JP2009257705A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷凍サイクルの少なくとも一部で作動冷媒が超臨界状態となる冷凍装置において、冷凍機油の枯渇を防止しつつ、圧縮仕事を低減化させることが可能な冷凍装置を提供する。
【解決手段】熱源側熱交換器４は、冷媒の冷却器又は加熱器として機能する。膨張機構５は、冷媒を減圧させる。利用側熱交換器６は、冷媒の加熱器又は冷却器として機能する。圧縮要素２は、冷媒を吸入し圧縮させて吐出する。この圧縮要素２は、冷凍機油を含んでいる。油分離器１６は、圧縮要素２の吐出部に接続されており、冷媒と冷凍機油とを分離する。低段油戻し管５０は、油分離器１６において分離された冷凍機油を、圧縮要素２の吸入部に導く。油中間冷却器５２は、低段油戻し管５０を通過する冷凍機油を冷却させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍装置、特に、冷凍サイクルの少なくとも一部で作動冷媒が超臨界状態となる多段圧縮式冷凍サイクルを行う冷凍装置に関する。

従来より、冷却運転と加熱運転とを切り換え可能に構成された冷媒回路を有し、超臨界域で作動する冷媒を使用して多段圧縮式冷凍サイクルを行う冷凍装置の１つとして、特許文献１に示されるような、冷房運転と暖房運転とを切り換え可能に構成された冷媒回路を有し、二酸化炭素を冷媒として使用して二段圧縮式冷凍サイクルを行う空気調和装置がある。この空気調和装置は、主として、直列に接続された２つの圧縮要素を有する圧縮機と、冷房運転と暖房運転とを切り換えるための四路切換弁と、室外熱交換器と、膨張弁と、室内熱交換器とを有している。
特開２００７−２３２２６３号公報

上述の空気調和装置では、冷媒として使用される二酸化炭素の臨界温度（約３１℃）が冷媒の冷却器として機能する室外熱交換器や室内熱交換器の冷却源となる水や空気の温度と同程度であり、Ｒ２２やＲ４１０Ａ等の冷媒に比べて低いことから、これらの熱交換器における水や空気による冷媒の冷却が可能になるように、冷凍サイクルの高圧が冷媒の臨界圧力よりも高い状態で運転がなされることになる。

しかし、超臨界状態の冷媒は、冷凍機油をより多く溶解させるために、圧縮機の冷凍機油が不足しがちになってしまう。

これに対して、単に、冷凍機油を分離して圧縮機の吸入側に戻すだけでは、温度上昇している冷凍機油によって吸入冷媒が加熱され、吸入冷媒の密度が低下することで圧縮仕事の量が増大してしまう問題がある。

本発明の課題は、冷凍サイクルの少なくとも一部で作動冷媒が超臨界状態となる冷凍装置において、冷凍機油の枯渇を防止しつつ、圧縮仕事を低減化させることが可能な冷凍装置を提供することにある。

第１発明の冷凍装置は、冷凍サイクルの少なくとも一部で作動冷媒が超臨界状態となる冷凍装置であって、熱源側熱交換器、膨張機構、利用側熱交換器、圧縮要素、油分離機構、油インジェクション回路、および、冷却手段を備えている。熱源側熱交換器は、冷媒の冷却器又は加熱器として機能する。膨張機構は、冷媒を減圧させる。利用側熱交換器は、冷媒の加熱器又は冷却器として機能する。圧縮要素は、冷媒を吸入し圧縮させて吐出する。この圧縮要素は、冷凍機油を含んでいる。油分離機構は、圧縮要素の吐出部に接続されており、冷媒と冷凍機油とを分離する。油インジェクション回路は、油分離機構において分離された冷凍機油を、圧縮要素の吸入部に導く。冷却手段は、油インジェクション回路を通過する冷凍機油を冷却させる。

この冷凍装置では、オイルセパレータによって分離された冷凍機油を圧縮要素に戻すことで、圧縮要素における冷凍機油が枯渇しないようにすることができる。さらに、圧縮機に戻される冷凍機油は、冷却手段によって冷却されているため、圧縮要素の吸入冷媒を冷やすことができる。このため、圧縮要素の冷媒密度を向上させ圧縮仕事を小さく抑えることができる。

