(57)【要約】  冷凍装置（空気調和装置１Ａ）は、蒸発器２５から凝縮器２３に冷媒蒸気を導く蒸気経路２Ａと、凝縮器２３から蒸発器２５に冷媒液を導く液経路２Ｂと、蒸発器２５に貯留された冷媒液を第１熱交換器（室内熱交換器３１）を経由して循環させる第１循環路４と、凝縮器２３に貯留された冷媒液を第２熱交換器（室外熱交換器３３）を経由して循環させる第２循環路５とを備えている。第１循環路４および第２循環路５には、第１切換手段と第２切換手段とが設けられている。第１切換手段および第２切換手段は、例えば四方弁６１，６２である。
2012147366.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒液を貯留するとともに内部で冷媒液を蒸発させる蒸発器と、
内部で冷媒蒸気を凝縮させるとともに冷媒液を貯留する凝縮器と、
前記蒸発器から前記凝縮器に冷媒蒸気を導く、圧縮機が設けられた蒸気経路と、
前記凝縮器から前記蒸発器に冷媒液を導く液経路と、
前記蒸発器に貯留された冷媒液を第１熱交換器を経由して循環させる、前記第１熱交換器よりも上流側に第１ポンプが設けられた第１循環路と、
前記凝縮器に貯留された冷媒液を第２熱交換器を経由して循環させる、前記第２熱交換器よりも上流側に第２ポンプが設けられた第２循環路と、
前記第１循環路および前記第２循環路に設けられ、前記第１ポンプから圧送される冷媒液を前記第１熱交換器に導き、前記第２ポンプから圧送される冷媒液を前記第２熱交換器に導く第１状態と、前記第１ポンプから圧送される冷媒液を前記第２熱交換器に導き、前記第２ポンプから圧送される冷媒液を前記第１熱交換器に導く第２状態との間で切り換えられる第１切換手段と、
前記第１循環路および前記第２循環路に設けられ、前記第１熱交換器から流出する冷媒液を前記蒸発器に導き、前記第２熱交換器から流出する冷媒液を前記凝縮器に導く第１状態と、前記第１熱交換器から流出する冷媒液を前記凝縮器に導き、前記第２熱交換器から流出する冷媒液を前記蒸発器に導く第２状態との間で切り換えられる第２切換手段と、
を備える、冷凍装置。
【請求項２】
前記圧縮機は、前記蒸発器から流出した冷媒蒸気を圧縮する第１圧縮機と、前記第１圧縮機で圧縮された冷媒蒸気をさらに圧縮する第２圧縮機を含み、
前記蒸気経路には、前記第１圧縮機と前記第２圧縮機の間で冷媒蒸気を冷却する中間冷却器が設けられている、請求項１に記載の冷凍装置。
【請求項３】
前記第２切換手段よりも下流側で前記第２循環路から分岐して前記中間冷却器につながる、流量調整機構が設けられた蒸気冷却経路をさらに備え、
前記中間冷却器は、冷媒蒸気に前記蒸気冷却経路から供給される冷媒液を混合することにより冷媒蒸気を冷却するように構成されている、請求項２に記載の冷凍装置。
【請求項４】
前記中間冷却器により冷却された冷媒蒸気を前記中間冷却器または前記蒸気経路から抜き出して前記第１圧縮機および前記第２圧縮機の軸受部に供給する軸受冷却経路と、前記第１圧縮機および前記第２圧縮機の軸受部から前記蒸発器に冷媒蒸気を戻す回収経路と、をさらに備える、請求項２に記載の冷凍装置。
【請求項５】
前記第１ポンプの吸込口から前記蒸発器に貯留された冷媒液の液面までの高さは、２００ｍｍ以上であり、
前記第２ポンプの吸込口から前記凝縮器に貯留された冷媒液の液面までの高さは、２００ｍｍ以上である、請求項１に記載の冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、空気調和装置などの冷凍装置としては、フロン冷媒や代替フロン冷媒を用いた装置が広く利用されている。しかし、これらの冷媒は大気中に放出された場合、オゾン層への直接的な破壊を引き起こすとともに地球温暖化係数が非常に高いことから、地球環境に対する負荷が極めて小さい冷媒として水や二酸化炭素、炭化水素系などの自然冷媒を用いた空気調和装置が提案されている。例えば、特許文献１には、図３に示すような冷媒として水を用いた空気調和装置１００が開示されている。【０００３】
ところで、水を空気調和装置の冷媒として作動させた場合、その物性上、冷媒が低圧および低密度な状態でシステム系内を流動するため、圧縮すべき冷媒の体積流量および圧縮機における圧力比を非常に高める必要がある。特許文献１に開示された空気調和装置１００では、圧縮機としてルーツ方式の容積型圧縮機１１０が用いられており、回転圧縮部であるルーツを正回転または逆回転させることで、冷房と暖房の切り替えが可能となっている。【０００４】
