JP5127849B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、超臨界流体を用いる冷凍サイクル装置に関するものであり、特に圧縮機と膨張機とを同軸で連結し、膨張機の動力を回収する冷凍サイクル装置の構成に関するものである。

従来の冷凍サイクル装置として、「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、前記放熱器で冷却された冷媒が通過する内部熱交換器と、前記圧縮機と一軸で直結して設けられ、前記内部熱交換器を通過した冷媒を膨張させる膨張機と、前記膨張機で膨張した冷媒を加熱する蒸発器とを接続する主冷媒回路と、前記内部熱交換器と前記膨張機の間の前記主冷媒回路より分岐し、冷媒流量を制御する第１の流量制御弁と、前記放熱器で冷却され、前記内部熱交換器を通過する冷媒と前記第１の流量制御弁を通過した冷媒とで熱交換させる前記内部熱交換器とを順に経由して、前記膨張機と前記蒸発器との間の前記主冷媒回路に接続された第１のバイパス流路とを有する冷凍サイクル装置。」がある（例えば、特許文献１参照）。

この技術では、圧縮機と膨張機とを同軸で連結したサブ圧縮機一体型膨張機を備えた冷凍サイクル装置における制約であった、「密度比＝一定」（密度比＝膨張機流入冷媒密度／圧縮機流入冷媒密度）の制約を回避しつつ、動力回収量を高く保つことができるというものである。

この技術では、流量制御弁によりバイパス回路を流れる冷媒流量を制御することで、膨張機流入冷媒密度／圧縮機流入冷媒密度の比である密度比が一定となる運転条件の制約を回避できるだけでなく、放熱器出口側の冷媒とバイパス流路の冷媒とで内部熱交換を行うことにより、動力回収に寄与しないバイパス流路を流れる冷媒を最小限に抑制することができる。すなわち、密度比一定の制約を回避しながら、高効率の冷凍サイクルを実現できるというものであった。

特開２００８−１４６０２号公報（請求項１、第１図）

ところで、膨張機での動力回収量は冷媒の入口温度によって変化し、一般には温度が高くなるほど動力回収量は増加し、サブ圧縮機一体型膨張機の効果が高くなることが知られている。これはＣＯ₂ のような超臨界状態で膨張機に流入する場合、冷媒が高温であるほどガス的性質を持ち、低温であるほど液的性質を持つことに起因する。即ち、膨張機に流入する冷媒の状態がガスに近い場合、膨張過程でより大きく膨張し、多くの膨張動力が回収されるのに対し、膨張機に流入する冷媒の状態が液に近い場合、膨張過程での膨張量は小さくそれに応じて回収される膨張動力回収量も低下する。よって、膨張機の入口の冷媒温度を高くすることが望ましい。しかしながら、従来例では、放熱器から流出した高圧の冷媒を内部熱交換器を通過させ、内部熱交換器において低圧の冷媒と熱交換させて冷却した後、膨張弁に流入させているため、膨張弁に流入する温度が下がってしまう。このため、膨張機の効果が小さくなるとともに、スクロール要のサブ圧縮機一体型構造の場合、単体効率（動作効率）が低下するという課題があった。

本発明はこのような点に鑑みなされたもので、圧縮機と膨張機とを同軸で連結し、膨張機の動力を回収する冷凍サイクル装置において、膨張弁の入口温度を高く保つことができ、膨張機の単体効率を向上することが可能な冷凍サイクル装置を得ることを目的とする。

本発明に係る冷凍サイクル装置は、第１圧縮機、放熱器、膨張機および蒸発器が順次配管で接続されると共に、膨張機で回収した動力により駆動され、蒸発器から第１圧縮機に向かう冷媒の一部を分岐点を介して受け入れて圧縮する第２圧縮機を備えた主冷媒回路と、膨張機をバイパスするバイパス回路と、バイパス回路上に設けられ、放熱器から流出してバイパス回路に流れ込んだ高圧冷媒と、分岐点と前記第１圧縮機との間の低圧冷媒又は前記分岐点と前記第２圧縮機との間の低圧冷媒とを熱交換する内部熱交換器とを備えたものである。

この発明は、低外気など膨張動力が小さく暖房能力が必要な条件では、膨張機をバイパスして内部熱交換器により暖房能力を増加させ、膨張動力が大きく回収効果が大きい条件ではバイパスを閉止して動力回収を行うことにより、環境条件に対応し、能力優先あるいは効率優先を運転切替えで実現する冷凍サイクル装置である。また、膨張機の密度比（膨張機入口密度／圧縮機入口密度）が小さくでき、膨張機の単体効率が向上する。