これにより、圧縮要素における冷凍機油の枯渇を防止させつつ、圧縮仕事を小さく抑えることが可能になる。

第２発明の冷凍装置は、第１発明の冷凍装置において、圧縮要素は、冷媒を吸入し圧縮させて吐出する第１圧縮要素と、第１圧縮要素から吐出された冷媒を吸入してさらに圧縮させて吐出する第２圧縮要素と、を有している。そして、油分離機構は、第１圧縮要素と第２圧縮要素との少なくともいずれか一方から吐出した冷媒から冷凍機油を分離する。油インジェクション回路は、油分離機構で分離された冷凍機油を、第２圧縮要素の吸入側に導く。

この冷凍装置では、第１圧縮要素によって圧縮されることで高温になった冷媒を、油インジェクション回路から合流してくる冷凍機油によって冷却することで、第２圧縮要素が圧縮を行う冷媒密度を向上させることができる。

これにより、圧縮仕事の量を小さくさせることができる。

第３発明の冷凍装置は、第１発明の冷凍装置において、圧縮要素は、冷媒を吸入し圧縮させて吐出する第１圧縮要素と、第１圧縮要素から吐出された冷媒を吸入してさらに圧縮させて吐出する第２圧縮要素と、を有している。そして、油分離機構は、少なくとも第１圧縮要素から吐出した冷媒から、冷凍機油を分離させる。油インジェクション回路は、油分離機構で分離された冷凍機油を、第２圧縮要素の吸入側に導く。

この冷凍装置では、第２圧縮要素から吐出される冷凍機油よりも第１圧縮要素から吐出される冷凍機油のほうが多い場合に、第２圧縮要素に吸入される冷媒の温度をより効果的に冷却することができ、第２圧縮要素による圧縮仕事の量を小さくすることが可能になる。

第４発明の冷凍装置は、第１発明の冷凍装置において、圧縮要素は、冷媒を吸入し圧縮させて吐出する第１圧縮要素と、第１圧縮要素から吐出された冷媒を吸入してさらに圧縮させて吐出する第２圧縮要素と、を有している。そして、油分離機構は、第２圧縮要素から吐出した冷媒から、冷凍機油を分離させる。油インジェクション回路は、油分離機構で分離された冷凍機油を、第２圧縮要素の吸入側に導く。

例えば、第２圧縮要素によって圧縮された冷媒が超臨界状態となる場合には、冷凍機油をより多く溶解してしまい、圧縮要素からの冷凍機油の流出量が増大してしまう。

これに対して、この冷凍装置では、第２圧縮要素から吐出された流体から冷凍機油を回収することができるため、圧縮要素における冷凍機油の枯渇を防止することができる。

さらに、第２圧縮要素の吸入冷媒を冷却できる場合には、第２圧縮要素の圧縮要素による圧縮仕事を低減させることが可能になる。

第５発明の冷凍装置は、第２発明から第４発明のいずれかの冷凍装置において、第１圧縮要素、および、第２圧縮要素は、それぞれ回転駆動することで圧縮仕事を行うための共通の回転軸を有している。

この冷凍装置では、遠心力を互いに相殺させながら駆動することで、振動の発生やトルク負荷の変動を抑えることが可能になる。

第６発明の冷凍装置は、第２発明から第５発明のいずれかの冷凍装置において、冷却機構は、第１圧縮要素が吐出した後であって第２圧縮要素が吸入する前の冷媒も冷却する。

この冷凍装置では、第２圧縮要素の吸入冷媒の温度をよりいっそう低下させ、吸入冷媒の密度を上げることができる。

これにより、第２圧縮要素による圧縮仕事の量をさらに低減させることが可能になる。

第７発明の冷凍装置は、第１発明から第６発明のいずれかの冷凍装置において、油インジェクション回路は、冷凍機油の通過流量を制限する流量制限機構を有している。

この冷凍装置では、流量制限機構によって、圧縮要素の高圧側から低圧側に向かう流れを制約することで、高圧冷媒が冷媒回路を循環することなく吸入されてしまうことを防止することができる。

第８発明の冷凍装置は、第７発明の冷凍装置において、流量制限機構は、冷却機構と、圧縮要素の吸入側との間に配置されている。

この冷凍装置では、冷却手段の出口側に流量制限手段を配置することで、油インジェクション回路を通過する冷凍機油は、流量制限手段を通過する前である冷却手段の部分で流速が遅くなり、その分だけ冷凍機油を十分に冷却させることが可能になる。

第９発明の冷凍装置は、第１発明から第８の発明のいずれかの冷凍装置において、作動冷媒は、二酸化炭素である。

作動冷媒として超臨界状態となりうる二酸化炭素を採用した場合には、臨界点付近において、冷凍機油の溶解度が著しく向上することから、圧縮要素の冷凍機油の枯渇がよりいっそう問題になる。

