CN102822609B - 冷冻循环装置及其运转方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于，提供一种即使在由于密度比恒定的限制而很难调整为最佳的高压侧压力的情况下，也能在广大的运转范围内始终进行动力回收，实现高效率的运转的冷冻循环装置。冷冻循环装置（100）利用控制装置（83），基于根据实际的运转状态下的膨胀机（7）的流入制冷剂密度和副压缩机（2）的流入制冷剂密度求得的密度比，和根据在设计时设想的副压缩机（2）的行程容积、膨胀机（7）的行程容积和流向副压缩机（2）的制冷剂流量的比例求得的设计容积比，来改变中间压力旁通阀（9）和预膨胀阀（6）的一方或两方的开度，由此调整高压侧压力。

Description

冷冻循环装置及其运转方法

技术领域

本发明涉及一种冷冻循环装置及其运转方法，特别是，涉及一种用转变到超临界状态的制冷剂且同轴地连结压缩机和膨胀机，回收在制冷剂膨胀时产生的膨胀动力，使用该膨胀动力压缩制冷剂的冷冻循环装置及其运转方法。

背景技术

近年来，将臭氧破坏系数是零且地球温变暖系数与氟利昂类相比也非常小的二氧化碳（以下称作CO₂）用作制冷剂的冷冻循环装置受到注目。CO₂制冷剂的临界温度较低，为31.06℃，在利用比该温度高的温度的情况下，在冷冻循环装置的高压侧（压缩机出口～散热器～减压器入口）成为不发生冷凝的超临界状态，与以往的制冷剂相比，冷冻循环装置的运转效率（COP）下降。因而，在使用了CO₂制冷剂的冷冻循环装置中，提高COP的技术是重要的。

作为这种技术，有人提出了代替减压器地设置膨胀机，将膨胀时的压力能回收而形成动力的冷冻循环。这里，在单轴连结容积式的压缩机和膨胀机的结构的冷冻循环装置中，当将压缩机的行程容积设为VC，将膨胀机的行程容积设为VE时，分别在压缩机和膨胀机中流动的体积循环量之比由VC/VE（设计容积比）决定。在将蒸发器出口的制冷剂（流入压缩机的制冷剂）的密度设为DC，将散热器出口的制冷剂（流入膨胀机的制冷剂）的密度设为DE时，分别在压缩机和膨胀机中流动的质量循环量相等，所以“VC×DC=VE×DE”，即，“VC/VE=DE/DC”的关系成立。由于VC/VE（设计容积比）是设计设备时决定的常数，所以想要以DE/DC（密度比）始终恒定的方式使冷冻循环平衡（以下，将这一情况称作“密度比恒定的限制”）。

但是，冷冻循环装置的使用条件未必恒定不变，所以在设计时设想的设计容积比与实际的运转状态下的密度比不同的情况下，很难为了实现“密度比恒定的限制”而调整为最佳的高压侧压力。

为了解决该问题，有人提出了设置绕过膨胀机的旁通流路，通过对向膨胀机流入的制冷剂量进行控制而调整为最佳的高压侧压力的结构、控制方法（例如参照专利文献1）。

另外，有人提出了设置将主压缩机中的压缩过程中间到压缩过程结束后的部分绕过的压缩旁通流路、和设在上述压缩旁通流路中的副压缩机，通过对流入上述副压缩机的制冷剂量进行控制而调整为最佳的高压侧压力的结构、控制方法（例如参照专利文献2）。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特许第3708536号公报（权利要求1和图1等）

专利文献2：日本特开2009–162438号公报（权利要求1和图1等）

发明内容

发明要解决的问题

但是，在上述专利文献1中记载了在实际的运转状态下的密度比比设计容积比小的情况下，通过使制冷剂在绕过膨胀机的旁通流路中流动而能够调整为最佳的高压侧压力的结构、控制方法，但是在旁通阀中流动的制冷剂因节流损失而发生等焓变化。于是有如下问题：使通过利用膨胀机回收膨胀且由进行等焓变化而获得的冷冻效果增加的效果减小。

另外，在绕过膨胀机的量较大的情况下，膨胀机转速低，在滑动部的润滑状态恶化，当膨胀机的转速变得极小时，油停留在膨胀机的路径内，从而存在因压缩机内的油匮乏、再启动时的制冷剂停滞（stagnated）启动等而使可靠性下降的问题。

此外，在上述专利文献2中想通过不绕过膨胀机而解决上述问题，但由于在副压缩机的入口设置旁通阀，所以压力损失使副压缩机入口的压力下降，压缩动力相应地增加，所以存在运转效率提高的效果减小的问题。

本发明是为了解决上述那种问题而做成的，目的在于提供一种即使在由于密度比恒定的限制而很难调整为最佳的高压侧压力的情况下，也能在广大的运转范围内始终进行动力的回收、实现高效率的运转的冷冻循环装置及其运转方法。

用于解决问题的方案

本发明的冷冻循环装置的特征在于，包括：主压缩机，其压缩制冷剂；散热器，其使利用上述主压缩机压缩了的制冷剂的热量散出；膨胀机，其将通过了上述散热器的制冷剂减压；蒸发器，其使利用上述膨胀机减压了的制冷剂蒸发；副压缩机，其排出侧与上述主压缩机的压缩工序的中间位置相连接，该副压缩机使用上述膨胀机将制冷剂减压时产生的动力，将通过了上述蒸发器的制冷剂的一部分压缩至中间压力；中间压力旁通流路，其连接上述副压缩机的制冷剂流出侧和上述主压缩机的制冷剂流入侧；中间压力旁通阀，其设于上述中间压力旁通流路，调整在上述中间压力旁通流路中流动的制冷剂的流量；预膨胀阀，其设在上述散热器的制冷剂流出侧与上述膨胀机的制冷剂流入侧之间，将流入上述膨胀机的制冷剂减压；控制装置，其控制上述中间压力旁通阀和上述预膨胀阀的动作，上述控制装置基于：①利用实际的运转状态下的上述膨胀机的流入制冷剂密度和上述副压缩机的流入制冷剂密度求得的密度比，和②利用在设计时设想的上述副压缩机的行程容积、上述膨胀机的行程容积和流向上述副压缩机的制冷剂流量的比例求得的设计容积比，来改变上述中间压力旁通阀和上述预膨胀阀的一方或两方的开度，由此调整高压侧压力。

