JP4765675B2

JP4765675B2 - 冷凍サイクル装置

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Publication number: JP4765675B2
Application number: JP2006057417A
Authority: JP
Inventors: 典穂岡座; 和生中谷
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-03-03
Filing date: 2006-03-03
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2026-03-03
Also published as: EP1830143A3; EP1830143A2; JP2007232322A

Description

本発明は、動力を回収する膨張機構を備えた冷凍サイクル装置に関する。

減圧器の代わりに膨張機構を設けて、膨張時の圧力エネルギーを動力として回収し、ＣＯＰを向上させる冷凍サイクル装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。このような膨張機構は、動力回収方法の違いにより、二つに大別できる。一つは、膨張機構と圧縮機構の回転軸を一軸に連結し、膨張機構で発生した動力を機械エネルギ（回転エネルギ）として圧縮機構に伝達する形式（以下、機械エネルギ回収型と呼ぶ）であり、もう一つは、膨張機構の回転軸に発電機を連結し、膨張機構で発生した動力を電気エネルギとして回収する形式（以下、電気エネルギ回収型と呼ぶ）である。

以下、圧縮機構の回転数をＨｚｃ、膨張機構の回転数をＨｚｅとし、また、圧縮機構と膨張機構はともに容積式であり、圧縮機のシリンダ容積をＶＣ、膨張機構のシリンダ容積をＶＥ、圧縮機構に流入する冷媒の密度をＤＣ、膨張機構に流入する冷媒の密度をＤＥとして説明する。圧縮機構、膨張機構のそれぞれを流れる質量循環量は等しいことから、「ＶＣ×ＤＣ×Ｈｚｃ＝ＶＥ×ＤＥ×Ｈｚｅ」、すなわち、「ＶＣ／ＶＥ＝（ＤＥ／ＤＣ）×（Ｈｚｅ／Ｈｚｃ）」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）とＨｚｅ／Ｈｚｃ（回転数比）の積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。

電気エネルギ回収型の場合には、膨張機構の回転数Ｈｚｅは、圧縮機構の回転数Ｈｚｃと無関係に設定できるので、膨張機構の回転数Ｈｚｅ（すなわち、発電機のトルク）を調整し、冷凍サイクル装置の高圧側圧力を最良に調整する方法が提案されている。あるいは、内部熱交換器で熱交換させることで膨張機構に流入する冷媒の密度を変更し、膨張機構に流入する循環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１参照）。

機械エネルギ回収型の場合には、圧縮機構と膨張機構は同一回転数で回転する。圧縮機構、膨張機構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、膨張機構をバイパスするバイパス流路、膨張機構の上流や下流に減圧器を設けて、膨張機構に流入する循環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。あるいは、内部熱交換器で熱交換させることで膨張機構に流入する冷媒の密度を変更し、膨張機構に流入する循環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２参照）。
特開昭５６−１１２８９６号公報特開２０００−３２９４１６号公報

上記特許文献１には、具体的な高圧側圧力の調整方法は何ら記載されていない。上記特許文献２には、電気エネルギ回収型の場合において、膨張機構の回転数の使用範囲外（膨張機構の信頼性上の観点から予め定められた最低回転数以下や最高回転数以上）となる場合には、どのように高圧側圧力を調整すればよいか何ら記載されていない。このため、膨張機構の信頼性を確保しつつ、冷凍サイクル装置の高効率な運転ができない場合が生じる課題があった。

また、上記特許文献２には、機械エネルギ回収型の場合において、高圧側圧力の調整方法として、内部熱交換器での熱交換量の変化を利用した方法、膨張機構の前に予減圧器を設ける方法、膨張機構をバイパスさせるバイパス流路を設ける方法、などが記載されている。しかし、電気エネルギ回収型の場合については、これらの方法と組み合わせるといった事柄について記載されていない。また、機械エネルギ回収型の場合においても、これらの方法をどのように使い分けるか、あるいは、組み合わせるかといった事柄については記載されていない。このため、最良な方法で高圧側圧力を調整できず、冷凍サイクル装置を効率よく運転できない場合が生じる課題があった。

そこで、本発明は、上記課題を解決するため、電気エネルギ回収型の膨張機構を備えた冷凍サイクル装置において、膨張機構の信頼性を低下させることなく、膨張機構に流入する循環量を従来技術より広い範囲で調整し、冷凍サイクル装置を高効率に運転させることを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機構、熱源側熱交換器、回転数が圧縮機構の回転数に独立して変更可能な動力回収を行う膨張機構、利用側熱交換器、膨張機構に流入する冷媒を減圧する予減圧器、前記膨張機構に流入する冷媒の一部をバイパスさせる第１バイパス回路、前記第１バイパス回路を流れる冷媒循環量を調整する第１バイパス弁を備え、高圧側圧力、前記圧縮機構の吐出温度、前記圧縮機構の吸入過熱度のいずれかが予め定められた目標値より低い場合には、前記第１バイパス弁を閉方向に操作し、前記第１バイパス弁が全閉で、かつ、高圧側圧力、前記圧縮機構の吐出温度、前記圧縮機構の吸入過熱度のいずれかが予め定められた目標値より低い場合には、
前記膨張機構の回転数を低下させ、前記膨張機構の回転数が予め定められた最低回転数で、かつ、高圧側圧力、前記圧縮機構の吐出温度、前記圧縮機構の吸入過熱度のいずれかが予め定められた目標値より低い場合には、前記予減圧器を閉方向に操作するものである。これによると、膨張機構の回転数をその使用範囲外となるほど操作しなければ、高圧側圧力を望ましい圧力に調整できない場合には、予減圧器、第１バイパス弁の開度を操作することで、高圧側圧力を調整できるので、膨張機構の信頼性を低下させることなく、効率の良い運転を行うことができる。

また、本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機構、熱源側熱交換器、回転数が前記圧縮機構の回転数に独立して変更可能な動力回収を行う膨張機構、利用側熱交換器、前記膨張機構に流入する冷媒を冷却する内部熱交換器、前記膨張機構に流入する冷媒の一部をバイパスさせる第１バイパス回路、前記第１バイパス回路を流れる冷媒循環量を調整する第１バイパス弁、前記内部熱交換器に流入する冷媒の一部をバイパスさせる第２バイパス回路、前記第２バイパス回路を流れる冷媒循環量を調整する第２バイパス弁を備え、高圧側圧力、前記圧縮機構の吐出温度、前記圧縮機構の吸入過熱度のいずれかが予め定められた目標値より低い場合には、前記第１バイパス弁を閉方向に操作し、前記第１バイパス弁が全閉で、かつ、高圧側圧力、前記圧縮機構の吐出温度、前記圧縮機構の吸入過熱度のいずれかが予め定められた目標値より低い場合には、前記膨張機構の回転数を低下させ、前記膨張機構の回転数が予め定められた最低回転数で、かつ、高圧側圧力、前記圧縮機構の吐出温度、前記圧縮機構の吸入過熱度のいずれかが予め定められた目標値より低い場合には、前記第２バイパス弁を開方向に操作するものである。これによると、膨張機構の回転数をその使用範囲外となるほど操作しなければ、高圧側圧力を望ましい圧力に調整できない場合には、予減圧器、第２バイパス弁の開度を操作することで、高圧側圧力を調整できるので、膨張機構の信頼性を低下させることなく、効率の良い運転を行うことができる。

