JP2003307358A - 冷凍空調装置 - Google Patents

冷凍空調装置

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JP2003307358A JP2002112015A JP2002112015A JP2003307358A JP 2003307358 A JP2003307358 A JP 2003307358A JP 2002112015 A JP2002112015 A JP 2002112015A JP 2002112015 A JP2002112015 A JP 2002112015A JP 2003307358 A JP2003307358 A JP 2003307358A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】圧縮機全体の動力を大きくすることなく所望の
冷媒圧力を得ることができ、更には、冷凍効果が向上す
る冷凍空調装置を提供する。 【解決手段】二酸化炭素の冷媒を第1圧縮機1a、第1
放熱器2a、膨張機構3a及び吸熱器4に順次循環する
冷媒管5を有し、超臨界状態で第1放熱器2aから熱を
放出する蒸気圧縮式の冷凍空調装置において、吸熱器4
と第1圧縮機1aとの間の冷媒管5に第2圧縮機1bを
設けるとともに、第2圧縮機1bの回転駆動軸6と膨張
機構の回転出力軸6を連係した構造となっている。これ
により、第2圧縮機1bの駆動力が膨張機構3aの冷媒
膨張作用に伴う動力から得ているので、冷媒圧力を所定
圧力まで上昇させために費やされる第1圧縮機1aの動
力が小さくて済む。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、二酸化炭素を冷媒
として使用する冷凍空調装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、この種の二酸化炭素(CO2)を
冷媒として使用する冷凍空調装置として図7に示す冷凍
空調装置が一般的に知られている。
【0003】この冷凍空調装置は圧縮機1、放熱器2、
膨張弁3及び吸熱器4を有し、CO 2冷媒を圧縮機1→
放熱器2→膨張弁3→吸熱器4→圧縮機1と矢印に示す
よう順次循環させることにより、室内の冷房等の空調を
行っている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところで、CO2冷媒
を使用する冷凍空調装置で、大気に熱放出を行う方式の
ものにあっては、外気温度が高いときでも所定の冷凍能
力を確保するために、高い吐出圧力が得られる圧縮機が
必要となる。
【0005】即ち、これを図8のCO2モリエル線図で
説明すれば、室内冷房運転において、圧縮機1はCO2
冷媒を飽和液腺及び飽和蒸気線の臨界点を越えた、例え
ば100kg/cm2まで圧縮する(図5のA→B)。次い
で、この圧縮されたCO2冷媒を放熱器2で大気に放熱
し(図5のB→C)、更にこの放熱されたCO2冷媒を
膨張弁3で等エンタルピ線に沿って膨張させ圧力降下さ
せる(図5のC→D)。この圧力降下により湿り蒸気と
なったCO2冷媒を吸熱器4で吸熱し、室内を冷却する
(図5のD→A)。
【0006】このように、CO2冷媒を使用する装置に
あっては、圧縮機1として冷凍能力の大きいものを用い
ているが、フロン系、ハイドロカーボン系の冷媒を用い
る冷凍空調装置と比較し、圧縮機1の動力が大きい割に
は効率が悪く、実用化されているのは加熱側を利用する
給湯器だけとなっていた。
【0007】本発明の目的は前記従来の課題に鑑み、圧
縮機全体の動力を大きくすることなく所望の冷媒圧力を
得ることができ、更には冷凍効果が向上する冷凍空調装
置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は前記課題を解決
するため、請求項1の発明は、二酸化炭素の冷媒を圧縮
機、放熱器、膨張機構及び吸熱器に順次循環する冷媒管
路を有し、超臨界状態で放熱器から熱を放出する蒸気圧
縮式の冷凍空調装置において、吸熱器と圧縮機との間の
冷媒管路に他の圧縮機を設けるとともに、他の圧縮機の
回転駆動軸と膨張機構の回転出力軸を連係した構造とな
っている。
【0009】請求項1の発明によれば、CO2冷媒は他
方の圧縮機→一方の圧縮機→放熱器→膨張機構→吸熱器
→他方の圧縮機、と順次循環し室内冷房等を行う。
【0010】この冷凍サイクルで、他方の圧縮機の駆動
