JP2005291622A - 冷凍サイクル装置およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】膨張機を用いた冷凍サイクル装置において、密度比一定の制約があっても最適な高圧側圧力を維持し、さまざまな運転範囲の中で運転効率や能力を低下させることなく冷凍サイクル運転を可能とする。
【解決手段】冷凍サイクル装置は、圧縮機構１と、膨張機構３と、膨張機構３に一本の軸９で連結した圧縮機構１を駆動する駆動源８と、圧縮機構１から吐出された冷媒を冷却する放熱器２と、膨張機構３から流出した冷媒を加熱する蒸発器５と、膨張機構３をバイパスするバイパス流路１０と、バイパス流路１０上に設けられたバイパス弁１１と、膨張機構３に流入する冷媒を減圧する予減圧弁１２と、バイパス弁１１及び予減圧弁１２を制御する操作器２１とを備え、冷凍サイクルの吐出温度または過熱度に基づいてバイパス弁１１と予減圧弁１２の開度を操作して、望ましい高圧側圧力に調整することにより、幅広い範囲にわたり効率の良い運転を可能とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、膨張機を備えた冷凍サイクル装置およびその制御方法に関する。

オゾン破壊係数がゼロであり、かつ地球温暖化係数もフロン類に比べれば格段に小さい、二酸化炭素（以下、ＣＯ₂という）を冷媒として用いる冷凍サイクル装置が近年着目されているが、ＣＯ₂冷媒は、臨界温度が３１．０６℃と低く、この温度よりも高い温度を利用する場合には、冷凍サイクル装置の高圧側（圧縮機出口〜放熱器〜減圧器入口）ではＣＯ₂冷媒の凝縮が生じない超臨界状態となり、従来の冷媒に比べて、冷凍サイクル装置の運転効率（ＣＯＰ）が低下する。したがって、ＣＯ₂冷媒を用いた冷凍サイクル装置にあっては、ＣＯＰを向上させる手段が重要である。
このような手段として、減圧器の代わりに膨張機を設け、膨張時の圧力エネルギーを動力として回収する冷凍サイクルが提案されている。ここで、容積式の圧縮機と膨張機を一軸に連結した構成の冷凍サイクル装置では、圧縮機のシリンダ容積をＶＣ、膨張機のシリンダ容積をＶＥとすると、ＶＣ／ＶＥ（設計容積比）により圧縮機、膨張機のそれぞれを流れる体積循環量の比が決定される。蒸発器出口の冷媒（圧縮機に流入する冷媒）の密度をＤＣ、放熱器出口の冷媒（膨張機に流入する冷媒）の密度をＤＥとすると、圧縮機、膨張機のそれぞれを流れる質量循環量は等しいことから、「ＶＣ×ＤＣ＝ＶＥ×ＤＥ」、すなわち、「ＶＣ／ＶＥ＝ＤＥ／ＤＣ」の関係が成立する。ＶＣ／ＶＥ（設計容積比）は機器の設計時に定まる定数であるので、ＤＥ／ＤＣ（密度比）が常に一定となるように冷凍サイクルはバランスしようとする。（以下、このことを、「密度比一定の制約」と呼ぶ。）
しかし、冷凍サイクル装置の使用条件は必ずしも一定ではないので、設計時に想定した設計容積比と実際の運転状態での密度比が異なる場合には、「密度比一定の制約」のために、最良な高圧側圧力に調整することが困難となる。
そこで、膨張機をバイパスするバイパス流路を設け、膨張機に流入する冷媒量を制御することで、最良な高圧側圧力に調整する構成や制御方法が提案されている（例えば特許文献１及び特許文献２参照）。
特開２０００−２３４８１４号公報 特開２００１−１１６３７１号公報

ところが、上記特許文献には、実際の運転状態での密度比が設計容積比より小さい場合には、膨張機をバイパスするバイパス流路に冷媒を流すことで、最良な高圧側圧力に調整できる構成や制御方法が記載されているが、実際の運転状態での密度比が設計容積比より大きい場合については、最良な高圧側圧力に調整できる構成や制御方法について、何ら記載されていない。また、設計容積比の値をどのように設定すればよいかも記載されていない。
さらに、実際の運転状態での密度比が設計容積比より小さい場合についても、バイパス流路に冷媒を流す冷媒量を一定以上に増やせない場合、すなわち、バイパス流路上に設けられたバイパス弁の開度が最大となってしまった場合などについても、どのようにすればよいか記載されていない。そのために、実際の運転状態での密度比が設計容積比より大きい場合や、バイパス弁の開度が最大となってしまった場合などについては、最良な高圧側圧力に調整できずに冷凍サイクル装置の運転効率が低下するといった課題が生じていた。

したがって本発明は、実際の運転状態での密度比が設計容積比より大きい場合でも、小さい場合でも、最良な高圧側圧力に調整できる冷凍サイクル装置の構成およびその制御方法を提供し、冷凍サイクル装置の運転効率（ＣＯＰ）を向上させることを目的としている。
また、様々な運転状態で効率の良い運転が可能な設計容積比を有する冷凍サイクル装置を提供することを目的としている。

請求項１記載の本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機構と膨張機構と駆動源とを一本の軸に連結するとともに、前記圧縮機構から吐出された冷媒を冷却する放熱器と、前記膨張機構から流出した冷媒を加熱する蒸発器とを備えた冷凍サイクル装置において、前記膨張機構をバイパスするバイパス流路と、前記バイパス流路上に設けられたバイパス弁と、前記膨張機構に流入する冷媒を減圧する予減圧弁と、前記バイパス弁と前記予減圧弁とを吐出温度または過熱度に基づいて制御する操作器とを備えたことを特徴とする。
請求項２記載の本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機構と膨張機構と駆動源とを一本の軸に連結するとともに、前記圧縮機構から吐出された冷媒を冷却する放熱器と、前記膨張機構から流出した冷媒を加熱する蒸発器とを備えた冷凍サイクル装置において、前記膨張機構をバイパスするバイパス流路と、前記バイパス流路上に設けられたバイパス弁と、前記バイパス弁と前記駆動源の回転数とを吐出温度または過熱度に基づいて制御する操作器とを備えたことを特徴とする。
請求項３記載の本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機構と膨張機構と駆動源とを一本の軸に連結するとともに、前記圧縮機構から吐出された冷媒を冷却する放熱器と、前記膨張機構から流出した冷媒を加熱する蒸発器とを備えた冷凍サイクル装置において、前記膨張機構をバイパスするバイパス流路と、前記バイパス流路上に設けられたバイパス弁と、前記蒸発器に送風するファンと、前記バイパス弁と前記ファンの回転数とを吐出温度または過熱度に基づいて制御する操作器とを備えたことを特徴とする。
請求項４記載の本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機構と膨張機構と駆動源とを一本の軸に連結するとともに、前記圧縮機構から吐出された冷媒を冷却する放熱器と、前記膨張機構から流出した冷媒を加熱する蒸発器とを備えた冷凍サイクル装置において、前記圧縮機構と前記膨張機構の容積比を、冷凍サイクル装置の運転状態で前記放熱器と前記蒸発器のそれぞれの出口冷媒密度の比のうち最も大きくなる値と略一致させたことを特徴とする。
請求項５記載の本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機構と膨張機構と駆動源とを一本の軸に連結するとともに、前記圧縮機構から吐出された冷媒を冷却する放熱器と、前記膨張機構から流出した冷媒を加熱する蒸発器とを備えた冷凍サイクル装置において、前記圧縮機構と前記膨張機構の容積比を、前記放熱器の出口の冷媒密度が最も大きくなる冷凍サイクル装置の運転状態での前記放熱器と前記蒸発器のそれぞれの出口冷媒密度の比と略一致させたことを特徴とする。
請求項６記載の本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機構と膨張機構と駆動源とを一本の軸に連結するとともに、前記圧縮機構から吐出された冷媒を冷却する放熱器と、前記膨張機構から流出した冷媒を加熱する蒸発器とを備えた冷凍サイクル装置において、前記圧縮機構と前記膨張機構の容積比を、前記蒸発器の周囲温度が最も低く、かつ、前記放熱器に流入する水温が最も低く、かつ、前記放熱器から流出させる湯温が最も高くなる冷凍サイクル装置の運転状態での前記放熱器と前記蒸発器のそれぞれの出口冷媒密度の比と略一致させたことを特徴とする。
請求項７記載の本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機構と膨張機構と駆動源とを一本の軸に連結するとともに、前記圧縮機構から吐出された冷媒を冷却する放熱器と、前記膨張機構から流出した冷媒を加熱する蒸発器とを備え、冷媒として二酸化炭素が用いられ、給湯機として使用される冷凍サイクル装置において、前記圧縮機構と前記膨張機構の容積比を１０以上としたことを特徴とする。
請求項８記載の本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機構と膨張機構と駆動源とを一本の軸に連結するとともに、前記圧縮機構から吐出された冷媒を冷却する放熱器と、前記膨張機構から流出した冷媒を加熱する蒸発器とを備えた冷凍サイクル装置において、前記圧縮機構と前記膨張機構の容積比を、前記蒸発器に送風される空気の温度が最も低く、かつ、前記放熱器に送風される空気の温度が最も低く、かつ、前記放熱器から吹き出される空気温度が最も高くなる冷凍サイクル装置の運転状態での前記放熱器と前記蒸発器のそれぞれの出口冷媒密度の比と略一致させたことを特徴とする。
請求項９記載の本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機構と膨張機構と駆動源とを一本の軸に連結するとともに、前記圧縮機構から吐出された冷媒を冷却する放熱器と、前記膨張機構から流出した冷媒を加熱する蒸発器とを備え、冷媒として二酸化炭素が用いられ、空気調和機として使用される冷凍サイクル装置において、前記圧縮機構と前記膨張機構の容積比を８以上としたことを特徴とする。
請求項１０記載の本発明の冷凍サイクル装置の制御方法は、圧縮機構と膨張機構と駆動源とを一本の軸に連結するとともに、前記圧縮機構から吐出された冷媒を冷却する放熱器と、前記膨張機構から流出した冷媒を加熱する蒸発器と、前記膨張機構をバイパスするバイパス流路と、前記バイパス流路上に設けられたバイパス弁と、前記膨張機構に流入する冷媒を減圧する予減圧弁とを備えた冷凍サイクル装置において、前記バイパス弁と前記予減圧弁とを吐出温度または過熱度に基づいて制御することを特徴とする。
請求項１１記載の本発明の冷凍サイクル装置の制御方法は、圧縮機構と膨張機構と駆動源とを一本の軸に連結するとともに、前記圧縮機構から吐出された冷媒を冷却する放熱器と、前記膨張機構から流出した冷媒を加熱する蒸発器と、前記膨張機構をバイパスするバイパス流路と、前記バイパス流路上に設けられたバイパス弁とを備えた冷凍サイクル装置において、前記バイパス弁と前記駆動源の回転数とを吐出温度または過熱度に基づいて制御することを特徴とする。
請求項１２記載の本発明の冷凍サイクル装置の制御方法は、圧縮機構と膨張機構と駆動源とを一本の軸に連結するとともに、前記圧縮機構から吐出された冷媒を冷却する放熱器と、前記膨張機構から流出した冷媒を加熱する蒸発器と、前記膨張機構をバイパスするバイパス流路と、前記バイパス流路上に設けられたバイパス弁と、前記蒸発器に送風するファンとを備えた冷凍サイクル装置において、前記バイパス弁と前記ファンの回転数とを吐出温度または過熱度に基づいて制御することを特徴とする。
請求項１３記載の本発明の冷凍サイクル装置は、補助圧縮機構と膨張機構とを一本の軸に連結するとともに、冷媒を圧縮する圧縮機構と、前記圧縮機構から吐出された冷媒をさらに圧縮する補助圧縮機構と、前記補助圧縮機構から吐出された冷媒を冷却する放熱器と、前記膨張機構から流出した冷媒を加熱する蒸発器とを備えた冷凍サイクル装置において、前記膨張機構をバイパスするバイパス流路と、前記バイパス流路上に設けられたバイパス弁とを備えたことを特徴とする。
請求項１４記載の本発明は、請求項１３に記載の本発明の冷凍サイクル装置において、前記膨張機構に流入する冷媒を減圧する予減圧弁を備えたことを特徴とする。
請求項１５記載の本発明の冷凍サイクル装置は、請求項１４に記載の本発明の冷凍サイクル装置において、前記バイパス弁と前記予減圧弁とを当該冷凍サイクル装置の吐出温度または過熱度に基づいて制御する操作器を備えたことを特徴とする。
請求項１６記載の本発明は、請求項１３に記載の本発明の冷凍サイクル装置において、前記補助圧縮機構と前記膨張機構の容積比を、冷凍サイクル装置の運転状態で前記放熱器と前記圧縮機構のそれぞれの出口冷媒密度の比のうち最も大きくなる値と略一致させたことを特徴とする。
請求項１７記載の本発明は、請求項１３に記載の本発明の冷凍サイクル装置において、前記補助圧縮機構と前記膨張機構の容積比を、前記放熱器の出口の冷媒密度が最も大きくなる冷凍サイクル装置の運転状態での前記放熱器と前記圧縮機構のそれぞれの出口冷媒密度の比と略一致させたことを特徴とする。
請求項１８記載の本発明は、請求項１３に記載の本発明の冷凍サイクル装置において、前記補助圧縮機構と前記膨張機構の容積比を、前記蒸発器の周囲温度が最も低く、かつ、前記放熱器に流入する水温が最も低く、かつ、前記放熱器から流出させる湯温が最も高くなる冷凍サイクル装置の運転状態での前記放熱器と前記圧縮機構のそれぞれの出口冷媒密度の比と略一致させたことを特徴とする。
請求項１９記載の本発明は、請求項１３に記載の本発明の冷凍サイクル装置において、冷媒として二酸化炭素が用いられ、給湯機として使用される冷凍サイクル装置であって、前記補助圧縮機構と前記膨張機構の容積比を４以上としたことを特徴とする。

