(57)【要約】【課題】  空気調和機の効率をさらに向上させること。【解決手段】  冷媒を圧縮する圧縮機２、運転モードにあわせて圧縮機２から吐出された冷媒の流路を切り替える四方弁３、内部を冷媒および搬送媒体が通過する中間熱交換器６、冷媒を減圧・膨張させて低温・低圧の冷媒にする膨張弁５、および内部を通過する冷媒と外気との熱交換を行う室外熱交換器４を有する室外側サイクル９と、超臨界領域に加圧された搬送媒体を循環させる搬送媒体駆動装置１０、中間熱交換器６、および内部を通過する搬送媒体と室内へ送風される空気との熱交換を行う少なくとも一台の室内熱交換器１１を有する室内側サイクル１３とを具備し、中間熱交換器６において室外側サイクル９を循環する冷媒と室内側サイクル１３を循環する搬送媒体との熱交換が行われる空気調和機１であって、圧縮機２の上流側に、当該圧縮機２に吸引されるガス状冷媒の温度を上昇させる加熱手段７が設けられている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を圧縮する圧縮機、運転モードにあわせて前記圧縮機から吐出された冷媒の流路を切り替える四方弁、内部を冷媒および搬送媒体が通過する中間熱交換器、冷媒を減圧・膨張させて低温・低圧の冷媒にする膨張弁、および内部を通過する冷媒と外気との熱交換を行う室外熱交換器を有する室外側サイクルと、
超臨界領域に加圧された搬送媒体を循環させる搬送媒体駆動装置、前記中間熱交換器、および内部を通過する搬送媒体と室内へ送風される空気との熱交換を行う少なくとも一台の室内熱交換器を有する室内側サイクルとを具備し、
前記中間熱交換器において前記室外側サイクルを循環する冷媒と前記室内側サイクルを循環する搬送媒体との熱交換が行われる空気調和機であって、
前記圧縮機の上流側に、当該圧縮機に吸引されるガス状冷媒の温度を上昇させる加熱手段が設けられていることを特徴とする空気調和機。
【請求項２】
前記加熱手段として熱交換器が用いられ、当該熱交換器に、前記圧縮機に吸引されるガス状冷媒よりも温度の高い冷媒が導かれるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
【請求項３】
前記室内側サイクルに、当該サイクル内を循環する搬送媒体を貯留する貯留タンクが設けられているとともに、当該貯留タンクに、温度可変手段が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の空気調和機。
【請求項４】
前記温度可変手段として熱交換器が用いられ、当該熱交換器に、前記室外側サイクルを循環する冷媒が導かれるように構成されていることを特徴とする請求項３に記載の空気調和機。
【請求項５】
前記中間熱交換器を通過する室外側サイクルの冷媒と室内側サイクルの搬送媒体とが、暖房運転時には対向流とされ、冷房運転時には平行流となるように構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の空気調和機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、搬送媒体を超臨界領域に加圧して室内側サイクル内に封入し、搬送媒体を室内側サイクル内で循環させることにより空調動作を行わせる空気調和機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
搬送媒体を超臨界領域に加圧して室内側サイクル（「二次側サイクル」あるいは「利用側サイクル」ともいう）内に封入し、搬送媒体を室内側サイクル内で循環させることにより空調動作を行わせる空気調和機としては、たとえば、室外側サイクル（「一次側サイクル」あるいは「熱源側サイクル」ともいう）を循環する冷媒との熱交換により、搬送媒体を加熱したりあるいは冷却したりするものがある（たとえば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平９−７９６７４号公報（たとえば、図７参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記特許文献１のものでは、圧縮機から吐出される吐出ガスの温度を７０℃よりも上げることができず、空気調和機の効率を向上させるのに限界があった。
【０００４】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、空気調和機の効率をさらに向上させることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
