以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
《発明の実施形態》
実施形態は、本発明に係る冷凍装置により構成された空調機(1)に関するものである。この空調機(1)は、図1に示すように、冷媒回路(10)を備えている。この冷媒回路(10)は、冷媒を超臨界状態に圧縮して蒸気圧縮式冷凍サイクルを行うものである。そして、本実施形態の空調機(1)は、冷媒回路(10)で冷媒を循環させ、冷房運転(冷却運転)と暖房運転(加熱運転)を切り換えて行うように構成されている。
上記冷媒回路(10)には、二酸化炭素(CO2)が冷媒として充填されている。また、冷媒回路(10)には、圧縮機(11)、膨張機(12)、室外熱交換器(熱源側熱交換器)(21)、室内熱交換器(利用側熱交換器)(22)、内部熱交換器(23)、第1四路切換弁(31)、及び第2四路切換弁(32)が設けられている。
圧縮機(11)及び膨張機(12)は、それぞれ固有のシリンダ容積を有するロータリピストン型の流体機械により構成されている。上記圧縮機(11)と膨張機(12)とは、モータ(13)の回転軸によって互いに連結されている。圧縮機(11)は、膨張機(12)における冷媒の膨張により得られた動力(膨張動力)と、モータ(13)へ通電して得られる動力との両方によって回転駆動される。
上記圧縮機(11)及び膨張機(12)は、互いに回転軸と連結されているため、それぞれの回転速度が常に等しくなる。したがって、冷媒回路(10)において、膨張機(12)を通過する冷媒の体積循環量Veと圧縮機(11)を通過する冷媒の体積循環量Vcとの比率(Ve/Vc)は、各流体機械(11,12)のシリンダ容積比によって定まる固定値となっている。このシリンダ容積比は、上記Ve/Vcの比と、この空調機(1)の暖房時における膨張機(12)の流入冷媒密度deと圧縮機(11)の吸入冷媒密度dcとの密度比de/dcとが等量となるように、すなわち、膨張機(12)を通過する冷媒の質量流量Meと圧縮機(11)を通過する冷媒の質量流量Mcとが等量となるように設計されている。
なお、上記圧縮機(11)や膨張機(12)について、これらを構成する流体機械はローリングピストン型に限定されるものではなく、例えばスクロール型の容積形流体機械を圧縮機(11)や膨張機(12)として用いてもよい。
上記室外熱交換器(21)は、いわゆるクロスフィン型のフィン・アンド・チューブ熱交換器により構成されている。この室外熱交換器(21)へは、図外のファンによって室外空気が供給される。この室外熱交換器(21)では、供給された室外空気と冷媒回路(10)の冷媒との熱交換が行われる。
上記室内熱交換器(22)は、いわゆるクロスフィン型のフィン・アンド・チューブ熱交換器により構成されている。この室内熱交換器(22)へは、図外のファンによって室内空気が供給される。この室内熱交換器(22)では、供給された室内空気と冷媒回路(10)の冷媒との熱交換が行われる。
上記内部熱交換器(23)は、互いに隣接して配置された第1流路(24)及び第2流路(25)を有し、第1流路(24)を流れる冷媒と第2流路(25)を流れる冷媒が熱交換可能に構成されている。この内部熱交換器(23)は、冷房運転時に高圧冷媒が低圧冷媒と熱交換して冷却されるように構成されている。
この内部熱交換器(23)は、冷房運転時には第1流路(24)を高圧冷媒が流通する一方で第2流路(25)を低圧冷媒が高圧冷媒とは逆方向へ向かって流通する対向流となり、暖房運転時には両流路(24,25)を高圧冷媒が同じ方向へ向かって流通する並行流となるように構成されている。そして、冷房運転時は、放熱器となる室外熱交換器(21)を通過後の高圧冷媒が、蒸発器となる室内熱交換器(22)を通過前の低圧冷媒と熱交換して冷却される。一方、暖房運転時は、放熱器となる室内熱交換器(22)を通過後の高圧冷媒が第2流路(25)と第1流路(24)を順に流れ、高圧冷媒の冷却は行われない。
上記冷媒回路(10)において、圧縮機(11)の吐出側は第1四路切換弁(31)の第1ポート(P1)に接続され、第1四路切換弁(31)の第2ポート(P2)は室外熱交換器(21)の第1端に接続されている。室外熱交換器(21)の第2端は第2四路切換弁(32)の第1ポート(P1)に接続され、第2四路切換弁(32)の第2ポート(P2)は内部熱交換器(23)の第1流路(24)を介して膨張機(12)の流入側に接続されている。膨張機(12)の流出側は第2四路切換弁(32)の第3ポート(P3)に接続され、第2四路切換弁(32)の第4ポート(P4)は内部熱交換器(23)の第2流路(25)を介して室内熱交換器(22)の第1端に接続されている。室内熱交換器(22)の第2端は第1四路切換弁(31)の第3ポート(P3)に接続され、第1四路切換弁(31)の第4ポート(P4)は圧縮機(11)の吸入側に接続されている。
上記第1四路切換弁(31)は、第1ポート(P1)が第2ポート(P2)と連通し且つ第3ポート(P3)が第4ポート(P4)と連通する状態(図1に実線で示す状態)と、第1ポート(P1)が第3ポート(P3)と連通し且つ第2ポート(P2)が第4ポート(P4)と連通する状態(図1に破線で示す状態)とに切り換わる。
