JP4827859B2

JP4827859B2 - 空気調和装置およびその運転方法

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Publication number: JP4827859B2
Application number: JP2008001285A
Authority: JP
Inventors: 裕輔島津; 多佳志岡崎
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-01-08
Filing date: 2008-01-08
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2028-01-08
Also published as: JP2009162438A

Description

本発明は空気調和装置およびその運転方法に関するものであり、特に、圧縮機と膨張機とを同軸で連結して膨張機で動力を回収する空気調和装置およびその運転方法に関するものである。

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（以下、ＣＯ_２という）を冷媒として用いる空気調和装置が近年着目されているが、ＣＯ_２冷媒は、臨界温度が３１．０６℃と低く、この温度よりも高い温度を利用する場合には、空気調和装置の高圧側（圧縮機出口〜放熱器〜減圧器入口）ではＣＯ_２冷媒の凝縮が生じない超臨界状態となり、従来の冷媒に比べて、空気調和装置の運転効率（ＣＯＰ）が低下する。したがって、ＣＯ_２冷媒を用いた空気調和装置にあっては、ＣＯＰを向上させる手段が重要である。

このような手段として、減圧器の代わりに膨張機を設け、膨張時の圧力エネルギーを回収して動力とする冷凍サイクルが提案されている。ここで、容積式の圧縮機と膨張機を一軸に連結した構成の空気調和装置では、圧縮機のシリンダ容積をＶＣ、膨張機のシリンダ容積をＶＥとすると、ＶＣ／ＶＥ（設計容積比）により圧縮機および膨張機のそれぞれを流れる体積循環量の比が決定される。蒸発器出口の冷媒（圧縮機に流入する冷媒）の密度をＤＣ、放熱器出口の冷媒（膨張機に流入する冷媒）の密度をＤＥとすると、圧縮機、膨張機のそれぞれを流れる質量循環量は等しいことから、「ＶＣ×ＤＣ＝ＶＥ×ＤＥ」、すなわち、「ＶＣ／ＶＥ＝ＤＥ／ＤＣ」の関係が成立する。ＶＣ／ＶＥ（設計容積比）は機器の設計時に定まる定数であるので、ＤＥ／ＤＣ（密度比）が常に一定となるように冷凍サイクルはバランスしようとする。（以下、このことを「密度比一定の制約」と呼ぶ。）

しかし、空気調和装置の使用条件は必ずしも一定ではないので、設計時に想定した設計容積比と実際の運転状態での密度比が異なる場合には、「密度比一定の制約」のために、最良な高圧側圧力に調整することが困難となる。

そこで、膨張機をバイパスするバイパス流路を設け、膨張機に流入する冷媒量を制御することで、最良な高圧側圧力に調整する構成や制御方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。

また、膨張機に流入する冷媒と圧縮機に流入する冷媒を熱交換させる内部熱交換器とそのバイパス流路を設け、熱交換の有無を切替て膨張機に流入する冷媒量を制御することで、最良な高圧側圧力に調整する構成も提案されている（例えば特許文献２参照）。

特許第３７０８５３６号公報（第１０頁〜第１２頁、図１）特開平２００６−９０６３９号公報（第１８頁〜第１９頁、図９）

ところが、上記特許文献１には、実際の運転状態での密度比が設計容積比より小さい場合には、膨張機をバイパスするバイパス流路に冷媒を流すことで、最良な高圧側圧力に調整できる構成や制御方法が記載されているが、バイパス流路に冷媒が流れると膨張機で回収する動力が低下するため、空気調和装置の運転効率（ＣＯＰ）が低下するという課題が生じていた。

また膨張機をバイパスする量が大きい場合は膨張機回転数が低く摺動部での潤滑状態が悪化し、膨張機の回転数が極端に小さくなると膨張機の経路内に油が滞留し圧縮機内の油枯渇や、再起動時の冷媒寝込み起動などにより信頼性が低下するという課題があった。

また、上記特許文献２には、膨張機流入する冷媒と圧縮機に流入する冷媒の熱交換の有無を切替えることで、冷房と暖房といった運転モードの違いによる大まかな密度比の違いに対応可能であるが、同一モードにおいて外気や室温が変化して最適な高圧側圧力が変動した場合には対応できないため、空気調和装置の運転効率（ＣＯＰ）が低下するといった課題が生じていた。

また膨張機と圧縮機と駆動源がすべて一体化されており、駆動源・膨張機・圧縮機一体集約機は、機構・シール部が複雑で部品点数が多く、加工や組立て工程での高精度および複雑さが要求されるという設計上または製造上の課題が生じていた。

従って、本発明の目的は、実際の運転状態での密度比が設計容積比より小さい場合でも、最良な高圧側圧力調整ができ、かつ膨張機をバイパスせずに空気調和装置の運転効率を向上させた空気調和装置およびその運転方法を得ることである。

