JP6160502B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガスインジェクションサイクルにおいて中間圧の冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離する気液分離器を含む冷凍サイクル装置に関するものである。

冷凍サイクル装置の一部を構成する圧縮機では、圧縮機内を潤滑するオイルが冷媒に混合される。そして、圧縮機から吐出され冷媒に混合されたオイルを圧縮機に戻すための装置が、従来から種々提案されている。例えば、特許文献１に記載のオイルセパレータがそれである。その特許文献１のオイルセパレータは、電動の圧縮機の一部を構成している。その圧縮機は、オイルセパレータの他に、モータと、そのモータで回転駆動されることにより冷媒を圧縮する圧縮機構部とを備えている。そのオイルセパレータは圧縮機構部からの吐出直後に設置されているので、そのオイルセパレータには圧縮機構部から吐出された高温高圧冷媒が流入する。そして、オイルセパレータはその高温高圧冷媒からオイルを分離し、その分離したオイルを圧縮機構部の内部に間欠給油する。これにより、圧縮機構部が有する摺動部分が潤滑される。

特開２００８−１９６４１５号公報

上記特許文献１の圧縮機では、オイルセパレータが設けられていることにより、確かに圧縮機内を潤滑することができる。しかし、オイルセパレータで分離されたオイルは高温となっているも拘わらず、圧縮機から流出せずに再び圧縮機構部へ戻される。すなわち、高温のオイルが有する熱は、圧縮機から吐出された高温高圧冷媒が流入する放熱器としての熱交換器において放熱されることがない。

従って、圧縮機の圧縮仕事に由来するオイルの熱を、上記放熱器において冷媒と熱交換される被加熱流体へ伝熱することができず、その被加熱流体を加熱するという観点からすると、冷凍サイクルのエネルギ効率の悪化を生じていた。また、発明者らは、圧縮機を有する冷凍サイクル装置が気液分離器も有しているのであれば、その気液分離器において液相冷媒からオイルを分離してもよいと考えた。

本発明は上記点に鑑みて、圧縮機でオイルに与えられた熱を放熱器において被加熱流体へ伝熱することを可能とする気液分離器を含む冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の冷凍サイクル装置の発明では、低圧吸入部（１２１）と高圧吐出部（１２２）と中間圧吸入部（１２３）とを有し、低圧吸入部から吸入した冷媒を圧縮すると共に潤滑用のオイルの混ざった高圧冷媒を高圧吐出部から吐出し、且つ、低圧吸入部の冷媒圧力と高圧吐出部の冷媒圧力との間の中間圧力となっている中間圧冷媒を中間圧吸入部から流入させて圧縮過程の冷媒に合流させる圧縮機（１２）と、
高圧吐出部から吐出された高圧冷媒と被加熱流体とを熱交換させることにより高圧冷媒の熱を放熱させる放熱器（１４）と、
放熱器から流出した高圧冷媒を中間圧力になるまで減圧させる第１減圧装置（１６）と、
中間圧力になった冷媒を減圧させる第２減圧装置（１８）と、
第２減圧装置により減圧された冷媒を蒸発させて低圧吸入部へ流出させる蒸発器（２０）と、
第１減圧装置により中間圧力とされた冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離し気相冷媒を中間圧吸入部へ流出させると共に液相冷媒を第２減圧装置へ流出させる気液分離器（２２）とを備え、
気液分離器は、
液相冷媒とオイルとを溜めるタンク（２２１）と、
第１減圧装置からの冷媒をタンク内に流入させる冷媒入口（２２２ａ）を形成している冷媒入口部（２２２）と、
タンク内の気相冷媒が流れ込み中間圧吸入部へ連通する気相冷媒出口（２２６ａ）を形成している気相冷媒出口部（２２６）と、
タンク内に溜まった液相冷媒が流れ込み第２減圧装置へ連通する液相冷媒出口（２２４ａ）を形成している液相冷媒出口部（２２４）と、
タンク内に溜まったオイルが流れ込み中間圧吸入部へ連通するオイル出口（２２７ａ）を形成しているオイル出口部（２２７）とを備え、
鉛直方向（ＤＲ１）において、気相冷媒出口は液相冷媒出口よりも上方に配置され、且つ、液相冷媒出口はオイル出口よりも上方に配置され、
気液分離器の気相冷媒出口は、オイルをオイル出口から圧縮機へ流すオイル通路（２９２）とは異なる気相冷媒通路（２９１）に接続され、気相冷媒通路は、気相冷媒を気相冷媒出口から圧縮機へ流す通路であり、
圧縮機は、電動機（４２）と、電動機によって回転駆動されることで冷媒を圧縮する圧縮機構部（４４）と、電動機と圧縮機構部とを収容しているハウジング（４０）とを有し、
中間圧吸入部は、オイル通路をハウジング内へ連通させるオイルポート（１２３ｃ）が形成されたオイルポート部（１２３ｂ）と、気相冷媒通路をハウジング内へ連通させる気相冷媒ポート（１２３ｅ）が形成された気相冷媒ポート部（１２３ｄ）とから構成され、
ハウジング内では、オイルポートから流入したオイルと気相冷媒ポートから流入した気相冷媒とが、電動機まわりを流れてから圧縮機構部へ流れることを特徴とする。

