JP5724476B2

JP5724476B2 - 冷凍サイクル装置

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Publication number: JP5724476B2
Application number: JP2011053090A
Authority: JP
Inventors: 亮奥山; 恵子城本
Original assignee: Fujitsu General Ltd
Current assignee: Fujitsu General Ltd
Priority date: 2011-03-10
Filing date: 2011-03-10
Publication date: 2015-05-27
Anticipated expiration: 2031-03-10
Also published as: JP2012189258A

Description

本発明は空気調和機といった冷凍サイクル装置に関する。

例えば、特許文献１の図６に開示されるように、二酸化炭素といった低い地球温暖化係数を有する冷媒を利用した冷凍サイクル装置、すなわち、空気調和機は広く知られている。この空気調和機は１次冷媒回路および２次冷媒回路を備えている。１次冷媒回路では冷媒（以下「第１冷媒」という）に二酸化炭素が利用される。２次冷媒回路では冷媒に二酸化炭素よりも良好なエネルギー消費効率を有する冷媒（以下「第２冷媒」という）、例えば、プロパンが利用される。１次冷媒回路と２次冷媒回路とは冷媒−冷媒熱交換器で相互に連結される。２次冷媒回路は冷媒−冷媒熱交換器の働きで冷房運転時に室外熱交換器と膨張弁との間で二酸化炭素から吸熱する。こうして二酸化炭素のエンタルピーは室内熱交換器への流入に先立って十分に低下する。二酸化炭素の遷臨界サイクルにおいて、二酸化炭素の臨界温度よりも外気温が高くても、室内熱交換器で十分なエンタルピー差（冷凍効果）が確保されることができる。

国際公開第２００５／０５２４６７号

このような空気調和機は暖房運転時に２次冷媒回路を休止させる。なぜならば、暖房運転時には室外熱交換器は放熱器から蒸発器に役目を変えるからである。すなわち、１次冷媒回路が冷房運転から暖房運転に切り替わると、冷媒−冷媒熱交換器の位置が放熱器と膨張弁入口との間から膨張弁出口と蒸発器との間に変更されるため、仮に膨張弁出口と蒸発器との間で二酸化炭素が冷却されると、二酸化炭素の蒸発温度が過度に下げられてしまい、圧縮機の吸入圧力が低下するからである。吸入圧力の低下は圧縮比の増大を誘引し、その結果、圧縮動力は増加してしまう。また、空気熱交換器の第１冷媒側は冷房運転時には超臨界圧で高圧に達し、暖房運転時には亜臨界圧で低圧になることから、臨界圧の高圧や冷暖切り替えに伴う大きな圧力変動を受けることになり、耐圧の課題も有している。したがって、暖房運転時でも２次冷媒回路が有効に機能することが望まれる。

本発明によれば、冷房運転時および暖房運転時に第３熱交換器の１次冷媒回路側を臨界圧未満の中間圧力に設定でき、かつ、暖房運転時に２次冷媒回路を有効に機能させることができる冷凍サイクル装置が提供されることができる。

冷凍サイクル装置の一形態は、第１熱交換器および第２熱交換器の間で冷媒経路に順番に組み込まれる第１膨張弁、第３熱交換器および第２膨張弁を有し、第１圧縮機から選択的に前記第１熱交換器または前記第２熱交換器に高温高圧の第１冷媒が供給されると前記冷媒経路を通って前記第２熱交換器または前記第１熱交換器から前記第１冷媒を前記第１圧縮機に戻す１次冷媒回路と、前記第３熱交換器に接続されて、第２圧縮機および第３膨張弁の間で第４熱交換器に高温高圧の第２冷媒を供給し、前記第３膨張弁で減圧された前記第２冷媒を前記第３熱交換器を通って前記第２圧縮機に戻す２次冷媒回路と、前記第２熱交換器から放出される熱エネルギーを受ける暖気の環境に、前記第４熱交換器から放出される熱エネルギーを受ける暖気を送り込むダクトとを備える。

