JP5599403B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、超臨界状態となる流体等の冷媒を用いる冷凍サイクル装置に関するものであり、特に膨張過程の流体エネルギーを動力回収する膨張機を備えた冷凍サイクル装置に関するものである。

従来より、膨張過程の流体エネルギーを動力回収する膨張機を備えた冷凍サイクル装置として、例えば、電気モーターにより駆動されて冷媒を圧縮する第１の圧縮機と、前記第１の圧縮機により圧縮された前記冷媒の熱を放散する放熱器と、前記放熱器を通過した前記冷媒を減圧する膨張機と、前記膨張機により減圧された前記冷媒が蒸発する蒸発器と、前記膨張機で回収される膨張動力により駆動され、吐出側が第１の圧縮機の吸入側へ接続された第２の圧縮機と、を備えた冷凍サイクル装置がある（例えば、特許文献１参照）。

また、第１の圧縮機と、前記第１の圧縮機により圧縮された前記冷媒の熱を放散する放熱器と、前記放熱器を通過した前記冷媒を減圧する膨張機と、前記膨張機により減圧された前記冷媒が蒸発する蒸発器と、前記蒸発器で蒸発した冷媒を昇圧して前記第１の圧縮機に供給する過給機（第２の圧縮機）と、を備えた冷凍サイクル装置がある（例えば、特許文献２参照）。

特開２００６−１２５７９０号公報（第４図、要約） 特開２００９−７９８５０号公報（第２図、要約）

上記特許文献１に記載の従来の冷凍サイクル装置では、膨張機の吐出側に、膨張機から流出する冷媒を過冷却する過冷却熱交換器を設け、過冷却熱交換器内において冷媒が通過する主流部と副流部のうち、副流部の一方を、前記膨張機と前記主流部とを接続する配管からバイパスしたバイパス配管に過冷却膨張弁を介して接続し、副流部の他方を第１の圧縮機の吸入側に接続している。そして、膨張機から流出する冷媒を過冷却熱交換器により過冷却することにより、冷凍サイクルの効率向上を可能としている。しかしながら、このバイパス回路で過冷却膨張弁を開いた場合、膨張機吐出側の圧力を低くすることはできず、放熱器または蒸発器として機能する室外熱交換器または室内熱交換器をバイパスする冷媒が増加すると、むしろ膨張機出口圧力は上昇することがある。

また、上記特許文献２に記載の従来の冷凍サイクル装置では、膨張機吐出側から第１の圧縮機の吸入側へ冷媒をバイパスするバイパス路を設け、前記バイパス路には開閉弁が設けられている。そして、第１の圧縮機の起動時に、膨張機の出口から第２の圧縮機の吸入口までの冷媒回路にある冷媒を、第２の圧縮機を通らずにバイパス路を通じて圧縮機に供給している。これにより、起動時の圧縮機への冷媒供給不足を防止して、膨張機の吸入側と吐出側の圧力差を大きくして、前記膨張機の起動不良を解消している。しかしながら、開閉弁は第２の圧縮機が起動したことを検知して閉じており、第２の圧縮機が起動した後も前記膨張機の吐出圧力が適正膨張圧力に至るまでは、前記第２の圧縮機及び前記膨張機の回転が不安定であるという問題点があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、膨張機によって安定して動力回収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。

本発明に係る冷凍サイクル装置は、冷媒を圧縮する第１の圧縮機と、第１の圧縮機で圧縮された冷媒をさらに圧縮する第２の圧縮機と、第２の圧縮機により圧縮された冷媒の熱を放散する放熱器と、第２の圧縮機の駆動軸に連結され、放熱器を通過した冷媒を膨張させて冷媒から動力を回収し、回収された動力により駆動軸を介して第２の圧縮機を駆動する膨張機と、膨張機により膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器とが順次配管接続された冷凍サイクルと、一方が膨張機の吐出配管に接続され、他方が第１の圧縮機と蒸発器との間の配管に接続された第１のバイパス配管と、膨張機に吸入する冷媒の物理量を検出する物理量検出手段と、第１のバイパス配管に設けられ、冷媒の流量を調整する第１のバイパス弁と、第１のバイパス弁の開度を制御する制御手段とを備え、制御手段は、物理量検出手段により検出した物理量に基づいて膨張機の適正吐出圧力を決定し、膨張機の冷媒を吐出する圧力が、決定した適正吐出圧力より高くなったときに第１のバイパス弁を開くものである。

本発明に係る冷凍サイクル装置によれば、冷凍サイクル装置の運転状態によって膨張機の吐出圧力が適正吐出圧力より高くなった場合に、第１のバイパス弁を開き、膨張機の吐出配管から第１の圧縮機の吸入側に冷媒をバイパスさせるので、膨張機の吐出圧力を低くすることができる。これにより、膨張機が過膨張となることを防止でき、膨張機の回転を安定させることができる。

本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置を備えた、空気調和機の冷房運転時における冷媒回路図である。 図１の本発明の実施の形態１に係る、空気調和機の冷房運転動作を示すＰ−ｈ線図である。 本発明の実施の形態１に係る、空気調和機の暖房運転時における冷媒回路図である。 本発明の実施の形態１に係る、空気調和機の暖房運転動作を示すＰ−ｈ線図である。 本発明の実施の形態１に係る、空気調和機の第２の圧縮機と一体型のスクロール型の膨張機の断面図である。 本発明の実施の形態１に係る、空気調和機の第２の圧縮機及び膨張機の設計点での第２の圧縮機側に作用するスラスト荷重の分布と、膨張機側に作用するスラスト荷重の分布を模式的に示す図である。 本発明の実施の形態１に係る、空気調和機の膨張機が過膨張となるときの、冷房運転動作を示すＰ−ｈ線図である。 本発明の実施の形態１に係る、空気調和機の膨張機が適性膨張過程となるときのＰ−ｖ線図である。 本発明の実施の形態１に係る、空気調和機の膨張機が過膨張過程となるときのＰ−ｖ線図である。 本発明の実施の形態１に係る、空気調和機の膨張機が過膨張過程となるときの、第２の圧縮機側に作用するスラスト荷重の分布と、膨張機側に作用するスラスト荷重の分布を模式的に示す図である。 本発明の実施の形態１に係る、空気調和機の膨張機が過膨張となることを防止する動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１に係る、膨張機の吸入圧力と吸入温度に対する、適正吐出圧力Ｐｏの関係の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る、膨張機が過膨張となることを防止する動作を実施したときの、冷房運転時の運転状態の一例を示すＰ−ｈ線図である。 本発明の実施の形態１に係る、膨張機の吸入圧力が低くなったときの膨張過程を示すＰ−ｖ線図である。 本発明の実施の形態２に係る、冷凍サイクル装置を備えた空気調和機の膨張機が過膨張となることを防止する動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２に係る、空気調和機が起動するときの高圧と膨張機吐出圧力の変化を示す図である。 本発明の実施の形態３に係る、冷凍サイクル装置を備えた空気調和機の冷房運転時における冷媒回路図である。 本発明の実施の形態３に係る、空気調和機の冷房運転動作を示すＰ−ｈ線図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置を備えた空気調和機の冷房運転時における冷媒回路図である。図２は図１の空気調和機の冷房運転時における冷媒回路図である。
図１の空気調和機は、電気モーターにより駆動されて冷媒を圧縮する第１の圧縮機１と、第２の圧縮機２と、室外熱交換器４と、内部を通過する冷媒を膨張させて冷媒から動力を回収する膨張機８と、室内熱交換器３２とが順次配管接続された冷凍サイクル装置を備えている。第２の圧縮機２と膨張機８とは駆動軸５２により連結され、膨張機８により回収された動力により駆動軸５２を介して第２の圧縮機２が駆動される。

室外熱交換器４は、冷房運転時には、内部の冷媒が熱を放散する放熱器となり、暖房運転時には、内部の冷媒が蒸発する蒸発器となる。また、室内熱交換器３２は、冷房運転時には、内部の冷媒が蒸発する蒸発器となり、暖房運転時には、内部の冷媒が熱を放散する放熱器となる。

また、この空気調和機は、膨張機８の吐出配管２３からアキュムレータ１１の入口配管２７に冷媒をバイパスさせるバイパス配管２４と、バイパス配管２４を流れる冷媒流量を調整するバイパス弁１０とを備えている。

また、この空気調和機は、冷媒として二酸化炭素が用いられており、この二酸化炭素は従来のフロン系の冷媒と比較して、オゾン層破壊係数がゼロであり、地球温暖化係数が小さい。

本実施の形態１では、第１の圧縮機１、第２の圧縮機２、冷媒流路切替装置である第１の四方弁３、室外熱交換器４、冷媒流路切替装置である第２の四方弁６、予膨張弁７、膨張機８、バイパス弁５、バイパス弁１０、アキュムレータ１１を室外機１０１に収容している。膨張弁３１ａ及び室内熱交換器３２ａを室内機１０２ａに収容しており、膨張弁３１ｂ及び室内熱交換器３２ｂを室内機１０２ｂに収容している。空気調和機全体の制御を統制する制御装置１０３も室外機１０１に収容されている。なお、本実施の形態１では室内機１０２（室内熱交換器３２）の台数を２台としているが、室内機１０２の台数は任意である。また、室外機１０１と室内機１０２ａ，１０２ｂは液管２８、ガス管２９で接続されている。

