JP2009229021A - 冷凍装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】圧縮機構と放熱器と蒸発器とを有する冷媒回路と蒸発器において発生するドレン水を受けるドレンパンとを備えた冷凍装置において、エネルギーのロスの増加を抑えることが可能なドレン加熱器を提供する。
【解決手段】ヒートポンプ式給湯機のヒートポンプユニット701は、二段圧縮式の圧縮機構702と、水冷媒熱交換器704と、空気を熱源とする蒸発器706と、蒸発器706において発生するドレン水を受けるドレンパンとして機能する底板777と、圧縮機構702の前段側の圧縮要素702cから吐出されて後段側の圧縮要素702dに吸入される冷媒によってドレン水を加熱するドレン加熱器797とを備えている。
【選択図】図1
【解決手段】ヒートポンプ式給湯機のヒートポンプユニット701は、二段圧縮式の圧縮機構702と、水冷媒熱交換器704と、空気を熱源とする蒸発器706と、蒸発器706において発生するドレン水を受けるドレンパンとして機能する底板777と、圧縮機構702の前段側の圧縮要素702cから吐出されて後段側の圧縮要素702dに吸入される冷媒によってドレン水を加熱するドレン加熱器797とを備えている。
【選択図】図1
Description
本発明は、冷凍装置、特に、圧縮機構と放熱器と蒸発器とを有する冷媒回路と蒸発器において発生するドレン水を受けるドレンパンとを備えた冷凍装置に関する。
従来より、冷凍装置の一種として、圧縮機と、給湯用の水と冷媒との熱交換を行う放熱器としての水冷媒熱交換器と、膨張弁と、冷媒を蒸発させる蒸発器としての空気熱交換器とを有する冷媒回路と、空気熱交換器において発生するドレン水を受けるドレンパンとを備えたヒートポンプ式給湯機のヒートポンプユニットがある。このようなヒートポンプユニットとして、特許文献1に示されるように、空気熱交換器において発生するドレン水を水冷媒熱交換器から膨張弁までの高圧側配管によって加熱する構成や圧縮機から吐出される高温高圧の冷媒によって加熱する凍結防止用冷媒配管を設けるものがある。
特開2004−218861号公報
上述のヒートポンプユニットにおいては、冬季や寒冷地等の低温条件で使用する場合に、ドレン加熱器としての凍結防止用冷媒配管によって、ドレン水の凍結や成長を抑えることはできるが、凍結防止用冷媒配管を流れる冷媒が冷凍サイクルにおける高圧の冷媒であることから、圧縮機によって凍結防止用冷媒配管を流れる冷媒を冷凍サイクルにおける高圧まで圧縮するのに消費される動力等がエネルギーのロスとなり、冷凍サイクルの運転効率を悪化させる等の原因となる。
本発明の課題は、圧縮機構と放熱器と蒸発器とを有する冷媒回路と蒸発器において発生するドレン水を受けるドレンパンとを備えた冷凍装置において、エネルギーのロスの増加を抑えることが可能なドレン加熱器を提供することにある。
第1の発明にかかる冷凍装置は、圧縮機構と、圧縮機構によって圧縮された冷媒を放熱させる放熱器と、空気を熱源として放熱器によって放熱された冷媒を蒸発させる蒸発器と、蒸発器において発生するドレン水を受けるドレンパンと、ドレン加熱器とを備えている。そして、圧縮機構は、複数の圧縮要素を有しており、複数の圧縮要素のうちの前段側の圧縮要素から吐出された冷媒を後段側の圧縮要素で順次圧縮するように構成されており、ドレン加熱器は、前段側の圧縮要素から吐出されて後段側の圧縮要素に吸入される冷媒によってドレン水を加熱する熱交換器である。ここで、「圧縮機構」とは、複数の圧縮要素が一体に組み込まれた圧縮機や、単一の圧縮要素が組み込まれた圧縮機及び/又は複数の圧縮要素が組み込まれた圧縮機を複数台接続したものを含む構成を意味している。また、「複数の圧縮要素のうちの前段側の圧縮要素から吐出された冷媒を後段側の圧縮要素で順次圧縮する」とは、「前段側の圧縮要素」及び「後段側の圧縮要素」という直列に接続された2つの圧縮要素を含むことだけを意味しているのではなく、複数の圧縮要素が直列に接続されており、各圧縮要素間の関係が、上述の「前段側の圧縮要素」と「後段側の圧縮要素」との関係を有することを意味している。
この冷凍装置では、多段圧縮式の圧縮機構を採用するとともに、圧縮機構の後段側の圧縮要素に吸入される冷媒(すなわち、冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒)によって蒸発器において発生するドレン水を加熱するドレン加熱器を使用しているため、ドレン水を加熱することにより蒸発器やドレンパンにおけるドレン水の凍結や成長を抑えるとともに、冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒の温度を下げることにより、冷凍サイクルにおけるエネルギーのロスの増加を抑えることができる。これにより、この冷凍装置では、冷凍サイクルにおける高圧の冷媒によってドレン水を加熱するドレン加熱器を使用する場合に比べて、エネルギーのロスの増加を抑えることができる。
第2の発明にかかる冷凍装置は、第1の発明にかかる冷凍装置において、ドレン加熱器は、蒸発器の下部に配置されている。
この冷凍装置では、ドレン加熱器が蒸発器の下部に配置されているため、ドレン水の流下によって最もドレン水の付着量が多くなる蒸発器の下部においてドレン水が凍結しにくくなり、これにより、蒸発器におけるドレン水の凍結や成長を効果的に抑えることができる。
第3の発明にかかる冷凍装置は、第1の発明にかかる冷凍装置において、ドレン加熱器は、ドレンパンに配置されている。
この冷凍装置では、ドレン加熱器がドレンパンに配置されているため、蒸発器から流下してドレンパンに溜まったドレン水が凍結しにくくなり、これにより、ドレンパンにおけるドレン水の凍結や成長を効果的に抑えることができる。
第4の発明にかかる冷凍装置は、第1の発明にかかる冷凍装置において、ドレン加熱器は、蒸発器の下部に配置された第1ドレン加熱器と、ドレンパンに配置された第2ドレン加熱器とを有している。
この冷凍装置では、ドレン加熱器が蒸発器の下部に配置された第1ドレン加熱器とドレンパンに配置された第2ドレン加熱器とを有しているため、ドレン水の流下によって最もドレン水の付着量が多くなる蒸発器の下部においてドレン水が凍結しにくくなるとともに、蒸発器から流下してドレンパンに溜まったドレン水が凍結しにくくなり、これにより、蒸発器におけるドレン水の凍結や成長、及び、ドレンパンにおけるドレン水の凍結や成長の両方を効果的に抑えることができる。
第5の発明にかかる冷凍装置は、第4の発明にかかる冷凍装置において、前段側の圧縮要素から吐出されて後段側の圧縮要素に吸入される冷媒を第1ドレン加熱器及び第2ドレン加熱器の一方だけに流すことができるように切り換えるドレン加熱器切換機構をさらに備えている。
この冷凍装置では、第1ドレン加熱器と第2ドレン加熱器との切り換えを可能にするドレン加熱器切換機構がさらに設けられているため、第1ドレン加熱器及び第2ドレン加熱器のいずれか一方だけを必要に応じて使用することができる。
第6の発明にかかる冷凍装置は、圧縮機構と、空気を熱源とする熱交換器であって冷媒の放熱器又は蒸発器として機能する熱源側熱交換器と、冷媒の蒸発器又は放熱器として機能する利用側熱交換器と、圧縮機構、冷媒の放熱器として機能する熱源側熱交換器、冷媒の蒸発器として機能する利用側熱交換器の順に冷媒を循環させる冷却運転状態と、圧縮機構、冷媒の放熱器として機能する利用側熱交換器、冷媒の蒸発器として機能する熱源側熱交換器の順に冷媒を循環させる加熱運転状態とを切り換える切換機構と、熱源側熱交換器において発生するドレン水を受けるドレンパンと、中間熱交換器と、ドレン加熱器とを備えている。そして、圧縮機構は、複数の圧縮要素を有しており、複数の圧縮要素のうちの前段側の圧縮要素から吐出された冷媒を後段側の圧縮要素で順次圧縮するように構成されており、中間熱交換器は、切換機構を冷却運転状態にしている際に、前段側の圧縮要素から吐出されて後段側の圧縮要素に吸入される冷媒の冷却器として機能する熱交換器であり、ドレン加熱器は、切換機構を加熱運転状態にしている際に、前段側の圧縮要素から吐出されて後段側の圧縮要素に吸入される冷媒によってドレン水を加熱することが可能な熱交換器である。ここで、「圧縮機構」とは、複数の圧縮要素が一体に組み込まれた圧縮機や、単一の圧縮要素が組み込まれた圧縮機及び/又は複数の圧縮要素が組み込まれた圧縮機を複数台接続したものを含む構成を意味している。また、「複数の圧縮要素のうちの前段側の圧縮要素から吐出された冷媒を後段側の圧縮要素で順次圧縮する」とは、「前段側の圧縮要素」及び「後段側の圧縮要素」という直列に接続された2つの圧縮要素を含むことだけを意味しているのではなく、複数の圧縮要素が直列に接続されており、各圧縮要素間の関係が、上述の「前段側の圧縮要素」と「後段側の圧縮要素」との関係を有することを意味している。
この冷凍装置では、切換機構によって冷却運転及び加熱運転が切換可能に構成された冷媒回路において、多段圧縮式の圧縮機構を採用するとともに、切換機構を冷却運転状態にしている際に、圧縮機構の後段側の圧縮要素に吸入される冷媒(すなわち、冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒)の冷却器として機能する中間熱交換器と、切換機構を加熱運転状態にしている際に、熱源側熱交換器において発生するドレン水を加熱するドレン加熱器を使用しているため、冷却運転時は中間熱交換器によって、冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒の温度を下げることにより、放熱器として機能する熱源側熱交換器における放熱ロスの増加を抑えることができ、また、加熱運転時はドレン加熱器によって、ドレン水を加熱することにより熱源側熱交換器やドレンパンにおけるドレン水の凍結や成長を抑えるとともに、冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒の温度を下げることにより、冷凍サイクルにおけるエネルギーのロスの増加を抑えることができる。これにより、この冷凍装置では、冷却運転時には、中間熱交換器を用いて冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒を熱源としての空気によって冷却することで、冷媒の放熱器として機能する熱源側熱交換器における放熱ロスを小さくすることができ、加熱運転時には、ドレン加熱器を用いてドレン水の凍結や成長を抑えるとともに冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒を熱源としてのドレン水によって冷却することで、冷凍サイクルにおける高圧の冷媒によってドレン水を加熱するドレン加熱器を使用する場合に比べて、加熱運転時におけるエネルギーのロスの増加を抑えることができる。
第7の発明にかかる冷凍装置は、第6の発明にかかる冷凍装置において、ドレン加熱器は、熱源側熱交換器の下部に配置されている。
この冷凍装置では、ドレン加熱器が熱源側熱交換器の下部に配置されているため、ドレン水の流下によって最もドレン水の付着量が多くなる熱源側熱交換器の下部においてドレン水が凍結しにくくなり、これにより、熱源側熱交換器におけるドレン水の凍結や成長を効果的に抑えることができる。
第8の発明にかかる冷凍装置は、第6の発明にかかる冷凍装置において、ドレン加熱器は、ドレンパンに配置されている。
この冷凍装置では、ドレン加熱器がドレンパンに配置されているため、熱源側熱交換器から流下してドレンパンに溜まったドレン水が凍結しにくくなり、これにより、ドレンパンにおけるドレン水の凍結や成長を効果的に抑えることができる。
第9の発明にかかる冷凍装置は、第6の発明にかかる冷凍装置において、ドレン加熱器は、熱源側熱交換器の下部に配置された第1ドレン加熱器と、ドレンパンに配置された第2ドレン加熱器とを有している。
この冷凍装置では、ドレン加熱器が熱源側熱交換器の下部に配置された第1ドレン加熱器とドレンパンに配置された第2ドレン加熱器とを有しているため、ドレン水の流下によって最もドレン水の量が多くなる熱源側熱交換器の下部においてドレン水が凍結しにくくなるとともに、熱源側熱交換器から流下してドレンパンに溜まったドレン水が凍結しにくくなり、これにより、熱源側熱交換器におけるドレン水の凍結や成長、及び、ドレンパンにおけるドレン水の凍結や成長の両方を効果的に抑えることができる。
第10の発明にかかる冷凍装置は、第9の発明にかかる冷凍装置において、前段側の圧縮要素から吐出されて後段側の圧縮要素に吸入される冷媒を第1ドレン加熱器及び第2ドレン加熱器の一方だけに流すことができるように切り換えるドレン加熱器切換機構をさらに備えている。
この冷凍装置では、第1ドレン加熱器と第2ドレン加熱器との切り換えを可能にするドレン加熱器切換機構がさらに設けられているため、第1ドレン加熱器及び第2ドレン加熱器のいずれか一方を必要に応じて使用することができる。
第11の発明にかかる冷凍装置は、第6〜第10の発明にかかる冷凍装置において、中間熱交換器は、切換機構を加熱運転状態にしている際に、利用側熱交換器において放熱した冷媒の蒸発器として機能する。
この冷凍装置では、切換機構を加熱運転状態にしている際に、利用側熱交換器において放熱した冷媒の蒸発器として機能させるようにしているため、加熱運転時の冷凍サイクルにおける冷媒の蒸発能力を大きくするとともに、加熱運転時に中間熱交換器を有効利用することができる。
第12の発明にかかる冷凍装置は、第11の発明にかかる冷凍装置において、中間熱交換器は、熱源側熱交換器の上部に配置されている。
この冷凍装置では、加熱運転時に中間熱交換器からもドレン水が発生することになるが、中間熱交換器が熱源側熱交換器の上部に配置されているため、中間熱交換器において発生するドレン水が熱源側熱交換器を通じて流下し、熱源側熱交換器において発生するドレン水だけでなく、中間熱交換器において発生するドレン水も含めてドレン加熱器によって加熱することができる。
第13の発明にかかる冷凍装置は、第6〜第12の発明のいずれかにかかる冷凍装置において、中間熱交換器は、ドレン加熱器よりも伝熱面積が大きい。
この冷凍装置では、中間熱交換器がドレン加熱器よりも伝熱面積が大きいため、冷却運転時に、冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒を大幅に冷却することができるようになり、これにより、冷却運転時に放熱器として機能する熱源側熱交換器における放熱ロスを大幅に低減することができる。
以上の説明に述べたように、本発明によれば、以下の効果が得られる。
第1の発明では、ドレン水を加熱することにより蒸発器やドレンパンにおけるドレン水の凍結や成長を抑えるとともに、冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒の温度を下げることにより、冷凍サイクルにおけるエネルギーのロスの増加を抑えることができ、冷凍サイクルにおける高圧の冷媒によってドレン水を加熱するドレン加熱器を使用する場合に比べて、エネルギーのロスの増加を抑えることができる。
第2の発明では、ドレン水の流下によって最もドレン水の付着量が多くなる蒸発器の下部においてドレン水が凍結しにくくなり、蒸発器におけるドレン水の凍結や成長を効果的に抑えることができる。
第3の発明では、蒸発器から流下してドレンパンに溜まったドレン水が凍結しにくくなり、ドレンパンにおけるドレン水の凍結や成長を効果的に抑えることができる。
第4の発明では、ドレン水の流下によって最もドレン水の付着量が多くなる蒸発器の下部においてドレン水が凍結しにくくなるとともに、蒸発器から流下してドレンパンに溜まったドレン水が凍結しにくくなり、蒸発器におけるドレン水の凍結や成長、及び、ドレンパンにおけるドレン水の凍結や成長の両方を効果的に抑えることができる。
第5の発明では、第1ドレン加熱器及び第2ドレン加熱器のいずれか一方だけを必要に応じて使用することができる。
第6の発明では、冷却運転時は中間熱交換器によって、冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒を熱源としての空気によって冷却することで、冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒の温度を下げることにより、放熱器として機能する熱源側熱交換器における放熱ロスの増加を抑えることができ、また、加熱運転時はドレン加熱器によって、ドレン水を加熱することにより熱源側熱交換器やドレンパンにおけるドレン水の凍結や成長を抑えるとともに、冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒を熱源としてのドレン水によって冷却することで、冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒の温度を下げることにより圧縮機構の消費動力を抑えることができ、冷凍サイクルにおける高圧の冷媒によってドレン水を加熱するドレン加熱器を使用する場合に比べて、加熱運転時におけるエネルギーのロスの増加を抑えることができる。
第7の発明では、ドレン水の流下によって最もドレン水の付着量が多くなる熱源側熱交換器の下部においてドレン水が凍結しにくくなり、熱源側熱交換器におけるドレン水の凍結や成長を効果的に抑えることができる。
第8の発明では、熱源側熱交換器から流下してドレンパンに溜まったドレン水が凍結しにくくなり、ドレンパンにおけるドレン水の凍結や成長を効果的に抑えることができる。
第9の発明では、ドレン水の流下によって最もドレン水の量が多くなる熱源側熱交換器の下部においてドレン水が凍結しにくくなるとともに、熱源側熱交換器から流下してドレンパンに溜まったドレン水が凍結しにくくなり、熱源側熱交換器におけるドレン水の凍結や成長、及び、ドレンパンにおけるドレン水の凍結や成長の両方を効果的に抑えることができる。
第10の発明では、第1ドレン加熱器及び第2ドレン加熱器のいずれか一方を必要に応じて使用することができる。
第11の発明では、加熱運転時の冷凍サイクルにおける冷媒の蒸発能力を大きくするとともに、加熱運転時に中間熱交換器を有効利用することができる。
第12の発明では、中間熱交換器において発生するドレン水が熱源側熱交換器を通じて流下し、熱源側熱交換器において発生するドレン水だけでなく、中間熱交換器において発生するドレン水も含めてドレン加熱器によって加熱することができる。
第13の発明では、冷却運転時に、冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒を大幅に冷却することができるようになり、冷却運転時に放熱器として機能する熱源側熱交換器における放熱ロスを大幅に低減することができる。
以下、図面に基づいて、本発明にかかる冷凍装置の実施形態について説明する。
−第1実施形態−
(1)ヒートポンプ式給湯機のヒートポンプユニットの構成
図1は、本発明にかかる冷凍装置の第1実施形態としてのヒートポンプ式給湯機を構成するヒートポンプユニット701の概略構成図である。ヒートポンプユニット701は、貯湯ユニット(図示せず)から供給される水(給水)を加熱するための冷媒回路710を有しており、この加熱された水(温水)を貯湯ユニットに戻すためのユニットである。
(1)ヒートポンプ式給湯機のヒートポンプユニットの構成
図1は、本発明にかかる冷凍装置の第1実施形態としてのヒートポンプ式給湯機を構成するヒートポンプユニット701の概略構成図である。ヒートポンプユニット701は、貯湯ユニット(図示せず)から供給される水(給水)を加熱するための冷媒回路710を有しており、この加熱された水(温水)を貯湯ユニットに戻すためのユニットである。
ヒートポンプユニット701の冷媒回路710は、主として、圧縮機構702と、水冷媒熱交換器704と、膨張機構705と、蒸発器706と、ドレン加熱器797とを有しており、超臨界域で作動する冷媒(ここでは、二酸化炭素)が充填されている。
圧縮機構702は、本実施形態において、2つの圧縮要素で冷媒を二段圧縮する圧縮機721から構成されている。圧縮機721は、ケーシング721a内に、圧縮機駆動モータ721bと、駆動軸721cと、圧縮要素702c、702dとが収容された密閉式構造となっている。圧縮機駆動モータ721bは、駆動軸721cに連結されている。そして、この駆動軸721cは、2つの圧縮要素702c、702dに連結されている。すなわち、圧縮機721は、2つの圧縮要素702c、702dが単一の駆動軸721cに連結されており、2つの圧縮要素702c、702dがともに圧縮機駆動モータ721bによって回転駆動される、いわゆる一軸二段圧縮構造となっている。圧縮要素702c、702dは、本実施形態において、ロータリ式やスクロール式等の容積式の圧縮要素である。そして、圧縮機721は、吸入管702aから冷媒を吸入し、この吸入された冷媒を圧縮要素702cによって圧縮した後に中間冷媒管708に吐出し、中間冷媒管708に吐出された冷媒を圧縮要素702dに吸入させて冷媒をさらに圧縮した後に吐出管702bに吐出するように構成されている。ここで、中間冷媒管708は、圧縮要素702dの前段側に接続された圧縮要素702cから吐出された冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒を、圧縮要素702cの後段側に接続された圧縮要素702dに吸入させるための冷媒管である。また、吐出管702bは、圧縮機構702から吐出された冷凍サイクルにおける高圧の冷媒を水冷媒熱交換器704に送るための冷媒管であり、吐出管702bには、油分離機構741と逆止機構742とが設けられている。油分離機構741は、圧縮機構702から吐出される冷媒に同伴する冷凍機油を冷媒から分離して圧縮機構702の吸入側へ戻す機構であり、主として、圧縮機構702から吐出される冷媒に同伴する冷凍機油を冷媒から分離する油分離器741aと、油分離器741aに接続されており冷媒から分離された冷凍機油を圧縮機構702の吸入管702aに戻す油戻し管741bとを有している。油戻し管741bには、油戻し管741bを流れる冷凍機油を減圧する減圧機構741cが設けられている。減圧機構741cは、本実施形態において、キャピラリチューブが使用されている。逆止機構742は、圧縮機構702の吐出側から放熱器としての水冷媒熱交換器704への冷媒の流れを許容し、かつ、放熱器としての水冷媒熱交換器704から圧縮機構702の吐出側への冷媒の流れを遮断するための機構であり、本実施形態において、逆止弁が使用されている。
このように、圧縮機構702は、本実施形態において、2つの圧縮要素702c、702dを有しており、これらの圧縮要素702c、702dのうちの前段側の圧縮要素から吐出された冷媒を後段側の圧縮要素で順次圧縮するように構成されている。
水冷媒熱交換器704は、圧縮機構702によって圧縮された冷媒の放熱器として機能する熱交換器である。水冷媒熱交換器704は、その一端が圧縮機構702に接続されており、その他端が膨張機構5に接続されている。そして、水冷媒熱交換器704は、水循環ポンプ779を通じて貯湯ユニット(図示せず)から水(給水)が供給されるように構成されており、冷媒との間で熱交換を行うことができる。水循環ポンプ779は、ポンプ駆動モータ779aによって回転駆動される。