この発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置を示す図である。 図１のサブ圧縮機一体型膨張機の断面を示す図である。 この発明の実施の形態２における冷凍サイクル装置を示す図である。 この発明の実施の形態３における冷凍サイクル装置を示す図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の構成を示す図である。図１に示すように、本実施の形態１に係る冷凍サイクル装置は、冷媒ガスを圧縮するための第１圧縮機１、放熱器２、冷媒を減圧して二相状態の湿り蒸気とする膨張機３ａ、蒸発器４、内部熱交換器５の低圧側流路が順次配管で接続された主冷媒回路６を有している。また、主冷媒回路６は、膨張機３ａと同軸に接続され、膨張機３ａで回収した動力により駆動される第２圧縮機３ｂを備えている。

また、膨張機３ａをバイパスするバイパス回路７を備えている。バイパス回路７は、内部熱交換器５と流量制御弁としての開閉弁１０とを有しており、放熱器２から流出した冷媒の一部をバイパス回路７の内部熱交換器５の高圧側および開閉弁１０を介して膨張機３ａ出口部に合流させる。内部熱交換器５は、放熱器２から流出してバイパス回路７に流れ込んだ高圧冷媒と、蒸発器４出口の低圧冷媒とを熱交換する。なお、ここでは内部熱交換器５の低圧側冷媒を蒸発器４出口の冷媒としたが、第１圧縮機１と第２圧縮機３ｂの吸入密度に差をつけるため、第１圧縮機１の吸入冷媒または第２圧縮機３ｂの吸入冷媒の少なくともどちらか一方としても良い。

膨張機３ａと第２圧縮機３ｂは上述したように同軸に接続され、サブ圧縮機一体型膨張機３として一体構造を形成している。主冷媒回路６において第２圧縮機３ｂの吸入側が第１圧縮機１の吸入側と並列になるように設置されており、第２圧縮機３ｂの吐出側が第１圧縮機１の圧縮室に連通して設けたインジェクションポートに接続されている。これにより、第２圧縮機３ｂの吐出冷媒は、第１圧縮機１のインジェクションポートから、圧縮途中の圧縮室内に注入される。冷凍サイクル装置の内部には冷媒として例えば臨界温度（約３１℃）以上で超臨界状態となる二酸化炭素が封入されている。

サブ圧縮機一体型膨張機３の詳細構造について図２に示す。膨張機３ａおよび第２圧縮機３ｂは、ともにスクロール構造を採用した膨張機ユニットであり、膨張機３ａは膨張機用固定スクロール３５１と膨張機用揺動スクロール３５２とから構成され、第２圧縮機３ｂは第２圧縮機用固定スクロール３６１と第２圧縮機用揺動スクロール３６２とから構成されている。これらのスクロールの中心部には軸３０８が上下方向に貫通しており、軸３０８の両端部にはバランスウェイト３０９ａ、３０９ｂが設けられている。軸３０８は膨張機用軸受け部３５１ｂ、第２圧縮機用軸受け部３６１ｂで支持されている。また、膨張機３ａの揺動スクロール３５２の背面と第２圧縮機３ｂの揺動スクロール３６２の背面とが背面合わせ構造となっている。

膨張機用固定スクロール３５１は、鏡板から上方に渦巻歯３５１ａが立設された構成を有している。膨張機用揺動スクロール３５２は、膨張機用固定スクロール３５１と対向する下面に、膨張機用固定スクロール３５１の渦巻歯３５１ａが噛み合う膨張機側渦巻歯３５２ａが立設され、膨張機用固定スクロール３５１と共に膨張機３ａを構成している。

また、第２圧縮機用固定スクロール３６１も、鏡板から下方に渦巻歯３６１ａが立設された構成を有している。第２圧縮機用揺動スクロール３６２は、第２圧縮機用固定スクロール３６１と対向する上面に第２圧縮機用固定スクロール３６１の渦巻歯３６１ａと噛み合う第２圧縮機側渦巻歯３６２ａが立設され、第２圧縮機用固定スクロール３６１と共に第２圧縮機３ｂを構成している。その他、必要部品であるオルダムリング３０７、クランク部３０８ｂが設けられ、これらは全て密閉容器３１０内に収納されている。

