JP4075429B2 - 冷凍空調装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二酸化炭素など超臨界となる冷媒を用いた冷凍サイクルによる冷凍空調装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１９は、例えば特開２０００−２４１０３３号公報に示された従来の超臨界サイクルによる冷凍装置の冷媒回路図である。図において、圧縮機１は原動機１２によって駆動され冷媒を圧縮する。圧縮された冷媒ガスは油分離器２にて冷媒に含まれる油を分離した後、ガスクーラ３で冷却されて、膨張機４を流通して圧縮機１に連結した主軸１１を駆動しながら膨張し、蒸発器５で加熱され、アキュムレータ６で液を分離してから再び圧縮機１に吸入される。ガスクーラ３と膨張機４との接続配管に設けられた温度センサ７と圧力センサ８により検出されたガスクーラ出口側の冷媒状態量をもとに演算手段９が膨張機４の膨張比制御手段１０を制御して膨張機への冷媒供給量を変えることにより、ガスクーラ出口圧力を所定の圧力に制御している。
【０００３】
また、この変形例として、図２０のように膨張機４の主軸１１に負荷を可変できる発電機１３等を配し、圧縮機１とは独立分離した構成として、負荷の大きさで膨張機４の回転数を変えることにより、ガスクーラ３出口圧力を所定の圧力に制御するものも示されている。
【０００４】
同公報によれば、膨張機の形式としてはレシプロ式が示されており、シリンダ内への流体の流入と排出を弁の開口タイミングを制御することにより、膨張機として動作させるとしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の技術のようにレシプロ式の膨張機では、主軸の回転に同期して弁を開閉するための複雑な機構あるいは電気式切換え弁とその制御装置が必要となる。これを避けるためには、マルチベーン式やスクロール式のように膨張機としての行程容積と内部容積比を持つ形式を用いることが考えられる。
【０００６】
このような形式の膨張機を図１９のような冷媒回路構成で用いるには、膨張機での体積流量を圧縮機側とマッチングさせるために、膨張比制御手段に代わって予膨張弁やバイパス膨張弁が必要となる。しかし、このときの予膨張弁での圧力差分やバイパス流量分は膨張動力回収できない。
【０００７】
また、図２０のような冷媒回路構成で用いると、膨張機は圧縮機と必ずしも同じ回転数で回らなくてもよくなるので、流量マッチングの必要はなくなるが、回収した膨張動力を電気エネルギとして取り出す際に発電機効率がかかる分がロスとなり、効率低下となる。
【０００８】
本発明は、かかる課題を解決するためになされたもので、レシプロ式のような弁制御機構を必要としない膨張機を用いながら、流量マッチングや発電機効率による動力回収ロスの影響を極力減らしつつ、圧縮機側の効率も高くなるような冷媒回路構成により、高効率の膨張動力回収超臨界冷凍サイクル装置を得ることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る冷凍空調装置は、複数台の圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された高圧の冷媒を冷却するガスクーラと、前記ガスクーラによって冷却されたガスを減圧することにより動力を取出す膨張機と、前記膨張機により減圧された冷媒を加熱する蒸発器とを備え、前記圧縮機のうちに少なくとも１台は前記膨張機で回収した膨張動力により駆動される第２圧縮機であるとともに複数の運転モードを持ち、前記膨張機は冷媒の正逆方向流れにそれぞれ対応する２つの膨張機と前または後ろにそれぞれ逆流防止手段を設けたものである。
【００１０】
本発明の請求項２に係る冷凍空調装置は、複数台の圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された高圧の冷媒を冷却するガスクーラと、前記ガスクーラによって冷却されたガスを減圧することにより動力を取出す膨張機と、前記膨張機により減圧された冷媒を加熱する蒸発器とを備え、前記圧縮機のうちに少なくとも１台は前記膨張機で回収した膨張動力により駆動される第２圧縮機であるとともに複数の運転モードを持ち、前記膨張機と並列に第２減圧手段としてのイジェクタをアキュムレータと組合わせて、前記蒸発器からの冷媒を吸引するとともに前記イジェクタから冷媒を前記アキュムレータに流通して気液分離したガス冷媒を前記圧縮機へ液冷媒を前記蒸発器に流れるように接続したものである。
【００１１】
本発明の請求項３に係る冷凍空調装置は、運転モードが冷房運転時に前記ガスクーラが室外機側、前記蒸発器が室内機側となり、暖房運転時にその逆となるように流路を切換える四方弁を備えたものである。
【００１２】
本発明の請求項４に係る冷凍空調装置は、第２圧縮機を他方の圧縮機の吐出側に接続したものである。
【００１３】
本発明の請求項５に係る冷凍空調装置は、第２圧縮機の負荷に対する膨張機の回収動力の不足を補うための補助モータを備えたものである。
【００１４】
本発明の請求項６に係る冷凍空調装置は、冷媒として二酸化炭素を用いたものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
参考例１．
図１は本発明の参考例１に係る冷凍空調装置を示す冷媒回路図で、（ａ）が暖房運転時、（ｂ）が冷房運転時を示している。本発明の冷凍空調装置は二軸直列（高段）構成を基本構成とする冷媒回路を有し、冷媒に二酸化炭素を用いている。なお、この二軸直列（高段）構成の冷媒回路については後述する。図１（ａ）において、ガスクーラ３が室内機側熱交換器、蒸発器５が室外機側熱交換器に相当している。
【００１６】
図１において、１はモータ１２によって駆動される圧縮機、２は油分離器、２０は冷房と暖房の流路を切換える四方弁、３はガスクーラ、４は膨張機、５は蒸発器、６はアキュムレータ、１４は膨張機４の主軸１１に連結して駆動される第二圧縮機、１９は膨張機４の下流側に設けられた逆流防止手段、１５は膨張機４および逆流防止手段１９に並列に接続されたバイパス配管に設けられた第二減圧装置、１８は第二圧縮機１５を迂回させる流量制御手段１８である。
【００１７】
ここで、本発明に係る冷凍空調装置の基本冷媒回路構成について説明する。
図２は二軸直列（高段）構成の基本冷媒回路であり、二酸化炭素を冷媒として用いることを想定している。図において、モータ１２によって駆動される圧縮機１は、膨張機４とは同軸となっておらず、膨張機４の主軸は第２圧縮機１４を駆動するようになっている。そして、第２圧縮機１４は圧縮機１と冷媒回路において直列に配管接続され、冷媒の二段圧縮を行うように配設されている。圧縮機１と第２圧縮機１４で圧縮された冷媒は、第２圧縮機１４の吐出側に配管接続された油分離器２から分離した油を、圧縮機１の吸入側、アキュムレータ６の流出後の位置に戻してから、ガスクーラ３で冷却される。そして、ガスクーラ３で冷却された後の高圧冷媒ガスは膨張機４で減圧される際に膨張動力を回収し、この回収動力は主軸１１を伝達して第２圧縮機１４に伝えられる。膨張機４にて減圧された後の冷媒は、蒸発器５で加熱され、余分な液冷媒を貯留するアキュムレータ６を経由してから、圧縮機１の吸入側に戻る冷媒回路で構成されている。
【００１８】
