(57)【要約】【課題】  炭酸ガスなどの超臨界冷媒を用いた冷凍サイクルにおいてオイル戻り性を向上させて圧縮機内の潤滑性およびシール性を向上させる。【解決手段】冷媒に混合するオイルは冷媒に対するオイルの比率が５〜３５ｗｔ％の間で連続する二層分離曲線Ｌ１、Ｌ２を有するエーテル系オイルまたはグリコール系オイルである。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸入した冷媒を圧縮して吐出する圧縮機（１１）と、
前記圧縮機（１１）の下流側に配置され前記圧縮機（１１）からの冷媒を冷却する放熱器（１２）と、
前記放熱器（１２）の下流側に配置され前記放熱器（１２）からの冷媒を減圧する減圧器（１３）と、
前記減圧器（１３）の下流側に配置され前記減圧器（１３）にて減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器（１４）と、
前記減圧器（１３）の下流側で且つ前記圧縮機（１１）の上流側に配置され冷媒を貯留し気体冷媒を前記圧縮機（１１）へ帰還させる気液分離器（１５）と、
を備え、
冷媒を冷却する前記放熱器（１２）内の圧力が冷媒の臨界圧力を超える冷凍サイクル（１、２０）であって、
前記冷媒は、炭酸ガスであり、
前記冷媒に混合するオイルは、前記冷媒に対する比率が少なくとも５〜３５ｗｔ％の間で連続する二層分離曲線を有するエーテル系オイルまたはグリコール系オイルであることを特徴とする冷凍サイクル（１、２０）。
【請求項２】
請求項１に記載の冷凍サイクル（１、２０）であって、
前記冷媒は、二酸化炭素であることを特徴とする冷凍サイクル（１、２０）。
【請求項３】
請求項１または２に記載の冷凍サイクル（１、２０）であって、
前記オイルは、前記冷媒に対する比率が５〜３５ｗｔ％の間で連続する二層分離曲線を有し且つ該二層分離曲線の下限値が−５℃以上のポリアルキルグリコールであることを特徴とする冷凍サイクル（１、２０）。
【請求項４】
請求項１または２に記載の冷凍サイクル（１、２０）であって、
前記オイルは、前記冷媒に対する比率が５〜３５ｗｔ％の間で連続する二層分離曲線を有し且つ該二層分離曲線の下限値が５℃以上のポリビニールエーテルであることを特徴とする冷凍サイクル（１、２０）。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか１項に記載の冷凍サイクル（１）であって、
前記圧縮機（１１）の下流側で且つ前減圧器（１３）よりも上流側の高圧の冷媒と、前記減圧器（１３）より下流で且つ前記圧縮機（１１）よりも上流側の低圧の冷媒と、の熱交換を行う内部熱交換器（１６）をさらに備えることを特徴とする冷凍サイクル（１）。
【請求項６】
請求項５に記載の冷凍サイクル（１）であって、
前記気液分離器（１５）は、前記蒸発器（１４）よりも下流で前記内部熱交換器（１６ｂ）より上流に配されていることを特徴とする冷凍サイクル（１）。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか１項に記載の冷凍サイクル（１、２０）であって、
前記気液分離器（１５）は、
前記気液分離器内のうち気相領域で開口し且つ前記圧縮機（１１）の上流側に連通する冷媒出口（１５ｃ）と、前記気液分離器内のうち前記潤滑油の液相領域で開口し且つ前記圧縮機（１１）の上流側に連通するオイル戻し孔（１５ｄ）と、を備えることを特徴とする冷凍サイクル（１、２０）。
【請求項８】
吸入した冷媒を圧縮して吐出する圧縮機（１１）と、前記圧縮機（１１）の下流側に配置され前記圧縮機（１１）からの冷媒を冷却する放熱器（１２）と、前記放熱器（１２）の下流側に配置され前記放熱器（１２）からの冷媒を減圧する減圧器（１３）と、前記減圧器（１３）の下流側に配置され前記減圧器（１３）にて減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器（１４）と、前記減圧器（１３）の下流側で且つ前記圧縮機（１１）の上流側に配置され冷媒を貯留し気体冷媒を前記圧縮機（１１）へ帰還させる気液分離器（１５）と、を備え、冷媒を冷却する前記放熱器（１２）内の圧力が冷媒の臨界圧力を超える冷凍サイクル（１、２０）に用いられる、圧縮機（１１）であって、
