KR20060041722A - 냉매 사이클 장치 - Google Patents

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KR20060041722A
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refrigerant
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flow path
heat exchanger
evaporator
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KR1020050010472A
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켄조 마츠모토
하루히사 야마사키
마사지 야마나카
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산요덴키가부시키가이샤
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Abstract

고압측이 초임계 압력으로 되는 천임계의 냉매 사이클 장치에 있어서, 저압측에 어큐뮬레이터를 설치하는 일 없이, 압축기의 액압축에 의한 손상의 발생을 방지하는 것을 목적으로 한다. 압축기와, 가스 쿨러와, 감압 장치와, 증발기 등을 환상으로 접속하여 이루어지고, 이산화탄소를 냉매로서 사용하며, 고압측이 초임계 압력이 될 수 있는 천임계의 냉매 사이클 장치로서: 가스 쿨러로부터 나온 냉매와 증발기로부터 나온 냉매를 열교환시키는 내부 열교환기를 포함한다. 이 내부 열교환기는, 가스 쿨러로부터의 냉매가 흐르는 고압측 유로와, 이 고압측 유로와 열교환 가능한 방식으로 설치되며 증발기로부터의 냉매가 흐르는 저압측 유로를 포함하며, 고압측 유로에는 냉매를 아래로부터 위로 흐르게 하고, 저압측 유로에는 냉매를 위로부터 아래로 흐르게 하는 것을 요지로 한다.

Description

냉매 사이클 장치 {REFRIGERANT CYCLE APPARATUS}
도 1은 본 발명의 일 실시예의 천임계 냉매 사이클 장치의 냉매 회로도이다(실시예 1).
도 2는 도 1의 내부 열교환기의 내부 구성도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예의 냉매 사이클 장치의 냉매 회로도이다(실시예 2).
도 4는 도 3의 냉매 사이클 장치의 p-h 선도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예의 냉매 사이클 장치의 냉매 회로도이다(실시예 3).
도 6은 도 5의 냉매 사이클 장치의 p-h 선도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1, 100 : 냉매 사이클 장치 10, 110 : 냉매 회로
11, 111 : 압축기 11A, 111A : 밀폐 용기
12 : 가스 쿨러 14 : 캐필러리 튜브
15 : 증발기 22 : 팬
24, 124 : 전동 요소 30, 32 : 냉매 도입관
34 : 냉매 토출관 36, 37, 38 : 냉매 배관
45 : 내부 열교환기 50 : 제1의 회전 압축 요소
52 : 제2의 회전 압축 요소 60 : 내관
62 : 외관 63 : 단열재
64 : 고압측 유로 64A, 66A : 입구
64B, 66B : 출구 66 : 저압측 유로
130 : 압축 요소 150 : 중간 냉각 회로
152 : 열교환기
본 발명은 압축기, 가스 쿨러, 감압 장치, 증발기 등을 환상으로 접속하여 이루어지고, 이산화탄소를 냉매로서 사용하며, 고압측이 초임계 압력으로 될 수 있는 냉매 사이클 장치에 관한 것이다.
종래의 이러한 종류의 냉매 사이클 장치는, 로터리 컴프레서(압축기), 가스 쿨러, 감압 장치(팽창 밸브나 캐필러리 튜브 등) 및 증발기 등을 순차적으로 환상으로 배관 접속하여 냉매 사이클(냉매 회로)이 구성되어 있다. 그리고, 로터리 컴프레서의 회전 압축 요소의 흡입 포트로부터 냉매 가스가 실린더의 저압실측에 흡입되고, 롤러와 베인의 동작에 의해 압축이 행해져서 고온 고압의 냉매 가스로 되어, 고압실측으로부터 토출 포트, 토출 소음실을 거쳐서 가스 쿨러에 토출된다. 이 가스 쿨러에서 냉매 가스는 방열한 후, 스로틀 수단에 의해 스로틀되어 증발기에 공급된다. 그곳에서 냉매는 증발하며, 이 때 주위로부터 흡열함으로써 냉각 작용을 발휘하는 것이었다.
여기서, 근래에는 지구 환경 문제에 대처하기 위해, 이러한 종류의 냉매 사이클에 있어서도, 종래의 프레온을 사용하지 않고 자연 냉매인 이산화탄소(CO2)를 냉매로서 사용하며, 고압측을 초임계 압력으로서 운전하는 천임계(遷臨界) 냉매 사이클을 사용한 장치가 개발되고 있다.
이러한 천임계 냉매 사이클 장치에서는, 컴프레서 내에 액냉매가 되돌아와서 액압축하는 것을 방지 위해, 증발기의 출구측과 컴프레서의 흡입측 사이의 저압측에 어큐뮬레이터를 설치하고, 이 어큐뮬레이터에 액냉매를 축적하여 가스만을 컴프레서에 흡입시키는 구성으로 되어 있다. 그리고, 어큐뮬레이터 내의 액냉매가 컴프레서로 되돌아오지 않도록 감압 장치를 조정하고 있다(예를 들면, 일본특허 특공평 7-18602호 공보 참조).
그렇지만, 냉매 사이클의 저압측에 어큐뮬레이터를 설치하는 것은, 그 만큼 많은 냉매 충전량을 필요로 한다. 또, 액백을 방지하기 위해서는 어큐뮬레이터의 용량을 확대하고 감압 장치의 스로틀 조정을 행하지 않으면 안되며, 설치 공간의 확대나 증발기(15)에 있어서의 냉동 능력의 저하를 초래하였다.
또, 이러한 냉매 사이클 장치의 냉매로서 이산화탄소를 사용하는 경우, 압축비가 매우 높게 되는 관계상, 외기 온도가 높을 때 등에는 냉동 능력을 이끌어 내 는 것이 곤란하였다.
이러한 종래 기술의 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 고압측이 초임계 압력으로 되는 천임계의 냉매 사이클 장치에 있어서, 저압측에 어큐뮬레이터를 설치하는 일 없이, 압축기가 액압축에 손상되는 것을 방지하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 냉매 사이클 장치는, 압축기, 가스 쿨러, 감압 장치, 증발기 등을 환상으로 접속하여 이루어지고, 이산화탄소를 냉매로서 사용하며, 고압측이 초임계 압력으로 될 수 있는 천임계의 냉매 사이클 장치로서, 가스 쿨러로부터 나온 냉매와 증발기로부터 나온 냉매를 열교환시키는 내부 열교환기를 포함하며, 이 내부 열교환기는, 가스 쿨러로부터의 냉매가 흐르는 고압측 유로와, 이 고압측 유로와 열교환 가능한 방식으로 설치되며 증발기로부터의 냉매가 흐르는 저압측 유로를 포함하고, 고압측 유로에는 냉매를 아래로부터 위로 흐르게 하고, 저압측 유로에는 냉매를 위로부터 아래로 흐르게 한다.
