JP2003130479A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 膨張機によって高圧冷媒からの動力回収を行
う冷凍装置において、膨張機に高度な加工技術を要する
ことなく、高効率な動力回収を可能とする。 【解決手段】冷凍装置の冷媒回路（10）には、二酸化炭
素を冷媒として充填する。この冷凍装置では、冷凍サイ
クルの高圧が二酸化炭素の臨界圧力以上に設定される。
冷媒回路（10）には、膨張機（22）と電動膨張弁（23）
を直列に設ける。膨張機（22）は、ｓルーツ式流体機械
(41)により構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、蒸気圧縮式の冷凍
サイクルを行う冷凍装置に関し、特に、冷凍サイクルの
圧縮工程での圧力が冷媒の臨界圧力以上となるものであ
って、高効率で膨張行程から圧縮機の動力回収を可能と
する冷凍装置に係るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、閉回路内で冷媒を循環させて
蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷凍装置であって、冷
媒の膨張仕事を回収して圧縮機の動力に利用し、これに
より成績係数の向上を図るものが知られている。この種
の冷凍装置として、例えば、特開２００１−１０７８８
１号公報には、冷媒を臨界超過圧まで圧縮するコンプレ
ッサ、冷媒を冷却するガスクーラー、冷媒を膨張させる
膨張機及び冷媒を蒸発させる蒸発器を備えた圧縮式冷凍
機であって、膨張機がスクロール機構を有する冷凍装置
が開示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、スクロール機
構を有する膨張機においては、トルク変動は比較的小さ
いものの、固定スクロールと旋回スクロールとの間のシ
ール部分が比較的長いため、高い気密性を確保するため
に極めて高精度な加工技術を必要とした。特に、この種
の冷凍装置を家庭用の空調機として用いる場合、その膨
張機は押しのけ容積が数ccといった大きさであるため、
高い気密性を確保するための加工が困難であった。

【０００４】また、ピストン機構を用いた膨張機におい
ては、トルク変動が比較的大きくなるといった問題もあ
った。

【０００５】本発明は、かかる点に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、膨張機によって高圧
冷媒からの動力回収を行う冷凍装置において、膨張機に
高度な加工技術を要することなく、トルク変動を低く押
さえつつ高効率に動力回収が可能であると同時に、耐久
性の高い冷凍装置の提供を目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、該冷媒回路に
設けられた圧縮機で冷媒を該冷媒の臨界圧力以上にまで
圧縮して冷凍サイクルを行う冷凍装置であって、冷媒回
路にルーツ式流体機械が膨張機として設けられたもので
ある。

【０００７】具体的に、本発明が講じた第１の解決手段
は、冷媒の充填された冷媒回路(10)を備え、該冷媒回路
(10)に設けられた圧縮機(21)で冷媒を該冷媒の臨界圧力
以上にまで圧縮して冷凍サイクルを行う冷凍装置を対象
としている。そして、前記冷媒回路(10)には、ルーツ式
流体機械(41)が膨張機(22)として設けられるものであ
る。

【０００８】本発明が講じた第２の解決手段は、前記第
１の解決手段において、冷凍装置に用いるルーツ式流体
機械(41)のローター(42)を二葉式としたものである。

【０００９】本発明が講じた第３の解決手段は、前記第
１の解決手段において、冷凍装置に用いるルーツ式流体
機械(41)のローター(42)を三葉式としたものである。

【００１０】本発明が講じた第４の解決手段は、前記第
１乃至第３の解決手段において、冷媒を二酸化炭素とし
たものである。

【００１１】−作用− 前記第１の解決手段では、冷媒回路(10)内で冷媒を循環
させることにより、冷凍サイクルが行われる。

【００１２】具体的に、冷媒回路(10)の圧縮機(21)で
は、吸入された冷媒がその臨界圧力以上にまで圧縮され
る。圧縮機(21)から吐出された冷媒は、放熱した後にル
ーツ式流体機械(41)を用いた膨張機(22)で膨張する。こ
の際、冷媒の持つ内部エネルギーの一部が機械的な動力
として回収され、圧縮機(21)の動力の一部に利用され
る。減圧後の低圧冷媒は、吸熱して蒸発した後に圧縮機
(21)へ吸入されて再び圧縮される。

【００１３】前記第２の解決手段では、ルーツ式流体機
械(41)に二葉式のローター(42)が設けられる。

【００１４】前記第３の解決手段では、ルーツ式流体機
械(41)に三葉式のローター(42)が設けられる。

【００１５】前記第４の解決手段では、冷媒回路(10)に
二酸化炭素が冷媒として充填される。

【００１６】

【発明の効果】従って、本発明によれば、冷媒回路(10)
の膨張機(22)にルーツ式流体機械(41)を用いているた
め、スクロール機構を用いた膨張機に比較して、膨張機
構の製造上高度な加工技術を要することなく、高効率に
動力回収が可能である。

