JP7193706B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

冷媒回路に冷媒を減圧して動力を発生させる膨張機構が設けられている冷凍サイクル装置

従来より、圧縮機、熱源側熱交換器及び利用側熱交換器を有する冷媒回路を含む冷凍サイクル装置がある。このような冷凍サイクル装置として、特許文献１（特開２０１３－１３９９３８号公報）に示すように、冷媒回路に冷媒を減圧して動力を発生させる膨張機（膨張機構）が設けられているものがある。

この冷凍サイクル装置では、膨張機構によって等エントロピ的に冷媒を減圧することができるため、膨張弁によって冷媒を減圧する場合に比べて、減圧後の冷媒のエンタルピを低下させるとともに、冷媒を減圧する際の動力を回収することができる。そして、減圧後の冷媒の温度が低下すると、利用側熱交換器に送られる冷媒のエンタルピが低下し、利用側熱交換器における冷媒の蒸発によって得られる熱交換能力（利用側熱交換器の蒸発能力）を大きくすることができる。

しかし、膨張機構による冷媒の減圧動作では、減圧後の冷媒のエンタルピ、ひいては、利用側熱交換器に送られる冷媒のエンタルピが十分に低下せず、これにより、利用側熱交換器の蒸発能力を大きくすることが難しくなる傾向にある。

このため、冷媒回路に冷媒を減圧して動力を発生させる膨張機構が設けられている冷凍サイクル装置においては、膨張機構による冷媒の減圧では冷媒の温度を十分に低下させることができない場合であっても、利用側熱交換器の蒸発能力を大きくできるようにすることが望まれる。

第１の観点にかかる冷凍サイクル装置は、メイン冷媒回路と、サブ冷媒回路と、を有している。メイン冷媒回路は、メイン圧縮機と、メイン熱源側熱交換器と、メイン利用側熱交換器と、メイン膨張機構と、を有している。メイン圧縮機は、メイン冷媒を圧縮する圧縮機である。メイン熱源側熱交換器は、メイン冷媒の放熱器として機能する熱交換器である。メイン利用側熱交換器は、メイン冷媒の蒸発器として機能する熱交換器である。メイン膨張機構は、メイン熱源側熱交換器とメイン利用側熱交換器との間を流れるメイン冷媒を減圧して動力を発生させる膨張機である。また、メイン冷媒回路は、メイン膨張機構とメイン利用側熱交換器との間を流れるメイン冷媒の冷却器として機能するサブ利用側熱交換器を有している。サブ冷媒回路は、サブ圧縮機と、サブ熱源側熱交換器と、サブ利用側熱交換器と、を有している。サブ圧縮機は、サブ冷媒を圧縮する圧縮機である。サブ熱源側熱交換器は、サブ冷媒の放熱器として機能する熱交換器である。サブ利用側熱交換器は、サブ冷媒の蒸発器として機能してメイン膨張機構とメイン利用側熱交換器との間を流れるメイン冷媒を冷却する熱交換器である。

ここでは、上記のように、メイン冷媒が循環するメイン冷媒回路に従来と同様のメイン冷媒を減圧して動力を発生させるメイン膨張機構を設けるとともに、メイン冷媒回路とは別のサブ冷媒が循環するサブ冷媒回路を設けている。そして、サブ冷媒回路に設けられたサブ冷媒の蒸発器として機能するサブ利用側熱交換器を、メイン膨張機構とメイン利用側熱交換器との間を流れるメイン冷媒を冷却する熱交換器として機能するように、メイン冷媒回路に設けている。このため、ここでは、従来と同様のメイン膨張機構によるメイン冷媒の等エントロピ的な減圧動作だけでなく、サブ冷媒回路を使用してメイン膨張機構とメイン利用側熱交換器との間を流れるメイン冷媒を冷却する動作を行うことができる。このため、ここでは、メイン膨張機構による減圧動作ではメイン利用側熱交換器に送られるメイン冷媒のエンタルピが十分に低下しない場合であっても、サブ冷媒回路を使用した冷却動作によってメイン利用側熱交換器に送られるメイン冷媒のエンタルピを十分に低下させることができ、これにより、メイン利用側熱交換器の蒸発能力を大きくすることができる。

このように、ここでは、冷媒回路に冷媒を減圧して動力を発生させる膨張機構が設けられている冷凍サイクル装置において、膨張機構による冷媒の減圧では冷媒の温度を十分に低下させることができない場合であっても、利用側熱交換器の蒸発能力を大きくすることができる。

第２の観点にかかる冷凍サイクル装置は、第１の観点にかかる冷凍サイクル装置において、メイン冷媒回路が、メイン膨張機構とメイン利用側熱交換器との間にメイン中間圧調整弁を有している。そして、ここでは、メイン中間圧調整弁を制御する制御部をさらに有しており、制御部が、サブ冷媒回路の入力動力に応じて、メイン中間圧調整弁を制御する。

メイン膨張機構によるメイン冷媒の等エントロピ的な減圧動作を行い、かつ、サブ冷媒回路を使用してメイン膨張機構とメイン利用側熱交換器との間を流れるメイン冷媒を冷却する冷凍サイクル装置では、外気温度が高くなるにつれて、サブ冷媒回路の冷凍サイクルにおける高圧が上昇し、サブ冷媒回路の入力動力が増加する傾向にある。そうすると、サブ冷媒回路の入力動力の増加に応じて、冷凍サイクル装置全体の成績係数が低下する傾向になる。この傾向を抑えるためには、サブ冷媒回路の冷凍サイクルにおける低圧を上昇させて、サブ冷媒回路の入力動力を減少させる必要がある。サブ冷媒回路の冷凍サイクルにおける低圧を上昇させるためには、サブ利用側熱交換器においてサブ冷媒と熱交換を行うメイン冷媒（すなわち、メイン膨張機構とメイン利用側熱交換器との間を流れるメイン冷媒）の温度、すなわち、サブ利用側熱交換器を流れるメイン冷媒の圧力（メイン冷媒回路の冷凍サイクルにおける中間圧）を上昇させればよい。

そこで、ここでは、メイン膨張機構とメイン利用側熱交換器との間にメイン中間圧調整弁を設けて、サブ冷媒回路の入力動力に応じて、メイン中間圧調整弁を制御し、サブ利用側熱交換器を流れるメイン冷媒の圧力（メイン冷媒回路の冷凍サイクルにおける中間圧）を変化させるようにしている。そして、メイン冷媒の中間圧を変化させることで、メイン膨張機構の回収動力を変化させることができ、また、サブ冷媒回路の冷凍サイクルにおける低圧も変化するため、サブ冷媒回路の入力動力を変化させることができる。

このように、ここでは、サブ冷媒回路の入力動力に応じてメイン中間圧調整弁を制御して、サブ利用側熱交換器を流れるメイン冷媒の圧力（メイン冷媒回路の冷凍サイクルにおける中間圧）を変化させることによって、冷凍サイクル装置全体の成績係数を高いレベルに維持することができる。

第３の観点にかかる冷凍サイクル装置は、第２の観点にかかる冷凍サイクル装置において、制御部が、外気温度又はサブ圧縮機の電流値からサブ冷媒回路の入力動力を得る。

第４の観点にかかる冷凍サイクル装置は、第２又は第３の観点にかかる冷凍サイクル装置において、メイン中間圧調整弁が、メイン冷媒回路のうちサブ利用側熱交換器とメイン利用側熱交換器との間の部分に設けられている。そして、ここでは、制御部が、サブ冷媒回路の入力動力が大きくなると、メイン中間圧調整弁の開度を小さくする。

ここでは、上記のように、メイン中間圧調整弁の開度を小さくすることによって、サブ利用側熱交換器を流れるメイン冷媒の圧力及び温度を高くし、サブ冷媒回路の冷凍サイクルにおける低圧を上昇させることができる。