本发明的冷冻循环的运转方法的特征在于，利用主压缩机压缩制冷剂，利用散热器使利用上述主压缩机压缩了的制冷剂的热量散出，利用膨胀机将通过了上述散热器的制冷剂减压，利用蒸发器使利用上述膨胀机减压了的制冷剂蒸发，利用副压缩机使用上述膨胀机将制冷剂减压时产生的动力，将通过了上述蒸发器的制冷剂的一部分压缩至中间压力，将利用上述副压缩机压缩至中间压力的制冷剂喷射到上述主压缩机中的压缩工序的中间位置，利用中间压力旁通流路连接上述副压缩机的制冷剂流出侧和上述主压缩机的制冷剂流入侧，利用中间压力旁通阀调整在上述中间压力旁通流路中流动的制冷剂的流量，在上述散热器的制冷剂流出侧与上述膨胀机的制冷剂流入侧之间，利用预膨胀阀将流入上述膨胀机的制冷剂减压，基于：①利用实际的运转状态下的上述膨胀机的流入制冷剂密度和上述副压缩机的流入制冷剂密度求得的密度比，和②利用在设计时设想的上述副压缩机的行程容积、上述膨胀机的行程容积和流向上述副压缩机的制冷剂流量的比例求得的设计容积比，改变上述中间压力旁通阀和上述预膨胀阀的一方或两方的开度，由此调整高压侧压力。

发明效果

采用本发明的冷冻循环装置及冷冻循环的运转方法，即使在因密度比恒定的条件而很难调整为最佳的高压侧压力的情况下，也能在广大的运转范围内进行动力的回收，通过控制中间压力旁通阀和预膨胀阀而调整高压侧压力，所以能够实现高效率的运转。

附图说明

图1是示意地表示本发明的实施方式的冷冻循环装置的制冷剂回路结构的回路结构图。

图2是表示主压缩机的截面结构的概略纵剖视图。

图3是表示本发明的实施方式的冷冻循环装置的制冷运转时的制冷剂的转变的P–h线型图。

图4是表示本发明的实施方式的冷冻循环装置的制热运转时的制冷剂的转变的P–h线型图。

图5是表示控制装置所进行的控制处理的流程的流程图。

图6是表示中间压力旁通阀和预膨胀阀的进行配合控制时的动作的说明图。

图7是表示在本发明的实施方式的冷冻循环装置所执行的制冷运转时进行了使预膨胀阀6关闭的动作的情况下的、制冷剂的转变的P–h线型图。

图8是表示在本发明的实施方式的冷冻循环装置所执行的制冷运转时进行了使中间压力旁通阀开放的动作的情况下的、制冷剂的转变的P–h线型图。

图9是表示二氧化碳制冷剂的转变的一部分的P–h线型图。

具体实施方式

下面，根据附图说明本发明的实施方式。

图1是示意地表示本发明的实施方式的冷冻循环装置100的制冷剂回路结构的回路结构图。图2是表示主压缩机1的截面结构的概略纵剖视图。图3是表示冷冻循环装置100的制冷运转时的制冷剂的转变的P–h线型图。图4是表示冷冻循环装置100的制热运转时的制冷剂的转变的P–h线型图。图5是表示控制装置83所进行的控制处理的流程的流程图。图6是表示中间压力旁通阀9和预膨胀阀6的进行配合控制时的动作的说明图。根据图1～图6说明冷冻循环装置100的回路结构及动作。

实施方式的冷冻循环装置100利用为具有使制冷剂循环的冷冻循环的装置，例如冰箱、冷冻库、自动贩卖机、空调装置（例如家庭用、商务用和车辆用等）、冷冻装置和热水供给装置等。另外，包括图1在内在以下的附图中，各构成构件的大小的关系有时与实际情况不同。另外，包括图1在内在以下的附图中，标注同一附图标记的部件是同一部件或相当于同一部件的部件，说明书通篇都是这样。此外，说明书通篇所示的构成要素的结构只不过是例示，并不限定于这些描述。

冷冻循环装置100能够在广大的运转范围内始终进行动力的回收，进行高效率的运转，特别是在将二氧化碳作为制冷剂而使用了使高压侧为超临界状态的那种制冷剂的情况下，效果大。

冷冻循环装置100至少包括主压缩机1、室外换热器4、膨胀机7、室内换热器21和副压缩机2。另外，冷冻循环装置100包括预膨胀阀6、储液器8、中间压力旁通阀9、止回阀10、作为制冷剂流路切换装置的第1四通阀3和作为制冷剂流路切换装置的第2四通阀5。此外，冷冻循环装置100具有统一管理冷冻循环装置100的整体的控制的控制装置83。

主压缩机1在轴103的作用下将吸入的制冷剂压缩而使该制冷剂处于高温高压的状态，该轴103由电动机102和电动机102驱动。该主压缩机1例如可以由能控制容量的变频压缩机等构成。另外，后面根据图2详细说明主压缩机1。

室外换热器4在制冷运转时作为使内部的制冷剂的热量散出的散热器而发挥功能，在制热运转时作为使内部的制冷剂蒸发的蒸发器而发挥功能。室外换热器4使制冷剂与例如自省略图示的送风机供给的空气之间进行热交换。

该室外换热器4构成为具有散热片，使制冷剂与空气（外部空气）之间进行热交换，该散热片用于增大外部空气与例如供制冷剂通过的导热管及在该导热管中流动的制冷剂之间的导热面积。室外换热器4在制热运转时作为蒸发器而发挥功能，使制冷剂蒸发而气化（气体化）。另一方面，室外换热器4在制冷运转时作为冷凝器或气体冷却器（以下称作冷凝器）而发挥功能。根据情况的不同，室外换热器4有时也不使制冷剂完全气体化、气化，而使该制冷剂处于液体和气体的两相混合（气液两相制冷剂）的状态。

