(57)【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作動流体を冷却する放熱器と、
作動流体を膨張させるロータリ式の膨脹機と、
前記膨脹機により膨脹した作動流体を蒸発させる蒸発器と、
密閉容器の内部で前記圧縮機と前記膨脹機をシャフトを介して連結した電動モータと、
前記圧縮機、前記放熱器、前記膨脹機、前記蒸発器の順に接続され、作動流体を循環させる冷媒配管と、
前記放熱器と前記膨脹機の間に直列に接続され、作動流体を膨張させる制御弁と、を有し、
前記膨脹機の吸入側には、前記シャフトの中心軸線と平行な方向において、中心部に前記シャフトを貫通させるシャフト孔が形成された円筒状の可動部と、前記可動部の円柱面と回転可能に嵌合する固定部とを、この順番で同心状に並べて配置した吸入容積制御手段が設けられており、
前記固定部には、前記冷媒配管と接続する吸入孔と、前記吸入孔から流入した作動流体を前記膨張機のシリンダの所定位置に設けた第１吸入孔から前記膨張機の作動室に流入させる第１経路が設けられ、
前記可動部には、前記固定部の前記吸入孔から流入した作動流体を前記第１経路から分岐し、前記固定部と前記可動部とが嵌合する円柱面に形成した流路溝を経て前記可動部に設けられた第２吸入孔から前記膨張機の作動室に流入させる第２経路が設けられ、
前記可動部を前記シリンダを中心に前記固定部に対して回転させ、前記第２吸入孔の位置を変化させることで、前記膨張機に流入する作動流体の吸入容積を変更する、冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記膨張機の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第１温度検出手段と、
前記蒸発器の出口と前記圧縮機の入口の間に取り付けられ、冷媒の温度を検出する第２温度検出手段と、
前記第１温度検出手段と第２温度検出手段からの信号を用いて制御する第１制御部と、
前記制御部からの信号により前記第２吸入孔の位置と前記制御弁を制御し、冷媒の供給量を変化させ、蒸発器出口、または圧縮機入口の過熱度を所定の値になるように制御する請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項３】
前記膨張機の出口と前記圧縮機の入口の間に取り付けられ、冷媒の圧力を検出する圧力検出手段と、
前記蒸発器の出口と前記圧縮機の入口の間に取り付けられ冷媒の温度を検出する第２温度検出手段と、
前記圧力検出手段と第２温度検出手段からの信号を用いて制御する第２の制御部と、
前記制御部からの信号により前記第２吸入孔の位置と前記制御弁を制御し、冷媒の供給量を変化させ、蒸発器出口、または圧縮機入口の過熱度を所定の値になるように制御する請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項４】
前記第１または第２の制御部は、過熱度が所定の値よりも小さい場合、前記可動部を回転させ、前記シリンダの中心と前記第１吸入孔と前記第２吸入孔とを一直線上に配置して、前記膨張機に流入する作動流体の吸入容積を前記第１吸入孔のみの時と同じにし、過熱度を所定の値に制御するために前記制御弁を制御する請求項２または請求項３のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
【請求項５】
前記冷凍サイクル起動時には、前記電動モータを駆動し、前記第１または第２の制御部により、前記可動部を回転させ、前記シリンダの中心と前記第１吸入孔と前記第２吸入孔とを一直線上に配置して、前記膨張機に流入する作動流体の吸入容積を前記第１吸入孔のみの時と同じにし、前記制御弁を制御して高圧側の冷媒の圧力を所定の圧力に制御する、請求項２から請求項４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に膨張機を用いた冷凍サイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
冷媒の膨張エネルギーを膨張機で回収し、圧縮機で冷媒を圧縮する仕事の一部として利用する動力回収式の冷凍サイクルとして、膨張機一体型圧縮機を用いたものが知られている。（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
従来の膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクルについて説明する。図１８に従来特許文献１と同じ構成の膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクルを示す。この冷凍サイクルは圧縮機１、ガスクーラ２、膨張機３、蒸発器４、電動モータ５、および、圧縮機１と膨張機３と電動モータ５を直結するシャフト６と、膨張機吸入菅１１から構成されている。冷媒は、圧縮機１において常温低圧から高温高圧へと圧縮された後、ガスクーラ２において常温高圧へと冷却される。そして、膨張機３において低温低圧へと膨張した後、蒸発器４で常温まで加熱される。
【０００４】
このような冷凍サイクルシステムにおいて、膨張機３では、冷媒の膨張エネルギーを回収してシャフト６の回転エネルギーに変換し、圧縮機１を駆動する仕事の一部をとして利用することで、電動モータ５の動力を低減し、サイクルの高効率運転を実現していた。
【０００５】
図１９には、このような冷凍サイクル装置の作動の一例として、高圧冷媒である二酸化炭素を冷媒として用いたモリエル線図を示しているが、このサイクルでは、圧縮機出口（点Ｄ）からガスクーラ２によって冷却された冷媒（点Ａ）が膨張機３に流入し、これを前記膨張機３において等エントロピー膨張によって膨張させる。この場合、蒸発器入口「点Ｂ」と、従来のように膨張弁によって「点Ａ」から等エンタルピー膨張させた場合における蒸発器入口「点Ｅ」との間のエンタルピー量「ha」だけ、冷凍システム側に回収される。その結果、圧縮機には、その必要入力「hb」から前記回収動力「ha」を差し引いた値「hb-ha」だけを実際に入力すればよく、圧縮機入力の低減分だけ冷凍サイクルの高効率運転が実現されるものである。