또, 본 발명의 냉매 사이클 장치에서는, 상기 발명에 있어서의 내부 열교환기는 내관과 외관으로 이루어지는 이중관을 포함하며, 내관 내에 고압측 유로를 설치하고, 내관과 외관의 사이에 저압측 유로를 설치한 것이다.
또, 본 발명의 냉매 사이클 장치에서는, 상기 발명에 있어서의 내부 열교환기는, 내부에 2계통의 유로가 구성된 적층판을 포함하며, 한쪽의 유로를 고압측 유로로 하고, 다른 쪽의 유로를 저압측 유로로 한 것이다.
본 발명에서는, 상기 장치가 가스 쿨러로부터 나온 냉매와 증발기로부터 나 온 냉매를 열교환시키는 내부 열교환기를 포함하고, 이 내부 열교환기는, 가스 쿨러로부터의 냉매가 흐르는 고압측 유로와, 이 고압측 유로와 열교환 가능한 설치되며 증발기로부터의 냉매가 흐르는 저압측 유로를 포함하므로, 내부 열교환기에 의해 가스 쿨러로부터 감압 장치에 들어가는 냉매의 온도를 낮춰서, 증발기에 있어서의 엔트로피 차를 확대하여 냉동 능력을 향상시킬 수 있다.
특히, 고압측 유로에는 냉매를 아래로부터 위로 흐르게 하고, 저압측 유로에는 냉매를 위로부터 아래로 흐르게 하였으므로, 고압이 초임계 압력보다 저하된 경우에는, 내부 열변환기의 고압측 유로에 잉여 냉매를 축적시키는 것이 가능해지며, 외기 온도가 낮을 때 등에 저압측에 유입되는 잉여 냉매를 저감시켜서 압축기의 파손 등의 문제를 미연에 회피할 수 있게 된다.
또, 이중관에 의해 내부 열교환기를 구성하거나, 또는 적층식의 내부 열교환기로 구성함으로써, 가스 쿨러로부터의 냉매와 증발기로부터의 냉매 사이의 열교환을 원활히 행하게 하며, 또한 외기 온도가 낮을 때 등에 있어서 고압측 유로에 냉매의 축적도 아무 지장 없이 행할 수 있게 된다.
또, 본 발명은 이러한 종래의 기술적 과제를 해결하기 위해, 냉매 사이클 장치에 있어서, 증발기에 있어서의 냉동 능력의 향상을 도모하는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 발명의 냉매 사이클 장치는 압축기, 가스 쿨러, 감압 장치, 증발기 등을 환상으로 접속하여 이루어지고, 이산화탄소를 냉매로서 사용하며, 고압측이 초임계 압력으로 되는 것으로서, 상기 냉매 사이클 장치는 가스 쿨러로부터 나온 냉매와 증발기로부터 나온 냉매를 열교환시키는 내부 열교환기를 포함하며, 사이클 중의 저압부 용적의 비율을 전체 용적의 30% 이상 50% 이하로 하고, 또한 내부 열교환기에 있어서의 저압부 용적의 비율을, 사이클 중의 저압부 전체의 용적에 대하여 5% 이상 30% 이하로 한 것이다.
또, 본 발명의 냉매 사이클 장치에서는, 상기 발명에 있어서의 압축기는 밀폐 용기 내에 설치된 제1 및 제2의 압축 요소를 포함하고, 제1의 압축 요소로 압축되어 밀폐 용기 안으로 토출된 중간 압력의 냉매를 제2의 압축 요소에 의해 압축하여 토출하며, 사이클 중의 중간 압력부 용적의 비율을 전체 용적의 20% 이상 50% 이하로 한 것이다.
또, 본 발명의 냉매 사이클 장치에서는, 상기 발명에 있어서 제1의 압축 요소로부터 밀폐 용기 안으로 토출된 중간압의 냉매를 냉각한 후, 제2의 압축 요소에 흡입시키기 위한 중간 냉각 회로를 구비하는 것이다.
본 발명에서는, 액냉매를 증발기에서 완전히 증발시키지 않고 전열성(heat transfer property)이 좋은 액체/기체의 혼상류(混相流)의 형태로 증발기로부터 내부 열교환기로 되돌릴 수 있게 되며, 전열 특성의 향상과 냉매의 잠열(潛熱)·현열(顯熱)의 효과적인 이용에 의해 가스 쿨러로부터 감압 장치에 들어가는 고압측의 냉매의 온도를 효과적으로 낮춰서, 증발기에 있어서의 엔탈피 차를 극대화함으로써 냉동 능력의 향상을 도모할 수 있게 된다.
특히, 내부 중간압형의 2단 압축식의 압축기를 사용하는 경우에는, 예를 들면 중간 냉각 회로를 포함하는 사이클 중의 중간 압력부 용적의 비율을, 전체 용적 의 20% 이상 50% 이하로 함으로써, 상기 효과를 최대한으로 발휘시킬 수 있게 된다.
<바람직한 실시예의 상세한 설명>
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태를 상세히 기술한다.
(실시예 1)
도 1은 본 발명의 일 실시예의 천임계 냉매 사이클 장치의 냉매 회로도이다. 또한, 본 발명의 천임계 냉매 사이클 장치는 자동 판매기, 공기 조화기, 냉장고 또는 쇼케이스 등에 사용되는 것이다.
도 1에 있어서, 참조번호 10은 천임계 냉매 사이클 장치(1)의 냉매 회로이며, 압축기(11), 가스쿨러(12), 감압 장치로서의 캐필러리 튜브(14), 증발기(15) 등을 환상으로 접속함으로써 구성되어 있다.
즉, 압축기(11)의 냉매 토출관(34)은 가스 쿨러(12)의 입구에 접속되어 있다. 여기서, 실시예의 압축기(11)는 내부 중간압형 2단 압축식의 로터리 컴프레서이며, 밀폐 용기(11A) 내에 구동 요소로서의 전동 요소(24)와 이 전동 요소(24)에 의해 구동되는 제1 및 제2의 회전 압축 요소(50, 52)로 구성되어 있다.
도면에서 참조번호 30은 압축기(11)의 제1의 회전 압축 요소(50)에 냉매를 도입하기 위한 냉매 도입관이며, 이 냉매 도입관(30)의 일단은 제1의 회전 압축 요소(50)의 도시하지 않은 실린더와 연통되어 있다. 이 냉매 도입관(30)의 타단은 후술하는 내부 열교환기(45)의 저압측 유로(66)의 출구(66B)에 접속되어 있다.