こういった冷凍サイクル装置では、２次冷媒回路の第２冷媒は冷房運転時に第３熱交換器で第１冷媒から吸熱する。第１熱交換器が放熱器として働く場合には、蒸発器として働く第２熱交換器への流入に先立って第１冷媒のエンタルピーは減少する。その結果、第１冷媒の臨界温度より外気温が高くても、第２熱交換器で十分にエンタルピー差（冷凍効果）が確保されることができる。また、２次冷媒回路や第３熱交換器の追加に代えて、圧縮機の吸入側と膨張弁の手前との間に内部熱交換器を組み込み、蒸発器として働く熱交換器でエンタルピー差（冷凍効果）を大きくすることが考えられる。こうした内部熱交換器の場合と異なり、本発明に係る冷凍サイクル装置の一形態では過熱度が高まらないので、第１圧縮機の吐出温度が過度に高温になることは抑えられることができる。したがって、良好な冷房運転は実現されることができる。

同様に、２次冷媒回路の第２冷媒は暖房運転時にも第３熱交換器で第１冷媒から吸熱する。第２熱交換器が放熱器として働く場合には、蒸発器として働く第１熱交換器への流入に先立って第１冷媒のエンタルピーは減少する。冷房運転から暖房運転に切り替わった後に冷房運転時と同様に２次冷媒回路が動作しても、蒸発器となった第１熱交換器の蒸発温度が第３熱交換器の働きで意図した温度以上に過度に低下し第１熱交換器の効率が悪化することは回避されることができる。また、内部熱交換器を使ってエンタルピー差（冷凍効果）を大きくする場合と異なり、圧縮機の吐出温度が過度に高温になることを抑えることができる。

冷凍サイクル装置は、冷房運転時だけでなく暖房運転時でも２次冷媒回路は運転されることができるため、暖房運転時に２次冷媒回路の凝縮器として働く第４熱交換器からエネルギーが回収されることができる。すなわち、第３熱交換器で回収された低温の熱は第２圧縮機の働きで高温の熱に変換されることができる。第３熱交換器で第１冷媒から取り出された熱エネルギーは暖気として第２熱交換器から放出される熱エネルギーに加えられることができる。こうして熱エネルギーは無駄なく利用されることができる。全体として熱エネルギーは効率的に利用されることができる。その結果、良好な暖房運転は実現されることができる。

冷凍サイクル装置は、前記ダクトを開閉する開閉板と、前記開閉板の開閉を制御する制御回路とをさらに備えてもよい。こういった開閉板によれば、冷房運転時には、第２熱交換器で生成される冷気に、第４熱交換器から放出される熱エネルギーが加えられることは回避されることができる。その結果、第２熱交換器で効率的に空気は冷却されることができる。

冷凍サイクル装置では、前記第３熱交換器に流入する前記第１冷媒の圧力値が、前記第１熱交換器における冷媒圧力値と前記第２熱交換器における冷媒圧力値との中間値になるように、前記第１膨張弁および前記第２膨張弁が制御されればよい。第２熱交換器の蒸発圧力が所定の圧力に設定される際に、第１膨張弁および第２膨張弁の一方でその途中まで減圧し、他方で所定の圧力まで減圧するように調整することで、第１膨張弁および第２膨張弁の間で第１熱交換器の圧力と第２熱交換器の圧力との中間圧力は確立されることができる。

本発明によれば、冷房運転時および暖房運転時に第３熱交換器の１次冷媒回路側を臨界圧未満の中間圧力に設定でき、かつ、暖房運転時に２次冷媒回路を有効に機能させることができる冷凍サイクル装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る空気調和機の構成を概略的に示す図である。空気調和機の制御系を概略的に示すブロック図である。冷房運転時に第１冷媒および第２冷媒の流れを示す図である。冷房運転時および暖房運転時に第１冷媒の状態変化を概略的に示すモリエル線図である。暖房運転時に第１冷媒および第２冷媒の流れを示す図である。内部熱交換器を利用した場合の第１冷媒の状態変化を概略的に示すモリエル線図である。

以下、添付図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。

図１は本発明の一実施形態に係る冷凍サイクル装置、すなわち、空気調和機１１の構成を概略的に示す。空気調和機１１は１次冷媒回路１２および２次冷媒回路１３を備える。１次冷媒回路１２および２次冷媒回路１３はそれぞれ冷凍回路を構成する。１次冷媒回路１２では、例えば遷臨界サイクルを形成するＣＯ２（二酸化酸素）といった自然冷媒が第１冷媒として使用される。ただし、例えばフロンよりも小さい地球温暖化係数を有する物質で遷臨界サイクルを形成する物質であれば、第１冷媒にはＣＯ２以外の物質が利用されてもよい。第１冷媒は外気（または室外に相当する環境の空気）と室内の空気（または室内に相当する環境の空気）との間で熱エネルギーをやり取りする。

