(57)【要約】  【課題】  余剰冷媒が発生する空気調和装置でも冷房運転時及び暖房運転時共に、膨張機での動力回収効果を充分得る。  【解決手段】  電動機により駆動される主圧縮機１、四方弁２、室外熱交換器３、受液器４、室内減圧装置５、室内熱交換器６とが接続される空気調和装置において、受液器４の出口側に設けられた膨張機１１と、膨張機１１で回収される膨張動力により駆動され、吐出側が主圧縮機１の吸入側へ接続された副圧縮機１２と、室外熱交換器３と受液器４との間に設けられ、冷房及び暖房運転時共に、冷媒が受液器４を介して膨張機１１を通るように逆止弁が組み合わされたブリッジ回路１０と、を備える。【選択図】図１
2006125790.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機により駆動される主圧縮機、四方弁、室外熱交換器、受液器、室内減圧装置、室内熱交換器とが接続される空気調和装置において、
前記受液器の出口側に設けられた膨張機と、
前記膨張機で回収される膨張動力により駆動され、吐出側が前記主圧縮機の吸入側へ接続された副圧縮機と、
前記室外熱交換器と受液器との間に設けられ、冷房及び暖房運転時共に、冷媒が前記受液器を介して前記膨張機を通るように逆止弁が組み合わされたブリッジ回路と、
を備えたことを特徴とする空気調和装置。
【請求項２】
請求項１記載のものにおいて、前記ブリッジ回路に替えて、第２四方弁を用いて冷房運転時及び暖房運転時共に、冷媒が前記受液器を介して前記膨張機を通るようにしたことを特徴とする空気調和装置。
【請求項３】
請求項１記載のものにおいて、前記膨張機と前記ブリッジ回路との間に設けられ、主流部と副流部が設けられた過冷却熱交換器を備え、前記主流部の一方は前記膨張機出口に、他方は前記ブリッジ回路に配管接続され、前記副流部の一方は前記膨張機と前記主流部を接続する配管からバイパスされ過冷却膨張弁を介して接続され、他方は前記四方弁と前記副圧縮機の吸入側とを接続する配管に合流する過冷却バイパス戻り配管に接続されていることを特徴とする空気調和装置。
【請求項４】
請求項１記載のものにおいて、前記膨張機と前記ブリッジ回路との間に設けられ、主流部と副流部が設けられた過冷却熱交換器を備え、前記主流部の一方は前記膨張機出口に、他方は前記ブリッジ回路に配管接続され、前記副流部の一方は前記膨張機と前記主流部を接続する配管からバイパスされ過冷却膨張弁を介して接続され、他方は前記主圧縮機の吸入側に接続された過冷却バイパス戻り配管に接続されていることを特徴とする空気調和装置。
【請求項５】
請求項１ないし４に記載のものにおいて、前記空気調和装置に用いられる冷媒をフロン系冷媒としたことを特徴とする空気調和装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気調和装置の効率向上に係り、特に冷房運転時及び暖房運転時共に圧縮機の動力を低減するものに好適である。
【背景技術】
【０００２】
電動機（モータ）によって駆動される圧縮機の吐出側圧力を低く抑え、電動機の入力低減を行い、冷凍サイクルの運転効率向上を図ため、膨張機の膨張動力により駆動される副圧縮機の吸入側と、電動機によって駆動されるメイン圧縮機の吐出側と、を冷媒回路において直列に配管接続して冷媒の二段圧縮を行い、メイン圧縮機と副圧縮機で圧縮された冷媒をガスクーラで冷却し、冷却された高圧冷媒ガスを膨張機で減圧する際に膨張動力を回収し、この回収動力を副圧縮機に伝えることが、例えば特許文献１に記載されている。
【０００３】
