JP2004317073A - 冷媒サイクル装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】第２の圧縮要素の液圧縮による損傷の発生を防止しながら、中間冷却回路における放熱能力を確保して、冷媒サイクル装置の性能の向上を図る。
【解決手段】コンプレッサ１０は、密閉容器１２内に電動要素１４とこの電動要素１４にて駆動される第１及び第２の回転圧縮要素３２、３４を備え、第１の回転圧縮要素３２で圧縮されて吐出された冷媒を第２の回転圧縮要素３４に吸い込んで圧縮し、熱交換器１５４のガスクーラ１５３に吐出すると共に、第１の回転圧縮要素３２から吐出された冷媒を放熱させるための中間冷却回路１５０を備え、ガスクーラ１５３と中間冷却回路１５０のインタークーラ１５１における冷媒の放熱能力の比率を８：２乃至６：４に設定する。
【選択図】 図３
【解決手段】コンプレッサ１０は、密閉容器１２内に電動要素１４とこの電動要素１４にて駆動される第１及び第２の回転圧縮要素３２、３４を備え、第１の回転圧縮要素３２で圧縮されて吐出された冷媒を第２の回転圧縮要素３４に吸い込んで圧縮し、熱交換器１５４のガスクーラ１５３に吐出すると共に、第１の回転圧縮要素３２から吐出された冷媒を放熱させるための中間冷却回路１５０を備え、ガスクーラ１５３と中間冷却回路１５０のインタークーラ１５１における冷媒の放熱能力の比率を８：２乃至６：４に設定する。
【選択図】 図３
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冷媒回路が構成される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、コンプレッサ、例えば内部中間圧の多段（２段）圧縮式ロータリコンプレッサとガスクーラ、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第１の回転圧縮要素（第１の圧縮要素）の吸込ポートから冷媒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されて中間圧となりシリンダの高圧室側より吐出ポート、吐出消音室を経て密閉容器内に吐出される。そして、この密閉容器内の中間圧の冷媒は第２の回転圧縮要素（第２の圧縮要素）の吸込ポートから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２段目の圧縮が行なわれて高温高圧の冷媒となり、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（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特公平７−１８６０２号公報
【０００４】
しかしながら、このような冷媒サイクル装置では、密閉容器内に吐出された冷媒により密閉容器内に設けられた駆動要素が温められてコンプレッサの運転性能が低下してしまう。更に、密閉容器内に吐出された冷媒により第２の回転圧縮要素が温められ、圧縮効率が低下するという問題が生じていた。
【０００５】
そのため、第１の回転圧縮要素で圧縮された冷媒を一旦、コンプレッサ外部に設けられた中間冷却回路を通過させて冷却した後、第２の回転圧縮要素に吸い込ませて圧縮することで、コンプレッサ自体の温度や第２の回転圧縮要素に吸い込まれる冷媒の温度を低下させていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の如く中間冷却回路を設けて第１の回転圧縮要素で圧縮された冷媒を冷却した場合、特に、冷媒サイクル装置を低外気温となるような条件下で使用した場合には、第１の回転圧縮要素で圧縮された冷媒を中間冷却回路で冷却することで、冷媒の一部が液化してしまう場合がある。即ち、冷媒の状態が気体／液体の二相混合状態となり、当該冷媒がこのまま第２の回転圧縮要素に吸い込まれると、第２の回転圧縮要素が液圧縮して、損傷を受けると云う問題が生じていた。
【０００７】
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、第２の圧縮要素の液圧縮による損傷の発生を回避しながら、中間冷却回路における放熱能力を確保して、冷媒サイクル装置の性能の向上を図ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明の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とこの駆動要素にて駆動される第１及び第２の圧縮要素を備え、第１の圧縮要素で圧縮されて吐出された冷媒を第２の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の圧縮要素から吐出された冷媒を放熱させるための中間冷却回路を備え、ガスクーラと中間冷却回路における冷媒の放熱能力の比率を８：２乃至６：４に設定したので、中間冷却回路において冷媒が液化すること無く、放熱することができるようになる。
