(57)【要約】【課題】２段昇圧式の冷凍サイクルにおいて、暖房運転する場合に液圧縮を起こすことなく、高段圧縮機吐出温度を低減させること。【解決手段】低段圧縮機１と、高段圧縮機２と、高段圧縮機２から吐出した高圧冷媒を熱交換させて放熱する凝縮器３と、高圧冷媒を減圧膨張して低圧冷媒とする絞り機構６と、低圧冷媒を熱交換させて吸熱し、吸熱した冷媒を前記低段圧縮機１に吸入させる蒸発器７と、を有する冷凍サイクルであって、前記低段圧縮機１から吐出した中間圧冷媒を熱交換させて放熱する熱交換器３ａを備え、前記熱交換器３ａにより放熱した中間圧冷媒を前記高段圧縮機２に吸入させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
低圧冷媒を圧縮して中間圧冷媒として吐出する低段圧縮機（１）と、
前記低段圧縮機（１）から吐出した中間圧冷媒を圧縮して高圧冷媒として吐出する高段圧縮機（２）と、
前記高段圧縮機（２）から吐出した高圧冷媒を熱交換させて放熱する凝縮器（３）と、
前記凝縮器（３）から流出する前記高圧冷媒を減圧膨張して低圧冷媒とする絞り機構（６）と、
前記絞り機構（６）から流出する低圧冷媒を熱交換させて吸熱し、吸熱した冷媒を前記低段圧縮機（１）に吸入させる蒸発器（７）と、を有する冷凍サイクルであって、
前記低段圧縮機（１）から吐出した中間圧冷媒を熱交換させて放熱する熱交換器（３ａ、７ａ、４）を備え、前記熱交換器（３ａ、７ａ、４）により放熱した中間圧冷媒を前記高段圧縮機（２）に吸入させる冷凍サイクル。
【請求項２】
前記凝縮器（３）から流出した高圧冷媒と、前記凝縮器（３）から流出した高圧冷媒の一部を分岐し減圧膨張させて中間圧冷媒とした分岐冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器（５）を備え、前記内部熱交換器（５）から流出する高圧冷媒は前記絞り機構（６）に流入し、前記内部熱交換器（５）から流出する前記分岐冷媒は高段圧縮機（２）に吸入される、請求項１に記載の冷凍サイクル。
【請求項３】
前記熱交換器は、前記凝縮器（３）とともに室内に配置され、前記低段圧縮機（１）から吐出した中間圧冷媒を室内側空気と熱交換する、請求項１または請求項２に記載の冷凍サイクル。
【請求項４】
前記熱交換器は、前記蒸発器（７）とともに室外に配置され、前記低段圧縮機（１）から吐出した中間圧冷媒を室外側空気と熱交換する、請求項１または請求項２に記載の冷凍サイクル。
【請求項５】
前記熱交換器（７ａ）は、前記蒸発器（７）の風上側に配置される、請求項４に記載の冷凍サイクル。
【請求項６】
前記熱交換器は、前記内部熱交換器（４）であって、前記低段圧縮機（１）から吐出した中間圧冷媒は、前記分岐冷媒と混合して前記内部熱交換器（４）に流入する、請求項２に記載の冷凍サイクル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍サイクル、特に、低段圧縮機と高段圧縮機とを有する冷凍サイクルに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、低圧冷媒を中間圧に圧縮する低段圧縮機と低段圧縮機から吐出した中間圧冷媒をさらに高圧に圧縮する高段圧縮機とからなる２段昇圧式冷凍サイクルが知られている。この２段昇圧式の冷凍サイクルでは、高圧縮比を実現でき、冷凍サイクルの効率および能力の向上を図ることができる。
【０００３】
２段昇圧式の冷凍サイクルでは、従来から、高段圧縮機から吐出し、凝縮器により凝縮した冷媒の一部を液インジェクションとしてバイパスさせて、低段圧縮機から吐出する冷媒と混合して高段圧縮機に吸入することが行われている。これにより、高段圧縮機に吸入される冷媒の温度を低下させ、高段圧縮機から吐出する冷媒の温度を低下させることができる。
【０００４】
