JP2013139936A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明に係る冷凍装置は、効率の低下を抑制することができる。
【解決手段】空気調和装置１は、四段圧縮機２と、切換機構３１〜３３と、液ガス熱交換器６ｂと、バイパスライン１４２，１６２と、制御部とを備える。四段圧縮機２は、１つの高段側圧縮機構２４と、複数の低段側圧縮機構２１〜２３のそれぞれとが直列に接続されている。切換機構３１〜３３は、冷房運転サイクルと暖房運転サイクルとを切り換える。液ガス熱交換器６ｂは、低段側圧縮機構２１〜２３に吸入される低圧の冷媒と、高圧の冷媒との間で熱交換を行う。バイパスライン１４２，１６２は、液ガス熱交換器６ｂの吸入側と吐出側とをバイパスする。バイパスライン１４２，１６２は、冷房運転サイクルにおいて冷媒をバイパスさせず、かつ、暖房運転サイクルにおいて一部の冷媒をバイパスさせる。制御部は、四段圧縮機２および切換機構３１〜３３を制御する。
【選択図】図４

Description

本発明は、冷凍装置に関する。

従来、特許文献１（特開２０１０−２１０２０５号公報）に示されるように、多段圧縮冷凍サイクルを行う冷媒回路にインタークーラが設置された冷凍装置が用いられている。インタークーラは、冷房運転時において、最上段以外の各段の圧縮機構から吐出された圧縮冷媒を冷却する。これにより、より上段にある圧縮機構は、冷媒を圧縮するために必要な仕事である圧縮仕事が抑えられる。

しかし、このような冷凍装置では、暖房運転時において、インタークーラは圧縮冷媒の冷却に使用されないため、圧縮機構に吸入される冷媒の温度が上昇しやすい。そのため、暖房運転時には、圧縮機構の圧縮仕事が増大して冷凍装置の効率が低下しやすい。

また、高圧の冷媒と低圧の冷媒との間で熱交換を行う液ガス熱交換器を冷凍装置が備えている場合、暖房運転時において、液ガス熱交換器を冷媒が通過することによって、圧力損失が発生する場合がある。特に、液ガス熱交換器に送られる低温低圧の冷媒は、低密度で流速も大きいので、圧力損失が発生しやすく、圧縮機構の圧縮仕事が増大しやすい。また、液ガス熱交換器で熱交換される低温低圧の冷媒は、圧縮機構に吸入される冷媒であるので、過剰に加熱されてエンタルピが増加すると、その分、圧縮機構の圧縮仕事が増大する。

また、冷媒が減圧される際に発生するエネルギーの一部を回収して再利用できる膨張機を冷凍装置が備えている場合、暖房運転時において、膨張機に吸入される直前の高温高圧の冷媒を、液ガス熱交換器で冷却してエンタルピを低下させると、膨張機の理論回収仕事が低減するので、膨張機の動力回収効果が低下する。

従って、暖房運転時に、液ガス熱交換器で不必要な熱交換が行われると、冷凍装置の効率が低下する。

本発明の目的は、冷凍装置の効率の低下を抑制することである。

本発明の第１観点に係る冷凍装置は、多段圧縮機構と、切換機構と、液ガス熱交換器と、バイパスラインと、制御部とを備える。多段圧縮機構は、１つの高段側圧縮機構と、複数の低段側圧縮機構のそれぞれとが直列に接続されている。切換機構は、冷房運転サイクルと暖房運転サイクルとを切り換える。液ガス熱交換器は、低段側圧縮機構に吸入される低圧の冷媒と、高圧の冷媒との間で熱交換を行う。バイパスラインは、液ガス熱交換器の吸入側と吐出側とをバイパスする。バイパスラインは、冷房運転サイクルにおいて冷媒をバイパスさせず、かつ、暖房運転サイクルにおいて一部の冷媒をバイパスさせる。制御部は、多段圧縮機構および切換機構を制御する。

第１観点に係る冷凍装置は、３以上の圧縮機構が直列に接続された多段圧縮機構を備える。多段圧縮機構は、最上段の圧縮機構である高段側圧縮機構と、高段側圧縮機構以外の圧縮機構である低段側圧縮機構からなる。液ガス熱交換器は、低圧の冷媒と、高圧の冷媒との間で熱交換を行う。低圧の冷媒は、多段圧縮機構に吸入される冷媒である。高圧の冷媒は、多段圧縮機構によって圧縮された後、凝縮器およびエコノマイザ熱交換器等によって冷却された冷媒である。

この冷凍装置では、暖房運転時において、液ガス熱交換器を通過する冷媒の一部をバイパスさせる。すなわち、液ガス熱交換器の吸入側を流れる冷媒の一部は、液ガス熱交換器を通過することなく、バイパスラインを流れて液ガス熱交換器の吐出側に供給される。液ガス熱交換器の吐出側では、液ガス熱交換器を通過して熱交換された冷媒と、バイパスラインを通過した冷媒とが合流する。

この冷凍装置では、冷媒回路にバイパスラインを設けることによって、暖房運転時に、液ガス熱交換器において、低圧側の冷媒が過剰に加熱されて圧縮機構の圧縮仕事が増大することが抑えられ、かつ、冷凍装置の効率の向上に寄与しない高圧側の冷媒の冷却が抑えられる。

従って、第１観点に係る冷凍装置は、暖房運転時において、液ガス熱交換器における不必要な熱交換を抑制することによって、効率の低下を抑制することができる。

本発明の第２観点に係る冷凍装置は、第１観点に係る冷凍装置であって、インタークーラをさらに備える。インタークーラは、冷房運転サイクル時において、低段側圧縮機構から吐出された冷媒を冷却する。

本発明の第３観点に係る冷凍装置は、第１観点または第２観点に係る冷凍装置であって、バイパスラインは、流量調整機構を含む。

第３観点に係る冷凍装置は、バイパスラインは、電磁弁および電動弁等の流量調整機構を備える。流量調整機構は、液ガス熱交換器をバイパスする冷媒の量を調節するために用いられる。流量調整機構によって、液ガス熱交換器における冷媒の熱交換量を制御して、冷凍装置の効率の低下を抑制することができる。