また、幅広い運転範囲の中で高い動力回収効果を得るため、冷媒流れ（運転モード）による密度比の差異を小さくし、固定密度比として設計されている膨張機での動力回収の効率改善を行い、室内側熱交換器を蒸発器とする冷媒流れの場合には、副圧縮機の吐出側が圧縮機の吸入側となるように副圧縮機によって圧縮機に吸入される冷媒を加給（チャージャ）するようにし、室内側熱交換器を放熱器とする冷媒流れの場合には、圧縮機の吐出側が副圧縮機の吸入側となるように圧縮機から吐出された冷媒を更に加圧（エクスプレッサ）するようにすることが知られ、例えば特許文献２に記載されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２７９１７９号公報（第２図）
【０００５】
【特許文献２】特開２００４−１３８３３２号公報（第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１においては、余剰冷媒を貯留するために設けられたアキュムレータの影響が考慮されてなく、冷凍サイクルの低圧部を流れる冷媒の密度が小さいため冷媒の流速が早くなりアキュムレータにより圧力損失が増加し、冷凍能力が低下する。また、余剰冷媒により蒸発器での比エンタルピ差が減少し、膨張機で動力回収をしても冷凍能力が低下して冷凍サイクルの効率が低下する。また、特許文献２においては、余剰冷媒分が凝縮器内に溜まり、圧縮機吐出側の圧力が上昇し、圧縮機の入力増加となる。
【０００７】
本発明の目的は、上記従来の技術課題を解決し、余剰冷媒が発生する空気調和装置でも冷房運転時及び暖房運転時共に、膨張機での動力回収効果を充分得られる空気調和装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため本発明は、電動機により駆動される主圧縮機、四方弁、室外熱交換器、受液器、室内減圧装置、室内熱交換器とが接続される空気調和装置において、前記受液器の出口側に設けられた膨張機と、前記膨張機で回収される膨張動力により駆動され、吐出側が前記主圧縮機の吸入側へ接続された副圧縮機と、前記室外熱交換器と受液器との間に設けられ、冷房及び暖房運転時共に、冷媒が前記受液器を介して前記膨張機を通るように逆止弁が組み合わされたブリッジ回路と、を備えたものである。  
また、上記のものにおいて、前記ブリッジ回路に替えて、第２四方弁を用いて冷房運転時及び暖房運転時共に、冷媒が前記受液器を介して前記膨張機を通るようにしたことが望ましい。
【０００９】
さらに、上記のものにおいて、前記膨張機と前記ブリッジ回路との間に設けられ、主流部と副流部が設けられた過冷却熱交換器を備え、前記主流部の一方は前記膨張機出口に、他方は前記ブリッジ回路に配管接続され、前記副流部の一方は前記膨張機と前記主流部を接続する配管からバイパスされ過冷却膨張弁を介して接続され、他方は前記四方弁と前記副圧縮機の吸入側とを接続する配管に合流する過冷却バイパス戻り配管に接続されていることが望ましい。
【００１０】
さらに、上記のものにおいて、前記膨張機と前記ブリッジ回路との間に設けられ、主流部と副流部が設けられた過冷却熱交換器を備え、前記主流部の一方は前記膨張機出口に、他方は前記ブリッジ回路に配管接続され、前記副流部の一方は前記膨張機と前記主流部を接続する配管からバイパスされ過冷却膨張弁を介して接続され、他方は前記主圧縮機の吸入側に接続された過冷却バイパス戻り配管に接続されていることが望ましい。
【００１１】
さらに、上記のものにおいて、前記空気調和装置に用いられる冷媒をフロン系冷媒としたことが望ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、圧縮機吸入側の圧力損失増大や蒸発器での比エンタルピ差減少による冷凍能力低下を防止しながら、冷房運転時及び暖房運転時共に膨張機での減圧量を最大にすることができ、膨張機で回収できる膨張動力を最大限に副圧縮機に利用することができる。  
