JP2006242491A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の膨張機使用の冷凍装置においては、膨張機からの回収動力を優先的に利用し、かつ簡単な構成と制御で消費電力を低減する冷媒回路構成が難しいという課題があった。
【解決手段】 本発明の膨張機使用の冷凍サイクル装置においては、第１圧縮機１、熱源側熱交換器３、膨張機４、気液分離器５、第１減圧手段６ａ、６ｂ、利用側熱交換器７ａ、７ｂを順次配管で接続し、冷媒として二酸化炭素を用いる冷凍サイクル装置において、膨張機４からの回収動力のみで駆動する第２圧縮機１２を介して気液分離器５のガス側出口部と第１圧縮機１の吐出部とを接続した。
【選択図】図１

Description

本発明は、二酸化炭素（ＣＯ２）のような超臨界流体を冷媒として用いる冷凍サイクル装置に関するものであり、特に、膨張機を利用する冷凍サイクル装置に関するものである。

従来の膨張機を利用する冷凍装置において、如何なる運転条件においても冷凍装置の運転を可能とした上で、冷凍装置のＣＯＰを向上させるものの例として次のものがある。
高圧冷媒の膨張により動力を発生させる膨張機と、第１電動機および膨張機と連結され、両者で発生した動力により駆動されて冷媒を圧縮する第１圧縮機と、第１圧縮機に並列に設けられるとともに第２電動機と連結され、第２電動機で発生した動力により駆動されて冷媒を圧縮する容量可変の第２圧縮機とを備え、また、膨張機の入口側と出口側を連通させるバイパス配管を有しており、前記バイパス配管には開度可変なバイパス弁が設けられている。
この従来例では、膨張機に連結されない第２圧縮機が第１圧縮機と並列に配置されており、膨張機に連結された第１圧縮機だけでは押しのけ量が不足するような運転条件においても、第２圧縮機を運転することで押しのけ量の不足分を補うことができ、適切な条件で冷凍サイクルを継続させることができるというものであった（例えば、特許文献１参照）。

他の冷凍装置の従来例として、冷媒回路に膨張機と複数の利用側熱交換器が設けられた冷凍装置において、各利用側熱交換器へ適切な量の冷媒を供給可能とし、各利用側熱交換器における対象物の冷却を確実に行うものがある。
この従来例では、複数の利用側熱交換器が並列接続された冷媒回路において、利用側制御弁を各利用側熱交換器に対応して１つずつ設けているので、各利用側制御弁の開度をそれぞれ調節することにより、各利用側への冷媒供給量を適切に制御でき、各利用側熱交換器における対象物の冷却を確実に行うことができる。
また、冷媒回路に低圧冷媒を液冷媒とガス冷媒とに分離する気液分離器を設けたので、気液二相状態の冷媒ではなく、流量制御が容易な単相の液冷媒を各利用側熱交換器へ送ることが可能となり、利用側熱交換器への冷媒供給量を一層適切に制御することができるというものであった。（例えば、特許文献２参照）。

特開２００４−２１２００６号公報（第６頁〜第１１頁、図１〜図４） 特開２００３−１２１０１５号公報（第４頁〜第５頁、図１〜図４）

上記特許文献１の冷凍装置では、膨張機を利用する冷凍サイクル装置において、第１圧縮機が第１電動機および膨張機と連結されており、構造が複雑になるとともに、膨張機からの回収動力を優先する複雑な制御が必要になるという課題があった。
また、上記特許文献２の冷凍装置では、膨張機の出口側に設けた気液分離器で分離したガス冷媒を圧縮機の吸入部に戻していたので、膨張機と連結される圧縮機はガス配管や液配管などの延長配管、減圧手段、熱交換器などを通過する際の圧力損失に相当する昇圧仕事を余分に行う必要があり、消費電力が増加するという課題があった。

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、膨張機を利用する冷凍サイクル装置において、簡単な構成で膨張動力を有効に回収するとともに、消費電力を低減できる冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。
また、如何なる運転条件でも膨張動力を回収することができる冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

本発明の冷凍サイクル装置は、第１圧縮機、熱源側熱交換器、膨張機、気液分離器、第１減圧手段、利用側熱交換器を順次配管で接続するとともに、冷媒として二酸化炭素を用いる冷凍サイクル装置であって、膨張機からの回収動力のみで駆動する第２圧縮機を備え、該第２圧縮機を介して気液分離器のガス側出口部と第１圧縮機の吐出部とを接続したものである。