本発明の第４観点に係る冷凍装置は、第１観点乃至第３観点のいずれかに係る冷凍装置であって、バイパスラインは、低温側バイパスラインを含む。低温側バイパスラインは、液ガス熱交換器内において低圧の冷媒が流れる流路の吸入側と吐出側とをバイパスする。

本発明の第５観点に係る冷凍装置は、第１観点乃至第４観点のいずれかに係る冷凍装置であって、バイパスラインは、高温側バイパスラインを含む。高温側バイパスラインは、液ガス熱交換器内において高圧の冷媒が流れる流路の吸入側と吐出側とをバイパスする。

本発明の第６観点に係る冷凍装置は、第１観点乃至第５観点のいずれかに係る冷凍装置であって、膨張機構をさらに備える。膨張機構は、液ガス熱交換器によって熱交換された高圧の冷媒が通過する。膨張機構は、例えば、高温高圧の冷媒が減圧される際に生じる膨張エネルギーを動力として回収し、冷媒を圧縮する多段圧縮機構の動力の一部として用いることができる膨張機である。

本発明の第７観点に係る冷凍装置は、第１観点から第６観点のいずれかに係る冷凍装置であって、低段側圧縮機構は、第１低段側圧縮機構と、第２低段側圧縮機構と、第３低段側圧縮機構とからなる。多段圧縮機構は、高段側圧縮機構と、第１低段側圧縮機構と、第２低段側圧縮機構と、第３低段側圧縮機構とが、この順番で直列に接続されている。すなわち、この冷凍装置は、４段圧縮機構を備える。

本発明の第１観点乃至第７観点に係る冷凍装置は、効率の低下を抑制することができる。

本発明の第３観点に係る冷凍装置は、液ガス熱交換器における冷媒の熱交換量を制御して、冷凍装置の効率の低下を抑制することができる。

本発明の第７観点に係る冷凍装置は、４段圧縮機構を備える冷凍装置に適用することができる。

本発明の実施形態に係る空気調和装置の冷房運転時の概略構成図である。 図１の第１乃至第３油分離器の周辺の配管を表す図である。 図１における冷凍サイクルの圧力−エンタルピ線図である。 本発明の実施形態に係る空気調和装置の暖房運転時の概略構成図である。 図４の第１乃至第３油分離器の周辺の配管を表す図である。 図４における冷凍サイクルの圧力−エンタルピ線図である。

本発明の実施形態に係る冷凍装置について、図面を参照しながら説明する。

（１）空気調和装置の構成
図１および図４は、本発明に係る冷凍装置の一実施形態としての空気調和装置１の概略構成図である。空気調和装置１は、超臨界状態の二酸化炭素冷媒を使用して四段圧縮冷凍サイクルを行う冷凍装置である。空気調和装置１は、冷房運転サイクルと暖房運転サイクルとを切換可能に構成された冷媒回路１０を有する。図１は、冷房運転時において冷媒回路１０を循環する冷媒の流れを表す。図４は、暖房運転時において冷媒回路１０を循環する冷媒の流れを表す。図１および図４において、冷媒回路１０の配管に沿って記載されている矢印は、冷媒の流れを表す。

空気調和装置１の冷媒回路１０は、主として、四段圧縮機２、第１切換機構３１、第２切換機構３２、第３切換機構３３、第４切換機構３４、第１油分離器４１、第２油分離器４２、第３油分離器４３、第４油分離器４４、室外熱交換器５、エコノマイザ熱交換器６ａ、液ガス熱交換器６ｂ、膨張機構７、レシーバ８、過冷却熱交換器６ｃ、室内熱交換器９および制御部（図示せず）からなる。次に、冷媒回路１０の各構成要素を詳細に説明する。

（１−１）四段圧縮機
四段圧縮機２は、密閉容器内に、第１圧縮機構２１、第２圧縮機構２２、第３圧縮機構２３、第４圧縮機構２４、圧縮機駆動モータ（図示せず）、および、駆動軸（図示せず）が収容された密閉式圧縮機である。圧縮機駆動モータは、駆動軸に連結されている。駆動軸は、４つの圧縮機構２１〜２４に連結されている。すなわち、四段圧縮機２は、４つの圧縮機構２１〜２４が単一の駆動軸に連結されている一軸四段圧縮構造を有している。四段圧縮機２では、第１圧縮機構２１、第２圧縮機構２２、第３圧縮機構２３および第４圧縮機構２４は、この順番で直列に接続されている。第１圧縮機構２１は、第１吸入管１０１ａおよび第１吐出管１０１ｂに接続されている。第２圧縮機構２２は、第２吸入管１０２ａおよび第２吐出管１０２ｂに接続されている。第３圧縮機構２３は、第３吸入管１０３ａおよび第３吐出管１０３ｂに接続されている。第４圧縮機構２４は、第４吸入管１０４ａおよび第４吐出管１０４ｂに接続されている。

第１圧縮機構２１は、最下段の圧縮機構であり、冷媒回路１０を流れる最も低圧の冷媒を圧縮する。第２圧縮機構２２は、第１圧縮機構２１によって圧縮された冷媒を圧縮する。第３圧縮機構２３は、第２圧縮機構２２によって圧縮された冷媒を圧縮する。第４圧縮機構２４は、最上段の圧縮機構であり、第３圧縮機構２３によって圧縮された冷媒を圧縮する。第４圧縮機構２４によって圧縮された冷媒は、冷媒回路１０を流れる最も高圧の冷媒である。

なお、本実施形態において、各圧縮機構２１〜２４は、ロータリー式の圧縮機構である。また、圧縮機駆動モータは、制御部に接続されている。すなわち、各圧縮機構２１〜２４は、制御部によって運転速度等が制御される。

（１−２）第１乃至第４切換機構
第１切換機構３１は、第１吐出管１０１ｂ、第２吸入管１０２ａ、第１油分離管１１１および低圧冷媒管１６１と接続されている。第２切換機構３２は、第２吐出管１０２ｂ、第３吸入管１０３ａ、第２油分離管１１２および低圧冷媒管１６１と接続されている。第３切換機構３３は、第３吐出管１０３ｂ、第４吸入管１０４ａ、第３油分離管１１３および低圧冷媒管１６１と接続されている。第４切換機構３４は、第４吐出管１０４ｂ、ガスクーラ管１３４、第２室内熱交管１９２および低圧冷媒管１６１と接続されている。