上述の請求項１に記載の発明によれば、気液分離器において気相冷媒と液相冷媒とオイルとを互いに分離することができ、その分離後のオイルによって圧縮機を潤滑することが可能である。そして、放熱器と気液分離器との接続関係から、圧縮機でオイルに与えられた熱を上記放熱器において被加熱流体へ伝熱させることが可能である。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した括弧内の各符号は、後述する実施形態に記載した各符号に対応したものである。

第１実施形態に係る冷凍サイクル装置１０の概略構成を示すと共に、その冷凍サイクル装置１０を循環する冷媒の状態をモリエル線図上に示した図である。 第１実施形態の気液分離器２２の構造を模式的に示した断面図である。 第１実施形態の圧縮機１２の断面図であり、圧縮機１２内において、気液分離器２２から圧縮機１２へ供給された気相冷媒およびオイルの流れを示した図である。 第１実施形態に対する比較例の概略構成をモリエル線図上に示した図であって、図１に相当する図である。 第２実施形態の気液分離器２２の構造を模式的に示した断面図であって、図２に相当する図である。 第２実施形態の圧縮機１２内において、気液分離器２２から圧縮機１２へ供給された気相冷媒およびオイルの流れを示した圧縮機１２の断面図であって、図３に相当する図である。 第３実施形態に係る冷凍サイクル装置１０の概略構成を示すと共に、その冷凍サイクル装置１０を循環する冷媒の状態をモリエル線図上に示した図であって、図１に相当する図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る冷凍サイクル装置１０の概略構成を示すと共に、その冷凍サイクル装置１０を循環する冷媒の状態をモリエル線図上に示した図である。図１のモリエル線図の横軸は比エンタルピｈを示し、縦軸は、冷凍サイクル装置１０を循環する冷媒の冷媒圧力Ｐを示している。図１に示す冷凍サイクル装置１０は、給湯装置において水を加熱するために用いられる加熱装置である。冷凍サイクル装置１０の冷媒としては二酸化炭素が採用されており、冷凍サイクル装置１０の冷凍サイクルは、冷凍サイクルの高圧側の冷媒圧力Ｐが冷媒の臨界圧力以上となる超臨界冷凍サイクルである。

図１に示すように、冷凍サイクル装置１０は、圧縮機１２と放熱器１４と第１減圧装置１６と第２減圧装置１８と蒸発器２０と気液分離器２２とを備えている。冷凍サイクル装置１０が提供する冷凍サイクルは、ガスインジェクションサイクルとも呼ばれる。圧縮機１２、放熱器１４、第１減圧装置１６、気液分離器２２、第２減圧装置１８、および蒸発器２０は順に、主冷媒回路２８上に配置されている。気液分離器２２と圧縮機１２との間には、ガスインジェクション通路２９が設けられている。

圧縮機１２は、低圧冷媒を吸入し、加圧することにより高圧冷媒を吐出する。圧縮機１２は、圧縮工程の途中段階において中間圧力のガス冷媒を導入するガスインジェクション型の圧縮機である。また、圧縮機１２により圧縮される冷媒には、圧縮機１２を潤滑するためのオイルが混合されている。圧縮機１２は、具体的には電動のスクロール型コンプレッサであり、不図示の電子制御装置からの制御信号に従って吐出圧力を増減する。

詳細に言うと、圧縮機１２は、低圧吸入部１２１と高圧吐出部１２２と中間圧吸入部１２３とを有している。その低圧吸入部１２１には、低圧冷媒が吸入される吸入ポート１２１ａが形成されている。また、高圧吐出部１２２には、加圧された高圧冷媒が吐出される吐出ポート１２２ａが形成されている。また、中間圧吸入部１２３には、低圧吸入部１２１の冷媒圧力Ｐと高圧吐出部１２２の冷媒圧力Ｐとの間の中間圧力となっている中間圧冷媒が導入される中間圧ポートとしてのガスインジェクションポート１２３ａが形成されている。

そして、圧縮機１２は、低圧吸入部１２１から吸入した冷媒を圧縮すると共に潤滑用のオイルの混ざった高圧冷媒を高圧吐出部１２２から吐出し、これと同時に、上記中間圧力となっている中間圧冷媒を中間圧吸入部１２３から流入させて圧縮過程の冷媒に合流させる。なお、圧縮機１２に関しては、図３を用いて更に後述する。また、図１では、冷凍サイクル装置１０におけるオイルの流れは破線で示されており、このことは、後述の図４および図７でも同様である。

