(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化炭素の冷媒を圧縮機、放熱器、膨張機構及び蒸発器に順次循環し、超臨界状態で放熱器から熱を放出する蒸気圧縮式の冷凍空調装置において、
前記放熱器を順次直列に接続された第１放熱器と第２放熱器とから構成するとともに、該各放熱器の間に他の圧縮機を挿入し、該他の圧縮機の駆動軸と前記膨張機構の出力軸を連係し、
前記他の圧縮機のガス吸入口とガス吐出口を接続し該他方の圧縮機を迂回するバイパス管を設けた
ことを特徴とする冷凍空調装置。
【請求項２】
前記バイパス管に該ガス吐出口から該ガス吸入口への冷媒流通を規制する逆止弁を設けた
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】
前記他の圧縮機と前記膨張機構をスクロール式圧縮・膨張機構で構成した
ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の冷凍空調装置。
【請求項４】
前記他の圧縮機と前記膨張機構とを一体に形成した
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項記載の冷凍空調装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二酸化炭素を冷媒として使用する冷凍空調装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の二酸化炭素（ＣＯ2）を冷媒として使用する冷凍空調装置として図４に示す冷凍空調装置が一般的に知られている。
【０００３】
この冷凍空調装置は圧縮機１、放熱器２、膨張弁３及び蒸発器４を有し、二酸化炭素冷媒を圧縮機１→放熱器２→膨張弁３→蒸発器４→圧縮機１と矢印に示すよう順次循環させることにより、室内の冷房等の空調を行っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＣＯ2冷媒を使用する冷凍空調装置で、大気に熱放出を行う方式のものにあっては、外気温度が高いときでも所定の冷凍能力を確保するために、高い吐出圧力が得られる圧縮機が必要となる。
【０００５】
即ち、図５のＣＯ2モリエル線図で説明すれば、通常運転では、圧縮機１でＣＯ2冷媒を圧縮して飽和液線及び飽和蒸気線の臨界点を越えた１００kg/cm2まで圧縮する（図５のＡ→Ｂ）。次いで、この圧縮されたＣＯ2冷媒を放熱器２で大気に放熱し（図５のＢ→Ｃ）、更にこの放熱されたＣＯ2冷媒を膨張弁３で等エンタルピ線に沿って膨張させ圧力降下させる（図５のＣ→Ｄ）。この圧力降下により湿り蒸気となったＣＯ2冷媒を蒸発器４で気化し、室内を冷却する（図５のＤ→Ａ）。
【０００６】
一方、外気温度が高く３５℃となったときでも十分な冷却能力を得るためには、図５のＡ→Ｂ’→Ｃ’→Ｄ’とＣＯ2冷媒を循環しなければならず、ここでは１５０kg/cm2程度の吐出圧力が必要となる。
【０００７】
従って、外気温度が高いときでも十分に室内を冷房等できるようにするには、圧縮機１として冷凍能力の大きいものを設置する必要があり、圧縮機１の駆動動力の割には効率の悪いものとなっていた。
【０００８】
本発明の目的は前記従来の課題に鑑み、圧縮機全体の動力を大きくすることなく、かつ、冷凍効果が向上する冷凍空調装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するため、請求項１の発明は、二酸化炭素の冷媒を圧縮機、放熱器、膨張機構及び蒸発器に順次循環し、超臨界状態で放熱器から熱を放出する蒸気圧縮式の冷凍空調装置において、放熱器を順次直列に接続された第１放熱器と第２放熱器とから構成するとともに、該各放熱器の間に他の圧縮機を挿入し、該他の圧縮機の駆動軸と前記膨張機構の出力軸を連係し、前記他の圧縮機のガス吸入口とガス吐出口を接続し該他方の圧縮機を迂回するバイパス管を設けた構造となっている。
【００１０】
この発明によれば、ＣＯ2冷媒は一方の圧縮機→第１放熱器→他方の圧縮機→第２放熱器→膨張機構→蒸発器→一方の圧縮機と順次循環し、室内冷房等を行う。
【００１１】
この冷凍サイクルで、一方の圧縮機では例えば１００kg/cm2程度まで圧縮し、また、他の圧縮機ではこの冷媒を１５０kg/cm2程度まで圧縮し、所要の吐出圧力を得る。ここで、他方の圧縮機の動力（他方の圧縮機で吐出圧力を１００kg/cm2から１５０kg/cm2まで上昇させるために費やされる動力）と一方の圧縮機の動力（一方の圧縮機で１００kg/cm2から１５０kg/cm2まで上昇させるために費やされる動力）とを比較すると、他方の圧縮機に吸入される冷媒が第１放熱器で一部放熱され、エンタルピが小さくなった分（他方の圧縮機における等エントロピ線の傾きが大きくなった分）、その動力が小さくなる。
