(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
低段側圧縮機(11)と高段側圧縮機(21)とからなる２段圧縮機構(11,21) と、２段圧縮運転と単段圧縮運転とを切り換える切換機構(22)とを備え、冷凍サイクルを行うように構成された冷凍装置であって、
切換機構(22)は、低段側圧縮機(11)と高段側圧縮機(21)と所定の熱交換器(31)とに接続されて、低段側圧縮機(11)と高段側圧縮機(21)と所定の熱交換器(31)とが順に連通する第１連通状態と、低段側圧縮機(11)と所定の熱交換器(31)とが連通する第２連通状態とに設定可能な四路切換弁により構成され、
四路切換弁(22)は、第１連通状態において低段側圧縮機(11)の吐出側と高段側圧縮機(21)の吸入側とが連通し、高段側圧縮機(21)の吐出側と所定の熱交換器(31)とが連通する一方、第２連通状態において低段側圧縮機(11)の吐出側または吸入側と所定の熱交換器(31)とが連通し、高段側圧縮機(21)の吸入側と吐出側とが連通するように構成され、
低段側圧縮機(11)に接続されたガスライン(40G) に高段側圧縮機(21)から四路切換弁(22)をバイパスして接続された過圧開放通路(44)を備え、該過圧開放通路(44)には、高段側圧縮機(21)から上記ガスライン(40G) への冷媒の流通のみを許容する逆止弁(45)が設けられている冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２段圧縮機構を備えた冷凍装置に関し、特に、単段圧縮運転と２段圧縮運転の切換構造を簡素化する技術に係るものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、例えば特開平４−８０５４５号公報に示されているように、蒸発圧力が低くて高圧縮比の運転が要求される冷凍装置では、２段圧縮式冷凍サイクルが採用されている。２段圧縮式冷凍サイクルの圧縮機構は、低段側圧縮機と高段側圧縮機とから構成され、一方の圧縮機のみを使用する単段圧縮運転と、両方の圧縮機を直列に使用する２段圧縮運転とを切り換えることができるように構成されている。
【０００３】
そして、単段圧縮運転と２段圧縮運転とを切り換えるための切換機構としては、その冷媒回路の回路構成に応じて、各圧縮機の吐出側や吸入側に電磁弁を複数個（例えば合計で２〜３個程度）設けて、これらを適宜開閉することによって圧縮段数の切り換えを行うようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような従来の構成では、単段圧縮運転と２段圧縮運転とを切り換えるために複数の電磁弁が必要であることから、コストが高くなり、回路構成も複雑になる問題があった。また、運転中にこれらの電磁弁が全て閉じているような状態が発生するのを避けるために、圧縮段数の切り換え時に各電磁弁を同時に開閉する必要があり、開閉制御の信頼性を確保する必要もあった。
【０００５】
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、その目的とするところは、単段圧縮運転と２段圧縮運転とを切り換える切換機構を簡素化して、低コスト化と回路の簡素化を可能にし、同時に切換制御も容易に行えるようにすることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、単段圧縮運転と２段圧縮運転の切り換えを複数の電磁弁の代わりに一つの四路切換弁で行うようにしたものである。
【０００７】
具体的に、本発明が講じた解決手段は、低段側圧縮機(11)と高段側圧縮機(21)とからなる２段圧縮機構(11,21) と、２段圧縮運転と単段圧縮運転とを切り換える切換機構(22)とを備えて冷凍サイクルを行う冷凍装置を前提としている。そして、切換機構(22)が、低段側圧縮機(11)と高段側圧縮機(21)と所定の熱交換器(31)とに接続されて、低段側圧縮機(11)と高段側圧縮機(21)と所定の熱交換器(31)とが順に連通する第１連通状態と、低段側圧縮機(11)と所定の熱交換器(31)とが連通する第２連通状態とに設定可能な四路切換弁により構成されている。
