WO2011042959A1 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

　膨張機で動力回収をおこなう冷凍サイクル装置において、従来の冷凍サイクル装置よりも確実に膨張機を起動させることができる冷凍サイクル装置を得る。　冷凍サイクル装置１は、第１の圧縮機２、放熱器４、膨張機５及び蒸発器６が順次配管接続された冷媒回路と、第１の圧縮機２と放熱器４との間の冷媒回路に設けられ、膨張機５で回収された動力によって駆動される第２の圧縮機３とを有する。第２の圧縮機３は容積式の圧縮機である。少なくとも第２の圧縮機３が起動されるまでは、第２の圧縮機３の吸入側の圧力よりも第２の圧縮機３の吐出側の圧力を低くする、圧力調整装置（バイパス回路８及び開閉弁９）を備える。

Description

冷凍サイクル装置

　本発明は膨張機で動力回収をおこなう冷凍サイクル装置に関するものである。

　例えば冷凍用や空気調和等に用いられる従来の冷凍サイクル装置において、膨張過程を容積式の膨張機で行ない、このときに回収した膨張動力を容積式の圧縮機で行なわれる圧縮過程に用いるものがある。
　しかしながら、膨張機や膨張機で回収した動力により駆動される圧縮機は、回転機械であるため、その内部には摩擦抵抗や機構ロス等によって「負の動力」が発生する。このため、膨張機や膨張機で回収した動力により駆動される圧縮機を起動させるには、この「負の動力」に打ち勝つだけの動力が必要となる。このため、膨張機や膨張機で回収した動力により駆動される圧縮機の起動（回転）を妨げようとする「負の動力」の低減を図った冷凍サイクル装置や、膨張機起動時の「正の動力」（膨張機を回転させようとする動力）の増大を図った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としては、例えば「他の圧縮機の駆動軸と膨張機構の出力軸を連係した構造となっている。他方の圧縮機のガス吸入口とガス吐出口を接続し他方の圧縮機を迂回するバイパス管を設けるとともに、バイパス管にガス吐出口からガス吸入口への冷媒流通を規制する逆止弁を設けた構造となっている。」（例えば特許文献１参照）というものが提案されている。
　また、このような冷凍サイクル装置としては、膨張機の流入側と流出側の圧力差を大きくし膨張機で回収できる動力を大きくするものも提案されている（例えば特許文献２参照）。

特開平１１－９４３７９号公報（段落［０００９］，［００１３］、図１） 特開２００６－１３２８１８号公報（段落［００１４］～［００２１］）

　例えば特許文献１に記載の冷凍サイクル装置は、圧縮機の吐出側圧力と吸入側圧力とをバイパス管で均圧している。これにより、膨張機（膨張機構）及びこの膨張機と軸で接続された圧縮機を起動しやすいようにしている。
　しかしながら、膨張機と軸で接続された圧縮機は容積式の圧縮機であるため、その内部では昇圧する。
　図１１は、特許文献１における、膨張機と軸で接続された圧縮機の圧縮室内の圧力変化を示す説明図である。この圧縮機の圧縮室内の圧力は、図１１の矢印で示す過程で変化する。上述のようにこの圧縮機は容積式の圧縮機であるため、その内部では昇圧する。このため、この圧縮機を起動させるためには、図１１に示す面積Ｃに相当する圧縮動力が必要となる。つまり、特許文献１に示すように圧縮機の吸入側と吐出側をバイパスしても、「負の動力」が存在する。このため、場合によっては、膨張機で得られる「正の動力」よりも「負の動力」が大きくなり、膨張機を起動できない可能性があるという問題点があった。

　また、膨張機や圧縮機を起動させる際には、膨張機や圧縮機のスラスト軸受やラジアル軸受等に作用する静摩擦も影響する。この静摩擦は、膨張機や圧縮機が駆動している際に作用する動摩擦よりも大きなものである。このため、膨張機や圧縮機を起動させるためには、膨張機や圧縮機のスラスト軸受やラジアル軸受等に作用する静摩擦に打ち勝つ「正の動力」も必要となり、膨張機や圧縮機の起動がさらに不安定となる。

　例えば、スクロール方式の圧縮機では、スラスト軸受にかかる荷重（スラスト軸受に作用する摩擦）を低減させるため、揺動スクロールの背面側に圧縮過程の冷媒を導入することが一般的に行われている。同様に、スクロール方式の膨張機では、スラスト軸受にかかる荷重（スラスト軸受に作用する摩擦）を低減させるため、揺動スクロールの背面側に膨張過程の冷媒を導入することが一般的に行われている。しかしながら、スラスト軸受にかかる荷重（スラスト軸受に作用する摩擦）を低減させるためのこれらの方法は、揺動スクロールが回転している場合を想定したものである。つまり、スラスト軸受に作用する動摩擦を低減させるためのものである。このため、揺動スクロールが停止している状態（揺動スクロールの背面側にスラスト加重を低減する圧力が作用していない状態）では、スラスト軸受に作用する静摩擦を低減させることは期待できない。仮に、揺動スクロールが停止している状態で背面側にスラスト加重を低減する圧力が作用しているとすれば、この圧力は膨張室や圧縮室から漏洩した冷媒によるものである。このような膨張機や圧縮機は、揺動スクロールが揺動している定常状態での性能改善効果が著しく損なわれ、本来の目的（冷媒の膨張や圧縮）を達成できない。

