KR20040084978A - 냉매 사이클 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 과제는 가스 쿨러와 보조 열교환기에 있어서의 냉매의 방열 능력을 사용 조건에 따라 저비용이고 최적인 것으로 할 수 있는 냉매 사이클 장치를 제공하는 데 있다.
압축기(10)로부터 토출된 냉매를 일단 방열시킨 후, 상기 압축기(10)로 복귀시키기 위한 보조 냉각 회로로서의 중간 냉각 회로(150)와, 이 중간 냉각 회로(150)의 인터쿨러(151) 및 가스 쿨러(154)에 통풍하기 위한 팬(111)을 설치하여 인터쿨러(151)와 가스 쿨러(154)의 통풍 면적을 대략 동일하게 한다.

Description

냉매 사이클 장치 {REFRIGERANT CYCLE APPARATUS}
본 발명은 압축기, 가스 쿨러, 교축 수단 및 증발기를 차례로 접속하여 구성된 냉매 사이클 장치에 관한 것이다.
종래의 이러한 종류의 냉매 사이클 장치는 로터리 압축기(압축기), 가스 쿨러, 교축 수단(팽창 밸브 등) 및 증발기 등을 차례로 환형으로 배관 접속하여 냉매 사이클(냉매 회로)이 구성되어 있다. 그리고, 로터리 압축기의 회전 압축 요소의 흡입 포트로부터 냉매 가스가 실린더의 저압실측으로 흡입되어 롤러와 베인의 동작에 의해 압축이 행해져 고온 고압의 냉매 가스가 되고, 고압실측으로부터 토출 포트, 토출 소음실을 경유하여 가스 쿨러로 토출된다. 이 가스 쿨러에서 냉매 가스는 방열된 후, 교축 수단으로 교축되어 증발기로 공급된다. 그곳에서 냉매가 증발하고, 그 때에 주위로부터 흡열함으로써 냉각 작용을 발휘하는 것이었다.
여기서, 최근에는 지구 환경 문제에 대처하기 위해, 이러한 종류의 냉매 사이클에 있어서도 종래의 플루오르화 탄소를 사용하지 않고 자연 냉매인 이산화탄소(CO2)를 냉매로서 사용하여 고압측을 초임계 압력으로서 운전하는 냉매 사이클을 이용한 장치가 개발되어 오고 있다.
이와 같은 냉매 사이클 장치에서는, 압축기 내에 액체 냉매가 복귀되어 액체 압축하는 것을 방지하기 위해 증발기의 출구측과 압축기의 흡입측 사이의 저압측에 어큐뮬레이터를 배치하고, 이 어큐뮬레이터에 액체 냉매를 저장하여 가스만을 압축기에 흡입하게 하는 구성으로 되어 있었다. 그리고, 어큐뮬레이터 내의 액체 냉매가 압축기로 복귀되지 않도록 교축 수단을 조정하고 있었다(예를 들어, 특허 문헌 1 참조).
[특허 문헌 1]
일본 특허 공고 평7-18602호 공보
그러나, 냉매 사이클의 저압측에 어큐뮬레이터를 설치하는 것은 그 만큼 많은 냉매 충전량을 필요로 한다. 또한, 액체의 복귀를 방지하기 위해서는 교축 수단의 개방도를 작게 하거나 혹은 어큐뮬레이터의 용량을 확대해야만 해, 냉각 능력의 저하나 설치 공간의 확대를 초래한다. 그래서, 이러한 어큐뮬레이터를 설치하는 일 없이 압축기에 있어서의 액체 압축을 해소하기 위해, 출원인은 종래 도4에 도시하는 냉매 사이클 장치의 개발을 시도하였다.
도4에 있어서, 부호 10은 내부 중간압형 다단(2단) 압축식 로터리 압축기를 나타내고 있고, 밀폐 용기(12) 내의 구동 요소로서의 전동 요소(14)와 이 전동 요소(14)의 회전축(16)에서 구동되는 제1 회전 압축 요소(32) 및 제2 회전 압축 요소(34)를 구비하여 구성되어 있다.
이 경우의 냉매 사이클 장치의 동작을 설명한다. 압축기(10)의 냉매 도입관(94)으로부터 흡입된 저압의 냉매는 제1 회전 압축 요소(32)로 압축되어 중간압이 되고, 밀폐 용기(12) 내로 토출된다. 그 후, 냉매 도입관(92A)으로 들어가 보조 냉각 회로로서의 중간 냉각 회로(150A)로 유입한다. 이 중간 냉각 회로(150A)는 열교환기(154A) 내에 설치된 인터쿨러를 통과하도록 설치되어 있고, 그곳에서 공랭 방식에 의해 방열된다. 여기서 중간압의 냉매는 열교환기(154A)에서 열을 빼앗긴다. 그 후, 냉매 도입관(92B)으로부터 제2 회전 압축 요소(34)로 흡입되어 2단째의 압축이 행해져 고온 고압의 냉매 가스가 되고, 냉매 토출관(96)으로부터 외부로 토출된다.
