WO2014097484A1

WO2014097484A1 - 冷凍サイクル装置

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Publication number: WO2014097484A1
Application number: PCT/JP2012/083317
Authority: WO
Inventors: 裕輔島津; 啓輔高山
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2014-06-26
Also published as: JPWO2014097742A1; WO2014097742A1; JP5921718B2

Abstract

　本発明に係る冷凍サイクル装置１は、第１圧縮機２１と第１放熱器２２と第１減圧装置２４と第１蒸発器２５と、が順次接続され、冷媒を貯留する空間を有する貯留容器２３を介して、冷媒を循環させる第１循環回路１１と、貯留容器２３の空間の下部と、第１循環回路１１の第１蒸発器２５と第１圧縮機２１との間と、を連通するバイパス流路１２と、を備え、貯留容器２３は、第１循環回路１１の、第１減圧装置２４が接続された側の第１放熱器２２と第１蒸発器２５との間に接続され、貯留容器２３の空間に貯留される冷媒は、冷却手段によって冷却されるものである。

Description

冷凍サイクル装置

　本発明は、冷凍サイクル装置に関するものである。

　従来の冷凍サイクル装置では、圧縮機と放熱器と減圧装置と蒸発器とが順次接続された循環回路を冷媒が循環し、蒸発器において冷媒と被温調対象とが熱交換することで、被温調対象の冷却が行われる。また、放熱器において冷媒と被温調対象とが熱交換することで、被温調対象の加熱が行われる。また、循環回路の冷媒の循環方向が反転自在であり、冷媒と被温調対象とが熱交換する熱交換器が、蒸発器として機能することと、放熱器として機能することとが切り換えられることで、被温調対象の冷却と加熱とが両立されているものもある。

　例えば、そのような冷凍サイクル装置において、圧縮機が摺動部を有するような場合には、その摺動部に冷凍機油を供給することが必要であり、循環回路を循環する冷媒と共に、冷凍機油が圧縮機に供給される。冷凍機油は圧縮機の摺動部を潤滑した後、圧縮機から冷媒と共に吐出される。循環回路には油分離器が設けられ、油分離器で冷媒と冷凍機油とが分離される。油分離器から蒸発器と圧縮機との間の配管に連通するバイパス流路が設けられ、分離された冷凍機油はバイパス流路を介して圧縮機の入口側に返油される（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３－２４０３６６号公報（段落［００１４］－段落［００３２］、図１－図８）

　このような冷凍サイクル装置では、油分離器で分離しきれない冷凍機油が冷媒と共に蒸発器に流入する。その結果、蒸発器の伝熱性能の低下、圧力損失の増大等の不具合が生じ、性能が低下してしまう。

　本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、蒸発器の伝熱性能の低下、圧力損失の増大等の不具合が生じて、性能が低下することが抑制された冷凍サイクル装置を得ることを目的とする。

　本発明に係る冷凍サイクル装置は、第１圧縮機と第１放熱器と第１減圧装置と第１蒸発器と、が順次接続され、冷媒を貯留する空間を有する貯留容器を介して、前記冷媒を循環させる第１循環回路と、前記空間の下部と、前記第１循環回路の前記第１蒸発器と前記第１圧縮機との間と、を連通するバイパス流路と、を備え、前記貯留容器は、前記第１循環回路の、前記第１減圧装置が接続された側の前記第１放熱器と前記第１蒸発器との間に接続され、前記空間に貯留される前記冷媒は、冷却手段によって冷却されるものである。

　本発明に係る冷凍サイクル装置は、第１圧縮機と第１放熱器と第１減圧装置と第１蒸発器と、が順次接続され、冷媒を貯留する空間を有する貯留容器を介して、冷媒を循環させる第１循環回路と、貯留容器の空間の下部と、第１循環回路の第１蒸発器と第１圧縮機との間と、を連通するバイパス流路と、を備え、貯留容器は、第１循環回路の、第１減圧装置が接続された側の第１放熱器と第１蒸発器との間に接続され、貯留容器の空間に貯留される冷媒は、冷却手段によって冷却されるものであることで、冷凍機油に含まれる、溶解性が低く、分子量が大きく、粘度が高い油成分が分離されて、圧縮機の入口側へ返油されることとなって、蒸発器の伝熱性能の低下、圧力損失の増大等の不具合が生じることが抑制され、性能が低下することが抑制される。

本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の、構成を示す図である。本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の、Ｐ－Ｈ線図を示す図である。本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の、冷却器がない場合の冷凍機油の分布を示す図である。本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の、冷却器がある場合の冷凍機油の分布を示す図である。本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の変形例の、構成を示す図である。本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の、構成を示す図である。本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の、Ｐ－Ｈ線図を示す図である。本発明の実施の形態３に係る冷凍サイクル装置の、構成を示す図である。本発明の実施の形態３に係る冷凍サイクル装置の変形例の、構成を示す図である。本発明の実施の形態４に係る冷凍サイクル装置の、構成を示す図である。本発明の実施の形態４に係る冷凍サイクル装置の、低元側循環回路の冷媒の状態の一例を示す図である。

