JP2008224118A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】動力回収型冷凍サイクル装置の動作安定性を高める。
【解決手段】冷凍サイクル装置１００は、膨張弁に代えて、膨張する冷媒から動力を回収する膨張機１３を備えている。膨張機１３に対して並列にバイパス回路２０が接続されている。バイパス回路２０上には、バイパス弁２１が設けられている。膨張機１３の吸入管路には、予減圧弁２２が設けられている。バイパス弁２１の開度は、放熱器１２において加熱されるべき被加熱流体の温度および／または蒸発器１４において冷却されるべき被冷却流体の温度に基づいて制御される。予膨張弁２２の開度は、圧縮機１１から吐出される冷媒の温度または過熱度に基づいて制御される。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍サイクル装置に関し、特に、冷媒の膨張エネルギーを回収する膨張機を用いた冷凍サイクル装置の制御技術に関する。

膨張弁に代えて容積式の膨張機を用いることにより、冷媒の膨張エネルギーを動力として回収し、ＣＯＰ（coefficient of performance）の向上を試みた冷凍サイクル装置が知られている。特許文献１には、シャフトで連結された圧縮機と膨張機とを有する流体機械を用いた冷凍サイクル装置が記載されている。膨張機で回収された動力は、シャフトを介して圧縮機に伝達される。

圧縮機と膨張機とがシャフトで連結されている流体機械においては、圧縮機の回転数と膨張機の回転数が常に同一となる。したがって、圧縮機と膨張機との容積比を変更できる特別な機構が無い限り、圧縮機に吸入される冷媒の密度ＤＣと、膨張機に吸入される冷媒の密度ＤＥとの比（ＤＥ／ＤＣ）が一定となる制約がある。このような制約は、ＣＯＰの向上、冷凍サイクル装置の円滑な運転を妨げる。この問題を解決する目的で、特許文献１の冷凍サイクル装置には、図１８に示すように、膨張機１０３をバイパスするバイパス回路１１２と、膨張機１０３に流入する冷媒を予め膨張させるための予膨張弁１０６とが設けられている。バイパス回路１１２には、バイパス弁１０７が設けられている。予膨張弁１０６およびバイパス弁１０７の開度を制御することにより、より広範な条件で運転が可能となる。

特許文献１の冷凍サイクル装置では、バイパス回路１１２のバイパス弁１０７を全閉または全開にした状態で予膨張弁１０６の開度を制御する方法Ａと、予膨張弁１０６を全閉または全開にした状態でバイパス回路１１２のバイパス弁１０７の開度を制御する方法Ｂとの一方が、運転状態（暖房運転／冷房運転）に応じて採用される。

上記方法Ａや方法Ｂによれば、密度比（ＤＥ／ＤＣ）が一定となる制約を回避できるものの、圧縮機１０１に吸入されるべき冷媒の過熱度が小さくなりすぎたり、冷凍サイクルの高圧を適切に制御できなかったりする可能性がある。過熱度が不足すると圧縮機１０１が液冷媒を吸入する可能性が生じるので、圧縮機１０１の信頼性の観点から好ましくない。また、圧縮機１０１から吐出された冷媒の温度が目標温度に届かなくなる可能性もある。特に、給湯機に適用される冷凍サイクル装置の場合、圧縮機１０１から吐出された冷媒の温度は、湯の沸上温度に直結するため、目標温度に届かないことは許されない。冷凍サイクルの高圧は、ＣＯＰ向上の観点から適切に制御されるべきである。

そこで、特許文献２には、過熱度や冷凍サイクルの高圧を適切に制御できるように改良されたヒートポンプが提案されている。特許文献２のヒートポンプの趣旨は、冷凍サイクルの高圧に基づいてバイパス弁の開度を制御する第１制御と、過熱度に基づいて予膨張弁の開度を制御する第２制御とを交互に実施することにある。
特開２００３−１２１０１８号公報 国際公開第２００６／０６２１９０号パンフレット

バイパス弁の開度制御と予膨張弁の開度制御とを交互に実施する方法は、圧縮機の信頼性を確保しつつＣＯＰを向上させる観点において理想的である。しかしながら、バイパス弁の開度を変更すると冷凍サイクルの状態が変化するので、その変化に追従させる形で予膨張弁の開度も変更する必要性が生ずる。逆に、予膨張弁の開度を変更すると冷凍サイクルの状態が変化するので、その変化に追従させる形でバイパス弁の開度を変更する必要性が生ずる。しかしながら、第１制御および第２制御がともにフィードバック制御の場合には、第１制御と第２制御とが相互に干渉し合い、冷凍サイクル装置の動作安定性が損なわれる可能性がある。

上記事情に鑑み、本発明は、動力回収型冷凍サイクル装置の動作安定性を高め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と、
圧縮機で圧縮された冷媒を冷却する放熱器と、
放熱器で放熱した冷媒を膨張させるとともに、膨張する冷媒から動力を回収する膨張機と、
膨張機で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器と、
放熱器を通過した冷媒が膨張機をバイパスして蒸発器に導かれるように、膨張機の吸入管路に始端が接続され、膨張機の吐出管路に終端が接続されているバイパス回路と、
バイパス回路上に設けられたバイパス弁と、
放熱器において加熱されるべき被加熱流体の温度および／または蒸発器において冷却されるべき被冷却流体の温度に基づくフィードフォワード制御により、バイパス弁の開度を制御するバイパス弁制御器と、
バイパス回路の始端よりも冷媒の流れ方向下流側における膨張機の吸入管路に設けられ、膨張機に吸入されるべき冷媒を減圧する予減圧弁と、
圧縮機から吐出された冷媒の温度または圧縮機に吸入されるべき冷媒の過熱度に基づくフィードバック制御により、予減圧弁の開度を制御する予減圧弁制御器と、
を備えた、冷凍サイクル装置を提供する。

他の側面において、本発明は、
冷媒を圧縮する圧縮機と、
圧縮機で圧縮された冷媒を冷却する放熱器と、
放熱器で放熱した冷媒を膨張させるとともに、膨張する冷媒から動力を回収する膨張機と、
膨張機で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器と、
膨張機と同期回転するように膨張機に接続され、膨張機が回収した動力を電力に変換する発電機と、
圧縮機から吐出された冷媒の温度または圧縮機に吸入されるべき冷媒の過熱度に基づくフィードバック制御により、発電機の回転数を制御する発電機制御器と、
放熱器を通過した冷媒が膨張機をバイパスして蒸発器に導かれるように、膨張機の吸入管路に始端が接続され、膨張機の吐出管路に終端が接続されているバイパス回路と、
バイパス回路上に設けられたバイパス弁と、
放熱器において加熱されるべき被加熱流体の温度および／または蒸発器において冷却されるべき被冷却流体の温度に基づくフィードフォワード制御により、バイパス弁の開度を制御するバイパス弁制御器と、
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の前者においては、被加熱流体の温度および／または被冷却流体の温度に基づくフィードフォワード制御によりバイパス弁の開度が制御され、圧縮機から吐出された冷媒の温度（以下、「吐出温度」という）または圧縮機に吸入されるべき冷媒の過熱度に基づくフィードバック制御により予減圧弁の開度が制御される。例えば、本発明の冷凍サイクル装置が給湯機に適用される場合、被加熱流体は水であり、被冷却流体は外気である。本発明の冷凍サイクル装置が空気調和装置に適用される場合、被加熱流体は内気または外気であり、被冷却流体は外気または内気である。

被加熱流体の温度や被冷却流体の温度（外乱）からバイパス弁の操作量（開度）を定める制御は、フィードフォワード制御となるが、冷凍サイクルの高圧を実用上満足できる精度で制御することが可能である。なぜなら、被加熱流体の温度および／または被冷却流体の温度は、冷凍サイクルの高圧や低圧と密接な関係があるからである。したがって、バイパス弁のフィードフォワード制御により、ＣＯＰを向上させることができる。冷媒回路の圧力を直接測定しないので、圧力センサのような高価な部品が不要という利点もある。一方、吐出温度または過熱度を制御量とするフィードバック制御によれば、吐出温度または過熱度が目標値に一致するように予減圧弁の開度を制御することとなる。

本発明の冷凍サイクル装置の前者によれば、予減圧弁に対しては、冷凍サイクルの変化が反映されるフィードバック制御を適用し、バイパス弁に対しては、冷凍サイクルの変化が反映されないフィードフォワード制御を適用している。したがって、バイパス弁の制御が予減圧弁の制御に影響を及ぼすことはあっても、その逆は起こりえず、冷凍サイクル装置の動作は安定する。このような方法でバイパス弁および予減圧弁の開度制御を実施することにより、圧縮機の信頼性を確保しつつ、ＣＯＰを向上させることができる。また、圧縮機から吐出された冷媒の温度の適正化を図りつつ、ＣＯＰを向上させることができる。

なお、バイパス弁制御器は、被加熱流体の温度および／または被冷却流体の温度に代えて、圧縮機から吐出された冷媒の温度または過熱度に基づくフィードバック制御により、バイパス弁の開度を制御するものであってもよい。この場合において、予減圧弁制御器は、圧縮機から吐出された冷媒の温度または過熱度に代えて、被加熱流体の温度および／または被冷却流体の温度に基づくフィードフォワード制御により、予減圧弁の開度を制御することとなる。つまり、一方の弁にフィードバック制御を適用し、他方の弁にフィードフォワード制御を適用すれば、上述した効果が得られる。

次に、上記本発明の冷凍サイクル装置の後者によれば、被加熱流体の温度および／または被冷却流体の温度に基づいてバイパス弁の開度が制御され、圧縮機から吐出された冷媒の温度（吐出温度）または過熱度に基づいて発電機の回転数が制御される。発電機に対しては、冷凍サイクルの変化が反映されるフィードバック制御を適用し、バイパス弁に対しては、冷凍サイクルの変化が反映されないフィードフォワード制御を適用している。したがって、バイパス弁の制御が発電機の制御に影響を及ぼすことはあっても、その逆は起こりえず、冷凍サイクル装置の動作は安定する。このような方法でバイパス弁の開度制御と発電機の回転数制御とを実施することにより、圧縮機の信頼性を確保しつつ、ＣＯＰを向上させることができる。また、圧縮機から吐出された冷媒の温度の適正化を図りつつ、ＣＯＰを向上させることができる。

なお、本発明の後者は、バイパス弁およびバイパス弁制御器とともに、バイパス回路の始端よりも冷媒の流れ方向下流側における膨張機の吸入管路に設けられ、膨張機に吸入されるべき冷媒を減圧する予減圧弁と、被加熱流体の温度および／または被冷却流体の温度に基づくフィードフォワード制御により、予減圧弁の開度を制御する予減圧弁制御器とを備えていてもよい。このようにしても、上述した効果が得られる。

さらに、本発明の後者は、バイパス弁およびバイパス弁制御器に代えて、膨張機の吸入管路に設けられ、膨張機に吸入されるべき冷媒を減圧する予減圧弁と、被加熱流体の温度および／または被冷却流体の温度に基づくフィードフォワード制御により、予減圧弁の開度を制御する予減圧弁制御器とを備えていてもよい。このようにしても、上述した効果が得られる。