上記のように構成された冷凍空調装置において、膨張機４は弁開閉制御機構が無く構造が簡素な行程容積、内部容積比が定まった形式のものを用いている。このような膨張機では体積流量によって主軸１１の回転数が決まってくるので、第２圧縮機１４との回転数のマッチングを取る必要がある。
【００１９】
ここで説明のため、図３に示す膨張機同軸構成との対比を行う。図３は従来例の図１９をもとに基本構成を簡略化して示した膨張機同軸構成の基本冷媒回路図である。図３において、膨張機４とモータ１２で駆動される圧縮機１とは主軸１１によって同軸となっている。この場合、膨張機４と圧縮機１が同一回転数となるように膨張機４と圧縮機１での流量がマッチしなければならない。
【００２０】
ここで、圧縮機１の吸入側における冷媒の比容積をυｓ、膨張機４入口の比容積をυｅｘｉ、圧縮機１の行程容積をＶｓｔ、膨張機４の膨張前状態の閉じ込め容積、いわゆる行程容積をＶｅｘとすると、圧縮機側と膨張機側で流量が一致することから、
Ｖｅｘ／υｅｘｉ＝Ｖｓｔ／υｓ （１）
が成り立たなければならない。上記υｅｘｉ、υｓは運転条件から決まり、様々な運転条件に対して（１）式を満たすためには、Ｖｅｘ、Ｖｓｔが可変でないかぎり膨張機入口での冷媒の体積流量を調整する必要がある。
たとえば、υｅｘｉ／υｓ＞Ｖｅｘ／Ｖｓｔの場合、膨張機側が圧縮機側より速く回転しようとするのでバイパスして膨張機を通過する流量を減らす必要がある。逆に、υｅｘｉ／υｓ＜Ｖｅｘ／Ｖｓｔの場合は膨張機側が遅くなってしまうので、ガスクーラを出た冷媒を所定の圧力まで減圧・膨張させて膨張機入口における体積流量を増やすことにより、圧縮機と膨張機の回転数がバランスできる。
【００２１】
そこで、図４に、図３の冷媒回路を基に圧縮機と膨張機の流量マッチングをとるためにバイパス膨張弁である第２減圧手段１５と予膨張弁１６を加えた構成の冷媒回路図を示す。図４において、１５は膨張機４をバイパスするようにガスクーラ３の出口側から蒸発器５の入口側へ配管接続された途中に設けられた第２減圧手段、１６は膨張機４の流入側に接続された予膨張弁であり、その他の部分は図３と同様である。この予膨張弁１６における減圧分やバイパス配管の第２減圧手段１５を流通する流量分は膨張動力回収に寄与しないので、圧縮機１の行程容積Ｖｓｔに対して膨張機の行程容積Ｖｅｘを決める際には、最も効率を向上したい運転条件のときにバイパスも予膨張を行わなくてもよいように、すなわち（１）式を満たすように前記Ｖｅｘを選ぶのがよい。
【００２２】
ここで、全流量に対するバイパスされる流量の比率をバイパス比ｘ、ガスクーラ／蒸発器間で減圧する全高低圧差に対する予膨張弁前後の差圧の比率を予膨張率ｙと定義する。上述の図４の膨張機同軸構成の冷媒回路を備えた冷凍空調装置に対して、空調用途の代表４運転条件のうち、ＳＥＥＲ（年間平均エネルギー消費効率）に最も寄与度の大きい暖房中間条件にて、ｘ＝ｙ＝０％となるように、圧縮機１の行程容積Ｖｓｔに対する膨張機の行程容積Ｖｅｘを設定した場合、各条件におけるｘ，ｙは、図５に示す数値となる。
以後、ＣＯＰやＳＥＥＲなどの効率を比較する場合には、膨張機同軸構成の冷媒回路におけるこのｘ，ｙのときの値を基準とする。
【００２３】
図２のような二軸直列（高段）構成の冷媒回路の場合も、膨張機４と第２圧縮機１４との流量のマッチングを図らなければならないのは同様であるが、第２圧縮機１４の行程容積をＶ２とすると、圧縮機１の行程容積Ｖｓｔに対する膨張機の行程容積Ｖｅｘと前記Ｖ２双方のマッチングが必要となる。
ここで、第２圧縮機１４の吸入側における冷媒の比容積をυｍ、圧縮機の回転数をＮ１、膨張機／第２圧縮機の回転数をＮ２とすると、
Ｎ２・Ｖｅｘ／υｅｘｉ＝Ｎ２・Ｖ２／υｍ＝Ｎ１・Ｖｓｔ／υｓ （２）
が成り立つ必要がある。
また、前記υｍが膨張機４で回収され第２圧縮機１４にて用いられる動力とＶ２から定まることも考慮しなければならない。即ち、図４の膨張機同軸構成の冷媒回路の場合と同様に、バイパスまたは予膨張によって流量マッチングを図るとすると、バイパス比ｘあるいは予膨張率ｙはＶｓｔ，Ｖｅｘだけでなく、Ｖ２とＮ１に対するＮ２の組合せに対して決まることになる。
【００２４】
膨張機同軸構成のときと同様に、ＳＥＥＲに最も寄与度の大きい暖房中間条件でバイパス比ｘ＝予膨張率ｙ＝０％となるように、Ｖｓｔに対するＶｅｘ及びＶ２を設定すると、各条件における前記ｘ，ｙは、図６の中段に示す数値となる。
そして、各条件における膨張機同軸構成冷媒回路に対する二軸直列（高段）構成冷媒回路でのＣＯＰとＳＥＥＲ比は、図６の下段に示す値のように、僅かながら二軸直列（高段）構成の方が良い。なお、膨張機の膨張容積比については、膨張機同軸の場合も二軸直列の場合も、暖房中間条件で過不足なく膨張して膨張ロスが生じないような値を基準として用いており、以後特にことわらない限り同じである。
【００２５】
また、バイパスのみで予膨張の必要がないことから、図８のように膨張機をバイパスする配管の途中に第２減圧手段１５を設けた構成の冷媒回路でよくなる。このときの各条件における膨張機／第２圧縮機と圧縮機それぞれの回転数は、図７に示す回転数となっている。
【００２６】
図９は二軸並列構成の冷媒回路図であり、第２圧縮機を圧縮機１とは冷媒流路において並列に配置し、膨張機／第２圧縮機の主軸１１に補助モータ１７を備えた場合の基本冷媒回路を示している。このような二軸並列構成の冷媒回路における流量マッチングに関しては、
Ｎ２・Ｖｅｘ／υｅｘｉ＝Ｎ２・Ｖ２／υｓ＋Ｎ１・Ｖｓｔ／υｓ （３）
の関係が必要となる。
なお、全流量に対して膨張機４側で決まるＮ２に対して第２圧縮機１４側の流量が決まるので、残りの流量に見合うＮ１で圧縮機１が駆動されれば流量はバランスする。このとき、第２圧縮機の流量分の圧縮仕事を膨張機の回収動力で賄えるとは限らないが、補助モータ１７によって動力の過不足を吸収できるので、バイパスや予膨張を行わなくてもマッチング可能となる。
【００２７】
この二軸並列（モータ併用）構成の場合のＣＯＰとＳＥＥＲにおける膨張機同軸構成に対する比、および膨張機／第２圧縮機と圧縮機のそれぞれの回転数は、図１０に示す数値となり、二軸直列構成でバイパスすることにより膨張機／第２圧縮機の回転数Ｎ２を低く抑えていた条件でもバイパスしないで全流量を動力回収する分、二軸直列構成よりもＣＯＰが良くなっていることがわかる。
【００２８】
本発明の参考例１を示す図１において、四方弁２０により冷房運転に切換えると、図１（ｂ）に示すように室内機がガスクーラ３、そして室外機が蒸発器５となる。このとき、膨張機４の前後の冷媒流れの向きが逆転するが、膨張機４の出口側配管に逆流防止手段１９を設けているので、膨張機４内を逆流せずに全流量が第２減圧手段１５を経由するようになっている。これに伴い、流量制御手段１８が開となり圧縮機１から吐出された冷媒は第２圧縮機を迂回するようになっている。
【００２９】
四方弁を複数個用いることにより、暖房運転と冷房運転の両方共に膨張機を同一方向に流れるような構成も可能であるが、本参考例では、逆流時にはバイパスさせる構成をとっているので、簡素化、低コスト化が得られる。一方、同軸構成の冷媒回路の場合は、逆流時にも膨張機を停止させることができないので、冷房運転時と暖房運転時で膨張機における流れの向きが同じとなるように複雑な冷媒回路構成を取らざる得なくなる。
【００３０】
