(57)【要約】【課題】  超臨界サイクルで膨張動力回収を行う冷凍空調装置において、従来は密閉容器内で圧力または温度の異なる圧縮機構部分と膨張機構部分の空間が隣接していたため、圧縮機側と膨張機側をシールする必要があり、シールに伴う摺動または漏れの損失が無い高効率な動力回収用膨張機を得る。【解決手段】  低段と高段の圧縮機及び高圧側、低圧側の減圧機構による二段圧縮・二段膨張サイクルで、高低圧の中間の圧力で満たされる密閉容器内に膨張動力回収する減圧機構と高段の圧縮機を収納し、密閉容器内の上方の空間から高段圧縮機が冷媒を吸入し、密閉容器内の下方から低段側減圧機構が吸入する気液分離サイクルとし、圧縮機側と膨張機構側の間のシールを不要とすることにより高効率な膨張動力回収サイクルが可能となる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機によって駆動される第一の圧縮機と、該第一の圧縮機と直列に配置されこの第一の圧縮機により圧縮された冷媒を圧縮する第二の圧縮機と、該第二の圧縮機により圧縮された高圧冷媒を冷却するガスクーラと、該ガスクーラによって冷却された冷媒を二段膨張させる高圧側の第一の減圧機構及び低圧側の第二の減圧機構と、該第二の減圧機構により減圧された冷媒を加熱する蒸発器とを備え、前記第二の圧縮機は冷凍サイクルの高圧と低圧の中間圧力の冷媒で満たされた密閉容器に収納されるとともに、第一の減圧機構と第二の減圧機構の少なくとも一方と連結駆動して膨張動力を回収する構成としたことを特徴とする冷凍空調装置。
【請求項２】
前記第一の減圧機構は、前記ガスクーラから冷媒を直接吸入して減圧膨張させた後前記密閉容器内に流出させ、前記第二の減圧機構は前記密閉容器下方から液冷媒を吸入して減圧膨張させた後前記蒸発器に直接流出させることを特徴とする請求項１記載の冷凍空調装置。
【請求項３】
前記第一の減圧機構および前記第二の減圧機構が前記密閉容器に収納されて前記第二の圧縮機と駆動軸を連結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。
【請求項４】
前記第一の減圧機構、前記第二の減圧機構、前記電動機および前記第一の圧縮機が前記密閉容器に収納されて前記第二の圧縮機と駆動軸を連結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。
【請求項５】
前記第二の減圧機構、前記電動機および前記第一の圧縮機が前記密閉容器に収納されて前記第二の圧縮機と駆動軸を連結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。
【請求項６】
前記第一の減圧機構、前記電動機および前記第一の圧縮機が前記密閉容器に収納されて前記第二の圧縮機と駆動軸を連結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。
【請求項７】
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６のいずれかに記載の冷凍空調装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
従来の冷凍空調装置は、ガス冷媒を圧縮する圧縮機構が低段側圧縮機と高段側圧縮機とを設け、高段側圧縮機の吐出口に、順次、ガス冷却器、高段側減圧機構、中間冷却器、低段側減圧機構、蒸発器が接続されている。そして、この低段側圧縮機の吐出口が中間冷却器に、また、高段側圧縮機の吸入口が中間冷却器にそれぞれ接続されて、高段側圧縮機から吐出した冷媒がガス冷却器で熱交換し、その後、低段側減圧機構で減圧膨張した冷媒が蒸発器で熱交換して冷凍サイクルを構成している。
【０００３】
この二段圧縮、二段膨張を有した冷凍サイクルにおいて、高段側減圧機構，低段側減圧機構のどちらか片方または両方に膨張機を用いることにより、吐出温度上昇の抑制と効率向上が図れるとされているが、膨張機の回収動力を圧縮動力の一部として用いる部分の具体的構成は示されていない。（例えば、特許文献１参照）
