JP2004138333A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】冷媒の流れ方向に応じた膨張機を用いることで、密度比一定の制約を最大限回避し、幅広い運転範囲の中で高い動力回収効果を得ること。
【解決手段】冷媒として二酸化炭素を用い、圧縮機と室外側熱交換器と膨張機と室内側熱交換器とを備え、四方弁の切り替えによって、前記室外側熱交換器を放熱器とし前記室内側熱交換器を蒸発器とする第１の冷媒流れと、前記室外側熱交換器を蒸発器とし前記室内側熱交換器を放熱器とする第２の冷媒流れを有する冷凍サイクル装置であって、前記膨張機として第１膨張機と第２膨張機を有し、前記第１の冷媒流れでは前記第１膨張機を用い、前記第２の冷媒流れでは前記第２膨張機を用いることを特徴とする冷凍サイクル装置。
【選択図】 図１
【解決手段】冷媒として二酸化炭素を用い、圧縮機と室外側熱交換器と膨張機と室内側熱交換器とを備え、四方弁の切り替えによって、前記室外側熱交換器を放熱器とし前記室内側熱交換器を蒸発器とする第１の冷媒流れと、前記室外側熱交換器を蒸発器とし前記室内側熱交換器を放熱器とする第２の冷媒流れを有する冷凍サイクル装置であって、前記膨張機として第１膨張機と第２膨張機を有し、前記第１の冷媒流れでは前記第１膨張機を用い、前記第２の冷媒流れでは前記第２膨張機を用いることを特徴とする冷凍サイクル装置。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷媒として二酸化炭素を用い、圧縮機と室外側熱交換器と膨張機と室内側熱交換器とを備えた冷凍サイクル装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
冷凍サイクル装置を循環する冷媒の質量循環量は、冷凍サイクルのどのポイントにおいても等しく、圧縮機を通る冷媒の吸入密度をＤＣ、膨張機を通る冷媒の吸入密度をＤＥとすると、ＤＥ／ＤＣ（密度比）は常に一定で運転される。
一方、オゾン破壊係数がゼロでありかつ地球温暖化係数もフロン類に比べれば格段に小さい、二酸化炭素（以下、ＣＯ２という）を冷媒として用いる冷凍サイクル装置が近年着目されているが、ＣＯ２冷媒は、臨界温度が３１．０６℃と低く、この温度よりも高い温度を利用する場合には、冷凍サイクル装置の高圧側（圧縮機出口〜放熱器〜減圧器入口）ではＣＯ２冷媒の凝縮が生じない超臨界状態となり、従来の冷媒に比べて、冷凍サイクル装置の運転効率が低下するといった特徴を有する。従って、ＣＯ２冷媒を用いた冷凍サイクル装置にあっては、最適なＣＯＰを維持することが重要であり、冷媒温度が変化すると、この冷媒温度に最適な冷媒圧力とすることが必要である。
しかし、冷凍サイクル装置に膨張機を設け、この膨張機で回収した動力を圧縮機の駆動力の一部に利用する場合には、膨張機と圧縮機との回転数を同じにしなければならず、密度比一定の制約のもとでは、運転条件が変化した場合の最適なＣＯＰを維持することは困難である。
そこで、膨張機をバイパスするバイパス管を設けて、膨張機に流入する冷媒量を制御することで、最適なＣＯＰを維持する構成が提案されている（例えば特許文献１及び特許文献２参照）。
一方、冷媒の流れ方向が切り替わる冷凍サイクル装置において、膨張機と圧縮機の回転方向が常に同一となるように、冷媒流れ方向制御手段を設けた構成が提案されている（例えば特許文献３参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−２３４８１４号公報（段落番号（００２４）（００２５）図１）
【特許文献２】
特開２００１−１１６３７１号公報（段落番号（００２３）図１）
【特許文献３】
特開２００１−６６００６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、膨張機に流入する体積流量が設計上の最適な流量との差が大きくなるにしたがって、バイパスを通過させる冷媒量が大きくなり、その結果回収できるはずの動力が十分に回収できなくなるという問題を有している。
特に、冷媒の流れ方向が異なる冷凍サイクル装置にあっては、例えば冷房運転モードと暖房運転モードでは、それぞれの運転モードによって密度比が異なる。
【０００５】
そこで本発明は、冷媒の流れ方向に応じた膨張機を用いることで、密度比一定の制約を最大限回避し、幅広い運転範囲の中で高い動力回収効果を得ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明の冷凍サイクル装置は、冷媒として二酸化炭素を用い、圧縮機と室外側熱交換器と膨張機と室内側熱交換器とを備え、四方弁の切り替えによって、前記室外側熱交換器を放熱器とし前記室内側熱交換器を蒸発器とする第１の冷媒流れと、前記室外側熱交換器を蒸発器とし前記室内側熱交換器を放熱器とする第２の冷媒流れを有する冷凍サイクル装置であって、前記膨張機として第１膨張機と第２膨張機を有し、前記第１の冷媒流れでは前記第１膨張機を用い、前記第２の冷媒流れでは前記第２膨張機を用いることを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載の冷凍サイクル装置において、前記第１膨張機の気筒容積と前記第２膨張機の気筒容積とを異ならせたことを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項１に記載の冷凍サイクル装置において、前記第１膨張機の気筒容積を、前記第２膨張機の気筒容積よりも大きくしたことを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項１に記載の冷凍サイクル装置において、前記第１膨張機と前記第２膨張機とを並列に設け、前記第１膨張機の流入側と前記第２膨張機の流入側にそれぞれ逆止弁を設けたことを特徴とする。
請求項５記載の本発明は、請求項１に記載の冷凍サイクル装置において、前記第１膨張機と前記第２膨張機にそれぞれ発電機を設けたことを特徴とする。
請求項６記載の本発明の冷凍サイクル装置は、前記第１膨張機に接続する発電機を前記第２膨張機に接続する発電機とし、前記発電機を前記第１膨張機及び前記第２膨張機のいずれか一方と接続するクラッチ機構を備えたことを特徴とする。
請求項７記載の本発明は、請求項１に記載の冷凍サイクル装置において、前記第１膨張機をバイパスするバイパス回路と、前記第２膨張機をバイパスするバイパス回路とを設け、前記バイパス回路にそれぞれ開閉弁を設けたことを特徴とする。
請求項８記載の本発明は、請求項１に記載の冷凍サイクル装置において、前記膨張機で回収した動力を前記圧縮機の駆動に用いることを特徴とする。
請求項９記載の本発明は、請求項１に記載の冷凍サイクル装置において、前記圧縮機の吸入側又は前記圧縮機の吐出側に補助圧縮機を備え、前記膨張機で回収した動力によって前記補助圧縮機を駆動することを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明による第１の実施の形態は、膨張機として第１膨張機と第２膨張機を有し、室外側熱交換器を放熱器、室内側熱交換器を蒸発器とする第１の冷媒流れでは第１膨張機を用い、室外側熱交換器を蒸発器、室内側熱交換器を放熱器とする第２の冷媒流れでは第２膨張機を用いるものである。
本実施の形態によれば、第１の冷媒流れの運転モードと第２の冷媒流れの運転モードに応じて別々の膨張機を用いることで、それぞれの運転モードに適した膨張機とすることができるとともに、膨張機に流入させる冷媒流れの方向を制御する必要がない。
本発明による第２の実施の形態は、第１の実施の形態において、第１膨張機の気筒容積と第２膨張機の気筒容積とを異ならせたものである。このように、それぞれの運転モードで最適となる気筒容積とすることができる。
本発明による第３の実施の形態は、第１の実施の形態において、第１膨張機の気筒容積を、第２膨張機の気筒容積よりも大きくしたことで、空気調和装置での冷房運転モードと暖房運転モードに適した膨張機とすることができる。
本発明による第４の実施の形態は、第１の実施の形態において、第１膨張機と第２膨張機とを並列に設け、第１膨張機の流入側と第２膨張機の流入側にそれぞれ逆止弁を設けたものであり、切り替えのための制御機構を必要とせずに冷媒流れを切り替えることができる。
本発明による第５の実施の形態は、第１の実施の形態において、第１膨張機と第２膨張機にそれぞれ発電機を設けたものであり、それぞれの発電機によって膨張動力を電力に変換して回収することができる。
本発明による第６の実施の形態は、第１の実施の形態において、第１膨張機に接続する発電機を第２膨張機に接続する発電機とし、発電機は第１膨張機及び第２膨張機のいずれか一方と接続するクラッチ機構を備えたものであり、一つの発電機によって、第１膨張機及び第２膨張機の膨張動力を電力に変換して回収することができる。
