図1は、本発明の実施形態1に係る冷凍サ� �クル装置を示す模式図である。図において� �本実施の形態に係る冷凍サイクル装置は、� �1熱源側熱交換器である第1室外熱交換器3a、� ��2熱源側熱交換器である第2室外熱交換器3bを 内蔵する室外ユニット100、負荷側熱交換器で ある室内熱交換器9a、9bを内蔵する室内ユニ� �ト200a、200b、室外ユニット100と室内ユニット 200a、200bとを接続するガス配管51および液配� �52により構成されている。この冷媒回路の内 部には冷媒として例えば臨界温度(約31℃)以� �で超臨界状態となる二酸化炭素が封入され� �いる。

 室外ユニット100内には、冷媒ガスを圧縮� ��るための第1圧縮機1、室内ユニット200a、200b の運転モードに応じて冷媒が流れる方向を切 換える冷媒流路切換え手段である四方弁2お� �び四方弁4、運転モードに応じて放熱器また� ��蒸発器となる第1室外熱交換器3aおよび第2室 外熱交換器3b、膨張機5aと第2圧縮機5bが一体� �構成された膨張機ユニット5、外気を強制的� ��第1室外熱交換器3a、第2室外熱交換器3bの外� ��面に送風するための図示しない送風機が収� ��され、全体が室外に設置される。また、第1 室外熱交換器3aが四方弁2と四方弁4の間に配� �され、第2室外熱交換器3bが冷房運転時の第1� ��縮機1と第2圧縮機5bの間に配置されている。 膨張機ユニット5の内部には、膨張機5aと第2� �縮機5bが配置され、それらは同軸で連結され ている。膨張機ユニット5は、例えば膨張機5a と第2圧縮機5bが両方ともスクロール型の膨張 機と圧縮機で構成されており、膨張機と圧縮 機のスラスト方向荷重が両面で相殺される構 造を有する。第2圧縮機5bにはバイパス回路が 設けられ、バイパス回路中にバイパス弁53が� ��けられている。膨張機5aと第2圧縮機5bの通� �冷媒流量と動力を一致させるため、膨張機5a には入口側に直列に開閉弁6(以下、予膨張弁6 と呼ぶ)、並列に開閉弁7(以下、バイパス弁7� �呼ぶ)が設けられている。また、第1室外熱交 換器3aと第2室外熱交換器3bは、開閉弁として� ��えば逆止弁54、55を介して接続されており、 これらの逆止弁54、55には開閉動作を決定す� �最低動作圧力差(例えば、0.5MPa)が設定されて いる。また、室外熱交換器3bの出入口部に開� ��弁である電磁弁57、58が設けられている。

 室内ユニット200a、200bには、負荷側熱交� �器である室内熱交換器9a、9b、室内熱交換器9 a、9bへの冷媒分配を調節する開度変更可能な 減圧手段である電子膨張弁8a、8b、室内空気� �強制的に室内熱交換器9a、9bの外表面に送風� ��るための図示しない送風機およびそれらを� ��続するための配管が内蔵されている。室内� ��交換器9a、9bの一端はガス配管51に接続され� ��他端は電子膨張弁8a、8bを介して液配管52に� ��続されている。なお、本実施の形態では、� ��内ユニット200a、200bを2台としているが、1台 あるいは3台以上としても良いことは言うま� �もない。また、室内熱交換器9a、9bへの冷媒� ��配を調節する開度変更可能な減圧手段であ� ��電子膨張弁8a、8bを使用せず、膨張機を減圧 手段として使用しても良い。

 また、膨張機ユニット5の通過冷媒流量お よび動力のバランス制御の目標値として、第 2圧縮機5bの吐出温度検出器11、第1室外熱交換 器3aの出口温度検出器12、外気温度検出器13、 室内温度検出器14が設置される。これらは、� ��示しない制御器に取り込まれて必要な演算� ��実施され、アクチュエータである予膨張弁6 、バイパス弁7へ開度の指令が送信される。

 上記のように構成された冷凍サイクル装� ��について運転動作を説明する。ここで、以� ��に説明する運転動作は制御器300によって制� ��されるものである。まず、冷房運転を行う� ��合を図1および図2に基づいて説明する。図2� ��、図1の冷媒回路中に示した記号A~Hにおける 冷媒状態をP-h線図上に示したものである。冷 房運転では、室外ユニット100内部の四方弁2� �第1口2aと第2口2bが連通し、第3口2cと第4口2d� �連通するように設定され、四方弁4は第1口4a� ��第4口4dが連通し、第2口4bと第3口4cが連通す� ��ように設定される(図1中の実線)。また、予� ��張弁6、バイパス弁7は、外気温度、室内温� �、負荷に応じた適切な初期開度に設定され� �電子膨張弁8a、8bは全開される。電磁弁56は� �止、電磁弁57、58は開放される。必要な減圧� ��能は膨張機5aで達成するが、室内熱交換器9a 、9bの両方の出口部に予め設定された適切な� ��熱度(例えば、1~10℃)がともに得られない場� ��、予膨張弁6を閉方向に制御し必要な減圧量 を得る。

 このとき、第1圧縮機1から吐出された高� �高圧のガス冷媒(状態A)は、電磁弁56が閉止さ れているので、電磁弁57を通過し、第2室外熱 交換器3bである程度放熱して冷却され(状態B)� ��第2圧縮機5bに流入する。このとき、第2室外 熱交換器3b出入口に設置された逆止弁54、55は 圧力差により閉止される。電磁弁58を通過し� ��膨張機5aで駆動される第2圧縮機5bに流入し� �冷媒は、膨張機で回収された動力に釣合う� �だけ圧縮される。このとき、第2圧縮機5bに� �けられたバイパス弁53は、圧力差の生じない 起動時には開放状態となるが、膨張機5aが動� ��して第2圧縮機5bが駆動すると、第2圧縮機の 高低圧力差により閉止される。第2圧縮機5bか ら吐出された冷媒は、四方弁2の第1口2aから� �2口2bを通って(状態C)、第1室外熱交換器3aで� �加熱媒体である空気に放熱し(状態D)、四方� �4の第2口4aから第3口4cを経て予膨張弁6へ流入 する。予膨張弁6で膨張機5aの入口密度を調節 された冷媒(状態E)は、膨張機5aで減圧され、� ��方弁4の第1口4aから第4口4dを通って、液配管 52を通過する(状態F)。このとき、膨張機5aの� �イパス弁7は、第2圧縮機5bを通過する冷媒流� ��、回収動力が釣合うように制御される。そ� ��後、冷媒は室内ユニット200a、200b内の減圧� �段である電子膨張弁8a、8bで少し減圧され(状 態G)、室内熱交換器9a、9bで空調対象空間の熱 負荷を処理した後、ガス配管51に流入し、四� ��弁2の第4口2dから第3口2cを通って、第1圧縮� �1に流入する(状態H)。このとき、室内熱交換� ��9aあるいは室内熱交換器9bのどちらかの出口 部だけが設定過熱度(例えば、1~10℃)とならな い場合、減圧手段8a、8bは、室内熱交換器9a、 9bの出口過熱度が同一となるように調整され� ��。

 つぎに、暖房運転について図1および図3� �基づいて説明する。本実施の形態では、暖� �運転時にも膨張機を利用する例を示すが、� �房運転時は膨張機5aの入口部と第2圧縮機5bの 入口部の密度比が大きくなるため、通過冷媒 流量と回収動力をバランスさせるための膨張 動力の回収ロスが大きくなる。従って、必要 に応じて四方弁4を廃止し、暖房運転時は膨� �機ユニット5を利用しないようにしても良い� ��

 本実施の形態における暖房運転では、室� ��ユニット100内部の四方弁2は第1口2aと第4口2d が連通し、第2口2bと第3口2cが連通するように 設定され、四方弁4は第1口4aと第2口4bが連通� �、第3口4cと第4口4dが連通するように設定さ� �る。この場合、室内ユニット200a、200b内の電 子膨張弁8a、8bは全開、基本的な減圧機能は� �張機5aで実現され、減圧量が不足する場合は 室内熱交換器9a、9bの出口温度が室内の負荷� �応じた適切な温度となるように予膨張弁6で� ��圧量が調整される。

