WO2007072760A1

WO2007072760A1 - 冷凍サイクル装置

Info

Publication number: WO2007072760A1
Application number: PCT/JP2006/325094
Authority: WO
Inventors: Yuuichi Yakumaru; Kou Komori; Tomoichiro Tamura; Masaya Honma
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date: 2005-12-19
Filing date: 2006-12-15
Publication date: 2007-06-28
Also published as: JP2009052752A; US20070151266A1

Abstract

　冷凍サイクル装置１００Ａは、圧縮機１０１と、放熱器１０２と、膨張機１０３と、蒸発器１０４と、バイパス回路１１３と、インジェクション回路１０９とを備えている。バイパス回路１１３は、流量制御弁１０５および気液分離器１１０を含み、放熱器１０２を通過した冷媒の一部が膨張機１０３をバイパスして流量制御弁１０５に導かれ、気液分離器１１０で分離された液冷媒が膨張機１０３の吐出管路に戻るように、膨張機１０３の吸入管路に一端が接続され、膨張機１０３の吐出管路に他端が接続されている。インジェクション回路１０９は、気液分離器１１０のガス側出口部に一端が接続され、他端が圧縮機１０１の中間圧部に接続されている。

Description

明細書

冷凍サイクル装置

技術分野

[0001] 本発明は、給湯機や空調機などに適用される冷凍サイクル装置に関し、バイパス回路を流れる冷媒を圧縮過程の冷媒に混合することにより、高い効率を実現する構成とその制御方法に関するものである。

背景技術

[0002] 冷媒の膨張エネルギーを膨張機で回収し、圧縮機の補助動力として利用できるように、共に容積式の圧縮機と膨張機を一軸に連結した構成の流体機械を用いた冷凍サイクル装置が知られている。このような冷凍サイクル装置においては、圧縮機と膨張機とが常時同一回転数で回転する。特別な機構を設けない限り、圧縮機の吸入容積および膨張機の吸入容積も一定である。したがって、理論上、圧縮機の吸入冷媒の密度 p cと膨張機の吸入冷媒の密度 p eとの比が常に一定となる。このような「密度比 =一定」の制約がある場合、その制約の範囲外での運転が許されず、本来、膨張機を用いた動力回収によってサイクルの高効率ィ匕を図ったにもかかわらず、必ずしも高効率運転が実現できな、と、う課題がある。

[0003] 図 12は、このような課題を解決するためのノィパス回路を用いたシステムを示している。このシステムにはバイパス回路 11の通路面積を増減調整する制御弁 12が設けられている。制御弁 12の開度を調整し、膨張機 4を通る冷媒循環量を増減調整することにより、圧縮機 3を通る冷媒の質量循環量と膨張機 4を通る冷媒の質量循環量とを異ならせることができる。つまり、従来のような「密度比 =一定」というサイクル運転上の制約がなくなる (例えば特開 2001— 116371号公報 (第 1図）参照)。

[0004] また、特開 2003— 121018号公報には、圧縮機と膨張機とを一軸で直結し、膨張機に直列の膨張弁と、膨張機をバイパスするバイパス弁とを有する冷凍サイクル装置において、膨張機と膨張弁の間に気液分離器を設けて、気液分離器で液冷媒から分離されたガス冷媒を圧縮機の中間圧部に導入する構成が開示されて！ヽる。

発明の開示 [0005] し力しながら、膨張機をバイパスする回路を流れる冷媒は、システム効率向上には全く寄与しないという課題があった。このことは、上述の文献でも共通である。

[0006] そこで、本発明は、圧縮機、放熱器、膨張機、蒸発器を順次直列に接続した構成において、「密度比 =一定」の制約を回避しつつ、放熱器の冷媒循環量を増大させ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。

[0007] すなわち、本発明は、

冷媒を圧縮する圧縮機と、

圧縮機で圧縮された冷媒を冷却する放熱器と、

放熱器で冷却された冷媒を膨張させるとともに、膨張する冷媒力動力を回収する膨張機と、

膨張機で膨張した冷媒を加熱して圧縮機に向けて供給する蒸発器と、流量制御弁と、流量制御弁よりも下流側に設けられ、流量制御弁を通過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を含み、放熱器を通過した冷媒の一部が膨張機をバイパスして流量制御弁に導かれ、気液分離器で分離された液冷媒が膨張機の吐出管路に戻るように、膨張機の吸入管路に一端が接続され、膨張機の吐出管路に他端が接続されているバイパス回路と、

