JP2007205596A

JP2007205596A - 空気調和装置

Info

Publication number: JP2007205596A
Application number: JP2006022519A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Ebara; 俊行江原
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2006-01-31
Filing date: 2006-01-31
Publication date: 2007-08-16

Abstract

【課題】暖房用熱交換器にて熱源の廃熱を被調和室の暖房に利用するための廃熱利用回路と、冷媒として二酸化炭素を用い、高圧側が超臨界圧力となる冷媒回路と、廃熱利用回路を熱源から暖房用熱交換器に流れる流体と冷媒回路の冷媒とを熱交換させるカスケード熱交換器とから構築される空気調和装置の性能及び効率を改善する。
【解決手段】内部熱交換器としての暖房用補助熱交換器１７を出た一方の冷媒の温度−暖房用補助熱交換器１７に入る一方の冷媒の温度が２０Ｋ以下となり、且つ、圧縮機１１の中間圧部の冷媒の過熱度が２Ｋ以上となるように補助減圧装置としての暖房用補助膨張弁１５の開度を制御する。
【選択図】図１２

Description

本発明は、暖房用熱交換器にて熱源の廃熱を被調和室の暖房に利用するための廃熱利用回路と、冷媒として二酸化炭素を用い、高圧側が超臨界圧力となる冷媒回路と、廃熱利用回路を熱源から暖房用熱交換器に流れる流体と冷媒回路の冷媒とを熱交換させるカスケード熱交換器とから構築される空気調和装置に関するものである。

従来、この種空気調和装置は、暖房用熱交換器にてＨＥＶ、ＦＣＶカーエアコンやＦＣコージェネシステムなどの熱源の廃熱を被調和室の暖房に利用するための廃熱利用回路と、圧縮機、被調和室外に設けられた吸熱器、減圧装置及び被調和室を冷房するための冷房用熱交換器を備えた冷媒回路と、廃熱利用回路を熱源から暖房用熱交換器に流れるエチレングリコールなどの流体と冷媒回路の冷媒とを熱交換させるカスケード熱交換器等から構成される。当該廃熱利用回路には循環ポンプが設けられており、当該循環ポンプを作動することにより廃熱利用回路内に流体を循環するものとされていた。

また、熱源への流体の流通は電磁弁などにより制御されて、暖房運転時に熱源の廃熱を被調和室の暖房に利用する場合に当該熱源に流体を流し、熱源と熱交換して加熱された流体を暖房用熱交換器に流して被調和室を暖房していた。また、起動時など熱源が加熱する以前には、熱源への流体の流通が停止され、カスケード熱交換器において、圧縮機にて圧縮された冷媒と廃熱利用回路を流れる流体とを熱交換させて流体を加熱し、加熱された流体を暖房用熱交換器に流して被調和室を暖房するものとされていた。

そして、暖房運転時には、カスケード熱交換器において、圧縮機にて圧縮された冷媒と廃熱利用回路を流れる流体とを熱交換させて流体を加熱し、加熱された流体を暖房用熱交換器に流して被調和室を暖房すると共に、カスケード熱交換器にて放熱した冷媒を減圧装置にて減圧した後、被調和室外に設けられた吸熱器にて蒸発させていた。また、熱源の冷却を行う場合には、前期カスケード熱交換器における加熱に加え、当該熱源からの熱が流体に与えられて、被調和室の暖房に利用されていた。

ところで、近年、地球環境問題からこの種空気調和装置においても冷媒として自然冷媒である二酸化炭素が使用されてきている。この二酸化炭素は温暖化係数が１と良好な特性を有するため、フロン系冷媒の代替品として注目されつつある。しかしながら、当該二酸化炭素冷媒は臨界点が約７．３１ＭＰａ、３１．１℃であり、冷媒回路の高圧側圧力が超臨界領域に達しやすい。特に、前記熱源の冷却循環により流体の温度が上昇すると、冷媒と流体との熱交換能力が低下するため、冷媒放熱後（カスケード熱交換器出口）の温度が上昇し、それに伴い冷暖房能力が低下して、効率が著しく悪化する問題が生じていた。

このような効率の悪化を解消するために、冷媒回路に熱交換器を追加して設置し、カスケード熱交換器で放熱した冷媒を当該熱交換器に流して、冷媒と周囲の空気（例えば、被調和室の空気など）とを熱交換させることにより、冷媒を更に放熱させて、エンタルピー差を増加させたものも開発されている（特許文献１）。
特開２００２−９８４３０号公報

しかしながら、当該熱交換器にて冷媒と熱交換する空気（例えば、被調和室など）の温度が上昇すると、係る放熱効果が得られなくなってしまい、効率が著しく悪化する不都合が生じていた。また熱交換器を設けることで装置が大型化すると共に、コストが増大する不都合が生じていた。

一方、低外気温の暖房運転時には効率に拘わらず、被調和室を早期に暖房して快適性を確保する必要があった。

本発明は、係る従来技術の課題を解決するために成されたものであり、暖房用熱交換器にて熱源の廃熱を被調和室の暖房に利用するための廃熱利用回路と、冷媒として二酸化炭素を用い、高圧側が超臨界圧力となる冷媒回路と、廃熱利用回路を熱源から暖房用熱交換器に流れる流体と冷媒回路の冷媒とを熱交換させるカスケード熱交換器とから構築される空気調和装置の性能及び効率を改善することを目的とする。

請求項１の発明の空気調和装置は、熱源と暖房用熱交換器とに流体を循環させ、当該暖房用熱交換器にて熱源の廃熱を被調和室の暖房に利用するための廃熱利用回路と、冷媒として二酸化炭素を用い、高圧側が超臨界圧力となる冷媒回路と、廃熱利用回路を熱源から暖房用熱交換器に流れる流体と冷媒回路の冷媒とを熱交換させるカスケード熱交換器とから構築され、冷媒回路は、圧縮機、カスケード熱交換器、分流器、補助減圧装置、内部熱交換器、主減圧装置及び被調和室外に設けられた吸熱器とを備え、圧縮機から吐出された冷媒をカスケード熱交換器に流し、当該カスケード熱交換器を出た冷媒を分流器にて分流し、一方の冷媒を補助減圧装置から内部熱交換器に流してカスケード熱交換器から出た後の冷媒と熱交換させた後、圧縮機の中間圧部に吸い込ませ、分流した他方の冷媒を主減圧装置から吸熱器に流した後、圧縮機の低圧部に吸い込ませると共に、内部熱交換器を出た一方の冷媒の温度−内部熱交換器に入る一方の冷媒の温度が２０Ｋ以下となり、且つ、圧縮機の中間圧部の冷媒の過熱度が２Ｋ以上となるように補助減圧装置の開度を制御することを特徴とする。

請求項２の発明の空気調和装置は、熱源と暖房用熱交換器とに流体を循環させ、当該暖房用熱交換器にて熱源の廃熱を被調和室の暖房に利用するための廃熱利用回路と、冷媒として二酸化炭素を用い、高圧側が超臨界圧力となる冷媒回路と、廃熱利用回路を熱源から暖房用熱交換器に流れる流体と冷媒回路の冷媒とを熱交換させるカスケード熱交換器とから構築され、冷媒回路は、圧縮機、カスケード熱交換器、分流器、補助減圧装置、内部熱交換器、主減圧装置及び被調和室外に設けられた吸熱器とを備え、圧縮機から吐出された冷媒をカスケード熱交換器に流し、当該カスケード熱交換器を出た冷媒を分流器にて分流し、一方の冷媒を補助減圧装置から内部熱交換器に流してカスケード熱交換器から出た後の冷媒と熱交換させた後、圧縮機の中間圧部に吸い込ませ、分流した他方の冷媒を主減圧装置から吸熱器に流した後、圧縮機の低圧部に吸い込ませると共に、圧縮機は低段側圧縮手段と高段側圧縮手段とを備え、吸熱器又は冷房用熱交換器を出た冷媒を低段側圧縮手段に吸い込ませ、該低段側圧縮手段にて圧縮された中間圧の冷媒を、内部熱交換器を出た一方の冷媒と共に高段側圧縮手段に吸い込ませると共に、高段側圧縮手段に吸い込まれる冷媒の温度−低段側圧縮手段から吐出された冷媒の温度が正の値であり、且つ、高段側圧縮手段に吸い込まれる冷媒の過熱度が２Ｋ以上となるように補助減圧装置の開度を制御することを特徴とする。

請求項３の発明では、上記各発明において内部熱交換器は、補助減圧装置を経た一方の冷媒と、カスケード熱交換器から出て且つ分流器にて分流される前の冷媒とを熱交換させることを特徴とする。

