KR20080090528A - 냉동장치 - Google Patents

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KR20080090528A
KR20080090528A KR1020087020719A KR20087020719A KR20080090528A KR 20080090528 A KR20080090528 A KR 20080090528A KR 1020087020719 A KR1020087020719 A KR 1020087020719A KR 20087020719 A KR20087020719 A KR 20087020719A KR 20080090528 A KR20080090528 A KR 20080090528A
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compressor
pressure
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마사까즈 오까모또
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다이킨 고교 가부시키가이샤
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Abstract

냉매회로(10)에는, 저단측 압축기구(34) 및 고단측 압축기구(35)가 구동축(33)으로 연결되는 압축기(30)와 기액분리기(15)가 배치된다. 냉매회로(10)에서는, CO2냉매를 임계압력으로 하여 2단 압축 2단 팽창 냉동주기가 이루어진다. 압축기(30)에서는, 저단측 압축기구(34)의 흡입용적(V1)에 대한 고단측 압축기구(35)의 흡입용적(V2) 용적비(V2/V1)가 0.8보다 크고 1.3보다 작은 범위로 설정된다.
기액분리기, CO2냉매, 2단 압축 2단 팽창 냉동주기, 냉매회로, 흡입용적, 저단측 압축기구, 고단측 압축기구

Description

냉동장치{REFRIGERATION DEVICE}
본 발명은, 기액분리기를 갖는 냉매회로를 구비하며, CO2냉매를 고압의 임계압력으로 하여 2단 압축 2단 팽창 냉동주기를 행하는 냉동장치에 관한 것이다.
종래, 냉매회로를 구비한 냉동장치는 공조기 등에 널리 적용되고 있다.
예를 들어 특허문헌1(일본 특허공개 평성7-110167호 공보)에는, 기액분리기를 구비한 냉매회로를 가지며, 2단 압축 2단 팽창 냉동주기를 행하는 공조기가 개시되었다.
이 공조기의 냉매회로에는, 압축기, 제 1 열교환기, 제 1 팽창밸브, 기액분리기, 제 2 팽창밸브, 제 2 열교환기가 배치된다. 상기 압축기는, 저단측 압축기구와 고단측 압축기구가 구동축에 의해 연결되는 2단 압축식 압축기를 구성한다. 또, 상기 기액분리기는, 중간압의 기액 2상 냉매를 액냉매와 가스냉매로 분리 가능하도록 구성된다.
이 공조기의 냉방운전에서는, 압축기의 토출냉매가 제 1 열교환기를 흐른다. 제 1 열교환기에서는, 냉매가 공기에 방열한다. 제 1 열교환기를 통과한 냉매는, 제 1 팽창밸브를 통과할 때 중간압까지 감압된 후, 기액분리기 내로 유입한다. 기 액분리기에서는, 중간압의 기액 2상 냉매가 액냉매와 가스냉매로 분리된다. 기액분리기에서 분리된 액냉매는, 제 2 팽창밸브를 통과할 때 저압까지 감압된 후 제 2 열교환기를 흐른다. 제 2 열교환기에서는 냉매가 공기로부터 흡열하여 증발한다. 그 결과, 실내의 냉방이 이루어진다.
제 2 열교환기를 통과한 냉매는, 압축기로 흡입되어 저단측 압축기구에서 중간압까지 압축된다. 저단측 압축기구의 토출냉매에는, 상기 기액분리기에서 분리된 가스냉매가 혼합된다. 즉, 이 공조기에서는, 중간압의 가스냉매를 저단측 압축기구의 토출냉매와 혼합시킨다. 이른바 중간압 가스주입이 이루어진다. 그 후, 이 냉매는, 고단측 압축기구에서 고압까지 압축되어 압축기로부터 재차 토출된다.
이상과 같이, 특허문헌1의 공조기에서는, 중간압 가스주입을 행함으로써, 압축기의 토출냉매 온도를 저하시킴과 더불어, 압축기의 동력을 저감시키도록 한다. 그리고, 이 공조기에서는, COP(성적계수)의 향상을 도모하도록 한다.
