シリンダ４３２、ポート部材駆動用ベーン４３３、ポート部材駆動用ばね４３４、吸入管４２８および制御圧管４３５を備えている。ポート部材駆動用シリンダ４３２の中心部にシャフト４０４が位置している。
【００３７】
ポート部材駆動用偏心部４１２ａは、シャフト４０４に対して偏心した構造となっており、ポート部材駆動用シリンダ４３２の内部に配置されている。ポート部材駆動用偏心部４１２ａの上面側は上側端板４２４（図２参照）により閉塞されている。ポート部材駆動用ピストン４３０は、ポート部材駆動用シリンダ４３２との間に圧力室４３１（４３１ａ，４３１ｂ）を形成するように、ポート部材駆動用偏心部４１２ａに嵌め合わされている。ポート部材駆動用偏心部４１２ａおよびポート部材駆動用ピストン４３０は、中心軸線Ｏに対して偏心した状態を保ちながら、ポート部材駆動用シリンダ４３２内を回転（偏心回転）する。ポート部材駆動用偏心部４１２ａにはシャフト４０４が貫通する貫通孔が形成されている。ポート部材駆動用偏心部４１２ａとシャフト４０４とは接合されておらず、相対的に回転できるようになっている。
【００３８】
ポート部材駆動用ベーン４３３は、先端がポート部材駆動用ピストン４３０に接するように、ポート部材駆動用シリンダ４３２に設けられたベーン溝に往復動自在に保持されている。ポート部材駆動用ばね４３４は、ポート部材駆動用ベーン４３３をポート部材駆動用ピストン４３０に向けて付勢している。
【００３９】
ポート部材駆動用シリンダ４３２の内部に形成された圧力室４３１は、ポート部材駆動用ベーン４３３によって、第１圧力室４３１ａと第２圧力室４３１ｂとの二つの空間に分離されている。また、ポート部材駆動用シリンダ４３２には、高圧側流入孔４５０と低圧側流入孔４５１とが形成されている。これら高圧側流入孔４５０と低圧側流入孔４５１とは、周方向に所定角度離れており、それぞれポート部材駆動用シリンダ４３２の内外を連通している。第１圧力室４３１ａには、高圧側流入孔４５０を介して吸入管４２８が接続されている。吸入管４２８は、膨張前の高圧の冷媒を第１圧力室４３１ａに供給する。第２圧力室４３１ｂには、低圧側流入孔４５１を介して制御圧管４３５が接続されている。制御圧管４３５は、第１圧力室４３１ａ側に供給される冷媒よりも低い圧力の冷媒を第２圧力室４３１ｂに供給する。第１圧力室４３１ａと第２圧力室４３１ｂとの差圧は、ポート部材駆動用ピストン４３０に回転力を与える。冷媒の差圧から回転力を受けたポート部材駆動用ピストン４３０は、ポート部材駆動用偏心部４１２ａおよびポート部材４１２ｂを回転させる。
【００４０】
また、ポート部材駆動用シリンダ４３２には、吸入管４２８から上側端板４２４を通り、ポート部材駆動用シリンダ４３２、第１閉塞部材４１３、第１シリンダ４１０を経由して通り第１シリンダ４１０の作動室４１８へと冷媒を吸入させるための吸入通路４３７が形成されている。また、膨張後の冷媒を吐出する吐出通路４２７が形成されている。
【００４１】
つまり、第１シリンダ４１０に形成された第１吸入孔４３８に接続してその第１シリンダ４１０に冷媒を送るための吸入経路が分岐し、その分岐経路（高圧側流入孔４５０）を通じて供給される膨張前の高圧の冷媒を、アクチュエータ４０６の動力源である高圧流体として利用するようになっている。高圧流体としてアクチュエータ４０６に送り込まれた冷媒は、ポート部材４１２ｂに形成された第２吸入孔４１２ｃを通じて第１シリンダ４１０に流れるようになっている。このようにすれば、アクチュエータ４０６を動作させるための流体を別途準備する必要がなくなる。異種の流体同士の混合を防ぐ厳重なシール構造が不要であるとともに、異種の流体同士が混ざることによって冷凍サイクルの特性が変化するといった不具合も生じない。また、冷媒自体をアクチュエータ４０６の動力源とすることにより、外部から電力等のエネルギーを供給せずに済むため、冷媒の膨張エネルギーの回収効率向上に有利である。第２圧力室４３１ｂに供給される冷媒は、例えば、絞り弁のような圧力調整器にて圧力が調整された後、制御圧管４３５に案内される。なお、ポート部材４１２ｂをサーボモータのような電動アクチュエータで駆動するようにしてもよいし、冷媒以外の流体を制御圧管４３５から供給してポート部材４１２ｂを駆動するようにしてもよい。
