(57)【要約】【課題】二酸化炭素を冷媒とする冷凍装置（1）において、蒸発器（5）への油の流入を防止し、さらには冷凍能力の低下も防止する。【解決手段】膨張機（3）の出口側で冷凍機油を冷媒から分離して蒸発器（5）へ流入しないようにするか、もしくは冷凍機油を膨張機（3）に供給せずに膨張機（3）の潤滑を冷媒のみで行うことにより、冷凍機油が蒸発器（5）へ流入しないようにする。【選択図】図１
2008145100.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機（2）、放熱器（4）、膨張機（3）及び蒸発器（5）が順に接続された冷媒回路（C）を備え、該冷媒回路（C）に二酸化炭素が冷媒として充填された冷凍装置であって、
膨張機（3）の出口側と蒸発器（5）の入口側との間に油分離器（6）が接続され、
冷媒回路（C）の冷凍機油は、少なくとも−２０℃以上の温度域で上記冷媒と二相に分離し、かつ、その温度域で密度が上記冷媒よりも大きくなる冷凍機油により構成されていることを特徴とする冷凍装置。
【請求項２】
冷凍機油が、−５０℃以上の温度域で二酸化炭素冷媒と二相に分離するものであることを特徴とする請求項１記載の冷凍装置。
【請求項３】
冷凍機油がポリアルキレングリコールにより構成されていることを特徴とする請求項１記載の冷凍装置。
【請求項４】
冷凍機油がポリビニルエーテルにより構成されていることを特徴とする請求項１記載の冷凍装置。
【請求項５】
冷凍機油が鉱油により構成されていることを特徴とする請求項１記載の冷凍装置。
【請求項６】
冷凍機油がポリオールエステルにより構成されていることを特徴とする請求項１記載の冷凍装置。
【請求項７】
冷凍機油がポリカーボネートにより構成されていることを特徴とする請求項１記載の冷凍装置。
【請求項８】
冷凍機油がアルキルベンゼンにより構成されていることを特徴とする請求項１記載の冷凍装置。
【請求項９】
油分離器（6）が遠心分離式の油分離器（6）により構成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１記載の冷凍装置。
【請求項１０】
油分離器（6）は、縦型円筒状の容器（6a）の周壁に対して接線方向に接続された導入管（6b）と、該容器（6a）の上面に接続された冷媒導出管（6c）と、該容器（6a）の底面に接続された油導出管（6d）とを備えていることを特徴とする請求項９記載の冷凍装置。
【請求項１１】
油分離器（6）は、冷媒導出管（6c）が容器（6a）の周壁の内面に沿って上下方向に配置され、該冷媒導出管（6c）の下端部が、容器（6a）の高さ方向の中間部に位置して液冷媒中に開口するように構成されていることを特徴とする請求項１０記載の冷凍装置。
【請求項１２】
油分離器（6）は、冷媒導出管（6c）が、容器（6a）の上面に接続されたガス冷媒導出管（6c-g）と、容器（6a）の周壁の内面に沿って上下方向に配置されるとともにその下端部が容器（6a）の高さ方向の中間部に位置して液冷媒中に開口する液冷媒導出管（6c-l）とからなり、ガス冷媒導出管（6c-g）と液冷媒導出管（6c-l）とが容器（6a）の外で合流していることを特徴とする請求項１０記載の冷凍装置。
【請求項１３】
油分離器（6）は、容器（6a）内に、該容器（6a）の上部を二重構造とするバッフルプレート（6e）を備え、
容器（6a）の上面に冷媒導出管（6c）が接続されるとともに、導入管（6b）が容器（6a）の周壁を貫通してバッフルプレート（6e）に接続されていることを特徴とする請求項１０記載の冷凍装置。
【請求項１４】
油分離器（6）は、バッフルプレート（6e）の上部に、ガス冷媒が流通するガス冷媒流通孔（6e-h）を備えていることを特徴とする請求項１３記載の冷凍装置。
【請求項１５】
油分離器（6）は、冷媒導出管（6c）が容器（6a）内でＵ字状に折り曲げた形状に形成されるとともに、容器（6a）内における該冷媒導出管（6c）の上端部がガス冷媒の入口に形成され、Ｕ字状の導出管の下部に液冷媒の入口孔（6c-h）が形成されていることを特徴とする請求項１０記載の冷凍装置。
【請求項１６】
圧縮機（2）、放熱器（4）、膨張機（3）及び蒸発器（5）が順に接続された冷媒回路（C）を備えた冷凍装置であって、
膨張機（3）の出口側に油分離器（6）が接続され、油分離器（6）が膜分離式の油分離器（6）により構成されていることを特徴とする冷凍装置。
【請求項１７】
圧縮機（2）と膨張機（3）が、一つのケーシング（11）内に設けられて一体化されていることを特徴とする請求項１から１６のいずれか１記載の冷凍装置。
【請求項１８】
油分離器（6）が油戻し通路（45c）を介して圧縮機（2）の吸入側に接続されていることを特徴とする請求項１から１６のいずれか１記載の冷凍装置。
【請求項１９】
油分離器（6）が膨張機（3）の近傍に配置されていることを特徴とする請求項１から１８のいずれか１記載の冷凍装置。
【請求項２０】
油分離器（6）が膨張機（3）内に配置されていることを特徴とする請求項１から１７のいずれか１記載の冷凍装置。
【請求項２１】
油分離器（6）と圧縮機（2）との間に断熱手段（33）が配置されていることを特徴とする請求項１から２０のいずれか１記載の冷凍装置。
【請求項２２】
圧縮機（2）、放熱器（4）、膨張機（3）及び蒸発器（5）が順に接続された冷媒回路（C）を備えた冷凍装置であって、
圧縮機（2）と膨張機（3）とが一体のケーシング（11）内に設けられて一つの流体機械（10）が構成されるとともに、該流体機械（10）には、圧縮機（2）側へのみ冷凍機油を供給する給油手段（63,64）が設けられていることを特徴とする冷凍装置。
【請求項２３】
圧縮機（2）、放熱器（4）、膨張機（3）及び蒸発器（5）が順に接続された冷媒回路（C）を備えた冷凍装置であって、
膨張機（3）の摺動部に、耐摩耗性を向上させるための表面処理が施されていることを特徴とする冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷凍装置に関し、特に、冷媒の膨張機構として、膨張弁やキャピラリチューブに代えて膨張機が設けられた冷凍装置に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、閉回路内で冷媒を循環させて蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷凍装置が知られており、空調機等として広く利用されている。この種の冷凍装置としては、例えば特許文献１に開示されているように、圧縮機、放熱器、膨張機構及び蒸発器が順に接続された冷媒回路の冷媒として二酸化炭素を用いるとともに、冷凍サイクルの高圧圧力を冷媒の臨界圧力以上に設定したものが知られている。この冷凍装置では、圧縮機において冷媒をその臨界圧力以上にまで圧縮しているため、圧縮機モータの消費電力が嵩み、高いＣＯＰ（成績係数）が得られないという問題がある。
【０００３】
この問題に対しては、特許文献２に開示されているように、冷凍装置に膨張機を設けるという対策が提案されている。なお、本明細書でいう膨張機は、流体機械の一種としての原動機と同義である。この場合、膨張機は、膨張弁やキャピラリチューブに代えて、冷凍装置における冷媒の膨張機構として設けられる。そして、膨張機において高圧冷媒の内部エネルギを機械的な動力に変換し、得られた動力を圧縮機の駆動に利用することで、圧縮機モータの消費電力を削減している。
【０００４】
上記公報の装置では、圧縮機と膨張機をモータとともに一体のケーシング内に収納することにより、一つの流体機械が構成されている。また、この流体機械においては、駆動軸の一端に油ポンプを設けるとともに、該駆動軸の内部に油通路を設けている。そして、油ポンプにより吸い上げた冷凍機油を、油通路を通して圧縮機と膨張機の摺動部分に供給し、圧縮機及び膨張機を潤滑するようにしている。
【０００５】
上記流体機械の圧縮機は高圧ドーム型圧縮機（油溜まりがケーシング内の高圧側にある圧縮機）であり、この圧縮機では、シリンダ内に供給された油は吐出ガスとともに圧縮機ケーシング内に吐出される。吐出ガス中には油ミストが含まれているが、一部の油ミストはケーシング内やモータ表面に衝突し、凝集して液体となってケーシング壁面を落下して油溜まりに戻る。また、一部の油ミストは吐出ガスとともに圧縮機から吐出され、放熱器に流れていく。
【特許文献１】特開平１０−５４６１７号公報
【特許文献２】特開２００１−１０７８８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一方、膨張機に供給された冷凍機油は、膨張機内で冷媒の気液二相流と混合する。仮に冷凍機油と液冷媒との溶解性が高ければ、冷凍機油は液冷媒の中に溶解して膨張機出口から吐出され、蒸発器へ流れて行く。
【０００７】
ここで、上記流体機械において、冷凍機油が蒸発器に流れていく場合の性能への影響を考察する。蒸発温度を１０℃、放熱器出口温度を３７℃、吐出圧力を１０ＭＰａ、圧縮機効率を０．７、膨張機効率を０．６、蒸発器を通過する冷媒に対する油流量比を５％とし、吐出温度を７６℃とする。高圧ドームの場合、圧縮機から膨張機に供給される冷凍機油の温度は圧縮機吐出温度とほぼ等しくなるので７６℃の油が膨張機に供給されることになる。
【０００８】
この冷凍機油は、蒸発器を通過すると、冷媒に熱を与えて蒸発温度１０℃まで冷却される。回収を考えない場合の冷凍効果は、１２５．８ＫＪ／Ｋｇ、回収動力は７ＫＪ／Ｋｇとなる。回収を考えた場合の冷凍効果は、
１２５．８＋７＝１３２．８ＫＪ／Ｋｇとなる。
【０００９】
これに対して、油の比熱を２．１ＫＪ／Ｋｇ℃として、油の冷却に要する熱量を計算すると、
（７６−１０）×２．１×０．０５＝６．９ＫＪ／Ｋｇ
の冷却熱量が必要となり、その分だけ実際の冷凍効果が減少することになる。したがって、冷凍効果の減少する割合は、
６．９／１３２．８＝０．０５２
となり、能力が約５％低下することになる。
【００１０】
このように、膨張機から冷凍機油が流出して蒸発器に流入すると、冷凍機油の顕熱による冷凍能力の低下を招いてしまう。このことは、一体型の流体機械に限らず、圧縮機と膨張機を別体にした場合でも、程度の差はあっても起こりうる問題である。本発明は、このような問題点に鑑みて創案されたものであり、その目的とするところは、冷凍サイクルの膨張機構として膨張機が設けられた冷凍装置において、蒸発器への油の流入を防止し、それによって冷凍能力の低下も防止することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、上記課題を解決するために、大きく分けて３つの対策を講じたものである。第１の対策は、膨張機（3）の出口側で冷凍機油を冷媒から分離して蒸発器（5）へ流入しないようにすること、第２の対策は、冷凍機油を膨張機（3）に供給せずに膨張機（3）の潤滑に冷媒を利用することによって冷凍機油が膨張機（3）から蒸発器（5）へ流入しないようにすること、そして第３の対策は、膨張機（3）の摺動部に、円滑な動作を行うための表面処理を施すことである。
【００１２】
上記第１の対策は、２１の具体的な解決手段を含んでいる。このうち、第１から第１５の解決手段では、冷媒として二酸化炭素を用いるとともに所定の温度域で二酸化炭素と分離する冷凍機油を用いて、膨張機（3）の出口側で冷凍機油を冷媒から分離するようにしており、第１６の解決手段では、使用する冷媒や冷凍機油は特定せずに油分離器（6）の種類を特定することにより、冷媒と冷凍機油を膨張機（3）の出口側で分離するようにしている。また、第１７から第２１の解決手段では、上記各解決手段を構造面から特定している。
【００１３】
具体的に、第１の解決手段は、圧縮機（2）、放熱器（4）、膨張機（3）及び蒸発器（5）が順に接続された冷媒回路（C）を備え、該冷媒回路（C）に二酸化炭素が冷媒として充填された冷凍装置を前提としている。そして、この冷凍装置は、膨張機（3）の出口側と蒸発器（5）の入口側との間に油分離器（6）が接続されるとともに、冷媒回路（C）の冷凍機油が、少なくとも−２０℃以上の温度域で上記冷媒と二相に分離し、かつ、その温度域で密度が上記冷媒よりも大きくなる冷凍機油により構成されていることを特徴としている。通常の空調機などに用いられる冷凍装置では、蒸発温度の最下限が−２０℃程度に設定されている。少なくとも−２０℃以上の温度域で二相分離すれば、後述の油分離が可能となる。
【００１４】
また、第２の解決手段は、より好ましい温度域を特定したものであり、具体的には、上記第１の解決手段において、冷凍機油が、−５０℃以上の温度域で二酸化炭素冷媒と二相に分離するものであることを特徴としている。ショーケースや冷凍庫などに用いられる冷凍装置においては、蒸発温度の最下限が−５０℃程度に設定されている。−５０℃以上の温度域で二相分離すれば、同じく油分離が可能である。
【００１５】
また、本発明が講じた第３から第８の解決手段は、冷凍機油を具体的に特定したものである。このうち、第３の解決手段は、上記第１の解決手段において、冷凍機油がポリアルキレングリコール（ＰＡＧ）により構成されていることを特徴としている。このＰＡＧは、上記第２の解決手段の構成要件である、−５０℃以上の温度域で冷媒と二相に分離する特性を備えている。
【００１６】
また、第４の解決手段は、上記第１の解決手段において、冷凍機油がポリビニルエーテル（ＰＶＥ）により構成されていることを特徴としている。
【００１７】
