JP4273588B2 - 空気調和装置の冷媒回路 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
【０００２】
本願発明は、膨張機による動力回収によって高効率化を実現するようにした空気調和装置の冷媒回路に関するものである。
【従来の技術】
【０００３】
図５には、臨界温度以下の領域で運転される従来一般的な蒸気圧縮式の冷凍サイクルを示している。また、図６には、このような蒸気圧縮式冷凍サイクルを用いた空気調和装置Ｚ０のヒートポンプ冷媒回路を示しており、同図において符号６１は室外機、６２は室内機であって、該室外機６１側には圧縮機６３と四路切換弁６８と室外熱交換器６４と膨張弁６６及びアキュムレータ６７が備えられ、また上記室内機６２側には室内熱交換器６５が備えられ、これら各部材を冷媒管路で順次接続して冷媒循環系を構成している。そして、上記四路切換弁６８の切換操作によって上記室内熱交換器６５が蒸発器又は凝縮器として選択的に機能することで、冷房又は暖房が行われるものである。
【０００４】
ところで、従来の冷媒回路においては、上記四路切換弁６８が一つしか備えられていないため冷房時と暖房時とでは冷媒の流れ方向が逆転するが、上記膨張弁６６が冷媒の流れ方向にあまり依存しない構造であることから、冷媒の流れ方向の逆転による問題は生じなかった。
【０００５】
しかし、近年、冷凍サイクルの更なる高効率化を図る手段として、膨張弁に代えて膨張機を備え、冷媒が膨張する過程でその圧力エネルギーを該膨張機によって電力又は動力の形で回収し、その回収分だけシステムへの入力（圧縮機への入力）を少なくする動力回収サイクルが提案されており、特に、冷媒として高圧冷媒である二酸化炭素を用いた遷臨界冷凍サイクル（図７を参照）では、圧縮機仕事が多いことからその意義は大きい。
【０００６】
即ち、膨張機を組み込んだ遷臨界冷凍サイクルにおいては、図８に示すように、圧縮機出口（点ｄ）から凝縮されて過冷却となった冷媒ガス（点ａ）を膨張機に導入し、これを該膨張機において等エントロピー膨張によって膨張させた時、その蒸発器入口「点ｃ」と、従来のように膨張弁によって「点ａ」から等エンタルピー膨張させた場合における蒸発器入口「点ｅ」との間のエンタルピー量「ｈａ」だけ、冷媒膨張時の圧力エネルギーが動力として冷媒システム側に回収される。その結果、圧縮機には、その必要入力「ｈｂ」から上記回収動力「ｈａ」を差し引いた値「ｈｂ−ｈａ」だけを実際に入力すればよく、圧縮機入力の低減分だけ冷媒サイクルの高効率化が実現されるものである。
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、膨張機は、その機能・構造上、これを流れる冷媒の流れ方向が規定されており、適正方向への冷媒流れに対しては所要の機能を発揮するものの、逆方向への冷媒流れに対してはその機能を発揮できないものである。このため、ヒートポンプ冷媒回路に膨張機を組み込んだ場合、冷房運転時又は暖房運転時のいずれか一方においてしか動力回収を行うことができず、冷凍サイクル全体としての動力回収率が低く、その高効率化の実現という点において十分とは言えないものである。
【０００８】
そこで本願発明は、膨張機を組み込んだヒートポンプ冷媒回路において、膨張機による動力回収率を高めることで、より一層の高効率化を実現することを目的としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願発明ではかかる課題を解決するための具体的手段として次のような構成を採用している。
【００１０】
本願の第１の発明では、圧縮機３と膨張機４と、室外熱交換器５と室内熱交換器６とを備え、上記圧縮機３からの吐出冷媒を上記室外熱交換器５と室内熱交換器６とに択一的に 供給可能とするとともに、該室外熱交換器５と室内熱交換器６からの冷媒を上記膨張機４に択一的に供給可能とした空気調和装置の冷媒回路において、上記膨張機４の吸込側冷媒管路３４を上記室外熱交換器５と室内熱交換器６とに択一的に接続すると同時に該膨張機４の吐出側冷媒管路３５を上記室内熱交換器６と室外熱交換器５とに択一的に接続し、上記室外熱交換器５からの冷媒の上記膨張機４における流れ方向と上記室内熱交換器６からの冷媒の上記膨張機４における流れ方向とが同一方向となるように冷媒の流れ方向を制御する方向制御手段Ｘを備える一方、上記膨張機４を室外機１に配置するとともに、上記室内熱交換器６を並列配置された複数の室内熱交換器６Ａ〜６Ｃで構成したことを特徴としている。
【００１１】
本願の第２の発明では、上記第１の発明に係る空気調和装置の冷媒回路において、上記圧縮機３の吐出側冷媒管路３１を選択的に上記室外熱交換器５に接続する三路切換弁１３Ａと、上記圧縮機３の吸込側冷媒管路３２を選択的に上記室外熱交換器５と上記各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃに接続する三路切換弁１３Ｂと、上記各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃを上記圧縮機３の吐出側冷媒管路３１と上記吸込側冷媒管路３２に選択的に接続するように該各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃのそれぞれに対応して設けられた三路切換弁１４，１５，１６を備えるとともに、上記各三路切換弁１３Ａ，１３Ｂ，１４，１５，１６が冷房運転と暖房運転で切り換えられる構成であることを特徴としている。
【００１２】
本願の第３の発明では、圧縮機３と膨張機４と、室外熱交換器５と室内熱交換器６とを備え、上記圧縮機３からの吐出冷媒を上記室外熱交換器５と室内熱交換器６とに択一的に供給可能とするとともに、該室外熱交換器５と室内熱交換器６からの冷媒を上記膨張機４に択一的に供給可能とした空気調和装置の冷媒回路において、上記膨張機４の吸込側冷媒管路３４を上記室外熱交換器５と室内熱交換器６とに択一的に接続すると同時に上記圧縮機３の吸込側冷媒管路３２を上記室内熱交換器６と室外熱交換器５とに択一的に接続する第１の流路切換弁１１と、上記圧縮機３の吐出側冷媒管路３１を上記室外熱交換器５と室内熱交換器６とに択一的に接続すると同時に上記膨張機４の吐出側冷媒管路３５を上記室内熱交換器６と室外熱交換器５とに択一的に接続する第２の流路切換弁１２からなる方向制御手段Ｘを備え、上記室外熱交換器５と室内熱交換器６とを冷房運転時及び暖房運転時の双方で対向流構成が可能とする一方、上記膨張機４が室外機１に配置されるとともに、上記室内熱交換器６を並列配置された複数の室内熱交換器６Ａ〜６Ｃで構成されていることを特徴としている。
【００１３】
本願の第４の発明では、上記第１又は第２の発明に係る空気調和装置の冷媒回路において、冷媒として二酸化炭素を用いたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
本願発明ではかかる構成とすることにより次のような効果が得られる。
【００１５】
（１） 本願の第１の発明に係る空気調和装置の冷媒回路によれば、上記方向制御手段Ｘによって、上記室外熱交換器５からの冷媒が上記膨張機４において膨張作用を受ける冷房運転時における冷媒流れ方向と、上記室内熱交換器６からの冷媒が上記膨張機４において膨張作用を受ける暖房運転時における冷媒流れ方向とが同一方向となるように冷媒流れ方向が制御されることで、上記膨張機４が冷媒流れ方向に依存する特性を有するにも拘わらず、冷房運転時と暖房運転時の双方において該膨張機４による動力回収が行われ、例えば従来のように冷房運転時と暖房運転時のいずれか一方においてしか動力回収が行われない構成のものに比して、冷凍サイクル全体としての動力回収率が格段に高くなり、その高効率化がさらに促進されることになる。
【００１６】
また、この発明では、上記方向制御手段Ｘを、上記膨張機４の吸込側冷媒管路３４を上 記室外熱交換器５と室内熱交換器６とに択一的に接続すると同時に該膨張機４の吐出側冷媒管路３５を上記室内熱交換器６と室外熱交換器５とに択一的に接続する流路切換弁１１で構成しているので、該流路切換弁１１を設けるというより簡単な構成によって、上記室外熱交換器５及び室内熱交換器６を流れる冷媒の流れ方向が冷房運転時と暖房運転時とにおいて逆転する流路構成をもつものでありながら、冷房運転時に上記室外熱交換器５から膨張機４を経て上記室内熱交換器６に至る冷媒流れと、暖房運転時に上記室内熱交換器６から上記膨張機４を経て上記室外熱交換器５に至る冷媒流れとが同一方向となり、この結果、上記膨張機４での動力回収を冷房運転時と暖房運転時の双方において行うことが可能となり、それだけ冷凍サイクルの高効率化が促進されるものである。
【００１７】
さらに、この発明では、上記室内熱交換器６を、並列配置された複数の室内熱交換器６Ａ〜６Ｃで構成することで、係る複数の室内熱交換器６Ａ〜６Ｃを備えた、所謂「マルチタイプ」の空気調和装置においても、上記各効果を確実に得ることができるものである。
【００１８】
（２） 本願の第２の発明に係る空気調和装置の冷媒回路によれば、上記（１）に記載の効果に加えて次のような特有の効果が奏せられる、即ち、この発明の空気調和装置の冷媒回路においては、上記圧縮機３の吐出側冷媒管路３１を選択的に上記室外熱交換器５に接続する三路切換弁１３Ａと、上記圧縮機３の吸込側冷媒管路３２を選択的に上記室外熱交換器５と上記各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃに接続する三路切換弁１３Ｂと、上記各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃを上記圧縮機３の吐出側冷媒管路３１と上記吸込側冷媒管路３２に選択的に接続するように該各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃのそれぞれに対応して設けられた三路切換弁１４，１５，１６を備えるとともに、上記各三路切換弁１３Ａ，１３Ｂ，１４，１５，１６が冷房運転と暖房運転で切り換えられる構成であるため、冷房専用運転時と暖房専用運転時及び冷房並行運転時の全てにおいて、上記膨張機４における冷媒流れ方向が同一方向とされ、冷房専用運転時と暖房専用運転時及び冷暖並行運転時の何れにおいても、上記膨張機４で冷媒の膨張に伴う圧力エネルギーを上記圧縮機３の駆動動力として回収することができ、その結果、上記膨張機４における回収動力分だけ上記圧縮機３への入力を減じることができ、冷凍サイクル全体としての高効率化が促進される。
【００１９】