本発明に係わる空気調和装置は、主圧縮機と、放熱器と、膨張機と、蒸発器とを順に接続し、膨張機と一本の軸に連結される副圧縮機とを備えた空気調和装置において、主圧縮機での圧縮過程の中間から圧縮過程完了後までをバイパスする圧縮バイパス流路と、前記圧縮バイパス流路上に設けられた副圧縮機と、前記圧縮バイパス流路上に主圧縮機と副圧縮機の間にある圧縮バイパス弁と、前記圧縮バイパス弁の動作の制御を操作する制御装置とを備え、前記制御装置が、前記圧縮バイパス弁の開度を変更することで、高圧側圧力を調整することを特徴とするものである。

また、本発明に係わる空気調和装置は、主圧縮機と、副圧縮機と、放熱器と、膨張機と、蒸発器とを順に接続し、膨張機と副圧縮機を一本の軸に連結される空気調和装置において、主圧縮機流入側の冷媒が、膨張機流入側の冷媒と熱交換する内部熱交換器と、膨張機流入側の内部熱交換器をバイパスする熱交バイパス流路と、前記熱交バイパス流路上に設けられた熱交バイパス弁と、前記熱交バイパス弁の動作の制御を操作する制御装置とを備え、前記制御装置が、前記熱交バイパス弁の開度を変更することで、高圧側圧力を調整することを特徴とするものである。

また、本発明に係わる空気調和装置は、副圧縮機と、主圧縮機と、放熱器と、膨張機と、蒸発器とを順に接続し、膨張機と副圧縮機を一本の軸に連結される空気調和装置において、副圧縮機流入側の冷媒が、膨張機流入側の冷媒と熱交換する内部熱交換器と、膨張機流入側の内部熱交換器をバイパスする熱交バイパス流路と、前記熱交バイパス流路上に設けられた熱交バイパス弁と、前記熱交バイパス弁の動作の制御を操作する制御装置とを備え、前記制御装置が、前記熱交バイパス弁の開度を変更することで、高圧側圧力を調整することを特徴とするものである。

本発明によれば、密度比一定の制約により最良な高圧側圧力に調整することが困難である膨張機を用いた空気調和装置であっても、広い運転範囲において動力回収を常に行い、効率のよい運転が可能な空気調和装置および空気調和装置の運転方法が得られる。

実施の形態１．
図１〜図４にはこの発明の空気調和装置を示し、図１は空気調和装置の冷媒回路図であり、図２は主圧縮機１の断面図であり、図３は制御装置が行う制御のフローチャート、図４は圧縮バイパス弁と予膨張弁との連携制御を示す動作図である。この発明の空気調和装置は空気と直接熱交換して冷房、暖房の各運転を実施できるヒートポンプ機であり、図１において１は主圧縮機、２は圧縮バイパス流路、３は圧縮バイパス弁、４は副圧縮機、５は第１四方弁、６は室外熱交換器、７は第２四方弁、８は予膨張弁、９は膨張機、１０は駆動軸、１１ａ、１１ｂは膨張弁、１２ａ、１２ｂは室内熱交換器である。１３は室外機であり、室外機１３は主圧縮機１、圧縮バイパス流路２、圧縮バイパス弁３、副圧縮機４、第１四方弁５、室外熱交換器６、第２四方弁７、予膨張弁８、膨張機９および駆動軸１０から構成されている。１４ａ、１４ｂは室内機であり、室内機１４ａ、１４ｂは室内膨張弁１１ａ、１１ｂおよび室内熱交換器１２ａ、１２ｂより構成されている。室外機１３と室内機１４ａ、１４ｂは途中で分岐した冷媒配管にて接続されている。本実施例では室内機を２台接続した場合を記載したが、１台でもよいし、３台以上であっても構わない。また、室内膨張弁１１ａ、１１ｂは膨張機９と室内熱交換器１２ａ、１２ｂの間であれば、室外機１２内にあっても良いし、分岐する前の冷媒配管に１つだけあっても良い。

副圧縮機４および膨張機９は容積式であり、例えばスクロール式などの形態をとる。主圧縮機１はモータ等の駆動源により駆動される。副圧縮機４と膨張機９は駆動軸１０で連結されており、膨張機９で冷媒を膨張することにより得られた駆動動力は駆動軸１０を介して副圧縮機４で冷媒を圧縮することに使用され、空気調和装置の入力を低減することができる。

また、第２四方弁７は膨張機９の冷媒流れ方向、回転方向を運転状態によらず同一にするための流路切替器として用いられており、第１四方弁５と同期して流路が切り替わる。冷媒としては二酸化炭素が用いられている。１５は制御装置である。１６は主圧縮機１と副圧縮機４の合流した冷媒ガスの温度を検知する温度センサ、１７ａ、１７ｂは室内熱交換器１２ａ、１２ｂの中間冷媒温度を検知する温度センサ、１８ａ、１８ｂは室内熱交換器１２ａ、１２ｂの冷房時出口冷媒温度を検知する温度センサ、１９ａ、１９ｂは室内熱交換器１２ａ、１２ｂの暖房時出口冷媒温度を検知する温度センサである。温度センサ１６、１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂ、１９ａ、１９ｂで得られた情報に基づいて、制御装置１５によって、この空気調和装置の運転制御が行われ、主圧縮機１の運転、回転数や各熱交換器の送風機風量、第１四方弁５、第２四方弁７、の切替、圧縮バイパス弁３、予膨張弁８、室内膨張弁１１ａ、１１ｂの開度などを制御する。

