JP4552721B2

JP4552721B2 - 冷凍装置

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Publication number: JP4552721B2
Application number: JP2005090099A
Authority: JP
Inventors: 昌和岡本
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2005-03-25
Filing date: 2005-03-25
Publication date: 2010-09-29
Anticipated expiration: 2025-03-25
Also published as: JP2006266653A

Description

本発明は、蒸気圧縮式冷凍サイクルを行う冷媒回路を備えた冷凍装置に関し、特に、冷媒回路の膨張機構を構成する膨張機が圧縮機に機械的に連結された冷凍装置に関するものである。

従来より、冷媒回路で冷媒を循環させて冷凍サイクルを行う冷凍装置が知られており、空調機などに広く利用されている。

例えば特許文献１の冷凍装置は、冷媒回路に膨張機構と圧縮機構とが接続されている。上記膨張機構は、スクロール型の流体機械から成る膨張機で構成されている。一方、上記圧縮機構は、ロータリー型の流体機械から成る圧縮機で構成されている。これら膨張機及び圧縮機は、回転軸によって機械的に連結されている。そして、膨張機で冷媒が膨張すると、冷媒の膨張動力が回転軸を介して圧縮機の回転動力に変換される。つまり、この冷凍装置は、膨張機で得られた動力（膨張動力）を圧縮機の駆動動力として利用することで、エネルギー効率の高い冷凍サイクル、すなわち高いＣＯＰ（成績係数）が得られる冷凍サイクルの実現化を図るようにしている。

また、上記冷凍装置は、冷媒として二酸化炭素（ＣＯ_２）を用いて冷凍サイクルを行うように構成されている。この特許文献１にも記載されているように、二酸化炭素を冷媒として冷凍サイクルを行う空気調和装置では、冷房能力を確保するために冷凍サイクルの高圧圧力を二酸化炭素の臨界圧よりも高く設定するのが通常である。つまり、冷媒として二酸化炭素を採用する空気調和装置では、圧縮機の吐出圧力が冷媒の臨界圧よりも高くなる超臨界サイクルを行うのが一般的である。

この種の装置では、ある設計点でバランスのとれた運転が行われるように圧縮機と膨張機の容積を決定するが、例えば暖房運転時に圧縮機の吸入圧力が下がった場合、冷媒回路の高圧圧力が設計値まで上昇せずに暖房能力が不足することがあった。

図６（Ａ）は従来の冷媒回路におけるＰＨ線図、図６（Ｂ）はＰＳ線図である。図では、一点鎖線が外気温度７℃の状態、点線が外気温度−２℃の状態、破線が外気温度−１０℃の状態を例示している。ここで、膨張機の冷媒流入温度が一定の条件（例えば２５℃）で考えると、低外気温度（−２℃や−１０℃）では冷媒回路の高圧圧力が超臨界域（図では９ＭＰａ）から二相域（図では６．４ＭＰａ）まで低下する。この状態での暖房時に、室内の温度が２０℃の空気を５０℃まで加熱することを考えると、図６（Ｂ）に示す通り、空気温度よりも冷媒温度の方が低くなる領域が生じてしまい、５０℃での吹き出しが成り立たなくなる。このようなとき、実際には、高圧圧力、膨張機吸い込み温度、空気吹き出し温度がある条件でバランスし、例えば３０℃程度の吹出温度での運転が行われることになるが、それでは暖房能力が不足していることになる。

このように外気温度が低いために冷媒の蒸発温度が低くなって圧縮機の吸入冷媒の密度が小さくなる運転条件では、膨張機へ流入する冷媒の密度を小さくして圧縮機での冷媒流量と膨張機での冷媒流量とをバランスさせれば（膨張機側の冷媒流量を減らせば）十分な高圧圧力を確保できるが、そうでなければ高圧圧力が十分に上がらなくなる。

そこで、このような問題に対しては、特許文献２に記載されているように、冷媒回路における膨張機の手前側に絞り機構を設けて、圧縮機と膨張機を通過する冷媒の質量流量をバランスさせ、高圧圧力の低下を抑えられるようにしたものがある。
特開２００１−１０７８８１号公報特開２０００−３２９４１６号公報

しかし、特許文献２の冷凍装置では、絞り機構の制御を行う必要がないときにも冷媒が絞り機構を通過するため、圧力損失の要因となり、膨張機の回収動力が減少してしまう。また、この構成では絞り機構の制御範囲を広くする必要があるため、冷媒回路の高圧圧力を所定値で精度よく制御することが困難であった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、圧縮機の吸入冷媒の密度が小さくなる運転条件であっても、膨張機の回収動力が低減するのを防止するとともに、冷媒回路の高圧圧力を所定値で精度よく制御できるようにすることである。