また、上記第2四路切換弁(32)は、第1ポート(P1)が第2ポート(P2)と連通し且つ第3ポート(P3)が第4ポート(P4)と連通する状態(図1に実線で示す状態)と、第1ポート(P1)が第3ポート(P3)と連通し且つ第2ポート(P2)が第4ポート(P4)と連通する状態(図1に破線で示す状態)とに切り換わる。
−運転動作−
次に、この空調機(1)の冷房運転時及び暖房運転時の動作について説明する。
(冷房運転)
冷房運転時、第1四路切換弁(31)及び第2四路切換弁(32)は、図1に実線で示す状態に切り換わる。この状態でモータ(13)に通電すると、冷媒回路(10)で冷媒が循環して冷凍サイクルが行われる。その際、室外熱交換器(21)が放熱器となり、室内熱交換器(22)が蒸発器となる。また、冷凍サイクルの高圧圧力は、冷媒である二酸化炭素の臨界圧力よりも高く設定されている。
圧縮機(11)からは、超臨界状態の高圧冷媒が吐出される。この高圧冷媒は、実線の矢印で示すように、第1四路切換弁(31)を通って室外熱交換器(21)へ流入する。室外熱交換器(21)において、高圧冷媒は、室外空気へ放熱し、温度が低下する。
室外熱交換器(21)から出た高圧冷媒は、第2四路切換弁(32)を経て内部熱交換器(23)の第1流路(24)を通過する。この高圧冷媒は、内部熱交換器(23)において、第2流路(25)を流れる低圧冷媒と熱交換して冷却される。この高圧冷媒は膨張機(12)へ流入し、膨張機(12)では、導入された高圧冷媒が膨張し、この高圧冷媒の内部エネルギが回転動力に変換される。膨張機(12)での膨張により、高圧冷媒は圧力が低下し、超臨界状態から気液二相状態に変化する。
膨張機(12)から出た低圧冷媒は、第2四路切換弁(32)を通って内部熱交換器(23)の第2流路(25)を通過し、その際に、第1流路(24)を流れる高圧冷媒と熱交換して加熱される。この低圧冷媒は、室内熱交換器(22)へ流入し、室内熱交換器(22)において、室内空気から吸熱して蒸発する。また、室内熱交換器(22)では室内空気が低圧冷媒によって冷却され、この冷却された室内空気が室内へ送り返される。
室内熱交換器(22)から出た低圧冷媒は、第1四路切換弁(31)を通って圧縮機(11)に吸入される。圧縮機(11)へ吸入された冷媒は、所定の圧力にまで圧縮されて、圧縮機(11)から吐出される。
(暖房運転)
暖房運転時、第1四路切換弁(31)及び第2四路切換弁(32)は、図1に破線で示す状態に切り換わる。この状態でモータ(13)に通電すると、冷媒回路(10)で冷媒が循環して冷凍サイクルが行われる。その際、室内熱交換器(22)が放熱器となり、室外熱交換器(21)が蒸発器となる。また、冷凍サイクルの高圧圧力は、冷房運転時と同様に、冷媒である二酸化炭素の臨界圧力よりも高く設定されている。
圧縮機(11)からは、超臨界状態の高圧冷媒が吐出される。この高圧冷媒は、破線の矢印で示すように、第1四路切換弁(31)を通って室内熱交換器(22)へ流入する。室内熱交換器(22)において、高圧冷媒は、室内空気へ放熱し、温度が低下する。また、室内熱交換器(22)では室内空気が高圧冷媒によって加熱され、この加熱された室内空気が室内へ送り返される。
室内熱交換器(22)から出た高圧冷媒は、内部熱交換器(23)の第2流路(25)を通過した後、第2四路切換弁(32)を通って内部熱交換器(23)の第1流路(24)を通過する。その際、内部熱交換器(23)では、室内熱交換器(22)を出た高圧冷媒が第2流路(25)と第1流路(24)を順に流れるため、温度の変化は生じない。
内部熱交換器(23)の第1通路(24)を出た高圧冷媒は、膨張機(12)へ流入する。膨張機(12)では、導入された高圧冷媒が膨張し、この高圧冷媒の内部エネルギが回転動力に変換される。膨張機(12)での膨張により、高圧冷媒は圧力が低下し、超臨界状態から気液二相状態に変化する。
膨張機(12)から出た低圧冷媒は、第2四路切換弁(32)を通って室外熱交換器(21)へ流入する。室外熱交換器(21)において、低圧冷媒は、室外空気から吸熱して蒸発する。室外熱交換器(21)から出た低圧冷媒は、第1四路切換弁(31)を通って圧縮機(11)に吸入される。圧縮機(11)へ吸入された冷媒は、所定の圧力にまで圧縮されて、圧縮機(11)から吐出される。
−実施形態の効果−
この実施形態では、内部熱交換器(23)において、冷房運転時には、放熱器となる室外熱交換器(21)を通過後の高圧冷媒が第1流路(24)を流れ、蒸発器となる室内熱交換器(22)を通過前の低圧冷媒が第2流路(25)を流れるため、高圧冷媒が冷却される。一方、暖房運転時には、放熱器となる室内熱交換器(22)を通過後の高圧冷媒が第2流路(25)と第1流路(24)を順に流れるため、高圧冷媒の温度は変化しない。
以上のように、内部熱交換器(23)が冷房運転時にだけ機能するため、冷房運転時には、膨張機(12)に吸入される高圧冷媒を冷却でき、膨張機(12)の流入冷媒密度deを増大させることができる。その結果、従来の冷凍装置の冷房運転時には、上述した理由により圧縮機(11)の冷媒質量流量Mcが膨張機(12)の冷媒質量流量Meよりも大きくなってしまうのに対し、この実施形態では、膨張機(12)の冷媒質量流量Meを大きくできるため、両者の冷媒質量流量Mc,Meをバランスさせることができる。