請求項１に記載の空気調和機は、冷媒を圧縮する圧縮機、運転モードにあわせて前記圧縮機から吐出された冷媒の流路を切り替える四方弁、内部を冷媒および搬送媒体が通過する中間熱交換器、冷媒を減圧・膨張させて低温・低圧の冷媒にする膨張弁、および内部を通過する冷媒と外気との熱交換を行う室外熱交換器を有する室外側サイクルと、超臨界領域に加圧された搬送媒体を循環させる搬送媒体駆動装置、前記中間熱交換器、および内部を通過する搬送媒体と室内へ送風される空気との熱交換を行う少なくとも一台の室内熱交換器を有する室内側サイクルとを具備し、前記中間熱交換器において前記室外側サイクルを循環する冷媒と前記室内側サイクルを循環する搬送媒体との熱交換が行われる空気調和機であって、前記圧縮機の上流側に、当該圧縮機に吸引されるガス状冷媒の温度を上昇させる加熱手段が設けられていることを特徴とする。
このような空気調和機によれば、圧縮機に吸引されるガス状冷媒の温度が予め温められることになり、圧縮機の吐出ガス温度が上昇して、空気調和機の効率が向上することになる。特に、暖房運転時には、たとえば、二酸化炭素を搬送媒体とする場合に、９０℃といった高温での熱交換が中間熱交換器において可能となるので、所望の超臨界状態での室内熱交換器による空気調和が実現される。
【０００６】
請求項２に記載の空気調和機は、前記加熱手段として熱交換器が用いられ、当該熱交換器に、前記圧縮機に吸引されるガス状冷媒よりも温度の高い冷媒が導かれるように構成されていることを特徴とする。
このような空気調和機によれば、室外側サイクルを循環する冷媒の熱エネルギーが、圧縮機に吸引される冷媒により回収されることとなるので、熱エネルギーの損失が抑制されて、空気調和機の効率がさらに向上することになる。
【０００７】
請求項３に記載の空気調和機は、前記室内側サイクルに、当該サイクル内を循環する搬送媒体を貯留する貯留タンクが設けられているとともに、当該貯留タンクに、温度可変手段が設けられていることを特徴とする。
このような空気調和機によれば、温度可変手段により貯留タンクが冷却されると室内側サイクルを循環する搬送媒体が貯留タンク内に回収されて室内側サイクル内の圧力が低下し、逆に、温度可変手段により貯留タンクが加熱されると貯留タンク内に回収されていた搬送媒体が室内側サイクル内に戻されて室内側サイクル内の圧力が増加するようになっている。これにより、暖房運転時および冷房運転時のそれぞれにおいて、室内側サイクル内の圧力を、たとえば、暖房運転時において１０ＭＰａ、冷房運転時において４ＭＰａに維持させることができて、空気調和機を最も効率よく運転させることができるとともに、空気調和機の効率を向上させることができるようになる。
なお、貯留タンクおよび温度可変手段は、必ずしも前述した熱交換器と一緒に設けられる必要はなく、たとえば、図５に示すように、熱交換器とは切り離して独立して設けるようにすることもできる。
また、図５では、後述する第２実施形態を説明するために用いた図３と同一の部材に同一の符号を付している。
【０００８】
請求項４に記載の空気調和機は、前記温度可変手段として熱交換器が用いられ、当該熱交換器に、前記室外側サイクルを循環する冷媒が導かれるように構成されていることを特徴とする。
このような空気調和機によれば、貯留タンクを加熱したりあるいは冷却するのに室外側サイクルを循環する冷媒の熱エネルギーが使われることとなるので、貯留タンクを加熱したりあるいは冷却するための熱エネルギーを別途発生させる必要がなく、空気調和機のランニングコストが低減されることとなる。
【０００９】
請求項５に記載の空気調和機は、前記中間熱交換器を通過する室外側サイクルの冷媒と室内側サイクルの搬送媒体とが、暖房運転時には対向流とされ、冷房運転時には平行流となるように構成されていることを特徴とする。
このような空気調和機によれば、室内側サイクルにおいて搬送媒体が常に一方向に循環させられることとなるので、室内側サイクルの構成が簡素化されるとともに、コストの低減が図られることとなる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の空気調和装置によれば、圧縮機に吸引されるガス状冷媒の温度を予め温めることができるので、圧縮機の吐出ガス温度を上昇させることができて、空気調和機の効率を向上させることができる。
また、室外側サイクルを循環する冷媒の熱エネルギーが、圧縮機に吸引される冷媒により回収されることとなるので、熱エネルギーの損失を抑制することができて、空気調和機の効率をさらに向上させることができる。
