(57)【要約】【課題】安価に製造でき、かつスムーズに起動できる動力回収式の冷凍サイクル装置を提供する。【解決手段】冷凍サイクル装置１００は、圧縮機２、放熱器３、容積型流体機械４及び第１蒸発器５を含む冷媒回路１０と、膨張弁８及び第２蒸発器７を含むインジェクション流路５０を備えている。容積型流体機械４は、吸入ポートから第１の圧力Ｐ１の冷媒を吸入するとともにインジェクションポートから第２の圧力Ｐ２の冷媒を吸入し、それらの冷媒が合流した合流冷媒を第３の圧力Ｐ３まで膨張させた後に第２の圧力Ｐ２まで過膨張させ、過膨張した冷媒をインジェクションポートから導入される第２の圧力Ｐ２を有する冷媒と共に第３の圧力Ｐ３まで再圧縮して吐出ポートから吐出する。【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、
前記圧縮機で圧縮された冷媒を冷却する放熱器と、
吸入ポート、インジェクションポート及び吐出ポートを有し、前記放熱器で冷却された第１の圧力の冷媒を前記吸入ポートから吸入するとともに前記第１の圧力よりも低い第２の圧力の冷媒を前記インジェクションポートから吸入し、それらの冷媒が合流した合流冷媒を前記第１の圧力と前記第２の圧力の間の第３の圧力まで膨張させた後に前記第２の圧力まで過膨張させ、過膨張した冷媒を前記インジェクションポートから導入される前記第２の圧力を有する冷媒と共に前記第３の圧力まで再圧縮して前記吐出ポートから吐出する容積型流体機械と、
前記容積型流体機械から吐出された冷媒を加熱する第１蒸発器と、
前記放熱器と前記容積型流体機械の前記吸入ポートとを接続する流路から分岐して、前記容積型流体機械の前記インジェクションポートにつながるインジェクション流路と、
前記インジェクション流路に設けられ、前記放熱器で冷却された冷媒を前記第２の圧力まで減圧する膨張弁と、
前記インジェクション流路に設けられ、前記膨張弁で減圧した冷媒を加熱する第２蒸発器と、を備える、冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記容積型流体機械は、第１ベーンによって第１吸入空間と第１吐出空間とに仕切られた第１の空間を内包する上流側ロータリ機構と、第２ベーンによって第２吸入空間と第２吐出空間とに仕切られた第２の空間を内包する下流側ロータリ機構と、前記上流側ロータリ機構と前記下流側ロータリ機構を連結するシャフトとを有し、
前記第１ベーンが最も径方向外側に後退するときの前記シャフトの第１回転位置は、前記第２ベーンが最も径方向外側に後退するときの前記シャフトの第２回転位置とずれている、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項３】
前記第１回転位置から前記第２回転位置まで前記シャフトが回転する角度は、３０〜２７０度の範囲内である、請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項４】
前記容積型流体機械は、前記上流側ロータリ機構と前記下流側ロータリ機構との間に配置された中板をさらに有し、この中板には、前記第１吐出空間から前記第２吸入空間または前記第２吐出空間に冷媒を導く連通路が形成されており、
前記連通路の下流端は、前記シャフトが前記第１回転位置を通過する前は前記第２吐出空間に開口し、前記シャフトが前記第１回転位置を通過した後は前記第２吸入空間に開口するように構成されている、請求項２または３に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項５】
前記インジェクションポートは、前記第２吸入空間に冷媒を供給可能なように、前記シャフトの回転方向において前記第２ベーンから前記連通路の下流端までの間に配置されている、請求項４に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項６】
前記冷凍サイクル装置の起動時に前記膨張弁の開度を全開にするコントローラをさらに備える、請求項１〜５のいずれか一項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、容積型流体機械を用いた冷凍サイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に記載されているように、冷媒から動力を回収する膨張機と、膨張機に一体化された副圧縮機とを備えた冷凍サイクル装置が知られている。図９を参照しつつ、特許文献１に記載された冷凍サイクル装置の概要を説明する。
【０００３】
図９に示すように、特許文献１に記載された冷凍サイクル装置５００は、主圧縮機５０１、放熱器５０２、膨張機５０３、蒸発器５０４及び副圧縮機５０５を備えている。副圧縮機５０５は、膨張機５０５にシャフト５０６で連結されている。
【０００４】
冷媒は、高温高圧の状態となるように主圧縮機５０１で圧縮される。圧縮された冷媒は、放熱器５０２で冷却された後、膨張機５０３で膨張する。膨張した冷媒は、蒸発器５０４で液相から気相へと変化する。気相の冷媒は、副圧縮機５０５で低圧から中間圧まで圧縮され、再び主圧縮機５０１に吸入される。
【０００５】
副圧縮機５０５は、膨張機５０３が冷媒から回収した動力によって駆動される。副圧縮機５０５が主圧縮機５０１の上流側で冷媒を予備的に圧縮するため、主圧縮機５０１を駆動するモータ５０１ａの負荷が低減する。その結果、冷凍サイクル装置５００のＣＯＰ（coefficient of performance）が向上する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−３２５０１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図９に示す冷凍サイクル装置５００は、膨張機５０３及び副圧縮機５０５という、それぞれが冷媒を吸入して吐出する２つの容積型流体機械を必要とする。そのため、膨張弁を用いた通常の冷凍サイクル装置と比較してコスト高となりがちである。また、膨張機５０３及び副圧縮機５０５にモータが設けられていないため、膨張機５０３及び副圧縮機５０５がスムーズに起動できない恐れがある。
【０００８】
本発明は、安価に製造でき、かつスムーズに起動できる動力回収式の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】
【０００９】
