(57)【要約】      （修正有）【課題】圧縮機を通過する冷媒の質量流量と、膨張機を通過する冷媒の質量流量とのバランスを図りながら、高ＣＯＰの運転を可能にする。【解決手段】圧縮機11と熱源側熱交換器21と膨張機構12と利用側熱交換器22とが接続されて蒸気式冷凍サイクルを行う冷媒回路10を備え、冷媒回路が利用側熱交換器を流れる冷媒が吸熱する冷却運転と、利用側熱交換器を流れる冷媒が放熱する加熱運転とが可能に構成され、膨張機構が冷媒の膨張により動力を発生する膨張機により構成され、膨張機と圧縮機とを機械的に連結した冷凍装置とする。冷凍装置は膨張機へ流入する高圧冷媒を冷房運転時にのみ冷却し、暖房運転時には高圧冷媒の冷却を停止する内部熱交換器23を備える。【選択図】図１
2006090639.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機(11)と熱源側熱交換器(21)と膨張機構(12)と利用側熱交換器(22)とが接続されて蒸気圧縮式冷凍サイクルを行う冷媒回路(10)を備え、
上記冷媒回路(10)は、利用側熱交換器(22)を流れる冷媒が吸熱する冷却運転と、該利用側熱交換器(22)を流れる冷媒が放熱する加熱運転とが可能に構成され、
上記膨張機構(12)が冷媒の膨張により動力を発生する膨張機(12)により構成され、該膨張機(12)と圧縮機(11)とが機械的に連結された冷凍装置であって、
上記膨張機(12)へ流入する高圧冷媒の温度を調節可能な温度調節手段(23)を備え、
上記温度調節手段(23)は、上記高圧冷媒を冷却運転時にのみ冷却する一方、加熱運転時には該高圧冷媒の冷却を停止するように構成されていることを特徴とする冷凍装置。
【請求項２】
請求項１に記載の冷凍装置において、
温度調節手段(23)は、冷却運転時に高圧冷媒が低圧冷媒と熱交換して冷却される内部熱交換器(23)により構成されていることを特徴とする冷凍装置。
【請求項３】
請求項２に記載の冷凍装置において、
内部熱交換器(23)は、第１流路(24)と第２流路(25)を有するとともに、該第１流路(24)を流れる冷媒と第２流路(25)を流れる冷媒が熱交換可能に構成され、
上記内部熱交換器(23)は、冷却運転時には第１流路(24)を高圧冷媒が流通する一方で第２流路(25)を低圧冷媒が流通し、加熱運転時には両流路(24,25) を高圧冷媒が流通するように構成されていることを特徴とする冷凍装置。
【請求項４】
請求項２に記載の冷凍装置において、
内部熱交換器(23)は、第１流路(24)と第２流路(25)を有するとともに、該第１流路(24)を流れる冷媒と第２流路(25)を流れる冷媒が熱交換可能に構成され、
上記内部熱交換器(23)は、冷却運転時には第１流路(24)を高圧冷媒が流通する一方で第２流路(25)を低圧冷媒が流通するように構成され、
加熱運転時に高圧冷媒が内部熱交換器(23)をバイパスするバイパス通路(51)を備えていることを特徴とする冷凍装置。
【請求項５】
請求項２に記載の冷凍装置において、
内部熱交換器(23)は、第１流路(24)と第２流路(25)を有するとともに、該第１流路(24)を流れる冷媒と第２流路(25)を流れる冷媒が熱交換可能に構成され、
上記内部熱交換器(23)は、冷却運転時には第１流路(24)を高圧冷媒が流通する一方で第２流路(25)を低圧冷媒が流通するように構成され、
加熱運転時に低圧冷媒が内部熱交換器(23)をバイパスするバイパス通路(52)を備えていることを特徴とする冷凍装置。
【請求項６】
請求項２から５のいずれか１に記載の冷凍装置において、
内部熱交換器(23)は、冷却運転時に、熱源側熱交換器(21)を通過後の高圧冷媒が、利用側熱交換器(22)を通過前の低圧冷媒と熱交換して冷却されるように構成されていることを特徴とする冷凍装置。
【請求項７】
請求項２から５のいずれか１に記載の冷凍装置において、
内部熱交換器(23)は、冷却運転時に、熱源側熱交換器(21)を通過後の高圧冷媒が、利用側熱交換器(22)を通過後の低圧冷媒と熱交換して冷却されるように構成されていることを特徴とする冷凍装置。
【請求項８】
請求項２から７のいずれか１に記載の冷凍装置において、
内部熱交換器(23)は、冷却運転時に、高圧冷媒と低圧冷媒とが互いに逆方向へ向かって流れるように構成されていることを特徴とする冷凍装置。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１に記載の冷凍装置において、
冷媒回路(10)の冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気圧縮式冷凍サイクルを行う冷媒回路を備えた冷凍装置に関し、特に、冷媒回路の膨張機構を構成する膨張機が圧縮機に機械的に連結された冷凍装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、冷媒回路で冷媒を循環させて冷凍サイクルを行う冷凍装置が知られており、空調機などに広く利用されている。
【０００３】
例えば特許文献１の冷凍装置は、冷媒回路に膨張機構と圧縮機構とが接続されている。上記膨張機構は、スクロール型の流体機械から成る膨張機で構成されている。一方、上記圧縮機構は、ロータリー型の流体機械から成る圧縮機で構成されている。これら膨張機及び圧縮機は、回転軸によって機械的に連結されている。そして、膨張機で冷媒が膨張すると、冷媒の膨張動力が回転軸を介して圧縮機の回転動力に変換される。つまり、この冷凍装置は、膨張機で得られた動力（膨張動力）を圧縮機の駆動動力として利用することで、エネルギー効率の高い冷凍サイクル、すなわち高いＣＯＰ（成績係数）が得られる冷凍サイクルの実現化を図るようにしている。
【０００４】
ところが、特許文献１の冷凍装置においては、冷媒回路が閉回路であること、及び膨張機と圧縮機との回転数が同じ回転数となることを理由に、圧縮機の動力回収効率が低下し、高ＣＯＰの冷凍サイクルを達成することが困難となる。この点について以下に説明する。
【０００５】
閉回路となる冷媒回路においては、膨張機を通過する冷媒の質量流量Ｍｅと圧縮機を通過する冷媒の質量流量Ｍｃとは等しくなる。ここで、Ｍｅ＝Ｖｅ×ｄｅ（Ｖｅ：膨張機を通過する冷媒の体積循環量、ｄｅ：膨張機の流入冷媒密度）、Ｍｃ＝Ｖｃ×ｄｃ（Ｖｃ：圧縮機を通過する冷媒の体積循環量、ｄｃ：圧縮機の吸入冷媒密度）の関係式が成り立つ。また、体積循環量（Ｖｃ、Ｖｅ）は、各流体機械のシリンダ容積×各流体機械の回転数によって定まる。
【０００６】
ここで、膨張機の質量流量Ｍｅと圧縮機の質量流量Ｍｃとは等しいため、上式より、Ｖｅ／Ｖｃ＝ｄｅ／ｄｃの関係が成り立つ。なお、Ｖｅ／Ｖｃは、膨張機と圧縮機の回転数が同じであるため、設計されたシリンダ容積によって定まる固定値となる。したがって、この冷凍装置では、密度比（ｄｅ／ｄｃ）を一定とすることで、膨張機と圧縮機の冷媒質量流量Ｍｅ，Ｍｃをバランスさせることができる。
【０００７】
ところが、この種の冷凍装置を空調機などに用いる場合には、その使用条件によって上記密度比（ｄｅ／ｄｃ）を一定に保つことが困難な場合がある。具体的に、例えば冷房運転（冷却運転）と暖房運転（加熱運転）とを切り換えて行う空調機において、冷房運転は、暖房運転と比較すると、利用側熱交換器（蒸発器）における冷媒の蒸発圧力が高くなるため、圧縮機の吸入冷媒密度ｄｃが上昇する。その結果、圧縮機を通過する冷媒の質量流量Ｍｃに対して膨張機を通過する冷媒の質量流量Ｍｅが小さくなり、膨張機と圧縮機の冷媒質量流量Ｍｅ，Ｍｃがバランスできなくなる。
【０００８】
この問題に対しては、特許文献２に開示されているように、冷媒回路に膨張機をバイパスするバイパス配管を設けるという対策が提案されている。つまり、膨張機を通過する冷媒の質量流量Ｍｅが圧縮機を通過する冷媒の質量流量Ｍｃに対して小さい場合には、放熱後の冷媒の一部をバイパス管へ導入することで、膨張機をバイパスさせるようにし、冷媒回路全体としての質量流量のバランスを図るようにしている。
【特許文献１】特開平２００１−１０７８８１号公報
【特許文献２】特開平２００１−１１６３７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、特許文献２の冷凍装置では、冷媒の一部が膨張機をバイパスするため、膨張機では、バイパスさせた冷媒の内部エネルギー分だけ膨張動力が減少することになる。したがって、圧縮機の回収動力も減少し、冷凍装置のＣＯＰが低下してしまうという問題が生じる。
