JP2003065615A

JP2003065615A - 冷凍機

Info

Publication number: JP2003065615A
Application number: JP2001252800A
Authority: JP
Inventors: Ryuzaburo Yajima; 龍三郎矢嶋; Hideki Hara; 日出樹原
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2001-08-23
Filing date: 2001-08-23
Publication date: 2003-03-05

Abstract

(57)【要約】【課題】冷媒として例えば二酸化炭素などを用いる冷
凍機において、より簡単な構成で、動力回収効率の向上
と共に吐出温度の低下を図ることが可能な冷凍機を提供
する。【解決手段】圧縮機２の吐出側に、順次、ガス冷却器
４と膨張機６と蒸発器８とを接続して冷媒循環回路を形
成すると共に、膨張機６における冷媒流入口６ａと冷媒
流出口６ｂとの間の箇所と、圧縮機構１における吸込口
１ｂと吐出口１ａとの間の箇所とを相互に接続するバイ
パス経路１０を設けて、膨張機６における中間圧力の冷
媒が上記バイパス経路１０を通して圧縮機構１にインジ
ェクションされるように形成する。これにより、簡単な
構成で、良好な動力回収効率を維持でき、また、吐出温
度の低下を図ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、冷凍サイクル中
の高圧側の圧力が超臨界域で制御される冷媒を用いて運
転される冷凍機に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】上記のような冷凍機が、例えば特開２０
００−３２９４１６号公報に記載されている。この冷凍
機では、図１４に示すように、冷媒を吸入圧縮する圧縮
機５１の吐出側に、順次、ガス冷却器５２、膨張機５
３、蒸発器５４が接続されて冷媒循環回路が形成されて
いる。冷媒として二酸化炭素を用いる場合、この冷媒
は、圧縮機５１で冷媒の臨界圧力を超える圧力まで圧縮
され、ガス冷却器５２にて冷却された後、膨張機５３を
通して減圧膨張される。次いで、蒸発器５４にて蒸発し
た後、圧縮機５１に返流される。

【０００３】ここでの膨張機５３は、冷媒の減圧膨張
が、膨張エネルギの機械エネルギへの変換（膨張仕事）
を伴って生じるように構成されたもので、冷媒は、この
膨張器５３通過時に、図１５に示すように、等エントロ
ピ線（ｃ−ｄ）に沿って相変化をしながらそのエンタル
ピを低下させていく。この結果、フロンを使用した従来
の冷凍サイクルにおいて、図中破線で示すように、冷媒
の減圧時に膨張仕事をさせることなく単純に断熱膨張さ
せていた場合（等エンタルピ変化させていた場合）に比
べ、膨張仕事Δｉ分だけ蒸発器５４の冷媒入口側と出口
側とにおける冷媒の比エンタルピ差が増大し、冷凍能力
が大きくなる。

【０００４】なお、図１４に示した冷媒回路には、ガス
冷却器５２と膨張機５３との間に主流側熱交換部５５が
設けられ、また、ガス冷却器５２で冷却された冷媒の一
部をこのガス冷却器５２の入口側に戻す分流配管５６が
さらに設けられている。この分流配管５６には、順次、
固定絞り５７、この分流配管５６を流れる冷媒と上記主
流側熱交換部５５を流れる冷媒との間で相互に熱交換さ
せるための副流側熱交換部５８、第２圧縮機５９が介設
されている。この第２圧縮機５９が膨張機５３での上記
した膨張エネルギによって作動され、冷媒を圧縮してガ
ス冷却器５２の入口側に送り込むようになっている。し
たがって、前記圧縮機５１の圧縮仕事量の一部が膨張機
５３・第２圧縮機５９によって回収され、この結果、冷
凍サイクルのＣＯＰ（成績係数）を向上させることが可
能になっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような冷凍機では、二酸化炭素の比熱比が大きいために
吐出温度が高くなる傾向にあり、特に低温冷凍機に使用
する場合には、蒸発温度が低いために著しく吐出温度が
上昇して、機器の信頼性を低下させるという問題が生じ
る。

【０００６】なお、前記公報記載の冷凍機では、ガス冷
却器５２で冷却された冷媒の一部を、圧縮機５１の吐出
側に戻す回路になっており、これによって吐出温度をあ
る程度低下させるようにすることが可能である。しかし
ながら、このためには固定絞り５７や熱交換部５８、第
２圧縮機５９が介設された分流配管５６を設けることが
必要になって構成が複雑になり、このために経済性が低
下するという問題がある。また、分流配管５６を流れる
冷媒は膨張機５３を通過しないために、動力回収効率が
その分低下するという問題もある。

【０００７】この発明は上記従来の欠点を解決するため
になされたものであって、その目的は、より簡単な構成
で、動力回収効率の向上と共に吐出温度の低下を図るこ
とが可能な冷凍機を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】そこで、請求項１の冷凍
機は、ガス冷媒を圧縮する圧縮機構１の吐出側に、順
次、ガス冷却器４と膨張機６と蒸発器８とを接続して冷
媒循環回路を形成した冷凍機であって、膨張機６におけ
る冷媒流入口６ａと冷媒流出口６ｂとの間の箇所と、圧
縮機構１における吸込口１ｂと吐出口１ａとの間の箇所
とを相互に接続するバイパス配管１０を設けて、膨張機
６における中間圧力の冷媒が上記バイパス配管１０を通
して圧縮機構１にインジェクションされるように形成し
ていることを特徴としている。