例えば、下記特許文献１には、２段昇圧式の冷凍サイクルで暖房運転する場合、液インジェクションの量を増加させることにより、高段の圧縮機から吐出される冷媒の温度をさらに低下させることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２７０７７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の２段昇圧式の冷凍サイクルにおける液インジェクションにあっては、暖房運転時に液冷媒が高段圧縮機に到達するまでにすべて蒸発することができない場合、高段圧縮機では液圧縮となり、圧縮機に大きな負荷がかかるという問題があった。本発明は、この問題に鑑み、暖房運転する場合に液圧縮を起こすことなく、高段圧縮機吐出温度を低減させることができる冷凍サイクルを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願請求項１に記載の冷凍サイクルは、低圧冷媒を圧縮して中間圧冷媒として吐出する低段圧縮機（１）と、前記低段圧縮機（１）から吐出した中間圧冷媒を圧縮して高圧冷媒として吐出する高段圧縮機（２）と、前記高段圧縮機（２）から吐出した高圧冷媒を熱交換させて放熱する凝縮器（３）と、前記凝縮器（３）から流出する前記高圧冷媒を減圧膨張して低圧冷媒とする絞り機構（６）と、前記絞り機構（６）から流出する低圧冷媒を熱交換させて吸熱し、吸熱した冷媒を前記低段圧縮機（１）に吸入させる蒸発器（７）と、を有する冷凍サイクルであって、前記低段圧縮機（１）から吐出した中間圧冷媒を熱交換させて放熱する熱交換器（３ａ、７ａ、４）を備え、前記熱交換器（３ａ、７ａ、４）により放熱した中間圧冷媒を前記高段圧縮機（２）に吸入させる。これにより、高段圧縮機の吐出温度を低下させることができ、圧縮機の信頼性を高めることができる。また、液インジェクションではないので、液圧縮を避けることができる。
【０００８】
本願請求項２に記載の冷凍サイクルでは、前記凝縮器（３）から流出した高圧冷媒と、前記凝縮器（３）から流出した高圧冷媒の一部を分岐し減圧膨張させて中間圧冷媒とした分岐冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器（５）を備え、前記内部熱交換器（５）から流出する高圧冷媒は前記絞り機構（６）に流入し、前記内部熱交換器（５）から流出する前記分岐冷媒は高段圧縮機（２）に吸入される。これにより、冷凍サイクルの効率および能力を高めることができる。
【０００９】
本願請求項３に記載の冷凍サイクルでは、前記熱交換器は、前記凝縮器（３）とともに室内に配置され、前記低段圧縮機（１）から吐出した中間圧冷媒を室内側空気と熱交換する。室内に配置された熱交換器を使用することにより、サイクル効率を向上させることができる。
【００１０】
本願請求項４に記載の冷凍サイクルでは、前記熱交換器は、前記蒸発器（７）とともに室外に配置され、前記低段圧縮機（１）から吐出した中間圧冷媒を室外側空気と熱交換する。これにより、暖房時には室外温度が低いので冷媒温度を十分に下げることができる。
【００１１】
本願請求項５に記載の冷凍サイクルでは、前記熱交換器（７ａ）は、前記蒸発器（７）の風上側に配置される。これにより、室外機７に送風される空気の温度を高めることができ、吸熱能力が高まる。さらに、室外機である蒸発器の霜の付着を抑制することもできる。
【００１２】
本願請求項６に記載の冷凍サイクルでは、前記熱交換器は、前記内部熱交換器（４）であって、前記低段圧縮機（１）から吐出した中間圧冷媒は、前記分岐冷媒と混合して前記内部熱交換器（４）に流入する。内部熱交換器を用いる冷凍サイクルにあっては、内部熱交換器を本発明の熱交換器として利用するので、新たな熱交換器を配置する必要がないという利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施形態を示す図である。
【図３】本発明の第３の実施形態を示す図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に関するモリエル線図の概略を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
【００１５】
図１は、本発明の第１の実施態様を示す図である。本発明は、例えばバス等の車両の冷暖房を行う空調設備の冷凍サイクルに好適であって、特に暖房時の冷凍サイクルに関する。しかし、本発明の用途はバスの冷暖房に限定されるものではなく、その他の乗用車あるいは住宅等の冷暖房に用いることができる。
【００１６】