また、電動機により駆動する主圧縮機の圧縮比を小さくすることができ、主圧縮機に吸込まれる冷媒密度を大きくできるため、主圧縮機での動力を低減できる。これにより冷凍能力の拡大を図ることができ、この冷凍能力の拡大分を電動機により駆動する主圧縮機の動力低減に利用することで、更に空気調和装置の効率向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
オゾン破壊係数がゼロでありかつ地球温暖化係数もフロン類に比べれば格段に小さい、二酸化炭素を冷媒として用いる冷凍サイクル装置が近年着目されている。二酸化炭素冷媒は、臨界温度が３１．０６℃と低く、この温度よりも高い温度を利用する場合には、冷凍サイクル装置の高圧側（圧縮機出口〜放熱器〜減圧器入口）では二酸化炭素冷媒の凝縮が生じない超臨界状態となり、従来のフロン系冷媒に比べて、冷凍サイクル装置の運転効率が低下する。このため、超臨界状態での冷凍サイクルの運転効率向上を図るために、冷凍サイクルの減圧装置として膨張機を設け、この膨張機で回収される膨張動力を圧縮機の駆動力の一部として利用する方法や、膨張機で回収される膨張動力により駆動される副圧縮機を二段圧縮となる位置に設ける方法等が種々提案されている。
【００１４】
以下、本発明の一実施の形態を図１ないし図６を参照して説明する。  
図１は、本発明の一実施形態を示す膨張機及び膨張機で回収される膨張動力により駆動する副圧縮機を搭載した空気調和装置の冷凍サイクル系統図である。室外機は、電動機９により駆動される主圧縮機１、四方弁２、室外熱交換器３、受液器４、液阻止弁８、ガス阻止弁７を配管接続して構成されている。また、室内機は、室内膨張弁５及び室内熱交換器６を備え、室外機に付設されたガス阻止弁７と液阻止弁８に配管接続されている。
【００１５】
室外機において、受液器４の後流側には膨張機１１が設けられ、この膨張機１１には動力伝達軸１３が取付けられ、動力伝達軸１３の他端は副圧縮機１２の駆動軸と連結されており、副圧縮機１２は膨張機１１の膨張動力により駆動される。副圧縮機１２は四方弁２と主圧縮機１の間に設けられ、四方弁２と副圧縮機１２の吸入側とが配管接続され、副圧縮機１２の吐出側と主圧縮機１の吸入側とが配管接続されている。また、室外熱交換器３と受液器４との間には、受液器４から膨張器１１への冷媒の流れ方向が冷房運転時及び暖房運転時共に同一方向となる様に、逆止弁４個が図のように組み合わされてブリッジ回路１０が構成されている。
【００１６】
次に、冷凍サイクルにおける冷媒の流動状態について説明する。図１において、冷媒の流れ方向は、暖房運転は実線矢印で、冷房運転は破線矢印により示されている。  
冷房運転の場合、電動機９により駆動される主圧縮機１で圧縮された高温高圧のガス冷媒は、四方弁２を通り室外熱交換器３に流入し、室外熱交換器３で外気と熱交換することで放熱凝縮し液冷媒となり流出し、ブリッジ回路１０を通り受液器４内に流入する。受液器４では、冷凍サイクルの運転で余剰となる冷媒が貯留され、受液器４から流出した液冷媒は、膨張機１１で等エントロピ減圧され高圧と低圧の間の中間圧状態となり、ブリッジ回路１０及び液阻止弁８を通り室内膨張弁５で減圧され低圧状態となり、室内熱交換器６に流入する。
【００１７】
