JP4036772B2 - 遷臨界冷媒サイクル装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンプレッサ、ガスクーラ、絞り手段及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媒サイクル装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種冷媒サイクル装置は、ロータリコンプレッサ（コンプレッサ）、ガスクーラ、絞り手段（膨張弁等）及び蒸発器等を順次環状に配管接続して冷媒サイクル（冷媒回路）が構成されている。そして、ロータリコンプレッサの回転圧縮要素の吸込ポートから冷媒ガスがシリンダの低圧室側に吸入され、ローラとベーンの動作により圧縮が行われて高温高圧の冷媒ガスとなり、高圧室側より吐出ポート、吐出消音室を経てガスクーラに吐出される。このガスクーラにて冷媒ガスは放熱した後、絞り手段で絞られて蒸発器に供給される。そこで冷媒が蒸発し、そのときに周囲から吸熱することにより冷却作用を発揮するものであった。
【０００３】
ここで、近年では地球環境問題に対処するため、この種の冷媒サイクルにおいても、従来のフロンを用いずに自然冷媒である二酸化炭素（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来ている。
【０００４】
このような遷臨界冷媒サイクル装置では、コンプレッサ内に液冷媒が戻って、液圧縮することを防ぐために、蒸発器の出口側とコンプレッサの吸込側との間の低圧側にアキュムレータを配設し、このアキュムレータに液冷媒を溜め、ガスのみをコンプレッサに吸い込ませる構成とされていた。そして、アキュムレータ内の液冷媒がコンプレッサに戻らないように絞り手段を調整していた（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特公平７−１８６０２号公報
【０００６】
しかしながら、冷媒サイクルの低圧側にアキュムレータを設けることは、その分多くの冷媒充填量を必要とする。また、液バックを防止するためには絞り手段の開度を小さくし、或いは、アキュムレータの容量を拡大しなければならず、冷却能力の低下や設置スペースの拡大を招く。そこで、係るアキュムレータを設けること無く、コンプレッサにおける液圧縮を解消するために、出願人は従来図４に示す冷媒サイクル装置の開発を試みた。
【０００７】
図４において、１０は内部中間圧型多段（２段）圧縮式ロータリコンプレッサを示しており、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で駆動される第１の回転圧縮要素３２及び第２の回転圧縮要素３４を備えて構成されている。コンプレッサ１０は冷媒導入管９４から吸い込まれた冷媒ガスを第１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から中間冷却回路１５０Ａに吐出する。
【０００８】
中間冷却回路１５０Ａはガスクーラ１５４を通過するように設けられており、そこで、冷媒ガスは空冷され、第２の回転圧縮要素３４に吸い込まれて圧縮される。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から出た冷媒は内部熱交換器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から第１の回転圧縮要素３２に吸い込まれる。
【０００９】
この場合の動作を図５のｐ−ｈ線図を参照して説明する。第１の回転圧縮要素３２で圧縮されて中間圧となり、密閉容器１２内に吐出された冷媒は（図５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が通過するガスクーラ１５４に流入し、そこで空冷方式により放熱される。ここで中間圧の冷媒はガスクーラ１５４にて熱が奪われる（図５の▲３▼の状態）。
【００１０】
その後、第２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５の▲４▼の状態）。
【００１１】
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５の▲５▼’の状態）、内部熱交換器１６０を通過する。冷媒はそこで低圧側の冷媒に熱を奪われ、当該冷媒のエンタルピーはΔｈだけ下がり、図５の▲５▼の状態となる。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５の▲６▼の状態）、次に蒸発器１５７に流入して蒸発する（図５の▲１▼’の状態）。蒸発器１５７から出た冷媒は内部熱交換器１６０を通過し、そこで前記高圧側の冷媒から熱を奪い、冷媒のエンタルピーがΔｈ上昇して、図５の▲１▼の状態となる。
【００１２】
そして、内部熱交換器１６０で加熱された冷媒は冷媒導入管９４からロータリコンプレッサ１０の第１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。このように、蒸発器１５７から出た冷媒を内部熱交換器１６０により高圧側の冷媒にて加熱することで過熱度を取ることができるようになり、低圧側にアキュムレータなどを設けること無く、コンプレッサ１０に液冷媒が吸い込まれる液バックを確実に防止し、コンプレッサ１０が液圧縮にて損傷を受ける不都合を回避することができるようになる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
このように、内部熱交換器１６０を設けて低圧側と高圧側の冷媒を熱交換することで、高圧側の冷媒の過冷却度が大きくなり、図５の▲６▼から▲１▼’のエンタルピー差が拡大されて蒸発器１５７における冷却効果が向上する。しかしながら、内部熱交換器１６０の大きさには設置スペース的に限界があるため、使用条件等によっては十分な冷却能力を得ることができなかった。
【００１４】
