JP4207340B2

JP4207340B2 - 冷凍サイクル

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Publication number: JP4207340B2
Application number: JP35481799A
Authority: JP
Inventors: 康司山中; 泰孝黒田; 伸西田; 素弘山口; 幸克尾崎; 忠資堀田; 貞久鬼丸; 稲垣　　光夫
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 1999-03-15
Filing date: 1999-12-14
Publication date: 2009-01-14
Anticipated expiration: 2019-12-14
Also published as: DE10010864A1; JP2000329416A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷媒を圧縮膨張させる蒸気圧縮式の冷凍サイクルに関するもので、エチレン、エタン、酸化窒素及び二酸化炭素等の超臨界域で使用する冷媒を用いた冷凍サイクルにも適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術】
蒸気圧縮式の冷凍サイクルは、周知のごとく、圧縮した冷媒を冷却するとともにその圧縮した冷媒を減圧した後、その低圧の冷媒を蒸発器にて蒸発させることにより冷凍能力を得るものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、冷凍サイクルの冷凍能力は、蒸発器入口側と出口側とにおける冷媒のエンタルピ差によって決定されるものであるから、蒸発器内温度が上昇し蒸発器内の圧力（蒸発器入口側での冷媒圧力）が上昇すると、図５に示すように、蒸発器入口側と出口側とにおける冷媒の比エンタルピ差が小さくなるので、冷凍能力が低下する。
【０００４】
本発明は、上記点に鑑み、蒸発器内の圧力が上昇したときであっても、冷凍能力が大きく低下してしまうことを防止することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、冷媒を蒸発させることにより熱を移動させる蒸気圧縮式の冷凍サイクルであって、冷媒を圧縮する圧縮機（１００）と、圧縮機（１００）から吐出する冷媒を冷却するとともに、内部の圧力が冷媒の臨界圧力以上となる放熱器（１１０）と、放熱器（１１０）から流出する冷媒を減圧膨張させるとともに、冷媒の膨張エネルギを回収する膨張機（１３０）と、膨張機（１３０）にて減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器（１５０）とを有し、圧縮機（１００）および膨張機（１３０）は、そのシャフト（１０１）を直結、電磁継手機構（５００）を介しての連結、あるいは、変速機構機構（６００）を介しての連結のうち、いずれか１つによって機械的に連結されるて一体化されており、膨張機（１３０）にて回収されたエネルギは、圧縮機（１００）に供給され、圧縮機（１００）は、その吐出容量を変化させることができる可変容量型の圧縮機であり、サイクルの高圧側圧力が増加した際には、圧縮機（１００）の吐出容量を減らすことで、圧縮機（１００）を駆動するための駆動力を低減させ、さらに、高圧側圧力が低下した際には、圧縮機（１００）の吐出容量を増加させることで、前記圧縮機（１００）のを駆動するための駆動力を増加させることにより、高圧側圧力を、サイクルの成績係数を最大とする最適制御線により決定される目標冷媒圧力に制御することを特徴とする。
【００２７】
これにより、圧縮機（１００）に供給した動力のうち冷媒を減圧する際に発生する膨張エネルギを回収しながら、冷凍サイクルを運転することができるので、冷凍サイクルにて実質的に消費した動力を削減することが可能となる。従って、蒸発器（１５０）内の温度が上昇したときに冷凍能力が低下することを防止するために圧縮機（１００）の仕事量を増大させても、実質的な消費動力が上昇することを防止できる。延いては、蒸発器（１５０）内の圧力が上昇したときであっても、冷凍能力が大きく低下してしまうことを防止することができる。
【００３０】
また、請求項２に記載の発明のごとく、目標冷媒圧力は、放熱器（１１０）の出口側の冷媒温度に基づいて決定される値であることが望ましい。
【００３１】
因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。なお、以下に説明する第１〜第１０実施形態は、特許請求の範囲に記載した発明の前提となる形態であり、特許請求項の範囲に記載した発明の実施形態は、第１０実施形態の後段の（実施形態）の欄に記載されている。
（第１実施形態）
