JP4952210B2 - 空気調和装置 - Google Patents

Description

室外ユニットに室内ユニットが複数台接続されるマルチ式空気調和装置に関する。

従来、室外ユニットに複数台の室内ユニットが接続される特許文献１のようないわゆるマルチ式空気調和装置がある。このマルチ式空気調和装置は、能力の異なる複数台の室内ユニットを、ビル等の建物の使用形態に合わせて自由に組み合わせることができ、フロアごと、スペースごとに個別空調させることができる。したがって、各部屋の冷暖房負荷別に応じた室内ユニットを組み合わせることができるため、無駄にエネルギーを費やさずに空気調和を行うことができる。
特開平１１−１１８２７５

しかしながら、このようなマルチ式空気調和装置では、各室内ユニットにおける蒸発温度または凝縮温度をあまり精度良く変更できない。このため、例えば、容量上限に近い能力を出す室内ユニットと容量に比べ必要能力が小さい室内ユニットとが混在すると、必要能力の小さい室内ユニットにおいて、冷房の場合には蒸発器出口過熱度を大きく取る必要が、また、暖房の場合には凝縮器過冷却度を大きく取る必要があり、運転効率が悪化することがある。

本発明の課題は、マルチ式の空気調和装置において、複数台の室内ユニットのそれぞれ負荷に応じて必要能力を制御可能な空気調和装置を提供することにある。

第１発明に係る空気調和装置は、冷媒を状態変化させて空気調和を行う空気調和装置であって、熱源ユニットと、第１利用ユニットと、第２利用ユニットと、冷媒連絡配管と、制御部とを備える。熱源ユニットは、冷媒を圧縮する熱源側圧縮機と、冷媒を熱交換させる熱源側熱交換器と、冷媒を減圧する熱源側膨張機構と、熱源側熱交換器を凝縮器及び蒸発器として機能させるための熱源側四路切換弁（Ｖ１）と、を有する。第１利用ユニットは、冷媒を圧縮する第１利用側圧縮機と、冷媒を熱交換させる第１利用側熱交換器と、冷媒を減圧する第１利用側膨張機構と、第１利用側熱交換器を凝縮器及び蒸発器として機能させるための第１利用側四路切換弁と、を有する。第２利用ユニットは、冷媒を圧縮する第２利用側圧縮機と、冷媒を熱交換させる第２利用側熱交換器と、冷媒を減圧する第２利用側膨張機構と、第２利用側熱交換器を凝縮器及び蒸発器として機能させるための第２利用側四路切換弁と、を有する。冷媒連絡配管は、熱源ユニットと第１利用ユニットおよび第２利用ユニットとを接続する。制御部は、第１利用ユニットの負荷に応じて第１利用側圧縮機と第１利用側膨張機構と第１利用側四路切換弁とを制御し、第２利用ユニットの負荷に応じて第２利用側圧縮機と第２利用側膨張機構と第２利用側四路切換弁とを制御する。

本発明では、利用ユニットが、第１利用ユニットおよび第２利用ユニットと複数ある場合に、熱源ユニットだけではなく第１利用ユニットおよび第２利用ユニットにもそれぞれ第１利用側圧縮機と第２利用側圧縮機とを配備している。そして、制御部において第１利用ユニットの運転負荷に応じて第１利用側圧縮機と第１利用側膨張機構と第１利用側四路切換弁とを制御し、また、第２利用ユニットの運転負荷に応じて第２利用側圧縮機と第２利用側膨張機構と第２利用側四路切換弁とを制御している。

したがって、例えば冷房時における蒸発温度および暖房時における高圧を各利用ユニットで独自に制御することができ、各利用ユニットにおける運転負荷に応じた能力制御を精度良く行うことができる。このため、空気調和装置の運転効率を上げることができ、省エネルギー化が可能となる。

第２発明に係る空気調和装置は、第１発明に係る空気調和装置であって、第１利用側圧縮機および第２利用側圧縮機は、インバータ制御可能である。

本発明では、第１利用側圧縮機と第２利用側圧縮機とは、容量可変の圧縮機であり、インバータ制御をすることができる。このため、第１利用ユニットの運転負荷に応じた能力が出るように第１利用側圧縮機の容量制御と、第２利用ユニットの運転負荷に応じた能力が出るように第２利用側圧縮機の容量制御とを行うことができる。

第３発明に係る空気調和装置は、第１発明または第２発明に係る空気調和装置であって、熱源ユニットは、中間冷却器をさらに有する。

本発明では、熱源ユニット内に中間圧力の液冷媒とガス冷媒とを冷却する中間冷却器を有している。中間冷却器では、高圧側の膨張機構により中間圧力に膨張された気液二相状態の冷媒と、低段側の圧縮機により中間圧力まで圧縮されたガス冷媒とが通過する。このとき、液冷媒の一部を蒸発させて中間冷却器内部の冷媒に冷凍効果を付与している。

したがって、低段側の圧縮機で圧縮された中間圧力のガス冷媒を飽和状態もしくはそれに近い状態にまで冷却することができる。また、液冷媒にも同様に冷凍効果により過冷却域まで冷却することができる。これにより、冷凍効果を上げることができる。また、高段側の圧縮機の吐出温度を下げることができ、高段側の圧縮機の潤滑油の劣化を防ぐことができる。

