冷冻循环装置 技术领域 本发明涉及使用成为超临界状态的流体等的制冷剂的冷冻循环装置， 尤其是涉及 具有对膨胀过程中的流体能量进行动力回收的膨胀机的冷冻循环装置。
背景技术 以往， 作为具有对膨胀过程中的流体能量进行动力回收的膨胀机的冷冻循环装置 有以下冷冻循环装置， 即例如包括 ： 通过电动机驱动、 压缩制冷剂的第一压缩机 ； 使被上述 第一压缩机压缩的上述制冷剂的热量进行散热的散热器 ； 对通过了上述散热器的上述制 冷剂进行减压的膨胀机 ； 使通过上述膨胀机减压的上述制冷剂蒸发的蒸发器 ； 以及利用由 上述膨胀机回收的膨胀动力进行驱动且排出侧与第一压缩机的吸入侧连接的第二压缩机 ( 例如参考专利文献 1)。
另外， 还具有以下冷冻循环装置， 即包括 ： 第一压缩机 ； 使被上述第一压缩机压缩 的上述制冷剂的热量进行散热的散热器 ； 对通过了上述散热器的上述制冷剂进行减压的膨 胀机 ； 使通过由上述膨胀机减压的上述制冷剂蒸发的蒸发器 ； 以及使由上述蒸发器蒸发的 制冷剂升压并向上述第一压缩机供给的增压器 ( 第二压缩机 )( 例如参考专利文献 2)。
专利文献 1 ： 日本特开 2006-125790 号公报 ( 图 4、 摘要 )
专利文献 2 ： 日本特开 2009-79850 号公报 ( 图 2、 摘要 )
在上述专利文献 1 所述的现有的冷冻循环装置中， 在膨胀机的排出侧设置过冷却 热交换器， 其对从膨胀机流出的制冷剂进行过冷却， 在过冷却热交换器内， 在制冷剂通过的 主流部和副流部之中， 使副流部的一方通过过冷却膨胀阀与从连接上述膨胀阀与上述主流 部的配管旁通了的旁通配管连接， 使副流部的另一方与第一压缩机的吸入侧连接。并且， 通过由过冷却热交换器对从膨胀阀流出的制冷剂进行过冷却， 从而可以提高冷冻循环的效 率。但是， 在该旁通回路打开过冷却膨胀阀的情况下， 不能降低膨胀机排出侧的压力， 当旁 通发挥散热器或蒸发器功能的室外热交换器或室内热交换器的制冷剂增加时， 膨胀机出口 压力反而有时会上升。
另外， 在上述专利文献 2 所述的现有的冷冻循环装置中， 设置使制冷剂从膨胀机 排出侧向第一压缩机的吸入侧旁通的旁通路， 在上述旁通路上设置开关阀。 并且， 在起动第 一压缩机时， 使处在从膨胀机的出口到第二压缩机的吸入口为止的制冷剂回路中的制冷剂 不通过第二压缩机， 而是通过旁通路向压缩机供给。 由此， 防止在起动时向压缩机供给的制 冷剂不足， 使膨胀机的吸入侧和排出侧的压力差增大， 消除上述膨胀机的起动不良。但是， 开关阀检测到第二压缩机起动后就关闭， 在第二压缩机起动后上述膨胀机的排出压力达到 适当膨胀压力之前， 也有上述第二压缩机和上述膨胀机的转动不稳定这样的问题。
本发明是为了解决上述课题而完成的， 目的是提供可以通过膨胀机稳定地回收动 力的冷冻循环装置。
发明内容本发明的冷冻循环装置， 其具备 ： 冷冻循环， 该冷冻循环通过配管依次连接有压缩 制冷剂的第一压缩机、 对由第一压缩机压缩了的制冷剂的热量进行散热的散热器、 使通过 了散热器的制冷剂膨胀并从制冷剂回收动力的膨胀机和使由膨胀机膨胀了的制冷剂蒸发 的蒸发器 ； 第一旁通配管， 该第一旁通配管的一端与膨胀机的排出配管连接， 另一端与第 一压缩机的吸入配管连接 ； 物理量检测单元， 该物理量检测单元检测吸入到膨胀机的制冷 剂的物理量 ； 第一旁通阀， 该第一旁通阀设置于第一旁通配管， 调整制冷剂的流量 ； 和控制 单元， 该控制单元控制第一旁通阀的开度 ； 控制单元基于由物理量检测单元检测出的物理 量来决定膨胀机的适当排出压力， 当膨胀机排出制冷剂的压力高于所决定的适当排出压力 时， 打开第一旁通阀。
发明的效果
根据本发明的冷冻循环装置， 在根据冷冻循环装置的运转状态、 膨胀机的排出压 力大于适当排出压力的情况下， 打开第一旁通阀， 使制冷剂从膨胀机的排出配管向第一压 缩机的吸入侧旁通， 从而可以降低膨胀机的排出压力。由此， 可以防止膨胀机发生过膨胀， 可以使膨胀机的转动变得稳定。 附图说明
图 1 是本发明的第一实施方式的具有冷冻循环装置的空调机的制冷运转时的制 冷剂回路图。
图 2 是表示图 1 的本发明的第一实施方式的空调机的制冷运转动作的 P-h 线图。
图 3 是表示本发明的第一实施方式的空调机的制热运转时的制冷剂回路图。 图 4 是表示本发明的第一实施方式的空调机的制冷运转动作的 P-h 线图。
图 5 是本发明的第一实施方式的空调机的与第二压缩机呈一体式的涡卷式膨胀 机的剖视图。
图 6 是示意表示作为本发明的第一实施方式的空调机的第二压缩机和膨胀机的 设计点的作用于第二压缩机侧的推力负荷的分布和作用于膨胀机侧的推力负荷的分布的 图。
图 7 是表示本发明的第一实施方式的空调机的膨胀机过膨胀时的制冷运转动作 的 P-h 线图。
图 8 是表示本发明的第一实施方式的空调机的膨胀机形成适当膨胀过程时的 P-v 线图。
图 9 是表示本发明的第一实施方式的空调机的膨胀机形成过膨胀过程时的 P-v 线 图。
图 10 是示意表示本发明的第一实施方式的空调机的膨胀机形成过膨胀过程时 的、 作用于第二压缩机侧的推力负荷的分布和作用于膨胀机侧的推力负荷的分布的图。
图 11 是表示本发明的第一实施方式的防止空调机的膨胀机过膨胀的动作的流程 图。
图 12 是表示本发明的第一实施方式的膨胀机的适当排出压力 Po 相对于吸入压力 和吸入温度的关系的一个例子的图。
图 13 是表示本发明的第一实施方式的进行了防止膨胀机过膨胀的动作时的、 制
冷运转时的运转状态的一个例子的 P-h 线图。
图 14 是表示本发明的第一实施方式的膨胀机的吸入压力降低时的膨胀过程的 P-v 线图。
图 15 是表示本发明的第二实施方式的防止具有冷冻循环装置的空调机的膨胀机 过膨胀的动作的流程图。
图 16 是表示本发明的第二实施方式的空调机起动时的高压与膨胀机排出压力的 变化的图。
图 17 是本发明的第三实施方式的具有冷冻循环装置的空调机的制冷运转时的制 冷剂回路图。
图 18 是表示本发明的第三实施方式的空调机的制冷运转动作的 P-h 线图。 具体实施方式
第一实施方式
图 1 是本发明的第一实施方式的具有冷冻循环装置的空调机在制冷运转时的制 冷剂回路图。图 2 是图 1 的空调机在制冷运转时的制冷剂回路图。 图 1 的空调机具有冷冻循环装置， 冷冻循环装置通过配管依次连接通过电动机驱 动并压缩制冷剂的第一压缩机、 第二压缩机、 室外热交换器 4、 使通过内部的制冷剂膨胀并 从制冷剂回收动力的膨胀机 8 以及室内热交换器 32。第二压缩机 2 和膨胀机 8 通过驱动轴 52 连接， 通过膨胀机 8 回收动力， 利用该动力经由驱动轴 52 驱动第二压缩机 2。
室外热交换器 4 在制冷运转时成为内部制冷剂散热的散热器， 在制热运转时成为 内部制冷剂蒸发的蒸发器。另外， 室内热交换器 32 在制冷运转时成为内部制冷剂蒸发的蒸 发器， 在制热运转时成为内部制冷剂散热的散热器。
另外， 该空调机具有使制冷剂从膨胀机 8 的排出配管 23 向蓄能器 11 的入口配管 27 旁通的旁通配管 24、 和调整在旁通配管 24 流动的制冷剂流量的旁通阀 10。
另外， 该空调使用二氧化碳作为制冷剂， 该二氧化碳与现有的氟利昂类的制冷剂 相比， 对臭氧层的破坏系数为零， 全球气候变暖系数小。