具体的に、空気調和装置１００は、水を貯留する第１容器１０１および第２容器１０２を有しているとともに、第１容器１０１内の水を室内熱交換器１２１を経由して循環させる室内側循環路１２０と、第２容器１０２内の水を室外熱交換器１３１を経由して循環させる室外側循環路１３０を有している。第１容器１０１および第２容器１０２の上部同士は第１連通路１０３により接続されており、この第１連通路１０３に圧縮機１１０が設けられている。第１容器１０１および第２容器１０２の下部同士は第２連通路１０４により接続されている。【０００５】
冷房運転時には、圧縮機１１０が正回転することにより水蒸気が実線矢印の向きに流れ、第１容器１０１が蒸発器、第２容器１０２が凝縮器として機能する。第１容器１０１内では冷水が生成され、この冷水が室内熱交換器１２１に供給されることにより冷房が行われる。一方、暖房運転時には、圧縮機１１０が逆回転することにより水蒸気が破線矢印の向きに流れ、第２容器１０２が蒸発器、第１容器１０１が凝縮器として機能する。第１容器１０１内では温水が生成され、この温水が室内熱交換器１２１に供給されることにより暖房が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−５８１６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に開示された空調調和装置１００のようにルーツ方式の圧縮機１１０を用いる場合は、種々の問題がある。例えば、ルーツ方式の圧縮機を用いて大きい体積流量を達成するためには、圧縮機自体が大型化する問題がある。【０００８】
ルーツ方式の圧縮機１１０に存在する問題を解決するとともに圧縮機による高効率化を図るという観点からは遠心式圧縮機を用いることが考えられるが、特許文献１の空気調和装置１００で遠心型圧縮機を採用すると、冷房または暖房のどちらかしか行うことができない。【０００９】
本発明は、上記課題に鑑みて、空気調和装置などの冷凍装置において、圧縮機の種類に拘わらずに冷却と加熱の切り替えを可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本開示の第１の態様は、
冷媒液を貯留するとともに内部で冷媒液を蒸発させる蒸発器と、
内部で冷媒蒸気を凝縮させるとともに冷媒液を貯留する凝縮器と、
前記蒸発器から前記凝縮器に冷媒蒸気を導く、圧縮機が設けられた蒸気経路と、
前記凝縮器から前記蒸発器に冷媒液を導く液経路と、
前記蒸発器に貯留された冷媒液を第１熱交換器を経由して循環させる、前記第１熱交換器よりも上流側に第１ポンプが設けられた第１循環路と、
前記凝縮器に貯留された冷媒液を第２熱交換器を経由して循環させる、前記第２熱交換器よりも上流側に第２ポンプが設けられた第２循環路と、
前記第１循環路および前記第２循環路に設けられ、前記第１ポンプから圧送される冷媒液を前記第１熱交換器に導き、前記第２ポンプから圧送される冷媒液を前記第２熱交換器に導く第１状態と、前記第１ポンプから圧送される冷媒液を前記第２熱交換器に導き、前記第２ポンプから圧送される冷媒液を前記第１熱交換器に導く第２状態との間で切り換えられる第１切換手段と、
前記第１循環路および前記第２循環路に設けられ、前記第１熱交換器から流出する冷媒液を前記蒸発器に導き、前記第２熱交換器から流出する冷媒液を前記凝縮器に導く第１状態と、前記第１熱交換器から流出する冷媒液を前記凝縮器に導き、前記第２熱交換器から流出する冷媒液を前記蒸発器に導く第２状態との間で切り換えられる第２切換手段と、
を備える、冷凍装置を提供する。
【発明の効果】
【００１１】
本開示の第１の態様によれば、第１切換手段および第２切換手段を第１状態に切り換えれば冷却を行うことができ、第１切換手段および第２切換手段を第２状態に切り換えれば加熱を行うことができる。また、第１切換手段および第２切換手段は、蒸発器、蒸気経路、凝縮器および液経路で構成される冷媒回路とは別の第１循環路および第２循環路に設けられているので、蒸発器および凝縮器を専用化して高性能化を図ることができるとともに、あらゆる圧縮機を採用することができる。特に遠心式圧縮機を使用すれば、冷凍装置の大型化を回避すると同時に高効率化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る空気調和装置の構成図
【図２】変形例の空気調和装置の構成図
【図３】従来の空気調和装置の構成図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
