JP6024341B2 - 冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、空気調和装置、特に、圧縮機と放熱器と膨張機と蒸発器とが接続されることによって構成される冷媒回路を備えた冷凍装置に関する。

従来より、特許文献１（特開２０１１−２１４７７８号公報）に示すような、圧縮機と放熱器と膨張機と蒸発器とが接続されることによって構成される冷媒回路を備えた冷凍装置がある。ここで、膨張機は、流入した冷媒を膨張させて動力を発生させる膨張要素と、運転開始時に電動機として駆動される力行駆動がなされた後に膨張要素で発生した動力によって発電機として駆動される回生駆動がなされる発電機とを有している。

上記の冷凍装置では、運転開始時において、圧縮機の吐出圧力が上昇するまで、すなわち、冷媒回路の高低差圧が付くまで時間がかかる。このため、膨張機の上流側と下流側との間の差圧が付くまでの時間もかかることになる。そして、膨張機の上流側と下流側との間の差圧が小さいと、膨張機を力行駆動から回生駆動に移行することができないため、膨張機の力行駆動が継続することになる。特に、外気温度が低い条件（例えば、外気温度が−２０℃程度）では、圧縮機の吐出圧力が上昇しにくくなるため、膨張機の力行駆動が長時間にわたって継続することになる。このような膨張機の長時間の力行駆動が運転開始毎に何度も繰り返されると、冷凍装置の消費電力、すなわち、ランニングコストが大きくなり、冷凍装置の性能が低下する。

本発明の課題は、圧縮機と放熱器と膨張機と蒸発器とが接続されることによって構成される冷媒回路を備えた冷凍装置において、膨張機の力行駆動の時間を短縮して、消費電力が大きくなること、並びに、冷凍装置の性能の低下を抑えることにある。

第１の観点にかかる冷凍装置は、圧縮機と放熱器と膨張機と蒸発器とが接続されることによって構成される冷媒回路を備えた冷凍装置である。ここで、膨張機は、流入した冷媒を膨張させて動力を発生させる膨張要素と、運転開始時に電動機として駆動される力行駆動がなされた後に膨張要素で発生した動力によって発電機として駆動される回生駆動がなされる発電機とを有している。そして、この冷凍装置では、冷媒回路が、膨張機の下流側から圧縮機の吸入側に冷媒をバイパスさせる吸入戻し管をさらに有しており、運転開始時に、吸入戻し管に設けられた吸入戻し弁を開けて膨張機を起動している。

ここでは、運転開始時の膨張機の力行駆動時において、吸入戻し管を通じて膨張機の下流側から圧縮機の吸入側に冷媒をバイパスさせるため、膨張機の下流側における冷媒の圧力が低下する。このため、運転開始時において、膨張機の上流側と下流側との間の差圧を大きくすることができ、膨張機が速やかに力行駆動から回生駆動に移行する。

これにより、ここでは、膨張機の力行駆動の時間を短縮することができるようになり、消費電力が大きくなること、並びに、冷凍装置の性能の低下を抑えることができる。

また、ここでは、冷媒回路が、膨張機の下流側に冷媒を一時的に貯留するレシーバと、レシーバの下部から液冷媒を導出するレシーバ出口管とをさらに有しており、吸入戻し管が、レシーバの上部からガス冷媒を導出するようにレシーバに接続されている。

ここでは、吸入戻し管がレシーバの上部から冷媒を導出するように設けられているため、運転開始時の膨張機の力行駆動時において、できるだけガス状態の冷媒を圧縮機の吸入側に戻すとともに、膨張機の下流側の冷媒の圧力を冷凍サイクルの低圧付近まで低下させることができる。

これにより、ここでは、運転開始時の膨張機の力行駆動時において、圧縮機の吸入側に大量の液冷媒が戻ることを抑えつつ、膨張機の上流側と下流側との間の差圧を大きくすることができる。

また、ここでは、冷媒回路が、レシーバ出口管を流れる冷媒と、吸入戻し管を流れる冷媒との熱交換を行う熱回収熱交換器をさらに有している。

ここでは、吸入戻し管を流れる冷媒が、冷凍サイクルの低圧まで減圧されて熱回収熱交換器において熱交換を行った後に圧縮機の吸入側に戻すことができる。

これにより、ここでは、運転開始時の膨張機の力行駆動時において、圧縮機の吸入側に液冷媒が戻ることを抑えつつ、膨張機の上流側と下流側との間の差圧を大きくすることができる。

また、ここでは、膨張機の力行駆動時に、吸入戻し弁を４０〜６０％の開度（全開状態を開度１００％とする）に設定し、膨張機が力行駆動から回生駆動に移行した時に、熱回収熱交換器の吸入戻し管側の出口における冷媒が過熱状態になるように、吸入戻し弁の開度を制御する。そして、熱回収熱交換器の吸入戻し管側の出口における冷媒が過熱状態になったことを確認した後に、膨張機の下流側における冷媒の圧力と圧縮機の吸入側における冷媒の圧力との間の差圧に基づいて、吸入戻し弁の開度を制御している。

ここでは、運転開始時の膨張機の力行駆動時において、吸入戻し弁を４０〜６０％の開度に設定しているため、蒸発器側への冷媒の循環を維持しつつ、吸入戻し管を通じて膨張機の下流側から圧縮機の吸入側にバイパスされるガス冷媒の流量を確保することができる。しかも、膨張機を力行駆動から回生駆動に移行した後の膨張機の回生駆動時（通常運転時）においては、熱回収熱交換器の吸入戻し管側の出口における冷媒が過熱状態になるように吸入戻し弁の開度を制御するため、吸入戻し管を通じて圧縮機の吸入側に液冷媒が戻ることを確実に抑えることができる。

これにより、ここでは、運転開始時の膨張機の力行駆動時において、冷媒回路全体の冷媒の循環を行いつつ、膨張機の上流側と下流側との間の差圧を大きくすることができ、しかも、通常運転時においては、吸入戻し管を通じて圧縮機の吸入側に液冷媒が戻ることを確実に抑えることができる。

以上の説明に述べたように、本発明によれば、以下の効果が得られる。

第１の観点にかかる冷凍装置では、膨張機の力行駆動の時間を短縮することができるようになり、消費電力が大きくなること、並びに、冷凍装置の性能の低下を抑えることができる。また、運転開始時の膨張機の力行駆動時において、圧縮機の吸入側に大量の液冷媒が戻ることを抑えつつ、膨張機の上流側と下流側との間の差圧を大きくすることができる。また、運転開始時の膨張機の力行駆動時において、圧縮機の吸入側に液冷媒が戻ることを抑えつつ、膨張機の上流側と下流側との間の差圧を大きくすることができる。また、運転開始時の膨張機の力行駆動時において、冷媒回路全体の冷媒の循環を行いつつ、膨張機の上流側と下流側との間の差圧を大きくすることができ、しかも、通常運転時においては、吸入戻し管を通じて圧縮機の吸入側に液冷媒が戻ることを確実に抑えることができる。

本発明にかかる冷凍装置の一実施形態としての空気調和装置の概略構成図である。 圧縮機及び膨張機の電源回路構成を示すブロック図である。 空気調和装置の制御構成を示すブロック図である。 起動制御を行わない場合の運転開始時の膨張機の力行駆動時における冷凍サイクルが図示された圧力−エンタルピ線図である。 膨張機を使用する運転の開始時における起動制御のフローチャートである。 起動制御を行う場合の運転開始時の膨張機の力行駆動時における冷凍サイクルが図示された圧力−エンタルピ線図である。 本発明にかかる冷凍装置の変形例としての空気調和装置の概略構成図である。

以下、本発明にかかる冷凍装置の一実施形態としての空気調和装置の実施形態及びその変形例について、図面に基づいて説明する。尚、本発明にかかる冷凍装置の具体的な構成は、下記の実施形態及びその変形例に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。

（１）空気調和装置の構成
＜全体＞
図１は、本発明にかかる冷凍装置の一実施形態としての空気調和装置１の概略構成図である。空気調和装置１は、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行うことによって、建物等の室内の冷房及び暖房を行うことが可能な装置である。空気調和装置１は、主として、室外ユニット２と、複数（ここでは、２台）の室内ユニット６ａ、６ｂとが接続されることによって構成されている。ここで、室外ユニット２と室内ユニット６ａ、６ｂとは、液冷媒連絡管７及びガス冷媒連絡管８を介して接続されている。すなわち、空気調和装置１の蒸気圧縮式の冷媒回路１０は、室外ユニット２と、室内ユニット６ａ、６ｂとが冷媒連絡管７、８を介して接続されることによって構成されている。また、冷媒回路１０は、超臨界域で作動する冷媒（ここでは、二酸化炭素）を使用した単段圧縮式冷凍サイクルによって、冷房運転と暖房運転とを切り換えて行うことができるように構成されている。

＜室内ユニット＞
室内ユニット６ａ、６ｂは、建物等の室内に設置されている。室内ユニット６ａ、６ｂは、冷媒連絡管７、８を介して、互いが並列に接続されるとともに室外ユニット２に接続されており、室外ユニット２との間で冷媒回路１０を構成している。尚、ここでは、室内ユニット６ａ、６ｂが２台だけであるが、１台だけであってもよいし、また、３台以上の室内ユニットが並列に接続されていてもよい。