本発明は、係る技術的課題を解決するために成されたものであり、高圧側が超臨界圧力となる遷臨界冷媒サイクル装置において、蒸発器における冷却能力の向上を図ることを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明の遷臨界冷媒サイクル装置では、ガスクーラから出た冷媒と蒸発器から出た冷媒とを熱交換させるための内部熱交換器と、この内部熱交換器においてガスクーラからの冷媒を減圧する減圧手段と、内部熱交換器から出たガスクーラからの冷媒を、絞り手段に入る以前に冷却するサブクーラとを備えることを特徴とする。
【００１６】
請求項２の発明の遷臨界冷媒サイクル装置では上記発明に加えて、減圧手段は、ガスクーラからの少なくとも一部の冷媒状態を臨界点より下に移行させることを特徴とする。
【００１７】
このように、本発明では減圧手段により、内部熱交換器においてガスクーラからの冷媒を請求項２のように臨界点より下に移行するまで減圧し、且つ、絞り手段に入る以前にサブクーラにより当該冷媒を冷却することができるようになる。
【００１８】
即ち、サブクーラには気液混合状態の冷媒が流入することになり、サブクーラにおける熱交換効率が改善されて冷媒の過冷却効果を著しく向上させることができるようになる。これにより、内部熱交換器の容量が限定される条件下においても、冷凍効果（冷却効果）の改善を図ることができるようになる。
【００１９】
請求項３の発明の遷臨界冷媒サイクル装置では上記各発明に加えて、コンプレッサは、密閉容器内に第１及び第２の回転圧縮要素を備え、第１の回転圧縮要素で圧縮されて吐出された冷媒を第２の回転圧縮要素に吸い込んで圧縮し、ガスクーラに吐出すると共に、第１の回転圧縮要素から吐出された冷媒をガスクーラにて放熱させるための中間冷却回路を備えるので、第１の回転圧縮要素で圧縮された冷媒を中間冷却回路を通過させて、ガスクーラにて効果的に冷却することができ、第２の回転圧縮要素における圧縮効率を向上させることができるようになる。
【００２０】
請求項４の発明では上記各発明に加えて、冷媒として二酸化炭素を使用するので環境問題にも寄与することができるようになる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
次に、図面に基づき本発明の実施形態を詳述する。図１は本発明の遷臨界冷媒サイクル装置に使用するコンプレッサの実施例として、第１及び第２の回転圧縮要素３２、３４を備えた内部中間圧型多段（２段）圧縮式のロータリコンプレッサ１０の縦断面図、図２は本発明の遷臨界冷媒サイクル装置の冷媒回路図である。
【００２２】
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コンプレッサで、このコンプレッサ１０は鋼板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駆動要素としての電動要素１４及びこの電動要素１４の下側に配置され、電動要素１４の回転軸１６により駆動される第１の回転圧縮要素３２（１段目）及び第２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。
【００２３】
密閉容器１２は底部をオイル溜めとし、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。
【００２４】
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ータ２２と、このステータ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。ステータ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ータコイル２８を有している。また、ロータ２４はステータ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。
【００２５】
前記第１の回転圧縮要素３２と第２の回転圧縮要素３４との間には中間仕切板３６が挟持されている。即ち、第１の回転圧縮要素３２と第２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に設けられた上下偏心部４２、４４により偏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の上側の開口面及び下シリンダ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及び下部支持部材５６にて構成されている。
【００２６】
一方、上部支持部材５４及び下部支持部材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。
【００２７】
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から第１の回転圧縮要素３２で圧縮された中間圧（ＭＰ）の冷媒ガスが密閉容器１２内に吐出される。
【００２８】
そして、冷媒としては地球環境にやさしく、可燃性及び毒性等を考慮して自然冷媒である前述した二酸化炭素（ＣＯ2）が使用され、潤滑油としてのオイルは、例えば鉱物油（ミネラルオイル）、アルキルベンゼン油、エーテル油、エステル油、ＰＡＧ（ポリアルキルグリコール）など既存のオイルが使用される。
【００２９】
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１４１、１４２、１４３及び１４４がそれぞれ溶接固定されている。そして、スリーブ１４１内には上シリンダ３８に冷媒ガスを導入するための冷媒導入管９２の一端が挿入接続され、この冷媒導入管９２の一端は上シリンダ３８の図示しない吸込通路と連通する。この冷媒導入管９２は後述する中間冷却回路１５０に設けられたガスクーラ１５４を経てスリーブ１４４に至り、他端はスリーブ１４４内に挿入接続されて密閉容器１２内に連通する。
【００３０】
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。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。
【００３１】
次に図２において、上述したコンプレッサ１０は図２に示す冷媒回路の一部を構成する。即ち、コンプレッサ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を出た配管は内部熱交換器１６０を通過する。この内部熱交換器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。