　さらに、膨張機や圧縮機が一度起動に失敗し、機構的な噛み込み（ジャミング）が生じてしまうと、それを凌駕するトルクでモーター等の駆動源を回転させる必要がある。または、駆動源を軽く逆転させて、噛み込みを解消させる必要がある。いずれにしても確実な起動方法ではない。

　また上記特許文献２に記載の冷凍サイクル装置は、膨張機の流入側と流出側の圧力差を大きくすることにより、膨張機を起動させやすくしている。しかしながら、膨張機は一般的に定常状態を基準に設計されるものである。つまり、膨張機は、膨張機の流入側と流出側の圧力差が小さい状態で起動されることを想定して設計されていない。
　このため、起動時に（等密度曲線が疎である）高密度な冷媒が膨張機へ流入すると、図１２に示すように、膨張室内の圧力変化が大きくなり、過膨張となる。つまり、膨張機の回収する動力は、「面積Ｆ－面積Ｇ」に相当する動力（負の動力）となってしまい、膨張機が駆動を継続出来なくなってしまうという問題点があった。
　起動性に重点を置いて膨張機を設計することも考えられるが、定常運転時に不足膨張となり十分な性能改善効果が得られず、本来の膨張機の目的を果たせない。

　本発明は上述のような課題のうち少なくとも１つを解決するためになされたものであり、膨張機で動力回収をおこなう冷凍サイクル装置において、従来の冷凍サイクル装置よりも確実に膨張機を起動させることができる冷凍サイクル装置を得ることを目的とする。

　本発明に係る冷凍サイクル装置は、第１の圧縮機、放熱器又は凝縮器となる第１の熱交換器、膨張機、及び蒸発器となる第２の熱交換器が順次配管接続された冷媒回路と、第１の圧縮機と第１の熱交換器との間の冷媒回路に設けられ、膨張機で回収された動力によって駆動される第２の圧縮機と、を有し、第２の圧縮機は容積式の圧縮機であり、少なくとも第２の圧縮機が起動されるまでは、第２の圧縮機の吸入側の圧力よりも第２の圧縮機の吐出側の圧力を低くする圧力調整装置を備えたものである。

　また、本発明に係る冷凍サイクル装置は、第１の圧縮機、放熱器又は凝縮器となる第１の熱交換器、膨張機、及び蒸発器となる第２の熱交換器が順次配管接続された冷媒回路と、第２の熱交換器と第１の圧縮機との間の冷媒回路に設けられ、膨張機で回収された動力によって駆動される第２の圧縮機と、を有し、第２の圧縮機は容積式の圧縮機であり、少なくとも第２の圧縮機が起動されるまでは、第２の圧縮機の吸入側の圧力よりも第２の圧縮機の吐出側の圧力を低くする圧力調整装置を備えたものである。

　また、本発明に係る冷凍サイクル装置は、第１の圧縮機、放熱器又は凝縮器となる第１の熱交換器、膨張機、及び蒸発器となる第２の熱交換器が順次配管接続された冷媒回路と、第１の圧縮機と第１の熱交換器との間の冷媒回路に設けられ、膨張機で回収された動力によって駆動される第２の圧縮機と、を有し、第２の圧縮機は容積式の圧縮機であり、少なくとも膨張機が起動されるまでは、膨張機の流入側の圧力よりも膨張機の吐出側の圧力を低く調整し、膨張機に流入する冷媒の密度を調整する膨張機起動促進装置を備えたものである。

　また、本発明に係る冷凍サイクル装置は、第１の圧縮機、放熱器又は凝縮器となる第１の熱交換器、膨張機、及び蒸発器となる第２の熱交換器が順次配管接続された冷媒回路と、第２の熱交換器と第１の圧縮機との間の冷媒回路に設けられ、膨張機で回収された動力によって駆動される第２の圧縮機と、を有し、第２の圧縮機は容積式の圧縮機であり、少なくとも膨張機が起動されるまでは、膨張機の流入側の圧力よりも膨張機の吐出側の圧力を低く調整し、膨張機に流入する冷媒の密度を調整する膨張機起動促進装置を備えたものである。

　本発明に係る冷凍サイクル装置は、少なくとも第２の圧縮機が起動されるまでは、第２の圧縮機の吸入側の圧力よりも第２の圧縮機の吐出側の圧力を低くする圧力調整装置を備えている。このため、従来よりも圧縮動力が低減し、従来の冷凍サイクル装置よりも確実に膨張機を起動させることができる。

　また、本発明に係る冷凍サイクル装置は、少なくとも膨張機が起動されるまでは、膨張機の流入側の圧力よりも膨張機の吐出側の圧力を低く調整し、膨張機に流入する冷媒の密度を調整する膨張機起動促進装置を備えている。このため、膨張機の流入側と流出側の圧力差が小さい状態で膨張機が起動されても、高密度な冷媒が膨張機へ流入することを防止できる。したがって、従来の冷凍サイクル装置よりも確実に膨張機を起動させることができる。

