WO2009090860A1 - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

　蓄熱タンク（16）内の熱媒水を加熱するための熱源ユニット（15）では、低段側圧縮機（52）と、高段側圧縮機（62）と、動力回収用の膨張機（65）とが冷媒回路（30）に設けられる。低段側圧縮機（52）は、その駆動軸（53）に連結された電動機（54）によって回転駆動される。高段側圧縮機（62）は、その駆動軸（63）に連結された電動機（64）及び膨張機（65）によって回転駆動される。コントローラ（90）の高段側制御部は、出口水温センサ（77）の計測値が目標温度となるように、高段側圧縮機（62）の回転速度を調節する。また、コントローラ（90）の低段側制御部は、吐出圧力センサ（74）の計測値が目標高圧となるように、低段側圧縮機（52）の回転速度を調節する。

Description

冷凍装置

　本発明は、動力回収用の膨張機が接続された冷媒回路を備える冷凍装置の性能向上策に関するものである。

　従来より、低段側圧縮機と高段側圧縮機とが接続された冷媒回路を備え、その冷媒回路で冷媒を循環させて二段圧縮冷凍サイクルを行う冷凍装置が知られている。また、特許文献１の図４には、二段圧縮冷凍サイクルを行う冷凍装置であって、高圧冷媒からの動力回収を行う膨張機を冷媒回路に接続したものが開示されている。

　具体的に、特許文献１の図４に開示された冷凍装置では、膨張機が高段側圧縮機の駆動軸に連結されており、膨張機で高圧冷媒が膨張することで得られた動力によって高段側圧縮機が駆動される。また、この冷凍装置において、低段側圧縮機は、膨張機とは別の原動機によって駆動される。この冷凍装置の冷媒回路では、低段側圧縮機で圧縮された冷媒が高段側圧縮機で更に圧縮された後にガスクーラへ送られ、ガスクーラで放熱した冷媒が膨張機と膨張弁を順に通過する際に膨張して蒸発器へ送られる。

　ところで、特許文献１に開示された冷凍装置のように膨張機が高段側圧縮機の駆動軸に連結されている場合は、膨張機の回転速度と高段側圧縮機の回転速度が同じになる。つまり、単位時間当たりに高段側圧縮機が吸入する冷媒の体積と、単位時間当たりに膨張機へ流入する冷媒の体積との比は、常に一定の値となる。このため、冷凍サイクルの高圧や低圧を所望の値に設定しようとすると、単位時間当たりに膨張機へ流入できる冷媒の質量が、単位時間当たりに高段側圧縮機が吸入できる冷媒の質量に比べて小さくなる場合が生じうる。

　そこで、特許文献１の図４に開示された冷凍装置では、冷媒が膨張機をバイパスして流れるバイパス回路を冷媒回路に設けている。そして、単位時間当たりに膨張機へ流入できる冷媒の質量が、単位時間当たりに高段側圧縮機が吸入できる冷媒の質量に比べて小さくなるような運転状態では、膨張機だけでなくバイパス回路にも冷媒を流入させるようにしている。
特開２０００－２３４８１４号公報

　特許文献１に開示された冷凍装置のように冷媒回路にバイパス回路を設ければ、高圧冷媒を膨張機とバイパス回路の両方へ流入させることによって、冷凍装置の運転状態を、膨張機における冷媒の質量流量が圧縮機における冷媒の質量流量に比べて少なくなるような条件に設定することができる。そして、その結果、冷凍装置の運転状態を多様な運転条件に応じて適切に設定することが可能となる。

　ところが、特許文献１に開示された冷凍装置のように高圧冷媒を膨張機とバイパス回路の両方へ流入させると、バイパス回路へ流入する冷媒の分だけ膨張機へ流入する冷媒の量が減少してしまう。このため、膨張機での高圧冷媒の膨張によって得られる動力が減少し、冷凍装置の効率が低下してしまう。

　本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、冷凍装置の効率を高く保ちつつ、冷凍装置の運転状態を多様な運転条件に応じて適切に設定可能とすることにある。

　第１の発明は、それぞれが回転駆動されて冷媒を圧縮する低段側圧縮機（52）及び高段側圧縮機（62）と、上記高段側圧縮機（62）の駆動軸（63）に連結されて高圧冷媒の膨張により生じた動力で該高段側圧縮機（62）を駆動する膨張機（65）と、上記膨張機（65）から流出した中間圧冷媒を液冷媒とガス冷媒に分離してガス冷媒を上記高段側圧縮機（62）の吸入側へ供給する気液分離器（45）と、上記気液分離器（45）から流出した液冷媒を膨張させる低段側膨張機構（49）と、利用側熱交換器（40）と、熱源側熱交換器（44）とが接続された冷媒回路（30）を備え、上記冷媒回路（30）で冷媒を循環させて二段圧縮冷凍サイクルを行う冷凍装置を対象とする。そして、上記利用側熱交換器（40）で得られる加熱能力又は冷却能力が所定の目標能力となるように上記高段側圧縮機（62）の回転速度を調節する第１制御動作と、上記冷媒回路（30）で行われる冷凍サイクルの高圧が所定の目標高圧となるように上記低段側圧縮機（52）の回転速度を調節する第２制御動作とを行うように構成された制御手段（90）を備えるものである。

　第１の発明では、冷媒回路（30）において二段圧縮冷凍サイクルが行われる。具体的に、低段側圧縮機（52）から吐出された中間圧冷媒は、気液分離器（45）から送られた中間圧のガス冷媒と合流した後に高段側圧縮機（62）へ吸入されて圧縮される。高段側圧縮機（62）から吐出された高圧冷媒は、利用側熱交換器（40）と熱源側熱交換器（44）のうち放熱器として動作する方へ送られて放熱する。放熱した高圧冷媒は、膨張機（65）を通過する際に膨張して中間圧の気液二相冷媒となり、その後に気液分離器（45）へ流入して液冷媒とガス冷媒に分離される。膨張機（65）では高圧冷媒が膨張することによって動力が発生し、その動力が高段側圧縮機（62）を駆動するために利用される。気液分離器（45）から流出した中間圧の液冷媒は、低段側膨張機構（49）を通過する際に膨張して低圧冷媒となり、利用側熱交換器（40）と熱源側熱交換器（44）のうち蒸発器として動作する方へ送られる。その後、低圧冷媒は、吸熱して蒸発した後に低段側圧縮機（52）へ吸入されて圧縮される。

　第１の発明では、高段側圧縮機（62）の駆動軸（63）に膨張機（65）が連結されている。このため、高段側圧縮機（62）の回転速度は、膨張機（65）の回転速度と常に等しくなる。一方、この発明において、低段側圧縮機（52）の駆動軸（53）に膨張機（65）は連結されていない。このため、低段側圧縮機（52）では、その回転速度を膨張機（65）の回転速度と異なる値に設定することが可能となる。

　ここで、利用側熱交換器（40）を通過する冷媒の質量流量の増減すると、放熱器として動作する利用側熱交換器（40）で得られる加熱能力、又は蒸発器として動作する利用側熱交換器（40）で得られる冷却能力がそれに伴って増減する。一方、利用側熱交換器（40）を通過する冷媒の質量流量が変化すると、それに伴って膨張機（65）を通過する冷媒の質量流量も変化する。

　そこで、第１の発明の制御手段（90）は、第１制御動作を行う。この第１制御動作において、制御手段（90）は、利用側熱交換器（40）で得られる加熱能力又は冷却能力が所定の目標能力となるように、高段側圧縮機（62）の回転速度を調節する。上述したように、膨張機（65）の回転速度は、高段側圧縮機（62）の回転速度と常に一致する。また、膨張機（65）へ流入する冷媒の密度が同じ場合で比較すると、膨張機（65）を通過する冷媒の質量流量は、膨張機（65）の回転速度が高いほど多くなる。そして、制御手段（90）が高段側圧縮機（62）の回転速度を調節すると、それに伴って高段側圧縮機（62）や膨張機（65）を通過する冷媒の質量流量が変化し、利用側熱交換器（40）を通過する冷媒の質量流量が、利用側熱交換器（40）で目標能力が得られるような値となる。