도면에서 참조번호 32는 제1의 회전 압축 요소(50)로 압축된 냉매를 제2의 회전 압축 요소(52)에 도입하기 위한 냉매 도입관이다. 이 냉매 도입관(32)은, 압축기(11)의 외부의 중간 냉각 회로(150)를 통과하도록 설치되어 있다. 이 중간 냉각 회로(150)에는, 제1의 회전 압축 요소(50)로 압축된 냉매를 냉각하기 위한 열교환기(152)가 설치되어 있고, 제1의 회전 압축 요소(50)로 압축된 중간압의 냉매는, 열교환기(152)에 의해 냉각된 후, 제2의 회전 압축 요소(52)에 흡입되는 구성으로 되어 있다. 또, 이 열교환기(152)는 가스 쿨러(12)와 일체로 형성되어 있고, 열교환기(152)와 가스 쿨러(12)의 근방에는, 해당 열교환기(152) 및 가스 쿨러(12)에 통풍하여 냉매를 방열시키기 위한 팬(22)이 설치되어 있다. 또한, 상기 냉매 토출관(34)은 제2의 회전 압축 요소(52)로 압축된 냉매를 가스 쿨러(12)에 토출시키기 위한 냉매 배관이다.
한편, 가스 쿨러(12)의 출구측에 접속된 냉매 배관(36)은 상기 내부 열교환기(45)의 고압측 유로(64)의 입구(64A)에 접속되어 있다.
전술하는 내부 열교환기(45)는, 가스 쿨러(12)로부터 나온 고압측의 냉매와 증발기(15)로부터 나온 저압측의 냉매를 열교환시키기 위한 것이다. 이 내부 열교환기(45)는, 도 2에 나타내는 바와 같이 내관(60)과 외관(62)으로 이루어지는 이중관에 의해 구성되며, 외관(62)의 외주는 단열재(63)에 의해 덮여 있다. 그리고, 내관(60) 내에는 가스 쿨러로부터의 냉매가 흐르는 고압측 유로(64)가 형성되고, 내관(60)과 외관(62)의 사이에는 증발기(15)로부터의 냉매가 흐르는 저압측 유로(66)가 형성되며, 고압측 유로(64)와 저압측 유로(66)는 열교환 가능한 방식으로 배치되어 있다.
또, 고압측 유로(64)에는 냉매를 아래로부터 위로 흐르게 하도록, 입구(64A)가 하부측에 형성되고 출구(64B)가 상부측에 형성되어 있다. 즉, 가스 쿨러(12)로부터의 고압측 냉매는, 하부측의 입구(64A)로부터 고압측 유로(64)에 들어가서, 상부측의 출구(64B)로부터 고압측 유로(64)를 나오는 것으로 되어 있다.
한편, 저압측 유로(66)에는 냉매를 위로부터 아래로 흐르게 하도록, 입구(66A)가 상단에 형성되고 출구(66B)가 하단에 형성되어 있다. 즉, 증발기(15)로부터의 저압측 냉매는, 상단의 입구(66A)로부터 저압측 유로(66)에 들어가서, 하단의 출구(66B)로부터 저압측 유로(66)를 나오는 것으로 되어 있다.
이것에 의해, 고압측 유로(64)와 저압측 유로(66)를 흐르는 냉매는 대향(對向) 흐름으로 되므로, 이 내부 열교환기(45)에 있어서의 열교환 능력이 향상된다.
또한, 고압측 유로(64)에는 냉매를 아래로부터 위로 흐르게 하고, 저압측 유로(66)에는 냉매를 위로부터 아래로 흐르도록 한 것으로, 고압이 초임계 압력보다 저하된 경우에는, 잉여 냉매를 내부 열교환기(45)의 고압측 유로(64)에 축적할 수 있게 된다. 이것에 의해, 외기 온도가 낮을 때 등에 저압측에 흘러드는 잉여 냉매를 저감시켜서, 압축기(11)의 파손 등의 문제를 미연에 회피할 수 있게 된다.
다른 한편, 내부 열교환기(45)의 고압측 유로(64)의 출구(64B)에 접속된 배관은, 캐필러리 튜브(14)를 거쳐 증발기(15)에 접속되어 있다. 그리고, 증발기(15)를 나온 배관은 내부 열교환기(45)의 저압측 유로(66)의 입구(66A)에 접속되어 있다.
또한, 천임계 냉매 사이클 장치(1)의 냉매로서는 지구 환경에 친화적이고, 가연성 및 독성 등을 고려하여 자연 냉매인 이산화탄소(CO2)가 사용되고, 해당 천임계 냉매 사이클 장치(1)의 냉매 회로(10)의 고압측은 초임계 압력으로 된다.
다음에, 상기와 같이 구성된 본 실시예의 천임계 냉매 사이클 장치(1)의 동작을 설명한다. 압축기(11)의 전동 요소(24)가 기동되면, 저압의 냉매 가스가 압축기(11)의 제1의 회전 압축 요소(50)에 흡입되어 압축되고 중간압으로 되어, 밀폐 용기(11A) 안으로 토출된다. 밀폐 용기(11A) 안으로 토출된 냉매는, 냉매 도입관(32)으로부터 일단 밀폐 용기(11A)의 외부에 토출되며, 중간 냉각 회로(150)에 들어가서 열교환기(152)를 통과한다. 그리고 나서, 냉매는 팬(22)에 의한 통풍을 받아 방열한다.
이와 같이, 제1의 회전 압축 요소(50)로 압축된 냉매를 열교환기(152)에 의해 냉각한 후, 제2의 회전 압축 요소(52)에 흡입시키는 것으로, 압축기(11)의 제2의 회전 압축 요소(52)로부터 토출되는 냉매 가스의 온도를 저하할 수 있다.
그 후, 냉매는 제2의 회전 압축 요소(52)에 흡입되어 압축되고 고온 고압의 냉매 가스로 되어, 냉매 토출관(34)으로부터 압축기(11)의 외부로 토출된다. 이 때, 냉매는 적절한 초임계 압력까지 압축되어 있다.
냉매 토출관(34)으로부터 토출된 냉매는 가스 쿨러(12)에 유입하며, 그곳에서 팬(22)에 의한 통풍을 받아서 방열한 후, 내부 열교환기(45)의 고압측 유로(64)의 입구(64A)로부터 내관(60) 내에 형성된 고압측 유로(64)에 유입된다. 그리고, 고압측 유로(64)에 들어간 냉매는 고압측 유로(64) 내를 아래로부터 위로 향하여 흐른다. 여기서, 전술한 바와 같이 고압측 유로(64)와 저압측 유로(66)는 열교환 가능한 방식으로 설치되어 있기 때문에, 고압측 유로(64)를 흐르는 가스 쿨러(12)로부터의 냉매는 저압측 유로(66)를 흐르는 증발기(15)로부터의 냉매에 열을 빼앗겨서 냉각된다.
이것에 의해, 가스 쿨러(12)로부터 캐필러리 튜브(14)에 들어가는 냉매의 온도를 저하할 수 있으므로, 증발기(15)에 있어서의 엔트로피 차를 확대할 수 있게 된다. 따라서, 증발기(15)에 있어서의 냉동 능력을 향상시킬 수 있게 된다.
