(57)【要約】【課題】減圧された冷媒が膨張機に吸入される構成において、エネルギー回収量が減少する条件でも冷凍サイクル装置のＣＯＰを向上させることができるようにする。【解決手段】冷凍サイクル装置１Ａは、圧縮機２１、放熱器２２、第１減圧機２３、膨張機２６、および蒸発器２７を含む冷媒回路４を備えている。放熱器下流路４ｂまたは中間圧流路４ｃから分岐する第１バイパス路５は蒸発器上流路４ｄにつながっており、第１バイパス路６がつながる位置よりも上流側で蒸発器上流路４ｄから分岐する第２バイパス路６は冷媒回路４の放熱器上流路４ａにつながっている。さらに、冷凍サイクル装置１Ａは、第１バイパス路５に設けられた第２減圧機５１と、膨張機２６から吐出された冷媒を蒸発器上流路４ｄを通じて蒸発器２７に導くか第２バイパス路６を通じて放熱器上流路４ａに導くかを切り替える切替手段とを備えている。【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、圧縮された冷媒を冷却する放熱器、冷却された冷媒を減圧させる第１減圧機、減圧した冷媒を膨張させて動力を回収する膨張機、および膨張した冷媒を加熱する蒸発器を含む冷媒回路と、
前記冷媒回路における前記放熱器と前記第１減圧機の間の放熱器下流路または前記第１減圧機と前記膨張機の間の中間圧流路から分岐して、前記冷媒回路における前記膨張機と前記蒸発器の間の蒸発器上流路につながる、冷媒を減圧させる第２減圧機が設けられた第１バイパス路と、
前記第１バイパス路がつながる位置よりも上流側で前記蒸発器上流路から分岐して、前記冷媒回路における前記圧縮機と前記放熱器の間の放熱器上流路につながる第２バイパス路と、
前記膨張機から吐出された冷媒を、前記蒸発器上流路を通じて前記蒸発器に導くか前記第２バイパス路を通じて前記放熱器上流路に導くかを切り替える切替手段と、
を備える冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記切替手段は、前記蒸発器上流路の前記第２バイパス路が分岐する位置よりも下流側に設けられた開閉弁と、前記第２バイパス路に設けられた逆止弁とを含む、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項３】
前記中間圧流路には、前記第１減圧機で減圧した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離する気液分離器が設けられており、前記中間圧流路は、前記気液分離器で分離された気相冷媒を前記膨張機に導くように構成されており、
前記第１バイパス路は、前記気液分離器で分離された液相冷媒を前記放熱器上流路に導くように構成されている、請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項４】
前記中間圧流路を通じて前記膨張機に導かれる冷媒を加熱する加熱手段をさらに備える、請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項５】
前記冷凍サイクル装置は、前記放熱器で加熱された水を循環させる循環型温水供給システムに用いられており、
前記加熱手段は、放熱後の還り水の熱を利用して冷媒を加熱する水利用熱交換器である、請求項４に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項６】
前記第１バイパス路は、前記放熱器下流路から分岐しており、
前記加熱手段は、前記第１バイパス路における前記第２減圧機よりも上流側部分を流れる冷媒と前記中間圧流路を流れる冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器である、請求項４に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項７】
シャフトを介して前記圧縮機を駆動するモータと、前記圧縮機および前記モータを収容する密閉容器とをさらに備え、
前記圧縮機は、圧縮した冷媒を前記密閉容器内に吐出するように構成されており、
前記第２バイパス路の下流端は、前記密閉容器内に開口している、請求項１〜６のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項８】
前記膨張機は、回収した動力を前記シャフトに伝達し得るように前記シャフトに連結されている、請求項７に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項９】
前記膨張機は、冷媒を吐出するための吐出ポートを有しており、
前記吐出ポートには、冷媒の逆流を防止する吐出弁が設けられている、請求項１〜８のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１０】
前記膨張機は、冷媒を吸入するための吸入ポートと、容積変化によって内部で冷媒を膨張させる膨張室と、前記膨張室に開口するインジェクションポートとを有しており、
前記吸入ポートに導かれる冷媒を前記インジェクションポートにも導くインジェクション路と、前記インジェクション路を通じた冷媒の流通を禁止または許可するインジェクション弁とをさらに備える、請求項１〜９のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１１】
前記インジェクション弁は、前記切替手段によって前記膨張機から吐出された冷媒が前記第２バイパス路を通じて前記放熱器上流路に導かれるときに、前記インジェクション路を通じた冷媒の流通を許可する、請求項１０に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１２】
前記膨張機は、２段ロータリ式膨張機である、請求項１〜１１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１３】
前記冷媒は、二酸化炭素である、請求項１〜１２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、冷媒を膨張させる過程で圧力エネルギーを回収する膨張機を備えた冷凍サイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
冷凍サイクル装置において、放熱器で冷却された冷媒は、膨張手段で膨張され、蒸発器へと流入する。膨張手段として膨張弁を用いた場合には、冷媒の持つ圧力エネルギーは渦のエネルギーとなり、やがて冷媒分子の振動エネルギーとなる（等エンタルピー変化）。この冷媒の持つ圧力エネルギーを回収し、有効活用する技術の一つが膨張機である。膨張機は、冷媒をスムーズに膨張させることによってその圧力エネルギーを動力として回収し、発電機を回すことで発電したり、圧縮機へ直接動力を伝えて圧縮機の駆動をアシストすることで消費電力量を低減したりして、冷凍サイクル装置を高効率化することができる。
【０００３】
例えば、特許文献１には、図１３に示すような冷凍サイクル装置１００が開示されている。また、その冷凍サイクル装置１００の運転状態を示すモリエル線図を図１４に示す。
【０００４】
冷凍サイクル装置１００は、圧縮機１０１、室内熱交換器１０２、予膨張弁１０３、膨張機１０４、および室外熱交換器１０５を含む冷媒回路１１０を備えている。圧縮機１０１はモータ１３０によって駆動され、膨張機１０４は回収した動力を直接圧縮機９２１に伝達できるように圧縮機１０１と一軸で直結されている。また、冷媒回路１１０には、冷房運転と暖房運転を切り替えるための四方弁１１１，１１２が設けられているとともに、予膨張弁１０３で膨張した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離するレシーバタンク１２０が設けられている。
【０００５】
図１４における点Ａ〜Ｅは図１３中に記したＡ〜Ｅの位置における冷媒の状態を示している。暖房運転時、圧縮機１０１から吐出された冷媒（点Ｂ）は、室内熱交換器１０２（放熱器）で放熱し（点Ｃ）、予膨張弁１０３で中間圧まで膨張して減圧した後に膨張機１０４に吸入される（点Ｄ）。膨張機１０４内では冷媒が内部膨張比まで膨張されて吐出される（点Ｅ）。膨張機１０４から吐出された冷媒は、室外熱交換器１０５（蒸発器）で大気の熱を吸収した後に再び圧縮機１０１に吸入される（点Ａ）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−７４９９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記の冷媒回路１１０では、予膨張弁１０３での減圧幅が大きくなるにつれて膨張機１０４に吸入される冷媒の圧力が低下し、膨張機１０４の動力回収量が減少する。例えば圧縮機１０１の冷媒吐出温度が高くなる低外気温条件などでは、高圧側冷媒圧力と低圧側冷媒圧力の差を大きく確保する必要がある。このため、予膨張弁１０３での減圧幅が大きくなり、膨張機１０４の動力回収による冷凍サイクル装置のＣＯＰ（Coefficient of Performance）向上効果はほとんどなくなってしまう。また、予膨張弁１０３での減圧幅が大きい場合には蒸発器における冷媒の流量も減少して、蒸発器での吸熱量の減少および放熱器での加熱能力の低下を招いてしまうという問題があった。
