JP5169003B2 - 空気調和装置 - Google Patents

Description

本発明は、二酸化炭素を臨界圧力以上まで圧縮する冷凍サイクルを行う空気調和装置に関するものである。

従来より、冷媒を循環させて冷凍サイクルを行う冷媒回路を備え、室内の冷房や暖房を行う空気調和装置が広く知られている。この空気調和装置として、圧縮機構及び膨張機構を冷媒回路に接続し、二酸化炭素から成る冷媒を臨界圧力以上まで圧縮して冷凍サイクルを行うものがある。

例えば特許文献１には、この種の空気調和装置が開示されている。この空気調和装置の冷媒回路には、圧縮機構及び膨張機構が回転軸を介して互いに連結された流体機械（以下、膨張圧縮機という）が設けられている。また、冷媒回路には、室内熱交換器、室外熱交換器、及び四路切換弁が設けられている。

この空気調和装置では、四路切換弁の設定に応じて、暖房運転と冷房運転が切換可能となっている。例えば暖房運転では、圧縮機構で臨界圧力以上まで圧縮された冷媒（二酸化炭素）が、室内熱交換器で放熱する。その結果、室内空気が加熱されて室内の暖房がなされる。室内熱交換器で放熱した冷媒は、膨張機構で膨張する。膨張機構で冷媒が膨張すると、冷媒が膨張する際に生じる内部エネルギーが回転軸を介して圧縮機の回転動力に変換される。膨張機構で膨張した冷媒は、室外熱交換器で蒸発し、圧縮機構に吸入されて再び圧縮される。

以上のように、特許文献１の空気調和装置では、互いに同軸となる圧縮機構及び膨張機構を同じ回転数で回転させながら冷凍サイクルを行い、室内の暖房や冷房を行うようにしている。
特開２００１−１０７８８１号公報

ところで、上述したような空気調和装置では、圧縮機構と膨張機構とがそれぞれ回転軸で連結されるため、圧縮機構及び膨張機構の回転数を個別に制御することができない。このため、圧縮機構を通過する冷媒の質量流量Ｍｃと膨張機構を通過する冷媒の質量流量Ｍｅとがバランスできなくなるという問題が生じる。

この点について具体的に説明すると、まず、圧縮機構を通過する冷媒の質量流量Ｍｃは、圧縮機構の一回転あたりの吸入容積をＶｃ、圧縮機構へ吸入される冷媒の密度をＤｃ、膨張圧縮機の回転数をＲとすると、Ｍｃ＝Ｖｃ×Ｄｃ×Ｒで表される。一方、膨張機構を通過する冷媒の質量流量Ｍｅは、膨張機構の一回転あたりの吸入容積をＶｅ、膨張機構へ吸入される冷媒の密度をＤｅとすると、Ｍｅ＝Ｖｅ×Ｄｅ×Ｒで表される。従って、この冷媒回路では、Ｍｃ＝Ｍｅ、即ちＶｃ×Ｄｃ×Ｒ＝Ｖｅ×Ｄｅ×Ｒの関係が成立すれば、圧縮機構及び膨張機構との各冷媒質量流量がバランスすることになる。

ところが、圧縮機構の吸入容積Ｖｃ及び膨張機構の吸入容積Ｖｅは、各々の設計シリンダ容積によって定められる固定値である。また、膨張圧縮機では、圧縮機構と膨張機構とが回転軸で連結されているので、圧縮機構及び膨張機構の回転数Ｒは同じとなる。これに対し、圧縮機構や膨張機構へ吸入される冷媒の密度Ｄｃ及びＤｅは、空気調和装置の運転条件に応じて大きく変化する。つまり、冷媒回路では、外気温度や空調負荷等に応じて両者の密度比Ｄｅ／Ｄｃも変化する。従って、この種の空気調和装置では、密度比Ｄｅ／Ｄｃの変化に起因して圧縮機構及び膨張機構の各冷媒質量流量Ｍｃ、Ｍｅがバランスしなくなり、空気調和装置のＣＯＰが低下してしまうことがある。

このような問題を解決するために、圧縮機構と膨張機構とを回転軸で連結せず、互いに別置きとすることが考えられる。つまり、空気調和装置の冷媒回路に、圧縮機構を有する圧縮機と、膨張機構を有する膨張機とをそれぞれ別々に設けることが考えられる。このような構成とすると、圧縮機の回転数Ｒｃと、膨張機の回転数Ｒｅとを個別に制御することができる。このため、密度比Ｄｅ／Ｄｃの変化に応じて各回転軸の回転数Ｒｃ，Ｒｅを調節することで、各冷媒質量流量Ｍｃ，Ｍｅをバランスさせることができる。