또, 특허문헌2(일본 특허공개 2001-241797호 공보)에는, 냉매회로에 CO2냉매를 충전하고, 전술한 바와 같은 중간압 가스주입을 행하는 공조기도 개시되었다. 그리고, 이 공조기에서는, 압축기의 토출냉매를 임계압력 이상으로 하는, 이른바 초임계 주기를 행하도록 한다.
[발명의 개시]
[발명이 해결하고자 하는 과제]
특허문헌1에 개시된 바와 같은 공조기에서는, 2단 압축식 압축기의 각 압축기구의 용적(흡입용적)이 2단 압축을 효율적으로 행하도록 설계된다. 한편, 이와 같은 공조기의 냉매로서 CO2를 이용하여 초임계 주기를 행할 경우, 임계압력까지 압축되어 열교환기에서 방열한 후의 냉매가, 기액분리기 내에서 아직도 임계압력일 경우가 있다. 이와 같이 기액분리기 내의 냉매가 임계압력(임계상태)일 경우, 기액분리기 내의 냉매를 가스냉매와 액냉매로 분리하기가 어려워진다. 그 결과, 가스냉매만을 압축기의 중간압 냉매로 보낼 수 없어, 전술한 바와 같은 중간압 가스주입을 행할 수 없게 된다. 따라서, 소기의 중간압 가스주입 효과를 얻을 수 없어 공조기의 COP 저하를 초래한다는 문제가 있다.
본 발명은, 이러한 문제에 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은, CO2냉매를 이용하여 2단 압축 2단 팽창 냉동주기를 행하는 냉동장치에 있어서, 최적의 COP로 운전을 행할 수 있도록 하는 것이다.
[과제를 해결하기 위한 수단]
제 1 발명은, 저단측 압축기구(34) 및 고단측 압축기구(35)가 구동축(33)에 의하여 서로 연결되는 압축기(30)와, 중간압 냉매를 기액 분리하는 기액분리기(15)를 가지며, CO2냉매의 고압을 임계압력으로 하여 2단 압축 2단 팽창 냉동주기를 행하는 냉매회로(10)를 구비한 냉동장치를 전제로 한다. 그리고, 이 냉동장치는, 상기 저단측 압축기구(34)의 흡입용적(displacement)에 대한 고단측 압축기구(35) 흡입용적의 용적비가 0.8보다 크고 1.3보다 작은 범위인 것을 특징으로 하는 것이다.
제 1 발명의 냉매회로(10)에는, CO2냉매가 충전된다. 또, 냉매회로(10)에는, 저단측 압축기구(34)와 고단측 압축기구(35)를 갖는 압축기(30)가 배치된다. 그리고 냉매회로(10)에는, 다음과 같은 2단 압축 2단 팽창 냉동주기가 이루어진다.
고단측 압축기(35)가 임계압력까지 압축된 냉매는, 예를 들어 실내열교환기에서 방열하고 중간압까지 감압된 후, 기액분리기(15) 내로 유입된다. 기액분리기(15)에서는, 중간압의 냉매가 가스냉매와 액냉매로 분리된다. 액냉매는, 저압까지 감압된 후, 예를 들어 실외열교환기에서 증발하고 저단측 압축기구(34)로 흡입된다. 이 냉매는, 저단측 압축기구(34)에서 중간압까지 압축된다. 그리고, 이 냉매에 기액분리기(15)에서 분리된 가스냉매가 도입된다. 그 결과, 전술한 바와 같은 중간압 가스주입이 이루어진다. 그 후, 냉매는 고단측 압축기구(35)에서 고압(임계압력)까지 압축된다.
그런데, 이와 같이 CO2냉매를 이용하여 2단 압축 2단 팽창 냉동주기를 행할 경우, 종래의 냉동장치라면, 기액분리기 내의 중간압 냉매가 임계압으로 될 경우가 있다. 이 경우에는, 기액분리기 내에서 냉매를 가스냉매와 액냉매로 분리할 수 없어, 소기의 중간압 가스주입을 행할 수 없다. 그래서 본 발명에서는, 저단측 압축기구(34)에 대한 고단측 압축기구(35)의 용적비를 0.8보다 크게 한다. 즉, 이 용적비를 0.8 미만으로 하면, 저단측 압축기구(34)의 흡입용적에 대해, 고단측 압축기구(35)의 흡입용적이 상대적으로 작아진다. 그 결과, 중간압 냉매의 압력이 높아져 기액분리기(15) 내의 냉매가 임계압력을 초과하는 경우가 있다. 한편, 본 발명에서는, 용적비를 0.8보다 크게 하므로, 기액분리기(15) 내의 냉매 압력을 아임계압력으로 할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는, 기액분리기(15) 내의 냉매를 확실하게 가스냉매와 액냉매로 분리할 수 있어, 소기의 중간압 가스주입 효과를 얻을 수 있다.