냉매 토출관(96)으로부터 토출된 냉매 가스는 열교환기(154A) 내에 설치된 가스 쿨러로 유입되어 그곳에서 공랭 방식에 의해 방열된 후, 내부 열교환기(160)를 통과한다. 냉매는 그곳에서 증발기(157)를 나온 저압측의 냉매에 열을 빼앗겨 더욱 냉각된다. 그 후, 냉매는 팽창 밸브(156)에서 감압되고, 그 과정에서 가스/액체 혼합 상태가 되어 다음에 증발기(157)로 유입하여 증발된다. 증발기(157)로부터 나온 냉매는 내부 열교환기(160)를 통과하여 그곳에서 상기 고압측의 냉매로부터 열을 빼앗아 가열된다.
그리고, 내부 열교환기(160)에서 가열된 냉매는 냉매 도입관(94)으로부터 로터리 압축기(10)의 제1 회전 압축 요소(32) 내에 흡입되는 사이클을 반복한다. 이와 같이, 증발기(157)로부터 나온 냉매를 내부 열교환기(160)에 의해 고압측의 냉매로 가열함으로써 과열도를 얻을 수 있게 되고, 저압측에 어큐뮬레이터 등을 설치하는 일 없이 압축기(10)로 액체 냉매가 흡입되는 액체의 복귀를 확실하게 방지하여 압축기(10)가 액체 압축에서 손상을 받는 문제점을 회피할 수 있게 된다.
또한, 제1 회전 압축 요소(32)로 압축된 냉매를 중간 냉각 회로(150A)를 통과시킴으로써 열교환기(154A)의 인터쿨러에서 효과적으로 냉각할 수 있고, 제2 회전 압축 요소(34)의 압축 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
한편, 상기 열교환기(154A)는 상술한 바와 같이 가스 쿨러와 중간 냉각 회로(150A)의 인터쿨러로 구성되어 있다. 여기서, 냉매 사이클 장치에, 예를 들어 마이크로 튜브 열교환기(154A)를 사용한 경우의 구조를 도5를 이용하여 설명한다. 도5에 도시한 바와 같이 열교환기(154A)는 상측에 인터쿨러(151A), 하측에 가스 쿨러(155A)가 배치되어 있다. 인터쿨러(151A)의 입구 헤더(201)에는 압축기(10)의 밀폐 용기(12) 내와 접속된 냉매 도입관(92A)이 접속된다. 헤더(201)는 각 마이크로 튜브(204‥)의 일단부에 접속되어 상기 마이크로 튜브(204‥)에 형성된 복수의 미소 냉매 통로로 냉매를 분류하기 위한 것이다. 상기 마이크로 튜브(204‥)는 대략 역ㄷ자 형상을 나타내고 있고, 이 역ㄷ자 형상의 부분에는 복수의 핀(205‥)이부착되어 있다. 또한, 마이크로 튜브(204‥)의 타단부는 인터쿨러(151A)의 출구 헤더(202)에 접속되어 있고, 각 미소 냉매 통로를 흐른 냉매는 여기서 합류한다. 이 출구 헤더(202)는 압축기(10)의 제2 회전 압축 요소(34)와 접속된 냉매 도입관(92B)과 접속된다.
그리고, 제1 회전 압축 요소(32)로 압축된 냉매가 냉매 도입관(92A)으로부터 열교환기(154A)의 인터쿨러(151A) 입구 헤더(201) 내로 유입하여 분류되어 마이크로 튜브(204‥) 내의 미소 냉매 통로로 들어가고, 그곳을 통과하는 과정에서 팬(211)의 통풍을 받아 냉매가 방열된다. 그 후, 출구 헤더(202)에서 냉매가 합류하고, 열교환기(154A)로부터 나와 냉매 도입관(92B)으로부터 제2 회전 압축 요소(34)로 흡입되는 구성으로 되어 있다.
또한, 가스 쿨러(155A)의 입구 헤더(207)에는 압축기(10)의 냉매 토출관(96)이 접속된다. 헤더(207)는 각 마이크로 튜브(210‥)의 일단부에 접속되어 상기 마이크로 튜브(210) 내에 형성된 미소 냉매 통로로 냉매를 분류하기 위한 것이다. 상기 마이크로 튜브(210‥)는 지그재그형으로 형성되어 있고, 이 지그재그형 부분에는 복수의 핀(205‥)이 부착되어 있다. 또한, 마이크로 튜브(210‥)의 타단부는 가스 쿨러(155A)의 출구 헤더(208)에 접속되어 있고, 마이크로 튜브(210‥) 내의 각 미소 냉매 통로를 흐른 냉매는 여기서 합류한다. 이 출구 헤더(208)는 내부 열교환기(160)를 통과하는 배관과 접속되어 있다.
그리고, 압축기(10)의 제2 회전 압축 요소(34)로부터 토출된 냉매가 냉매 토출관(96)으로부터 열교환기(154A)의 가스 쿨러(155A)의 입구 헤더(207) 내로 유입되고, 분류되어 마이크로 튜브(210‥) 내의 미소 냉매 통로로 들어가고, 그곳을 통과하는 과정에서 팬(211)의 통풍을 받아 냉매가 방열된다. 그 후, 출구 헤더(208)에서 냉매가 합류하여 열교환기(154A)로부터 나와 내부 열교환기(160)를 통과하는 구성으로 되어 있다.
이와 같이, 열교환기(154A)를 가스 쿨러(155A)와 중간 냉각 회로(150A)의 인터쿨러(151A)로 구성함으로써 냉매 사이클 장치의 가스 쿨러(155A)와 인터쿨러(151A)를 따로따로 형성할 필요가 없으므로, 설치 공간의 축소를 도모할 수 있게 된다.