請求項１の発明の空気調和装置によれば、熱源と暖房用熱交換器とに流体を循環させ、当該暖房用熱交換器にて熱源の廃熱を被調和室の暖房に利用するための廃熱利用回路と、冷媒として二酸化炭素を用い、高圧側が超臨界圧力となる冷媒回路と、廃熱利用回路を熱源から暖房用熱交換器に流れる流体と冷媒回路の冷媒とを熱交換させるカスケード熱交換器とから構築され、冷媒回路は、圧縮機、カスケード熱交換器、分流器、補助減圧装置、内部熱交換器、主減圧装置及び被調和室外に設けられた吸熱器とを備え、圧縮機から吐出された冷媒をカスケード熱交換器に流し、当該カスケード熱交換器を出た冷媒を分流器にて分流し、一方の冷媒を補助減圧装置から内部熱交換器に流してカスケード熱交換器から出た後の冷媒と熱交換させた後、圧縮機の中間圧部に吸い込ませ、分流した他方の冷媒を主減圧装置から吸熱器に流した後、圧縮機の低圧部に吸い込ませると共に、内部熱交換器を出た一方の冷媒の温度−内部熱交換器に入る一方の冷媒の温度が２０Ｋ以下となり、且つ、圧縮機の中間圧部の冷媒の過熱度が２Ｋ以上となるように補助減圧装置の開度を制御するので、分流器で分流して内部熱交換器で加熱された冷媒を圧縮機の中間圧部に戻すことにより、冷媒回路を流れる冷媒の循環量を増やすことなく、カスケード熱交換器に流れる冷媒量を増加させることができる。これにより、カスケード熱交換器において流体と熱交換する冷媒量が増加し、当該カスケード熱交換器における熱交換能力の向上を図ることができる。

特に、内部熱交換器を出た一方の冷媒の温度−内部熱交換器に入る一方の冷媒の温度が２０Ｋ以下となり、且つ、圧縮機の中間圧部の冷媒の過熱度が２Ｋ以上となるように補助減圧装置の開度を制御することで、圧縮機の中間圧部に戻る冷媒量を増加させて、且つ、当該冷媒が液バックする不都合も解消することができるようになる。

これにより、圧縮機の信頼性の確保しながら、暖房能力の向上を図ることが可能となる。

請求項２の発明の空気調和装置によれば、熱源と暖房用熱交換器とに流体を循環させ、当該暖房用熱交換器にて熱源の廃熱を被調和室の暖房に利用するための廃熱利用回路と、冷媒として二酸化炭素を用い、高圧側が超臨界圧力となる冷媒回路と、廃熱利用回路を熱源から暖房用熱交換器に流れる流体と冷媒回路の冷媒とを熱交換させるカスケード熱交換器とから構築され、冷媒回路は、圧縮機、カスケード熱交換器、分流器、補助減圧装置、内部熱交換器、主減圧装置及び被調和室外に設けられた吸熱器とを備え、圧縮機から吐出された冷媒をカスケード熱交換器に流し、当該カスケード熱交換器を出た冷媒を分流器にて分流し、一方の冷媒を補助減圧装置から内部熱交換器に流してカスケード熱交換器から出た後の冷媒と熱交換させた後、圧縮機の中間圧部に吸い込ませ、分流した他方の冷媒を主減圧装置から吸熱器に流した後、圧縮機の低圧部に吸い込ませると共に、圧縮機は低段側圧縮手段と高段側圧縮手段とを備え、吸熱器又は冷房用熱交換器を出た冷媒を低段側圧縮手段に吸い込ませ、該低段側圧縮手段にて圧縮された中間圧の冷媒を、内部熱交換器を出た一方の冷媒と共に高段側圧縮手段に吸い込ませると共に、高段側圧縮手段に吸い込まれる冷媒の温度−低段側圧縮手段から吐出された冷媒の温度が正の値であり、且つ、高段側圧縮手段に吸い込まれる冷媒の過熱度が２Ｋ以上となるように補助減圧装置の開度を制御するので、流器で分流して内部熱交換器で加熱された冷媒を圧縮機の中間圧部に戻すことにより、冷媒回路を流れる冷媒の循環量を増やすことなく、カスケード熱交換器に流れる冷媒量を増加させることができる。これにより、カスケード熱交換器において流体と熱交換する冷媒量が増加し、当該カスケード熱交換器における熱交換能力の向上を図ることができる。

特に、高段側圧縮手段に吸い込まれる冷媒の温度−低段側圧縮手段から吐出された冷媒の温度が正の値であり、且つ、高段側圧縮手段に吸い込まれる冷媒の過熱度が２Ｋ以上となるように補助減圧装置の開度を制御することで、圧縮機の中間圧部に戻る冷媒量を増加させて、且つ、当該冷媒が液バックする不都合も解消することができるようになる。

請求項３の発明の空気調和装置によれば、上記各発明において内部熱交換器は、補助減圧装置を経た一方の冷媒と、カスケード熱交換器から出て且つ分流器にて分流される前の冷媒とを熱交換させることで、暖房運転時において、吸熱器に入る冷媒の比エンタルピーを小さくすることができるので、当該吸熱器における吸熱能力も向上して、暖房能力をより一層向上させることができる。

以上詳述したように、本発明により二酸化炭素冷媒を用いた空気調和装置の性能を改善することができるようになる。

以下、図面に基づき本発明の空気調和装置の実施形態を詳述する。

図１は本発明の一実施例の空気調和装置の模式図を示している。本実施例の空気調和装置は、カーエアコンとして使用されるものであり、廃熱利用回路１と、冷媒回路１０と、廃熱利用回路１を流れる流体と冷媒回路１０を流れる冷媒とを熱交換させるためのカスケード熱交換器１２とから構築されている。上記廃熱利用回路１は、ＨＥＶ或いはＦＣＶなどのエンジンから成る熱源２の廃熱を被調和室としての車室内の暖房に利用するためのものであり、熱源２と暖房用熱交換器４とを環状に配管接続することにより構成されており、循環ポンプ５により配管内を流れる流体を循環するように構成されている。

即ち、熱源２の出口に接続された配管２Ａは前記カスケード熱交換器１２の通路１２Ｂの入口に接続され、通路１２Ｂの出口に接続された配管３は暖房用熱交換器４の入口に接続される。暖房用熱交換器４を出た配管４Ａは循環ポンプ５の入口に接続され、循環ポンプ５の出口には配管５Ａの一端が接続されて、配管５Ａの他端は三方弁８の入口に至る。この三方弁８は、循環ポンプ５にて循環される流体を熱源２に流すか、否かを制御するための流路制御手段であり、図示しない制御手段にて制御されている。

そして、当該三方弁８の一方の出口は配管５Ｂを介して、熱源２の入口に接続され、他方の出口はバイパス配管７Ａの一端に接続される。当該バイパス配管７Ａは、循環ポンプ５にて循環される流体を熱源２を迂回してカスケード熱交換器１２及び暖房用熱交換器４に順次流すための配管であり、当該バイパス配管７Ａの他端は配管２Ａの前記カスケード熱交換器１２の上流側に位置する配管２Ａの途中部に接続される。

そして、前記制御手段により熱源２始動直後などの熱源２の温度が低い場合には、配管５Ａからの流体がバイパス配管７Ａに流れるように三方弁８が制御される。また、熱源２の温度が上昇し、例えば、熱源２が予め設定された所定の温度に上昇すると、制御手段により配管５Ａからの流体が配管５Ｂに流れるように三方弁８が制御される。

尚、本実施例では空気調和装置をカーエアコンとして使用し、熱源をＨＥＶ或いはＦＣＶ等のエンジンとしたが、本発明の空気調和装置はカーエアコンに適用する以外にも、コージェネシステムなどとして使用することも可能であり、この場合の熱源としてはＦＣ等が挙げられる。

一方、前記冷媒回路１０は冷媒として二酸化炭素が使用され、高圧側が超臨界圧力となる冷媒回路であり、圧縮機１１、カスケード熱交換器１２、分流器としての暖房用分流器１３及び冷房用分流器１４、補助減圧装置としての暖房用補助膨張弁１５及び冷房用補助膨張弁１６、内部熱交換器としての暖房用補助熱交換器１７及び冷房用補助熱交換器１８、主減圧装置としての暖房用膨張弁２０及び冷房用膨張弁２１、車室外に設けられた吸熱器としての室外熱交換器２３と、車室内を冷房するための冷房用熱交換器２４等とから構成されている。

圧縮機１１は、密閉容器３０内に図示しない駆動要素と、この駆動要素の駆動軸にて駆動される低段側圧縮手段としての第１の圧縮要素３２と、高段側圧縮手段としての第２圧縮要素３４を収納して成る多段（２段）圧縮式のコンプレッサである。そして、室外熱交換器２３或いは冷房用熱交換器２４から出た冷媒を第１の圧縮要素３２に吸い込ませて圧縮し、当該第１の圧縮要素３２にて圧縮された中間圧の冷媒を密閉容器３０内に吐出させた後、後述する暖房用補助回路７０の暖房用補助熱交換器１７或いは冷房用補助回路７５の冷房用補助熱交換器１８から出た一方の冷媒と合流させ、第２の圧縮要素３４に吸い込ませて圧縮されるように構成されている。本実施例では、第１の圧縮要素３２に対する第２の圧縮要素３４の排除容積比が７０％以上８５％以下の圧縮機１１を使用するものとする。