本発明によれば、電気エネルギ回収型の膨張機構を備えた冷凍サイクル装置において、膨張機構の信頼性を低下させることなく、膨張機構に流入する循環量を従来技術より広い範囲で調整し、冷凍サイクル装置を高効率に運転させることができる。

第１の発明は、圧縮機構、熱源側熱交換器、回転数が圧縮機構の回転数に独立して変更可能な動力回収を行う膨張機構、利用側熱交換器、膨張機構に流入する冷媒を減圧する予減圧器、前記膨張機構に流入する冷媒の一部をバイパスさせる第１バイパス回路、前記第１バイパス回路を流れる冷媒循環量を調整する第１バイパス弁を備え、高圧側圧力、前記圧縮機構の吐出温度、前記圧縮機構の吸入過熱度のいずれかが予め定められた目標値より低い場合には、前記第１バイパス弁を閉方向に操作し、前記第１バイパス弁が全閉で、かつ、高圧側圧力、前記圧縮機構の吐出温度、前記圧縮機構の吸入過熱度のいずれかが予め定められた目標値より低い場合には、前記膨張機構の回転数を低下させ、前記膨張機構の回転数が予め定められた最低回転数で、かつ、高圧側圧力、前記圧縮機構の吐出温度、前記圧縮機構の吸入過熱度のいずれかが予め定められた目標値より低い場合には、前記予減圧器を閉方向に操作することにより、膨張機構の回転数をその使用範囲外となるほど操作しなければ、高圧側圧力を望ましい圧力に調整できない場合には、予減圧器、第１バイパス弁の開度を操作することで、高圧側圧力を調整できるので、膨張機構の信頼性を低下させることなく、効率の良い運転を行うことができる。

第２の発明は、特に第１の発明において、高圧側圧力、前記圧縮機構の吐出温度、前記圧縮機構の吸入過熱度のいずれかが予め定められた目標値より高い場合には、前記予減圧器を開方向に操作し、前記予減圧器が全開で、かつ、高圧側圧力、前記圧縮機構の吐出温度、前記圧縮機構の吸入過熱度のいずれかが予め定められた目標値より高い場合には、前
記膨張機構の回転数を増加させ、前記膨張機構の回転数が予め定められた最高回転数で、かつ、高圧側圧力、前記圧縮機構の吐出温度、前記圧縮機構の吸入過熱度のいずれかが予め定められた目標値より高い場合には、前記第１バイパス弁を開方向に操作することにより、膨張機構の回転数をその使用範囲外となるほど操作しなければ、高圧側圧力を望ましい圧力に調整できない場合には、予減圧器、第１バイパス弁の開度を操作することで、高圧側圧力を調整できるので、膨張機構の信頼性を低下させることなく、効率の良い運転を行うことができる。

第３の発明は、圧縮機構、熱源側熱交換器、回転数が前記圧縮機構の回転数に独立して変更可能な動力回収を行う膨張機構、利用側熱交換器、前記膨張機構に流入する冷媒を冷却する内部熱交換器、前記膨張機構に流入する冷媒の一部をバイパスさせる第１バイパス回路、前記第１バイパス回路を流れる冷媒循環量を調整する第１バイパス弁、前記内部熱交換器に流入する冷媒の一部をバイパスさせる第２バイパス回路、前記第２バイパス回路を流れる冷媒循環量を調整する第２バイパス弁を備え、高圧側圧力、前記圧縮機構の吐出温度、前記圧縮機構の吸入過熱度のいずれかが予め定められた目標値より低い場合には、前記第１バイパス弁を閉方向に操作し、前記第１バイパス弁が全閉で、かつ、高圧側圧力、前記圧縮機構の吐出温度、前記圧縮機構の吸入過熱度のいずれかが予め定められた目標値より低い場合には、前記膨張機構の回転数を低下させ、前記膨張機構の回転数が予め定められた最低回転数で、かつ、高圧側圧力、前記圧縮機構の吐出温度、前記圧縮機構の吸入過熱度のいずれかが予め定められた目標値より低い場合には、前記第２バイパス弁を開方向に操作することにより、膨張機構の回転数をその使用範囲外となるほど操作しなければ、高圧側圧力を望ましい圧力に調整できない場合には、予減圧器、第２バイパス弁の開度を操作することで、高圧側圧力を望ましい圧力に調整できるので、膨張機構の信頼性を低下させることなく、効率の良い運転を行うことができる。

第４の発明は、特に第３の発明において、高圧側圧力、前記圧縮機構の吐出温度、前記圧縮機構の吸入過熱度のいずれかが予め定められた目標値より高い場合には、前記第２バイパス弁を閉方向に操作し、前記第２バイパス弁が全閉で、かつ、高圧側圧力、前記圧縮機構の吐出温度、前記圧縮機構の吸入過熱度のいずれかが予め定められた目標値より高い場合には、前記膨張機構の回転数を増加させ、前記膨張機構の回転数が予め定められた最高回転数で、かつ、高圧側圧力、前記圧縮機構の吐出温度、前記圧縮機構の吸入過熱度のいずれかが予め定められた目標値より高い場合には、前記第１バイパス弁を開方向に操作することにより、膨張機構の回転数をその使用範囲外となるほど操作しなければ、高圧側圧力を望ましい圧力に調整できない場合には、予減圧器、第２バイパス弁の開度を操作することで、高圧側圧力を望ましい圧力に調整できるので、膨張機構の信頼性を低下させることなく、効率の良い運転を行うことができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。例えば、以下の実施の形態では、給湯機を例にとり説明するが、本発明が給湯機に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。

（実施の形態１）
本発明の第１の実施の形態における冷凍サイクル装置を、図１に概略構成図を示す冷凍サイクル装置を用いて説明する。図１の冷凍サイクル装置は、電動機１により駆動される圧縮機構２、利用側熱交換器としての放熱器３の冷媒流路、発電機４により動力回収される膨張機構５、熱源側熱交換器としての蒸発器６などからなり、冷媒として例えばＣＯ２冷媒が封入されている冷媒回路Ａと、利用流体搬送手段としての給水ポンプ７、放熱器３の流体流路、および給湯タンク８などからなる流体回路Ｂとから構成されている。冷媒回路Ａには、さらに以下の構成要素を備えている。熱源流体搬送手段としての送風装置９は
、蒸発器６に熱源流体（例えば、外気）を送風する。予減圧器としての予膨張弁１１は膨張機構５に流入する冷媒を予め減圧し、膨張機構５に流入する冷媒の密度を小さくする。

第１バイパス流路１２は、放熱器３の冷媒出口から膨張機構５の入口までと、膨張機構５の出口から圧縮機構２の入口までとを接続し、膨張機構５を流れる冷媒をバイパスさせる。また、第１バイパス流路１２には、バイパスさせる冷媒循環量を調整する第１バイパス弁１３を備えている。内部熱交換器１４は、高圧側流路１４ａを流れる放熱器３の冷媒出口から膨張機構５の入口までの冷媒が、低圧側流路１４ｂを流れる蒸発器６の冷媒出口から圧縮機構２の入口までの冷媒により冷却されるように構成されている。

