JP2008128564A - 空気調和装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、高い圧力で作動する冷媒を用いる空気調和装置において、冷媒連絡配管における冷媒圧力を低くすることができる空気調和装置を提供することにある。
【解決手段】本発明は、超臨界冷媒を利用する空気調和装置であって、熱源ユニット２と、利用ユニット３と、ガス冷媒連絡配管４２と、液冷媒連絡配管４１とを備える。熱源ユニットは、第１圧縮機２１と、熱源側熱交換器２３と、熱源側膨張機構Ｖ２とを有する。利用ユニットは、第２圧縮機３１と、利用側熱交換器３３と、利用側膨張機構Ｖ６とを有する。ガス冷媒連絡配管は、第１圧縮機から第２圧縮機へ延びる。液冷媒連絡配管は、熱源側膨張機構から利用側膨張機構へ延びる。ガス冷媒連絡配管は、第１圧縮機または第２圧縮機で低圧から中間圧力まで圧縮された冷媒を流通させる。液冷媒連絡配管は、利用側膨張機構または熱源側膨張機構で高圧から中間圧力まで減圧された冷媒を流通させる。
【選択図】図１

Description

ＣＯ２冷媒などの冷媒を用いて運転されるような設計圧力が高い空気調和装置に関する。

近年の冷凍機では、脱フロン化を図るために例えば自然冷媒であるＣＯ２冷媒を利用する冷凍機の開発が進められている。このようなＣＯ２冷媒を利用した空気調和装置には、特許文献１のようなものがある。
特開２００６−１３８６３１

しかしながら、特許文献１のような空気調和装置では、従来のＨＦＣ系冷媒を利用した空気調和装置からＣＯ２冷媒を利用した空気調和装置に置き換える更新工事を行う際に、既設配管の再利用は難しい。これは、ＨＦＣ系冷媒の配管を流れる圧力よりも、ＣＯ２冷媒の配管を流れる圧力のほうが非常に大きくなるためである。したがって、この更新工事の際に、新たにＣＯ２冷媒用の耐圧設計をした冷媒連絡配管を設置しなければならず、多くのコストが費やされることになる。

本発明の課題は、ＣＯ２冷媒などの高い圧力で作動する冷媒を用いる空気調和装置において、冷媒連絡配管における冷媒圧力を低くすることができる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、超臨界で作動する冷媒を利用する空気調和装置であって、熱源ユニットと、利用ユニットと、ガス冷媒連絡配管と、液冷媒連絡配管とを備える。熱源ユニットは、冷媒を圧縮する第１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を有する。利用ユニットは、冷媒を圧縮する第２圧縮機と、冷媒を熱交換させる利用側熱交換器と、冷媒を減圧する利用側膨張機構とを有する。ガス冷媒連絡配管は、第１圧縮機から第２圧縮機へ延びる。液冷媒連絡配管は、熱源側膨張機構から利用側膨張機構へ延びる。ガス冷媒連絡配管は、第１圧縮機または第２圧縮機で低圧から中間圧力まで圧縮された冷媒を流通させる。液冷媒連絡配管は、利用側膨張機構または熱源側膨張機構で高圧から中間圧力まで減圧された冷媒を流通させる。

２段圧縮２段膨張冷凍サイクルを用いることで、冷媒連絡配管が中間圧力になるようにしている。すなわち、冷媒連絡配管を介して２つの圧縮機（第１圧縮機と第２圧縮機）が接続されており、また、冷媒連絡配管を介して２つの膨張機構が接続されている。

したがって、利用ユニットと熱源ユニットとを接続している冷媒連絡配管を中間圧力にすることができ、設計圧力が高いＣＯ２冷媒を用いても冷媒連絡配管にあまり負荷がかからない程度の圧力に抑えることができる。