気液分離器のガス側出口部に一端が接続され、他端が圧縮機の中間圧部に接続されたインジヱクシヨン回路と、

を備えた、冷凍サイクル装置を提供する。

[0008] 上記本発明によれば、放熱器力も流出した冷媒の一部をバイパス回路に流すことによって、「密度比 =一定」の制約を回避することができる。また、バイパス回路上に設けられた気液分離器で液冷媒とガス冷媒とを分離するとともに、圧縮機の中間圧部にガス冷媒をインジェクションするので、放熱器の冷媒循環量の増大を図ることができる。また、気液分離器力も流出して膨張機の吐出管路に戻る液冷媒の比ェンタルビは、膨張機で膨張した冷媒 (気液二相）の比ェンタルビよりも小さい。したがって、蒸発器の入口における冷媒の比ェンタルビが低下し、蒸発器の入口出口間のェンタルピ差が増加し、ひいてはシステムの冷凍能力が向上する。また、気液分離器から流出したガス冷媒力インジヱクシヨン回路によって圧縮過程にある冷媒に混合されるので、圧縮機において液圧縮が生ずることを防止でき、圧縮機の信頼性が保証される。

[0009] 他の側面において、本発明は、

冷媒を圧縮する圧縮機と、

圧縮機で圧縮された冷媒を冷却する放熱器と、

膨張機で膨張した冷媒を加熱して圧縮機に向けて供給する蒸発器と、流量制御弁を含み、放熱器を通過した冷媒の一部が膨張機をバイパスして流量制御弁に導かれるように、膨張機の吸入管路に一端が接続され、他端が圧縮機の中間圧部に接続されたバイパス回路と、

蒸発器力流出し圧縮機に吸入される前の冷媒の温度を検出する吸入温度センサと、

吸入温度センサの検出結果に応じて流量制御弁の開度を制御する制御器と、を備えた、冷凍サイクル装置を提供する。

[0010] 上記本発明によれば、バイパス回路に冷媒を流すことによって、「密度比 =一定」の制約を回避しつつ、放熱器の冷媒循環量の増大を図ることができるので、冷凍サイクル装置全体の性能を向上させることができる。

図面の簡単な説明

[0011] [図 1]本発明の第 1実施形態における冷凍サイクル装置を示す構成図

[図 2]圧縮機と膨張機とを含む流体機械の一例の縦断面図

[図 3]圧縮機に設けたインジェクション孔の一例を示す図

[図 4]本発明の第 1実施形態における冷凍サイクルを示すモリエル線図

[図 5]本発明の第 1実施形態における冷凍サイクル装置の制御フローチャート

[図 6]本発明の第 2実施形態における冷凍サイクル装置を示す構成図

[図 7]本発明の第 3実施形態における冷凍サイクル装置を示す構成図

[図 8]本発明の第 4実施形態における冷凍サイクル装置を示す構成図

[図 9]本発明の第 5実施形態における冷凍サイクル装置を示す構成図 [図 10]本発明の第 5実施形態における冷凍サイクルを示すモリエル線図

[図 11]本発明の第 5実施形態における冷凍サイクル装置の制御フローチャート

[図 12]従来技術の冷凍サイクル装置を示す構成図

発明を実施するための最良の形態

[0012] 以下、本発明の冷凍サイクル装置の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

[0013] (第 1実施形態）

図 1は、本発明による第 1実施形態の冷凍サイクル装置を示す構成図である。本実施形態の冷凍サイクル装置 100Aは、ハイド口フルォロカーボンまたは二酸ィ匕炭素等の冷媒を圧縮する圧縮機 101と、圧縮機 101で圧縮された冷媒を冷却する放熱器 1 02と、放熱器 102で冷却された冷媒を減圧膨張させるとともに、膨張する冷媒から動力を回収する膨張機 103と、膨張機 103で減圧された冷媒を加熱する蒸発器 104と、圧縮機 101、放熱器 102、膨張機 103および蒸発器 104をこの順番で接続する複数の主配管 116 (主管路)とを備えている。圧縮機 101、放熱器 102、膨張機 103、蒸発器 104および主配管 116により、冷媒が循環する主回路 117が構成されている

[0014] 第 1実施形態において、圧縮機 101と膨張機 103とは、圧縮機 101を駆動するモータ 6に対して一軸に連結されている。図 2は、そのような圧縮機 101と膨張機 103とを含む流体機械の一例の縦断面図であり、本実施形態によれば、この流体機械 200 が冷凍サイクル装置 100Aに含まれる。図 2に示すように、膨張機 103で得られた動力はシャフト 7に与えられ、圧縮機 101の補助動力として利用され、モータ 6の消費電力低減に寄与する。膨張機 103と圧縮機 101の回転数が常に同一なので、当該流体機械 200を含む冷凍サイクル装置 100は、密度比一定の制約を受ける。