吐出温度検知手段２０は、圧縮機構２の吐出から放熱器３の冷媒入口までの冷媒配管上に設置され、圧縮機構２の吐出温度を検知する。膨張機構回転数制御手段２１は発電機４の回転数を制御し、予膨張弁開度制御手段２２は予膨張弁１１の開度を調整する。第１バイパス弁開度制御手段２３は第１バイパス弁１３の開度を調整する。電子制御手段２５は、吐出温度検知手段２０などからの信号により、冷凍サイクルの状態を判断し、膨張機構回転数制御手段２１、予膨張弁開度制御手段２２、第１バイパス弁開度制御手段２３などに指示を与える。

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、まず、実際の運転状態での密度比と回転数比の積（ＤＥ／ＤＣ）×（Ｈｚｅ／Ｈｚｃ）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。

冷媒回路Ａでは、ＣＯ２冷媒を、圧縮機構２で臨界圧力を越える圧力（高圧側圧力）まで圧縮する。その圧縮された冷媒は、高温高圧状態となり、放熱器３の冷媒流路を流れる際に、放熱器３の流体流路を流れる水に放熱し冷却される。その後、冷媒は、内部熱交換器１４の高圧側流路１４ａに流入し、低圧側流路１４ｂを流れる低圧低温の冷媒によりさらに冷却される。この場合、第１バイパス弁１３は全閉状態であり、冷媒は第１バイパス流路１２を流れず、すべての冷媒は全開状態の予膨張弁１１を経て、膨張機構５に流入する。その後、冷媒は膨張機構５で減圧され低温低圧の気液二相状態となる。

この際、膨張機構５では冷媒の圧力エネルギーを動力に変換し、その動力は発電機４にて電力に変換される。このように、膨張時の圧力エネルギーを電力として回収しＣＯＰを向上させることができる。膨張機構５で減圧された冷媒は蒸発器６に供給される。蒸発器６では、冷媒は送風装置９によって送り込まれた外気によって加熱され、気液二相またはガス状態となる。蒸発器６を流出した冷媒は、内部熱交換器１４の低圧側流路１４ｂで加熱された後、再び、圧縮機構２に吸入される。

一方、流体回路Ｂでは、給湯タンク８の底部から給水ポンプ７により放熱器３の流体流路へ送り込まれた利用流体（例えば、水）は、放熱器３の冷媒流路を流れる冷媒により加熱され、高温の流体（例えば、お湯）となり、その高温流体を給湯タンク８の頂部から貯める。このようなサイクルを繰り返すことにより、本実施の形態の冷凍サイクル装置は、給湯機として利用できる。

次に、実際の運転状態での密度比と回転数比の積（ＤＥ／ＤＣ）×（Ｈｚｅ／Ｈｚｃ）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と回転数比の積（ＤＥ／ＤＣ）×（Ｈｚｅ／Ｈｚｃ）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、回転数比が一定であるとすると、膨張機構５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、まず、膨張機構５の回転数を低下方向に操作し、密度比と回転数比の積（ＤＥ／ＤＣ）×（Ｈｚｅ／Ｈｚｃ）を低下させる。これにより、高圧側圧力は低下せず最適な状態を維持できる。

しかし、膨張機構５の回転数は、膨張機構５の信頼性の観点から、最低回転数が予め定められている。すなわち、長期間、予め定められた最低回転数を下回る運転を行うと、膨張機構の摺動部などにオイルが供給されにくくなることなどにより、摺動部に磨耗が生じるなどといった不具合が生じる恐れがある。

そこで、本実施の形態の場合には、膨張機構５の回転数が予め定められた最低回転数となった場合でも、依然、実際の運転状態での密度比と回転数比の積（ＤＥ／ＤＣ）×（Ｈｚｅ／Ｈｚｃ）が、設計時に想定した設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）より大きい場合には、予膨張弁１１を閉方向に操作し膨張機構５に流入する冷媒を減圧する。これにより、膨張機構５の最低回転数を下回ることで、膨張機構５の信頼性を低下させることなく、冷媒密度（ＤＥ）を小さくでき、高圧側圧力は低下せず最適な状態を維持できる。

このように、膨張機構５の回転数が予め定めた最低回転数となった場合には、膨張機構５の回転数を低下させるかわりに、予膨張弁１１の開度を閉方向に操作することで、高圧側圧力を望ましい圧力に調整できるので、膨張機構５の信頼性を低下させることなく、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と回転数比の積（ＤＥ／ＤＣ）×（Ｈｚｅ／Ｈｚｃ）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、回転数比が一定であるとすると、膨張機構５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、まず、膨張機構５の回転数を増加方向に操作し、密度比と回転数比の積（ＤＥ／ＤＣ）×（Ｈｚｅ／Ｈｚｃ）を増加させる。これにより、高圧側圧力は上昇せず最適な状態を維持できる。

しかし、膨張機構５の回転数は、膨張機構５の信頼性の観点から、最高回転数が予め定められている。すなわち、長期間、予め定められた最高回転数を上回る運転を行うと、膨張機構の軸受けや、摺動部に磨耗が生じるなどといった不具合が生じる恐れがある。そこで、本実施の形態の場合には、膨張機構５の回転数が予め定められた最高回転数となった場合でも、依然、実際の運転状態での密度比と回転数比の積（ＤＥ／ＤＣ）×（Ｈｚｅ／Ｈｚｃ）が、設計時に想定した設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）より小さい場合には、第１バイパス弁１３を開方向に操作し、一部の冷媒を第１バイパス流路１２に流す。

これにより、膨張機構５の最高回転数を上回ることで、膨張機構５の信頼性を低下させることなく、膨張機構５に流入する冷媒循環量を減少させることができ、高圧側圧力は上昇せず最適な状態を維持できる。

このように、膨張機構５の回転数が予め定めた最高回転数となった場合には、膨張機構５の回転数を増加させるかわりに、第１バイパス弁１３を開方向に操作することで、高圧側圧力を望ましい圧力に調整できるので、膨張機構５の信頼性を低下させることなく、効率の良い運転を行うことができる。

次に、制御方法について説明する。圧縮機構２、実質的には駆動源である電動機１は、外気温度検知手段（図示せず）、入水温度検知手段（図示せず）などが検知した外気温度や入水温度、利用者等が設定した目標沸上温度（給湯タンクに貯めるお湯の温度、または、放熱器３の流体出口温度の目標値）などから電子制御装置２５が算出した回転数となるように、圧縮機構回転数制御手段（図示せず）により制御されている。

また、膨張機構５、予膨張弁１１と第１バイパス弁１３の具体的な操作方法として、電子制御装置２５、および、膨張機構回転数制御手段２１、予膨張弁開度制御手段２２と第１バイパス弁開度制御手段２３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。本実施の形態の制御では、計測するには高コストなセンサーが必要な高圧側圧力を計測せず、高圧側圧力と吐出温度との相関関係を利用し、比較的安価に計測の可能な吐出温度により、膨張機構５、予膨張弁１１と第１バイパス弁１３の制御を行う。