【０００９】このような構成によれば、膨張機６から中
間圧・中間温度の冷媒が抽気され、これが圧縮機構１に
インジェクションされることによって、吐出温度がより
低く抑えられ、信頼性が向上する。また、圧縮機構１に
インジェクションされる冷媒も、膨張機６である程度の
膨張仕事を行った後の冷媒であるので、膨張機６での全
体的な動力回収効率もより良好なものとなる。したがっ
て、膨張機６と圧縮機２とをバイパス配管１０で接続す
るという極めて簡単な構成で、経済性や信頼性がより向
上した装置とすることが可能になる。

【００１０】請求項２の冷凍機は、請求項１の冷凍機に
おいて、膨張機６へのバイパス配管１０の接続口６ｃに
おける冷媒圧力が圧縮機構１へのバイパス配管１０の接
続口１ｃにおける冷媒圧力よりも高くなるように、膨張
機６と圧縮機構１とへのバイパス配管１０の各接続口６
ｃ・１ｃが設定されていることを特徴としている。

【００１１】このような設定により、バイパス配管１０
を挟んで両側の圧力差に応じて、膨張機６の中間圧の冷
媒が圧縮機構１にインジェクションされる。したがっ
て、圧縮機構１へのインジェクションのための圧力調整
手段などを別途必要としないので、これによっても構成
をより簡素なものとすることができる。

【００１２】請求項３の冷凍機は、請求項１または２の
冷凍機において、ガス冷却器４と膨張機６とを相互に接
続する配管内を流れる冷媒と、上記バイパス配管１０内
を流れる冷媒との間で熱交換を生じさせる熱交換部３１
を設けていることを特徴としている。

【００１３】このような構成によれば、ガス冷却器４を
通過した冷媒は、熱交換部３１通過時にバイパス配管１
０を流れる冷媒に放熱して温度低下をさらに生じた後、
膨張機６に流入して減圧膨張し、蒸発器８に送られる。
この結果、この蒸発器８での蒸発熱量が増加して冷凍能
力が大きくなるので、これによってもＣＯＰが向上す
る。

【００１４】請求項４の冷凍機は、請求項１、２または
３の冷凍機において、バイパス配管１０に気液分離器３
２を介設し、この気液分離器３２で分離されたガス冷媒
が圧縮機構１にインジェクションされるように形成する
一方、気液分離器３２で分離された液冷媒を蒸発器８の
入口側に導くバイパス分岐配管３４を設けていることを
特徴としている。

【００１５】このように気液分離器３２を設けて冷媒中
の液成分を除いて圧縮機構１にインジェクションするこ
とで、この圧縮機構１での液圧縮のおそれが解消される
ので、さらに信頼性が向上する。また、気液分離器３２
で分離された液冷媒は、蒸発器８に送られてこの蒸発器
８で蒸発するので、冷凍能力の低下も抑えられる。

【００１６】請求項５の冷凍機は、請求項１から４のい
ずれかの冷凍機において、バイパス配管１０に流量制御
手段３５を介設していることを特徴とする。

【００１７】このように、バイパス配管１０に流量制御
手段３５を設けることによって、圧縮機構１へのインジ
ェクション量をバイパス配管１０を挟んで両側の差圧だ
けによらずに、運転状態の変化等に応じて制御すること
が可能となるので、より効率的な運転状態を維持するこ
とができる。

【００１８】例えば請求項６のように、圧縮機構１から
吐出されるガス冷媒の温度を検出する温度検出手段３６
と、この温度検出手段３６での検出温度に基づいて上記
流量制御手段３５を制御するバイパス流量制御手段３７
とを設けた構成として、例えば検出温度が高くなるとイ
ンジェクション量を大きくする等の制御を行うことによ
り、吐出温度の過熱がより確実に抑えられた装置とする
ことができる。

【００１９】またこの場合に、請求項７のように、上記
検出温度が設定温度未満のときは、検出温度が設定温度
に達するまでバイパス配管１０を流れる冷媒流量が次第
に少なくなるように、上記バイパス流量制御手段３７が
流量制御手段３５を制御する構成とすることも可能であ
る。すなわち、適正運転範囲の上限温度を上記の設定温
度とすれば、吐出温度が上限温度に達するまではインジ
ェクション量を減少させる制御が行われ、これに伴って
膨張機６を通る冷媒流量が極力大きくなる状態で運転が
継続されるので、回収動力が増加してＣＯＰがより向上
した装置とすることができる。

【００２０】請求項８の冷凍機は、請求項１から７のい
ずれかの冷凍機において、バイパス配管１０に、膨張機
６から圧縮機構１に向かう流れを許容する一方、圧縮機
構１から膨張機６に向かう流れを阻止する逆止弁３８を
設けていることを特徴としている。

【００２１】このような逆止弁３８を設けることによ
り、運転条件が変動する場合でもバイパス配管１０を通
しての冷媒の逆流が防止されるので、ＣＯＰの向上した
運転状態を安定して維持させることができる。

【００２２】請求項９の冷凍機は、請求項１から８のい
ずれかの冷凍機において、膨張機６がスクロール式であ
ることを特徴としている。

【００２３】このようなスクロール式の膨張機では、内
部に冷媒流入口６ａや冷媒流出口６ｂのいずれにも非連
通状態で保持される膨張室が形成されている。これに対
し、例えばロータリ式の膨張機の場合には、冷媒流入口
を通してシリンダ内に高圧冷媒を流入させた後、冷媒流
入口とシリンダ内部との連通状態を遮断してシリンダ内
で冷媒を膨張させることが必要で、このためには、冷媒
流入口に高圧弁を設けること等が必要になる。したがっ
て、膨張機６をスクロール式のものとすれば上記のよう
な高圧弁等は不要であるので、これによっても構成が簡
素なものになり、また、高効率の動力回収を行わせるこ
とができる。