【０００４】
また、従来の冷凍空調装置には、二酸化炭素を冷媒として、冷媒を圧縮する圧縮機構部と冷媒を膨張させる膨張機構部とを備え、膨張機構部はスクロール式であり、駆動軸の一端部はその可動スクロールに連結され、駆動軸の他端部が圧縮機構部に連結されて密閉容器に収納された流体機械から、その圧縮機構部の吸込み側が蒸発器に、そして吐出側がガスクーラに連通する一方、膨張機構部の吸込み側がガスクーラに、そして吐出側が蒸発器に連通して冷凍サイクルを構成するものがある。この冷凍サイクルの流体機械では、膨張機構部による膨張過程から回収された動力が駆動軸に伝えられ、モータが圧縮機構部を駆動する動力の一部として利用される。
【０００５】
この例では流体機械の密閉容器内部は、外郭フレームの膨張機構部側の空間が膨張機の吐出すなわち低圧雰囲気で、モータ及び圧縮機構部のある側が圧縮機の吐出すなわち高圧雰囲気となっている。 このためフレームを貫通する駆動軸には、差圧による軸方向の力が作用するとともに、軸受の微小なすきまを介して高低圧をシールするようになっている。（例えば、特許文献２参照）
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−７４９９９号公報 （第６−７頁、第１−３図）
【特許文献２】特開２００１−１０７８８１号公報 （第３−４頁、第１−２図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように従来の冷凍空調装置では、冷凍サイクルの膨張過程から動力を回収し圧縮過程の動力の一部として利用するような膨張機において、膨張機で回収した動力を圧縮機側に伝えつつ、圧縮機側空間と膨張機側空間を隔離するためには、隔壁を駆動軸が貫通する部分で何らかのシールを設ける必要がある。 圧縮機側空間と膨張機側空間で差圧が有る場合、接触式のシール部材を用いても漏れを０化する事はできず、同時に摺動ロスを生じる。 また、ほぼ同じ圧力となるように構成して非接触式でシールした場合でも、熱的な漏洩などのロスを完全になくすことはできないという問題点があった。
【０００８】
この発明は、かかる点に鑑みて成されたもので、膨張機構部とその回収動力を利用する圧縮機構部との間をシールすることによる摺動等の損失を無くすとともに、圧縮機の吐出温度を抑制し、サイクルの効率を向上することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る冷凍空調装置は、電動機によって駆動される第一の圧縮機と、該第一の圧縮機と直列に配置されこの第一の圧縮機により圧縮された冷媒を圧縮する第二の圧縮機と、該第二の圧縮機により圧縮された高圧冷媒を冷却するガスクーラと、該ガスクーラによって冷却された冷媒を二段膨張させる高圧側の第一の減圧機構及び低圧側の第二の減圧機構と、該第二の減圧機構により減圧された冷媒を加熱する蒸発器とを備え、前記第二の圧縮機は冷凍サイクルの高圧と低圧の中間圧力の冷媒で満たされた密閉容器に収納されるとともに、第一の減圧機構と第二の減圧機構の少なくとも一方と連結駆動して膨張動力を回収する構成としたものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る冷凍空調装置によれば、電動機によって駆動される第一の圧縮機と、該第一の圧縮機と直列に配置されこの第一の圧縮機により圧縮された冷媒を圧縮する第二の圧縮機と、該第二の圧縮機により圧縮された高圧冷媒を冷却するガスクーラと、該ガスクーラによって冷却された冷媒を二段膨張させる高圧側の第一の減圧機構及び低圧側の第二の減圧機構と、該第二の減圧機構により減圧された冷媒を加熱する蒸発器とを備え、前記第二の圧縮機は冷凍サイクルの高圧と低圧の中間圧力の冷媒で満たされた密閉容器に収納されるとともに、第一の減圧機構と第二の減圧機構の少なくとも一方と連結駆動して膨張動力を回収する構成としたので、新たに中間圧の二相状態の冷媒を貯留する密閉容器を設けずに二段圧縮、二段膨張、気液分離によるサイクル効率向上効果が得られるのに加え、膨張機とその回収動力で駆動される圧縮機の間にシールを配する必要が無いので、漏れ，熱漏洩，摺動ロス等の損失が生じることが無くなり、高効率の冷凍空調装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