膨張機構705は、冷媒を減圧する機構であり、本実施形態において、電動膨張弁が使用されている。また、本実施形態において、膨張機構705は、水冷媒熱交換器704において放熱した高圧の冷媒を蒸発器706に送る前に冷凍サイクルにおける低圧になるまで減圧する。
蒸発器706は、空気を熱源として放熱器としての水冷媒熱交換器704によって放熱された冷媒を蒸発させる熱交換器であり、その一端が膨張機構705に接続されており、その他端が圧縮機構702に接続されている。そして、蒸発器706の熱源としての空気は、送風ファン740によって供給されるようになっている。送風ファン740は、ファン駆動モータ740aによって回転駆動される。
ドレン加熱器797は、前段側の圧縮要素702cから吐出されて後段側の圧縮要素702dに吸入される冷媒によって、蒸発器706において発生するドレン水を加熱する熱交換器であり、本実施形態において、中間冷媒管708に設けられている。そして、ドレン加熱器797は、蒸発器706の下部に配置されている。
次に、ドレン加熱器797が蒸発器706の下部に配置された構成について、図2及び図3を用いて説明する。ここで、図2は、ヒートポンプユニット701の概略の内部構造を示す斜視図であり、図3は、蒸発器706、ドレン加熱器797及びドレンパンとしての底板777をヒートポンプユニット701の正面側から見た図である。尚、以下の説明における「左」及び「右」とは、前板775側からヒートポンプユニット701を見た場合を基準とする。
ヒートポンプユニット701は、本実施形態において、背面や側面から空気を吸い込んで前方に向かって空気を吹き出す、いわゆる、横吹きタイプのものであり、主として、ケーシング771と、ケーシング771内に配置される水冷媒熱交換器704(図2には図示せず)、水循環ポンプ779(図2には図示せず)、膨張機構5(図2には図示せず)、蒸発器706、ドレン加熱器797や送風ファン740等の機器とを有している。
ケーシング771は、本実施形態において、略直方体形状の箱体であり、主として、ケーシング771の天面を構成する天板772(図2には、2点鎖線により図示)と、ケーシング771の外周面を構成する左板773、右板774、前板775及び後板776(図2には、2点鎖線により図示)と、底板777とから構成されている。天板772は、ヒートポンプユニット701の天面を構成する横長の略長方形状の板状部材である。左板773は、天板772の左縁から下方に延びる側面視が略長方形状の板状部材であり、ほぼ全体に吸入開口(図示せず)が形成されている。右板774は、天板772の右縁から下方に延びる側面視が略長方形状の板状部材である。後板776は、ケーシング771の前面を構成する正面視が略長方形状の板状部材であり、ほぼ全体に吸入開口(図示せず)が形成されている。前板775は、ケーシング771の前面を構成する正面視が略長方形状の板状部材であり、ケーシング771の後面及び左側面に形成された吸入開口を通じてケーシング771内に取り込まれた空気を外部に吹き出すための吹出開口775aが形成されている。底板777は、ケーシング771の底面を構成する平面視が略長方形状の板状部材であり、蒸発器706において発生するドレン水を受けてケーシング771外に排水するドレンパンとしての機能も有している。
そして、蒸発器706は、本実施形態において、ケーシング771の左側面及び後面に沿う平面視L字形状に形成された熱交換器パネルからなり、伝熱管と多数の伝熱フィンとにより構成されたクロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器が使用されている。ドレン加熱器797は、本実施形態において、蒸発器706の下部に配置されるとともに、底板777上において蒸発器706と一体化されている。より具体的には、ドレン加熱器797は、伝熱フィンを共有することによって蒸発器706と一体化されており、この両者が一体化された熱交換器パネルにおける最下部パス(ここでは、熱交換器パネルにおける最下部の伝熱管とその直上の伝熱管とからなる伝熱流路)を構成している(図3参照)。また、送風ファン740は、天板772の吹出開口775aに対向し、かつ、蒸発器706及びドレン加熱器797が一体化された熱交換器パネルの前側に配置されている。送風ファン740は、本実施形態において、軸流ファンであり、前板775の吹出開口775aから熱源としての空気をケーシング771内に吸い込んで、蒸発器706及びドレン加熱器797を通過させた後に、吹出開口775aから前方に向けて吹き出すことができるようになっている。すなわち、送風ファン740は、蒸発器706を含む熱交換器パネルに熱源としての空気を供給するようになっている。尚、ヒートポンプユニット701の外観形状や蒸発器706及びドレン加熱器797が一体化された熱交換器パネルの型式等は、上述のものに限定されるものではない。
このように、本実施形態のヒートポンプユニット701(冷凍装置)では、二段圧縮式の圧縮機構702が採用されるとともに、圧縮機構702の後段側の圧縮要素702dに吸入される冷媒(すなわち、冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒)によって蒸発器706において発生するドレン水を加熱するドレン加熱器797が使用されている。
さらに、ヒートポンプユニット701は、ここでは図示しないが、圧縮機構702、水循環ポンプ779、膨張機構5、送風ファン740等のヒートポンプユニット701を構成する各部の動作を制御する制御部を有している。
(2)ヒートポンプユニットの動作
次に、本実施形態のヒートポンプユニット701の動作について、図1、図4〜図6を用いて説明する。ここで、図4は、ヒートポンプユニット701内の冷媒の流れを示す図であり、図5は、冷凍サイクルが図示された圧力−エンタルピ線図であり、図6は、冷凍サイクルが図示された温度−エントロピ線図である。尚、以下における運転制御は、上述の制御部(図示せず)によって行われる。また、以下の説明において、「高圧」とは、冷凍サイクルにおける高圧(すなわち、図5、6の点D、D’、Eにおける圧力)を意味し、「低圧」とは、冷凍サイクルにおける低圧(すなわち、図5、6の点A、Fにおける圧力)を意味し、「中間圧」とは、冷凍サイクルにおける中間圧(すなわち、図5、6の点B、C2における圧力)を意味している。
次に、本実施形態のヒートポンプユニット701の動作について、図1、図4〜図6を用いて説明する。ここで、図4は、ヒートポンプユニット701内の冷媒の流れを示す図であり、図5は、冷凍サイクルが図示された圧力−エンタルピ線図であり、図6は、冷凍サイクルが図示された温度−エントロピ線図である。尚、以下における運転制御は、上述の制御部(図示せず)によって行われる。また、以下の説明において、「高圧」とは、冷凍サイクルにおける高圧(すなわち、図5、6の点D、D’、Eにおける圧力)を意味し、「低圧」とは、冷凍サイクルにおける低圧(すなわち、図5、6の点A、Fにおける圧力)を意味し、「中間圧」とは、冷凍サイクルにおける中間圧(すなわち、図5、6の点B、C2における圧力)を意味している。
ヒートポンプユニット701の運転時は、膨張機構5は、開度調節され、また、水循環ポンプ779及び送風ファン740は、回転駆動される。この冷媒回路710の状態において、低圧の冷媒(図1、図4、図5、図6の点A参照)は、吸入管2aから圧縮機構2に吸入され、まず、圧縮要素2cによって中間圧力まで圧縮された後に、中間冷媒管8に吐出される(図1、図4、図5、図6の点B参照)。この前段側の圧縮要素702cから吐出された中間圧の冷媒は、ドレン加熱器797において、蒸発器706において発生して蒸発器706を流下するドレン水と熱交換を行うことで冷却される(図1、図4、図5、図6の点C2参照)。このドレン加熱器797において冷却された冷媒は、圧縮要素702cの後段側に接続された圧縮要素702dに吸入されてさらに圧縮されて、圧縮機構702から吐出管702bに吐出される(図1、図4、図5、図6の点D参照)。ここで、圧縮機構702から吐出された高圧の冷媒は、圧縮要素702c、702dによる二段圧縮動作によって、臨界圧力(すなわち、図5に示される臨界点CPにおける臨界圧力Pcp)を超える圧力まで圧縮されている。そして、この圧縮機構702から吐出された高圧の冷媒は、油分離機構741を構成する油分離器741aに流入し、同伴する冷凍機油が分離される。また、油分離器741aにおいて高圧の冷媒から分離された冷凍機油は、油分離機構741を構成する油戻し管741bに流入し、油戻し管741bに設けられた減圧機構741cで減圧された後に圧縮機構702の吸入管702aに戻されて、再び、圧縮機構702に吸入される。次に、油分離機構741において冷凍機油が分離された後の高圧の冷媒は、逆止機構742を通じて、冷媒の放熱器として機能する水冷媒熱交換器704に送られる。そして、水冷媒熱交換器704に送られた高圧の冷媒は、水冷媒熱交換器704において、水循環ポンプ779によって貯湯ユニット(図示せず)から供給される水(給水)と熱交換を行って冷却される(図1、図4、図5、図6の点E参照)。そして、水冷媒熱交換器704において冷却された高圧の冷媒は、膨張機構5によって減圧されて低圧の気液二相状態の冷媒となり、蒸発器706に送られる(図1、図4、図5、図6の点F参照)。そして、蒸発器706に送られた低圧の気液二相状態の冷媒は、送風ファン740によって供給される加熱源としての空気と熱交換を行って加熱されて、蒸発することになる(図1、図4、図5、図6の点A参照)。また、蒸発器706における冷媒との熱交換器よって冷却された空気中の水分は、凝縮してドレン水となり、蒸発器706の伝熱管や伝熱フィンの表面に付着する。このドレン水は、蒸発器706の伝熱管や伝熱フィンの表面を伝って下方に流下し、ドレン加熱器797を通過した後に、ドレンパンとして機能する底板777に受けられることになる。そして、この蒸発器706において加熱された低圧の冷媒は、再び、圧縮機構702に吸入される。このようにして、ヒートポンプユニット701の運転が行われる。
このように、本実施形態のヒートポンプ式給湯機のヒートポンプユニット701(冷凍装置)では、二段圧縮式の圧縮機構702を採用するとともに、圧縮機構702の後段側の圧縮要素702dに吸入される冷媒(すなわち、冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒)によって蒸発器706において発生するドレン水を加熱するドレン加熱器797を使用しているため、ドレン水を加熱することにより蒸発器706やドレンパンとして機能する底板777におけるドレン水の凍結や成長を抑えるとともに、冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒の温度を下げることにより(図6の点B、C2参照)、従来のような冷凍サイクルにおける高圧の冷媒によってドレン水を加熱するドレン加熱器を使用する場合(この場合には、図5、図6において、点A→点B→点D’→点E→点Fの順で冷凍サイクルが行われる)に比べて、図6の点B、D’、D、C2を結ぶことによって囲まれる面積に相当する分のエネルギーのロスを小さくできる。これにより、このヒートポンプユニット701では、蒸発器706において発生するドレン水を加熱することにより蒸発器706やドレンパンとして機能する底板777におけるドレン水の凍結や成長を抑えるだけでなく、従来のような冷凍サイクルにおける高圧の冷媒によってドレン水を加熱するドレン加熱器を使用する場合に比べて、エネルギーのロスの増加を抑えることができる。
しかも、本実施形態では、ドレン加熱器797が蒸発器706の下部に配置されているため、ドレン水の流下によって最もドレン水の付着量が多くなる蒸発器706の下部においてドレン水が凍結しにくくなり、これにより、蒸発器706におけるドレン水の凍結や成長を効果的に抑えることができる。
(3)変形例1
上述の実施形態では、ドレン加熱器797が蒸発器706の下部に配置されている(より具体的には、ドレン加熱器797が下部に配置されるとともに、底板777上において蒸発器706と一体化されている)が、これに限定されるものではなく、ドレン加熱器797がドレンパンとして機能する底板777に配置されていてもよい。
上述の実施形態では、ドレン加熱器797が蒸発器706の下部に配置されている(より具体的には、ドレン加熱器797が下部に配置されるとともに、底板777上において蒸発器706と一体化されている)が、これに限定されるものではなく、ドレン加熱器797がドレンパンとして機能する底板777に配置されていてもよい。
例えば、図7及び図8に示されるように、ドレン加熱器797を蒸発器706と伝熱フィンを共有しない伝熱管からなる構造とし、ドレンパンとして機能する底板777に接触するように配置することができる。
そして、本変形例のヒートポンプ式給湯機のヒートポンプユニット701(冷凍装置)においても、二段圧縮式の圧縮機構702を採用するとともに、圧縮機構702の後段側の圧縮要素702dに吸入される冷媒(すなわち、冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒)によって蒸発器706において発生するドレン水を加熱するドレン加熱器797を使用している点は、上述の実施形態と同じであるため、蒸発器706において発生するドレン水を加熱することにより蒸発器706やドレンパンとして機能する底板777におけるドレン水の凍結や成長を抑えるだけでなく、従来のような冷凍サイクルにおける高圧の冷媒によってドレン水を加熱するドレン加熱器を使用する場合に比べて、エネルギーのロスの増加を抑えることができる。
しかも、本変形例では、ドレン加熱器797がドレンパンとして機能する底板777に配置されているため、蒸発器706から流下してドレンパンとして機能する底板777に溜まったドレン水が凍結しにくくなり、これにより、ドレンパンとして機能する底板777におけるドレン水の凍結や成長を効果的に抑えることができる。
(4)変形例2
上述の実施形態及びその変形例では、ドレン加熱器797が、蒸発器706の下部に配置されるか、又は、ドレンパンとして機能する底板777に配置されるかのいずれかであるが、蒸発器706の下部、及び、ドレンパンとして機能する底板777の両方に配置されていてもよい。
上述の実施形態及びその変形例では、ドレン加熱器797が、蒸発器706の下部に配置されるか、又は、ドレンパンとして機能する底板777に配置されるかのいずれかであるが、蒸発器706の下部、及び、ドレンパンとして機能する底板777の両方に配置されていてもよい。
例えば、図9〜図11に示されるように、ドレン加熱器797を、蒸発器706の下部に配置された第1ドレン加熱器797aと、ドレンパンとしての底板777に配置された第2ドレン加熱器797bとを有する構成とし、第1ドレン加熱器797aと第2ドレン加熱器797bとを並列に接続したり(図9参照)、第1ドレン加熱器797aと第2ドレン加熱器797bとを直列に接続する(図10参照)ことができる。尚、図10においては、第1ドレン加熱器797aの下流に第2ドレン加熱器797bを接続するようにしているが、第2ドレン加熱器797bの下流に第1ドレン加熱器797aを接続してもよい。
そして、本変形例のヒートポンプ式給湯機のヒートポンプユニット701(冷凍装置)においても、二段圧縮式の圧縮機構702を採用するとともに、圧縮機構702の後段側の圧縮要素702dに吸入される冷媒(すなわち、冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒)によって蒸発器706において発生するドレン水を加熱するドレン加熱器797(ここでは、第1ドレン加熱器797a及び第2ドレン加熱器797b)を使用している点は、上述の実施形態及びその変形例と同じであるため、蒸発器706において発生するドレン水を加熱することにより蒸発器706やドレンパンとして機能する底板777におけるドレン水の凍結や成長を抑えるだけでなく、従来のような冷凍サイクルにおける高圧の冷媒によってドレン水を加熱するドレン加熱器を使用する場合に比べて、エネルギーのロスの増加を抑えることができる。
しかも、本変形例では、ドレン加熱器797が蒸発器706の下部に配置された第1ドレン加熱器797aとドレンパンとして機能する底板777に配置された第2ドレン加熱器797bとを有しているため、ドレン水の流下によって最もドレン水の付着量が多くなる蒸発器797の下部においてドレン水が凍結しにくくなるとともに、蒸発器706から流下してドレンパンとして機能する底板777に溜まったドレン水が凍結しにくくなり、これにより、蒸発器706におけるドレン水の凍結や成長、及び、ドレンパンとして機能する底板777におけるドレン水の凍結や成長の両方を効果的に抑えることができる。
(5)変形例3
上述の変形例2では、ドレン加熱器797(より具体的には、第1ドレン加熱器797a、及び、第2ドレン加熱器797b)が蒸発器706の下部、及び、ドレンパンとして機能する底板777の両方に配置されており、前段側の圧縮要素702cから吐出されて後段側の圧縮要素702dに吸入される冷媒を両ドレン加熱器797a、797bに流すように構成されているが、第1ドレン加熱器797a及び第2ドレン加熱器797bのいずれか一方だけに流すことができるように構成されていてもよい。
上述の変形例2では、ドレン加熱器797(より具体的には、第1ドレン加熱器797a、及び、第2ドレン加熱器797b)が蒸発器706の下部、及び、ドレンパンとして機能する底板777の両方に配置されており、前段側の圧縮要素702cから吐出されて後段側の圧縮要素702dに吸入される冷媒を両ドレン加熱器797a、797bに流すように構成されているが、第1ドレン加熱器797a及び第2ドレン加熱器797bのいずれか一方だけに流すことができるように構成されていてもよい。
例えば、図12に示されるように、第1ドレン加熱器797aと第2ドレン加熱器797bとが並列に接続された構成において、第1ドレン加熱器797aへの冷媒の流れを制限する第1ドレン加熱器開閉弁798aと、第2ドレン加熱器797bへの冷媒の流れを制限する第2ドレン加熱器開閉弁798bとからなるドレン加熱器切換機構798を設けることができる。また、図13に示されるように、第1ドレン加熱器797aと第2ドレン加熱器797bとが直列に接続された構成において、第1ドレン加熱器797aをバイパスするための第1ドレン加熱器バイパス管799aと、第1ドレン加熱器797aへの冷媒の流れを制限する第1ドレン加熱器開閉弁798aと、第2ドレン加熱器797bをバイパスするための第2ドレン加熱器バイパス管799bと、第2ドレン加熱器797bへの冷媒の流れを制限する第2ドレン加熱器開閉弁798bとからなるドレン加熱器切換機構798を設けることができる。ここで、第1ドレン加熱器バイパス管799a及び第2ドレン加熱器バイパス管799bには、それぞれ、第1ドレン加熱器バイパス開閉弁799c及び第2ドレン加熱器バイパス開閉弁799dが設けられている。尚、本変形例において、開閉弁798a、798b、799c、799dは、電磁弁である。また、図12及び図13に示される構成を、電磁弁ではなく三方弁等を使用して構成してもよい。
そして、本変形例のヒートポンプ式給湯機のヒートポンプユニット701(冷凍装置)においては、上述の変形例2と同様の作用効果を得ることができるとともに、第1ドレン加熱器797aと第2ドレン加熱器797bとの切り換えを可能にするドレン加熱器切換機構798がさらに設けられているため、第1ドレン加熱器797a及び第2ドレン加熱器797bのいずれか一方だけを必要に応じて使用することができる。
−第2実施形態−
(1)空気調和装置の構成
図14は、本発明にかかる冷凍装置の第2実施形態としての空気調和装置1の概略構成図である。空気調和装置1は、冷房運転と暖房運転を切り換え可能に構成された冷媒回路10を有し、超臨界域で作動する冷媒(ここでは、二酸化炭素)を使用して二段圧縮式冷凍サイクルを行う装置である。
(1)空気調和装置の構成
図14は、本発明にかかる冷凍装置の第2実施形態としての空気調和装置1の概略構成図である。空気調和装置1は、冷房運転と暖房運転を切り換え可能に構成された冷媒回路10を有し、超臨界域で作動する冷媒(ここでは、二酸化炭素)を使用して二段圧縮式冷凍サイクルを行う装置である。
空気調和装置1の冷媒回路10は、主として、圧縮機構2と、切換機構3と、熱源側熱交換器4と、ブリッジ回路17と、レシーバ18と、第1膨張機構5aと、第2膨張機構5bと、利用側熱交換器6と、中間熱交換器7と、ドレン加熱器97とを有している。
圧縮機構2は、本実施形態において、2つの圧縮要素で冷媒を二段圧縮する圧縮機21から構成されている。圧縮機21は、ケーシング21a内に、圧縮機駆動モータ21bと、駆動軸21cと、圧縮要素2c、2dとが収容された密閉式構造となっている。圧縮機駆動モータ21bは、駆動軸21cに連結されている。そして、この駆動軸21cは、2つの圧縮要素2c、2dに連結されている。すなわち、圧縮機21は、2つの圧縮要素2c、2dが単一の駆動軸21cに連結されており、2つの圧縮要素2c、2dがともに圧縮機駆動モータ21bによって回転駆動される、いわゆる一軸二段圧縮構造となっている。圧縮要素2c、2dは、本実施形態において、ロータリ式やスクロール式等の容積式の圧縮要素である。そして、圧縮機21は、吸入管2aから冷媒を吸入し、この吸入された冷媒を圧縮要素2cによって圧縮した後に中間冷媒管8に吐出し、中間冷媒管8に吐出された冷媒を圧縮要素2dに吸入させて冷媒をさらに圧縮した後に吐出管2bに吐出するように構成されている。ここで、中間冷媒管8は、圧縮要素2dの前段側に接続された圧縮要素2cから吐出された冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒を、圧縮要素2cの後段側に接続された圧縮要素2dに吸入させるための冷媒管である。また、吐出管2bは、圧縮機構2から吐出された冷媒を切換機構3に送るための冷媒管であり、吐出管2bには、油分離機構41と逆止機構42とが設けられている。油分離機構41は、圧縮機構2から吐出される冷媒に同伴する冷凍機油を冷媒から分離して圧縮機構2の吸入側へ戻す機構であり、主として、圧縮機構2から吐出される冷媒に同伴する冷凍機油を冷媒から分離する油分離器41aと、油分離器41aに接続されており冷媒から分離された冷凍機油を圧縮機構2の吸入管2aに戻す油戻し管41bとを有している。油戻し管41bには、油戻し管41bを流れる冷凍機油を減圧する減圧機構41cが設けられている。減圧機構41cは、本実施形態において、キャピラリチューブが使用されている。逆止機構42は、圧縮機構2の吐出側から切換機構3への冷媒の流れを許容し、かつ、切換機構3から圧縮機構2の吐出側への冷媒の流れを遮断するための機構であり、本実施形態において、逆止弁が使用されている。
