JP2003074999A

JP2003074999A - 冷凍機

Info

Publication number: JP2003074999A
Application number: JP2001262791A
Authority: JP
Inventors: Ryuzaburo Yajima; 龍三郎矢嶋
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2001-08-31
Filing date: 2001-08-31
Publication date: 2003-03-12

Abstract

(57)【要約】【課題】冷媒として例えば二酸化炭素を用いる冷凍機
において、ＣＯＰ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】ガス冷却器５の出口と蒸発器１３の入口
との間に介設される第１減圧機構１１とは別に、ガス冷
却器５の出口に冷媒流入口が、圧縮機構１の中間圧領域
に冷媒流出口が各々連通する第２減圧機構７を設け、こ
れら第１・第２減圧機構１１・７の少なくともいずれか
一方を膨張機によって形成する。これにより、吐出温度
低下による信頼性の向上や運転範囲の拡大を得ることが
でき、しかもＣＯＰを向上させることができる。また例
えば第１減圧機構１１が膨張弁から成る場合には、この
膨張弁で蒸発器過熱度制御を行わせることができるの
で、より適正な冷媒循環量での運転が維持され、これに
よってもＣＯＰが向上する。

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、二酸化炭素など
の超臨界域で作動す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】近年の冷凍機では、脱フロン化を図るた
めに例えば二酸化炭素等を冷媒として使用する冷凍機の
開発が進められている。この二酸化炭素を圧縮式冷凍機
に使用する場合、次のような課題がある。（１）比熱比が大きいため吐出温度が高くなる。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、機器の信頼性を低下させる。し
たがって、吐出温度を低下させる技術が必要である。（２）ＨＦＣ冷媒に比較して理論ＣＯＰ（成績係数）が
低い。したがって、ＣＯＰを向上させる技術が必要であ
る。

【０００３】ここで、低温冷凍機用として一般に使用さ
れているＨＦＣ冷媒、例えばＲ１３４ａやＲ４０４Ａ
と、二酸化炭素冷媒との標準サイクルでのＣＯＰや吐出
温度を試算すると、下記表１のようになる。

【０００４】

【表１】

【０００５】ここでの試算条件は次のように設定した。＜条件１＞・蒸発温度−３０℃ ・冷媒がＨＦＣのとき、凝縮温度４５℃、凝縮器出口温
度３７℃ ・冷媒が二酸化炭素のとき、ガス冷却器出口温度３７℃ ガス冷却器圧力はＣＯＰを最大にする圧力・蒸発器出口過熱度０℃ ・冷媒圧力損失は無視、熱交換器性能の冷媒間による差
も無視・冷媒物性は、ＮＩＳＴＲＥＦＰＲＯＰＶ６にて
計算・圧縮機効率６０％なおガス冷却器出口温度は、室外空気温度が３５℃とし
て設定した。

【０００６】表１に示されているように、ＣＯＰに関し
ては、大巾な差があり、また、二酸化炭素冷媒での吐出
温度は、圧縮機の信頼性が維持できる吐出温度といわれ
ている１２０〜１３０℃を大幅に超えている。

【０００７】そこで、二酸化炭素をＨＦＣ冷媒に代わっ
て実用化するため、上記のような不具合を解決すべく多
くの提案がなされている。例えば特開２０００−２０５
１６４号公報には圧縮を２段とし、低段・高段の圧縮機
の間に放熱器を備えたものが提案されており、このよう
な圧縮サイクルを採用した回路構成を図２２（ａ）に示
している。図のように、低段側圧縮機８１と高段側圧縮
機８２との間に放熱器８３が設けられ、高段側圧縮機８
２の吐出側に、順次、ガス冷却器８４、膨張弁８５、蒸
発器８６を接続して冷媒循環回路が形成されている。

【０００８】このような構成によって、同図（ｂ）に示
すような冷凍サイクルでの運転が行われ、同図中、状態
ｄで示されているように、高段側圧縮機８２の吐出温度
の低下が図られる。また、圧縮機内部温度の低下によっ
て圧縮機効率の低下も防止され、高段側の圧縮仕事が減
少することによりＣＯＰの向上を得ることができる。圧
縮機効率は、上記のような吐出温度の低下によって、ほ
ぼＨＦＣ冷媒と同等の効率を確保することができる。以
下、この図２２に示した構成を従来例１と称して説明す
る。

【０００９】一方、例えば独国特許ＤＥ１９８１２２２
０Ａ１には、上記同様の２段圧縮サイクルに、膨張機に
よる動力回収を組み合わせた冷凍サイクルが提案されて
いる。この場合の冷媒回路を図２３（ａ）に示してい
る。すなわち、上記した従来例１では減圧機構として膨
張弁８５を用いているのに対し、ここでは膨張機９１を
採用して構成されている。この構成によれば、同図
（ｂ）に示すように、膨張機９１通過時に膨張仕事を伴
い、これによって、図のように傾斜した等エントロピ線
（ｅ−ｆ）に沿う減圧膨張が行われる。この結果、蒸発
器入口側と出口側との比エンタルピ差が大きくなって冷
凍能力が増加する。また、膨張機９１での膨張仕事を回
収して圧縮動力の一部として生かすことによって、さら
にＣＯＰを向上させることができる。以下、この図２３
に示した構成を従来例２と称して説明する。

【００１０】表２には、上記した従来例１および従来例
２の各冷媒回路におけるＣＯＰと吐出温度とについて、
前記した条件１と同様の条件下で試算した結果を示して
いる。放熱器８３の出口温度は、ガス冷却器８４の出口
温度３７℃と同じとした。また、従来例２における膨張
機効率は６０％とし、高圧、中間圧、放熱器出口温度
は、従来例１と同じに設定した。なお、中間圧を高くす
れば低段側の吐出温度が上昇する。また、ＣＯＰを最大
にするような中間圧が存在する。今回は、ＣＯＰが最大
になるように中間圧を定めた。

【００１１】

【表２】

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】表２に示されているよ
うに、従来例１では、二酸化炭素冷媒での前記した、標
準サイクルの場合に比べてＣＯＰの改善は見られるもの
の、ＨＦＣ冷媒との差を考えれば、更に新しいＣＯＰ向
上技術が必要であることは明らかである。また、吐出温
度に関しても、高段側はかなり低くなるものの、低段側
は１２０℃であり、圧縮機信頼性を確保する上で余裕の
無い値になっている。

【００１３】一方、従来例２では、減圧機構として膨張
機を用いることによってかなり大きなＣＯＰの向上が得
られ、前記したＲ４０４Ａ冷媒の場合ととほぼ同等にな
っている。したがって性能的にはかなり満足できる結果
となっているが、吐出温度に関しては効果が無いため、
依然として圧縮機信頼性の課題が残ることになる。

【００１４】さらに、減圧機構として膨張機を採用した
構成では、蒸発器出口の過熱度が成り行きになってしま
うという課題もある。運転条件によっては、過熱度が最
適値からずれてＣＯＰが低下し、期待したような効果が
得られずに吐出温度のさらなる上昇や、湿り運転による
信頼性低下の問題を引き起こすこととなる。

【００１５】また二酸化炭素冷媒の場合には、ＣＯＰを
最大にする高圧が存在することが公知の事実である。こ
の最適な高圧に制御するためには、膨張弁によって絞り
を変更することによって可能となるが、膨張機による減
圧を行う際には、膨張弁のような開度制御ができない。
したがって、高圧制御を行うことができずに高圧が理想
的な圧力からずれて、期待しているＣＯＰが得難いとい
う問題もある。