このように膨張機４の出口側配管に逆流防止手段１９、第２圧縮機１４と並列の迂回流路に流量制御手段１８を配設することにより、冷房運転と暖房運転の切換えによる逆流時には膨張動力回収を行わないような構成の場合、各条件におけるＣＯＰ（成績係数）とＳＥＥＲ（年間平均エネルギ消費効率）を膨張機同軸構成の冷媒回路（図３）のときに対する比は、図１１に示す数値となり、動力回収を行わない冷房の条件で５〜１０％のＣＯＰ低下となるが、その寄与度が低いことからＳＥＥＲの低下は２％以下と抑えられている。
【００３１】
実施の形態１．
本発明の実施の形態１を図１２に基づいて説明する。
図１２（ａ），（ｂ）は実施の形態２を示す冷媒回路図であり、（ａ）は暖房運転時、（ｂ）は冷房運転時を表している。本実施の形態２は、図９で説明してきた二軸並列（モータ併用）構成の冷媒回路が基本構成となっている。図１２において、４ａ，４ｂはそれぞれ暖房運転用、冷房運転用の膨張機であり、１９ａ，１９ｂは逆流防止手段、１７は主軸１１に設けられた補助モータである。なお、図１と同一又は相当部には同じ符号を付し説明を省略する。
図１２において、第２圧縮機１４を圧縮機１と冷媒流路において並列に配置し、ガスクーラ３と蒸発器５との間の配管に２つの並列配設した膨張機４ａ，４ｂを備え、これら膨張機の出口側にはそれぞれ逆流防止手段１９ａ，１９ｂが冷房運転と暖房運転の切換えによる冷媒の逆方向流れに対応して設けられた冷媒回路構成となっている。なお、本図では逆流防止手段１９ａ，１９ｂを膨張機の出口側（流出側）に設けるようにしたが、これに限るものでなく、反対側の入口側（流入側）に設置してもよい。また、図１２（ａ）におけるガスクーラ３が室内機、蒸発器５が室外機に相当しており、四方弁２０の切換えにより図１２（ｂ）の冷房状態になると室内機は蒸発器５、室外機がガスクーラ３となる。
【００３２】
冷暖房運転の切換えによる膨張機部分の冷媒の逆流に関しては、図１２に示すように暖房運転時用の膨張機４ａと冷房運転時用の膨張機４ｂとを同一主軸１１上に配設し、それぞれの出口側配管に逆流防止手段１９ａ，１９ｂを設け、暖房運転時は膨張機４ａ側を冷媒が流通し、冷房運転時は膨張機４ｂ側を冷媒が流通する２ＷＡＹ膨張機構部とすることにより、冷房運転時と暖房運転時共に膨張動力回収を行うことが可能となり、第２圧縮機１４をバイパスするような流量制御手段は不要となる。
【００３３】
また、図９に示す二軸並列（モータ併用）の基本冷媒回路では、膨張機と同軸連動した第２圧縮機の流量と動力の釣合いについては補助モータ１７によって吸収できるが、膨張容積比固定による不足膨張及び過膨張ロスを任意の条件に対してなくすことはできない。しかし、本実施の形態１では膨張機を並列に二つ備え２ＷＡＹ膨張機構部とすることにより、冷房運転と暖房運転のそれぞれの条件に対して膨張ロスがゼロとなるような膨張容積比を設定することが可能である。
【００３４】
本実施の形態において、膨張機４ａの膨張容積比は暖房中間条件に、そして膨張機４ｂは冷房中間条件に合わせた場合のＣＯＰとＳＥＥＲの膨張機同軸構成の冷媒回路に対する比は、図１３に示す数値となり、図９の場合における暖房中間条件で膨張ロスが生じない膨張容積比で求めた値よりも、冷房運転側でも膨張容積比を合わせた分だけ良くなっており、更に高効率となる冷凍空調装置が得られる。
【００３５】
参考例２．
本発明の参考例２を図１４に基づいて説明する。図１４（ａ）は暖房運転時、（ｂ）は冷房運転時を表している。本参考例２は、図８で説明してきた二軸直列（高段）構成の冷媒回路が基本となっている。図１４において、２１は第２ガスクーラ、１８は第２ガスクーラをバイパスする配管の流量制御手段である。なお、図１および図１２と同一又は相当部には同じ符号を付し説明を省略する。
図１４（ａ）における暖房運転ではガスクーラ３が室内機、蒸発器５が室外機に相当しており、四方弁２０の切換えにより図１４（ｂ）の冷房運転では蒸発器５が室内機、ガスクーラ３が室外機となる。
【００３６】
暖房運転時用の膨張機４ａと冷房運転時用の膨張機４ｂそれぞれの出口側配管に逆流防止手段１９ａ，１９ｂを備え、冷房運転と暖房運転ともに膨張動力回収を行うことについては、実施の形態１と同様である。本参考例２では、更に第２ガスクーラ２１を圧縮機１と第２圧縮機１４との間の配管に設け、圧縮機１により冷媒を圧縮後、吐出された高圧ガス冷媒を第２圧縮機１４で圧縮する前に前記第２ガスクーラ２１で冷却する。
【００３７】
ここで、この参考例２における冷媒状態について図１５を用いて説明する。図１５は、中間冷却二段圧縮サイクルを説明するｐ−ｈ線図であり、横軸にエンタルピｈ、縦軸に圧力ｐをとっている。図中のａ点は圧縮機１の吸入部、ｂ点は圧縮機１の吐出部、ｃ点は第２ガスクーラ２１の出口部、ｄ点は第２圧縮機１４の吐出部、ｅ点はガスクーラ３の出口部、ｆ点は膨張機４の出口部のそれぞれの冷媒状態を示している（冷房運転時における）。図に示すように、第２ガスクーラ２１を介さずに中間冷却なしで圧縮行程を行った場合（図中のａ→ｂ→ｂ’動作）に比べて、中間冷却二段圧縮（図中のａ→ｂ圧縮行程の後にｃ点まで冷却し、高段でｃ→ｄ圧縮行程を行う）の方が、エンタルピー値で表すと、（ｈｂ’−ｈａ）＞（ｈｂ−ｈａ）＋（ｈｄ−ｈｃ）であることから、圧縮に要する仕事が小さくなり、同一冷凍能力（ｈａ−ｈｆ）に対するＣＯＰは良くなる。暖房時は暖房能力が、（ｈｂ’−ｈｅ）から（ｈｂ−ｈｃ）＋（ｈｄ−ｈｅ）となるため、冷房時ほどはＣＯＰは向上しない。
【００３８】
また、第２ガスクーラ２１を冷房運転及び暖房運転に対応して室外機と室内機間を移動させるわけにはいかないので、第２ガスクーラ２１は室外機に設けられ、より効率改善効果の大きい冷房運転時にのみ機能するようになっている。暖房運転時には流量制御手段１８が開となって迂回するようになっている。
【００３９】
このような二軸直列（高段）２ＷＡＹ膨張機を有すと共に冷房運転時に中間冷却を備えた冷媒回路でのＣＯＰとＳＥＥＲの膨張機同軸構成の冷媒回路に対する比は、図１６に示す値となり、膨張機の行程容積を冷房と暖房運転の２条件に合わせて第２減圧手段１５からのバイパス量を抑え、膨張容積比も冷房と暖房運転の２条件に合わせて膨張ロスを減らしたことによる効果と中間冷却の効果により、実施の形態１の二軸並列（モータ併用）２ＷＡＹ膨張機並みの良いＳＥＥＲ値となっている。
【００４０】
実施の形態２．
本発明の実施の形態２を図１７に基づいて説明する。
図１７は図１に示した二軸直列（高段）構成を基本とした冷媒回路図であり、（ａ）が暖房運転時、（ｂ）が冷房運転時を示す。図において、２２はイジェクタ、２３は第２四方弁であり、図１と同一又は相当部には同じ符号を付し説明を省略する。
【００４１】
本実施の形態では、第２減圧手段１５がイジェクタ２２、アキュムレータ６と組合わされて、バイパスや逆流により膨張動力回収されない減圧流量に対してイジェクタ効果によるエネルギ回収を行うようになっている。
図１７（ａ）の暖房運転時には膨張機４で膨張動力回収が行われるが、暖房中間以外の条件のときに、流量マッチングのためバイパスする分はイジェクタ２２での回収に用いられる。一方、（ｂ）の冷房運転時は逆流防止手段１９により膨張機４への流入はせず、全流量がイジェクタ２２を経由して減圧されることになる。
【００４２】
一般的にはイジェクタのエネルギ効率は膨張機による動力回収効率よりも低く２０％程度であるが、イジェクタ効率２０％で計算しても、ＣＯＰとＳＥＥＲの膨張機同軸構成に対する比は、図１８に示す値となり、図１の二軸直列高段（１ＷＡＹ）構成の冷媒回路に較べて冷房時の全流量と暖房定格時のバイパス流量についてイジェクタ効果の分だけはＣＯＰが改善されている。
【００４３】