　このように、高段側圧縮機（62）及び膨張機（65）の回転速度は、制御手段（90）が第１制御動作を行うことによって、利用側熱交換器（40）で得られる加熱能力又は冷却能力が目標能力となるような値に設定される。一方、高段側圧縮機（62）や膨張機（65）を通過する冷媒の質量流量は、それらの回転速度と、それらへ流入する冷媒の密度とによって決まる。また、第１の発明の冷媒回路（30）において、高段側圧縮機（62）を通過する冷媒の質量流量は、膨張機（65）を通過する冷媒の質量流量と等しくなる。このため、冷凍サイクルの高圧を目標高圧に設定するためには、高段側圧縮機（62）を通過する冷媒の質量流量を、膨張機（65）へ流入する冷媒の圧力が目標高圧である場合に膨張機（65）を通過する冷媒の質量流量と一致させる必要がある。

　そこで、第１の発明の制御手段（90）は、第２制御動作を行う。この第２制御動作において、制御手段（90）は、冷媒回路（30）で行われる冷凍サイクルの高圧が所定の目標高圧となるように低段側圧縮機（52）の回転速度を調節する。低段側圧縮機（52）の回転速度が変化すると、低段側圧縮機（52）から吐出される冷媒の圧力が変化し、それに伴って高段側圧縮機（62）へ吸入される冷媒の密度が変化する。つまり、低段側圧縮機（52）から吐出される冷媒の圧力が高くなるほど高段側圧縮機（62）へ吸入される冷媒の密度が大きくなり、低段側圧縮機（52）から吐出される冷媒の圧力が低くなるほど高段側圧縮機（62）へ吸入される冷媒の密度が小さくなる。このため、制御手段（90）が第２制御動作を行って低段側圧縮機（52）の回転速度を調節すると、高段側圧縮機（62）を通過する冷媒の質量流量が、冷凍サイクルの高圧が目標高圧である場合に膨張機（65）を通過する冷媒の質量流量と一致し、実際に冷媒回路（30）で行われる冷凍サイクルの高圧が目標高圧となる。

　第２の発明は、上記第１の発明において、上記利用側熱交換器（40）が放熱器となって上記熱源側熱交換器（44）が蒸発器となる加熱運転を行う一方、上記制御手段（90）は、上記加熱運転中の第１制御動作として、上記利用側熱交換器（40）で得られる加熱能力を示す物理量として該利用側熱交換器（40）を通過した被加熱流体の温度を用い、該利用側熱交換器（40）を通過した被加熱流体の温度が所定の目標温度となるように上記高段側圧縮機（62）の回転速度を調節する動作を行うように構成されるものである。

　第２の発明では、冷凍装置（15）が加熱運転を実行可能となっている。加熱運転中の利用側熱交換器（40）では、被加熱流体が冷媒と熱交換して加熱される。利用側熱交換器（40）を通過した被加熱流体（即ち、利用側熱交換器（40）で冷媒によって加熱された被加熱流体）の温度は、利用側熱交換器（40）で得られる加熱能力に応じて変化する。そこで、加熱運転中の第１制御動作において、制御手段（90）は、利用側熱交換器（40）を通過した被加熱流体の温度を、利用側熱交換器（40）で得られる加熱能力を示す物理量として用いる。そして、制御手段（90）は、利用側熱交換器（40）を通過した被加熱流体の温度が目標温度になった状態では利用側熱交換器（40）で得られる加熱能力が目標能力になっていると判断できることを利用し、利用側熱交換器（40）を通過した被加熱流体の温度が目標温度となるように高段側圧縮機（62）の回転速度を調節する。

　第３の発明は、上記第１の発明において、上記利用側熱交換器（40）が放熱器となって上記熱源側熱交換器（44）が蒸発器となる加熱運転を行う一方、上記制御手段（90）は、上記加熱運転中において、上記利用側熱交換器（40）から流出した冷媒の温度と、該利用側熱交換器（40）へ流入する被加熱流体の温度とに基づいて上記目標高圧を設定するように構成されるものである。

　第３の発明では、冷凍装置（15）が加熱運転を実行可能となっている。加熱運転中の利用側熱交換器（40）では、被加熱流体が冷媒と熱交換して加熱される。この加熱運転中において、制御手段（90）は、利用側熱交換器（40）から流出した冷媒（即ち、利用側熱交換器（40）で被加熱流体に対して放熱した冷媒）の温度と、利用側熱交換器（40）へ流入する被加熱流体（即ち、利用側熱交換器（40）で加熱される前の被加熱流体）の温度とに基づいて、目標高圧を設定する。そして、制御手段（90）は、この設定した目標高圧を用いて第２制御動作を行う。

　第４の発明は、上記第１の発明において、上記冷媒回路（30）には、開度可変の膨張弁（49）が上記低段側膨張機構として設けられる一方、上記制御手段（90）は、上記低段側圧縮機（52）へ吸入される冷媒の過熱度が所定の目標過熱度となるように上記膨張弁（49）の開度を調節する第３制御動作を行うように構成されるものである。

　第４の発明では、開度可変の膨張弁（49）が上記低段側膨張機構として冷媒回路（30）に設けられる。この発明の冷媒回路（30）において、気液分離器（45）から流出した中間圧の液冷媒は、低段側膨張機構である膨張弁（49）を通過する際に膨張して低圧冷媒となる。この発明の制御手段（90）は、第１制御動作と第２制御動作に加えて第３制御動作を行う。第３制御動作において、制御手段（90）は、低段側圧縮機（52）へ吸入される冷媒の過熱度が所定の目標過熱度となるように膨張弁（49）の開度を調節する。膨張弁（49）の開度が変化すると、膨張弁（49）を通過して利用側熱交換器（40）と熱源側熱交換器（44）のうち蒸発器として動作する方へ送られる冷媒の質量流量や圧力が変化し、蒸発器として動作する熱交換器で蒸発して低段側圧縮機（52）へ吸入される冷媒の過熱度が変化する。

　第５の発明は、上記第４の発明において、上記利用側熱交換器（40）が放熱器となって上記熱源側熱交換器（44）が蒸発器となる加熱運転を行う一方、上記制御手段（90）は、上記加熱運転中において、上記高段側圧縮機（62）から吐出された冷媒の温度に基づいて上記目標過熱度を設定するように構成されるものである。

　第５の発明では、冷凍装置（15）が加熱運転を実行可能となっている。加熱運転中の利用側熱交換器（40）では、被加熱流体が冷媒と熱交換して加熱される。この加熱運転中において、制御手段（90）は、高段側圧縮機（62）から吐出された冷媒の温度に基づいて目標過熱度を設定する。低段側圧縮機（52）へ吸入される冷媒の過熱度が変化すると、低段側圧縮機（52）から吐出される冷媒の温度が変化し、それに伴って高段側圧縮機（62）へ吸入される冷媒の温度も変化し、高段側圧縮機（62）から吐出される冷媒の温度が変化する。そこで、制御手段（90）は、高段側圧縮機（62）から吐出された冷媒の温度に基づいて目標過熱度を設定し、設定した目標過熱度を用いて第３制御動作を行う。

　第６の発明は、上記第１の発明において、上記利用側熱交換器（40）が放熱器となって上記熱源側熱交換器（44）が蒸発器となり、該利用側熱交換器（40）で水を冷媒と熱交換させて加熱する加熱運転を行うものである。

