WO2009104375A1 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

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WO2009104375A1
WO2009104375A1 PCT/JP2009/000613 JP2009000613W WO2009104375A1 WO 2009104375 A1 WO2009104375 A1 WO 2009104375A1 JP 2009000613 W JP2009000613 W JP 2009000613W WO 2009104375 A1 WO2009104375 A1 WO 2009104375A1
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refrigerant
compression mechanism
refrigeration cycle
pipe
pressure
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PCT/JP2009/000613
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本間雅也
藥丸雄一
谷口勝志
松元昴
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パナソニック株式会社
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    • F25B41/39—Dispositions with two or more expansion means arranged in series, i.e. multi-stage expansion, on a refrigerant line leading to the same evaporator

Definitions

  • the present invention relates to a refrigeration cycle apparatus equipped with an expansion mechanism and a plurality of compression mechanisms for use in a water heater or an air conditioner.
  • an expansion mechanism is used instead of an expansion valve, and in the process of refrigerant expansion, the pressure energy is recovered in the form of power by the expansion mechanism, and only the recovered amount is recovered.
  • a power recovery type refrigeration cycle apparatus that reduces the electric power required to drive the compression mechanism.
  • an expander-integrated compressor in which an electric motor, a compression mechanism, and an expansion mechanism are connected by a shaft is used.
  • the compression mechanism and the expansion mechanism are connected by a shaft, so that the ratio of the suction refrigerant density of the compression mechanism and the suction refrigerant density of the expansion mechanism is the ratio of the respective suction volumes.
  • the ratio is fixed. For this reason, depending on the operating conditions, the displacement amount of the compression mechanism may be insufficient or the displacement amount of the expansion mechanism may be insufficient.
  • FIG. 6 is a block diagram showing a refrigeration cycle apparatus described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-132622.
  • a first compression mechanism 101 of the expander-integrated compressor 100 and a second compression mechanism 111 of the sub compressor 110 are arranged in parallel in the refrigerant circuit 140.
  • the first compression mechanism 101 and the second compression mechanism 111 are connected to the radiator 120 through the first pipe 141 and are connected to the evaporator 130 through the fourth pipe 144.
  • the expansion mechanism 103 of the expander-integrated compressor 100 is connected to the radiator 120 via the second pipe 142 and is connected to the evaporator 130 via the third pipe 143.
  • the rotational speed of the first motor 102 of the expander-integrated compressor 100 and the sub-speed are adjusted so that the amount of refrigerant flowing into the expansion mechanism 103 does not become excessive or insufficient.
  • the rotation speed of the second electric motor 112 of the compressor 110 can be determined according to the outside air temperature or the like.
  • the refrigeration cycle apparatus disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-132622 is provided with a bypass passage 160 that bypasses the expansion mechanism 103 and an injection passage 150 that supplies the refrigerant to the expansion mechanism 103 during the expansion process of the refrigerant. .
  • the bypass passage 160 and the injection passage 150 are respectively provided with a bypass valve 161 and an injection valve 151 for adjusting the flow rate.
  • the bypass valve 161 is closed and the injection valve 151 is opened in winter.
  • the opening degree of the injection valve 151 is determined based on the outside air temperature or the like. Thereby, it is possible to cope with a case where the displacement amount of the expansion mechanism 103 is insufficient.
  • a high heat dissipation capability may be required temporarily from the viewpoint of a hot water supply load or a heating load, for example.
  • the present invention has been made in view of such points, and an object of the present invention is to increase the heat radiation capacity while maintaining the COP high in a refrigeration cycle apparatus equipped with an expansion mechanism and a plurality of compression mechanisms. That is.
  • the expander-integrated compressor 100 has a structure in which the expansion mechanism 103 is accommodated in a hermetically sealed container, so that the temperature is lower than that of the sub-compressor 110. Moreover, since the closed container of the expander-integrated compressor 100 has a larger volume than the closed container of the sub compressor 110, the amount of heat released to the atmosphere is large, and the temperature is lower than that of the sub compressor 110. Become. For this reason, for example, when the first motor 102 of the expander-integrated compressor 100 and the second motor 112 of the sub-compressor 110 have the same rotation speed, the expander-integrated compressor 100 is connected to the first pipe 141.
  • the temperature of the refrigerant sent out is lower than the temperature of the refrigerant sent out from the sub compressor 110 to the first pipe 141.
  • the temperature of the refrigerant sent from the expander-integrated compressor 100 to the first pipe 141 further decreases. To do.
  • the temperature difference between the refrigerants sent from both the compressors 100 and 110 to the first pipe 141 increases. If it does so, a refrigerant
  • the present invention has been made from the above viewpoint. That is, the present invention includes a first compression mechanism that compresses a refrigerant, an expander-integrated compressor that includes an expansion mechanism that recovers power from the expanding refrigerant, and a second compression mechanism that compresses the refrigerant in the refrigerant circuit.
  • the subcompressor including the second compression mechanism connected in parallel with the first compression mechanism, the radiator that dissipates the refrigerant discharged from the first compression mechanism and the second compression mechanism, and the expansion mechanism
  • An evaporator for evaporating discharged refrigerant a first pipe for introducing refrigerant from the first compression mechanism and the second compression mechanism to the radiator; and a second pipe for introducing refrigerant from the radiator to the expansion mechanism;
  • An refrigeration cycle apparatus comprising: an injection path that guides the gas to the second compression mechanism.
  • the amount of refrigerant circulating through the radiator can be increased by supplying gas refrigerant to the second compression mechanism through the injection path, so-called injection.
  • injection gas refrigerant
  • the heat dissipation capability can be temporarily increased while keeping the COP high.
  • the temperature difference between the refrigerant sent from the expander-integrated compressor to the first pipe and the refrigerant sent from the sub compressor to the first pipe can be reduced. As a result, it is possible to increase the heat dissipation capability in a rather improved state without impairing the stability of the refrigeration cycle.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a refrigeration cycle apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • 2A is a Mollier diagram when injection is not executed
  • FIG. 2B is a Mollier diagram when injection is executed.
