JP2005257240A - 遷臨界冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】摺動ロスやリークロスの発生を極力抑え、最大のＣＯＰを得ることができる遷臨界冷凍装置の提供。
【解決手段】圧縮機１０、ガスクーラ１５４、絞り手段１５６および蒸発器１５７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を用いた冷凍装置であって、圧縮機１０は、密閉容器１２内に複数段の圧縮要素３２、３４を備え、これらの圧縮要素の内の下段の圧縮要素３２の吐出冷媒は密閉容器１２内に吐出されて放熱させた後、この冷媒を後段の圧縮要素３４でさらに圧縮して吐出し、潤滑油として冷媒と相溶性のある動粘度５０〜９０ｍｍ² ／ｓｅｃ（＠４０℃）の潤滑油を用いることにより課題を解決できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧縮機、ガスクーラ、絞り手段およ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凍装置に関するものである。

従来、冷凍サイクルには、冷媒としてフロン（Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３４ａなど）が一般的に用いられていた。しかしながら、フロンは大気中に放出されると大きな温暖化効果やオゾン層破壊などの問題を有している。このため、近年、環境に与える影響の少ない他の自然冷媒、例えば、酸素（Ｏ₂ ）、二酸化炭素（ＣＯ₂ ）、ハイドロカーボン（ＨＣ）、アンモニア（ＮＨ₃ ）、水（Ｈ₂ Ｏ）を冷媒として用いる研究が行われている。これら自然冷媒の内、酸素と水は、圧力が低くて冷凍サイクルの冷媒としては用いることが困難であり、アンモニアやハイドロカーボンは可燃性であるため、取り扱いが難しい問題がある。このため、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きている（特許文献１、特許文献２参照）。
特開平１０−１９４０１号公報 特公平７−１８６０２号公報

しかし、二酸化炭素を冷媒として用いた場合、冷媒圧力は高圧側で約１５０ｋｇ／ｃｍ² Ｇにも達し、低圧側では約３０〜４０ｋｇ／ｃｍ² Ｇとなるように、二酸化炭素を冷媒として用いる冷凍サイクルでは、フロンに比較して冷媒圧力が高いものとなり、特に１段圧縮式圧縮機を用いると各摺動部材に高圧側部分と低圧側部分が隣接する箇所が生じ、その差圧が大きいため、高面圧により油膜確保が困難となり、摺動ロスやリークロスが発生し易く、また潤滑油も高温になるため、潤滑油としては、動粘度１００ｍｍ² ／ｓｅｃ（＠４０℃）クラスの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ていたが、ＣＯＰが低いという問題があった。

本発明の目的は、従来の諸問題を解決して、摺動ロスやリークロスの発生を極力抑え、最大のＣＯＰを得ることができる遷臨界冷凍装置を提供することである。

前記課題を解決するための本発明の請求項１記載の遷臨界冷凍装置は、圧縮機、ガスクーラ、絞り手段およ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を用いた冷凍装置であって、
前記圧縮機は、密閉容器内に複数段の圧縮要素を備え、これらの圧縮要素の内の下段の圧縮要素の吐出冷媒は前記密閉容器内に吐出されて放熱させた後、この冷媒を後段の圧縮要素でさらに圧縮して吐出し、潤滑油として冷媒と相溶性のある動粘度５０〜９０ｍｍ² ／ｓｅｃ（＠４０℃）の潤滑油を用いたことを特徴とする。

本発明の請求項２記載の遷臨界冷凍装置は、請求項１記載の遷臨界冷凍装置において、二酸化炭素を冷媒とし、前記圧縮機として２段圧縮式ロータリ圧縮機を用いたことを特徴とする。

本発明の請求項３記載の遷臨界冷凍装置は、請求項１あるいは請求項２記載の遷臨界冷凍装置において、ポリアルキレングリコール、ポリビニルエーテル、ポリオールエステル、鉱油、ポリアルファオレフィンから選ばれる潤滑油を用いたことを特徴とする。

本発明の請求項４記載の遷臨界冷凍装置は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の遷臨界冷凍装置において、アルミニウム系材で構成された密閉容器を備えた圧縮機を用いたことを特徴とする。