【００１６】また、二酸化炭素を用いる冷凍機の課題と
して、運転条件によって必要な冷媒充填量が変化したと
きにその変化を吸収し、サイクルを循環する冷媒量を常
に適正に保つための冷媒貯留手段が必要なことも多く知
られた事実である（例えば特公平７−１８６０２号公報
等参照）。

【００１７】このように、従来、２段圧縮を用いること
や、減圧機構として膨張機を設けることによってＣＯＰ
の向上が図られているが、吐出温度が高くなることによ
る信頼性低下や、過熱度制御、高圧制御ができないこと
による性能および信頼性低下の課題が残っている。

【００１８】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、ＣＯＰの向上
に加え、吐出温度をより低下させて信頼性を向上させる
ことが可能であると共に、さらに、過熱度制御、高圧制
御、冷媒量適正化が可能な冷凍機を提供することにあ
る。

【００１９】

【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５と第１減圧機構１１・２１と蒸発器１
３とを接続して冷媒循環回路を形成した冷凍機であっ
て、上記ガス冷却器５の出口側に冷媒流入口が連通する
一方、冷媒流出口が圧縮機構１における圧縮途中の中間
圧領域に連通する第２減圧機構７・２３を設け、第１減
圧機構１１・２１と第２減圧機構７・２３との少なくと
もいずれか一方を、膨張機で形成していることを特徴と
している。

【００２０】この場合、例えば請求項２のように、第２
減圧機構７をガス冷却器５と第１減圧機構１１との間に
介設すると共に、第１減圧機構１１と第２減圧機構７と
の間を圧縮機構１の上記中間圧領域に連通させた構成と
することができる。この構成では、ガス冷却器５で冷却
された冷媒が、順次、第２減圧機構７と第１減圧機構１
１とを通して２段階の減圧膨張を生じた後、蒸発器１３
に送られるサイクルになるので、以下ではこの構成を２
段膨張サイクルという。

【００２１】上記請求項１、２のような構成によれば、
ガス冷却器５で冷却され、さらに第２減圧機構７での減
圧膨張で温度低下を生じた一部冷媒が、圧縮機構１での
圧縮途中の冷媒に混合されるので吐出温度が低下し、こ
れによってオイル劣化や焼き付きが防止されて信頼性が
向上し、またＣＯＰが向上する。しかも、第１減圧機構
１１と第２減圧機構７との少なくともいずれか一方が膨
張機で形成されているので、この膨張機によって動力回
収が行われ、これによってさらにＣＯＰが向上する。ま
た、第１減圧機構１１が膨張弁で形成されている場合に
は、この膨張弁で蒸発器過熱度制御を行わせることがで
き、第２減圧機構７が膨張弁で形成されている場合には
高圧制御を行わせることができるので、これらの場合に
は、より適正な冷媒循環量での運転を維持することが可
能になって、これによっても全体的なＣＯＰが向上す
る。

【００２２】なお、請求項２の２段膨張サイクルの構成
においては、請求項３のように、第１減圧機構１１を膨
張弁で形成する一方、第２減圧機構７を膨張機で形成す
れば、吐出温度の低下効果とＣＯＰ向上効果とを充分に
得ることができ、しかも、膨張弁に比べて高価な膨張機
を１基設けるだけで済むので、コスト性能にも優れた装
置になる。

【００２３】また、請求項２の２段膨張サイクルにおい
て、高段側の第２減圧機構７を膨張機で形成する場合に
は、請求項４のように、この第２減圧機構７とガス冷却
器５との間に膨張弁３１を介設すれば、この膨張弁３１
で高圧の制御可能な装置とすることができる。一方、低
段側の第１減圧機構１１を膨張機で形成する場合には、
請求項５のように、第１減圧機構１１と第２減圧機構７
との間に膨張弁３２を介設した構成とすれば、この膨張
弁３２により、蒸発器過熱度を制御可能な装置とするこ
とができる。

【００２４】請求項６の冷凍機は、請求項２から５のい
ずれかの冷凍機において、第１減圧機構１１と第２減圧
機構７との間に中間冷却器９を介設して、この中間冷却
器９を圧縮機構１における中間圧領域に連通させている
ことを特徴としている。

【００２５】このような構成によれば、余剰冷媒を中間
冷却器９で吸収することができるので、運転条件が変化
しても常に適正冷媒量にて運転可能な装置とすることが
でき、これによってさらにＣＯＰが向上した装置とする
ことができる。

【００２６】なお圧縮機構１については、請求項７のよ
うに、吸込口に蒸発器１３が接続された低段側圧縮機２
と、吐出口にガス冷却器５が接続された高段側圧縮機３
とを設けて形成し、低段側圧縮機２の吐出口と高段側圧
縮機３の吸込口との間を前記中間圧領域として形成した
構成とすることができる。またこのとき、前記した中間
冷却器９も設ける場合には、請求項８のように、低段側
圧縮機２の吐出口と高段側圧縮機３の吸込口とをそれぞ
れ中間冷却器９に連通させた構成とすることができる。

【００２７】一方、請求項１の冷凍機においては、請求
項９のように、ガス冷却器５と第１減圧機構２１との間
から分岐されて圧縮機構１の上記中間圧領域に連通する
分流配管２２を設け、この分流配管２２に第２減圧機構
２３を介設した構成とすることも可能である。この構成
では、ガス冷却器５から蒸発器１３に送られる冷媒につ
いては、第１減圧機構２１通過時にのみ減圧膨張を生じ
るサイクルになるので、以下ではこの構成を１段膨張サ
イクルという。

【００２８】上記のような構成によれば、ガス冷却器５
で冷却され、さらに第２減圧機構２３での減圧膨張で温
度低下を生じた一部冷媒が、圧縮機構１での圧縮途中の
冷媒に混合されるので吐出温度が低下し、これによって
オイル劣化や焼き付きが防止されて信頼性が向上し、ま
たＣＯＰが向上する。しかも、第１減圧機構２１と第２
減圧機構２３との少なくともいずれか一方が膨張機で形
成されているので、この膨張機によって動力回収が行わ
れ、これによってさらにＣＯＰが向上する。また、第１
減圧機構２１が膨張弁で形成されている場合には、この
膨張弁で蒸発器過熱度制御を行わせることができ、第２
減圧機構２３が膨張弁で形成されている場合には高圧制
御を行わせることができるので、これらの場合には、よ
り適正な冷媒循環量での運転を維持することが可能にな
って、これによっても全体的なＣＯＰが向上する。

【００２９】また、上記請求項９の１段膨張サイクルの
構成においても、分流配管２２に介設する第２減圧機構
を膨張弁で形成する場合は、請求項１０のように、この
第２減圧機構２３とガス冷却器５との間に膨張弁３１を
介設することによって、前記同様に高圧制御可能な装置
とすることができる。また、蒸発器１３に連通する第１
減圧機構２１を膨張機で形成する場合は、請求項１１の
ように、ガス冷却器５と第１減圧機構２１との間で分流
配管２２の接続箇所よりも第１減圧機構２１側、すなわ
ち、この第１減圧機構２１の上流に膨張弁３２を介設し
た構成とすることで、蒸発器過熱度の制御可能な装置と
することができる。

【００３０】請求項１２の冷凍機は、請求項９、１０ま
たは１１の冷凍機において、第２減圧機構２３を通過し
た冷媒と、ガス冷却器５と第１減圧機構２１との間の配
管内を流れる冷媒との間で熱交換を生じさせる中間冷却
器９を設けていることを特徴としている。