【００４２】
また、ポート部材駆動用シリンダ４３２の内周面上には、シャフト４０４の中心軸線Ｏに向かって凸形状を有する第１ストッパ４３６ａと第２ストッパ４３６ｂとが、周方向に所定角度離れて配置されている。これらストッパ４３６ａ，４３６ｂは、ポート部材駆動用ピストン４３０が、冷媒の圧力差（定格運転時には、高圧側は約１０ＭＰａ超、低圧側は約３〜５ＭＰａの圧力となる）により回転するときの可動範囲（中心軸線Ｏ周りの回転角度）を制限する。これにより、ポート部材４１２ｂは、所定角度（例えば約１８０°）の範囲内での回転運動だけが許容されるようになる。
【００４３】
図３Ｂは、図２に示す容積可変機構２０７に含まれるポート部材４１２ｂ部分のＢ−Ｂ断面図である。図３Ｂに示すように、ポート部材４１２ｂには、回転ばね４３９（付勢手段）が取り付けられている。回転ばね４３９は、ポート部材４１２ｂとポート部材駆動用シリンダ４３２とに介在しており、ポート部材４１２ｂ、ポート部材駆動用偏心部４１２ａおよびポート部材駆動用ピストン４３０を常時所定の回転方向に付勢する。図３Ａで説明したように、本実施形態では、第１圧力室４３１ａを高圧側、第２圧力室４３１ｂを低圧側とするため、回転ばね４３９の付勢方向を、第１圧力室４３１ａが小さくなる方向に設定している。このような回転ばね４３９の働きにより、ストッパ４３６ａ，４３６ｂによって定められる可動範囲内において、ポート部材４１２ｂの位置を連続的に変更することができるようになる。また、第１圧力室４３１ａに供給する流体（冷媒）が高圧、第２圧力室４３１ｂに供給する流体（冷媒）が低圧という関係を維持しつつ、ポート部材４１２ｂを正逆両方向に回転させることが可能となる。
【００４４】
もちろん、回転ばね４３９を設けない場合であっても、第１圧力室４３１ａに供給する流体の圧力と、第２圧力室４３１ｂに供給する流体の圧力との大小関係を逆転させれば、ポート部材４１２ｂを正逆両方向に回転させることができる。ストッパ４３６ａ，４３６ｂを設けることにより、ポート部材４１２ｂの回転範囲を制限することもできる。ただし、そのような構成においては、膨張機２０３で使用する冷媒をアクチュエータ４０６の動力源に利用することが難しくなるし、構造の複雑化を招く。したがって、本実施形態のようにするのが好ましい。
【００４５】
さらに、上記のような回転ばね４３９によれば、ポート部材駆動用シリンダ４３２内でポート部材駆動用ピストン４３０が占有する位置に応じて、そのポート部材駆動用ピストンに与える回転力の大きさが変化する。第１圧力室４３１ａに供給する高圧の冷媒と、第２圧力室４３１ｂに供給する低圧の冷媒との差圧がポート部材駆動用偏心部４１２ａおよびポート部材駆動用ピストン４３０に与える正方向（または逆方向）の回転力と、回転ばね４３９による反発力、すなわち、ポート部材４１２ｂに与えられる逆方向（または正方向）の回転力とが釣り合う回転角上に、ポート部材４１２ｂは位置決めされる。このようにすれば、アクチュエータ４０６の第１圧力室４３１ａに供給する冷媒と、第２圧力室４３１ｂに供給する冷媒との差圧を調整することにより、ポート部材４１２ｂを自在に変位させる制御が可能になる。つまり、膨張機２０３の運転状況に応じて最適な位置に第２吸入孔４１２ｃをもってくることが可能になる。
【００４６】
上述したように、高圧の冷媒は吸入管４２８から吸入通路４３７を通り、第１シリンダ４１０に形成された第１吸入孔４３８から作動室４１８に流入する。その経路とは別に、吸入管４２８から分岐した高圧の作業流体は、高圧側流入孔４５０を経由してポート部材駆動用シリンダ４３２内部の第１圧力室４３１ａに流入し、ポート部材４１２に形成された第２吸入孔４１２ｃを経由して作動室４１８に流入する。ポート部材４１２ｂが回転することにより、第２吸入孔４１２ｃの位置が変化するため、冷媒の吸入容積が変化する。