【０００６】
高圧流体の膨張により動力を発生させる上記膨張機として、例えばロータリ式膨張機などの容積型膨張機が知られている（例えば特許文献２）。この膨張機は、シリンダと、このシリンダの内周面に沿って公転するピストンとを備え、シリンダとピストンとの間に形成される作動室が吸入／膨張側と排出側とに区画されている。そして、ピストンの公転動作に伴って、作動室は吸入／膨張側であった部分が排出側に、排出側であった部分が吸入／膨張側に順に切り換わり、高圧流体の吸入／膨張作用と排出作用とが同時に並行して行われる。
【０００７】
上記膨張機では、ピストンの1回転中に高圧流体がシリンダ内に供給されている吸入過程の角度範囲と、流体の膨張が行われる膨張過程の範囲があらかじめ定められている。つまり、この種の膨張機では、一般に膨張比（吸入冷媒と排出冷媒の密度比）が一定になっている。そして、吸入過程の角度範囲で高圧流体をシリンダに導入する一方、残った膨張過程の角度範囲で流体を定められた膨張比で膨張させ、回転動力を回収するようになっている。
【０００８】
さらに特許文献３に記載の膨張機では、冷房運転と暖房運転の切り換えや外気温度の変化などの運転条件の変動により、冷凍サイクルの実際の膨張比が前記サイクルの設計膨張比ないし膨張機の固有膨張比からはずれる場合においても、前記膨張機の複数のロータリ機構部のうち互いに接続された２つでは前段側のロータリ機構部の低圧室と後段側のロータリ機構部の高圧室とが互いに連通して１つの作動室を形成する一方、高圧流体の一部を膨張過程の上記作動室に導くためのインジェクション通路と、上記インジェクション通路に設けられた流通制御機構によって、冷凍サイクルが膨張機の設計膨張比よりも小さくなる条件ときにおいても、膨張室の内圧が冷凍サイクルの低圧圧力より低くなる過膨張の状態にはならない。
【特許文献１】特開２０００−３２９４１６号公報
【特許文献２】特開平８−３３８３５６号公報
【特許文献３】特開２００５−２５６６６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
このような膨張機では、まず設計膨張比で運転動作が行われているときに最大限の動力回収効率が得られるように構成されており、冷凍サイクルの高圧圧力と低圧圧力の比（圧力比）が小さくなると、膨張機の圧力比が小さくなるように上記インジェクションにより高圧流体を流入させることで吸入量を増加させ、冷凍サイクルの圧力比と等しくなるように制御する。しかし、起動などの過渡状態や、冬場における過負荷時においては、インジェクションによる吸入量をゼロにし、膨張機の本来の設計吸入容積である最小吸入体積で運転しても、冷媒流量をこれ以上減少させることができないため、蒸発器の出口、又は圧縮機の入口の過熱度を所定の値になるように制御することができず、液圧縮による圧縮機の損傷する恐れがあった。また、過熱度を確保できるときにおいても、最小吸入体積で運転しているときよりも冷媒流量を小さく制御できないため、過熱度が所定の値になるための応答時間が長くなるといった課題があった。
【００１０】
したがって本発明は、上記の課題を解決するもので、膨張機に吸入される吸入体積を可変にできる吸入体積制御手段を持つ膨張機と制御弁を直列に配置し、吸入体積制御手段によって最小吸入体積と設定し、それに加えて制御弁を用いることにより流量をさらに小さく制御できるため、起動などの過渡状態や冬場における過負荷時に過熱度を的確に確保できる。また、過熱度を所定の値にするための応答も速くすることができ、圧縮機の信頼性と速い応答性を備え、さらには、膨張機で回収する動力をできるだけ大きくすることができる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】
【００１１】
本発明に係る膨張機を用いた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作動流体を冷却する放熱器と、
作動流体を膨張させるロータリ式の膨脹機と、
前記膨脹機により膨脹した作動流体を蒸発させる蒸発器と、
密閉容器の内部で前記圧縮機と前記膨脹機をシャフトを介して連結した電動モータと、
前記圧縮機、前記放熱器、前記膨脹機、前記蒸発器の順に接続され、作動流体を循環させる冷媒配管と、
前記放熱器と前記膨脹機の間に直列に接続され、作動流体を膨張させる制御弁と、を有し、
前記膨脹機の吸入側には、前記シャフトの中心軸線と平行な方向において、中心部に前記シャフトを貫通させるシャフト孔が形成された円筒状の可動部と、前記可動部の円柱面と回転可能に嵌合する固定部とを、この順番で同心状に並べて配置した吸入容積制御手段が設けられており、
前記固定部には、前記冷媒配管と接続する吸入孔と、前記吸入孔から流入した作動流体を前記膨張機のシリンダの所定位置に設けた第１吸入孔から前記膨張機の作動室に流入させる第１経路が設けられ、
前記可動部には、前記固定部の前記吸入孔から流入した作動流体を前記第１経路から分岐し、前記固定部と前記可動部とが嵌合する円柱面に形成した流路溝を経て前記可動部に設けられた第２吸入孔から前記膨張機の作動室に流入させる第２経路が設けられ、
前記可動部を前記シリンダを中心に前記固定部に対して回転させ、前記第２吸入孔の位置を変化させることで、前記膨張機に流入する作動流体の吸入容積を変更する、ものである。
このように、制御弁を膨張機と直列に設けることにより、圧縮機吸入の冷媒の過熱度が所定値に維持されるので、液相冷媒が圧縮機に吸入されることが防止され、圧縮機の損傷を防ぐことができるため、構成部品の信頼性をあげることができる。