室内换热器21在制冷运转时作为使内部的制冷剂蒸发的蒸发器而发挥功能，在制热运转时作为使内部的制冷剂的热量散出的散热器而发挥功能。室内换热器21使制冷剂与例如自省略图示的送风机供给的空气之间进行热交换。

该室内换热器21构成为具有散热片，进行制冷剂与室内空气之间的热交换，该散热片用于增大空气与例如供制冷剂通过的导热管及在导热管中流动的制冷剂之间的导热面积。室内换热器21在制冷运转时作为蒸发器发挥功能，使制冷剂蒸发而气化（气体化）。另一方面，室内换热器21在制热运转时作为冷凝器或气体冷却器（以下称作冷凝器）发挥功能。

膨胀机7将通过内部的制冷剂减压。将制冷剂减压时所产生的动力经由驱动轴43而传递到副压缩机2。副压缩机2利用驱动轴43与膨胀机7相连接，利用膨胀机7将制冷剂减压时所产生的动力驱动副压缩机2而压缩制冷剂。该副压缩机2在低压侧与主压缩机1并联连接。

膨胀机7和副压缩机2利用驱动轴43回收在膨胀机7使制冷剂膨胀（减压）时所产生的膨胀动力，利用副压缩机2使用回收到的膨胀动力压缩制冷剂。膨胀机7和副压缩机2为容积式装置，例如形成为涡旋式等的形态。副压缩机2和膨胀机7收容在密闭容器84中。副压缩机2借助驱动轴43与膨胀机7相连接，利用膨胀机7产生的动力由驱动轴43回收而向副压缩机2传递。因此，副压缩机2也能压缩制冷剂。

第1四通阀3设于主压缩机1的排出配管35，具有根据运转模式而切换制冷剂的流动方向的功能。第1四通阀3通过进行切换而连接室外换热器4和主压缩机1以及室内换热器21和储液器8、或连接室内换热器21和主压缩机1以及室外换热器4和储液器8。即，第1四通阀3根据控制装置83的指示，进行与制冷制热的运转模式相对应的切换而切换制冷剂的流路。

第2四通阀5根据运转模式使膨胀机7与室外换热器4或室内换热器21相连接。第2四通阀5通过进行切换而连接室外换热器4和预膨胀阀6以及室内换热器21和膨胀机7、或连接室内换热器21和预膨胀阀6以及室外换热器4和膨胀机7。即，第2四通阀5根据控制装置83的指示，进行与制冷制热的运转模式相对应的切换而切换制冷剂的流路。

在进行制冷运转时，第1四通阀3进行切换，以使制冷剂自主压缩机1向室外换热器4流动且使制冷剂自室内换热器21向储液器8流动，第2四通阀5进行切换，以使制冷剂自室外换热器4经过预膨胀阀6和膨胀机7向室内换热器21流动。另一方面，在制热运转时，第1四通阀3进行切换，以使制冷剂自主压缩机1向室内换热器21流动且使制冷剂自室外换热器4向储液器8流动，第2四通阀5进行切换，以使制冷剂自室内换热器21经过预膨胀阀6和膨胀机7向室外换热器4流动。利用第2四通阀5使通过膨胀机7的制冷剂的方向无论是在制冷运转时或制热运转时均为同一方向。

预膨胀阀6设置在膨胀机7的上游侧，将制冷剂减压而使该制冷剂膨胀，预膨胀阀6利用能改变开度地控制的例如电子式膨胀阀等构成即可。详细而言，该预膨胀阀6设置在第2四通阀5与膨胀机7的入口之间的制冷剂流路34（即，散热器（室外换热器4或室外换热器21）的制冷剂流出侧与膨胀机7的制冷剂流入侧之间）中，对流入膨胀机7的制冷剂的压力进行调整。

储液器8设置在主压缩机1的吸入侧，具有如下功能：在冷冻循环装置100发生异常时、与运转控制变更时所对应的运转状态的过渡响应时，存积液体制冷剂而防止液体向主压缩机1返回。也就是说，储液器8具有如下功能：存积冷冻循环装置100的制冷剂回路中的过剩的制冷剂，防止制冷剂液体大量返回主压缩机1和副压缩机2而损坏主压缩机1。

中间压力旁通阀9设置在使制冷剂自副压缩机2的排出配管31绕到主压缩机1的吸入配管32的中间压力旁通配管（中间压力旁通流路）33中，中间压力旁通阀9调整在中间压力旁通配管33中流动的制冷剂流量。中间压力旁通阀9利用能改变开度地控制的例如电子式膨胀阀等构成即可。通过调整该中间压力旁通阀9的开度，能够调整作为副压缩机2的排出压力的中间压力。

止回阀10设置在副压缩机2的排出配管31中，将流入主压缩机1的制冷剂的流动方向调整为一方向（自副压缩机2向主压缩机1的方向）。通过设置该止回阀10，能够在副压缩机2的排出压力比主压缩机1的压缩室108的压力低时，防止制冷剂逆流。

控制装置83控制主压缩机1的驱动频率、设置在室外换热器4及室内换热器21附近的省略图示的送风机的转速、第1四通阀3的切换、第2四通阀5的切换、膨胀机7的开度、预膨胀阀6的开度和中间压力旁通阀9的开度等。

另外，在实施方式中，说明冷冻循环装置100使用二氧化碳（CO₂）作为制冷剂的情况。二氧化碳与以往的氟利昂系制冷剂相比，具有臭氧层破坏系数为零，地球温变暖系数小的特性。但是，并不是将制冷剂限定为二氧化碳，也可以将转变到超临界状态的其他单一制冷剂、混合制冷剂（例如二氧化碳和乙醚的混合制冷剂）等用作制冷剂。

在冷冻循环装置100中，主压缩机1、副压缩机2、第1四通阀3、第2四通阀5、室外换热器4、预膨胀阀6、膨胀机7、储液器8、中间压力旁通阀9和止回阀10收容在室外机81中。另外，在冷冻循环装置100中，控制装置83也收容在室外机81中。此外，在冷冻循环装置100中，室内换热器21收容在室内机82中。在图1中，例示利用液管36和气体管37使1台室内机82（室内换热器21）与1台室外机81（室外换热器4）相连接的状态，但并不特别限定室外机81和室内机82的连接台数。