（３） 本願の第３の発明に係る空気調和装置の冷媒回路によれば、上記方向制御手段Ｘによって、上記室外熱交換器５からの冷媒が上記膨張機４において膨張作用を受ける冷房運転時における冷媒流れ方向と、上記室内熱交換器６からの冷媒が上記膨張機４において膨張作用を受ける暖房運転時における冷媒流れ方向とが同一方向となるように冷媒流れ方向が制御されることで、上記膨張機４が冷媒流れ方向に依存する特性を有するにも拘わらず、冷房運転時と暖房運転時の双方において該膨張機４による動力回収が行われ、例えば従来のように冷房運転時と暖房運転時のいずれか一方においてしか動力回収が行われない構成のものに比して、冷凍サイクル全体としての動力回収率が格段に高くなり、その高効率化がさらに促進されることになる。
【００２０】
また、この発明によれば、上記方向制御手段Ｘを、上記膨張機４の吸込側冷媒管路３４を上記室外熱交換器５と室内熱交換器６とに択一的に接続すると同時に上記圧縮機３の吸込側冷媒管路３２を上記室内熱交換器６と室外熱交換器５とに択一的に接続する第１の流路切換弁１１で構成するとともに、上記圧縮機３の吐出側冷媒管路３１を上記室外熱交換器５と室内熱交換器６とに択一的に接続すると同時に上記膨張機４の吐出側冷媒管路３５を上記室内熱交換器６と室外熱交換器５とに択一的に接続する第２の流路切換弁１２を備え、上記室外熱交換器５と室内熱交換器６とを冷房運転時及び暖房運転時の双方で対向流構成を可能としているので、上記流路切換弁１１と流路切換弁１２の切換操作によって、冷房運転時に上記室外熱交換器５から膨張機４を経て上記室内熱交換器６に至る冷媒流れと、暖房運転時に上記室内熱交換器６から上記膨張機４を経て上記室外熱交換器５に至る冷媒流れとが同一方向となり、この結果、上記膨張機４での動力回収を冷房運転時と暖房 運転時の双方において行うことが可能となり、それだけ冷凍サイクルの高効率化が促進されるものである。
【００２１】
さらに、冷房運転時には上記圧縮機３の吐出側冷媒管路３１が上記流路切換弁１２を介して上記室外熱交換器５に接続されるとともに上記膨張機４の吐出側冷媒管路３５が上記流路切換弁１２を介して上記室内熱交換器６に接続されることで、また、暖房運転時には上記膨張機４の吐出側冷媒管路３５が上記流路切換弁１２を介して上記室外熱交換器５に接続されるとともに上記圧縮機３の吐出側冷媒管路３１が上記流路切換弁１２を上記室内熱交換器６に接続されることで、上記室外熱交換器５及び上記室内熱交換器６においては、共に、冷房運転時における冷媒の流れ方向と暖房運転時における冷媒の流れ方向とが同一方向となる（換言すれば、冷房運転時と暖房運転時とで冷媒の流れ方向が逆転しない）冷媒循環形態の対向流構成（即ち、冷媒の流れ方向と冷却風の流れ方向とが対向し、冷媒流れの下流側から上流側に向けて冷却風を流す構成）が可能とされ、かかる対向流構成によって冷媒と冷却風との間における熱交換が促進され、冷凍サイクルにおける熱効率をさらに高めることができることになる。
【００２２】
また、この発明によれば、上記室内熱交換器６を、並列配置された複数の室内熱交換器６Ａ〜６Ｃで構成することで、係る複数の室内熱交換器６Ａ〜６Ｃを備えた、所謂「マルチタイプ」の空気調和装置においても、上記各効果を確実に得ることができるものである。
【００２３】
（４） 本願の第４の発明に係る空気調和装置の冷媒回路によれば、上記第１、第２又は第３の発明にかかる空気調和装置の冷媒回路において、冷媒として高圧冷媒である二酸化炭素を用いているのでその冷凍サイクルは圧縮機仕事の多い遷臨界冷凍サイクルとなるが、この場合、上記膨張機４における動力回収分だけ上記圧縮機３への必要入力が低減されることから、高圧冷媒を用いた遷臨界冷凍サイクルでありながら高効率のシステムを得ることができる。
【発明の実施の形態】
【００２４】
以下、本願発明に係る空気調和装置の冷媒回路を好適な実施形態に基づいて具体的に説明する。
【００２５】
第１の実施形態
図１には、本願の請求項１，２及び３に記載の発明が適用された第１の実施形態に係る空気調和装置Ｚ１のヒートポンプ冷媒回路が示されており、同図において符号１は室外機、符号２は室内機である。
【００２６】
上記室外機１には、モータ（図示省略）により回転駆動される圧縮機３と、該圧縮機３と一軸で連結された膨張機４と、室外熱交換器５と、上記圧縮機３の吸込側冷媒管路３２に介設されたアキュムレータ７と、上記膨張機４の吸込側冷媒管路３４に介設されたレシーバ８と、二つの四路切換弁１１，１２とが備えられている。また、上記室内機２には室内熱交換器６が備えられている。
【００２７】
上記圧縮機３の吐出側冷媒管路３１は、四路切換弁１２を介して上記室外熱交換器５と室内熱交換器６とに択一的に接続可能とされている。上記圧縮機３の吸込側冷媒管路３２は、上記四路切換弁１２を介して上記室内熱交換器６と上記室外熱交換器５とに択一的に接続可能とされている。上記膨張機４の吸込側冷媒管路３４は、上記四路切換弁１１（請求項１における「方向制御手段Ｘ」及び請求項３における「流路切換弁１１」にそれぞれ該当する）を介して上記室外熱交換器５と上記室内熱交換器６とに択一的に接続可能とされている。上記膨張機４の吐出側冷媒管路３５は、上記四路切換弁１１を介して上記室内熱交換器６と室外熱交換器５とに択一的に接続可能とされている。尚、図１においては、上記各四路切換弁１１，１２の切換位置を、冷房運転時には実線で、暖房運転時は破線で、それぞれ示している。
【００２８】
この空気調和装置Ｚ１の作動を説明すると次の通りである。
【００２９】
冷房運転時には、上記圧縮機３から吐出された冷媒ガスは、上記四路切換弁１２を経て上記室外熱交換器５において冷却され凝縮して液冷媒とされる。この液冷媒は、上記レシーバ８を経て上記膨張機４に導入され、該膨張機４において等エントロピー膨張により減圧された後、上記四路切換弁１１を経て上記室内熱交換器６に導入される。室内熱交換器６に導入された液冷媒は、ここで蒸発してその蒸発熱によって室内の冷房を行うとともに、蒸発後のガス冷媒は上記四路切換弁１２及びアキュムレータ７を経て上記圧縮機３に吸入される。
【００３０】
一方、暖房運転時には、上記圧縮機３から吐出されたガス冷媒は、上記四路切換弁１２を経て上記室内熱交換器６に導入され、ここで凝縮して液冷媒とされるが、その際の凝縮熱によって室内の暖房が行われる。上記室内熱交換器６において凝縮した液冷媒は、上記四路切換弁１１を経て上記膨張機４に導入され、該膨張機４において等エントロピー膨張により減圧された後、上記四路切換弁１１を経て上記室外熱交換器５に導入され、ここで蒸発してガス冷媒とされた後、上記四路切換弁１２及びアキュムレータ７を経て上記圧縮機３に吸入される。
【００３１】
このように、この実施形態の空気調和装置Ｚ１においては、冷媒回路中に上記四路切換弁１１を備えることで、冷房運転時と暖房運転時とにおいて上記室外熱交換器５及び室内熱交換器６における冷媒流れ方向は逆転する構成でありながら、上記膨張機４における冷媒流れ方向は冷房運転時と暖房運転時の双方において同一方向とされる。従って、上記膨張機４においては、冷房運転時と暖房運転時の双方で、冷媒の膨張による圧力エネルギーを上記圧縮機３の駆動動力として回収して、その回収動力分だけ上記圧縮機３への入力を減じることができる。このように、冷房運転時と暖房運転時の双方において膨張機４での動力回収が可能であることから、従来のように、例えば冷房運転時においてのみしか動力回収ができない場合に比して、動力回収率が格段に向上し、冷媒回路に膨張機を組み込むことによる冷凍サイクルの高効率化がより一層促進される。特に、冷媒として高圧冷媒である二酸化炭素冷媒を用いた場合には、冷凍サイクルが圧縮機仕事の多い遷臨界冷凍サイクルとなるため、冷凍サイクルの高効率化という点において、上記膨張機４での動力回収分だけ上記圧縮機３への必要入力が低減されることによる効果は顕著である。
【００３２】
また、この実施形態のように、上記膨張機４の吸込側冷媒管路３４にレシーバ８を介設することで、該レシーバ８における余剰冷媒の一時貯留によって、上記膨張機４への冷媒の過多導入が防止され該膨張機４の信頼性が高められるとともに、冷房運転時と暖房運転時との間における上記室外熱交換器５と室内熱交換器６との容積比の相違に起因する必要冷媒循環量の変化に対する適応性が高められ、これらの結果、冷凍システムの設計自由度の向上が期待できるものである。
【００３３】
尚、この実施形態においては、室内機２として単一の室内熱交換器６を備えたものを一例として示しているが、係る構成のものに限定されるものではなく、上記室内機２に、複数の熱交換器を並列配置して構成されるマルチタイプの空気調和装置（図４を参照）にも適用できることは勿論である。
【００３４】
第２の実施形態
図２には、本願の請求項１，２及び４に記載の発明が適用された第２の実施形態に係る空気調和装置Ｚ２のヒートポンプ冷媒回路が示されており、同図において符号１は室外機、符号２は室内機である。
【００３５】
上記室外機１には、モータ（図示省略）により回転駆動される圧縮機３と、該圧縮機３と一軸で連結された膨張機４と、室外熱交換器５と、上記圧縮機３の吸込側冷媒管路３２に介設されたアキュムレータ７と、上記膨張機４の吸込側冷媒管路３４に介設されたレシーバ８と、二つの四路切換弁１１，１２とが備えられている。また、上記室内機２には室内熱交換器６が備えられている。
【００３６】
上記圧縮機３の吐出側冷媒管路３１は、四路切換弁１２（請求項４における「第２の流路切換弁１２」に該当する）を介して上記室外熱交換器５と室内熱交換器６とに択一的に接続可能とされている。上記圧縮機３の吸込側冷媒管路３２は、上記四路切換弁１１（請求項１における「方向制御手段Ｘ」及び請求項４における「第１の流路切換弁１１」にそれぞれ該当する）を介して上記室内熱交換器６と室外熱交換器５とに択一的に接続可能とされている。上記膨張機４の吸込側冷媒管路３４は、上記四路切換弁１１を介して上記室外熱交換器５と室内熱交換器６とに択一的に接続可能とされている。上記膨張機４の吐出側冷媒管路３５は、上記四路切換弁１２を介して上記室内熱交換器６と室外熱交換器５とに択一的に接続可能とされている。尚、図２においては、上記各四路切換弁１１，１２の切換位置を、冷房運転時には実線で、暖房運転時は破線で、それぞれ示している。
【００３７】
この空気調和装置Ｚ２の作動を説明すると次の通りである。
【００３８】
冷房運転時には、上記圧縮機３から吐出された冷媒ガスは、上記四路切換弁１２を経て上記室外熱交換器５において冷却され凝縮して液冷媒とされる。この液冷媒は、上記四路切換弁１１及びレシーバ８を経て上記膨張機４に導入され、該膨張機４において等エントロピー膨張により減圧された後、上記四路切換弁１２を経て上記室内熱交換器６に導入される。室内熱交換器６に導入された液冷媒は、ここで蒸発してその蒸発熱によって室内の冷房を行うとともに、蒸発後のガス冷媒は上記四路切換弁１１及びアキュムレータ７を経て上記圧縮機３に吸入される。
【００３９】