このように、圧縮機構2は、本実施形態において、2つの圧縮要素2c、2dを有しており、これらの圧縮要素2c、2dのうちの前段側の圧縮要素から吐出された冷媒を後段側の圧縮要素で順次圧縮するように構成されている。
切換機構3は、冷媒回路10内における冷媒の流れの方向を切り換えるための機構であり、冷房運転時には、熱源側熱交換器4を圧縮機構2によって圧縮される冷媒の放熱器として、かつ、利用側熱交換器6を熱源側熱交換器4において冷却された冷媒の蒸発器として機能させるために、圧縮機構2の吐出側と熱源側熱交換器4の一端とを接続するとともに圧縮機21の吸入側と利用側熱交換器6とを接続し(図14の切換機構3の実線を参照、以下、この切換機構3の状態を「冷却運転状態」とする)、暖房運転時には、利用側熱交換器6を圧縮機構2によって圧縮される冷媒の放熱器として、かつ、熱源側熱交換器4を利用側熱交換器6において冷却された冷媒の蒸発器として機能させるために、圧縮機構2の吐出側と利用側熱交換器6とを接続するとともに圧縮機構2の吸入側と熱源側熱交換器4の一端とを接続することが可能である(図14の切換機構3の破線を参照、以下、この切換機構3の状態を「加熱運転状態」とする)。本実施形態において、切換機構3は、圧縮機構2の吸入側、圧縮機構2の吐出側、熱源側熱交換器4及び利用側熱交換器6に接続された四路切換弁である。尚、切換機構3は、四路切換弁に限定されるものではなく、例えば、複数の電磁弁を組み合わせる等によって、上述と同様の冷媒の流れの方向を切り換える機能を有するように構成したものであってもよい。
このように、切換機構3は、冷媒回路10を構成する圧縮機構2、熱源側熱交換器4及び利用側熱交換器6だけに着目すると、圧縮機構2、冷媒の放熱器として機能する熱源側熱交換器4、冷媒の蒸発器として機能する利用側熱交換器6の順に冷媒を循環させる冷却運転状態と、圧縮機構2、冷媒の放熱器として機能する利用側熱交換器6、冷媒の蒸発器として機能する熱源側熱交換器4の順に冷媒を循環させる加熱運転状態とを切り換えることができるように構成されている。
熱源側熱交換器4は、空気を熱源として冷媒の放熱器又は蒸発器として機能する熱交換器である。熱源側熱交換器4は、その一端が切換機構3に接続されており、その他端がブリッジ回路17を介して第1膨張機構5aに接続されている。そして、熱源側熱交換器4の熱源としての空気は、熱源側ファン40によって供給されるようになっている。熱源側ファン40は、ファン駆動モータ740aによって回転駆動される。
ブリッジ回路17は、熱源側熱交換器4と利用側熱交換器6との間に設けられており、レシーバ18の入口に接続されるレシーバ入口管18a、及び、レシーバ18の出口に接続されるレシーバ出口管18bに接続されている。ブリッジ回路17は、本実施形態において、4つの逆止弁17a、17b、17c、17dを有している。そして、入口逆止弁17aは、熱源側熱交換器4からレシーバ入口管18aへの冷媒の流通のみを許容する逆止弁である。入口逆止弁17bは、利用側熱交換器6からレシーバ入口管18aへの冷媒の流通のみを許容する逆止弁である。すなわち、入口逆止弁17a、17bは、熱源側熱交換器4及び利用側熱交換器6の一方からレシーバ入口管18aに冷媒を流通させる機能を有している。出口逆止弁17cは、レシーバ出口管18bから利用側熱交換器6への冷媒の流通のみを許容する逆止弁である。出口逆止弁17dは、レシーバ出口管18bから熱源側熱交換器4への冷媒の流通のみを許容する逆止弁である。すなわち、出口逆止弁17c、17dは、レシーバ出口管18bから熱源側熱交換器4及び利用側熱交換器6の他方に冷媒を流通させる機能を有している。
第1膨張機構5aは、レシーバ入口管18aに設けられた冷媒を減圧する機構であり、本実施形態において、電動膨張弁が使用されている。また、本実施形態において、第1膨張機構5aは、冷房運転時には、熱源側熱交換器4において冷却された高圧の冷媒をレシーバ18を介して利用側熱交換器6に送る前に冷媒の飽和圧力付近まで減圧し、暖房運転時には、利用側熱交換器6において冷却された高圧の冷媒をレシーバ18を介して熱源側熱交換器4に送る前に冷媒の飽和圧力付近まで減圧する。
レシーバ18は、冷房運転と暖房運転との間で冷媒回路10における冷媒の循環量が異なる等の運転状態に応じて発生する余剰冷媒を溜めることができるように、第1膨張機構5aで減圧された後の冷媒を一時的に溜めるために設けられた容器であり、その入口がレシーバ入口管18aに接続されており、その出口がレシーバ出口管18bに接続されている。また、レシーバ18には、レシーバ18内から冷媒を抜き出して圧縮機構2の吸入管2a(すなわち、圧縮機構2の前段側の圧縮要素2cの吸入側)に戻すことが可能な第1吸入戻し管18fが接続されている。この第1吸入戻し管18fには、第1吸入戻し開閉弁18gが設けられている。第1吸入戻し開閉弁18gは、本実施形態において、電磁弁である。
第2膨張機構5bは、レシーバ出口管18bに設けられた冷媒を減圧する機構であり、本実施形態において、電動膨張弁が使用されている。また、本実施形態において、第2膨張機構5bは、冷房運転時には、第1膨張機構5aによって減圧された冷媒をレシーバ18を介して利用側熱交換器6に送る前に冷凍サイクルにおける低圧になるまでさらに減圧し、暖房運転時には、第1膨張機構5aによって減圧された冷媒をレシーバ18を介して熱源側熱交換器4に送る前に冷凍サイクルにおける低圧になるまでさらに減圧する。
利用側熱交換器6は、冷媒の蒸発器又は放熱器として機能する熱交換器である。利用側熱交換器6は、その一端がブリッジ回路を介して第1膨張機構5aに接続されており、その他端が切換機構3に接続されている。尚、ここでは図示しないが、利用側熱交換器6には、利用側熱交換器6を流れる冷媒と熱交換を行う加熱源としての水や空気が供給されるようになっている。
このように、本実施形態では、ブリッジ回路17、レシーバ18、レシーバ入口管18a及びレシーバ出口管18bによって、切換機構3を冷却運転状態にしている際には、熱源側熱交換器4において冷却された高圧の冷媒を、ブリッジ回路17の入口逆止弁17a、レシーバ入口管18aの第1膨張機構5a、レシーバ18、レシーバ出口管18bの第2膨張機構5b及びブリッジ回路17の出口逆止弁17cを通じて、利用側熱交換器6に送ることができるようになっている。また、切換機構3を加熱運転状態にしている際には、利用側熱交換器6において冷却された高圧の冷媒を、ブリッジ回路17の入口逆止弁17b、レシーバ入口管18aの第1膨張機構5a、レシーバ18、レシーバ出口管18bの第2膨張機構5b及びブリッジ回路17の出口逆止弁17dを通じて、熱源側熱交換器4に送ることができるようになっている。
中間熱交換器7は、中間冷媒管8に設けられており、本実施形態において、冷房運転時に、前段側の圧縮要素2cから吐出されて圧縮要素2dに吸入される冷媒の冷却器として機能させることが可能な熱交換器である。中間熱交換器7は、空気を熱源(ここでは、冷却源)とする熱交換器であり、本実施形態において、熱源側熱交換器4と一体化されている。このように、中間熱交換器7は、冷媒回路10を循環する冷媒を用いたものではないという意味で、外部熱源を用いた熱交換器ということができる。
また、中間冷媒管8には、中間熱交換器7をバイパスするように、中間熱交換器バイパス管9が接続されている。この中間熱交換器バイパス管9は、中間熱交換器7を流れる冷媒の流量を制限する冷媒管である。そして、中間熱交換器バイパス管9には、中間熱交換器バイパス開閉弁11が設けられている。中間熱交換器バイパス開閉弁11は、本実施形態において、電磁弁である。この中間熱交換器バイパス開閉弁11は、本実施形態において、基本的には、切換機構3を冷却運転状態にしている際に閉め、切換機構3を加熱運転状態にしている際に開ける制御がなされる。すなわち、中間熱交換器バイパス開閉弁11は、冷房運転を行う際に閉め、暖房運転を行う際に開ける制御がなされる。
また、中間冷媒管8には、中間熱交換器バイパス管9の前段側の圧縮要素2c側端との接続部から中間熱交換器7の前段側の圧縮要素2c側端までの部分に、中間熱交換器開閉弁12が設けられている。この中間熱交換器開閉弁12は、中間熱交換器7を流れる冷媒の流量を制限する機構である。中間熱交換器開閉弁12は、本実施形態において、電磁弁である。この中間熱交換器開閉弁12は、本実施形態において、基本的には、切換機構3を冷却運転状態にしている際に開け、切換機構3を加熱運転状態にしている際に閉める制御がなされる。すなわち、中間熱交換器開閉弁12は、冷房運転を行う際に開け、暖房運転を行う際に閉める制御がなされる。
また、中間冷媒管8には、前段側の圧縮要素2cの吐出側から後段側の圧縮要素2dの吸入側への冷媒の流れを許容し、かつ、後段側の圧縮要素2dの吸入側から前段側の圧縮要素2cの吐出側への冷媒の流れを遮断するための逆止機構15が設けられている。逆止機構15は、本実施形態において、逆止弁である。尚、逆止機構15は、本実施形態において、中間冷媒管8の中間熱交換器7の後段側の圧縮要素2d側端から中間熱交換器バイパス管9の後段側の圧縮要素2d側端との接続部までの部分に設けられている。
ドレン加熱器97は、暖房運転時に、前段側の圧縮要素2cから吐出されて後段側の圧縮要素2dに吸入される冷媒によって、冷媒の蒸発器として機能する熱源側熱交換器4において発生するドレン水を加熱することが可能な熱交換器であり、本実施形態において、中間熱交換器バイパス管9(より具体的には、中間熱交換器バイパス管9の前段側の圧縮要素2c側端との接続部から中間熱交換器バイパス開閉弁11までの部分)に設けられている。そして、ドレン加熱器97は、熱源側熱交換器4の下部に配置されている。
次に、中間熱交換器7が熱源側熱交換器4に一体化された構成、及び、ドレン加熱器97が熱源側熱交換器4の下部に配置された構成について、図15及び図16を用いて説明する。ここで、図15は、熱源ユニット1aの外観斜視図(ファングリルを取り除いた状態)であり、図16は、熱源ユニット1aの右板74を取り除いた状態における熱源ユニット1aの側面図である。尚、以下の説明における「左」及び「右」とは、前板75側から熱源ユニット1aを見た場合を基準とする。
まず、本実施形態において、空気調和装置1は、主として熱源側ファン40、熱源側熱交換器4、中間熱交換器7及びドレン加熱器97が設けられた熱源ユニット1aと、主として利用側熱交換器6が設けられた利用ユニット(図示せず)とが接続されることによって構成されている。そして、この熱源ユニット1aは、側方から空気を吸い込んで上方に向かって空気を吹き出す、いわゆる、上吹きタイプのものであり、主として、ケーシング71と、ケーシング71の内部に配置される熱源側熱交換器4、中間熱交換器7及びドレン加熱器97等の冷媒回路構成部品や熱源側ファン40等の機器とを有している。
ケーシング71は、本実施形態において、略直方体形状の箱体であり、主として、ケーシング71の天面を構成する天板72と、ケーシング71の外周面を構成する左板73、右板74、前板75及び後板76と、底板77とから構成されている。天板72は、主として、ケーシング71の天面を構成する部材であり、本実施形態において、略中央に吹出開口71aが形成された平面視が略長方形状の板状部材である。天板72には、吹出開口71aを上方から覆うようにファングリル78が設けられている。左板73は、主として、ケーシング71の左面を構成する部材であり、本実施形態において、天板72の左縁から下方に延びる側面視が略長方形状の板状部材である。左板73には、上部を除くほぼ全体に吸入開口73aが形成されている。右板74は、主として、ケーシング71の右面を構成する部材であり、本実施形態において、天板72の右縁から下方に延びる側面視が略長方形状の板状部材である。右板74には、上部を除くほぼ全体に吸入開口74aが形成されている。前板75は、主として、ケーシング71の前面を構成する部材であり、本実施形態において、天板72の前縁から下方向に順に配置された正面視が略長方形状の板状部材から構成されている。後板76は、主として、ケーシング71の後面を構成する部材であり、本実施形態において、天板72の後縁から下方向に順に配置された正面視が略長方形状の板状部材から構成されている。後板76には、上部を除くほぼ全体に吸入開口76aが形成されている。底板77は、主として、ケーシング71の底面を構成する部材であり、本実施形態において、平面視が略長方形状の板状部材である。また、底板77は、熱源側熱交換器4において発生するドレン水を受けてケーシング71外に排水するドレンパンとしての機能も有している。
そして、中間熱交換器7は、熱源側熱交換器4の上部に配置された状態で熱源側熱交換器4と一体化されており、底板77上に配置されている。より具体的には、熱源側熱交換器4は、伝熱管と多数の伝熱フィンとにより構成されたクロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器が使用されており、中間熱交換器7は、伝熱フィンを共有することによって熱源側熱交換器4と一体化されている。また、熱源側熱交換器4及び中間熱交換器7が一体化されたものは、本実施形態において、平面視が略U字形状の熱交換器パネルを形成しており、吸入開口73a、74a、76aに対向するように配置されている。また、熱源側ファン40は、天板72の吹出開口71aに対向し、かつ、熱源側熱交換器4及び中間熱交換器7が一体化されたものの上側に配置されている。本実施形態において、熱源側ファン40は、軸流ファンであり、ファン駆動モータ40aによって回転駆動することによって、吸入開口73a、74a、76aから熱源としての空気をケーシング71内に吸い込んで、熱源側熱交換器4及び中間熱交換器7を通過させた後に、吹出開口71aから上方に向けて吹き出すことができるようになっている(図16中の空気の流れを示す矢印を参照)。すなわち、熱源側ファン40は、熱源側熱交換器4及び中間熱交換器7の両方に熱源としての空気を供給するようになっている。さらに、ドレン加熱器97は、本実施形態において、熱源側熱交換器4の下部に配置されるとともに、底板77上において伝熱フィンを共有することによって熱源側熱交換器4と一体化されている。ドレン加熱器97は、中間熱交換器7及び熱源側熱交換器4と一体化された熱交換器パネルにおける最下部パス(すなわち、熱交換器パネルにおける最下部の伝熱管とその直上の伝熱管とからなる伝熱流路)を構成している(図16参照)。また、中間熱交換器7は、ドレン加熱器97よりも伝熱面積が大きい。尚、熱源ユニット1aの外観形状や熱源側熱交換器4、中間熱交換器7及びドレン加熱器97が一体化されたものの形状は、上述のものに限定されるものではない。
このように、本実施形態の空気調和装置1では、主として、二段圧縮式の圧縮機構2が採用されるとともに、切換機構3を冷却運転状態にした冷房運転時に、圧縮機構2の後段側の圧縮要素2dに吸入される冷媒(すなわち、冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒)の冷却器として機能する中間熱交換器7が設けられており、切換機構3を加熱運転状態にした暖房運転時に、冷媒の蒸発器として機能する熱源側熱交換器4において発生するドレン水を加熱するドレン加熱器97が設けられている。
さらに、空気調和装置1は、ここでは図示しないが、圧縮機構2、切換機構3、膨張機構5a、5b、中間熱交換器バイパス開閉弁11、中間熱交換器開閉弁12、第1吸入戻し開閉弁18g、熱源側ファン40等の空気調和装置1を構成する各部の動作を制御する制御部を有している。
(2)空気調和装置の動作
次に、本実施形態の空気調和装置1の動作について、図14、図17〜図22を用いて説明する。ここで、図17は、冷房運転時における空気調和装置1内の冷媒の流れを示す図であり、図18は、冷房運転時の冷凍サイクルが図示された圧力−エンタルピ線図であり、図19は、冷房運転時の冷凍サイクルが図示された温度−エントロピ線図であり、図20は、暖房運転時における空気調和装置1内の冷媒の流れを示す図であり、図21は、暖房運転時の冷凍サイクルが図示された圧力−エンタルピ線図であり、図22は、暖房運転時の冷凍サイクルが図示された温度−エントロピ線図である。尚、以下の冷房運転や暖房運転における運転制御は、上述の制御部(図示せず)によって行われる。また、以下の説明において、「高圧」とは、冷凍サイクルにおける高圧(すなわち、図18、19の点D、D’、Eにおける圧力や図21、22の点D、D’、Fにおける圧力)を意味し、「低圧」とは、冷凍サイクルにおける低圧(すなわち、図18、19の点A、Fにおける圧力や図21、22の点A、Eにおける圧力)を意味し、「中間圧」とは、冷凍サイクルにおける中間圧(すなわち、図18、19の点B、C1における圧力や図21、22の点B、C2における圧力)を意味している。
次に、本実施形態の空気調和装置1の動作について、図14、図17〜図22を用いて説明する。ここで、図17は、冷房運転時における空気調和装置1内の冷媒の流れを示す図であり、図18は、冷房運転時の冷凍サイクルが図示された圧力−エンタルピ線図であり、図19は、冷房運転時の冷凍サイクルが図示された温度−エントロピ線図であり、図20は、暖房運転時における空気調和装置1内の冷媒の流れを示す図であり、図21は、暖房運転時の冷凍サイクルが図示された圧力−エンタルピ線図であり、図22は、暖房運転時の冷凍サイクルが図示された温度−エントロピ線図である。尚、以下の冷房運転や暖房運転における運転制御は、上述の制御部(図示せず)によって行われる。また、以下の説明において、「高圧」とは、冷凍サイクルにおける高圧(すなわち、図18、19の点D、D’、Eにおける圧力や図21、22の点D、D’、Fにおける圧力)を意味し、「低圧」とは、冷凍サイクルにおける低圧(すなわち、図18、19の点A、Fにおける圧力や図21、22の点A、Eにおける圧力)を意味し、「中間圧」とは、冷凍サイクルにおける中間圧(すなわち、図18、19の点B、C1における圧力や図21、22の点B、C2における圧力)を意味している。
<冷房運転>
冷房運転時は、切換機構3が図14及び図17の実線で示される冷却運転状態とされる。また、第1膨張機構5a及び第2膨張機構5bは、開度調節される。そして、切換機構3が冷却運転状態となるため、中間冷媒管8の中間熱交換器開閉弁12が開けられ、そして、中間熱交換器バイパス管9の中間熱交換器バイパス開閉弁11が閉められることによって、中間熱交換器7が冷却器として機能する状態にされるとともに、ドレン加熱器97に冷媒が流れない状態とされる。
冷房運転時は、切換機構3が図14及び図17の実線で示される冷却運転状態とされる。また、第1膨張機構5a及び第2膨張機構5bは、開度調節される。そして、切換機構3が冷却運転状態となるため、中間冷媒管8の中間熱交換器開閉弁12が開けられ、そして、中間熱交換器バイパス管9の中間熱交換器バイパス開閉弁11が閉められることによって、中間熱交換器7が冷却器として機能する状態にされるとともに、ドレン加熱器97に冷媒が流れない状態とされる。
この冷媒回路10の状態において、低圧の冷媒(図14、図17〜図19の点A参照)は、吸入管2aから圧縮機構2に吸入され、まず、圧縮要素2cによって中間圧力まで圧縮された後に、中間冷媒管8に吐出される(図14、図17〜図19の点B参照)。この前段側の圧縮要素2cから吐出された中間圧の冷媒は、中間熱交換器7において、熱源側ファン40によって供給される冷却源としての空気と熱交換を行うことで冷却される(図14、図17〜図19の点C1参照)。この中間熱交換器7において冷却された冷媒は、次に、圧縮要素2cの後段側に接続された圧縮要素2dに吸入されてさらに圧縮されて、圧縮機構2から吐出管2bに吐出される(図14、図17〜図19の点D参照)。ここで、圧縮機構2から吐出された高圧の冷媒は、圧縮要素2c、2dによる二段圧縮動作によって、臨界圧力(すなわち、図18に示される臨界点CPにおける臨界圧力Pcp)を超える圧力まで圧縮されている。そして、この圧縮機構2から吐出された高圧の冷媒は、油分離機構41を構成する油分離器41aに流入し、同伴する冷凍機油が分離される。また、油分離器41aにおいて高圧の冷媒から分離された冷凍機油は、油分離機構41を構成する油戻し管41bに流入し、油戻し管41bに設けられた減圧機構41cで減圧された後に圧縮機構2の吸入管2aに戻されて、再び、圧縮機構2に吸入される。次に、油分離機構41において冷凍機油が分離された後の高圧の冷媒は、逆止機構42及び切換機構3を通じて、冷媒の放熱器として機能する熱源側熱交換器4に送られる。そして、熱源側熱交換器4に送られた高圧の冷媒は、熱源側熱交換器4において、熱源側ファン40によって供給される冷却源としての空気と熱交換を行って冷却される(図14、図17〜図19の点E参照)。そして、熱源側熱交換器4において冷却された高圧の冷媒は、ブリッジ回路17の入口逆止弁17aを通じてレシーバ入口管18aに流入し、第1膨張機構5aによって飽和圧力付近まで減圧されてレシーバ18内に一時的に溜められる(図14及び図17の点I参照)。そして、レシーバ18内に溜められた冷媒は、レシーバ出口管18bに送られて、第2膨張機構5bによって減圧されて低圧の気液二相状態の冷媒となり、ブリッジ回路17の出口逆止弁17cを通じて、冷媒の蒸発器として機能する利用側熱交換器6に送られる(図14、図17〜図19の点F参照)。そして、利用側熱交換器6に送られた低圧の気液二相状態の冷媒は、加熱源としての水や空気と熱交換を行って加熱されて、蒸発することになる(図14、図17〜図19の点A参照)。そして、この利用側熱交換器6において加熱された低圧の冷媒は、切換機構3を経由して、再び、圧縮機構2に吸入される。このようにして、冷房運転が行われる。
このように、本実施形態の空気調和装置1(冷凍装置)では、二段圧縮式の圧縮機構702を採用し、圧縮要素2cから吐出された冷媒を圧縮要素2dに吸入させるための中間冷媒管8に中間熱交換器7を設けるとともに、冷房運転において、中間熱交換器開閉弁12を開け、また、中間熱交換器バイパス管9の中間熱交換器バイパス開閉弁11を閉めることによって、中間熱交換器7を冷却器として機能する状態にしているため、中間熱交換器7を設けなかった場合(この場合には、図18、図19において、点A→点B→点D’→点E→点Fの順で冷凍サイクルが行われる)に比べて、圧縮要素2cの後段側の圧縮要素2dに吸入される冷媒の温度が低下し(図19の点B、C1参照)、圧縮要素2dから吐出される冷媒の温度も低下することになる(図19の点D、D’参照)。このため、この空気調和装置1では、冷媒の放熱器として機能する熱源側熱交換器4において、中間熱交換器7を設けなかった場合に比べて、冷却源としての水や空気と冷媒との温度差を小さくすることが可能になり、図19の点B1、D’、D、C1を結ぶことによって囲まれる面積に相当する分の放熱ロスを小さくできることから、運転効率を向上させることができる。
<暖房運転>
暖房運転時は、切換機構3が図14及び図20の破線で示される加熱運転状態とされる。また、第1膨張機構5a及び第2膨張機構5bは、開度調節される。そして、切換機構3が加熱運転状態となるため、中間冷媒管8の中間熱交換器開閉弁12が閉められ、そして、中間熱交換器バイパス管9の中間熱交換器バイパス開閉弁11が開けられることによって、中間熱交換器7が冷却器として機能しない状態にされるとともに、ドレン加熱器97に冷媒が流れる状態とされる。