２次冷媒回路１３では、ＣＯ２以外の物質、例えばプロパンが第２冷媒として使用される。その他、第２冷媒にはプロパンに代えてＨＦＣ系、ＨＦＯ系、ＨＣ系、アンモニア、またはそれらの混合物が用いられてもよい。特に、第２冷媒には、第１冷媒よりも高いエネルギー消費効率を有する物質が用いられればよい。第２冷媒は第１冷媒から吸熱し高温高圧の状態にしてから外気に向かって熱エネルギーを放出する。

１次冷媒回路１２は圧縮機（以下「第１圧縮機」という）１４を備える。第１圧縮機１４は第１循環経路１５に組み込まれる。第１循環経路１５は四方弁１６の第１口１６ａおよび第２口１６ｂを相互に結ぶ。第１圧縮機１４の吸込口１４ａは四方弁１６の第１口１６ａに冷媒配管を介して接続される。第１口１６ａからガス冷媒は第１圧縮機１４の吸込口１４ａに供給される。第１圧縮機１４は低圧のガス冷媒を所定の圧力まで圧縮する。第１圧縮機１４の吐出口１４ｂは四方弁１６の第２口１６ｂに冷媒配管を介して接続される。第１圧縮機１４の吐出口１４ｂからガス冷媒は四方弁１６の第２口１６ｂに供給される。第１循環経路１５は、例えば銅管などの冷媒配管で形成される。

四方弁１６の第３口１６ｃおよび第４口１６ｄには第２循環経路１７を形成する冷媒配管が接続される。第２循環経路１７は四方弁１６の第３口１６ｃおよび第４口１６ｄを相互に結ぶ。第２循環経路１７には、第３口１６ｃ側から順番に、第１熱交換器、すなわち、室外熱交換器１８および第２熱交換器、すなわち、室内熱交換器１９が組み込まれる。室外熱交換器１８は第１口１８ａおよび第２口１８ｂを有する。第１口１８ａおよび第２口１８ｂの間で冷媒は室外熱交換器１８を通過する。室外熱交換器１８は、通過する冷媒と周囲の空気との間で熱エネルギーの交換を実現する。室外熱交換器１８の第１口１８ａは四方弁１６の第３口１６ｃに冷媒配管を介して接続される。四方弁１６の働きで、室外熱交換器１８の第１口１８ａは、第１圧縮機１４の吸込口１４ａおよび圧縮機１４の吐出口１４ｂのうちいずれかに切り替え可能に接続される。第２循環経路１７は、例えば銅管などの冷媒配管で形成されればよい。

室外熱交換器１８に関連づけられて送風ファン２１が設置される。送風ファン２１は羽根車の回転に応じて気流を生成する。気流は室外熱交換器１８を通過する。通過する気流の流量は羽根車の毎分回転数に応じて調整される。気流の流量に応じて室外熱交換器１８では冷媒と空気との間で交換される熱エネルギー量が調整される。

室内熱交換器１９は第１口１９ａおよび第２口１９ｂを有する。第１口１９ａおよび第２口１９ｂの間で冷媒は室内熱交換器１９を通過する。室内熱交換器１９は、通過する冷媒と周囲の空気との間で熱エネルギーの交換を実現する。室内熱交換器１９の第２口１９ｂは四方弁１６の第４口１６ｄに接続される。四方弁１６の働きで、室内熱交換器１９の第２口１９ｂは、第１圧縮機１４の吸込口１４ａおよび圧縮機１４の吐出口１４ｂのうちいずれかに切り替え可能に接続される。

室内熱交換器１９に関連づけられて送風ファン２２が設置される。送風ファン２２は羽根車の回転に応じて気流を生成する。気流は室内熱交換器１９を通過する。通過する気流の流量は羽根車の毎分回転数に応じて調整される。気流の流量に応じて室内熱交換器１９では冷媒と空気との間で交換される熱エネルギー量が調整されることができる。室内熱交換器１９および送風ファン２２は例えば室内機に組み込まれる。室内機は例えば建物内の室内空間ＲＭに設置される。その他、室内機は室内空間ＲＭに相当する環境空間に設置されればよい。