これにより、ここでは、外気温度やサブ冷媒回路の冷凍サイクルにおける高圧が高く、サブ冷媒回路の入力動力が増加する傾向にあるような運転条件において、サブ冷媒回路の入力動力を減少させて、冷凍サイクル装置全体の成績係数を高いレベルに維持することができる。尚、サブ利用側熱交換器を流れるメイン冷媒の圧力を高くすると、メイン膨張機構における減圧幅も小さくなるため、メイン膨張機構の回収動力が減少するが、その程度は、サブ冷媒回路の入力動力の減少の程度よりも小さいため、冷凍サイクル装置全体の成績係数を高くすることができる。

第５の観点にかかる冷凍サイクル装置は、第４の観点にかかる冷凍サイクル装置において、制御部が、サブ冷媒回路の入力動力が小さくなると、メイン中間圧調整弁の開度を大きくする。

ここでは、上記のように、メイン中間圧調整弁の開度を大きくすることによって、サブ利用側熱交換器を流れるメイン冷媒の圧力を低くし、メイン膨張機構における減圧幅を大きくすることができる。

これにより、ここでは、外気温度やサブ冷媒回路の冷凍サイクルにおける高圧が低く、サブ冷媒回路の入力動力が減少する傾向にあるような運転条件において、メイン膨張機構の回収動力を増加させて、冷凍サイクル装置全体の成績係数を高いレベルに維持することができる。尚、サブ利用側熱交換器を流れるメイン冷媒の圧力を低くすると、サブ冷媒回路の冷凍サイクルにおける低圧が低下するため、減少する傾向にあったサブ冷媒回路の入力動力が増加するが、その程度は、メイン膨張機構の回収動力の増加の程度よりも小さいため、冷凍サイクル装置全体の成績係数を高くすることができる。

第６の観点にかかる冷凍サイクル装置は、第２又は第３の観点にかかる冷凍サイクル装置において、メイン冷媒回路が、メイン膨張機構とメイン利用側熱交換器との間に、メイン膨張機構において減圧されたメイン冷媒を気液分離する気液分離器を有している。気液分離器には、ガス状態のメイン冷媒を抜き出してメイン圧縮機の吸入側に送るガス抜き管が接続されており、メイン中間圧調整弁が、ガス抜き管に設けられている。そして、ここでは、制御部が、サブ冷媒回路の入力動力が大きくなると、メイン中間圧調整弁の開度を小さくする。

ここでは、上記のように、メイン膨張機構とメイン利用側熱交換器との間に設けられるメイン中間圧調整弁として、気液分離器のガス抜き管に設けられた弁が使用される。そして、ここでは、メイン中間圧調整弁の開度を小さくすることによって、サブ利用側熱交換器を流れるメイン冷媒の圧力及び温度を高くし、サブ冷媒回路の冷凍サイクルにおける低圧を上昇させることができる。

これにより、ここでは、外気温度やサブ冷媒回路の冷凍サイクルにおける高圧が高く、サブ冷媒回路の入力動力が増加する傾向にあるような運転条件において、サブ冷媒回路の入力動力を減少させて、冷凍サイクル装置全体の成績係数を高いレベルに維持することができる。尚、サブ利用側熱交換器を流れるメイン冷媒の圧力を高くすると、メイン膨張機構における減圧幅も小さくなるため、メイン膨張機構の回収動力が減少するが、その程度は、サブ冷媒回路の入力動力の減少の程度よりも小さいため、冷凍サイクル装置全体の成績係数を高くすることができる。

第７の観点にかかる冷凍サイクル装置は、第６の観点にかかる冷凍サイクル装置において、制御部が、サブ冷媒回路の入力動力が小さくなると、メイン中間圧調整弁の開度を大きくする。

ここでは、上記のように、メイン中間圧調整弁の開度を大きくすることによって、サブ利用側熱交換器を流れるメイン冷媒の圧力を低くし、メイン膨張機構における減圧幅を大きくすることができる。

これにより、ここでは、外気温度やサブ冷媒回路の冷凍サイクルにおける高圧が低く、サブ冷媒回路の入力動力が減少する傾向にあるような運転条件において、メイン膨張機構の回収動力を増加させて、冷凍サイクル装置全体の成績係数を高いレベルに維持することができる。尚、サブ利用側熱交換器を流れるメイン冷媒の圧力を低くすると、サブ冷媒回路の冷凍サイクルにおける低圧が低下するため、サブ冷媒回路の入力動力が増加するが、その程度は、メイン膨張機構の回収動力の増加の程度よりも小さいため、冷凍サイクル装置全体の成績係数を高くすることができる。

第８の観点にかかる冷凍サイクル装置は、第１の観点にかかる冷凍サイクル装置において、メイン冷媒回路が、メイン膨張機構とメイン利用側熱交換器との間にメイン中間圧調整弁を有している。そして、ここでは、メイン中間圧調整弁を制御する制御部をさらに有しており、制御部が、外気温度が高いほどメイン中間圧調整弁の開度を小さくする。

メイン膨張機構によるメイン冷媒の等エントロピ的な減圧動作を行い、かつ、サブ冷媒回路を使用してメイン膨張機構とメイン利用側熱交換器との間を流れるメイン冷媒を冷却する冷凍サイクル装置では、外気温度が高くなるにつれて、サブ冷媒回路の冷凍サイクルにおける高圧が上昇し、サブ冷媒回路の入力動力が増加する傾向にある。そうすると、サブ冷媒回路の入力動力の増加に応じて、冷凍サイクル装置全体の成績係数が低下する傾向になる。この傾向を抑えるためには、サブ冷媒回路の冷凍サイクルにおける低圧を上昇させて、サブ冷媒回路の入力動力を減少させる必要がある。サブ冷媒回路の冷凍サイクルにおける低圧を上昇させるためには、サブ利用側熱交換器においてサブ冷媒と熱交換を行うメイン冷媒（すなわち、メイン膨張機構とメイン利用側熱交換器との間を流れるメイン冷媒）の温度、すなわち、サブ利用側熱交換器を流れるメイン冷媒の圧力（メイン冷媒回路の冷凍サイクルにおける中間圧）を上昇させればよい。

そこで、ここでは、メイン膨張機構とメイン利用側熱交換器との間にメイン中間圧調整弁を設けて、外気温度が高いほどメイン中間圧調整弁の開度を小さくする制御を行い、サブ利用側熱交換器を流れるメイン冷媒の圧力（メイン冷媒回路の冷凍サイクルにおける中間圧）を変化させるようにしている。そして、メイン冷媒の中間圧を変化させることで、メイン膨張機構の回収動力を変化させることができ、また、サブ冷媒回路の冷凍サイクルにおける低圧も変化するため、サブ冷媒回路の入力動力を変化させることができる。

このように、ここでは、外気温度が高いほどメイン中間圧調整弁の開度を小さくする制御を行い、サブ利用側熱交換器を流れるメイン冷媒の圧力（メイン冷媒回路の冷凍サイクルにおける中間圧）を変化させることによって、冷凍サイクル装置全体の成績係数を高いレベルに維持することができる。

第９の観点にかかる冷凍サイクル装置は、第１～第８の観点のいずれかにかかる冷凍サイクル装置において、メイン圧縮機が、メイン冷媒を圧縮する低段側圧縮要素と、低段側圧縮要素から吐出されたメイン冷媒を圧縮する高段側圧縮要素と、を含んでいる。

このように、ここでは、メイン圧縮機が多段圧縮機によって構成されている。

第１０の観点にかかる冷凍サイクル装置は、第１～第９の観点のいずれかにかかる冷凍サイクル装置において、メイン冷媒が、二酸化炭素であり、サブ冷媒が、ＧＷＰ（温暖化係数）が７５０以下のＨＦＣ冷媒、ＨＦＯ冷媒、又は、ＨＦＣ冷媒とＨＦＯ冷媒との混合冷媒である。

