JP4581795B2 - 冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、膨張機構を有する冷凍装置に関し、特に、膨張機構で動力を回収するようにした冷凍装置に係るものである。

従来より、特許文献１に開示されているように、冷凍サイクルを行う冷媒回路に膨張機を設け、該膨張機において、冷媒から動力を回収するようにしているものがある。この膨張機で高圧冷媒から回収された動力は、軸などを介して圧縮機へ伝えられ、圧縮機を駆動するために利用される。

冷媒回路は閉回路であるため、単位時間当たりに圧縮機を通過する冷媒の質量と膨張機を通過する冷媒の質量は、常に一致していなければならない。そこで、特許文献１では、膨張機をバイパスする通路を設けたり、膨張機と直列に膨張弁を設け、バイパス量や膨張弁の開度を調節することで、冷媒回路の圧縮機側と膨張機側での冷媒流量をバランスさせている。
特開２０００−３２９４１６号公報

しかしながら、従来の冷凍装置においては、冷媒が膨張機をバイパスすると膨張機を通過する冷媒量が減少する。また、従来の冷凍装置のように、膨張機と直列に膨張弁を設けると膨張機の出入口における圧力差が減少する。この場合、何れの場合も膨張機での回収動力の減少を招くことになる。

本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、膨張機構で回収できる動力量が減少することなく、運転状態の如何に拘わらず圧縮機構の通過冷媒量と膨張機構の通過冷媒量とをバランスさせることを目的とする。

第１の発明は、圧縮機構（40）と熱源側熱交換器（21）と膨張機構（60）と利用側熱交換器（22）とが接続されて蒸気圧縮式冷凍サイクルを行う冷媒回路（20）を備え、上記膨張機構（60）と圧縮機構（40）とが連結されている冷凍装置を対象としている。そして、上記膨張機構（60）は、第１膨張機（61）と、該第１膨張機（61）の吐出口に冷媒配管（23）によって吸入口が接続された第２膨張機（62）とを備えて冷媒を２段膨張させるように構成されている。さらに、上記第２膨張機（62）は、吸入容積が上記第１膨張機（61）の吐出容積より大きく構成されている。加えて、上記冷媒回路（20）が、第１膨張機（61）に流入する高圧冷媒の一部を第１膨張機（61）と第２膨張機（62）とを接続する上記冷媒配管（23）に導入する膨張側バイパス路（70）を備えている。

上記第１の発明では、運転条件が変化して低圧冷媒圧力が上昇すると、第１膨張機（61）に流入する高圧冷媒の一部を膨張側バイパス路（70）から第２膨張機（62）に導入する。

つまり、所定の運転条件において必要な圧縮機構の吸入容積と膨張機構の吸入容積との比を膨圧容積比（圧縮機構の吸入容積／膨張機構の吸入容積）とし、運転条件が変化して低圧冷媒圧力が上昇すると、実際の膨圧容積比が設計膨圧容積比よりも小さくなることがある。低圧冷媒圧力が上昇すると、この圧力上昇に伴って圧縮機構（40）に吸入される冷媒の密度が大きくなり、圧縮機構（40）の吐出冷媒の質量流量が増加する。一方、高圧冷媒圧力が変動しても、膨張機構（60）に流入する冷媒の密度の変化が小さいことから、膨張機構（60）に流入できる冷媒の質量流量の変化は小さい。したがって、膨張機構（60）を通過できる冷媒の質量流量が、圧縮機構（40）を通過できる冷媒の質量流量に対して相対的に少なくなる。

そこで、設計膨圧容積比の設定によって、運転条件が変化して低圧冷媒圧力が上昇すると、高圧冷媒圧力が目標値になるように、上記第１膨張機（61）に流入する超臨界状態の高圧冷媒の一部を膨張側バイパス路（70）を介して第２膨張機（62）に導入する。この結果、実際の膨圧容積比が設計膨圧容積比よりも小さくなる運転条件であっても、膨張機構（60）から吐出される冷媒の質量流量を、圧縮機構（40）から吐出される冷媒の質量流量に一致させる。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記膨張側バイパス路（70）が流量調整自在な膨張側調整機構（71）を備えている。

上記第２の発明では、膨張側調整機構（71）によって第２膨張機（62）に導入する高圧冷媒量が調整される。

第３の発明は、上記第１の発明において、上記圧縮機構（40）が、冷媒を２段圧縮させるように第１圧縮機（41）と第２圧縮機（42）とを備えている。更に、上記冷媒回路（20）には、一端が第１膨張機（61）と第２膨張機（62）との間に接続され、他端が第１圧縮機（41）と第２圧縮機（42）との間に接続された圧縮側バイパス路（72）が設けられている。

上記第３の発明では、第１膨張機（61）で膨張した中間圧力冷媒が第２圧縮機（42）に供給される。この結果、圧縮機構（40）の吐出冷媒温度の上昇が抑制される。

第４の発明は、上記第３の発明において、上記圧縮側バイパス路（72）が流量調整自在な圧縮側調整機構（76）を備えている。

上記第４の発明では、運転条件が変化して低圧冷媒圧力が低下すると、上記圧縮側バイパス路（72）の圧縮側調整機構（76）を開き、第１膨張機（61）を流れた中間圧の冷媒の一部を圧縮側バイパス路（72）から第２圧縮機（42）に導入する。