第１の圧縮要素３２の吸込側には、冷媒導入管４０の一端が接続されており、ここから低段側圧縮手段となる第１の圧縮要素３２内に低温低圧の冷媒ガスが導入される。当該冷媒導入管４０の他端は２つに分岐して、一方の配管４０Ａは冷房用熱交換器２４の出口に接続され、他方の配管４０Ｂは電磁弁２７を介して冷房用分流器１４の他方の出口に接続された冷媒配管５８の途中部に接続される。

また、第２の圧縮要素３４の吐出側には、冷媒吐出管４２の一端が接続されており、当該冷媒吐出管４２から高段側となる第２の圧縮要素３４にて圧縮された高温高圧の冷媒ガスが圧縮機１１の外部に吐出される。冷媒吐出管４２はカスケード熱交換器１２の通路１２Ａに接続される。カスケード熱交換器１２は圧縮機１１から出た冷媒回路１０を流れる高温高圧の冷媒ガスと、廃熱利用回路１を流れる流体とを熱交換するためのものであり、前記通路１２Ａと通路１２Ｂとが熱交換可能に配設されている。そして、カスケード熱交換器１２の通路１２Ａを圧縮機１１から出た高温高圧の冷媒ガスが流れ、通路１２Ｂを廃熱利用回路１の流体が流れる。また、カスケード熱交換器１２の一端には通路１２Ａの入口と通路１２Ｂの出口がそれぞれ形成され、他端には通路１２Ａの出口と通路１２Ｂの出口がそれぞれ形成されている。従って、カスケード熱交換器１２において、配管１２Ａを流れる冷媒回路１０の冷媒と配管１２Ｂを流れる廃熱利用回路１の流体が対向流となる。

一方、カスケード熱交換器１２の通路１２Ａを出た冷媒配管４３は暖房用補助熱交換器１７の通路１７Ａの入口に接続される。当該暖房用補助熱交換器１７は後述する暖房運転時にカスケード熱交換器１２から出た後の冷媒と、暖房用分流器１３にて分流され、暖房用補助回路７０に設けられた暖房用補助膨張弁１５にて減圧された冷媒（暖房用分流器１３にて分流された一方の冷媒）とを熱交換するためのものであり、当該通路１７Ａと通路１７Ｂとが熱交換可能に配置されている。そして、暖房運転時に暖房用補助熱交換器１７の通路１７Ａをカスケード熱交換器１２から出た後の冷媒が流れ、通路１７Ｂを暖房用分流器１３にて分流され、暖房用補助回路７０に流入し、暖房用補助膨張弁１５にて減圧された冷媒が流れる。また、当該暖房用熱交換器１７において、前記通路１７Ａを流れる冷媒と通路１７Ｂを流れる冷媒の流れが対向流となるように、暖房用補助熱交換器１７の一端に通路１７Ａの入口と通路１７Ｂの出口が形成され、他端に通路１７Ａの出口と通路１７Ｂの出口が形成されている。

上記暖房用補助熱交換器１７の通路１７Ａの出口に接続された冷媒配管４５は暖房用分流器１３の入口に接続される。当該暖房用分流器１３は、暖房運転時に暖房用補助熱交換器１７から出た冷媒を第１の冷媒流（一方の冷媒）と第２の冷媒流（他方の冷媒）の２つの冷媒流に分流するための冷媒分岐手段であり、当該暖房用分流器１３の一方の出口には第１の冷媒流（一方の冷媒）のための暖房用補助回路７０の冷媒配管４７が接続されている。また、暖房用分流器１３の他方の出口には第２の冷媒流（他方の冷媒）のための冷媒配管４８が接続されている。

前記暖房用補助回路７０は、前記暖房用分流器１３にて分流された一方の冷媒を減圧して膨張した後に圧縮機１１の中間圧部としての密閉容器３０内に吸い込ませるための回路であり、当該暖房用補助回路７０には、暖房用分流器１３にて分流された一方の冷媒を減圧するための暖房用補助膨張弁１５が設けられている。即ち、暖房用分流器１３の一方の出口に接続された冷媒配管４７は、暖房用補助膨張弁１５の入口に接続される。そして、当該暖房用補助膨張弁１５の出口は、暖房用補助熱交換器１７の通路１７Ｂの入口に接続される。これにより、暖房用補助膨張弁１５にて減圧された冷媒を暖房用補助熱交換器１７に流して、前記カスケード熱交換器１２から出た高圧側の冷媒と熱交換させることで、配管１７Ｂを流れる冷媒を膨張させることができる。また、通路１７Ｂの出口には冷媒導入管４１が接続され、ここから圧縮機１１の中間圧部である密閉容器３０内に暖房用分流器１３にて分流された一方の冷媒が吸い込まれる。

ここで、本実施例で使用する前記暖房用分流器１３について図２を用いて説明する。図２において、１３Ａは暖房用分流器１３の本体であり、本体１３Ａには一側（図２の右側）に入口が形成され、当該入口には暖房用補助熱交換器１７を出た冷媒配管４５が接続されている。本体１３Ａの他側（図２の左側）、即ち、冷媒配管４５が接続された前記入口の対角線上には他方の出口が形成され、当該出口には暖房用膨張弁２０に至る冷媒配管４８が接続されている。また、本体１３Ａの上部及び下部には一方の出口がそれぞれ形成され、上部に形成された一方の出口には冷媒配管４７Ａの一端が、下部に形成された一方の出口には冷媒配管４７Ｂの一端がそれぞれ接続されている。そして、上部に接続された冷媒配管４７Ａの他端は下部に接続された冷媒配管４７Ｂの途中部に接続され、当該冷媒配管４７Ｂの他端は暖房用補助膨張弁１５の入口に接続されている。これにより、暖房用分流器１３の上部及び下部から一方の冷媒を分流させて、暖房用補助回路７０に流すことができる。

尚、暖房用分流器１３の構造は上記図２で説明した構造に限らず、カスケード熱交換器１２から出た冷媒を２つの冷媒流に分流することができる構造であれば構わない。また、請求項５の発明では、分流器の上部及び下部から一方の冷媒を分流させることができるものであれば良く、例えば、図３に示す構造の分流器を用いても構わない。図３の分流器８０では、図２で説明した分流器と同様に本体８０Ａの一側（図３の右側）に入口が形成され、当該入口には暖房用補助熱交換器１７を出た冷媒配管４５が接続されている。同様に本体８０Ａの他側（図３の左側）、即ち、冷媒配管４５が接続された前記入口の対角線上には他方の出口が形成され、当該出口には暖房用膨張弁２０に至る冷媒配管４８が接続されている。また、本体８０Ａの下部には、一方の出口が形成され、当該一方の出口には暖房用補助膨張弁１５に至る冷媒配管８２が接続されている。この冷媒配管８２は本体８０Ａ内に挿入され、一端は本体８０Ａ内上方にて開口して、ここから分流器８０の本体８０Ａ内上部の冷媒を冷媒配管８２内に流入させることができる。また、当該冷媒配管８２の本体８０Ａ内下方には冷媒配管８２内と本体８０Ａ内下部とを連通する連通口８３が形成され、この連通口８３から分流器８０の本体８０Ａ内下部の冷媒を冷媒配管８２内に流入させることができる。このように、図３の分流器８０を用いるものとしても、分流器８０の上部及び下部から一方の冷媒を分流させて、暖房用補助回路７０に流すことができる。

他方、暖房用分流器１３の他方の出口に接続された冷媒配管４８は暖房用膨張弁２０に至る。当該暖房用膨張弁２０は暖房運転時において暖房用分流器１３にて分流された他方の冷媒を減圧するための主減圧装置であり、暖房用膨張弁２０の出口側には室外熱交換器２３が設けられている。室外熱交換器２３は暖房運転時において、吸熱器として作用するものである。即ち、暖房運転時において前記主減圧装置としての暖房用膨張弁２０にて減圧された冷媒が当該室外熱交換器２３において外気と熱交換することにより外気から熱を汲み上げる（吸熱する）こととなる。また、当該室外熱交換器２３は後述する冷房運転時或いは除湿運転時には外気に放熱する放熱器として使用するものである。

室外熱交換器２３を出た冷媒配管５０は冷房用補助熱交換器１８の通路１８Ａの入口に接続される。当該冷房用補助熱交換器１８は後述する冷房運転時にカスケード熱交換器１２から出た後の冷媒と、冷房用分流器１４にて分流され、冷房用補助回路７５に設けられた冷房用補助膨張弁１６にて減圧された冷媒（冷房用分流器１４にて分流された一方の冷媒）とを熱交換するためのものであり、当該通路１８Ａと通路１８Ｂとが熱交換可能に配置されている。そして、冷房運転時に冷房用補助熱交換器１８の通路１８Ａをカスケード熱交換器１２から出た後の冷媒が流れ、通路１８Ｂを冷房用分流器１４にて分流され、冷房用補助回路７５に流入し、冷房用補助膨張弁１６にて減圧された冷媒が流れる。また、当該冷房用熱交換器１８において、前記通路１８Ａを流れる冷媒と通路１８Ｂを流れる冷媒の流れが対向流となるように、冷房用補助熱交換器１８の一端に通路１８Ａの入口と通路１８Ｂの出口が形成され、他端に通路１８Ａの出口と通路１８Ｂの出口が形成されている。