【００３２】
ここで、内部熱交換器１６０には本発明のガスクーラ１５４からの冷媒を減圧する減圧手段としての減圧機構１６２が設けられている。この減圧機構１６２は内部熱交換器１６０を通過する高圧側の冷媒を減圧するためのものであり、内部熱交換器１６０の高圧側の冷媒配管の一部をキャピラリチューブにて構成することにより形成されてる。
【００３３】
内部熱交換器１６０を出た高圧側の配管は本発明のサブクーラ１６４の入口に接続される。このサブクーラ１６４は内部熱交換器１６０から出たガスクーラ１５４からの冷媒を絞り手段としての膨張弁１５６に入る以前に冷却するためのものである。
【００３４】
サブクーラ１６４から出た配管は膨張弁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を出た配管は内部熱交換器１６０を経て冷媒導入管９４に接続される。
【００３５】
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媒サイクル装置の動作を説明する。ターミナル２０及び図示されない配線を介してコンプレッサ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。
【００３６】
これにより、冷媒導入管９４及び下部支持部材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）。
【００３７】
そして、密閉容器１２内の中間圧の冷媒ガスは冷媒導入管９２に入り、スリーブ１４４から出て中間冷却回路１５０に流入する。そして、この中間冷却回路１５０がガスクーラ１５４を通過する過程で空冷方式により放熱する（図３の▲３▼の状態）。このように、第１の回転圧縮要素３２で圧縮された中間圧の冷媒ガスを中間冷却回路１５０を通過させることで、ガスクーラ１５４にて効果的に冷却することができるので、密閉容器１２内の温度上昇を抑え、第２の回転圧縮要素３４における圧縮効率も向上させることができるようになる。
【００３８】
そして、冷却された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第２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）。
【００３９】
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）、内部熱交換器１６０を通過する。冷媒はそこで減圧機構１６２により減圧されながら、低圧側の冷媒に熱を奪われてエンタルピーが低下する。この過程で冷媒（或いはその少なくとも一部）の状態は臨界点よりも下に移行し、ガス／液体の二相混合体となり（図３の▲５▼の状態）、サブクーラ１６４に流入し、そこで冷媒は更に冷却される。
【００４０】
この状態を図３で説明する。即ち、減圧機構１６２及びサブクーラ１６４がない場合、ガスクーラ１５４にて冷却された内部熱交換器１６０を通過する前の冷媒のエンタルピーは図５の▲５▼’で示す状態となる。内部熱交換器１６０の前では冷媒は依然ガスの状態である。この場合、内部熱交換器１６０にて低圧側の冷媒と熱交換させることでエンタルピーがΔｈしか下がらず、蒸発器１５７における冷媒の蒸発温度は比較的高くなる。
【００４１】
一方、内部熱交換器１６０に減圧機構１６２を設け、内部熱交換器１６０の出口側にサブクーラ１６４を設けた場合には、図３に示すように減圧機構１６２にてガスクーラ１５４からの冷媒（或いはその少なくとも一部）の状態が臨界点より下に移行する。即ち、少なくとも冷媒はガス／液体の二相混合状態となる（図３の▲５▼で示す状態）。ガス／液体の二相混合状態の冷媒はガス状態の冷媒より伝熱性が良く、ガス状態の冷媒を冷却するよりも、冷却効率が高い。これにより、サブクーラ１６４における冷媒の過冷却効果が著しく向上する。
【００４２】
そして、減圧機構１６２でガス／液体の二相混合状態とされた冷媒は内部熱交換器１６０からサブクーラ１６４に流入し、そこで放熱し、冷媒のエンタルピーはより一層低下し（Δｈ’下がり）、図５の▲５▼’の状態となる。
【００４３】
このように、内部熱交換器１６０の減圧機構１６２により、内部熱交換器１６０においてガスクーラ１５４からの冷媒を臨界点より下に移行するまで減圧し、且つ、膨張弁１５６に入る以前にサブクーラ１６４により当該冷媒を冷却することができるようになる。
【００４４】
これにより、冷媒の過冷却効果が著しく向上し、後述する図３の▲６▼から▲１▼’までのエンタルピー差が一層拡大され、蒸発器１５７における冷却能力が著しく向上する。
【００４５】
特に、遷臨界冷媒サイクル装置の小型化等により、内部熱交換器１６０の容量が限定される条件下においても、所望の蒸発温度とすることを容易に達成できるようになるので、冷凍効果（冷却効果）の改善を図ることができるようになる。
【００４６】
更に、冷媒循環量を増やさずに冷却能力が向上するので、コンプレッサ１０の消費電力の低減を図ることができるようになる。
【００４７】
係るサブクーラ１６４にて冷却された高圧側の冷媒ガスは膨張弁１５６に至る。冷媒は膨張弁１５６にて更に圧力が低下し（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。
【００４８】
このとき、第１の回転圧縮要素３２で圧縮された中間圧の冷媒ガスを中間冷却回路１５０を通過させて、密閉容器１２内の温度上昇を抑えるという効果によって、第２の回転圧縮要素３４における圧縮効率の向上を図ることができるようになり、加えて、内部熱交換器１６０に設けた減圧機構１６２にてガス／気体の二相混合状態とした後、サブクーラ１６４にて更に冷却してから膨張弁１５６で減圧して、冷媒の過冷却度を大きくするという効果によって、蒸発器１５７における冷却能力の向上を図ることができるようになる。
【００４９】
