JP2004108687A - 遷臨界冷媒サイクル装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】高圧側が超臨界圧力となる遷臨界冷媒サイクル装置において、低圧側のレシーバータンクを設けることなく、コンプレッサの液圧縮による損傷の発生を防止すると共に、蒸発器における冷却能力を向上させる。
【解決手段】中間冷却回路１５０と、オイルセパレータ１７０と、オイルリターン回路１７５と、ガスクーラから出た第２の回転圧縮要素からの冷媒と蒸発器１５７を出た冷媒とを熱交換させるための第１の内部熱交換器１６０と、オイルリターン回路を流れるオイルと第１の内部熱交換器を出た蒸発器からの冷媒とを熱交換させるための第２の内部熱交換器１６２とを備え、膨張機構１５６を第１の膨張弁１５６Ａとこの第１の膨張弁１５６Ａの下流側に設けられた第２の膨張弁１５６Ｂとから構成され、第１及び第２の膨張弁１５６Ａ、１５６Ｂの間を流れる冷媒の一部を第２の回転圧縮要素の吸込側に注入するインジェクション回路２１０を備える。
【選択図】 図２
【解決手段】中間冷却回路１５０と、オイルセパレータ１７０と、オイルリターン回路１７５と、ガスクーラから出た第２の回転圧縮要素からの冷媒と蒸発器１５７を出た冷媒とを熱交換させるための第１の内部熱交換器１６０と、オイルリターン回路を流れるオイルと第１の内部熱交換器を出た蒸発器からの冷媒とを熱交換させるための第２の内部熱交換器１６２とを備え、膨張機構１５６を第１の膨張弁１５６Ａとこの第１の膨張弁１５６Ａの下流側に設けられた第２の膨張弁１５６Ｂとから構成され、第１及び第２の膨張弁１５６Ａ、１５６Ｂの間を流れる冷媒の一部を第２の回転圧縮要素の吸込側に注入するインジェクション回路２１０を備える。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンプレッサ、ガスクーラ、絞り手段及び蒸発器を順次接続して構成され、高圧側が超臨界圧力となる遷臨界冷媒サイクル装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種冷媒サイクル装置は、ロータリコンプレッサ（コンプレッサ）、ガスクーラ、絞り手段（膨張弁等）及び蒸発器等を順次環状に配管接続して冷媒サイクル（冷媒回路）が構成されている。そして、ロータリコンプレッサの回転圧縮要素の吸込ポートから冷媒ガスがシリンダの低圧室側に吸入され、ローラとベーンの動作により圧縮が行われて高温高圧の冷媒ガスとなり、高圧室側より吐出ポート、吐出消音室を経てガスクーラに吐出される。このガスクーラにて冷媒ガスは放熱した後、絞り手段で絞られて蒸発器に供給される。そこで冷媒が蒸発し、そのときに周囲から吸熱することにより冷却作用を発揮するものであった。
【０００３】
ここで、近年では地球環境問題に対処するため、この種の冷媒サイクルにおいても、従来のフロンを用いずに自然冷媒である二酸化炭素（ＣＯ２）を冷媒として用い、高圧側を超臨界圧力として運転する遷臨界冷媒サイクルを用いた装置が開発されて来ている。
【０００４】
このような遷臨界冷媒サイクル装置では、コンプレッサ内に液冷媒が戻って、液圧縮することを防ぐために、蒸発器の出口側とコンプレッサの吸込側と間の低圧側にレシーバタンクを配設し、このレシーバタンクに液冷媒を溜め、ガスのみをコンプレッサに吸い込ませる構成とされていた。そして、レシーバータンク内の液冷媒がコンプレッサに戻らないように絞り手段を調整していた（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特公平７−１８６０２号公報
【０００６】
しかしながら、冷媒サイクルの低圧側にレシーバータンクを設けることは、その分多くの冷媒充填量を必要とする。また、液バックを防止するためには絞り手段の開度を小さくし、或いは、レシーバータンクの容量を拡大しなければならず、冷却能力の低下や設置スペースの拡大を招く。そこで、係るレシーバータンクを設けること無く、コンプレッサにおける液圧縮を解消するために、出願人は従来図４に示す冷媒サイクル装置の開発を試みた。
【０００７】
図４において、１０は内部中間圧型多段（２段）圧縮式ロータリコンプレッサを示しており、密閉容器１２内の電動要素（駆動要素）１４とこの電動要素１４の回転軸１６で駆動される第１の回転圧縮要素３２及び第２の回転圧縮要素３４を備えて構成されている。
【０００８】
この場合の冷媒サイクル装置の動作を説明する。コンプレッサ１０の冷媒導入管９４から吸い込まれた冷媒は、第１の回転圧縮要素３２で圧縮されて中間圧となり、密閉容器１２内に吐出される。その後、冷媒導入管９２から出て中間冷却回路１５０Ａに流入する。中間冷却回路１５０Ａはガスクーラ１５４を通過するように設けられており、そこで、空冷方式により放熱される。ここで中間圧の冷媒はガスクーラにて熱が奪われる。
【０００９】
その後、第２の回転圧縮要素３４に吸い込まれて２段目の圧縮が行われて高圧高温の冷媒ガスとなり、冷媒吐出管９６より外部に吐出される。このとき、冷媒は適切な超臨界圧力まで圧縮されている。
【００１０】
冷媒吐出管９６から吐出された冷媒ガスはガスクーラ１５４に流入し、そこで空冷方式により放熱された後、内部熱交換器１６０を通過する。冷媒はそこで蒸発器１５７を出た低圧側の冷媒に熱を奪われて更に冷却される。その後、冷媒は膨張弁１５６にて減圧され、その過程でガス／液混合状態となり、次に蒸発器１５７に流入して蒸発する。蒸発器１５７から出た冷媒は内部熱交換器１６０を通過し、そこで前記高圧側の冷媒から熱を奪って加熱される。
【００１１】
そして、内部熱交換器１６０で加熱された冷媒は冷媒導入管９４からロータリコンプレッサ１０の第１の回転圧縮要素３２内に吸い込まれるサイクルを繰り返す。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
このように、図４の遷臨界冷媒サイクル装置でも蒸発器１５７から出た冷媒を内部熱交換器１６０により高圧側の冷媒にて加熱することで過熱度を取ることができるので、低圧側のレシーバータンクを廃止することも可能であるが、運転条件によっては余剰冷媒が生じるため、コンプレッサ１０に液バックが起こり、液圧縮による損傷が発生する危険性があった。
【００１３】
また、このような遷臨界冷媒サイクル装置で、蒸発器での蒸発温度が−５０℃以下の超低温域となるようにすることは、圧縮比が非常に高くなり、コンプレッサ１０自体の温度が高くなる関係上極めて困難となっていた。
【００１４】
本発明は、係る従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、高圧側が超臨界圧力となる遷臨界冷媒サイクル装置において、低圧側のレシーバータンクを設けることなく、コンプレッサの液圧縮による損傷の発生を防止すると共に、蒸発器における冷却能力を向上させることを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明の遷臨界冷媒サイクル装置では、コンプレッサは、密閉容器内に駆動要素にて駆動される第１及び第２の回転圧縮要素を備え、第１の回転圧縮要素で圧縮されて吐出された冷媒を第２の回転圧縮要素に吸い込んで圧縮し、ガスクーラに吐出すると共に、第１の回転圧縮要素から吐出された冷媒をガスクーラにて放熱させるための中間冷却回路と、第２の回転圧縮要素で圧縮された冷媒からオイルを分離するためのオイル分離手段と、このオイル分離手段にて分離されたオイルを減圧してコンプレッサ内に戻すためのオイルリターン回路と、ガスクーラから出た第２の回転圧縮要素からの冷媒と蒸発器を出た冷媒とを熱交換させるための第１の内部熱交換器と、オイルリターン回路を流れるオイルと第１の内部熱交換器を出た蒸発器からの冷媒とを熱交換させるための第２の内部熱交換器とを備え、絞り手段を、第１の絞り手段とこの第１の絞り手段の下流側に設けられた第２の絞り手段とから構成され、第１及び第２の絞り手段の間を流れる冷媒の一部をコンプレッサの第２の回転圧縮要素の吸込側に注入するインジェクション回路とを備えているので、蒸発器から出た冷媒は第１の内部熱交換器でガスクーラを出た第２の回転圧縮要素からの冷媒と熱交換して熱を奪い、第２の内部熱交換器においてはオイルリターン回路を流れるオイルと熱交換して熱を奪うので、確実に冷媒の過熱度を確保してコンプレッサにおける液圧縮を回避できるようになる。
【００１６】
一方、ガスクーラを出た第２の回転圧縮要素からの冷媒は、第１の内部熱交換器において蒸発器を出た冷媒に熱を奪われるので、それにより、冷媒の蒸発温度を下げられる。また、中間冷却回路を備えているので、コンプレッサの内部の温度も下げることができる。
【００１７】
また、オイルリターン回路を流れるオイルは、第２の内部熱交換器にて第１の内部熱交換器を出た蒸発器からの冷媒に熱を奪われた後、コンプレッサ内に戻るので、コンプレッサ内部の温度をより一層下げることができるようになる。
【００１８】
更に、第１及び第２の絞り手段の間を流れる冷媒の一部はインジェクション回路を通過して、コンプレッサの第２の回転圧縮要素の吸込側に注入されるので、このインジェクション冷媒によって第２の回転圧縮要素を冷却することができるようになる。これにより、第２の回転圧縮要素の圧縮効率を改善し、且つ、コンプレッサ自体の温度も更に下げることができるようになる。これらにより冷媒サイクルの蒸発器における冷媒の蒸発温度を低下させることが可能となる。
【００１９】
請求項２の発明では上記発明に加えて、第１及び第２の絞り手段の間に気液分離手段を設け、インジェクション回路は、気液分離手段にて分離された液冷媒を減圧してコンプレッサの第２の回転圧縮要素の吸込側に注入するので、インジェクション冷媒の蒸発に伴う吸熱作用で第２の回転圧縮要素をより一層効果的に冷却することができるようになる。これにより、冷媒サイクルの蒸発器における冷媒の蒸発温度をより一層低下させることができるようになる。
【００２０】