次に、室内ユニット６ａ、６ｂの構成について説明する。尚、室内ユニット６ａと室内ユニット６ｂとは同様の構成であるため、ここでは、室内ユニット６ａの構成だけを説明し、室内ユニット６ｂの構成については、室内ユニット６ａの各部を示す添字「ａ」を「ｂ」に読み替えるものとして、説明を省略する。

室内ユニット６ａ、は、主として、室内膨張弁６１ａと、室内熱交換器６２ａとを有している。

−室内膨張弁−
室内膨張弁６１ａは、冷房運転時には液冷媒連絡管７を介して室外ユニット２から送られた冷媒を冷凍サイクルの低圧になるまで減圧し、暖房運転時には室内熱交換器６２ａを通過した冷凍サイクルの高圧の冷媒の循環量を調節する膨張弁である。ここでは、室内膨張弁６１ａとして、電動膨張弁が使用されている。室内膨張弁６１ａは、室内熱交換器６２ａの液側の端部に接続された室内ユニット液冷媒管６３ａに設けられている。室内ユニット６ａは、室内ユニット液冷媒管６３ａの室内膨張弁６１ａの液側の端部に近い側の端部が、液冷媒連絡管７に接続されている。

−室内熱交換器−
室内熱交換器６２ａは、冷房運転時には室内膨張弁６１ａによって減圧された冷凍サイクルの低圧の冷媒を蒸発させ、暖房運転時には圧縮機２１によって圧縮された冷凍サイクルの高圧の冷媒を放熱させる熱交換器である。室内熱交換器６２ａは、室内膨張弁６１ａのガス側の端部に接続されている。室内熱交換器６２ａは、ここでは、伝熱管と多数のフィンとにより構成されたクロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器であり、室内空気を加熱源又は冷却源として、冷凍サイクルの低圧の冷媒の蒸発又は冷凍サイクルの高圧の冷媒の放熱を行うようになっている。室内熱交換器６２ａの液側の端部は、室内ユニット液冷媒管６３ａに接続されており、室内熱交換器６２ｂのガス側の端部は、室内ユニットガス冷媒管６４ａに接続されている。室内ユニット６ａは、室内ユニットガス冷媒管６４ａの室内熱交換器６２ａのガス側の端部から遠い側の端部が、ガス冷媒連絡管８に接続されている。尚、ここでは、室内熱交換器６２ａとして、クロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器を採用しているが、他の型式の熱交換器であってもよい。

そして、室内熱交換器６２ａの加熱源又は冷却源としての室内空気は、室内ファン６５ａによって供給されるようになっている。室内ファン６５ａは、ここでは、室内ファン用電動機６６ａによって回転駆動される遠心ファンや多翼ファン等である。

このように、室内熱交換器６２ａ、６２ｂは、ここでは、冷媒の蒸発器又は放熱器として機能する熱交換器を構成している。

−室内側制御部等−
また、室内ユニット６ａは、室内ユニット６ａを構成する各部の動作を制御する室内側制御部６７ａを有している。そして、室内側制御部６７ａは、室内ユニット６ａの制御を行うために設けられたマイクロコンピュータやメモリ等を有している。これにより、室内側制御部６７ａは、室内ユニット６ａを個別に操作するためのリモコン（図示せず）との間で制御信号等のやりとりを行ったり、他の室内ユニット６ｂ及び室外ユニット２との間で伝送線９１を介して制御信号等のやりとりを行うことができるようになっている。

＜室外ユニット＞
室外ユニット２は、建物等の室外に設置されている。室外ユニット２は、液冷媒連絡管７及びガス冷媒連絡管８を介して、室内ユニット６ａ、６ｂに接続されており、室内ユニット６ａ、６ｂとの間で冷媒回路１０を構成している。尚、ここでは、室外ユニット２が１台だけであるが、２台以上の室外ユニットが並列に接続されていてもよい。

室外ユニット２は、主として、圧縮機２１と、第１切換機構２２と、室外熱交換器２３と、第２室外膨張弁２５を含むブリッジ回路２４と、膨張機３８と、第１室外膨張弁２８と、レシーバ２９と、熱回収熱交換器３０と、吸入戻し管３１とを有している。

−圧縮機−
圧縮機２１は、ここでは、１つの圧縮要素で冷媒を単段圧縮する圧縮機から構成されている。圧縮機２１は、ケーシング（図示せず）内に、圧縮要素２１ａと、圧縮機用電動機２１ｃと、駆動軸２１ｄとが収容された密閉式構造となっている。圧縮機用電動機２１ｃは、駆動軸２１ｄに連結されている。そして、駆動軸２１ｄは、圧縮要素２１ａに連結されている。圧縮要素２１ａは、ここでは、ロータリ式やスクロール式等の容積式の圧縮要素である。そして、圧縮機２１は、吸入冷媒管４１から冷凍サイクルの低圧の冷媒を吸入し、この吸入された低圧の冷媒を圧縮要素２１ａによって冷凍サイクルの高圧になるまで圧縮して、吐出冷媒管４３に吐出するように構成されている。ここで、吸入冷媒管４１は、冷凍サイクルの低圧の冷媒を、圧縮要素２１ａに吸入させるための冷媒管である。また、吐出冷媒管４３は、圧縮機２１（ここでは、圧縮要素２１ａ）から吐出された冷媒を第１切換機構２２に送るための冷媒管である。

また、冷媒回路１０には、圧縮機２１の圧縮要素２１ａ等の摺動部を潤滑するための冷凍機油が冷媒とともに封入されている。この冷凍機油の大部分は、圧縮機２１のケーシング（図示せず）内に溜まっているが、冷凍機油の一部は、圧縮機２１の圧縮要素２１ａから冷媒に同伴して吐出冷媒管４３に吐出されることで、圧縮機２１外に持ち出されることがある。これに対して、吐出冷媒管４３には、高圧側油分離機構４５が設けられている。高圧側油分離機構４５は、圧縮要素２１ａから吐出される高圧の冷媒に同伴する冷凍機油を冷媒から分離して圧縮機２１へ戻す機構であり、主として、高圧側油分離器４５ａと、高圧側油戻し管４５ｂとを有している。高圧側油分離器４５ａは、圧縮要素２１ａから吐出される高圧の冷媒に同伴する冷凍機油を冷媒から分離する油分離器である。高圧側油戻し管４５ｂは、高圧側油分離器４５ｂに接続されており、高圧の冷媒から分離された冷凍機油を圧縮要素２１ａの吸入側に送る冷媒管である。高圧側油戻し管４５ｂには、高圧側油戻し管４５ｂを流れる冷凍機油を減圧するキャピラリチューブ等からなる高圧側減圧機構４５ｃが設けられている。

このように、圧縮機２１は、ここでは、駆動軸２１ｄに連結された圧縮要素２１ａを有している。そして、圧縮機２１は、低圧の冷媒を単一の圧縮要素２１ａによって高圧になるまで圧縮する単段圧縮構造を構成している。

−第１切換機構−
第１切換機構２２は、冷媒回路１０内における冷媒の流れの方向を切り換えるための機構である。第１切換機構２２は、冷房運転時には、室外熱交換器２３を圧縮機２１によって圧縮された高圧の冷媒の放熱器として、かつ、室内熱交換器６２ａ、６２ｂを室外熱交換器２３において放熱した低圧の冷媒の蒸発器として機能させる冷房運転状態への切り換えを行うことができる。すなわち、第１切換機構２２は、圧縮機２１の吐出側と室外熱交換器２３のガス側の端部とを接続するとともに、圧縮機２１の吸入側と室内熱交換器６２ａ、６２ｂのガス側の端部とを接続することができる（図１の第１切換機構２２の実線を参照）。また、第１切換機構２２は、暖房運転時には、室内熱交換器６２ａ、６２ｂを圧縮機２１によって圧縮された高圧の冷媒の放熱器として、かつ、室外熱交換器２３を室内熱交換器６２ａ、６２ｂにおいて放熱した低圧の冷媒の蒸発器として機能させる暖房運転状態への切り換えを行うことができる。すなわち、第１切換機構２２は、圧縮機２１の吐出側と室内熱交換器６２ａ、６２ｂのガス側の端部とを接続するとともに、圧縮機２１の吸入側と室外熱交換器２３のガス側の端部とを接続することができる（図１の第１切換機構２２の破線を参照）。第１切換機構２２は、ここでは、四路切換弁からなり、圧縮機２１の吸入側（ここでは、吸入冷媒管４１）、圧縮機２１の吐出側（ここでは、吐出冷媒管４３）、室外熱交換器２３のガス側の端部（ここでは、室外ユニット第１ガス冷媒管４６）、及び、室内熱交換器６２ａ、６２ｂのガス側の端部（ここでは、室外ユニット第２ガス冷媒管４７）に接続された四路切換弁である。ここで、室外ユニット第１ガス冷媒管４６は、第１切換機構２２と室外熱交換器２３のガス側の端部とを接続する冷媒管である。室外ユニット第２ガス冷媒管４７は、ガス冷媒連絡管８及び室内ユニットガス冷媒管６４ａ、６４ｂを介して、第１切換機構２２と室内熱交換器６２ａ、６２ｂのガス側の端部とを接続する冷媒管である。尚、第１切換機構２２は、四路切換弁に限定されるものではなく、例えば、複数の電磁弁を組み合わせる等によって、上記と同様の冷媒の流れの方向を切り換える機能を有するように構成したものであってもよい。