実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。 実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の定常状態における冷媒流れを示す冷媒回路図である。 実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の起動時における冷媒流れを示す冷媒回路図である。 実施の形態１に係る膨張機における起動時の膨張室内の圧力変化を示す説明図である。 実施の形態１に係る第２の圧縮機における起動時の圧縮室内の圧力変化を示す説明図である。 本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の別の一例を示す冷媒回路図である。 本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置のさらに別の一例を示す冷媒回路図である。 実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。 実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の定常状態における冷媒流れを示す冷媒回路図である。 実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の起動時における冷媒流れを示す冷媒回路図である。 特許文献１に示す膨張機と軸で接続された圧縮機における、圧縮室内の圧力変化を示す説明図である。 特許文献２に示す膨張機における起動時に高密度な冷媒が流入した際の膨張室内の圧力変化を示す説明図である。

　実施の形態１．
　以下、本発明の実施の形態１について説明する。
　図１は、本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。
　冷凍サイクル装置１は、冷媒として二酸化炭素を用いたものであり、第１の圧縮機２、第２の圧縮機３、放熱器４、膨張機５、蒸発器６を順次冷媒配管で接続して構成されている。また、第２の圧縮機３の駆動軸と膨張機５の起動軸とは、軸７によって接続されている。なお、放熱器４や蒸発器６は、複数台設けられていてもよい。

　第１の圧縮機２は、例えば電力供給されて駆動するモーターを内蔵しており、膨張機５とは独立して駆動可能なものである。第２の圧縮機３は、容積式の圧縮機であり、膨張機５で回収された動力によって駆動されるものである。膨張機５は、容積式の膨張機であり、冷媒が膨張する際に回収した動力を第２の圧縮機３へ供給する。また、放熱器４の近傍には、放熱器４を流れる冷媒と熱交換を行う空気（熱媒体）を放熱器４へ搬送するファン４ａが設けられている。蒸発器６の近傍には、蒸発器６を流れる冷媒と熱交換を行う空気（熱媒体）を蒸発器６へ搬送するファン６ａが設けられている。

　ここで、放熱器４が、本発明の第１の熱交換器に相当する。蒸発器６が、本発明の第２の熱交換器に相当する。ファン４ａが、本発明の熱媒体搬送装置に相当する。

　冷凍サイクル装置１には、逆止弁１０及びバイパス回路８も設けられている。逆止弁１０は、放熱器４と膨張機５との間に設けられており、膨張機５から放熱器４へ冷媒が流れることを規制している。バイパス回路８は、一方の端部が第１の圧縮機２と第２の圧縮機３との間に接続され、他方の端部が逆止弁１０と膨張機５との間に接続されている。このバイパス回路８には、バイパス回路８を開閉する開閉弁９が設けられている。
　また、冷凍サイクル装置１には、第２の圧縮機３の吐出側に、冷媒温度測定装置となる温度センサー２１が設けられている。
　第１の圧縮機２に内蔵されたモーターの回転数、ファン４ａの回転数、ファン６ａの回転数、及び開閉弁９の開閉は、制御装置１００によって制御される。この制御装置１００は、温度センサー２１の検出値も受信している。

＜動作説明＞
　このように構成された冷凍サイクル装置１の動作について説明する。まず、定常運転時における冷凍サイクル装置１の動作について説明する。その後、起動時における冷凍サイクル装置１の動作について説明する。

（定常運転時の動作）
　定常運転時における冷凍サイクル装置１の動作について説明する。
　図２は、本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の定常状態における冷媒流れを示す冷媒回路図である。定常状態では、開閉弁９は閉じた状態となっている。つまり、定常状態では、バイパス回路８に冷媒が流れないようになっている。なお、図２では、冷媒が流れる配管を太線で示している。

　第１の圧縮機２で高温中圧に圧縮された冷媒は、第１の圧縮機２から吐出される。この高温中圧の冷媒は、第２の圧縮機３で高温高圧（超臨界状態）に圧縮され、放熱器４に流入する。放熱器４に流入した冷媒は、ファン４ａに搬送された空気へ放熱し、低温高圧の冷媒となる。この低温高圧の冷媒は、第１の逆止弁１０を通過し、膨張機５に流入する。膨張機５に流入した冷媒は、減圧されて低圧低乾き度の冷媒となる。この減圧過程において、膨張機５は動力を回収する。そして、回収された動力は、軸７を介して、第２の圧縮機３へ供給される。膨張機５から流出した低圧低乾き度の冷媒は、蒸発器６に流入する。蒸発器６に流入した冷媒は、ファン６ａに搬送された空気から吸熱し、低圧高乾き度の冷媒又は低圧過熱ガス状の冷媒となる。蒸発器６から流出した冷媒は、第１の圧縮機２に吸入される。

　膨張機５で回収された動力が第２の圧縮機３での圧縮動力として使用されるため、その分、第１の圧縮機の必要動力が低下する。このため、冷凍サイクル装置１の省エネルギー化を図ることができる。

（起動時の動作）
　次に、起動時における冷凍サイクル装置１の動作について説明する。
　図３は、本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の起動時における冷媒流れを示す冷媒回路図である。起動時においては、開閉弁９は開いた状態となっている。つまり、起動時においては、バイパス回路８に冷媒が流れるようになっている。なお、図３では、冷媒が流れる配管を太線で示している。