在第一实施方式中， 在室外机 101 中收容第一压缩机 1、 第二压缩机 2、 制冷剂流路 切换装置即第一四通阀 3、 室外热交换器 4、 制冷剂流路切换装置即第二四通阀 6、 预膨胀阀 7、 膨胀机 8、 旁通阀 5、 旁通阀 10、 蓄能器 11。膨胀阀 31a 和室内热交换器 32a 收容在室内 机 102a， 膨胀阀 31b 和室内热交换器 32b 收容在室内机 102b。统辖控制整个空调机的控制 装置 103 也收容在室外机 101。另外， 在第一实施方式中， 室内机 102( 室内热交换器 32) 的 数量为两台， 但室内机 102 的数量是任意的。另外， 室外机 101 和室内机 102a、 102b 通过液 管 28、 气管 29 连接。
第一压缩机 1 通过电动机 ( 未图示 ) 驱动， 对吸入的制冷剂进行压缩后排出。第 二压缩机 2 和膨胀机 8 收容于容器 51。第二压缩机 2 通过驱动轴 52 与膨胀机 8 连接， 膨胀 机 8 产生的动力通过驱动轴 52 回收后向第二压缩机 2 传输。因此， 第二压缩机 2 吸入从第 一压缩机 1 排出的制冷剂后将其进一步压缩。
在室外热交换器 4、 第二压缩机 2、 室内热交换器 32 以及蓄能器 11 之间的制冷剂 流路上设置第一四通阀 3。另外， 在室外热交换器 4、 膨胀机 8 以及室内热交换器 32 之间的
制冷剂流路上设置第二四通阀 6。第一四通阀 3 和第二四通阀 6 基于控制装置 103 的命令， 与制冷制热的运转模式对应地进行切换， 切换制冷剂路径。
在制冷运转时， 制冷剂从第二压缩机 2 起依次向室外热交换器 4、 膨胀机 8、 室内热 交换器 32、 蓄能器 11、 第一压缩机 1 流动后返回第二压缩机 2。
在制热运转时， 制冷剂从第二压缩机 2 起依次向室内热交换器 32、 膨胀机 8、 室外 热交换器 4、 蓄能器 11、 第一压缩机 1 流动后返回第二压缩机 2。
由第一四通阀 3 和第二四通阀 6 通过膨胀机 8 和第二压缩机 2 的制冷剂的方向无 论是制冷运转还是制热运转都形成同一方向。
室外热交换器 4 例如具有使制冷剂通过的导热管和用于扩大在该导热管流动的 制冷剂与外气之间的导热面积的散热片 ( 未图示 )， 进行制冷剂与空气 ( 外气 ) 的热交换。 例如， 在制热运转时发挥蒸发器的功能， 使制冷剂蒸发气 ( 气体 ) 化。另一方面， 在制冷运 转中发挥冷凝器或气体冷却器 ( 以下作为冷凝器 ) 的功能。根据情况不同， 有时也不完全 气化、 液化， 而形成液体和气体的两相混合 ( 气液两相制冷剂 ) 的状态。蓄能器 11 的作用 是防止冷冻循环回路中存储过剩的制冷剂， 或防止制冷剂液大量地返回第一压缩机而导致 第一压缩机 1 破损。
在第二四通阀 6 与膨胀机 8 的入口之间的制冷剂流路 22 上， 设置调整通过膨胀机 8 的制冷剂的流量的预膨胀阀 7。在膨胀机 8 的出口与第二四通阀 6 之间的制冷剂流路 23 上， 设置将制冷剂的流动方向调整成一个方向的止回阀 9。 在室外热交换器 4 与室内热交换 器 32 之间的制冷剂流路上， 设置旁通第二四通阀 6、 预膨胀阀 7、 膨胀机 8 以及止回阀 9 的 旁通配管 25、 以及调整通过该旁通配管 25 的制冷剂的流量的旁通阀 5。通过调整旁通阀 5 和预膨胀阀 7， 来调整通过膨胀机的制冷剂的流量并调整高压侧的压力， 可以将冷冻循环保 持在高效率的状态。另外， 不局限于调整旁通阀 5 和预膨胀阀 7， 也可以使用其它方法来调 整高压侧的压力。
在膨胀机 8 的制冷剂出口和蓄能器 11 的制冷剂入口之间， 设置旁通膨胀阀 31 和 室内热交换器 32 的旁通配管 24、 以及调整通过该旁通配管 24 的制冷剂的流量的旁通阀 10。
在第二压缩机 2 的制冷剂出口设置压力传感器 81， 其检测流出第二压缩机 2 的制 冷剂的压力， 在膨胀机 8 的制冷剂出口设置压力传感器 82， 其检测流出膨胀机 8 的制冷剂的 压力， 在第二四通阀 6 和膨胀阀 31 之间的制冷剂流路上设置压力传感器 83， 其检测进入膨 胀阀 31 的制冷剂的压力或流出膨胀阀 31 的制冷剂的压力， 在第一压缩机 1 的制冷剂入口 设置压力传感器 84， 其检测进入第一压缩机 1 的制冷剂的压力， 在膨胀机 8 的制冷剂入口设 置压力传感器 85， 其检测进入膨胀机 8 的制冷剂的压力。
另外， 压力传感器 81、 82、 83、 84、 85 不局限于这些位置， 只要是可以检测流出第二 压缩机 2 的制冷剂的压力、 流出膨胀机 8 的制冷剂的压力、 进入膨胀阀 31 的制冷剂的压力 或流出膨胀阀 31 的制冷剂的压力、 进入第一压缩机 1 的制冷剂的压力以及进入膨胀阀 8 的 制冷剂的压力的位置即可。另外， 压力传感器 81、 82、 83、 84、 85 若可以推测压力， 则也可以 是推测制冷剂温度的温度传感器。
在膨胀机 8 的制冷剂入口设置温度传感器 91， 其检测进入膨胀机 8 的制冷剂的温 度， 在室外热交换器 4 与第二四通阀 6 及旁通阀 5 之间的配管上设置温度传感器 92， 其检测流出室外热交换器 4 的制冷剂或进入室外热交换器 4 的制冷剂的温度。另外， 温度传感 器 91、 92 不局限于这些位置， 只要是可以分别检测进入膨胀机 8 的制冷剂的温度以及流出 室外热交换器 4 的制冷剂或进入室外热交换器 4 的制冷剂的温度的位置即可。
室内热交换器 32 例如具有使制冷剂通过的导热管和用于扩大在该导热管流动的 制冷剂与空气之间的导热面积的散热片 ( 未图示 )， 进行制冷剂与室内空气的热交换。例 如， 在制冷运转时发挥蒸发器的功能， 使制冷剂蒸发气 ( 气体 ) 化。另一方面， 在制热运转 时发挥冷凝器或气体冷却器 ( 以下作为冷凝器 ) 的功能。
在室内热交换器 32a 上连接膨胀阀 31a， 在室内热交换器 32b 上连接膨胀阀 31b。 膨胀阀 31a、 31b 调整流入室内热交换器 32a、 32b 的制冷剂的流量。当制冷剂在膨胀机 8 未 充分减压时， 通过膨胀阀 31a、 31b 来调整高低压。
( 运转模式 )
以下利用图 1 的制冷剂回路图和图 2 的 P-h 线图就第一实施方式的空调机的制冷 运转时的动作进行说明。图 1 和图 2 的记号 A-K 是彼此对应的。在后述的图中， 制冷剂回 路以及与该制冷剂回路对应的 P-h 线图上的各记号也是对应的。在此， 对于冷冻循环回路 等上的压力高低， 不是通过与作为基准的压力的关系来决定的， 而是可以通过作为由第一 压缩机 1 和第二压缩机 2 的压缩、 旁通阀 5 或膨胀机 8 的减压等形成的相对压力表示成高 压、 低压。另外， 温度的高低也是一样。另外， 在此， 旁通阀 10 被关闭， 在旁通配管 24 中无 制冷剂流动。 在制冷运转时， 首先， 第一压缩机 1 所吸入的低压制冷剂被压缩后成为高温中压 ( 从状态 A 到状态 B)。
从第一压缩机 1 排出的制冷剂被吸入第二压缩机 2， 被进一步压缩后成为高温高 压 ( 从状态 B 到状态 C)。
从第二压缩机 2 排出的制冷剂通过第一四通阀 3 后进入室外热交换器 4。