【００３１】このような構成によれば、ガス冷却器５を
通過後に第１減圧機構２１に向かう冷媒は、第２減圧機
構２３で減圧膨張して温度低下した冷媒によって冷却さ
れ、その後、第１減圧機構２１を通して蒸発器１３へと
送られる。この結果、蒸発器１３入口側と出口側との比
エンタルピ差がより大きくなって冷凍能力が増加し、Ｃ
ＯＰが向上する。

【００３２】請求項１３の冷凍機は、請求項１２の冷凍
機において、第２減圧機構２３が介設された分流配管２
２と圧縮機構１との間に中間冷却器９を設け、ガス冷却
器５と第１減圧機構２１との間の配管内を流れる冷媒と
上記中間冷却器９に流入した冷媒との間で熱交換が生じ
ると共に、中間冷却器（９）内には余剰液冷媒を溜める
ことのできるように形成していることを特徴としてい
る。

【００３３】この構成によれば、前記と同様に、余剰冷
媒を中間冷却器９で吸収することができるので、常に適
正冷媒量にて運転可能な装置とすることができ、これに
よってさらにＣＯＰが向上した装置とすることができ
る。

【００３４】なお圧縮機構１については、請求項１４の
ように、吸込口に蒸発器１３が接続された低段側圧縮機
２と、吐出口にガス冷却器５が接続された高段側圧縮機
３とを設けて形成し、低段側圧縮機２の吐出口と高段側
圧縮機３の吸込口との間を前記中間圧領域として形成し
た構成とすることができる。またこのとき、前記した中
間冷却器９も設ける場合には、請求項１５のように、低
段側圧縮機２の吐出口と高段側圧縮機３の吸込口とをそ
れぞれ中間冷却器９に連通させた構成とすることができ
る。

【００３５】さらに、請求項７、請求項８、請求項１
４、請求項１５のように低段側圧縮機２と高段側圧縮機
３とを設けて構成する場合、請求項１６のように、これ
らのうちの少なくとも一方をロータリ式またはスイング
式の圧縮機で形成した構成とすれば、例えば二酸化炭素
を冷媒として用いる場合でもより圧縮機効率の優れた装
置とすることが可能になる。

【００３６】一方、膨張機については、請求項１７のよ
うに、これをスクロール式膨張機で形成することによっ
て、例えばロータリ式の膨張機を用いる場合に比べ、よ
り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。

【００３７】請求項１８の冷凍機は、請求項１から１７
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１９の冷凍機は、請
求項１から１８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。

【００３８】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。

【００３９】

【発明の実施の形態】次に、この発明の具体的な実施形
態について図面を参照して説明する。図１〜図６に、こ
の発明の実施形態１〜６をそれぞれ示しており、図７〜
図９に、これら実施形態における冷凍機の性能比較グラ
フを示している。初めに、図１〜図６を参照して各実施
形態１〜６の構成、および冷媒として二酸化炭素を使用
したときの冷凍サイクルについて説明する。

【００４０】図１に示す実施形態１の冷凍機は、同図
（ａ）に示すように、ガス冷媒を圧縮する圧縮機構１が
低段側圧縮機２と、高段側圧縮機３とを設けて構成され
ている。なお、これら圧縮機２・３は、いずれか一方、
或いは双方が、ロータリまたはスイング式の圧縮機で形
成されている。高段側圧縮機３の吐出口３ａに、順次、
第１配管４、ガス冷却器５、第２配管６、高段側減圧機
構７、第３配管８、中間冷却器９、第４配管１０、低段
側減圧機構１１、第５配管１２、蒸発器１３、第６配管
１４が接続され、この第６配管１４が低段側圧縮機２の
吸込口２ａに接続されている。そして、この低段側圧縮
機２の吐出口２ｂが中間圧第１接続管１５によって中間
冷却器９に、また、高段側圧縮機３の吸込口３ｂが中間
圧第２接続管１６によって中間冷却器９にそれぞれ接続
されている。

【００４１】ここで、低段側減圧機構（第１減圧機構）
１１は例えば電動式の膨張弁で構成され、ガス冷却器５
と中間冷却器９との間に介設されている高段側減圧機構
（第２減圧機構）７は、例えばスクロール型膨張機で構
成されている。中間冷却器９は、これに低段側圧縮機２
から吐出される中間圧の冷媒と、高段側減圧機構７で減
圧膨張した中間圧の冷媒とがそれぞれ流入してこの中間
冷却器９内で混合された後、この中間冷却器９から、高
段側圧縮機３に向かう冷媒と、蒸発器１３に向かう冷媒
とに分流されるように形成されている。したがって、低
段側圧縮機２と高段側圧縮機３とで２段に圧縮された冷
媒が、ガス冷却器５を通過後に高段側減圧機構７と低段
側減圧機構１１とで２段に膨張されて蒸発器１３を通過
する冷媒循環サイクルが形成されており、このサイクル
中で、低段側圧縮機２から高段側圧縮機３に送られる圧
縮途中の冷媒を、高段側減圧機構７通過後の冷媒と混合
させて冷却するような回路構成になっている。以下、こ
のような冷凍サイクルを２段圧縮２段膨張サイクルとい
う。

【００４２】上記構成において、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、同図（ｂ）を参照
して説明する。冷媒は、低段側圧縮機２と高段側圧縮機
３とによって適切な超臨界圧力状態ｄまで圧縮され、圧
縮されたガス冷媒は、ガス冷却器５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
ｅまで冷却される。次いで、この冷媒は高段側減圧機構
７で減圧膨張するが、この高段側減圧機構７は膨張機で
あることから膨張仕事を伴いながら等エントロピ線（ｅ
−ｆ）に沿ってそのエンタルピを低下させていく。その
後、中間冷却器９に流入し、低段側圧縮機２からの冷媒
と混合されて状態ｇに変化した冷媒が、膨張弁から成る
低段側減圧機構１１を通過時に等エンタルピ線（ｇ−
ｈ）に沿ってさらに減圧膨張し、これが蒸発器１３で蒸
発し（状態ａ）、低段側圧縮機２に返流されて圧縮され
る。

【００４３】ここで、高段側減圧機構７通過時には、前
記のように膨張仕事を伴ってエンタルピを低下させ、ま
た、中間冷却器９からさらにエンタルピを低下させた冷
媒が蒸発器１３に流入するので、この蒸発器１３の冷媒
入口側（ｈ）と出口側（ａ）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。また、高段側
減圧機構７で冷媒が行った膨張仕事は、これを回収する
ことによって全体的な冷凍サイクルのＣＯＰが向上す
る。

【００４４】一方、低段側圧縮機２で状態ａからｂまで
圧縮された冷媒は、高段側減圧機構７通過後の冷媒と中
間冷却器９で混合され、この中間冷却器９から、状態ｃ
まで温度が低下した飽和ガスが高段側圧縮機３に吸込ま
れて、前記した超臨界圧力状態ｄまで圧縮されて吐出さ
れる。これにより、高段側圧縮機３からの吐出温度をよ
り低くすることが可能になっている。

【００４５】図２（ａ）に示す実施形態２の冷凍機は、
高段側減圧機構７が膨張弁で形成され、低段側減圧機構
１１が膨張機で形成されている点で上記実施形態１と相
違するだけで、その他の構成は実施形態１と同様であ
る。したがって、実施形態１についての説明図に挙げた
部材と同一の機能を有する部材には同一の符号を付記し
て説明を省略する。後述するさらに他の実施形態におい
ても同様とする。

【００４６】この実施形態２の冷凍機では、同図（ｂ）
に示すように、ガス冷却器５から出た高圧のガス冷媒
（状態ｅ）に対し、まず、高段側減圧機構７で等エンタ
ルピ線（ｅ−ｆ）に沿う減圧膨張が生じ、次いで、低段
側減圧機構１１で等エントロピ線（ｇ−ｈ）に沿う減圧
膨張が生じることになる。