 このとき、第1圧縮機1で圧縮され高温高� �の超臨界状態となった冷媒(状態A)は電磁弁57 、58が閉止しているので、電磁弁56を通過し� �第2圧縮機5bでさらに圧縮された後(状態B)、� �方弁2の第1口2aから第4口2d、ガス配管51を経� �室内ユニット200a、200bに流入する。室内ユニ ット200a、200bに流入した高温高圧の冷媒は、� ��内熱交換器9a、9bに流入して図示しない室内 空気に放熱して室内を暖房すると共に自らは 温度が低下する(状態G)。この中温高圧の冷媒 は、電子膨張弁8a、8bを通過し(状態F)、液配� �52に流入する。液配管52に流入した冷媒は、� ��方弁4の第4口4d、第3口4cを通過し、予膨張弁 6に流入する。予膨張弁6を流出した冷媒(状態 E)は、膨張機5aに流入し、四方弁4の第1口4a、� ��2口4bを通過し(状態D)、第1および第2室外熱� �換器3a、3bに流入する。このとき、逆止弁54� �55は弁閉止に必要な圧力差(例えば、0.5MPa)が� ��られないため、開放状態となる。その後、� ��1および第2室外熱交換器3a、3bで蒸発したガ� ��冷媒(状態C)は、四方弁2の第2口2bから第3口2c を経て第1圧縮機1の吸入部(状態H)へ戻る。

 ここで、室外熱交換器へ流入する空気の� ��速が一定の場合における室外熱交換器の全� ��熱面積に対する第2室外熱交換器3bの伝熱面� ��比について説明する。図4は冷房標準条件に おいて、膨張機5aの容積に対する第2圧縮機5b� ��容積の比(以下、膨張圧縮容積比と呼ぶ)を� �軸に、COP向上比を縦軸に示したものであり� �上記の伝熱面積比をパラメータとして示し� �いる。ここで、伝熱面積比とは、第1室外熱� ��換器3aと第2室外熱交換器3bとを合わせた室� �熱交換器の全伝熱面積に対する第2室外熱交� ��器3bの伝熱面積の比である。縦軸に示したCO P向上比は、第2室外熱交換器3bの伝熱面積比� �0.1で、かつ膨張機5aを備えない冷媒回路に対 する値である。全体的な傾向として、COP向上 比は、膨張圧縮容積比が2付近で極大値を示� �ている。例えば、伝熱面積比0.4(□記号)で比 較すると、膨張圧縮容積比が2.1付近で極大値 を示す。これは、膨張圧縮容積比が2.1よりも 大きい場合、第2圧縮機容積が大きくなり回� �数が低下するため、回転数を増加させるた� �の予膨張ロスが発生し、逆に膨張圧縮容積� �が2.1よりも小さい場合、第2圧縮機容積が小� ��くなり回転数が増加するため、回転数を減� ��させるためのバイパスロスが発生するため� ��ある。伝熱面積比が0.2では、COPが極大とな� ��膨張圧縮容積比2.4でもその極大値は伝熱面� ��比0.4の場合よりも4%(1.225から1.185へと)低下� �る。従って、COP向上比を極大とする膨張圧� �容積比が存在し、その値は図4中に白抜き矢� ��で示すように、1.8~2.3の範囲であることがわ かる。

 つぎに、図5は熱交換器の段方向に対して 、均一な風量分布の場合における、第2室外� �交換器3bの伝熱面積比に対するCOP向上比を示 したものであり、膨張圧縮容積比は前述した 図4の最適値としている。図5中のアは膨張機� ��搭載した場合のCOP向上比を、イは膨張機を� ��載しない場合のCOP向上比を、ウは膨張機を� ��載した場合の第1圧縮機1の吐出圧力変化を� �れぞれ示している。第2室外熱交換器3bの伝� �面積比を増加させると、第2熱交換器3bでの� �交換量が増加して第1圧縮機1の吐出圧力(=第2 圧縮機5bの吸入圧力)が低下し、第1圧縮機1の� ��力が減少する(COP向上比が増加する)。しか� �、第2室外熱交換器3bの伝熱面積比を過度に� �加させると第2室外熱交換器3bで処理すべき� �交換量が増加して第1圧縮機1の吐出圧力が上 昇に転じ、入力が増加する。従って、COP向上 比を極大とする第2室外熱交換器3bの伝熱面積 比に最適値が存在し、その値は図5中に白抜� �矢印で示すように、0.3~0.5の範囲であり、0.3� ��満では効果が顕著に低下することがわかる� ��以上より、第2室外熱交換器3bの伝熱面積比� ��0.3~0.5、膨圧容積比を1.8~2.3に設定すること� �、膨張機搭載回路の性能を最大限に活用す� �ことができる。

 伝熱面積比は0.3~0.5の範囲が最も望ましい が0.2~0.6の範囲でも望ましく、0.2より小さい� �COP向上比が充分に大きくならず、0.6よりも� �きい伝熱面積比は現実的でない。膨張容積� �は1.8~2.3の範囲が最も望ましいが、1.5~2.5の範 囲でも望ましく、1.5より小さいとCOP向上比が 伝熱面積比の大きさに係わらず充分な大きさ にならず、2.5より大きくてもCOP向上比が高く ならない。

 ところで、図1では第1室外熱交換器3a、第 2室外熱交換器3bが分離された例を示したが、 これに限るものではなく、図6に示すように� �段側のA部の第1室外熱交換器3aは中間冷却器� ��して、下段側のB部の第2室外熱交換器3bはメ イン放熱器として利用する構成とし、A部とB� ��の比率が4:6となるように構成しても良い。� ��た、図1に示したように、室外熱交換器が列 方向に分割され、白抜き矢印の風が右から左 に流れ、最初に第2室外熱交換器3bに空気が当 たり、次に第1室外熱交換器3aに空気が当たる 構成としても良い。さらに、これら第1およ� �第2室外熱交換器が一体型に構成されるよう� ��しても良い。

 また、本実施の形態では、冷房運転時の� ��能だけで室外熱交換器の全伝熱面積に対す� ��第2室外熱交換器の伝熱面積の比を決める構 成とした。ところで、室外熱交換器が暖房運 転時に蒸発器として利用される場合には吸込 み空気と冷媒温度相当飽和湿り空気とのエン タルピ差(蒸発器では熱交換器が湿り状態と� �るため、熱交換の駆動温度差がエンタルピ� �となる)が小さく、伝熱面積比が性能に及ぼ� ��影響が小さくなるので、冷房運転時の性能� ��みで上記の伝熱面積比を決めることができ� ��。

 ここで、膨張機ユニット5の詳細構造につ いて図7に示す。図7は、膨張機5a、第2圧縮機5 bともにスクロール構造を採用した膨張機ユ� �ットであり、膨張機5aは膨張機用固定スクロ ール351と膨張機用揺動スクロール352とから構 成され、第2圧縮機5bは第2圧縮機用固定スク� �ール361と第2圧縮機用揺動スクロール362から� ��成されている。これらのスクロールの中心� ��には軸308が貫通しており、軸308の両端部に� ��バランスウェイト309a、309bが設けられ、軸30 8は膨張機構側軸受け部351b、第2圧縮機構側軸 受け部361bで支持されている。また、揺動ス� �ロールの膨張機構側渦巻352と第2圧縮機構側� ��巻362とは、背面合わせ構造または台板を共� ��して一体型に構成されている。その他、揺� ��スクロールを偏心駆動するクランク部308bと 姿勢を規正するオルダムリング307が設けられ 、これらは全て密閉容器310内に収納されてい る。