【０００９】
特に、上記発明は請求項２の如き冷媒として二酸化炭素を使用した場合に効果的である。
【００１０】
【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の回転圧縮要素３２（第１の圧縮要素）及び第２の回転圧縮要素３４（第２の圧縮要素）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の縦断面図、図２は本発明の冷媒サイクル装置の冷媒回路図をそれぞれ示している。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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が挟持されている。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。
【００１５】
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。
【００１６】
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（ポリアルキレングリコール）など既存のオイルが使用される。
【００１７】
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９２Ｂが挿入接続され、この冷媒導入管９２Ｂ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９２Ｂの他端は後述する中間冷却回路１５０のインタークーラ１５１の出口に接続されている。また、インタークーラ１５１の入口には冷媒導入管９２Ａの一端が接続されており、この冷媒導入管９２Ａの他端はスリーブ１４４内に挿入接続されて、密閉容器１２内と連通する。
【００１８】
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。また、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。
【００１９】
次に図２において、上述したコンプレッサ１０は図２に示す冷媒サイクル装置の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は熱交換器１５４のガスクーラ１５３の入口に接続される。
【００２０】
そして、この熱交換器１５４のガスクーラ１５３の出口は冷媒配管１５５と接続され、当該冷媒配管１５５は内部熱交換器１６０を通過する。この内部熱交換器１６０は熱交換器１５４内に設けられたガスクーラ１５３から出た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。
【００２１】
内部熱交換器１６０を通過した配管は絞り手段としての膨張弁１５６に至る。そして、膨張弁１５６を出た配管は蒸発器１５７の入口に接続され、蒸発器１５７を出た配管は内部熱交換器１６０に至る。そして、内部熱交換器１６０から出た配管は冷媒導入管９４に接続される。
【００２２】
また、前記熱交換器１５４はガスクーラ１５３と中間冷却回路１５０のインタークーラ１５１から構成されており、ガスクーラ１５３の配管及びインタークーラ１５１の配管にはフィン１５４Ａが熱交換的に取り付けられている。
【００２３】
ここで、本発明の冷媒サイクル装置では、前記熱交換器１５４のガスクーラ１５３と中間冷却回路１５０のインタークーラ１５１における冷媒の放熱能力の比率を８：２乃至６：４に設定している。即ち、第２の回転圧縮要素３４で圧縮された冷媒ガスをガスクーラ１５３にて放熱させる能力と中間冷却回路１５０を通過する冷媒ガスをインタークーラ１５１にて放熱させる能力の和を１０とした場合、当該放熱能力の比率が８：２乃至６：４となるように設定している。尚、上述した放熱能力の比率とは、本実施例のように一つの熱交換器１５４にガスクーラ１５３と中間冷却回路１５０のインタークーラ１５１とを設ける場合や同種の熱交換器を使用した場合においては、それぞれ熱交換器内を通過する配管の容量や放熱面積の比率として規定できる。但し、異なる種類の熱交換器を使用した場合における放熱能力とは、現実的にどれだけの放熱が行われるかによって規定するものとする。
【００２４】
即ち、本実施例では熱交換器１５４に設けられたガスクーラ１５３の配管の容量と熱交換器１５４に設けられた中間冷却回路１５０のインタークーラ１５１の配管の容量の比率が８：２乃至６：４となるように設定している。
【００２５】
この状態を図３を用いて説明する。図３はガスクーラ１５３と中間冷却回路１５０のインタークーラ１５１における放熱能力の比率と成績係数（ＣＯＰ）の関係を示す図であり、横軸が実施例の冷媒サイクル装置においてガスクーラ１５３とインタークーラ１５１の放熱能力の和を１００％とした場合の中間冷却回路１５０のインタークーラ１５１における放熱能力の比率（熱交換器１５４内に設けられたインタークーラ１５１にて中間圧の冷媒ガスが放熱する能力の比率）であり、縦軸が冷媒サイクル装置の成績係数（ＣＯＰ）を示している。即ち、インタークーラ１５１における放熱能力の比率が２０％であるとき、ガスクーラ１５３における放熱能力の比率（熱交換器１５４内に設けられたガスクーラ１５３にて高圧の冷媒ガスが放熱する能力の比率）は８０％となる。
