JP5895662B2 - 冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍装置に関する。

従来から、複数段圧縮冷凍サイクルを行う冷凍装置であって、インタークーラおよび内部熱交換器を備えるものが提案されている。例えば、特許文献１（特開２００９−２２９０５１号公報）に記載の冷凍装置では、二段圧縮式の圧縮機の低段側から吐出されて高段側に吸入される冷媒をインタークーラにて冷却し、冷房運転時の冷凍サイクルの効率を上げている。また、ガスクーラを出た高圧冷媒と、圧縮機に吸入される低圧のガス冷媒とを熱交換させる内部熱交換器での熱交換によって、冷房運転時の冷凍サイクルの効率を更に向上させている。

ところで、上記特許文献１に記載の冷凍装置では、暖房運転時には、ガスクーラおよびインタークーラを冷媒の蒸発器として機能させている。また、当該冷凍装置では、暖房運転時にも蒸発器であるガスクーラおよびインタークーラを出た全ての低圧冷媒と利用側熱交換器で放熱した高圧冷媒とを内部熱交換器において熱交換させている。しかし、暖房運転時に内部熱交換器において圧縮機に吸入される低圧冷媒を高圧冷媒と熱交換させると、圧縮機に吸入される低圧冷媒の温度が上昇し、圧縮機の圧縮仕事を増大させ冷凍サイクルの効率を低下させるという問題がある。

そこで、本発明の課題は、冷暖房切り替え可能な冷凍装置において、運転効率を向上させることにある。

本発明の第１観点に係る冷凍装置は、冷暖房切り替え可能な冷凍装置であって、複数段圧縮機構と、１つの熱源側メイン熱交換部と、少なくとも１つの熱源側サブ熱交換部と、利用側熱交換器と、膨張機構と、内部熱交換器と、吸入配管と、１つのメイン流路切換機構と、少なくとも１つのサブ流路切換機構とを備えている。複数段圧縮機構は、冷媒を圧縮し、少なくとも１つの低段圧縮機構と、１つの高段圧縮機構とからなる複数の圧縮機構を有し、複数の圧縮機構が直列に接続されている。熱源側メイン熱交換部は、冷房時に高圧の冷媒が放熱する放熱器として機能し、暖房時に低圧の冷媒が蒸発する蒸発器として機能する。熱源側サブ熱交換部は、冷房時に複数の圧縮機構の１つから吐出され次の段の圧縮機構に吸入される冷媒を冷却し、暖房時に蒸発器として機能する。利用側熱交換器は、冷房時に低圧の冷媒が蒸発する蒸発器として機能し、暖房時に高圧の冷媒が放熱する放熱器として機能する。膨張機構は、冷房時に熱源側メイン熱交換部から利用側熱交換器に送られる冷媒を減圧し、暖房時に利用側熱交換器から熱源側メイン熱交換部及び熱源側サブ熱交換部に送られる冷媒を減圧する。内部熱交換器は、冷房時に利用側熱交換器から複数段圧縮機構に送られる冷媒と、熱源側メイン熱交換部から膨張機構に送られる冷媒とを熱交換させ、暖房時に熱源側メイン熱交換部から複数段圧縮機構に送られる冷媒と、利用側熱交換器から膨張機構に送られる冷媒とを熱交換させる。吸入配管は、内部熱交換器の出口から複数段圧縮機構の吸入口に冷媒を送る。メイン流路切換機構は、複数段圧縮機構の高段圧縮機構から吐出された冷媒の流路を冷房時と暖房時とで切り換える。サブ流路切換機構は、複数段圧縮機構の１つの低段圧縮機構から吐出され次の段の圧縮機構に吸入される冷媒の流路を冷房時と暖房時とで切り換える。暖房時に熱源側メイン熱交換部と、熱源側サブ熱交換部とには、並列に冷媒が流れる。暖房時に熱源側サブ熱交換部から複数段圧縮機構に送られる冷媒は、内部熱交換器の出口より下流で熱源側メイン熱交換部から複数段圧縮機構に送られる冷媒と合流する。メイン流路切換機構は、冷房時には、高段圧縮機構から吐出された冷媒を熱源側メイン熱交換部に接続する流路へ流し、暖房時には、熱源側メイン熱交換部内を通過した冷媒を内部熱交換器に接続する流路へ流す。サブ流路切換機構は、冷房時には、低段圧縮機構から吐出された冷媒を熱源側サブ熱交換部に接続する流路へ流し、暖房時には、熱源側サブ熱交換部内を通過した冷媒を内部熱交換器の出口より下流で吸入配管に接続する流路へ流す。

この冷凍装置では、暖房時には、熱源側メイン熱交換部（冷房時のガスクーラ）および熱源側サブ熱交換部（冷房時のインタークーラ）を冷媒の蒸発器として用いる。暖房時には、熱源側メイン熱交換部から出た冷媒は内部熱交換器を通過するが、熱源側サブ熱交換部から出た冷媒は内部熱交換器の出口より下流で熱源側メイン熱交換部から複数段圧縮機構に送られる冷媒と合流する。つまり、暖房時には、低圧過熱ガス冷媒の一部が内部熱交換器をバイパスする。これにより、内部熱交換器における熱交換量を抑制することができる。また、内部熱交換器を通過する低圧ガス冷媒の流量を減らすことができるため、内部熱交換器における圧力損失を低減することができる。その結果、暖房時の無駄な圧縮仕事を削減し、暖房時の運転効率を向上させることができるとともに、内部熱交換器およびインタークーラにより冷房時の運転効率および冷房性能を向上させることができる。

したがって、冷暖房切り替え可能な冷凍装置において、運転効率を向上させることができる。

また、この冷凍装置では、熱源側サブ熱交換部に通じるサブ流路切換機構は、暖房時に熱源側サブ熱交換部を出た冷媒を内部熱交換器の出口より下流で吸入配管に接続する流路へ流す。これにより、機能部品を新たに追加せずに、内部熱交換器における熱交換量を抑制することができる。

本発明の第２観点に係る冷凍装置は、第１観点に係る冷凍装置であって、２つ以上の熱源側サブ熱交換部を備える。複数段圧縮機構は、低段圧縮機構を２つ以上有する。

この冷凍装置では、３段以上の多段圧縮サイクルを用いることにより冷房時の運転効率および冷房性能を向上させる。一方、３段以上の多段圧縮サイクルを用いることにより暖房時に熱源側サブ熱交換部への冷媒流量割合が増加するため、内部熱交換器における熱交換量をより効果的に抑制する。その結果、冷房時の運転効率および冷房性能を向上させるとともに、暖房時の運転効率の向上が可能となる。

