JPH10220911A

JPH10220911A - 空気調和装置

Info

Publication number: JPH10220911A
Application number: JP9019233A
Authority: JP
Inventors: Koichi Yamaguchi; 山口　　広一; Masahito Hori; 将人堀
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1997-01-31
Filing date: 1997-01-31
Publication date: 1998-08-21

Abstract

(57)【要約】【課題】システム効率を低下させることなく室外熱交
換器の小型化および信頼性の向上，低コスト化した空気
調和装置を提供する。【解決手段】ランキンサイクル（第１サイクル）と冷
凍サイクル（第２サイクル）との作動媒体を同一とする
と共に、モリエル線図上におけるランキンサイクルの凝
縮圧力と冷凍サイクルの冷房時の凝縮圧力とを異なった
値とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、空気調和装置に係
り、特にランキンサイクルを用いて冷凍サイクルの圧縮
機を駆動する空気調和装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガス（蒸気）を用いて空調するシステム
（空気調和装置）として、ポンプ，冷媒加熱器，膨張
機，室外熱交換器等から構成するランキンサイクルによ
り冷凍サイクルの圧縮機を駆動するシステムがある。こ
の種の空気調和装置としては、作動媒体として２種の媒
体を使用する二流体式システム（図１７（Ａ）参照）
と、ランキンサイクル側と冷凍サイクル側で同一作動媒
体を用いると共に、ランキンサイクル側と冷凍サイクル
側の両者の室外熱交換器（凝縮器）を共用する一流体式
システム（図１７（Ｂ）および図１８（特開昭５７−２
６３６５号公報）参照）とがある。

【０００３】前述の二流体式システムは、ランキンサイ
クルと冷凍サイクルとでは別の作動媒体を用いているた
め、両作動媒体の混合や大気への漏れを防ぐ観点からマ
グネットカップリング等の特殊な継ぎ手を用いない限り
膨張機と圧縮機とを完全密閉化することが困難であり、
また、ランキンサイクル側の作動媒体としては、特殊な
媒体（例えば、Ｒ２３６ea）を用いることが多い。前記
マグネットカップリング等の特殊な継ぎ手は、膨張機お
よび圧縮機の大型化やコスト高を招来するのみならず効
率低下を招来し、また油，冷媒等も高価なものを用いな
ければならない欠点がある。

【０００４】この欠点を補うものとして、システムの簡
素化および密閉化が可能な室外熱交換器を共用した前述
の一流体システムが考えられる。ここで、図１８に示す
前記特開昭５７−２６３６５号公報に開示された一流体
システムの空気調和装置について簡単に説明する。

【０００５】１１３は室外熱交換器で、冷房時はランキ
ンサイクル及びヒートポンプサイクル（冷凍サイクル）
の凝縮器として作用し、暖房時はヒートポンプサイクル
の蒸発器として作用する。１１４は室内熱交換器で、冷
房時はヒートポンプサイクルの蒸発器として作用して室
内空気を冷却すると共に、暖房時はランキンサイクル及
びヒートポンプサイクルの凝縮器として作用して室内空
気を加熱する。１１５は作動流体液ポンプ、１１６は発
生器、１１７は膨張機であり、これらは適宜接続してラ
ンキンサイクルを形成する。

【０００６】１１８は膨張機１１７により駆動される圧
縮機であり、その吐出側は膨張機１１７の出口側と連結
された後、作動流体の流れを冷房時は図１８の実線の如
く、且つ暖房時は図１８の破線の如く切り替える四方弁
１１９に接続されている。この圧縮機１１８、四方弁１
１９、室内熱交換器１１４、室外熱交換器１１３、絞り
機構１２０によりヒートポンプサイクルを形成する。１
２１，１２２は冷暖に応じて冷媒の流れを制御する逆止
弁、１２３は発生器１１６を加熱する加熱源（バー
ナ）、１２４は室外熱交換器用送風機、１２５は室内熱
交換器用送風機である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、本願発
明者が前述の一流体システムの空気調和装置を開発する
間に、以下の不具合が判明した。室外熱交換器は、外気温度と凝縮温度（凝縮圧力）と
の差が大きくなるほど小さくなるが、圧縮機の必要動力
は、外気温度と凝縮温度との差が大きいほど大きくなる
ため、室外熱交換器の小型化が困難である。

【０００８】室外熱交換器内での作動媒体の混合によ
りランキンサイクルと冷凍サイクルは干渉し合うため、
ランキンサイクルの効率の悪化は、ランキンサイクルだ
けに止まらず冷凍サイクルの効率の悪化をも招き、シス
テムの効率を著しく低下させる。

【０００９】作動媒体は、一般には粘性の小さいＲ２
２等の冷媒であるため、ランキンサイクルに搭載される
ポンプを稼動させるには、或る程度過冷却した冷媒をポ
ンプへ吸い込ませる必要がある。冷媒の過冷却度は、外
気温度と凝縮温度の差が大きいほど大きくできるが、凝
縮温度を増加させると圧縮機の必要動力が増すため、過
冷却度を大きくできず、ポンプが作動不良を起こす。そ
こで、本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであ
り、その目的は、システム効率を低下させることなく室
外熱交換器の小型化および信頼性の向上，低コスト化し
た空気調和装置を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に請求項１記載の発明は、ランキンサイクルを用いて、
冷凍サイクルの圧縮機を駆動する空気調和装置におい
て、前記ランキンサイクルと前記冷凍サイクルとの作動
媒体を同一とすると共に、モリエル線図上における前記
ランキンサイクルの凝縮圧力と前記冷凍サイクルの冷房
時の凝縮圧力とを異なった値としたことを特徴とする。
また、請求項２記載の発明は、ポンプ，冷媒加熱器，膨
張機，第１室外熱交換器を順次接続した第１サイクル
と、圧縮機，第２室外熱交換器，膨張弁，室内熱交換器
を順次接続した第２サイクルとを備え、前記第１サイク
ルの膨張機により第２サイクルの圧縮機を駆動して冷房
を行う空気調和装置において、前記第１サイクルと前記
第２サイクルとの作動媒体を同一とすると共に、モリエ
ル線図上における前記ランキンサイクルの凝縮圧力と前
記冷凍サイクルの冷房時の凝縮圧力とを異なった値とし
たことを特徴とする。