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）（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（１００）で取り込んだ吐出温度（Ｔｄ）とを比較する（１１０）。吐出温度（Ｔｄ）が目標吐出温度（目標Ｔｄ）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、第１バイパス弁１３が全閉となっているか否かを判定する（１２０）。第１バイパス弁１３が全閉である場合には、膨張機構５の回転数（Ｈｚｅ）が、予め定められた最低回転数（最低Ｈｚｅ）に達しているか否かを判定する（１３０）。膨張機構５の回転数（Ｈｚｅ）が予め定められた最低回転数（最低Ｈｚｅ）に達している場合には、予膨張弁１１を閉方向に操作し（１４０）、膨張機構５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。

あるいは、膨張機構５の回転数（Ｈｚｅ）が予め定められた最低回転数（最低Ｈｚｅ）に達していない場合には、膨張機構５の回転数（Ｈｚｅ）を低下方向に操作し（１５０）、膨張機構５を流れる冷媒循環量を減少させ、高圧側圧力および吐出温度を上昇させる。また、ステップ１２０で、第１バイパス弁１３が全閉でない場合には、第１バイパス弁１３を閉方向に操作し（１６０）、膨張機構５をバイパスする第１バイパス流路１２に流入する冷媒循環量を減少させ、高圧側圧力および吐出温度を上昇させる。

逆に、ステップ１１０で、吐出温度（Ｔｄ）が目標吐出温度（目標Ｔｄ）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、予膨張弁１１が全開となっているか否かを判定する（１７０）。予膨張弁１１が全開である場合には、膨張機構５の回転数（Ｈｚｅ）が、予め定められた最高回転数（最高Ｈｚｅ）に達しているか否かを判定する（１８０）。膨張機構５の回転数（Ｈｚｅ）が、予め定められた最高回転数（最高Ｈｚｅ）に達している場合には、第１バイパス弁１３を開方向に操作し（１９０）、膨張機構５をバイパスする第１バイパス流路１２に流入する冷媒循環量を増加させ、高圧側圧力および吐出温度を低下させる。

膨張機構５の回転数（Ｈｚｅ）が、予め定められた最高回転数（最高Ｈｚｅ）に達していない場合には、膨張機構５の回転数（Ｈｚｅ）を増加方向に操作し（２００）、膨張機構５を流れる冷媒循環量を増加させ、高圧側圧力および吐出温度を低下させる。あるいは、ステップ１７０で、予膨張弁１１が全開でない場合には、予膨張弁１１を開方向に操作し（２１０）、膨張機構５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１００に戻り、以後ステップ１００から２１０まで繰り返すことにより、図３に示すように、膨張機構５の回転数と、予膨張弁１１と第１バイパス弁１３の開度とを連携させた制御を行う。

以上説明したように、本実施の形態の構成の冷凍サイクル装置では、電気エネルギ回収型の膨張機構を備えた冷凍サイクル装置において、膨張機構５の回転数を使用範囲内で低下させても、吐出温度（Ｔｄ）が目標吐出温度（目標Ｔｄ）に達しない場合には、吐出温度に基づいて予膨張弁１１を閉方向に操作し、冷媒を減圧することで、膨張機構５の使用範囲を超えることなく、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。

逆に、膨張機構５の回転数を使用範囲内で増加させても、吐出温度（Ｔｄ）が目標吐出温度（目標Ｔｄ）を超える場合には、吐出温度に基づいて第１バイパス弁１３を開方向に操作し、一部の冷媒を第１バイパス流路１２に流すことで、膨張機構５に流入する冷媒循環量を減少させ、膨張機構５の使用範囲を超えることなく、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。

（実施の形態２）
本発明の第２の実施の形態における冷凍サイクル装置を、図４に概略構成図を示す冷凍サイクル装置を用いて説明する。図４において、図１と同様の構成要素は図１と同じ番号を与え、説明を省略する。図４の冷凍サイクル装置は、内部熱交換器１４の高圧側流路１４ａをバイパスする第２バイパス流路３１、第２バイパス流路３１を流れる冷媒循環量を調整する第２バイパス弁３２を備えている。また、第２バイパス弁開度制御手段３３は第２バイパス弁３２の開度を調整する。

冷媒回路Ａでは、ＣＯ２冷媒を、圧縮機構２で臨界圧力を越える圧力（高圧側圧力）まで圧縮する。その圧縮された冷媒は、高温高圧状態となり、放熱器３の冷媒流路を流れる際に、放熱器３の流体流路を流れる水に放熱し冷却される。その後、全閉状態である第２バイパス弁３２により、冷媒は第２バイパス流路３１を流れず、内部熱交換器１４の高圧側流路１４ａに流入し、低圧側流路１４ｂを流れる低圧低温の冷媒によりさらに冷却される。この場合、第１バイパス弁１３も全閉状態であり、冷媒は第１バイパス流路１２を流れず、すべての冷媒は膨張機構５に流入する。

その後、冷媒は膨張機構５で減圧され低温低圧の気液二相状態となる。この際、膨張機構５では冷媒の圧力エネルギーを動力に変換し、その動力は発電機４にて電力に変換される。このように、膨張時の圧力エネルギーを電力として回収しＣＯＰを向上させることができる。膨張機構５で減圧された冷媒は蒸発器６に供給される。蒸発器６では、冷媒は送風装置９によって送り込まれた外気によって加熱され、気液二相またはガス状態となる。蒸発器６を流出した冷媒は、内部熱交換器１４の低圧側流路１４ｂで加熱された後、再び、圧縮機構２に吸入される。

次に、実際の運転状態での密度比と回転数比の積（ＤＥ／ＤＣ）×（Ｈｚｅ／Ｈｚｃ）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と回転数比の積（ＤＥ／ＤＣ）×（Ｈｚｅ／Ｈｚｃ）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、回転数比が一定であるとすると、膨張機構５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、まず
、膨張機構５の回転数を低下方向に操作し、密度比と回転数比の積（ＤＥ／ＤＣ）×（Ｈｚｅ／Ｈｚｃ）を低下させる。これにより、高圧側圧力は低下せず最適な状態を維持できる。

しかし、膨張機構５の回転数は、膨張機構５の信頼性の観点から、最低回転数が予め定められている。すなわち、長期間、予め定められた最低回転数を下回る運転を行うと、膨張機構の摺動部などにオイルが供給されにくくなることなどにより、摺動部に磨耗が生じるなどといった不具合が生じる恐れがある。そこで、本実施の形態の場合には、膨張機構５の回転数が予め定められた最低回転数となった場合でも、依然、実際の運転状態での密度比と回転数比の積（ＤＥ／ＤＣ）×（Ｈｚｅ／Ｈｚｃ）が、設計時に想定した設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）より大きい場合には、第２バイパス弁３２を開方向に操作することにより、冷媒を第２バイパス流路３１に流し、内部熱交換器１４の高圧側流路１４ａに流入する冷媒循環量を低下させる。これにより、内部熱交換器１４での熱交換量が減少し、膨張機構５に流入する冷媒の密度（ＤＥ）が小さくなる。したがって、膨張機構５の最低回転数を下回ることで、膨張機構５の信頼性を低下させることなく、冷媒密度（ＤＥ）を小さくでき、高圧側圧力は低下せず最適な状態を維持できる。