【０００８】
上記構成において、四路切換弁(22)は、第１連通状態において低段側圧縮機(11)の吐出側と高段側圧縮機(21)の吸入側とが連通し、高段側圧縮機(21)の吐出側と所定の熱交換器(31)とが連通する一方、第２連通状態において低段側圧縮機(11)の吐出側または吸入側と所定の熱交換器(31)とが連通し、高段側圧縮機(21)の吸入側と吐出側とが連通するように構成されている。
【０００９】
また、上記構成においては、低段側圧縮機(11)に接続されたガスライン(40G) に高段側圧縮機(21)から四路切換弁(22)をバイパスして接続された過圧開放通路(44)を設け、この過圧開放通路(44)に、高段側圧縮機(21)から上記ガスライン(40G) への冷媒の流通のみを許容する逆止弁(45)が設けられている。
【００１０】
−作用−
上記解決手段では、切換機構である四路切換弁(22)が第１連通状態の時には、低段側圧縮機(11)の吐出ガスが該四路切換弁(22)を介して高段側圧縮機(21)に吸入され、２段圧縮されて所定の熱交換器(31)へ供給される。この場合、所定の熱交換器(31)は、例えば空気調和装置において暖房運転時に凝縮器となる室内熱交換器などである。そして、冷媒はこの熱交換器で凝縮した後、冷凍サイクルの残りの行程、つまり膨張機構による膨張行程と、蒸発器（この場合には室外熱交換器）による蒸発行程とを行って、低段側圧縮機(11)に吸入される。
【００１１】
一方、第２連通状態の時には、低段側圧縮機(11)と所定の熱交換器(31)とが連通し、高段側圧縮機(21)は吸入側と吐出側とが連通する状態となる。このとき、高段側圧縮機(21)は停止し、低段側圧縮機(11)の吐出側または吸入側が所定の熱交換器(31)と連通する単段圧縮運転の状態となる。したがって、所定の熱交換器(31)を上記空気調和装置の室内熱交換器とした場合には、該室内熱交換器を凝縮器とし、上記室外熱交換器を蒸発器とする暖房運転と、逆に室外熱交換器を凝縮器とし、室内熱交換器を蒸発器とする冷房運転を行うことができる。
【００１２】
また、単段圧縮運転時には高段側圧縮機(21)が使用されず、該高段側圧縮機(21)の吐出側と吸入側とが連通した状態となるが、過圧開放通路(44)を設けておくことにより、高段側圧縮機(21)内に溜まった液冷媒が周囲温度の上昇などで蒸発したときには、該冷媒を高段側圧縮機(21)からガスライン(40G) に逃がすことができる。また、高段側圧縮機(21)内に液冷媒が溜まっているときには、クランクケースヒータなどで必要に応じて加熱することによって冷媒を回路内に送り出すこともできる。
【００１３】
【発明の効果】
このように、上記解決手段によれば、複数の電磁弁の代わりに四路切換弁(22)を一つ用いて単段圧縮運転と２段圧縮運転とを切り換えるようにしている。したがって、低コスト化と回路の簡素化が可能となる。また、四路切換弁(22)を一つ用いているだけであるため、該四路切換弁(22)につながった全ての通路が同時に閉鎖されることはない。つまり、難しい制御を行わなくても運転の切り換えを高い信頼性で行うことができる。
【００１４】
また、過圧開放通路(44)を設けると、高段側圧縮機(21)内に溜まった冷媒を回路内に逃がすことができるので、液冷媒が加熱されて高段側圧縮機(21)内が高圧になるのを防止でき、クランクケースヒータなどで必要に応じて時々加熱すれば回路内における冷媒の循環量が少なくなってしまうことも防止できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
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。