【００２４】請求項１０の冷凍機は、請求項１から９の
いずれかの冷凍機において、圧縮機構１が１基の圧縮機
２から成り、この圧縮機２がスクロール式圧縮機である
ことを特徴としている。

【００２５】このように圧縮機構１を１基の圧縮機２で
構成する場合、圧縮途中の中間圧力領域に冷媒をインジ
ェクションするためには、圧縮機シリンダ内に開口する
中間ポートを設けて、これに前記バイパス配管１０を接
続する構成にすることが必要になる。このような圧縮機
を例えばロータリ式とした場合には、シリンダ内を通し
て中間ポートが吸込口に連通するために、インジェクシ
ョンされた冷媒が吸込圧まで低下してしまい、これを圧
縮するために余分な圧縮仕事が必要になる。これに対
し、スクロール式では、前記同様に吸込口や吐出口のい
ずれにも非連通状態で保持される圧縮室が形成されてい
るので、この圧縮室にインジェクションすることで、イ
ンジェクション冷媒が吸込圧まで低下することはない。
したがって、スクロール式圧縮機で構成することで、圧
縮機効率が向上した装置とすることができる。

【００２６】請求項１１の冷凍機は、請求項１から１０
のいずれかの冷凍機において、圧縮機構１が相互に直列
接続された低段側圧縮機４１と高段側圧縮機４２とから
成り、低段側圧縮機４１の吐出口と高段側圧縮機４２の
吸込口との間に前記バイパス配管１０を接続すると共
に、これら低段側圧縮機４１と高段側圧縮機４２とがロ
ータリ式圧縮機またはスイング式圧縮機であることを特
徴とする。

【００２７】すなわち、低段側圧縮機４１と高段側圧縮
機４２とを設けて圧縮機構１を構成する場合、各圧縮機
にはシリンダ内に連通する中間ポートを設けることな
く、これら低段側圧縮機４１と高段側圧縮機４２との間
の接続管にバイパス配管１０を接続して構成することが
できる。そしてこの場合の圧縮機としてロータリ式圧縮
機またはスイング式圧縮機を採用することで、スクロー
ル式圧縮機等に比べ、冷媒が例えば二酸化炭素の場合に
より圧縮機効率の向上した装置とすることができる。

【００２８】請求項１２の冷凍機は、請求項１から１１
のいずれかの冷凍機において、高圧側が超臨界域で運転
されることを特徴とし、また請求項１３の冷凍機は、請
求項１から１２のいずれかの冷凍機において、冷媒が二
酸化炭素であることを特徴としている。

【００２９】このように高圧側が超臨界域で運転される
装置では、吐出温度が高くなり易く、また冷媒として二
酸化炭素を用いる装置では、二酸化炭素は比熱比が大き
いことから吐出温度が高くなり易いが、前記した膨張機
６の中間圧の冷媒を圧縮機構１の中間圧力領域にインジ
ェクションすることで吐出温度が抑えられるので、この
ような場合でも、信頼性が高く、また、運転範囲の拡大
された装置とすることができる。

【００３０】

【発明の実施の形態】〔実施形態１〕次に、この発明の
一実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態に係る冷凍機では、ガス
冷媒を圧縮する圧縮機構１が１基のスクロール式圧縮機
２によって構成され、この圧縮機２の吐出口１ａに、順
次、吐出配管３、ガス冷却器４、ガス管５、膨張機６、
液管７、蒸発器８、吸込配管９が接続されている。この
吸込配管９を圧縮機２の吸込口１ｂに接続することによ
って、冷媒循環回路が形成されている。さらに膨張機６
には、ガス管５が接続された冷媒流入口６ａと、液管７
が接続された冷媒流出口６ｂとの間に中間接続口６ｃが
形成されており、この中間接続口６ｃを、圧縮機２にお
ける吐出口１ａと吸込口１ｂとの間に形成されている中
間接続口１ｃに接続するバイパス配管１０が設けられて
いる。

【００３１】膨張機６は、図３に示すように、固定側渦
巻きラップ１１が設けられた固定スクロール１２に、可
動側渦巻きラップ１３を備える旋回スクロール１４を組
付けて形成されたスクロール式膨張機によって構成され
ている。固定スクロール１２中央の流入口６ａを通して
高圧のガス冷媒が流入すると、これは両渦巻きラップ１
１・１３間を螺旋状に流れる間に、旋回スクロール１４
に旋回動作を生じさせながら次第に減圧膨張し、液冷媒
になって冷媒流出口６ｂを通して前記液管７へと流出す
る。さらに詳細には、固定側渦巻きラップ１１と可動側
渦巻きラップ１３との間には、これら１１・１３が複数
箇所で接触することによって、流入口６ａに連通する内
側の高圧室１５ａと、流出口６ｂに連通する外側の低圧
室１５ｂと、これら両室１５ａ・１５ｂの間の膨張室１
５ｃとに区画される。この膨張室１５ｃは、旋回スクロ
ール１４の旋回に伴って両ラップ１１・１３の接触領域
が変化しても、流入口６ａと流出口６ｂとの双方への非
連通状態が保持されて圧力的に独立した空間になるよう
に形成されている。前記中間接続口６ｃは、この膨張室
１５ｃに臨む位置に形成されている。また、この中間接
続口６ｃは、この膨張室１５ｃで膨張する冷媒圧力が、
前記した圧縮機２における中間接続口１ｃの箇所での圧
力よりも高くなる箇所に形成されている。

【００３２】本実施形態では圧縮機２も、図４に示すよ
うに、スクロール式の圧縮機で構成されている。この場
合も上記とほぼ同様に、前記吐出口１ａに連通する高圧
室２ａと、吸込口１ｂに連通する低圧室２ｂとの間に形
成されている圧縮室２ｃ、すなわち、吐出口１ａと吸込
口１ｂとの双方への非連通状態が保持されて圧力的に独
立した空間に臨ませて、前記中間接続口１ｃが形成され
ている。