在室外热交换器 4 进行散热并将热传输到室外空气的制冷剂成为低温高压 ( 从状 态 C 到状态 D)。
流出室外热交换器 4 的制冷剂分支到向着第二四通阀 6 的路径和向着旁通阀 5 的 路径。
通过了四通阀 6 的制冷剂通过预膨胀阀 7( 从状态 D 到状态 E) 后被吸入膨胀机 8， 经过减压成为低压， 形成低干度的状态 ( 从状态 E 到状态 F)。
此时， 在膨胀机 8 中， 随着制冷剂的减压而产生动力， 该动力通过驱动轴 52 回收， 被向第二压缩机 2 传输， 用于第二压缩机 2 压缩制冷剂。
从膨胀机 8 流出的制冷剂通过止回阀 9 和第二四通阀 6 之后， 与向着旁通阀 5 通 过了旁通配管 25 的制冷剂合流 ( 从状态 F 到状态 G)， 流出室外机 101 后通过液管 28 进入 室内机 102a、 102b， 进入膨胀阀 31a、 31b。
制冷剂在膨胀阀 31a、 31b 被进一步减压 ( 从状态 G 到状态 I)。
流出膨胀阀 31a、 31b 的制冷剂在室内热交换器 32a、 32b 从室内空气吸热后蒸发， 保持低压地形成干度高的状态 ( 从状态 I 到状态 J)。
由此， 室内空气被冷却。
流出室内热交换器 32a、 32b 的制冷剂流出室内机 102a、 102b， 通过气管 29 进入室
外机 101， 通过第一四通阀 3 进入蓄能器 11， 被重新吸入第一压缩机 1。
通过反复进行上述的动作， 室内空气的热量被向室外空气传输， 对室内制冷。
以下利用图 3 的制冷剂回路和图 4 的 P-h 线图就第一实施方式的空调机的制热运 转时的动作进行说明。另外， 在此， 旁通阀 10 被关闭， 在旁通配管 24 中无制冷剂流动。
在制热运转时， 首先， 被第一压缩机 1 吸入的低压制冷剂被压缩后成为高温中压 ( 从状态 A 到状态 B)。
从第一压缩机 1 排出的制冷剂被吸入第二压缩机 2， 被进一步压缩后成为高温高 压 ( 从状态 B 到状态 J)。
从第二压缩机 2 排出的制冷剂通过第一四通阀 3 后流出室外机 101。
流出室外机 101 的制冷剂通过气管 29 进入室内机 102a、 102b， 进入室内热交换器 32a、 32b， 在室内热交换器 32a、 32b 进行散热而向室内空气传输了热的制冷剂形成低温高 压 ( 从状态 J 到状态 I)。
流出室内热交换器 32a、 32b 的制冷剂在膨胀阀 31a、 31b 减压 ( 从状态 I 到状态 G)。
流出膨胀阀 31a、 31b 的制冷剂流出室内机 102a、 102b， 通过液管 28 进入室外机 101， 分支到向着第二四通阀 6 的路径和向着旁通阀 5 的路径。 通过了第二四通阀 6 的制冷剂通过预膨胀阀 7( 从状态 G 到状态 E) 后进入膨胀机 8， 被减压成为低压， 形成干度低的状态 ( 从状态 E 到状态 F)。此时， 在膨胀机 8 中， 随着制 冷剂的减压而产生动力， 该动力通过驱动轴 52 回收， 被向第二压缩机 2 传输， 用于第二压缩 机 2 压缩制冷剂。
从膨胀机 8 流出的制冷剂通过止回阀 9 和第二四通阀 6 之后， 与向着旁通阀 5 通 过了旁通配管 25 的制冷剂合流 ( 从状态 F 到状态 D)， 进入室外热交换器 4。
在室外热交换器 4 中， 制冷剂从室外空气吸热后蒸发， 保持低压地形成干度高的 状态 ( 从状态 D 到状态 C)。
流出室外热交换器 4 的制冷剂通过第一四通阀 3 后进入蓄能器 11， 重新被第一压 缩机 1 吸入。
通过反复进行上述的动作， 室外空气的热量被向室内空气传输， 对室内制热。
以下， 作为第二压缩机 2 和膨胀机 8 的一个例子， 就涡卷式的膨胀机 8 和涡卷式的 第二压缩机 2 的结构和动作进行说明。另外， 第二压缩机 2 和膨胀机 8 不局限于涡卷式， 也 可以是其它的容积式。
图 5 是与第二压缩机 2 呈一体式的涡卷式的膨胀机 8 的剖视图。通过膨胀机固定 涡卷件 59 的涡卷齿 67 和摆动涡卷件 57 的下表面的涡卷齿 65 构成使制冷剂膨胀并回收动 力的膨胀机 8。另外， 通过压缩机固定涡卷件 58 的涡卷齿 66 和摆动涡卷件 57 的上表面的 涡卷齿 64 构成第二压缩机 2， 第二压缩机 2 通过膨胀机 8 所回收的动力压缩制冷剂。即， 膨 胀机 8 的涡卷齿 65 与第二压缩机 2 的涡卷齿 64 利用摆动涡卷件 57 在通用的台板的两面背 对背地形成一体， 因此在摆动涡卷件 57 摆动时， 可在一方进行压缩， 而在另一方进行膨胀。
从第一压缩机 1 排出的高温中压的制冷剂被第二压缩机 2 的吸入配管 53 吸入， 导 入由压缩机固定涡卷件 58 的涡卷齿 66 和摆动涡卷件 57 的涡卷齿 64 形成的第二压缩机 2 的外周侧。然后， 通过摆动涡卷件 57 的摆动， 制冷剂在第二压缩机 2 内逐渐向内周侧移动，
被压缩成高温高压。经过压缩的制冷剂被从第二压缩机 2 的排出配管 54 排出。
另一方面， 在室外热交换器 4 或室内热交换器 32 被冷却的高压制冷剂被从膨胀机 8 的吸入配管 55 吸入， 被导入由膨胀机固定涡卷件的涡卷齿 67 和摆动涡卷件 57 的涡卷齿 65 形成的膨胀机 8 的内周侧。然后， 通过摆动涡卷件 57 的摆动， 制冷剂在膨胀机 8 内逐渐 向外周侧移动， 膨胀成低压。经过膨胀的制冷剂被从膨胀机 8 的排出管 56 排出。由膨胀机 8 使制冷剂膨胀的动力经由驱动轴 52 回收， 传递给第二压缩机 2 而作为压缩动力。
构成第二压缩机 2 和膨胀机 8 的上述机构收容在容器 51 内。
这里， 就作用于摆动涡卷件 57 的推力负荷 ( 轴方向负荷 ) 进行说明。图 6 是示意 表示作为第二压缩机 2 和膨胀机 8 的设计点的、 作用于第二压缩机 2 侧的推力负荷的分布 以及作用于膨胀机 8 侧的推力负荷的分布的图。另外， 作用于第二压缩机 2 侧的推力负荷 是指要将摆动涡卷件 57 向膨胀机 8 的固定涡卷件 59 的方向推动的力。另外， 作用于膨胀 机 8 侧的推力负荷是指要将摆动涡卷件 57 向第二压缩机 2 的固定涡卷件 58 的方向推动的 力。
另外， 涡卷件内部压力分布所示的高压是指第二压缩机 2 的排出压力， 中压是指 第二压缩机 2 的吸入压力， 低压是指膨胀机 8 的排出压力。这里， 要推动的力的基准压力为 低压。 首先， 求出因在第二压缩机 2 被压缩的制冷剂而作用于第二压缩机 2 的推力负荷。 设摆动涡卷件 57 从第二压缩机 2 所压缩的制冷剂接受负荷的面积为 Sc[mm2]。 如果第二压 缩机 2 的外周侧的压力与基准压力之差即中压 PM- 低压 PL[MPa] 和内周侧的压力与基准压 力之差即高压 PH- 低压 PL[MPa] 的平均值作用于该 Sc， 则通过公式 (1) 求出第二压缩机 2 的推力负荷 Fthc[N]。
Fthc ＝ (PH+PM-2PL)/2·Sc… (1)
然后， 求出因在膨胀机 8 膨胀的制冷剂而作用于膨胀机 8 的推力负荷。设摆动涡 卷件 57 从由膨胀机 8 膨胀的制冷剂接受负荷的面积为 Se[mm2]。由于膨胀机 8 的外周侧是 与基准压力相同的低压， 因此， 如果内周侧的压力与基准压力之差即高压 PH- 低压 PL[MPa] 的 1/2 作用于 Se， 则通过公式 (2) 求出膨胀机 8 的推力负荷 Fthe[N]。