また、第５の解決手段は、上記第１の解決手段において、冷凍機油が鉱油により構成されていることを特徴としている。
【００１８】
また、第６の解決手段は、上記第１の解決手段において、冷凍機油がポリオールエステル（ＰＯＥ）により構成されていることを特徴としている。
【００１９】
また、第７の解決手段は、上記第１の解決手段において、冷凍機油がポリカーボネート（ＰＣ）により構成されていることを特徴としている。
【００２０】
また、第８の解決手段は、上記第１の解決手段において、冷凍機油がアルキルベンゼン（ＡＢ）により構成されていることを特徴としている。
【００２１】
上記第１から第８の解決手段においては、二酸化炭素を冷媒とする冷媒回路（C）の冷凍機油として、少なくとも−２０℃以上の温度域で上記冷媒と二相に分離し、かつ、その温度域で密度が該冷媒よりも大きくなるものを用いているので、膨張機（3）の出口側に接続された油分離器（6）において、冷凍機油は冷媒から分離し、冷媒の下方に溜まる。したがって、冷凍機油は、油分離器（6）の下端部から抜き出して、蒸発器（5）へ流さずに圧縮機（2）へ戻すことができる。特に−５０℃以上で二酸化炭素冷媒と分離するＰＡＧなどの冷凍機油を用いると、蒸発温度がさらに低い冷凍装置においても、膨張機（3）の出口側で冷媒と冷凍機油を確実に分離して、蒸発器（5）への油の流入を阻止できる。
【００２２】
次に、第９の解決手段は、上記第１から第８の解決手段において、油分離器（6）が遠心分離式の油分離器（6）により構成されていることを特徴としている。
【００２３】
また、第１０の解決手段は、上記第９の解決手段において、油分離器（6）が、縦型円筒状の容器（6a）の周壁に対して接線方向に接続された導入管（6b）と、該容器（6a）の上面に接続された冷媒導出管（6c）と、該容器（6a）の底面に接続された油導出管（6d）とを備えていることを特徴としている。
【００２４】
上記第９，第１０の解決手段においては、膨張機（3）から気液二相の冷媒が油分離器（6）に流入すると、油分離器（6）内で旋回流が生じることにより冷凍機油と冷媒とが分離される。冷凍機油は、冷媒よりも重いので容器（6a）の下に溜まり、油導出管（6d）から排出される。一方、液冷媒はガス冷媒の旋回に伴い、該ガス冷媒に巻き込まれて、ガス冷媒とともに冷媒導出管（6c）から流出する。したがって、蒸発器（5）へは冷媒のみが流れ、冷凍機油は蒸発器（5）へは流れない。
【００２５】
また、第１１の解決手段は、上記第１０の解決手段において、油分離器（6）の冷媒導出管（6c）が容器（6a）の周壁の内面に沿って上下方向に配置され、該冷媒導出管（6c）の下端部が、容器（6a）の高さ方向の中間部に位置して液冷媒中に開口するように構成されていることを特徴としている。
【００２６】
この第１１の解決手段においては、蒸発器（5）への冷媒導出管（6c）を油分離器（6）の内壁に接して設け、下端が液冷媒の中に開口するようにしているので、蒸発器（5）へ冷凍機油を流さずに、冷媒のみを供給することができる。つまり、膨張機（3）から油分離器（6）へ流入した冷媒から冷凍機油を分離した後に、油リッチ液をガス冷媒により巻き込まずに、蒸発器（5）へ液冷媒を供給することができる。
【００２７】
また、第１２の解決手段は、上記第１０の解決手段において、油分離器（6）の冷媒導出管（6c）が、容器（6a）の上面に接続されたガス冷媒導出管（6c-g）と、容器（6a）の周壁の内面に沿って上下方向に配置されるとともにその下端部が容器（6a）の高さ方向の中間部に位置して液冷媒中に開口する液冷媒導出管（6c-l）とからなり、ガス冷媒導出管（6c-g）と液冷媒導出管（6c-l）とが容器（6a）の外で合流していることを特徴としている。
【００２８】
このように、液冷媒とガス冷媒とを別々に流すようにすると、油リッチ液が不必要にガス冷媒に巻き込まれてしまうのを抑えて、油の分離効率を上げることができる。
【００２９】
また、第１３の解決手段は、上記第１０の解決手段において、油分離器（6）が容器（6a）内に該容器（6a）の上部を二重構造とするバッフルプレート（6e）を備え、容器（6a）の上面に冷媒導出管（6c）が接続されるとともに、導入管（6b）が容器（6a）の周壁を貫通してバッフルプレート（6e）に接続されていることを特徴としている。
【００３０】
この場合、油分離器（6）の内部に気液二相冷媒が導入されると、内壁の全周に冷媒導出管（6c）を設けるのと同じ効果を得ることができる。つまり、冷媒リッチ液が、容器（6a）とバッフルプレート（6e）との間の隙間を通って流出する。
【００３１】
また、第１４の解決手段は、上記第１３の解決手段において、油分離器（6）が、バッフルプレート（6e）の上部に、ガス冷媒の流通するガス冷媒流通孔（6e-h）を備えていることを特徴としている。
【００３２】
この構成においては、ガス冷媒と液冷媒の通路が別に確保される。バッフルプレート（6e）に孔を設けない場合は、容器（6a）とバッフルプレート（6e）の隙間からガス冷媒が液冷媒を巻き込むときに油リッチ液まで巻き込むおそれがあるのにして、油の分離効率を上げることができる。したがって、油が蒸発器（5）に流れてしまうのを確実に防止できる。
【００３３】
また、第１５の解決手段は、上記第１０の解決手段において、油分離器（6）の冷媒導出管（6c）が容器（6a）内でＵ字状に折り曲げた形状に形成されるとともに、容器（6a）内における該冷媒導出管（6c）の上端部がガス冷媒の入口に形成され、Ｕ字状の導出管の下部に液冷媒の入口孔（6c-h）が形成されていることを特徴としている。
【００３４】
このようにすると、ガス冷媒が導出管内を流れて油分離器（6）から流出する際に、液冷媒の入口孔（6c-h）から冷媒導出管（6c）の内部に液冷媒が流入し、液冷媒が蒸発器（5）に供給される。
【００３５】
次に、本発明が講じた第１６の解決手段は、圧縮機（2）、放熱器（4）、膨張機（3）及び蒸発器（5）が順に接続された冷媒回路（C）を備えた冷凍装置を前提としている。そして、膨張機（3）の出口側に油分離器（6）が接続されるとともに、油分離器（6）が膜分離式の油分離器（6）により構成されていることを特徴としている。
【００３６】
この第１６の解決手段においては、膨張機（3）の出口側に接続された油分離器（6）において、分離膜により冷凍機油が冷媒から分離する。したがって、冷凍機油を蒸発器（5）に流さずに、冷媒のみを蒸発器（5）に供給することができる。
【００３７】
また、第１７の解決手段は、上記第１から第１６のいずれか１の解決手段において、圧縮機（2）と膨張機（3）が、一つのケーシング（11）内に設けられて一体化されていることを特徴としている。
【００３８】
また、第１８の解決手段は、上記第１から第１６のいずれか１の解決手段において、油分離器（6）が油戻し通路（45c）を介して圧縮機（2）の吸入側に接続されていることを特徴としている。この第１８の解決手段においては、油分離器（6）で冷媒から分離された冷凍機油は、油戻し通路（45c）を通り、圧縮機（2）の吸入側に戻る。したがって、膨張機（3）から流出した冷凍機油が蒸発器（5）に流入することはない。
【００３９】
また、第１９の解決手段は、上記第第１から第１８のいずれか１の解決手段において、油分離器（6）が膨張機（3）の近傍に配置されていることを特徴としている。
【００４０】
また、第２０の解決手段は、上記第１から第１７のいずれか１の解決手段において、油分離器（6）が膨張機（3）内に配置されていることを特徴としている。この構成においては、膨張機（3）の内部で油が冷媒から分離され、冷媒のみが蒸発器（5）に供給されることになる。
【００４１】
また、第２１の解決手段は、上記第１から第２０のいずれか１の解決手段において、油分離器（6）と圧縮機（2）との間に断熱手段（33）が配置されていることを特徴としている。
【００４２】
この第２１の解決手段においては、例えば圧縮機（2）と膨張機（3）を一体にした構成において、圧縮機（2）のケーシング（11）が吐出ドームの場合にはほぼ吐出温度に近い高温となるのに対して、膨張機（3）や油分離器（6）は蒸発温度に近い低温になる。この場合、高温部から低温部への熱移動が生じると、冷凍機の効率が低下するが、圧縮機（2）のケーシング（11）と油分離器（6）とを断熱することにより、効率の低下を防止できる。
【００４３】
次に、上記第２の対策は、一つの解決手段（第２２の解決手段）からなる。この第２２の解決手段は、圧縮機（2）、放熱器（4）、膨張機（3）及び蒸発器（5）が順に接続された冷媒回路（C）を備えた冷凍装置を前提としている。そして、この冷凍装置は、圧縮機（2）と膨張機（3）とが一体のケーシング（11）内に設けられて一つの流体機械（10）が構成されるとともに、該流体機械（10）には、圧縮機（2）側へのみ冷凍機油を供給する給油手段（63,64）が設けられていることを特徴としている。
【００４４】
この第２２の解決手段においては、膨張機（3）には冷凍機油は流入せず、膨張機（3）の潤滑が冷媒のみで行われる。つまり、膨張機（3）内には液冷媒が存在するので、摺動部で摩擦が生じても、冷媒が蒸発することにより冷却されるため、圧縮機（2）のように摩耗部が温度上昇することはない。したがって、膨張機（3）に圧縮機（2）から油を送らなくても、膨張機（3）の軸受け部や膨張室などについて適切な設計を行えば冷媒による潤滑が可能である。
【００４５】
また、上記第３の対策は、一つの解決手段（第２３の解決手段）からなる。この第２３の解決手段は、圧縮機（2）、放熱器（4）、膨張機（3）及び蒸発器（5）が順に接続された冷媒回路（C）を備えた冷凍装置を前提としている。そして、この冷凍装置は、膨張機（3）の摺動部に、耐摩耗性を向上させるための表面処理が施されていることを特徴としている。
【００４６】
この第２３の解決手段においては、上記第２２の解決手段と同様に膨張機（3）に冷凍機油を供給しなくても、摺動部を円滑に動作させることができる。したがって、蒸発器（5）への冷凍機油の流入を防止できる。
【発明の効果】
【００４７】
上記第１から第８の解決手段によれば、二酸化炭素を冷媒とする冷媒回路（C）における膨張機（3）の出口側に油分離器（6）を設けるとともに、使用する冷凍機油を特定したことによって、油分離器（6）において冷媒から分離した冷凍機油が膨張機（3）から蒸発器（5）に流入するのを防止できる。したがって、冷凍能力の低下も防止できる。
【００４８】
特に、上記第２，第３の解決手段によれば、温度域をより好ましい範囲に限定しているので、冷凍機油が膨張機（3）から蒸発器（5）に流入するのをより確実に防止でき、冷凍能力の低下も防止できる。
【００４９】
また、上記第９から第１５の解決手段によれば、遠心分離式の油分離器（6）を用いることにより、構成を複雑にせずに、冷媒と冷凍機油を確実に分離して冷媒のみを蒸発器（5）に供給することができるので、冷凍能力の低下を確実に防止できる。
【００５０】
また、上記第１６の解決手段によれば、冷媒や冷凍機油の種類に拘わらず、膨張機（3）の出口側に接続された膜分離式の油分離器（6）において冷凍機油を冷媒から分離できるとともに、この冷凍機油を蒸発器（5）に流さないようにすることにより能力の低下を防止できる。
【００５１】
また、上記第１７の解決手段によれば、圧縮機（2）と膨張機（3）が、一つのケーシング（11）内に設けられて一体化されているので、装置のコンパクト化を図ることができる。
【００５２】
また、上記第１８の解決手段によれば、油分離器（6）からの油戻し通路（45c）を圧縮機（2）の吸入側に接続して、油分離器（6）で冷媒から分離された冷凍機油が油戻し通路（45c）を通って圧縮機（2）の吸入側に戻るようにしており、膨張機（3）から冷媒とともに流出した冷凍機油は蒸発器（5）に流入しない。したがって、膨張機（3）から蒸発器（5）への冷凍機油の流入と冷凍能力の低下を確実に防止できる。
【００５３】
また、上記第１９の解決手段によれば、油分離器（6）を膨張機（3）の近傍に設けることで、膨張機（3）から流出した冷凍機油を冷媒からすぐに分離して、冷凍機油による影響を回避できる。
【００５４】
また、上記第２０の解決手段によれば、膨張機（3）のケーシング（11）内に油分離器（6）が配置されているので、装置のコンパクト化に特に効果的である。
【００５５】
また、上記第２１の解決手段によれば、油分離器（6）と圧縮機（2）とを断熱することにより、効率の低下を効果的に防止できる。
【００５６】
また、上記第２２の解決手段によれば、膨張機（3）内に存在する液冷媒が蒸発することにより、摺動部で摩擦が生じても冷媒が冷却されるため、温度上昇が抑えられる。このように、膨張機（3）に圧縮機（2）から油を送らなくても冷媒による潤滑が可能となるので、蒸発器（5）にも冷凍機油が流入せず、能力の低下も生じない。
【００５７】
また、上記第２３の解決手段によれば、膨張機（3）の摺動部に、耐摩耗性を向上させるための表面処理を施すことにより、膨張機（3）に冷凍機油を供給しなくても、摺動部を円滑に動作させることができる。したがって、蒸発器（5）への冷凍機油の流入を防止できるため、冷凍機油の影響で能力が低下することを防止でき、冷凍機油が蒸発器（5）に流入する場合と比べて能力を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００５９】
《発明の実施形態１》
本発明の実施形態１について説明する。
【００６０】