【００１７】また、ルーツ式流体機械(41)を用いること
により、回収された動力のトルク変動を低く押さえつつ
静粛性や耐久性を高めることができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】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。図１に示すように、本実施形
態は、本発明に係る冷凍装置により構成された空調機で
ある。この空調機は、ルーツ式流体機械（41）を用いた
膨張機（22）を備え、冷房運転と暖房運転を切り換えて
行うように構成されている。

【００１９】前記冷媒回路（10）には、室内熱交換器
（11）、室外熱交換器（12）、第１四路切換弁（13）、
第２四路切換弁（14）、圧縮機（21）、膨張機（22）、
電動膨張弁（23）、及びレシーバタンク（31）が設けら
れている。この冷媒回路（10）では、膨張機（22）と電
動膨張弁（23）が直列に配置されており、これらが冷媒
の膨張機構を構成している。また、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。

【００２０】前記室内熱交換器（11）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。室内熱交換器（11）へは、図外のファ
ンによって室内空気が供給される。室内熱交換器（11）
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。前記冷媒回路（10）において、この
室内熱交換器（11）は、その一端が第１四路切換弁（1
3）の第１のポートに配管接続され、その他端が第２四
路切換弁（14）の第１のポートに配管接続されている。

【００２１】前記室外熱交換器（12）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。室外熱交換器（12）へは、図外のファ
ンによって室外空気が供給される。室外熱交換器（12）
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。前記冷媒回路（10）において、この
室外熱交換器（12）は、その一端が第１四路切換弁（1
3）の第２のポートに配管接続され、その他端が第２四
路切換弁（14）の第２のポートに配管接続されている。

【００２２】前記圧縮機(21)は、ローリングピストン型
の流体機械により構成されている。この圧縮機（21）
は、吸入した冷媒（ＣＯ₂）をその臨界圧力以上にまで
圧縮する。前記冷媒回路（10）において、前記圧縮機
（21）は、その吐出側が第１四路切換弁（13）の第３の
ポートに配管接続され、その吸入側が第１四路切換弁
（13）の第４のポートに配管接続されている。

【００２３】前記膨張機（22）は、ルーツ式流体機械
（41）により構成されている。前記冷媒回路（10）にお
いて、前記膨張機（22）は、その流入側が第２四路切換
弁（14）の第３のポートに配管接続され、その流出側が
前記レシーバタンク（31）に配管接続されている。

【００２４】図２に示す前記ルーツ式流体機械（41）
は、一対のまゆ型二葉式ローター（42）が、ハウジング
（43）の半円状凹部と、ハウジング(43)の両側面に固着
された側壁とによって区画されたローター室（45）に、
ローター軸（46）で軸着されて構成される。これらロー
ター(42)は、一方のローター(42)の歯先が他方のロータ
ー(42)の歯元に噛み合う状態で回転し、ローター室(45)
の壁面との間に冷媒移送部(49)を区画して回転する。各
ローター(42)は、それぞれ逆方向に回転し、２本のロー
ター軸(46)のうち少なくとも１本は、電動機(24)の駆動
軸(51)に連結されている。

【００２５】尚、本実施形態では、ローター(42)が二葉
式のルーツ式流体機械(41)により膨張機(22)を構成して
いるが、これに代えて、図５に示すように、ローター(4
2)が三葉式のルーツ式流体機械(41)を用いることも可能
である。

【００２６】前記レシーバタンク（31）は、縦長で円筒
状の密閉容器であって、中間圧冷媒を貯留するための容
器部材を構成している。前記冷媒回路（10）において、
このレシーバタンク（31）は、電動膨張弁（23）の流入
側と配管接続されている。このように、前記冷媒回路
（10）では、膨張機（22）の下流側に電動膨張弁（23）
が設けられている。

【００２７】前記電動膨張弁（23）は、パルスモータ等
で弁体を回転させることによって、その開度を変更でき
るように構成されている。前記冷媒回路（10）におい
て、この電動膨張弁（23）は、その流出側が第２四路切
換弁（14）の第４のポートに配管接続されている。

【００２８】上述のように、第１四路切換弁（13）は、
第１のポートが室内熱交換器（11）と、第２のポートが
室外熱交換器（12）と、第３のポートが圧縮機（21）の
吐出側と、第４のポートが圧縮機（21）の吸入側とそれ
ぞれ接続されている。この第１四路切換弁（13）は、第
１のポートが第３のポートと連通し且つ第２のポートが
第４のポートと連通する状態（図１に実線で示す状態）
と、第１のポートが第４のポートと連通し且つ第２のポ
ートが第３のポートと連通する状態（図１に破線で示す
状態）とに切り換わるように構成されている。