【００１１】請求項１および請求項２記載の発明によれ
ば、冷凍サイクル（第２サイクル）とランキンサイクル
（第１サイクル）の冷媒（媒体）を同一作動媒体を用い
ているので、ランキンサイクルの膨張機により冷凍サイ
クルの圧縮機を駆動する機構では共通軸を使用するが、
該共通軸の軸シール部から冷媒が移動してもシステムの
故障が起きず、簡易なシールを用いることが可能であ
る。

【００１２】また、冷房時、ランキンサイクル（第１サ
イクル）と冷凍サイクル（第２サイクル）とが独立した
凝縮温度を有するので（図２参照（Ａ））、ランキンサ
イクル側の凝縮温度を最適に設定することができる。こ
のようにすれば、ランキンサイクルの凝縮温度の高低
が、冷凍サイクルの圧縮機の必要動力に及ぼす影響が少
なくなり、ランキンサイクル側の凝縮温度を冷凍サイク
ルの凝縮温度より高くして室外熱交換器を小型化して
も、システム効率の低下がない。

【００１３】これに対して前記特開昭５７−２６３６５
号公報のモリエル線図は、図２（Ｂ）に示すように、第
１サイクル（ランキンサイクル）の凝縮温度は第２サイ
クル（冷凍サイクル）の凝縮温度と等しくなっている。
このようなモリエル線図においては、ランキンサイクル
の凝縮温度の高低が、冷凍サイクルの凝縮温度の高低と
一致するので、冷凍サイクルの圧縮機の必要動力に及ぼ
す影響が多くなる。

【００１４】また、両サイクル間での直接的な干渉が発
生せず、ランキンサイクルの効率低下によるシステム全
体の効率低下もない。更に、ランキンサイクル側の凝縮
温度と放熱源温度との差を大きくすることが可能とな
り、ポンプ入口の冷媒の過冷却度を大きくすることがで
き、ポンプの運転不具合を減少させることができる。

【００１５】また、請求項３記載の発明は、前記ランキ
ンサイクル（第１サイクル）と前記冷凍サイクル（第２
サイクル）との凝縮時の放熱源として、異種の放熱源を
使用することを特徴とする。請求項３記載の発明によれ
ば、例えばランキンサイクル側の放熱源として水を使用
し、冷凍サイクル側の放熱源として外気を使用する。そ
して、熱交換された水を給湯等にも利用する。

【００１６】即ち、ランキンサイクルの凝縮温度を例え
ば６０℃以上に設定することによりサイクル排熱を給湯
に利用する。勿論、給湯利用しない水冷式のシステムも
可能であり、この場合には、ランキンサイクルの凝縮温
度を下げ膨張比を大きくすることにより作動媒体の循環
量を減少させ、室外熱交換器，冷媒加熱器，ポンプの小
型化を図ることが可能である。

【００１７】また、請求項４記載の発明は、前記異種の
放熱源は選択使用可能であることを特徴とする。請求項
４記載の発明によれば、異種の放熱源（例えば、水や外
気）を選択的に切り換え可能にしておく。

【００１８】このようにすれば、貯湯槽が小さい等の理
由によりサイクル廃熱全てを貯めることができない場合
や冷房と給湯が必要なシステムに適する。即ち、貯湯槽
の温度が低く水を熱源とした方が効率が良い場合は水を
熱源とし、貯湯槽の温度が高く外気を熱源とした方が効
率が良い場合は、外気を熱源とする。また、貯湯槽へ少
量ずつ貯湯していく場合には、熱源として外気と水を同
時使用するパターンもある。

【００１９】また、請求項５記載の発明は、前記第１サ
イクルと第２サイクルとの間で、作動媒体を移動するこ
とを特徴とする。また、請求項６記載の発明は、前記第
１サイクルと第２サイクルとの間で、オイルを移動する
ことを特徴とする。

【００２０】請求項５および請求項６記載の発明によれ
ば、安価な軸シール手段を用い膨張機と圧縮機間の軸シ
ール部からの作動媒体や潤滑用のオイルの移動量が無視
できないシステムに対応するものである。即ち、冷房需
要が無くなった場合等に、両サイクル間で作動媒体，オ
イルを移動可能な手段を稼動させることにより、両サイ
クル間の作動媒体およびオイル量を運転前の適性値に戻
すことができる。

【００２１】また、請求項７記載の発明は、暖房時、前
記第１サイクルを構成する冷媒加熱器からの冷媒ガス
を、前記第２サイクルを構成する室内熱交換器へ導くこ
とを特徴とする。本発明は、冷房のみならず暖房も可能
なサイクルに対応する。請求項７記載の発明によれば、
例えば、図１０（Ａ），（Ｂ）に示すように、冷媒加熱
器２の出口に膨張機３と室内熱交換器８ｆへ冷媒を導け
る切り換え弁３１，３２，３３を設置したものであり、
高温高圧の作動媒体を冷房時（図１０（Ａ））は膨張機
３へ、暖房時（図１０（Ｂ））は直接室内熱交換器８ｆ
へ流入させる。暖房時は、外気より熱を吸熱しないた
め、簡素なシステムでありながら外気温度に関係なく高
暖房が可能である。

【００２２】また、請求項８記載の発明は、暖房時、前
記第２サイクルを構成する圧縮機からの冷媒ガスを、第
２サイクルを構成する室内熱交換器へ導くことを特徴と
する。