[0015] 密度比一定の制約を回避するための手段として、図 1に示すように、冷凍サイクル装置 100Aは、放熱器 102を通過した冷媒の一部が膨張機 103をバイパスするように、放熱器 102と膨張機 103との間における主配管 116に一端が接続され、膨張機 103と蒸発器 104との間における主配管 116に他端が接続されたノィパス回路 113 をさらに備えている。前者の主配管 116は、膨張機 103の吸入管路であり、放熱器 1 02の吐出管路でもある。後者の主配管 116は、膨張機 103の吐出管路であり、蒸発器 104の吸入管路でもある。

[0016] バイパス回路 113は、第 1の流量制御弁 105と、第 1の流量制御弁 105よりも下流側に設けられた気液分離器 110と、複数のバイパス配管 115とを含む。放熱器 102 を通過した冷媒の一部をバイパス回路 113に流すことにより、圧縮機 101の入口における冷媒の密度と、膨張機 103の入口における冷媒の密度との比率を変化させることができる。

[0017] 第 1の流量制御弁 105には、膨張機 103をバイパスする冷媒が導かれる。気液分離器 110は、第 1の流量制御弁 105を通過した冷媒をガス冷媒と液冷媒とに分離する機能を有し、液側出口部とガス側出口部が設けられる。液側出口部にバイパス配管 115が接続され、膨張機 103と蒸発器 104との間における主配管 116に、液冷媒力気液二相へと変化した冷媒を戻すことが可能になっている。

[0018] 冷凍サイクル装置 100Aは、さらに、気液分離器 110のガス側出口部に一端が接続され、他端が圧縮機 101の中間圧部（主回路 117の中間圧部）に接続されたインジェクシヨン回路 109を備えている。インジェクション回路 109は、第 2の流量制御弁 1 08と、複数のインジェクション配管 119とを含む。気液分離器 110において液冷媒から分離されたガス冷媒の一部または全部は、インジェクション回路 109を通じて、圧縮機 101の中間圧部にインジェクションされる。

[0019] 図 2に示すように、圧縮機 101の中間圧部は、圧縮機 101の内部の冷媒流路に面した部分、つまり、圧縮室 28に面した部分でありうる。圧縮機 101は、固定スクロール 21と旋回スクロール 22との間に圧縮室 28が形成されるスクロール式であり、固定スクロール 21に設けられたインジェクション孔 120が中間圧部としての働きを持つ。インジェクシヨン配管 119がインジェクション孔 120に接続されている。インジェクション孔 120は、圧縮機 101の内部の冷媒流路における吸入口 21aと吐出口 21bとの間に位置している。気液分離器 110のガス側出口部力も流出したガス冷媒力インジヱクシヨン回路 109を流通してインジェクション孔 120から圧縮室 28にインジェクションされ、圧縮中の冷媒に混合される。

[0020] インジェクション孔 120は、固定スクロール 21の 1箇所にのみ設けてもよいし、図 3 の平面図に示すように、固定スクロール 21の複数箇所にインジェクション孔 120, 12 0を設けてもよい。また、圧縮機の型式は、スクロール式に限定されず、ロータリ式などの他の容積式の圧縮機を採用することも可能である。同様に、図 2では 2段ロータリ式の膨張機 103を例示しているが、膨張機の型式についても特に限定されない。

[0021] なお、本明細書において"中間圧"は、冷凍サイクルの高圧と低圧との間の圧力、すなわち、放熱器 102に流入する冷媒の圧力と、蒸発器 104から流出した冷媒の圧力との間の圧力を意味する。

[0022] 図 1に戻って説明を続ける。ノィパス回路 113は、さらに、気液分離器 110よりも下流側に設けられた絞り装置 114を含んでいてもよい。絞り装置 114として、一般的な膨張弁を用いることができる。このような絞り装置 114によれば、気液分離器 110から流出する液冷媒を気液二相に変化させることが可能である。この結果、気液二相の冷媒を膨張機 103と蒸発器 104との間における主配管 116に戻すことが可能になるので、所望の運転状態を維持するのに有利である。ただし、液冷媒が少量であれば、絞り装置 114で膨張させずに主配管 116に送るようにしてもよい。なお、第 1の流量制御弁 105、第 2の流量制御弁 108および絞り装置 114の機能は共通であり、これらには、同じ膨張弁を用いることができる。