その後、冷媒は蒸発器１５７から流出して（図３の▲１▼’の状態）、内部熱交換器１６０を通過する。そこで前記高圧側の冷媒から熱を奪い、加熱作用を受ける（図３の▲１▼状態）。このように、蒸発器１５７で蒸発して低温となり、蒸発器１５７を出た冷媒は完全に気体の状態ではなく液体が混在した状態となる場合もある。そこで、内部熱交換器１６０を通過させて高圧側の冷媒と熱交換させることで、冷媒は過熱度が取れて完全に気体となる。これにより、低圧側にアキュムレータを設けること無く、コンプレッサ１０に液冷媒が吸い込まれる液バックを確実に防止し、コンプレッサ１０が液圧縮にて損傷を受ける不都合を回避することができるようになる。
【００５０】
尚、内部熱交換器１６０で加熱された冷媒は、冷媒導入管９４からコンプレッサ１０の第１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。
【００５１】
このように、ガスクーラ１５４から出た冷媒と蒸発器１５７から出た冷媒とを熱交換させるための内部熱交換器１６０と、この内部熱交換器１６０においてガスクーラ１５４からの冷媒を減圧する減圧機構１６２と、内部熱交換器１６０から出たガスクーラ１５４からの冷媒を、膨張弁１５６に入る以前に冷却するサブクーラ１６４とを備えて、内部熱交換器１６０の減圧機構１６２にてガスクーラ１５４からの少なくとも一部の冷媒状態を臨界点より下に移行させて、当該冷媒を膨張弁１５６に入る以前にサブクーラ１６４にて冷却することで、冷媒の過冷却効果を著しく向上させることができるようになる。
【００５２】
これにより、内部熱交換器１６０の容量が限定される条件下においても、所望の蒸発温度とすることを容易に達成できるようになるので、冷凍効果（冷却効果）の改善を図ることができるようになる。更に、冷媒循環量を増やさずに冷却能力が向上するので、コンプレッサ１０の消費電力の低減を図ることができるようになる。
【００５３】
また、第１の回転圧縮要素３２から吐出された冷媒をガスクーラ１５４にて放熱させるための中間冷却回路１５０を備えるので、第１の回転圧縮要素３２で圧縮された中間圧の冷媒ガスを中間冷却回路１５０を通過させることにより、ガスクーラ１５４にて効果的に冷却することができるので、密閉容器１２内の温度上昇を抑え、第２の回転圧縮要素における圧縮効率も向上させることができるようになる。
【００５４】
これにより、蒸発器１５７における冷却能力の向上をより一層図ることができるようになる。
【００５５】
尚、本実施例では二酸化炭素を冷媒として使用したが、請求項１、請求項２又は請求項３の発明ではそれに限定されるものではなく、遷臨界冷媒サイクルにて使用可能な種々の冷媒が適用可能である。
【００５６】
また、実施例ではコンプレッサ１０は内部中間圧型の多段（２段）圧縮式ロータリコンプレッサを用いて説明したが、本発明に使用可能なコンプレッサはこれに限定されるものではなく、請求項１、請求項２又は請求項４では高圧側が超臨界圧力となる冷媒が使用可能なコンプレッサであれば構わない。また、請求項３の発明では高圧側が超臨界圧力となる冷媒が使用可能なコンプレッサで、且つ、２段以上の圧縮要素を備えた多段圧縮式のコンプレッサであれば本発明は有効である。
【００５７】
【発明の効果】
以上詳述する如く本発明の遷臨界冷媒サイクル装置によれば、ガスクーラから出た冷媒と蒸発器から出た冷媒とを熱交換させるための内部熱交換器と、この内部熱交換器においてガスクーラからの冷媒を減圧する減圧手段と、内部熱交換器から出たガスクーラからの冷媒を、絞り手段に入る以前に冷却するサブクーラとを備えているので、減圧手段により、内部熱交換器においてガスクーラからの冷媒を請求項２のように臨界点より下に移行するまで減圧し、且つ、絞り手段に入る以前にサブクーラにより当該冷媒を冷却することができるようになる。
【００５８】
即ち、サブクーラには気液混合状態の冷媒が流入することになり、サブクーラにおける熱交換効率が改善されて冷媒の過冷却効果を著しく向上させることができるようになる。これにより、内部熱交換器の容量が限定される条件下においても、冷凍効果（冷却効果）の改善を図ることができるようになる。
【００５９】
請求項３の発明の遷臨界冷媒サイクル装置によれば上記各発明に加えて、コンプレッサは、密閉容器内に第１及び第２の回転圧縮要素を備え、第１の回転圧縮要素で圧縮されて吐出された冷媒を第２の回転圧縮要素に吸い込んで圧縮し、ガスクーラに吐出すると共に、第１の回転圧縮要素から吐出された冷媒をガスクーラにて放熱させるための中間冷却回路を備えるので、第１の回転圧縮要素で圧縮された中間圧の冷媒ガスを中間冷却回路を通過させて、ガスクーラにて効果的に冷却することができるので、第２の回転圧縮要素における圧縮効率も向上させることができるようになる。
【００６０】
これにより、蒸発器における冷却能力の向上をより一層図ることができるようになる。
【００６１】
更に、請求項４の如き二酸化炭素を冷媒として使用すれば環境問題にも寄与することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の冷媒サイクル装置に使用する実施例のロータリコンプレッサの縦断面図である。
【図２】本発明の冷媒サイクル装置の冷媒回路図である。
【図３】図２の冷媒回路のｐ−ｈ線図である。
【図４】従来の冷媒サイクル装置の冷媒回路図である。
【図５】図４の冷媒回路のｐ−ｈ線図である。
【符号の説明】
１０ 多段圧縮式ロータリコンプレッサ
１２ 密閉容器
１４ 電動要素
３２ 第１の回転圧縮要素
３４ 第２の回転圧縮要素
９２、９４ 冷媒導入管
９６ 冷媒吐出管
１５０ 中間冷却回路
１５４ ガスクーラ
１５６ 膨張弁（絞り手段）
１５７ 蒸発器
１６０ 内部熱交換器
１６２ 減圧機構
１６４ サブクーラ
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンプレッサ、ガスクーラ、絞り手段及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媒サイクル装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種冷媒サイクル装置は、ロータリコンプレッサ（コンプレッサ）、ガスクーラ、絞り手段（膨張弁等）及び蒸発器等を順次環状に配管接続して冷媒サイクル（冷媒回路）が構成されている。そして、ロータリコンプレッサの回転圧縮要素の吸込ポートから冷媒ガスがシリンダの低圧室側に吸入され、ローラとベーンの動作により圧縮が行われて高温高圧の冷媒ガスとなり、高圧室側より吐出ポート、吐出消音室を経てガスクーラに吐出される。このガスクーラにて冷媒ガスは放熱した後、絞り手段で絞られて蒸発器に供給される。そこで冷媒が蒸発し、そのときに周囲から吸熱することにより冷却作用を発揮するものであった。