なお、上述いずれの実施の形態も、冷房または暖房いずれの場合も油分離器２からアキュムレータ６の出口側配管に分離された油を戻すことにより、アキュムレータ６から圧縮機１を経てガスクーラ３の入口近傍の配管部分は油リッチに保たれ、ガスクーラ、蒸発器の熱交換効率を下げずに、油シール効果により圧縮機構部分の効率を向上させることができる。
【００４４】
また、本発明の実施の形態１、２および参考例１、２に係る冷凍空調装置は使用する冷媒として地球温暖化係数が１の二酸化炭素を用いているため、オゾン層破壊や地球温暖化など地球環境への悪影響の小さい冷凍空調装置を提供することができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上のように本発明の請求項１に係る冷凍空調装置は、複数台の圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された高圧の冷媒を冷却するガスクーラと、前記ガスクーラによって冷却されたガスを減圧することにより動力を取出す膨張機と、前記膨張機により減圧された冷媒を加熱する蒸発器とを備え、前記圧縮機のうちに少なくとも１台は前記膨張機で回収した膨張動力により駆動される第２圧縮機であるとともに複数の運転モードを持ち、前記膨張機は冷媒の正逆方向流れにそれぞれ対応する２つの膨張機と前または後ろにそれぞれ逆流防止手段を設けたので、膨張機の行程容積と膨張容積比を冷房と暖房の両条件について最適な値を選ぶことができ、更に高効率な冷凍空調装置を得ることができる。
【００４６】
また、本発明の請求項２に係る冷凍空調装置は、複数台の圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された高圧の冷媒を冷却するガスクーラと、前記ガスクーラによって冷却されたガスを減圧することにより動力を取出す膨張機と、前記膨張機により減圧された冷媒を加熱する蒸発器とを備え、前記圧縮機のうちに少なくとも１台は前記膨張機で回収した膨張動力により駆動される第２圧縮機であるとともに複数の運転モードを持ち、前記膨張機と並列に第２減圧手段としてのイジェクタをアキュムレータと組合わせて、前記蒸発器からの冷媒を吸引するとともに前記イジェクタから冷媒を前記アキュムレータに流通して気液分離したガス冷媒を前記圧縮機へ液冷媒を前記蒸発器に流れるように接続したので、膨張機をバイパスして減圧する流量分に対しても前記インジェクションによるエネルギ回収を行うことができ、更に高効率な冷凍空調装置を得ることができる。
【００４７】
また、本発明の請求項３に係る冷凍空調装置は、運転モードが冷房運転時に前記ガスクーラが室外機側、前記蒸発器が室内機側となり、暖房運転時にその逆となるように流路を切換える四方弁を備えたので、冷房運転時と暖房運転時ともに膨張動力回収を行うことが可能となる冷凍空調装置を得ることができる。
【００４８】
また、本発明の請求項４に係る冷凍空調装置は、第２圧縮機を他方の圧縮機の吐出側に接続したので、予膨張せずにバイパスのみで流量をマッチングさせることによりＣＯＰ，ＳＥＥＲが良くなり、膨張機同軸構成冷媒回路より高効率で、予膨張弁が不要で低コストの冷凍空調装置を得ることができる。
【００４９】
また、本発明の請求項５に係る冷凍空調装置は、第２圧縮機の負荷に対する膨張機の回収動力の不足を補うための補助モータを備えたので、第２圧縮機の負荷に対する膨張機での回収動力の過不足を補助モータによって吸収することができるので、更に高効率な冷凍空調装置を得ることができる。
【００５０】
また、本発明の請求項６に係る冷凍空調装置は、冷媒として二酸化炭素を用いたので、冷媒として地球温暖化係数が１であり地球環境への悪影響の小さい冷凍空調装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の参考例１に係る冷凍空調装置の冷媒回路図である。
【図２】 本発明の参考例１に係わり、二軸直列（高段）構成の基本冷媒回路図である。
【図３】 本発明の参考例１に係わり、膨張機同軸構成を説明するための冷媒回路図である。
【図４】 本発明の参考例１に係わり、膨張機同軸構成を示す冷媒回路図である。
【図５】 本発明の参考例１に係わり、膨張機同軸構成における基準値を示す表である。
【図６】 本発明の参考例１に係わり、二軸直列（高段）構成の冷媒回路図における特性値を示す表である。
【図７】 本発明の参考例１に係わり、二軸直列（高段）構成の冷媒回路図における回転数を表す表である。
【図８】 本発明の参考例１に係わり、膨張機同軸構成を説明するための基本冷媒回路図である。
【図９】 本発明の参考例１に係わり、膨張機同軸構成を示す冷媒回路図である。
【図１０】 本発明の参考例１に係わり、二軸並列（モータ併用）構成の冷媒回路における特性値を示す表である。
【図１１】 本発明の参考例１に係わり、二軸直列高段（１ＷＡＹ）構成の冷媒回路における特性値を示す表である。
【図１２】 本発明の実施の形態１に係る冷凍空調装置の冷媒回路図である。
【図１３】 本発明の実施の形態１に係わり、膨張機同軸構成に対するＣＯＰ比を示す図である。
【図１４】 本発明の参考例２に係る冷凍空調装置の冷媒回路図である。
【図１５】 本発明の参考例２に係わり、中間冷却二段圧縮サイクルを説明するためのｐ−ｈ線図である。
【図１６】 本発明の参考例２に係わり、膨張機同軸構成に対するＣＯＰ比を示す図である。
【図１７】 本発明の実施の形態２に係る冷凍空調装置の冷媒回路図である。
【図１８】 本発明の実施の形態２に係わり、膨張機同軸構成に対するＣＯＰ比を示す図である。
【図１９】 従来の冷凍空調装置の冷媒回路図である。
【図２０】 従来の別の冷凍空調装置の冷媒回路図である。
【符号の説明】
１ 圧縮機、 ２ 油分離器、 ３ ガスクーラ、 ４、４ａ、４ｂ 膨張機、 ５ 蒸発器、 ６ アキュムレータ、 ７ 温度センサ、 ８ 圧力センサ、 ９ 演算手段、 １０ 膨張比制御手段、 １１ 主軸、 １２ 原動機（モータ）、 １３ 発電機、 １４ 第２圧縮機、 １５ 第２減圧手段、 １６ 予膨張弁、 １７ 補助モータ、 １８ 流量制御手段、 １９、１９ａ、１９ｂ 逆流防止手段、 ２０ 四方弁、 ２１ 第２ガスクーラ、 ２２ イジェクタ、 ２３ 第２四方弁。
【発明の属する技術分野】
本発明は、二酸化炭素など超臨界となる冷媒を用いた冷凍サイクルによる冷凍空調装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１９は、例えば特開２０００−２４１０３３号公報に示された従来の超臨界サイクルによる冷凍装置の冷媒回路図である。図において、圧縮機１は原動機１２によって駆動され冷媒を圧縮する。圧縮された冷媒ガスは油分離器２にて冷媒に含まれる油を分離した後、ガスクーラ３で冷却されて、膨張機４を流通して圧縮機１に連結した主軸１１を駆動しながら膨張し、蒸発器５で加熱され、アキュムレータ６で液を分離してから再び圧縮機１に吸入される。ガスクーラ３と膨張機４との接続配管に設けられた温度センサ７と圧力センサ８により検出されたガスクーラ出口側の冷媒状態量をもとに演算手段９が膨張機４の膨張比制御手段１０を制御して膨張機への冷媒供給量を変えることにより、ガスクーラ出口圧力を所定の圧力に制御している。
【０００３】
また、この変形例として、図２０のように膨張機４の主軸１１に負荷を可変できる発電機１３等を配し、圧縮機１とは独立分離した構成として、負荷の大きさで膨張機４の回転数を変えることにより、ガスクーラ３出口圧力を所定の圧力に制御するものも示されている。