本発明の冷凍サイクル装置およびその制御方法は、密度比一定の制約により最良な高圧側圧力に調整することが困難である膨張機を用いた冷凍サイクル装置であっても、幅広い運転範囲の中で高い動力回収効果を得て、効率のよい運転が可能な冷凍サイクル装置およびその制御方法である。

本発明の第１の実施の形態による冷凍サイクル装置は、膨張機構をバイパスするバイパス流路と、バイパス流路上に設けられたバイパス弁と、膨張機構に流入する冷媒を減圧する予減圧弁と、バイパス弁と予減圧弁とを吐出温度または過熱度に基づいて制御する操作器とを備えたものである。本実施の形態によれば、密度比が設計容積比より小さい場合でも大きい場合でも、バイパス弁と予減圧弁の開度操作により、望ましい高圧側圧力に調整することができ、幅広い範囲にわたり運転効率や能力を低下させることなく運転できる冷凍サイクル装置が提供される。
本発明の第２の実施の形態による冷凍サイクル装置は、膨張機構をバイパスするバイパス流路と、バイパス流路上に設けられたバイパス弁と、バイパス弁と駆動源の回転数とを吐出温度または過熱度に基づいて制御する操作器とを備えたものである。本実施の形態によれば、バイパス弁の開度と駆動源の駆動回転数を操作することで、実際の運転状態で望ましい高圧側圧力に調整でき、さらにバイパス弁の開度が全開となった場合でも、駆動源の駆動回転数を操作することで、望ましい高圧側圧力に調整できるために、幅広い範囲にわたり冷凍サイクル装置の運転効率や能力を低下させることがない。
本発明の第３の実施の形態による冷凍サイクル装置は、膨張機構をバイパスするバイパス流路と、バイパス流路上に設けられたバイパス弁と、蒸発器に送風するファンと、バイパス弁とファンの回転数とを吐出温度または過熱度に基づいて制御する操作器とを備えたものである。本実施の形態によれば、バイパス弁の開度とファンの回転数を操作することで、実際の運転状態で望ましい高圧側圧力に調整でき、さらにバイパス弁の開度が全開となった場合でも、ファンの回転数を操作することで、望ましい高圧側圧力に調整できるために、幅広い範囲にわたり冷凍サイクル装置の運転効率や能力を低下させることがない。
本発明の第４の実施の形態による冷凍サイクル装置は、圧縮機構と膨張機構の容積比を、冷凍サイクル装置の運転状態で放熱器と蒸発器のそれぞれの出口冷媒密度の比のうち最も大きくなる値と略一致させたものである。本実施の形態によれば、運転条件が異なっても可能な限り予膨張させないような容積比とすることで、ＣＯＰ向上率の季節差を小さくし、常に高い運転効率を維持した冷凍サイクル装置の運転が可能である。
本発明の第５の実施の形態による冷凍サイクル装置は、圧縮機構と膨張機構の容積比を、放熱器の出口の冷媒密度が最も大きくなる冷凍サイクル装置の運転状態での放熱器と蒸発器のそれぞれの出口冷媒密度の比と略一致させたものである。本実施の形態によれば、運転条件が異なっても可能な限り予膨張させないような容積比とすることで、ＣＯＰ向上率の季節差を小さくし、常に高い運転効率を維持した冷凍サイクル装置の運転が可能である。
本発明の第６の実施の形態による冷凍サイクル装置は、圧縮機構と膨張機構の容積比を、蒸発器の周囲温度が最も低く、かつ、放熱器に流入する水温が最も低く、かつ、放熱器から流出させる湯温が最も高くなる冷凍サイクル装置の運転状態での放熱器と蒸発器のそれぞれの出口冷媒密度の比と略一致させたものである。本実施の形態によれば、運転条件が異なっても可能な限り予膨張させないような容積比とすることで、ＣＯＰ向上率の季節差を小さくし、常に高い運転効率を維持した冷凍サイクル装置の運転が可能である。
本発明の第７の実施の形態による冷凍サイクル装置は、圧縮機構と膨張機構の容積比を１０以上としたものである。冷凍サイクル装置が給湯機の場合であれば、本実施の形態によって、運転条件が異なっても可能な限り予膨張させないような容積比となり、ＣＯＰ向上率の季節差が小さくなるので、常に高い運転効率を維持する給湯機が提供される。
本発明の第８の実施の形態による冷凍サイクル装置は、圧縮機構と膨張機構の容積比を、蒸発器に送風される空気の温度が最も低く、かつ、放熱器に送風される空気の温度が最も低く、かつ、放熱器から吹き出される空気温度が最も高くなる冷凍サイクル装置の運転状態での放熱器と蒸発器のそれぞれの出口冷媒密度の比と略一致させたものである。本実施の形態によれば、運転条件が異なっても可能な限り予膨張させないような容積比とすることで、ＣＯＰ向上率の季節差を小さくし、常に高い運転効率を維持した冷凍サイクル装置の運転が可能である。
本発明の第９の実施の形態による冷凍サイクル装置は、圧縮機構と膨張機構の容積比を８以上としたものである。冷凍サイクル装置が空気調和機の場合であれば、本実施の形態によって、運転条件が異なっても可能な限り予膨張させないような容積比となり、ＣＯＰ向上率の季節差が小さくなるので、常に高い運転効率を維持する空気調和機が提供される。
本発明の第１０の実施の形態による冷凍サイクル装置の制御方法は、圧縮機構と膨張機構と駆動源とを一本の軸に連結するとともに、圧縮機構から吐出された冷媒を冷却する放熱器と、膨張機構から流出した冷媒を加熱する蒸発器と、膨張機構をバイパスするバイパス流路と、バイパス流路上に設けられたバイパス弁と、膨張機構に流入する冷媒を減圧する予減圧弁とを備えた冷凍サイクル装置において、バイパス弁と予減圧弁とを吐出温度または過熱度に基づいて制御するものである。本実施の形態によれば、密度比が設計容積比より小さい場合でも大きい場合でも、バイパス弁と予減圧弁の開度操作により、望ましい高圧側圧力に調整することができ、幅広い範囲にわたり冷凍サイクル装置をその運転効率や能力を低下させることなく運転できる。
本発明の第１１の実施の形態による冷凍サイクル装置の制御方法は、圧縮機構と膨張機構と駆動源とを一本の軸に連結するとともに、圧縮機構から吐出された冷媒を冷却する放熱器と、膨張機構から流出した冷媒を加熱する蒸発器と、膨張機構をバイパスするバイパス流路と、バイパス流路上に設けられたバイパス弁とを備えた冷凍サイクル装置において、バイパス弁と駆動源の回転数とを吐出温度または過熱度に基づいて制御するものである。本実施の形態によれば、密度比が設計容積比より小さい場合でも大きい場合でも、バイパス弁の開度と駆動源の駆動回転数を操作することで、望ましい高圧側圧力に調整でき、さらにバイパス弁の開度が全開となった場合でも、駆動源の駆動回転数を操作することで、望ましい高圧側圧力に調整できるために、幅広い範囲にわたり冷凍サイクル装置をその運転効率や能力を低下させることなく運転できる。
本発明の第１２の実施の形態による冷凍サイクル装置の制御方法は、圧縮機構と膨張機構と駆動源とを一本の軸に連結するとともに、圧縮機構から吐出された冷媒を冷却する放熱器と、膨張機構から流出した冷媒を加熱する蒸発器と、膨張機構をバイパスするバイパス流路と、バイパス流路上に設けられたバイパス弁と、蒸発器に送風するファンとを備えた冷凍サイクル装置において、バイパス弁とファンの回転数とを吐出温度または過熱度に基づいて制御するものである。本実施の形態によれば、密度比が設計容積比より小さい場合でも大きい場合でも、バイパス弁の開度とファンの回転数を操作することで、望ましい高圧側圧力に調整でき、さらにバイパス弁の開度が全開となった場合でも、ファンの回転数を操作することで、望ましい高圧側圧力に調整できるために、幅広い範囲にわたり冷凍サイクル装置をその運転効率や能力を低下させることなく運転できる。
本発明の第１３の実施の形態による冷凍サイクル装置は、補助圧縮機構と膨張機構とを一本の軸に連結するとともに、冷媒を圧縮する圧縮機構と、圧縮機構から吐出された冷媒をさらに圧縮する補助圧縮機構と、補助圧縮機構から吐出された冷媒を冷却する放熱器と、膨張機構から流出した冷媒を加熱する蒸発器とを備えた冷凍サイクル装置において、膨張機構をバイパスするバイパス流路と、バイパス流路上に設けられたバイパス弁とを備えたものである。本実施の形態によれば、密度比一定の制約のために、最適な高圧側圧力を維持することが困難である膨張機を用いた冷凍サイクル装置において、実際の運転状態での密度比の変化が小さいことから、設計時に想定した設計容積比と異なっても、バイパス弁のみの開度操作により、望ましい高圧側圧力に調整し、冷凍サイクル装置の運転効率や能力を低下させることなく運転できる。
本発明の第１４の実施の形態は、第１３の実施の形態による冷凍サイクル装置において、膨張機構に流入する冷媒を減圧する予減圧弁を備えたものである。本実施の形態によれば、密度比が設計容積比より小さい場合でも大きい場合でも、バイパス弁と予減圧弁の開度操作により、望ましい高圧側圧力に調整し、冷凍サイクル装置の運転効率や能力を低下させることなく運転できる。
本発明の第１５の実施の形態は、第１４の実施の形態による冷凍サイクル装置において、バイパス弁と予減圧弁とを当該冷凍サイクル装置の吐出温度または過熱度に基づいて制御する操作器を備えたものである。本実施の形態によれば、バイパス弁と予減圧弁の開度操作により、望ましい高圧側圧力に調整し、冷凍サイクル装置の運転効率や能力を低下させることなく運転できる。
本発明の第１６の実施の形態は、第１３の実施の形態による冷凍サイクル装置において、補助圧縮機構と膨張機構の容積比を、冷凍サイクル装置の運転状態で放熱器と圧縮機構のそれぞれの出口冷媒密度の比のうち最も大きくなる値と略一致させたものである。本実施の形態によれば、運転条件が異なっても可能な限り予膨張させないような容積比とすることで、ＣＯＰ向上率の季節差を小さくし、常に高い運転効率を維持した冷凍サイクル装置の運転が可能である。
本発明の第１７の実施の形態は、第１３の実施の形態による冷凍サイクル装置において、補助圧縮機構と膨張機構の容積比を、放熱器の出口の冷媒密度が最も大きくなる冷凍サイクル装置の運転状態での放熱器と圧縮機構のそれぞれの出口冷媒密度の比と略一致させたものである。本実施の形態によれば、運転条件が異なっても可能な限り予膨張させないような容積比とすることで、ＣＯＰ向上率の季節差を小さくし、常に高い運転効率を維持した冷凍サイクル装置の運転が可能である。
本発明の第１８の実施の形態は、第１３の実施の形態による冷凍サイクル装置において、補助圧縮機構と膨張機構の容積比を、蒸発器の周囲温度が最も低く、かつ、放熱器に流入する水温が最も低く、かつ、放熱器から流出させる湯温が最も高くなる冷凍サイクル装置の運転状態での放熱器と圧縮機構のそれぞれの出口冷媒密度の比と略一致させたものである。本実施の形態によれば、運転条件が異なっても可能な限り予膨張させないような容積比とすることで、ＣＯＰ向上率の季節差を小さくし、常に高い運転効率を維持した冷凍サイクル装置の運転が可能である。
本発明の第１９の実施の形態は、第１３の実施の形態による冷凍サイクル装置において、冷媒として二酸化炭素が用いられ、給湯機として使用される冷凍サイクル装置であって、補助圧縮機構と膨張機構の容積比を４以上としたものである。冷凍サイクル装置が補助圧縮機構を備える給湯機の場合であれば、本実施の形態によって、運転条件が異なっても可能な限り予膨張させないような容積比となり、ＣＯＰ向上率の季節差が小さくなるので、常に高い運転効率を維持する冷凍サイクル装置が提供される。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１の実施例における冷凍サイクル装置を示す構成図である。なお、本実施例の冷凍サイクル装置に関しては、給湯機を例に取り説明する。即ち、本実施例の給湯機に本発明が限定されるものではなく、空気調和機などであってもよい。
本実施例の冷凍サイクル装置は、圧縮機構１、放熱器２、膨張機構３、およびファン４により送風される外気と熱交換させる蒸発器５などからなる冷媒サイクル回路Ａと、給水ポンプ６、放熱器２、および給湯タンク７などからなる給湯サイクル回路Ｂとを備え、放熱器２において圧縮機構１から吐出された冷媒により給水ポンプ６からの水を加熱してお湯とし、そのお湯を給湯タンク７に貯めておくようにした冷凍サイクル装置（本実施例の場合には、給湯機）である。
圧縮機構１は、モータ等の駆動源８により駆動される。さらに、圧縮機構１は、圧力エネルギーを動力に変換する膨張機構３（膨張機）と一本の軸９により連結され、膨張機構３の回収動力により駆動源８の入力を低減する。また、冷媒サイクル回路Ａは、膨張機構３をバイパスするバイパス流路１０と、バイパス流路１０に流れる流量を調節するバイパス弁１１と、放熱器２と膨張機構３入口との間に設けられ、膨張機構３に流入する冷媒を予め減圧させる予減圧弁１２とを備えている。冷媒としては二酸化炭素（ＣＯ₂）が封入されている。また、圧縮機構１の出口温度（圧縮機構の吐出温度）を検知する吐出温度検知手段２０と、吐出温度検知手段２０が検知した値に基づきバイパス弁１１および予減圧弁１２の開度を演算、操作する第１操作器２１とを備えている。