本発明の請求項１記載の遷臨界冷凍装置は、圧縮機、ガスクーラ、絞り手段およ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を用いた冷凍装置であって、前記圧縮機は、密閉容器内に複数段の圧縮要素を備え、これらの圧縮要素の内の下段の圧縮要素の吐出冷媒は前記密閉容器内に吐出されて放熱させた後、この冷媒を後段の圧縮要素でさらに圧縮して吐出し、潤滑油として冷媒と相溶性のある動粘度５０〜９０ｍｍ² ／ｓｅｃ（＠４０℃）の潤滑油を用いたことを特徴とするものであり、
前記密閉容器内に吐出された冷媒圧力は高圧側と低圧側の中間の圧力となり、各摺動部材に高圧側部分と低圧側部分が隣接する箇所がなくなり、代わりに高圧側部分と中間圧側部分が隣接する箇所や、中間圧側部分と低圧側部分が隣接する箇所が生じ、差圧が小さくなって面圧が低下し油膜が確保されるので、摺動ロスやリークロスの発生を極力抑えることができるようになり、潤滑油も高温にならないため、最大のＣＯＰを得ることができる、という顕著な効果を奏する。

本発明の請求項２記載の遷臨界冷凍装置は、請求項１記載の遷臨界冷凍装置において、二酸化炭素を冷媒とし、前記圧縮機として２段圧縮式ロータリ圧縮機を用いたことを特徴とするものであり、二酸化炭素を冷媒として用いた場合、冷媒圧力は高圧側で約１５０ｋｇ／ｃｍ² Ｇにも達し、低圧側では約３０〜４０ｋｇ／ｃｍ² Ｇとなるが、各摺動部材における差圧が約１／２と小さくなって面圧が低下し油膜が確保されるので、摺動ロスやリークロスの発生を極力抑えることができ、確実に最大のＣＯＰを得ることができる、というさらなる顕著な効果を奏する。

本発明の請求項３記載の遷臨界冷凍装置は、請求項１あるいは請求項２記載の遷臨界冷凍装置において、ポリアルキレングリコール、ポリビニルエーテル、ポリオールエステル、鉱油、ポリアルファオレフィンから選ばれる潤滑油を用いたことを特徴とするものであり、相溶性、潤滑性、安定性が高く、入手も容易で安価であり、信頼性を向上できるという、というさらなる顕著な効果を奏する。

本発明の請求項４記載の遷臨界冷凍装置は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の遷臨界冷凍装置において、アルミニウム系材で構成された密閉容器を備えた圧縮機を用いたことを特徴とするものであり、アルミニウム系材は熱伝導性が優れるため前記密閉容器内に吐出された冷媒の放熱を容易に行うことができ、さらに、圧縮機の軽量化を図ることができる、というさらなる顕著な効果を奏する。

以下、図面により本発明の実施の形態を詳細に説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の遷臨界冷凍装置に使用する圧縮機の実施例として、下段および上段の回転圧縮要素３２、３４を備えた内部中間圧型多段（２段）圧縮式ロータリ圧縮機１０の縦断側面図、図２は、本発明の遷臨界冷凍装置の冷媒回路図である。なお、本発明の遷臨界冷凍装置は、自販機、空気調和機または冷蔵庫、ショーケース、自動車などに使用されるものである。
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圧縮機で、この圧縮機１０は、アルミニウム系金属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電動要素１４およびこの電動要素１４の下側に配置され、電動要素１４の回転軸１６により駆動される下段の回転圧縮要素３２（１段目）および上段の回転圧縮要素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。
密閉容器１２は底部を各摺動部へ潤滑油を送って潤滑するための潤滑油の溜めとし、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。

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―タ２２と、このステ―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―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―タコイル２８を有している。また、ロータ２４はステ―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。
下段の回転圧縮要素３２と上段の回転圧縮要素３４との間には中間仕切板３６が狭持されている。即ち、下段の回転圧縮要素３２と上段の回転圧縮要素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に設けられた上下遍心部４２、４４により遍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の上側の開口面および下シリンダ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および下部支持部材５６にて構成されている。

一方、上部支持部材５４および下部支持部材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。
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から下段の回転圧縮要素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。

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１４２および１４３が溶接固定されている。
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１熱交換器１６０に接続されている。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。