  • Flow chart of injection operation performed by control means Schematic configuration diagram of a modified refrigeration cycle apparatus
  • Schematic configuration diagram of a refrigeration cycle apparatus of another modification Schematic configuration diagram of a conventional refrigeration cycle apparatus
  • FIG. 1 shows a refrigeration cycle apparatus 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the refrigeration cycle apparatus 100 includes a refrigerant circuit 30.
  • the refrigerant circuit 30 includes an expander-integrated compressor 1, a sub compressor 2, a radiator 4, an evaporator 5, and first to fourth pipes (refrigerant pipes) 3a to 3d that connect these devices. Yes.
  • the expander-integrated compressor 1 has a first sealed container 10 that houses a first compression mechanism 11, a first electric motor 12, and an expansion mechanism 13 that are connected to each other by a first shaft 15.
  • the sub-compressor 2 has a second sealed container 20 that houses a second compression mechanism 21 and a second electric motor 22 that are connected to each other by a second shaft 25.
  • the first compression mechanism 11 and the second compression mechanism 21 are connected to the radiator 4 via a first pipe 3a in which two branch pipes become one main pipe. It is connected to the expansion mechanism 13 via 3b.
  • the expansion mechanism 13 is connected to the evaporator 5 via a third pipe 3c.
  • the evaporator 5 is connected to the first pipe 3d via a fourth pipe 3d in which one main pipe becomes two branch pipes.
  • the compression mechanism 11 and the second compression mechanism 21 are connected. That is, in the refrigerant circuit 30, the first compression mechanism 11 and the second compression mechanism 21 are arranged in parallel. In other words, the first compression mechanism 11 is connected in parallel with the second compression mechanism 21 in the refrigerant circuit 30.
  • the refrigerant compressed by the first compression mechanism 11 and the refrigerant compressed by the second compression mechanism 21 are discharged from the first compression mechanism 11 or the second compression mechanism 21 to the first pipe 3a, and then the first pipe. In the middle of flowing through 3 a, they join and are guided to the radiator 4.
  • the refrigerant compressed by the compression mechanisms 11 and 21 is once discharged from the compression mechanisms 11 and 21 into the sealed containers 10 and 20 and then discharged from the sealed containers 10 and 20 to the first pipe 3a. Good.
  • the refrigerant guided to the radiator 4 radiates heat here, and then is guided to the expansion mechanism 13 through the second pipe 3b.
  • the refrigerant guided to the expansion mechanism 13 expands here. At this time, the expansion mechanism 13 recovers power from the expanding refrigerant.
  • the expanded refrigerant is discharged from the expansion mechanism 13 to the third pipe 3 c and guided to the evaporator 5.
  • the refrigerant guided to the evaporator 5 absorbs heat here, and then is divided in the middle of flowing through the fourth pipe 3 d and is guided to the first compression mechanism 11 and the second compression mechanism 21.
  • the displacement volume of the 1st compression mechanism 11 and the displacement volume of the 2nd compression mechanism 21 are the same. If it becomes like this, the 1st compression mechanism 11 and the 2nd compression mechanism 21 can be constituted by a common member, and cost can be held down.
  • the refrigerant circuit 30 is filled with a refrigerant that becomes a supercritical state in a high-pressure portion (a portion from the first compression mechanism 11 and the second compression mechanism 21 to the expansion mechanism 13 through the radiator 4).
  • a refrigerant that becomes a supercritical state in a high-pressure portion (a portion from the first compression mechanism 11 and the second compression mechanism 21 to the expansion mechanism 13 through the radiator 4).
  • CO 2 carbon dioxide
  • the type of refrigerant is not particularly limited.
  • the refrigerant may be a refrigerant that does not enter a supercritical state during operation (for example, a chlorofluorocarbon refrigerant).
  • the refrigeration cycle apparatus 100 of the present embodiment is used as a heat pump unit that generates hot water by heating water to a hot water supply device that supplies hot water stored in a hot water storage tank to a hot water tap. That is, the radiator 4 functions as a heat exchanger for water heating that performs heat exchange between water and the refrigerant.
  • the refrigeration cycle apparatus 100 includes a feed pipe 41 for sending water from a hot water storage tank (not shown) to the radiator 4, a return pipe 42 for returning the hot water generated from the radiator 4 to the hot water storage tank (not shown), Is further provided.
  • the refrigeration cycle apparatus 100 includes a bypass path 6 that bypasses the expansion mechanism 13 from the second pipe 3b to the third pipe.
  • a first flow rate control valve 61, a gas-liquid separator 62, and a second flow rate control valve 63 are provided in the middle of the bypass path 6 in order from the upstream side.
  • the gas-liquid separator 62 and the second compression mechanism 21 of the sub-compressor 2 are connected by an injection path 7.
  • the gas refrigerant separated from the liquid refrigerant by the gas-liquid separator 62 by the injection path 7 is second. It is guided to the compression mechanism 21.
  • the injection path 7 is provided with an open / close valve 71.
  • the first flow rate control valve 61 plays a role of permitting or prohibiting the flow of the refrigerant through the bypass passage 6 and supplying a gas refrigerant to the second compression mechanism 21 through the injection passage 6, so-called injection. It serves to adjust the pressure on the high pressure side of the refrigeration cycle (hereinafter also simply referred to as “high pressure”).
  • high pressure the high pressure side of the refrigeration cycle
  • an expansion valve is used as the first flow control valve 61.
  • the second flow control valve 63 plays a role of determining the pressure in the gas-liquid separator 62, that is, the pressure of the refrigerant to be injected (intermediate pressure Pm).
  • the injection path 7 opens to a compression chamber in which the volume of the second compression mechanism 21 fluctuates, and the opening position is such that the injection path 7 and the compression chamber communicate with each other when the compression chamber has a specific intermediate volume. Set to position.
  • the intermediate pressure Pm is determined so that it may become more than the predetermined pressure Pb calculated
  • the on-off valve 71 serves to allow or prohibit the gas refrigerant from flowing through the injection passage 7.
