JP2007218550A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】膨張機構部の回収動力が機械損失を下回った場合でも、膨張機構部が電動機の負荷にならない冷凍サイクル装置を提供する。
【解決手段】本発明の冷凍サイクル装置３００は、膨張機一体型圧縮機２００、放熱器１０１および蒸発器１０２を備えている。膨張機一体型圧縮機２００のシャフト５は、圧縮機構部側シャフト５Ａおよび膨張機構部側シャフト５Ｂからなる。圧縮機構部側シャフト５Ａと膨張機構部側シャフト５Ｂとの連結箇所には、ワンウェイクラッチ６０が配置されている。冷媒が流通する主循環回路ＭＣには、膨張機構部２０２と並列になるようにバイパス回路ＢＣが接続されている。制御手段１１１は、温度センサ１０４，１０５，１０６，１０７の出力からワンウェイクラッチ６０の空転の有無を判断する。ワンウェイクラッチ６０が空転していると判断した場合、三方弁１２１を制御して流路を膨張機構部２０２側からバイパス回路ＢＣ側に切り替える。
【選択図】図２

Description

本発明は、冷凍空調機などに使用される冷凍サイクル装置に関する。特に、膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクル装置の高効率化技術に関する。

冷媒の膨張エネルギーを膨張機で回収し、その回収したエネルギーを圧縮機の仕事の一部として利用する動力回収式の冷凍サイクル装置が提案されている。例えば、膨張機と圧縮機とをシャフトで連結した膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクル装置が知られている（特許文献１，２）。

また、エンジン排熱を利用したランキンサイクルの膨張動力と、エンジンの動力とを利用可能にする圧縮機が、自動車の流体機械に用いられている（特許文献３）。特許文献３に開示されている流体機械を図１１で説明する。図１１に示す流体機械は、ランキンサイクル用膨張機３０４と、冷凍サイクル用の冷媒圧縮機３０７と、プーリ３０６と、ランキンサイクル用膨張機３０４と冷媒圧縮機３０７とプーリ３０６とが共有するシャフト３２１と、ランキンサイクル用膨張機３０４とシャフト３２１とを連結するワンウェイクラッチ３４５と、プーリ３０６とシャフト３２１とを連結するワンウェイクラッチ３６１とを備えている。

エンジンの排熱を利用してランキンサイクル用膨張機３０４を駆動し、シャフト３２１で伝達される動力で冷凍サイクル用の冷媒圧縮機３０７を駆動する。ランキンサイクルによって十分な動力が得られない場合には、エンジンの動力でプーリ３０６を回して冷媒圧縮機３０７を駆動する。どちらか一方の動力によって冷媒圧縮機３０７を駆動する場合には、ワンウェイクラッチ３４５，３６１が作動して、冷媒圧縮機３０７の駆動に対して負荷になる他方をシャフト３２１から切り離す。

同様に、膨脹機と圧縮機側とをワンウェイクラッチを介して繋ぐ技術が、膨張機一体型圧縮機でも用いられている（特許文献４）。特許文献４に開示されている蒸気圧縮式冷凍機を図１２で説明する。図１２に示す蒸気圧縮式冷凍機は、冷媒を吸入圧縮する圧縮機４０１と、圧縮機４０１から吐出した冷媒を冷却する放熱器４０３と、放熱器４０３から流出した冷媒を減圧膨脹させながら、膨脹エネルギーを回転エネルギーに変換する膨脹機４０４と、減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器４０５と、膨脹機４０４で回収した回転エネルギーを圧縮機４０１側に伝達するクラッチ４０６とを備える。また、放熱器４０３の出口と蒸発器４０５の入口とをバイパスするバイパス通路４０８を設け、放熱器４０３の出口の冷媒温度に従ってバイパス流路への冷媒流路の切換えおよび減圧を行うバイパス制御弁４０９ａと膨張機制御弁４０９ｂを備える。

放熱器４０３の出口の冷媒温度が所定温度以下になった場合には、膨張機４０４の回収動力が低下することによる回転数の低下で放熱器４０３と蒸発器４０５の圧力差が過大になることを防止するために、膨張機４０４をバイパスさせて、放熱器４０３と蒸発器４０５の間に所定の圧力差を作り出す。
特開２００５−１０６０４６号公報 特開２００５−１０６０６４号公報 特開２００４−３４０１３９号公報 特開２００４−６０９８９号公報

膨張機一体型圧縮機は、圧縮機構部、電動機および膨張機構部が１つのシャフトで連結されており、通常、圧縮機構部と膨張機構部とが同一の回転数で駆動している。膨張機構部においては、冷媒の膨張時のエネルギーで動力が生じる一方、摺動部での摩擦により機械損失が生じている。例えば、膨張機構部に吸引される冷媒の温度が低下して、回収できる動力が低下した場合には、膨張機構部が圧縮機構部と同一の回転数で駆動されて生じる機械損失の方が、回収する動力よりも大きくなり、膨張機構部自体が電動機の負荷になってしまう。

この問題は、一見すると、特許文献３に開示されている技術を適用することで解決できそうである。すなわち、膨張機一体型圧縮機のシャフトにワンウェイクラッチを組み込む。このようにすれば、膨張機構部が吸引する冷媒の温度が低下して回収動力が機械損失を下回った場合には、膨張機構部を圧縮機構部と同じ回転数で駆動するのに必要な動力が得られなくなり、膨張機構部の回転数が圧縮機構部の回転数よりも低下する。これに呼応する形で、ワンウェイクラッチが作動して膨張機構部が圧縮機構部および電動機から切り離される。すると、回収動力と機械損失のバランスがとれる回転数まで膨張機構部の回転数が低下し、膨張機構部が電動機に対して負荷になることが避けられるとも考えられる。

しかし、膨張機一体型圧縮機において、圧縮機構部の吸入容積Ｖ₁と膨張機構部の吸入容積Ｖ₂との比は、冷凍サイクル装置の年間機器効率が最大になるように適切な運転条件下で、圧縮機構部の質量循環量Ｑ₁と膨張機構部の質量循環量Ｑ₂とが一致するように設計される。質量循環量Ｑ₁，Ｑ₂は、圧縮機構部と膨張機構部のそれぞれの吸入容積Ｖ₁とＶ₂、回転数、そして吸入時の冷媒密度ρ₁とρ₂の積で表わされる。このうち回転数は、圧縮機構部と膨張機構部で一致することを仮定している。

そのため、ワンウェイクラッチが作動して膨張機構部の回転数が圧縮機構部よりも低下する場合には、膨張機構部を通過する冷媒の質量循環量Ｑ₂が、圧縮機構部に対する膨張機構部の回転数の低下分だけ設計値よりも一時的に減少する。すると、放熱器の側に冷媒が多く留まり、蒸発器の側の冷媒が減少して、放熱器の側の冷媒の圧力である圧縮後圧力Ｐ₂が設計圧力よりも上昇して蒸発器の側の冷媒の圧力である圧縮前圧力Ｐ₁が低下する。その結果、圧縮機構部の吸入時の冷媒密度ρ₁が低下して、膨張機構部の吸入時の冷媒密度ρ₂が上昇するのでそれぞれの質量循環量が再び一致する。この結果、圧縮機構部で昇圧するべき圧力幅（Ｐ₂−Ｐ₁）が増加し、依然として、膨張機構部が電動機の負荷であり続ける。