【０００３】
ここで、近年では地球環境問題に対処するため、この種の冷媒サイクルにおいても、従来のフロンを用いずに自然冷媒である二酸化炭素（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来ている。
【０００４】
このような遷臨界冷媒サイクル装置では、コンプレッサ内に液冷媒が戻って、液圧縮することを防ぐために、蒸発器の出口側とコンプレッサの吸込側との間の低圧側にアキュムレータを配設し、このアキュムレータに液冷媒を溜め、ガスのみをコンプレッサに吸い込ませる構成とされていた。そして、アキュムレータ内の液冷媒がコンプレッサに戻らないように絞り手段を調整していた（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特公平７−１８６０２号公報
【０００６】
しかしながら、冷媒サイクルの低圧側にアキュムレータを設けることは、その分多くの冷媒充填量を必要とする。また、液バックを防止するためには絞り手段の開度を小さくし、或いは、アキュムレータの容量を拡大しなければならず、冷却能力の低下や設置スペースの拡大を招く。そこで、係るアキュムレータを設けること無く、コンプレッサにおける液圧縮を解消するために、出願人は従来図４に示す冷媒サイクル装置の開発を試みた。
【０００７】
図４において、１０は内部中間圧型多段（２段）圧縮式ロータリコンプレッサを示しており、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で駆動される第１の回転圧縮要素３２及び第２の回転圧縮要素３４を備えて構成されている。コンプレッサ１０は冷媒導入管９４から吸い込まれた冷媒ガスを第１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から中間冷却回路１５０Ａに吐出する。
【０００８】
中間冷却回路１５０Ａはガスクーラ１５４を通過するように設けられており、そこで、冷媒ガスは空冷され、第２の回転圧縮要素３４に吸い込まれて圧縮される。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から出た冷媒は内部熱交換器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から第１の回転圧縮要素３２に吸い込まれる。
【０００９】
この場合の動作を図５のｐ−ｈ線図を参照して説明する。第１の回転圧縮要素３２で圧縮されて中間圧となり、密閉容器１２内に吐出された冷媒は（図５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が通過するガスクーラ１５４に流入し、そこで空冷方式により放熱される。ここで中間圧の冷媒はガスクーラ１５４にて熱が奪われる（図５の▲３▼の状態）。
【００１０】
その後、第２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５の▲４▼の状態）。
【００１１】
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５の▲５▼’の状態）、内部熱交換器１６０を通過する。冷媒はそこで低圧側の冷媒に熱を奪われ、当該冷媒のエンタルピーはΔｈだけ下がり、図５の▲５▼の状態となる。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５の▲６▼の状態）、次に蒸発器１５７に流入して蒸発する（図５の▲１▼’の状態）。蒸発器１５７から出た冷媒は内部熱交換器１６０を通過し、そこで前記高圧側の冷媒から熱を奪い、冷媒のエンタルピーがΔｈ上昇して、図５の▲１▼の状態となる。
【００１２】
そして、内部熱交換器１６０で加熱された冷媒は冷媒導入管９４からロータリコンプレッサ１０の第１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。このように、蒸発器１５７から出た冷媒を内部熱交換器１６０により高圧側の冷媒にて加熱することで過熱度を取ることができるようになり、低圧側にアキュムレータなどを設けること無く、コンプレッサ１０に液冷媒が吸い込まれる液バックを確実に防止し、コンプレッサ１０が液圧縮にて損傷を受ける不都合を回避することができるようになる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
このように、内部熱交換器１６０を設けて低圧側と高圧側の冷媒を熱交換することで、高圧側の冷媒の過冷却度が大きくなり、図５の▲６▼から▲１▼’のエンタルピー差が拡大されて蒸発器１５７における冷却効果が向上する。しかしながら、内部熱交換器１６０の大きさには設置スペース的に限界があるため、使用条件等によっては十分な冷却能力を得ることができなかった。
【００１４】
本発明は、係る技術的課題を解決するために成されたものであり、高圧側が超臨界圧力となる遷臨界冷媒サイクル装置において、蒸発器における冷却能力の向上を図ることを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明の遷臨界冷媒サイクル装置では、ガスクーラから出た冷媒と蒸発器から出た冷媒とを熱交換させるための内部熱交換器と、この内部熱交換器においてガスクーラからの冷媒を減圧する減圧手段と、内部熱交換器から出たガスクーラからの冷媒を、絞り手段に入る以前に冷却するサブクーラとを備えることを特徴とする。
【００１６】
請求項２の発明の遷臨界冷媒サイクル装置では上記発明に加えて、減圧手段は、ガスクーラからの少なくとも一部の冷媒状態を臨界点より下に移行させることを特徴とする。
【００１７】
このように、本発明では減圧手段により、内部熱交換器においてガスクーラからの冷媒を請求項２のように臨界点より下に移行するまで減圧し、且つ、絞り手段に入る以前にサブクーラにより当該冷媒を冷却することができるようになる。
