JP4538892B2 - Air conditioner using CO2 refrigerant - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
【０００２】
本願発明は、ＣＯ２冷媒を用いた空気調和機に関するものである。
【従来の技術】
【０００３】
従来より、ＣＯ２冷媒を用いた遷臨界冷凍サイクルの空気調和機が提案されているが、かかる空気調和機においては、ＣＯ２冷媒の特性としてフロン系冷媒を用いた空気調和機に比べて効率（成績係数：ＣＯＰ）が悪いという欠点があり、これを改善する一つの技術として、例えば特開平１１−１７３６８７号公報に開示されるように、冷媒回路中にガスインジェクション機構を組み込みことが提案されている。即ち、超臨界領域で冷却されたＣＯ２冷媒を一次膨張させた後、これを気液分離し、この分離されたガス冷媒を圧縮機の圧縮行程にある圧縮室にインジエクションする一方、分離された液冷媒を二次膨張させた後、蒸発器において蒸発させるものである。
【０００４】
このようなガスインジェクション機構を組み込んだ遷臨界冷凍サイクルにおける主たる利点として以下の二つがある。第１の利点は、インジエクションされたガス冷媒による圧縮室内のガス冷媒に対する冷却作用及び高密度化作用によって圧縮機吐出側の冷媒温度、即ち、圧縮機吐出温度が低下し圧縮機の信頼性が向上するという点である。第２の利点は、気液分離後のガス冷媒の圧縮機側へのインジェクションガス量だけ、蒸発器側の冷媒循環量が冷却器側の冷媒循環量よりも少なくなり、蒸発器側においては単位重量当たりの蒸発エンタルピーが大きくなり、冷凍能力が向上し、空気調和機全体としての効率が高められるという点である。しかし、上記第１の利点は、その見方を変えれば、暖房時における室内への吹出空気の温度を高くできないという欠点ともなる。
【０００５】
一方、ガスインジェクション機構組込方式と同様に、効率改善を図るための技術として、冷媒回路に内部熱交換器を組込む方式が知られている。この内部熱交換器組込方式は、冷媒回路に付設した内部熱交換器によって低圧側のガス冷媒と高圧側の液冷媒との間で熱交換を行わせて熱回収を行うことで効率を高めるものであるが、かかる効率改善という利点がある反面、圧縮機の吐出温度が上昇して圧縮機の信頼性に悪影響を与えるという欠点もある。
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、空気調和機においては、冷房運転時及び暖房運転時の双方において高い運転効率を得るという普遍的要求とともに、暖房運転の起動時のように室内温度が低い時には高温の空気を室内へ吹き出して室内温度を適正温度まで迅速に高めたいという個別的要求もある。
【０００７】
ところが、上述のような従来のガスインジェクション機構とか内部熱交換器を組み込んだ空気調和機は、専ら効率改善という空気調和機に対する普遍的要求のみを追求したものであり、従って、例えば暖房起動時における暖房特性の改善という空気調和機に対する個別的要求に関しては不満の残るものであった。
【０００８】
そこで本願発明は、ＣＯ２冷媒を用いた空気調和機において、運転効率の改善と暖房運転時における暖房特性の改善とを両立させることを目的としてなされたものである。
【発明の技術的背景】
【０００９】
ところで、図８には、ガスインジェクション機構を備えた場合のインジェクションガス量と効率（成績係数：ＣＯＰ）との関係を示している。この図８からも解るように、インジェクションガス量が多いと効率が高くなる傾向があり、従って、高い効率を確保するためにはインジェクションガス量を運転状態に応じて調整すれば良い。
【００１０】
ところが、インジェクションガス量が多くなると、それに伴ってインジエクションされるガス冷媒による冷却作用が高まり、圧縮機吐出温度の低下幅が大きくなるという特徴がある。この圧縮機吐出温度の低下は、例えば内部熱交換器を組込んだ場合の欠点である圧縮機吐出温度の上昇を抑制するという点においては有効である。
【００１１】
また、図９には、遷臨界冷凍サイクルにおける「Ｔ−Ｓ線図」上に、冷却器において熱交換される空気の風量変化に対する温度特性を示している。この図９からは、例えば、冷却器における冷媒の流れ方向と空気の流れ方向とを対向させた場合には、空気温度（即ち、吹出風温度）を圧縮機吐出温度近くまで上げることが可能であり、しかもその吹出風温度は吹出風量に応じて変化し、小風量であるほど高温となることが解る。そして、特に、ＣＯ２冷媒は、その属性として、気液二相領域のみならず、気相領域、液相領域及び超臨界領域の全ての作動領域を通してほぼ一定した高い熱伝達をもつことから、吹出風温度を圧縮機吐出温度近くまで高めても、効率という点においては何ら問題は生じない。
【００１２】
本願発明者らは、ガスインジェクション機構を組み込んだ遷臨界冷凍サイクルの空気調和機において、上記各知見事項を考慮することで、上記目的、即ち、効率の改善と暖房特性の改善とを両立し得る手段を想到するに至ったものである。
【課題を解決するための機構】
【００１３】
本願発明では、上記課題を解決するための具体的機構として次のような構成を採用している。
【００１４】
本願の第１の発明にかかるＣＯ２冷媒を用いた空気調和機では、ＣＯ２冷媒を圧縮する圧縮機１と、冷房運転時には超臨界領域で作動する冷却器として機能し暖房運転時には蒸発器として機能する室外熱交換器２と、冷房運転時には蒸発器として機能し暖房運転時には超臨界領域で作動する冷却器として機能する室内熱交換器３と、超臨界領域で冷却されたＣＯ２冷媒を一次膨張させる一次膨張弁１１又は１２と、一次膨張したＣＯ２冷媒を気液分離するレシーバ７と、上記レシーバ７で分離された液冷媒を二次膨張させる二次膨張弁１２又は１１と、上記レシーバ７で分離されたガス冷媒を上記圧縮機１の圧縮室にインジエクションするガスインジェクション機構１５とを備えたＣＯ２冷媒を用いた空気調和機において、上記ガスインジェクション機構１５に、インジェクションガス量を運転状態に応じて変更する制御弁１７を備えるとともに、該制御弁１７が、暖房運転の起動時にはインジェクションガス量を少量側に設定し、暖房運転の定常時及び冷房運転時にはインジェクションガス量を多量側に設定することを特徴としている。
【００１５】
本願の第２の発明では、上記第１の発明にかかるＣＯ２冷媒を用いた空気調和機において、室内への吹出風量を、暖房運転の起動時には、暖房運転の定常時及び冷房運転時よりも小風量側に設定することを特徴としている。
【００１６】
本願の第３の発明では、上記第１又は第２の発明にかかるＣＯ２冷媒を用いた空気調和機において、低圧側冷媒と高圧側冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器８を備えたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１７】
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。
【００１８】
（１） 本願の第１の発明にかかるＣＯ２冷媒を用いた空気調和機によれば、気液分離されたガス冷媒を圧縮機１の圧縮室にインジエクションするガスインジェクション機構１５に、インジェクションガス量を運転状態に応じて変更する制御弁１７を備えているので、例えば、該制御弁１７の開度制御によってインジェクションガス量を適宜変更することで運転状態に適した効率での運転が可能となり、例えば、インジェクションガス量を多量側に設定した場合には高効率運転を比較的低い圧縮機吐出温度の下で実現でき、逆に、例えば暖房運転においてインジェクションガス量を少量側に設定した場合には比較的効率は低いものの、高温吹出により暖房特性の改善が図られることになる。
【００１９】
また、上記制御弁１７によって、暖房運転の起動時にはインジェクションガス量が少量側に設定され、暖房運転の定常時及び冷房運転時にはインジェクションガス量が多量側に設定されることから、暖房運転の起動時には、効率は比較的低いものの、室内熱交換器３での熱交換により得られる吹出風温度が高められることから、高温風の室内への吹き出しによって室内温度を適正温度まで迅速に高めることができ、暖房特性の改善が図られる一方、暖房運転の定常時（即ち、室内温度が適正温度まで高められた後の状態）及び冷房運転時には、比較的低い圧縮機吐出温度の下で、高効率運転が実現され、これらの結果、高効率運転の実現と暖房特性の改善とが両立されることになる。
【００２０】
（２） 本願の第２の発明にかかるＣＯ２冷媒を用いた空気調和機によれば、上記第１の発明にかかるＣＯ２冷媒を用いた空気調和機において、室内への吹出風量を、暖房運転の起動時には、暖房運転の定常時及び冷房運転時よりも小風量側に設定するようにしているので、暖房運転の起動時には、吹出風温度が圧縮機吐出温度近くまで高められることで、吹出空気による室内温度の上昇がより一層迅速となり、暖房特性がさらに良好となる。