　以下、本発明に係る冷凍サイクル装置について、図面を用いて説明する。本発明に係る冷凍サイクル装置は、循環回路の冷媒を循環させて冷凍サイクル（ヒートポンプサイクル）を形成して、被温調対象の冷却、加熱等を行なうものである。なお、以下で説明する構成、動作等は、一例にすぎず、本発明に係る冷凍サイクル装置は、そのような構成、動作等に限定されない。例えば、実施の形態１、実施の形態２、及び実施の形態３に係る冷凍サイクル装置には、２つの循環回路を備えた冷凍サイクル装置（二元冷凍サイクル装置）、３つ以上の循環回路を備えた冷凍サイクル装置（多元冷凍サイクル装置）等が含まれ、実施の形態４に係る冷凍サイクル装置には、３つ以上の循環回路を備えた冷凍サイクル装置（多元冷凍サイクル装置）等が含まれる。また、各図において、同一又は類似する部材又は部分には、同一の符号を付している。また、細かい構造については、適宜図示を簡略化又は省略している。また、重複又は類似する説明については、適宜簡略化又は省略している。

実施の形態１．
　実施の形態１に係る冷凍サイクル装置について説明する。
（冷凍サイクル装置の構成）
　以下に、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の構成について説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の、構成を示す図である。図１に示されるように、冷凍サイクル装置１は、循環回路１１と、バイパス流路１２と、冷却器１３と、制御装置１４と、を有する。循環回路１１は、本発明における「第１循環回路」に相当する。冷却器１３は、本発明における「冷却手段」に相当する。制御装置１４は、本発明における「制御部」に相当する。

　循環回路１１は、圧縮機２１と、放熱器２２と、貯留容器２３と、膨張弁２４と、蒸発器２５と、が配管で接続されており、冷媒を循環させる。冷凍サイクル装置１が被温調対象を冷却する場合は、熱源側に設けられた熱交換器が放熱器２２であり、被温調対象側に設けられた熱交換器が蒸発器２５である。冷凍サイクル装置１が被温調対象を加熱する場合は、熱源側に設けられた熱交換器が蒸発器２５であり、被温調対象側に設けられた熱交換器が放熱器２２である。循環回路１１に四方切換弁等が設けられて、冷媒の循環方向が反転自在である場合には、被温調対象側に設けられた熱交換器が蒸発器２５である状態と放熱器２２である状態とが切り換えられる。なお、放熱器２２には、いわゆる凝縮器が含まれる。圧縮機２１は、本発明における「第１圧縮機」に相当する。放熱器２２は、本発明における「第１放熱器」に相当する。膨張弁２４は、本発明における「第１減圧装置」に相当する。蒸発器２５は、本発明における「第１蒸発器」に相当する。

　貯留容器２３は、循環回路１１を循環する冷媒を貯留する。貯留容器２３に冷媒を流出する配管の出口側１１ａから冷媒が流入し、貯留容器２３から冷媒を流出する配管の入口側１１ｂから冷媒が流出する。貯留容器２３に貯留される冷媒は、液状態又は液状態に近い超臨界状態である。貯留容器２３は、例えば、円柱状の容器を縦置きしたもの、横置きしたもの、直方体状のもの等、何ら限定されない。

　貯留容器２３には、貯留された冷媒を冷却する冷却器１３が設けられる。冷却器１３は、貯留容器２３の冷媒を貯留する空間の内部に設けられてもよく、その空間の外側に設けられてもよい。貯留容器２３の冷媒を貯留する空間の下部には、バイパス流路１２が接続される。バイパス流路１２には、キャピラリチューブ２６が設けられる。バイパス流路１２の入口側１２ａは、貯留容器２３に流入する冷媒と貯留容器２３から流出する冷媒とによって、貯留容器２３に貯留された冷媒が攪拌されない位置、つまり、冷媒から分離した冷凍機油が滞留しやすい位置に設けられるとよい。バイパス流路１２の出口側１２ｂは、循環回路１１の、蒸発器２５と圧縮機２１との間の配管に接続される。なお、キャピラリチューブ２６は、流量調整弁等の他の絞り装置でもよく、制御装置１４によって流量が制御されてもよい。

　循環回路１１を循環する冷媒は、例えば、Ｒ１２３４ｙｆ、ＨＦＣ系冷媒、ＨＣ系冷媒、自然冷媒（二酸化炭素、水、空気、アンモニア等）等であり、何ら限定されない。また、冷凍機油は、例えば、ＰＡＧ油、エステル油、エーテル油、アルキルベンゼン油、鉱油等であり、何ら限定されない。冷媒と冷凍機油との組み合わせが、冷凍機油の冷媒に対する相溶性が低く、貯留容器２３において冷凍機油の液密度が冷媒の液密度と比較して大きくなるような組み合わせであればよい。