【００１２】
また、制御弁は膨張機の上流側に配置されているので、制御弁が下流側に配置されているときよりも膨張機の回収動力を高めることができる。
【００１３】
さらに、前記膨張機の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第１温度検出手段と、
前記蒸発器の出口と前記圧縮機の入口の間に取り付けられ、冷媒の温度を検出する第２温度検出手段と、
前記第１温度検出手段と第２温度検出手段からの信号を用いて制御する制御部と、
前記制御部からの信号により前記吸入体積制御手段と前記制御弁を制御し、冷媒の供給量を変化させ、蒸発器出口、または圧縮機入口の過熱度を所定の値になるようにしてもよい。
【００１４】
さらに、冷媒の温度を検出する前記第１温度検出手段が、冷媒の圧力を検出する圧力検出手段であり、前記圧力検出手段は前記膨張機の出口側と前記圧縮機の入口側の間に取り付けられてもよい。
【００１５】
このことにより、過熱度を確実に計算することができることにより、過熱度を確保するための信頼性を高めることができる。
【００１７】
前記第１または第２の制御部は、加熱度が所定の値よりも小さい場合、前記吸入体積制御手段によって膨張機に流入する冷媒の吸入体積を最小にした最小吸入体積のときには、過熱度を所定の値に制御するために前記制御弁を制御してもよい。
【００１８】
前記第１または第２の制御部は、前記吸入体積制御手段によって膨張機に流入する冷媒の吸入体積を最小にした最小吸入体積であり、前記制御弁の開度が最大でないときには、過熱度を所定の値に制御するために前記制御弁を制御してもよい。
【００１９】
このことにより、吸入体積制御手段によって最小吸入体積に設定したときにおいても、制御弁をもちいることで質量流量を変更することができ、確実に過熱度を所定の値に確保することができ。圧縮機の信頼性を確保することができる。
【００２０】
前記冷凍サイクル起動時には、前記電動モータを駆動し、前記制御部により前記吸入体積制御手段を制御し、最小吸入体積に設定する。
【００２１】
前記冷凍サイクル起動時には、前記電動モータを駆動し、前記制御部により前記制御弁を制御し、高圧側の冷媒の圧力を所定の圧力に制御する。
【００２２】
このことにより、起動時において、過熱度を確保と同時に、高圧側の冷媒の圧力を所定の圧力に早い応答性で実現することが可能となる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の冷凍サイクル装置によれば、膨張機に流入する吸入体積を可変にできる吸入体積制御手段を持つ膨張機において、直列に制御弁を設けることで、暖房での過負荷時や起動時において、確実に過熱度を確保することができ、その他構成部品の破壊のない信頼性の高いシステムを実現できる。また、吸入体積制御機構よりも広い制御範囲を持つ特性を利用して、過渡状態においても確実にかつ応答性よく過熱度を確保することができ、さらに、膨張機で動力を回収するため高効率に運転することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
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。
【００２７】
（第１の実施形態）
図１に、本実施形態における冷凍サイクル装置の冷媒回路図を示す。また、従来例について説明図にあげた部材と同一の機能を有する部材には同一の符号を付記し、説明を省略する。
【００２８】
本実施形態の冷凍サイクル装置は、冷媒配管７によって、圧縮機１とガスクーラ２と膨張機３と蒸発器４とが順に接続されてなる冷媒回路１０を備え、圧縮機１と膨張機３とを電動モータ５に対して一軸に連結し、矢印は冷媒の流れる方向を表している。また、ガスクーラ２と膨張機３の間に制御弁８備えている。また、この膨張機３は吸入体積を可変にできる吸入体積制御手段９を備える。この冷媒回路１０には、高圧部分（圧縮機１からガスクーラ２を経て膨張機３に至る部分）において超臨界状態となる冷媒が充填されている。本実施形態では、そのような冷媒として二酸化炭素（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く、前記冷媒回路１０の冷媒は、運転時に超臨界状態とならない冷媒であってもよい。
【００２９】
また、本実施形態の冷凍サイクル装置は、制御部２３が制御弁８と吸入体積制御手段９を制御するための入力として、蒸発器４の中に第１温度センサ２１と、蒸発器の出口側に第２温度センサ２２を備えている。
【００３０】
次に、本実施形態における吸入体積制御手段９によって体積比（吐出体積/吸入体積）が変更される動作について説明する。
【００３１】
図２に吸入体積制御手段９によって制御された吸入体積と体積比の関係を示す。吸入体積制御手段９によって吸入体積を最小である最小吸入体積Vminに制御すると体積比は最大γmaxとなる。一般的に冬場などの通常運転時に最小吸入体積Vminとなるように最小吸入体積Vminは設計される。また、吸入体積を増加させていくと吐出体積は一定であるため体積比は小さくなる。
【００３２】
上記冷凍サイクル装置の冷凍サイクルの動作について説明する。
【００３３】
図１において、インバータ（図示せず）により制御される電動モータ５によって圧縮機１が駆動され、圧縮機１により冷媒が圧縮される。圧縮された冷媒は、放熱器２で冷却され、その後、制御弁８、膨張機３を通過する。このとき冷媒は、制御弁８、膨張機３を通過することで膨張し、蒸発器４内で外部より吸熱して気化した後、再び圧縮機１へ戻る。
【００３４】
次に図１に示した制御弁８と吸入体積制御手段９についてその制御法と効果について示す。図３に放熱器出口圧力、放熱器出口温度に対する冷凍サイクルの効率のデータを示す