これに対して、この冷凍装置では、油分離機構において分離された冷凍機油を圧縮機に戻しているため、作動冷媒として二酸化炭素を用いた場合であっても、圧縮要素における冷凍機油の枯渇が生じにくい。

特に、第２圧縮要素から吐出される冷媒は、より高温高圧状態の超臨界状態となっているために冷凍機油が溶け込みやすい。これに対して、第２圧縮要素によって冷媒と共に吐出された冷凍機油が、油分離機構によって分離回収される場合には、冷凍機油が冷媒回路中に分散されて圧縮要素の冷凍機油が枯渇してしまう状態をより効果的に防止することが可能となる。

以上の説明に述べたように、本発明によれば、以下の効果が得られる。

第１発明では、圧縮要素における冷凍機油の枯渇を防止させつつ、圧縮仕事を小さく抑えることが可能になる。

第２発明では、圧縮仕事の量を小さくさせることができる。

第３発明では、第２圧縮要素から吐出される冷凍機油よりも第１圧縮要素から吐出される冷凍機油のほうが多い場合に、第２圧縮要素による圧縮仕事の量を小さくすることが可能になる。

第４発明では、第２圧縮要素から吐出された流体から冷凍機油を回収することができるため、圧縮要素における冷凍機油の枯渇を防止することができる。

第５発明では、遠心力を互いに相殺させながら駆動することで、振動の発生やトルク負荷の変動を抑えることが可能になる。

第６発明では、第２圧縮要素による圧縮仕事の量をさらに低減させることが可能になる。

第７発明では、高圧冷媒が冷媒回路を循環することなく吸入されてしまうことを防止することができる。

第８発明では、冷凍機油を十分に冷却させることが可能になる。

第９発明では、作動冷媒として二酸化炭素を用いた場合であっても、圧縮要素における冷凍機油の枯渇が生じにくい。

以下、図面に基づいて、本発明にかかる冷凍装置の実施形態について説明する。

（１）空気調和装置の構成
図１は、本発明にかかる冷凍装置の一実施形態としての空気調和装置１の概略構成図である。空気調和装置１は、冷房運転が可能となるように構成された冷媒回路１０を有し、超臨界域で作動する冷媒（ここでは、二酸化炭素）を使用して二段圧縮式冷凍サイクルを行う装置である。

また、図２は、冷凍サイクルが図示された圧力−エンタルピ線図であり、図３は、冷凍サイクルが図示された温度−エントロピ線図である。また、以下の説明において、「高圧」とは、冷凍サイクルにおける高圧（すなわち、図２、３の点Ｄ、Ｅにおける圧力）を意味し、「低圧」とは、冷凍サイクルにおける低圧（すなわち、図２、３の点Ａ、Ｆにおける圧力）を意味し、「中間圧」とは、冷凍サイクルにおける中間圧（すなわち、図２、３の点Ｂ、Ｃにおける圧力）を意味している。

空気調和装置１の冷媒回路１０は、主として、圧縮機構２と、熱源側熱交換器４と、膨張機構５と、利用側熱交換器６と、中間冷却器７と、低段油分離器１６と、高段油分離器４１と、低段油戻し管５０と、高段油戻し管６０と、油中間冷却器５２と、吸入熱交換器５４と、油吸入熱交換器５３とを有している。

圧縮機構２は、本実施形態において、２つの圧縮要素で冷媒を二段圧縮する圧縮機２１から構成されている。圧縮機２１は、ケーシング２１ａ内に、圧縮機駆動モータ２１ｂと、駆動軸２１ｃと、圧縮要素２ｃ、２ｄとが収容された密閉式構造となっている。圧縮機駆動モータ２１ｂは、駆動軸２１ｃに連結されている。そして、この駆動軸２１ｃは、２つの圧縮要素２ｃ、２ｄに連結されている。すなわち、圧縮機２１は、２つの圧縮要素２ｃ、２ｄが単一の駆動軸２１ｃに連結されており、２つの圧縮要素２ｃ、２ｄがともに圧縮機駆動モータ２１ｂによって回転駆動される、いわゆる一軸二段圧縮構造となっている。圧縮要素２ｃ、２ｄは、本実施形態において、ロータリ式やスクロール式等の容積式の圧縮要素である。そして、圧縮機２１は、吸入管２ａから冷媒を吸入し、この吸入された冷媒を圧縮要素２ｃによって圧縮した後に中間冷媒管８に吐出し、中間冷媒管８に吐出された冷媒を圧縮要素２ｄに吸入させて冷媒をさらに圧縮した後に吐出管２ｂに吐出するように構成されている。ここで、中間冷媒管８は、圧縮要素２ｄの前段側に接続された圧縮要素２ｃから吐出された冷媒を、圧縮要素２ｃの後段側に接続された圧縮要素２ｄに吸入させるための冷媒管であり、圧縮要素２ｃの吐出側から低段油分離器１６まで延びている第１中間冷媒管８ａ、低段油分離器１６から中間冷却器７まで延びている第２中間冷媒管８ｂ、および、中間冷却器７から圧縮要素２ｄの吸入側まで延びている第３中間冷媒管８ｃを有している。また、吐出管２ｂは、圧縮機構２から吐出された冷媒を熱源側熱交換器４に送るための冷媒管である。また、この吐出管２ｂには、途中に逆止機構４２が設けられている。この逆止機構４２は、圧縮機構２の吐出側から熱源側熱交換器４への冷媒の流れを許容し、かつ、熱源側熱交換器４から圧縮機構２の吐出側への冷媒の流れを遮断するための機構であり、本実施形態において、逆止弁が使用されている。