請求項３の発明では上記各発明に加えて、オイルリターン回路は、オイル分離手段によって分離されたオイルを、第２の内部熱交換器にて第１の内部熱交換器を出た蒸発器からの冷媒と熱交換させた後、コンプレッサの密閉容器内に戻すので、このオイルによりコンプレッサの密閉容器内の温度を効果的に下げることができるようなる。
【００２１】
請求項４の発明では請求項１又は請求項２の発明に加えて、オイルリターン回路は、オイル分離手段によって分離されたオイルを、第２の内部熱交換器にて第１の内部熱交換器を出た蒸発器からの冷媒と熱交換させた後、コンプレッサの第２の回転圧縮要素の吸込側に戻すので、第２の回転圧縮要素を潤滑しながら、圧縮効率を改善し、且つ、コンプレッサ自体の温度も効果的に下げることができるようになる。
【００２２】
請求項５の発明では上記各発明に加えて、冷媒として二酸化炭素、ＨＦＣ系冷媒のＲ２３、亜酸化窒素のうち少なくとも何れか一種の冷媒を用いるので、所望の冷却能力を得ることができると共に、環境問題にも寄与できるようになる。
【００２３】
また、本発明では請求項６の如く蒸発器における冷媒の蒸発温度を−５０℃以下とする場合に極めて有効となる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
次に、図面に基づき本発明の実施形態を詳述する。図１は本発明の遷臨界冷媒サイクル装置に使用するコンプレッサの実施例として、第１及び第２の回転圧縮要素３２、３４を備えた内部中間圧型多段（２段）圧縮式ロータリコンプレッサ１０の縦断側面図、図２は本発明の遷臨界冷媒サイクル装置の冷媒回路図である。
【００２５】
各図において、１０は二酸化炭素（ＣＯ２）を冷媒として使用する内部中間圧型多段圧縮式ロータリコンプレッサで、このコンプレッサ１０は鋼板からなる円筒状の密閉容器１２と、この密閉容器１２の内部空間の上側に配置収納された駆動要素としての電動要素１４及びこの電動要素１４の下側に配置され、電動要素１４の回転軸１６により駆動される第１の回転圧縮要素３２（１段目）及び第２の回転圧縮要素３４（２段目）から成る回転圧縮機構部１８にて構成されている。
【００２６】
密閉容器１２は底部をオイル溜めとし、電動要素１４と回転圧縮機構部１８を収納する容器本体１２Ａと、この容器本体１２Ａの上部開口を閉塞する略椀状のエンドキャップ（蓋体）１２Ｂとで構成され、且つ、このエンドキャップ１２Ｂの上面中心には円形の取付孔１２Ｄが形成されており、この取付孔１２Ｄには電動要素１４に電力を供給するためのターミナル（配線を省略）２０が取り付けられている。
【００２７】
電動要素１４は所謂磁極集中巻き式のＤＣモータであり、密閉容器１２の上部空間の内周面に沿って環状に取り付けられたステータ２２と、このステータ２２の内側に若干の間隔を設けて挿入設置されたロータ２４とからなる。このロータ２４は中心を通り鉛直方向に延びる回転軸１６に固定されている。ステータ２２は、ドーナッツ状の電磁鋼板を積層した積層体２６と、この積層体２６の歯部に直巻き（集中巻き）方式により巻装されたステータコイル２８を有している。また、ロータ２４はステータ２２と同様に電磁鋼板の積層体３０で形成され、この積層体３０内に永久磁石ＭＧを挿入して形成されている。
【００２８】
前記第１の回転圧縮要素３２と第２の回転圧縮要素３４との間には中間仕切板３６が狭持されている。即ち、第１の回転圧縮要素３２と第２の回転圧縮要素３４は、中間仕切板３６と、この中間仕切板３６の上下に配置された上シリンダ３８、下シリンダ４０と、この上下シリンダ３８、４０内を、１８０度の位相差を有して回転軸１６に設けられた上下偏心部４２、４４により偏心回転される上下ローラ４６、４８と、この上下ローラ４６、４８に当接して上下シリンダ３８、４０内をそれぞれ低圧室側と高圧室側に区画するベーン５０、５２と、上シリンダ３８の上側の開口面及び下シリンダ４０の下側の開口面を閉塞して回転軸１６の軸受けを兼用する支持部材としての上部支持部材５４及び下部支持部材５６にて構成されている。
【００２９】
一方、上部支持部材５４及び下部支持部材５６には、図示しない吸込ポートにて上下シリンダ３８、４０の内部とそれぞれ連通する吸込通路６０（上側の吸込通路は図示せず）と、一部を凹陥させ、この凹陥部を上部カバー６６、下部カバー６８にて閉塞することにより形成される吐出消音室６２、６４とが設けられている。
【００３０】
尚、吐出消音室６４と密閉容器１２内とは、上下シリンダ３８、４０や中間仕切板３６を貫通する連通路にて連通されており、連通路の上端には中間吐出管１２１が立設され、この中間吐出管１２１から第１の回転圧縮要素３２で圧縮された中間圧の冷媒ガスが密閉容器１２内に吐出される。
【００３１】
そして、冷媒としては地球環境にやさしく、可燃性及び毒性等を考慮して自然冷媒である前述した二酸化炭素（ＣＯ２）が使用され、潤滑油としてのオイルは、例えば鉱物油（ミネラルオイル）、アルキルベンゼン油、エーテル油、エステル油、ＰＡＧ（ポリアルキルグリコール）など既存のオイルが使用される。
【００３２】
密閉容器１２の容器本体１２Ａの側面には、上部支持部材５４と下部支持部材５６の吸込通路６０（上側は図示せず）、吐出消音室６２、上部カバー６６の上側（電動要素１４の下端に略対応する位置）に対応する位置に、スリーブ１４１、１４２、１４３及び１４４がそれぞれ溶接固定されている。そして、スリーブ１４１内には上シリンダ３８に冷媒ガスを導入するための冷媒導入管９２の一端が挿入接続され、この冷媒導入管９２の一端は上シリンダ３８の図示しない吸込通路と連通する。この冷媒導入管９２は後述するガスクーラ１５４を通過する中間冷却回路１５０を経てスリーブ１４４に至り、他端はスリーブ１４４内に挿入接続されて密閉容器１２内に連通する。
【００３３】
また、スリーブ１４２内には下シリンダ４０に冷媒ガスを導入するための冷媒導入管９４の一端が挿入接続され、この冷媒導入管９４の一端は下シリンダ４０の吸込通路６０と連通する。この冷媒導入管９４の他端は第２の内部熱交換器１６２に接続されている。
【００３４】
ここで、第２の内部熱交換器１６２は後述するオイルリターン回路１７５を流れるオイルと、後述する第１の内部熱交換器１６０を出た蒸発器１５７からの低圧側の冷媒とを熱交換させるためのものである。
【００３５】
そして、スリーブ１４３内には冷媒吐出管９６が挿入接続され、この冷媒吐出管９６の一端は吐出消音室６２と連通する。
【００３６】
次に図２において、上述したコンプレッサ１０は図２に示す冷媒回路の一部を構成する。即ち、コンプレッサ１０の冷媒吐出管９６はガスクーラ１５４の入口に接続される。そして、このガスクーラ１５４を出た配管はオイル分離手段としてのオイルセパレータ１７０の入口に接続される。このオイルセパレータ１７０は、第２の回転圧縮要素３４で圧縮された冷媒と共に吐出されたオイルを分離するためのものである。
【００３７】
オイルセパレータ１７０を出た冷媒配管は前述した第１の内部熱交換器１６０を通過する。この第１の内部熱交換器１６０はオイルセパレータ１７０から出た第２の回転圧縮要素３４からの高圧側の冷媒と蒸発器１５７から出た低圧側の冷媒とを熱交換させるためのものである。
【００３８】
そして、この第１の内部熱交換器１６０を通過した高圧側の冷媒は、絞り手段としての膨張機構１５６に至る。ここで、膨張機構１５６は、第１の絞り手段としての第１の膨張弁１５６Ａと、この第１の膨張弁１５６Ａの下流側に設けられた第２の絞り手段としての第２の膨張弁１５６Ｂとから構成されている。また、前記第１の膨張弁１５６Ａは、当該第１の膨張弁１５６Ａにて減圧された後の冷媒の圧力が、コンプレッサ１０内の中間圧より高くなるように開度が調整されている。
【００３９】
また、第１の膨張弁１５６Ａと第２の膨張弁１５６Ｂの間の冷媒配管には、気液分離手段としての気液分離器２００が設けられており、第１の膨張弁１５６Ａを出た冷媒配管は気液分離器２００の入口に接続されている。気液分離器２００のガス出口側の冷媒配管は前述した第２の膨張弁１５６Ｂの入口に接続されている。そして、この第２の膨張弁１５６Ｂの出口は蒸発器１５７の入口に接続され、蒸発器１５７を出た冷媒配管は第１の内部熱交換器１６０を経て前記第２の内部熱交換器１６２に至る。そして、第２の内部熱交換器１６２から出た冷媒配管は冷媒導入管９４に接続されている。
【００４０】
一方、前記オイルセパレータ１７０には、当該オイルセパレータ１７０にて分離されたオイルをコンプレッサ１０内に戻すための前述したオイルリターン回路１７５が接続されている。このオイルリターン回路１７５にはオイルセパレータ１７０にて分離されたオイルを減圧するための減圧手段としてのキャピラリチューブ１７６が設けられ、前記第２の内部熱交換器１６２を経てコンプレッサ１０の密閉容器１２内に連通接続されている。
【００４１】
また、前記気液分離器２００の液出口側には、当該気液分離器２００にて分離された液冷媒をコンプレッサ１０内に戻すためのインジェクション回路２１０が接続されている。このインジェクション回路２１０には気液分離器２００にて分離された液冷媒を減圧するための減圧手段としてのキャピラリチューブ２２０が設けられ、係るインジェクション回路２１０は第２の回転圧縮要素３４の吸込側と連通する前記冷媒導入管９２に接続されている。
【００４２】
以上の構成で次に本発明の遷臨界冷媒サイクル装置の動作を説明する。ターミナル２０及び図示されない配線を介してコンプレッサ１０の電動要素１４のステータコイル２８に通電されると、電動要素１４が起動してロータ２４が回転する。この回転により回転軸１６と一体に設けた上下偏心部４２、４４に嵌合された上下ローラ４６、４８が上下シリンダ３８、４０内を偏心回転する。
【００４３】
これにより、冷媒導入管９４及び下部支持部材５６に形成された吸込通路６０を経由して図示しない吸込ポートからシリンダ４０の低圧室側に吸入された低圧の冷媒ガスは、ローラ４８とベーン５２の動作により圧縮されて中間圧となり下シリンダ４０の高圧室側より図示しない連通路を経て中間吐出管１２１から密閉容器１２内に吐出される。これによって、密閉容器１２内は中間圧となる。
【００４４】