。通常の運転では放熱器出口が図３に示した最適効率圧力線上になるように吸入体積制御手段９を制御する。図４に蒸気圧縮式冷凍装置のp-h線図を示す。図４のサイクルS1に示すように通常運転時には過熱度は確保できており、高圧もまた吸入体積制御手段９により図３に示す最適効率圧力線上に適切に制御されている。つまり、このような通常運転時には制御弁８は全開となるように制御され、吸入体積制御手段９により吸入体積を変更し、放熱器の高圧側を制御している。また、この条件を満たすように膨張機の最小吸入体積Vminが設計されている。しかし、冬場などの過負荷時においては蒸発器４の出口温度が下がりサイクルが変化するため、図４に示すS２のようなサイクルとなり過熱度が設定値に確保できない。本サイクル装置ではこのような状態において過熱度を確保するために次に示すような制御が行われる。図５はその制御法のフローチャート示す。まず、第１温度センサ２１と第２温度センサ２２からの信号は制御部２３にとり込まれる（ｓ１０１）。これらの信号から図４に示すサイクルS２におけるＣ点が冷媒の飽和曲線と交わるＥ点により右側にある過熱度TSHを計算し（ｓ１０２）、過熱度が設定値よりも大きいか小さいかを判断する（ｓ１０３）。この制御部２３の内部では第１の温度センサ２１による温度T1と第２温度センサ２２による温度T2の差（T2−T1）により過熱度を求めている。本実施形態による所定の過熱度は５［℃］と設定し、制御部２３はもしこの設定値よりも小さい場合、吸入体積制御手段９が最小吸入体積Vminであるかを判定し（ｓ１０４）、最小吸入体積Vminの場合は、これ以上膨張機の吸入容積を小さくできないため、制御弁８の開度を小さく設定する（S１０５）。最小吸入体積でない場合には吸入体積制御手段９により流量を少なくすることが可能であるため、吸入体積制御手段９により膨張機吸入体積を小さくする（ｓ１０６）。図６はこの場合における吸入体積制御手段９により制御された吸入容積Vと制御弁８の制御タイミングについて示した図である。まず、過熱度が設定値である５［℃］以下になると次の制御タイミングにおいて吸入体積制御手段９により吸入体積が小さく設定される。この動作を繰り返し、吸入体積が最小吸入体積まで制御する。この場合でも過熱度が５［℃］以下の場合、ここで制御弁８の開度を小さく設定する。同様にこれらの動作を繰り返すことにより、過熱度が設定値より小さくなる場合でも過熱度が確保できるようになり、図４のサイクルS３に示すようなモリエル線図となる。次に、ｓ１０３において過熱度が設定値よりも大きい場合、制御弁の開度が最大であるかを判定し（ｓ１０７）、最大の場合には吸入体積制御手段９により吸入体積を大きくする（ｓ１０８）。制御弁開度が最大でない場合には、制御弁８の開度を大きくする（ｓ１０９）。これらの動作を繰り返すことにより、過熱度が設定値よりも大きい場合においても、設定過熱度に制御することができる。これらの制御により過熱度が設定値に落ち着くことにより、通常運転状態、最適効率圧力線上になるように吸入体積制御手段９を制御することになる。
【００３５】
次に、本実施形態に用いる膨張機一体型圧縮機及び体積制御手段９について説明する。
【００３６】
図７に膨張機一体型圧縮機の縦断面図を示す。密閉容器４１の内部の上側にはスクロール式の圧縮機１、下側には２段ロータリ式の膨張機３、その間には、回転子２１と固定子２２から成る電動モータ５が配置されており、これらはシャフト結合部３２により連結されている。
【００３７】
ただし、圧縮機１及び膨張機３の形式は他の回転式圧縮機であってもよい。例えば、ロータリ式、スクロール式、マルチベーン式を好適に用いることができる。さらに、圧縮機１、膨張機３、電動モータ５の配置関係は何ら限定されない。
【００３８】
図７に示すように、スクロール式の圧縮機１は、固定スクロール７４と、旋回スクロール７３と、オルダムリング７５と、軸受部材７７と、マフラー７９と、吸入管７１と、吐出管７２とから構成されている。旋回スクロール７３は、圧縮機シャフト７６の偏心軸に嵌合され、かつ、オルダムリング７５により自転運動を拘束されている。また、旋回スクロール７３は、渦巻き形状のラップ７３ａを有し、固定スクロール７４はラップ７４ａを
有しており、ラップ７３ａとラップ７４ａは互いに噛み合っている。旋回スクロール７３は、シャフト７６の回転に伴い旋回運動を行い、ラップ７３ａ、７４ａの間に形成される三日月形状の作動室８０が外側から内側に移動しながら容積を縮小することで、吸入管７１から吸入された作動流体を圧縮し、固定スクロール７４の中央部に設けた吐出孔７２ａと固定スクロール７４および軸受部材７７に設けた流路７２ｂから、マフラー７９の内側空間７９ａを経由して密閉容器４１の内部空間４１ａへと吐出する。作動流体は、内部空間４１ａ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７２から冷凍サイクルへと吐出される。
【００３９】
図７において、２段ロータリ式の膨張機３は、第１のシリンダ４２、第１のシリンダ４２よりも厚みのある第２のシリンダ４３、および、これらを仕切る中板５７を有し、膨張機シャフト４４の偏心部４４ａと嵌合している第１のピストン４５は、第１のシリンダ４２の中で偏心回転運動し、シャフト４４の偏心部４４ｂと嵌合している第２のピストン４６は、第２のシリンダ４３の中で偏心回転運動する。第１のベーン４７（図９に記載）は、第１のシリンダ４２のベーン溝４２ａ（図９に記載）に往復動自在に保持され、先端が第１のピストン４５に接し、第２のベーン（図示せず）は第２のシリンダ４３の第２のベーン溝（図示せず）に往復動自在に保持され、先端が第２のピストン４６に接する。第１のベーン４７を押す第１のばね４９（図９に記載）は第１のベーン溝４２ａに、第２のベーン（図示せず）を押す第２のばね（図示せず）は第２のベーン溝（図示せず）に格納される。上側端板固定部６１には吸入管５３と、吐出管５４が設置され、上側端板固定部６１と接するようにして回転する上側端板可動部６２とマフラー５８と接する下側端板５２は、シャフト４４を支える軸受を備えている。