図２は主圧縮機１の断面図である。１０１はシェル、１０２は駆動源であるモータ、１０３はシャフト、１０４は搖動スクロール、１０５は固定スクロール、１０６は流入配管、１１２は流出配管、１１４はバイパス配管である。１０８は低圧空間であり、流入配管１０６と導通している。１１１は高圧空間であり、流出配管１１２と導通している。１０８、１０９は圧縮室であり、スクロール形状を有する搖動スクロール１０４と固定スクロール１０５が互いに組み合わされることで複数形成されている。圧縮室１０９はスクロール形状の中央部にあり、圧縮室１０８は圧縮室１０９より外側に位置し、圧縮過程の中間に位置する。１１０は流出ポートであり、固定スクロール１０５に設けられており、圧縮室１０９と高圧空間１１１を導通する。１１３は圧縮バイパス配管であり、固定スクロール１０５に設けられており、圧縮室１０８と、固定スクロール１０５に固定されたバイパス配管１１４とを導通する。流出ポートの位置は次の式（１）を満たす位置とする。

（主圧縮機１の流出ポート導通直後の圧縮室容積）／（主圧縮機１の行程容積）
×（副圧縮機４の組込容積比）≒（主圧縮機１の組込容積比）・・・（式１）

流入配管１０６は主圧縮機１の流入口であり、第１四方弁５と接続されている。流出配管１１２は主圧縮機１の流出口であり、副圧縮機４の流出口と合流して第１四方弁５と接続されている。バイパス配管１１４は圧縮バイパス流路２と接続されている。

次に、上述のように構成された冷凍サイクル装置の運転時の動作について、副圧縮機４の行程容積をＶＣ、膨張機９の行程容積をＶＥ、副圧縮機４の流入冷媒密度をＤＣ、膨張機９の流入冷媒密度をＤＥとして説明する。

（ＤＥ／ＤＣ）≒（ＶＣ／ＶＥ）での冷房運転
まず、実際の運転状態での密度比（ＤＥ／ＤＣ）が、設計時に想定した設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）と略同等である冷房運転の場合について説明する。第１四方弁５、第２四方弁７は図１の実線のように設定され、室外熱交換器６が放熱器（凝縮器）、室内熱交換器１２ａ、１２ｂが蒸発器として作用する。

主圧縮機１の内部の運転動作について説明する。主圧縮機１に電源供給されると、駆動源であるモータ１０２に回転動力が発生し、シャフト１０３を介して搖動スクロール１０４に伝えられる。搖動スクロール１０４は回転動力と図示しないオルダムリングにより固定スクロール１０５に対して搖動運動を行い、複数ある圧縮室は容積を減少させながら、スクロール形状の外周側から中央部へ移動する。流入配管１０６より流入した冷媒は、低圧空間１０７を通り外周側圧縮室に入り、圧縮過程で圧力を上昇して圧縮室１０９に至り高圧となる。その後流出ポート１１０、高圧空間１１１を通過して、流出配管１１２より圧縮機外部へ流出する。

また、圧縮過程の中間に位置する圧縮室１０８に存在する冷媒の一部は、圧縮バイパスポート１１３を通過してバイパス配管１１４より圧縮機外部へ流出する。バイパス配管１１４での冷媒圧力は、流入配管１０６での冷媒圧力と、流出配管１１２での冷媒圧力の間の大きさである。圧縮バイパスポート１１３の位置をスクロール形状の中央側に変更すると、圧縮バイパス配管１１３での冷媒圧力は、流出配管１１２での冷媒圧力に近くなる。

空気調和装置の運転動作について説明する。主圧縮機１の流入口（流入配管１０６）より流入した低圧冷媒の一部は、圧縮過程をすべて経て高圧冷媒となり、主圧縮機１の流出口（流出配管１１２）より流出する。残りの冷媒は、圧縮過程の中途でバイパス配管１１４より、高圧と低圧の中間である中間圧の冷媒として圧縮バイパス流路２へ流出される。バイパスされた冷媒は圧縮バイパス弁３を通り流量を調整されて副圧縮機４に流入する。副圧縮機４内で冷媒は中間圧力から高圧に圧縮され、主圧縮機１の流出後の冷媒と合流して、第１四方弁５を通り室外熱交換器６に至る。室外熱交換器６にて外気と熱交換し、冷却され温度が低下する。その後、第２四方弁７、予膨張弁８を通過し膨張機９に流入し、冷媒は高圧から低圧まで減圧され低圧の二相状態となる。その後、第２四方弁７を経て、分岐して、膨張弁１１ａ、１１ｂを通過し、室内熱交換器１２ａ、１２ｂで室内空気より吸熱し冷房運転を実施し、第１四方弁５を通過して主圧縮機１に流入する。