이러한 열교환기(154A)를 구비한 냉매 사이클 장치는 사용 조건에 따라서 열교환기(154A)의 가스 쿨러(155A)와 인터쿨러(151A)의 방열 능력의 비율을 변경할 필요가 있다. 즉, 통상 냉각 장치로서 사용하는 경우에는, 냉매 사이클 내의 냉매 순환량이 많은 경우라도 제2 회전 압축 요소(34)로부터 토출되는 냉매 가스를 효과적으로 냉각하여 증발기(157)에 있어서의 냉각 효율(냉동 효율)의 향상을 도모하는 것이 요구된다. 이로 인해, 가스 쿨러(155A)의 방열 능력이 비교적 높아지도록 설정할 필요가 있다.
한편, 냉매 사이클 장치를 피냉각 공간의 온도가 －30 ℃ 이하가 되는 초저온용 냉각 장치로서 사용하는 경우에는, 팽창 밸브(156)의 유로 저항을 크게 하거나, 중간 냉각 회로(150)에 있어서의 냉매의 방열 능력의 향상을 도모하여 제2 회전 압축 요소(34)로부터 토출되는 냉매 가스의 온도 상승을 최대한 억제함으로써,증발기(157)에 있어서 초저온 영역에서 냉매를 증발시키는 것이 요구된다. 이로 인해, 중간 냉각 회로(150)의 인터쿨러(151A)의 방열 능력이 비교적 높아지도록 설정할 필요가 있다.
그러나, 종래의 열교환기(154A)에서는 열교환기(154A) 내의 가스 쿨러(155A)와 인터쿨러(151A)에 사용하는 마이크로 튜브(204, 210)의 형상이 다르므로, 그 때마다 설계 변경을 행할 필요가 있었다. 그로 인해, 생산 비용이 증대하게 되는 문제가 생기고 있었다.
본 발명은, 이러한 종래의 기술적 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 가스 쿨러와 보조 냉매 회로에 있어서의 냉매의 방열 능력을 저비용이고, 사용 조건에 따라 최적인 것으로 할 수 있는 냉매 사이클 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도1은 본 발명의 냉매 사이클 장치에 사용하는 실시예의 로터리 압축기의 종단면도.
도2는 본 발명의 냉매 사이클 장치의 냉매 회로도.
도3은 마이크로 튜브 열교환기의 사시도.
도4는 종래의 냉매 사이클 장치의 냉매 회로도.
도5는 종래의 마이크로 튜브 열교환기의 사시도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 다단 압축식 로터리 압축기
12 : 밀폐 용기
14 : 전동 요소
32 : 제1 회전 압축 요소
34 : 제2 회전 압축 요소
92A, 92B, 94 : 냉매 도입관
96 : 냉매 토출관
101, 107 : 입구 헤더
102, 108 : 출구 헤더
104, 110 : 마이크로 튜브
105 : 핀
111 : 팬
150 : 중간 냉각 회로
151 : 인터쿨러
154 : 열교환기
155 : 가스 쿨러
156 : 팽창 밸브(교축 수단)
157 : 증발기
160 : 내부 열교환기
즉, 본 발명의 냉매 사이클 장치에서는 압축기로부터 토출된 냉매를 일단 방열시킨 후, 상기 압축기로 복귀시키기 위한 보조 냉각 회로와, 이 보조 냉각 회로 및 가스 쿨러에 통풍하기 위한 팬을 설치하고, 보조 냉각 회로와 가스 쿨러의 통풍 면적을 대략 동일하게 하였으므로, 예를 들어 청구항 2와 같이 팬에 의한 통풍에 대해 가스 쿨러를 보조 냉각 회로의 상류측에 배치하면, 가스 쿨러를 공랭하는 통풍에 의해 효과적으로 냉각할 수 있게 된다.
청구항 3의 발명의 냉매 사이클 장치에서는 청구항 1의 발명에다가, 압축기는 제1 및 제2 압축 요소를 구비하고, 제1 압축 요소로 압축되어 토출된 냉매를 보조 냉각 회로를 경유하여 제2 압축 요소로 흡입시켜 압축하여 가스 쿨러로 토출하는 동시에, 팬에 의한 통풍에 대해 보조 냉각 회로를 가스 쿨러의 상류측에 배치하였으므로, 보조 냉매 회로를 공랭하는 통풍에 의해 효과적으로 냉각할 수 있게 된다.
청구항 4의 발명의 냉매 사이클 장치에서는 상기 각 발명에다가, 보조 냉각 회로 및 가스 쿨러를 마이크로 튜브 열교환기로 구성한 것을 특징으로 한다.
다음에, 도면을 기초로 하여 본 발명의 실시 형태를 상세하게 서술한다. 도1은 본 발명의 냉매 사이클 장치에 사용하는 압축기의 실시예로서, 제1 회전 압축 요소(제1 압축 요소)(32) 및 제2 회전 압축 요소(제2 압축 요소)(34)를 구비한 내부 중간압형 다단(2단) 압축식 로터리 압축기(10)의 종단면도, 도2는 본 발명의 냉매 사이클 장치의 냉매 회로도이다.