　第６の発明では、冷凍装置（15）が加熱運転を実行可能となっている。加熱運転中の利用側熱交換器（40）では、水が冷媒と熱交換して加熱される。即ち、加熱運転中の利用側熱交換器（40）では、温水が生成される。

　第７の発明は、上記第１の発明において、上記冷媒回路（30）には、上記気液分離器（45）から上記低段側膨張機構（49）へ送られる冷媒と、上記低段側圧縮機（52）へ吸入される冷媒とを熱交換させる内部熱交換器（80）が設けられるものである。

　第７の発明では、冷媒回路（30）に内部熱交換器（80）が設けられる。内部熱交換器（80）では、気液分離器（45）から上記低段側膨張機構（49）へ送られる冷媒と、上記低段側圧縮機（52）へ吸入される冷媒とが熱交換し、気液分離器（45）から流出した冷媒が冷却され、低段側圧縮機（52）へ吸入される冷媒が加熱される。

　本発明において、制御手段（90）は、利用側熱交換器（40）で得られる加熱能力又は冷却能力が所定の目標能力となるように高段側圧縮機（62）の回転速度（即ち、膨張機（65）の回転速度）を調節する第１制御動作と、冷媒回路（30）で行われる冷凍サイクルの高圧が所定の目標高圧となるように低段側圧縮機（52）の回転速度を調節する第２制御動作とを行う。

　このため、制御手段（90）が第１制御動作を行うことによって高段側圧縮機（62）及び膨張機（65）の回転速度が定められた状態であっても、制御手段（90）が第２制御動作を行うことにより、高段側圧縮機（62）へ吸入される冷媒の密度を変化させて高段側圧縮機（62）を通過する冷媒の質量流量を調節することができる。その結果、従来のように膨張機（65）をバイパスして一部の冷媒を流すためのバイパス通路を設けなくても、高段側圧縮機（62）へ吸入される冷媒の密度を調節することによって、高段側圧縮機（62）から吐出される冷媒の質量流量を、冷凍サイクルの高圧が目標高圧である場合に膨張機（65）から吐出される冷媒の質量流量と一致させることができる。

　従って、本発明によれば、高段側圧縮機（62）から吐出された冷媒の全量を膨張機（65）へ流入させて膨張機（65）で得られる動力を最大限に確保しつつ、冷媒回路（30）で行われる冷凍サイクルの運転状態を様々な運転条件に応じて適切に設定することが可能となる。

　上記第２の発明において、制御手段（90）は、加熱運転中の第１制御動作において、利用側熱交換器（40）を通過した被加熱流体の温度を、利用側熱交換器（40）で得られる加熱能力を示す物理量として用いている。このため、比較的容易に計測できる被加熱流体の温度を用いて加熱運転中の第１制御動作を行うことが可能となり、冷凍装置（15）の構成を簡素化することができる。

　上記第７の発明では、冷媒回路（30）に内部熱交換器（80）が設けられており、内部熱交換器（80）で気液分離器（45）から上記低段側膨張機構（49）へ送られる冷媒と上記低段側圧縮機（52）へ吸入される冷媒とが熱交換する。このため、利用側熱交換器（40）と熱源側熱交換器（44）のうち蒸発器として動作する方へ低段側膨張機構（49）から送られる冷媒のエンタルピを引き下げることができ、蒸発器として動作する熱交換器における冷媒の吸熱量を増大させることができる。また、低段側圧縮機（52）へ吸入される冷媒の温度を引き上げることができ、利用側熱交換器（40）と熱源側熱交換器（44）のうち放熱器として動作する方へ高段側圧縮機（62）から供給される冷媒の温度を上昇させることができる。

図１は、実施形態の空調システムの概略構成を示す配管系統図である。 図２は、実施形態のコントローラの構成を示すブロック図である。 図３は、コントローラが行う第１制御動作を示すフロー図である。 図４は、コントローラが行う第２制御動作を示すフロー図である。 図５は、コントローラが行う第３制御動作を示すフロー図である。 図６は、実施形態の変形例１の空調システムの概略構成を示す配管系統図である。

符号の説明

　15　　熱源ユニット（冷凍装置）
　30　　冷媒回路
　40　　水熱交換器（利用側熱交換器）
　44　　室外熱交換器（熱源側熱交換器）
　45　　気液分離器
　49　　膨張弁（低段側膨張機構）
　52　　低段側圧縮機
　62　　高段側圧縮機
　65　　膨張機
　80　　内部熱交換器
　90　　コントローラ（制御手段）

　以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。本実施形態は、本発明の冷凍装置により構成された熱源ユニット（15）を備える空調システム（10）である。

　　　〈空調システムの全体構成〉
　図１に示すように、本実施形態の空調システム（10）は、熱源ユニット（15）と、蓄熱タンク（16）と、熱源側水回路（20）と、利用側水回路（24）とを備えている。なお、熱源ユニット（15）の詳細な構成については、後述する。

　蓄熱タンク（16）は、縦長に形成された密閉容器であって、その内部に熱媒水が充填されている。熱媒水の密度は水温が高くなるほど小さくなる。このため、蓄熱タンク（16）内の水温は、頂部に近い部分ほど高くなり、底部に近い部分ほど低くなる。なお、蓄熱タンク（16）に蓄えられる熱媒水は、純粋な水である必要はなく、凝固点を下げるためにエチレングリコール等が混入された不凍液であってもよい。

　熱源側水回路（20）は、熱源ユニット（15）と蓄熱タンク（16）の間で熱媒水を循環させるための閉回路である。具体的に、熱源側水回路（20）は、その始端が蓄熱タンク（16）の底部に接続され、その終端が蓄熱タンク（16）の頂部に接続されている。また、熱源側水回路（20）では、その始端から終端へ向かって順に、熱源側ポンプ（21）と熱源ユニット（15）とが接続されている。

　利用側水回路（24）は、暖房用ラジエータ（26）や床暖房用熱交換器（27）と蓄熱タンク（16）の間で熱媒水を循環させるための閉回路である。具体的に、利用側水回路（24）は、その始端が蓄熱タンク（16）の頂部に接続され、その終端が蓄熱タンク（16）の底部に接続されている。利用側水回路（24）には、暖房用ラジエータ（26）と、床暖房用熱交換器（27）と、利用側ポンプ（25）とが接続されている。利用側ポンプ（25）の吸入側は、蓄熱タンク（16）の頂部に接続されている。利用側ポンプ（25）の吐出側と蓄熱タンク（16）の底部との間には、暖房用ラジエータ（26）と床暖房用熱交換器（27）が並列に接続されている。

　暖房用ラジエータ（26）は、室内空間に設置されており、自然対流や輻射によって室内空気を加熱する。床暖房用熱交換器（27）は、居室の床に埋設されており、床面を介して室内空気を加熱する。

　　　〈熱源ユニットの構成〉
　熱源ユニット（15）は、冷媒回路（30）を備えている。冷媒回路（30）には、圧縮機ユニット（50）と、膨張・圧縮ユニット（60）と、利用側熱交換器である水熱交換器（40）と、気液分離器（45）と、低段側膨張機構である膨張弁（49）と、熱源側熱交換器である室外熱交換器（44）とが設けられている。また、冷媒回路（30）には、二酸化炭素（ＣＯ₂）が冷媒として充填されている。