本実施形態は、二酸化炭素を冷媒とする車両用の冷凍サイクル（超臨界冷凍サイクル）に本発明を適用したものであって、図１は実施形態に係る冷凍サイクルの模式図をｐ−ｈ線図上に示したものである。
【００３３】
１００は走行用エンジン等の駆動手段（図示せず）により駆動されて冷媒（二酸化炭素）を吸入圧縮する第１圧縮機であり、１１０は第１圧縮機１００から吐出する冷媒を冷却する放熱器（ガスクーラ）である。
【００３４】
１２０（一転鎖線で囲まれたもの）は、放熱器１１０から流出した冷媒を分岐させ、その分岐された一方側の冷媒（以下、この冷媒を副流冷媒と呼ぶ。）を減圧するとともに、減圧された副流冷媒にて分岐された他方側の冷媒（以下、この冷媒を主流冷媒と呼ぶ。）を冷却する内部熱交換装置（内部熱交換手段）である。
【００３５】
そして、この内部熱交換装置１２０は、放熱器１１０から流出する冷媒を主流冷媒と副流冷媒とに分流させる分岐部１２１、副流冷媒を減圧する固定絞り（減圧手段）１２２、及び副流冷媒と主流冷媒との間で熱交換を行う熱交換器１２３から構成されている。
【００３６】
１３０は副流冷媒にて冷却された主流冷媒を減圧膨張させる膨張機であり、１４０は膨張機１３０にて膨張する主流冷媒の膨張エネルギを機械エネルギに変換し、その機械エネルギにより副流冷媒を圧縮して放熱器１１０に向けて吐出する第２圧縮機（膨張エネルギ回収手段）である。
【００３７】
１５０は膨張機１３０から流出する冷媒を蒸発させて冷凍能力を発揮する蒸発器である。なお、本実施形態では、冷媒として二酸化炭素を使用しているので、蒸発器１５０で必要とする冷凍能力を増大させるには、例えば特願平８−３３９６２号出願に記載のごとく、放熱器１１０内圧力（第１圧縮機１００の吐出圧）を冷媒の臨界圧力以上まで上昇させて冷媒を冷却する必要がある。
【００３８】
次に、本実施形態の特徴を述べる。
【００３９】
本実施形態では、膨張機１３０にて膨張する主流冷媒の膨張エネルギを機械エネルギに変換し（膨張仕事をさせ）ながら主流冷媒を減圧するので、熱交換器１２３を流出した主流冷媒は、図２に示すように、等エントロピ線（ｃ−ｄ）に沿って相変化をしながらそのエンタルピを低下させていく。
【００４０】
したがって、従来の技術に係る冷凍サイクルのごとく、冷媒の減圧時に膨張仕事をさせることなく単純に断熱膨張させる場合（等エンタルピ変化させる場合）に比べて、膨張仕事（膨張損失）Δｉ_exp分だけ蒸発器１５０の冷媒入口側と出口側における冷媒の比エンタルピ差を増大させることができる。
【００４１】
また、膨張仕事Δｉ_expにより第２圧縮機１４０を稼働させるので、第１圧縮機１００の圧縮仕事量の一部を回収することができる。したがって、冷凍サイクル全体で見たときの圧縮仕事量を減少させることできるので、圧縮仕事量に対する冷凍能力（ＣＯＰ）を向上させることができる。
【００４２】
以上に述べたように、本実施形態に係る冷凍サイクルによれば、蒸発器１５０内の圧力が上昇したときであっても、冷凍能力が大きく低下してしまうことを防止しつつ、冷凍サイクルのＣＯＰ（成績係数）を向上させることができる。
【００４３】
また、減圧膨張して温度が低下した副流冷媒により主流冷媒を冷却するので、主流冷媒の蒸発器１５０入口におけるエンタルピを低下させることができる。したがって、蒸発器１５０の入口側と出口側とにおける冷媒の比エンタルピ差を大きくすることができるので、冷凍能力を増大させることができる。
【００４４】
（第２実施形態）
本実施形態は、熱交換装置１２０、膨張機１３０及び第２圧縮機１４０を一体化することにより、冷凍サイクルの部品点数を低減するものである。なお、この一体化されたものをエネルギ回収器２００と呼び、以下、図３に基づいてエネルギ回収器２００について説明する。
【００４５】
略円筒状のハウジング２１０内には、冷媒の膨張エネルギ（熱エネルギ）を機械エネルギ（回転エネルギ）に変換するスクロール型のエネルギ変換器（タービン）２２０、膨張機１３０及びエネルギ変換器２２０にて得られた回転エネルギにより稼働するスクロール型の圧縮機構２３０及び第２圧縮機１４０が収納された円柱状の機械室２４０が形成されている。
【００４６】
そして、エネルギ変換器２２０に流入する主流冷媒は、機械室２４０周りに円筒状に形成された主流通路２５０を流通してエネルギ変換器２２０内に流入し、一方、圧縮機構２３０に吸入される副流冷媒は、主流通路２５０の外側に形成された円筒状の副流通路２６０を流通して圧縮機構２３０に吸入される。
【００４７】
このとき、主流通路２５０内の冷媒流れと副流通路２６０の冷媒流れは、対向流れとなるように構成されており、両冷媒が各通路２５０、２６０を流通していく間に両冷媒が熱交換され、上記の熱交換装置１２０が構成されている。
【００４８】
また、主流冷媒がエネルギ変換器２２０内に流入すると、主流冷媒は、その膨張エネルギ（熱エネルギ）によりスクロール型タービン（図示せず）を回転させながら圧力が低下していくため、エネルギ変換器２２０内で主流冷媒は、等エントロピ変化していく。