【００４７】
図４Ａ，４Ｂ，４Ｃは、それぞれ、第１吸入孔と第２吸入孔の位置関係を示す、第１シリンダの構成図である。高圧の冷媒は第１シリンダ４１０に形成された第１吸入孔４３８から作動室４１８に流入する。さらに、冷媒は、第１吸入孔４３８からの経路とは別に、ポート部材４１２ｂに形成された第２吸入孔４１２ｃからも作動室４１８に流入する。第２吸入孔４１２ｃの位置を変更することにより、冷媒の吸入量が変化する。
【００４８】
第１吸入孔４３８の位置は、シャフト２１３を中心にベーン４２０の位置を基準として２０ｄｅｇに固定されているのに対し、第２吸入孔４１２ｃの位置は、第１吸入孔４３８に略一致する２０ｄｅｇから１８０ｄｅｇまでの角度範囲内で変化する。図４Ａは、シャフト２１３を中心にベーン４２０の位置を基準とした第２吸入孔４１２ｃの回転角φが２０ｄｅｇの場合、図４Ｂは９０ｄｅｇの場合、図４Ｃは１８０ｄｅｇの場合を示している。
【００４９】
図５Ａに、第２吸入孔４１２ｃの回転角φが９０ｄｅｇである場合の第１シリンダ４１０側の動作原理図を示す。図５Ｂに、同じく第２シリンダ４１１側の動作原理図を示す。なお、シャフト２１３の回転角θは、第１シリンダ４１０と第１ピストン４１６の接点が、第１ベーン４２０に位置するいわゆる上死点を基準とし、シャフト２１３の回転方向である時計回りを正としており、シャフト２１３の回転角θは、９０ｄｅｇごとに示している。
【００５０】
θ＝０ｄｅｇで第１シリンダ４１０において吸入過程が始まり、θ＝０ｄｅｇ以降に生成する作動室４１８ａに第１吸入孔４３８から冷媒が流入する。また、θ＝９０ｄｅｇから２７０ｄｅｇにシャフト２１３が回転することに伴い、第１吸入孔４３８および第２吸入孔４１２ｃの両方から作動室４１８ａに冷媒が流入する。θ＝３６０ｄｅｇを過ぎると、作動室４１８ｂは連通孔４１４ａを介して第２シリンダ４１１の作動室４１９ａと連通し、一つの作動室、つまり作動室４１８ｂおよび作動室４１９ａからなる膨張室を形成する。さらにシャフト２１３が回転すると、θ＝３８０ｄｅｇ（図示せず）において、第１シリンダ４１０と第１ピストン４１６の接点が第１吸入孔４３８を通過し、膨張室（作動室４１８ｂ＋作動室４１９ａ）と第１吸入孔４３８との連通が遮断される。従来のロータリ式膨張機ならば、この時点で吸入過程が終了し、膨張過程が始まる。
【００５１】
ところが、本実施形態では、その後も回転角φ＝９０ｄｅｇに位置する第２吸入孔４１２ｃから冷媒の流入が継続する。そして、θ＝４５０ｄｅｇになると、第１シリンダ４１０と第１ピストン４１６の接点が第２吸入孔４１２ｃを通過し、膨張室と第２吸入孔４１２ｃとの連通が遮断され、この時点で吸入過程が終了し、膨張過程が始まる。さらに、シャフト２１３が回転すると、第１シリンダ４１０の作動室４１８ｂの容積は減少するが、第１シリンダ４１０よりも第２シリンダ４１１の高さが大であるため、膨張室の容積はそれ以上の割合で増加する。θ＝２１１ｄｅｇ（図示せず）になると、第２シリンダ４１１と第２ピストン４１７の接点が吐出孔４１５ａを通過し、第２シリンダ４１１の作動室４１９ｂが吐出通路と連通する。この時点で、膨張過程が終了し、吐出過程が始まる。θ＝７２０ｄｅｇを超えると、シャフト２１３が回転することに伴い、第２シリンダ４１１の作動室４１９ｂの容積が減少し、冷媒は吐出孔４１５ａから吐出通路を通り、吐き出される。
【００５２】