第２発明に係る空気調和装置は、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中間圧力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、高段側の膨張機構により中間圧力に減圧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、第１切換機構をさらに有する。利用ユニットは、第２切換機構をさらに有する。第１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２圧縮機で中間圧力まで圧縮された冷媒が第１圧縮機に流入し、かつ、第１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第１圧縮機に流入し、かつ、第１圧縮機で中間圧力まで圧縮された冷媒が第２圧縮機に流入する状態である。第２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、利用側熱交換器で蒸発された低圧の冷媒が第２圧縮機に流入し、かつ、第２圧縮機で中間圧力まで圧縮された冷媒が第１圧縮機に流入する状態である。第４状態は、第１圧縮機で中間圧力まで圧縮された冷媒が第２圧縮機に流入し、かつ、第２圧縮機で高圧まで圧縮された冷媒が利用側熱交換器に流入する状態である。第１切換機構と第２切換機構とは、第１切換機構が第１状態になると第２切換機構が第３状態になり、第１切換機構が第２状態になると第２切換機構が第４状態になる。

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（例えば四路切換弁）が搭載されている。したがって、利用側熱交換器をガスクーラとして、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、利用側熱交換器を蒸発器として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、利用ユニットは、複数台設けられる。

本発明では、利用ユニットを複数台設けているため、運転負荷が異なる箇所に対してそれぞれの負荷に応じて運転することができる。したがって、運転負荷が場所によって異なる場合に、室内ユニットが１台の場合よりも効率よく運転することができる。

第５発明に係る空気調和装置は、第１発明から第４発明のいずれかに係る空気調和装置であって、超臨界冷媒は、ＣＯ２冷媒である。

この空気調和装置では、冷媒にＣＯ２冷媒を利用している。ＣＯ２冷媒は、オゾン破壊係数が０のためオゾン層を破壊することがない。また、ＣＯ２冷媒は、地球温暖化係数が１であり、数百から１万程度のフルオロカーボン冷媒よりも遙かに低い。

このため、環境負荷が小さいＣＯ２冷媒を利用することで、地球環境が悪化することを抑えることができる。

第１発明に係る空気調和装置では、利用ユニットと熱源ユニットとを接続している冷媒連絡配管を中間圧力にすることができ、設計圧力が高いＣＯ２冷媒を用いても冷媒連絡配管にあまり負荷がかからない程度の圧力に抑えることができる。

第２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３発明に係る空気調和装置では、利用側熱交換器をガスクーラとして、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、利用側熱交換器を蒸発器として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４発明に係る空気調和装置では、利用ユニットを複数設けているため、運転負荷が異なる箇所に対してそれぞれの負荷に応じて運転することができる。したがって、運転負荷が場所によって異なる場合に、室内ユニットが１台の場合よりも効率よく運転することができる。

第５発明に係る空気調和装置では、ＣＯ２冷媒を利用することで、環境負荷が小さく、地球環境が悪化することを抑えることができる。

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内に圧縮機を２つ、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３と、室外ユニット２と室内ユニット３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３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３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２４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Ｒｍ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を蒸発器およびガスクーラ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をガスクーラ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、冷房運転）。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、暖房運転）。

室外熱交換器２３は、冷媒の蒸発器および冷媒のガスクーラ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２４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２４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２４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２７により接続されている。このバイパス回路２７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２５を有している。この室外ファン２５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２６によって駆動されるプロペラファン等である。

（２）室内ユニット
室内ユニット３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３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３の構成について説明する。室内ユニット３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３０を有している。この室内側冷媒回路３０は、主として、室内圧縮機３１と、室内四路切換弁Ｖ５と、膨張機構としての室内膨張弁Ｖ７と、利用側熱交換器としての室内熱交換器３３とを有している。

室内圧縮機３１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Ｒｍが制御されるモータ３２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３１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。本実施形態において、室内圧縮機３１は、インバータ制御による運転容量が可変のものを利用しているが、運転容量が固定のものでも良い。

室内四路切換弁Ｖ５は、室外四路切換弁Ｖ１と同様に、室内熱交換器３３を蒸発器およびガスクーラ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Ｖ５は、室内熱交換器３３と、室内圧縮機３１の吸入側と、室内圧縮機３１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３３をガスクーラとして機能させる際には、室内圧縮機３１の吐出側と室内熱交換器３３とを接続するとともに、室内圧縮機３１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３３を蒸発器として機能させる際には、室内熱交換器３３と室内圧縮機３１の吸入側とを接続するとともに、室内圧縮機３１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Ｖ５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をガスクーラ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Ｖ５は、室内熱交換器３３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Ｖ５は、室内熱交換器３３をガスクーラとして機能させる状態となる。