つまり、運転条件が変化して低圧冷媒圧力が低下すると、実際の膨圧容積比が設計膨圧容積比よりも大きくなることがある。この圧力低下に伴って圧縮機構（40）に吸入される冷媒の密度が小さくなり、圧縮機構（40）の吐出冷媒の質量流量が低下する。一方、高圧冷媒圧力が変動しても、膨張機構（60）に流入する冷媒の密度の変化が小さいことから、膨張機構（60）に流入できる冷媒の質量流量の変化は小さい。したがって、膨張機構（60）を通過できる冷媒の質量流量が、圧縮機構（40）を通過できる冷媒の質量流量に対して相対的に大きくなる。

そこで、設計膨圧容積比の設定によって、運転条件が変化して低圧冷媒圧力が低下すると、高圧冷媒圧力が目標値になるように、上記圧縮側バイパス路（72）の圧縮側調整機構（76）を開き、第１膨張機（61）を流れた中間圧の冷媒の一部を圧縮側バイパス路（72）から第２圧縮機（42）に導入する。この結果、実際の膨圧容積比が設計膨圧容積比よりも大きくなる運転条件であっても、膨張機構（60）から吐出される冷媒の質量流量を、圧縮機構（40）から吐出される冷媒の質量流量に一致させる。

第５の発明は、上記第４の発明において、上記膨張側バイパス路（70）が、流量調整自在な膨張側調整機構（71）を備え、該膨張側調整機構（71）は、圧縮機構（40）の吐出側冷媒圧力が所定の目標値になるように開度が調整され、上記圧縮側調整機構（76）は、上記膨張側調整機構（71）が開いている状態では、圧縮機構（40）の吐出側冷媒温度が所定の目標値になるように開度が調整される一方、上記膨張側調整機構（71）が閉じている状態では、圧縮機構（40）の吐出側冷媒圧力が所定の目標値になるように開度が調整される冷凍装置である。

第６の発明は、上記第３の発明において、上記第１膨張機（61）と第２膨張機（62）とを接続する冷媒配管（23）の途中に気液分離器（75）が設けられ、上記圧縮側バイパス路（72）の一端が上記気液分離器（75）の冷媒ガス雰囲気中に接続されている。

上記第６の発明では、気液分離器（75）で分離されたガス冷媒が第２圧縮機（42）に供給され、エコノマイザサイクルが構成される。

第７の発明は、上記第１の発明において、上記冷媒回路（20）が超臨界冷凍サイクルを行うように構成されている。

したがって、本発明によれば、上記第１膨張機（61）と並列に膨張側バイパス路（70）を設けるようにしたために、膨圧容積比が膨張機構（60）の設計値よりも小さくなると、第１膨張機（61）をバイパスして高圧冷媒の一部を第２膨張機（62）に導入することができる。この結果、圧縮機構（40）からの吐出冷媒量と膨張機構（60）からの流出冷媒量とを均衡させることができる。したがって、従来、膨張機構（60）をバイパスさせていた高圧冷媒を膨張機構（60）に導くことができるので、冷媒回路（20）を循環して膨張機構（60）へ送られてくる全ての高圧冷媒から動力を回収することができる。

また、上記冷媒の圧力エネルギを確実に動力として回収することができるので、運転効率の向上を図ることができる。

また、第２の発明によれば、上記膨張側バイパス路（70）に膨張側調整機構（71）を設けているので、第１膨張機（61）をバイパスする冷媒量を調整することができることから、運転条件に合わせて圧縮機構（40）からの吐出冷媒量と膨張機構（60）からの流出冷媒量とを均衡させることができる。

また、第３の発明によれば、第１膨張機（61）から吐出した冷媒の一部を第２圧縮機（42）に供給する圧縮側バイパス路（72）を設けるようにしたために、圧縮機構（40）の吐出冷媒温度の上昇を抑制することができる。

また、第４の発明によれば、調整機構（76）を有する圧縮側バイパス路（72）を設けるようにしたために、膨圧容積比が膨張機構（60）の設計値よりも大きくなると、第２圧縮機（42）に導入する中間圧の冷媒流量を調節することができる。この結果、圧縮機構（40）からの吐出冷媒量と膨張機構（60）からの流出冷媒量とを均衡させることができる。したがって、従来、膨張機構（60）に直列に設けていた膨張弁を省略することができるので、膨張機構（60）の出入口における圧力差の低減を防止することができることから、高圧冷媒からの動力を効率よく回収することができる。

また、上記圧縮側バイパス路（72）に圧縮側調整機構（76）を設けているので、第２圧縮機（42）に導入する冷媒流量を調整することができることから、運転条件に合わせて圧縮機構（40）からの吐出冷媒量と膨張機構（60）からの流出冷媒量とを均衡させることができる。

また、第６の発明によれば、気液分離器（75）を設けるようにしたために、冷却されたガス冷媒が第２圧縮機（42）に供給されるので、冷凍サイクルのＣＯＰを向上させることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