すなわち、本発明は、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された冷媒を冷却する放熱器と、吸入ポート、インジェクションポート及び吐出ポートを有し、前記放熱器で冷却された第１の圧力の冷媒を前記吸入ポートから吸入するとともに前記第１の圧力よりも低い第２の圧力の冷媒を前記インジェクションポートから吸入し、それらの冷媒が合流した合流冷媒を前記第１の圧力と前記第２の圧力の間の第３の圧力まで膨張させた後に前記第２の圧力まで過膨張させ、過膨張した冷媒を前記インジェクションポートから導入される前記第２の圧力を有する冷媒と共に前記第３の圧力まで再圧縮して前記吐出ポートから吐出する容積型流体機械と、前記容積型流体機械から吐出された冷媒を加熱する第１蒸発器と、前記放熱器と前記容積型流体機械の前記吸入ポートとを接続する流路から分岐して、前記容積型流体機械の前記インジェクションポートにつながるインジェクション流路と、前記インジェクション流路に設けられ、前記放熱器で冷却された冷媒を前記第２の圧力まで減圧する膨張弁と、前記インジェクション流路に設けられ、前記膨張弁で減圧した冷媒を加熱する第２蒸発器と、を備える、冷凍サイクル装置を提供する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の冷凍サイクル装置によれば、次のような行程が容積型流体機械で行われる。まず、吸入ポート及びインジェクションポートから別々に冷媒が吸入される（吸入行程）。これらの冷媒は、互いに合流して合流冷媒となった後に、膨張及び過膨張する（膨張・過膨張行程）。次に、再びインジェクション流路から冷媒が導入され、この冷媒が過膨張した冷媒と混合する（インジェクション行程）。その後、冷媒を膨張及び過膨張させたときに回収した動力を用いて、混合された冷媒が再圧縮される（再圧縮行程）。回収動力によって冷媒の圧力を上げることができるので、圧縮機の負荷が低減する。これにより、冷凍サイクル装置のＣＯＰが改善する。最後に、再圧縮された冷媒が吐出される（吐出行程）。
【００１１】
本発明では、特に、膨張・過膨張行程、インジェクション行程及び再圧縮行程が吸入行程と吐出行程との間の一連の行程として行われる。そのため、本発明によれば、特許文献１に記載された冷凍サイクル装置のように膨張機及び副圧縮機を別々に構成する必要がない。従って、本発明によれば、従来の膨張機と副圧縮機の機能をシンプルな構造で実現できる。これにより、冷凍サイクル装置の製造コストを抑えることができる。
【００１２】
さらに、本発明によれば、インジェクションポートを通じてインジェクションだけでなく吸入も行われるようになっている。これは、容積型流体機械の内部に、冷媒を吸入するための作動室として、吸入ポートが開口する閉空間とインジェクションポートが開口する閉空間の少なくとも一方が常に形成されることを意味する。従って、冷凍サイクル装置の起動時において、吸入ポートとインジェクションポートの双方に高圧の冷媒を導けば、どのような状態で停止していても、容積型流体機械を容易に起動することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係る冷凍サイクル装置の構成図
【図２】図１に示す冷凍サイクル装置に使用された容積型流体機械の縦断面図
【図３】（ａ）は図２に示す容積型流体機械のIIIＡ−IIIＡ線に沿った横断面図、（ｂ）は図２に示す容積型流体機械のIIIＢ−IIIＢ線に沿った横断面図
【図４】図２に示す容積型流体機械の動作原理図
【図５】シャフトの回転角度と作動室の容積との関係を示すグラフ
【図６】シャフトの回転角度と作動室の圧力との関係を示すグラフ
【図７】作動室の圧力と容積との関係を示すＰＶ線図
【図８】図１に示す冷凍サイクル装置の起動制御のフロー図
【図９】従来の冷凍サイクル装置の構成図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付の図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施形態によって限定解釈されない。各実施形態は、発明の要旨を逸脱しない範囲内で相互に組み合わせることができる。
【００１５】
図１は、本発明の一実施形態に係る冷凍サイクル装置１００の構成図である。冷凍サイクル装置１００は、圧縮機２、放熱器３、容積型流体機械４及び第１蒸発器５が流路１０ａ〜１０ｄによりこの順に接続された冷媒回路１０を備えている。また、冷凍サイクル装置１００は、膨張弁８及び第２蒸発器７が設けられたインジェクション流路５０を備えている。冷媒回路１０およびインジェクション流路５０には、作動流体として、ハイドロフルオロカーボン、二酸化炭素等の冷媒が充填されている。なお、冷媒回路１０およびインジェクション流路５０には、アキュームレータ等の他の構成要素が設けられていてもよい。
【００１６】
圧縮機２は、モータ２ａによって駆動される。圧縮機２及びモータ２ａは密閉容器２ｂに収容されている。圧縮機２は、冷媒を圧縮し、圧縮した冷媒を密閉容器２ｂの内部空間に吐出する。圧縮機２は、例えば、ロータリ圧縮機、スクロール圧縮機等の容積型圧縮機である。放熱器３は、圧縮機２で圧縮された冷媒から熱を奪うための機器であり、典型的には、水−冷媒熱交換器又は空気−冷媒熱交換器で構成される。容積型流体機械４は、冷媒を膨張させる機能及び冷媒を圧縮する機能を有する。第１蒸発器５は、容積型流体機械４から吐出された冷媒に熱を与えるための機器であり、典型的には、空気−冷媒熱交換器で構成される。
【００１７】
流路１０ａは、圧縮機２で圧縮された冷媒が放熱器３へと供給されるように、圧縮機２と放熱器３とを接続している。具体的に、流路１０ａは、密閉容器２ｂと、密閉容器２ｂ内に一端が開口する配管とで構成されている。流路１０ｂは、放熱器３から流出した冷媒の一部が容積型流体機械４へと供給されるように、放熱器３と容積型流体機械４の後述する吸入ポート２４（図２参照）とを接続している。流路１０ｃは、容積型流体機械４から吐出された冷媒が第１蒸発器５へと供給されるように、容積型流体機械４の後述する吐出ポート２７（図２参照）と第１蒸発器５とを接続している。流路１０ｄは、第１蒸発器５から流出した冷媒が圧縮機２へと供給されるように、第１蒸発器５と圧縮機２とを接続している。
【００１８】
インジェクション流路５０は、流路１０ｂから分岐して容積型流体機械４の後述するインジェクションポート３０（図２参照）につながっている。詳細には、インジェクション流路５０は、上流路５０ａと下流路５０ｂとを含む。上流路５０ａは、放熱器３から流出した冷媒の一部が第２蒸発器７へと供給されるように、流路１０ｂと第２蒸発器７とを接している。上流路５０ａには膨張弁８が配置されている。下流路５０ｂは、第２蒸発器７から流出した冷媒が容積型流体機械４へと供給（吸入又はインジェクション）されるように、第２蒸発器７と容積型流体機械４のインジェクションポート３０とを接続している。
【００１９】
膨張弁８は、開度を変更できる弁、例えば電動膨張弁である。膨張弁８は、放熱器３から流出した第１の圧力Ｐ１を有する冷媒を、第１の圧力Ｐ１よりも低い第２の圧力Ｐ２まで減圧する。冷媒は、膨張弁８で減圧された後、第２蒸発器７に流入する。第２蒸発器７は、膨張弁８で減圧した冷媒に熱を与えるための機器であり、典型的には、空気−冷媒熱交換器で構成されている。