このように、圧縮機構２は、本実施形態において、２つの圧縮要素２ｃ、２ｄを有しており、これらの圧縮要素２ｃ、２ｄのうちの前段側の圧縮要素から吐出された冷媒を後段側の圧縮要素で順次圧縮するように構成されている。

熱源側熱交換器４は、冷媒の冷却器として機能する熱交換器である。熱源側熱交換器４は、その一端が圧縮機構２に接続されており、その他端が膨張機構５に接続されている。尚、ここでは図示しないが、熱源側熱交換器４には、熱源側熱交換器４を流れる冷媒と熱交換を行う冷却源としての水や空気が供給されるようになっている。

膨張機構５は、冷媒を減圧する機構であり、本実施形態において、電動膨張弁が使用されている。膨張機構５は、その一端が熱源側熱交換器４に接続され、その他端が利用側熱交換器６に接続されている。また、本実施形態において、膨張機構５は、熱源側熱交換器４において冷却された高圧の冷媒を利用側熱交換器６に送る前に減圧する。

利用側熱交換器６は、冷媒の加熱器として機能する熱交換器である。利用側熱交換器６は、その一端が膨張機構５に接続されており、その他端が圧縮機構２に接続されている。尚、ここでは図示しないが、利用側熱交換器６には、利用側熱交換器６を流れる冷媒と熱交換を行う加熱源としての水や空気が供給されるようになっている。

中間冷却器７は、中間冷媒管８に設けられており、前段側の圧縮要素２ｃから吐出されて圧縮要素２ｄに吸入される冷媒の冷却器として機能する熱交換器である。尚、ここでは図示しないが、中間冷却器７には、中間冷却器７を流れる冷媒と熱交換を行う冷却源としての水や空気が供給されるようになっている。このように、中間冷却器７は、冷媒回路１０を循環する冷媒を用いたものではないという意味で、外部熱源を用いた冷却器ということができる。

高段油分離器４１は、吐出管２ｂの途中に設けられており、圧縮機構２から吐出される冷媒に同伴する冷凍機油を冷媒から分離させる。特に、この空気調和装置１では、作動冷媒として二酸化炭素を採用しているため、高段側の圧縮要素２ｄから吐出される冷媒は臨界圧力を超えた超臨界状態となり、特に冷凍機油が溶け込みやすい。これに対して、この高段油分離器４１が高段側の圧縮要素２ｄの吐出側に設けられているため、冷凍機油の枯渇をより効果的に防止することができている。

高段油戻し管６０は、高段油分離器４１に接続されており、高段油分離器４１において冷媒から分離された冷凍機油を、圧縮機構２の吸入管２ａに戻す回路である。この高段油戻し管６０は、第１高段油配管６１ａ、キャピラリチューブ６１ｂ、第２高段油配管６１ｃを有している。第１高段油配管６１ｃは、高段油分離器４１とキャピラリチューブ６１ｂとを接続している。キャピラリチューブ６１ｂは、冷凍機油の減圧機構として機能する。第２高段油配管６１ｃは、キャピラリチューブ６１ｂから吸入管２ａまで延びている。この高段油分離器４１および高段油戻し管６０によって、高段側の圧縮要素２ｄから吐出した冷媒に同伴する冷凍機油を、圧縮機構２の低段側の圧縮要素２ｃの吸入側に戻すことで、圧縮機構２の低段側における冷凍機油の枯渇を防止している。