本発明による第７の実施の形態は、第１の実施の形態において、第１膨張機をバイパスするバイパス回路と、第２膨張機をバイパスするバイパス回路とを設け、バイパス回路に開閉弁を設けたものであり、動作させない膨張機側のバイパス回路を開くことでこの膨張機で負圧が生じないようにすることができる。
本発明による第８の実施の形態は、第１の実施の形態において、膨張機で回収した動力を圧縮機の駆動に用いるものである。
本発明による第９の実施の形態は、圧縮機の吸入側又は圧縮機の吐出側に補助圧縮機を備え、膨張機で回収した動力によって補助圧縮機を駆動するものであり、膨張機で回収した動力を、補助圧縮機を駆動する動力として用いることができる。
【０００８】
【実施例】
以下、本発明の一実施例による冷凍サイクル装置を、ヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置について、図面を参照して説明する。
図１は、本実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置の構成図である。
図に示すように、本実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置は、冷媒としてＣＯ２冷媒を使用し、モータ１１を有する圧縮機１と、室外側熱交換器３と、膨張機と、室内側熱交換器８とを配管で接続した冷媒回路から構成される。
ここで、膨張機は、第１膨張機３１と第２膨張機３３とから構成され、第１膨張機３１と第２膨張機３３とは並列に接続されている。また、第１膨張機３１の流入側には第１逆止弁３２が設けられ、第２膨張機３３の流入側には第２逆止弁３４が設けられている。そして、第１逆止弁３２は第１膨張機３１の流入側だけに冷媒が流れ込み、逆方向に冷媒が流れない向きに設けられ、第２逆止弁３４は第２膨張機３３の流入側だけに冷媒が流れ込み、逆方向に冷媒が流れない向きに設けられている。
なお、第１膨張機３１の気筒容積と第２膨張機３３の気筒容積とは、それぞれの運転モードで最適となる気筒容積としているため、それぞれの気筒容積は異なっている。本実施例のように、冷房運転モードと暖房運転モードとを有するヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置の場合には、第１膨張機３１の気筒容積を、第２膨張機３３の気筒容積よりも大きく構成している。また、第１膨張機３１の気筒容積と第２膨張機３３は、気筒容積以外にも、スクロール式膨張機にあっては渦巻きの巻き数や形状を、ベーンロータリー式膨張機にあってはベーンの数を、それぞれの運転モードで最適となるように異なるようにしてもよい。
本実施例では、圧縮機１をＣ、第１膨張機３１をＥ１、第２膨張機３３をＥ２とすると、第１膨張機３１の気筒容積は、（Ｃの気筒容積ＸＣの回転数）／（Ｅ１の気筒容積ＸＥ１の回転数）＝３〜５、第２膨張機３３の気筒容積は、（Ｃの気筒容積ＸＣの回転数）／（Ｅ２の気筒容積ＸＥ２の回転数）＝５〜７となるように設計するのが最適である。
そしてこの冷媒回路には、圧縮機１の吐出側配管と吸入側配管とが接続される第１四方弁２を備えている。
また、第１膨張機３１の駆動軸には発電機３５が接続され、第２膨張機３３の駆動軸には発電機３６が接続されている。
【０００９】
本実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置の動作について以下に説明する。
まず、室外側熱交換器３を放熱器、室内側熱交換器８を蒸発器として用いる冷房運転モードについて説明する。この冷房運転モードでの冷媒流れを、図中実線矢印で示す。
冷房運転モード時の冷媒は、モータ１１で駆動される圧縮機１により高温高圧に圧縮されて吐出され、第１四方弁２を経て、室外側熱交換器３に導入される。室外側熱交換器３では、ＣＯ２冷媒は、超臨界状態であるので、気液二相状態とはならずに、空気や水などの外部流体に放熱する。その後ＣＯ２冷媒は、第１逆止弁３２を経由して第１膨張機３１に導入されて減圧される。この減圧時の第１膨張機３１の動力は発電機３５によって電力に変換される。
第１膨張機３１にて減圧されたＣＯ２冷媒は、室内側熱交換器８に導かれ、室内側熱交換器８にて蒸発して吸熱する。この吸熱によって室内の冷房が行われる。蒸発を終えた冷媒は四方弁２を経由して圧縮機１に吸入される。
【００１０】
次に、室外側熱交換器３を蒸発器、室内側熱交換器８を放熱器として用いる暖房運転モードについて説明する。この暖房運転モードでの冷媒流れを、図中波線矢印で示す。
暖房運転モード時の冷媒は、モータ１１で駆動される圧縮機１により高温高圧に圧縮されて吐出され、第１四方弁２を経て、室内側熱交換器８に導入される。室内側熱交換器８では、ＣＯ２冷媒は、超臨界状態であるので、気液二相状態とはならずに、空気や水などの外部流体に放熱し、この放熱を利用して例えば室内暖房が行われる。その後ＣＯ２冷媒は、第２逆止弁３４を経由して第２膨張機３３に導入されて減圧される。この減圧時の第２膨張機３３の動力は発電機３６によって電力に変換される。
第２膨張機３３にて減圧されたＣＯ２冷媒は、室外側熱交換器３に導かれ、室外側熱交換器３にて蒸発して吸熱し、蒸発を終えた冷媒は四方弁２を経由して圧縮機１に吸入される。
以上のように、本実施例によれば、冷房運転モードでは第１膨張機３１を用い、暖房運転モードでは第２膨張機３３を用いることで、それぞれの運転モードに適した気筒容積の膨張機を利用できるので、冷凍サイクルから、より高い動力回収を行うことができる。
【００１１】
以下、本発明の他の実施例による冷凍サイクル装置を、図面を参照して説明する。
図２は、本実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置の構成図である。
同一機能を有する部材には同一番号を付して説明を省略する。
本実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置では、第１膨張機３１の駆動軸と第２膨張機３３の駆動軸とは、共通の発電機３７が接続されている。
ここで、第１膨張機３１及び第２膨張機３３は、いずれが作用する場合にも発電機３７の回転方向が同一となるように構成し、又はいずれが作用する場合にも発電機３７の回転方向が同一となる機構を設けることが好ましい。
また、第１膨張機３１及び第２膨張機３３と発電機３７には、動作しない側の膨張機が負荷とならないようにクラッチ機構を設けることが好ましい。
このクラッチ機構は、例えば、第１膨張機３１が動作している場合には、第２膨張機３３の駆動軸は発電機３７の軸より切り離し、逆に、第２膨張機３３が動作している場合には、第１膨張機３１の駆動軸は発電機３７の軸より切り離す機構を有するものである。
【００１２】
あるいは、第１膨張機３１と第２膨張機３３には、図３に示すような一方向回転軸受機構を設けることで、作用させない膨張機が回転することにより、負荷となることを防ぐことができる。
図３は、本実施例に用いる一方向回転軸受機構の構成を示す概念図である。
同図（ａ）に示すように、第１膨張機３１の回転部又は第２膨張機３３の回転部と駆動軸４２とは一方向への回転（図示の場合は反時計回り）時にのみ係合する突起を有しており、逆方向への回転（図示の場合は時計回り）時には空回りする構成となっている。すなわち、第１膨張機３１が駆動している場合には、この第１膨張機３１の回転は駆動軸４２に伝達されるが、第２膨張機３３は駆動軸４２から駆動が伝わって回転することはない。また、第２膨張機３３が駆動している場合には、この第２膨張機３３の回転は駆動軸４２に伝達されるが、第１膨張機３１は駆動軸４２から駆動が伝わって回転することはない。
【００１３】
一方、図２に示すように本実施例は、第１膨張機３１と並列に設けたバイパス回路にはバイパス弁３８が設けられ、第２膨張機３３と並列に設けたバイパス回路にはバイパス弁３９が設けられている。
バイパス弁３８は、第１膨張機３１を動作させるときには閉とし第２膨張機３３を動作させるときには開とする。すなわち、第２膨張機３３を動作させるときにバイパス弁３８を開とすることで、第１膨張機３１の内部が負圧になることを防止している。
またバイパス弁３９は第２膨張機３３を動作させるときには閉とし第１膨張機３１を動作させるときには開とする。すなわち、第１膨張機３１を動作させるときにバイパス弁３９を開とすることで、第２膨張機３３の内部が負圧になることを防止している。
なお、バイパス弁３８に代えて、第１膨張機３１の冷媒流れ方向と逆方向にのみ冷媒を流すように逆止弁を設けてもよい。また、バイパス弁３９についても同様に、第２膨張機３３の冷媒流れ方向と逆方向にのみ冷媒を流すように逆止弁を設けてもよい。
【００１４】
以下、本発明の他の実施例による冷凍サイクル装置を、図面を参照して説明する。
図４は、本実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置の構成図である。
同一機能を有する部材には同一番号を付して説明を省略する。