【００２６】
図３に示す如く、インタークーラ１５１における放熱能力の比率が２０％（ガスクーラ１５３と中間冷却回路１５０のインタークーラ１５１における放熱能力の比率が８：２）付近から４０％（前記比率が６：４）付近の間で成績係数は高く、中間冷却回路１５０のインタークーラ１５１における放熱能力の比率が２０％以下では成績係数が著しく低く、インタークーラ１５１における放熱能力の比率が４０％以下では徐々に低下している。
【００２７】
即ち、中間冷却回路１５０のインタークーラ１５１における放熱能力の比率が２０％より低い場合にはインタークーラ１５１における放熱が充分に行われていないことがわかる。また、インタークーラ１５１における放熱能力の比率が４０％より高くなると、ガスクーラ１５３における放熱が充分に行われず、成績係数が低下する。更に、インタークーラ１５１における放熱能力の比率が８０％を超えるとインタークーラ１５１を流れる冷媒が過冷却されて液化してしまう。これにより、液冷媒がコンプレッサ１０の第２の回転圧縮要素３４に吸い込まれる液バックが生じ、第２の回転圧縮要素３４が液圧縮して損傷を受ける恐れがある。
【００２８】
従って、成績係数の比較的高い状況であるガスクーラ１５３と中間冷却回路１５０のインタークーラ１５１における冷媒の放熱能力の比率が８：２乃至６：４の間となるように設定することで、ガスクーラ１５３及びインタークーラ１５１における冷媒の放熱効果を確保することができるので、第２の回転圧縮要素３２の圧縮効率の改善とコンプレッサ１０内の温度上昇の抑制を図ることができるようになる。
【００２９】
また、第２の回転圧縮要素３４に吸い込まれる冷媒ガスの液化を未然に回避することができるので、第２の回転圧縮要素３４に液冷媒が吸い込まれて、液圧縮して、コンプレッサ１０が損傷を受ける不都合を回避することができる。
【００３０】
従来では、上記のような液圧縮を回避するために、熱交換器のフィンの面積やファンによる風量といった形状を計算したり、実際にコンプレッサを起動して液圧縮が生じないようにガスクーラや中間冷却回路のインタークーラの容量を設定していた。しかしながら、本発明によりガスクーラ１５３とインタークーラ１５１の放熱能力の比率を８：２乃至６：４に設定することで、液圧縮が生じない冷媒サイクル装置を容易に製造することができるようになる。
【００３１】
これにより、冷媒サイクル装置の運転性能及び耐久性の向上を図ることができるようになる。
【００３２】
以上の構成で次に本発明の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。
【００３３】
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。
【００３４】
そして、密閉容器１２内の中間圧の冷媒ガスは冷媒導入管９２Ａに入り、スリーブ１４４から出て中間冷却回路１５０に流入する。そして、冷媒はこの中間冷却回路１５０が熱交換器１５４に設けられたインタークーラ１５１を通過する過程で空冷方式により放熱する。ここで、前述の如くガスクーラ１５３と中間冷却回路１５０のインタークーラ１５１における冷媒の放熱能力の比率を８：２乃至６：４に設定しているので、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液化させることなく、効果的に冷却することができる。これにより、密閉容器１２内の温度上昇を抑え、第２の回転圧縮要素３４における圧縮効率も向上させることができるようになる。
【００３５】
また、上記の如く中間冷却回路１５０にて冷媒は液化すること無く、第２の回転圧縮要素３４に吸い込まれるので、液圧縮の発生を未然に回避することができる。
【００３６】
中間冷却回路１５０にて冷却された冷媒は、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。
【００３７】
冷媒吐出管９６から吐出された冷媒ガスは熱交換器１５４内に設けられたガスクーラ１５３に流入し、そこで空冷方式により放熱した後、冷媒配管１５５に入り内部熱交換器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。
【００３８】
この内部熱交換器１６０の存在により、熱交換器１５４を出て、内部熱交換器１６０を通過する冷媒は、低圧側の冷媒に熱を奪われるので、この分、当該冷媒の過冷却度が大きくなる。そのため、蒸発器１５７における冷却能力が向上する。
【００３９】
係る内部熱交換器１６０で冷却された高圧側の冷媒ガスは膨張弁１５６に至る。冷媒は膨張弁１５６において圧力が低下して、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。