放熱器１４は、圧縮機１２の高圧吐出部１２２から吐出された高圧冷媒と被加熱流体とを熱交換させることにより、その高圧冷媒の熱を被加熱流体へ放熱させる。すなわち、放熱器１４は、冷媒である気相の二酸化炭素を冷却するガスクーラである。上記被加熱流体は、具体的には、給湯装置へ外部から供給される水である。

第１減圧装置１６は、放熱器１４から流出した高圧冷媒を上記の中間圧力になるまで減圧させる。第１減圧装置１６は、その減圧後の中間圧力の冷媒を気液分離器２２へ供給する。例えば、第１減圧装置１６は、その開度を電動で調節可能な弁で構成されており、第１減圧装置１６の弁開度は不図示の電子制御装置からの制御信号に従って調節される。

第１減圧装置１６の下流には、気液分離器２２が設けられている。気液分離器２２は、第１減圧装置１６により中間圧力とされた冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離し、その分離後の気相冷媒を、ガスインジェクション通路２９を介して圧縮機１２の中間圧吸入部１２３へ流出させる。それと共に、分離後の液相冷媒を第２減圧装置１８へ流出させる。

気液分離器２２は、具体的には図２に示すように、気液分離器２２の外殻部材であるタンク２２１と、冷媒入口部２２２と、冷媒オイル出口部２２３と、液相冷媒出口部２２４とを有している。図２は、気液分離器２２の構造を模式的に示した断面図である。

図２に示すように、タンク２２１は気密に構成された薄肉厚の密閉容器であり、タンク２２１内には、液相冷媒とオイルとを溜めるタンク空間２２１ａが形成されている。図２は、タンク空間２２１ａ内において鉛直方向ＤＲ１の下方に液相冷媒とオイルとが溜まっている状態を表している。また、図２に示すように、タンク空間２２１ａ内では、気相冷媒、液相冷媒、およびオイルはそれらの密度差により互いに分離し、密度の小さい順番で上から順に層を成す。すなわち、タンク空間２２１ａ内では、気相冷媒と液相冷媒との間の気液界面２２１ｂが液相冷媒とオイルとの間のオイル界面２２１ｃよりも上になり、タンク空間２２１ａのうち気液界面２２１ｂよりも上の空間は気相冷媒で満たされる。

冷媒入口部２２２は、タンク２２１に接続された管状の部材を含んで構成されており、第１減圧装置１６からの冷媒を矢印ＡＲｉｎのようにタンク２２１内に流入させる冷媒入口２２２ａを形成している。その冷媒入口２２２ａは、タンク２２１の側壁にて水平向きに開口しており、タンク２２１内に溜まったオイルおよび液相冷媒の液面が冷媒入口２２２ａに達しないように十分に高い位置に配置されている。

冷媒オイル出口部２２３は、タンク２２１の下面からタンク空間２２１ａへ挿入された管状を成す管状部材で構成されており、ガスインジェクション通路２９（図１参照）を介して圧縮機１２の中間圧吸入部１２３へ連通している。また、冷媒オイル出口部２２３は、タンク２２１内の気相冷媒が流れ込む気相冷媒出口２２６ａを形成している気相冷媒出口部２２６と、タンク２２１内に溜まったオイルが流れ込むオイル出口２２７ａを形成しているオイル出口部２２７とを有している。そして、冷媒オイル出口部２２３は、気相冷媒出口２２６ａに流れ込んだ気相冷媒とオイル出口２２７ａに流れ込んだオイルとを混合して矢印ＡＲＧｏｕｔのようにガスインジェクション通路２９へ流す。そのガスインジェクション通路２９へ流れた気相冷媒とオイルとの混合流体は圧縮機１２（図１参照）へ流れる。

気相冷媒出口２２６ａは、管状部材である冷媒オイル出口部２２３の先端に形成されており、タンク空間２２１ａ内において鉛直方向ＤＲ１上向きに開口している。そして、気相冷媒出口２２６ａは、タンク空間２２１ａ内の気液界面２２１ｂが気相冷媒出口２２６ａよりも下に位置するように、すなわち、気相冷媒出口２２６ａへは液相冷媒が流入することなく気相冷媒が流入するように、タンク空間２２１ａ内のできるだけ上方に配置されている。例えば、冷媒入口２２２ａの中心位置Ｈｉｎよりも上方に配置されている。

また、オイル出口２２７ａは、冷媒オイル出口部２２３の管壁面に形成されており、タンク空間２２１ａ内において水平向きに開口している。そして、タンク空間２２１ａ内で最下層に分離滞留されたオイルがオイル出口２２７ａへ流入するように、オイル出口２２７ａは、タンク空間２２１ａ内のできるだけ下方に配置されている。