このように、第１切換機構２２は、ここでは、圧縮機２１、室外熱交換器２３、室内熱交換器６２ａ、６２ｂの順に冷媒を循環させる冷房運転状態と、圧縮機２１、室内熱交換器６２ａ、６２ｂ、室外熱交換器２３の順に冷媒を循環させる暖房運転状態と、を切り換える機構を構成している。

−室外熱交換器−
室外熱交換器２３は、冷房運転時には圧縮機２１によって圧縮された冷凍サイクルの高圧の冷媒を放熱させ、暖房運転時には第２室外膨張弁２５によって減圧された冷凍サイクルの低圧の冷媒を蒸発させる熱交換器である。室外熱交換器２３のガス側の端部は、室外ユニット第１ガス冷媒管４６を介して、第１切換機構２２に接続されており、室外熱交換器２３の液側の端部は、室外ユニット液冷媒管４８に接続されている。ここで、室外ユニット液冷媒管４８は、液冷媒連絡管７、及び、室内膨張弁６１ａ、６２を含む室内ユニット液冷媒管６３ａ、６３ｂを介して、室外熱交換器２３の液側の端部と室内熱交換器６２ａ、６２ｂの液側の端部とを接続する冷媒管である。室外熱交換器２３は、ここでは、伝熱管と多数のフィンとにより構成されたクロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器であり、室外空気を冷却源又は加熱源として、冷凍サイクルの高圧の冷媒の放熱又は冷凍サイクルの低圧の冷媒の蒸発を行うようになっている。尚、ここでは、室外熱交換器２３として、クロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器を採用しているが、他の型式の熱交換器であってもよい。

そして、室外熱交換器２３の冷却源又は加熱源としての室外空気は、室外ファン５５によって供給されるようになっている。室外ファン３５は、ここでは、室外ファン用電動機３６によって回転駆動される遠心ファンや多翼ファン等である。

このように、室外熱交換器５１は、ここでは、室外空気を熱源として、冷媒の放熱器又は蒸発器として機能する熱交換器を構成している。

−ブリッジ回路−
ブリッジ回路２４は、室外ユニット液冷媒管４８に設けられており、レシーバ２９の入口に接続されたレシーバ入口管４９、及び、レシーバ２９の出口に接続されたレシーバ出口管５０に接続されている。ブリッジ回路２４は、ここでは、３つの逆止弁２４ａ、２４ｂ、２４ｃと、第２室外膨張弁２５とを有している。そして、入口逆止弁２４ａは、室外熱交換器２３からレシーバ入口管４９への冷媒の流通のみを許容する逆止弁である。入口逆止弁２４ｂは、室内熱交換器６２ａ、６２ｂからレシーバ入口管４９への冷媒の流通のみを許容する逆止弁である。すなわち、入口逆止弁２４ａ、２４ｂは、室外熱交換器２３及び室内熱交換器６２ａ、６２ｂの一方からレシーバ入口管４９に冷媒を流通させる機能を有している。出口逆止弁２４ｃは、レシーバ出口管５０から室内熱交換器６２ａ、６２ｂへの冷媒の流通のみを許容する逆止弁である。第２室外膨張弁２５は、冷房運転時には全閉され、暖房運転時にはレシーバ出口管５０から室外熱交換器２３へ冷媒を流通させる際に冷媒を冷凍サイクルの低圧になるまで減圧する膨張弁である。ここでは、第２室外膨張弁２５として、電動膨張弁が使用されている。すなわち、出口逆止弁２４ｃ及び第２室外膨張弁２５は、レシーバ出口管５０から室外熱交換器２３及び室内熱交換器６２ａ、６２ｂの他方にレシーバ入口管４９に冷媒を流通させる機能を有している。ここで、レシーバ入口管４９は、ブリッジ回路２４の入口逆止弁２４ａ、２４ｂの出口側の端部とレシーバ２９の入口との間を接続している。また、レシーバ出口管５０は、ブリッジ回路２４の出口逆止弁２４ｃ及び第２室外膨張弁２５の入口側の端部とレシーバ２９の出口との間を接続している。

−膨張機−
膨張機３８は、ここでは、１つの膨張要素で冷媒を膨張する膨張機から構成されており、レシーバ入口管４９に設けられている。膨張機３８は、その一端がブリッジ回路２４を介して室外熱交換器２３に接続され、その他端がレシーバ２９の入口に接続されている。膨張機３８は、ケーシング（図示せず）内に、膨張要素３８ａと、膨張機用発電機３８ｂと、出力軸３８ｃとが収容された密閉式構造となっている。膨張機用発電機３８ｂは、出力軸３８ｃに連結されている。そして、出力軸３８ｃは、膨張要素３８ａに連結されている。膨張要素３８ａは、ここでは、ロータリ式やスクロール式等の容積式の膨張要素である。そして、膨張機３８は、レシーバ入口管４９の上流部分から冷凍サイクルの高圧の冷媒を流入させ、この流入した高圧の冷媒を膨張要素３８ａによって膨張させて、レシーバ入口管４９の下流部分に流出させるように構成されている。ここで、膨張要素３８ａにおける冷媒の膨張は、等エントロピ的な膨張であるため、膨張要素３８ａにおいて動力が発生することになる。そして、この膨張要素３８ａにおいて発生した動力によって、膨張機用発電機３８ｂが回転駆動されて発電が行われる。すなわち、膨張機用発電機３８ｂは発電機として駆動される回生駆動がなされるようになっている。但し、冷房運転や暖房運転の運転開始時においては、膨張機３８の上流側と下流側との間の差圧が小さいために、膨張要素３８ａにおける冷媒の膨張による動力を十分に得ることができない。このため、膨張機用発電機３８ｂは、冷房運転や暖房運転の運転開始時に、電動機として駆動される力行駆動がなされるようになっている。また、ここでは図示しないが、膨張機３８と圧縮機２１との間には、冷凍機油をやりとりするための油配管が設けられており、膨張機３８の膨張要素３８ａ等の摺動部の潤滑がなされるようになっている。

このように、膨張機３８は、ここでは、運転開始時には、膨張機用発電機３８ｂを電動機として駆動させる力行駆動を行いつつ膨張要素３８ａにおいて冷媒の膨張を行い、その後に、膨張要素３８ａにおける冷媒の膨張で発生した動力によって膨張機用発電機３８ｂを発電機として駆動させる回生駆動に移行するように構成されている。

−第１室外膨張弁−
第１室外膨張弁２８は、膨張機３８をバイパスするようにレシーバ入口管４９に設けられた冷媒を減圧する膨張弁である。ここでは、第１室外膨張弁２８として、電動膨張弁が使用されている。第１室外膨張弁２８は、その一端がブリッジ回路２４を介して、室外熱交換器２３に接続され、その他端がレシーバ２９の入口に接続されている。そして、第１室外膨張弁２８は、膨張機３８を使用しない運転において使用される。すなわち、第１室外膨張弁２８は、膨張機３８を使用しない冷房運転時には、室外熱交換器２３において放熱した冷媒をレシーバ２９に送る前に減圧する。また、第１室外膨張弁２８は、膨張機３８を使用しない暖房運転時には、室内熱交換器６２ａ、６２ｂにおいて放熱した冷媒をレシーバ２９に送る前に減圧する。

−レシーバ−
レシーバ２９は、冷房運転と暖房運転との間で冷媒回路１０における冷媒量が異なることが原因となって発生する余剰冷媒を溜めることができるように、膨張機３８及び第１室外膨張弁２８の下流側、すなわち、膨張機３８又は第１室外膨張弁２８によって減圧された後の冷媒を一時的に溜めるために設けられた容器である。レシーバ２９の入口は、レシーバ入口管４９に接続されており、レシーバ２９の出口は、レシーバ２９の下部から冷媒を導出するレシーバ出口管５０に接続されている。

−熱回収熱交換器、吸入戻し管−
熱回収熱交換器３０は、レシーバ出口管５０に設けられており、冷房運転や暖房運転時にレシーバ２９において気液分離された液冷媒をさらに放熱させる熱交換器である。熱回収熱交換器３０は、ここでは、二重管型熱交換器やプレート型熱交換器からなり、放熱側流路３０ａを流れる冷媒と蒸発側流路３０ｂを流れる冷媒とが熱交換するようになっている。放熱側流路３０ａには、レシーバ出口管５０を流れる冷媒が流れるようになっている。蒸発側流路３０ｂには、ここでは、レシーバ２９の上部から冷媒を導出するようにレシーバ２９に接続された吸入戻し管３１を流れる冷媒が流れるようになっている。すなわち、熱回収熱交換器３０は、吸入戻し管３１を流れる冷媒によってレシーバ出口管５０を流れる冷媒の放熱を行わせる熱交換器となっている。

