JP5839985B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍サイクルにおける冷媒の膨張過程において膨張動力を回収する膨張機を備えた冷凍サイクル装置に関する。

従来より、膨張過程における膨張動力を機械的に回収する膨張機を用いて、冷凍サイクルの効率の向上を図った空調装置が提案されている。そのような膨張機を備えた空調装置としては、発電機と一体となった膨張機構が脱調する等して出力軸が異常な回転数で回転した場合に、パッド部材を出力軸に押し付けて膨張機構を強制的に停止させるようにしているものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−２１０１６０号公報（第５、６頁、図２）

しかしながら、特許文献１に記載の膨張機を備えた空調装置の場合、膨張機の出力軸の回転数を任意に制御することができず、最適な圧力条件の下で空調装置を運転することができないという問題点があった。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、簡易な構成で膨張機における膨張機構の駆動軸の回転数を任意に制御し、最適な圧力条件の下で運転することができる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、冷媒を圧縮する圧縮機と、冷媒から放熱する放熱器と、冷媒を膨張及び減圧する膨張機と、冷媒を蒸発させる蒸発器とが冷媒配管によって接続されて冷凍サイクルが構成され、前記圧縮機の吐出圧力である高圧を検出する吐出圧力検出手段と、前記圧縮機の回転数を制御する制御装置と、を備え、前記膨張機は、駆動軸と、冷媒を膨張及び減圧したときの冷媒圧力である低圧にする時の膨張動力を回収して該駆動軸の回転エネルギーに変換する膨張機構と、前記駆動軸に接触する向き及び前記駆動軸から離れる向きに移動可能であり、前記駆動軸に接触することによって該駆動軸の回転動作を妨げるブレーキ部材と、を備え、前記放熱器の出口側の前記冷媒配管と、前記膨張機において形成され、前記ブレーキ部材の前記駆動軸との接触面である正面と反対側の面である背面側に前記放熱器から流出した冷媒を導入する通路とが高圧導入管によって接続され、前記放熱器から流出して前記高圧導入管を流通する冷媒の流量を調整する第１流量調整弁が前記高圧導入管に設置され、前記第１流量調整弁と前記通路との間の前記高圧導入管と、前記膨張機と前記蒸発器とを接続する前記冷媒配管とがバイパス配管によって分岐接続され、前記第１流量調整弁を経由して前記バイパス配管を流通する冷媒の流量を調整する第２流量調整弁が該バイパス配管に設置され、前記制御装置は、前記第１流量調整弁及び前記第２流量調整弁の開度を調整することによって、前記ブレーキ部材の前記背面側に導入される冷媒の圧力を調整して前記ブレーキ部材を前記駆動軸に押し付ける力を調整し、該駆動軸の回転数を調整し、前記吐出圧力検出手段によって検出される前記高圧が所定範囲になるように制御するものである。

本発明によれば、第１流量調整弁の開度を調整して冷媒の流量を調整し、ブレーキ部材の背面の圧力を調整することによって、吐出圧力検出手段によって検出される高圧を制御することが可能となり、冷凍サイクルの効率が最適又はその近傍となる高圧に制御することが可能となる。
また、冷媒の膨張動力を回収して消費することにより、蒸発器の比エンタルピー差を大きくすることができ、冷凍サイクルにおける所定の冷凍能力を得るための冷媒循環量を減少させることができるので、圧縮機に必要な圧縮動力を低減させることができ、冷凍サイクルの効率を向上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１００の冷媒回路構成図の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００の膨張機１の断面模式図である。 本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００の膨張機１の負荷装置３の断面拡大図である。 本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００の膨張機構２がスクロール形によって構成された場合の膨張機１の断面模式図である。 本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００の負荷装置３においてブレーキ部材１７に作用する力を模式的に示した図である。 本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００の高圧制御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に係る冷凍サイクル装置１００の冷凍サイクルのｐ−ｈ線図の一例を示すグラフである。 本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置１０１の冷媒回路構成図の一例を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置１０１の膨張機１の負荷装置３ａの断面拡大図である。 本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置１０１の高圧制御動作を示すフローチャートである。

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に係る冷凍サイクル装置１００の冷媒回路構成図の一例を示す図である。
図１で示されるように、冷凍サイクル装置１００は、冷媒を圧縮する圧縮機４と、圧縮された高温高圧冷媒から放熱させる放熱器７と、その放熱器７から流出した冷媒を膨張することで膨張動力を回収する膨張機１と、その膨張機１で膨張及び減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器８とが冷媒配管によって接続され、冷凍サイクルを構成している。

膨張機１は、放熱器７によって放熱されて冷却された高圧冷媒を膨張することによって膨張動力を回収する膨張機構２、及び、その得られた膨張動力を消費する負荷装置３を備えている。また、放熱器７と膨張機１とを接続する冷媒配管から高圧導入管１５が分岐しており、この高圧導入管１５は、膨張機１の負荷装置３に接続している。また、高圧導入管１５には、高圧導入管１５を流通する冷媒の流量を調整する流量調整弁１６が設置されている。この流量調整弁１６は、例えば、電子式の調整弁である。この膨張機１の構造の詳細については、図２〜図４において、後述する。