本実施形態１に係る冷凍装置は、例えば室内の冷房を行う空気調和装置（1）として構成されている。図１に示すように、この空気調和装置（1）は、冷媒回路（C）を備えている。上記冷媒回路（C）は、圧縮機（2）と、ガスクーラである放熱器（4）と、膨張機構としての膨張機（3）と、蒸発器（5）とを順に配管接続して構成された閉回路である。この冷媒回路（C）には、冷媒としてＣＯ２ （二酸化炭素）が充填されている。
【００６１】
上記冷媒回路（C）では、冷媒が循環して冷凍サイクルが行われる。上記圧縮機（2）は、吸入した冷媒を、該冷媒の臨界圧力よりも高い圧力、すなわち超臨界圧にまで圧縮する。したがって、冷媒回路（C）で行われる冷凍サイクルは、高圧圧力が冷媒の超臨界圧に設定された超臨界圧サイクルとなる。また、圧縮機（2）から吐出された冷媒は、放熱器（4）で冷却され、膨張機（3）で膨張し、蒸発器（5）で蒸発した後、圧縮機（2）に戻って再度圧縮される行程を１サイクルとして、各行程の動作を繰り返す。
【００６２】
上記放熱器（4）は、第１空気通路（P1）の途中に設けられている。第１空気通路（P1）の入口端は、室外に開口している。また、第１空気通路（P1）の入口側には、第１ファン（F1）が設けられている。この第１ファン（F1）を運転すると、第１空気通路（P1）では、入口端から取り込まれた室外空気が第１空気として放熱器（4）へ送り込まれる。この第１空気は、被加熱空気を構成している。一方、第１空気通路（P1）の出口端は、室外に開口している。第１空気通路（P1）の出口端からは、放熱器（4）において冷媒から吸熱した第１空気が室外に吹き出される。
【００６３】
放熱器（4）においては、冷媒回路（C）を循環する冷媒と、第１空気通路（P1）を通じて送られる第１空気とが熱交換する。この放熱器（4）での熱交換により、冷媒回路（C）の冷媒が第１空気へ放熱して冷却される。この放熱器（4）は、例えばクロスフィン型の熱交換器によって構成されている。
【００６４】
上記蒸発器（5）は、第２空気通路（P2）の途中に設けられている。第２空気通路（P2）の入口端は、室内に開口している。また、第２空気通路（P2）の入口側には、第２ファン（F2）が設けられている。この第２ファン（F2）を運転すると、第２空気通路（P2）では、入口端から取り込まれた室内空気が第２空気として蒸発器（5）へ送り込まれる。この第２空気は、被冷却空気を構成している。一方、第２空気通路（P2）の出口端は、室内に開口している。第２空気通路（P2）の出口端からは、蒸発器（5）において冷却された第２空気が室内に吹き出される。
【００６５】
蒸発器（5）においては、冷媒回路（C）を循環する冷媒と、第２空気通路（P2）を通じて送られる第２空気とが熱交換する。この蒸発器（5）での熱交換により、冷媒回路（C）の冷媒が第２空気から吸熱して蒸発する。この蒸発器（5）は、例えばクロスフィン型の熱交換器によって構成されている。
【００６６】
上記圧縮機（2）と膨張機（3）は、一つのケーシング（11）内に設けられ、一つの流体機械（10）を構成している。図２に示すように、この流体機械（10）は、冷媒の圧縮を行う圧縮機（2）としての圧縮機構部（20）と、冷媒の膨張を行う膨張機（3）としての膨張機構部（30）とを備えている。
【００６７】
上記流体機械（10）の圧縮機構部（20）は、ケーシング（11）内の下部に配置され、膨張機構部（30）は、ケーシング（11）内の上部に配置されている。上記ケーシング（11）内の中央部には、モータ（50）が配置されている。該モータ（50）は、ケーシング（11）に固定されたステータ（51）と、該ステータ（51）の内側に配置されたロータ（52）とを備えている。
【００６８】
該ロータ（52）には駆動軸（60）が貫通している。該駆動軸（60）は、下端部が圧縮機構部（20）に連結され、上端部が膨張機構部（30）に連結されている。このため、本実施形態の流体機械（10）は、膨張機構部（30）の冷媒膨張による回転動力が圧縮機構部（20）の圧縮動力に回収されるように構成されている。
【００６９】
上記圧縮機構部（20）は、いわゆるスイング型ロータリ圧縮機に構成されている。該圧縮機構部（20）は、シリンダ（21）と、該シリンダ（21）のシリンダ室（22）に収納されたピストン（23）と、上記シリンダ室（22）の上面を閉鎖するフロントヘッド（24）と、上記シリンダ室（22）の下面を閉鎖するリアヘッド（25）とを備えている。そして、上記駆動軸（60）の下端部は、フロントヘッド（24）からシリンダ（21）を経てリアヘッド（25）に貫通している。
【００７０】
上記ピストン（23）は、円環状に形成され、偏心軸部（61）に回転自在に嵌め込まれている。該偏心軸部（61）は、駆動軸（60）の下部に形成され、該駆動軸（60）の軸心より偏心している。
【００７１】
上記ピストン（23）には、図示しないが、ブレードが一体に形成されている。該ブレードは、ブッシュを介してシリンダ（21）に挿入されている。そして、上記ピストン（23）はブッシュを支点に揺動し、シリンダ室（22）における容積を減少させて冷媒を圧縮する。
【００７２】
上記シリンダ（21）には冷媒の吸込み口（2a）が形成されている。また、上記フロントヘッド（24）には冷媒の吐出口（2b）が形成されている。該フロントヘッド（24）には吐出口（2b）を開閉する吐出弁（26a）と弁押さえ（26b）が設けられている。
【００７３】
一方、上記膨張機構部（30）は、スクロール型膨張機に構成されている。該膨張機構部（30）は、固定スクロール（31）と可動スクロール（32）とフレーム（33）とを備えている。該フレーム（33）はケーシング（11）に固定されている。該フレーム（33）は、ケーシング（11）の内部空間を上下に区画するとともに、その上下の空間を断熱している。
【００７４】
上記固定スクロール（31）は、鏡板（3a）と、該鏡板（3a）の下面に形成された渦巻状（インボリュート状）のラップ（3b）とより構成されている。上記可動スクロール（32）は、鏡板（3c）と、該鏡板（3c）の上面に形成された渦巻状（インボリュート状）のラップ（3d）とより構成されている。
【００７５】
上記固定スクロール（31）の鏡板（3a）は、ケーシング（11）に固定されている。該鏡板（3a）は、ケーシング（11）の内部空間におけるフレーム（33）の上方を上下に区画している。
【００７６】
上記固定スクロール（31）のラップ（3b）と可動スクロール（32）のラップ（3d）とは互いに噛合している。そして、上記固定スクロール（31）の鏡板（3a）と可動スクロール（32）の鏡板（3c）との間には、両ラップ（3b，3d）の接触部の間に、膨張室である作動室（3e）が形成されている。
【００７７】
上記固定スクロール（31）の鏡板（3a）の中央部には冷媒の吸込み口（3f）が形成されている。また、上記両ラップ（3b,3d）の外周側には冷媒の吐出口（3g）が形成されている。
【００７８】
上記可動スクロール（32）の鏡板（3c）は、フレーム（33）の上面に形成された環状のスラスト軸受け（34）に設置されている。また、上記可動スクロール（32）の鏡板（3c）とフレーム（33）との間には、該可動スクロール（32）が固定スクロール（31）に対して公転のみ行うようにオルダム機構などの自転阻止部材（35）が設けられている。
【００７９】
上記可動スクロール（32）の中央部には駆動軸（60）の連結孔（36）が形成されている。具体的に、上記可動スクロール（32）の鏡板（3c）の上面中央部には、筒状のボス部（37）が上方に突出して形成されている。該ボス部（37）のボス孔と同径の開口が鏡板（3c）の中央部に形成されている。このボス孔と開口とが駆動軸（60）の連結孔（36）を形成している。なお、上記ボス部（37）は、ラップ（3d）の高さとほぼ同じに形成されている。
【００８０】
上記駆動軸（60）の上端部には、フレーム（33）を貫通し、駆動軸（60）の軸心より偏心した小径の偏心軸部（62）が形成されている。該偏心軸部（62）が可動スクロール（32）の連結孔（36）に嵌め合わされている。
【００８１】
上記駆動軸（60）には、中心軸に沿って給油孔（63）が形成されている。この給油孔（63）は、油導入溝（63a,63b）を介して圧縮機構部（20）及び膨張機構部（30）の摺動部に連通している。そして、駆動軸（60）の下端部は、図では詳細は示していないが遠心式の油ポンプ（64）に構成されている。給油孔（63）と油ポンプ（64）により、給油手段が構成されている。
【００８２】
上記膨張機構部（30）の吐出口（3g）には、蒸発器（5）が冷媒配管（43）を介して接続されている。一方、上記圧縮機構部（20）の吸込み口（2a）には、蒸発器（4）が冷媒配管（43）を介して接続されている。なお、上記圧縮機構部（20）の吸込み側の冷媒配管（43）には、図１では省略しているがアキュムレータ（44）が設けられている。
【００８３】
上記ケーシング（11）内において、フレーム（33）の下方空間（12）は、圧縮機構部（20）の吐出冷媒が吐出され、高圧雰囲気となる。そして、上記ケーシング（11）の側部には冷媒配管（43）が接続され、該冷媒配管（43）が放熱器（4）に接続されている。つまり、上記圧縮機構部（20）の吐出冷媒が放熱器（4）に供給される。
【００８４】
また、上記ケーシング（11）の上部には、放熱器（4）が冷媒配管（43）を介して接続されている。そして、上記ケーシング（11）内において、固定スクロール（31）の鏡板（3a）の上方の最上部空間（13）には、放熱器（4）からの冷媒が冷媒配管（43）を経て導入される。つまり、上記放熱器（4）からの冷媒が膨張機構部（30）の作動室（3e）に導入される。
【００８５】
図１に示すように、この冷凍装置（1）における膨張機（3）の出口側には、油分離器（6）が接続されている。この油分離器（6）には、遠心分離式の油分離器が用いられており、膨張機（3）から流出した冷媒は、該油分離器（6）で冷凍機油が分離されて蒸発器（5）に流れる一方、冷凍機油は、圧縮機（2）に吸入される。
【００８６】
具体的に、油分離器（6）は、図３に示すように、円筒状の容器（6a）と、この容器（6a）の上部において周壁面の接線方向に沿うように接続された導入管（6b）と、容器（6a）の上面において上下方向沿いに配置された冷媒導出管（6c）と、容器（6a）の底面に設けられた油導出管（6d）とを有している。そして、導入管（6b）に膨張機（3）からの冷媒配管（45a）が接続され、冷媒導出管（6c）に蒸発器（5）への冷媒配管（45b）が接続され、油導出管（6d）に圧縮機（2）への油戻し管（45c）が接続されている。この油戻し管（45c）は、圧縮機（2）の吸入側の冷媒配管（43）において、アキュムレータ（44）の上方部分に接続されている。
【００８７】
油分離器（6）は、膨張機（3）から流入してくる冷媒と油を分離した後に、蒸発器（5）へ冷媒を送らなければならない。油分離器（6）内では、口述するように冷媒と油との密度の差により、両者が分離される。油分離を首尾よく行うには、油リッチ液をガス冷媒により巻き上げないようにする必要がある。このため、上記油分離器（6）では、蒸発器（5）への冷媒導出管（6c）を油分離器（6）の内壁に接して設け、下端が冷媒リッチ液の中に開口するようにしている。これにより、液冷媒とガス冷媒を蒸発器（5）に供給することができる。
【００８８】
この実施形態１では、冷媒としてＣＯ２ が用いられている一方、冷凍機油には、ポリアルキレングリコール（ＰＡＧ）が用いられている。ＰＡＧは、少なくとも−２０℃以上の温度域で上記冷媒と二相に分離し、種類によっては、−５０℃以上の温度域において冷媒と二相に分離する特性を有している。また、ＰＡＧは、−５０℃から−１７℃以上の温度域で密度が上記冷媒よりも大きくなるものであり、上記二相分離の温度域で、概ね密度が冷媒よりも大きくなる。つまり、従来の一般的な冷媒と冷凍機油の関係においては冷媒よりも冷凍機油が軽いのに対して、本実施形態では所定の温度域で冷媒と冷凍機油の密度が逆転するような冷凍機油を用いている。
【００８９】
図４のグラフは、ＣＯ２ とＰＡＧの溶解特性を示しており、縦軸がＣＯ２ の二相分離温度、横軸が油分率である。このグラフでは、線分よりも下側では冷媒と油が溶解する一方、線分よりも上側では冷媒と油が分離することを示している。例えば、油分率が３０％の油リッチな液を得るためには、ＰＡＧ＃７の場合は約０℃、ＰＡＧ＃９の場合はマイナス３０℃程度にすればよいことがわかる。また、ＰＡＧ＃２０などでは、−５０℃程度でもよい。そして、このような温度域において、油分離器（6）では冷媒リッチ液と油リッチ液とが分離される（図３）。
【００９０】
−運転動作−
次に、上述した冷凍装置（1）の動作について説明する。
【００９１】
先ず、流体機械（10）においてモータ（50）を駆動すると、圧縮機構部（20）におけるピストン（23）がシリンダ室（22）内を揺動し、蒸発器（5）からの冷媒を吸込み、該冷媒を圧縮する。この圧縮された冷媒はケーシング（11）内に吐出される。上記圧縮冷媒は、放熱器（4）に流れ、外気に放熱して冷却される。
【００９２】
冷却された冷媒は、その後、膨張機構部（30）に導入される。つまり、上記モータ（50）の駆動によって可動スクロール（32）が固定スクロール（31）に対して公転し、作動室（3e）が膨張作用を行う。上記冷却冷媒は、ケーシング（11）の最上部空間（13）から膨張機構部（30）の作動室（3e）に流入し、膨張する。そして、膨張した冷媒は、蒸発器（5）に流れ、室内空気を冷却して蒸発する。