　起動時は第２の圧縮機３がまだ停止しているため、第１の圧縮機２で高温中圧に圧縮された冷媒は、バイパス回路８を通って、膨張機５へ至る。このとき、逆止弁１０により、バイパス回路８から流出した冷媒が放熱器４及び第２の圧縮機３の吐出側へ流れることを防止している。つまり、第２の圧縮機３が停止している状態では、第２の圧縮機３の吸入側の圧力は、第１の圧縮機２から吐出された冷媒の圧力となり、第２の圧縮機３の吐出側の圧力よりも大きくなっていく。
　なお、逆止弁１０が設けられていなくとも、第２の圧縮機３が停止している状態では、第２の圧縮機３の吸入側の圧力は、第２の圧縮機３の吐出側の圧力よりも大きくなる。第１の圧縮機２が起動してから第２の圧縮機３が起動するまでの時間は数秒程度（本実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１では、例えば２秒～３秒程度）である。このため、第２の圧縮機３の吐出側へ流れる冷媒は放熱器４に貯留され（放熱器４がバッファーとなり）、第２の圧縮機３の吐出側の圧力上昇が鈍感となるからである。
　つまり、バイパス回路８及び開閉弁９が、本発明の圧力調整装置となる。本実施の形態１では、第２の圧縮機３の吸入側圧力と吐出側圧力の差圧をより確実に得るため、逆止弁１０を設けている。

　また、第１の圧縮機２が起動することにより、膨張機５の流出側の冷媒は、蒸発器６を経由して、第１の圧縮機２へ吸入される。つまり、膨張機５が停止している状態では、膨張機５の流出側の圧力は、膨張機５の流入側の圧力よりも小さくなっていく。また、膨張機５の流入側に流れてくる冷媒は、放熱器４を通過していない冷媒なので、低密度な冷媒となっている。つまり、バイパス回路８及び開閉弁９が、本発明の膨張機起動促進装置となる。なお、逆止弁１０が設けられていない場合でも、第２の圧縮機３が停止している状態であれば、膨張機５の流入側に流れてくる冷媒は、放熱器４を通過していない低密度の冷媒である。このため、逆止弁１０は、膨張機起動促進装置の構成でなくともよい。

　膨張機５の流入側の圧力と膨張機５の流出側の圧力との差（以下、膨張機５の差圧ともいう）が大きくなってくると、膨張機５は起動される（駆動が開始される）。

　このとき、膨張機５の膨張室内の圧力は図４のようになる。
　図４は、本発明の実施の形態１に係る膨張機における起動時の膨張室内の圧力変化を示す説明図である。なお、膨張機５の膨張室内の圧力は、図４の矢印で示す過程で変化する。また、参考として、特許文献２に係る膨張機における起動時の膨張室内の圧力変化を破線で示す。
　起動時における膨張機５の差圧は定常状態における膨張機５の差圧よりも小さいため、若干過膨張となっているが、「面積Ｄ－面積Ｅ」に相当する動力（正の動力）が得られる。このため、膨張機５の駆動を継続することができる。

　一方、軸７を介して膨張機５と接続されている第２の圧縮機３は、その圧縮室内の圧力が図５のように変化する。
　図５は、本発明の実施の形態１に係る第２の圧縮機における起動時の圧縮室内の圧力変化を示す説明図である。なお、第２の圧縮機３の圧縮室内の圧力は、図５の矢印で示す過程で変化する。
　第２の圧縮機３の吸入側の圧力が吐出側の圧力よりも大きくなっている（逆圧となっている）ため、過圧縮となっている。このときの圧縮動力は、「面積Ａ－面積Ｂ」に相当する動力となり、圧縮機の吐出側圧力と吸入側圧力とを均圧する従来の冷凍サイクル装置（例えば特許文献１参照）よりも小さくなっている。このため、従来の冷凍サイクル装置よりも第２の圧縮機３を起動させやすくなっている。また、逆圧の程度によっては、面積Ｂ－面積Ａに相当する回収動力が得られる。この分の動力は、第２の圧縮機３の安定した起動に寄与する。

　膨張機５及び第２の圧縮機３が起動したら、開閉弁９を閉止しても、膨張機５及び第２の圧縮機３の駆動を継続することは可能である。しかしながら、本実施の形態１では、膨張機５及び第２の圧縮機３の駆動をより確実に継続させるため、冷凍サイクル装置１が定常状態で運転可能となるまで、開閉弁９を開いた状態にしている。

　より具体的には、制御装置１００は以下のように開閉弁９を制御している。
　第２の圧縮機３の駆動が継続されると、第２の圧縮機３から吐出される冷媒の温度が上昇する。また、第２の圧縮機３の吐出側の圧力が吸入側の圧力以上になってくる。つまり、冷凍サイクル装置１を定常状態で運転しても可能ということになる。
　冷凍サイクル装置１では、第２の圧縮機３が吐出した冷媒の温度を、温度センサー２１によって検出する。そして、制御装置１００は、温度センサー２１の検出温度がある閾値以上となったとき、冷凍サイクル装置１を定常状態で運転可能と判断し、開閉弁９を閉止する。

　なお、冷凍サイクル装置１を定常状態で運転可能と判断するのが遅れた場合でも、逆止弁１０があるため、第２の圧縮機３の吐出圧力が急上昇することなく、膨張機５へ冷媒が流れる。このため、高圧や高温の保護装置が働くことなく、冷凍サイクル装置１の確実な起動を実現できる。

