JPH10281573A

JPH10281573A - 冷凍装置

Info

Publication number: JPH10281573A
Application number: JP13252697A
Authority: JP
Inventors: Katsumi Hokotani; 克己鉾谷; Yorihide Higuchi; 順英樋口; Harushige Boku; 春成朴; Hiroyuki Yamaji; 洋行山路; Takeshi Fukunaga; 剛福永
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 1997-02-10
Filing date: 1997-05-22
Publication date: 1998-10-23

Abstract

(57)【要約】【課題】構造が簡単でコンパクトかつ低コストなター
ボ圧縮機を備え、地球環境に悪影響を与えない冷凍装置
を提供する。【解決手段】冷媒(r) を圧縮するターボ圧縮機(1)
と、凝縮器と、膨張機構と、蒸発器とを順に接続して構
成した冷媒回路を備える。冷媒回路内には、ガス定数が
Ｒ１３４ａよりも大きく、塩素原子を含まない冷媒であ
るＲ３２を充填する。ターボ圧縮機(1) は、ケーシング
(2) 内にインペラ室(4) とモータ室(5) とが形成され、
インペラ室(4) には単段の羽根車(6) が収納される。タ
ーボ圧縮機(1) は、圧縮比を増大させるために羽根車
(6) の回転数を大きくし、羽根車(6) の外周周速度が増
加しても、冷媒(r) の音速が大きいため、回転マッハ数
が大きくならないように構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷凍装置に関し、
特に、単段の羽根車を用いたターボ圧縮機を備える冷凍
装置に係るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、冷凍装置の一種として、例え
ば特開平５−３４０３８６号公報に開示されているよう
に、ターボ圧縮機によって冷媒回路内の冷媒を昇圧し循
環させる冷凍装置が知られている。この種の冷凍装置で
は、ターボ圧縮機において、羽根車の回転によって生ず
る遠心力で冷媒蒸気の圧縮が行われる。

【０００３】上記のターボ圧縮機の概略を説明する。こ
の圧縮機では、図５に示すように、ケーシング(a) 内に
モータ室(b) 及びインペラ室(c) が設けられている。モ
ータ室(b) にはモータ(d) が備えられ、インペラ室(c)
には、モータ(d) の駆動軸(e) に直結された羽根車（イ
ンペラ）(f) が備えられている。ケーシング(a) には吸
入管(g) 及び吐出管(h) が接続されている。吸入管(g)
は羽根車(f) の中央部に対向するように接続され、吐出
管(h) はケーシング(a) の外周部に対向するように接続
されている。そして、モータ(d) の駆動に伴う羽根車
(f) の回転により、吸入管(g) からインペラ室(c) に冷
媒を吸い込むと共に、この冷媒に遠心力を与えて半径方
向外側に放出して圧縮し、吐出管(h) から吐出する。

【０００４】また、上記駆動軸(e) の上下両端部分は、
ケーシング(a) の内壁面に固定された軸受け板(i,i) の
貫通孔に挿通されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ターボ圧縮
機を用いた冷凍装置において、凝縮温度と蒸発温度との
差を大きくとろうとすると、冷媒蒸気の圧縮比を大きく
しなければならない。そのため、羽根車(f) の回転速度
を増加させるか、又は羽根車(f) の外径を大きくして、
羽根車(f) の外周周速度を大きくする必要があった。あ
るいは、羽根車(f) を多段にして、最終圧縮比を大きく
とれるようにする必要があった。

【０００６】しかし、上記の従来の冷凍装置では、冷媒
としてＲ１１やＲ１３４ａが用いられ、このＲ１１やＲ
１３４ａは比較的ガス定数が小さいので、羽根車(f) の
外周周速度を大きくした場合に、回転マッハ数、即ち、
羽根車(f) の吸い込み口での冷媒蒸気中の音速に対する
羽根車(f) の外周周速度の割合が大きくなり、羽根車
(f) の周囲に衝撃波が発生する等により、ターボ圧縮機
の総合効率が低下していた。

【０００７】また、羽根車(f) を多段にした場合、構造
が複雑になるため、ターボ圧縮機のコストが増加してい
た。

【０００８】そのため、単段の羽根車で、総合効率を低
下させずに、凝縮温度と蒸発温度との差を十分にとるこ
とは困難であった。

【０００９】一方、Ｒ１１等の冷媒は、塩素原子を含ん
でいるため、大気中に放出された場合にオゾン層を破壊
したり、地球温暖化を招く等、地球環境に悪影響を及ぼ
す。そのため、地球環境に悪影響を与えない冷媒への代
替が必要とされている。