ここでは、上記のように、メイン冷媒及びサブ冷媒とともに、低ＧＷＰの冷媒を使用しているため、地球温暖化等の環境負荷を低減することができる。

第１１の観点にかかる冷凍サイクル装置は、第１～第９の観点のいずれかにかかる冷凍サイクル装置において、メイン冷媒が、二酸化炭素であり、サブ冷媒が、二酸化炭素よりも成績係数が高い自然冷媒である。

ここでは、上記のように、サブ冷媒として二酸化炭素よりも成績係数が高い自然冷媒を使用しているため、地球温暖化等の環境負荷を低減することができる。

本開示の一実施形態にかかる冷凍サイクル装置の概略構成図である。 冷房運転時における冷凍サイクル装置内の冷媒の流れを示す図である。 冷房運転時の冷凍サイクルが図示された圧力－エンタルピ線図である。 メイン冷媒回路の冷凍サイクルにおける中間圧の制御を説明する図であり、外気温度が高くなった場合における冷凍サイクルが図示された圧力－エンタルピ線図である。 メイン冷媒回路の冷凍サイクルにおける中間圧の制御を説明する図であり、外気温度が低くなった場合における冷凍サイクルが図示された圧力－エンタルピ線図である。 外気温度とメイン冷媒回路の冷凍サイクルにおける中間圧の目標値との関係を示す図である。 変形例１のサブ冷媒回路の入力動力とメイン冷媒回路の冷凍サイクルにおける中間圧の目標値との関係を示す図である。 変形例２の冷凍サイクル装置の概略構成図である。

以下、冷凍サイクル装置について、図面に基づいて説明する。

（１）構成
図１は、本開示の一実施形態にかかる冷凍サイクル装置１の概略構成図である。

＜回路構成＞
冷凍サイクル装置１は、メイン冷媒が循環するメイン冷媒回路２０と、サブ冷媒が循環するサブ冷媒回路８０と、を有しており、室内の空調（ここでは、冷房）を行う装置である。

－メイン冷媒回路－
メイン冷媒回路２０は、主として、メイン圧縮機２１、２２と、メイン熱源側熱交換器２５と、メイン利用側熱交換器７２ａ、７２ｂと、メイン膨張機構２７と、サブ利用側熱交換器８５と、を有している。また、メイン冷媒回路２０は、中間熱交換器２６と、気液分離器５１と、ガス抜き管５２と、メイン利用側膨張機構７１ａ、７１ｂと、を有している。そして、メイン冷媒回路２０には、メイン冷媒として、二酸化炭素が封入されている。

メイン圧縮機２１、２２は、メイン冷媒を圧縮する機器である。第１メイン圧縮機２１は、ロータリやスクロール等の低段側圧縮要素２１ａをモータやエンジン等の駆動機構によって駆動する圧縮機である。第２メイン圧縮機２２は、ロータリやスクロール等の高段側圧縮要素２２ａをモータやエンジン等の駆動機構によって駆動する圧縮機である。メイン圧縮機２１、２２は、低段側の第１メイン圧縮機２１においてメイン冷媒を圧縮した後に吐出し、そして、第１メイン圧縮機２１から吐出されたメイン冷媒を高段側の第２メイン圧縮機２２で圧縮する多段（ここでは、２段）圧縮機を構成している。

中間熱交換器２６は、メイン冷媒と室外空気とを熱交換させる機器であり、ここでは、第１メイン圧縮機２１と第２メイン圧縮機２２との間を流れるメイン冷媒の冷却器として機能する熱交換器である。

メイン熱源側熱交換器２５は、メイン冷媒と室外空気とを熱交換させる機器であり、ここでは、メイン冷媒の放熱器として機能する熱交換器である。メイン熱源側熱交換器２５は、一端（入口）が第２メイン圧縮機２２の吐出側に接続されており、他端（出口）がメイン膨張機構２７に接続されている。

メイン膨張機構２７は、メイン冷媒を減圧する機器であり、ここでは、メイン熱源側熱交換器２５とメイン利用側熱交換器７２ａ、７２ｂとの間を流れるメイン冷媒を減圧して動力を発生させる膨張機である。具体的には、メイン膨張機構２７は、ロータリやスクロール等の膨張要素２７ａによってメイン冷媒を等エントロピ的に減圧して、膨張要素２７ａにおいて発生する動力によって発電機を駆動し、動力回収を行う膨張機である。
メイン膨張機構２７は、メイン熱源側熱交換器２５の他端（出口）と気液分離器５１との間に設けられている。

気液分離器５１は、メイン冷媒を気液分離する機器であり、ここでは、メイン膨張機構２７において減圧されたメイン冷媒を気液分離する容器である。具体的には、気液分離器５１は、メイン膨張機構２７とサブ利用側熱交換器８５（第２サブ流路８５ｂの一端）との間に設けられている。

ガス抜き管５２は、メイン冷媒が流れる冷媒管であり、ここでは、気液分離器５１からガス状態のメイン冷媒を抜き出してメイン圧縮機２１、２２の吸入側に送る冷媒管である。具体的には、ガス抜き管５２は、気液分離器５１から抜き出したガス状態のメイン冷媒を第１メイン圧縮機２１の吸入側に送る冷媒管である。ガス抜き管５２は、一端が気液分離器５１の上部空間に連通するように接続されており、他端が第１メイン圧縮機２１の吸入側に接続されている。

また、ガス抜き管５２は、メイン中間圧調整弁としてのガス抜き膨張機構５３を有している。ガス抜き膨張機構５３は、メイン冷媒を減圧する機器であり、ここでは、ガス抜き管５２を流れるメイン冷媒を減圧する膨張機構である。ガス抜き膨張機構５３は、例えば、電動膨張弁である。

サブ利用側熱交換器８５は、メイン冷媒とサブ冷媒とを熱交換させる機器であり、ここでは、メイン膨張機構２７とメイン利用側熱交換器７２ａ、７２ｂとの間を流れるメイン冷媒の冷却器として機能する熱交換器である。具体的には、サブ利用側熱交換器８５は、気液分離器５１とメイン利用側熱交換器７２ａ、７２ｂ（メイン利用側膨張機構７１ａ、７１ｂ）との間を流れるメイン冷媒を冷却する熱交換器である。

メイン利用側膨張機構７１ａ、７１ｂは、メイン冷媒を減圧する機器であり、ここでは、メイン膨張機構２７とメイン利用側熱交換器７２ａ、７２ｂとの間を流れるメイン冷媒を減圧する膨張機構である。具体的には、メイン利用側膨張機構７１ａ、７１ｂは、サブ利用側熱交換器８５（第２サブ流路８５ｂの他端）とメイン利用側熱交換器７２ａ、７２ｂの一端（入口）との間に設けられている。メイン利用側膨張機構７１ａ、７１ｂは、例えば、電動膨張弁である。

メイン利用側熱交換器７２ａ、７２ｂは、メイン冷媒と室内空気とを熱交換させる機器であり、ここでは、メイン冷媒の蒸発器として機能する熱交換器である。メイン利用側熱交換器７２ａ、７２ｂは、一端（入口）がメイン利用側膨張機構７１ａ、７１ｂに接続されており、他端（出口）が第１圧縮機２１の吸入側に接続されている。