[0023] また、主回路 117を流通する冷媒の温度を検出する手段として、 2つの温度センサ 111, 112が設けられているとよい。一方の温度センサ 111は、蒸発器 104から流出して圧縮機 101に吸入される前の冷媒の温度を検出する吸入温度センサであり、いわゆる過熱度を検出する。他方の温度センサ 112は、圧縮機 101から吐出され放熱器 102に流入する前の冷媒の温度を検出する吐出温度センサである。さらに、バイパス回路 113の第 1の流量制御弁 105および絞り装置 114の開度、ならびにインジヱクシヨン回路 109の第 2の流量制御弁 108の開度を制御する制御器 107が設けられる。制御器 107には、 2つの温度センサ 111, 112から冷媒の温度を特定可能な信号が入力される。制御器 107は、温度センサ 111, 112から与えられた信号に基づいて、第 1の流量制御弁 105、絞り装置 114および第 2の流量制御弁 108の開度を制御する。これにより、冷凍サイクル装置 100Aの効率を最適化することが可能となる。

[0024] 以上のように構成された冷凍サイクル装置 100Aの作用と効果について、図 4のモリエル線図を用いて説明する。

[0025] 図 4のモリエル線図において、主回路 117を流れる冷媒の変化は A→B→C→D→ E→F→Aで示される。バイノス回路 113を流れる冷媒は、主回路 117の放熱器 102 と膨張機 103との間の部分に相当する E点にて分岐され、第 1の流量制御弁 105で G点まで減圧されたのち、気液分離器 110でガス冷媒と液冷媒に分離される。液冷媒は、飽和液線上の H点の状態にあり、絞り装置 114にて I点まで減圧され、膨張機 103から吐出された F点の冷媒と合流する。したがって、膨張機 103から吐出された冷媒と、バイパス回路 113からの液冷媒との合流後の比ェンタルピ ίお点で表される。他方、気液分離器 110で液冷媒から分離されたガス冷媒は、圧縮機 101に流入して Β点の冷媒、すなわち、圧縮中の冷媒と合流する。圧縮機 101で圧縮中の冷媒と、ィンジェクシヨン回路 109からのガス冷媒との合流後の比ェンタルピは C点で表される。

[0026] 放熱器 102を流れる冷媒循環量は、蒸発器 104を流れる冷媒循環量 Geと、バイパス回路 106を流れる冷媒循環量 Giの総和であるから、（Ge + Gi)となり、放熱器での熱交換量が増加する。このようにして、「密度比 =一定」の制約を回避しつつ、冷凍サイクル装置 100Aの性能を向上させることができる。

[0027] バイパス回路 113を流れる冷媒循環量を大きくすると、圧縮機 101の吸入密度は大きくなるように冷凍サイクルがバランスする。すなわち、圧縮機 101の吸入過熱度を小さくしたい場合は、バイノス回路 113に設けた第 1の流量制御弁 105の開度を大きくすればよい。

[0028] また、インジェクション回路 109に設けた第 2の流量制御弁 108の開度を大きくして、インジェクション回路 109を流れる冷媒循環量を大きくすると、 C点の比ェンタルピはより小さくなるので、圧縮機 101の吐出温度 (D点）を小さくするように制御することができる。

[0029] すなわち、インジェクション回路 109を流れる冷媒循環量を大きくすると、圧縮機 10 1の吐出温度が小さくなるように冷凍サイクルがバランスする。反対に、圧縮機 101の吐出温度を大きくしたい場合は、インジェクション回路 109に設けた第 2の流量制御弁 108の開度を小さくすればよい。

[0030] 制御器 107による第 1の流量制御弁 105および第 2の流量制御弁 108の制御手順を、図 5のフローチャートを用いて説明する。運転が開始されると、ステップ 301で、吸入温度センサ 111によって検出された実際の過熱度 T1と目標過熱度 TH 1との差が、士 tの誤差範囲内（不感帯）に収まっているかどうかを判断する。誤差 tは、例えば