暖房運転時は、切換機構3が図14及び図20の破線で示される加熱運転状態とされる。また、第1膨張機構5a及び第2膨張機構5bは、開度調節される。そして、切換機構3が加熱運転状態となるため、中間冷媒管8の中間熱交換器開閉弁12が閉められ、そして、中間熱交換器バイパス管9の中間熱交換器バイパス開閉弁11が開けられることによって、中間熱交換器7が冷却器として機能しない状態にされるとともに、ドレン加熱器97に冷媒が流れる状態とされる。
この冷媒回路10の状態において、低圧の冷媒(図14、図20〜図22の点A参照)は、吸入管2aから圧縮機構2に吸入され、まず、圧縮要素2cによって中間圧力まで圧縮された後に、中間冷媒管8に吐出される(図14、図20〜図22の点B参照)。この前段側の圧縮要素2cから吐出された中間圧の冷媒は、冷房運転時とは異なり、中間熱交換器7を通過せずに、中間熱交換器バイパス管9に設けられたドレン加熱器97に流入し、ドレン加熱器97において、冷媒の蒸発器として機能する熱源側熱交換器4において発生して熱源側熱交換器4を流下するドレン水と熱交換を行うことで冷却される(図14、図20〜図22の点C2参照)。このドレン加熱器97において冷却された冷媒は、圧縮要素2cの後段側に接続された圧縮要素2dに吸入されてさらに圧縮されて、圧縮機構2から吐出管2bに吐出される(図14、図20〜図22の点D参照)。ここで、圧縮機構2から吐出された高圧の冷媒は、冷房運転時と同様、圧縮要素2c、2dによる二段圧縮動作によって、臨界圧力(すなわち、図21に示される臨界点CPにおける臨界圧力Pcp)を超える圧力まで圧縮されている。そして、この圧縮機構2から吐出された高圧の冷媒は、油分離機構41を構成する油分離器41aに流入し、同伴する冷凍機油が分離される。また、油分離器41aにおいて高圧の冷媒から分離された冷凍機油は、油分離機構41を構成する油戻し管41bに流入し、油戻し管41bに設けられた減圧機構41cで減圧された後に圧縮機構2の吸入管2aに戻されて、再び、圧縮機構2に吸入される。次に、油分離機構41において冷凍機油が分離された後の高圧の冷媒は、逆止機構42及び切換機構3を通じて、冷媒の放熱器として機能する利用側熱交換器6に送られて、冷却源としての水や空気と熱交換を行って冷却される(図14、図20〜図22の点F参照)。そして、利用側熱交換器6において冷却された高圧の冷媒は、ブリッジ回路17の入口逆止弁17bを通じてレシーバ入口管18aに流入し、第1膨張機構5aによって飽和圧力付近まで減圧されてレシーバ18内に一時的に溜められる(図14及び図20の点I参照)。そして、レシーバ18内に溜められた冷媒は、レシーバ出口管18bに送られて、第2膨張機構5bによって減圧されて低圧の気液二相状態の冷媒となり、ブリッジ回路17の出口逆止弁17dを通じて、冷媒の蒸発器として機能する熱源側熱交換器4に送られる(図14、図20〜図22の点E参照)。そして、熱源側熱交換器4に送られた低圧の気液二相状態の冷媒は、熱源側熱交換器4において、熱源側ファン40によって供給される加熱源としての空気と熱交換を行って加熱されて、蒸発することになる(図14、図20〜図22の点A参照)。そして、この熱源側熱交換器4において加熱されて蒸発した低圧の冷媒は、切換機構3を経由して、再び、圧縮機構2に吸入される。このようにして、暖房運転が行われる。
このように、本実施形態の空気調和装置1(冷凍装置)では、二段圧縮式の圧縮機構702を採用し、切換機構3を加熱運転状態にした暖房運転において、中間熱交換器開閉弁12を閉め、また、中間熱交換器バイパス開閉弁11を開けることによって、中間熱交換器7を冷却器として機能しない状態にするとともに、熱源側熱交換器4において発生するドレン水を加熱するドレン加熱器97を使用しているため、ドレン水を加熱することにより熱源側熱交換器4やドレンパンとして機能する底板77におけるドレン水の凍結や成長を抑えるとともに、冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒の温度を下げることにより(図22の点B、C2参照)、従来のような冷凍サイクルにおける高圧の冷媒によってドレン水を加熱するドレン加熱器を使用する場合(この場合には、図21、図22において、点A→点B→点D’→点F→点Eの順で冷凍サイクルが行われる)に比べて、図22の点B、D’、D、C2を結ぶことによって囲まれる面積に相当する分のエネルギーのロスを小さくできる。これにより、この空気調和装置1では、冷房運転時には、中間熱交換器7を用いて冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒を熱源としての空気によって冷却することで、冷媒の放熱器として機能する熱源側熱交換器4における放熱ロスを小さくすることができ、暖房運転時には、冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒を熱源としてのドレン水によって冷却することで、ドレン加熱器97を用いてドレン水の凍結や成長を抑えるだけでなく、冷凍サイクルにおける高圧の冷媒によってドレン水を加熱するドレン加熱器を使用する場合に比べて、加熱運転時におけるエネルギーのロスの増加を抑えることができる。
しかも、本実施形態では、ドレン加熱器97が熱源側熱交換器4の下部に配置されているため、ドレン水の流下によって最もドレン水の付着量が多くなる熱源側熱交換器4の下部においてドレン水が凍結しにくくなり、これにより、熱源側熱交換器4におけるドレン水の凍結や成長を効果的に抑えることができる。
また、本実施形態では、中間熱交換器7がドレン加熱器97よりも伝熱面積が大きいため、冷房運転時に、冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒を大幅に冷却することができるようになり、これにより、冷却運転時に放熱器として機能する熱源側熱交換器4における放熱ロスを大幅に低減することができる。一方、ドレン加熱器97については、中間熱交換器7による冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒の冷却の程度(図19の点B、C1参照)に比べて、冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒の冷却の程度(図22の点B、C2参照)が小さくなることから、ドレン水を加熱するという目的に適した伝熱面積を有していることになる。
また、本実施形態では、冷媒として、超臨界域で作動する冷媒(ここでは、二酸化炭素)を使用しているため、冷房運転時には、中間熱交換器7内には臨界圧力Pcp(二酸化炭素では、約7.3MPa)よりも低い中間圧の冷媒が流れ、冷媒の放熱器として機能する熱源側熱交換器4内には臨界圧力Pcpを超える高圧の冷媒が流れる冷凍サイクルが行われており(図18参照)、この場合には、図23に示されるように、臨界圧力Pcpよりも低い圧力における冷媒の物性と臨界圧力Pcpを超える圧力における冷媒の物性(特に、熱伝導率や定圧比熱)との差異に起因して、中間熱交換器7の冷媒側の熱伝達率が冷媒の放熱器として機能する熱源側熱交換器4の冷媒側の熱伝達率に比べて低くなる傾向となる。ここで、図23は、6MPaの二酸化炭素を所定の流路断面積を有する伝熱流路内に所定の質量流速で流す場合における熱伝達率の値(中間熱交換器7の冷媒側の熱伝達率に対応)と、6MPaの二酸化炭素と同一の伝熱流路及び質量流速の条件における10MPaの二酸化炭素の熱伝達率の値(熱源側熱交換器4の冷媒側の熱伝達率に対応)とを示しているが、これを見ると、冷媒の冷却器として機能する熱源側熱交換器4や中間熱交換器7内を流れる冷媒の温度範囲(40〜70℃程度)において、6MPaの二酸化炭素の熱伝達率の値が10MPaの二酸化炭素の熱伝達率の値よりも低いことがわかる。
このため、本実施形態の空気調和装置1の熱源ユニット1a(すなわち、側方から空気を吸い込んで上方に向かって空気を吹き出すように構成された熱源ユニット)において、仮に、中間熱交換器7を熱源側熱交換器4の下方に配置された状態で熱源側熱交換器4と一体化すると、熱源となる空気の流速が小さい熱源ユニット1aの下部に熱源側熱交換器4と一体化された中間熱交換器7が配置されることになり、中間熱交換器7を熱源ユニット1aの下部に配置することによる中間熱交換器7の空気側の熱伝達率の低下の影響と、中間熱交換器7の冷媒側の熱伝達率が熱源側熱交換器4の冷媒側の熱伝達率に比べて低くなる影響とが重なり合って、中間熱交換器7の総括熱伝達率が低くなり、しかも、熱源側熱交換器4と一体化することとの兼ね合いで中間熱交換器7の伝熱面積を大きくする程度にも限界があるため、中間熱交換器7の伝熱性能の低下が生じることになるのであるが、本実施形態では、中間熱交換器7を熱源側熱交換器4の上方に配置された状態で熱源側熱交換器4と一体化するようにしているため、熱源となる空気の流速が大きい熱源ユニット1aの上部に中間熱交換器7が配置されることになり、中間熱交換器7の空気側の熱伝達率が高くなり、その結果、中間熱交換器7の総括熱伝達率の低下が抑えられて、比較的大きな交換熱量が必要となる中間熱交換器7の伝熱性能の低下を抑えることができる。しかも、ドレン加熱器97については、熱源となる空気の流速が小さい熱源ユニット1aの下部に配置されることになり、ドレン水の加熱という目的から蒸発器としての熱源側熱交換器4の下方に設ける必要がある点と、中間熱交換器7よりも交換熱量が小さくて済む点とを両方とも満たすことができる。
(3)変形例1
上述の第2実施形態では、ドレン加熱器97が熱源側熱交換器4の下部に配置されている(より具体的には、ドレン加熱器97が下部に配置されるとともに、底板77上において熱源側熱交換器4と一体化されている)が、これに限定されるものではなく、ドレン加熱器97がドレンパンとして機能する底板77に配置されていてもよい。
上述の第2実施形態では、ドレン加熱器97が熱源側熱交換器4の下部に配置されている(より具体的には、ドレン加熱器97が下部に配置されるとともに、底板77上において熱源側熱交換器4と一体化されている)が、これに限定されるものではなく、ドレン加熱器97がドレンパンとして機能する底板77に配置されていてもよい。
例えば、図24及び図25に示されるように、ドレン加熱器97を熱源側熱交換器4と伝熱フィンを共有しない伝熱管からなる構造とし、ドレンパンとして機能する底板77に接触するように配置することができる。
そして、本変形例の空気調和装置1(冷凍装置)においても、二段圧縮式の圧縮機構2を採用し、切換機構3を冷却運転状態にする冷房運転時に、圧縮機構2の後段側の圧縮要素2dに吸入される冷媒(すなわち、冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒)の冷却器として機能する中間熱交換器7を使用し、切換機構3を加熱運転状態にする暖房運転時に、冷媒の蒸発器として機能する熱源側熱交換器4において発生するドレン水を加熱するドレン加熱器97を使用している点は、上述の第2実施形態と同じであるため、冷房運転時には、冷媒の放熱器として機能する熱源側熱交換器4における放熱ロスを小さくすることができ、暖房運転時には、ドレン加熱器97を用いてドレン水の凍結や成長を抑えるだけでなく、冷凍サイクルにおける高圧の冷媒によってドレン水を加熱するドレン加熱器を使用する場合に比べて、加熱運転時におけるエネルギーのロスの増加を抑えることができる。
しかも、本変形例では、ドレン加熱器97がドレンパンとして機能する底板77に配置されているため、熱源側熱交換器4から流下してドレンパンとして機能する底板77に溜まったドレン水が凍結しにくくなり、これにより、ドレンパンとして機能する底板77におけるドレン水の凍結や成長を効果的に抑えることができる。
(4)変形例2
上述の第2実施形態及びその変形例では、ドレン加熱器97が、熱源側熱交換器4の下部に配置されるか、又は、ドレンパンとして機能する底板77に配置されるかのいずれかであるが、熱源側熱交換器4の下部、及び、ドレンパンとして機能する底板77の両方に配置されていてもよい。
上述の第2実施形態及びその変形例では、ドレン加熱器97が、熱源側熱交換器4の下部に配置されるか、又は、ドレンパンとして機能する底板77に配置されるかのいずれかであるが、熱源側熱交換器4の下部、及び、ドレンパンとして機能する底板77の両方に配置されていてもよい。
例えば、図26〜図28に示されるように、ドレン加熱器97を、熱源側熱交換器4の下部に配置された第1ドレン加熱器97aと、ドレンパンとしての底板77に配置された第2ドレン加熱器97bとを有する構成とし、第1ドレン加熱器97aと第2ドレン加熱器97bとを並列に接続したり(図26参照)、第1ドレン加熱器97aと第2ドレン加熱器97bとを直列に接続する(図27参照)ことができる。尚、図27においては、第1ドレン加熱器97aの下流に第2ドレン加熱器97bを接続するようにしているが、第2ドレン加熱器97bの下流に第1ドレン加熱器97aを接続してもよい。
そして、本変形例の空気調和装置1(冷凍装置)においても、二段圧縮式の圧縮機構2を採用し、切換機構3を冷却運転状態にする冷房運転時に、圧縮機構2の後段側の圧縮要素2dに吸入される冷媒(すなわち、冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒)の冷却器として機能する中間熱交換器7を使用し、切換機構3を加熱運転状態にする暖房運転時に、冷媒の蒸発器として機能する熱源側熱交換器4において発生するドレン水を加熱するドレン加熱器97(ここでは、第1ドレン加熱器97a及び第2ドレン加熱器97b)を使用している点は、上述の第2実施形態及びその変形例と同じであるため、冷房運転時には、冷媒の放熱器として機能する熱源側熱交換器4における放熱ロスを小さくすることができ、暖房運転時には、ドレン加熱器97を用いてドレン水の凍結や成長を抑えるだけでなく、冷凍サイクルにおける高圧の冷媒によってドレン水を加熱するドレン加熱器を使用する場合に比べて、加熱運転時におけるエネルギーのロスの増加を抑えることができる。
しかも、本変形例では、ドレン加熱器97が熱源側熱交換器4の下部に配置された第1ドレン加熱器97aとドレンパンとして機能する底板77に配置された第2ドレン加熱器97bとを有しているため、ドレン水の流下によって最もドレン水の付着量が多くなる熱源側熱交換器4の下部においてドレン水が凍結しにくくなるとともに、熱源側熱交換器4から流下してドレンパンとして機能する底板77に溜まったドレン水が凍結しにくくなり、これにより、熱源側熱交換器4におけるドレン水の凍結や成長、及び、ドレンパンとして機能する底板77におけるドレン水の凍結や成長の両方を効果的に抑えることができる。
(5)変形例3
上述の第2実施形態の変形例2では、ドレン加熱器97(より具体的には、第1ドレン加熱器97a、及び、第2ドレン加熱器97b)が熱源側熱交換器4の下部、及び、ドレンパンとして機能する底板77の両方に配置されており、前段側の圧縮要素2cから吐出されて後段側の圧縮要素2dに吸入される冷媒を両ドレン加熱器97a、97bに流すように構成されているが、第1ドレン加熱器97a及び第2ドレン加熱器97bのいずれか一方だけに流すことができるように構成されていてもよい。
上述の第2実施形態の変形例2では、ドレン加熱器97(より具体的には、第1ドレン加熱器97a、及び、第2ドレン加熱器97b)が熱源側熱交換器4の下部、及び、ドレンパンとして機能する底板77の両方に配置されており、前段側の圧縮要素2cから吐出されて後段側の圧縮要素2dに吸入される冷媒を両ドレン加熱器97a、97bに流すように構成されているが、第1ドレン加熱器97a及び第2ドレン加熱器97bのいずれか一方だけに流すことができるように構成されていてもよい。
例えば、図29に示されるように、第1ドレン加熱器97aと第2ドレン加熱器97bとが並列に接続された構成において、第1ドレン加熱器97aへの冷媒の流れを制限する第1ドレン加熱器開閉弁98aと、第2ドレン加熱器97bへの冷媒の流れを制限する第2ドレン加熱器開閉弁98bとからなるドレン加熱器切換機構98を設けることができる。また、図30に示されるように、第1ドレン加熱器97aと第2ドレン加熱器97bとが直列に接続された構成において、第1ドレン加熱器97aをバイパスするための第1ドレン加熱器バイパス管99aと、第1ドレン加熱器97aへの冷媒の流れを制限する第1ドレン加熱器開閉弁98aと、第2ドレン加熱器97bをバイパスするための第2ドレン加熱器バイパス管99bと、第2ドレン加熱器97bへの冷媒の流れを制限する第2ドレン加熱器開閉弁98bとからなるドレン加熱器切換機構98を設けることができる。ここで、第1ドレン加熱器バイパス管99a及び第2ドレン加熱器バイパス管99bには、それぞれ、第1ドレン加熱器バイパス開閉弁99c及び第2ドレン加熱器バイパス開閉弁99dが設けられている。尚、本変形例において、開閉弁98a、98b、99c、99dは、電磁弁である。また、図29及び図30に示される構成を、電磁弁ではなく三方弁等を使用して構成してもよい。
そして、本変形例の空気調和装置1(冷凍装置)においても、上述の第2実施形態の変形例2と同様の作用効果を得ることができるとともに、第1ドレン加熱器97aと第2ドレン加熱器97bとの切り換えを可能にするドレン加熱器切換機構98がさらに設けられているため、第1ドレン加熱器97a及び第2ドレン加熱器97bのいずれか一方だけを必要に応じて使用することができる。
(6)変形例4
上述の第2実施形態及びその変形例では、中間熱交換器7が切換機構3を冷却運転状態にした冷房運転時だけに使用される機器となっており、切換機構3を加熱運転状態にした暖房運転時には利用されない機器となっている。
上述の第2実施形態及びその変形例では、中間熱交換器7が切換機構3を冷却運転状態にした冷房運転時だけに使用される機器となっており、切換機構3を加熱運転状態にした暖房運転時には利用されない機器となっている。
そこで、本変形例では、図31に示されるように、上述の第2実施形態の冷媒回路10(図14参照)において、切換機構3を冷却運転状態にした冷房運転時には、中間熱交換器7を冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒の冷却器として機能させ、切換機構3を加熱運転状態にした暖房運転時には、利用側熱交換器6において放熱した冷媒の蒸発器として機能させるようにするために、中間熱交換器7の一端と圧縮機構2の吸入側とを接続させるための第2吸入戻し管92と、利用側熱交換器6と熱源側熱交換器4との間と中間熱交換器7の他端とを接続させるための中間熱交換器戻し管94とを設けた冷媒回路110としている。
ここで、第2吸入戻し管92は、中間熱交換器7の一端(ここでは、前段側の圧縮要素2c側端)に接続されており、中間熱交換器バイパス管9を通じて前段側の圧縮要素2cから吐出された冷媒を後段側の圧縮要素2dに吸入させる状態にしている際に、中間熱交換器7の一端と圧縮機構2の吸入側(ここでは、吸入管2a)とを接続させるための冷媒管である。また、中間熱交換器戻し管94は、中間熱交換器7の他端(ここでは、後段側の圧縮要素2d側端)に接続されており、中間熱交換器バイパス管9を通じて前段側の圧縮要素2cから吐出された冷媒を後段側の圧縮要素2dに吸入させる状態にし、かつ、切換機構3を加熱運転状態にした暖房運転時に、利用側熱交換器6と熱源側熱交換器4との間(ここでは、冷凍サイクルにおける低圧になるまで冷媒を減圧する第2膨張機構5bと蒸発器としての熱源側熱交換器4との間)と中間熱交換器7の他端とを接続させるための冷媒管である。本変形例において、第2吸入戻し管92は、その一端が、中間冷媒管8の中間熱交換器バイパス管9の前段側の圧縮要素2c側端との接続部から中間熱交換器7の前段側の圧縮要素2c側端までの部分に接続されており、他端が、圧縮機構2の吸入側(ここでは、吸入管2a)に接続されている。また、中間熱交換器戻し管94は、その一端が、第2膨張機構5bから熱源側熱交換器4までの部分に接続されており、他端が、中間冷媒管8の中間熱交換器7の前段側の圧縮要素2c側端から逆止機構15までの部分に接続されている。そして、第2吸入戻し管92には、第2吸入戻し開閉弁92aが設けられており、中間熱交換器戻し管94には、中間熱交換器戻し開閉弁94aが設けられている。第2吸入戻し開閉弁92a及び中間熱交換器戻し開閉弁94aは、本変形例において、電磁弁である。この第2吸入戻し開閉弁92aは、本変形例において、基本的には、切換機構3を冷却運転状態にした冷房運転時に閉め、切換機構3を加熱運転状態にした暖房運転時に開ける制御がなされる。また、中間熱交換器戻し開閉弁94aは、切換機構3を冷却運転状態にした冷房運転時に閉め、切換機構3を加熱運転状態にした暖房運転時に開ける制御がなされる。
このように、本変形例では、主として、中間熱交換器バイパス管9、第2吸入戻し管92及び中間熱交換器戻し管94によって、冷房運転時には、中間冷媒管8を流れる冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒を中間熱交換器7によって冷却することができ、暖房運転時には、中間冷媒管8を流れる冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒を中間熱交換器バイパス管9によって、中間熱交換器7をバイパスさせるとともに、ドレン加熱器97において熱源側熱交換器4において発生するドレン水を加熱し、さらに、第2吸入戻し管92及び中間熱交換器戻し管94によって、利用側熱交換器6において冷却された冷媒の一部を中間熱交換器7に導いて蒸発させ、圧縮機構2の吸入側に戻すことができるようになっている。
次に、本変形例の空気調和装置1の動作について、図31〜図37を用いて説明する。
ここで、図32は、冷房運転時における空気調和装置1内の冷媒の流れを示す図であり、図33は、冷房運転時の冷凍サイクルが図示された圧力−エンタルピ線図であり、図34は、冷房運転時の冷凍サイクルが図示された温度−エントロピ線図であり、図35は、暖房運転時における空気調和装置1内の冷媒の流れを示す図であり、図36は、暖房運転時の冷凍サイクルが図示された圧力−エンタルピ線図であり、図37は、暖房運転時の冷凍サイクルが図示された温度−エントロピ線図である。尚、以下の冷房運転や暖房運転における運転制御は、上述の制御部(図示せず)によって行われる。また、以下の説明において、「高圧」とは、冷凍サイクルにおける高圧(すなわち、図33、34の点D、D’、Eにおける圧力や図36、37の点D、D’、Fにおける圧力)を意味し、「低圧」とは、冷凍サイクルにおける低圧(すなわち、図33、34の点A、Fにおける圧力や図36、37の点A、E、Vにおける圧力)を意味し、「中間圧」とは、冷凍サイクルにおける中間圧(すなわち、図33、34の点B、C1における圧力や図36、37の点B、C2における圧力)を意味している。