【００１０】
本発明は、このような問題点に鑑みて創案されたものであり、その目的は、圧縮機を通過する冷媒の質量流量Ｍｃと、膨張機を通過する冷媒の質量流量Ｍｃとのバランスを図りながら、高ＣＯＰを達成可能な冷凍装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、膨張機(12)へ流入する冷媒を冷却運転時にのみ冷却する一方、加熱運転時にはその機能が停止する温度調節手段(23)を設けるようにしたものである。
【００１２】
具体的に、第１の発明は、圧縮機(11)と熱源側熱交換器(21)と膨張機構(12)と利用側熱交換器(22)とが接続されて蒸気圧縮式冷凍サイクルを行う冷媒回路(10)を備え、上記冷媒回路(10)が、利用側熱交換器(22)を流れる冷媒が吸熱する冷却運転と、該利用側熱交換器(22)を流れる冷媒が放熱する加熱運転とが可能に構成され、上記膨張機構(12)が冷媒の膨張により動力を発生する膨張機(12)により構成され、該膨張機(12)と圧縮機(11)とが機械的に連結された冷凍装置を前提としている。
【００１３】
そして、この冷凍装置は、上記膨張機(12)へ流入する高圧冷媒の温度を調節可能な温度調節手段(23)を備え、上記温度調節手段(23)が、上記高圧冷媒を冷却運転時にのみ冷却する一方、加熱運転時には該高圧冷媒の冷却を停止するように構成されていることを特徴としている。
【００１４】
この第１の発明では、膨張機(12)へ流入する高圧冷媒を冷却運転時にのみ冷却し、加熱運転時には冷却しないようにしているので、冷却運転時に膨張機(12)の流入冷媒密度ｄｅを大きくすることができる。したがって、冷却運転時において、圧縮機(11)を通過する冷媒の質量流量Ｍｃが加熱運転時より大きくなった場合にも、これに追随させて膨張機(12)に吸入される冷媒を冷却することで、膨張機(12)を通過する冷媒の質量流量Ｍｅを大きくし、両者の冷媒質量流量Ｍｃ，Ｍｅをバランスさせることができる。また、この発明では、膨張機(12)へ流入する冷媒をバイパスさせなくてもよいため、膨張機(12)で得られる動力も低下しない。
【００１５】
第２の発明は、第１の発明の冷凍装置において、温度調節手段(23)が、冷却運転時に高圧冷媒が低圧冷媒と熱交換して冷却される内部熱交換器(23)により構成されていることを特徴としている。
【００１６】
この第２の発明では、冷却運転時に、内部熱交換器(23)において高圧冷媒が低圧冷媒と熱交換して冷却される。このことにより、圧縮機(11)の吸入温度が上昇し、冷媒密度が下がると同時に、膨張機(12)の流入温度が低下し、冷媒密度が上がる。このため、冷却運転時に、膨張機(12)を通過する冷媒の質量流量Ｍｅを大きくし、圧縮機(11)を通過する冷媒の質量流量Ｍｃとバランスさせることができる。
【００１７】
第３の発明は、第２の発明の冷凍装置において、内部熱交換器(23)が、第１流路(24)と第２流路(25)を有するとともに、該第１流路(24)を流れる冷媒と第２流路(25)を流れる冷媒が熱交換可能に構成され、上記内部熱交換器(23)が、冷却運転時には第１流路(24)を高圧冷媒が流通する一方で第２流路(25)を低圧冷媒が流通し、加熱運転時には両流路(24,25) を高圧冷媒が流通するように構成されていることを特徴としている。
【００１８】
この第３の発明では、加熱運転時は、内部熱交換器(23)の両流路(24,25) を高圧冷媒が流れるため、高圧冷媒は温度が変化せずに膨張機(12)へ流入する。一方、冷却運転時には、内部熱交換器(23)において第１流路(24)を流れる高圧冷媒が第２流路(25)を流れる低圧冷媒と熱交換して冷却される。このことにより、冷却運転時に、膨張機(12)を通過する冷媒の質量流量Ｍｅを大きくし、圧縮機(11)を通過する冷媒の質量流量Ｍｃとバランスさせることができる。
【００１９】
第４の発明は、第２の発明の冷凍装置において、内部熱交換器(23)が、第１流路(24)と第２流路(25)を有するとともに、該第１流路(24)を流れる冷媒と第２流路(25)を流れる冷媒が熱交換可能に構成され、上記内部熱交換器(23)が、冷却運転時には第１流路(24)を高圧冷媒が流通する一方で第２流路(25)を低圧冷媒が流通するように構成され、加熱運転時に高圧冷媒が内部熱交換器(23)をバイパスするバイパス通路(51)を備えていることを特徴としている。
【００２０】
この第４の発明では、加熱運転時は、高圧冷媒が内部熱交換器(23)をバイパスするため、高圧冷媒は温度が変化せずに膨張機(12)へ流入する。一方、冷却運転時には、内部熱交換器(23)において第１流路(24)を流れる高圧冷媒が第２流路(25)を流れる低圧冷媒と熱交換して冷却される。このことにより、冷却運転時に、膨張機(12)を通過する冷媒の質量流量Ｍｅを大きくし、圧縮機(11)を通過する冷媒の質量流量Ｍｃとバランスさせることができる。
【００２１】
第５の発明は、第２の発明の冷凍装置において、内部熱交換器(23)が、第１流路(24)と第２流路(25)を有するとともに、該第１流路(24)を流れる冷媒と第２流路(25)を流れる冷媒が熱交換可能に構成され、上記内部熱交換器(23)が、冷却運転時には第１流路(24)を高圧冷媒が流通する一方で第２流路(25)を低圧冷媒が流通するように構成され、加熱運転時に低圧冷媒が内部熱交換器(23)をバイパスするバイパス通路(52)を備えていることを特徴としている。
【００２２】
この第５の発明では、加熱運転時は、低圧冷媒が内部熱交換器(23)をバイパスするため、高圧冷媒は温度が変化せずに膨張機(12)へ流入する。一方、冷却運転時には、内部熱交換器(23)において第１流路(24)を流れる高圧冷媒が第２流路(25)を流れる低圧冷媒と熱交換して冷却される。このことにより、冷却運転時に、膨張機(12)を通過する冷媒の質量流量Ｍｅを大きくし、圧縮機(11)を通過する冷媒の質量流量Ｍｃとバランスさせることができる。
【００２３】
第６の発明は、第２から第５のいずれか１の発明の冷凍装置において、内部熱交換器(23)は、冷却運転時に、熱源側熱交換器(21)を通過後の高圧冷媒が、利用側熱交換器(22)を通過前の低圧冷媒と熱交換して冷却されるように構成されていることを特徴としている。
【００２４】
この第６の発明では、冷却運転時に、熱源側熱交換器(21)の通過後の高圧冷媒が、利用側熱交換器(22)の通過前の低圧冷媒と熱交換して冷却され、温度が低下して密度が上がった状態で膨張機(12)に流入する。このことにより、冷却運転時に、膨張機(12)を通過する冷媒の質量流量Ｍｅを大きくし、圧縮機(11)を通過する冷媒の質量流量Ｍｃとバランスさせることができる。
【００２５】
第７の発明は、第２から第５のいずれか１の発明の冷凍装置において、内部熱交換器(23)は、冷却運転時に、熱源側熱交換器(21)を通過後の高圧冷媒が、利用側熱交換器(22)を通過後の低圧冷媒と熱交換して冷却されるように構成されていることを特徴としている。
【００２６】
この第７の発明では、冷却運転時に、熱源側熱交換器(21)の通過後の高圧冷媒が、利用側熱交換器(22)の通過後の低圧冷媒と熱交換して冷却され、温度が低下して密度が上がった状態で膨張機(12)に流入する。このことにより、冷却運転時に、膨張機(12)を通過する冷媒の質量流量Ｍｅを大きくし、圧縮機(11)を通過する冷媒の質量流量Ｍｃとバランスさせることができる。
【００２７】
第８の発明は、第２から第７のいずれか１の発明の冷凍装置において、内部熱交換器(23)は、冷却運転時に、高圧冷媒と低圧冷媒とが互いに逆方向へ向かって流れるように構成されていることを特徴としている。
【００２８】
この第８の発明では、冷却運転時に、高圧冷媒と低圧冷媒が内部熱交換器(23)を互いに逆方向へ向かって流れることにより、高圧冷媒が効率よく冷却される。したがって、上記と同様に、冷却運転時に、膨張機(12)を通過する冷媒の質量流量Ｍｅを大きくし、圧縮機(11)を通過する冷媒の質量流量Ｍｃとバランスさせることができる。
【００２９】
第９の発明は、第１から第８のいずれか１の発明の冷凍装置において、冷媒回路(10)の冷媒が二酸化炭素であることを特徴としている。
【００３０】
この第９の発明では、冷媒に二酸化炭素を用いることにより、他の冷媒と比較して、冷凍サイクルの高低差圧を大きくすることができるため、膨張機(12)で得られる冷媒の膨張動力を増大させることができる。