液相冷媒出口部２２４は、タンク２２１の下面からタンク空間２２１ａへ挿入された管状を成す管状部材で構成されており、タンク２２１内に溜まった液相冷媒が流れ込む液相冷媒出口２２４ａをその管状部材の先端に形成している。また、管状部材である液相冷媒出口部２２４は第２減圧装置１８（図１参照）へ連通しており、液相冷媒出口２２４ａに流れ込んだ液相冷媒を矢印ＡＲＬｏｕｔのように第２減圧装置１８へ流す。

液相冷媒出口部２２４の液相冷媒出口２２４ａは、気相冷媒もオイルも流入することなく気液界面２２１ｂとオイル界面２２１ｃとの間の液相冷媒が流入するように、鉛直方向ＤＲ１において、気相冷媒出口２２６ａとオイル出口２２７ａとの間の中間に配置されている。すなわち、気相冷媒出口２２６ａは液相冷媒出口２２４ａよりも上方に配置され、且つ、液相冷媒出口２２４ａはオイル出口２２７ａよりも上方に配置されている。例えば、これら気液分離器２２の各出口２２４ａ、２２６ａ、２２７ａの鉛直方向ＤＲ１における配置は実験的に決定されている。液相冷媒出口２２４ａは、例えば、冷凍サイクル装置１０において循環するオイルの全量がタンク２２１内に入ったと仮定したときのオイル界面２２１ｃよりも鉛直方向ＤＲ１で上側に位置している。

図１に戻り、主冷媒回路２８上における気液分離器２２の下流には、第２減圧装置１８が設けられている。第２減圧装置１８は、中間圧力になった冷媒を低圧圧力にまで減圧させる。

第２減圧装置１８の下流には、蒸発器２０が設けられている。蒸発器２０は、第２減圧装置１８により減圧された冷媒と被冷却流体である空気とを熱交換させる熱交換器であり、その熱交換によって第２減圧装置１８からの冷媒を蒸発させる。そして、蒸発器２０は、その熱交換後の冷媒を圧縮機１２の吸入ポート１２１ａへ流出させる。

図３は、圧縮機１２の断面図であり、圧縮機１２内において、気液分離器２２から圧縮機１２へ供給された気相冷媒およびオイルの流れを示した図である。図３を用いて、主として圧縮機１２内の気相冷媒およびオイルの流れについて説明する。なお、圧縮機１２において気相冷媒およびオイルの流れ以外の構造については、その構造が周知であるので、簡略化した説明とする。

図３に示すように、圧縮機１２は、ハウジング４０、電動機部４２、および圧縮機構部４４などを備えている。そのハウジング４０は、圧縮機１２の外殻を成し気密に構成された密閉容器である。ハウジング４０は、大まかには、両端が塞がれた円筒形状を成している。そして、ハウジング４０内には内部空間４０ａが形成されており、ハウジング４０は、その内部空間４０ａ内に電動機部４２および圧縮機構部４４等の圧縮機構成部品を収容している。

電動機部４２は、圧縮機１２の中で電動機として機能する部位であり、ロータ４２１およびステータ４２２から構成されている。そのロータ４２１はシャフト５６と共通の軸心を有してそのシャフト５６に固定され、ステータ４２２はハウジング４０に固定されている。

圧縮機構部４４は、電動機部４２によって回転駆動されることで、圧縮機１２に吸入された冷媒を圧縮する。圧縮機構部４４は、主軸受４６によって支持されたクランク機構４８により公転する可動スクロール５０と、可動スクロール５０に対向配置された固定スクロール５２とを備えている。クランク機構４８および可動スクロール５０は、主軸受４６と副軸受５４によって回転自在に支持された電動機部４２のシャフト５６によって回転させられる。

固定スクロール５２および可動スクロール５０は渦巻状の溝をそれぞれ形成している。そして、吸入ポート１２１ａは、固定スクロール５２の渦巻状の溝の最外周側に連通している。固定スクロール５２および可動スクロール５０は、その渦巻状の溝の噛み合いによって形成される複数の作動室４４ａが体積を縮小することによって、吸入ポート１２１ａに供給された冷媒を圧縮するように構成されている。

また、圧縮機構部４４の作動室４４ａには吐出孔５８を介して吐出室６０が連通しており、この吐出室６０は吐出ポート１２２ａ（図１参照）へ連通している。すなわち、圧縮機構部４４で圧縮された冷媒は、吐出孔５８と吐出室６０と吐出ポート１２２ａとを順次介して放熱器１４へ吐出される。

圧縮機１２のハウジング４０には中間圧吸入部１２３が設けられており、その中間圧吸入部１２３のガスインジェクションポート１２３ａが固定スクロール５２の側方においてハウジング４０内に連通している。言い換えれば、ガスインジェクションポート１２３ａは、気液分離器２２の冷媒オイル出口部２２３（図２参照）を、ガスインジェクション通路２９（図１参照）を介してハウジング４０内に連通させている。