前記冷媒に混合するオイルは、前記冷媒に対する比率が５〜３５ｗｔ％の間で連続する二層分離曲線を有するエーテル系オイルまたはグリコール系オイルであることを特徴とする圧縮機（１１）。
【請求項９】
請求項８に記載の圧縮機（１１）であって、
前記冷媒は、二酸化炭素であることを特徴とする圧縮機（１１）。
【請求項１０】
請求項８または９に記載の圧縮機（１１）であって、
前記オイルは、前記冷媒に対する比率が５〜３５ｗｔ％の間で連続する二層分離曲線を有し且つ該二層分離曲線の下限値が−５℃以上のポリアルキルグリコールであることを特徴とする圧縮機（１１）。
【請求項１１】
請求項８または９に記載の圧縮機（１１）であって、
前記オイルは、前記冷媒に対する比率が５〜３５ｗｔ％で連続する二層分離曲線を有し且つ該二層分離曲線の下限値が５℃以上のポリビニールエーテルであることを特徴とする圧縮機（１１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放熱器内の圧力が冷媒の超臨界圧力を超える冷凍サイクルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、脱フロン対策の１つとして、例えば特許文献１に開示されるように冷媒を二酸化炭素（ＣＯ２）にした冷凍サイクル（以下、ＣＯ２サイクルと略す）が提案されている。このＣＯ２サイクルは、フロンを使用した従来の冷凍サイクルと同様の原理で作動する。つまり、ＣＯ２サイクルは、圧縮機、放熱器、膨張弁、蒸発器、気液分離器を備え、冷媒の流れは以下のようになる。まず、圧縮機において高温高圧のガス冷媒に圧縮され吐出された冷媒は、超臨界状態で放熱器に冷却されて温度が低下する。この冷媒は次に膨張弁により減圧されて低圧の気液二相状態となり、蒸発器に流入して蒸発ガス化する。このときの冷媒は、蒸発潜熱を空気などの外部流体から奪って外部流体を冷却する。次に蒸発器で低温低圧になったガス冷媒は、気液分離器で余剰の液冷媒と分離されてガス冷媒のみが圧縮機に帰還する。そして再び圧縮機において高温高圧のガス冷媒に圧縮されて、以上の循環を繰り返す。
【０００３】
このような冷凍サイクルでは、圧縮機内の摺動部品の摺動性を確保するため、圧縮機内にオイルが封入されている。
【０００４】
圧縮機に封入されたオイルは、圧縮機内の摺動部品の摺動に用いられるため、圧縮機内に常時留まっていることが好ましい。しかしながらオイルは冷媒に同伴されて圧縮機外に流出して冷凍サイクルを循環する。
【０００５】
圧縮機に封入されるオイルは一般にポリアルキルグリコール（ＰＡＧ）が使用されている。このＰＡＧオイルは炭酸ガス冷媒に対して相溶性が低く且つ密度が重い特性を有している。そのため、オイルの大半は、気液分離器の下部に液冷媒とともに捕獲されてしまい、圧縮機へは帰還できない。ミスト状のオイルの一部がガス冷媒とともに圧縮機に帰還するが、それでも圧縮機内のオイル量が枯渇しがちである。
【０００６】
特に、圧縮機の載置スペースなどに制限がある場合に、圧縮機からオイルが流出することを防ぐためのオイルセパレータなどを設けることができない場合には、圧縮機内のオイル量は更に不足してしまう。
【０００７】
従来、気液分離器の底部に停滞するオイルを圧縮機に戻すため、気液分離器の底部にオイル戻し孔が設けた構造が提案されている（例えば特許文献２参照）。
【特許文献１】特公平７−１８６０２号公報
【特許文献２】特開２００３−２６２４１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、このような構造であってもやはり圧縮機へのオイル戻りが良好とは言えなかった。具体的に図９〜図１１を参照しつつ説明する。
【０００９】
図９のように気液分離器１０１内の過熱度が略ゼロの場合（通常状態）は、気液分離器１０１内に液冷媒がある程度貯留している。この場合、気液分離器１０１の底部にオイルと液冷媒とが分離した状態で貯留し、気液分離器１０１の冷媒出口１０１ｃからはガス冷媒および飽和ミスト冷媒ばかりが流出していく。一方、気液分離器１０１の底部に溜まったオイルは粘性が高いためオイル戻し孔１０１ｄからは十分な量が流出していかない。
【００１０】