 このような構造を有する膨張機ユニット5 において、例えば揺動スクロールの運動空間 を膨張後の低圧雰囲気とすれば、第2圧縮機5b から膨張機側へ押し付け力が発生する。この とき、膨張圧縮容積比を大きく(例えば、2.3� �上に)設計すると、同一歯高では第2圧縮機5a� ��からのスラスト荷重が大きくなるため、第2 圧縮機5bからのスラスト荷重に対して膨張機5 a側からのスラスト荷重が過剰に小さくなり� �両面でスラスト荷重を相殺させることがで� �ず、第2圧縮機5bと膨張機5aを一体化した膨張 機ユニット5の構成が難しくなる。また、第2� ��縮機5b側のスラスト荷重を減らすために第2� ��縮機5b側を極端に歯高の高い渦巻とするこ� �もできるが、この場合は強度的な問題が発� �する。従って、膨張機5a、第2圧縮機5bともに スクロール構造を有する膨張機ユニットでは 、膨張圧縮容積比を2.3以下に設定することで 、通過冷媒流量と動力のバランスだけでなく 、スラスト荷重のバランスにも対応した信頼 性の高い膨張機ユニットを構成することがで きる。

 つぎに、膨張機5aの制御方法について説� �する。本実施の形態では、膨張機5aの入口部 に膨張機5aと直列に設けた予膨張弁6と、膨張 機5aをバイパスするように設けたバイパス弁7 を用い、膨張機5aを通過する流量および回収� ��た動力と第2圧縮機5bを通過する流量および� ��力が一致するように膨張機5aを制御する。� �の制御方法について図8を用いて説明する。� ��8は冷房負荷一定、室内温度一定の条件下で 外気温度が変化した場合の運転状態の変化を P-h線図上に示したものである。図中には、密 度ρが固定の線と、温度Tが固定の線を示して おり、第2圧縮機入口密度に対する膨張機入� �密度の比が2となる等密度比線を破線で示し� ��いる。この等密度比線を境界とし、右上の� ��域が膨張/圧縮の密度比が小さくなる(膨張� �密度が小さくなる)バイパス領域を示し、左� ��の領域が膨張/圧縮の密度比が大きくなる(� �張機密度が大きくなる)予膨張領域を示して� ��る。

 例えば、現在の冷凍サイクルの運転状態� ��図8中のイの状態とすれば、外気温度が上昇 した場合、冷凍サイクルの運転状態はアのよ うに変化する。このとき、外気温度の上昇に 伴って放熱器出口温度が上昇し、膨張機5aの� ��口密度が低下する(第2圧縮機5bの吸入密度に 対する膨張機5aの入口密度の比が低下する)。 そこで、予膨張弁6が全開状態でない場合は� �膨張弁6を開いて入口圧力を上昇させること� ��膨張機5aの入口密度を増加させ、膨張機5aの 回転数を低減する。予膨張弁6が全開の場合� �バイパス弁7を開いて膨張機5aを通過する冷� �流量を低減し、同様に回転数を低下させる� �このとき、膨張機5aと同軸で接続された第2� �縮機5bの回転数も減少するため、冷媒流量一 定の条件を満たすために第2圧縮機5bの吸入圧 力は上昇する。また、膨張機5aの予膨張弁6を 開く場合は回収動力が増加するため、第2圧� �機5bの吸入圧力と吐出圧力のどちらも上昇す る。バイパス弁が開く場合は膨張機5aの回収� ��力は低下するが、第2圧縮機5bの吸入圧力の� ��昇幅と回収動力の低下による吐出圧力の低� ��幅を比較すると、冷媒の物性から第2圧縮機 5bの吸入圧力上昇幅の方が大きく、結果とし� ��吐出圧力は上昇する。上記のような動作で� ��転数を減少させ、膨張機5aおよび第2圧縮機5 bを通過する冷媒流量と回収動力をバランス� �せ、第1室外熱交換器3aの出口温度を所定値� �調整する。

 一方、例えば、現在の冷凍サイクルの運� ��状態を図8中のイの状態とすれば、外気温度 が低下した場合、冷凍サイクルの運転状態は ウのように変化する。このとき、外気温度の 低下に伴って放熱器出口温度が低下し、膨張 機入口密度が増加する(第2圧縮機5bの入口密� �に対する膨張機5aの吸入密度の比が増加する )。そこで、バイパス弁7が全閉状態でない場� ��はバイパス弁を閉じて膨張機5aを通過する� �媒流量を増加させて膨張機5aの回転数を増加 させる。バイパス弁7が全閉の場合は、予膨� �弁6を閉じて入口圧力を低下させることで膨� ��機5aの入口密度を低減させ、同様に回転数� �増加する。このとき、膨張機5aと同軸で接続 された第2圧縮機5bの回転数も増加するため、 流量一定の条件を満たすために第2圧縮機5bの 吸入圧力が低下する。また、膨張機5aの予膨� ��弁6を閉じる場合は回収動力が減少するため 、第2圧縮機5bの吸入圧力と吐出圧力のどちら も低下する。膨張機5aのバイパス弁を閉じる� ��合は膨張機5aの回転数と回収動力がどちら� �増加するが、第2圧縮機5bの吸入圧力の低下� �と回収動力の増加による吐出圧力の上昇幅� �比較すると、冷媒の物性から第2圧縮機5bの� �入圧力低下幅の方が大きく、結果として吐� �圧力は低下する。上記のような動作で回転� �を減少させ、膨張機5aおよび第2圧縮機5bを通 過する冷媒流量と回収動力をバランスさせ、 第1室外熱交換器3aの出口温度を所定値に調整 する。

 なお、外気温度が極端に低下する場合は� ��図8中のエの状態で示すように、膨張機5aに� ��る動力回収効果(第2圧縮機5bの圧縮動力)が� �さくなるため、予膨張弁6を全閉してバイパ� ��弁7のみで必要な減圧を行うようにしても良 い。

 以上より、外気温度が上昇した場合は、� ��張機5aの回転数を減少させるバイパス領域� �なり、外気温度が低下した場合は、膨張機5a の回転数を増加させる予膨張領域となる。こ のことを一般化して示すと、図8中に点線で� �す等密度比線を境界として、第2圧縮機5bの� �入密度に対する膨張機の入口密度の比が大� �くなる場合は、白抜きの右斜め上方矢印に� �すようにバイパス領域で操作され、上記の� �度比が小さくなる場合は、白抜きの左斜め� �方矢印に示すように、予膨張領域で操作さ� �る。これは、外気温度だけでなく、室内温� �や空調負荷が変化した場合も同様となる。

 具体的な制御アルゴリズムを図1および図 9に基づいて説明する。図9に示すように、ST1� ��は室内温度(Ti)、外気温度(To)、空調負荷(Q)� �検知され、その値に基づいてST2で予膨張弁6� ��入口目標温度Tco mが演算される。ここで、� ��調負荷Qは、室内温度、外気温度、圧縮機周 波数などの情報を用いて推定することができ る。ST3では予膨張弁6の入口温度Tcoを検知し� �入口温度Tcoと入口目標温度Tco mとの差がε1(� �1は正の値)よりも大きい場合は(ST4)、膨張機� ��速モードを実行する(ST5)。この場合、予膨� �弁6が全開でなければ(ST6)、予膨張弁6を開と� ��(ST7)、予膨張弁6が全開であれば(ST6)、バイ� �ス弁7を開とする(ST7)。

 一方、入口温度Tcoと入口目標温度Tco mの� ��が-ε1(ε1は正の値)よりも小さい場合は(ST4)� �膨張機増速モードを実行する(ST5)。この場合 、バイパス弁7が全閉でなければ(ST6)、バイパ ス弁7を閉とし(ST7)、バイパス弁7が全閉であ� �ば(ST6)、予膨張弁6を閉とする(ST7)。