本発明の冷凍サイクル装置によると、膨張機からの回収動力のみで駆動する第２圧縮機を備え、該第２圧縮機を介して気液分離器のガス側出口部と第１圧縮機の吐出部とを接続したので、簡単な構成で膨張動力を有効に回収するとともに、消費電力を低減できる。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１による冷凍サイクル装置について説明する。
図１は、本発明の実施形態１に係る冷凍サイクル装置を示す模式図である。図において、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置は、熱源側ユニットである室外ユニット１００、利用側ユニットである室内ユニット２００ａ、２００ｂ、室外ユニット１００と室内ユニット２００ａ、２００ｂとを接続する配管であるガス配管５１および液配管５０とにより構成されている。内部には冷媒として例えば臨界温度（約３１℃）以上で超臨界状態となる二酸化炭素が封入されている。

室外ユニット１００内には、冷媒ガスを圧縮するための第１圧縮機１、冷房運転と暖房運転との第１冷媒流路切換え手段である四方弁２、熱源側熱交換器である室外熱交換器３、外気を強制的に室外熱交換器３の外表面に送風するための図示しない送風機、冷房運転と暖房運転との第２冷媒流路切換え手段である四方弁８、四方弁８を通った冷媒を減圧して二相状態の湿り蒸気とする膨張機４、気液分離器５、気液分離器５の出口部に設けられた第２減圧手段である電子膨張弁１２、膨張機４と同軸に接続され膨張機４で回収した動力で駆動する第２圧縮機９、気液分離器５で分離されたガス冷媒を第２圧縮機９の吸入側へ導く吸入配管１３、気液分離器５で分離されたガス冷媒を第１圧縮機１の吸入側へ導く第１バイパス配管１４、第１バイパス配管中に設けられた開度変更可能な第３減圧手段である電子膨張弁１０、およびこれらを接続するための配管が内蔵されている。
四方弁２の第１口２１は圧縮機１の吐出側と、第２口２２は室外熱交換器３の一端と、第３口２３は圧縮機１の吸入側と、第４口２４は室内ユニット２００ａ、２００ｂに接続されるガス配管５１と、それぞれ接続されている。また、四方弁８の第１口８１は室外熱交換器３の一端と、第２口８２は膨張機４の入口部と、第３口８３は室内ユニット２００ａ、２００ｂに接続される液配管５０の一端と、第４口８４は気液分離器５の液側出口と、それぞれ接続されている。

室内ユニット２００ａ、２００ｂには、利用側熱交換器である室内熱交換器７ａ、７ｂ、室内熱交換器７ａ、７ｂへの冷媒の分配を調節する第１減圧手段である電子膨張弁６ａ、６ｂ、室内空気を強制的に室内熱交換器７ａ、７ｂの外表面に送風するための図示しない送風機およびそれらを接続するための配管が内蔵されている。室内熱交換器７ａ、７ｂの一端は、電子膨張弁６ａ、６ｂを介して液配管５０に接続され、他端はガス配管５１に接続されている。
なお、本実施の形態では、室内ユニット２００ａ、２００ｂを２台としているが、３台以上としても良い。

上記のように構成された冷凍サイクル装置について運転動作を説明する。まず、冷房運転について図１と図２を用いて説明する。図２は、図１の冷媒回路中に示した記号Ａ〜Ｊにおける冷媒状態をＰ−ｈ線図上に示したものである。冷房運転では、室外ユニット１００内部の四方弁２は第１口２１と第２口２２が連通し、第３口２３と第４口２４が連通するように設定され（図１中実線）、四方弁８も同様に第１口８１と第２口８２が連通し、第３口８３と第４口８４が連通するように設定される（図１中実線）。