【００１０】本発明は、かかる点に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、構造が簡単で低コス
トかつコンパクトなターボ圧縮機を高効率で使用するこ
とができ、地球環境に悪影響を与えない冷凍装置を提供
することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、冷媒として音速の高い冷媒(r) を用い、
圧縮機として羽根車(6) が単段のターボ圧縮機(1) を用
いることとした。このことにより、冷媒(r) の音速が高
いので、同一の外周周速度に対する回転マッハ数は相対
的に小さくなり、羽根車(6) の回転速度を増加しても総
合効率の低下は抑制される。従って、羽根車(6) を単段
にすることができ、構造が簡単となってコストが低減す
る。

【００１２】具体的には、請求項１に記載の発明が講じ
た手段は、冷媒(r) を圧縮するターボ圧縮機(1) と、冷
媒(r) を凝縮させる凝縮器(56a) と、冷媒(r) を膨張さ
せる膨張機構(55)と、冷媒(r) を蒸発させる蒸発器(56
b) とが順に接続されて構成される冷媒回路(5A)を備え
た冷凍装置において、上記ターボ圧縮機(1) は１つの羽
根車(6) を有する単段型に構成され、上記冷媒(r) は、
ガス定数がＲ１３４ａのガス定数よりも大きい冷媒(r)
である構成としたものである。

【００１３】上記発明特定事項により、流体の音速は流
体のガス定数に比例するので、上記冷媒(r) の音速はＲ
１３４ａの音速よりも大きくなる。従って、回転マッハ
数は相対的に小さくなり、凝縮温度と蒸発温度との差を
大きくとるために単段の羽根車(6) を高速で回転して
も、総合効率の低下は抑制される。ターボ圧縮機(1) の
羽根車(6) が単段なので構造が簡単になり、コストが低
減されると共にコンパクトになる。

【００１４】請求項２に記載の発明が講じた手段は、請
求項１に記載の冷凍装置において、冷媒(r) は、塩素原
子を含まない冷媒(r) である構成としたものである。

【００１５】上記発明特定事項により、冷凍装置の廃棄
処理の際や、冷媒漏れが起こった場合でも、大気中に放
出された冷媒は地球環境に悪影響を及ぼすことがない。

【００１６】請求項３に記載の発明が講じた手段は、請
求項２に記載の冷凍装置において、冷媒(r) は、Ｒ３２
である構成としたものである。

【００１７】上記発明特定事項により、具体的な構成に
よって、構造が簡単で低コストかつコンパクトであり、
地球環境に悪影響を与えない冷凍装置が実現される。

【００１８】請求項４に記載の発明が講じた手段は、請
求項２に記載の冷凍装置において、冷媒(r) は、Ｒ４１
０ａである構成としたものである。

【００１９】上記発明特定事項により、具体的な構成に
よって、構造が簡単で低コストかつコンパクトであり、
地球環境に悪影響を与えない冷凍装置が実現される。

【００２０】請求項５に記載の発明が講じた手段は、請
求項２に記載の冷凍装置において、冷媒(r) は、Ｒ４０
７ｃである構成としたものである。

【００２１】上記発明特定事項により、具体的な構成に
よって、構造が簡単で低コストかつコンパクトであり、
地球環境に悪影響を与えない冷凍装置が実現される。

【００２２】請求項６に記載の発明が講じた手段は、請
求項２に記載の冷凍装置において、冷媒(r) は、二酸化
炭素である構成としたものである。

【００２３】上記発明特定事項により、具体的な構成に
よって、構造が簡単で低コストかつコンパクトであり、
地球環境に悪影響を与えない冷凍装置が実現される。ま
た、圧縮比が小さくなり、単段型のターボ圧縮機で運転
可能な温度範囲が拡大する。

【００２４】請求項７に記載の発明が講じた手段は、請
求項２に記載の冷凍装置において、冷媒(r) は、酸化窒
素である構成としたものである。

【００２５】請求項８に記載の発明が講じた手段は、請
求項２に記載の冷凍装置において、冷媒(r) は、炭化水
素である構成としたものである。

【００２６】請求項９に記載の発明が講じた手段は、請
求項８に記載の冷凍装置において、冷媒(r) は、エチレ
ンである構成としたものである。

【００２７】請求項１０に記載の発明が講じた手段は、
請求項８に記載の冷凍装置において、冷媒(r) は、エタ
ンである構成としたものである。

【００２８】上記請求項７〜１０の各発明特定事項によ
り、具体的な構成によって、構造が簡単で低コストかつ
コンパクトであり、地球環境に悪影響を与えない冷凍装
置が実現される。

