(第1実施形態)
 図1に示すように、本実施形態の冷凍サイク ル装置100は、第1圧縮機101と、第2圧縮機102と� ��放熱器103と、膨張機104と、蒸発器105とを備� ��ている。これらの機器が配管で接続される� ��とによって冷媒回路200が形成されている。� ��1圧縮機101および第2圧縮機102は、それぞれ� �冷媒を圧縮する。放熱器103は、第1圧縮機101� ��圧縮された冷媒および第2圧縮機102で圧縮さ れた冷媒を冷却する。膨張機104は、放熱器103 で冷却された冷媒を膨張させる。蒸発器105は 、膨張機104で膨張した冷媒を加熱する。冷媒 回路200において、第2圧縮機102は、第1圧縮機1 01に対して並列に設けられている。第1圧縮機 101および第2圧縮機102のそれぞれに冷媒が導� �れるように、蒸発器105の下流側で冷媒回路� �分岐している。圧縮された冷媒の全量が放� �器103に流入するように、放熱器103の上流側� �冷媒回路200が合流している。冷媒回路200に� �、二酸化炭素やハイドロフルオロカーボン� �の冷媒が充填されている。

 冷凍サイクル装置100が給湯機に適用され� ��場合、放熱器103に水熱交換器を使用でき、� ��発器105に空気熱交換器を使用できる。冷凍� ��イクル装置100が空調機に適用される場合、� ��熱器103および蒸発器105の両者に空気熱交換� ��を使用できる。本実施形態では、放熱器103� ��水熱交換器である例を示している。放熱器1 03の内部には、水回路129が通されており、水� ��路129を流れる水(熱媒体)と冷媒回路200を流� �る冷媒とが放熱器103で熱交換する。

 第1圧縮機101、第2圧縮機102および膨張機10 4は、それぞれ、スクロール型、ロータリ型� �レシプロ型等の容積型流体機械で構成され� �いる。冷媒が膨張時に開放するエネルギー� �、膨張機104によって動力の形で回収される� �回収動力が第1圧縮機101で使用されるように� ��第1圧縮機101と膨張機104とが回転軸123によっ て連結されている。第1圧縮機101と膨張機104� �の間には、回転軸123を駆動するためのモー� �110が配置されている。回転軸123で連結され� �いるため、本実施形態では、第1圧縮機101の� ��転数と膨張機104の回転数とが常に等しい。� ��方、第2圧縮機102には、専用のモータ111が接 続されている。モータ110とモータ111とは別々 に回転数を制御可能である。言い換えれば、 第1圧縮機101の回転数と第2圧縮機102の回転数� ��を独立して制御可能である。これにより、� ��度比一定の制約を回避できる。

 第1圧縮機101、モータ110、回転軸123および 膨張機104は、共通の密閉容器(図示せず)内に� ��容されている。このタイプの流体機械は、� ��えば国際公開2006/035934号パンフレットに開� �されている。同様に、第2圧縮機102およびモ� ��タ111も共通の密閉容器(図示せず)内に収容� �れている。

 冷凍サイクル装置100は、さらに、運転を� ��御する手段としてのコントローラ115と、モ� ��タ110に給電する第1インバータ125と、モータ 111に給電する第2インバータ127とを備えてい� �。具体的に、コントローラ115には、A/D変換� �路、入出力回路、演算回路、記憶装置等を� �むDSP(Digital Signal Processor)が用いられる。コ� ��トローラ115は、インバータ125および127を制� ��することによって、モータ110およびモータ1 11の回転数、すなわち、第1圧縮機101および第 2圧縮機102の回転数を調節する。

 冷媒回路200には、放熱器103の出口におけ� ��冷媒の温度を検出する放熱器出口温度セン� ��112と、放熱器103の出口における冷媒の圧力� ��検出する圧力センサ117とが設けられている� ��蒸発器105の近傍には、蒸発器105の周囲の雰� ��気温度(例えば外気温度)を検出する雰囲気� �度センサ113が設けられている。水回路129に� �、放熱器103で加熱されるべき水(熱媒体)の温 度を検出する入水温度センサ114が設けられて いる。これらの温度センサには、サーミスタ や熱電対などの温度検出素子を使用できる。 圧力センサ117としては、半導体素子を使用し たものが挙げられる。各センサの信号はコン トローラ115に入力される。