一方、このようにして別置きの圧縮機及び膨張機の回転数を個別に制御するとしても、各回転軸の回転数の制御範囲には限界がある。このため、例えば外気温度や空調負荷が変動して密度比Ｄｅ／Ｄｃも変化すると、各冷媒質量流量Ｍｃ，Ｍｅを最適にバランスさせるための最適回転数が所定の制御範囲を越える、あるいは下回ってしまうことがある。従って、広範囲の運転条件に追随させて圧縮機や膨張機の回転数を最適に制御することができず、運転条件によっては各冷媒質量流量Ｍｃ，Ｍｅがバランスできなくなるので、やはりＣＯＰの低下を招いてしまうことがある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、広範囲の運転条件において、高いＣＯＰを達成できる空気調和装置を提供することである。

第１の発明は、１台又は互いに並列な複数台の圧縮機（40）と、１台又は互いに並列な複数台の膨張機（50）とが接続されると共に、二酸化炭素を臨界圧力以上まで圧縮して冷凍サイクルを行い、且つ常に高圧冷媒の全量が１台又は並列な複数の膨張機（50）だけで減圧されるように構成された冷媒回路（10）を備え、上記圧縮機（40）及び膨張機（50）の回転数がそれぞれ個別に制御されて、冷房運転と暖房運転とを切り換えて行う空気調和装置を前提としている。そして、この空気調和装置は、上記冷房運転と暖房運転とでは、上記圧縮機（40）の回転数が、空気調和装置の必要能力に応じて制御され、上記冷房運転と暖房運転とでは、上記膨張機（50）の回転数が、上記圧縮機（40）を通過する冷媒の質量流量Ｍｃと上記膨張機（50）を通過する冷媒の質量流量Ｍｅとがバランスするように制御され、上記膨張機（50）の一回転あたりの吸入容積Ｖｅの合計に対する上記圧縮機（40）の一回転あたりの吸入容積Ｖｃの合計の比が、６以上８以下であることを特徴とするものである。

第１の発明の冷媒回路（10）には、圧縮機（40）が１台、又は複数台並列に設けられている。同様に、冷媒回路（10）には、膨張機（50）が１台、又は複数台並列に設けられている。冷媒回路（10）では、圧縮機（40）で臨界圧力以上まで圧縮された冷媒（二酸化炭素）が放熱器等で放熱された後、膨張機（50）で膨張される。膨張機（50）で膨張された冷媒は、蒸発器で蒸発した後、圧縮機（40）で再び圧縮される。以上のように、冷媒回路（10）では、二酸化炭素を臨界圧力以上まで圧縮する冷凍サイクル（いわゆる、超臨界サイクル）が行われる。その結果、空気調和装置によって、室内の冷房や暖房がなされる。

本発明では、圧縮機（40）と膨張機（50）とが、互いに回転軸で連結されておらず、各々の回転数が個別に制御される。このため、この空気調和装置では、運転条件の変化、即ち上述した密度比Ｄｅ／Ｄｃの変化に応じて、圧縮機（40）の回転数Ｒｃと膨張機（50）の回転数Ｒｅとをそれぞれ調節可能となっている。

ここで、本発明では、膨張機（50）の一回転あたりの吸入容積Ｖｅ（膨張機が複数の場合には、各膨張機の吸入容積の合計）に対する圧縮機（40）の一回転あたりの吸入容積Ｖｃ（圧縮機が複数の場合には、各圧縮機の吸入容積の合計）の比（容積比Ｖｃ／Ｖｅ）が、６以上８以下となっている。これにより、例えば低外気温での暖房条件で密度比Ｄｅ／Ｄｃが比較的高くなった場合や、高外気温での冷房条件で密度比Ｄｅ／Ｄｃが比較的低くなった場合にも、圧縮機（40）及び膨張機（50）の回転数を所定の制御範囲内で制御しながら、各冷媒の質量流量Ｍｃ，Ｍｅをバランスさせることができる。つまり、本発明では、容積比Ｖｃ／Ｖｅを６以上８以下とすることで、圧縮機（40）及び膨張機（50）における最適回転数（各冷媒質量流量Ｍｃ，Ｍｅをバランスできる回転数）が、運転条件に拘わらず常に所定の制御範囲内となる。