또, 가령 상기 용적비를 1.3 이상으로 하면, 저단측 압축기구(34)의 흡입용적에 대해, 고단측 압축기구(35)의 흡입용적이 상대적으로 커진다. 그 결과, 고단측 압축기구(35)의 흡입냉매량을 충분히 확보할 수 없게 되어, 압축기(30)의 압축효율 저하를 초래해버린다. 한편, 본 발명에서는, 용적비를 1.3보다 작게 하므로, 고단측 압축기구(35)의 흡입냉매량을 충분히 확보할 수 있어 냉매를 효율적으로 2단 압축할 수 있다.
제 2 발명은 제 1 발명에 있어서, 상기 용적비가 0.9 이상 1.1 이하의 범위인 것을 특징으로 하는 것이다.
제 2 발명에서는, 저단측 압축기구(34)의 흡입용적에 대한 고단측 압축기구(35)의 흡입용적 용적비를 0.9 이상 1.1 이하의 범위로 한다. 즉, 상기 용적비를 0.9 이상으로 함으로써, 기액분리기(15) 내의 냉매압력이 확실하게 임계압력이 된다. 또, 상기 용적비를 1.1 이하로 함으로써, 냉매를 한층 효율적으로 2단 압축할 수 있다.
제 3 발명은 제 2 발명에 있어서, 상기 용적비가 1.0인 것을 특징으로 하는 것이다.
제 3 발명에서는, 저단측 압축기구(34)의 용적비와 고단측 압축기구(35)의 용적비가 같은 용적비로 설정된다.
제 4 발명은 제 1 내지 제 3 발명 중 어느 한 발명에 있어서, 저단측 압축기구(34) 및 고단측 압축기구(35)는, 회전식 압축기구로 구성되는 것을 특징으로 하는 것이다.
제 4 발명에서는, 회전식 압축기구로 구성되는 저단측 압축기구(34) 및 고단측 압축기구(35)가, 구동축(33)에 의해 서로 연결되어 압축기(30)가 구성된다.
[발명의 효과]
본 발명에서는, 저단측 압축기구(34)와 고단측 압축기구(35)의 용적비를 0.8보다 크고 1.3보다 작은 범위로 설정한다. 여기서, 용적비를 0.8보다 크게 하면, 기액분리기(15) 내의 냉매 압력을 임계압력보다 작게 할 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하면, 냉매회로(10)에서 소기의 중간압 가스주입을 행할 수 있어, 냉동장치의 COP를 향상시킬 수 있다. 또, 이 용적비를 1.3보다 작게 하면, 고단측 압축기구(35)의 흡입냉매량 부족에 따르는 압축효율 저하를 초래하는 일없이, 냉매를 2단 압축시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하면 냉동장치의 COP를 한층 향상시킬 수 있다.
특히, 제 2 발명에서는, 저단측 압축기구(34)와 고단측 압축기구(35)의 용적비를 0.9 이상 1.1 이하의 범위로 설정한다. 즉, 본 발명에서는, 저단측 압축기구(34)와 고단측 압축기구(35)의 용적비를 보다 최적의 범위로 설정한다. 따라서, 본 발명에 의하면 냉동장치의 COP를 더욱 향상시킬 수 있다.
그리고 제 3 발명에서는, 저단측 압축기구(34)의 용적비와 고단측 압축기구(35)의 용적비를 같은 용적비로 설정한다. 이로써, 본 발명에 의하면 저단측 압축기구(34)와 고단측 압축기구(35)를 같은 압축메커니즘의 사양으로 할 수 있어 압축기(30)의 저원가화, 간소화를 도모할 수 있다.