このような構造を有するサブ圧縮機一体型膨張機３において、容積比（圧縮機内容積／膨張機内容積）を大きく（例えば、２以上に）設計すると、同一歯高では第２圧縮機３ｂからのスラスト荷重に対して膨張機３ａ側からのスラスト荷重が小さくなり、揺動スクロール３５２，３６２の両面でスラスト荷重を相殺させることができない。このため、第２圧縮機３ｂと膨張機３ａを一体化したサブ圧縮機一体型膨張機３の構成が難しくなる。また、第２圧縮機３ｂ側のスラスト荷重を減らすために第２圧縮機３ｂ側を極端に歯高の高い渦巻とすることもできるが、強度的な問題が発生する。従って、膨張機３ａ、第２圧縮機３ｂともにスクロール構造を有するサブ圧縮機一体型では、膨張圧縮容積比を２以下の範囲に設定することで、性能面だけでなく、構造面でも信頼性の高い膨張機ユニットを構成できる。

上記のように構成された冷凍サイクル装置の運転動作を説明する。ここでは、放熱器２が利用側熱交換器として動作するものとして説明する。
通常の暖房運転では、主冷媒回路６のみを用いて動力回収を行う運転となる。すなわち、バイパス流量０％の運転であり、開閉弁１１が開放され、開閉弁１０は閉じられる。
第１圧縮機１から吐出された高圧のガス冷媒は放熱器２に送られる。放熱器２に送られた高圧のガス冷媒は室内空気と熱交換を行って放熱して高圧の中温冷媒となった後、膨張機３ａに流入する。膨張機３ａに流入した冷媒は、動力回収されながら低圧低温の気液二相冷媒に減圧され、蒸発器４で蒸発し、内部熱交換器５の低圧側に流入する。開閉弁１０は閉じられているため、バイパス回路７には冷媒が通過しない。よって、内部熱交換器５では熱交換は行われず、蒸発器４から流出した冷媒は、そのまま内部熱交換器５を通過して第１圧縮機１および第２圧縮機３ｂの吸入側へ戻る。

第２圧縮機３ｂの回転数は、膨張機３ａと同一であり、膨張機３ａの回収動力と第２圧縮機３ｂの消費電力が一致するように、第２圧縮機３ｂの吐出圧力（インジェクション圧力）が定められる。第１圧縮機１のインジェクションポート位置は、第２圧縮機３ｂの吐出圧力よりも第１圧縮機１のインジェクションポート圧力が低くなるように設計されているか、あるいは第２圧縮機３ｂの吐出圧力が第１圧縮機１のインジェクションポート圧力よりも低い場合は、動力回収を行わないように設計されている。

ここで、低外気条件での暖房運転のように、放熱器２の出口温度が比較的低く、動力回収による性能向上効果が小さいが、一方で大きな暖房能力が要求される場合について説明する。この場合、主冷媒回路６とバイパス回路７の両方に冷媒を流し、膨張機３ａによる動力回収と内部熱交換器５による熱交換との両方を行う運転を行う。

次に、動力回収と内部熱交換器５による熱交換との両方を行う運転について説明する。この運転の場合、膨張機３ａとバイパス回路７の両方に冷媒を流すため、開閉弁１１と開閉弁１０はそれぞれ適度な開度に設定されている。
この場合、第１圧縮機１から吐出された高温高圧のガス冷媒は放熱器２に送られる。放熱器２に送られた高圧のガス冷媒は室内空気と熱交換を行って凝縮し、高圧の液冷媒となった後、開閉弁１１で流量制御されて膨張機３ａに流入する。膨張機３ａに流入した冷媒は、動力回収されながら低圧低温の気液二相冷媒に減圧され、蒸発器４で蒸発し、内部熱交換器５の低圧側に流入する。

一方、放熱器２から流出してバイパス回路７側に流入した冷媒は、内部熱交換器５の高圧側に流入し、内部熱交換器５の低圧側の冷媒と熱交換して冷却されて、乾き度が低下する。そして、内部熱交換器５の高圧側を流出した冷媒は、開閉弁１０で減圧された後、主冷媒回路６からの冷媒と合流して蒸発器４に流入する。蒸発器４で蒸発した冷媒は内部熱交換器５の低圧側に流入し、内部熱交換器５の高圧側の冷媒と熱交換して蒸発し、第１圧縮機１および第２圧縮機３ｂに吸入される。第２圧縮機３ｂに吸入された冷媒は、第２圧縮機３ｂで圧縮された後、第１圧縮機１に吸入される。

