JP5367164B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

冷凍サイクル装置 Download PDF

Info

Publication number
JP5367164B2
JP5367164B2 JP2012512652A JP2012512652A JP5367164B2 JP 5367164 B2 JP5367164 B2 JP 5367164B2 JP 2012512652 A JP2012512652 A JP 2012512652A JP 2012512652 A JP2012512652 A JP 2012512652A JP 5367164 B2 JP5367164 B2 JP 5367164B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
pressure
expander
low
refrigerant
compressor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2012512652A
Other languages
English (en)
Other versions
JPWO2011135805A1 (ja
Inventor
敦雄 岡市
雄司 尾形
賢宣 和田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Corp
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Panasonic Corp
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Panasonic Corp, Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Panasonic Corp
Priority to JP2012512652A priority Critical patent/JP5367164B2/ja
Publication of JPWO2011135805A1 publication Critical patent/JPWO2011135805A1/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP5367164B2 publication Critical patent/JP5367164B2/ja
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B1/00—Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle
    • F25B1/10—Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle with multi-stage compression
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/06—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point using expanders
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/06—Compression machines, plants or systems characterised by the refrigerant being carbon dioxide
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2400/00—General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
    • F25B2400/04—Refrigeration circuit bypassing means
    • F25B2400/0401—Refrigeration circuit bypassing means for the compressor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2400/00—General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
    • F25B2400/13—Economisers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2400/00—General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
    • F25B2400/14—Power generation using energy from the expansion of the refrigerant
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2600/00—Control issues
    • F25B2600/25—Control of valves
    • F25B2600/2509—Economiser valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2600/00—Control issues
    • F25B2600/25—Control of valves
    • F25B2600/2519—On-off valves

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Applications Or Details Of Rotary Compressors (AREA)
  • Control Of Positive-Displacement Pumps (AREA)