（冷凍サイクル装置の動作）
　以下に、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の動作について説明する。図２は、本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の、Ｐ－Ｈ線図を示す図である。図２では、冷媒が二酸化炭素であり、高圧側圧力が臨界圧力以上である場合を示している。なお、Ｐ－Ｈ線図上において、臨界圧力以上の圧力と臨界点でのエンタルピが成立する温度を、便宜的に飽和温度と定義する。圧力と温度の関係が１対１で定まれば、厳密な定義は任意でよい。

　図２に示されるように、冷媒は、圧縮機２１で圧縮され、高温高圧の超臨界状態となる（Ａ→Ｂ）。高圧側圧力が臨界圧力と比較して低い場合は、高温高圧のガス状態となる。高温高圧の超臨界状態となった冷媒は、放熱器２２で放熱し、液状態に近い超臨界状態となる（Ｂ→Ｃ）。高圧側圧力が臨界圧力と比較して低い場合は、液状態となる。放熱器２２を出た冷媒は、貯留容器２３で冷却器１３によって更に冷却された後、膨張弁２４に流入して、低圧の気液二相状態となる（Ｃ→Ｄ）。低圧で気液二相状態となった冷媒は、蒸発器２５でガス状態となり、圧縮機２１に吸入される（Ｄ→Ａ）。なお、制御装置１４は、例えば、蒸発器２５と圧縮機２１との間の配管に設けられた、冷媒の圧力及び冷媒の温度を検出するセンサ等の検出値に応じて、圧縮機２１の入口側において冷媒が過熱ガス状態になるように、膨張弁２４の開度を制御する。

　冷凍機油は、冷媒と共に圧縮機２１に吸い込まれ、圧縮機２１の摺動部を潤滑した後、冷媒と共に圧縮機２１から吐出される。冷凍機油は、冷媒と共に貯留容器２３に貯留される。貯留容器２３において、冷凍機油のうちの溶解性の低い油成分が分離される。溶解性の低い油成分は、分子量（質量）が大きく、粘度が高い物性を有する。分離された溶解性の低い油成分は、重力によって、貯留容器２３の冷媒を貯留する空間の下部に滞留し、バイパス流路１２を通過して圧縮機２１の吸込側に返油される。分離されなかった溶解性の高い油成分は、冷媒とともに膨張弁２４及び蒸発器２５を通過して圧縮機２１の入口側に返油される。

（冷凍サイクル装置の作用）
　以下に、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の作用について説明する。冷凍サイクル装置１では、貯留容器２３において冷媒が冷却されることで、冷凍機油の分離される量が増加する。図３は、本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の、冷却器がない場合の冷凍機油の分布を示す図である。つまり、図３に示されるように、冷凍機油は、溶解性の異なる油成分が混在しており、溶解性の低い油成分は冷媒から分離されるが、溶解性の高い油成分は冷媒に溶け込んで分離されない。図４は、本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の、冷却器がある場合の冷凍機油の分布を示す図である。冷凍サイクル装置１では、冷却器１３によって冷媒が冷却されることで、冷媒に対する冷凍機油の溶解度が低下し、図４に示されるように、溶解性の高い油成分も分離されることとなって、分離される冷凍機油の量が増加する。そのため、蒸発器２５に流入する冷凍機油の量が低減され、蒸発器２５の伝熱性能の低下、圧力損失の増大等が抑制される。

　また、貯留容器２３で分離される油成分は、分離されない油成分と比較して、分子量が大きく、粘度が高い物性を有する。一方、貯留容器２３で分離されない油成分は、分子量が小さく、粘度が低い物性を有する。そのため、蒸発器２５に流入する冷凍機油は、分子量が小さく、粘度が低い物性の油成分に限られるため、蒸発器２５の伝熱性能の低下、圧力損失の増大等が更に抑制される。

　また、冷媒が冷却器１３によって冷却されるため、蒸発器２５の入口側における冷媒の温度が低下することとなり、蒸発器２５に流入する冷媒が低乾き度の冷媒となる。そのため、蒸発器２５における冷媒の分配性能が向上されることとなり、蒸発器２５の伝熱性能が向上され、蒸発器２５における冷媒の圧力損失が低減される。

　また、貯留容器２３が、放熱器２２と膨張弁２４との間に接続され、バイパス流路１２が、蒸発器２５と圧縮機２１との間に接続されるため、貯留容器２３の冷媒を貯留する空間の下部に滞留する冷凍機油は、循環回路１１の高圧側圧力と低圧側圧力との圧力差を利用して返油される。そのため、圧縮機２１への冷凍機油の返油が確実化され、信頼性が向上される。