この問題も、一見すると、特許文献４に開示されている技術を適用することで解決できそうである。すなわち、膨張機構部をバイパス回路でバイパスする。ワンウェイクラッチが作動した場合には、バイパス回路で冷媒の減圧を行い、圧縮前圧力Ｐ₁と圧縮後圧力Ｐ₂を適正に管理する。このようにすれば、圧力差の増加が電動機に対して負荷になることが避けられるとも考えられる。

しかし、冷媒充填量の差、使用される雰囲気毎の放熱器と蒸発器のそれぞれの熱源温度の違い、そして季節の差などの多くの要素によって個々に異なる膨張機構部の機械損失のバラつきが存在する。したがって、特許文献４のように、放熱器の出口の冷媒温度を基準にワンウェイクラッチの空転を正確に判別することは極めて難しい。そのため、膨張機構部での回収動力が機械損失を上回って圧縮機構部を電動機とともに重畳的に駆動している場合でも、バイパス回路へ冷媒を回して、回収できる動力を失ってしまう可能性が高い。あるいは、膨張機構部での回収動力が低下して、ワンウェイクラッチにより膨張機構部が圧縮機構部から切り離されている場合でも、主循環回路へ冷媒を回してしまい、膨張機構部の回転数の低下による圧縮前圧力Ｐ₁と圧縮後圧力Ｐ₂との差圧が拡大して、圧縮機構部への入力電力が増加してしまう可能性がある。

そこで本発明は、膨張機構部の回収動力が機械損失を下回った場合でも、膨張機構部が電動機の負荷にならない冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

すなわち、本発明は、
冷媒を圧縮する圧縮機構部と、
圧縮機構部に動力を与える電動機と、
冷媒を膨張させる膨張機構部と、
電動機と圧縮機構部とを連結する圧縮機構部側シャフトと、
膨張機構部と圧縮機構部側シャフトとを連結する膨張機構部側シャフトと、
圧縮機構部側シャフトと膨張機構部側シャフトとの連結箇所に配置されたワンウェイクラッチと、を含む膨張機一体型圧縮機と、
膨張機一体型圧縮機に接続されて、圧縮機構部および膨張機構部とともに冷媒が流通する主循環回路を構成する放熱器と、
膨張機一体型圧縮機に接続されて、圧縮機構部、膨張機構部および放熱器とともに主循環回路を構成する蒸発器と、
一端が膨張機構部と放熱器との間に位置し、他端が膨張機構部と蒸発器との間に位置するとともに、膨張機構部と並列になるように主循環回路に接続された、膨張弁を含むバイパス回路と、
冷媒の流路を膨張機構部側からバイパス回路側に切り替える、またはその逆に切り替える弁機構と、
ワンウェイクラッチの空転を検知する空転検知手段と、
空転検知手段の出力に基づいて弁機構を制御する制御手段と、
を備えた、冷凍サイクル装置を提供する。

上記本発明の冷凍サイクル装置によれば、膨張機構部が電動機の負荷になる場合には、ワンウェイクラッチが作動して、膨張機構部を圧縮機構部と電動機とから切り離すことができる。さらに、膨張機構部から圧縮機構部への動力伝達の有無を、空転検知手段で検知する。制御手段は、空転検知手段の出力を取得する。動力伝達が無い場合、制御手段は弁機構を制御し、冷媒の流路を膨張機構部側からバイパス回路側に切り替える。このような構成によれば、膨張機構部の回収動力が、膨張機構部が圧縮機構部と同じ回転数で駆動する場合に膨張機構部で生じる機械損失を下回った場合でも、膨張機構部が電動機に対する負荷にならない。また、制御手段は、動力伝達が可能な状態になったら、弁機構を制御し、冷媒の流路をバイパス回路側から膨張機構部側に戻す。これにより、冷媒の膨張エネルギーの有効活用を図ることができる。

（第１実施形態）
以下、添付の図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の冷凍サイクル装置に採用される膨張機一体型圧縮機の縦断面図である。図２は、本発明の冷凍サイクル装置の全体図である。図２に示すごとく、本発明の冷凍サイクル装置３００は、膨張機一体型圧縮機２００、放熱器１０１および蒸発器１０２を備えている。

図１に示すごとく、膨張機一体型圧縮機２００は、密閉容器１と、密閉容器１の下部に配置されたロータリ型の圧縮機構部２０１と、密閉容器１の上部に配置されたロータリ型の膨張機構部２０２と、圧縮機構部２０１と膨張機構部２０２の間に配置された電動機２０３とを備えている。冷媒の膨張エネルギーを膨張機構部２０２にて回収し、圧縮機構部２０１を駆動する動力に重畳する仕組みである。

図２に示すごとく、圧縮機構部２０１および膨張機構部２０２は、吸入管４１，４３、吐出管４２，４４、放熱器１０１および蒸発器１０２とともに、冷媒が流通する主循環回路ＭＣを構成している。吸入管４１，４３および吐出管４２，４４は、それぞれ、密閉容器１の内外を貫通する形で配置されている。２つの吸入管４１，４３のうち、一方の吸入管４１は、一端が圧縮機構部２０１の吸入孔３ａに接続され、他端が蒸発器１０２に接続されている。他方の吸入管４３は、一端が膨張機構部２０２の吸入孔２２ａに接続され、他端が放熱器１０１に接続されている。また、２つの吐出管４２，４４のうち、一方の吐出管４２は、圧縮機構部２０１が圧縮した冷媒で満たされる密閉容器１の内部空間に一端が開口し、他端が放熱器１０１に接続されている。他方の吐出管４４は、一端が膨張機構部２０２の吐出孔２４ａに接続され、他端が蒸発器１０２に接続されている。

また、本発明の冷凍サイクル装置３００は、主循環回路ＭＣとは別に、冷媒を流通させるバイパス回路ＢＣを備えている。バイパス回路ＢＣは、一端が膨張機構部２０２と放熱器１０１との間に位置し、他端が膨張機構部２０２と蒸発器１０２との間に位置し、さらに膨張機構部２０２と並列になるように主循環回路ＭＣを構成する配管（吸入管４３と吐出管４４を延長した配管）に接続されている。バイパス回路ＢＣは、主循環回路ＭＣを構成する吸入管等と同様の配管にて構成される。バイパス回路ＢＣ上には、膨張弁１０３が配置されている。また、放熱器１０１と膨張機構部２０２とを結ぶ主循環回路ＭＣと、バイパス回路ＢＣとの接続箇所に三方弁１２１が配置されている。三方弁１２１は、蒸発器１０２と膨張機構部２０２とを結ぶ主循環回路ＭＣと、バイパス回路ＢＣとの接続箇所に配置されていてもよい。

密閉容器１の底部は、冷凍機油を貯留するオイルパン４５になっている。したがって、圧縮機構部２０１の周囲は、冷凍機油で満たされる。密閉容器１の上部には、電動機２０３に電力を供給するためのターミナル４６が密閉容器１を貫通する形で配置されている。

圧縮機構部２０１は、いわゆるロータリ型であり、上軸受部材２、シリンダ３、下軸受部材４、シャフト５、ローラ６（ピストン）、ベーン７およびバネ８を備えている。上軸受部材２は、密閉容器１に周縁部が固定されており、密閉容器１の下部にあるオイルパン４５に冷凍機油を戻すための切欠き２ａが周縁部に形成されるとともに、圧縮した冷媒を密閉容器１内に吐出するための吐出口２ｂが切欠き２ａよりもシャフト５の近くに形成されている。シリンダ３は、上軸受部材２の下部に固定されており、吸入孔３ａとベーン溝３ｂとが形成されている。シリンダ３の下部には、下軸受部材４が固定されている。上軸受部材２および下軸受部材４は、シャフト５を回転自在に支持している。シャフト５は、下から順に第１偏心部５ａ、第２偏心部５ｂおよび第３偏心部５ｃを有する。第１偏心部５ａには、リング状のローラ６が回転自在に嵌合している。また、ベーン溝３ｂには、ベーン７がスライド自在に配置されている。バネ８は、一端がシリンダ３に接触し他端がベーン７に接触してベーン７をローラ６に押し付ける。