室内膨張弁Ｖ７は、室外膨張弁Ｖ２と同様に、室内側冷媒回路３０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３３の液側に接続された電動膨張弁である。この室内膨張弁Ｖ７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Ｖ７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３３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ガスクーラ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３は、室内空気をユニット内に吸入して、室内熱交換器３３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３４を有している。室内ファン３４は、室内熱交換器３３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３５によって駆動される遠心ファンや多翼ファン等である。

（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３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３の冷暖房の負荷に応じて、室内ユニット３の冷房を行う冷房運転と、室内ユニット３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３の室内側冷媒回路３０において、室内四路切換弁Ｖ５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がガスクーラとして機能し、かつ、室内熱交換器３３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３１、室外圧縮機２１、室外ファン２５、および室内ファン３４を起動すると、低圧Ｐｌのガス冷媒は、室内圧縮機３１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Ｖ５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２７からの気液分離器２４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、ガスクーラとして機能し室外ファン２５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２４に流入する。気液分離器２４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２７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３に送られる。この室内ユニット３に送られた中間圧力Ｐｍの液冷媒は、室内膨張弁Ｖ７によって室内圧縮機３１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３３に送られ、室内熱交換器３３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Ｖ５を経由して、再び、室内圧縮機３１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３の室内側冷媒回路３０において、室内四路切換弁Ｖ５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３３がガスクーラ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３１、室外圧縮機２１、室外ファン２５、および室内ファン３４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２７からの気液分離器２４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３に送られる。この室内ユニット３に送られた中間圧力Ｐｍのガス冷媒は、室内圧縮機３１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Ｖ５を経由して、室内熱交換器３３に送られる。この冷媒は、室内熱交換器３３において、室内空気と熱交換を行って冷却されて高圧Ｐｈの液冷媒となった後、室内膨張弁Ｖ７を通過する際に、室内膨張弁Ｖ７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Ｖ７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２４に流入する。気液分離器２４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２７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２５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、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３１、室外圧縮機２１、室外熱交換器２３、室外膨張弁Ｖ２、室内膨張弁Ｖ７、および室内熱交換器３３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３１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２４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、ガスクーラ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２４に流入する。気液分離器２４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２７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Ｖ７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３３において、熱を吸収し、蒸発して室内圧縮機３１へ戻る（Ｈ１→Ａ１）。

＜特徴＞
（１）
本実施例では、２段圧縮２段膨張冷凍サイクルを用いることで、冷媒連絡配管４が中間圧力Ｐｍになるようにしている。すなわち、ガス冷媒連絡配管４２を介して室外圧縮機２１と室内圧縮機３１とが接続されており、また、液冷媒連絡配管４１を介して室外膨張弁Ｖ２と室内膨張弁Ｖ７とが接続されている。

したがって、室内ユニット３と室外ユニット２とを接続している冷媒連絡配管４内を通過する冷媒の圧力を中間圧力Ｐｍにすることができ、設計圧力が高いＣＯ２冷媒を用いても冷媒連絡配管４にあまり負荷がかからない程度の圧力に抑えることができる。

（２）
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室外四路切換弁Ｖ１と室内四路切換弁Ｖ５とが搭載されている。

したがって、室外四路切換弁Ｖ１と室内四路切換弁Ｖ５とは、室外熱交換器２３を蒸発器として、かつ、室内熱交換器３３をガスクーラとして利用することと、それとは逆に、室外熱交換器２３をガスクーラとして、かつ、室内熱交換器３３を蒸発器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３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、外気温に応じて室内ユニット３の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。

また、本発明では、室内ユニット３内にさらに室内四路切換弁Ｖ５を設けているため、室内四路切換弁Ｖ５の設置を容易にすることができる。

（３）
この空気調和装置１では、冷媒にＣＯ２冷媒を利用している。ＣＯ２冷媒は、オゾン破壊係数が０のためオゾン層を破壊することがない。また、ＣＯ２冷媒は、地球温暖化係数が１であり、数百から１万程度のフルオロカーボン冷媒よりも遙かに低い。