【００２９】一方、第２四路切換弁（14）は、第１のポ
ートが室内熱交換器（11）と、第２のポートが室外熱交
換器（12）と、第３のポートが膨張機（22）の流入側
と、第４のポートが電動膨張弁（23）の流出側とそれぞ
れ接続されている。この第１四路切換弁（13）は、第１
のポートが第３のポートと連通し且つ第２のポートが第
４のポートと連通する状態（図１に実線で示す状態）
と、第１のポートが第４のポートと連通し、且つ第２の
ポートが第３のポートと連通する状態（図１に破線で示
す状態）とに切り換わるように構成されている。

【００３０】図３に示すように、前記圧縮機（21）の駆
動軸（51）には、前記膨張機（22）と電動機（24）の駆
動軸（51）とが連結されている。この圧縮機（21）は、
膨張機（22）での冷媒の膨張により回収された動力と、
電動機（24）へ通電することにより得られた動力との両
方によって回転駆動される。また、前記電動機（24）に
は、図外のインバータから所定周波数の交流電力が供給
されている。そして、前記圧縮機（21）は、電動機（2
4）へ供給される電力の周波数を変更することで、その
容量が可変に構成されている。

【００３１】−運転動作− 《暖房運転》前記空調機の暖房運転時の動作について、
図１及び図２を参照しながら説明する。暖房運転時にお
いて、第１四路切換弁（13）及び第２四路切換弁（14）
は、図１に実線で示す状態に切り換わる。また、通常の
暖房運転時においては、電動膨張弁（23）の開度が適宜
調節され、バイパス弁（36）が全閉される。この状態で
圧縮機（21）を駆動すると、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
（11）が放熱器として機能し、室外熱交換器（12）が蒸
発器として機能する。

【００３２】具体的に、圧縮機（21）からは、冷媒（Ｃ
Ｏ₂）の臨界圧力よりも高く圧縮された状態の高圧冷媒
が吐出される。圧縮機（21）から吐出された冷媒は、第
１四路切換弁（13）を通って室内熱交換器（11）へ導入
される。

【００３３】室内熱交換器（11）では、導入された高圧
冷媒が室内空気と熱交換を行う。この熱交換により、高
圧冷媒は室内空気に対して放熱し、そのエンタルピが低
下する。そして、室内熱交換器（11）からは高圧冷媒が
流出する一方、室内熱交換器（11）で高圧冷媒により加
熱された室内空気は、調和空気として室内へ送り返され
る。

【００３４】室内熱交換器（11）から流出した冷媒は、
第２四路切換弁（14）を通過した後に膨張機（22）へ送
られる。膨張機（22）へ流入した冷媒は、膨張機（22）
の流入口(47)へ導入される。

【００３５】この膨張機（22）では、流入口(47)が高圧
となり、流出口(48)が低圧となっている。そして、流入
口側と流出口側との圧力差により、ローター（42）に回
転力が付与される。流入口側の高圧冷媒は、ローター
（42）とローター室（45）とで仕切られた冷媒移送部
（49）を通り、流出側へ送り出される。その際、冷媒移
送部（49）の冷媒は、冷媒移送部（49）が流出口側と連
通された瞬間に膨張を開始し、気液二相状態となって流
出口(48)から送り出される。

【００３６】ここで、各ローター（42）に作用する回転
力（即ち回転トルク）は、図４に示すように、ローター
（42）が１８０°回転する毎に周期的に変化する。ま
た、各ローター（42）に作用する回転トルクは、その変
動周期が９０°ずれている。このため、膨張機（22）か
ら圧縮機（21）へ伝達されるトルクは、２つのローター
（42）の回転トルクを重ね合わせたものとなる。

【００３７】膨張機（22）から流出した気液二相状態の
中間圧冷媒は、レシーバタンク（31）へ導入される。そ
の後、この中間圧冷媒は、レシーバタンク（31）から流
出して電動膨張弁（23）へ送られる。電動膨張弁（23）
では、中間圧冷媒が減圧されて低圧冷媒となる。この低
圧冷媒は、第２四路切換弁（14）を通過して室外熱交換
器（12）へ導入される。

【００３８】室外熱交換器（12）では、導入された低圧
冷媒が室外空気と熱交換を行う。この熱交換により、低
圧冷媒が室外空気から吸熱し、そのエンタルピが増大す
る。エンタルピが増大した低圧冷媒は、室外熱交換器
（12）から流出し、第１四路切換弁（13）を通って圧縮
機（21）へ送られる。