第１の圧縮機１は電気モーター（図示せず）により駆動され、吸入した冷媒を圧縮して吐出する。第２の圧縮機２と膨張機８は容器５１に収容されている。第２の圧縮機２は、駆動軸５２を介して膨張機８に接続されており、膨張機８で発生した動力が、駆動軸５２によって回収されて第２の圧縮機２へ伝達される。よって、第２の圧縮機２は第１の圧縮機１から吐出された冷媒を吸入してさらに圧縮することになる。

室外熱交換器４と、第２の圧縮機２と、室内熱交換器３２と、アキュムレータ１１との間の冷媒の流路には、第１の四方弁３が設けられている。また、室外熱交換器４と、膨張機８と、室内熱交換器３２との間の冷媒の流路には、第２の四方弁６が設けられている。第１の四方弁３及び第２の四方弁６は、制御装置１０３の指示に基づいて、冷暖房に係る運転モードに対応して切り替えられ、冷媒の経路を切り替える。

冷房運転時には、第２の圧縮機２から室外熱交換器４、膨張機８、室内熱交換器３２、アキュムレータ１１、第１の圧縮機１の順に冷媒が流れ、第２の圧縮機２に戻る。
暖房運転時には、第２の圧縮機２から室内熱交換器３２、膨張機８、室外熱交換器４、アキュムレータ１１、第１の圧縮機１の順に冷媒が流れ、第２の圧縮機２に戻る。
第１の四方弁３及び第２の四方弁６により、膨張機８及び第２の圧縮機２を通過する冷媒の方向は、冷房運転及び暖房運転によらず同一方向になる。

室外熱交換器４は、例えば、冷媒を通過させる伝熱管及びその伝熱管を流れる冷媒と外気との間の伝熱面積を大きくするためのフィン（図示せず）を有し、冷媒と空気（外気）との熱交換を行う。例えば、暖房運転時においては蒸発器として機能し、冷媒を蒸発させてガス（気体）化させる。一方、冷房運転時においては凝縮器またはガスクーラ（以下では凝縮器とする）として機能する。場合によっては、完全にガス化、液化させず、液体とガスとの二相混合（気液二相冷媒）の状態にすることもある。アキュムレータ１１は冷凍サイクル回路中の過剰な冷媒を貯留したり、第１の圧縮機１に冷媒液が多量に戻って第１の圧縮機１が破損したりするのを防止する働きがある。

第２の四方弁６と膨張機８の入口との間の冷媒の流路２２には、膨張機８を通過する冷媒の流量を調整する予膨張弁７が設けられている。膨張機８の出口と第２の四方弁６との間の冷媒流路２３には、冷媒の流れる方向を一方向に整える逆止弁９が設けられている。室外熱交換器４と室内熱交換器３２との間の冷媒の流路には、第２の四方弁６、予膨張弁７、膨張機８及び逆止弁９をバイパスするバイパス配管２５と、このバイパス配管２５を通過する冷媒の流量を調整するバイパス弁５とが設けられている。バイパス弁５と予膨張弁７とを調整することで、膨張機を通過する冷媒の流量を調整して高圧側の圧力を調整し、冷凍サイクルを高効率の状態に保つことができる。なお、バイパス弁５と予膨張弁７とを調節することに限らず、その他の方法で、高圧側の圧力を調整するようにしてもよい。

膨張機８の冷媒の出口とアキュムレータ１１の冷媒の入口との間には、膨張弁３１と室内熱交換器３２をバイパスするバイパス配管２４と、このバイパス配管２４を通過する冷媒の流量を調整するバイパス弁１０とが設けられている。

第２の圧縮機２の冷媒の出口には、第２の圧縮機２を出た冷媒の圧力を検知する圧力センサ８１が設けられ、膨張機８の冷媒の出口には、膨張機８を出た冷媒の圧力を検知する圧力センサ８２が設けられ、第２の四方弁６と膨張弁３１の間の冷媒の流路には、膨張弁３１に入る冷媒の圧力又は膨張弁３１を出た冷媒の圧力を検知する圧力センサ８３が設けられ、第１の圧縮機１の冷媒の入口には、第１の圧縮機１に入る冷媒の圧力を検知する圧力センサ８４が設けられ、膨張機８の冷媒の入口には、膨張機８に入る冷媒の圧力を検知する圧力センサ８５が設けられている。

なお、圧力センサ８１，８２，８３，８４，８５は、これらの位置に限らず、それぞれが、第２の圧縮機２を出た冷媒の圧力、膨張機８を出た冷媒の圧力、膨張弁３１に入る冷媒の圧力又は膨張弁３１を出た冷媒の圧力、第１の圧縮機１に入る冷媒の圧力及び膨張機８に入る冷媒の圧力を検知できる位置であればよい。また、圧力センサ８１，８２，８３，８４，８５は、圧力が推定可能であれば、冷媒の温度を推定する温度センサであってもよい。

膨張機８の冷媒の入口には、膨張機８に入る冷媒の温度を検知する温度センサ９１が設けられ、室外熱交換器４と第２の四方弁６及びバイパス弁５の間の配管には、室外熱交換器４を出た冷媒又は室外熱交換器４に入る冷媒の温度を検知する温度センサ９２が設けられている。なお、温度センサ９１，９２は、これらの位置に限らず、それぞれが、膨張機８に入る冷媒の温度及び室外熱交換器４を出た冷媒又は室外熱交換器４に入る冷媒の温度を検知できる位置であればよい。

室内熱交換器３２は、例えば、冷媒を通過させる伝熱管及びその伝熱管を流れる冷媒と空気との間の伝熱面積を大きくするためのフィン（図示せず）を有し、冷媒と室内空気との熱交換を行う。例えば、冷房運転時においては蒸発器として機能し、冷媒を蒸発させてガス（気体）化させる。一方、暖房運転時においては凝縮器またはガスクーラ（以下では凝縮器とする）として機能する。

室内熱交換器３２ａには膨張弁３１ａが接続され、室内熱交換器３２ｂには膨張弁３１ｂが接続されている。膨張弁３１ａ，３１ｂは、室内熱交換器３２ａ，３２ｂに流入する冷媒の流量を調整する。膨張機８で冷媒が十分に減圧されないときは、膨張弁３１ａ，３１ｂによって高低圧を調整する。

＜運転モード＞
次に、本実施の形態１に係る空気調和機の冷房運転時の動作について、図１の冷媒回路図と、図２のＰ−ｈ線図で説明する。なお、図１と図２の記号Ａ〜Ｋは、互いに対応している。なお、後述の図においても、冷媒回路とその冷媒回路に対応するＰ−ｈ線図における各記号は対応しているものとする。ここで、冷凍サイクル回路等における圧力の高低については、基準となる圧力との関係により定まるものではなく、第１の圧縮機１及び第２の圧縮機２の圧縮、バイパス弁５や膨張機８の減圧等によりできる相対的な圧力として高圧、低圧として表すものとする。また、温度の高低についても同様であるものとする。また、ここではバイパス弁１０は閉じられ、バイパス配管２４には冷媒が流れないものとする。

冷房運転時には、まず、第１の圧縮機１に吸入された低圧の冷媒は、圧縮されて高温中圧になる（状態Ａから状態Ｂ）。
第１の圧縮機１から吐出された冷媒は、第２の圧縮機２に吸入され、さらに圧縮されて高温高圧になる（状態Ｂから状態Ｃ）。
第２の圧縮機２を吐出された冷媒は、第１の四方弁３を通過して、室外熱交換器４に入る。
室外熱交換器４で熱を放散して室外空気に熱を伝達した冷媒は、低温高圧になる（状態Ｃから状態Ｄ）。
室外熱交換器４を出た冷媒は、第２の四方弁６へ向かう経路と、バイパス弁５へ向かう経路とに分岐する。

第２の四方弁６を通過した冷媒は、予膨張弁７を通過して（状態Ｄから状態Ｅ）、膨張機８に吸入され、減圧されて低圧となり、乾き度が低い状態になる（状態Ｅから状態Ｆ）。
このとき、膨張機８では、冷媒の減圧に伴って動力が発生し、この動力は駆動軸５２によって回収されて、第２の圧縮機２に伝達され、第２の圧縮機２による冷媒の圧縮に使用される。
膨張機８から吐出された冷媒は、逆止弁９と第２の四方弁６とを通過した後、バイパス弁５へ向かってバイパス配管２５を通過した冷媒と合流し（状態Ｆから状態Ｇ）、室外機１０１を出て液管２８を通過して、室内機１０２ａ，１０２ｂに入り、膨張弁３１ａ，３１ｂへ入る。

膨張弁３１ａ，３１ｂでは、冷媒はさらに減圧される（状態Ｇから状態Ｉ）。
膨張弁３１ａ，３１ｂを出た冷媒は、室内熱交換器３２ａ，３２ｂで室内空気から吸熱して蒸発し、低圧のまま、乾き度が高い状態になる（状態Ｉから状態Ｊ）。
これにより、室内空気は冷却される。
室内熱交換器３２ａ，３２ｂを出た冷媒は、室内機１０２ａ，１０２ｂを出て、ガス管２９を通過して、室外機１０１に入り、第１の四方弁３を通過してアキュムレータ１１に入り、再び第１の圧縮機１に吸入される。
上述した動作を繰り返すことで、室内の空気の熱が室外の空気へ伝達されて、室内が冷房される。