【００２９】

【発明の実施の形態１】以下、本発明の実施の形態を図
面に基づいて説明する。

【００３０】−冷凍装置(50)の構成− 図１及び図２に示すように、本実施形態に係る冷凍装置
(50)は、複数台の室外ユニット(51)と複数台の室内ユニ
ット(52)とを備えて構成されている。具体的には、冷凍
装置(50)は、２台の室外ユニット(51)と９台の室内ユニ
ット(52)とが冷媒配管(53)によって接続されて構成さ
れ、ビルディング(60)に設置されている。

【００３１】室外ユニット(51)には、圧縮機(1) 、四路
切換弁(54)、室外熱交換器(56a) 、及び膨張機構(55)が
収納されている。また、室外ユニット(51)には、図示し
ないが、室外熱交換器(56a) に空気を供給する送風機や
制御機器等も搭載されている。

【００３２】一方、室内ユニット(52)には、室内熱交換
器(56b) 及び図示しない送風機が備えられ、更に、送風
機の風量を調整する制御機器（図示せず）等も搭載され
ている。

【００３３】また、室外ユニット(51)と室内ユニット(5
2)との間の冷媒配管(53)には、冷媒流路の切り替えや冷
媒流量の調整を行う各種の弁（図示せず）が設けられて
おり、各部屋の負荷に応じて室内ユニット(52)への冷媒
供給量を調整できるようになっている。

【００３４】−圧縮機(1) の構成− 次に、圧縮機(1) の構成を説明する。図３に示すよう
に、本冷凍装置(50)に備えられた圧縮機(1) は、単段の
羽根車(6) を用いたターボ圧縮機(1) である。

【００３５】図３において、ケーシング(2) の内部に
は、上端部から所定寸法を存した下側位置に、隔壁(3)
が設けられている。隔壁(3) は、ケーシング(2) の内部
空間を上側の１つのインペラ室(4) と下側のモータ室
(5) とに区画形成している。

【００３６】インペラ室(4) は、ケーシング(2) の軸方
向断面における中央部に形成され、単段タービンを構成
する１枚の羽根車(6) を収容している。インペラ室(4)
の形状は、内径が下方に向かって次第に増大する略円錐
台状である。羽根車(6) はインペラ室(4) の内部に回転
可能に収納されている。この羽根車(6) は、鉛直軸回り
に複数の略三角板の羽根(6a,6a,…)が放射状に設けられ
て成り、外向き半径方向流を生じさせるラジアル型の回
転体を構成している。

【００３７】ケーシング(2) の上端面の中央部には吸入
管(7) が接続されている。この吸入管(7) は、羽根車
(6) の上側から羽根車(6) の軸方向に冷媒蒸気(r) をイ
ンペラ室(4) に導いている。

【００３８】インペラ室(4) における羽根車(6) の外周
囲には、圧縮空間(8) が形成されている。圧縮空間(8)
は、羽根車(6) によって与えられる遠心力によって動圧
と静圧とを得て放出される冷媒蒸気(r) から動圧を回収
するため空間である。

【００３９】ケーシング(2) の側面には、圧縮空間(8)
に対応した位置に、吐出管(9) が接続されている。この
吐出管(9) は、圧縮空間(8) に放出された冷媒蒸気(r)
をケーシング(2) の外へ吐出する。つまり、インペラ室
(4) は、羽根車(6) の回転に伴って吸入管(7) からイン
ペラ室(4) 内に吸い込んだ冷媒蒸気(r) を外向き半径方
向流にし、この冷媒蒸気(r) を圧縮空間(8) から吐出管
(9) へ吐出する役割を果たす。

【００４０】モータ室(5) には、羽根車(6) を回転駆動
させるためのモータ(10)が収納されている。このモータ
(10)は、モータ室(5) の内壁面に固定されたステータ(1
0a)と、ステータ(10a) の内部に収納され、羽根車(6)
と同心状に配置されたロータ(10b) とを備えている。ロ
ータ(10b) の中心部には、羽根車(6) の下面中央部に繋
がる駆動軸(11)が設けられている。駆動軸(11)の上下両
側部は、軸受け板(12),(13) を介して回転自在にケーシ
ング(2) に支承されている。

【００４１】詳しくは、駆動軸(11)の下端部は、ロータ
(10b) の下端よりも下方に延長され、モータ室(5) の下
端部に設けられた下側軸受け板(12)の貫通孔(12a) に挿
通されている。

【００４２】駆動軸(11)の下端部の外周面には、昇圧機
構を構成するヘリングボーン溝(11a,11a,…)が形成され
ている。ヘリングボーン溝(11a,11a,…)は、駆動軸(11)
を回転すると、駆動軸(11)の外周面と貫通孔(12a) の内
周面との間の隙間に気体圧力による気体膜を生成し、駆
動軸(11)の下端部を非接触状態で支持する動圧気体軸受
け(18a) を構成している。