1 1 目標過熱度 TH1の 5%程度に設定することができる。

[0031] 実際の過熱度 T1と目標過熱度 TH1との差 (絶対値)が誤差 tよりも大きいと判断し

1

た場合には、ステップ 302に移り、実際の過熱度 T1が目標過熱度 TH1よりも大きい力どうかを判断する。実際の過熱度 T1が目標過熱度 TH1よりも大きい場合には、ステツプ 303に移り、第 1の流量制御弁 105の開度を拡大する制御を行う。第 1の流量制御弁 105の開度を拡大すれば、バイパス回路 113を流れる冷媒流量が増加するので、過熱度 T1が小さくなるように冷凍サイクルがバランスする。

[0032] 一方、ステップ 302において、実際の過熱度 T1が目標過熱度 TH1よりも小さいと判断した場合は、ステップ 304に移り、第 1の流量制御弁 105の開度を縮小する制御を行う。このことにより、過熱度 T1が大きくなるように冷凍サイクルがバランスするので、過熱度が目標の値に近づくように制御することができる。

[0033] 次に、ステップ 305では、吐出温度センサ 112によって検出された実際の吐出温度 T2と目標吐出温度 TH2との差力士 tの誤差範囲内（不感帯）に収まっているかどう

2

かを判断する。誤差 tは、例えば目標吐出温度 TH2の 5%程度に設定することがで

2

きる。実際の吐出温度 T2と目標吐出温度 TH2との差力士 tの誤差範囲内に収ま

2

つていると判断した場合には、制御を終了する。

[0034] 一方、ステップ 305において、実際の吐出温度 T2と目標吐出温度 TH2との差 (絶対値)が誤差 tよりも大きいと判断した場合には、ステップ 306に移り、実際の吐出温

2

度 T2が目標吐出温度 TH2よりも大きいかどうかを判断する。実際の吐出温度 T2が目標吐出温度 TH2よりも大きい場合には、ステップ 307に移り、第 2の流量制御弁 1 08の開度を拡大する制御を行う。第 2の流量制御弁 108の開度を大きくすれば、インジェクシヨン回路 109を流れる冷媒流量が大きくなるので、吐出温度 T2が小さくなるように冷凍サイクルがバランスする。図 4のモリエル線図によれば、 C点の比ェンタルピが小さくなり、圧縮機 101の吐出温度 T2 (D点の温度）が小さくなる。

[0035] ステップ 306において、実際の吐出温度 T2が目標吐出温度 TH2よりも小さいと判断した場合は、ステップ 308に移り、第 2の流量制御弁 108の開度を縮小する制御を行う。このことにより、吐出温度 T2が大きくなるように冷凍サイクルがバランスするので、吐出温度が目標の値に近づくように制御することができる。図 4のモリエル線図によれば、 C点の比ェンタルビが大きくなり、圧縮機 101の吐出温度 T2 (D点の温度）が大きくなる。第 2の流量制御弁 108の開度を変更した場合には、ステップ 301に戻る。図 5のフローチャートで表される制御を繰り返し実行すること、言い換えれば、必要に応じて定期的に実行することにより、過熱度および吐出温度を常に最適に保つことができる。

[0036] 以上のように、第 1の流量制御弁 105および第 2の流量制御弁 108の開度を調整し、過熱度および吐出温度を最適に制御することで、「密度比 =一定」の制約を回避しつつ、システム性能を高く保つことができる。

[0037] 以上は、過熱度および圧縮機 101の吐出温度を用いて第 1および第 2の流量制御弁 105, 108の開度を調整する場合について説明した。過熱度と圧縮機 101の吐出温度の組み合わせのほか、過熱度、圧縮機 101の吐出温度、冷凍サイクルの高圧、蒸発器温度、および圧縮機 101の回転数からなる群より選択した一または複数のパラメータによって、第 1および第 2の流量制御弁 105, 108の開度を制御することも可能である。

[0038] (第 2実施形態）

第 1実施形態においては、圧縮機 101にインジェクション回路 109を直接接続する場合について説明した。これに対し、第 2実施形態の冷凍サイクル装置は、複数台の圧縮機を備えている点で第 1実施形態と相違する。ただし、ノィパス回路およびインジヱクシヨン回路によってもたらされる有意な効果は、第 2実施形態と第 1実施形態とで共通である。

[0039] 図 6に示すように、第 2実施形態の冷凍サイクル装置 100Bは、低圧側圧縮機 101 Aと、低圧側圧縮機 101Aに主配管 116を介して直列に接続された高圧側圧縮機 1 01Bとを備えている。すなわち、冷媒を圧縮する圧縮機として、低圧側圧縮機 101A と高圧側圧縮機 101Bとを含む多段圧縮式の圧縮機を採用している。この場合において、インジェクション回路 109が接続される圧縮機 101A, 101Bの中間圧部は、低圧側圧縮機 101Aと高圧側圧縮機 101Bとの接続部としての主配管 116でありうる。本実施形態によれば、インジェクション回路 109と圧縮機 101A, 101Bとの接続を、インジェクション配管 119と主配管 116との接続によって実現できるので、設計および組立が容易である。もちろん、インジヱクシヨン配管 119と主配管 116との間に、継ぎ手のような中継部品が介在していてもよい。