第４発明に係る空気調和装置は、第１発明から第３発明のいずれかに係る空気調和装置であって、熱源側四路切換弁は、熱源側切換機構を構成する。熱源側切換機構は、第１状態と第２状態とを切り換え可能である。第１状態は、第１利用側圧縮機または第２利用側圧縮機で中間圧力まで圧縮された冷媒が熱源側圧縮機に流入し、かつ、熱源側圧縮機で高圧まで圧縮された冷媒が熱源側熱交換器に流入する状態である。第２状態は、熱源側熱交換器で蒸発された低圧の冷媒が熱源側圧縮機に流入し、かつ、熱源側圧縮機で中間圧力まで圧縮された冷媒が第１利用側圧縮機または第２利用側圧縮機に流入する状態である。第１利用側四路切換弁は、第１利用側切換機構を構成する。第１利用側切換機構は、第３状態と第４状態とを切り換え可能である。第３状態は、第１利用側熱交換器で蒸発された低圧の冷媒が第１利用側圧縮機に流入し、かつ、第１利用側圧縮機で中間圧力まで圧縮された冷媒が熱源側圧縮機に流入する状態である。第４状態は、熱源側圧縮機で中間圧力まで圧縮された冷媒が第１利用側圧縮機に流入し、かつ、第１利用側圧縮機で高圧まで圧縮された冷媒が第１利用側熱交換器に流入する状態である。第２利用側四路切換弁は、第２利用側切換機構を構成する。第２利用側切換機構は、第５状態と第６状態とを切り換え可能である。第６状態は、第２利用側熱交換器で蒸発された低圧の冷媒が第２利用側圧縮機に流入し、かつ、第２利用側圧縮機で中間圧力まで圧縮された冷媒が熱源側圧縮機に流入する状態である。第６状態は、熱源側圧縮機で中間圧力まで圧縮された冷媒が第２利用側圧縮機に流入し、かつ、第２利用側圧縮機で高圧まで圧縮された冷媒が第１利用側熱交換器に流入する状態である。制御部は、第１制御と第２制御とを行う。第１制御は、熱源側切換機構を第１状態に、かつ、第１利用側切換機構を第３状態に、かつ、第２利用側切換機構を第５状態にする制御である。第２制御は、熱源側切換機構を第２状態に、かつ、第２切換機構を第４状態に、かつ、第２利用側切換機構を第６状態にする制御である。

本発明では、例えば、暖房運転と冷房運転とのような運転状態を切り替えることのできる切換機構（四路切換弁）が熱源ユニットと第１利用ユニットと第２利用ユニットとに搭載されている。

したがって、第１利用側熱交換器および第２利用側熱交換器をガスクーラとして、かつ、熱源側熱交換器を蒸発器として利用することと、それとは逆に、第１利用側熱交換器および第２利用側熱交換器を蒸発器として、かつ、熱源側熱交換器をガスクーラとして利用するように切り替えることができる。これにより、利用ユニットの運転状態を冷房運転と暖房運転とに切り替えることができる。このため、気温に応じて運転状態を切り替えることができ、快適な空調空間を提供することができる。

第１発明に係る空気調和装置では、例えば冷房時における蒸発温度および暖房時における高圧を各利用ユニットで独自に制御することができ、各利用ユニットにおける運転負荷に応じた能力制御を精度良く行うことができる。このため、空気調和装置の運転効率を上げることができ、省エネルギー化が可能となる。

第２発明に係る空気調和装置では、第１利用側圧縮機と第２利用側圧縮機とが容量可変の圧縮機であり、インバータ制御をすることができる。このため、第１利用ユニットの運転負荷に応じた能力が出るように第１利用側圧縮機の容量制御と、第２利用ユニットの運転負荷に応じた能力が出るように第２利用側圧縮機の容量制御とを行うことができる。

第３発明に係る空気調和装置では、低段側の圧縮機で圧縮された中間圧力のガス冷媒を飽和状態もしくはそれに近い状態にまで冷却することができる。また、液冷媒にも同様に冷凍効果により過冷却域まで冷却することができる。これにより、冷凍効果を上げることができる。また、高段側の圧縮機の吐出温度を下げることができ、高段側の圧縮機の潤滑油の劣化を防ぐことができる。

第４発明に係る空気調和装置では、第１利用側熱交換器および第２利用側熱交換器をガスクーラとして、かつ、熱源側熱交換器を蒸発器として利用することと、それとは逆に、第１利用側熱交換器および第２利用側熱交換器を蒸発器として、かつ、熱源側熱交換器をガスクーラとして利用するように切り替えることができる。これにより、利用ユニットの運転状態を冷房運転と暖房運転とに切り替えることができる。このため、気温に応じて運転状態を切り替えることができ、快適な空調空間を提供することができる。

以下、図面に基づいて、本発明に係る空気調和装置の実施形態について説明する。

＜空気調和装置の構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係る空気調和装置１の概略構成図である。空気調和装置１は、その冷媒回路１０の１つの系統内に圧縮機を２台、膨張弁を２つ有し、２段圧縮２段膨張冷凍サイクル運転を行うことによって、ビル等の室内の冷暖房に使用される装置である。空気調和装置１は、主として、１台の熱源ユニットとしての室外ユニット２と、それに接続された利用ユニットとしての室内ユニット３ａ〜３ｃと、室外ユニット２と室内ユニット３ａ〜３ｃとを接続する冷媒連絡配管４とを備えている。冷媒連絡配管４は、液冷媒連絡配管４１とガス冷媒連絡配管４２とから構成される。すなわち、本実施形態の空気調和装置１の冷媒回路１０は、室外ユニット２と、室内ユニット３ａ〜３ｃと、冷媒連絡配管４とが接続されることによって構成されている。

（１）室外ユニット
室外ユニット２は、ビル等の室外に設置されており、冷媒連絡配管４を介して室内ユニット３ａ〜３ｃに接続されており、冷媒回路１０を構成している。

次に、室外ユニット２の構成について説明する。室外ユニット２は、主として、冷媒回路１０の一部を構成する室外側冷媒回路２０を有している。この室外側冷媒回路２０は、主として、室外圧縮機２１と、室外四路切換弁Ｖ１と、熱源側熱交換器としての室外熱交換器２３と、膨張機構としての室外膨張弁Ｖ２と、気液分離器２７と、液側閉鎖弁Ｖ３と、ガス側閉鎖弁Ｖ４とを有している。

室外圧縮機２１は、運転容量を可変することが可能な圧縮機であり、本実施形態において、インバータにより回転数が制御されるモータ２２によって駆動される容積式圧縮機である。この室外圧縮機２１は、冷房運転の際には２段圧縮２段膨張冷凍サイクルの高段側の圧縮機となり、暖房運転の際には２段圧縮２段膨張冷凍サイクルの低段側の圧縮機となる。２段圧縮２段膨張冷凍サイクルについては後述する。本実施形態において、室外圧縮機２１は、１台のみであるが、これに限定されず、室内ユニットの接続台数等に応じて、２台以上の圧縮機が並列に接続されていても良い。