한편, 내부 열교환기(45)에서 냉각되어 출구(64B)로부터 나온 고압측의 냉매는 캐필러리 튜브(14)에 이른다. 또한, 캐필러리 튜브(14)의 입구에서 냉매 가스는 여전히 기체 상태이다. 냉매는 캐필러리 튜브(14)에 있어서의 압력 저하에 의해, 기체/액체의 2상 혼합체로 되며, 그 상태로 증발기(15) 내에 유입된다. 그곳에서 냉매는 증발하며, 공기로부터 흡열함으로써 냉각 작용을 발휘한다.
이 때, 전술한 바와 같이 중간 냉각 회로(150)에 의해 중간압의 냉매를 냉각하는 효과와, 내부 열교환기(45)에 의해 냉매를 냉각하여 증발기(15)에 있어서의 엔트로피 차를 확대시키는 효과에 의해, 증발기(15)에 있어서의 냉동 능력의 향상을 도모할 수 있게 된다.
그 후, 냉매는 증발기(15)로부터 유출되며 내부 열교환기(45)의 내관(60)과 외관(62) 사이의 저압측 유로(66)에 입구(66A)로부터 들어간다. 그리고, 저압측 유로(66)에 들어간 냉매는 내관(60)과 외관(62) 사이의 저압측 유로(66)를 위로부터 아래로 향하여 흐른다. 여기서, 증발기(15)에서 증발하여 저온으로 되어 증발기 (15)를 나온 냉매는, 완전히 기체 상태가 아니고 액체가 혼재한 상태로 되는 경우도 있으나, 내부 열교환기(45)의 저압측 유로(66)를 통과시켜서, 상기 고압측 유로(64)를 흐르는 냉매와 열교환시키는 것으로, 냉매가 가열되며, 이 시점에서 냉매의 과열도가 확보되어 완전히 기체 상태로 된다.
이것에 의해, 압축기(11)에 액냉매가 흡입되어, 압축기(11)가 파손하는 등의 문제를 미연에 회피할 수 있게 된다.
또한, 내부 열교환기(45)에 의해 가열된 냉매는, 냉매 도입관(30)으로부터 압축기(11)의 제1의 회전 압축 요소(52) 내에 흡입되는 사이클을 반복한다.
이와 같이, 가스 쿨러(12)로부터의 냉매가 흐르는 고압측 유로(64)와, 이 고압측 유로(64)와 열교환 가능한 방식으로 설치되며 증발기(15)로부터의 냉매가 흐르는 저압측 유로(66)를 갖는 내부 열교환기(45)를 설치하는 것으로, 가스 쿨러(12)로부터 캐필러리 튜브(14)에 들어가는 냉매의 온도를 저하하여 증발기(15)에 있어서의 엔트로피 차를 확대함으로써 냉동 능력을 향상시킬 수 있게 된다.
특히, 고압측 유로(64)에는 냉매를 아래로부터 위로 흐르게 하고, 저압측 유로(66)에는 냉매를 위로부터 아래로 흐르도록 했으므로, 고압이 초임계 압력보다 저하된 경우에는, 잉여 냉매를 내부 열교환기(45)의 고압측 유로(64)에 축적하는 것이 가능해지며, 외기 온도가 낮을 때 등에 저압측에 흘러드는 잉여 냉매를 저감시켜서 압축기(11)의 파손 등의 문제를 미연에 회피할 수 있게 된다.
또, 내부 열교환기(45)를 내관(60)과 외관(62)으로 이루어지는 이중관에 의해 구성하고, 내관(60) 내에 고압측 유로(64)를, 내관(60)과 외관(62)의 사이에 저 압측 유로(66)를 각각 구성하였으므로, 가스 쿨러(12)로부터의 냉매와 증발기(15)로부터의 냉매의 열교환을 원활히 행하게 할 수 있게 된다. 또한, 외기 온도가 낮을 때 등에 있어서의 고압측 유로(64)에의 냉매의 축적도 지장 없이 행할 수 있게 된다.
이들에 의해, 천임계 냉매 사이클 장치(1)의 신뢰성의 향상을 도모하면서, 냉동 능력의 향상을 도모할 수 있게 된다.
또한, 본 실시예에서는, 내부 열교환기(45)는 내관(60)과 외관(62)으로 이루어지는 이중관 구조로 하였으나, 이것에 한정되지 않고, 내부에 2계통의 유로가 구성된 강판을 적층함으로써 구성하는 것으로 해도 상관없다.
이 경우에 있어서도, 한쪽의 유로를 고압측 유로로 하고 다른 쪽의 유로를 저압측 유로로 하며, 두 유로를 열교환 가능한 방식으로 배치하는 동시에, 고압측 유로에는 냉매를 아래로부터 위로 흐르도록 하고, 저압측 유로에는 냉매를 위로부터 아래로 흐르도록 하는 것으로, 본 실시예와 같은 효과를 얻을 수 있다.
(실시예 2)
다음에, 도 3은 본 발명의 다른 실시예의 냉매 사이클 장치의 냉매 회로도이다. 또한, 이 경우의 냉매 사이클 장치도 자동 판매기, 공기 조화기, 냉장고 또는 쇼케이스 등에 사용되는 것이다.
도 3에 있어서, 참조번호 10은 냉매 사이클 장치(1)의 냉매 회로이며, 압축기(11), 가스 쿨러(12), 감압 장치로서의 캐필러리 튜브(14), 증발기(15) 등을 환상으로 접속함으로써 구성되어 있다.
즉, 압축기(11)의 냉매 토출관(34)은 가스 쿨러(12)의 입구에 접속되어 있다. 여기서, 실시예의 압축기(11)는 내부 중간압형 2단 압축식의 로터리 컴프레서이며, 밀폐 용기(11A) 내에 구동 요소로서의 전동 요소(24)와 해당 전동 요소(24)에 의해 구동되는 제1 및 제2의 회전 압축 요소(50, 52)를 구비하고, 제1의 회전 압축 요소(50)로 압축되어 밀폐 용기(11A) 내에 토출된 중간 압력의 냉매를 제2의 회전 압축 요소(52)에 의해 압축하여 토출하는 구성으로 되어 있다.
도면에서 참조번호 30은 압축기(11)의 제1의 회전 압축 요소(50)에 냉매를 도입하기 위한 냉매 도입관이며, 이 냉매 도입관(30)의 일단은 제1의 회전 압축 요소(50)의 도시하지 않은 실린더와 연통되어 있다. 이 냉매 도입관(30)의 타단은 후술하는 내부 열교환기(45)의 저압측의 출구에 접속되어 있다.
도면에서 참조번호 32는, 제1의 회전 압축 요소(50)로 압축된 냉매를 제2의 회전 압축 요소(52)에 도입하기 위한 냉매 도입관이며, 압축기(11)의 외부의 중간 냉각 회로(150)를 통과하도록 설치되어 있다. 이 중간 냉각 회로(150)는, 제1의 회전 압축 요소(50)로부터 밀폐 용기(11A) 내에 토출된 중간압의 냉매를 중간 냉각 회로(150) 내에 설치된 열교환기(152)에 의해 냉각한 후, 제2의 회전 압축 요소(52)에 흡입시키기 위한 것이다.