【００２１】
（３） 本願の第３の発明にかかるＣＯ２冷媒を用いた空気調和機によれば、上記第１又は第２の発明にかかるＣＯ２冷媒を用いた空気調和機において、低圧側冷媒と高圧側冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器８を備えているので、該内部熱交換器８での熱交換に基づく効率向上分が、ガスインジェクションに基づく効率向上分に加算され、より一層高効率での運転が実現されるとともに、該内部熱交換器８での熱交換に起因する圧縮機吐出温度の上昇が、ガスインジェクションによる冷却作用によって相殺され、圧縮機１の信頼性が確保されるものである。即ち、より高効率の運転の実現と圧縮機１の信頼性の確保とが両立されるものである。
【発明の実施の形態】
【００２２】
以下、本願発明を好適な実施形態に基づいて具体的に説明する。
【００２３】
第１の実施形態
図１には、本願発明の第１の実施形態にかかる空気調和機の冷媒回路を示している。この冷媒回路は、冷媒としてＣＯ２冷媒を用い、遷臨界冷凍サイクルで運転されるものであって、同図において符号１は圧縮機、２は室外熱交換器、３は室内熱交換器、４はアキュームレータ、５は上記室外熱交換器２と室内熱交換器３とを上記圧縮機１の吐出口と吸入口とに択一的に接続する四方切換弁である。尚、図１においては、上記四方切換弁５の弁位置を、冷房運転時には実線で、暖房運転時には破線で、それぞれ示している。
【００２４】
また、符号７は、上記室外熱交換器２と室内熱交換器３とを接続する冷媒路２１に介設されたレシーバであり、該レシーバ７よりも上記室外熱交換器２寄りには第１の膨張弁１１が、上記室内熱交換器３寄りには第２の膨張弁１２がそれぞれ介設されている。また、上記レシーバ７の気室は制御弁１７を備えたインジェクション路１６を介して上記圧縮機１の圧縮室に接続されている。尚、この実施形態では、上記インジェクション路１６と制御弁１７とで特許請求の範囲の「ガスインジェクション機構１５」を構成している。
【００２５】
さらに、符号９は、上記室内熱交換器３に付設されたファンであり、このファン９と上記制御弁１７とは、空気調和機の運転状態に対応してそれぞれ作動制御される。即ち、図７に示すように、この実施形態においては空気調和機の運転状態として、暖房運転の起動時（即ち、室内温度が所定温度よりも大きく低いとき（例えば、所定温度から１０℃以上低いとき））と定常時（即ち、室内温度が所定温度に近いとき（例えば、所定温度から５℃以内のとき））、及び冷房運転の三つの運転状態を設定している。そして、暖房運転起動時においては、高温吹出を実現して暖房特性の改善を図るべく、上記制御弁１７を「閉（全閉）」としてガス冷媒のインジェクションを停止させるとともに、上記ファン９を小風量（即ち、低回転数）で運転するようにしている。これに対して、暖房運転安定時及び冷房運転時においては、高効率運転を実現すべく、上記制御弁１７を「開（全開）」としてガス冷媒のインジェクションを行わせるとともに、上記ファン９を標準風量（即ち、標準回転数）で運転するようにしている。
【００２６】
尚、この実施形態では、上記のように、制御弁１７の開度を「全閉」と「全開」の二段階に択一的に設定するようにしているが、他の実施形態においては、空気調和機の運転状態に対応して「全閉」と「全開」の範囲で、段階的に、又は連続的に開度設定することもできる。また、上記ファン９の風量設定も、この実施形態のように「標準風量」と「小風量」の二段階に択一的に設定するのに代えて、例えば「標準風量」と「小風量」との範囲で段階的に、又は連続的に変更設定することもできる。
【００２７】
続いて、図２及び図３に示す「ｐ−ｈ線図」を参照しつつ、この実施形態にかかる空気調和機の遷臨界冷凍サイクルを説明する。
【００２８】
Ａ：冷房運転時（図１及び図２参照）
冷房運転時には、圧縮機１から吐出されたＣＯ２冷媒（ガス冷媒）を冷却器として機能する上記室外熱交換器２に導入し、その入口（図２の点Ｄ）から出口（図２の点Ｅ）の間において超臨界領域で冷却させる。室外熱交換器２から出た超臨界状態のＣＯ２冷媒を、第１の膨張弁１１（特許請求の範囲の「一次第１の膨張弁」に該当する）において一次膨張させてこれを気液二相のＣＯ２冷媒とする（図２の点Ｅ〜点Ｆ）とともに、この気液二相のＣＯ２冷媒をレシーバ７に導入してここで気液分離する（点Ｇ及び点Ｈ）。
【００２９】
レシーバ７で分離された液冷媒は、さらに第２の膨張弁１２（特許請求の範囲の「二次膨張弁」に該当する）に導入され、ここで二次膨張された後（図２の点Ｈ〜点Ｉ）、蒸発器として機能する室内熱交換器３に送られ、その入口（図２の点Ｉ）から出口（図２の点Ａ）に至る間に蒸発され、その蒸発熱によってファン９から送風され該室内熱交換器３を貫流する空気流と熱交換しこれを冷風とする。この冷風が室内へ吹き出されることで冷房が行われる。また、室内熱交換器３から出たＣＯ２冷媒（ガス冷媒）は、圧縮機１に導入されここで圧縮される（図２の点Ａ〜点Ｄ）。
【００３０】
一方、レシーバ７で分離されたガス冷媒は、制御弁１７が「開」とされているので、インジェクション路１６を通って圧縮機１の圧縮行程にある圧縮室へインジェクションされる（図２の点Ｇ）。このように、ガス冷媒が圧縮行程にある圧縮室にインジェクションされると、このインジェクションされたガス冷媒、即ち、インジェクションガスは、圧縮室内において圧縮途中にあるガス冷媒と混合しこれを冷却する。このため、圧縮室内におけるガス冷媒の温度は、ガスインジェクション時点において、ガスインジェクション前の温度（図２の点Ｂ）から一旦低下する（図２の点Ｃ）。従って、圧縮機吐出温度は、ガスインジェクションが行われなかった場合の圧縮機吐出温度（図２の点Ｄ０）よりも低い温度（図２の点Ｄ）となる。
【００３１】
また、レシーバ７において気液分離されたガス冷媒を圧縮機１側にインジェクションすることで、室内内熱交換器３側の冷媒循環量は、このインジェクションガス量の分だけ、室外熱交換器２側の冷媒循環量よりも少なくなるが、該室内熱交換器３側における単位重量当たりの蒸発エンタルピーが大きくなるため冷凍能力は変わらない（図２のエンタルピー量「ｃ１」参照）。そのとき、圧縮機入力が小さくなり、それだけ空気調和機全体としての効率が高くなり、その高効率運転が実現されるものである。一方、上述のように、圧縮機吐出温度が低下することで、圧縮機１の信頼性（例えば、圧縮機１に用いられている樹脂製部材の信頼性）が確保されるものである。
【００３２】
Ｂ：暖房運転時
暖房運転は、上述のように、起動時と定常時とで若干作動が異なるので、これらをそれぞれ個別に説明する。
【００３３】
Ｂ−ａ：暖房運転起動時（図１及び図３参照）
暖房運転起動時には、圧縮機１から吐出されたＣＯ２冷媒（ガス冷媒）は、冷却器として機能する室内熱交換器３に導入され、その入口（図３の点Ｄ０）から出口（図３の点Ｅ）の間において超臨界領域で冷却される。この室内熱交換器３における冷却熱によって該室内熱交換器３を貫流する空気流が加熱され、これが温風として室内へ吹き出されることで暖房が行われる。
【００３４】
室内熱交換器３から出た超臨界状態のＣＯ２冷媒は、第２の膨張弁１２において一時膨張され（図３の点Ｅ〜点Ｆ）、気液二相のＣＯ２冷媒としてレシーバ７に導入され、ここで該ＣＯ２冷媒の気液分離が行われる。
【００３５】
ところが、上述のように、暖房運転起動時には上記制御弁１７が全閉とされているので、該制御弁１７において気液分離が行われても、分離されたガス冷媒の圧縮機１側へのガスインジェクションは行われず、気液分離されたＣＯ２冷媒は気液二相状態のまま第１の膨張弁１１に送られ、ここで二次膨張され（図３の点Ｆ〜点Ｉ０）、蒸発器として機能する室外熱交換器２側へ送られる。そして、この室外熱交換器２に送られたＣＯ２冷媒（液冷媒）は、その入口（図３の点Ｉ０）から出口（図３の点Ａ）に至る間に蒸発し、その蒸発熱によって該室外熱交換器２を貫流する空気流と熱交換した後、圧縮機１に導入されここで圧縮される（図３の点Ａ〜点Ｂ〜点Ｄ０）。
【００３６】
この場合、上述のようにガスインジェクションが行われないので、圧縮行程での冷媒の冷却作用はなく、従って、圧縮機吐出温度は、上述の冷房時における圧縮機吐出温度（即ち、図３の点Ｄに対応する温度）よりも高い温度となる。また、この場合、上述のように、暖房運転起動時には上記室内熱交換器３に付設したファン９が小風量運転されることから、該室内熱交換器３での熱交換によって得られる温風の温度は圧縮機吐出温度近くまで上昇される。この結果、室内熱交換器３から室内へ高温風が吹き出され、室内温度が迅速に所定温度まで上昇し、暖房運転起動後の早期に快適な暖房が実現されることになる。
【００３７】