【００２０】
第１蒸発器５及び第２蒸発器７は、第１蒸発器５で冷却された熱媒体（例えば空気）が第２蒸発器７でさらに冷却されるように、熱媒体の流路上に配置されている。図１に矢印Ａで示す方向が熱媒体の流れ方向である。容積型流体機械４からは第１の圧力Ｐ１と第２の圧力Ｐ２の間の第３の圧力Ｐ３を有する冷媒が吐出されるため、第１蒸発器５における冷媒の温度は第２蒸発器７における冷媒の温度よりも高い。従って、図１に示すように、熱媒体の流路の上流側に第１蒸発器５が配置され、下流側に第２蒸発器７が配置されている場合、熱媒体（空気）と冷媒とがあたかも対向流を形成する形となる。これにより、蒸発器５及び７における、冷媒と熱媒体との熱交換効率が向上する。また、第２蒸発器７から流出した冷媒を容積型流体機械４で昇圧するため、冷凍サイクル装置１００のＣＯＰが向上する。
【００２１】
冷凍サイクル装置１００は、さらに、コントローラ１０２を備えている。コントローラ１０２は、圧縮機２を駆動するモータ２ａ及び膨張弁８を制御する。コントローラ１０２は、典型的には、内部メモリ及びＣＰＵ等を有するマイクロコンピュータで構成されている。冷凍サイクル装置１００の運転を開始すべき旨の指令（例えば起動スイッチのオン）がコントローラ１０２に与えられると、コントローラ１０２の内部メモリに格納された所定の制御プログラムがＣＰＵで実行される。所定の制御プログラムの中には、図８を参照して後述する起動制御に関するプログラムが含まれている。
【００２２】
冷凍サイクル装置１００は、さらに、容積型流体機械４の起動を検出するための起動検出器１０４を備えている。コントローラ１０２は、起動検出器１０４の検出結果に基づいて冷凍サイクル装置１００の制御方法を起動制御から通常制御へと切り替える。起動制御では、インジェクション流路５０を通じて容積型流体機械４に高圧（第１の圧力Ｐ１）の冷媒が導かれるように膨張弁８を全開にする。これにより、容積型流体機械４をスムーズに起動させることができる。容積型流体機械４の起動後は通常制御に従って、インジェクション流路５０を通じて容積型流体機械４に低圧（第２の圧力Ｐ２）の冷媒が導かれるように膨張弁８を所定の開度まで閉じる。なお、起動検出器１０４の詳細については後述する。
【００２３】
まず、冷凍サイクル装置１００の基本動作及びその基本動作を確立しうる容積型流体機械４の具体的構成について説明する。その後、冷凍サイクル装置１００の起動制御について説明する。
【００２４】
圧縮機２は、冷媒を吸入し、吸入した冷媒を圧縮する。圧縮された冷媒は、放熱器３で高圧のまま冷却される。冷却された冷媒は、流路１０ｂを流れる途中で、そのまま流路１０ｂを流れる分（直流分）とインジェクション流路５０に流れる分（分流分）とに分配される。冷却された冷媒の一部（直流分）は、流路１０ｂを通じて容積型流体機械４に直接吸入される。容積型流体機械４に吸入された冷媒は、容積型流体機械４で中間圧（第３の圧力Ｐ３）まで減圧されて気液二相となる。容積型流体機械４から吐出された冷媒は、流路１０ｃを通じて第１蒸発器５に流入する。第１蒸発器５に流入した冷媒は、第１蒸発器５で加熱され、その後、流路１０ｄを通じて圧縮機２に吸入される。他方、放熱器３で冷却された冷媒の残部（分流分）は、膨張弁８で低圧まで減圧されて気液二相に変化した後、上流路５０ａを通じて第２蒸発器７に供給される。第２蒸発器７に流入した冷媒は、第２蒸発器７で加熱され、その後、下流路５０ｂを通じて容積型流体機械４に供給される。容積型流体機械４に供給された冷媒は、容積型流体機械４に吸入及びインジェクションされ、中間圧まで昇圧される。中間圧まで昇圧されたガス冷媒が、再び第１蒸発器５を通って圧縮機２に吸入される。圧縮機２の吸入冷媒を中間圧まで上げることにより、圧縮機２の負荷が減り、これにより冷凍サイクル装置１００のＣＯＰが改善する。
【００２５】
上記各段階で特定されるサイクルは、いわゆる「エジェクタサイクル」と等価である。当業者に良く知られているエジェクタサイクルは、非容積型流体機械の一種である「エジェクタ」を使用する。これに対し、本実施形態の冷凍サイクル装置１００によれば、容積型流体機械４を用いることにより、エジェクタサイクルと等価なサイクルを構築できる。具体的に、容積型流体機械４は、図５および図６に示すように、吸入行程、膨張・過膨張行程、インジェクション行程、再圧縮行程、吐出行程を実行するように構成されている。
【００２６】
図２は、図１に示す容積型流体機械４の縦断面図である。図３（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、容積型流体機械４のIIIＡ−IIIＡ線及びIIIＢ−IIIＢ線に沿った横断面図である。容積型流体機械４は、２段ロータリ型の流体機械として構成されており、密閉容器２３に収容されている。密閉容器２３の内部には、潤滑油が溜められている。
【００２７】
容積型流体機械４は、互いにシャフト１５により連結された上流側ロータリ機構４ａおよび下流側ロータリ機構４ｂを有している。本実施形態では、シャフト１５の軸方向が鉛直方向になっており、下流側ロータリ機構４ｂが上流側ロータリ機構４ａの上方に位置している。ただし、下流側ロータリ機構４ｂは上流側ロータリ機構４ａの下方に位置していてもよいし、シャフト１５の軸方向は水平方向であってもよい。さらに、容積型流体機械４は、上流側ロータリ機構４ａと下流側ロータリ機構４ｂの間に配置された中板２５と、上流側ロータリ機構４ａの下方に配置された下軸受１８と、下流側ロータリ機構４ｂの上方に配置された上軸受１９とを有している。
【００２８】
上流側ロータリ機構４ａは、第１シリンダ１１、第１ピストン１３及び第１ベーン２０を含み、下流側ロータリ機構４ｂは、第２シリンダ１２、第２ピストン１４及び第２ベーン２１を含む。
【００２９】
図２に示すように、シャフト１５は、第１偏心部１５ａ及び第２偏心部１５ｂを有する。第１偏心部１５ａ及び第２偏心部１５ｂは、それぞれ、半径方向の外向きに突出している。シャフト１５は、第１シリンダ１１及び第２シリンダ１２の中を貫いており、下軸受１８及び上軸受１９によって回転可能に支持されている。シャフト１５の回転軸は、第１シリンダ１１及び第２シリンダ１２の各中心に一致している。第１シリンダ１１は下軸受１８及び中板２５によって閉じられており、第２シリンダ１２は中板２５及び上軸受１９によって閉じられている。
【００３０】
図３（ａ）に示すように、第１ピストン１３は、平面視でリングの形状を有しており、自身と第１シリンダ１１との間に三日月形の第１の空間１６を形成するように第１シリンダ１１内に配置されている。第１シリンダ１１の内部において、シャフト１５の第１偏心部１５ａに第１ピストン１３が取り付けられている。第１シリンダ１１には、第１ベーン溝４０が形成されており、その第１ベーン溝４０に第１ベーン２０がスライドできるように挿入されている。第１ベーン２０は、第１の空間１６を第１ピストン１３の周方向に沿って仕切っている。これにより、第１シリンダ１１の内部に、第１吸入空間１６ａ及び第１吐出空間１６ｂが形成されている（図４参照）。