このように、熱回収熱交換器３０は、ここでは、レシーバ出口管５０を流れる冷媒と、吸入戻し管３１を流れる冷媒との熱交換を行う熱交換器を構成している。

吸入戻し管３１は、ここでは、第１吸入戻し管３１ａと、合流吸入戻し管３１ｃとを有している。第１吸入戻し管３１ａは、レシーバ２９の上部から冷媒を抜き出す冷媒管である。また、合流吸入戻し管３１ｃは、吸入冷媒管４１に合流している。そして、第１吸入戻し管３１ａには、熱回収熱交換器３０の蒸発側流路３０ｂの入口寄りの部分に、第１吸入戻し弁３１ｄが設けられている。第１吸入戻し弁３１ｄは、吸入戻し管３１ａを流れる冷媒を冷凍サイクルの低圧になるまで減圧する開度制御が可能な膨張弁である。ここでは、第１吸入戻し弁３１ｄとして、電動膨張弁が使用されている。

このように、吸入戻し管３１は、ここでは、膨張機３８の下流側から圧縮機２１の吸入側に冷媒をバイパスさせる冷媒管を構成している。また、吸入戻し管３１は、レシーバ２９の上部から冷媒を導出するようにレシーバ２９に接続されている。さらに、吸入戻し管３１には、吸入戻し弁３１ｄが設けられている。

−室外側制御部等−
また、室外ユニット２には、各種のセンサが設けられている。具体的には、吸入戻し管３１の合流吸入戻し管３１ｃには、第１吸入戻し弁３１ｄによって減圧された後で、かつ、熱回収熱交換器３０の蒸発側流路３０ｂに流入する前の吸入戻し管３１を流れる冷媒の温度である吸入戻し飽和温度Ｔｓｈ１を検出する飽和温度センサ５４が設けられている。また、吸入戻し管３１の合流吸入戻し管３１ｃには、熱回収熱交換器３０の蒸発側流路３０ｂを出た後の吸入戻し管３１を流れる冷媒の温度である吸入戻し出口温度Ｔｓｈ２を検出する出口温度センサ５５が設けられている。また、膨張機３８の下流側には、膨張機３８の下流側における冷媒の圧力Ｐｅｘを検出する出口圧力センサ５７が設けられている。さらに、圧縮機２１の吸入側における冷媒の圧力Ｐｓを検出する吸入圧力センサ５８が設けられている。

また、室外ユニット２は、室外ユニット２を構成する各部の動作を制御する室外側制御部３７を有している。そして、室外側制御部３７は、室外ユニット２の制御を行うために設けられたマイクロコンピュータやメモリ等を有している。これにより、室外側制御部３７は、室内側制御部６７ａ、６７ｂとの間で伝送線９１を介して制御信号等のやりとりを行うことができるようになっている。

＜冷媒連絡管＞
冷媒連絡管７、８は、空気調和装置１を建物等の設置場所に設置する際に、現地にて施工される冷媒管であり、設置場所や室外ユニットと室内ユニットとの組み合わせ等の設置条件に応じて種々の長さや管径を有するものが使用される。

以上のように、室外ユニット２と、室内ユニット６ａ、６ｂと、冷媒連絡管７、８とが接続されることによって、空気調和装置１の冷媒回路１０が構成されている。空気調和装置１は、上記のように、主として、圧縮機２１、放熱器又は蒸発器としての室外熱交換器２３、膨張機３８、蒸発器又は放熱器としての室内熱交換器６２ａ、６２ｂとが接続されることによって構成される冷媒回路１０を有している。尚、ここでは、冷房運転と暖房運転とを切り換えて行うことが可能な冷媒回路１０を例として挙げているが、これに限定されるものではなく、冷房運転のみや暖房運転のみを行うことが可能な冷媒回路であってもよい。

＜電源回路、制御部＞
空気調和装置１を構成する圧縮機２１及び膨張機３８（より具体的には、圧縮機用電動機２１ｃ及び膨張機用発電機３８ｂ）は、図２に示すような電源回路を介して商用電源に接続されている。電源回路は、主として、第１コンバータ９２と、インバータ９３と、第２コンバータ９４とを有している。第１コンバータ９２は、商用電源からな交流電力を直流電力に変換してインバータ９３に供給する電気回路である。第２コンバータ９４は、膨張機３８（膨張機用発電機３８ｂ）で発電された交流電力を直流電力に変換してインバータ９３に供給する電気回路である。インバータ９３は、コンバータ９３、９４からの直流電力を交流電力に変換して圧縮機２１（圧縮機用電動機２１ｃ）に供給する電気回路である。また、電源回路の第２コンバータ９４と膨張機３８（膨張機用発電機３８ｂ）との間には、膨張機３８（膨張機用発電機３８ｂ）からの交流電流の電流値Ｉｇを検出する電流センサ９５が設けられている。

空気調和装置１は、室内側制御部６７ａ、６７ｂと室外側制御部３７とから構成される制御部９によって、室外ユニット２及び室内ユニット６ａ、６ｂの各機器の制御を行うことができるようになっている。すなわち、室内側制御部６７ａ、６７ｂと室外側制御部３７との間を接続する伝送線９１とによって、冷房運転や暖房運転を含む空気調和装置１全体の運転制御を行う制御部９が構成されている。

制御部９は、図３に示すように、各種センサ５４、５５、９５等の検出信号を受けることができるように接続されるとともに、これらの検出信号等に基づいて各種機器及び弁２１、２２、２５、２８、３１ｄ、３５、３８、６１ａ、６１ｂ、６５ａ、６５ｂ等を制御することができるように接続されている。

（２）空気調和装置の動作及び制御
次に、膨張機３８を使用する運転時の空気調和装置１の動作及び制御について、図１〜図６を用いて説明する。ここで、図４は、起動制御を行わない場合の運転開始時の膨張機３８の力行駆動時における冷凍サイクルが図示された圧力−エンタルピ線図である。図５は、膨張機３８を使用する運転の開始時における起動制御のフローチャートである。図６は、起動制御を行う場合の運転開始時の膨張機３８の力行駆動時における冷凍サイクルが図示された圧力−エンタルピ線図である。尚、以下に説明する空気調和装置１の動作及び制御は、制御部９によって行われる。

＜膨張機を使用する冷房運転＞
膨張機３８を使用する冷房運転時は、第１切換機構２２が図１の実線で示される冷房運転状態に切り換えられる。また、第１切換機構２２が冷房運転状態に切り換えられるため、第２室外膨張弁２５が全閉される。さらに、ここでは、膨張機３８を使用する運転を行うため、第１室外膨張弁２８が全閉される。

この冷媒回路１０の状態において、冷凍サイクルの低圧の冷媒は、吸入冷媒管４１から圧縮機２１に吸入され、まず、圧縮要素２１ａによって圧縮されて、圧縮機２１から吐出冷媒管４３に吐出される。ここで、圧縮機２１から吐出された高圧の冷媒は、圧縮要素２１ａによる圧縮動作によって、臨界圧力（すなわち、図４及び図６に示される臨界点ＣＰにおける臨界圧力Ｐｃｐ）を超える圧力まで圧縮されている。そして、この圧縮要素２１ａから吐出された高圧の冷媒は、高圧側油分離器４５ａに流入し、同伴する冷凍機油が分離される。また、高圧側油分離器４５ａにおいて高圧の冷媒から分離された冷凍機油は、高圧側油戻し管４５ｂに流入し、高圧側油戻し管４５ｂに設けられた高圧側減圧機構４５ｃで減圧された後に、圧縮要素２１ａの吸入側（すなわち、吸入冷媒管４１）に送られる。次に、高圧側油分離器４５ａにおいて冷凍機油が分離された後の高圧の冷媒は、第１切換機構２２を通じて、冷媒の放熱器として機能する室外熱交換器２３に送られる。

この室外熱交換器２３に送られた高圧の冷媒は、室外熱交換器２３において、室外ファン３５によって供給される室外空気と熱交換を行うことで放熱する。

この室外熱交換器２３において放熱した高圧の冷媒は、ブリッジ回路２４の入口逆止弁２４ａを通じてレシーバ入口管４９に流入し、膨張機３８に流入する。

この膨張機３８に流入した高圧の冷媒は、膨張要素３８ａによって膨張した後に、膨張機３８から流出する。そして、膨張要素３８ａにおける冷媒の膨張によって発生した動力によって、膨張機用発電機３８ｂが回転駆動されて発電が行われる。すなわち、膨張機用発電機３８ｂは、発電機として駆動される回生駆動がなされる。そして、膨張機用発電機３８ｂにおいて発電された電力は、電源回路（図２参照）を介して、圧縮機２１の圧縮機用電動機２１ｃに供給される。これにより、商用電源から圧縮機用電動機２１ｃに供給される駆動電力を削減することができる。

膨張機３８において膨張した冷媒は、レシーバ２９に流入して、ガス冷媒と液冷媒とに気液分離される。そして、レシーバ２９において気液分離されたガス冷媒は、吸入戻し管３１の第１吸入戻し管３１ａに送られ、レシーバ２９において気液分離された液冷媒は、レシーバ出口管５０に送られる。