このように、膨張機構５の回転数が予め定めた最低回転数となった場合には、膨張機構５の回転数を低下させるかわりに、第２バイパス弁３２の開度を開方向に操作し、内部熱交換量を低下させることで、高圧側圧力を望ましい圧力に調整できるので、膨張機構５の信頼性を低下させることなく、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と回転数比の積（ＤＥ／ＤＣ）×（Ｈｚｅ／Ｈｚｃ）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は、（実施の形態１）での説明と同様であるので、説明を省略する。

次に、制御方法について説明する。膨張機構５、第１バイパス弁１３、第２バイパス弁３２の具体的な操作方法として、電子制御装置２５、および、膨張機構回転数制御手段２１、第１バイパス弁開度制御手段２３、第２バイパス弁開度制御手段３３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。

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）（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（目標Ｔｄ）と（３００）で取り込んだ吐出温度（Ｔｄ）とを比較する（３１０）。吐出温度（Ｔｄ）が目標吐出温度（目標Ｔｄ）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、第１バイパス弁１３が全閉となっているか否かを判定する（３２０）。第１バイパス弁１３が全閉である場合には、膨張機構５の回転数（Ｈｚｅ）が、予め定められた最低回転数（最低Ｈｚｅ）に達しているか否かを判定する（３３０）。膨張機構５の回転数（Ｈｚｅ）が予め定められた最低回転数（最低Ｈｚｅ）に達している場合には、第２バイパス弁３２を開方向に操作し（３４０）、内部熱交換器１４の高圧側流路１４ａに流入する冷媒循環量を低下させる。内部熱交換器１４での熱交換量を減少させることで、膨張機構５に流入する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。

あるいは、膨張機構５の回転数（Ｈｚｅ）が予め定められた最低回転数（最低Ｈｚｅ）に達していない場合には、膨張機構５の回転数（Ｈｚｅ）を低下方向に操作し（３５０）、膨張機構５を流れる冷媒循環量を減少させ、高圧側圧力および吐出温度を上昇させる。また、ステップ３２０で、第１バイパス弁１３が全閉でない場合には、第１バイパス弁１３を閉方向に操作し（３６０）、膨張機構５をバイパスする第１バイパス流路１２に流入する冷媒循環量を減少させ、高圧側圧力および吐出温度を上昇させる。

逆に、ステップ３１０で、吐出温度（Ｔｄ）が目標吐出温度（目標Ｔｄ）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、第２バイパス弁３２が全閉となっているか否かを判定する（３７０）。第２バイパス弁３２が全閉である場合には、膨張機構５の回転数（Ｈｚｅ）が、予め定められた最高回転数（最高Ｈｚｅ）に達しているか否かを判定する（３８０）。膨張機構５の回転数（Ｈｚｅ）が、予め定められた最高回転数（最高Ｈｚｅ）に達している場合には、第１バイパス弁１３を開方向に操作し（３９０）、膨張機構５をバイパスする第１バイパス流路１２に流入する冷媒循環量を増加させ、高圧側圧力および吐出温度を低下させる。膨張機構５の回転数（Ｈｚｅ）が、予め定められた最高回転数（最高Ｈｚｅ）に達していない場合には、膨張機構５の回転数（Ｈｚｅ）を増加方向に操作し（４００）、膨張機構５を流れる冷媒循環量を増加させ、高圧側圧力および吐出温度を低下させる。

あるいは、ステップ３７０で、第２バイパス弁３２が全閉でない場合には、第２バイパス弁３２を閉方向に操作し（４１０）、内部熱交換器１４の高圧側流路１４ａに流入する冷媒循環量を増加させる。内部熱交換器１４での熱交換量を増加させることで、膨張機構５に流入する冷媒密度を増加させ、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４１０まで繰り返すことにより、図６に示すように、膨張機構５の回転数と、第１バイパス弁１３と第２バイパス弁３２の開度とを連携させた制御を行う。

以上説明したように、本実施の形態の構成の冷凍サイクル装置では、電気エネルギ回収型の膨張機構を備えた冷凍サイクル装置において、膨張機構５の回転数を使用範囲内で低下させても、吐出温度（Ｔｄ）が目標吐出温度（目標Ｔｄ）に達しない場合には、吐出温度に基づいて第２バイパス弁３２を開方向に操作し、一部の冷媒を第２バイパス流路３１に流すことで、内部熱交換器１４での熱交換量を低減し、冷媒を冷却しないようにすることで、膨張機構５の使用範囲を超えることなく、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。

（実施の形態３）
本発明の第３の実施の形態における冷凍サイクル装置を、図７に概略構成図を示す冷凍サイクル装置を用いて説明する。図７において、図１、図４と同様の構成要素は図１、図４と同じ番号を与え、説明を省略する。冷凍サイクル装置の運転時の動作について、まず、実際の運転状態での密度比と回転数比の積（ＤＥ／ＤＣ）×（Ｈｚｅ／Ｈｚｃ）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。

冷媒回路Ａでは、ＣＯ２冷媒を、圧縮機構２で臨界圧力を越える圧力（高圧側圧力）まで圧縮する。その圧縮された冷媒は、高温高圧状態となり、放熱器３の冷媒流路を流れる際に、放熱器３の流体流路を流れる水に放熱し冷却される。その後、全開状態である第２バイパス弁３２により、冷媒は内部熱交換器１４の高圧側流路１４ａを流れずに第２バイパス流路３１流入し、全開状態の予膨張弁１１を経て、膨張機構５に流入する。その後、冷媒は膨張機構５で減圧され低温低圧の気液二相状態となる。この際、膨張機構５では冷媒の圧力エネルギーを動力に変換し、その動力は発電機４にて電力に変換される。

このように、膨張時の圧力エネルギーを電力として回収しＣＯＰを向上させることがで
きる。膨張機構５で減圧された冷媒は蒸発器６に供給される。蒸発器６では、冷媒は送風装置９によって送り込まれた外気によって加熱され、気液二相またはガス状態となる。蒸発器６を流出した冷媒は内部熱交換器１４の低圧側流路１４ｂに流入するが、高圧側流路１４ａには冷媒がほとんど流れていないため、実質的に熱交換せず、再び、圧縮機構２に吸入される。

次に、実際の運転状態での密度比と回転数比の積（ＤＥ／ＤＣ）×（Ｈｚｅ／Ｈｚｃ）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と回転数比の積（ＤＥ／ＤＣ）×（Ｈｚｅ／Ｈｚｃ）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は、（実施の形態１）での説明と同様であるので、説明を省略する。