另外，在冷冻循环装置100中设置有温度传感器（温度传感器51、温度传感器52和温度传感器53）。由这些温度传感器检测到的温度信息输送到控制装置83，利用于冷冻循环装置100的构成设备的控制。

温度传感器51设于主压缩机1的排出配管35，检测主压缩机1的排出温度，温度传感器51例如由热敏电阻等构成即可。温度传感器52设置在室外换热器4的附近（例如外表面），检测流入室外换热器4的空气的温度，温度传感器52例如由热敏电阻等构成即可。温度传感器53设置在室内换热器21的附近（例如外表面），检测流入室内换热器21的空气的温度，温度传感器53例如由热敏电阻等构成即可。

另外，并不将温度传感器51、温度传感器52和温度传感器53的设置位置限定为图1所示的位置。例如在温度传感器51的情况下，只要位于能检测自主压缩机1排出的制冷剂的温度的位置即可，在温度传感器52的情况下，只要位于能检测流入室外换热器4的空气的温度的位置即可，在温度传感器53的情况下，只要位于能检测流入室内换热器21的空气的温度的位置即可。

根据图2说明主压缩机1的结构和动作。主压缩机1在构成主压缩机1的轮廓的壳体101的内部收纳有如下部分等：电动机102，其是驱动源；轴103，其是由电动机102驱动旋转的驱动轴；摆动涡卷件104，其前端部安装于轴103，与轴103一起旋转驱动；固定涡卷件105，其配置在摆动涡卷件104的上侧，形成有与摆动涡卷件104的涡卷体啮合的涡卷体。另外，与吸入配管32相连接的流入配管106、与排出配管35相连接的流出配管112和与排出配管31相连接的喷射配管114与壳体101相连接。

在壳体101的内部且在摆动涡卷件104及固定涡卷件105的涡卷体的最外周部，形成有与流入配管106导通的低压空间107。在壳体101的内部上方形成有与流出配管112导通的高压空间111。在摆动涡卷件104的涡卷体与固定涡卷件的涡卷体之间，形成有多个的容积相对性地变化的压缩室（例如图1所示的压缩室108和压缩室109）。压缩室109表示形成在摆动涡卷件104及固定涡卷件105的大致中央部的压缩室。压缩室108表示形成在比压缩室109靠外侧的压缩过程中间的压缩室。

在固定涡卷件105的大致中央部设有导通压缩室109和高压空间111的流出口110。固定涡卷件105的压缩过程中间部设有导通压缩室108和喷射配管114的喷射口113。另外，在壳体101内配设有用于阻止摆动涡卷件104在偏心回转运动过程中的自转运动的省略图示的十字滑环（oldham ring）。该十字滑环阻止摆动涡卷件104的自转运动，并且实现能公转运动的功能。

另外，固定涡卷件105固定在壳体101内。另外，摆动涡卷件104不相对于固定涡卷件105自转地进行公转运动。此外，电动机102至少包括：定子，其固定安装保持在壳体101内部；转子，其能旋转地配设在定子的内周面侧，固定于轴103。定子具有如下功能：通过对定子通电，该定子驱动转子旋转。转子具有如下功能：通过对定子通电而驱动转子旋转，从而使轴103旋转。

简单说明主压缩机1的动作。

当对电动机102通电时，构成电动机102的定子和转子产生扭矩，轴103旋转。在轴103的前端部安装有摆动涡卷件104，摆动涡卷件104进行公转运动。压缩室与摆动涡卷件104的回转运动一起向中心减少容积地移动，压缩制冷剂。

由副压缩机2压缩而排出的制冷剂经过排出配管31和止回阀10。该制冷剂随后自喷射配管114流入主压缩机1。另一方面，经过吸入配管32的制冷剂自流入配管106流入主压缩机1。自流入配管106流入的制冷剂流入低压空间107而被封闭在压缩室中，逐渐压缩。并且，当到达压缩室位于压缩过程的中间位置的压缩室108时，制冷剂自喷射口113流入压缩室108。

即，自喷射配管114流入的制冷剂和自流入配管106流入的制冷剂在压缩室108内混合。随后，混合而成的制冷剂逐渐被压缩而到达压缩室109。到达了压缩室109的制冷剂在经过了流出口110和高压空间111后，经由流出配管112向壳体101外排出，在排出配管35中导通。

说明冷冻循环装置100的运转动作。

制冷运转模式

参照图1和图3说明冷冻循环装置100所执行的制冷运转时的动作。另外，图1所示的附图标记A～G与图3所示的附图标记A～G相对应。另外，在制冷运转模式下，将第1四通阀3和第2四通阀5控制为图1中“实线”所示的状态。这里，冷冻循环装置100的制冷剂回路等中的压力的高低并非根据与成为基准的压力的关系而决定，而是将由主压缩机1、副压缩机2中的升压、预膨胀阀6、膨胀机7的减压等而产生的相对性的压力表示为高压和低压。另外，温度的高低也是同样的意义。

在进行制冷运转时，首先，吸入被吸入到主压缩机1和副压缩机2中的低压的制冷剂。被吸入到副压缩机2中的低压的制冷剂由副压缩机2压缩而成为中压的制冷剂（从状态A到状态B）。由副压缩机2压缩而成的中压的制冷剂自副压缩机2排出，经由排出配管31和喷射配管114导入到主压缩机1中。中压的制冷剂与被吸入到主压缩机1中的制冷剂混合，由主压缩机1进一步压缩而成为高温高压的制冷剂（从状态B到状态C）。由主压缩机1压缩而成的高温高压的制冷剂自主压缩机1排出，通过第1四通阀3而流入室外换热器4。

流入到室外换热器4中的制冷剂与供给到室外换热器4中的室外空气进行热交换，从而散热，将热量传递到室外空气而形成为低温高压的制冷剂（从状态C到状态D）。该低温高压的制冷剂自室外换热器4流出，通过第2四通阀5后通过预膨胀阀6。低温高压的制冷剂在通过预膨胀阀6时减压（从状态D到状态E）。被预膨胀阀6减压了的制冷剂被吸入到膨胀机7中。被吸入到膨胀机7中的制冷剂减压而处于低温，成为干燥度低的状态的制冷剂（从状态E到状态F）。