 第1圧縮機101の吸入容積と、第2圧縮機102� �吸入容積とは、異なっていてもよいが、等� �い方が有利である。第1圧縮機101と第2圧縮機 102とに共通の流体機械を用いることによって 、コストを低減できるからである。なお、「 吸入容積」とは、吸入完了時の閉じ込め容積 のことである。

 次に、冷凍サイクル装置100の運転につい� ��説明する。

 まず、冷凍サイクル装置100を給湯式暖房機� ��適用したときの当該冷凍サイクル装置100のC OPの変化を調べるために行なった予備実験に� ��いて説明する。この予備実験では、(i)第2圧 縮機102の回転数を所定値に固定する一方、最 適高圧が得られるように第1圧縮機101の回転� �を調節する制御と、(ii)第1圧縮機101の回転数 を所定値に固定する一方、最適密度比が得ら れるように第2圧縮機102の回転数を調節する� �御とを試した。「最適高圧」とは、冷媒の� �性の観点からCOPが最高になると考えられる� �冷凍サイクルの高圧を意味する。「冷凍サ� �クルの高圧」とは、第1圧縮機101および第2圧 縮機102から吐出され、放熱器103を経て膨張機 104に導かれる冷媒の圧力を意味する。「最適 密度比」とは、設計上COPが最高になると考え られる密度比を意味する。「密度比」とは、 第1圧縮機101の入口における冷媒の密度ρeと� �張機104の入口における冷媒の密度ρcとの比Q( Q=ρe/ρc)を意味する。予備実験の条件は以下� �通りである。結果を図2および図3に示す。図 2および図3の縦軸および横軸は、それぞれ、� ��凍サイクル装置100のCOPと入水温度センサ114� ��検出温度を表している。
 第1圧縮機の吸入容積:4cc
 第2圧縮機の吸入容積:4cc
 膨張機の吸入容積:0.8cc
 第1圧縮機の固定回転数:60Hz
 第2圧縮機の固定回転数:60Hz
 冷媒:二酸化炭素
 外気温度:2℃または16℃

 図2および図3において、COPが単調減少し� �いるグラフは、第1圧縮機101の回転数を60Hzに 固定する一方、最適密度比が得られるように 第2圧縮機102の回転数を調節した場合の結果� �示している。入水温度が低ければ低いほど� �2圧縮機102の回転数は高く、入水温度が高け� ��ば高いほど第2圧縮機102の回転数は低い。た だし、入水温度と第2圧縮機102の回転数とは� �例していない。

 図2および図3において、極値を有するグ� �フは、第2圧縮機102の回転数を60Hzに固定する 一方、最適高圧が得られるように第1圧縮機10 1の回転数を調節した場合の結果を示してい� �。入水温度が低ければ低いほど第1圧縮機101� ��回転数は高く、入水温度が高ければ高いほ� ��第1圧縮機101の回転数は低い。ただし、入水 温度と第1圧縮機101の回転数とは比例してい� �い。なお、COPは、モータの消費電力、沸き� �げ温度、入水温度および給湯量から算出し� �。

 図2および図3に示す結果をさらに検討す� �。

 一般に、入水温度が低ければ低いほど放� ��器103での熱交換効率がよくなるので、入水� ��度に対してCOPが単調に増減する傾向を予測� ��きる。第1圧縮機101の回転数を所定値に固定 する一方、最適密度比が得られるように第2� �縮機102の回転数を調節する制御(ii)によると� ��そのような傾向が現れている。しかし、第2 圧縮機102の回転数を所定値に固定する一方、 最適高圧が得られるように第1圧縮機101の回� �数を調節する制御(i)によると、COPが単調に� �減せず、ある特定の入水温度にピークが現� �る。このような結果が得られた理由は必ず� �も明らかではないが、第1圧縮機101と膨張機1 04とが回転軸123で連結されていること、およ� ��超臨界冷媒である二酸化炭素の物性が影響� ��ているものと考えられる。

 二酸化炭素等の超臨界冷媒を作動流体に� ��用し、圧縮機と回転軸で連結された膨張機� ��搭載した冷凍サイクル装置のCOPを高めるに� ��、以下の2つのポイントに特に留意する必要 がある。1つのポイントは、密度比Qを最適密� ��比に調節することである。他の1つのポイン トは、冷凍サイクルの高圧を最適高圧に調節 することである。