또, 제 4 발명에 의하면, 2개의 회전식 압축기구로 구성되는 압축기(30)를 갖는 냉동장치에 있어서, 소기의 중간압 가스주입을 행하여 COP의 향상을 도모할 수 있다.
도 1은, 실시형태에 관한 공조기의 냉매회로 배관계통도이다.
도 2는, 공조기의 난방운전 시 냉매의 흐름을 설명하는 배관계통도이다.
도 3은, 공조기의 냉방운전 시 냉매의 흐름을 설명하는 배관계통도이다.
도 4는, 저단측 압축기구에 대한 고단측 압축기구의 용적비와 COP와의 관계를 나타낸 그래프이다.
[부호의 설명]
1 : 공조기 10 : 냉매회로
30 : 압축기
34 : 제 1 압축기구(저단측 압축기구)
35 : 제 2 압축기구(고단측 압축기구)
실시형태에 관한 냉동장치는, 실내의 공조를 행하는 공조기(1)를 구성한다. 이 공조기(1)는, 실내의 난방 및 냉방이 가능하게 구성된다.
공조기(1)는, 실내에 설치되는 실내기(11)와, 실외에 설치되는 실외기(12)를 구비한다. 실내기(11)와 실외기(12)는 2개의 연결배관을 통해 서로 접속된다. 그 결과, 공조기(1)에서는, 실내기(11)와 실외기(12)에 걸쳐 냉매회로(10)가 구성된다. 이 냉매회로(10)에는 CO2냉매가 충전된다. 그리고, 냉매회로(10)에서는 CO2냉매의 고압을 임계압력으로 하면서 2단 압축 2단 팽창 냉동주기가 이루어진다.
실내기(11)에는 실내열교환기(13)가 배치된다. 실내열교환기(13)는 핀-튜브식 열교환기를 구성한다. 이 실내열교환기(13)에서는 실내 팬이 송풍하는 실내공기와 냉매가 열교환한다.
실외기(12)에는, 상세하게는 후술하는 압축기(30)와, 실외열교환기(14) 및 기액분리기(15)가 배치된다.
실외열교환기(14)는 핀-튜브식 열교환기를 구성한다. 이 실외열교환기(14)에서는 실외 팬이 송풍하는 실외공기와 냉매가 열교환한다.
기액분리기(15)는 원통형의 밀폐용기로 구성된다. 이 기액분리기(15)에는, 정상부를 관통하도록 유입관(15a) 및 가스주입배관(15b)이 접속된다. 가스주입배관(15b)은, 중간압의 가스냉매를 압축기(30)로 도입하기 위한 유로를 구성한다. 또 기액분리기(15)에는, 그 하부를 관통하도록 유출관(15c)이 접속된다. 기액분리기(15)에서는, 중간압의 기액 2상 상태의 냉매가 가스냉매와 액냉매로 분리된다.
또, 실외기(12)에는, 십자전환밸브(16), 브리지회로(17), 제 1 팽창밸브(18), 및 제 2 팽창밸브(19)가 배치된다.
십자전환밸브(16)는 제 1 내지 제 4 포트를 구비한다. 십자전환밸브(16)에서는, 제 1 포트가 압축기(30)의 토출관(41)과 이어지고, 제 2 포트가 실외열교환기(14)와 이어지며, 제 3 포트가 실내열교환기(13)와 이어지고, 제 4 포트가 압축기(30)의 흡입관(42)과 이어진다. 이 십자전환밸브(16)는, 제 1 포트와 제 2 포트를 연통시키는 동시에 제 3 포트와 제 4 포트를 연통시키는 상태(도 1의 실선으로 나타낸 상태)와, 제 1 포트와 제 3 포트를 연통시키는 동시에 제 2 포트와 제 4 포트를 연통시키는 상태(도 1의 파선으로 나타낸 상태)로 전환 가능하게 구성된다.
브리지회로(17)는, 브리지상태로 조합되는 4개의 배관과, 각 배관에 각각 배치되는 4개의 역지밸브로 구성된다. 이 브리지회로(17)의 각 역지밸브는 도 1의 화살표로 나타낸 방향의 냉매 유통만을 허용한다.