室外熱交換器１８および室内熱交換器１９の間で第２循環経路１７には室外熱交換器１８側から順番に第１膨張弁２３、第３熱交換器、すなわち、冷媒−冷媒熱交換器２４および第２膨張弁２５が組み込まれる。第１膨張弁２３および第２膨張弁２５はそれぞれ第１冷媒の流通路の開度を制御する。その開度に応じて第１冷媒の流通量は調整される。こうした調整に応じて第１膨張弁２３の上流および下流で第１冷媒に圧力差が生じる。同様に、第２膨張弁２５の上流および下流で第１冷媒に圧力差が生じる。

冷媒−冷媒熱交換器２４は１次冷媒回路１２の第２循環経路１７を提供する第１流通路２６を備える。第１流通路２６は第１口２６ａおよび第２口２６ｂを有する。第１口２６ａおよび第２口２６ｂの間で冷媒は第１流通路２６を通過する。第１流通路２６の第１口２６ａは第１膨張弁２３に冷媒配管を介して接続される。第１流通路２６の第２口２６ｂは第２膨張弁２５に接続される。

同時に、冷媒−冷媒熱交換器２４は第２流通路２７を備える。第２流通路２７は第１流通路に相対して延びる。例えば、第２流通路２７は第１流通路２６に平行に延びてもよい。第２流通路２７は第１口２７ａおよび第２口２７ｂを有する。第１口２７ａおよび第２口２７ｂの間で冷媒は第２流通路２７を通過する。第２流通路２７の第１口２７ａおよび第２口２７ｂには第３循環経路２８を形成する冷媒配管が接続される。第３循環経路２８は第２流通路２７の第１口２７ａおよび第２口２７ｂを相互に結ぶ。第３循環経路２８は、例えば銅管などの冷媒配管で形成される。

第３循環経路２８には、圧縮機（以下「第２圧縮機」という）３１、第４熱交換器、すなわち、空気熱交換器３２および第３膨張弁３３が順番に組み込まれる。第２圧縮機３１は低圧のガス冷媒を所定の圧力まで圧縮する。第２圧縮機３１の働きで高温高圧に圧縮された第２冷媒は空気熱交換器３２に供給される。空気熱交換器３２は通過する第２冷媒と周囲の空気との間で熱エネルギーの交換を実現する。空気熱交換器３２は凝縮器として機能する。空気熱交換器３２から熱エネルギーは放出される。

前述のように、冷媒−冷媒熱交換器２４は１次冷媒回路１２の第２循環経路１７に組み込まれると同時に２次冷媒回路１３の第３循環経路２８に組み込まれる。第１流通路２６内の第１冷媒と第２流通路２７内の第２冷媒との間で熱エネルギーの交換が実現される。こうした熱エネルギーの交換にあたって、熱交換器に代えて、例えば、第１流通路２６の配管と第２流通路２７の配管とを相互に接触させる構造を採用することも可能である。こうして冷媒−冷媒熱交換器２４で第１冷媒は冷却される。

空気熱交換器３２に関連づけられて送風ファン３４が設置される。送風ファン３４は羽根車の回転に応じて気流を生成する。気流は空気熱交換器３２を通過する。通過する気流の流量は羽根車の毎分回転数に応じて調整される。気流の流量に応じて空気熱交換器３２では冷媒と空気との間で交換される熱エネルギー量が調整されることができる。

空気熱交換器３２にはダクト３５が接続される。送風ファン３４はダクト３５内に配置される。ダクト３５は送風ファン３４から排気口３６まで延びる。送風ファン３４と排気口３６との間でダクト３５には分岐ダクト３７が接続される。分岐ダクト３７は、例えば室内熱交換器１９まで延びる。分岐ダクト３７は送風ファン３４から送り出される気流を室内熱交換器１９まで導くことができる。ここでは、分岐ダクト３７から送り込まれる暖気は室内熱交換器１９の送風ファン２２から送り出される熱交換後の気流に混ぜ合わせられる。その他、送風ファン３４から送り出される気流は分岐ダクト３７から直接に室内空間ＲＭに噴き出されてもよい。

ダクト３５には開閉板３８が設置される。この開閉板３８は、例えば第１位置と第２位置との間で相対変位する。開閉板３８が第１位置に位置決めされると、ダクト３５の排気口３６は開放される。その一方で、分岐ダクト３７の入口は閉鎖される。したがって、送風ファン３４から送り出される気流は排気口３６から外部に排出され、分岐ダクト３７に対して気流の流入は阻止される。開閉板３８が第２位置に位置決めされると、ダクト３５の排気口３６は閉鎖される。その一方で、分岐ダクト３７の入口は開放される。その結果、送風ファン３４から送り出される気流は分岐ダクト３７から室内熱交換器１９、すなわち、室内空間ＲＭに導かれる。