一方、暖房運転時には、上記圧縮機３から吐出されたガス冷媒は、上記四路切換弁１２を経て上記室内熱交換器６に導入され、ここで凝縮して液冷媒とされるが、その際の凝縮熱によって室内の暖房が行われる。上記室内熱交換器６において凝縮した液冷媒は、上記四路切換弁１１及びレシーバ８を経て上記膨張機４に導入され、該膨張機４において等エントロピー膨張により減圧された後、上記四路切換弁１２を経て上記室外熱交換器５に導入され、ここで蒸発してガス冷媒とされた後、上記四路切換弁１１及びアキュムレータ７を経て上記圧縮機３に吸入される。
【００４０】
このように、この実施形態の空気調和装置Ｚ２においては、冷媒回路中に、上記四路切換弁１１と四路切換弁１２とを備え、該四路切換弁１１によって上記膨張機４の吸込側冷媒管路３４を上記室外熱交換器５と室内熱交換器６とに択一的に接続可能とするとともに、上記四路切換弁１２によって上記圧縮機３の吐出側冷媒管路３１を上記室外熱交換器５と室内熱交換器６とに択一的に接続すると同時に上記膨張機４の吐出側冷媒管路３５を上記室内熱交換器６と室外熱交換器５とに択一的に接続可能とすることで、
（ア）冷房運転時における上記膨張機４での冷媒流れ方向と暖房運転時における上記膨張機４での冷媒流れ方向とが同一となり、上記膨張機４での動力回収が冷房運転時と暖房運転時の双方において同様に行われ、従来のように、例えば冷房運転時においてのみしか動力回収ができない場合に比して、動力回収率が格段に向上し、冷媒回路に膨張機を組み込むことによる冷凍サイクルの高効率化が、より一層促進されるとともに、
（イ）上記室外熱交換器５及び上記室内熱交換器６においては、共に、これら各熱交換器５，６における冷房運転時の冷媒流れ方向と暖房運転時の冷媒流れ方向とが同一方向となることから、これら各熱交換器５，６における冷媒循環形態をそれぞれ対向流構成とし、冷媒と冷却風との間における熱交換によって冷凍サイクルの熱効率をさらに高めることができることになる。
【００４１】
さらに、この実施形態の空気調和装置Ｚ２においても、上記第１の実施形態の場合と同様に、上記膨張機４の吸込側冷媒管路３４にレシーバ８を介設しているので、該レシーバ８における余剰冷媒の一時貯留によって、上記膨張機４への冷媒の過多導入が防止され該膨張機４の信頼性が高められるとともに、冷房運転時と暖房運転時との間における上記室外熱交換器５と室内熱交換器６との容積比の相違に起因する必要冷媒循環量の変化に対する適応性が高められ、これらの結果、冷凍システムの設計自由度の向上が期待できるものである。
【００４２】
第３の実施形態
図３には、本願の請求項１，２，３及び５に記載の発明が適用された第３の実施形態に係る空気調和装置Ｚ３におけるヒートポンプ冷媒回路が示されている。この空気調和装置Ｚ３は、冷房運転、暖房運転及び冷暖並行運転が可能なマルチタイプの空気調和装置であって、同図において符号３はモータ（図示省略）により回転駆動される圧縮機、符号４は上記圧縮機３と一軸で連結された膨張機、符号５は室外熱交換器、符号６Ａ〜６Ｃは室内熱交換器、符号７は上記圧縮機３の吸込側冷媒管路３２に介設されたアキュムレータである。
【００４３】
上記圧縮機３の吐出側冷媒管路３１は、第１三路切換弁１３Ａを介して上記室外熱交換器５に選択的に接続可能とされているとともに、その管路途中から冷媒管路４１が分岐されている。さらに、この冷媒管路４１は、その下流側で複数の冷媒管路４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃに分岐されるとともに、該各冷媒管路４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃはそれぞれ三路切換弁１４，１５，１６を介して上記各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃの冷媒管路４９Ａ，４９Ｂ，４９Ｃに選択的に接続可能とされている。
【００４４】
また、上記圧縮機３の吸込側冷媒管路３２は、第２三路切換弁１３Ｂの切換操作によって、上記第１三路切換弁１３Ａを介して上記室外熱交換器５と、冷媒管路４３とに択一的に接続可能とされている。この冷媒管路４３は、その上流側において複数の冷媒管路４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃに分岐されており、さらにこれら各冷媒管路４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃはそれぞれ上記各三路切換弁１４，１５，１６を介して上記各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃの冷媒管路４９Ａ，４９Ｂ，４９Ｃに選択的に接続可能とされている。
【００４５】
一方、上記膨張機４の吸込側冷媒管路３４は、第１四路切換弁１１Ａを介して上記室外熱交換器５と冷媒管路４７とに択一的に接続可能とされている。また、この第１四路切換弁１１Ａは、上記吸込側冷媒管路３４が上記室外熱交換器５に接続されたときには上記冷媒管路４７を冷媒管路４６に接続し、上記吸込側冷媒管路３４が上記吸込側冷媒管路３４に接続されたときには上記冷媒管路４６を上記室外熱交換器５に接続するようになっている。
【００４６】
さらに、上記膨張機４の吐出側冷媒管路３５は、第２四路切換弁１１Ｂを介して上記冷媒管路４６と冷媒管路４８とに択一的に接続可能とされている。この第２四路切換弁１１Ｂは、上記吐出側冷媒管路３５が上記冷媒管路４８に接続されたときには上記冷媒管路４６と冷媒管路４７とを接続し、上記吐出側冷媒管路３５が上記冷媒管路４６に接続されたときには上記冷媒管路４７を上記冷媒管路４８に接続するようになっている。また、上記冷媒管路４８は、上記各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃの各冷媒管路４８Ａ，４８Ｂ，４８Ｃにそれぞれ接続されている。
【００４７】
尚、図３において、符号５７Ａ，５７Ｂ，５Ｃは、それぞれ上記各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃ側に設けられた電動減圧弁である。また、この実施形態においては、上記第１四路切換弁１１Ａと第２四路切換弁１１Ｂとによって、請求項１における「方向制御手段Ｘ」及び請求項３における「流路切換弁１１」がそれぞれ構成されている。
【００４８】
この空気調和装置Ｚ３の作動を、その運転形態毎に説明すると、以下（ａ）〜（ｃ）に記載する通りである。
【００４９】
（ａ）冷房専用運転時
冷房専用運転時（即ち、上記各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃの全てが冷房作用を行う運転形態）には、上記各四路切換弁１１Ａ，１１Ｂ及び各三路切換弁１３Ａ，１３Ｂ，１４，１５，１６はそれぞれ実線図示する弁位置に設定されている。かかる弁位置設定において、圧縮機３から吐出側冷媒管路３１を通してガス冷媒が吐出されると、このガス冷媒は、上記冷媒管路４１側が上記各三路切換弁１４，１５，１６によって閉塞されているので、冷媒管路４２Ａを介して上記室外熱交換器５のみに導入される。該室外熱交換器５に導入されたガス冷媒は、ここで凝縮して液冷媒とされ、上記吸込側冷媒管路３４を経て上記膨張機４に導入される。この膨張機４での膨張により減圧された液冷媒は、吐出側冷媒管路３５、冷媒管路４８及び各冷媒管路４８Ａ，４８Ｂ，４８Ｃを経て上記各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃのそれぞれに導入され、ここで蒸発してガス冷媒とされるが、その際、蒸発熱によって室内の冷房を行う。上記各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃからのガス冷媒は、それぞれ冷媒管路４９Ａ，４９Ｂ，４９Ｃを経て上記吸込側冷媒管路３２から上記圧縮機３に吸い込まれる。
【００５０】
（ｂ）暖房専用運転時
暖房専用運転時（即ち、上記各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃの全てが暖房作用を行う運転形態）には、上記各四路切換弁１１Ａ，１１Ｂ及び各三路切換弁１３Ａ，１３Ｂ，１４，１５，１６はそれぞれ破線図示する弁位置に設定されている。かかる弁位置設定において、圧縮機３から吐出側冷媒管路３１を通してガス冷媒が吐出されると、このガス冷媒は、冷媒管路４１及び各冷媒管路４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃを介して上記各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃに導入され、ここで凝縮して液冷媒とされる際、その凝縮熱によって室内の暖房が行われる。この各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃからの液冷媒は、各冷媒管路４８Ａ，４８Ｂ，４８Ｃ、冷媒管路４８、第２四路切換弁１１Ｂ及び冷媒管路４７を経て吸込側冷媒管路３４から上記膨張機４に導入される。そして、この膨張機４での膨張により減圧された液冷媒は、吐出側冷媒管路３５から第２四路切換弁１１Ｂ、冷媒管路４６、第１四路切換弁１１Ａを経て上記室外熱交換器５に導入され、ここで蒸発してガス冷媒とされる。この室外熱交換器５からのガス冷媒は、第１三路切換弁１３Ａ及び第２三路切換弁１３Ｂを介して吸込側冷媒管路３２から上記圧縮機３に吸い込まれる。
【００５１】
（ｃ）冷暖並行運転時
冷暖並行運転時（ここでは、上記各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃのうち、室内熱交換器６Ａ，６Ｃを冷房運転し、室内熱交換器６Ｂを暖房運転する場合を例にとって説明する）には、上記各四路切換弁１１Ａ，１１Ｂ及び各三路切換弁１３Ａ，１３Ｂ，１４，１５，１６のうち、室内熱交換器６Ｂに対応する三路切換弁１５のみが破線図示する弁位置に設定され、それ以外の弁は全て実線図示する弁位置に設定される。また、室内熱交換器６Ｂに対応する電動減圧弁５７Ｂは減圧状態に設定される。
【００５２】
かかる状態下で、上記圧縮機３から吐出側冷媒管路３１を通してガス冷媒が吐出されると、このガス冷媒は、その一部は冷媒管路４２Ａ及び第１三路切換弁１３Ａを経て上記室外熱交換器５に導入され、ここで凝縮して液冷媒とされる。この液冷媒は、上記吸込側冷媒管路３４を経て上記膨張機４に導入され、該膨張機４での膨張により減圧された後、吐出側冷媒管路３５から冷媒管路４８Ａ及び冷媒管路４８Ｃを経て上記室内熱交換器６Ａ，６Ｃにそれぞれ導入され、ここで蒸発してガス冷媒とされる。この室内熱交換器６Ａ，６Ｃにおいては、冷媒の蒸発による蒸発熱によって室内の冷房を行う。さらに、この各室内熱交換器６Ａ，６Ｃからのガス冷媒は、それぞれ冷媒管路４９Ａ，４９Ｃを経て上記吸込側冷媒管路３２から上記圧縮機３に吸い込まれる。
【００５３】