第１吸入戻し管３１ａに送られたガス冷媒は、第１吸入戻し弁３１ｄによって低圧まで減圧された後に、合流吸入戻し管３１ｃに送られて、熱回収熱交換器３０の蒸発側流路３０ｂに送られる。また、レシーバ出口管５０を流れる液冷媒は、熱回収熱交換器３０の放熱側流路３０ａに流入し、合流吸入戻し管３１ｃを流れる低圧の冷媒と熱交換を行って放熱する。一方、合流吸入戻し管３１ｃを流れる低圧の冷媒は、熱回収熱交換器３０の放熱側流路３０ａを流れる液冷媒と熱交換を行って蒸発して、吸入冷媒管４１を流れる低圧の冷媒に合流することになる。膨張機３８が力行駆動から回収駆動に移行した直後には、第１吸入戻し弁３１ｄは、熱回収熱交換器３０の吸入戻し管３１側の出口における冷媒（すなわち、熱回収熱交換器３０の蒸発側流路３０ｂの出口における冷媒）が過熱状態になるように開度制御される（吸入戻し弁による過熱度制御）。ここでは、吸入戻し出口温度Ｔｓｈ２から吸入戻し飽和温度Ｔｓｈ１を差し引くことによって吸入戻し過熱度ＳＨを得る。尚、吸入戻し飽和温度Ｔｓｈ１は、飽和温度センサ５４によって検出される温度値に限定されるものではなく、圧縮機２１の吸入側における冷媒の圧力を検出する圧力センサを設けている場合には、この圧力値を飽和温度に読み替えて吸入戻し飽和温度Ｔｓｈ１として使用してもよい。そして、熱回収熱交換器３０の吸入戻し管３１側の出口における冷媒が過熱状態になっていること（例えば、吸入戻し過熱度ＳＨが所定の過熱度値になっていること）を確認できた後に、第１吸入戻し弁３１ｄは、膨張機３８の下流側における冷媒の圧力Ｐｅｘと圧縮機２１の吸入側における冷媒の圧力Ｐｓとの間の差圧ΔＰに基づいて、第１吸入戻し弁３１ｄの開度を制御する（吸入戻し弁による差圧制御）。例えば、差圧ΔＰが所定の目標差圧になるように、第１吸入戻し弁３１ｄの開度を制御することができる。これにより、液冷媒連絡管７の長さが長い場合であっても、レシーバ２９を出た液冷媒が室内ユニット６ａ、６ｂまで送るための差圧が確保されるとともに、膨張機３８の上流側と下流側との間の差圧を大きくすることができる。

この熱回収熱交換器３０において放熱した液冷媒は、ブリッジ回路２４の出口逆止弁２４ｃ及び液冷媒連絡管７を通じて、室内膨張弁６１ａ、６１ｂに送られて、室内膨張弁６１ａ、６１ｂによって減圧されて低圧の冷媒となり、冷媒の蒸発器として機能する室内熱交換器６２ａ、６２ｂに送られる。

この室内熱交換器６２ａ、６２ｂに送られた低圧の冷媒は、室内熱交換器６２ａ、６２ｂにおいて、室内ファン６５ａ、６５ｂによって供給される室内空気と熱交換を行うことで蒸発する。

この室内熱交換器６２ａ、６２ｂにおいて蒸発した低圧の冷媒は、ガス冷媒連絡管８及び第１切換機構２２を通じて、吸入冷媒管４１に送られ、吸入戻し管３１から送られる低圧の冷媒と合流した後に、再び、圧縮機２１に吸入される。

＜膨張機を使用する暖房運転＞
膨張機３８を使用する暖房運転時は、第１切換機構２２が図１の破線で示される暖房運転状態に切り換えられる。また、第１切換機構２２が暖房運転状態に切り換えられるため、第２室外膨張弁２５が開度調節される。さらに、ここでは、膨張機３８を使用する運転を行うため、第１室外膨張弁２８が全閉される。

この冷媒回路１０の状態において、冷凍サイクルの低圧の冷媒は、吸入冷媒管４１から圧縮機２１に吸入され、まず、圧縮要素２１ａによって圧縮されて、圧縮機２１から吐出冷媒管４３に吐出される。ここで、圧縮機２１から吐出された高圧の冷媒は、圧縮要素２１ａによる圧縮動作によって、臨界圧力（すなわち、図４及び図６に示される臨界点ＣＰにおける臨界圧力Ｐｃｐ）を超える圧力まで圧縮されている。そして、この圧縮要素２１ａから吐出された高圧の冷媒は、高圧側油分離器４５ａに流入し、同伴する冷凍機油が分離される。また、高圧側油分離器４５ａにおいて高圧の冷媒から分離された冷凍機油は、高圧側油戻し管４５ｂに流入し、高圧側油戻し管４５ｂに設けられた高圧側減圧機構４５ｃで減圧された後に、圧縮要素２１ａの吸入側（すなわち、吸入冷媒管４１）に送られる。次に、高圧側油分離器４５ａにおいて冷凍機油が分離された後の高圧の冷媒は、第１切換機構２２及びガス冷媒連絡管８を通じて、冷媒の放熱器として機能する室内熱交換器６２ａ、６２ｂに送られる。

この室内熱交換器６２ａ、６２ｂに送られた高圧の冷媒は、室内熱交換器６２ａ、６２ｂにおいて、室内ファン６５ａ、６５ｂによって供給される室内空気と熱交換を行うことで放熱する。

この室内熱交換器６２ａ、６２ｂにおいて放熱した高圧の冷媒は、室内膨張弁６１ａ、６１ｂを通過した後に、液冷媒連絡管７及びブリッジ回路２４の入口逆止弁２４ｂを通じてレシーバ入口管４９に流入し、膨張機３８に流入する。

この膨張機３８に流入した高圧の冷媒は、冷房運転時と同様に、膨張要素３８ａによって膨張した後に、膨張機３８から流出する。そして、膨張要素３８ａにおける冷媒の膨張によって発生した動力によって、膨張機用発電機３８ｂが回転駆動されて発電が行われる。すなわち、膨張機用発電機３８ｂは、発電機として駆動される回生駆動がなされる。そして、膨張機用発電機３８ｂにおいて発電された電力は、電源回路（図２参照）を介して、圧縮機２１の圧縮機用電動機２１ｃに供給される。これにより、商用電源から圧縮機用電動機２１ｃに供給される駆動電力を削減することができる。

膨張機３８において膨張した冷媒は、レシーバ２９に流入して、ガス冷媒と液冷媒とに気液分離される。そして、レシーバ２９において気液分離されたガス冷媒は、吸入戻し管３１の第１吸入戻し管３１ａに送られ、レシーバ２９において気液分離された液冷媒は、レシーバ出口管５０に送られる。

第１吸入戻し管３１ａに送られたガス冷媒は、第１吸入戻し弁３１ｄによって低圧まで減圧された後に、合流吸入戻し管３１ｃに送られて、熱回収熱交換器３０の蒸発側流路３０ｂに送られる。また、レシーバ出口管５０を流れる液冷媒は、熱回収熱交換器３０の放熱側流路３０ａに流入し、合流吸入戻し管３１ｃを流れる低圧の冷媒と熱交換を行って放熱する。一方、合流吸入戻し管３１ｃを流れる低圧の冷媒は、熱回収熱交換器３０の放熱側流路３０ａを流れる液冷媒と熱交換を行って蒸発して、吸入冷媒管４１を流れる低圧の冷媒に合流することになる。このとき（すなわち、暖房運転の回生駆動時において）、冷房運転の回生駆動時と同様に、吸入戻し弁による過熱度制御と差圧制御が行われる。

そして、熱回収熱交換器３０の放熱側流路３０ａを通過した液冷媒は、ブリッジ回路２４の第２室外膨張弁２５に送られて低圧まで減圧された後に、冷媒の蒸発器として機能する室外熱交換器２３に送られる。

この室外熱交換器２３に送られた低圧の冷媒は、室外熱交換器２３において、室外ファン３５によって供給される室外空気と熱交換を行うことで蒸発する。そして、そして、この室外熱交換器２３において蒸発した低圧の冷媒は、第１切換機構２２を通じて、吸入冷媒管４１に送られ、吸入戻し管３１から送られる低圧の冷媒と合流した後に、再び、圧縮機２１に吸入される。

＜膨張機を使用する運転の開始時における起動制御＞
上記のような膨張機３８を使用する冷房運転や暖房運転の開始時においては、圧縮機２１の吐出圧力が上昇するまで、すなわち、冷媒回路１０の高低差圧が付くまで時間がかかる。このため、膨張機３８の上流側と下流側との間の差圧が付くまでの時間もかかることになる。例えば、吸入戻し管３１の第１吸入戻し弁３１ｄを閉止した状態で冷房運転や暖房運転を開始すると、図４に示すように、圧縮機２１の吐出圧力が上昇するまでは、膨張機３８の上流側と下流側との間の差圧が小さい運転状態になる。そして、膨張機３８の上流側と下流側との間の差圧が小さいと、膨張機３８の膨張機用発電機３８ｂにおける電流値Ｉｇが、第２コンバータ９４から膨張機用発電機３８ｂに向かって電流が流れるマイナス電流の状態を脱することができず、膨張機用発電機３８ｂから第２コンバータ９４に向かって電流が流れるプラス電流の状態になりにくい。このため、膨張機３８を力行駆動から回生駆動に移行することができず、膨張機３８の力行駆動が継続することになる。特に、外気温度が低い条件（例えば、外気温度が−２０℃程度）では、圧縮機２１の吐出圧力が上昇しにくくなるため、膨張機３８の力行駆動が長時間にわたって継続することになる。このような膨張機３８の長時間の力行駆動が運転開始毎に何度も繰り返されると、空気調和装置１の消費電力、すなわち、ランニングコストが大きくなり、空気調和装置１の性能が低下する。