Fthe ＝ (PH-PL)/2·Se… (2)
如果设要将摆动涡卷件 57 向膨胀机 8 的固定涡卷件 59 的方向推动的推力负荷 Fthc 的方向为正， Fthe 与 Fthc 成为反向负荷， 作用于摆动涡卷件 57 的推力负荷 Fth 成为 公式 (3)。
Fth ＝ Fthc-Fthe… (3)
在推力负荷 Fth 足够大的情况下， 摆动涡卷件 57 的涡卷齿 65 的齿尖 72 被向膨胀 机固定涡卷件 59 推动， 从而摆动涡卷件 57 与膨胀机固定涡卷件 59 的摩擦增大， 膨胀机 8 所回收的动力将作为摩擦损失而损失。
通过公式 (1) 和公式 (2)， 比较压力分布的平均值， 则明显为
(PH+PM-2PL)/2 ＞ (PH-PL)/2… (4)
但结构上如果 Se ＞ Sc， 则可以缩小 Fth。作为图 6 的设计点， 缩小 Fth， 使摆动涡 卷件 57 的涡卷齿 65 的齿尖 72 被适度地向膨胀机固定涡卷件 59 推动， 从而缩小摆动涡卷 件 57 与膨胀机固定涡卷件 59 的摩擦。
( 防止膨胀机过膨胀的动作 )
有时， 空调机在运转中室内机 102 的运转台数有变化， 负荷过度地变动时等， 在膨 胀机 8 与第二压缩机 2 中流动的流量失去平衡， 第二压缩机 2 与膨胀机 8 的旋转变得不稳 定。在上述情况下， 例如在第二压缩机 2 与膨胀机 8 的转速过度降低时， 成为对制冷剂流通 的阻力， 高压将上升。
这里， 图 7 的 P-h 的线图表示空调机的高压过度上升时的、 空调机在制冷运转时的 运转状态。第二压缩机 2 的排出压力 ( 状态 C2) 与室外热交换器 4 的出口压力 ( 状态 D2) 提高。
这里， 就膨胀机 8 的膨胀过程中的压力与体积的变化进行说明。图 8 是膨胀机 8 的出口成为状态 F 的适当膨胀过程时的 P-v 线图， 图 9 是膨胀机 8 的出口成为状态 F2 的过 膨胀过程时的 P-v 线图。在图 8 的适当膨胀过程中， 制冷剂通过膨胀机固定涡卷件的涡卷 齿 67 与摆动涡卷件 57 的涡卷齿 65， 以压力 PH、 体积 Vei 的状态被吸入、 隔开， 随着体积 V 的增加， 被隔开的制冷剂被减压。并且， 当被膨胀机固定涡卷件的涡卷齿 67 和摆动涡卷件 57 的涡卷齿 65 隔开的体积 V 为最大的 Vo 时膨胀结束， 压力成为 Po， 该 Po 是在膨胀机内部 压力最低的状态。如果假设在膨胀机 8 的内部进行绝热膨胀， 则 Po 是通过膨胀机 8 的吸入 压力 PH 与膨胀机 8 的膨胀容积比 Vi/Vo 求出的压力。当体积 V 成为 Vo 后， 被膨胀机固定 涡卷件 59 的涡卷齿 67 和摆动涡卷件 57 的涡卷齿 65 隔开的制冷剂通过膨胀机 8 的排出管 56 而开放成低压 PL。作为膨胀机的设计点， 低压 PL 与膨胀结束的压力 Po 几乎相等。
另一方面， 在图 9 的过膨胀过程中， 膨胀机 8 的排出压力 PL2 高于膨胀机 8 的膨胀 过程中压力最低的 Po2( 适当排出压力 )。在图 9 的过膨胀过程中， 被膨胀机固定涡卷件 59 的涡卷齿 67 和摆动涡卷件 57 的涡卷齿 65 隔开的制冷剂， 在从压力最低的 Po2 向膨胀机 8 的排出管 56 开放时， 上升到低压 PL2。这样， 将膨胀机 8 的排出压力 PL2 高于适当排出压 力 Po2 的情况称为过膨胀。为了防止过膨胀， 进行以下动作即可， 即， 适当降低膨胀机 8 的 排出压力， 使膨胀机 8 的排出压力不高于适当排出压力。
图 10 是示意表示高压为 PH2、 中压为 PM2、 低压为 PL2 时的第二压缩机 2 和膨胀机 8 的、 作用于第二压缩机 2 侧的推力负荷的分布以及作用于膨胀机 8 侧的推力负荷的分布的 图。此时， 作用于摆动涡卷件 57 的第二压缩机 2 侧的推力负荷 Fthc2[N] 与公式 (1) 同样， 通过公式 (5) 求出。
Fthc2 ＝ (PH2+PM2-2PL2)/2·Sc… (5)
但是， 摆动涡卷件 57 的膨胀机 8 侧的外周的压力是膨胀结束的压力 Po2， 低于低压 PL2。即， 在摆动涡卷件 57 的外周侧， 由于与内周侧相反方向的力进行作用， 因此， 作用于摆 动涡卷件 57 的涡卷齿 65 的推力负荷 Fthc2 成为不等式 (6)， 小于通过公式 (2) 求出的值。
Fthe2 ＜ (PH2-PL2)/2·Se… (6)
因此， 即使在公式 (3) 中将推力负荷 Fth 设计成变小， 如图 9 和图 10 所示， 在膨胀 机 8 侧形成过膨胀过程的情况下， Fthc2 比 Fthe2 更为从设计点变大。其结果， 摆动涡卷件 57 被向膨胀机固定涡卷件 59 推动的力增加。
如果摆动涡卷件 57 被向膨胀机固定涡卷件 59 推动的力增加， 则摆动涡卷件 57 与 膨胀机固定涡卷件 59 的摩擦就会增大， 成为摆动涡卷件 57 摆动时的阻力， 因此， 作为摩擦 损失而丢失膨胀能量。另外， 当摩擦过度变大时， 转速就降低。另外， 若膨胀机 8 的膨胀过程成为过膨胀过程， 则从膨胀结束的压力 Po2 直到制冷 剂开放成低压 PL2， 制冷剂将被压缩， 因此， 相应地膨胀机 8 的回收动力减少， 第二压缩机 2 的驱动力降低。于是， 第二压缩机 2 和膨胀机 8 的转速将进一步降低。
如上所述， 若第二压缩机 2 和膨胀机 8 的转速降低， 第二压缩机 2 和膨胀机 8 就成 为制冷剂流通时的阻力， 从而引起空调机的高压 PH 过上升这样的问题。
因此， 在第一实施方式的冷冻循环装置即空调机中， 通过以下方法使膨胀机 8 的 排出压力降低， 防止膨胀机 8 的膨胀过程成为过膨胀。具体是， 设置旁通配管 24， 其使制冷 剂从膨胀机 8 的排出配管 23 向蓄能器 11 的入口配管 27 旁通， 在旁通配管 24 上设置调整 制冷剂旁通量的旁通阀 10。这样， 通过将膨胀阀 8 的排出侧在冷冻循环内与最低压的第一 压缩机 1 的吸入侧连接， 从而可以降低膨胀机 8 的排出压力， 进而可以防止膨胀机 8 中的膨 胀过程成为过膨胀。
而且， 还在膨胀机 8 的排出配管 23 的旁通配管 24 连接口的下游侧设置止回阀 9。 如图 2 所明确的那样， 在止回阀 9 的入口侧的制冷剂的状态 F 和出口侧的制冷剂的状态 G 中， 状态 G 的压力高。因此， 制冷剂从高压力那侧向低压力那侧流动， 但通过止回阀 9 防止 这种情况。即， 通过了旁通配管 25 的制冷剂从图 1 的 G 点向 F 点流动， 通过止回阀 9 防止 制冷剂通过旁通配管 24 流入蓄能器 11。 通过上述结构， 即使在膨胀机 8 的排出压力会提高那样的空调机的运转状态下， 也可以降低膨胀机 8 的排出压力。
以下， 就第一实施方式的空调机中的防止膨胀机 8 过膨胀的动作进行说明。图 11 是表示第一实施方式的空调机中的防止膨胀机过膨胀的动作的流程图。 以下有时将通过某 个压力传感器检测的压力 P 利用该压力传感器的附图标记标注为 P( 附图标记 )( 例如压力 传感器 83 的情况下为 P(83))。