尚、この暖房運転起動時においては、圧縮機吐出温度が高くなることに対応して圧縮機入力が増大することから、空気調和機全体としての効率は、次述の暖房安定運転時に比して低下することとなる。即ち、この暖房運転起動時は暖房の立ち上がり特性を重視した運転となる。
【００３８】
Ｂ−ｂ：暖房運転安定時（図１及び図２参照）
暖房運転安定時には、圧縮機１から吐出されたＣＯ２冷媒（ガス冷媒）は、冷却器として機能する室内熱交換器３に導入され、その入口（図２の点Ｄ）から出口（図２の点Ｅ）の間において超臨界領域で冷却される。この室内熱交換器３における冷却熱によって該室内熱交換器３を貫流する空気流が加熱され、これが温風として室内へ吹き出されることで暖房が行われる。
【００３９】
室内熱交換器３から出た超臨界状態のＣＯ２冷媒は、これを第２の膨張弁１２（特許請求の範囲の「一次第１の膨張弁」に該当する）において一次膨張させて気液二相のＣＯ２冷媒とする（図２の点Ｅ〜点Ｆ）とともに、この気液二相のＣＯ２冷媒をレシーバ７に導入してここで気液分離する（点Ｇ及び点Ｈ）。
【００４０】
レシーバ７で分離された液冷媒は、さらに第１の膨張弁１１（特許請求の範囲の「二次膨張弁」に該当する）に導入され、ここで二次膨張された後（図２の点Ｈ〜点Ｉ）、蒸発器として機能する室外熱交換器２に送られ、その入口（図２の点Ｉ）から出口（図２の点Ａ）に至る間に蒸発される。室外熱交換器２から出たＣＯ２冷媒（ガス冷媒）は、圧縮機１に導入されここで圧縮される（図２の点Ａ〜点Ｄ）。
【００４１】
一方、レシーバ７で分離されたガス冷媒は、制御弁１７が「開」とされているので、インジェクション路１６を通って圧縮機１の圧縮行程にある圧縮室へインジェクションされる（図２の点Ｇ）。このように、ガス冷媒が圧縮行程にある圧縮室にインジェクションされると、このインジェクションされたガス冷媒、即ち、インジェクションガスは、圧縮室内において圧縮途中にあるガス冷媒と混合しこれを冷却する。このため、圧縮室内におけるガス冷媒の温度は、ガスインジェクション時点において、ガスインジェクション前の温度（図２の点Ｂ）から一旦低下する（図２の点Ｃ）。従って、圧縮機吐出温度は、ガスインジェクションが行われなかった場合の圧縮機吐出温度（図２の点Ｄ０）よりも低い温度（図２の点Ｄ）となる。
【００４２】
このようにレシーバ７において気液分離されたガス冷媒を圧縮機１側にインジェクションすることで、室外熱交換器２側の冷媒循環量は、このインジェクションガス量の分だけ、室内熱交換器３側の冷媒循環量よりも少なくなるが、該室外熱交換器２側における単位重量当たりの蒸発エンタルピーが大きくなるため冷凍能力は変わらない（図２のエンタルピー量「ｃ１」参照）。そのとき、圧縮機入力が小さくなり、それだけ空気調和機全体としての効率が高くなり、その高効率運転が実現されるものである。また一方、上述のように、圧縮機吐出温度が低下することで、圧縮機１の信頼性（例えば、圧縮機１に用いられている樹脂製部材の信頼性）が確保されるものである。
【００４３】
第２の実施形態
図４には、本願発明の第２の実施形態にかかる空気調和機の冷媒回路を示しており、同図において符号１は圧縮機、２は室外熱交換器、３は室内熱交換器、４は上記圧縮機１の吸入口に接続される冷媒路２５に設けられたアキュームレータ、５は上記室外熱交換器２と室内熱交換器３とを上記圧縮機１と冷媒路２４に択一的に接続する第１の四方切換弁、６は上記室外熱交換器２と室内熱交換器３とを冷媒路２４と冷媒路２５に択一的に接続する第２の四方切換弁である。尚、図１においては、上記各四方切換弁５，６の弁位置を、冷房運転時には実線で、暖房運転時には破線で、それぞれ示している。
【００４４】
また、符号７は、第１の膨張弁１１と第２の膨張弁１２とを直列に設けた冷媒路２４の該各膨張弁１１，１２の中間位置に設けられた気液分離用のレシーバであり、該レシーバ７の気室は制御弁１７を備えたインジェクション路１６を介して上記圧縮機１の圧縮室に接続されている。尚、このインジェクション路１６と制御弁１７によって特許請求の範囲の「ガスインジェクション機構１５」が構成されている。
【００４５】
さらに、符号８は、高圧側伝熱部８ａと低圧側伝熱部８ｂを備えた内部熱交換器であり、該高圧側伝熱部８ａは上記冷媒路２４の上記レシーバ７と第２の膨張弁１２の中間位置に介設され、また低圧側伝熱部８ｂは上記冷媒路２５に介設されている。
【００４６】
さらに、符号９は、上記室内熱交換器３に付設されたファンであり、このファン９と上記制御弁１７とは、空気調和機の運転状態に対応してそれぞれ作動制御される。尚、このファン９と上記制御弁１７の作動制御の形態は上記第１の実施形態の場合と同様であるので、該第１の実施形態における該当説明を援用することでここでの説明を省略する。
【００４７】
続いて、図５及び図６に示す「ｐ−ｈ線図」を参照しつつ、この実施形態にかかる空気調和機の遷臨界冷凍サイクルを説明する。
【００４８】
Ａ：冷房運転時（図４及び図５参照）
冷房運転時には、圧縮機１から吐出されたＣＯ２冷媒（ガス冷媒）は、第１の四方切換弁５を介して室外熱交換器２に導入され、該室外熱交換器２において超臨界領域で冷却される（図５の点Ｄ〜点Ｅ）。室外熱交換器２から出た超臨界状態のＣＯ２冷媒は、第２の四方切換弁６から第１の膨張弁１１（特許請求の範囲の「一次膨張弁」に該当する）に至り、該第１の膨張弁１１において一次膨張され（図５の点Ｅ〜点Ｆ）、気液二相状態でレシーバ７に導入されてここで気液分離される（図５の点Ｇ及び点Ｈ）。
【００４９】
そして、レシーバ７で分離された液冷媒は、内部熱交換器８の高圧側伝熱部８ａに流入し、その入口（図５の点Ｈ）から出口（図５の点Ｉ）へ向かって流れる間に、その低圧側伝熱部８ｂをその入口（図５の点Ｋ）から出口（図５の点Ａ）へ向かって流れるガス冷媒との間で内部熱交換を行った後、第２の膨張弁１２（特許請求の範囲の「二次膨張弁」に該当する）に流入し、ここで二次膨張（図５の点Ｉ〜点Ｊ）された後、室内熱交換器３に送られる。この室内熱交換器３においては、ＣＯ２冷媒（液冷媒）はその入口（図５の点Ｊ）から出口（図５の点Ｋ）を流れる間に蒸発し、その蒸発熱によってファン９から送られて該室内熱交換器３を貫流する空気流と熱交換しこれを冷風とする。この冷風が室内へ吹き出されることで冷房が行われる。また、室内熱交換器３から出たＣＯ２冷媒（ガス冷媒）は、圧縮機１に導入され、ここで圧縮される（図５の点Ａ〜点Ｄ）。
【００５０】
一方、レシーバ７で分離されたガス冷媒は、制御弁１７が「開」とされているので、インジェクション路１６を通って圧縮機１の圧縮行程にある圧縮室へインジェクションされる（図５の点Ｇ）。このように、ガス冷媒が圧縮行程にある圧縮室にインジェクションされると、このインジェクションされたガス冷媒、即ち、インジェクションガスは、圧縮室内において圧縮途中にあるガス冷媒と混合しこれを冷却する。このため、圧縮室内におけるガス冷媒の温度は、ガスインジェクション時点において、ガスインジェクション前の温度（図５の点Ｂ）から一旦低下する（図５の点Ｃ）。従って、圧縮機吐出温度は、ガスインジェクションが行われなかった場合の圧縮機吐出温度（図５の点Ｄ０）よりも低い温度（図５の点Ｄ）となる。
【００５１】
また、レシーバ７において気液分離されたガス冷媒を圧縮機１側にインジェクションすることで、室内内熱交換器３側の冷媒循環量は、このインジェクションガス量の分だけ、室外熱交換器２側の冷媒循環量よりも少なくなるが、該室内熱交換器３側における単位重量当たりの蒸発エンタルピーが大きくなるため冷凍能力は変わらない（図５のエンタルピー量「ｃ１」参照）。そのとき、圧縮機入力が小さくなり、それだけ空気調和機全体としての効率が高くなる。さらに、これに加えて、内部熱交換器８における内部熱交換によって室内熱交換器３側における単位重量当たりの蒸発エンタルピーが大きくなり冷凍能力が増加する（図５のエンタルピー量「ｃ２」参照）。これら両者の効果の結果として、空気調和機全体としての効率が高くなり、その高効率運転が実現されるものである。
【００５２】
一方、上述のように、圧縮機吐出温度が低下することで、圧縮機１の信頼性（例えば、圧縮機１に用いられている樹脂製部材の信頼性）が確保されるものである。
【００５３】
Ｂ：暖房運転時
暖房運転は、上述のように、起動時と定常時とで若干作動が異なるので、これらをそれぞれ個別に説明する。
【００５４】
Ｂ−ａ：暖房運転起動時（図４及び図６参照）
暖房運転起動時（図４及び図６参照）
暖房運転起動時には、圧縮機１から吐出されたＣＯ２冷媒（ガス冷媒）は、冷却器として機能する室内熱交換器３に導入され、その入口（図６の点Ｄ０）から出口（図６の点Ｅ）の間において超臨界領域で冷却される。この室内熱交換器３における冷却熱によって該室内熱交換器３を貫流する空気流が加熱され、これが温風として室内へ吹き出されることで暖房が行われる。
【００５５】