室外四路切換弁Ｖ１は、室外熱交換器２３を凝縮器および蒸発器として機能させるために設けられた弁である。室外四路切換弁Ｖ１は、室外熱交換器２３と、室外圧縮機２１の吸入側と、室外圧縮機２１の吐出側と、ガス冷媒連絡配管４２とに接続されている。そして、室外熱交換器２３を凝縮器として機能させる際には、室外圧縮機２１の吐出側と室外熱交換器２３とを接続するとともに、室外圧縮機２１の吸入側とガス冷媒連絡配管４２とを接続する（図１の実線の状態）。逆に、室外熱交換器２３を蒸発器として機能させる際には、室外熱交換器２３と室外圧縮機２１の吸入側とを接続するとともに、室外圧縮機２１の吐出側とガス冷媒連絡配管４２とを接続する（図１の破線の状態）。

室外熱交換器２３は、凝縮器および蒸発器として機能させることが可能な熱交換器であり、本実施形態において、空気を熱源として冷媒と熱交換するクロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器である。室外熱交換器２３は、一方が室外四路切換弁Ｖ１に接続され、他方が室外膨張弁Ｖ２を介して液冷媒連絡配管４１に接続されている。

室外膨張弁Ｖ２は、室外側冷媒回路２０内を流れる冷媒の圧力や流量等の調節を行うために、室外熱交換器２３の液側に接続された電動膨張弁である。この室外膨張弁Ｖ２は、冷房運転の際には、２段圧縮２段膨張冷凍サイクルにおける１段目の膨張機構として機能し、暖房運転の際には、２段圧縮２段膨張冷凍サイクルにおける２段目の膨張機構として機能する。１段目の膨張機構として機能する際には、高圧Ｐｈの冷媒を中間圧力Ｐｍに減圧させている。また、２段目の膨張機構として機能する際には、中間圧力Ｐｍの冷媒を低圧Ｐｌに減圧させている。

気液分離器２７では、室外膨張弁Ｖ２または室内膨張弁Ｖ７（後述参照）で中間圧力Ｐｍに減圧されて流入してきた気液二相状態の冷媒を液冷媒とガス冷媒とに分離して、液冷媒を溜めることが可能である。気液分離器２７で溜められた液冷媒は、冷房運転時には室内膨張弁Ｖ７へ送られ、暖房運転時には室外膨張弁Ｖ２へ送られる。また、気液分離器２７で分離されたガス冷媒は、ガス側閉鎖弁Ｖ４と室外四路切換弁Ｖ１との間の配管にバイパス回路２８により接続されている。このバイパス回路２８は、ガス冷媒の流量を制御可能なバイパス弁Ｖ５を備えている。

また、室外ユニット２は、ユニット内に室外空気を吸入して、室外熱交換器２３において冷媒と熱交換させた後に、室外に排出するための送風ファンとしての室外ファン２４を有している。この室外ファン２４は、室外熱交換器２３に供給する空気の風量を可変することが可能なファンであり、本実施形態において、ＤＣファンモータからなるモータ２５によって駆動されるプロペラファン等である。

また、室外ユニット２は、室外ユニット２を構成する各部の動作を制御する室外側制御部２６を有している。そして、室外側制御部２６は、室外ユニット２の制御を行うために設けられたマイクロコンピュータ、メモリ、モータ２２などを制御するインバータ回路等を有しており、後述する室内ユニット３ａ〜３ｃの室内側制御部３６ａ〜３６ｃとの間で伝送線５１を介して制御信号等のやりとりを行うことができるようになっている。すなわち、室外側制御部２６と室内側制御部３６ａ〜３６ｃと各制御部間を接続する伝送線５１とによって、空気調和装置１全体の運転制御を行う制御部５が構成されている。

制御部５は、各種センサ（図示せず）の検出信号を受けることができるように接続されるとともに、これらの検出信号等に基づいて各種機器２１，２４，３１ａ〜３１ｃ，３４ａ〜３４ｃおよび弁Ｖ１，Ｖ２，Ｖ６ａ〜Ｖ６ｃ，Ｖ７ａ〜Ｖ７ｃを制御することができるように接続されている。

（２）室内ユニット
室内ユニット３ａ〜３ｃは、ビル等の室内の天井に埋め込みや吊り下げ等、または、室内の壁面に壁掛け等により設置されている。室内ユニット３ａ〜３ｃは、冷媒連絡配管４を介して室外ユニット２に接続されており、冷媒回路１０の一部を構成している。

次に、室内ユニット３ａ〜３ｃの構成について説明する。なお、室内ユニット３ａと室内ユニット３ｂ，３ｃとは同様の構成であるため、ここでは、室内ユニット３ａの構成のみ説明し、室内ユニット３ｂ，３ｃの構成については、それぞれ、室内ユニット３ａの各部を示すＸａの符号の代わりにＸｂ，Ｘｃの符号を付して、各部の説明を省略する。例えば、室内ユニット３ａの室内ファン３４ａと、室内ユニット３ｂ，３ｃの室内ファン３４ｂ，３４ｃとが対応する。

室内ユニット３ａは、主として、冷媒回路１０の一部を構成する室内側冷媒回路３０ａを有している。この室内側冷媒回路３０ａは、主として、室内圧縮機３１ａと、室内四路切換弁Ｖ６ａと、膨張機構としての室内膨張弁Ｖ７ａと、利用側熱交換器としての室内熱交換器３３ａとを有している。

室内圧縮機３１ａは、運転容量を可変することが可能な圧縮機であり、本実施形態において、インバータにより回転数が制御されるモータ３２ａによって駆動される容積式圧縮機である。この室内圧縮機３１ａは、冷房運転の際には２段圧縮２段膨張冷凍サイクルの低段側の圧縮機となり、暖房運転の際には２段圧縮２段膨張冷凍サイクルの高段側の圧縮機となる。この室内圧縮機３１ａは、室内の空調負荷に対して、その空調負荷に応じた運転容量の制御が可能となっている。本実施例では３台の室内ユニット３ａ〜３ｃを備えた空気調和装置１である。室内ユニット３ａ〜３ｃは、それぞれが空気調和する空間の負荷に応じて、それぞれの室内圧縮機３１ａ〜３１ｃの運転容量の制御を行っている。

