(57)【要約】      （修正有）【課題】作動冷媒が超臨界状態となる冷凍装置において、多段圧縮式の冷媒循環量の調整自由度を増大させつつ、起動時の圧縮機の動きを安定させることが可能な冷凍装置を提供する。【解決手段】第１中間冷却管６１，６２は、第１圧縮要素３０３ｃから吐出した冷媒を第２圧縮要素３０３ｄに吸入させる。第１中間冷却器６０は、第１中間冷却管６２を通過する冷媒を冷却させる。第２中間冷却管７２は、第３圧縮要素３０４ｃから吐出した冷媒を第４圧縮要素３０４ｄに吸入させる。第２中間冷却器７０は、第２中間冷却管７１、７２を通過する冷媒を冷却させる。吸入側配管３０２ａは、利用側熱交換器６を通過した冷媒を分岐させて、冷媒を第１圧縮要素３０３ｃの吸入側と第３圧縮要素３０４ｃの吸入側に導く。吐出側配管３０２ｂは、第２圧縮要素３０３ｄの吐出側と第４圧縮要素３０４ｄの吐出側から流出した冷媒とを合流させて、熱源側熱交換器４に導く。【選択図】図１
2009257704.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷凍サイクルの少なくとも一部で作動冷媒が超臨界状態となる冷凍装置であって、
冷媒の冷却器又は加熱器として機能する熱源側熱交換器（４）と、
冷媒を減圧する膨張機構（５）と、
冷媒の加熱器又は冷却器として機能する利用側熱交換器（６）と、
冷媒を吸入し圧縮させて吐出する第１圧縮要素（３０３ｃ）と、前記第１圧縮要素から吐出された冷媒を吸入してさらに圧縮させて吐出する第２圧縮要素（３０３ｄ）と、を有する第１二段圧縮要素（３０３）と、
前記第１圧縮要素から吐出した冷媒を前記第２圧縮要素に吸入させるための第１中間冷却管（６１，６２）と、
前記第１中間冷却管を通過する冷媒を冷却させる第１中間冷却器（６０）と、
冷媒を吸入し圧縮させて吐出する第３圧縮要素（３０４ｃ）と、前記第３圧縮要素から吐出された冷媒を吸入してさらに圧縮させて吐出する第４圧縮要素（３０４ｄ）と、を有する第２二段圧縮要素（３０４）と、
前記第３圧縮要素から吐出した冷媒を前記第４圧縮要素に吸入させるための第２中間冷却管（７１，７２）と、
前記第２中間冷却管を通過する冷媒を冷却させる第２中間冷却器（７０）と、
前記利用側熱交換器を通過した冷媒を分岐させて、一部の冷媒を前記第１圧縮要素の吸入側に導きつつ、他の一部の冷媒を前記第３圧縮要素の吸入側に導く吸入側配管（３０２ａ，３０３ａ，３０４ｂ）と、
前記第２圧縮要素の吐出側から流出した冷媒と前記第４圧縮要素の吐出側から流出した冷媒とを合流させて、前記熱源側熱交換器に導く吐出側配管（３０２ｂ）と、
を備える冷凍装置（１）。
【請求項２】
前記熱源側熱交換器と前記膨張機構とを接続する熱源膨張接続配管（２１，２２）と、
冷媒を減圧する第１バイパス膨張機構（７ｅ）、前記熱源膨張接続配管から分岐して前記第１バイパス膨張機構まで延びている第１バイパス上流配管（７ａ）、および、前記第１バイパス膨張機構から前記第１中間冷却管まで延びている第１バイパス下流配管（７ｂ、７ｃ）を有する第１バイパス回路（７）と、冷媒を減圧する第２バイパス膨張機構（８ｅ）、前記熱源膨張接続配管から分岐して前記第２バイパス膨張機構まで延びている第２バイパス上流配管（８ａ）、および、前記第２バイパス膨張機構から第２中間冷却管まで延びている第２バイパス下流配管（８ｂ，８ｃ）を有する第２バイパス回路（８）と、を有するバイパス回路（８，９）と、
前記熱源膨張接続配管を流れる冷媒、前記第１バイパス下流配管を流れる冷媒、および、前記第２バイパス下流配管を流れる冷媒の間で熱交換を行わせるエコノマイザ熱交換器（２０）と、
をさらに備えた、
請求項１に記載の冷凍装置（１）。
【請求項３】
前記第１バイパス下流配管（７ｂ，７ｃ）は、前記第１中間冷却器と前記第２圧縮要素の吸入側との間の位置（Ｚ１）で前記第１中間冷却管と接続されており、
前記第２バイパス下流配管は、前記第２中間冷却器と前記第４圧縮要素の吸入側との間の位置（Ｚ２）で前記第２中間冷却管と接続されている、
請求項２に記載の冷凍装置（１）。
【請求項４】
前記熱源膨張接続配管（２１，２２）から前記第１バイパス上流配管（７ａ）が分岐している位置、および、前記熱源膨張接続配管（２１，２２）から前記第２バイパス上流配管（８ａ）が分岐している位置は、前記エコノマイザ熱交換器（２０）と前記熱源側熱交換器（４）との間であり、
前記エコノマイザ熱交換器（２０）内で前記熱源膨張接続配管（２１，２２）に対して前記第１バイパス下流配管（７ｂ，７ｃ）および前記第２バイパス下流配管（８ｂ，８ｃ）が接している箇所の少なくとも一部において、前記熱源膨張接続配管（２１，２２）を流れる冷媒の流れ方向と、前記第１バイパス下流配管（７ｂ，７ｃ）および前記第２バイパス下流配管（８ｂ，８ｃ）を流れる冷媒の流れ方向とが略対向方向の関係となっている、
請求項２または３のいずれか１項に記載の冷凍装置（１）。
【請求項５】
前記熱源側熱交換器（４）と前記膨張機構（５）とを接続する熱源膨張接続配管（２１，２２）と、
冷媒を減圧するバイパス膨張機構（９ｅ）、前記熱源膨張接続配管（２１，２２）から分岐して前記バイパス膨張機構（９ｅ）まで延びているバイパス上流配管（９ａ）、前記バイパス膨張機構（９ｅ）から分岐点（Ｙ）まで延びている分岐バイパス下流配管（９ｂ，９ｃ）、少なくとも冷媒の通過を許容する状態と許容しない状態とに切り換え可能な切換弁（９７ｅ，９８ｅ）を含んでおり前記分岐点（Ｙ）と前記第１中間冷却管（６２）とを接続する第１バイパス下流配管（９７ａ）、および、前記分岐点（Ｙ）と前記第２中間冷却管（７２）とを接続する第２バイパス下流配管（９８ａ）を有するバイパス回路（９）と、
前記熱源膨張接続配管（２１，２２）を流れる冷媒と、前記分岐バイパス下流配管（９ｂ，９ｃ）を流れる冷媒との間で熱交換を行わせるエコノマイザ熱交換器（２０）と、
をさらに備えた、
請求項１に記載の冷凍装置（１）。
【請求項６】
前記第１バイパス下流配管（９７ａ）は、前記第１中間冷却器（６０）と前記第２圧縮要素（３０３ｄ）の吸入側との間の位置で前記第１中間冷却管（６２）と接続されており、
前記第２バイパス下流配管（９８ａ）は、前記第２中間冷却器（７０）と前記第４圧縮要素（３０４ｄ）の吸入側との間の位置で前記第２中間冷却管（７２）と接続されている、
請求項５に記載の冷凍装置（１）。
【請求項７】
前記熱源膨張接続配管（２１，２２）から前記バイパス上流配管（９ａ）が分岐している位置は、前記エコノマイザ熱交換器（２０）と前記熱源側熱交換器（４）との間であり、
前記エコノマイザ熱交換器（２０）内で前記熱源膨張接続配管（２１，２２）に対して前記分岐バイパス下流配管（９ｂ，９ｃ）が接している箇所の少なくとも一部において、前記熱源膨張接続配管（２１，２２）を流れる冷媒の流れ方向と、前記分岐バイパス下流配管（９ｂ，９ｃ）を流れる冷媒の流れ方向とが略対向方向の関係となっている、
請求項５または６のいずれか１項に記載の冷凍装置（１）。
【請求項８】
前記第１中間冷却器による前記第１中間冷却管を流れる冷媒の冷却、および、前記第２中間冷却器による前記第２中間冷却管を流れる冷媒の冷却、の少なくともいずれか一方は、周辺空気による冷却である、
請求項１から７のいずれか１項に記載の冷凍装置（１）。
【請求項９】
前記第１中間冷却器による前記第１中間冷却管を流れる冷媒の冷却、および、前記第２中間冷却器による前記第２中間冷却管を流れる冷媒の冷却、の少なくともいずれか一方は、水による冷却である、
請求項１から７のいずれか１項に記載の冷凍装置（１）。
【請求項１０】
前記第１中間冷却器による前記第１中間冷却管を流れる冷媒の冷却量、および、前記第２中間冷却器による前記第２中間冷却管を流れる冷媒の冷却量、の少なくともいずれか一方は、水量および／または水温を調節することにより調節する、
請求項９に記載の冷凍装置（１）。
【請求項１１】
前記第１圧縮要素、および、前記第２圧縮要素は、それぞれ回転駆動することで圧縮仕事を行うための共通の第１回転軸（３６ｃ）を有し、
前記第３圧縮要素、および、前記第４圧縮要素は、それぞれ回転駆動することで圧縮仕事を行うための共通の第２回転軸（３７ｃ）を有している、
請求項１から１０のいずれか１項に記載の冷凍装置（１）。
【請求項１２】
前記作動冷媒は、二酸化炭素である、
請求項１から１１のいずれか１項に記載の冷凍装置（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍装置、特に、冷凍サイクルの少なくとも一部で作動冷媒が超臨界状態となる多段圧縮式冷凍サイクルを行う冷凍装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、冷却運転と加熱運転とを切り換え可能に構成された冷媒回路を有し、超臨界域で作動する冷媒を使用して多段圧縮式冷凍サイクルを行う冷凍装置の１つとして、特許文献１に示されるような、冷房運転と暖房運転とを切り換え可能に構成された冷媒回路を有し、二酸化炭素を冷媒として使用して二段圧縮式冷凍サイクルを行う空気調和装置がある。この空気調和装置は、主として、直列に接続された２つの圧縮要素を有する圧縮機と、冷房運転と暖房運転とを切り換えるための四路切換弁と、室外熱交換器と、膨張弁と、室内熱交換器とを有している。
【特許文献１】特開２００７−２３２２６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述の空気調和装置では、冷媒として使用される二酸化炭素の臨界温度（約３１℃）が冷媒の冷却器として機能する室外熱交換器や室内熱交換器の冷却源となる水や空気の温度と同程度であり、Ｒ２２やＲ４１０Ａ等の冷媒に比べて低いことから、これらの熱交換器における水や空気による冷媒の冷却が可能になるように、冷凍サイクルの高圧が冷媒の臨界圧力よりも高い状態で運転がなされることになる。このことに起因して、圧縮機の後段側の圧縮要素から吐出される冷媒の温度が高くなるため、冷媒の冷却器として機能する室外熱交換器において、冷却源としての水や空気と冷媒との間の温度差が大きくなってしまい、室外熱交換器における放熱ロスが大きくなることから、高い運転効率が得られにくいという問題がある。
【０００４】
さらに、上述の空気調和装置では、圧縮機が１つしか設けられていないため、循環冷媒量の調整自由度が限られたものになってしまう。また、仮に、圧縮機を並列に複数用いる場合には、運転効率を向上させる解決手段を用いても、複数の圧縮機同士の圧力バランスを調節できず、起動時の動きを安定させることが困難になる場合がある。
【０００５】
本発明の課題は、冷凍サイクルの少なくとも一部で作動冷媒が超臨界状態となる冷凍装置において、多段圧縮式の圧縮要素による冷媒循環量の調整自由度を増大させつつ、起動時の圧縮機の動きを安定させることが可能な冷凍装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１発明の冷凍装置は、冷凍サイクルの少なくとも一部で作動冷媒が超臨界状態となる冷凍装置であって、熱源側熱交換器、膨張機構、利用側熱交換器、第１二段圧縮要素、第１中間冷却管、第１中間冷却器、第２二段圧縮要素、第２中間冷却管、第２中間冷却器、吸入側配管、および、吐出側配管を備えている。熱源側熱交換器は、冷媒の冷却器又は加熱器として機能する。膨張機構は、冷媒を減圧させる。利用側熱交換器は、冷媒の加熱器又は冷却器として機能する。第１二段圧縮要素は、第１圧縮要素および第２圧縮要素を有している。第１圧縮要素は、冷媒を吸入し圧縮させて吐出する。第２圧縮要素は、第１圧縮要素から吐出された冷媒を吸入してさらに圧縮させて吐出する。第１中間冷却管は、第１圧縮要素から吐出した冷媒を第２圧縮要素に吸入させる。第１中間冷却器は、第１中間冷却管を通過する冷媒を冷却させる。第２二段圧縮要素は、第３圧縮要素および第４圧縮要素を有している。第３圧縮要素は、冷媒を吸入し圧縮させて吐出する。第４圧縮要素は、第３圧縮要素から吐出された冷媒を吸入してさらに圧縮させて吐出する。第２中間冷却管は、第３圧縮要素から吐出した冷媒を第４圧縮要素に吸入させる。第２中間冷却器は、第２中間冷却管を通過する冷媒を冷却させる。吸入側配管は、利用側熱交換器を通過した冷媒を分岐させて、一部の冷媒を第１圧縮要素の吸入側に導きつつ、他の一部の冷媒を第３圧縮要素の吸入側に導く。吐出側配管は、第２圧縮要素の吐出側から流出した冷媒と第４圧縮要素の吐出側から流出した冷媒とを合流させて、熱源側熱交換器に導く。
【０００７】
この冷凍装置では、二段圧縮要素が並列に配置されている場合において、中間冷却器を共通化させると、各二段圧縮要素の起動時において、一方の低段側の圧縮要素（例えば、第１圧縮要素）からの吐出冷媒の圧力が、他方の二段圧縮要素の低段側の圧縮要素（例えば、第３圧縮要素）からの吐出冷媒に対する抵抗として作用してしまうおそれがある。
【０００８】
これに対して、この冷凍装置では、中間冷却管および中間冷却器を各二段圧縮要素にそれぞれ独立させて設けている。このため、二段圧縮要素間の圧力バランスの問題を回避することができる。また、二段圧縮要素を並列接続させることで、流量の調節幅を向上させることが可能になる。さらに、中間冷却器を設けることで、高段側の吸入冷媒の密度を上げることができ、圧縮仕事を小さくすることができる。
【０００９】
これにより、冷凍サイクルの少なくとも一部で作動冷媒が超臨界状態となる冷凍装置において、多段圧縮式の圧縮要素による冷媒循環量の調整自由度を増大させつつ、起動時の圧縮機の動きを安定させ、圧縮仕事を小さくさせることが可能になる。
【００１０】
第２発明の冷凍装置は、第１発明の冷凍装置において、熱源膨張接続配管、バイパス回路、および、エコノマイザ熱交換器をさらに備えている。熱源膨張接続配管は、熱源側熱交換器と膨張機構とを接続している。バイパス回路は、第１バイパス膨張機構、第１バイパス回路、第２バイパス膨張機構、および、第２バイパス回路を有している。第１バイパス膨張機構は、冷媒を減圧させる。第１バイパス回路は、第１バイパス上流配管および第１バイパス下流配管を有している。第１バイパス上流配管は、熱源膨張接続配管から分岐して第１バイパス膨張機構まで延びている。第１バイパス下流配管は、第１バイパス膨張機構から第１中間冷却管まで延びている。第２バイパス膨張機構は、冷媒を減圧させる。第２バイパス回路は、第２バイパス上流配管および第２バイパス下流配管を有している。第２バイパス上流配管は、熱源膨張接続配管から分岐して第２バイパス膨張機構まで延びている。第２バイパス下流配管は、第２バイパス膨張機構から第２中間冷却管まで延びている。エコノマイザ熱交換器は、熱源膨張接続配管を流れる冷媒、第１バイパス下流配管を流れる冷媒、および、第２バイパス下流配管を流れる冷媒の間で熱交換を行わせる。
【００１１】
この冷凍装置では、高段側の圧縮要素に吸入される冷媒を、中間冷却器だけでなく、エコノマイザ熱交換器によっても冷却させることができ、中間冷却器の冷却負荷を分散させて軽減させるか、中間冷却器だけでは不足する冷却を補うことが可能になる。
【００１２】
第３発明の冷凍装置は、第２発明の冷凍装置において、第１バイパス下流配管は、第１中間冷却器と第２圧縮要素の吸入側との間の位置で第１中間冷却管と接続されている。第２バイパス下流配管は、第２中間冷却器と第４圧縮要素の吸入側との間の位置で第２中間冷却管と接続されている。
【００１３】
この冷凍装置では、エコノマイザ熱交換器を通過した冷媒が合流する前に中間圧力の冷媒を冷却させることで、中間冷却器の能力を十分に発揮させることが可能になる。
【００１４】
第４発明の冷凍装置は、第２発明または第３発明の冷凍装置において、熱源膨張接続配管から第１バイパス上流配管が分岐している位置、および、熱源膨張接続配管から第２バイパス上流配管が分岐している位置は、エコノマイザ熱交換器と熱源側熱交換器との間である。そして、エコノマイザ熱交換器内で熱源膨張接続配管に対して第１バイパス下流配管および第２バイパス下流配管が接している箇所の少なくとも一部において、熱源膨張接続配管を流れる冷媒の流れ方向と、第１バイパス下流配管および第２バイパス下流配管を流れる冷媒の流れ方向とが略対向方向の関係となっている。
【００１５】
熱源膨張接続配管から第１、第２バイパス上流配管が分岐している位置が、エコノマイザ熱交換器と熱源側熱交換器との間に設けられている場合には、熱源膨張接続配管から第１、第２バイパス上流配管が分岐している位置が、エコノマイザ熱交換器と膨張機構との間に設けられている場合に比較して、第１、第２バイパス下流配管を流れる冷媒を加熱させるために要する熱量が少なくて済む。
【００１６】
これにより、この冷凍装置では、エコノマイザ熱交換器を小型化させることが可能になる。
【００１７】
さらに、第１、第２バイパス上流配管を流れる冷媒に過熱が付いたり超臨界状態になったとしても、並行流で流す場合と比較して熱交換効率を向上させることが可能になる。
【００１８】
第５発明の冷凍装置は、第１発明の冷凍装置において、熱源膨張接続配管、バイパス回路、および、エコノマイザ熱交換器をさらに備えている。熱源膨張接続配管は、熱源側熱交換器と膨張機構とを接続している。バイパス回路は、バイパス膨張機構、バイパス上流配管、分岐バイパス下流配管、第１バイパス下流配管、および、第２バイパス下流配管を有している。バイパス膨張機構は、冷媒を減圧させる。バイパス上流配管は、熱源膨張接続配管から分岐してバイパス膨張機構まで延びている。分岐バイパス下流配管は、バイパス膨張機構から分岐点まで延びている。第１バイパス下流配管は、少なくとも冷媒の通過を許容する状態と許容しない状態とに切り換え可能な切換弁を含んでおり、分岐点と第１中間冷却管とを接続している。第２バイパス下流配管は、分岐点と第２中間冷却管とを接続している。エコノマイザ熱交換器は、熱源膨張接続配管を流れる冷媒と、分岐バイパス下流配管を流れる冷媒との間で熱交換を行わせる。
【００１９】
この冷凍装置では、１つのエコノマイザ熱交換器を用いて第１中間冷却管だけでなく第２中間冷却管にもインジェクションさせることが可能になるとともに、第１二段圧縮要素と第２二段圧縮要素との間の圧力バランスの問題を回避することが可能になる。
【００２０】
第６発明の冷凍装置は、第５発明の冷凍装置において、第１バイパス下流配管は、第１中間冷却器と第２圧縮要素の吸入側との間の位置で第１中間冷却管と接続されている。そして、第２バイパス下流配管は、第２中間冷却器と第４圧縮要素の吸入側との間の位置で第２中間冷却管と接続されている。
【００２１】
この冷凍装置では、エコノマイザ熱交換器を通過した冷媒が合流する前に中間圧力の冷媒を冷却させることで、中間冷却器の能力を十分に発揮させることが可能になる。
【００２２】
第７発明の冷凍装置は、第５発明または第６発明の冷凍装置において、熱源膨張接続配管からバイパス上流配管が分岐している位置は、エコノマイザ熱交換器と熱源側熱交換器との間である。そして、エコノマイザ熱交換器内で熱源膨張接続配管に対して分岐バイパス下流配管が接している箇所の少なくとも一部において、熱源膨張接続配管を流れる冷媒の流れ方向と、分岐バイパス下流配管を流れる冷媒の流れ方向とが略対向方向の関係となっている。
【００２３】
熱源膨張接続配管からバイパス上流配管が分岐している位置が、エコノマイザ熱交換器と熱源側熱交換器との間に設けられている場合には、熱源膨張接続配管からバイパス上流配管が分岐している位置が、エコノマイザ熱交換器と膨張機構との間に設けられている場合に比較して、バイパス下流配管を流れる冷媒を加熱させるために要する熱量が少なくて済む。
【００２４】
これにより、この冷凍装置では、エコノマイザ熱交換器を小型化させることが可能になる。
【００２５】
さらに、バイパス上流配管を流れる冷媒に過熱が付いていたり超臨界状態になったとしても、並行流で流す場合と比較して熱交換効率を向上させることが可能になる。
【００２６】
第８発明の冷凍装置は、第１発明から第７発明のいずれかの冷凍装置において、第１中間冷却器による第１中間冷却管を流れる冷媒の冷却、および、第２中間冷却器による第２中間冷却管を流れる冷媒の冷却、の少なくともいずれか一方は、周辺空気による冷却である。
【００２７】
この冷凍装置では、周辺空気を用いて圧縮仕事を小さくすることができる。
【００２８】
第９発明の冷凍装置は、第１発明から第７発明のいずれかの冷凍装置において、第１中間冷却器による第１中間冷却管を流れる冷媒の冷却、および、第２中間冷却器による第２中間冷却管を流れる冷媒の冷却、の少なくともいずれか一方は、水による冷却である。
【００２９】
この冷凍装置では、水を用いて圧縮仕事を小さくすることができる。
【００３０】
第１０発明の冷凍装置は、第９発明の冷凍装置において、第１中間冷却器による第１中間冷却管を流れる冷媒の冷却量、および、第２中間冷却器による第２中間冷却管を流れる冷媒の冷却量、の少なくともいずれか一方は、水量および／または水温を調節することにより調節する。
【００３１】
この冷凍装置では、流量制御によって、高段側圧縮要素の吸入冷媒の状態を調節することができるため、圧縮仕事をより確実に調節することが可能になる。
【００３２】
第１１発明の冷凍装置は、第１発明から第１０発明のいずれかの冷凍装置において、第１圧縮要素、および、第２圧縮要素は、それぞれ回転駆動することで圧縮仕事を行うための共通の回転軸を有している。
【００３３】
この冷凍装置では、この冷凍装置では、遠心力を互いに相殺させながら駆動することで、振動の発生やトルク負荷の変動を抑えることが可能になる。
【００３４】
第１２発明の冷凍装置は、第１発明から第１１の発明のいずれかの冷凍装置において、作動冷媒は、二酸化炭素である。
【００３５】
この冷凍装置では、臨界点近傍の超臨界状態の二酸化炭素は、冷媒圧力を少し変えるだけで冷媒の密度を劇的に変化させることができる。このため、少ない圧縮仕事によって、冷凍装置の効率を向上させることができる。
【発明の効果】
【００３６】
以上の説明に述べたように、本発明によれば、以下の効果が得られる。
【００３７】
第１発明では、冷凍サイクルの少なくとも一部で作動冷媒が超臨界状態となる冷凍装置において、多段圧縮式の圧縮要素による冷媒循環量の調整自由度を増大させつつ、起動時の圧縮機の動きを安定させ、圧縮仕事を小さくさせることが可能になる。
【００３８】
第２発明では、中間冷却器の冷却負荷を分散させて軽減させるか、中間冷却器だけでは不足する冷却を補うことが可能になる。
【００３９】
第３発明では、中間冷却器の能力を十分に発揮させることが可能になる。
【００４０】
第４発明では、エコノマイザ熱交換器を小型化させることが可能になる。
【００４１】
第５発明では、１つのエコノマイザ熱交換器を用いて第１中間冷却管だけでなく第２中間冷却管にもインジェクションさせることが可能になるとともに、第１二段圧縮要素と第２二段圧縮要素との間の圧力バランスの問題を回避することが可能になる。
【００４２】
第６発明では、エコノマイザ熱交換器を通過した冷媒が合流する前に中間圧力の冷媒を冷却させることで、中間冷却器の能力を十分に発揮させることが可能になる。
【００４３】
第７発明では、エコノマイザ熱交換器を小型化させることが可能になる。
【００４４】
第８発明では、周囲空気を用いて圧縮仕事をちいさくすることができる。
【００４５】
第９発明では、水を用いて圧縮仕事を小さくすることができる。
【００４６】
第１０発明では、流量制御によって、高段側圧縮要素の吸入冷媒の状態を調節することができるため、圧縮仕事をより確実に調節することが可能になる。
【００４７】
第１１発明では、遠心力を互いに相殺させながら駆動することで、振動の発生やトルク負荷の変動を抑えることが可能になる。
【００４８】
第１２発明では、臨界点近傍の超臨界状態の二酸化炭素は、冷媒圧力を少し変えるだけで冷媒の密度を劇的に変化させることができる。このため、少ない圧縮仕事によって、冷凍装置の効率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】
【００４９】
以下、図面に基づいて、本発明にかかる冷凍装置の実施形態について説明する。
【００５０】
（１）空気調和装置の構成
図１は、本発明にかかる冷凍装置の一実施形態としての空気調和装置１の概略構成図である。空気調和装置１は、冷房運転と暖房運転を切り換え可能に構成された冷媒回路１０を有し、超臨界域で作動する冷媒（ここでは、二酸化炭素）を使用して二段圧縮式冷凍サイクルを行う装置である。
【００５１】
空気調和装置１の冷媒回路３１０は、主として、圧縮機構３０２と、切換機構３と、熱源側熱交換器４と、後段側インジェクション管１９と、エコノマイザ熱交換器２０と、利用側熱交換器６と、第１中間冷却器６０と、第１中間冷却管６１，６２と、第２中間冷却器７０と、第２中間冷却管７１，７２とを有している。
【００５２】
＜圧縮機構＞
圧縮機構３０２は、多段（ここでは、２段）圧縮式の圧縮機構を複数系統（ここでは、２系統）並列に接続した並列多段圧縮式の圧縮機構であり、本実施形態において、圧縮要素３０３ｃ、３０３ｄを有する二段圧縮式の第１圧縮機構３０３と、圧縮要素３０４ｃ、３０４ｄを有する二段圧縮式の第２圧縮機構３０４とから構成されている。
【００５３】
第１圧縮機構３０３は、本実施形態において、２つの圧縮要素３０３ｃ、３０３ｄで冷媒を二段圧縮する圧縮機３６から構成されており、圧縮機構３０２の吸入母管３０２ａから分岐された第１吸入枝管３０３ａ、及び、圧縮機構３０２の吐出母管３０２ｂに合流する第１吐出枝管３０３ｂに接続されている。第２圧縮機構３０４は、本実施形態において、２つの圧縮要素３０４ｃ、３０４ｄで冷媒を二段圧縮する圧縮機３７から構成されており、圧縮機構３０２の吸入母管３０２ａから分岐された第２吸入枝管３０４ａ、及び、圧縮機構３０２の吐出母管３０２ｂに合流する第２吐出枝管３０４ｂに接続されている。
【００５４】
圧縮機３６は、ケーシング３６ａ内に、圧縮機駆動モータ３６ｂと、駆動軸３６ｃと、圧縮要素３０３ｃ、３０３ｄとが収容された密閉式構造となっている。圧縮機駆動モータ３６ｂは、駆動軸３６ｃに連結されている。そして、この駆動軸３６ｃは、２つの圧縮要素３０３ｃ、３０３ｄに連結されている。すなわち、圧縮機３６は、２つの圧縮要素３０３ｃ、３０３ｄが単一の駆動軸３６ｃに連結されており、２つの圧縮要素３０３ｃ、３０３ｄがともに圧縮機駆動モータ３６ｂによって回転駆動される、いわゆる一軸二段圧縮構造となっている。そして、圧縮機３６は、第１吸入枝管３０３ａから冷媒を吸入し、この吸入された冷媒を圧縮要素３０３ｃによって圧縮した後に中間冷媒管８を構成する第１入口側中間枝管８１に吐出し、第１入口側中間枝管８１に吐出された冷媒を中間冷媒管８を構成する中間母管８２及び第１出口側中間枝管８３を通じて圧縮要素３０３ｄに吸入させて冷媒をさらに圧縮した後に第１吐出枝管３０３ｂに吐出するように構成されている。
【００５５】
圧縮機３７は、ケーシング３７ａ内に、圧縮機駆動モータ３７ｂと、駆動軸３７ｃと、圧縮要素３０４ｃ、３０４ｄとが収容された密閉式構造となっている。圧縮機駆動モータ３７ｂは、駆動軸３７ｃに連結されている。そして、この駆動軸３７ｃは、２つの圧縮要素３０４ｃ、３０４ｄに連結されている。すなわち、圧縮機３７は、２つの圧縮要素３０４ｃ、３０４ｄが単一の駆動軸３７ｃに連結されており、２つの圧縮要素３０４ｃ、３０４ｄがともに圧縮機駆動モータ３７ｂによって回転駆動される、いわゆる一軸二段圧縮構造となっている。そして、圧縮機３７は、第１吸入枝管３０４ａから冷媒を吸入し、この吸入された冷媒を圧縮要素３０４ｃによって圧縮した後に中間冷媒管８を構成する第２入口側中間枝管８４に吐出し、第２入口側中間枝管８４に吐出された冷媒を中間冷媒管８を構成する中間母管８２及び第２出口側中間枝管８５を通じて圧縮要素３０４ｄに吸入させて冷媒をさらに圧縮した後に第２吐出枝管３０４ｂに吐出するように構成されている。
【００５６】
第１中間冷却管６１は、圧縮要素３０３ｃから吐出される冷媒を第１中間冷却器６０まで導く配管である。また、第１中間冷却管６２は、第１中間冷却器６０から流出した冷媒を圧縮要素３０３ｄの吸入側に導く配管である。
【００５７】
第２中間冷却管７１は、圧縮要素３０４ｃから吐出される冷媒を第２中間冷却器７０まで導く配管である。また、第２中間冷却管７２は、第２中間冷却器７０から流出した冷媒を圧縮要素３０４ｄの吸入側に導く配管である。
【００５８】
また、吐出母管３０２ｂは、圧縮機構３０２から吐出された冷媒を切換機構３に送るための冷媒管であり、吐出母管３０２ｂに接続される第１吐出枝管３０３ｂには、第１油分離機構３４１と第１逆止機構３４２とが設けられており、吐出母管３０２ｂに接続される第２吐出枝管３０４ｂには、第２油分離機構３４３と第２逆止機構３４４とが設けられている。
【００５９】
第１油分離機構３４１は、第１圧縮機構３０３から吐出される冷媒に同伴する冷凍機油を冷媒から分離して圧縮機構３０２の吸入側へ戻す機構であり、主として、第１圧縮機構３０３から吐出される冷媒に同伴する冷凍機油を冷媒から分離する第１油分離器３４１ａと、第１油分離器３４１ａに接続されており冷媒から分離された冷凍機油を圧縮機構３０２の吸入側に戻す第１油戻し管３４１ｂとを有している。
【００６０】
第２油分離機構３４３は、第２圧縮機構３０４から吐出される冷媒に同伴する冷凍機油を冷媒から分離して圧縮機構３０２の吸入側へ戻す機構であり、主として、第２圧縮機構３０４から吐出される冷媒に同伴する冷凍機油を冷媒から分離する第２油分離器３４３ａと、第２油分離器３４３ａに接続されており冷媒から分離された冷凍機油を圧縮機構３０２の吸入側に戻す第２油戻し管３４３ｂとを有している。
【００６１】
本実施形態において、第１油戻し管３４１ｂは、第２吸入枝管３０４ａに接続されており、第２油戻し管３４３ｃは、第１吸入枝管３０３ａに接続されている。このため、第１圧縮機構３０３内に溜まった冷凍機油の量と第２圧縮機構３０４内に溜まった冷凍機油の量との間に偏りに起因して第１圧縮機構３０３から吐出される冷媒に同伴する冷凍機油の量と第２圧縮機構３０４から吐出される冷媒に同伴する冷凍機油の量との間に偏りが生じた場合であっても、圧縮機構３０３、３０４のうち冷凍機油の量が少ない方に冷凍機油が多く戻ることになり、第１圧縮機構３０３内に溜まった冷凍機油の量と第２圧縮機構３０４内に溜まった冷凍機油の量との間の偏りが解消されるようになっている。
【００６２】
また、本実施形態において、第１吸入枝管３０３ａは、第２油戻し管３４３ｂとの合流部から吸入母管３０２ａとの合流部までの間の部分が、吸入母管３０２ａとの合流部に向かって下り勾配になるように構成されており、第２吸入枝管３０４ａは、第１油戻し管３４１ｂとの合流部から吸入母管３０２ａとの合流部までの間の部分が、吸入母管３０２ａとの合流部に向かって下り勾配になるように構成されている。このため、圧縮機構３０３、３０４のいずれか一方が停止中であっても（ここでは、第１圧縮機構３０３が優先的に運転されるため、第２圧縮機構３０４が停止中となる）、運転中の第１圧縮機構３０３に対応する第１油戻し管３４１ｂから停止中の第２圧縮機構３０４に対応する第２吸入枝管３０４ａに戻される冷凍機油は、吸入母管３０２ａに戻ることになり、運転中の第１圧縮機構３０３の油切れが生じにくくなっている。油戻し管３４１ｂ、３４３ｂには、油戻し管３４１ｂ、３４３ｂを流れる冷凍機油を減圧する減圧機構３４１ｃ、３４３ｃが設けられている。逆止機構３４２、３４４は、圧縮機構３０３、３０４の吐出側から切換機構３への冷媒の流れを許容し、かつ、切換機構３から圧縮機構３０３、３０４の吐出側への冷媒の流れを遮断するための機構である。
【００６３】
このように、圧縮機構３０２は、本実施形態において、２つの圧縮要素３０３ｃ、３０３ｄを有するとともにこれらの圧縮要素３０３ｃ、３０３ｄのうちの前段側の圧縮要素から吐出された冷媒を後段側の圧縮要素で順次圧縮するように構成された第１圧縮機構３０３と、２つの圧縮要素３０４ｃ、３０４ｄを有するとともにこれらの圧縮要素３０４ｃ、３０４ｄのうちの前段側の圧縮要素から吐出された冷媒を後段側の圧縮要素で順次圧縮するように構成された第２圧縮機構３０４とを、中間圧の冷媒が互いに混ざり合うことがないように、並列に接続した構成となっている。
【００６４】
＜切換機構＞
切換機構３は、冷媒回路３１０内における冷媒の流れの方向を切り換えるための機構であり、冷房運転時には、熱源側熱交換器４を圧縮機構３０２によって圧縮される冷媒の冷却器として、かつ、利用側熱交換器６を熱源側熱交換器４において冷却された冷媒の加熱器として機能させるために、圧縮機構３０２の吐出側と熱源側熱交換器４の一端とを接続するとともに圧縮機構３０２の吸入側と利用側熱交換器６とを接続し（図１の切換機構３の実線を参照、以下、この切換機構３の状態を「冷却運転状態」とする）、暖房運転時には、利用側熱交換器６を圧縮機構３０２によって圧縮される冷媒の冷却器として、かつ、熱源側熱交換器４を利用側熱交換器６において冷却された冷媒の加熱器として機能させるために、圧縮機構３０２の吐出側と利用側熱交換器６とを接続するとともに圧縮機構３０２の吸入側と熱源側熱交換器４の一端とを接続することが可能である（図１の切換機構３の破線を参照、以下、この切換機構３の状態を「加熱運転状態」とする）。本実施形態において、切換機構３は、圧縮機構３０２の吸入側、圧縮機構３０２の吐出側、熱源側熱交換器４及び利用側熱交換器６に接続された四路切換弁である。尚、切換機構３は、四路切換弁に限定されるものではなく、例えば、複数の電磁弁を組み合わせる等によって、上述と同様の冷媒の流れの方向を切り換える機能を有するように構成したものであってもよい。
【００６５】
このように、切換機構３は、冷媒回路３１０を構成する圧縮機構３０２、熱源側熱交換器４、膨張機構５及び利用側熱交換器６だけに着目すると、圧縮機構３０２、熱源側熱交換器４、膨張機構５、利用側熱交換器６の順に冷媒を循環させる冷却運転状態と、圧縮機構３０２、利用側熱交換器６、膨張機構５、熱源側熱交換器４の順に冷媒を循環させる加熱運転状態とを切り換えることができるように構成されている。
【００６６】
＜熱源側熱交換器＞
熱源側熱交換器４は、冷媒の冷却器又は加熱器として機能する熱交換器である。熱源側熱交換器４は、その一端が切換機構３に接続されている。尚、ここでは図示しないが、熱源側熱交換器４には、熱源側熱交換器４を流れる冷媒と熱交換を行う冷却源又は加熱源としての水や空気が供給されるようになっている。
【００６７】
＜利用側熱交換器＞
利用側熱交換器６は、冷媒の加熱器又は冷却器として機能する熱交換器である。利用側熱交換器６は、その一端が膨張機構５に接続されており、その他端が切換機構３に接続されている。尚、ここでは図示しないが、利用側熱交換器６には、利用側熱交換器６を流れる冷媒と熱交換を行う加熱源又は冷却源としての水や空気が供給されるようになっている。
【００６８】
＜第１中間冷却器＞
第１中間冷却器６０は、本実施形態において、第１中間冷媒管６１，６２の途中に設けられており、第１圧縮機構３０３の前段側の圧縮要素３０３ｃから吐出された冷媒を冷却して後段側の圧縮要素３０３ｄに吸入させる熱交換器である。尚、ここでは図示しないが、第１中間冷却器６０には、第１中間冷却器６０を流れる冷媒と熱交換を行う冷却源としての水や空気が供給されるようになっている。このように、第１中間冷却器６０は、冷媒回路３１０を循環する冷媒を用いたものではないという意味で、外部熱源を用いた冷却器ということができる。
【００６９】
＜第２中間冷却器＞
第２中間冷却器７０は、本実施形態において、第２中間冷媒管７１，７２の途中に設けられており、第２圧縮機構３０４の前段側の圧縮要素３０４ｃから吐出された冷媒を冷却して後段側の圧縮要素３０４ｄに吸入させる熱交換器である。尚、ここでは図示しないが、第２中間冷却器７０には、第２中間冷却器７０を流れる冷媒と熱交換を行う冷却源としての水や空気が供給されるようになっている。このように、第２中間冷却器７０は、冷媒回路３１０を循環する冷媒を用いたものではないという意味で、外部熱源を用いた冷却器ということができる。
【００７０】
さらに、空気調和装置１には、各種のセンサが設けられている。また、空気調和装置１は、ここでは図示しないが、圧縮機構３０２、切換機構３、膨張機構５等の空気調和装置１を構成する各部の動作を制御する制御部９９を有している。
【００７１】
（２）空気調和装置の動作
次に、本実施形態の空気調和装置１の動作について、図１〜図５を用いて説明する。ここで、図２は、冷房運転時の冷凍サイクルが図示された圧力−エンタルピ線図であり、図３は、冷房運転時の冷凍サイクルが図示された温度−エントロピ線図であり、図４は、暖房運転時の冷凍サイクルが図示された圧力−エンタルピ線図であり、図５は、暖房運転時の冷凍サイクルが図示された温度−エントロピ線図である。尚、以下の冷房運転や暖房運転における運転制御は、上述の制御部（図示せず）によって行われる。また、以下の説明において、「高圧」とは、冷凍サイクルにおける高圧（すなわち、図２、３の点Ｄ、Ｅにおける圧力や図４、５の点Ｄ、Ｆにおける圧力）を意味し、「低圧」とは、冷凍サイクルにおける低圧（すなわち、図２、３の点Ａ、Ｆにおける圧力や図４、５の点Ａ、Ｅにおける圧力）を意味し、「中間圧」とは、冷凍サイクルにおける中間圧（すなわち、図２〜５の点Ｂ、Ｃにおける圧力）を意味している。
【００７２】
＜冷房運転＞
冷房運転時は、切換機構３が図１の実線で示される冷却運転状態とされる。そして、切換機構３が冷却運転状態となる。
【００７３】
この冷媒回路３１０の状態において、低圧の冷媒（図１〜図３の点Ａ参照）は、吸入母管３０２ａから圧縮機構３０２の圧縮機構３０３、３０４に吸入され、まず、圧縮要素３０３ｃ、３０４ｃによって中間圧力まで圧縮された後に、それぞれ第１中間冷媒管６１、第２中間冷却管７１に吐出される（図１〜図３の点Ｂ参照）。この前段側の圧縮要素３０３ｃ、３０４ｃから吐出された中間圧の冷媒は、互いに混ざり合うことなく第１中間冷媒器６０と第２中間冷却器７０のそれぞれにおいて、冷却源としての空気又は水と熱交換を行うことで冷却される（図１〜図３の点Ｃ参照）。次に、中間圧の冷媒は、互いに混ざり合うことが無い状態を維持したまま、圧縮要素３０３ｃ、３０４ｃの後段側に接続された圧縮要素３０３ｄ、３０４ｄに吸入されてさらに圧縮されて、吐出枝管３０３ａ、３０４ａ、油分離器３４１ａ、３４３ｂ、及び、逆止機構３４２、３４４を通じて、圧縮機構３０３、３０４から吐出される（図１〜図３の点Ｄ参照）。そして、圧縮機構３０３、３０４から吐出された冷媒は、吐出母管３０２ｂにおいて合流する。ここで、圧縮機構３０２から吐出された高圧の冷媒は、第１圧縮機構３０３の圧縮要素３０３ｃ、３０３ｄ、及び、第２圧縮機構３０４の圧縮要素３０４ｃ、３０４ｄによる二段圧縮動作によって、臨界圧力（すなわち、図２に示される臨界点ＣＰにおける臨界圧力Ｐｃｐ）を超える圧力まで圧縮されている。そして、この圧縮機構３０２から吐出された高圧の冷媒は、切換機構３を経由して、冷媒の冷却器として機能する熱源側熱交換器４に送られて、冷却源としての空気又は水と熱交換を行って冷却される（図１〜図３の点Ｅ参照）。そして、膨張機構５によって減圧されて低圧の気液二相状態の冷媒となり、冷媒の加熱器として機能する利用側熱交換器６に送られる（図１〜図３の点Ｆ参照）。そして、利用側熱交換器６に送られた低圧の気液二相状態の冷媒は、加熱源としての水又は空気と熱交換を行って加熱されて、蒸発することになる（図１〜図３の点Ａ参照）。そして、この利用側熱交換器６において加熱された低圧の冷媒は、切換機構３を経由して、再び、圧縮機構３０２に吸入される。このようにして、冷房運転が行われる。
【００７４】
このように、空気調和装置１では、第１圧縮機構３０３だけでなく、さらに第２圧縮機構３０４を設けている。そして、空気調和装置１の制御部９９は、これら第１圧縮機構３０３および第２圧縮機構３０４の両方を同時に駆動状態とさせる制御を行うことができる。また、このように第１圧縮機構３０３および第２圧縮機構３０４の両方を同時に駆動状態とさせつつ、第１中間冷却器６０および第２中間冷却器７０による冷媒冷却効果をそれぞれ得ることができるようにする場合であっても、第１圧縮機構３０３の中間圧の部分と第２圧縮機構３０４の中間圧の部分とが繋がっておらず、互いに独立して存在しているため、起動時等の第１圧縮機構３０３と第２圧縮機構３０４との圧力バランスを考慮する必要がなく、制御を簡素化させることができている。また、第１圧縮機構３０３および第２圧縮機構３０４の両方を同時に駆動状態とさせることで、空気調和装置１の循環冷媒量が、第１圧縮機構３０３のみの場合と比べて、増大している。よって、冷凍能力を向上させることができている。また、第１圧縮機構３０３と第２圧縮機構３０４との駆動状況を制御部９９が調節することで、いずれも停止している流量０の状態から、いずれも最大出力で運転している流量ＭＡＸの状態まで、流量の調整自由度の幅が広がっている。
【００７５】
また、空気調和装置１では、第１中間冷却器６０および第２中間冷却器７０をそれぞれ冷却器として機能する状態にしているため、第１中間冷却器６０および第２中間冷却器７０を設けなかった場合に比べて、後段側の圧縮要素３０３ｄ、３０４ｄに吸入される冷媒の温度が低下し、圧縮要素３０３ｄ、３０４ｄから吐出される冷媒の温度も低下することになる。このため、この空気調和装置１では、高圧の冷媒の冷却器として機能する熱源側熱交換器４において、第１中間冷却器６０および第２中間冷却器７０を設けなかった場合に比べて、冷却源としての水や空気と冷媒との温度差を小さくすることが可能になり、放熱ロスを小さくできることから、運転効率を向上させることができる。
【００７６】
＜暖房運転＞
暖房運転時は、切換機構３が図１の破線で示される加熱運転状態とされる。ここでの冷媒の流れは上述した冷房運転時と同様であり、説明を省略する。
【００７７】
なお、空気調和装置１では、切換機構３を加熱運転状態にした暖房運転において、第１中間冷却器６０および第２中間冷却器７０のそれぞれを流れる空気や水の量を低減させて、圧縮機構２から吐出される冷媒の温度の低下を抑えるようにしてもよい。このようにすることで、外部への放熱を抑え、冷媒の冷却器として機能する利用側熱交換器６に供給される冷媒の温度の低下を抑えることが可能になり、加熱能力の低下を抑えて、運転効率の低下を防ぐことができる。
【００７８】
＜圧縮機構の起動＞
次に、上述のような冷房運転や暖房運転を行う際の圧縮機構３０２の起動時の動作について説明する。
【００７９】
ここでは、第１圧縮機構３０３および第２圧縮機構３０４は、互いに独立して駆動させることができ、同時に駆動を開始させることもできる。
【００８０】
例えば、第１圧縮機構３０３が先に起動した場合には、第１圧縮機構３０３から吐出される冷媒は、吐出母管３０２ｂまで送られるが、逆止機構３４４が設けられていることから第２圧縮機構３０４内に逆流してしまうことがない。このことは、逆止機構３４２が設けられていることから、第２圧縮機構３０４が先に起動した場合であっても同様である。
【００８１】
また、第１中間冷媒管６１，６２および第１中間冷却器６０は、第２中間冷媒管７１，７２および第２中間冷却器７０と繋がる部分を有しておらず、互いに独立して設けられている。このため、第１圧縮機構３０３および第２圧縮機構３０４が並列して設けられている空気調和装置１であっても、各第１圧縮機構３０３および第２圧縮機構３０４の中間圧を調節させる制御を行う必要がなく、制御が煩雑にならないようにすることができている。
【００８２】
（３）変形例１
上記空気調和装置１は、図６に示すように、さらに第１エコノマイザ回路７および第２エコノマイザ回路８が設けられた冷媒回路３１０Ａを備えた構成としてもよい。
【００８３】
これにより、上記実施形態の作用効果に加えて、中間圧の冷媒を、第１中間冷却器６０、第２中間冷却器７０だけでなく、エコノマイザ効果によっても、冷媒を冷却させることができることになる。
【００８４】
ここで、図７は、冷房運転時の冷凍サイクルが図示された圧力−エンタルピ線図であり、図８は、冷房運転時の冷凍サイクルが図示された温度−エントロピ線図である。ここで、冷凍サイクル中のＡ，Ｂ，Ｃ‘、Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ’，Ｈ，Ｋ，Ｌ，Ｍ，Ｎ，Ｐは、それぞれ冷媒回路３１０Ａ中において同じ符号で示す部分に対応している。
【００８５】
＜エコノマイザ回路＞
第１エコノマイザ回路７は、熱源側熱交換器４と膨張機構５とを接続するメイン流路接続配管２１の途中である分岐点Ｘから分岐するようにして設けられている。このエコノマイザ回路７は、分岐点Ｘから分岐した後、第１圧縮機構３０３の中間圧部分である第１中間冷媒管６２の合流点Ｚ１において合流している。ここでは、第１エコノマイザ回路７を流れる冷媒は、第１圧縮機構３０３の低段側の圧縮要素３０３ｃから吐出された冷媒であって第１中間冷媒管６１および第１中間冷却器６０を通過した後の冷媒と合流するように合流点Ｚ１が設けられている。この合流点Ｚ１を第１中間冷却器６０通過後の冷媒が流れる第１中間冷媒管６２に設けたため、第１中間冷却器６０における冷却機能を十分に発揮させることが可能になっている。第１エコノマイザ回路７は、第１上流配管７ａ、第１膨張機構７ｅ、第１中流配管７ｂ、第１下流配管７ｃを有しており、この順で互いに接続されている。また、第１下流配管７ｃを通過する冷媒温度を検出可能な温度センサ７ｄが設けられている。
【００８６】
また、ここでは、メイン流路接続配管２１から第１上流配管７ｃが分岐している位置である分岐点Ｘは、エコノマイザ熱交換器２０と熱源側熱交換器４との間であるため、エコノマイザ熱交換器２０では分岐後の部分冷媒を対象とした熱交換が行われることになる。このため、分岐点Ｘがエコノマイザ熱交換器２０と膨張機構５との間に設けられていることでエコノマイザ熱交換器２０において分岐前の全量冷媒を対象とした熱交換が行われる場合と比較して、第１エコノマイザ回路７や第２エコノマイザ回路８を流れる冷媒を加熱させるために要する熱量が少なくて済むため、容量の小さなエコノマイザ熱交換器２０で対応させることが可能になる。
【００８７】
なお、メイン流路接続配管２１の分岐点Ｘから分岐した冷媒は、第１上流配管７ａを通じて第１膨張機構７ｅまで流れる。そして、第１膨張機構７ｅ通過時に、冷媒の圧力および温度が低下される。この温度および圧力が低下した冷媒は、第１中流配管７ｂを通じてエコノマイザ熱交換器２０まで送られた冷媒は、メイン流路接続配管２１を流れる冷媒との間で熱交換が行われる。ここでは、エコノマイザ熱交換器２０においてメイン流路接続配管２１を流れる冷媒の流れ方向と、第１エコノマイザ回路７や第２エコノマイザ回路８を流れる冷媒の流れ方向とが、略対向流れの関係となるように配管が設けられている。このため、第１上流配管７ａや第２上流配管８ａを流れる冷媒に過熱が付いたり超臨界状態になったとしても、エコノマイザ熱交換器２０における熱交換が並行流で行われる場合と比較して、熱交換効率を向上させることができている。そして、メイン流路接続配管２１を流れる冷媒が冷却されることで、メイン流路接続配管２１を流れる冷媒の過冷却度が上げられている。その後、エコノマイザ熱交換器２０を通過した冷媒は、第１下流配管７ｃを通じて、合流点Ｚ１において第１中間冷媒管６２に合流する。このようにして、蒸発器として機能する利用側熱交換器６に送られる冷媒の過冷却度を上げることで、成績係数を向上させつつ、第１圧縮機構３０３の中間圧の冷媒温度を下げることにより、吐出温度の異常上昇を防ぐことができている。
【００８８】
なお、第２エコノマイザ回路８についても、上述した第１エコノマイザ回路７と同様であり、熱源側熱交換器４と膨張機構５とを接続するメイン流路接続配管２１の途中である分岐点Ｘからさらに分岐するようにして設けられている。この第２エコノマイザ回路８は、分岐点Ｘから分岐した後、第２圧縮機構３０４の中間圧部分である第２中間冷媒管７２の合流点Ｚ２において合流している。この合流点Ｚ２を第２中間冷却器７０通過後の冷媒が流れる第２中間冷媒管７２に設けたため、第２中間冷却器７０における冷却機能を十分に発揮させることが可能になっている。第２エコノマイザ回路８は、第２上流配管８ａ、第２膨張機構８ｅ、第２中流配管８ｂ、第２下流配管８ｃを有しており、この順で互いに接続されている。また、第２下流配管８ｃを通過する冷媒温度を検出可能な温度センサ８ｄが設けられている。
【００８９】
メイン流路接続配管２１の分岐点Ｘから分岐した冷媒は、第２上流配管８ａを通じて第２膨張機構８ｅまで流れる。そして、第２膨張機構８ｅ通過時に、冷媒の圧力および温度が低下される。この温度および圧力が低下した冷媒は、第２中流配管８ｂを通じてエコノマイザ熱交換器２０まで送られた冷媒は、メイン流路接続配管２１を流れる冷媒との間で熱交換が行われ、メイン流路接続配管２１を流れる冷媒をさらに冷却させることでメイン流路接続配管２１を流れる冷媒の過冷却度を上げる。その後、エコノマイザ熱交換器２０を通過した冷媒は、第２下流配管８ｃを通じて、合流点Ｚ２において第２中間冷媒管７２に合流する。このようにして、蒸発器として機能する利用側熱交換器６に送られる冷媒の過冷却度を上げることで、成績係数を向上させつつ、第２圧縮機構３０４の中間圧の冷媒温度を下げることにより、吐出温度の異常上昇を防ぐことができている。
【００９０】
さらに、ここでの第１中間冷媒管６２と、第２中間冷媒管７２とは、第１エコノマイザ回路７および第２エコノマイザ回路８を介して分岐点Ｘで繋がっているが、制御部９９が、第１膨張機構７ｅおよび第２膨張機構８ｅの開度調節を行うことで冷媒流量を調整するため、第１中間冷媒管６２における冷媒の中間圧が第２中間冷媒管７２に対して直接作用することがない。これにより、第１圧縮機構３０３および第２圧縮機構３０４のそれぞれを自由に起動させることができるとともに、複雑な起動時制御を不要にしている。
【００９１】
なお、第１中間冷媒管６２を流れる冷媒は、第１中間冷却器６０を通過する際に冷却されているが、さらに、この合流点Ｚ１において第１エコノマイザ回路７を介して流入してくる冷媒によって冷却される。第２中間冷媒管７２を流れる冷媒についても同様に、第２中間冷却器７０を通過する際に冷却された冷媒をさらに合流点Ｚ２において第２エコノマイザ回路８を介して流入してくる冷媒によって冷却される。これらの第１エコノマイザ回路７および第２エコノマイザ回路８による中間圧の冷却においては、第１中間冷却器６０、第２中間冷却器７０のような外部への放熱を行うことによる冷却ではないため、放熱ロスを小さく抑えることができる。また、第１中間冷媒管６１，６２を流れる冷媒の冷却負荷や第２中間冷媒管７１，７２を流れる冷媒の冷却負荷を、第１中間冷却器６０や第２中間冷却器７０だけで対応するのではなく、さらに第１エコノマイザ回路７および第２エコノマイザ回路８によっても対応できるため、冷却負荷を分散させることができる。また、第１中間冷却器６０屋第２中間冷却器７０だけでは不足する冷却分を、第１エコノマイザ回路７や第２エコノマイザ回路８からの合流冷媒による冷却によって補う、もしくは、その逆が可能になる。
【００９２】
また、後段側の圧縮要素３０３ｄ、３０４ｄに吸入される冷媒の温度をさらに低く抑えることができる（図３の点Ｃ’、Ｇ’参照）。さらに、第１中間冷媒管６２、第２中間冷媒管７２を流れる冷媒が第１エコノマイザ回路７および第２エコノマイザ回路８によって増量するため、利用側熱交換器６における冷媒の単位流量当たりの冷却能力を高くすることができる。このため、圧縮機構３０３および第２圧縮機構３０４の両方を駆動させることで流量を増大させるだけでなく、吐出冷媒を冷却させることで冷媒密度を上昇させているため、単位体積当たりの冷媒重量が増大していることからも、相乗的な冷凍能力の増大効果が得られている。これらによって、運転効率をさらに向上させることが可能となる。
【００９３】
（４）変形例２
上記空変形例１では、図６に示すように、第１エコノマイザ回路７および第２エコノマイザ回路８が設けられた冷媒回路３１０Ａを備えた構成を例に説明した。
【００９４】
しかし、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、図１１に示すように、第３エコノマイザ回路９が設けられた冷媒回路３１０Ｂを備えた空気調和装置１であってもよい。
【００９５】
この第３エコノマイザ回路９は、上述した第１エコノマイザ回路や第２エコノマイザ回路８と同様に、メイン流路接続配管２１の分岐点Ｘから分岐し、エコノマイザ熱交換器２０を通過した後にさらに分岐して、第１中間冷媒管６２の合流点Ｚ１および第２中間冷媒管７２の合流点Ｚ２のそれぞれまで延びている。
【００９６】
具体的には、第３エコノマイザ回路９は、第３上流配管９ａ、第３膨張機構９ｅ、第３中流配管９ｂ、第３下流配管９ｃを有しており、この順で互いに接続されている。また、第３下流配管９ｃを通過する冷媒温度を検出可能な温度センサ９ｄが設けられている。さらに、第３エコノマイザ回路９は、第１中間下流分岐管９７ａおよび第２中間下流分岐管９８ａを有しており、第３下流配管９ｃの端部である分岐点Ｙを介してそれぞれ接続されている。
【００９７】
第１中間下流分岐管９７ａは、この分岐点Ｙから第１中間冷媒管６２の合流点Ｚ１まで延びており、途中に冷媒流量を調節する第１流量調節弁９７ｅを有している。
【００９８】
また、第２中間下流分岐管９８ａは、この分岐点Ｙから第２中間冷媒管７２の合流点Ｚ２まで延びており、途中に冷媒流量を調節する第２流量調節弁９８ｅを有している。
【００９９】
このような構成であっても、制御部９９が、第３膨張機構９ｅ、第１流量調節弁９７ｅ、および、第２流量調節弁９８ｅの開度を調節して、流量制御を行うことで、上記変形例１と同様に、メイン流路接続配管２１を流れる冷媒の過冷却度を上げて成績係数を向上させつつ、第２圧縮機構３０４の中間圧の冷媒温度を下げることにより、吐出温度の異常上昇を防ぐことが可能である。また、第１中間冷媒管６２における冷媒の中間圧が第２中間冷媒管７２に対して直接作用することがなく、第１圧縮機構３０３および第２圧縮機構３０４のそれぞれを自由に起動させることができるとともに、複雑な起動時制御を不要にできる点、その他の効果についても同様である。
【０１００】
さらに、第１中間冷媒管６２および第２中間冷却管７２を流れる冷媒を、それぞれ第１中間冷却器６０および第２中間冷却器７０によって冷却させることができるだけでなく、さらに、第３エコノマイザ回路９を介して合流される冷媒によっても冷却させることができる。これにより、放熱ロスを小さく抑えることができ、後段側の圧縮要素３０３ｄ、３０４ｄに吸入される冷媒の温度をさらに低く抑えることができる。さらに、第１中間冷媒管６２、第２中間冷媒管７２を流れる冷媒が第３エコノマイザ回路９によって増量するため、利用側熱交換器６における冷媒の単位流量当たりの冷却能力を高くすることができる。このため、圧縮機構３０３および第２圧縮機構３０４の両方を駆動させることで流量を増大させるだけでなく、吐出冷媒を冷却させることで冷媒密度を上昇させているため、単位体積当たりの冷媒重量が増大していることからも、相乗的な冷凍能力の増大効果が得られている。これらによって、運転効率をさらに向上させることが可能となる。
【０１０１】
なお、第１流量調節弁９７ｅおよび第２流量調節弁９８ｅを設けることなく、例えば、分岐点Ｙに三方弁等を設ける等によって流量を調節してもよい。
【０１０２】
（５）変形例３
上述の実施形態における冷媒回路３１０、３１０Ａ、３１０Ｂでは、１つの利用側熱交換器６が接続された構成となっている場合を例に挙げて説明した。
【０１０３】
しかし、本発明はこれに限られる物ではなく、例えば、複数の利用側熱交換器６を接続するとともに、これらの利用側熱交換器６を個別に発停させたり、個別に流量制御するための利用側膨張機構をそれぞれ設けた構成の冷媒回路にしてもよい。
【０１０４】
（６）変形例４
上記冷媒回路３１０、３１０Ａ、３１０Ｂでは、二段圧縮式の圧縮機構３０３、３０４に代えて、三段圧縮式や四段圧縮式等のような二段圧縮式よりも多段の圧縮機構を採用してもよい。
【０１０５】
（７）変形例５
上記冷媒回路３１０、３１０Ａ、３１０Ｂでは、中間冷却器が常時機能する冷媒回路構成が示されている。
【０１０６】
しかし、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、暖房時には、第１中間冷却器６０および第２中間冷却器７０のそれぞれの機能を発揮させない状態とすることが可能な構成としてもよい。例えば、第１中間冷却器６０の一端および他端を接続するバイパス配管に開閉切換弁を設けた構成とし、第２中間冷却器７０についても一端および他端を接続するバイパス配管に開閉切換弁を設けた構成としてもよい。
【０１０７】
（８）変形例６
上記冷媒回路３１０、３１０Ａ、３１０Ｂでは、圧縮機構３０３と圧縮機構３０４との容量について特に明示されていない。
【０１０８】
しかし、本発明では、例えば、圧縮機構３０３と圧縮機構３０４とで容量の異なる圧縮機構を採用してもよい。この場合、第１中間冷却器６０と第２中間冷却器７０の容量もこれに対応させた容量としてもよい。また、第１中間冷媒管６１，６２を流れる冷媒を冷却させるために第１エコノマイザ回路７もしくは第３エコノマイザ回路９から合流される冷媒量と、第２中間冷媒管７１，７２を流れる冷媒を冷却させるために第２エコノマイザ回路８もしくは第３エコノマイザ回路９から合流される冷媒量と、の流量制御を制御部９９が行うようにしてもよい。この場合には、第１膨張機構、第２膨張機構、第３膨張機構の開度制御が行われることになる。
【０１０９】
（９）変形例７
また、例えば、水温センサや水の流量センサを設けることで、第１中間冷却器６０を流れる水によって第１中間冷却管６１，６２を流れる冷媒を冷却する冷却量、および、第２中間冷却器７０を流れる水によって第２中間冷却管７１，７２を流れる冷媒を冷却する冷却量のいずれか一方は、この第１中間冷却器６０および第２中間冷却器７０を流れる水量および／または水温を制御部９９が調節することにより調節するようにしてもよい。この場合には、高段側の圧縮要素３０３ｄ、３０４ｄの吸入冷媒の状態を調節することができるため、圧縮仕事をより確実に調節することができるようになる。
【０１１０】
（１０）他の実施形態
以上、本発明の実施形態及びその変形例について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、これらの実施形態及びその変形例に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
【０１１１】
例えば、上述の実施形態及びその変形例において、利用側熱交換器６を流れる冷媒と熱交換を行う加熱源又は冷却源としての水やブラインを使用するとともに、利用側熱交換器６において熱交換された水やブラインと室内空気とを熱交換させる二次熱交換器を設けた、いわゆる、チラー型の空気調和装置に本発明を適用してもよい。
【０１１２】
また、冷房専用の空気調和装置等のような上述のチラータイプの空気調和装置とは異なる型式の冷凍装置であっても、本発明を適用可能である。
【０１１３】
また、超臨界域で作動する冷媒としては、二酸化炭素に限定されず、エチレン、エタンや酸化窒素等を使用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１１４】
本発明の冷凍装置は、超臨界状態の過程を含んで作動する冷媒を使用した冷凍装置において、装置の大型化を抑えつつ、多段圧縮式の圧縮要素による冷媒循環量の調整自由度を増大させ、運転効率を向上させることが可能になるため、多段圧縮式の圧縮要素を備えて作動冷媒として超臨界状態の過程を含んで作動する冷媒を使用した冷凍装置に適用した場合に特に有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１１５】
【図１】本発明にかかる冷凍装置の一実施形態としての空気調和装置の概略構成図である。
【図２】冷房運転時の冷凍サイクルが図示された圧力−エンタルピ線図である。
【図３】冷房運転時の冷凍サイクルが図示された温度−エントロピ線図である。
【図４】暖房運転時の冷凍サイクルが図示された圧力−エンタルピ線図である。
【図５】暖房運転時の冷凍サイクルが図示された温度−エントロピ線図である。
【図６】変形例１にかかる空気調和装置の概略構成図である。
【図７】冷房運転時の冷凍サイクルが図示された圧力−エンタルピ線図である。
【図８】冷房運転時の冷凍サイクルが図示された温度−エントロピ線図である。
【図９】変形例２にかかる空気調和装置の概略構成図である。
【符号の説明】
【０１１６】
１  空気調和装置（冷凍装置）
２  圧縮機構
３  切換機構
４  熱源側熱交換器
５  膨張機構
６  利用側熱交換器
７  第１エコノマイザ回路
８  第２エコノマイザ回路
９  第３エコノマイザ回路
２０  エコノマイザ熱交換器
６０  第１中間冷媒器
７９  第２中間冷却器
９９  制御部
３０２  圧縮機構
３０３  第１圧縮機構（第１圧縮部）
３０３ｃ  圧縮要素（第１低圧圧縮要素）
３０３ｄ  圧縮要素（第１高圧圧縮要素）
３０４  第２圧縮機構（第２圧縮部）
３０４ｃ  圧縮要素（第２低圧圧縮要素）
３０４ｄ  圧縮要素（第２高圧圧縮要素）
Ｘ  分岐点
Ｙ  分岐点
Ｚ１  合流点
Ｚ２  合流点
【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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