【００９３】
以上の動作を行う際に、駆動軸（60）の回転によって冷凍機油が圧縮機構部（20）と膨張機構部（30）の摺動部に供給される。膨張機構部（30）から流出した冷媒に含まれる冷凍機油は、油分離器（6）において冷媒から分離される。ＰＡＧは、種類によって若干異なるものの、密度が比較的大きく、マイナス５０℃からマイナス１７℃以上の温度域では密度が上記冷媒よりも大きくなる。したがって、冷媒と冷凍機油を二相に分離した後に冷凍機油が油分離器（6）の容器（6a）内で下部に溜まるような設定にしておくと、冷凍機油は油戻し管（45c）を通って圧縮機（2）に戻り、蒸発器（5）には流入しない。このため、蒸発器（5）において冷凍機油が冷媒に熱を与えないため、冷凍能力の低下を防止できる。
【００９４】
−実施形態１の効果−
このように、本実施形態１によれば、膨張機（3）の出口側に油分離器（6）を設けるとともに、冷凍機油にＰＡＧを用い、油分離器（6）において冷媒から分離した冷凍機油を、油分離器（6）の下端部に接続された油戻し管（45c）から圧縮機（2）に戻すようにしているので、圧縮機（2）で温度の高くなった冷凍機油が膨張機（3）から蒸発器（5）に流入するのを防止でき、冷凍能力の低下も防止できる。
【００９５】
つまり、通常は冷媒よりも冷凍機油が軽いために、膨張機（3）の出口側に油分離器（6）を設けても液冷媒の上に冷凍機油が浮く状態になって冷凍機油だけを抜き出すことはできないが、本実施形態１では膨張機（3）の出口側でＣＯ２ 冷媒に対して密度の大きくなる冷凍機油としてＰＡＧを採用したことにより、冷媒と冷凍機油を分離することが可能となる。そして、このようにしたことによって、蒸発器（5）に冷凍機油が流入することによる能力の低下も防止することが可能となる。
【００９６】
また、上記実施形態では、フレーム（33）が、ケーシング（11）内で圧縮機構部（20）と膨張機構部（30）とを断熱しているため、圧縮機構部（20）の熱が、膨張機構部（30）の下流側にある油分離器（6）に伝達されにくく、該フレーム（33）が圧縮機（2）のケーシング（11）と油分離器（6）との間を断熱する断熱手段として作用している。
【００９７】
したがって、圧縮機構部（20）のケーシング（11）は、ほぼ吐出温度に近い高温となるのに対して、膨張機構部（30）や油分離器（6）は蒸発温度に近い低温になるが、上記断熱手段としてのフレーム（33）によって、高温部から低温部への熱移動が生じるのを防止できる。したがって、冷凍装置の効率が低下するのを防止できる。
【００９８】
−実施形態１の変形例−
（変形例１）
上記実施形態１では、冷媒としてＣＯ２ を用いる一方で、冷凍機油にはＰＡＧを用いているが、冷媒回路（C）の冷凍機油は、少なくとも−２０℃以上の温度域で上記冷媒と二相に分離し、かつ、−２０℃以上の温度域で密度が冷媒よりも大きくなる冷凍機油であれば、ＰＡＧ以外のものを用いてもよい。
【００９９】
例えば、冷凍機油には、ポリビニルエーテル（ＰＶＥ）、ポリオールエステル（高安定ポリオールエステル（ＨＳ−ＰＯＥ））、またはポリカーボネート（ＰＣ）などを用いてもよい。これらの冷凍機油は、図５に示すように、−２０℃以上（ないしマイナス１０℃以上）の温度域でＣＯ２ と二相に分離する特性を有しているため、蒸発温度を適宜設定しておくことにより、上記実施形態１とほぼ同様の効果を奏することができる。
【０１００】
また、冷凍機油には、鉱油またはアルキルベンゼン（ＡＢ）を用いてもよい。これらの冷凍機油は、全温度域でＣＯ２ 冷媒に溶解しないため、同様に実施形態１とほぼ同等の効果を奏することができる。
【０１０１】
（変形例２）
図６は、油分離器（6）の第１の変形例を示している。この油分離器（6）は、容器（6a）の周壁の内面に沿って上方へのびる液冷媒導出管（6c-l）と、容器（6a）の上面に接続されたガス冷媒導出管（6c-g）とを設け、両導出管（6c-l,6c-g）を容器（6a）の外で合流させるようにしたものである。その他の部分は、図３に示した油分離器（6）と同様に構成されている。
【０１０２】
このように、液冷媒とガス冷媒とを別々に流すようにすると、油リッチ液が不必要にガス冷媒に巻き上げられてしまうことがないので、油の分離効率を上げることができる。このため、油が蒸発器（5）に流れてしまうのを確実に防止できるので、効率の低下をより確実に抑えられる。
【０１０３】
（変形例３）
図７は、図３の油分離器（6）において、冷媒導出管（6c）を容器（6a）の上面に接続したものである。その他の部分については、図３の例と同様である。
【０１０４】
この構成においては、膨張機（3）から気液二相の冷媒が油分離器（6）に流入すると、油分離器（6）内で旋回流が生じることにより冷凍機油と冷媒とが分離され、冷凍機油の方が冷媒よりも重いので容器（6a）の下に溜まり、油導出管（6d）から排出される。一方、液冷媒はガス冷媒の旋回に伴い、該ガス冷媒に巻き込まれてガス冷媒とともに冷媒導出管（6c）から流出する。したがって、簡単な構成でありながら、油が蒸発器（5）に流れてしまうのを防止でき、効率の低下を防止できる。
【０１０５】
（変形例４）
図８は、油分離器（6）の第３の変形例を示している。この油分離器（6）は、容器（6a）の内部にバッフルプレート（6e）を設けて容器（6a）の上部を二重構造にしたものである。また、導入管（6b）はバッフルプレート（6e）に接続され、容器（6a）を貫通している。導入管（6b）は、バッフルプレート（6e）の接線方向に沿って配置され、油分離器（6）は遠心分離式に構成されている。また、冷媒導出管（6c）は、容器（6a）の上面の中央部に接続されている。油導出管（6d）は、図３の例と同様に、容器（6a）の底面の中央部に接続されている。
【０１０６】
この例の場合、油分離器（6）の内部に冷媒が導入されると、容器（6a）の内壁の全周に冷媒導出管（6c）を設けるのと同じ効果を得ることができる。つまり、冷媒リッチ液は、ガス冷媒に巻き込まれて容器（6a）とバッフルプレート（6e）との間の隙間の全体を通って流出し、油リッチ液は油導出管（6d）から排出される。
【０１０７】
（変形例５）
図９は、図８の油分離器（6）において、バッフルプレート（6e）の上部にガス冷媒流通孔（6e-h）を形成し、ガス冷媒がこの流通孔（6e-h）から流出するようにしたものである。つまり、図８とほぼ同様の構成において、ガス冷媒と液冷媒の通路を別に確保するようにしたものである。バッフルプレート（6e）に流通孔（6e-h）を設けない場合は、容器（6a）とバッフルプレート（6e）の隙間からガスとともに液冷媒を巻き込むときに油リッチ液まで巻き込むおそれがあるのに対して、油の分離効率を上げることができる。したがって、油が蒸発器（5）に流れてしまうのを確実に防止できるので、効率の低下をより確実に抑えられる。
【０１０８】
（変形例６）
図１０は、冷媒導出管（6c）を容器（6a）内で「Ｕ」字状に折り曲げた形状としてガス入口を容器（6a）の上部に配置するとともに、冷媒導出管（6c）の下部に液冷媒入口孔（6c-h）を形成してそこから液が流入するようにしたものである。このようにすると、冷媒導出管（6c）からガス冷媒が流出するときに、液冷媒が上記入口孔（6c-h）から管内部に吸入され、ガス冷媒とともに蒸発器（5）へ流出する。この入口孔（6c-h）の孔径は、冷媒の乾き度に合わせて、ガスと液がそれぞれ適量流れるように設計するとよい。
【０１０９】
この場合でも、冷凍機油は圧縮機（2）の吸入側に戻り、蒸発器（5）には流れないので、効率の低下を防止できる。
【０１１０】
《発明の実施形態２》
本発明の実施形態２は、膨張機（3）の出口側に、膜分離式の油分離器（6）を接続した例である。この実施形態２では、分離膜（6f）によって冷凍機油と冷媒を分離するため、使用する冷凍機油について、ＣＯ２ 冷媒に対する二相分離温度などは特定しない。
【０１１１】
図１１に示すように、油分離器（6）は、縦長の容器（6a）の中央部に分離膜（6f）が設けられ、該分離膜（6f）の両側に２つの空間（6g,6h）が区画されている。そして、図の左側の空間（6g）には、上面に膨張機（3）からの導入管（6b）が設けられ、底面に油導出管（6d）が設けられている。また、図の右側の空間（6h）には、上面に蒸発器（5）への冷媒導出管（6c）が設けられている。
【０１１２】
上記油分離器（6）の分離膜（6f）は、例えば、ポリ（１−トリメチルシリル）プロピン、ポリジメチルシロキサン、シリコン−ニトリルゴム、ポリブタジエン、天然ゴム、エチルセルロース、ポリ（４−メチルペンテン−１）、ポリフェニレンオキサイド、ポリエチレン、フッ素樹脂、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリスルホン、ブチルゴム、酢酸セルロース、ポリ塩化ビニール、ナイロン、ポリサルファー、ポロプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ジメチルシリコンポリカーボネート、ジメチルシリコン等の材料を用いることができる。
【０１１３】
−運転動作−
この実施形態２においては、膨張機（3）において、冷媒が冷凍機油に溶解していても、油分離器（6）の分離膜（6f）を冷媒が通過する一方、冷凍機油は該分離膜（6f）を通過しないので、冷媒と冷凍機油とが分離される。そして、油分離器（6）の内部には、油リッチ液と冷媒リッチ液とが分離膜（6f）を隔てて存在し、油リッチ液が圧縮機（2）の吸入側へ、冷媒リッチ液が蒸発器（5）へ供給される。
【０１１４】
−実施形態２の効果−
したがって、本実施形態２によれば、使用する冷凍機油に拘わらず、油分離器（6）において冷媒と冷凍機油とを分離できる。そして、油リッチ液を圧縮機（2）の吸入側へ、冷媒リッチ液を蒸発器（5）へ供給することによって、冷凍機油が蒸発器（5）に流れないので、冷凍能力の低下を防止できる。
【０１１５】
《発明の実施形態３》
本発明の実施形態３は、図１２に示すように、油分離器（6）を流体機械（10）のケーシング（11）内に設けて、該流体機械（10）と一体化したものである。この流体機械（10）は、油分離器（6）を一体化した以外は実施形態１と同じ構成である。以下、実施形態１と異なる点のみを説明する。
【０１１６】
この流体機械（10）は、固定スクロール（31）の上方に、円板状に形成された油分離器（6）が配置されている。油分離器（6）は、膨張機構部（30）のラップ（3b,3d）の外周側において、冷媒の吐出口（3g）を介して作動室（3e）と接続されている。そして、油分離器（6）の内部において、冷媒と冷凍機油が分離されるように構成されている。
【０１１７】
油分離器（6）の上面には冷媒配管（43）が接続され、油分離器（6）及び冷媒配管（43）を介して上記膨張機構部（30）の吐出口（3g）が蒸発器（5）と接続されている。また、油分離器（6）の下面には油導出管（6d）が接続され、この油導出管（6d）はケーシング（11）内におけるフレーム（33）の下方空間（12）に開口している。したがって、油分離器（6）において冷媒から分離された冷凍機油は、ケーシング（11）内を落下し、最下部の油溜まりに溜まるようになっている。
【０１１８】
−運転動作−
この実施形態３においては、膨張機構部（30）から流出する冷媒は、油分離器（6）において冷凍機油が分離され、冷媒配管（43）を介して蒸発器（5）へ流れる。従って、蒸発器（5）には冷凍機油は流入しない。一方、冷媒から分離された冷凍機油は、ケーシング（11）内におけるフレーム（33）の下方空間（12）に入り、圧縮機構部（20）の油溜まりに戻る。したがって、この冷凍機油により、圧縮機構部（20）と膨張機構部（30）とが潤滑される。
【０１１９】
−実施形態３の効果−
このように、本実施形態３によれば、油分離器（6）を流体機械（10）のケーシング（11）内に設けて該流体機械（10）と一体化しているので、装置を全体としてコンパクトに構成することができる。また、上記各実施形態と同様に蒸発器（5）への冷凍機油の流入を防止できるので、空気調和装置（1）の能力が低下するのも防止できる。
【０１２０】
《発明の実施形態４》
本発明の実施形態４は、膨張機（3）の潤滑に冷凍機油を用いずに、冷媒を利用して膨張機（3）の摺動部を潤滑するようにしたものである。
【０１２１】
図１３は、この実施形態４に係る空気調和装置（1）の冷媒回路図である。この冷媒回路（C）は、圧縮機（2）と、放熱器（4）と、膨張機構としての膨張機（3）と、蒸発器（5）とを順に配管接続して構成された閉回路である。この冷媒回路（C）には、冷媒としてＣＯ２ （二酸化炭素）が充填されている。
【０１２２】
一方、この冷媒回路（C）には、実施形態１とは異なり、油分離器（6）は設けられていない。
【０１２３】
圧縮機（2）と膨張機（3）は、実施形態１と同様に、一つのケーシング（11）内に圧縮機構部（20）及び膨張機構部（30）が設けられた一体の流体機械（10）に構成されている。この流体機械（10）は、実施形態１のものとは、潤滑部の構成のみが異なっている。つまり、この実施形態３では、給油手段としての駆動軸（60）の給油孔（63）が該駆動軸（60）を貫通せず、駆動軸（60）の下端から可動スクロール（32）の下方までの深さの孔として形成されている。
【０１２４】
これ以外の点については実施形態１と同様であるため、具体的な説明は省略する。
【０１２５】