각 도면에 있어서, 부호 1O은 이산화탄소(CO2)를 냉매로서 사용하는 내부 중간압형 다단 압축식 로터리 압축기이고, 이 압축기(10)는 강판으로 이루어지는 원통형의 밀폐 용기(12)와, 이 밀폐 용기(12)의 내부 공간 상측에 배치 수납된 구동 요소로서의 전동 요소(14) 및 이 전동 요소(14)의 하측에 배치되어 전동 요소(14)의 회전축(16)에 의해 구동되는 제1 회전 압축 요소(32)(1단째) 및 제2 회전 압축 요소(34)(2단째)로 이루어지는 회전 압축 기구부(18)로 구성되어 있다.
밀폐 용기(12)는 바닥부를 오일 저장소로 하여, 전동 요소(14)와 회전 압축 기구부(18)를 수납하는 용기 본체(12A)와, 이 용기 본체(12A)의 상부 개구를 폐색하는 대략 주발형의 엔드캡(덮개 부재)(12B)으로 구성되고, 또한 이 엔드캡(12B)의 상면 중심에는 원형 부착 구멍(12D)이 형성되어 있고, 이 부착 구멍(12D)에는 전동 요소(14)에 전력을 공급하기 위한 터미널(배선을 생략)(20)이 부착되어 있다.
전동 요소(14)는 소위 자극 집중 권취식의 DC 모터이고, 밀폐 용기(12)의 상부 공간의 내주면에 따라서 환형으로 부착된 고정자(22)와, 이 고정자(22)의 내측에 약간의 간격을 마련하여 삽입 설치된 회전자(24)로 이루어진다. 이 회전자(24)는 중심을 통해 수직 방향으로 연장되는 회전축(16)에 고정되어 있다. 고정자(22)는 도우넛형의 전자 강판을 적층한 적층체(26)와, 이 적층체(26)의 치형부에 직권취(집중 권취) 방식에 의해 권취 장착된 고정자 코일(28)을 갖고 있다. 또한, 회전자(24)는 고정자(22)와 같이 전자 강판의 적층체(30)로 형성되고, 이 적층체(30) 내에 영구 자석(MG)을 삽입하여 형성되어 있다.
상기 제1 회전 압축 요소(32)와 제2 회전 압축 요소(34) 사이에는 중간 구획판(36)이 협지되어 있다. 즉, 제1 회전 압축 요소(32)와 제2 회전 압축 요소(34)는 중간 구획판(36)과, 이 중간 구획판(36)의 상하에 배치된 상부 실린더(38), 하부 실린더(40)와, 이 상하부 실린더(38, 40) 내를 180도의 위상차를 갖고 회전축(16)에 설치된 상하 편심부(42, 44)에 의해 편심 회전되는 상하 롤러(46, 48)와, 이 상하 롤러(46, 48)에 접촉하여 상하 실린더(38, 40) 내를 각각 저압실측과 고압실측으로 구획하는 베인(50, 52)과, 상부 실린더(38)의 상측 개구면 및 하부 실린더(40)의 하측 개구면을 폐색하여 회전축(16)의 베어링을 겸용하는 지지 부재로서의 상부 지지 부재(54) 및 하부 지지 부재(56)로 구성되어 있다.
한편, 상부 지지 부재(54) 및 하부 지지 부재(56)에는 도시하지 않은 흡입 포트에 상하 실린더(38, 40)의 내부와 각각 연통하는 흡입 통로(60)(상측의 흡입 통로는 도시하지 않음)와, 일부를 함몰시켜 이 오목 함몰부를 상부 커버(66), 하부 커버(68)로 폐색함으로써 형성되는 토출 소음실(62, 64)이 설치되어 있다.
또한, 토출 소음실(64)과 밀폐 용기(12) 내는 상하 실린더(38, 40)나 중간 구획판(36)을 관통하는 연통로에 연통되어 있고, 연통로의 상단부에는 중간 토출관(121)이 세워 설치되어 이 중간 토출관(121)으로부터 제1 회전 압축 요소(32)로 압축된 중간압의 냉매 가스가 밀폐 용기(12) 내로 토출된다.
그리고, 냉매로서는 지구 환경에 친화적이고, 가연성 및 독성 등을 고려하여 자연 냉매인 전술한 이산화탄소(CO2)가 사용되고, 윤활유로서의 오일은, 예를 들어 광물 오일(미네랄 오일), 알킬벤젠 오일, 에테르 오일, 에스테르 오일, PAG(폴리알킬렌글리콜) 등 기존의 오일이 사용된다.
밀폐 용기(12)의 용기 본체(12A)의 측면에는 상부 지지 부재(54)와 하부 지지 부재(56)의 흡입 통로(60)(상측은 도시하지 않음), 토출 소음실(62), 상부 커버(66)의 상측[전동 요소(14)의 하단부에 대략 대응하는 위치]에 대응하는 위치에 슬리브(141, 142, 143 및 144)가 각각 용접 고정되어 있다. 그리고, 슬리브(141) 내에는 상부 실린더(38)에 냉매 가스를 도입하기 위한 냉매 도입관(92B)이 삽입 접속되고, 이 냉매 도입관(92B)의 일단부는 상부 실린더(38)의 도시하지 않은 흡입 통로와 연통한다. 이 냉매 도입관(92B)의 타단부는 후술하는보조 냉각 회로로서의 중간 냉각 회로(150)의 인터쿨러(151) 출구에 접속되어 있다. 인터쿨러(151)의 입구에는 냉매 도입관(92A)의 일단부가 접속되어 있고, 이 냉매 도입관(92A)의 타단부는 밀폐 용기(12) 내와 연통한다.