図１０のように気液分離器１０１内が過熱領域である場合（過小冷媒状態）は、気液分離器１０１内に液冷媒がほとんど無く、この場合、気液分離器１０１下部にオイルが溜まっている。このとき、オイルは冷媒をほとんど含んでないので粘度が極めて高くなっており、オイル戻し孔１０１ｄからはオイルがほとんど流出していかない。
【００１１】
図１１のように気液分離器１０１内が貯液限界を超えた場合（過剰冷媒状態）も、やはりオイル戻し孔１０ｄからは十分な量のオイルが流出していかない。一方、冷媒出口１０１ｃからは大量の液冷媒が流出するので、このとき液冷媒の流れにのって粒状のオイルも冷媒出口１０１ｃを通過しようとするがオイルは冷媒出口１０１ｃに詰まり易すく、冷媒出口１０１ｃからも十分な量のオイルは出ていかない。仮に粒状のオイルが出ていったとしても定量的ではないため圧縮機内の潤滑性やシール性を保証できるものではない。（なおこのように液冷媒が圧縮機に帰還する場合は、圧縮機での圧縮量が減るため冷凍システムの性能が低下する。）
そこで、オイル戻りを向上させるべくオイル戻し孔を大きくすると、オイル戻し孔から出ていくオイル量は増加するが同時に液冷媒も増加してしまうため、結局、図１１の場合と同様にシステムの性能が低下してしまう。
【００１２】
また、オイル戻りを向上させるべくオイル封入量を多くすると、図１２のように気液分離器内にオイルが大量に沈殿するため、液冷媒の液面が上昇して冷媒出口１０１ｃから液冷媒が流出しやすくなり、結局図１１と同様にシステムの性能が低下してしまう。
【００１３】
また、オイル戻りを向上させるべく、エステル系オイル（なおエステル系オイルが炭酸ガスと相溶性が比較的良いことは周知である）を使用すると、オイル戻りは向上するものの、エステル系オイルは水分と反応して加水分解して金属石鹸を生成するため、結局、圧縮機内の摺動性やシール性を低下させてしまう。
【００１４】
本発明はこのような従来技術をもとに為されたもので、その目的は、炭酸ガスなどの超臨界冷媒を用いた冷凍サイクルにおいてオイル戻り性を向上させて圧縮機内の潤滑性およびシール性を向上できる冷凍サイクルおよびその圧縮機の提供である。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
従来のポリアルキルグリコール（ＰＡＧ）は、炭酸ガス冷媒に対するオイル比率が４０％〜５０％の間に二層分離曲線を有し、炭酸ガス冷媒との相溶性が低いオイル（図５ｂ参照）であった。しかし本発明者は研究の結果、従来とは異なるオイル「即ち実質的なオイル混合比率（＝炭酸ガス冷媒に対する比率が５〜３５ｗｔ％の間）において連続する二層分離曲線を有するエーテル系オイルまたはグリコール系オイル（図５ａ参照）」を用いることで、炭酸ガス冷媒との相溶性が向上し、圧縮機へのオイル戻りを向上できることを突き止めた。ここで、これらのエーテル系オイルまたはグリコール系オイルは、エステル系オイルとは異なり、水分と反応して金属石鹸を生成することが無いため圧縮機内の摺動性やシール性を低下させることはない。
【００１６】
なお、本明細書において、「二層分離曲線」とは二つの溶液を混合した場合に溶液が二層に分離するか若しくは乳濁する範囲と、溶液が互いに溶解する範囲と、の臨界線を意味する。
【００１７】
そこで、請求項１に記載の発明は、吸入した冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、前記圧縮機の下流側に配置され前記圧縮機からの冷媒を冷却する放熱器と、前記放熱器の下流側に配置され前記放熱器からの冷媒を減圧する減圧器と、前記減圧器の下流側に配置され前記減圧器にて減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記減圧器の下流側で且つ前記圧縮機の上流側に配置され冷媒を貯留し気体冷媒を前記圧縮機へ帰還させる気液分離器と、前記蒸発器の下流側で且つ前記圧縮機の上流側に配置され前記蒸発器からの冷媒を気液分離する気液分離器と、を備え、冷媒を冷却する前記放熱器内の圧力が冷媒の臨界圧力を超える冷凍サイクルであって、
前記冷媒は、炭酸ガスであり、
前記冷媒に混合するオイルは、前記冷媒に対する比率が５〜３５ｗｔ％の間で連続する二層分離曲線を有するエーテル系オイルまたはグリコール系オイルであることを特徴とするものである。