第２の態様は、第１の態様に加え、前記圧縮機は、前記蒸発器から流出した冷媒蒸気を圧縮する第１圧縮機と、前記第１圧縮機で圧縮された冷媒蒸気をさらに圧縮する第２圧縮機を含んでいてもよい冷凍装置を提供する。前記蒸気経路には、前記第１圧縮機と前記第２圧縮機の間で冷媒蒸気を冷却する中間冷却器が設けられていてもよい。
【００１４】
第３の態様は、第２の態様に加え、前記第２切換手段よりも下流側で前記第２循環路から分岐して前記中間冷却器につながる、流量調整機構が設けられた蒸気冷却経路をさらに備えていてもよい冷凍装置を提供する。前記中間冷却器は、冷媒蒸気に前記蒸気冷却経路から供給される冷媒液を混合することにより冷媒蒸気を冷却するように構成されていてもよい。
【００１５】
第４の態様は、第２または第３の態様に加え、前記中間冷却器により冷却された冷媒蒸気を前記中間冷却器または前記蒸気経路から抜き出して前記第１圧縮機および前記第２圧縮機の軸受部に供給する軸受冷却経路と、前記第１圧縮機および前記第２圧縮機の軸受部から前記蒸発器に冷媒蒸気を戻す回収経路と、をさらに備えていてもよい冷凍装置を提供する。
【００１６】
第５の態様は、第１〜第４の態様のいずれか１つに加え、前記第１ポンプの吸込口から前記蒸発器に貯留された冷媒液の液面までの高さは、２００ｍｍ以上であってもよい、冷凍装置を提供する。前記第２ポンプの吸込口から前記凝縮器に貯留された冷媒液の液面までの高さは、２００ｍｍ以上であってもよい。
【００１７】
ルーツ方式の圧縮機には、次のような問題がある。１つ目の問題は、圧縮機自身において回転数の上限に制約があることである。特に水またはアルコールを主成分とする冷媒を用いる場合、物性的に冷媒蒸気の密度が非常に小さいため、体積流量を大きくするために内容積を大きくする必要があり、装置全体が大きくなる。２つ目の問題は、ルーツ部の摺動損失が大きく効率を高めることが困難であることである。３つ目の問題は、圧縮機自身に冷却を施すことが困難であり、吐出温度が高温となることである。４つ目の問題は、圧縮機でのオイル潤滑が不可欠であり、潤滑用のオイルが熱交換器において熱抵抗になることである。
【００１８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１９】
図１に、本発明の一実施形態に係る空気調和装置１Ａ（冷凍装置）を示す。この空気調和装置１Ａは、蒸発器２５、蒸気経路２Ａ、凝縮器２３および液経路２Ｂで構成される冷媒回路２と、両端が蒸発器２５に接続された第１循環路４と、両端が凝縮器２３に接続された第２循環路５とを備えている。冷媒回路２、第１循環路４および第２循環路５内には、常温での飽和蒸気圧が負圧への冷媒、例えば、水、アルコールまたはエーテルを主成分とする冷媒が充填されており、冷媒回路２、第１循環路４および第２循環路５内は大気圧よりも低い負圧状態になっている。「主成分」とは、質量比で最も多く含まれた成分を意味する。
【００２０】
蒸発器２５は、冷媒液を貯留するとともに内部で冷媒液を蒸発させ、凝縮器２３は、内部で冷媒蒸気を凝縮させるとともに冷媒液を貯留する。蒸気経路２Ａは、蒸発器２５から凝縮器２３に冷媒蒸気を導き、液経路２Ｂは、凝縮器２３から蒸発器２５に冷媒液を導く。本実施形態では、蒸気経路２Ａに第１圧縮機２１、中間冷却器７および第２圧縮機２２が設けられており、液経路２Ｂに膨張機構２４が設けられている。
【００２１】
第１循環路４は、蒸発器２５に貯留された冷媒液を室内熱交換器３１（第１熱交換器）を経由して循環させ、第２循環路５は、凝縮器２３に貯留された冷媒液を室外熱交換器３３（第２熱交換器）を経由して循環させる。
【００２２】
本実施形態では、蒸発器２５は、第１循環路４の下流端から蒸発器２５内に戻る冷媒液が流下するように構成されており、その流下する冷媒液が、第１圧縮機２１による減圧によって蒸発し、気化したときの潜熱によって直接的に冷却される。厳密には、蒸気と液の間では、蒸発側に平衡点が移行しており、そのときの蒸発潜熱にて液側が冷却される。蒸発器２５内に戻る冷媒液は、第１循環路４の下流端から噴霧されてもよい。蒸発器２５の内部には、流下する冷媒液から液膜を形成するための充填物が配設されていることが好ましい。充填物としては、例えば、波板状の表面を有した複数のプレートを積層した規則充填材を用いてもよいし、１／２〜１インチの空洞を有し、端面が貫通した円柱状の充填材を蒸発器内部容積の１／２〜２／３となるように不規則に配置した不規則充填材を用いてもよい。