또, 열교환기(152)는 가스 쿨러(12)와 일체로 형성되어 있고, 열교환기(152)와 가스 쿨러(12)의 근방에는 이들 열교환기(152) 및 가스 쿨러(12)에 통풍하여 냉매를 방열시키기 위한 팬(22)이 설치되어 있다. 또한, 상기 냉매 토출관(34)은 제2의 회전 압축 요소(52)로 압축된 냉매를 가스 쿨러(12)에 토출시키기 위한 냉매 배 관이다.
한편, 가스 쿨러(12)의 출구측에 접속된 냉매 배관(36)은 상기 내부 열교환기(45)의 고압측의 입구에 접속되어 있다. 전술한 내부 열교환기(45)는, 가스 쿨러(12)로부터 나온 고압측의 냉매와 증발기(15)로부터 나온 저압측의 냉매를 열교환시키기 위한 것이다.
그리고, 이 내부 열교환기(45)의 고압측의 출구에 접속된 냉매 배관(37)은 캐필러리 튜브(14)를 통과하며, 증발기(15)의 입구에 접속되어 있다. 증발기(15)를 나온 냉매 배관(38)은 내부 열교환기(45)의 저압측의 입구에 이른다. 그리고, 내부 열교환기(45)의 저압측의 출구는 상기 냉매 도입관(30)에 접속되어 있다.
또한, 냉매 사이클 장치(1)는 냉매로서 지구 환경에 친화적이고, 가연성 및 독성 등을 고려하여 자연 냉매인 이산화탄소를 사용한다. 또, 냉매 사이클 장치(1)의 냉매 회로(10)의 고압측은 초임계 압력으로 되는 것이다.
여기서, 냉매 사이클 장치(1)는 압축기(11)를 운전함으로써, 냉매 회로(10) 내에 고압의 냉매가 흐르는 고압부와, 중간 압력의 냉매가 흐르는 중간 압력부와, 저압의 냉매가 흐르는 저압부가 생긴다.
냉매 회로(10) 내의 고압부란, 제2의 회전 압축 요소(52)로 압축된 냉매가 고압의 상태로 흐르는 냉매 회로(10) 내의 냉매 토출관(34)으로부터 가스 쿨러(12), 내부 열교환기(45)의 고압측을 거쳐 캐필러리 튜브(14)의 입구까지의 경로이다.
또, 중간 압력부란, 제1의 회전 압축 요소(50)로 압축된 중간 압력의 냉매가 흐르는 중간 냉각 회로(150)를 포함하는 냉매 도입관(32) 내이다.
저압부란, 캐필러리 튜브(14)로 감압된 냉매가 흐르는 냉매 회로(10) 내의 냉매 배관(38)으로부터 증발기(15), 내부 열교환기(45)의 저압측을 거쳐 냉매 도입관(30)까지의 경로이다.
그리고, 본 발명의 냉매 사이클 장치(1)에서는, 사이클 중(냉매 회로(10) 중)의 저압부 용적의 비율을 전체 용적의 30% 이상 50% 이하로 하고, 또한 상기 내부 열교환기(45)에 있어서의 저압부 용적의 비율을 사이클 중의 저압부 전체의 용적에 대하여 5% 이상 30% 이하로 하고 있다.
이와 같이 저압부 용적의 비율을 설정하는 것으로, 통상 운전시에 있어서 어떠한 운전 조건하에서도 증발기(15) 출구의 냉매는 완전히 기체 상태가 아니라, 습기 상태로 할 수 있는 동시에, 내부 열교환기(45)의 저압측에 의해 냉매를 완전히 기체 상태로 하여 과열도를 확보할 수 있게 된다. 이것에 의해, 액냉매를 증발기(15)에서 완전히 증발시키지 않고 전열성이 좋은 액체/기체의 혼상류의 상태(습기 상태)로 증발기(15)로부터 내부 열교환기(45)에 되돌릴 수 있게 된다. 따라서, 전열 특성의 향상과 냉매의 잠열·현열을 유효하게 이용할 수 있게 되며, 가스 쿨러(12)로부터 캐필러리 튜브(14)에 들어가는 고압측의 냉매의 온도를 효과적으로 낮게 할 수 있다. 이것에 의해, 증발기(15)에서의 엔탈피 차를 극대화시켜서 냉동 능력의 향상을 도모할 수 있게 된다.
특히, 외기 온도가 높을 때 등의 냉동 능력을 이끌어내기 어려운 조건하에 있어서도, 냉동 능력을 충분히 확보할 수 있게 된다.
또한, 본 실시예에서는, 중간 냉각 회로(150)를 포함하는 냉매 회로(10) 중의 중간 압력부 용적의 비율을, 전체 용적의 20% 이상 50% 이하로 하고 있다.
이와 같이 중간 압력부의 용적을 설정하는 것으로, 제2의 회전 압축 요소(52)에 흡입되는 냉매 가스를 액화시키는 일 없이, 충분히 냉각할 수 있게 된다. 이것에 의해, 제2의 회전 압축 요소(52)로부터 토출되는 냉매 가스의 온도도 낮게 할 수 있게 된다.
이들에 의해, 증발기(15)에 있어서의 냉동 능력을 보다 더 향상시킬 수 있게 된다.
다음에, 상기와 같이 구성된 이 경우의 냉매 사이클 장치(1)의 동작을 도 4를 참조하여 설명한다. 도 4는 냉매 사이클 장치(1)의 p-h 선도(모리엘 선도)이고, 실선은 통상의 외기 온도시(외기 온도 +32℃)에 있어서의 p-h 선도, 파선은 외기 온도가 낮을 때(외기 온도 +5℃)에 있어서의 p-h 선도를 각각 나타내고 있다. 또한, 도 4에 있어서 세로축은 압력(Pressure), 가로축은 엔탈피(Entha1py)이다.
압축기(11)의 전동 요소(24)가 기동되면, 냉매 도입관(30)으로부터 제1의 회전 압축 요소(50)에 저압의 냉매 가스가 흡입되며(도 4의 실선(1)의 상태), 압축되고 중간압으로 되어, 밀폐 용기(11A) 내에 토출된다(도 4의 실선(2)의 상태). 밀폐 용기(11A) 내에 토출된 냉매는, 냉매 도입관(32)으로부터 일단 밀폐 용기(11A)의 외부에 토출되며, 중간 냉각 회로(150)에 들어가서 열교환기(152)를 통과한다. 그곳에서, 냉매는 팬(22)에 의한 통풍을 받아서 방열한다(도 4의 실선(3)의 상태).