【０００８】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、減圧された冷媒が膨張機に吸入される構成において、エネルギー回収量が減少する条件でも冷凍サイクル装置のＣＯＰを向上させることができるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は、冷媒を圧縮する圧縮機、圧縮された冷媒を冷却する放熱器、冷却された冷媒を減圧させる第１減圧機、減圧した冷媒を膨張させて動力を回収する膨張機、および膨張した冷媒を加熱する蒸発器を含む冷媒回路と、前記冷媒回路における前記放熱器と前記第１減圧機の間の放熱器下流路または前記第１減圧機と前記膨張機の間の中間圧流路から分岐して、前記冷媒回路における前記膨張機と前記蒸発器の間の蒸発器上流路につながる、冷媒を減圧させる第２減圧機が設けられた第１バイパス路と、前記第１バイパス路がつながる位置よりも上流側で前記蒸発器上流路から分岐して、前記冷媒回路における前記圧縮機と前記放熱器の間の放熱器上流路につながる第２バイパス路と、前記膨張機から吐出された冷媒を、前記蒸発器上流路を通じて前記蒸発器に導くか前記第２バイパス路を通じて前記放熱器上流路に導くかを切り替える切替手段と、を備える冷凍サイクル装置を提供する。
【発明の効果】
【００１０】
上記の構成によれば、切替手段によって膨張機から吐出された冷媒が蒸発器上流路を通じて蒸発器に導かれる状態にし、第１バイパス路に流れる冷媒量を制限すれば、膨張機で動力を回収することができる。逆に、切替手段によって膨張機から吐出された冷媒が第２バイパス路を通じて蒸発器に導かれる状態にし、第１バイパス路を流れる冷媒量を増大させれば、膨張機によって冷媒が高圧側に強制的に送り出されるので、膨張機を圧縮機として機能させることができる。そして、膨張機によって圧縮された冷媒は放熱器に流入し、放熱器の冷媒流量が増加するため、冷凍サイクル装置の加熱能力を増大させることができる。また、第１減圧機で減圧された冷媒の一部が膨張機に流入し、その残りの冷媒が第２減圧機を通過して蒸発器に流入するので、圧縮機によって昇圧される冷媒の流量が減少し、圧縮機を駆動するために必要な動力が低減される。したがって、膨張機に吸入される冷媒の圧力が低下する場合においても膨張機が有効に活用され、冷凍サイクル装置のＣＯＰを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る冷凍サイクル装置を用いた循環型温水供給システムの構成図
【図２】図１に示す圧縮膨張ユニットの縦断面図
【図３】（ａ）は図２のIIIＡ−IIIＡ線に沿った膨張機の横断面図、（ｂ）は図２のIIIＢ−IIIＢ線に沿った膨張機の横断面図
【図４】図２に示す膨張機の作動室の容積とシャフトの回転角との関係を示すグラフ
【図５】第１実施形態に係る冷凍サイクル装置の中間期における動力回収運転の状態を示すモリエル線図
【図６】第１実施形態に係る冷凍サイクル装置の低外気温時における動力回収運転の状態を示すモリエル線図
【図７】第１実施形態に係る冷凍サイクル装置の加熱能力強化運転の状態を示すモリエル線図
【図８】第１実施形態の変形例１における膨張機の縦断面図
【図９】第１実施形態の変形例２における圧縮膨張ユニットの縦断面図
【図１０】図９のX−X線に沿った膨張機の横断面図
【図１１】本発明の第２実施形態に係る冷凍サイクル装置を用いた循環型温水供給システムの構成図
【図１２】第２実施形態に係る冷凍サイクル装置の加熱能力強化運転の状態を示すモリエル線図
【図１３】従来の冷凍サイクル装置の構成図
【図１４】従来の冷凍サイクル装置の運転状態を示すモリエル線図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。なお、本発明は、下記の実施形態に限定されるものではない。
【００１３】
＜第１実施形態＞
図１に、本発明の第１実施形態に係る冷凍サイクル装置１Ａを示す。この冷凍サイクル装置１Ａは、温水暖房装置９と共に循環型温水供給システムを構成する。
【００１４】
１）全体構成
温水暖房装置９は、温水を蓄える温水タンク９１と、水を沸き挙げるための沸き挙げ路９２と、温水タンク９１内に蓄えられた温水を利用するための暖房路９４とを備えている。沸き挙げ路９２は、温水タンク９１の下部から抜き出した水を後述する放熱器２２で加熱して温水とした後に温水タンク９１の上部に戻す流路であり、沸き挙げポンプ９３を有している。暖房路９４は、暖房器９６および後述する中温水熱交換器（水利用熱交換器）２５をこの順に通過するように温水タンク９１内に蓄えられた温水を循環させる流路であり、循環ポンプ９５を有している。また、暖房路９４には、中温水熱交換器２５をバイパスする中温水バイパス路９７が設けられている。暖房路９４における中温水バイパス路９７の両端で挟まれる部分には、中温水流量調整弁９９が設けられており、中温水バイパス路９７には、バイパス流量調整弁９８が設けられている。
【００１５】
本実施形態では、温水暖房装置９で使用される熱媒体が水であるが、温水暖房装置９で使用される熱媒体はエチレングリコールなどの不凍液であってもよい。また、温水暖房装置９は、温水タンク９１を備えた、必要に応じて温水を供給する装置であるが、温水タンク９１の備えられていない、常時循環型の温水暖房装置を採用することも可能である。
【００１６】
冷凍サイクル装置１Ａは、冷媒を循環させる冷媒回路４を備えている。なお、冷凍サイクル装置１Ａは、温水暖房装置９と共に用いられる冷媒流通方向一定の装置であるが、本発明の冷凍サイクル装置は、例えば冷媒の流通方向を変更可能な可逆運転冷凍サイクル装置等であってもよい。また、本発明の冷凍サイクル装置の用途は何ら限定されない。例えば、本発明の冷凍サイクル装置は、給湯機、空気調和装置等として利用することができる。
【００１７】
冷媒回路４には、二酸化炭素やハイドロフルオロカーボンなどの冷媒が充填されている。二酸化炭素を使用すると、冷媒回路４における高低圧差が大きくなり、より多くの膨張エネルギーを回収可能となる。そのため、動力回収式の冷凍サイクル装置の冷媒として、二酸化炭素は好適である。
【００１８】
冷媒回路４は、圧縮機２１、放熱器２２、予膨張弁（第１減圧機）２３、膨張機２６および蒸発器２７が流路４ａ〜４ｅによってこの順に接続されて構成されている。本実施形態では、予膨張弁２３と膨張機２６の間の中間圧流路４ｃに、気液分離器２４が設けられている。そして、中間圧流路４ｃは、気液分離器２４で分離された気相冷媒を膨張機２６に導くように構成されている。また、中間圧流路４ｃには、気液分離器２４の下流側に中温水熱交換器２５が設けられている。
【００１９】
本実施形態における気液分離器２４は、空間に気液混合冷媒を滞留させることによる液相の自重落下作用を利用した形式となっているが、その形式は表面張力を利用したものや慣性力を利用したものなどでもよく、形式は問わない。
【００２０】
圧縮機２１と膨張機２６は、同一の密閉容器３０内に収容されており、圧縮膨張ユニット３を構成する。圧縮機２１は、冷媒を吸入して圧縮し、圧縮した冷媒を密閉容器３０の内部空間３１に吐出する。密閉容器３０には、配管４１の一端が内部空間３１に開口するように接続されており、配管４１の他端は放熱器２２に接続されている。すなわち、密閉容器３０の内部空間３１および配管４１は、圧縮機２１から放熱器２２に冷媒を導く放熱器上流路４ａを構成する。
【００２１】
放熱器２２は、圧縮機２１から吐出された冷媒を、沸き挙げ路９２を流れる水と熱交換させることによって冷却する。予膨張弁２３は、放熱器２２から流出した冷媒を膨張させて減圧させる。気液分離器２４は、予膨張弁２３を通過した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離する。中温水熱交換器２５は、気液分離器２４で分離された気相冷媒を、膨張機２６に吸入される前に、暖房路９６を流れる暖房器９６で放熱した後の還り水を利用して加熱する。すなわち、中温水熱交換器２５は、中間圧流路４ｃを通じて膨張機２６に導かれる冷媒を加熱する加熱手段として機能する。膨張機２６は、通常時は、中温水熱交換器２５から流出した気相冷媒を膨張させて動力を回収する。蒸発器２７は、膨張機２６から吐出された冷媒を、空気と熱交換させることによって加熱する。