このとき、圧縮機１から吐出された高温高圧のガス冷媒（状態Ａ）は、四方弁２の第１口２１から第２口２２を通って室外熱交換器３で被加熱媒体である空気に放熱し（状態Ｃ）、四方弁８の第１口８１から第２口８２を通って膨張機４に流入する。膨張機４に流入した液冷媒は低圧低温の気液二相冷媒となり（状態Ｄ）、気液分離器５に流入する。気液分離器５で分離された液冷媒（状態Ｆ）は、電子膨張弁１２で減圧され（状態Ｆ´）、四方弁８の第４口８４、第３口８３、液配管５０を順に通過して室内ユニット２００ａ、２００ｂ内に流入する。一方、気液分離器５で分離されたガス冷媒（状態Ｅ）は、第１圧縮機１と同一吐出圧力まで第２圧縮機９で圧縮される（状態Ｉ）。第２圧縮機９から吐出されたガス冷媒は、第１圧縮機の吐出ガスと合流して状態Ｂとなる。

室内ユニット２００ａ、２００ｂに流入した液冷媒は、電子膨張弁６ａ、６ｂで各室内熱交換器７ａ、７ｂに均一に分配される。この液冷媒は、室内熱交換器７ａ、７ｂで、図示しない室内空気から吸熱し、自らは蒸発気化する（状態Ｇ）。この低温低圧のガス冷媒は、ガス配管５１、四方弁２の第４口２４から第３口２３を経て、気液分離器５からバイパスされたガス冷媒（状態Ｈ）と合流した後（状態Ｊ）、第１圧縮機１の吸入側へ戻る。この時、図示しない室内送風機によって室内熱交換器７ａ、７ｂへ送り込まれた室内空気は、低温低圧の液冷媒により冷却されて室内へ吹き出され、室内を冷房する。

図２に示したＰ−ｈ線図上の冷凍サイクルでは、第２圧縮機の吸入圧力は、第１圧縮機の吸入圧力よりΔＰｓだけ増加する。これは、第１圧縮機で圧縮された冷媒は、気液分離器５で分離された後、電子膨張弁１２、液配管５０、電子膨張弁６ａ、６ｂ、室内熱交換器７ａ、７ｂ、ガス配管５１を通過する際に圧力損失が生じ、吸入圧力が低下するためである。したがって、第２圧縮機は上記圧力損失に相当する昇圧仕事を行う必要がなく、第２圧縮機の入力、すなわち消費電力が低減される。

つぎに、暖房運転について図３と図４に基づいて説明する。図４は、図３の冷媒回路中に示した記号Ａ〜Ｊにおける冷媒状態をＰ−ｈ線図上に示したものである。この場合、室外ユニット１００内部の四方弁２は第１口２１と第４口２４が連通し、第２口２２と第３口２３が連通するように設定される（図３中の実線）。四方弁８も同様に第１口８１と第４口８４が連通し、第２口８２と第３口８３が連通するように設定される（図３中実線）。

このとき、圧縮機１で圧縮され高温高圧の超臨界状態となった冷媒（状態Ａ）は四方弁２の第１口２１から第４口２４、ガス配管５１を経て室内熱交換器７ａ、７ｂに流入する。ここで、高温高圧の冷媒は、図示しない室内空気に放熱して室内を暖房すると共に自らは温度が低下する（状態Ｃ）。この中温高圧の冷媒は、電子膨張弁６ａ、６ｂを通過し、液配管５０、四方弁８の第３口８３から第２口８２を経て膨張機４に流入する。膨張機４で減圧された冷媒は気液分離器５に流入する（状態Ｄ）。気液分離器５で分離された液冷媒（状態Ｆ）は、電子膨張弁１２で減圧され（状態Ｆ´）、四方弁８の第４口８４、第１口８１を経て室外熱交換器３に流入する。
一方、気液分離器５で分離されたガス冷媒（状態Ｅ）は、第１圧縮機と同一吐出圧力まで第２圧縮機９で圧縮される（状態Ｉ）。第２圧縮機９から吐出されたガス冷媒は、第１圧縮機の吐出ガスと合流して状態Ｂとなる。

室外熱交換器３に流入した低温低圧の液冷媒（状態Ｆ´）は、図示しない室外送風機によって送り込まれる外気から吸熱するとともに自らは蒸発する（状態Ｇ）。蒸発したガス冷媒（状態Ｇ）は、四方弁２の第２口２２から第３口２３を経て、気液分離器５から電子膨張弁１０を通ってバイパスされたガス冷媒（状態Ｈ）と合流した後（状態Ｊ）、第１圧縮機１の吸入側へ戻る。