〈発明の実施形態１〉
図１に示すように、本実施形態の冷凍装置は、暖房運転と冷房運転とを切り換えて行う空調機（10）に構成され、該空調機（10）は冷媒回路（20）を備えている。

上記冷媒回路（20）は、圧縮膨張ユニット（30）と熱源側熱交換器（21）と利用側熱交換器（22）と２つの四路切換弁（2a，2b）とを備えている。上記冷媒回路（20）は、圧縮膨張ユニット（30）と熱源側熱交換器（21）と利用側熱交換器（22）と四路切換弁（2a，2b）とが冷媒配管（23）によって接続されて閉回路に構成され、冷媒として二酸化炭素（ＣＯ2）が充填され、超臨界冷凍サイクル（臨界温度以上の蒸気圧領域を含む冷凍サイクル）を行うように構成されている。

上記第１四路切換弁（2a）及び第２四路切換弁（2b）は、それぞれ４つのポートを備えている。

上記第１四路切換弁（2a）の４つのポートは、後述する圧縮膨張ユニット（30）の圧縮機構（40）の吐出側及び吸込側と、利用側熱交換器（22）及び熱源側熱交換器（21）とが冷媒配管（23）によって接続されている。そして、上記第１四路切換弁（2a）は、圧縮機構（40）の吐出側と利用側熱交換器（22）とが連通し且つ熱源側熱交換器（21）と圧縮機構（40）の吸込側とが連通する暖房運転状態（図１に実線参照）と、圧縮機構（40）の吐出側と熱源側熱交換器（21）とが連通し且つ利用側熱交換器（22）と圧縮機構（40）の吸込側とが連通する冷房運転状態（図１に破線参照）とに切り換わる。

上記第２四路切換弁（2b）の４つのポートは、後述する圧縮膨張ユニット（30）の膨張機構（60）の吐出側及び吸込側と、熱源側熱交換器（21）及び利用側熱交換器（22）とが冷媒配管（23）によって接続されている。そして、上記第２四路切換弁（2b）は、膨張機構（60）の吐出側と熱源側熱交換器（21）とが連通し且つ利用側熱交換器（22）と膨張機構（60）の吸込側とが連通する暖房運転状態（図１に実線参照）と、膨張機構（60）の吐出側と利用側熱交換器（22）とが連通し且つ熱源側熱交換器（21）と膨張機構（60）の吸込側とが連通する冷房運転状態（図１に破線参照）とに切り換わる。

−圧縮膨張ユニットの構成−
上記圧縮膨張ユニット（30）のケーシング（31）は、縦長円筒形の密閉容器に構成されている。このケーシング（31）の内部には、下から上に向かって圧縮機構（40）と電動機（50）と膨張機構（60）とが順に配置されている。

上記電動機（50）は、ケーシング（31）の長手方向の中央部に配置されている。この電動機（50）のステータ（51）は、ケーシング（31）に固定され、ロータ（52）には、回転軸を構成するシャフト（32）が貫通している。

上記圧縮機構（40）は、第１圧縮機（41）と第２圧縮機（42）とを備えて冷媒を２段圧縮させるように構成され、上記冷媒回路（20）が２段圧縮冷凍サイクルを行うように構成されている。上記第１圧縮機（41）の吸込口は、冷媒配管（23）によって第１四路切換弁（2a）が接続され、上記第１圧縮機（41）の吐出口は、冷媒配管（23）によって第２圧縮機（42）の吸込口が接続されている。また、上記第２圧縮機（42）の吸込口は、冷媒配管（23）によって第１圧縮機（41）の吐出口が接続され、上記第２圧縮機（42）の吐出口は、冷媒配管（23）によって第１四路切換弁（2a）が接続されている。

上記圧縮機構（40）は、例えば揺動ピストン型の流体機械であって、上記電動機（50）のシャフト（32）の下端が延長されて該シャフト（32）に連結されている。つまり、第１圧縮機（41）と第２圧縮機（42）と電動機（50）とがシャフト（32）によって一体に回転するように構成されている。

上記膨張機構（60）は、第１膨張機（61）と第２膨張機（62）とを備えて冷媒を２段膨張させるように構成され、上記冷媒回路（20）が２段圧縮２段膨張冷凍サイクルを行うように構成されている。上記第１膨張機（61）の吸込口は、冷媒配管（23）によって第２四路切換弁（2b）が接続され、上記第１膨張機（61）の吐出口は、冷媒配管（23）によって第２膨張機（62）の吸込口が接続されている。また、上記第２膨張機（62）の吸込口は、冷媒配管（23）によって第１膨張機（61）の吐出口が接続され、上記第２膨張機（62）の吐出口は、冷媒配管（23）によって第２四路切換弁（2b）が接続されている。

また、上記第１膨張機（61）及び第２膨張機（62）は、いわゆる揺動ピストン型の流体機械であって、上記電動機（50）のシャフト（32）の上端が延長されて該シャフト（32）に連結されている。つまり、上記第１膨張機（61）と第２膨張機（62）と電動機（50）と圧縮機構（40）とがシャフト（32）によって一体に回転するように構成されている。

上記熱源側熱交換器（21）は、室外熱交換器であって、冷媒が室外空気と熱交換して蒸発する蒸発器に構成されている。また、上記利用側熱交換器（22）は、室内熱交換器であって、冷媒が室内空気と熱交換して放熱する放熱器に構成されている。