【００２２】
また、冷凍サイクル装置１Ａは、中間圧流路４ｃから分岐して膨張機２６と蒸発器２７の間の蒸発器上流路４ｄにつながる第１バイパス路５と、第１バイパス路５がつながる位置よりも上流側で蒸発器上流路４ｄから分岐して圧縮機２１と放熱器２２の間の放熱器上流路４ａにつながる第２バイパス路６とを備えている。本実施形態では、第２バイパス路６１の下流端が密閉容器３０内に開口している。
【００２３】
第１バイパス路５は、気液分離器２４で分離された液相冷媒を放熱器上流路４ｄに導くように構成されている。また、第１バイパス路５には、液相冷媒を膨張させて減圧させるバイパス膨張弁（第２減圧機）５１が設けられている。
【００２４】
蒸発器上流路４ｄには、第２バイパス路６が分岐する位置よりも下流側に開閉弁４２が設けられており、第２バイパス路６には、蒸発器上流路４ｄ側からの冷媒の流通は許容し、放熱器上流路４ａ側からの冷媒の流通は禁止する逆止弁６１が設けられている。開閉弁４２および逆止弁６１は、膨張機２６から吐出された冷媒を、蒸発器上流路４ｄを通じて蒸発器２７に導くか、第２バイパス路６を通じて放熱器上流路４ａに導くかを切り替える切替手段を構成する。
【００２５】
さらに、冷凍サイクル装置１Ａは、中間圧流路４ｃの中温水熱交換器２５よりも下流側から分岐して後述するインジェクションポート７４につながるインジェクション路７と、コントローラ８とを備えている。
【００２６】
インジェクション路７の上流側部分は配管７０で構成されており、この配管７０には流量調整弁７１が組み込まれている。流量調整弁７１は、インジェクション路７を通じた冷媒の流通を許可または禁止するインジェクション弁として機能する。流量調整弁７１は、少なくとも開閉弁４２および逆止弁６１によって膨張機２６から吐出された冷媒が第２バイパス路６を通じて放熱器上流路４ａに導かれるときに、インジェクション路７を通じた冷媒の流通を許可するように制御されることが好ましい。
【００２７】
コントローラ８は、後述するモータ３３、および上述した各種の弁（予膨張弁２３、バイパス膨張弁５１、開閉弁４２、流量調整弁７１）を制御する。コントローラ８としては、入出力回路、演算回路、記憶装置等を含むＤＳＰ（Digital Signal Processor）を使用できる。コントローラ８は、外気温度を検出する外気温度センサ８１と接続されている。
【００２８】
２）圧縮膨張ユニットの構成
次に、圧縮膨張ユニット３について、図２を参照して詳細に説明する。
【００２９】
圧縮膨張ユニット３の密閉容器３０内には、圧縮機２１および膨張機２６に加えて、シャフト３２を介して圧縮機２１を駆動するモータ３３が収容されている。膨張機２６は、回収した動力をシャフト３２に伝達し得るようにシャフト３２に連結されている。シャフト３２の軸方向は鉛直方向に平行である。圧縮機２１は密閉容器３０の上部に配置されており、膨張機２６は密閉容器３０の下部に配置されている。モータ３３は、圧縮機２１と膨張機２６の間に配置されている。シャフト３２により、圧縮機２１、膨張機２６およびモータ３３が相互に連結されている。膨張機２６で回収された動力は、シャフト３２を介して圧縮機２１に伝達される。これにより、モータ３３の負荷が軽減されて冷凍サイクル装置１ＡのＣＯＰが向上する。
【００３０】
密閉容器３０は、上下が閉じられた円筒の形状を有する。密閉容器３０の底部には、圧縮機２１および膨張機２６の潤滑およびシールのためのオイルによってオイル溜まり３４が形成されている。膨張機２６は、オイル溜まり３４中に浸漬されている。
【００３１】
本実施形態において、圧縮機２１および膨張機２６は、ともに容積式の流体機構である。具体的に、圧縮機２１はスクロール式圧縮機であり、膨張機２６は２段ロータリ式膨張機である。ただし、圧縮機２１および膨張機２６の型式に限定はなく、ロータリ式（ローリングピストン式、スイング式およびスライディングベーン式を含む）やスクロール式等の型式を適宜採用できる。
【００３２】
シャフト３２は、圧縮シャフト３２ａおよび副シャフト３２ｂを含む。圧縮シャフト３２ａは圧縮機２１とモータ３３とに跨って延びており、副シャフト３２ｂは膨張機２６を貫通している。圧縮シャフト３２ａと副シャフト３２ｂとは連結器３２ｃによって一軸に連結されている。そのため、圧縮機２１の回転数が膨張機２６の回転数に常に等しい。なお、連結器３２ｃを使用せず、圧縮シャフト３２ａと副シャフト３２ｂとが直接嵌め合わされていてもよい。シャフト３２が単一の部品で作られていてもよい。圧縮機２１の回転数と膨張機２６の回転数とが相違するように、圧縮シャフト３２ａと副シャフト３２ｂとの間に、ギア、クラッチ、トルクコンバータ等が設けられていてもよい。
【００３３】
膨張機２６は前述のように２段ロータリ式膨張機であり、下から順に積層された、下軸受１９Ａ、第１閉塞部材１６、第１シリンダ１２Ａ、中板１７、第２シリンダ１２Ｂ、第２閉塞部材１８、上軸受１９Ｂを備えている。第１閉塞部材１６、第１シリンダ１２Ａ、中板１７に囲まれた空間には第１ピストン１１Ａが、第２閉塞部材１８、第２シリンダ１２Ｂ、中板１７に囲まれた空間には第２ピストン１１Ｂがそれぞれ配置されている。副シャフト３２ｂの中間位置には第１偏心部３２ｄと第２偏心部３２ｅが形成されており、第１偏心部３２ｄには第１ピストン１１Ａが、第２偏心部３２ｅには第２ピストン１１Ｂがそれぞれ嵌合している。
【００３４】
蒸発器２７と圧縮機２１の間の蒸発器下流路４ｅは、密閉容器３０を貫通して圧縮機２１の固定スクロールに接続されている。冷媒は、蒸発器下流路４ｅを通じて圧縮機２１に直接吸入される。上述したように、圧縮機２１で圧縮された冷媒は、いったん密閉容器３０の内部空間３１に吐出され、配管４１を通じて放熱器２２に導かれる。つまり、圧縮膨張ユニット３は、密閉容器３０の内部空間３１が圧縮冷媒で満たされる高圧シェル型の圧縮機に属する。なお、冷媒は、内部空間３１滞留中にオイルと分離される。
【００３５】
中間圧流路４ｃおよび蒸発器上流路４ｄは、密閉容器３０を貫通して膨張機２６の上軸受１９Ｂに接続されている。冷媒は、中間圧流路４ｃを通じて膨張機２６に直接吸入されるとともに、蒸発器上流路４ｄを通じて膨張機２６から直接吐出される。
【００３６】
蒸発器上流路４ｄから分岐する第２バイパス路６の下流端は、オイル溜まり３４の油面とモータ３３の下端との間に配置されている。
【００３７】
中間圧流路４ｃから分岐するインジェクション路７の上流側部分を構成する配管７０は、密閉容器３０を貫通して膨張機２６の下軸受１９Ａに接続されている。第１閉塞部材１６にはインジェクションポート７４が設けられており、インジェクション路７の下流側部分は、下軸受１９Ａおよび第１閉塞部材１６にインジェクションポート７４と配管７０とを連通するように設けられた流路７２によって構成されている。
【００３８】
３）膨張機の構成
次に、図３（ａ）および（ｂ）を参照して、膨張機２６の内部構造について詳しく説明する。
【００３９】
第１ピストン１１Ａは、第１シリンダ１２Ａの内周面に沿って偏心回転運動し、第２ピストン１１Ｂは、第２シリンダ１２Ｂの内周面に沿って偏心回転運動する。第１シリンダ１２Ａと第２シリンダ１２Ｂとは、互いに内周面が同心となる配置である。第２シリンダ１２Ｂの内周面の直径は、第１シリンダ１２Ａの内周面の直径よりも大きく設定されている。このため、第２シリンダ１２Ｂの内周面と第２ピストン１１Ｂとの間に形成される作動室１３Ｂの容積Ｖ２は、第１シリンダ１２Ａの内周面と第１ピストン１１Ａとの間に形成される作動室１３Ａの容積Ｖ１よりも大きくなっている。ただし、第２シリンダ１２Ｂおよび第２ピストン１１Ｂの厚さを第１シリンダ１２Ａおよび第１ピストン１１Ａの厚さよりも厚くすることによって、作動室１３Ｂの容積Ｖ２を作動室１３Ａの容積Ｖ１よりも大きくしてもよい。
【００４０】
第１シリンダ１２Ａ内の作動室１３Ａは、第１ベーン１１Ａによって吸入側１３１と吐出側１３２とに区画されている。第１ベーン１１Ａは、第１シリンダ１２Ａに形成されたベーン溝に往復動自在に挿入されている。また、ベーン溝内には、第１ベーン１４Ａを第１ピストン１１Ａへ付勢するばね１５が配設されている。同様に、第２シリンダ１２Ｂ内の作動室１３Ｂは、第２ベーン１１Ｂによって吸入側１３３と吐出側１３４とに区画されている。第２ベーン１１Ｂは、第２シリンダ１２Ｂに形成されたベーン溝に往復動自在に挿入されている。また、ベーン溝内には、第２ベーン１４Ｂを第２ピストン１１Ｂへ付勢するばね１５が配設されている。このように本実施形態では、ピストンとベーンがばねの力によって接触する方式をとっているが、ベーンとピストンが離れないようにジョイント式になっている方式や、ピストンとベーン（ブレード）が一体化されたスイング式のロータリ式膨張機を採用することも可能である。