図４に示したＰ−ｈ線図上の冷凍サイクルでは、第２圧縮機の吸入圧力は、第１圧縮機の吸入圧力よりΔＰｓだけ増加する。これは、第１圧縮機で圧縮された冷媒は、気液分離器５で分離された後、電子膨張弁１２、四方弁８、室外熱交換器３、四方弁２を通過する際に圧力損失が生じ、吸入圧力が低下するためである。したがって、第２圧縮機９は上記圧力損失に相当する昇圧仕事を行う必要がなく、第２圧縮機９の入力、すなわち消費電力が低減される。

つぎに、図５を用いて膨張機４での回収動力、気液分離器５で発生するガス発生量、第２圧縮機９での圧縮仕事を比較する。膨張機４を通過する冷媒流量をＧｒ、膨張機４出入口でのエンタルピー差をΔＨ１とすれば、膨張機４での回収動力Ｗｅは以下の（１）式で表される。
Ｗｅ＝Ｇｒ×ΔＨ１ （１）
同様に第２圧縮機での圧縮仕事Ｗ２は、冷媒流量をＧｒ２、第２圧縮機９でのエンタルピー差をΔＨ２とすれば、以下の（２）式で表される。
Ｗ２＝Ｇｒ２×ΔＨ２ （２）
回収動力が第２圧縮機９での圧縮仕事に等しい（Ｗｅ＝Ｗ２）ことから、（１）、（２）式より、（３）式が得られる。
Ｇｒ２＝Ｇｒ×（ΔＨ１／ΔＨ２） （３）
また、気液分離器５で分離されたガスの流量Ｇｓは、Ｆ−Ｅ間のエンタルピー差ΔＨ０に対するＦ−Ｄ間のエンタルピー差ΔＨ３の比率、すなわち乾き度Ｘ（ΔＨ３／ΔＨ０）分だけ発生するから、（４）式で表される。
Ｇｓ＝Ｇｒ×（ΔＨ３／ΔＨ０） （４）
ここで、（３）式中のΔＨ１／ΔＨ２は、圧縮機のエンタルピー差に対する膨張機のエンタルピー差の比であり、一般に０〜０．２程度である。また、（４）式中のΔＨ３／ΔＨ０は乾き度Ｘであり、冷媒がＣＯ₂の場合、一般に０．２〜０．６程度となる。したがって、（３）、（４）式よりＧｒ２＜Ｇｓとなり、第２圧縮機９で必要な冷媒流量Ｇｒ２は気液分離器５で十分に供給することができるとともに、冷媒流量の差分（Ｇｓ−Ｇｒ２）が電子膨張弁１０を通してバイパスされることになる。

一方、膨張機４と第２圧縮機９は、同軸で接続されており、第２圧縮機９は膨張機４と同一回転数で回転する。一例として、膨張機４と第２圧縮機９を両方とも押しのけ容積が一定の容積型流体機械であるスクロール型とし、それぞれの押しのけ容積比をε（＝第２圧縮機排除容積／膨張機排除容積＝Ｖｃ／Ｖｅ）とし、膨張機４と第２圧縮機９の吸入密度をそれぞれρｅ、ρｃとすれば、回転数一定の条件から（５）式が得られる。
Ｇｒ２＝Ｇｒ×ε×（ρｃ／ρｅ） （５）
（３）、（５）式より、（６）式が得られる。
ρｃ／ρｅ＝（ΔＨ１／ΔＨ２）／ε （６）
以上から、（６）式が成立するように、第２圧縮機９の吸入密度ρｃ、エンタルピー差ΔＨ２、膨張機９の吸入密度ρｅ、出入口エンタルピー差ΔＨ１を制御する必要がある。