第１切換機構３１、第２切換機構３２、第３切換機構３３および第４切換機構３４は、冷媒回路１０内における冷媒の流れの方向を切り換えて、冷房運転サイクルと暖房運転サイクルとを切り換えるための四路切換弁である。切換機構３１〜３４は、冷房運転時において、四段圧縮機２によって圧縮された冷媒の冷却器として室外熱交換器５を機能させ、かつ、膨張機構７を通過して膨張した冷媒の加熱器として室内熱交換器９を機能させる。切換機構３１〜３４は、暖房運転時において、四段圧縮機２によって圧縮された冷媒の冷却器として室内熱交換器９を機能させ、かつ、膨張機構７を通過して膨張した冷媒の加熱器として室外熱交換器５を機能させる。

すなわち、切換機構３１〜３４は、冷媒回路１０の構成要素として四段圧縮機２、室外熱交換器５、膨張機構７および室内熱交換器９のみに着目すると、四段圧縮機２、室外熱交換器５、膨張機構７、室内熱交換器９の順に冷媒を循環させる冷房運転サイクルと、四段圧縮機２、室内熱交換器９、膨張機構７、室外熱交換器５の順に冷媒を循環させる暖房運転サイクルとを切り換える。

（１−３）第１乃至第４油分離器
第１油分離器４１、第２油分離器４２、第３油分離器４３および第４油分離器４４は、冷媒回路１０を循環する冷媒に含まれる潤滑油を分離する機構である。潤滑油は、四段圧縮機２の摺動部等を潤滑するために使用される冷凍機油である。潤滑油を含む冷媒が室外熱交換器５および室内熱交換器９に流入して蓄積されると、冷媒の加熱および冷却の効率が低下して、空気調和装置１の性能が低下する。油分離器４１〜４４は、冷媒から分離した潤滑油を適宜に冷媒回路１０に戻す。

図２は、冷房運転サイクルを表す図１に示される第１油分離器４１、第２油分離器４２および第３油分離器４３の周辺の配管を表す図である。図５は、暖房運転サイクルを表す図４に示される第１油分離器４１、第２油分離器４２および第３油分離器４３の周辺の配管を表す図である。図２および図５において、冷媒回路１０の配管に沿って記載されている矢印は、冷媒の流れを表す。以下、図２および図５を参照しながら説明する。

第１油分離器４１は、第１油分離管１１１に取り付けられ、第１油戻し管１２１に接続されている。第１油分離器４１は、第１油分離管１１１を流れる冷媒から潤滑油を分離して、分離した潤滑油を第１油戻し管１２１に供給する。第１油戻し管１２１は、第１冷房用油戻し管１２１ａと、第１暖房用油戻し管１２１ｂとに分岐している。第１冷房用油戻し管１２１ａは、第１冷房用逆流防止弁２２１ａが取り付けられ、第１インタークーラ管１３１に接続されている。第１暖房用油戻し管１２１ｂは、第１暖房用逆流防止弁２２１ｂが取り付けられ、第１切換機構３１と第１油分離器４１とを接続する第１油分離管１１１に接続されている。

第２油分離器４２は、第２油分離管１１２に取り付けられ、第２油戻し管１２２に接続されている。第２油分離器４２は、第２油分離管１１２を流れる冷媒から潤滑油を分離して、分離した潤滑油を第２油戻し管１２２に供給する。第２油戻し管１２２は、第２冷房用油戻し管１２２ａと、第２暖房用油戻し管１２２ｂとに分岐している。第２冷房用油戻し管１２２ａは、第２冷房用逆流防止弁２２２ａが取り付けられ、第２インタークーラ管１３２に接続されている。第２暖房用油戻し管１２２ｂは、第２暖房用逆流防止弁２２２ｂが取り付けられ、第２切換機構３２と第２油分離器４２とを接続する第２油分離管１１２に接続されている。

第３油分離器４３は、第３油分離管１１３に取り付けられ、第３油戻し管１２３に接続されている。第３油分離器４３は、第３油分離管１１３を流れる冷媒から潤滑油を分離して、分離した潤滑油を第３油戻し管１２３に供給する。第３油戻し管１２３は、第３冷房用油戻し管１２３ａと、第３暖房用油戻し管１２３ｂとに分岐している。第３冷房用油戻し管１２３ａは、第３冷房用逆流防止弁２２３ａが取り付けられ、第３インタークーラ管１３３に接続されている。第３暖房用油戻し管１２３ｂは、第３暖房用逆流防止弁２２３ｂが取り付けられ、第３切換機構３３と第３油分離器４３とを接続する第３油分離管１１３に接続されている。

第４油分離器４４は、第４吐出管１０４ｂに取り付けられ、第４油戻し管１２４に接続されている。第４油分離器４４は、第４吐出管１０４ｂを流れる冷媒から潤滑油を分離して、分離した潤滑油を第４油戻し管１２４に供給し、潤滑油が分離された冷媒を第４切換機構３４に送る。第４油戻し管１２４は、第１吸入管１０１ａに接続されている。

なお、第１冷房用逆流防止弁２２１ａ、第２冷房用逆流防止弁２２２ａおよび第３冷房用逆流防止弁２２３ａは、冷房運転時における潤滑油の通過のみを許容する逆流防止機構である。第１暖房用逆流防止弁２２１ｂ、第２暖房用逆流防止弁２２２ｂおよび第３暖房用逆流防止弁２２３ｂは、暖房運転時における潤滑油の通過のみを許容する逆流防止機構である。

（１−４）室外熱交換器
室外熱交換器５は、第１インタークーラ５１、第２インタークーラ５２、第３インタークーラ５３およびガスクーラ５４から構成されている。室外熱交換器５は、冷房運転時において冷媒の冷却器として機能し、暖房運転時において冷媒の加熱器として機能する。室外熱交換器５は、内部を流れる冷媒と熱交換を行う媒体としての水および空気等が供給される。