一方、高外気条件での冷房運転のように、放熱器２の出口温度が比較的高く、膨張動力が大きくなって性能向上効果が大きい条件では開閉弁１０を閉止し（バイパス回路７を閉止し）、膨張機３ａを用いた動力回収運転を実施する。

このように、本実施の形態１の冷凍サイクル装置では、放熱器２と膨張機３ａとの間から分岐して膨張機３ａの出口に接続するバイパス回路７に内部熱交換器５を設け、放熱器２から流出した冷媒を分岐して直接膨張機３ａに流入する構成とした。したがって、特許文献１のように放熱器と膨張機との間に内部熱交換器を設けた構成と比較して、膨張機３ａの入口温度を上昇させることができ、膨張機３ａの単体効率を向上することが可能である。

また、低外気条件での暖房運転では、放熱器２から流出した高圧冷媒の一部をバイパス回路７に通過させ、内部熱交換器５にて低圧側を通過する冷媒により冷却し、開閉弁１０で減圧した後、蒸発器４に流入させるようにした。これにより、蒸発器入口の温度を下げることができ、蒸発器４の入口と出口（なお、蒸発器出口温度は固定とする）のエンタルピ差を拡大することができる。このようにエンタルピ差を拡大した分、暖房能力を向上することができ、ひいては省エネとなる冷凍サイクル装置を得ることができる。

また、内部熱交換器５において低圧側を通過する冷媒は、高圧側を通過する冷媒により加熱された後、第１圧縮機１に吸入されるため、第１圧縮機１の吸入温度を上昇させることができる。したがって、この点からも暖房能力を向上することができる。

ところで、バイパス流量を多くすると膨張機３ａにおける動力回収効率は低下し、その分、冷凍サイクル装置の運転効率は低下する。しかし、その一方で、暖房運転において蒸発器入口の温度を下げることができるため、エンタルピ差を拡大することができ、暖房能力を向上できる。したがって、サイクル効率が最大となるように膨張機通過流量とバイパス通過流量の比を決定すれば良い。この流量比に応じて、開閉弁１１の開度が決定されることになる。

また、バイパス回路７中に内部熱交換器５を設けたため、膨張機３ａおよび膨張機３ａに同軸接続される第２圧縮機３ｂでの密度比や流量比に無関係にバイパス流量（つまり、バイパス回路７を通過させる流量）を決めることができる。よって、暖房能力を優先してバイパス流量を多くすることが可能である。

また、膨張機３ａの入口温度は、内部熱交換器５の熱交換量の影響を受けないため、密度比（膨張機３ａ入口密度／第２圧縮機３ｂ入口密度）が小さくなり、揺動スクロール３５２，３６２の渦巻き歯高の差を小さくできる。このため、構造面でも膨張機３ａの単体効率が向上する。

また、冷媒を二酸化炭素としており、天然に存在する物質を冷媒として用いるため、冷凍サイクル装置から不測に漏れた場合も、オゾン層を破壊することなく、地球環境にやさしい安全性に優れた冷凍サイクル装置とすることができる。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２における冷凍サイクル装置の構成を示す図である。図３において、図１と同一部分には同一符号を付す。実施の形態２において、基本的な構成は実施の形態１と同様であるため、以下では、異なる点を中心に説明する。
本実施の形態２では、実施の形態１のように、放熱器出口部の冷媒と蒸発器出口部の冷媒とが熱交換する内部熱交換器５の代わりに、放熱器出口部の冷媒と放熱器出口部の冷媒の一部を減圧した冷媒とを熱交換させる内部熱交換器５ａを用いる例を示す。具体的な回路構成としては、実施の形態１と同様の主冷媒回路６と、主冷媒回路６の放熱器２と膨張機３ａとの間から分岐して内部熱交換器５ａおよび開閉弁１０を介して膨張機３ａの出口側に接続するバイパス回路７と、バイパス回路７の内部熱交換器５ａと開閉弁１０との間から分岐して開閉弁１２および内部熱交換器５ａの低圧側を介して第２圧縮機３ｂの吐出側で合流接続するインジェクション回路７ａとを備えた構成である。