【００１８】
即ち、サブクーラには気液混合状態の冷媒が流入することになり、サブクーラにおける熱交換効率が改善されて冷媒の過冷却効果を著しく向上させることができるようになる。これにより、内部熱交換器の容量が限定される条件下においても、冷凍効果（冷却効果）の改善を図ることができるようになる。
【００１９】
請求項３の発明の遷臨界冷媒サイクル装置では上記各発明に加えて、コンプレッサは、密閉容器内に第１及び第２の回転圧縮要素を備え、第１の回転圧縮要素で圧縮されて吐出された冷媒を第２の回転圧縮要素に吸い込んで圧縮し、ガスクーラに吐出すると共に、第１の回転圧縮要素から吐出された冷媒をガスクーラにて放熱させるための中間冷却回路を備えるので、第１の回転圧縮要素で圧縮された冷媒を中間冷却回路を通過させて、ガスクーラにて効果的に冷却することができ、第２の回転圧縮要素における圧縮効率を向上させることができるようになる。
【００２０】
請求項４の発明では上記各発明に加えて、冷媒として二酸化炭素を使用するので環境問題にも寄与することができるようになる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
次に、図面に基づき本発明の実施形態を詳述する。図１は本発明の遷臨界冷媒サイクル装置に使用するコンプレッサの実施例として、第１及び第２の回転圧縮要素３２、３４を備えた内部中間圧型多段（２段）圧縮式のロータリコンプレッサ１０の縦断面図、図２は本発明の遷臨界冷媒サイクル装置の冷媒回路図である。
【００２２】
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コンプレッサで、このコンプレッサ１０は鋼板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駆動要素としての電動要素１４及びこの電動要素１４の下側に配置され、電動要素１４の回転軸１６により駆動される第１の回転圧縮要素３２（１段目）及び第２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。
【００２３】
密閉容器１２は底部をオイル溜めとし、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。
【００２４】
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ータ２２と、このステータ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。ステータ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ータコイル２８を有している。また、ロータ２４はステータ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。
【００２５】
前記第１の回転圧縮要素３２と第２の回転圧縮要素３４との間には中間仕切板３６が挟持されている。即ち、第１の回転圧縮要素３２と第２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に設けられた上下偏心部４２、４４により偏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の上側の開口面及び下シリンダ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及び下部支持部材５６にて構成されている。
【００２６】
一方、上部支持部材５４及び下部支持部材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。
【００２７】
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から第１の回転圧縮要素３２で圧縮された中間圧（ＭＰ）の冷媒ガスが密閉容器１２内に吐出される。
【００２８】
そして、冷媒としては地球環境にやさしく、可燃性及び毒性等を考慮して自然冷媒である前述した二酸化炭素（ＣＯ2）が使用され、潤滑油としてのオイルは、例えば鉱物油（ミネラルオイル）、アルキルベンゼン油、エーテル油、エステル油、ＰＡＧ（ポリアルキルグリコール）など既存のオイルが使用される。
【００２９】
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１４１、１４２、１４３及び１４４がそれぞれ溶接固定されている。そして、スリーブ１４１内には上シリンダ３８に冷媒ガスを導入するための冷媒導入管９２の一端が挿入接続され、この冷媒導入管９２の一端は上シリンダ３８の図示しない吸込通路と連通する。この冷媒導入管９２は後述する中間冷却回路１５０に設けられたガスクーラ１５４を経てスリーブ１４４に至り、他端はスリーブ１４４内に挿入接続されて密閉容器１２内に連通する。
【００３０】
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。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。
【００３１】
次に図２において、上述したコンプレッサ１０は図２に示す冷媒回路の一部を構成する。即ち、コンプレッサ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を出た配管は内部熱交換器１６０を通過する。この内部熱交換器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。
【００３２】
ここで、内部熱交換器１６０には本発明のガスクーラ１５４からの冷媒を減圧する減圧手段としての減圧機構１６２が設けられている。この減圧機構１６２は内部熱交換器１６０を通過する高圧側の冷媒を減圧するためのものであり、内部熱交換器１６０の高圧側の冷媒配管の一部をキャピラリチューブにて構成することにより形成されてる。
【００３３】
内部熱交換器１６０を出た高圧側の配管は本発明のサブクーラ１６４の入口に接続される。このサブクーラ１６４は内部熱交換器１６０から出たガスクーラ１５４からの冷媒を絞り手段としての膨張弁１５６に入る以前に冷却するためのものである。