[0040] 膨張機 103と一軸に連結される圧縮機は、低圧側圧縮機 101Aであってもよいし、高圧側圧縮機 101Bであってもよい。各圧縮機 101A, 101Bの型式は特に限定されず、スクロール式、ロータリ式、レシプロ式等の容積式の圧縮機を好適に採用できる。さらに、膨張機 103と一軸に連結されない側の圧縮機の型式は、遠心式であってもよい。

[0041] (第 3実施形態）

図 7に示すのは、第 3実施形態に力かる冷凍サイクル装置の構成図である。図 7に示す冷凍サイクル装置 100Cは、インジヱクシヨン回路 109'が、第 2の流量制御弁 10 8よりも下流側に設けられた開閉装置 123をさらに含んでいるという点で、第 1実施形態と相違する。その他の点は、図中の同一符号で示されるように、基本的に共通である。

[0042] インジェクション回路 109'における開閉装置 123は、冷媒 (ガス冷媒）の通過を許容する開状態と、冷媒の通過を禁止する閉状態とを切り替え可能であって、例えば、制御器 107によって制御される電磁弁でありうる。つまり、本実施形態によれば、圧縮機 101の中間圧部にガス冷媒をインジヱクシヨンするタイミングをも制御することが可能になっている。例えば、圧縮機 101の回転動作に同期するように開閉装置 123の開閉制御を行うことにより、より適切なタイミングで圧縮機 101内の圧縮室 28にガス冷媒をインジェクションすることが可能となる。なお、第 2の流量制御弁 108を省略して、このような開閉装置 123のみを設けてもよい。また、開閉装置 123は、圧縮機 101のシェル内に配置されて、てもよ、。

[0043] (第 4実施形態）

図 8に示すのは、第 4実施形態に力かる冷凍サイクル装置の構成図である。図 8に示す冷凍サイクル装置 100Dは、気液分離器 110でガス冷媒から分離された液冷媒を膨張機 103に吸入させるための液冷媒戻し回路 125を、第 1実施形態の冷凍サイクル装置に追カ卩したものである。

[0044] 液冷媒戻し回路 125は、主配管 116やバイパス配管 115と同様の配管によって構成されうる。液冷媒戻し回路 125の一端は、バイパス回路 113における気液分離器 1 10の液側出口部と絞り装置 114との間の部分に接続されている。液冷媒戻し回路 1 25の他端は、ノィパス回路 113への分岐位置よりも下流側における膨張機 103の吸入管路 (主配管 116の一部に相当する）に接続されている。ただし、液冷媒戻し回路 125の一端は、気液分離器 110の液側出口部に接続されていてもよぐ他端は、膨張機 103の入口（または入口近傍）に接続されていてもよい。

[0045] 絞り装置 114の開度を制限することにより、気液分離器 110でガス冷媒力分離された液冷媒の一部を液冷媒戻し回路 125に供給することができる。液冷媒戻し回路 125を流通した後、液冷媒は、膨張機 103に吸入されることとなる。つまり、膨張機 10 3の冷媒流量を増やすことができるので動力回収量が増大し、一層の効率向上を期待できる。もちろん、インジェクション回路 109の働きにより、密度比一定の制約も回避できる。

[0046] なお、絞り装置 114を全閉とし、気液分離器 110でガス冷媒から分離された液冷媒の全量を液冷媒戻し回路 125に供給することもできる。場合によっては、絞り装置 11 4および絞り装置 114よりも下流側のノィパス配管 115は省略してもよい。さらには、液冷媒戻し回路 125が流量制御弁を含んでいてもよい（図示省略)。

[0047] (第 5実施形態）

図 9に示すのは、第 5実施形態に力かる冷凍サイクル装置の構成図である。この冷凍サイクル装置 100Eは、主回路 117と、ノィパス回路 106とを備えている。主回路 1 17の構成は、他の実施形態と共通であり、バイパス回路 106の構成が他の実施形態と相違する。