【００２３】請求項８記載の発明によれば、例えば図１
１（Ａ），（Ｂ）に示すように、圧縮機５の出口に室内
熱交換器８ｇおよび室外熱交換器６ｇへ冷媒を流入させ
る切り換え弁（例えば四方弁）４１を設置することによ
り、作動媒体ガスを冷房時は室外熱交換器６ｇへ、暖房
時は室内熱交換器８ｇに導くものであり、暖房時には外
気より吸熱するために、外気温度が比較的高い場合にシ
ステム効率が高い。

【００２４】また、請求項９記載の発明は、暖房時、前
記第２サイクルを構成する圧縮機の吐き出しガスと、前
記第１サイクルを構成する膨張機の吐き出しガスとの合
流ガスを、第２サイクルを構成する室内熱交換器へ導く
ことを特徴とする。

【００２５】請求項９記載の発明によれば、例えば、図
１２（Ａ），（Ｂ）に示すように、暖房時（図１２
（Ｂ））に膨張機３の出口ガスと圧縮機５の出口ガスと
を合流させ室内熱交換器８ｈに導き、熱源として冷媒加
熱器２（燃焼ガスもしくはガスにより暖められた空気）
と外気（室外熱交換器４ｈによる）の両方を使用するも
のであり、高効率であり、しかも外気温度が低下しても
高暖房することが可能である。

【００２６】また、請求項１０記載の発明は、前記第１
室外熱交換器と第２室外熱交換器とを伝熱的に互いに疎
な状態で同一筐体に収納したことを特徴とする。請求項
１０記載の発明によれば、第１，第２サイクルの凝縮温
度が大きく異なる（例えば，１０℃以上）場合に適する
もので、例えば、図１３，図１４に示すように、室外熱
交換器における配管を互いに伝熱的に疎な配置（勿論、
両サイクルで配管は独立している）にすることにより、
両サイクルの室外熱交換器間での熱伝導等による干渉を
減少させることができる。

【００２７】また、請求項１１記載の発明は、前記第１
室外熱交換器と第２室外熱交換器とを少なくとも一部が
伝熱的に互いに密な状態で同一筐体に収納したことを特
徴とする。請求項１１の発明は、暖房時の熱源として外
気を用いるシステムに適するもので。両サイクルの配管
の一部を伝熱的に密に配置することにより、ランキンサ
イクル側の放熱量の一部を熱伝導により冷凍サイクル側
へ伝え、室外機の除霜までの時間が長くなり、暖房効
率、快適性を向上させることができる。

【００２８】また、請求項１２記載の発明は、前記第１
サイクルの室外熱交換器と第２サイクルの室外熱交換器
とがそれぞれ独立した室外ファンを備えたことを特徴と
する。

【００２９】請求項１２記載の発明は、冷房能力が大き
いシステムに適するものであり、室外ユニットの小型化
が可能となる。また、室外ファンの回転数を制御するこ
とにより、両サイクルの凝縮温度の高低を逆転させ、作
動媒体をもとのサイクルへと回収させることが可能とな
る。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図示の実施形態例
に基づいて説明する。ここに、以下の各実施形態例にお
いて使用する冷媒は、第１，第２サイクルともに同一符
号を付し、冷媒である。各実施形態例で使用する冷媒と
しては、Ｒ１３４ａ等が好適である。

【００３１】（１）第１実施形態例（請求項１，２に対
応）図１は本実施形態例のブロック図である。図１に示すよ
うに、空気調和装置Ｋ1 は、ポンプ１と冷媒加熱器２と
膨張機３と室外熱交換器（第１室外熱交換器）４等から
なる第１サイクル（ランキンサイクル）と、圧縮機５と
室外熱交換器（第２室外熱交換器）６と膨張弁７と室内
熱交換器８等からなる第２サイクル（冷凍サイクル）と
から構成されている。

【００３２】室外熱交換器４と室外熱交換器６とは一体
構成であるが、第１，第２サイクルの冷媒が混合しない
ように、その配管は互いに独立している。また、圧縮機
５と膨張機３とは、膨張機３が圧縮機５を駆動できるよ
うにその軸同士が連結されている他、圧縮機５と膨張機
３の間の軸シールは安価なメカニカルシールを用いて行
われている。

【００３３】係る構成において、第１サイクルにおいて
は、ポンプ１より冷媒加熱器２へと送られた冷媒は、蒸
発しガス冷媒となって膨張機３へと流入する。膨張機３
へ流入したガス冷媒は、膨張しながら仕事を発生させ圧
縮機５を駆動する。膨張機３より流出した冷媒は、室外
熱交換器４にて凝縮した後、再びポンプ１へ吸い込まれ
る。

【００３４】一方、第２サイクルにおいては、圧縮機５
にて吐き出されたガス冷媒は、室外熱交換器６にて凝縮
した後、膨張弁７にて低温低圧の冷媒に変換され、室内
熱交換器８で蒸発し再び圧縮機５へ吸い込まれる。以上
の動作を繰り返す空気調和装置Ｋ1 が長時間稼動してい
ると、圧縮機５と膨張機３間の軸シールから冷媒やオイ
ルの微少量の移動が起こるものの、同一冷媒であるため
問題はない。

【００３５】図２（Ａ）は空気調和装置Ｋ1 の作動時の
モリエル線図である。第１サイクル（ランキンサイク
ル）の凝縮温度は第２サイクル（冷凍サイクル）の凝縮
温度より高く設定されている。図２（Ｂ）は前記特開昭
５７−２６３６５号公報に開示された従来例のモリエル
線図である。