【０００４】
同公報によれば、膨張機の形式としてはレシプロ式が示されており、シリンダ内への流体の流入と排出を弁の開口タイミングを制御することにより、膨張機として動作させるとしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の技術のようにレシプロ式の膨張機では、主軸の回転に同期して弁を開閉するための複雑な機構あるいは電気式切換え弁とその制御装置が必要となる。これを避けるためには、マルチベーン式やスクロール式のように膨張機としての行程容積と内部容積比を持つ形式を用いることが考えられる。
【０００６】
このような形式の膨張機を図１９のような冷媒回路構成で用いるには、膨張機での体積流量を圧縮機側とマッチングさせるために、膨張比制御手段に代わって予膨張弁やバイパス膨張弁が必要となる。しかし、このときの予膨張弁での圧力差分やバイパス流量分は膨張動力回収できない。
【０００７】
また、図２０のような冷媒回路構成で用いると、膨張機は圧縮機と必ずしも同じ回転数で回らなくてもよくなるので、流量マッチングの必要はなくなるが、回収した膨張動力を電気エネルギとして取り出す際に発電機効率がかかる分がロスとなり、効率低下となる。
【０００８】
本発明は、かかる課題を解決するためになされたもので、レシプロ式のような弁制御機構を必要としない膨張機を用いながら、流量マッチングや発電機効率による動力回収ロスの影響を極力減らしつつ、圧縮機側の効率も高くなるような冷媒回路構成により、高効率の膨張動力回収超臨界冷凍サイクル装置を得ることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る冷凍空調装置は、複数台の圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された高圧の冷媒を冷却するガスクーラと、前記ガスクーラによって冷却されたガスを減圧することにより動力を取出す膨張機と、前記膨張機により減圧された冷媒を加熱する蒸発器とを備え、前記圧縮機のうちに少なくとも１台は前記膨張機で回収した膨張動力により駆動される第２圧縮機であるとともに複数の運転モードを持ち、前記膨張機は冷媒の正逆方向流れにそれぞれ対応する２つの膨張機と前または後ろにそれぞれ逆流防止手段を設けたものである。
【００１０】
本発明の請求項２に係る冷凍空調装置は、複数台の圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された高圧の冷媒を冷却するガスクーラと、前記ガスクーラによって冷却されたガスを減圧することにより動力を取出す膨張機と、前記膨張機により減圧された冷媒を加熱する蒸発器とを備え、前記圧縮機のうちに少なくとも１台は前記膨張機で回収した膨張動力により駆動される第２圧縮機であるとともに複数の運転モードを持ち、前記膨張機と並列に第２減圧手段としてのイジェクタをアキュムレータと組合わせて、前記蒸発器からの冷媒を吸引するとともに前記イジェクタから冷媒を前記アキュムレータに流通して気液分離したガス冷媒を前記圧縮機へ液冷媒を前記蒸発器に流れるように接続したものである。
【００１１】
本発明の請求項３に係る冷凍空調装置は、運転モードが冷房運転時に前記ガスクーラが室外機側、前記蒸発器が室内機側となり、暖房運転時にその逆となるように流路を切換える四方弁を備えたものである。
【００１２】
本発明の請求項４に係る冷凍空調装置は、第２圧縮機を他方の圧縮機の吐出側に接続したものである。
【００１３】
本発明の請求項５に係る冷凍空調装置は、第２圧縮機の負荷に対する膨張機の回収動力の不足を補うための補助モータを備えたものである。
【００１４】
本発明の請求項６に係る冷凍空調装置は、冷媒として二酸化炭素を用いたものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
参考例１．
図１は本発明の参考例１に係る冷凍空調装置を示す冷媒回路図で、（ａ）が暖房運転時、（ｂ）が冷房運転時を示している。本発明の冷凍空調装置は二軸直列（高段）構成を基本構成とする冷媒回路を有し、冷媒に二酸化炭素を用いている。なお、この二軸直列（高段）構成の冷媒回路については後述する。図１（ａ）において、ガスクーラ３が室内機側熱交換器、蒸発器５が室外機側熱交換器に相当している。
【００１６】
図１において、１はモータ１２によって駆動される圧縮機、２は油分離器、２０は冷房と暖房の流路を切換える四方弁、３はガスクーラ、４は膨張機、５は蒸発器、６はアキュムレータ、１４は膨張機４の主軸１１に連結して駆動される第二圧縮機、１９は膨張機４の下流側に設けられた逆流防止手段、１５は膨張機４および逆流防止手段１９に並列に接続されたバイパス配管に設けられた第二減圧装置、１８は第二圧縮機１５を迂回させる流量制御手段１８である。
【００１７】
ここで、本発明に係る冷凍空調装置の基本冷媒回路構成について説明する。
図２は二軸直列（高段）構成の基本冷媒回路であり、二酸化炭素を冷媒として用いることを想定している。図において、モータ１２によって駆動される圧縮機１は、膨張機４とは同軸となっておらず、膨張機４の主軸は第２圧縮機１４を駆動するようになっている。そして、第２圧縮機１４は圧縮機１と冷媒回路において直列に配管接続され、冷媒の二段圧縮を行うように配設されている。圧縮機１と第２圧縮機１４で圧縮された冷媒は、第２圧縮機１４の吐出側に配管接続された油分離器２から分離した油を、圧縮機１の吸入側、アキュムレータ６の流出後の位置に戻してから、ガスクーラ３で冷却される。そして、ガスクーラ３で冷却された後の高圧冷媒ガスは膨張機４で減圧される際に膨張動力を回収し、この回収動力は主軸１１を伝達して第２圧縮機１４に伝えられる。膨張機４にて減圧された後の冷媒は、蒸発器５で加熱され、余分な液冷媒を貯留するアキュムレータ６を経由してから、圧縮機１の吸入側に戻る冷媒回路で構成されている。
【００１８】
上記のように構成された冷凍空調装置において、膨張機４は弁開閉制御機構が無く構造が簡素な行程容積、内部容積比が定まった形式のものを用いている。このような膨張機では体積流量によって主軸１１の回転数が決まってくるので、第２圧縮機１４との回転数のマッチングを取る必要がある。
【００１９】
ここで説明のため、図３に示す膨張機同軸構成との対比を行う。図３は従来例の図１９をもとに基本構成を簡略化して示した膨張機同軸構成の基本冷媒回路図である。図３において、膨張機４とモータ１２で駆動される圧縮機１とは主軸１１によって同軸となっている。この場合、膨張機４と圧縮機１が同一回転数となるように膨張機４と圧縮機１での流量がマッチしなければならない。
【００２０】
ここで、圧縮機１の吸入側における冷媒の比容積をυｓ、膨張機４入口の比容積をυｅｘｉ、圧縮機１の行程容積をＶｓｔ、膨張機４の膨張前状態の閉じ込め容積、いわゆる行程容積をＶｅｘとすると、圧縮機側と膨張機側で流量が一致することから、
Ｖｅｘ／υｅｘｉ＝Ｖｓｔ／υｓ （１）
が成り立たなければならない。上記υｅｘｉ、υｓは運転条件から決まり、様々な運転条件に対して（１）式を満たすためには、Ｖｅｘ、Ｖｓｔが可変でないかぎり膨張機入口での冷媒の体積流量を調整する必要がある。