一方、上記冷媒回路（20）には、膨張側バイパス路（70）が設けられている。該膨張側バイパス路（70）の一端は、第２四路切換弁（2b）と第１膨張機（61）との間の冷媒配管（23）に接続され、他端が第１膨張機（61）と第２膨張機（62）との間の冷媒配管（23）に接続されている。上記膨張側バイパス路（70）は、第１膨張機（61）と並列に接続され、膨張側調整弁（71）が設けられている。該膨張側調整弁（71）は、流量調整自在な調整機構を構成し、図示しないが、コントローラによって圧縮機構（40）の吐出側冷媒圧力である高圧冷媒圧力が目標値になるように開度が調整される。

また、上記冷媒回路（20）には、圧縮側バイパス路（72）が設けらると共に、気液分離器（75）が設けられている。該気液分離器（75）は、第１膨張機（61）と第２膨張機（62）との間の冷媒配管（23）であって、膨張側バイパス路（70）の接続端より下流側に設けられている。

上記圧縮側バイパス路（72）の一端は、第１膨張機（61）と第２膨張機（62）との間の冷媒配管（23）の途中であって、上記気液分離器（75）におけるガス雰囲気中に位置するように該気液分離器（75）に接続されている。上記圧縮側バイパス路（72）の他端は、第１圧縮機（41）と第２圧縮機（42）との間の冷媒配管（23）に接続されている。上記圧縮側バイパス路（72）は、圧縮側調整弁（76）が設けられ、第１膨張機（61）で膨張した冷媒が第２圧縮機（42）に導入されるように構成されている。

上記圧縮側調整弁（76）は、流量調整自在な調整機構を構成し、図示しないが、コントローラによって開度が調整される。具体的に、上記圧縮側調整弁（76）は、膨張側調整弁（71）が開いている状態では、圧縮機構（40）の吐出側冷媒温度である高圧冷媒温度が目標値になるように開度が調整される。また、上記圧縮側調整弁（76）は、膨張側調整弁（71）が閉じている状態では、圧縮機構（40）の吐出側冷媒圧力である高圧冷媒圧力が目標値になるように開度が調整される。

尚、上記膨張側調整弁（71）及び圧縮側調整弁（76）の制御目標値である高圧冷媒圧力及び高圧冷媒温度の目標値は、圧縮機構（40）の吸込側冷媒圧力である低圧冷媒圧力によって定められる。また、上記高圧冷媒圧力、高圧冷媒温度及び低圧冷媒圧力は、図示しないが、例えば、圧縮機構（40）の吐出側に設けられた圧力センサ（圧力検出手段）及び温度センサ（温度検出手段）と、圧縮機構（40）の吸入側に設けられた圧力センサ（圧力検出手段）によって検出される。

そこで、上記膨張側バイパス路（70）及び圧縮側バイパス路（72）を設けた基本的原理について説明する。

例えば、運転条件が変化して低圧冷媒圧力が上昇すると、実際の膨圧容積比が設計膨圧容積比よりも小さくなることがある。低圧冷媒圧力が上昇すると、それに伴って圧縮機構（40）に吸入される冷媒の密度が大きくなる。このため、上記シャフト（32）の回転速度が一定のままでも、圧縮機構（40）の吐出冷媒の質量流量が増加する。一方、高圧冷媒圧力が変動しても、高圧冷媒が超臨界状態であることから、膨張機構（60）に流入する冷媒の密度の変化が小さい。このため、シャフト（32）の回転速度が一定であれば、膨張機構（60）に流入できる冷媒の質量流量の変化は小さい。したがって、この場合には、膨張機構（60）を通過できる冷媒の質量流量は、圧縮機構（40）を通過できる冷媒の質量流量に対して相対的に少なくなる。

このような運転状態では、上記膨張側バイパス路（70）の膨張側調整弁（71）を開き、第１膨張機（61）に流入する超臨界状態の高圧冷媒の一部を膨張側バイパス路（70）から第２膨張機（62）に導入する。こうすることによって、実際の膨圧容積比が設計膨圧容積比よりも小さくなる運転条件であっても、膨張機構（60）から吐出される冷媒の質量流量を、圧縮機構（40）から吐出される冷媒の質量流量に一致させることができる。

つまり、上記膨張機構（60）においては、図３に示すように、第１膨張機（61）に流入した冷媒は、Ｃ点まで膨張して減圧される。その後、第２膨張機（62）において、第１膨張機（61）から流出した冷媒と膨張側バイパス路（70）を流れた冷媒とが流入し、Ｄ点まで膨張して減圧される。この図３から明らかなように、上記第１膨張機（61）の容積より、第２膨張機（62）の容積が大きく設定されている。