【００１８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の冷凍サイクルであって、前記冷媒は、二酸化炭素であることを特徴とするものである。
【００１９】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の冷凍サイクルであって、前記オイルは、前記冷媒に対する比率が５〜３５ｗｔ％で連続する二層分離曲線を有し且つ該二層分離曲線の下限値が−５℃以上のポリアルキルグリコールであることを特徴とするものである。
【００２０】
請求項４に記載の発明は、請求項１または２に記載の冷凍サイクルであって、前記オイルは、前記冷媒に対する比率が５〜３５ｗｔ％で連続する二層分離曲線を有し且つ該二層分離曲線の下限値が５℃以上のポリビニールエーテルであることを特徴とするものである。
【００２１】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４の何れか１項に記載の冷凍サイクルであって、前記圧縮機の下流側で且つ前記蒸発器よりも上流側の高圧の冷媒と、前記減圧器より下流で且つ前記放熱器よりも上流側の低圧の冷媒と、の熱交換を行う内部熱交換器をさらに備えることを特徴とするものである。
【００２２】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の冷凍サイクルであって、前記気液分離器は、前記蒸発器よりも下流で前記内部熱交換器より上流に配されていることを特徴とするものである。
【００２３】
請求項７に記載の発明は、請求項１〜６の何れか１項に記載の冷凍サイクルであって、前記気液分離器は、前記気液分離器内のうち気相領域で開口し且つ前記圧縮機の上流側に連通する冷媒出口と、前記気液分離器内のうち前記潤滑油の液相領域で開口し且つ前記圧縮機の上流側に連通するオイル戻し孔と、を備えることを特徴とするものである。
【００２４】
請求項８に記載の発明は、吸入した冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、前記圧縮機の下流側に配置され前記圧縮機からの冷媒を冷却する放熱器と、前記放熱器の下流側に配置され前記放熱器からの冷媒を減圧する減圧器と、前記減圧器の下流側に配置され前記減圧器にて減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記減圧器の下流側で且つ前記圧縮機の上流側に配置され冷媒を貯留し気体冷媒を前記圧縮機へ帰還させる気液分離器と、前記蒸発器の下流側で且つ前記圧縮機の上流側に配置され前記蒸発器からの冷媒を気液分離する気液分離器と、を備え、冷媒を冷却する前記放熱器内の圧力が冷媒の臨界圧力を超える冷凍サイクルの、圧縮機であって、
前記冷媒は、炭酸ガスであり、
前記冷媒に混合するオイルは、前記冷媒に対する比率が５〜３５ｗｔ％の間で連続する二層分離曲線を有するエーテル系オイルまたはグリコール系オイルであることを特徴とするものである。
【００２５】
請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の圧縮機であって、前記冷媒は、二酸化炭素であることを特徴とするものである。
【００２６】
請求項１０に記載の発明は、請求項８または９に記載の圧縮機であって、前記オイルは、前記冷媒に対する比率が５〜３５ｗｔ％で連続する二層分離曲線を有し且つ該二層分離曲線の下限値が−５℃以上のポリアルキルグリコールであることを特徴とするものである。
【００２７】
請求項１１に記載の発明は、請求項８または９に記載の圧縮機であって、前記オイルは、前記冷媒に対する比率が５〜３５ｗｔ％で連続する二層分離曲線を有し且つ該二層分離曲線の下限値が５℃以上のポリビニールエーテルであることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２８】
請求項１および８の発明によれば、実質的なオイル混合比率において（つまり炭酸ガス冷媒に対する比率が５〜３５ｗｔ％の間において）連続する二層分離曲線を有するエーテル系オイルまたはグリコール系オイルを用いたため、オイルと炭酸ガス冷媒との相溶性が向上し、圧縮機へのオイル戻りを向上できる。しかも、エーテル系オイルおよびグリコール系オイルは、エステル系オイルとは異なり、水分と反応して金属石鹸を生成することが無いため圧縮機内の摺動性やシール性を低下させることはない。