【００３４】
サブクーラ１６４から出た配管は膨張弁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を出た配管は内部熱交換器１６０を経て冷媒導入管９４に接続される。
【００３５】
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媒サイクル装置の動作を説明する。ターミナル２０及び図示されない配線を介してコンプレッサ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。
【００３６】
これにより、冷媒導入管９４及び下部支持部材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）。
【００３７】
そして、密閉容器１２内の中間圧の冷媒ガスは冷媒導入管９２に入り、スリーブ１４４から出て中間冷却回路１５０に流入する。そして、この中間冷却回路１５０がガスクーラ１５４を通過する過程で空冷方式により放熱する（図３の▲３▼の状態）。このように、第１の回転圧縮要素３２で圧縮された中間圧の冷媒ガスを中間冷却回路１５０を通過させることで、ガスクーラ１５４にて効果的に冷却することができるので、密閉容器１２内の温度上昇を抑え、第２の回転圧縮要素３４における圧縮効率も向上させることができるようになる。
【００３８】
そして、冷却された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第２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）。
【００３９】
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）、内部熱交換器１６０を通過する。冷媒はそこで減圧機構１６２により減圧されながら、低圧側の冷媒に熱を奪われてエンタルピーが低下する。この過程で冷媒（或いはその少なくとも一部）の状態は臨界点よりも下に移行し、ガス／液体の二相混合体となり（図３の▲５▼の状態）、サブクーラ１６４に流入し、そこで冷媒は更に冷却される。
【００４０】
この状態を図３で説明する。即ち、減圧機構１６２及びサブクーラ１６４がない場合、ガスクーラ１５４にて冷却された内部熱交換器１６０を通過する前の冷媒のエンタルピーは図５の▲５▼’で示す状態となる。内部熱交換器１６０の前では冷媒は依然ガスの状態である。この場合、内部熱交換器１６０にて低圧側の冷媒と熱交換させることでエンタルピーがΔｈしか下がらず、蒸発器１５７における冷媒の蒸発温度は比較的高くなる。
【００４１】
一方、内部熱交換器１６０に減圧機構１６２を設け、内部熱交換器１６０の出口側にサブクーラ１６４を設けた場合には、図３に示すように減圧機構１６２にてガスクーラ１５４からの冷媒（或いはその少なくとも一部）の状態が臨界点より下に移行する。即ち、少なくとも冷媒はガス／液体の二相混合状態となる（図３の▲５▼で示す状態）。ガス／液体の二相混合状態の冷媒はガス状態の冷媒より伝熱性が良く、ガス状態の冷媒を冷却するよりも、冷却効率が高い。これにより、サブクーラ１６４における冷媒の過冷却効果が著しく向上する。
【００４２】
そして、減圧機構１６２でガス／液体の二相混合状態とされた冷媒は内部熱交換器１６０からサブクーラ１６４に流入し、そこで放熱し、冷媒のエンタルピーはより一層低下し（Δｈ’下がり）、図５の▲５▼’の状態となる。
【００４３】
このように、内部熱交換器１６０の減圧機構１６２により、内部熱交換器１６０においてガスクーラ１５４からの冷媒を臨界点より下に移行するまで減圧し、且つ、膨張弁１５６に入る以前にサブクーラ１６４により当該冷媒を冷却することができるようになる。
【００４４】
これにより、冷媒の過冷却効果が著しく向上し、後述する図３の▲６▼から▲１▼’までのエンタルピー差が一層拡大され、蒸発器１５７における冷却能力が著しく向上する。
【００４５】
特に、遷臨界冷媒サイクル装置の小型化等により、内部熱交換器１６０の容量が限定される条件下においても、所望の蒸発温度とすることを容易に達成できるようになるので、冷凍効果（冷却効果）の改善を図ることができるようになる。
【００４６】
更に、冷媒循環量を増やさずに冷却能力が向上するので、コンプレッサ１０の消費電力の低減を図ることができるようになる。
【００４７】
係るサブクーラ１６４にて冷却された高圧側の冷媒ガスは膨張弁１５６に至る。冷媒は膨張弁１５６にて更に圧力が低下し（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。
【００４８】
このとき、第１の回転圧縮要素３２で圧縮された中間圧の冷媒ガスを中間冷却回路１５０を通過させて、密閉容器１２内の温度上昇を抑えるという効果によって、第２の回転圧縮要素３４における圧縮効率の向上を図ることができるようになり、加えて、内部熱交換器１６０に設けた減圧機構１６２にてガス／気体の二相混合状態とした後、サブクーラ１６４にて更に冷却してから膨張弁１５６で減圧して、冷媒の過冷却度を大きくするという効果によって、蒸発器１５７における冷却能力の向上を図ることができるようになる。
【００４９】
その後、冷媒は蒸発器１５７から流出して（図３の▲１▼’の状態）、内部熱交換器１６０を通過する。そこで前記高圧側の冷媒から熱を奪い、加熱作用を受ける（図３の▲１▼状態）。このように、蒸発器１５７で蒸発して低温となり、蒸発器１５７を出た冷媒は完全に気体の状態ではなく液体が混在した状態となる場合もある。そこで、内部熱交換器１６０を通過させて高圧側の冷媒と熱交換させることで、冷媒は過熱度が取れて完全に気体となる。これにより、低圧側にアキュムレータを設けること無く、コンプレッサ１０に液冷媒が吸い込まれる液バックを確実に防止し、コンプレッサ１０が液圧縮にて損傷を受ける不都合を回避することができるようになる。
【００５０】
尚、内部熱交換器１６０で加熱された冷媒は、冷媒導入管９４からコンプレッサ１０の第１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。
【００５１】