逆に、実際の運転状態での密度比と回転数比の積（ＤＥ／ＤＣ）×（Ｈｚｅ／Ｈｚｃ）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、回転数比が一定であるとすると、膨張機構５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、まず、膨張機構５の回転数を増加方向に操作し、密度比と回転数比の積（ＤＥ／ＤＣ）×（Ｈｚｅ／Ｈｚｃ）を増加させる。これにより、高圧側圧力は上昇せず最適な状態を維持できる。

しかし、膨張機構５の回転数は、膨張機構５の信頼性の観点から、最高回転数が予め定められている。すなわち、長期間、予め定められた最高回転数を上回る運転を行うと、膨張機構の軸受けや、摺動部に磨耗が生じるなどといった不具合が生じる恐れがある。そこで、本実施の形態の場合には、膨張機構５の回転数が予め定められた最高回転数となった場合でも、依然、実際の運転状態での密度比と回転数比の積（ＤＥ／ＤＣ）×（Ｈｚｅ／Ｈｚｃ）が、設計時に想定した設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）より小さい場合には、第２バイパス弁３２を閉方向に操作することにより、内部熱交換器１４の高圧側回路１４ａに流入する冷媒循環量を増加させる。これにより、内部熱交換器１４での熱交換量が増加し、膨張機構５に流入する冷媒の密度（ＤＥ）が大きくなる。したがって、膨張機構５の最高回転数を上回ることで、膨張機構５の信頼性を低下させることなく、冷媒密度（ＤＥ）を大きくでき、高圧側圧力は上昇せず最適な状態を維持できる。

このように、膨張機構５の回転数が予め定めた最高回転数となった場合には、膨張機構５の回転数を増加させるかわりに、第２バイパス弁３２を閉方向に操作し、内部熱交換量を増加させることで、高圧側圧力を望ましい圧力に調整できるので、膨張機構５の信頼性を低下させることなく、効率の良い運転を行うことができる。

次に、制御方法について説明する。膨張機構５、予膨張弁１１、第２バイパス弁３２の具体的な操作方法として、電子制御装置２５、および、膨張機構回転数制御手段２１、予膨張弁開度制御手段２２、第２バイパス弁開度制御手段３３が行う制御について、図８に示すフローチャートに基づいて説明する。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）（５００）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（５００）で取り込んだ吐出温度（Ｔｄ）とを比較する（５１０）。吐出温度（Ｔｄ）が目標吐出温度（目標Ｔｄ）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、第２バイパス弁３２が全開となっているか否かを判定する（５２０）。第２バイパス弁３２が全開である場合には、膨張機構５の回転数（Ｈｚｅ）が、予め定められた最低回転数（最低Ｈｚｅ）に達しているか否かを判定する（５３０）。膨張機構５の回転数（Ｈｚｅ）が予め定められた最低回転数（最低Ｈｚｅ）に達している場合には、予膨張弁１１を閉方向に操作し（５４０）、膨張
機構５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。

あるいは、膨張機構５の回転数（Ｈｚｅ）が予め定められた最低回転数（最低Ｈｚｅ）に達していない場合には、膨張機構５の回転数（Ｈｚｅ）を低下方向に操作し（５５０）、膨張機構５を流れる冷媒循環量を減少させ、高圧側圧力および吐出温度を上昇させる。また、ステップ５２０で、第２バイパス弁３２が全開でない場合には、第２バイパス弁３２を開方向に操作し（５６０）、内部熱交換器１４の高圧側流路１４ａに流入する冷媒循環量を低下させる。内部熱交換器１４での熱交換量を減少させることで、膨張機構５に流入する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。

逆に、ステップ５１０で、吐出温度（Ｔｄ）が目標吐出温度（目標Ｔｄ）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、予膨張弁１１が全開となっているか否かを判定する（５７０）。予膨張弁１１が全開である場合には、膨張機構５の回転数（Ｈｚｅ）が、予め定められた最高回転数（最高Ｈｚｅ）に達しているか否かを判定する（５８０）。膨張機構５の回転数（Ｈｚｅ）が、予め定められた最高回転数（最高Ｈｚｅ）に達している場合には、第２バイパス弁３２を閉方向に操作し（５９０）、膨張機構５に流入する冷媒を内部熱交換器１４で冷却するようにして、冷媒密度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。膨張機構５の回転数（Ｈｚｅ）が、予め定められた最高回転数（最高Ｈｚｅ）に達していない場合には、膨張機構５の回転数（Ｈｚｅ）を増加方向に操作し（６００）、膨張機構５を流れる冷媒循環量を増加させ、高圧側圧力および吐出温度を低下させる。

あるいは、ステップ５７０で、予膨張弁１１が全開でない場合には、予膨張弁１１を開方向に操作し（６１０）、膨張機構５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５００に戻り、以後ステップ５００から６１０まで繰り返すことにより、図９に示すように、膨張機構５の回転数と、予膨張弁１１と第２バイパス弁３２の開度とを連携させた制御を行う。

逆に、膨張機構５の回転数を使用範囲内で増加させても、吐出温度（Ｔｄ）が目標吐出温度（目標Ｔｄ）を超える場合には、吐出温度に基づいて第２バイパス弁３２を閉方向に操作し、内部熱交換器１４での熱交換量を増加させ、冷媒を冷却することで、膨張機構５の使用範囲を超えることなく、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。

（実施の形態４）
本発明の第４の実施の形態における冷凍サイクル装置を、図１０に概略構成図を示す冷凍サイクル装置を用いて説明する。図１０において、図４と同様の構成要素は図４と同じ番号を与え、説明を省略する。冷凍サイクル装置の運転時の動作について、まず、実際の運転状態での密度比と回転数比の積（ＤＥ／ＤＣ）×（Ｈｚｅ／Ｈｚｃ）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。

冷媒回路Ａでは、ＣＯ２冷媒を、圧縮機構２で臨界圧力を越える圧力（高圧側圧力）まで圧縮する。その圧縮された冷媒は、高温高圧状態となり、放熱器３の冷媒流路を流れる際に、放熱器３の流体流路を流れる水に放熱し冷却される。その後、半開状態である第２バイパス弁３２により、一部の冷媒は第２バイパス流路３１を流れ、その他の冷媒は内部熱交換器１４の高圧側流路１４ａに流入し、低圧側流路１４ｂを流れる低圧低温の冷媒によりさらに冷却される。その後、冷媒は膨張機構５に流入し、膨張機構５で減圧され低温低圧の気液二相状態となる。この際、膨張機構５では冷媒の圧力エネルギーを動力に変換し、その動力は発電機４にて電力に変換される。

このように、膨張時の圧力エネルギーを電力として回収しＣＯＰを向上させることができる。膨張機構５で減圧された冷媒は蒸発器６に供給される。蒸発器６では、冷媒は送風装置９によって送り込まれた外気によって加熱され、気液二相またはガス状態となる。蒸発器６を流出した冷媒は、内部熱交換器１４の低圧側流路１４ｂで加熱された後、再び、圧縮機構２に吸入される。