なお、室内熱交換器１９および送風ファン２２以外の構成要素はいずれも室内空間ＲＭの外側、すなわち、室外に設置されればよい。室内熱交換器１９および送風ファン２２以外の構成要素は、例えば、１つの室外機内に収容されてもよい。２次冷媒回路１３は建物の外側に設置されることが望まれる。

１次冷媒回路１２の第２循環経路１７には３つの圧力センサー４１、４２、４３が取り付けられる。圧力センサー４１は室外熱交換器１８の第２口１８ｂ側に配置される。圧力センサー４１は室外熱交換器１８の圧力を検出する。圧力センサー４１は圧力情報信号を出力する。この圧力情報信号では検出された圧力値が特定される。同様に、圧力センサー４２は室内熱交換器１９の第１口１９ａ側に配置される。圧力センサー４２は室内熱交換器１９の圧力を検出する。圧力センサー４２は圧力情報信号を出力する。この圧力情報信号では検出された圧力値が特定される。圧力センサー４３は冷媒−冷媒熱交換器２４の第１口２６ａ側に配置される。圧力センサー４３は冷媒−冷媒熱交換器２４の圧力を検出する。すなわち、圧力センサー４３は第１膨張弁２３と第２膨張弁２５との間で冷媒の圧力を検出する。圧力センサー４３は圧力情報信号を出力する。この圧力情報信号では検出された圧力値が特定される。なお、圧力センサー４３は冷媒−冷媒熱交換器２４の第２口２６ｂ側に配置されてもよい。こうした圧力センサー４３は、第１口２６ａ側および第２口２６ｂ側のいずれか一方に取り付けられてもよく、第１口２６ａ側および第２口２６ｂ側の両方に取り付けられてもよい。

図２に示されるように、空気調和機１１は制御回路４５を備える。制御回路４５には四方弁１６、第１圧縮機１４、第２圧縮機３１、第１膨張弁２３、第２膨張弁２５、第３膨張弁３３、開閉板３８の駆動源４６、送風ファン２１、送風ファン３４および送風ファン２２が接続される。制御回路４５は四方弁１６、第１圧縮機１４、第２圧縮機３１、第１膨張弁２３、第２膨張弁２５、第３膨張弁３３、駆動源４６、送風ファン２１、送風ファン３４および送風ファン２２にそれぞれ制御信号を供給する。制御信号は、四方弁１６の動作や、第１圧縮機１４および第２圧縮機３１の動作周波数、第１膨張弁２３、第２膨張弁２５および第３膨張弁３３の開度、送風ファン２１、送風ファン２２および送風ファン３４の毎分回転数、駆動源４６の駆動量を制御するための信号である。四方弁１６は制御信号に応じて第１状態または第２状態に設定される。第１状態では四方弁１６で第１口１６ａは第４口１６ｄに接続されると同時に第２口１６ｂは第３口１６ｃに接続される。第２状態では四方弁１６で第１口１６ａは第３口１６ｃに接続されると同時に第２口１６ｂは第４口１６ｄに接続される。第１圧縮機１４および第２圧縮機３１は制御信号で特定される周波数で動作する。第１膨張弁２３、第２膨張弁２５および第３膨張弁３３は制御信号で特定される開度で冷媒の流通量を調整する。送風ファン２１、２２、３４では熱交換量に応じて制御信号により回転数が制御される。駆動源４６は制御信号で特定される駆動量に従って第１位置および第２位置の間で開閉板３８を駆動する。

制御回路４５には圧力センサー４１、４２、４３、第１開度センサー４７、第２開度センサー４８および第３開度センサー４９が接続される。第１開度センサー４７は第１膨張弁２３の開度を測定する。第２開度センサー４８は第２膨張弁２５の開度を測定する。第３開度センサー４９は第３膨張弁３３の開度を測定する。第１開度センサー４７、第２開度センサー４８および第３開度センサー４９はそれぞれ開度情報信号を制御回路４５に供給する。個々の開度情報信号では、第１開度センサー４７、第２開度センサー４８および第３開度センサー４９で測定された開度が特定される。制御回路４５は、開度情報信号で特定される膨張弁の開度と、この制御時点で目標とする圧力に相当する膨張弁開度とのずれを補正する。制御回路４５には圧力センサー４１、４２、４３から圧力情報信号が供給される。