圧縮機４は、蒸発器８によって蒸発した低温低圧の気体冷媒を圧縮する圧縮機構５、及び、その圧縮機構５を駆動するモーター６を備えている。

また、冷凍サイクル装置１００は、圧縮機４のモーター６の回転数制御、及び、流量調整弁１６の開度制御等を実施する制御装置６０を備えている。さらに、圧縮機４の吐出側には、冷媒の吐出圧力（高圧）を検出する吐出圧力検出手段７０が設置されており、検出した圧力情報を送信するために制御装置６０に電気的に接続されている。

なお、流量調整弁１６は、本発明の「第１流量調整弁」に相当する。

（膨張機１の構造）
図２は、本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００の膨張機１の断面模式図であり、図３は、同膨張機１の負荷装置３の断面拡大図である。
図２で示されるように、膨張機１は、冷媒の膨張動力を回収し、密閉容器３５によって周囲を覆われた膨張機構２、この膨張機構２によって回収された膨張動力を消費する負荷装置３、及び、膨張機構２と負荷装置３とを隔離し、かつ、接続する役割を有する隔離板４５によって構成されている。

図２で示されるように、膨張機構２の構造の詳細は図示していないが、周知のスクロール形、スクリュー形、ロータリー形、マルチベーン形又は往復形等で構成されるものとすればよい。また、膨張機構２をスクロール形によって構成される場合の例を、図４において後述する。膨張機構２は、前述のように、放熱器７によって放熱されて冷却された高圧冷媒を膨張するものであるが、この高圧冷媒は、膨張機構入口管３６を介して膨張機構２に流入する。膨張機構入口管３６は、膨張機構２内部に連通し、密閉容器３５を貫通して密閉容器３５の外部に延設されており、放熱器７の出口側の冷媒配管に接続している。また、膨張機構２の周りは空間を介して密閉容器３５によって周囲を覆われており、この空間は、膨張機構２の外面、密閉容器３５、及び、膨張機構２に当接し、かつ、密閉容器３５の開口部を閉塞する隔離板４５によって形成された低圧空間４２である。この低圧空間４２は、膨張機構２によって膨張及び減圧された低圧冷媒によって満たされている空間である。また、膨張機構出口管３７は、この低圧空間４２に連通し、密閉容器３５を貫通して密閉容器３５の外部に延設され、蒸発器８の入口側の冷媒配管に接続されている。また、膨張機構２において回収される膨張動力を、負荷装置３に伝達するための駆動軸２０が、膨張機構２から隔離板４５を貫通して、負荷装置３におけるブレーキ部材収納容器１８（図３において後述）内まで延設されている。

負荷装置３は、ブレーキ部材１７及びブレーキ部材収納容器１８によって構成されている。ブレーキ部材収納容器１８は、図２及び図３で示されるように、負荷装置３の外郭を形成し、開口部を有する容器であり、その開口部は隔離板４５によって閉塞されることによって、ブレーキ部材収納容器１８内に低圧空間４３が形成されている。この低圧空間４３は、隔離板４５を介して、低圧空間４２と連通しており（図示せず）、膨張機１の出口側の冷媒圧力（低圧）と同じ圧力の低圧冷媒によって満たされている。また、前述のように、膨張機構２から膨張動力を伝達する駆動軸２０は、この低圧空間４３内まで延設されている。ブレーキ部材１７は、低圧空間４３内に延設された駆動軸２０を挟み込むように２個配置されており、駆動軸２０の半径方向に移動可能なように、ブレーキ部材収納容器１８の内壁面に埋設されている。また、このブレーキ部材１７の駆動軸２０側の面とは反対側の面に相対するブレーキ部材収納容器１８の壁面には、ブレーキ部材収納容器１８の外部に連通する高圧導入通路１９が形成されている。この２つの高圧導入通路１９には、それぞれ、流量調整弁１６を介して放熱器７から流出した高圧冷媒を送り込むための高圧導入管１５が接続されている。さらに、ブレーキ部材収納容器１８の外壁面には、放熱板４１が形成されている。これによって、後述するように、ブレーキ部材１７において発生した熱を効率的に膨張機１の外部へ放熱することができる。

なお、図２及び図３で示されるように、放熱板４１は、ブレーキ部材収納容器１８において、隔離板４５とは反対側の外壁面に形成されるものとしているが、これに限定されるものではなく、負荷装置３で発生する熱を放熱できる位置であれば、ブレーキ部材収納容器１８の外壁面のいずれの位置に形成されるものとしてもよい。
また、ブレーキ部材１７は駆動軸２０の半径方向に移動可能としているが、厳密に半径方向に限定されるものではなく、駆動軸２０を挟み込む向き及び駆動軸２０から離れる向きに移動可能であればよい。
また、図２及び図３で示されるように、ブレーキ部材１７は、駆動軸２０を挟み込むように２個配置された構成としているが、これに限定されるものではなく、１個又は３個以上が配置される構成としてもよい。