－サブ冷媒回路－
サブ冷媒回路８０は、主として、サブ圧縮機８１と、サブ熱源側熱交換器８３と、サブ利用側熱交換器８５と、を有している。また、サブ冷媒回路８０は、サブ膨張機構８４を有している。そして、サブ冷媒回路８０には、サブ冷媒として、ＧＷＰ（温暖化係数）が７５０以下のＨＦＣ冷媒（Ｒ３２等）、ＨＦＯ冷媒（Ｒ１２３４ｙｆやＲ１２３４ｚｅ等）、又は、ＨＦＣ冷媒とＨＦＯ冷媒との混合冷媒（Ｒ４５２Ｂ等）が封入されている。尚、サブ冷媒は、これらに限定されるものではなく、二酸化炭素よりも成績係数が高い自然冷媒（プロパンやアンモニア等）であってもよい。

サブ圧縮機８１は、サブ冷媒を圧縮する機器である。サブ圧縮機８１は、ロータリやスクロール等の圧縮要素８１ａをモータやエンジン等の駆動機構によって駆動する圧縮機である。

サブ熱源側熱交換器８３は、サブ冷媒と室外空気とを熱交換させる機器であり、ここでは、サブ冷媒の放熱器として機能する熱交換器である。サブ熱源側熱交換器８３は、一端（入口）がサブ圧縮機８１の吐出側に接続されており、他端（出口）がサブ膨張機構８４に接続されている。

サブ膨張機構８４は、サブ冷媒を減圧する機器であり、ここでは、サブ熱源側熱交換器８３とサブ利用側熱交換器８５との間を流れるサブ冷媒を減圧する膨張機構である。具体的には、サブ膨張機構８４は、サブ熱源側熱交換器８３の他端（出口）とサブ利用側熱交換器８５（第１サブ流路８５ａの一端）との間に設けられている。サブ膨張機構８４は、例えば、電動膨張弁である。

サブ利用側熱交換器８５は、上記のように、メイン冷媒とサブ冷媒とを熱交換させる機器であり、ここでは、サブ冷媒の蒸発器として機能して、メイン膨張機構２７とメイン利用側熱交換器７２ａ、７２ｂとの間を流れるメイン冷媒を冷却する熱交換器である。具体的には、サブ利用側熱交換器８５は、気液分離器５１とメイン利用側熱交換器７２ａ、７２ｂ（メイン利用側膨張機構７１ａ、７１ｂ）との間を流れるメイン冷媒をサブ冷媒回路８０を流れる冷媒によって冷却する熱交換器である。サブ利用側熱交換器８５は、サブ膨張機構８４とサブ圧縮機８１の吸入側との間を流れるサブ冷媒を流す第１サブ流路８５ａと、気液分離器５１とメイン利用側熱交換器７２ａ、７２ｂとの間を流れるメイン冷媒を流す第２サブ流路８５ｂと、を有している。第１サブ流路８５ａは、一端（入口）がサブ膨張機構８４に接続されており、他端（出口）がサブ圧縮機８１の吸入側に接続されている。第２サブ流路８５ｂは、一端（入口）が気液分離器５１に接続されており、他端（出口）がメイン利用側膨張機構７１ａ、７１ｂに接続されている。

＜ユニット構成＞
上記のメイン冷媒回路２０及びサブ冷媒回路８０の構成機器は、熱源ユニット２と、複数の利用ユニット７ａ、７ｂと、サブユニット８と、に設けられている。利用ユニット７ａ、７ｂはそれぞれ、メイン利用側熱交換器７２ａ、７２ｂに対応して設けられている。

－熱源ユニット－
熱源ユニット２は、室外に配置されている。サブ利用側熱交換器８５、メイン利用側膨張機構７１ａ、７１ｂ及びメイン利用側熱交換器７２ａ、７２ｂを除くメイン冷媒回路２０が、熱源ユニット２に設けられている。

また、熱源ユニット２には、メイン熱源側熱交換器２５及び中間熱交換器２６に室外空気を送るための熱源側ファン２８が設けられている。熱源側ファン２８は、プロペラファン等の送風要素をモータ等の駆動機構によって駆動するファンである。

また、熱源ユニット２には、各種のセンサが設けられている。具体的には、第１メイン圧縮機２１の吸入側におけるメイン冷媒の圧力及び温度を検出する圧力センサ９１及び温度センサ９２が設けられている。第１メイン圧縮機２１の吐出側におけるメイン冷媒の圧力を検出する圧力センサ９３が設けられている。第２メイン圧縮機２１の吐出側におけるメイン冷媒の圧力及び温度を検出する圧力センサ９４及び温度センサ９５が設けられている。メイン熱源側熱交換器２５の他端（出口）側におけるメイン冷媒の温度を検出する温度センサ９６が設けられている。気液分離器５１におけるメイン冷媒の圧力及び温度を検出する圧力センサ９７及び温度センサ９８が設けられている。サブ利用側熱交換器８５の他端（第２サブ流路８５ｂの他端）側におけるメイン冷媒の温度を検出する温度センサ１０５が設けられている。室外空気の温度（外気温度）を検出する温度センサ９９が設けられている。

－利用ユニット－
利用ユニット７ａ、７ｂは、室内に配置されている。メイン冷媒回路２０のメイン利用側膨張機構７１ａ、７１ｂ及びメイン利用側熱交換器７２ａ、７２ｂが利用ユニット７ａ、７ｂに設けられている。

また、利用ユニット７ａ、７ｂには、メイン利用側熱交換器７２ａ、７２ｂに室内空気を送るための利用側ファン７３ａ、７３ｂが設けられている。室内ファン７３ａ、７３ｂは、遠心ファンや多翼ファン等の送風要素をモータ等の駆動機構によって駆動するファンである。

また、利用ユニット７ａ、７ｂには、各種のセンサが設けられている。具体的には、メイン利用側熱交換器７２ａ、７２ｂの一端（入口）側におけるメイン冷媒の温度を検出する温度センサ７４ａ、７４ｂと、メイン利用側熱交換器７２ａ、７２ｂの他端（出口）側におけるメイン冷媒の温度を検出する温度センサ７５ａ、７５ｂと、が設けられている。

－サブユニット－
サブユニット８は、室外に配置されている。サブ冷媒回路８０、及び、メイン冷媒回路２０を構成する冷媒管の一部（サブ利用側熱交換器８５に接続されるメイン冷媒が流れる冷媒管の一部）が、サブユニット８に設けられている。

また、サブユニット８には、サブ熱源側熱交換器８３に室外空気を送るためのサブ側ファン８６が設けられている。サブ側ファン８６は、プロペラファン等の送風要素をモータ等の駆動機構によって駆動するファンである。

ここでは、サブユニット８が熱源ユニット２に隣接して設けられており、実質的にサブユニット８と熱源ユニット２とが一体化した構成になっているが、これに限定されるものではなく、サブユニット８を熱源ユニット２から離して設けてもよいし、また、サブユニット８の構成機器をすべて熱源ユニット２に設けて、サブユニット８を省略してもよい。

また、サブユニット８には、各種のセンサが設けられている。具体的には、サブ圧縮機８１の吸入側におけるサブ冷媒の圧力及び温度を検出する圧力センサ１０１及び温度センサ１０２が設けられている。サブ圧縮機８１の吐出側におけるサブ冷媒の圧力及び温度を検出する圧力センサ１０３及び温度センサ１０４が設けられている。室外空気の温度（外気温度）を検出する温度センサ１０６が設けられている。