第１の発明では、圧縮機（40）及び膨張機（50）の回転数をそれぞれ個別に制御する空気調和装置において、膨張機（50）の吸入容積Ｖｅに対する圧縮機（40）の吸入容積Ｖｃの比を６以上８以下としている。このため、本発明によれば、広範囲の運転条件において、圧縮機（40）及び膨張機（50）の最適回転数を所定の制御範囲内に納めることができる。従って、低外気温（例えば−１５℃）での暖房運転時や、高外気温（例えば３５℃）での冷房運転時にも、圧縮機（40）や膨張機（50）の回転数を所定の制御範囲内で制御しながら、各冷媒質量流量Ｍｃ，Ｍｅをバランスさせることができる。その結果、この空気調和装置では、広範囲の運転条件に亘って、高いＣＯＰを達成することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

《発明の実施形態１》
本発明の実施形態１について説明する。本発明の実施形態１に係る空気調和装置（5）は、室内の空調を行うものである。空気調和装置（5）は、冷房運転と暖房運転とが可能となっている。

〈空気調和装置の基本構成〉
図１に示すように、空気調和装置（5）は、室内ユニット（20）と室外ユニット（30）とを備えている。室内ユニット（20）は室内に設置され、室外ユニット（30）は室外に設置されている。室内ユニット（20）と室外ユニット（30）とは、２本の連絡配管を介して互いに連結され、これにより冷媒回路（10）が構成されている。冷媒回路（10）には、冷媒として二酸化炭素が充填されている。冷媒回路（10）では、冷媒（二酸化炭素）を臨界圧力以上まで圧縮する冷凍サイクルが行われる。

室内ユニット（20）には、室内熱交換器（21）が設けられている。室内熱交換器（21）は、利用側の熱交換器であって、いわゆるクロスフィン・アンド・チューブ熱交換器で構成されている。室内熱交換器（21）の近傍には、室内ファンが設けられている（図示省略）。室内熱交換器（21）では、室内ファンが送風する空気と冷媒との間で熱交換が行われる。

室外ユニット（30）には、圧縮機（40）、室外熱交換器（31）、膨張機（50）、四路切換弁（32）、及びブリッジ回路（33）が設けられている。

圧縮機（40）は、圧縮機ケーシング（41）と圧縮機モータ（42）と圧縮機構（43）とを備えている。圧縮機ケーシング（41）は、円筒密閉型に形成されている。圧縮機ケーシング（41）には、圧縮機構（43）の吸入側と繋がる吸入管（11）と、圧縮機構（43）の吐出側と繋がる吐出管（12）とが接続されている。圧縮機モータ（42）は、ステータ（42a）とロータ（42b）とを備えている。ステータ（42a）は、円筒状に形成され、圧縮機ケーシング（41）の内周面に固定されている。ロータ（42b）は、ステータ（42a）の内周を貫通している。ロータ（42b）には、回転軸（44）の一端部が連結している。回転軸（44）の他端部は、圧縮機構（43）と連結している。圧縮機構（43）は、例えばロータリ式、スイング式、スクロール式等の流体機械で構成されている。

圧縮機（40）は、インバータの出力周波数を変化させることで、圧縮機モータ（42）に駆動される回転軸（44）の回転数が可変となっている。つまり、圧縮機（40）は、容量が可変なインバータ式の圧縮機を構成している。

室外熱交換器（31）は、熱源側の熱交換器であって、いわゆるクロスフィン・アンド・チューブ熱交換器で構成されている。室外熱交換器（31）の近傍には、室外ファンが設けられている（図示省略）。室外熱交換器（31）では、室外ファンが送風する空気と冷媒との間で熱交換が行われる。

膨張機（50）は、膨張機ケーシング（51）と発電機（52）と膨張機構（53）とを備えている。膨張機ケーシング（51）は、円筒密閉型に形成されている。膨張機ケーシング（51）には、膨張機構（53）の流入側と繋がる流入管（13）と、膨張機構（53）の流出側と繋がる流出管（14）とが接続されている。発電機（52）は、上記圧縮機（40）と同様に、ステータ（52a）とロータ（52b）とを備えている。そして、膨張機（50）では、発電機（52）が回転軸（54）を介して膨張機構（53）と連結している。膨張機構（53）は、例えばロータリ式、スイング式、スクロール式等の流体機械で構成されている。

膨張機（50）では、膨張機構（53）における冷媒の膨張動力によって回転軸（54）が回転駆動される。発電機（52）は、回転軸（54）の回転動力を回収して発電を行う。また、発電機（52）は、その発電量を調節するように制御されており、この発電量に応じて回転軸（54）の回転数も可変となっている。以上のようにして、上記圧縮機（40）と膨張機（50）とは、各々の回転軸（44,54）の回転数が個別に制御されている。