（変形例）
　冷凍サイクル装置１では、図１に示されるように、貯留容器２３が、放熱器２２と膨張弁２４との間に接続される場合を示しているが、膨張弁２４と蒸発器２５との間に接続されてもよい。そのような場合でも、蒸発器２５の入口側の圧力と蒸発器２５の出口側の圧力との圧力差（蒸発器２５における冷媒の圧力損失）を利用して、貯留容器２３の冷媒を貯留する空間の下部に滞留する冷凍機油を、圧縮機２１に返油することができる。図１に示されるように、貯留容器２３が、放熱器２２と膨張弁２４との間に接続される場合には、上述のように、循環回路１１の高圧側圧力と低圧側圧力との圧力差を利用するため、返油が確実化される。

　図５は、本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の変形例の、構成を示す図である。図５に示されるように、貯留容器２３と蒸発器２５との間に、主膨張弁２４－１が設けられ、放熱器２２と貯留容器２３との間に、補助膨張弁２４－２が設けられてもよい。そのような場合には、補助膨張弁２４－２で温度が低下した冷媒が、貯留容器２３に貯留されることとなり、冷却器１３の負荷が低減される。また、特に、冷媒が二酸化炭素等の臨界温度が低い冷媒であり、循環回路１１の高圧側圧力が臨界圧力以上であり、貯留容器２３に貯留される冷媒の圧力が、臨界圧力と比較して低くなるように、制御装置１４が補助膨張弁２４－２の開度を制御する等の場合には、超臨界状態において冷凍機油が冷媒から分離しづらくなる現象が改善され、貯留容器２３における冷凍機油の分離が更に促進される。補助膨張弁２４－２は、本発明における「第２減圧装置」に相当する。

　冷凍サイクル装置１では、図１に示されるように、貯留容器２３に冷媒を流出する配管の出口側１１ａが、貯留容器２３から冷媒を流出する配管の入口側１１ｂと同一の高さに設けられているが、貯留容器２３に冷媒を流出する配管の出口側１１ａが、貯留容器２３から冷媒を流出する配管の入口側１１ｂと比較して、上方に設けられてもよい。つまり、バイパス流路１２の入口側１２ａに近い側が、バイパス流路１２の入口側１２ａに遠い側と比較して、上方に設けられてもよい。そのような場合には、バイパス流路１２の入口側１２ａの周囲に滞留する冷凍機油が攪拌されることが抑制され、冷凍機油の返油が確実化される。

　冷凍サイクル装置１では、図１に示されるように、貯留容器２３に冷媒を流出する配管の出口側１１ａが、貯留容器２３の冷媒を貯留する空間の下部に向かって、冷媒を流出しているが、例えば、貯留容器２３に冷媒を流出する配管の出口側１１ａが、水平方向に折り曲げられる等によって、又は、貯留容器２３に冷媒を流出する配管がそもそも水平方向に設けられる等によって、貯留容器２３の冷媒を貯留する空間の下部に向かって、冷媒を流出しないようにされてもよい。貯留容器２３から冷媒を流出する配管の入口側１１ｂについても同様である。そのような場合には、貯留容器２３の冷媒を貯留する空間の下部に滞留する冷凍機油が攪拌されることが抑制され、冷凍機油の返油が確実化される。

実施の形態２．
　実施の形態２に係る冷凍サイクル装置について説明する。なお、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置と重複又は類似する説明は、適宜簡略化又は省略している。
（冷凍サイクル装置の構成）
　以下に、実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の構成について説明する。図６は、本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の、構成を示す図である。図６に示すように、冷凍サイクル装置２は、循環回路１１と、バイパス流路１２と、制御装置１４と、を有する。

　貯留容器２３の外壁には、循環回路１１の蒸発器２５と圧縮機２１との間の配管が、例えば、螺旋状に巻き付けられる。貯留容器２３の外壁に、循環回路１１の蒸発器２５と圧縮機２１との間の配管が、埋め込まれてもよい。また、循環回路１１の蒸発器２５と圧縮機２１との間の配管が、貯留容器２３の冷媒を貯留する空間を貫通してもよく、そのような場合には、冷却が効率化される。また、例えば、熱媒体で満たされた容器内に貯留容器２３が設置され、熱媒体で満たされた容器の内壁と貯留容器２３の外壁との間に、循環回路１１の蒸発器２５と圧縮機２１との間の配管が設けられる等、貯留容器２３に貯留される冷媒が、循環回路１１の蒸発器２５と圧縮機２１との間の配管によって冷却される熱媒体を介して冷却されてもよい。バイパス流路１２の出口側１２ｂは、循環回路１１の蒸発器２５と圧縮機２１との間の配管の、貯留容器２３を冷却する領域より圧縮機２１側に接続される。循環回路１１の蒸発器２５と圧縮機２１との間の配管、又は、循環回路１１の蒸発器２５と圧縮機２１との間の配管と貯留容器２３に貯留される冷媒との熱交換部は、本発明における「冷却手段」に相当する。