一方、逆に、運転条件が変化して低圧冷媒圧力が低下すると、実際の膨圧容積比が設計膨圧容積比よりも大きくなることがある。低圧冷媒圧力が低下すると、それに伴って圧縮機構（40）に吸入される冷媒の密度が小さくなる。このため、上記シャフト（32）の回転速度が一定のままでも、圧縮機構（40）の吐出冷媒の質量流量が低下する。一方、高圧冷媒圧力が変動しても、高圧冷媒が超臨界状態であることから、膨張機構（60）に流入する冷媒の密度の変化が小さい。このため、シャフト（32）の回転速度が一定であれば、膨張機構（60）に流入できる冷媒の質量流量の変化は小さい。したがって、この場合には、膨張機構（60）を通過できる冷媒の質量流量は、圧縮機構（40）を通過できる冷媒の質量流量に対して相対的に大きくなる。

このような運転状態では、上記圧縮側バイパス路（72）の圧縮側調整弁（76）を開き、第１膨張機（61）を流れた中間圧の冷媒の一部を圧縮側バイパス路（72）から第２圧縮機（42）に導入する。こうすることによって、実際の膨圧容積比が設計膨圧容積比よりも大きくなる運転条件であっても、膨張機構（60）から吐出される冷媒の質量流量を、圧縮機構（40）から吐出される冷媒の質量流量に一致させることができる。

−運転動作−
上記空調機（10）の動作について説明する。尚、膨張側調整弁（71）及び圧縮側調整弁（76）が全閉状態の場合から説明する。

Ａ．暖房運転
先ず、暖房運転時においては、第１四路切換弁（2a）及び第２四路切換弁（2b）が図１に実線で示す状態に切り換えられる。

この状態において、上記第１圧縮機（41）で第１段の冷媒圧縮が行われた後、第２圧縮機（42）で第２段の冷媒圧縮が行われる。圧縮機構（40）で圧縮された高圧冷媒は、第１四路切換弁（2a）を通って利用側熱交換器（22）に流れる。この利用側熱交換器（22）では、高圧冷媒が室内空気へ放熱し、室内空気が加熱される。

上記利用側熱交換器（22）を流れた高圧冷媒は、第２四路切換弁（2b）を通り、膨張機構（60）の第１膨張機（61）に流入する。該第１膨張機（61）では、第１段の膨張が行われ、高圧冷媒が膨張する。上記第１膨張機（61）で膨張した中間圧冷媒は、気液分離器（75）を流れ、第２膨張機（62）に流入する。続いて、該第２膨張機（62）では、第２段の膨張が行われ、中間圧冷媒が膨張する。

上記膨張後の低圧冷媒は、第２膨張機（62）から流出し、第２四路切換弁（2b）を通り、熱源側熱交換器（21）に流れ、該熱源側熱交換器（21）では、冷媒が室外空気から吸熱して蒸発する。上記熱源側熱交換器（21）から出た低圧ガス冷媒は、第１四路切換弁（2a）を通って圧縮膨張ユニット（30）の圧縮機構（40）に戻り、該圧縮機構（40）は、吸入した冷媒を圧縮して吐出する。この動作が繰り返されて、室内が暖房される。

また、上記第１膨張機（61）及び第２膨張機（62）において、冷媒が膨張し、その内部エネルギがシャフト（32）の回転動力に変換される。そして、上記第１膨張機（61）と第２膨張機（62）で回収された回転動力は、圧縮機構（40）の回転動力に利用される。

つまり、図４に示すように、暖房運転時においては、冷媒を膨張機構（60）で膨張させる場合（図４実線Ａ参照）、冷媒を膨張弁で膨張させる場合（図４破線Ｂ参照）に比して膨張機構（60）での膨張動力を回収することができる。

Ｂ．冷房運転
一方、冷房運転時においては、第１四路切換弁（2a）及び第２四路切換弁（2b）が図１に破線で示す状態に切り換えられる。

この状態において、暖房運転時と同様に、冷媒が第１圧縮機（41）及び第２圧縮機（42）で２段圧縮される。圧縮機構（40）で圧縮された高圧冷媒は、第１四路切換弁（2a）を通って熱源側熱交換器（21）流れる。この熱源側熱交換器（21）では、高圧冷媒が室外空気へ放熱する。

上記熱源側熱交換器（21）を流れた高圧冷媒は、第２四路切換弁（2b）を通り、膨張機構（60）に流入する。この高圧冷媒は、暖房運転時と同様に、第１膨張機（61）及び第２膨張機（62）で２段膨張する。

上記膨張後の低圧冷媒は、第２膨張機（62）から流出し、第２四路切換弁（2b）を通り、利用側熱交換器（22）に流れ、該利用側熱交換器（22）では、低圧冷媒が室内空気から吸熱して蒸発し、室内空気が冷却される。上記利用側熱交換器（22）から出た低圧ガス冷媒は、第１四路切換弁（2a）を通って圧縮膨張ユニット（30）の圧縮機構（40）に戻り、該圧縮機構（40）は、吸入した冷媒を圧縮して吐出する。この動作が繰り返されて、室内が冷房される。

また、暖房運転時と同様に、上記第１膨張機（61）及び第２膨張機（62）において、冷媒が膨張し、その内部エネルギがシャフト（32）の回転動力に変換される。そして、上記第１膨張機（61）と第２膨張機（62）で回収された回転動力は、圧縮機構（40）の回転動力に利用される。

つまり、図５に示すように、冷房運転時においては、冷媒を膨張機構（60）で膨張させる場合（図５実線Ａ参照）、冷媒を膨張弁で膨張させる場合（図５破線Ｂ参照）に比して膨張機構（60）での膨張動力を回収することができると共に、冷房能力が増加する。