低段油分離器１６は、第１中間冷媒管８ａと第２中間冷媒管８ｂとの間に設けられており、低段側の圧縮要素２ｃから吐出された冷媒に同伴する冷凍機油を冷媒から分離させる。

低段油戻し管５０は、低段油分離器１６に接続されており、低段油分離器１６において冷媒から分離された冷凍機油を、圧縮機構２の高段側の圧縮要素２ｄの吸入側である第３中間冷媒管８ｃに送る回路である。この低段油戻し管５０は、第１低段油配管５１ａ、キャピラリチューブ５１ｂ、第２低段油配管５１ｃ、第３低段油配管５１ｄ、および、第４低段油配管５１ｅを有している。第１低段油配管５１ｃは、低段油分離器１６とキャピラリチューブ５１ｂとを接続している。キャピラリチューブ５１ｂは、冷凍機油の減圧機構として機能する。第２低段油配管５１ｃは、キャピラリチューブ５１ｂから油中間冷却器５２まで延びている。第３低段油配管５１ｄは、油中間冷却器５２から油吸入熱交換器５３まで延びている。第４低段油配管５１ｅは、油吸入熱交換器５３から圧縮機構２の高段側の圧縮要素２ｄの吸入側である第３中間冷媒管８ｃまで延びている。この低段油分離器１６および低段油戻し管５０によって、低段側の圧縮要素２ｄから吐出した冷媒に同伴する冷凍機油を、圧縮機構２の高段側の圧縮要素２ｄの吸入側に戻すことで、圧縮機構２の高段側における冷凍機油の枯渇を防止している。さらに、ここでは、低段油戻し管５０を流れる冷凍機油は、油中間冷却器５２を通過する際に冷却され、油吸入熱交換器５３を通過する際にさらに冷却されて、第３中間冷媒管８ｃに送られ、第３中間冷媒管８ｃを流れる冷媒に混ざり込んで冷媒の温度を低下させている。

吸入熱交換器５４は、吸入管２ａの途中に設けられており、吸入管２ａを通過する低温低圧冷媒と、油吸入熱交換器５３を通過する冷凍機油と、の間で熱交換を行わせる。

さらに、空気調和装置１は、圧縮機構２、膨張機構５等の空気調和装置１を構成する各部の動作を制御する制御部９９を有している。

なお、上述した中間冷却器７における伝熱管と油中間冷却器５２における伝熱管とは、互いに分離されており繋がっていないが、これらの伝熱管に貫かれているフィンは共通化されており、一体型の熱交換器を構成している。このため、中間冷却器７の冷却源となる水や空気の供給機構（図示しないファンやモータ等）を、油中間冷却器５２においても流用することができる。

また、上述した吸入熱交換器５４における伝熱管と油吸入熱交換器５３における伝熱管とについても、互いに分離されており繋がっていないが、これらの伝熱管に貫かれているフィンは共通化されており、一体型の熱交換器を構成している。

ここで、上述の冷媒回路１０においては、第３中間冷媒管８ｃを流れる冷媒は、中間冷却器７を通過した際に冷却され、さらに、油中間冷却器５２および油吸入熱交換器５３で冷却された冷凍機油が合流することで冷却される。これにより、図２および図３に示すように、低段側の圧縮要素２ｃから吐出された冷媒（図１〜３の点Ｂ参照）は、高段側の圧縮要素２ｃに吸入されるまでに冷却されることになる（図１〜３の点Ｃ参照）。

これにより、高段側の圧縮要素２ｃにおいては、これらの中間冷却器７、油中間冷却器５２、および、油吸入熱交換器５３が無い場合と比較して、温度が低く密度が高い状態の冷媒を圧縮させることができる。これにより、同様の圧縮仕事であっても冷媒循環量を増大させることができる。また、同等の冷凍効果が得たい場合には圧縮仕事を小さく抑えることが可能になる。

また、高段側の圧縮要素２ｄの吐出冷媒の温度について、異常上昇することを防止できるため、圧縮機構２の信頼性を向上させることができる。

なお、仮に、中間冷却器７や油中間冷却器５２における冷却源が利用側熱交換器６の冷却源と外気（空気）で共通している場合には、油中間冷却器５２において冷却された冷凍機油を吸入管２ａに戻すだけでは、冷媒の冷却効果が得られにくい。しかし、ここでは、冷やされた冷凍機油を、低段側の圧縮要素２ｃによって圧縮されて温度上昇した冷媒が流れて高段側の圧縮要素２ｄの吸入側に送るため、中間冷却器７において不足する冷却分を補うことができる。