此时，在膨胀机7中，随着制冷剂的减压而产生动力。该动力由驱动轴43回收而传递到副压缩机2，使用于由副压缩机2进行的制冷剂的压缩。由膨胀机7减压了的制冷剂自膨胀机7排出，在通过了第2四通阀5后自室外机81流出。自室外机81流出的制冷剂流过液管36而流入室内机82。

流入到室内机82中的制冷剂流入室内换热器21，从供给到室内换热器21中的室内空气吸热而蒸发，保持低压状态不变地成为干燥度高的状态的制冷剂（从状态F到状态G）。由此，将室内空气冷却。该制冷剂自室内换热器21流出，而且也自室内机82流出，流过气体管37而流入室外机81。流入到室外机81中的制冷剂在通过了第1四通阀3而流入到储液器8中后，再次被吸入到主压缩机1和副压缩机2中。

冷冻循环装置100通过反复进行上述动作，向室外的空气传递室内的空气的热量而对室内进行制冷。

制热运转模式

参照图1和图4说明冷冻循环装置100所执行的制热运转时的动作。另外，图1所示的附图标记A～G与图4所示的附图标记A～G相对应。另外，在制热运转模式下，将第1四通阀3和第2四通阀5控制为图1中“虚线”所示的状态。这里，冷冻循环装置100的制冷剂回路等中的压力的高低并非根据与成为基准的压力的关系而决定，而是将由主压缩机1、副压缩机2中的升压、预膨胀阀6、膨胀机7的减压等而产生的相对性的压力表示为高压和低压。另外，温度的高低也是同样的意义。

在进行制热运转时，首先吸入被吸入到主压缩机1和副压缩机2中的低压的制冷剂。被吸入到副压缩机2中的低压的制冷剂由副压缩机2压缩而成为中压的制冷剂（从状态A到状态B）。由副压缩机2压缩而成的中压的制冷剂自副压缩机2排出，经由排出配管31和喷射配管114导入到主压缩机1中。中压的制冷剂与被吸入到主压缩机1中的制冷剂混合，由主压缩机1进一步压缩而成为高温高压的制冷剂（从状态B到状态G）。由主压缩机1压缩而成的高温高压的制冷剂自主压缩机1排出，通过第1四通阀3而自室外机81流出。

自室外机81流出的制冷剂流过气体管37而流入室内机82。流入到室内机82中的制冷剂流入室内换热器21，与供给到室内换热器21中的室内空气进行热交换，从而散热，将热量传递到室内空气而形成为低温高压的制冷剂（从状态G到状态F）。由此，将室内空气加热。该低温高压的制冷剂自室内换热器21流出，再自室内机82流出，流过液管36而流入室外机81。流入到室外机81中的制冷剂通过第2四通阀5后通过预膨胀阀6。低温高压的制冷剂在通过预膨胀阀6时减压（从状态F到状态E）。

由预膨胀阀6减压了的制冷剂被吸入到膨胀机7中。被吸入到膨胀机7中的制冷剂减压而处于低温，成为干燥度低的状态的制冷剂（从状态E到状态D）。此时，在膨胀机7中，随着制冷剂的减压而产生动力。该动力由驱动轴43回收而传递到副压缩机2，使用于由副压缩机2进行的制冷剂的压缩。由膨胀机7减压了的制冷剂自膨胀机7排出，在通过了第2四通阀5后流入室外换热器4。流入到室外换热器4中的制冷剂自供给到室外换热器4中的室外空气吸热而蒸发，保持低压状态不变地成为干燥度高的状态的制冷剂（从状态D到状态C）。

该制冷剂自室外换热器4流出，在通过第1四通阀3而流入到储液器8中后，再次被吸入到主压缩机1和副压缩机2中。

冷冻循环装置100通过反复进行上述动作，向室内的空气传递室外的空气的热量而对室内进行制热。

这里，说明副压缩机2和膨胀机7的制冷剂流量。

将在膨胀机7中流动的制冷剂流量设为GE，将在副压缩机2中流动的制冷剂流量设为GC。另外，当将在主压缩机1和副压缩机2中流动的总制冷剂流量中向副压缩机2流动的制冷剂流量的比例（分流比）设为W时，GE和GC的关系如下述式（1）所示。

式（1）GC=W×GE

因此，将副压缩机2的行程容积设为VC，将膨胀机7的行程容积设为VE，将副压缩机2的流入制冷剂密度设为DC，将膨胀机7的流入制冷剂密度设为DE，密度比恒定的限制如下述式（2）所示。

式（2）VC/VE/W=DE/DC

另外，分流比W设定为使膨胀机7中的回收动力与副压缩机2中的压缩动力大致相等较好。即，在将膨胀机7的入口比焓设为hE，将出口比焓设为hF，将副压缩机2的入口比焓设为hA，将出口比焓设为hB时，满足下述式（3）地设定分流比W较好。

式（3）hE–hF=W×（hB–hA）

冷冻循环装置100由于利用副压缩机2将低压的制冷剂的一部分压缩至中间压力后将该制冷剂喷射到主压缩机1，所以能够降低与副压缩机2的压缩动力量相对应的主压缩机1的电力输入。

接下来，说明在实际的运转状态下的密度比（DE/DC）与在设计时设想的设计容积比（VC/VE/W）不同的情况下的制冷运转。

在（DE/DC）>（VC/VE/W）的情况下的制冷运转

说明实际的运转状态下的密度比（DE/DC）比在设计时设想的设计容积比（VC/VE/W）大的制冷运转的情况。在该情况下，由于密度比恒定的限制，为了减小膨胀机7的入口制冷剂密度（DE）地使冷冻循环在高压侧压力下降了的状态下取得平衡。但是，在高压侧压力比期望压力低的状态下，运转效率下降。