本実施形態の冷凍サイクルは、冷媒が循環する閉回路を備え、室外で吸熱して冷媒温度を上昇させ、室内で放熱して室内を暖房するために用いられる。具体的には、冷媒を吸入して昇圧して吐出する、低段圧縮機１と高段圧縮機２とからなる２段昇圧機構を備え、外気と熱交換する蒸発器である室外機７によって吸熱し、内気と熱交換する凝縮器である室内機３によって放熱し室内温度を高める。
【００１７】
低段圧縮機１と高段圧縮機２は、それぞれが内蔵する電動モータによって圧縮機を駆動して冷媒を圧縮させる電動圧縮機であってもよく、また２つの圧縮機が単一の駆動軸に連結されている圧縮機であってもよい。冷媒を少なくとも２段階で圧縮できる圧縮機であれば、本発明の低段圧縮機１と高段圧縮機２として用いることができる。使用する冷媒としては、フロン系の冷媒でもよく、圧縮機の吐出口側冷媒の圧力が臨界圧力以上（超臨界状態）となる二酸化炭素などでもよい。
【００１８】
低段圧縮機１は、低圧冷媒を吸入して中間圧冷媒として吐出する。本実施形態では、低段圧縮機１から吐出する中間圧冷媒は、室内機３の近傍に配置された室内サブ熱交換器３を通過して高段圧縮機に吸入される。室内サブ熱交換器３ａは、室内機３と同様に室内空気と熱交換し、室内空気温度を上昇させるとともに中間圧冷媒の温度を下げる。本例では、室内サブ熱交換器３ａは、室内機３に送風するための電動ファン３ｂの上流側に配置され、室内機３と室内サブ熱交換器３ａとは、ともに電動ファン３ｂによって送風される。
【００１９】
室内機３と室内サブ熱交換器３ａの配置は、図１の配置に限定されない。室内機３と室内サブ熱交換器３ａを並列に配置してもよく、また室内の別々の場所に配置してもよい。
【００２０】
室内サブ熱交換器３ａを通過して温度が低下した中間圧冷媒は、高段圧縮機２に吸入される。高段圧縮機２に吸入される中間圧冷媒は温度が低下しているので、高段圧縮機２から吐出する高圧冷媒の温度も低下させることができる。
【００２１】
高段圧縮機２から吐出される高圧冷媒は、凝縮器である室内機３により室内空気と熱交換され、室内温度を高めるとともに、高圧冷媒は冷却して凝縮する。冷却された高圧冷媒は、内部熱交換器５の一方の流入口５１に流入するとともに、高圧冷媒の一部は、分岐流路４ａを通り分岐高圧冷媒として補助絞り４に流入する。補助絞り４では、流入する分岐高圧冷媒を減圧する。減圧され中間圧になった分岐冷媒は、内部熱交換器５の他方の流入口５２に流入する。
【００２２】
流入口５１から流入する高圧冷媒と流入口５２から流入する中間圧の分岐冷媒とは、内部熱交換器５で熱交換を行う。高圧冷媒の温度が下がり、分岐冷媒の温度は上がる。内部熱交換器５の一方の流出口５３から流出する高圧冷媒は、主絞り６を通って減圧され、蒸発器である室外機７に流入して外気と熱交換を行う。ファン７ｂは、外気を室外機７に送風する。室外機７から流出する冷媒は、低段圧縮機１に吸入される。内部熱交換器５の他方の流出口５４から流出する分岐冷媒は、温度が上昇してガス化して高段圧縮機２に吸入される。
【００２３】
補助絞り４、主絞り６は、電子膨張弁を用いて、開度を調節することにより冷媒量を調節することができる。これらの絞りは、所定の流路抵抗を与える、例えばキャピラリチューブであってもよい。
【００２４】
以上のように、高段圧縮機２には、室内サブ熱交換器３ａを通った中間圧冷媒が吸入されるともに、室内機３から流出する高圧冷媒の一部が分岐して中間圧に減圧された減圧冷媒が吸入される。いずれの冷媒もガス化されているので、液インジェクションとはならず、液圧縮を引き起こすこともない。
【００２５】
本実施形態では、低段圧縮機１から吐出する中間圧冷媒を室内サブ熱交換器３ａに通し、中間圧冷媒の温度を下げて高段圧縮機２に吸入させる。これにより、高段圧縮機２の吐出温度を低下させることができ、圧縮機の信頼性を高めることができる。また、液インジェクションを用いるのではないので、液圧縮を避けることができる。
【００２６】
図２は、本発明の第２の実施形態を示す図である。第２の実施形態では、低段圧縮機１から吐出する中間圧冷媒の温度を低下させる熱交換器として室外に配置された熱交換器を用いる。図１に示した第１の実施形態と同じ部材、同じ要素は、同一の番号を用いて示す。
【００２７】