本発明の第３観点に係る冷凍装置は、第１観点または第２観点に係る冷凍装置であって、３つ以上の熱源側サブ熱交換部を備える。複数段圧縮機構は、低段圧縮機構を３つ以上有する。

この冷凍装置では、４段以上の多段圧縮サイクルを用いることにより冷房時の運転効率および冷房性能を向上させる。一方、４段以上の多段圧縮サイクルを用いることにより暖房時に熱源側サブ熱交換部への冷媒流量割合が増加するため、内部熱交換器における熱交換量をより効果的に抑制する。その結果、冷房時の運転効率および冷房性能を向上させるとともに、暖房時の運転効率の向上が可能となる。

本発明の第１観点に係る冷凍装置では、冷暖房切り替え可能な冷凍装置において、運転効率を向上させることができる。

本発明の第１観点に係る冷凍装置では、機能部品を新たに追加せずに、内部熱交換器における熱交換量を抑制することができる。

本発明の第２観点に係る冷凍装置では、３段以上の多段圧縮サイクルを用いることにより暖房時に熱源側サブ熱交換部への冷媒流量割合が増加するため、内部熱交換器における熱交換量をより効果的に抑制する。

本発明の第３観点に係る冷凍装置では、４段以上の多段圧縮サイクルを用いることにより暖房時に熱源側サブ熱交換部への冷媒流量割合が増加するため、内部熱交換器における熱交換量をより効果的に抑制する。

本発明の一実施形態に係る空気調和装置の冷房運転時の概略構成図である。 図１の冷房運転時の冷凍サイクルの圧力−エンタルピ線図である。 空気調和装置の暖房運転時の概略構成図である。 図３の暖房運転時の冷凍サイクルの圧力−エンタルピ線図である。

本発明の一実施形態に係る冷凍装置である空気調和装置１０について、以下、図面を参照しながら説明する。

（１）空気調和装置の構成
図１および図３は、空気調和装置１０の概略構成図である。空気調和装置１０は、超臨界状態の二酸化炭素冷媒を使用して四段圧縮冷凍サイクルを行う冷凍装置である。空気調和装置１０は、熱源ユニットである室外ユニット１１と、利用ユニットである複数の室内ユニット１２とが、連絡冷媒配管１３，１４によって結ばれた装置であり、冷房運転サイクルと暖房運転サイクルとが切り替わる冷媒回路を有する。図１は、冷房運転時において冷媒回路を循環する冷媒の流れを表している。図３は、暖房運転時において冷媒回路を循環する冷媒の流れを表している。図１および図３において、冷媒回路の配管に沿って示す矢印が、冷媒の流れを表している。

空気調和装置１０の冷媒回路は、主として、四段圧縮機２０、第１〜第４切換機構３１〜３４、室外熱交換器４０、第１〜第４室外電動弁５１〜５４、ブリッジ回路５５、エコノマイザ熱交換器６１、内部熱交換器６２、膨張機構７０、レシーバ８０、過冷却熱交換器９０、室内熱交換器１２ａ、室内電動弁１２ｂおよび制御部（図示せず）から成る。室外熱交換器４０は、並列に配置された、第１熱交換器４１、第２熱交換器４２、第３熱交換器４３および第４熱交換器４４から成る。

以下、冷媒回路の各構成要素を詳細に説明する。

（１−１）四段圧縮機
四段圧縮機２０は、密閉容器内に、第１圧縮部２１、第２圧縮部２２、第３圧縮部２３、第４圧縮部２４および圧縮機駆動モータ（図示せず）が収容された、密閉式の圧縮機である。圧縮機駆動モータは、駆動軸を介して、４つの圧縮部２１〜２４を駆動する。すなわち、四段圧縮機２０は、４つの圧縮部２１〜２４が単一の駆動軸に連結された一軸四段の圧縮構造を有している。四段圧縮機２０では、第１圧縮部２１、第２圧縮部２２、第３圧縮部２３および第４圧縮部２４が、この順番で直列に配管接続される。第１圧縮部２１は、第１吸入管２１ａから冷媒を吸い込み、第１吐出管２１ｂへと冷媒を吐出する。第２圧縮部２２は、第２吸入管２２ａから冷媒を吸い込み、第２吐出管２２ｂへと冷媒を吐出する。第３圧縮部２３は、第３吸入管２３ａから冷媒を吸い込み、第３吐出管２３ｂへと冷媒を吐出する。第４圧縮部２４は、第４吸入管２４ａから冷媒を吸い込み、第４吐出管２４ｂへと冷媒を吐出する。

第１圧縮部２１は、最下段の圧縮機構であり、冷媒回路を流れる最も低圧の冷媒を圧縮する。第２圧縮部２２は、第１圧縮部２１によって圧縮された冷媒を吸い込んで圧縮する。第３圧縮部２３は、第２圧縮部２２によって圧縮された冷媒を吸い込んで圧縮する。第４圧縮部２４は、最上段の圧縮機構であり、第３圧縮部２３によって圧縮された冷媒を吸い込んで圧縮する。第４圧縮部２４によって圧縮され第４吐出管２４ｂへと吐出された冷媒は、冷媒回路を流れる最も高圧の冷媒となる。

なお、本実施形態において、各圧縮部２１〜２４は、ロータリー式やスクロール式などの容積式の圧縮機構である。また、圧縮機駆動モータは、制御部によってインバータ制御される。

第１吐出管２１ｂ、第２吐出管２２ｂ、第３吐出管２３ｂおよび第４吐出管２４ｂには、それぞれ油分離器が設けられている。油分離器は、冷媒回路を循環する冷媒に含まれる潤滑油を分離する小容器である。図１では図示を省略しているが、各油分離器の下部からはキャピラリーチューブを含む油戻し管が各吸入管２１ａ〜２４ａに向かって延びており、冷媒から分離した油を四段圧縮機２０へと戻す。

（１−２）第１〜第４切換機構
第１切換機構３１、第２切換機構３２、第３切換機構３３および第４切換機構３４は、冷媒回路内における冷媒の流れの方向を切り換えて、冷房運転サイクルと暖房運転サイクルとを切り換えるために設けられている機構で、それぞれ四路切換弁である。

