JP3953871B2 - 冷凍空調装置 - Google Patents

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Description

【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、ＣＯ2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、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、開閉弁は圧縮機の運転開始により開き、膨張機構の駆動により他の圧縮機が駆動したとき閉じるよう設定した構造となっている。
【００１２】
請求項１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２の発明は、請求項１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、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３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２ａ→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１ｂ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３ａ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１００kg/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１ｂ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＜ＷＢ２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３１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ＣＯ2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３ａで等エントロピ線に沿って１００kg/cm2から４０kg/cm2に減圧される（Ｃ→Ｄ１）。この減圧されたＣＯ2冷媒が再度第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、ＷＡ２＞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 (3)

  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、
    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、
    前記開閉弁は前記圧縮機の運転開始により開き、前記膨張機構の駆動により前記他の圧縮機が駆動したとき閉じるよう設定した
    ことを特徴とする冷凍空調装置。
  2. 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記載の冷凍空調装置。
  3. 前記圧縮機と前記他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又は請求項２記載の冷凍空調装置。
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