運転切換えの方法や、主冷媒回路６のみを用いた膨張機３ａによる動力回収運転については実施の形態１と同様である。よって、以下では、低外気条件での暖房運転で行われる、動力回収と内部熱交換器５ａによる熱交換との両方を行う運転について説明する。この場合、開閉弁１０〜１２の何れも適切な開度に設定する。
第１圧縮機１から吐出された高温高圧のガス冷媒は放熱器２に送られる。放熱器２に送られた高圧のガス冷媒は室内空気と熱交換を行って凝縮して高圧の液冷媒となった後、開閉弁１１で流量制御されて膨張機３ａに流入する。膨張機３ａに流入した冷媒は、動力回収されながら低圧低温の気液二相冷媒に減圧されて蒸発器４に流入する。

一方、放熱器２から流出して膨張機３ａに向かう冷媒の一部はバイパス回路７に流入する。バイパス回路７に流入した冷媒は、内部熱交換器５ａの高圧側に流入し、内部熱交換器５ａの低圧側の低圧二相冷媒と熱交換して冷却され、乾き度が低下する。そして、内部熱交換器５ａの高圧側を流出した冷媒は、開閉弁１０で減圧され、主冷媒回路６からの冷媒と合流して蒸発器４に流入する。

蒸発器４で蒸発した冷媒は、第１圧縮機１および第２圧縮機３ｂに吸入される。第２圧縮機３ｂに吸入された冷媒は、第２圧縮機３ｂで圧縮された後、第１圧縮機１に吸入される。

また、内部熱交換器５ａの高圧側を通過した冷媒の一部は、インジェクション回路７ａに流入し、開閉弁１２により低圧低温の二相冷媒に減圧された後、内部熱交換器５ａの低圧側に流入する。内部熱交換器５ａの低圧側に流入した低圧二相冷媒は、高圧側を通過する冷媒と熱交換して蒸発した後、第１圧縮機１の圧縮室に連通するインジェクションポートから圧縮過程の圧縮室内にインジェクションガスとして注入される。なお、図３の構成では、膨張機３ａからの冷媒に合流して第１圧縮機１の圧縮室にインジェクションされる。

ここで、開閉弁１２は内部の開度（流動抵抗）が可変の減圧弁であり、その開度は、内部熱交換器５ａの低圧側出口の冷媒状態が所定の過熱度となるように制御される。内部熱交換器５ａの低圧側出口の過熱度は、過熱状態の低圧側出口冷媒温度と、開閉弁１２出口の二相冷媒温度との温度差で定義される。

本実施の形態２によれば、実施の形態１と同様の効果が得られると共に、内部熱交換器５ａから蒸発器４に向かう液冷媒の一部を分岐して内部熱交換器５ａの低圧側に流入させるようにしたので、以下の効果が得られる。すなわち、蒸発器４を通過する二相冷媒の流量が低下するとともに、実施の形態１のように第１圧縮機１および第２圧縮機３ｂの吸入冷媒が内部熱交換器５ａの低圧側を通過しないので、吸入部での圧力損失を小さくでき、サイクル性能が向上するという効果がある。なお、本実施の形態２では、内部熱交換器５ａの出口部で分岐した冷媒を内部熱交換器５ａの低圧側に流入させる例を示したが、内部熱交換器５ａの入口側（放熱器２の出口側）で分岐した冷媒を内部熱交換器５ａの低圧側に流入させる構成としても良く、この場合も同様の効果を発揮する。

また、本実施の形態２では、放熱器２から流出して膨張機３ａに導入される高圧の冷媒の一部を、膨張機３ａをバイパスしてバイパス回路７およびインジェクション回路７ａを介して第１圧縮機１内の圧縮室内にインジェクションするようにした。これにより、圧縮機吸入圧力から圧縮途中の圧力（中間圧力）までのバイパス流量分の圧縮動力を低減できる効果（インジェクション効果）がある。