　以上、このように構成された冷凍サイクル装置１においては、少なくとも第２の圧縮機３が起動するまで、第２の圧縮機３の吸入側の圧力が第２の圧縮機３の吐出側の圧力よりも大きくなるようにしている。また、少なくとも膨張機５が起動するまで、膨張機５の流出側の圧力を膨張機５の流入側の圧力よりも小さくし、膨張機５の流入側に流れてくる冷媒が低密度となるようにしている。このため、従来の冷凍サイクル装置より、より確実に第２の圧縮機３及び膨張機５を起動させることができる。

　なお、第２の圧縮機３の吸入側の圧力が第２の圧縮機３の吐出側の圧力よりも大きくなるようにするだけでも、従来の冷凍サイクル装置より、より確実に第２の圧縮機３及び膨張機５を起動させることができるのはもちろんである。また、膨張機５の流出側の圧力を膨張機５の流入側の圧力よりも小さくし、膨張機５の流入側に流れてくる冷媒が低密度となるようにするだけでも、従来の冷凍サイクル装置より、より確実に第２の圧縮機３及び膨張機５を起動させることができるのはもちろんである。

　また、冷凍サイクル装置１に四方弁を設けて冷媒流れを切り替えられるようにしても、本発明を実施することができる。

　図６は、本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の別の一例を示す冷媒回路図である。この冷凍サイクル装置５１は、第２の圧縮機３の吐出側に四方弁１４が設けられている。この四方弁１４により、第２の圧縮機３から吐出された冷媒の流路を、放熱器４へ流れる流路又は蒸発器６へ流れる流路に切り替える。また、第１の圧縮機２へ流入する冷媒の流路を蒸発器６から流入する流路又は放熱器４から流入する流路に切り替える。なお、第２の圧縮機３から吐出された冷媒が蒸発器６へ流入する場合（放熱器４から第１の圧縮機２へ冷媒が流入する場合）、放熱器４が蒸発器となり、蒸発器６が放熱器となる。
　また、膨張機５の流入側には、四方弁１５が設けられている。この四方弁１５により、膨張機５へ流入する冷媒の流路を、放熱器４から流入する流路又は蒸発器６から流入する流路に切り替える。

　このような冷凍サイクル装置５１を空気調和機に用いた場合、冷房運転と暖房運転の双方が可能な空気調和機を得ることができる。
　なお、膨張機５は、容積式のため、一方向しか冷媒を流せない。このため、膨張機５の流入口近傍に逆止弁１０を設け、この逆止弁１０と膨張機５との間にバイパス回路８を接続するとよい。

　また、本実施の形態１に係る冷凍サイクル装置をさらに省エネルギー化するため、例えば図７に示すように、第１の圧縮機２と第２の圧縮機３との間に中間冷却器２２を設けてもよい。なお、図７は、冷凍サイクル装置１に中間冷却器２２を設けた例を示している。
　第１の圧縮機２から吐出された高温中圧の冷媒を冷却することにより、この冷媒は、モリエル線図上において等エントロピー線の傾きが大きくなる。つまり、第２の圧縮機３が冷媒を圧縮する際に必要な動力を減少させることができる。なお、第１の圧縮機２と第２の圧縮機３との間にあるバイパス回路８の接続部は、中間冷却器２２の上流側でもよいし、中間冷却器２２の下流側でもよい。前者の場合、膨張機５が起動するまでの間の第１の圧縮機２の吐出圧力の急上昇を抑制することができる。この効果は、開閉弁９を流量調整弁に置き換えて開度を調節することでも実現できる。

　また、本実施の形態１では、放熱器４及び蒸発器６と熱交換する熱媒体を空気としたが、その他の熱媒体としてもよい。例えば、放熱器４と熱交換する熱媒体を水とし、本実施の形態１に係る冷凍サイクル装置を給湯用途に用いてもよい。また、放熱器４や蒸発器６と熱交換する熱媒体を水やブラインとし、この熱媒体を空気調和空間へ搬送し、空気調和空間の空気調和をおこなってもよい。

　また、本実施の形態１では、オゾン破壊係数がゼロであり、かつ地球温暖化係数もフロン類に比べれば格段に小さい二酸化炭素を冷媒として用いたが、冷媒種類は任意である。しかしながら、二酸化炭素を用いた冷凍サイクル装置は従来の冷媒を用いた冷凍サイクル装置よりも運転効率（ＣＯＰ）が低下する。このため、二酸化炭素を用いた冷凍サイクル装置に本発明を実施することは、非常に有効となる。なお、超臨界状態にまで圧縮されない冷媒を用いる場合、放熱器４は凝縮器として機能する。

　また、本実施の形態１では、膨張機５と第２の圧縮機３とを機械的に（軸７で）接続したが、膨張機５と第２の圧縮機３とを電気的に接続してもよい。例えば、膨張機５と発電機を接続し、膨張機５が回収した動力を電力に変換し、この電力を第２の圧縮機３へ供給してもよい。