また、本実施形態では、冷媒の一部を膨張機(12)からバイパスさせることなく、冷媒質量流量Me,Mcをバランスさせている。このため、冷媒の一部を膨張機(12)からバイパスさせると膨張機(12)の膨張動力が低下してCOPも低下してしまうのに対し、本実施形態では、全ての冷媒を膨張機(12)に導入できるため、COPの低下を回避することができる。
なお、この実施形態では、冷房運転時に高圧冷媒と低圧冷媒が内部熱交換器(23)を逆方向へ流れるようにすることで熱交換効率を高めるようにしているが、低圧冷媒が蒸発器前の液冷媒であって熱伝達率が高いため、高圧冷媒と低圧冷媒が内部熱交換器(23)を同じ方向へ流れるようにしてもよい。その場合でも、高圧冷媒を冷却することは可能である。
−実施形態の変形例−
(第1変形例)
実施形態の第1変形例は、実施形態の冷媒回路(10)において、膨張機(12)と第2四路切換弁(32)との間にレシーバ(41)を設けたものである。つまり、この第1変形例は、膨張機(12)の出口側にレシーバ(41)を設けたものである。
図2に示すように、膨張機(12)の流出側はレシーバ(41)の流入口に接続され、レシーバ(41)の流出口は第2四路切換弁(32)の第3ポート(P3)に接続されている。また、圧縮機(11)の吸入側には、レシーバ(41)の下端部に接続された液インジェクション管(42)と、レシーバ(41)の上部に接続されたガス抜き管(43)とが接続されている。液インジェクション管(42)には第1電動弁(EV1)が、ガス抜き管(43)には第2電動弁(EV2)が設けられており、それぞれ、冷媒の流量調整ができるようになっている。
その他の構成は図1の実施形態と同様である。
冷房運転時、第1四路切換弁(31)及び第2四路切換弁(32)は、図2に実線で示す状態に切り換わる。この状態において、圧縮機(11)から吐出された冷媒は、第1四路切換弁(31)、室外熱交換器(21)、第2四路切換弁(32)、内部熱交換器(23)の第1流路(24)、膨張機(12)、レシーバ(41)、第2四路切換弁(32)、内部熱交換器(23)の第2流路(25)、室内熱交換器(22)、第1四路切換弁(31)を順に流れ、再度圧縮機(11)に吸入される。
上記内部熱交換器(23)では、室外熱交換器(21)を通過した後の高圧冷媒が第1流路(24)を流れ、室内熱交換器(22)を通過する前の低圧冷媒が第2流路(25)を流れるため、これらの高圧冷媒と低圧冷媒とが熱交換をする。このことにより、高圧冷媒は、上記内部熱交換器(23)で冷却されてから膨張機(12)へ流入することになる。
なお、この冷房運転時、液インジェクション管(42)の第1電動弁(EV1)の開度を調整することにより、圧縮機(11)の吸入過熱度制御と油戻し運転とが可能である。また、ガス抜き管(43)の第2電動弁(EV2)の開度を調整することにより、レシーバ(41)のガス抜きを行うこともできる。また、液インジェクション管(42)の第1電動弁(EV1)とガス抜き管(43)の第2電動弁(EV2)の開度を調整すると、運転時に圧縮機(11)に容量不足が発生したときに、容量の不足分を補うこともできる。
暖房運転時、第1四路切換弁(31)及び第2四路切換弁(32)は、図2に破線で示す状態に切り換わる。この状態において、圧縮機(11)から吐出された冷媒は、第1四路切換弁(31)、室内熱交換器(22)、内部熱交換器(23)の第2流路(25)、第2四路切換弁(32)、内部熱交換器(23)の第1流路(24)、膨張機(12)、レシーバ(41)、第2四路切換弁(32)、室外熱交換器(21)、第1四路切換弁(31)を順に流れ、再度圧縮機(11)に吸入される。
上記内部熱交換器(23)では、放熱器となる室内熱交換器(22)を通過した後の高圧冷媒が第2流路(25)と第1流路(24)を順に流れるため、高圧冷媒の温度は変化しない。このことにより、高圧冷媒は冷却されずに膨張機(12)へ流入することになる。
この変形例においても、内部熱交換器(23)が冷房運転時にだけ機能するため、冷房運転時には、膨張機(12)に吸入される高圧冷媒を冷却でき、膨張機(12)の流入冷媒密度deを増大させることができる。その結果、従来の冷凍装置の冷房運転時には、上述した理由により圧縮機(11)の冷媒質量流量Mcが膨張機(12)の冷媒質量流量Meよりも大きくなってしまうのに対し、この実施形態の第1変形例では、膨張機(12)の冷媒質量流量Meを大きくできるため、両者の冷媒質量流量Mc,Meをバランスさせることができる。
また、上記実施形態と同様、冷媒の一部を膨張機(12)からバイパスさせることなく、冷媒質量流量Me,Mcをバランスさせているため、全ての冷媒を膨張機(12)に導入することで、COPの低下を回避することもできる。
(第2変形例)
実施形態の第2変形例は、実施形態の冷媒回路(10)において、第2四路切換弁(32)の代わりにブリッジ回路(35)を用いたものである。