Description

本発明は、冷凍サイクル装置に関する。
従来、冷媒を膨張させることで動力回収を行う膨張機と、冷媒を予備的に昇圧する第２圧縮機とを備えた冷凍サイクル装置として、図１５に示す冷凍サイクル装置７００が知られている（例えば、特開２００３−３０７３５８号公報参照）。図１５を参照しながら、従来の冷凍サイクル装置７００の構成について説明する。
図１５に示すように、冷凍サイクル装置７００は、第１圧縮機１、放熱器２、膨張機３、蒸発器４、第２圧縮機５、およびこれらの要素をこの順番で接続している流路１０ａ〜１０ｅによって形成された冷媒回路６を備えている。第２圧縮機５は、動力回収軸７により膨張機３と連結されており、膨張機３で回収した機械エネルギーを、動力回収軸７を介して受けることで、駆動される。
さらに、第２圧縮機５をバイパスするバイパス路８と、バイパス路８における冷媒の流れを制御するバイパス弁９とが設けられている。バイパス路８の上流端は、蒸発器４の出口と第２圧縮機５の吸入口とを結ぶ流路１０ｄに接続され、バイパス路８の下流端は、第２圧縮機５の吐出口と第１圧縮機１の吸入口とを結ぶ流路１０ｅに接続されている。
冷凍サイクル装置７００は、次の手順に従って起動する。まず、第１圧縮機１の運転を開始させて、バイパス弁９を開く。これにより、蒸発器４内の冷媒は、図１５中の実線矢印に示すように、バイパス路８を通じて第１圧縮機１に吸入される。冷媒を第１圧縮機１で昇圧して吐出することで、膨張機３の吸入口での圧力が上昇する。この結果、図１６に示すように、膨張機３の前後で圧力差が生じ、膨張機３および第２圧縮機５は、速やかに起動することができる。膨張機３および第２圧縮機５が起動した後、バイパス弁９が閉じられ、蒸発器４から流出した冷媒は、図１５中の一点鎖線矢印に示すように、流路１０ｄを通じて第２圧縮機５に吸入される。このように、バイパス路８を設けることで、スムーズに定常運転に移行できる。
特開２００３−３０７３５８号公報
冷凍サイクル装置７００では、膨張機３および第２圧縮機５の起動に関して、膨張機３のみが関与し、第２圧縮機５は寄与していない。むしろ、第２圧縮機５は、膨張機３を起動する際の負荷となっている。すなわち、第２圧縮機５の構成部品と動力回収軸７との摩擦などが、膨張機３の駆動抵抗となっている。
また、冷凍サイクル装置７００の定常運転時、第２圧縮機５と膨張機３とは、単一経路の冷媒回路６を形成しているとともに、これらの回転数は、相互に共通の動力回収軸７で連結されているため、同一である。したがって、単位時間あたりに第２圧縮機５が吸入するべき冷媒の質量と、単位時間あたりに膨張機３が吸入するべき冷媒の質量とが等しくなるように、第２圧縮機５の容積と膨張機３の容積とを設定しなければならない。
図１７は、従来の冷凍サイクル装置７００において、二酸化炭素を冷媒として用いたときのモリエル線図の一例である。図１７に示すように、従来の冷凍サイクル装置７００の定常運転において、第２圧縮機５が吸入した冷媒の圧力は４０ｋｇ／ｃｍ2、その温度は約１０℃であり（図１７中、点Ａ）、このときの冷媒の密度は１０８．０ｋｇ／ｍ3となる。膨張機３が吸入した冷媒の圧力は１００ｋｇ／ｃｍ2、その温度は４０℃であり（図１７中、点Ｃ）、このときの冷媒の密度は６２８．６１ｋｇ／ｍ3となる。
ここで、第２圧縮機５の吸入容積（ｍ3）をＶｃ、膨張機３の吸入容積（ｍ3）をＶｅ、１秒間あたりの動力回収軸７の回転数（Ｓ-1）をＮとする。１秒間あたりに第２圧縮機５が吸入できる冷媒の質量（ｋｇ／ｓ）と、１秒間あたりに膨張機３が吸入できる冷媒の質量（ｋｇ／ｓ）とは、それぞれ、（式１）および（式２）で表すことができる。
（式１）
（１秒間あたりに第２圧縮機５が吸入できる冷媒の質量）＝１０８．０×Ｖｃ×Ｎ
（式２）
（１秒間あたりに膨張機３が吸入できる冷媒の質量）＝６２８．６１×Ｖｅ×Ｎ
１秒間あたりに第２圧縮機５が吸入できる冷媒の質量と、１秒間あたりに膨張機３が吸入できる冷媒の質量とが等しい場合、上記（式１）および（式２）より、第２圧縮機５の吸入容積Ｖｃは（式３）で表される。
（式３）
Ｖｃ＝（６２８．６１／１０８．０）×Ｖｅ≒５．８×Ｖｅ
すなわち、冷凍サイクル装置７００の起動時において、膨張機３は、膨張機３の約５．８倍の吸入容積を持つ第２圧縮機５を駆動させなければならない。また、第２圧縮機５が吸入するべき冷媒の密度と、膨張機３が吸入するべき冷媒の密度との比がより大きくなると、第２圧縮機５の吸入容積と、膨張機３の吸入容積との比もより大きくなる。つまり、膨張機３の吸入容積は、第２圧縮機５の吸入容積に対してより小さくなり、第２圧縮機５の起動時における膨張機３の駆動抵抗が相対的に大きくなる。したがって、冷凍サイクル装置７００の運転条件によっては、起動時に、膨張機３が第２圧縮機５を駆動できない恐れがある。あるいは、第２圧縮機５の駆動に必要な駆動力を得るために、膨張機３の吸入口側に定常運転時に比して過剰な圧力を与える必要が生じる。その結果、第１圧縮機１への入力電力が増加して冷凍サイクル装置７００の効率が低下する。
本発明は、上記の課題を解決するものであり、確実に、安定して起動することができる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、
冷媒を圧縮する低圧段圧縮機と、前記低圧段圧縮機で圧縮された冷媒をさらに圧縮する高圧段圧縮機と、前記高圧段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を膨張させつつ冷媒から動力を回収し、回収した動力が前記低圧段圧縮機に伝達されるように前記低圧段圧縮機に軸で連結された膨張機と、前記膨張機で膨張した冷媒をガス冷媒と液冷媒とに分離する気液分離器と、前記気液分離器で分離された液冷媒を蒸発させる蒸発器と、を有する主冷媒回路と、
前記気液分離器で分離されたガス冷媒を前記低圧段圧縮機の吐出口から前記高圧段圧縮機の吸入口までの前記主冷媒回路の部分に導くインジェクション流路と、
前記高圧段圧縮機の吐出口から前記膨張機の吸入口までの前記主冷媒回路の部分と、前記蒸発器の出口から前記低圧段圧縮機の吸入口までの前記主冷媒回路の部分と、を連絡する高圧導入流路と、
前記蒸発器および前記高圧導入流路から選ばれる１つを前記低圧段圧縮機に選択的に接続できる流路切替機構と、
を備えた、冷凍サイクル装置を提供する。
別の側面において、本発明は、
冷媒を圧縮する低圧段圧縮機と、前記低圧段圧縮機で圧縮された冷媒をさらに圧縮する高圧段圧縮機と、前記高圧段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を膨張させつつ冷媒から動力を回収し、回収した動力が前記低圧段圧縮機に伝達されるように前記低圧段圧縮機に軸で連結された膨張機と、前記膨張機で膨張した冷媒をガス冷媒と液冷媒とに分離する気液分離器と、前記気液分離器で分離された液冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記気液分離器と前記蒸発器との間の流路上に設けられた膨張弁と、を有する主冷媒回路と、
前記気液分離器で分離されたガス冷媒を前記低圧段圧縮機の吐出口から前記高圧段圧縮機の吸入口までの前記主冷媒回路の部分に導くインジェクション流路と、
前記低圧段圧縮機の吸入口での圧力が前記低圧段圧縮機の吐出口での圧力に前記インジェクション流路を介して等しくなることを阻止するように、当該冷凍サイクル装置の起動時に前記膨張弁を全閉にするコントローラと、
を備えた、冷凍サイクル装置を提供する。
本発明の冷凍サイクル装置によれば、高圧段圧縮機は、インジェクション流路を通じて蒸発器および気液分離器内の冷媒を吸入できる。これにより、主冷媒回路の高圧側の圧力を速やかに上昇させることができる。
低圧段圧縮機の吐出口から高圧段圧縮機の吸入口までの主冷媒回路の部分がインジェクション流路で気液分離器に接続されているので、膨張機の吐出口での圧力を高圧段圧縮機の吸入口での圧力に一致させることができる。膨張機の吸入口での圧力は、通常、主冷媒回路の高圧側の圧力に等しい。
一方、流路切替機構および高圧導入流路の働きにより、低圧段圧縮機の吸入口での圧力を主冷媒回路の高圧側の圧力に一致させることができる。低圧段圧縮機の吐出口での圧力は、通常、高圧段圧縮機の吸入口での圧力に等しい。
このように、本発明によれば、膨張機の前後だけでなく、低圧段圧縮機の前後でも圧力差を生じさせることができる。そのため、本発明の冷凍サイクル装置は、運転条件によらず、確実に、安定して起動できる。
別の側面において、本発明の冷凍サイクル装置によれば、高圧段圧縮機は、インジェクション流路を通じて気液分離器内の冷媒を吸入できる。これにより、主冷媒回路の高圧側の圧力を速やかに上昇させることができる。
低圧段圧縮機の吐出口から高圧段圧縮機の吸入口までの主冷媒回路の部分がインジェクション流路で気液分離器に接続されているので、膨張機の吐出口での圧力を高圧段圧縮機の吸入口での圧力に一致させることができる。膨張機の吸入口での圧力は、通常、主冷媒回路の高圧側の圧力に等しい。
一方、膨張弁を全閉にすることで、膨張弁の前後の流路を分断できる。したがって、低圧段圧縮機の吸入口での圧力が低圧段圧縮機の吐出口での圧力にインジェクション流路を介して等しくなることを阻止できる。その結果、低圧段圧縮機の吸入口での圧力を高圧段圧縮機の駆動前における主冷媒回路内の圧力（中間圧力）に維持できる。低圧段圧縮機の吐出口での圧力は、通常、高圧段圧縮機の吸入口での圧力に等しい。
このように、本発明によれば、膨張機の前後だけでなく、低圧段圧縮機の前後でも圧力差を生じさせることができる。そのため、本発明の冷凍サイクル装置は、運転条件によらず、確実に、安定して起動できる。
本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の構成図 本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の起動制御のフロー図 変形例１における冷凍サイクル装置の構成図 変形例１における冷凍サイクル装置の起動制御のフロー図 変形例２における冷凍サイクル装置の構成図 実施の形態１、変形例１および変形例２の冷凍サイクル装置の起動時の状態を示す概略図 動力回収システムの構成図 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図 本発明の実施の形態２における冷凍サイクル装置の起動制御のフロー図 変形例３における冷凍サイクル装置の構成図 変形例３における冷凍サイクル装置の起動制御のフロー図 変形例４における冷凍サイクル装置の構成図 変形例４における冷凍サイクル装置の起動制御のフロー図 実施の形態２および変形例３の冷凍サイクル装置の起動時の状態を示す概略図 変形例４の冷凍サイクル装置の起動時の状態を示す概略図 従来の冷凍サイクル装置の構成図 図１５に示す冷凍サイクル装置の起動時の状態を示す概略図 従来の冷凍サイクル装置において二酸化炭素を冷媒として用いたときのモリエル線図
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、以下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。
（実施の形態１）
＜冷凍サイクル装置１００の構成＞
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１００の構成図である。図１に示すように、冷凍サイクル装置１００は、高圧段圧縮機１０１と、放熱器１０２と、膨張機１０３と、気液分離器１０８と、蒸発器１０４と、低圧段圧縮機１０５とを、流路１０６ａ〜１０６ｆにより順次接続することによって形成された主冷媒回路１０６を備えている。流路１０６ａ〜１０６ｆは、それぞれ、冷媒配管で構成されている。気液分離器１０８と蒸発器１０４との間の流路１０６ｄ上には、膨張弁１１０が設けられている。蒸発器１０４と低圧段圧縮機１０５との間の流路１０６ｅ上には、逆止弁１３２が設けられている。以下において、低圧段圧縮機１０５の吐出口と高圧段圧縮機１０１の吸入口とを接続する流路１０６ｆを「中間圧流路１０６ｆ」とも言う。
高圧段圧縮機１０１は、圧縮機構部１０１ａと、圧縮機構部１０１ａを駆動するモータ１０１ｂとで構成されており、冷媒を高温高圧に圧縮する。高圧段圧縮機１０１としては、スクロール式圧縮機およびロータリ式圧縮機等の容積式圧縮機を用いることができる。高圧段圧縮機１０１の吐出口は、流路１０６ａを介して放熱器１０２の入口に接続されている。
放熱器１０２は、高圧段圧縮機１０１により圧縮された高温高圧の冷媒を外部の熱源と熱交換させることで放熱させる（冷却する）。放熱器１０２の出口は、流路１０６ｂを介して膨張機１０３の吸入口に接続されている。
膨張機１０３は、放熱器１０２から流出した中温高圧の冷媒を膨張させつつ、冷媒の膨張エネルギー（動力）を機械エネルギーに変換して回収する。膨張機１０３の吐出口は、流路１０６ｃを介して気液分離器１０８の入口に接続されている。膨張機１０３としては、スクロール式膨張機およびロータリ式膨張機等の容積式膨張機を用いることができる。さらに、膨張機１０３として、流体圧モータ式膨張機を用いることもできる。流体圧モータ式膨張機とは、作動室内で実質的な膨張工程を行なわずに、冷媒を吸入する工程と、吸入した冷媒を吐出する工程とを連続して行うことで、冷媒から動力を回収する容積式流体機械である。流体圧モータ式膨張機の詳細な構造および動作原理は、例えば、国際公開２００８／０５０６５４号公報に開示されている。
気液分離器１０８は、膨張機１０３で膨張した低温低圧の冷媒をガス冷媒と液冷媒とに分離する役割を担う。気液分離器１０８によれば、冷凍サイクル装置１００の起動時において、高圧段圧縮機１０１に液冷媒が多量に吸い込まれるのを防止できる。気液分離器１０８のガス冷媒出口は、インジェクション流路１１１を介して流路１０６ｆに接続されている。気液分離器１０８の液冷媒出口は、膨張弁１１０を備えた流路１０６ｄを介して蒸発器１０４の入口に接続されている。