電動機２０３は、固定子１１と、シャフト５に固定された回転子１２とを含む。

膨張機構部２０２は、下軸受部材２１、第１シリンダ２２、中板２３、第２シリンダ２４、上軸受部材２５、第１ローラ２６（第１ピストン）、第２ローラ２７（第２ピストン）、第１ベーン２８、第２ベーン２９、第１バネ３０および第２バネ３１を備えており、いわゆる２段ロータリ型の構成になっている。下軸受部材２１は、密閉容器１に周縁部が固定されており、密閉容器１の下部に設けられたオイルパン４５に冷凍機油を戻すための切欠き２１ａが周縁部に形成されている。シャフト５は、この下軸受部材２１によって回転自在に支持されている。第１シリンダ２２は、冷媒の吸入孔２２ａとベーン溝２２ｂとが形成されており、下軸受部材２１の上部に固定されている。第１シリンダ２２の上部には、中板２３が固定されており、その中板２３の上部に第２シリンダ２４が固定されている。第２シリンダ２４には、冷媒の吐出孔２４ａとベーン溝２４ｂとが形成されている。第２シリンダ２４の上部に固定された上軸受部材２５は、シャフト５を回転自在に支持する。第１ローラ２６は、第１シリンダ２２内に配置されており、シャフト５の第２偏心部５ｂに回転自在に嵌合している。第２ローラ２７は、第２シリンダ２４内に配置されており、シャフト５の第３偏心部５ｃに回転自在に嵌合している。第１ベーン２８は、第１シリンダ２２のベーン溝２２ｂにスライド自在に配置されている。第２ベーン２９は、第２シリンダ２４のベーン溝２４ｂにスライド自在に配置されている。第１バネ３０は、一端が第１シリンダ２２に接触し他端が第１ベーン２８に接触して第１ベーン２８を第１ローラ２６に押し付ける。第２バネ３１は、一端が第２シリンダ２４に接触し他端が第２ベーン２９に接触して第２ベーン２９を第２ローラ２７に押し付ける。

また、シャフト５には、軸方向の下端に配置されたオイルポンプ５２によりオイルパン４５から汲み上げられる冷凍機油を、下軸受部材４、ローラ６、上軸受部材２と、下軸受部材２１、第１ローラ２６、第２ローラ２７および上軸受部材２５に供給するための給油経路５１と給油孔５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄ，５１ｅ，５１ｆ，５１ｇとが形成されている。

また、シャフト５は、複数の部分から構成されている。１つは、電動機２０３と圧縮機構部２０１とを連結し、電動機２０３が生成する動力を圧縮機構部２０１に伝達する圧縮機構部側シャフト５Ａである。圧縮機構部側シャフト５Ａには第１偏心部５ａが形成されている。他の１つは、膨張機構部２０２と圧縮機構部側シャフト５Ａとを連結し、膨張機構部２０２で回収した動力を圧縮機構部側シャフト５Ａを介して圧縮機構部２０１に伝達する膨張機構部側シャフト５Ｂである。膨張機構部側シャフト５Ｂには、第２偏心部５ｂおよび第３偏心部５ｃが形成されている。図１，２より明らかなように、圧縮機構部側シャフト５Ａと膨張機構部側シャフト５Ｂとは回転軸を共有している。つまり、圧縮機構部２０１、電動機２０３および膨張機構部２０２は、この順番で同心状の配置をとっている。

さらに、圧縮機構部側シャフト５Ａと膨張機構部側シャフト５Ｂとの連結箇所には、ワンウェイクラッチ６０が配置されている。ワンウェイクラッチ６０は、膨張機構部２０２において、機械損失が回収動力を上回る、つまり、膨張機構部２０２が電動機２０３に対する負荷になると空転する。例えば、膨張機構部２０２に吸引される冷媒の温度が大幅に低下すると、回収できる動力も低下するので、機械損失が回収動力よりも大きくなる場合がある。ワンウェイクラッチ６０が空転すると、膨張機構部側シャフト５Ｂは圧縮機構部側シャフト５Ａから切り離される。

ワンウェイクラッチ６０が空転しているかどうかは、第１温度センサ１０４、第２温度センサ１０５、第３温度センサ１０６および第４温度センサ１０７の出力に基づいて制御手段１１１が判断する。図３に示すごとく、制御手段１１１は、マイクロコンピュータ１３４を中心として構成され、増幅回路１３１、Ａ／Ｄ変換回路１３２および三方弁１２１を駆動するためのドライブ回路１３５を含む（図示省略）。

図２に示すごとく、第１温度センサ１０４は、蒸発器１０２内に配置されており、蒸発器１０２内における冷媒の温度である蒸発温度を検知する蒸発温度検知手段として機能する。第２温度センサ１０５は、蒸発器１０２と圧縮機構部２０１との間の主循環回路ＭＳ上（具体的には配管内）に配置されており、圧縮機構部２０１で圧縮される前の冷媒の温度である圧縮前温度を検知する圧縮前温度検知手段として機能する。第３温度センサ１０６は、圧縮機構部２０１と放熱器１０１との間の主循環回路ＭＳ上に配置されており、圧縮機構部２０１で圧縮された後の冷媒の温度である圧縮後温度を検知する圧縮後温度検知手段として機能する。第４温度センサ１０７は、放熱器１０１と膨張機構部２０２との間（具体的には放熱器１０１と三方弁１２１との間）の主循環回路ＭＳ上に配置されており、放熱器１０１で冷却された後の冷媒の温度である膨張前温度を検知する膨張前温度検知手段として機能する。これらの温度センサ１０４，１０５，１０６，１０７は、例えば、公知の熱電対やサーミスタで構成することができる。

次に、冷凍サイクル装置３００の動作を説明する。
ターミナル４６から電力を電動機２０３へ供給すると、固定子１１と回転子１２の間に回転動力が発生し、圧縮機構部側シャフト５Ａによって圧縮機構部２０１が駆動される。圧縮機構部２０１には、シリンダ３、ベーン７、ローラ６、上軸受部材２および下軸受部材４によって２つの圧縮室９が形成される。圧縮機構部側シャフト５Ａが回転すると、第１偏心部５ａとともにローラ６が偏心回転運動し、圧縮室９の容積が変化する。

ローラ６の偏心回転運動によって、吸入孔３ａと連通する方の圧縮室９の容積が増加し、吸入管４１を経て蒸発器１０２側から低圧の冷媒が吸引される。そして、ローラ６の偏心回転運動によって吸入容積Ｖ₁まで冷媒を吸入して圧縮室９と吸入孔３ａが連通しなくなった後で、圧縮室９の容積が減少すると、その圧縮室９に閉じ込められた冷媒が圧縮される。そして、圧縮室９の冷媒の圧力が密閉容器１の内部空間を満たす冷媒の圧力を超えると、吐出孔２ｂに設けられた吐出バルブ（図示省略）が開いて、高圧の冷媒が密閉容器１の内部空間に吐出される。