【００１６】
本発明の実施形態は、暖房運転時に単段圧縮と２段圧縮とを切り替えることができ、冷房運転時には単段圧縮が行われる空気調和装置(1) において、単段圧縮運転と２段圧縮運転とを切り換える切換機構として四路切換弁を用いたものである。
【００１７】
この空気調和装置(1) の具体的な回路構成は以下のとおりである。
【００１８】
すなわち、図１に示すように、この空気調和装置は、室外ユニット(10)と、中間ユニット(20)と、並列に接続された複数の室内ユニット(30)とから構成されている。中間ユニット(20)は、単段圧縮方式の既設の空気調和装置(1) において２段圧縮運転を可能にするもので、室外ユニット(10)と室内ユニット(30)を有する既設の空気調和装置に増設することができるように構成されている。
【００１９】
室外ユニット(10)は、容量可変の低段側圧縮機(11)と、冷房運転と暖房運転とを切り換える第１四路切換弁(12)と、室外熱交換器(13)と、室外膨張弁(14)とを備えている。中間ユニット(20)は、高段側圧縮機(21)と、暖房運転時に２段圧縮運転と単段圧縮運転とを切り換える切換機構としての第２四路切換弁(22)と、中間膨張弁(23)と、気液分離器(24)とを備えている。また、各室内ユニット(30)は、室内熱交換器(31)と室内膨張弁(32)とを備えている。そして、これらの機器が、冷媒配管(40)によって順に接続されて蒸気圧縮式冷凍サイクルを行うように構成され、また、低段側圧縮機(11)と高段側圧縮機(12)とから２段圧縮機構(11,21) が構成されている。なお、冷媒配管(40)は、各ユニット(10,20,30)間において、配管継手(41)によって接続されている。
【００２０】
具体的に、低段側圧縮機(11)及び高段側圧縮機(21)は、吸入側と吐出側が、それぞれ、第１四路切換弁(12)及び第２四路切換弁(22)の２つのポートに接続されている。第１四路切換弁(12)と第２四路切換弁(22)は１つのポート同士が接続され、第１四路切換弁(12)の他の一つのポートが室外熱交換器(13)に、第２四路切換弁(22)の他の一つのポートが室内熱交換器(31)に接続されている。そして、各四路切換弁(12,22) を図１に実線で示す状態に切り換えることにより、低段側圧縮機(11)の吐出ガス冷媒が両四路切換弁(12,22) を介して高段側圧縮機(21)に吸入されるようになっている。以上により、室外熱交換器(13)と室内熱交換器(31)との間にガスライン(40G) が構成されている。
【００２１】
このように、２段圧縮と単段圧縮とを切り換える切換機構である第２四路切換弁(22)は、低段側圧縮機(11)と高段側圧縮機(21)と室内熱交換器(31)とに接続されている。そして、該第２四路切換弁(22)は、低段側圧縮機(11)と高段側圧縮機(21)と室内熱交換器(31)とが順に連通する第１連通状態と、低段側圧縮機(11)と室内熱交換器(31)とが連通する第２連通状態とに設定可能に構成されている。
【００２２】
より具体的には、第２四路切換弁(22)を第１連通状態に設定すると、低段側圧縮機(11)の吐出側と高段側圧縮機(21)の吸入側とが連通し、高段側圧縮機(21)の吐出側と室内熱交換器(31)とが連通する。また、該第２四路切換弁(22)を第２連通状態に設定すると、低段側圧縮機(11)の吐出側または吸入側と室内熱交換器(31)とが連通し、高段側圧縮機(21)の吸入側と吐出側とが連通する。
【００２３】
一方、室内熱交換器(31)と室外熱交換器(13)との間の液ライン(40L) には、室内熱交換器(31)側から順に、室内膨張弁(32)、中間膨張弁(23)、気液分離器(24)、及び室外膨張弁(14)が設けられている。また、気液分離器(24)のガス出口は、高段側圧縮機(21)への吸入配管に両四路切換弁(12,22) の間で接続され、インジェクション通路(42)を構成している。このインジェクション通路(42)には、電磁弁などの開閉弁(43)が設けられている。