【００４３】駆動軸(11)の上端部は、ロータ(10b) の上
端よりも上方に延長され、駆動軸(11)は、下側に位置す
る大径部(11c) と、大径部(11c) の上側に連続して羽根
車(6) に接続される小径部(11d) とから構成されてい
る。大径部(11c) の上端部は、モータ室(5) の上部に設
けられた上側軸受け板(13)の貫通孔(13a) に挿通されて
いる。

【００４４】大径部(11c) は、上述した駆動軸(11)の下
端部の軸受け構造と同様の動圧気体軸受け(18b) によっ
て回転自在に支持されている。つまり、大径部(11c) に
おける貫通孔(13a) の内周面と対向する外周面には、ヘ
リングボーン溝(11b,11b,…)が形成されている。

【００４５】また、上側軸受け板(13)の上側にはスラス
ト軸受け板(14)が設けられている。スラスト軸受け板(1
4)の中央部には、駆動軸(11)の小径部(11d) と略同径の
貫通孔(14a) が形成されている。そして、貫通孔(14a)
の内面と小径部(11d) の外周面とが連結され、駆動軸(1
1)とスラスト軸受け板(14)とが一体に固定されている。

【００４６】スラスト軸受け板(14)の下面は上側軸受け
板(13)の上面に対向し、スラスト軸受け板(14)の上面は
ケーシング(2) の隔壁(3) の下面に対向している。そし
て、スラスト軸受け板(14)の上下両面には、図示しない
が、ほぼ螺旋状のスパイラルグルーブ溝が形成され、駆
動軸(11)をスラスト方向に支持している。

【００４７】吸入管(7) とモータ室(5) とは、均圧管(1
5)によって連通されている。そのため、吸入管(7) の内
圧は羽根車(6) の回転数に応じて変化する。均圧管(15)
は、インペラ室(4) からモータ室(5) への漏れ流体を吸
入管(7) に戻している。

【００４８】−冷媒− 冷凍装置(50)の冷媒回路(5A)内には、冷媒(r) として、
Ｒ３２が充填されている。Ｒ３２のガス定数は約１６０
J/KgKであり、Ｒ１３４ａのガス定数（約８１J/KgK）よ
りも大きい。後述するように、音速はガス定数に比例す
るので、Ｒ３２はＲ１３４ａよりも音速が高い冷媒(r)
である。また、Ｒ３２は塩素原子を含まない冷媒(r) で
ある。

【００４９】−Ｒ３２とＲ１３４ａとの比較− ここで、本発明の特徴として冷媒にＲ３２を適用したこ
との優位性、及びその根拠となる基本的原理について説
明する。

【００５０】一般に、回転マッハ数Ｍa の値が１．４〜
１．６を越えると、ターボ圧縮機(1) の効率は急激に低
下する。また、上記の値以下であっても、羽根車(6) の
耐久性を考慮すると、回転マッハ数Ｍa は小さい方が好
ましい。

【００５１】回転マッハ数Ｍa は、羽根車(6) の外周周
速度をＵ₂、羽根車(6) の吸い込み口での冷媒蒸気(r)
の音速をＣsとすると、Ｍa＝Ｕ₂／Ｃsで定義される。こ
こで、冷媒蒸気(r) を完全ガスとみなすことにより、音
速Ｃs は、Ｃs ＝（ｇκＲＴ₀）^1/2と近似される。な
お、κは比熱比、Ｒはガス定数、Ｔ₀は吸い込み口での
冷媒蒸気(r) の温度である。従って、外周周速度Ｕ₂を
一定とすると、Ｍa∝Ｒ^-1/2となり、ガス定数Ｒの大き
い冷媒(r) の方が回転マッハ数Ｍaが小さくなる。

【００５２】そこで、本実施形態の冷凍装置(50)では、
冷媒(r) として、Ｒ１３４ａよりもガス定数Ｒの大きい
冷媒(r) であるＲ３２を用いている。そのため、Ｒ１３
４ａを使用した場合に比べて回転マッハ数Ｍaが小さく
なっている。

【００５３】表１に、回転マッハ数Ｍa を具体的に計算
した計算例を示す。計算は凝縮温度が５５℃、蒸発温度
が５℃、圧縮機(1) 入口のスーパーヒートが８℃の条件
で行い、計算には、「冷凍空調便覧，基礎編，新版・第
４版」（日本冷凍協会発行）の第３８７頁〜第３８９頁
に記載されている計算式を用いた。