（冷凍サイクル装置の動作）
　以下に、実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の動作について説明する。図７は、本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の、Ｐ－Ｈ線図を示す図である。なお、図７では、冷媒が二酸化炭素であり、高圧側圧力が臨界圧力以上である場合を示している。また、図７において、貯留容器２３に貯留された冷媒が冷却されない場合の膨張過程（ｃ－ｄ）を点線で模式的に示している。

　図７に示されるように、冷媒は、蒸発器２５と圧縮機２１との間の配管によって冷却されるため、蒸発器２５の入口側において、貯留容器２３で冷却されない場合と比較して低乾き度となる。また、冷媒は、蒸発器２５の出口側において、低乾き度の気液二相状態又は飽和ガス状態となる。そして、冷媒は、貯留容器２３に貯留された冷媒によって加熱されるため、つまり、図７に示されるｃ－Ｃで放出された熱量と同一の熱量を吸収するため、圧縮機２１の入口側において、過熱ガス状態となる。なお、制御装置１４は、例えば、圧縮機２１の入口側に設けられた、冷媒の圧力及び冷媒の温度を検出するセンサ等の検出値に応じて、圧縮機２１の入口側において冷媒が過熱ガス状態になるように、膨張弁２４の開度を制御する。

（冷凍サイクル装置の作用）
　以下に、実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の作用について説明する。冷凍サイクル装置２は、貯留容器２３に貯留された冷媒の冷却が、循環回路１１の蒸発器２５と圧縮機２１との間の配管によって行われる。そのため、冷凍サイクル装置１のように、冷却器１３が追加されることなく、冷凍機油の分離が促進されることとなり、低価格化、省エネルギ化が実現される。なお、冷却器１３が追加されてもよく、そのような場合には、循環回路１１の蒸発器２５と圧縮機２１との間の配管によって、貯留容器２３に貯留された冷媒の冷却が行われることで、冷却器１３の負荷が低減される。

　また、冷媒が、蒸発器２５の入口側において、低乾き度の気液二相状態となり、蒸発器２５の出口側において、低乾き度の気液二相状態又は飽和ガス状態となることで、蒸発器２５内において冷媒がガス状態となって、蒸発器２５の伝熱性能が低下することが抑制され、熱交換の効率性、つまり、温調の効率性が向上される。それと同時に、冷媒が、圧縮機２１の入口側において、過熱ガス状態となることで、気液二相状態又は飽和ガス状態の冷媒が圧縮機２１に流入することが抑制され、信頼性が向上される。つまり、冷凍サイクル装置２では、冷媒が、蒸発器２５の入口側において、低乾き度の気液二相状態となり、蒸発器２５の出口側において、低乾き度の気液二相状態又は飽和ガス状態となり、圧縮機２１の入口側において、過熱ガス状態となることが、既存の循環回路を利用して実現されるため、低価格化、省エネルギ化が実現される。

実施の形態３．
　実施の形態３に係る冷凍サイクル装置について説明する。なお、実施の形態１及び実施の形態２に係る冷凍サイクル装置と重複又は類似する説明は、適宜簡略化又は省略している。
（冷凍サイクル装置の構成）
　以下に、実施の形態３に係る冷凍サイクル装置の構成について説明する。図８は、本発明の実施の形態３に係る冷凍サイクル装置の、構成を示す図である。図８に示されるように、冷凍サイクル装置３では、循環回路１１の蒸発器２５と圧縮機２１との間の配管が、貯留容器２３を貫通し、その配管の貯留容器２３を貫通する領域１１ｃ（以降、冷却部分配管１１ｃとする）に、開口１１ｄが設けられる。循環回路１１の蒸発器２５と圧縮機２１との間の配管は、本発明における「冷却手段」に相当する。

　冷却部分配管１１ｃのうちの開口１１ｄが設けられた領域は、貯留容器２３の冷媒を貯留する空間の下部に位置する。開口１１ｄは、冷却部分配管１１ｃの下面に設けられる。開口１１ｄは、冷却部分配管１１ｃの外面から内面までを貫通しており、その貫通部の側面が、貯留容器２３の冷媒を貯留する空間の下部と、循環回路１１の蒸発器２５と圧縮機２１との間と、を連通するバイパス流路となる。開口１１ｄは、冷却部分配管１１ｃの出口側１１ｅに近い側に設けられる。開口１１ｄの内径は、１ｍｍ（数ｍｍ）程度であり、冷凍サイクル装置１のキャピラリチューブ２６と同様に、絞りとして機能する。開口１１ｄは、１つでもよく、複数でもよい。なお、開口１１ｄに開度を調整する弁体等が設けられ、制御装置１４によって開口１１ｄを通過する冷凍機油の流量が制御されてもよい。貫通部の側面は、本発明における「バイパス流路」に相当する。