  • the refrigeration cycle apparatus 100 includes control means 8 that mainly controls the rotation speeds of the first motor 12 and the second motor 22 and the first flow control valve 61 and the on-off valve 71.
  • the control means 8 includes an outside air temperature sensor (outside air temperature detecting means) 81 that detects the outside air temperature, a temperature of water flowing through the feed pipe 91, that is, an incoming water temperature sensor that detects the incoming water temperature to the radiator 4 ( Incoming water temperature detecting means) 82 and a pressure sensor (pressure detecting means) 91 for detecting the pressure on the high pressure side of the refrigeration cycle are connected.
  • the pressure sensor 91 is provided upstream of the position where the bypass path 6 of the second pipe 3b is connected, but the pressure sensor 91 may be provided in the main pipe of the first pipe 3a.
  • control performed by the control means 8 will be described. Before that, first, a case where the injection is not executed will be described.
  • FIG. 2A and FIG. 2B are diagrams showing the difference in the Mollier diagram depending on the presence or absence of injection.
  • the refrigerant (point E) exiting the radiator 4 flows through the expansion mechanism 13 toward the point F, and flows through the bypass 6 to the point H. Divided into what is heading.
  • the gas refrigerant of the refrigerant at point G in the gas-liquid separator 62 that has reached the intermediate pressure Pm in the bypass path 6 flows through the injection path 7 and then merges with the refrigerant compressed from point A to point B.
  • point C The refrigerant at point C is further compressed and reaches point D.
  • the above is the operation of the refrigerant when the injection is executed.
  • the amount of enthalpy increase when the refrigerant sucked into the second compression mechanism 21 is compressed to the intermediate pressure Pm is a, and the refrigerant after joining the injected refrigerant is compressed to a predetermined pressure.
  • the amount of enthalpy increase in this case is c.
  • the intermediate pressure Pm is assumed, and the amount of increase in enthalpy when the refrigerant sucked into the second compression mechanism 21 is compressed to the intermediate pressure Pm is compressed from the intermediate pressure Pm to the predetermined pressure.
  • the amount of enthalpy increase in the case of being made is b.
  • the compression power can be reduced by Gr ⁇ (bc) and the COP can be reduced when the injection is executed, compared with the case where the injection is not executed. be able to.
  • the control means 8 first performs a start-up operation and then performs a steady operation. During the steady operation, the on-off valve 71 and the first flow control valve 61 are closed. Furthermore, the control means 8 performs the injection operation when it becomes necessary to temporarily increase the heat dissipation capability during the steady operation. A flowchart of the injection operation is shown in FIG.
  • the control means 8 determines whether or not the required load Qm [kW] is equal to or greater than a predetermined value Q1 [kW] (step S1).
  • the required load Qm is determined by the user set temperature and the hot water temperature in the hot water storage tank when the user sets the hot water temperature with a remote controller or the like. It can be obtained from the difference. If the difference between the user set temperature and the hot water temperature in the hot water storage tank is doubled, the required load is also doubled.
  • the predetermined value Q1 may be the maximum heating capacity by the radiator 4 when no injection is performed, for example.
  • the control means 8 compares Qm with Q1 again. When the required load Qm is equal to or greater than the predetermined value Q1 (YES in step S1), the control means 8 opens the on-off valve 71 (step S2). At this time, the opening degree of the on-off valve 71 is preferably fully opened. If the opening degree of the on-off valve 71 is controlled, the heating capacity can be controlled by arbitrarily adjusting the injection flow rate (flow rate of the refrigerant flowing through the injection passage 7). This is because loss occurs and the effect of improving the heat dissipation capability by the injection is reduced.
  • the control means 8 determines the appropriate pressure (optimum pressure) for the refrigerant to be guided to the radiator 4 through the first pipe 3a from the incoming water temperature detected by the incoming water temperature sensor 82 and the outside air temperature detected by the outside air temperature sensor 81. ) Pa is calculated (step S3). Then, the control means 8 opens the 1st flow control valve 61 to a predetermined opening degree (step S4). Then, the gas refrigerant separated by the gas-liquid separator 62 is injected into the second compression mechanism 21 of the sub compressor 2, and the injection is started. Note that the predetermined opening of the first flow control valve 61 is measured in advance in an experiment to obtain an appropriate pressure Pa and stored in the memory of the control means 8 in correspondence with the outside air temperature or the like. You may keep it.
  • step S6 the process proceeds to step S8, and the control means 8 maintains that state until the required load Qm becomes less than the specified value Q1. Thereafter, when the required load Qm becomes less than the predetermined value Q1, the control means 8 closes the on-off valve 71 and the first flow rate control valve 61 (step S9) and returns to the steady operation.
  • the amount of refrigerant circulating through the radiator 4 can be increased by injection into the second compression mechanism 21.
  • the heat dissipation capability can be temporarily increased while keeping the COP high.
  • This injection into the second compressor 21 can increase the heating capacity of the radiator 4 by about 4% without increasing the rotational speeds of the first motor 12 and the second motor 22. For example, if the heating capacity of the radiator 4 when the injection is not executed is 5 kW, the heating capacity can be improved to 5.2 kW by executing the injection.
  • the temperature difference between the refrigerant sent from the expander-integrated compressor 1 to the first pipe 3a and the refrigerant sent from the sub compressor 2 to the first pipe 3a is reduced. can do. As a result, it is possible to increase the heat dissipation capability in a rather improved state without impairing the stability of the refrigeration cycle.
  • the on-off valve 71 is provided in the injection path 7, if the first flow control valve 61 is opened with the on-off valve 71 closed, the heat energy of the refrigerant on the high-pressure side is passed to the evaporator 5.
  • a defrosting operation for melting the attached frost can be performed.
  • a fixed throttle is used as the second flow control valve 63, but an expansion valve may be used as the second flow control valve 63.
  • a second pressure sensor (second pressure detecting means) 92 for detecting the pressure in the gas-liquid separator 62 is provided as in the refrigeration cycle apparatus 100A of the modification shown in FIG.