この冷凍装置では、膨張機（3）には冷凍機油は流入せず、膨張機（3）の潤滑を冷媒のみで行う。
【０１２６】
つまり、膨張機（3）内には液冷媒が存在するので、摺動部で摩擦が生じても、冷媒が蒸発することにより冷却される。このため、圧縮機（2）のように摩耗部が温度上昇することはない。したがって、膨張機（3）に圧縮機（2）から油を送らなくても、適切な設計を行えば冷媒による潤滑が可能である。
【０１２７】
そして、このようにすることにより、冷凍機油の影響で能力が低下することを防止でき、冷凍機油が蒸発器（5）に流入する場合と比べて能力を向上させることができる。
【０１２８】
また、膨張機（3）の摺動部には、摩耗を防止するための表面処理（窒化処理、セラミックコーティング等）を施すとよい。このような表面処理を施して耐摩耗性を向上させることにより、摺動部の円滑な動作を保証でき、信頼性をさらに高めることができる。
【０１２９】
《その他の実施形態》
上記実施形態については、以下のような構成としてもよい。
【０１３０】
例えば、上記実施形態１，２では、圧縮機（2）と膨張機（3）とが一体になった流体機械（10）を用いる場合について説明したが、これらの実施形態１，２では、圧縮機（2）と膨張機（3）は必ずしも一体にしなくてもよい。
【０１３１】
また、実施形態１，２においては遠心分離式の油分離器（6）を用いるものとしているが、他の方式の油分離器（6）を用いてもよい。
【０１３２】
なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。
【産業上の利用可能性】
【０１３３】
以上説明したように、本発明は、冷媒の膨張機構として膨張機が設けられて蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷凍装置について有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１３４】
【図１】本発明の実施形態１に係る冷凍装置の冷媒回路図である。
【図２】図１の冷凍装置に用いられている流体機械の断面図である。
【図３】図１の冷凍装置に用いられている油分離器の構造図である。
【図４】ＣＯ２ 冷媒と冷凍機油の溶解特性を示す第１のグラフである。
【図５】ＣＯ２ 冷媒と冷凍機油の溶解特性を示す第２のグラフである。
【図６】油分離器の第１の変形例を示す構造図である。
【図７】油分離器の第２の変形例を示す構造図である。
【図８】油分離器の第３の変形例を示す構造図である。
【図９】油分離器の第４の変形例を示す構造図である。
【図１０】油分離器の第５の変形例を示す構造図である。
【図１１】実施形態２に係る油分離器の構造図である。
【図１２】実施形態３に係る流体機械の断面図である。
【図１３】実施形態４に係る冷凍装置の冷媒回路図である。
【図１４】図１３の冷凍装置に用いられている流体機械の断面図である。
【符号の説明】
【０１３５】
1   空気調和装置
2   圧縮機
3   膨張機
4   放熱器
5   蒸発器
6   油分離器
6a  容器
6b  導入管
6c  冷媒導出管
6d  油導出管
6f  分離膜
10  流体機械
11  ケーシング
20  圧縮機構部
21  シリンダ
23  ピストン
30  膨張機構部
31  固定スクロール
32  可動スクロール
33  フレーム
50  モータ
60  駆動軸
63  給油孔（給油手段）
64  油ポンプ（給油手段）
C   冷媒回路
【図１】
2008145100.tif 000003
【図２】
2008145100.tif 000004
【図３】
2008145100.tif 000005
【図４】
2008145100.tif 000006
【図５】
2008145100.tif 000007
【図６】
2008145100.tif 000008
【図７】
2008145100.tif 000009
【図８】
2008145100.tif 000010
【図９】
2008145100.tif 000011
【図１０】
2008145100.tif 000012
【図１１】
2008145100.tif 000013
【図１２】
2008145100.tif 000014
【図１３】
2008145100.tif 000015
【図１４】
2008145100.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成20年3月26日(2008.3.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機（2）、放熱器（4）、膨張機（3）及び蒸発器（5）が順に接続された冷媒回路（C）を備え、該冷媒回路（C）に二酸化炭素が冷媒として充填された冷凍装置であって、
膨張機（3）の出口側と蒸発器（5）の入口側との間に油分離器（6）が接続され、
膨張機（3）の摺動部には圧縮機（2）に溜まった高圧の冷凍機油が供給されるように構成され、
冷媒回路（C）の冷凍機油は、少なくとも−２０℃以上の温度域で上記冷媒と二相に分離し、かつ、その温度域で密度が上記冷媒よりも大きくなる冷凍機油により構成されていることを特徴とする冷凍装置。
【請求項２】
冷凍機油が、−５０℃以上の温度域で二酸化炭素冷媒と二相に分離するものであることを特徴とする請求項１記載の冷凍装置。
【請求項３】
冷凍機油がポリアルキレングリコールにより構成されていることを特徴とする請求項１記載の冷凍装置。
【請求項４】
冷凍機油がポリビニルエーテルにより構成されていることを特徴とする請求項１記載の冷凍装置。
【請求項５】
冷凍機油が鉱油により構成されていることを特徴とする請求項１記載の冷凍装置。
【請求項６】
冷凍機油がポリオールエステルにより構成されていることを特徴とする請求項１記載の冷凍装置。
【請求項７】
冷凍機油がポリカーボネートにより構成されていることを特徴とする請求項１記載の冷凍装置。
【請求項８】
冷凍機油がアルキルベンゼンにより構成されていることを特徴とする請求項１記載の冷凍装置。
【請求項９】
油分離器（6）が遠心分離式の油分離器（6）により構成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１記載の冷凍装置。
【請求項１０】
油分離器（6）は、縦型円筒状の容器（6a）の周壁に対して接線方向に接続された導入管（6b）と、該容器（6a）の上面に接続された冷媒導出管（6c）と、該容器（6a）の底面に接続された油導出管（6d）とを備えていることを特徴とする請求項９記載の冷凍装置。
【請求項１１】
油分離器（6）は、冷媒導出管（6c）が容器（6a）の周壁の内面に沿って上下方向に配置され、該冷媒導出管（6c）の下端部が、容器（6a）の高さ方向の中間部に位置して液冷媒中に開口するように構成されていることを特徴とする請求項１０記載の冷凍装置。
【請求項１２】
油分離器（6）は、冷媒導出管（6c）が、容器（6a）の上面に接続されたガス冷媒導出管（6c-g）と、容器（6a）の周壁の内面に沿って上下方向に配置されるとともにその下端部が容器（6a）の高さ方向の中間部に位置して液冷媒中に開口する液冷媒導出管（6c-l）とからなり、ガス冷媒導出管（6c-g）と液冷媒導出管（6c-l）とが容器（6a）の外で合流していることを特徴とする請求項１０記載の冷凍装置。
【請求項１３】
油分離器（6）は、容器（6a）内に、該容器（6a）の上部を二重構造とするバッフルプレート（6e）を備え、
容器（6a）の上面に冷媒導出管（6c）が接続されるとともに、導入管（6b）が容器（6a）の周壁を貫通してバッフルプレート（6e）に接続されていることを特徴とする請求項１０記載の冷凍装置。
【請求項１４】
油分離器（6）は、バッフルプレート（6e）の上部に、ガス冷媒が流通するガス冷媒流通孔（6e-h）を備えていることを特徴とする請求項１３記載の冷凍装置。
【請求項１５】
油分離器（6）は、冷媒導出管（6c）が容器（6a）内でＵ字状に折り曲げた形状に形成されるとともに、容器（6a）内における該冷媒導出管（6c）の上端部がガス冷媒の入口に形成され、Ｕ字状の導出管の下部に液冷媒の入口孔（6c-h）が形成されていることを特徴とする請求項１０記載の冷凍装置。
【請求項１６】
圧縮機（2）、放熱器（4）、膨張機（3）及び蒸発器（5）が順に接続された冷媒回路（C）を備えた冷凍装置であって、
膨張機（3）の摺動部には圧縮機（2）に溜まった高圧の冷凍機油が供給されるように構成され、
膨張機（3）の出口側に油分離器（6）が接続され、油分離器（6）が膜分離式の油分離器（6）により構成されていることを特徴とする冷凍装置。
【請求項１７】
圧縮機（2）と膨張機（3）が、一つのケーシング（11）内に設けられて一体化されていることを特徴とする請求項１から１６のいずれか１記載の冷凍装置。
【請求項１８】
油分離器（6）が油戻し通路（45c）を介して圧縮機（2）の吸入側に接続されていることを特徴とする請求項１から１６のいずれか１記載の冷凍装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷凍装置に関し、特に、冷媒の膨張機構として、膨張弁やキャピラリチューブに代えて膨張機が設けられた冷凍装置に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、閉回路内で冷媒を循環させて蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷凍装置が知られており、空調機等として広く利用されている。この種の冷凍装置としては、例えば特許文献１に開示されているように、圧縮機、放熱器、膨張機構及び蒸発器が順に接続された冷媒回路の冷媒として二酸化炭素を用いるとともに、冷凍サイクルの高圧圧力を冷媒の臨界圧力以上に設定したものが知られている。この冷凍装置では、圧縮機において冷媒をその臨界圧力以上にまで圧縮しているため、圧縮機モータの消費電力が嵩み、高いＣＯＰ（成績係数）が得られないという問題がある。
【０００３】
この問題に対しては、特許文献２に開示されているように、冷凍装置に膨張機を設けるという対策が提案されている。なお、本明細書でいう膨張機は、流体機械の一種としての原動機と同義である。この場合、膨張機は、膨張弁やキャピラリチューブに代えて、冷凍装置における冷媒の膨張機構として設けられる。そして、膨張機において高圧冷媒の内部エネルギを機械的な動力に変換し、得られた動力を圧縮機の駆動に利用することで、圧縮機モータの消費電力を削減している。
【０００４】
上記公報の装置では、圧縮機と膨張機をモータとともに一体のケーシング内に収納することにより、一つの流体機械が構成されている。また、この流体機械においては、駆動軸の一端に油ポンプを設けるとともに、該駆動軸の内部に油通路を設けている。そして、油ポンプにより吸い上げた冷凍機油を、油通路を通して圧縮機と膨張機の摺動部分に供給し、圧縮機及び膨張機を潤滑するようにしている。
【０００５】
上記流体機械の圧縮機は高圧ドーム型圧縮機（油溜まりがケーシング内の高圧側にある圧縮機）であり、この圧縮機では、シリンダ内に供給された油は吐出ガスとともに圧縮機ケーシング内に吐出される。吐出ガス中には油ミストが含まれているが、一部の油ミストはケーシング内やモータ表面に衝突し、凝集して液体となってケーシング壁面を落下して油溜まりに戻る。また、一部の油ミストは吐出ガスとともに圧縮機から吐出され、放熱器に流れていく。
【特許文献１】特開平１０−５４６１７号公報
【特許文献２】特開２００１−１０７８８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一方、膨張機に供給された冷凍機油は、膨張機内で冷媒の気液二相流と混合する。仮に冷凍機油と液冷媒との溶解性が高ければ、冷凍機油は液冷媒の中に溶解して膨張機出口から吐出され、蒸発器へ流れて行く。
【０００７】
ここで、上記流体機械において、冷凍機油が蒸発器に流れていく場合の性能への影響を考察する。蒸発温度を１０℃、放熱器出口温度を３７℃、吐出圧力を１０ＭＰａ、圧縮機効率を０．７、膨張機効率を０．６、蒸発器を通過する冷媒に対する油流量比を５％とし、吐出温度を７６℃とする。高圧ドームの場合、圧縮機から膨張機に供給される冷凍機油の温度は圧縮機吐出温度とほぼ等しくなるので７６℃の油が膨張機に供給されることになる。
【０００８】
この冷凍機油は、蒸発器を通過すると、冷媒に熱を与えて蒸発温度１０℃まで冷却される。回収を考えない場合の冷凍効果は、１２５．８ＫＪ／Ｋｇ、回収動力は７ＫＪ／Ｋｇとなる。回収を考えた場合の冷凍効果は、
１２５．８＋７＝１３２．８ＫＪ／Ｋｇとなる。
【０００９】
これに対して、油の比熱を２．１ＫＪ／Ｋｇ℃として、油の冷却に要する熱量を計算すると、
（７６−１０）×２．１×０．０５＝６．９ＫＪ／Ｋｇ
の冷却熱量が必要となり、その分だけ実際の冷凍効果が減少することになる。したがって、冷凍効果の減少する割合は、
６．９／１３２．８＝０．０５２
となり、能力が約５％低下することになる。
【００１０】
このように、膨張機から冷凍機油が流出して蒸発器に流入すると、冷凍機油の顕熱による冷凍能力の低下を招いてしまう。このことは、一体型の流体機械に限らず、圧縮機と膨張機を別体にした場合でも、程度の差はあっても起こりうる問題である。本発明は、このような問題点に鑑みて創案されたものであり、その目的とするところは、冷凍サイクルの膨張機構として膨張機が設けられた冷凍装置において、蒸発器への油の流入を防止し、それによって冷凍能力の低下も防止することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、上記課題を解決するために、膨張機（3）の出口側で冷凍機油を冷媒から分離して蒸発器（5）へ流入しないようにしたものである。