 仮に、実際の密度比Qが最適密度比に一致 したときに自動的に最適高圧が得られている のであれば、上述した制御(i)または(ii)を行� �だけで常に最高のCOPが得られるはずである� �しかし、現実は異なっている。図2および図3 から明らかなように、冷凍サイクル装置100の COPが最も高くなる制御方法は運転条件によっ て切り替わる。最適密度比が得られているか らといって、最適高圧が得られているとは限 らない。

 図2に示すように、例えば外気温度が2℃� �ときは、入水温度が35~45℃の範囲では上述し た制御(i)を行うことでより高いCOPが得られ、 その範囲外では上述した制御(ii)を行うこと� �より高いCOPが得られる。図3に示すように、� ��気温度が16℃のときは、入水温度が40~47℃の 範囲では制御(i)を行うことでより高いCOPが得 られ、その範囲外では制御(ii)を行うことで� �り高いCOPが得られる。

 例えば、冷凍サイクル装置100を用いた暖� ��機は、温水が循環する暖房回路(図1に示す� �回路129に相当する)を有している。そのため� ��放熱器103で加熱されるべき水の温度が30~50� �程度になるのが一般的である。したがって� �冷凍サイクル装置100を効率よく運転するに� �、入水温度や外気温度等の運転条件に応じ� �制御方法を切り替えることが望ましい。

 また、制御方法を切り替えるべき入水温� ��T1およびT2は、第1圧縮機101および第2圧縮機1 02の固定回転数にも依存する。つまり、固定� ��転数が変われば、COPプロファイルも図2およ び図3に示す形とは異なるものになる。例え� �、冷凍サイクル装置100の能力の調節範囲が� �要でない場合には、第1圧縮機101の定格回転� ��を制御(ii)における第1圧縮機101の固定回転� �として採用し、かつ第2圧縮機102の定格回転� ��を制御(i)における第2圧縮機102の固定回転数 として採用できる。他方、制御方法を切り替 えるべき入水温度T1およびT2が、外気温度お� �び固定回転数に対応して定められていると� �冷凍サイクル装置100の能力の調節範囲が広� �なる。

 次に、密度比Qおよび最適密度比について 詳しく説明する。

 第1圧縮機101の吸入容積をVc、膨張機104の吸� ��容積をVe、第1圧縮機101の回転数をHz1、第2圧 縮機102の回転数をHz2、第1圧縮機101の入口に� �ける冷媒の比容積をMc、膨張機104の入口にお ける冷媒の比容積をMe、冷凍サイクル装置100� ��おける冷媒の重量循環量をGとすると、下記 式(1)の関係が成立する。
 Vc*Hz1:Ve*Hz1=Mc*(Hz1/(Hz1+Hz2))*G:Me*G・・・(1)

 第1圧縮機101の入口における冷媒の密度ρcと 膨張機104の入口における冷媒の密度ρeを用い て式(1)を展開すると、次式(2)が得られる。
 ρe/ρc=(Vc/Ve)*((Hz1+Hz2)/Hz1)・・・(2)

 右辺のVc/Veは設計値であり、これを任意� �変更するのは困難である。したがって、所� �の密度比Q(Q=ρe/ρc)を得るためには、第1圧縮� ��101の回転数Hz1および/または第2圧縮機102の� �転数Hz2を調節する必要がある。ここで、図4� ��示すように、外気温度が低くなればなるほ� ��最適密度比は大きくなる。図5に示すように 、入水温度が低くなればなるほど最適密度比 は大きくなる。その他、最適密度比は圧縮機 の吸入冷媒温度、冷凍サイクル装置の仕様、 冷媒充填量等の様々な要因から影響を受ける 。

 例えば、外気温度が7℃(冬期条件)、密度� ��Qの目標値(最適密度比)が10である場合を考� �る。第1圧縮機101の吸入容積Vcを4cc、第1圧縮� ��101の回転数Hz1を60Hz、膨張機104の吸入容積Ve� ��0.8ccとすると、第2圧縮機102の回転数Hz2は60Hz である。外気温度が25℃(夏期条件)で密度比Q� ��目標値が8である場合には、第2圧縮機102の� �転数Hz2は36Hzである。