次に図２において、上述した圧縮機１０は図２に示す冷媒回路の一部を構成する。即ち圧縮機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を出た配管は第１熱交換器１６０を通過する。第１熱交換器１６０はガスクーラ１５４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。
第１熱交換器１６０を通過した冷媒は絞り手段としての膨張弁１５６に至る。そして、膨張弁１５６の出口は蒸発器１５７の入口に接続され、蒸発器１５７を出た配管は第１熱交換器１６０を経て冷媒導入管９４に接続される。

以上の構成で次に図３のｐ−ｈ線図（モリエル線図）を参照しながら本発明の遷臨界冷凍装置の動作を説明する。ターミナル２０および図示されない配線を介して圧縮機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。
これにより、冷媒導入管９４および下部支持部材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（図３の１の状態）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（図３の２の状態）。
密閉容器１２内に吐出された冷媒は、アルミニウム系金属からなる密閉容器１２内で外部から熱を奪われて冷却され、このときエンタルピーをΔｈ１失う（図３の３の状態）。

そして、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上段の回転圧縮要素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（図３の４の状態）。

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（図３の５’の状態）、第１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、例えば蒸発器１５７での蒸発温度を＋１２℃乃至−１０℃の中高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（図３の５の状態）。

第１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。膨張弁１５６の入口では冷媒ガスはまだ気体の状態である。冷媒は膨張弁１５６における圧力低下により、ガス／液体の二相混合体とされ（図３の６の状態）、その状態で蒸発器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。
その後、冷媒は蒸発器１５７から流出して（図３の１’の状態）、第１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、冷媒のエンタルピーがΔｈ２上昇して、これにより、冷媒は完全に気体の状態となる（図３の１の状態）。
気体の状態となった冷媒は冷媒導入管９４から圧縮機１０の下段の回転圧縮要素３２内に吸い込まれるサイクルを繰り返す。

回転軸１６にはその中央に圧縮要素３２、３４や軸受などの各摺動部に潤滑油を供給する図示しない給油孔が設けられているとともに、回転軸１６の下端に前記給油孔に連通するオイルピックアップ７０が取付けられており、その下端を潤滑油溜の潤滑油７１中に浸漬させてある。オイルピックアップ７０はオイル供給能力を向上させる図示しないパドルと一体に形成されている。
回転軸１６が回転されると潤滑油溜中の潤滑油７１は回転軸１６の回転により生じる遠心力により回転軸１６の下端に取付けられたオイルピックアップ７０から前記給油孔を経て軸受や圧縮要素３２、３４の各摺動部に供給され、各摺動部を潤滑した後、潤滑油溜中に戻り、循環して使用される。
一方、冷媒吐出管９６から吐出された冷媒ガス中に同伴された潤滑油は冷媒とともに冷媒回路を経て冷媒導入管９４から圧縮機１０の下段の回転圧縮要素３２内に吸い込まれ摺動部を潤滑する。

本発明で使用する潤滑油は、冷媒と相溶性のある動粘度５０〜９０ｍｍ² ／ｓｅｃ（＠４０℃）の潤滑油を用いる。
二酸化炭素を冷媒として用いた場合、冷媒圧力は高圧側で約１５０ｋｇ／ｃｍ² Ｇにも達し、低圧側では約３０〜４０ｋｇ／ｃｍ² Ｇとなるが、内部中間圧型多段（２段）圧縮式ロータリ圧縮機１０を用いたので各摺動部材における差圧が約１／２と小さくなって面圧が低下し潤滑油の油膜が十分確保され、摺動ロスやリークロスの発生を極力抑えることができ、また潤滑油も１００℃以上の高温にならないため、従来の動粘度より低い前記範囲の動粘度を有する潤滑油を用いて最大のＣＯＰを得ることができる。
動粘度が５０ｍｍ² ／ｓｅｃ（＠４０℃）未満では、シール性が劣りリークロスが大きくなる恐れがあり、動粘度が９０ｍｍ² ／ｓｅｃ（＠４０℃）を超えると剪断摩擦が大きくなり、消費電力が大きくなる恐れがある。前記動粘度の範囲内の潤滑油を用いることにより、摺動ロスやリークロスの発生を極力抑え、最大のＣＯＰを得ることができる。