前記冷房用補助熱交換器１８の通路１８Ａの出口に接続された冷媒配管５２は冷房用分流器１４の入口に接続される。当該冷房用分流器１４は、冷房運転時に冷房用補助熱交換器１８から出た冷媒を第１の冷媒流（一方の冷媒）と第２の冷媒流（他方の冷媒）の２つの冷媒流に分岐するための分流するための冷媒分岐手段であり、当該冷房用分流器１４の一方の出口には第１の冷媒流（一方の冷媒）のための冷房用補助回路７５の冷媒配管５４が接続されている。また、冷房用分流器１４の他方の出口には第２の冷媒流（他方の冷媒）のための冷媒配管５８が接続されている。

上記冷房用補助回路７５は、前記冷房用分流器１４にて分流された一方の冷媒を減圧して膨張した後に圧縮機１１の中間圧部としての密閉容器３０内に吸い込ませるための回路であり、当該冷房用補助回路７５には、冷房用分流器１４にて分流された一方の冷媒を減圧するための冷房用補助膨張弁１６が設けられている。即ち、冷房用分流器１４の一方の出口に接続された冷媒配管５４は、冷房用補助膨張弁１６の入口に接続される。そして、当該冷房用補助膨張弁１６の出口は、冷房用補助熱交換器１８の通路１８Ｂの入口に接続される。これにより、冷房運転時に冷房用補助膨張弁１６にて減圧された冷媒を冷房用補助熱交換器１８に流して、前記カスケード熱交換器１２から出た高圧側の冷媒と熱交換させることで、通路１８Ｂを流れる冷媒を膨張させることができる。また、通路１８Ｂの出口には冷媒配管５７の一端が接続され、当該冷媒配管５７の他端は前述した冷媒導入管４１の途中部に接続され、当該冷媒導入管４１から圧縮機１１の中間圧部である密閉容器３０内に冷房用分流器１４にて分流された一方の冷媒が吸い込まれる。

前記冷房用分流器１４には、図２で説明した前述の暖房用分流器１３と同様の構成の冷媒分流手段が使用されているが、これに限らず、カスケード熱交換器１２から出た冷媒を２つの冷媒流に分流することができる構造であれば構わない。また、請求項５の発明では、上部及び下部から一方の分流を分流させることができる構成を有した分流器であれば良く、前記図３に示す構造の分流器や他の分流器であっても適用可能である。

前記圧縮機１１の密閉容器３０内には当該密閉容器３０内の冷媒温度を検出するための冷媒温度センサ３０Ｓが設置されている。また、冷媒配管４８及び冷媒配管５８にもそれぞれ冷媒温度センサ４８Ｓ、５８Ｓが設置されている。冷媒温度センサ４８Ｓは、暖房用膨張弁２０（暖房運転時における主減圧装置）に入る冷媒温度を検出する冷媒温度検出手段であり、冷媒温度センサ５８Ｓは、冷房用膨張弁２１（冷房運転時における主減圧装置）に入る冷媒温度を検出する冷媒温度検出手段である。更に、冷媒配管４７には、暖房用補助熱交換器１７に入る一方の冷媒の温度を検出するための冷媒温度検出手段としての冷媒温度センサ４７Ｓが設けられ、且つ、冷媒導入管４１には、暖房用補助熱交換器１７から出た一方の冷媒を検出するための冷媒温度検出手段としての冷媒温度センサ４１Ｓが設けれている。

上記各冷媒温度センサ３０Ｓ、４８Ｓ、５８Ｓ、４７Ｓ、４１Ｓは本発明の空気調和装置の制御を司る図示しない制御手段に接続されている。

（１）暖房運転時
以上の構成で次に空気調和装置の動作を説明する。先ず、暖房運転時における動作について、空気調和装置始動時などの熱源２の温度が低い場合の暖房運転時における動作を図４を用いて説明する。図４において矢印は、冷媒回路１０を流れる冷媒及び廃熱利用回路１を流れる流体の流れを示している。当該暖房運転時において、制御手段は図５に示すように、前記冷房用膨張弁２１及び冷房用補助膨張弁１６を全閉し、電磁弁２７を全開にすると共に、暖房用補助膨張弁１５及び暖房用膨張弁２０を流れる冷媒を減圧可能に開度制御する。また、制御手段は循環ポンプ５からの流体が熱源２に流れず、バイパス配管７Ａに流れるように三方弁８を制御して、循環ポンプ５及び暖房用熱交換器４のファン４Ｆを始動する。これにより、流体が三方弁８からバイパス回路７Ａを介してカスケード熱交換器１２の他端から通路１２Ｂに流入し、当該カスケード熱交換器１２の通路１２Ｂを流れる過程で、通路１２Ａを流れる冷媒から熱を奪って加熱される。

そして、カスケード熱交換器１２の一端から出た流体は、暖房用熱交換器４内に入る。ここで、流体は周囲の空気と熱交換して冷却される。一方、流体と熱交換することで加熱された空気はファン４Ｆにより被調和室である車室内に送風される。これにより、車室内が暖房される。他方、暖房用熱交換器４にて空気と熱交換して冷却された空気は当該暖房用熱交換器４から出て配管４Ａを介して循環ポンプ５に吸い込まれて、配管５Ａに吐出され、三方弁８、バイパス回路７Ａを経てカスケード熱交換器１２の通路１２Ｂを流れるサイクルを繰り返す。

一方、制御手段により圧縮機１１の駆動要素が駆動されると（このとき、冷房用熱交換器２４のファン２４Ｆは停止されている）、冷媒導入管４０から第１の圧縮要素３２の低圧室側に低温低圧の冷媒ガスが吸い込まれて圧縮される。これにより、当該第１の圧縮要素３２で圧縮されて中間圧となった冷媒が高圧室側より密閉容器３０内に吐出される。密閉容器３０内に吐出された冷媒は当該密閉容器３０内において暖房用補助回路７０からの第１の冷媒流（暖房用分流器１３にて分流された一方の冷媒）と合流する。

その後、合流した冷媒は第２の圧縮要素３４の低圧室側に吸い込まれて圧縮され、高温高圧の冷媒ガスとなり、高圧室側から冷媒吐出管４２に入り、圧縮機１１の外部に吐出される。このとき、冷媒は適切な超臨界圧力まで圧縮されている。また、圧縮機１１から吐出された冷媒ガス中には圧縮機１１の第２の圧縮要素３４の摺動部に供給されていたオイルが混入している。

冷媒吐出管４２から吐出された冷媒はカスケード熱交換器１２の一端に形成された通路１２Ａの入口から当該カスケード熱交換器１２内に入る。そして、圧縮機１１から出た高温高圧の冷媒はカスケード熱交換器１２の通路１２Ａを通過する過程で、当該通路１２Ａと交熱的に設けられた通路１２Ｂを流れる廃熱利用回路１の流体に熱を奪われ、冷却される。

カスケード熱交換器１２にて冷却された通路１２Ａの冷媒は、他端からカスケード熱交換器１２を出て暖房用補助熱交換器１７の一端側に形成された通路１７Ａの入口から当該暖房用補助熱交換器１７内に入る。そして、カスケード熱交換器１２から出た高圧側の冷媒は暖房用補助熱交換器１７の通路１７Ａを通過する過程で、当該通路１７Ａと交熱的に設けられた通路１７Ｂを流れる低圧側の冷媒（暖房用分流器１３にて分流され、暖房用補助回路７０を流れる一方の冷媒）に熱を奪われる。これにより、通路１７Ａを流れる高圧側の冷媒ガスを冷却して、室外熱交換器２３に入る冷媒の比エンタルピーを小さくすることができる。

従って、当該室外熱交換器２３における吸熱能力も向上し、暖房能力をより一層向上させることができる。特に、暖房用補助熱交換器１７にてカスケード熱交換器１２からの高圧冷媒を暖房用分流器１３で分流した一方の冷媒にて冷却することで、従来の冷媒を空気と熱交換させる熱交換器よりコンパクト、且つ、ローコストで暖房能力の向上を図ることが可能となる。

暖房用補助熱交換器１７にて冷却された通路１７Ａの冷媒は、他端から当該暖房用補助熱交換器１７を出て暖房用分流器１３に入り、ここで第１の冷媒流（一方の冷媒）と第２の冷媒流（他方の冷媒）の２つの冷媒流に分岐される。このとき、暖房用分流器１３は前述の如く当該分流器１３の上部と下部から一方の冷媒を分流する構成とされているため、当該一方の冷媒と共に、後述する如きオイルも取り出すことができる。