【００４０】
このとき、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、第２の回転圧縮要素３４に吸い込ませることで、密閉容器１２内及び第２の回転圧縮要素３４の冷媒の温度上昇を抑えるという効果と、第２の回転圧縮要素３４で圧縮された冷媒ガスを、内部熱交換器１６０を通過させて、膨張弁１５６前の冷媒の過冷却度が大きくなるという効果によって、蒸発器１５７における冷媒の冷却能力が向上する。
【００４１】
その後、冷媒は蒸発器１５７から流出して、内部熱交換器１６０を通過する。そこで前記高圧側の冷媒から熱を奪い、加熱作用を受けた後、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。
【００４２】
このように、ガスクーラ１５３と中間冷却回路１５０のインタークーラ１５１における冷媒の放熱能力の比率を８：２乃至６：４とすることで、中間冷却回路１５０にて冷媒が液化すること無く、放熱することができるようになる。
【００４３】
これにより、第２の回転圧縮要素３４には中間冷却回路１５０にて冷却された冷媒が吸い込まれるので、第２の回転圧縮要素３４における圧縮効率を改善することができるようになる。更に、コンプレッサ１０の内の温度上昇も抑制できるので、コンプレッサ１０の性能の向上を図ることができるようになる。
【００４４】
また、中間冷却回路１５０にて放熱した冷媒が、第２の回転圧縮要素３４に吸い込まれて圧縮されるので、第２の回転圧縮要素３４から吐出される冷媒の温度上昇を抑えることができるようになり、蒸発器９２における冷却能力の向上を図ることができる。
【００４５】
これらにより、第２の回転圧縮要素３４の液圧縮による損傷の発生を未然に回避しながら、コンプレッサ１０の性能の改善を図ることができるようになり、。冷媒サイクル装置の性能及び信頼性が向上する。
【００４６】
総じて、運転効率及び耐久性の高い冷媒サイクル装置を構築することができるようになる。
【００４７】
尚、本実施例では、熱交換器１５４をガスクーラ１５３と中間冷却回路１５０のインタークーラ１５１にて構成するとしたが、本発明はこれに限らず、中間冷却回路１５０のインタークーラ１５１とガスクーラ１５３とを別々の熱交換器にて冷却するものであっても構わない。
【００４８】
また、ガスクーラと中間冷却回路のインタークーラの放熱能力の比率は、ガスクーラとインタークーラを構成する各熱交換器を通風するファンの風量の比率として表すことも可能である。更に、ガスクーラとインタークーラを構成する各熱交換器がフィンを備える構造である場合は、フィンの面積比を放熱能力の比率とすることも可能である。
【００４９】
更に、本実施例では、コンプレッサとして内部中間圧型の多段（２段）圧縮式ロータリコンプレッサ１０を使用したが、本発明に使用可能なコンプレッサはこれに限らず、２段以上の圧縮要素を備えたコンプレッサであれば可能である。
【００５０】
【発明の効果】
以上詳述する如く、本発明の冷媒サイクル装置によれば、コンプレッサは、密閉容器内に駆動要素とこの駆動要素にて駆動される第１及び第２の圧縮要素を備え、第１の圧縮要素で圧縮されて吐出された冷媒を第２の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の圧縮要素から吐出された冷媒を放熱させるための中間冷却回路を備え、ガスクーラと中間冷却回路における冷媒の放熱能力の比率を８：２乃至６：４に設定したので、中間冷却回路において冷媒が液化する不都合を未然に回避することができるようになる。これにより、コンプレッサの耐久性の向上を図ることができるようになる。
【００５１】
また、中間冷却回路にて冷媒を冷却することで、第２の圧縮要素の圧縮効率が改善すると共に、コンプレッサ内の温度上昇を抑制することができるようになり、コンプレッサの性能が向上する。
【００５２】
更に、第２の圧縮要素にて圧縮され吐出される冷媒の温度上昇も抑えることができるので、蒸発器における冷却能力の向上を図ることができるようになる。これにより、冷媒サイクル装置の信頼性及び性能の向上を図ることができるようになる。
【００５３】
総じて、運転効率及び耐久性の高い冷媒サイクル装置を構築することができるようになる。
【００５４】
特に、請求項２の如き冷媒として二酸化炭素を使用した場合に効果的であると共に、環境問題にも寄与することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の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】本発明の冷媒サイクル装置の冷媒回路図である。
【図３】ガスクーラと中間冷却回路における冷媒の放熱能力の比率と成績係数の関係を示す図である。
【符号の説明】
１０ コンプレッサ
１２ 密閉容器
１２Ａ 容器本体
１２Ｂ エンドキャップ
１４ 電動要素
１６ 回転軸
２２ ステータ
３２ 第１の回転圧縮要素
３４ 第２の回転圧縮要素
９２Ａ、９２Ｂ、９４ 冷媒導入管