　また、本実施の形態１では、冷凍サイクル装置１（冷凍サイクル装置５１）が定常運転可能かを温度センサー２１を用いて検出したが、冷凍サイクル装置１（冷凍サイクル装置５１）が定常運転可能か否かの判断に圧力センサーを用いてもよい。より具体的には、第２の圧縮機３の吐出側と吸入側のそれぞれに圧力センサーを設ける。そして、これら圧力センサーの検出値の差がある閾値以上となった場合、冷凍サイクル装置１（冷凍サイクル装置５１）が定常運転可能と判断してもよい。

実施の形態２．
　本発明は、実施の形態１に示す冷凍サイクル装置に限らず、例えば以下のような構成の冷凍サイクル装置に実施することもできる。なお、本実施の形態２において、特に記述しない項目については実施の形態１と同様とする。

　図８は、本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。本実施の形態２に係る冷凍サイクル装置５２は、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１と比べ、以下の点が異なっている。冷凍サイクル装置５２のその他の構成は、冷凍サイクル装置１と同様である。

　まず、第１の圧縮機２と第２の圧縮機３の設置位置が逆となっている。また、逆止弁１０に換えて、逆止弁１３が設けられている。また、バイパス回路８及び開閉弁９に換えて、バイパス回路１１及び開閉弁１２が設けられている。
　逆止弁１３は、膨張機５と蒸発器６との間に設けられており、蒸発器６から膨張機５へ冷媒が流れることを規制している。
　バイパス回路１１は、一方の端部が第２の圧縮機３と第１の圧縮機２との間に接続され、他方の端部が膨張機５と逆止弁１３との間に接続されている。このバイパス回路１１には、バイパス回路１１を開閉する開閉弁１２が設けられている。

＜動作説明＞
　このように構成された冷凍サイクル装置５２の動作について説明する。まず、定常運転時における冷凍サイクル装置５２の動作について説明する。その後、起動時における冷凍サイクル装置５２の動作について説明する。

（定常運転時の動作）
　定常運転時における冷凍サイクル装置５２の動作について説明する。
　図９は、本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の定常状態における冷媒流れを示す冷媒回路図である。定常状態では、開閉弁１２は閉じた状態となっている。つまり、定常状態では、バイパス回路１１に冷媒が流れないようになっている。なお、図９では、冷媒が流れる配管を太線で示している。

　第２の圧縮機３で高温中圧に圧縮された冷媒は、第２の圧縮機３から吐出される。この高温中圧の冷媒は、第１の圧縮機２で高温高圧（超臨界状態）に圧縮され、放熱器４に流入する。放熱器４に流入した冷媒は、ファン４ａに搬送された空気へ放熱し、低温高圧の冷媒となる。この低温高圧の冷媒は、膨張機５に流入する。膨張機５に流入した冷媒は、減圧されて低圧低乾き度の冷媒となる。この減圧過程において、膨張機５は動力を回収する。そして、回収された動力は、軸７を介して、第２の圧縮機３へ供給される。膨張機５から流出した低圧低乾き度の冷媒は、逆止弁１３を通って、蒸発器６に流入する。蒸発器６に流入した冷媒は、ファン６ａに搬送された空気から吸熱し、低圧高乾き度の冷媒又は低圧過熱ガス状の冷媒となる。蒸発器６から流出した冷媒は、第２の圧縮機３に吸入される。

　膨張機５で回収された動力が第２の圧縮機３での圧縮動力として使用されるため、その分、第１の圧縮機の必要動力が低下する。このため、冷凍サイクル装置５２の省エネルギー化を図ることができる。

（起動時の動作）
　次に、起動時における冷凍サイクル装置１の動作について説明する。
　図１０は、本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の起動時における冷媒流れを示す冷媒回路図である。起動時においては、開閉弁１２は開いた状態となっている。つまり、起動時においては、バイパス回路１１に冷媒が流れるようになっている。また、放熱器に空気を搬送するファン４ａは、停止又は定常状態よりも小さい回転数（回転速度）となっている。なお、図１０では、冷媒が流れる配管を太線で示している。

　第１の圧縮機２で圧縮された冷媒は、放熱器４を通って、膨張機５へ至る。また、第１の圧縮機２が起動することにより、膨張機５の流出側の冷媒は、バイパス回路１１を通って、第１の圧縮機２へ吸入される。このとき、逆止弁１３により、第２の圧縮機３の吸入側の冷媒が第１の圧縮機２によって吸入されることを防止している。つまり、第２の圧縮機３が停止している起動時においては、第２の圧縮機３の吸入側の圧力は、第２の圧縮機３の吐出側の圧力よりも大きくなっていく。
　なお、逆止弁１３が設けられていなくとも、第２の圧縮機３が停止している状態では、第２の圧縮機３の吸入側の圧力は、第２の圧縮機３の吐出側の圧力よりも大きくなる。第１の圧縮機２が起動してから第２の圧縮機３が起動するまでの時間は数秒程度（本実施の形態２に係る冷凍サイクル装置５２では、例えば２秒～３秒程度）である。このため、第２の圧縮機３の吸入側から吸入される冷媒の大部分は蒸発器６に貯留された冷媒であり（蒸発器６がバッファーとなり）、第２の圧縮機３の吸入側の圧力低下が鈍感となるからである。
　つまり、バイパス回路１１及び開閉弁１２が、本発明の圧力調整装置となる。本実施の形態２では、第２の圧縮機３の吸入側圧力と吐出側圧力の差圧をより確実に得るため、逆止弁１３を設けている。