 このようにして、膨張機ユニット5の回転 数を増減し、予膨張弁6の入口温度Tcoを入口� �標値Tco mに一致させる。このとき、入口温� �Tcoと入口目標温度Tco mとの差の絶対値がε1� �りも小さくなれば、制御が終了する。この� �では、予膨張弁6の入口温度Tcoを入口目標値� ��制御する例を示したが、これに限るもので� ��なく、第1圧縮機1または第2圧縮機5bの吐出� �度Tdを検知し、Tdが目標値となるように、あ� ��いはTdとTcoの差δTcが目標値となるように制� ��しても良い。また、第1圧縮機1や第2圧縮機5 bの吐出部に圧力センサーを設け、検出圧力� �目標値となるように制御しても良い。

 本実施の形態では、四方弁4を用いて冷房 運転、暖房運転ともに膨張機を使用する例を 示したが、冷房運転時のみ膨張機5aを使用す� ��構成としても良い。その場合、四方弁4の第 2口4bと第3口4c、第1口4aと第4口4dがそれぞれ配 管で接続されて四方弁4が不要となる。この� �き、冷房運転時は膨張機5aを用いて動力回収 する冷媒回路を、暖房運転時は膨張機5aのバ� ��パス弁を用いて動力回収しない冷媒回路を� ��成する。

 また、本実施の形態では、膨張機5aの例� �して図7に示す構造を示したが、これに限る� ��のではなく、膨張機5a前後の圧力差が所定� �以上となる場合に膨張機5a内部の膨張機構出 入口部をバイパスする配管中に設けられた圧 力リリーフ弁が開放される構成としても良い 。この場合、所定の圧力差以上では、リリー フ弁が開放状態となるため圧力差に応じた通 過冷媒流量が膨張要素をバイパスされ、膨張 機5aの外部に設けた電子膨張弁は不要となる� ��

 以上より、第2圧縮機5bと第1圧縮機1とが� �列に接続され、第2熱源側熱交換器3bが冷却� �転時に第1圧縮機1と第2圧縮機5bの間に配置さ れるとともに、運転モードに関わらず第1熱� �側熱交換器1および第2熱源側熱交換器5bを利� ��した運転を行う冷凍サイクル装置が得られ� ��。

 室外熱交換器の全伝熱面積に対する第2室 外熱交換器の伝熱面積比を0.3~0.5、膨張機容� �と膨張機5aで駆動する第2圧縮機5bの容積の比 (膨張圧縮容積比)を1.8~2.3に設定することで、 膨張機を効率良く活用して高い性能が得られ る冷凍サイクル装置を提供することができる 。特に、膨張機と第2圧縮機がともにスクロ� �ル型の構造である場合、膨張圧縮容積比が� �くなると、第2圧縮機側のスラスト荷重を減� ��すために第2圧縮機側渦巻きの歯高を極端に 高くするという構造面の課題も発生するので 、膨張圧縮容積比を2.3未満に抑えることは信 頼性を向上させる。また、予膨張弁の入口温 度や膨張機で駆動する第2圧縮機の吐出温度� �検知し、それらの検知値に基づいて予膨張� �とバイパス弁の開度を制御することで、膨� �機を通過する通過冷媒流量と回収動力を調� �し、膨張機を効率良く使用することができ� �。

 以下、本発明の実施の形態2による冷凍サ イクル装置について説明する。図10は、本発� ��の実施形態2に係る冷凍サイクル装置を示す 模式図であり、実施の形態1と異なるのは、� �内ユニット毎に冷房運転と暖房運転が選択� �きる点と、室外熱交換器が3つに分割されて� ��る点である。図10において、本実施の形態� �係る冷凍サイクル装置は、第1室外熱交換器3 a、第2室外熱交換器3b、第3室外熱交換器3cを� �蔵する室外ユニット100、室内熱交換器9a、9b� ��9cを内蔵する室内ユニット200a、200b、200c、� �媒の分岐状態を制御する分岐ユニット300、� �外ユニット100と分岐ユニット300とを接続す� �高圧管63および低圧管64とにより構成されて� ��る。このサイクル内部には冷媒として例え� ��臨界温度(約31℃)以上で超臨界状態となる二 酸化炭素が封入されている。

 室外に配置された室外ユニット100内には� ��冷媒ガスを圧縮するための第1圧縮機1、運� �モードに応じて冷媒が流れる方向を切換え� �第1冷媒流路切換え手段である四方弁2、運転 モードに応じて凝縮器または蒸発器となる第 1室外熱交換器3a、第2室外熱交換器3b、第2室� �熱交換器3c、膨張機5aと第2圧縮機5bが一体に� ��成された膨張機ユニット5、外気を強制的に 各室外熱交換器3a、3b、3cの外表面に送風する ための図示しない送風機が収納されている。 膨張機ユニット5の内部には、膨張機5aと第2� �縮機5bがそれぞれ配置されており、それらは 同軸で連結されている。第2圧縮機5bにはバイ パス回路が設けられ、バイパス回路中に開閉 弁として逆止弁であるバイパス弁53が設けら� ��ている。膨張機5aと第2圧縮機5bの流量と動� �を一致させるため、膨張機5aには直列に開度 変更可能な開閉手段である電子膨張弁である 開閉弁6(以下、予膨張弁とも呼ぶ)、並列に電 子膨張弁である開閉弁7(以下、バイパス弁と� ��呼ぶ)が設けられている。また、高圧管63と� ��圧管64に冷媒を同一方向に流すため、開閉� �として例えば逆止弁90、91、92を設けており� �冷房運転と暖房運転を切換えるために、開� �弁として例えば逆止弁94、電磁弁29を設けて� ��る。また、第1室外熱交換器3a、第2室外熱交 換器3b、第3室外熱交換器3aへの冷媒流通を制� ��するために、開閉弁として例えば電磁弁26� �27、28が設けられ、冷房運転時および暖房運� ��時の逆流防止用に逆止弁93、96、97が設けら� ��ている。

 分岐ユニット300内には、減圧装置である� ��子膨張弁20、21、開閉弁である電磁弁30~35が� ��納されている。

 室内ユニット200a、200b、200cには、負荷側� ��交換器である室内熱交換器9a、9b、9c、各室� ��熱交換器への冷媒分配を調節する開度変更� ��能な減圧手段である電子膨張弁8a、8b、8c、� ��内空気を強制的に各室内熱交換器の外表面� ��送風するための図示しない送風機およびそ� ��らを接続するための配管が内蔵されている� ��室内熱交換器9a、9b、9cの一端は直接分岐ユ� ��ット300と接続され、他端は電子膨張弁8a、8b 、8cを介して分岐ユニット300に接続されてい� ��。なお、本実施の形態では、室内ユニット� ��3台としているが、2台あるいは4台以上とし� ��も良いことは言うまでもない。

 上記のように構成された冷凍サイクル装� ��について運転動作を説明する。本実施の形� ��における冷凍サイクル装置は、全冷房運転� ��全暖房運転、冷房主体運転、暖房主体運転� ��4つの運転モードを有している。まず、膨張 機ユニット5を利用して動力回収を行う全冷� �運転の場合について図10に基づいて説明する 。全冷房運転では、室外ユニット100内部の四 方弁2は第1口2aと第4口2dが連通し、第3口2cと� �2口2bが連通するように設定される(図10中実� �)。室内ユニット内の電子膨張弁8a、8b、8cは� ��開される。電子膨張弁20は全開、21は全閉と する。必要な減圧機能は膨張機5aで実現する� ��、どの室内熱交換器9a、9b、9cの出口部にも� ��切な過熱度(例えば、5~10℃)が得られない場� ��、予膨張弁6を閉方向に制御して必要な減圧 量を得る。

 全冷房運転では、室外ユニット100内の電� ��弁26、27、28の開閉により第1圧縮機1、第2圧� ��機5bそれぞれの吐出冷媒の放熱量を調整す� �ことができるが、本実施の形態では、電磁� �27、28が開放され、電磁弁26が閉止される場� �について説明する。また、電磁弁29は閉止さ れる。分岐ユニット300内の電子膨張弁20は全� ��、21は全閉に、電磁弁30、32、34は開状態、� �磁弁31、33、35は閉状態に設定される。この� �き、第1圧縮機1から吐出された高温高圧のガ ス冷媒は、四方弁2の第3口2cから第2口2bを通� �て、電磁弁29が閉止されているので、逆止弁 94に流れる。逆止弁94を通過した冷媒は、逆� �弁97が第2圧縮機5bによる圧力差で閉止される ので、電磁弁27、28を通過し、第2室外熱交換� ��3b、第3室外熱交換器3cを並列に流れて放熱� �、熱交換器出口部で合流する。合流した冷� �は、逆止弁96が第2圧縮機の圧力差により閉� �されているので、膨張機5aの回収動力で駆動 する第2圧縮機5bに流入する。第2圧縮機5bに流 入した冷媒は、膨張機5aで回収された動力に� ��合う分だけ圧縮される。

 第2圧縮機5bに設けられたバイパス弁53は� �圧力差がない起動時には開放されるが、膨� �機5aの回収動力により第2圧縮機5bが駆動する と、圧力差により閉止される。

 第2圧縮機5bから吐出された冷媒は、逆止� ��93を通過し、第1室外熱交換器3aで被加熱媒� �である空気に放熱し、電磁弁29が閉止してい るため予膨張弁6とバイパス弁7へ分配される� ��予膨張弁6で膨張機5aの入口密度を調節され� ��冷媒は、膨張機5aで減圧されてバイパス弁7� ��減圧された冷媒と合流し、逆止弁92が閉止� �れるため、高圧管63を通過する。このとき、 膨張機5aのバイパス弁7は、第2圧縮機5bを通過 する冷媒流量、回収動力が釣合うように制御 される。その後、冷媒は分岐ユニット300に流 入し、電子膨張弁20を通って室内ユニット200a 、200b、200c内の電子膨張弁8a、8b、8cで各熱交� ��器への分配流量比が調整され、室内熱交換� ��9a、9b、9cで空調対象空間の熱負荷を処理し� ��後、電磁弁30、32、34を通って、低圧管64に� �入し、逆止弁90、四方弁2の第4口4dから第1口4 aを経て第1圧縮機1に流入する。このように、 本実施の形態では、全冷房運転時には膨張機 5aによる動力回収を行い、第2圧縮機5bを用い� ��二段圧縮サイクルで動作する。

 つぎに、全暖房運転について図10に基づ� �て説明する。本実施の形態における全暖房� �転では、膨張機5aを使用しないので、予膨張 弁6、バイパス弁7は閉止する。また、室外ユ� ��ット100内の電磁弁26、27、28の開閉操作によ� ��蒸発器として動作する室外熱交換器3a、3b、 3cの個数を調整することができるが、本実施� ��形態では、電磁弁27、28が開放され、電磁弁 26が閉止される場合について説明する。この� ��き、電磁弁29は開放される。また、分岐ユ� �ット300内の電子膨張弁20は全閉、21は全開に� ��電磁弁31、33、35は開状態、電磁弁30、32、34� ��閉状態に設定される。

 本実施の形態における全暖房運転では、� ��外ユニット100内部の四方弁2は第1口2aと第2� �2bが連通し、第3口2cと第4口2dが連通するよう に設定される。この場合、減圧機能は室内ユ ニット200a、200b、200c内の電子膨張弁8a、8b、8c で実現される。

 このとき、第1圧縮機1で圧縮され高温高� �の超臨界状態となった冷媒は、四方弁2の第3 口2cから第4口2dを経て、逆止弁90が閉止され� �ために、逆止弁92を通過し、高圧管63を経て� ��岐ユニット300に流入する。分岐ユニット300� ��流入した冷媒は、電子膨張弁20が閉止して� �るため電磁弁31、33、35を通過し、室内ユニ� �ト200a、200b、200cに流入する。各室内ユニッ� �に流入した高温高圧の冷媒は、室内熱交換� �9a、9b、9cに流入し、図示しない室内空気に� �熱して室内を暖房すると共に自らは温度が� �下する。この中温高圧の冷媒は、電子膨張� �8a、8b、8cで減圧され、電子膨張弁21を経て、 低圧管64に流入する。低圧管64を通過した冷� �は、逆止弁91を通過し、電磁弁27、28、逆止� �97に流入する。電磁弁27、28、逆止弁97に流入 した冷媒は、逆止弁93が室外熱交換器内の圧� ��差で閉止されているので、第1~第3の室外熱� ��換器3a、3b、3cを並列に流れそれぞれ蒸発す� ��。第2室外熱交換器3bおよび第3室外熱交換器 3cで蒸発した冷媒は、熱交換器出口部で合流� ��、逆止弁96を通過して第1室外熱交換器3aを� �出した冷媒と合流し、電磁弁29へ流入する。 電磁弁29を通過した冷媒は、逆止弁94が室外� �交換器内の圧力差で閉止されているので、� �方弁2の第2口4b、第1口2aを経て第1圧縮機1の� �入側へ戻る。

 つぎに、冷房主体運転では、暖房運転が� ��求される室内ユニットに高温・高圧ガスを� ��給する必要があるため、膨張機5aによる減� �は行わない。すなわち、この場合には、四� �弁2の接続状態は冷房運転の場合と同様とし� ��膨張機5aのバイパス弁7を全開として運転を� ��う。本実施の形態では、室内ユニット200aに 暖房運転が要求され、他の2つの室内ユニッ� �200b、200cでは冷房運転が要求される場合につ いて説明する。また、電磁弁27が開放され、� ��磁弁26、28、29が閉止される冷房主体運転に� ��いて説明する。このとき、分岐ユニット300� ��の電子膨張弁20、21は閉止され、電磁弁30、3 3、35は閉状態、電磁弁31、32、34は開状態に設 定される。第1圧縮機1から吐出された高温高� ��のガス冷媒は、四方弁2の第3口2cから第2口2b を通って、電磁弁29が閉止されているので、� ��止弁94に流れる。逆止弁94を通過した冷媒は 、電磁弁28が閉止されているので、電磁弁27� �逆止弁97を通過し、逆止弁97を通過した冷媒� ��さらに電磁弁26、逆止弁93が閉止されている ので、第1室外熱交換器3aに流入し放熱する。 一方、第2室内熱交換器3bで放熱した冷媒は、 逆止弁96を通って第1室外熱交換器3aで放熱し� ��冷媒と合流し、電磁弁29および予膨張弁6が� ��止しているため、全開されたバイパス弁7を 通過し、高圧管63に流入する。

 その後、冷媒は分岐ユニット300に流入し� ��暖房運転の要求される室内ユニット200aには 電子膨張弁20入口部で分岐された冷媒が、冷� ��運転の要求される室内ユニット200b、200cに� �他の冷媒が供給される。暖房運転の要求さ� �る室内ユニット200aには電磁弁31を通過した� �媒が流入し、室内熱交換器9aで放熱して電子 膨張弁8aで中間圧力まで減圧される。冷房運� ��の要求される室内ユニット200b、200cには電� �膨張弁8aを通過した冷媒が供給される。その 後、電子膨張弁8b、8cで各熱交換器への分配� �量比が調整され、室内熱交換器9b、9cで空調� ��象空間の熱負荷を処理した後、電磁弁32、34 を通って、低圧管64に流入し、逆止弁90、四� �弁2の第4口4dから第1口4aを経て第1圧縮機1に� �入する。