 本実施形態では、最適密度比が得られる� ��うに第2圧縮機102を制御する。第1圧縮機101� �回転数を所定値に固定しつつ第2圧縮機102の� ��転数を変化させると、膨張機104の体積流量� ��一定に保ちながら圧縮冷媒の体積流量のみ� ��増減できるので、密度比の調節幅が大きく� ��る利点がある。昼夜や季節間の温度差が激� ��い地域では最適密度比の差も大きくなるの� ��、この利点が特に意義を持つ。また、本実� ��形態では、最適高圧を得るために第1圧縮機 101の回転数を調節する。第1圧縮機101の回転� �が変化すると、膨張機104の回転数も変化す� �。そのため、第1圧縮機101を使用すると冷凍� ��イクルの高圧の微調節が容易である。

 次に、冷凍サイクルの高圧および最適高� ��について詳しく説明する。

 二酸化炭素を冷媒に使用した冷凍サイク� ��は、高圧側(圧縮機から放熱器を経て膨張機 に至る部分)で冷媒が超臨界状態となる超臨� �サイクルを形成する。そのため、図6に示す� ��うに、高圧に対してCOPがピークを持つ。し� ��し、ピークに対応する最適高圧は、放熱器1 03の出口における冷媒の温度や外気温度等に� ��って変化する。図6は、過熱度が5℃、入水� �度が35℃のときの例である。

 最適高圧は冷凍サイクルの状態から計算� ��きる。具体的には、放熱器出口温度センサ1 12および雰囲気温度センサ113の検出結果に基� ��いて最適高圧を計算できる。高圧を変化さ� ��る最も有効な手段は、圧縮機の回転数を変� ��させることである。第1圧縮機101の回転数を 変化させることによって高圧を任意に調節で きる。

 確認実験として、各圧縮機の回転数と高� ��との関係を季節毎に調べた。結果を図7に示 す。例えば中間期条件では、実際の高圧(図7� ��にひし形の印で表されたデータ)が最適高圧 (図7中に×印で表されたデータ)に一致するよ� ��に第1圧縮機101の回転数を調節し、必要な加 熱能力が得られるように第2圧縮機102の回転� �を調節した。第1圧縮機101および第2圧縮機102 を適切に制御することにより、冬期、中間期 および夏期の全てにおいて、実際の高圧と最 適高圧とを一致させることができた。

 また、第2圧縮機が設けられていない冷凍 サイクル装置における、第1圧縮機の回転数� �高圧との関係も季節毎に調べた。結果を図8� ��示す。冬期条件では実際の高圧と最適高圧� ��がよく一致したが、中間期条件および夏期� ��件では実際の高圧が最適高圧から大きく乖� ��した。これは、第1圧縮機および膨張機が冬 期条件をベースに設計されているからである 。第2圧縮機が設けられていない場合、密度� �Qが回転数に関係なく常に一定になるため(密 度比一定の制約)、高圧は成り行き任せにな� �。冬期だけなら高いCOPが得られるが、通年� �COPは芳しくない。

 次に、各圧縮機の制御手順について、図9 のフローチャートを参照して説明する。冷凍 サイクル装置100が給湯機(暖房機を含む)に適� ��された例について説明する。

 コントローラ115は、図9に示す制御を定期 的に実行する。まず、ステップ201において、 冷凍サイクル装置100の起動契機を取得したか どうかを判断する。「起動契機」には、運転 を開始すべき旨をコントローラ115に通知する 契機や、冷凍サイクル装置100に対する要求能 力が変更されたことをコントローラ115に通知 する契機等が含まれる。前者の契機は、例え ば、ユーザーが蛇口を開いて湯を使用し始め たとき、暖房のスイッチをオンしたとき、タ ンクに貯めた湯の量が所定量以下となったと き、深夜に自動的に貯湯運転を行なうとき等 に発生する。後者の契機は、例えば、ユーザ ーが暖房の設定温度を変更したとき、暖房の 強さを弱から強に変更したとき等に発生する 。「要求能力」とは、冷凍サイクル装置100が 発揮するべき能力を意味する。