－メイン冷媒連絡管－
熱源ユニット２と利用ユニット７ａ、７ｂとは、メイン冷媒回路２０の一部を構成するメイン冷媒連絡管１１、１２によって接続されている。

第１メイン冷媒連絡管１１は、サブ利用側熱交換器８５（第２サブ流路８５ｂの他端）とメイン利用側膨張機構７１ａ、７１ｂとの間を接続する配管の一部である。

第２メイン冷媒連絡管１２は、メイン利用側熱交換器７２ａ、７２ｂの他端と第１メイン圧縮機２１の吸入側との間を接続する配管の一部である。

－制御部－
そして、上記のメイン冷媒回路２０及びサブ冷媒回路８０の構成機器を含めた熱源ユニット２、利用ユニット７ａ、７ｂ及びサブユニット８の構成機器は、制御部９によって制御されるようになっている。制御部９は、熱源ユニット２、利用ユニット７ａ、７ｂ及びサブユニット８に設けられた制御基板等が通信接続されることによって構成されており、各種センサ７４ａ、７４ｂ、７５ａ、７５ｂ、９１～９９、１０１～１０６の検出信号等を受けることができるように構成されている。尚、図１においては、便宜上、熱源ユニット２、利用ユニット７ａ、７ｂ及びサブユニット８等とは離れた位置に制御部９を図示している。このように、制御部９は、各種センサ７４ａ、７４ｂ、７５ａ、７５ｂ、９１～９９、１０１～１０６等の検出信号等に基づいて、冷凍サイクル装置１の構成機器２１、２２、２７、２８、５３、７１ａ、７１ｂ、７３ａ、７３ｂ、８１、８４、８６の制御、すなわち、冷凍サイクル装置１全体の運転制御を行うようになっている。

（２）動作
次に、冷凍サイクル装置１の動作について、図２～図６を用いて説明する。ここで、図２は、冷房運転時における冷凍サイクル装置１内の冷媒の流れを示す図である。図３は、冷房運転時の冷凍サイクルが図示された圧力－エンタルピ線図である。図４は、メイン冷媒回路２０の冷凍サイクルにおける中間圧ＭＰｈ２の制御を説明する図であり、外気温度Ｔａが高くなった場合における冷凍サイクルが図示された圧力－エンタルピ線図である。図５は、メイン冷媒回路２０の冷凍サイクルにおける中間圧ＭＰｈ２の制御を説明する図であり、外気温度Ｔａが低くなった場合における冷凍サイクルが図示された圧力－エンタルピ線図である。図６は、外気温度Ｔａとメイン冷媒回路２０の冷凍サイクルにおける中間圧の目標値ＭＰｈ２ｓとの関係を示す図である。

冷凍サイクル装置１は、室内の空調として、メイン利用側熱交換器７２ａ、７２ｂがメイン冷媒の蒸発器として機能して室内空気を冷却する冷房運転（冷却運転）を行うことができる。そして、ここでは、冷房運転時に、メイン膨張機構２７によるメイン冷媒の等エントロピ的な減圧動作を行うとともに、サブ冷媒回路８０を使用してメイン膨張機構２７とメイン利用側熱交換器７２ａ、７２ｂとの間を流れるメイン冷媒を冷却する動作を行う。尚、これらの動作を含む冷房運転の動作は、制御部９によって行われる。

＜冷房運転＞
メイン冷媒回路２０において、冷凍サイクルにおける低圧（ＬＰｈ）のメイン冷媒（図２及び図３の点Ａ参照）は、第１メイン圧縮機２１に吸入され、第１メイン圧縮機２１において、冷凍サイクルにおける中間圧（ＭＰｈ１）まで圧縮されて吐出される（図２及び図３の点Ｂ参照）。

第１メイン圧縮機２１から吐出された中間圧のメイン冷媒は、中間熱交換器２６に送られ、中間熱交換器２６において、熱源側ファン２８によって送られる室外空気と熱交換を行って冷却される（図２及び図３の点Ｃ参照）。

中間熱交換器２６において冷却された中間圧のメイン冷媒は、第２メイン圧縮機２２に吸入され、第２メイン圧縮機２２において、冷凍サイクルにおける高圧（ＨＰｈ）まで圧縮されて吐出される（図２及び図３の点Ｄ参照）。ここで、第２メイン圧縮機２２から吐出された高圧のメイン冷媒は、メイン冷媒の臨界圧を超える圧力になっている。

第２メイン圧縮機２２から吐出された高圧のメイン冷媒は、メイン熱源側熱交換器２５に送られ、メイン熱源側熱交換器２５において、熱源側ファン２８によって送られる室外空気と熱交換を行って冷却される（図２及び図３の点Ｅ参照）。

メイン熱源側熱交換器２５において冷却された高圧のメイン冷媒は、メイン膨張機構２７に送られ、メイン膨張機構２７において、冷凍サイクルにおける中間圧（ＭＰｈ２）まで、等エントロピ的に減圧されて、気液二相状態になる（図２及び図３の点Ｆ参照）。ここで、中間圧（ＭＰｈ２）は、中間圧（ＭＰｈ１）よりも低い圧力になっている。また、メイン冷媒の等エントロピ的な減圧によって発生する動力は、メイン膨張機構２７の発電機の駆動により回収される。

メイン膨張機構２７において減圧された中間圧のメイン冷媒は、気液分離器５１に送られ、気液分離器５１において、ガス状態のメイン冷媒（図２及び図３の点Ｊ参照）と液状態のメイン冷媒（図２及び図３の点Ｇ参照）とに分離される。

気液分離器５１において分離された中間圧のガス状態のメイン冷媒は、ガス抜き膨張機構５３の開度に応じて気液分離器５１からガス抜き管５２に抜き出される。ガス抜き管５２に抜き出された中間圧のガス状態のメイン冷媒は、ガス抜き膨張機構５３において低圧（ＬＰｈ）まで減圧されて（図２及び図３の点Ｋ参照）、第１メイン圧縮機２１の吸入側に送られる。

気液分離器５１において分離された中間圧の液状態のメイン冷媒は、サブ利用側熱交換器８５（第２サブ流路８５ｂ）に送られる。

一方、サブ冷媒回路８０においては、冷凍サイクルにおける低圧（ＬＰｓ）のサブ冷媒（図２及び図３の点Ｒ参照）は、サブ圧縮機８１に吸入され、サブ圧縮機８１において、冷凍サイクルにおける高圧（ＨＰｓ）まで圧縮されて吐出される（図２及び図３の点Ｓ参照）。

サブ圧縮機８１から吐出された高圧のサブ冷媒は、サブ熱源側熱交換器８３に送られ、サブ熱源側熱交換器８３において、サブ側ファン８６によって送られる室外空気と熱交換を行って冷却される（図２及び図３の点Ｔ参照）。

サブ熱源側熱交換器８３において冷却された高圧のサブ冷媒は、サブ膨張機構８４に送られ、サブ膨張機構８４において、低圧まで減圧されて、気液二相状態になる（図２及び図３の点Ｕ参照）。

そして、サブ利用側熱交換器８５において、第２サブ流路８５ｂを流れる中間圧のメイン冷媒は、第１サブ流路８５ａを流れる低圧の気液二相状態のサブ冷媒と熱交換を行って冷却される（図２及び図３の点Ｈ参照）。逆に、第１サブ流路８５ａを流れる低圧の気液二相状態のサブ冷媒は、第２サブ流路８５ｂを流れる中間圧のメイン冷媒と熱交換を行って加熱されて（図２及び図３の点Ｒ参照）、再び、サブ圧縮機８１の吸入側に吸入される。

サブ利用側熱交換器８５において冷却された中間圧のメイン冷媒は、第１メイン冷媒連絡管１１を通じて、メイン利用側膨張機構７１ａ、７１ｂに送られ、メイン利用側膨張機構７１ａ、７１ｂにおいて、低圧（ＬＰｈ）まで減圧されて、気液二相状態になる（図２及び図３の点Ｉ参照）。

メイン利用側膨張機構７１ａ、７１ｂにおいて減圧された低圧のメイン冷媒は、メイン利用側熱交換器７２ａ、７２ｂに送られ、メイン利用側熱交換器７２ａ、７２ｂにおいて、利用側ファン７３ａ、７３ｂによって送られる室内空気と熱交換を行って加熱されて、蒸発する（図２及び図３の点Ａ参照）。逆に、室内空気は、メイン利用側熱交換器７２ａ、７２ｂを流れる低圧の気液二相状態のメイン冷媒と熱交換を行って冷却されて、これにより、室内の冷房が行われる。