９６ 冷媒吐出管
１５０ 中間冷却回路
１５１ インタークーラ
１５３ ガスクーラ
１５４ 熱交換器
１５５ 冷媒配管
１５６ 膨張弁
１５７ 蒸発器
１６０ 内部熱交換器
【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冷媒回路が構成される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、コンプレッサ、例えば内部中間圧の多段（２段）圧縮式ロータリコンプレッサとガスクーラ、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第１の回転圧縮要素（第１の圧縮要素）の吸込ポートから冷媒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されて中間圧となりシリンダの高圧室側より吐出ポート、吐出消音室を経て密閉容器内に吐出される。そして、この密閉容器内の中間圧の冷媒は第２の回転圧縮要素（第２の圧縮要素）の吸込ポートから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２段目の圧縮が行なわれて高温高圧の冷媒となり、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（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特公平７−１８６０２号公報
【０００４】
しかしながら、このような冷媒サイクル装置では、密閉容器内に吐出された冷媒により密閉容器内に設けられた駆動要素が温められてコンプレッサの運転性能が低下してしまう。更に、密閉容器内に吐出された冷媒により第２の回転圧縮要素が温められ、圧縮効率が低下するという問題が生じていた。
【０００５】
そのため、第１の回転圧縮要素で圧縮された冷媒を一旦、コンプレッサ外部に設けられた中間冷却回路を通過させて冷却した後、第２の回転圧縮要素に吸い込ませて圧縮することで、コンプレッサ自体の温度や第２の回転圧縮要素に吸い込まれる冷媒の温度を低下させていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の如く中間冷却回路を設けて第１の回転圧縮要素で圧縮された冷媒を冷却した場合、特に、冷媒サイクル装置を低外気温となるような条件下で使用した場合には、第１の回転圧縮要素で圧縮された冷媒を中間冷却回路で冷却することで、冷媒の一部が液化してしまう場合がある。即ち、冷媒の状態が気体／液体の二相混合状態となり、当該冷媒がこのまま第２の回転圧縮要素に吸い込まれると、第２の回転圧縮要素が液圧縮して、損傷を受けると云う問題が生じていた。
【０００７】
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、第２の圧縮要素の液圧縮による損傷の発生を回避しながら、中間冷却回路における放熱能力を確保して、冷媒サイクル装置の性能の向上を図ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明の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とこの駆動要素にて駆動される第１及び第２の圧縮要素を備え、第１の圧縮要素で圧縮されて吐出された冷媒を第２の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の圧縮要素から吐出された冷媒を放熱させるための中間冷却回路を備え、ガスクーラと中間冷却回路における冷媒の放熱能力の比率を８：２乃至６：４に設定したので、中間冷却回路において冷媒が液化すること無く、放熱することができるようになる。
【０００９】
特に、上記発明は請求項２の如き冷媒として二酸化炭素を使用した場合に効果的である。
【００１０】
【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の回転圧縮要素３２（第１の圧縮要素）及び第２の回転圧縮要素３４（第２の圧縮要素）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の縦断面図、図２は本発明の冷媒サイクル装置の冷媒回路図をそれぞれ示している。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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が挟持されている。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。
【００１５】
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。
【００１６】
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（ポリアルキレングリコール）など既存のオイルが使用される。