　冷媒回路（30）では、圧縮機ユニット（50）の低段側圧縮機（52）と、膨張・圧縮ユニット（60）の高段側圧縮機（62）と、水熱交換器（40）と、膨張・圧縮ユニット（60）の膨張機（65）と、気液分離器（45）と、膨張弁（49）と、室外熱交換器（44）とが、冷媒の循環方向に沿って順に直列に接続されている。また、冷媒回路（30）では、室外熱交換器（44）と低段側圧縮機（52）を繋ぐ配管が吸入側配管（31）を、低段側圧縮機（52）と高段側圧縮機（62）を繋ぐ配管が中間配管（32）を、高段側圧縮機（62）と水熱交換器（40）を繋ぐ配管が吐出側配管（33）を、それぞれ構成している。

　圧縮機ユニット（50）は、縦長の密閉容器状に形成されたケーシング（51）を備えている。このケーシング（51）の内部には、低段側圧縮機（52）と電動機（54）とが収容されている。低段側圧縮機（52）は、いわゆるロータリ式の流体機械である。電動機（54）は、低段側圧縮機（52）の上方に配置され、低段側圧縮機（52）の駆動軸（53）に連結されている。低段側圧縮機（52）は、電動機（54）によって回転駆動される。

　膨張・圧縮ユニット（60）は、縦長の密閉容器状に形成されたケーシング（61）を備えている。このケーシング（61）の内部には、高段側圧縮機（62）と電動機（64）と膨張機（65）とが収容されている。低段側圧縮機（52）と膨張機（65）は、何れもいわゆるロータリ式の流体機械である。電動機（64）と膨張機（65）は、何れも高段側圧縮機（62）の駆動軸（63）に連結されている。また、電動機（64）は高段側圧縮機（62）の上方に配置され、膨張機（65）は電動機（64）の上方に配置されている。高段側圧縮機（62）は、電動機（64）と膨張機（65）によって回転駆動される。

　水熱交換器（40）は、いわゆるプレート式熱交換器である。水熱交換器（40）には、冷媒通路（41）と水通路（42）とが複数ずつ形成されている。各冷媒通路（41）は、冷媒回路（30）における高段側圧縮機（62）と膨張機（65）の間に接続される。各水通路（42）は、水配管（43）を介して熱源側水回路（20）における熱源側ポンプ（21）の下流側に接続される。また、水熱交換器（40）には、冷媒通路（41）における冷媒の流れ方向が、水通路（42）における熱媒水の流れ方向と逆向きとなるように、冷媒回路（30）及び熱源側水回路（20）が接続されている。水熱交換器（40）では、冷媒通路（41）を流れる冷媒と、水通路（42）を流れる熱媒水との間で熱交換が行われる。

　気液分離器（45）は、縦長の密閉容器状に形成されている。気液分離器（45）では、その頂部に入口管（46）とガス出口管（47）とが設けられ、その底部に液出口管（48）が設けられている。気液分離器（45）は、入口管（46）を通って流入した気液二相冷媒を液冷媒とガス冷媒に分離する。冷媒回路（30）において、気液分離器（45）の入口管（46）は膨張機（65）の流出側に接続され、その液出口管（48）は膨張弁（49）に接続されている。また、気液分離器（45）のガス出口管（47）は、インジェクション用配管（34）を介して中間配管（32）に接続されている。

　膨張弁（49）は、ニードル状の弁体と、弁体を駆動するためのパルスモータとを備えた電子膨張弁である。この膨張弁（49）は、その流入側が気液分離器（45）に接続され、その流出側が室外熱交換器（44）に接続されている。

　室外熱交換器（44）は、いわゆるフィン・アンド・チューブ型の空気熱交換器である。図示しないが、熱源ユニット（15）には、室外熱交換器（44）へ室外空気を送るための室外ファンが設けられている。室外熱交換器（44）は、室外ファンによって送られた室外空気と冷媒とを熱交換させる。

　冷媒回路（30）には、温度センサや圧力センサが設けられている。また、水配管（43）には、温度センサが設けられている。

　冷媒回路（30）の吐出側配管（33）には、第１冷媒温度センサ（71）と、吐出圧力センサ（74）とが設けられている。第１冷媒温度センサ（71）と吐出圧力センサ（74）は、何れも高段側圧縮機（62）の吐出側の近傍に配置されている。第１冷媒温度センサ（71）は、高段側圧縮機（62）から吐出された冷媒の温度を計測する。吐出圧力センサ（74）は、高段側圧縮機（62）から吐出された冷媒の圧力を計測する。

　冷媒回路（30）の水熱交換器（40）と膨張機（65）を繋ぐ配管には、第２冷媒温度センサ（72）が設けられている。第２冷媒温度センサ（72）は、水熱交換器（40）の冷媒通路（41）の出口側の近傍に配置されており、水熱交換器（40）の冷媒通路（41）から流出した冷媒の温度を計測する。

　冷媒回路（30）の吸入側配管（31）には、第３冷媒温度センサ（73）と、吸入圧力センサ（75）とが設けられている。第３冷媒温度センサ（73）と吸入圧力センサ（75）は、何れも低段側圧縮機（52）の吸入側の近傍に配置されている。第３冷媒温度センサ（73）は、低段側圧縮機（52）へ吸入される冷媒の温度を計測する。吸入圧力センサ（75）は、低段側圧縮機（52）へ吸入される冷媒の圧力を計測する。

　水配管（43）には、入口水温センサ（76）と、出口水温センサ（77）とが設けられている。入口水温センサ（76）は、水配管（43）のうち水熱交換器（40）の水通路（42）の流入側の近傍に配置されており、水熱交換器（40）へ流入する熱媒水の温度を計測する。出口水温センサ（77）は、水配管（43）のうち水熱交換器（40）の水通路（42）の流出側の近傍に配置されており、水熱交換器（40）から流出した熱媒水の温度を計測する。

　熱源ユニット（15）には、制御手段であるコントローラ（90）が設けられている。このコントローラ（90）は、上述した温度センサや圧力センサで得られた計測値を受信し、それに基づいて熱源ユニット（15）の運転を制御する。

　図２に示すように、コントローラ（90）は、高段側制御部（91）と、低段側制御部（92）と、膨張弁制御部（93）とを備えている。高段側制御部（91）は、高段側圧縮機（62）及び膨張機（65）の回転速度を調節する第１制御動作を行うように構成されている。この高段側制御部（91）は、膨張・圧縮ユニット（60）の電動機（64）へ入力される交流の周波数を変化させることによって、高段側圧縮機（62）及び膨張機（65）の回転速度を調節する。低段側制御部（92）は、低段側圧縮機（52）の回転速度を調節する第２制御動作を行うように構成されている。この低段側制御部（92）は、圧縮機ユニット（50）の電動機（54）へ入力される交流の周波数を変化させることによって、低段側圧縮機（52）の回転速度を調節する。膨張弁制御部（93）は、膨張弁（49）の開度を調節する第３制御動作を行うように構成されている。

　　－運転動作－
　空調システム（10）の運転動作を説明する。

　熱源ユニット（15）の冷媒回路（30）では、冷媒として充填された二酸化炭素が循環し、二段圧縮冷凍サイクルが行われる。また、この冷媒回路（30）で行われる冷凍サイクルでは、その高圧が二酸化炭素の臨界圧力よりも高い値に設定されている。

　冷媒回路（30）において、高段側圧縮機（62）から吐出された高圧冷媒は、吐出側配管（33）を通って水熱交換器（40）の冷媒通路（41）へ流入し、その水通路（42）を流れる熱媒水に対して放熱する。水熱交換器（40）で放熱した高圧冷媒は、膨張機（65）へ流入して膨張し、気液二相状態の中間圧冷媒となって気液分離器（45）へ流入する。膨張機（65）では高圧冷媒の内部エネルギが回転動力に変換され、膨張機（65）で得られた動力が高段側圧縮機（62）の駆動軸（63）に伝達される。