  • the opening degree of the second flow control valve 63 may be adjusted by the control means 8 so that the intermediate pressure Pm detected at 92 is equal to or higher than the predetermined pressure Pb.
  • the pressure sensor 92 is provided between the first flow control valve 61 and the gas-liquid separator 62 in the bypass path 6.
  • a refrigerant temperature sensor 84 for detecting the refrigerant temperature in the gas-liquid separator 62 is provided, and the intermediate pressure Pm is determined from the refrigerant temperature detected by the refrigerant temperature sensor 84. May be estimated by the control means 8, and the opening degree of the second flow rate control valve 63 may be adjusted by the control means 8 so that the estimated intermediate pressure Pm is equal to or higher than the predetermined pressure Pb. Since the refrigerant flowing through the bypass 6 is depressurized by the first flow control valve 61 to change from the supercritical state to the gas-liquid two-phase state, the intermediate pressure Pm is estimated from the refrigerant temperature in the gas-liquid separator 62. Can do.
  • a refrigerant temperature sensor (refrigerant temperature detection means) 83 that detects the temperature of the refrigerant guided to the radiator 4 through the first pipe 3a is provided in the main pipe of the first pipe 3a.
  • the control means 8 calculates the refrigerant pressure introduced to the radiator 4 from the refrigerant temperature detected by the refrigerant temperature sensor 83 and the outside air temperature detected by the outside air temperature sensor 81, that is, the high pressure Pd of the refrigeration cycle.
  • the opening degree of the first flow control valve 61 is adjusted so that the calculated high pressure Pd becomes the appropriate pressure Pa.
  • the flowchart in this case is the same as that shown in FIG. 3 except that step S5 is changed to a step for calculating Pd. In this way, since the temperature sensor is less expensive than the pressure sensor, the manufacturing cost can be reduced.
  • the refrigeration cycle apparatus of the present invention is useful as means for recovering power by recovering expansion energy of refrigerant in the refrigeration cycle.

Abstract

　冷凍サイクル装置（１００）は、第１圧縮機構（１１）および膨張機構（１３）を含む膨張機一体型圧縮機（１）と、第２圧縮機構（２１）を含む副圧縮機（２）を備える。第１圧縮機構（１１）と第２圧縮機構（２１）は、冷媒回路（３０）中で並列に接続される。さらに、冷凍サイクル装置（１００）は、膨張機構（１３）をバイパスするバイパス路（６）を備える。バイパス路（６）には、上流側から順に、第１流量制御弁（６１）、気液分離器（６２）、および第２流量制御弁（６３）が設けられる。気液分離器（６２）で液冷媒と分離されたガス冷媒は、インジェクション路（７）により第２圧縮機構（２１）に導かれる。

Description

冷凍サイクル装置
　本発明は、給湯機や空調機などに用いる、膨張機構と複数の圧縮機構を搭載した冷凍サイクル装置に関する。
　近年、冷凍サイクル装置の更なる高効率化を図る手段として、膨張弁に代えて膨張機構を用い、冷媒が膨張する過程でその圧力エネルギーを膨張機構によって動力の形で回収し、その回収分だけ圧縮機構の駆動に要する電力を低減する動力回収式の冷凍サイクル装置が提案されている。このような冷凍サイクル装置では、電動機、圧縮機構、および膨張機構がシャフトで連結された膨張機一体型圧縮機が用いられる。