【００１７】
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９２Ｂが挿入接続され、この冷媒導入管９２Ｂ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９２Ｂの他端は後述する中間冷却回路１５０のインタークーラ１５１の出口に接続されている。また、インタークーラ１５１の入口には冷媒導入管９２Ａの一端が接続されており、この冷媒導入管９２Ａの他端はスリーブ１４４内に挿入接続されて、密閉容器１２内と連通する。
【００１８】
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。また、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。
【００１９】
次に図２において、上述したコンプレッサ１０は図２に示す冷媒サイクル装置の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は熱交換器１５４のガスクーラ１５３の入口に接続される。
【００２０】
そして、この熱交換器１５４のガスクーラ１５３の出口は冷媒配管１５５と接続され、当該冷媒配管１５５は内部熱交換器１６０を通過する。この内部熱交換器１６０は熱交換器１５４内に設けられたガスクーラ１５３から出た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。
【００２１】
内部熱交換器１６０を通過した配管は絞り手段としての膨張弁１５６に至る。そして、膨張弁１５６を出た配管は蒸発器１５７の入口に接続され、蒸発器１５７を出た配管は内部熱交換器１６０に至る。そして、内部熱交換器１６０から出た配管は冷媒導入管９４に接続される。
【００２２】
また、前記熱交換器１５４はガスクーラ１５３と中間冷却回路１５０のインタークーラ１５１から構成されており、ガスクーラ１５３の配管及びインタークーラ１５１の配管にはフィン１５４Ａが熱交換的に取り付けられている。
【００２３】
ここで、本発明の冷媒サイクル装置では、前記熱交換器１５４のガスクーラ１５３と中間冷却回路１５０のインタークーラ１５１における冷媒の放熱能力の比率を８：２乃至６：４に設定している。即ち、第２の回転圧縮要素３４で圧縮された冷媒ガスをガスクーラ１５３にて放熱させる能力と中間冷却回路１５０を通過する冷媒ガスをインタークーラ１５１にて放熱させる能力の和を１０とした場合、当該放熱能力の比率が８：２乃至６：４となるように設定している。尚、上述した放熱能力の比率とは、本実施例のように一つの熱交換器１５４にガスクーラ１５３と中間冷却回路１５０のインタークーラ１５１とを設ける場合や同種の熱交換器を使用した場合においては、それぞれ熱交換器内を通過する配管の容量や放熱面積の比率として規定できる。但し、異なる種類の熱交換器を使用した場合における放熱能力とは、現実的にどれだけの放熱が行われるかによって規定するものとする。
【００２４】
即ち、本実施例では熱交換器１５４に設けられたガスクーラ１５３の配管の容量と熱交換器１５４に設けられた中間冷却回路１５０のインタークーラ１５１の配管の容量の比率が８：２乃至６：４となるように設定している。
【００２５】
この状態を図３を用いて説明する。図３はガスクーラ１５３と中間冷却回路１５０のインタークーラ１５１における放熱能力の比率と成績係数（ＣＯＰ）の関係を示す図であり、横軸が実施例の冷媒サイクル装置においてガスクーラ１５３とインタークーラ１５１の放熱能力の和を１００％とした場合の中間冷却回路１５０のインタークーラ１５１における放熱能力の比率（熱交換器１５４内に設けられたインタークーラ１５１にて中間圧の冷媒ガスが放熱する能力の比率）であり、縦軸が冷媒サイクル装置の成績係数（ＣＯＰ）を示している。即ち、インタークーラ１５１における放熱能力の比率が２０％であるとき、ガスクーラ１５３における放熱能力の比率（熱交換器１５４内に設けられたガスクーラ１５３にて高圧の冷媒ガスが放熱する能力の比率）は８０％となる。
【００２６】
図３に示す如く、インタークーラ１５１における放熱能力の比率が２０％（ガスクーラ１５３と中間冷却回路１５０のインタークーラ１５１における放熱能力の比率が８：２）付近から４０％（前記比率が６：４）付近の間で成績係数は高く、中間冷却回路１５０のインタークーラ１５１における放熱能力の比率が２０％以下では成績係数が著しく低く、インタークーラ１５１における放熱能力の比率が４０％以下では徐々に低下している。
【００２７】
即ち、中間冷却回路１５０のインタークーラ１５１における放熱能力の比率が２０％より低い場合にはインタークーラ１５１における放熱が充分に行われていないことがわかる。また、インタークーラ１５１における放熱能力の比率が４０％より高くなると、ガスクーラ１５３における放熱が充分に行われず、成績係数が低下する。更に、インタークーラ１５１における放熱能力の比率が８０％を超えるとインタークーラ１５１を流れる冷媒が過冷却されて液化してしまう。これにより、液冷媒がコンプレッサ１０の第２の回転圧縮要素３４に吸い込まれる液バックが生じ、第２の回転圧縮要素３４が液圧縮して損傷を受ける恐れがある。