슬리브(142) 내에는 하부 실린더(40)에 냉매 가스를 도입하기 위한 냉매 도입관(94)의 일단부가 삽입 접속되고, 이 냉매 도입관(94)의 일단부는 하부 실린더(40)의 흡입 통로(60)와 연통한다. 또한, 슬리브(143) 내에는 냉매 토출관(96)이 삽입 접속되고, 이 냉매 토출관(96)의 일단부는 토출 소음실(62)과 연통한다.
다음에, 도2에 있어서, 상술한 압축기(10)는 도2에 도시하는 냉매 사이클 장치의 냉매 회로의 일부를 구성한다. 즉, 압축기(10)의 냉매 토출관(96)은 열교환기(154)의 입구에 접속된다.
여기서, 열교환기(154)는 중간 냉각 회로(150)의 인터쿨러(151)와 가스 쿨러(155)로 구성되어 있고, 상기 중간 냉각 회로(150)의 인터쿨러(151)와 가스 쿨러(155)에 통풍하기 위한 팬(111)이 설치되어 있다. 또한, 본 실시예의 열교환기(154)는 마이크로 튜브 열교환기이며, 팬(111)에 의한 통풍에 대해 가스 쿨러(155)를 상기 중간 냉각 회로(150)의 인터쿨러(151)의 상류측에 배치하고 있다.
도3을 이용하여 열교환기(154)에 대해 설명한다. 도3에 도시한 바와 같이, 중간 냉각 회로(150)의 인터쿨러(151)는 입구 헤더(101)와, 출구 헤더(102), 1개의 마이크로 튜브(104) 및 복수의 핀(105)으로 구성되어 있다. 상기 입구 헤더(101)에는 압축기(10)의 밀폐 용기(12) 내와 연통하는 냉매 도입관(92A)의 일단부가 접속되어 있다(도3에서는 도시하지 않음). 헤더(101)는 마이크로 튜브(104)의 일단부와 접속되어 상기 마이크로 튜브(104) 내에 형성된 미소 냉매 통로로 냉매를 분류하기 위한 것이다. 상기 마이크로 튜브(104)는 지그재그형으로 형성되어 있고, 이 지그재그형 부분에는 복수의 핀(105‥)이 부착되어 있다. 또한, 마이크로 튜브(104)의 타단부는 인터쿨러(151)의 출구 헤더(102)에 접속되어 있고, 마이크로 튜브(104) 내의 각 미소 냉매 통로를 흐른 냉매는 여기서 합류된다. 이 출구 헤더(102)는 제2 회전 압축 요소(34)의 흡입 통로와 연통된 냉매 도입관(92B)의 타단부와 접속되어 있다(도3에서는 도시하지 않음).
이와 같이, 마이크로 튜브(104)를 지그재그형으로 형성하고, 이 지그재그형 부분에 복수의 핀(105)을 부착함으로써, 콤팩트하면서 큰 열교환 면적을 확보하여 중간 냉각 회로(150)로 유입한 압축기(10)의 제1 회전 압축 요소(32)로부터의 중간압의 냉매 가스를 인터쿨러(151)에서 효과적으로 냉각할 수 있게 된다.
한편, 가스 쿨러(155)는 입구 헤더(107)와, 출구 헤더(108), 2개의 마이크로 튜브(110‥) 및 핀(105)으로 구성되어 있고, 상기 입구 헤더(107)에는 압축기(10)의 냉매 토출관(96)이 접속되어 있다(도3에서는 도시하지 않음). 헤더(107)는 각 마이크로 튜브(110‥)의 일단부와 접속되고, 각 마이크로 튜브(110‥) 내에 형성된 미소 냉매 통로로 냉매를 분류하기 위한 것이다. 상기 마이크로 튜브(110‥)는 상기 인터쿨러(151)의 마이크로 튜브(104)와 마찬가지로 지그재그형으로 형성되어 있고, 이 지그재그형 부분에는 복수의 핀(105‥)이 부착되어 있다. 여기서, 상기한바와 같이 인터쿨러(151)의 마이크로 튜브(104) 및 이에 부착된 핀(105)과 가스 쿨러(155)의 각각의 마이크로 튜브(110‥) 및 이들에 부착된 핀(105)은 동일한 형상을 나타내고 있다. 즉, 중간 냉각 회로(150)의 인터쿨러(151)와 가스 쿨러(155)의 통풍 면적이 대략 동일하게 되어 있다. 또한, 마이크로 튜브(110‥)의 타단부는 가스 쿨러(155)의 출구 헤더(108)에 접속되어 있고, 마이크로 튜브(110‥) 내의 각 미소 냉매 통로를 흐른 냉매는 여기서 합류된다. 이 출구 헤더(108)는 내부 열교환기(160)를 통과하는 배관과 접속되어 있다.
이와 같이, 마이크로 튜브(110)를 지그재그형으로 형성하고, 이 지그재그형 부분에 복수의 핀(105)을 부착함으로써, 콤팩트하면서 큰 열교환 면적을 확보하여 열교환기(154)로 유입된 압축기(10)의 제2 회전 압축 요소(34)로부터의 고온 고압의 냉매 가스를 가스 쿨러(155)에서 효과적으로 냉각할 수 있게 된다.