【００２３】
凝縮器２３は、第２循環路５の下流端から凝縮器２３内に戻る冷媒液が流下するように構成されており、第２圧縮機２２から吐出された過熱状態の冷媒蒸気がその流下する冷媒液に直接接触することで凝縮し、液化したときの潜熱が流下する冷媒液に伝達される。凝縮器２３内に戻る冷媒液は、第２循環路５の下流端から噴霧されてもよい。凝縮器２３の内部には、流下する冷媒液から液膜を形成するための充填物が配設されていることが好ましい。充填物としては、例えば、波板状の表面を有した複数のプレートを積層した規則充填材を用いてもよいし、１／２〜１インチの空洞を有し、端面が貫通した円柱状の充填材を凝縮器内部容積の１／２〜２／３となるように不規則に配置した不規則充填材を用いてもよい。
【００２４】
蒸気経路２Ａでは、蒸発器２５から流出した飽和状態の冷媒蒸気が第１圧縮機２１に吸入されて圧縮される。第１圧縮機２１から吐出された過熱状態の冷媒蒸気は、中間冷却器７で冷却された後に第２圧縮機２２に吸入され、第２圧縮機２２でさらに圧縮される。第２圧縮機２２から吐出された過熱状態の冷媒蒸気は、凝縮器２３に流入する。なお、蒸気経路２Ａの下流端は、凝縮器２３に流入した冷媒蒸気が上昇して第２循環路５の下流端から流下する冷媒液と対向流を形成するように、凝縮器２３に貯留される冷媒液の液面近くの位置で凝縮器２３に接続されていることが好ましい。
【００２５】
蒸発器２５内の飽和圧力は、例えば０．９〜１．５ｋＰａである。蒸発器２５に貯留された５〜１５℃の冷媒液は、第１循環路４の上流端から蒸発器２５外に流出し、室内熱交換器３１あるいは室外熱交換器３３にて空気から吸熱し、＋２〜７℃の冷媒液となる。＋２〜７℃となった冷媒液は、蒸発器２５内に戻り、第１循環路４の下流端から流下する際に、蒸発する、または既に気化した冷媒蒸気と熱交換する。
【００２６】
室内熱交換器３１には、室内ファン３２により室内の空気が供給され、室外熱交換器３３には、室外ファン３４により室外の空気が供給される。室内熱交換器３１および室外熱交換器３３としては、従来から空気調和装置において使用されている、輻射を利用した放射パネル、冷却塔、フィン＆チューブ方式の熱交換器などを用いることができる。
【００２７】
第１圧縮機２１および第２圧縮機２２は、冷媒蒸気を二段階で圧縮する。第１圧縮機２１および第２圧縮機２２は、容積型圧縮機であってもよいし遠心型圧縮機であってもよい。第１圧縮機２１から吐出される冷媒蒸気の温度は例えば１１０〜１４０℃であり、第２圧縮機２２から吐出される冷媒蒸気の温度は例えば１４０〜１７０℃である。
【００２８】
本実施形態では、中間冷却器７は、後述する蒸気冷却経路７１から供給される冷媒液を冷媒蒸気に混合することにより冷媒蒸気を冷却するように構成されている。中間冷却器７に供給される冷媒液は、中間冷却器７内で噴霧されて流下することが好ましい。中間冷却器７内では、第１圧縮機２１から吐出された過熱状態の冷媒蒸気が、蒸気冷却経路７１から供給される冷媒液の一部が気化する際の潜熱により、第１圧縮機２１の吐出圧力または第２圧縮機２２の吸入圧力に対応する飽和蒸気温度近くまで冷却される。中間冷却器７の内部には、上述した蒸発器２５および凝縮器２３の内部に配設される充填物と同様の充填物（規則充填材または不規則充填材）が配設されていてもよい。
【００２９】
ただし、中間冷却器７は、上記の構成に限定されるものではなく、冷媒蒸気を冷却可能であればどのような構成を有していてもよい。例えば、中間冷却器７は、冷媒蒸気の熱を空気または冷媒液に放出する熱交換器であってもよい。
【００３０】
凝縮器２３内では、第２圧縮機２２から吐出された１４０〜１７０℃の過熱状態の冷媒蒸気が、第２循環路５の下流端から流下する３０〜５０℃の冷媒液と熱交換することによって冷却されて凝縮する。流下する３０〜５０℃の冷媒液は、過熱状態の冷媒蒸気からの受熱により＋２〜７℃の冷媒液となり、第２循環路５の上流端から凝縮器２３外に流出して室外熱交換器３３あるいは室内熱交換器３１にて空気に放熱する。
【００３１】
凝縮器２３から蒸発器２５に膨張機構２４を介してつながる液経路２Ｂには、第１圧縮機２１による蒸発器２５からの冷媒蒸気の吸入および第２圧縮機２２による凝縮器２３への冷媒蒸気の吐出により、凝縮器２３から蒸発器２５に向かって冷媒液が流される。このとき、冷媒液は膨張機構２４によって膨張される。
【００３２】