そして、密閉容器１２内の中間圧の冷媒ガスは冷媒導入管９２に入り、中間冷却回路１５０に流入する。そして、この中間冷却回路１５０がガスクーラ１５４を通過する過程で空冷方式により放熱する。
【００４５】
このように、第１の回転圧縮要素３２で圧縮された中間圧の冷媒ガスを中間冷却回路１５０を通過させることで、ガスクーラ１５４にて効果的に冷却することができるので、密閉容器１２内の温度上昇を抑え、第２の回転圧縮要素３４における圧縮効率も向上させることができるようになる。
【００４６】
そして、冷却された中間圧の冷媒ガスは上部支持部材５４に形成された図示しない吸込通路を経由して、図示しない吸込ポートから第２の回転圧縮要素３４の上シリンダ３８の低圧室側に吸入され、ローラ４６とベーン５０の動作により２段目の圧縮が行われて高圧高温の冷媒ガスとなり、高圧室側から図示しない吐出ポートを通り上部支持部材５４に形成された吐出消音室６２を経て冷媒吐出管９６より外部に吐出される。このとき、冷媒は適切な超臨界圧力まで圧縮されている。
【００４７】
冷媒吐出管９６から吐出された冷媒ガスはガスクーラ１５４に流入し、そこで空冷方式により放熱した後、前記オイルセパレータ１７０に至る。ここで、冷媒ガスとオイルが分離される。
【００４８】
そして、冷媒ガスから分離されたオイルは、オイルリターン回路１７５に流入する。オイルはオイルリターン回路１７５に設けられたキャピラリチューブ１７６にて減圧された後、第２の内部熱交換器１６２を通過する。オイルはそこで第１の内部熱交換器１６０からの低圧側の冷媒に熱を奪われて冷却され、コンプレッサ１０の密閉容器１２内に戻る。
【００４９】
このように、冷却されたオイルがコンプレッサ１０の密閉容器１２内に戻るので、オイルにより密閉容器１２内を効果的に冷却することができるようなり、密閉容器１２内の温度上昇を抑え、第２の回転圧縮要素３４における圧縮効率を向上させることができるようになる。
【００５０】
また、密閉容器１２内のオイル溜めの油面が低下する不都合も回避することができるようになる。
【００５１】
一方、オイルセパレータ１７０から出た冷媒ガスは第１の内部熱交換器１６０を通過する。冷媒はそこで低圧側の冷媒に熱を奪われて更に冷却される。この第１の内部熱交換器１６０の存在により、低圧側の冷媒に熱を奪われるので、この分、蒸発器１５７における冷媒の蒸発温度が低くなる。そのため、蒸発器１５７における冷却能力が向上する。
【００５２】
係る第１の内部熱交換器１６０で冷却された高圧側の冷媒ガスは膨張機構１５６の第１の膨張弁１５６Ａに至る。尚、第１の膨張弁１５６Ａの入口では冷媒ガスはまだ気体の状態である。第１の膨張弁１５６Ａは冷媒の圧力が前述する如くコンプレッサ１０の第２の回転圧縮要素３４の吸込側の圧力（中間圧）よりも高い圧力となるように開度が調整されており、ここで冷媒は、中間圧より高い圧力まで減圧される。これにより、冷媒は一部液化し、ガス／液の二相混合体となり、気液分離器２００に流入する。ここで、ガス冷媒と液冷媒とが分離される。
【００５３】
そして、気液分離器２００内の液冷媒はインジェクション回路２１０に流入する。そして、液冷媒はインジェクション回路２１０に設けられたキャピラリチューブ２２０にて減圧されて、中間圧より若干高い圧力とされ、冷媒導入管９２を経て、コンプレッサ１０の第２の回転圧縮要素３４の吸込側に注入される。そこで冷媒は蒸発し、周囲から吸熱することにより冷却作用を発揮する。これにより、第２の回転圧縮要素３４を含むコンプレッサ１０自体が冷却される。
【００５４】
このように、インジェクション回路２１０にて液冷媒を減圧して、コンプレッサ１０の第２の回転圧縮要素３４の吸込側に注入し、そこで蒸発させることで第２の回転圧縮要素３４が冷却されるので、第２の回転圧縮要素３４を効果的に冷却することができるようなる。これにより、第２の回転圧縮要素３４の圧縮効率を向上させることができるようになる。
【００５５】
一方、気液分離器２００から出たガス冷媒は、第２の膨張弁１５６Ｂに至る。冷媒は第２の膨張弁１５６Ｂにおける圧力低下により、最終的な液化が行われ、ガス／液の二相混合体とされた状態で蒸発器１５７内に流入する。そこで冷媒は蒸発し、空気から吸熱することにより冷却作用を発揮する。
【００５６】
以上のように、第１の回転圧縮要素３２で圧縮された中間圧の冷媒ガスを中間冷却回路１５０を通過させて、密閉容器１２内の温度上昇を抑えるという効果と、オイルセパレータ１７０にて冷媒ガスから分離されたオイルを第２の内部熱交換器１６２を通過させて、密閉容器１２内の温度上昇を抑えるという効果と、更に、前記気液分離器２００にてガス冷媒と液冷媒を分離して、分離された液冷媒をキャピラリチューブ２２０にて減圧した後、第２の回転圧縮要素３４で周囲から吸熱して蒸発させて、第２の回転圧縮要素３４を冷却するという効果によって、第２の回転圧縮要素３４における圧縮効率の向上を図ることができるようになり、加えて、第２の回転圧縮要素３４で圧縮された冷媒ガスを、第１の内部熱交換器１６０を通過させて、蒸発器１５７における冷媒の蒸発温度が低くなるという効果によって、蒸発器１５７における冷媒の蒸発温度も下げられるようになる。
【００５７】
即ち、この場合における蒸発器１５７での蒸発温度を、例えば−５０℃以下の超低温域に容易に到達させることができるようになる。また、同時にコンプレッサ１０での消費電力の低減も図ることができるようになる。
【００５８】
その後、冷媒は蒸発器１５７から流出して、第１の内部熱交換器１６０を通過する。そこで前述の高圧側の冷媒から熱を奪い、加熱作用を受けた後、第２の内部熱交換器１６２に至る。そして、第２の内部熱交換器１６２でオイルリターン回路１７５を流れるオイルから熱を奪い、更に加熱作用を受ける。
【００５９】
ここで、蒸発器１５７で蒸発して低温となり、蒸発器１５７を出た冷媒は、完全に気体の状態ではなく液体が混在した状態であるが、第１の内部熱交換器１６０を通過させて高圧側の冷媒と熱交換させることで、冷媒が加熱される。これにより、冷媒は略完全に気体の状態となる。更に、第２の内部熱交換器１６２を通過させて、オイルと熱交換させることで、冷媒が加熱され、確実に過熱度が取れて完全に気体となる。
【００６０】
これにより、蒸発器１５７から出た冷媒を確実にガス化させることができるようになる。特に、運転条件により余剰冷媒が発生するような場合においても、第１の内部熱交換器１６０と第２の内部熱交換器１６２により、二段階で低圧側冷媒を加熱しているので、低圧側にレシーバータンクなどを設けること無く、コンプレッサ１０に液冷媒が吸い込まれる液バックを確実に防止し、コンプレッサ１０が液圧縮にて損傷を受ける不都合を回避することができるようになる。
【００６１】
また、コンプレッサ１０の吐出温度や内部温度を上昇させずに過熱度を充分に確保することができるようになるので、遷臨界冷媒サイクル装置の信頼性の向上を図ることができるようになる。
【００６２】
尚、第２の内部熱交換器１６２で加熱された冷媒は、冷媒導入管９４からコンプレッサ１０の第１の回転圧縮要素３２内に吸い込まれるサイクルを繰り返す。
【００６３】
このように、第１の回転圧縮要素３２から吐出された冷媒をガスクーラ１５４にて放熱させるための中間冷却回路１５０と、第２の回転圧縮要素３４で圧縮された冷媒からオイルを分離するためのオイルセパレータ１７０と、このオイルセパレータ１７０にて分離されたオイルを減圧してコンプレッサ１０内に戻すためのオイルリターン回路１７５と、ガスクーラ１５４から出た第２の回転圧縮要素３４からの冷媒と蒸発器１５７を出た冷媒とを熱交換させるための第１の内部熱交換器１６０と、オイルリターン回路１７５を流れるオイルと第１の内部熱交換器１６０を出た蒸発器１５７からの冷媒とを熱交換させるための第２の内部熱交換器１６２とを備え、絞り手段としての膨張機構１５６を、第１の膨張弁１５６Ａとこの第１の膨張弁１５６Ａの下流側に設けられた第２の膨張弁１５６Ｂとから構成され、第１の膨張弁１５６Ａと第２の膨張弁１５６Ｂの間を流れる冷媒の一部を減圧してコンプレッサ１０の第２の回転圧縮要素３４の吸込側に注入するインジェクション回路２１０とを備えているので、蒸発器１５７から出た冷媒は第１の内部熱交換器１６０でガスクーラ１５４を出た第２の回転圧縮要素３４からの冷媒と熱交換して熱を奪い、第２の内部熱交換器１６２においてはオイルリターン回路１７５を流れるオイルと熱交換して熱を奪うので、確実に冷媒の過熱度を確保してコンプレッサ１０における液圧縮を回避できるようになる。
【００６４】
一方、ガスクーラ１５４を出た第２の回転圧縮要素３４からの冷媒は、オイルセパレータ１７０を通過させた後、第１の内部熱交換器１６０において蒸発器１５７を出た冷媒に熱を奪われるので、それにより、冷媒の蒸発温度を下げられる。それにより、蒸発器１５７における冷媒ガスの冷却能力が向上する。また、中間冷却回路１５０を備えているので、コンプレッサ１０の内部の温度を下げることができる。
【００６５】
また、オイルリターン回路１７５を流れるオイルは、第２の内部熱交換器１６２にて第１の内部熱交換器１６０を出た蒸発器１５７からの冷媒に熱を奪われた後、コンプレッサ１０内に戻るので、コンプレッサ１０内部の温度をより一層下げることができるようになる。
【００６６】
更に、第１及び第２の膨張弁１５６Ａ、１５６Ｂの間に気液分離器２００を設け、インジェクション回路２１０は、気液分離器２００にて分離された液冷媒を減圧してコンプレッサ１０の第２の回転圧縮要素３４の吸込側に注入するので、インジェクション回路２１０からの冷媒が蒸発して、周囲から吸熱し、第２の回転圧縮要素３４を含むコンプレッサ１０全体を効果的に冷却することができる。これにより、冷媒サイクルの蒸発器１５７における冷媒の蒸発温度をより一層低下させることができるようになる。
【００６７】
これらにより冷媒サイクルの蒸発器１５７における冷媒の蒸発温度を低下させることが可能となり、例えば蒸発器１５７での蒸発温度を−５０℃以下の超低温域とすることを容易に達成することができるようになる。また、コンプレッサ１０での消費電力の低減も図ることができるようになる。
【００６８】