第１のシリンダ４２の吐出側と、第２のシリンダ４３の吸入側は、中板５７に設けた連通孔５７ａにより連通しており、ひとつの作動室として機能する。高圧の作動流体は吸入管５３から第１のシリンダ吸入経路４２ｃ（図９に記載）と上側端板可動部６２に設けた第２吸入孔６２ｆから第１のシリンダ４２の作動室に流入した後、第２のシリンダ４３の作動室とから形成される作動室にて膨張してシャフト４４を回転させて低圧になった後、下側端板５２を経てマフラー５８の内部空間５２ｃに一旦吐出され、吐出流路５２ｂを経て吐出管５４から冷凍サイクルへと吐出される。ここで、下側端板５２の吐出孔５２ａには、吐出弁５９を設けている。吐出弁５９は金属の薄板であり、吐出孔５２ａをマフラー５８の内部空間５２ｃ側から塞ぐように設置されており、吐出弁５９の上流側の圧力が下流側の圧力より高くなると開く差圧弁となっている。
【００４０】
図８（ａ）は、図７の膨張機一体型圧縮機における膨張機３の上側端板固定部６１の斜視図、図８（ｂ）は、図７の膨張機一体型圧縮機における膨張機３の上側端板可動部６２の斜視図、図８（ｃ）は図７の膨張機一体型圧縮機における膨張機３の上側端板固定部６１と可動部６２を組んだ状態の斜視図である。
【００４１】
図８（ａ）に示すように、固定部６１は、内側にシャフト４４と同じ中心軸の円筒面６１ａ、および、円筒面６１ａよりも小さな内径の円筒面６１ｂと、その間の段差部６１ｃを有する。また、吸入管５３からの作動流体が導かれる流入路６１ｄと、そこから縦方向に分岐した流入路６１ｅと、吐出流路６１ｇを備える。また、流入経路６１ｅと連通する流路として、図９に示すように、第１のシリンダ４２には、流入経路４２ｃ、および、流入経路４２ｃと連通した第１吸入孔４２ｄを設けている。
【００４２】
図８（ｂ）に示すように、可動部６２は、内側にシャフト４４が嵌合するシャフト孔６２ｅを有し、外側には、固定部６１の円筒面６１ａに嵌合する円柱面６２ｂ、および、固定部６１の円筒面６１ｂに嵌合する円柱面６２ｃを有し、円柱面６２ｂには円周方向の流路溝６２ｄをシャフト４４の回転方向に１８０度備えている。また、円柱面６２ｃには円周方向に歯車６２ａを備え、流路溝６２ｄから下側方向へ向けて第２吸入孔６２ｆを有す
る。
【００４３】
図８（ｃ）に示すように、固定部６１と可動部６２は嵌合し、固定部６１の内側で可動部６２は回転可能に支持されている。そして、可動部６２を回転させることにより、シャフト４４を中心に第２吸入孔６２ｆを回転させることができる。このとき、固定部６１の段差６１ｃと可動部６２の円筒部６２ｂ、６２ｃの間の段差（図示せず）が接触することにより、可動部６２が固定部６１から上側に抜け出るのを防止している。また、固定部６１の下端面と可動部６２の下端面は、同一平面を構成している。また、上側端板固定部６１には、可動部６２に設けられた歯車６２ａと噛み合う歯車６５（図７に示す）と、それを駆動する回転電動モータ６３（図７に示す）を備えており、回転電動モータ６３により上側端板可動部６２をシャフト４４の軸まわりに回転させることができる。
【００４４】
本実施形態における上側端板可動部６１と固定部６２は以下に示すような機能を備える。吸入管５３から２段ロータリ膨張機３に流入した作動流体を、上側端板固定部６１の流入経路６１ｄから２つの経路に分けて上作動室５５に流入させる吸入体積制御機構である。第１の経路は、流入経路６１ｄから流入経路６１ｅ、第１のシリンダ４２の流入経路４２ｃ、第１吸入孔４２ｄを経る経路であり、第２の経路は、流入経路６１ｄから可動部６２の流路溝６２ｄ、第２吸入孔６２ｆを経る経路である。つまり、この第２吸入孔の位置を制御し変化させることで、上作動室５５へ流入する作動流体の吸入容積を変化させることができる。以下に可動部６２の位置とその機能ついて説明する。
【００４５】
図９（ａ）、（ｂ）は図７の膨張機一体型圧縮機の膨張機のＤ１−Ｄ１における断面図を示す。ここでは、第１吸入孔４２ｄと第２吸入孔６２ｆの位置と機能の関係について説明する。
【００４６】
本実施形態において、第１吸入孔４２ｄの位置は、シャフト４４を中心にベーン４７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６２ｆの位置は外部から変化させることが可能である。図９（ａ）は、シャフト４４を中心にベーン４７の位置を基準とした第２吸入孔６２ｆの回転角φが２０ｄｅｇの場合、（ｂ）は９０ｄｅｇの場合を示している。なお、第２吸入孔６２ｆの回転角φは０ｄｅｇから３６０ｄｅｇまで自在に変えることができることは言うまでも無い。次に機能について説明する。上側端板可動部６２の位置を制御して、第２吸入孔６２ｆの位置φを２０ｄｅｇにすると図９（ａ）となる。第２吸入孔６２ｆは第１吸入孔４２ｄと同じ位置にあるため、吸入容積は第１吸入孔４２ｄのみの時と同じになる。第２吸入孔６２ｆの位置φを９０ｄｅｇとすると図９（ｂ）となる。第２吸入孔６２ｆの位置φは第１吸入孔４２ｄよりも角度が大きいため、吸入時間が長くなり、吸入容積は図９（ａ）のときよりも大きくなる。図１０に上側端板可動部６２の角度を変化させたときの吸入容積、吐出容積、容積比（吐出容積／吸入容積）のグラフを示す。上側端板可動部６２の回転角度を大きくすると吸入時間が長くなることで、吸入容積が増加する。また、吐出容積は上側端板可動部６２の位置に依存しないために一定である。
【００４７】
以上のように、本実施形態によれば、膨張機３に設けた吸入体積制御手段９である上側端板可動部６２の回転位置と膨張機と直列に接続された制御弁８を制御することで、確実に過熱度を確保することができる。さらに、液相冷媒が圧縮機１に吸入されることを防止しているので、蒸発器４の出口側に液相冷媒と気相冷媒とを分離して気相冷媒のみを圧縮気１に向けて流出させるアキュームレータの配置が必要なく、信頼性の高い冷凍サイクル装置を提供することが可能となる。また、通常運転では制御弁８を用いずに吸入体積制御手段９により最適なサイクル効率になるように制御されているため、膨張機３で動力を回収できるため、効率の高い運転が可能となる。さらに起動時には吸入体積制御手段９と制