【発明の効果】
【００３１】
上記第１の発明によれば、温度調節手段(23)によって、膨張機(12)へ流入する高圧冷媒を冷却運転時にのみ冷却する一方で、加熱運転時には該高圧冷媒の冷却を停止するようにしているので、冷却運転時に膨張機(12)の流入冷媒密度ｄｅを大きくすることができる。したがって、冷却運転時において、圧縮機(11)を通過する冷媒の質量流量Ｍｃが加熱運転時より大きくなった場合にも、これに追随させて膨張機(12)に吸入される冷媒を冷却することで、膨張機(12)を通過する冷媒の質量流量Ｍｅを大きくし、両者の冷媒質量流量Ｍｃ，Ｍｅをバランスさせることができるので、冷却運転時と加熱運転時のいずれも、高効率を得られる運転状態となるように膨張機(12)と圧縮機(11)の設計をすることができる。また、この発明では、膨張機(12)へ流入する冷媒をバイパスさせなくてもよいため、膨張機(12)で得られる動力も低下しない。
【００３２】
上記第２の発明によれば、内部熱交換器(23)を用いることにより、冷却運転時に高圧冷媒を低圧冷媒と熱交換させて冷却するようにしている。このことにより、膨張機(12)へ流入する高圧冷媒を冷却運転時にのみ冷却することで、膨張機(12)を通過する冷媒の質量流量Ｍｅを大きくし、圧縮機(11)を通過する冷媒の質量流量Ｍｃとバランスさせることができるので、冷却運転時と加熱運転時のいずれも、高効率で運転することが可能となる。
【００３３】
上記第３の発明によれば、内部熱交換器(23)を、加熱運転時には両流路(24,25) に高圧冷媒を流すことで熱交換を行わせず、冷却運転時には高圧冷媒と低圧冷媒の両方を流して熱交換を行わせるように構成している。このことにより、膨張機(12)へ流入する高圧冷媒を冷却運転時にのみ冷却することで、膨張機(12)を通過する冷媒の質量流量Ｍｅを大きくし、圧縮機(11)を通過する冷媒の質量流量Ｍｃとバランスさせることができるので、冷却運転時と加熱運転時のいずれも、高効率で運転することが可能となる。
【００３４】
上記第４の発明によれば、加熱運転時には高圧冷媒が内部熱交換器(23)をバイパスし、かつ、冷却運転時には内部熱交換器(23)に高圧冷媒と低圧冷媒の両方を流して熱交換を行わせるように構成している。このことにより、膨張機(12)へ流入する高圧冷媒を冷却運転時にのみ冷却することで、膨張機(12)を通過する冷媒の質量流量Ｍｅを大きくし、圧縮機(11)を通過する冷媒の質量流量Ｍｃとバランスさせることができるので、冷却運転時と加熱運転時のいずれも、高効率で運転することが可能となる。
【００３５】
上記第５の発明によれば、加熱運転時には低圧冷媒が内部熱交換器(23)をバイパスし、かつ、冷却運転時には内部熱交換器(23)に高圧冷媒と低圧冷媒の両方を流して熱交換を行わせるように構成している。このことにより、膨張機(12)へ流入する高圧冷媒を冷却運転時にのみ冷却することで、膨張機(12)を通過する冷媒の質量流量Ｍｅを大きくし、圧縮機(11)を通過する冷媒の質量流量Ｍｃとバランスさせることができるので、冷却運転時と加熱運転時のいずれも、高効率で運転することが可能となる。
【００３６】
上記第６の発明によれば、冷却運転時には、内部熱交換器(23)において、熱源側熱交換器(21)を通過後の高圧冷媒を、利用側熱交換器(22)を通過前の低圧冷媒と熱交換させて冷却するようにしている。このことにより、膨張機(12)へ流入する高圧冷媒を冷却運転時にのみ冷却することで、膨張機(12)を通過する冷媒の質量流量Ｍｅを大きくし、圧縮機(11)を通過する冷媒の質量流量Ｍｃとバランスさせることができるので、冷却運転時と加熱運転時のいずれも、高効率で運転することが可能となる。
【００３７】
上記第７の発明によれば、冷却運転時には、内部熱交換器(23)において、熱源側熱交換器(21)を通過後の高圧冷媒を、利用側熱交換器(22)を通過後の低圧冷媒と熱交換させて冷却するようにしている。このことにより、膨張機(12)へ流入する高圧冷媒を冷却運転時にのみ冷却することで、膨張機(12)を通過する冷媒の質量流量Ｍｅを大きくし、圧縮機(11)を通過する冷媒の質量流量Ｍｃとバランスさせることができるので、冷却運転時と加熱運転時のいずれも、高効率で運転することが可能となる。
【００３８】
上記第８の発明によれば、冷却運転時に、内部熱交換器(23)に高圧冷媒と低圧冷媒を互いに逆方向へ向かって流すようにしているので、高圧冷媒を効率よく冷却することができる。したがって、冷却運転時に、膨張機(12)を通過する冷媒の質量流量Ｍｅを大きくし、圧縮機(11)を通過する冷媒の質量流量Ｍｃとバランスさせることができる。
【００３９】
上記第９の発明によれば、冷媒回路(10)の冷媒として二酸化炭素を用いることで、他の冷媒と比較して、冷凍サイクルの高低差圧を大きくすることができる。したがって、圧縮機(11)の回収動力を向上させることができ、冷凍装置のＣＯＰを一層向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
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。
【００４１】
《発明の実施形態１》
実施形態１は、本発明に係る冷凍装置により構成された空調機(1) に関するものである。この空調機(1) は、図１に示すように、冷媒回路(10)を備えている。この冷媒回路(10)は、冷媒を超臨界状態に圧縮して蒸気圧縮式冷凍サイクルを行うものである。そして、本実施形態１の空調機(1) は、冷媒回路(10)で冷媒を循環させ、冷房運転（冷却運転）と暖房運転（加熱運転）を切り換えて行うように構成されている。
【００４２】
上記冷媒回路(10)には、二酸化炭素（ＣＯ2）が冷媒として充填されている。また、冷媒回路(10)には、圧縮機(11)、膨張機(12)、室外熱交換器（熱源側熱交換器）(21)、室内熱交換器（利用側熱交換器）(22)、内部熱交換器(23)、第１四路切換弁(31)、及び第２四路切換弁(32)が設けられている。
【００４３】
圧縮機(11)及び膨張機(12)は、それぞれ固有のシリンダ容積を有するロータリピストン型の流体機械により構成されている。上記圧縮機(11)と膨張機(12)とは、モータ(13)の回転軸によって互いに連結されている。圧縮機(11)は、膨張機(12)における冷媒の膨張により得られた動力（膨張動力）と、モータ(13)へ通電して得られる動力との両方によって回転駆動される。
【００４４】
上記圧縮機(11)及び膨張機(12)は、互いに回転軸と連結されているため、それぞれの回転速度が常に等しくなる。したがって、冷媒回路(10)において、膨張機(12)を通過する冷媒の体積循環量Ｖｅと圧縮機(11)を通過する冷媒の体積循環量Ｖｃとの比率（Ｖｅ／Ｖｃ）は、各流体機械(11,12) のシリンダ容積比によって定まる固定値となっている。このシリンダ容積比は、上記Ｖｅ／Ｖｃの比と、この空調機(1) の暖房時における膨張機(12)の流入冷媒密度ｄｅと圧縮機(11)の吸入冷媒密度ｄｃとの密度比ｄｅ／ｄｃとが等量となるように、すなわち、膨張機(12)を通過する冷媒の質量流量Ｍｅと圧縮機(11)を通過する冷媒の質量流量Ｍｃとが等量となるように設計されている。
【００４５】
なお、上記圧縮機(11)や膨張機(12)について、これらを構成する流体機械はローリングピストン型に限定されるものではなく、例えばスクロール型の容積形流体機械を圧縮機(11)や膨張機(12)として用いてもよい。
【００４６】
上記室外熱交換器(21)は、いわゆるクロスフィン型のフィン・アンド・チューブ熱交換器により構成されている。この室外熱交換器(21)へは、図外のファンによって室外空気が供給される。この室外熱交換器(21)では、供給された室外空気と冷媒回路(10)の冷媒との熱交換が行われる。
【００４７】
上記室内熱交換器(22)は、いわゆるクロスフィン型のフィン・アンド・チューブ熱交換器により構成されている。この室内熱交換器(22)へは、図外のファンによって室内空気が供給される。この室内熱交換器(22)では、供給された室内空気と冷媒回路(10)の冷媒との熱交換が行われる。
【００４８】
上記内部熱交換器(23)は、互いに隣接して配置された第１流路(24)及び第２流路(25)を有し、第１流路(24)を流れる冷媒と第２流路(25)を流れる冷媒が熱交換可能に構成されている。この内部熱交換器(23)は、冷房運転時に高圧冷媒が低圧冷媒と熱交換して冷却されるように構成されている。