【００１２】
第１から第１５の解決手段では、冷媒として二酸化炭素を用いるとともに所定の温度域で二酸化炭素と分離する冷凍機油を用いて、膨張機（3）の出口側で冷凍機油を冷媒から分離するようにしており、第１６の解決手段では、使用する冷媒や冷凍機油は特定せずに油分離器（6）の種類を特定することにより、冷媒と冷凍機油を膨張機（3）の出口側で分離するようにしている。また、第１７及び第１８の解決手段では、上記各解決手段を構造面から特定している。
【００１３】
具体的に、第１の解決手段は、  圧縮機（2）、放熱器（4）、膨張機（3）及び蒸発器（5）が順に接続された冷媒回路（C）を備え、該冷媒回路（C）に二酸化炭素が冷媒として充填された冷凍装置を前提としている。そして、この冷凍装置は、膨張機（3）の出口側と蒸発器（5）の入口側との間に油分離器（6）が接続されるとともに、膨張機（3）の摺動部には圧縮機（2）に溜まった高圧の冷凍機油が供給されるように構成され、冷媒回路（C）の冷凍機油が、少なくとも−２０℃以上の温度域で上記冷媒と二相に分離し、かつ、その温度域で密度が上記冷媒よりも大きくなる冷凍機油により構成されていることを特徴としている。通常の空調機などに用いられる冷凍装置では、蒸発温度の最下限が−２０℃程度に設定されている。少なくとも−２０℃以上の温度域で二相分離すれば、後述の油分離が可能となる。
【００１４】
また、第２の解決手段は、より好ましい温度域を特定したものであり、具体的には、上記第１の解決手段において、冷凍機油が、−５０℃以上の温度域で二酸化炭素冷媒と二相に分離するものであることを特徴としている。ショーケースや冷凍庫などに用いられる冷凍装置においては、蒸発温度の最下限が−５０℃程度に設定されている。−５０℃以上の温度域で二相分離すれば、同じく油分離が可能である。
【００１５】
また、本発明が講じた第３から第８の解決手段は、冷凍機油を具体的に特定したものである。このうち、第３の解決手段は、上記第１の解決手段において、冷凍機油がポリアルキレングリコール（ＰＡＧ）により構成されていることを特徴としている。このＰＡＧは、上記第２の解決手段の構成要件である、−５０℃以上の温度域で冷媒と二相に分離する特性を備えている。
【００１６】
また、第４の解決手段は、上記第１の解決手段において、冷凍機油がポリビニルエーテル（ＰＶＥ）により構成されていることを特徴としている。
【００１７】
また、第５の解決手段は、上記第１の解決手段において、冷凍機油が鉱油により構成されていることを特徴としている。
【００１８】
また、第６の解決手段は、上記第１の解決手段において、冷凍機油がポリオールエステル（ＰＯＥ）により構成されていることを特徴としている。
【００１９】
また、第７の解決手段は、上記第１の解決手段において、冷凍機油がポリカーボネート（ＰＣ）により構成されていることを特徴としている。
【００２０】
また、第８の解決手段は、上記第１の解決手段において、冷凍機油がアルキルベンゼン（ＡＢ）により構成されていることを特徴としている。
【００２１】
上記第１から第８の解決手段においては、二酸化炭素を冷媒とする冷媒回路（C）の冷凍機油として、少なくとも−２０℃以上の温度域で上記冷媒と二相に分離し、かつ、その温度域で密度が該冷媒よりも大きくなるものを用いているので、膨張機（3）の出口側に接続された油分離器（6）において、冷凍機油は冷媒から分離し、冷媒の下方に溜まる。したがって、冷凍機油は、油分離器（6）の下端部から抜き出して、蒸発器（5）へ流さずに圧縮機（2）へ戻すことができる。特に−５０℃以上で二酸化炭素冷媒と分離するＰＡＧなどの冷凍機油を用いると、蒸発温度がさらに低い冷凍装置においても、膨張機（3）の出口側で冷媒と冷凍機油を確実に分離して、蒸発器（5）への油の流入を阻止できる。
【００２２】
次に、第９の解決手段は、上記第１から第８の解決手段において、油分離器（6）が遠心分離式の油分離器（6）により構成されていることを特徴としている。
【００２３】
また、第１０の解決手段は、上記第９の解決手段において、油分離器（6）が、縦型円筒状の容器（6a）の周壁に対して接線方向に接続された導入管（6b）と、該容器（6a）の上面に接続された冷媒導出管（6c）と、該容器（6a）の底面に接続された油導出管（6d）とを備えていることを特徴としている。
【００２４】
上記第９，第１０の解決手段においては、膨張機（3）から気液二相の冷媒が油分離器（6）に流入すると、油分離器（6）内で旋回流が生じることにより冷凍機油と冷媒とが分離される。冷凍機油は、冷媒よりも重いので容器（6a）の下に溜まり、油導出管（6d）から排出される。一方、液冷媒はガス冷媒の旋回に伴い、該ガス冷媒に巻き込まれて、ガス冷媒とともに冷媒導出管（6c）から流出する。したがって、蒸発器（5）へは冷媒のみが流れ、冷凍機油は蒸発器（5）へは流れない。
【００２５】
また、第１１の解決手段は、上記第１０の解決手段において、油分離器（6）の冷媒導出管（6c）が容器（6a）の周壁の内面に沿って上下方向に配置され、該冷媒導出管（6c）の下端部が、容器（6a）の高さ方向の中間部に位置して液冷媒中に開口するように構成されていることを特徴としている。
【００２６】
この第１１の解決手段においては、蒸発器（5）への冷媒導出管（6c）を油分離器（6）の内壁に接して設け、下端が液冷媒の中に開口するようにしているので、蒸発器（5）へ冷凍機油を流さずに、冷媒のみを供給することができる。つまり、膨張機（3）から油分離器（6）へ流入した冷媒から冷凍機油を分離した後に、油リッチ液をガス冷媒により巻き込まずに、蒸発器（5）へ液冷媒を供給することができる。
【００２７】
また、第１２の解決手段は、上記第１０の解決手段において、油分離器（6）の冷媒導出管（6c）が、容器（6a）の上面に接続されたガス冷媒導出管（6c-g）と、容器（6a）の周壁の内面に沿って上下方向に配置されるとともにその下端部が容器（6a）の高さ方向の中間部に位置して液冷媒中に開口する液冷媒導出管（6c-l）とからなり、ガス冷媒導出管（6c-g）と液冷媒導出管（6c-l）とが容器（6a）の外で合流していることを特徴としている。
【００２８】
このように、液冷媒とガス冷媒とを別々に流すようにすると、油リッチ液が不必要にガス冷媒に巻き込まれてしまうのを抑えて、油の分離効率を上げることができる。
【００２９】
また、第１３の解決手段は、上記第１０の解決手段において、油分離器（6）が容器（6a）内に該容器（6a）の上部を二重構造とするバッフルプレート（6e）を備え、容器（6a）の上面に冷媒導出管（6c）が接続されるとともに、導入管（6b）が容器（6a）の周壁を貫通してバッフルプレート（6e）に接続されていることを特徴としている。
【００３０】
この場合、油分離器（6）の内部に気液二相冷媒が導入されると、内壁の全周に冷媒導出管（6c）を設けるのと同じ効果を得ることができる。つまり、冷媒リッチ液が、容器（6a）とバッフルプレート（6e）との間の隙間を通って流出する。
【００３１】
また、第１４の解決手段は、上記第１３の解決手段において、油分離器（6）が、バッフルプレート（6e）の上部に、ガス冷媒の流通するガス冷媒流通孔（6e-h）を備えていることを特徴としている。
【００３２】
この構成においては、ガス冷媒と液冷媒の通路が別に確保される。バッフルプレート（6e）に孔を設けない場合は、容器（6a）とバッフルプレート（6e）の隙間からガス冷媒が液冷媒を巻き込むときに油リッチ液まで巻き込むおそれがあるのにして、油の分離効率を上げることができる。したがって、油が蒸発器（5）に流れてしまうのを確実に防止できる。
【００３３】
また、第１５の解決手段は、上記第１０の解決手段において、油分離器（6）の冷媒導出管（6c）が容器（6a）内でＵ字状に折り曲げた形状に形成されるとともに、容器（6a）内における該冷媒導出管（6c）の上端部がガス冷媒の入口に形成され、Ｕ字状の導出管の下部に液冷媒の入口孔（6c-h）が形成されていることを特徴としている。
【００３４】
このようにすると、ガス冷媒が導出管内を流れて油分離器（6）から流出する際に、液冷媒の入口孔（6c-h）から冷媒導出管（6c）の内部に液冷媒が流入し、液冷媒が蒸発器（5）に供給される。
【００３５】
次に、本発明が講じた第１６の解決手段は、
圧縮機（2）、放熱器（4）、膨張機（3）及び蒸発器（5）が順に接続された冷媒回路（C）を備えた冷凍装置を前提としている。そして、膨張機（3）の摺動部には圧縮機（2）に溜まった高圧の冷凍機油が供給されるように構成され、
膨張機（3）の出口側に油分離器（6）が接続されるとともに、油分離器（6）が膜分離式の油分離器（6）により構成されていることを特徴としている。
【００３６】
この第１６の解決手段においては、膨張機（3）の出口側に接続された油分離器（6）において、分離膜により冷凍機油が冷媒から分離する。したがって、冷凍機油を蒸発器（5）に流さずに、冷媒のみを蒸発器（5）に供給することができる。
【００３７】
また、第１７の解決手段は、上記第１から第１６のいずれか１の解決手段において、圧縮機（2）と膨張機（3）が、一つのケーシング（11）内に設けられて一体化されていることを特徴としている。
【００３８】
また、第１８の解決手段は、上記第１から第１６のいずれか１の解決手段において、油分離器（6）が油戻し通路（45c）を介して圧縮機（2）の吸入側に接続されていることを特徴としている。この第１８の解決手段においては、油分離器（6）で冷媒から分離された冷凍機油は、油戻し通路（45c）を通り、圧縮機（2）の吸入側に戻る。したがって、膨張機（3）から流出した冷凍機油が蒸発器（5）に流入することはない。
【発明の効果】
【００３９】
上記第１から第８の解決手段によれば、二酸化炭素を冷媒とする冷媒回路（C）における膨張機（3）の出口側に油分離器（6）を設けるとともに、使用する冷凍機油を特定したことによって、油分離器（6）において冷媒から分離した冷凍機油が膨張機（3）から蒸発器（5）に流入するのを防止できる。したがって、冷凍能力の低下も防止できる。
【００４０】
特に、上記第２，第３の解決手段によれば、温度域をより好ましい範囲に限定しているので、冷凍機油が膨張機（3）から蒸発器（5）に流入するのをより確実に防止でき、冷凍能力の低下も防止できる。
【００４１】
また、上記第９から第１５の解決手段によれば、遠心分離式の油分離器（6）を用いることにより、構成を複雑にせずに、冷媒と冷凍機油を確実に分離して冷媒のみを蒸発器（5）に供給することができるので、冷凍能力の低下を確実に防止できる。
【００４２】
また、上記第１６の解決手段によれば、冷媒や冷凍機油の種類に拘わらず、膨張機（3）の出口側に接続された膜分離式の油分離器（6）において冷凍機油を冷媒から分離できるとともに、この冷凍機油を蒸発器（5）に流さないようにすることにより能力の低下を防止できる。
【００４３】
また、上記第１７の解決手段によれば、圧縮機（2）と膨張機（3）が、一つのケーシング（11）内に設けられて一体化されているので、装置のコンパクト化を図ることができる。
【００４４】
また、上記第１８の解決手段によれば、油分離器（6）からの油戻し通路（45c）を圧縮機（2）の吸入側に接続して、油分離器（6）で冷媒から分離された冷凍機油が油戻し通路（45c）を通って圧縮機（2）の吸入側に戻るようにしており、膨張機（3）から冷媒とともに流出した冷凍機油は蒸発器（5）に流入しない。したがって、膨張機（3）から蒸発器（5）への冷凍機油の流入と冷凍能力の低下を確実に防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００４６】
《発明の実施形態１》
本発明の実施形態１について説明する。
【００４７】
本実施形態１に係る冷凍装置は、例えば室内の冷房を行う空気調和装置（1）として構成されている。図１に示すように、この空気調和装置（1）は、冷媒回路（C）を備えている。上記冷媒回路（C）は、圧縮機（2）と、ガスクーラである放熱器（4）と、膨張機構としての膨張機（3）と、蒸発器（5）とを順に配管接続して構成された閉回路である。この冷媒回路（C）には、冷媒としてＣＯ２ （二酸化炭素）が充填されている。
【００４８】
上記冷媒回路（C）では、冷媒が循環して冷凍サイクルが行われる。上記圧縮機（2）は、吸入した冷媒を、該冷媒の臨界圧力よりも高い圧力、すなわち超臨界圧にまで圧縮する。したがって、冷媒回路（C）で行われる冷凍サイクルは、高圧圧力が冷媒の超臨界圧に設定された超臨界圧サイクルとなる。また、圧縮機（2）から吐出された冷媒は、放熱器（4）で冷却され、膨張機（3）で膨張し、蒸発器（5）で蒸発した後、圧縮機（2）に戻って再度圧縮される行程を１サイクルとして、各行程の動作を繰り返す。
【００４９】
上記放熱器（4）は、第１空気通路（P1）の途中に設けられている。第１空気通路（P1）の入口端は、室外に開口している。また、第１空気通路（P1）の入口側には、第１ファン（F1）が設けられている。この第１ファン（F1）を運転すると、第１空気通路（P1）では、入口端から取り込まれた室外空気が第１空気として放熱器（4）へ送り込まれる。この第１空気は、被加熱空気を構成している。一方、第１空気通路（P1）の出口端は、室外に開口している。第１空気通路（P1）の出口端からは、放熱器（4）において冷媒から吸熱した第１空気が室外に吹き出される。