膨張弁１１０は、定常運転時に蒸発器１０４へ流れる液冷媒の流量を調整する役割を担う。したがって、膨張弁１１０として、開度を段階的に変化させることが可能であって、冷媒を膨張させる能力を有する弁、典型的には電動膨張弁を用いることが好ましい。冷凍サイクル装置１００の起動時においては、膨張弁１１０を全開または略全開にする。これにより、蒸発器１０４内の冷媒を高圧段圧縮機１０１がスムーズに吸入できる。
蒸発器１０４は、気液分離器１０８で分離された低温低圧の液冷媒を外部の熱源と熱交換させて蒸発させる。蒸発器１０４の出口は、逆止弁１３２を備えた流路１０６ｅを介して低圧段圧縮機１０５の吸入口に接続されている。
低圧段圧縮機１０５は、蒸発器１０４から流出した中温低圧の冷媒を吸入し、予備的に昇圧した後、中間圧流路１０６ｆに吐出する。低圧段圧縮機１０５の吐出口は、中間圧流路１０６ｆを介して高圧段圧縮機１０１の吸入口に接続されている。低圧段圧縮機１０５としては、スクロール式圧縮機およびロータリ式圧縮機等の容積式圧縮機を用いることができる。さらに、低圧段圧縮機１０５として、流体圧モータ式圧縮機を用いることができる。流体圧モータ式圧縮機とは、蒸発器１０４から冷媒を吸入する工程と、吸入した冷媒を高圧段圧縮機１０１へ吐出する工程とを実質的に連続して行うことで、冷媒を昇圧する容積式流体機械である。言い換えれば、流体圧モータ式圧縮機とは作動室内で実質的に冷媒の体積変化を生じさせない流体機械を意味する。流体圧モータ式圧縮機の構造は、基本的に、流体圧モータ式膨張機の構造と同じであり、先の文献に詳細に開示されている。
膨張機１０３は、動力回収軸１０７によって低圧段圧縮機１０５に連結されている。動力回収軸１０７を介して、膨張機１０３で回収した機械エネルギー（動力）を低圧段圧縮機１０５に伝達できる。すなわち、膨張機１０３、低圧段圧縮機１０５および動力回収軸１０７は、冷媒から動力を回収する動力回収システム１０９として機能する。図７に示すように、膨張機１０３および低圧段圧縮機１０５は、動力回収軸１０７とともに、潤滑油を貯留した１つの密閉容器１０９ａに収容されている。そのため、特別なシール構造は必要とされない。
本実施の形態において、低圧段圧縮機１０５は、膨張機１０３の容積よりも大きい容積を有する。冷媒として二酸化炭素を使用する場合、膨張機１０３の容積Ｖｅに対する低圧段圧縮機１０５の容積Ｖｃの比率（Ｖｃ／Ｖｅ）は、例えば、５〜１５の範囲に設定される。冷媒としてＲ４１０Ａを使用する場合、比率（Ｖｃ／Ｖｅ）は、例えば、３０〜４０の範囲に設定される。Ｒ４１０Ａのように圧縮機の吸入冷媒が希薄な冷媒を用いる場合には、比率（Ｖｃ／Ｖｅ）も大きくなりがちである。一般には、比率（Ｖｃ／Ｖｅ）が大きければ大きいほど、低圧段圧縮機１０５および膨張機１０３を自立起動させるために、より大きい駆動力（トルク）が必要となる。なお、「低圧段圧縮機１０５の容積」とは、閉じ込め容積、すなわち吸入工程の完了時における作動室の容積を意味する。このことは、膨張機１０３についても同じである。
冷凍サイクル装置１００は、さらに、高圧導入流路１３０および開閉弁１３１を備えている。高圧導入流路１３０は、流路１０６ａと流路１０６ｅとを連絡するように、主冷媒回路１０６に接続されている。開閉弁１３１は、高圧導入流路１３０に設けられており、高圧導入流路１３０における冷媒の流れを制御する。
高圧導入流路１３０は、流路１０６ａに接続された上流端Ｅ1（一端）と、流路１０６ｅに接続された下流端Ｅ2（他端）とを有する。すなわち、高圧導入流路１３０は、動力回収軸１０７の回転前において、流路１０６ａ内の冷媒を低圧段圧縮機１０５の吸入口に直接導くことができる流路である。高圧導入流路１３０は、典型的には、冷媒配管で構成されている。
冷凍サイクル装置１００の起動時に低圧段圧縮機１０５の吸入口での圧力を高めることができる限りにおいて、上流端Ｅ1の位置は図１に示す位置に限定されない。すなわち、高圧段圧縮機１０１の吐出口から膨張機１０３の吸入口までの主冷媒回路１０６の部分と、蒸発器１０４の出口から低圧段圧縮機１０５の吸入口までの主冷媒回路１０６の部分と、を連絡できる限りにおいて、上流端Ｅ1の位置は特に限定されない。具体的に、高圧導入流路１３０は、流路１０６ｂと流路１０６ｅとを連絡するように、主冷媒回路１０６に接続されていてもよい。場合によっては、高圧導入流路１３０が放熱器１０２から分岐していてもよい。例えば、放熱器１０２が上流側部分と下流側部分とで構成されている場合には、その２つの部分の間から高圧導入流路１３０を容易に分岐させうる。
ただし、図１に示すように、上流端Ｅ1が流路１０６ａに位置している場合、次のような効果が得られる。流路１０６ａにおける冷媒の密度は、流路１０６ｂにおける冷媒の密度よりも小さい。通常、流路１０６ａ内で冷媒は気相状態である。高圧導入流路１３０を通じてガス冷媒を低圧段圧縮機１０５の吸入口に供給することにより、低圧段圧縮機１０５を通じて高圧段圧縮機１０１へ液冷媒が流入することを防止できる。これにより、高圧段圧縮機１０１での液圧縮が防止され、ひいては冷凍サイクル装置１００の信頼性が高まる。
開閉弁１３１および逆止弁１３２は、蒸発器１０４および高圧導入流路１３０から選ばれる１つを選択的に低圧段圧縮機１０５に接続することができる流路切替機構を構成している。蒸発器１０４および高圧導入流路１３０から選ばれる１つを選択的に低圧段圧縮機１０５に接続すると、蒸発器１０４および高圧導入流路１３０より選ばれる１つから低圧段圧縮機１０５に冷媒が導かれる。逆止弁１３２は、蒸発器１０４の出口から高圧導入流路１３０の下流端Ｅ2までの主冷媒回路１０６の部分（流路１０６ｅ）に設けられている。
開閉弁１３１は、定常運転時には閉じており、冷凍サイクル装置１００の起動時に開放される。開閉弁１３１を開くと、高圧導入流路１３０を経由して流路１０６ａ内の冷媒を低圧段圧縮機１０５の吸入口へと直接供給できる。その際、逆止弁１３２は、高圧導入流路１３０から蒸発器１０４に向かう冷媒の流れを遮断できる。他方、開閉弁１３１を閉じると、高圧導入流路１３０から低圧段圧縮機１０５への冷媒の流れを禁止しつつ蒸発器１０４から低圧段圧縮機１０５に冷媒を供給できる。逆止弁１３２は、電気的な制御を必要としない利点を有する。もちろん、逆止弁１３２を任意に開閉できる弁に置き換えることも可能である。
冷凍サイクル装置１００は、さらに、インジェクション流路１１１およびインジェクション量調整弁１１２を備えている。インジェクション流路１１１は、気液分離器１０８で液冷媒から分離されたガス冷媒を低圧段圧縮機１０５の吐出口から高圧段圧縮機１０１の吸入口までの主冷媒回路１０６の部分（中間圧流路１０６ｆ）に導く役割を担う。具体的に、インジェクション流路１１１は、気液分離器１０８のガス冷媒出口と中間圧流路１０６ｆとを連絡するように、主冷媒回路１０６に接続されている。インジェクション流量調整弁１１２は、インジェクション流路１１１に設けられており、インジェクション流路１１１における冷媒の流れを制御する。インジェクション流路１１１は、典型的には、冷媒配管で構成されている。インジェクション流量調整弁１１２として、開度を段階的に変化させることが可能であって、冷媒を膨張させる能力を有する弁、典型的には電動膨張弁を用いることが好ましい。
インジェクション流量調整弁１１２は、定常運転時において、中間圧流路１０６ｆにインジェクションされるべきガス冷媒の流量を調整する役割を担う。他方、冷凍サイクル装置１００の起動時において、インジェクション流量調整弁１１２の開度は全開または略全開とされる。起動時にインジェクション流量調整弁１１２を開くと、流路１０６ｃ、気液分離器１０８、流路１０６ｄおよび蒸発器１０４に存在する冷媒を高圧段圧縮機１０１が吸入できる。これにより、主冷媒回路１０６の高圧側の圧力を速やかに上昇させることができる。特に、本実施の形態では、気液分離器１０８が設けられているので、停止時に膨張機１０３の吐出口から逆止弁１３２までの間に十分な量の冷媒を溜めることができる。
冷凍サイクル装置１００の起動後において、冷凍サイクル装置１００の成績係数が向上するように、インジェクション流路１１１を通じて気液分離器１０８から中間圧流路１０６ｆにガス冷媒を供給できる。膨張弁１１０およびインジェクション流量調整弁１１２の各開度を適切に調整することによって、中間圧流路１０６ｆから気液分離器１０８への冷媒の逆流を防止できるとともに、気液分離器１０８から中間圧流路１０６ｆへの液冷媒の流入を防止できる。
冷凍サイクル装置１００は、さらに、コントローラ１１７を備えている。膨張弁１１０、インジェクション流量調整弁１１２および開閉弁１３１は、コントローラ１１７によって制御される。コントローラ１１７は、典型的には、マイクロコンピュータで構成されている。冷凍サイクル装置１００の運転を開始すべき旨の指令が入力装置（図示せず）からコントローラ１１７に与えられると、コントローラ１１７の内部メモリに格納された所定の制御プログラムが実行される。具体的に、コントローラ１１７は、図２を参照して後述する所定の起動制御を実行する。また、コントローラ１１７は、高圧段圧縮機１０１を動作させるモータ１０１ｂの動作を制御する。
冷凍サイクル装置１００は、さらに、膨張機１０３または低圧段圧縮機１０５の起動を検出するための起動検出器１１９を備えている。コントローラ１１７は、起動検出器１１９の検出結果に基づいて開閉弁１３１（流路切替機構）の制御を起動前の制御から起動後の制御へと切り替える。具体的に、膨張機１０３および低圧段圧縮機１０５の起動前は高圧導入流路１３０から低圧段圧縮機１０５に冷媒が導かれるように開閉弁１３１を開く。膨張機１０３および低圧段圧縮機１０５の起動後は蒸発器１０４から低圧段圧縮機１０５に冷媒が導かれるように開閉弁１３１を閉じる。例えば、低圧段圧縮機１０５が起動したことを表す信号を起動検出器１１９から取得することに応じて、コントローラ１１７は開閉弁１３１を閉じる。このようにすれば、通常時の制御への移行をスムーズに行える。
起動検出器１１９として、温度検出器、圧力検出器等を用いることができる。温度検出器としての起動検出器１１９は、例えば熱電対やサーミスタのような温度検出素子を含み、膨張機１０３の吸入口における冷媒の温度と、膨張機１０３の吐出口における冷媒の温度との差ΔＴを検出する。圧力検出器としての起動検出器１１９は、例えば圧電素子を含み、膨張機１０３の吸入口における冷媒の圧力と、膨張機１０３の吐出口における冷媒の圧力との差ΔＰを検出する。また、起動検出器１１９は、高圧段圧縮機１０１の起動時点からの経過時間を計測するタイマを含んでいてもよい。このようなタイマは、コントローラ１１７の機能によっても提供されうる。この場合、コントローラ１１７自身が起動検出器１１９の役割を担うことができる。さらに、動力回収軸１０７の駆動を検出する接触式または非接触式の変位センサ、例えばエンコーダが、起動検出器１１９として設けられていてもよい。
起動検出器１１９の種類によって、動力回収システム１０９が起動したかどうかを判断する手法は、以下のように異なる。以下に示す手法によれば、動力回収システム１０９の起動を容易に検出できる。
起動検出器１１９として圧力検出器を使用した場合、例えば、実験的または理論的に求められた閾値Ｐthがコントローラ１１７に予め設定される。単位時間遡った時点に圧力検出器によって検出された圧力差ΔＰn（ｎ：自然数）から、圧力検出器によって検出された現在の圧力差ΔＰn+1を引いた値が所定の閾値Ｐthを上回った場合に、膨張機１０３または低圧段圧縮機１０５の起動が検出される。コントローラ１１７には、単一の閾値Ｐthが設定されていてもよいし、外気温度等に対応付けられた複数の閾値Ｐthが設定されていてもよい。後者の場合、コントローラ１１７は、外気温度等に基づいて最適な閾値Ｐthを選択する。このことは、以下に説明する他の閾値についても同じである。
高圧段圧縮機１０１が起動した後であって膨張機１０３が起動する前までの期間において、膨張機１０３の吸入口における冷媒の圧力と、膨張機１０３の吐出口における冷媒の圧力との差ΔＰは概ね単調に増加する。膨張機１０３が動き始めると、圧力差ΔＰは、一時的に減少に転じて膨張機１０３の起動の直前よりも小さくなる。この圧力差ΔＰの変化を捉えることで、膨張機１０３または低圧段圧縮機１０５の起動を検出できる。具体的には、単位時間毎に圧力差ΔＰを検出してコントローラ１１７のメモリに格納する。直近の過去にメモリに格納された圧力差ΔＰnと、現在の圧力差ΔＰn+1とを比較する。現在の圧力差ΔＰn+1が直近の過去の圧力差ΔＰnを大きく下回った場合に、膨張機１０３または低圧段圧縮機１０５が起動したものと判断できる。言い換えれば、（ΔＰn−ΔＰn+1）＞Ｐthを満足した場合に、膨張機１０３または低圧段圧縮機１０５が起動したものと判断できる。なお、「単位時間」は、圧力差ΔＰの急激な減少を捉えるのに十分な時間、例えば、１〜５秒の範囲で任意に設定することができる。
圧力差ΔＰに代えて、温度差ΔＴを使用することも可能である。すなわち、単位時間遡った時点に温度検出器によって検出された温度差ΔＴn（ｎ：自然数）から、温度検出器によって検出された現在の温度差ΔＴn+1を引いた値が所定の閾値Ｔthを上回った場合に、膨張機１０３または低圧段圧縮機１０５の起動が検出される。
さらに、膨張機１０３の吐出温度または膨張機１０３の吐出圧力に基づいて、動力回収システム１０９の起動を検出できる可能性もある。動力回収システム１０９が起動すると、膨張機１０３も回転する。膨張機１０３は、冷媒を吸入した後、吸入した冷媒を膨張させて吐出する。そのため、膨張機１０３から吐出された冷媒の温度および圧力は、吸入前よりも低い。膨張機１０３の吐出口での温度（または圧力）を時系列で監視するとともに、温度（または圧力）の急変を捉えることで動力回収システム１０９が起動したものと判断できる。