第１インタークーラ５１は、第１油分離管１１１および第１インタークーラ管１３１に接続されている。第２インタークーラ５２は、第２油分離管１１２および第２インタークーラ管１３２に接続されている。第３インタークーラ５３は、第３油分離管１１３および第３インタークーラ管１３３に接続されている。ガスクーラ５４は、ガスクーラ管１３４と、高圧冷媒管１４１に連通する冷媒回路１０内の配管とに接続されている。

（１−５）エコノマイザ熱交換器
エコノマイザ熱交換器６ａは、高圧冷媒管１４１および第１中間圧冷媒管１５１に接続されている。第１中間圧冷媒管１５１は、高圧冷媒管１４１から分岐し、第１膨張弁１７１が取り付けられている。エコノマイザ熱交換器６ａは、高圧冷媒管１４１を流れる高圧の冷媒と、第１膨張弁１７１を通過して第１中間圧冷媒管１５１を流れる中間圧の冷媒との間で熱交換を行う。

（１−６）液ガス熱交換器
液ガス熱交換器６ｂは、高圧冷媒管１４１および低圧冷媒管１６１に接続されている。液ガス熱交換器６ｂは、エコノマイザ熱交換器６ａを通過して高圧冷媒管１４１を流れる高圧の冷媒と、膨張機構７等を通過して低圧冷媒管１６１を流れる低圧の冷媒との間で熱交換を行う。

高圧冷媒管１４１には、液ガス熱交換器６ｂの吸入側と吐出側とをバイパスする高温側バイパス管１４２が取り付けられている。高温側バイパス管１４２には、高温側バイパス弁１４２ａが設けられている。高温側バイパス弁１４２ａは、高温側バイパス管１４２を通過する冷媒の流量を調整することができる電磁弁および電動弁等である。高温側バイパス弁１４２ａの開度を調節することによって、高圧冷媒管１４１を流れる冷媒の一部を、液ガス熱交換器６ｂを通過させずに、高温側バイパス管１４２を介して膨張機構７に送ることができる。

同様に、低圧冷媒管１６１には、液ガス熱交換器６ｂの吸入側と吐出側とをバイパスする低温側バイパス管１６２が取り付けられている。低温側バイパス管１６２には、低温側バイパス弁１６２ａが設けられている。低温側バイパス弁１６２ａは、低温側バイパス管１６２を通過する冷媒の流量を調整することができる電磁弁および電動弁等である。低温側バイパス弁１６２ａの開度を調節することによって、低圧冷媒管１６１を流れる冷媒の一部を、液ガス熱交換器６ｂを通過させずに、低温側バイパス管１６２を介して四段圧縮機２に送ることができる。

本実施形態において、高温側バイパス弁１４２ａおよび低温側バイパス弁１６２ａは、冷房運転時において、完全に閉じられており、暖房運転時においてのみ、開度が調整される。すなわち、冷房運転時において、冷媒は液ガス熱交換器６ｂをバイパスせず、暖房運転時においてのみ、冷媒は液ガス熱交換器６ｂをバイパスする。

（１−７）膨張機構
膨張機構７は、液ガス熱交換器６ｂを通過した高圧冷媒管１４１を流れる高圧の冷媒を減圧して、気液二相状態の中間圧の冷媒を第２中間圧冷媒管１５２に供給する。第２中間圧冷媒管１５２を流れる中間圧の冷媒は、レシーバ８に送られる。膨張機構７は、第２膨張弁１７２および膨張機７１から構成される。

膨張機７１は、高温高圧の冷媒が減圧される際に生じる膨張エネルギーを動力として回収し、冷媒を圧縮する圧縮機構２１〜２４の動力の一部として用いる機構を有している。本実施形態において、膨張機７１は、発電式の膨張機である。

（１−８）レシーバ
レシーバ８は、膨張機構７から第２中間圧冷媒管１５２を介して送られた気液二相状態の中間圧の冷媒を、液冷媒とガス冷媒とに分離する。分離されたガス冷媒は、第３膨張弁１７３を通過して低圧のガス冷媒となり、低圧冷媒管１６１に供給され、過冷却熱交換器６ｃに送られる。分離された液冷媒は、第３中間圧冷媒管１５３に供給され、過冷却熱交換器６ｃに送られる。

（１−９）過冷却熱交換器
過冷却熱交換器６ｃは、第３中間圧冷媒管１５３を流れる中間圧の冷媒と、低圧冷媒管１６１を流れる低圧の冷媒との間で熱交換を行う。第３中間圧冷媒管１５３は、途中で分岐して第４膨張弁１７４を介して低圧冷媒管１６１に接続される。すなわち、第３中間圧冷媒管１５３を流れる中間圧の冷媒の一部は、第４膨張弁１７４を通過して低圧の冷媒となり、低圧冷媒管１６１に供給され、過冷却熱交換器６ｃに送られる。

（１−１０）室内熱交換器
室内熱交換器９は、複数の室内熱交換ユニット９ａ，９ｂ，・・・から構成されている。室内熱交換器９は、冷房運転時において冷媒の加熱器として機能し、暖房運転時において冷媒の冷却器として機能する。室内熱交換器９は、内部を流れる冷媒と熱交換を行う媒体としての水および空気等が供給される。

各室内熱交換ユニット９ａ，９ｂ，・・・は、第１室内熱交管１９１および第２室内熱交管１９２に接続されている。各室内熱交換ユニット９ａ，９ｂ，・・・に接続される第１室内熱交管１９１の分流管には、それぞれ、第５膨張弁１７５が取り付けられている。冷房運転時において、第１室内熱交管１９１は、第３中間圧冷媒管１５３と連通し、第２室内熱交管１９２は、第４切換機構３４を介して低圧冷媒管１６１と連通する。暖房運転時において、第１室内熱交管１９１は、高圧冷媒管１４１と連通し、第２室内熱交管１９２は、第４切換機構３４を介して第４吐出管１０４ｂと連通する。

（１−１１）制御部
制御部は、四段圧縮機２を構成する４つの圧縮機構２１〜２４に連結されている駆動軸を駆動する圧縮機駆動モータ、および、切換機構３１〜３４に接続されるマイクロコンピュータである。制御部は、外部から入力された情報に基づいて、圧縮機構２１〜２４の運転速度、および、冷房運転サイクルと暖房運転サイクルとの切り換え等を制御する。