室内熱交換器３から出た超臨界状態のＣＯ２冷媒は、第１の膨張弁１１において一時膨張され（図６の点Ｅ〜点Ｆ）、気液二相のＣＯ２冷媒としてレシーバ７に導入され、ここで該ＣＯ２冷媒の気液分離が行われる。
【００５６】
ところが、上述のように、暖房運転起動時には上記制御弁１７が全閉とされているので、該制御弁１７において気液分離が行われても、分離されたガス冷媒の圧縮機１側へのガスインジェクションは行われず、気液分離されたＣＯ２冷媒は気液二相状態のまま内部熱交換器８の高圧側伝熱部８ａに導入され、その入口（図６の点Ｆ）から出口（図６の点Ｉ０）に至る間に、低圧側伝熱部８ｂをその入口（図６の点Ｋ）から出口（図６の点Ａ）に流れるガス冷媒との間で熱交換を行った後、第２の膨張弁１２に導入され、ここで二次膨張され（図６の点Ｉ０〜点Ｊ０）、さらに室外熱交換器２へ導入される。この室外熱交換器２に送られたＣＯ２冷媒（液冷媒）は、その入口（図６の点Ｊ０）から出口（図６の点Ｋ）に至る間に蒸発し、その蒸発熱によって該室外熱交換器２を貫流する空気流と熱交換した後、圧縮機１に導入されここで圧縮される（図６の点Ａ〜点Ｂ〜点Ｄ０）。
【００５７】
この場合、上述のようにガスインジェクションが行われないので、圧縮行程での冷媒の冷却作用はなく、従って、圧縮機吐出温度は、上述の冷房時における圧縮機吐出温度（即ち、図６の点Ｄに対応する温度）よりも高い温度となる。また、この場合、上述のように、暖房運転起動時には上記室内熱交換器３に付設したファン９が小風量運転されることから、該室内熱交換器３での熱交換によって得られる温風の温度は圧縮機吐出温度近くまで上昇される。この結果、室内熱交換器３から室内へ高温風が吹き出され、室内温度が迅速に所定温度まで上昇し、暖房運転起動後の早期に快適な暖房が実現されることになる。
【００５８】
尚、この暖房運転起動時においては、圧縮機吐出温度が高くなることに対応して圧縮機入力が増大するが、内部熱交換器８における内部熱交換によって室内熱交換器３側における単位重量当たりの蒸発エンタルピーが大きくなり冷凍能力が増加する（図６のエンタルピー量「ｃ２」参照）ことから、空気調和機全体としての効率は、内部熱交換を行わない上記第１の実施形態における暖房運転起動時よりも高く維持される。従って、この暖房運転起動時は、暖房の立ち上がり特性を重視しつつ、効率にも配慮した運転となる。
【００５９】
Ｂ−ｂ：暖房運転安定時（図４及び図５参照）
暖房運転安定時には、圧縮機１から吐出されたＣＯ２冷媒（ガス冷媒）は、第１の四方切換弁５を介して室内熱交換器３に導入され、該室内熱交換器３において超臨界領域で冷却される（図５の点Ｄ〜点Ｅ）。この室内熱交換器３における冷却熱によって該室内熱交換器３を貫流する空気流が加熱され、これが温風として室内へ吹き出されることで暖房が行われる。
【００６０】
室内熱交換器３から出た超臨界状態のＣＯ２冷媒は、第２の四方切換弁６から第１の膨張弁１１（特許請求の範囲の「一次膨張弁」に該当する）に至り、該第１の膨張弁１１において一次膨張され（図５の点Ｅ〜点Ｆ）、気液二相状態でレシーバ７に導入されてここで気液分離される（図５の点Ｇ及び点Ｈ）。
【００６１】
そして、レシーバ７で分離された液冷媒は、内部熱交換器８の高圧側伝熱部８ａに流入し、その入口（図５の点Ｈ）から出口（図５の点Ｉ）へ向かって流れる間に、その低圧側伝熱部８ｂをその入口（図５の点Ｋ）から出口（図５の点Ａ）へ向かって流れるガス冷媒との間で内部熱交換を行った後、第２の膨張弁１２（特許請求の範囲の「二次膨張弁」に該当する）に流入し、ここで二次膨張（図５の点Ｉ〜点Ｊ）された後、室外熱交換器２に送られ、その入口（図５の点Ｊ）から出口（図５の点Ｋ）を流れる間に蒸発し、ガス冷媒とされる。室外熱交換器２から出たガス冷媒は、圧縮機１に導入され、ここで圧縮される（図５の点Ａ〜点Ｄ）。
【００６２】
一方、レシーバ７で分離されたガス冷媒は、制御弁１７が「開」とされているので、インジェクション路１６を通って圧縮機１の圧縮行程にある圧縮室へインジェクションされる（図５の点Ｇ）。このように、ガス冷媒が圧縮行程にある圧縮室にインジェクションされると、このインジェクションガスは、圧縮室内において圧縮途中にあるガス冷媒と混合しこれを冷却する。このため、圧縮室内におけるガス冷媒の温度は、ガスインジェクション時点において、ガスインジェクション前の温度（図５の点Ｂ）から一旦低下する（図５の点Ｃ）。従って、圧縮機吐出温度は、ガスインジェクションが行われなかった場合の圧縮機吐出温度（図５の点Ｄ０）よりも低い温度（図５の点Ｄ）となる。
【００６３】
また、レシーバ７において気液分離されたガス冷媒を圧縮機１側にインジェクションすることで、室外熱交換器２側の冷媒循環量は、このインジェクションガス量の分だけ、室内熱交換器３側の冷媒循環量よりも少なくなるが、該室外熱交換器２側における単位重量当たりの蒸発エンタルピーが大きくなるため冷凍能力は変わらない（図５のエンタルピー量「ｃ１」参照）。そのとき、圧縮機入力が小さくなり、それだけ空気調和機全体としての効率が高くなる。さらに、これに加えて、内部熱交換器８における内部熱交換によって室内熱交換器３側における単位重量当たりの蒸発エンタルピーが大きくなり冷凍能力が増加する（図５のエンタルピー量「ｃ２」参照）。これら両者の効果の結果として、空気調和機全体としての効率が高くなり、その高効率運転が実現されるものである。
【００６４】
一方、上述のように、圧縮機吐出温度が低下することで、圧縮機１の信頼性（例えば、圧縮機１に用いられている樹脂製部材の信頼性）が確保されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本願発明の第１の実施形態にかかるＣＯ２冷媒を用いた空気調和機の冷媒回路図である。
【図２】 図１に示した冷媒回路における「ｐ−ｈ線図」である。
【図３】 図１に示した冷媒回路における「ｐ−ｈ線図」である。
【図４】 本願発明の第２の実施形態にかかるＣＯ２冷媒を用いた空気調和機の冷媒回路図である。
【図５】 図４に示した冷媒回路における「ｐ−ｈ線図」である。
【図６】 図４に示した冷媒回路における「ｐ−ｈ線図」である。
【図７】 ガスインジェクション機構に設けた制御弁の制御テーブルである。
【図８】 インジェクションガス量と成績係数との相関図である。
【図９】 遷臨界冷凍サイクルの「Ｔ−Ｓ線図」である。
【符号の説明】
１は圧縮機、２は室外熱交換器、３は室内熱交換器、４はアキュームレータ、５及び６は四方切換弁、７はレシーバ、８は内部熱交換器、９はファン、１１及び１２は膨張弁、１５はガスインジェクション機構、１６はインジェクション路、１７は制御弁、２１〜２５は冷媒路である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
[0002]
The present invention relates to an air conditioner using a CO2 refrigerant.
[Prior art]
[0003]
Conventionally, an air conditioner of a transcritical refrigeration cycle using a CO2 refrigerant has been proposed. In such an air conditioner, the efficiency (results) of the CO2 refrigerant is higher than that of an air conditioner using a fluorocarbon refrigerant. As a technique for improving this, there has been a proposal to incorporate a gas injection mechanism in the refrigerant circuit as disclosed in, for example, JP-A-11-173687. . That is, after the CO2 refrigerant cooled in the supercritical region is primarily expanded, it is gas-liquid separated, and the separated gas refrigerant is injected into the compression chamber in the compression stroke of the compressor while being separated. The liquid refrigerant is secondarily expanded and then evaporated in an evaporator.