室内熱交換器６では、室内空気と熱交換することで吸熱蒸発し低圧のガス冷媒として流出し、ガス阻止弁７及び四方弁２を通り副圧縮機１２に吸込まれる。副圧縮機１２は、膨張機１１と動力伝達軸１３で連結されているため、膨張機１１での膨張動力により駆動され、副圧縮機１２に吸込まれたガス冷媒は、膨張動力分だけ圧縮され、この圧縮されたガス冷媒が主圧縮機１に吸込まれる。
【００１８】
暖房運転の場合、電動機９により駆動される主圧縮機１で圧縮された高温高圧のガス冷媒は、四方弁２及びガス阻止弁７を通り室内熱交換器６に流入し、室内熱交換器６で室内空気と熱交換することで放熱凝縮し液冷媒となり流出し、室内膨張弁５、液阻止弁８及びブリッジ回路１０を通り受液器４内に流入する。受液器４では、能力の発生には余剰となる冷媒が貯留され、受液器４から流出した液冷媒は、膨張機１１で等エントロピ減圧され低圧状態となり、ブリッジ回路１０を通り室外熱交換器３に流入する。室外熱交換器３では、外気と熱交換することで吸熱蒸発し低圧のガス冷媒として流出し、四方弁２を通り副圧縮機１２に吸込まれる。副圧縮機１２は、膨張機１１と動力伝達軸１３で連結されているため、膨張機１１での膨張動力により駆動され、前記副圧縮機１２に吸込まれたガス冷媒は、膨張動力分だけ圧縮され、この圧縮されたガス冷媒が主圧縮機１に吸込まれる。
【００１９】
膨張機１１を冷房運転時及び暖房運転時共に受液器４の常に後流側となるようにブリッジ回路１０を構成したことにより、余剰冷媒を受液器４に貯留して最適な冷媒量を冷凍サイクルに供給しながら、膨張機１１前後の圧力差を確保することができ、膨張機１１で回収可能な膨張動力を最大にすることができる。これにより、冷房運転時及び暖房運転時共に、電動機９により駆動される主圧縮機１での圧縮動力を、膨張機１１での膨張動力により駆動される副圧縮機１２での圧縮動力、すなわち膨張動力分だけ少なくでき、冷凍サイクルの効率が向上する。
【００２０】
また、主圧縮機１の低圧側に副圧縮機１２を配設しているため、主圧縮機１に吸込まれる冷媒の状態は、副圧縮機１２が無い場合と比較して圧力が高くなり、主圧縮機１に吸込まれる冷媒の密度が大きくなる。そして、主圧縮機１での吐出量を少なくすることができ、主圧縮機１での圧縮動力をさらに低減できる。さらに、主圧縮機１の高圧側圧力と低圧側圧力の比は、副圧縮機１２が無い場合と比較して副圧縮機１２での圧力上昇分だけ小さくなるため、主圧縮機１の圧縮効率が向上し主圧縮機１での圧縮動力が低減できるため、冷凍サイクルの効率向上が可能となる。
【００２１】
また、逆止弁4個で構成されるブリッジ回路１０は、図２に示す如く、第２四方弁１４で置き換えることができる。
【００２２】
次に、本発明の他の実施形態について図３ないし図４を参照して説明する。  
図３は、他の実施形態を示す空気調和装置の冷凍サイクル系統図である。過冷却熱交換器１５は膨張機１１とブリッジ回路１０との間に設けられ、膨張機１１から流出する冷媒を過冷却する。過冷却熱交換器１５は主流部と副流部が設けられ、主流部と副流部を流れる冷媒によりそれぞれ熱交換する。主流部は、一方を膨張機１１の出口に、他方をブリッジ回路１０に配管接続される。膨張機１１と過冷却熱交換器１５を接続する配管からバイパス管を設け、過冷却膨張弁１６を介して副流部の一方に配管接続されている。副流部の他方は四方弁２と副圧縮機１２の吸入側とを接続する配管に合流するように過冷却バイパス戻り配管１７により接続されている。
【００２３】
次に、冷凍サイクルにおける冷媒の流動状態について説明する。図１と同様に、冷媒の流れ方向は、暖房運転は実線矢印で、冷房運転は破線矢印により示す。冷房運転時及び暖房運転時共に膨張機１１までの冷媒の流れ及び状態は、図１に示す実施形態と同様であり、説明は省略する。
【００２４】