【００２４】
さらに、両四路切換弁(12,22) の間のガスライン(40G) と、第２四路切換弁(22)と高段側圧縮機(21)の間の吸入配管とには、四路切換弁(22)をバイパスする過圧開放通路(44)が接続されている。この過圧開放通路(44)には、逆止弁からなる過圧開放弁(45)が設けられていて、高段側圧縮機(21)から上記ガスライン(40G) への冷媒の流通のみを許容するようになっている。そして、単段圧縮時に高段側圧縮機(21)が停止しているときに、高段側圧縮機(21)が冷えて液冷媒が溜まるのを防止するために、該高段側圧縮機(21)をクランクケースヒータなどの加熱手段(25)で加熱してガス冷媒を過圧開放通路(44)から抜くようにしている。
【００２５】
なお、上記第２四路切換弁(22)には、例えばロータリー式の四路切換弁を用いることができる。また、ロータリー式の四路切換弁は、電磁駆動方式やモータ駆動方式などを採用して、流路の切り換えを行うように構成することができる。
【００２６】
−運転動作−
次に、この空気調和装置(1) の運転動作について説明する。
【００２７】
まず、２段圧縮により暖房運転を行うときの動作について、冷媒の流れ方向を示した図２を参照して説明する。このとき、各四路切換弁(12,22) は図２に実線で示した状態にセットされる。また、室内膨張弁(32)は全開に設定され、中間膨張弁(23)は高圧の冷媒を所定の中間圧に減圧するように開度が設定され、室外膨張弁(13)は中間圧の冷媒を所定の低圧に減圧するように開度が設定される。以上の設定はガスインジェクションを行う設定であり、このとき、インジェクション通路(42)の開閉弁(43)は開かれている。
【００２８】
そして、低段側圧縮機(11)で低圧の冷媒が１段圧縮されて吐出され、その吐出ガスが高段側圧縮機(21)で２段圧縮される。高段側圧縮機(21)の吐出ガス冷媒は、第２四路切換弁(22)を介して室内熱交換器(31)に流入し、室内空気と熱交換して該室内空気を加熱する。加熱された室内空気は図示しない室内ファンにより室内へ吹き出され、室内に温風が供給される。
【００２９】
室内熱交換器(31)での熱交換により凝縮した冷媒は、室内膨張弁(32)を通過した後、中間膨張弁(23)で一部が膨張して二相冷媒となって気液分離器(24)に流入する。そして、気液分離器(24)で液冷媒とガス冷媒とが分離され、液冷媒は気液分離器(24)を流出して室外膨張弁(14)で減圧され、室外熱交換器(13)に流入する。そして、室外熱交換器(13)では、冷媒が室外空気と熱交換して加熱され、ガス冷媒に相変化して第１四路切換弁(12)を通過し、低段側圧縮機(11)に吸入される。
【００３０】
一方、気液分離器(24)内のガス冷媒は、ガス出口から流出し、インジェクション通路(42)を経て低段側圧縮機(11)の吐出ガス冷媒と合流して、高段側圧縮機(21)に吸入される。したがって、室内熱交換器(31)を流れる冷媒の量が増加するため、暖房能力を高めることができる。なお、ガスインジェクションを行わない場合は、中間膨張弁(23)を全開にセットし、インジェクション通路(42)の開閉弁(43)は「閉」にセットする。
【００３１】
次に、単段圧縮の暖房運転について、冷媒の流れ方向を示した図３を参照して説明する。このとき、低段側圧縮機(11)を運転して高段側圧縮機(21)を停止させ、両四路切換弁(12,22) を図３に実線で示した状態にセットする。このとき、第１四路切換弁(12)は図２と同じ状態であるが、第２四路切換弁(22)は図２では第１連通状態であるのに対して第２連通状態に切り換えられている。そして、室内膨張弁(32)と中間膨張弁(23)を全開として、インジェクション通路(42)の電磁弁(43)は閉鎖する。
【００３２】