【００１２】
また、圧縮機の駆動軸と膨張機構の出力軸が連係しているため、膨張機構での冷媒膨張作用に伴う動力が、他方の圧縮機の冷媒圧縮作用に利用される。さらに、冷凍空調装置の運転始動時で一方の圧縮機がガス圧縮を開始すると、蒸発器及び膨張機構出口部の圧力が降下するとともに、一方の圧縮機で昇圧される圧力は、逆止弁、バイパス管を介して第２放熱器及び膨張機構入口に伝達される。これにより、膨張機構の出口と入口との圧力差が所定圧力差となり、膨張機構が駆動するとともに、この膨張機構の駆動力が他方の圧縮機の駆動力として利用され、他方の圧縮機が駆動する。この他方の圧縮機が駆動した後は、他方の圧縮機の吸入力により全てのＣＯ2冷媒が他方の圧縮機に流れ込み、室内冷房等を行う。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１の冷凍空調装置において、バイパス管にガス吐出口からガス吸入口への冷媒流通を規制する逆止弁を設けた構造となっている。
【００１４】
この発明によれば、バイパス管に逆止弁を設けることにより、他の圧縮機から吐出した冷媒がバイパス管を通じて戻ることを防止している。
【００１５】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２の冷凍空調装置において、他方の圧縮機と膨張機構をスクロール式圧縮・膨張機構で構成している。この発明によれば、膨張機構では等エントロピ線に沿って断熱膨張するため、蒸発器への吸入直前のエンタルピが小さくなり、冷凍効果が向上する。
【００１６】
なお、この他方の圧縮機と膨張機構とを一体に形成し両者をユニット化するようにしても良い。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１乃至図３は本発明に係る冷凍空調装置の一実施形態を示すもので、図１は冷凍空調装置の冷媒回路図、図２は第２圧縮機と膨張機構との連係構造を示す概略図、図３は冷凍空調装置のＣＯ2モリエル線図である。なお、図４及び図５で既に説明した従来例と同一構成部分は同一符号をもって表す。
【００１８】
この冷凍空調装置はＣＯ2を冷媒として使用するもので、図１に示すように、一方の圧縮機（以下、第１圧縮機という）１ａ、第１放熱器２ａ、他方の圧縮機（以下、第２圧縮機という）１ｂ、第２放熱器２ｂ、膨張機構３ａ及び蒸発器４を順次冷媒管５で接続し、ＣＯ2冷媒を第１圧縮機１→第１放熱器２ａ→第２圧縮機１ｂ→第２放熱器２ｂ→膨張機構３ａ→蒸発器４→第１圧縮機１ａと順次循環し、蒸発器４の吸熱作用により室内冷房を行っている。また、第２圧縮機１ｂのガス吸入口側の冷媒管５とガス吐出口側の冷媒管５はバイパス管６で接続され、このバイパス管６により第２圧縮機１ｂを迂回するようになっている。また、このバイパス管６には逆止弁７が設置されており、この逆止弁７により第２圧縮機１ｂから吐出したＣＯ2冷媒がこのバイパス管６を通じて戻ることがないよう規制している。
【００１９】
このように構成された冷凍空調装置において、第２圧縮機１ｂ及び膨張機構３ａは図２に示すように構成されている。即ち、第２圧縮機１ｂ及び膨張機構３ａは共にスクロール式の圧縮・膨張機構を採用している。まず、第２圧縮機１ｂはガス吸入口１１を外側にガス吐出口１２を中央にそれぞれ有するもので、旋回スクロール１３を図２の矢印方向（図２に向かって右回り）に回転してガス吸入口１１から流入したＣＯ2冷媒を固定スクロール１４との間で圧縮し、ガス吐出口１２から吐出する構成となっている。
【００２０】
一方、膨張機構３ａは前記第２圧縮機１ｂとは逆の構成、即ちガス吐出口３１を外側にガス吸入口３２を内側にそれぞれ有し、旋回スクロール３３を図２の矢印方向（図２に向かって左回り）に回転してガス吸入口３２から流入したＣＯ2冷媒を固定スクロール３４との間で膨張させ、ガス吐出口３１から吐出する構成となっている。
【００２１】
更に、第２圧縮機１ｂの駆動軸と膨張機構３ａの出力軸は図２に示すようにシャフト８で連結しており、膨張機構３ａの駆動により第２圧縮機１ｂが駆動するとともに、第２圧縮機１ｂと膨張機構３ａをユニット化し一体に形成している。
【００２２】