膨張機構２４は、凝縮器２３内の圧力９〜１２ｋＰａの作動環境から流出する冷媒液の流量を１〜５Ｌ／ｍｉｎに抑えられる小径チューブを用いてもよい。ただし、膨張機構２４は必ずしも設けられている必要はなく、例えば、膨張機構２４を設けずに、蒸発器２５内の冷媒液の液面を凝縮器２３内の冷媒液の液面よりも高くなるような制御を行ってもよい。
【００３３】
冷媒として、凍結防止などの理由から、水を主成分とし、エチレングリコール、ナイブライン、無機塩類などを質量％にして１０〜４０％混合した冷媒を用いる場合は、第１圧縮機２１により、蒸発器２５から水分のみが冷媒蒸気として吸い上げられることから、蒸発器２５に貯留されている冷媒液が濃縮される。また、運転時間を重ねるにしたがって凝縮器２３にて貯留されている冷媒液は、希釈されていく。蒸発器２５と凝縮器２３のそれぞれに貯留されている冷媒液の濃度差を緩和するため、凝縮器２３に貯留されている冷媒液の液面から２０〜５０ｍｍ低い位置に取水口を設けてこの取水口に液経路２Ｂの上流端を接続し、低濃度の冷媒液を液経路２Ｂを通じて蒸発器２５へ帰還させることによって、蒸発器２５に貯留されている冷媒液の濃縮を抑制することができる。
【００３４】
また、蒸発器２５内の濃縮された冷媒液の別の希釈方法として、運転停止時に後述する第１四方弁６１および第２四方弁６２を制御し、凝縮器２３内の冷媒液を後述する第２ポンプ５０により第１四方弁６１、室外熱交換器３３および第２四方弁６２を介して蒸発器２５に送り込み、蒸発器２５と凝縮器２３の間の濃度差を緩和してもよい。
【００３５】
蒸発器２５に貯留された冷媒液を循環させる第１循環路４には、室内熱交換器３１よりも上流側に第１ポンプ４０が設けられている。凝縮器２３に貯留された冷媒液を循環させる第２循環路５には、室外熱交換器３３よりも上流側に第２ポンプ５０が設けられている。気泡発生（キャビテーション）を抑制するという観点からは、第１ポンプ４０の吸込口から蒸発器２５内の冷媒液の液面までの高さＨ１は、２００ｍｍ以上であることが好ましく、第２ポンプ５０の吸込口から凝縮器２３内の冷媒液の液面までの高さＨ２についても、２００ｍｍ以上であることが好ましい。蒸発器２５および凝縮器２３内は共に飽和状態であるため、高さＨ１，Ｈ２は利用有効吸込ヘッド（available NPSH）となる。
【００３６】
また、第１循環路４における第１ポンプ４０と室内熱交換器３１の間の部分は、第２循環路５における第２ポンプ５０と室外熱交換器３３の間の部分と交わっており、その交わった位置に第１四方弁６１が設けられている。さらに、第１循環路４における室内熱交換器３１と蒸発器２５の間の部分は、第２循環路５における室外熱交換器３３と凝縮器２３の間の部分と交わっており、その交わった位置に第２四方弁６２が設けられている。
【００３７】
より詳しくは、第１循環路４は、蒸発器２５と第１四方弁６１とを接続する、第１ポンプ４０が設けられた第１流路４１と、第１四方弁６１と室内熱交換器３１とを接続する第２流路４２と、室内熱交換器３１と第２四方弁６２とを接続する第３流路４３と、第２四方弁６２と蒸発器２５とを接続する第４流路４４とを含む。同様に、第２循環路５は、凝縮器２３と第１四方弁６１とを接続する、第２ポンプ５０が設けられた第１流路５１と、第１四方弁６１と室外熱交換器３３とを接続する第２流路５２と、室外熱交換器３３と第２四方弁６２とを接続する第３流路５３と、第２四方弁６２と凝縮器２３とを接続する第４流路５４とを含む。
【００３８】
第１四方弁６１は、本発明の第１切換手段に相当し、実線矢印の向きに冷媒液を流す第１状態と破線矢印の向きに冷媒液を流す第２状態との間で切り換えられる。第１状態では、第１四方弁６１は、第１ポンプ４０から圧送される冷媒液を室内熱交換器３１に導くとともに、第２ポンプ５０から圧送される冷媒液を室外熱交換器３３に導く。第２状態では、第１四方弁６１は、第１ポンプ４０から圧送される冷媒液を室外熱交換器３３に導くとともに、第２ポンプ５０から圧送される冷媒液を室内熱交換器３１に導く。
【００３９】
第２四方弁６２は、本発明の第２切換手段に相当し、実線矢印の向きに冷媒液を流す第１状態と破線矢印の向きに冷媒液を流す第２状態との間で切り換えられる。第１状態では、第２四方弁６２は、室内熱交換器３１から流出する冷媒液を蒸発器２５に導くとともに、室外熱交換器３３から流出する冷媒液を凝縮器２３に導く。第２状態では、第２四方弁６２は、室内熱交換器３１から流出する冷媒液を凝縮器２３に導くとともに、室外熱交換器３３から流出する冷媒液を蒸発器２５に導く。