【００４９】
（第３実施形態）
第１、２実施形態では、放熱器１１０から流出した冷媒を主流冷媒と副流冷媒とに分岐させてたが、本実施形態は、図６に示すように、放熱器１１０から流出した冷媒を分岐させることなく、膨張機１３０に流入させて冷媒の膨張エネルギを機械エネルギ（回転エネルギ）に変換回収し、その回収した機械エネルギ（回転エネルギ）を発電機３００に供給して電力を発生させる（発電する）ようにしたものである。なお、本実施形態に係る膨張機１３０は、図７に示すように、スクロール型の膨張機であり、膨張機１３０のシャフト（回転軸）１３１は、発電機３００のロータシャフト３０１に直接結合されている。
【００５０】
因みに、第１圧縮機１００（本実施形態以降では、単に圧縮機１００と呼ぶ。）は、第１実施形態と同様に、エンジンから駆動力を得て駆動する。
【００５１】
１６０は蒸発器１５０から流出する冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して気相冷媒を圧縮機１００に向けて流出させるとともに、冷凍サイクル中の余剰冷媒を蓄えるアキュムレータ（気液分離手段）である。
【００５２】
４００は発電機３００の印加電圧（励磁電流）を制御することにより、膨張機１３０を制御する電子制御装置（ＥＣＵ）である。そして、このＥＣＵ４００には、放熱器１１０出口側の冷媒圧力を検出する圧力センサ（圧力検出手段）４０１及び放熱器１１０出口側の冷媒温度を検出する温度センサ（温度検出手段）４０２からの検出信号が入力されており、ＥＣＵ４００は、両センサ４０１、４０２からの検出信号に基づいて予め設定されたプログラムに従って発電機３００の印加電圧（励磁電流）を制御する。
【００５３】
ここで、膨張機１３０及び発電機３００の概略構造について述べておく。
【００５４】
１．膨張機１３０
１３２は膨張機１３０のハウジングであり、このハウジング１３２に、シャフト３０１が転がり軸受１３２ａを介して回転可能に支持されている。そして、シャフト１３１のうち発電機３００と反対側の長手方向端部であって、回転中心軸から偏心した位置には、クランク突起部（以下、クランク部と略す。）１３１ａが形成されており、このクランク部１３１ａには、転がり軸受１３１ｂを介して可動スクロール１３３が回転可能に組み付けられている。
【００５５】
なお、可動スクロール１３３は、略円盤状の端板部１３３ａ及び端板部１３３ａからシャフト１３１と反対側に突出する渦巻き状の突起部（スクロールラップ部）１３３ｂ等からなるものである。
【００５６】
１３４は、可動スクロール１３３のスクロールラップ部１３３ｂと噛み合うように接触する渦巻き状の突起部（スクロールラップ部）１３４ｂと、ハウジング１３２と共に可動スクロール１３３が可動（旋回）する空間を形成する端板部１３４ｂ等からなる固定スクロールであり、固定スクロール１３４及びハウジング１３２は、ボルト（図示せず。）等の締結手段により固定されている。
【００５７】
１３５は可動スクロール１３３がクランク部１３１ａ周りに自転することを防止する自転防止機構であり、本実施形態では、ピン１３５ａ及び凹部１３５ｂからなるピン式の自転防止機構を採用している。
【００５８】
１３６は放熱器１１０の冷媒出口側に接続される冷媒流入口であり、この冷媒流入口１３６から流入した高圧の冷媒は、両スクロール１３３、１３４によって形成された作動室内に導かれる。このとき、作動室内の冷媒圧力により作動室の体積が拡大するように可動スクロール１３３が回転（旋回）するため、高圧の冷媒の膨張エネルギがシャフト１３１及び可動スクロール１３３の回転（機械）エネルギに変換される。なお、作動室は、その体積を拡大させながら渦巻中心側から外方側に移動していくので、渦巻外方側に到達した作動室内の冷媒は、その圧力を低下させた状態で流出口１３７から蒸発器１５０に向けて流通する。
【００５９】
なお、１３８はハウジング１３２内の潤滑油及び冷媒が、ハウジング１３２とシャフト１３１との隙間から外部に漏れ出すことを防止する樹脂製の軸シールである。
【００６０】
２．発電機３００
３０２は発電機３００のハウジングであり、このハウジング３０２内には、転がり軸受３０２ａを介してロータシャフト３０１が回転可能に配設されている。３０３は、ロータシャフト３０１と一体的に回転するロータであり、このロータ３０３は、強磁性体からなる一対のポールコア（ロータコア）３０３ａ、及びポールコア３０３ａ間に挟まれた状態で保持されたロータコイル３０３ｂ等を有して構成されている。
【００６１】
そして、ロータ３０３（ロータコイル３０３ｂ）には、ブラシ３０４ａ及びスリップリング３０４ｂを介して励磁電流が供給されており、後述するように本実施形態では、励磁電流を制御することにより発電機３００の発電量を調節して冷凍サイクルの高圧側圧力を制御している。なお、（冷凍）サイクルの高圧側圧力とは、圧縮機１００吐出側から膨張機１３０等の減圧手段までの冷媒圧力を言うものであり、本実施形態では、放熱器１１０の冷媒出口側での冷媒圧力をサイクルの高圧側圧力としている。