一方、上記圧縮機３から吐出されたガス冷媒の他の一部は、冷媒管路４１、冷媒管路４１Ｂ及び三路切換弁１５を経て冷媒管路４９Ｂから上記室内熱交換器６Ｂに導入され、この室内熱交換器６Ｂで凝縮されて液冷媒とされるが、その際、凝縮熱によって室内の暖房を行う。この室内熱交換器６Ｂからの液冷媒は、電動減圧弁５７Ｂにおいて減圧され、上記膨張機４から冷媒管路４８を通って流れる液冷媒と合流し、その下流側の室内熱交換器６Ｃ側に導入される。
【００５４】
以上のように、この実施形態の空気調和装置Ｚ３においては、冷媒回路中に上記第１四路切換弁１１Ａ及び第２四路切換弁１１Ｂを備えることで、冷房専用運転時と暖房専用運転時及び冷房並行運転時の全てにおいて、上記膨張機４における冷媒流れ方向が同一方向とされる。従って、冷房専用運転時と暖房専用運転時及び冷暖並行運転時の何れにおいても、上記膨張機４で冷媒の膨張に伴う圧力エネルギーを上記圧縮機３の駆動動力として回収することができる（尚、冷暖並行運転時には、冷房分のみの動力回収となる）。この結果、上記膨張機４における回収動力分だけ上記圧縮機３への入力を減じることができ、冷凍サイクル全体としての高効率化が促進されるものである。
【００５５】
また、この実施形態のように、上記膨張機４の吸込側冷媒管路３４にレシーバ８を介設することで、該レシーバ８における余剰冷媒の一時貯留によって、上記膨張機４への冷媒の過多導入が防止され該膨張機４の信頼性が高められるとともに、冷房運転時と暖房運転時との間における上記室外熱交換器５と室内熱交換器６との容積比の相違に起因する必要冷媒循環量の変化に対する適応性が高められ、これらの結果、冷凍システムの設計自由度の向上が期待できるものである。
【００５６】
第４の実施形態
図４には、本願の請求項１，２，４及び５に記載の発明が適用された第４の実施形態に係る空気調和装置Ｚ４のヒートポンプ冷媒回路が示されている。この空気調和装置Ｚ４は、上記第２の実施形態にかかる空気調和装置Ｚ２を基本構成として展開したマルチタイプの空気調和装置であって、同図において符号３はモータ（図示省略）により回転駆動される圧縮機、符号４は上記圧縮機３と一軸で連結された膨張機、符号５は室外熱交換器、符号６Ａ〜６Ｃは室内熱交換器、符号７は上記圧縮機３の吸込側冷媒管路３２に介設されたアキュムレータ、符号８は上記膨張機４の吸込側冷媒管路３４に介設されたレシーバである。
【００５７】
上記圧縮機３の吐出側冷媒管路３１は、四路切換弁１２（請求項４における「第２の流路切換弁１２」に該当する）を介して上記室外熱交換器５と各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃとに択一的に接続可能とされている。上記圧縮機３の吸込側冷媒管路３２は、上記四路切換弁１１（請求項１における「方向制御手段Ｘ」及び請求項４における「第１の流路切換弁１１」にそれぞれ該当する）を介して上記各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃと室外熱交換器５とに択一的に接続可能とされている。上記膨張機４の吸込側冷媒管路３４は、上記四路切換弁１１を介して上記室外熱交換器５と上記各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃとに択一的に接続可能とされている。上記膨張機４の吐出側冷媒管路３５は、上記流路切換弁１２を介して上記各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃと室外熱交換器５とに択一的に接続可能とされている。尚、図４においては、上記各四路切換弁１１，１２の切換位置を、冷房運転時には実線で、暖房運転時は破線で、それぞれ示している。
【００５８】
この空気調和装置Ｚ４の作動を説明すると次の通りである。
【００５９】
冷房運転時には、上記圧縮機３から吐出された冷媒ガスは、上記四路切換弁１２を経て上記室外熱交換器５において冷却され凝縮して液冷媒とされる。この液冷媒は、上記流路切換弁１１及びレシーバ８を経て上記膨張機４に導入され、該膨張機４において等エントロピー膨張により減圧された後、上記四路切換弁１２，冷媒管路５５Ｃを経て各冷媒管路５５Ａ，５５Ｂ，５５Ｃから上記各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃのそれぞれに導入される。該各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃに導入された液冷媒は、ここで蒸発してその蒸発熱によってそれぞれ室内の冷房を行うとともに、蒸発後のガス冷媒は冷媒管路５６Ａ，５６Ｂ，５６Ｃから冷媒管路５６及び四路切換弁１１を経て上記圧縮機３に吸入される。
【００６０】
一方、暖房運転時には、上記圧縮機３から吐出されたガス冷媒は、上記四路切換弁１２、冷媒管路５５及び各冷媒管路５５Ａ，５５Ｂ，５５Ｃを経て上記各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃのそれぞれに導入され、ここで凝縮して液冷媒とされるが、その際の凝縮熱によって室内の暖房が行われる。上記各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃにおいてそれぞれ凝縮した液冷媒は、上記各冷媒管路５６Ａ，５６Ｂ，５６Ｃ、冷媒管路５６及び四路切換弁１１を経て上記膨張機４に導入され、該膨張機４において等エントロピー膨張により減圧された後、上記四路切換弁１２を経て上記室外熱交換器５に導入され、ここで蒸発してガス冷媒とされた後、上記四路切換弁１１及びアキュムレータ７を経て上記圧縮機３に吸入される。
【００６１】
このように、この実施形態の空気調和装置Ｚ４においては、冷媒回路中に、上記四路切換弁１１と四路切換弁１２とを備え、該四路切換弁１１によって上記膨張機４の吸込側冷媒管路３４を上記室外熱交換器５と各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃとに択一的に接続可能とするとともに、上記四路切換弁１２によって上記圧縮機３の吐出側冷媒管路３１を上記室外熱交換器５と各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃとに択一的に接続すると同時に上記膨張機４の吐出側冷媒管路３５を上記室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃと室外熱交換器５とに択一的に接続可能とすることで、
（ア）冷房運転時における上記膨張機４での冷媒流れ方向と暖房運転時における上記膨張機４での冷媒流れ方向とが同一となり、上記膨張機４での動力回収が冷房運転時と暖房運転時の双方において同様に行われ、従来のように、例えば冷房運転時においてのみしか動力回収ができない場合に比して、動力回収率が格段に向上し、冷媒回路に膨張機を組み込むことによる冷凍サイクルの高効率化が、より一層促進されるとともに、
（イ）上記室外熱交換器５及び上記各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃにおいては、共に、これら各熱交換器５，６Ａ，６Ｂ，６Ｃにおける冷房運転時の冷媒流れ方向と暖房運転時の冷媒流れ方向とが同一方向となることから、これら各熱交換器５，６Ａ，６Ｂ，６Ｃにおける冷媒循環形態をそれぞれ対向流構成とし、冷媒と冷却風との間における熱交換によって冷凍サイクルの熱効率をさらに高めることができることになる。
【００６２】
さらに、この実施形態の空気調和装置Ｚ４においても、上記第１の実施形態の場合と同様に、上記膨張機４の吸込側冷媒管路３４にレシーバ８を介設しているので、該レシーバ８における余剰冷媒の一時貯留によって、上記膨張機４への冷媒の過多導入が防止され該膨張機４の信頼性が高められるとともに、冷房運転時と暖房運転時との間における上記室外熱交換器５と上記各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃとの容積比の相違に起因する必要冷媒循環量の変化に対する適応性が高められ、これらの結果、冷凍システムの設計自由度の向上が期待できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本願発明に係る空気調和装置の第１の実施形態における冷媒回路図である。
【図２】 本願発明に係る空気調和装置の第２の実施形態における冷媒回路図である。
【図３】 本願発明に係る空気調和装置の第３の実施形態における冷媒回路図である。
【図４】 本願発明に係る空気調和装置の第４の実施形態における冷媒回路図である。
【図５】 従来の蒸気圧縮式冷凍サイクル図である。
【図６】 従来の蒸気圧縮式冷凍サイクルにおける冷媒回路図である。
【図７】 遷臨界冷凍サイクル図である。
【図８】 遷臨界冷凍サイクルでの動力回収サイクル図である。
【符号の説明】
１は室外機、２は室内機、３は圧縮機、４は膨張機、５は室外熱交換器、６及び６Ａ〜６Ｃは室内熱交換器、７はアキュムレータ、８はレシーバ、１１，１１Ａ，１１Ｂ，１２と四路切換弁、１３Ａ，１３Ｂ，１４，１５，１６は三路切換弁、３１は圧縮機の吐出側冷媒管路、３２は圧縮機の吸込側冷媒管路、３４は膨張機の吸込側冷媒管路、３５は膨張機の吐出側冷媒管路、Ｘは方向制御手段、Ｚ１〜Ｚ４は空気調和装置である。
【発明の属する技術分野】
【０００２】
本願発明は、膨張機による動力回収によって高効率化を実現するようにした空気調和装置の冷媒回路に関するものである。
【従来の技術】
【０００３】
図５には、臨界温度以下の領域で運転される従来一般的な蒸気圧縮式の冷凍サイクルを示している。また、図６には、このような蒸気圧縮式冷凍サイクルを用いた空気調和装置Ｚ０のヒートポンプ冷媒回路を示しており、同図において符号６１は室外機、６２は室内機であって、該室外機６１側には圧縮機６３と四路切換弁６８と室外熱交換器６４と膨張弁６６及びアキュムレータ６７が備えられ、また上記室内機６２側には室内熱交換器６５が備えられ、これら各部材を冷媒管路で順次接続して冷媒循環系を構成している。そして、上記四路切換弁６８の切換操作によって上記室内熱交換器６５が蒸発器又は凝縮器として選択的に機能することで、冷房又は暖房が行われるものである。
【０００４】
ところで、従来の冷媒回路においては、上記四路切換弁６８が一つしか備えられていないため冷房時と暖房時とでは冷媒の流れ方向が逆転するが、上記膨張弁６６が冷媒の流れ方向にあまり依存しない構造であることから、冷媒の流れ方向の逆転による問題は生じなかった。
【０００５】
しかし、近年、冷凍サイクルの更なる高効率化を図る手段として、膨張弁に代えて膨張機を備え、冷媒が膨張する過程でその圧力エネルギーを該膨張機によって電力又は動力の形で回収し、その回収分だけシステムへの入力（圧縮機への入力）を少なくする動力回収サイクルが提案されており、特に、冷媒として高圧冷媒である二酸化炭素を用いた遷臨界冷凍サイクル（図７を参照）では、圧縮機仕事が多いことからその意義は大きい。