　気液分離器（45）では、流入した中間圧冷媒が液冷媒とガス冷媒に分離される。気液分離器（45）の液冷媒は、液出口管（48）を通って気液分離器（45）から流出し、膨張弁（49）を通過する際に更に膨張して低圧冷媒となる。この低圧冷媒は、室外熱交換器（44）へ流入し、室外空気から吸熱して蒸発する。その後、室外熱交換器（44）から流出した低圧冷媒は、低段側圧縮機（52）へ吸入される。

　低段側圧縮機（52）へ吸入された低圧冷媒は、圧縮されて中間圧冷媒となった後に中間配管（32）へ吐出される。低段側圧縮機（52）から中間配管（32）へ吐出された中間圧冷媒は、気液分離器（45）からインジェクション用配管（34）を通じて供給された中間圧のガス冷媒と合流し、そのガス冷媒と共に高段側圧縮機（62）へ吸入される。高段側圧縮機（62）へ吸入された冷媒は、圧縮されて高圧冷媒となった後に吐出側配管（33）へ吐出される。

　熱源ユニット（15）の冷媒回路（30）で冷凍サイクルが行われている間は、熱源側ポンプ（21）が運転されて熱源側水回路（20）内を熱媒水が循環する。具体的に、熱源側水回路（20）では、蓄熱タンク（16）の底部から比較的低温（例えば２５℃程度）の熱媒水が熱源側ポンプ（21）によって吸い出され、その後に水熱交換器（40）の水通路（42）へ送り込まれる。水熱交換器（40）の水通路（42）へ流入した熱媒水は、その冷媒通路（41）を流れる冷媒から吸熱し、例えば９０℃程度にまで加熱される。水熱交換器（40）で加熱された熱媒水は、蓄熱タンク（16）の頂部へ送り返される。そして、蓄熱タンク（16）の内部空間の殆どが比較的高温（例えば８０℃～９０℃程度）の熱媒水で占められる状態になると、熱源ユニット（15）や熱源側ポンプ（21）が停止する。

　運転中の空調システム（10）において、利用側ポンプ（25）は基本的に常に運転される。利用側ポンプ（25）の運転中には、利用側水回路（24）内を熱媒水が循環する。具体的に、利用側水回路（24）では、蓄熱タンク（16）の頂部から高温（例えば８０℃程度）の熱媒水が利用側ポンプ（25）によって吸い出される。この高温の熱媒水は、その一部が床暖房用熱交換器（27）へ送られ、残りが暖房用ラジエータ（26）へ送られる。床暖房用熱交換器（27）や暖房用ラジエータ（26）へ送られた熱媒水は、室内空気へ放熱してその温度が低下する。床暖房用熱交換器（27）や暖房用ラジエータ（26）で温度低下した熱媒水は、蓄熱タンク（16）の底部へ送り返される。

　　－コントローラの制御動作－
　コントローラ（90）の制御動作について説明する。上述したように、コントローラ（90）では、高段側制御部（91）が第１制御動作を行い、低段側制御部（92）が第２制御動作を行い、膨張弁制御部（93）が第３制御動作を行う。これら３つの制御動作は、互いに関連することなく個別に行われる。

　　　〈高段側制御部の第１制御動作〉
　高段側制御部（91）が行う第１制御動作について説明する。

　ここで、水熱交換器（40）の冷媒通路（41）を通過する冷媒の質量流量の増減すると、ガスクーラとして動作する水熱交換器（40）で得られる加熱能力がそれに伴って増減する。一方、冷媒回路（30）では、高段側圧縮機（62）と水熱交換器（40）と膨張機（65）とが直列に接続されているため、これら３つを通過する冷媒の質量流量は常に一致する。このため、水熱交換器（40）を通過する冷媒の質量流量を変化させるには、高段側圧縮機（62）から吐出される冷媒の質量流量を変化させる必要があり、それに伴って膨張機（65）へ流入する冷媒の質量流量も変化する。

　そこで、コントローラ（90）の高段側制御部（91）は、第１制御動作を行う。この第１制御動作において、高段側制御部（91）は、水熱交換器（40）で得られる加熱能力が所定の目標能力となるように、高段側圧縮機（62）の回転速度を調節する。その際、高段側制御部（91）は、水熱交換器（40）で得られる加熱能力を示す物理量として水熱交換器（40）を通過した熱媒水の温度を用いる。そして、水熱交換器（40）を通過した熱媒水の温度が所定の目標温度になれば、水熱交換器（40）で得られる加熱能力が目標能力になっていると判断できるため、高段側制御部（91）は、水熱交換器（40）を通過した熱媒水の温度が所定の目標温度となるように高段側圧縮機（62）の回転速度を調節する。

　本実施形態の膨張・圧縮ユニット（60）では、膨張機（65）が高段側圧縮機（62）の駆動軸（63）に連結されているため、膨張機（65）の回転速度が高段側圧縮機（62）の回転速度と常に一致する。また、高段側圧縮機（62）へ吸入される冷媒の密度が同じ場合で比較すると、高段側圧縮機（62）から吐出される冷媒の質量流量は、高段側圧縮機（62）の回転速度が高いほど多くなる。同様に、膨張機（65）へ流入する冷媒の密度が同じ場合で比較すると、膨張機（65）へ流入する冷媒の質量流量は、膨張機（65）の回転速度が高いほど多くなる。そして、高段側制御部（91）が高段側圧縮機（62）の回転速度を調節すると、それに伴って高段側圧縮機（62）から水熱交換器（40）を経て膨張機（65）へ流入する冷媒の質量流量が変化し、水熱交換器（40）の冷媒通路（41）を通過する冷媒の質量流量が、水熱交換器（40）の出口における熱媒水の温度が目標温度となるような値となる。

　第１制御動作の具体的な内容について、図３のフロー図を参照しながら説明する。

　第１制御動作のステップST11では、高段側制御部（91）が設定水温を読み込む。この設定水温は、予めコントローラ（90）が記憶する所定の値（例えば９０℃）であってもよいし、リモコン等を介してユーザによって入力される値であってもよい。次のステップST12において、高段側制御部（91）は、出口水温センサ（77）の計測値Ｔwo（即ち、水熱交換器（40）の水通路（42）の出口における熱媒水の温度の実測値）を読み込む。

　次のステップST13において、高段側制御部（91）は、出口水温センサ（77）の計測値Ｔwoと設定水温とを比較する。そして、高段側制御部（91）は出口水温センサ（77）の計測値Ｔwoが設定水温よりも低ければステップST14へ、出口水温センサ（77）の計測値Ｔwoが設定水温以上であればステップST15へそれぞれ移行する。

　ステップST14において、高段側制御部（91）は、膨張・圧縮ユニット（60）の電動機（64）へ入力される交流の周波数を引き上げ、高段側圧縮機（62）及び膨張機（65）の回転速度を上昇させる。出口水温センサ（77）の計測値Ｔwoが設定水温よりも低い場合は、水熱交換器（40）での熱媒水に対する加熱量が不足していると判断できる。そこで、高段側制御部（91）は、高段側圧縮機（62）及び膨張機（65）の回転速度を上昇させ、水熱交換器（40）の冷媒通路（41）における冷媒流量を増大させる。

　一方、ステップST15において、高段側制御部（91）は、膨張・圧縮ユニット（60）の電動機（64）へ入力される交流の周波数を引き下げ、高段側圧縮機（62）及び膨張機（65）の回転速度を低下させる。出口水温センサ（77）の計測値Ｔwoが設定水温以上場合は、水熱交換器（40）での熱媒水に対する加熱量が多すぎると判断できる。そこで、高段側制御部（91）は、高段側圧縮機（62）及び膨張機（65）の回転速度を低下させ、水熱交換器（40）の冷媒通路（41）における冷媒流量を減少させる。