【００４１】
第１ベーン１４Ａおよび第２ベーン１４Ｂは、上下方向で重なる位置、言い換えると、副シャフト３２ｂの軸心に対して同一の角度位置に配置されている。副シャフト３２ｂの２つの偏心部３２ｄ，３２ｅは、副シャフト３２ｂの軸心に対して同一の方向に偏心している。したがって、第１ベーン１４Ａが径方向外側に最も退いた状態（いわゆる上死点）となるタイミングと、第２ベーン１４Ｂが径方向外側に最も退いた状態となるタイミングとが一致する。なお、これらのタイミングは、互いに相違していてもよい。
【００４２】
第１シリンダ１２Ａ、中板１７、および第２シリンダ１２Ｂを挟むように配置された下軸受１９Ａおよび上軸受１９Ｂは、副シャフト３２ｂを回転自在に保持する。第１閉塞部材１６は、下軸受１９Ａの上側に配置されており、第１シリンダ１２Ａ内の作動室１３Ａを下方から閉塞している。中板１７は、第１シリンダ１２Ａ内の作動室１３Ａを上方から閉塞しているとともに第２シリンダ１２Ｂ内の作動室１３Ｂを下方から閉塞している。第２閉塞部材１８は、上軸受１９Ｂの下側に配置されており、第２シリンダ１２Ｂ内の作動室１３Ｂを上方から閉塞している。
【００４３】
中板１７には、第１シリンダ１２Ａ内の作動室１３Ａの吐出側１３２と第２シリンダ１２Ｂ内の作動室１３Ｂの吸入側１３３とを連通する連通路１７ａが形成されている。作動室１３Ａの吐出側１３２、連通路１７ａ、および作動室１３Ｂの吸入側１３３は、容積変化によって内部で冷媒を膨張させる膨張室を構成する。連通路１７ａの開閉は、ピストン１１Ａ，１１Ｂによって行われる。
【００４４】
本実施形態において、連通路１７ａは、その中心線が中板１７の厚さ方向に対して一定角度傾いている斜め孔である。ただし、第１ベーン１４Ａの位置と第２ベーン１４Ｂの位置とが上下方向で重ならず、これら２つのベーン１４Ａ，１４Ｂが副シャフト３２ｂの軸心に対して所定の角度間隔で配置されている場合には、中板１７を最短距離で貫くように連通路１７ａを形成することができる。
【００４５】
上軸受１９Ｂ、第２閉塞部材１８、第２シリンダ１２Ｂ、中板１７、第１シリンダ１２Ａ、および第１閉塞部材１６には、中間圧流路４ｃと連通する吸入路２６ａが形成されている（図２参照）。第１閉塞部材１６には、中間圧流路４ｃからの冷媒を吸入路２６ａ経由で第１シリンダ１２Ａ内の作動室１３Ａの吸入側１３１に流入させる吸入ポート２６Ａが形成されている。
【００４６】
上軸受１９Ｂには、蒸発器上流路４ｄと連通する吐出路２６ｂが形成されている（図２参照）。第２閉塞部材１８には、第２シリンダ１２Ｂ内の作動室１３Ｂの吐出側１３４から冷媒を吐出路２６ｂ経由で蒸発器上流路４ｄに流出させる吐出ポート２６Ｂが形成されている。また、吐出ポート２６Ｂには、弾性変形することによって吐出ポート２６Ｂから蒸発器上流路４ｄへ向かう流れのみを許容する逆止弁として機能する吐出弁２６ｃが設けられている。
【００４７】
上述したように下軸受１９Ａには配管７０と連通する流路７２が形成されており、第１閉塞部材１６には、流路７２から第１シリンダ１２Ａ内の作動室１３Ａの吐出側１３２（膨張室）に冷媒を流入させるインジェクションポート７４が形成されている。すなわち、配管７０および流路７２は、吸入ポート２６Ａに導かれる冷媒をインジェクションポート７４にも導くインジェクション路７を構成する。インジェクションポート７４は、中板１７に形成された連通路１７ａの第１シリンダ１２Ａ側開口のほぼ真向かいに配置されており、その開口が第１ピストン１１Ａに開閉されるタイミングと略同じタイミングで開閉される。また、流路７２には、弾性変形することによって配管７０からインジェクションポート７４へ向かう流れのみを許容する逆止弁として機能するインジェクション弁７３が設けられている。
【００４８】
なお、インジェクションポート７４は、必ずしも第１シリンダ１２Ａ内の作動室１３Ａの吐出側１３２に冷媒を流入させる必要はなく、膨張室に開口していればよい。例えば、インジェクションポート７４を第２シリンダ１２Ｂ内の作動室１３Ｂの吸入側１３３に冷媒を流入させるように第２閉塞部材１８に形成してもよい。
【００４９】
４）膨張機の動作
次に、膨張機２６の動作に伴う作動室の容積変化について述べる。図４は、上死点位置を０°として副シャフト３２ｂの回転角に対する作動室の容積変化を示したものである。なお、以下では、第１シリンダ１２Ａ内の作動室１３Ａの吸入側１３１を第１吸入側作動室１３１、吐出側１３２を第１吐出側作動室１３２と表記する。同様に、第２シリンダ１２Ｂ内の作動室１３Ｂの吸入側１３３を第２吸入側作動室１３３、吐出側１３４を第２吐出側作動室１３４と表記する。
【００５０】
膨張機２６が動作すると、副シャフト３２ｂが図３（ａ）および（ｂ）では左回りに回転する。これにより、第１ピストン１１Ａおよび第２ピストン１１Ｂは、左回りに旋回運動する。回転角０°の状態において吸入ポート２６Ａは第１ピストン１１Ａによって閉じられた状態であり、１〜２０°程度の間に吸入ポート２６Ａが第１ピストン１１Ａの移動によって徐々に開かれ、吸入路２６ａが第１吸入側作動室１３１と連通する。第１吸入側作動室１３１の容積は回転角が３６０°となるまで増加して最終的に作動室１３Ａの容積Ｖ１となるが、３４０〜３５９°程度の間に吸入ポート２６Ａが第１ピストン１１Ａの移動によって徐々に閉じられ、吸入路２６ａと第１吸入側作動室１３１は分断される。回転角３６０°の状態では、吸入ポート２６Ａ、連通路１７ａの第１シリンダ側開口およびインジェクションポート７４は第１ピストン１１Ａによって閉じられており、作動室１３Ａは他の空間とは連通しない。回転角３６０°を過ぎると、第１吸入側作動室１３１は第１吐出側作動室１３２に移行する。
【００５１】
回転角３６１〜３８０°の間に連通路１７ａの第１シリンダ側開口が第１ピストン１１Ａの移動によって徐々に開かれ、第１吐出側作動室１３２と連通路１７ａが連通する。ほぼ同時に第２ピストン１１Ｂの移動によって連通路１７ａの第２シリンダ側開口が徐々に開かれ、第２吸入側作動室１３３も連通路１７ａと連通し、膨張室が形成される。また、第１ピストン１１Ａの移動によってほぼ同じタイミングでインジェクションポート７４も徐々に開かれ、膨張室とインジェクション路７が連通し、流量調整弁７１を通過して冷媒が膨張室に流入することが可能となる。回転角が３６０°から大きくなるにつれて膨張室に占める第２吸入側作動室１３３の割合が大きくなっていくので、膨張室の容積は回転角７２０°となるまで増加し、最終的に作動室１３Ｂの容積Ｖ２となる。回転角７００〜７１９°の間に連通路１７ａの第２シリンダ側開口は第２ピストン１１Ｂの移動によって徐々に閉じられ、連通路１７ａと第２吸入側作動室１３３が分断される。回転角７２０°を過ぎると、第２吸入側作動室１３３は第２吐出側作動室１３４に移行する。
【００５２】
回転角７２１〜１０８０°において第２吐出側作動室１３４の容積は小さくなり、最終的には０となる。回転角７００〜７４０°の間に吐出ポート１７５ａが第２ピストン１１Ｂの移動によって徐々に開かれるため、第２吐出側作動室１３４内の冷媒は吐出弁２６ｃを通過して吐出路２６ｂに流出可能となる。
【００５３】
つづいてインジェクションポート７４から冷媒を膨張室に流入させることによる膨張機２６の吸入容積の変化について述べる。流量調整弁７１を閉じている場合にはインジェクションポート７４から冷媒が吸入されることはないので、第１吸入側作動室１３１にのみ冷媒が吸入され、膨張機２６の吸入容積は作動室１３Ａの容積Ｖ１となる。しかし、流量調整弁７１を開くことによって、インジェクションポート７４から冷媒が吸入されることが可能となり、膨張機２６の吸入容積は最大で作動室１３Ｂの容積Ｖ２まで拡大される。具体的に説明を加える。第１吸入側作動室１３１に吸入された冷媒が膨張室において体積を拡大されると冷媒の圧力が低下する（膨張）。第１吐出側作動室１３２内の圧力が流路７２内の圧力よりも低下するとインジェクション弁７３が開き冷媒が流入する。流量調整弁７１が全開であれば流路７２に流入する冷媒の圧力は配管７０および中間圧流路４ｃを介して連続する吸入路２６ａに流入する冷媒とほぼ同じ圧力となるので、膨張室の容積拡大が始まった直後にインジェクション弁７３が開き、膨張室の容積が作動室１３Ｂの容積Ｖ２に達するまで冷媒が吸入される。流量調整弁７１の開度を調節して流路７２内の圧力を変化させると、インジェクション弁７３の開くタイミングおよび吸入される冷媒の密度が変化して膨張機２６の吸入容積を変化させた場合と同様の流量制御効果を得ることができる。このように、流量調整弁７１の開度を閉じた状態から全開まで変化させることによって、膨張機２６の流量制御範囲は、作動室１３Ａの容積Ｖ１相当の吸入容積から作動室１３Ｂの容積Ｖ２相当の吸入容積まで変化する。