次に、上述のように構成された冷凍サイクル装置の運転時の動作について、圧縮機構１のシリンダ容積をＶＣ、膨張機構３のシリンダ容積をＶＥ、蒸発器５の出口冷媒密度をＤＣ（圧縮機構１の流入冷媒密度）、放熱器２の出口冷媒密度をＤＥ（膨張機構３の流入冷媒密度）として説明する。まず、実際の運転状態での密度比（ＤＥ／ＤＣ）が、設計時に想定した設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）と略同等である場合について説明する。
圧縮機構１は、臨界圧力を越える圧力（高圧側圧力）まで冷媒を圧縮する。その圧縮された冷媒は、高温高圧状態となり、放熱器２を流れる際に、水に放熱して冷却される。換言すれば、給湯タンク７の底部から給水ポンプ６により放熱器２の水流路へ送り込まれた水は、放熱器２の冷媒流路を流れる冷媒により加熱される。その後、冷媒は、膨張機構３で減圧されて気液二相状態となる。膨張機構３では冷媒の圧力エネルギーを動力に変換し、その動力は軸９に伝達される。この軸９に伝達された動力により駆動源８の入力は低減される。膨張機構３により減圧された冷媒は、蒸発器５に流入し、この蒸発器５で冷媒は空気によって冷却されて気液二相またはガス状態となる。その後、気液二相またはガス状態となった冷媒は、再び圧縮機構１に吸入される。

次に、実際の運転状態での密度比（ＤＥ／ＤＣ）が、設計時に想定した設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）と異なる場合について説明する。まず、実際の運転状態での密度比（ＤＥ／ＤＣ）が、設計時に想定した設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）より大きい場合の動作について説明する。
この場合には、密度比一定の制約のために、放熱器２出口（膨張機構３入口）の冷媒密度（ＤＥ）が小さくなるように、冷凍サイクルは高圧側圧力を低下させた状態でバランスしようとする。ところが、高圧側圧力が望ましい圧力より低下した状態では、吐出温度が低下して冷凍サイクル装置の加熱能力が低下したり、冷凍サイクル装置の効率が低下したりする。このため、バイパス弁１１が全閉状態でなければ、バイパス弁１１を閉方向に操作し、バイパス流路１０に流入していた冷媒を膨張機構３に流入させる。あるいは、バイパス弁１１が全閉状態であれば、予減圧弁１２を閉方向に操作して膨張機構３に流入する冷媒を減圧し、冷媒密度を低下させる。これらの動作により、高圧側圧力を上昇させ、望ましい圧力に調整できるので、効率の良い運転を行うことができる。

逆に、実際の運転状態での密度比（ＤＥ／ＤＣ）が、設計時に想定した設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）より小さい場合の動作について説明する。
この場合には、密度比一定の制約のために、放熱器２出口（膨張機構３入口）の冷媒密度（ＤＥ）が大きくなるように、冷凍サイクルは高圧側圧力を上昇させた状態でバランスしようとする。ところが、高圧側圧力が望ましい圧力より上昇した状態では、冷凍サイクル装置の運転効率が低下してしまう。このため、予減圧弁１２が全開状態でなければ、予減圧弁１２を開方向に操作し、膨張機構３に流入する冷媒を減圧しないようにして冷媒密度を上昇させる。あるいは、予減圧弁１２が全開状態であれば、バイパス弁１１を開方向に操作して膨張機構３に流入する冷媒の一部をバイパス流路１０に流入させる。これらの動作により、高圧側圧力を低下させ、望ましい圧力に調整できるので、効率の良い運転を行うことができる。

以上説明したように、第１の実施例の冷凍サイクル装置では、密度比一定の制約のために、最適な高圧側圧力を維持することが困難である膨張機を用いた冷凍サイクル装置において、実際の運転状態での密度比（ＤＥ／ＤＣ）が、設計時に想定した設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）より小さい場合でも、大きい場合でも、バイパス弁１１と予減圧弁１２の開度操作により、望ましい高圧側圧力に調整し、運転効率や能力を低下させることなく運転できる冷凍サイクル装置が提供される。

次に、バイパス弁１１と予減圧弁１２の具体的な操作方法として、第１操作器２１が行う制御について、図２に示すフローチャートに基づいて説明する。
本実施例の制御では、高圧側圧力と吐出温度との相関関係を利用して、計測するには高コストなセンサーが必要な高圧側圧力によらず、比較的安価に計測の可能な吐出温度によりバイパス弁１１及び予減圧弁１２の制御を行う。
すなわち、冷凍サイクル装置の運転時には、吐出温度検知手段２０からの検出値（吐出温度Ｔｄ）（ステップ１００）が取り込まれる。予めＲＯＭ等に記憶されている目標吐出温度（目標Ｔｄ）とステップ１００で取り込んだ吐出温度とを比較する（ステップ１１０）。
吐出温度が目標吐出温度より低い場合には、高圧側圧力が最適な圧力より低い傾向にあるため、まず、バイパス弁１１が全閉となっているか否かを判定する（ステップ１２０）。バイパス弁１１が全閉である場合には、予減圧弁１２を閉方向に操作し（ステップ１３０）、膨張機構３に流入する冷媒を減圧し、冷媒密度を低下させ、高圧側圧力および吐出温度を上昇させる。また、バイパス弁１１が全閉でない場合には、バイパス弁１１を閉方向に操作し（ステップ１４０）、膨張機構３をバイパスするバイパス流路１０に流入する冷媒量を減少させ、高圧側圧力及び吐出温度を上昇させる。
逆に、吐出温度が目標吐出温度より高い場合には、高圧側圧力が最適な圧力より高い傾向にあるため、まず、予減圧弁１２が全開となっているか否かを判定する（ステップ１５０）。予減圧弁１２が全開である場合には、バイパス弁１１を開方向に操作し（ステップ１６０）、膨張機構３をバイパスするバイパス流路１０に流入する冷媒量を増加させ、高圧側圧力および吐出温度を低下させる。また、予減圧弁１２が全開でない場合には、予減圧弁１２を開方向に操作し（ステップ１７０）、膨張機構３に流入する冷媒を減圧しないようにして、冷媒密度を低下させないようにすることで、高圧側圧力及び吐出温度を低下させる。
以上のステップの後、ステップ１００に戻り、以後ステップ１００からステップ１７０まで繰り返すことにより、図３に示すように、バイパス弁１１と予減圧弁１２とを連携させた制御を行う。

以上説明したように、第１の実施例の冷凍サイクル装置の制御方法では、密度比一定の制約のために、最適な高圧側圧力を維持することが困難である膨張機を用いた冷凍サイクル装置において、実際の運転状態での密度比（ＤＥ／ＤＣ）が、設計時に想定した設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）より小さい場合でも、大きい場合でも、吐出温度に基づいてバイパス弁１１と予減圧弁１２の開度を操作することで、望ましい高圧側圧力に調整し、冷凍サイクル装置の運転効率や能力の低下させることなく運転できる。
なお、バイパス弁１１、予減圧弁１２が全開、または、全閉であるとの判定は、物理的に弁が全開、または、全閉となっていなくてもよく、弁の信頼性等を考慮して予め定めた全開、または、全閉に近い最大開度、または、最小開度となったことで判定してもよい。
また、本実施例の冷媒は二酸化炭素（ＣＯ₂）であるとして説明したが、他の冷媒、例えば、Ｒ４１０Ａ等でも同様の効果が得られる。

本発明の第２の実施例における冷凍サイクル装置について説明する。本実施例の冷凍サイクル装置は、第１の実施例の冷凍サイクル装置とほぼ同様な構成であり、同一機能部品については同一の符号を付して説明を省略する。図４は、本発明の第２の実施例における冷凍サイクル装置を示す構成図である。また、図５は、本発明の第２の実施例における冷凍サイクル装置の制御方法を示すフローチャートである。
本実施例の冷凍サイクル装置において、第１の実施例の冷凍サイクル装置と異なる点は、第１の実施例の吐出温度検知手段２０及び第１操作器２１の代わりに、蒸発器５の入口から出口の間の温度（蒸発器の蒸発温度）を検知する蒸発温度検知手段３０と、圧縮機構１の入口温度（圧縮機構の吸入温度）を検知する吸入温度検知手段３１と、蒸発温度検知手段３０と吸入温度検知手段３１とが検知した値から過熱度（吸入温度と蒸発温度との差）を演算し、バイパス弁１１および予減圧弁１２の開度を演算、操作する第２操作器３２とを備えている構成にある。