【００２９】
請求項２および９の発明によれば、冷媒は二酸化炭素であるため、他の炭酸ガス冷媒に比べて安定しており、使用しやすい利点がある。
【００３０】
請求項３および１０の発明によれば、二層分離曲線の下限値が−５℃以上のポリアルキルグリコール（ＰＡＧ）を用いたため、炭酸ガス冷媒との相溶性が向上し、オイル戻り性がさらに向上する。
【００３１】
請求項４の発明によれば、二層分離曲線の下限値が５℃以上のポリビニールエーテル（ＰＶＥ）を用いたため、炭酸ガス冷媒との相溶性が向上し、オイル戻り性がさらに向上する。
【００３２】
請求項５の発明によれば、内部熱交換器を備える冷凍サイクルであるため、サイクルの性能が向上する。
【００３３】
請求項６の発明によれば、蒸発器よりも下流且つ内部熱交換器より上流に気液分離器を配置したため、内部熱交換器を設けて冷凍サイクルの冷凍性能を向上させた構造でありつつ、気液分離器内の温度を低く維持することで、気液分離器からのオイル戻り性が悪化しないようになっている。これは、上記オイルは、冷媒温度が高くなるにしたがって冷媒との相溶性が低くなることに起因する。
【００３４】
請求項７の発明によれば、気液分離器はオイル戻し孔を備えるため、気液分離器に貯留するオイルを効率的に圧縮機に戻せる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、本発明の一実施形態にかかる冷凍サイクルを図面を参照しつつ説明する。
【００３６】
この実施形態の冷凍サイクル１は、図１に示すように、吸入した冷媒を圧縮して吐出する圧縮機１１と、圧縮機１１の下流側に配置され圧縮機１１からの冷媒を冷却する放熱器１２と、放熱器１２の下流側に配置され放熱器１２からの冷媒を減圧する減圧器１３と、減圧器１３の下流側に配置され減圧器１３にて減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器１４と、減圧器１３の下流側で且つ圧縮機１１の上流側に配置され冷媒を貯留し気体冷媒を圧縮機１１へ帰還させる気液分離器１５と、圧縮機１１の下流側で且つ減圧器１３よりも上流側の高圧の冷媒（１６ａ）と減圧器１３より下流で且つ圧縮機よりも上流側の低圧の冷媒（１６ｂ）との熱交換を行う内部熱交換器１６と、を備えている。冷媒には超臨界冷媒としての炭酸ガスを用いており、放熱器１２内の圧力が冷媒の臨界圧力を超えるようになっている。この実施形態では炭酸ガス冷媒として、特に二酸化炭素（ＣＯ２）が利用されている。
【００３７】
気液分離器１５の構造は、図２ｂに示すように、容器１５ａと、容器１５ｂ内で開口し且つ蒸発器１４に接続される冷媒入口１５ｂと、容器１５ａ内のうち気相領域で開口し且つ圧縮機１１に接続される冷媒出口１５ｃと、を備えている。この実施形態では、オイル戻し孔は備えていない。尚、減圧器１３にはオリフィススチューブ、温度感知式膨張弁、圧力制御電子膨張弁、エジェクタなどが用いられる
圧縮機１１内の摺動部品の摺動性を得るために、冷媒には潤滑用のオイルが混合されている。冷媒に混合されるオイルは、エーテル系オイルまたはグリコール系オイルが用いられる。いずれのオイルも、冷媒に対する比率が５〜３５ｗｔ％の間で連続する二層分離曲線を有する点で、従来のＰＡＧとは異り、相溶性が極めて高いオイルである。この実施形態では、上記の特性を示すポリビニールエーテル（ＰＶＥ）またはポリアルキルグリコール（ＰＡＧ）が用いられている。
【００３８】
以下、本願のオイルをより詳しく説明する。図５は本願のオイルと従来のＰＡＧとを比較する図である。なお、図５ａは本願のオイルの二層分離特性を示す図であり、図５ｂは従来のＰＡＧの二層分離特性を示す図である。
【００３９】
図５ｂに示すように、従来のＰＡＧは何れもその二層分離曲線Ｌ４、Ｌ５が、縦軸方向に延びるように存在する。
【００４０】