本発明で用いる潤滑油は、天然物あるいは天然物由来のものでも合成品でもあるいはこれらの混合物あってもよく特に限定されない。
鉱油としては、具体的には例えば原油を常圧蒸留および減圧蒸留して得られた潤滑油留分を、溶剤脱れき、溶剤抽出、水素化分解、溶剤脱ろう、接触脱ろう、水素化精製、硫酸洗浄、白土処理等の精製処埋などを適宜組み合わせて精製したパラフィン系、ナフテン系などの油やノルマルパラフィンなどが使用できる。

合成品としては、具体的には例えば、ポリα−オレフィン（ポリブテン、１−オクテンオリゴマー、１−デセンオリゴマーなど）、イソパラフィン、アルキルベンゼン、アルキルナフタレン、二塩基酸エステル（ジトリデシルグルタレート、ジ−２−エチルヘキシルアジペート、ジイソデシルアジペート、ジトリデシルアジペート、ジ−２−エチルヘキシルセバケートなど）、三塩基酸エステル（トリメリット酸エステルなど）、ポリオールエステル（トリメチロールプロパンカプリレート、トリメチロールプロパンペラルゴネート、ペンタエリスリトール２−エチルヘキサノエート、ペンタエリスリトールペラルゴネートなど）、ポリオキシアルキレングリコール、ポリアルキレングリコール、ジアルキルジフェニルエーテル、ポリフェニルエーテル、ポリビニルエーテルなどが使用できる。

なお、これらの鉱油や合成品は単独で使用しても良く、またこれらの中から選ばれる２種以上を任意の混合割合で組み合わせて使用してもよい。
これらの中でもポリアルキレングリコール（ＰＡＧ）、ポリビニルエーテル（ＰＶＥ）、ポリオールエステル（ＰＯＥ）、鉱油、ポリアルファオレフィン（ＰＡＯ）から選ばれる潤滑油は、相溶性、潤滑性、冷却性（熱除去性）に優れ、かつ攪拌抵抗による摩擦ロスが少なく、安定性が高く、入手も容易で安価であり、信頼性を向上できるなどの点から、本発明において好ましく使用できる。

本発明で使用する潤滑油には、その各種性能をさらに高める目的で、さらに公知の添加剤、例えば、トリクレジルフォスフェート（ＴＣＰ）、グリシジルエーテルからなるエポキシ、カルボジイミド、酸化防止剤、さび止め剤、腐食防止剤、流動点降下剤、消泡剤、極圧剤などを単独で、または数種類組み合わせた形で使用することもできる。

酸化防止剤としては、フェノール系化合物やアミン系化合物など、潤滑油に一般的に使用されているものであれば使用可能である。具体的には、２，６−ジ−ｔｅｒｔ−ブチル−４−メチルフェノールなどのアルキルフェノール類、メチレン−４，４−ビス（２，６−ジ−ｔｅｒｔ−ブチル−４−メチルフェノール）などのビスフェノール類、フェニルーα−ナフチルアミンなどのナフチルアミン類、ジアルキルジフェニルアミン類、ジ−２−エチルヘキシルジチオリン酸亜鉛などのジアルキルジチオリン酸亜鉛類などが挙げられる。

さび止め剤としては、具体的には、脂肪族アミン類、有機亜リン酸エステル、有機リン酸エステル、有機スルフォン酸金属塩、有機リン酸金属塩、アルケニルコハク酸エステル、多価アルコールエステルなどが挙げられる。

腐食防止剤としては、具体的には、ベンゾトリアゾール系、チアジアゾール系、イミダゾール系の化合物などが挙げられる。

流動点降下剤としては、具体的には、使用する潤滑油に適合するポリメタクリレート系のポリマーなどが挙げられる。

消泡剤としては、具体的には例えば、ジメチルシリコーンなどのシリコーン類が挙げられる。

これら公知の添加剤の添加量は任意であるが、使用する場合、潤滑油全量基準でその含有量が、酸化防止剤では、通常、０．０１〜５．０質量％；さび止め剤、腐食防止剤では、通常、それぞれ０．０１〜３．０質量％；流動点降下剤では通常、０．０５〜５．０質量％；消泡剤では、通常、０．０１〜０．０５質量％；となるように配合するのが望ましい。