そして、当該暖房用分流器１３にて分流された一方の冷媒（一方の冷媒及びオイル）は暖房用補助回路７０に入り、暖房用補助膨張弁１５に至る。尚、当該暖房用補助膨張弁１５を通過した冷媒は未だ超臨界を維持した状態であり、この状態で暖房用補助熱交換器１７の他端に形成された通路１７Ｂの入口から当該暖房用補助熱交換器１７内に流入して、膨張する。このとき、通路１７Ｂを流れる冷媒（一方の冷媒）は、通路１７Ａを流れる冷媒から熱を奪って蒸発する。

このように、暖房用補助熱交換器１７にて通路１７Ａを流れる高圧側の冷媒と熱交換させることで、通路１７Ｂを流れる低圧側の冷媒（一方の冷媒）を蒸発させることができる。そして、蒸発した低圧側の冷媒（オイルも含む）は、一端に形成された通路１７Ｂの出口から暖房用補助熱交換器１７を出て、冷媒導入管４１に入り、圧縮機１１の密閉容器３０に吸い込まれる。そして、当該密閉容器３０内に吸い込まれた冷媒は、第１の圧縮要素３２にて圧縮された中間圧の冷媒と合流する。また、密閉容器３０内に前記冷媒と共に吸い込まれたオイルは当該密閉容器３０内にて冷媒から分離して底部に形成されたオイル溜めに戻る。これにより、圧縮機１１の外部に吐出されたオイルを密閉容器３０内に戻すことができるようになる。

特に、二酸化炭素を冷媒として用いた場合、二酸化炭素の圧力と温度によって二酸化炭素とオイルの密度差が大きくことなる。この場合、オイルとしてＰＡＧを用いた場合の当該ＰＡＧオイルと二酸化炭素冷媒の密度差を図６に示す。図６に示すように低温時には二酸化炭素の密度がオイルの密度より大きく、温度の上昇に伴いその差が小さくなって、約−５℃以上になると二酸化炭素の密度がＰＡＧオイルの密度より小さくなることがわかる。従って、暖房用分流器１３にて上部のみから一方の冷媒を分流させた場合、温度が−５℃以下ではＰＡＧオイルを一方の冷媒と共に取り出して、暖房用補助回路７０に流すことができるが、温度が−５℃以上になると、二酸化炭素の密度よりＰＡＧオイルの密度の方が大きくなるので、オイルを一方の冷媒と共に暖房用補助回路７０に流すことができず、他方の冷媒と共に暖房用膨張弁２０に流れてしまう。

また、暖房用分流器１３にて下部のみから一方の冷媒を分流させた場合、温度が−５℃以上ではオイルを一方の冷媒と共に取り出して、暖房用補助回路７０に流すことができるが、温度が−５℃以下になると、二酸化炭素の密度よりオイルの密度の方が小さくなるので、オイルを一方の冷媒と共に暖房用補助回路７０に流すことができず、他方の冷媒と共に暖房用膨張弁２０に流れるようになる。

一方、オイルとしてＰＶＥを用いた場合の当該ＰＶＥオイルと二酸化炭素冷媒の密度差を図７に示す。図７に示すように当該ＰＶＥオイルも低温時には二酸化炭素の密度がオイルの密度より大きく、温度の上昇に伴いその差が小さくなって、０℃以上になると二酸化炭素の密度がＰＶＥオイルの密度より小さくなることがわかる。従って、暖房用分流器１３にて上部のみから一方の冷媒を分流させた場合、温度が０℃以下ではオイルを一方の冷媒と共に取り出して、暖房用補助回路７０に流すことができるが、温度が０℃以上になると、二酸化炭素の密度よりオイルの密度の方が大きくなるので、オイルを一方の冷媒と共に暖房用補助回路７０に流すことができず、他方の冷媒と共に暖房用膨張弁２０に流れるようになる。

また、暖房用分流器１３にて下部のみから一方の冷媒を分流させた場合、温度が０℃以上ではオイルを一方の冷媒と共に取り出して、暖房用補助回路７０に流すことができるが、温度が０℃以下になると、二酸化炭素の密度よりオイルの密度の方が小さくなるので、オイルを一方の冷媒と共に暖房用補助回路７０に流すことができず、他方の冷媒と共に暖房用膨張弁２０に流れるようになる。

従って、従来の構造の分流器では、上述したように分流器の上部、或いは、下部の何れかから一方の冷媒を分流するものであったため、このような冷媒とオイルとの密度差の変動に対処できず、一方の冷媒と共にオイルを常に補助回路に流すことが困難であった。従って、当該補助回路を介してオイルを圧縮機１１に戻すことができないので、圧縮機１１内のオイルが減少して、オイル不足に陥る恐れがあった。加えて、オイルが他方の冷媒と共に冷媒回路１０内を循環することとなり、冷媒回路１０内でオイルが溜まり、冷媒の良好な流れを阻害したり、圧力損失の発生する問題が生じて、空気調和装置全体の性能の低下を招く恐れがあった。

しかしながら、本発明の如く暖房用分流器１３を上部及び下部から一方の冷媒を分流させる形状とすることで、オイルの密度が二酸化炭素の密度より大きくなる場合であっても、小さくなる場合であっても上部及び下部の何れかからオイルを分流して、一方の冷媒と共に暖房用補助回路７０に流し、当該回路７０から圧縮機１１の密閉容器３０内に確実にオイルを戻すことが可能となる。

即ち、オイルの密度が二酸化炭素の密度より大きい場合には、オイルは本体１３Ａの下部に溜まるため、下部に溜まったオイルを一方の冷媒流と共に他方の冷媒から分岐させて、暖房用補助回路７０に流すことができる。

また、オイルの密度が二酸化炭素の密度より小さい場合には、オイルは本体１３Ａの上部に溜まるため、上部に溜まったオイルを一方の冷媒流と共に他方の冷媒から分岐させて、暖房用補助回路７０に流すことができる。これにより、二酸化炭素を冷媒として使用した空気調和装置の冷媒回路１０において、圧縮機１１外部に吐出されたオイルを圧縮機１１の密閉容器３０内に直接戻すことができる。

また、暖房用分流器１３にて分流された一方の冷媒を圧縮機１１の中間圧部である密閉容器３０内に戻すことで、冷媒回路１０に流す冷媒の循環量を増やすことなく、第２の圧縮要素３４に吸い込まれて圧縮され、ガスクーラ熱交換器１２に流れる冷媒量を増やすことができる。これにより、カスケード熱交換器１２において流体と熱交換する冷媒量が増加し、当該カスケード熱交換器１２における熱交換能力の向上を図ることができる。特に、暖房用分流器１３にて分流された一方の冷媒を圧縮機１１の中間圧部である密閉容器３０内に戻すことで、圧縮機１１の第１の圧縮要素３２で圧縮される冷媒量を減少させることができるので、圧縮機１１の圧縮動力を抑えて、運転効率を改善することができる。

図８に、本実施例の冷媒回路１０を用いて車室内を暖房した場合の暖房能力特性と従来の冷媒回路を用いて車室内を暖房した場合の暖房能力特性を示す。図８において、黒丸は従来の空気調和装置の暖房特性を示し、黒四角は本発明の空気調和装置の暖房特性を示している。また、三角は従来の暖房能力特性に対する本発明の暖房能力特性の比率（本発明の空気調和装置の暖房特性／従来の空気調和装置の暖房特性）を示している。

図８からも明らかなように、本発明を適用することで、従来の空気調和装置より暖房能力が向上することがわかる。特に、図中三角のプロットで示すように（本発明の空気調和装置の暖房特性／従来の空気調和装置の暖房特性）、室外熱交換器２３における蒸発温度が低く、暖房時において過酷な条件であるほど、本発明を適用した空気調和装置はより大きな効果が得られる。

従来のＨＦＣ系の冷媒を用いた装置では、冷媒回路に本発明のような冷媒の流れを分流する、所謂、スプリットタイプの冷媒回路を用いた場合、高圧側の循環量が増加すると、高圧圧力が高くなり、圧縮動力が増加するため、効率の改善が得られないので、係る冷媒回路を採用することが困難であった。しかしながら、二酸化炭素冷媒では、高圧側を超臨界圧力として使用するため、高圧側圧力の上昇は能力向上に有用となるため、圧力上昇分の圧縮動力増加は効率に悪影響を及ぼさない。