圧縮機１２のハウジング４０内には、気相冷媒とオイルとの混合流体が気液分離器２２の冷媒オイル出口部２２３からガスインジェクションポート１２３ａを経て流入する。そのガスインジェクションポート１２３ａから流入した上記混合流体は、図３の矢印に示すように、固定スクロール５２に形成された流路から可動スクロール５０に形成された流路へと流れる。そして、ハウジング４０内において上記混合流体は、その可動スクロール５０に形成された流路から、シャフト５６内を軸方向に貫通したシャフト貫通孔５６ａを通って、圧縮機構部４４に対し電動機部４２を挟んだ反対側に流出する。

その圧縮機構部４４に対する反対側に流出した上記混合流体は、図３の矢印に示すように、電動機部４２まわりを軸方向に流れてから、固定スクロール５２に設けられた吸入口５２１へ流入する。その吸入口５２１へ流入した上記混合流体は、可動スクロール５０の回転に伴って作動室４４ａへ吸入され、吸入ポート１２１ａから吸入された冷媒と共に作動室４４ａ内で圧縮されてから吐出孔５８へ吐出される。このように、ガスインジェクションポート１２３ａから流入した気相冷媒とオイルとの混合流体は、電動機部４２まわりを流れてから圧縮機構部４４へ流れる。

上述したように、本実施形態によれば、鉛直方向ＤＲ１において、気液分離器２２の気相冷媒出口２２６ａは液相冷媒出口２２４ａよりも上方に配置され、且つ、液相冷媒出口２２４ａはオイル出口２２７ａよりも上方に配置されている。従って、気相冷媒と液相冷媒とオイルとをそれらの密度差を利用して互いに分離することができ、その分離後のオイルを圧縮機１２の中間圧吸入部１２３へ戻すことでそのオイルによって圧縮機１２を潤滑することが可能である。そして、放熱器１４から流出した高圧冷媒は第１減圧装置１６で減圧されてから気液分離器２２のタンク２２１内へ流入し、その気液分離器２２でオイルが冷媒から分離されるので、圧縮機１２でオイルに与えられた熱を放熱器１４において、被加熱流体としての水へ伝熱させることが可能である。

例えば、本実施形態の効果を説明するための比較例を図４に示す。図４は、本実施形態に対する比較例の概略構成をモリエル線図上に示した図であって、図１に相当する図である。この図４に示すように、比較例の冷凍サイクル装置１０１では、圧縮機１２と放熱器１４との間にオイル分離器６４が設けられている。そのオイル分離器６４は、圧縮機１２から吐出された高圧冷媒からオイルを分離し、分離後の高圧冷媒を放熱器１４へ流出させる一方で、オイルを圧縮機１２へ戻す。また、図４の圧縮機１２はオイルを減圧する減圧装置６６を有しており、その減圧装置６６は、オイル分離器６４から流入したオイルを吸入ポート１２１ａの圧力と同程度にまで減圧する。その減圧されたオイルは吸入ポート１２１ａからの冷媒と共に圧縮機構部４４（図３参照）で圧縮される。なお、本実施形態の気液分離器２２に相当する図４の気液分離器６８は、気相冷媒と液相冷媒とを分離する機能を備えてはいるが、オイルを分離する機能を備えてはいない。

この図４に示すような冷凍サイクル装置１０１では、圧縮機１２の圧縮仕事に由来するオイルの熱は放熱器１４で被加熱流体へ放熱されることがないのに対し、本実施形態の冷凍サイクル装置１０では、上記オイルの熱を放熱器１４にて被加熱流体へ放熱させることが可能である。

また、図４の冷凍サイクル装置１０１では、圧縮後に高温となったオイルが高温のまま吸入ポート１２１ａからの冷媒と混合されるので、圧縮機１２において吸入加熱が生じ圧縮機１２の効率が低下する。これに対し、本実施形態の冷凍サイクル装置１０では、放熱器１４で放熱され且つ第１減圧装置１６で減圧された後のオイルが圧縮機１２に導入されるので、圧縮機１２へ吸入される気相冷媒がオイルの熱に起因して高温化することを回避し易く、圧縮機１２における吸入加熱に起因した効率低下を抑制することが可能である。

また、本実施形態の冷凍サイクル装置１０では、図４の冷凍サイクル装置１０１と比較して低温のオイルが圧縮機１２に導入されるので、オイルの粘度が低くなりすぎずに十分な厚みの油膜形成を可能とし、それ故に、圧縮機１２の信頼性向上を図ることが可能である。

また、本実施形態によれば、気液分離器２２の冷媒オイル出口部２２３は、気相冷媒出口２２６ａから取り入れた気相冷媒と、オイル出口２２７ａから取り入れたオイルとを混合して圧縮機１２へ流すので、ガスインジェクションでは必要なガスインジェクション通路２９を利用して、オイルを圧縮機１２へ流すことが可能である。