　また、膨張機５が停止している状態では、膨張機５の流出側の圧力は、膨張機５の流入側の圧力よりも小さくなっていく。また、膨張機５の流入側に流れてくる冷媒は、放熱器４での熱交換量が少ないので、低密度な冷媒となっている。つまり、バイパス回路１１及び開閉弁１２、及びファン４ａの回転数を制御する制御装置１００が、本発明の膨張機起動促進装置となる。なお、逆止弁１３は、膨張機起動促進装置の構成でなくともよい。

　膨張機５の差圧が大きくなってくると、膨張機５は起動される（駆動が開始される）。このとき、膨張機５の膨張室内の圧力は図４のようになる（実施の形態１と同様となる）。起動時における膨張機５の差圧は定常状態における膨張機５の差圧よりも小さいため、若干過膨張となっているが、「面積Ｄ－面積Ｅ」に相当する動力（正の動力）が得られる。このため、膨張機５の駆動を継続することができる。

　一方、軸７を介して膨張機５と接続されている第２の圧縮機３は、その圧縮室内の圧力が図５のように変化する（実施の形態１と同様となる）。第２の圧縮機３の吸入側の圧力が吐出側の圧力よりも大きくなっている（逆圧となっている）ため、過圧縮となっている。このときの圧縮動力は、「面積Ａ－面積Ｂ」に相当する動力となり、圧縮機の吐出側圧力と吸入側圧力とを均圧する従来の冷凍サイクル装置（例えば特許文献１参照）よりも小さくなっている。このため、従来の冷凍サイクル装置よりも第２の圧縮機３を起動させやすくなっている。また、逆圧の程度によっては、面積Ｂ－面積Ａに相当する回収動力が得られる。この分の動力は、第２の圧縮機３の安定した起動に寄与する。

　膨張機５及び第２の圧縮機３が起動したら、開閉弁１２を閉止しても、膨張機５及び第２の圧縮機３の駆動を継続することは可能である。しかしながら、本実施の形態２では、膨張機５及び第２の圧縮機３の駆動をより確実に継続させるため、冷凍サイクル装置５２が定常状態で運転可能となるまで、開閉弁１２を開いた状態にしている。

　より具体的には、制御装置１００は以下のように開閉弁１２を制御している。
　第２の圧縮機３の駆動が継続されると、第２の圧縮機３から吐出される冷媒の温度が上昇する。また、第２の圧縮機３の吐出側の圧力が吸入側の圧力以上になってくる。つまり、冷凍サイクル装置５２を定常状態で運転しても可能ということになる。
　冷凍サイクル装置５２では、第２の圧縮機３が吐出した冷媒の温度を、温度センサー２１によって検出する。そして、制御装置１００は、温度センサー２１の検出温度がある閾値以上となったとき、冷凍サイクル装置１を定常状態で運転可能と判断し、開閉弁１２を閉止する。また、ファン４ａの回転数を定常状態の回転数に変更する。冷凍サイクル装置５２が定常運転可能か否かの判断に圧力センサーを用いてもよい。

　なお、冷凍サイクル装置５２を定常状態で運転可能と判断するのが遅れた場合でも、逆止弁１３があるため、第２の圧縮機３の吸入側の圧力が急低下することなく、膨張機５へ冷媒が流れる。このため、低圧や低温の保護装置が働くことなく、冷凍サイクル装置５２の確実な起動を実現できる。

　以上、このように構成された冷凍サイクル装置５２においては、少なくとも第２の圧縮機３が起動するまで、第２の圧縮機３の吸入側の圧力が第２の圧縮機３の吐出側の圧力よりも大きくなるようにしている。また、少なくとも膨張機５が起動するまで、膨張機５の流出側の圧力を膨張機５の流入側の圧力よりも小さくし、膨張機５の流入側に流れてくる冷媒が低密度となるようにしている。このため、従来の冷凍サイクル装置より、より確実に第２の圧縮機３及び膨張機５を起動させることができる。

　なお、第２の圧縮機３の吸入側の圧力が第２の圧縮機３の吐出側の圧力よりも大きくなるようにするだけでも、従来の冷凍サイクル装置より、より確実に第２の圧縮機３及び膨張機５を起動させることができるのはもちろんである。また、膨張機５の流出側の圧力を膨張機５の流入側の圧力よりも小さくし、膨張機５の流入側に流れてくる冷媒が低密度となるようにするだけでも、従来の冷凍サイクル装置より、より確実に第２の圧縮機３及び膨張機５を起動させることができるのはもちろんである。

　１　冷凍サイクル装置、２　第１の圧縮機、３　第２の圧縮機、４　放熱器、４ａ　ファン、５　膨張機、６　蒸発器、６ａ　ファン、７　軸、８　バイパス回路、９　開閉弁、１０　逆止弁、１１　バイパス回路、１２　開閉弁、１３　逆止弁、１４　四方弁、１５　四方弁、２１　温度センサー、２２　中間冷却器、５１　冷凍サイクル装置、５２　冷凍サイクル装置、１００　制御装置。

Claims (11)