【００３１】
図３（ｂ）に示すように、第２ピストン１４は、平面視でリングの形状を有しており、自身と第２シリンダ１２との間に三日月形の第２の空間１７を形成するように第２シリンダ１２内に配置されている。第２シリンダ１２の内部において、シャフト１５の第２偏心部１５ｂに第２ピストン１４が取り付けられている。第２シリンダ１２には、第２ベーン溝４１が形成されており、その第２ベーン溝４１に第２ベーン２１がスライドできるように挿入されている。第２ベーン２１は、第２の空間１７を第２ピストン１４の周方向に沿って仕切っている。これにより、第２シリンダ１２の内部に、第２吸入空間１７ａ及び第２吐出空間１７ｂが形成されている。
【００３２】
第２の空間１７は、第１の空間１６の容積よりも大きい容積を有する。具体的に、本実施形態では、第２シリンダ１２は、第１シリンダ１１の厚みよりも大きい厚みを有する。さらに、第２シリンダ１２は、第１シリンダ１１の内径よりも大きい内径を有する。第２の空間１７が第１の空間１６の容積よりも大きい容積を有するように、各部品の寸法が適切に調節されている。
【００３３】
図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、第１ベーン２０の背後には、第１ばね４２が配置されており、第２ベーン２１の背後には、第２ばね４３が配置されている。第１ばね４２及び第２ばね４３は、それぞれ、第１ベーン２０及び第２ベーン２１をシャフト１５の中心に向かって押している。第１ベーン溝４０及び第２ベーン溝４１には、密閉容器２３の内部に溜められた潤滑油が供給される。なお、第１ピストン１３と第１ベーン２０とが単一の部品、いわゆるスイングピストンで構成されていてもよい。また、第１ベーン２０が第１ピストン１３に係合していてもよい。このことは、第２ピストン１４及び第２ベーン２１についても同じである。
【００３４】
本実施形態では、シャフト１５の回転軸に対し、第１偏心部１５ａの突出方向（偏心方向）は、第２偏心部１５ｂの突出方向（偏心方向）に対して約１８０度ずれている。シャフト１５の軸方向において、第１ベーン２０が配置されている位置は、第２ベーン２１が配置されている位置と一致している。従って、第１ベーン２０が最も径方向外側に後退する（すなわち、第１ピストン１３が上死点に位置する）ときのシャフト１５の第１回転位置は、第２ベーン２１が最も径方向外側に位置する（すなわち、第２ピストン１４が上死点に位置する）ときのシャフト１５の第２回転位置と約１８０度ずれている。
【００３５】
ただし、第１回転位置と第２回転位置とをずらすには、第１偏心部１５ａの突出方向と第２偏心部１５ｂの突出方向を同じにしておき、第１ベーン２０の配置位置と第２ベーン２１の配置位置をずらしてもよい。また、第１回転位置と第２回転位置とのずれ角度は必ずしも１８０度である必要はないが、第１回転位置から第２回転位置までシャフト１５が回転する角度（図５中のＡ点とＬ点の位相差）は３０〜２７０度の範囲内であることが好ましい。より好ましくは、第１回転位置から第２回転位置までシャフト１５が回転する角度は４５〜１８０度の範囲内である。
【００３６】
図２に示すように、容積型流体機械４は、さらに、吸入ポート２４、吐出ポート２７及び、インジェクションポート３０を有する。本実施形態では、吸入ポート２４が下軸受１９に設けられており、吐出ポート２７が上軸受１９に設けられている。ただし、吸入ポート２４は、例えば第１シリンダ１１に設けられていてもよく、吐出ポート１９は、例えば第２シリンダ１２に設けられていてもよい。
【００３７】
吸入ポート２４は、第１ベーン２０の近傍（例えば、シャフト１５の回転方向に第１ベーン２０から４０度までの範囲内）で第１吸入空間１６ａに開口するように形成されている。これにより、吸入ポート２４を通じて第１吸入空間１６ａに冷媒を供給可能となっている。吸入ポート２４には、流路１０ｂの一部を構成する吸入管２２が密閉容器２３を貫通して接続されている。吐出ポート２７は、第２ベーン２１の近傍（例えば、シャフト１５の回転方向と逆方向に第２ベーン２１から４０度までの範囲内）で第２吐出空間１７ｂに開口するように形成されている。これにより、吐出ポート２７を通じて第２吐出空間１７ｂから冷媒を排出可能となっている。吐出ポート２７には、流路１０ｃの一部を構成する吐出管２６が密閉容器２３を貫通して接続されている。また、吐出ポート２７には、流路１０ｃから第２吐出空間１７ｂへの冷媒の逆流を防ぐ吐出弁２８（逆止弁）が設けられている。吐出弁２８は、典型的には、金属製の薄板で作られたリード弁である。第２吐出空間１７ｂの圧力が吐出管２６の内部の圧力（流路１０ｃの圧力）を上回ると吐出弁２８が開く。第２吐出空間１７ｂの圧力が吐出管２６の内部の圧力以下のとき、吐出弁２８は閉じている。
【００３８】
中板２５には、第１吐出空間１６ｂから第２吸入空間１７ａまたは第２吐出空間１７ｂに冷媒を導く連通路２５ａが設けられている。本実施形態では、連通路２５ａは、中板２５をシャフト１５の軸方向に対して斜めに貫通している。ただし、上述したように偏心部１５ａ，１５ｂの突出方向及びベーン２０，２１の配置位置を変更すれば、連通路２５ａをシャフト１５の軸方向に平行にすることは可能である。連通路２５ａの下側の開口である上流端２５ｂは、第１ベーン２０の近傍（例えば、シャフト１５の回転方向と逆方向に第１ベーン２０から４０度までの範囲内）に配置されている。また、連通路２５ａの上流端２５ｂは、第１ピストン１３が上死点に位置するときに第１ピストン１３によって完全に塞がれるような円弧状の形状を有している。このため、連通路２５ａの上流端２５ｂは、シャフト１５が第１回転位置を通過する瞬間だけ閉じられ、その他の期間は第１吐出空間１６ｂに開口する。
【００３９】
一方、連通路２５ａの上側の開口である下流端２５ｃは、シャフト１５が第１回転位置を通過する前は第２吐出空間１７ｂに開口し、シャフト１５が第１回転位置を通過した後は第２吸入空間１７ａに開口するように構成されている。本実施形態では、連通路２５ａの下流端２５ｃは、シャフト１５の回転軸を挟んで吐出ポート２６と略反対の位置に配置されている。例えば、連通路２５ａの下流端２５ｃの中心は、第２ベーン２１の中心線からシャフト１５の回転方向に１６０〜１８０度程度離れた位置にあってもよい。また、連通路２５ａの下流端２５ｃは、シャフト１５が第１回転位置にあるとき（本実施形態では第２ピストン１４が下死点に位置するとき）に第２ピストン１４によって完全に塞がれるような円弧状の形状を有している。このため、シャフト１５が第１回転位置を通過する瞬間だけ閉じられ、その他の期間は第２吐出空間１７ｂまたは第２吸入空間１７ａに開口する。
【００４０】