第１の発明は、圧縮機（11）と放熱器（13，14）と膨張機構（12）と蒸発器（14，13）とが接続されて蒸気圧縮式冷凍サイクルを行う冷媒回路（10）を備え、上記膨張機構（12）が冷媒の膨張により動力を発生する膨張機（12）により構成され、該膨張機（12）と圧縮機（11）とが機械的に連結された冷凍装置を前提としている。

そして、この冷凍装置は、圧縮機（11）の吐出側（18a）と膨張機（12）の流入側（18b）とに接続された第１バイパス通路（20）を備え、この第１バイパス通路（20）に、冷媒の流量を調整可能な第１バイパス流量調整機構（21）が設けられ、上記第１バイパス流量調整機構（21）は、通常運転中に、上記第１バイパス通路（20）を流れる冷媒の流量を調整することにより、冷媒回路の高圧圧力を所定域に維持するように構成されていることを特徴としている。

この第１の発明では、圧縮機（11）から吐出された冷媒は、放熱器（13，14）、膨張機（12）、及び蒸発器（14，13）を順に流れて冷媒回路（10）を循環する。このことによって、蒸気圧縮式冷凍サイクルが行われる。このとき、膨張機（12）では、冷媒が膨張することによって、その内部エネルギが圧縮機（11）の動力として回収される。

ここで、図５（Ａ）は本発明の冷媒回路におけるＰＨ線図、図５（Ｂ）はＰＳ線図である。図では、図６に示した従来例と同様、一点鎖線が外気温度７℃の状態、点線が外気温度−２℃の状態、破線が外気温度−１０℃の状態を例示している。本発明では、低外気温度（−２℃や−１０℃）になっても、第１バイパス通路（20）に冷媒を流すことにより、冷媒回路（10）の高圧圧力を超臨界域（図では９ＭＰａ）に維持できる。

つまり、蒸発温度が下がって圧縮機（11）への吸入冷媒の密度が小さくなる運転条件では、圧縮機（11）の吐出ガス冷媒の一部を膨張機（12）へ導入することで膨張機（12）への流入冷媒の密度を小さくして、膨張機（12）での冷媒流量を圧縮機（11）での冷媒流量に合わせて減らすことができる。このことにより、高圧圧力の低下を防止できる。

したがって、この状態での暖房時に室内温度が２０℃の空気を５０℃まで加熱する状態において、図５（Ｂ）に示す通り、空気温度よりも冷媒温度の方が必ず高くなる。そのため、高圧圧力、膨張機（12）の吸い込み温度、空気吹き出し温度が設計値でバランスし、５０℃での吹き出しが成立するので、暖房能力は不足しない。また、この発明では、膨張機（12）の手前側に絞り機構が不要であるため、通常の運転時における膨張機（12）の手前側での圧力損失を抑えられる。

第２の発明は、第１の発明において、膨張機（12）の流入側配管（18b）における第１バイパス通路（20）と膨張機（12）との間に絞り機構（23）が設けられていることを特徴としている。

この第２の発明では、圧縮機（11）から吐出された冷媒は、放熱器（13，14）、絞り機構（23）、膨張機（12）、及び蒸発器（14，13）の順に冷媒回路（10）を循環する。このことによって、蒸気圧縮式冷凍サイクルが行われる。その際、第１の発明と同様に、圧縮機（11）の吸入冷媒の密度が小さくなる運転条件において、第１バイパス通路（20）を開くことによって冷媒回路（10）の高圧圧力が停止するのを防止できる。また、膨張機（12）の手前側に絞り機構（23）を設けているが、その絞り量は小さくすることができる。

第３の発明は、第１の発明において、膨張機（12）の流入側配管（18b）と流出側配管（18c）とに接続された第２バイパス通路（24）を備え、第２バイパス通路（24）に、冷媒の流量を調整可能な第２バイパス流量調整機構（25）が設けられていることを特徴としている。

この第３の発明では、圧縮機（11）の吸入圧力が低下して吸入冷媒の密度が小さくなる運転条件においては、第１バイパス通路（20）を開くことにより高圧圧力が低下するのを防止できる一方、圧縮機（11）の吸入圧力が上昇して吸入冷媒の密度が大きくなる運転条件においては、第２バイパス通路（24）を開くことにより高圧圧力が上昇するのを防止できる。

第４の発明は、第１の発明において、膨張機（12）の流入側配管（18b）における第１バイパス通路（20）と膨張機（12）との間から、膨張機（12）の膨張過程位置に高圧冷媒を導入する高圧インジェクション路（26）を備え、該高圧インジェクション路（26）にインジェクション開閉機構（27）が設けられていることを特徴としている。