【００３６】（２）第２実施形態例（請求項３に対応）図３（Ａ）は本実施形態例の空気調和装置Ｋ21のブロッ
ク図であり、図３（Ｂ）は本実施形態例の変形例の空気
調和装置Ｋ22のブロック図である。図３（Ａ）に示すよ
うに、空気調和装置Ｋ21は、ポンプ１と冷媒加熱器２と
膨張機３と次に説明する室外熱交換器４ｂ等からなる第
１サイクル（ランキンサイクル）と、圧縮機５と次に説
明する室外熱交換器６ｂと膨張弁７と室内熱交換器８等
からなる第２サイクル（冷凍サイクル）とから構成され
ている。

【００３７】室外熱交換器４ｂは二重管式やプレート式
等の水冷式熱交換器であり、室外熱交換器６ｂはフィン
ドチューブ型等の空冷式熱交換器である。水冷式室外熱
交換器４ｂは、第１サイクルの排熱を蓄えられるように
ポンプ１２ｂを介して貯湯槽９ｂと連結されている。ま
た、圧縮機５と膨張機３は軸シールとしてメカニカルシ
ールを用いてその軸同士が連結されている。

【００３８】係る構成において、ポンプ１より冷媒加熱
器２へと送られた冷媒は、蒸発しガス冷媒となって膨張
機３へと流入する。膨張機３へ流入したガス冷媒は、膨
張しながら仕事を発生させ圧縮機５を駆動する。膨張機
３より流出した冷媒は、室外熱交換器４ｂにて水と熱交
換し凝縮した後、再びポンプ１へ吸い込まれる。

【００３９】一方、水冷式室外熱交換器４ｂにおいて熱
交換された水は、貯湯槽９ｂへと蓄えられる。排熱によ
り貯湯槽９ｂへ蓄えられる水の温度は、凝縮温度により
決まる。そこで、凝縮温度が８０℃以下の場合には、図
３（Ａ）に示すように、貯湯槽９ｂに加熱用のヒータ１
０ｂを設け、深夜電力を利用して加熱する。また、図３
（Ｂ）に示す空気調和装置Ｋ22のように、第１サイクル
に膨張機３に対するバイパス管１１ｂを設けることによ
り、ヒータを設けることなく貯湯槽９ｂに８０℃前後の
お湯を貯めることができる。

【００４０】（３）第３実施形態例（請求項４に対応）図４は本実施形態例のブロック図である。図４の空気調
和装置Ｋ3 は、ポンプ１と冷媒加熱器２と膨張機３と空
冷式室外熱交換器４ｃと水冷式室外熱交換器１６ｃ等か
らなる第１サイクル（ランキンサイクル）と、圧縮機５
と空冷式室外熱交換器６ｃと水冷式室外熱交換器１７ｃ
と膨張弁７と室内熱交換器８ｃ等からなる第２サイクル
（冷凍サイクル）とから構成されている。

【００４１】空冷式室外熱交換器４ｃと空冷式室外熱交
換器６ｃは一体構成であるが（ファン１８ｃは１台構
成）、各サイクルの冷媒が混合しないように、その配管
は互いに独立している。圧縮機５と膨張機３はその軸同
士が連結されている他、圧縮機５と膨張機３との間の軸
シールはメカニカルシールを用いて行われている。ま
た、水冷式室外熱交換器１６ｃと水冷式室外熱交換器１
７ｃは、貯湯槽９ｃに水ポンプ１２ｂと切り換え弁１３
ｃ，１４ｃを介して連結されている。

【００４２】係る構成において、ポンプ１より冷媒加熱
器２へと送られた冷媒は、蒸発しガス冷媒となって膨張
機３へと流入する。膨張機３へ流入したガス冷媒は、膨
張しながら仕事を発生させ圧縮機５を駆動する。膨張機
３より流出した冷媒は、空冷式室外熱交換器４ｃと水冷
式室外熱交換器１６ｃにて凝縮し、再びポンプ１へと吸
い込まれる。

【００４３】この場合、室外熱交換器４ｃ，６ｃのファ
ン１８ｃの発停（オン・オフ）は、貯湯槽９ｃに貯えら
れた水の温度に基づいて行われる。水温が第１の設定値
（例えば、４５℃）より低い場合には、室外ファン１８
ｃを停止させて水冷式室外熱交換器１６ｃにて凝縮させ
る。これにより、貯湯槽９ｃへ供給する水温が上昇す
る。

【００４４】逆に、水温が第１の設定値（例えば、４５
℃）より大きい場合には、ポンプ１２ｂを稼動したまま
室外ファン１８ｃを稼動し、切り換え弁１３ｃのみを閉
とし、更に水温が第２の設定値（例えば、６５℃）より
大きくなった場合には、ポンプ１２ｂを停止し、室外フ
ァン１８ｃを稼動させ、空冷式室外熱交換器４ｃ，６ｃ
にて凝縮させる。更に、貯湯槽９ｃの水温を上昇させた
い場合は、バイパス回路１１ｃを利用して、冷媒加熱器
２にて直接加熱する。

【００４５】一方、圧縮機５にて吐き出されたガス冷媒
も、室外熱交換器６ｃ，１７ｃにて凝縮した後、膨張弁
７にて低温低圧の冷媒に変換され、室内熱交換器８ｃで
蒸発し再び圧縮機５へ吸い込まれると共に、水は、貯湯
槽９ｃ→水冷式室外熱交換器１７ｃ→水冷式室外熱交換
器１６ｃの順に流れることにより、サイクルの排熱を回
収する。

【００４６】（４）第４実施形態例（請求項５）図５は本実施形態例のブロック図である。図５に示すよ
うに、空気調和装置Ｋ41は、ポンプ１と冷媒加熱器２と
膨張機３と室外熱交換器４ｄと電磁弁２２ｄ等からなる
第１サイクル（ランキンサイクル）と、圧縮機５と室外
熱交換器６ｄとレシーバ２３ｄと膨張弁７と室内熱交換
器８ｃ等からなる第２サイクル（冷凍サイクル）とから
構成されている。