제 1 팽창밸브(18) 및 제 2 팽창밸브(19)는, 각각 개방도 조절이 가능한 전자팽창밸브로 구성된다. 제 1 팽창밸브(18)는, 기액분리기(15)의 유입측 배관에 배치되며, 제 2 팽창밸브(19)는, 기액분리기(15)의 유출측 배관에 배치된다.
도 2에 나타낸 바와 같이 압축기(30)는, 2개의 압축기구로 냉매를 2단 압축시킨다. 이른바 2단 압축식 압축기를 구성한다. 압축기(30)는, 원통형상의 밀폐형 케이싱(31)을 구비한다. 케이싱(31) 내에는, 전동기(32), 구동축(33), 제 1 압축기구(34), 및 제 2 압축기구(35)가 수납된다.
전동기(32)는, 케이싱(31) 내주면에 고정되는 고정자와, 구동축(33) 외주면에 고정되는 회전자로 구성된다. 구동축(33)은, 상하방향으로 이어지는 자세로 베어링에 지지된다. 이 구동축(33)은 전동기(32)에 의해 구동됨으로써 회전 가능하 게 구성된다.
제 1 압축기구(34)는 케이싱(31) 저부 쪽으로 배치되며 저단측 압축기구를 구성한다. 한편, 제 2 압축기구(35)는 전동기(32) 쪽으로 배치되며 고단측 압축기구를 구성한다.
제 1 압축기구(34), 및 제 2 압축기구(35)는, 각각 회전식 스윙형 압축기구로 구성된다. 각 압축기구(34, 35)에는, 원주형의 실린더실 내에 각각 피스톤이 수납된다. 그리고, 각 피스톤은 구동축(33)의 축심과 편심되도록 이 구동축(33)에 각각 연결된다. 따라서, 구동축(33)이 회전하면 양 압축기구(34, 35)의 각 피스톤이 구동축(33)에 대하여 편심되면서 회전한다. 또 각 압축기구(34, 35)의 각 피스톤은 서로 180도 위상이 어긋나도록 하여 구동축(33)에 연결된다. 따라서, 각 피스톤 구동 시의 원심력이 서로 상쇄되어 진동의 발생이나 토크 부하의 변동이 억제된다.
제 1 압축기구(34)에는, 그 흡입측에 전술한 흡입관(42)이 접속되며, 그 토출측에 중간연결배관(43)의 일단이 접속된다. 제 2 압축기구(35)에는, 그 흡입측에 중간연결배관(43)의 타단이 접속되며, 그 토출측에 전술한 토출관(41)이 접속된다.
상기 중간연결배관(43)은, 제 1 압축기구(34)에서 압축된 후의 냉매를 제 2 압축기구(35)의 흡입측으로 도입하기 위한 유로를 구성한다. 이 중간연결배관(43)에는, U자형으로 만곡된 부위에 전술한 가스주입배관(15b)의 유출단이 접속된다.
본 실시형태의 공조기(1)에서는, 제 1 압축기구(34)의 흡입용적(V1)과 제 2 압축기구(35)의 흡입용적(V2)의 비(용적비(V2/V1))가 0.8보다 크고 1.3보다 작은 범위로 설정된다. 그 결과, 공조기(1)의 COP(성적계수)가 향상된다. 이 용적비(V2/V1)와 COP의 관계에 대해서는 후술하기로 한다.
-운전동작-
본 실시형태에 관한 공조기(1)의 운전동작에 대하여 설명한다. 공조기(1)에서는 다음에 나타내는 난방운전과 냉방운전이 가능하게 구성된다.
<난방운전>
난방운전에서는, 십자전환밸브(16)가 도 2에 나타낸 상태로 된다. 또, 제 1 팽창밸브(18)와 제 2 팽창밸브(19)의 개방도가 적절히 조절된다.
압축기(30)로부터는, 임계압력까지 압축된 냉매가 토출된다. 이 냉매는, 십자전환밸브(16)를 통과한 후 실내열교환기(13)를 흐른다. 실내열교환기(13)에서는 냉매가 실내공기에 방열한다. 그 결과, 실내의 난방이 이루어진다. 실내열교환기(13)에서 유출된 냉매는, 제 1 팽창밸브(18)를 통과하여 중간압까지 감압된 후 기액분리기(15) 내로 유입된다.