또한, 전술한 바와 같이 팬(111)에 의한 통풍에 대해 가스 쿨러(155)를 중간 냉각 회로(150)의 인터쿨러(151)의 상류측이 되도록 배치하였으므로, 가스 쿨러(155)에 있어서의 방열 능력의 향상을 도모할 수 있게 된다.
그리고, 이 열교환기(154)의 가스 쿨러(155)를 나온 배관은 내부 열교환기(160)를 통과한다. 이 내부 열교환기(160)는 열교환기(154)의 가스 쿨러(155)로부터 나온 고압측의 냉매와 증발기(157)로부터 나온 저압측의 냉매를 열교환시키기 위한 것이다.
내부 열교환기(160)를 통과한 배관은 교축 수단으로서의 팽창 밸브(156)에 이른다. 그리고, 팽창 밸브(156)의 출구는 증발기(157)의 입구에 접속되고, 증발기(157)를 나온 배관은 내부 열교환기(160)를 경유하여 냉매 도입관(94)에 접속된다.
또한, 상술한 중간 냉각 회로(150)는 압축기(10)의 제1 회전 압축 요소(32)로부터 토출된 냉매를 일단 방열시킨 후, 압축기(10)의 제2 회전 압축 요소(34)로 복귀시키기 위한 것이고, 상기 중간 냉각 회로(150)는 냉매 도입관(92A) 및 냉매 도입관(92B)과 상기 열교환기(154)의 인터쿨러(151)로 구성되어 있다.
이상의 구성에서 다음에 본 발명의 냉매 사이클 장치의 동작을 설명한다. 터미널(20) 및 도시되지 않은 배선을 거쳐서 압축기(10)의 전동 요소(14)의 고정자 코일(28)로 통전되면, 전동 요소(14)가 기동하여 회전자(24)가 회전한다. 이 회전에 의해 회전축(16)과 일체로 설치된 상하 편심부(42, 44)에 끼워 맞추어진 상하 롤러(46, 48)가 상하 실린더(38, 40) 내를 편심 회전한다.
이에 의해, 냉매 도입관(94) 및 하부 지지 부재(56)에 형성된 흡입 통로(60)를 경유하여 도시하지 않은 흡입 포트로부터 실린더(40)의 저압실측으로 흡입된 저압의 냉매 가스는 롤러(48)와 베인(52)의 동작에 의해 압축되어 중간압이 되고, 하부 실린더(40)의 고압실측으로부터 도시하지 않은 연통로를 경유하여 중간 토출관(121)으로부터 밀폐 용기(12) 내로 토출된다. 이에 의해, 밀폐 용기(12) 내는 중간압이 된다.
그리고, 밀폐 용기(12) 내의 중간압의 냉매 가스는 슬리브(144)로부터 나와 냉매 도입관(92A)으로 들어가 중간 냉각 회로(150)를 통과한다. 그리고, 냉매는 이 중간 냉각 회로(150)가 열교환기(154)의 인터쿨러(151)를 통과하는 과정에서 열교환기(154)의 팬(111)에 의한 통풍에 의해 공랭 방식으로 방열한다. 이와 같이, 제1 회전 압축 요소(32)로 압축된 중간압의 냉매 가스를 중간 냉각 회로(150)를 통과시킴으로써 효과적으로 냉각할 수 있으므로, 밀폐 용기(12) 내의 온도 상승을 억제하여 제2 회전 압축 요소(34)에 있어서의 압축 효율도 향상시킬 수 있게 된다.
그리고, 냉각된 중간압의 냉매 가스는 냉매 도입관(92B)으로부터 상부 지지 부재(54)에 형성된 도시하지 않은 흡입 통로를 경유하여 도시하지 않은 흡입 포트로부터 제2 회전 압축 요소(34)의 상부 실린더(38)의 저압실측으로 흡입되고, 롤러(46)와 베인(50)의 동작에 의해 2단째의 압축이 행해져 고압 고온의 냉매 가스가 되고, 고압실측으로부터 도시하지 않은 토출 포트를 통해 상부 지지 부재(54)에 형성된 토출 소음실(62)을 경유하여 냉매 토출관(96)으로부터 외부로 토출된다. 이 때, 냉매는 적절한 초임계 압력까지 압축되어 있다.
냉매 토출관(96)으로부터 토출된 냉매 가스는 열교환기(154)의 가스 쿨러(155)로 유입하여, 그곳에서 팬(111)에 의해 공랭 방식으로 방열된 후, 열교환기(154)로부터 나와 내부 열교환기(160)를 통과한다. 냉매는 그곳에서 저압측의 냉매에 열을 빼앗겨 더욱 냉각된다. 내부 열교환기(160)에서 냉각된 고압측의 냉매 가스는 팽창 밸브(156)에 이른다. 또한, 팽창 밸브(156)의 입구에서는 냉매 가스는 아직 초임계의 상태이다. 냉매는 팽창 밸브(156)에 있어서의 압력 저하에 의해 기체/액체의 이상 혼합체가 되고, 그 상태에서 증발기(157) 내로 유입한다. 그곳에서 냉매는 증발하여 공기로부터 흡열함으로써 냉각 작용을 발휘한다.