【００５０】
放熱器（4）においては、冷媒回路（C）を循環する冷媒と、第１空気通路（P1）を通じて送られる第１空気とが熱交換する。この放熱器（4）での熱交換により、冷媒回路（C）の冷媒が第１空気へ放熱して冷却される。この放熱器（4）は、例えばクロスフィン型の熱交換器によって構成されている。
【００５１】
上記蒸発器（5）は、第２空気通路（P2）の途中に設けられている。第２空気通路（P2）の入口端は、室内に開口している。また、第２空気通路（P2）の入口側には、第２ファン（F2）が設けられている。この第２ファン（F2）を運転すると、第２空気通路（P2）では、入口端から取り込まれた室内空気が第２空気として蒸発器（5）へ送り込まれる。この第２空気は、被冷却空気を構成している。一方、第２空気通路（P2）の出口端は、室内に開口している。第２空気通路（P2）の出口端からは、蒸発器（5）において冷却された第２空気が室内に吹き出される。
【００５２】
蒸発器（5）においては、冷媒回路（C）を循環する冷媒と、第２空気通路（P2）を通じて送られる第２空気とが熱交換する。この蒸発器（5）での熱交換により、冷媒回路（C）の冷媒が第２空気から吸熱して蒸発する。この蒸発器（5）は、例えばクロスフィン型の熱交換器によって構成されている。
【００５３】
上記圧縮機（2）と膨張機（3）は、一つのケーシング（11）内に設けられ、一つの流体機械（10）を構成している。図２に示すように、この流体機械（10）は、冷媒の圧縮を行う圧縮機（2）としての圧縮機構部（20）と、冷媒の膨張を行う膨張機（3）としての膨張機構部（30）とを備えている。
【００５４】
上記流体機械（10）の圧縮機構部（20）は、ケーシング（11）内の下部に配置され、膨張機構部（30）は、ケーシング（11）内の上部に配置されている。上記ケーシング（11）内の中央部には、モータ（50）が配置されている。該モータ（50）は、ケーシング（11）に固定されたステータ（51）と、該ステータ（51）の内側に配置されたロータ（52）とを備えている。
【００５５】
該ロータ（52）には駆動軸（60）が貫通している。該駆動軸（60）は、下端部が圧縮機構部（20）に連結され、上端部が膨張機構部（30）に連結されている。このため、本実施形態の流体機械（10）は、膨張機構部（30）の冷媒膨張による回転動力が圧縮機構部（20）の圧縮動力に回収されるように構成されている。
【００５６】
上記圧縮機構部（20）は、いわゆるスイング型ロータリ圧縮機に構成されている。該圧縮機構部（20）は、シリンダ（21）と、該シリンダ（21）のシリンダ室（22）に収納されたピストン（23）と、上記シリンダ室（22）の上面を閉鎖するフロントヘッド（24）と、上記シリンダ室（22）の下面を閉鎖するリアヘッド（25）とを備えている。そして、上記駆動軸（60）の下端部は、フロントヘッド（24）からシリンダ（21）を経てリアヘッド（25）に貫通している。
【００５７】
上記ピストン（23）は、円環状に形成され、偏心軸部（61）に回転自在に嵌め込まれている。該偏心軸部（61）は、駆動軸（60）の下部に形成され、該駆動軸（60）の軸心より偏心している。
【００５８】
上記ピストン（23）には、図示しないが、ブレードが一体に形成されている。該ブレードは、ブッシュを介してシリンダ（21）に挿入されている。そして、上記ピストン（23）はブッシュを支点に揺動し、シリンダ室（22）における容積を減少させて冷媒を圧縮する。
【００５９】
上記シリンダ（21）には冷媒の吸込み口（2a）が形成されている。また、上記フロントヘッド（24）には冷媒の吐出口（2b）が形成されている。該フロントヘッド（24）には吐出口（2b）を開閉する吐出弁（26a）と弁押さえ（26b）が設けられている。
【００６０】
一方、上記膨張機構部（30）は、スクロール型膨張機に構成されている。該膨張機構部（30）は、固定スクロール（31）と可動スクロール（32）とフレーム（33）とを備えている。該フレーム（33）はケーシング（11）に固定されている。該フレーム（33）は、ケーシング（11）の内部空間を上下に区画するとともに、その上下の空間を断熱している。
【００６１】
上記固定スクロール（31）は、鏡板（3a）と、該鏡板（3a）の下面に形成された渦巻状（インボリュート状）のラップ（3b）とより構成されている。上記可動スクロール（32）は、鏡板（3c）と、該鏡板（3c）の上面に形成された渦巻状（インボリュート状）のラップ（3d）とより構成されている。
【００６２】
上記固定スクロール（31）の鏡板（3a）は、ケーシング（11）に固定されている。該鏡板（3a）は、ケーシング（11）の内部空間におけるフレーム（33）の上方を上下に区画している。
【００６３】
上記固定スクロール（31）のラップ（3b）と可動スクロール（32）のラップ（3d）とは互いに噛合している。そして、上記固定スクロール（31）の鏡板（3a）と可動スクロール（32）の鏡板（3c）との間には、両ラップ（3b，3d）の接触部の間に、膨張室である作動室（3e）が形成されている。
【００６４】
上記固定スクロール（31）の鏡板（3a）の中央部には冷媒の吸込み口（3f）が形成されている。また、上記両ラップ（3b,3d）の外周側には冷媒の吐出口（3g）が形成されている。
【００６５】
上記可動スクロール（32）の鏡板（3c）は、フレーム（33）の上面に形成された環状のスラスト軸受け（34）に設置されている。また、上記可動スクロール（32）の鏡板（3c）とフレーム（33）との間には、該可動スクロール（32）が固定スクロール（31）に対して公転のみ行うようにオルダム機構などの自転阻止部材（35）が設けられている。
【００６６】
上記可動スクロール（32）の中央部には駆動軸（60）の連結孔（36）が形成されている。具体的に、上記可動スクロール（32）の鏡板（3c）の上面中央部には、筒状のボス部（37）が上方に突出して形成されている。該ボス部（37）のボス孔と同径の開口が鏡板（3c）の中央部に形成されている。このボス孔と開口とが駆動軸（60）の連結孔（36）を形成している。なお、上記ボス部（37）は、ラップ（3d）の高さとほぼ同じに形成されている。
【００６７】
上記駆動軸（60）の上端部には、フレーム（33）を貫通し、駆動軸（60）の軸心より偏心した小径の偏心軸部（62）が形成されている。該偏心軸部（62）が可動スクロール（32）の連結孔（36）に嵌め合わされている。
【００６８】
上記駆動軸（60）には、中心軸に沿って給油孔（63）が形成されている。この給油孔（63）は、油導入溝（63a,63b）を介して圧縮機構部（20）及び膨張機構部（30）の摺動部に連通している。そして、駆動軸（60）の下端部は、図では詳細は示していないが遠心式の油ポンプ（64）に構成されている。給油孔（63）と油ポンプ（64）により、給油手段が構成されている。
【００６９】
上記膨張機構部（30）の吐出口（3g）には、蒸発器（5）が冷媒配管（43）を介して接続されている。一方、上記圧縮機構部（20）の吸込み口（2a）には、蒸発器（4）が冷媒配管（43）を介して接続されている。なお、上記圧縮機構部（20）の吸込み側の冷媒配管（43）には、図１では省略しているがアキュムレータ（44）が設けられている。
【００７０】
上記ケーシング（11）内において、フレーム（33）の下方空間（12）は、圧縮機構部（20）の吐出冷媒が吐出され、高圧雰囲気となる。そして、上記ケーシング（11）の側部には冷媒配管（43）が接続され、該冷媒配管（43）が放熱器（4）に接続されている。つまり、上記圧縮機構部（20）の吐出冷媒が放熱器（4）に供給される。
【００７１】
また、上記ケーシング（11）の上部には、放熱器（4）が冷媒配管（43）を介して接続されている。そして、上記ケーシング（11）内において、固定スクロール（31）の鏡板（3a）の上方の最上部空間（13）には、放熱器（4）からの冷媒が冷媒配管（43）を経て導入される。つまり、上記放熱器（4）からの冷媒が膨張機構部（30）の作動室（3e）に導入される。
【００７２】
図１に示すように、この冷凍装置（1）における膨張機（3）の出口側には、油分離器（6）が接続されている。この油分離器（6）には、遠心分離式の油分離器が用いられており、膨張機（3）から流出した冷媒は、該油分離器（6）で冷凍機油が分離されて蒸発器（5）に流れる一方、冷凍機油は、圧縮機（2）に吸入される。
【００７３】
具体的に、油分離器（6）は、図３に示すように、円筒状の容器（6a）と、この容器（6a）の上部において周壁面の接線方向に沿うように接続された導入管（6b）と、容器（6a）の上面において上下方向沿いに配置された冷媒導出管（6c）と、容器（6a）の底面に設けられた油導出管（6d）とを有している。そして、導入管（6b）に膨張機（3）からの冷媒配管（45a）が接続され、冷媒導出管（6c）に蒸発器（5）への冷媒配管（45b）が接続され、油導出管（6d）に圧縮機（2）への油戻し管（45c）が接続されている。この油戻し管（45c）は、圧縮機（2）の吸入側の冷媒配管（43）において、アキュムレータ（44）の上方部分に接続されている。
【００７４】
油分離器（6）は、膨張機（3）から流入してくる冷媒と油を分離した後に、蒸発器（5）へ冷媒を送らなければならない。油分離器（6）内では、口述するように冷媒と油との密度の差により、両者が分離される。油分離を首尾よく行うには、油リッチ液をガス冷媒により巻き上げないようにする必要がある。このため、上記油分離器（6）では、蒸発器（5）への冷媒導出管（6c）を油分離器（6）の内壁に接して設け、下端が冷媒リッチ液の中に開口するようにしている。これにより、液冷媒とガス冷媒を蒸発器（5）に供給することができる。
【００７５】
この実施形態１では、冷媒としてＣＯ２ が用いられている一方、冷凍機油には、ポリアルキレングリコール（ＰＡＧ）が用いられている。ＰＡＧは、少なくとも−２０℃以上の温度域で上記冷媒と二相に分離し、種類によっては、−５０℃以上の温度域において冷媒と二相に分離する特性を有している。また、ＰＡＧは、−５０℃から−１７℃以上の温度域で密度が上記冷媒よりも大きくなるものであり、上記二相分離の温度域で、概ね密度が冷媒よりも大きくなる。つまり、従来の一般的な冷媒と冷凍機油の関係においては冷媒よりも冷凍機油が軽いのに対して、本実施形態では所定の温度域で冷媒と冷凍機油の密度が逆転するような冷凍機油を用いている。
【００７６】
図４のグラフは、ＣＯ２ とＰＡＧの溶解特性を示しており、縦軸がＣＯ２ の二相分離温度、横軸が油分率である。このグラフでは、線分よりも下側では冷媒と油が溶解する一方、線分よりも上側では冷媒と油が分離することを示している。例えば、油分率が３０％の油リッチな液を得るためには、ＰＡＧ＃７の場合は約０℃、ＰＡＧ＃９の場合はマイナス３０℃程度にすればよいことがわかる。また、ＰＡＧ＃２０などでは、−５０℃程度でもよい。そして、このような温度域において、油分離器（6）では冷媒リッチ液と油リッチ液とが分離される（図３）。
【００７７】
−運転動作−
次に、上述した冷凍装置（1）の動作について説明する。
【００７８】
先ず、流体機械（10）においてモータ（50）を駆動すると、圧縮機構部（20）におけるピストン（23）がシリンダ室（22）内を揺動し、蒸発器（5）からの冷媒を吸込み、該冷媒を圧縮する。この圧縮された冷媒はケーシング（11）内に吐出される。上記圧縮冷媒は、放熱器（4）に流れ、外気に放熱して冷却される。
【００７９】
冷却された冷媒は、その後、膨張機構部（30）に導入される。つまり、上記モータ（50）の駆動によって可動スクロール（32）が固定スクロール（31）に対して公転し、作動室（3e）が膨張作用を行う。上記冷却冷媒は、ケーシング（11）の最上部空間（13）から膨張機構部（30）の作動室（3e）に流入し、膨張する。そして、膨張した冷媒は、蒸発器（5）に流れ、室内空気を冷却して蒸発する。
【００８０】
以上の動作を行う際に、駆動軸（60）の回転によって冷凍機油が圧縮機構部（20）と膨張機構部（30）の摺動部に供給される。膨張機構部（30）から流出した冷媒に含まれる冷凍機油は、油分離器（6）において冷媒から分離される。ＰＡＧは、種類によって若干異なるものの、密度が比較的大きく、マイナス５０℃からマイナス１７℃以上の温度域では密度が上記冷媒よりも大きくなる。したがって、冷媒と冷凍機油を二相に分離した後に冷凍機油が油分離器（6）の容器（6a）内で下部に溜まるような設定にしておくと、冷凍機油は油戻し管（45c）を通って圧縮機（2）に戻り、蒸発器（5）には流入しない。このため、蒸発器（5）において冷凍機油が冷媒に熱を与えないため、冷凍能力の低下を防止できる。
【００８１】
−実施形態１の効果−
このように、本実施形態１によれば、膨張機（3）の出口側に油分離器（6）を設けるとともに、冷凍機油にＰＡＧを用い、油分離器（6）において冷媒から分離した冷凍機油を、油分離器（6）の下端部に接続された油戻し管（45c）から圧縮機（2）に戻すようにしているので、圧縮機（2）で温度の高くなった冷凍機油が膨張機（3）から蒸発器（5）に流入するのを防止でき、冷凍能力の低下も防止できる。
【００８２】