이와 같이, 제1의 회전 압축 요소(50)로 압축된 중간압의 냉매 가스를 중간 냉각 회로(150)를 통과시키는 것으로, 열교환기(152)에 의해 효과적으로 냉각할 수 있으므로, 밀폐 용기(11A) 내의 온도 상승을 억제하고 제2의 회전 압축 요소(52)에 있어서의 압축 효율도 향상시킬 수 있게 된다. 또한, 제2의 회전 압축 요소(52)로부터 토출되는 냉매 가스의 온도도 낮게 억제할 수 있게 된다.
그 후, 냉매는 제2의 회전 압축 요소(52)에 흡입되어 압축되고 고온 고압의 냉매 가스로 되어, 냉매 토출관(34)으로부터 압축기(11)의 외부에 토출된다. 이 때, 냉매는 적절한 초임계 압력까지 압축되어 있다(도 4의 실선(4)의 상태).
냉매 토출관(34)으로부터 토출된 냉매는 가스 쿨러(12)에 유입되며, 그곳에서 팬(22)에 의한 통풍을 받아 방열한 후(도 4의 실선(5)상태), 내부 열교환기(45)의 고압측에 유입된다. 여기서, 가스 쿨러(12)로부터의 고온 고압의 냉매는 증발기(15)로부터의 저온 저압의 냉매에 열을 빼앗겨서 냉각된다(도 4의 실선(6)의 상태).
이 상태를 도 4를 참조하여 설명한다. 즉, 내부 열교환기(45)가 없는 경우, 캐필러리 튜브(14) 입구에 있어서의 냉매의 엔탈피는 (5)로 나타내는 상태로 된다. 이 경우에는 증발기(15)에 있어서의 냉매 온도가 높아진다. 한편, 내부 열교환기(45)에 의해 저압측의 냉매와 열교환시킨 경우에는, 냉매의 엔탈피는 Δh1만큼 저하되고, 도 4의 (6)으로 나타내는 상태로 되기 때문에, 도 4의 (5)의 엔탈피보다 증발기(15)에 있어서의 냉매 온도가 낮아진다.
특히, 본 발명에서는 전술한 바와 같이 내부 열교환기(45)의 고압측의 냉매를 전열성이 좋은 액체/기체의 혼상류의 형태(습기 상태)의 저압측의 냉매와 열교 환시키기 때문에, 고압측의 냉매의 온도를 효과적으로 낮게 할 수 있다.
이것에 의해, 가스 쿨러(12)로부터 캐필러리 튜브(14)에 들어가는 냉매의 온도를 Δh1만큼 낮출 수 있으므로, 증발기(15)에 있어서의 엔탈피 차를 확대할 수 있게 된다. 따라서, 증발기(15)에 있어서의 냉동 능력을 향상시킬 수 있게 된다.
한편, 내부 열교환기(45)에서 냉각되어 내부 열교환기(45)를 나온 고압측의 냉매는 캐필러리 튜브(14)에 이른다. 또한, 캐필러리 튜브(14)의 입구에서 냉매 가스는 여전히 초임계 상태이다. 냉매는 캐필러리 튜브(14)에 있어서의 압력 저하에 의해, 액체/기체의 혼상류로 되며, 그 상태로 증발기(15) 내에 유입된다(도 4의 실선(7)의 상태). 그곳에서 냉매는 공기로부터 흡열함으로써 냉각 작용을 발휘한다.
이 때, 전술한 바와 같이 중간 냉각 회로(150)에 의해 냉매를 냉각하는 효과와, 내부 열교환기(45)에서 냉매를 냉각하여 증발기(15)에 있어서의 엔탈피 차를 확대하는 효과에 의해, 증발기(15)에 있어서의 냉동 능력의 향상을 도모할 수 있게 된다.
그 후, 냉매는 증발기(15)로부터 유출되어(도 4의 실선(8)의 상태), 내부 열교환기(45)의 저압측에 유입된다. 여기서, 증발기(15)에서 저온으로 되어, 증발기(15)를 나온 냉매는, 전술한 바와 같이 완전히 기체 상태가 아니라 액/가스의 혼상류의 형태(습기 상태)로 된다. 그렇지만, 내부 열교환기(45)에 있어서의 저압부 용적의 비율을, 냉매 회로(10) 중의 저압부 전체의 용적에 대하여 5% 이상 30% 이하로 하는 것으로, 해당 내부 열교환기(45)에 있어서 고압측의 냉매와 열교환하여, 충분히 과열도를 취할 수 있다. 이것에 의해, 압축기(11)에 액냉매가 흡입되어, 압 축기(11)가 파손하는 등의 문제를 미연에 회피할 수 있게 된다.
또, 본 실시예에서는 압축기로서 내부 중간압형의 2단 압축식 로터리 컴프레서를 사용하고 있으므로, 밀폐 용기(11A) 내의 온도는 내부 고압형의 것보다 낮아지기 때문에, 전술한 바와 같이 과열도를 충분히 확보한 경우에도, 압축기(11) 내의 전동 요소(24) 등이 과열되어 운전에 악영향을 미친다고 하는 문제도 생기기 어렵게된다.
다른 한편, 내부 열교환기(45)에 의해 가열된 냉매는, 냉매 도입관(30)으로부터 압축기(11)의 제1의 회전 압축 요소(50) 내에 흡입되는 사이클을 반복한다.
또한, 이 경우의 냉매 사이클 장치(1)에서는, 도 4의 파선으로 나타내는 바와 같이 외기 온도가 낮아도, 내부 열교환기(45)에 의해 압축기(11)에 흡입되는 냉매를 가열시켜서 과열도를 확보할 수 있게 된다. 즉, 증발기(15) 출구에서는 냉매는 도 4의 파선(8)으로 나타내는 바와 같이 액체/기체의 혼상류의 형태로 되지만, 전술한 바와 같이 용적을 설정하는 것으로, 도 4의 파선(1)으로 나타내는 것과 같이 냉매의 과열도를 취할 수 있게 된다. 이것에 의해, 냉매 사이클 장치(1)의 신뢰성의 향상을 도모할 수 있게 된다.
이상 상세히 설명하는 바와 같이, 본 발명의 냉매 사이클 장치(1)에 의해, 증발기(15)에서의 엔탈피 차를 극대화시켜서 냉동 능력의 향상을 도모할 수 있게 된다. 또, 본 실시예와 같이 내부 중간압형 2단 압축식의 압축기(11)를 사용한 경우에는, 중간 냉각 회로(150)에 의해 제1의 회전 압축 요소(50)로 압축된 냉매를 냉각하는 동시에, 냉매 회로(10) 중의 중간 압력부 용적의 비율을 전체 용적의 20% 이상 50% 이하로 하는 것으로, 상술한 효과를 최대한으로 발휘시킬 수 있게 된다.
(실시예 3)
다음에, 본 발명의 냉매 사이클 장치의 다른 실시예를 설명한다. 도 5는 이 경우의 냉매 사이클 장치(100)의 냉매 회로도이다. 또한, 도 5에 있어서, 도 3과 동일한 부호가 부여되어 있는 구성요소는 유사한 효과를 나타내는 것이다.