【００４７】図３（ａ）に示す実施形態３の冷凍機は、
高段側減圧機構７と低段側減圧機構１１との双方がそれ
ぞれ膨張機で形成されている点で前記実施形態１と相違
する。その他の構成は実施形態１と同様である。したが
って、同図（ｂ）に示すように、ガス冷却器５から出た
高圧のガス冷媒（状態ｅ）に対し、まず、高段側減圧機
構７で等エントロピ線（ｅ−ｆ）に沿う減圧膨張が生
じ、次いで、低段側減圧機構１１でも等エントロピ線
（ｇ−ｈ）に沿う減圧膨張が生じる。

【００４８】図４（ａ）に示す実施形態４の冷凍機にお
いては、圧縮機側の構成は前記実施形態１と同様である
が、ガス冷却器５に上流端が接続された第２配管６の下
流端は、前記した高段側減圧機構７ではなく、中間冷却
器９に直接接続されている。そして、この中間冷却器９
内にはその内部を貫通する熱交換用配管９ａが設けら
れ、この熱交換用配管９ａに、上記第２配管６と前記し
た第４配管１０とが接続されている。

【００４９】第４配管１０と第５配管１２との間には、
主流側減圧機構２１が、前記各実施形態１〜３における
低段側減圧機構１１と同様に設けられている。一方、第
２配管６には、この配管の途中から分岐されて中間冷却
器９に接続された分流配管２２が設けられ、この分流配
管２１に分流側減圧機構（第２減圧機構）２３が介設さ
れている。主流側減圧機構（第１減圧機構）２１は膨張
弁で形成され、分流側減圧機構２３は前記同様にスクロ
ール型の膨張機で形成されている。なお以下では、第２
配管６について、分流配管２１の接続箇所よりも上流側
を第２上流側配管６ａ、下流側を第２下流側配管６ｂと
も称して説明する。

【００５０】このような回路構成では、低段側圧縮機２
と高段側圧縮機３とで２段に圧縮された冷媒は、ガス冷
却器５を通過後に分流され、一方の主流冷媒は、第２下
流側配管６ｂと中間冷却器９内の熱交換用配管９ａとを
順次通過した後、主流側減圧機構２１で減圧膨張して蒸
発器１３に送られ循環する。これと同時に、ガス冷却器
５通過後の一部冷媒が分流用配管２２へと分流され、分
流側減圧機構２３で減圧膨張された後、中間冷却器９に
送られる。そして、この中間冷却器９内で、低段側圧縮
機２からの吐出ガス冷媒と混合され高段側圧縮機３に吸
引され圧縮される。したがって、蒸発器１３を通して流
れる冷媒に対しては、低段側圧縮機２と高段側圧縮機３
とで２段に圧縮された後、ガス冷却器５通過後には主流
側減圧機構２１での減圧膨張が一度行われるだけである
ので、以下ではこのような冷凍サイクルを２段圧縮１段
膨張サイクルという。

【００５１】中間冷却器９は、上記した混合ガスと熱交
換用配管９ａ内を流れる主流冷媒との間で熱交換を生じ
させる熱交換部としての機能を備えるもので、この中間
冷却器９において、主流冷媒の温度低下と、高段側圧縮
機３に吸引される冷媒の温度低下とが生じる。すなわち
同図（ｂ）に示すように、ガス冷却器５を通過して状態
ｅまで冷却された冷媒のうち、前記した主流冷媒は、中
間冷却器９内での熱交換によって状態ｆまで温度低下し
た後、主流側減圧機構２１通過時に等エンタルピ線（ｆ
−ｇ）に沿って減圧膨張し、蒸発器１３に送られる。一
方、状態ｅの冷媒のうち、分流配管２２へと分流された
冷媒は、膨張機から成る分流側減圧機構２３を通過時に
等エントロピ線（ｅ−ｈ）に沿って減圧膨張し、低段側
圧縮機２で圧縮された冷媒（状態ｂ）と混合される。こ
れにより、高段側圧縮機３へは状態ｃの冷媒が吸引さ
れ、これが所定の超臨界圧力状態ｄまで圧縮されて吐出
される。

【００５２】図５（ａ）に示す実施形態５の冷凍機は、
実施形態４と同様の２段圧縮１段膨張の構成を有し、実
施形態４との相違は、主流側減圧機構２１が膨張機で形
成され、分流側減圧機構２３が膨張弁で形成されている
点である。その他は実施形態４と同様である。したがっ
て、この実施形態５の冷凍機では、同図（ｂ）に示すよ
うに、ガス冷却器５から前記第２下流側配管６ｂを通し
て蒸発器１３へと送られる主流冷媒に、主流側減圧機構
２１で等エントロピ線（ｆ−ｇ）に沿う減圧膨張が生じ
る一方、分流配管２２を通して流れる分流冷媒は、分流
側減圧機構２３で等エンタルピ線（ｅ−ｈ）に沿う減圧
膨張が生じる。

【００５３】図６（ａ）に示す実施形態６の冷凍機も、
実施形態４と同様の２段圧縮１段膨張の構成を有し、実
施形態４との相違は、主流側減圧機構２１と分流側減圧
機構２３との双方がそれぞれ膨張機で形成されている点
であって、その他は実施形態４と同様である。したがっ
てこの実施形態６の冷凍機では、同図（ｂ）に示すよう
に、ガス冷却器５から蒸発器１３へと送られる主流冷媒
と、分流配管２２を通して流れる分流冷媒とのいずれ
も、各々主流側減圧機構２１と分流側減圧機構２３と
で、各等エントロピ線（ｆ−ｇ）、（ｅ−ｈ）に沿う減
圧膨張が生じる。

【００５４】図７〜図９に、上記各実施形態１〜６の構
成において、冷媒として二酸化炭素を用いたときの吐出
温度、前記表１中に示した二酸化炭素冷媒での標準サイ
クルにおけるＣＯＰを１００％としたときのＣＯＰ比、
高段側と低段側との冷媒流量比についての各試算結果を
示している。なお、これらグラフには、［従来の技術］
の欄で説明した「従来例１」と「従来例２」とについて
の結果も「２段圧縮放熱器付」とグループ化して併せて
示している。

【００５５】また、従来例２の説明図である前記図２３
（ａ）において、低段側圧縮機８１と放熱器８３と高段
側圧縮機８２とから成る圧縮機構側の構成を１基の圧縮
機に代えた回路構成を、「単段」若しくは「比較例１」
と表記して示している。さらに、本発明の説明図である
図１（ａ）において、膨張機から成る高段側減圧機構７
に代えてこれを膨張弁で構成し、したがって、高段側と
低段側との両減圧機構７・１１の双方を膨張弁とした回
路構成を「比較例２」として、また、図４（ａ）におい
て、膨張機から成る分流側減圧機構２３に代えてこれを
膨張弁で構成し、したがって、主流側と分流側との両減
圧機構２１・２３の双方を膨張弁とした回路構成を「比
較例３」として併せて示している。

【００５６】このときの試算条件は、[従来の技術]の欄
での「従来例１」と「従来例２」とについての条件と同
様に、下記のように設定した。・蒸発温度−３０℃ ・ガス冷却器出口温度３７℃ ガス冷却器圧力はＣＯＰを最大にする圧力・蒸発器出口過熱度０℃ ・冷媒圧力損失は無視、熱交換器性能の冷媒間による差
も無視・圧縮機効率６０％・膨張機効率６０％また、これに下記条件を加えた。・高圧は９．６ＭＰａ・放熱器付きの従来例１・２を除く各回路では、中間圧
を（高圧×低圧）の１／２乗とし、３．７ＭＰａ・２段圧縮１段膨張の場合、中間冷却器９の出口温度は
中間圧飽和温度２．３℃と５℃の温度差をとって、７．
３℃とした。