また、インジェクション流量は開閉弁１２によって制御されるが、開閉弁１２はバイパス回路７から分岐して第１圧縮機１内の圧縮室に接続されるインジェクション回路７ａに設けられている。このため、開閉弁１２の開度、すなわちインジェクション流量は膨張機３ａの入口温度に影響を与えない。膨張機３ａの入口温度は、膨張機３ａの流入冷媒密度に影響することから、膨張機３ａおよび膨張機３ａに同軸接続される第２圧縮機３ｂでの密度比や流量比の制限を受ける。このため、インジェクション流量が膨張機３ａの入口温度に影響を与える構成であると、インジェクション流量も前記密度比や流量比の制限を受けることになり、自由に変更することはできない。例えば、特許文献１の構成では、膨張弁の入口側に内部熱交換器を設けた構成であるため、内部熱交換器の熱交換量によって膨張弁の入口温度が変わる。このため、膨張弁の入口温度に応じて内部熱交換器を通過させるバイパス流量（インジェクション流量）を決定する必要がある。しかし、本実施の形態２では、インジェクション流量が膨張機３ａの入口温度に影響を与えない構成としたため、密度比や流量比に無関係にインジェクション流量を決めることができる。よって、暖房能力を優先してインジェクション流量を増やすことが可能である。

実施の形態３．
図４は、本発明の実施の形態３における冷凍サイクル装置の構成を示す図である。図４において、図３に示した実施の形態２と同一部分には同一符号を付す。実施の形態３の冷凍サイクル装置は、図３に示した実施の形態２の冷凍サイクル装置を基本として備え、更に、冷房運転、暖房運転ともに膨張機３ａを利用できる構成としたものである。すなわち、第１圧縮機１の吐出側に冷媒の流れ方向を切り換える四方弁２０を設け、また、膨張機３ａの周囲に４つの逆止弁で構成されるブリッジ回路（逆止弁１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄの組合せで形成される整流回路）を設けたものである。なお、ここでは図３に示した実施の形態２の冷凍サイクル装置を基本として備えた構成を示しているが、図１に示した実施の形態１の冷凍サイクル装置を備えた構成としてもよい。

図４に示すように、本実施の形態３に係る冷凍サイクル装置は、室外ユニット１００、室内ユニット２００ａ、２００ｂ、それらを接続する配管である液管５０およびガス管５１を備えており、１台の室外ユニット１００に複数台の室内機が接続されるマルチタイプの空調機である。

室外ユニット１００内には、冷媒ガスを圧縮するための第１圧縮機１、室外熱交換器４、冷媒を減圧して二相状態の湿り蒸気とする膨張機３ａが設けられており、これらが順次配管で接続されて主冷媒回路６の一部を構成している。また、主冷媒回路６は、膨張機３ａと同軸に接続され、膨張機３ａで回収した動力により駆動される第２圧縮機３ｂを備えている。なお、図４において後述のバイパス回路７とインジェクション回路７ａを除いた部分を、主冷媒回路６とする。

また、室外ユニット１００内には、膨張機３ａをバイパスするバイパス回路７が設けられている。バイパス回路７は、内部熱交換器５ａと開閉弁１０とを有しており、室外熱交換器４から流出した冷媒を内部熱交換器５ａの高圧側および開閉弁１０を介して膨張機３ａの出口部に合流させる。また、バイパス回路７において内部熱交換器５ａと開閉弁１０との間から分岐して開閉弁１２および内部熱交換器５ａの低圧側を介し、第２圧縮機３ｂの吐出側に合流接続するインジェクション回路７ａを備えている。膨張機３ａの出口部には気液分離器８が設置され、気液分離器８により分離されたガス冷媒は第１圧縮機１の吸入部へ吸入される。また、気液分離器８で分離された液冷媒は、冷房の場合、室内熱交換器２ａ、２ｂへ、暖房の場合、室外熱交換器４へと流れる。

膨張機３ａと第２圧縮機３ｂは上述したように同軸に接続され、実施の形態１と同様にサブ圧縮機一体型膨張機３として一体構造を形成している。また、主冷媒回路６において第２圧縮機３ｂの吸入側が第１圧縮機１の吸入側と並列になるように設置されており、第２圧縮機３ｂの吐出側が第１圧縮機１の圧縮室に連通して設けたインジェクションポートに接続されている。内部には冷媒として例えば臨界温度（約３１℃）以上で超臨界状態となる二酸化炭素が封入されている。

また、室内ユニット２００ａ、２００ｂは、主冷媒回路６の一部を構成する室内熱交換器２ａ、２ｂと、室内膨張弁９ａ、９ｂとを備えている。

上記のように構成された冷凍サイクル装置の運転動作を説明する。
通常の暖房運転では、主冷媒回路６のみを用いて動力回収を行う運転となる。すなわち、バイパス流量０％の運転であり、開閉弁１１が開放され、開閉弁１０および開閉弁１２は閉じられる。
第１圧縮機１から吐出された高圧のガス冷媒は、四方弁２０およびガス管５１を介して室内ユニット２００ａ、２００ｂに送られる。室内ユニット２００ａ、２００ｂに送られた高圧のガス冷媒は、室内ユニット２００ａ、２００ｂの室内熱交換器２ａ、２ｂにおいて、室内空気と熱交換を行って放熱し、高圧の中温冷媒となる。そして、高圧の中温冷媒は、室内膨張弁９ａ、９ｂを通過して減圧された後、液管５０を介して室外ユニット１００に流入する。