メイン利用側熱交換器７２ａ、７２ｂにおいて蒸発した低圧のメイン冷媒は、第２メイン冷媒連絡管１２を通じて、第１メイン圧縮機２１の吸入側に送られ、ガス抜き管５２から合流するメイン冷媒とともに、再び、第１メイン圧縮機２１に吸入される。このようにして、冷房運転が行われる。

＜メイン冷媒回路の中間圧制御＞
次に、冷房運転（冷却運転）時におけるメイン冷媒回路２０の中間圧ＭＰｈ２（サブ利用側熱交換器８５を流れるメイン冷媒の圧力）の制御について説明する。

上記のような、メイン膨張機構２７によるメイン冷媒の等エントロピ的な減圧動作を行い、かつ、サブ冷媒回路８０を使用してメイン膨張機構２７とメイン利用側熱交換器７２ａ、７２ｂとの間を流れるメイン冷媒を冷却する冷凍サイクル装置１では、以下の式によって冷凍サイクル装置１全体の成績係数ＣＯＰが得られる。
ＣＯＰ ＝ Ｑｅ／（Ｗｈ＋Ｗｓ－Ｗｒ）

ここで、Ｑｅは、メイン利用側熱交換器７２ａ、７２ｂの蒸発能力（図３の点Ｉ、Ａ間のエンタルピ差に相当）である。Ｗｈは、メイン冷媒回路２０の入力動力（主に、メイン圧縮機２１、２２の入力動力、図３の点Ａ、Ｂ間及び点Ｃ、Ｄ間のエンタルピ差に相当）である。Ｗｓは、サブ冷媒回路８０の入力動力（主に、サブ圧縮機８１の入力動力、図３の点Ｒ、Ｓ間のエンタルピ差に相当）である。Ｗｒは、メイン膨張機構２７の回収動力（図３の点Ｅ、Ｆ間のエンタルピ差に相当）である。

そして、冷凍サイクル装置１では、図４に示すように、外気温度Ｔａが高くなるにつれて、サブ冷媒回路８０の冷凍サイクルにおける高圧ＨＰｓが上昇し、サブ冷媒回路８０の入力動力Ｗｓが増加する傾向にある。そうすると、サブ冷媒回路８０の入力動力Ｗｓの増加に応じて、冷凍サイクル装置１全体の成績係数ＣＯＰが低下する傾向になる。この傾向を抑えるためには、サブ冷媒回路８０の冷凍サイクルにおける低圧ＬＰｓを上昇させて、サブ冷媒回路８０の入力動力Ｗｓを減少させる必要がある。サブ冷媒回路８０の冷凍サイクルにおける低圧ＬＰｓを上昇させるためには、サブ利用側熱交換器８５においてサブ冷媒と熱交換を行うメイン冷媒（すなわち、メイン膨張機構２７とメイン利用側熱交換器７２ａ、７２ｂとの間を流れるメイン冷媒）の温度、すなわち、サブ利用側熱交換器８５を流れるメイン冷媒の圧力（メイン冷媒回路２０の冷凍サイクルにおける中間圧ＭＰｈ２）を上昇させればよい。ここで、サブ利用側熱交換器８５を流れるメイン冷媒の圧力が上昇すると、メイン膨張機構２７における減圧幅（図４の点Ｅ、Ｆ間の圧力差に相当）が小さくなるため、メイン膨張機構２７の回収動力Ｗｒが減少するが、サブ冷媒回路８０の入力動力Ｗｓの減少の程度が大きいため、冷凍サイクル装置１全体の成績係数ＣＯＰを高いレベルに維持することができる。

そこで、ここでは、上記のように、メイン膨張機構２７とメイン利用側熱交換器７２ａ、７２ｂとの間にメイン中間圧調整弁としてのガス抜き膨張機構５３を設けて、制御部９が、外気温度Ｔａが高いほどメイン中間圧調整弁５３の開度を小さくする制御を行うようにしている。ここで、ガス抜き膨張機構５３は、メイン膨張機構２７とメイン利用側熱交換器７２ａ、７２ｂとの間に設けられた気液分離器５１から分岐されたガス抜き管５２に設けられているが、このような分岐管に設けられた弁も、メイン膨張機構２７とメイン利用側熱交換器７２ａ、７２ｂとの間に設けられているものとする。

具体的には、制御部９は、メイン冷媒回路２０の冷凍サイクルにおける中間圧ＭＰｈ２に基づいて、ガス抜き膨張機構５３の開度を制御する。例えば、制御部９が、メイン冷媒回路２０の冷凍サイクルにおける中間圧ＭＰｈ２が目標値ＭＰｈ２ｓになるように、ガス抜き膨張機構５３の開度を制御する。ここで、目標値ＭＰｈ２ｓは、図６に示すように、冷凍サイクル装置１全体の成績係数ＣＯＰを考慮して、外気温度Ｔａが高くなるにつれて高くなる値に設定される。また、中間圧ＭＰｈ２は、圧力センサ９７により検出され、外気温度Ｔａは、温度センサ９９、１０６により検出される。

この制御を行うと、サブ利用側熱交換器８５を流れるメイン冷媒の圧力（メイン冷媒回路２０の冷凍サイクルにおける中間圧ＭＰｈ２）が変化する。そして、メイン冷媒の中間圧ＭＰｈ２が変化することで、メイン膨張機構２７の回収動力Ｗｒが変化し、また、サブ冷媒回路８０の冷凍サイクルにおける低圧ＬＰｓも変化するため、サブ冷媒回路２０の入力動力Ｗｓが変化することになる。

そして、ここでは、外気温度Ｔａが高いほどメイン中間圧調整弁としてのガス抜き膨張機構５３の開度を小さくする制御を行い、サブ利用側熱交換器８５を流れるメイン冷媒の圧力（メイン冷媒回路２０の冷凍サイクルにおける中間圧ＭＰｈ２）を変化させることによって、冷凍サイクル装置１全体の成績係数ＣＯＰを高いレベルに維持することができる。

例えば、外気温度Ｔａやサブ冷媒回路８０の冷凍サイクルにおける高圧ＨＰｓが高く、サブ冷媒回路８０の入力動力Ｗｓが増加する傾向にあるような運転条件においては、目標値ＭＰｈ２ｓが高い値に設定されて、メイン中間圧調整弁としてのガス抜き膨張機構５３の開度を小さくする制御が行われる。

このため、図４に示すように、サブ利用側熱交換器８５を流れるメイン冷媒の圧力（メイン冷媒回路２０の冷凍サイクルにおける中間圧ＭＰｈ２）が上昇し、これに伴い、サブ冷媒回路８０の冷凍サイクルにおける低圧ＬＰｓも上昇する。そうすると、サブ冷媒回路８０の入力動力Ｗｓが減少し、冷凍サイクル装置１全体の成績係数ＣＯＰが高いレベルに維持される。尚、サブ利用側熱交換器８５を流れるメイン冷媒の圧力ＭＰｈ２を高くすると、メイン膨張機構２７における減圧幅が小さくなるため、メイン膨張機構２７の回収動力Ｗｒが減少するが、その程度は、サブ冷媒回路８０の入力動力Ｗｓの減少の程度よりも小さいため、冷凍サイクル装置１全体の成績係数ＣＯＰを高くすることができる。

逆に、外気温度Ｔａやサブ冷媒回路８０の冷凍サイクルにおける高圧ＨＰｓが低く、サブ冷媒回路８０の入力動力Ｗｓが減少する傾向にあるような運転条件において、目標値ＭＰｈ２ｓが低い値に設定されて、メイン中間圧調整弁としてのガス抜き膨張機構５３の開度を大きくする制御が行われる。