第１切換機構３１は、第１吐出管２１ｂ、第２吸入管２２ａ、第１熱交換器４１のガス側配管およびバイパス冷媒配管１８と接続されている。バイパス冷媒配管１８は、第１熱交換器４１、第２熱交換器４２又は第３熱交換器４３を出た低圧のガス冷媒が流れる冷媒配管であり、内部熱交換器６２の出口より下流で第１吸入配管２１ａに接続しており、内部熱交換器６２をバイパスして低圧冷媒を第１吸入配管２１ａに送る。第１切換機構３１は、冷房運転時には、第１吐出管２１ｂと第１熱交換器４１のガス側配管とを接続し、暖房運転時には、第１熱交換器４１のガス側配管とバイパス冷媒配管１８とを接続する。

第２切換機構３２は、第２吐出管２２ｂ、第３吸入管２３ａ、第２熱交換器４２のガス側配管およびバイパス冷媒配管１８と接続されている。第２切換機構３２は、冷房運転時には、第２吐出管２２ｂと第２熱交換器４２のガス側配管とを接続し、暖房運転時には、第２熱交換器４２のガス側配管とバイパス冷媒配管１８とを接続する。

第３切換機構３３は、第３吐出管２３ｂ、第４吸入管２４ａ、第３熱交換器４３のガス側配管およびバイパス冷媒配管１８と接続されている。第３切換機構３３は、冷房運転時には、第３吐出管２３ｂと第３熱交換器４３のガス側配管とを接続し、暖房運転時には、第３熱交換器４３のガス側配管とバイパス冷媒配管１８とを接続する。

第４切換機構３４は、第４吐出管２４ｂ、連絡冷媒配管１４、第４熱交換器４４のガス側配管および低圧冷媒配管１９と接続されている。低圧冷媒配管１９は、室外ユニット１１内の低圧のガス冷媒が流れる冷媒配管であり、内部熱交換器６２を介して第１吸入管２１ａに冷媒を送る。第４切換機構３４は、冷房運転時には、第４吐出管２４ｂと第４熱交換器４４のガス側配管とを接続し、暖房運転時には、第４熱交換器４４のガス側配管と低圧冷媒配管１９とを接続する。

切換機構３１〜３４は、冷房運転時において、四段圧縮機２０によって圧縮された冷媒の冷却器として熱交換器４１〜４４を機能させ、かつ、膨張機構７０および室内電動弁１２ｂを通過して膨張した冷媒の蒸発器（加熱器）として室内熱交換器１２ａを機能させるように、図１に示す状態になる。また、切換機構３１〜３４は、暖房運転時において、四段圧縮機２０によって圧縮された冷媒の冷却器として室内熱交換器１２ａを機能させ、かつ、膨張機構７０および室外電動弁５１〜５４を通過して膨張した冷媒の蒸発器として室外熱交換器４０を機能させるように、図３に示す状態になる。

すなわち、切換機構３１〜３４は、冷媒回路の構成要素として四段圧縮機２０、室外熱交換器４０、膨張機構７０および室内熱交換器１２ａのみに着目すると、四段圧縮機２０、室外熱交換器４０、膨張機構７０、室内熱交換器１２ａの順に冷媒を循環させる冷房運転サイクルと、四段圧縮機２０、室内熱交換器１２ａ、膨張機構７０、室外熱交換器４０の順に冷媒を循環させる暖房運転サイクルとを切り換える役割を果たす。

（１−３）室外熱交換器
室外熱交換器４０は、上述のように、第１熱交換器４１、第２熱交換器４２、第３熱交換器４３および第４熱交換器４４から成る。冷房運転時には、第１〜第３熱交換器４１〜４３が、圧縮途中の冷媒（中間圧冷媒）を冷やすインタークーラとして機能し、第４熱交換器４４が、最も高圧の冷媒を冷やすガスクーラとして機能する。第４熱交換器４４は、第１〜第３熱交換器４１〜４３よりも容量が大きい。また、暖房運転時には、第１〜第４熱交換器４１〜４４の全てが、低圧の冷媒の蒸発器（加熱器）として機能する。

第１〜第４熱交換器４１〜４４は、並列に配置され、１つの室外熱交換器４０として一体化されている。この室外熱交換器４０には、内部を流れる冷媒と熱交換を行う冷却源あるいは加熱源として、水や空気が供給される。ここでは、室外熱交換器４０に、図示しない送風ファンから空気（外気）が供給される。

また、第１熱交換器４１、第２熱交換器４２および第３熱交換器４３の室外電動弁側の配管からは、第２吸入管２２ａ、第３吸入管２３ａおよび第４吸入管２４ａに向かって、分岐管である第１インタークーラ管４１ａ、第２インタークーラ管４２ａおよび第３インタークーラ管４３ａがそれぞれ延びている。第１インタークーラ管４１ａ、第２インタークーラ管４２ａおよび第３インタークーラ管４３ａには、図１に示すように、それぞれ逆止弁が設けられている。

（１−４）第１〜第４室外電動弁
第１〜第３室外電動弁５１〜５３は、第１〜第３熱交換器４１〜４３とブリッジ回路５５との間に配備されている。第４室外電動弁５４は、ブリッジ回路５５内に配備されている。上述の第１インタークーラ管４１ａ、第２インタークーラ管４２ａおよび第３インタークーラ管４３ａは、それぞれ、第１熱交換器４１と第１室外電動弁５１との間、第２熱交換器４２と第２室外電動弁５２との間および第３熱交換器４３と第３室外電動弁５３との間から分岐している。

冷房運転時、第１〜第４室外電動弁５１〜５４は閉じられる。暖房運転時、第１〜第４室外電動弁５１〜５４は、過冷却熱交換器９０から第１〜第４熱交換器４１〜４４への冷媒の流れが偏流しないように開度調整が為され、それぞれ膨張機構としての役割も果たす。

（１−５）ブリッジ回路
ブリッジ回路５５は、室外熱交換器４０と室内熱交換器１２ａとの間に設けられており、エコノマイザ熱交換器６１、内部熱交換器６２および膨張機構７０を介してレシーバ８０の入口管８１に接続されるとともに、過冷却熱交換器９０を介してレシーバ８０の出口管８２に接続されている。