以上のように本発明により、二酸化炭素冷媒を用いて冷媒回路１０の高圧側が超臨界となる空気調和装置の効率及び性能を改善することができる。

他方、暖房用分流器１３にて分流された他方の冷媒（第２の冷媒流）は、当該暖房用分流器１３の他方の出口に接続された冷媒配管４８を介して暖房用膨張弁２０に至る。尚、暖房用膨張弁２０の入口では冷媒は暖房用分流器１３から出た他方の冷媒はまだ超臨界の状態であり、当該暖房用膨張弁２０を通過する過程で圧力低下して、ガス／液体の二相混合状態となり、この状態で室外熱交換器２３に流入する。ここで、暖房用膨張弁２０にて圧力低下した冷媒は、周囲の外気と熱交換して蒸発する。その後、室外熱交換器２３から出た冷媒は、冷房用補助熱交換器１８、冷房用分流器１４を経て冷媒配管５８の途中部に接続された冷媒導入管４０Ｂから冷媒導入管４０に入り、圧縮機１１の低圧部である第１の圧縮要素３２に吸い込まれるサイクルを繰り返す。尚、当該暖房運転時において冷房用補助膨張弁１６は全閉されているため、冷房用分流器１４にて冷媒は分流されること無く、全て他方の出口に接続された冷媒配管５８に流入する。これにより、冷房用補助回路７５には冷媒が流れないので、冷房用補助熱交換器１８の通路１８Ａを流れる過程で、冷媒の熱交換は生じない。また、冷房用膨張弁２１も全閉されているため、冷媒配管５８に流入した冷媒は全て当該冷媒配管５８の途中部に接続された冷媒導入管４０Ｂに入り、電磁弁２７を経由して、冷媒導入管４０から第１の圧縮要素３２に吸い込まれることとなる。

ところで、当該暖房運転において熱源２が始動してから時間が経過して、当該熱源２の温度が上昇し、例えば予め設定されていた所定の温度に上昇すると、制御手段は、圧縮機１１の運転を停止する。これにより、カスケード熱交換器１２における冷媒と流体の熱交換は行われなくなる。また、制御手段は、配管５Ａからの流体が配管５Ｂに流れるように三方弁８を制御する。従って、図９に矢印で示すように循環ポンプ５からの流体がバイパス回路７Ａに流れず、配管５Ｂを介して熱源２に流れるようになる。これにより、流体は当該熱源２の熱を奪って加熱された後、熱源２から出て配管２Ａに入り、カスケード熱交換器１２、配管３を経て、暖房用熱交換器４に流入する。

ここで、流体は周囲の空気と熱交換して冷却される。一方、流体と熱交換することで加熱された空気はファン４Ｆにより被調和室である車室内に送風され、車室内が暖房される。他方、暖房用熱交換器４にて空気と熱交換して冷却された空気は当該暖房用熱交換器４から出て配管４を介して循環ポンプ５に吸い込まれて、配管５Ａに吐出され、三方弁８、配管５Ｂを介して熱源２に流れるサイクルを繰り返す。

このように、熱源２が予め設定された所定温度に加熱するまでは、圧縮機１１を運転して、カスケード熱交換器１２にて冷媒回路１０の冷媒から熱により車室内を暖房し、熱源２が加熱してからは圧縮機１１を停止して、熱源２の廃熱を利用して車室内を加熱することで、例えば、車の始動直後などであっても車室内を早期に暖房することができるようになり、当該空気調和装置を車に搭載することで、車室内の快適性を向上することができるようになる。また、熱源２が加熱してから当該熱源２の廃熱を利用して車室内を暖房することで、圧縮機１１を運転することなく車室内を暖房でき、消費電力を極力抑えて車室内を暖房することができる。

（２）冷房運転時
次に、冷房運転時における動作を図１０を用いて説明する。図１０において矢印は、当該冷房運転時における冷媒回路１０の流れを示している。当該冷房運転時では、制御手段は図５に示しように、前記暖房用膨張弁２０、暖房用補助膨張弁１５及び電磁弁２７を全閉すると共に、冷房用補助膨張弁１６及び冷房用膨張弁２１を流れる冷媒を減圧可能に開度制御する。この場合、前記循環ポンプ５及びファン４Ｆは停止された状態である。

そして、制御手段は、冷房用熱交換器２４のファン２４Ｆ及び圧縮機１１の駆動要素を始動する。これにより、冷媒導入管４０から第１の圧縮要素３２の低圧室側に低温低圧の冷媒ガスが吸い込まれて圧縮される。これにより、当該第１の圧縮要素３２で圧縮されて中間圧となった冷媒が高圧室側より密閉容器３０内に吐出される。密閉容器３０内に吐出された冷媒は当該密閉容器３０内において冷房用補助回路７５からの第１の冷媒流（冷房用分流器１４にて分流された一方の冷媒）と合流する。

また、冷媒吐出管４２から吐出された冷媒はカスケード熱交換器１２の通路１２Ａ、冷媒配管４３、暖房用補助熱交換器１７の通路１７Ａ、冷媒配管４５、暖房用分流器１３、冷媒配管４８、暖房用膨張弁２０を経て、室外熱交換器２３に流入する。尚、冷房運転時において、廃熱利用回路１の循環ポンプ５は運転されていないため、カスケード熱交換器１２において、冷媒と流体の熱交換は生じない。また、前述の如く暖房用補助膨張弁１５が全閉とされ、冷媒配管４５からの冷媒は暖房用補助回路７０に流れることなく、全て冷媒配管４８に流れるため、暖房用補助熱交換器１７において、通路１７Ａを流れる冷媒は放熱せずに、冷媒配管４５、暖房用分流器１３、冷媒配管４８に順次流れる。

更にまた、当該冷房運転時において暖房用膨張弁２０も前述の如く全開であるため、当該暖房用膨張弁２０にて冷媒は減圧されることなく、室外熱交換器２３内に流入する。そして、室外熱交換器２３内に流入した冷媒はそこで外気と熱交換して放熱した後、室外熱交換器２３から出て冷房用補助熱交換器１８の一端側に形成された通路１８Ａの入口から当該冷房用補助熱交換器１８内に入る。当該冷房用補助熱交換器１８において通路１８Ａを流れる高圧側の冷媒は、通路１８Ａと交熱的に設けられた通路１８Ｂを流れる低圧側の冷媒（冷房用分流器１４にて分流され、冷房用補助回路７５を流れる一方の冷媒）に熱を奪われる。

一方、冷房用補助熱交換器１８にて冷却された通路１８Ａの冷媒は、他端から当該冷房用補助熱交換器１８を出て冷房用分流器１４に入り、ここで第１の冷媒流（一方の冷媒）と第２の冷媒流（他方の冷媒）の２つの冷媒流に分流される。このとき、冷房用分流器１４は前述の如く当該分流器１４の上部と下部から一方の冷媒を分留する構成とされているため、当該一方の冷媒と共にオイルも取り出して、冷房用補助回路７５に流すことができる。

そして、冷房用分流器１４にて分流された一方の冷媒（一方の冷媒及びオイル）は、冷房用補助回路７５に入り、冷房用補助膨張弁１６に至る。尚、当該冷房用補助膨張弁１６を通過した一方の冷媒はまだ超臨界の状態であり、この状態で冷房用補助熱交換器１８の他端に形成された通路１８Ｂの入口から当該冷房用補助熱交換器１８内に流入して、膨張する。このとき、通路１８Ｂを流れる冷媒（一方の冷媒）は、通路１８Ｂを流れる冷媒から熱を奪って蒸発する。

このように、冷房用補助熱交換器１８にて通路１８を流れる高圧側の冷媒と熱交換させることで、通路１８Ｂを流れる低圧側の冷媒（一方の冷媒）を蒸発させることができる。そして、蒸発した低圧側の冷媒（オイルも含む）は、一端に形成された通路１８Ｂの出口から冷房用補助熱交換器１８を出て、冷媒配管５７を経て冷媒導入管４１に入り、圧縮機１１の密閉容器３０内に吸い込まれる。そして、当該密閉容器３０内に吸い込まれた冷媒は、第１の圧縮要素３２にて圧縮された中間圧の冷媒と合流する。また、密閉容器３０内に前記冷媒と共に吸い込まれたオイルは当該密閉容器３０内にて冷媒から分離して底部に形成されたオイル溜めに戻る。これにより、圧縮機１１の外部に吐出されたオイルを密閉容器３０内に戻すことができるようになる。

特に、前記暖房運転で詳述した如き二酸化炭素冷媒とオイルとは温度や冷媒圧力によって密度差が大きく異なる（図６及び図７）。従って、分流器の上部、或いは、下部の何れかから一方の冷媒を分流する従来の構造の分流器では、このような冷媒とオイルとの密度差の変動に対処できず、一方の冷媒と共にオイルを常に補助回路に流すことが困難であった。従って、当該補助回路を介してオイルを圧縮機１１に戻すことができないので、圧縮機１１内のオイルが減少して、オイル不足に陥る恐れがあった。加えて、オイルが他方の冷媒と共に冷媒回路１０内を循環することとなり、冷媒回路１０内でオイルが溜まり、冷媒の良好な流れを阻害したり、圧力損失の発生する問題が生じて、空気調和装置全体の性能の低下を招く恐れがあった。