このため、図５に示すように、サブ利用側熱交換器８５を流れるメイン冷媒の圧力（メイン冷媒回路２０の冷凍サイクルにおける中間圧ＭＰｈ２）が低下し、これに伴い、メイン膨張機構２７における減圧幅が大きくなる。そうすると、メイン膨張機構２７の回収動力Ｗｒが増加し、冷凍サイクル装置１全体の成績係数ＣＯＰが高いレベルに維持される。尚、サブ利用側熱交換器８５を流れるメイン冷媒の圧力ＭＰｈ２を低くすると、サブ冷媒回路８０の冷凍サイクルにおける低圧ＬＰｓが低下するため、サブ冷媒回路８０の入力動力Ｗｓが増加するが、その程度は、メイン膨張機構２７の回収動力Ｗｒの増加の程度よりも小さいため、冷凍サイクル装置１全体の成績係数ＣＯＰを高くすることができる。

（３）特徴
次に、冷凍サイクル装置１の特徴について説明する。

＜Ａ＞
ここでは、上記のように、メイン冷媒が循環するメイン冷媒回路２０に従来と同様のメイン冷媒を減圧して動力を発生させるメイン膨張機構２７を設けるとともに、メイン冷媒回路２０とは別のサブ冷媒が循環するサブ冷媒回路８０を設けている。そして、サブ冷媒回路８０に設けられたサブ冷媒の蒸発器として機能するサブ利用側熱交換器８５を、メイン膨張機構２７とメイン利用側熱交換器７２ａ、７２ｂとの間を流れるメイン冷媒を冷却する熱交換器として機能するように、メイン冷媒回路２０に設けている。このため、ここでは、従来と同様のメイン膨張機構２７によるメイン冷媒の等エントロピ的な減圧動作だけでなく、サブ冷媒回路８０を使用してメイン膨張機構２７とメイン利用側熱交換器７２ａ、７２ｂとの間を流れるメイン冷媒を冷却する動作を行うことができる。このため、ここでは、メイン膨張機構２７による減圧動作ではメイン利用側熱交換器７２ａ、７２ｂに送られるメイン冷媒のエンタルピが十分に低下しない場合であっても（図３の点Ｆ、Ｇ参照）、サブ冷媒回路８０を使用した冷却動作によってメイン利用側熱交換器７２ａ、７２ｂに送られるメイン冷媒のエンタルピを十分に低下させることができ（図３の点Ｈ、Ｉ参照）、これにより、メイン利用側熱交換器７２ａ、７２ｂの蒸発能力Ｑｅを大きくすることができる。

このように、ここでは、冷媒回路２０に冷媒を減圧して動力を発生させる膨張機構２７が設けられている冷凍サイクル装置１において、膨張機構２７による冷媒の減圧では冷媒の温度を十分に低下させることができない場合であっても、利用側熱交換器７２ａ、７２ｂの蒸発能力Ｑｅを大きくすることができる。

特に、ここでは、ＨＦＣ冷媒等に比べて成績係数が低い二酸化炭素をメイン冷媒として使用しているため、メイン熱源側熱交換器２５における冷媒の放熱能力が低下しやすく、これにより、膨張機構２７による冷媒の減圧動作だけでは、メイン利用側熱交換器７２ａ、７２ｂの蒸発能力を大きくすることが難しくなる傾向が顕著である。しかし、ここでは、上記のように、サブ冷媒回路８０を使用した冷却動作によってメイン利用側熱交換器７２ａ、７２ｂに送られるメイン冷媒のエンタルピを十分に低下させることができるため、二酸化炭素をメイン冷媒として使用しているにもかかわらず、所望の能力を得ることができる。

＜Ｂ＞
また、ここでは、上記のように、メイン冷媒回路２０が、メイン膨張機構２７とメイン利用側熱交換器７２ａ、７２ｂとの間にメイン中間圧調整弁としてのガス抜き膨張機構５３を有している。ここで、ガス抜き膨張機構５３は、メイン膨張機構２７とメイン利用側熱交換器７２ａ、７２ｂとの間に設けられた気液分離器５１から分岐されたガス抜き管５２に設けられているが、このような分岐管に設けられた弁も、メイン膨張機構２７とメイン利用側熱交換器７２ａ、７２ｂとの間に設けられているものとする。そして、ここでは、制御部９が、外気温度Ｔａに応じて、メイン中間圧調整弁としてのガス抜き膨張機構５３を制御している。具体的には、制御部９が、外気温度Ｔａが高いほどメイン中間圧調整弁としてのガス抜き膨張機構５３の開度を小さくする制御を行っている。

これにより、ここでは、サブ利用側熱交換器８５を流れるメイン冷媒の圧力（メイン冷媒回路２０の冷凍サイクルにおける中間圧ＭＰｈ２）を変化させることができ、冷凍サイクル装置１全体の成績係数ＣＯＰを高いレベルに維持することができる。

具体的には、外気温度Ｔａやサブ冷媒回路８０の冷凍サイクルにおける高圧ＨＰｓが高く、サブ冷媒回路８０の入力動力Ｗｓが増加する傾向にあるような運転条件においては、メイン中間圧調整弁としてのガス抜き膨張機構５３の開度が小さくなるため、図４に示すように、サブ冷媒回路８０の冷凍サイクルにおける低圧ＬＰｓが上昇して、サブ冷媒回路８０の入力動力Ｗｓが減少し、成績係数ＣＯＰが高いレベルに維持される。

逆に、外気温度Ｔａやサブ冷媒回路８０の冷凍サイクルにおける高圧ＨＰｓが低く、サブ冷媒回路８０の入力動力Ｗｓが減少する傾向にあるような運転条件においては、メイン中間圧調整弁としてのガス抜き膨張機構５３の開度が大きくなるため、図５に示すように、メイン膨張機構２７における減圧幅が大きくなり、メイン膨張機構２７の回収動力Ｗｒが増加し、成績係数ＣＯＰが高いレベルに維持される。

＜Ｃ＞
また、ここでは、上記のように、メイン冷媒として二酸化炭素を使用し、サブ冷媒として低ＧＷＰの冷媒や二酸化炭素よりも成績係数が高い自然冷媒を使用しているため、地球温暖化等の環境負荷を低減することができる。

（４）変形例
＜変形例１＞
上記実施形態では、制御部９が、外気温度Ｔａが高いほどメイン中間圧調整弁としてのガス抜き膨張機構５３の開度を小さくする制御を行っている。

しかし、外気温度Ｔａは、サブ冷媒回路８０の冷凍サイクルにおける高圧ＨＰｓの高低やサブ冷媒回路８０の入力動力Ｗｓの増減の傾向の指標として使用しているものである。

このため、外気温度Ｔａの代わりに、サブ冷媒回路８０の冷凍サイクルにおける高圧ＨＰｓやサブ冷媒回路８０の入力動力Ｗｓを使用してもよい。すなわち、制御部９が、サブ冷媒回路８０の冷凍サイクルにおける高圧ＨＰｓに応じて、又は、サブ冷媒回路８０の入力動力Ｗｓに応じて、メイン中間圧調整弁としてのガス抜き膨張機構５３の開度を小さくする制御を行ってもよい。

具体的には、制御部９が、サブ冷媒回路８０の冷凍サイクルにおける高圧ＨＰｓが高くなると、メイン中間圧調整弁としてのガス抜き膨張機構５３の開度を小さくし、サブ冷媒回路８０の冷凍サイクルにおける高圧ＨＰｓが低くなると、メイン中間圧調整弁としてのガス抜き膨張機構５３の開度を大きくする制御を行う。また、制御部９が、サブ冷媒回路８０の入力動力Ｗｓが大きくなると、メイン中間圧調整弁としてのガス抜き膨張機構５３の開度を小さくし、サブ冷媒回路８０の入力動力Ｗｓが小さくなると、メイン中間圧調整弁としてのガス抜き膨張機構５３の開度を大きくする制御を行う。