ブリッジ回路５５は、３つの逆止弁５５ａ、５５ｂ、５５ｃと第４室外電動弁５４とを有している。入口逆止弁５５ａは、室外熱交換器４０からレシーバ８０の入口管８１へ向かう冷媒の流れのみを許容する逆止弁である。入口逆止弁５５ｂは、室内熱交換器１２ａからレシーバ８０の入口管８１へ向かう冷媒の流れのみを許容する逆止弁である。出口逆止弁５５ｃは、レシーバ８０の出口管８２から室内熱交換器１２ａへ向かう冷媒の流れのみを許容する逆止弁である。すなわち、入口逆止弁５５ａ，５５ｂは、室外熱交換器４０および室内熱交換器１２ａの一方からレシーバ８０の入口管８１に冷媒を流す機能を果たし、出口逆止弁５５ｃは、レシーバ８０の出口管８２から室内熱交換器１２ａに冷媒を流す機能を果たす。第４室外電動弁５４は、ブリッジ回路５５におけるレシーバ８０の出口管８２から室外熱交換器４０の第４熱交換器４４へ向かう冷媒が流れる箇所に設けられている。第４室外電動弁５４は、上述の通り暖房運転時に過冷却熱交換器９０から第４熱交換器４４に冷媒を流す機能を果たす。

（１−６）エコノマイザ熱交換器
エコノマイザ熱交換器６１は、ブリッジ回路５５から膨張機構７０およびレシーバ８０へと向かう高圧の冷媒と、その高圧の冷媒の一部を分岐させ膨張させた中間圧の冷媒との間で熱交換を行わせる。ブリッジ回路５５から膨張機構７０へ冷媒を流す主冷媒配管から分岐した配管（インジェクション配管６１ａ）には、第５室外電動弁６１ｂが配備されている。この第５室外電動弁６１ｂを通って膨張し、エコノマイザ熱交換器６１で蒸発した冷媒は、第２インタークーラ管４２ａに向かって延びるインジェクション配管６１ａを通って、第２インタークーラ管４２ａの逆止弁よりも第３吸入管２３ａに近い部分に流れ込み、第３吸入管２３ａから第３圧縮部２３へ吸い込まれる冷媒を冷やす。

（１−７）内部熱交換器
内部熱交換器６２は、冷房運転時には、室内熱交換器１２ａから四段圧縮機２０に送られる低圧冷媒と、第４熱交換器４４からブリッジ回路５５を経由して膨張機構７０に送られる高圧冷媒とを熱交換させる。暖房運転時には、第４熱交換器４４から四段圧縮機２０に送られる低圧冷媒と、室内熱交換器１２ａからブリッジ回路５５を経由して膨張機構７０に送られる高圧冷媒とを熱交換させる。内部熱交換器６２は、液ガス熱交換器と呼ばれることもある。ブリッジ回路５５を出た高圧の冷媒は、まずエコノマイザ熱交換器６１を通過し、次に内部熱交換器６２を通過して、膨張機構７０およびレシーバ８０へと向かう。

（１−８）膨張機構
膨張機構７０は、ブリッジ回路５５から流れてきた高圧の冷媒を減圧・膨張させ、気液二相状態の中間圧の冷媒をレシーバ８０へと流す。すなわち、膨張機構７０は、冷房運転時には、高圧冷媒のガスクーラ（放熱器）として機能する室外の第４熱交換器４４から、低圧冷媒の蒸発器として機能する室内熱交換器１２ａに送られる冷媒を減圧し、暖房運転時には、高圧冷媒のガスクーラ（放熱器）として機能する室内熱交換器１２ａから、低圧冷媒の蒸発器として機能する室外熱交換器４０に送られる冷媒を減圧する。膨張機構７０は、膨張機７１および第６室外電動弁７２から構成される。膨張機７１は、冷媒の減圧過程の絞り損失を有効な仕事（エネルギー）として回収する役割を果たす。

（１−９）レシーバ
レシーバ８０は、膨張機構７０を出て入口管８１から内部空間に入ってきた気液二相状態の中間圧の冷媒を、液冷媒とガス冷媒とに分離する。分離されたガス冷媒は、低圧戻し配管９１ａに設けられた第７室外電動弁９１を通過して低圧のガスリッチな冷媒となり、過冷却熱交換器９０に送られる。分離された液冷媒は、出口管８２によって過冷却熱交換器９０に送られる。

（１−１０）過冷却熱交換器
過冷却熱交換器９０は、低圧のガス冷媒と、レシーバ８０の出口管８２から出た中間圧の液冷媒との間で熱交換を行わせる。レシーバ８０の出口管８２から出た中間圧の液冷媒の一部は、冷房運転時には、レシーバ８０と過冷却熱交換器９０との間から分岐する分岐管９２ａを流れ、第８室外電動弁９２を通過して、気液二相状態の低圧の冷媒となる。冷房運転時に第８室外電動弁９２で減圧された低圧冷媒は、第７室外電動弁９１で減圧された低圧冷媒と合流し、過冷却熱交換器９０において、レシーバ８０の出口管８２からブリッジ回路５５に向かう中間圧の液冷媒と熱交換され、過熱がついた状態で過冷却熱交換器９０から低圧戻し配管９１ａを通って低圧冷媒配管１９へと流れていく。一方、レシーバ８０の出口管８２からブリッジ回路５５に向かう中間圧の液冷媒は、過冷却熱交換器９０において熱を奪われ、過冷却がついた状態でブリッジ回路５５へ流れていく。

なお、暖房運転時には、第８室外電動弁９２が閉まり、分岐管９２ａには冷媒が流れないが、レシーバ８０の出口管８２から出た中間圧の液冷媒と、第７室外電動弁９１で減圧された低圧冷媒とが、過冷却熱交換器９０において熱交換を行うことになる。

（１−１１）室内熱交換器
室内熱交換器１２ａは、複数の室内ユニット１２それぞれに設けられており、冷房運転時には冷媒の蒸発器として機能し、暖房運転時には冷媒の冷却器として機能する。これらの室内熱交換器１２ａには、内部を流れる冷媒と熱交換を行う冷房対象あるいは暖房対象として、水や空気が流される。ここでは、室内熱交換器１２ａに、図示しない室内送風ファンからの室内空気が流れ、冷却あるいは加熱された空調空気が室内へと供給される。