たとえば、υｅｘｉ／υｓ＞Ｖｅｘ／Ｖｓｔの場合、膨張機側が圧縮機側より速く回転しようとするのでバイパスして膨張機を通過する流量を減らす必要がある。逆に、υｅｘｉ／υｓ＜Ｖｅｘ／Ｖｓｔの場合は膨張機側が遅くなってしまうので、ガスクーラを出た冷媒を所定の圧力まで減圧・膨張させて膨張機入口における体積流量を増やすことにより、圧縮機と膨張機の回転数がバランスできる。
【００２１】
そこで、図４に、図３の冷媒回路を基に圧縮機と膨張機の流量マッチングをとるためにバイパス膨張弁である第２減圧手段１５と予膨張弁１６を加えた構成の冷媒回路図を示す。図４において、１５は膨張機４をバイパスするようにガスクーラ３の出口側から蒸発器５の入口側へ配管接続された途中に設けられた第２減圧手段、１６は膨張機４の流入側に接続された予膨張弁であり、その他の部分は図３と同様である。この予膨張弁１６における減圧分やバイパス配管の第２減圧手段１５を流通する流量分は膨張動力回収に寄与しないので、圧縮機１の行程容積Ｖｓｔに対して膨張機の行程容積Ｖｅｘを決める際には、最も効率を向上したい運転条件のときにバイパスも予膨張を行わなくてもよいように、すなわち（１）式を満たすように前記Ｖｅｘを選ぶのがよい。
【００２２】
ここで、全流量に対するバイパスされる流量の比率をバイパス比ｘ、ガスクーラ／蒸発器間で減圧する全高低圧差に対する予膨張弁前後の差圧の比率を予膨張率ｙと定義する。上述の図４の膨張機同軸構成の冷媒回路を備えた冷凍空調装置に対して、空調用途の代表４運転条件のうち、ＳＥＥＲ（年間平均エネルギー消費効率）に最も寄与度の大きい暖房中間条件にて、ｘ＝ｙ＝０％となるように、圧縮機１の行程容積Ｖｓｔに対する膨張機の行程容積Ｖｅｘを設定した場合、各条件におけるｘ，ｙは、図５に示す数値となる。
以後、ＣＯＰやＳＥＥＲなどの効率を比較する場合には、膨張機同軸構成の冷媒回路におけるこのｘ，ｙのときの値を基準とする。
【００２３】
図２のような二軸直列（高段）構成の冷媒回路の場合も、膨張機４と第２圧縮機１４との流量のマッチングを図らなければならないのは同様であるが、第２圧縮機１４の行程容積をＶ２とすると、圧縮機１の行程容積Ｖｓｔに対する膨張機の行程容積Ｖｅｘと前記Ｖ２双方のマッチングが必要となる。
ここで、第２圧縮機１４の吸入側における冷媒の比容積をυｍ、圧縮機の回転数をＮ１、膨張機／第２圧縮機の回転数をＮ２とすると、
Ｎ２・Ｖｅｘ／υｅｘｉ＝Ｎ２・Ｖ２／υｍ＝Ｎ１・Ｖｓｔ／υｓ （２）
が成り立つ必要がある。
また、前記υｍが膨張機４で回収され第２圧縮機１４にて用いられる動力とＶ２から定まることも考慮しなければならない。即ち、図４の膨張機同軸構成の冷媒回路の場合と同様に、バイパスまたは予膨張によって流量マッチングを図るとすると、バイパス比ｘあるいは予膨張率ｙはＶｓｔ，Ｖｅｘだけでなく、Ｖ２とＮ１に対するＮ２の組合せに対して決まることになる。
【００２４】
膨張機同軸構成のときと同様に、ＳＥＥＲに最も寄与度の大きい暖房中間条件でバイパス比ｘ＝予膨張率ｙ＝０％となるように、Ｖｓｔに対するＶｅｘ及びＶ２を設定すると、各条件における前記ｘ，ｙは、図６の中段に示す数値となる。
そして、各条件における膨張機同軸構成冷媒回路に対する二軸直列（高段）構成冷媒回路でのＣＯＰとＳＥＥＲ比は、図６の下段に示す値のように、僅かながら二軸直列（高段）構成の方が良い。なお、膨張機の膨張容積比については、膨張機同軸の場合も二軸直列の場合も、暖房中間条件で過不足なく膨張して膨張ロスが生じないような値を基準として用いており、以後特にことわらない限り同じである。
【００２５】
また、バイパスのみで予膨張の必要がないことから、図８のように膨張機をバイパスする配管の途中に第２減圧手段１５を設けた構成の冷媒回路でよくなる。このときの各条件における膨張機／第２圧縮機と圧縮機それぞれの回転数は、図７に示す回転数となっている。
【００２６】
図９は二軸並列構成の冷媒回路図であり、第２圧縮機を圧縮機１とは冷媒流路において並列に配置し、膨張機／第２圧縮機の主軸１１に補助モータ１７を備えた場合の基本冷媒回路を示している。このような二軸並列構成の冷媒回路における流量マッチングに関しては、
Ｎ２・Ｖｅｘ／υｅｘｉ＝Ｎ２・Ｖ２／υｓ＋Ｎ１・Ｖｓｔ／υｓ （３）
の関係が必要となる。
なお、全流量に対して膨張機４側で決まるＮ２に対して第２圧縮機１４側の流量が決まるので、残りの流量に見合うＮ１で圧縮機１が駆動されれば流量はバランスする。このとき、第２圧縮機の流量分の圧縮仕事を膨張機の回収動力で賄えるとは限らないが、補助モータ１７によって動力の過不足を吸収できるので、バイパスや予膨張を行わなくてもマッチング可能となる。
【００２７】
この二軸並列（モータ併用）構成の場合のＣＯＰとＳＥＥＲにおける膨張機同軸構成に対する比、および膨張機／第２圧縮機と圧縮機のそれぞれの回転数は、図１０に示す数値となり、二軸直列構成でバイパスすることにより膨張機／第２圧縮機の回転数Ｎ２を低く抑えていた条件でもバイパスしないで全流量を動力回収する分、二軸直列構成よりもＣＯＰが良くなっていることがわかる。
【００２８】
本発明の参考例１を示す図１において、四方弁２０により冷房運転に切換えると、図１（ｂ）に示すように室内機がガスクーラ３、そして室外機が蒸発器５となる。このとき、膨張機４の前後の冷媒流れの向きが逆転するが、膨張機４の出口側配管に逆流防止手段１９を設けているので、膨張機４内を逆流せずに全流量が第２減圧手段１５を経由するようになっている。これに伴い、流量制御手段１８が開となり圧縮機１から吐出された冷媒は第２圧縮機を迂回するようになっている。
【００２９】
四方弁を複数個用いることにより、暖房運転と冷房運転の両方共に膨張機を同一方向に流れるような構成も可能であるが、本参考例では、逆流時にはバイパスさせる構成をとっているので、簡素化、低コスト化が得られる。一方、同軸構成の冷媒回路の場合は、逆流時にも膨張機を停止させることができないので、冷房運転時と暖房運転時で膨張機における流れの向きが同じとなるように複雑な冷媒回路構成を取らざる得なくなる。
【００３０】
このように膨張機４の出口側配管に逆流防止手段１９、第２圧縮機１４と並列の迂回流路に流量制御手段１８を配設することにより、冷房運転と暖房運転の切換えによる逆流時には膨張動力回収を行わないような構成の場合、各条件におけるＣＯＰ（成績係数）とＳＥＥＲ（年間平均エネルギ消費効率）を膨張機同軸構成の冷媒回路（図３）のときに対する比は、図１１に示す数値となり、動力回収を行わない冷房の条件で５〜１０％のＣＯＰ低下となるが、その寄与度が低いことからＳＥＥＲの低下は２％以下と抑えられている。
【００３１】
実施の形態１．
本発明の実施の形態１を図１２に基づいて説明する。
図１２（ａ），（ｂ）は実施の形態２を示す冷媒回路図であり、（ａ）は暖房運転時、（ｂ）は冷房運転時を表している。本実施の形態２は、図９で説明してきた二軸並列（モータ併用）構成の冷媒回路が基本構成となっている。図１２において、４ａ，４ｂはそれぞれ暖房運転用、冷房運転用の膨張機であり、１９ａ，１９ｂは逆流防止手段、１７は主軸１１に設けられた補助モータである。なお、図１と同一又は相当部には同じ符号を付し説明を省略する。
図１２において、第２圧縮機１４を圧縮機１と冷媒流路において並列に配置し、ガスクーラ３と蒸発器５との間の配管に２つの並列配設した膨張機４ａ，４ｂを備え、これら膨張機の出口側にはそれぞれ逆流防止手段１９ａ，１９ｂが冷房運転と暖房運転の切換えによる冷媒の逆方向流れに対応して設けられた冷媒回路構成となっている。なお、本図では逆流防止手段１９ａ，１９ｂを膨張機の出口側（流出側）に設けるようにしたが、これに限るものでなく、反対側の入口側（流入側）に設置してもよい。また、図１２（ａ）におけるガスクーラ３が室内機、蒸発器５が室外機に相当しており、四方弁２０の切換えにより図１２（ｂ）の冷房状態になると室内機は蒸発器５、室外機がガスクーラ３となる。