ここで、図32は、冷房運転時における空気調和装置1内の冷媒の流れを示す図であり、図33は、冷房運転時の冷凍サイクルが図示された圧力−エンタルピ線図であり、図34は、冷房運転時の冷凍サイクルが図示された温度−エントロピ線図であり、図35は、暖房運転時における空気調和装置1内の冷媒の流れを示す図であり、図36は、暖房運転時の冷凍サイクルが図示された圧力−エンタルピ線図であり、図37は、暖房運転時の冷凍サイクルが図示された温度−エントロピ線図である。尚、以下の冷房運転や暖房運転における運転制御は、上述の制御部(図示せず)によって行われる。また、以下の説明において、「高圧」とは、冷凍サイクルにおける高圧(すなわち、図33、34の点D、D’、Eにおける圧力や図36、37の点D、D’、Fにおける圧力)を意味し、「低圧」とは、冷凍サイクルにおける低圧(すなわち、図33、34の点A、Fにおける圧力や図36、37の点A、E、Vにおける圧力)を意味し、「中間圧」とは、冷凍サイクルにおける中間圧(すなわち、図33、34の点B、C1における圧力や図36、37の点B、C2における圧力)を意味している。
<冷房運転>
冷房運転時は、切換機構3が図31及び図32の実線で示される冷却運転状態とされる。また、第1膨張機構5a及び第2膨張機構5bは、開度調節される。そして、切換機構3が冷却運転状態となるため、中間冷媒管8の中間熱交換器開閉弁12が開けられ、そして、中間熱交換器バイパス管9の中間熱交換器バイパス開閉弁11が閉められることによって、中間熱交換器7が冷却器として機能する状態にされるとともに、ドレン加熱器97に冷媒が流れない状態とされ、さらに、第2吸入戻し管92の第2吸入戻し開閉弁92aが閉められることによって、中間熱交換器7と圧縮機構2の吸入側とが接続していない状態にされ、また、中間熱交換器戻し管94の中間熱交換器戻し開閉弁94aが閉められることによって、利用側熱交換器6と熱源側熱交換器4との間と中間熱交換器7とが接続していない状態にされる。
冷房運転時は、切換機構3が図31及び図32の実線で示される冷却運転状態とされる。また、第1膨張機構5a及び第2膨張機構5bは、開度調節される。そして、切換機構3が冷却運転状態となるため、中間冷媒管8の中間熱交換器開閉弁12が開けられ、そして、中間熱交換器バイパス管9の中間熱交換器バイパス開閉弁11が閉められることによって、中間熱交換器7が冷却器として機能する状態にされるとともに、ドレン加熱器97に冷媒が流れない状態とされ、さらに、第2吸入戻し管92の第2吸入戻し開閉弁92aが閉められることによって、中間熱交換器7と圧縮機構2の吸入側とが接続していない状態にされ、また、中間熱交換器戻し管94の中間熱交換器戻し開閉弁94aが閉められることによって、利用側熱交換器6と熱源側熱交換器4との間と中間熱交換器7とが接続していない状態にされる。
この冷媒回路110の状態において、低圧の冷媒(図31〜図34の点A参照)は、吸入管2aから圧縮機構2に吸入され、まず、圧縮要素2cによって中間圧力まで圧縮された後に、中間冷媒管8に吐出される(図31〜図34の点B参照)。この前段側の圧縮要素2cから吐出された中間圧の冷媒は、中間熱交換器7において、熱源側ファン40によって供給される冷却源としての空気と熱交換を行うことで冷却される(図31〜図34の点C1参照)。この中間熱交換器7において冷却された冷媒は、次に、圧縮要素2cの後段側に接続された圧縮要素2dに吸入されてさらに圧縮されて、圧縮機構2から吐出管2bに吐出される(図31〜図34の点D参照)。ここで、圧縮機構2から吐出された高圧の冷媒は、圧縮要素2c、2dによる二段圧縮動作によって、臨界圧力(すなわち、図33に示される臨界点CPにおける臨界圧力Pcp)を超える圧力まで圧縮されている。そして、この圧縮機構2から吐出された高圧の冷媒は、油分離機構41を構成する油分離器41aに流入し、同伴する冷凍機油が分離される。また、油分離器41aにおいて高圧の冷媒から分離された冷凍機油は、油分離機構41を構成する油戻し管41bに流入し、油戻し管41bに設けられた減圧機構41cで減圧された後に圧縮機構2の吸入管2aに戻されて、再び、圧縮機構2に吸入される。次に、油分離機構41において冷凍機油が分離された後の高圧の冷媒は、逆止機構42及び切換機構3を通じて、冷媒の放熱器として機能する熱源側熱交換器4に送られる。そして、熱源側熱交換器4に送られた高圧の冷媒は、熱源側熱交換器4において、熱源側ファン40によって供給される冷却源としての空気と熱交換を行って冷却される(図31〜図34の点E参照)。そして、熱源側熱交換器4において冷却された高圧の冷媒は、ブリッジ回路17の入口逆止弁17aを通じてレシーバ入口管18aに流入し、第1膨張機構5aによって飽和圧力付近まで減圧されてレシーバ18内に一時的に溜められる(図31及び図32の点I参照)。そして、レシーバ18内に溜められた冷媒は、レシーバ出口管18bに送られて、第2膨張機構5bによって減圧されて低圧の気液二相状態の冷媒となり、ブリッジ回路17の出口逆止弁17cを通じて、冷媒の蒸発器として機能する利用側熱交換器6に送られる(図31〜図34点F参照)。そして、利用側熱交換器6に送られた低圧の気液二相状態の冷媒は、加熱源としての水や空気と熱交換を行って加熱されて、蒸発することになる(図31〜図34の点A参照)。そして、この利用側熱交換器6において加熱された低圧の冷媒は、切換機構3を経由して、再び、圧縮機構2に吸入される。このようにして、冷房運転が行われる。
そして、本変形例の空気調和装置1(冷凍装置)においても、上述の第2実施形態における冷房運転時と同様の作用効果を得ることができる。
<暖房運転>
暖房運転時は、切換機構3が図31及び図35の破線で示される加熱運転状態とされる。また、第1膨張機構5a及び第2膨張機構5bは、開度調節される。そして、切換機構3が加熱運転状態となるため、中間冷媒管8の中間熱交換器開閉弁12が閉められ、そして、中間熱交換器バイパス管9の中間熱交換器バイパス開閉弁11が開けられることによって、中間熱交換器7が冷却器として機能しない状態にされるとともに、ドレン加熱器97に冷媒が流れる状態とされ、さらに、第2吸入戻し管92の第2吸入戻し開閉弁92aが開けられることによって、中間熱交換器7と圧縮機構2の吸入側とが接続されている状態にされ、また、中間熱交換器戻し管94の中間熱交換器戻し開閉弁94aが開けられることによって、利用側熱交換器6と熱源側熱交換器4との間と中間熱交換器7とが接続されている状態にされる。
暖房運転時は、切換機構3が図31及び図35の破線で示される加熱運転状態とされる。また、第1膨張機構5a及び第2膨張機構5bは、開度調節される。そして、切換機構3が加熱運転状態となるため、中間冷媒管8の中間熱交換器開閉弁12が閉められ、そして、中間熱交換器バイパス管9の中間熱交換器バイパス開閉弁11が開けられることによって、中間熱交換器7が冷却器として機能しない状態にされるとともに、ドレン加熱器97に冷媒が流れる状態とされ、さらに、第2吸入戻し管92の第2吸入戻し開閉弁92aが開けられることによって、中間熱交換器7と圧縮機構2の吸入側とが接続されている状態にされ、また、中間熱交換器戻し管94の中間熱交換器戻し開閉弁94aが開けられることによって、利用側熱交換器6と熱源側熱交換器4との間と中間熱交換器7とが接続されている状態にされる。
この冷媒回路110の状態において、低圧の冷媒(図31、図35〜図37の点A参照)は、吸入管2aから圧縮機構2に吸入され、まず、圧縮要素2cによって中間圧力まで圧縮された後に、中間冷媒管8に吐出される(図31、図35〜図37の点B参照)。この前段側の圧縮要素2cから吐出された中間圧の冷媒は、冷房運転時とは異なり、中間熱交換器7を通過せずに、中間熱交換器バイパス管9に設けられたドレン加熱器97に流入し、ドレン加熱器97において、冷媒の蒸発器として機能する熱源側熱交換器4において発生して熱源側熱交換器4を流下するドレン水と熱交換を行うことで冷却される(図31、図35〜図37の点C2参照)。このドレン加熱器97において冷却された冷媒は、圧縮要素2cの後段側に接続された圧縮要素2dに吸入されてさらに圧縮されて、圧縮機構2から吐出管2bに吐出される(図31、図35〜図37の点D参照)。ここで、圧縮機構2から吐出された高圧の冷媒は、冷房運転時と同様、圧縮要素2c、2dによる二段圧縮動作によって、臨界圧力(すなわち、図36に示される臨界点CPにおける臨界圧力Pcp)を超える圧力まで圧縮されている。そして、この圧縮機構2から吐出された高圧の冷媒は、油分離機構41を構成する油分離器41aに流入し、同伴する冷凍機油が分離される。また、油分離器41aにおいて高圧の冷媒から分離された冷凍機油は、油分離機構41を構成する油戻し管41bに流入し、油戻し管41bに設けられた減圧機構41cで減圧された後に圧縮機構2の吸入管2aに戻されて、再び、圧縮機構2に吸入される。次に、油分離機構41において冷凍機油が分離された後の高圧の冷媒は、逆止機構42及び切換機構3を通じて、冷媒の放熱器として機能する利用側熱交換器6に送られて、冷却源としての水や空気と熱交換を行って冷却される(図31、図35〜図37の点F参照)。そして、利用側熱交換器6において冷却された高圧の冷媒は、ブリッジ回路17の入口逆止弁17bを通じてレシーバ入口管18aに流入し、第1膨張機構5aによって飽和圧力付近まで減圧されてレシーバ18内に一時的に溜められる(図31及び図35の点I参照)。そして、レシーバ18内に溜められた冷媒は、レシーバ出口管18bに送られて、第2膨張機構5bによって減圧されて低圧の気液二相状態の冷媒となり、ブリッジ回路17の出口逆止弁17dを通じて、冷媒の蒸発器として機能する熱源側熱交換器4に送られるとともに、中間熱交換器戻し管94を通じて、冷媒の蒸発器として機能する中間熱交換器7にも送られる(図31、図35〜図37の点E参照)。そして、熱源側熱交換器4に送られた低圧の気液二相状態の冷媒は、熱源側ファン40によって供給される加熱源としての空気と熱交換を行って加熱されて、蒸発することになる(図31、図35〜図37の点A参照)。また、中間熱交換器7に送られた低圧の気液二相状態の冷媒も、熱源側ファン40によって供給される加熱源としての空気と熱交換を行って加熱されて、蒸発することになる(図31、図35〜図37の点V参照)。そして、この熱源側熱交換器4において加熱されて蒸発した低圧の冷媒は、切換機構3を経由して、再び、圧縮機構2に吸入される。また、この中間熱交換器7において加熱されて蒸発した低圧の冷媒は、第2吸入戻し管92を通じて、再び、圧縮機構2に吸入される。このようにして、暖房運転が行われる。
このように、本変形例の空気調和装置1(冷凍装置)においても、上述の第2実施形態における暖房運転時と同様の作用効果を得ることができる。しかも、本変形例では、暖房運転時に、単に、中間熱交換器7を使用しないことで冷却器として機能しない状態にしているのではなく、熱源側熱交換器4とともに、中間熱交換器7を利用側熱交換器7において放熱した冷媒の蒸発器として機能させるようにして、暖房運転時にも利用するようにして、中間熱交換器7から外部への放熱を抑えつつ、暖房運転時における冷媒の蒸発能力を大きくするとともに、暖房運転時に中間熱交換器7を有効利用することができる。
また、本変形例では、暖房運転時に中間熱交換器7からもドレン水が発生することになるが、中間熱交換器7が熱源側熱交換器4の上部に配置されているため、中間熱交換器7において発生するドレン水が熱源側熱交換器4を通じて流下し、熱源側熱交換器4において発生するドレン水だけでなく、中間熱交換器7において発生するドレン水も含めてドレン加熱器97によって加熱することができる。
尚、本変形例では、上述の第2実施形態における熱源側熱交換器4の下部にドレン加熱器97が設けられた構成において、第2吸入戻し管92及び中間熱交換器戻し管94を設けているが、上述の第2実施形態の変形例1〜3のようなドレン加熱器97がドレンパンとして機能する底板77に設けられた構成や熱源側熱交換器4の下部及びドレンパンとして機能する底板77に設けられた構成において、第2吸入戻し管92及び中間熱交換器戻し管94を設けるようにしてもよい。
(7)変形例5
上述の第2実施形態の変形例4においては、中間熱交換器7を通じて前段側の圧縮要素2cから吐出された冷媒を後段側の圧縮要素2dに吸入させるとともに、第2吸入戻し管92を通じて中間熱交換器7と圧縮機構2の吸入側とを接続させない状態(以下、この状態を「冷媒不戻し状態」とする)と、中間熱交換器バイパス管9を通じて前段側の圧縮要素2cから吐出された冷媒を後段側の圧縮要素2dに吸入させるとともに、第2吸入戻し管92を通じて中間熱交換器7と圧縮機構2の吸入側とを接続させる状態(以下、この状態を「冷媒戻し状態」とする)との切り換えを、開閉弁11、12、92aの開閉状態によって行うようにしているが、図38に示されるように、開閉弁11、12、92aに代えて、冷媒不戻し状態と冷媒戻し状態とを切り換え可能な中間熱交換器切換弁93を設けた冷媒回路110にしてもよい。
上述の第2実施形態の変形例4においては、中間熱交換器7を通じて前段側の圧縮要素2cから吐出された冷媒を後段側の圧縮要素2dに吸入させるとともに、第2吸入戻し管92を通じて中間熱交換器7と圧縮機構2の吸入側とを接続させない状態(以下、この状態を「冷媒不戻し状態」とする)と、中間熱交換器バイパス管9を通じて前段側の圧縮要素2cから吐出された冷媒を後段側の圧縮要素2dに吸入させるとともに、第2吸入戻し管92を通じて中間熱交換器7と圧縮機構2の吸入側とを接続させる状態(以下、この状態を「冷媒戻し状態」とする)との切り換えを、開閉弁11、12、92aの開閉状態によって行うようにしているが、図38に示されるように、開閉弁11、12、92aに代えて、冷媒不戻し状態と冷媒戻し状態とを切り換え可能な中間熱交換器切換弁93を設けた冷媒回路110にしてもよい。
ここで、中間熱交換器切換弁93は、冷媒不戻し状態と冷媒戻し状態に切り換えることが可能な弁であり、本変形例において、中間冷媒管8の前段側の圧縮要素2cの吐出側と、中間冷媒管8の中間熱交換器7の入口側と、中間熱交換器バイパス管9の前段側の圧縮要素2c側端と、第2吸入戻し管92の中間熱交換器7側端に接続された四路切換弁である。また、中間熱交換器バイパス管9には、前段側の圧縮要素2cの吐出側から後段側の圧縮要素2dの吸入側への冷媒の流れを許容し、かつ、後段側の圧縮要素2dの吸入側から前段側の圧縮要素2cの吐出側や圧縮機構2の吸入側への冷媒の流れを遮断するための逆止機構9aがさらに設けられている。逆止機構9aは、本変形例において、逆止弁である。
そして、本変形例においては、詳細な説明は省略するが、中間熱交換器切換弁93を冷媒不戻し状態に切り換えることで(図38の中間熱交換器切換弁93の実線を参照)、上述の第2実施形態の変形例4と同様の冷房運転を行い、中間熱交換器バイパス管9を通じて前段側の圧縮要素2cから吐出された冷媒を後段側の圧縮要素2dに吸入させるとともに、第2吸入戻し管92を通じて中間熱交換器7と圧縮機構2の吸入側とを接続させる冷媒戻し状態に切り換えることで(図38の中間熱交換器切換弁93の破線を参照)、上述の第2実施形態の変形例4と同様の暖房運転を行うことができるようになっている。
そして、本変形例の構成においても、上述の第2実施形態の変形例4と同様の作用効果を得ることができる。しかも、本変形例では、中間熱交換器切換弁93によって、冷媒不戻し状態と冷媒戻し状態とを切り換えることができるため、上述の第2実施形態の変形例4のような複数の弁11、12、92aによって、冷媒不戻し状態と冷媒戻し状態とを切り換える構成を採用する場合に比べて、弁の数を減らすことができる。また、電磁弁を使用する場合に比べて圧力損失も減少するため、冷凍サイクルにおける中間圧の低下を抑えて、運転効率の低下も抑えることができる。
尚、本変形例では、上述の第2実施形態における熱源側熱交換器4の下部にドレン加熱器97が設けられた構成において、中間熱交換器切換弁93等を設けているが、上述の第2実施形態の変形例1〜3のようなドレン加熱器97がドレンパンとして機能する底板77に設けられた構成や熱源側熱交換器4の下部及びドレンパンとして機能する底板77に設けられた構成において、中間熱交換器切換弁93等を設けるようにしてもよい。
(8)変形例6
上述の実施形態及びその変形例においては、切換機構3によって冷房運転と暖房運転とを切換可能に構成された二段圧縮式冷凍サイクルを行う空気調和装置1において、前段側の圧縮要素2cから吐出されて後段側の圧縮要素2dに吸入される冷媒の冷却器として機能する中間熱交換器7、中間熱交換器7をバイパスするように中間冷媒管8に接続されている中間熱交換器バイパス管9、冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒によって熱源側熱交換器4において発生するドレン水を加熱するドレン加熱器97を設けるようにしているが、この構成に加えて、第1後段側インジェクション管19及びエコノマイザ熱交換器20による中間圧インジェクションを行うようにしてもよい。
上述の実施形態及びその変形例においては、切換機構3によって冷房運転と暖房運転とを切換可能に構成された二段圧縮式冷凍サイクルを行う空気調和装置1において、前段側の圧縮要素2cから吐出されて後段側の圧縮要素2dに吸入される冷媒の冷却器として機能する中間熱交換器7、中間熱交換器7をバイパスするように中間冷媒管8に接続されている中間熱交換器バイパス管9、冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒によって熱源側熱交換器4において発生するドレン水を加熱するドレン加熱器97を設けるようにしているが、この構成に加えて、第1後段側インジェクション管19及びエコノマイザ熱交換器20による中間圧インジェクションを行うようにしてもよい。
例えば、図39に示されるように、上述の第2実施形態の変形例4の冷媒回路110(図31参照)において、第1後段側インジェクション管19及びエコノマイザ熱交換器20がさらに設けられた冷媒回路210にすることができる。
第1後段側インジェクション管19は、熱源側熱交換器4と利用側熱交換器6との間を流れる冷媒を分岐して圧縮機構2の後段側の圧縮要素2dに戻す機能を有している。本変形例において、第1後段側インジェクション管19は、レシーバ入口管18aを流れる冷媒を分岐して後段側の圧縮要素2dの吸入側に戻すように設けられている。より具体的には、第1後段側インジェクション管19は、レシーバ入口管18aの第1膨張機構5aの上流側の位置(すなわち、切換機構3を冷却運転状態にしている際には、熱源側熱交換器4と第1膨張機構5aとの間)から冷媒を分岐して中間冷媒管8の中間熱交換器7の下流側の位置に戻すように設けられている。また、この第1後段側インジェクション管19には、開度制御が可能な第1後段側インジェクション弁19aが設けられている。そして、第1後段側インジェクション弁19aは、本変形例において、電動膨張弁である。
エコノマイザ熱交換器20は、熱源側熱交換器4と利用側熱交換器6との間を流れる冷媒と第1後段側インジェクション管19を流れる冷媒(より具体的には、第1後段側インジェクション弁19aにおいて中間圧付近まで減圧された後の冷媒)との熱交換を行う熱交換器である。本変形例において、エコノマイザ熱交換器20は、レシーバ入口管18aの第1膨張機構5aの上流側の位置(すなわち、切換機構3を冷却運転状態にしている際には、熱源側熱交換器4と第1膨張機構5aとの間)を流れる冷媒と第1後段側インジェクション管19を流れる冷媒との熱交換を行うように設けられており、また、両冷媒が対向するように流れる流路を有している。また、本変形例において、エコノマイザ熱交換器20は、第1後段側インジェクション管19がレシーバ入口管18aから分岐されている位置よりも下流側に設けられている。このため、熱源側熱交換器4と利用側熱交換器6との間を流れる冷媒は、レシーバ入口管18aにおいて、エコノマイザ熱交換器20において熱交換される前に第1後段側インジェクション管19に分岐され、その後に、エコノマイザ熱交換器20において、第1後段側インジェクション管19を流れる冷媒と熱交換を行うことになる。
このように、本変形例では、切換機構3を冷却運転状態にした冷房運転時には、熱源側熱交換器4において冷却された高圧の冷媒を、ブリッジ回路17の入口逆止弁17a、エコノマイザ熱交換器20、レシーバ入口管18aの第1膨張機構5a、レシーバ18、レシーバ出口管18bの第2膨張機構5b及びブリッジ回路17の出口逆止弁17cを通じて、利用側熱交換器6に送ることができるようになっている。また、切換機構3を加熱運転状態にした暖房運転時には、利用側熱交換器6において冷却された高圧の冷媒を、ブリッジ回路17の入口逆止弁17b、エコノマイザ熱交換器20、レシーバ入口管18aの第1膨張機構5a、レシーバ18、レシーバ出口管18bの第2膨張機構5b及びブリッジ回路17の出口逆止弁17dを通じて、熱源側熱交換器4に送ることができるようになっている。
さらに、本変形例において、中間冷媒管8又は圧縮機構2には、中間冷媒管8を流れる冷媒の圧力を検出する中間圧力センサ54が設けられている。エコノマイザ熱交換器20の第1後段側インジェクション管19側の出口には、エコノマイザ熱交換器20の第1後段側インジェクション管19側の出口における冷媒の温度を検出するエコノマイザ出口温度センサ55が設けられている。
次に、本変形例の空気調和装置1の動作について、図39〜図45を用いて説明する。ここで、図40は、冷房運転時における空気調和装置1内の冷媒の流れを示す図であり、図41は、冷房運転時の冷凍サイクルが図示された圧力−エンタルピ線図であり、図42は、冷房運転時の冷凍サイクルが図示された温度−エントロピ線図であり、図43は、暖房運転時における空気調和装置1内の冷媒の流れを示す図であり、図44は、暖房運転時の冷凍サイクルが図示された圧力−エンタルピ線図であり、図45は、暖房運転時の冷凍サイクルが図示された温度−エントロピ線図である。尚、以下の冷房運転や暖房運転における運転制御は、上述の制御部(図示せず)によって行われる。また、以下の説明において、「高圧」とは、冷凍サイクルにおける高圧(すなわち、図41、図42の点D、D’、E、Hにおける圧力や図44、図45の点D、D’、F、Hにおける圧力)を意味し、「低圧」とは、冷凍サイクルにおける低圧(すなわち、図41、42の点A、Fにおける圧力や図44、図45の点A、E、Vにおける圧力)を意味し、「中間圧」とは、冷凍サイクルにおける中間圧(すなわち、図41、42の点B、C1、G、J、Kにおける圧力や図44、45の点B、C2、G、J、Kにおける圧力)を意味している。
<冷房運転>