（第２実施形態）
図４は、本発明の他の遷臨界冷凍装置の冷媒回路図である。
図４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（２段）圧縮式ロータリ圧縮機を示しており、円筒状の密閉容器１２内の電動要素１４とこの電動要素１４の回転軸１６で駆動される下段の回転圧縮要素３２および上段の回転圧縮要素３４を備えて構成されており、密閉容器１２は底部を各摺動部へ本発明で使用する前記潤滑油を送って潤滑するための潤滑油の溜めとなっている。
圧縮機１０は冷媒導入管９４から吸い込まれた冷媒ガスを下段の回転圧縮要素３２で圧縮して密閉容器１２内に吐出し、この密閉容器１２内の中間圧の冷媒ガスを冷媒導入管９２から一旦中間冷却回路１５０Ａに吐出し、中間冷却用熱交換器（インタークーラ）１５０Ｂを通過することにより、冷媒ガスは空冷され、上段の回転圧縮要素３４に吸い込まれて圧縮されるようになっている以外は図１〜２に示した本発明の遷臨界冷凍装置と同様になっている。
すなわち、２段目の圧縮にて高圧となった冷媒ガスは、冷媒吐出管９６から吐出され、ガスクーラ１５４で空冷される。このガスクーラ１５４から出た冷媒は第１熱交換器１６０にて蒸発器１５７を出た冷媒と熱交換した後、膨張弁１５６を経て蒸発器１５７に入り、蒸発して再度内部熱交換器１６０を経て冷媒導入管９４から下段の回転圧縮要素３２に吸い込まれる。
この場合の動作を図３のｐ−ｈ線図を参照して説明する。下段の回転圧縮要素３２で圧縮されて（エンタルピーをΔｈ３得て）中間圧となり、密閉容器１２内に吐出された冷媒は（図３の２の状態）、冷媒導入管９２から出て中間冷却回路１５０Ａに流入する。そして、この中間冷却回路１５０Ａが通過する中間冷却用熱交換器１５０Ｂに流入し、そこで空冷方式により放熱される（図３の３の状態）。ここで中間圧の冷媒は中間冷却用熱交換器１５０Ｂにて図３に示すようにエンタルピーをΔｈ１失う。
その後、上段の回転圧縮要素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（図３の４の状態）。

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（図３の５’の状態）、第１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（図３の５の状態）（エンタルピーをΔｈ２失う）。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（図３の６の状態。）、次に、蒸発器１５７に流入して蒸発する（図３の１’の状態）。蒸発器１５７から出た冷媒は第１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（図３の１の状態）（エンタルピーをΔｈ２得る）。
そして、第１熱交換器１６０で加熱された冷媒は冷媒導入管９４からロータリ圧縮機１０の下段の回転圧縮要素３２内に吸い込まれるサイクルを繰り返す。

二酸化炭素を冷媒として用いているが、前記のように内部中間圧型多段（２段）圧縮式ロータリ圧縮機１０を用いたので各摺動部材における差圧が約１／２と小さくなって面圧が低下し潤滑油の油膜が十分確保され、摺動ロスやリークロスの発生を極力抑えることができ、また潤滑油も１００℃以上の高温にならないため、従来の動粘度より低い前記範囲の動粘度を有する潤滑油を用いて最大のＣＯＰを得ることができる。

上記実施の形態の説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、あるいは範囲を減縮するものではない。また、本発明の各部構成は上記実施の形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で例えば下記のような種々の変形が可能である。

上記説明においては２段圧縮式ロータリ圧縮機について説明したが、本発明は圧縮機の形式は特に限定されず、具体的には、レシプロ式圧縮機、振動式圧縮機、マルチベーン式ロータリ圧縮機、スクロール式圧縮機などであってもよく、また圧縮段数は少なくとも２段以上の多段圧縮であればよい。

また上記説明においては蒸発器を出た冷媒を第１熱交換器を通過させて高圧側の冷媒と熱交換させることで完全に気体の状態とする例について説明したが、第１熱交換器を用いる代わりに蒸発器の出口側と圧縮機の吸込側との間の低圧側にレシーバタンクを配設してもよい。

次に実施例および比較例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらによって限定されるものではない。

図４に示した冷媒回路を備えた本発明の遷臨界冷凍装置を用い、二酸化炭素（ＣＯ₂ ）を冷媒として使用し、表１記載の潤滑油を使用して、高圧側圧力９ＭＰａ、低圧側圧力３ＭＰａの２段圧縮条件で試験運転して得られた冷凍能力、入力、ＣＯＰ、回転数の結果を表２に示す。