　ところで、膨張機一体型圧縮機では、圧縮機構と膨張機構とがシャフトによって連結されているので、圧縮機構の吸入冷媒の密度と膨張機構の吸入冷媒の密度との比が、それぞれの吸入容積の比に固定されてしまうという、いわゆる密度比一定の制約が生じる。このため、運転条件によっては、圧縮機構の押しのけ量が不足したり膨張機構の押しのけ量が不足したりすることがある。そこで、圧縮機構の押しのけ量が不足するような運転条件でも回収動力を確保して冷凍サイクル装置のＣＯＰ（Coefficient of Performance）を高く維持できるようにするために、膨張機一体型圧縮機に加え、さらに第２の圧縮機を用いた冷凍サイクル装置も提案されている（例えば、特開２００７－１３２６２２号公報参照）。
　図６は、特開２００７－１３２６２２号公報に記載された冷凍サイクル装置を示す構成図である。この冷凍サイクル装置では、冷媒回路１４０中に、膨張機一体型圧縮機１００の第１圧縮機構１０１と副圧縮機１１０の第２圧縮機構１１１が並列に配置されている。具体的には、第１圧縮機構１０１および第２圧縮機構１１１は、第１配管１４１で放熱器１２０と接続されるとともに、第４配管１４４で蒸発器１３０と接続されている。また、膨張機一体型圧縮機１００の膨張機構１０３は、第２配管１４２で放熱器１２０と接続されるとともに、第３配管１４３で蒸発器１３０と接続されている。そして、特開２００７－１３２６２２号公報の冷凍サイクル装置では、膨張機構１０３に流入する冷媒の量に過不足が生じないように、膨張機一体型圧縮機１００の第１電動機１０２の回転数と副圧縮機１１０の第２電動機１１２の回転数を外気温度等に応じてそれぞれ決定できるようになっている。
　さらに、特開２００７－１３２６２２号公報の冷凍サイクル装置には、膨張機構１０３をバイパスするバイパス路１６０と、膨張機構１０３に冷媒の膨張過程でさらに冷媒を供給するインジェクション路１５０とが設けられている。これらのバイパス路１６０とインジェクション路１５０には、流量調整用のバイパスバルブ１６１とインジェクションバルブ１５１がそれぞれ設けられている。そして、特開２００７－１３２６２２号公報の冷凍サイクル装置では、冬期に、バイパスバルブ１６１が閉状態とされ、インジェクションバルブ１５１が開状態とされる。インジェクションバルブ１５１の開度は、外気温度等に基づいて決定される。これにより、膨張機構１０３の押しのけ量が不足する場合にも対応できるようになっている。
　ところで、冷凍サイクル装置では、例えば給湯負荷あるいは暖房負荷の観点から、一時的に高い放熱能力が求められることがある。これを実現するには、膨張機一体型圧縮機および副圧縮機の電動機の回転数を上げて、冷媒の循環量を増加させることが考えられる。
　しかしながら、電動機の回転数を上げた場合には、電動機の効率が低下するために結果的に冷凍サイクル装置のＣＯＰが低下することになる。
　本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、膨張機構と複数の圧縮機構を搭載した冷凍サイクル装置において、ＣＯＰを高く維持したままで放熱能力を増加できるようにすることである。
　ところで、近年では、放熱能力を一時的に高めるために、圧縮機構にインジェクションすることが提案されている。例えば、国際公開第２００７／０７２７６０号には、膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクル装置において、膨張機構をバイパスするバイパス路に気液分離器を設け、この気液分離器で分離されたガス冷媒を圧縮機構にインジェクションする構成が開示されている。そこで、この構成を、図６に示すような膨張機一体型圧縮機と副圧縮機を用いた圧縮機構並列式の冷凍サイクル装置に採用することが考えられる。すなわち、バイパス路１６０に気液分離器を設けるとともに、この気液分離器から膨張機一体型圧縮機１００の第１圧縮機構１０１へガス冷媒を供給できるようにすることが考えられる。
　しかしながら、膨張機一体型圧縮機１００は、密閉容器内に膨張機構１０３が収容された構造となっているために、副圧縮機１１０と比べて温度が低くなる。しかも、膨張機一体型圧縮機１００の密閉容器は、副圧縮機１１０の密閉容器よりも容積が大きなものであるため、大気中への放熱量が大きく、副圧縮機１１０と比べてさらに低温になる。このため、例えば膨張機一体型圧縮機１００の第１電動機１０２と副圧縮機１１０の第２電動機１１２を同一の回転数とした場合には、膨張機一体型圧縮機１００から第１配管１４１に送り出される冷媒の温度は、副圧縮機１１０から第１配管１４１に送り出される冷媒の温度よりも低くなる。このような状況下で、膨張機一体型圧縮機１００の第１圧縮機構１０１へ放熱後の冷媒をインジェクションすると、膨張機一体型圧縮機１００から第１配管１４１に送り出される冷媒の温度はさらに低下する。その結果、双方の圧縮機１００，１１０から第１配管１４１に送り出される冷媒間の温度差が大きくなる。そうすると、温度差の大きな冷媒が合流することになり、冷凍サイクルの安定性が悪くなる。
　本発明は、上記のような観点からなされたものである。すなわち、本発明は、冷媒を圧縮する第１圧縮機構、および膨張する冷媒から動力を回収する膨張機構を含む膨張機一体型圧縮機と、冷媒を圧縮する第２圧縮機構であって冷媒回路中で前記第１圧縮機構と並列に接続される第２圧縮機構を含む副圧縮機と、前記第１圧縮機構および前記第２圧縮機構から吐出される冷媒を放熱させる放熱器と、前記膨張機構から吐出される冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記第１圧縮機構および前記第２圧縮機構から前記放熱器に冷媒を導く第１配管と、前記放熱器から前記膨張機構に冷媒を導く第２配管と、前記膨張機構から前記蒸発器に冷媒を導く第３配管と、前記蒸発器から前記第１圧縮機構および前記第２圧縮機構に冷媒を導く第４配管と、前記第２配管から前記膨張機構をバイパスして前記第３配管に至るバイパス路と、前記バイパス路に上流側から順に設けられた、第１流量制御弁、気液分離器、および第２流量制御弁と、前記気液分離器で液冷媒と分離されたガス冷媒を前記第２圧縮機構に導くインジェクション路と、を備える冷凍サイクル装置を提供する。