四路切換弁（32）は、第１から第４までのポートを備えている。四路切換弁（32）では、第１ポートが圧縮機（40）の吐出管（12）と繋がり、第２ポートが室外熱交換器（31）と繋がり、第３ポートが圧縮機（40）の吸入管（11）と繋がり、第４ポートが連絡配管を介して室内熱交換器（21）と繋がっている。四路切換弁（32）は、第１ポートと第２ポートとを連通させると同時に第３ポートと第４ポートとを連通させる状態（図１の実線で示す状態）と、第１ポートと第４ポートとを連通させると同時に第２ポートと第３ポートとを連通させる状態（図２の破線で示す状態）とに設定が切り換え可能に構成されている。冷媒回路（10）では、上記四路切換弁（32）の設定に応じて冷媒の流路が変更され、これにより冷房運転及び暖房運転が変更可能となっている。つまり、四路切換弁（32）は、冷房運転と暖房運転とを切り換えるために冷媒の流路を変更する、冷媒流路変更手段を構成している。

ブリッジ回路（33）は、ブリッジ状に接続される４本の配管と、これら４本の配管にそれぞれ１つずつ設けられる４つの逆止弁（CV-1,CV-2,CV-3,CV-4）とで構成されている。各逆止弁（CV-1,CV-2,CV-3,CV-4）は、図１の矢印で示す方向への冷媒の流れを許容する一方、これとは逆方向の冷媒の流れを禁止している。

〈圧縮機及び膨張機の吸入容積〉
本実施形態において、圧縮機（40）の圧縮機構（43）の吸入容積と、膨張機（50）の膨張機構（53）の吸入容積とは、空気調和装置の運転条件を考慮して設定されている。具体的に、実施形態１では、圧縮機構（43）の吸入容積をＶｃとし、膨張機構（53）の吸入容積Ｖｅとすると、吸入容積Ｖｅに対する吸入容積Ｖｃの比（容積比Ｖｃ／Ｖｅ）が、６以上８以下に設定されている。ここで、上記吸入容積Ｖｃは、圧縮機構（43）の回転軸（44）が一回転する際に、圧縮機構（43）内のシリンダ室へ吸入する冷媒の容積であり、上記吸入容積Ｖｅは、膨張機構（53）の回転軸（54）が一回転する際に、膨張機構（53）内のシリンダ室へ流入する冷媒の容積である。なお、この容積比Ｖｃ／Ｖｅは、７であるのがより好ましい。これにより、この空気調和装置（5）では、後述する空調運転（冷房運転及び暖房運転）において、圧縮機（40）及び膨張機（50）の各回転軸（44,54）の回転数を所定の制御範囲内に抑えながら、高いＣＯＰ（成績係数）の運転が可能となっている（この点についての詳細は後述する）。

−運転動作−
次に、実施形態１の空気調和装置（5）の運転動作について説明する。空気調和装置（5）は、四路切換弁（32）の設定に応じて、室内の冷房を行う冷房運転と室内の暖房を行う暖房運転とが切換可能となっている。

〈冷房運転〉
冷房運転では、四路切換弁（32）が図１の実線で示す状態に設定される。圧縮機（40）が起動すると、圧縮機構（43）で冷媒が臨界圧力以上まで圧縮される。圧縮機（40）から吐出された冷媒は、四路切換弁（32）を通過して室外熱交換器（31）を流れる。室外熱交換器（31）では、冷媒が室外空気へ放熱する。室外熱交換器（31）で放熱した冷媒は、ブリッジ回路（33）を通過して膨張機（50）へ流入する。膨張機（50）では、膨張機構（53）で冷媒が膨張する。この際、膨張機構（53）では、冷媒の膨張動力が回転軸（54）を介して発電機（52）へ回収され、発電機（52）で発電が行われる。

膨張機（50）を流出した冷媒は、室内熱交換器（21）を流れる。室内熱交換器（21）では、冷媒が室内空気から吸熱して蒸発する。その結果、室内空気が冷却され、室内の冷房が行われる。室内熱交換器（21）で蒸発した冷媒は、圧縮機（40）に吸入されて再び圧縮される。

〈暖房運転〉
暖房運転では、四路切換弁（32）が図１の破線で示す状態に設定される。圧縮機（40）が起動すると、圧縮機構（43）で冷媒が臨界圧力以上まで圧縮される。圧縮機（40）から吐出された冷媒は、四路切換弁（32）を通過して室内熱交換器（21）を流れる。室内熱交換器（21）では、冷媒が室内空気へ放熱する。その結果、室内空気が加熱され、室内の暖房が行われる。室内熱交換器（21）で放熱した冷媒は、ブリッジ回路（33）を通過して膨張機（50）へ流入する。膨張機（50）では、膨張機構（53）で冷媒が膨張する。この際、膨張機（50）では、冷媒の膨張動力が回転軸（54）を介して発電機（52）へ回収され、発電機（52）で発電が行われる。