【００４７】室外熱交換器４ｄと室外熱交換器６ｄとは
一体構成であるが、各サイクルの冷媒が混合しないよう
に、その配管は互いに独立している。また、レシーバタ
ンク２３ｄは弁２１ｄを介して、ポンプ１と連結されて
いる。圧縮機５と膨張機３はその軸同士が連結されてい
る他、圧縮機５と膨張機３間の軸シールは安価なメカニ
カルシールを用いて行われている。係る構成において、
第１サイクルにおいては、ポンプ１より冷媒加熱器２へ
と送られた冷媒は、蒸発しガス冷媒となって膨張機３へ
と流入する。膨張機３へ流入したガス冷媒は、膨張しな
がら仕事を発生させ圧縮機５を駆動する。膨張機３より
流出した冷媒は、室外熱交換器４ｄにて凝縮した後、再
びポンプ１へ吸い込まれる。

【００４８】一方、第２サイクルにおいては、圧縮機５
にて吐き出されたガス冷媒は、室外熱交換器６ｄにて凝
縮した後、膨張弁７にて低温低圧の冷媒に変換され、室
内熱交換器８ｃで蒸発し再び圧縮機５へ吸い込まれる。
この動作過程において膨張機３と圧縮機５の軸シールよ
り、冷媒が第１サイクルから第２サイクルへと移動する
場合は、冷房需要が無い時に、弁２１ｄを開、弁２２ｄ
を閉、膨張弁７を閉にし、ポンプ１を稼動させることに
より第２サイクルから第１サイクルへ冷媒を戻す（第１
の制御例）。

【００４９】図６は別の制御例（第２の制御フローチャ
ート）である。第１サイクルと第２サイクル間の作動媒
体の移動量を第１サイクルのポンプ１の入り口部の過冷
却度で検知している。

【００５０】冷房運転中（ステップＳ１）、過冷却度Ｕ
Ｃが規定値Ａ以下になった場合には（ステップＳ２；Ｙ
ＥＳ）、システムは、冷房運転を停止し（ステップＳ
３）、冷媒量移動制御（ステップＳ４）を一定時間Ｂだ
け行った後（ステップＳ５；ＹＥＳ）、再び冷房運転を
行う（ステップＳ１）。

【００５１】図７は、一定作動時間ごとに、冷媒移動さ
せる場合の制御例（第３の制御フローチャート）であ
る。即ち、冷房運転中に（ステップＳ１１）、システム
稼動時間が規定値Ｃ以上になった場合には（ステップＳ
１２；ＹＥＳ）、システムは冷房運転を停止し（ステッ
プＳ１３）、冷媒移動手段を作動させる（ステップＳ１
４）。そして、一定時間Ｄだけこの制御を行った後（ス
テップＳ１５；ＹＥＳ）、再び冷房運転を行う（ステッ
プＳ１１）。以上に説明した図５〜図７は、いずれも冷
房運転を一時停止して冷媒移動を行う場合である。

【００５２】［変形例］これに対し図８は、システム稼
動中に冷媒移動制御が可能な変形例のブロック図であ
る。空気調和装置Ｋ42において、第１サイクル（ランキ
ンサイクル）は、ポンプ１と冷媒加熱器２と膨張機３と
室外熱交換器４ｋ等を備え、第２サイクル（冷凍サイク
ル）は圧縮機５と室外熱交換器６ｋと膨張弁７と室内熱
交換器８ｋ等を備えている。冷凍サイクルと、ランキン
サイクルのポンプ１の出口側とは、ポンプ１２ｋを介し
たバイパス管で連結されている。

【００５３】係る構成においては、システム稼動中ポン
プ１２ｋを稼動させることにより、冷凍サイクルの凝縮
液の一部をランキンサイクル側へ戻すことが可能とな
る。なお、ポンプ１２ｋは、時間、過冷却度等に基づき
発停が行われる。

【００５４】（５）第５実施形態例（請求項６）図９は本実施形態例のブロック図である。図９の空気調
和装置Ｋ5 は、ポンプ１と冷媒加熱器２と膨張機３と室
外熱交換器４ｅ等からなる第１サイクルと、圧縮機５と
室外熱交換器６ｅと膨張弁７と室内熱交換器８ｅ等から
なる第２サイクルとから構成されている。

【００５５】室外熱交換器４ｅと室外熱交換６ｅは一体
構成であるが、各サイクルの冷媒が混合しないように、
その配管は互いに独立している。また、圧縮機５と膨張
機３は、その軸同士が連結されている他、圧縮機５と膨
張機３間の軸シールはメカニカルシールを用いて行われ
ている。更に、膨張機３と圧縮機５は、弁２６を介して
連結されている。

【００５６】係る構成において、ポンプ１より冷媒加熱
器２へと送られた冷媒は、蒸発しガス冷媒となって膨張
機３へと流入する。膨張機３へ流入したガス冷媒は、膨
張しながら仕事を発生させ圧縮機５を駆動する。膨張機
３より流出した冷媒は、室外熱交換器４ｅにて凝縮した
後、再びポンプ１へ吸い込まれる。

【００５７】一方、第２サイクルにおいては、圧縮機５
にて吐き出されたガス冷媒は、室外熱交換器６ｅにて凝
縮した後、膨張弁７にて低温低圧の冷媒に変換され、室
内熱交換器８ｅで蒸発は再び圧縮機５へ吸い込まれる。
稼動中、軸シール部からオイルが両サイクル間で稼動す
る場合は、冷房需要がないときに、弁２６を一定時間開
き、膨張機３と圧縮機５間でオイル量をバランスさせ
る。