도 5에 있어서, 참조번호 110은 이 경우의 냉매 회로이며, 압축기(111), 가스 쿨러(12), 감압 장치로서의 캐필러리 튜브(14), 증발기(15) 등을 환상으로 접속함으로써 구성되어 있다.
여기서, 본 실시예에서 사용하는 압축기(111)는, 밀폐 용기(111A) 내에 구동 요소로서의 전동 요소(124)와 해당 전동 요소(124)에 의해 구동되는 1단의 압축 요소(130)를 구비한 1단 압축식의 컴프레서이며, 압축 요소(130)의 흡입측에는 냉매 도입관(30)에 일단이 접속되어 있다. 또, 압축 요소(130)의 토출측에는 냉매 토출관(34)이 접속되어 있다.
즉, 가스 쿨러(12)의 입구에는 상기 압축기(111)로부터의 냉매 토출관(34)이 접속되어 있다. 그리고, 가스 쿨러(12)의 출구측에 접속된 냉매 배관(36)은 상기 내부 열교환기(45)의 고압측의 입구에 접속되어 있다. 이 내부 열교환기(45)도 상기 실시예와 같이 가스 쿨러(12)로부터 나온 고압측의 냉매와 증발기(15)로부터 나온 저압측의 냉매를 열교환시키기 위한 것이다.
그리고, 이 내부 열교환기(45)의 고압측의 출구에 접속된 냉매 배관(37)은 캐필러리 튜브(14)를 통과하여 증발기(15)의 입구에 접속되어 있다. 증발기(15)를 나온 냉매 배관(38)은 내부 열교환기(45)의 저압측에 이른다. 그리고, 내부 열교환기(45)의 저압측의 출구는 상기 냉매 도입관(30)에 접속되어 있다.
여기서, 냉매 사이클 장치(100)는 압축기(111)를 운전함으로써, 냉매 회로(110) 내에 고압의 냉매가 흐르는 고압부와, 저압의 냉매가 흐르는 저압부가 생긴다. 이 냉매 회로(10) 내의 고압부는, 제2의 회전 압축 요소(52)로 압축된 냉매가 고압 상태로 흐르는 냉매 회로(10) 내의 냉매 토출관(34)으로부터 가스 쿨러(12), 내부 열교환기(45)의 고압측을 거쳐 캐필러리 튜브(14)의 입구까지의 경로이다.
또, 저압부란, 캐필러리 튜브(14)에서 감압된 냉매가 흐르는 냉매 회로(110) 내의 냉매 배관(38)으로부터 증발기(15), 내부 열교환기(45)의 저압측을 거쳐 냉매 도입관(30)까지의 경로이다.
그리고, 본 발명에서는 사이클(냉매 회로(110)) 중의 저압부 용적의 비율을 전체 용적의 30% 이상 50% 이하로 하고, 또한 상기 내부 열교환기에 있어서의 저압부 용적의 비율을, 사이클 중의 저압부 전체의 용적에 대하여 5% 이상 30% 이하로 하고 있다. 즉, 전체 용적 중 나머지의 50% 이상 70% 이하가 고압부 용적으로 된다.
이와 같이 저압부 용적의 비율을 설정하는 것으로, 통상 운전시에 있어서 어떠한 운전 조건하에서도 증발기(15) 출구의 냉매는 완전히 기체 상태가 아니라, 습기 상태로 할 수 있는 동시에, 내부 열교환기(45)의 저압측에서 냉매를 완전히 기체 상태로 하여 과열도를 확보할 수 있게 된다. 이것에 의해, 액냉매를 증발기(15)로 완전하게 증발시키지 않고 전열성이 좋은 액체/기체의 혼상류의 형태(습기 상 태)로 증발기로부터 내부 열교환기(45)에 되돌릴 수 있게 된다. 따라서, 전열특성의 향상과 냉매의 잠열·현열을 유효하게 이용할 수 있게 되고, 가스 쿨러(12)로부터 캐필러리 튜브(14)에 들어가는 고압측의 냉매의 온도를 효과적으로 낮게 할 수 있게 된다. 이것에 의해, 증발기(15)에서의 엔탈피 차를 극대화시켜서 냉동 능력의 향상을 도모할 수 있게 된다.
또한, 냉매 사이클 장치(100)는 냉매로서 상기 실시예와 동일하게 이산화탄소를 사용한다. 또, 해당 냉매 사이클 장치(100)의 냉매 회로(110)의 고압측은 초임계 압력으로 되는 것이다.
다음에, 상기와 같이 구성된 본 실시예의 냉매 사이클 장치(100)의 동작을 도 6의 p-h 선도를 참조하여 설명한다. 또한, 도 6에 있어서 세로축은 압력(Pressure), 가로축은 엔탈피(Enthalpy)이다.
압축기(111)의 전동 요소(124)가 기동되면, 냉매 도입관(30)으로부터 압축 요소(130)에 저압의 냉매 가스가 흡입되어(도 6의 (1)의 상태), 압축되고 고온 고압의 냉매 가스로 되어, 냉매 토출관(34)으로부터 압축기(111)의 외부에 토출된다. 이 때, 냉매는 적절한 초임계 압력까지 압축되어 있다(도 6의 (2)의 상태).
냉매 토출관(34)으로부터 토출된 냉매는 가스 쿨러(12)에 유입되며, 그곳에서 팬(22)에 의한 통풍을 받아 방열한 후(도 6의 (3)의 상태), 내부 열교환기(45)의 고압측에 유입된다. 여기서, 가스 쿨러(12)로부터의 고온 고압의 냉매는 증발기(15)로부터의 저온 저압의 냉매에 열을 빼앗겨서 냉각된다(도 6의 (4)의 상태).
여기서, 내부 열교환기(45)가 없는 냉매 회로에서는, 고압측의 냉매와 저압 측의 냉매를 열교환할 수 없으므로, 고압측의 냉매를 냉각하여 엔탈피 차를 확대시킬 수 없었다. 즉, 내부 열교환기(45)가 없는 경우, 캐필러리 튜브(14) 입구에 있어서의 냉매의 엔탈피는 (3)으로 나타내는 상태로 되기 때문에, 냉매의 증발 온도가 높아진다. 한편, 내부 열교환기(45)에 의해 저압측의 냉매와 열교환시킨 경우에는, 냉매의 엔탈피는 Δh만큼 내려가서 도 6의 (4)로 나타내는 상태로 되기 때문에, 도 6의 (3)의 경우보다 증발기(15)에 있어서의 냉매 온도가 낮아진다.