御弁８を制御することにより、制御弁８を設置しない冷凍サイクル装置よりも、高圧側の冷媒をより早く所定の圧力に制御することができる。
【００４８】
さらに、図１に示した冷媒回路１０は、冷媒を一方向のみに流通させる冷媒回路１０に限られない。膨張機一体型圧縮機は、冷媒の流通方向の変更が可能な冷媒回路に設けられていてもよい。例えば、図１１に示すように、四方弁等１３を有することによって暖房運転及び冷房運転の可能な冷媒回路に膨張機一体型圧縮機を設けることも可能である。
【００４９】
さらに本実施形態では、吸入体積制御手段９として上側端板可動部６２の回転角度によって吸入容積を可変に制御できる容積可変手段について説明したが、膨張機吸入側の高圧流体を膨張機３の膨張過程の作動室へ導くためのインジェクション通路とインジェクション通路に設けられた流通制御機構により膨張機３への吸入体積を変更する構成であってもよい。この場合、図１０に示した横軸である上側端板可動部６２の位置をインジェクションで吸入する時間としても同じことである。
（第２の実施形態）
第１の実施形態にかかる過熱度を制御する制御部には第１温度検出手段を用いていたが、図１２に示すように圧力検出手段２５を膨張機３の出口と圧縮機１の入口の間に設置し、これらの信号を用いて制御部２４により過熱度を計算して吸入体積制御手段９と制御弁８を制御してもよい。冷凍サイクル装置や制御方法は第１の実施形態と同じであるため省略する。
【００５０】
過熱度の演算方法としては、まず、圧力検出手段２５により低圧側の圧力を検出し、あらかじめ用意してあるテーブルにより蒸発温度を求める。さらに、第１温度検出手段によりもとめた圧縮機吸入の温度との差をとることにより、過熱度を求めることができる。
【００５１】
以上のように、本実施形態によれば、第１温度検出手段のかわりに圧力検出手段２５をもちいることで、液相圧縮による圧縮機の保護ができ、信頼性の高い冷凍サイクル装置となる。
【００５２】
以上、第１及び第２の実施形態においては、本発明により、過熱度制御を行う場合について説明した。この他、本発明は、他の制御対象の制御を行う場合にも適用できる。すなわち、図１の構成の冷凍サイクル装置に於いて、通常運転時には制御弁８は全開となるように制御され、吸入体積制御手段９により吸入体積を変更し、放熱器の高圧側を制御する。冬場などの過負荷時や、負荷変動時など非定常時、すなわち、吸入体積制御手段９の制御だけでは、制御対象を目標制御範囲に制御が不能または困難になったときや、目標制御範囲により早く収束させたいときには、制御弁８の開度を全開より小さくすることにより、制御対象を目標制御範囲に制御する。具体的な制御方法は、図５のフローチャートにおいて、ステップＳ１０１における計測値や、ステップＳ１０２の制御対象を、目標とする制御対象に応じて選定したものとすればよい。
【００５３】
過熱度以外の代表的な制御対象としては、ＣＯＰがある。より具体的には、冷凍サイクルにおけるCOPが最大となるように冷凍サイクルの高圧側の圧力を制御することである。この場合の計測値としては、図１の放熱器２出口の冷媒の温度、圧力を計測する。また、代用として、圧縮機１の吐出圧力も利用できる。
（第３の実施形態）
また、冷凍サイクル起動時は、前記電動モータ５を駆動し、制御部２３により吸入体積制御手段９を制御し、最小吸入体積である膨張機吸入量を最小にしてもよい。こうすることによって、膨張機に流れる冷媒量を吸入体積手段９が制御できる吸入量よりも少なくできるため、冷媒量の制御幅を大きくすることができる。冷凍サイクル装置や制御方法は第１の実施形態と同じであるため省略する。
【００５４】
以上のように、本実施形態によれば、より短い時間で放熱器出口が図３に示した最適効率圧力線上になるように制御することが可能となる。
（第４の実施形態）
また、冷凍サイクル起動時あるいは、起動後ある一定期間は制御弁８を高圧側の冷媒の圧力が所定の圧力になるように制御してもよい。こうすることによって、膨張機に流れる冷媒量を吸入体積手段９が制御できる吸入量よりも少なくできるため、冷媒量の制御幅を大きくすることができる。冷凍サイクル装置や制御方法は第１の実施形態と同じであるため省略する。
【００５５】
以上のように、本実施形態によれば、より短い時間で放熱器２の出口圧力が図３に示した最適効率圧力線上になるように制御することが可能となる。
（第５の実施形態）
第１の実施形態にかかる制御弁８は放熱器２と膨張機３の間に設置するものであった。しかし、本発明にかかる制御弁８は膨張機３と蒸発器４の間に設置してもよい。以下に図面に基づいて詳細に説明する。また、実施形態１について説明図にあげた部材と同一の機能を有する部材には同一の符号を付記し、説明を省略する。
【００５６】
図１３に、本実施形態における冷凍サイクル装置の冷媒回路図を示す。本実施形態の冷凍サイクル装置は、圧縮機１とガスクーラ２と膨張機３と蒸発器４とが順に接続されてなる冷媒回路１０を備え、圧縮機１と膨張機３とを電動モータ５に対して一軸に連結し、矢印は冷媒の流れる方向を表している。また、膨張機３と放熱器４の間に制御弁８を備えている。図１３において図１と同じ構成要素については同じ符号を用い説明を省略する。
【００５７】
上記冷凍サイクル装置の冷凍サイクルの動作について説明する。
【００５８】
図１３において、インバータ（図示せず）により制御される電動モータ５によって圧縮機１が駆動され、圧縮機１により冷媒が圧縮される。圧縮された冷媒は、放熱器２で冷却され、その後、制御弁８、膨張機３を通過する。このとき冷媒は、膨張機３、制御弁８の順で接通過することによって膨張し、蒸発器４内で外部より吸熱して気化した後、再び圧縮機１へ戻る。