次に、本実施の形態１に係る空気調和機の暖房運転時の動作について、図３の冷媒回路図と、図４のＰ−ｈ線図で説明する。なお、ここではバイパス弁１０は閉じられ、バイパス配管２４には冷媒が流れないものとする。
暖房運転時には、まず、第１の圧縮機１に吸入された低圧の冷媒は、圧縮されて高温中圧となる（状態Ａから状態Ｂ）。
第１の圧縮機１から吐出された冷媒は、第２の圧縮機２に吸入され、さらに圧縮されて高温高圧になる（状態Ｂから状態Ｊ）。
第２の圧縮機２から吐出された冷媒は、第１の四方弁３を通過して、室外機１０１を出る。

室外機１０１を出た冷媒は、ガス管２９を通過して、室内機１０２ａ，１０２ｂに入り、室内熱交換器３２ａ，２ｂに入り、室内熱交換器３２ａ，３２ｂで熱を放散して室内空気に熱を伝達した冷媒は、低温高圧になる（状態Ｊから状態Ｉ）。
室内熱交換器３２ａ，３２ｂを出た冷媒は、膨張弁３１ａ，３１ｂで減圧される（状態Ｉから状態Ｇ）。
膨張弁３１ａ，３１ｂを出た冷媒は、室内機１０２ａ，１０２ｂを出て、液管２８を通過して室外機１０１に入り、第２の四方弁６へ向かう経路と、バイパス弁５に向かう経路とに分岐する。

第２の四方弁６を通過した冷媒は、予膨張弁７を通過して（状態Ｇから状態Ｅ）、膨張機８に入り、減圧されて低圧となり、乾き度が低い状態になる（状態Ｅから状態Ｆ）。このとき、膨張機８では、冷媒の減圧に伴って動力が発生し、この動力は駆動軸５２によって回収されて、第２の圧縮機２に伝達され、第２の圧縮機２による冷媒の圧縮に使用される。
膨張機８を出た冷媒は、逆止弁９と第２の四方弁６とを通過した後、バイパス弁５へ向かってバイパス配管２５を通過した冷媒と合流し（状態Ｆから状態Ｄ）、室外熱交換器４へ入る。
室外熱交換器４では、冷媒は、室外空気から吸熱して蒸発し、低圧のまま、乾き度が高い状態になる（状態Ｄから状態Ｃ）。
室外熱交換器４を出た冷媒は、第１の四方弁３を通過してアキュムレータ１１に入り、再び第１の圧縮機１に吸入される。
上述した動作を繰り返すことで、室外の空気の熱が室内の空気へ伝達されて、室内が暖房される。

次に、第２の圧縮機２と膨張機８の一例として、スクロール型の膨張機８とスクロール型の第２の圧縮機２の構造及び動作を説明する。なお、第２の圧縮機２及び膨張機８は、スクロール式に限らず、その他の容積式であってもよい。

図５は、第２の圧縮機２と一体型のスクロール型の膨張機８の断面図である。冷媒を膨張させ、動力を回収する膨張機８を、膨張機固定スクロール５９の渦巻歯６７と揺動スクロール５７の下面の渦巻歯６５とで構成する。また、膨張機８で回収した動力によって冷媒を圧縮する第２の圧縮機２を、圧縮機固定スクロール５８の渦巻歯６６と揺動スクロール５７の上面の渦巻歯６４とで構成する。すなわち膨張機８の渦巻歯６５と第２の圧縮機２の渦巻歯６４は、揺動スクロール５７で共通の台板の両面に背面合わせに一体に形成しているので、揺動スクロール５７が揺動したときに、一方で圧縮、一方で膨張できるようになっている。

第１の圧縮機１から吐出された高温中圧の冷媒は、第２の圧縮機２の吸入管５３から吸入され、圧縮機固定スクロール５８の渦巻歯６６と揺動スクロール５７の渦巻歯６４とで形成される第２の圧縮機２の外周側に導入される。そして、揺動スクロール５７の揺動により、冷媒は第２の圧縮機２を内周側に漸次移動して高温高圧に圧縮される。圧縮された冷媒は第２の圧縮機２の吐出管５４から吐出される。

一方で、室外熱交換器４又は室内熱交換器３２で冷却された高圧の冷媒は、膨張機８の吸入管５５から吸入され、膨張機固定スクロールの渦巻歯６７と揺動スクロール５７の渦巻歯６５とで形成される膨張機８の内周側に導入される。そして、揺動スクロール５７の揺動により、冷媒は膨張機８を外周側に漸次移動して低圧に膨張する。膨張した冷媒は膨張機８の吐出管５６から吐出される。膨張機８により冷媒が膨張する動力は、駆動軸５２を介して回収し、第２の圧縮機２に伝達して圧縮動力としている。

第２の圧縮機２及び膨張機８を構成する前述の機構は、容器５１に収容されている。

ここで、揺動スクロール５７に作用するスラスト荷重（軸方向荷重）について説明する。図６は、第２の圧縮機２及び膨張機８の設計点での第２の圧縮機２側に作用するスラスト荷重の分布と、膨張機８側に作用するスラスト荷重の分布を模式的に示したものである。なお、第２の圧縮機２側に作用するスラスト荷重とは、揺動スクロール５７を膨張機８の固定スクロール５９の方向に押し付けようとする力である。また、膨張機８側に作用するスラスト荷重とは、揺動スクロール５７を第２の圧縮機２の固定スクロール５８の方向に押し付けようとする力である。

また、スクロール内部圧力分布に示した、高圧とは第２の圧縮機２の吐出圧力、中圧とは第２の圧縮機２の吸入圧力、低圧とは膨張機８の吐出圧力とする。押し付けようとする力の基準圧力は、ここでは低圧とする。

まず、第２の圧縮機２で圧縮される冷媒により第２の圧縮機２に作用するスラスト荷重を求める。揺動スクロール５７が第２の圧縮機２で圧縮される冷媒から荷重を受ける面積をＳｃ［ｍｍ２］とする。このＳｃに、第２の圧縮機２の外周側の圧力と基準圧力との差である中圧ＰＭ−低圧ＰＬ［ＭＰａ］と、内周側の圧力と基準圧力との差である高圧ＰＨ−低圧ＰＬ［ＭＰａ］の平均値が作用するとすると、第２の圧縮機２のスラスト荷重Ｆｔｈｃ［Ｎ］は（１）式で求められる。
Ｆｔｈｃ＝（ＰＨ＋ＰＭ−２ＰＬ）／２・Ｓｃ…（１）

次に、膨張機８で膨張する冷媒により膨張機８に作用するスラスト荷重を求める。揺動スクロール５７が膨張機８で膨張する冷媒から荷重を受ける面積をＳｅ［ｍｍ２］とする。膨張機８の外周側は、基準圧力と同じ低圧であるので、内周側の圧力と基準圧力との差である高圧ＰＨ−低圧ＰＬ［ＭＰａ］の１／２がＳｅに作用するとすると、膨張機８のスラスト荷重Ｆｔｈｅ［Ｎ］は（２）式で求められる。
Ｆｔｈｅ＝（ＰＨ−ＰＬ）／２・Ｓｅ…（２）

揺動スクロール５７を膨張機８の固定スクロール５９の方向に押し付けようとするスラスト荷重Ｆｔｈｃの方向を正とすると、ＦｔｈｅはＦｔｈｃとは逆方向の荷重となり、揺動スクロール５７に作用するスラスト荷重Ｆｔｈは、（３）式となる。
Ｆｔｈ＝Ｆｔｈｃ−Ｆｔｈｅ…（３）

スラスト荷重Ｆｔｈが十分に大きい場合、揺動スクロール５７の渦巻歯６５の歯先７２が、膨張機固定スクロール５９に押し付けられることによって、揺動スクロール５７と膨張機固定スクロール５９の摩擦が大きくなり、膨張機８で回収する動力が摩擦損失として失われてしまう。

（１）式と（２）式より、圧力分布の平均値を比較すると、
（ＰＨ＋ＰＭ−２ＰＬ）／２＞（ＰＨ−ＰＬ）／２…（４）
となることは明らかであるが、構造的にＳｅ＞ＳｃとすればＦｔｈを小さくすることができる。図６の設計点では、Ｆｔｈを小さくして揺動スクロール５７の渦巻歯６５の歯先７２が、膨張機固定スクロール５９に適度に押し付けられるようにして、揺動スクロール５７と膨張機固定スクロール５９の摩擦を小さくしている。

＜膨張機が過膨張となることを防止する動作＞
空気調和機が運転中に、室内機１０２の運転台数が変化して過渡的に負荷が変動するときなど、膨張機８と第２の圧縮機２を流れる流量のバランスが崩れ、第２の圧縮機２と膨張機８の回転が不安定になることがある。上述のような場合、例えば第２の圧縮機２と膨張機８の回転数が過渡的に低下した場合、冷媒が流通するための抵抗となるため、高圧が上昇することになる。