【００５７】まず図７に示されているように、吐出温度
は、単段サイクル（比較例１）では１６０℃を超えてお
り、この場合は圧縮機の信頼性が著しく損なわれる。ま
た、２段圧縮放熱器付の従来例１・２では、高段側は低
いものの低段側が１２０℃になっており、信頼性上、全
く余裕のない運転となる。これに対し、２段圧縮２段膨
張（比較例２、実施形態１〜３、２段圧縮１段膨張（比
較例３、実施形態４〜６）では、低段、高段側ともに十
分低い温度になっている。

【００５８】次にＣＯＰを比較すると、図８に示されて
いるように、実施形態１〜３、実施形態４〜６でのＣＯ
Ｐは比較例２や比較例３よりも高く、したがってこれら
各実施形態１〜３、４〜６の装置、すなわち、ガス冷却
器５の出口と蒸発器１３の入口との間に介設される第１
減圧機構１１・２１とは別に、ガス冷却器５の出口に冷
媒流入口が、圧縮機構１の中間圧領域に冷媒流出口が各
々連通する第２減圧機構１１・２３を設け、これら第１
・第２減圧機構の少なくともいずれか一方を膨張機によ
って形成した装置では、吐出温度の低下に加えてＣＯＰ
も向上したものになっている。

【００５９】さらに図８において、各実施形態毎に検討
を加えると、まず、実施形態３（２段圧縮２段膨張で、
高段側と低段側との双方の減圧機構が膨張機の構成）が
最も高いＣＯＰを示し、次に従来例２、実施形態６（２
段圧縮１段膨張で、主流側と分流側との双方の減圧機構
が膨張機の構成）の順に高くなっている。ここで注目す
べきは、実施形態１（２段圧縮２段膨張で、高段側の減
圧機構のみが膨張機から成る構成）では、高段側しか膨
張動力を回収していないにも拘わらず、上記した実施形
態３や従来例２、実施形態６に比べて、殆ど変わらない
ことＣＯＰ値を示していることである。

【００６０】この理由は、第９図に示した高段側圧縮機
冷媒流量比にある。２段圧縮２段膨張あるいは、２段圧
縮１段膨張の場合は、高段側圧縮機を通る冷媒流量が、
低段側圧縮機を通る冷媒流量の２．２〜２．３倍になっ
ている。２段圧縮２段膨張の場合には、この高段側圧縮
機を通る冷媒の全量が高段側の減圧機構７を通ることに
なり、この減圧機構７を通る冷媒流量が他の場合に比べ
て大きなる。したがって実施形態１のように、高段側の
減圧機構７のみが膨張機から成る構成でも大きな回収動
力が得られ、動力回収によるＣＯＰ向上率が高くなる。
逆に、２段圧縮２段膨張サイクルで低段側の減圧機構１
１のみが膨張機から成る実施形態２の場合は回収動力は
小さくなり、動力回収によるＣＯＰ向上率も低い。

【００６１】一方、２段圧縮１段膨張の場合は、高段側
圧縮機３からの吐出冷媒がガス冷却器５を通過後に主流
側減圧機構２１に向かう冷媒と、分流側減圧機構２３に
向かう冷媒とに分流され、これら各減圧機構２１・２３
を通る流量がほぼ等しくなるために、主流側と分流側と
の各減圧機構２１・２３とのいずれか一方のみが膨張機
から成る構成（実施形態４・実施形態５）では、ＣＯＰ
向上率が比較的小さくなる。

【００６２】したがって、膨張機のコストを考えた場
合、２段圧縮２段膨張で高段側の減圧機構７のみが膨張
機から成る実施形態１は、膨張機１ケで吐出温度を低く
することができ、かつ、ＣＯＰも高ことから、信頼性と
共にコスト性能にも優れた冷媒回路となっている。ま
た、この回路の場合には、蒸発器１３出口の過熱度を、
膨張弁から成る低段側減圧機構１１によって制御するこ
とができるので、蒸発器性能を最大限引き出すことが可
能であると共に、過熱度が制御できないことによる吐出
温度の上昇や、湿り圧縮を防止することができる。

【００６３】２段圧縮１段膨張で分流側減圧機構２３の
みが膨張機から成る構成（実施形態４）では、実施形態
１に比べてＣＯＰ向上率は低いものの、膨張弁から成る
主流側減圧機構２１によって蒸発器過熱度を制御できる
メリットを上記同様に備えている。

【００６４】２段圧縮１段膨張で主流側減圧機構２１の
みが膨張機から成る構成（実施形態５）も、実施形態１
に比べてＣＯＰ向上率は低いものの、膨張弁からなる分
流側減圧機構２３によってガス冷却器５内の冷媒充填量
を制御でき、これによって高圧を制御できるメリットを
備えている。２段圧縮２段膨張で高段側減圧機構７が膨
張機から成る実施形態２の構成も、同じメリットを有し
ている。

【００６５】高段側と低段側との各減圧機構７・１１の
双方が膨張機から成る実施形態３や、主流側と分流側と
の各減圧機構２１・２３の双方が膨張機から成る実施形
態６では、過熱度や高圧制御は難しいものの、回収動力
が大きいというメリットを備えるものになっている。

【００６６】次に、上記した各実施形態１〜６の構成
に、さらに高圧制御や過熱度制御のための構成を付加し
た他の実施形態について説明する。図１０（ａ）に示す
冷凍機は、前記図１（ａ）を参照して説明した実施形態
１の構成において、ガス冷却器５と、膨張機から成る高
段側減圧機構７との間の第２配管６に、さらに膨張弁３
１を介設して構成されている。したがって図１０（ｂ）
に示すように、ガス冷却器５で状態ｅまで冷却された冷
媒は、上記膨張弁３１通過時に等エンタルピ線（ｅ−
ｆ）に沿う減圧膨張が加えられる。このような膨張弁３
１を設けることによって高圧を制御することができる。
反面、膨張機から成る高段側減圧機構７の前後の差圧が
減少するため、回収動力は若干低下する。

【００６７】図１１（ａ）に示す冷凍機は、前記図４
（ａ）を参照して説明した実施形態４の構成において、
膨張機から成る分流側減圧機構２３の上流側に、上記同
様に高圧を制御するための膨張弁３１を介設して構成さ
れている。なお同図には膨張弁３１を分流配管２２に介
設した例を示しているが、これを、第２配管６における
第２上流側配管６ａに介設した構成としても良く、ま
た、第２下流側配管６ｂに介設した構成とすることも可
能である。

【００６８】図１２（ａ）に示す冷凍機は、前記図３
（ａ）を参照して説明した実施形態３の構成、すなわ
ち、２段圧縮２段膨張で高段側と低段側との各減圧機構
７・１１の双方が膨張機から成る構成において、高段側
減圧機構７の上流側に上記同様の膨張弁３１を設けて、
高圧制御を行えるように構成されている。

【００６９】また、図１３（ａ）に示す冷凍機は、前記
図６（ａ）を参照して説明した実施形態６の構成、すな
わち、２段圧縮１段膨張で主流側と分流側との各減圧機
構２１・２３の双方が膨張機から成る構成において、分
流側減圧機構２３の上流側に上記同様の膨張弁３１を設
けて、高圧制御を行えるように構成されている。なおこ
の場合も、この膨張弁３１は、図示のように分流配管２
２に介設した構成に代えて、第２配管６における第２上
流側配管６ａや第２下流側配管６ｂに各々介設した構成
としても良い。