　この構成によれば、インジェクション路を通じた第２圧縮機構へのガス冷媒の供給、いわゆるインジェクションにより、放熱器を通る冷媒の循環量を大きくすることができる。これにより、ＣＯＰを高く維持したままで放熱能力を一時的に増加することができる。しかも、第２圧縮機構へインジェクションすることにより、膨張機一体型圧縮機から第１配管に送り出される冷媒と副圧縮機から第１配管に送り出される冷媒の間の温度差を小さくすることができる。これにより、冷凍サイクルの安定性を損なうことなく、むしろ良好にした状態で放熱能力を高めることができる。
本発明の一実施形態に係る冷凍サイクル装置の概略構成図 図２Ａはインジェクションを実行しない場合のモリエル線図、図２Ｂはインジェクションを実行した場合のモリエル線図。 制御手段が行うインジェクション運転のフローチャート 変形例の冷凍サイクル装置の概略構成図 他の変形例の冷凍サイクル装置の概略構成図 従来の冷凍サイクル装置の概略構成図
　以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
　図１は、本発明の一実施形態に係る冷凍サイクル装置１００を示している。この冷凍サイクル装置１００は、冷媒回路３０を備えている。冷媒回路３０は、膨張機一体型圧縮機１、副圧縮機２、放熱器４、蒸発器５、およびこれらの機器を接続する第１～第４配管（冷媒配管）３ａ～３ｄで構成されている。
　膨張機一体型圧縮機１は、互いに第１シャフト１５により連結された第１圧縮機構１１、第１電動機１２、および膨張機構１３を収容する第１密閉容器１０を有している。副圧縮機２は、互いに第２シャフト２５により連結された第２圧縮機構２１および第２電動機２２を収容する第２密閉容器２０を有している。第１圧縮機構１１および第２圧縮機構２１は、２本の枝管が１本の本管になる第１配管３ａを介して放熱器４に接続されており、放熱器４は、第２配管３ｂを介して膨張機構１３に接続されている。また、膨張機構１３は、第３配管３ｃを介して蒸発器５に接続されており、蒸発器５は、１本の本管が２本の枝管になる第４配管３ｄを介して第１圧縮機構１１および第２圧縮機構２１に接続されている。すなわち、冷媒回路３０中には、第１圧縮機構１１と第２圧縮機構２１とが並列に配置されている。換言すれば、冷媒回路３０中では、第１圧縮機構１１は第２圧縮機構２１と並列に接続されている。
　そして、第１圧縮機構１１で圧縮された冷媒および第２圧縮機構２１で圧縮された冷媒は、第１圧縮機構１１または第２圧縮機構２１から第１配管３ａに吐出された後、第１配管３ａを流れる途中で合流し、放熱器４に導かれる。圧縮機構１１，２１で圧縮された冷媒は、圧縮機構１１，２１からいったん密閉容器１０，２０内に吐出された後に密閉容器１０，２０から第１配管３ａに排出されるようになっていてもよい。放熱器４に導かれた冷媒は、ここで放熱した後に、第２配管３ｂを通って膨張機構１３に導かれる。膨張機構１３に導かれた冷媒は、ここで膨張する。このとき、膨張機構１３は、膨張する冷媒から動力を回収する。膨張した冷媒は、膨張機構１３から第３配管３ｃに吐出され、蒸発器５に導かれる。蒸発器５に導かれた冷媒は、ここで吸熱した後に、第４配管３ｄを流れる途中で分流し、第１圧縮機構１１および第２圧縮機構２１に導かれる。
　なお、第１圧縮機構１１の押しのけ容積と第２圧縮機構２１の押しのけ容積は同じであることが好ましい。このようになっていれば、第１圧縮機構１１と第２圧縮機構２１とを共通の部材で構成することができ、コストを抑えることができる。
　冷媒回路３０には、高圧部分（第１圧縮機構１１および第２圧縮機構２１から放熱器４を経て膨張機構１３に至る部分）において超臨界状態となる冷媒が充填されている。本実施形態では、そのような冷媒として冷媒回路３０に二酸化炭素（ＣＯ2）が充填されている。ただし、冷媒の種類は特に限定されるものではない。冷媒は、運転時に超臨界状態とならない冷媒（例えばフロン系の冷媒等）であってもよい。
　本実施形態の冷凍サイクル装置１００は、貯湯タンクに貯えられた湯を給湯栓に供給する給湯機に、水を加熱して湯を生成するヒートポンプユニットとして用いられるものである。すなわち、放熱器４は、水と冷媒との間で熱交換を行う水加熱用の熱交換器として機能するものである。そして、冷凍サイクル装置１００は、図略の貯湯タンクから放熱器４に水を送るための送り管４１と、放熱器４から生成された湯を図略の貯湯タンクに戻すための戻し管４２とをさらに備えている。
　さらに、冷凍サイクル装置１００は、第２配管３ｂから膨張機構１３をバイパスして第３配管に至るバイパス路６を備えている。このバイパス路６の途中には、上流側から順に、第１流量制御弁６１、気液分離器６２、および第２流量制御弁６３が設けられている。また、気液分離器６２と副圧縮機２の第２圧縮機構２１はインジェクション路７で接続されており、このインジェクション路７によって気液分離器６２で液冷媒と分離されたガス冷媒が第２圧縮機構２１に導かれるようになっている。インジェクション路７には、開閉弁７１が設けられている。
　第１流量制御弁６１は、バイパス路６を冷媒が流れることを許可したり禁止したりする役割を果たすとともに、インジェクション路６を通じた第２圧縮機構２１へのガス冷媒の供給、いわゆるインジェクションを実行する際の冷凍サイクルの高圧側の圧力（以下単に「高圧」ともいう。）を調整する役割を果たす。本実施形態では、第１流量制御弁６１として膨張弁が用いられている。
　一方、第２流量制御弁６３は、気液分離器６２内の圧力、すなわちインジェクションすべき冷媒の圧力（中間圧Ｐｍ）を決定する役割を果たす。インジェクション路７は第２圧縮機構２１の内部の容積変動する圧縮室へ開口しており、その開口位置は、圧縮室が特定の中間の容積となったときにインジェクション路７と圧縮室が連通する位置に設定されている。そして、中間圧Ｐｍは、その開口位置から求められる所定圧力Ｐｂ以上となるように決定される。このように中間圧Ｐｍは所定圧力Ｐｂ以上であればよいため、本実施形態では、第２流量制御弁６３として固定絞り（例えばオリフィス）が用いられている。
　開閉弁７１は、インジェクション路７をガス冷媒が流れることを許可したり禁止したりする役割を果たす。
