(57)【要約】二酸化炭素（ＣＯ２）を冷媒として用いる冷凍サイクル装置であって、高圧側回路の一部に冷媒容器として油分離器を設ける、またはオイルレス型やオイルプア型のリニア圧縮機を用いる、または回路内に封入されるＣＯ２冷媒量を回路の全内部容積を基準として、その１リッター当たり０．２５キログラム以下とする冷凍サイクル装置を構成することにより、起動時などに急激に高圧が上昇したり、高圧保護機構が働いて圧縮機がうまく起動できない等の不具合を防止することが出来る。
2002066907.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも圧縮機と、減圧器と、放熱器と、蒸発器とから冷媒回路を構成し、その冷媒回路に二酸化炭素（ＣＯ２）を主成分とする冷媒を封入した冷凍サイクル装置であって、
前記冷媒回路の高圧側回路の内部容積が、前記冷媒回路の全内部容積の７０％未満であり、
前記高圧側回路の途中に、所定の容器部材を備えた冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記容器部材は、前記冷媒回路の配管断面積よりも広い配管断面積を有する容器であり、内部に冷媒貯留室及び／又は油分離手段を含む請求項１記載の冷凍サイクル装置。
【請求項３】
前記容器部材は、円筒状の容器であって、且つ、前記容器部材は（１）前記円筒状の容器の上端の近傍であって、前記円筒状の容器の内周面に対して接線方向に設けられた入口管と、（２）前記円筒状の容器の上端の中央部を貫通して前記容器内部の下方に向けて設けられた冷媒出口管と、（３）前記容器の下端に設けられたオイル出口管と、（４）前記容器内に設けられた冷媒とオイルに旋回運動を与える旋回板とを備えた請求項２記載の冷凍サイクル装置。
【請求項４】
高圧側回路の一部と低圧側回路の一部とを利用して、前記冷媒を冷却するための冷媒冷却手段を備え、
前記容器部材は、前記冷媒冷却手段と前記減圧器の間に設けられている請求項１〜３の何れか一つに記載の冷凍サイクル装置。
【請求項５】
高圧側回路の一部と低圧側回路の一部とを利用して、前記冷媒を冷却するための冷媒冷却手段を備え、
前記高圧側回路の一部が、前記容器部材を兼ねている請求項１記載の冷凍サイクル装置。
【請求項６】
前記冷媒冷却手段は、前記放熱器の出口側から前記減圧器の入口側までの間に形成された放熱側冷媒流路と、前記蒸発器の出口側から前記圧縮機の吸入部までの間に形成された蒸発側冷媒流路との間で熱交換を行う補助熱交換器である請求項４記載の冷凍サイクル装置。
【請求項７】
前記冷凍サイクル装置の運転時に、前記高圧側回路を循環する、二酸化炭素（ＣＯ２）冷媒重量に対するオイル重量の比が２％以下である請求項１〜６の何れか一つに記載の冷凍サイクル装置。
【請求項８】
前記冷媒回路の内部には、単位リッター当たり、０．２５キログラム以下の量の二酸化炭素（ＣＯ２）冷媒が充填されている請求項１〜７の何れか一つに記載の冷凍サイクル装置。
【請求項９】
前記圧縮機の容積の内、圧縮機構部の容積を除くシェル内部容積の、５０％未満の容積にオイルを封入した請求項１〜８の何れか一つに記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１０】
前記圧縮機は、オイルレス型またはオイルプア型のリニア圧縮機である請求項１〜９のいずれか一つに記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１１】
前記放熱器は、扁平チューブに形成された水力相当直径が０．２ｍｍから６．０ｍｍである複数の貫通孔を冷媒流路とする構成である請求項１〜１０のいずれか一つに記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１２】
前記圧縮機に封入されるオイルが二酸化炭素（ＣＯ２）冷媒に不溶解性オイルである請求項１〜１１のいずれか一つに記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１３】