 このように、本実施の形態では、冷房主� ��運転時には膨張機5aによる動力回収を行わ� �い。

 つぎに、暖房主体運転では、暖房運転が� ��求される室内ユニットに高温・高圧ガスを� ��給する必要があるため、膨張機5aによる減� �は行わず、予膨張弁6、バイパス弁7を閉止す る。暖房主体運転における四方弁2の接続状� �は、暖房運転時と同様である。本実施の形� �では、室内ユニット200aでは冷房運転が要求� ��れ、他の2つの室内ユニット200b、200cでは暖� ��運転が要求される場合について説明する。� ��た、電磁弁27、29が開放され、電磁弁26、28� �閉止される暖房主体運転について説明する� �このとき、分岐ユニット300内の電子膨張弁21 は、適切な前後差圧が得られる開度に、電磁 弁30、33、35は開状態、電磁弁31、32、34および 電子膨張弁20は閉状態に設定される。第1圧縮 機1から吐出された高温高圧のガス冷媒は、� �方弁2の第3口2cから第4口2dを通って、逆止弁9 0が閉止されているので、逆止弁92に流れる。 逆止弁92を通過した冷媒は、予膨張弁6、バイ パス弁7が閉止しているので、高圧管63に流入 する。

 その後、冷媒は分岐ユニット300に流入し� ��暖房運転の要求される室内ユニット200b、200 cには電子膨張弁20入口部で分岐された冷媒が 、冷房運転の要求される室内ユニット200aに� �他の冷媒が供給される。暖房運転の要求さ� �る室内ユニット200b、200cには電磁弁33、35を� �過した冷媒が流入し、室内熱交換器9b、9cで� ��熱して電子膨張弁8b、8cで中間圧力まで減圧 される。一方、冷房運転の要求される室内ユ ニット200aには、電子膨張弁8b、8cを通過した� ��媒の一部が供給される。他の冷媒は電子膨� ��弁21を通過して低圧管64に流入する。電子膨 張弁8aを通過した冷媒は、室内熱交換器9aで� �調対象空間の熱負荷を処理した後、電磁弁30 を通って、電子膨張弁21を流出した気液二相� ��媒と合流する。

 低圧管64を通過した冷媒は、逆止弁91を通 過し、逆止弁97および電磁弁27に流入する。� �止弁97を通過した冷媒はさらに電磁弁26、逆� ��弁93が閉止されているので、第1室外熱交換� ��3aに流入して蒸発する。第2室内熱交換器3b� �蒸発した冷媒は、逆止弁96を通って第1室外� �交換器3aで蒸発した冷媒と合流し、予膨張弁 6およびバイパス弁7が閉止しているので、電� ��弁29を通過し、四方弁2の第2口4bから第1口4a� ��経て第1圧縮機1に流入する。

 このように、本実施の形態では、暖房主� ��運転時にも膨張機5aによる動力回収を行わ� �い。

 本実施の形態では、膨張機を利用する全� ��房運転では、環境条件に応じて、第2圧縮機 5bの吸入側に配置される室外熱交換器の伝熱� ��積を制御し、効率の高い運転を実現する。� ��えば、実施の形態1の図8に示したように、� �気温度が上昇すると、放熱器出口温度が上� �し、膨張動力が増加するため予膨張弁であ� �開閉弁6あるいはバイパス弁である開閉弁7を 開放する方向(回転数を減少させる方向)で運� ��され、逆に外気温度が低下すると、放熱器� ��口温度が低下し、膨張動力が減少するため� ��閉弁6あるいは開閉弁7を閉止する方向(回転� ��を増加させる方向)で運転される。

 そこで、本実施の形態では、図8の関係を 利用して外気温度が低下する場合、第2圧縮� �5b吸入側の室外熱交換器の伝熱面積(室外熱� �換器の利用台数)を電磁弁の開閉操作により� ��少させ、予膨張弁である開閉弁7での回収動 力の損失を低減することができる。一方、外 気温度が上昇する場合、第2圧縮機5b吸入側の 室外熱交換器の伝熱面積(室外熱交換器の利� �台数)を増加させ、バイパス弁7での回収動力 の損失を低減することができる。この制御は 外気温度が変化した場合だけでなく、室内温 度や空調負荷が変化した場合にも同様の制御 思想を適用することができる。

 以上より、外気温度、室内温度、空調負� ��といった環境条件に応じて、第2圧縮機5b吸� ��側の室外熱交換器の伝熱面積(室外熱交換器 の利用台数)を増減させることで膨張機5aでの 回収動力損失を最小限に抑え、冷凍サイクル 装置を高効率で運転することができる。

 なお、膨張機5aの入口部に設けた予膨張� �6とバイパス弁7を用いた通過冷媒流量および 回収動力の制御方法は実施の形態1と同様で� �るため、詳細な説明を省略する。

 以上より、冷房運転と暖房運転を同時に� ��うことができる冷凍サイクル装置において� ��全冷房運転モードのみで膨張機による動力� ��収運転を行うとともに、外気温度、室内温� ��、空調負荷という環境条件に応じて第2圧縮 機5b吸入側の室外熱交換器の伝熱面積を増減� ��せることで膨張機5aでの回収動力の損失を� �小限に抑え、冷凍サイクル装置を高効率で� �転することができる。なお、本実施の形態� �は、第2圧縮機5bの吸入側の伝熱面積を変化� �せる構成を示したが、第2圧縮機1の吐出側の 伝熱面積を変化させ、膨張機5aの入口密度を� ��化させる構成としても良い。また、伝熱面� ��を増減させる例を示したが、室外熱交換器� ��の送風量を増減させるようにしても良い。

 以下、図11~図16に示す本発明の実施の形� �3による冷凍サイクル装置について説明する� ��実施の形態3が実施の形態1と異なるのは、� �張機ユニット内に第2圧縮吐出圧空間を設け� ��バイパス回路の出口側を第2圧縮吐出圧空間 に接続する点である。この構造により、バイ パス回路を流れる流体が常に第2圧縮吐出圧� �間を経由して冷媒回路に流れる。

 図11は、本発明の実施形態3に係る冷凍サ� ��クル装置の模式図、図12は、本発明の実施� �態3に係る膨張機ユニットの詳細構造である� ��図において、同一の符号を付したものは、� ��一またはこれに相当するものであり、この� ��とは、明細書の全文において共通すること� ��ある。

 本実施の形態に係る冷凍サイクル装置に� ��いて、室外に配置された室外ユニット100内� ��は、冷媒ガスを圧縮するための第1圧縮機1� �室内ユニット200a、200bの運転モードに応じて 冷媒が流れる方向を切換える冷媒流路切換え 手段である四方弁2および四方弁4、運転モー� ��に応じて放熱器または蒸発器となる第1室外 熱交換器3aおよび第2室外熱交換器3b、外気を� ��制的に第1室外熱交換器3a、第2室外熱交換器 3bの外表面に送風するための図示しない送風� ��が収納されている。

 膨張機ユニット50の内部には、膨張機5aと 第2圧縮機5bがそれぞれ配置されており、それ らは同軸で連結されている。第2圧縮機5bには 、外部配管からなるバイパス回路とバイパス 回路中に開閉弁として逆止弁であるバイパス 弁53が設けられ、バイパス回路の出口端は膨� ��機ユニット50に接続されている。なお、冷� �サイクルを構成するその他の機器および制� �方法は実施の形態1と同様であるため、詳細� ��説明を省略する。

 図12は、図11の冷凍サイクル装置内の膨張 機ユニット50の構成を示し、膨張機5a、第2圧� ��機5bともにスクロール構造を採用したもの� �ある。膨張機ユニット50の密閉容器310内の下 方には、膨張機5aが設置されており、膨張機5 aの上方には、第2圧縮機5bが設置されている� �膨張機5aは膨張機用固定スクロール351と膨張 機用揺動スクロール352とから構成され、第2� �縮機5bは第2圧縮機用固定スクロール361と第2� ��縮機用揺動スクロール362から構成されてい� ��。これらのスクロールの中心部には軸308が� ��通しており、軸308の両端部にはバランスウ� ��イト309a、309bが設けられ、軸308は膨張機構� �軸受け部351b、第2圧縮機構側軸受け部361bで� �持されている。また、揺動スクロールの膨� �機構側渦巻352と第2圧縮機構側渦巻362とは、� ��面合わせ構造または台板を共有して一体型� ��構成されている。揺動スクロール中央部に� ��揺動スクロールを偏心駆動するクランク部3 08bが設けられ、第2圧縮機構側には揺動スク� �ールの自転を規正するオルダムリング307が� �けられている。