しかしながら、冷房用分流器１４を上部及び下部から一方の冷媒を分流させる形状とすることで、オイルの密度が二酸化炭素の密度より大きくなる場合であっても、小さくなる場合であっても上部及び下部の何れかからオイルを分流して、一方の冷媒と共に冷房用補助回路７５に流し、当該回路７５から圧縮機１１の密閉容器３０内に確実にオイルを戻すことが可能となる。

他方、冷房用分流器１４にて分流された他方の冷媒（第２の冷媒流）は、当該冷房用分流器１４の他方の出口に接続された冷媒配管５８を介して冷房用膨張弁２１に至る。尚、冷房用膨張弁２１の入口では冷媒は冷房用分流器１４から出た他方の冷媒はまだ超臨界の状態であり、当該冷房用膨張弁２１を通過する過程で圧力低下して、ガス／液体の二相混合状態となり、この状態で冷房用熱交換器２４に流入する。ここで、冷房用膨張弁２１にて圧力低下した冷媒は、周囲の空気と熱交換して蒸発し、このときの吸熱効果により周囲の空気が冷却される。冷却された空気はファン２４Ｆにより車室内に送風され、車内を冷房する。

他方、冷房用熱交換器２４を出た冷媒は冷媒導入管４０Ａから冷媒導入管４０に入り、圧縮機１１の低圧部である第１の圧縮要素３２に吸い込まれるサイクルを繰り返す。

このように、冷房運転時運転時において冷房用分流器１４にて分流された一方の冷媒を圧縮機１１の中間圧部である密閉容器３０内に戻すことで、冷媒回路１０に流す冷媒の循環量を増やすことなく、第２の圧縮要素３４に吸い込まれて圧縮され、室外熱交換器２３に流れる冷媒量を増やすことができる。これにより、室外熱交換器２３において流体と熱交換する冷媒量が増加し、当該室外熱交換器２３における熱交換能力の向上を図ることができる。更に、室外熱交換器２３にて放熱した冷媒を冷房用補助熱交換器１８に流し、冷房用分流器１４にて分流される前の冷媒と冷房用分流器１４にて分流された一方の冷媒とを熱交換させることで、室外熱交換器２３にて冷却した冷媒をより冷却することができる。

特に、本発明では冷媒回路１０の冷房用補助熱交換器１８の通路１８Ｂを流れる冷媒は、未だ超臨界の状態のままである。即ち、冷房用補助熱交換器１８の容量は温度差に比例するため、超臨界条件では、冷房用膨張弁２１に入る前の温度を下げて低温を発生させることは冷房用補助熱交換器１８の容量に有利となる。これにより、従来の冷媒を空気と熱交換させる熱交換器よりコンパクト、且つ、ローコストで放熱能力の向上を図ることが可能となる。

このように、室外熱交換器２３にて放熱した冷媒を冷却用補助熱交換器１８にて更に冷却した後、冷房用熱交換器２４にて断熱膨張させることで、当該冷房用熱交換器２４に入る冷媒の比エンタルピーを小さくすることができ、冷房用熱交換器２４において、より低温が発生できるという効果が得られる。これにより、冷房用熱交換器２４における冷凍効果を向上させることが可能となる。

特に、冷房用分流器１４にて分流された一方の冷媒を圧縮機１１の中間圧部である密閉容器３０内に戻すことで、圧縮機１１の第１の圧縮要素３２で圧縮される冷媒量を減少させることができるので、圧縮機１１の圧縮動力を抑えて、運転効率を改善することができる。

図１１に、本実施例の冷媒回路１０を用いて車室内を冷房した場合の冷房能力特性と従来の冷媒回路を用いて車室内を冷房した場合の冷房能力特性を示す。図１１において、黒丸は従来の空気調和装置の冷房特性を示し、黒四角は本発明の空気調和装置の冷房特性を示している。また、三角は従来の冷房能力特性に対する本発明の冷房特性の比率（本発明の空気調和装置の暖房特性／従来の空気調和装置の暖房特性）を示している。

図１１からも明らかなように、本発明を適用することで、従来の空気調和装置より冷房能力が向上することがわかる。特に、図中三角に示すように（本発明の空気調和装置の冷房特性／従来の空気調和装置の冷房特性）、室外熱交換器２３出口温度が高く、冷房時において過酷な条件であるほど、本発明を適用した空気調和装置はより大きな効果が得られることがわかる。

以上のように本発明により、二酸化炭素冷媒を用いた空気調和装置の効率及び性能を改善することができる。

（３）除湿運転時
ところで、車室内の湿度が上昇すると、フロントガラスが曇ってしまい視界が悪化して、運転に支障を来たす恐れがある。そのため、車室内の除湿を行う必要がある。次に、このような除湿運転時における動作を説明する。当該除湿運転時において、制御手段は前記冷房運転時と同様に図１０の矢印に示すように冷媒が流れるように、前記暖房用膨張弁２０、暖房用補助膨張弁１５及び電磁弁２７を全閉すると共に、冷房用補助膨張弁１６及び冷房用膨張弁２１を流れる冷媒を減圧可能に開度制御する（図５）。尚、車室内の空気は車室内から図示しない空気循環用ダクトを介して暖房用熱交換器４を通過し、冷房用熱交換器２４を経て、車室内に循環されるサイクルを繰り返すものとする。

当該除湿運転時においては、制御手段は、循環ポンプ５を運転して廃熱利用回路１の流体を循環させると共に、室内熱交換器４のファン４Ｆの運転も行う。この場合、制御手段により前述の如く熱源２始動直後などの熱源２の温度が低い場合には、配管５Ａからの流体がバイパス配管７Ａに流れるように三方弁８が制御され、熱源２の温度が上昇し、例えば、熱源２が予め設定された所定の温度に上昇すると、制御手段により配管５Ａからの流体が配管５Ｂに流れるように三方弁８が制御される。

これにより、カスケード熱交換器１２、若しくは、熱源２にて加熱された廃熱利用回路１を流れる流体は、暖房用熱交換器４にて周囲の空気と熱交換して放熱する。そして、流体から熱を奪って加熱された空気は、ファン４Ｆにて冷媒回路１０の冷房用熱交換器２４に送風される。このとき、車室内からの空気に含まれる水分（湿気）は冷房用熱交換器２４を通過する過程で当該冷房用熱交換器２４の表面に凝結し、水滴となって落下する。これにより、空気中に含まれる水分（湿気）を除去することができる。

冷房用熱交換器２４にて水分が除去された空気は、ファン２４Ｆにより車室内に送風されるサイクルを繰り返す。これにより、車室内の湿度が徐々に低下し、前述したフロントガラスの曇り等を効果的に取ることができる。

尚、以上詳述した空気調和装置の冷媒回路１０において、圧縮機１１として本実施例の如く１つの駆動軸で２つの圧縮要素を駆動する場合、第１の圧縮要素３２と第２の圧縮要素３４の排除容積比と体積効率の積と第１の圧縮要素３２の吸気冷媒の圧力及び温度条件により、中間圧部の圧力（中間圧）が決定することとなる。本実施例の冷媒回路１０では冷房運転時の最高効率を達成する冷房用補助回路７５の冷房用補助熱交換器１８の通路１８Ｂを流れる一方の冷媒の質量流量（冷媒量）は、冷房用熱交換器２４を流れる他方の冷媒の４０％以上６０％以下である。これを達成するための第１の圧縮要素３２と第２の圧縮要素３４の排除容積比は７０％以上８５％以下である。従って、第１の圧縮要素３２の排除容積に対する第２の圧縮要素３４の比を７０％以上８５％以下とすれば、最高効率を達成することが可能となる。

（４）低外気温時等における暖房運転の制御
他方、上述した暖房運転時において、起動直後などの低外気温時に効率に拘わらず、早期に車室内を暖房することが要求される場合がある。この場合、暖房用補助冷媒回路７０により多くの冷媒を流して、カスケード熱交換器１２に流れる冷媒量を増大させることが望ましいが、暖房用補助冷媒回路７０に冷媒を流しすぎると、暖房用補助熱交換器１７にて通路１７Ｂを流れる冷媒が通路１７Ａを流れる冷媒と充分に熱交換できずに、中間圧部に吸い込まれる冷媒の温度が著しく低下したり、冷媒が液のまま圧縮機１１に吸い込まれる恐れがあった。

そこで、暖房用補助冷媒回路７０に流れる冷媒量を制御して、中間圧部に戻る一方の冷媒が最適な量となるように制御する必要がある。図１２は、低外気温時において、暖房用補助回路７０に流れる一方の冷媒の循環率を変化させた場合の暖房能力と各部の温度の変化を示したものである。図１２において横軸は暖房用分流器１３にて分流された一方の冷媒量Ｇ２と他方の冷媒量Ｇ１の循環率（Ｇ２／Ｇ１）である。