下記の２段圧縮条件１および２段圧縮条件２で、表１記載の潤滑油を使用して、２段圧縮を行った以外は実施例１と同様にして試験運転して得られたＣＯＰの結果を表３および図５に示す。
（２段圧縮条件１）高圧側圧力９ＭＰａ、低圧側圧力３ＭＰａ
（２段圧縮条件２）高圧側圧力１２ＭＰａ、低圧側圧力３．８ＭＰａ

（比較例１）
下記の単段圧縮条件１および単段圧縮条件２で、表１記載の潤滑油を使用して、単段圧縮を行った以外は実施例１と同様にして試験運転して得られたＣＯＰの結果を表３および図５に示す。
（単段圧縮条件１）高圧側圧力９ＭＰａ、低圧側圧力３ＭＰａ
（単段圧縮条件２）高圧側圧力１２ＭＰａ、低圧側圧力３．８ＭＰａ

表３および図５から、潤滑油として動粘度５０〜９０ｍｍ² ／ｓｅｃ（＠４０℃）の範囲内（矢印で示した範囲内）の潤滑油を用いると、最大のＣＯＰを得ることができることが判る。それに対して比較例１の単段圧縮の場合は高いＣＯＰを得ることができないことが判る。

本発明の遷臨界冷凍装置は、圧縮機、ガスクーラ、絞り手段およ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を用いた冷凍装置であって、前記圧縮機は、密閉容器内に複数段の圧縮要素を備え、これらの圧縮要素の内の下段の圧縮要素の吐出冷媒は前記密閉容器内に吐出されて放熱させた後、この冷媒を後段の圧縮要素でさらに圧縮して吐出し、潤滑油として冷媒と相溶性のある動粘度５０〜９０ｍｍ² ／ｓｅｃ（＠４０℃）の潤滑油を用いたことを特徴とするものであり、
前記密閉容器内に吐出された冷媒圧力は高圧側と低圧側の中間の圧力となり、各摺動部における差圧が小さくなって面圧が低下し油膜が確保され、摺動ロスやリークロスの発生を極力抑えることができ、潤滑油も高温にならないため、最大のＣＯＰを得ることができるなどの顕著な効果を奏するので、産業上の利用価値が高い。

本発明の遷臨界冷凍装置に使用する圧縮機の１実施の形態を示す説明図である。 図１に示した圧縮機を備えた本発明の遷臨界冷凍装置の冷媒回路図である。 図２および図４の冷媒回路のｐ−ｈ線図である。 本発明の他の遷臨界冷凍装置の冷媒回路図である。 ＣＯＰと潤滑油動粘度（ｍｍ² ／ｓｅｃ) （４０℃）の関係を示すグラフである。

符号の説明

１０ 内部中間圧型多段（２段）圧縮式ロータリ圧縮機
１２ 密閉容器
１４ 電動要素
３２ 下段の回転圧縮要素
３４ 上段の回転圧縮要素
９４ 冷媒導入管
９６ 冷媒吐出管
１５０Ｂ 中間冷却用熱交換器（インタークーラ）
１５４ ガスクーラー
１５６ 膨張弁
１５７ 蒸発器
１６０ 第１熱交換器

Claims (4)

1. 圧縮機、ガスクーラ、絞り手段およ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を用いた冷凍装置であって、
   前記圧縮機は、密閉容器内に複数段の圧縮要素を備え、これらの圧縮要素の内の下段の圧縮要素の吐出冷媒は前記密閉容器内に吐出されて放熱させた後、この冷媒を後段の圧縮要素でさらに圧縮して吐出し、潤滑油として冷媒と相溶性のある動粘度５０〜９０ｍｍ² ／ｓｅｃ（＠４０℃）の潤滑油を用いたことを特徴とする遷臨界冷凍装置。
2. 二酸化炭素を冷媒とし、前記圧縮機として２段圧縮式ロータリ圧縮機を用いたことを特徴とする請求項１記載の遷臨界冷凍装置。
3. ポリアルキレングリコール、ポリビニルエーテル、ポリオールエステル、鉱油、ポリアルファオレフィンから選ばれる潤滑油を用いたことを特徴とする請求項１あるいは請求項２記載の遷臨界冷凍装置。
4. アルミニウム系材で構成された密閉容器を備えた圧縮機を用いたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の遷臨界冷凍装置。

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