 軸308の下端には、給油ポンプ306が装着さ� ��、軸8内には給油孔308cが空けられている。� �定スクロール351と固定スクロール361の外周� �には、固定スクロール361の上部空間370から� �揺動スクロール運動空間371を経由しない油� �し孔317が設けられ、固定スクロール351の下� �空間372には潤滑油318が貯留されている。

 潤滑油318が貯留される密閉容器310底部に� ��、第1圧縮機1と下部空間372の適正油面高さ� �り高い位置あるいは密閉容器310の底面を連� �させる油配管380が設けられている。

 膨張機構5の外周であって密閉容器310の側 面には、冷媒を吸入する膨張吸入管313および 膨張した冷媒を吐出する膨張吐出管315が設置 されている。一方、第2圧縮機5bの上方であっ て密閉容器310の上面には、冷媒を吸入する第 2圧縮吸入管312が設けられている。第2圧縮機5 bの固定スクロール361より上方であって密閉� �器310内の側面には、バイパス弁53に接続する バイパス管316と、圧縮した冷媒を吐出する第 2圧縮吐出管314が設置されている。

 膨張機5aにおいては、固定スクロール351� �台板351aには、冷媒を吸入するための膨張吸� ��ポート351dが開けられており、膨張吸入管313 に連結している。固定スクロール351の渦巻351 sと揺動スクロールの膨張機構側渦巻352のそ� �ぞれの先端には、固定スクロール351の渦巻35 1sと揺動スクロールの膨張機構側渦巻352とで� ��成される第2圧縮室353を仕切るチップシール 354が装着されている。

 第2圧縮機5bにおいては、固定スクロール3 61の台板361aには、冷媒を吸入するための第2� �縮吸入ポート361dと冷媒を吐出するための第2 圧縮吐出ポート361eが空けられており、第2圧� ��吸入ポート361dは、第2圧縮吸入管312に連結� �ている。固定スクロール361の渦巻361sと揺動� ��クロールの第2圧縮機構側渦巻362のそれぞれ の先端には、固定スクロール361の渦巻361sと� �動スクロールの第2圧縮機構側渦巻352とで形� ��される第2圧縮室363を仕切るチップシール364 が装着されている。また、揺動スクロールに 対向する面であって固定スクロール361の渦巻 361s外周には、揺動スクロールと固定スクロ� �ル361とをシールする外周シール365が設けら� �ている。

 図13は、この発明の実施の形態3による第2 圧縮機5bを示す平面図であり、揺動スクロー� ��の第2圧縮機構側渦巻362と固定スクロール361 とを組み合わせた図である。第2圧縮吸入ポ� �ト361dは、揺動スクロールの第2圧縮機構側の 渦巻外端部と干渉しない位置に開けられてお り、第2圧縮室363の最外周壁と固定スクロー� �361に設けた外周シール365とで囲まれた空間� �第2圧縮機5bの吸入圧空間374となっている。

 つぎに、膨張機ユニット50の動作につい� �説明する。図14は、この発明の実施の形態3� �よる第2圧縮機の冷媒ガスと油の流れを示す� ��である。

 固定スクロール351と揺動スクロールの膨� ��機構側渦巻352とで形成される膨張室353内で� ��膨張吸入管313から吸入した高圧の冷媒が膨� ��することによって動力が発生する。膨張室3 53内で膨張減圧した冷媒は、揺動スクロール� ��動空間371を経由して膨張吐出管315から密閉� ��器310外へ吐出される。

 膨張機5aで発生した動力によって、第2圧� ��機5bの固定スクロール361と揺動スクロール� �第2圧縮機構側渦巻362とで形成される第2圧縮 室363内で、第2圧縮吸入管312から吸入した冷� �が圧縮昇圧される。第2圧縮室363内で圧縮昇� ��された冷媒は、一旦密閉容器310内の上部空� ��370に吐出された後、第2圧縮吐出管314を通っ て密閉容器310外へ吐出される。このとき、揺 動スクロール運動空間371と第2圧縮機5bの外周 部は、外周シール365によってシールされおり 、揺動スクロール運動空間371内は膨張後圧力 となり、下部空間372は、揺動スクロール運動 空間371を経由しない油戻し孔317を通じて上部 空間370と同じ第2圧縮機の圧縮後圧力となっ� �いる。密閉容器310の外部に設けられたバイ� �ス弁53は、第2圧縮機5bの高低圧差により、閉 止されている。

 つぎに、第2圧縮機において、冷媒ガスと ともに循環する油の動作について説明する。 第1圧縮機1から冷媒ガスとともに第2圧縮機5b� ��吸い込まれた油は、第2圧縮吐出ポート361e� �ら吐出弁330を経て、上部空間370に流入する� �上部空間370に流入した油は、上部空間370内� �気液分離され、固定スクロール361上面に溜� �った後、油戻し孔317を経由して下部空間372� �油貯留部へ戻される。さらに、下部空間372� �貯留される過剰な油318は、密閉容器310底部� �設けた油配管380を経由して、第1圧縮機1と下 部空間372との差圧で第1圧縮機1内に戻され、� ��面が適正な位置に保持される。以上が、第2 圧縮機5b内で高低圧力差が生じている時の動� ��である。

 つぎに、第2圧縮機5bで高低圧力差がない� ��(起動時や冷房運転でのみ膨張機を使用する 冷凍システムの暖房運転時や回転数が低い運 転時など)の動作について説明する。図15は、 第2圧縮機5bで高低圧力差が生じない時のこの 発明の実施の形態3による第2圧縮機の冷媒ガ� ��と油の流れを示す図の一例である。このと� ��は、回転数が低くて、第2圧縮機5bの吸入流� ��が第1圧縮機5aの吐出流量を下回り、第2圧縮 機5bの吸入圧力が圧縮後圧力より上昇して、� ��イパス弁53が開放状態となる。第1圧縮機1か ら吐出された冷媒ガスは、第2圧縮吸入管312� �ら吸い込まれ第2圧縮室363を経由して上部空� ��370に吐出される経路と、バイパス弁53およ� �バイパス管316を経て上部空間370に至る経路� �分かれて上部空間370に流入する。その後、� �2圧縮吐出管314を通って密閉容器310外へ吐出� ��れる。冷媒ガスとともに循環する油につい� ��も、冷媒ガスと同様、二経路に分かれて、� ��部空間370に流入する。冷媒ガスとともに流� ��した油は、上部空間370内で気液分離され、� ��定スクロール361上面に溜まったのち、油戻� ��孔317を経由して下部空間372の油貯留部へ戻� ��れる。

 図16は、第2圧縮機5bで高低圧力差が生じ� �い時のこの発明の実施の形態3による第2圧縮 機の冷媒ガスと油の流れを示す図の別の例で ある。このときは、第2圧縮機5bが回転せずに 、冷凍サイクル装置を流れる全量の冷媒ガス と循環する油がバイパス管314を流れ、上部空 間370に流入する。その後冷媒ガスは、第2圧� �吐出管314を経て密閉容器310外へ吐出される� �一方、冷媒ガスとともに流入した油は、上� �空間370内で気液分離され、固定スクロール36 1上面に溜まったのち、油戻し孔317を経由し� �下部空間372の油貯留部へ戻される。

 すなわち、本実施の形態では、バイパス� ��53により過剰な流量分のバイパスが自動的� �行われるとともに、冷凍サイクル装置を流� �る全量の冷媒ガスと循環する油が、常に第2� ��縮機5bの上部空間370を通過し、上部空間370� �で気液分離される。

 つぎに、膨張機ユニット50内の給油機構� �ついて説明する。膨張機5aの膨張動力によっ て軸308が回転すると、給油ポンプ306によって 、下部空間372に貯留される潤滑油318が、給油 孔308cを経由して各軸受け部361b、352bとクラン ク部308bへ供給される。また、各軸受け部361b� ��352bとクランク部308bへ供給された潤滑油318� �上部空間370への漏洩量は、油戻し孔317を経� �して下部空間372の油貯留部へ戻される。