本実施例によるヒートポンプ式空気調和装置では、第２膨張機３３の駆動軸は、圧縮機１のモータ１１の駆動軸と連結されており、圧縮機１は第２膨張機３３で回収した動力を駆動に利用している。
また、第２膨張機３３と並列にバイパス回路を設け、このバイパス回路にはバイパス弁３９が設けられている。バイパス弁３９は第２膨張機３３を動作させるときには閉とし第１膨張機３１を動作させるときには開とする。すなわち、第１膨張機３１を動作させるときにバイパス弁３９を開とすることで、第２膨張機３３の内部が負圧になることを防止している。なお、バイパス弁３９に代えて、第２膨張機３３の冷媒流れ方向と逆方向にのみ冷媒を流すように逆止弁を設けてもよい。
また、第２膨張機３３とモータ１１には、第２膨張機３３を動作させない暖房運転モードの場合には、第２膨張機３３が負荷とならないようにクラッチ機構を設けることが好ましい。
あるいは、第２膨張機３３には、図３に示すような一方向回転軸受機構を設けることで、第２膨張機３３を動作させない暖房運転モードの場合に、第２膨張機３３が回転することによる負荷を防ぐことができる。
【００１５】
なお、本実施例によるヒートポンプ式空気調和装置では、第２膨張機３３の駆動軸を圧縮機１のモータ１１の駆動軸と連結した場合を示したが、第１膨張機３１の駆動軸を圧縮機１のモータ１１の駆動軸と連結し、圧縮機１は第１膨張機３１で回収した動力を駆動に利用してもよい。
【００１６】
以下、本発明の他の実施例による冷凍サイクル装置を、図面を参照して説明する。
図５は、本実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置の構成図である。
同一機能を有する部材には同一番号を付して説明を省略する。
本実施例によるヒートポンプ式空気調和装置では、第１膨張機３１の駆動軸と第２膨張機３３の駆動軸は、ともに圧縮機１のモータ１１の駆動軸と連結されており、圧縮機１は第１膨張機３１又は第２膨張機３３で回収した動力を駆動に利用している。
ここで、第１膨張機３１及び第２膨張機３３は、いずれが作用する場合にもモータ１１の回転方向が同一となるように構成し、又はいずれが作用する場合にもモータ１１の回転方向が同一となる機構を設けることが好ましい。
また、第１膨張機３１及び第２膨張機３３とモータ１１には、動作しない側の膨張機が負荷とならないようにクラッチ機構を設けることが好ましい。
【００１７】
また、第１膨張機３１と並列に設けたバイパス回路にはバイパス弁３８が設けられ、第２膨張機３３と並列に設けたバイパス回路にはバイパス弁３９が設けられている。
バイパス弁３８は、第１膨張機３１を動作させるときには閉とし第２膨張機３３を動作させるときには開とする。すなわち、第２膨張機３３を動作させるときにバイパス弁３８を開とすることで、第１膨張機３１の内部が負圧になることを防止している。
またバイパス弁３９は第２膨張機３３を動作させるときには閉とし第１膨張機３１を動作させるときには開とする。すなわち、第１膨張機３１を動作させるときにバイパス弁３９を開とすることで、第２膨張機３３の内部が負圧になることを防止している。
なお、バイパス弁３８に代えて、第１膨張機３１の冷媒流れ方向と逆方向にのみ冷媒を流すように逆止弁を設けてもよい。また、バイパス弁３９についても同様に、第２膨張機３３の冷媒流れ方向と逆方向にのみ冷媒を流すように逆止弁を設けてもよい。
上述のようなバイパス回路を備え、第１膨張機３１と第２膨張機３３には、図３に示すような一方向回転軸受機構をそれぞれ設けることで、上述の回転方向を同一とする機構とクラッチ機構を両立することができる。
この機構について、図３（ｂ）を用いて説明する。第１膨張機３１、第２膨張機３３とも、回転部と駆動軸４２とは順方向への回転（図示の場合は反時計回り）時にのみ係合する突起を有しており、逆方向への回転（図示の場合は時計回り）時には空回りする構成の一方向回転軸受機構を有している。第１膨張機３１の入出口に生じる高低圧により、第１膨張機３１の回転部が順方向に回転する（図示の場合は反時計回り）場合には、駆動軸４２は一方向回転軸受機構の突起により、順方向に（図示の場合は反時計回り）に回転する。このとき、バイパス回路の働きにより高低圧が生じていない第２膨張機３３は静止しつづけようとし、駆動軸４２は第１膨張機３１により順方向（図示の場合は反時計回り）に回転しようとするが、第２膨張機３３に設けられた一方向回転軸受機構により、これらの動作が妨げられることはない。つまり、第２膨張機３３はクラッチ機構により駆動軸４２から切り離されている状態にある。
逆に、第２膨張機３３の入出口に生じる高低圧により、第２膨張機３３の回転部が順方向に回転する（図示の場合は反時計回り）場合には、駆動軸４２は一方向回転軸受機構の突起により、順方向に（図示の場合は反時計回り）に回転する。このとき、バイパス回路の働きにより高低圧が生じていない第１膨張機３１は静止しつづけようとし、駆動軸４２は第２膨張機３３により順方向（図示の場合は反時計回り）に回転しようとするが、第１膨張機３１に設けられた一方向回転軸受機構により、これらの動作が妨げられることはない。つまり、第２膨張機３３はクラッチ機構により駆動軸４２から切り離されている状態にある。
すなわち、この機構は、第１膨張機３１及び第２膨張機３３のいずれが作用する場合にも駆動軸４２（さらにはモータ１１）の回転方向が同一となるように構成され、かつ、クラッチ機構を有している。
【００１８】
以下、本発明の他の実施例による冷凍サイクル装置を、図面を参照して説明する。
図６は、本実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置の構成図である。
同一機能を有する部材には同一番号を付して説明を省略する。
本実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置では、第１膨張機３１の駆動軸と第２膨張機３３の駆動軸とは、補助圧縮機１０の駆動軸と連結されており、補助圧縮機１０は第１膨張機３１又は第２膨張機３３で回収した動力によって駆動される。
【００１９】
ここで、第１膨張機３１及び第２膨張機３３は、いずれが作用する場合にも補助圧縮機１０の回転方向が同一となるように構成し、又はいずれが作用する場合にも補助圧縮機１０の回転方向が同一となる機構を設けることが好ましい。
また、第１膨張機３１及び第２膨張機３３とモータ１１には、動作しない側の膨張機が負荷とならないようにクラッチ機構を設けることが好ましい。
【００２０】
また、第１膨張機３１と並列に設けたバイパス回路にはバイパス弁３８が設けられ、第２膨張機３３と並列に設けたバイパス回路にはバイパス弁３９が設けられている。
バイパス弁３８は、第１膨張機３１を動作させるときには閉とし第２膨張機３３を動作させるときには開とする。すなわち、第２膨張機３３を動作させるときにバイパス弁３８を開とすることで、第１膨張機３１の内部が負圧になることを防止している。
またバイパス弁３９は第２膨張機３３を動作させるときには閉とし第１膨張機３１を動作させるときには開とする。すなわち、第１膨張機３１を動作させるときにバイパス弁３９を開とすることで、第２膨張機３３の内部が負圧になることを防止している。
なお、バイパス弁３８に代えて、第１膨張機３１の冷媒流れ方向と逆方向にのみ冷媒を流すように逆止弁を設けてもよい。また、バイパス弁３９についても同様に、第２膨張機３３の冷媒流れ方向と逆方向にのみ冷媒を流すように逆止弁を設けてもよい。
上述のようなバイパス回路を備え、第１膨張機３１と第２膨張機３３には、図３に示すような一方向回転軸受機構をそれぞれ設けることで、上述の回転方向を同一とする機構とクラッチ機構を両立することができる。
【００２１】
本実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置の動作について以下に説明する。
まず、室外側熱交換器３を放熱器、室内側熱交換器８を蒸発器として用いる冷房運転モードについて説明する。この冷房運転モードでの冷媒流れを、図中実線矢印で示す。
冷房運転モード時の冷媒は、モータ１１で駆動される圧縮機１により高温高圧に圧縮されて吐出され、四方弁２を経て、室外側熱交換器３に導入される。室外側熱交換器３では、ＣＯ２冷媒は、超臨界状態であるので、気液二相状態とはならずに、空気や水などの外部流体に放熱する。その後ＣＯ２冷媒は、第１逆止弁３２を経て第１膨張機３１に導入されて減圧される。この減圧時に第１膨張機３１で回収した動力は補助圧縮機１０の駆動に用いられる。第１膨張機３１にて減圧されたＣＯ２冷媒は室内側熱交換器８に導かれ、室内側熱交換器８にて蒸発して吸熱する。この吸熱によって室内の冷房が行われる。蒸発を終えた冷媒は、四方弁２を経て補助圧縮機１０に導かれ、補助圧縮機１０によって過給（チャージャ）され圧縮機１に吸入される。
【００２２】
次に、室外側熱交換器３を蒸発器、室内側熱交換器８を放熱器として用いる暖房運転モードについて説明する。この暖房運転モードでの冷媒流れを、図中波線矢印で示す。