【００６２】
３０５はハウジング３０２に対して固定されたステータであり、このステータ３０５は、強磁性体製のステータコア３０５ａ、及びこのステータコア３０５ａに巻かれたステータコイル３０５ｂ等からなるものである。そして、ロータ３０３が励磁された状態で回転することにより、ステータ３０５（ステータコイル３０５ｂ）に誘起された誘導起電力が発電された電力として出力される。
【００６３】
因みに、図８に本実施形態に係る励磁電流（発電機３００）の制御回路３１０を示す。この制御回路３１０は、ＥＣＵ４００からの励磁電流制御信号を受けて励磁電流制御信号を増幅してロータコイル３０３ｂに励磁電流を印加する。
【００６４】
次に、本実施形態の作動及び特徴を述べる。
【００６５】
図９はＥＣＵ４００の制御フローを示すフローチャートであり、冷凍サイクルの起動スイッチ（図示せず。）が投入（ＯＮ）されると、放熱器１１０出口側の冷媒温度（温度センサ４０２の検出温度）が読み込まれ（Ｓ１００）、この検出温度に基づいて目標とする放熱器１１０出口側の冷媒圧力（以下、目標冷媒圧力）を算出する（Ｓ１１０）。
【００６６】
なお、目標冷媒圧力は、図１０の太い曲線（最適制御線ηmax）に示される冷媒圧力と冷媒温度との関係により決定されるもので、最適制御線ηmaxは、例えば特願平９−０２８０８４号に記載のごとく、放熱器１１０出口側の冷媒温度と成績係数が最大となる放熱器１１０出口側の冷媒圧力との関係を示すものである。
【００６７】
次に、放熱器１１０出口側の冷媒圧力（圧力センサ４０１の検出圧力）を読み込み（Ｓ１２０）、放熱器１１０出口の冷媒圧力が目標圧力と一致するように励磁電流を制御する（Ｓ１３０〜Ｓ１６０）。
【００６８】
具体的には、放熱器１１０出口の冷媒圧力が目標圧力より小さいときには、励磁電流を増加させて（Ｓ１４０）、ロータ３０３に誘起される磁力を増大させることにより、ステータコイル３０５ｂに発生する起電力（＝発電量）を増大させる。これにより、発電機３００（ロータ３０３）を回転駆動するに必要な駆動力（トルク）、すなわち膨張機１３０を駆動するに必要な駆動力（トルク）が増大するので、圧縮機１００から見た負荷が大きくなり、サイクルの高圧側圧力（放熱器１１０出口側の冷媒圧力）が上昇するとともに、膨張機１３０内を流通する冷媒流量が低下する。
【００６９】
一方、放熱器１１０出口の冷媒圧力が目標圧力より大きいときには、励磁電流を減少させて（Ｓ１５０）、ロータ３０３に誘起される磁力を減少させることにより、ステータコイル３０５ｂに発生する起電力（＝発電量）を減少させる。これにより、発電機３００（ロータ３０３）を回転駆動するに必要な駆動力、すなわち膨張機１３０を駆動するに必要な駆動力が減少するので、圧縮機１００から見た負荷が小さくなり、サイクルの高圧側圧力が低下するとともに、膨張機１３０内を流通する冷媒流量が増加する。
【００７０】
なお、放熱器１１０出口の冷媒圧力と目標圧力とが等しい場合には、現状の励磁電流を維持する（Ｓ１６０）。
【００７１】
以上に述べたように、本実施形態によれば、圧縮機１００に供給した動力のうち冷媒を減圧する際に発生する膨張エネルギを回収しながら、冷凍サイクルを運転することができるので、冷凍サイクルにて実質的に消費した動力を削減することが可能となる。
【００７２】
したがって、実質的な冷凍サイクルの成績係数を向上させることができるので、蒸発器１５０内の温度が上昇したときに冷凍能力が低下することを防止するために圧縮機１００の仕事量を増大させても、実質的な消費動力が上昇することを防止できる。延いては、蒸発器１５０内の圧力が上昇したときであっても、冷凍能力が大きく低下してしまうことを防止することができる。
【００７３】
（第４実施形態）
第３実施形態では、膨張機１３０のシャフト１３１と発電機３００のシャフト３０１とが結合されたのみで、膨張機１３０のハウジング１３２と発電機３００のハウジング３０２とは別体であったが、本実施形態は、図１１に示すように、両者１３０、３００のハウジング１３１、３０１を一体化したものである。
【００７４】
なお、本実施形態では、両者１３０、３００のハウジング１３１、３０１を一体化されているため、発電機３００の電極端子部３２０にハウジング３０１内外を気密にシール（密閉）するハーメチックシール３２１が採用されている。
【００７５】
これにより、本実施形態では、シャフト１３１に接触する軸シール１３８を廃止できるので、膨張機１３０から冷媒が外部に漏れ出すことを防止しつつ、軸シール１３８部分での摩擦損失（機械損失）を低減することができる。
【００７６】
（第５実施形態）