1. 　第１の圧縮機、放熱器又は凝縮器となる第１の熱交換器、膨張機、及び蒸発器となる第２の熱交換器が順次配管接続された冷媒回路と、
   　前記第１の圧縮機と前記第１の熱交換器との間の前記冷媒回路に設けられ、前記膨張機で回収された動力によって駆動される第２の圧縮機と、
   　を有し、
   　前記第２の圧縮機は容積式の圧縮機であり、
   　少なくとも前記第２の圧縮機が起動されるまでは、前記第２の圧縮機の吸入側の圧力よりも前記第２の圧縮機の吐出側の圧力を低くする圧力調整装置を備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 　前記圧力調整装置は、
   　一方の端部が前記第１の圧縮機と前記第２の圧縮機との間に接続され、他方の端部が前記第１の熱交換器と前記膨張機との間に接続されたバイパス回路と、
   　該バイパス回路に設けられた開閉弁と、
   　を備え、
   　少なくとも前記第２の圧縮機が起動されるまでは、前記開閉弁を開状態とすることを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 　前記第１の熱交換器と前記バイパス回路の他方の端部との間に、前記第１の熱交換器への冷媒流れを規制する逆止弁を備えたことを特徴とする請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 　第１の圧縮機、放熱器又は凝縮器となる第１の熱交換器、膨張機、及び蒸発器となる第２の熱交換器が順次配管接続された冷媒回路と、
   　前記第２の熱交換器と前記第１の圧縮機との間の前記冷媒回路に設けられ、前記膨張機で回収された動力によって駆動される第２の圧縮機と、
   　を有し、
   　前記第２の圧縮機は容積式の圧縮機であり、
   　少なくとも前記第２の圧縮機が起動されるまでは、前記第２の圧縮機の吸入側の圧力よりも前記第２の圧縮機の吐出側の圧力を低くする圧力調整装置を備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
5. 　前記圧力調整装置は、
   　一方の端部が前記第２の圧縮機と前記第１の圧縮機との間に接続され、他方の端部が前記膨張機と前記第２の熱交換器との間に接続されたバイパス回路と、
   　該バイパス回路に設けられた開閉弁と、
   　を備え、
   　少なくとも前記第２の圧縮機が起動されるまでは、前記開閉弁を開状態とすることを特徴とする請求項４に記載の冷凍サイクル装置。
6. 　前記バイパス回路の他方の端部と前記第２の熱交換器との間に、前記第２の熱交換器からの冷媒流れを規制する逆止弁を備えたことを特徴とする請求項５に記載の冷凍サイクル装置。
7. 　第１の圧縮機、放熱器又は凝縮器となる第１の熱交換器、膨張機、及び蒸発器となる第２の熱交換器が順次配管接続された冷媒回路と、
   　前記第１の圧縮機と前記第１の熱交換器との間の前記冷媒回路に設けられ、前記膨張機で回収された動力によって駆動される第２の圧縮機と、
   　を有し、
   　前記第２の圧縮機は容積式の圧縮機であり、
   　少なくとも前記膨張機が起動されるまでは、前記膨張機の流入側の圧力よりも前記膨張機の吐出側の圧力を低く調整し、前記膨張機に流入する冷媒の密度を調整する膨張機起動促進装置を備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
8. 　前記膨張機起動促進装置は、
   　一方の端部が前記第１の圧縮機と前記第２の圧縮機との間に接続され、他方の端部が前記第１の熱交換器と前記膨張機との間に接続されたバイパス回路と、
   　該バイパス回路に設けられた開閉弁と、
   　を備え、
   　少なくとも前記膨張機が起動されるまでは、前記開閉弁を開状態とすることを特徴とする請求項７に記載の冷凍サイクル装置。
9. 　第１の圧縮機、放熱器又は凝縮器となる第１の熱交換器、膨張機、及び蒸発器となる第２の熱交換器が順次配管接続された冷媒回路と、
   　前記第２の熱交換器と前記第１の圧縮機との間の前記冷媒回路に設けられ、前記膨張機で回収された動力によって駆動される第２の圧縮機と、
   　を有し、
   　前記第２の圧縮機は容積式の圧縮機であり、
   　少なくとも前記膨張機が起動されるまでは、前記膨張機の流入側の圧力よりも前記膨張機の吐出側の圧力を低く調整し、前記膨張機に流入する冷媒の密度を調整する膨張機起動促進装置を備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
10. 　前記第１の熱交換器を流れる冷媒と熱交換を行う熱媒体を、前記第１の熱交換器に搬送する熱媒体搬送装置を有し、
    　前記圧力調整装置は、
    　一方の端部が前記第２の圧縮機と前記第１の圧縮機との間に接続され、他方の端部が前記膨張機と前記第２の熱交換器との間に接続されたバイパス回路と、
    　該バイパス回路に設けられた開閉弁と、
    　前記熱媒体搬送装置の回転数を制御する制御装置と、
    　を備え、
    　少なくとも前記第２の圧縮機が起動されるまでは、
    　前記開閉弁を開状態とし、
    　前記熱媒体搬送装置の回転数を目標回転数より減少、又は前記熱媒体搬送装置を停止させることを特徴とする請求項９に記載の冷凍サイクル装置。
11. 　前記冷媒回路を流れる冷媒は二酸化炭素であることを特徴とする請求項１～請求項１０のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。

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