実施の形態１．
以下この発明の実施の形態１について、図１をもとに説明する。 図1は本発明に係る冷凍空調装置の冷媒回路構成図とモリエル線図である。 図１において、モータ５０により駆動される低段側の第一の圧縮機２で圧縮された冷媒ガスは、高段側の第二の圧縮機１，高圧側の第一膨張機７，低圧側の第二膨張機１１が一つの駆動軸で連結され一体に収めた密閉容器９内へ直接に配管接続されて流入し、この容器内は中間圧Ｐｍ雰囲気となる。なお、この冷凍空調装置は、二酸化炭素を冷媒として冷凍サイクルを構成している。
【００１２】
高段側の第二の圧縮機１にて中間圧から高圧へさらに圧縮された冷媒ガスは、この密閉容器９内には吐出しないで接続配管により直接にガスクーラ５へ流れ込み冷却され、その後、ガスクーラ５から直接配管接続された高圧側の第一膨張機７へ流入する。前記密閉容器９内には、別容器に収納された低段側の第一の圧縮機２で圧縮された後の冷媒ガスとともに、前記ガスクーラ５における冷却後に高段側の第一膨張機７で中間圧Ｐｍまで減圧膨張した冷媒が混合されて満たされ、この冷媒回路での運転状態により発生する余剰冷媒量に応じて、密閉容器９の下方部分に冷媒の液面が形成される。高段側の第二の圧縮機１は密閉容器９内上方のガス冷媒を吸込み圧縮し、一方、低段側の第二膨張機１１は密閉容器９内下方から液化した冷媒を吸込み、低圧Ｐｌまで減圧膨張する。そして、第一膨張機７および第二膨張機１１と同じ駆動軸で連結された高段側の第二の圧縮機１は、第一および第二膨張機により回収された動力で駆動されることになる。
【００１３】
さらに、この実施の形態１の他の冷媒回路構成について、図２を用いて説明する。図２は他の冷凍空調装置の冷媒回路構成図であり、モータ５０とそれに連結した低段側の第一の圧縮機２も密閉容器９内に収容され、高段側の第二の圧縮機１および高圧側の第一膨張機７、低圧側の第二膨張機１１とともにモータ５０の駆動軸を同じくして一体に構成している点が上述図１とは異なるが、二段圧縮、二段膨張サイクルを構成する点に関しては同様である。 前記第一膨張機７および第二膨張機１１で回収された動力は、第一の圧縮機２，第二の圧縮機１を連結して駆動するモータ５０の負荷を軽減するように用いられる。
【００１４】
次に、図２に示す冷媒回路構成における動作について説明する。第一圧縮機２、第二圧縮機１、第一膨張機７、第二膨張機１１及びモータ５０が同一軸に一体に連結されて収納された密閉容器９の内部は中間圧Ｐｍ雰囲気の冷媒で満たされており、まず高段側の第二圧縮機１は容器内の中間圧の冷媒ガスを吸入して圧縮した後、直接配管接続されたガスクーラ５へ高圧ガス冷媒を吐出する。そして、ガスクーラ５で冷却された冷媒ガスは密閉容器９内の高段側の第一膨張機７へ直接流入して減圧膨張されて中間圧となり密閉容器内に流れ出る。密閉容器内にて気液分離して容器の下方に貯留した冷媒は低段側の第二膨張機１１により減圧膨張して低圧となり、直接配管接続された蒸発器１３へ流入し、ここで熱交換して加熱気化した冷媒が低段側の第一の圧縮機２へ直接流れ込む。そしてモータ５０を介して第一、第二膨張機と同軸に設けられた高段側の第一圧縮機２で中間圧まで圧縮されて密閉容器９内に放出され、再び第一圧縮機１へ吸入されて循環する。
【００１５】
上述のように構成された冷凍空調装置のモリエル線図は、いずれも図３のようになる。図３において、横軸にエンタルピｉ、縦軸に圧力Ｐをとり、図１および図２の冷媒回路における状態を示す。第一の圧縮機２で低圧Ｐｌのａ点から中間圧Ｐｍのｂ点まで圧縮された冷媒と、高圧Ｐｈのｅ点から第一膨張機７で中間圧Ｐｍのｆ点まで減圧された冷媒が密閉容器9内で合流し、ｇ点の液とｃ点のガスとになる。密閉容器９内上方から第二の圧縮機１に吸入されたｃ点のガスは、高圧Ｐｈのｄ点まで高圧に圧縮された後、ガスクーラ５で冷却され、ｅ点に至る。第二膨張機１１は密閉容器９内下方から主にｇ点の液を吸入、減圧し低圧Ｐｌのｈ点の状態とし、蒸発器１３で加熱された冷媒はａ点に至る。