そこで、ここでは、冷房運転や暖房運転の運転開始時に、吸入戻し管３１に設けられた第１吸入戻し弁３１ｄを開けて膨張機３８を起動するようにしている。以下、膨張機３８を使用する運転の開始時における起動制御について、図４〜図６を用いて詳細に説明する。

膨張機３８を使用する冷房運転や暖房運転の開始指令がなされると、まず、制御部９は、ステップＳＴ１において、第１吸入戻し弁３１ｄの開度を所定開度ＭＶｓに設定して固定する。ここで、所定開度は、４０％〜６０％の開度（全開状態を開度１００％とする）である。

次に、制御部９は、ステップＳＴ２において、上記のように、第１吸入戻し弁３１ｄを開けた状態で、圧縮機２１を駆動し、膨張機３８を力行駆動する。すると、運転開始時の膨張機３８の力行駆動時において、吸入戻し管３１を通じて膨張機３８の下流側から圧縮機２１の吸入側に冷媒をバイパスさせるため、図６に示すように、膨張機の下流側における冷媒の圧力が低下することになる。このため、運転開始時において、圧縮機２１の吐出圧力が上昇するまでであっても、膨張機３８の上流側と下流側との間の差圧を大きくすることができる。これにより、膨張機３８の膨張機用発電機３８ｂにおける電流値Ｉｇが、第２コンバータ９４から膨張機用発電機３８ｂに向かって電流が流れるマイナス電流の状態を脱して、膨張機用発電機３８ｂから第２コンバータ９４に向かって電流が流れるプラス電流の状態になりやすくなる。

そして、制御部９は、ステップＳＴ３において、膨張機３８の膨張機用発電機３８ｂにおける電流値Ｉｇがプラス電流の状態になっていることを示す所定の閾電流値Ｉｇｓ以上なったと判定すると、ステップＳＴ４において、膨張機３８を回生駆動に移行し、第１吸入戻し弁３１ｄを上記の過熱度制御と差圧制御に移行する。

このような膨張機３８を使用する運転の開始時における起動制御によって、膨張機３８の力行駆動の時間を短縮することができるようになり、空気調和装置１の消費電力を低減して、性能を向上させることができる。

また、膨張機３８の下流側から圧縮機２１の吸入側に冷媒をバイパスさせる冷媒管であれば、吸入戻し管として使用可能であるが、ここでは、吸入戻し管３１（第１吸入戻し管３１ａ）がレシーバ２９の上部から冷媒を導出するように設けられている。このため、運転開始時の膨張機３８の力行駆動時において、できるだけガス状態の冷媒を圧縮機２１の吸入側に戻すことができるようになっている。これにより、ここでは、運転開始時の膨張機３８の力行駆動時において、圧縮機２１の吸入側に液冷媒が戻ることを抑えつつ、膨張機３８の上流側と下流側との間の差圧を大きくすることができる。

また、ここでは、吸入戻し管３１（第１吸入戻し管３１ａ）を流れる冷媒が、熱回収熱交換器３０において熱交換を行って加熱された後に、圧縮機３１の吸入側に戻すことができる。これにより、ここでは、運転開始時の膨張機３８の力行駆動時において、圧縮機２１の吸入側に液冷媒が戻ることを抑えつつ、膨張機３８の上流側と下流側との間の差圧を大きくすることができる。

さらに、ここでは、運転開始時の膨張機３８の力行駆動時において、第１吸入戻し弁３１ｄを４０〜６０％の開度に設定しているため、蒸発器（冷房運転時においては室内熱交換器６２ａ、６２ｂ、暖房運転時においては室外熱交換器２３）側への冷媒の循環を維持しつつ、吸入戻し管３１を通じて膨張機３８の下流側から圧縮機２１の吸入側にバイパスされる冷媒の流量を確保することができる。しかも、膨張機３８を力行駆動から回生駆動に移行した後の膨張機３８の回生駆動時（通常の冷房運転時や暖房運転時）においては、圧縮機２１の吸入側に過熱状態の冷媒を戻すことができるため、吸入戻し管３１を通じて圧縮機２１の吸入側に液冷媒が戻ることを確実に抑えることができる。これにより、ここでは、運転開始時の膨張機３８の力行駆動時において、冷媒回路１０全体の冷媒の循環を行いつつ、膨張機３８の上流側と下流側との間の差圧を大きくすることができ、しかも、通常運転時においては、吸入戻し管３１を通じて圧縮機２１の吸入側に液冷媒が戻ることを確実に抑えることができる。

（３）変形例
上記実施形態においては、単段圧縮式冷凍サイクルを行う冷媒回路１０を有する空気調和装置１に対して本発明を適用した例を説明したが、図７に示すような二段圧縮式冷凍サイクルを行う冷媒回路１１０を有する空気調和装置１０１に対して本発明を適用してもよい。

以下、本変形例の空気調和装置１０１について、上記実施形態の空気調和装置１と異なる構成を中心に説明する。

空気調和装置１０１は、主として、室外ユニット１０２と、複数（ここでは、２台）の室内ユニット６ａ、６ｂとが接続されることによって構成されている。ここで、室外ユニット１０２と室内ユニット６ａ、６ｂとは、液冷媒連絡管７及びガス冷媒連絡管８を介して接続されている。すなわち、空気調和装置１の蒸気圧縮式の冷媒回路１１０は、室外ユニット１０２と、室内ユニット６ａ、６ｂとが冷媒連絡管７、８を介して接続されることによって構成されている。また、冷媒回路１１０は、超臨界域で作動する冷媒（ここでは、二酸化炭素）を使用した二段圧縮式冷凍サイクルによって、冷房運転と暖房運転とを切り換えて行うことができるように構成されている。

＜室内ユニット＞
室内ユニット６ａ、６ｂは、建物等の室内に設置されている。室内ユニット６ａ、６ｂは、冷媒連絡管７、８を介して、互いが並列に接続されるとともに室外ユニット１０２に接続されており、室外ユニット１０２との間で冷媒回路１１０を構成している。尚、室内ユニット６ａ、６ｂの構成は、上記実施形態の室内ユニット６ａ、６ｂと同じであるため、ここでは説明を省略する。

＜室外ユニット＞
室外ユニット１０２は、建物等の室外に設置されている。室外ユニット１０２は、液冷媒連絡管７及びガス冷媒連絡管８を介して、室内ユニット６ａ、６ｂに接続されており、室内ユニット６ａ、６ｂとの間で冷媒回路１１０を構成している。尚、ここでは、室外ユニット１０２が１台だけであるが、２台以上の室外ユニットが並列に接続されていてもよい。

室外ユニット１０２は、主として、圧縮機１２１と、第１切換機構２２と、室外熱交換器２３と、第２室外膨張弁２５を含むブリッジ回路２４と、エコノマイザ熱交換器２６と、インジェクション管２７と、膨張機３８と、第１室外膨張弁２８と、レシーバ２９と、熱回収熱交換器３０と、吸入戻し管３１と、中間熱交換器３２と、第２切換機構３３とを有している。尚、第１切換機構２２、室外熱交換器２３、第２室外膨張弁２５を含むブリッジ回路２４、膨張機３８、第１室外膨張弁２８、レシーバ２９、熱回収熱交換器３０、及び、室外側制御部３７の構成は、上記実施形態の室外ユニット２のものと同じであるため、ここでは説明を省略する。

−圧縮機−
圧縮機１２１は、ここでは、２つの圧縮要素で冷媒を二段圧縮する圧縮機から構成されている。圧縮機１２１は、ケーシング（図示せず）内に、低段圧縮要素２１ａと、高段圧縮要素２１ｂと、圧縮機用電動機２１ｃと、駆動軸２１ｄとが収容された密閉式構造となっている。圧縮機用電動機２１ｃは、駆動軸２１ｄに連結されている。そして、駆動軸２１ｄは、２つの圧縮要素２１ａ、２１ｂに連結されている。すなわち、圧縮機１２１は、低段圧縮要素２１ａ及び高段圧縮要素２１ｂが単一の駆動軸２１ｄに連結されており、２つの圧縮要素２１ａ、２１ｂがともに圧縮機用電動機２１ｃによって回転駆動される、いわゆる一軸二段圧縮構造となっている。圧縮要素２１ａ、２１ｂは、ここでは、ロータリ式やスクロール式等の容積式の圧縮要素である。そして、圧縮機１２１は、吸入冷媒管４１から冷凍サイクルの低圧の冷媒を吸入し、この吸入された低圧の冷媒を低段圧縮要素２１ａによって冷凍サイクルの中間圧になるまで圧縮して、中間冷媒管４２に吐出するように構成されている。そして、圧縮機１２１は、中間冷媒管４２から冷凍サイクルの中間圧の冷媒を再度吸入し、この吸入された中間圧の冷媒を高段圧縮要素２１ｂによって冷凍サイクルの高圧になるまで圧縮して、吐出冷媒管４３に吐出するように構成されている。ここで、吸入冷媒管４１は、冷凍サイクルの低圧の冷媒を、低段圧縮要素２１ａに吸入させるための冷媒管である。中間冷媒管４２は、低段圧縮要素２１ａから吐出された冷凍サイクルの中間圧の冷媒を、高段圧縮要素２１ｂに吸入させるための冷媒管である。また、吐出冷媒管４３は、圧縮機１２１（ここでは、高段圧縮要素２１ｂ）から吐出された冷媒を第１切換機構２２に送るための冷媒管である。