図3に示すように、上記ブリッジ回路(35)は、4つの管路をブリッジ状に接続して構成され、4つのポート(P1,P2,P3,P4)を有している。上記4つの管路には、それぞれ逆止弁(CV)が設けられている。上記逆止弁(CV)は、第1ポート(P1)から第2ポート(P2)へ向かう冷媒流れと、第3ポート(P3)から第4ポート(P4)へ向かう冷媒流れと、第3ポート(P3)から第1ポート(P1)へ向かう冷媒流れと、第4ポート(P4)から第2ポート(P2)へ向かう冷媒流れを許容するように、各管路に設けられている。
上記室外熱交換器(21)の第2端は、ブリッジ回路(35)の第1ポート(P1)に接続されている。該ブリッジ回路(35)の第2ポート(P2)は、内部熱交換器(23)の第1流路(24)を介して膨張機(12)の流入側に接続されている。膨張機(12)の流出側は、上記ブリッジ回路(35)の第3ポート(P3)に接続されている。このブリッジ回路(35)の第4ポート(P4)は、内部熱交換器(23)の第2流路(25)を介して室内熱交換器(22)の第1端に接続されている。
その他の構成は図1の実施形態と同様である。
冷房運転時、第1四路切換弁(31)は、図3に実線で示す状態に切り換わる。この状態において、圧縮機(11)から吐出された冷媒は、第1四路切換弁(31)、室外熱交換器(21)、ブリッジ回路(35)、内部熱交換器(23)の第1流路(24)、膨張機(12)、ブリッジ回路(35)、内部熱交換器(23)の第2流路(25)、室内熱交換器(22)、第1四路切換弁(31)を順に流れ、再度圧縮機(11)に吸入される。
上記内部熱交換器(23)では、室外熱交換器(21)を通過した後の高圧冷媒が第1流路(24)を流れ、室内熱交換器(22)を通過する前の低圧冷媒が第2流路(25)を流れるため、これらの高圧冷媒と低圧冷媒とが熱交換をする。このことにより、高圧冷媒は、上記内部熱交換器(23)で冷却されてから膨張機(12)へ流入することになる。
暖房運転時、第1四路切換弁(31)は、図3に破線で示す状態に切り換わる。この状態において、圧縮機(11)から吐出された冷媒は、第1四路切換弁(31)、室内熱交換器(22)、内部熱交換器(23)の第2流路(25)、ブリッジ回路(35)、内部熱交換器(23)の第1流路(24)、膨張機(12)、ブリッジ回路(35)、室外熱交換器(21)、第1四路切換弁(31)を順に流れ、再度圧縮機(11)に吸入される。
上記内部熱交換器(23)では、放熱器となる室内熱交換器(22)を通過した後の高圧冷媒が第2流路(25)と第1流路(24)を順に流れるため、高圧冷媒の温度は変化しない。このことにより、高圧冷媒は冷却されずに膨張機(12)へ流入することになる。
この変形例においても、内部熱交換器(23)が冷房運転時にだけ機能するため、冷房運転時には、膨張機(12)に吸入される高圧冷媒を冷却でき、膨張機(12)の流入冷媒密度deを増大させることができる。その結果、従来の冷凍装置の冷房運転時には、上述した理由により圧縮機(11)の冷媒質量流量Mcが膨張機(12)の冷媒質量流量Meよりも大きくなってしまうのに対し、この実施形態の第2変形例では、膨張機(12)の冷媒質量流量Meを大きくできるため、両者の冷媒質量流量Mc,Meをバランスさせることができる。
また、上記実施形態と同様、冷媒の一部を膨張機(12)からバイパスさせることなく、冷媒質量流量Me,Mcをバランスさせているため、全ての冷媒を膨張機(12)に導入することで、COPの低下を回避することもできる。
《参考例1》
参考例1は、図4に示すように、本発明の実施形態とは冷媒回路(10)の構成が異なるものである。この例では、実施形態とは内部熱交換器(23)の位置が異なるとともに、暖房運転時に高圧冷媒が内部熱交換器(23)をバイパスするためのバイパス通路(51)が設けられている。
この冷媒回路(10)において、圧縮機(11)の吐出側は第1四路切換弁(31)の第1ポート(P1)に接続され、第1四路切換弁(31)の第2ポート(P2)は室外熱交換器(21)の第1端に接続されている。室外熱交換器(21)の第2端は第2四路切換弁(32)の第1ポート(P1)に接続され、第2四路切換弁(32)の第2ポート(P2)は内部熱交換器(23)の第1流路(24)を介して膨張機(12)の流入側に接続されている。
第2四路切換弁(32)の第2ポート(P2)と内部熱交換器(23)の第1流路(24)の間には第1開閉弁(SV1)が設けられている。第2四路切換弁(32)の第2ポート(P2)と第1開閉弁(SV1)の間の配管には、第2開閉弁(SV2)を有するバイパス通路(51)の一端が接続されている。このバイパス通路(51)の他端は、内部熱交換器(23)の第1流路(24)と膨張機(12)の流入側とを接続する配管に合流している。
膨張機(12)の流出側は第2四路切換弁(32)の第3ポート(P3)に接続され、第2四路切換弁(32)の第4ポート(P4)は室内熱交換器(22)の第1端に接続されている。室内熱交換器(22)の第2端は第1四路切換弁(31)の第3ポート(P3)に接続され、第1四路切換弁(31)の第4ポート(P4)は内部熱交換器(23)の第2流路(25)を介して圧縮機(11)の吸入側に接続されている。