기액분리기(15) 내에는, 중간압의 기액 2상 냉매가 저류된다. 그리고, 기액분리기(15)에서는, 이 냉매가 가스냉매와 액냉매로 분리된다. 기액분리기(15) 내의 상부에 고인 가스냉매는, 가스주입배관(15b)으로 유입한다. 한편, 기액분리기(15) 내의 하부에 고인 냉매는, 제 2 팽창밸브(19)를 통과하여 저압까지 감압된 후 실외열교환기(14)를 흐른다. 실외열교환기(14)에서는, 냉매가 실외공기로부터 흡열하여 증발한다. 실외열교환기(14)에서 유출된 냉매는 압축기(30)로 흡입된다.
압축기(30)에서는, 우선, 흡입관(42)으로부터 제 1 압축기구(34)로 냉매가 흡입된다. 제 1 압축기구(34)에서는 냉매가 중간압까지 압축된다. 제 1 압축기구(34)의 토출냉매는 중간연결배관(43)을 흐른다. 이 토출냉매는, 상기 가스주입배관(15b)에서 유출된 가스냉매와 혼합된다. 그 결과, 제 1 압축기구(34)의 토출냉매 온도가 저하된다. 중간연결배관(43)에서 유출된 냉매는 제 2 압축기구(35)로 흡입된다. 제 2 압축기구(35)에서는 냉매가 임계압력까지 압축된다.
<냉방운전>
냉방운전에서는, 십자전환밸브(16)가 도 3에 나타낸 상태로 된다. 또, 제 1 팽창밸브(18)와 제 2 팽창밸브(19)의 개방도가 적절히 조절된다.
압축기(30)로부터는, 임계압력까지 압축된 냉매가 토출된다. 이 냉매는, 십자전환밸브(16)를 통과한 후 실외열교환기(14)를 흐른다. 실외열교환기(14)에서는 냉매가 실외공기에 방열한다. 실외열교환기(14)에서 유출된 냉매는, 제 1 팽창밸브(18)를 통과하여 중간압까지 감압된 후 기액분리기(15) 내로 유입된다.
기액분리기(15) 내에는, 중간압의 기액 2상 냉매가 저류된다. 그리고, 기액분리기(15)에서는, 이 냉매가 가스냉매와 액냉매로 분리된다. 기액분리기(15) 내의 상부에 고인 가스냉매는, 가스주입배관(15b)으로 유입한다. 한편, 기액분리기(15) 내의 하부에 고인 냉매는, 제 2 팽창밸브(19)를 통과하여 저압까지 감압된 후 실내열교환기(13)를 흐른다. 실내열교환기(13)에서는, 냉매가 실내공기로부터 흡열하여 증발한다. 그 결과, 실내의 냉방이 이루어진다. 실내열교환기(13)에서 유출된 냉매는 압축기(30)로 흡입된다.
압축기(30)에서는, 우선, 흡입관(42)으로부터 제 1 압축기구(34)로 냉매가 흡입된다. 제 1 압축기구(34)에서는 냉매가 중간압까지 압축된다. 제 1 압축기구(34)의 토출냉매는 중간연결배관(43)을 흐른다. 이 토출냉매는, 상기 가스주입배관(15b)에서 유출된 가스냉매와 혼합된다. 그 결과, 제 1 압축기구(34)의 토출냉매 온도가 저하된다. 중간연결배관(43)에서 유출된 냉매는 제 2 압축기구(35)로 흡입된다. 제 2 압축기구(35)에서는 냉매가 임계압력까지 압축된다.
-2개 압축기구의 용적비와 COP의 관계에 대하여-
전술한 바와 같이, 실시형태에 관한 공조기(1)의 난방운전이나 냉방운전에서는, 기액분리기(15)에서 분리된 가스냉매를 압축기(30)의 중간압 냉매와 혼합함으로써, 이른바 중간압 가스주입을 행하도록 한다. 그 결과, 이 공조기(1)에서는, 제 1 압축기구(34)의 토출냉매 온도를 저하시킴과 더불어, 압축기(30) 동력이 삭감되어 COP의 향상을 도모할 수 있다.