【０００６】
即ち、膨張機を組み込んだ遷臨界冷凍サイクルにおいては、図８に示すように、圧縮機出口（点ｄ）から凝縮されて過冷却となった冷媒ガス（点ａ）を膨張機に導入し、これを該膨張機において等エントロピー膨張によって膨張させた時、その蒸発器入口「点ｃ」と、従来のように膨張弁によって「点ａ」から等エンタルピー膨張させた場合における蒸発器入口「点ｅ」との間のエンタルピー量「ｈａ」だけ、冷媒膨張時の圧力エネルギーが動力として冷媒システム側に回収される。その結果、圧縮機には、その必要入力「ｈｂ」から上記回収動力「ｈａ」を差し引いた値「ｈｂ−ｈａ」だけを実際に入力すればよく、圧縮機入力の低減分だけ冷媒サイクルの高効率化が実現されるものである。
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、膨張機は、その機能・構造上、これを流れる冷媒の流れ方向が規定されており、適正方向への冷媒流れに対しては所要の機能を発揮するものの、逆方向への冷媒流れに対してはその機能を発揮できないものである。このため、ヒートポンプ冷媒回路に膨張機を組み込んだ場合、冷房運転時又は暖房運転時のいずれか一方においてしか動力回収を行うことができず、冷凍サイクル全体としての動力回収率が低く、その高効率化の実現という点において十分とは言えないものである。
【０００８】
そこで本願発明は、膨張機を組み込んだヒートポンプ冷媒回路において、膨張機による動力回収率を高めることで、より一層の高効率化を実現することを目的としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願発明ではかかる課題を解決するための具体的手段として次のような構成を採用している。
【００１０】
本願の第１の発明では、圧縮機３と膨張機４と、室外熱交換器５と室内熱交換器６とを備え、上記圧縮機３からの吐出冷媒を上記室外熱交換器５と室内熱交換器６とに択一的に 供給可能とするとともに、該室外熱交換器５と室内熱交換器６からの冷媒を上記膨張機４に択一的に供給可能とした空気調和装置の冷媒回路において、上記膨張機４の吸込側冷媒管路３４を上記室外熱交換器５と室内熱交換器６とに択一的に接続すると同時に該膨張機４の吐出側冷媒管路３５を上記室内熱交換器６と室外熱交換器５とに択一的に接続し、上記室外熱交換器５からの冷媒の上記膨張機４における流れ方向と上記室内熱交換器６からの冷媒の上記膨張機４における流れ方向とが同一方向となるように冷媒の流れ方向を制御する方向制御手段Ｘを備える一方、上記膨張機４を室外機１に配置するとともに、上記室内熱交換器６を並列配置された複数の室内熱交換器６Ａ〜６Ｃで構成したことを特徴としている。
【００１１】
本願の第２の発明では、上記第１の発明に係る空気調和装置の冷媒回路において、上記圧縮機３の吐出側冷媒管路３１を選択的に上記室外熱交換器５に接続する三路切換弁１３Ａと、上記圧縮機３の吸込側冷媒管路３２を選択的に上記室外熱交換器５と上記各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃに接続する三路切換弁１３Ｂと、上記各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃを上記圧縮機３の吐出側冷媒管路３１と上記吸込側冷媒管路３２に選択的に接続するように該各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃのそれぞれに対応して設けられた三路切換弁１４，１５，１６を備えるとともに、上記各三路切換弁１３Ａ，１３Ｂ，１４，１５，１６が冷房運転と暖房運転で切り換えられる構成であることを特徴としている。
【００１２】
本願の第３の発明では、圧縮機３と膨張機４と、室外熱交換器５と室内熱交換器６とを備え、上記圧縮機３からの吐出冷媒を上記室外熱交換器５と室内熱交換器６とに択一的に供給可能とするとともに、該室外熱交換器５と室内熱交換器６からの冷媒を上記膨張機４に択一的に供給可能とした空気調和装置の冷媒回路において、上記膨張機４の吸込側冷媒管路３４を上記室外熱交換器５と室内熱交換器６とに択一的に接続すると同時に上記圧縮機３の吸込側冷媒管路３２を上記室内熱交換器６と室外熱交換器５とに択一的に接続する第１の流路切換弁１１と、上記圧縮機３の吐出側冷媒管路３１を上記室外熱交換器５と室内熱交換器６とに択一的に接続すると同時に上記膨張機４の吐出側冷媒管路３５を上記室内熱交換器６と室外熱交換器５とに択一的に接続する第２の流路切換弁１２からなる方向制御手段Ｘを備え、上記室外熱交換器５と室内熱交換器６とを冷房運転時及び暖房運転時の双方で対向流構成が可能とする一方、上記膨張機４が室外機１に配置されるとともに、上記室内熱交換器６を並列配置された複数の室内熱交換器６Ａ〜６Ｃで構成されていることを特徴としている。
【００１３】
本願の第４の発明では、上記第１又は第２の発明に係る空気調和装置の冷媒回路において、冷媒として二酸化炭素を用いたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
本願発明ではかかる構成とすることにより次のような効果が得られる。
【００１５】
（１） 本願の第１の発明に係る空気調和装置の冷媒回路によれば、上記方向制御手段Ｘによって、上記室外熱交換器５からの冷媒が上記膨張機４において膨張作用を受ける冷房運転時における冷媒流れ方向と、上記室内熱交換器６からの冷媒が上記膨張機４において膨張作用を受ける暖房運転時における冷媒流れ方向とが同一方向となるように冷媒流れ方向が制御されることで、上記膨張機４が冷媒流れ方向に依存する特性を有するにも拘わらず、冷房運転時と暖房運転時の双方において該膨張機４による動力回収が行われ、例えば従来のように冷房運転時と暖房運転時のいずれか一方においてしか動力回収が行われない構成のものに比して、冷凍サイクル全体としての動力回収率が格段に高くなり、その高効率化がさらに促進されることになる。
【００１６】
また、この発明では、上記方向制御手段Ｘを、上記膨張機４の吸込側冷媒管路３４を上 記室外熱交換器５と室内熱交換器６とに択一的に接続すると同時に該膨張機４の吐出側冷媒管路３５を上記室内熱交換器６と室外熱交換器５とに択一的に接続する流路切換弁１１で構成しているので、該流路切換弁１１を設けるというより簡単な構成によって、上記室外熱交換器５及び室内熱交換器６を流れる冷媒の流れ方向が冷房運転時と暖房運転時とにおいて逆転する流路構成をもつものでありながら、冷房運転時に上記室外熱交換器５から膨張機４を経て上記室内熱交換器６に至る冷媒流れと、暖房運転時に上記室内熱交換器６から上記膨張機４を経て上記室外熱交換器５に至る冷媒流れとが同一方向となり、この結果、上記膨張機４での動力回収を冷房運転時と暖房運転時の双方において行うことが可能となり、それだけ冷凍サイクルの高効率化が促進されるものである。
【００１７】
さらに、この発明では、上記室内熱交換器６を、並列配置された複数の室内熱交換器６Ａ〜６Ｃで構成することで、係る複数の室内熱交換器６Ａ〜６Ｃを備えた、所謂「マルチタイプ」の空気調和装置においても、上記各効果を確実に得ることができるものである。
【００１８】
（２） 本願の第２の発明に係る空気調和装置の冷媒回路によれば、上記（１）に記載の効果に加えて次のような特有の効果が奏せられる、即ち、この発明の空気調和装置の冷媒回路においては、上記圧縮機３の吐出側冷媒管路３１を選択的に上記室外熱交換器５に接続する三路切換弁１３Ａと、上記圧縮機３の吸込側冷媒管路３２を選択的に上記室外熱交換器５と上記各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃに接続する三路切換弁１３Ｂと、上記各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃを上記圧縮機３の吐出側冷媒管路３１と上記吸込側冷媒管路３２に選択的に接続するように該各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃのそれぞれに対応して設けられた三路切換弁１４，１５，１６を備えるとともに、上記各三路切換弁１３Ａ，１３Ｂ，１４，１５，１６が冷房運転と暖房運転で切り換えられる構成であるため、冷房専用運転時と暖房専用運転時及び冷房並行運転時の全てにおいて、上記膨張機４における冷媒流れ方向が同一方向とされ、冷房専用運転時と暖房専用運転時及び冷暖並行運転時の何れにおいても、上記膨張機４で冷媒の膨張に伴う圧力エネルギーを上記圧縮機３の駆動動力として回収することができ、その結果、上記膨張機４における回収動力分だけ上記圧縮機３への入力を減じることができ、冷凍サイクル全体としての高効率化が促進される。
【００１９】
（３） 本願の第３の発明に係る空気調和装置の冷媒回路によれば、上記方向制御手段Ｘによって、上記室外熱交換器５からの冷媒が上記膨張機４において膨張作用を受ける冷房運転時における冷媒流れ方向と、上記室内熱交換器６からの冷媒が上記膨張機４において膨張作用を受ける暖房運転時における冷媒流れ方向とが同一方向となるように冷媒流れ方向が制御されることで、上記膨張機４が冷媒流れ方向に依存する特性を有するにも拘わらず、冷房運転時と暖房運転時の双方において該膨張機４による動力回収が行われ、例えば従来のように冷房運転時と暖房運転時のいずれか一方においてしか動力回収が行われない構成のものに比して、冷凍サイクル全体としての動力回収率が格段に高くなり、その高効率化がさらに促進されることになる。
【００２０】
また、この発明によれば、上記方向制御手段Ｘを、上記膨張機４の吸込側冷媒管路３４を上記室外熱交換器５と室内熱交換器６とに択一的に接続すると同時に上記圧縮機３の吸込側冷媒管路３２を上記室内熱交換器６と室外熱交換器５とに択一的に接続する第１の流路切換弁１１で構成するとともに、上記圧縮機３の吐出側冷媒管路３１を上記室外熱交換器５と室内熱交換器６とに択一的に接続すると同時に上記膨張機４の吐出側冷媒管路３５を上記室内熱交換器６と室外熱交換器５とに択一的に接続する第２の流路切換弁１２を備え、上記室外熱交換器５と室内熱交換器６とを冷房運転時及び暖房運転時の双方で対向流構成を可能としているので、上記流路切換弁１１と流路切換弁１２の切換操作によって、冷房運転時に上記室外熱交換器５から膨張機４を経て上記室内熱交換器６に至る冷媒流れと、暖房運転時に上記室内熱交換器６から上記膨張機４を経て上記室外熱交換器５に至る冷媒流れとが同一方向となり、この結果、上記膨張機４での動力回収を冷房運転時と暖房 運転時の双方において行うことが可能となり、それだけ冷凍サイクルの高効率化が促進されるものである。
【００２１】