さらに、温度可変手段により貯留タンクが冷却されると室内側サイクルを循環する搬送媒体が貯留タンク内に回収されて室内側サイクル内の圧力が低下し、逆に、温度可変手段により貯留タンクが加熱されると貯留タンク内に回収されていた搬送媒体が室内側サイクル内に戻されて室内側サイクル内の圧力が増加するようになっており、これにより、暖房運転時および冷房運転時のそれぞれにおいて、室内側サイクル内の圧力を、たとえば、暖房運転時において１０ＭＰａ、冷房運転時において４ＭＰａに維持させることができて、空気調和機を最も効率よく運転させることができるとともに、空気調和機の効率を向上させることができる。
さらにまた、貯留タンクを加熱したりあるいは冷却するのに室外側サイクルを循環する冷媒の熱エネルギーが使われることとなるので、貯留タンクを加熱したりあるいは冷却するための熱エネルギーを別途発生させる必要がなく、空気調和機のランニングコストを低減させることができる。
さらにまた、室内側サイクルにおいて搬送媒体が常に一方向に循環させられることとなるので、室内側サイクルの構成を簡素化することができるとともに、コストの低減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明による空気調和機の第１実施形態を示す概略構成図である。図１に示す空気調和機１は、圧縮機２、四方弁３、室外熱交換器４、膨張弁５、中間熱交換器６、吸入ガス加熱器（加熱手段）７、および配管８を主たる要素として有する室外側サイクル９と、前記中間熱交換器６、搬送媒体駆動装置１０、室内熱交換器１１、および配管１２を主たる要素として有する室内側サイクル１３とを具備するものである。
圧縮機２は、低温・低圧のガス状冷媒（冷媒としては、たとえば、プロパン、ブタン、イソブタンなどの炭化水素冷媒（炭素（Ｃ）および水素（Ｈ）が含まれる冷媒）を吸引して圧縮し、高温・高圧のガス状冷媒とするものである。
四方弁３は、圧縮機２の下流側に設けられるとともに、圧縮機２から吐出された冷媒の流路を冷房運転時と暖房運転時とで切り替えるものであり、暖房運転時（図において実線矢印で示す方向に冷媒を循環させる時）には、圧縮機２から中間熱交換器６に向かう流路を形成し、一方、冷房運転時（図において破線矢印で示す方向に冷媒を循環させる時）には、圧縮機２から室外熱交換器４に向かう流路を形成するように構成されている。
室外熱交換器４は、冷房運転時に高温高圧のガス状冷媒を凝縮液化させて外気に放熱するコンデンサとして機能し、逆に暖房運転時には低温低圧の液状冷媒を蒸発気化させて外気から熱を奪うエバポレータとして機能するものである。
膨張弁５は、内部を通過する冷媒を減圧・膨張させて低温・低圧の冷媒にするものである。
【００１２】
中間熱交換器（「冷媒間熱交換器」ともいう）６は、室外側サイクル９を循環する冷媒と室内側サイクル１３を循環する搬送媒体との間で熱の授受を行わせるものであり、暖房運転時には室外側サイクル９を循環する冷媒により、室内側サイクル１３を循環する搬送媒体が加熱され、冷房運転時には室外側サイクル９を循環する冷媒により、室内側サイクル１３を循環する搬送媒体が冷却されるようになっている。また、この中間熱交換器６の入口近傍に位置する配管８には温度センサＴが設けられており、この温度センサＴにより検出された配管８内の冷媒温度データが制御器１４に出力されるようになっている。
吸入ガス加熱器７は、圧縮機２の上流側（すなわち、圧縮機２と四方弁３との間）に設けられた熱交換器であり、暖房運転時、中間熱交換器６を通過した温かい冷媒により、圧縮機２に吸引される冷媒を予め温める（圧縮機２に吸引される冷媒の温度を高める）ためのものである。
配管８は、これら圧縮機２、四方弁３、室外熱交換器４、膨張弁５、中間熱交換器６、および吸入ガス加熱器７を接続するとともに、これら構成要素間を冷媒が循環できるようにするものであり、これにより室外側サイクル（「一次側サイクル」あるいは「熱源側サイクル」ともいう）９が形成されている。
また、配管８にはバイパス管８ａが接続されており、暖房運転時、中間熱交換器６を通過した冷媒が吸入ガス加熱器７を通らずに、吸入ガス加熱器７の下流側に位置する膨張弁５の上流側に直接導かれるようになっている。