次に、図３を参照して本発明の遷臨界冷媒サイクル装置の他の実施形態について詳述する。図３はこの場合の遷臨界冷媒サイクル装置の冷媒回路図を示している。尚、図３において、図１及び図２と同一の符号が付されているものは同一若しくは同様の作用を奏するものとする。
【００６９】
図３に示すオイルリターン回路１７５Ａには同様にキャピラリチューブ１７６が設けられているが、この場合は、第２の内部熱交換器１６２を経て、第２の回転圧縮要素３４の上シリンダ３８の図示しない吸込通路と連通する冷媒導入管９２に接続されている。これにより、第２の内部熱交換器１６２にて冷却されたオイルが第２の回転圧縮要素３４に供給されることになる。
【００７０】
このように、オイルリターン回路１７５Ａは、オイルセパレータ１７０によって分離されたオイルをキャピラリチューブ１７６にて減圧し、第２の内部熱交換器１６２にて第１の内部熱交換器１６０を出た蒸発器１５７からの冷媒と熱交換させた後、冷媒導入管９２からコンプレッサ１０の第２の回転圧縮要素３４の吸込側に戻す。
【００７１】
これにより、第２の回転圧縮要素３４を効果的に冷却することができるようになり、第２の回転圧縮要素３４の圧縮効率を向上させることができるようになる。
【００７２】
また、第２の回転圧縮要素３４に直接オイルが供給されるので、第２の回転圧縮要素３４がオイル不足となる不都合も回避することができるようになる。
【００７３】
尚、本実施例では気液分離器２００で分離された液冷媒をインジェクション回路２１０に設けたキャピラリチューブ２２０にて減圧して冷媒導入管９２から第２の回転圧縮要素３４の吸込側に戻すこととしたが、気液分離器２００を設けなくても構わない。この場合、第１の膨張弁１５６Ａを出た冷媒（気液分離器がないため、冷媒の状態はガス、液、若しくは、それらの混合状態となる）はインジェクション回路２１０に設けられたキャピラリチューブ２２０にて適切な圧力（中間圧より若干高い圧力）に下げられて冷媒導入管９２から第２の回転圧縮要素３４の吸込側に吸い込まれる。
【００７４】
更に、第１の膨張弁１５６Ａを出た冷媒が適切な圧力（中間圧より若干高い程度の圧力）まで減圧され、且つ、この場合の冷媒の状態がガスであるような設定状況では、キャピラリチューブ２２０は設ける必要はない。
【００７５】
また、実施例ではオイル分離手段としてのオイルセパレータ１７０をガスクーラ１５４と第１の内部熱交換器１６０の間の冷媒配管に設けるものとしたが、それに限らず、例えばコンプレッサ１０とガスクーラ１５４の間の配管に設けても良い。また、オイルリターン回路１７５に設けた減圧手段としてのキャピラリチューブ１７６を第１の内部熱交換器１６０からの冷媒配管に交熱的に巻き付けて第２の内部熱交換器１６２を構成しても良い。
【００７６】
更に、実施例では二酸化炭素を冷媒として使用したが、本発明ではそれに限定されるものではなく、遷臨界冷媒サイクルにおいて使用可能な冷媒、即ち、高圧側が超臨界となるＨＦＣ系冷媒のＲ２３（ＣＨＦ３）や亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）などの冷媒が適用可能である。また、このようにＨＦＣ系冷媒のＲ２３（ＣＨＦ３）や亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）冷媒を用いた場合には、蒸発器１５７における冷媒の蒸発温度を−８０℃以下の超低温に到達させることができるようになる。
【００７７】
【発明の効果】
以上詳述した如く、本発明によればコンプレッサは、密閉容器内に駆動要素にて駆動される第１及び第２の回転圧縮要素を備え、第１の回転圧縮要素で圧縮されて吐出された冷媒を第２の回転圧縮要素に吸い込んで圧縮し、ガスクーラに吐出すると共に、第１の回転圧縮要素から吐出された冷媒をガスクーラにて放熱させるための中間冷却回路と、第２の回転圧縮要素で圧縮された冷媒からオイルを分離するためのオイル分離手段と、このオイル分離手段にて分離されたオイルを減圧してコンプレッサ内に戻すためのオイルリターン回路と、ガスクーラから出た第２の回転圧縮要素からの冷媒と蒸発器を出た冷媒とを熱交換させるための第１の内部熱交換器と、オイルリターン回路を流れるオイルと第１の内部熱交換器を出た蒸発器からの冷媒とを熱交換させるための第２の内部熱交換器とを備え、絞り手段を、第１の絞り手段とこの第１の絞り手段の下流側に設けられた第２の絞り手段とから構成され、第１及び第２の絞り手段の間を流れる冷媒の一部をコンプレッサの第２の回転圧縮要素の吸込側に注入するインジェクション回路とを備えているので、 蒸発器から出た冷媒は第１の内部熱交換器でガスクーラを出た第２の回転圧縮要素からの冷媒と熱交換して熱を奪い、第２の内部熱交換器においてはオイルリターン回路を流れるオイルと熱交換して熱を奪うので、確実に冷媒の過熱度を確保してコンプレッサにおける液圧縮を回避できるようになる。
【００７８】
一方、ガスクーラを出た第２の回転圧縮要素からの冷媒は、第１の内部熱交換器において蒸発器を出た冷媒に熱を奪われるので、それにより、冷媒の蒸発温度を下げられる。また、中間冷却回路を備えているので、コンプレッサの内部の温度も下げることができる。
【００７９】
また、オイルリターン回路を流れるオイルは、第２の内部熱交換器にて第１の内部熱交換器を出た蒸発器からの冷媒に熱を奪われた後、コンプレッサ内に戻るので、コンプレッサ内部の温度をより一層下げることができるようになる。
【００８０】
更に、第１及び第２の絞り手段の間を流れる冷媒の一部はインジェクション回路を通過して、コンプレッサの第２の回転圧縮要素の吸込側に注入されるので、このインジェクション冷媒によって第２の回転圧縮要素を冷却することができるようになる。これにより、第２の回転圧縮要素の圧縮効率を改善し、且つ、コンプレッサ自体の温度も効果的に下げることができるようになる。
【００８１】
即ち、第１の回転圧縮要素で圧縮された中間圧の冷媒ガスを中間冷却回路を通過させて、密閉容器内の温度上昇を抑えるという効果と、オイルセパレータにて冷媒ガスから分離されたオイルを第２の内部熱交換器を通過させて、密閉容器内の温度上昇を抑えるという効果と、更に、第１の絞り手段と第２の絞り手段の間の配管を流れる冷媒の一部をコンプレッサの第２の回転圧縮要素の吸込側に注入し、周囲から吸熱して蒸発させて、第２の回転圧縮要素を冷却するという効果によって、第２の回転圧縮要素における圧縮効率の向上を図ることができるようになり、加えて、第２の回転圧縮要素で圧縮された冷媒ガスを、第１の内部熱交換器を通過させて、蒸発器における冷媒の蒸発温度が低くなるという効果によって、蒸発器における冷却能力を著しく向上させながら、コンプレッサでの消費電力の低減も図ることができるようになる。
【００８２】
請求項２の発明によれば上記発明に加えて、第１及び第２の絞り手段の間に気液分離手段を設け、インジェクション回路は、気液分離手段にて分離された液冷媒を減圧してコンプレッサの第２の回転圧縮要素の吸込側に注入するので、インジェクション回路からの冷媒が蒸発して周囲から吸熱し、第２の回転圧縮要素を含むコンプレッサ自体を一層効果的に冷却することができる。これにより、冷媒サイクルの蒸発器における冷媒の蒸発温度をより一層低下させることができるようになる。
【００８３】
請求項３の発明によれば上記各発明に加えて、オイルリターン回路は、オイル分離手段によって分離されたオイルを、第２の内部熱交換器にて第１の内部熱交換器を出た蒸発器からの冷媒と熱交換させた後、コンプレッサの密閉容器内に戻すので、このオイルによりコンプレッサの密閉容器内の温度を効果的に下げることができるようなる。
【００８４】
請求項４の発明によれば請求項１又は請求項２の発明に加えて、オイルリターン回路は、オイル分離手段によって分離されたオイルを、第２の内部熱交換器にて第１の内部熱交換器を出た蒸発器からの冷媒と熱交換させた後、コンプレッサの第２の回転圧縮要素の吸込側に戻すので、第２の回転圧縮要素を潤滑しながら、圧縮効率を改善し、且つ、コンプレッサ自体の温度も効果的に下げることができるようになる。
【００８５】
請求項５の発明によれば上記各発明に加えて、冷媒として二酸化炭素、ＨＦＣ系冷媒のＲ２３、亜酸化窒素のうち少なくとも何れか一種の冷媒を用いるので、所望の冷却能力を得ることができると共に、環境問題にも寄与できるようになる。
【００８６】
また、上記構成により請求項６の如く蒸発器における冷媒の蒸発温度を−５０℃以下とする場合に極めて有効となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の遷臨界冷媒サイクル装置を構成する内部中間圧型多段圧縮式ロータリコンプレッサの縦断面図である。
【図２】本発明の遷臨界冷媒サイクル装置の冷媒回路図である。
【図３】本発明の他の実施例の遷臨界冷媒サイクル装置の冷媒回路図である。
【図４】従来の遷臨界冷媒サイクル装置の冷媒回路図である。
【符号の説明】
１０ 多段圧縮式ロータリコンプレッサ
１２ 密閉容器
１４ 電動要素
３２ 第１の回転圧縮要素
３４ 第２の回転圧縮要素
９２、９４ 冷媒導入管
９６ 冷媒吐出管
１５０ 中間冷却回路
１５４ ガスクーラ
１５６ 膨張機構（絞り手段）
１５６Ａ 第１の膨張弁（第１の絞り手段）
１５６Ｂ 第２の膨張弁（第２の絞り手段）
１５７ 蒸発器
１６０ 第１の内部熱交換器
１６２ 第２の内部熱交換器
１７０ オイルセパレータ
１７５ オイルリターン回路
１７６ キャピラリチューブ
２００ 気液分離器
２１０ インジェクション回路
２２０ キャピラリチューブ
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンプレッサ、ガスクーラ、絞り手段及び蒸発器を順次接続して構成され、高圧側が超臨界圧力となる遷臨界冷媒サイクル装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種冷媒サイクル装置は、ロータリコンプレッサ（コンプレッサ）、ガスクーラ、絞り手段（膨張弁等）及び蒸発器等を順次環状に配管接続して冷媒サイクル（冷媒回路）が構成されている。そして、ロータリコンプレッサの回転圧縮要素の吸込ポートから冷媒ガスがシリンダの低圧室側に吸入され、ローラとベーンの動作により圧縮が行われて高温高圧の冷媒ガスとなり、高圧室側より吐出ポート、吐出消音室を経てガスクーラに吐出される。このガスクーラにて冷媒ガスは放熱した後、絞り手段で絞られて蒸発器に供給される。そこで冷媒が蒸発し、そのときに周囲から吸熱することにより冷却作用を発揮するものであった。