密閉容器１の内部空間に吐出された高圧の冷媒は、電動機２０３を冷却しながら吐出管４２を経て放熱器１０１に向かう。そして、放熱器１０１で冷却され、さらに主循環回路ＭＣを進み、バイパス回路ＢＣの接続箇所に至る。膨張機構部２０２で十分な回収動力が得られる場合には、三方弁１２１でバイパス回路ＢＣを閉じ、主循環回路ＭＣにのみ冷媒を流す。冷媒は吸入管４３を経て膨張機構部２０２に吸入される。

膨張機構部２０２には、第１シリンダ２２、第１ベーン２８、第１ローラ２６、下軸受部材２１および中板２３によって２つの下段膨張室３２が形成される。また、第２シリンダ２４、第２ベーン２９、第２ローラ２７、上軸受部材２５および中板２３によって２つの上段膨張室３３が形成される。吸入孔２２ａと連通しない方の下段膨張室３２と、吐出孔２４ａと連通しない方の上段膨張室３３とは中板２３に形成されている連通孔（図示省略）でつながっている。そのような連通孔は、下段膨張室３２側から見れば、第１ベーン２８を挟んで吸入孔２２ａの反対側に位置し、上段膨張室３３側から見れば、第２ベーン２９を挟んで吐出孔２４ａの反対側に位置する。

高圧の冷媒が吸入孔２２ａに流入すると、第１ローラ２６が押されて膨張機構部側シャフト５Ｂが回転し、その吸入孔２２ａと連通する方の下段膨張室３２の容積が増加する。そして、第１ローラ２６の偏心回転運動により吸入容積Ｖ₂まで冷媒を吸入して下段膨張室３２と吸入孔２２ａとが連通しなくなり、代わりに下段膨張室３２が連通孔と連通すると、膨張機構部側シャフト５Ｂの回転に伴って下段膨張室３２の容積が減少し始める。それと同時に、より気筒容積の大きな上段膨張室３３の容積が増加し始め、下段膨張室３２から上段膨張室３３へと冷媒が膨張しながら移動する。

第２ローラ２７が偏心回転運動を続けると、上段膨張室３３が吐出孔２４ａと連通してその上段膨張室３３の容積が減少する。上段膨張室３３に移動し終わって所定の圧力まで膨張した冷媒は、吐出管４４から蒸発器１０２に向けて吐出される。冷媒は、蒸発器１０２で加熱され、吸入管４１に再び戻る。

このように、冷媒の膨張エネルギーによって膨張機構部側シャフト５Ｂが駆動されると、ワンウェイクラッチ６０を介して圧縮機構部側シャフト５Ａに動力が重畳され、圧縮機構部２０１を駆動する電動機２０３への供給電力を低減することができる。一方、膨張機構部２０２において十分な回収動力が得られない場合は、ワンウェイクラッチ６０が空転して、膨張機構部２０２で生じる機械損失とのバランスが取れるまで膨張機構部側シャフト５Ｂの回転数が低下する。

ワンウェイクラッチ６０が空転し、膨張機構部側シャフト５Ｂが圧縮機構部側シャフト５Ａから切り離されると、膨張機構部２０２の回転数が圧縮機構部２０１の回転数よりも小さくなるので、膨張機構部２０２を流れる冷媒の体積循環量が設計値から低下する。すると、放熱器１０１側の冷媒圧力が上昇し、蒸発器１０２側の冷媒圧力が低下する。つまり、圧縮機構部２０１で昇圧する圧力幅が増加する。膨張機構部側シャフト５Ｂを圧縮機構部側シャフト５Ａから切り離したにも関わらず、依然として、膨張機構部２０２が電動機２０３の負荷であり続ける。そこで、冷媒の流路を膨張機構部２０２側からバイパス回路ＢＣ側に切り替える。このようにすれば、膨張機構部２０２が電動機２０３の負荷になることを回避できる。

図４は、冷媒の流路を膨張機構部２０２側からバイパス回路ＢＣ側に切り替える、またはその逆に切り替える処理のフローチャートである。制御手段１１１としてのマイクロコンピュータ１３４は、例えば、定期リセットを契機にして、図４のフローチャートに示す処理を実行する。

まず、電動機２０３への給電開始時、すなわち、冷凍サイクル装置３００が運転を開始した直後（一時停止状態からの再始動を含む）かどうかを判断する（ＳＴ１）。圧縮機構部側シャフト５Ａが停止状態から回転状態に変化する際、冷媒の膨張エネルギーを瞬時に回収できるわけではないので、通常、ワンウェイクラッチ６０は空転する。十分な回収動力が見込まれる運転条件であっても、膨張機構部側シャフト５Ｂは圧縮機構部側シャフト５Ａよりも若干遅れたタイミングで回転し始め、しばらくしたら圧縮機構部側シャフト５Ａと同期回転する。

したがって、電動機２０３への給電開始時には、主循環回路ＭＣ側に冷媒が流れるように三方弁１２１を制御する。このような処理を、初期設定処理（ＳＴ２）として実行する。このようにすれば、電動機２０３が停止状態から回転状態に変化する際に、膨張機構部２０２が緩やかに回転を開始して加速する。すると、膨張機構部側シャフト５Ｂが圧縮機構部側シャフト５Ａの回転数に追いつく際の膨張機構部側シャフト５Ｂの加速度が過大にならず、ワンウェイクラッチ６０の動力伝達がスムーズに行えるので、ワンウェイクラッチ６０のロックの危険性を回避できる。

ただし、冷凍サイクル装置３００の立ち上げを急速に行いたい場合には、次のような処理を初期設定処理（ＳＴ２）として実施してもよい。すなわち、電動機２０３への給電開始時にはバイパス回路ＢＣ側に冷媒が流れるように三方弁１２１を制御して、膨張弁１０３を用いて冷凍サイクル装置を所定の運転状態にすみやかに移行させる。その後、冷媒の流れを主循環回路ＭＣ側に切り替えて膨張機構部２０２を作動させる。

一方、ＳＴ１において、給電開始時でないと判断した場合には、続くＳＴ３において、電動機２０３に給電中であるかどうか判断する（ＳＴ３）。電動機２０３に給電中の場合、マイクロコンピュータ１３４は、通常処理（ＳＴ４）を実行する。この通常処理（ＳＴ４）では、ワンウェイクラッチ６０が空転しているかどうかを調べる。ワンウェイクラッチ６０が空転している場合には、冷媒の流路を膨張機構部２０２側からバイパス回路ＢＣ側に切り替える。本実施形態では、ワンウェイクラッチ６０の空転の有無を、空転検知手段である温度センサ１０４，１０５，１０６，１０７の出力に基づいて判断するようにしている。

以下、通常処理（ＳＴ４）について詳しく説明する。
図５は、通常処理（ＳＴ４）の詳細なフローチャートである。マイクロコンピュータ１３４は、まず、現在の冷媒の流路が膨張機構部２０２側であるかどうかを確かめる（Ｓ１）。冷媒の流路が膨張機構部２０２側であることを確かめたら、温度センサ１０４，１０５，１０６，１０７の出力するセンサ信号を順番にサンプリングする（Ｓ２）。マイクロコンピュータ１３４が取得するセンサ信号は、Ａ／Ｄ変換回路１３２で２値化されている。温度センサ１０４，１０５，１０６，１０７の出力するセンサ信号から、主循環回路ＭＣ上の各位置における冷媒の温度を知ることができる。