【００５８】（６）第６実施形態例（請求項７）図１０（Ａ），（Ｂ）に本実施形態例のブロック図を示
す。図１０（Ａ），（Ｂ）に示す空気調和装置Ｋ6 は、
ポンプ１と冷媒加熱器２と膨張機３と室外熱交換器４ｆ
等からなる第１サイクルと、圧縮機５と室外熱交換器６
ｆと膨張弁７と室内熱交換器８ｆ等からなる第２サイク
ルとから構成されている。

【００５９】室外熱交換器４ｆと室外熱交換器６ｆは、
一体構成であるが、各サイクルの冷媒が混合しないよう
に、その配管は互いに独立している。また、圧縮機５と
膨張機３は、その軸同士が連結されている他、圧縮機５
と膨張機３間の軸シールはメカニカルシールを用いて行
われている。更に、冷媒加熱器２の出口側には、流路切
り換え弁３１，３２，３３が設けられている。また、両
サイクル間は、膨張弁７と逆止弁３５に対しバイパス的
に配置された開閉弁３６を有する管路３７で連結されて
いる。

【００６０】係る構成において、冷房時は以下のように
動作する。即ち、図１０（Ａ）に示すように、ポンプ１
より冷媒加熱器２へと送られた冷媒は、蒸発しガス冷媒
となって、弁３１を通り膨張機３へと流入する。膨張機
３へ流入したガス冷媒は、膨張しながら仕事を発生さ
せ、圧縮機５を駆動する。膨張機３より流出した冷媒
は、室外熱交換器４ｆにて凝縮した後、逆止弁３５を経
て再びポンプ１へ吸い込まれる。

【００６１】一方、第２サイクルにおいては、圧縮機５
にて吐き出されたガス冷媒は、室外熱交換器６ｆにて凝
縮した後、膨張弁７にて低温低圧の冷媒に変換され、室
内熱交換器８ｆで蒸発し、弁３３を通って再び圧縮機５
へ吸い込まれる。

【００６２】次に暖房時の動作を説明する。図１０
（Ｂ）に示すように、ポンプ１により冷媒加熱器２に送
られた冷媒は、そこで蒸発してガスとなり切り換え弁３
２を通り、室内熱交換器８ｆにて凝縮する。凝縮した冷
媒は、切り換え弁３６を有するバイパス管路３７を通り
ポンプ１に戻る。暖房時の蒸発熱源は、燃焼ガスである
ため、外気温の低下による暖房能力の低下はない。

【００６３】（７）第７実施形態例（請求項８）図１１（Ａ），（Ｂ）は本実施形態例のブロック図を示
す。図１１（Ａ），（Ｂ）に示す空気調和装置Ｋ7 は、
ポンプ１と冷媒加熱器２と膨張機３と室外熱交換器４ｇ
等からなる第１サイクルと、圧縮機５と室外熱交換器６
ｇと膨張弁７と室内熱交換器８ｇと四方弁４１等からな
る第２サイクルとから構成されている。

【００６４】室外熱交換器４ｇと室外熱交換器６ｇは一
体構成であるが、各サイクルの冷媒が混合しないよう
に、その配管は互いに独立している。また、圧縮機５と
膨張機３は、その軸同士が連結されている他、圧縮機５
と膨張機３間の軸シールはメカニカルシールを用いて行
われている。

【００６５】先ず冷房時の動作を説明する。図１１
（Ａ）に示すように、ポンプ１より冷媒加熱器２へと送
られた冷媒は、蒸発しガス冷媒となって、膨張機３へと
流入する。膨張機３へ流入したガス冷媒は、膨張しなが
ら仕事を発生させ圧縮機５を駆動する。膨張機３より流
出した冷媒は、室外熱交換器４ｇにて凝縮した後、再び
ポンプ１へ吸い込まれる。

【００６６】一方、第２サイクルにおいては、圧縮機５
にて吐き出されたガス冷媒は、四方弁４１を通り室外熱
交換器６ｇにて凝縮した後、膨張弁７にて低温低圧の冷
媒に変換され、室内熱交換器８ｇで蒸発し再び圧縮機５
へ吸い込まれる。

【００６７】次に暖房時の動作を説明する。図１１
（Ｂ）に示すように、冷房時と同様に第１サイクルの膨
張機３により駆動された圧縮機５より吐き出された冷媒
は、四方弁４１を通って、室内熱交換器８ｇへ流入し、
そこで凝縮した後、膨張弁７を経て、室外熱交換器６ｇ
にて蒸発する。蒸発した冷媒は、四方弁４１を経て再び
圧縮機５へと吸い込まれる。

【００６８】この場合、外気温が比較的高い場合には暖
房性能が高くなることより、年平均的な長い期間におけ
る暖房時の効率が良くなる。

【００６９】（８）第８実施形態例（請求項９）図１２（Ａ），（Ｂ）は本実施形態例のブロック図であ
る。図１２（Ａ），（Ｂ）に示す空気調和装置Ｋ8 は、
ポンプ１と冷媒加熱器２と膨張機３と室外熱交換器４ｈ
等からなる第１サイクルと、圧縮機５と室外熱交換器６
ｈと膨張弁７と室内熱交換器８ｈと四方弁４１等からな
る第２サイクルとから構成されている。

【００７０】第１サイクルの膨張機３の出口と第２サイ
クルの圧縮機５の出口は、弁４２を介して連結されてい
る。また、室外熱交換器４ｈと室外熱交換器６ｈは、一
体構成であるが、各サイクルの冷媒が混合しないよう
に、その配管は互いに独立しており、圧縮機５と膨張機
３は、その軸同士が連結されている他、軸シールとして
はメカニカルシールが用いられている。

【００７１】冷房時の動作を説明する。図１２（Ａ）に
示すように、ポンプ１より冷媒加熱器２へと送られた冷
媒は、蒸発しガス冷媒となって、膨張機３へと流入す
る。膨張機３へ流入したガス冷媒は、膨張しながら仕事
を発生させ圧縮機５を駆動する。膨張機３より流出した
冷媒は、弁４３を経て、室外熱交換器４ｈにて凝縮した
後、再びポンプ１へ吸い込まれる。