また、負荷装置３のブレーキ部材収納容器１８と隔離板４５との間には、断熱部材４０が設置されている。これによって、ブレーキ部材１７において発生した熱が、膨張機構２内の冷媒に伝達することを抑制することができる。

図４は、本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００の膨張機構２がスクロール形によって構成された場合の膨張機１の断面模式図である。
図４で示されるように、膨張機構２は、揺動スクロール２１、膨張機構固定スクロール２３、オルダムリング２８及び内周シール３０を主要な構成要素として備えている。

膨張機構固定スクロール２３は、膨張機構２の外郭を形成すると共に、その内部に、揺動スクロール２１を内包している。揺動スクロール２１及び膨張機構固定スクロール２３が相対する面には、それぞれ渦巻歯が形成されており、揺動スクロール２１及び膨張機構固定スクロール２３は、それぞれの渦巻歯が嵌合されるように配置されている。このように、揺動スクロール２１及び膨張機構固定スクロール２３が、それぞれの渦巻歯によって嵌合されることによって、各渦巻歯同士の間に空間が形成され、この空間が冷媒を膨張させるための膨張室２６となる。また、膨張機構固定スクロール２３には、膨張機構入口管３６と連通し、膨張機構入口管３６から流入する高圧冷媒を、膨張室２６まで導入するための膨張用導入通路２５が形成されている。

また、駆動軸２０は、膨張機構固定スクロール２３、揺動スクロール２１、及び隔離板４５を貫通して回転自在に取り付けられ、その両端は、それぞれ低圧空間４２内及び低圧空間４３内にまで延設されている。また、駆動軸２０の低圧空間４２内に延設された部分には、揺動スクロール２１が揺動することによる遠心力に伴うアンバランスを相殺するためのバランスウェイト２４ａ及びバランスウェイト２４ｂが設置されている。

また、揺動スクロール２１と隔離板４５との間には、揺動スクロール２１の自転動作を防止するためのオルダムリング２８が設置されている。また、揺動スクロール２１と膨張機構固定スクロール２３との間の、駆動軸２０の近傍には内周シール３０が設けられている。この内周シール３０は、揺動スクロール２１の渦巻歯の内周側に設けられており、膨張室２６の入口と低圧空間４２とをシールするためのものである。

（膨張機１の動作）
次に、図２を参照しながら、膨張機１の動作の概要について説明する。
放熱器７から流出した高圧冷媒は、膨張機構入口管３６から膨張機１内に流入する。膨張機１内に流入した高圧冷媒は、膨張機構２内に流入し、この膨張機構２によって膨張及び減圧される。この冷媒を膨張及び減圧する際、膨張機構２は冷媒から膨張動力を回収する。すなわち、膨張動力は、駆動軸２０の回転エネルギーに変換される。膨張及び減圧されて低圧となった冷媒は、低圧空間４２に流出した後、膨張機構出口管３７から膨張機１外に流出し、蒸発器８に向かう。

次に、図４を参照しながら、膨張機構２がスクロール形によって構成された場合における膨張機１の動作の概要を説明する。
放熱器７から流出した高圧冷媒は、膨張機構入口管３６から膨張機１内に流入し、膨張用導入通路２５に流入することによって、膨張機構２に流入することになる。この膨張用導入通路２５に流入した高圧冷媒は、揺動スクロール２１及び膨張機構固定スクロール２３によって形成される膨張室２６内に取り込まれる。膨張室２６に取り込まれた冷媒の膨張動力は、揺動スクロール２１の揺動を誘引し、この揺動スクロール２１の揺動によって、駆動軸２０が回転する。すなわち、膨張動力が駆動軸２０の回転エネルギーに変換され、膨張機構２によって冷媒から膨張動力が回収されることになる。その後の動作は、図２において前述した動作と同様である。

図５は、本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００の負荷装置３においてブレーキ部材１７に作用する力を模式的に示した図である。以下、図２、図３及び図５を参照しながら、負荷装置３のブレーキ部材１７に作用する力及びその力に伴う駆動軸２０の挙動について説明する。