【００３２】
冷暖房運転の切換えによる膨張機部分の冷媒の逆流に関しては、図１２に示すように暖房運転時用の膨張機４ａと冷房運転時用の膨張機４ｂとを同一主軸１１上に配設し、それぞれの出口側配管に逆流防止手段１９ａ，１９ｂを設け、暖房運転時は膨張機４ａ側を冷媒が流通し、冷房運転時は膨張機４ｂ側を冷媒が流通する２ＷＡＹ膨張機構部とすることにより、冷房運転時と暖房運転時共に膨張動力回収を行うことが可能となり、第２圧縮機１４をバイパスするような流量制御手段は不要となる。
【００３３】
また、図９に示す二軸並列（モータ併用）の基本冷媒回路では、膨張機と同軸連動した第２圧縮機の流量と動力の釣合いについては補助モータ１７によって吸収できるが、膨張容積比固定による不足膨張及び過膨張ロスを任意の条件に対してなくすことはできない。しかし、本実施の形態１では膨張機を並列に二つ備え２ＷＡＹ膨張機構部とすることにより、冷房運転と暖房運転のそれぞれの条件に対して膨張ロスがゼロとなるような膨張容積比を設定することが可能である。
【００３４】
本実施の形態において、膨張機４ａの膨張容積比は暖房中間条件に、そして膨張機４ｂは冷房中間条件に合わせた場合のＣＯＰとＳＥＥＲの膨張機同軸構成の冷媒回路に対する比は、図１３に示す数値となり、図９の場合における暖房中間条件で膨張ロスが生じない膨張容積比で求めた値よりも、冷房運転側でも膨張容積比を合わせた分だけ良くなっており、更に高効率となる冷凍空調装置が得られる。
【００３５】
参考例２．
本発明の参考例２を図１４に基づいて説明する。図１４（ａ）は暖房運転時、（ｂ）は冷房運転時を表している。本参考例２は、図８で説明してきた二軸直列（高段）構成の冷媒回路が基本となっている。図１４において、２１は第２ガスクーラ、１８は第２ガスクーラをバイパスする配管の流量制御手段である。なお、図１および図１２と同一又は相当部には同じ符号を付し説明を省略する。
図１４（ａ）における暖房運転ではガスクーラ３が室内機、蒸発器５が室外機に相当しており、四方弁２０の切換えにより図１４（ｂ）の冷房運転では蒸発器５が室内機、ガスクーラ３が室外機となる。
【００３６】
暖房運転時用の膨張機４ａと冷房運転時用の膨張機４ｂそれぞれの出口側配管に逆流防止手段１９ａ，１９ｂを備え、冷房運転と暖房運転ともに膨張動力回収を行うことについては、実施の形態１と同様である。本参考例２では、更に第２ガスクーラ２１を圧縮機１と第２圧縮機１４との間の配管に設け、圧縮機１により冷媒を圧縮後、吐出された高圧ガス冷媒を第２圧縮機１４で圧縮する前に前記第２ガスクーラ２１で冷却する。
【００３７】
ここで、この参考例２における冷媒状態について図１５を用いて説明する。図１５は、中間冷却二段圧縮サイクルを説明するｐ−ｈ線図であり、横軸にエンタルピｈ、縦軸に圧力ｐをとっている。図中のａ点は圧縮機１の吸入部、ｂ点は圧縮機１の吐出部、ｃ点は第２ガスクーラ２１の出口部、ｄ点は第２圧縮機１４の吐出部、ｅ点はガスクーラ３の出口部、ｆ点は膨張機４の出口部のそれぞれの冷媒状態を示している（冷房運転時における）。図に示すように、第２ガスクーラ２１を介さずに中間冷却なしで圧縮行程を行った場合（図中のａ→ｂ→ｂ’動作）に比べて、中間冷却二段圧縮（図中のａ→ｂ圧縮行程の後にｃ点まで冷却し、高段でｃ→ｄ圧縮行程を行う）の方が、エンタルピー値で表すと、（ｈｂ’−ｈａ）＞（ｈｂ−ｈａ）＋（ｈｄ−ｈｃ）であることから、圧縮に要する仕事が小さくなり、同一冷凍能力（ｈａ−ｈｆ）に対するＣＯＰは良くなる。暖房時は暖房能力が、（ｈｂ’−ｈｅ）から（ｈｂ−ｈｃ）＋（ｈｄ−ｈｅ）となるため、冷房時ほどはＣＯＰは向上しない。
【００３８】
また、第２ガスクーラ２１を冷房運転及び暖房運転に対応して室外機と室内機間を移動させるわけにはいかないので、第２ガスクーラ２１は室外機に設けられ、より効率改善効果の大きい冷房運転時にのみ機能するようになっている。暖房運転時には流量制御手段１８が開となって迂回するようになっている。
【００３９】
このような二軸直列（高段）２ＷＡＹ膨張機を有すと共に冷房運転時に中間冷却を備えた冷媒回路でのＣＯＰとＳＥＥＲの膨張機同軸構成の冷媒回路に対する比は、図１６に示す値となり、膨張機の行程容積を冷房と暖房運転の２条件に合わせて第２減圧手段１５からのバイパス量を抑え、膨張容積比も冷房と暖房運転の２条件に合わせて膨張ロスを減らしたことによる効果と中間冷却の効果により、実施の形態１の二軸並列（モータ併用）２ＷＡＹ膨張機並みの良いＳＥＥＲ値となっている。
【００４０】
実施の形態２．
本発明の実施の形態２を図１７に基づいて説明する。
図１７は図１に示した二軸直列（高段）構成を基本とした冷媒回路図であり、（ａ）が暖房運転時、（ｂ）が冷房運転時を示す。図において、２２はイジェクタ、２３は第２四方弁であり、図１と同一又は相当部には同じ符号を付し説明を省略する。
【００４１】
本実施の形態では、第２減圧手段１５がイジェクタ２２、アキュムレータ６と組合わされて、バイパスや逆流により膨張動力回収されない減圧流量に対してイジェクタ効果によるエネルギ回収を行うようになっている。
図１７（ａ）の暖房運転時には膨張機４で膨張動力回収が行われるが、暖房中間以外の条件のときに、流量マッチングのためバイパスする分はイジェクタ２２での回収に用いられる。一方、（ｂ）の冷房運転時は逆流防止手段１９により膨張機４への流入はせず、全流量がイジェクタ２２を経由して減圧されることになる。
【００４２】
一般的にはイジェクタのエネルギ効率は膨張機による動力回収効率よりも低く２０％程度であるが、イジェクタ効率２０％で計算しても、ＣＯＰとＳＥＥＲの膨張機同軸構成に対する比は、図１８に示す値となり、図１の二軸直列高段（１ＷＡＹ）構成の冷媒回路に較べて冷房時の全流量と暖房定格時のバイパス流量についてイジェクタ効果の分だけはＣＯＰが改善されている。
【００４３】
なお、上述いずれの実施の形態も、冷房または暖房いずれの場合も油分離器２からアキュムレータ６の出口側配管に分離された油を戻すことにより、アキュムレータ６から圧縮機１を経てガスクーラ３の入口近傍の配管部分は油リッチに保たれ、ガスクーラ、蒸発器の熱交換効率を下げずに、油シール効果により圧縮機構部分の効率を向上させることができる。
【００４４】
また、本発明の実施の形態１、２および参考例１、２に係る冷凍空調装置は使用する冷媒として地球温暖化係数が１の二酸化炭素を用いているため、オゾン層破壊や地球温暖化など地球環境への悪影響の小さい冷凍空調装置を提供することができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上のように本発明の請求項１に係る冷凍空調装置は、複数台の圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された高圧の冷媒を冷却するガスクーラと、前記ガスクーラによって冷却されたガスを減圧することにより動力を取出す膨張機と、前記膨張機により減圧された冷媒を加熱する蒸発器とを備え、前記圧縮機のうちに少なくとも１台は前記膨張機で回収した膨張動力により駆動される第２圧縮機であるとともに複数の運転モードを持ち、前記膨張機は冷媒の正逆方向流れにそれぞれ対応する２つの膨張機と前または後ろにそれぞれ逆流防止手段を設けたので、膨張機の行程容積と膨張容積比を冷房と暖房の両条件について最適な値を選ぶことができ、更に高効率な冷凍空調装置を得ることができる。