以上の構成により、上記内部熱交換器(23)は、冷房運転時には第1流路(24)を高圧冷媒が流通する一方で第2流路(25)を低圧冷媒が流通するように構成されている。そして、冷房運転時に、室外熱交換器(21)を通過後の高圧冷媒が、室内熱交換器(22)を通過後の低圧冷媒と熱交換して冷却されるようになっている。
なお、この構成において、第1開閉弁(SV1)及び第2開閉弁(SV2)には、電磁開閉弁や電動弁を用いることができる。また、第1開閉弁(SV1)は、内部熱交換器(23)の前後どちらに設けてもよい。
−運転動作−
冷房運転時、第1四路切換弁(31)及び第2四路切換弁(32)は、図4に実線で示す状態に切り換わる。また、第1開閉弁(SV1)は開放され、第2開閉弁(SV2)は閉鎖される。この状態において、圧縮機(11)から吐出された冷媒は、第1四路切換弁(31)、室外熱交換器(21)、第2四路切換弁(32)、内部熱交換器(23)の第1流路(24)、膨張機(12)、第2四路切換弁(32)、室内熱交換器(22)、第1四路切換弁(31)、内部熱交換器(23)の第2流路(25)を順に流れ、再度圧縮機(11)に吸入される。
上記内部熱交換器(23)では、室外熱交換器(21)を通過した後の高圧冷媒が第1流路(24)を流れ、室内熱交換器(22)を通過した後の低圧冷媒が第2流路(25)を流れるため、これらの高圧冷媒と低圧冷媒とが熱交換をする。このことにより、高圧冷媒は、上記内部熱交換器(23)で冷却されてから膨張機(12)へ流入することになる。
暖房運転時、第1四路切換弁(31)及び第2四路切換弁(32)は、図4に破線で示す状態に切り換わる。また、第1開閉弁(SV1)は閉鎖され、第2開閉弁(SV2)は開放される。この状態において、圧縮機(11)から吐出された冷媒は、第1四路切換弁(31)、室内熱交換器(22)、第2四路切換弁(32)、バイパス通路(51)、膨張機(12)、第2四路切換弁(32)、室外熱交換器(21)、第1四路切換弁(31)、内部熱交換器(23)の第2流路(25)を順に流れ、再度圧縮機(11)に吸入される。
上記内部熱交換器(23)では、室内熱交換器(22)を通過した後の高圧冷媒が流れず、室外熱交換器(21)を通過した後の低圧冷媒だけが第2流路(25)を流れるため、高圧冷媒の温度は変化しない。このことにより、高圧冷媒は冷却されずに膨張機(12)へ流入することになる。
−参考例1の効果−
この参考例1においても、内部熱交換器(23)が冷房運転時にだけ機能するため、冷房運転時には、膨張機(12)に吸入される高圧冷媒を冷却でき、膨張機(12)の流入冷媒密度deを増大させることができる。その結果、従来の冷凍装置の冷房運転時には、圧縮機(11)の冷媒質量流量Mcが膨張機(12)の冷媒質量流量Meよりも大きくなってしまうのに対し、膨張機(12)の冷媒質量流量Meを大きくできるため、両者の冷媒質量流量Mc,Meをバランスさせることができる。
また、上記発明の実施形態と同様、冷媒の一部を膨張機(12)からバイパスさせることなく、冷媒質量流量Me,Mcをバランスさせているため、全ての冷媒を膨張機(12)に導入することで、COPの低下を回避することもできる。
−参考例1の変形例−
(第1変形例)
参考例1の第1変形例は、図4に示す参考例1の冷媒回路(10)において、蒸発器の出口側と内部熱交換器(23)の低圧側の間にレシーバ(41)を設けたものである。
図5に示すように、第1四路切換弁(31)の第4ポート(P4)はレシーバ(41)の流入口に接続され、レシーバ(41)の流出口は内部熱交換器(23)の第2流路(25)を介して圧縮機(11)の吸入側に接続されている。また、圧縮機(11)の吸入側には、レシーバ(41)の下端部に接続された液インジェクション管(42)が接続されている。液インジェクション管(42)には第1電動弁(EV1)が設けられており、冷媒の流量調整ができるようになっている。
なお、この例ではレシーバ(41)の出口が飽和ガスとなるため、内部熱交換器(23)は冷房運転時に高圧冷媒と低圧冷媒が互いに逆方向に流れるように構成されている。
その他の構成は図4の参考例1と同様である。
冷房運転時、第1四路切換弁(31)及び第2四路切換弁(32)は、図5に実線で示す状態に切り換わる。また、第1開閉弁(SV1)は開放され、第2開閉弁(SV2)は閉鎖される。この状態において、圧縮機(11)から吐出された冷媒は、第1四路切換弁(31)、室外熱交換器(21)、第2四路切換弁(32)、内部熱交換器(23)の第1流路(24)、膨張機(12)、第2四路切換弁(32)、室内熱交換器(22)、第1四路切換弁(31)、レシーバ(41)、内部熱交換器(23)の第2流路(25)を順に流れ、再度圧縮機(11)に吸入される。
上記内部熱交換器(23)では、室外熱交換器(21)を通過した後の高圧冷媒が第1流路(24)を流れ、室内熱交換器(22)及びレシーバ(41)を通過した後の低圧冷媒が第2流路(25)を流れるため、これらの高圧冷媒と低圧冷媒とが熱交換をする。このことにより、高圧冷媒は、上記内部熱交換器(23)で冷却されてから膨張機(12)へ流入することになる。