少なくとも圧縮機と、減圧器と、放熱器と、蒸発器とから冷媒回路を構成し、高圧側回路の内部容積が前記冷媒回路の全内部容積の７０％未満となる冷凍サイクル装置であって、
前記冷媒回路の内部には、単位リッター当たり、０．２５キログラム以下の量の二酸化炭素（ＣＯ２）冷媒が充填されている冷凍サイクル装置。
【請求項１４】
前記冷凍サイクル装置の運転時に、前記高圧側回路を循環する、二酸化炭素（ＣＯ２）冷媒重量に対するオイル重量の比が２％以下である請求項１３に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１５】
前記圧縮機の容積の内、圧縮機構部の容積を除くシェル内部容積の、５０％未満の容積にオイルを封入した請求項１３又は、１４に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１６】
前記圧縮機は、オイルレス型またはオイルプア型のリニア圧縮機である請求項１３〜１５のいずれか一つに記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１７】
前記放熱器は、扁平チューブに形成された水力相当直径が０．２ｍｍから６．０ｍｍである複数の貫通孔を冷媒流路とする構成である請求項１３〜１６のいずれか一つに記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１８】
前記圧縮機に封入されるオイルが二酸化炭素（ＣＯ２）冷媒に不溶解性オイルである請求項１３〜１７のいずれか一つに記載の冷凍サイクル装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、冷媒として二酸化炭素（以下ＣＯ２と記す）冷媒を用いた冷凍サイクル装置に関するものである。
背景技術
空調機、カーエアコン、電気（冷凍）冷蔵庫、冷蔵または冷凍倉庫、ショーケース等には、圧縮機、放熱器、減圧器、蒸発器等を接続してなる冷凍サイクル装置が使われているが、この冷凍サイクル装置内に封入される冷媒としては、フッ素原子を含有する炭化水素類が用いられてきた。
特にフッ素原子と塩素原子をともに含有する炭化水素（ＨＣＦＣ、ハイドロクロロフルオロカーボン）類は性能がよく、かつ不燃性、人体に対して無毒であることから、冷凍サイクル装置に広く用いられてきた。
しかし、ＨＣＦＣ（ハイドロクロロフルオロカーボン）類は塩素原子を有しているがゆえに、大気に放出されて成層圏に達してしまった場合にオゾン層を破壊してしまうことが明らかになり、これらに代わって塩素原子を含まないＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）が使用されつつあるが、オゾン層を破壊する性質は有しないものの大気中での寿命が長いために温室効果が大きく、近年問題になっている地球温暖化を防止する上では必ずしも満足な冷媒とはいえない。
上記ハロゲン原子を含有するＨＣＦＣ類やＨＦＣ類の代わりに、オゾン破壊係数がゼロでありかつ地球温暖化係数もハロゲン原子を含有する炭化水素類に比べれば格段に小さいＣＯ２を冷媒として用いる冷凍サイクル装置の可能性が検討されつつある。例えば、特公平７−１８６０２号公報には、ＣＯ２を使用した冷凍サイクル装置が提案されている。
ここでＣＯ２の臨界温度は３１．１℃、臨界圧力は７３７２ｋＰａであり、これを用いた冷凍サイクル装置では、図４を用い説明する遷臨界サイクルとなりうる。
図４は、ＣＯ２を冷媒として用いる冷凍サイクルのモリエル線図である。
図中のＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ａで示されるように、圧縮機で気相状態のＣＯ２冷媒を圧縮する圧縮行程（Ａ−Ｂ）、この高温高圧の超臨界状態のＣＯ２冷媒を放熱器（ガスクーラ）にて冷却する冷却行程（Ｂ−Ｃ）、そして、減圧器により減圧する減圧行程（Ｃ−Ｄ）、気液二相状態となったＣＯ２冷媒を蒸発させる蒸発器の蒸発行程（Ｄ−Ａ）により、蒸発潜熱で空気等の外部流体から熱を奪って外部流体を冷却する。
図４において、蒸発行程（Ｄ−Ａ）における飽和蒸気領域（気液二相領域）から加熱蒸気領域（気相領域）への移行は、ＨＣＦＣ類やＨＦＣ類の場合と同様に行われるが、線（Ｂ−Ｃ）は、気液の臨界点ＣＣにより高圧側に位置していて、飽和液線及び飽和蒸気線に交差することはない。