また、本実施形態によれば、図１および図３に示すように圧縮機１２では、中間圧力の気相冷媒およびオイルが電動機部４２まわりに流通するので、例えば電動機部４２まわりに蒸発器２０からの低圧冷媒が流通する構成と比較して、より密度の高い冷媒等で電動機部４２を冷却することができる。すなわち、高密度のため冷却能力が高い冷媒等で電動機部４２を冷却することができる。このような電動機部４２を冷却する冷却能力の向上は、圧縮機１２の消費電力に対する圧縮仕事の効率向上につながる。

また、本実施形態によれば、圧縮機１２のガスインジェクションポート１２３ａからハウジング４０内へ導入される気相冷媒およびオイルは共に同一の流通経路を経て圧縮機構部４４へ吸い込まれるので、ガスインジェクションサイクルにおいて上記気相冷媒を絞るために必要とされる不図示のガス絞り機構は、上記気相冷媒と共にオイルの流れも絞ることになる。従って、オイルを絞るために別個の絞り機構を設ける必要がなく、部品点数の削減を図ることが可能である。

また、本実施形態によれば、ガスインジェクションポート１２３ａから流入した気相冷媒は、ハウジング４０内を流れてから圧縮機構部４４へ吸入されるので、ガスインジェクションポート１２３ａから直接に圧縮機構部４４へ吸入される構成と比較して、上記気相冷媒の圧力脈動が吸収されやすい。従って、圧縮機１２から発する騒音および振動を低減することが可能である。

また、本実施形態によれば、気液分離器２２は、オイルを除去した冷媒を第２減圧装置１８へ流すので、その第２減圧装置１８の後段の蒸発器２０へはオイルが殆ど流れなくなる。これにより、蒸発器２０内の冷媒流通経路において油膜の形成が防止されるので、蒸発器２０においてその油膜に起因した熱交換ロスを抑えることが可能である。その結果として、蒸発器２０の熱交換における効率向上を図ることが可能である。

また、本実施形態によれば、気液分離器２２は、専ら気相冷媒とオイルとをガスインジェクション通路２９へ流すので、液相冷媒がガスインジェクションポート１２３ａを経て圧縮機構部４４へ戻る液戻りを防止することができる。

以上説明したように、本実施形態の冷凍サイクル装置１０は、圧縮機１２を潤滑するためのオイルが有する熱を被加熱流体の加熱に利用することができると共に、インジェクションサイクルの効率向上、圧縮機１２の効率向上、圧縮機１２の信頼性向上、コスト競争力の確保を図り得るものである。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態では、前述の第１実施形態と異なる点を主として説明し、第１実施形態と同一または均等な部分については省略または簡略化して説明する。後述の第３実施形態でも同様である。

図５は、本実施形態の気液分離器２２の構造を模式的に示した断面図であって、図２に相当する図である。前述の第１実施形態では、気液分離器２２から気相冷媒とオイルとが混合されて流出するが、図５に示すように、本実施形態では気相冷媒とオイルとが互いに分離されて気液分離器２２から流出する。

図５の気液分離器２２は遠心分離部２２８を備えている。その遠心分離部２２８は、冷媒入口２２２ａからタンク空間２２１ａへ流入した冷媒とオイルとの混合流体を、その混合流体にかかる遠心力を利用して気液分離する。要するに、その混合流体を、タンク空間２２１ａ内において気相冷媒と液相冷媒およびオイルとに分離する。

遠心分離部２２８は、タンク空間２２１ａ内に配置され鉛直方向ＤＲ１に延びる円管２２８ａを備えており、その円管２２８ａの下端部分が気相冷媒出口部２２６となっている。そして、円管２２８ａの下端に気相冷媒出口２２６ａが形成されている。

遠心分離部２２８の円管２２８ａには、冷媒入口２２２ａから流入する流体が円管２２８ａの軸方向に交差し且つ円管２２８ａの外周面に沿うように吹き付けられる。そうすると、比重の重いオイルおよび液相冷媒すなわち液相流体は、円管２２８ａを取り囲み且つ円筒状を成すタンク２２１の円筒内壁面２２１ｄへ遠心力の作用により付着する。更に、気相冷媒出口２２６ａ付近の気相冷媒流れにより液膜がせん断され、液相流体を再飛散させる。このようにして液相流体から分離された気相冷媒は、円管２２８ａ内を通って矢印ＡＲ１ｏｕｔのように、気相冷媒通路２９１へ流れる。この気相冷媒通路２９１は、気相冷媒出口２２６ａに接続されその気相冷媒出口２２６ａから圧縮機１２へ気相冷媒を流す通路である。

その一方で、液相流体であるオイルおよび液相冷媒は、第１実施形態と同様に気液分離器２２のタンク２２１内に溜まり、それらの密度差により互いに分離する。本実施形態のオイル出口部２２７はタンク２２１の底部に設けられており、オイル出口２２７ａはそのタンク２２１の底部において開口した孔で構成されている。そして、そのオイル出口２２７ａは、オイル出口２２から圧縮機１２へ流すオイル通路２９２に接続されており、オイル出口２２７ａから流出したオイルは、オイル通路２９２を経て矢印ＡＲ２ｏｕｔのように圧縮機１２へ流れる。従って、そのオイル通路２９２と気相冷媒通路２９１とが併さって、第１実施形態のガスインジェクション通路２９（図１参照）に相当する。