【００４９】
この内部熱交換器(23)は、冷房運転時には第１流路(24)を高圧冷媒が流通する一方で第２流路(25)を低圧冷媒が高圧冷媒とは逆方向へ向かって流通する対向流となり、暖房運転時には両流路(24,25) を高圧冷媒が同じ方向へ向かって流通する並行流となるように構成されている。そして、冷房運転時は、放熱器となる室外熱交換器(21)を通過後の高圧冷媒が、蒸発器となる室内熱交換器(22)を通過前の低圧冷媒と熱交換して冷却される。一方、暖房運転時は、放熱器となる室内熱交換器(22)を通過後の高圧冷媒が第２流路(25)と第１流路(24)を順に流れ、高圧冷媒の冷却は行われない。
【００５０】
上記冷媒回路(10)において、圧縮機(11)の吐出側は第１四路切換弁(31)の第１ポート(P1)に接続され、第１四路切換弁(31)の第２ポート(P2)は室外熱交換器(21)の第１端に接続されている。室外熱交換器(21)の第２端は第２四路切換弁(32)の第１ポート(P1)に接続され、第２四路切換弁(32)の第２ポート(P2)は内部熱交換器(23)の第１流路(24)を介して膨張機(12)の流入側に接続されている。膨張機(12)の流出側は第２四路切換弁(32)の第３ポート(P3)に接続され、第２四路切換弁(32)の第４ポート(P4)は内部熱交換器(23)の第２流路(25)を介して室内熱交換器(22)の第１端に接続されている。室内熱交換器(22)の第２端は第１四路切換弁(31)の第３ポート(P3)に接続され、第１四路切換弁(31)の第４ポート(P4)は圧縮機(11)の吸入側に接続されている。
【００５１】
上記第１四路切換弁(31)は、第１ポート(P1)が第２ポート(P2)と連通し且つ第３ポート(P3)が第４ポート(P4)と連通する状態（図１に実線で示す状態）と、第１ポート(P1)が第３ポート(P3)と連通し且つ第２ポート(P2)が第４ポート(P4)と連通する状態（図１に破線で示す状態）とに切り換わる。
【００５２】
また、上記第２四路切換弁(32)は、第１ポート(P1)が第２ポート(P2)と連通し且つ第３ポート(P3)が第４ポート(P4)と連通する状態（図１に実線で示す状態）と、第１ポート(P1)が第３ポート(P3)と連通し且つ第２ポート(P2)が第４ポート(P4)と連通する状態（図１に破線で示す状態）とに切り換わる。
【００５３】
−運転動作−
次に、この空調機(1) の冷房運転時及び暖房運転時の動作について説明する。
【００５４】
（冷房運転）
冷房運転時、第１四路切換弁(31)及び第２四路切換弁(32)は、図１に実線で示す状態に切り換わる。この状態でモータ(13)に通電すると、冷媒回路(10)で冷媒が循環して冷凍サイクルが行われる。その際、室外熱交換器(21)が放熱器となり、室内熱交換器(22)が蒸発器となる。また、冷凍サイクルの高圧圧力は、冷媒である二酸化炭素の臨界圧力よりも高く設定されている。
【００５５】
圧縮機(11)からは、超臨界状態の高圧冷媒が吐出される。この高圧冷媒は、実線の矢印で示すように、第１四路切換弁(31)を通って室外熱交換器(21)へ流入する。室外熱交換器(21)において、高圧冷媒は、室外空気へ放熱し、温度が低下する。
【００５６】
室外熱交換器(21)から出た高圧冷媒は、第２四路切換弁(32)を経て内部熱交換器(23)の第１流路(24)を通過する。この高圧冷媒は、内部熱交換器(23)において、第２流路(25)を流れる低圧冷媒と熱交換して冷却される。この高圧冷媒は膨張機(12)へ流入し、膨張機(12)では、導入された高圧冷媒が膨張し、この高圧冷媒の内部エネルギが回転動力に変換される。膨張機(12)での膨張により、高圧冷媒は圧力が低下し、超臨界状態から気液二相状態に変化する。
【００５７】
膨張機(12)から出た低圧冷媒は、第２四路切換弁(32)を通って内部熱交換器(23)の第２流路(25)を通過し、その際に、第１流路(24)を流れる高圧冷媒と熱交換して加熱される。この低圧冷媒は、室内熱交換器(22)へ流入し、室内熱交換器(22)において、室内空気から吸熱して蒸発する。また、室内熱交換器(22)では室内空気が低圧冷媒によって冷却され、この冷却された室内空気が室内へ送り返される。
【００５８】
室内熱交換器(22)から出た低圧冷媒は、第１四路切換弁(31)を通って圧縮機(11)に吸入される。圧縮機(11)へ吸入された冷媒は、所定の圧力にまで圧縮されて、圧縮機(11)から吐出される。
【００５９】
（暖房運転）
暖房運転時、第１四路切換弁(31)及び第２四路切換弁(32)は、図１に破線で示す状態に切り換わる。この状態でモータ(13)に通電すると、冷媒回路(10)で冷媒が循環して冷凍サイクルが行われる。その際、室内熱交換器(22)が放熱器となり、室外熱交換器(21)が蒸発器となる。また、冷凍サイクルの高圧圧力は、冷房運転時と同様に、冷媒である二酸化炭素の臨界圧力よりも高く設定されている。
【００６０】
圧縮機(11)からは、超臨界状態の高圧冷媒が吐出される。この高圧冷媒は、破線の矢印で示すように、第１四路切換弁(31)を通って室内熱交換器(22)へ流入する。室内熱交換器(22)において、高圧冷媒は、室内空気へ放熱し、温度が低下する。また、室内熱交換器(22)では室内空気が高圧冷媒によって加熱され、この加熱された室内空気が室内へ送り返される。
【００６１】
室内熱交換器(22)から出た高圧冷媒は、内部熱交換器(23)の第２流路(25)を通過した後、第２四路切換弁(32)を通って内部熱交換器(23)の第１流路(24)を通過する。その際、内部熱交換器(23)では、室内熱交換器(22)を出た高圧冷媒が第２流路(25)と第１流路(24)を順に流れるため、温度の変化は生じない。
【００６２】
内部熱交換器(23)の第１通路(24)を出た高圧冷媒は、膨張機(12)へ流入する。膨張機(12)では、導入された高圧冷媒が膨張し、この高圧冷媒の内部エネルギが回転動力に変換される。膨張機(12)での膨張により、高圧冷媒は圧力が低下し、超臨界状態から気液二相状態に変化する。
【００６３】
膨張機(12)から出た低圧冷媒は、第２四路切換弁(32)を通って室外熱交換器(21)へ流入する。室外熱交換器(21)において、低圧冷媒は、室外空気から吸熱して蒸発する。室外熱交換器(21)から出た低圧冷媒は、第１四路切換弁(31)を通って圧縮機(11)に吸入される。圧縮機(11)へ吸入された冷媒は、所定の圧力にまで圧縮されて、圧縮機(11)から吐出される。
【００６４】
−実施形態１の効果−
この実施形態１では、内部熱交換器(23)において、冷房運転時には、放熱器となる室外熱交換器(21)を通過後の高圧冷媒が第１流路(24)を流れ、蒸発器となる室内熱交換器(22)を通過前の低圧冷媒が第２流路(25)を流れるため、高圧冷媒が冷却される。一方、暖房運転時には、放熱器となる室内熱交換器(22)を通過後の高圧冷媒が第２流路(25)と第１流路(24)を順に流れるため、高圧冷媒の温度は変化しない。
【００６５】
以上のように、内部熱交換器(23)が冷房運転時にだけ機能するため、冷房運転時には、膨張機(12)に吸入される高圧冷媒を冷却でき、膨張機(12)の流入冷媒密度ｄｅを増大させることができる。その結果、従来の冷凍装置の冷房運転時には、上述した理由により圧縮機(11)の冷媒質量流量Ｍｃが膨張機(12)の冷媒質量流量Ｍｅよりも大きくなってしまうのに対し、この実施形態１では、膨張機(12)の冷媒質量流量Ｍｅを大きくできるため、両者の冷媒質量流量Ｍｃ，Ｍｅをバランスさせることができる。
【００６６】
また、本実施形態１では、冷媒の一部を膨張機(12)からバイパスさせることなく、冷媒質量流量Ｍｅ，Ｍｃをバランスさせている。このため、冷媒の一部を膨張機(12)からバイパスさせると膨張機(12)の膨張動力が低下してＣＯＰも低下してしまうのに対し、本実施形態では、全ての冷媒を膨張機(12)に導入できるため、ＣＯＰの低下を回避することができる。
【００６７】
なお、この実施形態１では、冷房運転時に高圧冷媒と低圧冷媒が内部熱交換器(23)を逆方向へ流れるようにすることで熱交換効率を高めるようにしているが、低圧冷媒が蒸発器前の液冷媒であって熱伝達率が高いため、高圧冷媒と低圧冷媒が内部熱交換器(23)を同じ方向へ流れるようにしてもよい。その場合でも、高圧冷媒を冷却することは可能である。
【００６８】
−実施形態１の変形例−