（ＤＥ／ＤＣ）≒（ＶＣ／ＶＥ）での暖房運転
次に実際の運転状態での密度比（ＤＥ／ＤＣ）が、設計時に想定した設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）と略同等である暖房運転の場合について説明する。第１四方弁５、第２四方弁７は図１の破線のように設定され、室外熱交換器６が蒸発器、室内熱交換器１２ａ、１２ｂが放熱器（凝縮器）として作用する。主圧縮機１の内部の運転動作は冷房運転時と同一なので省略し、空気調和装置の運転動作について説明する。

主圧縮機１、副圧縮機４の圧縮過程を経て高圧冷媒となった冷媒は第１四方弁５を通過して分岐し、室内熱交換器１２ａ、１２ｂにて室内空気を加熱し暖房運転を実施する。その後、室内膨張弁１１ａ、１１ｂを通過して集約し、第２四方弁７、予膨張弁８を通過し膨張機９に流入し、冷媒は高圧から低圧まで減圧され低圧の二相状態となる。その後、第２四方弁７を通過し、室外熱交換器６にて外気と熱交換し、第１四方弁５を通過して主圧縮機１に流入される。

（ＤＥ／ＤＣ）＞（ＶＣ／ＶＥ）での冷房運転
次に、実際の運転状態での密度比（ＤＥ／ＤＣ）が、設計時に想定した設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）より大きい冷房運転の場合について説明する。第１四方弁５、第２四方弁７は図１の実線のように設定され、室外熱交換器６が放熱器（凝縮器）、室内熱交換器１２ａ、１２ｂが蒸発器として作用する。この場合には密度比一定の制約のため、膨張機９の入口冷媒密度（ＤＥ）が小さくなるように、冷凍サイクルは高圧圧力を低下させた状態でバランスしようとする。ところが、高圧圧力が望ましい圧力より低下した状態では運転効率が低下する。

このため、圧縮バイパス弁３が全閉状態でなければ、圧縮バイパス弁３を閉方向に操作し、副圧縮機４で圧縮して流出する冷媒を主圧縮機１で圧縮して流出させる。この操作により副圧縮機４の必要圧縮動力が減少し膨張機９の回転数が増加しようとするので、膨張機９の入口密度が低下して安定する。

あるいは、圧縮バイパス弁３が全閉状態であれば、予膨張弁８を閉方向に操作し、膨張機９に流入する冷媒を膨張させ、冷媒密度を低下させる。

これらの動作により、高圧側圧力を上昇させ望ましい圧力に調整でき、なおかつ膨張機をバイパスする冷媒が無いため、効率の良い運転を行うことができる。なお高圧側圧力は、主圧縮機１と副圧縮機４のいずれかの流出口から予膨張弁８までの圧力であれば、任意である。

（ＤＥ／ＤＣ）＜（ＶＣ／ＶＥ）での冷房運転
逆に、実際の運転状態での密度比（ＤＥ／ＤＣ）が、設計時に想定した設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）より小さい冷房運転の場合について説明する。第１四方弁５、第２四方弁７は図１の実線のように設定され、室外熱交換器６が放熱器（凝縮器）、室内熱交換器１２ａ、１２ｂが蒸発器として作用する。この場合には密度比一定の制約のため、膨張機９の入口冷媒密度（ＤＥ）が大きくなるように、冷凍サイクルは高圧圧力を上昇させた状態でバランスしようとする。ところが、高圧圧力が望ましい圧力より上昇した状態では運転効率が低下する。

このため、予膨張弁８が全開状態でなければ、予膨張弁８を開方向に操作し、膨張機９に流入する冷媒を膨張しないようにさせ、冷媒密度を上昇させる。

あるいは予膨張弁８が全開状態であれば、圧縮バイパス弁３を開方向に操作し、主圧縮機１で圧縮して流出させる冷媒を副圧縮機４で圧縮して流出させる。この操作により副圧縮機４の必要圧縮動力が増加し膨張機９の回転数が低下しようとするので、膨張機９の入口密度が上昇して安定する。

これらの動作により、高圧側圧力を低下させ望ましい圧力に調整でき、なおかつ膨張機をバイパスする冷媒が無いため、効率の良い運転を行うことができる。

（ＤＥ／ＤＣ）≠（ＶＣ／ＶＥ）での暖房運転
他に、実際の運転状態での密度比（ＤＥ／ＤＣ）が、設計時に想定した設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）と異なる暖房運転の場合があるが、冷房運転と膨張機９と副圧縮機４の動作が同様のため省略する。