因此，在中间压力旁通阀9不是全闭状态时，则向关闭方向操作中间压力旁通阀9，使中间压力上升而增加副压缩机2的所需压缩动力。于是，由于膨胀机7的转速要减小，所以冷冻循环向膨胀机7的入口密度增加的方向获取平衡。

或者，在中间压力旁通阀9为全闭状态时，向关闭方向操作预膨胀阀6，如图7所示使流入膨胀机7的制冷剂膨胀（从状态D到状态E2），降低制冷剂密度。于是，冷冻循环欲向膨胀机7的入口密度增加的方向获得平衡。另外，在图7中表示在冷冻循环装置100所执行的制冷运转时进行了使预膨胀阀6关闭的动作的情况下的、制冷剂的转变的P–h线型图。

即，在以（DE/DC）>（VC/VE/W）的条件进行制冷运转的情况下，在冷冻循环装置100中，通过将中间压力旁通阀9控制为关闭或将预膨胀阀6控制为关闭，能够向升高高压侧压力的方向使冷冻循环获得平衡。因此，在冷冻循环装置100中，能够使高压侧压力上升而调整为期望的压力，而且没有绕过膨胀机7的制冷剂，所以高效率的运转得以实现。另外，高压侧压力是指从主压缩机1的流出口到预膨胀阀6的压力，只要是该位置的压力即可，可以任意。

在（DE/DC）<（VC/VE/W）的情况下的制冷运转

说明实际的运转状态下的密度比（DE/EC）比在设计时设想的设计容积比（VC/VE/W）小的制冷运转的情况。在该情况下，为了实现密度比恒定的限制，为了使膨胀机7的入口制冷剂密度（DE）增大，使冷冻循环在升高了高压侧压力的状态下获得平衡。但是，在高压侧压力比期望压力高的状态下，运转效率下降。

因此，在预膨胀阀6不是全开状态时，向开放方向操作预膨胀阀6，使流入膨胀机7的制冷剂不膨胀，增加制冷剂密度。于是，冷冻循环欲向膨胀机7的入口密度减少的方向获得平衡。

或者，在预膨胀阀6是全开状态时，向开放方向操作中间压力旁通阀9。利用图8说明此时的冷冻循环的动作。另外，图8表示在冷冻循环装置100所执行的制冷运转时进行了将中间压力旁通阀9开放的动作的情况下的、制冷剂的转变的P–h线型图。

利用副压缩机2将自储液器8流出的制冷剂压缩至中间压力（从状态G到状态B）。自副压缩机2排出的制冷剂的一部分经过止回阀10而喷射到主压缩机1。另外，自副压缩机2排出的制冷剂的其余部分经过中间压力旁通阀9，与在主压缩机1的吸入配管32中流动的制冷剂合流（状态A2）。被吸入到主压缩机1中的状态A2的制冷剂与压缩至中间压力而被喷射的制冷剂混合，进一步压缩（状态C2）。于是，使中间压力下降，副压缩机2的所需压缩动力减少，膨胀机7的转速要增加，所以欲向膨胀机7的入口密度减少的方向使冷冻循环获得平衡。

即，在以（DE/DC）<（VC/VE/W）的条件进行制冷运转的情况下，在冷冻循环装置100中，通过将预膨胀阀6控制为开放或将中间压力旁通阀9控制为开放，能够向降低高压侧压力的方向使冷冻循环获得平衡。因此，在冷冻循环装置100中，能够使高压侧压力下降而调整为期望的压力，而且由于没有绕过膨胀机7的制冷剂，所以高效率的运转得以实现。

在（DE/DC）≠（VC/VE/W）的情况下的制热运转

有实际的运转状态下的密度比（DE/DC）与在设计时设想的设计容积比（VC/VE/W）不同的制热运转的情况，但在此情况下是与制冷运转时同样地控制副压缩机2和膨胀机7的动作，所以省略说明。

接下来，作为中间压力旁通阀9和预膨胀阀6的具体的操作方法，根据图5所示的流程图说明控制装置83所执行的控制的处理的流程。

冷冻循环装置100的特征在于，利用高压侧压力与排出温度的相关关系，不管在测量时高成本的传感器所需的高压侧压力如何，利用能比较便宜地测量的排出温度，执行对中间压力旁通阀9和预膨胀阀6的控制。

在冷冻循环装置100运转时，最佳的高压侧压力不是始终恒定的。因此，在冷冻循环装置100中，预先将利用温度传感器52检测的外部空气温度、利用温度传感器53检测的室内温度等数据，作为表格而存储在装设于控制装置83的ROM等存储部件中。并且，控制装置83根据存储在存储部件中的数据决定目标排出温度（步骤201）。接着，来自温度传感器51的检测值（排出温度）读入控制装置83（步骤202）。控制装置83比较在步骤201决定的目标排出温度和在步骤202读入的排出温度（步骤203）。

在排出温度比目标排出温度低的情况下（步骤203：是），高压侧压力处于比最佳的高压侧压力低的倾向，所以控制装置83先判定中间压力旁通阀9是否全闭（步骤204）。在中间压力旁通阀9全闭的情况下（步骤204：是），控制装置83向关闭方向操作预膨胀阀6（步骤205），将流入膨胀机7的制冷剂减压，使制冷剂密度下降，使高压侧压力和排出温度上升。另外，在中间压力旁通阀9不是全闭的情况下（步骤204：否），控制装置83向关闭方向操作中间压力旁通阀9（步骤206），使中间压力上升而增加副压缩机2的所需压缩动力，使高压侧压力和排出温度上升。

相反，在排出温度比目标排出温度高的情况下（步骤203：否），高压侧压力处于比最佳的压力高的倾向，所以控制装置83先判定预膨胀阀6是否全开（步骤207）。在预膨胀阀6全开的情况下（步骤207：是），控制装置83向开放方向操作中间压力旁通阀9（步骤208），使中间压力下降而减少副压缩机2的所需压缩动力，降低高压侧压力和排出温度。另外，在预膨胀阀6不是全开的情况下（步骤207：否），控制装置83向开放方向操作预膨胀阀6（步骤209），将流入膨胀机7的制冷剂减压，从而降低高压侧压力和排出温度。