【００５４】

【表１】

【００５５】表１から明らかなように、本実施形態に係
るターボ圧縮機(1) では、Ｒ１３４ａを用いた場合に比
べて、回転マッハ数Ｍaは約２５％低下している。

【００５６】−冷凍装置(50)の動作− 冷凍装置(50)の動作を、ビルディング(60)の複数の部屋
を冷房する冷房運転を例に説明する。なお、説明は省略
するが、本冷凍装置(50)では、暖房運転や、冷暖同時運
転も可能である。

【００５７】冷房運転時において、四路切換弁(54)は、
図２に示す実線側に切り替えられる。また、スイッチが
オンされている室内ユニット(52)のみに冷媒(r) が循環
するように、図示しない電磁弁等により、冷媒(r) の循
環経路が構成される。

【００５８】上記の状態で、各室外ユニット(51)内のタ
ーボ圧縮機(1) を起動する。

【００５９】ターボ圧縮機(1) の動作により、後述する
ように、高温高圧のガス冷媒(r) がターボ圧縮機(1) か
ら吐出される。この際、ターボ圧縮機(1) の動作によ
り、冷凍装置(50)の冷媒回路(5A)内には圧力差が生じ
る。冷媒(r) は、この圧力差によって上記循環経路を循
環する。

【００６０】ターボ圧縮機(1) から吐出された冷媒(r)
は、四路切換弁(54)を経た後、室外熱交換器(56a) にお
いて凝縮する。

【００６１】そして、冷媒(r) は膨張機構(55)で減圧膨
張された後、室外ユニット(51)外に流出する。室外ユニ
ット(51)から流出した冷媒(r) は、各室内ユニット(52)
に向かって冷媒配管(53)内を流通する。このとき、冷媒
(r) は、室外ユニット(51)と室内ユニット(52)との間に
位置する冷媒配管(53)の途中において、図示しない電磁
弁等により、各部屋の冷房負荷に応じて分流される。

【００６２】そして、分流された後、室内ユニット(52)
に流入した冷媒(r) は、室内熱交換器(56b) において蒸
発する。その結果、室内空気は冷媒(r) と熱交換して冷
却され、室内の冷房が行われる。

【００６３】その後、室内熱交換器(56b) で蒸発した冷
媒(r) は、室内ユニット(52)から流出し、室外ユニット
(51)に向かって冷媒配管(53)内を流通する。

【００６４】そして、冷媒(r) は室外ユニット(51)に流
入し、四路切換弁(54)を経た後、ターボ圧縮機(1) に吸
入される。

【００６５】以上のようにして、冷媒(r) は冷凍装置(5
0)の冷媒回路(5A)内を循環し、ビルディング(60)の各部
屋の冷房が行われる。

【００６６】−ターボ圧縮機(1) の動作− 次に、ターボ圧縮機(1) の動作を説明する。

【００６７】まず、圧縮動作時には、モータ(10)が駆動
され、駆動軸(11)が高速回転する。すると、この駆動軸
(11)の回転に従い、羽根車(6) がインペラ室(4) 内で高
速回転する。

【００６８】このとき、駆動軸(11)の大径部(11c) の下
端部の外周面及び大径部(11c) の上端部の外周面と、各
軸受け板(12),(13) の貫通孔(12a),(13a) の内周面との
間の隙間には、気体圧力による気体膜が形成され、動圧
気体軸受け(18a),(18b) が形成される。この気体膜によ
り、駆動軸(11)は各軸受け板(12),(13) に非接触状態で
ラジアル方向に支持される。

【００６９】また、スラスト軸受け板(14)と上側軸受け
板(13)との間の隙間、及びスラスト軸受け板(14)とケー
シング(2) の隔壁(3) との間の隙間には、気体圧力によ
る気体膜が生成され、動圧気体軸受け(18c) が形成され
る。この気体膜により、駆動軸(11)はスラスト方向に支
持される。

【００７０】上記のように駆動軸(11)が支持された状態
で、インペラ室(4) における羽根車(6) の高速回転によ
り、冷媒蒸気(r) が吸入管(7) から軸方向にインペラ室
(4)に吸入され、羽根車(6) に流入する。この冷媒蒸気
(r) は、羽根車(6) の羽根(6a,6a,…)に沿って外向き半
径方向流になり、羽根車(6) の外周端から流出する。そ
して、冷媒蒸気(r) は、羽根車(6) から与えられる遠心
力によって動圧と静圧とを得て圧縮空間(8) に放出され
る。冷媒蒸気(r) は圧縮空間(8) にて減速し、冷媒蒸気
(r) から動圧が回収される。その後、冷媒蒸気(r) は吐
出管(9) から吐出される。