空调机在通常的制冷运转或制热运转等定时控制中， 定期确认膨胀机 8 的动作， 进行防止膨胀机 8 过膨胀的动作。 即， 控制装置 103 在定时控制中判断是否经过了规定时间 ( 步骤 S101)。经过了规定时间后， 判断通过压力传感器 82 检测的压力 P(82) 的值是否高 于成为适当膨胀时的膨胀机 8 的排出压力 ( 适当排出压力 )Po( 步骤 S102)。如上所述， 该 适当排出压力 Po 根据以往的膨胀机 8 的吸入压力及吸入温度、 和事先存储在控制装置 103 的按膨胀机 8 的各个吸入压力的吸入温度与适当排出压力 Po 的关系数据来决定。
控制装置 103 在步骤 S102 中判断出 P(82) 高于 Po 的情况下， 进入步骤 S104。在 步骤 S104， 控制装置 103 使设置于旁通配管 24 上的旁通阀 10 的开度 L10 增大事先设定的 规定量 ΔL， 增加流入旁通配管 24 的制冷剂流量 ( 步骤 S103)。这样， 打开旁通阀 10 从膨 胀机 8 使排出侧和冷冻循环中压力最低的蓄能器 11 的吸入侧连通， 使从膨胀机 8 排出的制 冷剂向旁通配管 24 侧流动， 通过旁通阀 10 减压后吸入蓄能器 11， 从而可以降低膨胀机 8 的 排出压力 P(82)。
然后， 控制装置 102 在步骤 S103 中判断出 P(82) 低于 Po 的情况下， 关闭旁通阀 10 而结束防止过膨胀的动作。
在此， 图 12 表示膨胀机 8 的各个吸入压力的吸入温度与适当排出压力 Po 的关系 的一个例子。在图 12 中表示吸入压力为 10MPa、 9MPa、 8MPa 时各自的吸入压力与适当排出 压力的关系。根据膨胀机 8 的吸入压力和吸入温度求出吸入比容积。另外， 由于膨胀机 8
的吸入容积 Vi 与排出容积 Vo 的关系是恒定的， 因此， 根据膨胀机 8 的吸入比容积求出膨胀 过程结束时的比容积。可以根据上述比容积大致算出适当排出压力 Po。因此， 根据膨胀机 8 的吸入压力即压力传感器 85 检测的压力、 吸入温度即温度传感器 91 检测的温度、 以及事 先存储于控制装置 103 的图 12 所示的关系线图， 可以大致预测与膨胀机 8 的吸入压力和吸 入温度相应的适当排出压力 Po。
在此， 利用图 13 的 P-h 线图， 就进行用于防止膨胀机 8 过膨胀的上述图 11 的流程 图的控制时的、 制冷运转时的空调机的运转状态进行说明。
流出室外热交换器 4 的制冷剂分支成向着第二四通阀 6 的路径和向着旁通阀 5 的 路径。
通过了第二四通阀 6 的制冷剂通过预膨胀阀 7( 从状态 D3 到状态 E3)， 被吸入膨胀 机 8， 经减压而成为低压， 形成干度低的状态 ( 从状态 E3 到状态 F3)。
从膨胀机 8 排出的制冷剂从膨胀机 8 的排出配管 23 向旁通配管 24 流动。然后， 通过旁通阀 10 进一步减压 ( 从状态 F3 到状态 M)。
另一方面， 通过了旁通阀 5 被减压的制冷剂 ( 从状态 D3 到状态 G3) 流出室外机 101 后通过液管 28， 进入室内机 102a、 102b， 进入膨胀阀 31a、 31b。在此， 如果比较通过了旁 通阀 5 后的制冷剂的状态 G3 和通过了膨胀阀 8 后的制冷剂的状态 F， 则状态 G3 的制冷剂压 力更高。 因此， 虽然制冷剂从压力高的一方向低的一方流动， 但由于在此如上所述地设置了 止回阀 9， 因此制冷剂不向图 1 的 G 点和 F 点之间的流路流动， 通过了旁通阀 5 的制冷剂全 部流向朝着室内机 102a、 102b 侧的流路。 制冷剂在膨胀阀 31a、 31b 被进一步减压 ( 从状态 G3 到状态 I3)。
从膨胀阀 31a、 31b 流出的制冷剂在室内热交换器 32a、 32b 从室内空气吸热后蒸 发， 以低压的状态成为干度高的状态 ( 从状态 I3 到状态 J)。
从室内热交换器 32a、 32b 流出的制冷剂流出室内机 102a、 102b， 通过气管 29 进入 室外机 101， 通过第一四通阀 3 后与通过了旁通阀 10 的制冷剂合流， 流入蓄能器 11( 状态 K)。
从蓄能器 11 流出的制冷剂被重新吸入第一压缩机 1。
此时， 若打开旁通阀 10， 使从膨胀机 8 排出的制冷剂流入蓄能器 11， 则第一压缩机 1 的吸入压力就有可能上升。这种情况下， 在打开旁通阀 10 时， 减小预膨胀阀 7 的开度， 降 低膨胀阀 8 的吸入压力即可。另外， 若减小预膨胀阀 7 的开度， 则在膨胀机 8 流动的制冷剂 就会减少， 因此这种情况下打开旁通阀 5 即可。
另外， 由于在膨胀机 8 的排出配管 23 中比旁通配管 24 的连接口更靠下游侧的位 置设置了止回阀 9， 因此， 可以防止在旁通配管 25 流动的制冷剂通过旁通配管 24 后流入蓄 能器 11。
图 14 是表示膨胀机的吸入压力降低时的膨胀过程的 P-v 线图。
如图 14 所示， 通过减小预膨胀阀 7 的开度， 膨胀机 8 的吸入压力 Pi3 低于入口 E2 点的吸入压力 Pi2。 由此， 膨胀过程中的压力变化相对于体积变化的程度变小， 因此， 与膨胀 机 8 的吸入压力高时 (Pi2) 相比， 膨胀机 8 的吸入压力 Pi 与适当排出压力 Po 之差减小， 因 此容易使膨胀机 8 的排出压力 PL3 接近适当排出压力 Po。
另外， 从膨胀机 8 排出的制冷剂是低温低压的气液两相制冷剂， 如果第一压缩机 1
直接吸入该制冷剂， 则第一压缩机 1 就将进行液压缩， 影响压缩机的可靠性。因此， 在本实 施方式的空调机中， 由于使在旁通配管 24 中流动的制冷剂与蓄能器 11 的入口配管 27 连 接， 因此， 即使气液两相制冷剂在旁通配管 24 中流动， 也可将气液两相制冷剂存储在蓄能 器 11 中， 因而可以防止第一压缩机 1 进行液压缩。
另外， 根据第一实施方式， 由于空调机的运转状态， 膨胀机 8 的膨胀过程过渡地成 为过膨胀， 作用于第二压缩机 2 和膨胀机 8 的推力负荷增大， 进而第二压缩机 2 的驱动力降 低， 第二压缩机 2 与膨胀机 8 的旋转变得不稳定， 即便如此， 通过打开旁通阀 10， 可以确实降 低膨胀机 8 的排出压力来防止过膨胀。因此， 可以使第二压缩机 2 和膨胀机 8 的旋转稳定， 无需停止空调机的运转。
根据该第一实施方式的空调， 在定时控制期间， 仅在膨胀机 8 的排出压力高于适 当排出压力时打开旁通阀 10， 因此， 从膨胀机 8 排出的制冷剂不会浪费地流入蓄能器 11。
另外， 如上所述， 在制冷运转时， 在膨胀机 8 的排出压力提高时进行防止过膨胀的 动作， 但在制热运转时， 也在例如室外交换器 4 的压力损失大等情况下， 膨胀机 8 的排出压 力也有可能提高， 因此， 即使在制热运转时防止过膨胀的动作也是有效的。 在制热运转的情 况下， 可以根据温度传感器 92 检测的温度算出制冷剂的饱和压力， 作为旁通阀 5 的出口压 力。并且， 以旁通阀 5 的出口压力低于 Po 时为结束条件。 另外， 根据该第一实施方式， 如图 11 所示， 虽然使压力传感器 82 检测的压力 P(82) 高于膨胀机 8 的适当排出压力 Po 时开始进行防止过膨胀的控制， 但也可以使开始控制的压 力稍微高于膨胀机 8 的适当排出压力 Po。这是由于膨胀机 8 即使稍微过膨胀， 也不会立即 对空调机产生不利影响。通过使开始控制的压力稍微高于膨胀机 8 的适当排出压力 Po， 可 以在压力 P(82) 稍微有些压力变动时防止空调机频繁地进行防止过膨胀的控制。