すなわち、第１吐出空間１６ｂ、連通路２５ａ及び第２吸入空間１７ａで構成される連続空間、並びに第１吐出空間１６ｂ、連通路２５ａ及び第２吐出空間１７ｂで構成される連続空間は、図５に示すように容積が連続的に変化する作動室を形成する。第２の空間１７の容積Ｖ２が第１の空間１６の容積Ｖ１よりも大きいので、作動室の容積は、第１回転位置（図５では３６０度）から徐々に増大し、第２回転位置（図５では５４０度）付近で最大となり、そこから第１回転位置（図５では７２０度）まで徐々に減少する。なお、作動室の容積が最大になるタイミングは、第１の空間１６の容積Ｖ１と第２の空間１７の容積Ｖ２との関係並びに第１回転位置と第２回転位置とのずれ角度によって、第２回転位置よりも早まったり、第２回転位置と一致したりする。作動室の容積が増大する間は膨張・過膨張行程及びインジェクション行程が行われ、作動室の容積が減少する間は再圧縮行程及び吐出行程の一部が行われる。その後は、第２吐出空間１７ｂによって作動室が構成され、吐出行程の残部が行われる。また、膨張・過膨張行程の前の吸入行程では、第１吸入空間１７６ａ及び第２吸入空間１７ａがそれぞれ作動室を構成する。このように、「作動室」は、吸入から吐出まで冷媒を保持する空間を意味する。
【００４１】
特に、本実施形態では、第１の空間１６の容積Ｖ１に対する作動室の最大容積Ｖ３の比（Ｖ３／Ｖ１）は、容積型流体機械４に吸入された冷媒が第１吐出空間１６ｂ、連通路２５ａ及び第２吸入空間１７ａで構成された作動室において膨張及び過膨張できる値に調節されている。つまり、第２の空間１７の容積Ｖ２が容積Ｖ１よりも遥かに大きい。具体的に、容積比（Ｖ３／Ｖ１）は、放熱器３の出口における冷媒の体積流量ＶGCに対する、圧縮機２の入口における冷媒の体積流量ＶSCの比（ＶSC／ＶGC）に概ね等しくなるように設計されている。
【００４２】
インジェクションポート３０は、第２吸入空間１７ａに冷媒を供給できる位置に形成されている。詳細には、第２シリンダ１２にインジェクションポート３０が形成されている。ただし、インジェクションポート３０は、例えば上軸受１９に形成されていてもよい。インジェクションポート３０は、シャフト１５の回転方向において第２ベーン２１から連通路２５ａの下流端２５ｃまでの間に配置されている。インジェクションポート３０には、インジェクション流路５０の下流路５０ｂの一部を構成するインジェクション管２９が密閉容器２３を貫通して接続されている。また、インジェクションポート３０には、第２吸入空間１７ａ又は第２吐出空間１７ｂからインジェクション流路５０への冷媒の逆流を防ぐ逆止弁３１が設けられている。逆止弁３１は、典型的には、金属製の薄板で作られたリード弁である。
【００４３】
具体的に、第２シリンダ１２には、第２の空間１７に面する凹部３０ａが設けられている。インジェクションポート３０は凹部３０ａに開口しているとともに、インジェクションポート３０を開閉できるように凹部３０ａに逆止弁３１が固定されている。逆止弁３１は、第２吸入空間１７ａの圧力がインジェクション管２９の内部の圧力（インジェクション流路５０の圧力）を下回った場合に開く。第２吸入空間１７ａ及び第２吐出空間１７ｂの圧力がインジェクション管２９の内部の圧力以上のとき、逆止弁３１は閉じている。
【００４４】
以下、本実施形態において、第１ピストン１３が上死点に位置するときのシャフト１５の第１回転位置を、シャフト１５の回転角度が０度の「基準位置」と定義する。
【００４５】
第２の空間１７の圧力がインジェクション管２９の内部の圧力を下回らない限り、冷媒は、インジェクションポート３０を通じて第２の空間１７に流入しない。そのため、インジェクションポート３０の位置は特に限定されない。しかし、起動時にインジェクションポート３０から導く高圧冷媒で、基準位置から小さい回転角度で第２ピストン１４に対して駆動力を与えるためには、インジェクションポート３０が第２ベーン２１の近くに位置（例えば４５度以下）したほうがよい。これは、連通路２５ａの下流端２５ｃが第２ベーン２１から離れた位置にあるので、第２吸入空間１７ａが真空となるのを防ぐためでもある。
【００４６】
吸入ポート２４の開口面積、インジェクションポート３０の開口面積及び吐出ポート２７の開口面積は、各ポートを通過する冷媒の流量（体積流量）を考慮して適切に設計されるべきである。冷凍サイクル装置１００において、インジェクション流路５０の下流路５０ｂを流れる冷媒の体積流量は、第２蒸発器７を通過した後であるため非常に大きい。つまり、インジェクションポート３０を通過する冷媒の体積流量は非常に大きい。他方、吸入ポート２４を通過する冷媒は気液二相であるため、その体積流量は比較的小さい。同様に、吐出ポート２７を通過する冷媒の体積流量も比較的小さい。従って、インジェクションポート３０の開口面積を吸入ポート２４の開口面積よりも大きくすることが圧力損失を低減する観点から望ましい。また、インジェクションポート３０の開口面積を吐出ポート２７の開口面積よりも大きくすることが圧力損失を低減する観点から望ましい。
【００４７】
次に、図４〜図７を参照して、容積型流体機械４の詳細な動作を説明する。図４は、容積型流体機械４の動作原理図である。図４の左上図、右上図、右下図及び左下図には、それぞれ、シャフト１５を９０度ずつ回転させたときの第１ピストン１３及び第２ピストン１４の位置が示されている。図５は、基準位置からのシャフトの回転角度と作動室の容積との関係を示すグラフである。図６は、基準位置からのシャフトの回転角度と作動室の圧力との関係を示すグラフである。図７は、作動室の圧力と容積（冷媒の圧力と体積）との関係を示すグラフである。
【００４８】
図４の左上図及び右上図に示すように、シャフト１５が０度の位置（第１回転位置）から９０度の位置に回転するとき、上流側ロータリ機構４ａでは、吸入ポート２４に隣接して第１吸入空間１６ａが新たに生じる。これにより、吸入ポート２４を通じて、放熱器３で冷却された冷媒が第１吸入空間１６ａに吸入される（吸入行程）。シャフト１５の回転に伴い、第１吸入空間１６ａの容積は増加する。シャフト１５が３６０度回転すると、第１吸入空間１６ａの容積が最大容積（＝第１の空間１６の容積Ｖ１）に達する。これにより、吸入行程が終了する。
【００４９】
図５において、線ＡＢは、吸入行程での第１吸入空間１６ａの容積の変化を表している。吸入行程は点Ｂで終了する。図６において、吸入行程は線ＡＢで示される。吸入行程で第１吸入空間１６ａに吸入される冷媒は、放熱器３で高い圧力を維持しつつ冷却された冷媒であり、第１の圧力Ｐ１を有する。
【００５０】
一方、下流側ロータリ機構４ｂでは、１８０度の位置（第２回転位置）から第２吸入空間１７ａが発生する。シャフト１５が１８０度の位置から３６０度の位置に回転する間は、連通路２５ａの下流端２５ｃは第２吸入空間１７ａに開口しないので、第２冷媒空間１７ａにはインジェクションポート３０からのみ冷媒が吸入される（第２の吸入行程）。図５において、線ＬＪは、第２の吸入行程での第２吸入空間１７ａの容積の変化を表している。第２の吸入行程は点Ｊで終了する。図６において、第２の吸入行程は線ＬＪで示される。第２の吸入行程で第２吸入空間１７ａに吸入される冷媒は、第２蒸発器７で加熱された低い圧力の冷媒であり、第２の圧力Ｐ２を有する。