図１２に示すように、暖房用補助回路７０を流れる冷媒の循環率が約４０％以下では、暖房能力が著しく低く、４０％〜８０％付近では能力がほぼ一定となり、８０％を超えると低下することがわかる。このように循環率が８０％を超えると圧縮機１１の中間圧部である密閉容器３０内の冷媒の過熱度がとれない状況（即ち、図１２の黒四角のプロットで示すように過熱度が０）となる。従って、暖房用補助回路７０から圧縮機１１の中間圧部に戻る冷媒は液体である恐れがある。従って、係る液体の冷媒が第２の圧縮要素３４に吸い込まれて液圧縮すると、圧縮機１１が故障する不都合が生じてしまう。

他方、暖房用補助熱交換器１７の出入口の温度差（暖房用補助熱交換器１７を出た一方の冷媒温度−暖房用補助熱交換器１７に入る一方の冷媒温度）が図１２の黒丸のプロットで示すように２０Ｋを超えると、図１２の黒三角のプロットで示すように、第２の圧縮要素３４に吸い込まれる冷媒温度と第１の圧縮要素３２から吐出される冷媒温度に殆ど差が無く、むしろ、第２の圧縮要素３４に吸い込まれる冷媒温度が第１の圧縮要素３２から吐出される冷媒温度より低くなることがわかる。これは、暖房用補助回路７０に流れる一方の冷媒量が少なすぎるためであると考えられる。これにより、暖房用補助熱交換器１７にて通路１７Ａを流れる冷媒を充分に冷却する効果が得られなくなるため、暖房能力も低くなると考えられる。

以上から、暖房能力が求められる場合には、制御装置は、前述した冷媒温度センサ４１Ｓと冷媒温度センサ４７Ｓにて検出される冷媒温度に基づいて、暖房用補助熱交換器１７に入る内部熱交換器を出た一方の冷媒の温度−内部熱交換器に入る一方の冷媒の温度が２０Ｋ以下となり、且つ、冷媒温度センサ３０Ｓにて検出される冷媒温度に基づいて、圧縮機１１の中間圧部の冷媒の過熱度が２Ｋ以上となるように暖房用補助膨張弁１５の開度を制御する。

このように、内部熱交換器を出た一方の冷媒の温度−内部熱交換器に入る一方の冷媒の温度が２０Ｋ以下となるように暖房用補助膨張弁１５の開度を制御することで、圧縮機１１の中間圧部である密閉容器３０内に戻る冷媒量を増加させることができる。更に、冷媒温度センサ３０Ｓにて検出される冷媒温度に基づいて、圧縮機１１の中間圧部の冷媒の過熱度が２Ｋ以上となるように暖房用補助膨張弁１５の開度を制御することで、当該冷媒が液バックする不都合も解消することができるようになる。これにより、圧縮機の信頼性の確保しながら、暖房能力の向上を図ることが可能となる。

尚、本実施例では暖房用補助熱交換器１７に入る内部熱交換器を出た一方の冷媒の温度−内部熱交換器に入る一方の冷媒の温度が２０Ｋ以下となり、且つ、冷媒温度センサ３０Ｓにて検出される冷媒温度に基づいて、圧縮機１１の中間圧部の冷媒の過熱度が２Ｋ以上となるように暖房用補助膨張弁１５の開度を制御するものとしたが、これに限らず、圧縮機１１の第２の圧縮要素３４に吸い込まれる冷媒温度−第１の圧縮要素３２から吐出された冷媒温度が正の値となり、且つ、冷媒温度センサ３０Ｓにて検出される冷媒温度に基づいて、圧縮機１１の中間圧部の冷媒の過熱度が２Ｋ以上となるように暖房用補助膨張弁１５の開度を制御するものとしても構わない。

この場合にも、上記実施例と同様に圧縮機１１の中間圧部である密閉容器３０内に戻る冷媒量を増加させながら、当該冷媒が液バックする不都合も解消することができるようになるり、圧縮機の信頼性の確保しながら、暖房能力の向上を図ることが可能となる。

本発明の一実施例の空気調和装置の模式図である。図１の空気調和装置の冷媒回路の分流器の構造を示す図である。他の分流器の構造を示す図である。図１の空気調和装置の暖房運転時における冷媒及び流体の流れを示す図である。図４の冷媒回路の膨張弁及び電磁弁の動作を示す図である。二酸化炭素冷媒とオイル（ＰＡＧ）の温度変化に伴う密度を示した図である。二酸化炭素冷媒とオイル（ＰＶＥ）の温度変化に伴う密度を示した図である。本発明の空気調和装置と従来の空気調和装置の暖房能力特性とを示す図である。図１の空気調和装置の熱源加熱後の暖房運転時における流体の流れを示す図である。図１の空気調和装置の冷房運転時における冷媒の流れを示す図である。本発明の空気調和装置と従来の空気調和装置の冷房能力特性とを示す図である。暖房用補助回路を流れる冷媒の循環率の変化に伴う各部温度及び加熱能力の変化を示す図である。

符号の説明

１廃熱利用回路
２熱源
４暖房用熱交換器
５循環ポンプ
１０冷媒回路
１１圧縮機
１２カスケード熱交換器
１３、１４分流器
１５、１６補助減圧装置
１７内部熱交換器
２０、２１主減圧装置
２３吸熱器（室外熱交換器）
２４冷房用熱交換器
３０密閉容器
３２第１の圧縮要素
３４第２の圧縮要素
７０、７５補助回路
３０Ｓ、４１Ｓ、４７Ｓ、４８Ｓ、５８Ｓ冷媒温度センサ

Claims

熱源と暖房用熱交換器とに流体を循環させ、当該暖房用熱交換器にて前記熱源の廃熱を被調和室の暖房に利用するための廃熱利用回路と、冷媒として二酸化炭素を用い、高圧側が超臨界圧力となる冷媒回路と、前記廃熱利用回路を前記熱源から前記暖房用熱交換器に流れる流体と前記冷媒回路の冷媒とを熱交換させるカスケード熱交換器とから構築され、
前記冷媒回路は、圧縮機、前記カスケード熱交換器、分流器、補助減圧装置、内部熱交換器、主減圧装置及び前記被調和室外に設けられた吸熱器とを備え、前記圧縮機から吐出された冷媒を前記カスケード熱交換器に流し、当該カスケード熱交換器を出た冷媒を前記分流器にて分流し、一方の冷媒を前記補助減圧装置から前記内部熱交換器に流して前記カスケード熱交換器から出た後の冷媒と熱交換させた後、前記圧縮機の中間圧部に吸い込ませ、分流した他方の冷媒を前記主減圧装置から前記吸熱器に流した後、前記圧縮機の低圧部に吸い込ませると共に、
前記内部熱交換器を出た前記一方の冷媒の温度−前記内部熱交換器に入る前記一方の冷媒の温度が２０Ｋ以下となり、且つ、前記圧縮機の中間圧部の冷媒の過熱度が２Ｋ以上となるように前記補助減圧装置の開度を制御することを特徴とする空気調和装置。
熱源と暖房用熱交換器とに流体を循環させ、当該暖房用熱交換器にて前記熱源の廃熱を被調和室の暖房に利用するための廃熱利用回路と、冷媒として二酸化炭素を用い、高圧側が超臨界圧力となる冷媒回路と、前記廃熱利用回路を前記熱源から前記暖房用熱交換器に流れる流体と前記冷媒回路の冷媒とを熱交換させるカスケード熱交換器とから構築され、
前記冷媒回路は、圧縮機、前記カスケード熱交換器、分流器、補助減圧装置、内部熱交換器、主減圧装置及び前記被調和室外に設けられた吸熱器とを備え、前記圧縮機から吐出された冷媒を前記カスケード熱交換器に流し、当該カスケード熱交換器を出た冷媒を前記分流器にて分流し、一方の冷媒を前記補助減圧装置から前記内部熱交換器に流して前記カスケード熱交換器から出た後の冷媒と熱交換させた後、前記圧縮機の中間圧部に吸い込ませ、分流した他方の冷媒を前記主減圧装置から前記吸熱器に流した後、前記圧縮機の低圧部に吸い込ませると共に、
前記圧縮機は低段側圧縮手段と高段側圧縮手段とを備え、前記吸熱器又は冷房用熱交換器を出た冷媒を前記低段側圧縮手段に吸い込ませ、該低段側圧縮手段にて圧縮された中間圧の冷媒を、前記内部熱交換器を出た前記一方の冷媒と共に前記高段側圧縮手段に吸い込ませると共に、前記高段側圧縮手段に吸い込まれる冷媒の温度−前記低段側圧縮手段から吐出された冷媒の温度が正の値であり、且つ、前記高段側圧縮手段に吸い込まれる冷媒の過熱度が２Ｋ以上となるように前記補助減圧装置の開度を制御することを特徴とする空気調和装置。
前記内部熱交換器は、前記補助減圧装置を経た前記一方の冷媒と、前記カスケード熱交換器から出て且つ前記分流器にて分流される前の冷媒とを熱交換させることを特徴とする請求項１又は請求項２の何れかに記載の空気調和装置。