次に本実施形態に係る冷凍空調装置の駆動状態を説明する。まず、第１圧縮機１ａを稼働するときＣＯ2冷媒が圧縮され、更に第１放熱器２ａに流入して屋外に放熱される。この放熱されたＣＯ2冷媒は第２圧縮機１ｂが未だ駆動していないため、バイパス管６に流れ第２放熱器２ｂに流入する。この第２放熱器２ｂに流れたＣＯ2冷媒は再度放熱され、膨張機構３ａ側に流れる。ここで、膨張機構３ａのガス吸入口３２のガス圧は上昇する一方、膨張機構３ａのガス吐出口３１及び蒸発器４側の圧力が降下するため、膨張機構３ａのガス吸入口３２とガス吐出口３１との圧力差が所定の圧力差となる。これにより、膨張機構３ａのガス吸入口３２からＣＯ2冷媒が流入し、ＣＯ2冷媒の膨張力により旋回スクロール３３が回転するとともに、ＣＯ2冷媒が断熱膨張しながらガス吐出口３１から吐出される。
【００２３】
このような膨張機構３ａの旋回スクロール３３の回転により、この膨張機構３ａに連結する第２圧縮機１ｂが駆動する。ここで、冷凍空調装置の稼働初期時ではバイパス管６にＣＯ2冷媒が流れたが、この第２圧縮機１ｂの駆動により全てのＣＯ2冷媒が第２圧縮機１ｂに吸い込まれる。この第２圧縮機１ｂに吸入されたＣＯ2冷媒はこの第２圧縮機１ｂにより再度断熱圧縮され、この圧縮されたＣＯ2冷媒が第２放熱器２ｂで放熱され、更に膨張機構３ａで断熱膨張される。このように断熱膨張されたＣＯ2冷媒は蒸発器４で室内空気と熱交換し、室内冷房を行う。
【００２４】
以上のような冷凍空調装置の冷却サイクルを図３のモリエル線図で説明すると、第１圧縮機１ａでＣＯ2冷媒が１００kg/cm2程度まで圧縮され（Ａ→Ｂ）、更に第１放熱器２ａで放熱され（Ｂ→Ｃ）、これが再度第２圧縮機１ｂで圧縮され１５０kg/cm2程度となる（Ｃ→Ｂ”）。この再圧縮されたＣＯ2冷媒は再度第２放熱器２ｂで放熱され（Ｂ”→Ｃ’）、更に膨張機構３ａで断熱膨張される（Ｃ’→Ｄ”）。この断熱膨張されたＣＯ2冷媒は蒸発器４で吸熱し（Ｄ”→Ａ）、室内冷房を行う。この図３でＡ→Ｂ→Ｃ→Ｄは従来例で説明した第１圧縮機１ａのみでＣＯ2冷媒を１００kg/cm2程度まで圧縮するときの冷媒変化（以下、従来例１という）、Ａ→Ｂ’→Ｃ’→Ｄ’は従来例で説明した第１圧縮機１ａのみでＣＯ2冷媒を１５０kg/cm2程度まで圧縮するときの冷媒変化（以下、従来例２という）をそれぞれ示している。
【００２５】
そこで、本実施形態に係る冷凍空調装置の冷却作用を従来例２に係る冷凍空調装置の冷却作用と比較して説明する。なお、図３で（ｈ）はエンタルピを示す。
【００２６】
即ち、従来例２の冷凍空調装置では圧縮機の動力は、（ｈＢ’ーｈＡ）＝（ｈＢーｈＡ）＋（ｈＢ’ーｈＢ）、一方、本実施形態に係る冷凍空調装置の各圧縮機１ａ，１ｂの動力は、（ｈＢーｈＡ）＋（ｈＢ”ーｈＣ）である。
【００２７】
ここで、従来例に係る（ｈＢ’ーｈＢ）をＷ１、（ｈＢ”ーｈＣ）をＷ２とするとき、Ｂ→Ｂ’への断熱圧縮に係る等エントロピ線とＣ→Ｂ”への断熱圧縮に係る等エントロピ線とを比較するとき、本実施形態に係る冷凍空調装置のＣ点におけるエンタルピがＢ点よりも小さくなっている分、その傾きが大きく、これにより、Ｗ１＞Ｗ２となる。
【００２８】
従って、本実施形態に係る冷凍空調装置は従来の冷凍空調装置と比較し、圧縮機１ａ，１ｂ全体の動力が小さくなっている。
【００２９】
また、本実施形態に係る冷凍空調装置の膨張機構３ａはＣＯ2冷媒を断熱膨張するため、等エントロピ線上に沿って変化し、Ｃ’→Ｄ”と変化する、これにより、冷凍効果が（ｈＡーｈＤ”）となり従来例２の冷凍効果（ｈＡーｈＤ’）よりも大きくなる。
【００３０】
更に、第２圧縮機１ｂの駆動軸と膨張機構３ａの出力軸をシャフト８で連結しているため、膨張機構３ａでの冷媒膨張作用に伴う動力が第２圧縮機１ｂの冷媒圧縮作用に利用される。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、圧縮機全体の動力が小さくて済み、また、冷凍効果の大きな冷凍空調装置を実現することができる。
【００３２】
また、圧縮機の駆動軸と膨張機構の出力軸を連係し膨張機構での冷媒膨張作用に伴う動力を、他方の圧縮機の冷媒圧縮作用に利用でき、運転コストが安くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る冷凍空調装置の冷媒回路図
【図２】第２圧縮機と膨張機構との連係構造を示す概略図
【図３】本実施形態に係る冷凍空調装置のＣＯ2モリエル線図
【図４】従来の冷凍空調装置の冷媒回路図
【図５】従来の冷凍空調装置のＣＯ2モリエル線図
【符号の説明】
１ａ…第１圧縮機、１ｂ…圧縮機、２ａ…第１放熱器、２ｂ…第２放熱器、３ａ…膨張機構、４…蒸発器、５…冷媒管、６…バイパス管、７…逆止弁。
【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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