膨張機（50）を流出した冷媒は、室外熱交換器（31）を流れる。室外熱交換器（31）では、冷媒が室外空気から吸熱して蒸発する。室内熱交換器（21）で蒸発した冷媒は、圧縮機（40）に吸入されて再び圧縮される。

−圧縮機及び膨張機の回転数の制御−
上述した冷房運転や暖房運転では、圧縮機構（43）を通過する冷媒の質量流量Ｍｃと、膨張機構（53）を通過する冷媒の質量Ｍｅとをバランスさせる必要がある。より詳細に説明すると、まず、圧縮機（40）の冷媒質量流量Ｍｃは、圧縮機（40）の吸入容積をＶｃ、圧縮機（40）へ吸入される冷媒の密度をＤｃ、圧縮機（40）の回転数をＲｃとすると、Ｍｃ＝Ｖｃ×Ｄｃ×Ｒｃで表される。これに対し、膨張機（50）の冷媒質量流量Ｍｅは、膨張機（50）の吸入容積Ｖｅ、膨張機（50）へ吸入される冷媒の密度をＤｅ、膨張機（50）の回転数をＲｅとすると、Ｍｅ＝Ｖｅ×Ｄｅ×Ｒｅで表される。従って、冷媒回路（10）では、Ｍｃ＝Ｍｅ、即ちＶｃ×Ｄｃ×Ｒｃ＝Ｖｅ×Ｄｅ×Ｒｅの関係が成立すると、両者の冷媒質量流量Ｍｃ，Ｍｅがバランスし、空気調和装置（5）で高ＣＯＰが得られることになる。ところが、このような空気調和装置（5）では、外気温度条件や冷房／暖房条件に応じて圧縮機（40）の冷媒密度Ｄｃや、膨張機（50）の冷媒密度Ｄｅが変化する。一方、上述した各吸入容積Ｖｃ，Ｖｅは、設計されたシリンダ容積で定まる固定値である。従って、この空気調和装置（5）では、冷媒の密度比Ｄｅ／Ｄｃが変化しても、両冷媒質量流量Ｍｃ，Ｍｅが等量となるように、上記回転数Ｒｃ，Ｒｅを制御するようにしている。

具体的に、まず、圧縮機（40）の回転数Ｒｃは、原則して空気調和装置（5）の必要能力に応じて制御される。即ち、例えば図２に示すように、空気調和装置（5）で所定の空調能力を確保しようとする場合、外気温度に応じて圧縮機（40）の回転数Ｒｃが変更される。即ち、暖房運転では、外気温度が低くなるに連れて能力が必要となるため、外気温度の低下に伴い圧縮機（40）の回転数Ｒｃを高くしている。逆に、冷房運転では、外気温度が高くなるに連れて能力が必要となるため、外気温度の上昇に伴い圧縮機（40）の回転数Ｒｃを高くしている。そして、この圧縮機（40）では、外気温度が−１５℃以上の暖房運転、及び外気温度が３５℃以下までの冷房運転において、その回転数Ｒｃが所定の制御範囲（約２０〜１００[rps]の範囲）内において制御される。

一方、図３に示すように、外気温度の変化、及び外気温度変化に付随する圧縮機（40）の回転数Ｒｃの変化（図２参照）に伴い、上述の如く、密度比Ｄｅ／Ｄｃも変化する。具体的に、暖房運転では、外気温度が低くなるに連れて密度比Ｄｅ／Ｄｃが大きくなり、冷房運転では、外気温度が高くなるに連れて密度比Ｄｅ／Ｄｃが小さくなる。そこで、本実施形態の空気調和装置（5）では、この密度比Ｄｅ／Ｄｃの変化に併せて、膨張機（50）の回転数Ｒｅを変化させるようにしている。

即ち、密度比Ｄｅ／Ｄｃが変化すると、膨張機（50）の回転数Ｒｅは、上述した両冷媒質量流量Ｍｃ，Ｍｅが等量となるように制御される。具体的には、膨張機（50）の回転数Ｒｅは、外気温度の変化に伴う密度比Ｄｅ／Ｄｃ及び圧縮機（40）の回転数Ｒｃに応じて、Ｖｃ×Ｄｃ×Ｒｃ＝Ｖｅ×Ｄｅ×Ｒｅの関係が成り立つような最適回転数に制御される。従って、膨張機（50）の回転数Ｒｃは、例えば図４に示すように、外気温度の変化に伴い適宜変更されることになる。これにより、冷房運転や暖房運転では、圧縮機（40）の冷媒質量流量Ｍｃと、膨張機（50）の冷媒質量流量Ｍｅとがバランスされることになる。