（２）空気調和装置の動作
空気調和装置１の動作について、図１〜図６を参照しながら説明する。図３は、冷房運転時における冷凍サイクルの圧力−エンタルピ線図（ｐ−ｈ線図）である。図６は、暖房運転時における冷凍サイクルの圧力−エンタルピ線図（ｐ−ｈ線図）である。図３および図６において、上に凸の曲線は、冷媒の飽和液線および乾き飽和蒸気線である。図３および図６において、冷凍サイクル上の英文字が付された点は、それぞれ、図１および図４において同じ英文字で表される点における冷媒の圧力およびエンタルピを表す。例えば、図１の点Ｂにおける冷媒は、図３の点Ｂにおける圧力およびエンタルピを有する。なお、空気調和装置１の冷房運転時および暖房運転時における運転制御は、制御部によって行われる。

（２−１）冷房運転時の動作
冷房運転時では、図１に示される矢印に沿って、四段圧縮機２、室外熱交換器５、膨張機構７、室内熱交換器９の順に冷媒が冷媒回路１０内を循環する。以下、冷房運転時における空気調和装置１の動作について、図１〜３を参照しながら説明する。

最初に、第１吸入管１０１ａ内の低圧の冷媒は、第１圧縮機構２１で圧縮されて、第１吐出管１０１ｂに吐出される（点Ａ，Ｂ）。圧縮された冷媒は、第１切換機構３１を通過した後、第１油分離管１１１を流れて、第１油分離器４１において潤滑油が分離される。潤滑油が分離された冷媒は、第１インタークーラ５１で冷却された後、第１インタークーラ管１３１を介して第２吸入管１０２ａに供給される（点Ｂ，Ｃ）。第１油分離器４１で分離された潤滑油は、図２に示されるように、第１油戻し管１２１および第１冷房用油戻し管１２１ａを経て、第１インタークーラ管１３１を流れる冷媒に合流する。

次に、第２吸入管１０２ａ内の冷媒は、第２圧縮機構２２で圧縮されて、第２吐出管１０２ｂに吐出される（点Ｃ，Ｄ）。圧縮された冷媒は、第２切換機構３２を通過した後、第２油分離管１１２を流れて、第２油分離器４２において潤滑油が分離される。潤滑油が分離された冷媒は、第２インタークーラ５２で冷却された後、第２インタークーラ管１３２に供給される（点Ｄ，Ｅ）。第２インタークーラ管１３２を流れる冷媒は、エコノマイザ熱交換器６ａにおいて熱交換されて第１中間圧冷媒管１５１を流れる中間圧の冷媒と合流した後、第３吸入管１０３ａに供給される（点Ｅ，Ｆ）。第２油分離器４２で分離された潤滑油は、図２に示されるように、第２油戻し管１２２および第２冷房用油戻し管１２２ａを経て、第２インタークーラ管１３２を流れる冷媒に合流する。

次に、第３吸入管１０３ａ内の冷媒は、第３圧縮機構２３で圧縮されて、第３吐出管１０３ｂに吐出される（点Ｆ，Ｇ）。圧縮された冷媒は、第３切換機構３３を通過した後、第３油分離管１１３を流れて、第３油分離器４３において潤滑油が分離される。潤滑油が分離された冷媒は、第３インタークーラ５３で冷却された後、第３インタークーラ管１３３を介して第４吸入管１０４ａに供給される（点Ｇ，Ｈ）。第３油分離器４３で分離された潤滑油は、図２に示されるように、第３油戻し管１２３および第３冷房用油戻し管１２３ａを経て、第３インタークーラ管１３３を流れる冷媒に合流する。

次に、第４吸入管１０４ａ内の冷媒は、第４圧縮機構２４で圧縮されて、第４吐出管１０４ｂに吐出される（点Ｈ，Ｉ）。第４吐出管１０４ｂを流れる高圧の冷媒は、第４油分離器４４において潤滑油が分離される。潤滑油が分離された高圧の冷媒は、第４切換機構３４を通過した後、ガスクーラ管１３４に供給され、ガスクーラ５４に送られる。ガスクーラ５４で冷却された高圧の冷媒は、高圧冷媒管１４１に供給される（点Ｉ，Ｊ）。第４油分離器４４で分離された潤滑油は、第４油戻し管１２４を介して第１吸入管１０１ａに戻される。

次に、高圧冷媒管１４１内の冷媒は、エコノマイザ熱交換器６ａおよび液ガス熱交換器６ｂで熱交換された後、膨張機構７を通過して中間圧の冷媒となり、第２中間圧冷媒管１５２を介してレシーバ８に送られる（点Ｊ，Ｍ〜Ｓ）。一方、高圧冷媒管１４１から第１中間圧冷媒管１５１に分流した冷媒は、エコノマイザ熱交換器６ａで熱交換された後、第２インタークーラ管１３２に供給される（点Ｊ〜Ｌ）。レシーバ８に送られた気液二相状態の中間圧の冷媒は、液冷媒とガス冷媒とに分離される（点Ｓ，Ｔ，Ｗ）。冷房運転時において、高圧冷媒管１４１を流れる冷媒は、高温側バイパス管１４２を介して液ガス熱交換器６ｂをバイパスしない。

次に、レシーバ８で分離された液冷媒は、第３中間圧冷媒管１５３を流れ、過冷却熱交換器６ｃで熱交換される（点Ｔ，Ｖ）。一方、レシーバ８で分離されたガス冷媒は、第３膨張弁１７３を通過して低圧のガス冷媒となる（点Ｗ，Ｙ）。第３中間圧冷媒管１５３を流れる一部の冷媒も、第４膨張弁１７４を通過して低圧のガス冷媒となる（点Ｔ，Ｕ）。これらの低圧のガス冷媒は、合流した後（点Ｕ，Ｙ，Ｚ）、過冷却熱交換器６ｃで熱交換され、低圧冷媒管１６１に供給される（点Ｚ，ＡＢ，ＡＤ）。