本実施の形態では、外気温度、室内温度、空調負荷などの環境条件によって気液分離器５から供給される冷媒流量Ｇｓと第２圧縮機９の冷媒流量Ｇｒ２にアンバランスが生じた場合、その差分（Ｇｓ−Ｇｒ２）を電子膨張弁１０でバイパスする。すなわち、電子膨張弁１０の開度は、上記差分の冷媒流量が流れるように調節される。同様に、膨張機４の回収動力と第２圧縮機９の圧縮動力にアンバランスが生じた場合、電子膨張弁１２の開度を（６）式が成立するように適正に制御する。すなわち、（６）式の右辺が大きい場合（ρｃ／ρｅ＜（ΔＨ１／ΔＨ２）／ε）は、電子膨張弁１２の開度を小さくし、図５に示す膨張機出口部と蒸発器入口部との圧力差ΔＰｅを大きくして、ρｃを増加させる。このとき、（６）式右辺のΔＨ１／ΔＨ２も同時に変化するが、分母、分子ともに小さくなるため、ΔＨ１／ΔＨ２の変化は小さく、実用範囲では（６）式が成立するように動作する。一方、（６）式の左辺が大きい場合（ρｃ／ρｅ＞（ΔＨ１／ΔＨ２）／ε）、電子膨張弁１２の開度を大きくし、図５に示す膨張機出口部と蒸発器入口部との圧力差ΔＰｅを小さくして、ρｃを減少させる。このとき、（６）式右辺のΔＨ１／ΔＨ２も同時に変化するが、分母、分子ともに大きくなるため、ΔＨ１／ΔＨ２の変化は小さく、（６）式が成立するように動作する。

本実施の形態では、電子膨張弁１２の開度を調整して、（６）式を成立させる例を示したが、これに限るものではなく、室内ユニット２００ａ、２００ｂ内の電子膨張弁６ａ、６ｂの開度を調整して（６）式を成立させるようにしても構成しても良い。

以上のように本実施の形態では、膨張機を利用する冷凍サイクル装置において、膨張機と連結された第２圧縮機９に電動機を設けていないため、簡単な構成と制御で膨張機の回収動力を利用できるという効果がある。
また、膨張機の回収動力で駆動する第２圧縮機は、ガス配管や液配管などの延長配管、電子膨張弁、熱交換器、四方弁などを通過する際の圧力損失に相当する昇圧仕事を行う必要なく、第２圧縮機９の入力、すなわち消費電力が低減されるという効果がある。
さらに、電子膨張弁１２の開度を制御することで如何なる運転条件でも回収動力を利用可能な冷凍サイクル装置を提供できる。

本実施の形態の冷凍サイクル装置は、第１圧縮機１、熱源側熱交換器３、膨張機４、気液分離器５、第１減圧手段６ａ、６ｂ、利用側熱交換器７ａ、７ｂを順次配管で接続するとともに、冷媒として二酸化炭素を用いる冷凍サイクル装置であって、膨張機４からの回収動力のみで駆動する第２圧縮機９を備え、該第２圧縮機９を介して気液分離器５のガス側出口部と第１圧縮機１の吐出部とを接続したので、簡単な構成で膨張動力を有効に回収するとともに、消費電力を低減できる。

また、本実施の形態の冷凍サイクル装置は、気液分離器５の液側出口部に第２減圧手段１２を設けたので、如何なる運転条件でも膨張動力を回収することができる。

また、本実施の形態の冷凍サイクル装置は、第１圧縮機１の吸入部と気液分離器５のガス側出口部とを接続する第１バイパス配管１４を備え、第１バイパス配管１４の途中に開度変更可能な第３減圧手段１０を設けたので、気液分離器５から供給される冷媒流量と第２圧縮機９の冷媒流量にアンバランスが生じた場合でも適切に冷媒流量を調整することができる。

また、本実施の形態の冷凍サイクル装置は、第１圧縮機１の吐出部と吸入部の間に第１冷媒流路切換え手段２を設けたので、冷房運転と暖房運転の運転切換えが可能である。

また、本実施の形態の冷凍サイクル装置は、熱源側熱交換器３と利用側熱交換器７ａ、７ｂとの間に第２冷媒流路切換え手段８を設けたので、冷房運転と暖房運転の両方の運転モードで膨張機４の動力回収を行うことができる。

実施の形態２．
以下、本発明の実施の形態２による冷凍サイクル装置について説明する。図６は、本発明の実施形態２に係る冷凍サイクル装置を示す模式図である。実施の形態１と異なる点のみ説明し、その他の構成については実施の形態１と同様であるため、詳細な説明を省略する。本実施の形態では、気液分離器５で気液分離が不完全な場合の圧縮機への液戻りを防止するため、気液分離器５のガス出口部を膨張機４入口部と熱交換するように内部熱交換器１５を設けている。また、内部熱交換器１５をバイパスする第２バイパス配管１８を備え、第２バイパス配管１８の途中に開度変更可能な第５減圧手段として例えば電子膨張弁１１を設けている。加えて、気液分離器５のガス側出口と第２圧縮機９の間に開度変更可能な第４減圧手段１７を設けている。さらに、第２冷媒流路切換え手段である四方弁８を４つの逆止弁１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄからなるブリッジ回路で構成している。