[0004]
There are the following two main advantages in the transcritical refrigeration cycle incorporating such a gas injection mechanism. The first advantage is that the refrigerant temperature on the discharge side of the compressor, that is, the discharge temperature of the compressor is lowered by the cooling action and the densification action on the gas refrigerant in the compression chamber by the injected gas refrigerant, and the reliability of the compressor is reduced. Is improved. The second advantage is that the amount of refrigerant circulation on the evaporator side is smaller than the amount of refrigerant circulation on the cooler side by the amount of gas refrigerant injected into the compressor after gas-liquid separation. The enthalpy of evaporation per weight is increased, the refrigeration capacity is improved, and the efficiency of the entire air conditioner is increased. However, the first advantage is also a drawback that the temperature of the air blown into the room during heating cannot be increased if the way of viewing is changed.
[0005]
On the other hand, as with the gas injection mechanism built-in method, a method for incorporating an internal heat exchanger into a refrigerant circuit is known as a technique for improving efficiency. This internal heat exchanger built-in system increases efficiency by performing heat exchange between the low-pressure gas refrigerant and the high-pressure liquid refrigerant by an internal heat exchanger attached to the refrigerant circuit. However, there is an advantage that the efficiency is improved, but there is also a disadvantage that the discharge temperature of the compressor rises and adversely affects the reliability of the compressor.
[Problems to be solved by the invention]
[0006]
By the way, in an air conditioner, in addition to the universal requirement to obtain high operating efficiency during both cooling operation and heating operation, hot air is blown into the room when the room temperature is low, such as when heating operation is started. There is also an individual requirement to quickly increase the room temperature to an appropriate temperature.
[0007]
However, an air conditioner incorporating a conventional gas injection mechanism or an internal heat exchanger as described above pursues only the universal requirement for an air conditioner for improving efficiency. There was some dissatisfaction with the individual requirements for air conditioners to improve heating characteristics.
[0008]
Accordingly, the present invention has been made for the purpose of achieving both improvement in operating efficiency and improvement in heating characteristics during heating operation in an air conditioner using a CO2 refrigerant.
TECHNICAL BACKGROUND OF THE INVENTION
[0009]
Incidentally, FIG. 8 shows the relationship between the injection gas amount and the efficiency (coefficient of performance: COP) when the gas injection mechanism is provided. As can be seen from FIG. 8, the efficiency tends to increase when the amount of injection gas is large. Therefore, in order to ensure high efficiency, the amount of injection gas may be adjusted according to the operating state.
[0010]
However, there is a feature that when the amount of injection gas increases, the cooling action by the gas refrigerant to be injected increases accordingly, and the decrease in the compressor discharge temperature increases. This decrease in the compressor discharge temperature is effective in that it suppresses an increase in the compressor discharge temperature, which is a drawback when an internal heat exchanger is incorporated, for example.
[0011]
In addition, FIG. 9 shows a temperature characteristic with respect to a change in the air volume of air exchanged in the cooler on a “TS diagram” in the transcritical refrigeration cycle. From FIG. 9, for example, when the refrigerant flow direction and the air flow direction in the cooler are opposed to each other, the air temperature (that is, the blown air temperature) can be increased to near the compressor discharge temperature. In addition, it can be seen that the temperature of the blown air changes according to the amount of blown air, and the smaller the air volume, the higher the temperature. In particular, the CO2 refrigerant has an almost constant high heat transfer not only in the gas-liquid two-phase region but also in all the operating regions of the gas phase region, the liquid phase region, and the supercritical region. Even if the wind temperature is increased to near the compressor discharge temperature, there is no problem in terms of efficiency.
[0012]
The inventors of the present invention can achieve both the above-mentioned purpose, that is, improvement of efficiency and improvement of heating characteristics, by considering each of the above findings in an air conditioner of a transcritical refrigeration cycle incorporating a gas injection mechanism. It came to come up with means.
[Mechanism for solving the problem]
[0013]
In the present invention, the following configuration is adopted as a specific mechanism for solving the above problems.
[0014]
In the air conditioner using the CO2 refrigerant according to the first invention of the present application, the compressor 1 that compresses the CO2 refrigerant functions as a cooler that operates in a supercritical region during cooling operation, and functions as an evaporator during heating operation. An outdoor heat exchanger 2, an indoor heat exchanger 3 that functions as an evaporator during cooling operation and functions as a cooler that operates in the supercritical region during heating operation, and a primary that primarily expands the CO2 refrigerant cooled in the supercritical region. The expansion valve 11 or 12, the receiver 7 for gas-liquid separation of the primarily expanded CO 2 refrigerant, the secondary expansion valve 12 or 11 for secondary expansion of the liquid refrigerant separated by the receiver 7, and the receiver 7 are separated. In the air conditioner using the CO2 refrigerant, comprising the gas injection mechanism 15 for injecting the gas refrigerant into the compression chamber of the compressor 1, The Deployment mechanism 15, a control valve 17 is changed according to the injection amount of gas operating condition At the same time, the control valve 17 sets the injection gas amount to the small amount side when starting the heating operation, and sets the injection gas amount to the large amount side when the heating operation is steady and during the cooling operation. It is characterized by that.
[0015]
Of this application Second invention Then, above 1st invention The air conditioner using the CO 2 refrigerant according to the above is characterized in that the amount of air blown into the room is set to be smaller than that during the normal heating operation and during the cooling operation when the heating operation is started.
[0016]
Of this application Third invention Then, above 1st or 2nd The air conditioner using the CO2 refrigerant according to the invention is characterized by including an internal heat exchanger 8 that performs heat exchange between the low-pressure side refrigerant and the high-pressure side refrigerant.
【The invention's effect】
[0017]
In the present invention, the following effects can be obtained by adopting such a configuration.
[0018]
(1) According to the air conditioner using the CO2 refrigerant according to the first invention of the present application, the gas injection mechanism 15 for injecting the gas refrigerant separated into the liquid into the compression chamber of the compressor 1 is operated. Since the control valve 17 that changes according to the state is provided, for example, by appropriately changing the injection gas amount by controlling the opening degree of the control valve 17, it is possible to operate at an efficiency suitable for the operation state. When the injection gas amount is set to the large amount side, high-efficiency operation can be realized at a relatively low compressor discharge temperature. Conversely, for example, when the injection gas amount is set to the small amount side during heating operation, Although the efficiency is low, the heating characteristics are improved by high temperature blowing.
[0019]
Also, The control valve 17 sets the injection gas amount to the small amount side when the heating operation is started, and sets the injection gas amount to the large amount side during the normal heating operation and the cooling operation. From that Although the efficiency is relatively low at the start of the heating operation, the temperature of the blown air obtained by heat exchange in the indoor heat exchanger 3 is increased, so that the room temperature is quickly brought to an appropriate temperature by blowing out the hot air into the room. While the heating characteristics can be improved, the heating performance is steady (that is, after the room temperature has been raised to an appropriate temperature) and in the cooling operation, under a relatively low compressor discharge temperature. Thus, high-efficiency operation is realized, and as a result, both realization of high-efficiency operation and improvement of heating characteristics are achieved.
[0020]
(2) Of this application Second invention According to the air conditioner using the CO2 refrigerant according to the above, 1st invention In the air conditioner using the CO2 refrigerant, the amount of air blown into the room is set to be smaller than that during normal heating operation and during cooling operation when the heating operation is started. At the start-up, the temperature of the blown air is raised to near the compressor discharge temperature, so that the increase in the room temperature due to the blown air becomes even quicker and the heating characteristics become even better.
[0021]
(3) Of this application Third invention According to the air conditioner using the CO2 refrigerant according to the above, 1st or 2nd invention The air conditioner using the CO2 refrigerant according to the present invention includes the internal heat exchanger 8 that performs heat exchange between the low-pressure side refrigerant and the high-pressure side refrigerant, and thus is based on heat exchange in the internal heat exchanger 8. The efficiency improvement is added to the efficiency improvement based on the gas injection, so that operation with higher efficiency is realized, and an increase in the compressor discharge temperature due to heat exchange in the internal heat exchanger 8 is This is offset by the cooling action by gas injection, and the reliability of the compressor 1 is ensured. That is, it is possible to achieve both higher efficiency operation and ensuring the reliability of the compressor 1.
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[0022]
Hereinafter, the present invention will be specifically described based on preferred embodiments.
[0023]
First embodiment
FIG. 1 shows a refrigerant circuit of an air conditioner according to the first embodiment of the present invention. This refrigerant circuit uses a CO2 refrigerant as a refrigerant and is operated in a transcritical refrigeration cycle. In the figure, reference numeral 1 is a compressor, 2 is an outdoor heat exchanger, 3 is an indoor heat exchanger, 4 is The accumulator 5 is a four-way switching valve that selectively connects the outdoor heat exchanger 2 and the indoor heat exchanger 3 to the discharge port and the suction port of the compressor 1. In FIG. 1, the valve position of the four-way switching valve 5 is indicated by a solid line during the cooling operation and by a broken line during the heating operation.
[0024]
Reference numeral 7 denotes a receiver interposed in the refrigerant path 21 that connects the outdoor heat exchanger 2 and the indoor heat exchanger 3. The receiver 7 is closer to the outdoor heat exchanger 2 than the receiver 7. The second expansion valve 12 is interposed near the indoor heat exchanger 3. The air chamber of the receiver 7 is connected to the compression chamber of the compressor 1 through an injection path 16 having a control valve 17. In this embodiment, the injection passage 16 and the control valve 17 constitute the “gas injection mechanism 15” recited in the claims.