次に、第１温度センサ１０４から得られる冷媒温度（蒸発温度Ｔ₁）より、蒸発器１０２を出て圧縮機構部２０１で圧縮される前の冷媒の圧力である圧縮前圧力Ｐ₁を導出する（Ｓ３）。圧縮前圧力Ｐ₁は、蒸発器１０２の出口圧力に等しい。図６は、一種類の分子からなる冷媒の一例であるＣＯ₂のモリエル線図であり、典型的な冷凍サイクルを付記している。蒸発器１０２内において、ＣＯ₂冷媒は気液二相状態にある。ＣＯ₂冷媒は、蒸発器１０２の作用により等圧等温でエンタルピー（比エンタルピー）が増加する。つまり、蒸発温度Ｔ₁が分かれば圧縮前圧力Ｐ₁が分かる。例えば、モリエル線図を数値化したデータベース（ｐ−ｈデータベースという）をメモリに格納しておけば、そのｐ−ｈデータベースを参照することによって、既知の蒸発温度Ｔ₁から圧縮前圧力Ｐ₁を簡単に見出すことが可能になる。また、蒸発温度Ｔ₁から圧縮前圧力Ｐ₁を見出すための演算式をモリエル線図に基づいて予め定めておき、その演算式に第１温度センサ１０４が測定した蒸発温度Ｔ₁を代入することで、圧縮前圧力Ｐ₁を導出するようにしてもよい。

次に、第２温度センサ１０５から得られる圧縮前温度Ｔ₂と、前述の処理Ｓ３で求めた圧縮前圧力Ｐ₁とから、圧縮機構部２０１で圧縮される前の冷媒が持つエンタルピーである圧縮前エンタルピーＨ₁を導出する（Ｓ４）。圧縮前エンタルピーＨ₁は、図６のモリエル線図に付記した冷凍サイクルにおけるＡ点のエンタルピーに等しい。Ａ点のエンタルピーは、第２温度センサ１０５から得られる圧縮前温度Ｔ₂と、圧縮前圧力Ｐ₁とから知ることができる。具体的には、前述のｐ−ｈデータベースを参照することによって、既知の圧縮前温度Ｔ₂と圧縮前圧力Ｐ₁とから、圧縮前エンタルピーＨ₁を見出せる。

次に、第３温度センサ１０６から得られる圧縮後温度Ｔ₃と、圧縮機構部２０１の圧縮機効率ηｃと、圧縮前エンタルピーＨ₁とから、圧縮機構部２０１で圧縮されて放熱器１０１に流入する前の冷媒の圧力である圧縮後圧力Ｐ₂を導出する（Ｓ５）。理論的には、まず、前述のＡ点を通過する等比エントロピー線を引いて、Ａ点の状態の冷媒を損失なく断熱圧縮した場合のエンタルピーと圧力との相関線を求める。しかし、実際には圧縮機構部２０１で圧縮損失や機械損失が生じている。さらに、電動機２０３でもモータ損失が生じて熱が生じている。それらの損失は圧縮機効率ηｃで表され、各圧力まで冷媒を圧縮した際には、その仕事量に比例した損失が生じて冷媒のエンタルピーが増加する。また、密閉容器１からも外部へ放熱されて冷媒が熱を失うのでそれも考慮して、実際の圧縮機構部２０１の圧縮過程におけるエンタルピーと圧力との相関線を見出す。このようにして得られたエンタルピーと圧力との相関線と、圧縮後温度Ｔ₃の等温線との交点から圧縮後圧力Ｐ₂を導出することができる。実際の処理においては、例えば、任意の圧縮前温度Ｔ₂および圧縮前圧力Ｐ₁（本実施形態ではＡ点を例示している）を起点とした圧縮過程におけるエンタルピーと圧力との相関線を、シミュレーションや実験的な手法により、近似関数や２値化したデータベース（前述のｐ−ｈデータベースに含まれていてもよい）の形で予め準備しておく。そして、それらデータベース等と、圧縮前エンタルピーＨ₁および圧縮後温度Ｔ₃とに基づき、圧縮後圧力Ｐ₂を導出することができる。なお、圧縮機構部２０１の圧縮機効率ηｃは既知であり、冷凍サイクル装置の仕様等によって定まる。また、圧縮後圧力Ｐ₂は、放熱器１０１の入口圧力に等しい。

もちろん、圧縮後圧力Ｐ₂を圧力センサで直接測定してしまうという手もある。ただし、圧力センサを回路上に配置して圧力を正確に測定することは技術的に難しい。圧縮機構部２０１で圧縮された後の冷媒（例えばＣＯ₂）の圧力は数ＭＰａと高く、こうした高圧条件下で使用できる圧力センサは非常に高価である。他方、本実施形態によれば、測定精度が高い、省スペースである、低コスト、高信頼性といった数々の利点がある温度センサだけで全てを賄える。

一方、ワンウェイクラッチ６０が空転していないと仮定した場合の圧縮後圧力Ｐ₂’を導出する（Ｓ６）。この圧縮後圧力Ｐ₂’は、膨張機構部２０２が圧縮機構部２０１と同じ回転数で作動している場合の圧縮後圧力であるため、圧縮機構部２０１を通過する冷媒の質量循環量Ｑ₁と、膨張機構部２０２を通過する冷媒の質量循環量Ｑ₂とが一致するという関係を用いる。質量循環量Ｑ₁，Ｑ₂が一致するということは、圧縮機構部２０１の吸入容積Ｖ₁と回転数と吸入する冷媒密度ρ₁との積が、膨張機構部２０２の吸入容積Ｖ₂と回転数と吸入する冷媒密度ρ₂’との積に一致することを意味する。このうち回転数が同じであるので、下式（２）で膨張機構部２０２の吸入時の冷媒密度ρ₂’が表される。
ρ₂’＝（Ｖ₁／Ｖ₂）×ρ₁…（２）

ここで、吸入容積Ｖ₁，Ｖ₂は設計値である。冷媒密度ρ₁は、蒸発温度Ｔ₁と圧縮前温度Ｔ₂から導出できる。次に、導出した冷媒密度ρ₂’と、第４温度センサ１０７によって得られる膨張前温度Ｔ₄と、ｐ−ｈデータベースとから、ワンウェイクラッチ６０が空転していない場合の圧縮後圧力Ｐ₂’が得られる。なお、図６中には記していないが、データベース化するｐ−ｈ線図には、等温度線の他にも等密度線が含まれるものとする。つまり、ｐ−ｈ線図を２値化したｐ−ｈデータベースによれば、圧力、密度、温度のうち、いずれか二つが分かれば残りの一つが特定できる。

以上のようにして求めた圧縮後圧力Ｐ₂，Ｐ₂の関係が所定条件を満足するかどうかを調べ、ワンウェイクラッチ６０が空転しているかどうかを判断する。通常、膨張機構部２０２での回収動力が小さくなってワンウェイクラッチ６０が空転し始めると、一時的に膨張機構部２０２を通過する冷媒の質量循環量Ｑ₂が、圧縮機構部２０１を通過する冷媒の質量循環量Ｑ₁を下回る。すると、放熱器１０１側に分布する冷媒量が増加して、圧縮後圧力Ｐ₂が上昇する。したがって、現実の圧縮後圧力Ｐ₂が、ワンウェイクラッチ６０が空転していない仮定で導出される圧縮後圧力Ｐ₂’との関係を表す下式（１）を満足するかどうかによって、ワンウェイクラッチ６０が空転しているかどうかを判断することができる。下式（１）を満足する場合にはワンウェイクラッチ６０が空転しているものと判断する。他方、下式（１）を満足しない場合にはワンウェイクラッチ６０は空転しておらず、圧縮機構部側シャフト５Ａと膨張機構部側５Ｂとが同期回転しているものと判断する（Ｓ７）。
Ｐ₂＞Ｐ₂’…（１）