【００４０】
上述した中間冷却器７に冷媒液を供給する、換言すれば中間冷却器７に冷媒液をインジェクションする蒸気冷却経路７１は、第２循環路５における第２四方弁６２と凝縮器２３の間の第４流路５４から分岐して中間冷却器７につながっている。蒸発冷却経路７１には、流量調整機構７２が設けられている。流量調整機構７２は、中間冷却器７に設けられていてもよい。
【００４１】
流量調整機構７２としては、例えば、上述した膨張機構２４と同様に、凝縮器２３内の圧力９〜１２ｋＰａの作動環境と中間冷却器７内の圧力３〜４ｋＰａの作動環境との間での冷媒液の流量を１〜５Ｌ／ｍｉｎに抑えられる小径チューブを用いてもよい。あるいは、ばねまたはプランジャーの付勢力に抗して弁体が動くことにより流路が開くリリーフバルブであって、前記所定の流量となるように付勢力が設定されたリリーフバルブを用いることも可能である。
【００４２】
さらに、本実施形態では、第１圧縮機２１および第２圧縮機２２の軸受部を気密し、かつ冷却するための構成が採用されている。具体的には、中間冷却器７により冷却された冷媒蒸気を中間冷却器７から抜き出して第１圧縮機２１および第２圧縮機２２の軸受部に供給する軸受冷却経路８１と、第１圧縮機２１および第２圧縮機２２の軸受部から蒸発器２５に冷媒蒸気を戻す回収経路８２とが設けられている。なお、軸受冷却経路８１は、中間冷却器７により冷却された冷媒蒸気を蒸気経路２Ａから抜き出すように構成されていてもよい。
【００４３】
軸受冷却経路８１は、１本の主管が複数の枝管に分岐するように構成されている。軸受冷却経路８１の上流端は中間冷却器７内の蒸気層の領域に開口しており、軸受冷却経路８１を通じて少流量の冷媒蒸気が中間冷却器７から抜き出されて第１圧縮機２１および第２圧縮機２２の軸受部に供給される。回収経路８２は、複数の枝管が１本の主管に集合するように構成されている。軸受部を冷却した冷媒蒸気は、軸外周に対して９０〜１８０°の位相で軸受部から排出され、回収経路８２を通じて蒸発器２５に戻される。中間冷却器７内の圧力は３〜４ｋＰａ、蒸発器２５内の圧力は０．９〜１．５ｋＰａであり、両者の圧力差によって冷媒蒸気の流動が確保される。
【００４４】
第１圧縮機２１および第２圧縮機２２のモータステータ部の発熱に対して冷却を行うには、蒸気冷却経路７１を通じて第２循環路５の第４流路５４から抜き出された冷媒液をモータステータ部の外周の冷却流路内に送液し、冷却後、凝縮器２３の下部の貯留層または、第２循環路５の第１流路５１の第２ポンプ５０よりも上流側に戻す。このように、凝縮器２３側の冷媒液を利用することで、モータステータ部の冷却によって温度上昇する冷媒液の沸騰を回避することができる。
【００４５】
次に、冷房運転時および暖房運転時の空気調和装置１Ａの動作を説明する。
【００４６】
冷房運転時は、第１四方弁６１および第２四方弁６２がそれぞれ第１状態に切り換えられる。蒸発器２５内の冷媒液は、第１ポンプ４０から第１四方弁６１および第２流路４２を通って室内熱交換器３１に送り込まれ、ここで室内空気から吸熱した後に第３流路４３、第２四方弁６２および第４流路４４を通って蒸発器２５に戻る。一方、凝縮器２３内の冷媒液は、第２ポンプ５０から第１四方弁６１および第２流路５２を通って室外熱交換器３３に送り込まれ、ここで室外空気に放熱した後に第３流路５３、第２四方弁６２および第４流路５４を通って凝縮器２３に戻る。
【００４７】
暖房運転時は、第１四方弁６１および第２四方弁６２がそれぞれ第２状態に切り換えられる。蒸発器２５内の冷媒液は、第１ポンプ４０から第１四方弁６１および第２流路５２を通って室外熱交換器３３に送り込まれ、ここで室外空気から吸熱した後に第３流路５３、第２四方弁６２および第４流路４４を通って蒸発器２５に戻る。一方、凝縮器２３内の冷媒液は、第２ポンプ５０から第１四方弁６１および第２流路４２を通って室内熱交換器３１に送り込まれ、ここで室内空気に放熱した後に第３流路４３、第２四方弁６２および第４流路５４を通って凝縮器２３に戻る。
【００４８】