ここで、空気調和機の高圧が過渡的に上昇したときの、空気調和機の冷房運転時の運転状態を図７のＰ−ｈ線図に示す。第２の圧縮機２の吐出圧力（状態Ｃ２）と室外熱交換器４の出口圧力（状態Ｄ２）とが高くなる。

ここで、膨張機８の膨張過程での圧力と体積の変化について述べる。図８は膨張機８の出口が状態Ｆとなる適性膨張過程のときのＰ−ｖ線図、図９は膨張機８の出口が状態Ｆ２となる過膨張過程のときのＰ−ｖ線図である。図８の適正膨張過程では、冷媒は膨張機固定スクロールの渦巻歯６７と揺動スクロール５７の渦巻歯６５により、圧力ＰＨ、体積Ｖｅｉの状態で吸入されて仕切られて、体積Ｖが増加するにつれて、仕切られた冷媒は減圧される。そして、膨張機固定スクロールの渦巻歯６７と揺動スクロール５７の渦巻歯６５により仕切られた体積Ｖが最も大きくなるＶｏとなるときに膨張が終了して、圧力はＰｏとなり、このＰｏは膨張機内部で最も圧力が低い状態である。Ｐｏは、膨張機８の内部で断熱膨張をすると仮定すると、膨張機８の吸入圧力ＰＨと膨張機８の膨張容積比Ｖｉ／Ｖｏにより求まる圧力である。体積ＶがＶｏとなった後、膨張機固定スクロール５９の渦巻歯６７と揺動スクロール５７の渦巻歯６５により仕切られた冷媒は、膨張機８の吐出管５６を通過して低圧ＰＬに開放される。膨張機の設計点では、膨張が終了する圧力Ｐｏと、低圧ＰＬがほぼ等しくなるようになっている。

一方で、図９の過膨張過程では、膨張機８の吐出圧力ＰＬ２が膨張機８の膨張過程で最も圧力が低くなるＰｏ２（適正吐出圧力）よりも高くなっている。図９の過膨張過程では、膨張機固定スクロール５９の渦巻歯６７と揺動スクロール５７の渦巻歯６５により仕切られた冷媒が、最も圧力が低くなるＰｏ２から膨張機８の吐出管５６に開放されるときに、低圧ＰＬ２まで上昇することになる。このように、膨張機８の吐出圧力ＰＬ２が適正吐出圧力Ｐｏ２よりも高くなることを過膨張という。過膨張を防止するには、膨張機８の吐出圧力が適正吐出圧力よりも高くならないように、膨張機８の吐出圧力を適宜低下させる動作を行えばよい。

図１０は、高圧がＰＨ２、中圧がＰＭ２、低圧がＰＬ２となるときの第２の圧縮機２及び膨張機８の、第２の圧縮機２側に作用するスラスト荷重の分布と、膨張機８側に作用するスラスト荷重の分布を模式的に示したものである。このとき、揺動スクロール５７の第２の圧縮機２側に作用するスラスト荷重Ｆｔｈｃ２［Ｎ］は（１）式と同様に式（５）で求められる。
Ｆｔｈｃ２＝（ＰＨ２＋ＰＭ２−２ＰＬ２）／２・Ｓｃ…（５）

しかし、揺動スクロール５７の膨張機８側の外周の圧力は、膨張が終了する圧力Ｐｏ２であり、低圧ＰＬ２よりも低くなる。すなわち、揺動スクロール５７の外周側では、内周側とは反対方向の力が作用するため、揺動スクロール５７の渦巻歯６５に作用するスラスト荷重Ｆｔｈｅ２は、不等式（６）のようになり、（２）式で求められるよりも小さくなる。
Ｆｔｈｅ２＜（ＰＨ２−ＰＬ２）／２・Ｓｅ…（６）

よって、式（３）でスラスト荷重Ｆｔｈが小さくなるように設計されていても、図９及び図１０のように膨張機８側で過膨張過程となる場合は、Ｆｔｈｅ２よりもＦｔｈｃ２が設計点より大きくなる。この結果、揺動スクロール５７が膨張機固定スクロール５９に押し付けられる力が増加することになる。

揺動スクロール５７が膨張機固定スクロール５９に押し付けられる力が増加すると、揺動スクロール５７と膨張機固定スクロール５９の摩擦が大きくなり、揺動スクロール５７が揺動する際の抵抗となるため、膨張エネルギーを摩擦損失として失ってしまう。また、過度に摩擦が大きくなると、回転数が低下する。

また、膨張機８の膨張過程が過膨張過程となると、膨張が終了する圧力Ｐｏ２から冷媒が低圧ＰＬ２に開放されるまでは、冷媒は圧縮されることになるので、その分膨張機８での回収動力が減少して第２の圧縮機２の駆動力が減少する。すると、第２の圧縮機２及び膨張機８の回転数がさらに低下することになる。

上述のように、第２の圧縮機２及び膨張機８の回転数が低下していくと、第２の圧縮機２及び膨張機８は冷媒が流通する際の抵抗となってしまうため、空気調和機の高圧ＰＨが過上昇するという不具合を引き起こす。

そこで、本実施の形態１に係る冷凍サイクル装置である空気調和機では、以下の方法により膨張機８の吐出圧力を低下させ、膨張機８での膨張過程が過膨張となることを防止している。具体的には、膨張機８の吐出配管２３から、アキュムレータ１１の入口配管２７に冷媒をバイパスさせるバイパス配管２４を設け、バイパス配管２４に冷媒のバイパス量を調整するバイパス弁１０を設ける。このように、膨張機８の吐出側を冷凍サイクル内で最も低圧になる第１の圧縮機１の吸入側に接続することで、膨張機８の吐出圧力を低下させることができ、引いては膨張機８での膨張過程が過膨張となることを防止することができる。

さらに、膨張機８の吐出配管２３のバイパス配管２４の接続口よりも下流側に逆止弁９を設ける。逆止弁９の入口側の冷媒の状態Ｆと出口側の冷媒の状態Ｇとでは、図２から明らかなように状態Ｇの方が圧力が高い。よって、圧力の高い方から低い方へ冷媒が流れることになるが、これを逆止弁９により防止している。すなわち、バイパス配管２５を通過した冷媒が図１のＧ点からＦ点に冷媒が流れ、バイパス配管２４を通過して介してアキュムレータ１１に流入するのを逆止弁９により防止している。
上述の構成により、膨張機８の吐出圧力が高くなってしまうような空気調和機の運転状態でも、膨張機８の吐出圧力を低くすることができる。

次に、本実施の形態１に係る空気調和機で、膨張機８が過膨張となることを防止する動作について説明する。図１１は、本実施の形態１に係る空気調和機で、膨張機が過膨張となることを防止する動作を示すフローチャートである。なお、以下では、ある圧力センサによって検出される圧力Ｐを、その圧力センサの符号を用いてＰ（符号）（例えば圧力センサ８３の場合、Ｐ（８３））と標記する場合がある。

空気調和機は、通常の冷房運転や暖房運転等の定時制御中に、定期的に膨張機８の動作をチェックし、膨張機８が過膨張となることを防止する動作を行うようにしている。すなわち、制御装置１０３は、定時制御中に、所定時間経過したか判断する（ステップＳ１０１）。所定時間経過後、圧力センサ８２によって検出される圧力Ｐ（８２）の値が、適正膨張となるときの膨張機８の吐出圧力（適正吐出圧力）Ｐｏより高いか判断する（ステップＳ１０２）。この適正吐出圧力Ｐｏは、上述したように、現在の膨張機８の吸入圧力及び吸入温度と、予め制御装置１０３に記憶された、膨張機８の吸入圧力別の吸入温度と適正吐出圧力Ｐｏとの関係データとから決定される。

制御装置１０３は、ステップＳ１０２においてＰ（８２）がＰｏより高いと判断した場合、ステップＳ１０４に進む。ステップＳ１０４では、制御装置１０３は、バイパス配管２４に設けられたバイパス弁１０の開度Ｌ１０を、予め設定された所定量ΔＬ大きくして、バイパス配管２４に流れる冷媒の流量を増加させる（ステップＳ１０３）。このように、バイパス弁１０を開いて膨張機８から吐出側と冷凍サイクル中で最も低圧であるアキュムレータ１１の吸入側とを連通させ、膨張機８から吐出した冷媒をバイパス配管２４側に流し、バイパス弁１０によって減圧した後、アキュムレータ１１に吸入させることで、膨張機８の吐出圧力Ｐ（８２）を下げることができる。