【００５１】
シャフト１５が３６０度の位置を通過すると、第１吸入空間１６ａは第１吐出空間１６ｂへと変化する。また、第１吐出空間１６ｂは、連通路２５ａにより第２吸入空間１７ａと連通する。この連通によって、第１吐出空間１６ｂの冷媒（放熱器３で高い圧力を維持しつつ冷却された冷媒）と第２吸入空間１７ａの冷媒（第２蒸発器７で加熱された低い圧力の冷媒）とが合流する。この合流によって、それらの冷媒は、第１吐出空間１６ｂの冷媒よりも低く、第２吸入空間１７ａの冷媒よりも高い圧力Ｐ’の冷媒状態へステップ状に変化する。換言すれば、第１吐出空間１６ｂの冷媒が、圧力差によって第２吸入空間１７ａ内へ膨張する。これにより、逆止弁３１が閉じ、インジェクションポート３０からの冷媒の供給が停止する。図５及び図６において、合流直後の作動室の状態は点Ｂ’で示される。
【００５２】
次に、図４の左上図、右上図及び右下図に示すように、シャフト１５が３６０度の位置から５４０度の位置に回転するとき、第１吐出空間１６ｂ、連通路２５ａ及び第２吸入空間１７ａによって、吸入ポート２４及び吐出ポート２７のいずれとも連通していない１つの作動室が形成される。上記の合流によって形成された合流冷媒は、作動室の中で、シャフト１５の回転に伴って、第３の圧力Ｐ３まで膨張し、さらに第２の圧力Ｐ２まで過膨張する（膨張・過膨張行程）。
【００５３】
膨張及び過膨張の過程において、冷媒は圧力エネルギーを放出する。冷媒から放出された圧力エネルギーは、ピストン１３及び１４を介してシャフト１５のトルクに変換される。つまり、容積型流体機械４は冷媒から動力を回収する。
【００５４】
一方、冷媒の過膨張が進んで作動室の圧力が第２の圧力Ｐ２を下回ると、逆止弁３１が再び開き、インジェクションポート３０から第２の圧力Ｐ２の冷媒が第２吸入空間１７ａに導入される。これにより、冷媒の過膨張が止まるとともに、インジェクションポート３０を通じて供給された冷媒が過膨張した冷媒に混合される（インジェクション行程）。このンジェクションポート３０を通じた冷媒の作動室内への導入は、シャフト１５の回転角度が５４０度付近に達するまで続く。作動室の容積が最大になったときに、インジェクション行程が終了するとともに、再圧縮行程が開始する。
【００５５】
図５において、膨張・過膨張行程及びインジェクション行程での第１吐出空間１６ｂの容積の変化は破線ＢＩで示される。第２吸入空間１７ａの容積の変化は破線ＪＭで示される。第１吐出空間１６ｂ、連通路２５ａ及び第２吸入空間１７ａで構成された作動室の容積の変化は線Ｂ’Ｅで示される。膨張・過膨張行程からインジェクション行程までは点Ｅで終了し、その点Ｅにおける作動室の容積Ｖ３は、点Ｍにおける第２吸入空間１７ａの容積と点Ｉにおける第１吐出空間１６ｂと連通路２５ａの容積の和に相当する。
【００５６】
図６において、膨張・過膨張行程及びインジェクション行程は、それぞれ、線Ｂ’ＣＤ及び線ＤＥで示される。第１吐出空間１６ｂ、連通路２５ａ及び第２吸入空間１７ａで構成された作動室内の冷媒の圧力は、張行程の開始時における圧力Ｐ’からシャフト１５の回転に伴って低下する。前述したように、第１の空間１６の容積Ｖ１に対する作動室の最大容積Ｖ３の比（Ｖ３／Ｖ１）は、非常に大きい。従って、インジェクションポート３０が存在しないと仮定した場合、作動室の圧力は、第２蒸発器７での冷媒の圧力（第２の圧力Ｐ２）まで低下した後も線Ｂ’ＣＤの延長線上の破線ＤＨに沿って低下する。しかし、本実施形態の冷凍サイクル装置１００に使用された容積型流体機械４はインジェクションポート３０を有するので、作動室の圧力が第２の圧力Ｐ２まで低下すると、インジェクションポート３０を通じて、第２蒸発器７から流出した第２の圧力Ｐ２の冷媒が第２吸入空間１７ａに供給される。そのため、作動室の圧力の低下は止まり、作動室の容積が図５中の点Ｅで特定された容積に達するまで第２の圧力Ｐ２を有する冷媒が作動室に供給され続ける。
【００５７】
その後、シャフト１５が５４０度の位置を通過すると、第２吸入空間１７ａは第２吐出空間１７ｂへと変化する。また、第１吐出空間１６ｂは、連通路２５ａにより第２吐出空間１７ｂと連通する。
【００５８】
図４の右下図、左下図及び左上図に示すように、シャフト１５が５４０度の位置から７２０度の位置に回転するとき、第１吐出空間１６ｂ、連通路２５ａ及び第２吐出空間１７ｂで構成される作動室には、吐出ポート２７が開口する。ただし、図２を参照して説明したように、吐出ポート２７には吐出弁２８が設けられている。そのため、作動室の圧力が吐出管２６の内部の圧力、すなわち、圧縮機２の吸入圧力を上回るまで、作動室の中で冷媒は圧縮される（再圧縮行程）。
【００５９】
再圧縮行程で冷媒を圧縮するために、膨張・過膨張行程で冷媒から回収した動力が使用される。本実施形態によれば、膨張・過膨張行程は、連通路２５ａを介して第１吐出空間１６ｂと第２吸入空間１７ａとが連通した時点（図４の左上図のタイミング）から、第２吸入空間１７ａの圧力がインジェクション流路５０の第２の圧力Ｐ２に一致する時点まで継続する。再圧縮行程は、連通路２５ａを介した第１吐出空間１６ｂと第２吸入空間１７ａとの空間の和が最大になった時点（図４の右下図またはそれよりも少し前のタイミング）から、第２吐出空間１７ｂの圧力が流路１０ｃの第３の圧力Ｐ３に一致する時点まで継続する。すなわち、再圧縮行程は、膨張・過膨張行程によって回転させられるシャフト１５の慣性力によって行われる。
【００６０】
なお、容積型流体機械４は、シャフト１５が１回転する期間の中で、膨張・過膨張行程の行われる期間の少なくとも一部が再圧縮行程の行われる期間に重なるように、設計されていることが好ましい。このような構成によれば、膨張・過膨張行程で冷媒から回収された動力がそのまま再圧縮行程で冷媒を圧縮するためのエネルギーとして消費されるため、シャフト１５のトルクムラが発生しにくい。このことは、容積型流体機械４の安定した動作に寄与する。
【００６１】
シャフト１５が７２０度の位置を通過すると、第２吐出空間１７ｂと連通路２５ａとの連通が解除され、第２吐出空間１７ｂのみで作動室が形成される。作動室の容積が最大となってからは再圧縮行程が行われるが、第１吐出空間１６ｂ、連通路２５ａ及び第２吐出空間１７ｂで形成される、又は第２吐出空間１７ｂのみで形成される作動室の圧力が吐出管２６の内部の圧力を上回ると、吐出弁２８が開く。これにより、再圧縮行程が終了し、吐出ポート２７を通じて作動室から吐出管２６に冷媒が吐出される（吐出行程）。シャフト１５の回転に伴って作動室の容積は減少し、シャフト１５が９００度の位置まで回転すると第２吐出空間１７ｂは消滅する。これにより、吐出行程が終了する。