室内四路切換弁Ｖ６ａは、室外四路切換弁Ｖ１と同様に、室内熱交換器３３ａを蒸発器および凝縮器として機能させるために設けられた弁である。室内四路切換弁Ｖ６ａは、室内熱交換器３３ａと、室内圧縮機３１ａの吸入側と、室内圧縮機３１ａの吐出側と、ガス冷媒連絡配管４２とに接続されている。そして、室内熱交換器３３ａを凝縮器として機能させる際には、室内圧縮機３１ａの吐出側と室内熱交換器３３ａとを接続するとともに、室内圧縮機３１ａの吸入側とガス冷媒連絡配管４２とを接続する（図１の破線の状態）。逆に、室内熱交換器３３ａを蒸発器として機能させる際には、室内熱交換器３３ａと室内圧縮機３１ａの吸入側とを接続するとともに、室内圧縮機３１ａの吐出側とガス冷媒連絡配管４２とを接続する（図１の実線の状態）。なお、室外四路切換弁Ｖ１と室内四路切換弁Ｖ６ａとは、次のように連動して機能する。室外四路切換弁Ｖ１が室外熱交換器２３を凝縮器として機能させる状態となっている場合に、室内四路切換弁Ｖ６ａは、室内熱交換器３３ａを蒸発器として機能させる状態となる。また、室外四路切換弁Ｖ１が室外熱交換器２３を蒸発器として機能させる状態となっている場合に、室内四路切換弁Ｖ６ａは、室内熱交換器３３ａを凝縮器として機能させる状態となる。

室内膨張弁Ｖ７ａは、室外膨張弁Ｖ２と同様に、室内側冷媒回路３０ａ内を流れる冷媒の圧力や流量等の調節を行うために、室内熱交換器３３ａの液側に接続された電動膨張弁である。この室内膨張弁Ｖ７ａは、冷房運転の際には、２段圧縮２段膨張冷凍サイクルにおける２段目の膨張機構として機能し、暖房運転の際には、２段圧縮２段膨張冷凍サイクルにおける１段目の膨張機構として機能する。この室内膨張弁Ｖ７ａも室外膨張弁Ｖ２と同様に、１段目の膨張機構として機能する際には、高圧Ｐｈの冷媒を中間圧力Ｐｍに減圧させている。また、２段目の膨張機構として機能する際には、中間圧力Ｐｍの冷媒を低圧Ｐｌに減圧させている。

室内熱交換器３３ａは、伝熱管と多数の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であり、冷房運転時には冷媒の蒸発器として機能して室内空気を冷却し、暖房運転時には冷媒の凝縮器として機能して室内空気を加熱する熱交換器である。

また、室内ユニット３ａは、室内空気をユニット内に吸入して、室内熱交換器３３ａにおいて冷媒と熱交換させた後に、供給空気として室内に供給する送風ファンとしての室内ファン３４ａを有している。室内ファン３４ａは、室内熱交換器３３ａに供給する空気の風量を可変することが可能なファンであり、本実施形態において、ＤＣファンモータからなるモータ３５ａによって駆動される遠心ファンや多翼ファン等である。

また、室内ユニット３ａは、室内ユニット３ａを構成する各部の動作を制御する室内側制御部３６ａを備えている。そして、室内側制御部３６ａは、室内ユニット３ａの制御を行うために設けられたマイクロコンピュータやメモリ等を有しており、室内ユニット３ａを個別に操作するためのリモコン（図示せず）との間で制御信号等のやりとりや、室外ユニット２との間で伝送線５１を介して制御信号等のやりとり等を行うことができるようになっている。

（３）冷媒連絡配管
冷媒連絡配管４は、空気調和装置１をビル等の設置場所に設置する際に、現地にて施工される冷媒配管であり、設置場所や室外ユニット２と室内ユニット３ａ〜３ｃとの組み合わせ等の設置条件に応じて種々の長さや管径を有するものが使用される。

＜空気調和装置の動作＞
次に、本実施形態の空気調和装置１の動作について説明する。

本実施形態の空気調和装置１の運転モードとしては、室内ユニット３ａ〜３ｃの冷暖房の負荷に応じて、室内ユニット３ａ〜３ｃの冷房を行う冷房運転と、室内ユニット３ａ〜３ｃの暖房を行う暖房運転とがある。

以下、空気調和装置１の各運転モードにおける動作について説明する。

（１）冷房運転
まず、冷房運転について、図１および図２を用いて説明する。冷房運転時は、室外ユニット２の室外側冷媒回路２０において、室外四路切換弁Ｖ１が図１の実線で示される状態に切り換えられ、かつ、室内ユニット３ａ〜３ｃの室内側冷媒回路３０ａ〜３０ｃにおいて、室内四路切換弁Ｖ６ａ〜Ｖ６ｃが図１の実線で示される状態に切り換えられることによって、室外熱交換器２３が凝縮器として機能し、かつ、室内熱交換器３３ａ〜３３ｃが蒸発器として機能するようになっている。

この冷媒回路１０の状態で、室内圧縮機３１ａ〜３１ｃ、室外圧縮機２１、室外ファン２４、および室内ファン３４ａ〜３４ｃを起動すると、低圧Ｐｌのガス冷媒は、室内圧縮機３１ａ〜３１ｃに吸入されて圧縮されて中間圧力Ｐｍのガス冷媒となる。その後、中間圧力Ｐｍのガス冷媒は、室内四路切換弁Ｖ６ａ〜Ｖ６ｃを経由してガス冷媒連絡配管４２に送られる。ガス冷媒連絡配管４２に送られた中間圧力Ｐｍのガス冷媒は、ガス側閉鎖弁Ｖ４から室外ユニット２内に流入する。室外ユニット２内に流入したガス冷媒は、バイパス回路２８からの気液分離器２７で分離されたガス冷媒（インジェクションガス）と合流して、室外四路切換弁Ｖ１を経由して室外圧縮機２１に流入する。室外圧縮機２１に流入したガス冷媒は、中間圧力Ｐｍから高圧Ｐｈに圧縮され室外熱交換器２３に流入する。このとき室外熱交換器２３は、凝縮器として機能し室外ファン２４によって供給される室外空気に熱を放出して冷媒を冷却する。そして、室外膨張弁Ｖ２により高圧Ｐｈの状態から中間圧力Ｐｍまで減圧される。中間圧力Ｐｍに減圧された冷媒は、気液二相状態となっており気液分離器２７に流入する。気液分離器２７では、液冷媒とガス冷媒とに分離して、中間圧力Ｐｍの液冷媒を液側閉鎖弁Ｖ３側の配管へ流出し、中間圧力Ｐｍのガス冷媒をバイパス回路２８を介して室外圧縮機２１の吸入側へ流出する。

そして、中間圧力Ｐｍの液冷媒は、液側閉鎖弁Ｖ３、液冷媒連絡配管４１を経由して室内ユニット３ａ〜３ｃに送られる。この室内ユニット３ａ〜３ｃに送られた中間圧力Ｐｍの液冷媒は、室内膨張弁Ｖ７ａ〜Ｖ７ｃによって室内圧縮機３１ａ〜３１ｃの吸入圧力近くまで減圧されて低圧Ｐｌの気液二相状態の冷媒となって室内熱交換器３３ａ〜３３ｃに送られ、室内熱交換器３３ａ〜３３ｃにおいて室内空気と熱交換を行って蒸発して低圧Ｐｌのガス冷媒となる。低圧Ｐｌのガス冷媒は、室内四路切換弁Ｖ６ａ〜Ｖ６ｃを経由して、再び、室内圧縮機３１ａ〜３１ｃに吸入される。

（２）暖房運転
暖房運転時は、室外ユニット２の室外側冷媒回路２０において、室外四路切換弁Ｖ１が図１の破線で示される状態に切り換えられ、かつ、室内ユニット３ａ〜３ｃの室内側冷媒回路３０ａ〜３０ｃにおいて、室内四路切換弁Ｖ６ａ〜Ｖ６ｃが図１の破線で示される状態に切り換えられることによって、室外熱交換器２３が蒸発器として機能し、かつ、室内熱交換器３３ａ〜３３ｃが凝縮器として機能するようになっている。

この冷媒回路１０の状態で、室内圧縮機３１ａ〜３１ｃ、室外圧縮機２１、室外ファン２４、および室内ファン３４ａ〜３４ｃを起動すると、低圧Ｐｌのガス冷媒は、室外圧縮機２１に吸入されて圧縮されて中間圧力Ｐｍのガス冷媒となり、室外四路切換弁Ｖ１を経由して、バイパス回路２８からの気液分離器２７で分離されたガス冷媒（インジェクションガス）と合流する。そして、合流した中間圧力Ｐｍのガス冷媒は、ガス側閉鎖弁Ｖ４を経由して、ガス冷媒連絡配管４２に送られる。

そして、ガス冷媒連絡配管４２に送られた中間圧力Ｐｍのガス冷媒は、室内ユニット３ａ〜３ｃに送られる。この室内ユニット３ａ〜３ｃに送られた中間圧力Ｐｍのガス冷媒は、室内圧縮機３１ａ〜３１ｃにおいて高温高圧の超臨界状態まで圧縮される。超臨界状態となった冷媒は、室内四路切換弁Ｖ６ａ〜Ｖ６ｃを経由して、室内熱交換器３３ａ〜３３ｃに送られる。この冷媒は、室内熱交換器３３ａ〜３３ｃにおいて、室内空気と熱交換を行って凝縮されて高圧Ｐｈの液冷媒となった後、室内膨張弁Ｖ７ａ〜Ｖ７ｃを通過する際に、室内膨張弁Ｖ７ａ〜Ｖ７ｃの弁開度に応じて中間圧力Ｐｍまで減圧される。

そして、室内膨張弁Ｖ７ａ〜Ｖ７ｃを通過した冷媒は、液冷媒連絡配管４１を経由して室外ユニット２に送られる。液側閉鎖弁Ｖ３を経由して室外ユニット２に流入した中間圧力Ｐｍの冷媒は、気液二相状態となっており気液分離器２７に流入する。気液分離器２７では、液冷媒とガス冷媒とに分離して、中間圧力Ｐｍの液冷媒を室外膨張弁Ｖ２側の配管へ流出し、中間圧力Ｐｍのガス冷媒をバイパス回路２８を介して室外圧縮機２１の吸入側へ流出する。中間圧力Ｐｍの液冷媒は、室外膨張弁Ｖ２を経由してさらに減圧されて低圧Ｐｌの液冷媒となった後に、室外熱交換器２３に流入する。そして、室外熱交換器２３に流入した低圧Ｐｌの気液二相状態の冷媒は、室外ファン２４によって供給される室外空気と熱交換を行って蒸発して低圧Ｐｌのガス冷媒となり、室外四路切換弁Ｖ１を経由して、再び、室外圧縮機２１に吸入される。

＜２段圧縮２段膨張冷凍サイクル＞
図２は、超臨界条件下における冷凍サイクルをｐ−ｈ線図（モリエル線図）により示している。本発明では、冷媒に超臨界冷媒であるＣＯ２冷媒を利用している。また、冷媒回路１０の１つの系統内に２台の圧縮機を用いて２段に分けて圧縮し、２つの膨張機構を用いて２段に分けて膨張させるようにした２段圧縮２段膨張冷凍サイクルを採用している。この２段圧縮２段膨張サイクルについて、図１および図２を用いて説明する。ここでは、前述の冷房運転の場合について説明する。前述のように、この冷媒回路１０は、主に、室内圧縮機３１ａ〜３１ｃ、室外圧縮機２１、室外熱交換器２３、室外膨張弁Ｖ２、室内膨張弁Ｖ７ａ〜Ｖ７ｃ、および室内熱交換器３３ａ〜３３ｃから構成されている。図２のＡ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１、Ｅ１、Ｆ１、Ｇ１、Ｈ１、およびＩ１は、図１におけるそれぞれの点に対応した冷媒の状態を表している。

この冷媒回路１０では、冷媒は、室内圧縮機３１ａ〜３１ｃにより圧縮されて高温中間圧力Ｐｍになる（Ａ１→Ｂ１）。中間圧力Ｐｍまで圧縮された高温の冷媒は、中間圧力Ｐｍのままガス冷媒連絡配管４２を通過して、気液分離器２７により分離された中間圧力Ｐｍのガス冷媒（インジェクションガス）と合流し、冷却される（Ｂ１＋Ｉ１→Ｃ１）。インジェクションガスと合流して冷却された中間圧力Ｐｍのガス冷媒は、室外圧縮機２１で圧縮されて高温高圧になる（Ｃ１→Ｄ１）。このとき、冷媒であるＣＯ２は気体から超臨界状態となる。ここにいう「超臨界状態」とは、臨界点Ｋ以上の温度および圧力下における物質の状態であり、気体の拡散性と液体の溶解性とを併せ持っている状態のことである。超臨界状態とは、図２において、臨界温度等温線Ｔｋの右側で、かつ、臨界圧力Ｐｋ以上の領域における冷媒の状態である。なお、冷媒（物質）が超臨界状態になると、気相と液相との区別が無くなる。なお、ここにいう「気相」とは、飽和蒸気線Ｓｖより右側で、かつ、臨界圧力Ｐｋ以下の領域における冷媒の状態である。また、「液相」とは、飽和液線Ｓｌより左側で、かつ、臨界温度等温線Ｔｋよりも左側の領域における冷媒の状態である。そして、室外圧縮機２１により圧縮されて高温高圧の超臨界状態となった冷媒は、凝縮器となっている室外熱交換器２３により放熱されて低温高圧の冷媒となる（Ｄ１→Ｅ１）。このとき、冷媒は、超臨界状態にあるため、室外熱交換器２３内部において顕熱変化（温度変化）を伴って作動している。そして、室外熱交換器２３において放熱した冷媒は、室外膨張弁Ｖ２が開放されることにより膨張して、圧力が高圧Ｐｈから中間圧力Ｐｍへと減圧される（Ｅ１→Ｆ１）。そして、室外膨張弁Ｖ２により減圧された冷媒は、気液二相状態となっており気液分離器２７に流入する。気液分離器２７では、液冷媒とガス冷媒とに分離する。そして、中間圧力Ｐｍの液冷媒を液側閉鎖弁Ｖ３側の配管へ流出し（Ｆ１→Ｇ１）、中間圧力Ｐｍのガス冷媒をバイパス回路２８を介して室外圧縮機２１の吸入側へ流出する（Ｆ１→Ｉ１）。中間圧力Ｐｍの液冷媒は、液冷媒連絡配管４１を通過し、室内膨張弁Ｖ７ａ〜Ｖ７ｃでさらに膨張されて低圧Ｐｌの液冷媒となる（Ｇ１→Ｈ１）。この低圧Ｐｌの液冷媒が、室内熱交換器３３ａ〜３３ｃにおいて、熱を吸収し、蒸発して室内圧縮機３１ａ〜３１ｃへ戻る（Ｈ１→Ａ１）。

＜特徴＞
（１）
本実施形態では、室内ユニット３ａ〜３ｃが複数台（本実施形態では３台）ある場合に、室外ユニット２だけではなく室内ユニット３ａ〜３ｃにもそれぞれ室内圧縮機３１ａ〜３１ｃを配備している。この室内圧縮機３１ａ〜３１ｃは容量可変の圧縮機であり、インバータ制御が可能である。そして、制御部５が、各室内ユニット３ａ〜３ｃの運転負荷に応じて室内圧縮機３１ａ〜３１ｃを制御している。

したがって、冷房時における蒸発温度および暖房時における高圧を、各室内ユニット３ａ〜３ｃで独自に制御することができ、各室内ユニット３ａ〜３ｃにおける運転負荷に応じた能力制御を精度良く行うことができる。このため、空気調和装置１の運転効率を上げることができ、省エネルギー化が可能となる。

（２）
本実施形態では、冷房運転および暖房運転の運転状態を切り替えることのできる室外四路切換弁Ｖ１と室内四路切換弁Ｖ６ａ〜Ｖ６ｃとが備えられている。この室外四路切換弁Ｖ１は室外ユニット２に備えられ、室内四路切換弁Ｖ６ａ〜Ｖ６ｃは室内ユニット３ａ〜３ｃに備えられている。

したがって、室内熱交換器３３ａ〜３３ｃをガスクーラとして、室外熱交換器２３を蒸発器として利用することと、それとは逆に、室内熱交換器３３ａ〜３３ｃを蒸発器として室外熱交換器２３をガスクーラとして利用するように切り替えることができる。これにより、室内ユニット３ａ〜３ｃの運転状態を冷房運転と暖房運転とに切り替えることができる。このため、気温に応じて運転状態を切り替えることができ、快適な空調空間を提供することができる。

＜変形例＞
（１）
本実施形態では、室外膨張弁Ｖ２と室内膨張弁Ｖ７ａ〜Ｖ７ｃとの間、および、室外圧縮機２１と室内圧縮機３１ａ〜３１ｃとの間には、冷媒連絡配管４（液冷媒連絡配管４１およびガス冷媒連絡配管４２）がそのまま接続されているが、さらに、この間に中間冷却器２７ａを設けていてもよい。例えば、図３のように、室外ユニット２内に設けるようにしても良い。以下、中間冷却器２７ａを有する冷媒回路１０ａにおける冷凍サイクルについて説明する。

図４は、超臨界条件下における冷凍サイクルをｐ−ｈ線図（モリエル線図）により示している。本発明では、冷媒に超臨界冷媒であるＣＯ２冷媒を利用している。また、２台の圧縮機を用いて２段に分けて圧縮し、２つの膨張機構を用いて２段に分けて膨張するようにした２段圧縮２段膨張冷凍サイクルを採用している。この２段圧縮２段膨張サイクルについて、図３および図４を用いて説明する。ここでは、前述の冷房運転の場合について説明する。この冷媒回路１０ａは、主に、室内圧縮機３１ａ〜３１ｃ、室外圧縮機２１、室外熱交換器２３、室外膨張弁Ｖ２、中間冷却器２７ａ、室内膨張弁Ｖ７ａ〜Ｖ７ｃ、室内熱交換器３３ａ〜３３ｃから構成されている。図３のＡ２、Ｂ２、Ｃ２、Ｄ２、Ｅ２、Ｆ２、Ｇ２、およびＨ２は、図４におけるそれぞれの点に対応した冷媒の状態を表している。なお、この場合の運転状態を冷房運転の場合について説明する。