次に、圧縮バイパス弁３と予膨張弁８の具体的な操作方法として、制御装置１５が行う制御について、図３に示すフローチャートに基づいて説明する。

この空気調和装置の制御では、高圧側圧力と吐出温度との相関関係を利用して、計測するには高コストなセンサが必要な高圧側圧力によらず、比較的安価に計測の可能な吐出温度により圧縮バイパス弁３及び予膨張弁８の制御を行う。

冷凍サイクル装置の運転時には、最適な高圧側圧力は常に一定ではなく、運転時の外気、必要負荷能力等を元に制御装置１５に予めＲＯＭ等にテーブルとして記憶されており、目標吐出温度が決定される（ステップ２００）。つぎに温度センサ１６からの検出値（吐出温度）（ステップ２０１）が取り込まれる。目標吐出温度とステップ２０１で取り込んだ吐出温度とを比較する（ステップ２０２）。

吐出温度が目標吐出温度より低い場合には、高圧側圧力が最適な圧力より低い傾向にあるため、まず、圧縮バイパス弁３が全閉となっているか否かを判定する（ステップ２０３）。圧縮バイパス弁３が全閉である場合には、予膨張弁８を閉方向に操作し（ステップ２０４）、膨張機９に流入する冷媒を減圧し、冷媒密度を低下させ、高圧側圧力および吐出温度を上昇させる。また、圧縮バイパス弁３が全閉でない場合には、圧縮バイパス弁３を閉方向に操作し（ステップ２０５）、副圧縮機４で圧縮して流出する冷媒を主圧縮機１で圧縮して流出させ、高圧側圧力及び吐出温度を上昇させる。

逆に、吐出温度が目標吐出温度より高い場合には、高圧側圧力が最適な圧力より高い傾向にあるため、まず、予膨張弁８が全開となっているか否かを判定する（ステップ２０６）。予膨張弁８が全開である場合には、圧縮バイパス弁３を開方向に操作し（ステップ２０７）、主圧縮機１で圧縮して流出する冷媒を副圧縮機４で圧縮して流出させ、高圧側圧力および吐出温度を低下させる。また、予膨張弁８が全開でない場合には、予膨張弁８を開方向に操作し（ステップ２０８）、膨張機９に流入する冷媒を減圧しないようにして、冷媒密度を低下させないようにすることで、高圧側圧力及び吐出温度を低下させる。

以上のステップの後、ステップ２００に戻り、以後ステップ２００からステップ２０８まで繰り返すことにより、図４に示すように、圧縮バイパス弁３と予膨張弁８とを連携させた制御を行う。

以上説明したように、図１〜図４に示す空気調和装置（実施の形態１）では、密度比一定の制約のために、最適な高圧側圧力を維持することが困難である膨張機を用いた冷凍サイクル装置において、実際の運転状態での密度比（ＤＥ／ＤＣ）が、設計時に想定した設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）より小さい場合でも、大きい場合でも、圧縮バイパス弁３と予膨張弁８の開度操作により、望ましい高圧側圧力に調整し、なおかつ膨張機をバイパスさせることなく動力回収を確実に行うため、運転効率や能力を低下させることなく運転でき、さらには膨張機や圧縮機の信頼性を確保できる空気調和装置が提供される。

また膨張機をバイパスする量が大きい場合に懸念される、膨張機回転数が低く摺動部での潤滑状態悪化、膨張さらには膨張機の経路内に油が滞留する圧縮機内油枯渇、再起動時の冷媒寝込み起動など、といった信頼性低下を低減することができる。

また、主圧縮機１の流出ポート１１０の位置は（式１）を満たしているため、主圧縮機１の流入配管１０６から流入し圧縮行程を完了して流出配管１１２から流出する冷媒と、主圧縮機１の圧縮行程中間よりバイパスしてバイパス配管１１４より流出し副圧縮機４にて再度圧縮行程を経て流出する冷媒では、どちらも組込み容積比が概ね同じであり、一方が過圧縮で、他方が不足圧縮といった状況が無く効率よく冷媒を圧縮することができる。

また、駆動源のある主圧縮機１と、膨張機９の膨張動力により駆動する副圧縮機４に機能が分割されて構成されている。構造設計や機能設計も分割できるため、駆動源・膨張機・圧縮機一体集約機と比較して設計上または製造上の課題が少ない。

なお、圧縮バイパス弁３、予膨張弁８が全開、または、全閉であるとの判定は、物理的に弁が全開、または、全閉となっていなくてもよく、弁の信頼性等を考慮して予め定めた全開、または、全閉に近い最大開度、または、最小開度となったことで判定してもよい。

また、この空気調和装置の冷媒は二酸化炭素（ＣＯ_２）であるとして説明したが、他の冷媒、例えば、Ｒ４１０Ａ等でも同様の効果が得られる。

実施の形態２．
図５〜図７に示すこの発明の別の空気調和装置は、図１〜図４に示す空気調和装置と同様の構成をしており、同一機能部品については同一の符号を記して説明を省略する。図５は空気調和装置の冷媒回路図である。図６は空気調和装置の制御方法を示すフローチャートである。図７は空気調和装置の制御手段の動作図である。