一方、動力回収システム１０９が確実に起動するという前提に立てば、以下に説明する方法で膨張機１０３または低圧段圧縮機１０５の起動を検出してもよい。以下に説明する方法は、膨張機１０３または低圧段圧縮機１０５の起動を捉えるというよりも、むしろ、動力回収システム１０９が動作を継続できる状態にあるかどうかを判断するものである。以下に説明する方法で膨張機１０３または低圧段圧縮機１０５の起動を検出し、その検出結果に応じて、開閉弁１３１（流路切替機構）の制御を起動前の制御から起動後の制御へと切り替えることができる。このようにすれば、開閉弁１３１を閉じた後も動力回収システム１０９は安定して動作し続ける。
具体的に、起動検出器１１９として温度検出器を使用した場合、例えば、実験的または理論的に求められた閾値Ｔ1がコントローラ１１７に予め設定される。温度検出器によって検出された温度差△Ｔが閾値Ｔ1を上回った場合に、膨張機１０３または低圧段圧縮機１０５の起動が検出される。
起動検出器１１９として圧力検出器を使用した場合、例えば、実験的または理論的に求められた閾値Ｐ1がコントローラ１１７に予め設定される。圧力検出器によって検出された圧力差△Ｐが所定の閾値Ｐ1を上回った場合に、膨張機１０３または低圧段圧縮機１０５の起動が検出される。
温度差△Ｔと閾値Ｔ1との比較、または圧力差ΔＰと閾値Ｐ1との比較によって膨張機１０３または低圧段圧縮機１０５の起動を検出できる理由は、次の通りである。高圧段圧縮機１０１を起動させると、高圧段圧縮機１０１から吐出された冷媒が、高圧導入流路１３０を通じて低圧段圧縮機１０５の吸入口に供給される。このことにより、動力回収システム１０９が起動する。このとき、低圧段圧縮機１０５が駆動源となるため、高圧段圧縮機１０１の吸入温度と高圧段圧縮機１０１の吐出温度との間に大きい温度差がつく前に動力回収システム１０９は回転し始める。動力回収システム１０９の回転開始時はサイクルの圧力差が十分に大きくなっておらず、動力回収システム１０９を回転させる動力は小さい。そのため、動力回収システム１０９の回転数も低い。動力回収システム１０９の回転数が低いと、膨張機１０３の回転数も低い。この状態は、膨張弁で言うところの“絞っている状態”に相当する。したがって、高圧段圧縮機１０１の吐出温度および吐出圧力も徐々に上昇する。
高圧段圧縮機１０１の吐出温度および吐出圧力が上昇すれば、膨張機１０３および低圧段圧縮機１０５を回転させる動力も増加し、動力回収システム１０９の回転数は増加する。そして、高回転数になると、慣性力の影響で動力回収システム１０９は安定して回転する。このような安定回転状態まで、開閉弁１３１を開放し続けることが望ましい。
一方、膨張機１０３の吸入温度は、停止時の外気温度と略同一温度から、徐々に上昇する。膨張機１０３の吸入温度（または吸入圧力）によって、膨張機１０３の吐出温度（または吐出圧力）が決まる。例えば、外気温度が１０℃である場合、動力回収システム１０９の起動時および動力回収システム１０９の定常運転時の各々における膨張機１０３の吸入温度、吐出温度、吸入圧力および吐出圧力の一例は以下の通りである。なお、下記の値は膨張比＝２．０で計算したものである。冷媒は二酸化炭素である。
<起動時>
吸入温度：１０℃、吸入圧力：５．０ＭＰａ
吐出温度：−３．０℃、吐出圧力：３．２ＭＰａ
吸入温度と吐出温度との差：１３℃
吸入圧力と吐出圧力との差：１．８ＭＰａ
<定常時>
吸入温度：４０℃、吸入圧力：１０．０ＭＰａ
吐出温度：１３．４℃、吐出圧力：４．９ＭＰａ
吸入温度と吐出温度との差：２６．６℃
吸入圧力と吐出圧力との差：５．１ＭＰａ
高圧段圧縮機１０１の吐出温度および吐出圧力が低い状態で動力回収システム１０９が起動すると、上記のように、膨張機１０３の吸入温度および膨張機１０３の吐出温度は、それぞれ、徐々に上がる。吸入温度と吐出温度との差も徐々に拡大する。このことは、圧力についても同様である。ゆえに、閾値Ｔ1および閾値Ｐ1として適切な値、例えば、動力回収システム１０９の起動が予測される温度差および圧力差よりも少し大きい値を設定することにより、動力回収システム１０９の起動を検出できる。
起動検出器１１９としてタイマを使用した場合、例えば、実験的または理論的に求められた閾値時間ｔ1がコントローラ１１７に予め設定される。タイマによって計測された時間ｔが閾値時間ｔ1を上回った場合に、膨張機１０３または低圧段圧縮機１０５の起動が検出される。
「閾値時間ｔ1」は、コントローラ１１７において実行されるべき起動制御プログラムに記述されている。例えば、高圧段圧縮機１０１を起動してから低圧段圧縮機１０５が起動するまでの時間を様々な運転条件（外気温度等）で実際に測定する。そして、全ての運転条件において、低圧段圧縮機１０５が確実に起動すると判断できる時間を「閾値時間ｔ1」として設定しうる。理論的には、冷凍サイクル装置１００のモデルを構築し、動力回収システム１０９を起動するために必要十分な圧力差を計算機シミュレーションで推定する。そして、高圧段圧縮機１０１の容積、主冷媒回路１０６の冷媒の充填量等のパラメータを用い、推定した圧力差を作り出すために必要な初動時間を算出する。算出した初動時間を「閾値時間ｔ1」として設定しうる。
なお、膨張機１０３または低圧段圧縮機１０５の起動を検出する方法は１つに限定されず、複数の方法を組み合わせて実施できる。例えば、膨張機１０３の吸入口と吐出口との間の圧力差ΔＰおよび／または温度差ΔＴを監視する方法で膨張機１０３または低圧段圧縮機１０５の起動を正確に捉える。その後、温度差△Ｔを閾値Ｔ1と比較する方法、圧力差ΔＰを閾値Ｐ1と比較する方法、または、経過時間ｔを閾値時間ｔ1と比較する方法で、動力回収システム１０９が動作を継続できる状態にあるかどうかを判断する。これら複数の条件を満足した場合に、膨張機１０３または低圧段圧縮機１０５が起動したものと判断し、開閉弁１３１を閉じる。
＜冷凍サイクル装置１００の動作＞
図２は、冷凍サイクル装置１００の起動制御のフロー図である。冷凍サイクル装置１００は、図２に示す起動制御の実行後、定常運転を開始する。運転待機状態において、高圧段圧縮機１０１は停止し、膨張弁１１０は開いており、主冷媒回路１０６内の冷媒の圧力は略均一である。
ステップＳ１１において起動指令が入力されると、コントローラ１１７は、膨張弁１１０およびインジェクション流量調整弁１１２を全開にするように、これらの弁１１０および１１２のアクチュエータに制御信号を送信する（ステップＳ１２）。さらに、開閉弁１３１を開くように、開閉弁１３１のアクチュエータに制御信号を送信する（ステップＳ１３）。これにより、高圧導入流路１３０が開通する。
次に、コントローラ１１７は、高圧段圧縮機１０１を起動するべく、モータ１０１ｂへの給電を開始する（ステップＳ１４）。これにより、高圧段圧縮機１０１が起動し、中間圧流路１０６ｆ、インジェクション流路１１１、流路１０６ｃ、気液分離器１０８、流路１０６ｄ、蒸発器１０４、および、流路１０６ｅの一部（蒸発器１０４と逆止弁１３２との間の部分）に存在する冷媒が高圧段圧縮機１０１に吸入される。なお、高圧段圧縮機１０１の起動前に開閉弁１３１を開放する代わりに、高圧段圧縮機１０１の起動に応じて開閉１３１を開放してもよい。
高圧段圧縮機１０１の起動に応じて、冷媒と熱交換するべき流体（空気または水）を放熱器１０２に流すためのファンまたはポンプを起動させる。これにより、サイクルの高圧の過度な上昇を防止できる。同様に、高圧段圧縮機１０１の起動に応じて、蒸発器１０４のファンまたはポンプを起動させる。これにより、高圧段圧縮機１０１に吸入されるべきガス冷媒が効率的に生成される。
高圧段圧縮機１０１への冷媒の吸入が開始されると、中間圧流路１０６ｆ等の内部の圧力が低下する。他方、高圧段圧縮機１０１で圧縮された冷媒が吐出されるため、高圧段圧縮機１０１の吐出口から膨張機１０３の吸入口までの流路（流路１０６ａ、放熱器１０２および流路１０６ｂ）、高圧導入流路１３０、および、流路１０６ｅの一部（逆止弁１３２と低圧段圧縮機１０５の吸入口との間の部分）で圧力が上昇する。
その結果、図６に示すように、膨張機１０３および低圧段圧縮機１０５の各吸入口での圧力が相対的に高くなり、膨張機１０３および低圧段圧縮機１０５の各吐出口での圧力が相対的に低くなる。すなわち、膨張機１０３の吸入口と吐出口との間だけでなく、低圧段圧縮機１０５の吸入口と吐出口との間にも、圧力差を生じさせることができる。冷媒の圧力差が、膨張機１０３および低圧段圧縮機１０５の各々に作用するので、動力回収システム１０９を容易に自立起動させることができる。インジェクション流路１１１および気液分離器１０８が設けられているため、高圧段圧縮機１０１は、高い圧力差を生じさせるのに十分な量の冷媒を吸入できる。
コントローラ１１７は、起動検出器１１９を通じて、低圧段圧縮機１０５が起動したことを検出すると（ステップＳ１５）、開閉弁１３１を閉じるように開閉弁１３１のアクチュエータに制御信号を送信する（ステップＳ１６）。これにより、逆止弁１３２に作用していた逆圧が解消され、蒸発器１０４から低圧段圧縮機１０５へと流路１０６ｅを通じて冷媒が供給される。また、膨張機１０３で減圧された気液二相の冷媒が気液分離器１０８に供給される。インジェクション流路１１１および流路１０６ｆを通じて高圧段圧縮機１０１に過剰な液冷媒が供給されないように、膨張弁１１０およびインジェクション流量調整弁１１２の開度を調整する（ステップＳ１７）。図２に示す起動制御の終了後、冷凍サイクル装置１００は、主冷媒回路１０６に冷媒を循環させる定常運転に移行する。
冷凍サイクル装置１００の運転を停止するには、例えば、高圧段圧縮機１０１の回転数を漸次減少させる。高圧段圧縮機１０１の停止後、冷媒は、高圧段圧縮機１０１、膨張機１０３および低圧段圧縮機１０５を十分な時間をかけて移動する。そのため、主冷媒回路１０６における圧力差は自然に解消され、主冷媒回路１０６内の圧力は略均一となって安定する。これにより、膨張機１０３および低圧段圧縮機１０５も自然と停止する。
＜冷凍サイクル装置１００の効果＞
本実施の形態によれば、冷凍サイクル装置１００の起動時において、蒸発器１０４および気液分離器１０８内の冷媒を高圧段圧縮機１０１が吸入および圧縮できる。そのため、高圧段圧縮機１０１の吐出口から膨張機１０３の吸入口までの流路内の圧力を速やかに上昇させうる。膨張機１０３の吸入口と吐出口との間に大きい圧力差が生じるので、動力回収システム１０９がスムーズに自立起動する。
また、逆止弁１３２から低圧段圧縮機１０５の吸入口までの流路１０６ｅの一部に高圧導入流路１３０を通じて圧縮冷媒が導かれる。これにより、低圧段圧縮機１０５の吸入口と吐出口との間にも大きい圧力差が生じる。このことは、動力回収システム１０９のよりスムーズな自立起動に貢献する。本実施の形態では、低圧段圧縮機１０５および膨張機１０３は、ぞれぞれ、一定の吸入容積を有する。特に、低圧段圧縮機１０５の吸入容積が膨張機１０３の吸入容積よりも大きい場合、低圧段圧縮機１０５の吸入口と吐出口との間に圧力差を生じさせることにより、動力回収システム１０９がよりスムーズに起動する。
なお、高圧段圧縮機１０１の起動後、膨張機１０３または低圧段圧縮機１０５の起動を検出することなく一定時間が経過した場合、動力回収システム１０９の起動に失敗したものと判断できる。動力回収システム１０９が起動しなかった場合、コントローラ１１７は、高圧段圧縮機１０１を停止させ、動力回収システム１０９を起動させるための制御を再度実行する。このようにすれば、高圧段圧縮機１０１の吐出口から膨張機１０３の吸入口までの流路内の圧力が過度に上昇することを防止できる。膨張機１０３の前後に過大な圧力差が生じ、それにより、膨張機１０３の部品にダメージが及ぶことを防止できる。これにより、冷凍サイクル装置１００の信頼性が向上する。
また、本実施の形態によれば、膨張機１０３の吸入口に放熱器１０２、低圧段圧縮機１０５の吸入口に蒸発器１０４、膨張機１０３の吐出口に気液分離器１０８がそれぞれ接続されている。気液分離器１０８は、インジェクション流路１１１を介して低圧段圧縮機１０５の吐出口にも接続されている。放熱器１０２、蒸発器１０４および気液分離器１０８の容積は比較的大きいので、冷凍サイクル装置１００の起動時に、これらが冷媒のバッファ空間として機能しうる。これにより、起動時の圧力脈動を抑制する効果が得られる。
本実施の形態で使用できる冷媒（作動流体）の種類は特に限定されない。例えば、Ｒ４１０Ａ等のフッ素冷媒、二酸化炭素等の自然冷媒、Ｒ１２３４ｙｆ等の低ＧＷＰ（Global Warming Potential）冷媒を使用できる。どの冷媒を使用したとしても、上記した効果が得られる。
（変形例１）
＜冷凍サイクル装置２００の構成＞
図３は、変形例１における冷凍サイクル装置２００の構成図である。図３に示すように、冷凍サイクル装置２００では、流路切替機構が三方弁１３３で構成されている。起動検出器１１９として、ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）ヒータ１４０および電流検出器１４１が用いられている。さらに、バイパス流路２０１およびバイパス弁２０２が設けられている。その他の構成は、実施の形態１と同じである。本変形例において、実施の形態１と共通部品については同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
流路切替機構としての三方弁１３３は、蒸発器１０４から低圧段圧縮機１０５に冷媒が導かれる第１状態と、高圧導入流路１３０から低圧段圧縮機１０５に冷媒が導かれる第２状態と、を相互に切り替えることができるように、高圧導入流路１３０の下流端Ｅ2に設けられている。第１状態では、高圧導入流路１３０から低圧段圧縮機１０５への冷媒の流れが遮断される。第２状態では、蒸発器１０４から低圧段圧縮機１０５への冷媒の流れが遮断される。このように、実施の形態１における開閉弁１３１および逆止弁１３２を三方弁１３３で置換することができる。三方弁１３３によれば、部品点数の増大を抑制できる。