그러나, 이 공조기(1)의 냉매회로(10)에서는, 냉매의 고압을 임계압력까지 압축시켜 이른바 초임계 주기를 행하도록 한다. 이로써, 가령 기액분리기(15) 내의 중간압 냉매가 임계압력으로 돼버릴 경우에는, 기액분리기(15) 내의 냉매를 가스냉매와 액냉매로 분리하기가 어려워져, 전술한 중간압 가스주입을 행할 수 없게 될 우려가 있다. 그래서, 본 발명에서는, 제 1 압축기구(34)의 용적(V1)에 대한 제 2 압축기구(35) 용적(V2)의 용적비(V2/V1)를 최적의 범위로 설정함으로써, 기액분리기(15) 내의 중간압 냉매의 압력을 임계압력보다 작게 하여, 소기의 중간압 가스주입을 행하도록 한다.
이상과 같은 용적비(V2/V1)와 COP의 관계에 대하여 검토한 결과를 도 4에 나타낸다. 도 4에서는, 용적비(V2/V1)가 다른 공조기의 난방운전과 냉방운전에 대하여, 각 공조기에서 얻어지는 COP를 구한 것이다. 여기서 도 4에서는, 각 공조기에 있어서, 겨울철 일반적인 실외 온도조건 범위(-10℃에서 15℃까지)에 대한 난방운전 시의 COP를 각각 구함과 더불어, 여름철 일반적인 실외 온도조건 범위(25℃에서 35℃까지)에 대한 냉방운전 시의 COP를 각각 구한다. 또, 여기서 나타내는 "COP비"는, 용적비를 0.65로 한 공조기의 최저 COP(예를 들어 실외온도 15℃에서의 난방운전 시 COP나, 실외온도 25℃에서의 냉방운전 시 COP)를 기준으로 하여, 다른 용적비의 공조기 COP를 상대적으로 평가한 것이다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 용적비를 0.8 이하로 한 것에서는, 난방운전 및 냉방운전에서 COP가 낮은 경향을 보인다. 이는, 용적비를 0.8 이하로 하면, 제 1 압축기구(34)의 흡입용적에 대하여 제 2 압축기구(35)의 흡입용적이 상대적으로 지나치게 작아져 기액분리기(15) 내의 냉매가 임계압력을 초과하기 때문에, 기액분리기(15) 내의 냉매로부터 가스냉매를 분리시키지 못해, 소기의 중간압 가스주입을 행할 수 없기 때문이다. 역으로, 용적비를 0.8보다 크게 함으로써, 기액분리기(15) 내의 냉매를 아임계 압력으로 할 수 있어, 기액분리기(15) 내의 냉매로부터 가스냉매를 분리시킬 수 있다. 따라서, 용적비가 0.8보다 큰 것에 대해서는 소기의 중간압 가스주입을 행할 수 있어 높은 COP를 얻을 수 있다.
또, 용적비를 1.3으로 한 것에서는, 난방운전 및 저 외기온도 조건하에서의 냉방운전에 있어서 COP가 낮은 경향을 보인다. 이는, 용적비를 1.3 이상으로 하 면, 제 1 압축기구(34)의 흡입용적에 대하여 제 2 압축기구(35)의 흡입용적이 상대적으로 지나치게 커져, 제 2 압축기구(35)의 흡입냉매량을 충분히 확보할 수 없게 되기 때문이다. 즉, 용적비를 1.3 이상으로 하면, 냉매를 효율적으로 2단 압축할 수 없어 압축기(30)의 동력 증대에 따라 COP가 저하된다. 역으로, 용적비가 1.3보다 작은 것에 대해서는 비교적 효율적으로 냉매를 2단 압축할 수 있어 높은 COP를 얻을 수 있다.
또한 도 4에 나타낸 바와 같이, 냉방운전 및 난방운전의 COP는, 용적비를 0.9 이상 1.1 이하의 범위로 하면 높아진다. 즉, 제 1 압축기구(34)의 용적(V1)에 대한 제 2 압축기구(35) 용적(V2)의 용적비(V2/V1)는 0.9 이상 1.1 이하인 것이 바람직하다. 특히, 이 용적비를 1.0으로 함으로써, 냉방운전 및 난방운전 쌍방에 있어서 높은 COP를 달성할 수 있다.