起動時の運転は、まず、室内ファン３２および室外ファン３４を起動した後、膨張機構２４を全開とし、第１四方弁６１および第２四方弁６２を第１状態に切り換える。また、第１ポンプ４０を起動し、所定回転数まで回転数を増加させて、室内熱交換器３１における室内空気からの吸熱により蒸発器２５における沸騰を促すようにする。次に、第２ポンプ５０を起動し、所定回転数まで回転数を増加させて、凝縮器２３内に膜形成部材が配設されている場合には膜形成部材上に冷媒液の濡れ面を形成する。その後、蒸気冷却経路７１に設けられた流量調整機構７２を全開として中間冷却器７へのインジェクションを開始し、中間冷却器７内に膜形成部材が配設されている場合には膜形成部材上に濡れ面を形成する。最後に、第１圧縮機２１および第２圧縮機２２を起動し、第２圧縮機２２から吐出される冷媒蒸気の温度が所定温度となるまで、第１圧縮機２１および第２圧縮機２２の回転数を増加させる。なお、蒸発器２５内の冷媒液の温度が下がりすぎる場合は、第１ポンプ４０の回転数を増大または、第１圧縮機２１および第２圧縮機２２の回転数を低下させることで、蒸発器２５内の冷媒液の温度を調整する。
【００４９】
以上説明した本実施形態の空気調和装置１Ａでは、蒸気経路２Ａと液経路２Ｂの２系統からなる冷媒回路２を用いるとともに、冷媒液を循環させるルート上に第１四方弁６１および第２四方弁６２を設けることにより、冷房と暖房の切り替えを行うことができるとともに、あらゆる圧縮機を採用することができる。
【００５０】
また、第１圧縮機２１および第２圧縮機２２の軸受部に対し、冷媒蒸気によって気密を保ちつつ軸周りの外部冷却を行うことで、軸受部に玉軸受けなどのグリースのみで潤滑可能な軸受けを用いることができる。この方法により、軸受部の磨耗防止のための潤滑油循環流動機構の適用を回避できること、更に冷媒に潤滑油が混在流動することがなくなり冷媒純度を上げることができる。その結果、熱交換器における伝熱性能を飛躍的に向上させて、空気調和装置の効率を向上させることができる。
【００５１】
また、凝縮器２３側の冷媒液を利用したモータステータ部の発熱に対する冷却は、ステータ部を通る冷却回路での冷媒液の沸騰を抑制しつつ、冷媒液を単相状態で流通させることができ、この冷却回路内での液流動圧損を低減して多くの流量を確保できる。これにより、冷却性能を向上させることができる。また暖房時は、モータステータ部からの発熱を回収し、暖房のエネルギーとして活用できる。
【００５２】
＜変形例＞
前記実施形態では、本発明の第１切換手段および第２切換手段として第１四方弁６１および第２四方弁６２が用いられていたが、本発明の第１切換手段および第２切換手段はこれに限られるものではない。例えば、図２に示す変形例の空気調和装置１Ｂのように、第１切換手段および第２切換手段は、三方弁を用いて構成することも可能である。
【００５３】
具体的には、第１切換手段は、第１循環路４の第１流路４１および第２流路４２に接続された第１三方弁６３、第２循環路５の第１流路５１および第２流路５２に接続された第２三方弁６４、第１三方弁６３から第２流路５２につながる第１連絡路９１、および、第２三方弁６４から第２流路４２につながる第２連絡路９２で構成されていてもよい。第２切換手段は、第１循環路４の第３流路４３および第４流路４４に接続された第３三方弁６５、第２循環路５の第３流路５３および第４流路５４に接続された第４三方弁６６、第３三方弁６５から第４流路５４につながる第３連絡路９３、および、第４三方弁６６から第４流路４４につながる第４連絡路９４で構成されていてもよい。
【００５４】
また、蒸気経路２Ａには中間冷却器７が設けられておらず、蒸気経路２Ａに圧縮機が１つだけ設けられていてもよい。ただし、前記実施形態のように中間冷却器７が設けられていれば、凝縮器２３に流入する冷媒蒸気の温度を低下させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明の冷凍装置は、空気調和装置、チラー、蓄熱装置等に有用であり、家庭用エアコン、業務用エアコン等に特に有用である。
【図１】
2012147366.tif 000003
【図２】
2012147366.tif 000004
【図３】
2012147366.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成25年2月28日(2013.2.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒液を貯留するとともに内部で冷媒液を蒸発させる蒸発器と、
内部で冷媒蒸気を凝縮させるとともに冷媒液を貯留する凝縮器と、
前記蒸発器から前記凝縮器に冷媒蒸気を導く、圧縮機が設けられた蒸気経路と、
前記凝縮器から前記蒸発器に冷媒液を導く液経路と、
前記蒸発器に貯留された冷媒液を第１熱交換器を経由して循環させる、前記第１熱交換器よりも上流側に第１ポンプが設けられた第１循環路と、