　　　〈低段側制御部の第２制御動作〉
　低段側制御部（92）が行う第２制御動作について説明する。この第２制御動作は、冷媒回路（30）で行われる冷凍サイクルの高圧が目標高圧となるように、低段側圧縮機（52）の回転速度を調節する動作である。

　ところで、高圧が冷媒の臨界圧力よりも高くなる冷凍サイクル（いわゆる超臨界サイクル）では、高圧以外の運転状態が同じであっても、その高圧の値によって冷凍サイクルのＣＯＰ（成績係数）が変化する。そこで、低段側制御部（92）は、最も高いＣＯＰが得られる冷凍サイクルの高圧の値を目標高圧とし、冷媒回路（30）で実際に行われる冷凍サイクルの高圧が目標高圧となるように、低段側圧縮機（52）の回転速度を調節する。

　上述したように、高段側圧縮機（62）及び膨張機（65）の回転速度は、高段側制御部（91）が第１制御動作を行うことによって、水熱交換器（40）から流出する熱媒水の温度（即ち、出口水温センサ（77）の計測値）が目標温度となるような値に設定される。一方、高段側圧縮機（62）や膨張機（65）を通過する冷媒の質量流量は、それらの回転速度と、それらへ流入する冷媒の密度とによって決まる。また、冷媒回路（30）では、高段側圧縮機（62）と膨張機（65）とが直列に接続されているため、高段側圧縮機（62）から吐出される冷媒の質量流量は、膨張機（65）を通過する冷媒の質量流量と常に一致する。このため、冷凍サイクルの高圧を目標高圧に設定するためには、高段側圧縮機（62）を通過する冷媒の質量流量を、膨張機（65）へ流入する冷媒の圧力が目標高圧である場合に膨張機（65）へ流入する冷媒の質量流量と一致させる必要がある。

　そこで、コントローラ（90）の低段側制御部（92）は、第２制御動作を行う。この第２制御動作において、低段側制御部（92）は、冷媒回路（30）で行われる冷凍サイクルの高圧が所定の目標高圧となるように低段側圧縮機（52）の回転速度を調節する。

　低段側圧縮機（52）の回転速度が変化すると、低段側圧縮機（52）から吐出される冷媒の圧力が変化し、それに伴って高段側圧縮機（62）へ吸入される冷媒の密度が変化する。つまり、低段側圧縮機（52）から吐出される冷媒の圧力が高くなるほど高段側圧縮機（62）へ吸入される冷媒の密度が大きくなり、低段側圧縮機（52）から吐出される冷媒の圧力が低くなるほど高段側圧縮機（62）へ吸入される冷媒の密度が小さくなる。このため、低段側圧縮機（52）の回転速度が変化すると、高段側圧縮機（62）の回転速度が一定であっても、高段側圧縮機（62）へ吸入される冷媒の質量流量が変化する。

　また、低段側圧縮機（52）から吐出される冷媒の圧力が変化すると、気液分離器（45）からインジェクション用配管（34）を通って中間配管（32）へ流入するガス冷媒の質量流量が変化し、それによっても高段側圧縮機（62）へ吸入される冷媒の質量流量が変化する。

　そして、低段側制御部（92）が第２制御動作を行って低段側圧縮機（52）の回転速度を調節すると、高段側圧縮機（62）へ吸入される冷媒の質量流量が、冷凍サイクルの高圧が目標高圧である場合に膨張機（65）へ流入する冷媒の質量流量と一致し、その結果、実際に冷媒回路（30）で行われる冷凍サイクルの高圧（具体的には、吐出圧力センサ（74）の計測値）が目標高圧となる。

　第２制御動作の具体的な内容について、図４のフロー図を参照しながら説明する。

　第２制御動作のステップST21において、低段側制御部（92）は、第１制御動作のステップST11と同様に、設定水温を読み込む。また、このステップST21において、低段側制御部（92）は、入口水温センサ（76）の計測値Ｔwi（即ち、水熱交換器（40）の水通路（42）の入口における熱媒水の温度の実測値）と、第２冷媒温度センサ（72）の計測値Ｔgc（即ち、ガスクーラとして動作する水熱交換器（40）の冷媒通路（41）の出口における冷媒温度の実測値）とを読み込む。

　次のステップST22において、低段側制御部（92）は、ステップST21で読み込んだ設定温度と、入口水温センサ（76）の計測値Ｔwiと第２冷媒温度センサ（72）の計測値Ｔgcとに基づいて目標高圧を算出する。

　具体的に、低段側制御部（92）は、設定温度と入口水温センサ（76）の計測値Ｔwiとに基づいて、仮の目標高圧を決定する。また、低段側制御部（92）は、第２冷媒温度センサ（72）の計測値Ｔgcと入口水温センサ（76）の計測値Ｔwiの差（Ｔgc－Ｔwi）を算出する。そして、低段側制御部（92）は、この差（Ｔgc－Ｔwi）が所定の基準値よりも大きければ仮決め目標高圧の値を大きくなるように補正し、補正後の値を最終的な目標高圧の値に決定する。また、低段側制御部（92）は、この差（Ｔgc－Ｔwi）が所定の基準値よりも小さければ仮決め目標高圧の値を小さくなるように補正し、補正後の値を最終的な目標高圧の値に決定する。また、低段側制御部（92）は、この差（Ｔgc－Ｔwi）が所定の基準値と等しければ仮決め目標高圧の値をそのまま最終的な目標高圧の値に決定する。

　次のステップST23において、低段側制御部（92）は、吐出圧力センサ（74）の計測値ＨＰ（即ち、冷凍サイクルの高圧の実測値）を読み込む。次のステップST24において、低段側制御部（92）は、吐出圧力センサ（74）の計測値ＨＰと目標高圧とを比較する。そして、低段側制御部（92）は、吐出圧力センサ（74）の計測値ＨＰが目標高圧よりも低ければステップST25へ、吐出圧力センサ（74）の計測値ＨＰが目標高圧以上であればステップST26へそれぞれ移行する。

　ステップST25において、低段側制御部（92）は、圧縮機ユニット（50）の電動機（54）へ入力される交流の周波数を引き上げ、低段側圧縮機（52）の回転速度を上昇させる。吐出圧力センサ（74）の計測値ＨＰが目標高圧よりも低い場合は、高段側圧縮機（62）から吐出される冷媒の質量流量が少なすぎると判断できる。そこで、低段側制御部（92）は、低段側圧縮機（52）の回転速度を上昇させ、低段側圧縮機（52）から吐出される冷媒の圧力（即ち、高段側圧縮機（62）へ吸入される冷媒の圧力）を上昇させる。そして、高段側圧縮機（62）へ吸入される冷媒の圧力が上昇すると、高段側圧縮機（62）へ吸入される冷媒の密度が高くなり、高段側圧縮機（62）の回転速度が一定であっても、高段側圧縮機（62）から吐出される冷媒の質量流量が増大する。

　一方、ステップST26において、低段側制御部（92）は、圧縮機ユニット（50）の電動機（54）へ入力される交流の周波数を引き下げ、低段側圧縮機（52）の回転速度を低下させる。吐出圧力センサ（74）の計測値ＨＰが目標高圧以上の場合は、高段側圧縮機（62）から吐出される冷媒の質量流量が多すぎると判断できる。そこで、低段側制御部（92）は、低段側圧縮機（52）の回転速度を低下させ、低段側圧縮機（52）から吐出される冷媒の圧力（即ち、高段側圧縮機（62）へ吸入される冷媒の圧力）を低下させる。そして、高段側圧縮機（62）へ吸入される冷媒の圧力が低下すると、高段側圧縮機（62）へ吸入される冷媒の密度が低くなり、高段側圧縮機（62）の回転速度が一定であっても、高段側圧縮機（62）から吐出される冷媒の質量流量が減少する。