すなわち、臨界点ＣＣを越える領域（超臨界領域）においては、ＨＣＦＣ類やＨＦＣ類の場合のような凝縮行程が存在せず、ＣＯ２冷媒が液化することなく冷却される冷却行程となる。
このとき、ＣＯ２冷媒を用いた冷凍サイクル装置の作動圧力は、低圧側圧力は３．５ＭＰａ程度、高圧側圧力は１０ＭＰａ程度となるため、ＨＣＦＣ類やＨＦＣ類を用いた場合に比較して、作動圧力が高くなり、高圧側圧力と低圧側圧力は、ＨＣＦＣ類やＨＦＣ類を用いた冷凍サイクル装置の約５〜１０倍となる。
このような遷臨界の高圧で作動する冷凍サイクル装置の作動圧力は、冷媒充填量、要素容積そして冷却行程温度のような幾つかの要因に依存しており、作動中に最適な高圧側圧力から掛け離れると、相対的に低い冷凍能力且つ低効率になってしまう可能性がある。このため、冷凍サイクル装置の停止時に調整した冷媒充填量により、作動中の高圧側圧力を最適な高圧側圧力に一致させ、相対的に高い冷凍能力且つ高い効率とする必要がある。
この手法として、高圧側回路の容積は、低圧側回路の容積に比べて相対的に大きくなるべきであり、より具体的には、高圧側回路の容積は、全内部容積に対して７０％以上とすべきであること、ＣＯ２冷媒の冷媒充填量は、全内部容積を基準とした場合に、１リッター当たり０．５５から０．７０キログラムの量とすべきであることが、特許第２８０４８４４号公報に提案されている。尚、特許第２８０４８４４号公報の文献の全ての開示は、そっくりそのまま引用することにより、ここに一体化する。
しかしながら、このような冷凍サイクル装置の放熱器や蒸発器に用いられる熱交換器の冷媒流路は、高圧冷媒の圧力に耐えるために、図５の概略構成図に示すように、小口径の複数の貫通孔５１ａから構成される扁平チューブ５１が用いられる。
また、熱交換器内や、接続配管での冷媒の圧力損失を低減するためには、高圧側冷媒回路の断面積よりも、低圧側冷媒回路の断面積を大きくした方が望ましい。
更に、圧縮機は、高圧冷媒の圧力に耐えるために、圧縮機のシェルを低圧シェルタイプとするのが望ましく、圧縮機のシェル空間を含む低圧側回路の容積の方が、高圧側回路の容積に比べて相対的に大きくなってしまうものである。
具体的には、高圧側回路の容積は、通常は、全内部容積に対して７０％未満となってしまうものである。ここで、高圧側回路とは、冷凍サイクル装置を構成する閉回路のうち、冷凍サイクル装置の運転時において、相対的に圧力の高いＣＯ２冷媒が動作する構成要素や接続配管（具体的には、圧縮機吐出部〜放熱器〜減圧器など）をさす。又、低圧側回路とは、相対的に圧力の低いＣＯ２冷媒が動作する構成要素や接続配管（具体的には、減圧器〜蒸発器〜圧縮機など）をさすものである。
このような高圧側回路の容積が全内部容積に対して７０％未満となる冷凍サイクル装置において、ＣＯ２冷媒充填量が多い場合、あるいはＣＯ２冷媒とともに吐出されるオイル量が多い場合には、急激に高圧側回路の圧力が上昇する恐れがある。
これは、低圧側回路に保有される冷媒量が相対的に容積の小さい高圧側回路へと移動させられることにより高圧側回路でのＣＯ２冷媒密度が増加してしまう、あるいは、ＣＯ２冷媒とともに吐出されるオイルが、相対的に容積の小さい高圧側回路の容積をさらに小さくすることから、急激な圧力上昇が生じるものであり、特に冷凍サイクル装置の起動時などの場合に生じやすい。急激な高圧側回路の圧力上昇が生じると、冷凍サイクル装置の放熱器や蒸発器や圧縮機の耐圧を保護するために、高圧保護機構が働いて圧縮機を停止させてしまい、うまく起動できない、等の問題があるものであった。
発明の開示
本発明は、この様な従来の冷凍サイクル装置の上記課題を考慮し、冷媒回路における急激な圧力上昇を従来に比べて緩和することが出来る冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。
第１の本発明（請求項１記載の本発明に対応）は、少なくとも圧縮機と、減圧器と、放熱器と、蒸発器とから冷媒回路を構成し、その冷媒回路に二酸化炭素（ＣＯ２）を主成分とする冷媒を封入した冷凍サイクル装置であって、