バイパス流路２０１は、膨張機１０３をバイパスするように、主冷媒回路１０６に接続されている。バイパス流路２０１の上流端Ｅ3は流路１０６ｂに位置し、下流端Ｅ4は流路１０６ｃに位置している。バイパス弁２０２は、バイパス流路２０１に設けられている。バイパス流路２０１は、典型的には、冷媒配管で構成されている。バイパス弁２０２として、開度を段階的に変化させることが可能であって、冷媒を膨張させる能力を有する弁、典型的には電動膨張弁を用いることが好ましい。
電流検出器１４１は、ＰＴＣヒータ１４０に流れる電流の大きさを検出する。ＰＴＣヒータ１４０は、放熱器１０２の出口から膨張機１０３の吸入口までの主冷媒回路１０６の部分、すなわち流路１０６ｂに設けられている。詳細には、バイパス流路２０１の上流端Ｅ3から見て、ＰＴＣヒータ１４０は膨張機１０３の側に位置している。このような位置にＰＴＣヒータ１４０が設けられていると、ＰＴＣヒータ１４０がバイパス回路２０１への冷媒の流れの影響を受けにくいので、膨張機１０３への冷媒の流入を正確に検出できる。
起動検出器１１９としてＰＴＣヒータ１４０および電流検出器１４１を使用した場合、例えば、実験的または理論的に求められた閾値ΔＩ1がコントローラ１１７に予め設定される。動力回収システム１０９が起動すると、膨張機１０３の吸入口でも冷媒が流れ始める。すると、ＰＴＣヒータ１４０の温度変化（温度低下）により電流の大きさも急に変化する。この変化を捉えることができるように、ＰＴＣヒータ１４０を流れる電流の単位時間あたりの変化量を閾値ΔＩ1として予め設定することができる。「単位時間」は、例えば、１〜５秒の範囲で任意に設定することができる。ＰＴＣヒータ１４０を流れる電流の単位時間あたりの変化量が電流検出器１４１によって算出され、算出された変化量が閾値ΔＩ1を上回った場合に、膨張機１０３または低圧段圧縮機１０５の起動が検出される。ＰＴＣヒータ１４０および電流検出器１４１は、他の実施の形態及び変形例でも使用できる。
＜冷凍サイクル装置２００の動作＞
図４は、冷凍サイクル装置２００の起動制御のフロー図である。ステップＳ２１において起動指令が入力されると、コントローラ１１７は、膨張弁１１０およびインジェクション流量調整弁１１２を全開、かつ、バイパス弁２０２を所定の開度にするように、これらの弁１１０、１１２および２０２のアクチュエータに制御信号を送信する（ステップＳ２２）。ここで、「バイパス弁２０２の所定の開度」とは、膨張機１０３の吸入口と吐出口との間の圧力差を、膨張機１０３を起動させるのに必要な大きさに保てる範囲内の開度を意味する。この「所定の開度」は、実験的または理論的に求めることができる。要するに、膨張機１０３の前後の圧力差が小さくなりすぎないように、バイパス弁２０２を少しだけ開く。
次に、三方弁１３３を制御して低圧段圧縮機１０５と高圧導入流路１３０とを接続する（ステップＳ２３）。
次に、コントローラ１１７は、高圧段圧縮機１０１を起動するべく、モータ１０１ｂへの給電を開始する（ステップＳ２４）。これにより、高圧段圧縮機１０１が起動し、中間圧流路１０６ｆ、インジェクション流路１１１、流路１０６ｃ、気液分離器１０８、流路１０６ｄ、蒸発器１０４、および、流路１０６ｅの一部（蒸発器１０４と三方弁１３３との間の部分）に存在する冷媒が高圧段圧縮機１０１に吸入される。
高圧段圧縮機１０１への冷媒の吸入が開始されると、図６を参照して実施の形態１で説明したように、膨張機１０３および低圧段圧縮機１０５の各吸入口での圧力が相対的に高くなり、膨張機１０３および低圧段圧縮機１０５の各吐出口での圧力が相対的に低くなる。その結果、動力回収システム１０９がスムーズに自立起動する。
コントローラ１１７は、起動検出器１１９を通じて、低圧段圧縮機１０５が起動したことを検出すると（ステップＳ２５）、低圧段圧縮機１０５と蒸発器１０４とを接続するように三方弁１３３を制御する（ステップＳ２６）。これにより、蒸発器１０４から低圧段圧縮機１０５へと流路１０６ｅを通じて冷媒が供給される。また、実施の形態１と同様の理由により、膨張弁１１０およびインジェクション流量調整弁１１２の開度を調整する（ステップＳ２７）。また、バイパス弁２０２を閉じる。その後、定常運転に移行する。
＜冷凍サイクル装置２００の効果＞
本変形例によれば、実施の形態１で説明した効果に加えて、次の効果が得られる。本変形例によると、コントローラ１１７は、膨張機１０３および低圧段圧縮機１０５の起動前、膨張機１０３の吸入口と吐出口との間に当該膨張機１０３の起動に必要な圧力差を生じさせることができる範囲内の開度でバイパス弁２０２を開く。すなわち、バイパス弁２０２を少し開いた状態で、動力回収システム１０９の起動を試みる。コントローラ１１７は、膨張機１０３および低圧段圧縮機１０５の起動後、バイパス弁２０２を閉じる。これにより、動力回収システム１０９が起動した直後に、膨張機１０３の前後の圧力差が急減することを防止できる。したがって、動力回収システム１０９の動作を継続するための駆動力を十分に確保しつつ、スムーズに定常運転に移行することができる。
（変形例２）
図５は、変形例２における冷凍サイクル装置３００の構成図である。図５に示すように、冷凍サイクル装置３００は、起動検出器１１９として、低圧段圧縮機１０５の吐出口における冷媒の温度を検出する温度検出器を用いている点で実施の形態１と相違する。本変形例において、実施の形態１と共通部品については同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
起動検出器１１９として温度検出器を使用した場合、例えば、実験的または理論的に求められた閾値Ｔ2がコントローラ１１７に予め設定される。温度検出器によって検出された現在の温度から単位時間遡った時点に温度検出器によって検出された温度を引いた値が所定の閾値Ｔ2を上回った場合に、膨張機１０３または低圧段圧縮機１０５の起動が検出される。
高圧段圧縮機１０１が起動した後であって膨張機１０３が起動する前までの期間において、低圧段圧縮機１０５の吐出口における冷媒の温度は低い。低圧段圧縮機１０５が動き始めると、低圧段圧縮機１０５の吐出口における冷媒の温度は急激に上昇する。冷凍サイクル装置１００の用途、運転条件等にも依存するが、低圧段圧縮機１０５の吐出口における冷媒の温度変化は、例えば１０℃前後である。この温度変化を捉えることで、膨張機１０３または低圧段圧縮機１０５の起動を検出できる。具体的には、単位時間毎に低圧段圧縮機１０５の吐出口における冷媒の温度Ｔを検出してコントローラ１１７のメモリに格納する。そして、直近の過去にメモリに格納された温度Ｔn（ｎ：自然数）と、現在の温度Ｔn+1とを比較する。現在の温度Ｔn+1が直近の過去の温度Ｔnを大きく上回った場合、言い換えれば、（Ｔn+1−Ｔn）＞Ｔ2を満足した場合、膨張機１０３または低圧段圧縮機１０５が起動したものと判断できる。なお、「単位時間」は、温度Ｔの急激な減少を捉えるのに十分な時間、例えば、１〜５秒の範囲で任意に設定することができる。
低圧段圧縮機１０５が起動すると、高圧導入流路１３０からの高圧高温の冷媒が低圧段圧縮機１０５に吸入される。流路１０６ｆの圧力は低いので、低圧段圧縮機１０５は一時的に膨張機として機能する。低圧段圧縮機１０５で膨張した冷媒が流路１０６ｆに吐出される。高圧段圧縮機１０１で圧縮されて再び低圧段圧縮機１０５で膨張した冷媒は、高圧段圧縮機１０１および低圧段圧縮機１０５のそれぞれで生じる損失分に相当するエンタルピーを獲得する。すなわち、流路１０６ｆに存在する冷媒が、高圧段圧縮機１０１および低圧段圧縮機１０５を経て再び流路１０６ｆに戻ると、冷媒のエンタルピーが増えた分だけ冷媒の温度が上昇する。温度検出器は、この温度上昇と閾値Ｔ2とを比較することにより、低圧段圧縮機１０５が起動したことを検出する。
＜冷凍サイクル装置３００の効果＞
本変形例によると、実施の形態１で説明した効果に加えて、次の効果が得られる。本変形例では、低圧段圧縮機１０５の吐出口における冷媒の温度に基づいて起動検出を行う。これにより、動力回収システム１０９の起動を確実に捉えることができるため、速やかに定常運転へと移行することができる。
（実施の形態２）
＜冷凍サイクル装置４００の構成＞
図８は、実施の形態２における冷凍サイクル装置４００の構成図である。図８に示すように、冷凍サイクル装置４００は、高圧導入流路１３０、開閉弁１３１および逆止弁１３２が省略されている点で実施の形態１と相違する。本実施の形態において、実施の形態１と共通部品については同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
本実施の形態では、実施の形態１と異なる起動制御が行われる。すなわち、冷凍サイクル装置４００の起動時においては、膨張弁１１０を全閉にする。これにより、低圧段圧縮機１０５の吸入口での圧力が、待機状態（高圧段圧縮機１０１の起動前）の圧力に維持される。高圧段圧縮機１０１を起動すると、膨張機１０３の吸入口と吐出口との間に圧力差が生じる。同様に、低圧段圧縮機１０５の吸入口と吐出口との間に圧力差が生じる。その結果、動力回収システム１０９が起動する。
冷凍サイクル装置４００の起動時において、インジェクション流量調整弁１１２の開度は全開または略全開とされる。起動時にインジェクション流量調整弁１１２を開くと、流路１０６ｃ、気液分離器１０８および流路１０６ｄの一部に存在する冷媒を高圧段圧縮機１０１が吸入できる。これにより、主冷媒回路１０６の高圧側の圧力を速やかに上昇させることができる。特に、本実施の形態では、気液分離器１０８が設けられているので、停止時に膨張機１０３の吐出口から膨張弁１１０までの間に十分な量の冷媒を溜めることができる。
本実施の形態において、コントローラ１１７は、起動検出器１１９の検出結果に基づいて膨張弁１１０を制御する。具体的には、冷凍サイクル装置４００の起動時に膨張弁１１０を全閉にする。これにより、低圧段圧縮機１０５の吸入口での圧力が低圧段圧縮機１０５の吐出口での圧力にインジェクション流路１１１を介して等しくなることを阻止できる。他方、膨張機１０３および低圧段圧縮機１０５の起動後、コントローラ１１７は膨張弁１１０を開く。例えば、低圧段圧縮機１０５が起動したことを表す信号を起動検出器１１９から取得することに応じて、コントローラ１１７は膨張弁１１０を全開にする。
本実施の形態においても、実施の形態１で説明した方法により、動力回収システム１０９の起動を検出できる。検出結果に応じて、膨張弁１１０の制御を起動前の制御から起動後の制御へと切り替えることができる。このようにすれば、膨張弁１１０を開いた後も動力回収システム１０９は安定して動作し続ける。
本実施の形態では、さらに、起動検出器１１９として、膨張弁１１０から低圧段圧縮機１０５の吸入口までの主冷媒回路１０６の部分（流路１０６ｄの一部、蒸発器１０４、流路１０６ｅ）における冷媒の温度を検出する温度検出器を使用できる。この場合、待機状態（高圧段圧縮機１０１の起動前）で温度検出器によって検出された温度と、温度検出器によって検出された現在の温度との差が所定の閾値Ｔ0を上回った場合に、膨張機１０３または低圧段圧縮機１０５の起動が検出される。典型的には、起動検出器１１９として、蒸発器１０４における冷媒の蒸発温度を検出する温度検出器を使用できる。
同様に、起動検出器１１９として、膨張弁１１０から低圧段圧縮機１０５の吸入口までの主冷媒回路１０６の部分における冷媒の圧力を検出する圧力検出器を使用できる。待機状態で圧力検出器によって検出された圧力と、圧力検出器によって検出された現在の圧力との差が所定の閾値Ｐ0を上回った場合に、膨張機１０３または低圧段圧縮機１０５の起動が検出される。
動力回収システム１０９が起動すると、低圧段圧縮機１０５は、蒸発器１０４に存在する冷媒を吸入する。これにより、蒸発器１０４内の温度および圧力が低下する。実験的または理論的な手法で最適な閾値Ｔ0または閾値Ｐ0を見出し、コントローラ１１７に予め設定する。膨張弁１１０から低圧段圧縮機１０５の吸入口までの流路（低圧側流路）内の温度変化を閾値Ｔ0と比較することによって、動力回収システム１０９の起動を検出できる。同様に、低圧側流路内の圧力変化を閾値Ｐ0と比較することによって、動力回収システム１０９の起動を検出できる。
本実施の形態においても、膨張機１０３または低圧段圧縮機１０５の起動を検出する方法は１つに限定されず、複数の方法を組み合わせて実施できる。例えば、膨張弁１１０から低圧段圧縮機１０５の吸入口までの主冷媒回路１０６の部分における冷媒の温度または圧力を監視する方法で膨張機１０３または低圧段圧縮機１０５の起動を正確に捉える。その後、温度差△Ｔを閾値Ｔ1と比較する方法、圧力差ΔＰを閾値Ｐ1と比較する方法、または、経過時間ｔを閾値時間ｔ1と比較する方法で、動力回収システム１０９が動作を継続できる状態にあるかどうかを判断する。これら複数の条件を満足した場合に、膨張機１０３または低圧段圧縮機１０５が起動したものと判断し、膨張弁１１０を開く。
＜冷凍サイクル装置４００の動作＞
図９は、冷凍サイクル装置４００の起動制御のフロー図である。冷凍サイクル装置４００は、図９に示す起動制御の実行後、定常運転を開始する。運転待機状態において、高圧段圧縮機１０１は停止し、膨張弁１１０およびインジェクション弁１１２は開いており、主冷媒回路１０６内の冷媒の圧力は略均一である。
ステップＳＴ１１において起動指令が入力されると、コントローラ１１７は、膨張弁１１０を閉じる（全閉にする）ように、膨張弁１１０のアクチュエータに制御信号を送信する（ステップＳＴ１２）。
次に、コントローラ１１７は、高圧段圧縮機１０１を起動するべく、モータ１０１ｂへの給電を開始する（ステップＳＴ１３）。これにより、高圧段圧縮機１０１が起動し、中間圧流路１０６ｆ、インジェクション流路１１１、流路１０６ｃ、気液分離器１０８、および、流路１０６ｄの一部（気液分離器１０８と膨張弁１１０との間の部分）に存在する冷媒が高圧段圧縮機１０１に吸入される。なお、高圧段圧縮機１０１の起動前に膨張弁１１０を閉じる代わりに、高圧段圧縮機１０１の起動に応じて膨張弁１１０を閉じてもよい。