　また、冷凍サイクル装置１００は、主に第１電動機１２および第２電動機２２の回転数ならびに第１流量制御弁６１および開閉弁７１を制御する、制御手段８を備えている。本実施形態では、制御手段８は、外気温度を検知する外気温度センサ（外気温度検知手段）８１、送り管９１を流れる水の温度、すなわち放熱器４への入水温度を検知する入水温度センサ（入水温度検知手段）８２、および冷凍サイクルの高圧側の圧力を検知する圧力センサ（圧力検知手段）９１と接続されている。本実施形態では、圧力センサ９１が第２配管３ｂのバイパス路６がつながる位置よりも上流側に設けられているが、圧力センサ９１は第１配管３ａの本管に設けられていてもよい。
　次に、制御手段８が行う制御について説明する。その前に、まず、インジェクションを実行しない場合とした場合について説明する。
　図２Ａおよび図２Ｂは、インジェクションの有無によるモリエル線図の違いを示した図である。インジェクションを実行した場合には、図２Ｂに示すように、放熱器４を出た冷媒（Ｅ点）は、膨張機構１３を流れてＦ点へ向かうものと、バイパス路６を流れてＨ点へ向かうものとに分かれる。さらにバイパス路６で中間圧Ｐｍになった気液分離器６２内のＧ点の冷媒のうちのガス冷媒は、インジェクション路７を流れた後に、Ａ点からＢ点まで圧縮された冷媒と合流してＣ点に至る。そして、Ｃ点の冷媒は、さらに圧縮されＤ点へと到達する。以上がインジェクションを実行した場合の冷媒の動作である。
　次に、気液分離器６２で分離されたガス冷媒を副圧縮機２の第２圧縮機構２１へインジェクションすることで高効率化が図れる原理について図２Ａおよび図２Ｂを用いて説明する。
　インジェクションを実行した場合において、第２圧縮機構２１への吸入冷媒を中間圧Ｐｍまで圧縮させた場合のエンタルピ増加量をａ、インジェクションされた冷媒と合流した後の冷媒を所定の圧力まで圧縮させた場合のエンタルピ増加量をｃとする。また、インジェクションを実行しない場合についても中間圧Ｐｍを想定し、第２圧縮機構２１への吸入冷媒を中間圧Ｐｍまで圧縮させた場合のエンタルピ増加量をａ、中間圧Ｐｍから所定の圧力まで圧縮させた場合のエンタルピ増加量をｂとする。冷媒循環量をＧｒとしてインジェクションの有無による圧縮動力の違いは以下のようになる。
　・インジェクションを実行しない場合の圧縮動力：Ｇｒ×（ａ＋ｂ）
　・インジェクションを実行した場合の圧縮動力：Ｇｒ×ａ＋（Ｇｒ＋α）×ｃ
　　　（αはインジェクション量）
　・両者の差：Ｇｒ×（ａ＋ｂ）－Ｇｒ×（ａ＋ｃ）＝Ｇｒ×（ｂ－ｃ）
　　　（ただし、インジェクション量αを除外して比較）
　ここで、等エントロピ線の傾きからｂ＞ｃとなることからインジェクションを実行した場合はインジェクションを実行しない場合に比べてＧｒ×（ｂ－ｃ）の分だけ圧縮動力を低減でき、ＣＯＰを向上させることができる。
　制御手段８は、まず起動運転を行い、その後に定常運転を行う。定常運転中は、開閉弁７１および第１流量制御弁６１が閉状態とされる。さらに、制御手段８は、定常運転中に、放熱能力を一時的に増加させる必要性が生じた場合には、インジェクション運転を行う。そのインジェクション運転のフローチャートを図３に示す。
　まず、制御手段８は、要求負荷Ｑｍ［ｋＷ］が予め定められた規定値Ｑ１［ｋＷ］以上であるか否かを判定する（ステップＳ１）。要求負荷Ｑｍは、本実施形態のように冷凍サイクル装置１００が給湯機に用いられる場合には、ユーザーがリモコン等で出湯温度を設定したときに、そのユーザー設定温度と貯湯タンク内の湯温との差から求めることができる。ユーザー設定温度と貯湯タンク内の湯温との差が２倍になれば、要求負荷も２倍となる。既定値Ｑ１は、例えばインジェクションを実行しない場合の放熱器４による最大加熱能力とすればよい。
　要求負荷Ｑｍが既定値Ｑ１未満であれば（ステップＳ１でＮＯ）、制御手段８は再度ＱｍとＱ１とを比較する。要求負荷Ｑｍが既定値Ｑ１以上となったときには（ステップＳ１でＹＥＳ）、制御手段８は開閉弁７１を開ける（ステップＳ２）。このとき、開閉弁７１の開度は全開とされることが好ましい。開閉弁７１の開度を制御すればインジェクション流量（インジェクション路７を流れる冷媒の流量）を任意に調整して加熱能力を制御することができるが、開閉弁７１の開度を制限することによって圧力損失が生じ、インジェクションによる放熱能力向上効果が低下してしまうためである。
　ついで、制御手段８は、入水温度センサ８２で検知される入水温度および外気温度センサ８１で検知される外気温度から、第１配管３ａを通じて放熱器４に導かれるべき冷媒についての適正圧力（最適圧力）Ｐａを算出する（ステップＳ３）。その後、制御手段８は、第１流量制御弁６１を所定の開度まで開く（ステップＳ４）。そうすると、気液分離器６２で分離されたガス冷媒が副圧縮機２の第２圧縮機構２１にインジェクションされ、インジェクションが開始される。なお、第１流量制御弁６１の所定の開度は、適正圧力Ｐａが得られる開度を予め実験で測定しておいて、それを外気温度等に対応させて制御手段８のメモリに記憶させておいてもよい。
　インジェクションを開始した後は、制御手段８は、圧力センサ９１で冷凍サイクルの高圧側の圧力Ｐｄを検知し（ステップＳ５）、圧力センサ９１で検知された圧力ＰｄがステップＳ３で算出した適正圧力Ｐａと等しいか否かを判定する（ステップＳ６）。Ｐｄ＝Ｐａでない場合には（ステップＳ６でＮＯ）、制御手段８は、第１流量制御弁６１の開度を調整する（ステップＳ７）。冷凍サイクルの高圧は、第１流量制御弁６１の開度を開くと下がり、閉じると上がる。従って、第１流量制御弁６１の開度の調整は、Ｐｄ＞Ｐａの場合は開度を大きくし、Ｐｄ＜Ｐａの場合は開度を小さくするように行う。そして、再度ステップＳ５とステップＳ６を行い、Ｐｄ＝ＰａとなるまでステップＳ７，Ｓ５，Ｓ６を繰り返す。
　一方、Ｐｄ＝Ｐａである場合には（ステップＳ６でＹＥＳ）、ステップＳ８に進み、制御手段８は要求負荷Ｑｍが規定値Ｑ１未満となるまでその状態を維持する。その後、要求負荷Ｑｍが既定値Ｑ１未満となったときには、制御手段８は、開閉弁７１および第１流量制御弁６１を閉じ（ステップＳ９）、定常運転に戻る。
　以上説明したように、本実施形態の冷凍サイクル装置１００では、第２圧縮機構２１へのインジェクションにより、放熱器４を通る冷媒の循環量を大きくすることができる。これにより、ＣＯＰを高く維持したままで放熱能力を一時的に増加することができる。この第２圧縮機２１へのインジェクションは、第１電動機１２および第２電動機２２の回転数を増加させなくても、放熱器４による加熱能力をおよそ４％大きくすることができる。例えば、インジェクションを実行しない場合の放熱器４による加熱能力が５ｋＷであれば、インジェクションを実行することによってその加熱能力を５．２ｋＷまで向上させることができる。