【００４６】
また、本発明の請求項２に係る冷凍空調装置は、複数台の圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された高圧の冷媒を冷却するガスクーラと、前記ガスクーラによって冷却されたガスを減圧することにより動力を取出す膨張機と、前記膨張機により減圧された冷媒を加熱する蒸発器とを備え、前記圧縮機のうちに少なくとも１台は前記膨張機で回収した膨張動力により駆動される第２圧縮機であるとともに複数の運転モードを持ち、前記膨張機と並列に第２減圧手段としてのイジェクタをアキュムレータと組合わせて、前記蒸発器からの冷媒を吸引するとともに前記イジェクタから冷媒を前記アキュムレータに流通して気液分離したガス冷媒を前記圧縮機へ液冷媒を前記蒸発器に流れるように接続したので、膨張機をバイパスして減圧する流量分に対しても前記インジェクションによるエネルギ回収を行うことができ、更に高効率な冷凍空調装置を得ることができる。
【００４７】
また、本発明の請求項３に係る冷凍空調装置は、運転モードが冷房運転時に前記ガスクーラが室外機側、前記蒸発器が室内機側となり、暖房運転時にその逆となるように流路を切換える四方弁を備えたので、冷房運転時と暖房運転時ともに膨張動力回収を行うことが可能となる冷凍空調装置を得ることができる。
【００４８】
また、本発明の請求項４に係る冷凍空調装置は、第２圧縮機を他方の圧縮機の吐出側に接続したので、予膨張せずにバイパスのみで流量をマッチングさせることによりＣＯＰ，ＳＥＥＲが良くなり、膨張機同軸構成冷媒回路より高効率で、予膨張弁が不要で低コストの冷凍空調装置を得ることができる。
【００４９】
また、本発明の請求項５に係る冷凍空調装置は、第２圧縮機の負荷に対する膨張機の回収動力の不足を補うための補助モータを備えたので、第２圧縮機の負荷に対する膨張機での回収動力の過不足を補助モータによって吸収することができるので、更に高効率な冷凍空調装置を得ることができる。
【００５０】
また、本発明の請求項６に係る冷凍空調装置は、冷媒として二酸化炭素を用いたので、冷媒として地球温暖化係数が１であり地球環境への悪影響の小さい冷凍空調装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の参考例１に係る冷凍空調装置の冷媒回路図である。
【図２】 本発明の参考例１に係わり、二軸直列（高段）構成の基本冷媒回路図である。
【図３】 本発明の参考例１に係わり、膨張機同軸構成を説明するための冷媒回路図である。
【図４】 本発明の参考例１に係わり、膨張機同軸構成を示す冷媒回路図である。
【図５】 本発明の参考例１に係わり、膨張機同軸構成における基準値を示す表である。
【図６】 本発明の参考例１に係わり、二軸直列（高段）構成の冷媒回路図における特性値を示す表である。
【図７】 本発明の参考例１に係わり、二軸直列（高段）構成の冷媒回路図における回転数を表す表である。
【図８】 本発明の参考例１に係わり、膨張機同軸構成を説明するための基本冷媒回路図である。
【図９】 本発明の参考例１に係わり、膨張機同軸構成を示す冷媒回路図である。
【図１０】 本発明の参考例１に係わり、二軸並列（モータ併用）構成の冷媒回路における特性値を示す表である。
【図１１】 本発明の参考例１に係わり、二軸直列高段（１ＷＡＹ）構成の冷媒回路における特性値を示す表である。
【図１２】 本発明の実施の形態１に係る冷凍空調装置の冷媒回路図である。
【図１３】 本発明の実施の形態１に係わり、膨張機同軸構成に対するＣＯＰ比を示す図である。
【図１４】 本発明の参考例２に係る冷凍空調装置の冷媒回路図である。
【図１５】 本発明の参考例２に係わり、中間冷却二段圧縮サイクルを説明するためのｐ−ｈ線図である。
【図１６】 本発明の参考例２に係わり、膨張機同軸構成に対するＣＯＰ比を示す図である。
【図１７】 本発明の実施の形態２に係る冷凍空調装置の冷媒回路図である。
【図１８】 本発明の実施の形態２に係わり、膨張機同軸構成に対するＣＯＰ比を示す図である。
【図１９】 従来の冷凍空調装置の冷媒回路図である。
【図２０】 従来の別の冷凍空調装置の冷媒回路図である。
【符号の説明】
１ 圧縮機、 ２ 油分離器、 ３ ガスクーラ、 ４、４ａ、４ｂ 膨張機、 ５ 蒸発器、 ６ アキュムレータ、 ７ 温度センサ、 ８ 圧力センサ、 ９ 演算手段、 １０ 膨張比制御手段、 １１ 主軸、 １２ 原動機（モータ）、 １３ 発電機、 １４ 第２圧縮機、 １５ 第２減圧手段、 １６ 予膨張弁、 １７ 補助モータ、 １８ 流量制御手段、 １９、１９ａ、１９ｂ 逆流防止手段、 ２０ 四方弁、 ２１ 第２ガスクーラ、 ２２ イジェクタ、 ２３ 第２四方弁。
Claims (6)
- 複数台の圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された高圧の冷媒を冷却するガスクーラと、前記ガスクーラによって冷却されたガスを減圧することにより動力を取出す膨張機と、前記膨張機により減圧された冷媒を加熱する蒸発器とを備え、前記圧縮機のうちに少なくとも１台は前記膨張機で回収した膨張動力により駆動される第２圧縮機であるとともに複数の運転モードを持ち、前記膨張機は冷媒の正逆方向流れにそれぞれ対応する２つの膨張機と前または後ろにそれぞれ逆流防止手段を設けたことを特徴とする冷凍空調装置。
- 複数台の圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された高圧の冷媒を冷却するガスクーラと、前記ガスクーラによって冷却されたガスを減圧することにより動力を取出す膨張機と、前記膨張機により減圧された冷媒を加熱する蒸発器とを備え、前記圧縮機のうちに少なくとも１台は前記膨張機で回収した膨張動力により駆動される第２圧縮機であるとともに複数の運転モードを持ち、前記膨張機と並列に第２減圧手段としてのイジェクタをアキュムレータと組合わせて、前記蒸発器からの冷媒を吸引するとともに前記イジェクタから冷媒を前記アキュムレータに流通して気液分離したガス冷媒を前記圧縮機へ液冷媒を前記蒸発器に流れるように接続したことを特徴とする冷凍空調装置。
- 前記運転モードが冷房運転時に前記ガスクーラが室外機側、前記蒸発器が室内機側となり、暖房運転時にその逆となるように流路を切換える四方弁を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の冷凍空調装置。
- 前記第２圧縮機を他方の圧縮機の吐出側に接続したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の冷凍空調装置。
- 前記第２圧縮機の負荷に対する膨張機の回収動力の不足を補うための補助モータを備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の冷凍空調装置。
- 冷媒として二酸化炭素を用いたことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の冷凍空調装置。
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