【００２８】
従って、成績係数の比較的高い状況であるガスクーラ１５３と中間冷却回路１５０のインタークーラ１５１における冷媒の放熱能力の比率が８：２乃至６：４の間となるように設定することで、ガスクーラ１５３及びインタークーラ１５１における冷媒の放熱効果を確保することができるので、第２の回転圧縮要素３２の圧縮効率の改善とコンプレッサ１０内の温度上昇の抑制を図ることができるようになる。
【００２９】
また、第２の回転圧縮要素３４に吸い込まれる冷媒ガスの液化を未然に回避することができるので、第２の回転圧縮要素３４に液冷媒が吸い込まれて、液圧縮して、コンプレッサ１０が損傷を受ける不都合を回避することができる。
【００３０】
従来では、上記のような液圧縮を回避するために、熱交換器のフィンの面積やファンによる風量といった形状を計算したり、実際にコンプレッサを起動して液圧縮が生じないようにガスクーラや中間冷却回路のインタークーラの容量を設定していた。しかしながら、本発明によりガスクーラ１５３とインタークーラ１５１の放熱能力の比率を８：２乃至６：４に設定することで、液圧縮が生じない冷媒サイクル装置を容易に製造することができるようになる。
【００３１】
これにより、冷媒サイクル装置の運転性能及び耐久性の向上を図ることができるようになる。
【００３２】
以上の構成で次に本発明の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。
【００３３】
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。
【００３４】
そして、密閉容器１２内の中間圧の冷媒ガスは冷媒導入管９２Ａに入り、スリーブ１４４から出て中間冷却回路１５０に流入する。そして、冷媒はこの中間冷却回路１５０が熱交換器１５４に設けられたインタークーラ１５１を通過する過程で空冷方式により放熱する。ここで、前述の如くガスクーラ１５３と中間冷却回路１５０のインタークーラ１５１における冷媒の放熱能力の比率を８：２乃至６：４に設定しているので、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液化させることなく、効果的に冷却することができる。これにより、密閉容器１２内の温度上昇を抑え、第２の回転圧縮要素３４における圧縮効率も向上させることができるようになる。
【００３５】
また、上記の如く中間冷却回路１５０にて冷媒は液化すること無く、第２の回転圧縮要素３４に吸い込まれるので、液圧縮の発生を未然に回避することができる。
【００３６】
中間冷却回路１５０にて冷却された冷媒は、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。
【００３７】
冷媒吐出管９６から吐出された冷媒ガスは熱交換器１５４内に設けられたガスクーラ１５３に流入し、そこで空冷方式により放熱した後、冷媒配管１５５に入り内部熱交換器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。
【００３８】
この内部熱交換器１６０の存在により、熱交換器１５４を出て、内部熱交換器１６０を通過する冷媒は、低圧側の冷媒に熱を奪われるので、この分、当該冷媒の過冷却度が大きくなる。そのため、蒸発器１５７における冷却能力が向上する。
【００３９】
係る内部熱交換器１６０で冷却された高圧側の冷媒ガスは膨張弁１５６に至る。冷媒は膨張弁１５６において圧力が低下して、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。
【００４０】
このとき、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、第２の回転圧縮要素３４に吸い込ませることで、密閉容器１２内及び第２の回転圧縮要素３４の冷媒の温度上昇を抑えるという効果と、第２の回転圧縮要素３４で圧縮された冷媒ガスを、内部熱交換器１６０を通過させて、膨張弁１５６前の冷媒の過冷却度が大きくなるという効果によって、蒸発器１５７における冷媒の冷却能力が向上する。
【００４１】
その後、冷媒は蒸発器１５７から流出して、内部熱交換器１６０を通過する。そこで前記高圧側の冷媒から熱を奪い、加熱作用を受けた後、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。
【００４２】
このように、ガスクーラ１５３と中間冷却回路１５０のインタークーラ１５１における冷媒の放熱能力の比率を８：２乃至６：４とすることで、中間冷却回路１５０にて冷媒が液化すること無く、放熱することができるようになる。
【００４３】
これにより、第２の回転圧縮要素３４には中間冷却回路１５０にて冷却された冷媒が吸い込まれるので、第２の回転圧縮要素３４における圧縮効率を改善することができるようになる。更に、コンプレッサ１０の内の温度上昇も抑制できるので、コンプレッサ１０の性能の向上を図ることができるようになる。