更に、本実施形態の空気調和装置（5）では、膨張機（50）の吸入容積Ｖｅに対する圧縮機（40）の吸入容積Ｖｃの比（容積比Ｖｃ／Ｖｅ）を６以上８以下としている。このため、図４に示すように、例えば容積比Ｖｃ／Ｖｅを６や８としたものでは、図４に示す全ての運転条件についての最適回転数（両冷媒質量流量Ｍｃ，Ｍｅをバランスさせるための回転数）が、この膨張機（50）の回転数の最適制御範囲（同図のＸで示す範囲）内におおよそ納まることになる。つまり、この膨張機（50）は、その回転数Ｒｃの最適制御範囲が約２０〜１００[rps]であるのに対し、膨張機（50）の制御目標となる最適回転数も２０〜１００[rps]の範囲内となる。従って、容積比を６以上８以下としたものでは、全ての運転条件において、両冷媒質量流量Ｍｃ，Ｍｅを確実にバランスさせることができる。

これとは逆に、例えば同図において、容積比Ｖｃ／Ｖｅを４や１０としたものでは、一部の外気温度条件下において、膨張機（50）の最適回転数が最適制御範囲Ｘを大きく外れることになる。従って、これらの容積比（Ｖｃ／Ｖｅ＝４，１０）のものでは、全ての運転条件において、両冷媒質量流量Ｍｃ，Ｍｅを確実にバランスさせることができない。

−実施形態１の効果−
上記実施形態１では、圧縮機（40）及び膨張機（50）の回転数をそれぞれ個別に制御する空気調和装置（5）において、膨張機（50）の吸入容積Ｖｅに対する圧縮機（40）の吸入容積Ｖｃの比を６以上８以下としている。このため、上記実施形態１によれば、広範囲の運転条件において、圧縮機（40）及び膨張機（50）の最適回転数を所定の制御範囲内に納めることができる。具体的に、上記実施形態１では、外気温度が−１５度以上となる暖房運転、及び外気温度が３５度以下となる冷房運転について、圧縮機（40）の回転数Ｒｃを最適制御範囲（２０〜１００[rps]）内で制御し、且つ膨張機（50）の回転数Ｒｅを最適制御範囲（２０〜１００[rps]）内で制御しながら、圧縮機（40）の冷媒質量流量Ｍｃと、膨張機（50）の冷媒質量流量Ｍｅとをバランスさせることができる。その結果、この空気調和装置（5）では、広範囲の運転条件に亘って、高いＣＯＰを得ることができ、この空気調和装置（5）の省エネ性を向上させることができる。

〈実施形態１の変形例〉
上記実施形態１について、冷媒回路（10）に複数台の圧縮機（40）を並列に設けたり、複数台の膨張機（50）を並列に設けるようにしても良い。例えば図５に示す変形例は、冷媒回路（10）に２台の圧縮機（40）を並列に設けたものである。

具体的に、図５の変形例では、冷媒回路（10）に第１圧縮機（40）と第２圧縮機（60）とが設けられている。第１圧縮機（40）は、上記実施形態１の圧縮機と同様にして、第１圧縮機ケーシング（41）と第１圧縮機モータ（42）と第１圧縮機構（43）と第１回転軸（44）とを備えている。また、第２圧縮機（60）は、上記実施形態１の圧縮機と同様にして、第２圧縮機ケーシング（61）と第２圧縮機モータ（62）と第２圧縮機構（63）と第２回転軸（64）とを備えている。第１圧縮機ケーシング（41）には、第１圧縮機構（43）の吸入側と繋がる第１吸入管（11）と、第１圧縮機構（43）の吐出側と繋がる第１吐出管（12）とが接続されている。第２圧縮機ケーシング（42）には、第２圧縮機構（63）の吸入側と繋がる第２吸入管（15）と、第２圧縮機構（63）の吐出側と繋がる第２吐出管（16）とが接続されている。

また、この変形例では、膨張機（50）の吸入容積Ｖｅに対する第１圧縮機（40）の吸入容積Ｖｃ１と第２圧縮機（60）の吸入容積Ｖｃ２の合計（容積比（Ｖｃ１＋Ｖｃ２）／Ｖｅ）の比が、６以上８以下となっている。このため、この変形例においても、例えば各圧縮機（40,60）の回転数Ｒｃ１，Ｒｃ２をそれぞれ２０〜１００[rps]の範囲内で制御させた場合に、上記実施形態１と同様に膨張機（50）の回転数Ｒｅを２０〜１００[rps]の範囲内で制御させながら、各冷媒質量流量Ｍｃ，Ｍｅをバランスさせることができる。従って、この変形例においても、広範囲の運転条件について、高いＣＯＰを達成することができる。