図６Ａは、シャフト２１３の回転角θと吸入／吐出の各過程との関係を示すチャート図である。第２吸入孔４１２ｃの回転角φがφ＝２０ｄｅｇ、９０ｄｅｇ、１８０ｄｅｇの場合について示す。図６Ａ，６Ｂの説明から明らかなように、吸入過程が終了するシャフト２１３の回転角θは、第１シリンダ４１０と第１ピストン４１６の接点が２回目に第２吸入孔４１２ｃを通過する瞬間となるため、一般的に、θ＝（３６０＋φ）ｄｅｇと表すことができる。これに対し、吐出孔４１５ａの位置は固定されているので、第２吸入孔４１２ｃの回転角φが大きくなるにつれて吸入過程が長くなり、結果的に膨張過程が短くなる。
【００５３】
図６Ｂは、シャフト２１３の回転角θと作動室の容積との関係を示す特性図である。冷媒は、作動室４１８ａ、作動室４１８ｂ、作動室４１９ａおよび作動室４１９ｂの順に移動するが、その過程で作動室の容積は正弦波曲線状に増加ないし減少する。図６Ｂ中に、第２吸入孔４１２ｃの回転角φが２０ｄｅｇ、９０ｄｅｇ、１８０ｄｅｇの場合の吸入過程終了時の作動室の容積である吸入容積Ｖｅｓφと（φは第２吸入孔４１２ｃの回転角）、吐出過程開始時の作動室の容積である吐出容積Ｖｅｄを示す。φの増加とともに吸入容積Ｖｅｓφが増加することが分かる。
【００５４】
膨張機２０３の吸入容積を変更する制御は、膨張機容積制御手段として機能する制御器２０８（図１参照）が担う。制御器２０８は、放熱器２０２の出口に配置された温度センサ２０９および圧力センサ２１０の検出値、ならびに膨張機一体型圧縮機２１１の回転数に応じて容積可変機構２０７を制御する、すなわち膨張機２０３の吸入容積を変更する制御を行う。膨張機一体型圧縮機２１１の回転数は、例えば、当該膨張機一体型圧縮機２１１の電動機２０５の駆動を制御するインバータ装置２０６から取得することができる。
【００５５】
次に、制御器２０８の動作について説明する。
図７は、膨張機の吸入容積を決定する手順を示すフローチャートである。制御器２０８は、このフローチャートに示す手順で容積可変機構２０７を制御する。まず、ステップＳ２０１において、ヒートポンプ装置２００の起動時からの経過時間が予め定めた所定時間Ｔ１（例えば、２０秒）を超えているかどうかを判断する。すなわち、制御器２０８は、ヒートポンプ装置２００の電源スイッチをオンにした時点、言い換えれば、インバータ装置２０６が電動機２０５に通電を開始した時点からの経過時間を計測するタイマを含む。インバータ装置２０６は、例えば、電動機２０６の通電開始とともに制御器２０８に対して起動トリガを送る。制御器２０８は、起動トリガの入力を契機にタイマをスタートし、タイマがタイムアップした場合に、ヒートポンプ装置２００の起動時からの経過時間が所定時間Ｔ１を超えたと判断する。なお、ヒートポンプ装置２００の起動時とは、一時的な停止状態からの再起動を含む概念である。
【００５６】
ステップＳ２０１において、所定時間Ｔ１が経過していないと判断した場合には、ステップＳ２０２において、膨張機２０３の吸入容積を最小の値に設定する制御を行う。すなわち、吸入容積が最小となる位置（図６Ａの例ではφ＝２０ｄｅｇ）に第２吸入孔４１２ｃが移動するように、その第２吸入孔４１２ｃが形成されたポート部材４１２ｂを回転させる。これにより、圧縮機２０１から膨張機２０３に至る高圧側の冷媒圧力が迅速に上昇し、放熱器２０２の温度が迅速に上昇し、蒸発器２０４の温度が迅速に低下する。冷凍サイクルの高圧側と低圧側との圧力差が急速に増大するため、圧縮機２０１の吸入側と吐出側の圧力差が急速に拡大し、圧縮機２０１の動作が短時間で安定する。
【００５７】
他方、所定時間Ｔ１が経過した場合、制御器２０８は、ステップＳ２０３において、膨張機一体型圧縮機２１１の回転数が変更中であるか判断する。この判断は、以下の手順で行うことができる。
【００５８】