【００３９】圧縮機（21）に吸入された冷媒は、圧縮さ
れて高圧冷媒となる。そして、この高圧冷媒が圧縮機
（21）から室内熱交換器（11）へ送られる。

【００４０】《冷房運転》前記空調機の冷房運転時の動
作について、図１を参照しながら説明する。冷房運転時
において、第１四路切換弁（13）及び第２四路切換弁
（14）は、図１に破線で示す状態に切り換わる。また、
通常の冷房運転時には、電動膨張弁（23）が全開され、
バイパス弁（36）の開度が適宜調節される。

【００４１】この状態で圧縮機（21）を駆動すると、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（12）が放熱器として機能
し、室内熱交換器（11）が蒸発器として機能する。

【００４２】具体的に、圧縮機（21）からは、その臨界
圧力以上に圧縮された高圧冷媒が吐出される。圧縮機
（21）から吐出された冷媒は、第１四路切換弁（13）を
通って室外熱交換器（12）へ導入される。

【００４３】室外熱交換器（12）では、導入された高圧
冷媒が室外空気と熱交換を行う。この熱交換により、高
圧冷媒は室外空気に対して放熱し、そのエンタルピが低
下する。室外熱交換器（12）から流出した高圧冷媒は、
第２四路切換弁（14）を通過した後に二手に分流され、
その一方が膨張機（22）へ送られて、残りがバイパス管
路（35）へ流入する。

【００４４】膨張機（22）へ流入した冷媒は、前記ルー
ツ式流体機械(41)により構成される膨張機（22）で膨張
し、その圧力及びエンタルピが低下し、気液二相状態の
低圧冷媒となる。膨張機（22）から流出した低圧冷媒
は、レシーバタンク（31）と全開状態の電動膨張弁（2
3）とを順に通過し、第２四路切換弁（14）を通って室
内熱交換器（11）へ導入される。

【００４５】室内熱交換器（11）では、導入された低圧
冷媒が室内空気と熱交換を行う。この熱交換により、低
圧冷媒が室内空気から吸熱し、そのエンタルピが増大す
る。室内熱交換器（11）から流出した低圧冷媒は、第１
四路切換弁（13）を通って圧縮機（21）へ送られる。一
方、室内熱交換器（11）で低圧冷媒により冷却された室
内空気は、調和空気として室内へ送り返される。

【００４６】圧縮機（21）に吸入された冷媒は、圧縮さ
れて高圧冷媒となる。そして、この高圧冷媒が圧縮機
（21）から室外熱交換器（12）へ送られる。

【００４７】尚、冷房運転時には、運転条件によってバ
イパス弁（36）が全閉される場合もある。この場合に
は、室外熱交換器（12）で放熱した冷媒は、その全てが
膨張機（22）へ導入され、膨張機（22）のみで膨張して
低圧冷媒となる。

【００４８】−実施形態の効果− 本実施形態によれば、以下のような効果が発揮される。
前記のように、本発明に係る膨張機（22）は、ルーツ式
流体機械(41)を用いているため、単純な構造でありなが
ら高圧冷媒の持つエネルギーを動力として高効率に回収
することができる。そして、この得られた動力が圧縮機
（21）の駆動に利用されることにより、冷凍装置の成績
係数の向上を図ることができる。また、図４に示すよう
に、回収される動力のトルク変動が比較的小さいため、
前記圧縮機（21）の駆動軸（51）へ安定した動力を供給
することができる。

【００４９】さらに、三葉式のローター(42)を有するル
ーツ式流体機械(41)を用いることにより、さらにトルク
変動の小さい動力を回収することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態に係る空調機の概略構成図である。

【図２】実施形態に係る膨張機の概略構造図である。

【図３】実施形態に係る膨張機、モータ及び圧縮機の配
置を示す概略構成図である。

【図４】実施形態に係る膨張機から回収される動力のト
ルク変動を示した図である。

【図５】実施形態に係る膨張機の概略構造図である。

【符号の説明】

(10) 冷媒回路 (21) 圧縮機 (22) 膨張機 (23) 電動膨張弁 (31) レシーバタンク (36) バイパス弁 (41) ルーツ式流体機械 (42) ローター

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 矢嶋 龍三郎 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 稲塚 徹 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 原 日出樹 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

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷媒の充填された冷媒回路(10)を備え、
   該冷媒回路(10)に設けられた圧縮機(21)で冷媒を該冷媒
   の臨界圧力以上にまで圧縮して冷凍サイクルを行う冷凍
   装置であって、前記冷媒回路(10)には、ルーツ式流体機
   械(41)が膨張機(22)として設けられたことを特徴とする
   冷凍装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の冷凍装置において、ルー
   ツ式流体機械(41)のローター(42)が二葉式であることを
   特徴とする冷凍装置。
3. 【請求項３】 請求項１記載の冷凍装置において、ルー
   ツ式流体機械(41)のローター(42)が三葉式であることを
   特徴とする冷凍装置。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３記載のいずれかの冷凍装
   置において、冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする
   冷凍装置。