（第１変形例）
実施形態１の第１変形例は、実施形態１の冷媒回路(10)において、膨張機(12)と第２四路切換弁(32)との間にレシーバ(41)を設けたものである。つまり、この第１変形例は、膨張機(12)の出口側にレシーバ(41)を設けたものである。
【００６９】
図２に示すように、膨張機(12)の流出側はレシーバ(41)の流入口に接続され、レシーバ(41)の流出口は第２四路切換弁(32)の第３ポート(P3)に接続されている。また、圧縮機(11)の吸入側には、レシーバ(41)の下端部に接続された液インジェクション管(42)と、レシーバ(41)の上部に接続されたガス抜き管(43)とが接続されている。液インジェクション管(42)には第１電動弁(EV1) が、ガス抜き管(43)には第２電動弁(EV2) が設けられており、それぞれ、冷媒の流量調整ができるようになっている。
【００７０】
その他の構成は図１の実施形態１と同様である。
【００７１】
冷房運転時、第１四路切換弁(31)及び第２四路切換弁(32)は、図２に実線で示す状態に切り換わる。この状態において、圧縮機(11)から吐出された冷媒は、第１四路切換弁(31)、室外熱交換器(21)、第２四路切換弁(32)、内部熱交換器(23)の第１流路(24)、膨張機(12)、レシーバ(41)、第２四路切換弁(32)、内部熱交換器(23)の第２流路(25)、室内熱交換器(22)、第１四路切換弁(31)を順に流れ、再度圧縮機(11)に吸入される。
【００７２】
上記内部熱交換器(23)では、室外熱交換器(21)を通過した後の高圧冷媒が第１流路(24)を流れ、室内熱交換器(22)を通過する前の低圧冷媒が第２流路(25)を流れるため、これらの高圧冷媒と低圧冷媒とが熱交換をする。このことにより、高圧冷媒は、上記内部熱交換器(23)で冷却されてから膨張機(12)へ流入することになる。
【００７３】
なお、この冷房運転時、液インジェクション管(42)の第１電動弁(EV1) の開度を調整することにより、圧縮機(11)の吸入過熱度制御と油戻し運転とが可能である。また、ガス抜き管(43)の第２電動弁(EV2) の開度を調整することにより、レシーバ(41)のガス抜きを行うこともできる。また、液インジェクション管(42)の第１電動弁(EV1) とガス抜き管(43)の第２電動弁(EV2) の開度を調整すると、運転時に圧縮機(11)に容量不足が発生したときに、容量の不足分を補うこともできる。
【００７４】
暖房運転時、第１四路切換弁(31)及び第２四路切換弁(32)は、図２に破線で示す状態に切り換わる。この状態において、圧縮機(11)から吐出された冷媒は、第１四路切換弁(31)、室内熱交換器(22)、内部熱交換器(23)の第２流路(25)、第２四路切換弁(32)、内部熱交換器(23)の第１流路(24)、膨張機(12)、レシーバ(41)、第２四路切換弁(32)、室外熱交換器(21)、第１四路切換弁(31)を順に流れ、再度圧縮機(11)に吸入される。
【００７５】
上記内部熱交換器(23)では、放熱器となる室内熱交換器(22)を通過した後の高圧冷媒が第２流路(25)と第１流路(24)を順に流れるため、高圧冷媒の温度は変化しない。このことにより、高圧冷媒は冷却されずに膨張機(12)へ流入することになる。
【００７６】
この変形例においても、内部熱交換器(23)が冷房運転時にだけ機能するため、冷房運転時には、膨張機(12)に吸入される高圧冷媒を冷却でき、膨張機(12)の流入冷媒密度ｄｅを増大させることができる。その結果、従来の冷凍装置の冷房運転時には、上述した理由により圧縮機(11)の冷媒質量流量Ｍｃが膨張機(12)の冷媒質量流量Ｍｅよりも大きくなってしまうのに対し、この実施形態１の第１変形例では、膨張機(12)の冷媒質量流量Ｍｅを大きくできるため、両者の冷媒質量流量Ｍｃ，Ｍｅをバランスさせることができる。
【００７７】
また、上記実施形態１と同様、冷媒の一部を膨張機(12)からバイパスさせることなく、冷媒質量流量Ｍｅ，Ｍｃをバランスさせているため、全ての冷媒を膨張機(12)に導入することで、ＣＯＰの低下を回避することもできる。
【００７８】
（第２変形例）
実施形態１の第２変形例は、実施形態１の冷媒回路(10)において、第２四路切換弁(32)の代わりにブリッジ回路(35)を用いたものである。
【００７９】
図３に示すように、上記ブリッジ回路(35)は、４つの管路をブリッジ状に接続して構成され、４つのポート(P1,P2,P3,P4) を有している。上記４つの管路には、それぞれ逆止弁（CV）が設けられている。上記逆止弁(CV)は、第１ポート(P1)から第２ポート(P2)へ向かう冷媒流れと、第３ポート(P3)から第４ポート(P4)へ向かう冷媒流れと、第３ポート(P3)から第１ポート(P1)へ向かう冷媒流れと、第４ポート(P4)から第２ポート(P2)へ向かう冷媒流れを許容するように、各管路に設けられている。
【００８０】
上記室外熱交換器(21)の第２端は、ブリッジ回路(35)の第１ポート(P1)に接続されている。該ブリッジ回路(35)の第２ポート(P2)は、内部熱交換器(23)の第１流路(24)を介して膨張機(12)の流入側に接続されている。膨張機(12)の流出側は、上記ブリッジ回路(35)の第３ポート(P3)に接続されている。このブリッジ回路(35)の第４ポート(P4)は、内部熱交換器(23)の第２流路(25)を介して室内熱交換器(22)の第１端に接続されている。
【００８１】
その他の構成は図１の実施形態１と同様である。
【００８２】
冷房運転時、第１四路切換弁(31)は、図３に実線で示す状態に切り換わる。この状態において、圧縮機(11)から吐出された冷媒は、第１四路切換弁(31)、室外熱交換器(21)、ブリッジ回路(35)、内部熱交換器(23)の第１流路(24)、膨張機(12)、ブリッジ回路(35)、内部熱交換器(23)の第２流路(25)、室内熱交換器(22)、第１四路切換弁(31)を順に流れ、再度圧縮機(11)に吸入される。
【００８３】
上記内部熱交換器(23)では、室外熱交換器(21)を通過した後の高圧冷媒が第１流路(24)を流れ、室内熱交換器(22)を通過する前の低圧冷媒が第２流路(25)を流れるため、これらの高圧冷媒と低圧冷媒とが熱交換をする。このことにより、高圧冷媒は、上記内部熱交換器(23)で冷却されてから膨張機(12)へ流入することになる。
【００８４】
暖房運転時、第１四路切換弁(31)は、図３に破線で示す状態に切り換わる。この状態において、圧縮機(11)から吐出された冷媒は、第１四路切換弁(31)、室内熱交換器(22)、内部熱交換器(23)の第２流路(25)、ブリッジ回路(35)、内部熱交換器(23)の第１流路(24)、膨張機(12)、ブリッジ回路(35)、室外熱交換器(21)、第１四路切換弁(31)を順に流れ、再度圧縮機(11)に吸入される。
【００８５】
上記内部熱交換器(23)では、放熱器となる室内熱交換器(22)を通過した後の高圧冷媒が第２流路(25)と第１流路(24)を順に流れるため、高圧冷媒の温度は変化しない。このことにより、高圧冷媒は冷却されずに膨張機(12)へ流入することになる。
【００８６】
この変形例においても、内部熱交換器(23)が冷房運転時にだけ機能するため、冷房運転時には、膨張機(12)に吸入される高圧冷媒を冷却でき、膨張機(12)の流入冷媒密度ｄｅを増大させることができる。その結果、従来の冷凍装置の冷房運転時には、上述した理由により圧縮機(11)の冷媒質量流量Ｍｃが膨張機(12)の冷媒質量流量Ｍｅよりも大きくなってしまうのに対し、この実施形態１の第２変形例では、膨張機(12)の冷媒質量流量Ｍｅを大きくできるため、両者の冷媒質量流量Ｍｃ，Ｍｅをバランスさせることができる。
【００８７】
また、上記実施形態１と同様、冷媒の一部を膨張機(12)からバイパスさせることなく、冷媒質量流量Ｍｅ，Ｍｃをバランスさせているため、全ての冷媒を膨張機(12)に導入することで、ＣＯＰの低下を回避することもできる。
【００８８】
《発明の実施形態２》
実施形態２は、図４に示すように、実施形態１とは冷媒回路(10)の構成が異なるものである。この例では、実施形態１とは内部熱交換器(23)の位置が異なるとともに、暖房運転時に高圧冷媒が内部熱交換器(23)をバイパスするためのバイパス通路(51)が設けられている。
【００８９】