さらに、冷房運転時には上記圧縮機３の吐出側冷媒管路３１が上記流路切換弁１２を介して上記室外熱交換器５に接続されるとともに上記膨張機４の吐出側冷媒管路３５が上記流路切換弁１２を介して上記室内熱交換器６に接続されることで、また、暖房運転時には上記膨張機４の吐出側冷媒管路３５が上記流路切換弁１２を介して上記室外熱交換器５に接続されるとともに上記圧縮機３の吐出側冷媒管路３１が上記流路切換弁１２を上記室内熱交換器６に接続されることで、上記室外熱交換器５及び上記室内熱交換器６においては、共に、冷房運転時における冷媒の流れ方向と暖房運転時における冷媒の流れ方向とが同一方向となる（換言すれば、冷房運転時と暖房運転時とで冷媒の流れ方向が逆転しない）冷媒循環形態の対向流構成（即ち、冷媒の流れ方向と冷却風の流れ方向とが対向し、冷媒流れの下流側から上流側に向けて冷却風を流す構成）が可能とされ、かかる対向流構成によって冷媒と冷却風との間における熱交換が促進され、冷凍サイクルにおける熱効率をさらに高めることができることになる。
【００２２】
また、この発明によれば、上記室内熱交換器６を、並列配置された複数の室内熱交換器６Ａ〜６Ｃで構成することで、係る複数の室内熱交換器６Ａ〜６Ｃを備えた、所謂「マルチタイプ」の空気調和装置においても、上記各効果を確実に得ることができるものである。
【００２３】
（４） 本願の第４の発明に係る空気調和装置の冷媒回路によれば、上記第１、第２又は第３の発明にかかる空気調和装置の冷媒回路において、冷媒として高圧冷媒である二酸化炭素を用いているのでその冷凍サイクルは圧縮機仕事の多い遷臨界冷凍サイクルとなるが、この場合、上記膨張機４における動力回収分だけ上記圧縮機３への必要入力が低減されることから、高圧冷媒を用いた遷臨界冷凍サイクルでありながら高効率のシステムを得ることができる。
【発明の実施の形態】
【００２４】
以下、本願発明に係る空気調和装置の冷媒回路を好適な実施形態に基づいて具体的に説明する。
【００２５】
第１の実施形態
図１には、本願の請求項１，２及び３に記載の発明が適用された第１の実施形態に係る空気調和装置Ｚ１のヒートポンプ冷媒回路が示されており、同図において符号１は室外機、符号２は室内機である。
【００２６】
上記室外機１には、モータ（図示省略）により回転駆動される圧縮機３と、該圧縮機３と一軸で連結された膨張機４と、室外熱交換器５と、上記圧縮機３の吸込側冷媒管路３２に介設されたアキュムレータ７と、上記膨張機４の吸込側冷媒管路３４に介設されたレシーバ８と、二つの四路切換弁１１，１２とが備えられている。また、上記室内機２には室内熱交換器６が備えられている。
【００２７】
上記圧縮機３の吐出側冷媒管路３１は、四路切換弁１２を介して上記室外熱交換器５と室内熱交換器６とに択一的に接続可能とされている。上記圧縮機３の吸込側冷媒管路３２は、上記四路切換弁１２を介して上記室内熱交換器６と上記室外熱交換器５とに択一的に接続可能とされている。上記膨張機４の吸込側冷媒管路３４は、上記四路切換弁１１（請求項１における「方向制御手段Ｘ」及び請求項３における「流路切換弁１１」にそれぞれ該当する）を介して上記室外熱交換器５と上記室内熱交換器６とに択一的に接続可能とされている。上記膨張機４の吐出側冷媒管路３５は、上記四路切換弁１１を介して上記室内熱交換器６と室外熱交換器５とに択一的に接続可能とされている。尚、図１においては、上記各四路切換弁１１，１２の切換位置を、冷房運転時には実線で、暖房運転時は破線で、それぞれ示している。
【００２８】
この空気調和装置Ｚ１の作動を説明すると次の通りである。
【００２９】
冷房運転時には、上記圧縮機３から吐出された冷媒ガスは、上記四路切換弁１２を経て上記室外熱交換器５において冷却され凝縮して液冷媒とされる。この液冷媒は、上記レシーバ８を経て上記膨張機４に導入され、該膨張機４において等エントロピー膨張により減圧された後、上記四路切換弁１１を経て上記室内熱交換器６に導入される。室内熱交換器６に導入された液冷媒は、ここで蒸発してその蒸発熱によって室内の冷房を行うとともに、蒸発後のガス冷媒は上記四路切換弁１２及びアキュムレータ７を経て上記圧縮機３に吸入される。
【００３０】
一方、暖房運転時には、上記圧縮機３から吐出されたガス冷媒は、上記四路切換弁１２を経て上記室内熱交換器６に導入され、ここで凝縮して液冷媒とされるが、その際の凝縮熱によって室内の暖房が行われる。上記室内熱交換器６において凝縮した液冷媒は、上記四路切換弁１１を経て上記膨張機４に導入され、該膨張機４において等エントロピー膨張により減圧された後、上記四路切換弁１１を経て上記室外熱交換器５に導入され、ここで蒸発してガス冷媒とされた後、上記四路切換弁１２及びアキュムレータ７を経て上記圧縮機３に吸入される。
【００３１】
このように、この実施形態の空気調和装置Ｚ１においては、冷媒回路中に上記四路切換弁１１を備えることで、冷房運転時と暖房運転時とにおいて上記室外熱交換器５及び室内熱交換器６における冷媒流れ方向は逆転する構成でありながら、上記膨張機４における冷媒流れ方向は冷房運転時と暖房運転時の双方において同一方向とされる。従って、上記膨張機４においては、冷房運転時と暖房運転時の双方で、冷媒の膨張による圧力エネルギーを上記圧縮機３の駆動動力として回収して、その回収動力分だけ上記圧縮機３への入力を減じることができる。このように、冷房運転時と暖房運転時の双方において膨張機４での動力回収が可能であることから、従来のように、例えば冷房運転時においてのみしか動力回収ができない場合に比して、動力回収率が格段に向上し、冷媒回路に膨張機を組み込むことによる冷凍サイクルの高効率化がより一層促進される。特に、冷媒として高圧冷媒である二酸化炭素冷媒を用いた場合には、冷凍サイクルが圧縮機仕事の多い遷臨界冷凍サイクルとなるため、冷凍サイクルの高効率化という点において、上記膨張機４での動力回収分だけ上記圧縮機３への必要入力が低減されることによる効果は顕著である。
【００３２】
また、この実施形態のように、上記膨張機４の吸込側冷媒管路３４にレシーバ８を介設することで、該レシーバ８における余剰冷媒の一時貯留によって、上記膨張機４への冷媒の過多導入が防止され該膨張機４の信頼性が高められるとともに、冷房運転時と暖房運転時との間における上記室外熱交換器５と室内熱交換器６との容積比の相違に起因する必要冷媒循環量の変化に対する適応性が高められ、これらの結果、冷凍システムの設計自由度の向上が期待できるものである。
【００３３】
尚、この実施形態においては、室内機２として単一の室内熱交換器６を備えたものを一例として示しているが、係る構成のものに限定されるものではなく、上記室内機２に、複数の熱交換器を並列配置して構成されるマルチタイプの空気調和装置（図４を参照）にも適用できることは勿論である。
【００３４】
第２の実施形態
図２には、本願の請求項１，２及び４に記載の発明が適用された第２の実施形態に係る空気調和装置Ｚ２のヒートポンプ冷媒回路が示されており、同図において符号１は室外機、符号２は室内機である。
【００３５】
上記室外機１には、モータ（図示省略）により回転駆動される圧縮機３と、該圧縮機３と一軸で連結された膨張機４と、室外熱交換器５と、上記圧縮機３の吸込側冷媒管路３２に介設されたアキュムレータ７と、上記膨張機４の吸込側冷媒管路３４に介設されたレシーバ８と、二つの四路切換弁１１，１２とが備えられている。また、上記室内機２には室内熱交換器６が備えられている。
【００３６】
上記圧縮機３の吐出側冷媒管路３１は、四路切換弁１２（請求項４における「第２の流路切換弁１２」に該当する）を介して上記室外熱交換器５と室内熱交換器６とに択一的に接続可能とされている。上記圧縮機３の吸込側冷媒管路３２は、上記四路切換弁１１（請求項１における「方向制御手段Ｘ」及び請求項４における「第１の流路切換弁１１」にそれぞれ該当する）を介して上記室内熱交換器６と室外熱交換器５とに択一的に接続可能とされている。上記膨張機４の吸込側冷媒管路３４は、上記四路切換弁１１を介して上記室外熱交換器５と室内熱交換器６とに択一的に接続可能とされている。上記膨張機４の吐出側冷媒管路３５は、上記四路切換弁１２を介して上記室内熱交換器６と室外熱交換器５とに択一的に接続可能とされている。尚、図２においては、上記各四路切換弁１１，１２の切換位置を、冷房運転時には実線で、暖房運転時は破線で、それぞれ示している。
【００３７】
この空気調和装置Ｚ２の作動を説明すると次の通りである。
【００３８】
冷房運転時には、上記圧縮機３から吐出された冷媒ガスは、上記四路切換弁１２を経て上記室外熱交換器５において冷却され凝縮して液冷媒とされる。この液冷媒は、上記四路切換弁１１及びレシーバ８を経て上記膨張機４に導入され、該膨張機４において等エントロピー膨張により減圧された後、上記四路切換弁１２を経て上記室内熱交換器６に導入される。室内熱交換器６に導入された液冷媒は、ここで蒸発してその蒸発熱によって室内の冷房を行うとともに、蒸発後のガス冷媒は上記四路切換弁１１及びアキュムレータ７を経て上記圧縮機３に吸入される。
【００３９】
一方、暖房運転時には、上記圧縮機３から吐出されたガス冷媒は、上記四路切換弁１２を経て上記室内熱交換器６に導入され、ここで凝縮して液冷媒とされるが、その際の凝縮熱によって室内の暖房が行われる。上記室内熱交換器６において凝縮した液冷媒は、上記四路切換弁１１及びレシーバ８を経て上記膨張機４に導入され、該膨張機４において等エントロピー膨張により減圧された後、上記四路切換弁１２を経て上記室外熱交換器５に導入され、ここで蒸発してガス冷媒とされた後、上記四路切換弁１１及びアキュムレータ７を経て上記圧縮機３に吸入される。
【００４０】
このように、この実施形態の空気調和装置Ｚ２においては、冷媒回路中に、上記四路切換弁１１と四路切換弁１２とを備え、該四路切換弁１１によって上記膨張機４の吸込側冷媒管路３４を上記室外熱交換器５と室内熱交換器６とに択一的に接続可能とするとともに、上記四路切換弁１２によって上記圧縮機３の吐出側冷媒管路３１を上記室外熱交換器５と室内熱交換器６とに択一的に接続すると同時に上記膨張機４の吐出側冷媒管路３５を上記室内熱交換器６と室外熱交換器５とに択一的に接続可能とすることで、
（ア）冷房運転時における上記膨張機４での冷媒流れ方向と暖房運転時における上記膨張機４での冷媒流れ方向とが同一となり、上記膨張機４での動力回収が冷房運転時と暖房運転時の双方において同様に行われ、従来のように、例えば冷房運転時においてのみしか動力回収ができない場合に比して、動力回収率が格段に向上し、冷媒回路に膨張機を組み込むことによる冷凍サイクルの高効率化が、より一層促進されるとともに、
（イ）上記室外熱交換器５及び上記室内熱交換器６においては、共に、これら各熱交換器５，６における冷房運転時の冷媒流れ方向と暖房運転時の冷媒流れ方向とが同一方向となることから、これら各熱交換器５，６における冷媒循環形態をそれぞれ対向流構成とし、冷媒と冷却風との間における熱交換によって冷凍サイクルの熱効率をさらに高めることができることになる。
【００４１】