従来のＰＡＧ（１）は、その二層分離曲線Ｌ４がオイル比率５０ｗｔ％付近で縦軸方向に延びる線となっており、オイル比率５０ｗｔ％以下の領域ではどの温度帯でも炭酸ガス冷媒（ＣＯ２）との相溶性がなく、オイル比率５０ｗｔ％以上の領域では炭酸ガス冷媒との相溶性が若干ある。このとき、オイル比率５０ｗｔ％以上の領域では炭酸ガス冷媒との相溶性があるものの、炭酸ガス冷媒に対してオイルが溶け込むのではなくオイルに対して炭酸ガス冷媒がとけ込む性質を示す。
【００４１】
また、従来のＰＡＧ（２）は、その二層分離曲線Ｌ５がオイル比率４０ｗｔ％付近で縦軸方向に延びる線となっており、オイル比率４０ｗｔ％以下の領域ではどの温度帯でも炭酸ガス冷媒との相溶性がなく、オイル比率４０ｗｔ％以上の領域では炭酸ガス冷媒との相溶性が若干ある。ＰＡＧ（２）も、ＰＡＧ（１）と同様に、オイル比率４０ｗｔ％以上の領域では炭酸ガス冷媒との相溶性があるものの、炭酸ガス冷媒に対してオイルが溶け込むのではなくオイルに対して炭酸ガス冷媒が溶け込む性質を示す。
【００４２】
このような従来周知のＰＡＧに対し本願のオイルは図５ａに示すような特性を備える。図５ａに示すように、本願のＰＶＥおよびＰＡＧは何れもその二層分離曲線Ｌ１、Ｌ２がオイル比率５％〜３５％の間で図５ａ中の横軸方向に向けて連続する。つまり、相溶性が極めて高いオイルである。
【００４３】
具体的には本願のＰＶＥは、その二層分離曲線Ｌ２がオイル比率５〜３５ｗｔ％の間で図５ａ中の横軸方向に向けて連続し、二層分離曲線Ｌ２よりも高い温度帯（図中上側）で非相溶性を示し、それ以外のほぼ全域で炭酸ガス冷媒との相溶性を示す。つまり、二層分離曲線Ｌ２よりも低い温度帯（図中下側）で相溶性を示し、且つ、オイル比率３５ｗｔ％以上では温度にかかわらず相溶性を示す。このＰＶＥの二層分離曲線Ｌ２の下限値は５℃である。また、このＰＶＥは、粘度が４０℃で６８ｍｍ２／ｓ、１００℃で８ｍｍ２／ｓの特性を示す。
【００４４】
一方、本願のＰＡＧは、その二層分離曲線Ｌ１がオイル比率５〜３５ｗｔ％の間で図５ａ中の横軸方向に向けて連続し、二層分離曲線Ｌ１よりも高い温度帯（図中上側）以外の領域のほぼ全域で炭酸ガス冷媒との相溶性を備えている。つまり、二層分離曲線Ｌ１よりも低い温度帯（図中下側）で相溶性を示し、且つ、オイル比率３５ｗｔ％以上では温度にかかわらず相溶性を示す。このＰＡＧの二層分離曲線Ｌ１の下限値は−５℃である。また、このＰＡＧは、粘度が４０℃で３２ｍｍ２／ｓ、１００℃で７ｍｍ２／ｓの特性を示す。
【００４５】
ここで、冷凍サイクル１を運転する際の蒸発器１４の冷媒蒸発温度は−５℃〜１５℃である。また、蒸発器１４の冷媒温度と気液分離器１５内の冷媒温度とはほぼ同一である。そのため、冷凍サイクル１を運転すると気液分離器１５内の冷媒温度は−５℃〜１５℃となり、この温度範囲では本願のオイルはいずれも図５ａに示すように炭酸ガス冷媒とほぼ相溶している状態となる。
【００４６】
図２〜図４は本願のオイルを用いた場合の気液分離器１５内の状態を示す。
【００４７】
図２ａのように蒸発器１４の熱負荷に冷凍サイクル１の冷媒循環量がみあっている場合、気液分離器１５内の過熱度が略ゼロであり、図２ｂに示すように気液分離器１５に適量の液冷媒が溜まる（通常状態）。本願のオイルは液冷媒およびミスト状冷媒中に一定濃度で相溶するため、図２ｂのようにミスト状冷媒に溶けているオイルが冷媒出口１５ｃから圧縮機１１へ戻ることとなる。
【００４８】
図３ａのように蒸発器１４の熱負荷が急激に増大した場合など冷凍サイクル１の冷媒循環量に対して蒸発器１４の熱負荷が大きい場合は、気液分離器１５内が過熱領域となり、図３ｂに示すように気液分離器１５内の冷媒量は過小となる（過小冷媒状態）。この場合も、ミスト状冷媒に溶けているオイルが冷媒出口１５ｃから圧縮機１１に戻ることとなる。なお、気液分離器１５の下部には、冷媒を含んで粘度が低下したオイルが溜まっている。
【００４９】
図４ａのように蒸発器１４の熱負荷が急激に低下した場合など冷凍サイクル１の冷媒循環量に対して蒸発器１４の熱負荷が小さい場合は、図４ｂのように気液分離器１５内の液冷媒量が貯液限界を超える（過剰冷媒状態）。この場合は、気液分離器１５の冷媒出口１５ｃから流出するミスト状冷媒が少なくなるため、ミスト状冷媒によるオイル戻り量も減るが、液冷媒に溶けたオイル（なおオイルの濃度は低い）が液冷媒とともに気液分離器１５の冷媒出口１５ｃから圧縮機１１に帰還するため、ある程度のオイル戻り量は確保される。（なおこのように液冷媒が圧縮機１１に帰還する場合は、圧縮機１１での圧縮量が減るため冷凍システムの性能が低下する。）