【００７０】図１４（ａ）に示す冷凍機は、２段圧縮２
段膨張で高段側と低段側との各減圧機構７・１１の双方
が膨張機から成る構成において、高段側減圧機構７の上
流に上記同様の高圧制御用の膨張弁３１を設けると共
に、さらに、低段側減圧機構１１とその上流側の中間冷
却器９との間にも膨張弁３２を介設して構成されてい
る。この膨張弁３２によって、蒸発器過熱度の制御も可
能になる。

【００７１】また、図１５（ａ）に示す冷凍機は、２段
圧縮１段膨張で主流側と分流側との各減圧機構２１・２
３の双方が膨張機から成る構成において、分流側減圧機
構２３の上流に前記同様の高圧制御用の膨張弁３１を設
けると共に、さらに、低段側減圧機構２１とその上流側
の中間冷却器９との間に、上記同様の蒸発器過熱度制御
用の膨張弁３２を介設して構成されている。なおこの膨
張弁３２は、中間冷却器９よりも上流側の第２下流側配
管６ｂに介設した構成としても良い。

【００７２】このように、減圧機構を膨張機で形成する
場合に、これに組合わせてその上流側にさらに膨張弁３
１・３２を付加することによって、従来は制御すること
ができなかった高圧制御や過熱度制御を行うことが可能
となり、これによってさらに運転効率を向上させること
ができる。

【００７３】一方、上記した各実施形態はそれぞれ中間
冷却器９を設けて構成されており、この中間冷却器９が
余剰冷媒を溜める冷媒貯留手段としての機能を有する構
成にもなっているので、運転条件の差によって適正な冷
媒循環量が変化しても、その差がこの中間冷却器９で吸
収され、したがって、これによっても良好な運転効率が
維持される。

【００７４】さらに上記各実施形態では、高段側減圧機
構７や低段側減圧機構１１、或いは主流側減圧機構２１
や分流側減圧機構２３を膨張機で形成する場合に、この
膨張機がスクロール式の膨張機で形成されている。この
スクロール式膨張機は、図１６に示すように、固定側渦
巻きラップ４１が設けられた固定スクロール４２に、可
動側渦巻きラップ４３を備える旋回スクロール４４を組
付けて形成されている。固定スクロール４２中央の流入
口４５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４１・４３間を螺旋状に流れる間に、旋回
スクロール４４に旋回動作を生じさせながら次第に減圧
膨張し、流出口４６を通して流出する。さらに詳細に
は、固定側渦巻きラップ４１と可動側渦巻きラップ４３
との間には、これら４１・４３が複数箇所で接触するこ
とによって、流入口４５に連通する内側の高圧室４７
と、流出口４６に連通する外側の低圧室４８と、これら
両室４７・４８の間の膨張室４９とに区画される。この
膨張室４９は、旋回スクロール４４の旋回に伴って両ラ
ップ４１・４３の接触領域が変化しても、流入口４５と
流出口４６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。

【００７５】一方、図１７には、例えばロータリ式の膨
張機で冷媒を減圧膨張させる過程を示している。この場
合には、ガスの流入口に高圧弁５１を必要とする。すな
わち、同図（ａ）の状態で高圧弁５１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５２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５１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。

【００７６】このような高圧弁５１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５１を設ける場合、この高圧弁５１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。

【００７７】これに対し、この発明の各実施形態では、
膨張機がスクロール式の膨張機で構成され、この場合に
は、前記したように、冷媒の流入口４５と流出口４６と
のいずれにも非連通状態で保持される膨張室４９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、この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になるので、簡素な
構成で高効率の動力回収を行わせることが可能になる。

【００７８】また上記各実施形態では、低段側圧縮機２
と高段側圧縮機３とのいずれか一方、或いは双方が、前
記したようにロータリ式またはスイング式の圧縮機で構
成されている。図１８には、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。

【００７９】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。したがって上記各実施形態において、低
段側圧縮機２や高段側圧縮機３としてスイング式若しく
はロータリ式のものが用いられて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。

【００８０】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。例えば上記各形態では、低段側圧縮機２と高段
側圧縮機３との２基の圧縮機を設けて、ガス冷媒を圧縮
する圧縮機構１を構成した例を示したが、この発明の請
求項７、８、１４、１５、１６を除く各請求項記載の範
囲では、圧縮機構１が１基の圧縮機から成る構成とする
ことも可能である。例えば図１９に、前記図１（ａ）を
参照して説明した実施形態１の冷凍機において、低段側
圧縮機２と高段側圧縮機３とに代えて、１基の圧縮機６
１を設けて構成した例を示している。また図２０には、
前記図４（ａ）を参照して説明した実施形態４の冷凍機
において、上記同様に圧縮機構１を１基の圧縮機６１で
構成した例を示している。これらの場合、圧縮機６１と
中間冷却器９とは、１本の中間圧接続管６２で相互に接
続され、この中間圧接続管６２を通して、中間冷却器９
から、圧縮機６１内の中間圧領域に一部冷媒がインジェ
クションされることで、前記各実施形態同様に、圧縮機
６１からの吐出冷媒温度の低下等を図ることができる。

【００８１】なお圧縮機６１には、その吸込口と吐出口
との間の中間圧領域に臨む箇所に、上記の中間圧接続管
６２が接続される中間ポートが形成されることになる。
図２１に、このような中間ポートが形成されたスクロー
ル型の圧縮機の一例を示している。この場合も、前記し
たスクロール式膨張機とほぼ同様に、中央の吐出口に連
通する高圧室６３と、外側の吸込口に連通する低圧室６
４との間に圧縮室６５が形成されており、この圧縮室６
５の中間圧領域に臨ませて、中間ポート６６が形成され
る。

【００８２】このようなスクロール式の圧縮機では、前
記同様に、上記の圧縮室６５は吐出口と吸込口との双方
への非連通状態が保持されて圧力的に独立している。し
たがって、この圧縮室６５に前記中間圧接続管６２を通
してインジェクションされた冷媒は、吸込圧まで低下す
ることはない。つまり、ロータリ式やスイング式の圧縮
機では、シリンダ内における中間圧領域に臨む箇所に中
間ポートを設けたとしても、このポートが吸込口に連通
する状態が生じ、このとき、インジェクションされた冷
媒は、吸込圧まで低下する。したがって、この低下した
冷媒を所定の臨界圧力まで圧縮する際には余分な圧縮仕
事が行われることになる。これに対し、スクロール式圧
縮機では、インジェクション冷媒に上記のような圧力低
下を生じさせない構成とすることができるので、１基の
圧縮機を用いてその中間圧領域に中間圧の冷媒をインジ
ェクションする構成では、スクロール型の圧縮機を用い
ることによって、より良好な運転効率を維持することが
できる。

【００８３】一方、前記各実施形態においては、それぞ
れ中間冷却器９を設けて構成したが、この発明の請求項
６、８、１３、１５を除く各請求項記載の範囲では、こ
のような中間冷却器９を設けない構成としても良い。こ
のとき、例えば前記図１（ａ）に示した回路等において
は、高段側減圧機構７と低段側減圧機構１１とを相互に
接続する配管の途中に分岐配管を設ける一方、低段側圧
縮機２の吐出口２ｂを高段側圧縮機３の吸込口３ｂに直
接接続し、この接続管の途中に、上記分岐配管を接続し
た構成とすれば良い。