前記冷媒回路の高圧側回路の内部容積が、前記冷媒回路の全内部容積の７０％未満であり、
前記高圧側回路の途中に、所定の容器部材を備えた冷凍サイクル装置である。
又、第２の本発明（請求項２記載の本発明に対応）は、前記容器部材は、前記冷媒回路の配管断面積よりも広い配管断面積を有する容器であり、内部に冷媒貯留室及び／又は油分離手段を含む上記第１の本発明の冷凍サイクル装置である。
又、第３の本発明（請求項３記載の本発明に対応）は、前記容器部材は、円筒状の容器であって、且つ、前記容器部材は（１）前記円筒状の容器の上端の近傍であって、前記円筒状の容器の内周面に対して接線方向に設けられた入口管と、（２）前記円筒状の容器の上端の中央部を貫通して前記容器内部の下方に向けて設けられた冷媒出口管と、（３）前記容器の下端に設けられたオイル出口管と、（４）前記容器内に設けられた冷媒とオイルに旋回運動を与える旋回板とを備えた上記第２の本発明の冷凍サイクル装置である。
又、第４の本発明（請求項４記載の本発明に対応）は、高圧側回路の一部と低圧側回路の一部とを利用して、前記冷媒を冷却するための冷媒冷却手段を備え、
前記容器部材は、前記冷媒冷却手段と前記減圧器の間に設けられている上記第１〜３の何れか一つの本発明の冷凍サイクル装置である。
又、第５の本発明（請求項５記載の本発明に対応）は、高圧側回路の一部と低圧側回路の一部とを利用して、前記冷媒を冷却するための冷媒冷却手段を備え、
前記高圧側回路の一部が、前記容器部材を兼ねている上記第１の本発明の冷凍サイクル装置である。
又、第６の本発明（請求項６記載の本発明に対応）は、前記冷媒冷却手段は、前記放熱器の出口側から前記減圧器の入口側までの間に形成された放熱側冷媒流路と、前記蒸発器の出口側から前記圧縮機の吸入部までの間に形成された蒸発側冷媒流路との間で熱交換を行う補助熱交換器である上記第４の本発明の冷凍サイクル装置である。
又、第７の本発明（請求項７記載の本発明に対応）は、前記冷凍サイクル装置の運転時に、前記高圧側回路を循環する、二酸化炭素（ＣＯ２）冷媒重量に対するオイル重量の比が２％以下である上記第１〜６の何れか一つの本発明の冷凍サイクル装置である。
又、第８の本発明（請求項８記載の本発明に対応）は、前記冷媒回路の内部には、単位リッター当たり、０．２５キログラム以下の量の二酸化炭素（ＣＯ２）冷媒が充填されている上記第１〜７の何れか一つの本発明の冷凍サイクル装置である。
又、第９の本発明（請求項９記載の本発明に対応）は、前記圧縮機の容積の内、圧縮機構部の容積を除くシェル内部容積の、５０％未満の容積にオイルを封入した上記第１〜８の何れか一つの本発明の冷凍サイクル装置である。
又、第１０の本発明（請求項１０記載の本発明に対応）は、前記圧縮機は、オイルレス型またはオイルプア型のリニア圧縮機である上記第１〜９のいずれか一つの本発明の冷凍サイクル装置である。
又、第１１の本発明（請求項１１記載の本発明に対応）は、前記放熱器は、扁平チューブに形成された水力相当直径が０．２ｍｍから６．０ｍｍである複数の貫通孔を冷媒流路とする構成である上記第１〜１０のいずれか一つの本発明の冷凍サイクル装置である。
又、第１２の本発明（請求項１２記載の本発明に対応）は、前記圧縮機に封入されるオイルが二酸化炭素（ＣＯ２）冷媒に不溶解性オイルである上記第１〜１１のいずれか一つの本発明の冷凍サイクル装置である。
又、第１３の本発明（請求項１３記載の本発明に対応）は、少なくとも圧縮機と、減圧器と、放熱器と、蒸発器とから冷媒回路を構成し、高圧側回路の内部容積が前記冷媒回路の全内部容積の７０％未満となる冷凍サイクル装置であって、
前記冷媒回路の内部には、単位リッター当たり、０．２５キログラム以下の量の二酸化炭素（ＣＯ２）冷媒が充填されている冷凍サイクル装置である。
又、第１４の本発明（請求項１４記載の本発明に対応）は、前記冷凍サイクル装置の運転時に、前記高圧側回路を循環する、二酸化炭素（ＣＯ２）冷媒重量に対するオイル重量の比が２％以下である上記第１３の本発明の冷凍サイクル装置である。