次に空気調和機１１の動作を簡単に説明する。冷房運転が設定されると、制御回路４５は四方弁１６に制御信号を供給する。図３に示されるように、四方弁１６は第１状態に設定される。制御回路４５は駆動源４６に制御信号を供給する。開閉板３８は第１位置に位置決めされる。排気口３６は開放される。制御回路４５は第１膨張弁２３および第２膨張弁２５の開度を検出する。第１膨張弁２３の開度が閾値よりも大きいか否かが判定される。第１膨張弁２３の開度が閾値よりも大きければ、制御回路４５は閾値の開度まで第１膨張弁２３の開度を絞る。開度の調整にあたって第１膨張弁２３には制御回路４５から制御信号が供給される。閾値は予め設定される。

続いて制御回路４５は第１圧縮機１４を動作させる。動作にあたって第１圧縮機１４には制御回路４５から制御信号が供給される。第１圧縮機１４から高温高圧のガス冷媒が吐出される。第１冷媒、すなわち、ＣＯ２は１次冷媒回路１２内を循環する。第１冷媒は、四方弁１６の第３口１６ｃから第４口１６ｄまで第２循環経路１７を流通し、四方弁１６の第１口１６ａから第１圧縮機１４の吸込口１４ａに戻される。このとき、制御回路４５は、第２膨張弁２５を全開した後に、第１膨張弁２３の開度を設定する。第１膨張弁２３および第２膨張弁２５には制御回路４５から制御信号が供給される。室内熱交換器１９つまり蒸発器における蒸発圧力が設定温度と室温との差に応じて設定される目標の蒸発圧力より高めになるように第１膨張弁２３の開度は設定される。

同様に、制御回路４５は第２圧縮機３１を動作させる。動作にあたって第２圧縮機３１には制御回路４５から制御信号が供給される。第２圧縮機３１から高温高圧のガス冷媒が吐出される。第２冷媒は２次冷媒回路１３の第３循環経路２８を循環する。ガス状態の第２冷媒は空気熱交換器３２で凝縮される。凝縮された第２冷媒は第３膨張弁３３で減圧される。減圧された第２冷媒は冷媒−冷媒熱交換器２４に供給される。冷媒−冷媒熱交換器２４で第２流通路２７内の第２冷媒は第１流通路２６内の第１冷媒から吸熱して蒸発する。蒸発した第２冷媒は第２圧縮機３１に戻される。

制御回路４５は、目標とすべき蒸発圧力になるように第２膨張弁２５の開度を調整する。蒸発圧力は室内熱交換器１９の第１口１９ａ側に設けられた圧力センサー４２で検出される。こうして室内熱交換器１９は目標とすべき蒸発圧力を得る。ここでは、第１膨張弁２３の制御が第２膨張弁２５の制御に対して先行することから、冷媒−冷媒熱交換器２４の第１流通路２６に高圧の冷媒が流れ込むことが防止される。この制御に加えて、制御回路４５は、室外熱交換器１８の第２口１８ｂ側に備えた圧力センサー４１で放熱器の圧力も検出し、圧力センサー４１、４２の圧力から冷媒−冷媒熱交換器２４の第１流通路２６の中間圧力を演算する。この中間圧力に圧力センサー４３で検出された値が合致するように第１膨張弁２３の開度と第２膨張弁２５の開度とは制御されるとよい。

１次冷媒回路１２では第１圧縮機１４から高温高圧の第１冷媒が室外熱交換器１８に供給される。第１冷媒は室外熱交換器１８、第１膨張弁２３、冷媒−冷媒熱交換器２４、第２膨張弁２５および室内熱交換器１９を順番に流通する。このとき、図４に示されるように、第１圧縮機１４と第１膨張弁２３との間で第１冷媒は高圧ｐｄに保持される。室外熱交換器１８では一定圧で第１冷媒の熱エネルギーが外気に放出される。続いて第１膨張弁２３と第２膨張弁２５との間では第１冷媒は中間圧力ｐｍに保持される。冷媒−冷媒熱交換器２４では一定圧で第１冷媒の熱エネルギーが第２冷媒に受け渡される。その結果、第２膨張弁２５の入口で冷媒のエンタルピーは減少し、室内熱交換器１９において大きなエンタルピー差（冷凍効果）が確保される。その後、第２膨張弁２５で第１冷媒は低圧ｐｓまで減圧される。減圧された第１冷媒は室内熱交換器１９で周囲の空気から吸熱する。冷気が生成される。冷気は送風ファン２２の働きで室内空間ＲＭに流される。