高圧段圧縮機１０１の起動に応じて、冷媒と熱交換するべき流体（空気または水）を放熱器１０２に流すためのファンまたはポンプを起動させる。これにより、サイクルの高圧の過度な上昇を防止できる。蒸発器１０４のファンまたはポンプに関しては、高圧段圧縮機１０１の起動に応じて起動させてもよいし、膨張弁１１０を開いた後で起動させてもよい。低圧段圧縮機１０５の吸入口での圧力を待機状態の圧力に維持する観点では、後者が推奨される。
高圧段圧縮機１０１への冷媒の吸入が開始されると、中間圧流路１０６ｆ等の内部の圧力が低下する。他方、高圧段圧縮機１０１で圧縮された冷媒が吐出されるため、高圧段圧縮機１０１の吐出口から膨張機１０３の吸入口までの流路（流路１０６ａ、放熱器１０２および流路１０６ｂ）で圧力が上昇する。他方、膨張弁１１０から低圧段圧縮機１０５の吸入口までの流路（流路１０６ｄの一部、蒸発器１０４、流路１０６ｅ）内の冷媒の圧力は、冷凍サイクル装置４００の停止時における冷媒回路１０６内の圧力に保たれる。
その結果、図１４Ａに示すように、膨張機１０３の吸入口と吐出口との間だけでなく、低圧段圧縮機１０５の吸入口と吐出口との間にも、圧力差を生じさせることができる。冷媒の圧力差が、膨張機１０３および低圧段圧縮機１０５の各々に作用するので、動力回収システム１０９を容易に自立起動させることができる。インジェクション流路１１１および気液分離器１０８が設けられているため、高圧段圧縮機１０１は、高い圧力差を生じさせるのに十分な量の冷媒を吸入できる。
コントローラ１１７は、起動検出器１１９を通じて、低圧段圧縮機１０５が起動したことを検出すると（ステップＳＴ１４）、膨張弁１１０を全開（または略全開）にするように膨張弁１１０のアクチュエータに制御信号を送信する（ステップＳＴ１５）。これにより、膨張機１０３で減圧された気液二相の冷媒が気液分離器１０８に供給される。図９に示す起動制御の終了後、冷凍サイクル装置４００は、主冷媒回路１０６に冷媒を循環させる定常運転に移行する。定常運転では、インジェクション流路１１１および流路１０６ｆを通じて高圧段圧縮機１０１に過剰な液冷媒が供給されないように、膨張弁１１０およびインジェクション流量調整弁１１２の開度が調整される。
本実施の形態においても、実施の形態１で説明した方法に基づき、冷凍サイクル装置４００の運転を停止することができる。
＜冷凍サイクル装置４００の効果＞
本実施の形態によれば、冷凍サイクル装置４００の起動時において、気液分離器１０８内の冷媒を高圧段圧縮機１０１が吸入および圧縮できる。そのため、高圧段圧縮機１０１の吐出口から膨張機１０３の吸入口までの流路内の圧力を速やかに上昇させうる。膨張機１０３の吸入口と吐出口との間に大きい圧力差が生じるので、動力回収システム１０９がスムーズに自立起動する。
さらに、膨張弁１１０を閉じることにより、膨張弁１１０から低圧段圧縮機１０５の吸入口までの流路内の冷媒の圧力を冷凍サイクル装置４００の停止時における冷媒回路１０６内の圧力に保つことができる。そのため、低圧段圧縮機１０５の吸入口と吐出口との間にも圧力差が生じる。このことは、動力回収システム１０９のよりスムーズな自立起動に貢献する。本実施の形態では、低圧段圧縮機１０５および膨張機１０３は、ぞれぞれ、一定の吸入容積を有する。特に、低圧段圧縮機１０５の吸入容積が膨張機１０３の吸入容積よりも大きい場合、低圧段圧縮機１０５の吸入口と吐出口との間に圧力差を生じさせることにより、動力回収システム１０９がよりスムーズに起動する。
なお、高圧段圧縮機１０１の起動後、膨張機１０３または低圧段圧縮機１０５の起動を検出することなく所定条件を満足した場合、動力回収システム１０９の起動に失敗したものと判断できる。動力回収システム１０９が起動しなかった場合、コントローラ１１７は、高圧段圧縮機１０１を停止させ、動力回収システム１０９を起動させるための制御を再度実行する。すなわち、起動失敗を検出した場合、膨張弁１１０を一旦全開にする。その後、図９を参照して説明した起動制御を実行する。このようにすれば、高圧段圧縮機１０１の吐出口から膨張機１０３の吸入口までの流路内の圧力が過度に上昇することを防止できる。膨張機１０３の前後に過大な圧力差が生じ、それにより、膨張機１０３の部品にダメージが及ぶことを防止できる。これにより、冷凍サイクル装置４００の信頼性が向上する。
動力回収システム１０９の起動失敗を検出するための方法は特に限定されない。例えば、高圧段圧縮機１０１の起動後、膨張弁１１０から低圧段圧縮機１０５の吸入口までの流路（低圧側流路）内、例えば、蒸発器１０４内の現在の冷媒の温度（または圧力）を検出する。検出された温度（または圧力）と、基準温度（または基準圧力）との差が、一定時間内に所定の閾値に到達しない場合、動力回収システム１０９の起動に失敗したものと判断できる。閾値として、前述した閾値Ｔ0または閾値Ｐ0を使用できる。基準温度（または基準圧力）として、高圧段圧縮機１０１の起動前における、蒸発器１０４内の冷媒の温度（または圧力）を使用できる。また、高圧段圧縮機１０１の起動後、動力回収システム１０９の起動を検出することなく一定時間が経過した場合、動力回収システム１０９の起動に失敗したものと判断できる。また、高圧段圧縮機１０１の吐出口から膨張機１０３の吸入口までの流路（高圧側流路）内の温度または圧力を検出し、検出した温度または圧力と、高圧段圧縮機１０１の起動前の高圧側流路における温度または圧力との差に基づき、動力回収システム１０９の起動に失敗したかどうかを判断することも可能である。
（変形例３）
＜冷凍サイクル装置５００の構成＞
図１０は、変形例３における冷凍サイクル装置５００の構成図である。図１０に示すように、冷凍サイクル装置５００は、バイパス流路２０１およびバイパス弁２０２を備えている。その他の構成は、実施の形態２と同じである。本変形例において、実施の形態２と共通部品については同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
バイパス流路２０１は、膨張機１０３をバイパスするように、主冷媒回路１０６に接続されている。バイパス流路２０１の上流端Ｅ3は流路１０６ｂに位置し、下流端Ｅ4は流路１０６ｃに位置している。バイパス弁２０２は、バイパス流路２０１に設けられている。バイパス流路２０１は、典型的には、冷媒配管で構成されている。バイパス弁２０２として、開度を段階的に変化させることが可能であって、冷媒を膨張させる能力を有する弁、典型的には電動膨張弁を用いることが好ましい。
起動検出器１１９の素子部分は流路１０６ｂに設けられている。バイパス流路２０１の上流端Ｅ3から見て、起動検出器１１９の素子部分が放熱器１０２の側に位置していてもよいし、膨張機１０３の側に位置していてもよい。
＜冷凍サイクル装置５００の動作＞
図１１は、冷凍サイクル装置５００の起動制御のフロー図である。ステップＳＴ２１において起動指令が入力されると、コントローラ１１７は、膨張弁１１０を全閉、かつ、バイパス弁２０２を所定の開度にするように、これらの弁１１０および２０２のアクチュエータに制御信号を送信する（ステップＳＴ２２）。ここで、「バイパス弁２０２の所定の開度」とは、膨張機１０３の吸入口と吐出口との間の圧力差を、膨張機１０３を起動させるのに必要な大きさに保てる範囲内の開度を意味する。この「所定の開度」は、実験的または理論的に求めることができる。要するに、膨張機１０３の前後の圧力差が小さくなりすぎないように、バイパス弁２０２を少しだけ開く。
次に、コントローラ１１７は、高圧段圧縮機１０１を起動するべく、モータ１０１ｂへの給電を開始する（ステップＳＴ２３）。これにより、高圧段圧縮機１０１が起動し、中間圧流路１０６ｆ、インジェクション流路１１１、流路１０６ｃ、気液分離器１０８、流路１０６ｄの一部に存在する冷媒が高圧段圧縮機１０１に吸入される。
高圧段圧縮機１０１への冷媒の吸入が開始されると、図１４Ａを参照して実施の形態２で説明したように、膨張機１０３の吸入口と吐出口との間だけでなく、低圧段圧縮機１０５の吸入口と吐出口との間にも、圧力差を生じさせることができる。冷媒の圧力差が、膨張機１０３および低圧段圧縮機１０５の各々に作用するので、動力回収システム１０９を容易に自立起動させることができる。
コントローラ１１７は、起動検出器１１９を通じて、低圧段圧縮機１０５が起動したことを検出すると（ステップＳＴ２４）、膨張弁１１０を全開（または略全開）にするように膨張弁１１０のアクチュエータに制御信号を送信する（ステップＳＴ２５）。また、バイパス弁２０２を全閉にするように、バイパス弁２０２のアクチュエータに制御信号を送信する。
＜冷凍サイクル装置５００の効果＞
本変形例によれば、実施の形態２で説明した効果に加えて、次の効果が得られる。本変形例によると、コントローラ１１７は、膨張機１０３および低圧段圧縮機１０５の起動前、膨張機１０３の吸入口と吐出口との間に当該膨張機１０３の起動に必要な圧力差を生じさせることができる範囲内の開度でバイパス弁２０２を開く。すなわち、バイパス弁２０２を少し開いた状態で、動力回収システム１０９の起動を試みる。コントローラ１１７は、膨張機１０３および低圧段圧縮機１０５の起動後、バイパス弁２０２を閉じる。これにより、動力回収システム１０９が起動した直後に、膨張機１０３の前後の圧力差が急減することを防止できる。したがって、動力回収システム１０９の動作を継続するための駆動力を十分に確保しつつ、スムーズに定常運転に移行することができる。
（変形例４）
＜冷凍サイクル装置６００の構成＞
図１２は、変形例４における冷凍サイクル装置６００の構成図である。図１２に示すように、冷凍サイクル装置６００は、バイパス流路３０１およびバイパス弁３０２を備えている。その他の構成は、実施の形態２と同じである。本変形例において、実施の形態２と共通部品については同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
バイパス流路３０１は、流路１０６ｂと流路１０６ｄとを連絡するように、主冷媒回路１０６に接続されている。バイパス弁３０２は、バイパス流路３０１に設けられており、バイパス流路３０１における冷媒の流れを制御する。バイパス流路３０１は、典型的には、冷媒配管で構成されている。バイパス弁３０２としては、開閉弁を使用できる。
具体的に、バイパス流路３０１は、放熱器１０２の出口から膨張機１０３の吸入口までの主冷媒回路１０６の部分（流路１０６ｂ）に位置している上流端Ｅ5と、膨張弁１１０から蒸発器１０４の入口までの主冷媒回路１０６の部分（流路１０６ｄの一部）に位置している下流端Ｅ6とを有している。バイパス流路３０１によれば、流路１０６ｂ内の高圧冷媒を低圧段圧縮機１０５の吸入口に直接導くことができる。
低圧段圧縮機１０５の吸入口での圧力を高めることができる限りにおいて、上流端Ｅ5および下流端Ｅ6の位置は図１２に示す位置に限定されない。すなわち、高圧段圧縮機１０１の吐出口から膨張機１０３の吸入口までの主冷媒回路１０６の部分と、膨張機１１０から低圧段圧縮機１０５の吸入口までの主冷媒回路１０６の部分と、を連絡できる限りにおいて、上流端Ｅ5の位置は特に限定されない。具体的に、バイパス流路３０１は、流路１０６ａと流路１０６ｅとを連絡するように、主冷媒回路１０６に接続されていてもよい。場合によっては、バイパス流路３０１が放熱器１０２から分岐していてもよい。例えば、放熱器１０２が上流側部分と下流側部分とで構成されている場合には、その２つの部分の間からバイパス流路３０１を容易に分岐させうる。
＜冷凍サイクル装置６００の動作＞
図１３は、冷凍サイクル装置６００の起動制御のフロー図である。ステップＳＴ３１において起動指令が入力されると、コントローラ１１７は、膨張弁１１０を全閉、かつ、バイパス弁３０２を全開にするように、これらの弁１１０および３０２のアクチュエータに制御信号を送信する（ステップＳＴ３２）。
次に、コントローラ１１７は、高圧段圧縮機１０１を起動するべく、モータ１０１ｂへの給電を開始する（ステップＳＴ３３）。これにより、高圧段圧縮機１０１が起動し、中間圧流路１０６ｆ、インジェクション流路１１１、流路１０６ｃ、気液分離器１０８、流路１０６ｄの一部に存在する冷媒が高圧段圧縮機１０１に吸入される。
高圧段圧縮機１０１への冷媒の吸入が開始されると、図１４Ｂに示すように、膨張機１０３の吸入口と吐出口との間だけでなく、低圧段圧縮機１０５の吸入口と吐出口との間にも、大きい圧力差を生じさせることができる。冷媒の圧力差が、膨張機１０３および低圧段圧縮機１０５の各々に作用するので、動力回収システム１０９を容易に自立起動させることができる。特に、本変形例によれば、バイパス流路３０１およびバイパス弁３０２の働きにより、低圧段圧縮機１０５の吸入口での圧力を上昇させることができる。
コントローラ１１７は、起動検出器１１９を通じて、低圧段圧縮機１０５が起動したことを検出すると（ステップＳＴ３４）、膨張弁１１０を全開（または略全開）にするように膨張弁１１０のアクチュエータに制御信号を送信する（ステップＳＴ３５）。また、バイパス弁３０２を全閉にするように、バイパス弁３０２のアクチュエータに制御信号を送信する。
＜冷凍サイクル装置６００の効果＞
本変形例によれば、実施の形態２で説明した効果に加えて、次の効果が得られる。本変形例によれば、バイパス流路３０１を通じて低圧段圧縮機１０５の吸入口での圧力も上昇させうる。したがって、低圧段圧縮機１０５に与えられる駆動トルクが増加し、よりスムーズに動力回収システム１０９を起動することが可能となる。
各実施の形態および変形例で説明した種々の要素は、それぞれ、技術的な矛盾を生じない限り、他の実施の形態および変形例に自由に適用できる。例えば、変形例２で説明した三方弁１３３（図３参照）を実施の形態１および変形例２に適用できる。
本発明の冷凍サイクル装置は、給湯機、空気調和装置、乾燥機等の機器に有用である。