次に、過冷却熱交換器６ｃで熱交換された中間圧の冷媒は、第１室内熱交管１９１に供給されて分流した後に、各第５膨張弁１７５を通過して低圧の冷媒となる（点Ｖ，Ｘ）。これらの低圧の冷媒は、室内熱交換器９の各室内熱交換ユニット９ａ，９ｂ，・・・で加熱されて、第２室内熱交管１９２の各分流管に供給される（点Ｘ，ＡＣ）。その後、加熱された低圧の冷媒は、合流した後、第４切換機構３４を介して低圧冷媒管１６１に供給される（点ＡＣ，ＡＤ）。

最後に、低圧冷媒管１６１を流れる低圧の冷媒は、液ガス熱交換器６ｂで熱交換された後、第１吸入管１０１ａに供給される（点ＡＤ，ＡＥ，Ａ）。冷房運転時において、低圧冷媒管１６１を流れる冷媒は、低温側バイパス管１６２を介して液ガス熱交換器６ｂをバイパスしない。以上のように冷媒が冷媒回路１０内を循環することにより、空気調和装置１の冷媒回路１０は冷房運転サイクルを行う。

（２−２）暖房運転時の動作
暖房運転時では、図４に示される矢印に沿って、四段圧縮機２、室内熱交換器９、膨張機構７、室外熱交換器５の順に冷媒が冷媒回路１０内を循環する。以下、暖房運転時における空気調和装置１の動作について、図４〜６を参照しながら説明する。

最初に、第１吸入管１０１ａ内の低圧の冷媒は、第１圧縮機構２１で圧縮されて、第１吐出管１０１ｂに吐出される（点Ａ，Ｂ）。圧縮された冷媒は、第１切換機構３１を通過した後、第２吸入管１０２ａに供給される（点Ｂ，Ｃ）。

次に、第２吸入管１０２ａ内の冷媒は、第２圧縮機構２２で圧縮されて、第２吐出管１０２ｂに吐出される（点Ｃ，Ｄ）。圧縮された冷媒は、第２切換機構３２を通過した後、第３吸入管１０３ａに供給される（点Ｄ，Ｆ）。第３吸入管１０３ａを流れる冷媒は、エコノマイザ熱交換器６ａにおいて熱交換されて第１中間圧冷媒管１５１および第２インタークーラ管１３２を流れる中間圧の冷媒と合流する。

次に、第３吸入管１０３ａ内の冷媒は、第３圧縮機構２３で圧縮されて、第３吐出管１０３ｂに吐出される（点Ｆ，Ｇ）。圧縮された冷媒は、第３切換機構３３を通過した後、第４吸入管１０４ａに供給される（点Ｇ，Ｈ）。

次に、第４吸入管１０４ａ内の冷媒は、第４圧縮機構２４で圧縮されて、第４吐出管１０４ｂに吐出される（点Ｈ，Ｉ）。第４吐出管１０４ｂを流れる高圧の冷媒は、第４油分離器４４において潤滑油が分離される。潤滑油が分離された高圧の冷媒は、第４切換機構３４を通過した後、第２室内熱交管１９２の各分流管に供給される（点Ｉ，ＡＣ）。第４油分離器４４で分離された潤滑油は、第４油戻し管１２４を介して第１吸入管１０１ａに戻される。

次に、第２室内熱交管１９２の各分流管内の高圧の冷媒は、室内熱交換器９の各室内熱交換ユニット９ａ，９ｂ，・・・で冷却される（点ＡＣ，Ｘ）。冷却された高圧の冷媒は、第１室内熱交管１９１の各分流管において第５膨張弁１７５を通過してわずかに減圧された後、合流して、高圧冷媒管１４１に供給される（点Ｘ，Ｊ）。

次に、高圧冷媒管１４１内の冷媒は、エコノマイザ熱交換器６ａで熱交換される（点Ｊ，Ｍ）。一方、高圧冷媒管１４１から第１中間圧冷媒管１５１に分流した冷媒は、エコノマイザ熱交換器６ａで熱交換された後、第２インタークーラ管１３２を介して第３吸入管１０３ａに供給される（点Ｊ〜Ｌ）。

次に、エコノマイザ熱交換器６ａで熱交換された冷媒は、２つに分流する。分流した一方の冷媒は、液ガス熱交換器６ｂにおいて熱交換される（点Ｍ，Ｎ）。分流した他方の冷媒は、高温側バイパス管１４２を流れる（点Ｍ，Ｏ）。液ガス熱交換器６ｂで熱交換された冷媒、および、高温側バイパス管１４２を通過して液ガス熱交換器６ｂをバイパスした冷媒は、合流する（点Ｎ〜Ｐ）。

次に、合流した冷媒は、膨張機構７を通過して中間圧の冷媒となり、第２中間圧冷媒管１５２を介してレシーバ８に送られる（点Ｐ〜Ｓ）。レシーバ８に送られた気液二相状態の中間圧の冷媒は、液冷媒とガス冷媒とに分離される（点Ｓ，Ｔ，Ｗ）。

次に、レシーバ８で分離された液冷媒は、第３中間圧冷媒管１５３を流れ、過冷却熱交換器６ｃで熱交換される（点Ｔ，Ｖ）。一方、レシーバ８で分離されたガス冷媒は、第３膨張弁１７３を通過して低圧のガス冷媒となる（点Ｗ，Ｙ）。第３中間圧冷媒管１５３を流れる一部の冷媒も、第４膨張弁１７４を通過して低圧のガス冷媒となる（点Ｔ，Ｕ）。これらの低圧のガス冷媒は、合流した後（点Ｕ，Ｙ，Ｚ）、過冷却熱交換器６ｃで熱交換され、低圧冷媒管１６１に供給される（点Ｚ，ＡＢ，ＡＤ）。