図５において、２０は主圧縮機であり、駆動源により駆動される。図１〜図４に示す空気調和装置と比較すると、圧縮過程の中途から流出口までバイパスする経路が無く、主圧縮機１の入口配管に設けられた内部熱交換器２１と、膨張機９の入口配管に接続された熱交バイパス流路２２および熱交バイパス弁２３とが設けられていて、その他の構成は同じである。

（ＤＥ／ＤＣ）≒（ＶＣ／ＶＥ）での冷房運転
まず、実際の運転状態での密度比（ＤＥ／ＤＣ）が、設計時に想定した設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）と略同等である冷房運転の場合について説明する。第１四方弁５、第２四方弁７は図５の実線のように設定され、室外熱交換器６が放熱器（凝縮器）、室内熱交換器１２ａ、１２ｂが蒸発器として作用する。

内部熱交換器２１に流入した冷媒は加熱され、主圧縮機２０に流入し圧縮過程を経て中間圧力の冷媒となり、副圧縮機４に流入してさらに圧縮過程を経て高圧の冷媒となる。第１四方弁５を通過し室外熱交換器で外気と熱交換して冷却される。次に第２四方弁７を通過し、内部熱交換器２１冷却される。内部熱交換器２１を通過しない冷媒は、熱交バイパス流路２２を通り、熱交バイパス弁２３で流量を調整されて、内部熱交換器２１を流出した冷媒と合流する。その後予膨張弁８を通過し、膨張機９で低圧に膨張する。その後、第２四方弁７、予膨張弁８を通過し膨張機９に流入し、冷媒は高圧から低圧まで減圧され低圧の二相状態となる。その後、第２四方弁７、分岐して膨張弁１１ａ、１１ｂを通過し室内熱交換器１２ａ、１２ｂで室内空気より吸熱し冷房運転を実施し、第１四方弁５を通過して主圧縮機１に流入する。

（ＤＥ／ＤＣ）＞（ＶＣ／ＶＥ）での冷房運転
次に、実際の運転状態での密度比（ＤＥ／ＤＣ）が、設計時に想定した設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）より大きい冷房運転の場合について説明する。第１四方弁５、第２四方弁７は図５の実線のように設定され、室外熱交換器６が放熱器（凝縮器）、室内熱交換器１２ａ、１２ｂが蒸発器として作用する。この場合には密度比一定の制約のため、膨張機９の入口冷媒密度（ＤＥ）が小さくなるように、冷凍サイクルは高圧圧力を低下させた状態でバランスしようとする。ところが、高圧圧力が望ましい圧力より低下した状態では運転効率が低下する。

このため、熱交バイパス弁２３が全開状態でなければ、熱交バイパス弁２３を開方向に操作し、内部熱交換器２１を通過する冷媒を減少させるので、熱交換量が低下し、膨張機９の入口密度が低下して安定する。

あるいは、熱交バイパス弁２３が全開状態であれば、予膨張弁８を閉方向に操作し、膨張機９に流入する冷媒を膨張させ、冷媒密度を低下させる。

これらの動作により、高圧側圧力を上昇させ望ましい圧力に調整でき、なおかつ膨張機をバイパスする冷媒が無いため、効率の良い運転を行うことができる。

あるいは予膨張弁８が全開状態であれば、熱交バイパス弁２３を閉方向に操作し、内部熱交換器２１を通過する冷媒を増加させるので熱交換量が増加し、膨張機９の入口密度を上昇が上昇して安定する。

他に、暖房運転の場合があるが、動作が図１から図４に示す空気調和装置と同様のため説明を省略する。

次に、熱交バイパス弁２３と予膨張弁８の具体的な操作方法として、制御装置１５が行う制御について、図６に示すフローチャートに基づいて説明する。

冷凍サイクル装置の運転時には、最適な高圧側圧力は常に一定ではなく、運転時の外気、必要負荷能力等を元に制御装置１５に予めＲＯＭ等にテーブルとして記憶されており、目標吐出温度が決定される（ステップ３００）。つぎに温度センサ１６からの検出値（吐出温度）（ステップ３０１）が取り込まれる。目標吐出温度とステップ３０１で取り込んだ吐出温度とを比較する（ステップ３０２）。

吐出温度が目標吐出温度より低い場合には、高圧側圧力が最適な圧力より低い傾向にあるため、まず、熱交バイパス弁２３が全開となっているか否かを判定する（ステップ３０３）。熱交バイパス弁２３が全開である場合には、予膨張弁８を閉方向に操作し（ステップ３０４）、膨張機９に流入する冷媒を減圧し、冷媒密度を低下させ、高圧側圧力および吐出温度を上昇させる。また、熱交バイパス弁２３が全開でない場合には、熱交バイパス弁２３を開方向に操作し（ステップ３０５）、内部熱交換器２１での熱交完了を増加させ、高圧側圧力及び吐出温度を上昇させる。