暖房運転時、第1四路切換弁(31)及び第2四路切換弁(32)は、図5に破線で示す状態に切り換わる。また、第1開閉弁(SV1)は閉鎖され、第2開閉弁(SV2)は開放される。この状態において、圧縮機(11)から吐出された冷媒は、第1四路切換弁(31)、室内熱交換器(22)、第2四路切換弁(32)、バイパス通路(51)、膨張機(12)、第2四路切換弁(32)、室外熱交換器(21)、第1四路切換弁(31)、レシーバ(41)、内部熱交換器(23)の第2流路(25)を順に流れ、再度圧縮機(11)に吸入される。
上記内部熱交換器(23)では、室内熱交換器(22)を通過した後の高圧冷媒が流れず、室外熱交換器(21)及びレシーバ(21)を通過した後の低圧冷媒だけが第2流路(25)を流れるため、上記高圧冷媒の温度は変化しない。このことにより、高圧冷媒は冷却されずに膨張機(12)へ流入することになる。
この変形例においても、内部熱交換器(23)が冷房運転時にだけ機能するため、冷房運転時には、膨張機(12)に吸入される高圧冷媒を冷却でき、膨張機(12)の流入冷媒密度deを増大させることができる。その結果、従来の冷凍装置の冷房運転時には、圧縮機(11)の冷媒質量流量Mcが膨張機(12)の冷媒質量流量Meよりも大きくなってしまうのに対し、膨張機(12)の冷媒質量流量Meを大きくできるため、両者の冷媒質量流量Mc,Meをバランスさせることができる。
また、上記実施形態と同様、冷媒の一部を膨張機(12)からバイパスさせることなく、冷媒質量流量Me,Mcをバランスさせているため、全ての冷媒を膨張機(12)に導入することで、COPの低下を回避することもできる。
(第2変形例)
参考例1の第2変形例は、図4に示す参考例1の冷媒回路(10)において、冷媒が内部熱交換器(23)をバイパスする構成を変更した例である。
図6に示すように、この冷媒回路(10)において、第2四路切換弁(32)と内部熱交換器(23)の第1流路(24)の間には第1開閉弁(SV1)は設けられておらず、暖房運転時に冷媒にこの第1流路(24)をバイパスさせるための図4のバイパス通路(高圧側バイパス通路)(51)も設けられていない。
上記第1開閉弁(SV1)は、第1四路切換弁(31)の第4ポート(P4)と内部熱交換器(23)の第2流路(25)の間に設けられている。また、第1四路切換弁(31)の第4ポート(P4)と第1開閉弁(SV1)の間の配管には、第2開閉弁(SV2)を有するバイパス通路(低圧側バイパス通路)(52)の一端が接続されている。このバイパス通路(52)の他端は、内部熱交換器(23)の第2流路(25)と圧縮機(11)の吸入側とを接続する配管に合流している。
その他の構成は図4の参考例1と同様である。
冷房運転時、第1四路切換弁(31)及び第2四路切換弁(32)は、図6に実線で示す状態に切り換わる。また、第1開閉弁(SV1)は開放され、第2開閉弁(SV2)は閉鎖される。この状態において、圧縮機(11)から吐出された冷媒は、第1四路切換弁(31)、室外熱交換器(21)、第2四路切換弁(32)、内部熱交換器(23)の第1流路(24)、膨張機(12)、第2四路切換弁(32)、室内熱交換器(22)、第1四路切換弁(31)、内部熱交換器(23)の第2流路(25)を順に流れ、再度圧縮機(11)に吸入される。
上記内部熱交換器(23)では、室外熱交換器(21)を通過した後の高圧冷媒が第1流路(24)を流れ、室内熱交換器(22)を通過した後の低圧冷媒が第2流路(25)を流れるため、これらの高圧冷媒と低圧冷媒とが熱交換をする。このことにより、高圧冷媒は、上記内部熱交換器(23)で冷却されてから膨張機(12)へ流入することになる。
暖房運転時、第1四路切換弁(31)及び第2四路切換弁(32)は、図6に破線で示す状態に切り換わる。また、第1開閉弁(SV1)は閉鎖され、第2開閉弁(SV2)は開放される。この状態において、圧縮機(11)から吐出された冷媒は、第1四路切換弁(31)、室内熱交換器(22)、第2四路切換弁(32)、内部熱交換器(23)の第1流路(24)、膨張機(12)、第2四路切換弁(32)、室外熱交換器(21)、第1四路切換弁(31)、バイパス通路(52)を順に流れ、再度圧縮機(11)に吸入される。
上記内部熱交換器(23)では、室内熱交換器(22)を通過した後の高圧冷媒は第1流路(24)を流れるが、室外熱交換器(21)を通過した後の低圧冷媒が流れないため、高圧冷媒の温度は変化しない。このことにより、高圧冷媒は冷却されずに膨張機(12)へ流入することになる。
この参考例1においても、内部熱交換器(23)が冷房運転時にだけ機能するため、冷房運転時には、膨張機(12)に吸入される高圧冷媒を冷却でき、膨張機(12)の流入冷媒密度deを増大させることができる。その結果、従来の冷凍装置の冷房運転時には、圧縮機(11)の冷媒質量流量Mcが膨張機(12)の冷媒質量流量Meよりも大きくなってしまうのに対し、膨張機(12)の冷媒質量流量Meを大きくできるため、両者の冷媒質量流量Mc,Meをバランスさせることができる。
また、上記実施形態と同様、冷媒の一部を膨張機(12)からバイパスさせることなく、冷媒質量流量Me,Mcをバランスさせているため、全ての冷媒を膨張機(12)に導入することで、COPの低下を回避することもできる。