【０００３】
ここで、近年では地球環境問題に対処するため、この種の冷媒サイクルにおいても、従来のフロンを用いずに自然冷媒である二酸化炭素（ＣＯ２）を冷媒として用い、高圧側を超臨界圧力として運転する遷臨界冷媒サイクルを用いた装置が開発されて来ている。
【０００４】
このような遷臨界冷媒サイクル装置では、コンプレッサ内に液冷媒が戻って、液圧縮することを防ぐために、蒸発器の出口側とコンプレッサの吸込側と間の低圧側にレシーバタンクを配設し、このレシーバタンクに液冷媒を溜め、ガスのみをコンプレッサに吸い込ませる構成とされていた。そして、レシーバータンク内の液冷媒がコンプレッサに戻らないように絞り手段を調整していた（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特公平７−１８６０２号公報
【０００６】
しかしながら、冷媒サイクルの低圧側にレシーバータンクを設けることは、その分多くの冷媒充填量を必要とする。また、液バックを防止するためには絞り手段の開度を小さくし、或いは、レシーバータンクの容量を拡大しなければならず、冷却能力の低下や設置スペースの拡大を招く。そこで、係るレシーバータンクを設けること無く、コンプレッサにおける液圧縮を解消するために、出願人は従来図４に示す冷媒サイクル装置の開発を試みた。
【０００７】
図４において、１０は内部中間圧型多段（２段）圧縮式ロータリコンプレッサを示しており、密閉容器１２内の電動要素（駆動要素）１４とこの電動要素１４の回転軸１６で駆動される第１の回転圧縮要素３２及び第２の回転圧縮要素３４を備えて構成されている。
【０００８】
この場合の冷媒サイクル装置の動作を説明する。コンプレッサ１０の冷媒導入管９４から吸い込まれた冷媒は、第１の回転圧縮要素３２で圧縮されて中間圧となり、密閉容器１２内に吐出される。その後、冷媒導入管９２から出て中間冷却回路１５０Ａに流入する。中間冷却回路１５０Ａはガスクーラ１５４を通過するように設けられており、そこで、空冷方式により放熱される。ここで中間圧の冷媒はガスクーラにて熱が奪われる。
【０００９】
その後、第２の回転圧縮要素３４に吸い込まれて２段目の圧縮が行われて高圧高温の冷媒ガスとなり、冷媒吐出管９６より外部に吐出される。このとき、冷媒は適切な超臨界圧力まで圧縮されている。
【００１０】
冷媒吐出管９６から吐出された冷媒ガスはガスクーラ１５４に流入し、そこで空冷方式により放熱された後、内部熱交換器１６０を通過する。冷媒はそこで蒸発器１５７を出た低圧側の冷媒に熱を奪われて更に冷却される。その後、冷媒は膨張弁１５６にて減圧され、その過程でガス／液混合状態となり、次に蒸発器１５７に流入して蒸発する。蒸発器１５７から出た冷媒は内部熱交換器１６０を通過し、そこで前記高圧側の冷媒から熱を奪って加熱される。
【００１１】
そして、内部熱交換器１６０で加熱された冷媒は冷媒導入管９４からロータリコンプレッサ１０の第１の回転圧縮要素３２内に吸い込まれるサイクルを繰り返す。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
このように、図４の遷臨界冷媒サイクル装置でも蒸発器１５７から出た冷媒を内部熱交換器１６０により高圧側の冷媒にて加熱することで過熱度を取ることができるので、低圧側のレシーバータンクを廃止することも可能であるが、運転条件によっては余剰冷媒が生じるため、コンプレッサ１０に液バックが起こり、液圧縮による損傷が発生する危険性があった。
【００１３】
また、このような遷臨界冷媒サイクル装置で、蒸発器での蒸発温度が−５０℃以下の超低温域となるようにすることは、圧縮比が非常に高くなり、コンプレッサ１０自体の温度が高くなる関係上極めて困難となっていた。
【００１４】
本発明は、係る従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、高圧側が超臨界圧力となる遷臨界冷媒サイクル装置において、低圧側のレシーバータンクを設けることなく、コンプレッサの液圧縮による損傷の発生を防止すると共に、蒸発器における冷却能力を向上させることを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明の遷臨界冷媒サイクル装置では、コンプレッサは、密閉容器内に駆動要素にて駆動される第１及び第２の回転圧縮要素を備え、第１の回転圧縮要素で圧縮されて吐出された冷媒を第２の回転圧縮要素に吸い込んで圧縮し、ガスクーラに吐出すると共に、第１の回転圧縮要素から吐出された冷媒をガスクーラにて放熱させるための中間冷却回路と、第２の回転圧縮要素で圧縮された冷媒からオイルを分離するためのオイル分離手段と、このオイル分離手段にて分離されたオイルを減圧してコンプレッサ内に戻すためのオイルリターン回路と、ガスクーラから出た第２の回転圧縮要素からの冷媒と蒸発器を出た冷媒とを熱交換させるための第１の内部熱交換器と、オイルリターン回路を流れるオイルと第１の内部熱交換器を出た蒸発器からの冷媒とを熱交換させるための第２の内部熱交換器とを備え、絞り手段を、第１の絞り手段とこの第１の絞り手段の下流側に設けられた第２の絞り手段とから構成され、第１及び第２の絞り手段の間を流れる冷媒の一部をコンプレッサの第２の回転圧縮要素の吸込側に注入するインジェクション回路とを備えているので、蒸発器から出た冷媒は第１の内部熱交換器でガスクーラを出た第２の回転圧縮要素からの冷媒と熱交換して熱を奪い、第２の内部熱交換器においてはオイルリターン回路を流れるオイルと熱交換して熱を奪うので、確実に冷媒の過熱度を確保してコンプレッサにおける液圧縮を回避できるようになる。
【００１６】
一方、ガスクーラを出た第２の回転圧縮要素からの冷媒は、第１の内部熱交換器において蒸発器を出た冷媒に熱を奪われるので、それにより、冷媒の蒸発温度を下げられる。また、中間冷却回路を備えているので、コンプレッサの内部の温度も下げることができる。
【００１７】
また、オイルリターン回路を流れるオイルは、第２の内部熱交換器にて第１の内部熱交換器を出た蒸発器からの冷媒に熱を奪われた後、コンプレッサ内に戻るので、コンプレッサ内部の温度をより一層下げることができるようになる。
【００１８】
更に、第１及び第２の絞り手段の間を流れる冷媒の一部はインジェクション回路を通過して、コンプレッサの第２の回転圧縮要素の吸込側に注入されるので、このインジェクション冷媒によって第２の回転圧縮要素を冷却することができるようになる。これにより、第２の回転圧縮要素の圧縮効率を改善し、且つ、コンプレッサ自体の温度も更に下げることができるようになる。これらにより冷媒サイクルの蒸発器における冷媒の蒸発温度を低下させることが可能となる。
【００１９】
請求項２の発明では上記発明に加えて、第１及び第２の絞り手段の間に気液分離手段を設け、インジェクション回路は、気液分離手段にて分離された液冷媒を減圧してコンプレッサの第２の回転圧縮要素の吸込側に注入するので、インジェクション冷媒の蒸発に伴う吸熱作用で第２の回転圧縮要素をより一層効果的に冷却することができるようになる。これにより、冷媒サイクルの蒸発器における冷媒の蒸発温度をより一層低下させることができるようになる。
【００２０】
請求項３の発明では上記各発明に加えて、オイルリターン回路は、オイル分離手段によって分離されたオイルを、第２の内部熱交換器にて第１の内部熱交換器を出た蒸発器からの冷媒と熱交換させた後、コンプレッサの密閉容器内に戻すので、このオイルによりコンプレッサの密閉容器内の温度を効果的に下げることができるようなる。
【００２１】
請求項４の発明では請求項１又は請求項２の発明に加えて、オイルリターン回路は、オイル分離手段によって分離されたオイルを、第２の内部熱交換器にて第１の内部熱交換器を出た蒸発器からの冷媒と熱交換させた後、コンプレッサの第２の回転圧縮要素の吸込側に戻すので、第２の回転圧縮要素を潤滑しながら、圧縮効率を改善し、且つ、コンプレッサ自体の温度も効果的に下げることができるようになる。
【００２２】
請求項５の発明では上記各発明に加えて、冷媒として二酸化炭素、ＨＦＣ系冷媒のＲ２３、亜酸化窒素のうち少なくとも何れか一種の冷媒を用いるので、所望の冷却能力を得ることができると共に、環境問題にも寄与できるようになる。
【００２３】
また、本発明では請求項６の如く蒸発器における冷媒の蒸発温度を−５０℃以下とする場合に極めて有効となる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
次に、図面に基づき本発明の実施形態を詳述する。図１は本発明の遷臨界冷媒サイクル装置に使用するコンプレッサの実施例として、第１及び第２の回転圧縮要素３２、３４を備えた内部中間圧型多段（２段）圧縮式ロータリコンプレッサ１０の縦断側面図、図２は本発明の遷臨界冷媒サイクル装置の冷媒回路図である。
【００２５】
各図において、１０は二酸化炭素（ＣＯ２）を冷媒として使用する内部中間圧型多段圧縮式ロータリコンプレッサで、このコンプレッサ１０は鋼板からなる円筒状の密閉容器１２と、この密閉容器１２の内部空間の上側に配置収納された駆動要素としての電動要素１４及びこの電動要素１４の下側に配置され、電動要素１４の回転軸１６により駆動される第１の回転圧縮要素３２（１段目）及び第２の回転圧縮要素３４（２段目）から成る回転圧縮機構部１８にて構成されている。
【００２６】
密閉容器１２は底部をオイル溜めとし、電動要素１４と回転圧縮機構部１８を収納する容器本体１２Ａと、この容器本体１２Ａの上部開口を閉塞する略椀状のエンドキャップ（蓋体）１２Ｂとで構成され、且つ、このエンドキャップ１２Ｂの上面中心には円形の取付孔１２Ｄが形成されており、この取付孔１２Ｄには電動要素１４に電力を供給するためのターミナル（配線を省略）２０が取り付けられている。