逆に、吐出温度が目標吐出温度より高い場合には、高圧側圧力が最適な圧力より高い傾向にあるため、まず、予膨張弁８が全開となっているか否かを判定する（ステップ３０６）。予膨張弁８が全開である場合には、熱交バイパス弁２３を閉方向に操作し（ステップ３０７）、内部熱交換器２１での熱交換量を増加させ、高圧側圧力および吐出温度を低下させる。また、予膨張弁８が全開でない場合には、予膨張弁８を開方向に操作し（ステップ３０８）、膨張機９に流入する冷媒を減圧しないようにして、冷媒密度を低下させないようにすることで、高圧側圧力及び吐出温度を低下させる。

以上のステップの後、ステップ３００に戻り、以後ステップ３００からステップ３０８まで繰り返すことにより、図７に示すように、熱交バイパス弁２３と予膨張弁８とを連携させた制御を行う。

以上説明したように、図５〜図７に示す空気調和装置では、密度比一定の制約のために、最適な高圧側圧力を維持することが困難である膨張機を用いた冷凍サイクル装置において、実際の運転状態での密度比（ＤＥ／ＤＣ）が、設計時に想定した設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）より小さい場合でも、大きい場合でも、熱交バイパス弁２３と予膨張弁８の開度操作により、望ましい高圧側圧力に調整し、なおかつ膨張機をバイパスさせることなく動力回収を確実に行うため、運転効率や能力を低下させることなく運転でき、さらには膨張機や圧縮機の信頼性を確保できる空気調和装置が提供される。

また、駆動源のある主圧縮機２０と、膨張機９の膨張動力により駆動する副圧縮機４に機能が分割されて構成されている。構造設計や機能設計も分割できるため、駆動源・膨張機・圧縮機一体集約機と比較して設計上または製造上の課題が少ない。

また膨張機９で動力回収して駆動される副圧縮機４を高段圧縮機として使用するため、低段圧縮機である主圧縮機２０の運転周波数と吸入状態により冷媒循環量が定まるため、サイクル状態を制御しやすい利点がある。

実施の形態３．
図８に示す空気調和装置は、図５に示す空気調和装置と比較すると、主圧縮機２０と副圧縮機４の接続順序であり、その他の構成は同様であり、同一機能部品については同一の符号を記して説明を省略する。図５の冷媒回路では冷媒が内部熱交換器２１、主圧縮機２０、副圧縮機４、第１四方弁５の順に通過するが、図８の空気調和装置においては、冷媒が内部熱交換器２１、副圧縮機４、主圧縮機２０、第１四方弁５の順に通過する。

（ＤＥ／ＤＣ）≒（ＶＣ／ＶＥ）での冷房運転
まず、実際の運転状態での密度比（ＤＥ／ＤＣ）が、設計時に想定した設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）と略同等である冷房運転の場合について説明する。第１四方弁５、第２四方弁７は図８の実線のように設定され、室外熱交換器６が放熱器（凝縮器）、室内熱交換器１２ａ、１２ｂが蒸発器として作用する。

内部熱交換器２１に流入した冷媒は加熱され、副圧縮機４に流入し圧縮過程を経て中間圧力の冷媒となり、主圧縮機２０に流入してさらに圧縮過程を経て高圧の冷媒となる。第１四方弁５を通過し室外熱交換器で外気と熱交換して冷却される。次に第２四方弁７を通過し、内部熱交換器２１冷却される。内部熱交換器２１を通過しない冷媒は、熱交バイパス流路２２を通り、熱交バイパス弁２３で流量を調整されて、内部熱交換器２１を流出した冷媒と合流する。その後予膨張弁８を通過し、膨張機９で低圧に膨張する。その後、第２四方弁７、予膨張弁８を通過し膨張機９に流入し、冷媒は高圧から低圧まで減圧され低圧の二相状態となる。その後、第２四方弁７、分岐して膨張弁１１ａ、１１ｂを通過し室内熱交換器１２ａ、１２ｂで室内空気より吸熱し冷房運転を実施し、第１四方弁５を通過して主圧縮機１に流入する。

（ＤＥ／ＤＣ）＞（ＶＣ／ＶＥ）での冷房運転
次に、実際の運転状態での密度比（ＤＥ／ＤＣ）が、設計時に想定した設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）より大きい冷房運転の場合について説明する。第１四方弁５、第２四方弁７は図８の実線のように設定され、室外熱交換器６が放熱器（凝縮器）、室内熱交換器１２ａ、１２ｂが蒸発器として作用する。この場合には密度比一定の制約のため、膨張機９の入口冷媒密度（ＤＥ）が小さくなるように、冷凍サイクルは高圧圧力を低下させた状態でバランスしようとする。ところが、高圧圧力が望ましい圧力より低下した状態では運転効率が低下する。