このため、ＣＯ２冷媒を利用することで、環境負荷が小さく、地球環境が悪化することを抑えることができる。

＜変形例＞
（１）
本実施形態では、室内ユニット３が１台の室外ユニット２に対して１台接続されている、いわゆるペア式の空気調和装置１であるが、これに限らずに、複数台の室内ユニットが１台の室外ユニットに対して接続されているマルチ式の空気調和装置１ａであっても良い。例えば、図３のように、１台の室外ユニット２に対して３台の室内ユニット３ａ，３ｂ，３ｃが並列に接続されているものである。図３の室内ユニット３ａ，３ｂ，３ｃの構成は、本実施形態で説明した室内ユニット３の各部に付した番号に、室内ユニット３ａ，３ｂ，３ｃと対応するように、番号の末尾にａ，ｂ，およびｃを付している。例えば、室内ユニット３の室内ファン３４は、室内ユニット３ａ，３ｂ，３ｃの室内ファン３４ａ，３４ｂ，３４ｃと対応しており、室内ユニット３と室内ユニット３ａ，３ｂ，３ｃとは同様の構成である。なお、図３では室内ユニット３ａ〜３ｃは３台接続されているが、３台に限らずに、２台、４台、５台などであっても構わない。

室内ユニット３ａ〜３ｃを複数台設けているため、運転負荷が異なる箇所に対してそれぞれの負荷に応じて運転することができる。したがって、運転負荷が場所によって異なる場合に、室内ユニットが１台の場合よりも効率よく運転することができる。

（２）
変形例（１）において図３のような空気調和装置１ａでは、室内圧縮機３１ａ〜３１ｃが３台の室内ユニット３ａ〜３ｃにそれぞれ対応して、３台設けられているが、これに限らずに、例えば図４のように２台の室内ユニット５ａ，５ｂに並列に接続される１台の圧縮ユニット６を設けても良い。なお、この室内ユニット５ａ，５ｂは、室内熱交換器５１ａ，５１ｂと、モータ５３ａ，５３ｂによって駆動される室内ファン５２ａ，５２ｂと、室内膨張弁Ｖ９ａ，Ｖ９ｂとを有する。また、圧縮ユニット６は、モータ６２によって駆動される容量可変の室内圧縮機６１と、室内四路切換弁Ｖ５とを有する。この図４の例では室内ユニットは２台であるが、３台、４台、５台などでも構わない。

（３）
本実施形態では、室外膨張弁Ｖ２と室内膨張弁Ｖ７との間、および、室外圧縮機２１と室内圧縮機３１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２４ａを設けていてもよい。例えば、図４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２４ａを有する冷媒回路１０ｃにおける冷凍サイクルについて説明する。

図５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４および図５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１０ｃは、主に、室内圧縮機３１、室外圧縮機２１、室外熱交換器２３、室外膨張弁Ｖ２、中間冷却器２４ａ、室内膨張弁Ｖ７、室内熱交換器３３から構成されている。図２のＡ２、Ｂ２、Ｃ２、Ｄ２、Ｅ２、Ｆ２、Ｇ２、およびＨ２は、図５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１０ｃでは、冷媒は、室内圧縮機３１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２４ａに流入している。中間冷却器２４ａ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３１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２４ａ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、ガスクーラ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２４ａに流入する。中間冷却器２４ａ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２４ａ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２４ａ内で、残った中間圧力Ｐｍの液冷媒は、室内膨張弁Ｖ７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３３において、熱を吸収し、蒸発して室内圧縮機３１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２４ａを有している。中間冷却器２４ａでは、室外膨張弁Ｖ２により中間圧力Ｐｍに減圧された気液二相状態の冷媒と、室内圧縮機３１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２４ａ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３１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。

（４）
本実施形態では、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が高い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（２）に係る空気調和装置の冷媒回路図。 変形例（３）に係る空気調和装置の冷媒回路図。 変形例（３）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。