冷房運転時は、切換機構3が図39及び図40の実線で示される冷却運転状態とされる。また、第1膨張機構5a及び第2膨張機構5bは、開度調節される。また、第1後段側インジェクション弁19aも、開度調節される。より具体的には、本変形例において、第1後段側インジェクション弁19aは、エコノマイザ熱交換器20の第1後段側インジェクション管19側の出口における冷媒の過熱度が目標値になるように開度調節される、いわゆる過熱度制御がなされるようになっている。本変形例において、エコノマイザ熱交換器20の第1後段側インジェクション管19側の出口における冷媒の過熱度は、中間圧力センサ54により検出される中間圧を飽和温度に換算し、エコノマイザ出口温度センサ55により検出される冷媒温度からこの冷媒の飽和温度値を差し引くことによって得られる。尚、本変形例では採用していないが、エコノマイザ熱交換器20の第1後段側インジェクション管19側の入口に温度センサを設けて、この温度センサにより検出される冷媒温度をエコノマイザ出口温度センサ55により検出される冷媒温度から差し引くことによって、エコノマイザ熱交換器20の第1後段側インジェクション管19側の出口における冷媒の過熱度を得るようにしてもよい。また、第1後段側インジェクション弁19aの開度調節は、過熱度制御に限られるものではなく、例えば、冷媒回路10における冷媒循環量等に応じて所定開度だけ開けるようにするものであってもよい。そして、切換機構3が冷却運転状態となるため、中間冷媒管8の中間熱交換器開閉弁12が開けられ、そして、中間熱交換器バイパス管9の中間熱交換器バイパス開閉弁11が閉められることによって、中間熱交換器7が冷却器として機能する状態にされるとともに、ドレン加熱器97に冷媒が流れない状態とされ、さらに、第2吸入戻し管92の第2吸入戻し開閉弁92aが閉められることによって、中間熱交換器7と圧縮機構2の吸入側とが接続していない状態にされ、また、中間熱交換器戻し管94の中間熱交換器戻し開閉弁94aが閉められることによって、利用側熱交換器6と熱源側熱交換器4との間と中間熱交換器7とが接続していない状態にされる。
冷房運転時は、切換機構3が図39及び図40の実線で示される冷却運転状態とされる。また、第1膨張機構5a及び第2膨張機構5bは、開度調節される。また、第1後段側インジェクション弁19aも、開度調節される。より具体的には、本変形例において、第1後段側インジェクション弁19aは、エコノマイザ熱交換器20の第1後段側インジェクション管19側の出口における冷媒の過熱度が目標値になるように開度調節される、いわゆる過熱度制御がなされるようになっている。本変形例において、エコノマイザ熱交換器20の第1後段側インジェクション管19側の出口における冷媒の過熱度は、中間圧力センサ54により検出される中間圧を飽和温度に換算し、エコノマイザ出口温度センサ55により検出される冷媒温度からこの冷媒の飽和温度値を差し引くことによって得られる。尚、本変形例では採用していないが、エコノマイザ熱交換器20の第1後段側インジェクション管19側の入口に温度センサを設けて、この温度センサにより検出される冷媒温度をエコノマイザ出口温度センサ55により検出される冷媒温度から差し引くことによって、エコノマイザ熱交換器20の第1後段側インジェクション管19側の出口における冷媒の過熱度を得るようにしてもよい。また、第1後段側インジェクション弁19aの開度調節は、過熱度制御に限られるものではなく、例えば、冷媒回路10における冷媒循環量等に応じて所定開度だけ開けるようにするものであってもよい。そして、切換機構3が冷却運転状態となるため、中間冷媒管8の中間熱交換器開閉弁12が開けられ、そして、中間熱交換器バイパス管9の中間熱交換器バイパス開閉弁11が閉められることによって、中間熱交換器7が冷却器として機能する状態にされるとともに、ドレン加熱器97に冷媒が流れない状態とされ、さらに、第2吸入戻し管92の第2吸入戻し開閉弁92aが閉められることによって、中間熱交換器7と圧縮機構2の吸入側とが接続していない状態にされ、また、中間熱交換器戻し管94の中間熱交換器戻し開閉弁94aが閉められることによって、利用側熱交換器6と熱源側熱交換器4との間と中間熱交換器7とが接続していない状態にされる。
この冷媒回路210の状態において、低圧の冷媒(図39〜図42の点A参照)は、吸入管2aから圧縮機構2に吸入され、まず、圧縮要素2cによって中間圧力まで圧縮された後に、中間冷媒管8に吐出される(図39〜図42の点B1参照)。この前段側の圧縮要素2cから吐出された中間圧の冷媒は、中間熱交換器7において、熱源側ファン40によって供給される冷却源としての空気と熱交換を行うことで冷却される(図39〜図42の点C1参照)。この中間熱交換器7において冷却された冷媒は、第1後段側インジェクション管19から後段側の圧縮機構2dに戻される冷媒(図39〜図42の点K参照)と合流することでさらに冷却される(図39〜図42の点G参照)。次に、第1後段側インジェクション管19から戻る冷媒と合流した(すなわち、エコノマイザ熱交換器20による中間圧インジェクションが行われた)中間圧の冷媒は、圧縮要素2cの後段側に接続された圧縮要素2dに吸入されてさらに圧縮されて、圧縮機構2から吐出管2bに吐出される(図39〜図42の点D参照)。ここで、圧縮機構2から吐出された高圧の冷媒は、圧縮要素2c、2dによる二段圧縮動作によって、臨界圧力(すなわち、図41に示される臨界点CPにおける臨界圧力Pcp)を超える圧力まで圧縮されている。そして、この圧縮機構2から吐出された高圧の冷媒は、油分離機構41を構成する油分離器41aに流入し、同伴する冷凍機油が分離される。また、油分離器41aにおいて高圧の冷媒から分離された冷凍機油は、油分離機構41を構成する油戻し管41bに流入し、油戻し管41bに設けられた減圧機構41cで減圧された後に圧縮機構2の吸入管2aに戻されて、再び、圧縮機構2に吸入される。次に、油分離機構41において冷凍機油が分離された後の高圧の冷媒は、逆止機構42及び切換機構3を通じて、冷媒の放熱器として機能する熱源側熱交換器4に送られる。そして、熱源側熱交換器4に送られた高圧の冷媒は、熱源側熱交換器4において、熱源側ファン40によって供給される冷却源としての空気と熱交換を行って冷却される(図39〜図42の点E参照)。そして、熱源側熱交換器4において冷却された高圧の冷媒は、ブリッジ回路17の入口逆止弁17aを通じてレシーバ入口管18aに流入し、その一部が第1後段側インジェクション管19に分岐される。そして、第1後段側インジェクション管19を流れる冷媒は、第1後段側インジェクション弁19aにおいて中間圧付近まで減圧された後に、エコノマイザ熱交換器20に送られる(図39〜図42の点J参照)。また、第1後段側インジェクション管19に分岐された後の冷媒は、エコノマイザ熱交換器20に流入し、第1後段側インジェクション管19を流れる冷媒と熱交換を行って冷却される(図39〜図42の点H参照)。一方、第1後段側インジェクション管19を流れる冷媒は、放熱器としての熱源側熱交換器4において冷却された高圧の冷媒と熱交換を行って加熱されて(図39〜図42の点K参照)、上述のように、前段側の圧縮要素2cから吐出された中間圧の冷媒に合流することになる。そして、エコノマイザ熱交換器20において冷却された高圧の冷媒は、第1膨張機構5aによって飽和圧力付近まで減圧されてレシーバ18内に一時的に溜められる(図39及び図40の点I参照)。そして、レシーバ18内に溜められた冷媒は、レシーバ出口管18bに送られて、第2膨張機構5bによって減圧されて低圧の気液二相状態の冷媒となり、ブリッジ回路17の出口逆止弁17cを通じて、冷媒の蒸発器として機能する利用側熱交換器6に送られる(図39〜図42点F参照)。そして、利用側熱交換器6に送られた低圧の気液二相状態の冷媒は、加熱源としての水や空気と熱交換を行って加熱されて、蒸発することになる(図39〜図42の点A参照)。そして、この利用側熱交換器6において加熱された低圧の冷媒は、切換機構3を経由して、再び、圧縮機構2に吸入される。このようにして、冷房運転が行われる。
そして、本変形例の空気調和装置1(冷凍装置)においても、上述の第2実施形態の変形例4における冷房運転時と同様の作用効果を得ることができる。しかも、本変形例では、第1後段側インジェクション管19及びエコノマイザ熱交換器20を設けて熱源側熱交換器4から膨張機構5a、5bに送られる冷媒を分岐して後段側の圧縮要素2dに戻すようにしているため、中間熱交換器7のような外部への放熱を行うことなく、後段側の圧縮要素2dに吸入される冷媒の温度をさらに低く抑えることができる(図42の点C1、G参照)。これにより、圧縮機構2から吐出される冷媒の温度がさらに低く抑えられ(図42の点D、D’参照)、第1後段側インジェクション管19を設けていない場合に比べて、図42の点C1、D’、D、Gを結ぶことによって囲まれる面積に相当する分の放熱ロスをさらに小さくできることから、運転効率をさらに向上させることができる。
<暖房運転>
暖房運転時は、切換機構3が図39及び図43の破線で示される加熱運転状態とされる。また、第1膨張機構5a及び第2膨張機構5bは、開度調節される。また、第1後段側インジェクション弁19aは、上述の冷房運転と同様の開度調節がなされる。そして、切換機構3が加熱運転状態となるため、中間冷媒管8の中間熱交換器開閉弁12が閉められ、そして、中間熱交換器バイパス管9の中間熱交換器バイパス開閉弁11が開けられることによって、中間熱交換器7が冷却器として機能しない状態にされるとともに、ドレン加熱器97に冷媒が流れる状態とされ、さらに、第2吸入戻し管92の第2吸入戻し開閉弁92aが開けられることによって、中間熱交換器7と圧縮機構2の吸入側とが接続されている状態にされ、また、中間熱交換器戻し管94の中間熱交換器戻し開閉弁94aが開けられることによって、利用側熱交換器6と熱源側熱交換器4との間と中間熱交換器7とが接続されている状態にされる。
暖房運転時は、切換機構3が図39及び図43の破線で示される加熱運転状態とされる。また、第1膨張機構5a及び第2膨張機構5bは、開度調節される。また、第1後段側インジェクション弁19aは、上述の冷房運転と同様の開度調節がなされる。そして、切換機構3が加熱運転状態となるため、中間冷媒管8の中間熱交換器開閉弁12が閉められ、そして、中間熱交換器バイパス管9の中間熱交換器バイパス開閉弁11が開けられることによって、中間熱交換器7が冷却器として機能しない状態にされるとともに、ドレン加熱器97に冷媒が流れる状態とされ、さらに、第2吸入戻し管92の第2吸入戻し開閉弁92aが開けられることによって、中間熱交換器7と圧縮機構2の吸入側とが接続されている状態にされ、また、中間熱交換器戻し管94の中間熱交換器戻し開閉弁94aが開けられることによって、利用側熱交換器6と熱源側熱交換器4との間と中間熱交換器7とが接続されている状態にされる。
この冷媒回路210の状態において、低圧の冷媒(図39、図43〜図45の点A参照)は、吸入管2aから圧縮機構2に吸入され、まず、圧縮要素2cによって中間圧力まで圧縮された後に、中間冷媒管8に吐出される(図39、図43〜図45の点B参照)。この前段側の圧縮要素2cから吐出された中間圧の冷媒は、冷房運転時とは異なり、中間熱交換器7を通過せずに、中間熱交換器バイパス管9に設けられたドレン加熱器97に流入し、ドレン加熱器97において、冷媒の蒸発器として機能する熱源側熱交換器4において発生して熱源側熱交換器4を流下するドレン水と熱交換を行うことで冷却される(図39、図43〜図45の点C2参照)。このドレン加熱器97において冷却された冷媒は、第1後段側インジェクション管19から後段側の圧縮機構2dに戻される冷媒(図39、図43〜図45の点K参照)と合流することでさらに冷却される(図39、図43〜図45の点G参照)。次に、第1後段側インジェクション管19から戻る冷媒と合流した中間圧の冷媒は、圧縮要素2cの後段側に接続された圧縮要素2dに吸入されてさらに圧縮されて、圧縮機構2から吐出管2bに吐出される(図39、図43〜図45の点D参照)。ここで、圧縮機構2から吐出された高圧の冷媒は、冷房運転時と同様、圧縮要素2c、2dによる二段圧縮動作によって、臨界圧力(すなわち、図44に示される臨界点CPにおける臨界圧力Pcp)を超える圧力まで圧縮されている。そして、この圧縮機構2から吐出された高圧の冷媒は、油分離機構41を構成する油分離器41aに流入し、同伴する冷凍機油が分離される。また、油分離器41aにおいて高圧の冷媒から分離された冷凍機油は、油分離機構41を構成する油戻し管41bに流入し、油戻し管41bに設けられた減圧機構41cで減圧された後に圧縮機構2の吸入管2aに戻されて、再び、圧縮機構2に吸入される。次に、油分離機構41において冷凍機油が分離された後の高圧の冷媒は、逆止機構42及び切換機構3を通じて、冷媒の放熱器として機能する利用側熱交換器6に送られて、冷却源としての水や空気と熱交換を行って冷却される(図39、図43〜図45の点F参照)。そして、利用側熱交換器6において冷却された高圧の冷媒は、ブリッジ回路17の入口逆止弁17bを通じてレシーバ入口管18aに流入し、その一部が第1後段側インジェクション管19に分岐される。そして、第1後段側インジェクション管19を流れる冷媒は、第1後段側インジェクション弁19aにおいて中間圧付近まで減圧された後に、エコノマイザ熱交換器20に送られる(図39、図43〜図45の点J参照)。また、第1後段側インジェクション管19に分岐された後の冷媒は、エコノマイザ熱交換器20に流入し、第1後段側インジェクション管19を流れる冷媒と熱交換を行って冷却される(図39、図43〜図45の点H参照)。一方、第1後段側インジェクション管19を流れる冷媒は、放熱器としての熱源側熱交換器4において冷却された高圧の冷媒と熱交換を行って加熱されて(図39、図43〜図45の点K参照)、上述のように、前段側の圧縮要素2cから吐出された中間圧の冷媒に合流することになる。そして、エコノマイザ熱交換器20において冷却された高圧の冷媒は、第1膨張機構5aによって飽和圧力付近まで減圧されてレシーバ18内に一時的に溜められる(図39及び図43の点I参照)。そして、レシーバ18内に溜められた冷媒は、レシーバ出口管18bに送られて、第2膨張機構5bによって減圧されて低圧の気液二相状態の冷媒となり、ブリッジ回路17の出口逆止弁17dを通じて、冷媒の蒸発器として機能する熱源側熱交換器4に送られるとともに、中間熱交換器戻し管94を通じて、冷媒の蒸発器として機能する中間熱交換器7にも送られる(図39、図43〜図45の点E参照)。そして、熱源側熱交換器4に送られた低圧の気液二相状態の冷媒は、熱源側ファン40によって供給される加熱源としての空気と熱交換を行って加熱されて、蒸発することになる(図39、図43〜図45の点A参照)。また、中間熱交換器7に送られた低圧の気液二相状態の冷媒も、熱源側ファン40によって供給される加熱源としての空気と熱交換を行って加熱されて、蒸発することになる(図39、図43〜図45の点V参照)。そして、この熱源側熱交換器4において加熱されて蒸発した低圧の冷媒は、切換機構3を経由して、再び、圧縮機構2に吸入される。また、この中間熱交換器7において加熱されて蒸発した低圧の冷媒は、第2吸入戻し管92を通じて、再び、圧縮機構2に吸入される。このようにして、暖房運転が行われる。
そして、本変形例の空気調和装置1(冷凍装置)においても、上述の第2実施形態の変形例4における冷房運転時と同様の作用効果を得ることができる。しかも、本変形例では、冷房運転時と同様に、第1後段側インジェクション管19及びエコノマイザ熱交換器20を設けて熱源側熱交換器4から膨張機構5a、5bに送られる冷媒を分岐して後段側の圧縮要素2dに戻すようにしているため、中間熱交換器7のような外部への放熱を行うことなく、後段側の圧縮要素2dに吸入される冷媒の温度をさらに低く抑えることができる(図45の点C1、G参照)。これにより、圧縮機構2から吐出される冷媒の温度がさらに低く抑えられ(図45の点D、D’参照)、第1後段側インジェクション管19を設けていない場合に比べて、図45の点C1、D’、D、Gを結ぶことによって囲まれる面積に相当する分の放熱ロスをさらに小さくできることから、運転効率をさらに向上させることができる。
尚、本変形例では、上述の変形例4における熱源側熱交換器4の下部にドレン加熱器97が設けられた構成において、第1後段側インジェクション管19及びエコノマイザ熱交換器20を設けているが、上述の第2実施形態の変形例1〜3のようなドレン加熱器97がドレンパンとして機能する底板77に設けられた構成や熱源側熱交換器4の下部及びドレンパンとして機能する底板77に設けられた構成において、第1後段側インジェクション管19及びエコノマイザ熱交換器20を設けるようにしてもよい。
また、本変形例では、冷媒不戻し状態と冷媒戻し状態との切り換えを、開閉弁11、12、92aの開閉状態によって行うようにしているが、上述の第2実施形態の変形例5のように、開閉弁11、12、92aに代えて、冷媒不戻し状態と冷媒戻し状態とを切り換え可能な中間熱交換器切換弁93等を設けるようにしてもよい。
(9)変形例7
上述の第2実施形態の変形例6における冷媒回路210(図39参照)においては、上述のように、切換機構3を冷却運転状態にする冷房運転及び切換機構3を加熱運転状態にする暖房運転のいずれにおいても、エコノマイザ熱交換器20による中間圧インジェクションを行うことで、後段側の圧縮要素2dから吐出される冷媒の温度を低下させるとともに、圧縮機構2の消費動力を減らし、運転効率の向上を図るようにしている。そして、エコノマイザ熱交換器20による中間圧インジェクションは、冷凍サイクルにおける中間圧が臨界圧力付近まで上昇した条件においても使用可能であることから、上述の第2実施形態及びその変形例における冷媒回路10、110、210(図14、31、39参照)のように、1つの利用側熱交換器6を有する構成では、超臨界域で作動する冷媒を使用する場合には、特に、有利であると考えられる。
上述の第2実施形態の変形例6における冷媒回路210(図39参照)においては、上述のように、切換機構3を冷却運転状態にする冷房運転及び切換機構3を加熱運転状態にする暖房運転のいずれにおいても、エコノマイザ熱交換器20による中間圧インジェクションを行うことで、後段側の圧縮要素2dから吐出される冷媒の温度を低下させるとともに、圧縮機構2の消費動力を減らし、運転効率の向上を図るようにしている。そして、エコノマイザ熱交換器20による中間圧インジェクションは、冷凍サイクルにおける中間圧が臨界圧力付近まで上昇した条件においても使用可能であることから、上述の第2実施形態及びその変形例における冷媒回路10、110、210(図14、31、39参照)のように、1つの利用側熱交換器6を有する構成では、超臨界域で作動する冷媒を使用する場合には、特に、有利であると考えられる。
しかし、複数の空調空間の空調負荷に応じた冷房や暖房を行うこと等を目的として、互いに並列に接続された複数の利用側熱交換器6を有する構成にするとともに、各利用側熱交換器6を流れる冷媒の流量を制御して各利用側熱交換器6において必要とされる冷凍負荷を得ることができるようにするために、気液分離器としてのレシーバ18と利用側熱交換器6との間において各利用側熱交換器6に対応するように利用側膨張機構5cを設ける場合がある。
例えば、詳細は図示しないが、上述の第2実施形態の変形例6におけるブリッジ回路17を有する冷媒回路210(図39参照)において、互いが並列に接続された複数(ここでは、2つ)の利用側熱交換器6を設けるとともに、気液分離器としてのレシーバ18(より具体的には、ブリッジ回路17)と利用側熱交換器6との間において各利用側熱交換器6に対応するように利用側膨張機構5cを設け(図46参照)、レシーバ出口管18bに設けられていた第2膨張機構5bを削除し、また、ブリッジ回路17の出口逆止弁17dに代えて、暖房運転時に冷凍サイクルにおける低圧まで冷媒を減圧する第3膨張機構(図示せず)を設けることが考えられる。
そして、このような構成においても、切換機構3を冷却運転状態にする冷房運転のように、放熱器としての熱源側熱交換器4において冷却された後に熱源側膨張機構としての第1膨張機構5a以外に大幅な減圧操作が行われることなく、冷凍サイクルにおける高圧から冷凍サイクルの中間圧付近までの圧力差を利用できる条件においては、上述の変形例6と同様、エコノマイザ熱交換器20による中間圧インジェクションが有利である。
しかし、切換機構3を加熱運転状態にする暖房運転のように、各利用側膨張機構5cが放熱器としての各利用側熱交換器6において必要とされる冷凍負荷が得られるように放熱器としての各利用側熱交換器6を流れる冷媒の流量を制御しており、放熱器としての各利用側熱交換器6を通過する冷媒の流量が、放熱器としての各利用側熱交換器6の下流側でかつエコノマイザ熱交換器20の上流側に設けられた利用側膨張機構5cの開度制御による冷媒の減圧操作によって概ね決定される条件においては、各利用側膨張機構5cの開度制御による冷媒の減圧の程度が、放熱器としての各利用側熱交換器6を流れる冷媒の流量だけでなく、複数の放熱器としての利用側熱交換器6間の流量分配の状態によって変動することになり、複数の利用側膨張機構5c間で減圧の程度が大きく異なる状態が生じたり、利用側膨張機構5cにおける減圧の程度が比較的大きくなったりする場合があるため、エコノマイザ熱交換器20の入口における冷媒の圧力が低くなるおそれがあり、このような場合には、エコノマイザ熱交換器20における交換熱量(すなわち、第1後段側インジェクション管19を流れる冷媒の流量)が小さくなってしまい使用が困難になるおそれがある。特に、このような空気調和装置1を、主として圧縮機構2、熱源側熱交換器4及びレシーバ18を含む熱源ユニットと、主として利用側熱交換器6を含む利用ユニットとが連絡配管によって接続されたセパレート型の空気調和装置として構成する場合には、利用ユニット及び熱源ユニットの配置によっては、この連絡配管が非常に長くなることがあり得るため、その圧力損失による影響も加わり、エコノマイザ熱交換器20の入口における冷媒の圧力がさらに低下することになる。そして、エコノマイザ熱交換器20の入口における冷媒の圧力が低下するおそれがある場合には、気液分離器圧力が臨界圧力よりも低い圧力であれば気液分離器圧力と冷凍サイクルにおける中間圧(ここでは、中間冷媒管8を流れる冷媒の圧力)との圧力差が小さい条件であっても使用可能な気液分離器による中間圧インジェクションが有利である。
また、上述のように、複数の空調空間の空調負荷に応じた冷房や暖房を行うこと等を目的として、互いに並列に接続された複数の利用側熱交換器6を有する構成にするとともに、各利用側熱交換器6を流れる冷媒の流量を制御して各利用側熱交換器6において必要とされる冷凍負荷を得ることができるようにするために、レシーバ18と利用側熱交換器6との間において各利用側熱交換器6に対応するように利用側膨張機構5cを設けた構成を採用した場合には、冷房運転時において、第1膨張機構5aによって飽和圧力付近まで減圧されてレシーバ18内に一時的に溜められた冷媒(図46の点L参照)が、各利用側膨張機構5cに分配されるが、レシーバ18から各利用側膨張機構5cに送られる冷媒が気液二相状態であると、各利用側膨張機構5cへの分配時に偏流を生じるおそれがあるため、レシーバ18から各利用側膨張機構5cに送られる冷媒をできるだけ過冷却状態にすることが望ましい。