この冷媒回路(10)において、圧縮機(11)の吐出側は第１四路切換弁(31)の第１ポート(P1)に接続され、第１四路切換弁(31)の第２ポート(P2)は室外熱交換器(21)の第１端に接続されている。室外熱交換器(21)の第２端は第２四路切換弁(32)の第１ポート(P1)に接続され、第２四路切換弁(32)の第２ポート(P2)は内部熱交換器(23)の第１流路(24)を介して膨張機(12)の流入側に接続されている。
【００９０】
第２四路切換弁(32)の第２ポート(P2)と内部熱交換器(23)の第１流路(24)の間には第１開閉弁(SV1) が設けられている。第２四路切換弁(32)の第２ポート(P2)と第１開閉弁(SV1) の間の配管には、第２開閉弁(SV2) を有するバイパス通路(51)の一端が接続されている。このバイパス通路(51)の他端は、内部熱交換器(23)の第１流路(24)と膨張機(12)の流入側とを接続する配管に合流している。
【００９１】
膨張機(12)の流出側は第２四路切換弁(32)の第３ポート(P3)に接続され、第２四路切換弁(32)の第４ポート(P4)は室内熱交換器(22)の第１端に接続されている。室内熱交換器(22)の第２端は第１四路切換弁(31)の第３ポート(P3)に接続され、第１四路切換弁(31)の第４ポート(P4)は内部熱交換器(23)の第２流路(25)を介して圧縮機(11)の吸入側に接続されている。
【００９２】
以上の構成により、上記内部熱交換器(23)は、冷房運転時には第１流路(24)を高圧冷媒が流通する一方で第２流路(25)を低圧冷媒が流通するように構成されている。そして、冷房運転時に、室外熱交換器(21)を通過後の高圧冷媒が、室内熱交換器(22)を通過後の低圧冷媒と熱交換して冷却されるようになっている。
【００９３】
なお、この構成において、第１開閉弁(SV1) 及び第２開閉弁(SV2) には、電磁開閉弁や電動弁を用いることができる。また、第１開閉弁(SV1) は、内部熱交換器(23)の前後どちらに設けてもよい。
【００９４】
−運転動作−
冷房運転時、第１四路切換弁(31)及び第２四路切換弁(32)は、図４に実線で示す状態に切り換わる。また、第１開閉弁(SV1) は開放され、第２開閉弁(SV2) は閉鎖される。この状態において、圧縮機(11)から吐出された冷媒は、第１四路切換弁(31)、室外熱交換器(21)、第２四路切換弁(32)、内部熱交換器(23)の第１流路(24)、膨張機(12)、第２四路切換弁(32)、室内熱交換器(22)、第１四路切換弁(31)、内部熱交換器(23)の第２流路(25)を順に流れ、再度圧縮機(11)に吸入される。
【００９５】
上記内部熱交換器(23)では、室外熱交換器(21)を通過した後の高圧冷媒が第１流路(24)を流れ、室内熱交換器(22)を通過した後の低圧冷媒が第２流路(25)を流れるため、これらの高圧冷媒と低圧冷媒とが熱交換をする。このことにより、高圧冷媒は、上記内部熱交換器(23)で冷却されてから膨張機(12)へ流入することになる。
【００９６】
暖房運転時、第１四路切換弁(31)及び第２四路切換弁(32)は、図４に破線で示す状態に切り換わる。また、第１開閉弁(SV1) は閉鎖され、第２開閉弁(SV2) は開放される。この状態において、圧縮機(11)から吐出された冷媒は、第１四路切換弁(31)、室内熱交換器(22)、第２四路切換弁(32)、バイパス通路(51)、膨張機(12)、第２四路切換弁(32)、室外熱交換器(21)、第１四路切換弁(31)、内部熱交換器(23)の第２流路(25)を順に流れ、再度圧縮機(11)に吸入される。
【００９７】
上記内部熱交換器(23)では、室内熱交換器(22)を通過した後の高圧冷媒が流れず、室外熱交換器(21)を通過した後の低圧冷媒だけが第２流路(25)を流れるため、高圧冷媒の温度は変化しない。このことにより、高圧冷媒は冷却されずに膨張機(12)へ流入することになる。
【００９８】
−実施形態２の効果−
この実施形態２においても、内部熱交換器(23)が冷房運転時にだけ機能するため、冷房運転時には、膨張機(12)に吸入される高圧冷媒を冷却でき、膨張機(12)の流入冷媒密度ｄｅを増大させることができる。その結果、従来の冷凍装置の冷房運転時には、圧縮機(11)の冷媒質量流量Ｍｃが膨張機(12)の冷媒質量流量Ｍｅよりも大きくなってしまうのに対し、膨張機(12)の冷媒質量流量Ｍｅを大きくできるため、両者の冷媒質量流量Ｍｃ，Ｍｅをバランスさせることができる。
【００９９】
また、上記実施形態１と同様、冷媒の一部を膨張機(12)からバイパスさせることなく、冷媒質量流量Ｍｅ，Ｍｃをバランスさせているため、全ての冷媒を膨張機(12)に導入することで、ＣＯＰの低下を回避することもできる。
【０１００】
−実施形態２の変形例−
（第１変形例）
実施形態２の第１変形例は、図４に示す実施形態２の冷媒回路(10)において、蒸発器の出口側と内部熱交換器(23)の低圧側の間にレシーバ(41)を設けたものである。
【０１０１】
図５に示すように、第１四路切換弁(31)の第４ポート(P4)はレシーバ(41)の流入口に接続され、レシーバ(41)の流出口は内部熱交換器(23)の第２流路(25)を介して圧縮機(11)の吸入側に接続されている。また、圧縮機(11)の吸入側には、レシーバ(41)の下端部に接続された液インジェクション管(42)が接続されている。液インジェクション管(42)には第１電動弁(EV1) が設けられており、冷媒の流量調整ができるようになっている。
【０１０２】
なお、この例ではレシーバ(41)の出口が飽和ガスとなるため、内部熱交換器(23)は冷房運転時に高圧冷媒と低圧冷媒が互いに逆方向に流れるように構成されている。
【０１０３】
その他の構成は図４の実施形態２と同様である。
【０１０４】
冷房運転時、第１四路切換弁(31)及び第２四路切換弁(32)は、図５に実線で示す状態に切り換わる。また、第１開閉弁(SV1) は開放され、第２開閉弁(SV2) は閉鎖される。この状態において、圧縮機(11)から吐出された冷媒は、第１四路切換弁(31)、室外熱交換器(21)、第２四路切換弁(32)、内部熱交換器(23)の第１流路(24)、膨張機(12)、第２四路切換弁(32)、室内熱交換器(22)、第１四路切換弁(31)、レシーバ(41)、内部熱交換器(23)の第２流路(25)を順に流れ、再度圧縮機(11)に吸入される。
【０１０５】
上記内部熱交換器(23)では、室外熱交換器(21)を通過した後の高圧冷媒が第１流路(24)を流れ、室内熱交換器(22)及びレシーバ(41)を通過した後の低圧冷媒が第２流路(25)を流れるため、これらの高圧冷媒と低圧冷媒とが熱交換をする。このことにより、高圧冷媒は、上記内部熱交換器(23)で冷却されてから膨張機(12)へ流入することになる。
【０１０６】
暖房運転時、第１四路切換弁(31)及び第２四路切換弁(32)は、図５に破線で示す状態に切り換わる。また、第１開閉弁(SV1) は閉鎖され、第２開閉弁(SV2) は開放される。この状態において、圧縮機(11)から吐出された冷媒は、第１四路切換弁(31)、室内熱交換器(22)、第２四路切換弁(32)、バイパス通路(51)、膨張機(12)、第２四路切換弁(32)、室外熱交換器(21)、第１四路切換弁(31)、レシーバ(41)、内部熱交換器(23)の第２流路(25)を順に流れ、再度圧縮機(11)に吸入される。
【０１０７】
上記内部熱交換器(23)では、室内熱交換器(22)を通過した後の高圧冷媒が流れず、室外熱交換器(21)及びレシーバ(21)を通過した後の低圧冷媒だけが第２流路(25)を流れるため、上記高圧冷媒の温度は変化しない。このことにより、高圧冷媒は冷却されずに膨張機(12)へ流入することになる。
【０１０８】
この変形例においても、内部熱交換器(23)が冷房運転時にだけ機能するため、冷房運転時には、膨張機(12)に吸入される高圧冷媒を冷却でき、膨張機(12)の流入冷媒密度ｄｅを増大させることができる。その結果、従来の冷凍装置の冷房運転時には、圧縮機(11)の冷媒質量流量Ｍｃが膨張機(12)の冷媒質量流量Ｍｅよりも大きくなってしまうのに対し、膨張機(12)の冷媒質量流量Ｍｅを大きくできるため、両者の冷媒質量流量Ｍｃ，Ｍｅをバランスさせることができる。
【０１０９】
また、上記実施形態１と同様、冷媒の一部を膨張機(12)からバイパスさせることなく、冷媒質量流量Ｍｅ，Ｍｃをバランスさせているため、全ての冷媒を膨張機(12)に導入することで、ＣＯＰの低下を回避することもできる。