【００３３】次に上記構成の冷凍機において、二酸化炭
素を冷媒として使用するときの運転状態について、図２
を参照して説明する。冷媒は、圧縮機２において適切な
超臨界圧力状態ａまで圧縮され、圧縮されたガス冷媒
は、ガス冷却器４を通過する際に熱を適切な冷却材、例
えば冷却空気または水に放出し、状態ｂまで冷却され
る。次いで、この冷媒は膨張機６に流入し、この膨張機
６の通過時に減圧膨張して液冷媒に変化する（状態
ｃ）。次いで、この液冷媒が蒸発器８で蒸発し（状態
ｄ）、圧縮機２に返流されて圧縮される。

【００３４】ここで、膨張機６通過時には、前記した旋
回スクロール１４に旋回動作を生じさせるような膨張仕
事を伴い、これによって、冷媒は等エントロピ線（ｂ−
ｃ）に沿って相変化をしながらそのエンタルピを低下さ
せていく。この結果、蒸発器８の冷媒入口側（ｃ）と出
口側（ｄ）とにおける冷媒の比エンタルピ差が増大し、
冷凍能力が大きくなる。

【００３５】また、膨張機６で冷媒が行った膨張仕事
は、これが旋回スクロール１４に機械的エネルギとして
付与されるので、例えばこの旋回スクロール１４の回転
軸に発電機を取付けて電気エネルギに変換し、これを圧
縮機２の駆動電力として入力する等の構成にすることに
よって回収することができる。これにより、全体的な冷
凍サイクルのＣＯＰ（成績係数）が向上する。

【００３６】さらに本実施形態においては、上記した冷
媒循環サイクルと同時に、膨張機６から、図２において
ｅ点で示されるような中間圧力・中間温度の湿り冷媒
が、前記バイパス配管１０を通して圧縮機２にインジェ
クションされる。この結果、圧縮機２では、吸込口１ｂ
を通して流入したガス冷媒は、状態ｄから状態ｆまで圧
縮されたときに上記の冷媒が混合されることで、この混
合ガス全体は状態ｇに変化する。なお、同図に付記して
いる破線は等温線を示しており、状態ｆから状態ｇへの
変化に伴い、この間の等温線の数に相当する温度低下が
生じる。そして、状態ｇから、これら混合ガス全体が前
記した超臨界圧力状態ａの点に至るまで圧縮され吐出さ
れる。

【００３７】同図における二点鎖線は、ｄ−ｆをそのま
ま上方に延長した線、すなわち、上記のようなインジェ
クションを行わない場合の圧縮線を示している。この場
合に上記同様の超臨界圧力状態ａ’まで圧縮されたとき
の吐出温度に対し、本実施形態ではΔＴの温度低下が生
じている。このように、吐出温度がより低くなるので、
例えば圧縮機２におけるオイル劣化が抑制され、また、
焼き付き等が防止されて信頼性が向上した装置とするこ
とが可能になっている。

【００３８】以上のように、本実施形態の冷凍機におい
ては、膨張機６から中間圧の冷媒が抽気されて、これ
が、この中間圧よりも低く設定された圧縮機２の中間圧
にインジェクションされるように構成されている。この
場合、圧縮機２にインジェクションされる冷媒も、膨張
機６である程度の膨張仕事を行った後の冷媒であるの
で、膨張機６での全体的な動力回収効率もより良好なも
のとなる。しかも、膨張機６と圧縮機２とをバイパス配
管１０で接続するという極めて簡単な構成で吐出温度を
低下させることが可能であり、これによって、経済性や
信頼性がより向上した装置になり、また、運転範囲を拡
大することが可能になる。また上記では、膨張機６への
バイパス配管１０の接続口６ｃにおける冷媒圧力が、圧
縮機２へのバイパス配管１０の接続口１ｃにおける冷媒
圧力よりも高くなるように、膨張機６と圧縮機２とへの
バイパス配管１０の各接続口６ｃ・１ｃが設定されてい
る。したがって、バイパス配管１０を挟んで両側の圧力
差に応じて、膨張機６の中間圧の冷媒が圧縮機２にイン
ジェクションされ、圧縮機２へのインジェクションのた
めの圧力調整手段などを別途必要としないので、これに
よっても構成がより簡素なものになっている。

【００３９】さらに本実施形態においては、膨張機６と
圧縮機２との双方がスクロール式のもので構成されてお
り、これによっても構造の簡素化や、動力回収効率の向
上を図ることが可能になっている。まず膨張機について
は、これを例えば図５に示すようなロータリ式膨張機２
０で構成しようとすると、ガスの流入口に高圧弁２１が
必要になる。すなわち、同図（ａ）の状態で高圧弁２１
を開にして高圧ガスをシリンダ内に流入させたとき、こ
の流入ガスの膨張に伴ってロータリピストン２０ａに同
図（ｂ）（ｃ）（ｄ）のように回転動作を生じさせるた
めには、これら（ｂ）（ｃ）（ｄ）の間で高圧弁２１を
閉にしておくことが必要であり、これによって、シリン
ダ内に流入した高圧ガスが次第に膨張して圧力が低下す
る。

【００４０】このような高圧弁２１が無い場合にはシリ
ンダ内が常に高圧に維持され、減圧による膨張がなされ
ないことになって充分な膨張仕事を取り出すことができ
ずに、膨張機の効率が著しく低下する。また、上記のよ
うな高圧弁２１を設ける場合、この高圧弁２１の開閉タ
イミングを制御するカム機構などの開閉機構が必要にな
って、構造的に複雑なものともなる。