本実施形態は、図１２に示すように、膨張機１３０と圧縮機１００とを一体化して膨張機１３０にて回収した機械エネルギ（回転エネルギ）を直接に圧縮機１００に供給するとともに、図１３に示すように、放熱器１１０から流出した冷媒を膨張機１３０を迂回させて蒸発器１５０に導くバイパス通路（冷媒通路）１７０に電気式の制御弁（絞り機構）１８０を設けたものである。なお、膨張機１３０と圧縮機１００とが一体化されたもの（以下、膨張機一体型圧縮機と呼ぶ。）詳細は後述する。因みに、図１３では膨張機１３０と圧縮機１００とが別体で示されているが、実際は図１２に示すように一体化されている。
【００７７】
ところで、本実施形態に係る膨張機一体型圧縮機では、後述するように、膨張機１３０と圧縮機１００は同一回転数で回転するので、膨張機１３０を制御することにより放熱器１１０出口側の冷媒圧力を制御することができない。
【００７８】
そこで、本実施形態では、制御弁１７０の開度（バイパス通路１７０の通路断面）をＥＣＵ４００にて制御することにより、特願平９−０２８０８４号の圧力制御弁と同様に、放熱器１１０出口側の冷媒圧力と冷媒温度との関係が最適制御線ηmaxで示す関係となるようにサイクルの高圧側圧力を制御するものである。
【００７９】
以下、図１４を用いて制御弁１７０の概略作動を述べる。
【００８０】
冷凍サイクルの起動スイッチが投入（ＯＮ）されると、放熱器１１０出口側の冷媒温度が読み込まれ（Ｓ２００）、この検出温度に基づいて目標冷媒圧力を算出する（Ｓ２１０）。
【００８１】
次に、放熱器１１０出口側の冷媒圧力（圧力センサ４０１の検出圧力）を読み込み（Ｓ２２０）、放熱器１１０出口の冷媒圧力が目標圧力と一致するように制御弁１７０の開度を制御する（Ｓ２３０〜Ｓ２６０）。
【００８２】
つまり、放熱器１１０出口の冷媒圧力が目標圧力より小さいときには、制御弁１７０の開度を減少させて（Ｓ２４０）、サイクルの高圧側圧力（放熱器１１０出口側の冷媒圧力）を上昇させ、一方、放熱器１１０出口の冷媒圧力が目標圧力より大きいときには、制御弁１７０の開度を増大させて（Ｓ２５０）、サイクルの高圧側圧力を低下させる。なお、放熱器１１０出口の冷媒圧力と目標圧力とが等しい場合には、現状の開度を維持する（Ｓ２６０）。
【００８３】
次に、本実施形態に係る膨張機一体型圧縮機について図１２を用いて述べる
本実施形態に係る膨張機一体型圧縮機は、スクロール型の圧縮機１００、圧縮機１００を駆動する電動モータＭｏ及び膨張機１３０が一体化されたもので、圧縮機１００のシャフト、電動モータＭｏのシャフト及び膨張機１３０のシャフト１３１が１本のシャフト１０１にて構成されている。
【００８４】
したがって、膨張機１３０は圧縮機１００（電動モータＭｏ）と機械的に連結されているので、膨張機１３０の回転速度は圧縮機１００と同一回転速度となり、膨張機１３０のみを単独で制御することができない。一方、圧縮機１００には、電動モータＭｏにて発生した回転エネルギと膨張機１３０にて回収された機械エネルギ（回転エネルギ）とが供給される。
【００８５】
なお、圧縮機１００は、可動スクロール１０１及び固定スクロール１０２等からなる周知のスクロール型圧縮機であり、１０３は吐出冷媒が両スクロール１０１、１０２により構成された作動室内に逆流することを防止する吐出弁であり、１０４はアキュムレータ１６０側に接続される吸入口であり、１０５は放熱器１１０側に接続される吐出口であり、１０６はシャフト１０１の回転中心に対して偏芯した位置に形成されて可動スクロール１０１を旋回させるクランク部である。
【００８６】
また、膨張機１３０は第３実施形態と同様なスクロール型のものであり、電動モータＭｏは回転するロータＭｏ１及びハウジングに対して固定されたステータＭｏ２等からなる周知のＤＣブラシレスモータである。
【００８７】
（第６実施形態）
本実施形態は第５実施形態の変形例であり、第５実施形態では、放熱器１１０から蒸発器１５０に冷媒を導く冷媒通路のうち、膨張機１３０を迂回するバイパス通路１７０に制御弁１８０を設けたが、本実施形態は、図１５に示すように、バイパス通路１７０を廃止するとともに、放熱器１１０から蒸発器１５０に冷媒を導く冷媒通路のうち膨張機１３０より冷媒流れ上流側の冷媒通路１７１に制御弁１８０を設けたものである。
【００８８】
なお、図では膨張機１３０と圧縮機１００とが別体で示されているが、第５実施形態と同様に、両者１００、１３０は一体化されている。また、制御弁１８０の制御は第５実施形態と同じである。
【００８９】
（第７実施形態）
本実施形態は第５実施形態の変形例であり、第５実施形態では、放熱器１１０から蒸発器１５０に冷媒を導く冷媒通路のうち、膨張機１３０を迂回するバイパス通路１７０に制御弁１８０を設けたが、本実施形態は、図１６に示すように、バイパス通路１７０を廃止するとともに、放熱器１１０から蒸発器１５０に冷媒を導く冷媒通路のうち膨張機１３０より冷媒流れ下流側の冷媒通路１７１に制御弁１８０を設けたものである。
【００９０】