【００７２】一方、第２サイクルにおいては、圧縮機５
にて吐き出されたガス冷媒は、四方弁４１を通り室外熱
交換器６ｈにて凝縮した後、膨張弁７にて低温低圧の冷
媒に変換され、室内熱交換器８ｈで蒸発し四方弁４１を
経て再び圧縮機５へ吸い込まれる。

【００７３】次に暖房時の動作を説明する。図１２
（Ｂ）に示すように、ポンプ１より冷媒加熱器２へと送
り出された冷媒は、蒸発して膨張機３へと流入し、膨張
機３を稼動させる。膨張機３より流出した冷媒は、弁４
２を通り、膨張機３により駆動されている圧縮機５の吐
き出しガスと合流する。合流した冷媒は、四方弁４１を
通って、室内熱交換器８ｈで凝縮した後、第１サイクル
と第２サイクルへと分流する。即ち、第２サイクルの方
は、膨張弁７を経て室外熱交換器６ｈへ流入し、四方弁
４１と圧縮機５へと流れる。

【００７４】一方、第１サイクルの方は、弁４５を有す
るバイパス回路４４を経てポンプ１へと吸い込まれ、再
び冷媒加熱器２へと送り込まれる。このように、暖房時
において、ランキンサイクル側の排熱を利用すると共
に、外気からの吸熱も行うために、外気温度に関係なく
高い暖房効率が得られる。

【００７５】（９）第９実施形態例（請求項１０）図１３は本実施形態例の第１サイクル（ランキンサイク
ル）と第２サイクル（冷凍サイクル）にそれぞれ使用す
る室外熱交換器の配管の配置関係を示す図であり、図１
４は室外熱交換器としてプレートフィンコイル（配管）
を使用した場合の斜視図である。プレートフィンコイル
のコイル（管）は例えば伝熱性の良好な銅製であり、フ
ィンはアルミニウム製である。

【００７６】図１３（Ａ），図１４（Ａ）は、第１サイ
クルの室外熱交換器の配管（プレートフィンコイル）４
Ａを上部に、第２サイクルの室外熱交換器の配管６Ａを
下部にまとめて構成されている。５１は送風を効率良く
行うための筐体である。図１３（Ｂ）は、更に配管４
Ａ，６Ａを上下に分離し、その隙間に熱伝導不良体（例
えば、プラスチック）が挿入されている。

【００７７】図１３（Ｃ），図１４（Ｂ）は、第１サイ
クルの室外熱交換配管の配管４Ｂを室外ファン５２に対
しほぼ直角に配置し、第２サイクルの室外熱交換配管の
配管６Ｂを平行に配置したものである。５１Ｂは送風を
効率良く行うための筐体である。図１３（Ｄ）は、第１
サイクルの室外熱交換配管の配管４Ｃを空気の流れに対
し下流側に、第２サイクルの室外熱交換配管の配管６Ｃ
を上流に配置したものである。５１Ｃは送風を効率良く
行うための筐体である図１３（Ｅ）は、室外ファン５２
に対し、第１，第２サイクルの室外熱交換配管の配管４
Ｄ，６Ｄを対向的に配置したものである。この配置では
両サイクルの室外熱交換配管の配管４Ｄ，６Ｄは伝熱的
に疎（熱が伝わり難い）に構成されているので、両サイ
クル間で熱干渉が起こらず、それぞれの凝縮温度を維持
し易くなる。５１Ｄは送風を効率良く行うための筐体で
ある（１０）第１０実施形態例（請求項１１）図１５（Ａ），（Ｂ）は本実施形態例を示す。システム
の構成は図１１，図１２と同じである。図１５（Ａ），
（Ｂ）では、第１サイクルの室外熱交換器配管の配管４
Ｅ，４Ｆ，４Ｇの一部が、第２サイクルの室外熱交換器
配管の配管６Ｅ，６Ｆと交互に配置されている。

【００７８】暖房時、第１サイクルの室外熱交換器配管
内の冷媒温度と第２サイクルの室外熱交換器配管内の冷
媒温度の差は、冷房時よりも大きいため、交互に配置さ
れている部分では、第１サイクルから第２サイクルへの
熱移動が起こり、第２サイクルの霜が付着するまでの時
間を延長させる。一方、第１サイクルでは、凝縮温度の
低下により、ランキンサイクル効率を向上させることが
できる。

【００７９】（１１）第１１実施形態例図１６（Ａ），（Ｂ）は本実施形態例のブロック図と室
外熱交換器配管の配置を示す図である。システム構成
（ブロック図）は、図５とほぼ同様であるが、室外熱交
換器の構成が異なっている。即ち、両サイクルの室外熱
交換器４ｊ，６ｊは、伝熱的に互いに疎に構成されてお
り、かつそれぞれ専用の室外ファン６２，６３を持って
いる。

【００８０】冷房運転時の動作は、図５の場合と同様で
あるため、冷媒移動制御についてのみ説明する。ポンプ
１の入り口の過冷却度が設定値以下になった場合には、
第２サイクル側の室外ファン６２の回転数を弱める。第
２サイクルの凝縮温度が第１サイクルの凝縮温度より高
くなった時に、膨張弁７を閉、弁６１を開とし、第２サ
イクルから第１サイクルへと冷媒を移動させる。

【００８１】また、ポンプ１の入り口の過冷却度が設定
値以上になった場合には、弁６１を閉、膨張弁７を開に
するとと共に、第２サイクルの室外ファン６２を元の回
転数に戻し、冷房運転を行う。

【００８２】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１，２記載
の発明は、室外熱交換器の小型化、ポンプ動作不良の防
止を図ると共に、システムの成績係数（ＣＯＰ）を向上
させることができる。請求項３記載の発明は、システム
の小型化、ＣＯＰ向上、排熱回収が可能である。