本実施形態の圧縮機１２は、図６に示すように、中間圧吸入部１２３が第１実施形態と異なっている。図６は、圧縮機１２内において、気液分離器２２から圧縮機１２へ供給された気相冷媒およびオイルの流れを示した圧縮機１２の断面図であって、図３に相当する図である。

詳細に説明すると、中間圧吸入部１２３は、オイルポート１２３ｃが形成されたオイルポート部１２３ｂと、気相冷媒ポート１２３ｅが形成された気相冷媒ポート部１２３ｄとから構成されている。そのオイルポート１２３ｃにはオイル通路２９２（図５参照）が接続されており、オイルポート１２３ｃはオイル通路２９２をハウジング４０内へ連通させる。また、オイルポート１２３ｃは、第１実施形態のガスインジェクションポート１２３ａ（図３参照）と同じ位置に設けられている。

気相冷媒ポート１２３ｅには気相冷媒通路２９１（図５参照）が接続されており、気相冷媒ポート１２３ｅは気相冷媒通路２９１をハウジング４０内へ連通させる。また、気相冷媒ポート１２３ｅは、圧縮機１２の軸方向においてオイルポート１２３ｃに対し電動機部４２を挟んだ反対側の位置に設けられている。

図６において、圧縮機１２のハウジング４０内でのオイルの流れは実線矢印で示され、気相冷媒の流れは破線矢印で示されている。この図６を図３と対比すれば判るように、本実施形態のオイルの流れは、第１実施形態と同じである。しかし、気相冷媒ポート１２３ｅは、上記のようにオイルポート１２３ｃに対し電動機部４２を挟んだ反対側に設けられているので、気相冷媒通路２９１からの気相冷媒は気相冷媒ポート１２３ｅを経て、ハウジング４０の内部空間４０ａのうち圧縮機構部４４に対して電動機部４２を挟んだ反対側に流入する。そして、気相冷媒はその流入した箇所でオイルと混ざり合い、その後に気相冷媒およびオイルが辿る経路は第１実施形態と同じである。

このように、圧縮機１２のハウジング４０内では、気相冷媒が流れる一部の経路が第１実施形態とは異なるものの、オイルポート１２３ｃから流入したオイルと気相冷媒ポート１２３ｅから流入した気相冷媒とは、第１実施形態と同様に電動機部４２まわりを流れてから圧縮機構部４４へ流れる。

本実施形態によれば、冷凍サイクルにおいて第１実施形態と同様に気液分離器２２が配置され、その気液分離器２２からオイルが圧縮機１２へ戻されるので、第１実施形態と同様に、圧縮機１２でオイルに与えられた熱を放熱器１４において、被加熱流体としての水へ伝熱させることが可能である。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態では、前述の第１実施形態と異なる点を主として説明する。

図７は、本実施形態に係る冷凍サイクル装置１０の概略構成を示すと共に、その冷凍サイクル装置１０を循環する冷媒の状態をモリエル線図上に示した図であって、図１に相当する図である。図７に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置１０は内部熱交換器７０を備えており、この点が第１実施形態と異なっている。

内部熱交換器７０は、放熱器１４から第１減圧装置１６への冷媒流通経路の一部を構成する第１熱交換部７０１と、ガスインジェクション通路２９の一部を構成する第２熱交換部７０２とを有している。そして、内部熱交換器７０は、第１熱交換部７０１を流れる冷媒とオイルとからなる流体と、第２熱交換部７０２を流れる冷媒とオイルとからなる流体とを互いに熱交換させる。これにより、オイルと混合されガスインジェクション通路２９を流れる気相冷媒の凝縮を防止し易くなり、冷凍サイクル装置１０のサイクル効率を高めることができる。

なお、本実施形態は前述の第１実施形態の変形例であるが、本実施形態を前述の第２実施形態と組み合わせることも可能である。

（他の実施形態）
（１）上述の各実施形態において、冷凍サイクル装置１０の冷凍サイクルは超臨界冷凍サイクルであるが、冷凍サイクルの高圧側の冷媒圧力Ｐが冷媒の臨界圧力を超えない亜臨界冷凍サイクルであっても差し支えない。但し、オイルの熱を放熱器１４において放熱させることにより冷凍サイクル装置１０の加熱性能を向上させるという効果は、亜臨界冷凍サイクルよりも超臨界冷凍サイクルにおいて顕著に現れる。

（２）上述の各実施形態において、冷凍サイクル装置１０を循環する冷媒は二酸化炭素であるが、その冷媒の種類に限定は無く、例えばＨＦＯ系冷媒（例えば、Ｒ１２３４ｙｆ）等であっても差し支えない。