【０１１０】
（第２変形例）
実施形態２の第２変形例は、図４に示す実施形態２の冷媒回路(10)において、冷媒が内部熱交換器(23)をバイパスする構成を変更した例である。
【０１１１】
図６に示すように、この冷媒回路(10)において、第２四路切換弁(32)と内部熱交換器(23)の第１流路(24)の間には第１開閉弁(SV1) は設けられておらず、暖房運転時に冷媒にこの第１流路(24)をバイパスさせるための図４のバイパス通路（高圧側バイパス通路）(51)も設けられていない。
【０１１２】
上記第１開閉弁(SV1)は、第１四路切換弁(31)の第４ポート(P4)と内部熱交換器(23)の第２流路(25)の間に設けられている。また、第１四路切換弁(31)の第４ポート(P4)と第１開閉弁(SV1) の間の配管には、第２開閉弁(SV2) を有するバイパス通路（低圧側バイパス通路）(52)の一端が接続されている。このバイパス通路(52)の他端は、内部熱交換器(23)の第２流路(25)と圧縮機(11)の吸入側とを接続する配管に合流している。
【０１１３】
その他の構成は図４の実施形態２と同様である。
【０１１４】
冷房運転時、第１四路切換弁(31)及び第２四路切換弁(32)は、図６に実線で示す状態に切り換わる。また、第１開閉弁(SV1) は開放され、第２開閉弁(SV2) は閉鎖される。この状態において、圧縮機(11)から吐出された冷媒は、第１四路切換弁(31)、室外熱交換器(21)、第２四路切換弁(32)、内部熱交換器(23)の第１流路(24)、膨張機(12)、第２四路切換弁(32)、室内熱交換器(22)、第１四路切換弁(31)、内部熱交換器(23)の第２流路(25)を順に流れ、再度圧縮機(11)に吸入される。
【０１１５】
上記内部熱交換器(23)では、室外熱交換器(21)を通過した後の高圧冷媒が第１流路(24)を流れ、室内熱交換器(22)を通過した後の低圧冷媒が第２流路(25)を流れるため、これらの高圧冷媒と低圧冷媒とが熱交換をする。このことにより、高圧冷媒は、上記内部熱交換器(23)で冷却されてから膨張機(12)へ流入することになる。
【０１１６】
暖房運転時、第１四路切換弁(31)及び第２四路切換弁(32)は、図６に破線で示す状態に切り換わる。また、第１開閉弁(SV1) は閉鎖され、第２開閉弁(SV2) は開放される。この状態において、圧縮機(11)から吐出された冷媒は、第１四路切換弁(31)、室内熱交換器(22)、第２四路切換弁(32)、内部熱交換器(23)の第１流路(24)、膨張機(12)、第２四路切換弁(32)、室外熱交換器(21)、第１四路切換弁(31)、バイパス通路(52)を順に流れ、再度圧縮機(11)に吸入される。
【０１１７】
上記内部熱交換器(23)では、室内熱交換器(22)を通過した後の高圧冷媒は第１流路(24)を流れるが、室外熱交換器(21)を通過した後の低圧冷媒が流れないため、高圧冷媒の温度は変化しない。このことにより、高圧冷媒は冷却されずに膨張機(12)へ流入することになる。
【０１１８】
この実施形態２においても、内部熱交換器(23)が冷房運転時にだけ機能するため、冷房運転時には、膨張機(12)に吸入される高圧冷媒を冷却でき、膨張機(12)の流入冷媒密度ｄｅを増大させることができる。その結果、従来の冷凍装置の冷房運転時には、圧縮機(11)の冷媒質量流量Ｍｃが膨張機(12)の冷媒質量流量Ｍｅよりも大きくなってしまうのに対し、膨張機(12)の冷媒質量流量Ｍｅを大きくできるため、両者の冷媒質量流量Ｍｃ，Ｍｅをバランスさせることができる。
【０１１９】
また、上記実施形態１と同様、冷媒の一部を膨張機(12)からバイパスさせることなく、冷媒質量流量Ｍｅ，Ｍｃをバランスさせているため、全ての冷媒を膨張機(12)に導入することで、ＣＯＰの低下を回避することもできる。
【０１２０】
（第３変形例）
実施形態２の第３変形例は、図４に示す実施形態２の冷媒回路において、第２四路切換弁(32)を用いない構成にした例である。
【０１２１】
図７に示すように、この冷媒回路(10)において、室外熱交換器(21)の第２端は、第３逆止弁(CV3) と内部熱交換器(23)の第１流路(24)とを介して膨張機(12)の流入側に接続されている。膨張機(12)の流出側は２つに分岐して、一方が第１逆止弁(CV1) を介して室外熱交換器(21)と第３逆止弁(CV3) との間の配管に接続され、他方が第２逆止弁(CV2) を介して室内熱交換器(22)の第１端に接続されている。また、第２逆止弁(CV2) と室内熱交換器(22)との間の配管には、第４逆止弁(CV4) を有するバイパス管(51)の一端が接続され、バイパス管(51)の他端は、内部熱交換器(23)の第１流路(24)と膨張機(12)の流入側とを接続する配管に合流している。
【０１２２】
なお、第１逆止弁(CV1) と第２逆止弁(CV2) は、膨張機(12)からの冷媒の流出を許容する弁であり、代わりに電磁開閉弁などを用いて冷房運転時と暖房運転時に開閉状態を切り換えるようにしてもよい。第３逆止弁(CV3) と第４逆止弁(CV4) は、膨張機(12)への冷媒の流入を許容する弁であり、第１逆止弁(CV1) 及び第２逆止弁(CV2) と同様に電磁開閉弁などで代用してもよい。
【０１２３】
その他の構成は図４に示す実施形態２と同様である。
【０１２４】
−運転動作−
冷房運転時、第１四路切換弁(31)は、図７に実線で示す状態に切り換わる。この状態において、圧縮機(11)から吐出された冷媒は、第１四路切換弁(31)、室外熱交換器(21)、第３逆止弁(CV3) 、内部熱交換器(23)の第１流路(24)、膨張機(12)、第２逆止弁(CV2) 、室内熱交換器(22)、第１四路切換弁(31)、内部熱交換器(23)の第２流路(25)を順に流れ、再度圧縮機(11)に吸入される。
【０１２５】
上記内部熱交換器(23)では、室外熱交換器(21)を通過した後の高圧冷媒が第１流路(24)を流れ、室内熱交換器(22)を通過した後の低圧冷媒が第２流路(25)を流れるため、これらの高圧冷媒と低圧冷媒とが熱交換をする。このことにより、高圧冷媒は、上記内部熱交換器(23)で冷却されてから膨張機(12)へ流入することになる。
【０１２６】
暖房運転時、第１四路切換弁(31)は、図７に破線で示す状態に切り換わる。この状態において、圧縮機(11)から吐出された冷媒は、第１四路切換弁(31)、室内熱交換器(22)、バイパス通路(51)（第４逆止弁(CV4) ）、膨張機(12)、第１逆止弁(CV1) 、室外熱交換器(21)、第１四路切換弁(31)、内部熱交換器(23)の第２流路(25)を順に流れ、再度圧縮機(11)に吸入される。
【０１２７】
上記内部熱交換器(23)では、室内熱交換器(22)を通過した後の高圧冷媒が流れず、室外熱交換器(21)を通過した後の低圧冷媒が第２流路(25)を流れるため、高圧冷媒の温度は変化しない。このことにより、高圧冷媒は冷却されずに膨張機(12)へ流入することになる。
【０１２８】
この変形例においても、内部熱交換器(23)が冷房運転時にだけ機能するため、冷房運転時には、膨張機(12)に吸入される高圧冷媒を冷却でき、膨張機(12)の流入冷媒密度ｄｅを増大させることができる。その結果、従来の冷凍装置の冷房運転時には、圧縮機(11)の冷媒質量流量Ｍｃが膨張機(12)の冷媒質量流量Ｍｅよりも大きくなってしまうのに対し、膨張機(12)の冷媒質量流量Ｍｅを大きくできるため、両者の冷媒質量流量Ｍｃ，Ｍｅをバランスさせることができる。
【０１２９】
また、上記実施形態１と同様、冷媒の一部を膨張機(12)からバイパスさせることなく、冷媒質量流量Ｍｅ，Ｍｃをバランスさせているため、全ての冷媒を膨張機(12)に導入することで、ＣＯＰの低下を回避することもできる。
【０１３０】
（第４変形例）
実施形態２の第４変形例は、図４に示す実施形態２の冷媒回路(10)において、冷房運転時に、内部熱交換器(23)を高圧冷媒が低圧冷媒とは逆向きに流れるようにした例である。
【０１３１】
図８に示すように、第２四路切換弁(32)の第２ポート(P2)は、図４の例とは逆に、内部熱交換器(23)の第１流路(24)における図の右側端部に接続されている。また、内部熱交換器(23)の第１流路(24)における図の左側端部は、第１開閉弁(SV1) を介して膨張機(12)の流入側に接続されている。そして、第２開閉弁(SV2) を有するバイパス通路(51)は、第２四路切換弁(32)の第２ポート(P2)と内部熱交換器(23)の間の配管と、第１開閉弁(SV1) と膨張機(12)の間の配管とに接続されている。