そして、制御装置１０２は、ステップＳ１０３においてＰ（８２）がＰｏより低くなったと判断した場合、バイパス弁１０を閉じて過膨張を防止する動作を終了する。

ここで、膨張機８の吸入圧力別の吸入温度と適正吐出圧力Ｐｏとの関係の一例を図１２に示す。図１２には、吸入圧力が１０ＭＰａと、９ＭＰａと、８ＭＰａのそれぞれの場合の吸入圧力と適正吐出圧力との関係を示している。膨張機８の吸入圧力と吸入温度から吸入比容積が求まる。また、膨張機８の吸入容積Ｖｉと吐出容積Ｖｏの関係は一定であるため、膨張機８の吸入比容積から膨張過程が終了するときの比容積が求まる。前記の比容積から適正吐出圧力Ｐｏをおよそ算出することができる。よって、膨張機８の吸入圧力である圧力センサ８５が検知する圧力と、吸入温度である温度センサ９１が検知する温度と、予め制御装置１０３に記憶された、図１２に示す関係線図とから、膨張機８の吸入圧力と吸入温度に応じた適正吐出圧力Ｐｏをおよそ予測することができる。

ここで、膨張機８が過膨張となるのを防止するための前述の図１１のフローチャートの制御を行ったときの、冷房運転時の空気調和機の運転状態について、図１３のＰ−ｈ線図を用いて説明する。
室外熱交換器４を出た冷媒は、第２の四方弁６へ向かう経路と、バイパス弁５へ向かう経路とに分岐する。
第２の四方弁６を通過した冷媒は、予膨張弁７を通過して（状態Ｄ３から状態Ｅ３）、膨張機８に吸入され、減圧されて低圧となり、乾き度が低い状態になる（状態Ｅ３から状態Ｆ３）。
膨張機８から吐出された冷媒は、膨張機８の吐出配管２３からバイパス配管２４へ流れる。そして、バイパス弁１０によってさらに減圧される（状態Ｆ３から状態Ｍ）。
一方で、バイパス弁５を通過して減圧された冷媒は（状態Ｄ３から状態Ｇ３）、室外機１０１を出て液管２８を通過して、室内機１０２ａ，１０２ｂに入り、膨張弁３１ａ，３１ｂへ入る。ここで、バイパス弁５を通過後の冷媒の状態Ｇ３と膨張機８を通過後の冷媒の状態Ｆ３とを比較すると、状態Ｇ３の冷媒圧力の方が高い。よって、圧力の高い方から低い方へ冷媒が流れることになるが、ここでは上述したように逆止弁９を設けているため、図１のＧ点とＦ点との間の流路に冷媒が流れることはなく、バイパス弁５を通過した冷媒は全て室内機１０２ａ，１０２ｂ側へ向かう流路に流れる。
膨張弁３１ａ，３１ｂでは、冷媒はさらに減圧される（状態Ｇ３から状態Ｉ３）。
膨張弁３１ａ，３１ｂを出た冷媒は、室内熱交換器３２ａ，３２ｂで室内空気から吸熱して蒸発し、低圧のまま、乾き度が高い状態になる（状態Ｉ３から状態Ｊ）。
室内熱交換器３２ａ，３２ｂを出た冷媒は、室内機１０２ａ，１０２ｂを出て、ガス管２９を通過して、室外機１０１に入り、第１の四方弁３を通過して、バイパス弁１０を通過した冷媒と合流してアキュムレータ１１に流入する（状態Ｋ）。
アキュムレータ１１から出た冷媒は、再び第１の圧縮機１に吸入される。

このとき、バイパス弁１０を開いて、膨張機８から吐出された冷媒をアキュムレータ１１に流入させると、第１の圧縮機１の吸入圧力が上昇することがある。この場合は、バイパス弁１０を開くときに予膨張弁７の開度を小さくして、膨張機８の吸入圧力を低くすればよい。また、予膨張弁７の開度を小さくすると膨張機８を流れる冷媒が減少するので、この場合はバイパス弁５を開けばよい。

また、膨張機８の吐出配管２３のバイパス配管２４の接続口よりも下流側に逆止弁９を設けているので、バイパス配管２５を流れる冷媒がバイパス配管２４を通過して、アキュムレータ１１に流入することを防止できる。

図１４は、膨張機の吸入圧力が低くなったときの膨張過程を示すＰ−ｖ線図である。
図１４に示すように、予膨張弁７の開度を小さくすることによって膨張機８の吸入圧力Ｐｉ３が入口Ｅ２点の吸入圧力Ｐｉ２よりも低くなる。これにより、膨張過程での体積変化に対する圧力変化の度合いが小さくなるため、膨張機８の吸入圧力が高いとき（Ｐｉ２）と比べて、膨張機８の吸入圧力Ｐｉと適正吐出圧力Ｐｏとの差が小さくなるので、膨張機８の吐出圧力ＰＬ３を適正吐出圧力Ｐｏに近づけやすくすることができる。

また、膨張機８から吐出される冷媒は、低温低圧の気液二相冷媒であり、この冷媒を第１の圧縮機１が直接吸入すると、第１の圧縮機１が液圧縮をすることになり、圧縮機の信頼性を損なう。そこで、本実施の形態にかかる空気調和機では、バイパス配管２４を流れる冷媒を、アキュムレータ１１の入口配管２７に接続しているため、バイパス配管２４に気液二相冷媒が流れても、気液二相冷媒をアキュムレータ１１に貯留できるため、第１の圧縮機１が液圧縮をすることを防止できる。

また、本実施の形態１によれば、空気調和機の運転状態により過渡的に膨張機８の膨張過程が過膨張となり、第２の圧縮機２と膨張機８に作用するスラスト荷重が大きくなり、さらに第２の圧縮機２の駆動力が低下して、第２の圧縮機２及び膨張機８の回転が不安定になっても、バイパス弁１０を開くことにより、膨張機８の吐出圧力を確実に下げて過膨張を防止することができる。そのため、第２の圧縮機２及び膨張機８の回転を安定させることができ、空気調和機の運転を止める必要がない。

本実施の形態１に係る空気調和機は、定時制御中において膨張機８の吐出圧力が適正吐出圧力より高くなったときのみ、バイパス弁１０を開くようにしているので、膨張機８から吐出された冷媒がアキュムレータ１１に無駄に流れ込むことがない。

また、上述のように冷房運転時に膨張機８の吐出圧力が高くなるとき、過膨張を防止する動作を行うようにしているが、暖房運転時でも例えば室外熱交換器４の圧力損失が大きい場合など、膨張機８の吐出圧力が高くなることがあるので、暖房運転時でも過膨張を防止する動作は有効である。暖房運転の場合では、温度センサ９２が検知する温度から、冷媒の飽和圧力を算出してバイパス弁５の出口圧力とすることができる。そして、バイパス弁５の出口圧力がＰｏよりも低くなった時を終了条件とする。

また、本実施の形態１によれば、図１１に示すように過膨張を防止する制御を、圧力センサ８２の検出する圧力Ｐ（８２）が、膨張機８の適正吐出圧力Ｐｏより高くなったときに開始するようにしているが、制御を始める圧力を膨張機８の適正吐出圧力Ｐｏより多少高くしてもよい。これは、膨張機８が少しでも過膨張になると直ちに空気調和機に悪影響を及ぼす訳ではないからである。制御を始める圧力を膨張機８の適正吐出圧力Ｐｏより多少高くすることで、圧力Ｐ（８２）が多少の圧力変動をもっているときに、空気調和機が過膨張を防止する制御を頻繁に行うことを防止できる。

また、過膨張を防止する制御を終える終了条件を、例えば冷房運転のときは圧力センサ８３が検知する圧力Ｐ（８３）が膨張機８の適正吐出圧力Ｐｏよりも低くなったときとしているが、制御を終える圧力を膨張機８の適正吐出圧力Ｐｏよりも多少低くしてもよい。また、暖房運転のときは、過膨張を防止する制御を終える終了条件を、温度センサ９２が検知する温度から算出する圧力をバイパス弁５の出口圧力として、バイパス弁５の出口圧力が膨張機８の適正吐出圧力Ｐｏよりも低くなったときとしているが、この場合も同様に、実際には制御を終える圧力を膨張機８の適正吐出圧力Ｐｏよりも多少低くしてもよい。上述のように、過膨張を防止する制御を始める圧力と、過膨張を防止する制御を終える圧力とに多少幅を持たせることで、過膨張を防止する制御が頻繁に繰り返されるのを防止できる。

以上のように、本実施の形態１に係る空気調和機は、膨張機８の吐出圧力が適正吐出圧力よりも高いときにバイパス弁１０を開き、膨張機８が過膨張となることを防止するので、第２の圧縮機２と膨張機８のスラスト荷重を小さくすることができる。また、第２の圧縮機２と膨張機８のスラスト荷重を小さくすることができることにより、第２の圧縮機２の駆動力を得やすくなるので、膨張機８の回転数を安定させることができる。

本実施の形態１に係る空気調和機は、膨張機８の過膨張を防止する動作（バイパス弁１０の開度を所定量ΔＬ大きくする）の開始の判断を、膨張機８の吐出圧力に基づいて行っているが、膨張機８の吐出圧力に相関する冷媒の他の物理量でもよい。例えば、第２の圧縮機２及び膨張機８の回転数が低下した場合は第２の圧縮機２の吐出圧力が上昇するため、圧力センサ８１が検知する圧力Ｐ（８１）を判断材料としてもよい。また、第２の圧縮機２及び膨張機８の回転数を直接検知し、この回転数を判断材料としてもよい。