Claims (16)

  1. 冷媒を圧縮する低圧段圧縮機と、前記低圧段圧縮機で圧縮された冷媒をさらに圧縮する高圧段圧縮機と、前記高圧段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を膨張させつつ冷媒から動力を回収し、回収した動力が前記低圧段圧縮機に伝達されるように前記低圧段圧縮機に軸で連結された膨張機と、前記膨張機で膨張した冷媒をガス冷媒と液冷媒とに分離する気液分離器と、前記気液分離器で分離された液冷媒を蒸発させる蒸発器と、を有する主冷媒回路と、
    前記気液分離器で分離されたガス冷媒を前記低圧段圧縮機の吐出口から前記高圧段圧縮機の吸入口までの前記主冷媒回路の部分に導くインジェクション流路と、
    前記高圧段圧縮機の吐出口から前記膨張機の吸入口までの前記主冷媒回路の部分と、前記蒸発器の出口から前記低圧段圧縮機の吸入口までの前記主冷媒回路の部分と、を連絡する高圧導入流路と、
    前記蒸発器または前記高圧導入流路から前記低圧段圧縮機に冷媒が導かれるように、前記蒸発器および前記高圧導入流路から選ばれる１つを前記低圧段圧縮機に選択的に接続する流路切替機構と、
    前記膨張機および前記低圧段圧縮機の起動前は前記高圧導入流路から前記低圧段圧縮機に冷媒が導かれるように前記流路切替機構を制御し、前記膨張機および前記低圧段圧縮機の起動後は前記蒸発器から前記低圧段圧縮機に冷媒が導かれるように前記流路切替機構を制御するコントローラと、
    を備え、
    前記膨張機および前記低圧段圧縮機の起動前において、前記高圧段圧縮機の吐出圧力が前記低圧段圧縮機の吸入口および前記膨張機の吸入口に加わり、前記高圧段圧縮機の吸入圧力が前記低圧段圧縮機の吐出口および前記膨張機の吐出口に加わる、冷凍サイクル装置。
  2. 前記高圧導入流路が、前記高圧段圧縮機の吐出口から前記放熱器の入口までの前記主冷媒回路の部分に接続された上流端を有する、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
  3. 前記高圧導入流路が、前記蒸発器の出口から前記低圧段圧縮機の吸入口までの前記主冷媒回路の部分に接続された下流端を有し、
    前記流路切替機構は、前記高圧導入流路に設けられた開閉弁と、前記蒸発器の出口から前記高圧導入流路の下流端までの前記主冷媒回路の部分に設けられ、前記高圧導入流路から前記蒸発器に向かう冷媒の流れを遮断できる弁と、で構成されている、請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。
  4. 前記高圧導入流路が、前記蒸発器の出口から前記低圧段圧縮機の吸入口までの前記主冷媒回路の部分に接続された下流端を有し、
    前記流路切替機構は、前記高圧導入流路の下流端に設けられた三方弁で構成されている、請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。
  5. 前記膨張機または前記低圧段圧縮機の起動を検出する起動検出器をさらに備え、
    前記コントローラは、前記起動検出器の検出結果に基づいて前記流路切替機構の制御を起動前の制御から起動後の制御へと切り替える、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
  6. 前記起動検出器は、前記高圧段圧縮機の起動時点からの経過時間を計測するタイマを含み、
    前記タイマによって計測された時間が所定の閾値時間を上回った場合に、前記膨張機または前記低圧段圧縮機の起動が検出される、請求項５に記載の冷凍サイクル装置。
  7. 前記起動検出器は、前記膨張機の吸入口における冷媒の温度と、前記膨張機の吐出口における冷媒の温度との差を検出する温度検出器を含み、
    前記温度検出器によって検出された温度差が所定の閾値を上回った場合に、前記膨張機または前記低圧段圧縮機の起動が検出される、請求項５に記載の冷凍サイクル装置。
  8. 前記起動検出器は、前記膨張機の吸入口における冷媒の圧力と、前記膨張機の吐出口における冷媒の圧力との差を検出する圧力検出器を含み、
    前記圧力検出器によって検出された圧力差が所定の閾値を上回った場合に、前記膨張機または前記低圧段圧縮機の起動が検出される、請求項５に記載の冷凍サイクル装置。
  9. 前記起動検出器は、前記膨張機の吸入口における冷媒の圧力と、前記膨張機の吐出口における冷媒の圧力との差を検出する圧力検出器を含み、
    単位時間遡った時点に前記圧力検出器によって検出された圧力差から、前記圧力検出器によって検出された現在の圧力差を引いた値が所定の閾値を上回った場合に、前記膨張機または前記低圧段圧縮機の起動が検出される、請求項５に記載の冷凍サイクル装置。
  10. 前記起動検出器は、前記膨張機の吸入口における冷媒の温度と、前記膨張機の吐出口における冷媒の温度との差を検出する温度検出器を含み、
    単位時間遡った時点に前記温度検出器によって検出された温度差から、前記温度検出器によって検出された現在の温度差を引いた値が所定の閾値を上回った場合に、前記膨張機または前記低圧段圧縮機の起動が検出される、請求項５に記載の冷凍サイクル装置。
  11. 前記起動検出器は、前記放熱器の出口から前記膨張機の吸入口までの前記主冷媒回路の部分に設けられたＰＴＣヒータを含み、
    前記ＰＴＣヒータを流れる電流の単位時間あたりの変化量が所定の閾値を上回った場合に、前記膨張機または前記低圧段圧縮機の起動が検出される、請求項５に記載の冷凍サイクル装置。
  12. 前記起動検出器は、前記低圧段圧縮機の吐出口における冷媒の温度を検出する温度検出器であり、
    前記温度検出器によって検出された現在の温度から単位時間遡った時点に前記温度検出器によって検出された温度を引いた値が所定の閾値を上回った場合に、前記膨張機または前記低圧段圧縮機の起動が検出される、請求項５に記載の冷凍サイクル装置。
  13. 前記コントローラは、前記膨張機および前記低圧段圧縮機が起動しなかった場合、前記高圧段圧縮機を停止させ、前記膨張機および前記低圧段圧縮機を起動させるための制御を再度実行する、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
  14. 前記膨張機と前記低圧段圧縮機とが１つの密閉容器に収容されている、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
  15. 前記膨張機をバイパスするバイパス流路と、
    前記バイパス流路に設けられたバイパス弁と、をさらに備え、
    前記コントローラは、前記膨張機および前記低圧段圧縮機の起動前、所定の開度で前記バイパス弁を開き、前記膨張機および前記低圧段圧縮機の起動後、前記バイパス弁を閉じる、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
  16. 前記膨張機および前記低圧段圧縮機は、ぞれぞれ、一定の吸入容積を有し、
    前記低圧段圧縮機の吸入容積が前記膨張機の吸入容積よりも大きい、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
JP2012512652A 2010-04-28 2011-04-21 冷凍サイクル装置 Expired - Fee Related JP5367164B2 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012512652A JP5367164B2 (ja) 2010-04-28 2011-04-21 冷凍サイクル装置