なお、図では膨張機１３０と圧縮機１００とが別体で示されているが、第５実施形態と同様に、両者１００、１３０は一体化されている。また、制御弁１８０の制御は第５実施形態と同じである。
【００９１】
（第８実施形態）
第５〜７実施形態では、膨張機１３０と圧縮機１００とを一体化するとともに、制御弁１８０にてサイクルの高圧側圧力（放熱器１１０出口側の冷媒圧力）を制御したが、本実施形態は、図１７に示すように、膨張機１３０と圧縮機１００と一体化した状態で制御弁１８０を用いることなくサイクルの高圧側圧力（放熱器１１０出口側の冷媒圧力）を制御することができるように構成したものである。
【００９２】
図１８は、本実施形態に係る膨張機一体型圧縮機の断面図であり、第５〜７実施形態に係る膨張機一体型圧縮機では（図１２参照）、１本のシャフト１０１に膨張機１３０（クランク部１３１ａ）、電動モータＭｏ（ロータＭｏ１）及び圧縮機１００（クランク部１０６）が直結されていたのに対して、本実施形態に係る膨張機一体型圧縮機は、電動モータＭｏ（ロータＭｏ１）及び圧縮機１００（クランク部１０６）をシャフト１０１に直結し、電磁力により駆動力を伝達する電磁継ぎ手機構５００を介して膨張機１３０にて回収した機械エネルギ（駆動力）をシャフト１０１に伝達するようにしたものである。
【００９３】
なお、電磁継ぎ手機構５００は、シャフト１０１と一体的に回転する強磁性体からなる一対のポールコア５０１及びポールコア５０１に挟まれるように保持されたロータコイル５０２等からなるロータ５０３、並びに膨張機１３０のシャフト１３１と一体的に回転するとともに、内周面がロータ５０３と所定の隙間を介して対向する略円筒状のドラム５０４等からなる渦電流を利用した周知のものである。
【００９４】
因みに、ロータ５０３にはシャフト１０１に設けられたスリップリング５０５及びブラシ５０６を介して電力が供給されており、電極端子部５０７はハウジング１３２内外を気密にシール（密閉）するハーメチックシール５０８が採用されている。
【００９５】
次に、本実施形態の作動を述べる。
【００９６】
本実施形態は、第３実施形態のように膨張機１３０を駆動するに必要な駆動力（トルク）を制御することにより、サイクルの高圧側圧力（放熱器１１０出口側の冷媒圧力）を制御するものである。
【００９７】
具体的には、放熱器１１０出口の冷媒圧力が目標圧力より小さいときには、電磁継ぎ手機構５００（ロータ５０３）の通電電流を増加させて、電磁継ぎ手機構５００の伝達可能トルクを増大させる。これにより、電動モータＭｏ及び圧縮機１００、つまりシャフト１０１に伝達する駆動力（トルク）が増大して膨張機１３０を駆動するに必要な駆動力が増大するするので、サイクルの高圧側圧力（放熱器１１０出口側の冷媒圧力）が上昇するとともに、膨張機１３０内を流通する冷媒流量が低下する。
【００９８】
一方、放熱器１１０出口の冷媒圧力が目標圧力より大きいときには、電磁継ぎ手機構５００（ロータ５０３）の通電電流を減少させて伝達可能トルクを減少させる。これにより、シャフト１０１に伝達する駆動力（トルク）が減少して膨張機１３０を駆動するに必要な駆動力が減少するので、サイクルの高圧側圧力が低下するとともに、膨張機１３０内を流通する冷媒流量が増加する。
【００９９】
なお、放熱器１１０出口の冷媒圧力と目標圧力とが等しい場合には、現状の通電電流を維持する。
【０１００】
（第９実施形態）
第８実施形態では、電磁継ぎ手機構５００を介して膨張機１３０にて回収した機械エネルギをシャフト１０１に伝達したが、本実施形態は、図１９に示すように、ベルト式無段変速機構（以下、ＣＶＴと呼ぶ。）６００を介して膨張機１３０にて回収した機械エネルギをシャフト１０１に伝達するように構成したものである。
【０１０１】
ＣＶＴは、周知のごとく、円錐状の円盤を２個の組み合わせてＶベルト等の伝達ベルトが掛けられるプーリを構成するとともに、２個の円盤のうち少なくとも一方側を他方側に対して可動させることによりプーリの溝幅を変化させて変速するこのである。
【０１０２】
そこで、本実施形態に係るＣＶＴ６００のうち入力側のプーリ６０１では、図２０に示すように、膨張機１３１のシャフト１３１と一体的に回転する円錐状の円盤６０２、６０３のうち、可動スクロール１３３ａ側の円盤６０２をシャフト１３１に対してその軸方向に移動可能とするとともに、円盤６０２の可動スクロール１３３ａ側に形成された円筒状のピストン部６０２ａと略コップ状のシリンダ６０４とにより圧力室６０５を形成し、制御弁６０６により圧縮機１００の吐出圧を調整して圧力室６０５に供給することによりプーリの溝幅を制御している。
【０１０３】
一方、出力側のプーリ６０７は、シャフト１０１に固定されてシャフト１０１と一体的に回転する円錐状の円盤６０８と、シャフト１０１の軸方向に移動可能であってシャフト１０１と一体的に回転する円錐状の円盤６０９と、円盤６０９を円盤６０８に向けて押し付ける（溝幅が小さくなる向きに）弾性力を円盤６０９に作用させるコイルバネ（弾性手段）６１０とから構成されている。なお、６１１は両プーリ６０１、６０７に掛けられるＶベルトである。
【０１０４】
次に、本実施形態の作動を述べる。
【０１０５】
本実施形態は、第８実施形態のように膨張機１３０を駆動するに必要な駆動力（トルク）を制御することにより、サイクルの高圧側圧力（放熱器１１０出口側の冷媒圧力）を制御するものである。
【０１０６】
具体的には、放熱器１１０出口の冷媒圧力が目標圧力より小さいときには、制御弁６０６を調節して圧力室６０５内の圧力を圧力室６０５外より上昇させる。これにより、プーリ６０１の円盤６０３が円盤６０２側に移動して溝幅が小さくなるため、Ｖベルト６０７が巻き付けられる有効プーリ半径が大きくなり、変速比（出力側プーリ回転数／入力側プーリ回転数）が大きくなる。
【０１０７】
したがって、膨張機１３０を駆動するに必要な駆動力が増大するので、サイクルの高圧側圧力（放熱器１１０出口側の冷媒圧力）が上昇するとともに、膨張機１３０内を流通する冷媒流量が低下する。
【０１０８】
一方、放熱器１１０出口の冷媒圧力が目標圧力より大きいときには、制御弁６０６を調節して圧力室６０５内の圧力を圧力室６０５外より低下させる。これにより、プーリ６０１の円盤６０３が円盤６０２側に移動して溝幅が大きくなるため、Ｖベルト６０７が巻き付けられる有効プーリ半径が小さくなり、変速比が小さくなる。したがって、膨張機１３０を駆動するに必要な駆動力が低下するので、サイクルの高圧側圧力（放熱器１１０出口側の冷媒圧力）が低下するとともに、膨張機１３０内を流通する冷媒流量が上昇する。
【０１０９】
なお、出力側プーリ６０７の溝幅は、入力側プーリ６０１の溝幅によって決まる有効プーリ半径、Ｖベルト６１１の張力及びコイルバネ６１０の押し付け力（弾性力）の釣り合い関係から自ずと決定される。
【０１１０】
（第１０実施形態）
第９実施形態では、膨張機１３０から圧縮機１００に至る駆動力の伝達経路にＣＶＴ６００を設け、その変速比を制御することにより圧縮機１００を駆動するための駆動力、すなわち膨張機１３０を駆動するに必要な駆動力を制御したが、本実施形態は、冷媒吸入量を変化させることができる可変容量型の膨張機１３０を採用したものである。
【０１１１】
因みに、本実施形態に係る可変容量型の膨張機１３０は、図２１に示すように、円筒状のハウジング１３０ａ、ハウジング１３０ａ内を偏芯しながら回転するローリングピストン１３０ｂ、ローリングピストン１３０ｂとハウジング１３０ａから構成される作動室１３０ｃを吸入側と吐出側とに仕切るベーン１３０ｄ、ベーン１３０ｄをローリングピストン１３０ｂに押し付けるバネ（弾性手段）１３０ｅ、吸入ポート１３０ｆを開閉するバルブ１３０ｇ、及び吐出ポート１３０ｈ等からなるものである。
【０１１２】
そして、放熱器１１０出口の冷媒圧力が目標圧力より小さいときには、吸入ポート１３０ｆ（バルブ１３０ｇ）の閉じるタイミングをそれ以前より早くする。これにより、膨張機１３０内を流通する冷媒流量が低下するので、放熱器１１０出口の冷媒圧力が上昇する。
【０１１３】
一方、放熱器１１０出口の冷媒圧力が目標圧力より大きいときには、吸入ポート１３０ｆ（バルブ１３０ｇ）の閉じるタイミングをそれ以前より遅くする。これにより、膨張機１３０内を流通する冷媒流量が増加するので、放熱器１１０出口の冷媒圧力が低下する。
【０１１４】
（実施形態）
上述の特許請求の範囲に記載した発明の前提となる実施形態では、二酸化炭素を冷媒とする冷凍サイクルに本発明を適用したが、本発明は、図４に示すように、フロン（ＨＦＣ１３４ａ）を冷媒とする冷凍サイクルにも適用することができる。
【０１１５】
また、第１実施形態では、２つの圧縮機１００、１４０を用いたが、主流冷媒と副流冷媒とが合流した後、１つに圧縮機にてその合流した冷媒を圧縮するように構成してもよい。
【０１１６】
また、第２実施形態では、スクロール型のエネルギ変換器２２０及び圧縮機構２３０を用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、ピストン型のエネルギ変換器及び圧縮機構等その他のエネルギ変換器及び圧縮機構であってもよい。
【０１１７】
また、第２実施形態では、膨張エネルギ（熱エネルギ）を直接に機械エネルギに変換したが、膨張エネルギを電気エネルギに変換した後に、その電気エネルギを機械エネルギに変換して第２圧縮機１４０を稼働させてもよい。
【０１１８】
また、上記場合において、膨張エネルギを電気エネルギに変換する発電機の磁界を制御することにより、膨張機１３０の減圧度を制御して放熱器１１０内の圧力を制御してもよい。
【０１１９】
また、固定絞り１２２に代えて冷凍サイクルの運転状況（熱負荷や循環冷媒流量等）に応じて絞り開度を可変制御することができる可変絞りとしてもよい。なお、この場合、熱負荷又は循環冷媒流量が増大したときには、絞り開度を開くように可変制御することが望ましい。
【０１２０】