另外， 虽然将例如制冷运转时压力传感器 83 检测的压力 P(83) 低于膨胀机 8 的适 当排出压力 Po 时作为使防止过膨胀的控制结束的结束条件， 但也可以使结束控制的压力 稍微低于膨胀机 8 的适当排出压力 Po。另外， 在制热运转时， 将根据温度传感器 92 检测的 温度算出的压力作为旁通阀 5 的出口压力、 旁通阀 5 的出口压力低于膨胀机 8 的适当排出 压力 Po 时作为结束防止过膨胀的控制的结束条件， 但在这种情况下， 也同样可以使结束控 制的压力稍微低于膨胀机 8 的适当排出压力 Po。如上所述， 使开始防止过膨胀的控制的压 力与结束防止过膨胀的控制的压力有一些差异， 可以防止频繁地反复进行防止过膨胀的控 制。
如上所述， 第一实施方式的空调机由于在膨胀机 8 的排出压力高于适当排出压力 时打开旁通阀 10， 防止膨胀机 8 过膨胀， 因此， 可以减小第二压缩机 2 与膨胀机 8 的推力负 荷。另外， 由于可以减小第二压缩机 2 与膨胀机 8 的推力负荷， 容易得到第二压缩机 2 的驱 动力， 可以使膨胀机 8 的转速稳定。
第一实施方式的空调机基于膨胀机 8 的排出压力来进行防止膨胀机 8 过膨胀的动 作 ( 使旁通阀 10 的开度增加规定量 ΔL) 开始的判断， 但也可以基于与膨胀机 8 的排出压力 相关的制冷剂的其他物理量。例如， 在第二压缩机 2 和膨胀机 8 的转速降低的情况下， 第二 压缩机 2 的排出压力上升， 因此也可以将压力传感器 81 检测的压力 P(81) 作为判断要素。 另外， 也可以直接检测第二压缩机 2 和膨胀机 8 的转速， 将该转速作为判断要素。
另外， 该第一实施方式的空调机在第一压缩机 1 和第一四通阀 3 之间的制冷剂路
径上设置第二压缩机 2， 从膨胀机 8 通过驱动轴 52 向第二压缩机 2 传输动力。这样， 第二压 缩机 2 可以使用通过膨胀机 8 对制冷剂进行减压时产生的动力， 可以提高空调机的效率。
另外， 该第一实施方式的空调机构成为， 将摆动涡卷件 57 配置在一对固定涡卷件 58、 59 之间， 通过驱动轴 52 自由摆动地支撑上述摆动涡卷件 57。另外， 通过膨胀机固定涡 卷件 59 和摆动涡卷件 57 构成膨胀机 8 使制冷剂膨胀， 通过压缩机固定涡卷件 58 和摆动涡 卷件 57 构成第二压缩机 2 来压缩制冷剂， 因而可实现小型且高效率的空调机。
另外， 在该第一实施方式的空调机中， 将室外热交换器 4 与室内热交换器 32a、 32b 作为与空气进行热交换的热交换器， 但也可以作为与水或盐水等其他热介质进行热交换的 热交换器。
另外， 在该第一实施方式的空调机中， 将第二压缩机 2 设置在第一压缩机 1 的下游 侧， 但也可以将第二压缩机 2 设置在第一压缩机 1 的上游侧。
另外， 在该第一实施方式的空调中， 利用第一四通阀 3 和第二四通阀 6 进行与制冷 制热的运转模式对应的制冷剂路径的切换， 但也可以形成为利用例如二通阀、 三通阀或止 回阀等切换制冷剂流路的结构。
另外， 对仅通过从膨胀机 8 传输的旋转动力进行动作的第二压缩机 2 进行了说明， 当然不局限于此， 例如第二压缩机 2 也可以通过从膨胀机 8 传输的旋转动力以及来自电动 机的旋转动力进行动作。而且， 也可以使发电动机作为由膨胀机 8 回收的动力的传输目标。
第二实施方式
上述的第一实施方式设计成防止在运转期间膨胀机 8 成为过膨胀。第二实施方式 设计成防止在空调机起动时膨胀机 8 成为过膨胀。
图 15 是表示本发明的第二实施方式的防止膨胀机 8 过膨胀的动作的流程图。另 外， 图 16 是表示起动空调时的高压变化和膨胀机排出压力变化的图。在图 16 中， 虚线表示 未进行防止膨胀机 8 过膨胀的动作的情况。在图 16 中， 实线表示进行了防止膨胀机 8 过膨 胀的动作的情况， 即进行了图 15 所示的控制的情况。在此， 在说明图 15 的流程图之前就图 16 进行简单说明， 其表示在起动第一压缩机 1 之前， 空调机的高压 PH 和膨胀机排出压力是 均压， 当起动第一压缩机 1 时， 高压 PH 逐渐上升， 膨胀机排出压力逐渐下降。
以下参考图 15 的流程图和图 16， 就防止起动空调机时膨胀机 8 过膨胀的动作进行 说明。
控制装置 103 若向空调机发出运转命令 ( 步骤 S201)， 则判断空调机是进行制冷运 转还是制热运转 ( 步骤 S202)。这里省略制热运转 ( 步骤 S204)。在步骤 S202 中若判断是 制冷运转 ( 步骤 S203)， 就将第一四通阀 3 和第二四通阀 6 等设定在制冷回路 ( 步骤 S205)。 然后将旁通阀 10 的开度设定为 L10( 步骤 S206)。即， 在起动第一压缩机 1 时， 打开旁通阀 10 使膨胀机 8 的排出侧与第一压缩机 1 的吸入侧连通。利用控制装置 103 判断起动第一压 缩机 1 时的频率等， 使得在旁通阀 10 中压力损失不过大地决定 L10 即可。
然后， 控制装置 103 起动第一压缩机 1( 步骤 S207)。此时， 由于旁通阀 10 已经打 开， 因此从膨胀机 8 排出的制冷剂从旁通配管 24 经过蓄能器 11 流入第一压缩机 1。控制装 置 103 在起动第一压缩机 1 之后， 判断是否过了规定时间 ( 步骤 S208)。在空调机刚起动 后， 制冷剂的温度或压力发生过渡性变化， 因此， 可以使规定时间缩短为大约 10 秒至 30 秒 左右。在经过了规定时间之后， 控制装置 103 判断膨胀机 8 的排出压力即压力传感器 82 检测的压力 P(82) 是否低于膨胀机 8 的适当排出压力 Po( 步骤 S209)。如上所述， 根据以 往的膨胀机 8 的吸入压力和吸入温度、 以及事先存储于控制装置 103 的膨胀机 8 的各个吸 入压力的吸入温度与适当排出压力 Po 的关系数据， 决定该适当排出压力 Po。在此， 如图 16 所示， 起动空调机时的膨胀机 8 的排出压力高于适当排出压力。因此， 在起动空调机时， 反 复进行步骤 S209 和步骤 S208， 每当经过规定时间就进行步骤 S209 的判断。
膨胀机 8 的排出压力随着第一压缩机 1 起动而如图 16 所示地逐渐下降。并且， 若 膨胀机 8 的排出压力 P(82) 低于 Po， 则控制装置 103 就使旁通阀 10 的开度 L10 减小事先设 定的 ΔL2( 步骤 S210)， 反复进行步骤 S208 至步骤 S210 的处理， 直到旁通阀 10 的开度达到 最小开度 L10min(S211)。即， 控制装置 103 逐渐关闭旁通阀 10 直到旁通阀 10 的开度达到 最小开度 L10min。然后， 若旁通阀 10 的开度达到最小开度 L10min， 则控制装置 103 就转移 到定时控制 ( 步骤 S212)。转移到定时装置后的过膨胀防止动作与第一实施方式相同。