（３）変形例１
上記実施形態においては、低段油戻し管５０の冷凍機油の戻し先は、高段側の圧縮要素２ｄの吸入側である第３中間冷媒管８ｃである場合を例に挙げて説明した。

しかし、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、図４に示すように、冷凍機油の戻し先を吸入管２ａとした低段油戻し管５０Ａを有する冷媒回路１０Ａを採用してもよい。この場合には、冷凍機油をより低段側の圧縮要素２ｃの吸入側に戻すことで、圧縮機構２自体からの冷凍機油の流出をより効果的に防止することができる。また、この場合であっても、中間冷却器７の冷却源となる水や空気の供給機構（図示しないファンやモータ等）を、油中間冷却器５２においても流用することができる。

なお、この場合には、吸入管２ａに戻すことになるために熱交換を行う意味がないことから、上述した油吸入熱交換器５３および吸入熱交換器５４は設けていない。

ここでは、中間冷却器７や油中間冷却器５２における冷却源が、利用側熱交換器６の冷却源である外気（空気）とは異なり、水等のより冷たい媒体である場合には、吸入管２ａに冷えた冷凍機油を送った場合でも効果が得られる。

（４）変形例２
上記実施形態の変形例１の低段油戻し管５０Ａによる冷凍機油の戻し先が吸入管２ａである場合を例に挙げて説明した。

しかし、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、図５に示すように、高段油戻し管６０の第２高段油配管６１ｃを通じた冷凍機油の戻し先を、吸入管２ａにするのではなく、第２低段油配管５１ｃに戻すように構成された冷媒回路１０Ｂを採用してもよい。

この場合には、低段側の圧縮要素２ｃからの吐出冷媒に同伴しつつ低段油分離器１６において分離された冷凍機油だけでなく、高段側の圧縮要素２ｄからの吐出冷媒に同伴しつつ高段油分離器４１において分離された冷凍機油についても、油中間冷却器５２により冷却させることができる。これにより、冷却されることなく吸入管２ａに戻されていた冷凍機油についても冷却されるため、圧縮機構２の圧縮効率をより向上させることができる。

なお、ここでの図示はしないが、油中間冷却器５２により冷却させた冷凍機油を、第３中間冷媒管８ｃに送り込む構成としてもよい。すなわち、低段側の圧縮要素２ｃからの吐出冷媒に同伴しつつ低段油分離器１６において分離された冷凍機油だけでなく、高段側の圧縮要素２ｄからの吐出冷媒に同伴しつつ高段油分離器４１において分離された冷凍機油についても、油中間冷却器５２により冷却させて、高段側の圧縮要素２ｄの吸入側である第３中間冷媒管８ｃに送るようにしてもよい。この場合には、高段側の圧縮要素２ｄの吸入冷媒の温度をより低下させ、密度をより上昇させることができる。

また、特に、空気調和装置１では、作動冷媒として二酸化炭素を採用しているため、高段側の圧縮要素２ｄから吐出される冷媒は臨界圧力を超えた超臨界状態となり、特に冷凍機油が溶け込みやすい。これに対して、ここでは、多く溶け込んだ冷凍機油を高段油分離器４１によって分離しつつ、分離された多くの冷凍機油を用いることでより効果的な冷却効果が得られる。

（５）変形例３
上記実施形態の変形例１の低段油戻し管５０Ａによる冷凍機油の戻し先が吸入管２ａである場合を例に挙げて説明した。

しかし、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、図５に示すように、高段油戻し管６０の第２高段油配管６１ｃを通じた冷凍機油の戻し先を、吸入管２ａにするのではなく、第３中間冷媒管８ｃに戻すように構成され、第２高段油配管６１ｃが油中間冷却器５２とは別系統で一体型に形成された高段側の油中間冷却器５５まで延びるようにしつつ、さらにこの油中間冷却器５５から第３中間冷媒管８ｃまで延びる第４高段油配管６１ｄを設けた冷媒回路１０Ｃを採用してもよい。

この場合には、低段側の冷凍機油だけでなく、高段側の冷凍機油についても冷却させてから戻すことができるようになる。

（６）変形例４
上記実施形態においては、冷房に利用される冷媒回路１０を例に挙げて説明した。

しかし、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、図７に示すように、切換機構３と、中間バイパス配管１２と、中間バイパス弁１２ｖを備えた冷媒回路１０Ｄを採用してもよい。

この切換機構３は、高段油分離器４１から逆止機構４２を超えて延びた部分に設けられている。この切換機構３は、この吐出側と、熱源側熱交換器４、利用側熱交換器６、吸入管２ａとの４つの配管の接続状態を切り換えることで、冷房運転（図７の実線参照）と、暖房運転（図７の点線参照）とを切り換えることができる。