-실시형태의 효과-
상기 실시형태에서는, 제 1 압축기구(34)에 대한 제 2 압축기구(35)의 용적비를 0.8보다 크고 1.3보다 작은 범위로 설정한다. 여기서, 이 용적비를 0.8보다 크게 하면, 기액분리기(15) 내의 냉매 압력을 임계압력보다 작게 할 수 있다. 따라서, 본 실시형태에 의하면, 냉매회로(10)에서 소기의 중간압 가스주입을 행할 수 있어, 공조기(1)의 COP를 향상시킬 수 있다. 또, 이 용적비를 1.3보다 작게 하면, 제 2 압축기구(35)의 흡입냉매량 부족에 따르는 압축효율의 저하를 초래하는 일없이, 냉매를 2단 압축시킬 수 있다. 따라서, 상기 실시형태에 의하면, 공조기(1)의 COP를 한층 향상시킬 수 있다.
특히, 제 1 압축기구(34)에 대한 제 2 압축기구(35)의 용적비를 0.9 이상 1.1 이하의 범위로 설정하면 도 4에 나타낸 바와 같이 높은 COP를 얻을 수 있다.
또, 제 1 압축기구(34)의 용적과 제 2 압축기구(35)의 용적을 같은 용적으로 하면(용적비=1.0), 냉방운전과 난방운전 양쪽에서 높은 COP를 얻을 수 있다. 또한, 이와 같이 제 1 압축기구(34)와 제 2 압축기구(35)의 용적을 같은 용적으로 하면, 양 압축기구를 동일 압축메커니즘 사양으로 할 수 있다. 따라서, 압축기(30)를 비교적 용이하면서 저원가로 제조할 수 있다.
(그 밖의 실시형태)
상기 실시형태에 대하여 다음과 같은 구성으로 해도 된다.
상기 실시형태에서는, 저단측 압축기구(34)의 토출측과 고단측 압축기구(35)의 흡입측을 중간연결배관(43)으로 접속하고, 이 중간연결배관(43)에 가스주입배관(15b)의 유출단을 접속하도록 하였다. 그러나, 예를 들어 압축기(30)의 케이싱(31) 내를 저단측 압축기구(34)의 토출냉매로 채우도록 하고, 압축기(30)를 이른바 중간 돔식의 압축기로 하여, 이 케이싱(31) 내에 중간압의 가스냉매를 도입하도록 해도 된다.
또, 상기 실시형태에서는, 저단측 압축기구(34) 및 고단측 압축기구(35)를 스윙식 압축기구로 구성하였다. 그러나, 이들 압축기구를 회전식 회전피스톤형의 압축기구로 구성하거나, 고정톱니와 가동톱니로 이루어지는 압축기구(예를 들어 스크롤식 압축기구)로 구성하여도 된다.
여기서 이상의 실시형태는, 본질적으로 바람직한 예시이며, 본 발명, 그 적 용물, 혹은 그 용도 범위의 제한을 의도하는 것은 아니다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은, 기액분리기를 갖는 냉매회로를 구비하며, CO2냉매를 고압의 임계압력으로 하여 2단 압축 2단 팽창 냉동주기를 행하는 냉동장치에 대하여 유용하다.

Claims (4)

  1. 저단측 압축기구 및 고단측 압축기구가 구동축에 의하여 서로 연결되는 압축기와, 중간압 냉매를 기액 분리하는 기액분리기를 가지며, CO2냉매의 고압을 임계압력으로 하여 2단 압축 2단 팽창 냉동주기를 행하는 냉매회로를 구비한 냉동장치에 있어서,
    상기 저단측 압축기구의 흡입용적(displacement)에 대한 고단측 압축기구의 흡입용적 용적비가 0.8보다 크고 1.3보다 작은 범위인 것을 특징으로 하는 냉동장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 용적비가 0.9 이상 1.1 이하의 범위인 것을 특징으로 하는 냉동장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 용적비가 1.0인 것을 특징으로 하는 냉동장치.
  4. 청구항 1 내지 3의 어느 한 항에 있어서,
    저단측 압축기구 및 고단측 압축기구는, 회전식 압축기구로 구성되는 것을 특징으로 하는 냉동장치.
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