暖房運転モード時の冷媒は、モータ１１で駆動される圧縮機１により高温高圧に圧縮されて吐出され、四方弁２を経て、室内側熱交換器８に導入される。室内側熱交換器８では、ＣＯ２冷媒は、超臨界状態であるので、気液二相状態とはならずに、空気や水などの外部流体に放熱し、この放熱を利用して例えば室内暖房が行われる。その後ＣＯ２冷媒は、第２逆止弁３４を経て第２膨張機３３に導入されて減圧される。この減圧時に第２膨張機３３で回収した動力は補助圧縮機１０の駆動に用いられる。第２膨張機３３にて減圧されたＣＯ２冷媒は、室外側熱交換器３に導かれ、室外側熱交換器３にて蒸発して吸熱し、蒸発を終えた冷媒は四方弁２を経由して補助圧縮機１０に導かれ、補助圧縮機１０によって過給（チャージャ）され圧縮機１に吸入される。
なお、本実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置では、第１膨張機３１の駆動軸と第２膨張機３３の駆動軸とをともに補助圧縮機１０の駆動軸と連結した場合を示したが、第１膨張機３１の駆動軸だけを補助圧縮機１０の駆動軸と連結する場合や、第２膨張機３３の駆動軸だけを補助圧縮機１０の駆動軸と連結する場合であってもよい。
【００２３】
以下、本発明の他の実施例による冷凍サイクル装置を、図面を参照して説明する。
図７は、本実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置の構成図である。
本実施例では、補助圧縮機１０を圧縮機１の吐出側に配置した他は図６で説明した実施例と同様であるので説明を省略する。
本実施例によれば、モータ１１で駆動される圧縮機１により高温高圧に圧縮されて吐出された冷媒は、補助圧縮機１０に導かれ、補助圧縮機１０によって更に過圧（エクスプレッサ）される。
なお、本実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置においても、第１膨張機３１の駆動軸だけを補助圧縮機１０の駆動軸と連結する場合や、第２膨張機３３の駆動軸だけを補助圧縮機１０の駆動軸と連結する場合であってもよい。
【００２４】
以下、本発明の他の実施例による冷凍サイクル装置を、図面を参照して説明する。
図８は、本実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置の構成図である。
同一機能を有する部材には同一番号を付して説明を省略する。
この冷媒回路には、圧縮機１の吐出側配管と吸入側配管とが接続される第１四方弁２と、補助圧縮機１０の吐出側配管と吸入側配管とが接続される第２四方弁９とを備えている。室外側熱交換器３を放熱器、室内側熱交換器８を蒸発器とする冷媒流れの場合には、第１四方弁２と第２四方弁９とを切り替えることによって補助圧縮機１０の吐出側が圧縮機１の吸入側となるように構成されている。また、室外側熱交換器３を蒸発器、室内側熱交換器８を放熱器とする冷媒流れの場合には、第１四方弁２と第２四方弁９とを切り替えることによって圧縮機１の吐出側が補助圧縮機１０の吸入側となるように構成されている。
【００２５】
本実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置の動作について以下に説明する。
まず、室外側熱交換器３を放熱器、室内側熱交換器８を蒸発器として用いる冷房運転モードについて説明する。この冷房運転モードでの冷媒流れを、図中実線矢印で示す。
冷房運転モード時の冷媒は、モータ１１で駆動される圧縮機１により高温高圧に圧縮されて吐出され、第１四方弁２を経て、室外側熱交換器３に導入される。室外側熱交換器３では、ＣＯ２冷媒は、超臨界状態であるので、気液二相状態とはならずに、空気や水などの外部流体に放熱する。その後ＣＯ２冷媒は、第１逆止弁３２を経て第１膨張機３１に導入されて減圧される。この減圧時に第１膨張機３１で回収した動力は補助圧縮機１０の駆動に用いられる。第１膨張機３１にて減圧されたＣＯ２冷媒は室内側熱交換器８に導かれ、室内側熱交換器８にて蒸発して吸熱する。この吸熱によって室内の冷房が行われる。蒸発を終えた冷媒は、第２四方弁９を経て補助圧縮機１０に導かれ、補助圧縮機１０によって過給（チャージャ）され圧縮機１に吸入される。
【００２６】
次に、室外側熱交換器３を蒸発器、室内側熱交換器８を放熱器として用いる暖房運転モードについて説明する。この暖房運転モードでの冷媒流れを、図中波線矢印で示す。
暖房運転モード時の冷媒は、モータ１１で駆動される圧縮機１により高温高圧に圧縮されて吐出され、第１四方弁２及び第２四方弁９を経て、補助圧縮機１０に導かれ、補助圧縮機１０によって更に過圧（エクスプレッサ）される。補助圧縮機１０によって過圧された冷媒は、第２四方弁９を経て室内側熱交換器８に導入される。室内側熱交換器８では、ＣＯ２冷媒は、超臨界状態であるので、気液二相状態とはならずに、空気や水などの外部流体に放熱し、この放熱を利用して例えば室内暖房が行われる。その後ＣＯ２冷媒は、第２逆止弁３４を経て第２膨張機３３に導入されて減圧される。この減圧時に第２膨張機３３で回収した動力は補助圧縮機１０の駆動に用いられる。第２膨張機３３にて減圧されたＣＯ２冷媒は、室外側熱交換器３に導かれ、室外側熱交換器３にて蒸発して吸熱し、蒸発を終えた冷媒は第１四方弁２を経由して圧縮機１に吸入される。
本実施例によれば、冷媒を圧縮する圧縮機１と、動力回収する膨張機６及び補助圧縮機１０とを分離して設置し、冷房運転モード時に補助圧縮機１０により過給（チャージャ）を行い、暖房運転モード時に過圧（エクスプレッサ）を行うように冷凍サイクルを切り替える構成によって、膨張機６を冷房に適したチャージャタイプの膨張機として動作させることができ、また暖房に適したエクスプレッサタイプの膨張機としても動作させることができる。
なお、本実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置では、第１膨張機３１の駆動軸と第２膨張機３３の駆動軸とをともに補助圧縮機１０の駆動軸と連結した場合を示したが、第１膨張機３１の駆動軸だけを補助圧縮機１０の駆動軸と連結する場合や、第２膨張機３３の駆動軸だけを補助圧縮機１０の駆動軸と連結する場合であってもよい。
【００２７】
上記それぞれの実施例では、ヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置を用いて説明したが、室外側熱交換器３を第１の熱交換器、室内側熱交換器８を第２の熱交換器とし、これら第１の熱交換器や第２の熱交換器を、温冷水器や蓄冷熱器などに利用したその他の冷凍サイクル装置であってもよい。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、第１の冷媒流れの運転モードと第２の冷媒流れの運転モードに応じて別々の膨張機を用いることで、それぞれの運転モードに適した膨張機とすることができるとともに、膨張機に流入させる冷媒流れの方向を制御する必要がなく、密度比一定の制約を最大限回避し、幅広い運転範囲の中で高い動力回収効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置の構成図
【図２】本発明の他の実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置の構成図
【図３】同実施例に用いる一方向回転軸受機構の構成を示す概念図
【図４】本発明の他の実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置の構成図
【図５】本発明の他の実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置の構成図
【図６】本発明の他の実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置の構成図
【図７】本発明の他の実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置の構成図
【図８】本発明の他の実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置の構成図
【符号の説明】
１ 圧縮機
２ 第１四方弁
３ 室外側熱交換器
８ 室内側熱交換器
９ 第３四方弁
１０ 補助圧縮機
１１ モータ
３１ 第１膨張機
３３ 第２膨張機
３５ 発電機
３６ 発電機
３７ 発電機
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷媒として二酸化炭素を用い、圧縮機と室外側熱交換器と膨張機と室内側熱交換器とを備えた冷凍サイクル装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
冷凍サイクル装置を循環する冷媒の質量循環量は、冷凍サイクルのどのポイントにおいても等しく、圧縮機を通る冷媒の吸入密度をＤＣ、膨張機を通る冷媒の吸入密度をＤＥとすると、ＤＥ／ＤＣ（密度比）は常に一定で運転される。