本実施の形態における動作について説明する。まず、冷房運転について図６を用いて説明する。冷房運転では、室外ユニット１００内部の四方弁２は第１口２１と第２口２２が連通し、第３口２３と第４口２４が連通するように設定される（図６中実線）。

このとき、圧縮機１から吐出された高温高圧のガス冷媒は、四方弁２の第１口２１から第２口２２を通って室外熱交換器３で被加熱媒体である空気に放熱して中温高圧の冷媒となり、逆止弁１６ａを通って内部熱交換器１５に流入する。内部熱交換器１５で気液分離器５の低圧ガス冷媒と熱交換して低温となった冷媒は、膨張機４に流入する。膨張機４に流入した液冷媒は低圧低温の気液二相冷媒となり、気液分離器５に流入する。気液分離器５で分離された液冷媒は、電子膨張弁１２で減圧され、逆止弁１６ｄ、液配管５０を順に通過して室内ユニット２００ａ、２００ｂに流入する。
一方、気液分離器５で分離されたガス冷媒は、内部熱交換器１５で中温高圧の冷媒と熱交換して温度が上昇し、電子式膨張弁１７を通過した後、第１圧縮機と同一吐出圧力まで第２圧縮機９で圧縮される。このとき、気液分離器５で気液分離が不完全な場合でも内部熱交換器１５で冷媒液を蒸発させることができるので、第２圧縮機への液戻りを防止することができる。

室内ユニット２００ａ、２００ｂに流入した液冷媒は、電子膨張弁６ａ、６ｂで各室内熱交換器７ａ、７ｂに均一に分配される。この液冷媒は、室内熱交換器７ａ、７ｂで、図示しない室内空気から吸熱し、自らは蒸発気化する。この低温低圧のガス冷媒は、ガス配管５１、四方弁２の第４口２４から第３口２３を経て、気液分離器１３から電子膨張弁１０を通過してバイパスされたガス冷媒と合流した後、第１圧縮機１の吸入側へ戻る。この時、図示しない室内送風機によって室内熱交換器７ａ、７ｂへ送り込まれた室内空気は、低温低圧の液冷媒により冷却されて室内へ吹き出され、室内を冷房する。

第２圧縮機９は、電子膨張弁１２、液配管５０、電子膨張弁６ａ、６ｂ、室内熱交換器７ａ、７ｂ、ガス配管５１での圧力損失に相当する昇圧仕事を行う必要がなく、第２圧縮機の入力、すなわち消費電力が低減される。

つぎに、暖房運転について説明する。暖房運転では、室外ユニット１００内部の四方弁２は第１口２１と第４口２４が連通し、第２口２２と第３口２３が連通するように設定される（図６中の点線）。

このとき、圧縮機１で圧縮され高温高圧の超臨界状態となった冷媒は四方弁２の第１口２１から第４口２４、ガス配管５１を経て室内熱交換器７ａ、７ｂに流入する。ここで、高温高圧の冷媒は、図示しない室内空気に放熱して室内を暖房すると共に自らは温度が低下する。この中温高圧の冷媒は、電子膨張弁６ａ、６ｂを通過し、液配管５０、逆止弁１６ｃを経て内部熱交換器１５に流入する。内部熱交換器１５で気液分離器５の低圧ガス冷媒と熱交換して低温となった冷媒は、膨張機４に流入する。膨張機４で減圧された冷媒は気液分離器５に流入し、気液分離器５で分離された液冷媒は電子膨張弁１２で減圧され、逆止弁１６ｂを通って室外熱交換器３に流入する。
一方、気液分離器５で分離されたガス冷媒は、内部熱交換器１５で中温高圧の冷媒と熱交換して温度が上昇し、電子膨張弁１７を通過して第１圧縮機１と同一吐出圧力まで第２圧縮機９で圧縮される。このとき、気液分離器５で気液分離が不完全な場合でも内部熱交換器１５で冷媒液を蒸発させることができるので、第２圧縮機への液戻りを防止することができる。