ここで、例えば、サブ冷媒回路８０の入力動力Ｗｓを使用する場合には、図７に示すように、メイン冷媒回路２０の冷凍サイクルにおける中間圧ＭＰｈ２の目標値ＭＰｈ２ｓをサブ冷媒回路８０の入力動力Ｗｓの関数やデータテーブルとして準備することになる。尚、サブ冷媒回路８０の入力動力Ｗｓは、外気温度Ｔａやサブ圧縮機８１の電流値から推定又は算出して得るようにすればよい。

この場合においても、上記実施形態と同様に、メイン冷媒回路２０の冷凍サイクルにおける中間圧ＭＰｈ２を制御することができる。

＜変形例２＞
上記実施形態及び変形例１では、メイン中間圧調整弁として、ガス抜き膨張機構５３を使用している。

しかし、メイン中間圧調整弁は、ガス抜き膨張機構５３に限定されず、メイン膨張機構２７とメイン利用側熱交換器７２ａ、７２ｂとの間に設けられている弁であれば使用可能である。

例えば、図８に示すように、気液分離器５１及びガス抜き管５２（ガス抜き膨張機構５３を含む）を有しないメイン冷媒回路２０の構成においては、メイン利用側膨張機構７１ａ、７１ｂをメイン中間圧調整弁として使用してもよい。

具体的には、サブ冷媒回路８０の入力動力Ｗｓに応じてメイン中間圧調整弁としてのメイン利用側膨張機構７１ａ、７１ｂの開度を制御したり、外気温度Ｔａが高いほどメイン中間圧調整弁としてのメイン利用側膨張機構７１ａ、７１ｂの開度を小さくする制御を行う。

この場合においても、上記実施形態及び変形例１と同様に、メイン冷媒回路２０の冷凍サイクルにおける中間圧ＭＰｈ２を制御することができる。

＜変形例３＞
上記実施形態及び変形例１、２では、第１メイン圧縮機２１と第２メイン圧縮機２２との間にメイン冷媒を冷却する中間熱交換器２６が設けられた構成を採用しているが、これに限定されるものではなく、中間熱交換器２６が設けられていなくてもよい。

＜変形例４＞
上記実施形態及び変形例１～３では、複数のメイン圧縮機２１、２２によって、多段圧縮機を構成しているが、これに限定されるものではなく、圧縮要素２１ａ、２１ｂを有する１台のメイン圧縮機によって多段圧縮機を構成してもよい。また、メイン圧縮機が単段圧縮機であってもよい。

＜変形例５＞
上記実施形態及び変形例１～４では、冷房運転（冷却運転）を行う回路構成を例に挙げて説明を行ったが、これに限定されるものではなく、冷房運転及び暖房運転（加熱運転）を行うことが可能な回路構成であってもよい。

以上、本開示の実施形態を説明したが、請求の範囲に記載された本開示の趣旨及び範囲から逸脱することなく、形態や詳細の多様な変更が可能であることが理解されるであろう。

本開示は、冷媒回路に冷媒を減圧して動力を発生させる膨張機構が設けられている冷凍サイクル装置に対して、広く適用可能である。

１ 冷凍サイクル装置
９ 制御部
２０ メイン冷媒回路
２１、２２ メイン圧縮機
２１ａ 低段側圧縮要素
２２ａ 高段側圧縮要素
２５ メイン熱源側熱交換器
２７ メイン膨張機構
５１ 気液分離器
５２ ガス抜き管
５３ ガス抜き膨張機構（メイン中間圧調整弁）
７１ａ、７１ｂ メイン利用側膨張機構（メイン中間圧調整弁）
７２ａ、７２ｂ メイン利用側熱交換器
８０ サブ冷媒回路
８１ サブ圧縮機
８３ サブ熱源側熱交換器
８５ サブ利用側熱交換器

特開２０１３－１３９９３８号公報

Claims (9)

1. メイン冷媒を圧縮するメイン圧縮機（２１、２２）と、
   前記メイン冷媒の放熱器として機能するメイン熱源側熱交換器（２５）と、
   前記メイン冷媒の蒸発器として機能するメイン利用側熱交換器（７２ａ、７２ｂ）と、
   前記メイン熱源側熱交換器と前記メイン利用側熱交換器との間を流れる前記メイン冷媒を減圧して動力を発生させるメイン膨張機構（２７）と、
   を有する、メイン冷媒回路（２０）を備えており、
   前記メイン冷媒回路は、前記メイン膨張機構と前記メイン利用側熱交換器との間を流れる前記メイン冷媒の冷却器として機能するサブ利用側熱交換器（８５）を有しており、
   サブ冷媒を圧縮するサブ圧縮機（８１）と、
   前記サブ冷媒の放熱器として機能するサブ熱源側熱交換器（８３）と、
   前記サブ冷媒の蒸発器として機能して前記メイン膨張機構と前記メイン利用側熱交換器との間を流れる前記メイン冷媒を冷却する前記サブ利用側熱交換器（８５）と、
   を有する、サブ冷媒回路（８０）をさらに備え、
   前記メイン冷媒回路は、前記メイン膨張機構と前記メイン利用側熱交換器との間にメイン中間圧調整弁（５３、７１ａ、７１ｂ）を有しており、
   前記メイン中間圧調整弁を制御する制御部（９）をさらに備えており、
   前記制御部は、前記サブ冷媒回路の入力動力に応じて、前記メイン中間圧調整弁を制御する、
   冷凍サイクル装置（１）。
2. 前記制御部は、外気温度又は前記サブ圧縮機の電流値から前記サブ冷媒回路の入力動力を得る、
   請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記メイン中間圧調整弁（７１ａ、７１ｂ）は、前記メイン冷媒回路のうち前記サブ利用側熱交換器と前記メイン利用側熱交換器との間の部分に設けられており、
   前記制御部は、前記サブ冷媒回路の入力動力が大きくなると、前記メイン中間圧調整弁の開度を小さくする、
   請求項１又は２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記制御部は、前記サブ冷媒回路の入力動力が小さくなると、前記メイン中間圧調整弁の開度を大きくする、
   請求項３に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記メイン冷媒回路は、前記メイン膨張機構と前記メイン利用側熱交換器との間に、前記メイン膨張機構において減圧された前記メイン冷媒を気液分離する気液分離器（５１）を有しており、
   前記気液分離器には、ガス状態の前記メイン冷媒を抜き出して前記メイン圧縮機の吸入側に送るガス抜き管（５２）が接続されており、
   前記メイン中間圧調整弁（５３）は、前記ガス抜き管に設けられており、
   前記制御部は、前記サブ冷媒回路の入力動力が大きくなると、前記メイン中間圧調整弁の開度を小さくする、
   請求項１又は２に記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記制御部は、前記サブ冷媒回路の入力動力が小さくなると、前記メイン中間圧調整弁の開度を大きくする、
   請求項５に記載の冷凍サイクル装置。
7. 前記メイン圧縮機は、前記メイン冷媒を圧縮する低段側圧縮要素（２１ａ）と、前記低段側圧縮要素から吐出された前記メイン冷媒を圧縮する高段側圧縮要素（２２ａ）と、を含んでいる、
   請求項１～６のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
8. 前記メイン冷媒は、二酸化炭素であり、
   前記サブ冷媒は、ＧＷＰが７５０以下のＨＦＣ冷媒、ＨＦＯ冷媒、又は、ＨＦＣ冷媒とＨＦＯ冷媒との混合冷媒である、
   請求項１～７のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
9. 前記メイン冷媒は、二酸化炭素であり、
   前記サブ冷媒は、二酸化炭素よりも成績係数が高い自然冷媒である、
   請求項１～７のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。

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