【００７１】この運転状態において、吸入管(7) の内部
は吸入負圧によって低圧状態となり、吐出管(9) の内部
は圧縮された冷媒(r) によって高圧状態になっている。
また、インペラ室(4) からモータ室(5) への漏れ流体
は、均圧管(15)を経て吸入管(7) に流入する。

【００７２】−冷凍装置(50)の効果− 上述したように、冷凍装置(50)では、ターボ圧縮機(1)
の回転マッハ数Ｍa が小さい。そのため、羽根車(6) の
周りに衝撃波が発生しにくく、振動も起こりにくい。そ
の結果、従来と比べて、ターボ圧縮機(1) の総合効率は
向上する。

【００７３】また、凝縮温度と蒸発温度との温度差を大
きくとるために羽根車(6) の外周周速度を大きくして
も、回転マッハ数Ｍa は大きくならないので、単段の羽
根車(6) のみで効率を低下させることなく所定の温度差
を確保することができる。従って、羽根車(6) を複数段
にする必要がなく単段で足りるので、ターボ圧縮機(1)
の構造は簡単になる。その結果、部品点数は減少し、コ
ストは低減される。また、コンパクトに構成することが
可能となる。

【００７４】更に、冷媒(r) が塩素原子を含んでいない
ので、冷媒配管(53)における冷媒漏れや、冷凍装置(50)
の廃棄の際に、冷媒(r)が大気中に放出されても、地球
環境に悪影響を及ぼすことがない。従って、地球環境に
悪影響を及ぼすことがなく、環境規制等に適合した冷凍
装置を実現することができる。

【００７５】

【発明の実施の形態２】実施形態２に係る冷凍装置(50)
の構成は、実施形態１の冷凍装置(50)において、冷媒を
Ｒ３２からＲ４１０ａに置き換えたものである。すなわ
ち、実施形態２に係る冷凍装置(50)では、冷媒回路(5A)
内に、ガス定数がＲ１３４ａのガス定数よりも大きく、
塩素原子を含まない冷媒であるＲ４１０ａが充填されて
いる。なお、冷媒の相違により、実施形態１と異なり、
ターボ圧縮機(1) 、熱交換器(56a),(56b) 、膨張機構(5
5)、四路切換弁(54)、冷媒配管(53)、及び図示しない付
属機器は、設計圧力等がＲ４１０ａに適合したものが用
いられている。

【００７６】従って、表１に示すように、実施形態２に
係る冷凍装置(50)においても、実施形態１と同様の理由
により、回転マッハ数Ｍa はＲ１３４ａの場合に比べて
小さい。

【００７７】その結果、羽根車(6) の周りに衝撃波が発
生しにくく、振動も起こりにくい等の理由から、ターボ
圧縮機(1) の総合効率は向上する。また、実施形態１と
同様に、単段の羽根車(6) によって凝縮温度と蒸発温度
との所定の温度差を確保することができるので、ターボ
圧縮機(1) の構造は簡単になり、コストは低減され、コ
ンパクトに構成することができる。更に、冷媒(r) が塩
素原子を含んでいないので、地球環境に悪影響を及ぼす
ことがなく、環境規制等に適合した冷凍装置を実現する
ことができる。

【００７８】−他の実施形態− 上記の実施形態の冷凍装置(50)において、冷媒としてＲ
４０７ｃを用いたものであってもよい。この場合でも、
表１に示すように、回転マッハ数ＭａはＲ１３４ａを用
いた場合に比べて小さくなる。従って、上記と同様の効
果が得られる。

【００７９】

【発明の実施の形態３】実施形態３に係る冷凍装置は、
いわゆる自然冷媒である二酸化炭素（ＣＯ₂）を冷媒と
して用いたものである。

【００８０】本冷凍装置は、図６に示す冷媒回路(100A)
を備えている。この冷媒回路(100A)は、ターボ圧縮機
(1) 、加熱熱交換器(102) 、補助熱交換器(103) の高圧
側熱交換部(103a)、膨張弁(104) 、冷却熱交換器(105)
、及び補助熱交換器(103) の低圧側熱交換部(103b)を
順に接続することにより構成されている。なお、ターボ
圧縮機(1) は実施形態１のターボ圧縮機(1) と同様であ
る。

【００８１】この冷媒回路(100A)には、冷媒として、自
然冷媒である二酸化炭素が充填されている。周知のよう
に、二酸化炭素は塩素原子を含まない冷媒である。ま
た、表２に示すように、二酸化炭素のガス定数はＲ１３
４ａのガス定数よりも大きい。