【００８３】請求項４記載の発明は、冷房給湯を可能に
する。請求項５，６記載の発明は、システムの信頼性を
向上させることができる。

【００８４】請求項７，８，９記載の発明は、効率およ
び快適性向上をたらすことができる。

【００８５】請求項１０記載の発明は、システムは効率
向上をもたらすことができる。請求項１１記載の発明
は、除霜性能改善をもたらすことができる。請求項１２
記載の発明は、信頼性、快適性をもたらすことができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態例のブロック図である。

【図２】（Ａ）は同第１実施形態例のモリエル線図、
（Ｂ）は従来例のモリエル線図である。

【図３】（Ａ）は同第２実施形態例のブロック図、
（Ｂ）は同第２実施形態例の変形例のブロック図であ
る。

【図４】同第３実施形態例のブロック図である。

【図５】同第４実施形態例のブロック図である。

【図６】同第４実施形態例の制御フローチャートの別の
例である。

【図７】同第４実施形態例の制御フローチャートの更に
別の例である。

【図８】同第４実施形態例の変形例のブロック図であ
る。

【図９】同第５実施形態例のブロック図である。

【図１０】同第６実施形態例のブロック図であり、
（Ａ）は冷房動作時、（Ｂ）は暖房動作時の説明図であ
る。

【図１１】同第７実施形態例のブロック図であり、
（Ａ）は冷房動作時、（Ｂ）は暖房動作時の説明図であ
る。

【図１２】同第８実施形態例のブロック図であり、
（Ａ）は冷房動作時、（Ｂ）は暖房動作時の説明図であ
る。

【図１３】同第９実施形態例における第１，第２サイク
ルの室外熱交換器の配管を示す概念図である。

【図１４】図１３における第１，第２サイクルの室外熱
交換器の代表例の斜視図である。

【図１５】同第１０実施形態例における第１，第２サイ
クルの室外熱交換器の配管の配置を示す概念図である。

【図１６】同第１１実施形態例のブロック図および第
１，第２サイクルの室外熱交換器の配管の配置を示す概
念図である。

【図１７】従来の空気調和装置の概念図であり、（Ａ）
は二流体システム、（Ｂ）は一流体システムである。

【図１８】従来例の空気調和装置のブロック図である。

【符号の説明】

１ポンプ２冷媒加熱器３膨張機４，４ｂ，４ｃ・・・室外熱交換器（第１室外熱交換
器）５圧縮機６，６ｂ，６ｃ・・・室外熱交換器（第２室外熱交換
器）７膨張弁８室内熱交換器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ランキンサイクルを用いて、冷凍サイク
ルの圧縮機を駆動する空気調和装置において、前記ランキンサイクル（第１サイクル）と前記冷凍サイ
クル（第２サイクル）との作動媒体を同一とすると共
に、モリエル線図上における前記ランキンサイクルの凝
縮圧力と前記冷凍サイクルの冷房時の凝縮圧力とを異な
った値としたことを特徴とする空気調和装置。
【請求項２】ポンプ，冷媒加熱器，膨張機，第１室外
熱交換器を順次接続した第１サイクルと、圧縮機，第２
室外熱交換器，膨張弁，室内熱交換器を順次接続した第
２サイクルとを備え、前記第１サイクルの膨張機により
第２サイクルの圧縮機を駆動して冷房を行う空気調和装
置において、前記第１サイクルと前記第２サイクルとの作動媒体を同
一とすると共に、モリエル線図上における前記ランキン
サイクルの凝縮圧力と前記冷凍サイクルの冷房時の凝縮
圧力とを異なった値としたことを特徴とする空気調和装
置。
【請求項３】前記ランキンサイクル（第１サイクル）
と前記冷凍サイクル（第２サイクル）との凝縮時の放熱
源として、異種の放熱源を使用することを特徴とする請
求項１または請求項２記載の空気調和装置。
【請求項４】前記異種の放熱源は選択使用可能である
ことを特徴とする請求項３記載の空気調和装置。
【請求項５】前記第１サイクルと第２サイクルとの間
で、作動媒体を移動することを特徴とする請求項１また
は請求項２記載の空気調和装置。
【請求項６】前記第１サイクルと第２サイクルとの間
で、オイルを移動することを特徴とする請求項１または
請求項２記載の空気調和装置。
【請求項７】暖房時、前記第１サイクルを構成する冷
媒加熱器からの冷媒ガスを、前記第２サイクルを構成す
る室内熱交換器へ導くことを特徴とする請求項１または
請求項２記載の空気調和装置。
【請求項８】暖房時、前記第２サイクルを構成する圧
縮機からの冷媒ガスを、第２サイクルを構成する室内熱
交換器へ導くことを特徴とする請求項１または請求項２
記載の空気調和装置。
【請求項９】暖房時、前記第２サイクルを構成する圧
縮機の吐き出しガスと、前記第１サイクルを構成する膨
張機の吐き出しガスとの合流ガスを、第２サイクルを構
成する室内熱交換器へ導くことを特徴とする請求項１ま
たは請求項２記載の空気調和装置。
【請求項１０】前記第１室外熱交換器と第２室外熱交
換器とを伝熱的に互いに疎な状態で同一筐体に収納した
ことを特徴とする請求項１または請求項２記載の空気調
和装置。
【請求項１１】前記第１室外熱交換器と第２室外熱交
換器とを少なくとも一部が伝熱的に互いに密な状態で同
一筐体に収納したことを特徴とする請求項１または請求
項２記載の空気調和装置。
【請求項１２】前記第１室外熱交換器と第２室外熱交
換器とがそれぞれ独立した室外ファンを備えたことを特
徴とする請求項１または請求項２記載の空気調和装置。