前記凝縮器に貯留された冷媒液を第２熱交換器を経由して循環させる、前記第２熱交換器よりも上流側に第２ポンプが設けられた第２循環路と、
前記第１循環路および前記第２循環路に設けられ、前記第１ポンプから圧送される冷媒液を前記第１熱交換器に導き、前記第２ポンプから圧送される冷媒液を前記第２熱交換器に導く第１状態と、前記第１ポンプから圧送される冷媒液を前記第２熱交換器に導き、前記第２ポンプから圧送される冷媒液を前記第１熱交換器に導く第２状態との間で切り換えられる第１四方弁と、
前記第１循環路および前記第２循環路に設けられ、前記第１熱交換器から流出する冷媒液を前記蒸発器に導き、前記第２熱交換器から流出する冷媒液を前記凝縮器に導く第１状態と、前記第１熱交換器から流出する冷媒液を前記凝縮器に導き、前記第２熱交換器から流出する冷媒液を前記蒸発器に導く第２状態との間で切り換えられる第２四方弁と、
を備え、
前記第１循環路は、前記蒸発器と前記第１四方弁の入口とを接続している第１流路と、前記第１四方弁の出口と前記第１熱交換器の入口とを接続している第２流路と、前記第１熱交換器の出口と前記第２四方弁の入口とを接続している第３流路と、前記第２四方弁の出口と前記蒸発器とを接続している第４流路とを含み、
前記第２循環路は、前記凝縮器と前記第１四方弁の別の入口とを接続している第１流路と、前記第２四方弁の別の出口と前記第２熱交換器の入口とを接続している第２流路と、前記第２熱交換器の出口と前記第２四方弁の別の入口とを接続している第３流路と、前記第２四方弁の別の出口と前記凝縮器とを接続している第４流路とを含み、
前記第１四方弁が前記第１状態にあり、かつ前記第２四方弁が前記第１状態にあるとき、（ｉ）前記蒸発器に貯留された冷媒液は、前記第１循環路の前記第１流路、前記第１四方弁、前記第１循環路の前記２流路、前記第１熱交換器、前記第１循環路の前記第３流路、前記第２四方弁および前記第１循環路の前記第４流路をこの順番に流れ、（ｉｉ）前記凝縮器に貯留された冷媒液は、前記第２循環路の前記第１流路、前記第１四方弁、前記第２循環路の前記２流路、前記第２熱交換器、前記第２循環路の前記第３流路、前記第２四方弁および前記第２循環路の前記第４流路をこの順番に流れ、
前記第１四方弁が前記第２状態にあり、かつ前記第２四方弁が前記第２状態にあるとき、（ｉｉｉ）前記蒸発器に貯留された冷媒液は、前記第１循環路の前記第１流路、前記第１四方弁、前記第２循環路の前記第２流路、前記第２熱交換器、前記第２循環路の前記第３流路、前記第２四方弁および前記第１循環路の前記第４流路をこの順番に流れ、（ｉｖ）前記凝縮器に貯留された冷媒液は、前記第２循環路の前記第１流路、前記第１四方弁、前記第１循環路の前記第２流路、前記第１熱交換器、前記第１循環路の前記第３流路、前記第２四方弁および前記第２循環路の前記第４流路をこの順番に流れる、冷凍装置。
【請求項２】
前記圧縮機は、前記蒸発器から流出した冷媒蒸気を圧縮する第１圧縮機と、前記第１圧縮機で圧縮された冷媒蒸気をさらに圧縮する第２圧縮機を含み、
前記蒸気経路には、前記第１圧縮機と前記第２圧縮機の間で冷媒蒸気を冷却する中間冷却器が設けられ、
前記冷凍装置は、前記第２循環路から分岐して前記中間冷却器につながる蒸気冷却経路をさらに備え、
前記中間冷却器は、冷媒蒸気に前記蒸気冷却経路から供給される冷媒液を混合または前記冷媒液と熱交換することにより冷媒蒸気を冷却するように構成されている、請求項１に記載の冷凍装置。
【請求項３】
前記蒸気冷却経路は、前記第２四方弁よりも下流側で前記第２循環路から分岐しており、
前記蒸気冷却経路には流量調整機構が設けられている、請求項２に記載の冷凍装置。
【請求項４】
前記中間冷却器により冷却された冷媒蒸気を前記中間冷却器または前記蒸気経路から抜き出して前記第１圧縮機および前記第２圧縮機の軸受部に供給する軸受冷却経路と、前記第１圧縮機および前記第２圧縮機の軸受部から前記蒸発器に冷媒蒸気を戻す回収経路と、をさらに備える、請求項２に記載の冷凍装置。
【請求項５】
前記第１ポンプの吸込口から前記蒸発器に貯留された冷媒液の液面までの高さは、２００ｍｍ以上であり、
前記第２ポンプの吸込口から前記凝縮器に貯留された冷媒液の液面までの高さは、２００ｍｍ以上である、請求項１に記載の冷凍装置。
【国際調査報告】
2012147366.tif 000006
2012147366.tif 000007
2012147366.tif 000008
2012147366.tif 000009