ブレーキ部材収納容器１８の内部空間、すなわち、低圧空間４３は、低圧空間４２と連通しているため、ブレーキ部材１７の駆動軸２０に接する面（正面）には、膨張機１の出口側の冷媒圧力（低圧）である圧力Ｐ_Lが常に作用している。一方、ブレーキ部材１７の駆動軸２０と反対側の面（背面）には、高圧導入管１５を流通し高圧導入通路１９を介して流入してくる高圧冷媒に基づく圧力Ｐ_Hが作用する。以上のように、ブレーキ部材１７の正面及び背面に作用する圧力差ΔＰ（＝Ｐ_H−Ｐ_L）によって、ブレーキ部材１７には駆動軸２０へ向かう方向にこの圧力差ΔＰに比例する力Ｆが作用する。この力Ｆによって、駆動軸２０は、２つのブレーキ部材１７から挟み込むように押し付けられる。そして、ブレーキ部材１７が駆動軸２０に押し付けられて接触することによって、双方の接触箇所で摩擦が発生し発熱する。このように、膨張機構２により冷媒から膨張動力が回収されたことによって発生した駆動軸２０の回転エネルギーは、さらにこの摩擦による熱エネルギーに変換されることによって消費されることになる。すなわち、この摩擦による熱エネルギーは、ブレーキ部材収納容器１８に形成された放熱板４１から外部に放熱される。また、この摩擦による発熱量は、ブレーキ部材１７に作用する力Ｆ、及び、駆動軸２０の回転数に比例する。したがって、このブレーキ部材１７に作用する力Ｆを制御、すなわち、ブレーキ部材１７の背面に作用する冷媒の圧力Ｐ_Hを制御することによって、消費する膨張動力を制御することができることになる。

また、駆動軸２０の回転数は、ブレーキ部材１７における摩擦による発熱量より、膨張機構２で発生する膨張動力が大きい場合には高くなっていき、小さい場合には低くなっていき、そして、等しい場合には変化しない。また、駆動軸２０の回転数が高くなると、膨張機構２がより多くの冷媒を取り込もうとするため、膨張機１の入口側の冷媒圧力（高圧）は低く、出口側の冷媒圧力（低圧）は高くなり、膨張機１の出入口の圧力差が小さくなる。一方、駆動軸２０の回転数が低くなると、膨張機１の出入口の圧力差は大きくなる。

以上のことから、ブレーキ部材１７の背面に作用する圧力Ｐ_Hを制御することによって、膨張機１の出入口の圧力差、すなわち、冷凍サイクル装置１００の高低圧力を制御することができる。

ここで、前述したブレーキ部材１７の背面に作用する圧力Ｐ_Hについて、さらに詳しく説明する。
ブレーキ部材１７は、前述のように、駆動軸２０の半径方向に移動可能なように、ブレーキ部材収納容器１８の内壁面に埋設されているが、ブレーキ部材１７の側面とブレーキ部材収納容器１８との間には、所定の幅を有する微小な間隙（図示せず）が存在する。高圧導入管１５の流量調整弁１６を経由して、高圧導入通路１９を介して流入してくる高圧冷媒は、この微小な間隙を通過して、ブレーキ部材収納容器１８の内部空間である低圧空間４３に流入し、この低圧空間４３と連通している低圧空間４２にも流入し、膨張機構２により膨張及び減圧された低圧の冷媒と合流する。このとき、微小な間隙を通過する冷媒より流量調整弁１６を通過する冷媒の方が多い場合、ブレーキ部材１７の背面に作用する圧力Ｐ_Hは高くなる。一方、微小な間隙を通過する冷媒より流量調整弁１６を通過する冷媒の方が少ない場合、ブレーキ部材１７の背面に作用する圧力Ｐ_Hは低くなる。すなわち、流量調整弁１６の開度を調整することによって、圧力Ｐ_Hを制御することが可能となる。

（冷凍サイクル装置１００の動作概要）
次に、図１を参照しながら、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００の冷凍サイクルの動作概要について説明する。

圧縮機４の圧縮機構５によって圧縮され吐出された高温高圧冷媒は、放熱器７へ流入する。この放熱器７に流入した高温高圧冷媒は、外部空気と熱交換が実施されて放熱し、放熱器７から流出する。放熱器７から流出した高圧冷媒は、膨張機１の膨張機構２に流入し、膨張及び減圧され、低温低圧の気液二相冷媒となる。この気液二相冷媒は、蒸発器８に流入し、外部空気（例えば、空調対象空間の空気）と熱交換が実施されて蒸発し、低温低圧のガス冷媒となって蒸発器８から流出する。この蒸発器８から流出したガス冷媒は、圧縮機４の圧縮機構５に流入し、再び、圧縮される。

（冷凍サイクル装置１００の高圧制御動作）
図６は、本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００の高圧制御動作を示すフローチャートである。以下、図６を参照しながら、冷凍サイクル装置１００の高圧制御動作について説明する。