이상과 같이, 제1 회전 압축 요소(32)로 압축된 중간압의 냉매 가스를, 인터쿨러(151)를 구비한 중간 냉각 회로(150)로 흐르게 하여 방열시키고, 밀폐 용기(12) 내의 온도 상승을 억제하는 효과에 의해 제2 회전 압축 요소(34)에 있어서의 압축 효율의 향상을 도모할 수 있게 되고, 게다가 내부 열교환기(160)를 통과시켜 저압측의 냉매 가스와 열교환시킴으로써 증발기(157)에 있어서의 냉각 능력(냉동 능력)의 향상을 도모할 수 있게 된다.
또한, 열교환기(154)의 팬(111)에 의한 통풍에 대해 가스 쿨러(155)를 중간 냉각 회로(150)의 인터쿨러(151)의 상류측에 배치함으로써, 가스 쿨러(155) 내를 흐르는 제2 회전 압축 요소(34)로부터 토출된 고온 고압의 냉매를 효과적으로 냉각할 수 있다.
이에 의해, 가스 쿨러(155)에 있어서의 냉매의 방열 능력을 향상시킬 수 있게 된다. 특히, 냉매 사이클 내의 냉매 순환량이 많은 경우라도 압축기(10)로부터 토출된 고온 고압의 냉매를 충분히 냉각할 수 있으므로, 증발기(157)에 있어서의 냉각 효율의 향상을 도모할 수 있게 된다.
그 후, 냉매는 증발기(157)로부터 유출되어 내부 열교환기(160)를 통과한다. 그래서 상기 고압측의 냉매로부터 열을 빼앗아 가열 작용을 받는다. 이와 같이, 증발기(157)에서 증발하여 저온이 되고, 증발기(157)를 나온 냉매는 완전히 기체의 상태가 아닌 액체가 혼재된 상태가 되는 경우도 있지만, 내부 열교환기(160)를 통과시켜 고압측의 냉매와 열교환시킴으로써 냉매는 과열도를 취할 수 있어 완전히 기체가 된다. 이에 의해, 저압측에 어큐뮬레이터를 설치하는 일 없이, 압축기(10)에 액체 냉매가 흡입되는 액체의 복귀를 확실하게 방지하여 압축기(10)가 액체 압축으로 손상을 받는 문제점을 회피할 수 있게 된다.
또한, 내부 열교환기(160)에서 가열된 냉매는 냉매 도입관(94)으로부터 압축기(10)의 제1 회전 압축 요소(32) 내에 흡입되는 사이클을 반복한다.
이와 같이, 중간 냉각 회로(150)의 인터쿨러(151)와 가스 쿨러(155)의 통풍 면적을 대략 동일하게 함으로써, 일형상의 마이크로 튜브를 생산하는 것만으로 양방에 이용할 수 있으므로 생산 비용을 삭감할 수 있게 된다.
또한, 상기 실시예와 같이, 팬(111)에 의한 통풍에 대해 가스 쿨러(155)를 상기 중간 냉각 회로(150)의 인터쿨러(151)의 상류측에 배치하면, 가스 쿨러(155)내를 흐르는 제2 회전 압축 요소(34)로부터 토출된 고온 고압의 냉매를 효과적으로 냉각할 수 있다.
이에 의해, 냉매 사이클 내의 냉매 순환량이 많은 경우라도 압축기(10)로부터 토출된 고온 고압의 냉매를 충분히 냉각할 수 있으므로, 증발기(157)에 있어서의 냉각 효율(냉동 효율)의 향상을 도모할 수 있게 된다.
한편, 팬(111)에 의한 통풍에 대해 상기 중간 냉각 회로(150)의 인터쿨러(151)를 가스 쿨러(155)의 상류측에 배치하면, 인터쿨러(151) 내를 흐르는 제1 회전 압축 요소(32)로부터 토출된 중간압의 냉매를 효과적으로 냉각할 수 있다.
이에 의해, 인터쿨러(151)에 있어서의 냉매의 방열 능력을 향상시킬 수 있게 된다. 특히, 냉매 사이클 장치를 냉동기(freezer) 등의 초저온용 냉각 장치로서 사용하는 경우에는, 팽창 밸브(156)의 유로 저항을 크게 하여 증발기(157)에 있어서 냉매가 보다 저온 영역에서 증발하도록 하거나, 증발기(157)로 유입되는 냉매의 온도를 낮게 할 필요가 있다.
이 때, 중간 냉각 회로(150)에 의해 제2 회전 압축 요소(34)에 흡입되는 냉매를 냉각함으로써 압축기(10)의 운전 성능이 향상되고, 또한 제2 회전 압축 요소(34)로부터 토출되는 냉매의 온도 상승을 효과적으로 억제할 수 있으므로, 증발기(157)에 있어서 －30 ℃ 이하의 초저온 영역에서 냉매를 증발시킬 수 있게 되어 상기 냉매 사이클 장치의 성능 향상을 도모할 수 있게 된다.
이들에 의해, 냉매 사이클 장치의 열교환기(154)의 가스 쿨러(155)와 중간 냉각 회로(150)의 인터쿨러(151)의 방열 능력을 사용 조건에 따라 최적인 것으로 용이하게 할 수 있게 된다.
따라서, 냉매 사이클 장치의 생산 비용을 현저하게 저감시킬 수 있게 된다. 또한, 냉매 사이클 장치의 범용성을 높일 수 있게 된다.