在进行了以上的步骤后，返回到步骤201，之后重复步骤201到步骤209。通过执行这种控制，实现图6所示的那种使中间压力旁通阀9和预膨胀阀6进行了配合的控制。详细而言，在高压侧压力低且中间压力旁通阀的开度为最低开度时，控制装置83通过操作预膨胀阀6而调整高压侧压力，在高压侧压力高且预膨胀阀6的开度为最高开度时，控制装置83通过操作中间压力旁通阀9而调整高压侧压力。另外，在图6中，横轴表示高压侧压力的高低，纵轴上方表示预膨胀阀6的开度，纵轴下方表示中间压力旁通阀9的开度。

如上所述，冷冻循环装置100虽然使用了由于密度比恒定的限制而很难维持最佳的高压侧压力的膨胀机7，但无论在实际的运转状态下的密度比（DE/DC）比在设计时设想的设计容积比（VC/VE/W）小还是大的情况下，都能利用中间压力旁通阀9和预膨胀阀6的开度操作，调整为期望的高压侧压力，而且能够不绕过膨胀机7地可靠地进行动力回收。因此，在冷冻循环装置100中，能够实现不会使运转效率、运转能力下降的运转，能够进一步确保膨胀机7、主压缩机1的可靠性。

另外，采用冷冻循环装置100，将中间压力旁通阀9和预膨胀阀6的开度操作的目标值设为主压缩机1的排出温度，但也可以在主压缩机1的排出配管35中设置压力传感器，根据排出压力进行控制。

采用冷冻循环装置100，将中间压力旁通阀9和预膨胀阀6的开度操作的目标值设为主压缩机1的排出温度，但也可以将制冷运转时作为蒸发器发挥功能的室内换热器21的制冷剂出口的过热度设为目标值。在该情况下，基于来自设置在膨胀机7的出口与主压缩机1之间或设在膨胀机7的出口与副压缩机2之间的制冷剂配管上的、检测低压侧压力的压力传感器的信息，和来自检测室内换热器21的制冷剂出口温度的温度传感器的信息，将这些信息预先作为表格而存储在ROM等中，控制装置83根据这些信息决定目标过热度即可。

另外，也可以在室内机82中设置控制装置而设定目标过热度。在该情况下，利用室内机82与室外机81的通信，将目标过热度以无线或有线的方式发送到控制装置83即可。

此外，关于高压侧压力与蒸发器的过热度的关系，高压侧压力越高，过热度也越大，高压侧压力越低，过热度也越小，所以在图5的流程图中进行将步骤203的排出温度置换为过热度的控制即可。

另外，采用冷冻循环装置100，将中间压力旁通阀9和预膨胀阀6的开度操作的目标值设为主压缩机1的排出温度，但也可以将制热运转时作为冷凝器发挥功能的室内换热器21的制冷剂出口的过冷却度设为目标值。

在实施方式中，例示了将CO₂用作冷冻循环装置100的制冷剂的情况，在使用了这种制冷剂的情况下，在冷凝器的空气温度较高时，像以往的氟利昂系制冷剂那样地在高压侧不伴有冷凝地成为超临界循环，所以不能根据饱和压力和温度算出过冷却度。为此，如图9所示，以临界点的焓为基准设定近似饱和压力和近似饱和温度Tc，将近似饱和温度Tc与制冷剂的温度Tco的差用作近似过冷却度Tsc即可（参照下述式（4））。

式（4）Tsc=Tc–Tco

另外，关于高压侧压力与冷凝器的过热度的关系，高压侧压力越高，过冷却度也越大，高压侧压力越低，过冷却度也越小，所以在图5的流程图中进行将步骤203的排出温度置换为过冷却度的控制即可。

采用冷冻循环装置100，也能使在绕过膨胀机7的量较大的情况下所担心的膨胀机7的转速低、在滑动部的润滑状态恶化、膨胀、以及因油停留在膨胀机7的路径内而引发的压缩机内的油匮乏、再起动时的制冷剂停滞起动等、这样的导致可靠性下降的现象得到减少。

采用冷冻循环装置100，由于不需要设置膨胀机旁通阀，所以不存在当利用膨胀机旁通阀使制冷剂膨胀时所产生的节流损失，所以能够削减蒸发器的冷冻效果的减少。

采用冷冻循环装置100，即使在副压缩机2几乎不能压缩制冷剂的那种情况下，也能使循环的制冷剂的一部分流入副压缩机2。因此，在冷冻循环装置100中，与使循环的所有制冷剂流入副压缩机2的情况相比，也不会发生副压缩机2成为制冷剂的流路阻力而使性能下降的情况。副压缩机2几乎不能压缩制冷剂的那种情况是指例如外部空气温度低的制冷运转、室内温度低的制热运转等高压侧压力与低压侧压力的差较小，膨胀机7的回收动力极小的情况。

冷冻循环装置100构成为将压缩功能分给具有驱动源的主压缩机1和利用膨胀机7的动力驱动的副压缩机2。因而，采用冷冻循环装置100，也可以分开进行构造设计、功能设计，所以与驱动源·膨胀机·压缩机一体集约机相比，设计上或制造上的问题较少。

另外，采用冷冻循环装置100，将利用副压缩机2压缩了的制冷剂喷射到主压缩机1的压缩室108中，但例如也可以使主压缩机1的压缩机构为两段压缩的结构，将上述制冷剂喷射到连接低段侧压缩室和后段侧压缩室的路径中。此外，也可以形成为利用多个压缩机使主压缩机1实现两段压缩的结构。

采用冷冻循环装置100，以室外换热器4和室内换热器21形成为与空气进行热交换的换热器的情况为例进行了说明，但本发明并不限定于此，也可以形成为与水、盐水等其他热介质进行热交换的换热器。

另外，采用冷冻循环装置100，以利用第1四通阀3和第2四通阀5进行与制冷制热的运转模式相对应的制冷剂流路的切换的情况为例而进行了说明，但本发明并不限定于此，例如也可以形成为利用二通阀、三通阀或止回阀等切换制冷剂流路的结构。

附图标记说明

1、主压缩机；2、副压缩机；3、第1四通阀；4、室外换热器；5、第2四通阀；6、预膨胀阀；7、膨胀机；8、储液器；9、中间压力旁通阀；10、止回阀；21、室内换热器；31、排出配管；32、吸入配管；33、中间压力旁通配管；34、制冷剂流路；35、排出配管；36、液管；37、气体管；43、驱动轴；51、温度传感器；52、温度传感器；53、温度传感器；81、室外机；82、室内机；83、控制装置；84、密闭容器；100、冷冻循环装置；101、壳体；102、电动机；103、轴；104、摆动涡卷件；105、固定涡卷件；106、流入配管；107、低压空间；108、压缩室；109、压缩室；110、流出口；111、高压空间；112、流出配管；113、喷射口；114、喷射配管。

Claims (11)

1.一种冷冻循环装置，其特征在于，

该冷冻循环装置包括：主压缩机，其压缩制冷剂；散热器，其使利用所述主压缩机压缩了的制冷剂的热量散出；膨胀机，其将通过了所述散热器的制冷剂减压；蒸发器，其使利用所述膨胀机减压了的制冷剂蒸发；副压缩机，其排出侧与所述主压缩机的成为压缩工序的中间的位置相连接，该副压缩机使用由所述膨胀机将制冷剂减压时的动力，将通过了所述蒸发器的制冷剂的一部分压缩至中间压力；中间压力旁通流路，其连接所述副压缩机的制冷剂流出侧和所述主压缩机的制冷剂流入侧；中间压力旁通阀，其设于所述中间压力旁通流路，调整在所述中间压力旁通流路中流动的制冷剂的流量；预膨胀阀，其设在所述散热器的制冷剂流出侧与所述膨胀机的制冷剂流入侧之间，将流入所述膨胀机的制冷剂减压；控制装置，其控制所述中间压力旁通阀和所述预膨胀阀的动作；

所述控制装置改变所述中间压力旁通阀和所述预膨胀阀的一方或两方的开度，由此调整高压侧压力。

2.根据权利要求1所述的冷冻循环装置，其特征在于，

在根据实际的运转状态下的所述膨胀机的流入制冷剂密度和所述副压缩机的流入制冷剂密度求得的密度比，大于根据在设计时设想的所述副压缩机的行程容积、所述膨胀机的行程容积和在所述主压缩机及所述副压缩机中流动的总制冷剂流量中流向所述副压缩机的制冷剂流量的比例求得的设计容积比时，所述控制装置改变所述中间压力旁通阀及所述预膨胀阀的一方或两方的开度，由此使高压侧压力上升，

另一方面，在所述实际的运转状态下的密度比小于在所述设计时设想的设计容积比时，所述控制装置改变所述中间压力旁通阀及所述预膨胀阀的一方或两方的开度，由此使高压侧压力下降。

3.根据权利要求1或2所述的冷冻循环装置，其特征在于，

所述控制装置在所述中间压力旁通阀的开度为最低开度时，通过操作所述预膨胀阀而调整所述高压侧压力，

所述控制装置在所述预膨胀阀的开度为最高开度时，通过操作所述中间压力旁通阀而调整所述高压侧压力。

4.根据权利要求1或2所述的冷冻循环装置，其特征在于，

所述控制装置根据高压侧压力与在所述主压缩机的制冷剂流出侧检测到的排出温度的相关关系，调整高压侧压力。

5.根据权利要求1或2所述的冷冻循环装置，其特征在于，

所述控制装置根据高压侧压力与自所述蒸发器流出的制冷剂的过热度的相关关系，调整高压侧压力。

6.根据权利要求1或2所述的冷冻循环装置，其特征在于，

所述控制装置根据高压侧压力与自所述散热器流出的制冷剂的过冷却度的相关关系，调整高压侧压力。

7.根据权利要求1或2所述的冷冻循环装置，其特征在于

所述副压缩机为两段压缩机；

将来自所述副压缩机的排出制冷剂喷射到连接低段侧压缩室和后段侧压缩室的路径中。

8.根据权利要求1或2所述的冷冻循环装置，其特征在于

作为制冷剂，使用在高压侧成为超临界状态的制冷剂。

9.一种冷冻循环装置的运转方法，其特征在于，

利用主压缩机压缩制冷剂，

利用散热器使利用所述主压缩机压缩了的制冷剂的热量散出，

利用膨胀机将通过了所述散热器的制冷剂减压，

利用蒸发器使利用所述膨胀机减压了的制冷剂蒸发，

利用副压缩机使用由所述膨胀机将制冷剂减压时的动力，将通过了所述蒸发器的制冷剂的一部分压缩至中间压力，

将利用所述副压缩机压缩至中间压力的制冷剂喷射到所述主压缩机中的成为压缩工序的中间的位置，

利用中间压力旁通流路连接所述副压缩机的制冷剂流出侧和所述主压缩机的制冷剂流入侧，

利用中间压力旁通阀调整在所述中间压力旁通流路中流动的制冷剂的流量，

在所述散热器的制冷剂流出侧与所述膨胀机的制冷剂流入侧之间，利用预膨胀阀将流入所述膨胀机的制冷剂减压，

基于根据实际的运转状态下的所述膨胀机的流入制冷剂密度和所述副压缩机的流入制冷剂密度求得的密度比，以及根据在设计时设想的所述副压缩机的行程容积、所述膨胀机的行程容积和在所述主压缩机及所述副压缩机中流动的总制冷剂流量中流向所述副压缩机的制冷剂流量的比例求得的设计容积比，改变所述中间压力旁通阀和所述预膨胀阀的一方或两方的开度，由此调整高压侧压力。

10.根据权利要求9所述的冷冻循环装置的运转方法，其特征在于

在实际的运转状态下的密度比大于在设计时设想的设计容积比时，改变所述中间压力旁通阀及所述预膨胀阀的一方或两方的开度，由此使高压侧压力上升。

11.根据权利要求9所述的冷冻循环装置的运转方法，其特征在于

在实际的运转状态下的密度比小于在设计时设想的设计容积比时，改变所述中间压力旁通阀及所述预膨胀阀的一方或两方的开度，由此使高压侧压力下降。