室内熱交換器１２ａの一端は室内電動弁１２ｂに、室内熱交換器１２ａの他端は連絡冷媒配管１４に接続されている。

（１−１２）室内電動弁
室内電動弁１２ｂは、複数の室内ユニット１２それぞれに設けられており、室内熱交換器１２ａに流す冷媒の量を調整したり冷媒の減圧・膨張を行ったりする。室内電動弁１２ｂは、連絡冷媒配管１３と室内熱交換器１２ａとの間に配置されている。

（１−１３）制御部
制御部は、四段圧縮機２０の圧縮機駆動モータや第１〜第４切換機構３１〜３４、各電動弁１２ｂ，５１〜５４，６１ｂ，７２，９１，９２と接続されるマイクロコンピュータである。この制御部は、外部から入力された室内設定温度などの情報に基づいて、圧縮機駆動モータの回転数制御や冷房運転サイクルと暖房運転サイクルとの切り換え、電動弁開度の調節などを行う。

（２）空気調和装置の動作
空気調和装置１０の動作について、図１〜図４を参照しながら説明する。図２は、冷房運転時における冷凍サイクルの圧力−エンタルピ線図（ｐ−ｈ線図）である。図４は、暖房運転時における冷凍サイクルの圧力−エンタルピ線図（ｐ−ｈ線図）である。図２および図４において、上に凸の一点鎖線で示す曲線は、冷媒の飽和液線および乾き飽和蒸気線である。図２および図４において、冷凍サイクル上の英文字が付された点は、それぞれ、図１および図３において同じ英文字で表される点における冷媒の圧力およびエンタルピを表している。例えば、図１の点Ｂにおける冷媒は、図２の点Ｂにおける圧力およびエンタルピの状態になっている。なお、空気調和装置１０の冷房運転時および暖房運転時における各運転制御は、制御部によって行われる。

（２−１）冷房運転時の動作
冷房運転時は、図１に示す冷媒配管に沿った矢印の方向に、冷媒が、四段圧縮機２０、室外熱交換器４０、膨張機構７０、室内熱交換器１２ａの順に冷媒回路内を循環する。以下、冷房運転時における空気調和装置１０の動作について、図１および図２を参照しながら説明する。

第１吸入管２１ａから四段圧縮機２０に吸い込まれる低圧のガス冷媒（点Ａ）は、第１圧縮部２１で圧縮されて、第１吐出管２１ｂへと吐出される（点Ｂ）。吐出された冷媒は、第１切換機構３１を通過し、インタークーラとして機能する第１熱交換器４１で冷却された後、第１インタークーラ管４１ａを介して第２吸入管２２ａに流れ込む（点Ｃ）。

第２吸入管２２ａから第２圧縮部２２に吸い込まれた冷媒は、圧縮されて第２吐出管２２ｂに吐出される（点Ｄ）。吐出された冷媒は、第２切換機構３２を通過し、インタークーラとして機能する第２熱交換器４２で冷却された後、第２インタークーラ管４２ａに流れる（点Ｅ）。第２インタークーラ管４２ａを流れる冷媒は、エコノマイザ熱交換器６１において熱交換されてインジェクション配管６１ａを流れてくる中間圧の冷媒（点Ｌ）と合流した後、第３吸入管２３ａに流れ込む（点Ｆ）。

第３吸入管２３ａから第３圧縮部２３に吸い込まれた冷媒は、圧縮されて第３吐出管２３ｂに吐出される（点Ｇ）。吐出された冷媒は、第３切換機構３３を通過し、インタークーラとして機能する第３熱交換器４３で冷却された後、第３インタークーラ管４３ａを介して第４吸入管２４ａに流れ込む（点Ｈ）。

第４吸入管２４ａから第４圧縮部２４に吸い込まれた冷媒は、圧縮されて第４吐出管２４ｂに吐出される（点Ｉ）。吐出された高圧の冷媒は、第４切換機構３４を通過し、ガスクーラとして機能する第４熱交換器４４で冷却され、ブリッジ回路５５の入口逆止弁５５ａを通ってエコノマイザ熱交換器６１へと流れていく（点Ｊ）。

ブリッジ回路５５の入口逆止弁５５ａを通過した高圧冷媒は、エコノマイザ熱交換器６１に流れ込むとともに、その一部が分岐して第５室外電動弁６１ｂへと流れる。第５室外電動弁６１ｂで減圧・膨張して気液二相状態となった中間圧冷媒（点Ｋ）は、エコノマイザ熱交換器６１において、ブリッジ回路５５から内部熱交換器６２に向かう高圧冷媒（点Ｊ）と熱交換し、中間圧のガス冷媒（点Ｌ）となって上述のようにインジェクション配管６１ａから第２インタークーラ管４２ａへと流れ込む。

第５室外電動弁６１ｂを出た中間圧冷媒と熱交換をし、更に温度が下がった状態でエコノマイザ熱交換器６１を出た高圧冷媒（点Ｍ）は、次に内部熱交換器６２を流れ、膨張機構７０へと流れていく（点Ｎ）。内部熱交換器６２では、後述する低圧冷媒配管１９から四段圧縮機２０の第１吸入管２１ａへと流れる低圧冷媒と熱交換を行い、点Ｍの状態の高圧冷媒が、さらに温度が下がって点Ｎの状態の高圧冷媒となる。

内部熱交換器６２を出た高圧冷媒（点Ｎ）は、２つに分岐され、それぞれ膨張機構７０の膨張機７１、膨張機構７０の第６室外電動弁７２に流れる。膨張機７１で減圧・膨張した中間圧冷媒（点Ｐ）と、第６室外電動弁７２で減圧・膨張した中間圧冷媒（点Ｏ）とは、合流した後に入口管８１からレシーバ８０の内部空間へと流れ込む（点Ｑ）。このレシーバ８０に流れ込んだ気液二相状態の中間圧冷媒は、レシーバ８０の内部空間において液冷媒とガス冷媒とに分離される。