【００２７】
電動要素１４は所謂磁極集中巻き式のＤＣモータであり、密閉容器１２の上部空間の内周面に沿って環状に取り付けられたステータ２２と、このステータ２２の内側に若干の間隔を設けて挿入設置されたロータ２４とからなる。このロータ２４は中心を通り鉛直方向に延びる回転軸１６に固定されている。ステータ２２は、ドーナッツ状の電磁鋼板を積層した積層体２６と、この積層体２６の歯部に直巻き（集中巻き）方式により巻装されたステータコイル２８を有している。また、ロータ２４はステータ２２と同様に電磁鋼板の積層体３０で形成され、この積層体３０内に永久磁石ＭＧを挿入して形成されている。
【００２８】
前記第１の回転圧縮要素３２と第２の回転圧縮要素３４との間には中間仕切板３６が狭持されている。即ち、第１の回転圧縮要素３２と第２の回転圧縮要素３４は、中間仕切板３６と、この中間仕切板３６の上下に配置された上シリンダ３８、下シリンダ４０と、この上下シリンダ３８、４０内を、１８０度の位相差を有して回転軸１６に設けられた上下偏心部４２、４４により偏心回転される上下ローラ４６、４８と、この上下ローラ４６、４８に当接して上下シリンダ３８、４０内をそれぞれ低圧室側と高圧室側に区画するベーン５０、５２と、上シリンダ３８の上側の開口面及び下シリンダ４０の下側の開口面を閉塞して回転軸１６の軸受けを兼用する支持部材としての上部支持部材５４及び下部支持部材５６にて構成されている。
【００２９】
一方、上部支持部材５４及び下部支持部材５６には、図示しない吸込ポートにて上下シリンダ３８、４０の内部とそれぞれ連通する吸込通路６０（上側の吸込通路は図示せず）と、一部を凹陥させ、この凹陥部を上部カバー６６、下部カバー６８にて閉塞することにより形成される吐出消音室６２、６４とが設けられている。
【００３０】
尚、吐出消音室６４と密閉容器１２内とは、上下シリンダ３８、４０や中間仕切板３６を貫通する連通路にて連通されており、連通路の上端には中間吐出管１２１が立設され、この中間吐出管１２１から第１の回転圧縮要素３２で圧縮された中間圧の冷媒ガスが密閉容器１２内に吐出される。
【００３１】
そして、冷媒としては地球環境にやさしく、可燃性及び毒性等を考慮して自然冷媒である前述した二酸化炭素（ＣＯ２）が使用され、潤滑油としてのオイルは、例えば鉱物油（ミネラルオイル）、アルキルベンゼン油、エーテル油、エステル油、ＰＡＧ（ポリアルキルグリコール）など既存のオイルが使用される。
【００３２】
密閉容器１２の容器本体１２Ａの側面には、上部支持部材５４と下部支持部材５６の吸込通路６０（上側は図示せず）、吐出消音室６２、上部カバー６６の上側（電動要素１４の下端に略対応する位置）に対応する位置に、スリーブ１４１、１４２、１４３及び１４４がそれぞれ溶接固定されている。そして、スリーブ１４１内には上シリンダ３８に冷媒ガスを導入するための冷媒導入管９２の一端が挿入接続され、この冷媒導入管９２の一端は上シリンダ３８の図示しない吸込通路と連通する。この冷媒導入管９２は後述するガスクーラ１５４を通過する中間冷却回路１５０を経てスリーブ１４４に至り、他端はスリーブ１４４内に挿入接続されて密閉容器１２内に連通する。
【００３３】
また、スリーブ１４２内には下シリンダ４０に冷媒ガスを導入するための冷媒導入管９４の一端が挿入接続され、この冷媒導入管９４の一端は下シリンダ４０の吸込通路６０と連通する。この冷媒導入管９４の他端は第２の内部熱交換器１６２に接続されている。
【００３４】
ここで、第２の内部熱交換器１６２は後述するオイルリターン回路１７５を流れるオイルと、後述する第１の内部熱交換器１６０を出た蒸発器１５７からの低圧側の冷媒とを熱交換させるためのものである。
【００３５】
そして、スリーブ１４３内には冷媒吐出管９６が挿入接続され、この冷媒吐出管９６の一端は吐出消音室６２と連通する。
【００３６】
次に図２において、上述したコンプレッサ１０は図２に示す冷媒回路の一部を構成する。即ち、コンプレッサ１０の冷媒吐出管９６はガスクーラ１５４の入口に接続される。そして、このガスクーラ１５４を出た配管はオイル分離手段としてのオイルセパレータ１７０の入口に接続される。このオイルセパレータ１７０は、第２の回転圧縮要素３４で圧縮された冷媒と共に吐出されたオイルを分離するためのものである。
【００３７】
オイルセパレータ１７０を出た冷媒配管は前述した第１の内部熱交換器１６０を通過する。この第１の内部熱交換器１６０はオイルセパレータ１７０から出た第２の回転圧縮要素３４からの高圧側の冷媒と蒸発器１５７から出た低圧側の冷媒とを熱交換させるためのものである。
【００３８】
そして、この第１の内部熱交換器１６０を通過した高圧側の冷媒は、絞り手段としての膨張機構１５６に至る。ここで、膨張機構１５６は、第１の絞り手段としての第１の膨張弁１５６Ａと、この第１の膨張弁１５６Ａの下流側に設けられた第２の絞り手段としての第２の膨張弁１５６Ｂとから構成されている。また、前記第１の膨張弁１５６Ａは、当該第１の膨張弁１５６Ａにて減圧された後の冷媒の圧力が、コンプレッサ１０内の中間圧より高くなるように開度が調整されている。
【００３９】
また、第１の膨張弁１５６Ａと第２の膨張弁１５６Ｂの間の冷媒配管には、気液分離手段としての気液分離器２００が設けられており、第１の膨張弁１５６Ａを出た冷媒配管は気液分離器２００の入口に接続されている。気液分離器２００のガス出口側の冷媒配管は前述した第２の膨張弁１５６Ｂの入口に接続されている。そして、この第２の膨張弁１５６Ｂの出口は蒸発器１５７の入口に接続され、蒸発器１５７を出た冷媒配管は第１の内部熱交換器１６０を経て前記第２の内部熱交換器１６２に至る。そして、第２の内部熱交換器１６２から出た冷媒配管は冷媒導入管９４に接続されている。
【００４０】
一方、前記オイルセパレータ１７０には、当該オイルセパレータ１７０にて分離されたオイルをコンプレッサ１０内に戻すための前述したオイルリターン回路１７５が接続されている。このオイルリターン回路１７５にはオイルセパレータ１７０にて分離されたオイルを減圧するための減圧手段としてのキャピラリチューブ１７６が設けられ、前記第２の内部熱交換器１６２を経てコンプレッサ１０の密閉容器１２内に連通接続されている。
【００４１】
また、前記気液分離器２００の液出口側には、当該気液分離器２００にて分離された液冷媒をコンプレッサ１０内に戻すためのインジェクション回路２１０が接続されている。このインジェクション回路２１０には気液分離器２００にて分離された液冷媒を減圧するための減圧手段としてのキャピラリチューブ２２０が設けられ、係るインジェクション回路２１０は第２の回転圧縮要素３４の吸込側と連通する前記冷媒導入管９２に接続されている。
【００４２】
以上の構成で次に本発明の遷臨界冷媒サイクル装置の動作を説明する。ターミナル２０及び図示されない配線を介してコンプレッサ１０の電動要素１４のステータコイル２８に通電されると、電動要素１４が起動してロータ２４が回転する。この回転により回転軸１６と一体に設けた上下偏心部４２、４４に嵌合された上下ローラ４６、４８が上下シリンダ３８、４０内を偏心回転する。
【００４３】
これにより、冷媒導入管９４及び下部支持部材５６に形成された吸込通路６０を経由して図示しない吸込ポートからシリンダ４０の低圧室側に吸入された低圧の冷媒ガスは、ローラ４８とベーン５２の動作により圧縮されて中間圧となり下シリンダ４０の高圧室側より図示しない連通路を経て中間吐出管１２１から密閉容器１２内に吐出される。これによって、密閉容器１２内は中間圧となる。
【００４４】
そして、密閉容器１２内の中間圧の冷媒ガスは冷媒導入管９２に入り、中間冷却回路１５０に流入する。そして、この中間冷却回路１５０がガスクーラ１５４を通過する過程で空冷方式により放熱する。
【００４５】
このように、第１の回転圧縮要素３２で圧縮された中間圧の冷媒ガスを中間冷却回路１５０を通過させることで、ガスクーラ１５４にて効果的に冷却することができるので、密閉容器１２内の温度上昇を抑え、第２の回転圧縮要素３４における圧縮効率も向上させることができるようになる。
【００４６】
そして、冷却された中間圧の冷媒ガスは上部支持部材５４に形成された図示しない吸込通路を経由して、図示しない吸込ポートから第２の回転圧縮要素３４の上シリンダ３８の低圧室側に吸入され、ローラ４６とベーン５０の動作により２段目の圧縮が行われて高圧高温の冷媒ガスとなり、高圧室側から図示しない吐出ポートを通り上部支持部材５４に形成された吐出消音室６２を経て冷媒吐出管９６より外部に吐出される。このとき、冷媒は適切な超臨界圧力まで圧縮されている。
【００４７】
冷媒吐出管９６から吐出された冷媒ガスはガスクーラ１５４に流入し、そこで空冷方式により放熱した後、前記オイルセパレータ１７０に至る。ここで、冷媒ガスとオイルが分離される。
【００４８】
そして、冷媒ガスから分離されたオイルは、オイルリターン回路１７５に流入する。オイルはオイルリターン回路１７５に設けられたキャピラリチューブ１７６にて減圧された後、第２の内部熱交換器１６２を通過する。オイルはそこで第１の内部熱交換器１６０からの低圧側の冷媒に熱を奪われて冷却され、コンプレッサ１０の密閉容器１２内に戻る。
【００４９】
このように、冷却されたオイルがコンプレッサ１０の密閉容器１２内に戻るので、オイルにより密閉容器１２内を効果的に冷却することができるようなり、密閉容器１２内の温度上昇を抑え、第２の回転圧縮要素３４における圧縮効率を向上させることができるようになる。
【００５０】
また、密閉容器１２内のオイル溜めの油面が低下する不都合も回避することができるようになる。
【００５１】
一方、オイルセパレータ１７０から出た冷媒ガスは第１の内部熱交換器１６０を通過する。冷媒はそこで低圧側の冷媒に熱を奪われて更に冷却される。この第１の内部熱交換器１６０の存在により、低圧側の冷媒に熱を奪われるので、この分、蒸発器１５７における冷媒の蒸発温度が低くなる。そのため、蒸発器１５７における冷却能力が向上する。