そこで、本変形例では、図46に示されるように、レシーバ18を気液分離器として機能させて中間圧インジェクションを行うことができるようにするために、レシーバ18に第2後段側インジェクション管18cを接続するようにして、冷房運転時には、エコノマイザ熱交換器20による中間圧インジェクションを行い、暖房運転時には、気液分離器としてのレシーバ18による中間圧インジェクションを行うことを可能にするとともに、レシーバ18と利用側膨張機構5cとの間に、冷却器としての過冷却熱交換器96及び戻し管としての第3吸入戻し管95を設けた冷媒回路310としている。
ここで、第2後段側インジェクション管18cは、レシーバ18から冷媒を抜き出して圧縮機構2の後段側の圧縮要素2dに戻す中間圧インジェクションを行うことが可能な冷媒管であり、本変形例において、レシーバ18の上部と中間冷媒管8(すなわち、圧縮機構2の後段側の圧縮要素2dの吸入側)とを接続するように設けられている。この第2後段側インジェクション管18cには、第2後段側インジェクション開閉弁18dと第2後段側インジェクション逆止機構18eとが設けられている。第2後段側インジェクション開閉弁18dは、開閉動作が可能な弁であり、本変形例において、電磁弁である。第2後段側インジェクション逆止機構18eは、レシーバ18から後段側の圧縮要素2dへの冷媒の流れを許容し、かつ、後段側の圧縮要素2dからレシーバ18への冷媒の流れを遮断するための機構であり、本変形例において、逆止弁が使用されている。尚、第2後段側インジェクション管18cと第1吸入戻し管18fとは、レシーバ18側の部分が一体となっている。また、第2後段側インジェクション管18cと第1後段側インジェクション管19とは、中間冷媒管8側の部分が一体となっている。また、本変形例において、利用側膨張機構5cは、電動膨張弁である。また、本変形例では、上述のように、第1後段側インジェクション管19及びエコノマイザ熱交換器20を冷房運転時に使用し、第2後段側インジェクション管18cを暖房運転時に使用するようにしていることから、エコノマイザ熱交換器20への冷媒の流通方向を冷房運転及び暖房運転を問わず一定にする必要がないため、ブリッジ回路17を省略して、冷媒回路210の構成を簡単化している。
また、第3吸入戻し管95は、放熱器としての熱源側熱交換器4から蒸発器としての利用側熱交換器6に送られる冷媒を分岐して圧縮機構2の吸入側(すなわち、吸入管2a)に戻す冷媒管である。本変形例において、第3吸入戻し管95は、レシーバ18から利用側膨張機構5cに送られる冷媒を分岐するように設けられている。より具体的には、第3吸入戻し管95は、過冷却熱交換器96の上流側の位置(すなわち、レシーバ18とエコノマイザ熱交換器20との間)から冷媒を分岐して吸入管2aに戻すように設けられている。この第3吸入戻し管95には、開度制御が可能な第3吸入戻し弁95aが設けられている。第3吸入戻し弁95aは、本変形例において、電動膨張弁である。
また、過冷却熱交換器96は、放熱器としての熱源側熱交換器4から蒸発器としての利用側熱交換器6に送られる冷媒と第3吸入戻し管95を流れる冷媒(より具体的には、第3吸入戻し弁95aにおいて低圧付近まで減圧された後の冷媒)との熱交換を行う熱交換器である。本変形例において、過冷却熱交換器96は、利用側膨張機構5cの上流側の位置(すなわち、第3吸入戻し管95が分岐される位置と利用側膨張機構5cとの間)を流れる冷媒と第3吸入戻し管95を流れる冷媒との熱交換を行うように設けられている。また、本変形例において、過冷却熱交換器96は、第3吸入戻し管95が分岐される位置よりも下流側に設けられている。このため、放熱器としての熱源側熱交換器4において冷却された冷媒は、冷却器としてのエコノマイザ熱交換器20を通過した後に、第3吸入戻し管95に分岐され、過冷却熱交換器96において、第3吸入戻し管95を流れる冷媒と熱交換を行うことになる。
また、吸入管2a又は圧縮機構2には、圧縮機構2の吸入側を流れる冷媒の圧力を検出する吸入圧力センサ60が設けられている。過冷却熱交換器96の第3吸入戻し管95側の出口には、過冷却熱交換器96の第3吸入戻し管95側の出口における冷媒の温度を検出する過冷却熱交出口温度センサ59が設けられている。
次に、本変形例の空気調和装置1の動作について、図46〜図52を用いて説明する。ここで、図47は、冷房運転時における空気調和装置1内の冷媒の流れを示す図であり、図48は、冷房運転時の冷凍サイクルが図示された圧力−エンタルピ線図であり、図49は、冷房運転時の冷凍サイクルが図示された温度−エントロピ線図であり、図50は、暖房運転時における空気調和装置1内の冷媒の流れを示す図であり、図51は、暖房運転時の冷凍サイクルが図示された圧力−エンタルピ線図であり、図52は、暖房運転時の冷凍サイクルが図示された温度−エントロピ線図である。尚、以下の冷房運転及び暖房運転における運転制御は、上述の実施形態における制御部(図示せず)によって行われる。また、以下の説明において、「高圧」とは、冷凍サイクルにおける高圧(すなわち、図48、図49の点D、D’、E、H、I、Rにおける圧力や図51、図52の点D、D’、Fにおける圧力)を意味し、「低圧」とは、冷凍サイクルにおける低圧(すなわち、図48、49の点A、F、Sにおける圧力や図51、図52の点A、E、Vにおける圧力)を意味し、「中間圧」とは、冷凍サイクルにおける中間圧(すなわち、図48、49の点B、C1、G、J、Kや図51、図52の点B、C2、G、I、L、Mにおける圧力)を意味している。
<冷房運転>
冷房運転時は、切換機構3が図46及び図47の実線で示される冷却運転状態とされる。熱源側膨張機構としての第1膨張機構5a及び利用側膨張機構5cは、開度調節される。また、切換機構3を冷却運転状態にしている際には、気液分離器としてのレシーバ18による中間圧インジェクションを行わずに、第1後段側インジェクション管19を通じて、エコノマイザ熱交換器20において加熱された冷媒を後段側の圧縮要素2dに戻すエコノマイザ熱交換器20による中間圧インジェクションを行うようにしている。より具体的には、第2後段側インジェクション開閉弁18dは閉状態にされて、第1後段側インジェクション弁19aは、上述の第2実施形態の変形例6と同様の開度調節がなされる。また、切換機構3を冷却運転状態にしている際には、過冷却熱交換器96を使用するため、第3吸入戻し弁95aについても、開度調節される。より具体的には、本変形例において、第3吸入戻し弁95aは、過冷却熱交換器96の第3吸入戻し管95側の出口における冷媒の過熱度が目標値になるように開度調節される、いわゆる過熱度制御がなされるようになっている。本変形例において、過冷却熱交換器96の第3吸入戻し管95側の出口における冷媒の過熱度は、吸入圧力センサ60により検出される低圧を飽和温度に換算し、過冷却熱交出口温度センサ59により検出される冷媒温度からこの冷媒の飽和温度値を差し引くことによって得られる。尚、本変形例では採用していないが、過冷却熱交換器96の第3吸入戻し管95側の入口に温度センサを設けて、この温度センサにより検出される冷媒温度を過冷却熱交出口温度センサ59により検出される冷媒温度から差し引くことによって、過冷却熱交換器96の第3吸入戻し管95側の出口における冷媒の過熱度を得るようにしてもよい。また、第3吸入戻し弁95aの開度調節は、過熱度制御に限られるものではなく、例えば、冷媒回路310における冷媒循環量等に応じて所定開度だけ開けるようにするものであってもよい。そして、切換機構3が冷却運転状態となるため、中間冷媒管8の中間熱交換器開閉弁12が開けられ、そして、中間熱交換器バイパス管9の中間熱交換器バイパス開閉弁11が閉められることによって、中間熱交換器7が冷却器として機能する状態にされるとともに、ドレン加熱器97に冷媒が流れない状態とされ、さらに、第2吸入戻し管92の第2吸入戻し開閉弁92aが閉められることによって、中間熱交換器7と圧縮機構2の吸入側とが接続していない状態にされ、また、中間熱交換器戻し管94の中間熱交換器戻し開閉弁94aが閉められることによって、利用側熱交換器6と熱源側熱交換器4との間と中間熱交換器7とが接続していない状態にされる。
冷房運転時は、切換機構3が図46及び図47の実線で示される冷却運転状態とされる。熱源側膨張機構としての第1膨張機構5a及び利用側膨張機構5cは、開度調節される。また、切換機構3を冷却運転状態にしている際には、気液分離器としてのレシーバ18による中間圧インジェクションを行わずに、第1後段側インジェクション管19を通じて、エコノマイザ熱交換器20において加熱された冷媒を後段側の圧縮要素2dに戻すエコノマイザ熱交換器20による中間圧インジェクションを行うようにしている。より具体的には、第2後段側インジェクション開閉弁18dは閉状態にされて、第1後段側インジェクション弁19aは、上述の第2実施形態の変形例6と同様の開度調節がなされる。また、切換機構3を冷却運転状態にしている際には、過冷却熱交換器96を使用するため、第3吸入戻し弁95aについても、開度調節される。より具体的には、本変形例において、第3吸入戻し弁95aは、過冷却熱交換器96の第3吸入戻し管95側の出口における冷媒の過熱度が目標値になるように開度調節される、いわゆる過熱度制御がなされるようになっている。本変形例において、過冷却熱交換器96の第3吸入戻し管95側の出口における冷媒の過熱度は、吸入圧力センサ60により検出される低圧を飽和温度に換算し、過冷却熱交出口温度センサ59により検出される冷媒温度からこの冷媒の飽和温度値を差し引くことによって得られる。尚、本変形例では採用していないが、過冷却熱交換器96の第3吸入戻し管95側の入口に温度センサを設けて、この温度センサにより検出される冷媒温度を過冷却熱交出口温度センサ59により検出される冷媒温度から差し引くことによって、過冷却熱交換器96の第3吸入戻し管95側の出口における冷媒の過熱度を得るようにしてもよい。また、第3吸入戻し弁95aの開度調節は、過熱度制御に限られるものではなく、例えば、冷媒回路310における冷媒循環量等に応じて所定開度だけ開けるようにするものであってもよい。そして、切換機構3が冷却運転状態となるため、中間冷媒管8の中間熱交換器開閉弁12が開けられ、そして、中間熱交換器バイパス管9の中間熱交換器バイパス開閉弁11が閉められることによって、中間熱交換器7が冷却器として機能する状態にされるとともに、ドレン加熱器97に冷媒が流れない状態とされ、さらに、第2吸入戻し管92の第2吸入戻し開閉弁92aが閉められることによって、中間熱交換器7と圧縮機構2の吸入側とが接続していない状態にされ、また、中間熱交換器戻し管94の中間熱交換器戻し開閉弁94aが閉められることによって、利用側熱交換器6と熱源側熱交換器4との間と中間熱交換器7とが接続していない状態にされる。
この冷媒回路310の状態において、低圧の冷媒(図46〜図49の点A参照)は、吸入管2aから圧縮機構2に吸入され、まず、圧縮要素2cによって中間圧力まで圧縮された後に、中間冷媒管8に吐出される(図46〜図49の点B参照)。この前段側の圧縮要素2cから吐出された中間圧の冷媒は、中間熱交換器7において、熱源側ファン40によって供給される冷却源としての空気と熱交換を行うことで冷却される(図46〜図49の点C1参照)。この中間熱交換器7において冷却された冷媒は、第1後段側インジェクション管19から後段側の圧縮機構2dに戻される冷媒(図46〜図49の点K参照)と合流することでさらに冷却される(図46〜図49の点G参照)。次に、第1後段側インジェクション管19から戻る冷媒と合流した(すなわち、エコノマイザ熱交換器20による中間圧インジェクションが行われた)中間圧の冷媒は、圧縮要素2cの後段側に接続された圧縮要素2dに吸入されてさらに圧縮されて、圧縮機構2から吐出管2bに吐出される(図46〜図49の点D参照)。ここで、圧縮機構2から吐出された高圧の冷媒は、圧縮要素2c、2dによる二段圧縮動作によって、臨界圧力(すなわち、図48に示される臨界点CPにおける臨界圧力Pcp)を超える圧力まで圧縮されている。そして、この圧縮機構2から吐出された高圧の冷媒は、油分離機構41を構成する油分離器41aに流入し、同伴する冷凍機油が分離される。また、油分離器41aにおいて高圧の冷媒から分離された冷凍機油は、油分離機構41を構成する油戻し管41bに流入し、油戻し管41bに設けられた減圧機構41cで減圧された後に圧縮機構2の吸入管2aに戻されて、再び、圧縮機構2に吸入される。次に、油分離機構41において冷凍機油が分離された後の高圧の冷媒は、逆止機構42及び切換機構3を通じて、冷媒の放熱器として機能する熱源側熱交換器4に送られる。そして、熱源側熱交換器4に送られた高圧の冷媒は、熱源側熱交換器4において、熱源側ファン40によって供給される冷却源としての空気と熱交換を行って冷却される(図46〜図49の点E参照)。そして、熱源側熱交換器4において冷却された高圧の冷媒は、その一部が第1後段側インジェクション管19に分岐される。そして、第1後段側インジェクション管19を流れる冷媒は、第1後段側インジェクション弁19aにおいて中間圧付近まで減圧された後に、エコノマイザ熱交換器20に送られる(図46〜図49の点J参照)。また、第1後段側インジェクション管19に分岐された後の冷媒は、エコノマイザ熱交換器20に流入し、第1後段側インジェクション管19を流れる冷媒と熱交換を行って冷却される(図46〜図49の点H参照)。一方、第1後段側インジェクション管19を流れる冷媒は、放熱器としての熱源側熱交換器4において冷却された高圧の冷媒と熱交換を行って加熱されて(図46〜図49の点K参照)、上述のように、前段側の圧縮要素2cから吐出された中間圧の冷媒に合流することになる。そして、エコノマイザ熱交換器20において冷却された高圧の冷媒は、第1膨張機構5aによって飽和圧力付近まで減圧されてレシーバ18内に一時的に溜められる(図46〜図49の点I参照)。そして、レシーバ18内に溜められた冷媒は、その一部が第3吸入戻し管95に分岐される。そして、第3吸入戻し管95を流れる冷媒は、第3吸入戻し弁95aにおいて低圧付近まで減圧された後に、過冷却熱交換器96に送られる(図46〜図49の点S参照)。また、第3吸入戻し管95に分岐された後の冷媒は、過冷却熱交換器96に流入し、第3吸入戻し管95を流れる冷媒と熱交換を行ってさらに冷却される(図46〜図49の点R参照)。一方、第3吸入戻し管95を流れる冷媒は、エコノマイザ熱交換器20において冷却された高圧の冷媒と熱交換を行って加熱されて(図46〜図49の点U参照)、圧縮機構2の吸入側(ここでは、吸入管2a)を流れる冷媒に合流することになる。この過冷却熱交換器96において冷却された冷媒は、利用側膨張機構5cに送られて、利用側膨張機構5cによって減圧されて低圧の気液二相状態の冷媒となり、冷媒の蒸発器として機能する利用側熱交換器6に送られる(図46〜図49の点F参照)。そして、蒸発器としての利用側熱交換器6に送られた低圧の気液二相状態の冷媒は、加熱源としての水や空気と熱交換を行って加熱されて、蒸発することになる(図46〜図49の点A参照)。そして、この蒸発器としての利用側熱交換器6において加熱され蒸発した低圧の冷媒は、切換機構3を経由して、再び、圧縮機構2に吸入される。このようにして、冷房運転が行われる。
そして、本変形例の空気調和装置1(冷凍装置)においても、上述の第2実施形態の変形例6における冷房運転時と同様の作用効果を得ることができる。しかも、本変形例では、レシーバ18から利用側膨張機構5cへ送られる冷媒(図48、図49の点I参照)を冷却器としての過冷却熱交換器96によって過冷却状態まで冷却することができるため(図48、図49の点R参照)、各利用側膨張機構5cへの分配時に偏流を生じるおそれを少なくすることができる。
<暖房運転>
暖房運転時は、切換機構3が図46及び図50の破線で示される加熱運転状態とされる。熱源側膨張機構としての第1膨張機構5a及び利用側膨張機構5cは、開度調節される。また、切換機構3を加熱運転状態にしている際には、エコノマイザ熱交換器20による中間圧インジェクションを行わずに、第2後段側インジェクション管18cを通じて、気液分離器としてのレシーバ18から冷媒を後段側の圧縮要素2dに戻すレシーバ18による中間圧インジェクションを行うようにしている。より具体的には、第2後段側インジェクション開閉弁18dが開状態にされて、第1後段側インジェクション弁19aが全閉状態にされる。また、切換機構3を加熱運転状態にしている際には、過冷却熱交換器96を使用しないため、第3吸入戻し弁95aについても全閉状態にされる。そして、切換機構3が加熱運転状態となるため、中間冷媒管8の中間熱交換器開閉弁12が閉められ、そして、中間熱交換器バイパス管9の中間熱交換器バイパス開閉弁11が開けられることによって、中間熱交換器7が冷却器として機能しない状態とされる。さらに、切換機構3が加熱運転状態となるため、第2吸入戻し管92の第2吸入戻し開閉弁92aが開けられることによって、中間熱交換器7と圧縮機構2の吸入側とを接続させる状態とされ、また、中間熱交換器戻し管94の中間熱交換器戻し開閉弁94aが開けられることによって、利用側熱交換器6と熱源側熱交換器4との間と中間熱交換器7とが接続されている状態にされる。
暖房運転時は、切換機構3が図46及び図50の破線で示される加熱運転状態とされる。熱源側膨張機構としての第1膨張機構5a及び利用側膨張機構5cは、開度調節される。また、切換機構3を加熱運転状態にしている際には、エコノマイザ熱交換器20による中間圧インジェクションを行わずに、第2後段側インジェクション管18cを通じて、気液分離器としてのレシーバ18から冷媒を後段側の圧縮要素2dに戻すレシーバ18による中間圧インジェクションを行うようにしている。より具体的には、第2後段側インジェクション開閉弁18dが開状態にされて、第1後段側インジェクション弁19aが全閉状態にされる。また、切換機構3を加熱運転状態にしている際には、過冷却熱交換器96を使用しないため、第3吸入戻し弁95aについても全閉状態にされる。そして、切換機構3が加熱運転状態となるため、中間冷媒管8の中間熱交換器開閉弁12が閉められ、そして、中間熱交換器バイパス管9の中間熱交換器バイパス開閉弁11が開けられることによって、中間熱交換器7が冷却器として機能しない状態とされる。さらに、切換機構3が加熱運転状態となるため、第2吸入戻し管92の第2吸入戻し開閉弁92aが開けられることによって、中間熱交換器7と圧縮機構2の吸入側とを接続させる状態とされ、また、中間熱交換器戻し管94の中間熱交換器戻し開閉弁94aが開けられることによって、利用側熱交換器6と熱源側熱交換器4との間と中間熱交換器7とが接続されている状態にされる。
この冷媒回路310の状態において、低圧の冷媒(図46、図50〜図52の点A参照)は、吸入管2aから圧縮機構2に吸入され、まず、圧縮要素2cによって中間圧力まで圧縮された後に、中間冷媒管8に吐出される(図46、図50〜図52の点B参照)。この前段側の圧縮要素2cから吐出された中間圧の冷媒は、この前段側の圧縮要素2cから吐出された中間圧の冷媒は、冷房運転時とは異なり、中間熱交換器7を通過せずに、中間熱交換器バイパス管9に設けられたドレン加熱器97に流入し、ドレン加熱器97において、冷媒の蒸発器として機能する熱源側熱交換器4において発生して熱源側熱交換器4を流下するドレン水と熱交換を行うことで冷却される(図46、図50〜図52の点C2参照)。このドレン加熱器97において冷却された冷媒は、レシーバ18から第2後段側インジェクション管18cを通じて後段側の圧縮機構2dに戻される冷媒(図46、図50〜図52と合流することでさらに冷却される(図46、図50〜図52の点G参照)。次に、第2後段側インジェクション管18cから戻る冷媒と合流した中間圧の冷媒は、圧縮要素2cの後段側に接続された圧縮要素2dに吸入されてさらに圧縮されて、圧縮機構2から吐出管2bに吐出される(図46、図50〜図52の点D参照)。ここで、圧縮機構2から吐出された高圧の冷媒は、冷房運転時と同様、圧縮要素2c、2dによる二段圧縮動作によって、臨界圧力(すなわち、図51に示される臨界点CPにおける臨界圧力Pcp)を超える圧力まで圧縮されている。そして、この圧縮機構2から吐出された高圧の冷媒は、油分離機構41を構成する油分離器41aに流入し、同伴する冷凍機油が分離される。また、油分離器41aにおいて高圧の冷媒から分離された冷凍機油は、油分離機構41を構成する油戻し管41bに流入し、油戻し管41bに設けられた減圧機構41cで減圧された後に圧縮機構2の吸入管2aに戻されて、再び、圧縮機構2に吸入される。次に、油分離機構41において冷凍機油が分離された後の高圧の冷媒は、逆止機構42及び切換機構3を通じて、冷媒の放熱器として機能する利用側熱交換器6に送られて、冷却源としての水や空気と熱交換を行って冷却される(図46、図50〜図52の点F参照)。そして、利用側熱交換器6において冷却された高圧の冷媒は、利用側膨張機構5cによって中間圧付近まで減圧された後に、レシーバ18内に一時的に溜められるとともに気液分離が行われる(図46、図50〜図52の点I、L、M参照)。そして、レシーバ18において気液分離されたガス冷媒は、第2後段側インジェクション管18cによってレシーバ18の上部から抜き出されて、上述のように、前段側の圧縮要素2cから吐出された中間圧の冷媒に合流することになる。そして、レシーバ18内に溜められた液冷媒は、第1膨張機構5aによって減圧されて低圧の気液二相状態の冷媒となり、冷媒の蒸発器として機能する熱源側熱交換器4に送られるとともに、中間熱交換器戻し管94を通じて、冷媒の蒸発器として機能する中間熱交換器7にも送られる(図46、図50〜図52の点E参照)。そして、熱源側熱交換器4に送られた低圧の気液二相状態の冷媒は、熱源側ファン40によって供給される加熱源としての空気と熱交換を行って加熱されて、蒸発することになる(図46、図50〜図52の点A参照)。また、中間熱交換器7に送られた低圧の気液二相状態の冷媒も、熱源側ファン40によって供給される加熱源としての空気と熱交換を行って加熱されて、蒸発することになる(図46、図50〜図52の点V参照)。そして、この熱源側熱交換器4において加熱されて蒸発した低圧の冷媒は、切換機構3を経由して、再び、圧縮機構2に吸入される。また、この中間熱交換器7において加熱されて蒸発した低圧の冷媒は、第2吸入戻し管92を通じて、再び、圧縮機構2に吸入される。このようにして、暖房運転が行われる。
そして、本変形例の空気調和装置1(冷凍装置)においては、暖房運転時にエコノマイザ熱交換器20による中間圧インジェクションに代えて気液分離器としてのレシーバ18による中間圧インジェクションを行う点が第2実施形態の変形例6と異なるが、その他の点については、第2実施形態の変形例6と同様の作用効果を得ることができる。
尚、本変形例では、上述の第2実施形態の変形例6の構成において、複数の利用側熱交換器6を有する構成にし、冷房運転と暖房運転とでエコノマイザ熱交換器20によるインジェクションと気液分離器としてのレシーバ18によるインジェクションとを使い分ける構成にし、さらに、過冷却熱交換器96を設けるようにしているが、上述の第2実施形態の変形例1〜3のようなドレン加熱器97がドレンパンとして機能する底板77に設けられた構成や熱源側熱交換器4の下部及びドレンパンとして機能する底板77に設けられた構成において、第1後段側インジェクション管19及びエコノマイザ熱交換器20を設けるようにしてもよい。