ワンウェイクラッチ６０が空転していない状態では、理論的にはＰ₂＝Ｐ₂’となる。しかしながら、現実には測定誤差や演算誤差があるので、Ｐ₂とＰ₂’とは、必ずしもイコールにならない。したがって、上記した（１）式に代えて、測定誤差や演算誤差Ｐ_Eを考慮した下式（３）を採用してもよい。下式（３）を満足しない場合には、ワンウェイクラッチ６０が空転していないと判断する。満足する場合には、ワンウェイクラッチ６０が空転していると判断する。このようにすれば、Ｐ_Eが一種の不感帯として作用し、不要な流路切り替えを行わずに済むようになる。
｜Ｐ₂−Ｐ₂’｜＞Ｐ_E…（３）

Ｓ７において、ワンウェイクラッチ６０が空転していると判断した場合、Ｓ８に進み、ドライブ回路１３５に流路切り替え信号を送る。流路切り替え信号１２１を受けたドライブ回路１３５は三方弁１２１を駆動する。これにより、冷媒の流路が膨張機構部２０２側からバイパス回路ＢＣ側に切り替わる。バイパス回路ＢＣを流れる冷媒は、膨張弁１０３の作用によって膨張する。膨張弁１０３は、膨張前の圧力と膨張後の圧力との差を安定させ、電動機２０３に余計な負荷が掛かることを防ぐ。

一方、Ｓ１において、現在の流路がバイパス回路ＢＣ側であると判断した場合には、Ｓ９に示す動力非回収時処理を実行する。この動力非回収時処理は、冷媒の流路をバイパス回路ＢＣ側に切り替えた後で、再び膨張機構部２０２側に流路を切り替えるかどうかを判断する処理である。例えば、バイパス回路ＢＣ側に冷媒を流し始めた後、所定時間ごとに膨張機構部２０２側に冷媒を流してみて、ワンウェイクラッチ６０が空転するかしないかを確認する処理を動力非回収時処理として実施することができる。具体的には、バイパス回路ＢＣ側に冷媒を流し始めたら上記所定時間を計測するためのタイマをスタートし、そのタイマがタイムアップすることを条件として、流路がバイパス回路ＢＣ側から膨張機構部２０２側に切り替わるように三方弁１２１の制御を実施する。このようにして流路をバイパス回路ＢＣ側から膨張機構部２０２側に切り替えた直後においても、ワンウェイクラッチ６０は空転し、瞬間的に電動機２０３の負荷が増す可能性が高い。したがって、流路をバイパス回路ＢＣ側から膨張機構部２０２側に切り替えた後にも、ある程度の時間が経過するまで図５の通常処理を実行しないようにする。そのようにすれば、バイパス回路ＢＣに冷媒を流している最中に運転条件に変化が生じて、膨張機構部２０２の回収動力が機械損失を上回るようになった場合に、膨張機構部２０２の作動を再開して冷媒の膨張エネルギーを回収することが可能となる。

また、バイパス回路ＢＣ側に冷媒を流し始めた後、電動機２０３や圧縮機構部２０１の動作状況に変化が生じた場合に、冷媒の流路をしばらく膨張機構部２０２側に切り替えてみて、ワンウェイクラッチ６０が空転するかしないかを再確認するといった方法も考え得る。電動機２０３や圧縮機構部２０１の動作状況の変化の例は、例えば、回転数の変化である。

また、第１温度センサ１０４によって得られる圧縮前温度Ｔ₁と、第４温度センサ１０７によって得られる膨張前温度Ｔ₄から、蒸発器１０２や放熱器１０１の熱源の温度条件が変わった場合に、膨張機構部２０２で回収する回収動力が増減する。したがって、それらの変化を捉えて膨張機構部２０２側に冷媒を流すように三方弁１２１を切り替えても良い。特に、放熱器１０１側の熱源の温度が増加すると、膨張機構部２０２で回収される回収動力が増加するので、バイパス回路ＢＣへ切り替えた時点から第４温度センサ１０７によって得られる膨張前温度Ｔ₄が有意に増加した（一定値以上増加した）場合に、膨張機構部２０２側へ冷媒の流路を切り替える処理を実施することが望ましい。

以上、本実施形態の冷凍サイクル装置３００によれば、膨張機構部２０２が電動機２０３の負荷になる場合には、ワンウェイクラッチ６０が作動して、膨張機構部側シャフト５Ｂが圧縮機構部側シャフト５Ａから切り離される。これにより、回収動力と機械損失のバランスがとれる回転数まで膨張機構部側シャフト５Ｂの回転数が低下し、膨張機構部２０２が電動機２０３の負荷になることを回避できる。

また、膨張機構部２０２から圧縮機構部２０１への動力伝達の有無を確かめ、動力伝達が無い場合には、三方弁１２１を用いて流路を膨張機構部２０２側からバイパス回路ＢＣ側に切り替えるようにしている。したがって、膨張機構部２０２が無効な運転条件では、バイパス回路ＢＣの膨張弁１０３で、放熱器１０１側と蒸発器１０２側の冷媒圧力を適正に制御することができる。また、単一の弁機構である三方弁１２１により、冷媒の流路を膨張機構部２０２側からバイパス回路ＢＣ側に切り替える、あるいはその逆に切り替えることができるので制御が容易である。

また、本実施形態は、膨張機一体型圧縮機２００の内部にセンサ類を新たに配置する必要性が無いという点で優れる。つまり、膨張機一体型圧縮機２００の設計変更が不要である。また、熱電対やサーミスタで構成される温度センサ１０４，１０５，１０６，１０７は、非常に安価であるとともに、高い信頼性を実現できる。圧力センサで圧縮前圧力Ｐ₁や圧縮後圧力Ｐ₂を直接測定するという方法も考えられるが、本実施形態の膨張機一体型圧縮機２００のように、圧縮機構部２０１と膨張機構部２０２の双方がロータリ型の場合、どうしても冷媒に脈動が生じる。圧力センサを用いて圧縮前圧力Ｐ₁や圧縮後圧力Ｐ₂を直接測定する場合には、脈動の影響を受けやすい。ところが本実施形態のように、温度センサ１０４，１０５，１０６，１０７から得られる冷媒温度Ｔ₁，Ｔ₂，Ｔ₃，Ｔ₄と、データベース化したモリエル線図とに基づいて圧縮前圧力Ｐ₁や圧縮後圧力Ｐ₂を導出するようにすれば、脈動の影響を受けることなく、正確な圧縮前圧力Ｐ₁や圧縮後圧力Ｐ₂を見出すことができ、ひいてはワンウェイクラッチ６０の空転を誤検知する可能性を低減できる。

（第２実施形態）
図７は、第２実施形態にかかる冷凍サイクル装置の全体図である。冷凍サイクル装置４００は、冷媒の流路を膨張機構部２０２側からバイパス回路ＢＣ側に切り替える、またはその逆に切り替える弁機構を、２つの開閉弁１２２，１２３で構成しているという点で、第１実施形態で説明した冷凍サイクル装置３００と相違する。開閉弁１２２，１２３は、バイパス回路ＢＣと主循環回路ＭＣとの接続箇所よりも膨張機構部２０２寄りの主循環回路ＭＣ上に配置された第１開放弁１２２と、バイパス回路ＢＣと主循環回路ＭＣとの接続箇所と膨張弁１０３との間のバイパス回路ＢＣ上に配置された第２開放弁１２３とを含む。