【００５９】
本実施形態における膨張機一体型圧縮機については図２に示した膨張機一体型圧縮機と同用の構成とする。
【００６０】
また、図１３に示した制御弁８と吸入体積制御手段９についてその制御法と効果についても実施形態１に示した内容と同様である。
【００６１】
以上のように、本実施形態によれば、吸入体積制御手段９を設けた膨張機３における上側端板可動部６２の回転位置とその下流に直列接続された制御弁８を制御することで、確実に過熱度を確保することができる。さらに、液相冷媒が圧縮機１に吸入されることを防止しているので、蒸発器４の出口側に液相冷媒と気相冷媒とを分離して気相冷媒のみを圧縮気１に向けて流出させるアキュームレータの配置が必要なく、信頼性の高い冷凍サイクル装置を提供することが可能となる。また、通常運転では制御弁８を用いずに吸入体積制御手段９により最適なサイクル効率になるように制御されているため、膨張機３で動力を回収できるため、効率の高い運転が可能となる。
（第６の実施形態）
第１の実施形態にかかる制御弁８と膨張機３とが順に直列に設置するものであった。さらに、本発明にかかる構成として、バイパス管路１５とバイパス弁１６とが設けられている。以下に図面に基づいて詳細に説明する。
【００６２】
図１４に、本実施形態における冷凍サイクル装置の冷媒回路図を示す。本実施形態の冷凍サイクル装置は、圧縮機１とガスクーラ２と膨張機３と蒸発器４とが順に接続されてなる冷媒回路１０を備え、圧縮機１と膨張機３とを電動モータ５に対して一軸に連結し、矢印は冷媒の流れる方向を表している。また、ガスクーラ２と膨張機３の間に制御弁８備えている。図１４において図１と同じ構成要素については同じ符号を用い説明を省略する。上記バイパス弁１６が設置されたバイパス管路１５はその一端が放熱器２と制御弁８との間に接続され、その他端が膨張機３と蒸発器４の間に接続されている。
【００６３】
上記冷凍サイクル装置の冷凍サイクルの動作について説明する。図１４において、インバータ（図示せず）により制御される電動モータ５によって圧縮機１が駆動され、圧縮機１により冷媒が圧縮される。圧縮された冷媒は、放熱器２で冷却され、その後、制御弁８、膨張機３を通過する回路と、バイパス弁１６を通過する管路に分岐され膨張される。そして、膨張した冷媒は、蒸発器４内で外部より吸熱して気化した後、再び圧縮機１へ戻る。
【００６４】
本実施形態における膨張機一体型圧縮機については図２に示した膨張機一体型圧縮機と同用の構成とする。
【００６５】
また、図１４に示した制御弁８と吸入体積制御手段９についてその制御法と効果について説明する。通常の運転では、第１の実施形態と同じで、放熱器出口が図３に示した最適効率圧力線上になるように吸入体積制御手段である上側端板可動部６２の位置を制御するため、制御弁８とバイパス弁１６が動作することはなく制御弁８は全開、バイパス弁１６は全閉である。しかし、過渡状態や冬場の過負荷時において、過熱度が確保できないときにおいて、本サイクル装置では過熱度を確保するために第１の実施形態と同じ制御がされる。さらに、通常運転において、放熱器出口が図３に示した最適効率圧力線より高くなったとき、バイパス弁１６の開度を次第に拡大していく。このことにより、吸入体積制御手段９により最大吸入体積が決まっていても、高圧側が上昇しすぎることなく信頼性を向上させることができる。
【００６６】
以上のように、本実施形態によれば、バイパス弁１６が設置されたバイパス管路１５を配置し、制御弁８、吸入体積制御手段９、バイパス弁１６を制御することで幅広い冷凍サイクル条件での運転が可能となり、高圧側の圧力上昇に伴う熱交換器の保護、液相圧縮による圧縮機の保護ができ、信頼性の高い冷凍サイクル装置となる。
（第７の実施形態）
第５の実施形態にかかる膨張機３と制御弁８とが順に直列に設置するものであった。さらに、本発明にかかる構成として、バイパス管路１５とバイパス弁１６とが設けられている。以下に図面に基づいて詳細に説明する。
【００６７】
図１５に、本実施形態における冷凍サイクル装置の冷媒回路図を示す。本実施形態の冷凍サイクル装置は、圧縮機１とガスクーラ２と膨張機３と蒸発器４とが順に接続されてなる冷媒回路１０を備え、圧縮機１と膨張機３とを電動モータ５に対して一軸に連結し、矢印は冷媒の流れる方向を表している。また、ガスクーラ２と膨張機３の間に制御弁８備えている。図１５において図１と同じ構成要素については同じ符号を用い説明を省略する。上記バイパス弁１６が設置されたバイパス管路１５はその一端が放熱器２と膨張機３との間に接続され、その他端が制御弁８と蒸発器４の間に接続されている。
【００６８】
上記冷凍サイクル装置の冷凍サイクルの動作について説明する。図１５において、インバータ（図示せず）により制御される電動モータ５によって圧縮機１が駆動され、圧縮機１により冷媒が圧縮される。圧縮された冷媒は、放熱器２で冷却され、その後、制御弁８
、膨張機３を通過する回路と、バイパス弁１６を通過する管路に分岐され膨張される。そして、膨張した冷媒は、蒸発器４内で外部より吸熱して気化した後、再び圧縮機１へ戻る。
【００６９】
本実施形態における膨張機一体型圧縮機については図２に示した膨張機一体型圧縮機と同用の構成とする。
【００７０】
また、図１５に示した制御弁８と吸入体積制御手段９についてその制御法と効果について説明する。通常の運転では、第１の実施形態と同じで、放熱器出口が図３に示した最適効率圧力線上になるように吸入体積制御手段である上側端板可動部６２の位置を制御するため、制御弁８とバイパス弁１６が動作することはなく制御弁８は全開、バイパス弁１６は全閉である。しかし、過渡状態や冬場の過負荷時において、過熱度が確保できないときにおいて、本サイクル装置では過熱度を確保するために第１の実施形態と同じ制御がされる。さらに、通常運転において、放熱器出口が図３に示した最適効率圧力線より高くなったとき、バイパス弁１６の開度を次第に拡大していく。このことにより、吸入体積制御手段９により最大吸入体積が決まっていても、高圧側が上昇しすぎることなく信頼性を向上させることができる。