まず、インバータ装置２０６は、電動機２０５の回転数に関するデータを常時持っており、回転数が運転状況に応じた目標値に一致する、または近づくように当該電動機２０５の加減速を制御する。インバータ装置２０６による電動機２０５の加減速制御は、電動機２０５の回転数および加減速に関するデータである回転数／加減速データを準備し、制御器２０８に送るためのデータ送信プロセスを含む。この回転数／加減速データは、当該電動機２０５の回転数を特定する回転数データと、回転数を変更中であるかどうかを識別可能とする加減速データとを含む。制御器２０８は、インバータ装置２０６から取得した回転数／加減速データをメモリに格納し、メモリに格納したその回転数／加減速データを参照することに基づき、膨張機一体型圧縮機２１１の回転数が変更中であるかどうかを判断する。もちろん、エンコーダ等の回転検出器で膨張機一体型圧縮機２１１の回転数を直接検出して制御器２０８に入力し、入力されたその検出結果（回転数）の履歴に基づいて膨張機一体型圧縮機２１１の回転数が変更中であるかどうか判断するようにしてもよい。
【００５９】
図７のフローチャートに戻って説明を続ける。ステップＳ２０３において、膨張機一体型圧縮機２１１の回転数が変更中であると判断した場合には、ステップＳ２０４において、回転数と吸入容積の積、つまり体積流量が一定となるように、膨張機２０３の吸入容積を変更する制御を行う。回転数は、圧力や温度に比べて、きわめて迅速かつ正確に検出することが可能である、したがって、回転数に応じて吸入容積を変更するようにすれば、ヒートポンプ装置２００の運転状態を迅速に理想状態に持って行くことができ、ひいてはエネルギーロスの低減を図ることができる。
【００６０】
膨張機ではなく、膨張弁により圧力差を得る従来のヒートポンプ装置においては、膨張弁を流れる流量Ｇ、膨張弁入口圧力Ｐｉｎ、膨張弁出口圧力Ｐｏｕｔ、弁通路面積Ａ、比例定数Ｋの間には下記（式３）の関係が成り立つ。
【００６１】
（式３）
流量Ｇ＝（Ｐｉｎ−Ｐｏｕｔ）×Ａ×Ｋ
【００６２】
したがって、膨張弁の開度が一定、つまり、弁通路面積Ａが一定であることを前提とすれば、圧縮機の回転数が上昇して流量Ｇが増加した場合、膨張弁の前後の差圧（Ｐｉｎ−Ｐｏｕｔ）が増加する。逆に、圧縮機の回転数が低下して流量Ｇが減少した場合、膨張弁の前後の差圧（Ｐｉｎ−Ｐｏｕｔ）が減少する。そのため、冷凍サイクルの能力を変える、もしくは冷媒の圧力や温度を変えるなどの目的で圧縮機の回転数を変更した場合でも、迅速にサイクルの状態を変化させることが可能である。
【００６３】
これに対し、従来の膨張機一体型圧縮機の場合、圧縮機の回転数と膨張機の回転数が同一であるため、圧縮機の回転数が上昇して流量が増加した場合でも、そのままでは膨張機前後の差圧は変化しない。逆に、圧縮機の回転数が低下して流量が減少した場合でも、そのままでは膨張機の前後の差圧は変化しない。そのため、サイクルの状態を迅速に変化させることが困難である。
【００６４】
ところが、本発明のヒートポンプ装置２００によれば、以下のようにして、膨張弁と同様にサイクルの状態を迅速かつ自由に変化させることが可能である。
【００６５】
図１０は、膨張機一体型圧縮機の回転数と膨張機の吸入容積との関係を示す特性図である。制御器２０８は、膨張機一体型圧縮機２１１の回転数に応じて、つまり、図中に示す推移線に沿って、膨張機２０３の吸入容積を変更する制御を行う。例えば、回転数をＲ１からＲ２まで増加する場合、膨張機２０３の吸入容積をＶ１からＶ２に変更する。つまり、回転数が増加するにしたがって膨張機２０３の吸入容積を減少させる。あるいは、回転数が減少するにしたがって膨張機２０３の吸入容積を増大させる。さらに、最大吸入容積を下回る吸入容積から最小吸入容積を超える吸入容積までの範囲内で、この推移線は、回転数と吸入容積との積が一定になるように設定されている。制御器２０８は、回転数と吸入容積の積が一定であるというルールに基づいて、その時々の回転数に応じた吸入容積を導出する。これにより、体積流量が一定に保たれるため、膨張弁と同様に迅速にサイクルの状態を変化させることができる。なお、回転数と吸入容積との積を一定に保ちつつ、膨張機２０３の吸入容積を変更すること、つまり、図１０中に示す推移線に沿って吸入容積を変更することが望ましいが、このことが必須というわけではない。例えば、インバータ装置２０６等から回転数の目標値が制御器２０８に与えられる場合、制御器２０８は、与えられたその目標値に対応する吸入容積を直ちに設定するようにしてもよい。