　　　〈膨張弁制御部の第３制御動作〉
　膨張弁制御部（93）が行う第３制御動作について説明する。この第３制御動作は、低段側圧縮機（52）へ吸入される冷媒の過熱度が所定の目標過熱度となるように、膨張弁（49）の開度を調節する動作である。

　ここで、蓄熱タンク（16）内の熱媒水を加熱する熱源ユニット（15）には、熱源ユニット（15）から蓄熱タンク（16）へ送り返す熱媒水の温度を所定の目標値に保つことが求められる。一方、水熱交換器（40）は、冷媒通路（41）での冷媒の流通方向と水熱交換器（40）での熱媒水の流通方向とが逆向きになった対向流型の熱交換器である。このため、高段側圧縮機（62）から水熱交換器（40）へ送られる冷媒の温度は、水熱交換器（40）から蓄熱タンク（16）へ送られる熱媒水の温度よりも高くなければならない。また、高段側圧縮機（62）から吐出される冷媒の温度を変化させるには、高段側圧縮機（62）へ吸入される冷媒の温度を変化させればよく、そのためには低段側圧縮機（52）へ吸入される冷媒の過熱度を調節すればよい。

　そこで、膨張弁制御部（93）は、高段側圧縮機（62）から吐出される冷媒の温度が所望の値となるような低段側圧縮機（52）の吸入冷媒の過熱度を目標過熱度とし、実際に低段側圧縮機（52）へ吸入される冷媒の過熱度が目標過熱度となるように膨張弁（49）の開度を調節する。

　第３制御動作の具体的な内容について、図５のフロー図を参照しながら説明する。

　第３制御動作のステップST31において、膨張弁制御部（93）は、第１制御動作のステップST11と同様に、設定水温を読み込む。また、このステップST31において、膨張弁制御部（93）は、第１冷媒温度センサ（71）の計測値Ｔd（即ち、高段側制御部（91）から吐出された冷媒の温度）を読み込む。

　次のステップST32において、膨張弁制御部（93）は、設定水温と第１冷媒温度センサ（71）の計測値Ｔdとに基づいて、目標過熱度を算出する。具体的に、膨張弁制御部（93）は、高段側圧縮機（62）から吐出される冷媒の温度の目標値（目標吐出温度）を、設定水温に基づいて決定する。例えば、膨張弁制御部（93）は、設定水温よりも所定の値（例えば１０℃）だけ高い値を目標吐出温度とする。そして、膨張弁制御部（93）は、決定した目標吐出温度に応じて目標過熱度を決定する。目標吐出温度が高くなると、それに伴って目標過熱度も高い値に設定される。

　次のステップST33において、膨張弁制御部（93）は、低段側圧縮機（52）へ吸入される冷媒の過熱度ＳＨを検知する。具体的に、膨張弁制御部（93）は、第３冷媒温度センサ（73）の計測値と吸入圧力センサ（75）の計測値とを読み込み、吸入圧力センサ（75）の計測値における冷媒の飽和温度を第３冷媒温度センサ（73）の計測値から差し引くことによって、低段側圧縮機（52）の吸入冷媒の過熱度ＳＨを算出する。

　次のステップST34において、膨張弁制御部（93）は、ステップST33で算出した低段側圧縮機（52）の吸入冷媒の過熱度ＳＨと目標過熱度とを比較する。そして、膨張弁制御部（93）は、低段側圧縮機（52）の吸入冷媒の過熱度ＳＨが目標過熱度よりも低ければステップST35へ、低段側圧縮機（52）の吸入冷媒の過熱度ＳＨが目標過熱度以上であればステップST36へそれぞれ移行する。

　ステップST35において、膨張弁制御部（93）は、膨張弁（49）の開度を小さくする。低段側圧縮機（52）の吸入冷媒の過熱度ＳＨが目標過熱度よりも低い場合は、室外熱交換器（44）へ供給される冷媒の質量流量が多すぎると判断できる。そこで、膨張弁制御部（93）は、膨張弁（49）の開度を絞り、気液分離器（45）から室外熱交換器（44）へ送られる冷媒の質量流量を減少させる。

　一方、ステップST36において、膨張弁制御部（93）は、膨張弁（49）の開度を大きくする。低段側圧縮機（52）の吸入冷媒の過熱度ＳＨが目標過熱度以上の場合は、室外熱交換器（44）へ供給される冷媒の質量流量が少なすぎると判断できる。そこで、膨張弁制御部（93）は、膨張弁（49）の開度を拡大し、気液分離器（45）から室外熱交換器（44）へ送られる冷媒の質量流量を増大させる。

　　－実施形態の効果－
　本実施形態のコントローラ（90）では、水熱交換器（40）で得られる加熱能力が目標能力となるように高段側圧縮機（62）の回転速度（即ち、膨張機（65）の回転速度）を調節する第１制御動作を高段側制御部（91）が行い、冷媒回路（30）で行われる冷凍サイクルの高圧が所定の目標高圧となるように低段側圧縮機（52）の回転速度を調節する第２制御動作を低段側制御部（92）が行う。

　このため、高段側制御部（91）が第１制御動作を行うことによって高段側圧縮機（62）及び膨張機（65）の回転速度が定められた状態であっても、低段側制御部（92）が第２制御動作を行うことによって高段側圧縮機（62）へ吸入される冷媒の密度を変化させることができ、高段側圧縮機（62）から吐出される冷媒の質量流量や膨張機（65）へ流入する冷媒の質量流量を調節することが可能となる。その結果、従来のように膨張機（65）をバイパスして一部の冷媒を流すためのバイパス通路を設けなくても、高段側圧縮機（62）へ吸入される冷媒の密度を調節することによって、高段側圧縮機（62）へ吸入される冷媒の質量流量を、冷凍サイクルの高圧が目標高圧である場合に膨張機（65）へ流入する冷媒の質量流量と一致させることができる。

　従って、本実施形態によれば、高段側圧縮機（62）から吐出された冷媒の全量を膨張機（65）へ流入させて膨張機（65）で得られる動力を最大限に確保しつつ、冷媒回路（30）で行われる冷凍サイクルの運転状態を様々な運転条件に応じて適切に設定することが可能となる。

　ところで、本実施形態の空調システム（10）のような輻射や自然対流を利用して暖房を行うものでは、蓄熱タンク（16）から熱源ユニット（15）へ送られる熱媒水の温度が暖房負荷に応じて大幅に変化する。具体的に、外気温が７℃程度で暖房負荷が比較的小さい場合には、暖房用ラジエータ（26）や床暖房用温水熱交換器（40）の表面温度がそれ程高くなくても充分な暖房能力が得られる。このため、利用側水回路（24）での熱媒水の循環量が比較的小さな値に設定されることとなり、利用側水回路（24）から蓄熱タンク（16）へ戻される熱媒水の温度が比較的低温（例えば３０℃程度）となる。一方、外気温が－７℃程度で暖房負荷が比較的大きい場合には、充分な暖房能力を得るために暖房用ラジエータ（26）や床暖房用温水熱交換器（40）の表面温度を高く保つ必要がある。このため、利用側水回路（24）での熱媒水の循環量が比較的大きな値に設定されることとなり、利用側水回路（24）から蓄熱タンク（16）へ戻される熱媒水の温度が比較的高温（例えば７０℃程度）となる。

　このように蓄熱タンク（16）から熱源ユニット（15）へ送られる熱媒水の温度の変動幅が大きいと、冷凍サイクルの運転状態の変動幅も大きくなる。このため、高段側圧縮機（62）の駆動軸（63）に膨張機（65）が連結された膨張・圧縮ユニット（60）を備える冷媒回路（30）では、冷凍サイクルの運転条件（例えば、冷凍サイクルの高圧）を所望の条件に設定するのが困難となる。