 冷凍サイクル装置100が運転中でない場合� ��または、運転中であっても要求能力に変更� ��あった場合には、ステップ202~204の初期設定 処理を実行する。他方、冷凍サイクル装置100 が既に運転中であり、かつ要求能力に変更が ない場合には、ステップ202~204を省略してス� �ップ205以降の処理を実行する。

 ステップ202では、まず、起動契機に含ま� ��た情報であるユーザーの指示等に基づいて� ��求能力を計算する。冷凍サイクル装置100が� ��呂の給湯機に適用されるのであれば、「ユ� ��ザーの指示」とは、例えばユーザーがリモ� ��ン等で選択する「追い炊き運転」や「足し� ��運転」である。「追い炊き運転」のときは� ��湯温度が50℃になるように要求能力(例えば5 kW)を設定し、「足し湯運転」のときは出湯温 度が40℃になるように要求能力(例えば4kW)を� �定する。冷凍サイクル装置100が暖房機に適� �されるのであれば、例えば、ユーザーが設� �した室温に応じて要求能力が設定される。� �た、コントローラ115が外気温度、必要な湯� �、入水温度等のパラメータに基づいて要求� �力を自動で設定することもある。

 次に、ステップ203において、要求能力を� ��揮できるように第1圧縮機101および第2圧縮� �102の各初期回転数を決定する。具体的には� �要求能力に対応する形で第1圧縮機101および� ��2圧縮機102の各初期回転数が予め定められて いる。第1圧縮機101の初期回転数と第2圧縮機1 02の初期回転数とは同一であってもよいし、� ��なっていていてもよい。また、要求能力だ� ��でなく、雰囲気温度センサ113や入水温度セ� ��サ114の検出結果に基づいて初期回転数が決� ��されてもよい。決定された初期回転数で第1 圧縮機101および第2圧縮機102が動作するよう� �、インバータ125,127に指示を与える。

 次に、ステップ204において、入水温度を� ��出して、冷凍サイクル装置100の現在の制御� ��ードを設定する。図10Aに示すように、入水� ��度がT1よりも小さい場合、または入水温度� �T2よりも大きい場合には、先に説明した制御 (ii)を実行する「密度比制御モード」を設定� �、メモリに記憶する。他方、入水温度がT1~T2 の範囲内にある場合には、先に説明した制御 (i)を実行する「高圧制御モード」を設定し、 メモリに記憶する。

 次に、ステップ205において、当該冷凍サ� ��クル装置100の運転状態を認識するために、� ��熱器出口温度センサ112、雰囲気温度センサ1 13および入水温度センサ114から信号を取得し� ��各温度を検出する。

 次に、ステップ206において、検出された� ��水温度が予め定められた温度範囲T1~T2内に� �るかどうかを判断する。「予め定められた� �度範囲」は、蒸発器105の周囲の雰囲気温度� �対応して定められた温度範囲である。図2お� ��び図3を参照して説明したように、例えば、 外気温度が2℃の場合には「予め定められた� �度範囲」は35~45℃であり、外気温度が16℃の� ��合には「予め定められた温度範囲」は40~47� �である。

 また、各圧縮機の固定回転数が一定でな� ��場合、「予め定められた温度範囲」は、高� ��制御モードで第1処理を実行する際の第2圧� �機102の固定回転数、および密度比制御モー� �で第2処理を実行する際の第1圧縮機101の固定 回転数に対応して定められた温度範囲でもあ る。後述するように、「第1処理」は、第1圧� ��機101の回転数を変更するステップを含む処� ��である。同様に、「第2処理」は、第2圧縮� �102の回転数を変更するステップを含む処理� �ある。

 入水温度が温度範囲T1~T2内にある場合、� �凍サイクルの高圧を最適高圧Pmに合わせるこ とによって冷凍サイクル装置のCOPを最も高く できる。したがって、ステップ207に移り、ま ず、制御モードを切り替える必要があるかど うかを判断する。制御モードを切り替える必 要がある場合には、ステップ208で各圧縮機の 回転数を調節する。