一方、オゾン破壊係数がゼロでありかつ地球温暖化係数もフロン類に比べれば格段に小さい、二酸化炭素（以下、ＣＯ２という）を冷媒として用いる冷凍サイクル装置が近年着目されているが、ＣＯ２冷媒は、臨界温度が３１．０６℃と低く、この温度よりも高い温度を利用する場合には、冷凍サイクル装置の高圧側（圧縮機出口〜放熱器〜減圧器入口）ではＣＯ２冷媒の凝縮が生じない超臨界状態となり、従来の冷媒に比べて、冷凍サイクル装置の運転効率が低下するといった特徴を有する。従って、ＣＯ２冷媒を用いた冷凍サイクル装置にあっては、最適なＣＯＰを維持することが重要であり、冷媒温度が変化すると、この冷媒温度に最適な冷媒圧力とすることが必要である。
しかし、冷凍サイクル装置に膨張機を設け、この膨張機で回収した動力を圧縮機の駆動力の一部に利用する場合には、膨張機と圧縮機との回転数を同じにしなければならず、密度比一定の制約のもとでは、運転条件が変化した場合の最適なＣＯＰを維持することは困難である。
そこで、膨張機をバイパスするバイパス管を設けて、膨張機に流入する冷媒量を制御することで、最適なＣＯＰを維持する構成が提案されている（例えば特許文献１及び特許文献２参照）。
一方、冷媒の流れ方向が切り替わる冷凍サイクル装置において、膨張機と圧縮機の回転方向が常に同一となるように、冷媒流れ方向制御手段を設けた構成が提案されている（例えば特許文献３参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−２３４８１４号公報（段落番号（００２４）（００２５）図１）
【特許文献２】
特開２００１−１１６３７１号公報（段落番号（００２３）図１）
【特許文献３】
特開２００１−６６００６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、膨張機に流入する体積流量が設計上の最適な流量との差が大きくなるにしたがって、バイパスを通過させる冷媒量が大きくなり、その結果回収できるはずの動力が十分に回収できなくなるという問題を有している。
特に、冷媒の流れ方向が異なる冷凍サイクル装置にあっては、例えば冷房運転モードと暖房運転モードでは、それぞれの運転モードによって密度比が異なる。
【０００５】
そこで本発明は、冷媒の流れ方向に応じた膨張機を用いることで、密度比一定の制約を最大限回避し、幅広い運転範囲の中で高い動力回収効果を得ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明の冷凍サイクル装置は、冷媒として二酸化炭素を用い、圧縮機と室外側熱交換器と膨張機と室内側熱交換器とを備え、四方弁の切り替えによって、前記室外側熱交換器を放熱器とし前記室内側熱交換器を蒸発器とする第１の冷媒流れと、前記室外側熱交換器を蒸発器とし前記室内側熱交換器を放熱器とする第２の冷媒流れを有する冷凍サイクル装置であって、前記膨張機として第１膨張機と第２膨張機を有し、前記第１の冷媒流れでは前記第１膨張機を用い、前記第２の冷媒流れでは前記第２膨張機を用いることを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載の冷凍サイクル装置において、前記第１膨張機の気筒容積と前記第２膨張機の気筒容積とを異ならせたことを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項１に記載の冷凍サイクル装置において、前記第１膨張機の気筒容積を、前記第２膨張機の気筒容積よりも大きくしたことを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項１に記載の冷凍サイクル装置において、前記第１膨張機と前記第２膨張機とを並列に設け、前記第１膨張機の流入側と前記第２膨張機の流入側にそれぞれ逆止弁を設けたことを特徴とする。
請求項５記載の本発明は、請求項１に記載の冷凍サイクル装置において、前記第１膨張機と前記第２膨張機にそれぞれ発電機を設けたことを特徴とする。
請求項６記載の本発明の冷凍サイクル装置は、前記第１膨張機に接続する発電機を前記第２膨張機に接続する発電機とし、前記発電機を前記第１膨張機及び前記第２膨張機のいずれか一方と接続するクラッチ機構を備えたことを特徴とする。
請求項７記載の本発明は、請求項１に記載の冷凍サイクル装置において、前記第１膨張機をバイパスするバイパス回路と、前記第２膨張機をバイパスするバイパス回路とを設け、前記バイパス回路にそれぞれ開閉弁を設けたことを特徴とする。
請求項８記載の本発明は、請求項１に記載の冷凍サイクル装置において、前記膨張機で回収した動力を前記圧縮機の駆動に用いることを特徴とする。
請求項９記載の本発明は、請求項１に記載の冷凍サイクル装置において、前記圧縮機の吸入側又は前記圧縮機の吐出側に補助圧縮機を備え、前記膨張機で回収した動力によって前記補助圧縮機を駆動することを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明による第１の実施の形態は、膨張機として第１膨張機と第２膨張機を有し、室外側熱交換器を放熱器、室内側熱交換器を蒸発器とする第１の冷媒流れでは第１膨張機を用い、室外側熱交換器を蒸発器、室内側熱交換器を放熱器とする第２の冷媒流れでは第２膨張機を用いるものである。
本実施の形態によれば、第１の冷媒流れの運転モードと第２の冷媒流れの運転モードに応じて別々の膨張機を用いることで、それぞれの運転モードに適した膨張機とすることができるとともに、膨張機に流入させる冷媒流れの方向を制御する必要がない。
本発明による第２の実施の形態は、第１の実施の形態において、第１膨張機の気筒容積と第２膨張機の気筒容積とを異ならせたものである。このように、それぞれの運転モードで最適となる気筒容積とすることができる。
本発明による第３の実施の形態は、第１の実施の形態において、第１膨張機の気筒容積を、第２膨張機の気筒容積よりも大きくしたことで、空気調和装置での冷房運転モードと暖房運転モードに適した膨張機とすることができる。
本発明による第４の実施の形態は、第１の実施の形態において、第１膨張機と第２膨張機とを並列に設け、第１膨張機の流入側と第２膨張機の流入側にそれぞれ逆止弁を設けたものであり、切り替えのための制御機構を必要とせずに冷媒流れを切り替えることができる。
本発明による第５の実施の形態は、第１の実施の形態において、第１膨張機と第２膨張機にそれぞれ発電機を設けたものであり、それぞれの発電機によって膨張動力を電力に変換して回収することができる。
本発明による第６の実施の形態は、第１の実施の形態において、第１膨張機に接続する発電機を第２膨張機に接続する発電機とし、発電機は第１膨張機及び第２膨張機のいずれか一方と接続するクラッチ機構を備えたものであり、一つの発電機によって、第１膨張機及び第２膨張機の膨張動力を電力に変換して回収することができる。
本発明による第７の実施の形態は、第１の実施の形態において、第１膨張機をバイパスするバイパス回路と、第２膨張機をバイパスするバイパス回路とを設け、バイパス回路に開閉弁を設けたものであり、動作させない膨張機側のバイパス回路を開くことでこの膨張機で負圧が生じないようにすることができる。
本発明による第８の実施の形態は、第１の実施の形態において、膨張機で回収した動力を圧縮機の駆動に用いるものである。
本発明による第９の実施の形態は、圧縮機の吸入側又は圧縮機の吐出側に補助圧縮機を備え、膨張機で回収した動力によって補助圧縮機を駆動するものであり、膨張機で回収した動力を、補助圧縮機を駆動する動力として用いることができる。
【０００８】
【実施例】
以下、本発明の一実施例による冷凍サイクル装置を、ヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置について、図面を参照して説明する。
図１は、本実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置の構成図である。
図に示すように、本実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置は、冷媒としてＣＯ２冷媒を使用し、モータ１１を有する圧縮機１と、室外側熱交換器３と、膨張機と、室内側熱交換器８とを配管で接続した冷媒回路から構成される。
ここで、膨張機は、第１膨張機３１と第２膨張機３３とから構成され、第１膨張機３１と第２膨張機３３とは並列に接続されている。また、第１膨張機３１の流入側には第１逆止弁３２が設けられ、第２膨張機３３の流入側には第２逆止弁３４が設けられている。そして、第１逆止弁３２は第１膨張機３１の流入側だけに冷媒が流れ込み、逆方向に冷媒が流れない向きに設けられ、第２逆止弁３４は第２膨張機３３の流入側だけに冷媒が流れ込み、逆方向に冷媒が流れない向きに設けられている。