図２に示すように、低段圧縮機１から吐出する中間圧冷媒は、室外機７の近傍に配置された室外サブ熱交換器７ａを通過して高段圧縮機２に吸入される。第２の実施形態は、室内サブ熱交換器３ａの代わりに室外サブ熱交換器７ａを用いたもので、その他は第１の実施形態と同様である。例えば、室内機３を通過した高圧冷媒の一部が補助絞り４、内部熱交換器５を通ってガス化した中間圧冷媒となり、高段圧縮機２に吸入されるのは第１の実施形態と同様である。
【００２８】
第２の実施形態では、室外に配置される室外サブ熱交換器７ａを用いており、暖房時には室外温度が低いのでより冷媒温度を下げることができる。室外サブ熱交換器７ａの配置は特に限定されないが、図２に示すように、室外サブ熱交換器７ａを、電動ファン７ｂと室外機７の間に配置して、室外機７の風上に配置するようにすると、室外機７に送風される空気の温度を高めることができ、室外機７のヒータとして使用することができる。これにより吸熱能力が高まる。さらに、暖房運転する場合室外機７には霜が付くことが多いが、室外サブ熱交換器７ａにより室外機７の温度を高めることができるので、室外機７の霜の付着を抑制することもできる。
【００２９】
図３は、本発明の第３の実施形態を示す図である。第３の実施形態は、低段圧縮機１から吐出する中間圧冷媒の温度を低下させる熱交換器として、内部熱交換器を利用する。図１に示した第１の例と同じ部材、同じ要素は、同一の番号を用いて示す。
【００３０】
図３に示すように、低段圧縮機１から吐出する中間圧冷媒は、内部熱交換器５の冷媒流入口５２から内部熱交換器５に流入する。冷媒流入口５２には、室内機３を通過した高圧冷媒の一部が補助絞り４により減圧されて中間圧冷媒となって流入する。したがって、低段圧縮機１から吐出する中間圧冷媒は、補助絞り４から流出する中間圧の冷媒と混合して、内部熱交換器５に流入することになる。内部熱交換器５で高圧冷媒と熱交換してガス化した中間圧冷媒は、冷媒流出口５４から流出して高段圧縮機２に吸入される。この場合、内部熱交換器５の流出側は飽和に近い状態の低温に制御することができる。したがって、第３例においても、高段圧縮機２の吸入温度を下げることができ、高段圧縮機２の吐出温度を下げることができる。
【００３１】
図４は、第３の実施形態におけるモリエル線図の概略を示す図である。破線は、従来の冷凍サイクルのモリエル線図であり、実線は、第３の実施形態によるモリエル線図である。ｐ１〜ｐ２〜ｐ３は、圧縮過程を示し、ｐ２は中間圧を示す。ｐ３〜ｐ４〜ｐ５は、凝縮過程を示す。ｐ５〜ｐ６は、膨張過程を示し、ｐ６〜ｐ１は蒸発過程を示す。高段吐出温度が低減されているのは、第１〜３の実施形態に共通するが、第３の実施形態では、凝縮器出口側のサブクール度（過冷却度）が減少している。しかしながら、高段圧縮機２の吸入温度が低くなっているので、冷媒密度が高く、冷媒流量は増加するので、冷凍サイクルの能力が大きく低下するということはない。液インジェクションと比較して、能力・成績係数（COP）は変わらないが、内部熱交換器５の出口温度を制御することで、高段圧縮機２の入口を確実にガス化することができ液圧縮を起こすことがない。
【００３２】
第３の実施形態においても、液圧縮の発生を防ぎながら、高段圧縮機２の吐出温度を低くすることができる。また、内部熱交換器５を利用するので、第１、２の実施形態と比較して、新たな熱交換器を配置する必要がないという利点を有する。
【００３３】
なお、本明細書に記載の実施形態の冷凍サイクルはすべて、内部熱交換器５を備えるが、第１および第２の実施形態にあっては、内部熱交換器５したがって補助絞り４を備えることなく、室内機３から流出する冷媒を主絞り６に流すようにした冷凍サイクルを用いることもできる。
【符号の説明】
【００３４】
１    低段圧縮機
２    高段圧縮機
３    室内機（凝縮器）
３ａ    室内サブ熱交換器
３ｂ    ファン
４    補助絞り
５    内部熱交換器
６    主絞り
７    室外機（蒸発器）
７ａ    室外サブ熱交換器
７ｂ    ファン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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