（冷凍サイクル装置の動作）
　以下に、実施の形態３に係る冷凍サイクル装置の動作について説明する。貯留容器２３に貯留された冷媒が、冷却部分配管１１ｃによって冷却されることで、冷凍機油が、貯留容器２３の冷媒を貯留する空間の下部に滞留する。滞留する冷凍機油は、開口１１ｄを通過して冷却部分配管１１ｃ内に流入し、冷媒と共に圧縮機２１に返油される。

（冷凍サイクル装置の作用）
　以下に、実施の形態３に係る冷凍サイクル装置の作用について説明する。冷凍サイクル装置３では、貯留容器２３の冷媒を貯留する空間に滞留する冷凍機油が、冷凍サイクル装置１のように、別の配管で形成されたバイパス流路１２を通過することなく返油されるため、低価格化が実現される。なお、別の配管で形成されたバイパス流路１２が追加されてもよく、そのような場合には、冷凍機油の返油が確実化される。

　また、冷凍サイクル装置３では、開口１１ｄが、冷却部分配管１１ｃの下面に設けられる。そのため、冷却部分配管１１ｃの下方に滞留する、溶解性が低く、分子量が大きく、粘度が高い油成分が、効率よく返油される。また、冷却部分配管１１ｃの上面が、貯留容器２３に冷媒を流出する配管の出口側１１ａ及び貯留容器２３から冷媒を流出する配管の入口側１１ｂと、開口１１ｄと、の間に介在することとなり、開口１１ｄの周囲に滞留する冷凍機油が攪拌されることが抑制され、冷凍機油の返油が確実化される。

　また、冷凍サイクル装置３では、開口１１ｄが、冷却部分配管１１ｃの出口側１１ｅに近い側に設けられる。そのため、開口１１ｄから流入する高温の冷凍機油によって、冷却部分配管１１ｃの冷媒が加熱されて、冷却部分配管１１ｃの冷却性能が低下すること抑制される。

（変形例）
　図９は、本発明の実施の形態３に係る冷凍サイクル装置の変形例の、構成を示す図である。図９に示されるように、例えば、冷却部分配管１１ｃにフィン１１ｆが設けられる等、貯留容器２３に貯留される冷媒が、冷却部分配管１１ｃによって冷却される熱媒体を介して冷却されてもよい。循環回路１１の蒸発器２５と圧縮機２１との間の配管と貯留容器２３に貯留される冷媒との熱交換部は、本発明における「冷却手段」に相当する。

実施の形態４．
　実施の形態４に係る冷凍サイクル装置について説明する。なお、実施の形態１、実施の形態２、及び実施の形態３に係る冷凍サイクル装置と重複又は類似する説明は、適宜簡略化又は省略している。
（冷凍サイクル装置の構成）
　以下に、実施の形態４に係る冷凍サイクル装置の構成について説明する。図１０は、本発明の実施の形態４に係る冷凍サイクル装置の、構成を示す図である。図１０に示されるように、冷凍サイクル装置４は、低元側循環回路１１と、高元側循環回路１５と、カスケードコンデンサ１６と、制御装置１４と、を有する。高元側循環回路１５は、圧縮機３１と、放熱器３２と、膨張弁３３と、蒸発器３４と、が配管で接続されており、冷媒を循環させる。なお、図１０では、低元側循環回路１１が、冷凍サイクル装置３と同様の構成を有する場合を示しているが、低元側循環回路１１が、冷凍サイクル装置１又は冷凍サイクル装置２と同様の構成を有してもよい。低元側循環回路１１は、本発明における「第１循環回路」に相当する。高元側循環回路１５は、本発明における「第２循環回路」に相当する。圧縮機３１は、本発明における「第２圧縮機」に相当する。放熱器３２は、本発明における「第２放熱器」に相当する。膨張弁３３は、本発明における「第３減圧装置」に相当する。蒸発器３４は、本発明における「第２蒸発器」に相当する。

　低元側循環回路１１の放熱器２２と、高元側循環回路１５の蒸発器３４とで、カスケードコンデンサ１６が構成され、高元側循環回路１５の冷媒と低元側循環回路１１の冷媒とが、熱交換する。高元側循環回路１５の冷媒は、例えば、Ｒ１２３４ｙｆである。低元側循環回路１１の冷媒は、例えば、二酸化炭素である。

　例えば、冷凍サイクル装置４は、屋上や機械室に設置される熱源側装置１７と、冷凍倉庫内に設置される負荷側装置１８と、に分かれたセパレートタイプの冷凍機である。熱源側装置１７は、放熱器３２で外気、冷却水等と熱交換する。負荷側装置１８は、蒸発器２５で被温調対象である庫内空気等と熱交換する。熱源側装置１７と負荷側装置１８とは、延長配管１１ｇ、１１ｈによって接続される。