次に、第２操作器３２が行う制御について、図５に示すフローチャートに基づいて説明する。本実施例の制御では、高圧側圧力と過熱度との相関関係を利用して、計測するには高コストなセンサーが必要な高圧側圧力によらず、比較的安価に計測の可能な蒸発温度と吸入温度とから演算される過熱度によりバイパス弁１１及び予減圧弁１２の制御を行う。
すなわち、冷凍サイクル装置の運転時には、蒸発温度検知手段３０からの検出値（蒸発温度Ｔｅ）（ステップ２００）が取り込まれ、また、吸入温度検知手段３１からの検出値（吸入温度Ｔｓ）（ステップ２１０）が取り込まれる。それら取り込んだ検出値から吸入温度と蒸発温度の差である過熱度（ＳＨ）を演算（ステップ２２０）し、予めＲＯＭ等に記憶されている目標過熱度（目標ＳＨ）とステップ２００で演算した過熱度とを比較する（ステップ２３０）。
過熱度が目標過熱度より低い場合には、高圧側圧力が最適な圧力より低い傾向にあるため、まず、バイパス弁１１が全閉となっているか否かを判定する（ステップ２４０）。バイパス弁１１が全閉である場合には、予減圧弁１２を閉方向に操作し（ステップ２５０）、膨張機構３に流入する冷媒を減圧し、冷媒密度を低下させ、高圧側圧力および吐出温度を上昇させる。また、バイパス弁１１が全閉でない場合には、バイパス弁１１を閉方向に操作し（ステップ２６０）、膨張機構３をバイパスするバイパス流路１０に流入する冷媒量を減少させ、高圧側圧力および過熱度を上昇させる。
逆に、過熱度が目標過熱度より高い場合には、高圧側圧力が最適な圧力より高い傾向にあるため、まず、予減圧弁１２が全開となっているか否かを判定する（ステップ２７０）。予減圧弁１２が全開である場合には、バイパス弁１１を開方向に操作し（ステップ２８０）、膨張機構３をバイパスするバイパス流路１０に流入する冷媒量を増加させ、高圧側圧力および過熱度を低下させる。
また、予減圧弁１２が全開でない場合には、予減圧弁１２を開方向に操作し（ステップ２９０）、膨張機構３に流入する冷媒を減圧しないようにして、冷媒密度を低下させないようにすることで、高圧側圧力および吐出温度を低下させる。
以上のステップの後、ステップ２００に戻り、以後ステップ２００からステップ２９０まで繰り返すことにより、バイパス弁１１と予減圧弁１２とを連携させた制御を行う。

以上説明したように、第２の実施例の冷凍サイクル装置及びその制御方法では、密度比一定の制約のために、最適な高圧側圧力を維持することが困難である膨張機を用いた冷凍サイクル装置において、実際の運転状態での密度比（ＤＥ／ＤＣ）が、設計時に想定した設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）より小さい場合でも、大きい場合でも、過熱度に基づいてバイパス弁１１と予減圧弁１２の開度を操作することで、望ましい高圧側圧力に調整し、冷凍サイクル装置の運転効率や能力の低下させることなく運転できる。
なお、バイパス弁１１、予減圧弁１２が全開、または、全閉であるとの判定は、物理的に弁が全開、または、全閉となっていなくてもよく、弁の信頼性等を考慮して予め定めた全開、または、全閉に近い最大開度、または、最小開度となったことで判定してもよい。
また、本実施例の冷媒は二酸化炭素（ＣＯ₂）であるとして説明したが、他の冷媒、例えば、Ｒ４１０Ａ等でも同様の効果が得られる。

本発明の第３の実施例における冷凍サイクル装置について説明する。本実施例の冷凍サイクル装置は、第１の実施例の冷凍サイクル装置とほぼ同様な構成であり、同一機能部品については同一の符号を付して説明を省略する。図６は、本発明の第３の実施例における冷凍サイクル装置を示す構成図である。また、図７は、本発明の第３の実施例における冷凍サイクル装置の制御方法を示すフローチャートである。
本実施例の冷凍サイクル装置において、第１の実施例の冷凍サイクル装置と異なる点は、第１の実施例の予減圧弁１２を備えず、吐出温度検知手段２０が検知した値に基づきバイパス弁１１および圧縮機構１を駆動する駆動源８の回転数を操作する第３操作器４０を備えている構成にある。

次に、第３操作器４０が行う制御について、図７に示すフローチャートに基づいて説明する。本実施例の制御では、第１の実施例と同様に、吐出温度に基づき制御を行う。
すなわち、冷凍サイクル装置の運転時には、吐出温度検知手段２０からの検出値（吐出温度）（ステップ３００）が取り込まれる。予めＲＯＭ等に記憶されている目標吐出温度とステップ３００で取り込んだ吐出温度とを比較する（ステップ３１０）。
吐出温度が目標吐出温度より低い場合には、高圧側圧力が最適な圧力より低い傾向にあるため、まず、バイパス弁１１が全閉となっているか否かを判定する（ステップ３２０）。バイパス弁１１が全閉である場合には、駆動源８の駆動回転数を大きくする（ステップ３３０）。駆動回転数が大きくなると圧縮機構１から吐出される冷媒の循環量が増加し、放熱器２、蒸発器５での熱交換効率が低下するため、放熱器２の出口温度が上昇し、膨張機構３に流入する冷媒の密度が低下するとともに、蒸発器５の出口温度が低下し、圧縮機構１に吸入される冷媒密度が増加するので、密度比（ＤＥ／ＤＣ）が低下する。このため、予減圧弁１２を閉方向に操作するのと同等の効果が得られ、高圧側圧力および吐出温度を上昇させることができる。
また、バイパス弁１１が全閉でない場合には、駆動回転数が予め定められた基準値より小さいかどうかを判定する（ステップ３４０）。駆動回転数が基準値より小さい場合には、後に述べるステップ３８０で、駆動回転数を小さくしたと考えられるので、基準値までの範囲内で駆動回転数を大きくし（ステップ３５０）、密度比（ＤＥ／ＤＣ）を低下させることで、高圧側圧力および吐出温度を上昇させる。また、駆動回転数が基準値である場合には、バイパス弁１１を閉方向に操作し（ステップ３６０）、膨張機構３をバイパスするバイパス流路１０に流入する冷媒量を減少させ、高圧側圧力および吐出温度を上昇させる。

逆に、吐出温度が目標吐出温度より高い場合には、高圧側圧力が最適な圧力より高い傾向にあるため、まず、バイパス弁１１が全開となっているか否かを判定する（ステップ３７０）。バイパス弁１１が全開である場合には、駆動源８の駆動回転数を小さくする（ステップ３８０）。駆動回転数が小さくなると圧縮機構１から吐出される冷媒の循環量が低下し、放熱器２、蒸発器５での熱交換効率が向上するため、放熱器２の出口温度が低下し、膨張機構３に流入する冷媒の密度が上昇するとともに、蒸発器５の出口温度が上昇し、圧縮機構１に吸入される冷媒密度が低下するので、密度比（ＤＥ／ＤＣ）が増加する。このため、バイパス弁１１を開方向に操作するのと同等の効果が得られ、高圧側圧力および吐出温度を低下させることができる。
また、バイパス弁１１が全開でない場合には、駆動回転数が予め定められた基準値より大きいかどうかを判定する（ステップ３９０）。駆動回転数が基準値より大きい場合には、ステップ３３０で、駆動回転数を大きくしたと考えられるので、基準値までの範囲内で駆動回転数を小さくし（ステップ４００）、密度比（ＤＥ／ＤＣ）を増加させることで、高圧側圧力および吐出温度を低下させる。また、駆動回転数が基準値である場合には、バイパス弁１１を開方向に操作し（ステップ４１０）、膨張機構３をバイパスするバイパス流路１０に流入する冷媒量を増加させ、高圧側圧力および吐出温度を低下させる。
以上のステップの後、ステップ３００に戻り、以後ステップ３００からステップ４１０まで繰り返すことにより、図８に示すように、バイパス弁１１の開度と駆動源８の駆動回転数とを連携させた制御を行う。

以上説明したように、第３の実施例の冷凍サイクル装置及びその制御方法では、密度比一定の制約のために、最適な高圧側圧力を維持することが困難である膨張機を用いた冷凍サイクル装置において、実際の運転状態での密度比（ＤＥ／ＤＣ）が、設計時に想定した設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）より小さい場合でも、大きい場合でも、吐出温度に基づいてバイパス弁１１の開度と駆動源８の駆動回転数を操作することで、望ましい高圧側圧力に調整できる。
さらに、図８に示したようにバイパス弁１１の開度が全開となった場合でも、駆動源８の駆動回転数を操作することで、望ましい高圧側圧力に調整できるために、冷凍サイクル装置の運転効率や能力の低下させることなく運転できる。
なお、本実施例では、第１の実施例と同様に吐出温度に基づき制御を行うとして説明したが、第２の実施例のように過熱度に基づき制御してもよい。さらに、第１、２の実施例の予減圧弁１２の開度操作と、本実施例の駆動源８の駆動回転数操作を組み合わせて実施してもよい。また、バイパス弁１１が全開、または、全閉であるとの判定は、物理的に弁が全開、または、全閉となっていなくてもよく、弁の信頼性等を考慮して予め定めた全開、または、全閉に近い最大開度、または、最小開度となったことで判定してもよい。また、本実施例の冷媒は二酸化炭素（ＣＯ₂）であるとして説明したが、他の冷媒、例えば、Ｒ４１０Ａ等でも同様の効果が得られる。

本発明の第４の実施例における冷凍サイクル装置について説明する。本実施例の冷凍サイクル装置は、第１の実施例の冷凍サイクル装置とほぼ同様な構成であり、同一機能部品については同一の符号を付して説明を省略する。図９は、本発明の第４の実施例における冷凍サイクル装置を示す構成図である。また、図１０は、本発明の第４の実施例における冷凍サイクル装置の制御方法を示すフローチャートである。
本実施例の冷凍サイクル装置において、第１の実施例の冷凍サイクル装置と異なる点は、第１の実施例の予減圧弁１２を備えず、吐出温度検知手段２０が検知した値に基づきバイパス弁１１およびファン４を駆動する駆動源（図示せず）の回転数を操作する第４操作器５０を備えている構成にある。

次に、第４操作器５０が行う制御について、図１０に示すフローチャートに基づいて説明する。本実施例の制御では、第１の実施例と同様に、吐出温度に基づき制御を行う。
すなわち、冷凍サイクル装置の運転時には、吐出温度検知手段２０からの検出値（吐出温度）（ステップ４００）が取り込まれる。予めＲＯＭ等に記憶されている目標吐出温度とステップ４００で取り込んだ吐出温度とを比較する（ステップ４１０）。
吐出温度が目標吐出温度より低い場合には、高圧側圧力が最適な圧力より低い傾向にあるため、まず、バイパス弁１１が全閉となっているか否かを判定する（ステップ４２０）。バイパス弁１１が全閉である場合には、ファン４の回転数を大きくする（ステップ４３０）。ファン回転数が大きくなると蒸発圧力（蒸発器５入口〜圧縮機構１入口の圧力）が上昇するため、蒸発器５の出口の冷媒密度が上昇するので、密度比（ＤＥ／ＤＣ）が低下する。このため、予減圧弁１２を閉方向に操作するのと同等の効果が得られ、高圧側圧力および吐出温度を上昇させることができる。
また、バイパス弁１１が全閉でない場合には、ファン回転数が予め定められた基準値より小さいかどうかを判定する（ステップ４４０）。ファン回転数が基準値より小さい場合には、後に述べるステップ４８０で、ファン回転数を小さくしたと考えられるので、基準値までの範囲内でファン回転数を大きくし（ステップ４５０）、密度比（ＤＥ／ＤＣ）を低下させることで、高圧側圧力および吐出温度を上昇させる。また、ファン回転数が基準値である場合には、バイパス弁１１を閉方向に操作し（４６０）、膨張機構３をバイパスするバイパス流路１０に流入する冷媒量を減少させ、高圧側圧力および吐出温度を上昇させる。