【００１６】
このとき、第一膨張機７で高圧から中間圧まで等エンタルピ膨張したときとの差ｉｆ´−ｉｆ分と、第二膨張機１１で中間圧から低圧まで等エンタルピ膨張との差ｉｈ´−ｉｈ分が動力として回収され、第一及び第二膨張機と同じ駆動軸に設けられた圧縮機の圧縮過程に要する仕事の一部として用いられ、モータの入力が低減できるので、膨張機を用いた動力回収による効率向上となる。
【００１７】
また、高圧のｅ点から膨張弁などの絞り機構で等エンタルピ膨張した場合に蒸発器１３で得られるエンタルピ差がｉａ−ｉｋ´であるのに対して、この実施の形態で示した膨張機を用いて二段で膨張させることによりｉａ−ｉｈとなるので、その差のｉｋ´−ｉｈ分、冷房などの冷凍能力に相当するエンタルピ差が拡大する。暖房などに用いる場合の加熱能力に相当するガスクーラ５側のエンタルピ差は、二段圧縮することにより、一段圧縮の場合のｉｊ−ｉｅ（ここで、ｊ点はａ点からｂ点を延長して高圧まで圧縮された点）からｉｄ−ｉｅとなりｉｊ−ｉｄ分だけ縮小することになる。この時、ｇ〜ｈ〜ａ〜ｂ点を通る循環量Ｇｒに対するｃ〜ｄ〜ｅ〜ｆ点の循環量（Ｇｒ＋ｄＧ）の比（Ｇｒ＋ｄＧ）／Ｇｒは、（ｉｂ−ｉｇ）／（ｉｆ−ｉｃ）となって二段圧縮しない時に比べてガスクーラ５側の循環量が増大するので、エンタルピ差の減少分と合わせても暖房能力は増大する。冷房および暖房いずれの場合も、能力側の増加分と、第二の圧縮機１でのＰｍ〜Ｐｈの圧縮時のエンタルピ差変化（ｉｄ−ｉｃ）−（ｉｊ−ｉｂ）と循環量増大を合わせた入力側の増加分とのトータルでサイクルの効率は向上する。
【００１８】
以上のように、圧縮過程と膨張過程を二段階で行い、動力回収を行う膨張機部分と高段側の圧縮機部分を中間圧雰囲気の密閉容器内に納めたので、新たに中間圧の二相状態の冷媒を貯留する密閉容器を設けずに二段圧縮・二段膨張・気液分離によるサイクル効率向上の効果が得られる。さらに、膨張機とその回収動力で駆動される圧縮機の間にシールを配する必要が無いので、冷媒漏れ、熱漏洩、摺動ロス等の損失が生じることが無くなり、高効率の冷凍空調装置を得ることができる。
【００１９】
実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２について、図４から図７を用いて説明する。図４は実施の形態２に係る冷凍空調装置の冷媒回路構成図、図５はそのモリエル線図である。図４において、モータ５０により駆動される低段側の第一の圧縮機２、高段側の第二の圧縮機１および低圧側の第二減圧手段である膨張機１１が一つの駆動軸に一体に連結されて密閉容器９内に収められている。密閉容器９内には、この容器の外部に設けられた高圧側の第一減圧手段である絞り装置１５で減圧されて流入した冷媒により、中間圧Ｐｍで満たされている。低段側の第一の圧縮機２は蒸発器１３側から直接吸入された冷媒を圧縮後、この密閉容器９内に吐出する。そして、高段側の第二の圧縮機１は容器内上方のガス冷媒を吸込み圧縮して、容器内に放出することなく直接ガスクーラ５へ流出するようになっている。ガスクーラ５から流入して第一減圧手段である絞り装置１５で減圧した冷媒と第一の圧縮機２で圧縮後の冷媒ガスとが密閉容器９内で混合するので、この容器内は二相状態となり気液分離して余剰冷媒量に応じた液面が形成される。
【００２０】
密閉容器９内のモータ５０と同軸に取付けられた低圧側の第二減圧手段の膨張機１１は密閉容器９内下方から気液分離した液冷媒を吸入し、減圧膨張させて膨張動力の回収を行なう。回収された動力はモータ５０が第一の圧縮機２および第二の圧縮機１を駆動する動力の一部として用いられる。第二減圧手段の膨張機１１により減圧膨張して低圧となった冷媒は直接配管接続された蒸発器１３に流入し、熱交換して加熱気化した冷媒が密閉容器９内の低段側の第一の圧縮機２に直接吸入される。この第一の圧縮機２により中間圧まで圧縮された冷媒は密閉容器９内に放出され、高段側の第二の圧縮機１に吸入されてこの冷媒回路を循環する。