この第４の発明では、圧縮機（11）の吸入圧力が低下して吸入冷媒の密度が小さくなる運転条件においては、第１バイパス通路（20）を開くことにより高圧圧力が低下するのを防止できる一方、圧縮機（11）の吸入圧力が上昇して吸入冷媒の密度が大きくなる運転条件においては、高圧インジェクション路（26）を開くことにより、第３の発明と同様に高圧圧力が上昇するのを防止できる。

第５の発明は、第１から第４の発明の何れか１つにおいて、冷媒回路の冷媒が二酸化炭素であることを特徴としている。

この第５の発明では、冷媒に二酸化炭素を用いることにより、他の冷媒と比較して、冷凍サイクルの高低差圧を大きくすることができるため、膨張機（12）で得られる冷媒の膨張動力を増大させることができる。

本発明によれば、圧縮機（11）の吐出側（18a）と膨張機（12）の流入側（18b）とに第１バイパス通路（20）を接続し、この第１バイパス通路（20）に冷媒の流量を調整可能な第１バイパス流量調整機構（21）を設けたことにより、圧縮機（11）の吸入冷媒の密度が小さくなる運転条件であっても、冷媒回路（10）の高圧圧力が低下するのを防止できる。したがって、低外気温時の暖房運転中に暖房能力を確保できる。

また、膨張機（12）の手前側に絞り機構が不要であり、通常の運転時における膨張機（12）の手前側での圧力損失を抑えられるため、膨張機（12）の回収動力が減少してしまうのを防止できるうえ、冷媒回路（10）の高圧圧力を所定値で精度よく制御することも容易である。

上記第２の発明によれば、冷媒回路（10）の高圧圧力が停止するのを防止する運転を行う際に、第１バイパス通路（20）を開くことによって、膨張機（12）の手前側に設けた絞り機構（23）の絞り量を小さくすることができる。また、絞り機構（23）が通常運転時に圧力損失の要因となるのを抑えるために、絞り機構（23）にはＣＶ値の大きな弁を用いるとよい。逆に言うと、冷媒回路（10）にバイパス通路（20）を設けることにより、ＣＶ値の大きな弁を用いても高圧圧力の低下を抑えられる。

上記第３の発明によれば、圧縮機（11）の吐出側（18a）と膨張機（12）の流入側（18b）とに接続され、かつ冷媒の流量を調整可能な第１バイパス流量調整機構（21）を有する第１バイパス通路（20）に加えて、膨張機（12）の流入側配管（18b）と流出側配管（18c）とに接続され、かつ冷媒の流量を調整可能な第２バイパス流量調整機構（25）を有する第２バイパス通路（24）を設けているので、圧縮機（11）の吸入圧力が低下して吸入冷媒の密度が小さくなる運転条件では、第１バイパス通路（20）を開くことにより高圧圧力が低下するのを防止できる一方、圧縮機（11）の吸入圧力が上昇して吸入冷媒の密度が大きくなる運転条件では、第２バイパス通路（24）を開くことにより高圧圧力が上昇するのを防止できる。そのため、運転条件がどのように変化しても最適な運転が可能となる。

上記第４の発明によれば、圧縮機（11）の吐出側（18a）と膨張機（12）の流入側（18b）とに接続され、かつ冷媒の流量を調整可能な第１バイパス流量調整機構（21）を有する第１バイパス通路（20）に加えて、膨張機（12）の流入側配管（18b）における第１バイパス通路（20）と膨張機（12）との間から、膨張機（12）の膨張過程位置に高圧冷媒を導入する高圧インジェクション路（26）を設け、この高圧インジェクション路（26）にインジェクション開閉機構（27）を設けているので、圧縮機（11）の吸入圧力が低下して吸入冷媒の密度が小さくなる運転条件では、第１バイパス通路（20）を開くことにより高圧圧力が低下するのを防止できる一方、圧縮機（11）の吸入圧力が上昇して吸入冷媒の密度が大きくなる運転条件では、高圧インジェクション路（26）を開くことにより、第３の発明と同様に高圧圧力が上昇するのを防止できる。そのため、運転条件がどのように変化しても最適な運転が可能となる。

上記第５の発明によれば、冷媒回路（10）の冷媒として二酸化炭素を用いることで、他の冷媒と比較して、冷凍サイクルの高低差圧を大きくすることができる。したがって、圧縮機（11）の回収動力を向上させることができ、冷凍装置のＣＯＰを高めることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

《発明の実施形態１》
本発明の実施形態１について説明する。

実施形態１は、本発明に係る冷凍装置により構成された空調機（1）に関するものである。この空調機（1）は、図１に示すように、冷媒回路（10）を備えている。この冷媒回路（10）は、冷媒を超臨界状態に圧縮して蒸気圧縮式冷凍サイクルを行うものである。そして、この実施形態１の空調機（1）は、冷媒回路（10）で冷媒を循環させ、冷房運転と暖房運転とを切り換えて行うように構成されている。