このように、ガスクーラ１５４から出た冷媒と蒸発器１５７から出た冷媒とを熱交換させるための内部熱交換器１６０と、この内部熱交換器１６０においてガスクーラ１５４からの冷媒を減圧する減圧機構１６２と、内部熱交換器１６０から出たガスクーラ１５４からの冷媒を、膨張弁１５６に入る以前に冷却するサブクーラ１６４とを備えて、内部熱交換器１６０の減圧機構１６２にてガスクーラ１５４からの少なくとも一部の冷媒状態を臨界点より下に移行させて、当該冷媒を膨張弁１５６に入る以前にサブクーラ１６４にて冷却することで、冷媒の過冷却効果を著しく向上させることができるようになる。
【００５２】
これにより、内部熱交換器１６０の容量が限定される条件下においても、所望の蒸発温度とすることを容易に達成できるようになるので、冷凍効果（冷却効果）の改善を図ることができるようになる。更に、冷媒循環量を増やさずに冷却能力が向上するので、コンプレッサ１０の消費電力の低減を図ることができるようになる。
【００５３】
また、第１の回転圧縮要素３２から吐出された冷媒をガスクーラ１５４にて放熱させるための中間冷却回路１５０を備えるので、第１の回転圧縮要素３２で圧縮された中間圧の冷媒ガスを中間冷却回路１５０を通過させることにより、ガスクーラ１５４にて効果的に冷却することができるので、密閉容器１２内の温度上昇を抑え、第２の回転圧縮要素における圧縮効率も向上させることができるようになる。
【００５４】
これにより、蒸発器１５７における冷却能力の向上をより一層図ることができるようになる。
【００５５】
尚、本実施例では二酸化炭素を冷媒として使用したが、請求項１、請求項２又は請求項３の発明ではそれに限定されるものではなく、遷臨界冷媒サイクルにて使用可能な種々の冷媒が適用可能である。
【００５６】
また、実施例ではコンプレッサ１０は内部中間圧型の多段（２段）圧縮式ロータリコンプレッサを用いて説明したが、本発明に使用可能なコンプレッサはこれに限定されるものではなく、請求項１、請求項２又は請求項４では高圧側が超臨界圧力となる冷媒が使用可能なコンプレッサであれば構わない。また、請求項３の発明では高圧側が超臨界圧力となる冷媒が使用可能なコンプレッサで、且つ、２段以上の圧縮要素を備えた多段圧縮式のコンプレッサであれば本発明は有効である。
【００５７】
【発明の効果】
以上詳述する如く本発明の遷臨界冷媒サイクル装置によれば、ガスクーラから出た冷媒と蒸発器から出た冷媒とを熱交換させるための内部熱交換器と、この内部熱交換器においてガスクーラからの冷媒を減圧する減圧手段と、内部熱交換器から出たガスクーラからの冷媒を、絞り手段に入る以前に冷却するサブクーラとを備えているので、減圧手段により、内部熱交換器においてガスクーラからの冷媒を請求項２のように臨界点より下に移行するまで減圧し、且つ、絞り手段に入る以前にサブクーラにより当該冷媒を冷却することができるようになる。
【００５８】
即ち、サブクーラには気液混合状態の冷媒が流入することになり、サブクーラにおける熱交換効率が改善されて冷媒の過冷却効果を著しく向上させることができるようになる。これにより、内部熱交換器の容量が限定される条件下においても、冷凍効果（冷却効果）の改善を図ることができるようになる。
【００５９】
請求項３の発明の遷臨界冷媒サイクル装置によれば上記各発明に加えて、コンプレッサは、密閉容器内に第１及び第２の回転圧縮要素を備え、第１の回転圧縮要素で圧縮されて吐出された冷媒を第２の回転圧縮要素に吸い込んで圧縮し、ガスクーラに吐出すると共に、第１の回転圧縮要素から吐出された冷媒をガスクーラにて放熱させるための中間冷却回路を備えるので、第１の回転圧縮要素で圧縮された中間圧の冷媒ガスを中間冷却回路を通過させて、ガスクーラにて効果的に冷却することができるので、第２の回転圧縮要素における圧縮効率も向上させることができるようになる。
【００６０】
これにより、蒸発器における冷却能力の向上をより一層図ることができるようになる。
【００６１】
更に、請求項４の如き二酸化炭素を冷媒として使用すれば環境問題にも寄与することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の冷媒サイクル装置に使用する実施例のロータリコンプレッサの縦断面図である。
【図２】本発明の冷媒サイクル装置の冷媒回路図である。
【図３】図２の冷媒回路のｐ−ｈ線図である。
【図４】従来の冷媒サイクル装置の冷媒回路図である。
【図５】図４の冷媒回路のｐ−ｈ線図である。
【符号の説明】
１０ 多段圧縮式ロータリコンプレッサ
１２ 密閉容器
１４ 電動要素
３２ 第１の回転圧縮要素
３４ 第２の回転圧縮要素
９２、９４ 冷媒導入管
９６ 冷媒吐出管
１５０ 中間冷却回路
１５４ ガスクーラ
１５６ 膨張弁（絞り手段）
１５７ 蒸発器
１６０ 内部熱交換器
１６２ 減圧機構
１６４ サブクーラ
Claims (4)
- コンプレッサ、ガスクーラ、絞り手段及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サイクル装置において、
前記ガスクーラから出た冷媒と前記蒸発器から出た冷媒とを熱交換させるための内部熱交換器と、
該内部熱交換器において前記ガスクーラからの冷媒を減圧する減圧手段と、
前記内部熱交換器から出たガスクーラからの冷媒を、前記絞り手段に入る以前に冷却するサブクーラとを備えることを特徴とする遷臨界冷媒サイクル装置。 - 前記減圧手段は、前記ガスクーラからの少なくとも一部の冷媒状態を臨界点より下に移行させることを特徴とする請求項１の遷臨界冷媒サイクル装置。
- 前記コンプレッサは、密閉容器内に第１及び第２の回転圧縮要素を備え、前記第１の回転圧縮要素で圧縮されて吐出された冷媒を前記第２の回転圧縮要素に吸い込んで圧縮し、前記ガスクーラに吐出すると共に、
前記第１の回転圧縮要素から吐出された冷媒を前記ガスクーラにて放熱させるための中間冷却回路を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２の遷臨界冷媒サイクル装置。 - 前記冷媒として二酸化炭素を使用することを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３の遷臨界冷媒サイクル装置。
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