【００８２】

【表２】

【００８３】そして、この冷媒は、冷媒回路(100A)内を
図６に実線矢印で示すように循環することにより、以下
に説明するいわゆる超臨界サイクルの状態変化を行う。
すなわち、冷媒は、図７に示す状態変化を行う。具体的
には、圧縮機(1) に吸入された状態点７のガス冷媒は、
圧縮機(1) 内の圧力損失によって状態点１にまで減圧さ
れた後、状態点２の超臨界圧まで昇圧される。状態点２
のガス冷媒は、圧縮機(1) から吐出され、加熱熱交換器
(102) で外気または室内空気と熱交換を行い、当該外気
または室内空気を加熱する。その際、この冷媒は冷却さ
れて状態点３のガス冷媒となる。その後、補助熱交換器
(103) の高圧側熱交換部(103a)において、低圧側熱交換
部(103b)を流れる冷温冷媒と熱交換を行い、更に冷却さ
れて状態点４のガス冷媒となる。そして、膨張弁(104)
で減圧され、状態点５の気液二相冷媒となる。この気液
二相冷媒は、冷却熱交換器(105) において室内空気また
は外気と熱交換を行って蒸発し、当該室内空気または外
気を冷却して、状態点６のガス冷媒となる。このガス冷
媒は、補助熱交換器(103) の低圧側熱交換部(103b)にお
いて、高圧側熱交換部(103a)の冷媒と熱交換を行い、加
熱されて状態点７のガス冷媒となる。その後は、再び圧
縮機(1) に吸入され、上記の循環動作を繰り返す。

【００８４】なお、上記状態点１〜７の温度、圧力及び
比エンタルピは、例えば、表３に示すような値をとる。

【００８５】

【表３】

【００８６】上記動作の結果、例えば、室温が２７℃か
つ外気温が３５℃の条件下における冷房運転では、ＣＯ
Ｐ（成績係数）は３．２０であった。一方、室温が２２
℃かつ外気温が７℃の条件下における暖房運転では、Ｃ
ＯＰは４．０８であった。このように、本実施形態の冷
凍装置は、良好な性能を発揮する。

【００８７】−Ｒ２２とＣＯ₂との比較− 次に、上記と同様の条件下における冷房運転及び暖房運
転について、Ｒ２２を使用冷媒として用いた場合とＣＯ
₂を使用冷媒として用いた場合とを比較する。

【００８８】

【表４】

【００８９】表４から明らかなように、ＣＯ₂を用いた
場合の方が、Ｒ２２を用いた場合よりも圧縮比が小さく
なっている。

【００９０】−実施形態３の冷凍装置の効果− 従って、実施形態３の冷凍装置においても、冷媒のガス
定数がＲ１３４ａのガス定数よりも大きいため、羽根車
(6) の周りに衝撃波が発生しにくく、振動も起こりにく
い等の理由から、ターボ圧縮機(1) の総合効率が向上す
る。また、単段の羽根車(6) によって凝縮温度と蒸発温
度との所定の温度差を確保することができるので、ター
ボ圧縮機(1) の構造は簡単になり、コストは低減され、
コンパクトに構成することができる。更に、冷媒は塩素
原子を含んでいない自然冷媒なので、地球環境に悪影響
を及ぼすことがなく、環境規制等に適合した冷凍装置を
実現することができる。

【００９１】そして、実施形態３の冷凍装置では、運転
可能な温度条件が更に拡大する。図８は運転可能な温度
範囲を示す図であり、横軸は蒸発温度Ｔｅを、縦軸は凝
縮温度Ｔｃを示す。通常の冷房運転の運転範囲は、実線
の四辺形で囲まれた範囲(CM)で表され、通常の暖房運転
の運転範囲は、破線の四辺形で囲まれた範囲(HM)で表さ
れている。実施形態２の冷凍装置は、図８の実線(T) よ
りも右下の範囲の運転しか行えないのに対し、本実施形
態の冷凍装置は、上述したように圧縮比が小さいため、
例えば、点Ａの暖房運転を行うことも可能である。従っ
て、実施形態３の冷凍装置によれば、冷房運転のみなら
ず、暖房運転を行うことも可能である。

【００９２】−変形例− 実施形態３の冷凍装置において、冷媒回路(100A)内の冷
媒を、ガス定数がＲ１３４ａよりも大きい他の自然冷媒
に変更してもよい。

【００９３】例えば、エチレン（Ｃ₂Ｈ₄）、エタン（Ｃ
₂Ｈ₆）、プロパン（Ｃ₃Ｈ₈）、シクロプロパン（Ｃ
₃Ｈ₆）、Ｎ−ブタン（Ｃ₄Ｈ₁₀）、またはＮ−ペンタン
（Ｃ₅Ｈ₁₂）のような炭化水素に変更してもよく、ある
いは酸化窒素（Ｎ₂Ｏ）に変更したものであってもよ
い。表２に示すように、上記のいずれの冷媒も、そのガ
ス定数はＲ１３４ａのガス定数よりも大きい。また、こ
れらは塩素を含まない冷媒である。