【００４１】これに対し、本実施形態におけるスクロー
ル型の膨張機６では、前記したように、冷媒流入口６ａ
に連通する高圧室１５ａと、冷媒流出口６ｂに連通する
低圧室１５ｂとの間に、冷媒流入口６ａと冷媒流出口６
ｂとのいずれにも非連通状態で保持される膨張室１５ｃ
が形成されているので、この膨張室１５ｃ内で高圧ガス
が膨張しながら膨張仕事をすることになる。したがっ
て、スクロール式の場合には高圧弁や低圧弁、また、弁
を開閉する機構などは不要であり、このため、簡素な構
成で高効率の動力回収を行わせることができる。

【００４２】一方、圧縮機について、これを例えば図６
に示すスイング式圧縮機２５で構成しようとする場合を
例に挙げて説明する。同図（ａ）は、吐出口２５ａがピ
ストン２５ｂによって閉じられた位相角０度の状態を示
しており、この状態からピストン２５ｂがシリンダ内壁
面に沿って、同図（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示すように揺動
することにより、ピストン２５ｂを挟んで一方の側（図
においては右側で、吸込口２５ｃを通して冷媒がシリン
ダ内に吸込まれ、他方の側で、吸込まれた冷媒が圧縮さ
れて吐出口２５ａから吐出される。この圧縮機２５内
に、前記バイパス配管１０を通して冷媒を中間圧力領域
にインジェクションするために、シリンダ端面において
圧縮側のシンリンダ室内に臨む位置に、インジェクショ
ン用の中間接続口２５ｄが形成されており、これは、ピ
ストン２５ｂの揺動動作に伴い、同図（ｃ）（ｄ）にお
ける圧縮過程の後半では、ピストン２５ｂの端面で塞が
れるようになっている。

【００４３】この場合の中間接続口２５ａが開口状態と
なる範囲は、同図（ｅ）に網線を施して示しているよう
に、−９度から１６６度の範囲である。すなわち、中間
接続口２５ａは−９度から０度をやや超える範囲で、吸
込口２５ｃに連通する状態を生じ、このとき、インジェ
クションされた冷媒が吸入圧まで、或いは吸入圧近くま
で低下し、また、インジェクションされる冷媒量も大き
くなる。このため、このインジェクションされた冷媒に
対しての圧縮仕事量が大きくなって、全体的な運転効率
が低下する。なお、ロータリ式の圧縮機においてもほぼ
同様のものになる。

【００４４】これに対し、本実施形態におけるスクロー
ル型の圧縮機２では、前記した圧縮室２ｃが閉じきられ
て吸込口１ｂに連通することはなく、したがって、この
圧縮室２ｃに臨む前記中間接続口１ｃを通してインジェ
クションされた冷媒は、吸込口１ｂでの吸込圧まで低下
することはなく、また、前記バイパス配管１０を挟んで
膨張機６と圧縮機２との各中間圧に応じて、その差圧に
よって圧縮機２に流入する冷媒は、その量が過大なもの
になることはないので、この圧縮機２においてより良好
な運転効率を維持することができる。

【００４５】〔実施形態２〕次に、この発明の他の実施
形態について図７を参照して説明する。なお、説明の便
宜上、上記実施形態１についての各説明図に挙げた部材
と同一の機能を有する部材に同一の符号を付記して、そ
の詳細な説明を省略する。後述するさらに他の実施形態
においても同様とする。本実施形態における冷凍機で
は、バイパス配管１０とガス管５との各中途部を相互に
隣接させた熱交換部３１を設けて形成されている。すな
わち、膨張機６の中間圧から抽気されてバイパス配管１
０を流れる冷媒に、ガス管５を流れる冷媒から熱が付与
され、これによって、ガス管５を流れる冷媒にこの領域
で温度低下が生じるように構成されている。

【００４６】このような構成でのモリエル線図を図８に
示している。なお同図中の破線は、上記のような熱交換
部３１を設けていない構成、すなわち、前記図１に示し
た冷凍機でのモリエリ線図（図２）である。図８に示さ
れているように、ガス冷却器４を通過して冷却された状
態ｂの冷媒は、上記の熱交換部３１を通過時に、バイパ
ス配管１０内を流れる中間圧力・中間温度の冷媒に熱を
付与して、状態ｂ’までさらに温度が低下する。これが
膨張機６で前記同様に減圧膨張されて状態ｃ’になり、
蒸発器８で蒸発されて状態ｄに達する。したがって、蒸
発器８の入口側（ｃ’）と出口側（ｄ）とにおける冷媒
の比エンタルピ差は、図１を参照して説明した冷凍機の
場合（ｄ−ｃ）に比べて大きくなる。この結果、圧縮機
２での吐出温度は若干高くはなるものの、冷凍効果が増
大してＣＯＰが向上する。

【００４７】〔実施形態３〕図９に、この発明のさらに
他の実施形態における冷凍機の冷媒回路図を示してい
る。この装置は、バイパス配管１０に気液分離器３２を
介設して構成されている。すなわち、パイパス配管１０
が、この気液分離器３２を膨張機６に接続する上流側配
管１０ａと、気液分離器３２を圧縮機２に接続する下流
側配管１０ｂとに分割形成され、気液分離器３２内で分
離されたガス冷媒が下流側配管１０ｂを通して圧縮機２
にインジェクションされるように、この下流側配管１０
ｂは、気液分離器３２における上部側に接続されてい
る。また、気液分離器３２の底部には、絞り３３が介設
されたバイパス分岐配管３４が接続され、気液分離器３
２内で分離された液冷媒が、このバイパス分岐配管３４
を通して、蒸発器８の入口側に供給されるように構成さ
れている。