逆に、吐出温度が目標吐出温度より高い場合には、高圧側圧力が最適な圧力より高い傾向にあるため、まず、バイパス弁１１が全開となっているか否かを判定する（ステップ４７０）。バイパス弁１１が全開である場合には、ファン４の駆動回転数を小さくする（ステップ４８０）。ファン駆動回転数が小さくなると蒸発圧力が低下するため、蒸発器５の出口の冷媒密度が低下するので、密度比（ＤＥ／ＤＣ）が増加する。このため、バイパス弁１１を開方向に操作するのと同等の効果が得られ、高圧側圧力および吐出温度を低下させることができる。
また、バイパス弁１１が全開でない場合には、ファン回転数が予め定められた基準値より大きいかどうかを判定する（ステップ４９０）。ファン回転数が基準値より大きい場合には、ステップ４３０で、ファン回転数を大きくしたと考えられるので、基準値までの範囲内でファン回転数を小さくし（ステップ５００）、密度比（ＤＥ／ＤＣ）を増加させることで、高圧側圧力および吐出温度を低下させる。また、ファン回転数が基準値である場合には、バイパス弁１１を開方向に操作し（ステップ５１０）、膨張機構３をバイパスするバイパス流路１０に流入する冷媒量を増加させ、高圧側圧力および吐出温度を低下させる。
以上のステップの後、ステップ４００に戻り、以後ステップ４００からステップ５１０まで繰り返すことにより、図１１に示すように、バイパス弁１１の開度とファン４の回転数とを連携させた制御を行う。

以上説明したように、第４の実施例の冷凍サイクル装置及びその制御方法では、密度比一定の制約のために、最適な高圧側圧力を維持することが困難である膨張機を用いた冷凍サイクル装置において、実際の運転状態での密度比（ＤＥ／ＤＣ）が、設計時に想定した設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）より小さい場合でも大きい場合でも、過熱度に基づいてバイパス弁１１の開度とファン４の回転数を操作することで、望ましい高圧側圧力に調整できる。
さらに、図１１に示したようにバイパス弁１１の開度が全開となった場合でも、ファン４の回転数を操作することで、望ましい高圧側圧力に調整できるために、冷凍サイクル装置の運転効率や能力の低下させることなく運転できる。
なお、本実施例では、第１の実施例と同様に吐出温度に基づき制御を行うとして説明したが、第２の実施例のように過熱度に基づき制御してもよい。さらに、第１、２の実施例の予減圧弁１２の開度操作や、第３の実施例の圧縮機構１１の駆動回転数操作と、本実施例のファン４の回転数操作を組み合わせて実施してもよい。また、バイパス弁１１が全開、または、全閉であるとの判定は、物理的に弁が全開、または、全閉となっていなくてもよく、弁の信頼性等を考慮して予め定めた全開、または、全閉に近い最大開度、または、最小開度となったことで判定してもよい。また、本実施例の冷媒は二酸化炭素（ＣＯ₂）であるとして説明したが、他の冷媒、例えば、Ｒ４１０Ａ等でも同様の効果が得られる。

本発明の第５の実施例における冷凍サイクル装置について説明する。なお、本実施例の冷凍サイクル装置の構成及びその制御方法は、第１の実施例と同様であるので、同様な構成及び動作等についての説明を省略する。
本実施例の冷凍サイクル装置の特徴とする構成は、圧縮機構１のシリンダ容積をＶＣ、膨張機構３のシリンダ容積をＶＥ、蒸発器５の出口冷媒密度をＤＣ、放熱器２の出口冷媒密度をＤＥとした場合に、設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）が、実際の運転状態での密度比（ＤＥ／ＤＣ）が最も大きくなる条件での密度比（ＤＥ／ＤＣ）の値とほぼ一致するように設計されている。さらに、具体的には、放熱器２の出口冷媒密度（ＤＥ）が最も大きくなる条件での密度比（ＤＥ／ＤＣ）の値とほぼ一致するように設計されている点にある。
また、給湯機として使用される冷凍サイクル装置においては、設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）が、給湯機の使用範囲内で、蒸発器５の周囲温度（外気温度）が最も低く、かつ、放熱器２に流入する水温（入水温度）が最も低く、かつ、放熱器２から流出させる湯温（出湯温度）が最も高い条件で運転された場合の密度比（ＤＥ／ＤＣ）とほぼ一致するように設計されている構成を特徴とする。
さらに、具体的には、給湯機として使用される冷凍サイクル装置において、設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）は、１０以上の値となるように設計されている構成を特徴とする。

ところで、本実施例の冷凍サイクル装置では、第１の実施例で説明したように、実際の運転状態での密度比（ＤＥ／ＤＣ）が、設計時に決定した設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）より小さい場合には、バイパス弁１１を開方向に操作することにより、あるいは、密度比（ＤＥ／ＤＣ）が設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）より大きい場合には、予減圧弁１２を開方向に操作することにより密度比（ＤＥ／ＤＣ）を設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）に一致させて、望ましい高圧側圧力に調整できる。しかし、バイパス流路１０を流れる冷媒量が多くなったり、予減圧弁１２で予め膨張させる圧力差が大きくなったりすると、回収できるはずの動力が減少してしまうため、運転効率（ＣＯＰ）の向上率も低下してしまう。したがって、設計容積比をいかに最適な値として設計するかが重要である。

そこで、本実施例の冷凍サイクル装置を給湯機として使用する場合の、その最適な設計容積比について、図１２と図１３を用いて詳しく説明する。
図１２は、本発明の第５の実施例における密度比とＣＯＰ比の相関図であり、図１３は、本発明の第５の実施例における密度比と冷媒密度との相関図である。
図１２において、外気温度は温度が高い順に、夏期、中間期、冬期、低温期を想定している。入水温度はそれぞれの外気温度条件に応じた最も低い温度を想定し、出湯温度はそれぞれの外気温度条件に応じた標準的な温度を想定している。また、ＣＯＰ比はそれぞれの外気温度条件において、膨張機を用いていない冷凍サイクル装置のＣＯＰを１００とした。以下、夏期条件を例に取り説明する。
夏期条件において、実際の運転状態での密度比（ＤＥ／ＤＣ）は、約７である。この値より大きい設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）で設計された冷凍サイクル装置の場合には、夏期条件ではバイパス流路１０に冷媒をバイパスさせる必要がある。逆に、この値より小さい設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）で設計された冷凍サイクル装置の場合には、夏期条件では予減圧弁１２で予め膨張させる必要がある。しかし、バイパス、予膨張のいずれの場合でも、夏期条件で最適に設計された場合、すなわち、設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）を約７として設計した場合に比べて、ＣＯＰ比は低下し、特に、予膨張させた場合にはＣＯＰ比が急激に大きく低下することがわかる。

一方、冬期条件、および、低温期条件では、実際の運転状態での密度比（ＤＥ／ＤＣ）は、それぞれ、約１０、および、約１２である。これらの値より大きい設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）で設計された冷凍サイクル装置の場合には、冬期条件や低温期条件ではバイパス流路１０に冷媒をバイパスさせる必要がある。逆に、これらの値より小さい設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）で設計された冷凍サイクル装置の場合には、冬期条件や低温期条件では予減圧弁１２で予め膨張させる必要がある。しかし、バイパス、予膨張のいずれの場合でも、冬期条件、低温期条件のそれぞれの条件で最適に設計された場合、すなわち、設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）を約１０や約１２として設計した場合に比べて、ＣＯＰ比は低下し、特に、予膨張させた場合にはＣＯＰ比が急激に大きく低下することがわかる。

つまり、季節等によって異なる運転条件により、最適な設計容積比は異なるが、圧縮機構１と膨張機構３とが一本の軸９により直結された冷凍サイクル装置では、設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）は設計時に１つの値に決めざるを得ない。このため、例えば、夏期条件で最適となるように設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）を約７として設計した場合には、夏期条件ではＣＯＰ比は約１１２となるが、他の季節条件ではＣＯＰ比が約１０１〜１０３となる。
これに対し、低温期条件で最適となるように設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）を約１２として設計した場合には、低温期条件でのＣＯＰ比は約１１０であり、他の季節条件でも１０７〜１０８となる。あるいは、冬期条件で最適となるように設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）を約１０として設計した場合には、比較的期間の短い低温期でのＣＯＰ比は約１０３であるが、冬期条件では、１１０となり、他の季節条件でも約１０８となる。
このように、設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）を冬期条件や低温期条件で最適となるように設計すれば、ＣＯＰ向上率の季節差を小さくすることができ、季節等の運転条件が異なっても、常に高い運転効率を維持することが可能である。

すなわち、第５の実施例の冷凍サイクル装置では、図１２から明らかなように、予膨張させる場合はバイパスさせる場合と比べてＣＯＰの向上率が小さいことに着目し、運転条件が異なっても可能な限り予膨張させないように、設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）を、実際の運転状態での密度比（ＤＥ／ＤＣ）が最も大きくなる条件（図１２の場合には低温期条件）での密度比（ＤＥ／ＤＣ）の値とほぼ一致するように設計することで、常に高い運転効率を維持した冷凍サイクル運転が可能である。

更には、図１３に示す蒸発器５の出口冷媒密度（ＤＣ）、あるいは放熱器２の出口冷媒密度（ＤＥ）と、密度比との相関から、密度比（ＤＥ／ＤＣ）は、蒸発器５の出口冷媒密度（ＤＣ）の変化より、放熱器２の出口冷媒密度（ＤＥ）の変化からより影響を受け、さらに、放熱器２の出口冷媒密度（ＤＥ）とほぼ比例関係にあることがわかる。
従って、本実施例の冷凍サイクル装置の設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）を、実際の運転状態での密度比（ＤＥ／ＤＣ）が最も大きくなる条件、すなわち、放熱器２の出口冷媒密度（ＤＥ）が最も大きくなる条件での密度比（ＤＥ／ＤＣ）の値とほぼ一致するように設計することで、常に高い運転効率を維持した冷凍サイクル装置の運転が可能である。

また、図１２ですでに説明したように、給湯機として使用される冷凍サイクル装置において、その使用範囲内で、蒸発器５の周囲温度（外気温度）が最も低く、かつ、放熱器２に流入する水温（入水温度）が最も低く、かつ、放熱器２から流出させる湯温（出湯温度）が最も高い条件で運転された場合が、冷凍サイクル装置の実際の運転状態での密度比（ＤＥ／ＤＣ）が最も大きくなる条件で運転された場合（図１２の場合の低温期条件）に相当するので、この運転状態での密度比（ＤＥ／ＤＣ）と、設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）とをほぼ一致するように設計することにより、常に高い運転効率を維持した冷凍サイクル運転が可能である。
なお、冷凍サイクル装置の実際の運転状態での密度比（ＤＥ／ＤＣ）が最も大きくなる条件は、冷凍サイクル装置が給湯機であれば、蒸発器５の周囲温度が最も低く、かつ、放熱器２に流入する水温が最も低く、かつ、放熱器２から流出させる湯温が最も高い条件に相当するが、後述の空気調和機などを含む一般の冷凍サイクル装置に当てはめれば、蒸発器５で冷媒を加熱する流体の温度が最も低く、かつ、放熱器２で冷媒を冷却するために放熱器２に流入する流入流体の温度が最も低く、かつ、この冷媒冷却により加熱されて放熱器２から流出する流出流体の温度が最も高い条件であると置き換えられる。
さらに、給湯機として使用される冷凍サイクル装置において、設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）を、１０以上の値（図１２の場合の冬期条件や低温期条件に対応する値）となるように設計することにより、常に高い運転効率を維持した冷凍サイクル運転が可能である。