なお、第１膨張機３１の気筒容積と第２膨張機３３の気筒容積とは、それぞれの運転モードで最適となる気筒容積としているため、それぞれの気筒容積は異なっている。本実施例のように、冷房運転モードと暖房運転モードとを有するヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置の場合には、第１膨張機３１の気筒容積を、第２膨張機３３の気筒容積よりも大きく構成している。また、第１膨張機３１の気筒容積と第２膨張機３３は、気筒容積以外にも、スクロール式膨張機にあっては渦巻きの巻き数や形状を、ベーンロータリー式膨張機にあってはベーンの数を、それぞれの運転モードで最適となるように異なるようにしてもよい。
本実施例では、圧縮機１をＣ、第１膨張機３１をＥ１、第２膨張機３３をＥ２とすると、第１膨張機３１の気筒容積は、（Ｃの気筒容積ＸＣの回転数）／（Ｅ１の気筒容積ＸＥ１の回転数）＝３〜５、第２膨張機３３の気筒容積は、（Ｃの気筒容積ＸＣの回転数）／（Ｅ２の気筒容積ＸＥ２の回転数）＝５〜７となるように設計するのが最適である。
そしてこの冷媒回路には、圧縮機１の吐出側配管と吸入側配管とが接続される第１四方弁２を備えている。
また、第１膨張機３１の駆動軸には発電機３５が接続され、第２膨張機３３の駆動軸には発電機３６が接続されている。
【０００９】
本実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置の動作について以下に説明する。
まず、室外側熱交換器３を放熱器、室内側熱交換器８を蒸発器として用いる冷房運転モードについて説明する。この冷房運転モードでの冷媒流れを、図中実線矢印で示す。
冷房運転モード時の冷媒は、モータ１１で駆動される圧縮機１により高温高圧に圧縮されて吐出され、第１四方弁２を経て、室外側熱交換器３に導入される。室外側熱交換器３では、ＣＯ２冷媒は、超臨界状態であるので、気液二相状態とはならずに、空気や水などの外部流体に放熱する。その後ＣＯ２冷媒は、第１逆止弁３２を経由して第１膨張機３１に導入されて減圧される。この減圧時の第１膨張機３１の動力は発電機３５によって電力に変換される。
第１膨張機３１にて減圧されたＣＯ２冷媒は、室内側熱交換器８に導かれ、室内側熱交換器８にて蒸発して吸熱する。この吸熱によって室内の冷房が行われる。蒸発を終えた冷媒は四方弁２を経由して圧縮機１に吸入される。
【００１０】
次に、室外側熱交換器３を蒸発器、室内側熱交換器８を放熱器として用いる暖房運転モードについて説明する。この暖房運転モードでの冷媒流れを、図中波線矢印で示す。
暖房運転モード時の冷媒は、モータ１１で駆動される圧縮機１により高温高圧に圧縮されて吐出され、第１四方弁２を経て、室内側熱交換器８に導入される。室内側熱交換器８では、ＣＯ２冷媒は、超臨界状態であるので、気液二相状態とはならずに、空気や水などの外部流体に放熱し、この放熱を利用して例えば室内暖房が行われる。その後ＣＯ２冷媒は、第２逆止弁３４を経由して第２膨張機３３に導入されて減圧される。この減圧時の第２膨張機３３の動力は発電機３６によって電力に変換される。
第２膨張機３３にて減圧されたＣＯ２冷媒は、室外側熱交換器３に導かれ、室外側熱交換器３にて蒸発して吸熱し、蒸発を終えた冷媒は四方弁２を経由して圧縮機１に吸入される。
以上のように、本実施例によれば、冷房運転モードでは第１膨張機３１を用い、暖房運転モードでは第２膨張機３３を用いることで、それぞれの運転モードに適した気筒容積の膨張機を利用できるので、冷凍サイクルから、より高い動力回収を行うことができる。
【００１１】
以下、本発明の他の実施例による冷凍サイクル装置を、図面を参照して説明する。
図２は、本実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置の構成図である。
同一機能を有する部材には同一番号を付して説明を省略する。
本実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置では、第１膨張機３１の駆動軸と第２膨張機３３の駆動軸とは、共通の発電機３７が接続されている。
ここで、第１膨張機３１及び第２膨張機３３は、いずれが作用する場合にも発電機３７の回転方向が同一となるように構成し、又はいずれが作用する場合にも発電機３７の回転方向が同一となる機構を設けることが好ましい。
また、第１膨張機３１及び第２膨張機３３と発電機３７には、動作しない側の膨張機が負荷とならないようにクラッチ機構を設けることが好ましい。
このクラッチ機構は、例えば、第１膨張機３１が動作している場合には、第２膨張機３３の駆動軸は発電機３７の軸より切り離し、逆に、第２膨張機３３が動作している場合には、第１膨張機３１の駆動軸は発電機３７の軸より切り離す機構を有するものである。
【００１２】
あるいは、第１膨張機３１と第２膨張機３３には、図３に示すような一方向回転軸受機構を設けることで、作用させない膨張機が回転することにより、負荷となることを防ぐことができる。
図３は、本実施例に用いる一方向回転軸受機構の構成を示す概念図である。
同図（ａ）に示すように、第１膨張機３１の回転部又は第２膨張機３３の回転部と駆動軸４２とは一方向への回転（図示の場合は反時計回り）時にのみ係合する突起を有しており、逆方向への回転（図示の場合は時計回り）時には空回りする構成となっている。すなわち、第１膨張機３１が駆動している場合には、この第１膨張機３１の回転は駆動軸４２に伝達されるが、第２膨張機３３は駆動軸４２から駆動が伝わって回転することはない。また、第２膨張機３３が駆動している場合には、この第２膨張機３３の回転は駆動軸４２に伝達されるが、第１膨張機３１は駆動軸４２から駆動が伝わって回転することはない。
【００１３】
一方、図２に示すように本実施例は、第１膨張機３１と並列に設けたバイパス回路にはバイパス弁３８が設けられ、第２膨張機３３と並列に設けたバイパス回路にはバイパス弁３９が設けられている。
バイパス弁３８は、第１膨張機３１を動作させるときには閉とし第２膨張機３３を動作させるときには開とする。すなわち、第２膨張機３３を動作させるときにバイパス弁３８を開とすることで、第１膨張機３１の内部が負圧になることを防止している。
またバイパス弁３９は第２膨張機３３を動作させるときには閉とし第１膨張機３１を動作させるときには開とする。すなわち、第１膨張機３１を動作させるときにバイパス弁３９を開とすることで、第２膨張機３３の内部が負圧になることを防止している。
なお、バイパス弁３８に代えて、第１膨張機３１の冷媒流れ方向と逆方向にのみ冷媒を流すように逆止弁を設けてもよい。また、バイパス弁３９についても同様に、第２膨張機３３の冷媒流れ方向と逆方向にのみ冷媒を流すように逆止弁を設けてもよい。
【００１４】
以下、本発明の他の実施例による冷凍サイクル装置を、図面を参照して説明する。
図４は、本実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置の構成図である。
同一機能を有する部材には同一番号を付して説明を省略する。
本実施例によるヒートポンプ式空気調和装置では、第２膨張機３３の駆動軸は、圧縮機１のモータ１１の駆動軸と連結されており、圧縮機１は第２膨張機３３で回収した動力を駆動に利用している。
また、第２膨張機３３と並列にバイパス回路を設け、このバイパス回路にはバイパス弁３９が設けられている。バイパス弁３９は第２膨張機３３を動作させるときには閉とし第１膨張機３１を動作させるときには開とする。すなわち、第１膨張機３１を動作させるときにバイパス弁３９を開とすることで、第２膨張機３３の内部が負圧になることを防止している。なお、バイパス弁３９に代えて、第２膨張機３３の冷媒流れ方向と逆方向にのみ冷媒を流すように逆止弁を設けてもよい。
また、第２膨張機３３とモータ１１には、第２膨張機３３を動作させない暖房運転モードの場合には、第２膨張機３３が負荷とならないようにクラッチ機構を設けることが好ましい。
あるいは、第２膨張機３３には、図３に示すような一方向回転軸受機構を設けることで、第２膨張機３３を動作させない暖房運転モードの場合に、第２膨張機３３が回転することによる負荷を防ぐことができる。
【００１５】
なお、本実施例によるヒートポンプ式空気調和装置では、第２膨張機３３の駆動軸を圧縮機１のモータ１１の駆動軸と連結した場合を示したが、第１膨張機３１の駆動軸を圧縮機１のモータ１１の駆動軸と連結し、圧縮機１は第１膨張機３１で回収した動力を駆動に利用してもよい。
【００１６】
以下、本発明の他の実施例による冷凍サイクル装置を、図面を参照して説明する。
図５は、本実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置の構成図である。
同一機能を有する部材には同一番号を付して説明を省略する。
本実施例によるヒートポンプ式空気調和装置では、第１膨張機３１の駆動軸と第２膨張機３３の駆動軸は、ともに圧縮機１のモータ１１の駆動軸と連結されており、圧縮機１は第１膨張機３１又は第２膨張機３３で回収した動力を駆動に利用している。