Ｃ．調整弁の制御
次に、上記膨張側調整弁（71）及び圧縮側調整弁（76）の動作について説明する。

図２に示すように、先ず、ステップＳＴ１において、膨張側バイパス路（70）の膨張側調整弁（71）は、圧縮機構（40）の吐出側冷媒圧力である高圧冷媒圧力が所定の目標値になるように開度が調整される。その後、上記膨張側調整弁（71）が開度制御されて開いている状態では、ステップＳＴ２に移る。そして、このステップＳＴ２において、圧縮側バイパス路（72）の圧縮側調整弁（76）は、圧縮機構（40）の吐出側冷媒温度である高圧冷媒温度が所定の目標値になるように開度が調整される。この動作を繰り返すことになる。一方、上記膨張側調整弁（71）が開度制御されずに閉じている状態では、ステップＳＴ１からステップＳＴ３に移る。そして、このステップＳＴ３において、圧縮側バイパス路（72）の圧縮側調整弁（76）は、圧縮機構（40）の吐出側冷媒圧力である高圧冷媒圧力が所定の目標値になるように開度が調整される。この動作を繰り返すことになる。

具体的に、運転条件が変化して低圧冷媒圧力が上昇すると、この圧力上昇に伴って圧縮機構（40）に吸入される冷媒の密度が大きくなり、圧縮機構（40）の吐出冷媒の質量流量が増加する。一方、高圧冷媒圧力が変動しても、膨張機構（60）に流入する冷媒の密度の変化が小さいことから、膨張機構（60）に流入できる冷媒の質量流量の変化は小さい。したがって、膨張機構（60）を通過できる冷媒の質量流量が、圧縮機構（40）を通過できる冷媒の質量流量に対して相対的に少なくなる。

そこで、運転条件が変化して低圧冷媒圧力が上昇すると、この低圧冷媒圧力に対応した高圧冷媒圧力の目標値が算出される。そして、高圧冷媒圧力が目標値になるように、上記膨張側バイパス路（70）の膨張側調整弁（71）を開き、第１膨張機（61）に流入する超臨界状態の高圧冷媒の一部を膨張側バイパス路（70）から第２膨張機（62）に導入する。この結果、実際の膨圧容積比が設計膨圧容積比よりも小さくなる運転条件であっても、膨張機構（60）から吐出される冷媒の質量流量を、圧縮機構（40）から吐出される冷媒の質量流量に一致させる。

逆に、運転条件が変化して低圧冷媒圧力が低下すると、この圧力低下に伴って圧縮機構（40）に吸入される冷媒の密度が小さくなり、圧縮機構（40）の吐出冷媒の質量流量が低下する。一方、高圧冷媒圧力が変動しても、膨張機構（60）に流入する冷媒の密度の変化が小さいことから、膨張機構（60）に流入できる冷媒の質量流量の変化は小さい。したがって、膨張機構（60）を通過できる冷媒の質量流量が、圧縮機構（40）を通過できる冷媒の質量流量に対して相対的に大きくなる。

そこで、運転条件が変化して低圧冷媒圧力が低下すると、この低圧冷媒圧力に対応した高圧冷媒圧力の目標値が算出される。そして、上記高圧冷媒圧力が目標値になるように、上記圧縮側バイパス路（72）の圧縮側調整弁（76）を開き、第１膨張機（61）を流れた中間圧の冷媒の一部を圧縮側バイパス路（72）から第２圧縮機（42）に導入する。この結果、実際の膨圧容積比が設計膨圧容積比よりも大きくなる運転条件であっても、膨張機構（60）から吐出される冷媒の質量流量を、圧縮機構（40）から吐出される冷媒の質量流量に一致させる。

−実施形態１の効果−
以上のように、本実施形態によれば、上記第１膨張機（61）と並列に膨張側バイパス路（70）を設けるようにしたために、膨圧容積比が膨張機構（60）の設計値よりも小さくなると、第１膨張機（61）をバイパスして高圧冷媒の一部を第２膨張機（62）に導入することができる。この結果、圧縮機構（40）からの吐出冷媒量と膨張機構（60）からの流出冷媒量とを均衡させることができる。したがって、従来、膨張機構（60）をバイパスさせていた高圧冷媒を膨張機構（60）に導くことができるので、冷媒回路（20）を循環して膨張機構（60）へ送られてくる全ての高圧冷媒から動力を回収することができる。

また、上記圧縮側調整弁（76）を有する圧縮側バイパス路（72）を設けるようにしたために、膨圧容積比が膨張機構（60）の設計値よりも大きくなると、圧縮側調整弁（76）の開度を調整し、第２圧縮機（42）に導入する中間圧の冷媒流量を調節することができる。この結果、圧縮機構（40）からの吐出冷媒量と膨張機構（60）からの流出冷媒量とを均衡させることができる。したがって、従来、膨張機構（60）に直列に設けていた膨張弁を省略することができるので、膨張機構（60）の出入口における圧力差の低減を防止することができることから、高圧冷媒からの動力を効率よく回収することができる。