次に、過冷却熱交換器６ｃで熱交換された中間圧の冷媒は、図４に示されるように、第６膨張弁１７６を通過して低圧の冷媒となる（点Ｖ，ＡＨ）。低圧の冷媒は、分流器８１を通過して４本の冷媒流路に分流する。４本の冷媒流は、それぞれ、第１インタークーラ５１、第２インタークーラ５２、第３インタークーラ５３およびガスクーラ５４を通過する。ガスクーラ５４を通過した低圧の冷媒は、第４切換機構３４を通過して、低圧冷媒管１６１に供給される（点ＡＨ，ＡＩ）。一方、第１インタークーラ５１、第２インタークーラ５２、第３インタークーラ５３を通過した低圧の冷媒は、それぞれ、第１油分離管１１１、第２油分離管１１２および第３油分離管１１３に供給される。第１油分離管１１１内の低圧の冷媒は、第１油分離器４１において潤滑油が分離された後、第１切換機構３１を通過して、低圧冷媒管１６１に供給される（点ＡＨ，ＡＩ）。第１油分離器４１で分離された潤滑油は、図５に示されるように、第１油戻し管１２１および第１暖房用油戻し管１２１ｂを経て、再び第１油分離管１１１に合流する。同様に、第２油分離管１１２内の低圧の冷媒は、第２油分離器４２において潤滑油が分離された後、第２切換機構３２を通過して、低圧冷媒管１６１に供給される（点ＡＨ，ＡＩ）。第２油分離器４２で分離された潤滑油は、図５に示されるように、第２油戻し管１２２および第１暖房用油戻し管１２２ｂを経て、再び第２油分離管１１２に合流する。同様に、第３油分離管１１３内の低圧の冷媒は、第３油分離器４３において潤滑油が分離された後、第３切換機構３３を通過して、低圧冷媒管１６１に供給される（点ＡＨ，ＡＩ）。第３油分離器４３で分離された潤滑油は、図５に示されるように、第３油戻し管１２３および第３暖房用油戻し管１２３ｂを経て、再び第３油分離管１１３に合流する。各切換機構３１〜３４を通過した低圧の冷媒は、過冷却熱交換器６ｃで熱交換された低圧の冷媒と合流する（点ＡＩ，ＡＤ）。

最後に、低圧冷媒管１６１内の冷媒は、２つに分流する。分流した一方の冷媒は、液ガス熱交換器６ｂにおいて熱交換される（点ＡＤ，ＡＥ）。分流した他方の冷媒は、低温側バイパス管１６２を流れる（点ＡＤ，ＡＦ）。液ガス熱交換器６ｂで熱交換された冷媒、および、低温側バイパス管１６２を通過して液ガス熱交換器６ｂをバイパスした冷媒は、合流した後、第１吸入管１０１ａに供給される（点ＡＥ，ＡＦ，Ａ）。以上のように冷媒が冷媒回路１０内を循環することにより、空気調和装置１の冷媒回路１０は暖房運転サイクルを行う。

（３）空気調和装置の特徴
（３−１）
本実施形態に係る空気調和装置１の冷媒回路１０は、高温側バイパス管１４２および低温側バイパス管１６２を有している。高温側バイパス管１４２および低温側バイパス管１６２は、暖房運転時において、液ガス熱交換器６ｂを通過する冷媒の一部をバイパスさせる。すなわち、液ガス熱交換器６ｂの吸入側を流れる冷媒の一部は、液ガス熱交換器６ｂを通過することなく、高温側バイパス管１４２または低温側バイパス管１６２を流れて、液ガス熱交換器６ｂの吐出側に供給される。液ガス熱交換器６ｂの吐出側では、液ガス熱交換器６ｂを通過して熱交換された冷媒と、高温側バイパス管１４２または低温側バイパス管１６２を通過した冷媒とが合流する。

低圧冷媒管１６１を流れ、液ガス熱交換器６ａで熱交換される低圧の冷媒は、低密度であるので流速が大きい。そのため、低圧冷媒管１６１を流れる冷媒の圧力は低下しやすい。これにより、冷凍サイクルの低圧側で圧力損失が生じると、圧縮機構２１〜２４の圧縮仕事が増大する。また、暖房運転時において、インタークーラ５１〜５３は、圧縮機構２１〜２４によって圧縮された冷媒の冷却に使用されないので、圧縮機構２１〜２４に吸入される冷媒の温度が上昇しやすい。圧縮される冷媒の温度が上昇すると、冷媒のエンタルピも上昇するので、圧縮機構２１〜２４の圧縮仕事が増大する。

本実施形態では、圧縮機構２１〜２４の圧縮仕事を抑えるために、液ガス熱交換器６ｂの低温低圧側の吸入側と吐出側とが、低温側バイパス管１６２によってバイパスされている。これにより、冷媒回路１０を流れる低圧側の冷媒が、液ガス熱交換器６ａにおいて不必要に熱交換されて加熱されることが抑制される。これにより、低圧の冷媒の温度が過剰に上昇して、冷媒の密度が低下することが抑えられる。その結果、低圧冷媒管１６１を流れる冷媒の流速の低下も抑えられるので、冷凍サイクルの低圧側の圧力損失が抑制される。また、液ガス熱交換器６ａにおける熱交換が抑制されることで、圧縮機構２１〜２４に吸入される冷媒の温度の上昇も抑えられる。従って、低温側バイパス管１６２によって液ガス熱交換器６ｂの低圧側をバイパスさせることで、圧縮機構２１〜２４の圧縮仕事の増加が抑制される。

また、空気調和装置１の冷媒回路１０が備える膨張機７１は、高温高圧の冷媒が減圧される際に生じる膨張エネルギーを動力として回収し、冷媒を圧縮する圧縮機構２１〜２４の動力の一部として用いる。そのため、暖房運転時において、液ガス熱交換器６ｂによって高圧側の冷媒が不必要に熱交換されて冷却されると、冷媒のエンタルピも低下するので、膨張機７１の理論回収仕事が低減する。

本実施形態では、膨張機７１に吸入される冷媒の温度が過剰に低下しないように、液ガス熱交換器６ｂの高温高圧側の吸入側と吐出側とが、高温側バイパス管１４２によってバイパスされている。これにより、冷媒回路１０を流れる高圧の冷媒が、液ガス熱交換器６ｂにおいて冷却されることが抑制される。そのため、液ガス熱交換器６ｂでの不必要な熱交換に起因する膨張機７１の動力回収効果の低下が抑制される。

従って、本実施形態に係る空気調和装置１は、暖房運転時において、高温側バイパス管１４２または低温側バイパス管１６２によって液ガス熱交換器６ｂにおける熱交換を抑制することで、効率の低下を抑制することができる。