（３）上述の各実施形態において、圧縮機１２は、電動のスクロール型コンプレッサであるが、ローリングピストン型、スライドベーン型、または往復動型などの他の形式のコンプレッサであっても差し支えない。また、圧縮機１２は電動である必要はなく、例えば、内燃機関などの外部動力源により駆動されても差し支えない。

（４）上述の各実施形態において、冷凍サイクル装置１０は給湯装置における加熱装置として機能するが、冷凍サイクル装置１０の用途に限定はなく、例えば冷凍サイクル装置１０は空調装置に用いられても差し支えない。

（５）上述の第２実施形態において、気液分離器２２は遠心分離部２２８を備えているが、その遠心分離部２２８を備えずに、単に、気相冷媒出口２２６ａが気相冷媒通路２９１に連通し、オイル出口２２７ａがオイル通路２９２に連通しているだけであっても差し支えない。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の材質、形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の材質、形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その材質、形状、位置関係等に限定されるものではない。

１０ 冷凍サイクル装置
１２ 圧縮機
１２３ 中間圧吸入部
１４ 放熱器
１６ 第１減圧装置
１８ 第２減圧装置
２０ 蒸発器
２２ 気液分離器
２２４ａ 液相冷媒出口
２２６ａ 気相冷媒出口
２２７ａ オイル出口

Claims (1)

1. 低圧吸入部（１２１）と高圧吐出部（１２２）と中間圧吸入部（１２３）とを有し、前記低圧吸入部から吸入した冷媒を圧縮すると共に潤滑用のオイルの混ざった高圧冷媒を前記高圧吐出部から吐出し、且つ、前記低圧吸入部の冷媒圧力と前記高圧吐出部の冷媒圧力との間の中間圧力となっている中間圧冷媒を前記中間圧吸入部から流入させて圧縮過程の冷媒に合流させる圧縮機（１２）と、
   前記高圧吐出部から吐出された高圧冷媒と被加熱流体とを熱交換させることにより前記高圧冷媒の熱を放熱させる放熱器（１４）と、
   前記放熱器から流出した高圧冷媒を前記中間圧力になるまで減圧させる第１減圧装置（１６）と、
   前記中間圧力になった冷媒を減圧させる第２減圧装置（１８）と、
   前記第２減圧装置により減圧された冷媒を蒸発させて前記低圧吸入部へ流出させる蒸発器（２０）と、
   前記第１減圧装置により前記中間圧力とされた冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離し前記気相冷媒を前記中間圧吸入部へ流出させると共に前記液相冷媒を前記第２減圧装置へ流出させる気液分離器（２２）とを備え、
   前記気液分離器は、
   前記液相冷媒と前記オイルとを溜めるタンク（２２１）と、
   前記第１減圧装置からの冷媒を前記タンク内に流入させる冷媒入口（２２２ａ）を形成している冷媒入口部（２２２）と、
   前記タンク内の前記気相冷媒が流れ込み前記中間圧吸入部へ連通する気相冷媒出口（２２６ａ）を形成している気相冷媒出口部（２２６）と、
   前記タンク内に溜まった前記液相冷媒が流れ込み前記第２減圧装置へ連通する液相冷媒出口（２２４ａ）を形成している液相冷媒出口部（２２４）と、
   前記タンク内に溜まった前記オイルが流れ込み前記中間圧吸入部へ連通するオイル出口（２２７ａ）を形成しているオイル出口部（２２７）とを備え、
   鉛直方向（ＤＲ１）において、前記気相冷媒出口は前記液相冷媒出口よりも上方に配置され、且つ、前記液相冷媒出口は前記オイル出口よりも上方に配置され、
   前記気液分離器の前記気相冷媒出口は、前記オイルを前記オイル出口から前記圧縮機へ流すオイル通路（２９２）とは異なる気相冷媒通路（２９１）に接続され、前記気相冷媒通路は、前記気相冷媒を前記気相冷媒出口から前記圧縮機へ流す通路であり、
   前記圧縮機は、電動機（４２）と、前記電動機によって回転駆動されることで冷媒を圧縮する圧縮機構部（４４）と、前記電動機と前記圧縮機構部とを収容しているハウジング（４０）とを有し、
   前記中間圧吸入部は、前記オイル通路を前記ハウジング内へ連通させるオイルポート（１２３ｃ）が形成されたオイルポート部（１２３ｂ）と、前記気相冷媒通路を前記ハウジング内へ連通させる気相冷媒ポート（１２３ｅ）が形成された気相冷媒ポート部（１２３ｄ）とから構成され、
   前記ハウジング内では、前記オイルポートから流入した前記オイルと前記気相冷媒ポートから流入した前記気相冷媒とが、前記電動機まわりを流れてから前記圧縮機構部へ流れることを特徴とする冷凍サイクル装置。

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