次に、暖房運転が設定されると、制御回路４５は四方弁１６に制御信号を供給する。このとき、図５に示されるように、四方弁１６は第２状態に設定される。制御回路４５は駆動源４６に制御信号を供給する。開閉板３８は第２位置に位置決めされる。排気口３６は閉鎖される。制御回路４５は第１膨張弁２３および第２膨張弁２５の開度を検出する。第２膨張弁２５の開度が閾値よりも大きいか否かが判定される。第２膨張弁２５の開度が閾値よりも大きければ、制御回路４５は閾値の開度まで第２膨張弁２５の開度を絞る。開度の調整にあたって第２膨張弁２５には制御回路４５から制御信号が供給される。閾値は前述と同様に設定されればよい。

続いて制御回路４５は第１圧縮機１４を動作させる。動作にあたって第１圧縮機１４には制御回路４５から制御信号が供給される。第１圧縮機１４から高温高圧のガス冷媒が吐出される。第１冷媒、すなわち、ＣＯ２は１次冷媒回路１２内を循環する。第１冷媒は、四方弁１６の第４口１６ｄから第３口１６ｃまで第２循環経路１７を流通し、四方弁１６の第１口１６ａから第１圧縮機１４の吸込口１４ａに戻される。このとき、制御回路４５は、第１膨張弁２３を全開した後に、第２膨張弁２５の開度を設定する。第１膨張弁２３および第２膨張弁２５には制御回路４５から制御信号が供給される。室外熱交換器１８つまり蒸発器における蒸発圧力が外気温度との差に応じて設定される目標の蒸発圧力より高めになるように第２膨張弁２５の開度は設定される。

制御回路４５は、目標とすべき蒸発圧力になるように第１膨張弁２３の開度を調整する。蒸発圧力は室外熱交換器１８の第２口１８ｂ側に設けられた圧力センサー４１で検出される。こうして室外熱交換器１８は目標とすべき蒸発圧力を得る。ここでは、第２膨張弁２５の制御が第１膨張弁２３の制御に対して先行することから、冷媒−冷媒熱交換器２４の第１流通路２６に高圧の冷媒が流れ込むことが防止される。この制御に加えて、制御回路４５は、室内熱交換器１９の第１口１９a側に備えた圧力センサー４２で放熱器の圧力も検出し、圧力センサー４１、４２の圧力から冷媒−冷媒熱交換器２４の第１流通路２６の中間圧力を演算する。この中間圧力に圧力センサー４３で検出される値が合致するように第１膨張弁２３の開度と第２膨張弁２５の開度とは制御されるとよい。

１次冷媒回路１２では第１圧縮機１４から高温高圧の第１冷媒が室内熱交換器１９に供給される。第１冷媒は室内熱交換器１９、第２膨張弁２５、冷媒−冷媒熱交換器２４、第１膨張弁２３および室外熱交換器１８を順番に流通する。このとき、図４に示されるように、第１圧縮機１４と第２膨張弁２５との間で第１冷媒は高圧ｐｄに保持される。続いて第２膨張弁２５と第１膨張弁２３との間では第１冷媒は中間圧力ｐｍに保持される。冷媒−冷媒熱交換器２４では一定圧で第１冷媒の熱エネルギーが第２冷媒に受け渡される。その結果、第１膨張弁２３入口のエンタルピーが減少し、室外熱交換器１８において大きなエンタルピー差（冷凍効果）が確保される。その後、第１膨張弁２３で第１冷媒は低圧ｐｓまで減圧される。減圧された第１冷媒は室外熱交換器１８で周囲の空気から吸熱する。その後、第１冷媒は第１圧縮機１４に戻される。

図６に示されるように、２次冷媒回路１３や冷媒−冷媒熱交換器２４の追加に代えて、圧縮機の吸入側と膨張弁の手前との間に内部熱交換器が組み込まれる場合には、点線で示されるように、蒸発器として働く熱交換器でエンタルピー差（冷凍効果）は増大することができる。しかしながら、この場合には、内部熱交換器の働きで圧縮機の吸入側では過熱度が高まることから、圧縮機の吐出温度が過度に高温まで上昇してしまう。