本発明の第６の実施例における冷凍サイクル装置について、第１の実施例の給湯機の例ではなく、空気調和機を例に取り説明する。図１４は、本発明の第６の実施例における冷凍サイクル装置を示す構成図である。なお、本実施例の冷凍サイクル装置は、第１の実施例の冷凍サイクル装置とほぼ同様な構成であり、同一機能部品については同一の符号を適用する。そして、同様な構成及びその動作ついての説明を省略する。また、冷凍サイクル装置の制御方法も、第１の実施例と同様であるので、その説明を省略する。
本実施例の冷凍サイクル装置は、室外機Ｃと室内機Ｄとから構成される。そして、室外機Ｃは、圧縮機構１、第１四方弁６０、室外ファン６１により送風される空気と熱交換させる室外熱交換器６２、第２四方弁６３、膨張機構３などから成り、また、室内機Ｄは、室内ファン６４により送風される空気と熱交換させる室内熱交換器６５などから成っている。
そして、本実施例の冷凍サイクル装置において、第１四方弁６０、第２四方弁６３を図中の実線方向に切替えると、室外熱交換器６２を放熱器として作用させ、室内熱交換器６５を蒸発器として作用させることで、室内機Ｃが設置された室内を冷房する。また、第１四方弁６０、第２四方弁６３を図中の破線方向に切替えると、室内熱交換器６５を放熱器として作用させ、室外熱交換器６２を蒸発器として作用させることで、室内機Ｃが設置された室内を暖房する空気調和の動作が行われる。

さらに、本実施例の冷凍サイクル装置の特徴とする構成は、圧縮機構１のシリンダ容積をＶＣ、膨張機構３のシリンダ容積をＶＥ、室外熱交換器６２または室内熱交換器６５のいずれかが蒸発器として作用するときの熱交換器の出口冷媒密度をＤＣ（圧縮機構１の流入冷媒密度）、室外熱交換器６２または室内熱交換器６５のいずれかが放熱器として作用するときの熱交換器の出口冷媒密度をＤＥ（膨張機構３の流入冷媒密度）とした場合に、設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）が、実際の運転状態での密度比（ＤＥ／ＤＣ）が最も大きくなる条件での密度比（ＤＥ／ＤＣ）の値とほぼ一致するように設計されている。さらに、具体的には、室外熱交換器６２または室内熱交換器６５のいずれかが放熱器として作用するときの熱交換器の出口冷媒密度（ＤＥ）が最も大きくなる条件での密度比（ＤＥ／ＤＣ）の値とほぼ一致するように設計されている点にある。
また、空気調和機として使用される冷凍サイクル装置においては、設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）が、空気調和機の使用範囲内で、蒸発器として作用する室外熱交換器６２または室内熱交換器６５のいずれかの熱交換器に送風される空気の温度が最も低く、かつ、放熱器として作用する室外熱交換器６２または室内熱交換器６５のいずれかの熱交換器に送風される空気の温度が最も低く、かつ、放熱器として作用する熱交換器から吹き出される空気温度が最も高い条件で運転された場合の密度比（ＤＥ／ＤＣ）とほぼ一致するように設計されている構成を特徴とする。
さらに、具体的には、空気調和機として使用される冷凍サイクル装置において、設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）は、８以上の値となるように設計されている構成を特徴とする。

次に、空気調和機として使用される本実施例の冷凍サイクル装置の最適設計容積比について、図１５と図１６を用いて詳しく説明する。
図１５は、本発明の第６の実施例における密度比とＣＯＰ比の相関図であり、図１６は、本発明の第６の実施例における密度比と冷媒密度との相関図である。
図１５において、外気温度は温度が高い順に、夏期冷房、中間期冷房、中間期暖房、冬期暖房を想定している。室内温度（室内熱交換器６５に送風される空気温度）、室内吹き出し温度（室内熱交換器６５から吹き出される空気温度）はそれぞれの外気温度条件に応じた標準的な温度を想定している。また、ＣＯＰ比はそれぞれの外気温度条件において、膨張機を用いていない冷凍サイクル装置のＣＯＰを１００とした。以下、夏期冷房条件を例に取り説明する。
夏期冷房条件において、実際の運転状態での密度比（ＤＥ／ＤＣ）は、約４である。この値より大きい設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）で設計された冷凍サイクル装置の場合には、夏期冷房条件ではバイパス流路１０に冷媒をバイパスさせる必要がある。逆に、この値より小さい設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）で設計された冷凍サイクル装置の場合には、夏期冷房条件では予減圧弁１２で予め膨張させる必要がある。しかし、バイパス、予膨張のいずれの場合でも、夏期冷房条件で最適に設計された場合、すなわち、設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）を約４として設計した場合に比べて、ＣＯＰ比は低下し、特に、予膨張させた場合にはＣＯＰ比が急激に大きく低下することがわかる。
一方、中間期暖房条件、および、冬期暖房条件では、実際の運転状態での密度比（ＤＥ／ＤＣ）は、それぞれ、約８〜９である。これらの値より大きい設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）で設計された冷凍サイクル装置の場合には、中間期暖房条件や冬期暖房条件ではバイパス流路１０に冷媒をバイパスさせる必要がある。逆に、これらの値より小さい設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）で設計された冷凍サイクル装置の場合には、中間期暖房条件や冬期暖房条件では予減圧弁１２で予め膨張させる必要がある。しかし、バイパス、予膨張のいずれの場合でも、中間期暖房条件や冬期暖房条件のそれぞれの条件で最適に設計された場合、すなわち、設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）を約８〜９として設計した場合に比べて、ＣＯＰ比は低下し、特に、予膨張させた場合にはＣＯＰ比が急激に大きく低下することがわかる。

つまり、季節等によって異なる運転条件により、最適な設計容積比は異なるが、圧縮機構１と膨張機構３とが一本の軸９により直結された冷凍サイクル装置では、設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）は設計時に１つの値に決めざるを得ない。このため、例えば、夏期冷房条件で最適となるように設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）を約４として設計した場合には、夏期冷房条件ではＣＯＰ比は約１３０となるが、中間期暖房条件や冬期暖房条件ではＣＯＰ比が約１０２〜１０４となる。
これに対し、中間期暖房条件や冬期暖房条件で最適となるように設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）を約８〜９として設計した場合には、中間期暖房条件や冬期暖房条件でのＣＯＰ比は約１１１であり、夏期冷房条件や中間期冷房条件でも１１３〜１１４となる。
このように、設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）を中間期暖房条件や冬期暖房条件で最適となるように設計すれば、ＣＯＰ向上率の季節差を小さくすることができ、季節等の運転条件が異なっても、常に高い運転効率を維持することが可能である。

すなわち、第６の実施例の冷凍サイクル装置では、図１５から明らかなように、予膨張させる場合はバイパスさせる場合と比べてＣＯＰの向上率が小さいことに着目し、運転条件が異なっても可能な限り予膨張させないように、設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）を、実際の運転状態での密度比（ＤＥ／ＤＣ）が最も大きくなる条件（図１５の場合には冬期暖房条件）での密度比（ＤＥ／ＤＣ）の値とほぼ一致するように設計することで、常に高い運転効率を維持した冷凍サイクル運転が可能である。

また、図１６に示す室外熱交換器６２または室内熱交換器６５のいずれかが蒸発器として作用するときの出口冷媒密度（ＤＣ）、あるいは室外熱交換器６２または室内熱交換器６５のいずれかが放熱器として作用するときの出口冷媒密度（ＤＥ）と、密度比（ＤＥ／ＤＣ）との相関から、密度比（ＤＥ／ＤＣ）は、蒸発器の出口冷媒密度（ＤＣ）の変化より、放熱器２の出口冷媒密度（ＤＥ）の変化からより影響を受け、さらに、放熱器２の出口冷媒密度（ＤＥ）とほぼ比例関係にあることがわかる。
従って、本実施例の冷凍サイクル装置では、その設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）を、実際の運転状態での密度比（ＤＥ／ＤＣ）が最も大きくなる条件、すなわち、放熱器の出口冷媒密度（ＤＥ）が最も大きくなる条件での密度比（ＤＥ／ＤＣ）の値とほぼ一致するように設計することで、常に高い運転効率を維持した冷凍サイクル運転が可能である。

また、図１５ですでに説明したように、空気調和機として使用される冷凍サイクル装置において、その使用範囲内で、蒸発器として作用する室外熱交換器６２または室内熱交換器６５のいずれかの熱交換器に送風される空気の温度が最も低く、かつ、放熱器として作用する室外熱交換器６２または室内熱交換器６５のいずれかの熱交換器に送風される空気の温度が最も低く、かつ、放熱器として作用する熱交換器から吹き出される空気温度が最も高い条件で運転された場合が、実際の運転状態での密度比（ＤＥ／ＤＣ）が最も大きくなる条件で運転された場合（図１５の場合の冬期暖房条件）に相当するので、この運転状態での密度比（ＤＥ／ＤＣ）と、設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）とをほぼ一致するように設計することにより、常に高い運転効率を維持した冷凍サイクル運転が可能である。
さらに、空気調和機として使用される冷凍サイクル装置において、設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）を、８以上の値（図１５の場合の冬期暖房条件や中間期暖房条件に対応する値）となるように設計することにより、常に高い運転効率を維持した冷凍サイクル運転が可能である。

本発明の第７の実施例における冷凍サイクル装置について説明する。図１７は、本発明の第７の実施例における冷凍サイクル装置を示す構成図である。なお、本実施例の冷凍サイクル装置は、第１の実施例の冷凍サイクル装置とほぼ同様な構成であり、同一機能部品については同一の符号を付して説明を省略する。また、冷凍サイクル装置の制御方法も、第１の実施例と同様であるので、その説明を省略する。また、本実施例の冷凍サイクル装置に関しては、給湯機を例に取り説明する。
本実施例の冷凍サイクル装置は、冷媒サイクル回路Ａと給湯サイクル回路Ｂとから構成される。そして、冷媒サイクル回路Ａは、モータ等の駆動源７１、駆動源７１により駆動される圧縮機構７２、圧縮機構７２から吐出された冷媒をさらに圧縮する補助圧縮機構７３、放熱器２、膨張機構７４、およびファン４により送風される外気と熱交換させる蒸発器５などを備えている。また、給湯サイクル回路Ｂは、第１の実施例の構成と同様に、給水ポンプ６、放熱器２、および給湯タンク７などを備えている。さらに、補助圧縮機構７３は、圧力エネルギーを動力に変換する膨張機構７４と軸７５により連結され、膨張機構７４の回収動力により駆動される構成である。

次に、上述のように構成された冷凍サイクル装置の運転時の動作について、補助圧縮機構７３のシリンダ容積をＶＣｓ、膨張機構７４のシリンダ容積をＶＥ、圧縮機構７２の出口冷媒密度をＤＣｓ（補助圧縮機構７３の流入冷媒密度）、放熱器２の出口冷媒密度をＤＥ（膨張機構３の流入冷媒密度）として、説明する。まず、実際の運転状態での密度比（ＤＥ／ＤＣｓ）が、設計時に想定した設計容積比（ＶＣｓ／ＶＥ）と略同等である場合について説明する。
圧縮機構７２は、臨界圧力を越える圧力（中間圧力）まで冷媒を圧縮する。その圧縮された冷媒は、さらに補助圧縮機構７３により高圧側圧力まで圧縮される。そして、高温高圧状態となった冷媒は、放熱器２を流れる際に、水に放熱して冷却される。その後、冷媒は、膨張機構７４で減圧されて気液二相状態となる。膨張機構７４では冷媒の圧力エネルギーを動力に変換し、その動力は軸７５に伝達される。この軸７５に伝達された動力により補助圧縮機構７３は駆動される。膨張機構７４により減圧された冷媒は、蒸発器５に流入し、この蒸発器５で冷媒は空気によって冷却されて気液二相またはガス状態となる。その後、気液二相またはガス状態となった冷媒は、再び圧縮機構７２に吸入される。