【００８４】また、例えば前記図４（ａ）に示した回路
等においては、中間冷却器９に接続されている分流配管
２２を、上記同様に低段側圧縮機２と高段側圧縮機３と
を相互に接続する接続管の途中に接続すれば良く、ま
た、このときの分流配管２２の途中に、熱交換用配管９
ａに沿って隣接する熱交換部を設けて、この分流配管２
２内を流れる冷媒と、熱交換用配管９ａ内を流れる冷媒
との間で熱交換を生じさせる構成とすれば良い。さら
に、このような熱交換部を設けずに構成することも可能
であり、この場合でも、分流側減圧機構２３を通して温
度が低下した冷媒が分流配管２２を通して圧縮機構２の
中間圧領域にインジェクションされることで、吐出温度
の低下等を図ることができる。

【００８５】一方、前記各実施形態では、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
れる冷媒を用いるその他の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。

【００８６】

【発明の効果】請求項１、２の冷凍機によれば、ガス冷
却器で冷却され、さらに第２減圧機構での減圧膨張で温
度低下を生じた一部冷媒が、圧縮機構での圧縮途中の冷
媒に混合されるので吐出温度が低下し、これによってオ
イル劣化や焼き付きが防止されて信頼性が向上し、また
ＣＯＰが向上する。しかも、第１減圧機構と第２減圧機
構との少なくともいずれか一方が膨張機で形成されてい
るので、この膨張機によって動力回収が行われ、これに
よってさらにＣＯＰが向上する。また、第１減圧機構が
膨張弁で形成されている場合には、この膨張弁で蒸発器
過熱度制御を行わせることができ、第２減圧機構が膨張
弁で形成されている場合には高圧制御を行わせることが
できるので、これらの場合には、より適正な冷媒循環量
での運転を維持することが可能になって、これによって
も全体的なＣＯＰが向上する。

【００８７】請求項３の冷凍機によれば、吐出温度の低
下効果とＣＯＰ向上効果とを充分に得ることができ、し
かも、膨張弁に比べて高価な膨張機を１基設けるだけで
済むので、コスト性能にも優れた装置になる。

【００８８】請求項４の冷凍機によれば、膨張弁で高圧
の制御可能な装置とすることができる。また請求項５の
冷凍機によれば、膨張弁により、蒸発器過熱度を制御可
能な装置とすることができる。

【００８９】請求項６の冷凍機によれば、余剰冷媒を中
間冷却器で吸収することができるので、運転条件が変化
しても常に適正冷媒量にて運転可能な装置とすることが
でき、これによってさらにＣＯＰが向上した装置とする
ことができる。

【００９０】また圧縮機構については、請求項７のよう
に、吸込口に蒸発器が接続された低段側圧縮機と、吐出
口にガス冷却器が接続された高段側圧縮機とを設けて形
成し、低段側圧縮機の吐出口と高段側圧縮機の吸込口と
の間を前記中間圧領域として形成した構成とすることが
でき、このように構成すれば、圧縮機にシリンダ内に連
通する中間ポート等を設ける必要がないので、その構造
を簡略化でき、動作信頼性が向上する。またこのとき、
中間冷却器も設ける場合には、請求項８のように、低段
側圧縮機の吐出口と高段側圧縮機の吸込口とをそれぞれ
中間冷却器に連通させた構成とすることができる。

【００９１】請求項９の冷凍機によれば、ガス冷却器で
冷却され、さらに第２減圧機構での減圧膨張で温度低下
を生じた一部冷媒が、圧縮機構での圧縮途中の冷媒に混
合されるので吐出温度が低下し、これによってオイル劣
化や焼き付きが防止されて信頼性が向上し、またＣＯＰ
が向上する。しかも、第１減圧機構と第２減圧機構との
少なくともいずれか一方が膨張機で形成されているの
で、この膨張機によって動力回収が行われ、これによっ
てさらにＣＯＰが向上する。また、第１減圧機構が膨張
弁で形成されている場合には、この膨張弁で蒸発器過熱
度制御を行わせることができ、第２減圧機構が膨張弁で
形成されている場合には高圧制御を行わせることができ
るので、これらの場合には、より適正な冷媒循環量での
運転を維持することが可能になって、これによっても全
体的なＣＯＰが向上する。

【００９２】また、請求項１０の冷凍機のように、第２
減圧機構とガス冷却器との間に膨張弁を介設することに
よって、高圧制御可能な装置とすることができる。ま
た、請求項１１の冷凍機のように、ガス冷却器と第１減
圧機構との間で分流配管の接続箇所よりも第１減圧機構
側、すなわち、この第１減圧機構の上流に膨張弁を介設
した構成とすることで、蒸発器過熱度の制御可能な装置
とすることができる。

【００９３】請求項１２の冷凍機によれば、ガス冷却器
を通過後に第１減圧機構に向かう冷媒は、第２減圧機構
で減圧膨張して温度低下した冷媒によって冷却され、そ
の後、第１減圧機構を通して蒸発器へと送られる結果、
蒸発器入口側と出口側との比エンタルピ差がより大きく
なって冷凍能力が増加し、ＣＯＰが向上する。

【００９４】請求項１３の冷凍機によれば、余剰冷媒を
中間冷却器で吸収することができるので、常に適正冷媒
量にて運転可能な装置とすることができ、これによって
さらにＣＯＰが向上した装置とすることができる。

【００９５】また圧縮機構については、請求項１４のよ
うに、吸込口に蒸発器が接続された低段側圧縮機と、吐
出口にガス冷却器が接続された高段側圧縮機とを設けて
形成し、低段側圧縮機の吐出口と高段側圧縮機の吸込口
との間を前記中間圧領域として形成した構成とすること
ができ、このように構成すれば、圧縮機にシリンダ内に
連通する中間ポート等を設ける必要がないので、その構
造を簡略化でき、動作信頼性が向上する。またこのと
き、中間冷却器も設ける場合には、請求項１５のよう
に、低段側圧縮機の吐出口と高段側圧縮機の吸込口とを
それぞれ中間冷却器に連通させた構成とすることができ
る。

【００９６】さらに請求項１６の冷凍機のように、低段
側圧縮機と高段側圧縮機とを設けて構成する場合、これ
らのうちの少なくとも一方をロータリ式またはスイング
式の圧縮機で形成した構成とすれば、例えば二酸化炭素
を冷媒として用いる場合でもより圧縮機効率の優れた装
置とすることが可能になる。

【００９７】一方、請求項１７の冷凍機のように、膨張
機をスクロール式膨張機で形成することによって、例え
ばロータリ式の膨張機を用いる場合に比べ、より簡素な
構成で高効率の動力回収を行わせることができる。

【００９８】特に請求項１８や請求項１９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】この発明の実施形態１における冷凍機の冷媒回
路図とモリエル線図である。