（Ｓ１）
制御装置６０は、冷凍サイクル装置１００の運転開始後、初期状態として流量調整弁１６を所定開度に調整する。そして、ステップＳ２へ進む。

（Ｓ２）
制御装置６０は、圧縮機４を始動（具体的には、モーター６の回転駆動の始動）させ、冷媒の圧縮動作を開始する。そして、ステップＳ３へ進む。

（Ｓ３）
膨張機１は、圧縮機４が始動されることによって、放熱器７から流出した高圧冷媒を膨張及び減圧させ、低圧の気液二相冷媒にする。そして、ステップＳ４へ進む。

（Ｓ４）
制御装置６０は、吐出圧力検出手段７０によって検出された圧縮機４からの吐出冷媒の圧力（高圧）が、所定範囲内であるか否かを判定する。その判定の結果、所定範囲内である場合、制御装置６０は、現状の運転状態を維持し、吐出圧力検出手段７０によって検出された高圧が、所定範囲内であるか否かを継続して判定する。一方、所定範囲外である場合、ステップＳ５へ進む。
なお、上記の「所定範囲」とは、冷凍サイクル装置１００の冷凍サイクル効率が最適又はその近傍となる高圧の目標範囲であり、必ずしも一定の幅を有する数値範囲に限定されるものではなく、特定の値である所定値をも含む概念であるものとする。

（Ｓ５）
制御装置６０は、ステップＳ４において吐出圧力検出手段７０によって検出された高圧が、所定範囲よりも高いか否かを判定する。その判定の結果、所定範囲よりも高い場合、ステップＳ６へ進む。一方、所定範囲よりも低い場合、ステップＳ７へ進む。

（Ｓ６）
制御装置６０は、流量調整弁１６の開度を現状の開度よりも所定量小さくする。これによって、流量調整弁１６を通過する冷媒の流量が少なくなり、ブレーキ部材１７の背面に作用する圧力が低くなり、そして、駆動軸２０の回転数が高くなるので、冷凍サイクル装置１００の高圧（吐出圧力検出手段７０によって検出される圧力）を低くすることができる。そして、ステップＳ４へ戻る。

（Ｓ７）
制御装置６０は、流量調整弁１６の開度を現状の開度よりも所定量大きくする。これによって、流量調整弁１６を通過する冷媒の流量が多くなり、ブレーキ部材１７の背面に作用する圧力が高くなり、そして、駆動軸２０の回転数が低くなるので、冷凍サイクル装置１００の高圧（吐出圧力検出手段７０によって検出される圧力）を高くすることができる。そして、ステップＳ４へ戻る。

以上のように、ステップＳ４〜ステップＳ７の動作が繰り返されることによって、冷凍サイクル装置１００の高圧を、目標範囲である所定範囲となるように制御することができる。

図７は、本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００の冷凍サイクルのｐ−ｈ線図の一例を示すグラフである。この図７で示されるｐ−ｈ線図は、冷凍サイクルを循環する冷媒として二酸化炭素を用いた場合のものである。
前述したように、膨張機１においては、冷媒の膨張動力が回収され、最終的には、ブレーキ部材１７と駆動軸２０との間に摩擦による熱エネルギーに変換され、放熱板４１から外部に放熱されることになる。その膨張機１の膨張過程における膨張熱落差分だけ、蒸発器８に流入する冷媒の比エンタルピーが低下し、図７で示されるように、蒸発器８の出入口の比エンタルピー差が大きくなる。また、図７の点線で示される膨張過程は、膨張動力を回収しない膨張弁を用いた場合のものを示している。このように、蒸発器８の比エンタルピー差が大きくなることによって、冷凍サイクルにおける所定の冷凍能力を得るための冷媒循環量が減少するので、圧縮機４に必要な圧縮動力を低減させることができ、冷凍サイクルの効率を向上させることができる。

なお、図７で示されるｐ−ｈ線図は二酸化炭素を冷媒として用いた場合のものを示しているが、本実施の形態における冷凍サイクルを循環する冷媒として、二酸化炭素に限定するものではなく、二酸化炭素の他、炭化水素等の自然冷媒、又は、Ｒ４１０Ａその他のフロン系冷媒等を用いるものとしてもよい。

（実施の形態１の効果）
以上の構成及び動作のように、流量調整弁１６の開度を調整して冷媒の流量を調整し、ブレーキ部材１７の背面の圧力を調整することによって、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００の高圧を制御することが可能となり、冷凍サイクルの効率が最適又はその近傍となる高圧に制御することが可能となる。

また、本実施の形態の膨張機１のように、冷媒の膨張動力を回収して消費することにより、蒸発器８の比エンタルピー差を大きくすることができ、冷凍サイクルにおける所定の冷凍能力を得るための冷媒循環量を減少させることができるので、圧縮機４に必要な圧縮動力を低減させることができ、冷凍サイクルの効率を向上させることができる。

なお、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００の構成として、図１で示される冷媒回路を示したが、これに限定されるものではない。すなわち、例えば、圧縮機４の吐出側に四方弁を備えるものとし、その四方弁の流路切理替えによって、放熱器７が蒸発器としても機能し、蒸発器８が放熱器としても機能する冷媒回路としてもよい。この場合、例えば、放熱器７及び蒸発器８の出口側がそれぞれ入口側に接続され、出口側が高圧導入管１５に接続されるような三方弁を備えるものとし、放熱器として機能した熱交換器から流出した高圧冷媒が高圧導入管１５に流れるように三方弁の流路を切り替えるものとすればよい。