【００５４】
５）全体動作
次に、循環型温水供給システムの動作について説明する。
【００５５】
まず、温水暖房装置９について説明する。温水暖房装置９が運転を開始すると循環ポンプ９５が稼動し、温水タンク９１の上部に貯留されている高温水を暖房器９６へと送り出す。暖房器９６では高温水が放熱し、中温水となる。中温水は中温水流量調整弁９９およびバイパス流量調整弁９８の開度によってその一部もしくは全部が中温水熱交換器２５に流入する。中温水熱交換器２５では気液分離器２４から膨張機２６へと流入する冷媒によって中温水が冷却され、低温水となる。低温水は温水タンク９１の下部へと流入し、一旦貯留されたのち、沸き挙げポンプ９３によって放熱器２２へ供給される。低温水は放熱器２２で加熱されて高温水となり、再び温水タンク９１の上部に貯留される。
【００５６】
温水タンク９１内では上部の高温水と下部の低温水が同空間内に貯留されており、温度成層が形成されている。温水タンク９１内には温度成層を崩さないための流動抑制部材が備えられていてもよい。また、高温水の流出口と低温水の流出口のほかに温度成層の中間部から温水を流出させ、高温水または低温水と混ぜて使用者から要求される温度の水を作り出すような構成となっていてもよい。
【００５７】
本実施形態では冷凍サイクル装置１Ａの冷媒に二酸化炭素を用いており、その性質から高温水の温度は６５℃〜９０℃となり得る。そのため、中温水は４０℃〜６５℃、低温水は２０℃〜４０℃となるが、冷凍サイクル装置１Ａに充填されている冷媒によって、水の温度は変わり得る。
【００５８】
中温水は中温水熱交換器２５において膨張機２６に流入する冷媒に熱を与え、低温水となるが、運転状態によっては中温水熱交換器２５内における冷媒の温度が中温水の温度よりも高くなってしまうことがある。その場合は中温水流量調整弁９９を閉じ、バイパス流量調整弁９８を開くことによって中温水バイパス路９７に中温水を流入させ、膨張機２６へ流入する冷媒の温度が低下するのを防ぐ。
【００５９】
次に、冷凍サイクル装置１Ａの運転について説明する。冷凍サイクル装置１Ａは、外気温度センサ８１で測定された外気温度の条件に応じて動力回収運転と加熱能力強化運転とを切り換えながら運転する。本実施形態において、動力回収運転とは蒸発器上流路４ｄに設けられた開閉弁４２を開いた状態での運転であり、加熱能力強化運転とは開閉弁４２を閉じた状態での運転である。以下、図１および図２を合わせて参照しながら、各運転について説明する。
【００６０】
（Ａ）動力回収運転
図５は、動力回収運転のサイクル状態を示すモリエル線図である。点Ａ〜Ｇは図１中に記したＡ〜Ｇの位置における冷媒の状態を示している。
【００６１】
圧縮機２１がモータ３３によって駆動されると、冷媒（点Ａ）は、蒸発器下流路４ｅを通じて圧縮機２１に吸入されて圧縮される（点Ｂ）。圧縮された冷媒は、密閉容器３０の内部空間３１および配管４１を通じて放熱器２２に導かれる。放熱器２２は、圧縮冷媒を冷却する（点Ｃ）。冷却された冷媒は、予膨張弁２３（点Ｄ）、気液分離器２４（点Ｅ）、および中温水熱交換器２５（点Ｆ）を経由して膨張機２６に吸入される。膨張機２６は、冷媒を膨張させるとともに（点Ｇ）、冷媒から動力を回収する。膨張した冷媒は、吐出弁２６ｃ、吐出路２６ｂ、および開閉弁４２を通過し、蒸発器２７に導かれる。蒸発器２７において、冷媒は、外部から熱を吸収して蒸発する。蒸発した冷媒は、圧縮機２１に再び吸入される。
【００６２】
膨張機２６は、圧縮シャフト３２ａと副シャフト３２ｂが連結されているため、圧縮機２１に対して回転数を変えて流量の調節を行うことができない。言い換えれば、冷凍サイクル装置１Ａの高圧側冷媒の密度と低圧側冷媒の密度比を調整することができない。そのため、冷凍サイクル装置１Ａでは予膨張弁２３、流量調整弁７１およびバイパス膨張弁５１の開度を操作することによって冷媒の密度比を調整する。
【００６３】
冷凍サイクル装置１Ａの高圧側圧力と低圧側圧力の密度比を小から大へと変化させる場合には、予膨張弁２３、流量調整弁７１およびバイパス膨張弁５１をすべて全開としている状態から、バイパス膨張弁５１、流量調整弁７１、予膨張弁２３の順番で開度を小さくし、冷媒の流量を減少させる動作を行う。バイパス膨張弁５１の開度を小さくしていく過程では第１バイパス路５の流量が減少し、膨張機２６には最大流量が流れる。バイパス膨張弁５１が閉じ、流量調整弁７１の開度を小さくしていく過程では膨張機２６の吸入容積が前述のように作動室１３Ｂの容積Ｖ２から作動室１３Ａの容積Ｖ１まで縮小される。流量調整弁７１が閉じた時点で膨張機２６の吸入容積は最小の状態となる。予膨張弁２３の開度を小さくしていく過程では予膨張弁２３における冷媒の減圧幅が大きくなっていくので、膨張機２６の吸入する冷媒の密度が低下し、冷媒流量が減少する。このようにして冷凍サイクル装置１Ａの高圧側冷媒と低圧側冷媒の密度比は調整される。図５では、バイパス膨張弁５１および流量調整弁７１が全閉、予膨張弁２３が全開で、さらに中温水流量調整弁９９が全閉の状態を作図している。なお、第１バイパス路５に開閉弁を設け、バイパス膨張弁５１の開度の調整に合わせて開閉弁の開閉を行うようにしてもよい。
【００６４】
開閉弁４２が開いている状態では密閉容器３０の内部圧力のほうが蒸発器２７に連通している第２バイパス路６の上流側部分の圧力よりも高く、逆止弁６１は開かない。よって膨張機２６から吐出された冷媒は、密閉容器３０内には流入しない。
【００６５】
図５のモリエル線図上において、膨張機２６を搭載していない通常の冷凍サイクルでは、膨張後の冷媒の状態は点Ｃと同じエンタルピーの点Ｇ’となる。しかし、膨張機２６によって冷媒の持つエネルギーが回収されると、膨張過程でエンタルピーが低下し、膨張後の冷媒の状態が点Ｇとなる。この点Ｇと点Ｇ’のエンタルピーの差ΔＨが回収動力となって圧縮機２１に伝達され、圧縮機２１の電気入力が低減される。
【００６６】
ところで、外気温度が低下すると、蒸発器２７周囲の温度が低下し、大気からの熱吸収量が低下する。そのため、蒸発器２７内の冷媒の圧力を下げて蒸発温度を下げるよう冷凍サイクル装置１Ａは制御される。具体的には予膨張弁２３の開度を小さくし、冷媒の減圧量を大きくし、膨張後の冷媒圧力を下げる。このときの冷凍サイクル装置１Ａの状態を示すモリエル線図を図６に示す。予膨張弁２３によって減圧された冷媒は点Ｄで示す程度の圧力まで低下し、その後膨張機２６に吸入され、点Ｇの位置までエンタルピーを下げながら膨張する。このとき、膨張機２６に回収される回収動力は点Ｄと点Ｇのエンタルピー差であるΔＨ’となるが、これは図５のΔＨに比べて小さい。すなわち、低外気温時には動力回収運転の効果が小さくなってしまうことがある。このような場合に、次に説明する加熱能力運転を行うと効果的である。
【００６７】
（Ｂ）加熱能力強化運転
図７は加熱能力強化運転のサイクル状態を示すモリエル線図である。点Ａ〜Ｉは図１中に記したＡ〜Ｉの位置における冷媒の状態を示している。
【００６８】
圧縮機２１がモータ３３によって駆動されると、冷媒（点Ａ）は、蒸発器下流路４ｅを通じて圧縮機２１に吸入されて圧縮される（点Ｂ）。圧縮された冷媒は、密閉容器３０の内部空間３１および配管４１を通じて放熱器２２に導かれる。放熱器２２は、圧縮冷媒を冷却する（点Ｃ）。冷却された冷媒は、予膨張弁２３で気液二相状態となる中間圧力まで減圧された後（点Ｄ）、気液分離器２４において液相冷媒と気相冷媒に分離される。気相冷媒（点Ｅ）は、中温水熱交換器２５に流入し、中温水と熱交換して加熱され（点Ｆ）、中間圧流路４ｃおよび配管７０を通じて膨張機２６に吸入される。流量調整弁７１は全開となっており、膨張機２６は、作動室１３Ｂの容積Ｖ２まで冷媒を吸入する。すなわち、冷媒の膨張は行われない。副シャフト３２ｂの回転によって冷媒は吐出ポート２６Ｂから吐出弁２６ｃおよび吐出路２６ｂを通過して蒸発器上流路４ｄへ送り出される。加熱能力強化運転においては開閉弁４２は閉じられており、吐出路２６ｂおよび蒸発器上流路４ｄにおける開閉弁４２よりも上流側部分（以下、「昇圧路」という。）の内部空間は蒸発器２７の内部空間とは切り離された状態となっている。そのため、昇圧路の内部空間は、開閉弁４２、逆止弁６１、吐出弁２６ｃによって閉塞された、第２バイパス路６の上流側部分と連続する空間となり、膨張機２６から冷媒が吐出されるたびに冷媒の密度と圧力が上昇する。すなわち、膨張機２６は、冷媒を昇圧する圧縮機として機能する。昇圧路の内部圧力が密閉容器３０の内部圧力よりも高くなると（点Ｇ）、逆止弁６１が開き、第２バイパス路６の下流側部分を通じて冷媒が密閉容器３０の内部空間３１に吐出される。内部空間３１に吐出された冷媒は圧縮機２１の吐出する冷媒と合流し、配管４１を通じて放熱器２２に導かれる。一方、気液分離器２４において分離された液相冷媒（点Ｈ）は、バイパス膨張弁５１で減圧された後（点Ｉ）、蒸発器２７に流入する。蒸発器２７において、冷媒は、外部から熱を吸収して蒸発する。蒸発した冷媒は、圧縮機２１に再び吸入される。