室外ユニット１００に流入した冷媒は、逆止弁１６ｃを通過した後、第２膨張機３ａに流入し、ここで更に減圧された後、気液分離器８に流入する。気液分離器８で分離された液冷媒は、逆止弁１６ｂを介して室外熱交換器４に流入する。そして、室外熱交換器４に流入した低圧の冷媒は、室外空気と熱交換を行って蒸発し、低圧のガス冷媒となり、四方弁２０を通過した後、第１圧縮機１の吸入部へ戻る。また、気液分離器８で分離されたガス冷媒は２つに分岐され、一方は、第２圧縮機３ｂで圧縮された後、第１圧縮機１の圧縮室に吸入され、他方は、四方弁２０を介して戻ってくる冷媒と合流して第１圧縮機１の吸入部に吸入される。

ここで、低外気条件での暖房運転のように、放熱器２の出口温度が比較的低く、動力回収による性能向上効果が小さいが、大きな暖房能力が要求される場合について説明する。この場合、主冷媒回路６とバイパス回路７の両方に冷媒を流し、膨張機３ａによる動力回収と内部熱交換器５ａによる熱交換との両方を行う運転を行う。この運転における冷媒の流れは、基本的には実施の形態２と同様である。

以下、動力回収と内部熱交換器５ａによる熱交換との両方を行う運転について説明する。この運転の場合、膨張機３ａとバイパス回路７の両方に冷媒を流すため、開閉弁１０〜１２の何れも適度な開度に設定されている。
第１圧縮機１から吐出された高温高圧のガス冷媒は、ガス管５１を通過して室内ユニット２００ａ、２００ｂの放熱器としての室内熱交換器２ａ、２ｂに送られる。室内熱交換器２ａ、２ｂに送られた高圧のガス冷媒は室内空気と熱交換を行って放熱して高圧の中温冷媒となった後、開閉弁１１で流量制御されて膨張機３ａに流入する。膨張機３ａに流入した冷媒は、動力回収されながら低圧低温の気液二相冷媒に減圧され、気液分離器８に流入する。気液分離器８に流入した気液二相冷媒は、気液分離器８でガス冷媒と液冷媒に分離され、液冷媒は逆止弁１６ｂを介して室外熱交換器４に流入する。そして、室外熱交換器４に流入した低圧二相冷媒は室外空気と熱交換を行って蒸発し、低圧のガス冷媒となり、四方弁２０を通過した後、第１圧縮機１の吸入部へ戻る。また、気液分離器８で分離されたガス冷媒は２つに分岐され、一方は、第２圧縮機３ｂで圧縮された後、第１圧縮機１の圧縮室に吸入され、他方は、四方弁２０を介して戻ってくる冷媒と合流して第１圧縮機１の吸入部に吸入される。

一方、室内熱交換器２ａ、２ｂから流出して膨張機３ａに向かう冷媒の一部は、バイパス回路７に流入する。バイパス回路７に流入した冷媒は、内部熱交換器５ａの高圧側に流入し、内部熱交換器５ａの低圧側の低圧二相冷媒と熱交換して冷却されて、乾き度が低下する。そして、内部熱交換器５ａの高圧側を流出した冷媒は、開閉弁１０で減圧された後、主冷媒回路６の膨張機３ａから流出した冷媒と合流して気液分離器８に流入する。気液分離器８に流入後の冷媒の流れは、上記と同様である。

また、内部熱交換器５ａの高圧側を通過した冷媒の一部は、インジェクション回路７ａに流入し、開閉弁１２により低圧低温の二相冷媒に減圧された後、内部熱交換器５ａの低圧側に流入する。内部熱交換器５ａの低圧側に流入した低圧二相冷媒は、高圧側を通過する冷媒と熱交換して蒸発した後、第１圧縮機１の圧縮室に連通するインジェクションポートから圧縮過程の圧縮室内にインジェクションガスとして注入される。なお、図４の構成では、膨張機３ａからの冷媒に合流して第１圧縮機１の圧縮室にインジェクションされる。