図６は、冷凍サイクル１に所定量のオイルを封入しておき冷凍サイクル１を一定時間運転した後に圧縮機１１内に貯留したオイル量を測定した実験結果である。なお、この実験に用いた圧縮機は、圧縮機内に貯留したオイル量が３０ｃｃ以上であれば潤滑性およびシール性が良好（◎）、３０〜２５ｃｃであれば潤滑性およびシール性が可（○）、２０ｃｃ未満であれば不可（×）と判断される圧縮機である。
【００５０】
図６に示すように、従来のＰＡＧ（１）およびＰＡＧ（２）では、いずれの状態（図２、図３、図４相当）でも圧縮機内に貯留したオイル量が２０ｃｃ以下であり、圧縮機内の潤滑性およびシール性は確保できなかった。
【００５１】
一方、本願のＰＡＧでは、いずれの状態（図２、図３、図４相当）でも圧縮機内に貯留したオイル量が２５ｃｃ以上であり、圧縮機内の潤滑性およびシール性が確保されていた。また、本願のＰＡＧでは、いずれの状態（図２、図３、図４相当）でも圧縮機内に貯留したオイル量が２５ｃｃ以上であり、圧縮機内の潤滑性およびシール性が確保されていた。
【００５２】
このように本願のオイルを用いることで、圧縮機へのオイル戻り性が向上し、圧縮機内の潤滑性およびシール性が確保されることがわかる。
【００５３】
以下、効果をまとめる。
【００５４】
（１）この実施形態では、炭酸ガス冷媒に対する比率が５〜３５ｗｔ％の間で連続する二層分離曲線（Ｌ１、Ｌ２）を有するエーテル系オイルまたはグリコール系オイルを用いたため、従来のＰＡＧとは異なり、炭酸ガス冷媒との相溶性が向上する。そのため、ミスト状冷媒に溶け込んだオイルがミスト状冷媒とともに気液分離器１５から脱出して圧縮機１１へ戻る。結果、従来に比べて圧縮機１１へのオイル戻り性が向上する。しかも、エーテル系オイルまたはグリコール系オイルは、エステル系オイルとは異なり、水分と反応して金属石鹸を生成することが無いため圧縮機１１内の摺動性やシール性を低下させることはない。
【００５５】
（２）この実施形態では、冷媒は二酸化炭素であるため、他の炭酸ガス冷媒に比べて安定しており、使用しやすい利点がある。
【００５６】
（３）グリコール系オイルとしては、二層分離曲線Ｌ１の下限値が−５℃の特性を持つＰＡＧを用いた場合に、十分な量のオイルが戻ることが図６の実験より明らかであるため、二層分離曲線Ｌ１の下限値が−５℃以上の特性を持つＰＡＧであることが好ましい。なお、ＣＯ２の液化臨界点は３１℃であるため、二層分離曲線Ｌ１の上限値は３１℃以下である。
【００５７】
（４）また、エーテル系オイルとしては、二層分離曲線Ｌ２の下限値が５℃の特性を持つＰＶＥを用いた場合に、十分な量のオイルが戻ることが図６の実験より明らかであるため、二層分離曲線Ｌ２の下限値が−５℃以上の特性を持つＰＡＧであることが好ましい。なお、ＣＯ２の液化臨界点は３１℃であるため、二層分離曲線Ｌ２の上限値は３１℃以下である。
【００５８】
なお、ＰＡＧの二層分離曲線Ｌ１の下限値がＰＶＥの二層分離曲線Ｌ２の下限値がよりも低くてもオイル戻り性が確保さえるのは、ＰＡＧの粘度がＰＶＥの粘度よりも低いため、ＰＡＧが冷媒に混合されやすく又気液分離器１５の出口１５ｃ（やオイル戻し孔１５ｄ）に詰まり難いためであると推測される。
【００５９】
（５）この実施形態では、内部熱交換器１６（１６ａ、１６ｂ）を備える冷凍サイクル１であるため、内部熱交換器を備えない冷凍サイクルに比べ冷凍性能が向上する。なお、本発明は図８に示すように内部熱交換器を備えない冷凍サイクル２０にも勿論適用できる。
【００６０】
（６）この実施形態では、蒸発器１４よりも下流且つ内部熱交換器１６ｂより上流に気液分離器１５を配置したため、内部熱交換器１６を設けて冷凍サイクル１の冷凍性能を向上させた構造でありつつ、気液分離器１５内の温度を低く維持することで、気液分離器１５からのオイル戻り性が悪化しないようになっている。これは、上記オイルが図５ａに示すように温度が高くなるにしたがって冷媒との相溶性が低くなることに起因する。
【００６１】
次に図７を参照しつつ、気液分離器の変形例について説明する。
【００６２】