バイパス管８ａの入口よりも下流側でかつ吸入ガス加熱器７よりも上流側の配管８、およびバイパス管８ａにはそれぞれ流量制御弁１５，１５ａが設けられている。これら流量調整弁１５，１５ａはそれぞれ、制御器１４からの信号により弁開度の調整が行われるように構成されており、中間熱交換器６から吸入ガス加熱器７に流れ込む冷媒量、および中間熱交換器６から膨張弁５に流れ込む冷媒量がそれぞれ調整されるようになっている。一方、冷房運転時には、膨張弁５を通過した冷媒が吸入ガス加熱器７を通らずに、中間熱交換器６に直接導かれるように、すなわち、流量調整弁１５が全閉とされ、かつ流量調整弁１５ａが全開とされるようになっている。
【００１３】
搬送媒体駆動装置１０は、たとえば、ポンプや圧縮機のような圧送手段であり、超臨界領域に加圧された（熱伝導率が極大とされた）搬送媒体（たとえば、二酸化炭素など）を、室内側サイクル１３の中で循環させるものである。
室内熱交換器１１は、内部を通過する搬送媒体と、室内へ送風される空気との熱交換を行うものであり、冷房運転時にはいわゆるエバポレータとして、また暖房運転時にはいわゆるコンデンサとして機能するものである。
配管１２は、中間熱交換器６、室内熱交換器１１、および搬送媒体駆動装置１０を接続するとともに、これら構成要素間を搬送媒体が循環できるようにするものであり、これにより室内側サイクル（「二次側サイクル」あるいは「利用側サイクル」ともいう）１３が形成されている。
また、各室内熱交換器１１の上流側に位置する配管１２にはそれぞれ流量調整弁１６が設けられており、中間熱交換器６から室内熱交換器１１に流れ込む搬送媒体の量がそれぞれ調整されるようになっている。
【００１４】
このように、本実施形態では吸入ガス加熱器７により、圧縮機２に流入する冷媒を温めることができて、圧縮機２の吐出ガス温度を（たとえば、９０℃に）上昇させることができるので、室外側サイクル９のＣＯＰ（Coefficiency of performance：エネルギー消費効率）を高めることができる。すなわち、図２に示すように、モリエル線図上に描かれたサイクルを、実線のものから破線のものに拡大することができて、空気調和機のＣＯＰを向上させることができる。
また、圧縮機２の吐出ガス温度が高温（たとえば、９０℃）とされることにより、高温での熱交換が中間熱交換器において可能となり、所望の超臨界状態での室内熱交換器による空気調和を実現することができる。
さらに、室外側サイクル９を循環する冷媒の熱エネルギーが、圧縮機２に流入する冷媒により回収されるようになっているので、熱エネルギーの損失を低減させることができて、空気調和機のＣＯＰをさらに向上させることができる。
さらにまた、暖房運転時における中間熱交換器６の入口近傍に位置する配管８に設けられた温度センサＴからのデータに基づいて、流量調整弁１５，１５ａの開度をそれぞれ自動的に調整することができるようになっているので、中間熱交換器６の入口近傍における冷媒の温度を常に一定に保つことができる。
【００１５】
本発明による空気調和機の第２実施形態について、図３を用いて説明する。
本実施形態における空気調和機２１は、室内側サイクル１３に搬送媒体貯留タンク２２が設けられているとともに、室外側サイクル９に搬送媒体貯留タンク２２を加熱あるいは冷却するための熱交換器（温度可変手段）２３が設けられているという点で前述した第１実施形態のものと異なる。その他の構成要素については前述した実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。
なお、前述した第１実施形態と同一の部材には同一の符号を付している。
【００１６】
室内側サイクル１３を循環する搬送媒体の一部が貯留される搬送媒体貯留タンク２２は、第２の配管２４を介して、圧縮機２の上流側に位置する配管（すなわち、すべての室内熱交換１１から出た搬送媒体が合流して流れる配管）１２に接続されており、配管１２から搬送媒体貯留タンク２２の方へ、あるいは搬送媒体貯留タンク２２から配管１２の方へ搬送媒体を流すことができるようになっている。
一方、搬送媒体駆動装置１０の入口近傍に位置する配管１２には圧力センサＰが設けられており、この圧力センサＰにより検出された配管１２内の圧力データが制御器２５に出力されるようになっている。
また、第２の配管２４には制御器２５からの信号に基づいて開閉され得るように構成された仕切弁２６が設けられており、全閉とされることにより配管１２から搬送媒体貯留タンク２２の方へ、あるいは搬送媒体貯留タンク２２から配管１２の方への搬送媒体の行き来を遮断することができ、逆に全開とされることにより配管１２から搬送媒体貯留タンク２２の方へ、あるいは搬送媒体貯留タンク２２から配管１２の方への搬送媒体の行き来ができるようになっている。
【００１７】