ここで、開閉弁１２は内部の開度（流動抵抗）が可変の減圧弁であり、その開度は、内部熱交換器５ａの低圧側出口の冷媒状態が所定の過熱度となるように制御される。内部熱交換器５ａの低圧側出口の過熱度は、過熱状態の低圧側出口冷媒温度と、開閉弁１２出口の二相冷媒温度との温度差で定義される。

次に、冷房運転で膨張機３ａによる動力回収を行う場合を説明する。第１圧縮機１から吐出された高温高圧のガス冷媒は、室外熱交換器４で放熱し、膨張機３ａに流入する。膨張機３ａに流入した冷媒は、膨張時に動力回収されながら低圧低温の気液二相冷媒に減圧され、室内熱交換器２ａ、２ｂで蒸発し、第１圧縮機１および第２圧縮機３ｂの吸入側へ戻る。第２圧縮機３ｂの回転数は膨張機３ａと同一であり、膨張機３ａの回収動力と第２圧縮機３ｂの消費電力が一致するように、第２圧縮機３ｂの高圧（インジェクション圧力）が定まる。

本実施の形態３によれば、四方弁２０の切り替えにより暖房・冷房運転を実施する空調機においても、上記実施の形態1及び実施の形態２と同様の効果を得ることができる。

また、上記実施の形態１〜３では、第２圧縮機３ｂの吸入側が第１圧縮機１の吸入側と並列に設置され、第２圧縮機３ｂの吐出側が第１圧縮機１の圧縮途中の圧縮室に接続される構成を示したが、これに限るものではなく、第１圧縮機１と第２圧縮機３ｂが完全に並列配置され、第２圧縮機３ｂの吐出側が第１圧縮機１の吐出側と合流する構成としても良い。この場合、第２圧縮機３ｂの排除容積は、第１圧縮機１の排除容積に比べ、十分小さく設計される。

１ 第１圧縮機、２ 放熱器、２ａ，２ｂ 室内熱交換器、３ サブ圧縮機一体型膨張機、３ａ 膨張機、３ｂ 第２圧縮機、４ 蒸発器（室外熱交換器）、５ 内部熱交換器、５ａ 内部熱交換器、６ 主冷媒回路、７ バイパス回路、７ａ インジェクション回路、８ 気液分離器、９ａ，９ｂ 室内膨張弁、１０ 開閉弁、１１ 開閉弁、１２ 開閉弁、１６ａ〜１６ｄ 逆止弁、２０ 四方弁、５０ 液管、５１ ガス管、１００ 室外ユニット、２００ａ，２００ｂ 室内ユニット、３０７ オルダムリング、３０８ 軸、３０８ｂ クランク部、３０９ａ，３０９ｂ バランスウェイト、３１０ 密閉容器、３５１ 膨張機用固定スクロール、３５１ａ 渦巻歯、３５１ｂ 膨張機用軸受け部、３５２ 膨張機用揺動スクロール、３５２ａ 膨張機側渦巻歯、３６１ 第２圧縮機用固定スクロール、３６１ａ 渦巻歯、３６１ｂ 第２圧縮機用軸受け部、３６２ 第２圧縮機用揺動スクロール、３６２ａ 圧縮機側渦巻歯。

Claims (4)

1. 第１圧縮機、放熱器、膨張機および蒸発器が順次配管で接続されると共に、前記膨張機で回収した動力により駆動され、前記蒸発器から前記第１圧縮機に向かう冷媒の一部を分岐点を介して受け入れて圧縮する第２圧縮機を備えた主冷媒回路と、
   前記膨張機をバイパスするバイパス回路と、
   該バイパス回路上に設けられ、
   前記放熱器から流出して前記バイパス回路に流れ込んだ高圧冷媒と、
   前記分岐点と前記第１圧縮機との間の低圧冷媒又は前記分岐点と前記第２圧縮機との間の低圧冷媒と
   を熱交換する内部熱交換器と
   を備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 低外気温での暖房運転時には、前記主冷媒回路と前記バイパス回路の両方に冷媒を流すことを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記膨張機および前記第２圧縮機がいずれもスクロール型の構造であることを特徴とする請求項１又は２記載の冷凍サイクル装置。
4. 冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の冷凍サイクル装置。

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