つまり、通常は冷媒よりも冷凍機油が軽いために、膨張機（3）の出口側に油分離器（6）を設けても液冷媒の上に冷凍機油が浮く状態になって冷凍機油だけを抜き出すことはできないが、本実施形態１では膨張機（3）の出口側でＣＯ２ 冷媒に対して密度の大きくなる冷凍機油としてＰＡＧを採用したことにより、冷媒と冷凍機油を分離することが可能となる。そして、このようにしたことによって、蒸発器（5）に冷凍機油が流入することによる能力の低下も防止することが可能となる。
【００８３】
また、上記実施形態では、フレーム（33）が、ケーシング（11）内で圧縮機構部（20）と膨張機構部（30）とを断熱しているため、圧縮機構部（20）の熱が、膨張機構部（30）の下流側にある油分離器（6）に伝達されにくく、該フレーム（33）が圧縮機（2）のケーシング（11）と油分離器（6）との間を断熱する断熱手段として作用している。
【００８４】
したがって、圧縮機構部（20）のケーシング（11）は、ほぼ吐出温度に近い高温となるのに対して、膨張機構部（30）や油分離器（6）は蒸発温度に近い低温になるが、上記断熱手段としてのフレーム（33）によって、高温部から低温部への熱移動が生じるのを防止できる。したがって、冷凍装置の効率が低下するのを防止できる。
【００８５】
−実施形態１の変形例−
（変形例１）
上記実施形態１では、冷媒としてＣＯ２ を用いる一方で、冷凍機油にはＰＡＧを用いているが、冷媒回路（C）の冷凍機油は、少なくとも−２０℃以上の温度域で上記冷媒と二相に分離し、かつ、−２０℃以上の温度域で密度が冷媒よりも大きくなる冷凍機油であれば、ＰＡＧ以外のものを用いてもよい。
【００８６】
例えば、冷凍機油には、ポリビニルエーテル（ＰＶＥ）、ポリオールエステル（高安定ポリオールエステル（ＨＳ−ＰＯＥ））、またはポリカーボネート（ＰＣ）などを用いてもよい。これらの冷凍機油は、図５に示すように、−２０℃以上（ないしマイナス１０℃以上）の温度域でＣＯ２ と二相に分離する特性を有しているため、蒸発温度を適宜設定しておくことにより、上記実施形態１とほぼ同様の効果を奏することができる。
【００８７】
また、冷凍機油には、鉱油またはアルキルベンゼン（ＡＢ）を用いてもよい。これらの冷凍機油は、全温度域でＣＯ２ 冷媒に溶解しないため、同様に実施形態１とほぼ同等の効果を奏することができる。
【００８８】
（変形例２）
図６は、油分離器（6）の第１の変形例を示している。この油分離器（6）は、容器（6a）の周壁の内面に沿って上方へのびる液冷媒導出管（6c-l）と、容器（6a）の上面に接続されたガス冷媒導出管（6c-g）とを設け、両導出管（6c-l,6c-g）を容器（6a）の外で合流させるようにしたものである。その他の部分は、図３に示した油分離器（6）と同様に構成されている。
【００８９】
このように、液冷媒とガス冷媒とを別々に流すようにすると、油リッチ液が不必要にガス冷媒に巻き上げられてしまうことがないので、油の分離効率を上げることができる。このため、油が蒸発器（5）に流れてしまうのを確実に防止できるので、効率の低下をより確実に抑えられる。
【００９０】
（変形例３）
図７は、図３の油分離器（6）において、冷媒導出管（6c）を容器（6a）の上面に接続したものである。その他の部分については、図３の例と同様である。
【００９１】
この構成においては、膨張機（3）から気液二相の冷媒が油分離器（6）に流入すると、油分離器（6）内で旋回流が生じることにより冷凍機油と冷媒とが分離され、冷凍機油の方が冷媒よりも重いので容器（6a）の下に溜まり、油導出管（6d）から排出される。一方、液冷媒はガス冷媒の旋回に伴い、該ガス冷媒に巻き込まれてガス冷媒とともに冷媒導出管（6c）から流出する。したがって、簡単な構成でありながら、油が蒸発器（5）に流れてしまうのを防止でき、効率の低下を防止できる。
【００９２】
（変形例４）
図８は、油分離器（6）の第３の変形例を示している。この油分離器（6）は、容器（6a）の内部にバッフルプレート（6e）を設けて容器（6a）の上部を二重構造にしたものである。また、導入管（6b）はバッフルプレート（6e）に接続され、容器（6a）を貫通している。導入管（6b）は、バッフルプレート（6e）の接線方向に沿って配置され、油分離器（6）は遠心分離式に構成されている。また、冷媒導出管（6c）は、容器（6a）の上面の中央部に接続されている。油導出管（6d）は、図３の例と同様に、容器（6a）の底面の中央部に接続されている。
【００９３】
この例の場合、油分離器（6）の内部に冷媒が導入されると、容器（6a）の内壁の全周に冷媒導出管（6c）を設けるのと同じ効果を得ることができる。つまり、冷媒リッチ液は、ガス冷媒に巻き込まれて容器（6a）とバッフルプレート（6e）との間の隙間の全体を通って流出し、油リッチ液は油導出管（6d）から排出される。
【００９４】
（変形例５）
図９は、図８の油分離器（6）において、バッフルプレート（6e）の上部にガス冷媒流通孔（6e-h）を形成し、ガス冷媒がこの流通孔（6e-h）から流出するようにしたものである。つまり、図８とほぼ同様の構成において、ガス冷媒と液冷媒の通路を別に確保するようにしたものである。バッフルプレート（6e）に流通孔（6e-h）を設けない場合は、容器（6a）とバッフルプレート（6e）の隙間からガスとともに液冷媒を巻き込むときに油リッチ液まで巻き込むおそれがあるのに対して、油の分離効率を上げることができる。したがって、油が蒸発器（5）に流れてしまうのを確実に防止できるので、効率の低下をより確実に抑えられる。
【００９５】
（変形例６）
図１０は、冷媒導出管（6c）を容器（6a）内で「Ｕ」字状に折り曲げた形状としてガス入口を容器（6a）の上部に配置するとともに、冷媒導出管（6c）の下部に液冷媒入口孔（6c-h）を形成してそこから液が流入するようにしたものである。このようにすると、冷媒導出管（6c）からガス冷媒が流出するときに、液冷媒が上記入口孔（6c-h）から管内部に吸入され、ガス冷媒とともに蒸発器（5）へ流出する。この入口孔（6c-h）の孔径は、冷媒の乾き度に合わせて、ガスと液がそれぞれ適量流れるように設計するとよい。
【００９６】
この場合でも、冷凍機油は圧縮機（2）の吸入側に戻り、蒸発器（5）には流れないので、効率の低下を防止できる。
【００９７】
《発明の実施形態２》
本発明の実施形態２は、膨張機（3）の出口側に、膜分離式の油分離器（6）を接続した例である。この実施形態２では、分離膜（6f）によって冷凍機油と冷媒を分離するため、使用する冷凍機油について、ＣＯ２ 冷媒に対する二相分離温度などは特定しない。
【００９８】
図１１に示すように、油分離器（6）は、縦長の容器（6a）の中央部に分離膜（6f）が設けられ、該分離膜（6f）の両側に２つの空間（6g,6h）が区画されている。そして、図の左側の空間（6g）には、上面に膨張機（3）からの導入管（6b）が設けられ、底面に油導出管（6d）が設けられている。また、図の右側の空間（6h）には、上面に蒸発器（5）への冷媒導出管（6c）が設けられている。
【００９９】
上記油分離器（6）の分離膜（6f）は、例えば、ポリ（１−トリメチルシリル）プロピン、ポリジメチルシロキサン、シリコン−ニトリルゴム、ポリブタジエン、天然ゴム、エチルセルロース、ポリ（４−メチルペンテン−１）、ポリフェニレンオキサイド、ポリエチレン、フッ素樹脂、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリスルホン、ブチルゴム、酢酸セルロース、ポリ塩化ビニール、ナイロン、ポリサルファー、ポロプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ジメチルシリコンポリカーボネート、ジメチルシリコン等の材料を用いることができる。
【０１００】
−運転動作−
この実施形態２においては、膨張機（3）において、冷媒が冷凍機油に溶解していても、油分離器（6）の分離膜（6f）を冷媒が通過する一方、冷凍機油は該分離膜（6f）を通過しないので、冷媒と冷凍機油とが分離される。そして、油分離器（6）の内部には、油リッチ液と冷媒リッチ液とが分離膜（6f）を隔てて存在し、油リッチ液が圧縮機（2）の吸入側へ、冷媒リッチ液が蒸発器（5）へ供給される。
【０１０１】
−実施形態２の効果−
したがって、本実施形態２によれば、使用する冷凍機油に拘わらず、油分離器（6）において冷媒と冷凍機油とを分離できる。そして、油リッチ液を圧縮機（2）の吸入側へ、冷媒リッチ液を蒸発器（5）へ供給することによって、冷凍機油が蒸発器（5）に流れないので、冷凍能力の低下を防止できる。
【０１０２】
《発明の実施形態３》
本発明の実施形態３は、図１２に示すように、油分離器（6）を流体機械（10）のケーシング（11）内に設けて、該流体機械（10）と一体化したものである。この流体機械（10）は、油分離器（6）を一体化した以外は実施形態１と同じ構成である。以下、実施形態１と異なる点のみを説明する。
【０１０３】
この流体機械（10）は、固定スクロール（31）の上方に、円板状に形成された油分離器（6）が配置されている。油分離器（6）は、膨張機構部（30）のラップ（3b,3d）の外周側において、冷媒の吐出口（3g）を介して作動室（3e）と接続されている。そして、油分離器（6）の内部において、冷媒と冷凍機油が分離されるように構成されている。
【０１０４】
油分離器（6）の上面には冷媒配管（43）が接続され、油分離器（6）及び冷媒配管（43）を介して上記膨張機構部（30）の吐出口（3g）が蒸発器（5）と接続されている。また、油分離器（6）の下面には油導出管（6d）が接続され、この油導出管（6d）はケーシング（11）内におけるフレーム（33）の下方空間（12）に開口している。したがって、油分離器（6）において冷媒から分離された冷凍機油は、ケーシング（11）内を落下し、最下部の油溜まりに溜まるようになっている。
【０１０５】
−運転動作−
この実施形態３においては、膨張機構部（30）から流出する冷媒は、油分離器（6）において冷凍機油が分離され、冷媒配管（43）を介して蒸発器（5）へ流れる。従って、蒸発器（5）には冷凍機油は流入しない。一方、冷媒から分離された冷凍機油は、ケーシング（11）内におけるフレーム（33）の下方空間（12）に入り、圧縮機構部（20）の油溜まりに戻る。したがって、この冷凍機油により、圧縮機構部（20）と膨張機構部（30）とが潤滑される。
【０１０６】
−実施形態３の効果−
このように、本実施形態３によれば、油分離器（6）を流体機械（10）のケーシング（11）内に設けて該流体機械（10）と一体化しているので、装置を全体としてコンパクトに構成することができる。また、上記各実施形態と同様に蒸発器（5）への冷凍機油の流入を防止できるので、空気調和装置（1）の能力が低下するのも防止できる。
【０１０７】
《その他の実施形態》
上記実施形態については、以下のような構成としてもよい。
【０１０８】
例えば、上記実施形態１，２では、圧縮機（2）と膨張機（3）とが一体になった流体機械（10）を用いる場合について説明したが、これらの実施形態１，２では、圧縮機（2）と膨張機（3）は必ずしも一体にしなくてもよい。
【０１０９】
また、実施形態１，２においては遠心分離式の油分離器（6）を用いるものとしているが、他の方式の油分離器（6）を用いてもよい。
【０１１０】
なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。
【産業上の利用可能性】
【０１１１】
以上説明したように、本発明は、冷媒の膨張機構として膨張機が設けられて蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷凍装置について有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１】本発明の実施形態１に係る冷凍装置の冷媒回路図である。
【図２】図１の冷凍装置に用いられている流体機械の断面図である。
【図３】図１の冷凍装置に用いられている油分離器の構造図である。
【図４】ＣＯ２ 冷媒と冷凍機油の溶解特性を示す第１のグラフである。
【図５】ＣＯ２ 冷媒と冷凍機油の溶解特性を示す第２のグラフである。
【図６】油分離器の第１の変形例を示す構造図である。
【図７】油分離器の第２の変形例を示す構造図である。
【図８】油分離器の第３の変形例を示す構造図である。
【図９】油分離器の第４の変形例を示す構造図である。
【図１０】油分離器の第５の変形例を示す構造図である。
【図１１】実施形態２に係る油分離器の構造図である。
【図１２】実施形態３に係る流体機械の断面図である。
【符号の説明】
【０１１３】
1   空気調和装置
2   圧縮機
3   膨張機
4   放熱器
5   蒸発器
6   油分離器
6a  容器
6b  導入管
6c  冷媒導出管
6d  油導出管
6f  分離膜
10  流体機械
11  ケーシング
20  圧縮機構部
21  シリンダ
23  ピストン
30  膨張機構部
31  固定スクロール
32  可動スクロール
33  フレーム
50  モータ
60  駆動軸
63  給油孔（給油手段）
64  油ポンプ（給油手段）
C   冷媒回路
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１３
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１４
【補正方法】削除
【補正の内容】