ここで、第１膨張機３１及び第２膨張機３３は、いずれが作用する場合にもモータ１１の回転方向が同一となるように構成し、又はいずれが作用する場合にもモータ１１の回転方向が同一となる機構を設けることが好ましい。
また、第１膨張機３１及び第２膨張機３３とモータ１１には、動作しない側の膨張機が負荷とならないようにクラッチ機構を設けることが好ましい。
【００１７】
また、第１膨張機３１と並列に設けたバイパス回路にはバイパス弁３８が設けられ、第２膨張機３３と並列に設けたバイパス回路にはバイパス弁３９が設けられている。
バイパス弁３８は、第１膨張機３１を動作させるときには閉とし第２膨張機３３を動作させるときには開とする。すなわち、第２膨張機３３を動作させるときにバイパス弁３８を開とすることで、第１膨張機３１の内部が負圧になることを防止している。
またバイパス弁３９は第２膨張機３３を動作させるときには閉とし第１膨張機３１を動作させるときには開とする。すなわち、第１膨張機３１を動作させるときにバイパス弁３９を開とすることで、第２膨張機３３の内部が負圧になることを防止している。
なお、バイパス弁３８に代えて、第１膨張機３１の冷媒流れ方向と逆方向にのみ冷媒を流すように逆止弁を設けてもよい。また、バイパス弁３９についても同様に、第２膨張機３３の冷媒流れ方向と逆方向にのみ冷媒を流すように逆止弁を設けてもよい。
上述のようなバイパス回路を備え、第１膨張機３１と第２膨張機３３には、図３に示すような一方向回転軸受機構をそれぞれ設けることで、上述の回転方向を同一とする機構とクラッチ機構を両立することができる。
この機構について、図３（ｂ）を用いて説明する。第１膨張機３１、第２膨張機３３とも、回転部と駆動軸４２とは順方向への回転（図示の場合は反時計回り）時にのみ係合する突起を有しており、逆方向への回転（図示の場合は時計回り）時には空回りする構成の一方向回転軸受機構を有している。第１膨張機３１の入出口に生じる高低圧により、第１膨張機３１の回転部が順方向に回転する（図示の場合は反時計回り）場合には、駆動軸４２は一方向回転軸受機構の突起により、順方向に（図示の場合は反時計回り）に回転する。このとき、バイパス回路の働きにより高低圧が生じていない第２膨張機３３は静止しつづけようとし、駆動軸４２は第１膨張機３１により順方向（図示の場合は反時計回り）に回転しようとするが、第２膨張機３３に設けられた一方向回転軸受機構により、これらの動作が妨げられることはない。つまり、第２膨張機３３はクラッチ機構により駆動軸４２から切り離されている状態にある。
逆に、第２膨張機３３の入出口に生じる高低圧により、第２膨張機３３の回転部が順方向に回転する（図示の場合は反時計回り）場合には、駆動軸４２は一方向回転軸受機構の突起により、順方向に（図示の場合は反時計回り）に回転する。このとき、バイパス回路の働きにより高低圧が生じていない第１膨張機３１は静止しつづけようとし、駆動軸４２は第２膨張機３３により順方向（図示の場合は反時計回り）に回転しようとするが、第１膨張機３１に設けられた一方向回転軸受機構により、これらの動作が妨げられることはない。つまり、第２膨張機３３はクラッチ機構により駆動軸４２から切り離されている状態にある。
すなわち、この機構は、第１膨張機３１及び第２膨張機３３のいずれが作用する場合にも駆動軸４２（さらにはモータ１１）の回転方向が同一となるように構成され、かつ、クラッチ機構を有している。
【００１８】
以下、本発明の他の実施例による冷凍サイクル装置を、図面を参照して説明する。
図６は、本実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置の構成図である。
同一機能を有する部材には同一番号を付して説明を省略する。
本実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置では、第１膨張機３１の駆動軸と第２膨張機３３の駆動軸とは、補助圧縮機１０の駆動軸と連結されており、補助圧縮機１０は第１膨張機３１又は第２膨張機３３で回収した動力によって駆動される。
【００１９】
ここで、第１膨張機３１及び第２膨張機３３は、いずれが作用する場合にも補助圧縮機１０の回転方向が同一となるように構成し、又はいずれが作用する場合にも補助圧縮機１０の回転方向が同一となる機構を設けることが好ましい。
また、第１膨張機３１及び第２膨張機３３とモータ１１には、動作しない側の膨張機が負荷とならないようにクラッチ機構を設けることが好ましい。
【００２０】
また、第１膨張機３１と並列に設けたバイパス回路にはバイパス弁３８が設けられ、第２膨張機３３と並列に設けたバイパス回路にはバイパス弁３９が設けられている。
バイパス弁３８は、第１膨張機３１を動作させるときには閉とし第２膨張機３３を動作させるときには開とする。すなわち、第２膨張機３３を動作させるときにバイパス弁３８を開とすることで、第１膨張機３１の内部が負圧になることを防止している。
またバイパス弁３９は第２膨張機３３を動作させるときには閉とし第１膨張機３１を動作させるときには開とする。すなわち、第１膨張機３１を動作させるときにバイパス弁３９を開とすることで、第２膨張機３３の内部が負圧になることを防止している。
なお、バイパス弁３８に代えて、第１膨張機３１の冷媒流れ方向と逆方向にのみ冷媒を流すように逆止弁を設けてもよい。また、バイパス弁３９についても同様に、第２膨張機３３の冷媒流れ方向と逆方向にのみ冷媒を流すように逆止弁を設けてもよい。
上述のようなバイパス回路を備え、第１膨張機３１と第２膨張機３３には、図３に示すような一方向回転軸受機構をそれぞれ設けることで、上述の回転方向を同一とする機構とクラッチ機構を両立することができる。
【００２１】
本実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置の動作について以下に説明する。
まず、室外側熱交換器３を放熱器、室内側熱交換器８を蒸発器として用いる冷房運転モードについて説明する。この冷房運転モードでの冷媒流れを、図中実線矢印で示す。
冷房運転モード時の冷媒は、モータ１１で駆動される圧縮機１により高温高圧に圧縮されて吐出され、四方弁２を経て、室外側熱交換器３に導入される。室外側熱交換器３では、ＣＯ２冷媒は、超臨界状態であるので、気液二相状態とはならずに、空気や水などの外部流体に放熱する。その後ＣＯ２冷媒は、第１逆止弁３２を経て第１膨張機３１に導入されて減圧される。この減圧時に第１膨張機３１で回収した動力は補助圧縮機１０の駆動に用いられる。第１膨張機３１にて減圧されたＣＯ２冷媒は室内側熱交換器８に導かれ、室内側熱交換器８にて蒸発して吸熱する。この吸熱によって室内の冷房が行われる。蒸発を終えた冷媒は、四方弁２を経て補助圧縮機１０に導かれ、補助圧縮機１０によって過給（チャージャ）され圧縮機１に吸入される。
【００２２】
次に、室外側熱交換器３を蒸発器、室内側熱交換器８を放熱器として用いる暖房運転モードについて説明する。この暖房運転モードでの冷媒流れを、図中波線矢印で示す。
暖房運転モード時の冷媒は、モータ１１で駆動される圧縮機１により高温高圧に圧縮されて吐出され、四方弁２を経て、室内側熱交換器８に導入される。室内側熱交換器８では、ＣＯ２冷媒は、超臨界状態であるので、気液二相状態とはならずに、空気や水などの外部流体に放熱し、この放熱を利用して例えば室内暖房が行われる。その後ＣＯ２冷媒は、第２逆止弁３４を経て第２膨張機３３に導入されて減圧される。この減圧時に第２膨張機３３で回収した動力は補助圧縮機１０の駆動に用いられる。第２膨張機３３にて減圧されたＣＯ２冷媒は、室外側熱交換器３に導かれ、室外側熱交換器３にて蒸発して吸熱し、蒸発を終えた冷媒は四方弁２を経由して補助圧縮機１０に導かれ、補助圧縮機１０によって過給（チャージャ）され圧縮機１に吸入される。
なお、本実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置では、第１膨張機３１の駆動軸と第２膨張機３３の駆動軸とをともに補助圧縮機１０の駆動軸と連結した場合を示したが、第１膨張機３１の駆動軸だけを補助圧縮機１０の駆動軸と連結する場合や、第２膨張機３３の駆動軸だけを補助圧縮機１０の駆動軸と連結する場合であってもよい。
【００２３】
以下、本発明の他の実施例による冷凍サイクル装置を、図面を参照して説明する。
図７は、本実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置の構成図である。
本実施例では、補助圧縮機１０を圧縮機１の吐出側に配置した他は図６で説明した実施例と同様であるので説明を省略する。
本実施例によれば、モータ１１で駆動される圧縮機１により高温高圧に圧縮されて吐出された冷媒は、補助圧縮機１０に導かれ、補助圧縮機１０によって更に過圧（エクスプレッサ）される。