【００６２】
図５において、再圧縮行程及び吐出行程での第２吐出空間１７ｂの容積の変化は線ＥＧで示される。図６において、再圧縮行程及び吐出行程は、それぞれ、線ＥＦ及び線ＦＧで示される。インジェクション行程の終了直後において、冷媒の圧力Ｐ２は、吐出管２６の内部の圧力Ｐ３よりも低い。このとき、吐出弁２８は閉じている。作動室の容積の減少に伴い、冷媒は圧力Ｐ３まで再圧縮される。その後、吐出弁２８の前後で圧力が均衡することにより吐出弁２８が開き、第２吐出空間１７ｂから吐出管２６へと圧力Ｐ２の冷媒が吐出される。点Ｇにおいて、吐出行程が終了する。
【００６３】
図７は、作動室の圧力と容積との関係を示すＰＶ線図である。吸入行程は線ＡＢ、第２の吸入行程は線ＬＪ、膨張・過膨張行程は線Ｂ’ＣＤ、インジェクション行程は線ＤＥ、再圧縮行程は線ＥＦ、吐出行程は線ＦＣＧで示される。容積型流体機械４では、回収エネルギー、再圧縮に必要な仕事、及び各種損失は、バランスする。従って、容積型流体機械４はモータ等を用いなくても自律回転する。点ＡＢＢ’ＣＮＧで囲まれた領域の面積に相当するエネルギーを冷媒から回収し、回収したエネルギーを使って、点ＣＤＥＦと点ＬＪＮＧで囲まれた領域の面積に相当する仕事を冷媒に対して行う。
【００６４】
以上に説明したように、本実施形態によれば、膨張・過膨張行程、インジェクション行程及び再圧縮行程が、吸入行程と吐出行程との間の一連の行程として行われる。従って、本実施形態によれば、特許文献１に記載された冷凍サイクル装置のように、膨張機及び副圧縮機を別々に設ける必要がなく、シンプルな構造の容積型流体機械４を使用して上記各行程を実施できる。容積型流体機械４の部品点数は、膨張機及び副圧縮機を別々に設けた場合に比べて少ない。従って、冷凍サイクル装置１００の製造コストを抑えることができる。
【００６５】
また、インジェクションポート３０に逆止弁３１が設けられているので、再圧縮行程及び吐出行程において、第２吐出空間１７ｂからインジェクションポート３０へと冷媒が逆流することを防止できる。このことは、容積型流体機械４の効率の向上に寄与する。
【００６６】
また、吐出ポート２７に吐出弁２８が設けられているので、再圧縮時の冷媒の逆流を防ぐことができ、冷媒を再圧縮及び吐出するための仕事を低減できる。
【００６７】
本実施形態の冷凍サイクル装置１００は、給湯機又は温水暖房機に好適に使用できる。給湯及び温水暖房を目的とした場合、空気調和装置のような冷暖房の切り替えは不要である。つまり、四方弁等の構成要素を省略できるので、更なるコストの削減を期待できる。
【００６８】
二酸化炭素に代表される超臨界冷媒は、冷凍サイクルにおける高圧と低圧との差が大きい。具体的には、容積型流体機械４における吸入圧力（第１の圧力Ｐ１）と吐出圧力（第３の圧力Ｐ３）との差が大きい。そのため、容積型流体機械４で回収できる動力も大きい。従って、二酸化炭素は、冷凍サイクル装置１００の冷媒として好適である。ただし、冷媒の種類が特に限定されるわけではなく、二酸化炭素以外の自然冷媒、Ｒ４１０Ａ等の代替フロン、Ｒ１２３４ｙｆ等の低ＧＷＰ（Global Warming Potential）冷媒を使用できる。
【００６９】
冷媒から動力を回収する手段として容積型流体機械４を冷凍サイクル装置１００に使用することにより、回収動力を圧縮仕事の一部として利用できる。圧縮機２の吸入圧力と吐出圧力との差が減少するので、圧縮機２の負荷が軽減し、冷凍サイクル装置１００のＣＯＰが改善する。ただし、本実施形態で説明した容積型流体機械４は、冷凍サイクル装置以外の装置にも使用できる可能性がある。
【００７０】
次に、冷凍サイクル装置１００の起動時にコントローラ１０２が実行すべき起動制御について説明する。起動制御は、インジェクション流路５０を通じて容積型流体機械４に供給される冷媒の圧力を、第２の圧力Ｐ２に代えて、第１の圧力Ｐ１（すなわち、圧縮機２の出口における冷媒の圧力）に等しい圧力にするための制御である。図８は、冷凍サイクル装置の起動制御のフロー図である。コントローラ１０２は、図８に示す起動制御を実行した後で、通常の運転を行う。冷凍サイクル装置１００の停止時において、膨張弁８は開いており、冷媒回路１０及びインジェクション流路５０内の冷媒の圧力は概ね均一である。
【００７１】
ステップＳ１１において起動指令が入力されると、膨張弁８を全開にするように、膨張弁８のアクチュエータに制御信号を送信する。（ステップＳ１２）「起動指令」は、冷凍サイクル装置１００の運転を開始すべき旨の指令を意味し、例えば冷凍サイクル装置１００の起動スイッチがオンされたときに発生する。
【００７２】
次に、モータ２ａへの給電を開始して圧縮機２を起動する（ステップＳ１３）。圧縮機２は、流路１０ｄ、第１蒸発器５、流路１０ｃに存在する冷媒を吸入する。圧縮機２の起動に応じて、冷媒と熱交換するべき流体（空気又は水）を放熱器３に流すためのファン又はポンプを起動させる。これにより、サイクルの高圧の過度な上昇を防止できる。
【００７３】
圧縮機２が冷媒を吸入し始めると、流路１０ｄ等の圧力が低下する。他方、圧縮機２で圧縮された冷媒が吐出されるため、冷媒回路１０中の流路１０ａ、放熱器３及び流路１０ｂ、並びにインジェクション流路５０中の上流路５０ａ、第２蒸発器７及び下流路５０ｂで圧力が上昇する。このため、インジェクションポート３０を通じて、容積型流体機械４の第２吸入空間１７ａの圧力も上がり、第２ピストン１４に高圧が加わる。第２ピストン１４の表面積は第１ピストン１３の表面積よりも十分に大きいので、第２吸入空間１７ａの圧力を上げることによりシャフト１５を回転させるためのトルクが増加する。その結果、容積型流体機械４を容易に自立起動させることができる。
【００７４】
また、本実施形態の容積型流体機械４は、第１ピストン１３と第２ピストン１４との上死点タイミングが約１８０度ずれている。このため、第１ピストン１３と第２ピストン１４の両方が同時に上死点で停止することはなく、容積型流体機械４の上流側と下流側とで差圧を発生させた時も少なくともどちらかのピストンで回転トルクが発生する。このため、本実施形態のように吸入ポート２４とインジェクションポート３０に高圧冷媒を導くことで、容積型流体機械４が運転終了時にどのような回転角度位置で停止しようとも、容積型流体機械４を確実に起動させることができる。
【００７５】
起動検出器１０４を通じて、容積型流体機械４が起動したことを検出すると（ステップＳ１４でＹＥＳ）、膨張弁８の開度を通常運転に適した開度に調節する（ステップＳ１５）。図８に示す起動制御による運転（起動運転）の終了後、通常制御による運転（通常運転）に移行する。通常運転において、容積型流体機械４にはインジェクション流路５０の下流路５０ｂを通じて第２蒸発器７からの低圧冷媒が導かれる。
【００７６】
他方、容積型流体機械４が起動しなかった場合には（ステップＳ１４でＮＯ）、圧縮機２を停止する（ステップＳ１６）。これにより、流路１０ａ、放熱器３及び流路１０ｂの圧力が過上昇することを防止でき、冷凍サイクル装置１００の信頼性を確保できる。