また、上記冷媒の圧力エネルギを確実に動力として回収することができるので、運転効率の向上を図ることができる。

また、上記膨張側バイパス路（70）に膨張側調整弁（71）を設け、圧縮側バイパス路（72）に圧縮側調整弁（76）を設けているので、第１膨張機（61）をバイパスする冷媒量及び第２圧縮機（42）に導入する冷媒流量を調整することができることから、運転条件に合わせて圧縮機構（40）からの吐出冷媒量と膨張機構（60）からの流出冷媒量とを均衡させることができる。

また、冷媒にＣＯ2を用いているので、環境に適した冷媒回路（20）を構成することができる。

〈発明の実施形態２〉
本実施形態は、図６に示すように、実施形態１が膨張側バイパス路（70）と圧縮側バイパス路（72）とを設けたのに代わり、膨張側バイパス路（70）のみを設けるようにしたものである。尚、本実施形態は、説明の簡略化のため、暖房運転のみを行う暖房専用機の空調機（10）としている。したがって、本実施形態の冷媒回路（20）は、２つの四路切換弁（2a，2b）、圧縮側バイパス路（72）及び気液分離器（75）は備えていない。

また、本実施形態の圧縮機構（40）は、冷媒を１段圧縮するように構成され、１つの圧縮機で構成されている。

したがって、本実施形態では、例えば、暖房運転の低温状態において、最適な冷凍サイクルになるように設計膨圧容積比を設定し、運転条件が変化して低圧冷媒圧力が上昇すると、この低圧冷媒圧力に対応した高圧冷媒圧力の目標値を算出する。そして、高圧冷媒圧力が目標値になるように、上記膨張側バイパス路（70）の膨張側調整弁（71）を開き、第１膨張機（61）に流入する超臨界状態の高圧冷媒の一部を膨張側バイパス路（70）から第２膨張機（62）に導入する。この結果、実際の膨圧容積比が設計膨圧容積比よりも小さくなる運転条件であっても、膨張機構（60）から吐出される冷媒の質量流量を、圧縮機構（40）から吐出される冷媒の質量流量に一致させる。その他の膨張側バイパス路（70）などの構成、作用及び効果は実施形態１と同じである。

〈発明の実施形態３〉
本実施形態は、図７に示すように、実施形態１が気液分離器（75）を設けるようにしたのに代えて、この気液分離器（75）を省略するようにしたものである。尚、本実施形態は、説明の簡略化のため、暖房運転のみを行う暖房専用機の空調機（10）としている。したがって、本実施形態の冷媒回路（20）は、２つの四路切換弁（2a，2b）及び気液分離器（75）は備えていない。

また、上記圧縮側バイパス路（72）は、膨張側調整弁（71）に代えてキャピラリチューブ（73）が設けられている。

したがって、本実施形態では、暖房運転時において、実施形態１の圧縮側バイパス路（72）の機能とは異なり、上記第１膨張機（61）で膨張した中間圧冷媒が第２圧縮機（42）に供給される。この結果、上記圧縮機構（40）の吐出側冷媒温度である高圧冷媒温度の上昇が抑制される。更に、上記利用側熱交換器（22）の冷媒循環量が増大し、暖房能力が増大する。その他の膨張側バイパス路（70）などの構成、作用及び効果は実施形態１と同じである。

〈発明の実施形態４〉
本実施形態は、図８に示すように、実施形態１が気液分離器（75）を設けるようにしたのに代えて、この気液分離器（75）を省略するようにしたものである。尚、本実施形態は、説明の簡略化のため、暖房運転のみを行う暖房専用機の空調機（10）としている。したがって、本実施形態の冷媒回路（20）は、２つの四路切換弁（2a，2b）及び気液分離器（75）は備えていない。

また、上記圧縮側バイパス路（72）は、膨張側調整弁（71）に代えて開閉弁（74）が設けられている。

したがって、本実施形態では、上記開閉弁（74）が、図示しないが、コントローラによって圧縮機構（40）の吐出側冷媒圧力ある高圧冷媒圧力が所定の目標値より低くなると開くことになる。

つまり、上記開閉弁（74）を有する圧縮側バイパス路（72）を設けるようにしたために、膨圧容積比が膨張機構（60）の設計値よりも大きくなると、開閉弁（74）を開け、第２圧縮機（42）に中間圧の冷媒を導入する。この結果、圧縮機構（40）からの吐出冷媒量と膨張機構（60）からの流出冷媒量とを均衡させることができる。したがって、従来、膨張機構（60）に直列に設けていた膨張弁を省略することができるので、膨張機構（60）の出入口における圧力差の低減を防止することができることから、高圧冷媒からの動力を効率よく回収することができる。その他の膨張側バイパス路（70）などの構成、作用及び効果は実施形態２と同じである。

〈発明の実施形態５〉
本実施形態は、図９に示すように、実施形態１が気液分離器（75）を設けるようにしたのに代えて、この気液分離器（75）を省略するようにしたものである。尚、本実施形態は、説明の簡略化のため、暖房運転のみを行う暖房専用機の空調機（10）としている。したがって、本実施形態の冷媒回路（20）は、２つの四路切換弁（2a，2b）及び気液分離器（75）は備えていない。更に、上記圧縮側バイパス路（72）は、膨張側調整弁（71）が省略され、冷媒回路（20）がエコノマイザサイクルに構成されている。