【００６９】
図７において、気液分離器２４によって分離された気相冷媒（点Ｅ）は過熱度が０に近い状態となる。中温水熱交換器２５で加熱されると、気相冷媒は過熱度が大きくなる（点Ｆ）。よって膨張機２６に吸入される際には冷媒は十分過熱度のとれた気体状態となっており、膨張機２６の吸い込む冷媒が液体となることを防いでいる。膨張機２６に吸入された冷媒は上述のように圧縮され（点Ｇ）、圧縮機２１の吐出冷媒と合流して放熱器２２に流入する。膨張機２６に吸入される冷媒は中間圧力であり、低圧の冷媒を圧縮する場合に比べて必要な圧縮動力が小さくなる。また、中間圧力なので低圧冷媒よりも密度が高く、圧縮された冷媒の流量も大きくなる。よって放熱器２２の冷媒流量が増加するので、放熱器２２の加熱能力が増大して冷凍サイクル装置１ＡのＣＯＰが向上する。
【００７０】
動力回収運転と加熱能力強化運転の切替は、コントローラ８からの指示信号により行われる。コントローラ８は外気温度センサ８１によって外気温度を測定し、要求されている出湯温度の値との組み合わせによって、予め記憶しているテーブルから動力回収運転か加熱能力運転かを判定し、指示信号を発信する。
【００７１】
本実施形態では、第２バイパス路６、蒸発器上流路４ｄから放熱器上流路４ａへ向かう流れのみを許容する逆止弁６１を設けている。この逆止弁６１は差圧式であり、第２バイパス路６の上流側の圧力が下流側の圧力よりも低い場合にのみ動作する。よって動力回収運転時は、開閉弁４２を開き、第２バイパス路６の上流側を蒸発器２７と同じ低圧の冷媒状態にするのみで自動的に逆止弁６１が閉じ、高圧が流入するなどの危険もない。加熱能力強化運転を行うときは開閉弁４２を閉じることで、昇圧路を閉路とし、送り出される冷媒の圧力によって圧力が高まり、逆止弁６１が自動的に開いて高圧の冷媒が密閉容器３０内へと流入する。このように、開閉弁４２の開閉のみで運転の切替を行うことができ、構成および制御を簡素にすることができる。
【００７２】
ただし、本発明の切替手段は、本実施形態のように逆止弁６１と開閉弁４２で構成されている必要はない。例えば、逆止弁６１の代わりに単なる開閉弁を用いてもよいし、切替手段として、蒸発器上流路４ｄにおける第２バイパス路６が分岐する位置に設けられた三方弁を採用してもよい。これらの場合は、膨張機２６から吐出された冷媒が第２バイパス路６を通じて放熱器上流路４ａに導かれるときには、そのように切り替えられた瞬間に、開閉弁４２または三方弁よりも上流側の昇圧路内の圧力が密閉容器３０内の圧力と同じになるため、膨張機２６による冷媒の強制的な送り出しによって冷媒を密閉容器３０内の圧力まで昇圧することができる。
【００７３】
また、本実施形態では気液分離器２４を備えており、予膨張弁２３によって膨張された後の冷媒は気相冷媒と液相冷媒とに分離される。こうすることによって膨張機２６に吸入される冷媒が気体となり、冷媒のエンタルピーが高い状態から圧縮できるので、吐出冷媒のエンタルピーも高まって加熱能力が向上する。また、液相冷媒が第１バイパス路５を経由してバイパス膨張弁５１で減圧された後に蒸発器２７に流入するので、蒸発器２７に流入する冷媒の液の割合が大きくなり、それによって蒸発器での熱交換効率が向上するとともに、圧力損失も低減されて冷凍サイクル装置１ＡのＣＯＰが向上する。
【００７４】
膨張機２６の信頼性を確保するために、吸入する冷媒は気相であることが望ましい。液相冷媒を吸入して圧縮する場合には非圧縮性の流体を圧縮することになり、膨張機２６の内部に大きな応力が作用して部材が破損しかねないからである。液相冷媒を吸入しないためには膨張機２６の吸入容積を大きくし過ぎず、気液分離器２４において分離され残留している気相冷媒の量を０としないことが必要となる。具体的には、膨張機２６の吸入容積を、圧縮機２１の吸入容積の２０分の１〜２分の１程度の大きさに設定すると良い。また、膨張機２６の吸入する冷媒を気相とするために、予膨張弁２３とバイパス膨張弁５１の開度を調節して、予膨張弁２３での減圧後の冷媒の圧力を制御することも有効である。具体的には予膨張弁２３での減圧後の冷媒圧力が４〜６ＭＰａ程度となるよう調整されるのが望ましい。
【００７５】
本実施形態では、膨張機２６に流入する気相冷媒を、中温水熱交換器２５において温水暖房装置９の還り水によって加熱することで、さらにエンタルピーを上昇させている。これにより、膨張機２６の吐出温度が向上し、加熱能力が向上するとともに、膨張機２６に流入する冷媒の過熱度が大きくとれるため、膨張機２６が液冷媒を吸入することを確実に防いで膨張機２６の信頼性を向上させることができる。また、還り水のもつ不要な熱を有効利用できるとともに、還り水が冷却されることで放熱器２２に流入する水の温度が低下し、放熱器２２を流れる冷媒の圧力を低下させることができるので、圧縮機２１による冷媒圧縮動力を低減することができ、冷凍サイクル装置１ＡのＣＯＰがさらに向上する。
【００７６】
中温水熱交換器２５を流れる還り水の流量は、バイパス流量調整弁９８および中温水流量調整弁９９の開度調節によって変更することができる。これによって膨張機２６に流入する冷媒を加熱しすぎることを防ぎ、過熱度を適切に保つことができるので、圧縮後の冷媒の過度の温度上昇を防いで潤滑油の劣化を防止するなど圧縮膨張ユニット３の信頼性を向上させることができる。
【００７７】
本実施形態では、圧縮機２１が膨張機２６とシャフト３２によって連結され、モータ３３によって駆動されるように構成されている。こうすることによって、動力回収運転を実行している場合には膨張機２６による回収動力が直接圧縮機２１に伝達され、加熱能力強化運転を実行している場合にはモータ３３の動力が直接膨張機２６に伝達されるので、それらの運転を切り替える際にも力行および回生の電気的な制御を必要とせず、制御方法が簡素化され、コストを下げることができる。また、電気エネルギーなどへのエネルギー変換なく効率よく動力を伝達することができる。
【００７８】
さらに、本実施形態では、第２バイパス路６の下流端がモータ３３を内包する密閉容器３０内に開口している。こうすることによって膨張機２６で圧縮された冷媒を密閉容器３０内に吐出することができる。膨張機２６に吸入される冷媒は中間圧の気相冷媒であり、気液二相境界付近の状態であるので、圧縮後の吐出冷媒温度は圧縮機２１の吐出冷媒温度よりも低い。そのため、密閉容器３０内に一旦滞留される吐出冷媒の温度を低下させ、モータ３３を冷却することができる。これによりモータ３３の信頼性を向上させるとともに、これまではモータ３３の温度上昇のために運転できなかった高速回転の範囲まで圧縮機２１を稼働させることができるので、冷凍サイクル装置１Ａの加熱能力をさらに向上させることができる。
【００７９】
また、本実施形態の膨張機２６は、吐出ポート２６Ｂと吐出路２６ｂの間に吐出弁２６ｃを備えている。冷凍サイクル装置１Ａが加熱能力強化運転を行う際には膨張機２６が冷媒を圧縮するため、吐出先の冷媒は高圧となる。吐出弁２６ｃが備えられていることで高圧の冷媒が第２吐出側作動室１３４に逆流することがないので、膨張機２６は効率よく冷媒を圧縮することができる。なお、吐出弁２６ｃがない場合でも、冷媒は膨張機２６による強制的な送り出しによって圧縮される。
【００８０】
本実施形態の膨張機２６には、インジェクション路７（配管７０、流量調整弁７１、流路７２、インジェクション弁７３）およびインジェクションポート７４からなるインジェクション機構が付加されている。このインジェクション機構により膨張機２６の冷媒流量を変化させることができるので、加熱能力強化運転を行う際にも必要な加熱能力に応じて冷媒の流量を調節することができ、冷凍サイクル装置１Ａを効率よく運転させることができる。
【００８１】
また、本実施形態のインジェクション機構は、膨張機２６が膨張室の容積が最大（作動室１３Ｂの容積Ｖ２）となる状態まで冷媒を吸入することができるように構成されている。よって膨張機２６の膨張室における作動室１３Ａから作動室１３Ｂまでの容積変化を利用して冷媒流量を幅広く変化させることができるので、さまざまな運転状態に対応して加熱能力を向上させることができ、冷凍サイクル装置１ＡのＣＯＰを向上させることができる。
【００８２】