また、図１で示されるように、高圧導入管１５は、放熱器７と膨張機１とを接続する冷媒配管から分岐するものとしているが、これに限定されるものではなく、膨張機１と放熱器７とを接続する冷媒配管から、すなわち、放熱器７の入口側の冷媒配管から分岐するものとしてもよい。これは、高圧導入管１５の流量調整弁１６を流通してブレーキ部材１７の背面に作用させる圧力は、高圧の冷媒に基づくものであればよいからである。ただし、放熱器７の入口側の冷媒は、出口側の冷媒よりも比エンタルピーが高いので、この比エンタルピーが高い高圧の冷媒が、ブレーキ部材１７の側面とブレーキ部材収納容器１８との間の間隙から低圧空間４３に流入することになる。したがって、冷凍能力の低下を抑制するためには、高圧導入管１５は、放熱器７の出口側の冷媒配管、すなわち、放熱器７と膨張機１とを接続する冷媒配管から分岐させることが望ましい。

実施の形態２．
本実施の形態に係る冷凍サイクル装置１０１について、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００と相違する点を中心に説明し、原則として同一部分には同一符号を付すものとする。

（冷凍サイクル装置１０１の構成）
図８は、本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置１０１の冷媒回路構成図の一例を示す図である。
図８で示されるように、冷凍サイクル装置１０１において、実施の形態１と同様に、放熱器７と膨張機１とを接続する冷媒配管から高圧導入管１５が分岐しており、この高圧導入管１５は、膨張機１の負荷装置３に接続している。また、高圧導入管１５には、高圧導入管１５を流通する冷媒の流量を調整する流量調整弁１６ａが設置されている。また、この流量調整弁１６ａと負荷装置３とを接続する冷媒配管から、バイパス配管９が分岐しており、このバイパス配管９は、膨張機１蒸発器８とを接続する冷媒配管に接続されている。そして、バイパス配管９には、バイパス配管９を流通する冷媒の流量を調整する流量調整弁１６ｂが設置されている。

なお、流量調整弁１６ａ及び流量調整弁１６ｂは、それぞれ本発明の「第１流量調整弁」及び「第２流量調整弁」に相当する。

（膨張機１の構造）
図９は、本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置１０１の膨張機１の負荷装置３ａの断面拡大図である。
図９で示されるように、膨張機１の負荷装置３ａにおけるブレーキ部材１７の側面とブレーキ部材収納容器１８とをシールするシール材４７がブレーキ部材１７に設置されている。このシール材４７によって、実施の形態１における負荷装置３のようにブレーキ部材１７の側面とブレーキ部材収納容器１８との微小な間隙を冷媒が流通するということがない。その他の負荷装置３ａの構造は、実施の形態１における負荷装置３と同様である。

（膨張機１の動作）
次に、図８及び図９を参照しながら、膨張機１の動作、特にブレーキ部材１７の背面に作用する圧力Ｐ_Hについて説明する。
ブレーキ部材１７は、前述のように、駆動軸２０の半径方向に移動可能なように、ブレーキ部材収納容器１８の内壁面に埋設されており、ブレーキ部材１７に設置されたシール材４７が、ブレーキ部材１７の側面とブレーキ部材収納容器１８とをシールしている。したがって、実施の形態１のように、高圧導入管１５を流通し、高圧導入通路１９を介して流入してくる冷媒が、ブレーキ部材収納容器１８の内部空間である低圧空間４３に流入することはない。したがって、高圧導入管１５の流量調整弁１６ａを経由してきた冷媒の圧力が、そのまま、ブレーキ部材１７の背面に圧力Ｐ_Hとして作用することになり、高圧導入管１５を流通する冷媒は流量調整弁１６ａを経由し、そのままバイパス配管９に流入し、流量調整弁１６ｂを経由して、蒸発器８へ向かうことになる。ここで、流量調整弁１６ａの開度が小さくなる方向に調整され、流量調整弁１６ｂの開度が大きくなる方向に調整された場合、上流側である流量調整弁１６ａによる減圧量は大きくなり、下流側である流量調整弁１６ｂによる減圧量は小さくなる。その結果、負荷装置３ａに接続される高圧導入管１５の冷媒の圧力は低くなり、ブレーキ部材１７の背面に作用する圧力Ｐ_Hは低くなる。一方、流量調整弁１６ａの開度が大きくなる方向に調整され、流量調整弁１６ｂの開度が小さくなる方向に調整された場合、上流側である流量調整弁１６ａによる減圧量は小さくなり、下流側である流量調整弁１６ｂによる減圧量は大きくなる。その結果、負荷装置３ａに接続される高圧導入管１５の冷媒の圧力は高くなり、ブレーキ部材１７の背面に作用する圧力Ｐ_Hは高くなる。すなわち、流量調整弁１６ａ、１６ｂの開度を調整することによって、圧力Ｐ_Hを制御することが可能となる。