なお、同様にして、冷媒回路（10）に複数台の膨張機（50）を並列に設けた場合には、各膨張機（50,…）の吸入容積Ｖｅ１，…の合計に対する各圧縮機（40,…）の吸入容積Ｖｃ１，…の合計の比（容積比（Ｖｃ１＋…）／（Ｖｅ１＋…））を６以上８以下とすることで、各圧縮機（40,…）及び各膨張機（50,…）の回転数を所定の制御範囲内としながら、広範囲の運転条件において高いＣＯＰを達成することができる。また、冷媒回路（10）に１台の圧縮機（40）を設けると共に複数台の膨張機（50,…）を設ける場合に、各膨張機（50,…）の吸入容積Ｖｅ１，…の合計に対する圧縮機（40）の吸入容積Ｖｃの比を６以上８以下としても良いのは勿論のことである。

《発明の参考形態》
本発明の参考形態について説明する。本発明の参考形態に係る空気調和装置（5）は、実施形態１の膨張機（50）に代わって膨張圧縮機（70）を設けたものである。

図６に示すように、冷媒回路（10）には、圧縮機（40）と膨張圧縮機（70）とが設けられている。圧縮機（40）は、上記実施形態１と同様の構成であり、圧縮機ケーシング（41）と圧縮機モータ（42）と圧縮機構（第１圧縮機構（43））とを備えている。第１圧縮機構（43）には、その吸入側に第１吸入管（11）が繋がり、その吐出側に第１吐出管（12）が繋がっている。

膨張圧縮機（70）は、膨張圧縮機ケーシング（71）と膨張圧縮機モータ（72）と圧縮機構（第２圧縮機構（73））と膨張機構（75）とを備えている。膨張圧縮機ケーシング（71）は、円筒密閉型に形成されている。そして、膨張圧縮機ケーシング（71）の内部には、上から下に向かって順に、膨張機構（75）、膨張圧縮機モータ（72）、及び第２圧縮機構（73）が設けられている。第２圧縮機構（73）には、その吸入側に第２吸入管（15）が繋がり、その吐出側に第２吐出管（16）が繋がっている。即ち、膨張圧縮機（70）の第２圧縮機構（73）は、圧縮機（40）の第１圧縮機構（43）と並列に設けられている。

また、第２圧縮機構（73）と膨張機構（75）とは、回転軸（74）を介して互いに連結されている。これにより、膨張機構（75）の膨張動力は、回転軸（74）を介して第２圧縮機構（73）の駆動力として利用される。また、膨張圧縮機モータ（72）は、上記実施形態１の圧縮機（40）と同様、ステータ（72a）とロータ（72b）を備えている。そして、ロータ（72b）は、回転軸（74）の軸方向の中間部に連結される一方、このロータ（72b）がステータ（72a）を上下に貫通している。膨張圧縮機（70）では、インバータの出力周波数を変化させることで、膨張圧縮機モータ（72）に駆動される回転軸（74）の回転数が可変となっている。

また、参考形態では、膨張圧縮機（70）の膨張機構（75）の吸入容積Ｖｅ’に対する、第１圧縮機構（43）の吸入容積Ｖｃと第２圧縮機構（73）の吸入容積Ｖｃ’との合計の比（容積比（Ｖｃ＋Ｖｃ’）／Ｖｅ’）が、６以上８以下となっている。このため、上記実施形態１と同様に、圧縮機（40）及び膨張圧縮機（70）の各回転数を所定の制御範囲内に納めながら、広範囲の運転条件について、各冷媒質量流量Ｍｃ，Ｍｅをバランスさせることができる。

更に、参考形態の膨張圧縮機（70）では、膨張機構（75）の吸入容積Ｖｅ’に対する第２圧縮機構（73）の吸入容積Ｖｃ’の比（容積比Ｖｃ’／Ｖｅ’）が、３以下となっている。これにより、膨張圧縮機（70）の最適回転数が、適正制御範囲に一層納まり易くなる。

この点について図７を参照しながら説明する。図７は、膨張圧縮機（70）についての容積比（Ｖｃ’／Ｖｅ’）と膨張圧縮機（70）の最適回転数との関係を示すものである。なお、図７の例では、上記容積比（Ｖｃ＋Ｖｃ’）／Ｖｅ’を７としている。図７に示すように、容積比（Ｖｃ’／Ｖｅ’）を４としたものでは、一部の外気温度条件下（例えば図７のａ点）で、膨張圧縮機（70）の最適回転数が、最適制御範囲Ｘから若干外れてしまう。これに対し、容積比Ｖｃ’／Ｖｅ’を３以下とすると、全ての外気温度条件において、膨張圧縮機（70）の最適回転数が、最適制御範囲Ｘ内に納まることになる。従って、容積比Ｖｃ’／Ｖｅ’を３以下とすることで、全ての運転条件において、両冷媒質量流量Ｍｃ，Ｍｅを確実にバランスさせることができる。