このようにすると、低段側圧縮機(11)の吐出ガスが、第１四路切換弁(12)と第２四路切換弁(22)とを介して室内熱交換器(31)に流入し、室内熱交換器(31)において室内空気を加熱する。そして、その際に凝縮した冷媒が、室内膨張弁(32)、中間膨張弁(23)及び気液分離器(24)を通過し、室外膨張弁(14)で所定の低圧に減圧して室外熱交換器(13)に流入する。この室外熱交換器(13)では冷媒が加熱され、ガス相に変化して低段側圧縮機(11)に吸入される。単段圧縮の暖房運転は以上のサイクルを繰り返すことによって行われる。
【００３３】
２段圧縮または単段圧縮での暖房運転を行って室外熱交換器(13)に着霜すると、図４に冷媒の流れを示すデフロスト運転が行われる。デフロスト運転時、低段側圧縮機(11)の容量が高段側圧縮機(21)の容量よりも大きい状態で両圧縮機(11,21) が運転され、第１四路切換弁(12)は図１の破線の状態に、第２四路切換弁(22)は実線の状態にセットされる。また、室内膨張弁(32)は全開に設定され、中間膨張弁(23)と室外膨張弁(14)は高圧の液冷媒を所定の低圧に減圧するように開度が制御され、インジェクション通路(42)の電磁弁(43)は「開」に設定される。
【００３４】
以上の設定で、図４に示しているように、低段側圧縮機(11)の吐出ガスは、第１四路切換弁(12)を介して室外熱交換器(13)に流入し、該室外熱交換器(13)を加熱して除霜する。その際、図示しない室外ファンは停止しており、冷媒は幾分冷却して室外熱交換器(13)から流出し、室外膨張弁(14)で減圧してほぼガス相状態で気液分離器(24)に流入する。
【００３５】
一方、高段側圧縮機(21)の吐出ガスは、第２四路切換弁(22)を介して室内熱交換器(31)に流入する。このとき、図示しない室内ファンは回っており、冷媒と室内空気との熱交換が行われる。このため、室内への温風の吹き出しが継続され、冷媒は凝縮して室内熱交換器(31)から流出する。冷媒は、その後中間膨張弁(23)で減圧して気液二相状態となり、気液分離器(24)に流入して低段側の冷媒と混合する。
【００３６】
この冷媒は、気液分離器(24)内で低段側の冷媒の余熱により加熱される。そして、気液分離器(24)からガス冷媒が流出して低段側と高段側へ分流し、各圧縮機(11,21) に吸入される。各圧縮機(11,21) に吸入された冷媒は再度圧縮されて吐出され、室外側と室内側で以上のサイクルが繰り返して行われる。このように、本実施形態では、室外熱交換器(13)を除霜しながら暖房運転を継続することができる。
【００３７】
次に、冷房運転は、低段側圧縮機(11)のみを運転し、両四路切換弁(12,22) を図１の破線の状態に切り換えて行う。このとき、室外膨張弁(14)と中間膨張弁(23)は全開に設定され、室内膨張弁(32)は高圧の冷媒を所定の低圧に減圧するように開度が制御される。また、インジェクション通路(42)の電磁弁(43)は閉鎖される。以上の設定により、冷媒の流れ方向を図５に示しているように、冷媒が低段側圧縮機(11)、第１四路切換弁(12)、室外熱交換器(13)、室外膨張弁(14)、気液分離器(24)、中間膨張弁(23)、室内膨張弁(32)、室内熱交換器(31)、第２四路切換弁(22)の順に流通して、室内熱交換器(31)での熱交換の際に室内へ冷風が吹き出される。
【００３８】
なお、単段圧縮による暖房運転時や冷房運転時など、高段側圧縮機(21)が停止しているときには、高段側圧縮機(21)をクランクケースヒータなどの加熱手段(25)で加熱してガス冷媒を過圧開放通路(44)からガスライン(40G) へ抜くことにより、高段側圧縮機(21)内に液冷媒が溜まるのが防止される。また、高段側圧縮機(21)に溜まった液冷媒が周囲の温度上昇によって蒸発した場合にも冷媒をガスライン(40G) に逃がすことができるので、高段側圧縮機(21)の圧力が異常に上昇することを防止できる。
【００３９】
−実施形態の効果−