在此， 基于图 16， 比较在起动空调时未进行防止膨胀机 8 过膨胀的动作的情况与 进行了防止膨胀机 8 过膨胀的动作的情况下的制冷剂的压力变化。如图 16 所示， 在进行了 防止膨胀机 8 过膨胀的动作的情况下， 可以更早地降低膨胀机排出压力。即， 由于在起动空 调机时打开膨胀阀 10 而使膨胀机 8 的排出侧与第一压缩机 1 的吸入侧连通， 因此， 与使从 膨胀机 8 排出的制冷剂通过液管 28 和气管 29 后返回第一压缩机 1 的情况 ( 即， 未进行防 止膨胀机 8 过膨胀的动作的情况 ) 相比， 可以更早地降低膨胀机排出压力。因此， 在起动空 调机时， 更容易使第二压缩机 2 和膨胀机 8 旋转。由此， 可以防止在起动空调机时由于第二 压缩机 2 和膨胀机 8 的旋转不良而导致高压上升。另外， 能够转移到定时控制， 而不会因第 二压缩机 2 和膨胀机 8 的旋转不良使空调机停止。
另外， 在制冷运转时在空调机中制冷剂为低压的地方是从膨胀机 8 的排出侧到第 一压缩机 1 的吸入侧。但是， 有时在起动第一压缩机 1 之后到低压侧的压力降低会花费时 间。例如， 与之相当的是， 空调机是建筑物用多联空调系统等， 室内机 102 的数量多， 或液管 28 和气管 29 的长度例如是超过 50m 的长度。第二实施方式适合在这种情况下发挥作用。
另外， 在进行防止膨胀机 8 过膨胀的动作时， 不仅调整旁通阀 10， 而且调整预膨胀 阀 7 和旁通阀 5 的开度， 由此可以调整在旁通配管 24 中流动的制冷剂的流量与在室内热交 换器 32 中流动的制冷剂的流量之比。
另外， 以上就制冷运转时的效果进行了说明， 但在制热运转时， 容积大的室外热交 换器 4 形成低压， 低压侧的压力很难降低， 因此第二实施方式在制热运转时也是有效的。
另外， 在第二实施方式的空调机中， 在起动了第一压缩机 1 之后， 若膨胀机 8 的排 出压力下降到适当排出压力 Po， 则使旁通阀 10 形成最小开度， 使得制冷剂不流动， 因此， 在 制冷运转时， 制冷剂不会旁通室内热交换器 32 而破坏冷却能力。另外， 在制热运转时， 不会 使制冷剂液过度地流入蓄能器 11。
第三实施方式
在上述的第一实施方式和第二实施方式中， 使第二压缩机 2 直接吸入从第一压缩 机 1 排出的制冷剂。在第三实施方式中， 使从第一压缩机 1 排出的制冷剂利用中间冷却器 4a 冷却后吸入第二压缩机 2。另外， 在作为防止膨胀机 8 过膨胀的动作进行图 11 和图 15 所示的控制的方面， 第三实施方式与第一实施方式和第二实施方式相同。图 17 是第三实施方式的空调机的制冷运转时的制冷剂回路图。设置制冷剂热交 换器 14， 其用于使从膨胀机 8 的排出配管 23 向蓄能器 11 的入口配管旁通的制冷剂 ( 通过 第一旁通阀 10 返回第一压缩机 1 的制冷剂 ) 与通过了旁通阀 5 的制冷剂 ( 从主散热器 4b 向作为蒸发器发挥功能的室内热交换器 102 旁通的制冷剂 ) 进行热交换。
制冷剂热交换器 14 具有 ： 通过了旁通阀 5 的制冷剂所通过的一方的流路、 和通过 了从膨胀机 8 的排出配管 23 向蓄能器 11 的入口配管旁通的旁通配管 24 的旁通阀 10 的制 冷剂所通过的另一方的流路。一方的流路的流入口与旁通阀 5 和第二四通阀 6 连接， 流出 口与膨胀阀 31a、 31b 连接。另一方的流路的流入口与旁通阀 10 连接， 流出口与蓄能器 11 连接。
进而， 设置有一端与第二压缩机 2 的吸入配管 21 连接、 另一端与蓄能器 11 的入口 配管连接的旁通配管 46， 在旁通配管 46 上设置旁通阀 15。旁通阀 15 在进行防止膨胀机 8 过膨胀的动作时打开。
室外热交换器 4 被分成两个热交换器 4a、 4b， 在室外热交换器 4 主要发挥散热器 作用的制冷运转时， 热交换器 4a 作为中间冷却器发挥作用， 热交换器 4b 作为主散热器发挥 作用。另外， 在空调机进行制热运转时， 热交换器 4a、 4b 同时发挥蒸发器的作用。为了改变 在空调机进行制冷运转时和制热运转时流入室外热交换器 4 的制冷剂路径， 设置了开关阀 12a、 12b、 13a、 13b、 13c。 在制冷运转时， 打开开关阀 12a、 12b， 关闭开关阀 13a、 13b、 13c。由此， 从第一压缩 机 1 排出的制冷剂通过中间冷却器 4a 之后流入第二压缩机 2。这样， 在第二压缩机 2 吸入 从第一压缩机 1 排出的制冷剂之前， 暂且冷却。然后， 从第二压缩机 2 排出的制冷剂通过主 散热器 4b 之后流入膨胀机 8。这样， 使从第二压缩机 2 排出的制冷剂通过主散热器 4b， 冷 却从第二压缩机 2 排出的制冷剂。
在制热运转时， 关闭开关阀 12a、 12b， 打开开关阀 13a、 13b、 13c。由此， 从第一压缩 机 1 排出的制冷剂被第二压缩机 2 吸入。另外， 流入室外热交换器 4 的制冷剂并列地流向 热交换器 4a 和热交换器 4b 之后流向第一压缩机 1。热交换器 4a 和热交换器 4b 如上所述 在制热运转时发挥蒸发器的作用。
以下利用图 17 的制冷剂回路图和图 18 的 P-h 线图， 就第三实施方式的空调机的 制冷运转时的动作进行说明。在此， 如第一实施方式所说明的那样， 作为防止膨胀机 8 过膨 胀的动作， 就在打开旁通阀 10 的状态下空调机的动作进行说明。另外， 在打开旁通阀 10 的 情况下， 在图 17 的 F 点和 G 点之间的流路上通过止回阀 9 使制冷剂不流动的方面， 与第一 实施方式相同。
吸入第一压缩机 1 的气体制冷剂被压缩， 作为中压高温的超临界 ( 或气体 ) 制冷 剂被排出 ( 从状态 A 到状态 B)。
流出第一压缩机 1 的制冷剂经过配管 43 流入中间冷却器 4a。中压高温的制冷剂 在通过中间冷却器 4a 内的期间通过与外气的热交换被冷却， 成为中压中温的超临界 ( 或气 体 ) 制冷剂而流出 ( 从状态 B 到状态 L)， 经过配管 42、 第二压缩机 2 的吸入配管 21 而被吸 入第二压缩机 2。
此时， 在中间冷却器 4a 冷却的制冷剂的一部分在旁通配管 46 流动， 在旁通阀 15 膨胀 ( 从状态 L 到状态 O)。
被吸入第二压缩机 2 的制冷剂被进一步压缩， 作为高压高温的超临界 ( 或气体 ) 制冷剂被排出 ( 从状态 L 到状态 C)。从第二压缩机 2 流出的制冷剂经过第一四通阀 3 流入 主散热器 4b。高压高温的制冷剂在通过主散热器 4b 内的期间通过与外气进行热交换而被 冷却， 成为高压低温的超临界 ( 或液体 ) 制冷剂而流出 ( 从状态 C 到状态 D)。
从主散热器 4b 流出的制冷剂分支到向着第二四通阀 6 的路径和向着旁通阀 5 的 路径。通过了四通阀 6 的制冷剂通过预膨胀阀 7( 从状态 D 到状态 E)， 被吸入膨胀阀 8， 经 过减压而成为低压， 成为干度低的状态 ( 从状态 E 到状态 F)。此时， 在膨胀机 8 中， 随着制 冷剂的减压而产生动力， 通过驱动轴 52 回收该动力， 传输到第二压缩机 2， 用于第二压缩机 2 压缩制冷剂。
从膨胀机 8 排出的制冷剂从膨胀机 8 的排出配管 23 流入旁通配管 24， 在旁通阀 10 进行减压 ( 从状态 F 到状态 M)， 从制冷剂热交换器 14 的另一方的流路的流入口进入制 冷剂热交换器 14。 另一方面， 从室外热交换器 4 流出并流入旁通配管 25 的制冷剂通过旁通 阀 5 减压 ( 从状态 F 到状态 G)， 从制冷剂热交换器 14 的一方的流路的流入口进入制冷剂热 交换器 14。