レシーバ８０で分離された液冷媒（点Ｒ）は、出口管８２を通ってそのまま過冷却熱交換器９０へと流れ、レシーバ８０で分離されたガス冷媒（点Ｕ）は、第７室外電動弁９１で減圧され低圧冷媒（点Ｗ）となって過冷却熱交換器９０へと流れていく。レシーバ８０の出口管８２から過冷却熱交換器９０に向かう中間圧冷媒は、過冷却熱交換器９０の手前で分岐し、一方が過冷却熱交換器９０を通ってブリッジ回路５５に向かい、他方が分岐管９２ａの第８室外電動弁９２へと流れる。第８室外電動弁９２を通過して減圧された気液二相状態の低圧冷媒（点Ｓ）は、第７室外電動弁９１を通過した低圧冷媒（点Ｗ）と合流し（点Ｘ）、過冷却熱交換器９０を経て低圧冷媒配管１９へと流れる。過冷却熱交換器９０での熱交換によって、低圧冷媒配管１９に向かって流れる低圧冷媒（点Ｘ）は、蒸発して過熱のついた低圧冷媒（点Ｙ）となり、ブリッジ回路５５に向かって流れる中間圧冷媒（点Ｒ）は、熱を奪われて過冷却のついた中間圧冷媒（点Ｔ）となる。

過冷却熱交換器９０で過冷却のついた中間圧冷媒（点Ｔ）は、ブリッジ回路５５の出口逆止弁５５ｃを通って、連絡冷媒配管１３へと流れていく。連絡冷媒配管１３から室内ユニット１２に入った冷媒は、室内電動弁１２ｂを通過するときに膨張し、気液二相の低圧冷媒（点Ｖ）となって室内熱交換器１２ａに流れ込む。この低圧冷媒は、室内熱交換器１２ａで室内空気から熱を奪い、過熱のついた低圧のガス冷媒（点Ｚ）になる。室内ユニット１２を出た低圧冷媒は、連絡冷媒配管１４および第４切換機構３４を経て低圧冷媒配管１９へと流れていく。

室内ユニット１２から戻ってきた低圧冷媒（点Ｚ）と、過冷却熱交換器９０から流れてくる低圧冷媒（点Ｙ）とは、低圧冷媒配管１９で合流し（点ＡＢ）、内部熱交換器６２を通って第１吸入管２１ａから四段圧縮機２０へと戻っていく。上述のように、内部熱交換器６２では、四段圧縮機２０に向かう低圧冷媒（点ＡＢ）と、ブリッジ回路５５からレシーバ８０へと向かう高圧冷媒（点Ｍ）とが熱交換を行う。

以上のように冷媒が冷媒回路内を循環することにより、空気調和装置１０は冷房運転サイクルを行う。

（２−２）暖房運転時の動作
暖房運転時は、図３に示す冷媒配管に沿った矢印の方向に、冷媒が、四段圧縮機２０、室内熱交換器１２ａ、膨張機構７０、室外熱交換器４０の順に冷媒回路内を循環する。以下、暖房運転時における空気調和装置１０の動作について、図３および図４を参照しながら説明する。

第１吸入管２１ａから四段圧縮機２０に吸い込まれる低圧のガス冷媒（点Ａ）は、第１圧縮部２１で圧縮されて、第１吐出管２１ｂに吐出される（点Ｂ）。吐出された冷媒は、第１切換機構３１を通過し、第２吸入管２２ａを流れる（点Ｃ）。

第２吸入管２２ａから第２圧縮部２２に吸い込まれた冷媒は、圧縮されて第２吐出管２２ｂに吐出される（点Ｄ）。吐出された冷媒は、第２切換機構３２を通過し、第３吸入管２３ａを流れる。なお、第３吸入管２３ａには、エコノマイザ熱交換器６１において熱交換されてインジェクション配管６１ａを流れてくる中間圧の冷媒（点Ｌ）も流れ込んでくるため、冷媒の温度が下がる（点Ｆ）。

第３吸入管２３ａから第３圧縮部２３に吸い込まれた冷媒は、圧縮されて第３吐出管２３ｂに吐出される（点Ｇ）。吐出された冷媒は、第３切換機構３３を通過し、第４吸入管２４ａを流れる（点Ｈ）。

第４吸入管２４ａから第４圧縮部２４に吸い込まれた冷媒は、圧縮されて第４吐出管２４ｂに吐出される（点Ｉ）。吐出された高圧の冷媒は、第４切換機構３４を通過し、連絡冷媒配管１４を介して室内ユニット１２に流入する（点Ｚ）。

連絡冷媒配管１４から室内ユニット１２に入った高圧冷媒は、冷媒の冷却器として機能する室内熱交換器１２ａで室内空気に放熱し、室内空気を暖める。室内熱交換器１２ａでの熱交換によって温度が下がった高圧冷媒（点Ｖ）は、室内電動弁１２ｂを通過する際にわずかに減圧され、連絡冷媒配管１３を通って室外ユニット１１のブリッジ回路５５へと流れ、入口逆止弁５５ｂからエコノマイザ熱交換器６１へ向かう（点Ｊ）。

ブリッジ回路５５を出た高圧冷媒（点Ｊ）は、エコノマイザ熱交換器６１に流れ込むとともに、その一部が分岐して第５室外電動弁６１ｂへと流れる。第５室外電動弁６１ｂで減圧・膨張して気液二相状態となった中間圧冷媒（点Ｋ）は、エコノマイザ熱交換器６において、ブリッジ回路５５から内部熱交換器６２に向かう高圧冷媒（点Ｊ）と熱交換し、中間圧のガス冷媒（点Ｌ）となってインジェクション配管６１ａから第２インタークーラ管４２ａへと流れ込む。

第５室外電動弁６１ｂを出た中間圧冷媒と熱交換をし、更に温度が下がった状態でエコノマイザ熱交換器６１を出た高圧冷媒（点Ｍ）は、次に内部熱交換器６２を流れ、膨張機構７０へと流れていく（点Ｎ）。内部熱交換器６２では、後述する低圧冷媒配管１９から四段圧縮機２０の第１吸入管２１ａへと流れる低圧冷媒と熱交換を行い、点Ｍの状態の高圧冷媒が、さらに温度が下がって点Ｎの状態の高圧冷媒となる。

内部熱交換器６２を出た高圧冷媒（点Ｎ）は、２つに分岐され、それぞれ膨張機構７０の膨張機７１、膨張機構７０の第６室外電動弁７２に流れる。膨張機７１で減圧・膨張した中間圧冷媒（点Ｐ）と、第６室外電動弁７２で減圧・膨張した中間圧冷媒（点Ｏ）とは、合流した後に入口管８１からレシーバ８０の内部空間へと流れ込む（点Ｑ）。このレシーバ８０に流れ込んだ気液二相状態の中間圧冷媒は、レシーバ８０の内部空間において液冷媒とガス冷媒とに分離される。