力が膨張機構の冷媒膨張作用に伴う動力から得ているの
で、一方の圧縮機の動力が小さくて済み、これに伴い、
外部から投入すべきエネルギーが小さくなる。
【0011】請求項2の発明は、請求項1の冷凍空調装
置において、他の圧縮機のガス吸入口とガス吐出口の冷
媒管路に接続して他方の圧縮機を迂回するバイパス管路
を設けるとともに、バイパス管路に開閉弁を設けた構造
となっている。
【0012】請求項2の発明によれば、冷凍空調装置の
運転始動時に開閉弁を開く。これにより、一方の圧縮機
の吸入側にはバイパス管路を通じてCO2冷媒が吸入さ
れ、膨張機構の吸入側の圧力が速やかに上昇する。この
圧力上昇に伴い、膨張機構が駆動し、更には他方の圧縮
機が駆動する。そして、膨張機構及び他方の圧縮機が駆
動した後、開閉弁を閉じる。これにより、前記請求項1
の発明と同様に各圧縮機によるCO2冷媒の2段圧縮が
行われる。
【0013】請求項3の発明は、請求項1又は請求項2
の冷凍空調装置において、他方の圧縮機と膨張機構をス
クロール式圧縮・膨張機構で構成している。この発明に
よれば、膨張機構では等エントロピ線に沿って断熱膨張
するため、冷凍効果が向上する。
【0014】請求項4の発明は、請求項1乃至請求項3
の冷凍空調装置において、一方の圧縮機と他方の圧縮機
との間の冷媒管路に他の放熱器を設けた構造となってい
る。
【0015】請求項4の発明によれば、CO2冷媒は他
方の圧縮機→他の放熱器→一方の圧縮機→一方の放熱器
→膨張機構→吸熱器→他方の圧縮機、と順次循環し室内
冷房等を行う。
【0016】この冷凍サイクルでは、他方の圧縮機で圧
縮した後に一旦他方の放熱器で放熱し、次いで更に一方
の圧縮機で圧縮して所定圧力を得た後、一方の放熱器で
放熱する構造となっている。
【0017】ここで、従来の圧縮機の動力(一個の圧縮
機で所定圧力まで上昇させために費やされる動力)と本
発明の圧縮機の動力(2台の圧縮機で所定圧力まで上昇
させるために費やされる動力)とを比較するとき、本発
明に係る他方の放熱器で一部放熱され、一方の圧縮機で
圧縮する際にエンタルピが低くなった分(一方の圧縮機
おける等エントロピ線の傾きが大きくなった分)、その
動力が小さくなる。
【0018】
【発明の実施の形態】図1乃至図3は本発明に係る冷凍
空調装置の第1実施形態を示すもので、図1は冷凍空調
装置の冷媒回路図、図2は第2圧縮機と膨張機構との連
係構造を示す概略図、図3は冷凍空調装置のCO2モリ
エル線図である。なお、図7及び図8で既に説明した従
来例と同一構成部分は同一符号をもって表す。
【0019】この冷凍空調装置はCO2を冷媒として使
用するもので、図1に示すように、一方の圧縮機(以
下、第1圧縮機という)1a、一方の放熱器(以下、第
1放熱器という)2a、膨張機構3a、吸熱器4及び他
方の圧縮機(以下、第2圧縮機という)1b、を順次冷
媒管5で接続し、図1の実線矢印に示すように、CO2
冷媒を第2圧縮機1b→第1圧縮機1a→第1放熱器2
a→膨張機構3a→吸熱器4→第2圧縮機1bと順次循
環し、吸熱器4の吸熱作用により室内冷房を行ってい
る。
【0020】このように構成された冷凍空調装置におい
て、第2圧縮機1b及び膨張機構3aは図2に示すよう
に構成されている。即ち、第2圧縮機1b及び膨張機構
3aは共にスクロール式の圧縮・膨張機構を採用してい
る。まず、第2圧縮機1bはガス吸入口11を外側にガ
ス吐出口12を中央にそれぞれ有するもので、旋回スク
ロール13を図2の矢印方向(図2に向かって右回り)
に回転してガス吸入口11から流入したCO2冷媒を固
定スクロール14との間で圧縮し、ガス吐出口12から
吐出する構成となっている。
【0021】一方、膨張機構3aは前記第2圧縮機1b
とは逆の構成、即ちガス吐出口31を外側にガス吸入口
32を内側にそれぞれ有し、旋回スクロール33を図2
の矢印方向(図2に向かって左回り)に回転してガス吸
入口32から流入したCO2冷媒を固定スクロール34
との間で膨張させ、ガス吐出口31から吐出する構成と
なっている。
【0022】更に、第2圧縮機1bの回転駆動軸と膨張
機構3aの回転出力軸は図2に示すようにシャフト6で
連結しており、膨張機構3aの駆動により第2圧縮機1
bが駆動する構成となっている。
【0023】次に本実施形態に係る冷凍空調装置の駆動
状態を説明する。まず、第1圧縮機1aを稼働するとき
CO2冷媒が圧縮され、第1放熱器2aを通じて膨張機