次に、実際の運転状態での密度比と回転数比の積（ＤＥ／ＤＣ）×（Ｈｚｅ／Ｈｚｃ）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と回転数比の積（ＤＥ／ＤＣ）×（Ｈｚｅ／Ｈｚｃ）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、回転数比が一定であるとすると、膨張機構５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、まず、第２バイパス弁３２を開方向に操作することにより、第２バイパス流路３１に流れる冷媒循環量を増加させ、内部熱交換器１４の高圧側流路１４ａに流入する冷媒循環量を低下させる。これにより、内部熱交換器１４での熱交換量が減少し、膨張機構５に流入する冷媒の密度（ＤＥ）が小さくでき、高圧側圧力は低下せず最適な状態を維持できる。しかし、第２バイパス弁３２が全開となった場合でも、依然、実際の運転状態での密度比と回転数比の積（ＤＥ／ＤＣ）×（Ｈｚｅ／Ｈｚｃ）が、設計時に想定した設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）より大きい場合には、膨張機構５の回転数を低下方向に操作し、密度比と回転数比の積（ＤＥ／ＤＣ）×（Ｈｚｅ／Ｈｚｃ）を低下させ、高圧側圧力を最適な状態を維持する。

このように、まず第２バイパス弁３２の開方向に操作することで、内部熱交換器１４での内部熱交換量を減少させて、高圧側圧力を調整し、第２バイパス弁３２が全開となっても、最適な高圧側圧力に調整できない場合のみ、膨張機構５の回転数を低下方向に操作することで、膨張機構５の信頼性を低下させるほど、膨張機構５の回転数を低下させる状態が生じる頻度を低減できる。したがって、膨張機構５の信頼性を低下させることなく、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と回転数比の積（ＤＥ／ＤＣ）×（Ｈｚｅ／Ｈｚｃ）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、回転数比が一定であるとすると、膨張機構５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、まず、第２バイパス弁３２を閉方向に操作することにより、第２バイパス流路３１に流れる冷媒循環量を低下させ、内部熱交換器１４の高圧側流路１４ａに流入する
冷媒循環量を増加させる。これにより、内部熱交換器１４での熱交換量が増加し、膨張機構５に流入する冷媒の密度（ＤＥ）が大きくでき、高圧側圧力は上昇せず最適な状態を維持できる。しかし、第２バイパス弁３２が全閉となった場合でも、依然、実際の運転状態での密度比と回転数比の積（ＤＥ／ＤＣ）×（Ｈｚｅ／Ｈｚｃ）が、設計時に想定した設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）より小さい場合には、膨張機構５の回転数を増加方向に操作し、密度比と回転数比の積（ＤＥ／ＤＣ）×（Ｈｚｅ／Ｈｚｃ）を増加させ、高圧側圧力を最適な状態を維持する。

このように、まず第２バイパス弁３２の閉方向に操作することで、内部熱交換器１４での内部熱交換量を増加させて、高圧側圧力を調整し、第２バイパス弁３２が全閉となっても、最適な高圧側圧力に調整できない場合のみ、膨張機構５の回転数を増加方向に操作することで、膨張機構５の信頼性を低下させるほど、膨張機構５の回転数を増加させる状態が生じる頻度を低減できる。したがって、膨張機構５の信頼性を低下させることなく、効率の良い運転を行うことができる。

次に、制御方法について説明する。膨張機構５、第２バイパス弁３２の具体的な操作方法として、電子制御装置２５、および、膨張機構回転数制御手段２１、第２バイパス弁開度制御手段３３が行う制御について、図１１に示すフローチャートに基づいて説明する。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）（７００）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（７００）で取り込んだ吐出温度（Ｔｄ）とを比較する（７１０）。吐出温度（Ｔｄ）が目標吐出温度（目標Ｔｄ）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、第２バイパス弁３２が全開となっているか否かを判定する（７２０）。

第２バイパス弁３２が全開である場合には、膨張機構５の回転数（Ｈｚｅ）を低下方向に操作し（７３０）、膨張機構５を流れる冷媒循環量を減少させ、高圧側圧力および吐出温度を上昇させる。あるいは、第２バイパス弁３２が全開でない場合には、第２バイパス弁３２を開方向に操作し（７４０）、内部熱交換器１４の高圧側流路１４ａに流入する冷媒循環量を低下させる。内部熱交換器１４での熱交換量を減少させることで、膨張機構５に流入する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。

逆に、ステップ７１０で、吐出温度（Ｔｄ）が目標吐出温度（目標Ｔｄ）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、第２バイパス弁３２が全閉となっているか否かを判定する（７５０）。第２バイパス弁３２が全閉である場合には、膨張機構５の回転数（Ｈｚｅ）を増加方向に操作し（７６０）、膨張機構５を流れる冷媒循環量を増加させ、高圧側圧力および吐出温度を低下させる。

あるいは、ステップ７５０で、第２バイパス弁３２が全閉でない場合には、第２バイパス弁３２を閉方向に操作し（７７０）、内部熱交換器１４の高圧側流路１４ａに流入する冷媒循環量を増加させる。内部熱交換器１４での熱交換量を増加させることで、膨張機構５に流入する冷媒密度を増加させ、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７００に戻り、以後ステップ７００から７７０まで繰り返すことにより、図１２に示すように、膨張機構５の回転数と、第２バイパス弁３２の開度とを連携させた制御を行う。

以上説明したように、本実施の形態の構成の冷凍サイクル装置では、電気エネルギ回収型の膨張機構を備えた冷凍サイクル装置において、まず、第２バイパス弁３２の開方向に操作し、内部熱交換器１４での内部熱交換量を増加させる。次に、第２バイパス弁３２が全開となっても、吐出温度（Ｔｄ）が目標吐出温度（目標Ｔｄ）に達しない場合のみ、吐出温度に基づいて膨張機構５の回転数を低下方向に操作することで、膨張機構５の信頼性
を低下させるほど、膨張機構５の回転数を低下させる状態が生じる頻度を低減できる。したがって、膨張機構５の信頼性を低下させることなく、効率の良い運転を行うことができる。

あるいは、まず、第２バイパス弁３２の閉方向に操作し、内部熱交換器１４での内部熱交換量を低下させる。次に、第２バイパス弁３２が全閉となっても、吐出温度（Ｔｄ）が目標吐出温度（目標Ｔｄ）に達しない場合のみ、吐出温度に基づいて膨張機構５の回転数を増加方向に操作することで、膨張機構５の信頼性を低下させるほど、膨張機構５の回転数を増加させる状態が生じる頻度を低減できる。したがって、膨張機構５の信頼性を低下させることなく、効率の良い運転を行うことができる。

なお、以上の実施の形態において、予膨張弁１１や、第１バイパス弁１３や、第２バイパス弁３２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、膨張機構５の回転数は、実際の回転数で判定しても良いし、膨張機構回転数制御手段２１の設定値で判定しても良い。また、冷凍サイクルの状態の安定性を増すために、吐出温度がある一定の温度範囲となるように目標吐出温度（目標Ｔｄ）に微少値を加算または減算して制御してもよい。