【００５２】
係る第１の内部熱交換器１６０で冷却された高圧側の冷媒ガスは膨張機構１５６の第１の膨張弁１５６Ａに至る。尚、第１の膨張弁１５６Ａの入口では冷媒ガスはまだ気体の状態である。第１の膨張弁１５６Ａは冷媒の圧力が前述する如くコンプレッサ１０の第２の回転圧縮要素３４の吸込側の圧力（中間圧）よりも高い圧力となるように開度が調整されており、ここで冷媒は、中間圧より高い圧力まで減圧される。これにより、冷媒は一部液化し、ガス／液の二相混合体となり、気液分離器２００に流入する。ここで、ガス冷媒と液冷媒とが分離される。
【００５３】
そして、気液分離器２００内の液冷媒はインジェクション回路２１０に流入する。そして、液冷媒はインジェクション回路２１０に設けられたキャピラリチューブ２２０にて減圧されて、中間圧より若干高い圧力とされ、冷媒導入管９２を経て、コンプレッサ１０の第２の回転圧縮要素３４の吸込側に注入される。そこで冷媒は蒸発し、周囲から吸熱することにより冷却作用を発揮する。これにより、第２の回転圧縮要素３４を含むコンプレッサ１０自体が冷却される。
【００５４】
このように、インジェクション回路２１０にて液冷媒を減圧して、コンプレッサ１０の第２の回転圧縮要素３４の吸込側に注入し、そこで蒸発させることで第２の回転圧縮要素３４が冷却されるので、第２の回転圧縮要素３４を効果的に冷却することができるようなる。これにより、第２の回転圧縮要素３４の圧縮効率を向上させることができるようになる。
【００５５】
一方、気液分離器２００から出たガス冷媒は、第２の膨張弁１５６Ｂに至る。冷媒は第２の膨張弁１５６Ｂにおける圧力低下により、最終的な液化が行われ、ガス／液の二相混合体とされた状態で蒸発器１５７内に流入する。そこで冷媒は蒸発し、空気から吸熱することにより冷却作用を発揮する。
【００５６】
以上のように、第１の回転圧縮要素３２で圧縮された中間圧の冷媒ガスを中間冷却回路１５０を通過させて、密閉容器１２内の温度上昇を抑えるという効果と、オイルセパレータ１７０にて冷媒ガスから分離されたオイルを第２の内部熱交換器１６２を通過させて、密閉容器１２内の温度上昇を抑えるという効果と、更に、前記気液分離器２００にてガス冷媒と液冷媒を分離して、分離された液冷媒をキャピラリチューブ２２０にて減圧した後、第２の回転圧縮要素３４で周囲から吸熱して蒸発させて、第２の回転圧縮要素３４を冷却するという効果によって、第２の回転圧縮要素３４における圧縮効率の向上を図ることができるようになり、加えて、第２の回転圧縮要素３４で圧縮された冷媒ガスを、第１の内部熱交換器１６０を通過させて、蒸発器１５７における冷媒の蒸発温度が低くなるという効果によって、蒸発器１５７における冷媒の蒸発温度も下げられるようになる。
【００５７】
即ち、この場合における蒸発器１５７での蒸発温度を、例えば−５０℃以下の超低温域に容易に到達させることができるようになる。また、同時にコンプレッサ１０での消費電力の低減も図ることができるようになる。
【００５８】
その後、冷媒は蒸発器１５７から流出して、第１の内部熱交換器１６０を通過する。そこで前述の高圧側の冷媒から熱を奪い、加熱作用を受けた後、第２の内部熱交換器１６２に至る。そして、第２の内部熱交換器１６２でオイルリターン回路１７５を流れるオイルから熱を奪い、更に加熱作用を受ける。
【００５９】
ここで、蒸発器１５７で蒸発して低温となり、蒸発器１５７を出た冷媒は、完全に気体の状態ではなく液体が混在した状態であるが、第１の内部熱交換器１６０を通過させて高圧側の冷媒と熱交換させることで、冷媒が加熱される。これにより、冷媒は略完全に気体の状態となる。更に、第２の内部熱交換器１６２を通過させて、オイルと熱交換させることで、冷媒が加熱され、確実に過熱度が取れて完全に気体となる。
【００６０】
これにより、蒸発器１５７から出た冷媒を確実にガス化させることができるようになる。特に、運転条件により余剰冷媒が発生するような場合においても、第１の内部熱交換器１６０と第２の内部熱交換器１６２により、二段階で低圧側冷媒を加熱しているので、低圧側にレシーバータンクなどを設けること無く、コンプレッサ１０に液冷媒が吸い込まれる液バックを確実に防止し、コンプレッサ１０が液圧縮にて損傷を受ける不都合を回避することができるようになる。
【００６１】
また、コンプレッサ１０の吐出温度や内部温度を上昇させずに過熱度を充分に確保することができるようになるので、遷臨界冷媒サイクル装置の信頼性の向上を図ることができるようになる。
【００６２】
尚、第２の内部熱交換器１６２で加熱された冷媒は、冷媒導入管９４からコンプレッサ１０の第１の回転圧縮要素３２内に吸い込まれるサイクルを繰り返す。
【００６３】
このように、第１の回転圧縮要素３２から吐出された冷媒をガスクーラ１５４にて放熱させるための中間冷却回路１５０と、第２の回転圧縮要素３４で圧縮された冷媒からオイルを分離するためのオイルセパレータ１７０と、このオイルセパレータ１７０にて分離されたオイルを減圧してコンプレッサ１０内に戻すためのオイルリターン回路１７５と、ガスクーラ１５４から出た第２の回転圧縮要素３４からの冷媒と蒸発器１５７を出た冷媒とを熱交換させるための第１の内部熱交換器１６０と、オイルリターン回路１７５を流れるオイルと第１の内部熱交換器１６０を出た蒸発器１５７からの冷媒とを熱交換させるための第２の内部熱交換器１６２とを備え、絞り手段としての膨張機構１５６を、第１の膨張弁１５６Ａとこの第１の膨張弁１５６Ａの下流側に設けられた第２の膨張弁１５６Ｂとから構成され、第１の膨張弁１５６Ａと第２の膨張弁１５６Ｂの間を流れる冷媒の一部を減圧してコンプレッサ１０の第２の回転圧縮要素３４の吸込側に注入するインジェクション回路２１０とを備えているので、蒸発器１５７から出た冷媒は第１の内部熱交換器１６０でガスクーラ１５４を出た第２の回転圧縮要素３４からの冷媒と熱交換して熱を奪い、第２の内部熱交換器１６２においてはオイルリターン回路１７５を流れるオイルと熱交換して熱を奪うので、確実に冷媒の過熱度を確保してコンプレッサ１０における液圧縮を回避できるようになる。
【００６４】
一方、ガスクーラ１５４を出た第２の回転圧縮要素３４からの冷媒は、オイルセパレータ１７０を通過させた後、第１の内部熱交換器１６０において蒸発器１５７を出た冷媒に熱を奪われるので、それにより、冷媒の蒸発温度を下げられる。それにより、蒸発器１５７における冷媒ガスの冷却能力が向上する。また、中間冷却回路１５０を備えているので、コンプレッサ１０の内部の温度を下げることができる。
【００６５】
また、オイルリターン回路１７５を流れるオイルは、第２の内部熱交換器１６２にて第１の内部熱交換器１６０を出た蒸発器１５７からの冷媒に熱を奪われた後、コンプレッサ１０内に戻るので、コンプレッサ１０内部の温度をより一層下げることができるようになる。
【００６６】
更に、第１及び第２の膨張弁１５６Ａ、１５６Ｂの間に気液分離器２００を設け、インジェクション回路２１０は、気液分離器２００にて分離された液冷媒を減圧してコンプレッサ１０の第２の回転圧縮要素３４の吸込側に注入するので、インジェクション回路２１０からの冷媒が蒸発して、周囲から吸熱し、第２の回転圧縮要素３４を含むコンプレッサ１０全体を効果的に冷却することができる。これにより、冷媒サイクルの蒸発器１５７における冷媒の蒸発温度をより一層低下させることができるようになる。
【００６７】
これらにより冷媒サイクルの蒸発器１５７における冷媒の蒸発温度を低下させることが可能となり、例えば蒸発器１５７での蒸発温度を−５０℃以下の超低温域とすることを容易に達成することができるようになる。また、コンプレッサ１０での消費電力の低減も図ることができるようになる。
【００６８】
次に、図３を参照して本発明の遷臨界冷媒サイクル装置の他の実施形態について詳述する。図３はこの場合の遷臨界冷媒サイクル装置の冷媒回路図を示している。尚、図３において、図１及び図２と同一の符号が付されているものは同一若しくは同様の作用を奏するものとする。
【００６９】
図３に示すオイルリターン回路１７５Ａには同様にキャピラリチューブ１７６が設けられているが、この場合は、第２の内部熱交換器１６２を経て、第２の回転圧縮要素３４の上シリンダ３８の図示しない吸込通路と連通する冷媒導入管９２に接続されている。これにより、第２の内部熱交換器１６２にて冷却されたオイルが第２の回転圧縮要素３４に供給されることになる。
【００７０】
このように、オイルリターン回路１７５Ａは、オイルセパレータ１７０によって分離されたオイルをキャピラリチューブ１７６にて減圧し、第２の内部熱交換器１６２にて第１の内部熱交換器１６０を出た蒸発器１５７からの冷媒と熱交換させた後、冷媒導入管９２からコンプレッサ１０の第２の回転圧縮要素３４の吸込側に戻す。
【００７１】
これにより、第２の回転圧縮要素３４を効果的に冷却することができるようになり、第２の回転圧縮要素３４の圧縮効率を向上させることができるようになる。
【００７２】
また、第２の回転圧縮要素３４に直接オイルが供給されるので、第２の回転圧縮要素３４がオイル不足となる不都合も回避することができるようになる。
【００７３】
尚、本実施例では気液分離器２００で分離された液冷媒をインジェクション回路２１０に設けたキャピラリチューブ２２０にて減圧して冷媒導入管９２から第２の回転圧縮要素３４の吸込側に戻すこととしたが、気液分離器２００を設けなくても構わない。この場合、第１の膨張弁１５６Ａを出た冷媒（気液分離器がないため、冷媒の状態はガス、液、若しくは、それらの混合状態となる）はインジェクション回路２１０に設けられたキャピラリチューブ２２０にて適切な圧力（中間圧より若干高い圧力）に下げられて冷媒導入管９２から第２の回転圧縮要素３４の吸込側に吸い込まれる。
【００７４】
更に、第１の膨張弁１５６Ａを出た冷媒が適切な圧力（中間圧より若干高い程度の圧力）まで減圧され、且つ、この場合の冷媒の状態がガスであるような設定状況では、キャピラリチューブ２２０は設ける必要はない。
【００７５】