【００４８】このような構成によれば、膨張機６から抽
気された中間圧の冷媒中に液冷媒が含まれている場合、
この液冷媒は気液分離器３２で分離されて除かれ、ガス
冷媒のみが圧縮機２にインジェクションされる。したが
って、圧縮機２で液圧縮を生じることが確実に防止さ
れ、信頼性がさらに向上する。なお、分離された液冷媒
は、膨張機６の冷媒流出口６ｂを通して流出した冷媒と
共に蒸発器８に供給されるので、冷凍能力の低下も抑え
られる。

【００４９】〔実施形態４〕図１０に示している冷凍機
は、バイパス配管１０に流量制御弁（流量制御手段）３
５を介設して構成されている。また、吐出配管３に付設
されている吐出温度検出用のサーミスタ等からなる温度
センサ（温度検出手段）３６での検出温度に基づいて、
上記流量制御弁３５の開度を制御するバイパス流量制御
部（バイパス流量制御手段）３７が、図示しない運転制
御装置内に設けられている。上記温度センサ３６での検
出温度が適正運転範囲の上限温度として設定されている
設定温度未満のときは、検出温度が設定温度に達するま
で、バイパス配管１０を流れる冷媒流量を次第に小さく
する制御が、上記バイパス流量制御部３７によって行わ
れる。

【００５０】このように、吐出温度を検知し、吐出温度
が上限温度未満の場合にはインジェクション量を減少さ
せる制御が行われることで、膨張機６を通る冷媒流量を
極力大きくした運転状態が保持される。したがって、回
収動力が増加してＣＯＰがさらに向上する。

【００５１】〔実施形態５〕図１１に示している冷凍機
は、バイパス配管１０に逆止弁３８を介設して構成され
ている。この逆止弁３８を挟んで膨張機６側の圧力が圧
縮機２側の圧力よりも高いときには、膨張機６からその
中間圧の冷媒が、前記同様に圧縮機２の中間圧領域にイ
ンジェクションされる。一方、圧縮機２側の圧力の方が
膨張機６側よりも高くなるとこの逆止弁３８が閉弁し、
圧縮機２側から膨張機６に向かう冷媒流れが阻止され
る。このような逆止弁３８を設けることにより、運転条
件が変動する場合でもバイパス配管１０を通しての冷媒
の逆流が防止されるので、ＣＯＰの向上した運転状態が
安定して維持される。

【００５２】〔実施形態６〕前記各実施形態１〜５の冷
凍機では、ガス冷媒を圧縮する圧縮機構１が１基のスク
ロール式圧縮機２によって構成されているのに対し、本
実施形態の冷凍機は、図１２に示すように、低段側圧縮
機４１と高段側圧縮機４２との２基の圧縮機を相互に直
列接続して圧縮機構１が構成されている。その他の構成
は前記図１を参照して説明した実施形態１と同様であ
る。

【００５３】バイパス配管１０は、低段側圧縮機４１の
吐出口と高段側圧縮機４２の吸込口とを相互に接続する
接続配管４３に接続されている。また、これら圧縮機４
１・４２は、双方がロータリ式圧縮機またはスイング式
圧縮機で構成されている。なお、一方をロータリ式圧縮
機、他方をスイング式圧縮機として構成することも可能
である。

【００５４】このような構成の冷凍機においても、膨張
機６から抽気された中間圧の冷媒が、低段側圧縮機４１
と高段側圧縮機４２との間の中間圧力領域にインジェク
ションされ、これによって、前記図２のモリエル線図を
参照して説明したものと同様の運転状態を得ることがで
きる。この結果、前記同様に、ＣＯＰの向上と共に、吐
出温度が低下されて信頼性も向上した装置とすることが
できる。

【００５５】なおこの場合、バイパス配管１０は各圧縮
機４１・４２間の接続配管４３に接続すれば良く、接続
ポートをいずれかの圧縮機４１・４２のシリンダ内に開
口するように形成する必要はないことから、これら圧縮
機４１・４２は、前記のようにスイング式若しくはロー
タリ式のものを採用して構成されている。図１３に、ス
イング式およびロータリ（ＲＣ）式の圧縮機と、スクロ
ール式の圧縮機との圧縮機効率の比較グラフを示してい
る。

【００５６】これら圧縮機は、図のように、シリンダ容
積が特定の範囲で圧縮機効率が最大になるような傾向を
持っている。シリンダ容積が小さくなるとスイング式お
よびロータリ式が効率的に優位になり、シリンダ容積が
大きくなるとスクロール式が優位になる。また、例えば
空調冷凍機において、冷媒としてＲ４０７Ｃを用いる場
合と二酸化炭素を用いる場合とでシリンダ容積を比較し
てみると、二酸化炭素は高圧で体積能力が大きいので、
同一能力を出すためのシリンダ容積はＲ４０７Ｃの場合
に比べて著しく小さくなる。特に市場において需要の多
い３〜１０ＲＴを考えた場合には、二酸化炭素ではスイ
ング式やロータリ式の方がスクロール式に対して圧縮機
効率が高くなる。したがって、本実施形態では低段側圧
縮機４１や高段側圧縮機４２としてスイング式若しくは
ロータリ式のものを用いることによっても、より高効率
の運転が行われる装置になっている。