 図10Aに示すように、入水温度が徐々に上昇� ��てT1を超えたとき、制御モードが密度比制� �モードから高圧制御モードに切り替わる。� �まり、図10Bに示すように、COPプロファイル� �点P ₁ から点P ₂ に向かうラインを辿る。例えば、点P ₁ における第1圧縮機101の回転数(固定回転数)が 60Hzであり、第2圧縮機102の回転数が45Hzである とする。また、点P ₂ における第1圧縮機101の回転数が48Hzであり、� ��2圧縮機102の回転数(固定回転数)が60Hzである とする。固定回転数で運転するべき圧縮機を 第1圧縮機101から第2圧縮機102に切り替えるの� ��、点P ₁ から点P ₂ への変化の過程で各圧縮機の回転数の調節を 行う。もちろん、固定回転数で運転するべき 圧縮機を第2圧縮機102から第1圧縮機101に切り� ��える場合もある。なお、各圧縮機の回転数� ��急激に変化すると、サイクルが不安定にな� ��可能性があるので、ステップ208における各� ��縮機の回転数の変化は、なるべく緩やかで� ��ることが好ましい。

 次に、ステップ209において、COPを最も高� ��できる最適高圧Pm(目標高圧)を計算する。よ く知られているように、最適高圧Pmは入水温� ��や放熱器出口温度と密接に関係している。� ��水温度と最適高圧Pmとの相関式(または相関� ��ーブル)をコントローラ115に予めインプット しておけば、検出された入水温度に基づいて 、最適高圧Pmを求めることができる。入水温� ��に代えて、放熱器出口温度を用いる場合で� ��同様である。

 次に、ステップ210において、圧力センサ1 17によって実際の高圧Pdを検出し、検出した� �圧Pdと最適高圧Pmとの大小を比較する。Pd<P mの場合はステップ211に移り、第1圧縮機101の� ��転数を上げる。Pd≧Pmの場合はステップ212に 移り、第1圧縮機101の回転数を下げる。なお� �圧力センサ117を使用せずに実際の高圧Pdを求 める(推定する)こともできる。よく知られて� ��るように、冷凍サイクルの高圧は、圧縮機� ��回転数や外気温度等のパラメータと密接に� ��係している。したがって、そのようなパラ� ��ータに対応する形で高圧が記述された相関� ��ーブルを使用して実際の高圧Pdを求めても� �い。

 なお、最適高圧Pmを得るための第1圧縮機1 01の回転数が入水温度に対応する形で記述さ� ��た相関テーブルがコントローラ115に予めイ� ��プットされていてもよい。その相関テーブ� ��を参照することにより、入水温度に応じて� ��1圧縮機101の回転数を一義的に決定できる。

 他方、入水温度が温度範囲T1~T2内にない� �合、密度比Qを最適密度比Qmに一致させるこ� �によって冷凍サイクル装置のCOPを最も高く� �きる。ステップ213に移り、まず、制御モー� �を切り替える必要があるかどうかを判断す� �。制御モードを切り替える必要がある場合� �は、ステップ214で各圧縮機の回転数を調節� �る。ステップ213および214の処理は、先に説� �したステップ207および208と同じ処理である� �

 次に、ステップ215において、COPを最も高� ��できる最適密度比Qm(目標密度比)を計算する 。図4および図5を参照して説明したように、� ��適密度比Qmは入水温度や外気温度と密接に� �係している。入水温度と最適密度比Qmとの相 関式(または相関テーブル)をコントローラ115� ��予めインプットしておけば、検出された入� ��温度に基づいて、最適密度比Qmを求めるこ� �ができる。入水温度に代えて、外気温度を� �いる場合でも同様である。

 ステップ216では、実際の密度比Qと最適密 度比Qmとの大小を比較する。Q<Qmの場合はス テップ217に移り、第2圧縮機102の回転数を上� �る。Q≧Qmの場合はステップ218に移り、第2圧� ��機102の回転数を下げる。実際の密度比Qは、 前述した(2)式に基づいて計算できる。