　それに対し、本実施形態の熱源ユニット（15）では、水熱交換器（40）を通過した冷媒の全量を膨張機（65）へ流入させつつ、低段側圧縮機（52）の回転速度を調節することによって冷凍サイクルの高圧を適切に設定することが可能である。従って、本実施形態によれば、輻射や自然対流を利用して暖房を行う空調システム（10）においても、膨張機（65）で得られる動力を充分に確保しつつ、熱源ユニット（15）の制御性を向上させることができる。

　　－実施形態の変形例１－
　上記実施形態の熱源ユニット（15）では、図６に示すように、冷媒回路（30）に内部熱交換器（80）が設けられていてもよい。

　内部熱交換器（80）は、第１通路（81）と第２通路（82）とが複数ずつ形成されたプレート式熱交換器である。内部熱交換器（80）の第１通路（81）は、室外熱交換器（44）と低段側圧縮機（52）を繋ぐ吸入側配管（31）の途中に接続されている。一方、内部熱交換器（80）の第２通路（82）は、気液分離器（45）と膨張弁（49）を繋ぐ配管の途中に接続されている。そして、内部熱交換器（80）は、第１通路（81）を流れる冷媒（即ち、室外熱交換器（44）で蒸発して低段側圧縮機（52）へ吸入される低圧のガス冷媒）と、第２通路（82）を流れる冷媒（即ち、気液分離器（45）から膨張弁（49）へ流れる中間圧の液冷媒）とを熱交換させる。また、本変形例の吸入側配管（31）では、内部熱交換器（80）と低段側圧縮機（52）の間に、第３冷媒温度センサ（73）及び吸入圧力センサ（75）が設けられる。

　内部熱交換器（80）では、第１通路（81）を流れる冷媒が第２通路（82）を流れる冷媒によって冷却される。このため、蒸発器として動作する室外熱交換器（44）へ送られる冷媒のエンタルピが低下し、室外熱交換器（44）において冷媒が室外空気から吸熱する熱量が増大する。また、内部熱交換器（80）では、第２通路（82）を流れる冷媒が第１通路（81）を流れる冷媒によって加熱される。このため、低段側圧縮機（52）へ吸入される冷媒の過熱度が大きくなり、その結果、高段側圧縮機（62）から吐出されて水熱交換器（40）へ送られる冷媒の温度が上昇する。

　　－実施形態の変形例２－
　上記の実施形態では、熱媒水を加熱するための熱源ユニット（15）を本発明の冷凍装置によって構成したが、本発明の冷凍装置の用途は、これに限定されるものではない。つまり、例えば室内空気を冷媒回路（30）の冷媒と熱交換させる一般的な空調機を、本発明の冷凍装置によって構成してもよい。その場合、空気を冷媒と熱交換させる空気熱交換器が、水熱交換器（40）の代わりに利用側回路として冷媒回路（30）に設けられる。

　また、その空調機は、利用側熱交換器としての空気熱交換器がガスクーラとなる暖房運転と、利用側熱交換器としての空気熱交換器が蒸発器となる冷房運転の一方だけを行うものであってもよいし、暖房運転と冷房運転を切り換えて実行できるものであってもよい。なお、冷房運転中において、コントローラ（90）の高段側制御部（91）は、利用側熱交換器としての空気熱交換器で得られる冷却能力が所定の目標能力となるように高段側圧縮機（62）の回転速度を調節する第１制御動作を行う。

　　－実施形態の変形例３－
　上記の実施形態において、低段側圧縮機（52）、高段側圧縮機（62）、及び膨張機（65）を構成する流体機械は、ロータリー式の流体機械に限定されるものではない。低段側圧縮機（52）、高段側圧縮機（62）、及び膨張機（65）のそれぞれを構成する流体機械は、押しのけ容積が固定の容積型流体機械であればよく、例えばこれらをスクロール型の流体機械で構成してもよい。

　なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

　以上説明したように、本発明は、動力回収用の膨張機が接続された冷媒回路を備える冷凍装置について有用である。

Claims (7)

1. 　それぞれが回転駆動されて冷媒を圧縮する低段側圧縮機（52）及び高段側圧縮機（62）と、上記高段側圧縮機（62）の駆動軸（63）に連結されて高圧冷媒の膨張により生じた動力で該高段側圧縮機（62）を駆動する膨張機（65）と、上記膨張機（65）から流出した中間圧冷媒を液冷媒とガス冷媒に分離してガス冷媒を上記高段側圧縮機（62）の吸入側へ供給する気液分離器（45）と、上記気液分離器（45）から流出した液冷媒を膨張させる低段側膨張機構（49）と、利用側熱交換器（40）と、熱源側熱交換器（44）とが接続された冷媒回路（30）を備え、
   　上記冷媒回路（30）で冷媒を循環させて二段圧縮冷凍サイクルを行う冷凍装置であって、
   　上記利用側熱交換器（40）で得られる加熱能力又は冷却能力が所定の目標能力となるように上記高段側圧縮機（62）の回転速度を調節する第１制御動作と、上記冷媒回路（30）で行われる冷凍サイクルの高圧が所定の目標高圧となるように上記低段側圧縮機（52）の回転速度を調節する第２制御動作とを行うように構成された制御手段（90）を備えている
   ことを特徴とする冷凍装置。
2. 　請求項１において、
   　上記利用側熱交換器（40）が放熱器となって上記熱源側熱交換器（44）が蒸発器となる加熱運転を行う一方、
   　上記制御手段（90）は、上記加熱運転中の第１制御動作として、上記利用側熱交換器（40）で得られる加熱能力を示す物理量として該利用側熱交換器（40）を通過した被加熱流体の温度を用い、該利用側熱交換器（40）を通過した被加熱流体の温度が所定の目標温度となるように上記高段側圧縮機（62）の回転速度を調節する動作を行うように構成されている
   ことを特徴とする冷凍装置。
3. 　請求項１において、
   　上記利用側熱交換器（40）が放熱器となって上記熱源側熱交換器（44）が蒸発器となる加熱運転を行う一方、
   　上記制御手段（90）は、上記加熱運転中において、上記利用側熱交換器（40）から流出した冷媒の温度と、該利用側熱交換器（40）へ流入する被加熱流体の温度とに基づいて上記目標高圧を設定するように構成されている
   ことを特徴とする冷凍装置。
4. 　請求項１において、
   　上記冷媒回路（30）には、開度可変の膨張弁（49）が上記低段側膨張機構として設けられる一方、
   　上記制御手段（90）は、上記低段側圧縮機（52）へ吸入される冷媒の過熱度が所定の目標過熱度となるように上記膨張弁（49）の開度を調節する第３制御動作を行うように構成されている
   ことを特徴とする冷凍装置。
5. 　請求項４において、
   　上記利用側熱交換器（40）が放熱器となって上記熱源側熱交換器（44）が蒸発器となる加熱運転を行う一方、
   　上記制御手段（90）は、上記加熱運転中において、上記高段側圧縮機（62）から吐出された冷媒の温度に基づいて上記目標過熱度を設定するように構成されている
   ことを特徴とする冷凍装置。
6. 　請求項１において、
   　上記利用側熱交換器（40）が放熱器となって上記熱源側熱交換器（44）が蒸発器となり、該利用側熱交換器（40）で水を冷媒と熱交換させて加熱する加熱運転を行う
   ことを特徴とする冷凍装置。
7. 　請求項１において、
   　上記冷媒回路（30）には、上記気液分離器（45）から上記低段側膨張機構（49）へ送られる冷媒と、上記低段側圧縮機（52）へ吸入される冷媒とを熱交換させる内部熱交換器（80）が設けられている
   ことを特徴とする冷凍装置。

Images