（冷凍サイクルの動作）
　以下に、実施の形態４に係る冷凍サイクル装置の動作について説明する。高元側循環回路１５の冷媒は、圧縮機３１で圧縮され、高温高圧のガス状態となる。高元側循環回路１５の高温高圧のガス状態となった冷媒は、放熱器３２で放熱し、液状態となる。高元側循環回路１５の液状態となった冷媒は、膨張弁３３に流入して、低圧の気液二相状態となる。高元側循環回路１５の低圧の気液二相状態となった冷媒は、カスケードコンデンサ１６で低元側循環回路１１の蒸発器３４の冷媒と熱交換してガス状態となり、圧縮機３１に吸入される。

　高元側循環回路１５の高圧側圧力（とその飽和温度）は、熱源側装置１７の外気の温度、冷却水の温度等に依存する。低元側循環回路１１の低圧側圧力（とその飽和温度）は、負荷側装置１８の庫内空気の温度等に依存する。当然ながら、熱源側装置１７の外気の温度、冷却水の温度等が、負荷側装置１８の庫内空気の温度等と比較して高くなる。

　制御装置１４によって、高元側循環回路１５の高圧側圧力（とその飽和温度）と低元側循環回路１１の低圧側圧力（とその飽和温度）との概ね中間になるように、高元側循環回路１５の低圧側圧力（とその飽和温度）及び低元側循環回路１１の高圧側圧力（とその飽和温度）が制御される。例えば、制御装置１４は、高元側循環回路１５の低圧側圧力（とその飽和温度）及び低元側循環回路１１の高圧側圧力（とその飽和温度）を上昇させる際は、圧縮機３１の駆動周波数を減少させ、圧縮機２１の駆動周波数を増加させる。また、制御装置１４は、高元側循環回路１５の低圧側圧力（とその飽和温度）及び低元側循環回路１１の高圧側圧力（とその飽和温度）を下降させる際は、圧縮機３１の駆動周波数を増加させ、圧縮機２１の駆動周波数を減少させる。

　制御装置１４は、高元側循環回路１５の低圧側圧力（とその飽和温度）及び低元側循環回路１１の高圧側圧力（とその飽和温度）を制御する際に、低元側循環回路１１の高圧側圧力が臨界圧力以下となるように制御する。そのような場合には、高元側循環回路１５の低圧側圧力（とその飽和温度）及び低元側循環回路１１の高圧側圧力（とその飽和温度）が、高元側循環回路１５の高圧側圧力（とその飽和温度）と低元側循環回路１１の低圧側圧力（とその飽和温度）との概ね中間からずれてしまってもよい。つまり、高元側循環回路１５の高圧側圧力（とその飽和温度）と低元側循環回路１１の低圧側圧力（とその飽和温度）との概ね中間に制御することではなく、低元側循環回路１１の高圧側圧力を臨界圧力以下に制御することが優先される。

（冷凍サイクルの作用）
　以下に、実施の形態４に係る冷凍サイクル装置の作用について説明する。冷凍サイクル装置４では、高元側循環回路１５が設けられることで、二酸化炭素等の臨界温度が低い冷媒を循環させる循環回路１１の高圧側圧力を、臨界圧力以下に制御することが可能となる。そのため、貯留容器２３における冷媒が超臨界状態とならないように制御することが可能となり、超臨界状態において冷凍機油が冷媒から分離しづらくなる現象が改善され、貯留容器２３における冷凍機油の分離が更に促進される。

　特に、冷凍サイクル装置４が、庫内空気の温度を極低温にするような冷凍機である場合には、低元側循環回路１１の低圧側が、三重点以下となる場合がある。図１１は、本発明の実施の形態４に係る冷凍サイクル装置の、低元側循環回路の冷媒の状態の一例を示す図である。図１１に示されるように、三重点以下となると、冷媒は、固体状態、ガス状態、或いはそれらが共存する状態となる。そのため、低元側循環回路１１の低圧側では、粘度、表面張力が比較的小さい固体状態の冷媒及びガス状態の冷媒と、粘度や表面張力が比較的大きい冷凍機油と、が混在して流動することとなる。つまり、そのような環境下では、液状態の冷媒が存在しないため、低元側循環回路１１の低圧側の流路に冷凍機油が滞留しやすくなる。しかし、冷凍サイクル装置４では、貯留容器２３において冷凍機油の溶解性の低い油成分が分離され、分子量が大きく、粘度が高い油成分が、低元側循環回路１１の低圧側の流路に供給されることがないため、そのような環境下においても、蒸発器２５の伝熱性能の低下、圧力損失の増大等が抑制される。また、冷凍サイクル装置４では、更に、循環回路１１の高圧側圧力が臨界圧力以下に制御されて、貯留容器２３における冷凍機油の分離が更に促進されているため、蒸発器２５の伝熱性能の低下、圧力損失の増大等の抑制が確実化される。