 なお、ステップ206~218の処理を実行した後 、第1圧縮機101の回転数または第2圧縮機102の� ��転数を補正する処理を実行してもよい。具� ��的には、第1圧縮機101の回転数または第2圧� �機102の回転数を変更したことに起因して、� �圧縮機の回転数が要求能力を発揮するのに� �要十分であるかどうかを判断する。能力が� �りない場合には、不足している能力を補償� �うる補正係数を各圧縮機の回転数に乗じて� �各圧縮機の回転数を上げる。同様に、能力� �過剰な場合には、過剰な能力を削減しうる� �正係数を各圧縮機の回転数に乗じて、各圧� �機の回転数を下げる。言い換えると、コン� �ローラ115は、第1処理(ステップ209~212)または� ��2処理(ステップ215~218)が実行された後に、当 該冷凍サイクル装置100に対する要求能力を満 たすようにその時点の第1圧縮機101の回転数� �よび/または第2圧縮機102の回転数を補正する 手段をさらに有する。このような補正を行う ことで、COPを高く維持しつつ、必要十分な能 力での運転が可能になる。なお、補正を行う と固定回転数が変化するので、温度範囲T1~T2� ��変化する。

 以上のように、コントローラ115は、入水� ��度が予め定められた温度範囲T1~T2内にある� �合には、当該冷凍サイクル装置100のCOPを高� �るための処理として第1処理を実行する一方� ��入水温度が予め定められた温度範囲T1~T2内� �ない場合には、COPを高めるための処理とし� �第2処理を実行する効率向上手段を有する。� ��1処理(ステップ209~212)は、第1圧縮機101の回� �数を変更するステップを含む処理である。� �2処理(ステップ215~218)は、第2圧縮機102の回転 数を変更するステップを含む処理である。冷 凍サイクル装置100の運転状態に応じて2つの� �御方法(制御モード)を切り替えることによっ て、全ての運転条件において優れたCOPが得ら れる。

 第1処理のステップ211および212は、冷凍サ イクルの高圧側における冷媒の圧力PdがCOPを� ��も高くできる最適高圧Pmに近づくように第1� ��縮機101の回転数を変更するステップである( 最適高圧制御)。第2処理のステップ217および2 18は、膨張機104の入口冷媒密度ρeと第1圧縮機 101(または第2圧縮機102)の入口冷媒密度ρcとの 密度比QがCOPを最も高くできる最適密度比Qmに 近づくように第2圧縮機102の回転数を変更す� �ステップである(最適密度比制御)。

 具体的に、第1処理において、高圧Pdと最� ��高圧Pmとを比較することによって現在の高� �Pdを変更する必要があるかどうかを判断する 。高圧Pdが低すぎる場合には第1圧縮機101の回 転数を上げ、高圧Pdが高すぎる場合には第1圧 縮機101の回転数を下げる。第2処理において� �密度比Qと最適密度比Qmとを比較することに� �って現在の密度比Qを変更する必要があるか� ��うかを判断する。密度比Qが小さすぎる場合 には第2圧縮機102の回転数を上げ、密度比Qが� ��きすぎる場合には第2圧縮機102の回転数を下 げる。このような第1処理および第2処理を適� ��に実行することによって、全ての運転条件� ��おいて優れたCOPが得られる。

 また、本実施形態では、当該冷凍サイク� ��装置100の起動契機を取得することを条件と� ��て、当該冷凍サイクル装置100に対する要求� ��力を発揮しうる第1圧縮機101および第2圧縮� �102の各初期回転数を設定する初期設定手段� �コントローラ115が有する。冷凍サイクル装� �100の起動後、入水温度が予め定められた温� �範囲T1~T2内にある場合には、第1圧縮機101お� �び第2圧縮機102が各初期回転数で動作してい� ��初期動作状態での高圧Pdに基づいて、第1処� ��(ステップ209~212)を実行する。入水温度が予� ��定められた温度範囲T1~T2内にない場合には� �その初期動作状態での密度比Qに基づいて、� ��2処理(ステップ215~218)を実行する。このよう にすれば、冷凍サイクル装置100をスムーズに 起動できる。

 図10Aに示すように、温度T1およびT2で密度 比制御モードと高圧制御モードとの切り替え を行う結果、温度T1よりも低い入水温度およ� ��温度T2よりも高い入水温度では、入水温度� �上昇に応じてCOPが単調減少する。温度範囲T1 ~T2では、入水温度の上昇に応じてCOPが増加お よび減少して1つの極値を示す。