また、本実施の形態１に係る空気調和機は、第１の圧縮機１と第１の四方弁３との間の冷媒の経路に第２の圧縮機２が設けられ、膨張機８から駆動軸５２を介して動力が第２の圧縮機２へ伝達される。このように膨張機８によって冷媒が減圧される際に発生する動力を第２の圧縮機２が使用することができ、空気調和機の効率を向上させることができる。

また、本実施の形態１に係る空気調和機は、揺動スクロール５７を一対の固定スクロール５８，５９間に配置し、前記揺動スクロール５７を駆動軸５２により揺動自在に支持して構成されている。そして、膨張機固定スクロール５９と揺動スクロール５７とにより膨張機８を構成して冷媒を膨張させ、圧縮機固定スクロール５８と揺動スクロール５７とにより第２の圧縮機２を構成して冷媒を圧縮しているので、小型、高効率の空気調和機を実現できる。

また、本実施の形態１に係る空気調和機では、室外熱交換器４と室内熱交換器３２ａ，３２ｂは空気と熱交換をする熱交換器としているが、水やブラインなど、他の熱媒体と熱交換をする熱交換器としてもよい。

また、本実施の形態１に係る空気調和機では、第２の圧縮機２を第１の圧縮機１の下流側に設けているが、第２の圧縮機２を第１の圧縮機１の上流側に設けてもよい。

また、本実施の形態１に係る空気調和機では、冷暖房に係る運転モードに対応した冷媒経路の切り替えを、第１の四方弁３及び第２の四方弁６によって行っているが、例えば２方弁、３方弁又は逆止弁などによって、冷媒流路の切り替えを行う構成としてもよい。

また、膨張機８から伝達される回転動力のみによって動作する第２の圧縮機２について説明したが、勿論このものに限らず、例えば、膨張機８から伝達される回転動力とともに、電気モーターからの回転動力によって動作する第２の圧縮機２であってもよい。さらに、膨張機８により回収した動力の伝達先を発電機としてもよい。

実施の形態２．
以上の実施の形態１は、運転中に膨張機８が過膨張となることを防止するようにしたものである。実施の形態２は、空気調和機が起動時に膨張機８が過膨張となることを防止するようにしたものである。

図１５は、本発明の実施の形態２に係る、膨張機８が過膨張となることを防止する動作を示すフローチャートである。また、図１６は、空気調和機が起動するときの高圧の変化と膨張機吐出圧力の変化とを示す図である。図１６において、破線は、膨張機８が過膨張となることを防止する動作を行わない場合を示す。図１６において、実線は、膨張機８が過膨張となることを防止する動作を行った場合、すなわち図１５に示した制御を行った場合を示す。ここで、図１５のフローチャートを説明するに先だって、図１６について簡単に説明すると、第１の圧縮機１が起動する前は、空気調和機の高圧ＰＨと膨張機吐出圧力は均圧しており、第１の圧縮機１を起動すると、高圧ＰＨが徐々に上昇して、膨張機吐出圧力が徐々に低下することが示されている。

以下、図１５のフローチャート及び図１６を参照して、空気調和機が起動するときに膨張機８が過膨張となることを防止する動作を説明する。
制御装置１０３は、空気調和機に運転指令が出ると（ステップＳ２０１）、空気調和機が冷房運転もしくは暖房運転になるか判断する（ステップＳ２０２）。暖房運転（ステップＳ２０４）については、ここでは省略する。ステップＳ２０２で冷房運転と判断すると（ステップＳ２０３）、第１の四方弁３及び第２の四方弁６などを冷房回路に設定する（ステップＳ２０５）。その後、バイパス弁１０の開度をＬ１０に設定する（ステップＳ２０６）。すなわち、第１の圧縮機１を起動させるときに、バイパス弁１０を開いて膨張機８の吐出側と第１の圧縮機１の吸入側とを連通するようにしている。Ｌ１０は、第１の圧縮機１の起動するときの周波数などを制御装置１０３で判断して、バイパス弁１０で圧力損失があまり大きくならないように定めればよい。

そして、制御装置１０３は、第１の圧縮機１を起動する（ステップＳ２０７）。このとき、バイパス弁１０は既に開かれているため、膨張機８から吐出された冷媒はバイパス配管２４からアキュムレータ１１を介して第１の圧縮機１に流入する。制御装置１０３は、第１の圧縮機１の起動後、所定時間が経過したかを判断する（ステップＳ２０８）。空気調和機が起動した直後は、冷媒の温度や圧力が過渡的に変化するので、所定時間はおよそ１０秒から３０秒程度に短くするのがよい。

所定時間経過後、制御装置１０３は、膨張機８の吐出圧力である圧力センサ８２の検出する圧力Ｐ（８２）が、膨張機８の適正吐出圧力Ｐｏより低いか判断する（ステップＳ２０９）。この適正吐出圧力Ｐｏは、上述したように、現在の膨張機８の吸入圧力及び吸入温度と、予め制御装置１０３に記憶された、膨張機８の吸入圧力別の吸入温度と適正吐出圧力Ｐｏとの関係データとから決定される。ここで、空気調和機の起動時の膨張機８の吐出圧力は、図１６に示すように適正吐出圧力よりも高い。よって、空気調和機の起動時は、ステップ２０９とステップＳ２０８とを繰り返し、所定時間が経過する毎にステップＳ２０９の判断を行うことになる。

膨張機８の吐出圧力は、第１の圧縮機１を起動したことによって図１６に示すように徐々に下がっていく。そして、膨張機８の吐出圧力Ｐ（８２）がＰｏより低くなると、制御装置１０３は、バイパス弁１０の開度Ｌ１０を、予め設定されたΔＬ２小さくし（ステップＳ２１０）、バイパス弁１０の開度が最小開度Ｌ１０ｍｉｎに達するまで（Ｓ２１１）、ステップＳ２０８からステップＳ２１０の処理を繰り返す。すなわち、制御装置１０３は、バイパス弁１０の開度が最小開度Ｌ１０ｍｉｎになるまで徐々にバイパス弁１０を閉めていく。そして、バイパス弁１０の開度が最小開度Ｌ１０ｍｉｎに達すると、制御装置１０３は、定時制御に移行する（ステップＳ２１２）。定時制御に移行後の過膨張防止動作は実施の形態１と同様である。

ここで、空気調和機の起動時に、膨張機８が過膨張となることを防止する動作を行わない場合と、膨張機８が過膨張となることを防止する動作を行った場合との冷媒圧力の変化を図１６に基づいて比較する。図１６に示されているように、膨張機８が過膨張となることを防止する動作を行った場合の方がより早く膨張機吐出圧力を低くすることが可能となっている。すなわち、空気調和機の起動時にバイパス弁１０を開いて膨張機８の吐出側と第１の圧縮機１の吸入側とを連通させているため、膨張機８から吐出した冷媒を、液管２８及びガス管２９を通過させて第１の圧縮機１に戻す場合（すなわち、膨張機８が過膨張となることを防止する動作を行わない場合）に比べて、膨張機吐出圧力をより早く低くすることができる。よって、空気調和機の起動時に、第２の圧縮機２及び膨張機８をより回転しやすくなる。これによって、空気調和機が起動するときに、第２の圧縮機２及び膨張機８の回転不良により高圧が上昇することを防止できる。また、第２の圧縮機２及び膨張機８の回転不良により空気調和機を停止させることなく、定時制御に移行することができる。

ところで、冷房運転時に空気調和機で冷媒が低圧となるところは、膨張機８の吐出側から第１の圧縮機１の吸入側までである。しかし、第１の圧縮機１が起動した後に、低圧側の圧力が低下するまでに時間がかかる場合がある。例えば空気調和機がビル用マルチエアコンなどであり、室内機１０２の台数が多かったり、液管２８とガス管２９の長さが例えば５０ｍを超えるような長さであったりする場合が相当する。実施の形態２は、このような場合に好適に作用する。

また、膨張機８が過膨張となることを防止する動作を行うときは、バイパス弁１０だけでなく、予膨張弁７及びバイパス弁５の開度を調整することで、バイパス配管２４を流れる冷媒の流量と、室内熱交換器３２を流れる冷媒の流量の比を調整することができる。

また、上述では冷房運転時の効果について述べているが、暖房運転時では容積の大きい室外熱交換器４が低圧となり、低圧側の圧力が低下しにくいため、本実施の形態２は暖房運転時でも有効である。

また、本実施の形態２に係る空気調和機では、第１の圧縮機１が起動した後に、膨張機８の吐出圧力が適正吐出圧力Ｐｏまで下がると、バイパス弁１０を最小開度として冷媒が流れないようにするので、冷房運転時に冷媒が室内熱交換器３２をバイパスして冷房能力を損なうことがない。また、暖房運転時に過度に冷媒液をアキュムレータ１１に流入させることがない。

実施の形態３．
以上の実施の形態１及び実施の形態２では、第１の圧縮機１から吐出された冷媒を直接第２の圧縮機２が吸入するようにしたものである。実施の形態３では、第１の圧縮機１から吐出された冷媒を中間冷却器４ａで冷却してから、第２の圧縮機２に吸入するようにしたものである。また、実施の形態３は、膨張機８が過膨張となることを防止する動作として図１１と図１５に示した制御を行う点については実施の形態１及び実施の形態２と同様である。