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。以下、本明細書中においては、圧縮機に吸入されるべき冷媒の密度を「圧縮機の吸入密度」、膨張機に吸入されるべき冷媒の密度を「膨張機の吸入密度」、圧縮機から吐出された冷媒の温度を「吐出温度」、圧縮機に吸入されるべき冷媒の温度を「吸入温度」と略記する。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態にかかる冷凍サイクル装置の構成図であり、特に、給湯機に適用された例を示している。図１に示すように、冷凍サイクル装置１００は、冷媒を圧縮する圧縮機１１と、圧縮機１１で圧縮された冷媒を冷却する放熱器１２と、放熱器１２で冷却された冷媒を膨張させるとともに、膨張する冷媒から動力を回収する膨張機１３と、膨張機１３で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器１４とを備えている。圧縮機１１、放熱器１２、膨張機１３および蒸発器１４は、この順番で冷媒が循環するように冷媒配管によって相互に接続されており、冷媒回路Ａを構成している。冷媒回路Ａには、ＣＯ₂などの冷媒が充填されている。実線矢印が冷媒の流れ方向を示している。被加熱流体である水は、放熱器１２において加熱され、給湯回路Ｂに設けられた貯湯タンク１６に貯められる。破線矢印が水（または湯）の流れ方向を示している。

圧縮機１１と、膨張機１３と、圧縮機１１と膨張機１３との間に配置されたモータ１９と、圧縮機１１、膨張機１３およびモータ１９を連結するシャフト１８は、流体機械１０を構成する。圧縮機１１と膨張機１３とは、圧縮機１３を駆動するモータ１９に対して一軸に連結されている。モータ１９がシャフト１８を駆動することにより、圧縮機１１が作動する。膨張機１３は、膨張する冷媒から動力を回収してシャフト１８に与え、モータ１９によるシャフト１８の駆動をアシストする。圧縮機１１と膨張機１３とは、シャフト１８で連結されているので回転数が一致する。圧縮機１１および膨張機１３には、スクロール式、レシプロ式、ロータリ式などの容積式の流体機構を採用できる。シャフト１８は、単一の部品からなっていてもよいし、複数の部品からなっていてもよい。

放熱器１２は、冷媒流路１２ａと水流路１２ｂとを含む水熱交換器である。放熱器１２と貯湯タンク１６との間における水流路１２ｂには、ポンプ１５が設けられている。ポンプ１５は、放熱器１２で冷媒と熱交換するべき水を放熱器１２に送る。ポンプ１５の回転数に応じて、放熱器１２を流通する水の量が変化する。

蒸発器１４は、フィンチューブ型熱交換器に代表される空気熱交換器である。蒸発器１４に隣接する形でファン１７が設けられている。ファン１７は、蒸発器１４で冷媒と熱交換するべき空気（被冷却流体）を蒸発器１４に供給する。ファン１７の回転数に応じて、蒸発器１４を流通する空気の量が変化する。なお、冷凍サイクル装置１００が空気調和装置として利用される場合には、放熱器１２も空気熱交換器で構成され、被加熱流体が室内または室外の空気となる。

冷凍サイクル装置１００は、さらに、放熱器１２を通過した冷媒の一部または全部が膨張機１３をバイパスして蒸発器１４に導かれるように、膨張機１３の吸入管路に始端ＦＥが接続され、膨張機１３の吐出管路に終端ＤＥが接続されたバイパス回路２０を備えている。バイパス回路２０上には、開度を調整可能なバイパス弁２１が配置されている。バイパス回路２０の始端ＦＥよりも冷媒の流れ方向下流側における膨張機１３の吸入管路には、開度を調整可能な予減圧弁２２が設けられている。

バイパス弁２１は、バイパス回路２０を流通する冷媒を断熱膨張させるとともに、開度を制御することによりバイパス回路２０を流通する冷媒の量を増減できる流量調整弁でありうる。予減圧弁２２は、膨張機１３に吸入されるべき冷媒を断熱膨張させるとともに、開度を制御することにより膨張機１３に吸入される冷媒の流量を増減できる流量調整弁でありうる。バイパス弁２１および予減圧弁２２は、全閉のときは冷媒の通過を遮断する一方、全開のときは冷媒を膨張させることなく通過させる機能を持った流量調整弁であり、このような流量調整弁として、一般的な電動膨張弁を用いることができる。図２のモリエル線図に示すように、冷媒は、予減圧弁２２において点ｂから点ｃに等エンタルピー膨張し、膨張機１３において点ｃから点ｄに等エントロピー膨張する。点ｃと点ｄのエンタルピー差Ｗが回収動力に相当する。バイパス回路２０を経由する冷媒は、点ｂから点ｇまで等エンタルピー膨張する。

冷凍サイクル装置１００は、バイパス弁２１の開度を制御する制御器としてバイパス弁制御器４１を備え、予減圧弁２２の開度を制御する制御器として予減圧弁制御器４２を備え、それらの制御器４１，４２に命令（制御信号）を与える制御器として主制御器４３を備えている。バイパス弁制御器４１および予減圧弁制御器４２は、それぞれ、主制御器４３に接続されている。主制御器４３には、各種温度センサ３０〜３４の検知信号が入力される。ユーザーによる操作信号や温度センサ３０〜３４の検知信号に基づき、主制御器４３は、バイパス弁制御器４１および予減圧弁制御器４２に予め定められた命令を与える。また、主制御器４３は、図示しないモータ制御器（インバータユニット）に命令を与え、モータ１９の回転数を制御する。

主制御器４３に検知信号を送る温度センサ３０〜３４は、外気温度センサ３０、入水温度センサ３１、吐出温度センサ３２、蒸発温度センサ３３および吸入温度センサ３４を含む。外気温度センサ３０は、蒸発器１４の風上に配置されており、ファン１７によって蒸発器１４に送られる空気の温度Ｔａ、つまり、外気温度Ｔａを計測する。入水温度センサ３１は、放熱器１２の入口近傍の水流路１２ｂに配置されており、ポンプ１５によって放熱器１２に送られる水の温度Ｔｇ、つまり、入水温度Ｔｇを計測する。吐出温度センサ３２は、圧縮機１１と放熱器１２との間における冷媒回路上に配置されており、圧縮機１１から吐出された冷媒の温度Ｔｄ（吐出温度Ｔｄ）を計測する。蒸発温度センサ３３は、蒸発器１４の冷媒流路上に配置されており、冷媒の蒸発温度Ｔｅを計測する。蒸発温度Ｔｅを外気温度Ｔａから推定する場合には、蒸発温度センサ３３を省略してもよい。また、蒸発器１４の風下に温度センサを設け、蒸発器１４で冷却された空気の温度から蒸発温度Ｔｅを推定するようにしてもよい。吸入温度センサ３４は、蒸発器１４と圧縮機１１との間における冷媒回路上に配置されており、圧縮機１１に吸入されるべき冷媒の温度Ｔｓ（吸入温度Ｔｓ）を計測する。吸入温度Ｔｓから蒸発温度Ｔｅを減じた値は、冷凍サイクルの過熱度ＳＨに一致する。主制御器４３は、これらの温度センサ３０〜３４の検知信号を必要に応じて取得する。

なお、図１においては、主制御器４３、バイパス弁制御器４１および予減圧弁制御器４２を別々のブロックで記述しているが、このことは、各制御器が独立した部品であることを必ずしも意味しない。各制御器が実現するべき機能は、複数の制御器に兼用されるマイクロコンピュータまたはＤＳＰ（digital signal processor）によって提供されるものであってもよい。つまり本明細書において、「制御器」という用語は、物理的な構成に限定解釈されるものではなく、コンピュータプログラムによって実現されるべき機能を特定するものとしても用いられる。場合によっては、マイクロコンピュータを含まない論理回路によって各制御器が構成されていてもよいし、マイクロコンピュータと論理回路の組み合わせによって各制御器が構成されていてもよい。

次に、冷凍サイクル装置１００の運転時の動作について説明する。冷凍サイクル装置１００の運転開始契機の発生に応じて、主制御器４３は、各種検知値を用いてモータ１９の目標回転数を算出する。各種検知値としては、外気温度Ｔａ、入水温度Ｔｇ、沸上温度などを例示することができる。沸上温度は、貯湯タンクに貯めるべき湯の温度の目標値であり、例えば、使用者が選択する使用可能湯量や季節に応じて設定される。主制御器４３で算出された目標回転数は、モータ１９を駆動するためのインバータユニット（図示せず）に与えられる。インバータユニットは、与えられた目標回転数でモータ１９が動作するように、モータ１９への給電を制御する。

さらに、主制御器４３は、上述した各種検知値を用いてバイパス弁２１および予減圧弁２２の開度を算出する。算出された目標開度は、各制御器４１，４２に与えられる。バイパス弁制御器４１は、与えられた目標開度となるようにバイパス弁２１を制御する。予減圧弁制御器４２は、与えられた目標開度となるように予減圧弁２２を制御する。バイパス弁２１および予減圧弁２２の開度制御の詳細は後述する。

図２に示すように、圧縮機１１で圧縮された冷媒は、点ａで示される高温高圧状態となる。ＣＯ₂冷媒の場合、冷凍サイクルの高圧は臨界圧力を超える。ただし、本発明は、冷凍サイクルの高圧側で超臨界状態とならない冷媒にも適用されうる。点ａの冷媒は、放熱器１２の冷媒流路１２ａを流れる際に、水流路１２ｂを流れる水に放熱し、点ａから点ｂまで冷却される。放熱器１２から流出した冷媒は、予減圧弁２２で点ｂから点ｃまで減圧された後に、膨張機１３に吸入される。

膨張機１３に吸入された冷媒は、さらに膨張し、点ｄで示される低温低圧の気液二相状態となる。膨張機１３で回収された冷媒の膨張時の圧力エネルギーは、シャフト１８の回転力に変換され、モータ１９の負荷を軽減する。冷媒の膨張時の圧力エネルギーを動力として回収し、圧縮機１１の補助動力として利用することにより、冷凍サイクル装置１００のＣＯＰが向上する。バイパス弁２１が開状態である場合には、一部の冷媒がバイパス回路２０に流れ、バイパス弁２１で点ｂから点ｇへと等エンタルピー膨張し、膨張機１３で膨張した冷媒と合流する。

膨張機１３およびバイパス弁２１で膨張した冷媒は、蒸発器１４に送られる。蒸発器１４において、冷媒は、ファン１７によって送り込まれた空気によって加熱され、乾き度の大きい気液二相または気相に変化する。点ｅと点ｆとの温度差である過熱度ＳＨが所定値（例えば５Ｋ）となるように、予減圧弁２２および／またはバイパス弁２１の開度制御を行うことができる。蒸発器１４を流出した冷媒は、再び、圧縮機１１に吸入される。

給湯回路Ｂでは、ポンプ１５の働きにより貯湯タンク１６の底部から放熱器１２の流体流路１２ｂへ送られた水が、放熱器１２の冷媒流路１２ａを流れる冷媒により加熱され、高温の湯となる。湯は、貯湯タンク１６の頂部から貯められる。このようなサイクルを繰り返すことにより、冷凍サイクル装置１００は、給湯機として利用できる。