次に、実際の運転状態での密度比（ＤＥ／ＤＣｓ）が、設計時に想定した設計容積比（ＶＣｓ／ＶＥ）と異なる場合について説明する。まず、実際の運転状態での密度比（ＤＥ／ＤＣｓ）が、設計時に想定した設計容積比（ＶＣｓ／ＶＥ）より大きい場合の動作について説明する。
この場合には、密度比一定の制約のために、放熱器２出口（膨張機構７４入口）の冷媒密度（ＤＥ）が小さくなるように、冷凍サイクルは高圧側圧力を低下させた状態でバランスしようとする。ところが、高圧側圧力が望ましい圧力より低下した状態では、吐出温度が低下して冷凍サイクル装置の加熱能力が低下したり、冷凍サイクル装置の効率が低下したりする。このため、バイパス弁１１が全閉状態でなければ、バイパス弁１１を閉方向に操作し、バイパス流路１０に流入していた冷媒を膨張機構７４に流入させる。あるいは、バイパス弁１１が全閉状態であれば、予減圧弁１２を閉方向に操作して膨張機構７４に流入する冷媒を減圧し、冷媒密度を低下させる。これらの動作により、高圧側圧力を上昇させ、望ましい圧力に調整できるので、効率の良い運転を行うことができる。

逆に、実際の運転状態での密度比（ＤＥ／ＤＣｓ）が、設計時に想定した設計容積比（ＶＣｓ／ＶＥ）より小さい場合の動作について説明する。
この場合には、密度比一定の制約のために、放熱器２出口（膨張機構７４入口）の冷媒密度（ＤＥ）が大きくなるように、冷凍サイクルは高圧側圧力を上昇させた状態でバランスしようとする。ところが、高圧側圧力が望ましい圧力より上昇した状態では、冷凍サイクル装置の運転効率が低下してしまう。このため、予減圧弁１２が全開状態でなければ、予減圧弁１２を開方向に操作し、膨張機構７４に流入する冷媒を減圧しないようにして冷媒密度を上昇させる。あるいは、予減圧弁１２が全開状態であれば、バイパス弁１１を開方向に操作して膨張機構７４に流入する冷媒の一部をバイパス流路１０に流入させる。これらの動作により、高圧側圧力を低下させ、望ましい圧力に調整できるので、効率の良い運転を行うことができる。

以上説明したように、第７の実施例の冷凍サイクル装置では、密度比一定の制約のために、最適な高圧側圧力を維持することが困難である膨張機を用いた冷凍サイクル装置において、実際の運転状態での密度比（ＤＥ／ＤＣｓ）が、設計時に想定した設計容積比（ＶＣｓ／ＶＥ）より小さい場合でも、大きい場合でも、バイパス弁１１と予減圧弁１２の開度操作により、望ましい高圧側圧力に調整し、冷凍サイクル装置の運転効率や能力を低下させることなく運転できる。
なお、本実施例における冷凍サイクルの吐出温度は、補助圧縮機構７３の出口温度であり、冷凍サイクルの過熱度は、圧縮機構７２の吸入温度と蒸発器５の蒸発温度との差である。

本発明の第８の実施例における冷凍サイクル装置について説明する。なお、本実施例の冷凍サイクル装置の構成およびその制御方法は、第７の実施例と同様であるので、同様な構成及び動作等についての説明を省略する。
本実施例の冷凍サイクル装置の特徴とする構成は、補助圧縮機構７３のシリンダ容積をＶＣｓ、膨張機構７４のシリンダ容積をＶＥ、圧縮機構７２の出口冷媒密度をＤＣｓ、放熱器２の出口冷媒密度をＤＥとした場合に、設計容積比（ＶＣｓ／ＶＥ）が、実際の運転状態での密度比（ＤＥ／ＤＣｓ）が最も大きくなる条件での密度比（ＤＥ／ＤＣｓ）の値とほぼ一致するように設計されている。さらに、具体的には、放熱器２の出口冷媒密度（ＤＥ）が最も大きくなる条件での密度比（ＤＥ／ＤＣｓ）の値とほぼ一致するように設計されている点にある。
また、給湯機として使用される冷凍サイクル装置においては、設計容積比（ＶＣｓ／ＶＥ）が、給湯機の使用範囲内で、蒸発器５の周囲温度（外気温度）が最も低く、かつ、放熱器２に流入する水温（入水温度）が最も低く、かつ、放熱器２から流出させる湯温（出湯温度）が最も高い条件で運転された場合の密度比（ＤＥ／ＤＣｓ）とほぼ一致するように設計されている構成を特徴とする。
さらに、具体的には、給湯機として使用される冷凍サイクル装置において、設計容積比（ＶＣｓ／ＶＥ）は、３．５以上の値となるように設計されている構成を特徴とする。

ところで、本実施例の冷凍サイクル装置では、第１の実施例で説明したように、実際の運転状態での密度比（ＤＥ／ＤＣｓ）が、設計時に決定した設計容積比（ＶＣｓ／ＶＥ）より小さい場合には、バイパス弁１１を開方向に操作することにより、あるいは、密度比（ＤＥ／ＤＣｓ）が設計容積比（ＶＣｓ／ＶＥ）より大きい場合には、予減圧弁１２を開方向に操作することにより密度比（ＤＥ／ＤＣｓ）を設計容積比（ＶＣｓ／ＶＥ）に一致させて、望ましい高圧側圧力に調整できる。しかし、バイパス流路１０を流れる冷媒量が多くなったり、予減圧弁１２で予め膨張させる圧力差が大きくなったりすると、回収できるはずの動力が減少してしまうため、運転効率（ＣＯＰ）の向上率も低下してしまう。したがって、設計容積比をいかに最適な値として設計するかが重要である。

そこで、本実施例の冷凍サイクル装置を給湯機として使用する場合の、その最適な設計容積比について、図１８と図１９を用いて詳しく説明する。
図１８は、本発明の第８の実施例における密度比とＣＯＰ比の相関図であり、図１９は、本発明の第８の実施例における密度比と冷媒密度との相関図である。
図１８において、外気温度は温度が高い順に、夏期、中間期、冬期、低温期を想定している。入水温度はそれぞれの外気温度条件に応じた最も低い温度を想定し、出湯温度はそれぞれの外気温度条件に応じた標準的な温度を想定している。また、ＣＯＰ比はそれぞれの外気温度条件において、膨張機を用いていない冷凍サイクル装置のＣＯＰを１００とした。以下、夏期条件を例に取り説明する。
夏期条件において、実際の運転状態での密度比（ＤＥ／ＤＣｓ）は、約４．１である。この値より大きい設計容積比（ＶＣｓ／ＶＥ）で設計された冷凍サイクル装置の場合には、夏期条件ではバイパス流路１０に冷媒をバイパスさせる必要がある。逆に、この値より小さい設計容積比（ＶＣｓ／ＶＥ）で設計された冷凍サイクル装置の場合には、夏期条件では予減圧弁１２で予め膨張させる必要がある。しかし、バイパス、予膨張のいずれの場合でも、夏期条件で最適に設計された場合、すなわち、設計容積比（ＶＣｓ／ＶＥ）を約４．１として設計した場合に比べて、ＣＯＰ比は低下し、特に、予膨張させた場合にはＣＯＰ比が急激に大きく低下することがわかる。

一方、冬期条件、および、低温期条件では、実際の運転状態での密度比（ＤＥ／ＤＣｓ）は、それぞれ、約４．３、および、約４．５である。これらの値より大きい設計容積比（ＶＣｓ／ＶＥ）で設計された冷凍サイクル装置の場合には、冬期条件や低温期条件ではバイパス流路１０に冷媒をバイパスさせる必要がある。逆に、これらの値より小さい設計容積比（ＶＣｓ／ＶＥ）で設計された冷凍サイクル装置の場合には、冬期条件や低温期条件では予減圧弁１２で予め膨張させる必要がある。しかし、バイパス、予膨張のいずれの場合でも、冬期条件、低温期条件のそれぞれの条件で最適に設計された場合、すなわち、設計容積比（ＶＣｓ／ＶＥ）を約４．３や約４．５として設計した場合に比べて、ＣＯＰ比は低下し、特に、予膨張させた場合にはＣＯＰ比が急激に大きく低下することがわかる。

つまり、季節等によって異なる運転条件により、最適な設計容積比は異なるが、補助圧縮機構７３と膨張機構７４とが一本の軸７５により直結された冷凍サイクル装置では、設計容積比（ＶＣｓ／ＶＥ）は設計時に１つの値に決めざるを得ない。このため、例えば、夏期条件で最適となるように設計容積比（ＶＣｓ／ＶＥ）を約４．１として設計した場合には、夏期条件ではＣＯＰ比は約１１２となるが、他の季節条件ではＣＯＰ比が約１０５となる。
これに対し、低温期条件で最適となるように設計容積比（ＶＣｓ／ＶＥ）を約４．５として設計した場合には、低温期条件でのＣＯＰ比は約１１０であり、他の季節条件でも１１０〜１１１となる。あるいは、冬期条件で最適となるように設計容積比（ＶＣｓ／ＶＥ）を設計した場合も同様である。
このように、設計容積比（ＶＣｓ／ＶＥ）を冬期条件や低温期条件で最適となるように設計すれば、ＣＯＰ向上率の季節差を小さくすることができ、季節等の運転条件が異なっても、常に高い運転効率を維持することが可能である。

すなわち、第８の実施例の冷凍サイクル装置では、図１８から明らかなように、予膨張させる場合はバイパスさせる場合と比べてＣＯＰの向上率が小さいことに着目し、運転条件が異なっても可能な限り予膨張させないように、設計容積比（ＶＣｓ／ＶＥ）を、実際の運転状態での密度比（ＤＥ／ＤＣｓ）が最も大きくなる条件（図１８の場合には低温期条件）での密度比（ＤＥ／ＤＣｓ）の値とほぼ一致するように設計することで、常に高い運転効率を維持した冷凍サイクル運転が可能である。

更には、図１９に示す圧縮機構７１の出口冷媒密度（ＤＣｓ）、あるいは放熱器２の出口冷媒密度（ＤＥ）と、密度比（ＤＥ／ＤＣｓ）との相関から、密度比（ＤＥ／ＤＣｓ）は、圧縮機構７１の出口冷媒密度（ＤＣｓ）の変化より、放熱器２の出口冷媒密度の変化からより影響を受け、さらに、放熱器２の出口冷媒密度（ＤＥ）とほぼ比例関係にあることがわかる。
従って、本実施例の冷凍サイクル装置の設計容積比（ＶＣｓ／ＶＥ）を、実際の運転状態での密度比（ＤＥ／ＤＣｓ）が最も大きくなる条件、すなわち、放熱器２の出口冷媒密度（ＤＥ）が最も大きくなる条件での密度比（ＤＥ／ＤＣｓ）の値とほぼ一致するように設計することで、常に高い運転効率を維持した冷凍サイクル装置の運転が可能である。

また、図１８ですでに説明したように、給湯機として使用される冷凍サイクル装置において、その使用範囲内で、蒸発器５の周囲温度（外気温度）が最も低く、かつ、放熱器２に流入する水温（入水温度）が最も低く、かつ、放熱器２から流出させる湯温（出湯温度）が最も高い条件で運転された場合が、冷凍サイクル装置の実際の運転状態での密度比（ＤＥ／ＤＣｓ）が最も大きくなる条件で運転された場合（図１８の場合の低温期条件）に相当するので、この運転状態での密度比（ＤＥ／ＤＣｓ）と、設計容積比（ＶＣｓ／ＶＥ）とをほぼ一致するように設計することにより、常に高い運転効率を維持した冷凍サイクル運転が可能である。
また、補助圧縮機構７３を備えた給湯機として使用される冷凍サイクル装置において、設計容積比（ＶＣｓ／ＶＥ）を、４以上の値（図１８の場合の夏期条件、中間期条件、冬期条件及び低温期条件のほぼ全てに対応する値）となるように設計することにより、常に高い運転効率を維持した冷凍サイクル運転が可能である。
さらに、本実施例の構成によれば、図１８に示したように、第５の実施例の図１２と比べて、季節等の運転条件が異なった場合の容積比の変化が小さくなるために、常に高い運転効率を維持した冷凍サイクル装置の運転が可能である。
換言すれば、補助圧縮機構７３を備える冷凍サイクル装置では、実際の運転状態での容積比の変化が小さくなるために、設計時に設定した設計容積比と異なっても、バイパス弁１１のみの開度操作により、望ましい高圧側圧力に調整することができ、常に高い運転効率を維持した冷凍サイクル運転が可能である。即ち、予減圧弁１２がなくバイパス弁１１のみの構成でも良く、また、バイパス弁１１のみの構成の場合でも、設計時に設定する設計容積比を大きめの値とすることが望ましい。