したがって、本実施形態では、暖房運転時において、実施形態１の圧縮側バイパス路（72）の機能とは異なり、上記第１膨張機（61）を流れた中間圧冷媒が、気液分離器（75）でガス冷媒と液冷媒とに分離される。そして、この気液分離器（75）における液冷媒は第２膨張機（62）に流れ、ガス冷媒は第２圧縮機（42）に供給されることになる。この結果、上記気液分離器（75）で冷却されたガス冷媒が第２圧縮機（42）に供給されるので、高圧冷媒温度の上昇を抑制することができると共に、冷凍サイクルのＣＯＰを向上させることができる。その他の膨張側バイパス路（70）などの構成、作用及び効果は実施形態１と同じである。

〈その他の実施形態〉
本発明は、上記実施形態１〜５について、以下のような構成としてもよい。

先ず、本発明は、冷房運転のみを行う冷房専用の空調機に適用してもよい。

また、本発明の冷凍装置は、空調機に限られず、各種の冷却装置などに適用してもよい。

また、本発明の冷媒は、二酸化炭素に限られるものではない。

尚、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

以上説明したように、本発明は、膨張動力を回収する冷凍装置について有用である。

実施形態１における空調機の概略構成図である。 実施形態１における空調機の調整弁制御を示すフロー図である。 実施形態１における暖房運転時の膨張機構のｐ−Ｖ線図である。 実施形態１における空調機の暖房運転時のｐ−ｈ線図である。 実施形態１における空調機の冷房運転時のｐ−ｈ線図である。 実施形態２における空調機の概略構成図である。 実施形態３における空調機の概略構成図である。 実施形態４における空調機の概略構成図である。 実施形態５における空調機の概略構成図である。

10 空調機
20 冷媒回路
21 熱源側熱交換器
22 利用側熱交換器
30 圧縮膨張ユニット
40 圧縮機構
41 第１圧縮機
42 第２圧縮機
50 電動機
60 膨張機構
61 第１膨張機
62 第２膨張機
70 膨張側バイパス路
71 膨張側調整弁（調整機構）
72 圧縮側バイパス路
75 気液分離器
76 圧縮側調整弁（調整機構）

Claims (7)

1. 圧縮機構（40）と熱源側熱交換器（21）と膨張機構（60）と利用側熱交換器（22）とが接続されて蒸気圧縮式冷凍サイクルを行う冷媒回路（20）を備え、上記膨張機構（60）と圧縮機構（40）とが連結されている冷凍装置であって、
   上記膨張機構（60）は、第１膨張機（61）と、該第１膨張機（61）の吐出口に冷媒配管（23）によって吸入口が接続された第２膨張機（62）とを備えて冷媒を２段膨張させるように構成され、
   上記第２膨張機（62）は、吸入容積が上記第１膨張機（61）の吐出容積より大きく構成される一方、
   上記冷媒回路（20）は、第１膨張機（61）に流入する高圧冷媒の一部を第１膨張機（61）と第２膨張機（62）とを接続する上記冷媒配管（23）に導入する膨張側バイパス路（70）を備えている
   ことを特徴とする冷凍装置。
2. 請求項１において、
   上記膨張側バイパス路（70）は、流量調整自在な膨張側調整機構（71）を備えている
   ことを特徴とする冷凍装置。
3. 請求項１において、
   上記圧縮機構（40）は、冷媒を２段圧縮させるように第１圧縮機（41）と第２圧縮機（42）とを備える一方、
   上記冷媒回路（20）には、一端が第１膨張機（61）と第２膨張機（62）との間に接続され、他端が第１圧縮機（41）と第２圧縮機（42）との間に接続された圧縮側バイパス路（72）が設けられている
   ことを特徴とする冷凍装置。
4. 請求項３において、
   上記圧縮側バイパス路（72）は、流量調整自在な圧縮側調整機構（76）を備えている
   ことを特徴とする冷凍装置。
5. 請求項４において、
   上記膨張側バイパス路（70）は、流量調整自在な膨張側調整機構（71）を備え、
   該膨張側調整機構（71）は、圧縮機構（40）の吐出側冷媒圧力が所定の目標値になるように開度が調整され、
   上記圧縮側調整機構（76）は、上記膨張側調整機構（71）が開いている状態では、圧縮機構（40）の吐出側冷媒温度が所定の目標値になるように開度が調整される一方、上記膨張側調整機構（71）が閉じている状態では、圧縮機構（40）の吐出側冷媒圧力が所定の目標値になるように開度が調整される
   ことを特徴とする冷凍装置。
6. 請求項３において、
   上記第１膨張機（61）と第２膨張機（62）とを接続する冷媒配管（23）の途中には、気液分離器（75）が設けられ、
   上記圧縮側バイパス路（72）の一端は、上記気液分離器（75）の冷媒ガス雰囲気中に接続されている
   ことを特徴とする冷凍装置。
7. 請求項１において、
   上記冷媒回路（20）は、超臨界冷凍サイクルを行うように構成されている
   ことを特徴とする冷凍装置。

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