 なお、本実施形態では、ステップ210にお� ��て、高圧Pdと最適高圧Pmとの大小を比較して いる。ただし、最適高圧Pmが一定の範囲を有� ��ていてもよい。すなわち、高圧Pdが最適高� �Pm+αを超えたときに第1圧縮機101の回転数を� �げる一方、高圧PdがPm-αを下回ったときに第1 圧縮機101の回転数を上げる。同様に、最適密 度比Qmが一定の範囲を有していてもよい。す� ��わち、密度比Qが最適密度比Qm+αを超えたと� ��に第2圧縮機102の回転数を下げる一方、密度 比Qが最適密度比Qm-αを下回ったときに第2圧� �機102の回転数を上げる。このような不感帯� �設けることにより、高圧Pdが多少ふらついた としても回転数の変更を頻繁にせずに済む。 同様の不感帯を温度T1およびT2に設けてもよ� �。

(第2実施形態)
 図11に示すように、本実施形態の冷凍サイ� �ル装置300は、流量調節弁134を有するインジ� �クション回路132をさらに備えている点で第1� ��施形態と相違する。インジェクション回路1 32は、放熱器103の出口と膨張機104の中間圧部� ��を流量調節弁134を介して接続している。流� ��調節弁134の開度を調節するバルブコントロ� ��ラ136がコントローラ115に接続されている。� ��ンジェクション回路132の冷媒流量は、流量� ��節弁134の開度に応じて変化する。なお、「� ��間圧部」とは、膨張過程の冷媒に高圧冷媒� ��混ぜるために設けられた部分である。典型� ��に、中間圧部は、膨張室内に面している開� ��部である。

 第1実施形態で説明したように、外気温度 が25℃(夏期条件)の場合、最適密度比Qmが8で� �り、このときの第2圧縮機102の回転数Hz2は36Hz である。しかし、第2圧縮機102を低回転数で� �転することは信頼性の観点で好ましくない� �また、モータの効率が最大になる回転数(例� ��ば60Hz)で第2圧縮機102を運転することが望ま� ��い。本実施形態によると、第2圧縮機102を定 格付近の回転数で運転しつつ、インジェクシ ョン回路132に余剰冷媒を流すことによってCOP を高く保てる。

 また、第1実施形態と同様、冷凍サイクル 装置300のCOPを最も高くできる制御方法(制御� �ード)は、運転条件によって切り替わる。図1 2に示すように、本実施形態の冷凍サイクル� �置300によると、例えば外気温度が2℃のとき� ��、入水温度が36~43℃の範囲では第1実施形態� ��説明した制御(i)を行うことでより高いCOPが� ��られる。その範囲外では制御(ii)を行うこと でより高いCOPが得られる。このことは、より 高いCOPを得るために制御方法を切り替えるべ き温度範囲が、放熱器出口温度や外気温度だ けでなく、冷凍サイクル装置の構成に依存す ることを表している。

 本実施形態における制御のフローチャー� ��を図13に示す。ステップ301~316は、第1実施形 態で説明したステップ201~216と同じである。� �テップ316で現在の密度比Qと最適密度比Qmと� �比較し、Q<Qmの場合はステップ317に移り、� ��2圧縮機102の回転数を上げる。Q≧Qmの場合は ステップ318に移り、第2圧縮機102の回転数を� �げると同時に、流量調節弁134の開度を大き� �する。第2圧縮機102の回転数を調節するだけ� ��は実際の密度比Qを最適密度比Qmに合わせる� ��とができない場合でも、インジェクション� ��路132に設けた流量調節弁134の働きにより、� ��凍サイクル装置300のCOPを高めることができ� ��。

(変形例)
 放熱器103の冷媒側出口において、冷媒の温� ��と水の温度との間には、密接な関係がある� ��例えば、ある給湯機では、(放熱器の出口に おける冷媒の温度)≒(入水温度+5℃)の関係が� ��立する。したがって、放熱器出口温度セン� ��112の検出結果に基づいて放熱器103で加熱さ� ��るべき水の温度(入水温度)を間接的に検出� �てもよい。その場合、入水温度センサ114を� �略できるので、コスト低減に資する。また� �外気温度から入水温度を間接的に検出する� �とも考えられる。すなわち、入水温度に代� �て、放熱器103の出口における冷媒の温度ま� �は外気温度を用いて一連の制御を行っても� �い。また、放熱器103が水熱交換器以外の熱� �換器(例えば空気熱交換器)である場合は、入 水温度に代えて、放熱器103で加熱されるべき 空気等の熱媒体の温度を使用できる。