【００７１】
以上のように、本実施形態によれば、バイパス弁１６が設置されたバイパス管路１５を配置し、制御弁８、吸入体積制御手段９、バイパス弁１６を制御することで幅広い冷凍サイクル条件での運転が可能となり、高圧側の圧力上昇に伴う熱交換器の保護、液相圧縮による圧縮機の保護ができ、信頼性の高い冷凍サイクル装置となる。
（第８の実施形態）
第３の実施形態にかかる制御弁８はバイパス管路１５と膨張機への吸入経路との分岐後に設置されていたが、制御弁８はバイパス管路１５と膨張機への吸入経路との分岐前に設置してもよい。
【００７２】
図１６に、本実施形態における冷凍サイクル装置の冷媒回路図を示す。本実施形態の冷凍サイクル装置は、圧縮機１とガスクーラ２と膨張機３と蒸発器４とが順に接続されてなる冷媒回路１０を備え、圧縮機１と膨張機３とを電動モータ５に対して一軸に連結し、矢印は冷媒の流れる方向を表している。また、ガスクーラ２と膨張機３の間に制御弁８備えている。図１６において図１と同じ構成要素については同じ符号を用い説明を省略する。上記バイパス弁１６が設置されたバイパス管路１５はその一端が制御弁８と膨張機３との間に接続され、その他端が膨張機３と蒸発器４の間に接続されている。その他の構成、制御方法は第３の実施の形態と同じである。
（第９の実施形態）
第４の実施形態にかかる制御弁８はバイパス管路１５と膨張機からの吸入経路との合流前に設置されていたが、バイパス管路１５と膨張機からの吸入経路との合流後に設置してもよい。
【００７３】
図１７に、本実施形態における冷凍サイクル装置の冷媒回路図を示す。本実施形態の冷凍サイクル装置は、圧縮機１とガスクーラ２と膨張機３と蒸発器４とが順に接続されてなる冷媒回路１０を備え、圧縮機１と膨張機３とを電動モータ５に対して一軸に連結し、矢印は冷媒の流れる方向を表している。また、ガスクーラ２と膨張機３の間に制御弁８備えている。図１７において図１と同じ構成要素については同じ符号を用い説明を省略する。上記バイパス弁１６が設置されたバイパス管路１５はその一端が放熱器２と膨張機３との間に接続され、その他端が膨張機３と制御弁８の間に接続されている。その他の構成、制御方法は第４の実施の形態と同じである。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
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、吸入体積制御手段を設けた膨張機による高効率な冷凍サイクルだけでなく、構成部品の破壊がなく信頼性、応答性を高める効果を有し、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】
【００７５】
【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】本発明による第１の実施形態の吸入容積変化時における容積比の関係を示す図
【図３】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４】本発明による第１の実施形態におけるモリエル線図
【図５】制御弁と吸入体積制御手段制御のフローチャート
【図６】吸入体積制御手段によって制御された吸入容積と制御弁の制御タイミングを表す特性図
【図７】本発明による第１の実施形態の吸入体積制御手段を設けた膨張機一体型圧縮機
【図８】（ａ）図７における膨張機の上側端板固定部の斜視図（ｂ）図７における膨張機の上側端板可動部の斜視図（ｃ）図７における膨張機の上側端板の斜視図
【図９】（ａ）φ＝２０ｄｅｇにおける図７の膨張機一体型圧縮機の膨張機のＤ１−Ｄ１断面の拡大横断面図（ｂ）φ＝９０ｄｅｇにおける図７の膨張機一体型圧縮機の膨張機のＤ１−Ｄ１断面の拡大横断面図
【図１０】（ａ）吸入体積制御手段位置における吸入／吐出容積を示す図（ｂ）吸入体積制御手段位置における容積比を示す図
【図１１】四方弁を用いた本発明第１の実施形態における冷凍サイクル装置の冷媒回路図
【図１２】圧力検出手段を用いた本発明による第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１３】本発明による第５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１４】本発明による第６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１５】本発明による第７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１６】本発明による第８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１７】本発明による第９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１８】膨張機一体型圧縮機とバイパス回路を示すブロック構成図
【図１９】膨張機による動力回収をしめしたモリエル線図
【符号の説明】
【００７６】
１    圧縮機
２    放熱器
３    膨張機
４    蒸発器
５    電動モータ
６    シャフト
７    冷媒配管
８    制御弁
９    吸入体積制御手段
１５    バイパス管路
１６    バイパス弁
６１    上側端板固定部
６２    上側端板可動部
【図１】
0004784385.tif 000002
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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