また、中間バイパス配管１２は、第２中間冷媒管８ｂと第３中間冷媒管８ｃとを直接接続し、中間冷却器７をバイパスさせるように設けられている。そして、この中間バイパス配管１２には、中間バイパス弁１２ｖが設けられている。この中間バイパス弁１２ｖは、中間冷却器７を機能させる場合には、全閉状態となり、中間冷却器７を機能させない場合には、全開状態となる。

ここで、冷房運転の場合には、中間バイパス弁１２ｖを閉じて中間冷却器７を機能させつつ、切換機構３を冷房運転の接続状態にする。

また、暖房運転の場合には、中間バイパス弁１２ｖを開いて中間冷却器７を機能させない状態にしつつ、切換機構３を暖房運転の接続状態にする。

なお、冷房運転の場合の圧力−エンタルピ線図および温度−エントロピ線図については、図２、図３と同様であるが、暖房運転の場合の圧力−エンタルピ線図は、図８に示すように、温度−エントロピ線図は、図９に示すようになる。

暖房運転時には、中間冷却器７による中間圧力の冷媒温度の低下はなく、冷却された冷凍機油が第３中間冷媒管８ｃに合流することによる冷却効果だけであり、吐出冷媒温度の下がりすぎによる暖房能力不足が生じないようにしている。

（７）変形例５
上記実施形態および上述した変形例では、圧縮機構２が１つのみ設けられた冷媒回路を例に挙げて説明した。

しかし、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、２台もしくは複数台の圧縮機構２が互いに並列に接続された形式を、上記実施形態もしくは上述した各変形例のそれぞれに適用するようにしてもよい。

（８）変形例６
上記実施形態および上述した変形例では、利用側熱交換器６が１台のみ設けられた冷媒回路を例に挙げて説明した。

しかし、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、２台もしくは複数台の利用側熱交換器６が互いに並列に接続された形式を、上記実施形態もしくは上述した各変形例のそれぞれに適用するようにしてもよい。

（９）変形例７
上記実施形態では、分離された冷凍機油を油中間冷却器５２や油吸入熱交換器５３において冷却させる場合を例に挙げて説明した。

しかし、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、高段油分離器４１や低段油分離器１６から冷却された冷凍機油が圧縮要素２ｃ、２ｄの吸入側に戻されるまえの配管長さが、所定値以上長く設けられる等によって、周辺空気による冷却効果を長く受けられる場合には、油中間冷却器５２や油吸入熱交換器５３等の機器を不要とした構成としてもよい。

（１０）他の実施形態
以上、本発明の実施形態及びその変形例について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、これらの実施形態及びその変形例に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。

例えば、上述の実施形態及びその変形例において、利用側熱交換器６を流れる冷媒と熱交換を行う加熱源又は冷却源としての水やブラインを使用するとともに、利用側熱交換器６において熱交換された水やブラインと室内空気とを熱交換させる二次熱交換器を設けた、いわゆる、チラー型の空気調和装置に本発明を適用してもよい。

また、上述のチラータイプの空気調和装置の他の型式の冷凍装置であっても、超臨界域で作動する冷媒を冷媒として使用して多段圧縮式冷凍サイクルを行うものであれば、本発明を適用可能である。

また、超臨界域で作動する冷媒としては、二酸化炭素に限定されず、エチレン、エタンや酸化窒素等を使用してもよい。

本発明を利用すれば、超臨界域で作動する冷媒を使用して多段圧縮式冷凍サイクルを行う冷凍装置において、圧縮機構の油切れを防ぐことができるようになる。

本発明にかかる冷凍装置の一実施形態としての空気調和装置の概略構成図である。 冷房運転時の冷凍サイクルが図示された圧力−エンタルピ線図である。 冷房運転時の冷凍サイクルが図示された温度−エントロピ線図である。 変形例１にかかる空気調和装置の概略構成図である。 変形例２にかかる空気調和装置の概略構成図である。 変形例３にかかる空気調和装置の概略構成図である。 変形例４にかかる空気調和装置の概略構成図である。 変形例４にかかる空気調和装置の暖房運転時の冷凍サイクルが図示された圧力−エンタルピ線図である。 変形例４にかかる空気調和装置の暖房運転時の冷凍サイクルが図示された温度−エントロピ線図である。