レシーバ８０で分離された液冷媒（点Ｒ）は、出口管８２を通ってそのまま過冷却熱交換器９０へと流れ、レシーバ８０で分離されたガス冷媒（点Ｕ）は、第７室外電動弁９１で減圧され低圧冷媒（点Ｗ）となって過冷却熱交換器９０へと流れていく。レシーバ８０の出口管８２から過冷却熱交換器９０に向かう中間圧冷媒は、第８室外電動弁９２が閉められているため分岐管９２ａには流れず、全量が過冷却熱交換器９０に流れ込む。過冷却熱交換器９０では、レシーバ８０の出口管８２から流れてくる中間圧冷媒（点Ｒ）と、第７室外電動弁９１で減圧された低圧冷媒（点Ｗ，Ｘ）との間で熱交換が行われる。この熱交換によって、低圧冷媒配管１９に向かって流れる低圧冷媒（点Ｘ）は、蒸発して過熱のついた低圧冷媒（点Ｙ）となり、レシーバ８０からブリッジ回路５５に向かう中間圧冷媒（点Ｒ）は、熱を奪われて過冷却のついた中間圧冷媒（点Ｔ）となる。

過冷却熱交換器９０を出た中間圧冷媒は、第１〜第３熱交換器４１〜４３に向かう冷媒と第４熱交換器４４に向かう冷媒との２路に分流する。すなわち、第１〜第４熱交換器４１〜４４には、並列に冷媒が流れる。第１〜第３熱交換器４１〜４３に向かう冷媒は、ブリッジ回路５５を通らずに更に３路に分流し、第１〜第３室外電動弁５１〜５３でそれぞれ減圧・膨張され気液二相の低圧冷媒となる（点ＡＣ）。第４熱交換器４４に向かう冷媒は、ブリッジ回路５５を通り、第４室外電動弁５４で減圧・膨張され気液二相の低圧冷媒となる（点ＡＣ）。このとき、第１〜第４室外電動弁５１〜５４の開度は、第１〜第４熱交換器４１〜４４それぞれの容量や圧力損失量に応じて調節されており、いずれかの熱交換器に冷媒が偏流してしまうことが抑制されている。

室外熱交換器４０の第４熱交換器４４に流入した低圧冷媒は、外気から熱を奪って蒸発し、過熱のついた低圧のガス冷媒となって第４切換機構３４を通過し低圧冷媒配管１９に流れ込む（点ＡＤ）。低圧冷媒配管１９に流れ込んだ低圧冷媒（点ＡＤ）は、過冷却熱交換器９０から流れてくる低圧冷媒（点Ｙ）と合流し（点ＡＢ）、内部熱交換器６２を通って第１吸入管２１ａから四段圧縮機２０へと戻っていく。上述のように、内部熱交換器６２では、四段圧縮機２０に向かう低圧冷媒（点ＡＢ）と、ブリッジ回路５５からレシーバ８０へと向かう高圧冷媒（点Ｍ）とが熱交換を行う。

一方、室外熱交換器４０の第１熱交換器４１、第２熱交換器４２および第３熱交換器４３に流入した各路の低圧冷媒は、外気から熱を奪って蒸発し、過熱のついた低圧のガス冷媒となって第１〜第３切換機構３１〜３３を通過した後にバイパス冷媒配管１８で合流する（点ＡＥ）。

第１〜第３切換機構３１〜３４を通過した後にバイパス冷媒配管１８で合流した低圧冷媒は、内部熱交換器６２の出口より下流で低圧冷媒配管１９を流れる低圧冷媒と合流する。すなわち、第１熱交換器４１、第２熱交換器４２および第３熱交換器４３を通過した低圧冷媒は、内部熱交換器６２をバイパスする。

内部熱交換器６２で熱交換した低圧冷媒配管１９を流れる低圧冷媒と内部熱交換器６２をバイパスしたバイパス冷媒配管１８を流れる低圧冷媒とが合流して図４の点Ａの状態の冷媒となる。合流した低圧冷媒は、第１吸入配管２１ａを四段圧縮機２０の第１圧縮部２１へと流れていく。

以上のように冷媒が冷媒回路内を循環することにより、空気調和装置１０は暖房運転サイクルを行う。

（３）空気調和装置の特徴
（３−１）
本実施形態に係る空気調和装置１０では、内部熱交換器６２において冷房運転時にガスクーラとして機能する第４熱交換器４４から膨張機構７０へ向かう高圧冷媒と四段圧縮機２０へと戻る低圧冷媒とを熱交換させることにより、高圧冷媒を膨張前に冷却し冷房性能を上げている。また、冷房運転時にインタークーラとして機能する第１〜第３熱交換器４１〜４３それぞれにおいて圧縮途中の冷媒を冷却することにより運転効率を上げている。

一方、暖房運転時には、空気調和装置１０では、第１〜第４熱交換器４１〜４４の全てが蒸発器として機能するが、第４熱交換器４４を出た低圧冷媒のみが内部熱交換器６２において熱交換する。第１〜第３熱交換器４１〜４３のいずれかを出た低圧冷媒は、バイパス冷媒配管１８を流れて内部熱交換器６２をバイパスし、内部熱交換器６２の出口より下流において第４熱交換器４４から四段圧縮機２０へと向かう内部熱交換器６２を通過した低圧冷媒と合流する。このように、内部熱交換器６２を通過する低圧ガス冷媒の流量を減らし、すなわち、内部熱交換器６２における熱交換量を抑制し、第１圧縮部２１に吸入される低圧冷媒の温度上昇を抑えている。また、内部熱交換器６２を通過する低圧ガス冷媒の流量を抑制しているため、内部熱交換器６２における圧力損失を低減している。その結果、四段圧縮機２０における無駄な圧縮仕事を削減し、暖房運転時の運転効率を向上させることができている。

したがって、冷暖房切り替え可能な冷凍装置である空気調和装置１０では、冷暖房両方の運転効率を向上させることができている。

（３−２）
空気調和装置１０では、四段圧縮機２０およびインタークーラとして機能する第１〜第３熱交換器４１〜４３により多段圧縮サイクルを用いて冷房運転時の運転効率および冷房性能を向上させている。一方で、４段の多段圧縮サイクルを用いるために第１〜第３熱交換器４１〜４３を備えているが、このため暖房時に蒸発器として機能する第１〜第３熱交換器４１〜４３への冷媒流量割合が大きい。したがって、第１〜第３熱交換器４１〜４３を出た低圧冷媒については内部熱交換器６２を通らないようにすることにより内部熱交換器６２における熱交換量を抑制する効果が大きく、第１圧縮部２１に吸入される低圧冷媒の温度上昇を効果的に抑えている。その結果、冷房時の運転効率および冷房性能を向上させるとともに、暖房時の運転効率の向上ができている。