以上説明したように、本実施形態では単段圧縮運転と２段圧縮運転とを切り換える機構として、複数の電磁弁の代わりに一つの第２四路切換弁(22)を切換機構として用いているので、複数の電磁弁を用いる場合と比較して低コスト化と回路の簡素化が可能となる。また、切換機構である第２四路切換弁(22)に電磁駆動方式を採用した場合でも、複数の電磁弁を用いる場合より個数を少なくできるので、同じ電磁方式であっても低コスト化を図ることが可能である。
【００４０】
また、上記実施形態では切換機構として四路切換弁(22)を用いているため、該四路切換弁(22)につながった全ての通路が同時に閉鎖されることがなくなる。このため、難しい制御を行わなくても単段圧縮運転と２段圧縮運転の切り換えを高い信頼性で行うことができる。
【００４１】
さらに、過圧開放通路(44)を設けて、高段側圧縮機(21)内に溜まった冷媒をガスライン(40G) に逃がすことができるようにしているので、周囲温度の上昇によって高段側圧縮機(21)内が異常に高圧になるのを防止できるとともに、高段側圧縮機(21)の冷媒をクランクケースヒータ(25)などで必要に応じて時々加熱すれば冷媒を回路内に送り出せるので、回路内の冷媒循環量が少なくなってしまうことも防止できる。
【００４２】
【発明のその他の実施の形態】
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。
【００４３】
例えば、上記実施形態では冷暖房が可能な空気調和装置(1) において暖房時に単段圧縮運転と２段圧縮運転とを切り換えられるように構成しているが、本発明は、暖房運転のみが可能な空気調和装置や、空気調和装置以外の冷凍装置などでも適用可能である。また、上記実施形態の回路構成は単なる一例にすぎず、例えば中間ユニット(20)を用いず、室外ユニット(10)内に２段圧縮機構(11,21) を備えた構成としてもよい。このように、本発明は要するに単段圧縮運転と２段圧縮運転とを四路切換弁を用いて切り換えられるようになっていれば、具体的な構成は任意に定めればよい。
【００４４】
さらに、第２四路切換弁(22)としては、電磁駆動方式やモータ駆動方式のロータリー式四路切換弁を例示したが、駆動方式や切換構造などはこれらに限定されるものではなく、任意の方式や構造を適宜選択すればよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態に係る空気調和装置の冷媒回路図である。
【図２】  図１の空気調和装置において２段圧縮により暖房運転を行うときの動作を示す運転状態図である。
【図３】  図１の空気調和装置において単段圧縮により暖房運転を行うときの動作を示す運転状態図である。
【図４】  図１の空気調和装置においてデフロスト運転を行うときの動作を示す運転状態図である。
【図５】  図１の空気調和装置において冷房運転を行うときの動作を示す運転状態図である。
【符号の説明】
(1)   空気調和装置（冷凍装置）
(10)  室外ユニット
(11)  低段側圧縮機
(12)  第１四路切換弁
(13)  室外熱交換器
(14)  室外膨張弁
(20)  中間ユニット
(21)  高段側圧縮機
(22)  第２四路切換弁（切換機構）
(23)  中間膨張弁
(24)  気液分離器
(25)  加熱手段
(30)  室内ユニット
(31)  室内熱交換器
(32)  室内膨張弁
(40)  冷媒配管
(40G) ガスライン
(40L) 液ライン
(41)  配管継手
(42)  インジェクション通路
(43)  開閉弁
(44)  過圧開放通路
(45)  過圧開放弁
【図１】
0004449139.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
0004449139.tif 000005
【図５】
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