−参考形態の効果−
上記参考形態では、圧縮機（40）及び膨張圧縮機（70）の回転数をそれぞれ個別に制御する空気調和装置（5）において、膨張圧縮機（70）の膨張機構（75）の吸入容積Ｖｅ’に対する第１圧縮機構（43）の吸入容積Ｖｃと第２圧縮機構（73）の吸入容積Ｖｃ’の合計の比を６以上８以下としている。このため、上記参考形態においても、上記実施形態１と同様にして、広範囲の運転条件において、圧縮機（40）及び膨張圧縮機（70）の最適回転数を最適制御範囲内に納めることができる。その結果、この空気調和装置（5）においても、広範囲の運転条件に亘って高いＣＯＰを達成することができる。

また、上記参考形態によれば、膨張圧縮機（70）の膨張機構（75）で回収した膨張動力を、第２圧縮機構（73）の動力源として直接利用できる。従って、この空気調和装置（5）のＣＯＰを更に向上できる。

更に、上記参考形態では、膨張圧縮機（70）についての膨張機構（75）の吸入容積Ｖｅ’に対する第２圧縮機構（73）の吸入容積Ｖｃ’の比を３以下としている。このため、図７に示すように、膨張圧縮機（70）の最適回転数が所定の制御範囲内に更に納まり易くなる。従って、この空気調和装置（5）のＣＯＰを一層効果的に向上させることができる。

なお、上記参考形態では、冷媒回路（10）に１台の圧縮機（40）と１台の膨張圧縮機（70）を設けるようにしている。しかしながら、上記実施形態１の変形例と同様、冷媒回路（10）に圧縮機（40）を複数台並列に設けても良いし、膨張圧縮機（70）を複数台並列に設けても良い。このような場合について、各膨張機構の吸入容積の合計に対する各圧縮機構の吸入容積の合計の比を６以上８以下としても良いし、複数の膨張圧縮機（70）の各々について、膨張機構の吸入容積に対する圧縮機構の吸入容積の比を３以下としても良い。

なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

以上説明したように、本発明は、二酸化炭素を臨界圧力以上まで圧縮する冷凍サイクルを行う空気調和装置について有用である。

実施形態１に係る空気調和装置の概略構成を示す配管系統図である。 冷房運転及び暖房運転についての外気温度と圧縮機の回転数の関係を示す表である。 外気温度と密度比Ｄｅ／Ｄｃとの関係を示すグラフである。 容積比Ｖｃ／Ｖｅ、外気温度、及び膨張機の回転数の関係を示すグラフである。 実施形態１の変形例に係る空気調和装置の概略構成を示す配管系統図である。 参考形態に係る空気調和装置の概略構成を示す配管系統図である。 参考形態に係る容積比Ｖｃ’／Ｖｅ’、外気温度、及び膨張圧縮機の回転数の関係を示すグラフである。

5 空気調和装置
10 冷媒回路
40 圧縮機（第１圧縮機）
50 膨張機
70 膨張圧縮機
73 第２圧縮機構（圧縮機構）
74 回転軸
75 膨張機構

Claims (1)

1. １台又は互いに並列な複数台の圧縮機（40,60）と、１台又は互いに並列な複数台の膨
   張機（50）とが接続されると共に、二酸化炭素を臨界圧力以上まで圧縮して冷凍サイクルを行い、且つ常に高圧冷媒の全量が１台又は並列な複数の膨張機（50）だけで減圧されるように構成された冷媒回路（10）を備え、上記圧縮機（40）及び膨張機（50）の回転数がそれぞれ個別に制御されて、冷房運転と暖房運転とを切り換えて行う空気調和装置であって、
   上記冷房運転と暖房運転とでは、上記圧縮機（40）の回転数が、空気調和装置の必要能力に応じて制御され、
   上記冷房運転と暖房運転とでは、上記膨張機（50）の回転数が、上記圧縮機（40）を通過する冷媒の質量流量Ｍｃと上記膨張機（50）を通過する冷媒の質量流量Ｍｅとがバランスするように制御され、
   上記膨張機（50）の一回転あたりの吸入容積Ｖｅの合計に対する上記圧縮機（40,60）の一回転あたりの吸入容積Ｖｃの合計の比が、６以上８以下であることを特徴とする空気調和装置。

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