【００９４】従って、上記のいずれの冷媒を用いても、
上記と同様の効果を得ることができる。

【００９５】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、以下の
ような効果が発揮される。

【００９６】請求項１に記載の発明によれば、冷媒回路
に充填された冷媒の音速が大きくなるため、ターボ圧縮
機の羽根車の外周周速度が大きくなっても回転マッハ数
は大きくならない。そのため、圧縮機の効率は低下しな
い。従って、単段の羽根車のみで、回転数を増加させる
ことにより、圧縮比を増大し、凝縮温度と蒸発温度との
温度差を大きく確保することが可能となる。そして、羽
根車が単段なので構造が簡素化され、部品点数を減少す
ることができ、コンパクトかつ安価に構成することがで
きる。

【００９７】請求項２に記載の発明によれば、配管にお
ける冷媒漏れや、冷凍装置の廃棄処理の際に大気中に放
出された冷媒はオゾン層を破壊しないので、地球環境に
悪影響を及ぼすことがない。従って、環境規制に対応し
た冷凍装置を実現することができる。

【００９８】請求項３、４及び５に記載の発明によれ
ば、具体的な構成により、コンパクトで安価であり、か
つ地球環境に悪影響を与えない冷凍装置を実現すること
ができる。

【００９９】請求項６〜１０に記載の発明によれば、具
体的な構成により、コンパクトで安価であり、かつ地球
環境に悪影響を与えない冷凍装置を実現することができ
る。また、圧縮比を小さくすることができるので、冷房
運転だけでなく暖房運転も可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】冷凍装置のシステム図である。

【図２】冷凍装置の冷媒回路図である。

【図３】ターボ圧縮機の縦断面図である。

【図４】気体軸受けの縦断面図である。

【図５】ターボ圧縮機の縦断面図である。

【図６】冷媒回路図である。

【図７】モリエル線図である。

【図８】運転範囲を示す図である。

【符号の説明】

(1) ターボ圧縮機 (4) インペラ室 (5) モータ室 (6) 羽根車 (11) 駆動軸 (11a) ヘリングボーン溝 (12),(13) 軸受け板 (18a)〜(18c) 動圧気体軸受け (50) 冷凍装置 (51) 室外ユニット (52) 室内ユニット (53) 冷媒配管 (r) 冷媒

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者朴春成大阪府堺市金岡町1304番地ダイキン工業株式会社堺製作所金岡工場内 (72)発明者山路洋行大阪府堺市金岡町1304番地ダイキン工業株式会社堺製作所金岡工場内 (72)発明者福永剛大阪府堺市金岡町1304番地ダイキン工業株式会社堺製作所金岡工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】冷媒(r) を圧縮するターボ圧縮機(1)
と、冷媒(r) を凝縮させる凝縮器(56a) と、冷媒(r) を
膨張させる膨張機構(55)と、冷媒(r) を蒸発させる蒸発
器(56b) とが順に接続されて構成される冷媒回路(5A)を
備えた冷凍装置において、上記ターボ圧縮機(1) は、１つの羽根車(6) を有する単
段型に構成され、上記冷媒(r) は、ガス定数がＲ１３４ａのガス定数より
も大きい冷媒(r) であることを特徴とする冷凍装置。
【請求項２】請求項１に記載の冷凍装置において、冷媒(r) は、塩素原子を含まない冷媒(r) であることを
特徴とする冷凍装置。
【請求項３】請求項２に記載の冷凍装置において、冷媒(r) は、Ｒ３２であることを特徴とする冷凍装置。
【請求項４】請求項２に記載の冷凍装置において、冷媒(r) は、Ｒ４１０ａであることを特徴とする冷凍装
置。
【請求項５】請求項２に記載の冷凍装置において、冷媒(r) は、Ｒ４０７ｃであることを特徴とする冷凍装
置。
【請求項６】請求項２に記載の冷凍装置において、冷媒(r) は、二酸化炭素であることを特徴とする冷凍装
置。
【請求項７】請求項２に記載の冷凍装置において、冷媒(r) は、酸化窒素であることを特徴とする冷凍装
置。
【請求項８】請求項２に記載の冷凍装置において、冷媒(r) は、炭化水素であることを特徴とする冷凍装
置。
【請求項９】請求項８に記載の冷凍装置において、冷媒(r) は、エチレンであることを特徴とする冷凍装
置。
【請求項１０】請求項８に記載の冷凍装置において、冷媒(r) は、エタンであることを特徴とする冷凍装置。