符号の説明

１ 空気調和装置（冷凍装置）
２ 圧縮機構
４ 熱源側熱交換器
５ 膨張機構
６ 利用側熱交換器
７ 中間冷却器
８ 中間冷媒管
１６ 低段油分離器
４１ 高段油分離器
５０ 低段油戻し管
５２ 油中間冷却器
５３ 油吸入熱交換器
５４ 吸入熱交換器
５５ 油中間冷却器
６０ 高段油戻し管

Claims (9)

1. 冷凍サイクルの少なくとも一部で作動冷媒が超臨界状態となる冷凍装置（１）であって、
   冷媒の冷却器又は加熱器として機能する熱源側熱交換器（４）と、
   冷媒を減圧する膨張機構（５）と、
   冷媒の加熱器又は冷却器として機能する利用側熱交換器（６）と、
   冷媒を吸入し圧縮させて吐出する、冷凍機油を含んでいる圧縮要素（２）と、
   前記圧縮要素（２）の吐出部（Ｂ，Ｄ）に接続されており、冷媒と前記冷凍機油とを分離する油分離機構（１６）と、
   前記油分離機構（１６）において分離された前記冷凍機油を、前記圧縮要素（２）の吸入部（Ｃ，Ａ）に導く油インジェクション回路（５０）と、
   前記油インジェクション回路（５０）を通過する前記冷凍機油を冷却させる冷却手段（５２，５３，５４，７）と、
   を備えた冷凍装置（１）。
2. 前記圧縮要素（２）は、冷媒を吸入し圧縮させて吐出する第１圧縮要素（２ｃ）と、前記第１圧縮要素（２ｃ）から吐出された冷媒を吸入してさらに圧縮させて吐出する第２圧縮要素（２ｄ）と、を有しており、
   前記油分離機構（１６）は、前記第１圧縮要素（２ｃ）と前記第２圧縮要素（２ｄ）との少なくともいずれか一方から吐出した冷媒から前記冷凍機油を分離し、
   前記油インジェクション回路（５０）は、前記油分離機構（１６）で分離された前記冷凍機油を、前記第２圧縮要素（２ｄ）の吸入側に導く、
   請求項１に記載の冷凍装置（１）。
3. 前記圧縮要素（２）は、冷媒を吸入し圧縮させて吐出する第１圧縮要素（２ｃ）と、前記第１圧縮要素（２ｃ）から吐出された冷媒を吸入してさらに圧縮させて吐出する第２圧縮要素（２ｄ）と、を有しており、
   前記油分離機構（１６）は、少なくとも前記第１圧縮要素（２ｃ）から吐出した冷媒から、前記冷凍機油を分離し、
   前記油インジェクション回路（５０）は、前記油分離機構（１６）で分離された前記冷凍機油を、前記第２圧縮要素（２ｄ）の吸入側に導く、
   請求項１に記載の冷凍装置（１）。
4. 前記圧縮要素（２）は、冷媒を吸入し圧縮させて吐出する第１圧縮要素（２ｃ）と、前記第１圧縮要素から吐出された冷媒を吸入してさらに圧縮させて吐出する第２圧縮要素（２ｄ）と、を有しており、
   前記油分離機構（１６）は、前記第２圧縮要素（２ｄ）から吐出した冷媒から、前記冷凍機油を分離し、
   前記油インジェクション回路（５０）は、前記油分離機構（１６）で分離された前記冷凍機油を、前記第２圧縮要素（２ｄ）の吸入側に導く、
   請求項１に記載の冷凍装置（１）。
5. 前記第１圧縮要素（２ｃ）、および、前記第２圧縮要素（２ｄ）は、それぞれ回転駆動することで圧縮仕事を行うための共通の回転軸（２１ｃ）を有している、
   請求項２から４のいずれか１項に記載の冷凍装置（１）。
6. 前記冷却機構（７）は、前記第１圧縮要素（２ｃ）が吐出した後であって前記第２圧縮要素（２ｄ）が吸入する前の冷媒も冷却する、
   請求項２から５のいずれか１項に記載の冷凍装置（１）。
7. 前記油インジェクション回路（５０）は、前記冷凍機油の通過流量を制限する流量制限機構（５１ｂ）を有している、
   請求項１から６のいずれか１項に記載の冷凍装置（１）。
8. 前記流量制限機構（５１ｂ）は、前記冷却機構（５２）と、前記圧縮要素（２）の吸入側（Ｃ，Ａ）との間に配置されている、
   請求項７に記載の冷凍装置（１）。
9. 前記作動冷媒は、二酸化炭素である、
   請求項１から８のいずれか１項に記載の冷凍装置（１）。

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