【０１３２】
その他の構成は、図４に示す実施形態２と同様である。
【０１３３】
この変形例では、図４の実施形態２と同様の効果を奏することができるのに加えて、冷房運転時に内部熱交換器(23)において高圧冷媒と低圧冷媒が互いに逆向きに流れるため、高圧冷媒をより効果的に冷却することが可能となる。
【０１３４】
《発明の実施形態３》
実施形態３は、図９に示すように、実施形態１，２とは冷媒回路(10)の構成が異なるものである。
【０１３５】
この冷媒回路(10)において、圧縮機(11)の吐出側は第１四路切換弁(31)の第１ポート(P1)に接続され、第１四路切換弁(31)の第２ポート(P2)は室外熱交換器(21)の第１端に接続されている。室外熱交換器(21)の第２端は第２四路切換弁(32)の第１ポート(P1)に接続され、第２四路切換弁(32)の第２ポート(P2)は内部熱交換器(23)の第１流路(24)を介して膨張機(12)の流入側に接続されている。
【０１３６】
膨張機(12)の流出側は第１四路切換弁(31)の第３ポート(P3)に接続され、第１四路切換弁(31)の第４ポート(P4)は室内熱交換器(22)の第１端に接続されている。室内熱交換器(22)の第２端は第２四路切換弁(32)の第３ポート(P3)に接続され、第２四路切換弁(32)の第４ポート(P4)は内部熱交換器(23)の第２流路(25)を介して圧縮機(11)の吸入側に接続されている。
【０１３７】
内部熱交換器(23)の第２流路(25)と圧縮機(11)の吸入側との間には第１開閉弁(S1) が設けられている。また、第２四路切換弁(32)の第４ポート(P4)と内部熱交換器(23)の第２流路(25)の間の配管と、第１開閉弁(SV1) と圧縮機(11)の吸入側の間の配管とに、第２開閉弁(SV2) を有するバイパス通路(52)が接続されている。
【０１３８】
以上の構成により、上記内部熱交換器(23)は、冷房運転時には第１流路(24)を高圧冷媒が流通する一方で第２流路(25)を低圧冷媒が流通するように構成されている。そして、冷房運転時に、室外熱交換器(21)を通過後の高圧冷媒が、室内熱交換器(22)を通過後の低圧冷媒と熱交換して冷却されるようになっている。
【０１３９】
上記第１四路切換弁(31)及び第２四路切換弁(32)は、それぞれ、第１ポート(P1)が第２ポート(P2)と連通し且つ第３ポート(P3)が第４ポート(P4)と連通する状態（図１に実線で示す状態）と、第１ポート(P1)が第４ポート(P4)と連通し且つ第２ポート(P2)が第３ポート(P3)と連通する状態（図１に破線で示す状態）とに切り換わる。
【０１４０】
なお、この実施形態３においても、膨張機(12)の出口側や、蒸発器と内部熱交換器(23)の低圧側の間にレシーバを設けてもよいし、低圧側のバイパス回路(52)の代わりに高圧側のバイパス回路(51)を設けてもよいし、内部熱交換器(23)における冷房運転時の高圧冷媒と低圧冷媒の流れが対向流になるようにしてもよい。
【０１４１】
−運転動作−
冷房運転時、第１四路切換弁(31)及び第２四路切換弁(32)は、図９に実線で示す状態に切り換わる。また、第１開閉弁(SV1) は開放され、第２開閉弁(SV2) は閉鎖される。この状態において、圧縮機(11)から吐出された冷媒は、第１四路切換弁(31)、室外熱交換器(21)、第２四路切換弁(32)、内部熱交換器(23)の第１流路(24)、膨張機(12)、第１四路切換弁(31)、室内熱交換器(22)、第２四路切換弁(32)、内部熱交換器(23)の第２流路(25)を順に流れ、再度圧縮機(11)に吸入される。
【０１４２】
上記内部熱交換器(23)では、室外熱交換器(21)を通過した後の高圧冷媒が第１流路(24)を流れ、室内熱交換器(22)を通過した後の低圧冷媒が第２流路(25)を流れるため、これらの高圧冷媒と低圧冷媒とが熱交換をする。このことにより、高圧冷媒は、上記内部熱交換器(23)で冷却されてから膨張機(12)へ流入することになる。
【０１４３】
暖房運転時、第１四路切換弁(31)及び第２四路切換弁(32)は、図９に破線で示す状態に切り換わる。また、第１開閉弁(SV1) は閉鎖され、第２開閉弁(SV2) は開放される。この状態において、圧縮機(11)から吐出された冷媒は、第１四路切換弁(31)、室内熱交換器(22)、第２四路切換弁(32)、内部熱交換器(23)の第１流路(24)、膨張機(12)、第１四路切換弁(31)、室外熱交換器(21)、第２四路切換弁(32)、バイパス通路(52)を順に流れ、再度圧縮機(11)に吸入される。
【０１４４】
上記内部熱交換器(23)では、室内熱交換器(22)を通過した後の高圧冷媒が第１流路(24)を流れるが、室外熱交換器(21)を通過した後の低圧冷媒は第２流路(25)を流れないため、高圧冷媒の温度は変化しない。このことにより、高圧冷媒は冷却されずに膨張機(12)へ流入することになる。
【０１４５】
−実施形態３の効果−
この実施形態３においても、内部熱交換器(23)が冷房運転時にだけ機能するため、冷房運転時には、膨張機(12)に吸入される高圧冷媒を冷却でき、膨張機(12)の流入冷媒密度ｄｅを増大させることができる。その結果、従来の冷凍装置の冷房運転時には、圧縮機(11)の冷媒質量流量Ｍｃが膨張機(12)の冷媒質量流量Ｍｅよりも大きくなってしまうのに対し、膨張機(12)の冷媒質量流量Ｍｅを大きくできるため、両者の冷媒質量流量Ｍｃ，Ｍｅをバランスさせることができる。
【０１４６】
また、上記実施形態１と同様、冷媒の一部を膨張機(12)からバイパスさせることなく、冷媒質量流量Ｍｅ，Ｍｃをバランスさせているため、全ての冷媒を膨張機(12)に導入することで、ＣＯＰの低下を回避することもできる。
【０１４７】
《その他の実施形態》
本発明は、上記実施形態について、以下のような構成としてもよい。
【０１４８】
例えば、上記各実施形態では、膨張機(12)へ流入する冷媒の温度を調節可能な温度調節手段として内部熱交換器(23)を設けた例について説明したが、温度調節手段は内部熱交換器(23)以外で冷媒の温度を調整するものを用いてもよい。
【０１４９】
また、上記実施形態では、冷媒として二酸化炭素を用いているが、これに限らず、ＨＦＣ系冷媒、ＨＣ系冷媒、水、空気、アンモニアなどの自然冷媒等を用いても良い。
【産業上の利用可能性】
【０１５０】
以上説明したように、本発明は、蒸気圧縮式冷凍サイクルを行う冷媒回路を備え、膨張機と圧縮機とが機械的に連結された冷凍装置について有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１５１】
【図１】実施形態１に係る空調機の冷媒回路図である。
【図２】実施形態１の第１変形例に係る空調機の冷媒回路図である。
【図３】実施形態１の第２変形例に係る空調機の冷媒回路図である。
【図４】実施形態２に係る空調機の冷媒回路図である。
【図５】実施形態２の第１変形例に係る空調機の冷媒回路図である。
【図６】実施形態２の第２変形例に係る空調機の冷媒回路図である。
【図７】実施形態２の第３変形例に係る空調機の冷媒回路図である。
【図８】実施形態２の第４変形例に係る空調機の冷媒回路図である。
【図９】実施形態３に係る空調機の冷媒回路図である。
【符号の説明】
【０１５２】
(1)   空調機（冷凍装置）
(10)  冷媒回路
(11)  圧縮機
(12)  膨張機（膨張機構）
(21)  室外熱交換器（熱源側熱交換器）
(22)  室内熱交換器（利用側熱交換器）
(23)  内部熱交換器（温度調節手段）
(24)  第１流路
(25)  第２流路
(31)  第１四路切換弁
(32)  第２四路切換弁
(51)  バイパス通路
(52)  バイパス通路
【図１】
2006090639.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2006090639.tif 000007
【図６】
2006090639.tif 000008
【図７】
2006090639.tif 000009
【図８】
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【図９】
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