 揺動スクロールに作用するスラスト荷重� ��ついては、本実施の形態においても揺動ス� ��ロール運動空間は膨張後圧力となっており� ��実施の形態1と同様である。

 上記の構成により、膨張機ユニット50内� �分離された油が、第1圧縮機1と膨張機ユニッ ト50の間で冷凍サイクルの回路を経由せずに� ��直接第1圧縮機1に移動するので、膨張機ユ� �ット50が第1圧縮機1の油分離器として機能し� ��冷媒中に油が混在することによる熱交換性� ��の低下を抑制できる効果がある。

 さらに、膨張機ユニット50の油分離機能� �油配管380による油面調整機能により、常に� �正な油量が下部空間372に保持され、軸受部� �安定した給油が行なわれるとともに、過剰� �油による攪拌ロスの発生も防止できるので� �起動性を向上できる効果がある。

 以下、図17~図19に示すこの発明の実施の� �態4による冷凍サイクル装置について説明す� ��。先に図1~図9に示す冷凍サイクル装置に関� ��して説明した通り、熱交換器の段方向の風� ��分布が均一の時は、第2室外熱交換器3bの伝� ��面積比を0.3~0.5、かつ膨圧容積比を1.8~2.3に� �定することで、COP向上比は最大となるが、� �ァンが熱交換器よりも上部に設置されてい� �時は、熱交換器の段方向に風速分布が生じ� �ため、第1室外熱交換器3aおよび第2室外熱交� ��器3bのそれぞれでの伝熱性能が変化し、風� �分布が均一な場合と同一能力となる伝熱面� �の比は異なったものとなる。そこで、実際� �熱交換器を作成する場合は熱交換器の段方� �の風速分布を考慮しなければならない。

 ここで、熱交換器の段方向の風速分布が� ��17のようになっているものとする。これは� �図18に示すように、C部のファンを熱交換器� �りも上部へ設置した場合であり、熱交換器� �高い位置にあるA部は第2室外熱交換器とし、 低い位置にあるB部は第1室外熱交換器として� ��用する構成とし、熱交換器の段方向の風速� ��布を考慮すると、図19に示すようにA部の伝� ��面積比が0.33近辺でCOP向上比は極大値を示す 。そして、COP向上比の極大値よりも-4%のCOP向 上比まで膨張機搭載回路が有効に活用できる ものとすると、A部の伝熱面積比を0.13~0.45の� �囲とするのがよい。ここで、図17からわかる ように、ファンを熱交換器よりも上部へ設置 する場合は、熱交換器の風速は高い位置へ向 かうほど大きくなるため、風速分布一定の場 合に比べ、伝熱面積比は小さくなる。さらに 、図18に示すように、熱交換器を一体もしく� ��列方向にフィンを共有しないように分割す� ��ことで、熱交換器の設置スペースを小さく� ��ることが可能であり、A部を熱交換器の高い 位置に設置することで、A部の伝熱面積を小� �くして設置でき、第2室外熱交換器と第2室外 熱交換器を独立させて使用する場合と比較し て、熱交換器のコスト削減が図れる。

 つぎに、図20に示すように、C部のファン� ��熱交換器よりも上部へ設置し、第2室外熱交 換器A部を第1室外熱交換器B部よりも低い位置 に設定する場合を考える。この時の伝熱面積 比に対するCOP向上比の関係は図21のようにな� ��、A部の伝熱面積比が0.50近辺でCOP向上比は� �大値をとる。そして、COP向上比の極大値よ� �も-4%のCOP向上比まで、膨張機搭載回路が有� �に活用できるものとすると、A部の伝熱面積� ��を0.32~0.60の範囲とするのがよい。このよう� ��熱交換器の低い位置にあるA部を第2室外熱� �換器として利用すると、A部のパス数を増加� ��せることが可能であり、A部内における圧力 損失を低減させることができる。さらに、図 20に示すように、熱交換器を一体もしくは列� ��向にフィンを共有しないように分割するこ� ��で、第2室外熱交換器と第1室外熱交換器を� �立させて使用する場合と比較して、熱交換� �の設置スペースを小さくすることが可能で� �り、熱交換器のコスト削減が図れる。

 さらに図22に示すように、C部のファンを� ��交換器よりも上部へ設置する場合に、室外� ��交換器が列方向に分割され、A部の第2室外� �交換器をB部の第1室外熱交換器よりも風下側 に配置された構成としても良い。このように A部の第2室外熱交換器を風下側に配置するこ� ��により、A部の第2室外熱交換器では高温の� �媒と空気、B部の第1室外熱交換器では低温の 冷媒と空気が熱交換を行う対向流となり、熱 交換器の性能向上が図れる。

 また、本実施の形態では、冷房運転時の� ��能だけで室外熱交換器の全伝熱面積に対す� ��第2室外熱交換器の伝熱面積の比を決める構 成とした。ところで、室外熱交換器が暖房運 転時に蒸発器として利用される場合には吸込 み空気と冷媒温度相当飽和湿り空気とのエン タルピ差(蒸発器では熱交換器が湿り状態と� �るため、熱交換の駆動温度差がエンタルピ� �となる)が小さく、伝熱面積比が性能に及ぼ� ��影響が小さくなるので、冷房運転時の性能� ��みで上記の伝熱面積比を決めることができ� ��。

 また、本実施の形態では、暖房運転時に� ��いても、第1および第2室外熱交換器を使用� �る構成とした。第1および第2室外熱交換器を 配管で分岐させて使用することにより、それ ぞれの熱交換器へ冷媒が流入するときの圧力 損失を低減することができ、熱交換器へ流入 する冷媒量を分岐管の長さおよび径にて調整 できる。

 以上より、ファンを熱交換器よりも上部� ��設置し、熱交換器の段方向の風速分布を考� ��する場合において、第2室外熱交換器を第1� �外熱交換器よりも高い位置に配置し、高い� �置へ第1及び第2室外熱交換器の合計伝熱面積 の比に対する第2室外熱交換器の伝熱面積の� �を0.13~0.45とし、第2室外熱交換器を第1室外熱 交換器よりも低い位置に配置する場合は、低 い位置へ第1及び第2室外熱交換器の合計伝熱� ��積の比に対する第2室外熱交換器の伝熱面積 の比を0.32~0.60とし、室外熱交換器を列方向に 分割する場合は、第2室外熱交換器を風下側� �配置する。

 熱交換器の断面形状はこれまで図示した� ��うなU字状のものでなくとも、例えば、図23� ��示すような直線状等の、その他の形状の熱� ��換器を用いてもよい。また、C部のファンは 熱交換器の上部でなくても、横に設置しても よい。このとき、白抜き矢印は風の流れであ り、風下側のA部を第2室外熱交換器とし、B部 を第1室外熱交換器とする。

 これまで説明してきた実施の形態におい� ��、膨張機5aと第2圧縮機5bの構造はスクロー� �型に限るものではなく、ロータリー型、ス� �リュー型、レシプロ型、スイング型、ター� �型等、どのような構造のものでもよく、同� �の効果を奏するのは言うまでもない。

 また、冷媒回路内の冷媒は二酸化炭素で� ��る場合を例に説明したが、その他の冷媒で� ��よい。超臨界状態となる冷媒としては、そ� ��他に二酸化炭素とジメチルエーテル、ハイ� ��ロフルオロエーテル等のエーテルから構成� ��れる混合冷媒等が使用できる。また、超臨� ��状態になる冷媒に限らず、通常の二相状態� ��熱交換を行う冷媒、すなわち、HFC410A、HFC407 C等の代替冷媒等の塩素を含まない冷媒や、R2 2、R134a等の従来のフロン系の冷媒、あるいは 炭化水素等の自然冷媒系の冷媒を用いてもよ い。