なお、本実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置においても、第１膨張機３１の駆動軸だけを補助圧縮機１０の駆動軸と連結する場合や、第２膨張機３３の駆動軸だけを補助圧縮機１０の駆動軸と連結する場合であってもよい。
【００２４】
以下、本発明の他の実施例による冷凍サイクル装置を、図面を参照して説明する。
図８は、本実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置の構成図である。
同一機能を有する部材には同一番号を付して説明を省略する。
この冷媒回路には、圧縮機１の吐出側配管と吸入側配管とが接続される第１四方弁２と、補助圧縮機１０の吐出側配管と吸入側配管とが接続される第２四方弁９とを備えている。室外側熱交換器３を放熱器、室内側熱交換器８を蒸発器とする冷媒流れの場合には、第１四方弁２と第２四方弁９とを切り替えることによって補助圧縮機１０の吐出側が圧縮機１の吸入側となるように構成されている。また、室外側熱交換器３を蒸発器、室内側熱交換器８を放熱器とする冷媒流れの場合には、第１四方弁２と第２四方弁９とを切り替えることによって圧縮機１の吐出側が補助圧縮機１０の吸入側となるように構成されている。
【００２５】
本実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置の動作について以下に説明する。
まず、室外側熱交換器３を放熱器、室内側熱交換器８を蒸発器として用いる冷房運転モードについて説明する。この冷房運転モードでの冷媒流れを、図中実線矢印で示す。
冷房運転モード時の冷媒は、モータ１１で駆動される圧縮機１により高温高圧に圧縮されて吐出され、第１四方弁２を経て、室外側熱交換器３に導入される。室外側熱交換器３では、ＣＯ２冷媒は、超臨界状態であるので、気液二相状態とはならずに、空気や水などの外部流体に放熱する。その後ＣＯ２冷媒は、第１逆止弁３２を経て第１膨張機３１に導入されて減圧される。この減圧時に第１膨張機３１で回収した動力は補助圧縮機１０の駆動に用いられる。第１膨張機３１にて減圧されたＣＯ２冷媒は室内側熱交換器８に導かれ、室内側熱交換器８にて蒸発して吸熱する。この吸熱によって室内の冷房が行われる。蒸発を終えた冷媒は、第２四方弁９を経て補助圧縮機１０に導かれ、補助圧縮機１０によって過給（チャージャ）され圧縮機１に吸入される。
【００２６】
次に、室外側熱交換器３を蒸発器、室内側熱交換器８を放熱器として用いる暖房運転モードについて説明する。この暖房運転モードでの冷媒流れを、図中波線矢印で示す。
暖房運転モード時の冷媒は、モータ１１で駆動される圧縮機１により高温高圧に圧縮されて吐出され、第１四方弁２及び第２四方弁９を経て、補助圧縮機１０に導かれ、補助圧縮機１０によって更に過圧（エクスプレッサ）される。補助圧縮機１０によって過圧された冷媒は、第２四方弁９を経て室内側熱交換器８に導入される。室内側熱交換器８では、ＣＯ２冷媒は、超臨界状態であるので、気液二相状態とはならずに、空気や水などの外部流体に放熱し、この放熱を利用して例えば室内暖房が行われる。その後ＣＯ２冷媒は、第２逆止弁３４を経て第２膨張機３３に導入されて減圧される。この減圧時に第２膨張機３３で回収した動力は補助圧縮機１０の駆動に用いられる。第２膨張機３３にて減圧されたＣＯ２冷媒は、室外側熱交換器３に導かれ、室外側熱交換器３にて蒸発して吸熱し、蒸発を終えた冷媒は第１四方弁２を経由して圧縮機１に吸入される。
本実施例によれば、冷媒を圧縮する圧縮機１と、動力回収する膨張機６及び補助圧縮機１０とを分離して設置し、冷房運転モード時に補助圧縮機１０により過給（チャージャ）を行い、暖房運転モード時に過圧（エクスプレッサ）を行うように冷凍サイクルを切り替える構成によって、膨張機６を冷房に適したチャージャタイプの膨張機として動作させることができ、また暖房に適したエクスプレッサタイプの膨張機としても動作させることができる。
なお、本実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置では、第１膨張機３１の駆動軸と第２膨張機３３の駆動軸とをともに補助圧縮機１０の駆動軸と連結した場合を示したが、第１膨張機３１の駆動軸だけを補助圧縮機１０の駆動軸と連結する場合や、第２膨張機３３の駆動軸だけを補助圧縮機１０の駆動軸と連結する場合であってもよい。
【００２７】
上記それぞれの実施例では、ヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置を用いて説明したが、室外側熱交換器３を第１の熱交換器、室内側熱交換器８を第２の熱交換器とし、これら第１の熱交換器や第２の熱交換器を、温冷水器や蓄冷熱器などに利用したその他の冷凍サイクル装置であってもよい。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、第１の冷媒流れの運転モードと第２の冷媒流れの運転モードに応じて別々の膨張機を用いることで、それぞれの運転モードに適した膨張機とすることができるとともに、膨張機に流入させる冷媒流れの方向を制御する必要がなく、密度比一定の制約を最大限回避し、幅広い運転範囲の中で高い動力回収効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置の構成図
【図２】本発明の他の実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置の構成図
【図３】同実施例に用いる一方向回転軸受機構の構成を示す概念図
【図４】本発明の他の実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置の構成図
【図５】本発明の他の実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置の構成図
【図６】本発明の他の実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置の構成図
【図７】本発明の他の実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置の構成図
【図８】本発明の他の実施例によるヒートポンプ式冷暖房型空気調和装置の構成図
【符号の説明】
１ 圧縮機
２ 第１四方弁
３ 室外側熱交換器
８ 室内側熱交換器
９ 第３四方弁
１０ 補助圧縮機
１１ モータ
３１ 第１膨張機
３３ 第２膨張機
３５ 発電機
３６ 発電機
３７ 発電機
Claims (9)
- 冷媒として二酸化炭素を用い、圧縮機と室外側熱交換器と膨張機と室内側熱交換器とを備え、四方弁の切り替えによって、前記室外側熱交換器を放熱器とし前記室内側熱交換器を蒸発器とする第１の冷媒流れと、前記室外側熱交換器を蒸発器とし前記室内側熱交換器を放熱器とする第２の冷媒流れを有する冷凍サイクル装置であって、前記膨張機として第１膨張機と第２膨張機を有し、前記第１の冷媒流れでは前記第１膨張機を用い、前記第２の冷媒流れでは前記第２膨張機を用いることを特徴とする冷凍サイクル装置。
- 前記第１膨張機の気筒容積と前記第２膨張機の気筒容積とを異ならせたことを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記第１膨張機の気筒容積を、前記第２膨張機の気筒容積よりも大きくしたことを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記第１膨張機と前記第２膨張機とを並列に設け、前記第１膨張機の流入側と前記第２膨張機の流入側にそれぞれ逆止弁を設けたことを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記第１膨張機と前記第２膨張機にそれぞれ発電機を設けたことを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記第１膨張機に接続する発電機を前記第２膨張機に接続する発電機とし、前記発電機を前記第１膨張機及び前記第２膨張機のいずれか一方と接続するクラッチ機構を備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
- 前記第１膨張機をバイパスするバイパス回路と、前記第２膨張機をバイパスするバイパス回路とを設け、前記バイパス回路にそれぞれ開閉弁を設けたことを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記膨張機で回収した動力を前記圧縮機の駆動に用いることを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記圧縮機の吸入側又は前記圧縮機の吐出側に補助圧縮機を備え、前記膨張機で回収した動力によって前記補助圧縮機を駆動することを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20060110 |