【００６６】
図７のフローチャートに戻って説明を続ける。膨張機一体型圧縮機２１１の回転数が変更中でない場合、ステップＳ２０５において、膨張機２０３の吸入容積は、通常のヒートポンプ装置のサイクル制御、つまり、サイクル効率を最大にする制御に基づいて設定される。つまり、圧力センサ２１０の検出圧力値がヒートポンプ装置２００の効率を最大にする圧力値に追従するように（一致するまたは近づくように）、膨張機２０３の吸入容積を変更する制御を行う。
【００６７】
図８は、放熱器出口圧力、放熱器出口温度およびサイクル効率の関係を示す特性図である。図８に示すように、各放熱器出口温度に対してサイクル効率が最大となる放熱器出口圧力は異なっている。つまり、放熱器出口温度に対してサイクル効率が最大となる所定の圧力になるように制御を行えばよい。このような原理に基づき、放熱器２０２の出口に設けられた温度センサ２０９の検出温度値と、圧力センサ２１０の検出値とからヒートポンプ装置のサイクル効率が最大になるように制御する。この効率最大化制御に関してフローチャートに基づいて説明する。
【００６８】
図９は、サイクル効率を最大にする制御の手順を示すフローチャートである。まず、ステップＳ３０１において、制御器２０８は、圧力センサ２１０が検出する放熱器出口圧力と、温度センサ２０９が検出する放熱器出口温度を取得する。次に、ステップＳ３０２において、図８に示した最適効率圧力線にしたがって、サイクル効率を最大にする最適圧力値を導出する。サイクル効率を最大にする放熱器出口圧力を導出する方法としては、サイクル効率を最大にする放熱器出口圧力と放熱器出口温度とを対応付けたデータベースから見出す方法や、近似関数から逐次演算して求める方法を例示できる。
【００６９】
次に、ステップＳ３０３において、検出された現在の放熱器出口圧力が、最適圧力値より大が小かを判断する。放熱器出口圧力が最適圧力よりも大の場合には、ステップＳ３０４において、放熱器出口圧力を低下させるべく、膨張機２０３の吸入容積を現在よりも拡大する制御を行う。これにより、膨張機２０３の入口と出口の圧力差が縮小し、結果として冷凍サイクルにおける高圧側の圧力が低下していく。他方、放熱器出口圧力が最適圧力よりも小の場合には、ステップＳ３０５において、放熱器出口圧力を上昇させるべく、膨張機２０３の吸入容積を縮小する制御を行う。これにより、膨張機２０３の入口と出口の圧力差が拡大し、結果として冷凍サイクルにおける高圧側の圧力が上昇していく。これらの制御により、放熱器出口の圧力は、サイクル効率を最大にするような圧力に制御される。
【００７０】
図７のフローチャートに戻って説明を続ける。ステップＳ２０６において、ヒートポンプ装置２００の停止指示があったかどうか判断する。停止指示は、例えば、ヒートポンプ装置２００の運転スイッチがオフされることに応じて制御器２０８に入力される。また、電動機２０５を一時的に停止する場合にも制御器２０８は停止指示を取得する。このような停止指示は、インバータ装置２０６によって与えられるものであってもよい。停止指示ありと判断した場合には、ステップＳ２０７において、膨張機２０３の吸入容積を設定可能な最大の吸入容積に設定する制御を行う。すなわち、吸入容積が最大となる位置（図６Ａの例ではφ＝１８０ｄｅｇ）に第２吸入孔４１２ｃが移動するように、その第２吸入孔４１２ｃが形成されたポート部材４１２ｂを回転させる。このように、停止直前の所定時間において最大の吸入容積に設定することにより、ヒートポンプ装置２００の圧縮機２０１から膨張機２０３に至る高圧側の冷媒圧力を迅速に減少させるとともに、高圧側と低圧側の圧力差を急速に減少させることができ、ひいてはヒートポンプ装置２００の再起動が容易になる。さらに、オイルが冷媒回路内に偏在することがなくなるため、圧縮機２０１の再起動をスムーズに行うことができるようになる。なお、停止直前の所定時間とは、制御器２０８に停止指示が入力されてから電動機２０５が停止するまでの経過時間であり、例えば、数秒間である。