　しかも、第２圧縮機構２１へインジェクションすることにより、膨張機一体型圧縮機１から第１配管３ａに送り出される冷媒と副圧縮機２から第１配管３ａに送り出される冷媒の間の温度差を小さくすることができる。これにより、冷凍サイクルの安定性を損なうことなく、むしろ良好にした状態で放熱能力を高めることができる。
　また、本実施形態では、インジェクション路７に開閉弁７１が設けられているので、開閉弁７１を閉じたままで第１流量制御弁６１を開けば、高圧側の冷媒の熱エネルギーで蒸発器５に付着した霜を溶かす除霜運転を行うことができる。なお、除霜運転を行う場合には、第２流量制御弁６３として固定絞りの代わりに開度調整可能な例えば開閉弁を用いることが好ましい。この構成であれば、除霜運転を行うときに第２流量制御弁６３の開度を全開にすることができ、これにより圧力損失の発生を避けることができる。
　（変形例）
　前記実施形態では、第２流量制御弁６３として固定絞りを用いたが、第２流量制御弁６３として膨張弁を用いることも可能である。この場合には、図４に示す変形例の冷凍サイクル装置１００Ａのように、気液分離器６２内の圧力を検知する第２の圧力センサ（第２圧力検知手段）９２を設け、この圧力センサ９２で検知される中間圧Ｐｍが所定圧力Ｐｂ以上となるように第２流量制御弁６３の開度を制御手段８で調整してもよい。図４に示す例では、圧力センサ９２は、バイパス路６の第１流量制御弁６１と気液分離器６２との間に設けられている。
　あるいは、圧力センサ９２を設ける代わりに、図４に示すように気液分離器６２内の冷媒温度を検知する冷媒温度センサ８４を設け、この冷媒温度センサ８４で検知される冷媒温度から中間圧Ｐｍを制御手段８で推定し、推定した中間圧Ｐｍが所定圧力Ｐｂ以上となるように第２流量制御弁６３の開度を制御手段８で調整してもよい。バイパス路６を流れる冷媒は、第１流量制御弁６１で減圧されることにより超臨界状態から気液二相状態になるため、気液分離器６２内の冷媒温度から中間圧Ｐｍを推定することができる。
　また、冷凍サイクルの高圧側の圧力Ｐｄを検知する圧力センサ９１を設ける代わりに、図５に示す変形例の冷凍サイクル装置１００Ｂのような構成にすることも可能である。この冷凍サイクル装置１００Ｂでは、第１配管３ａの本管に、第１配管３ａを通じて放熱器４に導かれる冷媒の温度を検知する冷媒温度センサ（冷媒温度検知手段）８３が設けられている。そして、制御手段８は、冷媒温度センサ８３で検知される冷媒温度および外気温度センサ８１で検知される外気温度から放熱器４に導かれる冷媒の圧力、すなわち冷凍サイクルの高圧Ｐｄを算出し、この算出した高圧Ｐｄが適正圧力Ｐａとなるように第１流量制御弁６１の開度を調整する。すなわち、この場合のフローチャートは、図３に示すフローチャートからステップＳ５をＰｄ算出のステップに変更しただけのものとなる。このようにすれば、温度センサが圧力センサに比べて安価なため、製造コストを削減することができる。
　本発明の冷凍サイクル装置は、冷凍サイクルにおける冷媒の膨張エネルギーを回収して動力回収を行う手段として有用である。

Claims (7)

  1. 　冷媒を圧縮する第１圧縮機構、および膨張する冷媒から動力を回収する膨張機構を含む膨張機一体型圧縮機と、
    　冷媒を圧縮する第２圧縮機構であって冷媒回路中で前記第１圧縮機構と並列に接続される第２圧縮機構を含む副圧縮機と、
    　前記第１圧縮機構および前記第２圧縮機構から吐出される冷媒を放熱させる放熱器と、
    　前記膨張機構から吐出される冷媒を蒸発させる蒸発器と、
    　前記第１圧縮機構および前記第２圧縮機構から前記放熱器に冷媒を導く第１配管と、
    　前記放熱器から前記膨張機構に冷媒を導く第２配管と、
    　前記膨張機構から前記蒸発器に冷媒を導く第３配管と、
    　前記蒸発器から前記第１圧縮機構および前記第２圧縮機構に冷媒を導く第４配管と、
    　前記第２配管から前記膨張機構をバイパスして前記第３配管に至るバイパス路と、
    　前記バイパス路に上流側から順に設けられた、第１流量制御弁、気液分離器、および第２流量制御弁と、
    　前記気液分離器で液冷媒と分離されたガス冷媒を前記第２圧縮機構に導くインジェクション路と、
    を備える冷凍サイクル装置。
  2. 　前記インジェクション路には、開閉弁が設けられている、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
  3. 　要求負荷が予め定められた規定値以上になったときに、前記開閉弁および前記第１流量制御弁を開く制御手段をさらに備える、請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
  4. 　前記放熱器は、冷媒と水との間で熱交換を行って湯を生成するための熱交換器であり、
    　前記放熱器への入水温度を検知する入水温度検知手段と、外気温度を検知する外気温度検知手段と、をさらに備え、
    　前記制御手段は、前記入水温度検知手段で検知される入水温度および前記外気温度検知手段で検知される外気温度から、前記第１配管を通じて前記放熱器に導かれるべき冷媒についての適正圧力を算出する、請求項３に記載の冷凍サイクル装置。
  5. 　冷凍サイクルの高圧側の圧力を検知する圧力検知手段をさらに備え、
    　前記制御手段は、前記圧力検知手段で検知される圧力が前記適正圧力となるように前記第１流量制御弁の開度を調整する、請求項４に記載の冷凍サイクル装置。
  6. 　前記第１配管を通じて前記放熱器に導かれる冷媒の温度を検知する冷媒温度検知手段をさらに備え、
    　前記制御手段は、前記冷媒温度検知手段で検知される冷媒温度および前記外気温度検知手段で検知される外気温度から前記放熱器に導かれる冷媒の圧力を算出し、この算出した圧力が前記適正圧力となるように前記第１流量制御弁の開度を調整する、請求項４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、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
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