（３−２）
本実施形態に係る空気調和装置１では、高温側バイパス管１４２は、高温側バイパス弁１４２ａを備え、低温側バイパス管１６２は、低温側バイパス弁１６２ａを備えている。高温側バイパス弁１４２ａおよび低温側バイパス弁１６２ａの開度を調節することによって、高温側バイパス管１４２および低温側バイパス管１６２をバイパスする冷媒の流量を制御することができる。これにより、液ガス熱交換器６ｂにおける冷媒の熱交換量を制御することができるので、空気調和装置１の効率の低下を効果的に抑制することができる。

なお、本実施形態において、制御部は、冷媒回路１０を流れる冷媒の温度を監視して、冷媒の温度に応じて、高温側バイパス弁１４２ａおよび低温側バイパス弁１６２ａの開度を調節してもよい。また、制御部は、高温側バイパス弁１４２ａおよび低温側バイパス弁１６２ａの開度を調節することによって、膨張機７１に吸入される冷媒の温度を制御してもよい。これにより、空気調和装置１の効率の低下をより効果的に抑制することができる。

（４）変形例
（４−１）変形例Ａ
本実施形態では、空気調和装置１の冷媒回路１０は、第１圧縮機構２１、第２圧縮機構２２、第３圧縮機構２３および第４圧縮機構２４が直列に接続された四段圧縮機２を備えている。しかし、冷媒回路１０は、四段圧縮機２の代わりに、２つ以上の圧縮機構が直列に接続された構成を有する多段圧縮機を備えていればよい。

（４−２）変形例Ｂ
本実施形態では、空気調和装置１の四段圧縮機２を構成する第１圧縮機構２１、第２圧縮機構２２、第３圧縮機構２３および第４圧縮機構２４は、ロータリー式の圧縮機構であるが、例えば、スクロール式の圧縮機構であってもよい。

（４−３）変形例Ｃ
本実施形態では、切換機構３１〜３４は、四路切換弁であるが、例えば、複数の電磁弁を組み合わせることによって冷房運転サイクルと暖房運転サイクルとを切り換える機能を有する機構であってもよい。

（４−４）変形例Ｄ
本実施形態では、空気調和装置１の冷媒回路１０は、二酸化炭素冷媒を用いるが、他の冷媒が用いられてもよい。

（４−５）変形例Ｅ
本実施形態に係る空気調和装置１の冷媒回路１０は、高温側バイパス管１４２および低温側バイパス管１６２を有しているが、低温側バイパス管１６２のみを有していてもよい。

（４−６）変形例Ｆ
本実施形態に係る空気調和装置１の冷媒回路１０は、高温側バイパス管１４２および低温側バイパス管１６２を有しているが、高温側バイパス管１４２のみを有していてもよい。

本発明に係る冷凍装置は、効率の低下を抑制することができる。

１ 空気調和装置（冷凍装置）
２ 四段圧縮機（多段圧縮機構）
６ｂ 液ガス熱交換器
７ 膨張機構
２１ 第１圧縮機構（低段側圧縮機構、第１低段側圧縮機構）
２２ 第２圧縮機構（低段側圧縮機構、第２低段側圧縮機構）
２３ 第３圧縮機構（低段側圧縮機構、第３低段側圧縮機構）
２４ 第４圧縮機構（高段側圧縮機構）
３１ 第１切換機構（切換機構）
３２ 第２切換機構（切換機構）
３３ 第３切換機構（切換機構）
５１ 第１インタークーラ（インタークーラ）
５２ 第２インタークーラ（インタークーラ）
５３ 第３インタークーラ（インタークーラ）
１４２ 高温側バイパス管（バイパスライン、高温側バイパスライン）
１４２ａ 高温側バイパス弁（流量調整機構）
１６２ 低温側バイパス管（バイパスライン、低温側バイパスライン）
１６２ａ 低温側バイパス弁（流量調整機構）

特開２０１０−２１０２０５号公報

Claims (7)

1. １つの高段側圧縮機構（２４）と、複数の低段側圧縮機構（２１，２２，２３）のそれぞれとが直列に接続された多段圧縮機構（２）と、
   冷房運転サイクルと暖房運転サイクルとを切り換える切換機構（３１，３２，３３）と、
   前記低段側圧縮機構に吸入される低圧の冷媒と、高圧の冷媒との間で熱交換を行う液ガス熱交換器（６ｂ）と、
   前記液ガス熱交換器の吸入側と吐出側とをバイパスするバイパスライン（１４２，１６２）と、
   前記多段圧縮機構および前記切換機構を制御する制御部と、
   を備え、
   前記バイパスラインは、前記冷房運転サイクルにおいて冷媒をバイパスさせず、かつ、前記暖房運転サイクルにおいて一部の冷媒をバイパスさせる、
   冷凍装置（１）。
2. 前記冷房運転サイクル時において、前記低段側圧縮機構から吐出された冷媒を冷却するインタークーラ（５１，５２，５３）をさらに備える、
   請求項１に記載の冷凍装置。
3. 前記バイパスラインは、流量調整機構（１４２ａ，１６２ａ）を含む、
   請求項１または２に記載の冷凍装置。
4. 前記バイパスラインは、前記液ガス熱交換器内において低圧の冷媒が流れる流路の吸入側と吐出側とをバイパスする低温側バイパスライン（１６２）を含む、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の冷凍装置。
5. 前記バイパスラインは、前記液ガス熱交換器内において高圧の冷媒が流れる流路の吸入側と吐出側とをバイパスする高温側バイパスライン（１４２）を含む、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の冷凍装置。
6. 前記液ガス熱交換器によって熱交換された高圧の冷媒が通過する膨張機構（７）をさらに備える、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の冷凍装置。
7. 前記低段側圧縮機構は、第１低段側圧縮機構（２１）と、第２低段側圧縮機構（２２）と、第３低段側圧縮機構（２３）とからなり、
   前記多段圧縮機構は、前記高段側圧縮機構と、前記第１低段側圧縮機構と、前記第２低段側圧縮機構と、前記第３低段側圧縮機構とが、この順番で直列に接続されている、
   請求項１から６のいずれか１項に記載の冷凍装置。

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