また、冷媒回路１１０には、圧縮機１２１の圧縮要素２１ａ、２１ｂ等の摺動部を潤滑するための冷凍機油が冷媒とともに封入されている。この冷凍機油の大部分は、圧縮機１２１のケーシング（図示せず）内に溜まっているが、冷凍機油の一部は、圧縮機１２１の低段圧縮要素２１ａから冷媒に同伴して中間冷媒管４２に吐出されたり、高段圧縮要素２１ｂから冷媒に同伴して吐出冷媒管４３に吐出されることで、圧縮機１２１外に持ち出されることがある。これに対して、中間冷媒管４２には、中間圧側油分離機構４４が設けられている。中間圧側油分離機構４４は、低段圧縮要素２１ａから吐出される中間圧の冷媒に同伴する冷凍機油を冷媒から分離して圧縮機１２１へ戻す機構であり、主として、中間圧側油分離器４４ａと、中間圧側油戻し管４４ｂとを有している。中間圧側油分離器４４ａは、低段圧縮要素２１ａから吐出される中間圧の冷媒に同伴する冷凍機油を冷媒から分離する油分離器である。中間圧側油戻し管４４ｂは、中間圧側油分離器４４ｂに接続されており、中間圧の冷媒から分離された冷凍機油を高段圧縮要素２１ｂの吸入側に送る冷媒管である。中間圧側油戻し管４４ｂには、中間圧側油戻し管４４ｂを流れる冷凍機油を減圧するキャピラリチューブ等からなる中間圧側減圧機構４４ｃが設けられている。また、吐出冷媒管４３には、高圧側油分離機構４５が設けられている。高圧側油分離機構４５は、高段圧縮要素２１ｂから吐出される高圧の冷媒に同伴する冷凍機油を冷媒から分離して圧縮機１２１へ戻す機構であり、主として、高圧側油分離器４５ａと、高圧側油戻し管４５ｂとを有している。高圧側油分離器４５ａは、高段圧縮要素２１ｂから吐出される高圧の冷媒に同伴する冷凍機油を冷媒から分離する油分離器である。高圧側油戻し管４５ｂは、高圧側油分離器４５ｂに接続されており、高圧の冷媒から分離された冷凍機油を高段圧縮要素２１ｂの吸入側に送る冷媒管である。高圧側油戻し管４５ｂには、高圧側油戻し管４５ｂを流れる冷凍機油を減圧するキャピラリチューブ等からなる高圧側減圧機構４５ｃが設けられている。

このように、圧縮機１２１は、ここでは、単一の駆動軸２１ｄに連結された低段圧縮要素２１ａ及び高段圧縮要素２１ｂを有している。そして、圧縮機１２１は、低圧の冷媒を低段圧縮要素２１ａによって中間圧になるまで圧縮し、中間圧まで圧縮された冷媒を高段圧縮要素２１ｂによって高圧になるまで圧縮する二段圧縮を行う一軸二段圧縮構造を構成している。

−エコノマイザ熱交換器、インジェクション管−
エコノマイザ熱交換器２６は、レシーバ入口管４９に設けられており、室外熱交換器２３又は室内熱交換器６２ａ、６２ｂにおいて放熱した冷媒をさらに放熱させる熱交換器である。エコノマイザ熱交換器２６は、ここでは、二重管型熱交換器やプレート型熱交換器からなり、放熱側流路２６ａを流れる冷媒と蒸発側流路２６ｂを流れる冷媒とが熱交換するようになっている。放熱側流路２６ａには、レシーバ入口管４９を流れる冷媒が流れるようになっている。蒸発側流路２６ｂには、レシーバ入口管４９から分岐されたインジェクション管２７を流れる冷媒が流れるようになっている。すなわち、エコノマイザ熱交換器２６は、インジェクション管２７を流れる冷媒によってレシーバ入口管４９を流れる冷媒の放熱を行わせる熱交換器となっている。

インジェクション管２７は、ここでは、レシーバ入口管４９のブリッジ回路２４側の端部とエコノマイザ熱交換器２６の放熱側流路２６ａとの間の部分から分岐している。尚、インジェクション管２７は、エコノマイザ熱交換器２６の放熱側流路２６ａと膨張機３８（又は第１室外膨張弁２８）との間の部分から分岐していてもよい。また、インジェクション管２７は、中間冷媒管４２の中間熱交換器３２と高段圧縮要素２１ｂとの間の部分に合流している。これにより、インジェクション管２７は、室外熱交換器２３又は室内熱交換器６２ａ、６２ｂにおいて放熱した冷媒の一部を分岐して、高段圧縮要素２１ｂに送ることができるようになっている。そして、インジェクション管２７には、エコノマイザ熱交換器２６の蒸発側流路２６ｂの入口寄りの部分に、インジェクション弁２７ａが設けられている。インジェクション弁２７ａは、インジェクション管２７に分岐された冷媒を冷凍サイクルの中間圧になるまで減圧する開度制御が可能な膨張弁である。ここでは、インジェクション弁２７ａとして、電動膨張弁が使用されている。

このように、インジェクション管２７は、開度制御が可能なインジェクション弁２７ａを有しており、室外熱交換器２３又は室内熱交換器６２ａ、６２ｂにおいて放熱した冷媒の一部を分岐して、高段圧縮要素２１ｂに送る冷媒管である。

−吸入戻し管−
吸入戻し管３１は、ここでは、第１吸入戻し管３１ａと、第２吸入戻し管３１ｂと、両吸入戻し管３１ａ、３１ｂを流れる冷媒を合流させる合流吸入戻し管３１ｃとを有している。ここで、第１吸入戻し管３１ａ及び合流吸入戻し管３１ｃは、上記実施形態の空気調和装置１の第１吸入戻し管３１ａと同じであるため、説明を省略する。第２吸入戻し管３１ｂは、レシーバ２９の出口管５０のレシーバ２９の出口と熱回収熱交換器３０の放熱側流路３０ａとの間の部分からレシーバ出口管５０を流れる冷媒を分岐する冷媒管である。尚、第２吸入戻し管３１ｂは、レシーバ２９の出口管５０の熱回収熱交換器３０の放熱側流路３０ａとブリッジ回路２４側の端部との間の部分から分岐していてもよい。そして、第２吸入戻し管３１ｂには、熱回収熱交換器３０の蒸発側流路３０ｂの入口寄りの部分に、第２吸入戻し弁３１ｅが設けられている。第２吸入戻し弁３１ｅは、第１吸入戻し管３１ｂを流れる冷媒を冷凍サイクルの低圧になるまで減圧する開度制御が可能な膨張弁である。ここでは、第２吸入戻し弁３１ｅとして、電動膨張弁が使用されている。

−中間熱交換器、第２切換機構−
中間熱交換器３２は、中間冷媒管４２に設けられており、低段圧縮要素２１ａから吐出されて高段圧縮要素２１ｂに吸入される冷凍サイクルの中間圧の冷媒の放熱器として機能する熱交換器である。中間熱交換器３２は、ここでは、伝熱管と多数のフィンとにより構成されたクロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器であり、室外空気を冷却源として、冷凍サイクルの中間圧の冷媒の放熱を行うようになっている。また、中間熱交換器３２は、室外熱交換器２３と一体化されている。より具体的には、中間熱交換器３２は、室外熱交換器２３と伝熱フィンを共有することによって一体化されている。また、冷却源としての室外空気は、室外熱交換器２３に室外空気を供給する室外ファン３５によって供給されるようになっている。すなわち、室外ファン３５は、室外熱交換器２３及び中間熱交換器３２の両方に室外空気を供給するようになっている。

また、中間冷媒管４２には、中間熱交換器３２をバイパスするように、中間熱交換器バイパス管５１が接続されている。中間熱交換器バイパス管５１は、中間熱交換器３２を流れる冷媒の流量を制限する冷媒管である。そして、中間冷媒管４２及び中間熱交換器バイパス管５１には、第２切換機構３３が設けられている。第２切換機構３３は、低段圧縮要素２１ａから吐出された中間圧の冷媒を中間熱交換器３２を通過させた後に高段圧縮要素２１ｂに送るか、又は低段圧縮要素２１ａから吐出された中間圧の冷媒を中間熱交換器３２を通過させずに高段圧縮要素２１ｂに送るかを切り換える機構である。ここでは、第２切換機構３３として、四路切換弁が使用されている。中間熱交換器バイパス管５１には、バイパス逆止弁５１ａが設けられている。バイパス逆止弁５１ａは、第２切換機構３３から高段圧縮要素２１ｂへの冷媒の流通のみを許容する逆止弁である。また、中間冷媒管４２には、中間熱交換器３２の高段圧縮要素２１ｂ側の端部と中間熱交換器バイパス管５１の高段圧縮要素２１ｂ側の端部との接続部分との間に、中間冷媒管逆止弁４２ａが設けられている。中間冷媒管逆止弁４２ａは、中間熱交換器３２の高段圧縮要素２１ｂ側の端部から高段圧縮要素２１ｂへの冷媒の流通のみを許容する逆止弁である。また、インジェクション管２７は、中間冷媒管４２の中間冷媒管逆止弁４２ａと高段圧縮要素２１ｂとの間の部分に合流している。