(第3変形例)
参考例1の第3変形例は、図4に示す参考例1の冷媒回路において、第2四路切換弁(32)を用いない構成にした例である。
図7に示すように、この冷媒回路(10)において、室外熱交換器(21)の第2端は、第3逆止弁(CV3)と内部熱交換器(23)の第1流路(24)とを介して膨張機(12)の流入側に接続されている。膨張機(12)の流出側は2つに分岐して、一方が第1逆止弁(CV1)を介して室外熱交換器(21)と第3逆止弁(CV3)との間の配管に接続され、他方が第2逆止弁(CV2)を介して室内熱交換器(22)の第1端に接続されている。また、第2逆止弁(CV2)と室内熱交換器(22)との間の配管には、第4逆止弁(CV4)を有するバイパス管(51)の一端が接続され、バイパス管(51)の他端は、内部熱交換器(23)の第1流路(24)と膨張機(12)の流入側とを接続する配管に合流している。
なお、第1逆止弁(CV1)と第2逆止弁(CV2)は、膨張機(12)からの冷媒の流出を許容する弁であり、代わりに電磁開閉弁などを用いて冷房運転時と暖房運転時に開閉状態を切り換えるようにしてもよい。第3逆止弁(CV3)と第4逆止弁(CV4)は、膨張機(12)への冷媒の流入を許容する弁であり、第1逆止弁(CV1)及び第2逆止弁(CV2)と同様に電磁開閉弁などで代用してもよい。
その他の構成は図4に示す参考例1と同様である。
−運転動作−
冷房運転時、第1四路切換弁(31)は、図7に実線で示す状態に切り換わる。この状態において、圧縮機(11)から吐出された冷媒は、第1四路切換弁(31)、室外熱交換器(21)、第3逆止弁(CV3)、内部熱交換器(23)の第1流路(24)、膨張機(12)、第2逆止弁(CV2)、室内熱交換器(22)、第1四路切換弁(31)、内部熱交換器(23)の第2流路(25)を順に流れ、再度圧縮機(11)に吸入される。
上記内部熱交換器(23)では、室外熱交換器(21)を通過した後の高圧冷媒が第1流路(24)を流れ、室内熱交換器(22)を通過した後の低圧冷媒が第2流路(25)を流れるため、これらの高圧冷媒と低圧冷媒とが熱交換をする。このことにより、高圧冷媒は、上記内部熱交換器(23)で冷却されてから膨張機(12)へ流入することになる。
暖房運転時、第1四路切換弁(31)は、図7に破線で示す状態に切り換わる。この状態において、圧縮機(11)から吐出された冷媒は、第1四路切換弁(31)、室内熱交換器(22)、バイパス通路(51)(第4逆止弁(CV4))、膨張機(12)、第1逆止弁(CV1)、室外熱交換器(21)、第1四路切換弁(31)、内部熱交換器(23)の第2流路(25)を順に流れ、再度圧縮機(11)に吸入される。
上記内部熱交換器(23)では、室内熱交換器(22)を通過した後の高圧冷媒が流れず、室外熱交換器(21)を通過した後の低圧冷媒が第2流路(25)を流れるため、高圧冷媒の温度は変化しない。このことにより、高圧冷媒は冷却されずに膨張機(12)へ流入することになる。
この変形例においても、内部熱交換器(23)が冷房運転時にだけ機能するため、冷房運転時には、膨張機(12)に吸入される高圧冷媒を冷却でき、膨張機(12)の流入冷媒密度deを増大させることができる。その結果、従来の冷凍装置の冷房運転時には、圧縮機(11)の冷媒質量流量Mcが膨張機(12)の冷媒質量流量Meよりも大きくなってしまうのに対し、膨張機(12)の冷媒質量流量Meを大きくできるため、両者の冷媒質量流量Mc,Meをバランスさせることができる。
また、上記実施形態と同様、冷媒の一部を膨張機(12)からバイパスさせることなく、冷媒質量流量Me,Mcをバランスさせているため、全ての冷媒を膨張機(12)に導入することで、COPの低下を回避することもできる。
(第4変形例)
参考例1の第4変形例は、図4に示す参考例1の冷媒回路(10)において、冷房運転時に、内部熱交換器(23)を高圧冷媒が低圧冷媒とは逆向きに流れるようにした例である。
図8に示すように、第2四路切換弁(32)の第2ポート(P2)は、図4の例とは逆に、内部熱交換器(23)の第1流路(24)における図の右側端部に接続されている。また、内部熱交換器(23)の第1流路(24)における図の左側端部は、第1開閉弁(SV1)を介して膨張機(12)の流入側に接続されている。そして、第2開閉弁(SV2)を有するバイパス通路(51)は、第2四路切換弁(32)の第2ポート(P2)と内部熱交換器(23)の間の配管と、第1開閉弁(SV1)と膨張機(12)の間の配管とに接続されている。
その他の構成は、図4に示す参考例1と同様である。
この変形例では、図4の参考例1と同様の効果を奏することができるのに加えて、冷房運転時に内部熱交換器(23)において高圧冷媒と低圧冷媒が互いに逆向きに流れるため、高圧冷媒をより効果的に冷却することが可能となる。
《参考例2》
参考例2は、図9に示すように、本発明の実施形態とは冷媒回路(10)の構成が異なるものである。