【００５７】以上にこの発明の具体的な実施形態につい
て説明したが、この発明は上記各形態に限定されるもの
ではなく、この発明の範囲内で種々変更することが可能
である。例えば図１２を参照して説明した実施形態６の
冷凍機において、圧縮機構１が低段側圧縮機４１と高段
側圧縮機４２とから成る構成については、これを、図７
〜図１１を参照してそれぞれ説明した実施形態２〜５の
各冷凍機でのスクロール式圧縮機２から成る圧縮機構１
にそれぞれ置き換えて構成することが可能である。ま
た、低段側圧縮機４１と高段側圧縮機４２とのいずれか
一方、または双方をさらに複数の圧縮機に置き換えて構
成しても良い。

【００５８】また、実施形態２での熱交換部３１を設け
た構成、実施形態３での気液分離器３２を設けた構成、
実施形態４での流量制御弁３５を設けた構成、実施形態
５での逆止弁３８を設けた構成は、これらを任意に組み
合わせた装置構成とすることも可能である。

【００５９】また上記では、冷媒として二酸化炭素を用
いる場合を例に挙げたが、例えばエチレン、エタン、酸
化窒素など、高圧側が超臨界域で運転される冷媒を用い
る冷凍機にも本発明を適用して構成することが可能であ
る。

【００６０】

【発明の効果】以上のように、請求項１の冷凍機は、膨
張機における中間圧力の冷媒を圧縮機構の中間圧力領域
にインジェクションさせるためのバイパス配管を設ける
という簡単な構成で、膨張機での動力回収を効率的に行
うことができ、しかも、吐出温度の低下を図ることが可
能であって、経済性や信頼性がより向上した装置とする
ことができる。

【００６１】請求項２の冷凍機においては、膨張機にお
ける抽気口での圧力に対し、圧縮機構におけるインジェ
クション口での圧力が低くなるように、これら膨張機と
圧縮機構とへのバイパス配管の各接続口が設定されてい
る。これにより、膨張機から圧縮機構へのインジェクシ
ョンのための圧力調整手段などを別途必要としないの
で、これによっても構成をより簡素なものとすることが
できる。

【００６２】請求項３の冷凍機は、ガス冷却器と膨張機
との間を流れる冷媒と、バイパス配管を流れる冷媒との
間で熱交換を生じさせる熱交換部が設けられているの
で、この熱交換部でさらに温度低下を生じた冷媒が膨張
機・蒸発器を順次流れることになる。この結果、蒸発器
での蒸発熱量が増加して冷凍能力が大きくなり、ＣＯＰ
が向上する。

【００６３】請求項４の冷凍機は、膨張機から抽気した
冷媒中の液成分を気液分離器によって分離した後に圧縮
機構にインジェクションするように構成されているの
で、圧縮機構での液圧縮のおそれが解消されて、信頼性
がさらに向上する。

【００６４】請求項５の冷凍機は、バイパス配管に流量
制御手段が介設されているので、例えば、請求項６のよ
うに、圧縮機構から吐出されるガス冷媒の温度を検出す
る温度検出手段を設けて、検出される吐出温度に基づく
制御を行うことにより、吐出温度の過熱がより確実に抑
えられる装置とすることができる。

【００６５】また請求項７のように、検出温度が設定温
度に達するまでバイパス配管を流れる冷媒流量が次第に
小さくなるような制御構成とすれば、適正運転範囲の上
限温度を上記の設定温度として、この設定温度に達する
まではインジェクション量を減少させて膨張機を通る冷
媒流量を大きくする制御が行われるので、回収動力が増
加してＣＯＰがより向上する。

【００６６】請求項８の冷凍機は、バイパス配管に逆止
弁が設けられているので、運転条件が変動する場合でも
バイパス配管を通しての冷媒の逆流が防止されて、ＣＯ
Ｐの向上した運転状態を安定して維持させることができ
る。

【００６７】請求項９の冷凍機は、膨張機が、内部に冷
媒流入口や冷媒流出口のいずれにも非連通状態で保持さ
れる膨張室を備えるスクロール式の膨張機で構成されて
いるので、冷媒流入口に高圧弁を設けること等が不要
で、これによっても構成が簡素なものになり、また、高
効率の動力回収を行わせることができる。

【００６８】請求項１０の冷凍機は、圧縮機構が１基の
スクロール式圧縮機で構成されている。このスクロール
式のものは、前記同様に吸込口や吐出口のいずれにも非
連通状態で保持される圧縮室が形成されているので、こ
の圧縮室にインジェクションすることで、インジェクシ
ョン冷媒が吸込圧まで低下することはなく、これによっ
て、圧縮機効率が向上した装置とすることができる。

【００６９】請求項１１の冷凍機は、圧縮機構が、それ
ぞれロータリ式圧縮機またはスイング式圧縮機から成る
低段側圧縮機と高段側圧縮機とを相互に直列接続して構
成されている。このようにロータリ式またはスイング式
とすることで、スクロール式圧縮機等に比べ、冷媒が例
えば二酸化炭素の場合に、より圧縮機効率の向上した装
置とすることができる。

【００７０】特に請求項１２や請求項１３のように、吐
出温度が高くなり易い場合でも、膨張機の中間圧の冷媒
を圧縮機構の中間圧力領域にインジェクションすること
で吐出温度が抑えられるので、高効率で信頼性の高い装
置とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施形態における冷凍機の冷媒回
路図である。