本発明の冷凍サイクル装置及びその制御方法は、給湯装置（給湯器）、家庭用空気調和機、業務用空気調和機、車両用空気調和機（カーエアコン）等に適している。そして、幅広い運転範囲の中で高い動力回収効果を得て、効率のよい運転が可能な冷凍サイクル装置を提供することができる。特に、二酸化炭素を用いた冷凍サイクルの高圧側が超臨界状態となりうる冷凍サイクル装置で効果が大きい。

本発明の第１の実施例における冷凍サイクル装置を示す構成図 本発明の第１の実施例における冷凍サイクル装置の制御方法を示すフローチャート 本発明の第１の実施例における制御手段の関連を示す模式図 本発明の第２の実施例における冷凍サイクル装置を示す構成図 本発明の第２の実施例における冷凍サイクル装置の制御方法を示すフローチャート 本発明の第３の実施例における冷凍サイクル装置を示す構成図 本発明の第３の実施例における冷凍サイクル装置の制御方法を示すフローチャート 本発明の第３の実施例における制御手段の関連を示す模式図 本発明の第４の実施例における冷凍サイクル装置を示す構成図 本発明の第４の実施例における冷凍サイクル装置の制御方法を示すフローチャート 本発明の第４の実施例における制御手段の関連を示す模式図 本発明の第５の実施例における密度比とＣＯＰ比との相関図 本発明の第５の実施例における密度比と冷媒密度との相関図 本発明の第６の実施例における冷凍サイクル装置を示す構成図 本発明の第６の実施例における密度比とＣＯＰ比との相関図 本発明の第６の実施例における密度比と冷媒密度との相関図 本発明の第７の実施例における冷凍サイクル装置を示す構成図 本発明の第８の実施例における密度比とＣＯＰ比との相関図 本発明の第８の実施例における密度比と冷媒密度との相関図

符号の説明

１，７２ 圧縮機構
２ 放熱器
３，７４ 膨張機構
４ ファン
５ 蒸発器
６ 給水ポンプ
７ 給湯タンク
８，７１ 駆動源
９，７５ 軸
１０ バイパス流路
１１ バイパス弁
１２ 予減圧弁
２０ 吐出温度検知手段
２１ 第１操作器
３０ 蒸発温度検知手段
３１ 吸入温度検知手段
３２ 第２操作器
４０ 第３操作器
５０ 第４操作器
６０ 第１四方弁
６１ 室外熱交換器
６２ 室外ファン
６３ 第２四方弁
６４ 室内熱交換器
６５ 室内ファン
７３ 補助圧縮機構
Ａ 冷媒サイクル回路
Ｂ 給湯サイクル回路
Ｃ 室外機
Ｄ 室内機

Claims (19)

1. 圧縮機構と膨張機構と駆動源とを一本の軸に連結するとともに、前記圧縮機構から吐出された冷媒を冷却する放熱器と、前記膨張機構から流出した冷媒を加熱する蒸発器とを備えた冷凍サイクル装置において、前記膨張機構をバイパスするバイパス流路と、前記バイパス流路上に設けられたバイパス弁と、前記膨張機構に流入する冷媒を減圧する予減圧弁と、前記バイパス弁と前記予減圧弁とを吐出温度または過熱度に基づいて制御する操作器とを備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 圧縮機構と膨張機構と駆動源とを一本の軸に連結するとともに、前記圧縮機構から吐出された冷媒を冷却する放熱器と、前記膨張機構から流出した冷媒を加熱する蒸発器とを備えた冷凍サイクル装置において、前記膨張機構をバイパスするバイパス流路と、前記バイパス流路上に設けられたバイパス弁と、前記バイパス弁と前記駆動源の回転数とを吐出温度または過熱度に基づいて制御する操作器とを備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
3. 圧縮機構と膨張機構と駆動源とを一本の軸に連結するとともに、前記圧縮機構から吐出された冷媒を冷却する放熱器と、前記膨張機構から流出した冷媒を加熱する蒸発器とを備えた冷凍サイクル装置において、前記膨張機構をバイパスするバイパス流路と、前記バイパス流路上に設けられたバイパス弁と、前記蒸発器に送風するファンと、前記バイパス弁と前記ファンの回転数とを吐出温度または過熱度に基づいて制御する操作器とを備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
4. 圧縮機構と膨張機構と駆動源とを一本の軸に連結するとともに、前記圧縮機構から吐出された冷媒を冷却する放熱器と、前記膨張機構から流出した冷媒を加熱する蒸発器とを備えた冷凍サイクル装置において、前記圧縮機構と前記膨張機構の容積比を、冷凍サイクル装置の運転状態で前記放熱器と前記蒸発器のそれぞれの出口冷媒密度の比のうち最も大きくなる値と略一致させたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
5. 圧縮機構と膨張機構と駆動源とを一本の軸に連結するとともに、前記圧縮機構から吐出された冷媒を冷却する放熱器と、前記膨張機構から流出した冷媒を加熱する蒸発器とを備えた冷凍サイクル装置において、前記圧縮機構と前記膨張機構の容積比を、前記放熱器の出口の冷媒密度が最も大きくなる冷凍サイクル装置の運転状態での前記放熱器と前記蒸発器のそれぞれの出口冷媒密度の比と略一致させたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
6. 圧縮機構と膨張機構と駆動源とを一本の軸に連結するとともに、前記圧縮機構から吐出された冷媒を冷却する放熱器と、前記膨張機構から流出した冷媒を加熱する蒸発器とを備えた冷凍サイクル装置において、前記圧縮機構と前記膨張機構の容積比を、前記蒸発器の周囲温度が最も低く、かつ、前記放熱器に流入する水温が最も低く、かつ、前記放熱器から流出させる湯温が最も高くなる冷凍サイクル装置の運転状態での前記放熱器と前記蒸発器のそれぞれの出口冷媒密度の比と略一致させたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
7. 圧縮機構と膨張機構と駆動源とを一本の軸に連結するとともに、前記圧縮機構から吐出された冷媒を冷却する放熱器と、前記膨張機構から流出した冷媒を加熱する蒸発器とを備え、冷媒として二酸化炭素が用いられ、給湯機として使用される冷凍サイクル装置において、前記圧縮機構と前記膨張機構の容積比を１０以上としたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
8. 圧縮機構と膨張機構と駆動源とを一本の軸に連結するとともに、前記圧縮機構から吐出された冷媒を冷却する放熱器と、前記膨張機構から流出した冷媒を加熱する蒸発器とを備えた冷凍サイクル装置において、前記圧縮機構と前記膨張機構の容積比を、前記蒸発器に送風される空気の温度が最も低く、かつ、前記放熱器に送風される空気の温度が最も低く、かつ、前記放熱器から吹き出される空気温度が最も高くなる冷凍サイクル装置の運転状態での前記放熱器と前記蒸発器のそれぞれの出口冷媒密度の比と略一致させたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
9. 圧縮機構と膨張機構と駆動源とを一本の軸に連結するとともに、前記圧縮機構から吐出された冷媒を冷却する放熱器と、前記膨張機構から流出した冷媒を加熱する蒸発器とを備え、冷媒として二酸化炭素が用いられ、空気調和機として使用される冷凍サイクル装置において、前記圧縮機構と前記膨張機構の容積比を８以上としたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
10. 圧縮機構と膨張機構と駆動源とを一本の軸に連結するとともに、前記圧縮機構から吐出された冷媒を冷却する放熱器と、前記膨張機構から流出した冷媒を加熱する蒸発器と、前記膨張機構をバイパスするバイパス流路と、前記バイパス流路上に設けられたバイパス弁と、前記膨張機構に流入する冷媒を減圧する予減圧弁とを備えた冷凍サイクル装置において、前記バイパス弁と前記予減圧弁とを吐出温度または過熱度に基づいて制御することを特徴とする冷凍サイクル装置の制御方法。
11. 圧縮機構と膨張機構と駆動源とを一本の軸に連結するとともに、前記圧縮機構から吐出された冷媒を冷却する放熱器と、前記膨張機構から流出した冷媒を加熱する蒸発器と、前記膨張機構をバイパスするバイパス流路と、前記バイパス流路上に設けられたバイパス弁とを備えた冷凍サイクル装置において、前記バイパス弁と前記駆動源の回転数とを吐出温度または過熱度に基づいて制御することを特徴とする冷凍サイクル装置の制御方法。
12. 圧縮機構と膨張機構と駆動源とを一本の軸に連結するとともに、前記圧縮機構から吐出された冷媒を冷却する放熱器と、前記膨張機構から流出した冷媒を加熱する蒸発器と、前記膨張機構をバイパスするバイパス流路と、前記バイパス流路上に設けられたバイパス弁と、前記蒸発器に送風するファンとを備えた冷凍サイクル装置において、前記バイパス弁と前記ファンの回転数とを吐出温度または過熱度に基づいて制御することを特徴とする冷凍サイクル装置の制御方法。
13. 補助圧縮機構と膨張機構とを一本の軸に連結するとともに、冷媒を圧縮する圧縮機構と、前記圧縮機構から吐出された冷媒をさらに圧縮する補助圧縮機構と、前記補助圧縮機構から吐出された冷媒を冷却する放熱器と、前記膨張機構から流出した冷媒を加熱する蒸発器とを備えた冷凍サイクル装置において、前記膨張機構をバイパスするバイパス流路と、前記バイパス流路上に設けられたバイパス弁とを備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
14. 前記膨張機構に流入する冷媒を減圧する予減圧弁を備えたことを特徴とする請求項１３に記載の冷凍サイクル装置。
15. 前記バイパス弁と前記予減圧弁とを当該冷凍サイクル装置の吐出温度または過熱度に基づいて制御する操作器を備えたことを特徴とする請求項１４に記載の冷凍サイクル装置。
16. 前記補助圧縮機構と前記膨張機構の容積比を、冷凍サイクル装置の運転状態で前記放熱器と前記圧縮機構のそれぞれの出口冷媒密度の比のうち最も大きくなる値と略一致させたことを特徴とする請求項１３に記載の冷凍サイクル装置。
17. 前記補助圧縮機構と前記膨張機構の容積比を、前記放熱器の出口の冷媒密度が最も大きくなる冷凍サイクル装置の運転状態での前記放熱器と前記圧縮機構のそれぞれの出口冷媒密度の比と略一致させたことを特徴とする請求項１３に冷凍サイクル装置。
18. 前記補助圧縮機構と前記膨張機構の容積比を、前記蒸発器の周囲温度が最も低く、かつ、前記放熱器に流入する水温が最も低く、かつ、前記放熱器から流出させる湯温が最も高くなる冷凍サイクル装置の運転状態での前記放熱器と前記圧縮機構のそれぞれの出口冷媒密度の比と略一致させたことを特徴とする請求項１３に記載の冷凍サイクル装置。
19. 冷媒として二酸化炭素が用いられ、給湯機として使用される冷凍サイクル装置であって、前記補助圧縮機構と前記膨張機構の容積比を４以上としたことを特徴とする請求項１３に記載の冷凍サイクル装置。
    

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