（３−３）
空気調和装置１０では、冷暖運転と暖房運転とで四段圧縮機２０から出た冷媒の流路を切り換える四路切換弁である第１〜第４切換機構３１〜３４を用いて暖房運転時に内部熱交換器６２を流れる低圧冷媒の流量を抑制している。これにより、機能部品を新たに追加せずに、内部熱交換器６２における熱交換量を抑制することができている。

（４）変形例
（４−１）変形例Ａ
上記実施形態では、空気調和装置１０は、１つの低段圧縮部である第１圧縮部２１と３つの高段圧縮部である第２〜第４圧縮部２２〜２４とを有する四段圧縮機２０により冷媒を圧縮していた。しかし、他の実施形態においては、四段圧縮機２０の代わりに、２段圧縮機や、３段圧縮機等、複数段或いは多段の圧縮機を用いてもよい。いかなる段数の圧縮機を用いても、上記実施形態のように、暖房時には、低圧過熱ガス冷媒の一部が内部熱交換器６２をバイパスするようにすれば、内部熱交換器６２における熱交換量を抑制することができる。

１０ 空気調和装置（冷凍装置）
１２ａ 室内熱交換器（利用側熱交換器）
１８ バイパス冷媒配管
１９ 低圧冷媒配管
２０ 四段圧縮機（複数段圧縮機構）
２１ 第１圧縮部（低段圧機構）
２１ａ 第１吸入管（吸入配管）
２２ 第２圧縮部（低段圧機構）
２３ 第３圧縮部（低段圧機構）
２４ 第４圧縮部（高段圧機構）
３１ 第１切換機構（サブ流路切換機構）
３２ 第２切換機構（サブ流路切換機構）
３３ 第３切換機構（サブ流路切換機構）
３４ 第４切換機構（メイン流路切換機構）
４０ 室外熱交換器（熱源側熱交換器）
４１ 第１熱交換器（熱源側サブ熱交換部）
４２ 第２熱交換器（熱源側サブ熱交換部）
４３ 第３熱交換器（熱源側サブ熱交換部）
４４ 第４熱交換器（熱源側メイン熱交換部）
６２ 内部熱交換器
７０ 膨張機構

特開２００９−２２９０５１号公報

Claims (3)

1. 冷暖房切り替え可能な冷凍装置（１０）であって、
   冷媒を圧縮し、少なくとも１つの低段圧縮機構（２１、２２、２３）と、１つの高段圧縮機構（２４）とからなる複数の圧縮機構を有し、前記複数の圧縮機構が直列に接続された複数段圧縮機構（２０）と、
   冷房時に高圧の冷媒が放熱する放熱器として機能し、暖房時に低圧の冷媒が蒸発する蒸発器として機能する、１つの熱源側メイン熱交換部（４４）と、
   冷房時に前記複数の圧縮機構の１つから吐出され次の段の前記圧縮機構に吸入される冷媒を冷却し、暖房時に前記蒸発器として機能する、少なくとも１つの熱源側サブ熱交換部（４１、４２、４３）と、
   冷房時に低圧の冷媒が蒸発する蒸発器として機能し、暖房時に高圧の冷媒が放熱する放熱器として機能する、利用側熱交換器（１２ａ）と、
   冷房時に前記熱源側メイン熱交換部から前記利用側熱交換器に送られる冷媒を減圧し、暖房時に前記利用側熱交換器から前記熱源側メイン熱交換部及び前記熱源側サブ熱交換部に送られる冷媒を減圧する、膨張機構（７０）と、
   冷房時に前記利用側熱交換器から前記複数段圧縮機構に送られる冷媒と、前記熱源側メイン熱交換部から前記膨張機構に送られる冷媒とを熱交換させ、暖房時に前記熱源側メイン熱交換部から前記複数段圧縮機構に送られる冷媒と、前記利用側熱交換器から前記膨張機構に送られる冷媒とを熱交換させる、内部熱交換器（６２）と、
   前記内部熱交換器の出口から前記複数段圧縮機構の吸入口に冷媒を送る吸入配管（２１ａ）と、
   前記複数段圧縮機構の前記高段圧縮機構から吐出された冷媒の流路を冷房時と暖房時とで切り換える１つのメイン流路切換機構（３４）と、
   前記複数段圧縮機構の１つの前記低段圧縮機構から吐出され次の段の前記圧縮機構に吸入される冷媒の流路を冷房時と暖房時とで切り換える少なくとも１つのサブ流路切換機構（３１、３２、３３）と、
   を備え、
   暖房時に前記熱源側メイン熱交換部と、前記熱源側サブ熱交換部とには、並列に冷媒が流れ、
   暖房時に前記熱源側サブ熱交換部から前記複数段圧縮機構に送られる冷媒は、前記内部熱交換器の出口より下流で前記熱源側メイン熱交換部から前記複数段圧縮機構に送られる冷媒と合流し、
   前記メイン流路切換機構は、冷房時には、前記高段圧縮機構から吐出された冷媒を前記熱源側メイン熱交換部に接続する流路へ流し、暖房時には、前記熱源側メイン熱交換部内を通過した冷媒を前記内部熱交換器に接続する流路へ流し、
   前記サブ流路切換機構は、冷房時には、前記低段圧縮機構から吐出された冷媒を前記熱源側サブ熱交換部に接続する流路へ流し、暖房時には、前記熱源側サブ熱交換部内を通過した冷媒を前記内部熱交換器の出口より下流で前記吸入配管に接続する流路へ流す、
   冷凍装置（１０）。
2. ２つ以上の前記熱源側サブ熱交換部を備え、
   前記複数段圧縮機構は、前記低段圧縮機構を２つ以上有する、
   請求項１に記載の冷凍装置（１０）。
3. ３つ以上の前記熱源側サブ熱交換部を備え、
   前記複数段圧縮機構は、前記低段圧縮機構を３つ以上有する、
   請求項１又は２に記載の冷凍装置（１０）。

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