【００７１】
図１１は、圧縮機および膨張機の回転数、ならびに膨張機の吸入容積の時間推移の一例を示すタイムチャートである。まず、時刻Ｔ１においてヒートポンプ装置２００の運転が開始され、膨張機一体型圧縮機２１１が回転を開始する。回転開始後、時刻Ｔ２に回転数Ｒ１に至るまで、膨張機２０３の吸入容積は、最小吸入容積Ｖ１に設定されている。これにより、冷凍サイクルの高圧側と低圧側の圧力差が急速に拡大するので、サイクルの立ち上げを迅速に行なうことができる。
【００７２】
次に、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３まで回転数はＲ１で一定である。この期間において、膨張機２０３の吸入容積は、図９のフローチャートで説明したように、圧力センサ２１０から得られる放熱器出口圧力および温度センサ２０９から得られる放熱器出口温度に基づいて、サイクル効率を最大にする吸入容積に随時設定される。
【００７３】
次に、時刻Ｔ３において外部より冷凍サイクルの能力変更指示（例えば、暖房温度や冷房温度の変更）があったとする。時刻Ｔ３から時刻Ｔ４までの期間において、インバータ装置２０６は、圧縮機２０１および膨張機２０３の回転数をＲ１からＲ２に変更する制御を行う。この期間において、膨張機２０３の吸入容積は、図１０で説明したように、回転数が増大するにつれてＶ２からＶ３まで徐々に縮小する。これにより、体積流量が一定に保たれるため、膨張弁と同様に迅速にサイクルの状態を変化させることができる。もちろん、先に述べたように、回転数の増加速度を考慮せず、または回転数が目標回転数Ｒ２に到達するよりも早く、吸入容積をＶ２からＶ３まで直ちに縮小するようにしてもよい。
【００７４】
次に、時刻Ｔ４から時刻Ｔ５まで回転数はＲ２で一定である。この期間において、膨張機２０３の吸入容積は、サイクル効率を最大にする吸入容積に随時設定される。
【００７５】
次に、時刻Ｔ５において外部より冷凍サイクルの能力変更指示があったとする。時刻Ｔ５から時刻Ｔ６までの期間において、インバータ装置２０６は、圧縮機２０１および膨張機２０３の回転数をＲ２からＲ３に変更する制御を行う。この期間において、膨張機２０３の吸入容積は、図１０で説明したように、回転数が減少するにつれてＶ４からＶ５まで徐々に拡大する。もちろん、回転数の増加速度を考慮せず、または回転数が目標回転数Ｒ３に到達するよりも早く、吸入容積をＶ４からＶ５まで直ちに拡大するようにしてもよい。
【００７６】
次に、時刻Ｔ６から時刻Ｔ７まで回転数はＲ３で一定である。この期間において、膨張機２０３の吸入容積は、サイクル効率を最大にする吸入容積に随時設定される。
【００７７】
その後、時刻Ｔ７にヒートポンプ装置２００の停止指示が外部より与えられると、圧縮機２０１および膨張機２０３の回転数がＲ３から所定の減速率にて減少させられるとともに、膨張機２０３の吸入容積は、設定可能な最大の吸入容積に設定される。これにより、冷凍サイクルの高圧側の冷媒圧力が急速に低下し、高圧側と低圧側の圧力差が急速に縮小するので、ヒートポンプ装置２００の再起動が容易となる。その後、時刻Ｔ８に圧縮機２０１および膨張機２０３は停止する。
【００７８】