[0025]
Further, reference numeral 9 denotes a fan attached to the indoor heat exchanger 3, and the fan 9 and the control valve 17 are controlled in operation in accordance with the operating state of the air conditioner. That is, as shown in FIG. 7, in this embodiment, as the operating state of the air conditioner, when the heating operation is started (that is, when the room temperature is greatly lower than the predetermined temperature (for example, lower than the predetermined temperature by 10 ° C. or more). )) And the stationary state (that is, when the room temperature is close to a predetermined temperature (for example, within 5 ° C. from the predetermined temperature)) and three cooling operation states are set. When the heating operation is started, the control valve 17 is “closed (fully closed)” to stop the injection of the gas refrigerant and to reduce the fan 9 in order to achieve high temperature blowing and improve the heating characteristics. It is made to drive | operate by an air volume (namely, low rotation speed). On the other hand, at the time of stable heating operation and cooling operation, the control valve 17 is set to “open (fully open)” to perform gas refrigerant injection and the fan 9 is standardized in order to realize high-efficiency operation. The operation is performed with the air volume (that is, the standard rotation speed).
[0026]
In this embodiment, as described above, the opening degree of the control valve 17 is alternatively set in two stages of “fully closed” and “fully open”, but in other embodiments, The opening degree can be set stepwise or continuously in the range of “fully closed” and “fully opened” corresponding to the operating state of the air conditioner. Also, instead of setting the air volume of the fan 9 in two stages of “standard air volume” and “small air volume” as in this embodiment, for example, “standard air volume” and “small air volume”. It can also be changed and set stepwise or continuously within the range.
[0027]
Next, the transcritical refrigeration cycle of the air conditioner according to this embodiment will be described with reference to the “ph diagram” shown in FIGS. 2 and 3.
[0028]
A: During cooling operation (see FIGS. 1 and 2)
During the cooling operation, the CO 2 refrigerant (gas refrigerant) discharged from the compressor 1 is introduced into the outdoor heat exchanger 2 functioning as a cooler, and the outlet (point D in FIG. 2) to the outlet (point E in FIG. 2). ) In the supercritical region. The supercritical CO2 refrigerant that has flowed out of the outdoor heat exchanger 2 is subjected to primary expansion in a first expansion valve 11 (corresponding to the “primary first expansion valve” in the claims), and this is gas-liquid-diluted. In addition to the phase CO2 refrigerant (points E to F in FIG. 2), this gas-liquid two-phase CO2 refrigerant is introduced into the receiver 7 where it is gas-liquid separated (points G and H).
[0029]
The liquid refrigerant separated by the receiver 7 is further introduced into the second expansion valve 12 (corresponding to the “secondary expansion valve” in the claims), and after being secondarily expanded (point in FIG. 2). H to point I), sent to the indoor heat exchanger 3 functioning as an evaporator, and evaporated from the inlet (point I in FIG. 2) to the outlet (point A in FIG. 2). Heat is exchanged with the air flow that is blown from 9 and flows through the indoor heat exchanger 3, and is used as cold air. Cooling is performed by blowing this cold air into the room. Further, the CO 2 refrigerant (gas refrigerant) that has come out of the indoor heat exchanger 3 is introduced into the compressor 1 and compressed therein (points A to D in FIG. 2).
[0030]
On the other hand, the gas refrigerant separated by the receiver 7 is injected into the compression chamber in the compression stroke of the compressor 1 through the injection path 16 because the control valve 17 is “open” (point of FIG. 2). G). Thus, when the gas refrigerant is injected into the compression chamber in the compression stroke, the injected gas refrigerant, that is, the injection gas, mixes with the gas refrigerant in the middle of compression in the compression chamber and cools it. For this reason, the temperature of the gas refrigerant in the compression chamber temporarily decreases from the temperature before gas injection (point B in FIG. 2) at the time of gas injection (point C in FIG. 2). Therefore, the compressor discharge temperature is a temperature (point D in FIG. 2) lower than the compressor discharge temperature (point D0 in FIG. 2) when the gas injection is not performed.
[0031]
Further, by injecting the gas refrigerant separated in the receiver 7 into the compressor 1, the refrigerant circulation amount on the indoor heat exchanger 3 side is equal to the injection gas amount on the outdoor heat exchanger 2 side. However, since the enthalpy of evaporation per unit weight on the indoor heat exchanger 3 side increases, the refrigeration capacity does not change (see the enthalpy amount “c1” in FIG. 2). At that time, the compressor input is reduced, the efficiency of the entire air conditioner is increased accordingly, and the high-efficiency operation is realized. On the other hand, as described above, the reliability of the compressor 1 (for example, the reliability of the resin member used in the compressor 1) is ensured by reducing the compressor discharge temperature.
[0032]
B: During heating operation
As described above, the heating operation is slightly different between the startup time and the steady time, and will be described individually.
[0033]
Ba: When heating operation is started (see FIGS. 1 and 3)
At the time of heating operation start, the CO2 refrigerant (gas refrigerant) discharged from the compressor 1 is introduced into the indoor heat exchanger 3 that functions as a cooler, and the outlet (point D0 in FIG. 3) exits (point in FIG. 3). Cooling in the supercritical region during E). The air flow that flows through the indoor heat exchanger 3 is heated by the cooling heat in the indoor heat exchanger 3, and this is blown into the room as warm air to perform heating.
[0034]
The supercritical CO2 refrigerant that has exited from the indoor heat exchanger 3 is temporarily expanded in the second expansion valve 12 (points E to F in FIG. 3) and introduced into the receiver 7 as a gas-liquid two-phase CO2 refrigerant. Here, gas-liquid separation of the CO 2 refrigerant is performed.
[0035]
However, as described above, since the control valve 17 is fully closed when the heating operation is started, even if gas-liquid separation is performed in the control valve 17, the separated gas refrigerant is supplied to the compressor 1 side. Gas injection is not performed, and the gas-liquid separated CO2 refrigerant is sent to the first expansion valve 11 in the gas-liquid two-phase state, where it is secondarily expanded (point F to point I0 in FIG. 3), and the evaporator It is sent to the outdoor heat exchanger 2 side that functions as: The CO 2 refrigerant (liquid refrigerant) sent to the outdoor heat exchanger 2 evaporates from the inlet (point I0 in FIG. 3) to the outlet (point A in FIG. 3), and the heat of evaporation causes the After exchanging heat with the air flow passing through the outdoor heat exchanger 2, it is introduced into the compressor 1 where it is compressed (point A to point B to point D0 in FIG. 3).
[0036]
In this case, since the gas injection is not performed as described above, there is no cooling action of the refrigerant in the compression stroke. Therefore, the compressor discharge temperature is the compressor discharge temperature during the above-described cooling (that is, the point in FIG. 3). Temperature corresponding to D). In this case, as described above, since the fan 9 attached to the indoor heat exchanger 3 is operated with a small air volume when the heating operation is started, the warm air obtained by heat exchange in the indoor heat exchanger 3 is The temperature is raised to near the compressor discharge temperature. As a result, high-temperature air is blown into the room from the indoor heat exchanger 3, the room temperature quickly rises to a predetermined temperature, and comfortable heating is realized early after the heating operation is started.
[0037]
At the time of starting the heating operation, the compressor input increases corresponding to the increase in the compressor discharge temperature. Therefore, the efficiency of the entire air conditioner is higher than that in the stable heating operation described below. Will be reduced. That is, at the time of starting the heating operation, the operation emphasizes the rising characteristics of the heating.
[0038]
B-b: When heating operation is stable (see FIGS. 1 and 2)
When the heating operation is stable, the CO 2 refrigerant (gas refrigerant) discharged from the compressor 1 is introduced into the indoor heat exchanger 3 that functions as a cooler, and the outlet (point D in FIG. 2) to the outlet (point in FIG. 2). Cooling in the supercritical region during E). The air flow that flows through the indoor heat exchanger 3 is heated by the cooling heat in the indoor heat exchanger 3, and this is blown into the room as warm air to perform heating.
[0039]
The supercritical CO2 refrigerant that has flowed out of the indoor heat exchanger 3 is firstly expanded in the second expansion valve 12 (corresponding to the “primary first expansion valve” in the claims), and the gas-liquid two In addition to the phase CO2 refrigerant (points E to F in FIG. 2), this gas-liquid two-phase CO2 refrigerant is introduced into the receiver 7 where it is gas-liquid separated (points G and H).
[0040]
The liquid refrigerant separated by the receiver 7 is further introduced into the first expansion valve 11 (corresponding to the “secondary expansion valve” in the claims), and after being secondarily expanded (point in FIG. 2). H to point I), sent to the outdoor heat exchanger 2 functioning as an evaporator, and evaporated from the inlet (point I in FIG. 2) to the outlet (point A in FIG. 2). The CO2 refrigerant (gas refrigerant) emitted from the outdoor heat exchanger 2 is introduced into the compressor 1 where it is compressed (points A to D in FIG. 2).