次に、バイパス弁２１および予減圧弁２２の開度制御について詳しく説明する。本実施形態の制御方法では、吐出温度Ｔｄ、外気温度Ｔａおよび入水温度Ｔｇの検知結果に基づいて、バイパス弁２１および予減圧弁２２の開度制御を行う。高価かつ耐久性が低い圧力センサを使用しないので、コスト低減に有利であるとともに信頼性も高い。さらに、バイパス弁２１および予減圧弁２２から選ばれる一方の弁の制御にフィードバック制御を適用し、他方の弁の制御にフィードフォワード制御を適用する。これにより、一方の弁の制御と他方の弁の制御との相互干渉を回避し、冷凍サイクル装置１００の動作安定性を高めている。

＜第１の制御方法＞
運転開始契機を取得することを条件として、主制御器４３は、図３のフローチャートに示す制御を実行する。給湯機においては、例えば、貯湯タンク１６の湯量が一定レベルよりも低下することが運転開始契機となる。空気調和装置であれば、ユーザーによって運転スイッチがオンされることが運転開始契機となる。

運転開始時において、主制御器４３は、バイパス弁２１および予減圧弁２２を予め定められた始動開度に調節する始動制御を行う。その後、冷凍サイクルが安定すると、主制御器４３は、バイパス弁２１および予減圧弁２２を、外気温度Ｔａおよび入水温度Ｔｇに基づいて予め定められた初期開度に調節する初期化処理を行う。例えば、中間期（春秋）・低入水温度条件において、第１の制御方法では、バイパス弁２１の初期開度はゼロ、つまり、バイパス弁２１を全閉とし、バイパス回路２０に冷媒を流さないようにしている。予減圧弁２２の開度は、ＣＯＰが最高になると予測される初期開度に調節する。言い換えれば、予減圧弁２２をこのような初期開度とすることにより、中間期（春秋）・低入水温度条件において、最高のＣＯＰが得られるように、圧縮機１１と膨張機１３との容積比等の設計値が定められているものとする。

さらに、予減圧弁２２の開度は、圧縮機１１の吐出温度Ｔｄが適切な値となるように、Ｓ１〜Ｓ５の処理で調節される。このようにすれば、必要な吐出温度Ｔｄを確保しつつ、ＣＯＰを向上させることができる。

予減圧弁２２の初期開度について詳しく説明する。本実施形態の冷凍サイクル装置１００のＣＯＰは、外気温度Ｔａ（言い換えれば季節条件）および入水温度Ｔｇ（言い換えれば貯湯タンク１６に貯められた湯の温度分布状態）に大きく左右されることが分かっている。そこで、バイパス回路２０の流量がゼロ、かつ必要な加熱能力を確保することができる圧縮機１１の運転条件（例えばモータ１９の回転数で６０Ｈｚ）で、外気温度Ｔａと、入水温度Ｔｇと、ＣＯＰが最高となる予減圧弁２２の初期開度との対応関係を実験や計算機シミュレーションで予め調査するとともに、調査結果をデータベースの形でＲＯＭなどの記憶装置に格納しておく。必要に応じて記憶装置にアクセスし、外気温度Ｔａおよび入水温度Ｔｇを検索キーとして用いてデータベースを参照することにより、主制御器４３は、ＣＯＰが最高になると予測される予減圧弁２２の初期開度を直ちに見出すことが可能となる。データベースは、入水温度Ｔｇおよび／または外気温度Ｔａと、ＣＯＰが最高になると予測される初期開度との対応関係を表したものであってもよい。データベースに代えて、入水温度Ｔｇおよび／または外気温度Ｔａを入力変数とする演算式を制御プログラムに組み込んでもよい。この初期開度は、暫定的な開度であってもよい。なぜなら、予減圧弁２２の開度は、吐出温度Ｔｄを制御量とするフィードバック制御で微調整するからである。

予減圧弁２２の開度を初期開度に合わせた後、主制御器４３は、吐出温度センサ３２の検知信号を取得して吐出温度Ｔｄを見出す（Ｓ１）。次に、目標吐出温度と、実際の吐出温度Ｔｄとが一致するかどうかを判断する（Ｓ２）。目標吐出温度は、吐出温度Ｔｄの目標値であり、主として、貯湯タンク１６に貯めるべき湯の温度（沸上温度）に応じて定められる。給湯機においては、使用者が選択する使用可能湯量や季節に応じて設定される沸上温度（例えば、最大使用可能湯量かつ冬期の条件で９０℃）まで水を加熱する必要がある。また、目標吐出温度は、外気温度Ｔｄや入水温度Ｔｇに応じて、ＣＯＰを向上させる目的で補正されうる。したがって、本実施形態において、目標吐出温度は、（沸上温度＋１０Ｋ＋入水温度Ｔｄや外気温度Ｔｇに応じた補正値）に設定される。また、目標吐出温度に一定の幅を持たせる、つまり、不感帯を設定することにより、予減圧弁２２の開閉が必要以上に行われることを回避できる。

なお、空気調和装置を想定した場合、圧縮機１１の吐出温度Ｔｄは暖房時における室内機の吹き出し温度に影響するが、給湯機における吐出温度Ｔｄほどの厳密性は要求されない。したがって、空気調和装置における目標吐出温度は、外気温度や内気温度に応じて、ＣＯＰが最高になると予測される値に定められるものであってもよい。

実際の吐出温度Ｔｄが目標吐出温度に一致しない場合、Ｓ３に進み、目標吐出温度と実際の吐出温度Ｔｄとの大小を比較する。目標吐出温度と実際の吐出温度Ｔｄとの偏差に基づいて予減圧弁２２の操作量を算出する。予減圧弁２２の操作量は、例えば公知のＰＩ制御により算出することができる。実際の吐出温度Ｔｄが目標吐出温度よりも小さい場合、Ｓ４に進み、予減圧弁制御器４２に対し、予減圧弁２２の開度を縮小するべき旨の制御信号を出力する。予減圧制御器４２は、制御信号の取得に応じて、予減圧弁２２の開度を縮小する制御を行う。予減圧弁２２の開度を縮小すると、膨張機１３の吸入密度が小さくなり、吐出温度Ｔｄが上昇する。

膨張機１３の吸入密度が小さくなると、吐出温度Ｔｄが上昇する理由について説明する。

圧縮機１１の吸入容積（押しのけ容積）をＶＣ、圧縮機１１の吸入密度をＤＣ、圧縮機１１の単位時間あたりの回転数をＲＣ、膨張機１３の吸入容積（押しのけ容積）をＶＥ、膨張機１３の吸入密度をＤＥ、膨張機１３の単位時間あたりの回転数をＲＥとする。バイパス回路２０の流量がゼロの場合、圧縮機１１と膨張機１３の質量流量は等しいので、ＶＣ×ＤＣ×ＲＣ＝ＶＥ×ＤＥ×ＲＥ、すなわち、（ＶＣ／ＶＥ）×（ＲＣ／ＲＥ）＝（ＤＥ／ＤＣ）という関係が成立する。

容積比（ＶＣ／ＶＥ）は流体機械１０の設計値である。流体機械１０において、圧縮機１１の回転数ＲＣと膨張機１３の回転数ＲＥは常に等しい。したがって、密度比（ＤＥ／ＤＣ）が常に一定となるように冷凍サイクルがバランスする。膨張機１３の吸入密度ＤＥの低下にともなって、圧縮機１１の吸入密度ＤＣも低下する。圧縮機１１の吸入密度ＤＣが低下すると、圧縮機１１の吸入温度Ｔｓが上昇し、結果として、吐出温度Ｔｄが上昇する。

図３に戻って説明を続ける。実際の吐出温度Ｔｄが目標吐出温度を超えている場合、Ｓ５に進み、予減圧弁制御器４２に対し、予減圧弁２２の開度を拡大するべき旨の制御信号を出力する。予減圧制御器４２は、制御信号の取得に応じて、予減圧弁２２の開度を拡大する制御を行う。予減圧弁２２の開度を拡大すると、吐出温度Ｔｄは低下する。

しかしながら、膨張機１３の吸入密度ＤＥが非常に小さい状況下（主に夏期）では、予減圧弁２２の開度が全開となり、それ以上、膨張機１３の吸入密度ＤＥを予減圧弁２２で調整できなくなる可能性がある。膨張機１３の吸入密度ＤＥが過小になると、吐出温度Ｔｄを適正な範囲に保つことが困難となるので好ましくない。したがって、そのような状況を考慮し、予減圧弁２２の制御と併せて、図４のフローチャートで示されるバイパス弁２１の制御を実行する。

図４に示すフローチャートのＳ１１において、主制御器４３は、外気温度センサ３０の検知信号を取得して外気温度Ｔａを見出す。Ｓ１２において、入水温度センサ３１の検知信号を取得して入水温度Ｔｇを見出す。Ｓ１３において、外気温度Ｔａおよび入水温度Ｔｇに基づき、ＣＯＰが最高になると予測されるバイパス弁２１の開度（目標開度）を算出する。外気温度Ｔａおよび入水温度Ｔｇから選ばれる一方のみに基づいて、バイパス弁２１の目標開度を算出してもよい（他の方法でも同様とする）。バイパス弁２１の目標開度を算出するための演算式は、予減圧弁２２の初期開度の場合と同様の手法で準備することができる。例えば、予減圧弁２２を全開とする条件で、入水温度Ｔｇ（および／または外気温度Ｔａ）と、ＣＯＰと、バイパス弁２１の開度との対応関係を実験やシミュレーションで調査し、調査結果に基づいて、バイパス弁２１の開度を算出するための演算式を策定することができる。

図５Ａは、冷凍サイクル装置１００の任意の運転条件おける、膨張機１３の吸入密度ＤＥと外気温度Ｔａとの関係を示している。図５Ｂは、膨張機１３の吸入密度ＤＥと入水温度Ｔｇとの関係を示している。図５Ａから分かるように、外気温度Ｔａが高くなるにつれて、膨張機１３の吸入密度ＤＥは小さくなる。図５Ｂから分かるように、入水温度Ｔｇが高くなるにつれて、膨張機１３の吸入密度ＤＥは小さくなる。

さらに、膨張機１３の吸入密度ＤＥとバイパス回路２０の流量との間には、次のような関係がある。バイパス回路２０の単位時間あたりの質量流量をＧｂとすると、ＶＣ×ＤＣ×ＲＣ＝ＶＥ×ＤＥ×ＲＥ−Ｇｂ、すなわち、（ＶＣ／ＶＥ）×（ＲＣ／ＲＥ）＝（ＤＥ／ＤＣ）−Ｇｂ／（ＶＥ×ＲＥ×ＤＣ）という関係が成立する。先に説明したように、（ＶＣ／ＶＥ）は設計値であり、ＲＣ＝ＲＥである。したがって、（ＤＥ／ＤＣ）−Ｇｂ／（ＶＥ×ＲＥ×ＤＣ）が常に一定となるように冷凍サイクルがバランスする。バイパス回路２０の流量Ｇｂをゼロよりも大きくすれば、外気温度Ｔａおよび入水温度Ｔｇが高く、膨張機１３の吸入密度ＤＥが小さい場合（主に夏期）であっても、冷凍サイクルのバランスが保たれ、円滑な運転を実現することができる。つまり、予減圧弁２２を全開にしなければならないほど膨張機１３の吸入密度ＤＥが小さい場合には、バイパス弁２１を開いてバイパス回路２０に冷媒を流せば、必要な吐出温度Ｔｄを確保できるとともに、ＣＯＰの低減を抑制できる。

図５Ａによれば、膨張機１３の吸入密度ＤＥが過小になることと、外気温度Ｔａが所定温度よりも高くなることとは、等価であると考えることができる。また、図５Ｂによれば、膨張機１３の吸入密度ＤＥが過小になることと、入水温度Ｔｇが所定温度よりも高くなることとは、等価であると考えることができる。したがって、バイパス弁２１を開放する制御は、（ａ）外気温度Ｔａが所定温度ＴＨ１よりも高い場合、（ｂ）入水温度Ｔｇが所定温度ＴＨ２よりも高い場合、もしくは、（ｃ）外気温度Ｔａが所定温度ＴＨ１よりも高く、かつ入水温度Ｔｇが所定温度ＴＨ２よりも高い場合、に実施されるようにしてもよい。

すなわち、外気温度Ｔａ（被冷却流体の温度）が所定温度ＴＨ１を超えること、および／または、入水温度Ｔｇ（被加熱流体の温度）が所定温度ＴＨ２を超えることを条件として、バイパス弁制御器４１により、バイパス弁２１の開度を、それらの条件を満たす前の開度（例えば全閉）よりも拡大する制御が行われるようにしてもよい。

例えば、図６Ａに示すように、外気温度Ｔａが所定温度ＴＨ１以下の場合にはバイパス弁２１の開度をゼロ（全閉）に保持し、外気温度Ｔａが所定温度ＴＨ１を超えたらバイパス弁２１を開放し、外気温度Ｔａの上昇に応じてバイパス弁２１の開度を拡大する制御を行う。つまり、外気温度Ｔａが高いほど、バイパス弁２１の開度を大きくする。あるいは、図６Ｂに示すように、入水温度Ｔｇが所定温度ＴＨ２以下の場合にはバイパス弁２１の開度をゼロ（全閉）に保持し、入水温度Ｔｇが所定温度ＴＨ２を超えたらバイパス弁２１を開放し、入水温度Ｔｇの上昇に応じてバイパス弁２１の開度を拡大する制御を行うようにしてもよい。つまり、入水温度Ｔｇが高いほどバイパス弁２１の開度を大きくする。さらに、外気温度Ｔａと入水温度Ｔｇの和が所定値ＴＨ３を超えた場合に、バイパス弁２１を開放する制御を行うようにしてもよい。所定温度ＴＨ１，ＴＨ２は、予減圧弁２２の開度がほぼ全開となるときの値として、実験またはシミュレーションにて予め求めておくことができる。

なお、図６Ａおよび図６Ｂは、バイパス弁２１の開度が連続的に変化することを必ずしも意味しない。例えば、ステップモータで開度を制御する電動膨張弁をバイパス回路２１として用いる場合、開度の変化は、図６Ａ，図６Ｂのような連続的にならず、段階的になる。このことは、予減圧弁２２（図１２Ａ，図１２Ｂ参照）にも当てはまる。

図４に戻って説明を続ける。バイパス弁２１の目標開度を算出した後、バイパス弁２１の現在の開度が目標開度に一致するかどうかを判断する（Ｓ１４）。一致しない場合、主制御器４３は、バイパス弁制御器４１に対し、バイパス弁２１の開度を目標開度に一致させるべき旨の制御信号を出力する（Ｓ１５）。バイパス弁制御器４１は、制御信号の取得に応じて、バイパス弁２１の開度を目標開度に調節する制御を行う。

バイパス回路２０に冷媒を流すと、冷凍サイクルが変化し、吐出温度Ｔｄも変化するが、図３のフローチャートに示す予減圧弁２２の開度制御により、吐出温度Ｔｄは適正値に保たれる。予減圧弁２２の開度制御と、バイパス弁２１の開度制御とを順次実行することにより、適正な吐出温度Ｔｄを得るとともに、ＣＯＰを向上させることができる。図３および図４に示す開度制御を必要に応じて、または定期的に実行することにより、バイパス弁２１および予減圧弁２２の開度は、常に適正開度に保たれる。

なお、外気温度Ｔａは、蒸発器１４に流入する冷媒温度で代用してもよい。また、入水温度Ｔｇは放熱器１２に流入する冷媒温度で代用してもよい。これらの冷媒温度は、少なからず冷凍サイクルの影響を受けるパラメータであり、これらを用いた制御は厳密にはフィードフォワード制御とはならない。しかしながら、吐出温度Ｔｄや過熱度ＳＨと比較すると、これらの冷媒温度に対する冷凍サイクルの影響は鈍感である。このため、これらの冷媒温度を用いた制御が、吐出温度Ｔｄや過熱度ＳＨを用いた制御と相互に干渉し合い、冷凍サイクル装置の動作安定性が損なわれる可能性は小さい。

また、予減圧弁２２の現在の開度が全開となった場合、または最大開度に接近した場合（例えば最大開度の９０％）に、バイパス弁２１の開度を一定量拡大し、バイパス回路２０に一部の冷媒を流すという簡便な方法でも、一定の効果が得られる。

＜第２の制御方法＞
第２の制御方法は、予減圧弁２２の開度制御を、吐出温度Ｔｄに代えて、過熱度ＳＨに基づいて行う点で、第１の制御方法と相違する。過熱度ＳＨを用いているので、予減圧弁２２の開度制御がフィードバック制御となる点については変わりがない。第２の制御方法にかかるフローチャートを図７に示す。

主制御器４３は、まず、吸入温度センサ３４の検知信号を取得して吸入温度Ｔｓを見出す（Ｓ２１）。次に、蒸発温度センサ３３の検知信号を取得して蒸発温度Ｔｅを見出す（Ｓ２２）。吸入温度Ｔｓから蒸発温度Ｔｅを減じることにより、過熱度ＳＨを算出する（Ｓ２３）。

次に、算出した実際の過熱度ＳＨが目標過熱度に一致するかどうかを判断する（Ｓ２４）。目標過熱度は、ＣＯＰの向上および液圧縮防止を両立できるように、例えば５Ｋ程度に設定されている。目標過熱度には、±１Ｋ程度の幅（不感帯）を持たせておくとよい。実際の過熱度ＳＨが目標過熱度に一致しない場合、Ｓ２５に進み、実際の過熱度ＳＨと目標過熱度との大小を比較する。目標過熱度と実際の過熱度ＳＨとの偏差に基づいて予減圧弁２２の操作量を算出する。

実際の過熱度ＳＨが目標過熱度よりも小さい場合、Ｓ２６に進み、予減圧弁制御器４２に対し、予減圧弁２２の開度を縮小するべき旨の制御信号を出力する。予減圧制御器４２は、制御信号の取得に応じて、予減圧弁２２の開度を縮小する制御を行う。予減圧弁２２の開度を縮小すると、膨張機１３の吸入密度ＤＥが小さくなり、過熱度ＳＨが上昇する。

一方、実際の過熱度ＳＨが目標過熱度よりも大きい場合、Ｓ２７に進み、予減圧弁制御器４２に対し、予減圧弁２２の開度を拡大するべき旨の制御信号を出力する。予減圧制御器４２は、制御信号の取得に応じて、予減圧弁２２の開度を拡大する制御を行う。予減圧弁２２の開度を拡大すると、膨張機１３の吸入密度ＤＥが大きくなり、過熱度ＳＨが低下する。

過熱度ＳＨは、冷凍サイクルの変化に極めて敏感に反応するので、過熱度ＳＨをフィードバックすることにより、冷凍サイクルの変化に迅速に対応することが可能である。なお、バイパス弁２１の開度制御ついては、第１の制御方法で説明した通りであり、こちらについてはフィードフォワード制御が適用される。

＜第３の制御方法＞
第３の制御方法は、外気温度Ｔａや入水温度Ｔｇに基づいてバイパス弁２１の開度制御を行い、吐出温度Ｔｄに基づいて予減圧弁２２の開度制御を行う点、すなわち、予減圧弁２２の開度制御がフィードバック制御、バイパス弁２１の開度制御がフィードフォワード制御となる点については、第１の制御方法と共通である。しかしながら、バイパス弁２１の開度が変更された後、一定期間、予減圧弁２２の開度制御を、外気温度Ｔａや入水温度Ｔｇに基づいた制御、すなわち、フィードフォワード制御とする点で、第１の制御方法と相違する。第３の制御方法にかかるフローチャートを図８に示す。

図８のフローチャートのＳ３１〜Ｓ３５では、先に説明した図４のフローチャートのＳ１１〜Ｓ１５と同じ処理を行う。主制御器４３は、外気温度Ｔａおよび入水温度Ｔｇに基づいて、ＣＯＰが最高になると予測されるバイパス弁２１の開度を算出し、算出結果をバイパス弁制御器４１に出力する。バイパス弁制御器４１は、バイパス弁２１の開度を、ＣＯＰが最高になると予測される目標開度に調節する制御を行う。図６Ａ，図６Ｂを参照して先に説明したように、外気温度Ｔａが所定温度ＴＨ１以下および／または入水温度Ｔｇが所定温度ＴＨ２以下の場合には、バイパス弁２１の目標開度はゼロ（全閉）となる。

バイパス弁２１の開度を調節した後、Ｓ３６において、予減圧弁２２の目標開度を算出する。予減圧弁２２の開度は、必要な吐出温度Ｔｄが確保されるようにＳ３８〜Ｓ４２の処理で微調整するので、Ｓ３６で算出するべき目標開度は、暫定的な開度であってもよい。予減圧弁２２の目標開度としては、第１の制御方法で説明した初期開度を採用することができる。主制御器４３は、外気温度Ｔａおよび／または入水温度Ｔｇに基づき、ＣＯＰが最高となると予測される予減圧弁２２の目標開度（初期開度）を算出し、予減圧弁制御器４２に対し、予減圧弁２２の開度を目標開度に調節するべき旨の制御信号を出力する。予減圧弁制御器４２は、予減圧弁２２の開度を目標開度に調節する制御を行う。

Ｓ３４において、バイパス弁２１の開度が目標開度に一致すると判断した場合には、Ｓ３８〜Ｓ４２の処理を行う。Ｓ３８〜Ｓ４２では、図３のフローチャートのＳ１〜Ｓ５と同じ処理を行う。

第３の制御方法の効果を、第１の制御方法との対比として、図９Ａおよび図９Ｂを用いて説明する。図９Ａおよび図９Ｂは、それぞれ、バイパス弁２１の開度変化、予減圧弁２２の開度変化、および吐出温度Ｔｄの変化を時間軸に沿って模式的に示している。図９Ａのように、第１の制御方法では、バイパス弁２１の開度が変更された時刻Ａ以降も、予減圧弁２２は時刻Ａ以前と同様に、フィードバック制御されている。そのため、吐出温度Ｔｄが大きく変化して、初めて、予減圧弁２２の開度は、吐出温度Ｔｄが目標吐出温度となるように変更される。

これに対し、第３の制御方法では、図９Ｂのように、バイパス弁２１の開度が変更された時刻Ａ’の直後において、予減圧弁２２は、外気温度Ｔａおよび／または入水温度Ｔｇに基づき、バイパス弁２１の開度が変更されたことによる吐出温度Ｔｄの変化を見越して設定された予減圧弁２２の目標開度（例えば初期開度）に変更される（図８のフローチャートのＳ３４〜Ｓ３７）。その後、予減圧弁２２の制御は、再び時刻Ａ’以前と同様に、フィードバック制御に戻ることとなる（図８のフローチャートのＳ３８〜Ｓ４２）。

すなわち、バイパス弁制御器４１によりバイパス弁２１の開度を変更する制御が行われた場合、予減圧弁制御器４２は、外気温度Ｔａおよび／または入水温度Ｔｇに基づくフィードフォワード制御により、予減圧弁２２の開度を修正する制御を行うことができる。吐出温度Ｔｄが大きく変化する前に、予減圧弁２２の開度を変更することで、バイパス弁２１の開度が変更された時刻Ａ’から吐出温度Ｔｄが再び目標吐出温度となる時刻Ｂ’までの時間を短縮でき、ひいては冷凍サイクル装置１００の動作安定性が高まる。なお、図８のフローチャートによると、Ｓ３６〜Ｓ３７の処理は、Ｓ３５の処理の直後に１回のみ実行されるようになっているが、例えば、時刻Ａ’から一定期間が経過するまで複数回行われるようにしてもよい。

＜第４の制御方法＞
第４の制御方法は、バイパス弁２１の開度制御にフィードバック制御を適用し、予減圧弁２２の開度制御にフィードフォワード制御を適用する点で、第１〜第３の制御方法と相違する。第４の制御方法にかかるフローチャートを図１０に示す。なお、バイパス弁２１および予減圧弁２２の開度は、それぞれ、外気温度Ｔａおよび入水温度Ｔｇに基づいて予め定められた初期開度に合わされるものとする。例えば、中間期（春秋）・低入水温度条件において、バイパス弁２１の初期開度を開度２０％とし、予減圧弁２２の初期開度を開度１００％（全開）とすることができる。このような初期開度とすることにより、中間期（春秋）・低入水温度条件において、最高のＣＯＰが得られるように、圧縮機１１と膨張機１３との容積比等の設計値が定められているものとする。

図１０のフローチャートに示すように、主制御器４３は、吐出温度センサ３２の検知信号を取得して吐出温度Ｔｄを見出す（Ｓ５１）。次に、目標吐出温度と、実際の吐出温度Ｔｄとが一致するかどうかを判断する（Ｓ５２）。目標吐出温度は、第１の制御方法で説明したように、吐出温度Ｔｄの目標値であり、例えば、前述の沸上温度に応じて定められる。

実際の吐出温度Ｔｄが目標吐出温度に一致しない場合、Ｓ５３に進み、目標吐出温度と実際の吐出温度Ｔｄとの大小を比較する。目標吐出温度と実際の吐出温度Ｔｄとの偏差に基づいてバイパス弁２１の操作量を算出する。実際の吐出温度Ｔｄが目標吐出温度よりも小さい場合、Ｓ５４に進み、バイパス弁制御器４１に対し、バイパス弁２１の開度を縮小するべき旨の制御信号を出力する。バイパス弁制御器４１は、制御信号の取得に応じて、バイパス弁２１の開度を縮小する制御を行う。バイパス弁２１の開度を縮小すると、膨張機１３に吸入される冷媒の流量が増加し、吐出温度Ｔｄが上昇する。

膨張機１３に流入する冷媒の流量が増加すると、吐出温度Ｔｄが上昇する理由について説明する。

先に説明したように、バイパス回路２０の単位時間あたりの質量流量をＧｂとすると、ＶＣ×ＤＣ×ＲＣ＝ＶＥ×ＤＥ×ＲＥ−Ｇｂ、すなわち、（ＶＣ／ＶＥ）×（ＲＣ／ＲＥ）＝（ＤＥ−Ｇｂ／（ＶＥ×ＲＥ））／ＤＣという関係が成立する。（ＶＣ／ＶＥ）は設計値であり、ＲＣ＝ＲＥである。したがって、（ＤＥ−Ｇｂ／（ＶＥ×ＲＥ））／ＤＣが常に一定となるように冷凍サイクルがバランスする。膨張機１３に流入する冷媒の流量が増加する、すなわち、バイパス回路２０を流通する冷媒の流量Ｇｂが減少すると、圧縮機１１の吸入密度ＤＣが低下する。圧縮機１１の吸入密度ＤＣが低下すると、圧縮機１１の吸入温度Ｔｓが上昇し、結果として、吐出温度Ｔｄが上昇する。

図１０に戻って説明を続ける。実際の吐出温度Ｔｄが目標吐出温度を超えている場合、Ｓ５５に進み、バイパス弁制御器４１に対し、バイパス弁２１の開度を拡大するべき旨の制御信号を出力する。バイパス弁制御器４１は、制御信号の取得に応じて、バイパス弁２１の開度を拡大する制御を行う。バイパス弁２１の開度を拡大すると、吐出温度Ｔｄは低下する。

しかしながら、膨張機１３の吸入密度ＤＥが非常に大きい状況下（主に冬期）では、バイパス弁２１が全閉となり、それ以上、膨張機１３に流入する冷媒の流量を増加させることができなくなる。したがって、そのような状況を考慮し、バイパス弁２１の制御と併せて、図１１のフローチャートで示される予膨張弁２２の制御を実行する。これにより、吐出温度Ｔｄの適正化を図るとともに、ＣＯＰの低下を抑制する。

図１１に示すフローチャートのＳ６１において、主制御器４３は、外気温度センサ３０の検知信号を取得して外気温度Ｔａを見出す。Ｓ６２において、入水温度センサ３１の検知信号を取得して入水温度Ｔｇを見出す。Ｓ６３において、外気温度Ｔａおよび入水温度Ｔｇに基づき、ＣＯＰが最高になると予測される予減圧弁２２の開度（目標開度）を算出する。予減圧弁２２の目標開度を算出するための演算式は、次のようにして準備しておくことができる。例えば、バイパス弁２１を全閉とする条件で、入水温度Ｔｇ（および／または外気温度Ｔａ）と、ＣＯＰと、予減圧弁２２の開度との対応関係を実験やシミュレーションで調査し、調査結果に基づいて、予減圧弁２２の開度を算出するための演算式を策定することができる。こうした点は、第１の制御方法で説明したように、バイパス弁２１の目標開度を算出する場合と共通である。

図５Ａ，図５Ｂで説明したように、膨張機１３の吸入密度ＤＥは、外気温度Ｔａおよび入水温度Ｔｇが高くなるにつれて小さくなる。さらに、冷凍サイクルのバランスは、（ＤＥ−Ｇｂ／（ＶＥ×ＲＥ））／ＤＣが常に一定となるように保たれる。したがって、バイパス弁２１が全閉でバイパス回路２０の流量Ｇｂがゼロであったとしても、予減圧弁２２の開度を縮小し、膨張機１３の吸入密度ＤＥを小さくすれば、外気温度Ｔａおよび入水温度Ｔｇが低い状況下（例えば冬期条件）においても、円滑な運転を実現することができる。つまり、バイパス弁２１を全閉にしなければならないほど膨張機１３の吸入密度ＤＥが大きい場合には、予減圧弁２２を絞ることにより、必要な吐出温度Ｔｄを確保しつつ、ＣＯＰを向上させることができる。

図５Ａによれば、膨張機１３の吸入密度ＤＥが過大になることと、外気温度Ｔａが所定温度よりも低くなることとは、等価であると考えることができる。また、図５Ｂによれば、膨張機１３の吸入密度ＤＥが過大になることと、入水温度Ｔｇが所定温度よりも低くなることとは、等価であると考えることができる。したがって、予減圧弁２２の開度を縮小する制御は、（ａ）外気温度Ｔａが所定温度ＴＬ１よりも低い場合、（ｂ）入水温度Ｔｇが所定温度ＴＬ２よりも低い場合、もしくは、（ｃ）外気温度Ｔａが所定温度ＴＬ１よりも低く、かつ入水温度Ｔｇが所定温度ＴＬ２よりも低い場合、に実施されるようにしてもよい。

すなわち、外気温度Ｔａ（被冷却流体の温度）が所定温度ＴＬ１を下回ること、および／または、入水温度Ｔｇ（被加熱流体の温度）が所定温度ＴＬ２を下回ることを条件として、予減圧弁制御器４２により、予減圧弁２２の開度を、それらの条件を満たす前の開度（例えば全開）よりも縮小する制御が行われるようにしてもよい。例えば、図１２Ａに示すように、外気温度Ｔａが所定温度ＴＬ１以上の場合には予減圧弁２２を全開（開度１００％）とし、外気温度Ｔａが所定温度ＴＬ１を下回ったら予減圧弁２２を閉方向に操作し、外気温度Ｔａの低下に応じて予減圧弁２２の開度を縮小する制御を行う。あるいは、図１２Ｂに示すように、入水温度Ｔｇが所定温度ＴＬ２以上の場合には予減圧弁２２を全開（開度１００％）とし、入水温度Ｔｇが所定温度ＴＬ２を下回ったら予減圧弁２２を閉方向に操作し、入水温度Ｔｇの低下に応じて予減圧弁２２の開度を縮小する制御を行う。さらに、外気温度Ｔａと入水温度Ｔｇの和が所定値ＴＬ３を下回った場合に、予減圧弁２２の開度を縮小する制御を行うようにしてもよい。

なお、所定温度ＴＬ１，ＴＬ２は、バイパス弁２１の開度がほぼ全閉となるときの値として、実験またはシミュレーションにて予め求めるとよい。

図１１に戻って説明を続ける。予減圧弁２２の目標開度を算出した後、予減圧弁２２の現在の開度が目標開度に一致するかどうかを判断する（Ｓ６４）。一致しない場合、主制御器４３は、予減圧弁制御器４２に対し、予減圧弁２２の開度を目標開度に一致させるべき旨の制御信号を出力する（Ｓ６５）。予減圧弁制御器４２は、制御信号の取得に応じて、予減圧弁２２の開度を目標開度に調節する制御を行う。

予減圧弁２２の開度を変更すると、冷凍サイクルが変化し、吐出温度Ｔｄも変化するが、図１０のフローチャートに示すバイパス弁２１の開度制御により、吐出温度Ｔｄは適正値に保たれる。バイパス弁２１の開度制御と、予減圧弁２２の開度制御とを順次実行することにより、適正な吐出温度Ｔｄを得ながら、ＣＯＰの向上させることができる。図１０および図１１に示す開度制御を必要に応じて、または定期的に実行することにより、バイパス弁２１および予減圧弁２２の開度は、常に適正開度に保たれる。

なお、バイパス弁２１の開度制御は、吐出温度Ｔｄに代えて、過熱度ＳＨに基づいて行うようにしてもよい。

また、バイパス弁２１の開度が全閉となった場合、または全閉に接近した場合（例えば最大開度の１０％）に、予減圧弁２２の開度を一定量縮小するという簡便な方法でも、一定の効果が得られる。

＜第５の制御方法＞
第５の制御方法は、外気温度Ｔａや入水温度Ｔｇに基づいて予減圧弁２２の開度制御を行い、吐出温度Ｔｄに基づいてバイパス弁２１の開度制御を行う点、すなわち、バイパス弁２１の開度制御がフィードバック制御、予減圧弁２２の開度制御がフィードフォワード制御となる点については、第４の制御方法と共通である。しかし、予減圧弁２２の開度が変更された後、一定期間、バイパス弁２１の開度制御を、外気温度Ｔａや入水温度Ｔｇに基づいた制御、すなわち、フィードフォワード制御とする点で、第４の制御方法と相違する。第５の制御方法にかかるフローチャートを図１３に示す。

図１３のフローチャートのＳ７１〜Ｓ７５では、先に説明した図１１のフローチャートのＳ６１〜Ｓ６５と同じ処理を行う。外気温度Ｔａおよび入水温度Ｔｇに基づき、予減圧弁制御器４２は、予減圧弁２２の開度を、ＣＯＰが最高になると予測される目標開度に調節する制御を行う。図１２Ａ，図１２Ｂを参照して先に説明したように、外気温度Ｔａが所定温度ＴＬ１以上および／または入水温度Ｔｇが所定温度ＴＬ２以上の場合には、予減圧弁２２の目標開度は全開となる。

予減圧弁２２の開度を調節した後、Ｓ７６において、バイパス弁２１の目標開度を算出する。バイパス弁２１の目標開度としては、第４の制御方法で説明した初期開度（例えば開度２０％）を採用することができる。主制御器４３は、外気温度Ｔａおよび／または入水温度Ｔｇに基づき、ＣＯＰが最高となると予測されるバイパス弁２１の目標開度（初期開度）を算出し、バイパス弁制御器４１に対し、バイパス弁２１の開度を目標開度に調節するべき旨の制御信号を出力する。バイパス弁制御器４１は、バイパス弁２１の開度を目標開度に調節する制御を行う。

このように、予減圧弁制御器４２により予減圧弁２２の開度を変更する制御が行われた後、一定期間（本実施形態では１回の制御ループ）、外気温度Ｔｄおよび／または入水温度Ｔｇに基づくフィードフォワード制御により、バイパス弁２１の開度を修正する制御が行われるようにしてもよい。第５の制御方法の効果は、図９Ａおよび図９Ｂで説明した第３の制御方法の効果と同様である。すなわち、バイパス弁２１は、外気温度Ｔａおよび／または入水温度Ｔｇに基づき、予減圧弁２２の開度が変更されたことによる吐出温度Ｔｄの変化を見越して設定されたバイパス弁２１の目標開度（初期開度）に変更される。これにより、吐出温度Ｔｄが目標吐出温度に収束するまでの時間を短縮でき、ひいては冷凍サイクル装置１００の動作安定性が高まる。

Ｓ７４において、予減圧弁２２の開度が目標開度に一致すると判断した場合には、Ｓ７８〜Ｓ８２の処理を行う。Ｓ７８〜Ｓ８２では、図１０のフローチャートのＳ５１〜Ｓ５５と同じ処理を行う。

以上に説明した第１〜第５の制御方法によれば、一方の弁の開度制御にフィードバック制御を適用し、他方の弁の開度制御にフィードフォワード制御を適用するので、２つの弁の開度制御の相互干渉を防ぐことができ、ひいては冷凍サイクル装置１００の動作安定性が高まる。また、圧縮機１１の吐出温度Ｔｄを保証することにより、水などの被加熱流体を放熱器１２で必要な温度まで確実に加熱することができる。吐出温度Ｔｄを確保しつつＣＯＰを向上させることができるので、冷凍サイクル装置１００のランニングコストも低廉となりうる。過熱度ＳＨを保証することにより、液圧縮が防止され、圧縮機１１の信頼性も高まる。また、バイパス弁２１の開度制御および予減圧弁２２の開度制御の両方をフィードバック系で構成する場合に比べ、簡単なアルゴリズムでプログラムを構築できるため、マイクロコンピュータなどの制御手段の低コスト化、ひいては冷凍サイクル装置１００の低コスト化を期待できる。

（第２実施形態）
図１４は、第２実施形態にかかる冷凍サイクル装置の構成図である。本実施形態の冷凍サイクル装置１１０は、圧縮機１１の回転数と膨張機１３の回転数とを独立して制御可能であるという点で、第１実施形態と相違する。図１４において、第１実施形態と共通の要素には同一符号を用いている。

図１４に示すように、圧縮機１１とモータ１９とがシャフト２５により連結されている。膨張機１３と発電機２７とがシャフト２６により連結されている。圧縮機１１はモータ１９と同期回転し、膨張機１３は発電機２７と同期回転する。膨張機１３により、膨張する冷媒から回収された動力は、発電機２７によって電力に変換される。発電機２７で生成された電力は、モータ１９の給電ラインに回生され、モータ１９の消費電力の一部として利用される。これにより、冷凍サイクル装置１１０のＣＯＰが向上する。

冷凍サイクル装置１１０は、さらに、モータ１９の回転数を制御するモータ制御器５１と、発電機２７の回転数を制御する発電機制御器５２とを備えている。モータ制御器５１は、直流を三相交流に変換するインバータユニットであり、ＭＯＳＦＥＴのような半導体スイッチング素子と、それら半導体スイッチング素子のオンオフを制御するためのマイクロコンピュータとを含む。主制御器４３からモータ制御器５１にモータ１９の目標回転数が与えられる。モータ制御器５１は、モータ１９の回転数が与えられた目標回転数に追従するように、例えばＰＷＭ（Pulse Width Modulation）技術により、半導体スイッチング素子のオンオフを制御する。発電機制御器５２は、発電機２７の三相交流を直流に変換するコンバータユニットであり、その構成や機能はモータ制御器５１と概ね同じであり、主制御器４３から与えられた目標回転数で発電機２７を駆動する。

圧縮機１１の回転数と膨張機１３の回転数とを独立して制御可能な場合、回転数の比を変化させることにより、圧縮機１１の吸入密度ＤＣと、膨張機１３の吸入密度ＤＥとの比（ＤＥ／ＤＣ）を自由に調節することが可能である。したがって、バイパス弁２１や予減圧弁２２が本質的には不要であると考えられる。しかしながら、現実には、圧縮機１１や膨張機１３の回転数を変更できる範囲は狭く、回転数の比の変更だけでは、運転条件の変化に対応しきれない可能性がある。

例えば、近年急速に需要が拡大している埋込永久磁石同期モータは、図１６の模式図に示すように、回転数によって効率が大きく変化することが知られている。モータの効率低下はＣＯＰの低下に直結するので、最大効率が発揮される回転数Ｆoptに近い回転数での駆動が望ましい。したがって、このようなモータを本実施形態におけるモータ１９や発電機２７に使用する場合、ＣＯＰ向上の観点においては回転数を広範に変更するべきでない。

また、ホール素子やレゾルバのような位置センサを使用しないセンサレス制御を行う場合には、巻線に生ずる誘起電圧を検出することによってロータの位置を把握する方法が一般的であるが、回転数が低いと誘起電圧の変化を捉えきれず、脱調する可能性が高くなる。そのため、センサレス制御によって駆動されるモータの回転数には、安定した回転を維持できる下限値Ｆminが設定されているのが通常であり、設定された下限値Ｆminを下回るような領域での使用は信頼性が保証されていない。逆に、モータ１９や発電機２７の回転数が高くなりなりすぎると、圧縮機１１や膨張機１３の構成部品にダメージが及ぶ可能性があるので、通常、モータ１９や発電機２７の回転数には上限値Ｆmaxが設定される。また、放熱器１２の加熱能力を保証するには、冷凍サイクルの質量流量を確保すること、つまり、圧縮機１１の回転数をある程度高くすることが不可欠となる。

こうした事情があるので、回転数の比の変更によって、想定しうる全ての運転条件をカバーできるかというと、必ずしもそうではない。ゆえに、圧縮機１１と膨張機１３の回転数の比を変更可能な冷凍サイクル装置１１０であっても、第１実施形態で説明したように、バイパス弁２１や予減圧弁２２の助けを借りて、必要な吐出温度Ｔｄを確保しつつ、ＣＯＰを向上させることが望ましい。

次に、バイパス弁２１および予減圧弁２２の開度制御、ならびに膨張機１３の回転数制御について詳しく説明する。本実施形態の制御方法では、外気温度Ｔａおよび／または入水温度Ｔｇの検知結果に基づいて、バイパス弁２１および／または予減圧弁２２の開度制御を行い、吐出温度Ｔｄまたは過熱度ＳＨに基づいて、膨張機１３の回転数制御を行う。つまり、弁２１，２２の開閉制御にフィードフォワード制御を適用し、膨張機１３の回転数制御にフィードバック制御を適用する。これにより、弁２１，２２の開度制御と、膨張機１３の回転数制御との相互干渉を回避し、冷凍サイクル装置１１０の動作安定性を高めている。以下、３通りの制御方法（i）（ii）（iii）について説明する。

＜制御方法（i）＞
この制御方法では、予減圧弁２２を常に全開とする。すなわち、予減圧弁２２が設けられていないものと考えて、バイパス弁２１の開度制御と膨張機１３の回転数制御とを行う。運転開始契機を取得することを条件として、主制御器４３は、必要な冷媒流量が得られるような回転数で圧縮機１１を動作させるために、モータ制御器５１に目標回転数を与える。さらに、ＣＯＰが最高になると予測される回転数で膨張機１３を動作させるために、外気温度Ｔａおよび／または入水温度Ｔｇに基づいて、膨張機１３の目標回転数を算出し、算出した目標回転数（制御信号）を発電機制御器５２に与える。また、バイパス弁２１の初期開度をゼロ（全閉）とするべき旨の制御信号をバイパス弁制御器４１に出力する。もちろん、バイパス弁２１の初期開度はゼロでなくてもよい。

次に、図１５のフローチャートに示す制御を実行する。主制御器４３は、吐出温度センサ３２の検知信号を取得して吐出温度Ｔｄを見出す（Ｓ９１）。次に、目標吐出温度と、実際の吐出温度Ｔｄとが一致するかどうかを判断する（Ｓ９２）。目標吐出温度は、第１実施形態で説明したように、沸上温度等の運転条件に応じて定められる。

実際の吐出温度Ｔｄが目標吐出温度に一致しない場合、Ｓ９３に進み、目標吐出温度と実際の吐出温度Ｔｄとの大小を比較する。目標吐出温度と実際の吐出温度Ｔｄとの偏差に基づいて膨張機１３の目標回転数を算出する。実際の吐出温度Ｔｄが目標吐出温度よりも小さい場合、Ｓ９４に進み、算出した目標回転数を発電機制御器５２に与えることにより、膨張機１３の回転数を減少させる。膨張機１３の回転数が減少すると、吐出温度Ｔｄが上昇する。

膨張機１３の回転数が減少すると、吐出温度Ｔｄが上昇する理由について説明する。

バイパス回路２０の流量をゼロとすると、圧縮機１１の吸入容積ＶＣと、圧縮機１１の吸入密度ＤＣと、圧縮機１１の単位時間あたりの回転数ＲＣと、膨張機１３の吸入容積ＶＥと、膨張機１３の吸入密度ＤＥと、膨張機１３の単位時間あたりの回転数ＲＥとの間には、（ＶＣ／ＶＥ）＝（ＤＥ／ＤＣ）×（ＲＥ／ＲＣ）という関係が成立する。これについては、第１実施形態で説明した通りである。