熱交換器２３は、搬送媒体貯留タンク２２に貯められた搬送媒体よりも温度の低い冷媒が導かれることにより搬送媒体貯留タンク２２を冷却し、逆に、搬送媒体貯留タンク２２に貯められた搬送媒体よりも温度の高い冷媒が導かれることにより搬送媒体貯留タンク２２を加熱するものである。熱交換器２３により搬送媒体貯留タンク２２が冷却されると、室内側サイクル１３を循環する搬送媒体が搬送媒体貯留タンク２２内に回収されて配管１２内の圧力が低下し、逆に、熱交換器２３により搬送媒体貯留タンク２２が加熱されると、搬送媒体貯留タンク２２内に回収されていた搬送媒体が配管１２内に戻されて配管１２内の圧力が増加するようになっている。
また、熱交換器２３の上流側でかつバイパス管８ａの出口よりも下流側の配管８には、第２の膨張弁５ａが設けられており、この第２の膨張弁５ａを絞ることにより熱交換器２３に流入する冷媒の温度を下げることができるようになっている。第２の膨張弁５ａは、制御器２５からの信号により弁開度の調整が行われるように構成されており、配管１２内の圧力が暖房運転時および冷房運転時のそれぞれにおいて、たとえば、図４に示すような最適な圧力に維持されるようになっている。
【００１８】
このような構成により、上述した第１実施形態で得ることのできる作用効果の他に、以下のような作用効果を得ることができる。
本実施形態では、室内側サイクル１３に搬送媒体貯留タンク２２が設けられているとともに、室外側サイクル９に搬送媒体貯留タンク２２を加熱あるいは冷却するための熱交換器２３が設けられているので、暖房運転時および冷房運転時のそれぞれにおいて、室内側サイクル１３の配管１２内の圧力を最適な圧力（たとえば、暖房運転時において１０ＭＰａ、冷房運転時において４ＭＰａ）に維持することができて、空気調和機を最も効率よく運転することができるとともに、空気調和機の効率を向上させることができる。
また、膨張弁５ａ、流量調整弁１５，１５ａを適宜調整することにより、室内側サイクル１３の配管１２内の圧力を適正な圧力の範囲内（たとえば、暖房運転時において７ＭＰａ〜１０ＭＰａ、冷房運転時において３ＭＰａ〜５ＭＰａ）で変化させることができて、各サイクル（暖房サイクルおよび冷房サイクル）における温度をきめ細やかに変化させることができるので、それに併せて室内に吹き出される空気の温度もきめ細やかに変化させることができるようになっている。
【００１９】
上述した第１実施形態および第２実施形態の中間熱交換器６において、室外側サイクル９を循環する冷媒の流れ方向と、室内側サイクル１３を循環する搬送媒体の流れ方向とが、暖房運転時には対向流となり、冷房運転時には平行流となるように構成されている。すなわち、室外側サイクル９では、暖房運転時と冷房運転時とで冷媒の流れ方向が四方弁３により逆になるように構成されていて、室内側サイクル１３では、暖房運転時、冷房運転時に関係なく常に一方向に搬送媒体が循環するように構成されている。
これは先に示した図４から分かるように、冷房運転時（冷房サイクル）では中間熱交換器の入口と出口とで温度差がないため、対向流でも平行流でも結果的に同じになってしまうからである。
このように、室内側サイクル１３において搬送媒体を常に一方向に循環させればよいので、室内側サイクル１３の構成を簡素化することができて、コストを低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明による空気調和機の第１実施形態を示す概略構成図である。
【図２】図１に示す室外側サイクルを循環する冷媒の状態をモリエル線図上に示したグラフである。
【図３】本発明による空気調和機の第２実施形態を示す概略構成図である。
【図４】図１および図３に示す室内側サイクルを循環する搬送媒体の状態をモリエル線図上に示したグラフである。
【図５】本発明による空気調和機の別の実施形態を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００２１】
１  空気調和機
２  圧縮機
４  室外熱交換器
５  膨張弁
６  中間熱交換器
７  吸入ガス加熱器（加熱手段）
９  室外側サイクル
１０  搬送媒体駆動装置
１１  室内熱交換器
１３  室内側サイクル
２１  空気調和機
２２  搬送媒体貯留タンク（貯留タンク）
２３  熱交換器（温度可変手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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