（冷凍サイクル装置１０１の高圧制御動作）
図１０は、本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置１０１の高圧制御動作を示すフローチャートである。以下、図１０を参照しながら、冷凍サイクル装置１０１の高圧制御動作について説明する。

（Ｓ１１）
制御装置６０は、冷凍サイクル装置１０１の運転開始後、初期状態として、流量調整弁１６ａ、１６ｂを所定開度に調整する。そして、ステップＳ１２へ進む。
なお、この所定開度について、流量調整弁１６ａの開度と流量調整弁１６ｂの開度とが同一である必要はなく、例えば、流量調整弁１６ａを閉状態とし、流量調整弁１６ｂのみ開状態とするものとしてもよい。この場合、ブレーキ部材１７の背面には、膨張機１の出口側の冷媒圧力（低圧）が作用し、ブレーキ部材１７の正面及び背面の圧力差は生じない。

（Ｓ１２）
制御装置６０は、圧縮機４を始動（具体的には、モーター６の回転駆動の始動）させ、冷媒の圧縮動作を開始する。そして、ステップＳ１３へ進む。

（Ｓ１３）
膨張機１は、圧縮機４が始動されることによって、放熱器７から流出した高圧冷媒を膨張及び減圧させ、低圧の気液二相冷媒にする。そして、ステップＳ１４へ進む。

（Ｓ１４）
制御装置６０は、吐出圧力検出手段７０によって検出された圧縮機４からの吐出冷媒の圧力（高圧）が、所定範囲内であるか否かを判定する。その判定の結果、所定範囲内である場合、制御装置６０は、現状の運転状態を維持し、吐出圧力検出手段７０によって検出された高圧が、所定範囲内であるか否かを継続して判定する。一方、所定範囲外である場合、ステップＳ１５へ進む。
なお、上記の「所定範囲」とは、冷凍サイクル装置１０１の冷凍サイクル効率が最適又はその近傍となる高圧の目標範囲であり、必ずしも一定の幅を有する数値範囲に限定されるものではなく、特定の値である所定値をも含む概念であるものとする。

（Ｓ１５）
制御装置６０は、ステップＳ１４において吐出圧力検出手段７０によって検出された高圧が、所定範囲よりも高いか否かを判定する。その判定の結果、所定範囲よりも高い場合、ステップＳ１６へ進む。一方、所定範囲よりも低い場合、ステップＳ１７へ進む。

（Ｓ１６）
制御装置６０は、流量調整弁１６ａの開度を現状の開度よりも所定量小さくし、流量調整弁１６ｂの開度を現状の開度よりも所定量大きくする。これによって、ブレーキ部材１７の背面に作用する圧力が低くなり、駆動軸２０の回転数が高くなるので、冷凍サイクル装置１０１の高圧（吐出圧力検出手段７０によって検出される圧力）を低くすることができる。そして、ステップＳ１４へ戻る。

（Ｓ１７）
制御装置６０は、流量調整弁１６ａの開度を現状の開度よりも所定量大きくし、流量調整弁１６ｂの開度を現状の開度よりも所定量小さくする。これによって、ブレーキ部材１７の背面に作用する圧力が高くなり、駆動軸２０の回転数が低くなるので、冷凍サイクル装置１０１の高圧（吐出圧力検出手段７０によって検出される圧力）を高くすることができる。そして、ステップＳ１４へ戻る。

以上のように、ステップＳ１４〜ステップＳ１７の動作が繰り返されることによって、冷凍サイクル装置１０１の高圧を、目標範囲である所定範囲となるように制御することができる。

（実施の形態２の効果）
以上の構成及び動作のように、流量調整弁１６ａ、１６ｂの開度を調整して冷媒の流量を調整し、ブレーキ部材１７の背面の圧力を調整することによって、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置１０１の高圧を制御することが可能となり、冷凍サイクルの効率が最適又はその近傍となる高圧に制御することが可能となる。

また、本実施の形態の膨張機１のように、冷媒の膨張動力を回収して消費することにより、蒸発器８の比エンタルピー差を大きくすることができ、冷凍サイクルにおける所定の冷凍能力を得るための冷媒循環量を減少させることができるので、圧縮機４に必要な圧縮動力を低減させることができ、冷凍サイクルの効率を向上させることができる。また、ブレーキ部材１７の側面とブレーキ部材収納容器１８とをシールするシール材４７をブレーキ部材１７に設置したことによって、ブレーキ部材１７の背面側の冷媒が、ブレーキ部材収納容器１８の内部空間である低圧空間４３に流入することがない、すなわち、膨張機構２によって膨張された冷媒と合流することがない。これによって、実施の形態１と比較して、より蒸発器８に流入する冷媒の比エンタルピーを低くすることができる。