室外熱交換器３に流入した低温低圧の液冷媒は、図示しない室外送風機によって送り込まれる外気から吸熱するとともに自らは蒸発する。蒸発したガス冷媒は、四方弁２の第２口２２から第３口２３を経て、気液分離器５から電子膨張弁１０を通過してバイパスされたガス冷媒と合流した後、第１圧縮機１の吸入側へ戻る。

第２圧縮機は、電子膨張弁１２、逆止弁１６ｂ、室外熱交換器３、四方弁２を通過する際の圧力損失に相当する昇圧仕事を行う必要がなく、第２圧縮機９の入力、すなわち消費電力が低減される。

本実施の形態では、外気温度、室内温度、空調負荷などの環境条件によって気液分離器５から供給される冷媒流量Ｇｓと第２圧縮機９の冷媒流量Ｇｒ２にアンバランスが生じた場合、その差分（Ｇｓ−Ｇｒ２）を電子膨張弁１０でバイパスする。すなわち、電子膨張弁１０の開度は、上記差分の冷媒流量が流れるように調節される。また、膨張機４の回収動力と第２圧縮機９の圧縮動力にアンバランスが生じた場合、電子膨張弁１２および電子膨張弁１７の開度を（６）式が成立するように適正に制御する。すなわち、（６）式の右辺が大きい場合は（ρｃ／ρｅ＜（ΔＨ１／ΔＨ２）／ε）、電子膨張弁１２の開度を小さくし、図５に示す膨張機出口部と蒸発器入口部との圧力差ΔＰｅを大きくして、ρｃを増加させる。このとき、（６）式右辺のΔＨ１／ΔＨ２も同時に変化するが、分母、分子ともに小さくなるため、ΔＨ１／ΔＨ２の変化は小さく、実用範囲では（６）式が成立するように動作する。一方、（６）式の左辺が大きい場合（ρｃ／ρｅ＞（ΔＨ１／ΔＨ２）／ε）、電子膨張弁１７の開度を小さくし、第２圧縮機９の吸入圧力を低下させてρｃを減少させる。このとき、（６）式右辺のΔＨ２も同時に増加するが、実用範囲ではΔＨ２の増加率に比べてρｃの減少率が大きく、（６）式が成立するように動作する。

また、本実施の形態では、内部熱交換器１５および内部熱交換器１５をバイパスする第２バイパス配管１８を備え、第２バイパス配管１８の途中に電子膨張弁１１を設けている。したがって、電子膨張弁１１の開度制御によって内部熱交換器１５の熱交換量を制御し、膨張機４の入口密度ρｅを変化させて（６）式を成立させることも可能となる。すなわち、（６）式の右辺が大きい場合は（ρｃ／ρｅ＜（ΔＨ１／ΔＨ２）／ε）、電子膨張弁１１の開度を大きくしてバイパス流量を増加させ、内部熱交換器１５での熱交換量を小さくしてρｅを減少させる。このとき、（６）式右辺のΔＨ１も同時に増加するが、その増加率は小さく、実用範囲では（６）式が成立するように動作する。一方、（６）式の左辺が大きい場合（ρｃ／ρｅ＞（ΔＨ１／ΔＨ２）／ε）、電子膨張弁１１の開度を小さくしてバイパス流量を減少させ、内部熱交換器１５での熱交換量を大きくしてρｅを増加させる。このとき、（６）式右辺のΔＨ１も同時に減少するが、ΔＨ１の減少率に比べてρｃの増加率が大きく、実用範囲では（６）式が成立するように動作する。上記の電子膨張弁１１、１２、１７の開度制御を組合せることで、より広い範囲で膨張機の回収動力と第２圧縮機の圧縮動力をバランスさせることができ、如何なる運転条件でも膨張動力を利用可能な冷凍サイクル装置を提供できる。