構3aのガス吸入口32にその圧力がかかり、これに伴
い、膨張機構3aが回転する。そして、この膨張機構3
aの回転力により第2圧縮機1bが回転する。
【0024】このように第1及び第2圧縮機1a,1b
及び膨張機構3aが駆動することにより、CO2冷媒が
第2圧縮機1bで圧縮され、更に第1圧縮機1aで圧縮
され、この2段圧縮された冷媒が室外に設置された第1
放熱器2aで放熱される。この放熱されたCO2冷媒は
膨張機構3aで減圧され、更に室内側に設置された吸熱
器4で吸熱し、第2圧縮機1bに吸入される。
【0025】以上のような冷凍空調装置の冷却サイクル
を図3のモリエル線図で説明すると、第2圧縮機1bで
CO2冷媒が例えば40kg/cm2からP1kg/cm2まで圧縮
される(A→B1)。そして、第1圧縮機1aでは更に
P1kg/cm2から100kg/cm2程度まで圧縮される(B1
→B)。次いで、第1放熱器2aで放熱され(B→
C)、その後膨張機構3aで等エントロピ線に沿って1
00kg/cm2から40kg/cm2に減圧される(C→D1)。
そして、この減圧されたCO2冷媒が再度第2圧縮機1
bに循環される(D1→A)。
【0026】ここで、図3に示すA→B→C→Dは従来
例(第1圧縮機1aのみで40kg/cm2から100kg/cm2
間で圧力を変化させる例)を示し、また、(h)はエン
タルピを示しており、以下、本実施形態に係る冷凍空調
装置の冷却作用を従来例に係る冷凍空調装置の冷却作用
と比較して説明する。
【0027】即ち、従来の冷凍空調装置の圧縮機の動力
は、WA1=(hB−hA)であり、一方、本実施形態
に係る冷凍空調装置の圧縮機1aの動力は、WA2=
(hB−hB1)である。また、従来の冷凍空調装置の
冷凍効果は、WB1=(hA−hD)であり、一方、本
実施形態に係る冷凍空調装置の冷凍効果は、WB2=
(hA−hD1)であり、更に、従来の冷凍空調装置の
成績係数は、εγ1=WB1/WA1であり、本実施形
態に係る冷凍空調装置の成績係数は、εγ2=WB2/
WA2である。ここで、WA1>WA2かつWB1<W
B2であるから、εγ1<εγ2となる。
【0028】従って、本実施形態に係る冷凍空調装置は
従来の冷凍空調装置と比較し、動力が小さくて済み、ま
た、成績係数の点でも優れたものとなっている。更に、
本実施形態に係る冷凍空調装置の膨張機構3aはCO2
冷媒を断熱膨張するため、等エントロピ線上に沿って変
化し、冷凍効果も向上している。
【0029】図4は冷凍空調装置の第2実施形態を示す
ものである。なお、前記第1実施形態と同一構成部分は
同一符号で示し、その説明を省略する。
【0030】第2実施形態では前記第2圧縮機1bを設
置する冷媒管5に、この第2圧縮機1bを迂回するバイ
パス管7を設置している。この構造を詳述すれば、バイ
パス管7は、その一端を第2圧縮機1bのガス吸入口3
1側の冷媒管5に接続し、他端を第2圧縮機1bのガス
吐出口32側の冷媒管5に接続している。また、バイパ
ス管7の途中には開閉弁8を設置している。
【0031】本実施形態によれば、第1圧縮機1aの運
転開始時に開閉弁8を開く。これにより、図4の実線矢
印に示すように、第1圧縮機1aの吸入側にはバイパス
管7を通じてCO2冷媒が吸入され、膨張機構3aの吸
入側の圧力が上昇する。この圧力上昇に伴い、膨張機構
3aが駆動し、更には第2圧縮機1bが駆動する。そし
て、膨張機構3a及び第2圧縮機3bが駆動した後、開
閉弁を閉じる。これにより、図4の一点鎖線矢印に示す
ように、CO2冷媒の全てが第2圧縮機1bに循環し、
定常運転に移行する。
【0032】このようにバイパス管7と開閉弁8を設け
ることにより、第1圧縮機1aを運転開始した際、膨張
機構3aの吸入圧力を速やかに上昇させることができ、
定常運転への移行が短時間でかつ円滑に行われる。
【0033】図5及び図6は冷凍空調装置の第3実施形
態を示すものである。なお、前記第2実施形態と同一構
成部分は同一符号で示し、その説明を省略する。
【0034】第3実施形態では前記第1圧縮機1aと第
2圧縮機1bとの間の冷媒管5に第2放熱器2bを設置
している。この実施形態によれば、第1圧縮機1aの運
転開始時に開閉弁8を開く。これにより、図5の実線矢
印に示すように、第1圧縮機1aの吸入側にはバイパス
管7及び第2放熱器2bを通じてCO2冷媒が吸入さ
れ、膨張機構3aの吸入側の圧力が上昇する。この圧力