図７の気液分離器１５の構造は、容器１５ａと、容器１５ａ内で開口し且つ蒸発器１４の下流側に接続される冷媒入口１５ｂと、容器１５ａ内の上部に位置して気相領域で開口し且つ圧縮機１１の上流側に連通する冷媒出口１５ｃと、容器１５ａ内の下部に位置して潤滑油の液相領域で開口し且つ圧縮機１１の上流側に連通するオイル戻し孔１５ｄと、を備えている。この気液分離器１５は、気液分離器１５の下部にオイルが多く貯留する構造に適しており、該貯留したオイルを効率的に圧縮機１１に戻せる利点がある。
【００６３】
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはない。
【００６４】
例えば、本発明ではエーテル系オイルとグリコール系オイルとを混合して使用してもよい。
【００６５】
また、上述の実施形態では炭酸ガス冷媒としてＣＯ２を用いた例を示したが、本発明ではその他の炭酸ガス冷媒を用いてもよい。
【００６６】
また、上述の実施形態ではエーテル系オイルとしてＰＶＥ、グリコール系オイルとしてＰＡＧを用いた例を示したが、本発明ではその他のエーテル系オイルおよびグリコール系オイルにも適用できる。
【００６７】
また、圧縮機は、例えば車両エンジンなどのその他の駆動源で駆動するベルト駆動型の圧縮機であってもよいし、モータなど圧縮機専用の駆動源で駆動する電動駆動型の圧縮機であってもよい。
【００６８】
また、圧縮機は、可変容量型の圧縮機であっても固定容量型の圧縮機であってもよい。
【００６９】
また、圧縮機には、圧縮機から圧縮機外にオイルが流出していくのを防ぐオイルセパレータが設けられていてもよい。なお、本発明は圧縮機がオイルセパレータを備えない構造に特に有効である。
【００７０】
また、本発明では、特開２００４−１１６９３８図１の構成のように減圧器にエジェクタを用い、減圧器１３の下流側で且つ圧縮機１１の上流側に配置され冷媒を貯留し気体冷媒を圧縮機１１へ帰還させる気液分離器１５を配置した構造においても、同様のオイル戻り性改善の効果がある。
【００７１】
また、本発明の技術的範囲に属する限りその他の種々の態様で本発明は実施し得る。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】図１は本発明の第１実施形態にかかる冷凍サイクルの回路図。
【図２】図２は同冷凍サイクルの気液分離器内の過熱度が略ゼロの場合を示すものであって、図２ａは冷凍サイクルのＰ−Ｈ線図、図２ｂは気液分離器内部を示す図。
【図３】図３は同冷凍サイクルの気液分離器内が過熱領域である場合を示すものであって、図３ａは冷凍サイクルのＰ−Ｈ線図、図３ｂは気液分離器内部を示す図。
【図４】図４ａは同冷凍サイクルの気液分離器内が貯液限界を超えた場合を示すものであって、同冷凍サイクルのＰ−Ｈ線図、図４ｂは気液分離器内部を示す図。
【図５】図５ａは本願のオイルの二層分離特性を示し、図５ｂは従来のＰＡＧの二層分離特性を示す特性図。
【図６】図６は冷凍サイクル運転後のコンプレッサ内のオイル量を、従来のＰＡＧと本願のオイルとで比較した実験結果を示す図。
【図７】図７は気液分離器の一変形例を示す図。
【図８】図８は冷凍サイクルの一変形例を示す図。
【図９】図９は従来のＰＡＧを封入した冷凍サイクルの気液分離器内を示すものであって、気液分離器内の過熱度が略ゼロの状態（図２相当）を示す図。
【図１０】図１０は従来のＰＡＧを封入した冷凍サイクルの気液分離器内を示すものであって、気液分離器内が過熱領域である状態（図３相当）を示す図。
【図１１】図１１は従来のＰＡＧを封入した冷凍サイクルの気液分離器内を示すものであって、気液分離器内が貯液限界を超えた状態（図４相当）を示す図。
【図１２】図１２は従来のＰＡＧを封入した冷凍サイクルの気液分離器内を示すものであって、初期封入オイル量が多い場合の図。
【符号の説明】
【００７３】
１、２０…冷凍サイクル
１１…圧縮機
１４…蒸発器
１５…気液分離器
１５ａ…容器
１５ｂ…冷媒入口
１５ｃ…冷媒出口
１５ｄ…オイル戻し孔
１６…内部熱交換器
Ｌ１、Ｌ２…二層分離曲線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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