[0048] 図 9に示すように、バイパス回路 106は、膨張機 103の吸入管路と圧縮機 101の中間圧部とを第 1の流量制御弁 105を介して接続し、放熱器 102を通過した冷媒のー部を圧縮機 101の中間圧部に導入するための回路である。先に説明したように、圧縮機 101の中間圧部として、圧縮機 101のインジエタション孔 120 (図 2参照）を用いることがでさる。

[0049] 図 10のモリエル線図に示すように、主回路 117を流れる冷媒の変化は A→B→C →D→E→F→Aで示される。バイパス回路 106を流れる冷媒は、主回路 117の放熱器 102と膨張機 103との間の部分に相当する E点にて分岐され、第 1の流量制御弁 1 05で G点まで減圧されたのち、 C点で表される圧縮機 101の中間圧部に流入する。放熱器 102を流れる冷媒循環量は、蒸発器 104を流れる冷媒循環量 Geと、バイパス回路 106を流れる冷媒循環量 Giの総和であるから、（Ge + Gi)となり、放熱器 102での熱交換量が増加する。このようにして、「密度比 =一定」の制約を回避しつつ、冷凍サイクル装置 100Eの性能を向上させることができる。

[0050] ここで、圧縮機 101を通る冷媒の体積循環量を VC、圧縮機 101の入口における冷媒密度を DC、膨張機 103を通る冷媒の体積循環量を VE、膨張機 103の入口における冷媒密度を DE、バイパス回路 113に流れる冷媒の全体に対する重量循環量比を hとおくと、膨張機 103を流れる冷媒の重量循環量比は（1—h)で示されることから下記（1) (2)式が成立する。ただし、圧縮機 101の重量循環量比を近似的に「1」とする。

VC X DC :VE X DE= 1 : (1 -h) · · · (1)

VE X DE= (l -h) X VC X DC …（2)

[0051] この関係により、バイパス回路 106を流れる冷媒循環量を大きくすると、圧縮機 101 の入口における冷媒密度 DCが大きくなるように冷凍サイクルがバランスする。すなわち、圧縮機 101の吸入過熱度を小さくしたい場合は、ノィパス回路 106に設けた第 1 の流量制御弁 105の開度を大きくすればよい。

[0052] 制御器 107による第 1の流量制御弁 105の制御手順を、図 11のフローチャートを用いて説明する。運転が開始されると、ステップ 201で、吸入温度センサ 111によつて検出された実際の過熱度 T1と目標過熱度 TH1との差が、士 tの誤差範囲内（不

1

感帯）に収まっているかどうかを判断する。誤差 tは、例えば目標過熱度 TH1の 5%

1

程度に設定することができる。実際の過熱度 T1と目標過熱度 TH1との差が、士 tの

1 誤差範囲内に収まっていると判断した場合には、制御を終了する。

[0053] 一方、実際の過熱度 T1と目標過熱度 TH1との差 (絶対値)が誤差 tよりも大きいと判断した場合には、ステップ 202に移り、実際の過熱度 T1が目標過熱度 TH1よりも大きいかどうかを判断する。実際の過熱度 T1が目標過熱度 TH1よりも大きい場合には、ステップ 203に移り、第 1の流量制御弁 105の開度を拡大する制御を行う。第 1の流量制御弁 105の開度を拡大すれば、バイパス回路 106を流れる冷媒流量が増加するので、過熱度 T1が小さくなるように冷凍サイクルがバランスする。また、ステップ 2 02において、実際の過熱度 T1が目標過熱度 TH1よりも小さいと判断した場合には、ステップ 204に移り、第 1の流量制御弁 105の開度を縮小する制御を行う。このことにより、過熱度 T1が大きくなるように冷凍サイクルがバランスするので、過熱度が目標の値に近づくように制御することができる。

[0054] 以上のように、第 1の流量制御弁 105の開度を調整し、過熱度を最適に制御することで、「密度比 =一定」の制約を回避しつつ、システム性能を高く保つことができる。

[0055] また、以上は、過熱度を制御することにより、第 1の流量制御弁 105を制御する場合について説明した。同様にして、圧縮機 101の吐出温度センサ 112 (図 1参照）を用いて、圧縮機 101の吐出温度を最適化するべぐ第 1の流量制御弁 105の開度を制御することも可能である。また、第 3実施形態で説明したような開閉装置 123 (図 7参照）をバイパス回路 106が含んで、てもよ、。