上昇に伴い、膨張機構3aが駆動し、更には第2圧縮機
1bが駆動する。そして、膨張機構3a及び第2圧縮機
3bが駆動した後、開閉弁を閉じる。これにより、図5
の一点鎖線矢印に示すように、CO2冷媒の全てが第2
圧縮機1bに循環し、定常運転に移行する。
【0035】このような定常運転の冷却サイクルを図6
のモリエル線図で説明すると、第2圧縮機1bでCO2
冷媒が例えば40kg/cm2からP2kg/cm2まで圧縮される
(A→B1)。この圧縮されたCO2冷媒は第2放熱器
2bで放熱される(C1→B2)。この放熱されたCO
2冷媒は第1圧縮機1aで更にP2kg/cm2から100kg/
cm2程度まで圧縮される(C1→B2)。次いで、第1
放熱器2aで放熱され(B2→C)、その後膨張機構3
aで等エントロピ線に沿って100kg/cm2から40kg/c
m2に減圧される(C→D1)。この減圧されたCO2
媒が再度第2圧縮機1bに循環される(D1→A)。
【0036】ここで、図6に示すA→B→C→D1は前
記第1実施形態にかかる冷凍空調装置の冷媒変化を示す
もので、以下、本実施形態に係る冷凍空調装置の冷却作
用を前記第1実施形態に係る冷凍空調装置の冷却作用と
比較して説明する。
【0037】即ち、前記第1実施形態に係る冷凍空調装
置の圧縮機1aの動力は、WA2=(hB−hB1)で
あり、本実施形態に係る冷凍空調装置の圧縮機1aの動
力は、WA3=(hB2−hC1)である。ここで、W
A2>WA3となっている。なぜなら、第1圧縮機1a
に吸入される冷媒が第2放熱器2bで一部放熱され、エ
ンタルピが小さくなった分(第1圧縮機1aにおける等
エントロピ線の傾きが第2圧縮機1bのそれより大きく
なった分)、その動力が小さくなるからである。
【0038】従って、本実施形態に係る冷凍空調装置に
おいては圧縮機1aの動力が更に小さくなり、省エネに
優れたものとなっている。
【0039】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
圧縮機の動力が小さくて済み、また、冷凍効果の大きな
冷凍空調装置を実現することができる。
【0040】また、圧縮機の回転駆動軸と膨張機構の回
転出力軸を連係し膨張機構での冷媒膨張作用に伴う動力
を、他方の圧縮機の冷媒圧縮作用に利用でき、運転コス
トが安くなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施形態に係る冷凍空調装置の冷媒回路図
【図2】第1実施形態に係る第2圧縮機と膨張機構との
連係構造を示す概略図
【図3】第1実施形態に係る冷凍空調装置のCO2モリ
エル線図
【図4】第2実施形態に係る冷凍空調装置の冷媒回路図
【図5】第3実施形態に係る冷凍空調装置の冷媒回路図
【図6】第3実施形態に係る冷凍空調装置のCO2モリ
エル線図
【図7】従来の冷凍空調装置の冷媒回路図
【図8】従来の冷凍空調装置のCO2モリエル線図
【符号の説明】
1a…第1圧縮機、1b…第2圧縮機、2a…第1放熱
器、2b…第2放熱器、3a…膨張機構、4…吸熱器、
5…冷媒管、7…バイパス管、8…開閉弁。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 二酸化炭素の冷媒を圧縮機、放熱器、膨
    張機構及び吸熱器に順次循環する冷媒管路を有し、超臨
    界状態で放熱器から熱を放出する蒸気圧縮式の冷凍空調
    装置において、 前記吸熱器と前記圧縮機との間の冷媒管路に他の圧縮機
    を設けるとともに、該他の圧縮機の回転駆動軸と前記膨
    張機構の回転出力軸を連係したことを特徴とする冷凍空
    調装置。
  2. 【請求項2】 前記他の圧縮機のガス吸入口とガス吐出
    口の冷媒管路に接続して該他方の圧縮機を迂回するバイ
    パス管路を設けるとともに、該バイパス管路に開閉弁を
    設けたことを特徴とする請求項1記載の冷凍空調装置。
  3. 【請求項3】 前記他の圧縮機と前記膨張機構をスクロ
    ール式圧縮・膨張機構で構成したことを特徴とする請求
    項1又は請求項2記載の冷凍空調装置。
  4. 【請求項4】 前記一方の圧縮機と前記他方の圧縮機と
    の間の冷媒管路に他の放熱器を設けたことを特徴とする
    請求項1乃至請求項3のいずれか一項記載の冷凍空調装
    置。
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