容積比（ＶＣ／ＶＥ）は設計値なので、（ＤＥ／ＤＣ）×（ＲＥ／ＲＣ）が常に一定となるように冷凍サイクルがバランスする。圧縮機１１の回転数ＲＣを変化させずに、膨張機１３の回転数ＲＥを減少させると、圧縮機１１の吸入密度ＤＣが低下する。圧縮機１１の吸入密度ＤＣが低下すると、圧縮機１１の吸入温度Ｔｓが上昇し、結果として、吐出温度Ｔｄが上昇する。

図１５に戻って説明を続ける。実際の吐出温度Ｔｄが目標吐出温度を超えている場合、Ｓ９５に進み、算出した目標回転数を発電機制御器５２に与えることにより、膨張機１３の回転数を増加させる。膨張機１３の回転数が増加すると、吐出温度Ｔｄは低下する。

ところで、膨張機１３の回転数を変更できる範囲が、膨張機１３や発電機２７の信頼性および効率を考慮して予め定められた範囲に限定される場合、膨張機１３の吸入密度ＤＥが非常に小さい状況下（主に夏期）では、適正な吐出温度Ｔｄが得られなかったり、ＣＯＰが大幅に低下したりする可能性がある。

したがって、そのような状況を考慮し、膨張機１３の回転数制御と併せて、図４のフローチャートで示されるバイパス弁２１の開度制御を実行し、バイパス回路２０に一部の冷媒を流すとよい。例えば、バイパス弁２１が全閉の状態で膨張機１３の回転数が上限値Ｆ２に到達した場合に、バイパス弁２１を開放する。入水温度Ｔｇおよび／または外気温度Ｔａが高くなるにつれて、バイパス弁２１の開度を拡大する。膨張機１３の回転数が上限値Ｆ２に達することに代えて、外気温度Ｔａが所定温度ＴＨ１を超えた場合、および／または、入水温度Ｔｇが所定温度ＴＨ２を超えた場合に、バイパス弁２１を開放するようにしてもよい。こうした点については、第１実施形態において、図６Ａおよび図６Ｂを参照して説明した通りである。

このように、発電機制御器５２は、圧縮機１１の吐出温度Ｔｄが目標吐出温度よりも高い場合に、発電機２７の回転数を増加させる制御を行う。発電機２７の回転数を上限値Ｆ２よりも大きくすることなく、吐出温度Ｔｄを目標吐出温度に近づけるために、バイパス弁制御器４１は、（ａ）発電機２７の回転数が所定の上限値Ｆ２に到達すること、（ｂ）外気温度Ｔａが所定温度ＴＨ１を超えること、（ｃ）入水温度Ｔｇが所定温度ＴＨ２を超えること、から選ばれる少なくとも１つの条件が満足された場合に、バイパス弁２１の開度を、それらの条件を満たす前の開度よりも拡大する制御を行う。これにより、適正な吐出温度Ｔｄを得つつ、ＣＯＰの向上を図ることができる。

また、図１５のフローチャートにおいて、吐出温度Ｔｓに代えて、過熱度ＳＨを制御量として用いるようにしてもよい。

なお、膨張機１３の回転数やバイパス弁の開度が変更された場合であっても、圧縮機１１の回転数を変更させないことが望ましい。すなわち、モータ制御器５１は、吐出温度Ｔｄが目標吐出温度に一致するように膨張機１３の回転数が変更された場合と、バイパス弁２１の開度が変更された場合との、いずれの場合においても、変更の前後にわたってモータ１９の回転数、ひいては圧縮機１１の回転数を一定に保つ。圧縮機１１の回転数を一定に保つと、変数が膨張機１３の回転数とバイパス弁２１の開度に限られるので、制御が容易化するとともに、冷凍サイクル装置１１０の動作安定性が高まる。

＜制御方法（ii）＞
本制御方法（ii）においては、バイパス弁２１を使用せず（常に全閉）、予減圧弁２２の開度制御と、膨張機１３の回転数制御とを行う。予減圧弁２２の初期開度は、開度１００％（全開）であるものとする。

膨張機１３の回転数を変更できる範囲が、膨張機１３や発電機２７の信頼性および効率を考慮して予め定められた範囲に限定される場合、膨張機１３の吸入密度ＤＥが非常に大きい状況下（主に冬期）で円滑な運転が行えず、ＣＯＰが大幅に低下する可能性がある。

したがって、そのような状況を考慮し、膨張機１３の回転数制御と併せて、図１１のフローチャートで示される予減圧弁２２の開度制御を実行するとよい。例えば、予減圧弁２２が全開の状態で膨張機１３の回転数が下限値Ｆ１まで減少した場合に、予減圧弁２２の開度を縮小し始める。入水温度Ｔｇおよび／または外気温度Ｔａが低くなるにつれて、予減圧弁２２の開度を縮小する。膨張機１３の回転数が下限値Ｆ１まで低下することに代えて、外気温度Ｔａが所定温度ＴＬ１を下回った場合、および／または、入水温度Ｔｇが所定温度ＴＬ２を下回った場合に、予減圧弁２２の開度を縮小するようにしてもよい。こうした点については、第１実施形態において、図１２Ａおよび図１２Ｂを参照して説明した通りである。

このように、発電機制御器５１は、圧縮機１１の吐出温度Ｔｄが目標吐出温度よりも低い場合に、発電機２７の回転数を減少させる制御を行う。発電機２７の回転数を下限値Ｆ１よりも小さくすることなく、吐出温度Ｔｄを目標吐出温度に近づけるために、予減圧弁制御器４２は、（ａ）発電機２７の回転数が所定の下限値Ｆ１まで減少すること、（ｂ）外気温度Ｔａが所定温度ＴＬ１を下回ること、（ｃ）入水温度Ｔｇが所定温度ＴＬ２を下回ること、から選ばれる少なくとも１つの条件が満足された場合に、予膨張弁２２の開度を、それらの条件を満たす前の開度よりも縮小する制御を行う。これにより、適正な吐出温度Ｔｄを得つつ、ＣＯＰの向上を図ることができる。

また、制御方法（i）と同様に、吐出温度Ｔｓに代えて、過熱度ＳＨに基づいて発電機２７の回転数を制御するようにしてもよい。

＜制御方法（iii）＞
本制御方法（iii）においては、バイパス弁２１の開度制御と、予減圧弁２２の開度制御と、膨張機１３の回転数制御とを行う。バイパス弁２１および予減圧弁２２の２つの弁を用いることにより、より広範囲な運転条件に対応できる、言い換えれば、より大きい気温変化や入水温度変化に対応できる冷凍サイクル装置を提供することが可能となる。

図１７のフローチャートのＳ１０１〜Ｓ１０５では、先に説明した図４のフローチャートのＳ１１〜Ｓ１５と同じ処理を行う。主制御器４３は、外気温度Ｔａおよび入水温度Ｔｇに基づいて、ＣＯＰが最高になると予測されるバイパス弁２１の開度を算出し、算出結果をバイパス弁制御器４１に出力する。バイパス弁制御器４１は、バイパス弁２１の開度を、ＣＯＰが最高になると予測される目標開度に調節する制御を行う。図６Ａ，図６Ｂを参照して先に説明したように、外気温度Ｔａが所定温度ＴＨ１以下および／または入水温度Ｔｇが所定温度ＴＨ２以下の場合には、バイパス弁２１の目標開度はゼロ（全閉）とすることができる。

バイパス弁２１の開度を調節した後、Ｓ１０６において、膨張機１０３の目標回転数を算出する。膨張機１３の目標回転数は、必要な吐出温度Ｔｄが確保されるようにＳ１１１〜Ｓ１１５の処理で微調整するので、Ｓ１０６で算出するべき目標回転数は、暫定的な回転数であってもよい。そのような目標回転数は、例えば、外気温度Ｔａおよび／または入水温度Ｔｇに応じて予め定めておくことができる。主制御器４３は、外気温度Ｔａおよび／または入水温度Ｔｇに基づき、ＣＯＰが最高となると予測される膨張機１３の目標回転数（初期回転数）を算出し、算出した目標回転数を発電機制御器５２に与える。発電機制御器５２は、与えられた目標回転数で発電機２７を駆動する。

このように、バイパス弁制御器４１によりバイパス弁２１の開度を変更する制御が行われた場合、一定期間（本実施形態では１回の制御ループ）、外気温度Ｔｄおよび／または入水温度Ｔｇに基づくフィードフォワード制御により、発電機２７の回転数を修正する制御が行われるとよい（Ｓ１０６，Ｓ１０７）。これにより、吐出温度Ｔｄが目標吐出温度に収束するまでの時間を短縮でき、冷凍サイクル装置１１０の動作安定性が高まる。

Ｓ１０４において、バイパス弁２１の開度が目標開度に一致すると判断した場合には、Ｓ１０８〜Ｓ１１０の処理を行う。Ｓ１０８〜Ｓ１１０では、図１１のフローチャートのＳ６３〜Ｓ６５と同じ処理を行う。すなわち、主制御器４３は、外気温度Ｔａおよび／または入水温度Ｔｇに基づき、ＣＯＰが最高となると予測される予減圧弁２２の目標開度を算出し、算出結果を予減圧弁制御器４２に出力する。予減圧弁制御器４２は、予減圧弁２２の開度を、ＣＯＰが最高になると予測される目標開度に調節する制御を行う。図１２Ａ，図１２Ｂを参照して先に説明したように、外気温度Ｔａが所定温度ＴＬ１以上および／または入水温度Ｔｇが所定温度ＴＬ２以上の場合には、予減圧弁２２の目標開度は１００％（全開）とすることができる。

このように、予減圧弁制御器４２により予減圧弁２２の開度を変更する制御が行われた場合、一定期間（本実施形態では１回の制御ループ）、外気温度Ｔｄおよび／または入水温度Ｔｇに基づくフィードフォワード制御により、発電機２７の回転数を修正する制御が行われるとよい（Ｓ１０６，Ｓ１０７）。これにより、吐出温度Ｔｄが目標吐出温度に収束するまでの時間を短縮でき、冷凍サイクル装置１１０の動作安定性が高まる。

Ｓ１０９において、予減圧弁２１の開度が目標開度に一致すると判断した場合には、Ｓ１１１〜Ｓ１１５の処理を行う。Ｓ１１１〜Ｓ１１５では、図１５のフローチャートのＳ９１〜Ｓ９５と同じ処理を行う。もちろん、吐出温度Ｔｄに代えて、過熱度ＳＨを制御量として用いてもよい。

図１７に示す開度制御を必要に応じて、または定期的に実行することにより、バイパス弁２１および予減圧弁２２の開度は、常に適正開度に保たれ、膨張機１３の回転数も常に適正な回転数に保たれる。これにより、適正な吐出温度Ｔｄを得るとともに、ＣＯＰを向上させることができる。