【図２】上記冷凍機における冷凍サイクルを説明するた
めのモリエル線図である。

【図３】上記冷凍機における膨張機の内部構造を示す断
面模式図である。

【図４】上記冷凍機における圧縮機の内部構造を示す断
面模式図である。

【図５】ロータリ式膨張機での膨張動作工程を示す説明
図である。

【図６】スイング式圧縮機での圧縮動作工程を示す説明
図である。

【図７】この発明の他の実施形態における冷凍機の冷媒
回路図である。

【図８】図７に示す冷凍機での冷凍サイクルを説明する
ためのモリエル線図である。

【図９】この発明のさらに他の実施形態における冷凍機
の冷媒回路図である。

【図１０】この発明のさらに他の実施形態における冷凍
機の冷媒回路図である。

【図１１】この発明のさらに他の実施形態における冷凍
機の冷媒回路図である。

【図１２】この発明のさらに他の実施形態における冷凍
機の冷媒回路図である。

【図１３】スイング式圧縮機およびロータリ式圧縮機と
スクロール式圧縮機とについてのシリンダ容積と圧縮機
効率との関係を示すグラフである。

【図１４】従来の冷凍機における冷媒回路図である。

【図１５】図１４に示す冷凍機における冷凍サイクルを
説明するためのモリエル線図である。

【符号の説明】

１圧縮機構１ａ吐出口１ｂ吸込口１ｃ中間接続口２圧縮機４ガス冷却器６膨張機６ａ冷媒流入口６ｂ冷媒流出口６ｃ中間接続口８蒸発器１０バイパス配管３１熱交換部３２気液分離器３４バイパス分岐配管３５流量制御弁（流量制御手段）３６温度センサ（温度検出手段）３７バイパス流量制御部（バイパス流量制御手段）３８逆止弁４１低段側圧縮機４２高段側圧縮機

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ０４Ｃ 18/356 Ｆ０４Ｃ 18/356 Ａ 29/10 ３１１ 29/10 ３１１ＢＦ２５Ｂ 1/04 Ｆ２５Ｂ 1/04 ＥＹ 1/10 1/10 ＱＦターム(参考） 3H029 AA02 AA04 AB03 BB12 BB35 BB42 BB52 CC02 CC13 CC24 CC25 CC26 CC49 CC52 CC56 CC87 CC91

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガス冷媒を圧縮する圧縮機構（１）の吐
出側に、順次、ガス冷却器（４）と膨張機（６）と蒸発
器（８）とを接続して冷媒循環回路を形成した冷凍機で
あって、膨張機（６）における冷媒流入口（６ａ）と冷媒流出口
（６ｂ）との間の箇所と、圧縮機構（１）における吸込
口（１ｂ）と吐出口（１ａ）との間の箇所とを相互に接
続するバイパス配管（１０）を設けて、膨張機（６）に
おける中間圧力の冷媒が上記バイパス配管（１０）を通
して圧縮機構（１）にインジェクションされるように形
成していることを特徴とする冷凍機。
【請求項２】膨張機（６）へのバイパス配管（１０）
の接続口（６ｃ）における冷媒圧力が、圧縮機構（１）
へのバイパス配管（１０）の接続口（１ｃ）における冷
媒圧力よりも高くなるように、膨張機（６）と圧縮機構
（１）とへのバイパス配管（１０）の各接続口（６ｃ）
（１ｃ）が設定されていることを特徴とする請求項１の
冷凍機。
【請求項３】ガス冷却器（４）と膨張機（６）とを相
互に接続する配管内を流れる冷媒と、上記バイパス配管
（１０）内を流れる冷媒との間で熱交換を生じさせる熱
交換部（３１）を設けていることを特徴とする請求項１
または２の冷凍機。
【請求項４】バイパス配管（１０）に気液分離器（３
２）を介設し、この気液分離器（３２）で分離されたガ
ス冷媒が圧縮機構（１）にインジェクションされるよう
に形成する一方、気液分離器（３２）で分離された液冷
媒を蒸発器（８）の入口側に導くバイパス分岐配管（３
４）を設けていることを特徴とする請求項１、２または
３の冷凍機。
【請求項５】バイパス配管（１０）に流量制御手段
（３５）を介設していることを特徴とする請求項１から
４のいずれかの冷凍機。
【請求項６】圧縮機構（１）から吐出されるガス冷媒
の温度を検出する温度検出手段（３６）と、この温度検
出手段（３６）での検出温度に基づいて上記流量制御手
段（３５）を制御するバイパス流量制御手段（３７）と
を設けていることを特徴とする請求項５の冷凍機。
【請求項７】上記検出温度が設定温度未満のときは、
検出温度が設定温度に達するまでバイパス配管（１０）
を流れる冷媒流量が次第に少なくなるように、上記バイ
パス流量制御手段（３７）が流量制御手段（３５）を制
御することを特徴とする請求項６の冷凍機。
【請求項８】バイパス配管（１０）に、膨張機（６）
から圧縮機構（１）に向かう流れを許容する一方、圧縮
機構（１）から膨張機（６）に向かう流れを阻止する逆
止弁（３８）を設けていることを特徴とする請求項１か
ら７のいずれかの冷凍機。
【請求項９】膨張機（６）がスクロール式であること
を特徴とする請求項１から８のいずれかの冷凍機。
【請求項１０】圧縮機構（１）が１基の圧縮機（２）
から成り、この圧縮機（２）がスクロール式圧縮機であ
ることを特徴とする請求項１から９のいずれかの冷凍
機。
【請求項１１】圧縮機構（１）が相互に直列接続され
た低段側圧縮機（４１）と高段側圧縮機（４２）とから
成り、低段側圧縮機（４１）の吐出口と高段側圧縮機
（４２）の吸込口との間に前記バイパス配管（１０）を
接続すると共に、これら低段側圧縮機（４１）と高段側
圧縮機（４２）とがロータリ式圧縮機またはスイング式
圧縮機であることを特徴とする請求項１から１０のいず
れかの冷凍機。
【請求項１２】高圧側が超臨界域で運転されることを
特徴とする請求項１から１１のいずれかの冷凍機。
【請求項１３】冷媒が二酸化炭素であることを特徴と
する請求項１から１２のいずれかの冷凍機。