　また、冷凍サイクル装置４では、熱源側装置１７に貯留容器２３が設けられ、貯留容器２３の冷媒を貯留する空間の下部に滞留する冷凍機油が、負荷側装置１８に移送されることなく圧縮機２１に返油される。そのため、例えば、熱源側装置１７が設置される高さと負荷側装置１８が設置される高さとの高低差が大きい場合等において、返油される冷凍機油が、延長配管１１ｇ、１１ｈを通過する際に延長配管１１ｇ、１１ｈ内に滞留してしまうことがなく、圧縮機２１への返油が確実化される。つまり、このような構成を採用することで、延長配管１１ｇ、１１ｈを延長することが可能となり、また、熱源側装置１７が設置される高さと負荷側装置１８が設置される高さとの高低差を拡大することが可能となる。

　以上、実施の形態１、実施の形態２、実施の形態３、及び実施の形態４について説明したが、本発明は各実施の形態の説明に限定されない。例えば、各実施の形態又は各変形例を組み合わせることも可能である。

　１、２、３、４　冷凍サイクル装置、１１　循環回路（低元側循環回路）、１１ａ　貯留容器２３に冷媒を流出する配管の出口側、１１ｂ　貯留容器２３から冷媒を流出する配管の入口側、１１ｃ　配管の貯留容器２３を貫通する領域（冷却部分配管）、１１ｄ　開口、１１ｅ　冷却部分配管の出口側、１１ｆ　フィン、１１ｇ、１１ｈ　延長配管、１２　バイパス流路、１２ａ　バイパス流路の入口側、１２ｂ　バイパス流路の出口側、１３　冷却器、１４　制御装置、１５　高元側循環回路、１６　カスケードコンデンサ、１７　熱源側装置、１８　負荷側装置、２１、３１　圧縮機、２２、３２　放熱器、２３　貯留容器、２４、２４－１、２４－２、３３　膨張弁、２５、３４　蒸発器、２６　キャピラリチューブ。

Claims

　第１圧縮機と第１放熱器と第１減圧装置と第１蒸発器と、が順次接続され、冷媒を貯留する空間を有する貯留容器を介して、前記冷媒を循環させる第１循環回路と、
　前記空間の下部と、前記第１循環回路の前記第１蒸発器と前記第１圧縮機との間と、を連通するバイパス流路と、を備え、
　前記貯留容器は、前記第１循環回路の、前記第１減圧装置が接続された側の前記第１放熱器と前記第１蒸発器との間に接続され、
　前記空間に貯留される前記冷媒は、冷却手段によって冷却される、
ことを特徴とする冷凍サイクル装置。
　前記貯留容器は、前記第１循環回路の、前記第１放熱器と前記第１減圧装置との間に接続された、
ことを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
　前記冷却手段は、前記第１循環回路の、前記第１蒸発器と前記第１圧縮機との間の配管、又は、前記第１蒸発器と前記第１圧縮機との間の配管と前記空間に貯留される前記冷媒との熱交換部である、
ことを特徴とする請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
　前記配管は、前記空間を貫通する、
ことを特徴とする請求項３に記載の冷凍サイクル装置。
　前記バイパス流路は、前記配管の前記空間内に位置する領域に形成された、該配管の外面から内面までを貫通する開口である、
ことを特徴とする請求項４に記載の冷凍サイクル装置。
　前記開口は、前記配管の前記空間内に位置する領域の、下面に形成された、
ことを特徴とする請求項５に記載の冷凍サイクル装置。
　前記開口は、前記配管の前記空間内に位置する領域の、冷媒が流出する側に形成された、
ことを特徴とする請求項５または６に記載の冷凍サイクル装置。
　前記冷却手段は、前記貯留容器に設けられた冷却器である、
ことを特徴とする請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
　前記第１循環回路の、前記第１放熱器と前記貯留容器との間に、第２減圧装置が接続された、
ことを特徴とする請求項２～８のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
　前記貯留容器に前記冷媒を流出する配管の出口側、及び、前記貯留容器から前記冷媒を流出する配管の入口側、のうちの、前記バイパス流路の入口側から近い側は、前記バイパス流路の入口側から遠い側と比較して、上方に設けられた、
ことを特徴とする請求項１～９のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
　前記貯留容器に前記冷媒を流出する配管の出口側、及び、前記貯留容器から前記冷媒を流出する配管の入口側、の少なくともいずれか一方は、前記空間の下部と対向しない、
ことを特徴とする請求項１～１０のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
　制御部を備え、
　前記制御部は、前記第１循環回路の高圧側圧力を、臨界圧力以下に制御する、
ことを特徴とする請求項１～１１のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
　第２圧縮機と第２放熱器と第３減圧装置と第２蒸発器とが、順次接続され、冷媒を循環させる第２循環回路を備え、
　前記第１循環回路の前記第１放熱器と前記第２循環回路の前記第２蒸発器とは、カスケードコンデンサを構成する、
ことを特徴とする請求項１～１２のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。