なお、負荷装置３ａのブレーキ部材１７にシール材４７を設置する構成としたが、これに限定されるものではなく、実施の形態１の負荷装置３のように、ブレーキ部材１７の側面とブレーキ部材収納容器１８との間に微小な間隙を設ける構成としてもよい。この場合、シール材４７を設置する場合における効果ほどではないが、上記と同様の効果を得ることができる。

１ 膨張機、２ 膨張機構、３、３ａ 負荷装置、４ 圧縮機、５ 圧縮機構、６ モーター、７ 放熱器、８ 蒸発器、９ バイパス配管、１５ 高圧導入管、１６、１６ａ、１６ｂ 流量調整弁、１７ ブレーキ部材、１８ ブレーキ部材収納容器、１９ 高圧導入通路、２０ 駆動軸、２１ 揺動スクロール、２３ 膨張機構固定スクロール、２４ａ、２４ｂ バランスウェイト、２５ 膨張用導入通路、２６ 膨張室、２８ オルダムリング、３０ 内周シール、３５ 密閉容器、３６ 膨張機構入口管、３７ 膨張機構出口管、４０ 断熱部材、４１ 放熱板、４２、４３ 低圧空間、４５ 隔離板、４７ シール材、６０ 制御装置、７０ 吐出圧力検出手段、１００、１０１ 冷凍サイクル装置。

Claims (4)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、冷媒から放熱する放熱器と、冷媒を膨張及び減圧する膨張機と、冷媒を蒸発させる蒸発器とが冷媒配管によって接続されて冷凍サイクルが構成された冷凍サイクル装置において、
   前記圧縮機の吐出圧力である高圧を検出する吐出圧力検出手段と、
   前記圧縮機の回転数を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記膨張機は、駆動軸と、冷媒を膨張及び減圧したときの冷媒圧力である低圧にする時の膨張動力を回収して該駆動軸の回転エネルギーに変換する膨張機構と、前記駆動軸に接触する向き及び前記駆動軸から離れる向きに移動可能であり、前記駆動軸に接触することによって該駆動軸の回転動作を妨げるブレーキ部材とを備え、
   前記放熱器の出口側の前記冷媒配管と、前記膨張機において形成され、前記ブレーキ部材の前記駆動軸との接触面である正面と反対側の面である背面側に前記放熱器から流出した冷媒を導入する通路とが高圧導入管によって接続され、
   前記放熱器から流出して前記高圧導入管を流通する冷媒の流量を調整する第１流量調整弁が前記高圧導入管に設置され、
   前記第１流量調整弁と前記通路との間の前記高圧導入管と、前記膨張機と前記蒸発器とを接続する前記冷媒配管とがバイパス配管によって分岐接続され、
   前記第１流量調整弁を経由して前記バイパス配管を流通する冷媒の流量を調整する第２流量調整弁が前記バイパス配管に設置され、
   前記制御装置は、前記第１流量調整弁及び前記第２流量調整弁の開度を調整することによって、前記ブレーキ部材の前記背面側に導入される冷媒の圧力を調整して前記ブレーキ部材を前記駆動軸に押し付ける力を調整し、該駆動軸の回転数を調整し、前記吐出圧力検出手段によって検出される前記高圧が所定範囲になるように制御する
   ことを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記ブレーキ部材は、前記通路が形成された前記膨張機の外郭容器の内壁面に埋設され、前記ブレーキ部材の側面と前記外郭容器との間をシールするシール材を有し、
   該外郭容器内において、前記膨張機構によって前記低圧に減圧された冷媒によって満たされた空間が形成され、
   前記シール材によって、前記通路と前記空間とが遮断され、
   前記制御装置は、前記第１流量調整弁及び前記第２流量調整弁の開度を調整することによって、前記ブレーキ部材の前記背面側に作用する冷媒圧力と前記正面に作用する前記低圧との差圧を調整して前記ブレーキ部材を前記駆動軸に押し付ける力を調整し、前記吐出圧力検出手段によって検出される前記高圧が前記所定範囲になるように制御する
   ことを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記制御装置は、
   前記吐出圧力検出手段によって検出された前記高圧が前記所定範囲より高い場合、前記第１流量調整弁の開度をその時の開度よりも小さく調整し、前記第２流量調整弁の開度をその時の開度よりも大きく調整し、
   該高圧が前記所定範囲より低い場合、前記第１流量調整弁の開度をその時の開度よりも大きく調整し、前記第２流量調整弁の開度をその時の開度よりも小さく調整する
   ことを特徴とする請求項２記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記膨張機の外郭に設置され、前記駆動軸と前記ブレーキ部材とが接触することによって発生する摩擦による熱エネルギーを放熱する放熱板を備えた
   ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。

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