[0056] 以上に説明したいくつかの実施形態では、圧縮機と膨張機とが連結された流体機械を含む冷凍サイクル装置にっ、て説明した力互いに連結されて、な、圧縮機と膨張機とを含む分離型システムにも本発明を適用できることを断っておく。分離型システムにおいては、膨張機で回収した動力を発電機で電力に変換し、電源ラインに回生することにより、圧縮機を駆動するためのモータの消費電力を低減することができる。当該システムにおいては、圧縮機と膨張機の回転数を個別かつ自由に変更できるので、本質的には、密度比一定の制約が存在しない。

[0057] し力しながら、モータや発電機の効率は回転数によって変化するので、モータや発電機の効率を無視すると、システムの効率が却って低下する可能性がある。したがつて、分離型システムにおいても、本明細書で説明したバイパス回路およびインジエタシヨン回路を設け、これを利用することにより、モータや発電機の高効率駆動を維持しつつ密度比一定の制約を回避することが可能となり、ひいてはシステムの効率をより高めることが可能になる。

産業上の利用可能性

本発明にカゝかる冷凍サイクル装置は、給湯器や空調機に限らず、食器乾燥用や生ゴミ処理用などの他の電ィ匕製品にも利用することができる。

Claims

請求の範囲

[1] 冷媒を圧縮する圧縮機と、

前記圧縮機で圧縮された冷媒を冷却する放熱器と、

前記放熱器で冷却された冷媒を膨張させるとともに、膨張する冷媒力動力を回収する膨張機と、

前記膨張機で膨張した冷媒を加熱して前記圧縮機に向けて供給する蒸発器と、流量制御弁と、前記流量制御弁よりも下流側に設けられ、前記流量制御弁を通過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を含み、前記放熱器を通過した冷媒の一部が前記膨張機をバイパスして前記流量制御弁に導かれ、前記気液分離器で分離された液冷媒が前記膨張機の吐出管路に戻るように、前記膨張機の吸入管路に一端が接続され、前記膨張機の吐出管路に他端が接続されているバイパス回路と、

前記気液分離器のガス側出口部に一端が接続され、他端が前記圧縮機の中間圧部に接続されたインジェクション回路と、

を備えた、冷凍サイクル装置。

[2] 前記圧縮機と前記膨張機とが、前記圧縮機を駆動するモータに対して一軸に連結されている、請求項 1に記載の冷凍サイクル装置。

[3] 前記圧縮機の前記中間圧部が、前記圧縮機内の圧縮室に面した部分であり、前記気液分離器の前記ガス側出口部から流出したガス冷媒が、前記インジクション回路を流通して前記圧縮室にインジェクションされ、圧縮中の冷媒に混合される、請求項 1に記載の冷凍サイクル装置。

[4] 前記圧縮機が、低圧側圧縮機と高圧側圧縮機とを含む多段圧縮式の圧縮機であり前記圧縮機の前記中間圧部が、前記低圧側圧縮機と前記高圧側圧縮機との接続部である、請求項 1に記載の冷凍サイクル装置。

[5] 前記インジェクション回路が第 2の流量制御弁を含む、請求項 1に記載の冷凍サイクル装置。

[6] 前記バイパス回路が、前記気液分離器よりも下流側に設けられた絞り装置をさらに含む、請求項 1に記載の冷凍サイクル装置。

[7] 前記蒸発器力流出し前記圧縮機に吸入される前の冷媒の温度を検出する吸入温度センサと、

前記吸入温度センサの検出結果に応じて前記流量制御弁の開度を制御する制御器とをさらに備えた、請求項 1に記載の冷凍サイクル装置。

[8] 前記圧縮機力吐出され前記放熱器に流入する前の冷媒の温度を検出する吐出温度センサと、

前記吐出温度センサの検出結果に応じて前記第 2の流量制御弁の開度を制御する制御器とをさらに備えた、請求項 5に記載の冷凍サイクル装置。

[9] 冷媒を圧縮する圧縮機と、

前記圧縮機で圧縮された冷媒を冷却する放熱器と、

前記膨張機で膨張した冷媒を加熱して前記圧縮機に向けて供給する蒸発器と、流量制御弁を含み、前記放熱器を通過した冷媒の一部が前記膨張機をバイパスして前記流量制御弁に導かれるように、前記膨張機の吸入管路に一端が接続され、他端が前記圧縮機の中間圧部に接続されたバイパス回路と、

前記蒸発器力流出し前記圧縮機に吸入される前の冷媒の温度を検出する吸入温度センサと、

前記吸入温度センサの検出結果に応じて前記流量制御弁の開度を制御する制御器と、

を備えた、冷凍サイクル装置。