図１７は、本実施の形態３に係る空気調和機の冷房運転時における冷媒回路図である。膨張機８の吐出配管２３からアキュムレータ１１の入口配管にバイパスする冷媒（第１のバイパス弁１０を通過して第１の圧縮機１に戻る冷媒）と、バイパス弁５を通過した冷媒（主放熱器４ｂから蒸発器として機能する室内熱交換器１０２にバイパスされる冷媒）とを熱交換させるための冷媒熱交換器１４を設けている。

冷媒熱交換器１４は、バイパス弁５を通過した冷媒が通過する一方の流路と、膨張機８の吐出配管２３からアキュムレータ１１の入口配管にバイパスされるバイパス配管２４のバイパス弁１０を通過後の冷媒が通過する他方の流路とを有している。一方の流路の流入口はバイパス弁５及び第２の四方弁６と接続され、流出口は膨張弁３１ａ，３１ｂと接続されている。他方の流路の流入口はバイパス弁１０と接続され、流出口はアキュムレータ１１と接続されている。

さらに、一端が第２の圧縮機２の吸入配管２１に接続され、他端がアキュムレータ１１の入口配管に接続されるバイパス配管４６が設けられており、バイパス配管４６にはバイパス弁１５が設けられている。バイパス弁１５は、膨張機８が過膨張となることを防止する動作のときに開かれる。

室外熱交換器４は、２つの熱交換器４ａ，４ｂに分割されており、室外熱交換器４が主として放熱器として機能する冷房運転時には、熱交換器４ａは中間冷却器として機能し、熱交換器４ｂは主放熱器として機能する。また、空気調和機が暖房運転時には、熱交換器４ａ，４ｂは共に蒸発器として機能する。空気調和機の冷房運転時と暖房運転時とで室外熱交換器４に流入する冷媒経路を変えるために、開閉弁１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ，１３ｃを設けている。

冷房運転時は、開閉弁１２ａ，１２ｂを開放して、開閉弁１３ａ，１３ｂ，１３ｃを閉止する。これにより、第１の圧縮機１から吐出された冷媒は中間冷却器４ａを通過した後、第２の圧縮機２に流入する。このように、第１の圧縮機１から吐出された冷媒を、第２の圧縮機２が吸入する前に、一旦冷却する。そして、第２の圧縮機２から吐出された冷媒は主放熱器４ｂを通過した後、膨張機８に流入する。このように第２の圧縮機２から吐出された冷媒を主放熱器４ｂを通過させることで、第２の圧縮機２から吐出された冷媒を冷却する。

暖房運転時は、開閉弁１２ａ，１２ｂを閉止して、開閉弁１３ａ，１３ｂ，１３ｃを開放する。これにより、第１の圧縮機１から吐出された冷媒は第２の圧縮機２に吸入される。また、室外熱交換器４に流入した冷媒は、熱交換器４ａと熱交換器４ｂとのそれぞれに並列に流れた後、第１の圧縮機１に向かう。熱交換器４ａと熱交換器４ｂは、上述したように暖房運転時は蒸発器として機能する。

次に、本実施の形態３に係る空気調和機の冷房運転時の動作について、図１７の冷媒回路図と、図１８のＰ−ｈ線図で説明する。ここでは、実施の形態１で説明したように、膨張機８が過膨張となることを防止する動作としてバイパス弁１０を開いた状態における空気調和機の動作を説明する。なお、バイパス弁１０を開いた場合に、図１７のＦ点とＧ点との間の流路には逆止弁９により冷媒が流れない点は実施の形態１と同様である。
第１の圧縮機１に吸入されたガス冷媒は圧縮され、中圧高温の超臨界（又はガス）冷媒として吐出される（状態Ａから状態Ｂ）。
第１の圧縮機１を出た冷媒は、配管４３を経て中間冷却器４ａに流れる。中圧高温の冷媒は中間冷却器４ａ内を通過する間に外気との熱交換により冷却され、中圧中温の超臨界（又はガス）冷媒となって流出し（状態Ｂから状態Ｌ）、配管４２、第２の圧縮機２の吸入配管２１を経て、第２の圧縮機２に吸入される。
このとき、中間冷却器４ａで冷却された冷媒の一部は、バイパス配管４６を流れて、バイパス弁１５で膨張する（状態Ｌから状態Ｏ）。
第２の圧縮機２に吸入された冷媒はさらに圧縮され、高圧高温の超臨界（又はガス）冷媒として吐出される（状態Ｌから状態Ｃ）。第２の圧縮機２を出た冷媒は、第１の四方弁３を経て、主放熱器４ｂに流れる。高圧高温の冷媒は主放熱器４ｂ内を通過する間に外気との熱交換により冷却され、高圧低温の超臨界（又は液）冷媒となって流出する（状態Ｃから状態Ｄ）。

主放熱器４ｂを出た冷媒は、第２の四方弁６へ向かう経路と、バイパス弁５へ向かう経路とに分岐する。第２の四方弁６を通過した冷媒は、予膨張弁７を通過して（状態Ｄから状態Ｅ）、膨張機８に吸入され、減圧されて低圧となり、乾き度が低い状態になる（状態Ｅから状態Ｆ）。このとき、膨張機８では、冷媒の減圧に伴って動力が発生し、この動力は駆動軸５２によって回収されて、第２の圧縮機２に伝達され、第２の圧縮機２による冷媒の圧縮に使用される。

膨張機８から吐出された冷媒は、膨張機８の吐出配管２３からバイパス配管２４に入り、バイパス弁１０で減圧され（状態Ｆから状態Ｍ）、冷媒熱交換器１４の他方の流路の流入口から冷媒熱交換器１４に入る。一方、室外熱交換器４から流出してバイパス配管２５に流入した冷媒はバイパス弁５により減圧され（状態Ｆから状態Ｇ）、冷媒熱交換器１４の一方の流路の流入口から冷媒熱交換器１４に入る。

ここで、冷媒熱交換器１４における一方側の流路と他方側の流路のそれぞれにおいて、流入する冷媒同士の状態を比較すると、一方側の流路に流入する状態Ｇの冷媒よりも、他方側の流路に流入する状態Ｍの冷媒の方が、より低圧低温である。よって、バイパス弁１０を経て冷媒熱交換器１４に流入した他方側の冷媒は、一方側の冷媒と熱交換することにより加熱されてより乾き度の高い状態となる（状態Ｍから状態Ｎ）。一方、バイパス弁５を経て冷媒熱交換器１４に流れた一方側の冷媒は、他方側の冷媒と熱交換することにより冷却されてより乾き度の低い状態となる（状態Ｇから状態Ｈ）。

冷媒熱交換器１４から出た一方側の冷媒は、室外機１０１を出て液管２８を通過して、室内機１０２ａ，１０２ｂに入り、膨張弁３１ａ，３１ｂへ入る。膨張弁３１ａ，３１ｂでは、冷媒はさらに減圧される（状態Ｈから状態Ｉ）。
膨張弁３１ａ，３１ｂを出た冷媒は、室内熱交換器３２ａ，３２ｂで室内空気から吸熱して蒸発し、低圧のまま、乾き度が高い状態になる（状態Ｉから状態Ｊ）。
これにより、室内空気は冷却される。
室内熱交換器３２ａ，３２ｂを出た冷媒は、室内機１０２ａ，１０２ｂを出て、ガス管２９を通過して、室外機１０１に入り、第１の四方弁３を通過する。その後、冷媒熱交換器１４を出た他方の冷媒及びバイパス弁１５を通過した冷媒と合流してアキュムレータ１１に入り、再び第１の圧縮機１に吸入される。

実施の形態３の空気調和機では、実施の形態１と同様に、膨張機８が過膨張となることを防止する動作のときにバイパス弁１０を開くようにしており、このとき、さらにバイパス弁１５も開いてバイパス配管４６に冷媒を流すようにしている。バイパス弁１５を開くことにより、第２の圧縮機２の吐出圧力を調整することができる。このため、膨張機８を通過する冷媒の流量が減少して膨張機８と第２の圧縮機２の回転数が低下したとき、バイパス弁１５を開くことにより、第２の圧縮機２の吐出圧力が高くなりすぎることを防止できる。バイパス弁１５の開度は、例えば第２の圧縮機２の吐出圧力である圧力センサ８１が検知する圧力Ｐ（８１）に基づいて調整するようにする。

本実施の形態３に係る空気調和機によれば、冷房運転時には第１の圧縮機１から吐出された中圧高温の冷媒を、中間冷却器４ａで一旦冷却してから第２の圧縮機２でさらに圧縮している。このため、中圧の冷媒を冷却しないで第２の圧縮機２で高圧に圧縮する場合と比べて、第２の圧縮機２の圧縮過程では、ある圧縮比あたりに必要な動力が小さくて済む。膨張機８で回収した動力を同じ大きさとすれば、第２の圧縮機２での昇圧量を大きくすることができるため、第１の圧縮機１の昇圧量が小さくなる。すなわち、第１の圧縮機１で消費される電力が減少して、空気調和機をより省エネにすることができる。

また、本実施の形態３に係る空気調和機によれば、冷房運転時には中間冷却器４ａと主放熱器４ｂを直列に接続しているので、伝熱性能が向上して放熱することができ、暖房運転時には並列に接続しているので、圧力損失を低減させることができる。