在此， 在制冷剂热交换器 14 中的一侧的流路与另一侧的流路中， 如果比较各自流 入的制冷剂彼此的状态， 则流入另一侧的流路的状态 M 的制冷剂比流入一侧的流路的状态 G 的制冷剂更加低压低温。 因此， 经过旁通阀 10 流入制冷剂热交换器 14 的另一侧的制冷剂 通过与一侧的制冷剂进行热交换而被加热， 成为干度高的状态 ( 从状态 M 到状态 N)。另一 方面， 经过旁通阀 5 在制冷剂热交换器 14 流动的一侧的制冷剂通过与另一侧的制冷剂进行 热交换而被冷却， 成为干度低的状态 ( 从状态 G 到状态 H)。 从制冷剂热交换器 14 流出的一侧的制冷剂流出室外机 101， 通过液管 28 后进入室 内机 102a、 102b， 进入膨胀阀 31a、 31b。制冷剂在膨胀阀 31a、 31b 中被进一步减压 ( 从状态 H 到状态 I)。
从膨胀阀 31a、 31b 流出的制冷剂在室内热交换器 32a、 32b 从室内空气吸热而蒸 发， 保持低压地成为干度高的状态 ( 从状态 I 到状态 J)。
由此， 冷却室内空气。
流出室内热交换器 32a、 32b 的制冷剂从室内机 102a、 102b 流出， 通过气管 29 进入 室外机 101， 通过第一四通阀 3。然后， 与从制冷剂热交换器 14 流出的另一方的制冷剂以及 通过了旁通阀 15 的制冷剂合流后进入蓄能器 11， 被重新吸入第一压缩机 1。
在第三实施方式的空调中， 与第一实施方式一样， 在进行防止膨胀机 8 过膨胀的 动作时打开旁通阀 10， 此时， 还进一步打开旁通阀 15 使制冷剂流入旁通配管 46。通过打开 旁通阀 15， 可以调整第二压缩机 2 的排出压力。因此， 在通过膨胀机 8 的制冷剂流量减少、 膨胀机 8 与第二压缩机 2 的转速降低时， 通过打开旁通阀 15， 可以防止第二压缩机 2 的排出 压力过高。例如基于第二压缩机 2 的排出压力即压力传感器 81 检测的压力 P(81) 来调整 旁通阀 15 的开度。
根据该第三实施方式的空调机， 在制冷运转时， 从第一压缩机 1 排出的中压高温 的制冷剂在中间冷却器 4a 暂且冷却后， 在第二压缩机 2 进一步压缩。因此， 与不冷却中压 的制冷剂而在第二压缩机 2 压缩成高压的情况相比， 在第二压缩机 2 的压缩过程中， 某种压 缩比所需的动力变小。如果使膨胀机 8 回收的动力为同样大小， 则可以提高第二压缩机 2
中的升压量， 从而降低第一压缩机 1 的升压量。即， 第一压缩机 1 所消耗的电力减少， 可以 使空调机更节能。
另外， 根据该第三实施方式的空调机， 在制冷运转时串联连接中间冷却器 4a 和主 散热器 4b， 可以提高导热性能地进行散热， 在制热运转时进行并联连接， 可以降低压力损 失。
另外， 根据该第三实施方式的空调机， 在起动空调机时， 调整旁通阀 5 和旁通阀 15。因此， 即使在起动空调机时， 第二压缩机 2 和膨胀机 8 的制冷剂流量不一致、 旋转不稳 定时， 也可以使在第二压缩机 2 和膨胀机 8 中流动的各个制冷剂适当地旁通同时进行起动。
另外， 根据该第三实施方式的空调机， 在进行防止制冷运转时膨胀机 8 过膨胀的 动作时， 使在旁通配管 24 流动的制冷剂与流入室内热交换器 32a、 32b 的制冷剂在制冷剂热 交换器 14 中进行热交换。因此， 室内热交换器 32a、 32b 可以增大冷冻效果。而且， 可以使 在旁通配管 24 流动的制冷剂的干度更大， 因而可以使流入蓄能器 11 的液体制冷剂的量更 小。
另外， 在制热运转时流入室外热交换器 4 的制冷剂在流入室外热交换器 4 之前由 制冷剂热交换器 14 冷却， 因此可以使流入室外热交换器 4 的制冷剂的干度更小。因此， 可 以进一步减少室外热交换器 4 中的制冷剂的压力损失， 或进一步提高室外热交换器 4 中的 制冷剂的分配性能。
另外， 根据该第三实施方式的空调机， 制冷剂热交换器 14 在制冷运转时以使制冷 剂彼此成为对流的方式使制冷剂流动， 因此可以在制冷运转时进行热交换， 以便减小流入 室内热交换器 32a、 32b 的制冷剂的焓值。
另外， 根据该第三实施方式的空调机， 在进行防止膨胀机 8 过膨胀的动作时， 调整 旁通阀 15 的开度， 调整第二压缩机 2 的排出压力。因此， 在通过膨胀机 8 的制冷剂的流量 减少、 膨胀机 8 与第二压缩机 2 的转速降低时， 可以防止第二压缩机 2 的排出压力过高。另 外， 旁通阀 15 和旁通配管 46 也可以设置在图 1 所示的第一实施方式的制冷剂回路中， 在这 种情况下也可以得到同样的效果。
另外， 该第三实施方式的空调机仅在制冷运转时在中间冷却器 4a 冷却从第一压 缩机 1 排出的中压高温的制冷剂， 但也可以形成为在制热运转时进行中间冷却的结构。
另外， 该第三实施方式的空调机将旁通配管 46 与第二压缩机 2 的吸入配管 21 连 接， 使流出中间冷却器 4a 的制冷剂向蓄能器 11 旁通， 但也可以将从第一压缩机 1 排出的制 冷剂旁通。
另外， 在该第三实施方式的空调机中， 将第二压缩机 2 设置在第一压缩机 1 的下游 侧， 但也可以将第二压缩机 2 设置在第一压缩机 1 的上游侧。
另外， 在上述第一至第三的各实施方式中， 例示了将由膨胀机 8 回收的动力作为 第二压缩机 2 的动力加以使用的方式， 但动力的使用目标并不一定局限于第二压缩机 2。 例 如也可以作为第一压缩机 1 的动力或驱动冷冻循环使用的发电动机的动力加以使用。
附图标记说明
1 第一压缩机、 2 第二压缩机、 3 第一四通阀、 4 室外热交换器、 5 旁通阀、 6 第二四通 阀、 7 预膨胀阀、 8 膨胀机、 9 止回阀、 10 旁通阀、 11 蓄能器、 12a、 12b 开关阀、 13a、 13b、 13c 开 关阀、 14 制冷剂热交换器、 15 旁通阀、 21 第二压缩机 2 的吸入配管、 22 膨胀机 8 的吸入配管、23 膨胀机 8 的排出配管、 24 旁通配管、 25 旁通配管、 26 制冷剂配管、 27 蓄能器 11 的入口配 管、 28 液管、 29 气管、 31a、 31b 膨胀阀、 32a、 32b 室内热交换器 41、 42、 43、 44、 45 制冷剂配管、 46 旁通配管、 51 容器、 52 驱动轴、 53 第二压缩机 2 的吸入管、 54 第二压缩机 2 的排出管、 55 膨胀机 8 的吸入管、 56 膨胀机 8 的排出管、 57 摆动涡卷件、 58 压缩机固定涡卷件、 59 膨胀机 固定涡卷件、 60 欧丹环、 61 滑块、 62 轴嵌入孔、 63 摆动轴承部、 64 摆动涡卷件 57 上表面的涡 卷齿、 65 摆动涡卷件 57 下表面的涡卷齿、 66 压缩机固定涡卷件 58 的涡卷齿、 67 膨胀机固定 涡卷件 59 的涡卷齿、 68 油泵、 69 润滑油、 70 平衡器、 71 涡卷齿 64 的齿尖、 72 涡卷齿 65 的齿 尖、 81、 82、 83、 84、 85 压力传感器、 91、 92、 温度传感器、 101 室外机、 102a、 102b 室内机、 103 控 制装置。