また、実施例ではオイル分離手段としてのオイルセパレータ１７０をガスクーラ１５４と第１の内部熱交換器１６０の間の冷媒配管に設けるものとしたが、それに限らず、例えばコンプレッサ１０とガスクーラ１５４の間の配管に設けても良い。また、オイルリターン回路１７５に設けた減圧手段としてのキャピラリチューブ１７６を第１の内部熱交換器１６０からの冷媒配管に交熱的に巻き付けて第２の内部熱交換器１６２を構成しても良い。
【００７６】
更に、実施例では二酸化炭素を冷媒として使用したが、本発明ではそれに限定されるものではなく、遷臨界冷媒サイクルにおいて使用可能な冷媒、即ち、高圧側が超臨界となるＨＦＣ系冷媒のＲ２３（ＣＨＦ３）や亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）などの冷媒が適用可能である。また、このようにＨＦＣ系冷媒のＲ２３（ＣＨＦ３）や亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）冷媒を用いた場合には、蒸発器１５７における冷媒の蒸発温度を−８０℃以下の超低温に到達させることができるようになる。
【００７７】
【発明の効果】
以上詳述した如く、本発明によればコンプレッサは、密閉容器内に駆動要素にて駆動される第１及び第２の回転圧縮要素を備え、第１の回転圧縮要素で圧縮されて吐出された冷媒を第２の回転圧縮要素に吸い込んで圧縮し、ガスクーラに吐出すると共に、第１の回転圧縮要素から吐出された冷媒をガスクーラにて放熱させるための中間冷却回路と、第２の回転圧縮要素で圧縮された冷媒からオイルを分離するためのオイル分離手段と、このオイル分離手段にて分離されたオイルを減圧してコンプレッサ内に戻すためのオイルリターン回路と、ガスクーラから出た第２の回転圧縮要素からの冷媒と蒸発器を出た冷媒とを熱交換させるための第１の内部熱交換器と、オイルリターン回路を流れるオイルと第１の内部熱交換器を出た蒸発器からの冷媒とを熱交換させるための第２の内部熱交換器とを備え、絞り手段を、第１の絞り手段とこの第１の絞り手段の下流側に設けられた第２の絞り手段とから構成され、第１及び第２の絞り手段の間を流れる冷媒の一部をコンプレッサの第２の回転圧縮要素の吸込側に注入するインジェクション回路とを備えているので、 蒸発器から出た冷媒は第１の内部熱交換器でガスクーラを出た第２の回転圧縮要素からの冷媒と熱交換して熱を奪い、第２の内部熱交換器においてはオイルリターン回路を流れるオイルと熱交換して熱を奪うので、確実に冷媒の過熱度を確保してコンプレッサにおける液圧縮を回避できるようになる。
【００７８】
一方、ガスクーラを出た第２の回転圧縮要素からの冷媒は、第１の内部熱交換器において蒸発器を出た冷媒に熱を奪われるので、それにより、冷媒の蒸発温度を下げられる。また、中間冷却回路を備えているので、コンプレッサの内部の温度も下げることができる。
【００７９】
また、オイルリターン回路を流れるオイルは、第２の内部熱交換器にて第１の内部熱交換器を出た蒸発器からの冷媒に熱を奪われた後、コンプレッサ内に戻るので、コンプレッサ内部の温度をより一層下げることができるようになる。
【００８０】
更に、第１及び第２の絞り手段の間を流れる冷媒の一部はインジェクション回路を通過して、コンプレッサの第２の回転圧縮要素の吸込側に注入されるので、このインジェクション冷媒によって第２の回転圧縮要素を冷却することができるようになる。これにより、第２の回転圧縮要素の圧縮効率を改善し、且つ、コンプレッサ自体の温度も効果的に下げることができるようになる。
【００８１】
即ち、第１の回転圧縮要素で圧縮された中間圧の冷媒ガスを中間冷却回路を通過させて、密閉容器内の温度上昇を抑えるという効果と、オイルセパレータにて冷媒ガスから分離されたオイルを第２の内部熱交換器を通過させて、密閉容器内の温度上昇を抑えるという効果と、更に、第１の絞り手段と第２の絞り手段の間の配管を流れる冷媒の一部をコンプレッサの第２の回転圧縮要素の吸込側に注入し、周囲から吸熱して蒸発させて、第２の回転圧縮要素を冷却するという効果によって、第２の回転圧縮要素における圧縮効率の向上を図ることができるようになり、加えて、第２の回転圧縮要素で圧縮された冷媒ガスを、第１の内部熱交換器を通過させて、蒸発器における冷媒の蒸発温度が低くなるという効果によって、蒸発器における冷却能力を著しく向上させながら、コンプレッサでの消費電力の低減も図ることができるようになる。
【００８２】
請求項２の発明によれば上記発明に加えて、第１及び第２の絞り手段の間に気液分離手段を設け、インジェクション回路は、気液分離手段にて分離された液冷媒を減圧してコンプレッサの第２の回転圧縮要素の吸込側に注入するので、インジェクション回路からの冷媒が蒸発して周囲から吸熱し、第２の回転圧縮要素を含むコンプレッサ自体を一層効果的に冷却することができる。これにより、冷媒サイクルの蒸発器における冷媒の蒸発温度をより一層低下させることができるようになる。
【００８３】
請求項３の発明によれば上記各発明に加えて、オイルリターン回路は、オイル分離手段によって分離されたオイルを、第２の内部熱交換器にて第１の内部熱交換器を出た蒸発器からの冷媒と熱交換させた後、コンプレッサの密閉容器内に戻すので、このオイルによりコンプレッサの密閉容器内の温度を効果的に下げることができるようなる。
【００８４】
請求項４の発明によれば請求項１又は請求項２の発明に加えて、オイルリターン回路は、オイル分離手段によって分離されたオイルを、第２の内部熱交換器にて第１の内部熱交換器を出た蒸発器からの冷媒と熱交換させた後、コンプレッサの第２の回転圧縮要素の吸込側に戻すので、第２の回転圧縮要素を潤滑しながら、圧縮効率を改善し、且つ、コンプレッサ自体の温度も効果的に下げることができるようになる。
【００８５】
請求項５の発明によれば上記各発明に加えて、冷媒として二酸化炭素、ＨＦＣ系冷媒のＲ２３、亜酸化窒素のうち少なくとも何れか一種の冷媒を用いるので、所望の冷却能力を得ることができると共に、環境問題にも寄与できるようになる。
【００８６】
また、上記構成により請求項６の如く蒸発器における冷媒の蒸発温度を−５０℃以下とする場合に極めて有効となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の遷臨界冷媒サイクル装置を構成する内部中間圧型多段圧縮式ロータリコンプレッサの縦断面図である。
【図２】本発明の遷臨界冷媒サイクル装置の冷媒回路図である。
【図３】本発明の他の実施例の遷臨界冷媒サイクル装置の冷媒回路図である。
【図４】従来の遷臨界冷媒サイクル装置の冷媒回路図である。
【符号の説明】
１０ 多段圧縮式ロータリコンプレッサ
１２ 密閉容器
１４ 電動要素
３２ 第１の回転圧縮要素
３４ 第２の回転圧縮要素
９２、９４ 冷媒導入管
９６ 冷媒吐出管
１５０ 中間冷却回路
１５４ ガスクーラ
１５６ 膨張機構（絞り手段）
１５６Ａ 第１の膨張弁（第１の絞り手段）
１５６Ｂ 第２の膨張弁（第２の絞り手段）
１５７ 蒸発器
１６０ 第１の内部熱交換器
１６２ 第２の内部熱交換器
１７０ オイルセパレータ
１７５ オイルリターン回路
１７６ キャピラリチューブ
２００ 気液分離器
２１０ インジェクション回路
２２０ キャピラリチューブ
Claims (6)
- コンプレッサ、ガスクーラ、絞り手段及び蒸発器を順次接続して構成され、高圧側が超臨界圧力となる冷媒サイクル装置であって、
前記コンプレッサは、密閉容器内に駆動要素にて駆動される第１及び第２の回転圧縮要素を備え、前記第１の回転圧縮要素で圧縮されて吐出された冷媒を前記第２の回転圧縮要素に吸い込んで圧縮し、前記ガスクーラに吐出すると共に、
前記第１の回転圧縮要素から吐出された冷媒を前記ガスクーラにて放熱させるための中間冷却回路と、
前記第２の回転圧縮要素で圧縮された冷媒からオイルを分離するためのオイル分離手段と、
該オイル分離手段にて分離されたオイルを減圧して前記コンプレッサ内に戻すためのオイルリターン回路と、
前記ガスクーラから出た前記第２の回転圧縮要素からの冷媒と前記蒸発器を出た冷媒とを熱交換させるための第１の内部熱交換器と、
前記オイルリターン回路を流れるオイルと前記第１の内部熱交換器を出た前記蒸発器からの冷媒とを熱交換させるための第２の内部熱交換器とを備え、
前記絞り手段を、第１の絞り手段と該第１の絞り手段の下流側に設けられた第２の絞り手段とから構成され、
前記第１及び第２の絞り手段の間を流れる冷媒の一部を前記コンプレッサの第２の回転圧縮要素の吸込側に注入するインジェクション回路とを備えていることを特徴とする遷臨界冷媒サイクル装置。 - 前記第１及び第２の絞り手段の間に気液分離手段を設け、
前記インジェクション回路は、前記気液分離手段にて分離された液冷媒を減圧して前記コンプレッサの第２の回転圧縮要素の吸込側に注入することを特徴とする請求項１の遷臨界冷媒サイクル装置。 - 前記オイルリターン回路は、前記オイル分離手段によって分離されたオイルを、前記第２の内部熱交換器にて前記第１の内部熱交換器を出た前記蒸発器からの冷媒と熱交換させた後、前記コンプレッサの密閉容器内に戻すことを特徴とする請求項１又は請求項２の遷臨界冷媒サイクル装置。
- 前記オイルリターン回路は、前記オイル分離手段によって分離されたオイルを、前記第２の内部熱交換器にて前記第１の内部熱交換器を出た前記蒸発器からの冷媒と熱交換させた後、前記コンプレッサの第２の回転圧縮要素の吸込側に戻すことを特徴とする請求項１又は請求項２の遷臨界冷媒サイクル装置。
- 前記冷媒として二酸化炭素、ＨＦＣ系冷媒のＲ２３、亜酸化窒素のうち少なくとも何れか一種の冷媒を用いることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３又は請求項４の遷臨界冷媒サイクル装置。
- 前記蒸発器における冷媒の蒸発温度は−５０℃以下であることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４又は請求項５の遷臨界冷媒サイクル装置。
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