本実施の形態では、気液分離器５のガス出口部を膨張機４入口部と熱交換するように内部熱交換器１５を設けたので、気液分離が不完全な場合でも内部熱交換器で液冷媒を蒸発させることができ、第２圧縮機への液戻りを防止することができる。
また、内部熱交換器１５をバイパスする第２バイパス配管１８を備え、第２バイパス配管１８の途中に開度変更可能な第５減圧手段１１を設けたため、第５減圧手段１１により内部熱交換器１５の熱交換量を制御し、膨張機４の入口密度を変化させることで膨張機４の回収動力を第２圧縮機９の圧縮動力とバランスさせ、如何なる運転条件でも膨張動力を回収可能な冷凍サイクル装置を提供できる。
加えて、気液分離器５のガス側出口と第２圧縮機９の間に開度変更可能な第４減圧手段１７を設け、第２圧縮機９の吸入圧力（吸入密度）を変化させることで膨張機４の回収動力と第２圧縮機９の圧縮動力をバランスさせ、如何なる運転条件でも膨張動力を利用可能な冷凍サイクル装置を提供できる。
なお、実施の形態１の冷凍サイクル装置においても、気液分離器５のガス側出口と第２圧縮機９の間に開度変更可能な第４減圧手段１７を設け、第２圧縮機９の吸入圧力（吸入密度）を変化させることで膨張機４の回収動力と第２圧縮機９の圧縮動力をバランスさせるようにしてもよい。

本実施の形態の冷凍サイクル装置は、気液分離器５のガス側出口部と膨張機４の入口部とを熱交換する内部熱交換器１５を設けたので、気液分離器５の気液分離が不完全な場合でも第２圧縮機９への液戻りを防止することができる。

また、本実施の形態の冷凍サイクル装置は、内部熱交換器１５をバイパスする第２バイパス配管１８を備え、第２バイパス配管１８の途中に開度変更可能な第５減圧手段１１を設けたので、膨張機４での回収動力と第２圧縮機９の圧縮動力にアンバランスが生じた場合でも適切に動力を調整することができる。

本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の冷房運転の冷媒回路を示す図である。 本発明の実施の形態１に係るＰ−ｈ線図上での冷房運転の動作である。 本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の暖房運転の冷媒回路を示す図である。 本発明の実施の形態１に係るＰ−ｈ線図上での暖房運転の動作である。 本発明の実施の形態１に係る膨張機での回収動力、第２圧縮機での圧縮動力、膨張機、第２圧縮機、気液分離器の冷媒流量の関係を説明する図である。 本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の構成を示す図である。

符号の説明

１ 第１圧縮機、２ 第１冷媒流路切換え手段、３ 熱源側熱交換器、４ 膨張機、５ 気液分離器、６ａ、６ｂ 第１減圧手段、７ａ、７ｂ 利用側熱交換器、８ 第２冷媒流路切換え手段、９ 第２圧縮機、１０ 第３減圧手段、１１ 第５減圧手段、１２ 第２減圧手段、１４ 第１バイパス配管、１５ 内部熱交換器、１７ 第４減圧手段、１８ 第２バイパス配管。

Claims (8)

1. 第１圧縮機、熱源側熱交換器、膨張機、気液分離器、第１減圧手段、利用側熱交換器を順次配管で接続するとともに、冷媒として二酸化炭素を用いる冷凍サイクル装置において、
   膨張機からの回収動力のみで駆動する第２圧縮機を備え、該第２圧縮機を介して前記気液分離器のガス側出口部と前記第１圧縮機の吐出部とを接続したことを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記気液分離器の液側出口部に第２減圧手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記第１圧縮機の吸入部と前記気液分離器のガス側出口部とを接続する第１バイパス配管を備え、前記第１バイパス配管の途中に開度変更可能な第３減圧手段を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記気液分離器のガス側出口部と前記第２圧縮機の吸入部との間に、開度変更可能な第４減圧手段を設けたことを特徴とする請求項１〜請求項３に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記気液分離器のガス側出口部と前記膨張機の入口部とを熱交換する内部熱交換器を設けたことを特徴とする請求項１〜請求項４に記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記内部熱交換器をバイパスする第２バイパス配管を備え、前記第２バイパス配管の途中に開度変更可能な第５減圧手段を設けたことを特徴とする請求項５に記載の冷凍サイクル装置。
7. 前記第１圧縮機の吐出部と吸入部の間に第１冷媒流路切換え手段を設けたことを特徴とする請求項１〜請求項６に記載の冷凍サイクル装置。
8. 前記熱源側熱交換器と利用側熱交換器との間に第２冷媒流路切換え手段を設けたことを特徴とする請求項１〜請求項７に記載の冷凍サイクル装置。
   

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