この冷媒回路(10)において、圧縮機(11)の吐出側は第1四路切換弁(31)の第1ポート(P1)に接続され、第1四路切換弁(31)の第2ポート(P2)は室外熱交換器(21)の第1端に接続されている。室外熱交換器(21)の第2端は第2四路切換弁(32)の第1ポート(P1)に接続され、第2四路切換弁(32)の第2ポート(P2)は内部熱交換器(23)の第1流路(24)を介して膨張機(12)の流入側に接続されている。
膨張機(12)の流出側は第1四路切換弁(31)の第3ポート(P3)に接続され、第1四路切換弁(31)の第4ポート(P4)は室内熱交換器(22)の第1端に接続されている。室内熱交換器(22)の第2端は第2四路切換弁(32)の第3ポート(P3)に接続され、第2四路切換弁(32)の第4ポート(P4)は内部熱交換器(23)の第2流路(25)を介して圧縮機(11)の吸入側に接続されている。
内部熱交換器(23)の第2流路(25)と圧縮機(11)の吸入側との間には第1開閉弁(S1)が設けられている。また、第2四路切換弁(32)の第4ポート(P4)と内部熱交換器(23)の第2流路(25)の間の配管と、第1開閉弁(SV1)と圧縮機(11)の吸入側の間の配管とに、第2開閉弁(SV2)を有するバイパス通路(52)が接続されている。
以上の構成により、上記内部熱交換器(23)は、冷房運転時には第1流路(24)を高圧冷媒が流通する一方で第2流路(25)を低圧冷媒が流通するように構成されている。そして、冷房運転時に、室外熱交換器(21)を通過後の高圧冷媒が、室内熱交換器(22)を通過後の低圧冷媒と熱交換して冷却されるようになっている。
上記第1四路切換弁(31)及び第2四路切換弁(32)は、それぞれ、第1ポート(P1)が第2ポート(P2)と連通し且つ第3ポート(P3)が第4ポート(P4)と連通する状態(図1に実線で示す状態)と、第1ポート(P1)が第4ポート(P4)と連通し且つ第2ポート(P2)が第3ポート(P3)と連通する状態(図1に破線で示す状態)とに切り換わる。
なお、この参考例2においても、膨張機(12)の出口側や、蒸発器と内部熱交換器(23)の低圧側の間にレシーバを設けてもよいし、低圧側のバイパス回路(52)の代わりに高圧側のバイパス回路(51)を設けてもよいし、内部熱交換器(23)における冷房運転時の高圧冷媒と低圧冷媒の流れが対向流になるようにしてもよい。
−運転動作−
冷房運転時、第1四路切換弁(31)及び第2四路切換弁(32)は、図9に実線で示す状態に切り換わる。また、第1開閉弁(SV1)は開放され、第2開閉弁(SV2)は閉鎖される。この状態において、圧縮機(11)から吐出された冷媒は、第1四路切換弁(31)、室外熱交換器(21)、第2四路切換弁(32)、内部熱交換器(23)の第1流路(24)、膨張機(12)、第1四路切換弁(31)、室内熱交換器(22)、第2四路切換弁(32)、内部熱交換器(23)の第2流路(25)を順に流れ、再度圧縮機(11)に吸入される。
上記内部熱交換器(23)では、室外熱交換器(21)を通過した後の高圧冷媒が第1流路(24)を流れ、室内熱交換器(22)を通過した後の低圧冷媒が第2流路(25)を流れるため、これらの高圧冷媒と低圧冷媒とが熱交換をする。このことにより、高圧冷媒は、上記内部熱交換器(23)で冷却されてから膨張機(12)へ流入することになる。
暖房運転時、第1四路切換弁(31)及び第2四路切換弁(32)は、図9に破線で示す状態に切り換わる。また、第1開閉弁(SV1)は閉鎖され、第2開閉弁(SV2)は開放される。この状態において、圧縮機(11)から吐出された冷媒は、第1四路切換弁(31)、室内熱交換器(22)、第2四路切換弁(32)、内部熱交換器(23)の第1流路(24)、膨張機(12)、第1四路切換弁(31)、室外熱交換器(21)、第2四路切換弁(32)、バイパス通路(52)を順に流れ、再度圧縮機(11)に吸入される。
上記内部熱交換器(23)では、室内熱交換器(22)を通過した後の高圧冷媒が第1流路(24)を流れるが、室外熱交換器(21)を通過した後の低圧冷媒は第2流路(25)を流れないため、高圧冷媒の温度は変化しない。このことにより、高圧冷媒は冷却されずに膨張機(12)へ流入することになる。
−参考例2の効果−
この参考例2においても、内部熱交換器(23)が冷房運転時にだけ機能するため、冷房運転時には、膨張機(12)に吸入される高圧冷媒を冷却でき、膨張機(12)の流入冷媒密度deを増大させることができる。その結果、従来の冷凍装置の冷房運転時には、圧縮機(11)の冷媒質量流量Mcが膨張機(12)の冷媒質量流量Meよりも大きくなってしまうのに対し、膨張機(12)の冷媒質量流量Meを大きくできるため、両者の冷媒質量流量Mc,Meをバランスさせることができる。
また、上記本発明の実施形態と同様、冷媒の一部を膨張機(12)からバイパスさせることなく、冷媒質量流量Me,Mcをバランスさせているため、全ての冷媒を膨張機(12)に導入することで、COPの低下を回避することもできる。
《その他の実施形態》
本発明は、上記実施形態について、以下のような構成としてもよい。
例えば、上記実施形態では、冷媒として二酸化炭素を用いているが、これに限らず、HFC系冷媒、HC系冷媒、水、空気、アンモニアなどの自然冷媒等を用いても良い。