また、中間冷媒管４２の中間熱交換器３２の低段圧縮要素２１ａ側の部分には、第２切換機構３３を介して、第１中間熱交換器戻し管５２が接続されている。また、中間冷媒管４２の中間熱交換器３２の高段圧縮要素２１ｂ側の端部と中間冷媒管逆止弁４２ａとの間の部分には、第２中間熱交換器戻し管５３が接続されている。第１中間熱交換器戻し管５２は、中間熱交換器３２を通じて低段圧縮要素２１ａから吐出された中間圧の冷媒を高段圧縮要素２１ｂに吸入させる中間熱交放熱状態（図７の第２切換機構３３の実線を参照）に第２切換機構３３を切り換えている際に、圧縮機１２１の吸入側（ここでは、吸入冷媒管４１）と中間熱交換器３２の低段圧縮要素２１ａ側の端部との接続を遮断し、中間熱交換器バイパス管５１を通じて低段圧縮要素２１ａから吐出された中間圧の冷媒を高段圧縮要素２１ｂに吸入させる中間熱交蒸発状態（図７の第２切換機構３３の破線を参照）に第２切換機構３３を切り換えている際に、圧縮機２１の吸入側（ここでは、吸入冷媒管４１）と中間熱交換器３２の低段圧縮要素２１ａ側の端部とを接続する冷媒管である。また、第２中間熱交換器戻し管５３は、第２切換機構３３を中間熱交蒸発状態に切り換え、かつ、第１切換機構２２を暖房運転状態に切り換えている際に、室内熱交換器６２ａ、６２ｂと室外熱交換器２３との間（ここでは、レシーバ出口管５０のブリッジ回路２４との接続部分）と中間熱交換器３２の高段圧縮要素２１ｂ側の端部とを接続する冷媒管である。第２中間熱交換器戻し管５３には、電動膨張弁からなる中間熱交換器戻し弁５３ａが設けられており、第２切換機構３３を中間熱交蒸発状態に切り換えている際に開けられる。これにより、レシーバ２９から室外熱交換器２３に送られる冷媒の一部は、中間熱交換器戻し管５３に分岐され、中間熱交換器戻し弁５３ａによって冷凍サイクルの低圧まで減圧された後に、中間熱交換器３２において蒸発し、室外熱交換器２２において蒸発した冷媒と吸入冷媒管４１で合流する。これにより、中間熱交換器３２は、第１切換機構２２を冷房運転状態に切り換えている際に、第２切換機構３３を中間熱交放熱状態に切り換えるとともに中間熱交換器戻し弁５３ａを全閉することによって、低段圧縮要素２１ａから吐出されて高段圧縮要素２１ｂに吸入される冷凍サイクルの中間圧の冷媒の放熱器として機能するようになっている。また、中間熱交換器３２は、第１切換機構２２を暖房運転状態に切り換えている際に、第２切換機構３３を中間熱交蒸発状態に切り換えるとともに中間熱交換器戻し弁５３ａを開けることによって、室外空気を加熱源として、室外熱交換器２３と並列の冷媒の蒸発器として機能するようになっている。

このように、中間熱交換器３２は、ここでは、室外空気を熱源として、低段圧縮要素２１ａの吐出側と高段圧縮要素２１ｂの吸入側との間に接続されており、低段圧縮要素２１ａによって中間圧まで圧縮された冷媒の放熱器として機能する熱交換器である。また、中間熱交換器３２は、ここでは、冷媒回路１１０に中間熱交換器バイパス管５１、第２切換機構３３及び中間熱交換器戻し管５２、５３を設けることによって、第１切換機構２２を冷房運転状態に切り換えている際に、低段圧縮要素２１ａによって中間圧まで圧縮された冷媒の放熱器として機能し、第１切換機構２２を暖房運転状態に切り換えている際に、室内熱交換器６２ａ、６２ｂにおいて放熱した冷媒の蒸発器として機能する熱交換器である。

＜冷媒連絡管＞
冷媒連絡管７、８は、空気調和装置１０１を建物等の設置場所に設置する際に、現地にて施工される冷媒管であり、設置場所や室外ユニットと室内ユニットとの組み合わせ等の設置条件に応じて種々の長さや管径を有するものが使用される。

以上のように、室外ユニット１０２と、室内ユニット６ａ、６ｂと、冷媒連絡管７、８とが接続されることによって、空気調和装置１０１の冷媒回路１１０が構成されている。空気調和装置１０１は、上記のように、主として、圧縮機１２１、放熱器又は蒸発器としての室外熱交換器２３、膨張機３８、蒸発器又は放熱器としての室内熱交換器６２ａ、６２ｂとが接続されることによって構成される冷媒回路１１０を有している。

＜電源回路、制御部＞
空気調和装置１０１を構成する圧縮機１２１及び膨張機３８（より具体的には、圧縮機用電動機２１ｃ及び膨張機用発電機３８ｂ）は、上記実施形態の空気調和装置１と同様に、図２に示すような電源回路を介して商用電源に接続されている。

空気調和装置１０１は、上記実施形態の空気調和装置１と同様に、室内側制御部６７ａ、６７ｂと室外側制御部３７とから構成される制御部９によって、室外ユニット１０２及び室内ユニット６ａ、６ｂの各機器の制御を行うことができるようになっている。

＜作用効果＞
以上のような構成を有する本変形例の空気調和装置１０１においても、上記実施形態の空気調和装置１と同様に、膨張機３８を使用する運転の開始時において、膨張機３８の力行駆動が長時間にわたって継続することによって、消費電力が大きくなること、並びに、冷凍装置の性能が低下するという問題がある。これに対して、上記実施形態の空気調和装置１と同様の起動制御を行うことによって、この問題を解決することができる。

本発明は、圧縮機と放熱器と膨張機と蒸発器とが接続されることによって構成される冷媒回路を備えた冷凍装置に対して、広く適用可能である。

１ 空気調和装置（冷凍装置）
１０、１１０ 冷媒回路
２１、１２１ 圧縮機
２３ 室外熱交換器（放熱器、蒸発器）
２９ レシーバ
３０ 熱回収熱交換器
３１ 吸入戻し管
３１ｄ 第１吸入戻し弁（吸入戻し弁）
３８ 膨張機
３８ａ 膨張要素
３８ｂ 膨張機用発電機（発電機）
５０ レシーバ出口管
６２ａ、６２ｂ 室内熱交換器（蒸発器、放熱器）

特開２０１１−２１４７７８号公報

Claims (1)

1. 圧縮機（２１、１２１）と放熱器（２３、６２ａ、６２ｂ）と膨張機（３８）と蒸発器（６２ａ、６２ｂ、２３）とが接続されることによって構成される冷媒回路（１０、１１０）を備えた冷凍装置において、
   前記膨張機は、流入した冷媒を膨張させて動力を発生させる膨張要素（３８ａ）と、運転開始時に電動機として駆動される力行駆動がなされた後に前記膨張要素で発生した動力によって発電機として駆動される回生駆動がなされる発電機（３８ｂ）とを有しており、
   前記冷媒回路は、前記膨張機の下流側から前記圧縮機の吸入側に冷媒をバイパスさせる吸入戻し管（３１）をさらに有しており、
   前記運転開始時に、前記吸入戻し管に設けられた吸入戻し弁（３１ｄ）を開けて前記膨張機を起動し、
   前記冷媒回路は、前記膨張機の下流側に冷媒を一時的に貯留するレシーバ（２９）と、前記レシーバの下部から冷媒を導出するレシーバ出口管（５０）とをさらに有しており、
   前記吸入戻し管は、前記レシーバの上部から冷媒を導出するように前記レシーバに接続されており、
   前記冷媒回路は、前記レシーバ出口管を流れる冷媒と、前記吸入戻し管を流れる冷媒との熱交換を行う熱回収熱交換器（３０）をさらに有しており、
   前記膨張機の前記力行駆動時に、前記吸入戻し弁を４０〜６０％の開度（全開状態を開度１００％とする）に設定し、
   前記膨張機が前記力行駆動から前記回生駆動に移行した時に、前記熱回収熱交換器の前記吸入戻し管側の出口における冷媒が過熱状態になるように、前記吸入戻し弁の開度を制御し、
   前記熱回収熱交換器の前記吸入戻し管側の出口における冷媒が過熱状態になったことを確認した後に、前記膨張機の下流側における冷媒の圧力と前記圧縮機の吸入側における冷媒の圧力との間の差圧に基づいて、前記吸入戻し弁の開度を制御する、
   冷凍装置（１、１０１）。