【００７７】
以上のように、コントローラ１０２は、膨張弁６の制御を起動制御として実行する。これにより、容積型流体機械４をスムーズに起動できる。なお、冷凍サイクル装置１００の制御方法を起動制御から通常制御に切り替えるとき、膨張弁８を段階的に（徐々に）閉めることが好ましい。このようにすれば、容積型流体機械４で再圧縮行程が行われるときの負荷変動を緩和できる。急激な負荷変動による容積型流体機械４のストールを防止できるので、起動運転から通常運転への切り替えをスムーズに行える。
【００７８】
冷凍サイクル装置１００の運転を停止するには、例えば、圧縮機２の回転数を漸次減少させる。圧縮機２の停止後、冷媒は、圧縮機２及び容積型流体機械４を十分な時間をかけて移動する。そのため、冷媒回路１０及びインジェクション流路５０における圧力差は自然に解消され、冷媒回路１０及びインジェクション流路５０内の圧力は概ね均一となって安定する。これにより、容積型流体機械４も自然と停止する。
【００７９】
次に、起動検出器１０４について詳細に説明する。起動検出器１０４として、温度検出器、圧力検出器等を用いることができる。温度検出器としての起動検出器１０４は、例えば熱電対やサーミスタのような温度検出素子を含み、容積型流体機械４の入口温度Ｔｉ、容積型流体機械４の出口温度Ｔｏ、及び入口温度Ｔｉと出口温度Ｔｏとの差ΔＴを検出できる。圧力検出器としての起動検出器１０４は、例えば圧電素子を含み、容積型流体機械４の入口圧力Ｐｉ、容積型流体機械４の出口圧力Ｐｏ、及び入口圧力Ｐｉと出口圧力Ｐｏとの差ΔＰを検出できる。また、起動検出器１０４は、圧縮機２の起動時点からの経過時間を計測するタイマを含んでいてもよい。このようなタイマは、コントローラ１０２の機能によっても提供されうる。つまり、コントローラ１０２自身が起動検出器１０４の役割を担うことができる。さらに、容積型流体機械４のシャフト１５の回転を検出する接触式又は非接触式の変位センサ、例えばエンコーダが、起動検出器１０４として設けられていてもよい。
【００８０】
起動検出器１０４の種類によって、容積型流体機械４が起動したかどうかを判断する手法は、以下のように異なる。以下に示す手法によれば、容積型流体機械４の起動を容易に検出できる。
【００８１】
起動検出器１０４として、容積型流体機械４の出口圧力（容積型流体機械４の出口における冷媒の圧力）Ｐｏを検出する圧力検出器を使用した場合、例えば、実験的又は理論的に求められた閾値Ｐthがコントローラ１０２に予め設定される。圧力検出器によって検出された現在の出口圧力Ｐｏn+1から、単位時間遡った時点に圧力検出器によって検出された出口圧力Ｐｏn（ｎ：自然数）を引いた値が所定の閾値Ｐthを上回った場合に、容積型流体機械４の起動が検出される。コントローラ１０２には、単一の閾値Ｐthが設定されていてもよいし、外気温度等に対応付けられた複数の閾値Ｐthが設定されていてもよい。後者の場合、コントローラ１０２は、外気温度等に基づいて最適な閾値Ｐthを選択する。このことは、以下に説明する他の閾値についても同じである。
【００８２】
圧縮機２が起動した後であって容積型流体機械４が起動する前までの期間において、容積型流体機械４の出口圧力Ｐｏは概ね単調に減少する。容積型流体機械４が動き始めると、出口圧力Ｐｏは増加する。この圧力変化を捉えることで、容積型流体機械４の起動を検出できる。具体的には、単位時間毎に出口圧力Ｐｏを検出してコントローラ１０２のメモリに格納する。直近の過去にメモリに格納された出口圧力Ｐｏnと、現在の出口圧力Ｐｏn+1とを比較する。現在の出口圧力Ｐｏn+1が直近の過去の出口圧力Ｐｏnを一定値以上上回った場合に、容積型流体機械４が起動したものと判断できる。言い換えれば、（Ｐｏn+1−Ｐｏn）＞Ｐthを満足した場合に、容積型流体機械４が起動したものと判断できる。なお、「単位時間」は、出口圧力Ｐｏの急激な変化を捉えるのに十分な時間、例えば、１〜５秒の範囲で任意に設定することができる。
【００８３】
出口圧力Ｐｏに代えて、出口温度Ｔｏを使用することも可能である。すなわち、温度検出器によって検出された現在の出口温度Ｔｏn+1から、単位時間遡った時点に温度検出器によって検出された出口温度Ｔｏn（ｎ：自然数）を引いた値が所定の閾値Ｔthを上回った場合に、容積型流体機械４の起動が検出される。
【００８４】
流路１０ｃ、気液分離器５及び流路１０ｄの圧力は等しい。従って、容積型流体機械４の出口圧力Ｐｏとして、容積型流体機械４の出口から圧縮機２の入口までの流路（流路１０ｃ、第１蒸発器５及び流路１０ｄ）内の圧力を使用できる。同様に、容積型流体機械４の出口温度Ｔｏとして、容積型流体機械４の出口から圧縮機２の入口までの流路内の温度を使用できる。
【００８５】
起動検出器１０４としてタイマを使用した場合、例えば、実験的又は理論的に求められた閾値時間ｔ1がコントローラ１０２に予め設定される。タイマによって計測された時間ｔが閾値時間ｔ1を上回った場合に、容積型流体機械４の起動が検出される。
【００８６】
「閾値時間ｔ1」は、コントローラ１０２において実行されるべき起動制御プログラムに記述されている。例えば、圧縮機２を起動してから容積型流体機械４が起動するまでの時間を様々な運転条件（外気温度等）で実際に測定する。そして、全ての運転条件において、容積型流体機械４が確実に起動すると判断できる時間を「閾値時間ｔ1」として設定しうる。理論的には、冷凍サイクル装置１００のモデルを構築し、容積型流体機械４を起動するために必要十分な時間を計算する。算出した時間を「閾値時間ｔ1」として設定しうる。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明の冷凍サイクル装置は、給湯機、温水暖房装置及び空気調和装置等に利用できる。
【符号の説明】
【００８８】
２  圧縮機
３  放熱器
４  容積型流体機械
４ａ  上流側ロータリ機構
４ｂ  下流側ロータリ機構
５  第１蒸発器
７  第２蒸発器
８  膨張弁
１０ａ〜１０ｇ  流路
１１  第１シリンダ
１２  第２シリンダ
１３  第１ピストン
１４  第２ピストン
１５  シャフト
１６  第１の空間
１６ａ  第１吸入空間
１６ｂ  第１吐出空間
１７  第２の空間
１７ａ  第２吸入空間
１７ｂ  第２吐出空間
２０  第１ベーン
２１  第２ベーン
２４  吸入ポート
２５ａ  連通路
２７  吐出ポート
３０  インジェクションポート
５０  インジェクション流路
１００  冷凍サイクル装置
１０２  コントローラ
１０４  起動検出器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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