また、第３〜１０実施形態では、サイクル高圧側の冷媒温度を直接検出していたが、外気温度や冷媒配管の温度等のサイクル高圧側の冷媒温度と相関関係がある物理量であれば、直接、サイクル高圧側の冷媒温度を検出しなくてもよい。
【０１２１】
また、第５〜１０実施形態では、圧縮機１００の吐出容量が固定されたものであったが、吐出容量を変化させることができる可変容量型の圧縮機を採用し、圧縮機の吐出容量を変化させることにより、膨張機１３０を駆動するに必要な駆動力（トルク）を制御して、サイクルの高圧側圧力（放熱器１１０出口側の冷媒圧力）を制御でもよい。
【０１２２】
また、第９実施形態では、変速機構としてＣＶＴを採用したが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、ベルトを用いないトロイダル方式の変速機構等でもよい。
【０１２３】
また、図２２に示すように、複数の圧縮機１００のうち少なくとも１台の圧縮機を膨張機１３０にて回収したエネルギで駆動するようにしてもよい。なお、（ａ）、（ｂ）は複数台の圧縮機１００を冷媒流れに直列に配設した例であり、（ｃ）は複数台の圧縮機１００を冷媒流れに並列に配設した例である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る冷凍サイクルの模式図である。
【図２】二酸化炭素のモリエル線図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係るエネルギ回収器の模式図である。
【図４】フロンのモリエル線図である。
【図５】モリエル線図の概念図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る冷凍サイクルの模式図である。
【図７】本発明の第３実施形態に係る膨張機及び発電機の断面図である。
【図８】本発明の第３実施形態に係る発電機の制御回路図である。
【図９】本発明の第３実施形態に係る冷凍サイクルの制御フローチャートである。
【図１０】二酸化炭素のｐ−ｈ線図である。
【図１１】本発明の第４実施形態に係る膨張機及び発電機の断面図である。
【図１２】本発明の第５実施形態に係る膨張機一体型圧縮機の断面図である。
【図１３】本発明の第５実施形態に係る冷凍サイクルの模式図である。
【図１４】本発明の第５実施形態に係る冷凍サイクルの制御フローチャートである。
【図１５】本発明の第６実施形態に係る冷凍サイクルの模式図である。
【図１６】本発明の第７実施形態に係る冷凍サイクルの模式図である。
【図１７】本発明の第８実施形態に係る冷凍サイクルの模式図である。
【図１８】本発明の第８実施形態に係る膨張機一体型圧縮機の断面図である。
【図１９】本発明の第９実施形態に係る膨張機一体型圧縮機の断面図である。
【図２０】本発明の第９実施形態に係る膨張機一体型圧縮機のＣＶＴの拡大図である。
【図２１】本発明の第１０実施形態に係る膨張機の断面図である。
【図２２】本発明の変形例に係る冷凍サイクルの模式図である。
【符号の説明】
１００…第１圧縮機、１１０…放熱器、１２０…内部熱交換装置、
１３０…膨張機、１４０…第２圧縮機、１５０…蒸発器。

Claims

冷媒を蒸発させることにより熱を移動させる蒸気圧縮式の冷凍サイクルであって、
冷媒を圧縮する圧縮機（１００）と、
前記圧縮機（１００）から吐出する冷媒を冷却するとともに、内部の圧力が冷媒の臨界圧力以上となる放熱器（１１０）と、
前記放熱器（１１０）から流出する冷媒を減圧膨張させるとともに、冷媒の膨張エネルギを回収する膨張機（１３０）と、
前記膨張機（１３０）にて減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器（１５０）とを有し、
前記圧縮機（１００）および前記膨張機（１３０）は、そのシャフト（１０１）を直結、電磁継手機構（５００）を介しての連結、あるいは、変速機構機構（６００）を介しての連結のうち、いずれか１つによって機械的に連結されて一体化されており、
前記膨張機（１３０）にて回収されたエネルギは、前記圧縮機（１００）に供給され、
前記圧縮機（１００）は、その吐出容量を変化させることができる可変容量型の圧縮機であり、
サイクルの高圧側圧力が増加した際には、前記圧縮機（１００）の吐出容量を減らすことで、前記圧縮機（１００）を駆動するための駆動力を低減させ、さらに、前記高圧側圧力が低下した際には、前記圧縮機（１００）の吐出容量を増加させることで、前記圧縮機（１００）のを駆動するための駆動力を増加させることにより、前記高圧側圧力を、サイクルの成績係数を最大とする最適制御線により決定される目標冷媒圧力に制御することを特徴とする冷凍サイクル。
前記目標冷媒圧力は、前記放熱器（１１０）の出口側の冷媒温度に基づいて決定される値であることを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル。