(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮手段、放熱器、主絞り手段、蒸発器、補助絞り手段及び内部熱交換器とから冷凍サイクルが構成され、高圧側が超臨界圧力となると共に、前記放熱器から出た冷媒を冷媒分岐手段により第１及び第２の冷媒流に分岐させ、前記第１の冷媒流を前記内部熱交換器の第１の通路に流した後、前記主絞り手段から前記蒸発器に流し、前記第２の冷媒流を前記補助絞り手段から前記内部熱交換器の第２の通路に流し、前記内部熱交換器において前記第１の冷媒流と第２の冷媒流とを熱交換させ、前記蒸発器から出た冷媒を前記圧縮手段の低圧部に吸い込ませ、前記内部熱交換器の第２の通路から出た冷媒を前記圧縮手段の中間圧部に吸い込ませる冷凍装置において、
前記圧縮手段から吐出されて前記放熱器に流入する冷媒からオイルを分離するオイル分離手段を設け、該オイル分離手段で分離されたオイルを前記補助絞り手段の入口側に設けられた合流手段にて当該補助絞り手段に流入する前記第２の冷媒流に合流させたことを特徴とする冷凍装置。
【請求項２】
前記オイル分離手段で分離されたオイルを冷却するためのオイル用放熱器を設けたことを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
【請求項３】
前記オイル分離手段にてオイルを多く含む冷媒を分離し、該オイルを多く含む冷媒を前記オイル用放熱器に流入させることを特徴とする請求項２に記載の冷凍装置。
【請求項４】
前記オイル分離手段、及び／又は、前記オイル用放熱器を前記放熱器に一体に構成したことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の冷凍装置。
【請求項５】
前記オイル用放熱器の出口側に絞り手段を設けたことを特徴とする請求項２乃至請求項４の何れかに記載の冷凍装置。
【請求項６】
前記冷媒分岐手段と合流手段との間に絞り手段を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れかに記載の冷凍装置。
【請求項７】
前記冷媒分岐手段と合流手段とを一体に構成したことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れかに記載の冷凍装置。
【請求項８】
前記圧縮手段は、当該圧縮手段を構成する駆動手段と共に密閉容器内に収納された低段側圧縮手段及び高段側圧縮手段とから構成され、前記低段側圧縮手段は前記蒸発器から出た冷媒を吸い込んで圧縮し、前記密閉容器内に吐出し、前記内部熱交換器の第２の通路から出た冷媒及びオイルは前記密閉容器内に流入すると共に、前記高段側圧縮手段は、該密閉容器内の中間圧の冷媒を吸い込んで圧縮し、前記オイル分離手段に吐出することを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れかに記載の冷凍装置。
【請求項９】
前記密閉容器内から前記高段側圧縮手段に吸い込まれる冷媒の温度に基づいて前記補助絞り手段の開度を制御することを特徴とする請求項８に記載の冷凍装置。
【請求項１０】
前記圧縮手段は、当該圧縮手段を構成する駆動手段と共に密閉容器内に収納された低段側圧縮手段及び高段側圧縮手段とから構成され、前記低段側圧縮手段は前記蒸発器から出た冷媒を吸い込んで圧縮し、前記内部熱交換器の第２の通路から出た冷媒及びオイルと合流させた後、前記密閉容器内に流入させると共に、前記高段側圧縮手段は、該密閉容器内の中間圧の冷媒を吸い込んで圧縮し、前記オイル分離手段に吐出することを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れかに記載の冷凍装置。
【請求項１１】
前記密閉容器内に流入する冷媒の温度に基づいて前記補助絞り手段の開度を制御することを特徴とする請求項１０に記載の冷凍装置。
【請求項１２】
前記冷媒として二酸化炭素を用いることを特徴とする請求項１乃至請求項１１の何れかに記載の冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は放熱器から出た冷媒を冷媒分流手段により第１及び第２の冷媒流に分流させる冷凍装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種冷凍装置は、圧縮手段、放熱器、絞り手段、蒸発器等から冷凍サイクルが構成され、圧縮手段で圧縮された冷媒が放熱器にて放熱し、絞り手段にて減圧された後、蒸発器にて周囲と熱交換して蒸発する。このとき、冷媒の蒸発により周囲の空気が冷却され、被冷凍空間を冷却するものとされていた。
【０００３】
近年、この種冷凍装置では、自然環境問題などからフロン系冷媒が使用できなくなり、例えば、自然冷媒である二酸化炭素を使用する試みがなされている。当該二酸化炭素冷媒は臨界圧力が低いため、圧縮により冷媒サイクルの高圧側では超臨界状態となる。この場合、放熱器側の熱源温度が高い等の原因により、放熱器出口の冷媒温度が高くなる条件下では、蒸発器入口冷媒の比エンタルピが大きくなるため、冷凍効果が著しく低減する問題が生じていた。この場合、冷凍能力を確保するためには、高圧圧力を上昇させる必要があり、圧縮動力が増大して、成績係数も低下する不都合が生じていた。
【０００４】
ところで、係る冷凍装置の圧縮手段には摺動部を潤滑するためのオイルが封入されており、圧縮手段の摺動部に当該オイルが供給されて潤滑とシールを行っているが、このオイルが冷媒と共に圧縮され、圧縮手段の外部に吐出されてオイルが不足する不都合が生じていた。更に、吐出されたオイルが冷媒サイクル中に循環すると、冷媒サイクル中の蒸発器等に寝込んで、冷媒の循環に支障を来す問題も発生していた。そのため、圧縮手段の吐出側に冷媒ガス中に混入したオイルを分離して、圧縮手段に戻すためのオイル分離手段を設けた冷凍装置も開発されて来ている（例えば、特許文献１又は特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２０００−２７４８９０号公報
【特許文献２】特開平６−３３７１７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この場合、二酸化炭素冷媒のように高圧側が超臨界圧力となる冷媒を使用した冷凍装置では、特許文献１の如く放熱器の後でオイルを分離するものとした場合、放熱器にて冷却された冷媒は擬似臨界状態となり、冷媒とオイルが不安定な溶解状態となるため、条件によっては冷媒からオイルを円滑に分離することができない。このため、前述した圧縮手段のオイル不足や冷凍サイクル内でのオイル溜まりを解消できず、更には、圧力損失の発生を引き起こし、性能の低下を招く不都合が生じていた。
【０００６】
一方、特許文献２の如く圧縮手段の吐出部分でオイルを分離して直接密閉容器に戻すと、高圧でオイルを戻すことになるため、固定式の絞り機構では回転数変動や高圧の変動に起因して生じる差圧の変動に対処できない。また、オイルの温度も高い状態で戻るために圧縮手段の密閉容器やモータ温度が上昇し、効率低下やオイル劣化を引き起こす問題が生じていた。特に、二酸化炭素冷媒を使用して高圧側が高い圧力となる場合に上記問題が著しくなっていた。
【０００７】
本発明は、係る従来技術の課題を解決するために成されたものであり、圧縮手段の圧縮動力を低減して、成績係数の向上を図ると共に、圧縮手段から吐出された冷媒に混入したオイルを効果的に分離して圧縮手段に戻することができる冷凍装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の冷凍装置は、圧縮手段、放熱器、主絞り手段、蒸発器、補助絞り手段及び内部熱交換器とから冷凍サイクルが構成され、高圧側が超臨界圧力となると共に、放熱器から出た冷媒を冷媒分岐手段により第１及び第２の冷媒流に分岐させ、第１の冷媒流を内部熱交換器の第１の通路に流した後、主絞り手段から蒸発器に流し、第２の冷媒流を補助絞り手段から内部熱交換器の第２の通路に流し、内部熱交換器において第１の冷媒流と第２の冷媒流とを熱交換させ、蒸発器から出た冷媒を圧縮手段の低圧部に吸い込ませ、内部熱交換器の第２の通路から出た冷媒を圧縮手段の中間圧部に吸い込ませるものであって、圧縮手段から吐出されて放熱器に流入する冷媒からオイルを分離するオイル分離手段を設け、このオイル分離手段で分離されたオイルを補助絞り手段の入口側に設けられた合流手段にて当該補助絞り手段に流入する第２の冷媒流に合流させたことを特徴とする。
【０００９】
請求項２の発明の冷凍装置は、上記発明においてオイル分離手段で分離されたオイルを冷却するためのオイル用放熱器を設けたことを特徴とする。
【００１０】
請求項３の発明の冷凍装置は、請求項２の発明においてオイル分離手段にてオイルを多く含む冷媒を分離し、このオイルを多く含む冷媒をオイル用放熱器に流入させることを特徴とする。
【００１１】
請求項４の発明の冷凍装置は、請求項２又は請求項３の発明においてオイル分離手段、及び／又は、オイル用放熱器を放熱器に一体に構成したことを特徴とする。
【００１２】
請求項５の発明は、請求項２乃至請求項４の何れかに記載の冷凍装置の発明においてオイル用放熱器の出口側に絞り手段を設けたことを特徴とする。
【００１３】
請求項６の発明の冷凍装置は、上記各発明において冷媒分岐手段と合流手段との間に絞り手段を設けたことを特徴とする。
【００１４】
請求項７の発明は、請求項１乃至請求項５の何れかに記載の冷凍装置の発明において冷媒分岐手段と合流手段とを一体に構成したことを特徴とする。
【００１５】
請求項８の発明の冷凍装置は、上記各発明において圧縮手段は、当該圧縮手段を構成する駆動手段と共に密閉容器内に収納された低段側圧縮手段及び高段側圧縮手段とから構成され、低段側圧縮手段は前記蒸発器から出た冷媒を吸い込んで圧縮し、密閉容器内に吐出し、内部熱交換器の第２の通路から出た冷媒及びオイルは密閉容器内に流入すると共に、高段側圧縮手段は、この密閉容器内の中間圧の冷媒を吸い込んで圧縮し、オイル分離手段に吐出することを特徴とする。
【００１６】
請求項９の発明の冷凍装置は、請求項８の発明において密閉容器内から高段側圧縮手段に吸い込まれる冷媒の温度に基づいて補助絞り手段の開度を制御することを特徴とする。
【００１７】
請求項１０の発明は、請求項１乃至請求項７の何れかに記載の冷凍装置の発明において圧縮手段は、当該圧縮手段を構成する駆動手段と共に密閉容器内に収納された低段側圧縮手段及び高段側圧縮手段とから構成され、低段側圧縮手段は蒸発器から出た冷媒を吸い込んで圧縮し、内部熱交換器の第２の通路から出た冷媒及びオイルと合流させた後、密閉容器内に流入させると共に、高段側圧縮手段は、この密閉容器内の中間圧の冷媒を吸い込んで圧縮し、オイル分離手段に吐出することを特徴とする。
【００１８】
請求項１１の発明の冷凍装置は、請求項１０の発明において密閉容器内に流入する冷媒の温度に基づいて補助絞り手段の開度を制御することを特徴とする。
【００１９】
請求項１２の発明の冷凍装置は、上記各発明において冷媒として二酸化炭素を用いることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、圧縮手段、放熱器、主絞り手段、蒸発器、補助絞り手段及び内部熱交換器とから冷凍サイクルが構成され、高圧側が超臨界圧力となると共に、放熱器から出た冷媒を冷媒分岐手段により第１及び第２の冷媒流に分岐させ、第１の冷媒流を内部熱交換器の第１の通路に流した後、主絞り手段から蒸発器に流し、第２の冷媒流を補助絞り手段から内部熱交換器の第２の通路に流し、内部熱交換器において第１の冷媒流と第２の冷媒流とを熱交換させ、蒸発器から出た冷媒を圧縮手段の低圧部に吸い込ませ、内部熱交換器の第２の通路から出た冷媒を圧縮手段の中間圧部に吸い込ませる冷凍装置において、圧縮手段から吐出されて放熱器に流入する冷媒からオイルを分離するオイル分離手段を設け、このオイル分離手段で分離されたオイルを補助絞り手段の入口側に設けられた合流手段にて当該補助絞り手段に流入する第２の冷媒流に合流させたので、オイルと冷媒の溶解状態が安定している放熱器で冷却される前の吐出温度の領域でオイルを分離することができる。
【００２１】
これにより、オイル分離手段にて円滑にオイルを分離することができるようになり、圧縮手段のオイル不足及び冷凍サイクル内にオイルが寝込む不都合を解消することができる。
【００２２】
更に、オイル分離手段で分離されたオイルを補助絞り手段の入口側に設けられた合流器にて当該補助絞り手段に流入する第２の冷媒流に合流させるようにしているので、格別なオイル戻し経路を設けることなく、オイル分離手段で分離されたオイルを第２の冷媒流と共に圧縮手段の中間圧部に戻すことができる。
【００２３】
請求項２の発明の冷凍装置では、上記発明においてオイル分離手段で分離されたオイルを冷却するためのオイル用放熱器を設けたことで、オイル分離手段で分離されたオイルを充分冷却することができる。これにより、圧縮手段の冷却できるようになると共に、オイルの劣化を抑制できる。
【００２４】
請求項３の発明の冷凍装置では、請求項２の発明においてオイル分離手段にてオイルを多く含む冷媒を分離し、このオイルを多く含む冷媒をオイル用放熱器に流入させることで、内部熱交換器の第２の通路を流れる冷媒量が多くなり、第１の通路を流れる第１の冷媒流をより一層冷却できる。
【００２５】
請求項４の発明の冷凍装置では、請求項２又は請求項３の発明においてオイル分離手段、及び／又は、オイル用放熱器を放熱器に一体に構成したので、部品点数の削減を図ることができる。また、オイル冷却性能も向上できる。
【００２６】
請求項５の発明では、請求項２乃至請求項４の何れかに記載の冷凍装置の発明においてオイル用放熱器の出口側に絞り手段を設けたので、冷媒分岐手段からの第２の冷媒流とオイル用放熱器からのオイルの圧力差を少なくして、オイルが流れ過ぎることより、第２の冷媒流が減少して、内部熱交換器における冷却能力が低下する不都合を解消できる。
【００２７】
請求項６の発明の冷凍装置では、上記各発明において冷媒分岐手段と合流手段との間に絞り手段を設けたので、合流手段の圧力をオイル分離手段に比べて十分下げることが可能となる。これにより、放熱器の圧力損失が小さく、或いは、圧縮手段が低回転状態でオイル分離手段と合流手段との間の圧力差がオイルを合流手段に移動させる程十分でない場合であっても、オイル分離手段にて分離されたオイルを確実に合流手段に導くことが可能となる。
【００２８】
請求項７の発明では、請求項１乃至請求項５の何れかに記載の冷凍装置の発明において冷媒分岐手段と合流手段とを一体に構成したので、部品点数を削減できる。
【００２９】
請求項８の発明では、上記各発明において圧縮手段は、当該圧縮手段を構成する駆動手段と共に密閉容器内に収納された低段側圧縮手段及び高段側圧縮手段とから構成され、低段側圧縮手段は前記蒸発器から出た冷媒を吸い込んで圧縮し、密閉容器内に吐出し、内部熱交換器の第２の通路から出た冷媒及びオイルは密閉容器内に流入すると共に、高段側圧縮手段は、この密閉容器内の中間圧の冷媒を吸い込んで圧縮し、オイル分離手段に吐出する。低段圧縮手段にて圧縮された冷媒は内部熱交換器の第２の通路から出て密閉容器内に流入する冷媒と混合し、冷却される。このとき、内部熱交換器の第２の通路からの冷媒はガス化し、オイルのみが分離される。これにより、当該オイルを密閉容器内のオイル溜まりに戻すことができる。
【００３０】
冷却された密閉容器内の冷媒は高段側圧縮手段により圧縮されるが、高段側圧縮手段は係る冷却された冷媒ガスを吸い込むため、当該高圧側圧縮手段での圧縮後の吐出冷媒温度は第２の冷媒流が無い場合に比べて大幅に低下させることが可能となる。これにより、圧縮手段から外部に吐出されるオイル劣化の防止が可能となる。
【００３１】
請求項９の発明の冷凍装置では、請求項８の発明において密閉容器内から高段側圧縮手段に吸い込まれる冷媒の温度に基づいて補助絞り手段の開度を制御すれば、密閉容器内の駆動手段を冷却して高段側圧縮手段に吸い込まれる中間圧の冷媒温度を、密閉容器内に戻される第２の冷媒流の量によって適切に制御することができる。
【００３２】
請求項１０の発明では、請求項１乃至請求項７の何れかに記載の冷凍装置の発明において圧縮手段は、当該圧縮手段を構成する駆動手段と共に密閉容器内に収納された低段側圧縮手段及び高段側圧縮手段とから構成され、低段側圧縮手段は蒸発器から出た冷媒を吸い込んで圧縮し、内部熱交換器の第２の通路から出た冷媒及びオイルと合流させた後、密閉容器内に流入させると共に、高段側圧縮手段は、この密閉容器内の中間圧の冷媒を吸い込んで圧縮し、オイル分離手段に吐出するようにすれば、第２の通路から出た冷媒は密閉容器に入る前に低段側圧縮手段から吐出された冷媒と合流して蒸発し、その後、密閉容器内に入ってオイルと分離されるようになる。これにより、低段側圧縮手段からの中間圧の吐出冷媒を冷却し、且つ、第２の通路からの冷媒のガス化を図り、オイルも円滑に密閉容器のオイル溜まりに戻されるようになる。
【００３３】
請求項１１の発明の冷凍装置では、請求項１０の発明において密閉容器内に流入する冷媒の温度に基づいて補助絞り手段の開度を制御すれば、密閉容器に流入して駆動手段を冷却する中間圧の冷媒温度を、密閉容器に戻される第２の冷媒流によって適切に制御することができるようになる。
【００３４】
また、請求項１２の如く上記各発明において高圧側が超臨界圧力となる二酸化炭素冷媒を用いた場合であっても、冷媒中からオイルを分離して、圧縮手段に戻すことが可能となる。これにより、二酸化炭素冷媒を用いた冷凍装置の性能及び信頼性の向上を図ることができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、図面に基づき本発明の冷凍装置の実施形態を詳述する。
【実施例１】
【００３６】
図１は本発明の一実施例の冷凍装置の冷凍回路図、図２は図１の冷凍サイクルの一部を構成する圧縮機１の概略図をそれぞれ示している。本発明の冷凍装置は、圧縮機（圧縮手段）１、放熱器２、主膨張弁（主絞り手段）３、蒸発器４、補助膨張弁（補助絞り手段）５及び内部熱交換器６とから冷媒サイクルが構成されている。圧縮機１は、横型の密閉容器１６内に駆動手段としての電動要素１７と、この電動要素１７の回転軸５０にて駆動される低段側圧縮手段としての第１の圧縮要素１８と、高段側圧縮手段としての第２の圧縮要素１９を収納して成る圧縮手段である。そして、電動要素１７は回転軸５０の一端側に設けられ、第１及び第２の圧縮要素１８、１９は回転軸５０の他端側に設けられている。また、回転軸５０の他端にはオイルポンプ５２が設けられており、当該オイルポンプ５２の吸込口は密閉容器１６（密閉容器１６のオイルポンプ５２側）の底部に形成されたオイル溜めにて開口している。このオイルポンプ５２により、オイル溜め内に貯溜されたオイルを吸込口から吸入し、第１及び第２の圧縮要素１８、１９の摺動部等に供給されている。
【００３７】
前記第１の圧縮要素１８の吸込側には、冷媒導入管８０の一端が接続されており、ここから低段側となる第１の圧縮要素１８内に低温低圧の冷媒ガスが導入される。当該冷媒導入管８０の他端は圧縮機１外部の蒸発器４の出口に接続される。また、第１の圧縮要素１８の吐出側には、冷媒導入管８２の一端が接続される。この冷媒導入管８２は密閉容器１６の外部に延出し、他端は密閉容器１６内（オイルポンプ５２側の密閉容器１６内）に連通接続される。また、冷媒導入管８２の途中部２２には後述する冷媒配管９０が接続される。
【００３８】
前記第２の圧縮要素１９の吐出側には、冷媒吐出管８４の一端が接続されており、当該冷媒吐出管８４から高段側となる第２の圧縮要素１９にて圧縮された高温高圧の冷媒ガスが圧縮機１の外部に吐出される。また、冷媒吐出管８４の他端はオイル分離器１０の入口１０３に接続される。即ち、圧縮機１は、第１の圧縮要素１８にて蒸発器４から出た冷媒を吸い込んで圧縮し、冷媒導入管８２から密閉容器１６の一旦外部に吐出して、後述する内部熱交換器６の第２の通路６Ｂから出た冷媒及びオイルと途中部２２にて合流させた後、密閉容器１６内に流入させると共に、第２の圧縮要素１９にて密閉容器１６内の中間圧の冷媒を吸い込んで圧縮し、オイル分離器１０に吐出する構成とされている。
【００３９】
前記オイル分離器１０は圧縮機１から吐出されて放熱器２に流入する冷媒からオイルを分離するためのオイル分離手段である。当該オイル分離器１０は、図３に示すように冷媒から遠心分離によりオイルを分離するための装置である。
【００４０】
ここで、図３を用いてオイル分離器１０について説明する。図３において矢印は当該オイル分離器１０における冷媒ガス及びオイルの流れを示している。このオイル分離器１０は、オイル分離空間１０２を有する縦長円筒状の本体１０１にて構成されている。この本体１０１の側面には、オイル分離空間１０２と連通する入口１０３が形成されている。この入口１０３は、オイル分離空間１０２の軸心方向の中心からずれた位置で、内壁面に沿って形成されている。そして、この入口１０３には前記冷媒吐出管８４の他端が連通接続される。
【００４１】
また、本体１０１の上面の軸方向の略中心には、オイル分離空間１０２と連通する冷媒出口１０４が形成されており、当該冷媒出口１０４には冷媒配管８６が挿入接続される。当該冷媒配管８６は、冷媒出口１０４の径と略同一の大きさで、オイル分離空間１０２内で下方に向かって開口（開口部８６Ａ）している。また、オイル分離空間１０２の内壁面と当該オイル分離空間１０２内に挿入された冷媒配管８６の外壁面の間には隙間が形成される。本体１０１の底面には、同様にオイル分離空間１０２と連通するオイル出口１０５が形成されている。
【００４２】
そして、オイル分離器１０の入口１０３から圧縮機１にて圧縮されたオイルを含む高温高圧の冷媒がオイル分離空間１０２内の内壁面に向かって吐出され、当該オイル分離空間１０２で遠心分離され、分離された冷媒はオイル分離空間１０２内の開口部８６Ａから冷媒配管８６に流入し、オイル分離器１０外部に吐出される。また、冷媒から分離されたオイルはオイル出口１０５に連通接続されたオイル配管９２から外部に吐出される構成とされている。
【００４３】
そして、オイル分離器１０の冷媒出口１０４に接続された冷媒配管８６は放熱器２の入口に接続される。また、オイル分離器１０のオイル出口１０５に接続されたオイル配管９２はオイル用放熱器１２の入口に接続される。このオイル用放熱器１２はオイル分離器１０で分離されたオイルを冷却するための放熱器であり、本実施例のオイル用放熱器１２は放熱器２と一体に構成される。
【００４４】
一方、放熱器２から出た冷媒配管８７は分岐器７の入口に接続される。当該分岐器７は放熱器２から出た冷媒を第１及び第２の冷媒流に分岐するための冷媒分岐手段であり、当該分岐器７の一方の出口には第１の冷媒流のための第１の冷媒配管８が接続され、他方の出口には第２の冷媒流のための第２の冷媒配管９が接続される。
【００４５】
そして、第１の冷媒配管８は内部熱交換器６の第１の通路６Ａに接続される。内部熱交換器６は放熱器２から出て分岐器７にて分岐され、第１の冷媒配管８を流れる高温高圧の第１の冷媒流と、同分岐器７にて分岐され、補助膨張弁５にて減圧された第２の冷媒流とを熱交換するためのものであり、当該第１の通路６Ａと第２の通路６Ｂが熱交換可能に配設されている。そして、当該内部熱交換器６の第１の通路６Ａを第１の冷媒流が流れ、第２の通路６Ｂを第２の冷媒流が流れる。また、当該内部熱交換器６一端には第１の通路６Ａの入口及び第２の通路６Ｂの出口がそれぞれ形成され、内部熱交換器６の他端には第２の通路６Ｂの入口と第１の通路６Ａの出口がそれぞれ形成されている。即ち、内部熱交換器６において、第１の通路６Ａを流れる第１の冷媒流と第２の通路６Ｂを流れる第２の冷媒流は対向流となる。
【００４６】
内部熱交換器６の他端に形成された第１の通路６Ａの出口は主膨張弁３に接続される。この主膨張弁３は、第１の冷媒流を減圧するための主絞り手段である。そして、主膨張弁３から出た冷媒配管８９は蒸発器４の入口に接続され、蒸発器４の出口には前記冷媒導入管８０が接続されている。
【００４７】
他方、前記オイル用放熱器１２から出た配管は合流器１１に接続される。また、前記第２の冷媒配管９も合流器１１に接続される。当該合流器１１は、オイル用放熱器１２にて冷却されたオイルと、分岐器７にて分岐された第２の冷媒流とを合流させるためのものであり、当該合流器１１には上記２つの入口（オイル用放熱器１２から出た配管が接続される入口と、第２の冷媒配管９が接続される入口）と１つの出口が形成されている。即ち、この合流器１１にて、オイル用放熱器１２にて冷却されたオイルと分離器７にて分岐された第２の冷媒流とが合流する。そして、合流器１１の出口に接続された配管は、補助膨張弁５に接続される。当該補助膨張弁５は合流器１１にて合流された第２の冷媒流とオイルとを減圧するための補助絞り手段である。
【００４８】
そして、補助膨張弁５の出口は内部熱交換器６の他端に形成された第２の通路６Ｂの入口に接続され、内部熱交換器６の一端に形成された第２の通路６Ｂの出口に接続された冷媒配管９０は、前記冷媒導入管８２の途中部２２に接続される。
【００４９】
また、冷媒導入管８２の上記冷媒配管９０が接続された途中部２２より下流側には当該冷媒導入管８２内を通過して、密閉容器１６に流入する第２の冷媒流及びオイルの温度を検出するための温度センサ２１が設置されている。当該温度センサ２１は当該冷凍装置の制御を司る図示しない制御手段に接続される。制御手段は、当該温度センサ２１にて検出される冷媒（冷媒及びオイル）温度に基づいて、前記補助膨張弁５の開度を制御している。
【００５０】
以上の構成で次に図４のｐ−ｈ線図（モリエル線図）を参照しながら本実施例の冷凍装置の動作を説明する。図示しない制御手段により圧縮機１の電動要素１７が駆動されると、冷媒導入管８０から第１の圧縮要素１８の低圧室側に蒸発器４から出た低温低圧（図４のＡの状態）の冷媒が吸い込まれて圧縮される。これにより、当該第１の圧縮要素１８で圧縮されて中間圧となった冷媒が高圧室側より冷媒導入管８２に吐出される（図４のＢの状態）。冷媒導入管８２に吐出された中間圧の冷媒ガスは密閉容器１６から一旦出て、当該冷媒導入管８２の途中部２２にて冷媒配管９０からの内部熱交換器６の第２の通路６Ｂから出た第２の冷媒流及びオイルと合流する。このとき、第１の圧縮要素１８からの冷媒は冷媒配管９０からの第２の冷媒及びオイルにより冷媒の温度が下げられる（図４のＣの状態）。
【００５１】
その後、合流した冷媒及びオイルはオイルポンプ５２側から密閉容器１６内に流入する。これにより、密閉容器１６内は中間圧となる。ここで、第１の圧縮要素１８で圧縮された中間圧の冷媒ガスを一旦密閉容器１６外部に吐出して、内部熱交換器６から出た第２の冷媒流及びオイルと合流させることで、上記の如く冷媒の温度を下げることができる。これにより、当該温度の下がった冷媒を密閉容器１６内に戻すことで、運転により過熱した圧縮機１、特に、電動要素１７を冷却することができる。
【００５２】
また、密閉容器１６内に吐出された中間圧の冷媒は第２の圧縮要素１９の低圧室側に吸い込まれて圧縮され、高温高圧の冷媒ガスとなり、高圧室側から冷媒吐出管８４に入り、圧縮機１の外部に吐出される。このとき、冷媒は適切な超臨界圧力まで圧縮されている（図４のＤの状態）。
【００５３】
また、冷媒吐出管８４から吐出された冷媒ガス中には、圧縮機１の第２の圧縮要素１９の摺動部に供給されていたオイルが混入されている。そして、当該冷媒ガス及びオイルはオイル分離器１０の本体１０１の一側面に形成された入口１０３からオイル分離空間１０２内の内壁面に沿って吐出される。このとき、冷媒ガス及びオイルを入口１０３からオイル分離空間１０２内の内壁面に沿って吐出させることで、冷媒ガス及び当該冷媒ガス中に混入したオイルは、吐出時の勢いにより、図３に矢印で示す如く冷媒配管８６の外壁面とオイル分離空間１０２の内壁面との間に形成された隙間を螺旋状に周りながらオイル分離空間１０２を降下していく。
【００５４】
この過程で、冷媒ガス中に混入したオイルが冷媒ガスから遠心分離され、オイル分離空間１０２の内壁面及び冷媒配管８６の外壁面に付着し、当該壁面を伝わって、オイル分離空間１０２の底面に形成されたオイル出口１０５に至り、そこからオイル配管９２に入り、オイル分離器１０から出て放熱器２と一体に形成されたオイル用放熱器１２に流入する。
【００５５】
このように、圧縮機１で圧縮された冷媒ガス中に混入したオイルをオイル分離器１０にて遠心分離することで、冷媒ガス中に混入したオイルを分離することができる。
【００５６】
一方、オイル分離器１０にてオイルと分離した冷媒はオイル分離空間１０２内に設けられた冷媒配管８６の開口部８６Ａから当該冷媒配管８６内に入り、オイル分離器１０を出て、放熱器２に流入する。放熱器２に流入した冷媒は当該放熱器２において空冷或いは水冷方式により冷却される（図４のＥの状態）。また、当該放熱器２と一体に形成されたオイル用放熱器１２に流入したオイルも当該オイル放熱器１２を通過する過程で冷媒同様に空冷或いは水冷方式により冷却された後（同じく図４のＥの状態）、オイル用放熱器１２を出て合流器１１に入る。
【００５７】
放熱器２にて冷却された冷媒は冷媒配管８７を介して分岐器７に吐出され、ここで第１の冷媒流と第２の冷媒流に分岐される。そして、第１の冷媒流は当該分岐器７の一方の出口に接続された第１の冷媒配管８を経て、内部熱交換器６の一端側に形成された第１の通路６Ａの入口から当該内部熱交換器６内に入る。そして、高圧側の第１の冷媒流は内部熱交換器６の第１の通路６Ａを通過する過程で、当該第１の通路６Ａと交熱的に設けられた第２の通路６Ｂを流れる低圧側の第２の冷媒流（第２の冷媒流及びオイル）に熱を奪われる（図４のＦの状態）。これにより、第１の通路６Ａを流れる高圧側の第１の冷媒流の冷媒ガスを冷却して、蒸発器４入口における冷媒の比エンタルピを小さくすることができる。これにより、冷凍効果を増大させることができるようになる。
【００５８】
内部熱交換器６にて冷却された第１の通路６Ａの第１の冷媒流は、他端から内部熱交換器６を出て主膨張弁３に至る。尚、当該主膨張弁３の入口では第１の冷媒流はまだ超臨界のままである。そして、主膨張弁３における圧力低下により、ガスと液体の二相混合状態とされ（図４のＧの状態）、この状態で蒸発器４に流入する。ここで、第１の冷媒流は周囲の空気と熱交換して蒸発し、このときの吸熱効果により周囲の空気を冷却する。
【００５９】
また、蒸発器４にて蒸発した第１の冷媒流は（図４のＡの状態）、冷媒導入管８０から圧縮機１の低段側となる第１の圧縮要素１８に吸い込まれるサイクルを繰り返す。
【００６０】
一方、分岐器７において分岐された第２の冷媒流は当該分岐器７の他方の出口に接続された第２の冷媒配管９を経て合流器１１に至る。そして、当該合流器１１にて第２の冷媒配管９からの第２の冷媒流とオイル放熱器１２にて冷却されたオイルとが合流する。合流した第２の冷媒流とオイルは当該合流器１１の出口に接続された配管を介して、補助膨張弁５に至る。尚、補助膨張弁５の入口では第２の冷媒流はまだ超臨界の状態であり、当該補助膨張弁５を通過する過程で圧力低下して、ガス／気体の二相混合状態となる（図４のＨの状態）。そして、補助膨張弁５にて圧力低下した第２の冷媒流及びオイルは、内部熱交換器６の他端に形成された第２の通路６Ｂの入口から当該内部熱交換器６内に流入して、膨張する。このとき、第２の冷媒流は、第１の通路６Ａを流れる冷媒から熱を奪って蒸発する。このように、内部熱交換器６にて第１の通路６Ａを流れる高圧側の冷媒と熱交換させることで、当該第２の冷媒流を蒸発させることができる。そして、蒸発した低圧側の第２の冷媒流及びオイルは、一端の出口から内部熱交換器６を出て、冷媒配管９０を介して、冷媒導入管８２の途中部２２にて当該冷媒導入管８２内を流れる中間圧の冷媒と合流して（図４のＣの状態）、密閉容器１６内に流入する。密閉容器１６内に流入したオイルは冷媒から分離して当該密閉容器１６内底部に形成されたオイル溜めに戻る。これにより、オイル分離器１０にて分離されたオイルを冷却した後、密閉容器１６内に戻すことができるようになる。
【００６１】
特に、当該オイル分離器１０を放熱器２に入る前に設けることで、冷媒ガス中に混入したオイルを効果的に分離することができる。即ち、本実施例の如く、二酸化炭素冷媒を使用して高圧側が超臨界圧力となる冷凍装置では、放熱器２にて冷却した後でオイルを分離すると、放熱器２にて冷却した冷媒は冷媒とオイルが不安定な溶解状態である疑似臨界状態にあるため、条件によって冷媒からオイルを円滑に分離することができない。このように、冷媒からオイルを分離することが困難であるため、圧縮機１にオイルを戻すことができず、圧縮機１内のオイル量が減少して、オイル不足に陥る恐れがある。
【００６２】
加えて、オイルが冷媒サイクル内に循環されることとなり、冷媒サイクル内でオイルが寝込んで、冷媒の良好な流れを阻害したり、圧力損失の発生する問題が生じて、冷凍装置の性能の低下を招く恐れがあった。
【００６３】
他方、圧縮機１の吐出部分でオイルを分離して直接密閉容器に戻すと、高圧でオイルを戻すこととなるため、固定式の絞り機構では回転数変動や高圧の変動に帰因して生じる差圧の変動に対処できない。また、図１５に示すようにオイルの温度も高い温度で戻るため、圧縮機１の密閉容器１６や電動要素１７の温度上昇を招き、効率の低下やオイルの劣化を引き起こす恐れがあった。また、冷媒サイクル全体の温度も高くなって、冷凍能力が著しく低下する問題が生じていた。特に、本実施例のように二酸化炭素などの冷媒を使用して、高圧側が高圧となる場合には上記問題が著しくなっていた。
【００６４】
しかしながら、本発明では圧縮機１から吐出されて放熱器２に流入するオイルを分離するオイル分離器１０を設けたので、放熱器２で冷却される前の吐出温度の領域でオイルを分離することができる。この場合、吐出温度の領域ではオイルと冷媒の溶解状態は安定しているので、オイル中にとけ込んでいる冷媒量は少ないため、遠心分離に適しており、当該オイル分離器１０にて円滑にオイルを分離することができる。これにより、複雑なオイル分離器を設けることなく、簡単な構造の遠心分離装置にてオイルを円滑に分離できる。
【００６５】
また、オイル分離器１０にて分離されたオイルを補助膨張弁５の入口側に設けられた合流器１１にて補助膨張弁５に流入する第２の冷媒流に合流させることで、オイル分離器１０にて分離されたオイルを第２の冷媒流と共に圧縮機１の密閉容器１６内に戻すことができる。これにより、格別なオイル戻し用の経路を用いることなく容易にオイルを圧縮機１の密閉容器１６内に戻すことができる。
【００６６】
更に、この場合、オイルは第２の冷媒流と共に補助膨張弁５にて圧力低下された状態で圧縮機１に戻るので、従来のような圧力差の問題も解消できると共に、オイルはオイル用放熱器１２での冷却効果に加えて、第２の冷媒流により温度低下されるため、オイル戻しにより圧縮機１の温度上昇して電動要素１７や各圧縮要素１８、１９に損傷を来す不都合やオイル劣化などの問題も解消できる。更に、本発明により従来のような圧力差による格別なオイルの流量調整絞り機構を設けることなく、オイルを容易に圧縮機１に戻すことが可能となる。
【００６７】
また、分岐された第２の冷媒流を圧縮機１の中間圧部である密閉容器１６内に戻すことで、密閉容器１６内の冷媒温度が低下し、第２の圧縮要素１９から吸い込まれる冷媒の比エンタルピを減少することができる。その結果、冷凍装置の効率を向上させることが可能となる。
【００６８】
更に、オイル用放熱器１２を設けることで、分離したオイルを充分冷却した後に、合流器１１にて第２の冷媒流と合流させることで、第２の冷媒流の膨張による冷却作用に悪影響を及ぼす不都合も回避できる。更にまた、オイル用放熱器１２を放熱器２と一体に構成することで、部品点数の削減を図ることができ、且つ、放熱面積の大きい放熱器２と一体形成することにより、設置スペースの拡大する不都合が生じることなく、オイル冷却性能を向上させることができる。
【００６９】
尚、前記補助膨張弁５は、冷媒導入管８２に設けられた温度センサ２１にて検出される第２の冷媒流の温度に基づいて、制御手段によって開度が制御されている。即ち、温度センサ２１にて検出される冷媒の温度が予め設定された所定の温度より高い場合には、補助膨張弁５の開度が増大（絞りが縮小）される。これにより、第２の冷媒流の流量が増大する。即ち、冷媒導入管８２の途中部２２にて第１の圧縮要素１８にて圧縮された冷媒と合流する第２の冷媒流の量が多くなるため、密閉容器１６内に流入する冷媒温度をより下げることができる。
【００７０】
他方、温度センサ２１にて検出される冷媒の温度が予め設定された所定の温度より低い場合には、補助膨張弁５の開度が減少（絞りが拡大）される。これにより、第２の冷媒流の流量が減少する。即ち、冷媒導入管８２の途中部２２にて第１の圧縮要素１８にて圧縮された冷媒と合流する第２の冷媒流の量が減少するため、密閉容器１６内に流入する冷媒温度を上げることができる。このように、温度センサ２１にて検出される冷媒温度に基づき、補助膨張弁５の絞りを制御することで、密閉容器１６内に戻される第２の冷媒流の量により、密閉容器１６に流入して電動要素１７を冷却する中間圧の冷媒の温度を適切に制御することができる。
【００７１】
以上詳述する如く、本発明の冷凍装置により、圧縮機１の圧縮動力を低減して、成績係数の向上を図ると共に、圧縮機１から吐出された冷媒に混入したオイルを効果的に分離することができる。これにより、冷凍装置の性能の向上と信頼性の回復、特に、二酸化炭素冷媒を用いた冷凍装置の性能及び信頼性の向上を図ることができる。
【実施例２】
【００７２】
尚、本発明の冷凍装置に使用するオイル分離手段は、上記実施例１に示すオイル分離器１０に限定されるものでなく、オイル分離可能なものであればどのようなものであっても構わない。この場合、図５に示すようなオイル分離器１１０を用いることも可能である。図５は、他の実施例のオイル分離手段としてのオイル分離器１１０を示す図である。図５において、当該オイル分離器１１０も上記実施例と同様に遠心分離により冷媒とオイルを分離するための装置である。尚、図５に示す矢印は、冷媒及びオイルの流れを示している。当該オイル分離器１１０は、横長円筒状を呈する本体１１１内にオイル分離空間１１２が構成され、当該本体１１１の一端にはオイル分離空間１１２と連通する横長円筒状の入口部１１３が形成され、当該入口部１１３の先端開口１１３Ａには前記冷媒吐出管８４の他端が連通接続される。
【００７３】
また、入口部１１３の内壁面には螺旋状のパドルが形成され、冷媒吐出管８４から当該入口部１１３に入る冷媒及び当該冷媒に混入したオイルが、当該パドルにより旋回流を作るように構成されている。また、本体１１１の他端にはオイル分離空間１１２と連通する冷媒出口１１４が形成され、本体１１１の底面には、同様にオイル分離空間１１２と連通するオイル出口１１５が形成される。
【００７４】
そして、オイル分離器１１０の冷媒出口１１４に接続された冷媒配管８６は放熱器２の入口に接続される。また、オイル出口１１５に接続されたオイル配管９２は前記実施例と同様にオイル用放熱器１２の入口に接続される。
【００７５】
ここで、オイル分離器１１０における冷媒及びオイルの流れを説明をする。尚、本実施例において、前記実施例と同様の符号が付されているものは同様、或いは、類似の効果を奏するものであり、説明を省略する。先ず、第２の圧縮要素１９にて圧縮され高温高圧となった超臨界状態の冷媒は、冷媒吐出管８４から当該入口部１１３の先端開口１１３Ａからオイル分離器１１０に流入する。冷媒ガス及び当該冷媒ガス中に混入したオイルは当該入口部１１３のパドルにより旋回流とされ、この状態で、本体１１１内に流入する。このとき、オイル分離空間１１２内に吐出された旋回流の冷媒及びオイルは、当該オイル分離空間１１２内を螺旋状に旋回しながら、冷媒出口１１４側へと進む。
【００７６】
この過程で、冷媒ガス中に混入したオイルが冷媒ガスから遠心分離され、オイル分離空間１０２の壁面に付着し、この壁面を伝わって、底面に形成されたオイル出口１１５に至り、そこから前記実施例と同様にオイル配管９２に入る。
【００７７】
他方、オイルが分離された冷媒ガスは、冷媒出口１１４から冷媒配管８６に入り、オイル分離器１１０から吐出される。このように、本実施例のオイル分離器１１０を用いても上記実施例と同様に冷媒ガス中のオイルを効果的に分離することができる。
【実施例３】
【００７８】
尚、上記実施例１では、放熱器２の構造については具体的に説明しなかったが、実施例１の放熱器２は、放熱器２とオイル用放熱器１２とが一体に形成されたものであれば、どのようなものであっても構わない。また、上記実施例の構造に限らず、オイル分離手段（オイル分離器）及びオイル用放熱器を放熱器と一体に形成しても良い。この場合の放熱器を図６及び図７を用いて説明する。図６は、本実施例の放熱器を示す外観図、図７は図６の放熱器の内部構成図をそれぞれ示している。
【００７９】
本実施例の放熱器１２０は、ヘッダー（入口ヘッダー１２１及び出口ヘッダー１２２）と図示しない複数のマイクロチューブから構成されるマイクロチューブ型の熱交換器である。また、当該放熱器１２０にはオイル分離手段としてのオイル分離器１３０が一体に形成されている。
【００８０】
即ち、放熱器１２０は、図示しない複数のフィンに取り付けられた複数のマイクロチューブと、これらマイクロチューブの一端に形成され、各マイクロチューブに冷媒を分流する入口ヘッダー１２１と、各マイクロチューブを通過した冷媒を合流させるための出口ヘッダー１２２と、この入口ヘッダー１２１のマイクロチューブとは反対側に設置されたオイル分離器１３０と、マイクロチューブの下側に設けられたオイル用分離器１４０とから構成される。このオイル用放熱器１４０は、放熱器１２０のマイクロチューブに取り付けられた複数のフィンと当接して配設されたオイル用の通路１４１から構成されている。尚、図６及び図７において、上記各実施例と同一の符号が付されたものは同一、或いは類似の効果を奏するものとして説明を省略する。
【００８１】
次に、図６及び図７を用いて本実施例の放熱器１２０における冷媒及びオイルの流れについて説明する。先ず、圧縮機１にて圧縮され高温高圧となった冷媒が、冷媒吐出管８４から吐出され、放熱器１２０と一体に形成されたオイル分離器１３０の本体１０１の一側面に形成された入口１０３からオイル分離空間１０２内の壁面に向かって吐出される。このとき、オイル分離空間１０２内に吐出された冷媒及び当該冷媒ガス中に混入したオイルは、吐出時の勢いにより、図７に矢印で示す如く冷媒配管８６の外壁面とオイル分離空間１０２の内壁面との間に形成された隙間を螺旋状に周りながらオイル分離空間１０２を降下していく。
【００８２】
この過程で、冷媒ガス中に混入したオイルが冷媒ガスから遠心分離され、オイル分離空間１０２の内壁面及び冷媒配管８６の外壁面に付着し、これら壁面を伝わって、オイル分離空間１０２の底面に形成されたオイル用放熱器１４０に流入する。一方、オイルが分離された冷媒はオイル分離空間１０２内に設けられた冷媒配管８６の開口部８６Ａから当該冷媒配管８６内に入り、オイル分離器１３０を出て上端側から入口ヘッダー１２１に流入する。
【００８３】
入口ヘッダー１２１に流入した冷媒ガスは、分流されて図示しない各マイクロチューブ内にそれぞれ入り、当該マイクロチューブ内を通過する過程で、空冷、或いは、水冷方式により冷却される。また、オイル用放熱器１４０に流入したオイルも同様に当該放熱器１２０のフィンと当接して設けられた配管１４１を通過する過程で、冷却される。その後、他端に接続されたオイル用配管９２から当該オイル用放熱器１４０を出て上記各実施例同様に合流器１１に入る。
【００８４】
また、各マイクロチューブを通過して冷却された冷媒は出口ヘッダー１２２にて各マイクロチューブを流れた冷媒と合流した後、当該出口ヘッダー１２２に接続された冷媒配管８７から放熱器１２０の外部に吐出される。
【００８５】
このように、オイル分離器１３０及びオイル用放熱器１４０を放熱器１２０と一体に構成することで、部品点数の削減をより一層図ることができる。
【実施例４】
【００８６】
尚、上記各実施例では、オイル分離手段（オイル分離器）にて冷媒ガスと、当該冷媒ガス中に混入したオイルとを分離するものとしたが、このようにオイルのみを分離するものに限らず、例えば、オイル分離器にて放熱器へ流入する冷媒からオイルを多く含んだ冷媒を分離して、当該オイルを多く含んだ冷媒をオイル用放熱器にて冷却して、前記第２の冷媒流と合流器にて合流させるものとしても構わない。図８は本実施例における放熱器１５０の一実施例の内部構成図である。尚、図８において、上記各実施例と同一の符号が付されているものは同一、或いは、類似の効果を奏するものとして説明を省略する。
【００８７】
この場合、オイル分離器１３０にて冷媒ガスと、オイルを多く含んだ冷媒とに分離されることとなるが、オイルを多く含んだ冷媒は、前記各実施例のようにオイルのみより量が多いため、オイル用放熱器１４０の容量を大きくする必要がある。従って、オイル用放熱器１４０のオイル用配管１４１の面積を大きくして、当該オイル用放熱器１４０を流れるオイルを多く含んだ冷媒がより放熱できるように構成する。一方、放熱器１２０に流れる冷媒量はその分少なくなるので、上記実施例のものより容量を小さくしても冷媒を充分に放熱できる。従って、本実施例では、図８に示すように、上記実施例よりも放熱器１２０の放熱面積を小さくし、オイル用放熱器１４０の放熱面積を大きくする。
【００８８】
これにより、オイル用放熱器１４０を流れるオイルを多く含む冷媒を効果的に冷却できる。この場合、オイル用放熱器１４０にて冷却されたオイルを多く含む冷媒は合流器１１にて第２の冷媒流と合流後、補助膨張弁５で絞られた後、内部熱交換器６を経由し、密閉容器１６内に流入する。このように、オイル分離器１３０により、厳密にオイルを冷媒と分離する必要がないことから、オイル分離器１３０の簡素化、低コスト化が可能となる。また、第２の通路６Ｂに流入する冷媒量が多くなるため、当該第２の通路６Ｂと交熱的に設けられた第１の通路６Ａを流れる第１の冷媒流をより一層冷却できる。また、圧縮機１の密閉容器１６内に戻される冷媒もより一層冷却できる。従って、本実施例により第１の冷媒流の冷却により一層寄与できると共に、圧縮機１に戻された後の圧縮機１の冷却にも寄与できるようになる。
【実施例５】
【００８９】
次に、本発明の冷凍装置の他の実施例について図９及び図１０を用いて説明する。図９は本発明の他の実施例の冷凍装置の冷媒回路図、図１０は図９の冷凍装置の圧縮機の内部構成図をそれぞれ示している。尚、図９及び図１０において、上記各図１乃至図８吐同一の符号が付されているものは同一、或いは、類似の効果を奏するものとして説明を省略する。
【００９０】
図９において、１４は分岐器７と合流器１１との間に設けられた絞り手段であり、この絞り手段としては、キャピラリチューブ等が使用される。当該キャピラリチューブ１４は合流器１１の圧力を下げて、オイル分離器１０にて分離されたオイルを合流器１１に導くために設けられた絞り手段である。即ち、放熱器２の圧力損失が小さく、或いは、圧縮機２００が低回転にて運転され、オイル分離器１０と合流器１１との間の圧力差がオイルを合流手段に移動させる程十分でない場合、オイルが円滑に合流器１１に流れない恐れがある。このため、本実施例の如く、分岐器７と合流器１１との間にキャピラリチューブ１４を設けて、合流器１１に入る第２の冷媒流の圧力を下げることで、オイル分離器１０と合流器１１との間にオイル分離器１０が高く、合流器１１が低い圧力差を構成することができるようになり、オイル分離器１０にて分離されたオイルを確実に合流器１１に導くことが可能となる。
【００９１】
ここで、前述した圧縮機２００は図１０に示すように、横型の密閉容器１６内に駆動手段としての電動要素１７と、この電動要素１７の回転軸５０にて駆動される低段側圧縮手段としての第１の圧縮要素１８と、高段側圧縮手段としての第２の圧縮要素１９を収納して成る圧縮手段である。そして、電動要素１７は回転軸５０の一端側に設けられ、第１及び第２の圧縮要素１８、１９は回転軸５０の他端側に設けられている。また、回転軸５０の他端にはオイルポンプ５２が設けられており、当該オイルポンプ５２の吸込口は密閉容器１６の底部に形成されたオイル溜めにて開口している。このオイルポンプ５２により、オイル溜め内に貯溜されたオイルを吸込口から吸入し、第１及び第２の圧縮要素１８、１９の摺動部等に供給できる。
【００９２】
第１の圧縮要素１８の吸込側には、冷媒導入管８０の一端が接続されており、ここから低段側となる第１の圧縮要素１８内に低温低圧の冷媒ガスが導入される。当該冷媒導入管８０の他端は圧縮機１外部の蒸発器４の出口に接続される。また、第１の圧縮要素１８の吐出側と密閉容器１６内の電動要素１７とは反対側のオイルポンプ５２側とは連通されている。即ち、第１の圧縮要素１８で圧縮された中間圧の冷媒は当該密閉容器１６内の電動要素１７とは反対側のオイルポンプ５２が設けられた側に吐出される。
【００９３】
また、当該密閉容器１６内のオイルポンプ５２側と電動要素１７側とは第１及び第２の圧縮要素１８を貫通する孔２０１にて連通されている。そして、第２の圧縮要素１９の吸込側には冷媒導入管８２の一端が接続される。この冷媒導入管８２は当該第２の圧縮要素１９の吸込側に接続された一端から密閉容器１６の外部を通過して、他端は電動要素１７付近にて当該密閉容器１６内と連通する。また、冷媒導入管８２の途中部には密閉容器１６から高段側である第２の圧縮要素１９に吸い込まれる中間圧の冷媒温度を検出するための温度センサ１２１が設けられている。当該温度センサ１２１は冷凍装置の制御を司る図示しない制御手段に接続される。制御手段は、当該温度センサ１２１にて検出される冷媒温度に基づいて、前記補助膨張弁５の開度を制御する。
【００９４】
また、９０は一端が内部熱交換器６の第２の通路６Ｂの出口に接続された冷媒配管であり、当該冷媒配管９０の他端は図１０に示すように密閉容器１６内のオイルポンプ５２側に連通している。そして、当該冷媒配管９０から内部熱交換器６の第２の通路６Ｂにて蒸発した第２の冷媒流及びオイルが圧縮機１の中間圧部である密閉容器１６内に流入される。
【００９５】
以上の構成で本実施例の冷凍装置の動作を説明する。図示しない制御手段により圧縮機２００の電動要素１７が駆動されると、冷媒導入管８０から第１の圧縮要素１８の低圧室側に蒸発器４から出た低温低圧の冷媒が吸い込まれて圧縮される。これにより、当該第１の圧縮要素１８で圧縮されて中間圧となった冷媒が高圧室側より密閉容器１６内のオイルポンプ５２側（電動要素１７とは反対側）に吐出される。そして、吐出された冷媒は第１及び第２の圧縮要素１８、１９を貫通する孔２０１を通って、密閉容器１６内の電動要素１７側に吐出される。これにより、密閉容器１６内は全て中間圧となる。密閉容器１６内の電動要素１７側に吐出された中間圧の冷媒ガスは、当該電動要素１７側の密閉容器１６内に接続された冷媒導入管８２の他端から、密閉容器１６外部を経て第２の圧縮要素１９の低圧室側に吸い込まれて圧縮され、高温高圧の冷媒ガスとなり、高圧室側から冷媒吐出管８４に入り、圧縮機１の外部に吐出される。このとき、冷媒は適切な超臨界圧力まで圧縮されている。
【００９６】
冷媒吐出管８４から吐出された冷媒ガス中には、圧縮機１の第２の圧縮要素１９の摺動部に供給されていたオイルが混入されている。そして、当該冷媒ガス及びオイルはオイル分離器１０の本体１０１の一側面に形成された入口１０３からオイル分離空間１０２内の壁面に向かって吐出される。このとき、オイル分離空間１０２内に吐出された冷媒ガス及び当該冷媒ガス中に混入したオイルは、吐出時の勢いにより、冷媒配管８６の外壁面とオイル分離空間１０２の内壁面との間に形成された隙間を螺旋状に周りながらオイル分離空間１０２を降下していく。
【００９７】
この過程で、冷媒ガス中に混入したオイルが冷媒ガスから遠心分離され、オイル分離空間１０２の内壁面及び冷媒配管８６の外壁面に付着し、これら壁面を伝わって、オイル分離空間１０２の底面に形成されたオイル出口１０５に至り、そこからオイル配管９２に入り、オイル分離器１０から出て放熱器２と一体に形成されたオイル放熱器１２に流入する。
【００９８】
このように、圧縮機１で圧縮された冷媒ガス中に混入したオイルをオイル分離器１０にて遠心分離することで、冷媒ガス中に混入したオイルを分離することができる。
【００９９】
一方、オイル分離器１０にてオイルと分離した冷媒はオイル分離空間１０２内に設けられた冷媒配管８６の開口部８６Ａから当該冷媒配管８６内に入り、オイル分離器１０を出て、放熱器２に流入する。放熱器２に流入した冷媒は当該放熱器２において空冷或いは水冷方式により冷却される。また、当該放熱器２と一体に形成されたオイル用放熱器１２に流入したオイルも当該オイル用放熱器１２を通過する過程で上記冷媒と同様に空冷或いは水冷方式により冷却された後、オイル用放熱器１２を出て合流器１１に入る。このとき、オイル分離器１０にて分離されたオイルは前述したキャピラリチューブ１４によるオイル分離器１０が高く、合流器１１が低い圧力差により、円滑にオイル用放熱器１２に流れ、そこで冷却された後、合流器１１に移動する。
【０１００】
放熱器２にて冷却された冷媒は冷媒配管８７を介して分岐器７に吐出され、ここで第１の冷媒流と第２の冷媒流に分岐される。そして、第１の冷媒流は当該分岐器７の一方の出口に接続された第１の冷媒配管８を経て、内部熱交換器６の一端側に形成された第１の通路６Ａの入口から当該内部熱交換器６内に入る。高圧側の第１の冷媒流は、内部熱交換器６の第１の通路６Ａを通過する過程で、当該第１の通路６Ａと交熱的に設けられた第２の通路６Ｂを流れる低圧側の第２の冷媒流（第２の冷媒流及びオイル）と熱交換して、熱を奪われる。これにより、第１の通路６Ａを流れる高圧側の第１の冷媒流の冷媒を冷却して、蒸発器４入口における冷媒の比エンタルピを小さくすることができる。これにより、冷凍効果を増大させることができるようになる。
【０１０１】
内部熱交換器６にて冷却された第１の通路６Ａの第１の冷媒流は、他端から内部熱交換器６を出て主膨張弁３に至る。尚、当該主膨張弁３の入口では第１の冷媒流はまだ超臨界のままである。そして、主膨張弁３における圧力低下により、ガスと液体の二相混合状態とされ、この状態で蒸発器４に流入する。ここで、第１の冷媒流は周囲の空気と熱交換して蒸発し、このときの吸熱効果により周囲の空気を冷却する。
【０１０２】
また、蒸発器４にて蒸発した第１の冷媒流は、冷媒導入管８０から圧縮機１の低段側となる第１の圧縮要素１８に吸い込まれるサイクルを繰り返す。
【０１０３】
他方、第２の冷媒流は分岐器７の他方の出口に接続された第２の冷媒配管９に入り、キャピラリチューブ１４にて減圧される。このように、第２の冷媒流をキャピラリチューブ１４にて減圧することで、合流器１１に入る第２の冷媒流の圧力を下げることができる。即ち、当該第２の冷媒流により合流器１１内の圧力を下げることができる。これにより、上述の如くオイル分離器１０にて分離されたオイルを確実に合流器１１に導くことができる。
【０１０４】
そして、キャピラリチューブ１４にて減圧された冷媒は、合流器１１にてとオイル用放熱器１２にて冷却されたオイルと合流する。そして、合流した第２の冷媒流とオイルは当該合流器１１の出口に接続された配管を介して、補助膨張弁５に至り、当該補助膨張弁５を通過する過程で圧力低下する。そして、補助膨張弁５にて圧力低下した第２の冷媒流及びオイルは、内部熱交換器６の他端に形成された第２の通路６Ｂの入口から当該内部熱交換器６内に流入し、当該第２の通路６Ｂを流れる過程で膨張して、第１の通路６Ａを流れる冷媒から熱を奪って蒸発する。このように、内部熱交換器６にて第１の通路６Ａを流れる高圧側の冷媒と熱交換させることで、当該第２の冷媒流を蒸発させることができるようになる。
【０１０５】
そして、蒸発した低圧側の第２の冷媒流及びオイルは、一端の出口から内部熱交換器６を出て、冷媒配管９０を介して、密閉容器１６内のオイルポンプ５２側に流入し、第１の圧縮要素１８にて圧縮された冷媒と混合され、第１の圧縮要素１８にて圧縮された冷媒を冷却する。このとき、第２の冷媒流はガス化し、オイルのみが分離され、密閉容器１６内のオイルポンプ５２側の底部に形成されたオイル溜めに戻すことができる。これにより、オイル分離器１０にて分離されたオイルを冷却した後、密閉容器１６内のオイルポンプ５２側に戻すことが可能となる。このように、冷媒配管９０を密閉容器１６のオイルポンプ５２側と連通させることで、オイルを効果的にオイルポンプ５２付近に戻すことができるようになる。
【０１０６】
ここで、内部熱交換器６から出た第２の冷媒流及びオイルを密閉容器１６内に戻すことで、運転により過熱された圧縮機１を冷却することができる。そして、密閉容器１６内のオイルポンプ５２側に流入した第２の冷媒流は第１の圧縮要素１８にて圧縮され、当該密閉容器１６内のオイルポンプ５２側に吐出された中間圧の冷媒ガスと合流した後、孔２０１を通って、密閉容器１６内の電動要素１７側に吐出される。これにより、第２の冷媒流により電動要素１７を冷却することができる。また、電動要素１７側の冷媒は冷媒導入管８２を経由して第２の圧縮要素１９に吸い込まれて圧縮されるが、上述の第２の冷媒流による冷却効果により、第２の圧縮要素１９での圧縮後の吐出冷媒温度は第２の冷媒流がない場合に比べて大幅に低下される。
【０１０７】
従って、圧縮機１から吐出される冷媒及びオイルの吐出温度の上昇が抑えられ、圧縮機１から吐出されるオイルの劣化も防止することが可能となる。
【０１０８】
尚、前記補助膨張弁５は、冷媒導入管８２に設けられた温度センサ１２１にて検出される冷媒温度に基づいて、制御手段によって開度が制御されている。即ち、温度センサ１２１にて検出される冷媒の温度が予め設定された所定の温度より高い場合には、補助膨張弁５の開度が増大（絞りが縮小）される。これにより、第２の冷媒流の流量が増大する。即ち、密閉容器１６内の戻る第２の冷媒流が多くなるため、密閉容器１６内に流入する冷媒温度をより下げることができる。
【０１０９】
他方、温度センサ１２１にて検出される冷媒の温度が予め設定された所定の温度より低い場合には、補助膨張弁５の開度が減少（絞りが拡大）される。これにより、第２の冷媒流の流量が減少する。即ち、密閉容器１６内の戻る第２の冷媒流の量が減少するため、密閉容器１６内に流入する冷媒温度を上げることができる。このように、温度センサ１２１にて検出される冷媒温度に基づき、補助膨張弁５の絞りを制御することで、密閉容器１６内に戻される第２の冷媒流の量によって第２の圧縮要素１９に吸い込まれる中間圧の冷媒の温度を適切に制御することができるようになる。
【０１１０】
以上詳述する如く、本実施例の冷凍装置においても、上記各実施例と同様に圧縮機２００の圧縮動力を低減して、成績係数の向上を図ると共に、圧縮機２００から吐出された冷媒に混入したオイルを効果的に分離することができる。これにより、冷凍装置の性能の向上と信頼性の回復、特に、二酸化炭素冷媒を用いた冷凍装置の性能及び信頼性の向上を図ることができるようになる。
【実施例６】
【０１１１】
尚、上記実施例５では、絞り手段としてのキャピラリチューブ１４を分岐器７と合流器１１の間に設けるものとしたが、図１１に示すように絞り手段をオイル用放熱器１２の出口側に設けるものとしても良い。この場合、絞り手段としてのキャピラリチューブ１３にてオイル用放熱器１２にて冷却されたオイルを絞ることで分岐器７からの第２の冷媒流とオイル用放熱器１２からのオイルの差圧を少なくすることができ、オイル分離器１０にて分離されたオイルが第２の冷媒流と合流する量を所定の量に調整することができる。
【０１１２】
これにより、第２の冷媒流と合流するオイル量が多すぎて、第２の冷媒流が減少し、内部熱交換器６における第１の冷媒流を冷却する能力が低下する不都合を確実に解消できるようになる。
【実施例７】
【０１１３】
更に、上記各実施例では冷媒分岐手段としての分岐器７と冷媒合流手段としての合流器１１とを別部材にて構成するものとしたが、冷媒分岐手段と冷媒合流手段とを一体に構成しても構わない。図１２及び図１３はこの場合の一例を示す図である。図１２及び図１３において、１５は冷媒分岐手段と冷媒合流手段とが一体に構成された分岐合流器である。尚、図１２及び図１３において図１乃至図１１と同一の符号を付されたものは、同一或いは類似の効果を奏するものとして説明を省略する。
【０１１４】
当該分岐合流器１５は、容器本体１５Ａ内を上側空間と下側空間との上下に分離する仕切部材１５Ｂが設けられ、当該仕切部材１５Ｂには上下空間を連通する孔１５Ｃが形成されており、孔１５Ｃが冷媒分岐手段の一方の出口としての機能を奏している。また、容器本体１５Ａの一側面には上側空間と連通する入口１５Ｄが形成され、当該入口１５Ｄから放熱器２にて放熱された冷媒が流入する。当該入口１５Ｄと略対称の位置には冷媒分岐手段の他方の出口１５Ｅが形成されている。また、入口１５Ｄの下側には下側空間と連通する入口１５Ｆが形成されると共に、容器本体１５Ａの底部には出口１５Ｇが形成される。
【０１１５】
そして、入口１５Ｄには放熱器２と当該分岐合流器１５の上側空間とを連通する冷媒配管８７が接続される。また、出口１５Ｅには第１の冷媒流のための第１の冷媒配管８が接続され、入口１５Ｆにはオイル用放熱器１２と容器本体１５Ａの下側空間とを連通する当該分岐合流器１５の下側空間とを連通する配管９５が接続される。更にまた、底部の出口１５Ｇには第２の冷媒流のための第２の冷媒配管９が接続される。
【０１１６】
ここで、本分岐合流器１５における冷媒及びオイルの動作について説明する。即ち、放熱器２にて放熱した冷媒ガスは冷媒配管８７を介して入口１５Ｄから分岐合流器１５の容器本体１５Ａの上側空間内に入り、当該空間内で冷媒ガスが２分岐され、分岐された一方の第１の冷媒流が出口１５Ｅに接続された第１の冷媒配管９に流入して、分岐合流器１５から出る。
【０１１７】
他方、分岐合流器１５の容器本体１５Ａの上側空間内で分岐された他方の第２の冷媒流は孔１５Ｃから容器本体１５Ａの下側空間に入る。また、オイル用放熱器１２にて放熱したオイルは配管９５を介して入口１５Ｆから分岐合流器１５の容器本体１５Ａの下側空間に入る。これにより、分岐合流器１５の容器本体１５Ａの上側空間内で分岐された第２の冷媒流とオイル用放熱器１２にて放熱したオイルとが容器本体１５Ａの下側空間にて合流し、合流した第２の冷媒流とオイルは出口１５Ｇに接続された第２の冷媒配管９に入り、当該分岐合流器１５から出る。
【０１１８】
このように、本実施例の分岐合流器１５により冷媒分岐手段と冷媒合流手段とを一体に構成することが可能となり、部品点数の削減を図ることができる。
【実施例８】
【０１１９】
図１４は、更にもうひとつの冷凍装置の冷媒回路図である。図１４に示す冷媒サイクルには、前記各実施例で説明した内部熱交換器６以外にもう一つの内部熱交換器１６０が設けられている。この内部熱交換器１６０は、内部熱交換器６の第１の通路６Ａから出た高圧側の第１の冷媒流と、蒸発器４から出た低圧側の第１の冷媒流とを熱交換するためのものであり、高圧側の冷媒配管１６０Ａと低圧側の冷媒配管１６０Ｂとが交熱的に設置されている。
【０１２０】
当該内部熱交換器１６０により、内部熱交換器６にて冷却された高圧側の第１の冷媒流を更に冷却することができ、蒸発器４入口における冷媒の比エンタルピを小さくすることができる。これにより、冷凍効果をより一層増大させることができるようになる。更にまた、蒸発器４にて蒸発した低圧側の冷媒には、完全にガス状ではなく液体が残る場合があるが、当該内部熱交換器１６０を通過する過程で、高圧側の第１の冷媒流と熱交換することにより、完全にガスの状態にすることができる。これにより、蒸発器４の出口側に気液分離器１９０を設置しない場合であっても、圧縮機１に液冷媒が吸い込まれる液圧縮の発生を未然に解消して性能及び信頼性をより一層改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１２１】
【図１】本発明の一実施例の冷凍装置の冷媒回路図である。（実施例１）
【図２】図１の冷凍装置の圧縮機の内部構成図である。
【図３】図１の冷凍装置のオイル分離器を示す図である。
【図４】図１の冷凍装置のモリエル線図である。
【図５】他の実施例のオイル分離器を示す図である。（実施例２）
【図６】他の実施例の放熱器の外観図である。（実施例３）
【図７】図７の放熱器の内部構成図である。
【図８】もう一つの実施例の放熱器の内部構成図である。（実施例４）
【図９】他の実施例の冷凍装置の冷媒回路図である。（実施例５）
【図１０】図９の冷凍装置の圧縮機の内部構成図である。
【図１１】もう一つの実施例の冷凍装置の冷媒回路図である。（実施例６）
【図１２】もう一つの他の実施例の冷凍装置の冷媒回路図である。（実施例７）
【図１３】図１２の冷凍装置の分岐合流器の拡大図である。
【図１４】更にもう一つの他の実施例の冷凍装置の冷媒回路図である。（実施例８）
【図１５】従来の冷凍装置のモリエル線図である。
【符号の説明】
【０１２２】
１    圧縮機
２、１２０、１５０  放熱器
３    主膨張弁
４    蒸発器
５    補助膨張弁
６    内部熱交換器
６Ａ  第１の通路
６Ｂ  第２の通路
７    分岐器
８    第１の冷媒配管
９    第２の冷媒配管
１０、１１０、１３０  オイル分離器
１１  合流器
１２、１４０  オイル用放熱器
１３、１４  キャピラリチューブ
１５  分岐合流器
１６  密閉容器
１７  電動要素
１８  第１の圧縮要素
１９  第２の圧縮要素
２１、１２１  温度センサ
２２  途中部
５０  回転軸
５２  オイルポンプ
８０、８２  冷媒導入管
８４  冷媒吐出管
８６  冷媒配管
９０  冷媒配管
９２  オイル配管
１０１、１１１  本体
１０２、１１２  オイル分離空間
１０３  入口
１０４、１０５、１１４、１１５  出口
１１３  入口部
【図１】
0004583280.tif 000002
【図２】
0004583280.tif 000003
【図３】
0004583280.tif 000004
【図４】
0004583280.tif 000005
【図５】
0004583280.tif 000006
【図６】
0004583280.tif 000007
【図７】
0004583280.tif 000008
【図８】
0004583280.tif 000009
【図９】
0004583280.tif 000010
【図１０】
0004583280.tif 000011
【図１１】
0004583280.tif 000012
【図１２】
0004583280.tif 000013
【図１３】
0004583280.tif 000014
【図１４】
0004583280.tif 000015
【図１５】
0004583280.tif 000016