膨張機１１により等エントロピ減圧された冷媒は、過冷却熱交換器１５の手前で２つに分流され、一方は過冷却熱交換器１５の主流部に、他方は過冷却膨張弁１６によりさらに減圧され副流部に流入し、主流部を流れる冷媒と副流部を流れる冷媒とで熱交換し、主流部を流れる冷媒の温度が低下して過冷却液が生成される。また、副流部を流れる冷媒は、主流部を流れる冷媒から吸熱して過熱されガス冷媒となり副圧縮機１２の吸入側を流れる冷媒に合流される。
【００２５】
以上により、膨張機１１から流出する冷媒を過冷却熱交換器１５により過冷却することにより、蒸発側の比エンタルピ差を大きくすることができるため、蒸発性能を向上しながら膨張機１１により膨張動力を回収でき、冷凍サイクルの効率向上が可能となる。また、過冷却熱交換器の副流部に流れる冷媒量分だけ蒸発器（冷房運転時は室内熱交換器、暖房運転時は室外熱交換器）に流れる冷媒量を低減できるため、蒸発器での圧力損失が低減でき、さらに冷凍サイクルの効率向上が可能となる。
【００２６】
さらに、図３の副流部の他方を四方弁２と副圧縮機１２の吸入側とを接続する配管に合流するようにすることに替えて、図４に示す如く、過冷却バイパス戻り配管１７を主圧縮機１の吸入側に戻すようにすることで、図３に示したものと比べて副圧縮機１２で圧縮される冷媒量を低減できる。そのため、膨張機１１での膨張動力回収分をより多く副圧縮機１２の圧縮動力に使用することができ、より冷凍サイクルの効率向上を図ることができる。
【００２７】
また、図５に示す如く、副圧縮機１２の替わりに膨張機１１に設けられている動力伝達軸１３と電動機（モータ）９の軸を同軸としてもよく、この場合は、副圧縮機１２がないため空気調和装置の製造コストを大幅に低減することができる。  
また、図６に示す如く、四方弁２と電動機（モータ）９で駆動される主圧縮機１の吸入側を接続し、主圧縮機１の吐出側と、膨張機１１で回収される膨張動力により駆動する副圧縮機１２の吸入側を接続しても良く、この場合は、副圧縮機１２に吸込まれる冷媒の密度が小さくなるため、副圧縮機１２の圧縮室を小さくすることができ、副圧縮機１２を小型軽量化することができる。そして、空気調和装置の製造コストを低減するのに有利となる。
【００２８】
以上の空気調和装置において、冷媒として二酸化炭素等の超臨界サイクルを形成する冷媒を用いた場合に冷凍サイクルの効率向上効果が大きくなるが、ＨＦＣ等のフロン系冷媒を用いた場合も冷凍サイクルの効率向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態を示す空気調和装置の冷凍サイクル系統図。
【図２】他の実施形態を示す空気調和装置の冷凍サイクル系統図。
【図３】さらに、他の実施形態を示す空気調和装置の冷凍サイクル系統図。
【図４】さらに、他の実施形態を示す空気調和装置の冷凍サイクル系統図。
【図５】さらに、他の実施形態を示す空気調和装置の冷凍サイクル系統図。
【図６】さらに、他の実施形態を示す空気調和装置の冷凍サイクル系統図。
【符号の説明】
【００３０】
１…主圧縮機、２…四方弁、３…室外熱交換器、４…受液器、５…室内膨張弁、６…室内熱交換器、９…電動機（モータ）、１０…ブリッジ回路、１１…膨張機、１２…副圧縮機、１３…動力伝達軸、１４…第２四方弁、１５…過冷却熱交換器、１６…過冷却膨張弁、１７…過冷却バイパス戻り配管。
【図１】
2006125790.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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