【図２】この発明の実施形態２における冷凍機の冷媒回
路図とモリエル線図である。

【図３】この発明の実施形態３における冷凍機の冷媒回
路図とモリエル線図である。

【図４】この発明の実施形態４における冷凍機の冷媒回
路図とモリエル線図である。

【図５】この発明の実施形態５における冷凍機の冷媒回
路図とモリエル線図である。

【図６】この発明の実施形態６における冷凍機の冷媒回
路図とモリエル線図である。

【図７】上記各実施形態の冷凍機における吐出温度の試
算結果を示すグラフである。

【図８】上記各実施形態の冷凍機におけるＣＯＰ比の試
算結果を示すグラフである。

【図９】上記各実施形態の冷凍機において、低段側圧縮
機を流れる冷媒流量に対する高段側圧縮機を流れる冷媒
流量比の試算結果を示すグラフである。

【図１０】この発明の他の実施形態での冷凍機の冷媒回
路図とモリエル線図である。

【図１１】この発明のさらに他の実施形態における冷凍
機の冷媒回路図とモリエル線図である。

【図１２】この発明のさらに他の実施形態における冷凍
機の冷媒回路図とモリエル線図である。

【図１３】この発明のさらに他の実施形態における冷凍
機の冷媒回路図とモリエル線図である。

【図１４】この発明のさらに他の実施形態における冷凍
機の冷媒回路図とモリエル線図である。

【図１５】この発明のさらに他の実施形態における冷凍
機の冷媒回路図とモリエル線図である。

【図１６】スクロール式膨張機の構成を示す断面模式図
である。

【図１７】ロータリ式膨張機での膨張過程を説明するた
めの模式図である。

【図１８】スイング式またはロータリ式（ＲＣ式）圧縮
機とスクロール式圧縮機とにおけるシリンダ容積に対す
る圧縮機効率の変化を示すグラフである。

【図１９】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２０】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２１】図１９・２０に示す冷凍機における圧縮機の
構成を示す断面模式図である。

【図２２】従来の冷凍機の冷媒回路図とモリエル線図で
ある。

【図２３】従来の他の冷凍機の冷媒回路図とモリエル線
図である。

【符号の説明】

１圧縮機構２低段側圧縮機３高段側圧縮機５ガス冷却器７高段側減圧機構（第２減圧機構）９中間冷却器（熱交換部）１１低段側減圧機構（第１減圧機構）１３蒸発器２１主流側減圧機構（第１減圧機構）２２分流配管２３分流側減圧機構（第２減圧機構）３１膨張弁３２膨張弁

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（５）と第１減圧機構（１
１）（２１）と蒸発器（１３）とを接続して冷媒循環回
路を形成した冷凍機であって、上記ガス冷却器（５）の出口側に冷媒流入口が連通する
一方、冷媒流出口が圧縮機構（１）における圧縮途中の
中間圧領域に連通する第２減圧機構（７）（２３）を設
け、第１減圧機構（１１）（２１）と第２減圧機構
（７）（２３）との少なくともいずれか一方を、膨張機
で形成していることを特徴とする冷凍機。
【請求項２】請求項１の冷凍機であって、第２減圧機
構（７）をガス冷却器（５）と第１減圧機構（１１）と
の間に介設すると共に、第１減圧機構（１１）と第２減
圧機構（７）との間を圧縮機構（１）の上記中間圧領域
に連通させていることを特徴とする冷凍機。
【請求項３】請求項２の冷凍機であって、第１減圧機
構（１１）を膨張弁で形成する一方、第２減圧機構
（７）を膨張機で形成していることを特徴とする冷凍
機。
【請求項４】請求項２の冷凍機であって、第２減圧機
構（７）を膨張機で形成すると共に、この第２減圧機構
（７）とガス冷却器（５）との間に膨張弁（３１）を介
設していることを特徴とする冷凍機。
【請求項５】請求項２または４の冷凍機であって、第
１減圧機構（１１）を膨張機で形成すると共に、この第
１減圧機構（１１）と第２減圧機構（７）との間に膨張
弁（３２）を介設していることを特徴とする冷凍機。
【請求項６】請求項２から５のいずれかの冷凍機であ
って、第１減圧機構（１１）と第２減圧機構（７）との
間に中間冷却器（９）を介設して、この中間冷却器
（９）を圧縮機構（１）の上記中間圧領域に連通させて
いることを特徴とする冷凍機。
【請求項７】請求項２から６のいずれかの冷凍機であ
って、圧縮機構（１）を、吸込口に蒸発器（１３）が接
続された低段側圧縮機（２）と、吐出口にガス冷却器
（５）が接続された高段側圧縮機（３）とを設けて形成
し、低段側圧縮機（２）の吐出口と高段側圧縮機（３）
の吸込口との間を前記中間圧領域として形成しているこ
とを特徴とする冷凍機。
【請求項８】請求項６の冷凍機であって、圧縮機構
（１）を、吸込口に蒸発器（１３）が接続された低段側
圧縮機（２）と、吐出口にガス冷却器（５）が接続され
た高段側圧縮機（３）とを設けて形成し、低段側圧縮機
（２）の吐出口と高段側圧縮機（３）の吸込口とを上記
中間冷却器（９）にそれぞれ連通させていることを特徴
とする冷凍機。
【請求項９】請求項１の冷凍機であって、ガス冷却器
（５）と第１減圧機構（２１）との間から分岐されて圧
縮機構（１）の上記中間圧領域に連通する分流配管（２
２）を設け、この分流配管（２２）に第２減圧機構（２
３）を介設していることを特徴とする冷凍機。
【請求項１０】請求項９の冷凍機であって、第２減圧
機構（２３）を膨張機で形成すると共に、この第２減圧
機構（２３）とガス冷却器（５）との間に膨張弁（３
１）を介設していることを特徴とする冷凍機。
【請求項１１】請求項９または１０の冷凍機であっ
て、第１減圧機構（２１）を膨張機で形成すると共に、
ガス冷却器（５）と第１減圧機構（２１）との間で分流
配管（２２）の接続箇所よりも第１減圧機構（２１）側
に、膨張弁（３２）を介設していることを特徴とする冷
凍機。
【請求項１２】請求項９、１０または１１の冷凍機で
あって、第２減圧機構（２３）を通過した冷媒と、ガス
冷却器（５）と第１減圧機構（２１）との間の配管内を
流れる冷媒との間で熱交換を生じさせる中間冷却器
（９）を設けていることを特徴とする冷凍機。
【請求項１３】請求項１２の冷凍機であって、第２減
圧機構（２３）が介設された分流配管（２２）と圧縮機
構（１）との間に中間冷却器（９）を設け、ガス冷却器
（５）と第１減圧機構（２１）との間の配管内を流れる
冷媒と上記中間冷却器（９）に流入した冷媒との間で熱
交換が生じると共に、中間冷却器（９）内には余剰液冷
媒を溜めることのできるように形成していることを特徴
とする冷凍機。
【請求項１４】請求項９から１３のいずれかの冷凍機
であって、圧縮機構（１）を、吸込口に蒸発器（１３）
が接続された低段側圧縮機（２）と、吐出口にガス冷却
器（５）が接続された高段側圧縮機（３）とを設けて形
成し、低段側圧縮機（２）の吐出口と高段側圧縮機
（３）の吸込口との間を前記中間圧領域として形成して
いることを特徴とする冷凍機。
【請求項１５】請求項１３の冷凍機であって、圧縮機
構（１）を、吸込口に蒸発器（１３）が接続された低段
側圧縮機（２）と、吐出口にガス冷却器（５）が接続さ
れた高段側圧縮機（３）とを設けて形成し、低段側圧縮
機（２）の吐出口と高段側圧縮機（３）の吸込口とを中
間冷却器（９）にそれぞれ連通させていることを特徴と
する冷凍機。
【請求項１６】請求項７、８、１４または１５の冷凍
機であって、低段側圧縮機（２）と高段側圧縮機（３）
との少なくとも一方をロータリ式またはスイング式の圧
縮機で形成していることを特徴とする冷凍機。
【請求項１７】請求項１から１６のいずれかの冷凍機
であって、膨張機をスクロール式膨張機で形成している
ことを特徴とする冷凍機。
【請求項１８】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１７のいずれかの冷凍機。
【請求項１９】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１８のいずれかの冷凍機。