さらに、この実施形態の空気調和装置Ｚ２においても、上記第１の実施形態の場合と同様に、上記膨張機４の吸込側冷媒管路３４にレシーバ８を介設しているので、該レシーバ８における余剰冷媒の一時貯留によって、上記膨張機４への冷媒の過多導入が防止され該膨張機４の信頼性が高められるとともに、冷房運転時と暖房運転時との間における上記室外熱交換器５と室内熱交換器６との容積比の相違に起因する必要冷媒循環量の変化に対する適応性が高められ、これらの結果、冷凍システムの設計自由度の向上が期待できるものである。
【００４２】
第３の実施形態
図３には、本願の請求項１，２，３及び５に記載の発明が適用された第３の実施形態に係る空気調和装置Ｚ３におけるヒートポンプ冷媒回路が示されている。この空気調和装置Ｚ３は、冷房運転、暖房運転及び冷暖並行運転が可能なマルチタイプの空気調和装置であって、同図において符号３はモータ（図示省略）により回転駆動される圧縮機、符号４は上記圧縮機３と一軸で連結された膨張機、符号５は室外熱交換器、符号６Ａ〜６Ｃは室内熱交換器、符号７は上記圧縮機３の吸込側冷媒管路３２に介設されたアキュムレータである。
【００４３】
上記圧縮機３の吐出側冷媒管路３１は、第１三路切換弁１３Ａを介して上記室外熱交換器５に選択的に接続可能とされているとともに、その管路途中から冷媒管路４１が分岐されている。さらに、この冷媒管路４１は、その下流側で複数の冷媒管路４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃに分岐されるとともに、該各冷媒管路４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃはそれぞれ三路切換弁１４，１５，１６を介して上記各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃの冷媒管路４９Ａ，４９Ｂ，４９Ｃに選択的に接続可能とされている。
【００４４】
また、上記圧縮機３の吸込側冷媒管路３２は、第２三路切換弁１３Ｂの切換操作によって、上記第１三路切換弁１３Ａを介して上記室外熱交換器５と、冷媒管路４３とに択一的に接続可能とされている。この冷媒管路４３は、その上流側において複数の冷媒管路４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃに分岐されており、さらにこれら各冷媒管路４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃはそれぞれ上記各三路切換弁１４，１５，１６を介して上記各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃの冷媒管路４９Ａ，４９Ｂ，４９Ｃに選択的に接続可能とされている。
【００４５】
一方、上記膨張機４の吸込側冷媒管路３４は、第１四路切換弁１１Ａを介して上記室外熱交換器５と冷媒管路４７とに択一的に接続可能とされている。また、この第１四路切換弁１１Ａは、上記吸込側冷媒管路３４が上記室外熱交換器５に接続されたときには上記冷媒管路４７を冷媒管路４６に接続し、上記吸込側冷媒管路３４が上記吸込側冷媒管路３４に接続されたときには上記冷媒管路４６を上記室外熱交換器５に接続するようになっている。
【００４６】
さらに、上記膨張機４の吐出側冷媒管路３５は、第２四路切換弁１１Ｂを介して上記冷媒管路４６と冷媒管路４８とに択一的に接続可能とされている。この第２四路切換弁１１Ｂは、上記吐出側冷媒管路３５が上記冷媒管路４８に接続されたときには上記冷媒管路４６と冷媒管路４７とを接続し、上記吐出側冷媒管路３５が上記冷媒管路４６に接続されたときには上記冷媒管路４７を上記冷媒管路４８に接続するようになっている。また、上記冷媒管路４８は、上記各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃの各冷媒管路４８Ａ，４８Ｂ，４８Ｃにそれぞれ接続されている。
【００４７】
尚、図３において、符号５７Ａ，５７Ｂ，５Ｃは、それぞれ上記各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃ側に設けられた電動減圧弁である。また、この実施形態においては、上記第１四路切換弁１１Ａと第２四路切換弁１１Ｂとによって、請求項１における「方向制御手段Ｘ」及び請求項３における「流路切換弁１１」がそれぞれ構成されている。
【００４８】
この空気調和装置Ｚ３の作動を、その運転形態毎に説明すると、以下（ａ）〜（ｃ）に記載する通りである。
【００４９】
（ａ）冷房専用運転時
冷房専用運転時（即ち、上記各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃの全てが冷房作用を行う運転形態）には、上記各四路切換弁１１Ａ，１１Ｂ及び各三路切換弁１３Ａ，１３Ｂ，１４，１５，１６はそれぞれ実線図示する弁位置に設定されている。かかる弁位置設定において、圧縮機３から吐出側冷媒管路３１を通してガス冷媒が吐出されると、このガス冷媒は、上記冷媒管路４１側が上記各三路切換弁１４，１５，１６によって閉塞されているので、冷媒管路４２Ａを介して上記室外熱交換器５のみに導入される。該室外熱交換器５に導入されたガス冷媒は、ここで凝縮して液冷媒とされ、上記吸込側冷媒管路３４を経て上記膨張機４に導入される。この膨張機４での膨張により減圧された液冷媒は、吐出側冷媒管路３５、冷媒管路４８及び各冷媒管路４８Ａ，４８Ｂ，４８Ｃを経て上記各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃのそれぞれに導入され、ここで蒸発してガス冷媒とされるが、その際、蒸発熱によって室内の冷房を行う。上記各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃからのガス冷媒は、それぞれ冷媒管路４９Ａ，４９Ｂ，４９Ｃを経て上記吸込側冷媒管路３２から上記圧縮機３に吸い込まれる。
【００５０】
（ｂ）暖房専用運転時
暖房専用運転時（即ち、上記各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃの全てが暖房作用を行う運転形態）には、上記各四路切換弁１１Ａ，１１Ｂ及び各三路切換弁１３Ａ，１３Ｂ，１４，１５，１６はそれぞれ破線図示する弁位置に設定されている。かかる弁位置設定において、圧縮機３から吐出側冷媒管路３１を通してガス冷媒が吐出されると、このガス冷媒は、冷媒管路４１及び各冷媒管路４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃを介して上記各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃに導入され、ここで凝縮して液冷媒とされる際、その凝縮熱によって室内の暖房が行われる。この各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃからの液冷媒は、各冷媒管路４８Ａ，４８Ｂ，４８Ｃ、冷媒管路４８、第２四路切換弁１１Ｂ及び冷媒管路４７を経て吸込側冷媒管路３４から上記膨張機４に導入される。そして、この膨張機４での膨張により減圧された液冷媒は、吐出側冷媒管路３５から第２四路切換弁１１Ｂ、冷媒管路４６、第１四路切換弁１１Ａを経て上記室外熱交換器５に導入され、ここで蒸発してガス冷媒とされる。この室外熱交換器５からのガス冷媒は、第１三路切換弁１３Ａ及び第２三路切換弁１３Ｂを介して吸込側冷媒管路３２から上記圧縮機３に吸い込まれる。
【００５１】
（ｃ）冷暖並行運転時
冷暖並行運転時（ここでは、上記各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃのうち、室内熱交換器６Ａ，６Ｃを冷房運転し、室内熱交換器６Ｂを暖房運転する場合を例にとって説明する）には、上記各四路切換弁１１Ａ，１１Ｂ及び各三路切換弁１３Ａ，１３Ｂ，１４，１５，１６のうち、室内熱交換器６Ｂに対応する三路切換弁１５のみが破線図示する弁位置に設定され、それ以外の弁は全て実線図示する弁位置に設定される。また、室内熱交換器６Ｂに対応する電動減圧弁５７Ｂは減圧状態に設定される。
【００５２】
かかる状態下で、上記圧縮機３から吐出側冷媒管路３１を通してガス冷媒が吐出されると、このガス冷媒は、その一部は冷媒管路４２Ａ及び第１三路切換弁１３Ａを経て上記室外熱交換器５に導入され、ここで凝縮して液冷媒とされる。この液冷媒は、上記吸込側冷媒管路３４を経て上記膨張機４に導入され、該膨張機４での膨張により減圧された後、吐出側冷媒管路３５から冷媒管路４８Ａ及び冷媒管路４８Ｃを経て上記室内熱交換器６Ａ，６Ｃにそれぞれ導入され、ここで蒸発してガス冷媒とされる。この室内熱交換器６Ａ，６Ｃにおいては、冷媒の蒸発による蒸発熱によって室内の冷房を行う。さらに、この各室内熱交換器６Ａ，６Ｃからのガス冷媒は、それぞれ冷媒管路４９Ａ，４９Ｃを経て上記吸込側冷媒管路３２から上記圧縮機３に吸い込まれる。
【００５３】
一方、上記圧縮機３から吐出されたガス冷媒の他の一部は、冷媒管路４１、冷媒管路４１Ｂ及び三路切換弁１５を経て冷媒管路４９Ｂから上記室内熱交換器６Ｂに導入され、この室内熱交換器６Ｂで凝縮されて液冷媒とされるが、その際、凝縮熱によって室内の暖房を行う。この室内熱交換器６Ｂからの液冷媒は、電動減圧弁５７Ｂにおいて減圧され、上記膨張機４から冷媒管路４８を通って流れる液冷媒と合流し、その下流側の室内熱交換器６Ｃ側に導入される。
【００５４】
以上のように、この実施形態の空気調和装置Ｚ３においては、冷媒回路中に上記第１四路切換弁１１Ａ及び第２四路切換弁１１Ｂを備えることで、冷房専用運転時と暖房専用運転時及び冷房並行運転時の全てにおいて、上記膨張機４における冷媒流れ方向が同一方向とされる。従って、冷房専用運転時と暖房専用運転時及び冷暖並行運転時の何れにおいても、上記膨張機４で冷媒の膨張に伴う圧力エネルギーを上記圧縮機３の駆動動力として回収することができる（尚、冷暖並行運転時には、冷房分のみの動力回収となる）。この結果、上記膨張機４における回収動力分だけ上記圧縮機３への入力を減じることができ、冷凍サイクル全体としての高効率化が促進されるものである。
【００５５】
また、この実施形態のように、上記膨張機４の吸込側冷媒管路３４にレシーバ８を介設することで、該レシーバ８における余剰冷媒の一時貯留によって、上記膨張機４への冷媒の過多導入が防止され該膨張機４の信頼性が高められるとともに、冷房運転時と暖房運転時との間における上記室外熱交換器５と室内熱交換器６との容積比の相違に起因する必要冷媒循環量の変化に対する適応性が高められ、これらの結果、冷凍システムの設計自由度の向上が期待できるものである。
【００５６】
第４の実施形態