[0041]
On the other hand, the gas refrigerant separated by the receiver 7 is injected into the compression chamber in the compression stroke of the compressor 1 through the injection path 16 because the control valve 17 is “open” (point of FIG. 2). G). Thus, when the gas refrigerant is injected into the compression chamber in the compression stroke, the injected gas refrigerant, that is, the injection gas, mixes with the gas refrigerant in the middle of compression in the compression chamber and cools it. For this reason, the temperature of the gas refrigerant in the compression chamber temporarily decreases (point C in FIG. 2) from the temperature before gas injection (point B in FIG. 2) at the time of gas injection. Therefore, the compressor discharge temperature is a temperature (point D in FIG. 2) lower than the compressor discharge temperature (point D0 in FIG. 2) when gas injection is not performed.
[0042]
By injecting the gas refrigerant separated at the receiver 7 into the compressor 1 in this way, the refrigerant circulation amount on the outdoor heat exchanger 2 side is the indoor heat exchanger 3 side by this injection gas amount. However, since the enthalpy of evaporation per unit weight on the outdoor heat exchanger 2 side increases, the refrigeration capacity does not change (see the enthalpy amount “c1” in FIG. 2). At that time, the compressor input is reduced, the efficiency of the entire air conditioner is increased accordingly, and the high-efficiency operation is realized. On the other hand, as described above, the reliability of the compressor 1 (for example, the reliability of the resin member used in the compressor 1) is ensured by reducing the compressor discharge temperature.
[0043]
Second embodiment
FIG. 4 shows a refrigerant circuit of an air conditioner according to a second embodiment of the present invention. In the figure, reference numeral 1 denotes a compressor, 2 denotes an outdoor heat exchanger, 3 denotes an indoor heat exchanger, 4 Is an accumulator provided in a refrigerant path 25 connected to the suction port of the compressor 1, and 5 is an alternative to the compressor 1 and the refrigerant path 24 connecting the outdoor heat exchanger 2 and the indoor heat exchanger 3. A first four-way switching valve 6 to be connected is a second four-way switching valve that selectively connects the outdoor heat exchanger 2 and the indoor heat exchanger 3 to the refrigerant path 24 and the refrigerant path 25. In FIG. 1, the valve positions of the four-way switching valves 5 and 6 are indicated by a solid line during cooling operation and by a broken line during heating operation.
[0044]
Reference numeral 7 denotes a gas-liquid separation receiver provided at an intermediate position between the expansion valves 11 and 12 of the refrigerant passage 24 in which the first expansion valve 11 and the second expansion valve 12 are provided in series. Yes, the air chamber of the receiver 7 is connected to the compression chamber of the compressor 1 via an injection path 16 provided with a control valve 17. The injection path 16 and the control valve 17 constitute the “gas injection mechanism 15” recited in the claims.
[0045]
Reference numeral 8 denotes an internal heat exchanger having a high-pressure side heat transfer section 8a and a low-pressure side heat transfer section 8b. The high-pressure side heat transfer section 8a is connected to the receiver 7 and the second expansion of the refrigerant path 24. The intermediate position of the valve 12 is interposed, and the low-pressure side heat transfer portion 8 b is interposed in the refrigerant path 25.
[0046]
Further, reference numeral 9 denotes a fan attached to the indoor heat exchanger 3, and the fan 9 and the control valve 17 are controlled in operation in accordance with the operating state of the air conditioner. Since the operation control mode of the fan 9 and the control valve 17 is the same as that in the first embodiment, the description here is omitted by using the corresponding description in the first embodiment. To do.
[0047]
Next, the transcritical refrigeration cycle of the air conditioner according to this embodiment will be described with reference to the “ph diagram” shown in FIGS. 5 and 6.
[0048]
A: During cooling operation (see FIGS. 4 and 5)
During the cooling operation, the CO 2 refrigerant (gas refrigerant) discharged from the compressor 1 is introduced into the outdoor heat exchanger 2 via the first four-way switching valve 5 and cooled in the supercritical region in the outdoor heat exchanger 2. (Point D to Point E in FIG. 5). The supercritical CO 2 refrigerant that has flowed out of the outdoor heat exchanger 2 reaches the first expansion valve 11 (corresponding to the “primary expansion valve” in the claims) from the second four-way switching valve 6, and the second The first expansion valve 11 is primarily expanded (points E to F in FIG. 5), introduced into the receiver 7 in a gas-liquid two-phase state, and gas-liquid separated (points G and H in FIG. 5).
[0049]
The liquid refrigerant separated by the receiver 7 flows into the high-pressure side heat transfer section 8a of the internal heat exchanger 8, and flows from the inlet (point H in FIG. 5) toward the outlet (point I in FIG. 5). In the meantime, after the internal heat exchange between the low-pressure side heat transfer section 8b and the gas refrigerant flowing from the inlet (point K in FIG. 5) toward the outlet (point A in FIG. 5), It flows into the expansion valve 12 (corresponding to the “secondary expansion valve” in the claims), is subjected to secondary expansion (points I to J in FIG. 5), and then sent to the indoor heat exchanger 3. . In this indoor heat exchanger 3, the CO2 refrigerant (liquid refrigerant) evaporates while flowing from the inlet (point J in FIG. 5) to the outlet (point K in FIG. 5), and is sent from the fan 9 by the heat of evaporation. Then, heat is exchanged with the air flow flowing through the indoor heat exchanger 3 to make cold air. Cooling is performed by blowing this cold air into the room. Further, the CO 2 refrigerant (gas refrigerant) that has come out of the indoor heat exchanger 3 is introduced into the compressor 1 and compressed therein (points A to D in FIG. 5).
[0050]
On the other hand, the gas refrigerant separated by the receiver 7 is injected into the compression chamber in the compression stroke of the compressor 1 through the injection path 16 because the control valve 17 is “open” (point of FIG. 5). G). Thus, when the gas refrigerant is injected into the compression chamber in the compression stroke, the injected gas refrigerant, that is, the injection gas, mixes with the gas refrigerant in the middle of compression in the compression chamber and cools it. For this reason, the temperature of the gas refrigerant in the compression chamber temporarily decreases (point C in FIG. 5) from the temperature before gas injection (point B in FIG. 5) at the time of gas injection. Therefore, the compressor discharge temperature is a temperature (point D in FIG. 5) lower than the compressor discharge temperature (point D0 in FIG. 5) when gas injection is not performed.
[0051]
Further, by injecting the gas refrigerant separated in the receiver 7 into the compressor 1, the refrigerant circulation amount on the indoor heat exchanger 3 side is equal to the injection gas amount on the outdoor heat exchanger 2 side. However, since the evaporation enthalpy per unit weight on the indoor heat exchanger 3 side increases, the refrigeration capacity does not change (see the enthalpy amount “c1” in FIG. 5). At that time, the compressor input is reduced, and the efficiency of the entire air conditioner is increased accordingly. In addition to this, the internal heat exchange in the internal heat exchanger 8 increases the enthalpy of evaporation per unit weight on the indoor heat exchanger 3 side and increases the refrigeration capacity (see the enthalpy amount “c2” in FIG. 5). As a result of both of these effects, the efficiency of the entire air conditioner increases, and its high-efficiency operation is realized.
[0052]
On the other hand, as described above, the reliability of the compressor 1 (for example, the reliability of the resin member used in the compressor 1) is ensured by reducing the compressor discharge temperature.
[0053]
B: During heating operation
As described above, the heating operation is slightly different between the startup time and the steady time, and will be described individually.
[0054]
Ba: When heating operation is started (see FIGS. 4 and 6)
At the start of heating operation (see Fig. 4 and Fig. 6)
At the time of heating operation start, the CO2 refrigerant (gas refrigerant) discharged from the compressor 1 is introduced into the indoor heat exchanger 3 that functions as a cooler, and the outlet (point D0 in FIG. 6) to the outlet (point in FIG. 6). Cooling in the supercritical region during E). The air flow that flows through the indoor heat exchanger 3 is heated by the cooling heat in the indoor heat exchanger 3, and this is blown into the room as warm air to perform heating.
[0055]
The supercritical CO 2 refrigerant that has exited from the indoor heat exchanger 3 is temporarily expanded in the first expansion valve 11 (points E to F in FIG. 6), and is introduced into the receiver 7 as a gas-liquid two-phase CO 2 refrigerant. Here, gas-liquid separation of the CO 2 refrigerant is performed.
[0056]
However, as described above, since the control valve 17 is fully closed when the heating operation is started, even if gas-liquid separation is performed in the control valve 17, the separated gas refrigerant is supplied to the compressor 1 side. Gas injection is not performed, and the gas-liquid separated CO2 refrigerant is introduced into the high-pressure side heat transfer section 8a of the internal heat exchanger 8 in a gas-liquid two-phase state, and is discharged from the inlet (point F in FIG. 6) (see FIG. 6). 6, after exchanging heat with the gas refrigerant flowing from the inlet (point K in FIG. 6) to the outlet (point A in FIG. 6) of the low-pressure side heat transfer section 8b. It is introduced into the second expansion valve 12, where it is secondarily expanded (point I 0 to point J 0 in FIG. 6) and further introduced into the outdoor heat exchanger 2. The CO2 refrigerant (liquid refrigerant) sent to the outdoor heat exchanger 2 evaporates from the inlet (point J0 in FIG. 6) to the outlet (point K in FIG. 6), and the outdoor heat After heat exchange with the air flow flowing through the exchanger 2, it is introduced into the compressor 1 where it is compressed (point A to point B to point D0 in FIG. 6).