以上のように、本発明によれば、圧縮機および膨張機の回転数変更時においても迅速に運転状態を所望の状態にすることが可能なヒートポンプ装置、すなわち、応答性が高く、ロスの少ないヒートポンプ装置を提供することができる。さらに、安定したシステムの立ち上げ、速やかなシステムの停止、および安定した再起動が実現可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明は、膨張機と圧縮機が同一の密閉容器内に収納された膨張機一体型圧縮機を有するヒートポンプ装置について有用である。このようなヒートポンプ装置は、給湯機、空気調和機、乾燥機等に好適に採用できる。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】図１は、本実施形態に係るヒートポンプ装置を示す構成図である。
【図２】図２は、膨張機一体型圧縮機の縦断面図である。
【図３Ａ】図３Ｂは、図２に示す容積可変機構に含まれるアクチュエータ部分のＡ−Ａ断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図２に示す容積可変機構に含まれるポート部材部分のＢ−Ｂ断面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、第１吸入孔と第２吸入孔の位置関係を示す、第１シリンダの構成図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図４Ａに続く構成図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、図４Ｂに続く構成図である。
【図５Ａ】図５Ａは、第１シリンダ側の動作原理図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、第２シリンダ側の動作原理図である。
【図６Ａ】図６Ａは、シャフトの回転角θと各過程との関係を示すチャート図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、シャフトの回転角θと作動室の容積との関係を示す特性図である。
【図７】図７は、制御器が行う制御の手順を示すフローチャートである。
【図８】図８は、放熱器出口圧力、放熱器出口温度およびサイクル効率の関係を示す特性図である。
【図９】図９は、サイクル効率を最大にする制御の手順を示すフローチャートである。
【図１０】図１０は、膨張機一体型圧縮機の回転数と膨張機の吸入容積との関係を示す特性図である。
【図１１】図１１は、回転数および膨張機の吸入容積の時間推移の一例を示すタイムチャートである。
【図１２】図１２は、膨張機を用いた従来のヒートポンプ装置を示す構成図である。
【符号の説明】
【００８１】
２００  ヒートポンプ装置
２０１  圧縮機
２０２  放熱器
２０３  膨張機
２０４  蒸発器
２０５  電動機
２０６  インバータ装置
２０７  容積可変機構
２０８  制御器
２０９  温度センサ
２１０  圧力センサ
２１１  膨張機一体型圧縮機
【図１】
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【図２】
0004744331.tif 000003
【図３Ａ】
0004744331.tif 000004
【図３Ｂ】
0004744331.tif 000005
【図４Ａ】
0004744331.tif 000006
【図４Ｂ】
0004744331.tif 000007
【図４Ｃ】
0004744331.tif 000008
【図５Ａ】
0004744331.tif 000009
【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
0004744331.tif 000011
【図６Ｂ】
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【図７】
0004744331.tif 000013
【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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