다른 한편, 냉매 회로내의 저압부의 비율이 너무 작은 냉매 회로나, 내부 열교환기의 용량에 대하여 증발기의 용량이 너무 큰 냉매 회로에서는, 증발기 출구에 있어서의 냉매는 항상 완전히 기체 상태의 냉매가 되기 때문에, 내부 열교환기에 있어서 고압측의 냉매와의 열교환에 의해, 고압측의 냉매를 충분히 냉각할 수 없었다. 이것에 의해, 증발기(15)에 있어서의 냉동 능력을 충분히 이끌어낼 수 없었다.
그렇지만, 본 발명과 같이 내부 열교환기(45)에 있어서의 저압부 용적의 비율을, 냉매 회로(110) 중의 저압부 전체의 용적에 대하여 5% 이상 30% 이하로 하는 것으로, 증발기(15) 출구의 냉매는 완전히 기체 상태가 아니라, 전열성이 좋은 액체/기체의 혼상류의 형태(습기 상태)로 증발기로부터 내부 열교환기(45)에 되돌릴 수 있게 된다. 따라서, 전열 특성의 향상과 냉매의 잠열 ·현열의 유효 이용에 의해 가스 쿨러(12)로부터 캐필러리 튜브(14)에 들어가는 고압측의 냉매의 온도를 효과적으로 낮게 할 수 있게 되고, 증발기(15)에서의 엔탈피 차를 극대화시켜서 냉동 능력의 향상을 도모할 수 있게 된다.
그리고, 내부 열교환기(45)에서 냉각되어 내부 열교환기(45)를 나온 고압측 의 냉매는 캐필러리 튜브(14)에 이른다. 또한, 캐필러리 튜브(14)의 입구에서는 냉매 가스는 아직 기체 상태이다. 냉매는 캐필러리 튜브(14)에 있어서의 압력 저하에 의해, 액체/기체의 혼상류로 되며, 그 상태로 증발기(15) 내에 유입된다(도 6의 (5)의 상태). 그곳에서 냉매는 공기로부터 흡열함으로써 냉각 작용을 발휘한다.
이 때, 전술한 바와 같이 내부 열교환기(45)에 의해 냉매를 냉각하는 효과에 의해, 증발기(15)에 있어서의 엔탈피 차가 확대되므로, 증발기(15)에 있어서의 냉동 능력의 향상을 도모할 수 있게 된다.
그 후, 냉매는 증발기(15)로부터 유출되며(도 6의 (6)의 상태), 내부 열교환기(45)의 저압측에 유입된다. 증발기(15)에 의해 저온으로 되어 증발기(15)를 나온 냉매는, 전술한 바와 같이 완전히 기체 상태가 아니라 액체/기체의 혼상류의 형태(습기 상태)로 된다.
여기서, 전술한 바와 같이 내부 열교환기(45)에 있어서의 저압부 용적의 비율을, 냉매 회로(110) 중의 저압부 전체의 용적에 대하여 5% 이상 30% 이하로 하는 것으로, 내부 열교환기(45)의 저압측에서 냉매를 완전히 기체 상태로 하여 과열도를 확보할 수 있게 된다.
이것에 의해, 압축기(111)에 액냉매가 흡입되어서, 압축기(111)가 파손하는 등의 문제를 미연에 회피할 수 있게 된다.
또한, 내부 열교환기(45)에 의해 가열된 냉매는, 냉매 도입관(30)으로부터 압축기(111)의 압축 요소(130) 내에 흡입되는 사이클을 반복한다.
이상 상세히 기술하는 바와 같이, 본 발명에 의해 이산화탄소를 냉매로서 사 용한 냉매 사이클 장치에 있어서도, 냉동 능력을 충분히 확보할 수 있게 된다.
또한, 상기 각 실시예에서는 감압 장치로서 캐필러리 튜브(14)를 사용하는 것으로 하였으나, 이것에 한정되지 않고, 전기식 혹은 기계식의 팽창 밸브 등을 사용하는 것으로 해도 상관없다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 고압측이 초임계 압력으로 되는 천임계의 냉매 사이클 장치에 있어서, 저압측에 어큐뮬레이터를 설치하는 일 없이 압축기가 액압축에 손상되는 것을 방지하는 등의 효과를 갖는다.

Claims (6)

  1. 압축기, 가스 쿨러, 감압 장치, 증발기 등을 환상으로 접속하여 이루어지고, 이산화탄소를 냉매로서 사용하며, 고압측이 초임계 압력으로 될 수 있는 천임계의 냉매 사이클 장치로서,
    상기 가스 쿨러로부터 나온 냉매와 상기 증발기로부터 나온 냉매를 열교환시키는 내부 열교환기를 포함하며,
    상기 내부 열교환기는, 상기 가스 쿨러로부터의 냉매가 흐르는 고압측 유로와, 이 고압측 유로와 열교환 가능한 방식으로 배치되며 상기 증발기로부터의 냉매가 흐르는 저압측 유로를 포함하고,
    상기 고압측 유로에는 냉매를 아래로부터 위로 흐르도록 하고, 상기 저압측 유로에는 냉매를 위로부터 아래로 흐르게 하는 것을 특징으로 하는 냉매 사이클 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 내부 열교환기는 내관과 외관으로 이루어지는 이중관을 포함하며, 상기 내관 내에 상기 고압측 유로를 배치하고, 상기 내관과 외관의 사이에 상기 저압측 유로를 배치한 것을 특징으로 하는 냉매 사이클 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 내부 열교환기는, 내부에 2계통(two system)의 유로가 포함된 적층판을 포함하며, 한쪽의 유로를 상기 고압측 유로로 하고, 다른 쪽의 유로를 상기 저압측 유로로 한 것을 특징으로 하는 냉매 사이클 장치.
  4. 압축기, 가스 쿨러, 감압 장치, 증발기 등을 환상으로 접속하여 이루어지고, 이산화탄소를 냉매로서 사용하며, 고압측이 초임계 압력으로 되는 냉매 사이클 장치로서,
    상기 가스 쿨러로부터 나온 냉매와 상기 증발기로부터 나온 냉매를 열교환시키는 내부 열교환기를 포함하며,
    사이클 중의 저압부 용적의 비율을 전체 용적의 30% 이상 50% 이하로 하고, 또한 상기 내부 열교환기에 있어서의 저압부 용적의 비율을, 사이클 중의 저압부 전체의 용적에 대하여 5% 이상 30% 이하로 한 것을 특징으로 하는 냉매 사이클 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 압축기는 밀폐 용기 내에 설치된 제1 및 제2의 압축 요소를 포함하며, 상기 제1의 압축 요소로 압축되어 상기 밀폐 용기 안으로 토출된 중간 압력의 냉매를 상기 제2의 압축 요소에 의해 압축하여 토출하고, 사이클 중의 중간 압력부 용적의 비율을 전체 용적의 20% 이상 50% 이하로 한 것을 특징으로 하는 냉매 사이클 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1의 압축 요소로부터 상기 밀폐 용기 안으로 토출된 중간압의 냉매를 냉각한 후, 상기 제2의 압축 요소에 흡입시키기 위한 중간 냉각 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉매 사이클 장치.
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