この冷凍サイクル装置４００は、第１温度センサ１０４、第２温度センサ１０５、第３温度センサ１０６および第４温度センサ１０７を備えており、第１実施形態で説明した手順により、ワンウェイクラッチ６０の空転の有無を判断し、冷媒の流路切り替えを実施する。膨張機構部２０２側に冷媒を流す場合には、第１開閉弁１２２を開として、第２開閉弁１２３を閉とする。逆に、バイパス回路ＢＣ側に冷媒を流す場合は、第２開閉弁１２３を開として、第１開閉弁１２２を閉とする。このような構成によれば、一方の開閉弁が万が一、動作不良にいたる場合でも、他方の開閉弁を開放することで、冷凍サイクル装置４００を安定して動作させることができ、ひいては冷凍サイクル装置４００の信頼性を長期に維持することが可能となる。

（第３実施形態）
図８は、第３実施形態にかかる冷凍サイクル装置の全体図である。冷凍サイクル装置５００は、ワンウェイクラッチ６０の空転を検知する空転検知手段として、電動機２０３に供給されている電流を検知する電流検知器１１０を備えている。電流検知器１１０は、ターミナル４６と電源との間に配置されており、電動機２０３に供給されている電流を検知する。制御手段１１１（マイクロコンピュータ１３４）は、電流検知器１１０が検知した電流値を取得する。電動機２０３への入力電流は、圧縮機構部２０１を駆動する圧縮機構部側シャフト５Ａに掛かるトルクと相関がある。入力電流とトルクとの相関関係は、電動機の種類や設計によるものであり、予め知ることができる。したがって、電動機２０３に供給されている電流の増減を監視することで、膨張機構部２０２から圧縮機構部２０１への動力伝達の有無、すなわち、ワンウェイクラッチ６０の空転の有無を識別できる。

まず、バイパス回路ＢＣ側に冷媒流路を切り替えた状態で、電動機２０３に給電して圧縮機構部２０１を駆動して、膨張弁１０３を制御して目標の運転条件で冷凍サイクル装置５００を運転する。その際に、電動機２０３へ供給される電流値をメモリに格納しておく。その後、膨張機構部２０２側に冷媒流路を切り替えて、電動機２０３を流れる電流値が、メモリに格納された電流値を下回れば、膨張機構部２０２で回収された回収動力が電動機２０３で生じる動力に重畳して圧縮機構部２０１を駆動している、つまり、ワンウェイクラッチ６０が空転しておらず、電動機２０３の負荷が軽減されていることが分かる。逆に、電動機２０３を流れる電流値が、メモリに格納された電流値を上回れば、ワンウェイクラッチ６０が空転して圧縮前圧力Ｐ₁と圧縮後圧力Ｐ₂の差が大きくなっており、圧縮機構部２０１を駆動する必要トルクが大きくなって、電動機２０３の負荷が増していることが分かる。

ワンウェイクラッチ６０が空転していないと判断した場合には、第１開閉弁１２２を開、第２開閉弁１２３を閉として、膨張機構部２０２側に冷媒を流す。逆に、ワンウェイクラッチ６０が空転していると判断した場合には、第２開閉弁１２３を開、第１開閉弁１２２を閉として、バイパス回路ＢＣ側に冷媒を流す。

あるいは、電動機２０３に供給される電流の増減を監視しつつ、短時間だけ冷媒の流路を膨張機構部２０２側からバイパス回路ＢＣ側に切り替える。ワンウェイクラッチ６０が空転して膨張機構部２０２が圧縮機構部２０１と同じ回転数で回ることができないことで、圧縮前圧力Ｐ₁と圧縮後圧力Ｐ₂の差が拡がり、電動機２０３の負荷になっている場合には、バイパス回路ＢＣ側に冷媒を流す方が電動機２０３への供給電流は切り替え前より小さくなる。逆に、膨張機構部２０２の回収動力が十分な場合には、電動機２０３への供給電流は切り替え前よりも大きくなる。また、電動機２０３に供給される電流が変化すれば、その変化にともなって電圧も変化するため、電動機２０３に供給されている電圧を検知する電圧検知器を電流検知器１１０に代えて配置するようにしてもよい。

（第４実施形態）
図９は、第４実施形態にかかる冷凍サイクル装置の全体図である。冷凍サイクル装置６００は、ワンウェイクラッチ６０の空転を検知する空転検知手段として、膨張機構部側シャフト５Ｂの回転数を検知するエンコーダ式タコメータ１４５を備えている。エンコーダ式タコメータ１４５は、膨張機一体型圧縮機２００Ａの密閉容器１内において、膨張機構部側シャフト５Ｂに隣接して配置されている。本実施形態の膨張機一体型圧縮機２００Ａでは、膨張機構部側シャフト５Ｂの上端が密閉容器１内に露出する構造になっているので、その露出した部分を覆うようにエンコーダ式タコメータ１４５を配置して、膨張機構部側シャフト５Ｂの回転数を検知するようにしている。

制御手段１１１（マイクロコンピュータ１３４）は、エンコーダ式タコメータ１４５が検知する膨張機構部側シャフト５Ｂの回転数Ｒ₂を取得する。一方、膨張機一体型圧縮機２００Ａは、電動機２０３の駆動を制御する駆動制御手段として、インバータ回路１４３およびインバータ制御用マイクロコンピュータ１４１を備えている。インバータ回路１４３およびインバータ制御用マイクロコンピュータ１４１を用い、公知のＰＷＭ方式等にて電動機２０３を駆動する点については、既に説明済みの各実施形態に共通化することができる。また、インバータ制御用コンピュータ１４１については、制御手段１１１のマイクロコンピュータ１３４に兼務させることも可能である。

インバータ制御用マイクロコンピュータ１４１は、インバータ回路１４３にＰＷＭ信号を送るとともに、そのＰＷＭ信号から見積もられる電動機２０３の回転数、すなわち、圧縮機構部側シャフト５Ａの回転数Ｒ₁を特定できるデータを制御手段１１１に送る。制御手段１１１は、圧縮機構部側シャフト５Ａの回転数Ｒ₁と、膨張機構部側シャフト５Ｂの回転数Ｒ₂とを比較して、ワンウェイクラッチ６０が空転しているかどうかを判断する。ワンウェイクラッチ６０が空転していないときは、圧縮機構部側シャフト５Ａと膨張機構部側シャフト５Ｂとが同期回転しているので、上記回転数Ｒ₁とＲ₂が、Ｒ₁＝Ｒ₂を満足する。逆に、ワンウェイクラッチ６０が空転している場合には、Ｒ₁＝Ｒ₂とならない。このようにすれば、冷凍サイクル装置の構成要素の個体差などに左右されることなく、正確に膨張機構部２０２から圧縮機構部２０１への動力伝達の有無を調べることが可能となる。

（第５実施形態）
図１０は、第５実施形態にかかる冷凍サイクル装置の全体図である。冷凍サイクル装置７００は、ワンウェイクラッチ６０の空転を検知する空転検知手段として、膨張機一体型圧縮機２００Ｂの振動を検知する振動検知器１５１，１５３を備えている。振動検知器１５１，１５３は、圧縮機構部２０１の振動を検知する第１振動検知器１５１と、膨張機構部２０２の振動を検知する第２振動検知器１５３とを含む。これらの振動検知器１５１，１５３は、例えば、圧電素子を用いた公知の圧電型加速度センサにて構成することができる。