以上に説明した制御方法（i）（ii）（iii）によれば、弁２１，２２の開度制御にフィードフォワード制御を適用し、膨張機１３の回転数制御にフィードバック制御を適用するので、弁２１，２２の開度制御と膨張機１３の回転数制御との相互干渉を防ぐことができ、ひいては冷凍サイクル装置１００の動作安定性が高まる。また、圧縮機１１の吐出温度Ｔｄを保証することにより、水などの被加熱流体を放熱器１２で必要な温度まで確実に加熱することができる。吐出温度Ｔｄを確保しつつＣＯＰを向上させることができるので、冷凍サイクル装置１００のランニングコストも低廉となりうる。弁２１，２２の開度制御をフィードフォワード制御とすることにより、マイクロコンピュータなどの制御手段の低コスト化、ひいては冷凍サイクル装置１００の低コスト化を期待できる。

本発明の第１実施形態にかかる冷凍サイクル装置の構成図 冷凍サイクルを示すモリエル線図 第１の制御方法にかかる予減圧弁の制御フローチャート 第１の制御方法にかかるバイパス弁の制御フローチャート 膨張機の吸入密度と外気温度Ｔａとの関係を示す模式図 膨張機の吸入密度と入水温度Ｔｇとの関係を示す模式図 第１の制御方法におけるバイパス弁の開度と外気温度Ｔａとの関係を示す模式図 第１の制御方法におけるバイパス弁の開度と入水温度Ｔｇとの関係を示す模式図 第２の制御方法にかかる予減圧弁の制御フローチャート 第３の制御方法にかかるバイパス弁および予減圧弁の制御フローチャート 予減圧弁の制御を常時フィードバック制御とする場合の吐出温度の推移を示すタイムチャート 予減圧弁の制御に一時的にフィードフォワード制御を取り入れた場合の吐出温度の推移を示すタイムチャート 第４の制御方法にかかるバイパス弁の制御フローチャート 第４の制御方法にかかる予減圧弁の制御フローチャート 第４の制御方法における予減圧弁の開度と外気温度Ｔａとの関係を示す模式図 第４の制御方法における予減圧弁の開度と入水温度Ｔｇとの関係を示す模式図 第５の制御方法にかかるバイパス弁および予減圧弁の制御フローチャート 第２実施形態にかかる冷凍サイクル装置の構成図 膨張機の制御フローチャート 回転数と効率との関係を示す模式図 バイパス弁、予減圧弁および膨張機の制御フローチャート 従来の冷凍サイクル装置の構成図

符号の説明

１１ 圧縮機
１２ 放熱器
１３ 膨張機
１４ 蒸発器
１９ モータ
２０ バイパス回路
２１ バイパス弁
２２ 予減圧弁
２７ 発電機
４１ バイパス弁制御器
４２ 予減圧弁制御器
４３ 主制御器
５１ モータ制御器
５２ 発電機制御器
１００，１１０ 冷凍サイクル装置

Claims (16)

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、
   前記放熱器で放熱した冷媒を膨張させるとともに、膨張する冷媒から動力を回収する膨張機と、
   前記膨張機で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器と、
   前記放熱器を通過した冷媒が前記膨張機をバイパスして前記蒸発器に導かれるように、前記膨張機の吸入管路に始端が接続され、前記膨張機の吐出管路に終端が接続されているバイパス回路と、
   前記バイパス回路上に設けられたバイパス弁と、
   前記放熱器において加熱されるべき被加熱流体の温度および／または前記蒸発器において冷却されるべき被冷却流体の温度に基づくフィードフォワード制御により、前記バイパス弁の開度を制御するバイパス弁制御器と、
   前記バイパス回路の前記始端よりも冷媒の流れ方向下流側における前記膨張機の前記吸入管路に設けられ、前記膨張機に吸入されるべき冷媒を減圧する予減圧弁と、
   前記圧縮機から吐出された冷媒の温度または前記圧縮機に吸入されるべき冷媒の過熱度に基づくフィードバック制御により、前記予減圧弁の開度を制御する予減圧弁制御器と、
   を備えた、冷凍サイクル装置。
2. 前記バイパス弁制御器は、前記被加熱流体の温度が所定温度を超えること、および／または、前記被冷却流体の温度が所定温度を超えることを条件として、前記バイパス弁の開度を拡大する制御を行う、請求項１記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記バイパス弁制御器により前記バイパス弁の開度を変更する制御が行われた場合、前記予減圧弁制御器は、一定期間、前記被加熱流体の温度および／または前記被冷却流体の温度に基づくフィードフォワード制御により、前記予減圧弁の開度を修正する制御を行う、請求項１記載の冷凍サイクル装置。
4. 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、
   前記放熱器で放熱した冷媒を膨張させるとともに、膨張する冷媒から動力を回収する膨張機と、
   前記膨張機で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器と、
   前記放熱器を通過した冷媒が前記膨張機をバイパスして前記蒸発器に導かれるように、前記膨張機の吸入管路に始端が接続され、前記膨張機の吐出管路に終端が接続されているバイパス回路と、
   前記バイパス回路上に設けられたバイパス弁と、
   前記圧縮機から吐出された冷媒の温度または前記圧縮機に吸入されるべき冷媒の過熱度に基づくフィードバック制御により、前記バイパス弁の開度を制御するバイパス弁制御器と、
   前記バイパス回路の前記始端よりも冷媒の流れ方向下流側における前記膨張機の前記吸入管路に設けられ、前記膨張機に吸入されるべき冷媒を減圧する予減圧弁と、
   前記放熱器において加熱されるべき被加熱流体の温度および／または前記蒸発器において冷却されるべき被冷却流体の温度に基づくフィードフォワード制御により、前記予減圧弁の開度を制御する予減圧弁制御器と、
   を備えた、冷凍サイクル装置。
5. 前記予減圧弁制御器は、前記被加熱流体の温度が所定温度を下回ること、および／または、前記被冷却流体の温度が所定温度を下回ることを条件として、前記予減圧弁の開度を縮小する制御を行う、請求項４記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記予減圧弁制御器により前記予減圧弁の開度を変更する制御が行われた場合、前記バイパス弁制御器は、一定期間、前記被加熱流体の温度および／または前記被冷却流体の温度に基づくフィードフォワード制御により、前記バイパス弁の開度を修正する制御を行う、請求項４記載の冷凍サイクル装置。
7. 前記圧縮機と前記膨張機とが、前記圧縮機を駆動するモータに対して一軸に連結されている、請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
8. 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、
   前記放熱器で放熱した冷媒を膨張させるとともに、膨張する冷媒から動力を回収する膨張機と、
   前記膨張機で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器と、
   前記膨張機と同期回転するように前記膨張機に接続され、前記膨張機が回収した動力を電力に変換する発電機と、
   前記圧縮機から吐出された冷媒の温度または前記圧縮機に吸入されるべき冷媒の過熱度に基づくフィードバック制御により、前記発電機の回転数を制御する発電機制御器と、
   前記放熱器を通過した冷媒が前記膨張機をバイパスして前記蒸発器に導かれるように、前記膨張機の吸入管路に始端が接続され、前記膨張機の吐出管路に終端が接続されているバイパス回路と、
   前記バイパス回路上に設けられたバイパス弁と、
   前記放熱器において加熱されるべき被加熱流体の温度および／または前記蒸発器において冷却されるべき被冷却流体の温度に基づくフィードフォワード制御により、前記バイパス弁の開度を制御するバイパス弁制御器と、
   を備えた、冷凍サイクル装置。
9. 前記発電機制御器は、前記圧縮機から吐出された冷媒の温度が目標吐出温度よりも高い場合に、前記発電機の回転数を増加する制御を行う一方、
   前記発電機の回転数が所定の上限値に到達すること、前記被加熱流体の温度が所定温度を超えること、および、前記被冷却流体の温度が所定温度を超えること、から選ばれる少なくとも１つの条件が満足された場合に、前記バイパス弁制御器は、前記バイパス弁の開度を拡大する制御を行う、請求項８記載の冷凍サイクル装置。
10. 前記バイパス弁制御器により前記バイパス弁の開度を変更する制御が行われた場合、前記発電機制御器は、一定期間、前記被加熱流体の温度および／または前記被冷却流体の温度に基づくフィードフォワード制御により、前記発電機の回転数を修正する制御を行う、請求項８記載の冷凍サイクル装置。
11. 前記バイパス回路の前記始端よりも冷媒の流れ方向下流側における前記膨張機の前記吸入管路に設けられ、前記膨張機に吸入されるべき冷媒を減圧する予減圧弁と、
    前記放熱器において加熱されるべき被加熱流体の温度および／または前記蒸発器において冷却されるべき被冷却流体の温度に基づくフィードフォワード制御により、前記予減圧弁の開度を制御する予減圧弁制御器と、
    をさらに備えた、請求項１０記載の冷凍サイクル装置。
12. 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、
    前記放熱器で放熱した冷媒を膨張させるとともに、膨張する冷媒から動力を回収する膨張機と、
    前記膨張機で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器と、
    前記膨張機と同期回転するように前記膨張機に接続され、前記膨張機が回収した動力を電力に変換する発電機と、
    前記圧縮機から吐出された冷媒の温度または前記圧縮機に吸入されるべき冷媒の過熱度に基づくフィードバック制御により、前記発電機の回転数を制御する発電機制御器と、
    前記膨張機の吸入管路に設けられ、前記膨張機に吸入されるべき冷媒を減圧する予減圧弁と、
    前記放熱器において加熱されるべき被加熱流体の温度および／または前記蒸発器において冷却されるべき被冷却流体の温度に基づくフィードフォワード制御により、前記予減圧弁の開度を制御する予減圧弁制御器と、
    を備えた、冷凍サイクル装置。
13. 前記発電機制御器は、前記圧縮機から吐出された冷媒の温度が目標吐出温度よりも低い場合に、前記発電機の回転数を減少させる制御を行う一方、
    前記発電機の回転数が所定の下限値まで減少すること、前記被加熱流体の温度が所定温度を下回ること、および、前記被冷却流体の温度が所定温度を下回ること、から選ばれる少なくとも１つの条件が満足された場合に、前記予減圧弁制御器は、前記予膨張弁の開度を縮小する制御を行う、請求項１２記載の冷凍サイクル装置。
14. 前記予減圧弁制御器により前記予減圧弁の開度を変更する制御が行われた場合、前記発電機制御器は、一定期間、前記被加熱流体の温度および／または前記被冷却流体の温度に基づくフィードフォワード制御により、前記発電機の回転数を修正する制御を行う、請求項１２記載の冷凍サイクル装置。
15. 前記放熱器を通過した冷媒が前記膨張機をバイパスして前記蒸発器に導かれるように、前記膨張機の吸入管路に始端が接続され、前記膨張機の吐出管路に終端が接続されているバイパス回路と、
    前記バイパス回路上に設けられたバイパス弁と、
    前記被加熱流体の温度および／または前記被冷却流体の温度に基づくフィードフォワード制御により、前記バイパス弁の開度を制御するバイパス弁制御器と、
    をさらに備えた、請求項１４記載の冷凍サイクル装置。
16. 前記放熱器が、冷媒と水とを熱交換させるための水熱交換器であり、前記蒸発器が、空気の熱で冷媒を蒸発させるための空気熱交換器であり、前記被加熱流体が、前記水熱交換器で加熱されるべき水であり、前記被冷却流体が、前記空気熱交換器に送り込まれる空気である、給湯機として構成された、請求項１ないし請求項１５のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。

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