また、本実施の形態３に係る空気調和機によれば、空気調和機が起動するときに、バイパス弁５とバイパス弁１５を調整している。このため、空気調和機が起動するときに、第２の圧縮機２及び膨張機８の冷媒流量が合わずに回転が不安定になるときも、第２の圧縮機２及び膨張機８を流れるそれぞれの冷媒を、適宜バイパスさせながら起動することができる。

また、本実施の形態３に係る空気調和機によれば、冷房運転時に膨張機８が過膨張となることを防止する動作のときに、バイパス配管２４を流れる冷媒と、室内熱交換器３２ａ，３２ｂに流れ込む冷媒とを冷媒熱交換器１４において熱交換するようにしている。このため、室内熱交換器３２ａ，３２ｂでは、冷凍効果を大きくすることができる。さらに、バイパス配管２４を流れる冷媒の乾き度をより大きくすることができるため、アキュムレータ１１に流れ込む液冷媒の量をより小さくすることができる。

また、暖房運転時には室外熱交換器４に流れ込む冷媒が、室外熱交換器４に流れ込む前に冷媒熱交換器１４にて冷却されるため、室外熱交換器４に流れ込む冷媒の乾き度をより小さくすることができる。このため、室外熱交換器４での冷媒の圧力損失をより小さくしたり、室外熱交換器４での冷媒の分配性能をよりよくしたりすることができる。

また、本実施の形態３に係る空気調和機によれば、冷媒熱交換器１４は冷房運転時に冷媒同士が対向流となるように冷媒を流しているため、冷房運転時に室内熱交換器３２ａ，３２ｂに流れ込む冷媒のエンタルピを小さくするように熱交換ができるようになっている。

また、本実施の形態３に係る空気調和機によれば、膨張機８が過膨張となることを防止する動作のときに、バイパス弁１５の開度を調整して第２の圧縮機２の吐出圧力を調整している。このため、膨張機８を通過する冷媒の流量が減少して膨張機８と第２の圧縮機２の回転数が低下したとき、第２の圧縮機２の吐出圧力が高くなりすぎることを防止できる。なお、バイパス弁１５及びバイパス配管４６は、図１に示した実施の形態１の冷媒回路に設けても良く、この場合も同様の効果が得られる。

また、本実施の形態３に係る空気調和機は、冷房運転時のみ第１の圧縮機１から吐出された中圧高温の冷媒を中間冷却器４ａで冷却するようにしているが、暖房運転時にも中間冷却するような構成としてもよい。

また、本実施の形態３に係る空気調和機は、バイパス配管４６を第２の圧縮機２の吸入配管２１に接続して、中間冷却器４ａを出た冷媒をアキュムレータ１１にバイパスするようにしているが、第１の圧縮機１から吐出された冷媒をバイパスするようにしてもよい。

また、本実施の形態３に係る空気調和機では、第２の圧縮機２を第１の圧縮機１の下流側に設けているが、第２の圧縮機２を第１の圧縮機１の上流側に設けてもよい。

また、上記各実施の形態１〜３では、膨張機８により回収された動力を第２の圧縮機２の動力として使用する形態を例示したが、動力の使用先は必ずしも第２の圧縮機２に限られたものではない。例えば、第１の圧縮機１の動力又は冷凍サイクルの駆動に使用される発電機の動力として使用するようにしてもよい。

１ 第１の圧縮機、２ 第２の圧縮機、３ 第１の四方弁、４ 室外熱交換器、５ バイパス弁、６ 第２の四方弁、７ 予膨張弁、８ 膨張機、９ 逆止弁、１０ バイパス弁、１１ アキュムレータ、１２ａ，１２ｂ 開閉弁、１３ａ，１３ｂ，１３ｃ 開閉弁、１４ 冷媒熱交換器、１５ バイパス弁、２１ 第２の圧縮機２の吸入配管、２２ 膨張機８の吸入配管、２３ 膨張機８の吐出配管、２４ バイパス配管、２５ バイパス配管、２６ 冷媒配管、２７ アキュムレータ１１の入口配管、２８ 液管、２９ ガス管、３１ａ，３１ｂ 膨張弁、３２ａ，３２ｂ 室内熱交換器、４１，４２，４３，４４，４５ 冷媒配管、４６ バイパス配管、５１ 容器、５２ 駆動軸、５３ 第２の圧縮機２の吸入管、５４ 第２の圧縮機２の吐出管、５５ 膨張機８の吸入管、５６ 膨張機８の吐出管、５７ 揺動スクロール、５８ 圧縮機固定スクロール、５９ 膨張機固定スクロール、６０ オルダムリング、６１ スライダ、６２ 軸嵌入孔、６３ 揺動軸受部、６４ 揺動スクロール５７上面の渦巻歯、６５ 揺動スクロール５７下面の渦巻歯、６６ 圧縮機固定スクロール５８の渦巻歯、６７ 膨張機固定スクロール５９の渦巻歯、６８ 油ポンプ、６９ 潤滑油、７０ バランサ、７１ 渦巻歯６４の歯先、７２ 渦巻歯６５の歯先、８１，８２，８３，８４，８５ 圧力センサ、９１，９２ 温度センサ、１０１ 室外機、１０２ａ，１０２ｂ 室内機、１０３ 制御装置。

Claims (9)

1. 冷媒を圧縮する第１の圧縮機と、前記第１の圧縮機で圧縮された冷媒をさらに圧縮する第２の圧縮機と、前記第２の圧縮機により圧縮された冷媒の熱を放散する放熱器と、前記第２の圧縮機の駆動軸に連結され、前記放熱器を通過した冷媒を膨張させて冷媒から動力を回収し、回収された動力により前記駆動軸を介して前記第２の圧縮機を駆動する膨張機と、前記膨張機により膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器とが順次配管接続された冷凍サイクルと、
   一方が前記膨張機の吐出配管に接続され、他方が前記第１の圧縮機と前記蒸発器との間の配管に接続された第１のバイパス配管と、
   前記膨張機に吸入する冷媒の物理量を検出する物理量検出手段と、
   前記第１のバイパス配管に設けられ、冷媒の流量を調整する第１のバイパス弁と、
   前記第１のバイパス弁の開度を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記物理量検出手段により検出した物理量に基づいて前記膨張機の適正吐出圧力を決定し、前記膨張機の冷媒を吐出する圧力が、前記決定した適正吐出圧力より高くなったときに前記第１のバイパス弁を開くことを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記膨張機の吐出配管には、冷媒の流れを一方向に整えるための逆止弁が設けられていることを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記放熱器と前記蒸発器との間に、前記放熱器を通過した冷媒の一部を前記蒸発器の入口側にバイパスする、第２のバイパス弁を有する第２のバイパス配管を設け、
   前記第２のバイパス弁を通過して前記蒸発器に向かう冷媒と、前記第１のバイパス弁を通過して前記第１の圧縮機に向かう冷媒との間で熱交換を行う冷媒熱交換器を備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記制御手段は、前記第１の圧縮機を起動させる前に前記第１のバイパス弁を開く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。
5. 前記第１の圧縮機の吐出管に一方が接続され、他方が前記第１の圧縮機の吸入配管に接続された第３のバイパス配管を備え、
   前記第３のバイパス配管には、冷媒の流量を調整する第３のバイパス弁が設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記放熱器は、前記第１の圧縮機から吐出された冷媒を、前記第２の圧縮機に吸入する前に冷却する中間冷却器と、前記第２の圧縮機から吐出された冷媒を冷却する主放熱器とを備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の冷凍サイクル装置。
7. 前記冷媒は、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６の何れか一項に記載の冷凍サイクル装置。
8. 冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機により圧縮された冷媒の熱を放散する放熱器と、前記放熱器を通過した冷媒を膨張させて冷媒から動力を回収する膨張機と、前記膨張機により膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器とが順次配管接続された冷凍サイクルと、
   一方が前記膨張機の吐出配管に接続され、他方が前記圧縮機と前記蒸発器との間の配管に接続された第１のバイパス配管と、
   前記膨張機に吸入する冷媒の物理量を検出する物理量検出手段と、
   前記第１のバイパス配管に設けられ、冷媒の流量を調整する第１のバイパス弁と、
   前記放熱器と前記蒸発器との間に設けられ、前記放熱器を通過した冷媒の一部を前記蒸発器の入口側にバイパスする、第２のバイパス弁を有する第２のバイパス配管と、
   前記第２のバイパス弁を通過して前記蒸発器に向かう冷媒と、前記第１のバイパス弁を通過して前記圧縮機に向かう冷媒との間で熱交換を行う冷媒熱交換器と、
   前記第１のバイパス弁の開度を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記物理量検出手段により検出した物理量に基づいて前記膨張機の適正吐出圧力を決定し、前記膨張機の冷媒を吐出する圧力が、前記決定した適正吐出圧力より高くなったときに前記第１のバイパス弁を開くことを特徴とする冷凍サイクル装置。
9. 前記膨張機の吐出配管には、冷媒の流れを一方向に整えるための逆止弁が設けられていることを特徴とする請求項８記載の冷凍サイクル装置。

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