[0057]
In this case, since the gas injection is not performed as described above, there is no cooling action of the refrigerant in the compression stroke. Therefore, the compressor discharge temperature is the compressor discharge temperature during the above-described cooling (that is, the point in FIG. 6). Temperature corresponding to D). In this case, as described above, since the fan 9 attached to the indoor heat exchanger 3 is operated with a small air volume when the heating operation is started, the warm air obtained by heat exchange in the indoor heat exchanger 3 is The temperature is raised to near the compressor discharge temperature. As a result, high-temperature air is blown into the room from the indoor heat exchanger 3, the room temperature quickly rises to a predetermined temperature, and comfortable heating is realized early after the heating operation is started.
[0058]
At the time of starting the heating operation, the compressor input increases in response to the increase in the discharge temperature of the compressor. However, per unit weight on the indoor heat exchanger 3 side by the internal heat exchange in the internal heat exchanger 8. Since the enthalpy of evaporation increases and the refrigeration capacity increases (see the enthalpy amount “c2” in FIG. 6), the efficiency of the entire air conditioner is the heating operation start in the first embodiment in which internal heat exchange is not performed. Maintained higher than time. Therefore, at the time of starting the heating operation, the operation takes into consideration the efficiency while placing importance on the rising characteristics of the heating.
[0059]
BB: When heating operation is stable (see FIGS. 4 and 5)
When the heating operation is stable, the CO 2 refrigerant (gas refrigerant) discharged from the compressor 1 is introduced into the indoor heat exchanger 3 via the first four-way switching valve 5, and in the indoor heat exchanger 3 in the supercritical region. It is cooled (point D to point E in FIG. 5). The air flow that flows through the indoor heat exchanger 3 is heated by the cooling heat in the indoor heat exchanger 3, and this is blown into the room as warm air to perform heating.
[0060]
The supercritical CO 2 refrigerant that has flowed out of the indoor heat exchanger 3 reaches the first expansion valve 11 (corresponding to the “primary expansion valve” in the claims) from the second four-way switching valve 6, and the second The first expansion valve 11 is primarily expanded (points E to F in FIG. 5), introduced into the receiver 7 in a gas-liquid two-phase state, and gas-liquid separated (points G and H in FIG. 5).
[0061]
The liquid refrigerant separated by the receiver 7 flows into the high-pressure side heat transfer section 8a of the internal heat exchanger 8, and flows from the inlet (point H in FIG. 5) toward the outlet (point I in FIG. 5). In the meantime, after the internal heat exchange between the low-pressure side heat transfer section 8b and the gas refrigerant flowing from the inlet (point K in FIG. 5) toward the outlet (point A in FIG. 5), It flows into the expansion valve 12 (corresponding to the “secondary expansion valve” in the claims), where it is subjected to secondary expansion (points I to J in FIG. 5) and then sent to the outdoor heat exchanger 2. Then, it evaporates while flowing from the inlet (point J in FIG. 5) to the outlet (point K in FIG. 5) to be a gas refrigerant. The gas refrigerant discharged from the outdoor heat exchanger 2 is introduced into the compressor 1 where it is compressed (points A to D in FIG. 5).
[0062]
On the other hand, the gas refrigerant separated by the receiver 7 is injected into the compression chamber in the compression stroke of the compressor 1 through the injection path 16 because the control valve 17 is “open” (point of FIG. 5). G). Thus, when the gas refrigerant is injected into the compression chamber in the compression stroke, the injection gas mixes with the gas refrigerant in the middle of compression in the compression chamber and cools it. For this reason, the temperature of the gas refrigerant in the compression chamber temporarily decreases (point C in FIG. 5) from the temperature before gas injection (point B in FIG. 5) at the time of gas injection. Therefore, the compressor discharge temperature is a temperature (point D in FIG. 5) lower than the compressor discharge temperature (point D0 in FIG. 5) when gas injection is not performed.
[0063]
Further, by injecting the gas refrigerant separated from the gas and liquid in the receiver 7 to the compressor 1 side, the refrigerant circulation amount on the outdoor heat exchanger 2 side is equivalent to the injection gas amount on the indoor heat exchanger 3 side. Although it is less than the refrigerant circulation amount, the refrigeration capacity does not change because the evaporation enthalpy per unit weight on the outdoor heat exchanger 2 side increases (see the enthalpy amount “c1” in FIG. 5). At that time, the compressor input is reduced, and the efficiency of the entire air conditioner is increased accordingly. In addition to this, the internal heat exchange in the internal heat exchanger 8 increases the enthalpy of evaporation per unit weight on the indoor heat exchanger 3 side and increases the refrigeration capacity (see the enthalpy amount “c2” in FIG. 5). As a result of both of these effects, the efficiency of the entire air conditioner increases, and its high-efficiency operation is realized.
[0064]
On the other hand, as described above, the reliability of the compressor 1 (for example, the reliability of the resin member used in the compressor 1) is ensured by reducing the compressor discharge temperature.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a refrigerant circuit diagram of an air conditioner using a CO 2 refrigerant according to a first embodiment of the present invention.
2 is a “ph diagram” in the refrigerant circuit shown in FIG. 1. FIG.
3 is a “ph diagram” in the refrigerant circuit shown in FIG. 1. FIG.
FIG. 4 is a refrigerant circuit diagram of an air conditioner using a CO 2 refrigerant according to a second embodiment of the present invention.
5 is a “ph diagram” in the refrigerant circuit shown in FIG. 4. FIG.
6 is a “ph diagram” in the refrigerant circuit shown in FIG. 4. FIG.
FIG. 7 is a control table of a control valve provided in the gas injection mechanism.
FIG. 8 is a correlation diagram between an injection gas amount and a coefficient of performance.
FIG. 9 is a “TS diagram” of a transcritical refrigeration cycle.
[Explanation of symbols]
1 is a compressor, 2 is an outdoor heat exchanger, 3 is an indoor heat exchanger, 4 is an accumulator, 5 and 6 are four-way switching valves, 7 is a receiver, 8 is an internal heat exchanger, 9 is a fan, 11 and 12 are An expansion valve, 15 is a gas injection mechanism, 16 is an injection path, 17 is a control valve, and 21 to 25 are refrigerant paths.

Claims (3)

ＣＯ２冷媒を圧縮する圧縮機（１）と、冷房運転時には超臨界領域で作動する冷却器として機能し暖房運転時には蒸発器として機能する室外熱交換器（２）と、冷房運転時には蒸発器として機能し暖房運転時には超臨界領域で作動する冷却器として機能する室内熱交換器（３）と、超臨界領域で冷却されたＣＯ２冷媒を一次膨張させる一次膨張弁（１１又は１２）と、一次膨張したＣＯ２冷媒を気液分離するレシーバ（７）と、上記レシーバ（７）で分離された液冷媒を二次膨張させる二次膨張弁（１２又は１１）と、上記レシーバ（７）で分離されたガス冷媒を上記圧縮機（１）の圧縮室にインジエクションするガスインジェクション機構（１５）を備えたＣＯ２冷媒を用いた空気調和機であって、
上記ガスインジェクション機構（１５）が、インジェクションガス量を運転状態に応じて変更する制御弁（１７）を備えるとともに、該制御弁（１７）は、暖房運転の起動時にはインジェクションガス量を少量側に設定し、暖房運転の定常時及び冷房運転時にはインジェクションガス量を多量側に設定することを特徴とするＣＯ２冷媒を用いた空気調和機。A compressor (1) that compresses the CO2 refrigerant, an outdoor heat exchanger (2) that functions as a cooler that operates in the supercritical region during cooling operation and functions as an evaporator during heating operation, and functions as an evaporator during cooling operation In the heating operation, the indoor heat exchanger (3) functioning as a cooler that operates in the supercritical region, the primary expansion valve (11 or 12) that primarily expands the CO 2 refrigerant cooled in the supercritical region, and the primary expansion A receiver (7) for gas-liquid separation of CO2 refrigerant, a secondary expansion valve (12 or 11) for secondary expansion of the liquid refrigerant separated by the receiver (7), and a gas separated by the receiver (7) An air conditioner using CO2 refrigerant provided with a gas injection mechanism (15) for injecting refrigerant into the compression chamber of the compressor (1),
Said gas injection mechanism (15) is Rutotomoni comprises control valve is changed according to the injection amount of gas to the operating state (17), said control valve (17), the injection amount of gas at the start of heating operation in a small amount side An air conditioner using a CO2 refrigerant, characterized in that the amount of injection gas is set to a large amount during normal heating operation and cooling operation . 請求項１において、
室内への吹出風量を、暖房運転の起動時には、暖房運転の定常時及び冷房運転時よりも小風量側に設定するようにしたことを特徴とするＣＯ２冷媒を用いた空気調和機。 In claim 1 ,
An air conditioner using a CO2 refrigerant, wherein the amount of air blown into the room is set to a smaller air volume side when heating operation is started than during steady heating operation and cooling operation. 請求項１又は２において、
低圧側冷媒と高圧側冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器（８）を備えたことを特徴とするＣＯ２冷媒を用いた空気調和機。In claim 1 or 2 ,
An air conditioner using CO2 refrigerant, comprising an internal heat exchanger (8) for exchanging heat between a low-pressure refrigerant and a high-pressure refrigerant.
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