또한, 본 실시예에서는 열교환기로서 마이크로 튜브 열교환기(154)를 사용하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 가스 쿨러와 중간 냉각 회로의 인터쿨러로 구성되는 열교환기이면 다른 열교환기라도 유효하다.
또한, 본 실시예에서는 이산화탄소를 냉매로서 사용하였지만, 냉매는 그에 한정되는 것은 아니고, 탄화수소계의 냉매나 아산화질소 등 다양한 냉매가 적용 가능하다.
또한, 본 실시예에서는 압축기(10)는 내부 중간압형의 다단(2단) 압축식 로터리 압축기를 이용하여 설명하였지만, 본 발명에 사용 가능한 압축기는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구항 1, 청구항 2 또는 청구항 4의 발명에서는 단일단의 압축기라도 상관없다. 단, 이 경우에는 보조 냉각 회로는 디슈퍼히터(desuperheater)로서 사용되는 것이다.
또한, 청구항 3의 발명에서는, 압축기는 2단 이상의 압축 요소를 구비한 다단 압축식 압축기이면 상관없다.
이상 상세하게 서술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 압축기로부터 토출된 냉매를 일단 방열시킨 후, 상기 압축기로 복귀시키기 위한 보조 냉각 회로와, 이 보조 냉각 회로 및 가스 쿨러에 통풍하기 위한 팬을 설치하여 보조 냉각 회로와 가스 쿨러의 통풍 면적을 대략 동일하게 하였으므로, 예를 들어 청구항 2와 같이 팬에 의한 통풍에 대해 가스 쿨러를 보조 냉각 회로의 상류측에 배치하면, 가스 쿨러를 공랭하는 통풍에 의해 효과적으로 냉각할 수 있게 된다.
이에 의해, 냉매 사이클 내의 냉매 순환량이 많은 경우라도 압축기로부터 토출된 고온 고압의 냉매를 충분히 냉각할 수 있으므로, 증발기에 있어서의 냉각 효율의 향상을 도모할 수 있게 된다.
청구항 3의 발명의 냉매 사이클 장치에서는 상기 각 발명에다가, 압축기는 제1 및 제2 압축 요소를 구비하고, 제1 압축 요소로 압축되어 토출된 냉매를 보조 냉각 회로를 경유하여 제2 압축 요소로 흡입시켜 압축하여 가스 쿨러로 토출하는 동시에, 팬에 의한 통풍에 대해 보조 냉각 회로를 가스 쿨러의 상류측에 배치하였으므로, 보조 냉매 회로를 공랭하는 통풍에 의해 효과적으로 냉각할 수 있게 된다.
이에 의해, 냉매 사이클 장치를 냉동기 등의 초저온용 냉각 장치로서 사용하는 경우에도, 보조 냉각 회로에 의해 제2 압축 요소로 흡입되는 냉매를 냉각함으로써 압축기의 운전 성능이 향상되고, 또한 제2 압축 요소로부터 토출되는 냉매의 온도 상승을 효과적으로 억제할 수 있으므로, 증발기에 있어서 －30 ℃ 이하의 초저온 영역에서 냉매를 증발시킬 수 있게 되어 상기 냉매 사이클 장치의 성능 향상을 도모할 수 있게 된다.
이들에 의해, 냉매 사이클 장치의 열교환기의 가스 쿨러와 보조 냉각 회로의 방열 능력을 사용 조건에 따라 저비용이고 최적인 것으로 용이하게 할 수 있게 된다.
청구항 4의 발명의 냉매 사이클 장치에서는 상기 각 발명에다가, 보조 냉각 회로 및 가스 쿨러를 마이크로 튜브 열교환기로 구성하였으므로, 보조 냉각 회로 및 가스 쿨러의 소형화를 도모하면서 방열 능력의 개선을 도모할 수 있게 된다.

Claims (4)

  1. 압축기, 가스 쿨러, 교축 수단 및 증발기를 차례로 접속하여 구성된 냉매 사이클 장치이며,
    상기 압축기로부터 토출된 냉매를 일단 방열시킨 후, 상기 압축기로 복귀시키기 위한 보조 냉각 회로와, 상기 보조 냉각 회로 및 상기 가스 쿨러에 통풍하기 위한 팬을 설치하고,
    상기 보조 냉각 회로와 상기 가스 쿨러의 통풍 면적을 대략 일정하게 한 것을 특징으로 하는 냉매 사이클 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 팬에 의한 통풍에 대해 상기 가스 쿨러를 상기 보조 냉각 회로의 상류측에 배치한 것을 특징으로 하는 냉매 사이클 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 압축기는 제1 및 제2 압축 요소를 구비하고, 상기 제1 압축 요소로 압축되어 토출된 냉매를 상기 보조 냉각 회로를 경유하여 상기 제2 압축 요소로 흡입시켜 압축하여 상기 가스 쿨러로 토출하는 동시에,
    상기 팬에 의한 통풍에 대해 상기 보조 냉각 회로를 상기 가스 쿨러의 상류측에 배치한 것을 특징으로 하는 냉매 사이클 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보조 냉각 회로 및 상기 가스 쿨러를 마이크로 튜브 열교환기로 구성한 것을 특징으로 하는 냉매 사이클 장치.
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