【００２１】
図４に示す冷凍空調装置のモリエル線図は図５のようになり、低段側の第一の圧縮機２で図５中のａ〜ｂ点、高段側の第二の圧縮機１で図５中のｃ〜ｄ点の圧縮を行ない、高圧側の第一減圧手段１５では図５中のｅ〜ｆ点の等エンタルピ膨張、低圧側の第二減圧手段の膨張機１１で図５中のｇ〜ｈ点の等エントロピ膨張することにより、第二減圧手段の膨張機１１の代わりに通常の減圧装置として用いた場合のエンタルピｉｈ´と比較すると、（ｉｈ´−ｉｈ）分の動力が回収される。
【００２２】
冷房側の能力はエンタルピ差ｉｈ´−ｉｈ分、暖房側の能力はｉｊ−ｉｄ分（ここで、ｊ点はａ点からｂ点を延長して高圧まで圧縮された点）のエンタルピ差縮小と循環量比（Ｇｒ＋ｄＧ）／Ｇｒ＝（ｉｂ−ｉｇ）／（ｉｈ’−ｉｃ）分の循環量増大とを合わせた分、それぞれ増大し、第二の圧縮機１でのエンタルピ差変化（ｉｄ−ｉｃ）−（ｉｊ−ｉｂ）と循環量増大を合わせた入力増大分を上回り、トータルでサイクル効率が向上する。
【００２３】
更に本発明の実施の形態２に係る別の冷凍空調装置の回路構成図を図６に、そしてそのモリエル線図を図７に示す。 モータ５０とその駆動軸を同じ軸として一体に連結された低段側の第一の圧縮機２と高段側の第二の圧縮機１が密閉容器９内に収められているのは上記図４の例と同様であるが、高圧側の第一減圧手段が膨張機７で密閉容器９内のモータ５０と同軸に配置され、低圧側の第二減圧手段が密閉容器９の外部に配管接続された絞り機構１６となっている点が異なる。このため、第一減圧手段での回収動力が圧縮動力の一部として用いられるが、第二の圧縮機１が容器内上方からガス冷媒を吸込む点、および第二減圧手段の絞り装置１６が容器内下方から液冷媒を吸入する点は同じであり、蒸発器１３側，ガスクーラ５側それぞれの能力が増大し、循環量増大による入力増大を上回ってサイクル効率が向上する点も同様である。
【００２４】
上述のように低段側の第一の圧縮機２とこれを駆動するモータ５０を、膨張機と高段側の圧縮機部分を収めたのと同じ密閉容器内に配設して収納したので、冷媒回路中の密閉容器を一つで構成することができ、高効率であるとともに低コストの冷凍空調装置を得ることができる。
【００２５】
また、冷媒として地球温暖化係数が１の二酸化炭素を用いたので、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】
【００２６】
【図１】本発明の実施の形態１に係る冷凍空調装置の冷媒回路構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る他の冷凍空調装置の冷媒回路構成図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る冷凍空調装置のモリエル線図である。
【図４】本発明の実施の形態２に係る冷凍空調装置の冷媒回路構成図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係る冷凍空調装置のモリエル線図である。
【図６】本発明の実施の形態２に係る他の冷凍空調装置の冷媒回路構成図である。
【図７】本発明の実施の形態２に係る他の冷凍空調装置のモリエル線図である。
【符号の説明】
【００２７】
１  第二の圧縮機、  ２  第一の圧縮機、  ５  ガスクーラ、  ７  第一膨張機、  ９  密閉容器、  １１  第二膨張機、  １３  蒸発器、  １５  絞り装置、  １６  絞り装置、  ５０  モータ。
【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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【図６】
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【図７】
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