Applications Claiming Priority (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010104374 2010-04-28
JP2010104374 2010-04-28
JP2010104375 2010-04-28
JP2010104375 2010-04-28
PCT/JP2011/002330 WO2011135805A1 (ja) 2010-04-28 2011-04-21 冷凍サイクル装置
JP2012512652A JP5367164B2 (ja) 2010-04-28 2011-04-21 冷凍サイクル装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2011135805A1 JPWO2011135805A1 (ja) 2013-07-18
JP5367164B2 true JP5367164B2 (ja) 2013-12-11

Family

ID=44861130

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2012512652A Expired - Fee Related JP5367164B2 (ja) 2010-04-28 2011-04-21 冷凍サイクル装置

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20130036757A1 (ja)
EP (1) EP2565556A1 (ja)
JP (1) JP5367164B2 (ja)
CN (1) CN102859295B (ja)
WO (1) WO2011135805A1 (ja)

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
BR112015027590B1 (pt) * 2013-05-03 2022-05-31 Hill Phoenix, Inc Sistema e método para o controle da pressão de um sistema de refrigeração de co2
US10036386B2 (en) 2013-07-31 2018-07-31 Trane International Inc. Structure for stabilizing an orbiting scroll in a scroll compressor
US10539343B2 (en) * 2014-03-20 2020-01-21 Mitsubishi Electric Corporation Heat source side unit and air-conditioning apparatus
JP6342755B2 (ja) * 2014-09-05 2018-06-13 株式会社神戸製鋼所 圧縮装置
EP3371523B1 (en) * 2015-11-05 2020-05-06 Danfoss A/S A method for switching compressor capacity
CN108131855A (zh) * 2017-12-19 2018-06-08 珠海格力节能环保制冷技术研究中心有限公司 制冷循环系统及具有其的空调器
CN113227674B (zh) * 2018-10-26 2023-03-21 涡轮阿尔戈有限责任公司 制冷设备及其操作方法
US10982887B2 (en) * 2018-11-20 2021-04-20 Rheem Manufacturing Company Expansion valve with selectable operation modes
JP7082098B2 (ja) * 2019-08-27 2022-06-07 ダイキン工業株式会社 熱源ユニット及び冷凍装置
FI4030115T3 (fi) * 2019-09-09 2023-11-20 Mitsubishi Electric Corp Ulkoyksikkö ja jäähdytyskiertolaite
JP6866910B2 (ja) * 2019-09-30 2021-04-28 ダイキン工業株式会社 熱源ユニット及び冷凍装置
JP6904396B2 (ja) * 2019-09-30 2021-07-14 ダイキン工業株式会社 熱源ユニット及び冷凍装置
CN115038873A (zh) * 2020-01-07 2022-09-09 江森自控泰科知识产权控股有限责任合伙公司 用于压缩机的容积比控制系统
JP2022087607A (ja) * 2020-12-01 2022-06-13 株式会社前川製作所 冷凍システム
JP7137094B1 (ja) * 2021-03-29 2022-09-14 ダイキン工業株式会社 熱源ユニットおよび冷凍装置

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008128576A (ja) * 2006-11-22 2008-06-05 Hitachi Appliances Inc 冷凍サイクル装置
JP2009109158A (ja) * 2007-11-01 2009-05-21 Mitsubishi Electric Corp 冷凍空調装置
JP2009204201A (ja) * 2008-02-27 2009-09-10 Panasonic Corp 冷凍サイクル装置
WO2009147826A1 (ja) * 2008-06-03 2009-12-10 パナソニック株式会社 冷凍サイクル装置

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS54140249A (en) * 1978-04-24 1979-10-31 Mitsubishi Electric Corp Refrigerator
JP3953871B2 (ja) 2002-04-15 2007-08-08 サンデン株式会社 冷凍空調装置
TWI301188B (en) * 2002-08-30 2008-09-21 Sanyo Electric Co Refrigeant cycling device and compressor using the same
JP2006162186A (ja) * 2004-12-09 2006-06-22 Matsushita Electric Ind Co Ltd 冷凍サイクル装置
KR100667517B1 (ko) * 2005-01-27 2007-01-10 엘지전자 주식회사 용량 가변형 압축기를 구비한 공기조화기
WO2006085557A1 (ja) * 2005-02-10 2006-08-17 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. 冷凍サイクル装置
EP2077426A4 (en) 2006-10-25 2012-03-07 Panasonic Corp COOLING CYCLE DEVICE AND LIQUID MACHINE USED THEREFOR
EP2245387B1 (en) * 2008-01-17 2017-12-20 Carrier Corporation Capacity modulation of refrigerant vapor compression system

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008128576A (ja) * 2006-11-22 2008-06-05 Hitachi Appliances Inc 冷凍サイクル装置
JP2009109158A (ja) * 2007-11-01 2009-05-21 Mitsubishi Electric Corp 冷凍空調装置
JP2009204201A (ja) * 2008-02-27 2009-09-10 Panasonic Corp 冷凍サイクル装置
WO2009147826A1 (ja) * 2008-06-03 2009-12-10 パナソニック株式会社 冷凍サイクル装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN102859295B (zh) 2014-08-20
CN102859295A (zh) 2013-01-02
WO2011135805A1 (ja) 2011-11-03
US20130036757A1 (en) 2013-02-14
EP2565556A1 (en) 2013-03-06
JPWO2011135805A1 (ja) 2013-07-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5367164B2 (ja) 冷凍サイクル装置
JP4053082B2 (ja) 冷凍サイクル装置
WO2011161952A1 (ja) 冷凍サイクル装置
JP4912308B2 (ja) 冷凍サイクル装置
EP2765369B1 (en) Refrigeration cycle device
WO2010073586A1 (ja) 冷凍サイクル装置
JP4906962B2 (ja) 冷凍サイクル装置
JP5036593B2 (ja) 冷凍サイクル装置
JP4976970B2 (ja) 冷凍サイクル装置
WO2006112157A1 (ja) 冷凍サイクル装置及びその運転方法
JP2006226589A (ja) 冷凍サイクル装置およびその運転方法
JP2007170765A (ja) 冷凍サイクル装置の運転方法
JP4744331B2 (ja) ヒートポンプ装置
JP7080801B2 (ja) ターボ冷凍機
JP2006162186A (ja) 冷凍サイクル装置
JP6897837B1 (ja) 冷凍装置
JP2012098000A (ja) 冷凍サイクル装置
JP2012102968A (ja) 冷凍サイクル装置
JP2011237086A (ja) 冷凍空調装置
JP2012197968A (ja) ヒートポンプシステム

Legal Events

Date Code Title Description
TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20130820

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20130910

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5367164

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees