JP2001304714A - Ｃｏ２冷媒を用いた空気調和機 - Google Patents

Ｃｏ２冷媒を用いた空気調和機

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＣＯ2冷媒を用いた空気調和機において、運
転効率の改善と暖房特性の改善とを両立する。 【解決手段】 圧縮機１と室外熱交換器２と室内熱交換
器３と一次膨張弁１１又は１２とレシーバ７と二次膨張
弁１２又は１１とガスインジェクション機構１５とを備
えたものにおいて、ガスインジェクション機構１５に、
インジェクションガス量を運転状態に応じて変更する制
御弁１７を備えているので、制御弁１７の開度制御によ
ってインジェクションガス量を適宜変更することで運転
状態に適した効率での運転が可能となり、例えば、イン
ジェクションガス量を多量側に設定した場合には高効率
運転が実現され、また、例えば暖房時においてインジェ
クションガス量を少量側に設定した場合には高温吹出に
より暖房特性の改善が図られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本願発明は、ＣＯ2冷媒を用
いた空気調和機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来より、ＣＯ2冷媒を用いた遷臨界冷
凍サイクルの空気調和機が提案されているが、かかる空
気調和機においては、ＣＯ2冷媒の特性としてフロン系
冷媒を用いた空気調和機に比べて効率（成績係数：ＣＯ
Ｐ）が悪いという欠点があり、これを改善する一つの技
術として、例えば特開平１１−１７３６８７号公報に開
示されるように、冷媒回路中にガスインジェクション機
構を組み込みことが提案されている。即ち、超臨界領域
で冷却されたＣＯ2冷媒を一次膨張させた後、これを気
液分離し、この分離されたガス冷媒を圧縮機の圧縮行程
にある圧縮室にインジエクションする一方、分離された
液冷媒を二次膨張させた後、蒸発器において蒸発させる
ものである。
【０００３】このようなガスインジェクション機構を組
み込んだ遷臨界冷凍サイクルにおける主たる利点として
以下の二つがある。第１の利点は、インジエクションさ
れたガス冷媒による圧縮室内のガス冷媒に対する冷却作
用及び高密度化作用によって圧縮機吐出側の冷媒温度、
即ち、圧縮機吐出温度が低下し圧縮機の信頼性が向上す
るという点である。第２の利点は、気液分離後のガス冷
媒の圧縮機側へのインジェクションガス量だけ、蒸発器
側の冷媒循環量が冷却器側の冷媒循環量よりも少なくな
り、蒸発器側においては単位重量当たりの蒸発エンタル
ピーが大きくなり、冷凍能力が向上し、空気調和機全体
としての効率が高められるという点である。しかし、上
記第１の利点は、その見方を変えれば、暖房時における
室内への吹出空気の温度を高くできないという欠点とも
なる。
【０００４】一方、ガスインジェクション機構組込方式
と同様に、効率改善を図るための技術として、冷媒回路
に内部熱交換器を組込む方式が知られている。この内部
熱交換器組込方式は、冷媒回路に付設した内部熱交換器
によって低圧側のガス冷媒と高圧側の液冷媒との間で熱
交換を行わせて熱回収を行うことで効率を高めるもので
あるが、かかる効率改善という利点がある反面、圧縮機
の吐出温度が上昇して圧縮機の信頼性に悪影響を与える
という欠点もある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、空気調和機
においては、冷房運転時及び暖房運転時の双方において
高い運転効率を得るという普遍的要求とともに、暖房運
転の起動時のように室内温度が低い時には高温の空気を
室内へ吹き出して室内温度を適正温度まで迅速に高めた
いという個別的要求もある。
【０００６】ところが、上述のような従来のガスインジ
ェクション機構とか内部熱交換器を組み込んだ空気調和
機は、専ら効率改善という空気調和機に対する普遍的要
求のみを追求したものであり、従って、例えば暖房起動
時における暖房特性の改善という空気調和機に対する個
別的要求に関しては不満の残るものであった。
【０００７】そこで本願発明は、ＣＯ2冷媒を用いた空
気調和機において、運転効率の改善と暖房運転時におけ
る暖房特性の改善とを両立させることを目的としてなさ
れたものである。
【０００８】
【発明の技術的背景】ところで、図８には、ガスインジ
ェクション機構を備えた場合のインジェクションガス量
と効率（成績係数：ＣＯＰ）との関係を示している。こ
の図８からも解るように、インジェクションガス量が多
いと効率が高くなる傾向があり、従って、高い効率を確
保するためにはインジェクションガス量を運転状態に応
じて調整すれば良い。
【０００９】ところが、インジェクションガス量が多く
なると、それに伴ってインジエクションされるガス冷媒
による冷却作用が高まり、圧縮機吐出温度の低下幅が大
きくなるという特徴がある。この圧縮機吐出温度の低下
は、例えば内部熱交換器を組込んだ場合の欠点である圧
縮機吐出温度の上昇を抑制するという点においては有効
である。
【００１０】また、図９には、遷臨界冷凍サイクルにお
ける「Ｔ−Ｓ線図」上に、冷却器において熱交換される
空気の風量変化に対する温度特性を示している。この図
９からは、例えば、冷却器における冷媒の流れ方向と空
気の流れ方向とを対向させた場合には、空気温度（即
ち、吹出風温度）を圧縮機吐出温度近くまで上げること
が可能であり、しかもその吹出風温度は吹出風量に応じ
て変化し、小風量であるほど高温となることが解る。そ
して、特に、ＣＯ2冷媒は、その属性として、気液二相
領域のみならず、気相領域、液相領域及び超臨界領域の
全ての作動領域を通してほぼ一定した高い熱伝達をもつ
ことから、吹出風温度を圧縮機吐出温度近くまで高めて
も、効率という点においては何ら問題は生じない。
【００１１】本願発明者らは、ガスインジェクション機
構を組み込んだ遷臨界冷凍サイクルの空気調和機におい
て、上記各知見事項を考慮することで、上記目的、即
ち、効率の改善と暖房特性の改善とを両立し得る手段を
想到するに至ったものである。
【００１２】
【課題を解決するための機構】本願発明では、上記課題
を解決するための具体的機構として次のような構成を採
用している。
【００１３】本願の第１の発明にかかるＣＯ2冷媒を用
いた空気調和機では、ＣＯ2冷媒を圧縮する圧縮機１
と、冷房運転時には超臨界領域で作動する冷却器として
機能し暖房運転時には蒸発器として機能する室外熱交換
器２と、冷房運転時には蒸発器として機能し暖房運転時
には超臨界領域で作動する冷却器として機能する室内熱
交換器３と、超臨界領域で冷却されたＣＯ2冷媒を一次
膨張させる一次膨張弁１１又は１２と、一次膨張したＣ
Ｏ2冷媒を気液分離するレシーバ７と、上記レシーバ７
で分離された液冷媒を二次膨張させる二次膨張弁１２又
は１１と、上記レシーバ７で分離されたガス冷媒を上記
圧縮機１の圧縮室にインジエクションするガスインジェ
クション機構１５とを備えたＣＯ2冷媒を用いた空気調
和機において、上記ガスインジェクション機構１５に、
インジェクションガス量を運転状態に応じて変更する制
御弁１７を備えたことを特徴としている。
【００１４】本願の第２の発明では、上記第１の発明に
かかるＣＯ2冷媒を用いた空気調和機において、上記制
御弁１７が、暖房運転の起動時にはインジェクションガ
ス量を少量側に設定し、暖房運転の定常時及び冷房運転
時にはインジェクションガス量を多量側に設定すること
を特徴としている。
【００１５】本願の第３の発明では、上記第１又は第２
の発明にかかるＣＯ2冷媒を用いた空気調和機におい
て、室内への吹出風量を、暖房運転の起動時には、暖房
運転の定常時及び冷房運転時よりも小風量側に設定する
ことを特徴としている。
【００１６】本願の第４の発明では、上記第１，第２又
は第３の発明にかかるＣＯ2冷媒を用いた空気調和機に
おいて、低圧側冷媒と高圧側冷媒との間で熱交換を行う
内部熱交換器８を備えたことを特徴としている。
【００１７】
【発明の効果】本願発明ではかかる構成とすることによ
り次のような効果が得られる。
【００１８】 本願の第１の発明にかかるＣＯ2冷媒
を用いた空気調和機によれば、気液分離されたガス冷媒
を圧縮機１の圧縮室にインジエクションするガスインジ
ェクション機構１５に、インジェクションガス量を運転
状態に応じて変更する制御弁１７を備えているので、例
えば、該制御弁１７の開度制御によってインジェクショ
ンガス量を適宜変更することで運転状態に適した効率で
の運転が可能となり、例えば、インジェクションガス量
を多量側に設定した場合には高効率運転を比較的低い圧
縮機吐出温度の下で実現でき、逆に、例えば暖房運転に
おいてインジェクションガス量を少量側に設定した場合
には比較的効率は低いものの、高温吹出により暖房特性
の改善が図られることになる。
【００１９】 本願の第２の発明にかかるＣＯ2冷媒
を用いた空気調和機によれば、上記制御弁１７によっ
て、暖房運転の起動時にはインジェクションガス量が少
量側に設定され、暖房運転の定常時及び冷房運転時には
インジェクションガス量が多量側に設定される。
【００２０】従って、暖房運転の起動時には、効率は比
較的低いものの、室内熱交換器３での熱交換により得ら
れる吹出風温度が高められることから、高温風の室内へ
の吹き出しによって室内温度を適正温度まで迅速に高め
ることができ、暖房特性の改善が図られる一方、暖房運
転の定常時（即ち、室内温度が適正温度まで高められた
後の状態）及び冷房運転時には、比較的低い圧縮機吐出
温度の下で、高効率運転が実現され、これらの結果、高
効率運転の実現と暖房特性の改善とが両立されることに
なる。
【００２１】 本願の第３の発明にかかるＣＯ2冷媒
を用いた空気調和機によれば、上記第１又は第２の発明
にかかるＣＯ2冷媒を用いた空気調和機において、室内
への吹出風量を、暖房運転の起動時には、暖房運転の定
常時及び冷房運転時よりも小風量側に設定するようにし
ているので、暖房運転の起動時には、吹出風温度が圧縮
機吐出温度近くまで高められることで、吹出空気による
室内温度の上昇がより一層迅速となり、暖房特性がさら
に良好となる。
【００２２】 本願の第４の発明にかかるＣＯ2冷媒
を用いた空気調和機によれば、上記第１，第２又は第３
の発明にかかるＣＯ2冷媒を用いた空気調和機におい
て、低圧側冷媒と高圧側冷媒との間で熱交換を行う内部
熱交換器８を備えているので、該内部熱交換器８での熱
交換に基づく効率向上分が、ガスインジェクションに基
づく効率向上分に加算され、より一層高効率での運転が
実現されるとともに、該内部熱交換器８での熱交換に起
因する圧縮機吐出温度の上昇が、ガスインジェクション
による冷却作用によって相殺され、圧縮機１の信頼性が
確保されるものである。即ち、より高効率の運転の実現
と圧縮機１の信頼性の確保とが両立されるものである。
【００２３】
【発明の実施の形態】以下、本願発明を好適な実施形態
に基づいて具体的に説明する。
【００２４】第１の実施形態 図１には、本願発明の第１の実施形態にかかる空気調和
機の冷媒回路を示している。この冷媒回路は、冷媒とし
てＣＯ2冷媒を用い、遷臨界冷凍サイクルで運転される
ものであって、同図において符号１は圧縮機、２は室外
熱交換器、３は室内熱交換器、４はアキュームレータ、
５は上記室外熱交換器２と室内熱交換器３とを上記圧縮
機１の吐出口と吸入口とに択一的に接続する四方切換弁
である。尚、図１においては、上記四方切換弁５の弁位
置を、冷房運転時には実線で、暖房運転時には破線で、
それぞれ示している。
【００２５】また、符号７は、上記室外熱交換器２と室
内熱交換器３とを接続する冷媒路２１に介設されたレシ
ーバであり、該レシーバ７よりも上記室外熱交換器２寄
りには第１の膨張弁１１が、上記室内熱交換器３寄りに
は第２の膨張弁１２がそれぞれ介設されている。また、
上記レシーバ７の気室は制御弁１７を備えたインジェク
ション路１６を介して上記圧縮機１の圧縮室に接続され
ている。尚、この実施形態では、上記インジェクション
路１６と制御弁１７とで特許請求の範囲の「ガスインジ
ェクション機構１５」を構成している。
【００２６】さらに、符号９は、上記室内熱交換器３に
付設されたファンであり、このファン９と上記制御弁１
７とは、空気調和機の運転状態に対応してそれぞれ作動
制御される。即ち、図７に示すように、この実施形態に
おいては空気調和機の運転状態として、暖房運転の起動
時（即ち、室内温度が所定温度よりも大きく低いとき
（例えば、所定温度から１０℃以上低いとき））と定常
時（即ち、室内温度が所定温度に近いとき（例えば、所
定温度から５℃以内のとき））、及び冷房運転の三つの
運転状態を設定している。そして、暖房運転起動時にお
いては、高温吹出を実現して暖房特性の改善を図るべ
く、上記制御弁１７を「閉（全閉）」としてガス冷媒の
インジェクションを停止させるとともに、上記ファン９
を小風量（即ち、低回転数）で運転するようにしてい
る。これに対して、暖房運転安定時及び冷房運転時にお
いては、高効率運転を実現すべく、上記制御弁１７を
「開（全開）」としてガス冷媒のインジェクションを行
わせるとともに、上記ファン９を標準風量（即ち、標準
回転数）で運転するようにしている。
【００２７】尚、この実施形態では、上記のように、制
御弁１７の開度を「全閉」と「全開」の二段階に択一的
に設定するようにしているが、他の実施形態において
は、空気調和機の運転状態に対応して「全閉」と「全
開」の範囲で、段階的に、又は連続的に開度設定するこ
ともできる。また、上記ファン９の風量設定も、この実
施形態のように「標準風量」と「小風量」の二段階に択
一的に設定するのに代えて、例えば「標準風量」と「小
風量」との範囲で段階的に、又は連続的に変更設定する
こともできる。
【００２８】続いて、図２及び図３に示す「ｐ−ｈ線
図」を参照しつつ、この実施形態にかかる空気調和機の
遷臨界冷凍サイクルを説明する。
【００２９】Ａ：冷房運転時（図１及び図２参照） 冷房運転時には、圧縮機１から吐出されたＣＯ2冷媒
（ガス冷媒）を冷却器として機能する上記室外熱交換器
２に導入し、その入口（図２の点Ｄ）から出口（図２の
点Ｅ）の間において超臨界領域で冷却させる。室外熱交
換器２から出た超臨界状態のＣＯ2冷媒を、第１の膨張
弁１１（特許請求の範囲の「一次第１の膨張弁」に該当
する）において一次膨張させてこれを気液二相のＣＯ2
冷媒とする（図２の点Ｅ〜点Ｆ）とともに、この気液二
相のＣＯ2冷媒をレシーバ７に導入してここで気液分離
する（点Ｇ及び点Ｈ）。
【００３０】レシーバ７で分離された液冷媒は、さらに
第２の膨張弁１２（特許請求の範囲の「二次膨張弁」に
該当する）に導入され、ここで二次膨張された後（図２
の点Ｈ〜点Ｉ）、蒸発器として機能する室内熱交換器３
に送られ、その入口（図２の点Ｉ）から出口（図２の点
Ａ）に至る間に蒸発され、その蒸発熱によってファン９
から送風され該室内熱交換器３を貫流する空気流と熱交
換しこれを冷風とする。この冷風が室内へ吹き出される
ことで冷房が行われる。また、室内熱交換器３から出た
ＣＯ2冷媒（ガス冷媒）は、圧縮機１に導入されここで
圧縮される（図２の点Ａ〜点Ｄ）。
【００３１】一方、レシーバ７で分離されたガス冷媒
は、制御弁１７が「開」とされているので、インジェク
ション路１６を通って圧縮機１の圧縮行程にある圧縮室
へインジェクションされる（図２の点Ｇ）。このよう
に、ガス冷媒が圧縮行程にある圧縮室にインジェクショ
ンされると、このインジェクションされたガス冷媒、即
ち、インジェクションガスは、圧縮室内において圧縮途
中にあるガス冷媒と混合しこれを冷却する。このため、
圧縮室内におけるガス冷媒の温度は、ガスインジェクシ
ョン時点において、ガスインジェクション前の温度（図
２の点Ｂ）から一旦低下する（図２の点Ｃ）。従って、
圧縮機吐出温度は、ガスインジェクションが行われなか
った場合の圧縮機吐出温度（図２の点Ｄ0）よりも低い
温度（図２の点Ｄ）となる。
【００３２】また、レシーバ７において気液分離された
ガス冷媒を圧縮機１側にインジェクションすることで、
室内内熱交換器３側の冷媒循環量は、このインジェクシ
ョンガス量の分だけ、室外熱交換器２側の冷媒循環量よ
りも少なくなるが、該室内熱交換器３側における単位重
量当たりの蒸発エンタルピーが大きくなるため冷凍能力
は変わらない（図２のエンタルピー量「ｃ1」参照）。
そのとき、圧縮機入力が小さくなり、それだけ空気調和
機全体としての効率が高くなり、その高効率運転が実現
されるものである。一方、上述のように、圧縮機吐出温
度が低下することで、圧縮機１の信頼性（例えば、圧縮
機１に用いられている樹脂製部材の信頼性）が確保され
るものである。
【００３３】Ｂ：暖房運転時 暖房運転は、上述のように、起動時と定常時とで若干作
動が異なるので、これらをそれぞれ個別に説明する。
【００３４】Ｂ−ａ：暖房運転起動時（図１及び図３参
照） 暖房運転起動時には、圧縮機１から吐出されたＣＯ2冷
媒（ガス冷媒）は、冷却器として機能する室内熱交換器
３に導入され、その入口（図３の点Ｄ0）から出口（図
３の点Ｅ）の間において超臨界領域で冷却される。この
室内熱交換器３における冷却熱によって該室内熱交換器
３を貫流する空気流が加熱され、これが温風として室内
へ吹き出されることで暖房が行われる。
【００３５】室内熱交換器３から出た超臨界状態のＣＯ
2冷媒は、第２の膨張弁１２において一時膨張され（図
３の点Ｅ〜点Ｆ）、気液二相のＣＯ2冷媒としてレシー
バ７に導入され、ここで該ＣＯ2冷媒の気液分離が行わ
れる。
【００３６】ところが、上述のように、暖房運転起動時
には上記制御弁１７が全閉とされているので、該制御弁
１７において気液分離が行われても、分離されたガス冷
媒の圧縮機１側へのガスインジェクションは行われず、
気液分離されたＣＯ2冷媒は気液二相状態のまま第１の
膨張弁１１に送られ、ここで二次膨張され（図３の点Ｆ
〜点Ｉ0）、蒸発器として機能する室外熱交換器２側へ
送られる。そして、この室外熱交換器２に送られたＣＯ
2冷媒（液冷媒）は、その入口（図３の点Ｉ0）から出口
（図３の点Ａ）に至る間に蒸発し、その蒸発熱によって
該室外熱交換器２を貫流する空気流と熱交換した後、圧
縮機１に導入されここで圧縮される（図３の点Ａ〜点Ｂ
〜点Ｄ0）。
【００３７】この場合、上述のようにガスインジェクシ
ョンが行われないので、圧縮行程での冷媒の冷却作用は
なく、従って、圧縮機吐出温度は、上述の冷房時におけ
る圧縮機吐出温度（即ち、図３の点Ｄに対応する温度）
よりも高い温度となる。また、この場合、上述のよう
に、暖房運転起動時には上記室内熱交換器３に付設した
ファン９が小風量運転されることから、該室内熱交換器
３での熱交換によって得られる温風の温度は圧縮機吐出
温度近くまで上昇される。この結果、室内熱交換器３か
ら室内へ高温風が吹き出され、室内温度が迅速に所定温
度まで上昇し、暖房運転起動後の早期に快適な暖房が実
現されることになる。
【００３８】尚、この暖房運転起動時においては、圧縮
機吐出温度が高くなることに対応して圧縮機入力が増大
することから、空気調和機全体としての効率は、次述の
暖房安定運転時に比して低下することとなる。即ち、こ
の暖房運転起動時は暖房の立ち上がり特性を重視した運
転となる。
【００３９】Ｂ−ｂ：暖房運転安定時（図１及び図２参
照） 暖房運転安定時には、圧縮機１から吐出されたＣＯ2冷
媒（ガス冷媒）は、冷却器として機能する室内熱交換器
３に導入され、その入口（図２の点Ｄ）から出口（図２
の点Ｅ）の間において超臨界領域で冷却される。この室
内熱交換器３における冷却熱によって該室内熱交換器３
を貫流する空気流が加熱され、これが温風として室内へ
吹き出されることで暖房が行われる。
【００４０】室内熱交換器３から出た超臨界状態のＣＯ
2冷媒は、これを第２の膨張弁１２（特許請求の範囲の
「一次第１の膨張弁」に該当する）において一次膨張さ
せて気液二相のＣＯ2冷媒とする（図２の点Ｅ〜点Ｆ）
とともに、この気液二相のＣＯ2冷媒をレシーバ７に導
入してここで気液分離する（点Ｇ及び点Ｈ）。
【００４１】レシーバ７で分離された液冷媒は、さらに
第１の膨張弁１１（特許請求の範囲の「二次膨張弁」に
該当する）に導入され、ここで二次膨張された後（図２
の点Ｈ〜点Ｉ）、蒸発器として機能する室外熱交換器２
に送られ、その入口（図２の点Ｉ）から出口（図２の点
Ａ）に至る間に蒸発される。室外熱交換器２から出たＣ
Ｏ2冷媒（ガス冷媒）は、圧縮機１に導入されここで圧
縮される（図２の点Ａ〜点Ｄ）。
【００４２】一方、レシーバ７で分離されたガス冷媒
は、制御弁１７が「開」とされているので、インジェク
ション路１６を通って圧縮機１の圧縮行程にある圧縮室
へインジェクションされる（図２の点Ｇ）。このよう
に、ガス冷媒が圧縮行程にある圧縮室にインジェクショ
ンされると、このインジェクションされたガス冷媒、即
ち、インジェクションガスは、圧縮室内において圧縮途
中にあるガス冷媒と混合しこれを冷却する。このため、
圧縮室内におけるガス冷媒の温度は、ガスインジェクシ
ョン時点において、ガスインジェクション前の温度（図
２の点Ｂ）から一旦低下する（図２の点Ｃ）。従って、
圧縮機吐出温度は、ガスインジェクションが行われなか
った場合の圧縮機吐出温度（図２の点Ｄ0）よりも低い
温度（図２の点Ｄ）となる。
【００４３】このようにレシーバ７において気液分離さ
れたガス冷媒を圧縮機１側にインジェクションすること
で、室外熱交換器２側の冷媒循環量は、このインジェク
ションガス量の分だけ、室内熱交換器３側の冷媒循環量
よりも少なくなるが、該室外熱交換器２側における単位
重量当たりの蒸発エンタルピーが大きくなるため冷凍能
力は変わらない（図２のエンタルピー量「ｃ1」参
照）。そのとき、圧縮機入力が小さくなり、それだけ空
気調和機全体としての効率が高くなり、その高効率運転
が実現されるものである。また一方、上述のように、圧
縮機吐出温度が低下することで、圧縮機１の信頼性（例
えば、圧縮機１に用いられている樹脂製部材の信頼性）
が確保されるものである。
【００４４】第２の実施形態 図４には、本願発明の第２の実施形態にかかる空気調和
機の冷媒回路を示しており、同図において符号１は圧縮
機、２は室外熱交換器、３は室内熱交換器、４は上記圧
縮機１の吸入口に接続される冷媒路２５に設けられたア
キュームレータ、５は上記室外熱交換器２と室内熱交換
器３とを上記圧縮機１と冷媒路２４に択一的に接続する
第１の四方切換弁、６は上記室外熱交換器２と室内熱交
換器３とを冷媒路２４と冷媒路２５に択一的に接続する
第２の四方切換弁である。尚、図１においては、上記各
四方切換弁５，６の弁位置を、冷房運転時には実線で、
暖房運転時には破線で、それぞれ示している。
【００４５】また、符号７は、第１の膨張弁１１と第２
の膨張弁１２とを直列に設けた冷媒路２４の該各膨張弁
１１，１２の中間位置に設けられた気液分離用のレシー
バであり、該レシーバ７の気室は制御弁１７を備えたイ
ンジェクション路１６を介して上記圧縮機１の圧縮室に
接続されている。尚、このインジェクション路１６と制
御弁１７によって特許請求の範囲の「ガスインジェクシ
ョン機構１５」が構成されている。
【００４６】さらに、符号８は、高圧側伝熱部８ａと低
圧側伝熱部８ｂを備えた内部熱交換器であり、該高圧側
伝熱部８ａは上記冷媒路２４の上記レシーバ７と第２の
膨張弁１２の中間位置に介設され、また低圧側伝熱部８
ｂは上記冷媒路２５に介設されている。
【００４７】さらに、符号９は、上記室内熱交換器３に
付設されたファンであり、このファン９と上記制御弁１
７とは、空気調和機の運転状態に対応してそれぞれ作動
制御される。尚、このファン９と上記制御弁１７の作動
制御の形態は上記第１の実施形態の場合と同様であるの
で、該第１の実施形態における該当説明を援用すること
でここでの説明を省略する。
【００４８】続いて、図５及び図６に示す「ｐ−ｈ線
図」を参照しつつ、この実施形態にかかる空気調和機の
遷臨界冷凍サイクルを説明する。
【００４９】Ａ：冷房運転時（図４及び図５参照） 冷房運転時には、圧縮機１から吐出されたＣＯ2冷媒
（ガス冷媒）は、第１の四方切換弁５を介して室外熱交
換器２に導入され、該室外熱交換器２において超臨界領
域で冷却される（図５の点Ｄ〜点Ｅ）。室外熱交換器２
から出た超臨界状態のＣＯ2冷媒は、第２の四方切換弁
６から第１の膨張弁１１（特許請求の範囲の「一次膨張
弁」に該当する）に至り、該第１の膨張弁１１において
一次膨張され（図５の点Ｅ〜点Ｆ）、気液二相状態でレ
シーバ７に導入されてここで気液分離される（図５の点
Ｇ及び点Ｈ）。
【００５０】そして、レシーバ７で分離された液冷媒
は、内部熱交換器８の高圧側伝熱部８ａに流入し、その
入口（図５の点Ｈ）から出口（図５の点Ｉ）へ向かって
流れる間に、その低圧側伝熱部８ｂをその入口（図５の
点Ｋ）から出口（図５の点Ａ）へ向かって流れるガス冷
媒との間で内部熱交換を行った後、第２の膨張弁１２
（特許請求の範囲の「二次膨張弁」に該当する）に流入
し、ここで二次膨張（図５の点Ｉ〜点Ｊ）された後、室
内熱交換器３に送られる。この室内熱交換器３において
は、ＣＯ2冷媒（液冷媒）はその入口（図５の点Ｊ）か
ら出口（図５の点Ｋ）を流れる間に蒸発し、その蒸発熱
によってファン９から送られて該室内熱交換器３を貫流
する空気流と熱交換しこれを冷風とする。この冷風が室
内へ吹き出されることで冷房が行われる。また、室内熱
交換器３から出たＣＯ2冷媒（ガス冷媒）は、圧縮機１
に導入され、ここで圧縮される（図５の点Ａ〜点Ｄ）。
【００５１】一方、レシーバ７で分離されたガス冷媒
は、制御弁１７が「開」とされているので、インジェク
ション路１６を通って圧縮機１の圧縮行程にある圧縮室
へインジェクションされる（図５の点Ｇ）。このよう
に、ガス冷媒が圧縮行程にある圧縮室にインジェクショ
ンされると、このインジェクションされたガス冷媒、即
ち、インジェクションガスは、圧縮室内において圧縮途
中にあるガス冷媒と混合しこれを冷却する。このため、
圧縮室内におけるガス冷媒の温度は、ガスインジェクシ
ョン時点において、ガスインジェクション前の温度（図
５の点Ｂ）から一旦低下する（図５の点Ｃ）。従って、
圧縮機吐出温度は、ガスインジェクションが行われなか
った場合の圧縮機吐出温度（図５の点Ｄ0）よりも低い
温度（図５の点Ｄ）となる。
【００５２】また、レシーバ７において気液分離された
ガス冷媒を圧縮機１側にインジェクションすることで、
室内内熱交換器３側の冷媒循環量は、このインジェクシ
ョンガス量の分だけ、室外熱交換器２側の冷媒循環量よ
りも少なくなるが、該室内熱交換器３側における単位重
量当たりの蒸発エンタルピーが大きくなるため冷凍能力
は変わらない（図５のエンタルピー量「ｃ1」参照）。
そのとき、圧縮機入力が小さくなり、それだけ空気調和
機全体としての効率が高くなる。さらに、これに加え
て、内部熱交換器８における内部熱交換によって室内熱
交換器３側における単位重量当たりの蒸発エンタルピー
が大きくなり冷凍能力が増加する（図５のエンタルピー
量「ｃ2」参照）。これら両者の効果の結果として、空
気調和機全体としての効率が高くなり、その高効率運転
が実現されるものである。
【００５３】一方、上述のように、圧縮機吐出温度が低
下することで、圧縮機１の信頼性（例えば、圧縮機１に
用いられている樹脂製部材の信頼性）が確保されるもの
である。
【００５４】Ｂ：暖房運転時 暖房運転は、上述のように、起動時と定常時とで若干作
動が異なるので、これらをそれぞれ個別に説明する。
【００５５】Ｂ−ａ：暖房運転起動時（図４及び図６参
照） 暖房運転起動時（図４及び図６参照） 暖房運転起動時には、圧縮機１から吐出されたＣＯ2冷
媒（ガス冷媒）は、冷却器として機能する室内熱交換器
３に導入され、その入口（図６の点Ｄ0）から出口（図
６の点Ｅ）の間において超臨界領域で冷却される。この
室内熱交換器３における冷却熱によって該室内熱交換器
３を貫流する空気流が加熱され、これが温風として室内
へ吹き出されることで暖房が行われる。
【００５６】室内熱交換器３から出た超臨界状態のＣＯ
2冷媒は、第１の膨張弁１１において一時膨張され（図
６の点Ｅ〜点Ｆ）、気液二相のＣＯ2冷媒としてレシー
バ７に導入され、ここで該ＣＯ2冷媒の気液分離が行わ
れる。
【００５７】ところが、上述のように、暖房運転起動時
には上記制御弁１７が全閉とされているので、該制御弁
１７において気液分離が行われても、分離されたガス冷
媒の圧縮機１側へのガスインジェクションは行われず、
気液分離されたＣＯ2冷媒は気液二相状態のまま内部熱
交換器８の高圧側伝熱部８ａに導入され、その入口（図
６の点Ｆ）から出口（図６の点Ｉ0）に至る間に、低圧
側伝熱部８ｂをその入口（図６の点Ｋ）から出口（図６
の点Ａ）に流れるガス冷媒との間で熱交換を行った後、
第２の膨張弁１２に導入され、ここで二次膨張され（図
６の点Ｉ0〜点Ｊ0）、さらに室外熱交換器２へ導入され
る。この室外熱交換器２に送られたＣＯ2冷媒（液冷
媒）は、その入口（図６の点Ｊ0）から出口（図６の点
Ｋ）に至る間に蒸発し、その蒸発熱によって該室外熱交
換器２を貫流する空気流と熱交換した後、圧縮機１に導
入されここで圧縮される（図６の点Ａ〜点Ｂ〜点
Ｄ0）。
【００５８】この場合、上述のようにガスインジェクシ
ョンが行われないので、圧縮行程での冷媒の冷却作用は
なく、従って、圧縮機吐出温度は、上述の冷房時におけ
る圧縮機吐出温度（即ち、図６の点Ｄに対応する温度）
よりも高い温度となる。また、この場合、上述のよう
に、暖房運転起動時には上記室内熱交換器３に付設した
ファン９が小風量運転されることから、該室内熱交換器
３での熱交換によって得られる温風の温度は圧縮機吐出
温度近くまで上昇される。この結果、室内熱交換器３か
ら室内へ高温風が吹き出され、室内温度が迅速に所定温
度まで上昇し、暖房運転起動後の早期に快適な暖房が実
現されることになる。
【００５９】尚、この暖房運転起動時においては、圧縮
機吐出温度が高くなることに対応して圧縮機入力が増大
するが、内部熱交換器８における内部熱交換によって室
内熱交換器３側における単位重量当たりの蒸発エンタル
ピーが大きくなり冷凍能力が増加する（図６のエンタル
ピー量「ｃ2」参照）ことから、空気調和機全体として
の効率は、内部熱交換を行わない上記第１の実施形態に
おける暖房運転起動時よりも高く維持される。従って、
この暖房運転起動時は、暖房の立ち上がり特性を重視し
つつ、効率にも配慮した運転となる。
【００６０】Ｂ−ｂ：暖房運転安定時（図４及び図５参
照） 暖房運転安定時には、圧縮機１から吐出されたＣＯ2冷
媒（ガス冷媒）は、第１の四方切換弁５を介して室内熱
交換器３に導入され、該室内熱交換器３において超臨界
領域で冷却される（図５の点Ｄ〜点Ｅ）。この室内熱交
換器３における冷却熱によって該室内熱交換器３を貫流
する空気流が加熱され、これが温風として室内へ吹き出
されることで暖房が行われる。
【００６１】室内熱交換器３から出た超臨界状態のＣＯ
2冷媒は、第２の四方切換弁６から第１の膨張弁１１
（特許請求の範囲の「一次膨張弁」に該当する）に至
り、該第１の膨張弁１１において一次膨張され（図５の
点Ｅ〜点Ｆ）、気液二相状態でレシーバ７に導入されて
ここで気液分離される（図５の点Ｇ及び点Ｈ）。
【００６２】そして、レシーバ７で分離された液冷媒
は、内部熱交換器８の高圧側伝熱部８ａに流入し、その
入口（図５の点Ｈ）から出口（図５の点Ｉ）へ向かって
流れる間に、その低圧側伝熱部８ｂをその入口（図５の
点Ｋ）から出口（図５の点Ａ）へ向かって流れるガス冷
媒との間で内部熱交換を行った後、第２の膨張弁１２
（特許請求の範囲の「二次膨張弁」に該当する）に流入
し、ここで二次膨張（図５の点Ｉ〜点Ｊ）された後、室
外熱交換器２に送られ、その入口（図５の点Ｊ）から出
口（図５の点Ｋ）を流れる間に蒸発し、ガス冷媒とされ
る。室外熱交換器２から出たガス冷媒は、圧縮機１に導
入され、ここで圧縮される（図５の点Ａ〜点Ｄ）。
【００６３】一方、レシーバ７で分離されたガス冷媒
は、制御弁１７が「開」とされているので、インジェク
ション路１６を通って圧縮機１の圧縮行程にある圧縮室
へインジェクションされる（図５の点Ｇ）。このよう
に、ガス冷媒が圧縮行程にある圧縮室にインジェクショ
ンされると、このインジェクションガスは、圧縮室内に
おいて圧縮途中にあるガス冷媒と混合しこれを冷却す
る。このため、圧縮室内におけるガス冷媒の温度は、ガ
スインジェクション時点において、ガスインジェクショ
ン前の温度（図５の点Ｂ）から一旦低下する（図５の点
Ｃ）。従って、圧縮機吐出温度は、ガスインジェクショ
ンが行われなかった場合の圧縮機吐出温度（図５の点Ｄ
0）よりも低い温度（図５の点Ｄ）となる。
【００６４】また、レシーバ７において気液分離された
ガス冷媒を圧縮機１側にインジェクションすることで、
室外熱交換器２側の冷媒循環量は、このインジェクショ
ンガス量の分だけ、室内熱交換器３側の冷媒循環量より
も少なくなるが、該室外熱交換器２側における単位重量
当たりの蒸発エンタルピーが大きくなるため冷凍能力は
変わらない（図５のエンタルピー量「ｃ1」参照）。そ
のとき、圧縮機入力が小さくなり、それだけ空気調和機
全体としての効率が高くなる。さらに、これに加えて、
内部熱交換器８における内部熱交換によって室内熱交換
器３側における単位重量当たりの蒸発エンタルピーが大
きくなり冷凍能力が増加する（図５のエンタルピー量
「ｃ2」参照）。これら両者の効果の結果として、空気
調和機全体としての効率が高くなり、その高効率運転が
実現されるものである。
【００６５】一方、上述のように、圧縮機吐出温度が低
下することで、圧縮機１の信頼性（例えば、圧縮機１に
用いられている樹脂製部材の信頼性）が確保されるもの
である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の第１の実施形態にかかるＣＯ2冷媒
を用いた空気調和機の冷媒回路図である。
【図２】図１に示した冷媒回路における「ｐ−ｈ線図」
である。
【図３】図１に示した冷媒回路における「ｐ−ｈ線図」
である。
【図４】本願発明の第２の実施形態にかかるＣＯ2冷媒
を用いた空気調和機の冷媒回路図である。
【図５】図４に示した冷媒回路における「ｐ−ｈ線図」
である。
【図６】図４に示した冷媒回路における「ｐ−ｈ線図」
である。
【図７】ガスインジェクション機構に設けた制御弁の制
御テーブルである。
【図８】インジェクションガス量と成績係数との相関図
である。
【図９】遷臨界冷凍サイクルの「Ｔ−Ｓ線図」である。
【符号の説明】
１は圧縮機、２は室外熱交換器、３は室内熱交換器、４
はアキュームレータ、５及び６は四方切換弁、７はレシ
ーバ、８は内部熱交換器、９はファン、１１及び１２は
膨張弁、１５はガスインジェクション機構、１６はイン
ジェクション路、１７は制御弁、２１〜２５は冷媒路で
ある。
フロントページの続き (72)発明者 西川 和幸 大阪府堺市金岡町1304番地 ダイキン工業 株式会社堺製作所金岡工場内 (72)発明者 鉾谷 克己 大阪府堺市金岡町1304番地 ダイキン工業 株式会社堺製作所金岡工場内 Ｆターム(参考） 3L092 AA02 AA04 BA03 BA28 EA20 FA24 FA31 FA34

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ＣＯ2冷媒を圧縮する圧縮機（１）と、 冷房運転時には超臨界領域で作動する冷却器として機能
    し暖房運転時には蒸発器として機能する室外熱交換器
    （２）と、 冷房運転時には蒸発器として機能し暖房運転時には超臨
    界領域で作動する冷却器として機能する室内熱交換器
    （３）と、 超臨界領域で冷却されたＣＯ2冷媒を一次膨張させる一
    次膨張弁（１１又は１２）と、 一次膨張したＣＯ2冷媒を気液分離するレシーバ（７）
    と、 上記レシーバ（７）で分離された液冷媒を二次膨張させ
    る二次膨張弁（１２又は１１）と、 上記レシーバ（７）で分離されたガス冷媒を上記圧縮機
    （１）の圧縮室にインジエクションするガスインジェク
    ション機構（１５）とを備えたＣＯ2冷媒を用いた空気
    調和機であって、 上記ガスインジェクション機構（１５）が、インジェク
    ションガス量を運転状態に応じて変更する制御弁（１
    ７）を備えていることを特徴とするＣＯ2冷媒を用いた
    空気調和機。
  2. 【請求項２】 請求項１において、 上記制御弁（１７）は、暖房運転の起動時にはインジェ
    クションガス量を少量側に設定し、暖房運転の定常時及
    び冷房運転時にはインジェクションガス量を多量側に設
    定することを特徴とするＣＯ2冷媒を用いた空気調和
    機。
  3. 【請求項３】 請求項１又は２において、 室内への吹出風量を、暖房運転の起動時には、暖房運転
    の定常時及び冷房運転時よりも小風量側に設定するよう
    にしたことを特徴とするＣＯ2冷媒を用いた空気調和
    機。
  4. 【請求項４】 請求項１，２又は３において、 低圧側冷媒と高圧側冷媒との間で熱交換を行う内部熱交
    換器（８）を備えたことを特徴とするＣＯ2冷媒を用い
    た空気調和機。
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