暖房運転
他に、暖房運転の場合があるが、動作が図５〜図７の空気調和装置と同様のため説明を省略する。また、熱交バイパス弁２３と予膨張弁８の具体的な操作方法である制御装置２４が行う制御は図６および図７と同様である。

以上説明したように、この空気調和装置では、密度比一定の制約のために、最適な高圧側圧力を維持することが困難である膨張機を用いた冷凍サイクル装置において、実際の運転状態での密度比（ＤＥ／ＤＣ）が、設計時に想定した設計容積比（ＶＣ／ＶＥ）より小さい場合でも、大きい場合でも、熱交バイパス弁２３と予膨張弁８の開度操作により、望ましい高圧側圧力に調整し、なおかつ膨張機をバイパスさせることなく動力回収を確実に行うため、運転効率や能力を低下させることなく運転でき、さらには膨張機や圧縮機の信頼性を確保できる空気調和装置が提供される。

また膨張機９で動力回収して駆動される副圧縮機４を低圧縮機として使用するため、副圧縮機４内は低圧であり、強度設計上余裕が生じる。

この発明の空気調和装置の１つの実施の形態を示す冷媒回路図である。図１に示す空気調和装置の主圧縮機の断面図である。図１に示す空気調和装置の運転方法を示すフローチャートである。図１に示す空気調和装置の制御手段の動作図である。この発明の空気調和装置の別の実施の形態を示す冷媒回路図である。図５に示す空気調和装置の運転方法を示すフローチャートである。図５に示す空気調和装置の制御手段の動作図である。この発明の空気調和装置の更に別の実施の形態を示す冷媒回路図である。

符号の説明

１、２０主圧縮機、２圧縮バイパス流路、３圧縮バイパス弁、４副圧縮機、５第１四方弁、６室外熱交換器、７第２四方弁、８予膨張弁、９膨張機、１０駆動軸、１１ａ、１１ｂ室内膨張弁、１２ａ、１２ｂ室内熱交換器、１３室外機、１４ａ、１４ｂ室内機、１５、２４制御装置、１６、１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂ、１９ａ、１９ｂ温度センサ、２１内部熱交換器、２２熱交バイパス流路、２３熱交バイパス弁、１０１シェル、１０２モータ、１０３シャフト、１０４揺動スクロール、１０５固定スクロール、１０６流入配管、１０７低圧空間、１０８圧縮室、１０９圧縮室、１１０流出ポート、１１１高圧空間、１１２流出配管、１１３圧縮バイパスポート、１１４バイパス配管。

Claims

主圧縮機と、放熱器と、膨張機と、蒸発器とが順に接続された空気調和装置において、
主圧縮機での圧縮過程の中間圧から圧縮過程完了後までをバイパスする圧縮バイパス流路と、
前記圧縮バイパス流路上に設けられ、駆動軸で前記膨張機に連結された副圧縮機と、
前記圧縮バイパス流路上で前記主圧縮機と前記副圧縮機の間に接続された圧縮バイパス弁と、
前記圧縮バイパス弁の開度を変更し、もって高圧側圧力を調整する制御装置とを備えたことを特徴とする空気調和装置。
前記膨張機に流入する冷媒を予め膨張させる予膨張弁を設けたことを特徴とする請求項１に記載の空気調和装置。
前記制御装置が、前記圧縮バイパス弁と前記予膨張弁の開度を、前記主圧縮機と前記副圧縮機の合流部の吐出温度または過熱度に基づいて変更することを特徴とする請求項２に記載の空気調和装置。
前記主圧縮機における行程容積に対するバイパス流路導通終了直後の圧縮室容積の比と、前記副圧縮機の組込容積比との積が、前記主圧縮機の組込容積比に概ね一致することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の空気調和装置。
主圧縮機と、放熱器と、膨張機と、蒸発器とが順に接続され、
主圧縮機での圧縮過程の中間圧から圧縮過程完了後までをバイパスする圧縮バイパス流路と、
前記圧縮バイパス流路上に設けられ、駆動軸で前記膨張機に連結された副圧縮機と、
前記圧縮バイパス流路上で前記主圧縮機と前記副圧縮機の間に接続された圧縮バイパス弁とを備えた空気調和装置の運転方法であって、
前記圧縮バイパス弁の開度を変更し、もって高圧側圧力を調整することを特徴とする空気調和装置の運転方法。
前記膨張機に流入する冷媒を予め膨張させる予膨張弁を設け、
前記圧縮バイパス弁と前記予膨張弁の開度を、前記主圧縮機と前記副圧縮機の合流部の吐出温度または過熱度に基づいて変更することを特徴とする請求項５に記載の空気調和装置の運転方法。
前記主圧縮機における行程容積に対するバイパス流路導通終了直後の圧縮室容積の比と、前記副圧縮機の組込容積比との積を、前記主圧縮機の組込容積比に概ね一致させることを特徴とする請求項５あるいは６に記載の空気調和装置の運転方法。