この冷媒回路１０ａでは、冷媒は、室内圧縮機３１ａ〜３１ｃにより圧縮されて高温中間圧力Ｐｍになる（Ａ２→Ｂ２）。中間圧力Ｐｍまで圧縮された高温の冷媒は、中間冷却器２７ａに流入している。中間冷却器２７ａには、室外膨張弁Ｖ２で減圧されて中間圧力Ｐｍになった液冷媒も流入している。また、この液冷媒と室内圧縮機３１ａ〜３１ｃで圧縮されたガス冷媒と共存した状態となっており平衡状態になっている。過熱状態のガス冷媒は飽和状態もしくはそれに近い状態にまで冷却され過熱を除去される。（Ｂ２→Ｃ２）。中間冷却器２７ａで、過熱を除去されたガス冷媒は、室外圧縮機２１で圧縮されて高温高圧になる（Ｃ２→Ｄ２）。このとき、冷媒であるＣＯ２は気体から超臨界状態となる。そして、室外圧縮機２１により圧縮されて高温高圧の超臨界状態となった冷媒は、凝縮器となっている室外熱交換器２３により放熱されて低温高圧の冷媒となる（Ｄ２→Ｅ２）。このとき、冷媒は、超臨界状態にあるため、室外熱交換器２３内部において顕熱変化（温度変化）を伴って作動している。そして、室外熱交換器２３において放熱した冷媒は、室外膨張弁Ｖ２が開放されることにより膨張して、圧力が高圧Ｐｈから中間圧力ＰｍのＰｍへと減圧される（Ｅ２→Ｆ２）。そして、室外膨張弁Ｖ２により減圧された冷媒は、中間冷却器２７ａに流入する。中間冷却器２７ａに流入した中間圧力Ｐｍの冷媒は、その一部が蒸発して（Ｆ２→Ｃ２）中間冷却器２７ａ内部の液冷媒を過冷却域まで冷却する（Ｆ２→Ｇ２）。このとき、同時に前述したＢ２→Ｃ２で行われているガス冷媒の過熱の除去も行っている。中間冷却器２７ａ内で、残った中間圧力Ｐｍの液冷媒は、室内膨張弁Ｖ７ａ〜Ｖ７ｃでさらに膨張されて低圧Ｐｌの液冷媒となる（Ｇ２→Ｈ２）。この低圧Ｐｌの液冷媒が、室内熱交換器３３ａ〜３３ｃにおいて、熱を吸収し、蒸発して室内圧縮機３１ａ〜３１ｃへ戻る（Ｈ２→Ａ２）。

本発明では、室外ユニット２ａ内に中間圧力Ｐｍの液冷媒とガス冷媒とを冷却する中間冷却器２７ａを有している。中間冷却器２７ａでは、室外膨張弁Ｖ２により中間圧力Ｐｍに膨張された気液二相状態の冷媒と、室内圧縮機３１ａ〜３１ｃにより中間圧力Ｐｍまで圧縮されたガス冷媒とが通過する。このとき、液冷媒の一部を蒸発させて中間冷却器２７ａ内部の冷媒に冷凍効果を付与している。

したがって、室内圧縮機３１ａ〜３１ｃで圧縮された中間圧力Ｐｍのガス冷媒を飽和状態もしくはそれに近い状態にまで冷却することができる。また、液冷媒にも同様に冷凍効果により過冷却域まで冷却することができる。これにより、このサイクル全体の冷凍効果を上げることができる。また、室外圧縮機２１の吐出温度を下げることができ、室外圧縮機２１の潤滑油の劣化を防ぐことができる。前述では、冷房運転時のみ説明したが暖房運転の際にも同様の効果がある。

（２）
本実施形態の空気調和装置１では、３台の室内ユニット３ａ〜３ｃにそれぞれ対応して、室内圧縮機３１ａ〜３１ｃが３台設けられているが、これに限らずに、例えば図５のように３台の室内ユニット８ａ〜８ｃを熱交換部６ａ〜６ｃと圧縮機部７ａ〜７ｃとから構成されるようにしても構わない。

熱交換部６ａ〜６ｃは、室内熱交換器６１ａ〜６１ｃと、モータ６３ａ〜６３ｃで駆動する室内ファン６２ａ〜６２ｃと、室内膨張弁Ｖ８ａ〜Ｖ８ｃと、熱交換側制御部６４ａ〜６４ｃとで構成されている。また、圧縮機部７ａ〜７ｃは、モータ７２ａ〜７２ｃで駆動する室内圧縮機７１ａ〜７１ｃと、室内四路切換弁Ｖ９ａ〜Ｖ９ｃと、圧縮側制御部７３ａ〜７３ｃとで構成されている。圧縮側制御部７３ａ〜７３ｃは、伝送線５１に接続されて、圧縮機部７ａ〜７ｃ内の室内圧縮機７１ａ〜７１ｃや室内四路切換弁Ｖ９ａ〜Ｖ９ｃを制御している。この場合に、熱交換部６ａ〜６ｃは、従来技術における室内ユニットに相当する。

この場合では、圧縮機部７ａ〜７ｃを熱交換部６ａ〜６ｃに対応させることで、全体として室内ユニット８ａ〜８ｃとしている。このため、圧縮機を有さない室内ユニットが既存設備として備えられている場合に、圧縮機部７ａ〜７ｃを後付けすることで、各室内ユニットを効率よく運転することができる。

（３）
本実施形態の空気調和装置１では、膨張機構として室外ユニット２内に室外膨張弁Ｖ２を設け、室内ユニット３内に室内膨張弁Ｖ７を設けているが、これらの膨張弁に限らずに、例えば膨張機などでも構わない。

本発明に係る空気調和装置は、更新工事の際に、既設の冷媒連絡配管をそのまま利用できるためコストを削減することができ、ＣＯ２冷媒などの冷媒を用いて運転されるような設計圧力を高くする必要がある空気調和装置等に有用である。

本発明の一実施形態に係る空気調和装置の冷媒回路図。 本発明の空気調和装置におけるＣＯ２冷媒を利用した２段圧縮２段膨張冷凍サイクルを示すｐ−ｈ線図。 変形例（１）に係る空気調和装置の冷媒回路図。 変形例（１）に係る空気調和装置におけるＣＯ２冷媒を利用した２段圧縮２段膨張冷凍サイクルを示すｐ−ｈ線図。 変形例（２）に係る空気調和装置の冷媒回路図。

１，１ａ 空気調和装置
２，２ａ 室外ユニット（熱源ユニット）
３ａ〜３ｃ 室内ユニット（第１利用ユニット、第２利用ユニット）
４ 冷媒連絡配管（冷媒連絡配管）
５ 制御部
８ａ〜８ｃ 室内ユニット（第１利用ユニット、第２利用ユニット）
２１ 室外圧縮機（熱源側圧縮機）
２７ａ 中間冷却器
３１ａ〜３１ｃ 室内圧縮機（第１利用側圧縮機、第２利用側圧縮機）
７１ａ〜７１ｃ 室内圧縮機（第１利用側圧縮機、第２利用側圧縮機）
Ｖ１ 室外四路切換弁（熱源側切換機構）
Ｖ２ 室外膨張弁（熱源側膨張機構）
Ｖ６ａ〜Ｖ６ｃ 室内四路切換弁（第１利用側切換機構、第２利用側切換機構）
Ｖ７ａ〜Ｖ７ｃ 室内膨張弁（第１利用側膨張機構、第２利用側膨張機構）
Ｖ８ａ〜Ｖ８ｃ 室内膨張弁（第１利用側膨張機構、第２利用側膨張機構）
Ｖ９ａ〜Ｖ９ｃ 室内四路切換弁（第１利用側切換機構、第２利用側切換機構）

Claims (4)

1. 冷媒を状態変化させて空気調和を行う空気調和装置であって、
   前記冷媒を圧縮する熱源側圧縮機（２１）と、前記冷媒を熱交換させる熱源側熱交換器（２３）と、前記冷媒を減圧する熱源側膨張機構（Ｖ２）と、前記熱源側熱交換器を凝縮器及び蒸発器として機能させるための熱源側四路切換弁（Ｖ１）と、を有する熱源ユニット（２，２ａ）と、
   前記冷媒を圧縮する第１利用側圧縮機と、前記冷媒を熱交換させる第１利用側熱交換器と、前記冷媒を減圧する第１利用側膨張機構と、前記第１利用側熱交換器を凝縮器及び蒸発器として機能させるための第１利用側四路切換弁と、を有する第１利用ユニットと、
   前記冷媒を圧縮する第２利用側圧縮機と、前記冷媒を熱交換させる第２利用側熱交換器と、前記冷媒を減圧する第２利用側膨張機構と、前記第２利用側熱交換器を凝縮器及び蒸発器として機能させるための第２利用側四路切換弁と、を有する第２利用ユニットと、
   前記熱源ユニットと前記第１利用ユニットおよび前記第２利用ユニットとを接続する冷媒連絡配管（４）と、
   前記第１利用ユニットの負荷に応じて前記第１利用側圧縮機と前記第１利用側膨張機構と前記第１利用側四路切換弁とを制御し、前記第２利用ユニットの負荷に応じて前記第２利用側圧縮機と前記第２利用側膨張機構と前記第２利用側四路切換弁とを制御する制御部（５）と、
   を備える空気調和装置（１，１ａ）。
2. 前記第１利用側圧縮機および前記第２利用側圧縮機は、インバータ制御可能である、
   請求項１に記載の空気調和装置（１）。
3. 前記熱源ユニット（２ａ）は、中間冷却器（２７ａ）をさらに有する、
   請求項１または２に記載の空気調和装置（１ａ）。
4. 前記熱源側四路切換弁（Ｖ１）は、前記熱源ユニットにおいて、前記第１利用側圧縮機または前記第２利用側圧縮機で中間圧力まで圧縮された前記冷媒が前記熱源側圧縮機に流入し、かつ、前記熱源側圧縮機で高圧まで圧縮された前記冷媒が前記熱源側熱交換器に流入する第１状態と、前記熱源側熱交換器で蒸発された低圧の前記冷媒が前記熱源側圧縮機に流入し、かつ、前記熱源側圧縮機で中間圧力まで圧縮された前記冷媒が前記第１利用側圧縮機または前記第２利用側圧縮機に流入する第２状態とを切換可能である熱源側切換機構（Ｖ１）を構成し、
   前記第１利用側四路切換弁は、前記第１利用ユニットにおいて、前記第１利用側熱交換器で蒸発された低圧の前記冷媒が前記第１利用側圧縮機に流入し、かつ、前記第１利用側圧縮機で中間圧力まで圧縮された前記冷媒が前記熱源側圧縮機に流入する第３状態と、前記熱源側圧縮機で中間圧力まで圧縮された前記冷媒が前記第１利用側圧縮機に流入し、かつ、前記第１利用側圧縮機で高圧まで圧縮された前記冷媒が前記第１利用側熱交換器に流入する第４状態とを切換可能である第１利用側切換機構を構成し、
   前記第２利用側四路切換弁は、前記第２利用ユニットにおいて、前記第２利用側熱交換器で蒸発された低圧の前記冷媒が前記第２利用側圧縮機に流入し、かつ、前記第２利用側圧縮機で中間圧力まで圧縮された前記冷媒が前記熱源側圧縮機に流入する第５状態と、前記熱源側圧縮機で中間圧力まで圧縮された前記冷媒が前記第２利用側圧縮機に流入し、かつ、前記第２利用側圧縮機で高圧まで圧縮された前記冷媒が前記第１利用側熱交換器に流入する第６状態とを切換可能である第２利用側切換機構を構成し、
   前記制御部は、前記熱源側切換機構を前記第１状態に、かつ、前記第１利用側切換機構を前記第３状態に、かつ、前記第２利用側切換機構を前記第５状態にする第１制御と、前記熱源側切換機構を前記第２状態に、かつ、前記第２切換機構を前記第４状態に、かつ、前記第２利用側切換機構を前記第６状態にする第２制御とを行う、
   請求項１〜３のいずれかに記載の空気調和装置（１）。

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