さらに、本実施形態では、加熱能力強化運転を行う際に、流量調整弁７１を全開にして吸入ポート２６Ａから流入する冷媒とほぼ同じ圧力の冷媒をインジェクションポート７４から膨張室に導くよう制御される。これにより、膨張機２６の第１吸入側作動室１３１内の圧力と膨張室内の圧力がほぼ等しくなるので、第１ピストン１１Ａおよび第１偏心部３２ｄに作動室の圧力差による力が作用せず、第２吐出側作動室１３４での圧縮過程にのみモータ３３の動力が利用できる。よって膨張機２６での冷媒の圧縮を効率よく行うことができ、冷凍サイクル装置１ＡのＣＯＰが向上する。
【００８３】
本実施形態では膨張機２６の型式として２段ロータリ型を採用している。このようにすることで複雑な吸入機構を設けることなく膨張機２６を構成することができる。また、インジェクション機構を設けることも他の型式であるスクロール型流体機械などに比べて容易であり、低い製造コストで高効率な冷凍サイクル装置１Ａを提供することができる。
【００８４】
本実施形態の冷凍サイクル装置１Ａには、二酸化炭素が冷媒として封入されている。二酸化炭素は高圧側冷媒と低圧側冷媒の圧力差が大きく、冷媒の持つ圧力エネルギーも大きいので、膨張する冷媒からの動力の回収量が大きくなり、冷凍サイクル装置１ＡのＣＯＰを向上させることができる。
【００８５】
（変形例１）
図８は、第２バイパス路６を密閉容器３０内に配設し、第１実施形態の逆止弁６１の代わりに弾性変形することによって逆止弁として機能する昇圧弁６２を用いた場合の膨張機２６の拡大図である。以下、第１実施形態と比較して変更のない部品については第１実施形態と同じ番号を付す。
【００８６】
第２バイパス路６は、上軸受１９Ｂに、吐出路２６ｂと密閉容器３０の内部空間３１とを連通するように設けられている。昇圧弁６２は、密閉容器３０内の圧力よりも吐出路２６ｂ内の圧力が高くなったときのみ開く方向に取り付けられている。よって、第１実施形態と同様に開閉弁４２を閉じて運転することによって昇圧路（吐出路２６ｂおよび蒸発器上流路４ｄにおける開閉弁４２よりも上流側部分）内の圧力が上昇し、やがて昇圧弁６２が開き、第２バイパス路６を経由して内部空間３１に冷媒が吐出される。つまり、第１実施形態と同様に加熱能力強化運転を行うことができる。言うまでもなく、開閉弁４２を開いて運転すれば、動力回収運転を行うこともできる。すなわち、開閉弁４２および昇圧弁６２は、膨張機２６から吐出された冷媒を、蒸発器上流路４ｄを通じて蒸発器２７に導くか、第２バイパス路６を通じて放熱器上流路４ａに導くかを切り替える切替手段を構成する。
【００８７】
このようにすると、第１実施形態において設けられていた密閉容器３０外の逆止弁６１や、第２バイパス路６を構成するための配管などを設ける必要がないので、材料費や加工費などのコスト削減につながる。また、加熱能力強化運転時に吐出された冷媒が密閉容器３０から出ることなく内部に吐出されるので、放熱ロスや配管による圧損を防ぐことができる。
【００８８】
（変形例２）
図９は、第１実施形態における圧縮膨張ユニット３の膨張機２６が単段ロータリ式膨張機である場合の断面図を示している。
【００８９】
膨張機２６は、下から順に積層された、下軸受１９Ａ、第１閉塞部材１６Ａ、シリンダ１２、第２閉塞部材１６Ｂ、および上軸受１９Ｂを備えている。それらの中心を副シャフト３２ｂが貫通している。第１閉塞部材１６Ａ、シリンダ１２、第２閉塞部材１６Ｂに囲まれた空間にはピストン１１が配置され、このピストン１１が副シャフト３２ｂに形成された偏心部３１ｆと嵌合している。図１０に示すように、シリンダ２１の内周面とピストン１１との間には作動室１３が形成されている。作動室１３を吸入側１３ａと吐出側１３ｂとに区画するベーン１４は、シリンダ１２に形成されたベーン溝に往復動自在に挿入されている。また、ベーン溝内には、ベーン１４をピストン１１へ付勢するばね１５が配設されている。
【００９０】
第１閉塞部材１６Ａおよび第２閉塞部材１６Ｂは、作動室１３を上下から閉塞している。第１閉塞部材１６Ａには吸入ポート２６Ａが作動室１３の吸入側１３ａに開口するように形成されており、第２閉塞部材１８には吐出ポート２６Ｂが作動室１３の吐出側１３ｂに開口するように形成されている。吸入ポート２６Ａおよび吐出ポート２６Ｂは、どちらも副シャフト３２ｂの軸方向からみてベーン１１の両脇に配置されている。吸入ポート２６Ａは、吸入路２６ａを介して中間圧流路４ｃと連通し、吐出ポート２６Ｂは、吐出路２６ｂを介して蒸発器上流路４ｄと連通する。また、吐出ポート２６Ｂには、第１実施形態と同様に吐出弁２６ｃが設けられている。
【００９１】
次に、単段ロータリ式膨張機２６を用いた場合の冷媒の挙動について説明する。
【００９２】
動力回収運転においては、第１実施形態と同様に開閉弁４２が開かれた状態となる。放熱器２２から流出した冷媒が予膨張弁２３、気液分離器２４を経由して、吸入ポート２６Ａから吸入側作動室１３ａに流入する。副シャフト３２ｂの回転角が３４０〜３５９°程度になると吸入ポート２６Ａがピストン１１の移動によって徐々に閉じられ冷媒の吸入が完了する。回転角が３６１〜３８０°程度になったところでそれまでピストン１１によって閉じられていた吐出ポート２６Ｂが徐々に開く。このとき、吐出路２６ｂ内の圧力は蒸発器２７内の圧力とほぼ同じであるため、吐出ポート２６Ｂが開くのと同時に吐出弁２６ｃも開く。これにより、吐出側作動室１３ｂから冷媒が流出し始め、吐出側作動室１３ｂ内の圧力は蒸発器２７内の圧力程度まで急激に低下する。そして、冷媒は、圧力低下に伴って瞬間的に膨張する。すなわち、単段ロータリ式膨張機２６は、流体圧モータ式の動力回収機構であり、吸入側作動室１３ａと吐出側作動室１３ｂの圧力差によってピストン１１、偏心部３２ｆおよび副シャフト３２ｂを回転させて動力を回収する。このように単段ロータリ式膨張機２６では、二段ロータリ式膨張機の場合に存在した、膨張室内における冷媒の膨張過程は存在しない。なお、吸入ポート２６Ａおよび吐出ポート２６Ｂの開閉タイミングは上記の通りでなくてもよく、吸入側作動室１３ａと吐出側作動室１３ｂとの間に圧力差が発生するよう構成されていればよい。
【００９３】
加熱能力強化運転時には、開閉弁４２が閉じられる。このため、昇圧路内の圧力が徐々に上昇し、やがて吐出側作動室１３ｂ内の圧力よりも高くなる。こうなると、もはや圧力差による冷媒の膨張は行われず、吐出側作動室１３ｂでは吐出弁２６ｃによって閉塞された空間で冷媒が圧縮される。そして、吐出路２６ｂの圧力よりも吐出側作動室１３ｂの圧力が大きくなった時点で吐出弁２６ｃが開き、圧縮された冷媒が流出する。このようにして、昇圧路内の圧力が密閉容器３０内の圧力よりも上昇すると、今度は逆止弁６１が開き、その圧力まで圧縮された冷媒が放熱器上流路４ａに導かれる。これにより、第１実施形態と同様に冷凍サイクル装置１Ａの加熱能力が増大する。
【００９４】
本実施形態では、二段ロータリ式膨張機において冷媒を膨張させずに吸入させるためのインジェクション機構が備わっていない。しかし、そのために冷媒が膨張して損失となることはない。なぜなら膨張機２６が単段ロータリ式でしかも吸入タイミング制御機構を備えていないため、冷媒を閉じ込めたまま容積が拡大する過程が存在せず、そのような容積変化に伴う冷媒の膨張がないからである。よって、単段ロータリ式膨張機２６を用いた場合には、コストを抑えたまま冷凍サイクル装置１ＡのＣＯＰを向上させることができる。
【００９５】
なお、単段ロータリ式膨張機２６に冷媒吸入のタイミングを制限する機構が設けられ、冷媒を膨張させながら動力を回収する過程が含まれる場合には、第１実施形態で説明した二段ロータリ式膨張機２６と同様の冷媒挙動を示す。
【００９６】
＜第２実施形態＞
図１１は、本発明の第２実施形態に係る冷凍サイクル装置１Ｂを用いた循環型温水供給システムの構成図である。以下、第１実施形態と同じ構成要素については第１実施形態と同じ番号を付し、その説明は省略する。
【００９７】
温水暖房装置７の暖房路９４は、暖房器９６で放熱した水を温水タンク９１に直接戻すように構成されている。また、冷凍サイクル装置１Ｂは、中温水熱交換器２５（図１参照）の代わりに、内部熱交換器２８を備えている。さらに、本実施形態では、圧縮機２１と膨張機２６とが別々の密閉容器に収容されている。
【００９８】
具体的に、圧縮機２１は圧縮シャフト３２ｂにより連結されたモータ３３と共に第１密閉容器３５内に配置されており、膨張機２６は第２密閉容器３６内に配置されている。本実施形態でも、圧縮機２１は、圧縮した冷媒を第１密閉容器３５の内部空間３６に吐出する。
【００９９】
また、第２密閉容器３６内には、膨張機２６に連結された副シャフト３２ｂに回転動力を与えたり、副シャフト３２ｂから伝達される回転動力を電気エネルギーに変換したりすることが可能な発電機３８が配置されている。
【０１００】