符号の説明

１，１ａ〜１ｃ 空気調和装置
２，２ａ 室外ユニット（熱源ユニット）
３，３ａ〜３ｃ 室内ユニット（利用ユニット）
５ａ，５ｂ 室内ユニット（利用ユニット）
２１ 室外圧縮機（第１圧縮機）
２４ａ 中間冷却器
３１，３１ａ〜３１ｃ 室内圧縮機（第２圧縮機）
４１ 液冷媒連絡配管
４２ ガス冷媒連絡配管
５１ａ，５１ｂ 室内熱交換器
６１ 室内圧縮機（第２圧縮機）
Ｖ１ 室外四路切換弁（第１切換機構）
Ｖ２ 室外膨張弁（熱源側膨張機構）
Ｖ５，Ｖ５ａ〜Ｖ５ｃ 室内四路切換弁（第２切換機構）
Ｖ７，Ｖ７ａ〜Ｖ７ｃ 室内膨張弁（利用側膨張機構）
Ｖ８ 室内四路切換弁（第２切換機構）
Ｖ９ａ，Ｖ９ｂ 室内膨張弁（利用側膨張機構）

Claims (5)

1. 超臨界で作動する冷媒を利用する空気調和装置であって、
   前記冷媒を圧縮する第１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）とを有する熱源ユニット（２，２ａ）と、
   前記冷媒を圧縮する第２圧縮機（３１，３１ａ〜３１ｃ，６１）と、前記冷媒を熱交換させる利用側熱交換器（３３，３３ａ〜３３ｃ）と、前記冷媒を減圧する利用側膨張機構（Ｖ７，Ｖ７ａ〜Ｖ７ｃ，Ｖ９ａ，Ｖ９ｂ）とを有する利用ユニット（３，３ａ〜３ｃ，５ａ，５ｂ）と、
   前記第１圧縮機から前記第２圧縮機へ延びるガス冷媒連絡配管（４２）と、
   前記熱源側膨張機構から前記利用側膨張機構へ延びる液冷媒連絡配管（４１）と、
   を備え、
   前記ガス冷媒連絡配管は、前記第１圧縮機または前記第２圧縮機で低圧から中間圧力まで圧縮された前記冷媒を流通させ、
   前記液冷媒連絡配管は、前記利用側膨張機構または前記熱源側膨張機構で高圧から中間圧力まで減圧された前記冷媒を流通させる、
   空気調和装置（１，１ａ〜１ｃ）。
2. 前記熱源ユニットは、中間冷却器（２４ａ）をさらに有する、
   請求項１に記載の空気調和装置（１ｃ）。
3. 前記熱源ユニットは、前記第２圧縮機で中間圧力まで圧縮された前記冷媒が前記第１圧縮機に流入し、かつ、前記第１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第１圧縮機に流入し、かつ、前記第１圧縮機で中間圧力まで圧縮された前記冷媒が前記第２圧縮機に流入する第２状態とを切換可能である第１切換機構（Ｖ１）をさらに有し、
   前記利用ユニットは、前記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圧縮機に流入し、かつ、前記第２圧縮機で中間圧力まで圧縮された前記冷媒が前記第１圧縮機に流入する第３状態と、前記第１圧縮機で中間圧力まで圧縮された前記冷媒が前記第２圧縮機に流入し、かつ、前記第２圧縮機で高圧まで圧縮された前記冷媒が前記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２切換機構（Ｖ６，Ｖ６ａ〜Ｖ６ｃ，Ｖ８）をさらに有し、
   前記第１切換機構と前記第２切換機構とは、前記第１切換機構が前記第１状態になると前記第２切換機構が前記第３状態になり、前記第１切換機構が前記第２状態になると前記第２切換機構が前記第４状態になる、
   請求項１から３のいずれかに記載の空気調和装置（１，１ａ〜１ｃ）。
4. 前記利用ユニット（３ａ〜３ｃ，５ａ，５ｂ）は、複数設けられる、
   請求項１から３のいずれかに記載の空気調和装置（１ａ，１ｂ）。
5. 前記超臨界冷媒は、ＣＯ２冷媒である、
   請求項１から４のいずれかに記載の空気調和装置。

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