図４には、本願の請求項１，２，４及び５に記載の発明が適用された第４の実施形態に係る空気調和装置Ｚ４のヒートポンプ冷媒回路が示されている。この空気調和装置Ｚ４は、上記第２の実施形態にかかる空気調和装置Ｚ２を基本構成として展開したマルチタイプの空気調和装置であって、同図において符号３はモータ（図示省略）により回転駆動される圧縮機、符号４は上記圧縮機３と一軸で連結された膨張機、符号５は室外熱交換器、符号６Ａ〜６Ｃは室内熱交換器、符号７は上記圧縮機３の吸込側冷媒管路３２に介設されたアキュムレータ、符号８は上記膨張機４の吸込側冷媒管路３４に介設されたレシーバである。
【００５７】
上記圧縮機３の吐出側冷媒管路３１は、四路切換弁１２（請求項４における「第２の流路切換弁１２」に該当する）を介して上記室外熱交換器５と各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃとに択一的に接続可能とされている。上記圧縮機３の吸込側冷媒管路３２は、上記四路切換弁１１（請求項１における「方向制御手段Ｘ」及び請求項４における「第１の流路切換弁１１」にそれぞれ該当する）を介して上記各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃと室外熱交換器５とに択一的に接続可能とされている。上記膨張機４の吸込側冷媒管路３４は、上記四路切換弁１１を介して上記室外熱交換器５と上記各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃとに択一的に接続可能とされている。上記膨張機４の吐出側冷媒管路３５は、上記流路切換弁１２を介して上記各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃと室外熱交換器５とに択一的に接続可能とされている。尚、図４においては、上記各四路切換弁１１，１２の切換位置を、冷房運転時には実線で、暖房運転時は破線で、それぞれ示している。
【００５８】
この空気調和装置Ｚ４の作動を説明すると次の通りである。
【００５９】
冷房運転時には、上記圧縮機３から吐出された冷媒ガスは、上記四路切換弁１２を経て上記室外熱交換器５において冷却され凝縮して液冷媒とされる。この液冷媒は、上記流路切換弁１１及びレシーバ８を経て上記膨張機４に導入され、該膨張機４において等エントロピー膨張により減圧された後、上記四路切換弁１２，冷媒管路５５Ｃを経て各冷媒管路５５Ａ，５５Ｂ，５５Ｃから上記各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃのそれぞれに導入される。該各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃに導入された液冷媒は、ここで蒸発してその蒸発熱によってそれぞれ室内の冷房を行うとともに、蒸発後のガス冷媒は冷媒管路５６Ａ，５６Ｂ，５６Ｃから冷媒管路５６及び四路切換弁１１を経て上記圧縮機３に吸入される。
【００６０】
一方、暖房運転時には、上記圧縮機３から吐出されたガス冷媒は、上記四路切換弁１２、冷媒管路５５及び各冷媒管路５５Ａ，５５Ｂ，５５Ｃを経て上記各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃのそれぞれに導入され、ここで凝縮して液冷媒とされるが、その際の凝縮熱によって室内の暖房が行われる。上記各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃにおいてそれぞれ凝縮した液冷媒は、上記各冷媒管路５６Ａ，５６Ｂ，５６Ｃ、冷媒管路５６及び四路切換弁１１を経て上記膨張機４に導入され、該膨張機４において等エントロピー膨張により減圧された後、上記四路切換弁１２を経て上記室外熱交換器５に導入され、ここで蒸発してガス冷媒とされた後、上記四路切換弁１１及びアキュムレータ７を経て上記圧縮機３に吸入される。
【００６１】
このように、この実施形態の空気調和装置Ｚ４においては、冷媒回路中に、上記四路切換弁１１と四路切換弁１２とを備え、該四路切換弁１１によって上記膨張機４の吸込側冷媒管路３４を上記室外熱交換器５と各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃとに択一的に接続可能とするとともに、上記四路切換弁１２によって上記圧縮機３の吐出側冷媒管路３１を上記室外熱交換器５と各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃとに択一的に接続すると同時に上記膨張機４の吐出側冷媒管路３５を上記室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃと室外熱交換器５とに択一的に接続可能とすることで、
（ア）冷房運転時における上記膨張機４での冷媒流れ方向と暖房運転時における上記膨張機４での冷媒流れ方向とが同一となり、上記膨張機４での動力回収が冷房運転時と暖房運転時の双方において同様に行われ、従来のように、例えば冷房運転時においてのみしか動力回収ができない場合に比して、動力回収率が格段に向上し、冷媒回路に膨張機を組み込むことによる冷凍サイクルの高効率化が、より一層促進されるとともに、
（イ）上記室外熱交換器５及び上記各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃにおいては、共に、これら各熱交換器５，６Ａ，６Ｂ，６Ｃにおける冷房運転時の冷媒流れ方向と暖房運転時の冷媒流れ方向とが同一方向となることから、これら各熱交換器５，６Ａ，６Ｂ，６Ｃにおける冷媒循環形態をそれぞれ対向流構成とし、冷媒と冷却風との間における熱交換によって冷凍サイクルの熱効率をさらに高めることができることになる。
【００６２】
さらに、この実施形態の空気調和装置Ｚ４においても、上記第１の実施形態の場合と同様に、上記膨張機４の吸込側冷媒管路３４にレシーバ８を介設しているので、該レシーバ８における余剰冷媒の一時貯留によって、上記膨張機４への冷媒の過多導入が防止され該膨張機４の信頼性が高められるとともに、冷房運転時と暖房運転時との間における上記室外熱交換器５と上記各室内熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃとの容積比の相違に起因する必要冷媒循環量の変化に対する適応性が高められ、これらの結果、冷凍システムの設計自由度の向上が期待できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本願発明に係る空気調和装置の第１の実施形態における冷媒回路図である。
【図２】 本願発明に係る空気調和装置の第２の実施形態における冷媒回路図である。
【図３】 本願発明に係る空気調和装置の第３の実施形態における冷媒回路図である。
【図４】 本願発明に係る空気調和装置の第４の実施形態における冷媒回路図である。
【図５】 従来の蒸気圧縮式冷凍サイクル図である。
【図６】 従来の蒸気圧縮式冷凍サイクルにおける冷媒回路図である。
【図７】 遷臨界冷凍サイクル図である。
【図８】 遷臨界冷凍サイクルでの動力回収サイクル図である。
【符号の説明】
１は室外機、２は室内機、３は圧縮機、４は膨張機、５は室外熱交換器、６及び６Ａ〜６Ｃは室内熱交換器、７はアキュムレータ、８はレシーバ、１１，１１Ａ，１１Ｂ，１２と四路切換弁、１３Ａ，１３Ｂ，１４，１５，１６は三路切換弁、３１は圧縮機の吐出側冷媒管路、３２は圧縮機の吸込側冷媒管路、３４は膨張機の吸込側冷媒管路、３５は膨張機の吐出側冷媒管路、Ｘは方向制御手段、Ｚ１〜Ｚ４は空気調和装置である。
Claims (4)
- 圧縮機（３）と膨張機（４）と、室外熱交換器（５）と室内熱交換器（６）とを備え、上記圧縮機（３）からの吐出冷媒を上記室外熱交換器（５）と室内熱交換器（６）とに択一的に供給可能とするとともに、該室外熱交換器（５）と室内熱交換器（６）からの冷媒を上記膨張機（４）に択一的に供給可能とした空気調和装置の冷媒回路であって、
上記膨張機（４）の吸込側冷媒管路（３４）を上記室外熱交換器（５）と室内熱交換器（６）とに択一的に接続すると同時に該膨張機（４）の吐出側冷媒管路（３５）を上記室内熱交換器（６）と室外熱交換器（５）とに択一的に接続し、上記室外熱交換器（５）からの冷媒の上記膨張機（４）における流れ方向と上記室内熱交換器（６）からの冷媒の上記膨張機（４）における流れ方向とが同一方向となるように冷媒の流れ方向を制御する方向制御手段（Ｘ）が備えられる一方、
上記膨張機（４）が室外機（１）に配置されるとともに、上記室内熱交換器（６）が並列配置された複数の室内熱交換器（６Ａ〜６Ｃ）で構成されていることを特徴とする空気調和装置の冷媒回路。 - 請求項１において、
上記圧縮機（３）の吐出側冷媒管路（３１）を選択的に上記室外熱交換器（５）に接続する三路切換弁（１３Ａ）と、上記圧縮機（３）の吸込側冷媒管路（３２）を選択的に上記室外熱交換器（５）と上記各室内熱交換器（６Ａ，６Ｂ，６Ｃ）に接続する三路切換弁（１３Ｂ）と、上記各室内熱交換器（６Ａ，６Ｂ，６Ｃ）を上記圧縮機（３）の吐出側冷媒管路（３１）と上記吸込側冷媒管路（３２）に選択的に接続するように該各室内熱交換器（６Ａ，６Ｂ，６Ｃ）のそれぞれに対応して設けられた三路切換弁（１４，１５，１６）を備えるとともに、上記各三路切換弁（１３Ａ，１３Ｂ，１４，１５，１６）が冷房運転と暖房運転で切り換えられる構成であることを特徴とする空気調和装置の冷媒回路。 - 圧縮機（３）と膨張機（４）と、室外熱交換器（５）と室内熱交換器（６）とを備え、上記圧縮機（３）からの吐出冷媒を上記室外熱交換器（５）と室内熱交換器（６）とに択一的に供給可能とするとともに、該室外熱交換器（５）と室内熱交換器（６）からの冷媒を上記膨張機（４）に択一的に供給可能とした空気調和装置の冷媒回路であって、
上記膨張機（４）の吸込側冷媒管路（３４）を上記室外熱交換器（５）と室内熱交換器（６）とに択一的に接続すると同時に上記圧縮機（３）の吸込側冷媒管路（３２）を上記室内熱交換器（６）と室外熱交換器（５）とに択一的に接続する第１の流路切換弁（１１）と、上記圧縮機（３）の吐出側冷媒管路（３１）を上記室外熱交換器（５）と室内熱交換器（６）とに択一的に接続すると同時に上記膨張機（４）の吐出側冷媒管路（３５）を上記室内熱交換器（６）と室外熱交換器（５）とに択一的に接続する第２の流路切換弁（１２）からなる方向制御手段（Ｘ）を備え、上記室外熱交換器（５）と室内熱交換器（６）とが冷房運転時及び暖房運転時の双方で対向流構成が可能とされる一方、
上記膨張機（４）が室外機（１）に配置されるとともに、上記室内熱交換器（６）が並列配置された複数の室内熱交換器（６Ａ〜６Ｃ）で構成されていることを特徴とする空気調和装置の冷媒回路。 - 請求項１，２又は３において、
冷媒として二酸化炭素が用いられていることを特徴とする空気調和装置の冷媒回路。
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