上記冷媒回路（10）には、二酸化炭素（ＣＯ_２）が冷媒として充填されている。また、冷媒回路（10）には、圧縮機（11）、膨張機（12）、熱源側熱交換器である室外熱交換器（13）、利用側熱交換器である室内熱交換器（14）、第１四路切換弁（15）、及び第２四路切換弁（16）が設けられている。

圧縮機（11）及び膨張機（12）は、それぞれ固有のシリンダ容積を有するローリングピストン型の流体機械により構成されている。上記圧縮機（11）と膨張機（12）とは、電動機（17）の回転軸（17a，17b）によって互いに連結されている。圧縮機（11）は、膨張機（12）における冷媒の膨張により得られた動力（膨張動力）と、電動機（17）へ通電して得られる動力との両方によって回転駆動される。

なお、上記圧縮機（11）や膨張機（12）について、これらを構成する流体機械はローリングピストン型に限定されるものではない。例えば揺動ピストン型の容積形流体機械やスクロール型の容積形流体機械を圧縮機（11）や膨張機（12）として用いてもよい。

上記室外熱交換器（13）は、いわゆるクロスフィン型のフィン・アンド・チューブ熱交換器により構成されている。この室外熱交換器（13）へは、図外のファンによって室外空気が供給される。この室外熱交換器（13）では、供給された室外空気と冷媒回路（10）の冷媒との熱交換が行われる。

上記室内熱交換器（14）は、いわゆるクロスフィン型のフィン・アンド・チューブ熱交換器により構成されている。この室内熱交換器（14）へは、図外のファンによって室内空気が供給される。この室内熱交換器（14）では、供給された室内空気と冷媒回路（10）の冷媒との熱交換が行われる。

上記冷媒回路（10）において、圧縮機（11）の吐出側は第１四路切換弁（15）の第１ポート（P1）に接続され、第１四路切換弁（15）の第２ポート（P2）は室外熱交換器（13）の第１端に接続されている。室外熱交換器（13）の第２端は第２四路切換弁（16）の第１ポート（P1）に接続され、第２四路切換弁（16）の第２ポート（P2）は膨張機（12）の流入側に接続されている。膨張機（12）の流出側は第２四路切換弁（16）の第３ポート（P3）に接続され、第２四路切換弁（16）の第４ポート（P4）は室内熱交換器（14）の第１端に接続されている。室内熱交換器（14）の第２端は第１四路切換弁（15）の第３ポート（P3）に接続され、第１四路切換弁（15）の第４ポート（P4）は圧縮機（11）の吸入側に接続されている。

上記第１四路切換弁（15）は、第１ポート（P1）が第２ポート（P2）と連通し且つ第３ポート（P3）が第４ポート（P4）と連通する状態（図１に実線で示す状態）と、第１ポート（P1）が第３ポート（P3）と連通し且つ第２ポート（P2）が第４ポート（P4）と連通する状態（図１に破線で示す状態）とに切り換わる。

また、上記第２四路切換弁（16）は、第１ポート（P1）が第２ポート（P2）と連通し且つ第３ポート（P3）が第４ポート（P4）と連通する状態（図１に実線で示す状態）と、第１ポート（P1）が第３ポート（P3）と連通し且つ第２ポート（P2）が第４ポート（P4）と連通する状態（図１に破線で示す状態）とに切り換わる。

上記冷媒回路（10）には、圧縮機（11）の吐出側配管（18a）と膨張機（12）の流入側配管（18b）とに接続された第１バイパス通路（20）が設けられている。この第１バイパス通路（20）には、「全開」から「全閉」まで開度を調整可能な第１バイパス流量調整弁（21）（第１バイパス流量調整機構）が設けられている。第１バイパス流量調整弁（21）は、具体的には電動膨張弁により構成されている。このように第１バイパス流量調整弁（21）を設けることにより、この冷媒回路（10）では、第１バイパス通路（20）を通る冷媒の流量を調整できるようになっている。

また、この冷媒回路（10）では、膨張機（12）の流入側配管（18b）に逆止弁（22）が設けられている。この逆止弁（22）は、上記流入側配管（18b）における第１バイパス通路（20）との接続点と、第２四路切換弁（16）の第２ポート（P2）との間に設けられている。つまり、この逆止弁（22）は、膨張機（12）の流入側配管（18b）における第１バイパス通路（20）と放熱器（13，14）との間に位置している。そして、この逆止弁（22）により、上記流入側配管（18b）内を第１バイパス通路（20）側から放熱器（13，14）側へ冷媒が流れるのが禁止されている。

−運転動作−
次に、この空調機（1）の冷房運転時及び暖房運転時の動作について説明する。

（冷房運転）
冷房運転時、第１四路切換弁（15）及び第２四路切換弁（16）は、図１に実線で示す状態に切り換わる。また、冷房の通常運転中、第１バイパス流量調整弁（21）は「全閉」状態に設定される。

この状態で電動機（17）に通電すると、冷媒回路（10）で冷媒が循環して冷凍サイクルが行われる。その際、室外熱交換器（13）が放熱器となり、室内熱交換器（14）が蒸発器となる。また、冷凍サイクルの高圧圧力は、冷媒である二酸化炭素の臨界圧力よりも高く設定されている。

圧縮機（11）からは、超臨界状態の高圧冷媒が吐出される。この高圧冷媒は、第１四路切換弁（15）を通って室外熱交換器（13）へ流入する。室外熱交換器（13）において、高圧冷媒は、室外空気へ放熱し、温度が低下する。

室外熱交換器（13）から出た高圧冷媒は、第２四路切換弁（16）を通って膨張機（12）へ流入する。膨張機（12）では、導入された高圧冷媒が膨張し、この高圧冷媒の内部エネルギが回転動力に変換される。膨張機（12）での膨張により、高圧冷媒は圧力が低下し、超臨界状態から気液二層状態に変化する。

膨張機（12）から出た低圧冷媒は、第２四路切換弁（16）を通って室内熱交換器（14）へ流入し、室内熱交換器（14）において、室内空気から吸熱して蒸発する。また、室内熱交換器（14）では室内空気が低圧冷媒によって冷却され、この冷却された室内空気が室内へ送り返される。

室内熱交換器（14）から出た低圧冷媒は、第１四路切換弁（15）を通って圧縮機（11）に吸入される。圧縮機（11）へ吸入された冷媒は、所定の圧力にまで圧縮されて、圧縮機（11）から吐出される。そして、以上のように冷媒が冷媒回路（10）を循環することで冷凍サイクルが行われる。

なお、運転停止時は、電動機（17）への通電がストップし、圧縮機（11）が停止する。このため、冷媒回路（10）を冷媒が循環しなくなる。また、図外のファンも停止するので、室内熱交換器（14）での空気の冷却は行われない。そして、運転中は、圧縮機（11）の吐出側から膨張機（12）への流入前までが高圧になり、膨張機（12）の流出側から圧縮機へ（11）の吸入前までが低圧になるが、運転停止後は、冷媒回路（10）内の高低差圧が徐々に小さくなっていく。

その後、空調機（1）を起動するときは、第１バイパス流量調整弁（21）を「全開」状態に切り換えてから電動機（17）に電力が供給される。第１バイパス通路（20）が開いた状態で電動機（17）が回転すると、圧縮機（11）から吐出された高圧の冷媒は、吐出側配管（18a）から第１バイパス通路（20）を通って膨張機（12）に流入する。このため、起動時は圧縮機（11）から吐出された高圧冷媒により膨張機（12）がすぐに自力で回転することになる。起動後は第１バイパス通路（20）を閉じ、通常の冷凍サイクルへ移行する。こうすることで、起動トルクを低減しながら運転を開始できる。

（暖房運転）
暖房運転時、第１四路切換弁（15）及び第２四路切換弁（16）は、図１に破線で示す状態に切り換わる。また、暖房の通常運転中、第１バイパス流量調整弁（21）は「全閉」状態に設定される。

この状態で電動機（17）に通電すると、冷媒回路（10）で冷媒が循環して冷凍サイクルが行われる。その際、室内熱交換器（14）が放熱器となり、室外熱交換器（13）が蒸発器となる。また、冷凍サイクルの高圧圧力は、冷房運転時と同様に、冷媒である二酸化炭素の臨界圧力よりも高く設定されている。

圧縮機（11）からは、超臨界状態の高圧冷媒が吐出される。この高圧冷媒は、第１四路切換弁（15）を通って室内熱交換器（14）へ流入する。室内熱交換器（14）において、高圧冷媒は、室内空気へ放熱し、温度が低下する。また、室内熱交換器（14）では室内空気が高圧冷媒によって加熱され、この加熱された室内空気が室内へ送り返される。

室内熱交換器（14）から出た高圧冷媒は、第２四路切換弁（16）を通って膨張機（12）へ流入する。膨張機（12）では、導入された高圧冷媒が膨張し、この高圧冷媒の内部エネルギが回転動力に変換される。膨張機（12）での膨張により、高圧冷媒は圧力が低下し、超臨界状態から気液二層状態に変化する。

膨張機（12）から出た低圧冷媒は、第２四路切換弁（16）を通って室外熱交換器（13）へ流入する。室外熱交換器（13）において、低圧冷媒は、室外空気から吸熱して蒸発する。室外熱交換器（13）から出た低圧冷媒は、第１四路切換弁（15）を通って圧縮機（11）に吸入される。圧縮機（11）へ吸入された冷媒は、所定の圧力にまで圧縮されて、圧縮機（11）から吐出される。そして、以上のように冷媒が冷媒回路（10）を循環することで冷凍サイクルが行われる。

なお、運転停止時は、電動機（17）への通電がストップし、圧縮機（11）が停止する。このため、冷媒回路（10）を冷媒が循環しなくなる。また、図外のファンも停止するので、室内熱交換器（14）での空気の加熱は行われない。そして、運転中は、圧縮機（11）の吐出側から膨張機（12）への流入前までが高圧になり、膨張機（12）の流出側から圧縮機へ（11）の吸入前までが低圧になるが、運転停止後は、冷媒回路（10）内の高低差圧が徐々に小さくなっていく。

（高圧圧力の低下防止運転）
この実施形態１では、通常の運転中に第１バイパス通路（20）を流れる冷媒の流量を調整しながら運転をすることも可能である。この運転は、低外気温時の暖房運転のように、圧縮機（11）の吸入冷媒の密度が小さくなる運転条件で有効である。

上述したように、図５（Ａ）は本実施形態の冷媒回路におけるＰＨ線図、図５（Ｂ）はＰＳ線図である。図では、一点鎖線が外気温度７℃の状態、点線が外気温度−２℃の状態、破線が外気温度−１０℃の状態を例示している。本実施形態では、低外気温度（−２℃や−１０℃）になっても、第１バイパス通路（20）に冷媒を流すことにより、冷媒回路（10）の高圧圧力を超臨界域（図では９ＭＰａ）に維持できる。

したがって、この状態での暖房時に室内温度が２０℃の空気を５０℃まで加熱する状態において、図５（Ｂ）に示す通り、空気温度よりも冷媒温度の方が必ず高くなる。そのため、高圧圧力、膨張機（12）の吸い込み温度、空気吹き出し温度が設計値でバランスし、５０℃での吹き出しが成立するので、低外気温時の暖房運転のように圧縮機（11）の吸入冷媒の密度が小さくなる運転条件であっても、暖房能力は不足しない。

また、この実施形態では、膨張機（12）の手前側に絞り機構が不要であるため、通常の運転時における膨張機（12）の手前側での圧力損失を抑えられる。

−実施形態１の効果−
この実施形態１によれば、冷媒回路（10）における圧縮機（11）の吐出側配管（18a）と膨張機（12）の流入側配管（18b）とに第１バイパス通路（20）を接続し、この第１バイパス通路（20）に冷媒の流量を調整可能な第１バイパス流量調整弁（21）を設けているので、低外気温時の暖房運転のように圧縮機（11）の吸入冷媒の密度が小さくなる運転条件であっても、膨張機（12）側の冷媒流量を圧縮機（11）側の冷媒流量に合わせてバランスさせることができる。そして、このことにより冷媒回路（10）の高圧圧力が低下するのを防止できるので、暖房能力を確保できる。

さらに、一般に起動時には冷媒回路（10）の高圧圧力がすぐには上昇しにくいので、第１バイパス通路（20）を設けない場合には膨張機（12）の起動トルクが大きくなって圧縮機（11）の起動不良が生じるおそれがあるのに対して、本実施形態では、起動時に第１バイパス通路（20）を開くことにより、圧縮機（11）から吐出される高圧の冷媒を膨張機（12）へ直接に導入することができるため、膨張機（12）を確実に自力で回転させることが可能となり、圧縮機（11）の起動不良を防止できる。

−実施形態１の変形例−
上記実施形態２においては、膨張機（12）の流入側配管（18b）に逆止弁（23）を設けているが、この逆止弁（23）は必ずしも設けなくてもよい。そして、逆止弁（23）を設けない場合でも、圧縮機（11）の起動不良を防止することは可能である。

この場合も、空調機（1）を起動するときは、バイパス流量調整弁（21）を「開」状態に切り換えてから電動機（17）に電力が供給される。バイパス通路（20）が開いた状態で電動機（17）が回転すると、圧縮機（11）から吐出された高圧の冷媒は、吐出側配管（18a）を通って放熱器（13，14）へも供給されるが、バイパス通路（20）を通って膨張機（12）にも流入する。膨張機（12）が回転し始めると、膨張機（12）が冷媒を吸い込むようになるため、冷媒は室内熱交換器（14）へはあまり流れず、主に圧縮機（11）、膨張機（12）、及び室内熱交換器（14）を循環するようになる。

このため、起動時は圧縮機（11）から吐出された高圧冷媒により膨張機（12）がすぐに自力で回転することになる。起動後はバイパス通路（20）を閉じ、通常の冷凍サイクルへ移行する。こうすることで、上記と同様に起動トルクを低減しながら運転を開始できる。

《発明の実施形態２》
次に、本発明の実施形態２について説明する。

図２に示すように、この空調機（1）の冷媒回路（10）では、膨張機（12）の流入側配管（18b）における第１バイパス通路（20）と膨張機（12）との間に絞り機構（23）が設けられている。この絞り機構（23）には電動膨張弁が用いられている。

この点を除き、冷媒回路（10）の構成は実施形態１と同様である。

この実施形態２においては、実施形態１と同様に、圧縮機（11）の吸入冷媒の密度が小さくなる運転条件において、第１バイパス通路（20）を開くことによって冷媒回路（10）の高圧圧力が低下するのを防止できる。また、膨張機（12）の手前側に絞り機構（23）を設けているが、その絞り量は小さくすることができる。

このように、冷媒回路（10）の高圧圧力が低下するのを防止する運転を行う際に、第１バイパス通路（20）を開くことによって、膨張機（12）の手前側に設けた絞り機構（23）の絞り量を小さくすることができる。そのため、通常運転時には圧力損失の要因となる絞り機構（23）にＣＶ値の大きな弁を用いることができるので、通常運転時の圧力損失を抑えられる。

《発明の実施形態３》
次に、本発明の実施形態３について説明する。

図３に示すように、この空調機（1）の冷媒回路（10）では、膨張機（12）の流入側配管（18b）と流出側配管（18c）とに第２バイパス通路（24）が接続されている。また、この第２バイパス通路（24）には、冷媒の流量を調整可能な第２バイパス流量調整機構（25）が設けられている。

このように、この実施形態３では、圧縮機（11）の吐出側（18a）と膨張機（12）の流入側（18b）とに接続され、かつ冷媒の流量を調整可能な第１バイパス流量調整機構（21）を有する第１バイパス通路（20）に加えて、膨張機（12）の流入側配管（18b）と流出側配管（18c）とに接続され、かつ冷媒の流量を調整可能な第２バイパス流量調整機構（25）を有する第２バイパス通路（24）を設けている。

したがって、圧縮機（11）の吸入圧力が低下して吸入冷媒の密度が小さくなる運転条件では、第１バイパス通路（20）を開くことにより高圧圧力が低下するのを防止できる一方、圧縮機（11）の吸入圧力が上昇して吸入冷媒の密度が大きくなる運転条件では、第２バイパス通路（24）を開くことにより冷媒回路（10）の高圧圧力が上昇するのを防止できる。そのため、運転条件がどのように変化しても最適な運転が可能となる。

《発明の実施形態４》
次に、本発明の実施形態４について説明する。

図４に示すように、この空調機（1）の冷媒回路（10）では、第２四路切換弁（16）の代わりにブリッジ回路（19）が用いられている。

上記ブリッジ回路（19）は、４つの管路をブリッジ状に接続して構成され、４つのポート（P1，P2，P3，P4）を有している。上記４つの管路には、それぞれ逆止弁（CV）が設けられている。上記逆止弁（CV）は、第１ポート（P1）から第２ポート（P2）へ向かう冷媒流れと、第３ポート（P3）から第４ポート（P4）へ向かう冷媒流れと、第３ポート（P3）から第１ポート（P1）へ向かう冷媒流れと、第４ポート（P4）から第２ポート（P2）へ向かう冷媒流れを許容するように、各管路に設けられている。

上記室外熱交換器（13）の第２端は、ブリッジ回路（19）の第１ポート（P1）に接続されている。該ブリッジ回路（19）の第２ポート（P2）は、膨張機（12）の流入側に接続されている。膨張機（12）の流出側は、上記ブリッジ回路（19）の第３ポート（P3）に接続されている。このブリッジ回路（19）の第４ポート（P4）は、室内熱交換器（14）の第１端に接続されている。

また、この冷媒回路（10）には、膨張機（12）の流入側配管（18b）における第１バイパス通路（20）と膨張機（12）との間から、膨張機（12）の膨張過程位置に高圧冷媒を導入する高圧インジェクション路（26）が設けられている。この高圧インジェクション路（26）には、インジェクション開閉弁（インジェクション開閉機構）（27）として、電動膨張弁が設けられている。

このように、この実施形態４では、圧縮機（11）の吐出側（18a）と膨張機（12）の流入側（18b）とに接続され、かつ冷媒の流量を調整可能な第１バイパス流量調整機構（21）を有する第１バイパス通路（20）に加えて、膨張機（12）の流入側配管（18b）における第１バイパス通路（20）と膨張機（12）との間から、膨張機（12）の膨張過程位置に高圧冷媒を導入する高圧インジェクション路（26）を設け、この高圧インジェクション路（26）にインジェクション開閉機構（27）を設けている。

したがって、圧縮機（11）の吸入圧力が低下して吸入冷媒の密度が小さくなる運転条件では、第１バイパス通路（20）を開くことにより高圧圧力が低下するのを防止できる一方、圧縮機（11）の吸入圧力が上昇して吸入冷媒の密度が大きくなる運転条件では、高圧インジェクション路（26）を開くことにより、実施形態３と同様に冷媒回路（10）の高圧圧力が上昇するのを防止できる。そのため、運転条件がどのように変化しても最適な運転が可能となる。

《その他の実施形態》
上記実施形態については、以下のような構成としてもよい。

例えば、上記実施形態では、本発明を冷暖房可能な空調機（1）に適用した例について説明したが、本発明は、空調機（1）に限らず、圧縮機（11）と膨張機（12）とが機械的に連結された冷凍装置であれば適用可能である。

また、上記実施形態では、冷媒として二酸化炭素を用いているが、これに限らず、ＨＦＣ系冷媒、ＨＣ系冷媒、水、空気、アンモニアなどの自然冷媒等を用いても良い。

さらに、上記実施形態では、膨張機（12）への吸入冷媒に圧縮機（11）の吐出ガス冷媒を混ぜることにより膨張機（12）への吸入冷媒の密度を調整し、圧縮機（11）での冷媒流量と膨張機（12）での冷媒流量をバランスさせるようにしているが、同時に圧縮機（11）の吸入冷媒の乾き度を制御して該吸入冷媒の密度を調整するようにしてもよい。その場合、本発明の制御（膨張機（12）側の制御）を行うことにより圧縮機（11）の吸入冷媒の湿り制御量を小さくすることができるので、圧縮機（11）の信頼性が低下しない。

なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

以上説明したように、本発明は、蒸気圧縮式冷凍サイクルを行う冷媒回路を備え、膨張機と圧縮機とが機械的に連結された冷凍装置について有用である。

本発明の実施形態１に係る空調機の冷媒回路図である。本発明の実施形態２に係る空調機の冷媒回路図である。本発明の実施形態３に係る空調機の冷媒回路図である。本発明の実施形態４に係る空調機の冷媒回路図である。（Ａ）は本発明の冷媒回路におけるＰＨ線図、（Ｂ）はＰＳ線図である。（Ａ）は従来の冷媒回路におけるＰＨ線図、（Ｂ）はＰＳ線図である。

1 空調機（冷凍装置）
10 冷媒回路
11 圧縮機
12 膨張機（膨張機構）
13 室外熱交換器（放熱器、蒸発器）
14 室内熱交換器（蒸発器、放熱器）
18a 吐出側配管（吐出側）
18b 流入側配管（流入側）
20 第１バイパス通路
21 第１バイパス流量調整弁（第１バイパス流量調整機構）
23 電動膨張弁（絞り機構）
24 第２バイパス通路
25 第２バイパス流量調整弁（第２バイパス流量調整機構）
26 高圧インジェクション路
27 インジェクション開閉機構

Claims

圧縮機（11）と放熱器（13，14）と膨張機構（12）と蒸発器（14，13）とが接続されて蒸気圧縮式冷凍サイクルを行う冷媒回路（10）を備え、
上記膨張機構（12）が冷媒の膨張により動力を発生する膨張機（12）により構成され、該膨張機（12）と圧縮機（11）とが機械的に連結された冷凍装置であって、
圧縮機（11）の吐出側（18a）と膨張機（12）の流入側（18b）とに接続された第１バイパス通路（20）を備え、
第１バイパス通路（20）には、冷媒の流量を調整可能な第１バイパス流量調整機構（21）が設けられ、
上記第１バイパス流量調整機構（21）は、通常運転中に、上記第１バイパス通路（20）を流れる冷媒の流量を調整することにより、冷媒回路の高圧圧力を所定域に維持するように構成されていることを特徴とする冷凍装置。
請求項１において、
膨張機（12）の流入側配管（18b）における第１バイパス通路（20）と膨張機（12）との間に絞り機構（23）が設けられていることを特徴とする冷凍装置。
請求項１において、
膨張機（12）の流入側配管（18b）と流出側配管（18c）とに接続された第２バイパス通路（24）を備え、
第２バイパス通路（24）には、冷媒の流量を調整可能な第２バイパス流量調整機構（25）が設けられていることを特徴とする冷凍装置。
請求項１において、
膨張機（12）の流入側配管（18b）における第１バイパス通路（20）と膨張機（12）との間から、膨張機（12）の膨張過程位置に高圧冷媒を導入する高圧インジェクション路（26）を備え、該高圧インジェクション路（26）にインジェクション開閉機構（27）が設けられていることを特徴とする冷凍装置。
請求項１から４の何れか１つにおいて、
冷媒回路の冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする冷凍装置。