【００４４】
また、中間冷却回路１５０にて放熱した冷媒が、第２の回転圧縮要素３４に吸い込まれて圧縮されるので、第２の回転圧縮要素３４から吐出される冷媒の温度上昇を抑えることができるようになり、蒸発器９２における冷却能力の向上を図ることができる。
【００４５】
これらにより、第２の回転圧縮要素３４の液圧縮による損傷の発生を未然に回避しながら、コンプレッサ１０の性能の改善を図ることができるようになり、。冷媒サイクル装置の性能及び信頼性が向上する。
【００４６】
総じて、運転効率及び耐久性の高い冷媒サイクル装置を構築することができるようになる。
【００４７】
尚、本実施例では、熱交換器１５４をガスクーラ１５３と中間冷却回路１５０のインタークーラ１５１にて構成するとしたが、本発明はこれに限らず、中間冷却回路１５０のインタークーラ１５１とガスクーラ１５３とを別々の熱交換器にて冷却するものであっても構わない。
【００４８】
また、ガスクーラと中間冷却回路のインタークーラの放熱能力の比率は、ガスクーラとインタークーラを構成する各熱交換器を通風するファンの風量の比率として表すことも可能である。更に、ガスクーラとインタークーラを構成する各熱交換器がフィンを備える構造である場合は、フィンの面積比を放熱能力の比率とすることも可能である。
【００４９】
更に、本実施例では、コンプレッサとして内部中間圧型の多段（２段）圧縮式ロータリコンプレッサ１０を使用したが、本発明に使用可能なコンプレッサはこれに限らず、２段以上の圧縮要素を備えたコンプレッサであれば可能である。
【００５０】
【発明の効果】
以上詳述する如く、本発明の冷媒サイクル装置によれば、コンプレッサは、密閉容器内に駆動要素とこの駆動要素にて駆動される第１及び第２の圧縮要素を備え、第１の圧縮要素で圧縮されて吐出された冷媒を第２の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の圧縮要素から吐出された冷媒を放熱させるための中間冷却回路を備え、ガスクーラと中間冷却回路における冷媒の放熱能力の比率を８：２乃至６：４に設定したので、中間冷却回路において冷媒が液化する不都合を未然に回避することができるようになる。これにより、コンプレッサの耐久性の向上を図ることができるようになる。
【００５１】
また、中間冷却回路にて冷媒を冷却することで、第２の圧縮要素の圧縮効率が改善すると共に、コンプレッサ内の温度上昇を抑制することができるようになり、コンプレッサの性能が向上する。
【００５２】
更に、第２の圧縮要素にて圧縮され吐出される冷媒の温度上昇も抑えることができるので、蒸発器における冷却能力の向上を図ることができるようになる。これにより、冷媒サイクル装置の信頼性及び性能の向上を図ることができるようになる。
【００５３】
総じて、運転効率及び耐久性の高い冷媒サイクル装置を構築することができるようになる。
【００５４】
特に、請求項２の如き冷媒として二酸化炭素を使用した場合に効果的であると共に、環境問題にも寄与することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の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】本発明の冷媒サイクル装置の冷媒回路図である。
【図３】ガスクーラと中間冷却回路における冷媒の放熱能力の比率と成績係数の関係を示す図である。
【符号の説明】
１０ コンプレッサ
１２ 密閉容器
１２Ａ 容器本体
１２Ｂ エンドキャップ
１４ 電動要素
１６ 回転軸
２２ ステータ
３２ 第１の回転圧縮要素
３４ 第２の回転圧縮要素
９２Ａ、９２Ｂ、９４ 冷媒導入管
９６ 冷媒吐出管
１５０ 中間冷却回路
１５１ インタークーラ
１５３ ガスクーラ
１５４ 熱交換器
１５５ 冷媒配管
１５６ 膨張弁
１５７ 蒸発器
１６０ 内部熱交換器
Claims (2)
- 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冷媒回路が構成され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と該駆動要素にて駆動される第１及び第２の圧縮要素を備え、前記第１の圧縮要素で圧縮されて吐出された冷媒を前記第２の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の圧縮要素から吐出された冷媒を放熱させるための中間冷却回路を備え、
前記ガスクーラと前記中間冷却回路における冷媒の放熱能力の比率を８：２乃至６：４に設定したことを特徴とする冷媒サイクル装置。 - 冷媒として二酸化炭素を使用することを特徴とする請求項１の冷媒サイクル装置。
Priority Applications (1)
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