また、本変形例では、冷媒不戻し状態と冷媒戻し状態との切り換えを、開閉弁11、12、92aの開閉状態によって行うようにしているが、上述の第2実施形態の変形例5のように、開閉弁11、12、92aに代えて、冷媒不戻し状態と冷媒戻し状態とを切り換え可能な中間熱交換器切換弁93等を設けるようにしてもよい。
(10)変形例8
上述の第2実施形態及びその変形例では、1台の一軸二段圧縮構造の圧縮機21によって、2つの圧縮要素2c、2dのうちの前段側の圧縮要素から吐出された冷媒を後段側の圧縮要素で順次圧縮する二段圧縮式の圧縮機構2が構成されているが、三段圧縮式等のような二段圧縮式よりも多段の圧縮機構を採用してもよいし、また、単一の圧縮要素が組み込まれた圧縮機及び/又は複数の圧縮要素が組み込まれた圧縮機を複数台直列に接続することで多段の圧縮機構を構成してもよい。また、利用側熱交換器6が多数接続される場合等のように、圧縮機構の能力を大きくする必要がある場合には、多段圧縮式の圧縮機構を2系統以上並列に接続した並列多段圧縮式の圧縮機構を採用してもよい。
上述の第2実施形態及びその変形例では、1台の一軸二段圧縮構造の圧縮機21によって、2つの圧縮要素2c、2dのうちの前段側の圧縮要素から吐出された冷媒を後段側の圧縮要素で順次圧縮する二段圧縮式の圧縮機構2が構成されているが、三段圧縮式等のような二段圧縮式よりも多段の圧縮機構を採用してもよいし、また、単一の圧縮要素が組み込まれた圧縮機及び/又は複数の圧縮要素が組み込まれた圧縮機を複数台直列に接続することで多段の圧縮機構を構成してもよい。また、利用側熱交換器6が多数接続される場合等のように、圧縮機構の能力を大きくする必要がある場合には、多段圧縮式の圧縮機構を2系統以上並列に接続した並列多段圧縮式の圧縮機構を採用してもよい。
例えば、図53に示されるように、上述の第2実施形態の変形例7における冷媒回路310(図46参照)において、二段圧縮式の圧縮機構2に代えて、二段圧縮式の圧縮機構103、104を並列に接続した圧縮機構102を採用した冷媒回路410にしてもよい。
ここで、第1圧縮機構103は、本変形例において、2つの圧縮要素103c、103dで冷媒を二段圧縮する圧縮機29から構成されており、圧縮機構102の吸入母管102aから分岐された第1吸入枝管103a、及び、圧縮機構102の吐出母管102bに合流する第1吐出枝管103bに接続されている。第2圧縮機構104は、本変形例において、2つの圧縮要素104c、104dで冷媒を二段圧縮する圧縮機30から構成されており、圧縮機構102の吸入母管102aから分岐された第2吸入枝管104a、及び、圧縮機構102の吐出母管102bに合流する第2吐出枝管104bに接続されている。尚、圧縮機29、30は、上述の実施形態及びその変形例における圧縮機21と同様の構成であるため、圧縮要素103c、103d、104c、104dを除く各部を示す符号をそれぞれ29番台や30番台に置き換えることとし、ここでは、説明を省略する。そして、圧縮機29は、第1吸入枝管103aから冷媒を吸入し、この吸入された冷媒を圧縮要素103cによって圧縮した後に中間冷媒管8を構成する第1入口側中間枝管81に吐出し、第1入口側中間枝管81に吐出された冷媒を中間冷媒管8を構成する中間母管82及び第1出口側中間枝管83を通じて圧縮要素103dに吸入させて冷媒をさらに圧縮した後に第1吐出枝管103bに吐出するように構成されている。圧縮機30は、第2吸入枝管104aから冷媒を吸入し、この吸入された冷媒を圧縮要素104cによって圧縮した後に中間冷媒管8を構成する第2入口側中間枝管84に吐出し、第2入口側中間枝管84に吐出された冷媒を中間冷媒管8を構成する中間母管82及び第2出口側中間枝管85を通じて圧縮要素104dに吸入させて冷媒をさらに圧縮した後に第2吐出枝管104bに吐出するように構成されている。中間冷媒管8は、本変形例において、圧縮要素103d、104dの前段側に接続された圧縮要素103c、104cから吐出された冷媒を、圧縮要素103c、104cの後段側に接続された圧縮要素103d、104dに吸入させるための冷媒管であり、主として、第1圧縮機構103の前段側の圧縮要素103cの吐出側に接続される第1入口側中間枝管81と、第2圧縮機構104の前段側の圧縮要素104cの吐出側に接続される第2入口側中間枝管84と、両入口側中間枝管81、84が合流する中間母管82と、中間母管82から分岐されて第1圧縮機構103の後段側の圧縮要素103dの吸入側に接続される第1出口側中間枝管83と、中間母管82から分岐されて第2圧縮機構104の後段側の圧縮要素104dの吸入側に接続される第2出口側中間枝管85とを有している。また、吐出母管102bは、圧縮機構102から吐出された冷媒を切換機構3に送るための冷媒管であり、吐出母管102bに接続される第1吐出枝管103bには、第1油分離機構141と第1逆止機構142とが設けられており、吐出母管102bに接続される第2吐出枝管104bには、第2油分離機構143と第2逆止機構144とが設けられている。第1油分離機構141は、第1圧縮機構103から吐出される冷媒に同伴する冷凍機油を冷媒から分離して圧縮機構102の吸入側へ戻す機構であり、主として、第1圧縮機構103から吐出される冷媒に同伴する冷凍機油を冷媒から分離する第1油分離器141aと、第1油分離器141aに接続されており冷媒から分離された冷凍機油を圧縮機構102の吸入側に戻す第1油戻し管141bとを有している。第2油分離機構143は、第2圧縮機構104から吐出される冷媒に同伴する冷凍機油を冷媒から分離して圧縮機構102の吸入側へ戻す機構であり、主として、第2圧縮機構104から吐出される冷媒に同伴する冷凍機油を冷媒から分離する第2油分離器143aと、第2油分離器143aに接続されており冷媒から分離された冷凍機油を圧縮機構102の吸入側に戻す第2油戻し管143bとを有している。本変形例において、第1油戻し管141bは、第2吸入枝管104aに接続されており、第2油戻し管143cは、第1吸入枝管103aに接続されている。このため、第1圧縮機構103内に溜まった冷凍機油の量と第2圧縮機構104内に溜まった冷凍機油の量との間に偏りに起因して第1圧縮機構103から吐出される冷媒に同伴する冷凍機油の量と第2圧縮機構104から吐出される冷媒に同伴する冷凍機油の量との間に偏りが生じた場合であっても、圧縮機構103、104のうち冷凍機油の量が少ない方に冷凍機油が多く戻ることになり、第1圧縮機構103内に溜まった冷凍機油の量と第2圧縮機構104内に溜まった冷凍機油の量との間の偏りが解消されるようになっている。また、本変形例において、第1吸入枝管103aは、第2油戻し管143bとの合流部から吸入母管102aとの合流部までの間の部分が、吸入母管102aとの合流部に向かって下り勾配になるように構成されており、第2吸入枝管104aは、第1油戻し管141bとの合流部から吸入母管102aとの合流部までの間の部分が、吸入母管102aとの合流部に向かって下り勾配になるように構成されている。このため、圧縮機構103、104のいずれか一方が停止中であっても、運転中の圧縮機構に対応する油戻し管から停止中の圧縮機構に対応する吸入枝管に戻される冷凍機油は、吸入母管102aに戻ることになり、運転中の圧縮機構の油切れが生じにくくなっている。油戻し管141b、143bには、油戻し管141b、143bを流れる冷凍機油を減圧する減圧機構141c、143cが設けられている。逆止機構142、144は、圧縮機構103、104の吐出側から切換機構3への冷媒の流れを許容し、かつ、切換機構3から圧縮機構103、104の吐出側への冷媒の流れを遮断するための機構である。
このように、圧縮機構102は、本変形例において、2つの圧縮要素103c、103dを有するとともにこれらの圧縮要素103c、103dのうちの前段側の圧縮要素から吐出された冷媒を後段側の圧縮要素で順次圧縮するように構成された第1圧縮機構103と、2つの圧縮要素104c、104dを有するとともにこれらの圧縮要素104c、104dのうちの前段側の圧縮要素から吐出された冷媒を後段側の圧縮要素で順次圧縮するように構成された第2圧縮機構104とを並列に接続した構成となっている。
また、中間熱交換器7は、本変形例において、中間冷媒管8を構成する中間母管82に設けられており、冷房運転時には、第1圧縮機構103の前段側の圧縮要素103cから吐出された冷媒と第2圧縮機構104の前段側の圧縮要素104cから吐出された冷媒とが合流したものを冷却する熱交換器である。すなわち、中間熱交換器7は、冷房運転時には、2つの圧縮機構103、104に共通の冷却器として機能するものとなっている。このため、多段圧縮式の圧縮機構103、104を複数系統並列に接続した並列多段圧縮式の圧縮機構102に対して中間熱交換器7を設ける際の圧縮機構102周りの回路構成の簡素化が図られている。
また、中間冷媒管8を構成する第1入口側中間枝管81には、第1圧縮機構103の前段側の圧縮要素103cの吐出側から中間母管82側への冷媒の流れを許容し、かつ、中間母管82側から前段側の圧縮要素103cの吐出側への冷媒の流れを遮断するための逆止機構81aが設けられており、中間冷媒管8を構成する第2入口側中間枝管84には、第2圧縮機構103の前段側の圧縮要素104cの吐出側から中間母管82側への冷媒の流れを許容し、かつ、中間母管82側から前段側の圧縮要素104cの吐出側への冷媒の流れを遮断するための逆止機構84aが設けられている。本変形例においては、逆止機構81a、84aとして逆止弁が使用されている。このため、圧縮機構103、104のいずれか一方が停止中であっても、運転中の圧縮機構の前段側の圧縮要素から吐出された冷媒が中間冷媒管8を通じて、停止中の圧縮機構の前段側の圧縮要素の吐出側に達するということが生じないため、運転中の圧縮機構の前段側の圧縮要素から吐出された冷媒が、停止中の圧縮機構の前段側の圧縮要素内を通じて圧縮機構102の吸入側に抜けて停止中の圧縮機構の冷凍機油が流出するということが生じなくなり、これにより、停止中の圧縮機構を起動する際の冷凍機油の不足が生じにくくなっている。尚、圧縮機構103、104間に運転の優先順位を設けている場合(例えば、第1圧縮機構103を優先的に運転する圧縮機構とする場合)には、上述の停止中の圧縮機構に該当することがあるのは、第2圧縮機構104に限られることになるため、この場合には、第2圧縮機構104に対応する逆止機構84aだけを設けるようにしてもよい。
また、上述のように、第1圧縮機構103を優先的に運転する圧縮機構とする場合においては、中間冷媒管8が圧縮機構103、104に共通に設けられているため、運転中の第1圧縮機構103に対応する前段側の圧縮要素103cから吐出された冷媒が中間冷媒管8の第2出口側中間枝管85を通じて、停止中の第2圧縮機構104の後段側の圧縮要素104dの吸入側に達し、これにより、運転中の第1圧縮機構103の前段側の圧縮要素103cから吐出された冷媒が、停止中の第2圧縮機構104の後段側の圧縮要素104d内を通じて圧縮機構102の吐出側に抜けて停止中の第2圧縮機構104の冷凍機油が流出して、停止中の第2圧縮機構104を起動する際の冷凍機油の不足が生じるおそれがある。そこで、本変形例では、第2出口側中間枝管85に開閉弁85aを設け、第2圧縮機構104が停止中の場合には、この開閉弁85aによって第2出口側中間枝管85内の冷媒の流れを遮断するようにしている。これにより、運転中の第1圧縮機構103の前段側の圧縮要素103cから吐出された冷媒が中間冷媒管8の第2出口側中間枝管85を通じて、停止中の第2圧縮機構104の後段側の圧縮要素104dの吸入側に達することがなくなるため、運転中の第1圧縮機構103の前段側の圧縮要素103cから吐出された冷媒が、停止中の第2圧縮機構104の後段側の圧縮要素104d内を通じて圧縮機構102の吐出側に抜けて停止中の第2圧縮機構104の冷凍機油が流出するということが生じなくなり、これにより、停止中の第2圧縮機構104を起動する際の冷凍機油の不足がさらに生じにくくなっている。尚、本変形例においては、開閉弁85aとして電磁弁が使用されている。
また、第1圧縮機構103を優先的に運転する圧縮機構とする場合においては、第1圧縮機構103の起動に続いて第2圧縮機構104を起動することになるが、この際、中間冷媒管8が圧縮機構103、104に共通に設けられているため、第2圧縮機構104の前段側の圧縮要素103cの吐出側の圧力及び後段側の圧縮要素103dの吸入側の圧力が、前段側の圧縮要素103cの吸入側の圧力及び後段側の圧縮要素103dの吐出側の圧力よりも高くなった状態から起動することになり、安定的に第2圧縮機構104を起動することが難しい。そこで、本変形例では、第2圧縮機構104の前段側の圧縮要素104cの吐出側と後段側の圧縮要素104dの吸入側とを接続する起動バイパス管86を設けるとともに、この起動バイパス管86に開閉弁86aを設け、第2圧縮機構104が停止中の場合には、この開閉弁86aによって起動バイパス管86内の冷媒の流れを遮断し、かつ、開閉弁85aによって第2出口側中間枝管85内の冷媒の流れを遮断するようにし、第2圧縮機構104を起動する際に、開閉弁86aによって起動バイパス管86内に冷媒を流すことができる状態にすることで、第2圧縮機構104の前段側の圧縮要素104cから吐出される冷媒を第1圧縮機構103の前段側の圧縮要素104cから吐出される冷媒に合流させることなく、起動バイパス管86を通じて後段側の圧縮要素104dに吸入させるようにして、圧縮機構102の運転状態が安定した時点(例えば、圧縮機構102の吸入圧力、吐出圧力及び中間圧力が安定した時点)で、開閉弁85aによって第2出口側中間枝管85内に冷媒を流すことができる状態にし、かつ、開閉弁86aによって起動バイパス管86内の冷媒の流れを遮断して、通常の冷房運転に移行することができるようになっている。尚、本変形例において、起動バイパス管86は、その一端が第2出口側中間枝管85の開閉弁85aと第2圧縮機構104の後段側の圧縮要素104dの吸入側との間に接続され、その他端が第2圧縮機構104の前段側の圧縮要素104cの吐出側と第2入口側中間枝管84の逆止機構84aとの間に接続されており、第2圧縮機構104を起動する際に、第1圧縮機構103の中間圧部分の影響を受けにくい状態にできるようになっている。また、本変形例においては、開閉弁86aとして電磁弁が使用されている。
また、本変形例の空気調和装置1の冷房運転や暖房運転の動作は、圧縮機構2に代えて設けられた圧縮機構102によって、圧縮機構102周りの回路構成がやや複雑化したことによる変更点を除いては、上述の第2実施形態の変形例7における動作(図46〜図52及びその関連記載)と基本的に同じであるため、ここでは、説明を省略する。
そして、本変形例の構成においても、上述の第2実施形態の変形例7と同様の作用効果を得ることができる。
尚、本変形例では、上述の第2実施形態の変形例7における熱源側熱交換器4の下部にドレン加熱器97が設けられた構成において、二段圧縮式の圧縮機構103、104を並列に接続した圧縮機構102を採用しているが、上述の第2実施形態の変形例1〜3のようなドレン加熱器97がドレンパンとして機能する底板77に設けられた構成や熱源側熱交換器4の下部及びドレンパンとして機能する底板77に設けられた構成において、二段圧縮式の圧縮機構103、104を並列に接続した圧縮機構102を採用してもよい。
また、本変形例では、冷媒不戻し状態と冷媒戻し状態との切り換えを、開閉弁11、12、92aの開閉状態によって行うようにしているが、上述の第2実施形態の変形例5のように、開閉弁11、12、92aに代えて、冷媒不戻し状態と冷媒戻し状態とを切り換え可能な中間熱交換器切換弁93等を設けるようにしてもよい。
−他の実施形態−
以上、本発明の実施形態及びその変形例について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、これらの実施形態及びその変形例に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
以上、本発明の実施形態及びその変形例について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、これらの実施形態及びその変形例に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
例えば、上述の実施形態及びその変形例では、ヒートポンプ式給湯機のヒートポンプユニット701や空気調和装置1に本発明を適用した例を説明したが、他の冷凍装置に適用してもよい。
また、上述の第1実施形態及びその変形例において、第2実施形態の変形例8と同様に、二段圧縮式の圧縮機構103、104を並列に接続した圧縮機構102を採用したり、三段以上の多段圧縮式を適用してもよい。
また、上述の第2実施形態及びその変形例において、利用側熱交換器6を流れる冷媒と熱交換を行う加熱源又は冷却源としての水やブラインを使用するとともに、利用側熱交換器6において熱交換された水やブラインと室内空気とを熱交換させる二次熱交換器を設けた、いわゆる、チラー型の空気調和装置に本発明を適用してもよい。
また、上述のチラータイプの空気調和装置の他の型式の冷凍装置であっても、超臨界域で作動する冷媒を冷媒として使用して多段圧縮式冷凍サイクルを行うものであれば、本発明を適用可能である。
また、超臨界域で作動する冷媒としては、二酸化炭素に限定されず、エチレン、エタンや酸化窒素等を使用してもよい。
本発明を利用すれば、圧縮機構と放熱器と蒸発器とを有する冷媒回路と蒸発器において発生するドレン水を受けるドレンパンとを備えた冷凍装置において、エネルギーのロスの増加を抑えることが可能なドレン加熱器を提供することができる。
1 空気調和装置(冷凍装置)
2、102、702 圧縮機構
3 切換機構
4 熱源側熱交換器(放熱器、蒸発器)
6 利用側熱交換器(蒸発器、放熱器)
7 中間熱交換器
77、777 ドレンパン
97、797 ドレン加熱器
97a、797a 第1ドレン加熱器
97b、797b 第2ドレン加熱器
98、798 ドレン加熱器切換機構
701 ヒートポンプユニット(冷凍装置)
704 水冷媒熱交換器(放熱器)
706 蒸発器
2、102、702 圧縮機構
3 切換機構
4 熱源側熱交換器(放熱器、蒸発器)
6 利用側熱交換器(蒸発器、放熱器)
7 中間熱交換器
77、777 ドレンパン
97、797 ドレン加熱器
97a、797a 第1ドレン加熱器
97b、797b 第2ドレン加熱器
98、798 ドレン加熱器切換機構
701 ヒートポンプユニット(冷凍装置)
704 水冷媒熱交換器(放熱器)
706 蒸発器
Claims (13)
- 複数の圧縮要素を有しており、前記複数の圧縮要素のうちの前段側の圧縮要素から吐出された冷媒を後段側の圧縮要素で順次圧縮するように構成された圧縮機構(2、102、702)と、
前記圧縮機構によって圧縮された冷媒を放熱させる放熱器(4、704)と、
空気を熱源として前記放熱器によって放熱された冷媒を蒸発させる蒸発器(6、706)と、
前記蒸発器において発生するドレン水を受けるドレンパン(77、777)と、
前記前段側の圧縮要素から吐出されて前記後段側の圧縮要素に吸入される冷媒によって前記ドレン水を加熱するドレン加熱器(97、97a、97b、797、797a、797b)と、
を備えた、冷凍装置(1、701)。 - 前記ドレン加熱器(97、97a、797、797a)は、前記蒸発器(6、706)の下部に配置されている、請求項1に記載の冷凍装置(1、701)。
- 前記ドレン加熱器(97、97b、797、797b)は、前記ドレンパン(77、777)に配置されている、請求項1に記載の冷凍装置(1、701)。
- 前記ドレン加熱器(97、797)は、前記蒸発器(6、706)の下部に配置された第1ドレン加熱器(97a、797a)と、前記ドレンパン(77、777)に配置された第2ドレン加熱器(97b、797b)とを有している、請求項1に記載の冷凍装置(1、701)。
- 前記前段側の圧縮要素から吐出されて前記後段側の圧縮要素に吸入される冷媒を前記第1ドレン加熱器(97a、797a)及び前記第2ドレン加熱器(97b、797b)の一方だけに流すことができるように切り換えるドレン加熱器切換機構(98、798)をさらに備えている、請求項4に記載の冷凍装置(1、701)。
- 複数の圧縮要素を有しており、前記複数の圧縮要素のうちの前段側の圧縮要素から吐出された冷媒を後段側の圧縮要素で順次圧縮するように構成された圧縮機構(2、102)と、
空気を熱源とする熱交換器であって、冷媒の放熱器又は蒸発器として機能する熱源側熱交換器(4)と、
冷媒の蒸発器又は放熱器として機能する利用側熱交換器(6)と、
前記圧縮機構、冷媒の放熱器として機能する前記熱源側熱交換器、冷媒の蒸発器として機能する前記利用側熱交換器の順に冷媒を循環させる冷却運転状態と、前記圧縮機構、冷媒の放熱器として機能する前記利用側熱交換器、冷媒の蒸発器として機能する前記熱源側熱交換器の順に冷媒を循環させる加熱運転状態とを切り換える切換機構(3)と、
前記切換機構を前記冷却運転状態にしている際に、前記前段側の圧縮要素から吐出されて前記後段側の圧縮要素に吸入される冷媒の冷却器として機能する中間熱交換器(7)と、
前記熱源側熱交換器において発生するドレン水を受けるドレンパン(77)と、
前記切換機構を前記加熱運転状態にしている際に、前記前段側の圧縮要素から吐出されて前記後段側の圧縮要素に吸入される冷媒によって前記ドレン水を加熱することが可能なドレン加熱器(97、97a、97b)と、
を備えた、冷凍装置(1)。 - 前記ドレン加熱器(97、97a)は、前記熱源側熱交換器(4)の下部に配置されている、請求項6に記載の冷凍装置(1)。
- 前記ドレン加熱器(97、97b)は、前記ドレンパン(77)に配置されている、請求項6に記載の冷凍装置(1)。
- 前記ドレン加熱器(97)は、前記熱源側熱交換器(4)の下部に配置された第1ドレン加熱器(97a)と、前記ドレンパン(77)に配置された第2ドレン加熱器(97b)とを有している、請求項6に記載の冷凍装置(1)。
- 前記前段側の圧縮要素から吐出されて前記後段側の圧縮要素に吸入される冷媒を前記第1ドレン加熱器(97a)及び前記第2ドレン加熱器(97b)の一方だけに流すことができるように切り換えるドレン加熱器切換機構(98)をさらに備えている、請求項9に記載の冷凍装置(1)。
- 前記中間熱交換器(7)は、前記切換機構(3)を前記加熱運転状態にしている際に、前記利用側熱交換器(6)において放熱した冷媒の蒸発器として機能する、請求項6〜10のいずれかに記載の冷凍装置(1)。
- 前記中間熱交換器(7)は、前記熱源側熱交換器(4)の上部に配置されている、請求項11に記載の冷凍装置(1)。
- 前記中間熱交換器(7)は、前記ドレン加熱器(97)よりも伝熱面積が大きい、請求項6〜12のいずれかに記載の冷凍装置(1)。
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