さらに、本実施の形態の制御では、吐出温度により膨張機構５の回転数や、予膨張弁１１や、第１バイパス弁１３や、第２バイパス弁３２の開度の制御を行うとして説明したが、高圧側圧力を直接検知して、その値を用いて制御しても良いし、あるいは、高圧側圧力と相関関係がある冷凍サイクル装置上の温度を検知した検知値やそれらの検知値を用いた計算値を用いて制御してもよい。例えば、圧縮機構２の吸入過熱度や、蒸発器３出口の過熱度を用いて制御してもよい。

また、内部熱交換器１４は、高圧側流路１４ａを流れる放熱器３の冷媒出口から膨張機構５の入口までの冷媒が、低圧側流路１４ｂを流れる蒸発器６の冷媒出口から圧縮機構２の入口までの冷媒により冷却されるように構成されていると説明したが、高圧側流路１４ａを流れる放熱器３の冷媒出口から膨張機構５の入口までの冷媒が、低圧側流路１４ｂを流れる他の低圧冷媒、例えば、膨張機構５の入口の冷媒を一部分岐し、減圧して低温低圧とした冷媒により冷却される構成であってもよい。さらに、第２バイパス流路３１は内部熱交換器１４の高圧側流路１４ａをバイパスする構成として説明したが、低圧側流路１４ｂをバイパスする構成としても同様の効果が得られる。

また、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。

本発明の冷凍サイクル装置および冷凍サイクル装置の制御方法は、回転数が圧縮機構の回転数に独立して変更可能な膨張機構を備えた冷凍サイクル装置において、膨張機構の信頼性を低下させることなく、膨張機構に流入する循環量をより広い範囲で調整し、冷凍サイクル装置を高効率に運転させることが可能となるため、膨張機構を備えた給湯機、空気調和機などの用途に適用できる。

本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置を示す構成図本発明の実施の形態１における膨張機構の制御のフローチャート本発明の実施の形態１における制御の制御手段の関連を示す模式図本発明の実施の形態２における冷凍サイクル装置を示す構成図本発明の実施の形態２における膨張機構の制御のフローチャート本発明の実施の形態２における制御の制御手段の関連を示す模式図本発明の実施の形態３における冷凍サイクル装置を示す構成図本発明の実施の形態３における膨張機構の制御のフローチャート本発明の実施の形態３における制御の制御手段の関連を示す模式図本発明の実施の形態４における冷凍サイクル装置を示す構成図本発明の実施の形態４における膨張機構の制御のフローチャート本発明の実施の形態４における制御の制御手段の関連を示す模式図

１電動機
２圧縮機構
３利用側熱交換器（放熱器）
４発電機
５膨張機構
６熱源側熱交換器（蒸発器）
７利用流体搬送手段（給水ポンプ）
８給湯タンク
９熱源流体搬送手段（送風装置）
１１予減圧器（予膨張弁）
１２第１バイパス流路
１３第１バイパス弁
１４内部熱交換器
１４ａ高圧側流路
１４ｂ低圧側流路
２０吐出温度検知手段
２１膨張機構回転数制御手段
２２予膨張弁開度制御手段
２３第１バイパス弁開度制御手段
２５電子制御手段
３１第２バイパス流路
３２第２バイパス弁
３３第２バイパス弁開度制御手段
Ａ冷媒回路
Ｂ流体回路

Claims

少なくとも圧縮機構、熱源側熱交換器、回転数が前記圧縮機構の回転数に独立して変更可能な動力回収を行う膨張機構、利用側熱交換器、前記膨張機構に流入する冷媒を減圧する予減圧器、前記膨張機構に流入する冷媒の一部をバイパスさせる第１バイパス回路、前記第１バイパス回路を流れる冷媒循環量を調整する第１バイパス弁を備え、高圧側圧力、前記圧縮機構の吐出温度、前記圧縮機構の吸入過熱度のいずれかが予め定められた目標値より低い場合には、前記第１バイパス弁を閉方向に操作し、前記第１バイパス弁が全閉で、かつ、高圧側圧力、前記圧縮機構の吐出温度、前記圧縮機構の吸入過熱度のいずれかが予め定められた目標値より低い場合には、前記膨張機構の回転数を低下させ、前記膨張機構の回転数が予め定められた最低回転数で、かつ、高圧側圧力、前記圧縮機構の吐出温度、前記圧縮機構の吸入過熱度のいずれかが予め定められた目標値より低い場合には、前記予減圧器を閉方向に操作することを特徴とする冷凍サイクル装置。
高圧側圧力、前記圧縮機構の吐出温度、前記圧縮機構の吸入過熱度のいずれかが予め定められた目標値より高い場合には、前記予減圧器を開方向に操作し、前記予減圧器が全開で、かつ、高圧側圧力、前記圧縮機構の吐出温度、前記圧縮機構の吸入過熱度のいずれかが予め定められた目標値より高い場合には、前記膨張機構の回転数を増加させ、前記膨張機構の回転数が予め定められた最高回転数で、かつ、高圧側圧力、前記圧縮機構の吐出温度、前記圧縮機構の吸入過熱度のいずれかが予め定められた目標値より高い場合には、前記第１バイパス弁を開方向に操作することを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
少なくとも圧縮機構、熱源側熱交換器、回転数が前記圧縮機構の回転数に独立して変更可能な動力回収を行う膨張機構、利用側熱交換器、前記膨張機構に流入する冷媒を冷却する内部熱交換器、前記膨張機構に流入する冷媒の一部をバイパスさせる第１バイパス回路、前記第１バイパス回路を流れる冷媒循環量を調整する第１バイパス弁、前記内部熱交換器に流入する冷媒の一部をバイパスさせる第２バイパス回路、前記第２バイパス回路を流れる冷媒循環量を調整する第２バイパス弁を備え、高圧側圧力、前記圧縮機構の吐出温度、前記圧縮機構の吸入過熱度のいずれかが予め定められた目標値より低い場合には、前記第１バイパス弁を閉方向に操作し、前記第１バイパス弁が全閉で、かつ、高圧側圧力、前記
圧縮機構の吐出温度、前記圧縮機構の吸入過熱度のいずれかが予め定められた目標値より低い場合には、前記膨張機構の回転数を低下させ、前記膨張機構の回転数が予め定められた最低回転数で、かつ、高圧側圧力、前記圧縮機構の吐出温度、前記圧縮機構の吸入過熱度のいずれかが予め定められた目標値より低い場合には、前記第２バイパス弁を開方向に操作することを特徴とする冷凍サイクル装置。
高圧側圧力、前記圧縮機構の吐出温度、前記圧縮機構の吸入過熱度のいずれかが予め定められた目標値より高い場合には、前記第２バイパス弁を閉方向に操作し、前記第２バイパス弁が全閉で、かつ、高圧側圧力、前記圧縮機構の吐出温度、前記圧縮機構の吸入過熱度のいずれかが予め定められた目標値より高い場合には、前記膨張機構の回転数を増加させ、前記膨張機構の回転数が予め定められた最高回転数で、かつ、高圧側圧力、前記圧縮機構の吐出温度、前記圧縮機構の吸入過熱度のいずれかが予め定められた目標値より高い場合には、前記第１バイパス弁を開方向に操作することを特徴とする請求項３に記載の冷凍サイクル装置。