本実施形態では、第１バイパス路５が放熱器２２と予膨張弁２３の間の放熱器下流路４ｂから分岐して、蒸発器上流路４ｄにつながっている。内部熱交換器２８は、中間圧流路４ｃを流れる冷媒を、第１バイパス路５におけるバイパス膨張弁５１よりも上流側部分を流れる冷媒との熱交換によって加熱する。
【０１０１】
さらに、本実施形態では、第２バイパス路６の下流端が、一端が第１密閉容器３５の内部空間３６に開口し、他端が放熱器２２に接続された配管４１に接続されている。
【０１０２】
次に、第２実施形態の冷凍サイクル装置１Ｂの運転方法について説明する。図１２は、加熱能力強化運転のサイクル状態を示すモリエル線図である。点Ａ〜Ｈは図１１中に記したＡ〜Ｈの位置における冷媒の状態を示している。なお、動力回収運転のサイクル状態は、気液分離器が設けられていない点（すなわち、点Ｅがない点）を除き、図５と同様である。
【０１０３】
（Ａ）動力回収運転
図１１および図５を参照しながら説明する。圧縮機２１がモータ３３によって駆動されると、冷媒（点Ａ）は、蒸発器上流路４ｅを通じて圧縮機２１に吸入されて圧縮される（点Ｂ）。圧縮された冷媒は、第１密閉容器３５の内部空間３６および配管４１を通じて放熱器２２に導かれる。放熱器２２は、圧縮冷媒を冷却する（点Ｃ）。冷却された冷媒は予膨張弁２３（点Ｄ）および内部熱交換器２８（点Ｆ）を経由して膨張機２６に吸入される。膨張機２６は、冷媒を膨張させるとともに（点Ｇ）、冷媒から動力を回収する。膨張した冷媒は、吐出路２６ｂ（図２参照）、開閉弁４２を通過し、蒸発器２７に導かれる。蒸発器２７において、冷媒は、外部から熱を吸収して蒸発する。蒸発した冷媒は、圧縮機２１に再び吸入される。
【０１０４】
膨張機２６は、回収した動力を副シャフト３２ｂに伝達し、発電機３８を駆動する。発電機３８は、動力を電気エネルギーに変換し、圧縮機２１を駆動するモータ３３の入力電力の一部として利用する。
【０１０５】
発電機３８は、動力を電気エネルギーに変換するほか、膨張機２６の回転数を制御し、冷媒の流量を調整する役割も担っている。冷凍サイクル装置１Ｂの圧力差を大きくとりたい場合には膨張機２６の回転数を減少させて流量を下げ、圧力差を小さくする場合には回転数を増加させて流量を上げることができる。しかし、一般的に回転機械の回転数には信頼性の観点等から制限がある。回転数の下限に達してもなお流量が大きい場合には予膨張弁２３の開度を小さくすることで冷媒の流量を下げることができる。また、回転数の上限に達してもなお流量が小さい場合には、流量調整弁７１の開度を大きくし、それでもまだ流量を大きくすることが必要であればバイパス膨張弁５１の開度を大きくして流量を稼ぐことができる。
【０１０６】
流量を小さくするために予膨張弁２３の開度を小さくしていくと、膨張機２６の吸入冷媒の圧力が低下し、図６に示すような動力回収量がほとんどないような状態に陥ってしまう。そのような場合には、次に説明する加熱能力強化運転を行うことで膨張機２６をより有効に活用することができる。
【０１０７】
（Ｂ）加熱能力強化運転
図１１および図１２を参照しながら説明する。圧縮機２１がモータ３３によって駆動されると、冷媒（点Ａ）は、蒸発器上流路４ｅを通じて圧縮機２１に吸入されて圧縮される。圧縮された冷媒は、第１密閉容器３５の内部空間３６および配管４１を通じて放熱器２２に導かれる。放熱器２２は、圧縮冷媒を冷却する（点Ｃ）。冷却された冷媒は、第１バイパス路５に流入する分と予膨張弁２３に向かう分とに分かれ、予膨張弁２３を通過した冷媒は気液二相状態となる中間圧力まで減圧された後（点Ｄ）、内部熱交換器２８にて第１バイパス路５を流れる冷媒と熱交換して加熱される（点Ｆ）。その後、中間圧流路４ｃおよび配管７０を通じて膨張機２６に吸入される。流量調整弁７１は全開となっており、膨張機２６は、最大容積まで冷媒を吸入する。すなわち、冷媒の膨張は行われない。力行運転を行う発電機３８によって駆動される副シャフト３２ｂの回転によって冷媒は吐出弁２６ｃおよび吐出路２６ｂを通過して蒸発器上流路４ｄへ送り出される。加熱能力強化運転においては開閉弁４２は閉じられており、昇圧路（吐出路２６ｂおよび蒸発器上流路４ｄにおける開閉弁４２よりも上流側部分）の内部空間は蒸発器２７の内部空間とは切り離された状態となっている。そのため、昇圧路の内部空間は、開閉弁４２、逆止弁６１、吐出弁２６ｃによって閉塞された、第２バイパス路６の上流側部分と連続する空間となり、膨張機２６から冷媒が吐出されるたびに冷媒の密度と圧力が上昇する。すなわち、膨張機２６は、冷媒を昇圧する圧縮機として機能する。昇圧路の内部圧力が第１密閉容器３５の内部圧力よりも高くなると（点Ｇ）、逆止弁６１が開き、第２バイパス路６の下流側部分を通じて冷媒が配管４１内に吐出され、圧縮機２１の吐出冷媒と合流して放熱器２２に導かれる。一方、第１バイパス路６に流入した冷媒は、内部熱交換器２８で予膨張弁２３を通過した冷媒と熱交換して冷却され（点Ｈ）、バイパス膨張弁５１で減圧された後（点Ｉ）、蒸発器２７に流入する。蒸発器２７において、冷媒は、外部から熱を吸収して蒸発する。蒸発した冷媒は、圧縮機２１に再び吸入される。
【０１０８】
予膨張弁２３を通過した冷媒は減圧され、気液二相の中間圧冷媒となるが、液相冷媒が膨張機２６に吸入されて圧縮されると、非圧縮性流体の圧縮となり、膨張機２６の信頼性が損なわれる。本実施形態では内部熱交換器２８によって気液二相冷媒を過熱し、液相冷媒を蒸発させるよう構成されている。こうすることにより、気液分離器を設けることなく膨張機２６の吸入冷媒の過熱度を上昇させることができるので、コスト削減となるとともに、膨張機２６の信頼性が向上する。
【０１０９】
本実施形態では圧縮機２１と膨張機２６とが別個の密閉容器に収納されたいわゆる分離型の形態となっている。分離型の形態では圧縮機２１と膨張機２６との間で回転数を異ならせることができるため、動力回収運転において予膨張弁２３により回収動力が極端に小さくなることは、第１実施形態に示す冷凍サイクル装置１Ａに比べて少ない。しかし、回転数が制限値付近の負荷の大きい状態での運転となる場合には、加熱能力強化運転を行うことによって、膨張機２６を有効に運転させつつ、中間圧からの冷媒圧縮という負荷の小さい状態での運転を行うことができる。よって膨張機２６の信頼性を高めることができるので、分離型の形態となる冷凍サイクル装置においても、本発明は有効である。
【０１１０】
なお、本発明は、圧縮機が密閉容器内に冷媒を吐出する高圧シェル型の冷凍サイクル装置のみならず、中圧シェルや低圧シェルなど、他の圧力構成の冷凍サイクル装置にも適用できる。その場合には第２実施形態で示したように、第２バイパス路６の下流端を高圧側冷媒空間に接続すれば同様の効果が得られる。
【０１１１】
また、第２実施形態においても、第１実施形態と同様に、第２バイパス路６の下流端を、第１密閉容器３５内に開口させてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１１２】
本発明の冷凍サイクル装置は、給湯機、温水暖房装置および空気調和機等の機器に利用できる。
【符号の説明】
【０１１３】
１Ａ，１Ｂ  冷凍サイクル装置
２１  圧縮機
２２  放熱器
２３  予膨張弁（第１減圧機）
２４  気液分離器
２５  中温水熱交換器（水利用熱交換器、加熱手段）
２６  膨張機
２７  蒸発器
２８  内部熱交換器（加熱手段）
３０，３５，３７  密閉容器
３２ａ  圧縮シャフト
３２ｂ  副シャフト
３３  モータ
４    冷媒回路
４ａ  放熱器上流路
４ｂ  放熱器下流路
４ｃ  中間圧流路
４ｄ  蒸発器上流路
４２  開閉弁
５    第１バイパス路
５１  バイパス膨張弁（第２減圧機）
６    第２バイパス路
６１  逆止弁
７    インジェクション路
７１  流量調整弁（インジェクション弁）
【図１】
2012063111.tif 000003
【図２】
2012063111.tif 000004
【図３】
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【図４】
2012063111.tif 000006
【図５】
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【図６】
2012063111.tif 000008
【図７】
2012063111.tif 000009
【図８】
2012063111.tif 000010
【図９】
2012063111.tif 000011
【図１０】
2012063111.tif 000012
【図１１】
2012063111.tif 000013
【図１２】
2012063111.tif 000014
【図１３】
2012063111.tif 000015
【図１４】
2012063111.tif 000016