制御手段１１１（マイクロコンピュータ１３４）は、圧縮機構部２０１の駆動周波数ｆ₁と、膨張機構部２０２の駆動周波数ｆ₂とを比較して、ワンウェイクラッチ６０の空転の有無を判断する。ワンウェイクラッチ６０が空転していないときは、圧縮機構部側シャフト５Ａと膨張機構部側シャフト５Ｂとが同期回転しているので、振動検知器１５１，１５３から得られる駆動周波数ｆ₁とｆ₂が、ｆ₁＝ｆ₂を満足する。逆に、ワンウェイクラッチ６０が空転している場合には、ｆ₁＝ｆ₂とならない。このようにすれば、冷凍サイクル装置の構成要素の個体差などに左右されることなく、正確に膨張機構部２０２から圧縮機構部２０１への動力伝達の有無を調べることが可能となる。

以上に説明したいくつかの実施形態では、圧縮機構部２０１と膨張機構部２０２との双方にロータリ型流体機械を採用した例を示したが、スクロール型、レシプロ型、リニア型などの流体機械を圧縮機構部２０１および／または膨張機構部２０２に採用してもよい。また、密閉容器１の下部に膨張機構部２０２、密閉容器１の上部に圧縮機構部２０１を設けてもよいし、圧縮機構部２０１、電動機２０３および膨張機構部２０２を横方向に配置してもよい。

図１は、本発明の冷凍サイクル装置に採用される膨張機一体型圧縮機の縦断面図である。 図２は、本発明の冷凍サイクル装置の全体図である。 図３は、制御手段のブロック図である。 図４は、三方弁を制御するプログラムのフローチャートである。 図５は、図４中の通常処理の詳細なフローチャートである。 図６は、ＣＯ₂冷媒のモリエル線図である。 図７は、第２実施形態にかかる冷凍サイクル装置の全体図である。 図８は、第３実施形態にかかる冷凍サイクル装置の全体図である。 図９は、第４実施形態にかかる冷凍サイクル装置の全体図である。 図１０は、第５実施形態にかかる冷凍サイクル装置の全体図である。 図１１は、従来の流体機械の断面模式図である。 図１２は、従来の冷凍サイクル装置の全体図である。

符号の説明

５ シャフト
５Ａ 圧縮機構部側シャフト
５Ｂ 膨張機構部側シャフト
６０ ワンウェイクラッチ
１０１ 放熱器
１０２ 蒸発器
１０４ 第１温度センサ（蒸発温度検知手段）
１０５ 第２温度センサ（圧縮前温度検知手段）
１０６ 第３温度センサ（圧縮後温度検知手段）
１０７ 第４温度センサ（膨張前温度検知手段）
１１０ 電流検知器
１１１ 制御手段
１２１ 三方弁
１３１ 増幅回路
１３２ Ａ／Ｄ変換回路
１３４ マイクロコンピュータ
１３５ ドライブ回路
１４１ インバータ制御用マイクロコンピュータ
１４３ インバータ回路
１４５ エンコーダ式タコメータ
１５１，１５３ 振動検知器
２００，２００Ａ，２００Ｂ 膨張機一体型圧縮機
２０１ 圧縮機構部
２０２ 電動機
２０３ 圧縮機構部
ＢＣ バイパス回路
ＭＣ 主循環回路

Claims (9)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機構部と、
   前記圧縮機構部に動力を与える電動機と、
   前記冷媒を膨張させる膨張機構部と、
   前記電動機と前記圧縮機構部とを連結する圧縮機構部側シャフトと、
   前記膨張機構部と前記圧縮機構部側シャフトとを連結する膨張機構部側シャフトと、
   前記圧縮機構部側シャフトと前記膨張機構部側シャフトとの連結箇所に配置されたワンウェイクラッチと、を含む膨張機一体型圧縮機と、
   前記膨張機一体型圧縮機に接続されて、前記圧縮機構部および前記膨張機構部とともに前記冷媒が流通する主循環回路を構成する放熱器と、
   前記膨張機一体型圧縮機に接続されて、前記圧縮機構部、前記膨張機構部および前記放熱器とともに前記主循環回路を構成する蒸発器と、
   一端が前記膨張機構部と前記放熱器との間に位置し、他端が前記膨張機構部と前記蒸発器との間に位置するとともに、前記膨張機構部と並列になるように前記主循環回路に接続された、膨張弁を含むバイパス回路と、
   前記冷媒の流通経路を前記膨張機構部側から前記バイパス回路側に切り替える、またはその逆に切り替える弁機構と、
   前記ワンウェイクラッチの空転を検知する空転検知手段と、
   前記空転検知手段の出力に基づいて前記弁機構を制御する制御手段と、
   を備えた、冷凍サイクル装置。
2. 前記制御手段は、前記空転検知手段が前記ワンウェイクラッチの空転を検知することに応じて、前記弁機構を制御し、前記冷媒の流通経路を前記膨張機構部側から前記バイパス回路側に切り替える、請求項１記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記弁機構は、前記バイパス回路と前記主循環回路との接続箇所に配置された三方弁を含む、請求項１または請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記弁機構は、前記バイパス回路と前記主循環回路との接続箇所よりも前記膨張機構部寄りの前記主循環回路上に配置された第１開閉弁と、前記バイパス回路上に配置された第２開閉弁とを含む、請求項１または請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記空転検知手段は、前記蒸発器内における前記冷媒の温度である蒸発温度Ｔ₁を検知する蒸発温度検知手段と、前記蒸発器を出て前記圧縮機構部で圧縮される前の前記冷媒の温度である圧縮前温度Ｔ₂を検知する圧縮前温度検知手段と、前記圧縮機構部で圧縮されて前記放熱器に流入する前の前記冷媒の温度である圧縮後温度Ｔ₃を検知する圧縮後温度検知手段と、前記放熱器を出て前記膨張機構部で膨張する前の前記冷媒の温度である膨張前温度Ｔ₄を検知する膨張前温度検知手段とを含む、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記制御手段は、前記蒸発温度Ｔ₁、前記圧縮前温度Ｔ₂、前記圧縮後温度Ｔ₃および前記膨張前温度Ｔ₄に基づいて、前記圧縮機構部で圧縮された後の前記冷媒の圧力である圧縮後圧力Ｐ₂と、前記ワンウェイクラッチが空転していないと仮定した場合における前記圧縮機構部で圧縮された後の前記冷媒の圧力である圧縮後圧力Ｐ₂’とを導出し、前記圧縮後圧力Ｐ₂と前記圧縮後圧力Ｐ₂’との関係が所定条件を満足する場合に、前記ワンウェイクラッチが空転しているものと判断する、請求項５記載の冷凍サイクル装置。
7. 前記空転検知手段は、前記電動機に供給されている電流を検知する電流検知器、または前記電動機に供給されている電圧を検知する電圧検知器を含む、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
8. 前記電動機の駆動を制御する駆動制御手段をさらに備え、
   前記空転検知手段は、前記膨張機構部側シャフトの回転数を検知するエンコーダ式タコメータを含み、
   前記制御手段は、前記駆動制御手段から前記圧縮機構部側シャフトの回転数Ｒ₁を特定できるデータを取得し、その回転数Ｒ₁と、前記エンコーダ式タコメータから得た前記膨張機構部側シャフトの回転数Ｒ₂とを比較して、前記ワンウェイクラッチの空転の有無を判断する、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
9. 前記空転検知手段は、前記圧縮機構部の振動を検知する第１振動検知器と、前記膨張機構部の振動を検知する第２振動検知器とを含み、
   前記制御手段は、前記第１振動検知器から得られる前記圧縮機構部の駆動周波数ｆ₁と、前記第２振動検知器から得られる前記膨張機構部の駆動周波数ｆ₂とを比較して、前記ワンウェイクラッチの空転の有無を判断する、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。

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