本実施形態に係る空気調和機１１では、暖房運転時には、室内熱交換器１９では一定圧で第１冷媒の熱エネルギーが室内へ放出される。室内熱交換器１９の周囲で空気には室内熱交換器１９から放出される熱エネルギーが受け渡される。送風ファン２２の働きで暖気は室内空間ＲＭに流される。同時に、空気熱交換器３２では第２冷媒の熱エネルギーが放出される。空気熱交換器３２の周囲で空気には空気熱交換器３２から放出される熱エネルギーが受け渡される。送風ファン３４および分岐ダクト３７の働きで暖気は室内空間ＲＭに供給される。その結果、暖房時の熱効率は高められることができる。

本発明者は空気調和機１１の成績係数（ＣＯＰ）を算出した。算出にあたって本発明者は［表１］の運転条件および動作点を設定した。冷暖房能力は１０馬力（＝約２８ｋＷ）に設定された。２次冷媒回路１３の冷媒にはＲ３２（ＨＦＣ−３２）が採用された。暖房運転時には２次冷媒回路１３の凝縮器すなわち空気熱交換器３２から熱回収分の熱が算出され、１次冷媒回路１２の放熱器すなわち室内熱交換器１９の熱に加算された。これにより２次冷媒回路１３で暖房能力全体の約１０％が確保された。

算出にあたって本発明者は第１比較例および第２比較例を設定した。第１比較例では単純な冷凍サイクル回路が用いられた。すなわち、１次冷媒回路１２に相当する空気調和機が設定された。しかも、この空気調和機では１次冷媒回路１２から第１膨張弁２３および冷媒−冷媒熱交換器２４が削除された。冷暖房能力は１０馬力（＝約２８ｋＷ）に設定された。算出にあたって本発明者は［表２］の運転条件を設定した。

第２比較例では冷凍サイクル装置内で一般的な内部熱交換器が採用された。冷暖房能力は１０馬力（＝約２８ｋＷ）に設定された。算出にあたって本発明者は［表３］の運転条件を設定した。

算出の結果、冷房運転時では、第１比較例に比べて第２比較例ではＣＯＰが１０％増大することが確認された。第１比較例に比べて空気調和機１１ではＣＯＰが１８．９％増大することが確認された。その一方で、暖房運転時では、第１比較例に比べて第２比較例ではＣＯＰが２．２％増大することが確認された。第１比較例に比べて空気調和機１１ではＣＯＰが５．０％増大することが確認された。

１１空気調和機、１２１次冷媒回路、１３２次冷媒回路、１４第１圧縮機、１７冷媒経路、１８第１熱交換器（室外熱交換器）、１９第２熱交換器（室内熱交換器）、２３第１膨張弁、２４第３熱交換器（冷媒−冷媒熱交換器）、２５第２膨張弁、３１第２圧縮機、３２第４熱交換器（空気熱交換器）、３３第３膨張弁、３５ダクト、３７ダクト（分岐ダクト）、３８開閉板、４５制御回路。

Claims

第１熱交換器および第２熱交換器の間で冷媒経路に順番に組み込まれる第１膨張弁、第３熱交換器および第２膨張弁を有し、第１圧縮機から選択的に前記第１熱交換器または前記第２熱交換器に高温高圧の第１冷媒が供給されると前記冷媒経路を通って前記第２熱交換器または前記第１熱交換器から前記第１冷媒を前記第１圧縮機に戻す１次冷媒回路と、
前記第３熱交換器に接続されて、第２圧縮機および第３膨張弁の間で第４熱交換器に高温高圧の第２冷媒を供給し、前記第３膨張弁で減圧された前記第２冷媒を前記第３熱交換器を通って前記第２圧縮機に戻す２次冷媒回路と、
暖房運転時に、前記第２熱交換器から放出される熱エネルギーを受ける暖気の環境に、前記第４熱交換器から放出される熱エネルギーを受ける暖気を送り込むダクトと
を備えることを特徴とする冷凍サイクル装置。
請求項１に記載の冷凍サイクル装置において、
前記ダクトを開閉する開閉板と、
前記開閉板の開閉を制御する制御回路と
をさらに備えることを特徴とする冷凍サイクル装置。
請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置において、
前記第３熱交換器に流入する前記第１冷媒の圧力値が、前記第１熱交換器における冷媒圧力値と前記第２熱交換器における冷媒圧力値との中間値になるように、前記第１膨張弁および前記第２膨張弁を制御する制御回路をさらに備えることを特徴とする冷凍サイクル装置。