又、第１５の本発明（請求項１５記載の本発明に対応）は、前記圧縮機の容積の内、圧縮機構部の容積を除くシェル内部容積の、５０％未満の容積にオイルを封入した上記第１３又は、第１４の本発明の冷凍サイクル装置である。
又、第１６の本発明（請求項１６記載の本発明に対応）は、前記圧縮機は、オイルレス型またはオイルプア型のリニア圧縮機である上記第１３〜１５のいずれか一つの本発明の冷凍サイクル装置である。
又、第１７の本発明（請求項１７記載の本発明に対応）は、前記放熱器は、扁平チューブに形成された水力相当直径が０．２ｍｍから６．０ｍｍである複数の貫通孔を冷媒流路とする構成である上記第１３〜１６のいずれか一つの本発明の冷凍サイクル装置である。
又、第１８の本発明（請求項１８記載の本発明に対応）は、前記圧縮機に封入されるオイルが二酸化炭素（ＣＯ２）冷媒に不溶解性オイルである上記第１３〜１７のいずれか一つの本発明の冷凍サイクル装置である。
上記構成により、例えば、小口径の複数の貫通孔からなる扁平チューブを放熱器や蒸発器の冷媒流路として用い、ＣＯ２冷媒を用いた冷凍サイクル装置であって、急激な圧力上昇を緩和する手段を有する冷凍サイクル装置や、急激な圧力上昇を防止する冷凍サイクル装置に充填されるＣＯ２冷媒とオイル量の適切な関係を提供することが出来る。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施の形態について説明する。
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の概略構成を、図１に示す。
同図において、１１は低圧シェルタイプのリニア圧縮機、１２は扁平チューブに形成された複数の貫通孔を冷媒流路として有する放熱器、１３は減圧器、１４は扁平チューブに形成された複数の貫通孔を冷媒流路として有する蒸発器であり、これらを配管接続することにより閉回路を形成し、図中矢印の方向に冷媒が循環する冷凍サイクルを構成し、放熱側となる経路（圧縮機１１の吐出部〜放熱器１２〜減圧器１３入口部までの流路）で超臨界状態となり得るＣＯ２が冷媒として封入されている。
さらに、放熱器１２の出口から減圧器１３の入口までの冷媒流路である放熱側冷媒流路と、蒸発器１４の出口から圧縮機１１の吸入部までの冷媒流路である蒸発側冷媒流路と、で熱交換を行う補助熱交換器１６を備えている。
また、圧縮機１１と放熱器１２との間に油分離器１５が設けられており、油分離器１５で分離されるオイルは、油分離器１５のオイル出口管から、副減圧器１７を介して、圧縮機１１に配管接続された補助経路１８により、圧縮機１１に帰還される構成となっている。
また、扁平チューブに形成された複数の貫通孔の水力相当直径は、高圧冷媒の圧力に耐えるために、０．６ｍｍとした。このように構成した冷凍サイクル装置の高圧側回路の内部容積は全内部容積の７０％未満であった。
尚、本発明の容器部材は、油分離器１５に対応する。又、本発明の冷媒冷却手段は、補助熱交換器１６に対応する。
以上のような構成を有する冷凍サイクル装置の動作について説明する。
圧縮機１１で圧縮（本実施の形態では、圧力は、例えば約１０ＭＰａに圧縮する）されたＣＯ２冷媒は高温高圧状態となり、放熱器１２へ導入される。放熱器１２では、ＣＯ２冷媒は超臨界状態であるので、気液二相状態とはならずに、空気や水などの媒体に放熱する。その後、補助熱交換器１６における放熱器１２の出口から減圧器１３の入口までの放熱側冷媒流路においてさらに冷却される。
減圧器１３では減圧（本実施の形態では、圧力は例えば、約３．５ＭＰａに減圧する）されて、低圧の気液二相状態となり蒸発器１４へ導入される。さらに、ＣＯ２冷媒は、蒸発器１４で、空気などから吸熱して、さらに、補助熱交換器１６における蒸発器１４の出口から圧縮機１１の吸入部までの蒸発側冷媒流路においてガス状態となり、再び圧縮機１１に吸入される。
このようなサイクルを繰り返すことにより、放熱器１２で放熱による加熱作用、蒸発器１４で吸熱による冷却作用を行う。
ここで、補助熱交換器１６では、放熱器１２を出て減圧器１３に向かう比較的高温の冷媒と、蒸発器１４を出て圧縮機１１に向かう比較的低温の冷媒とで熱交換が行われる。このため、放熱器１２を出たＣＯ２冷媒がさらに冷却されて減圧器１３で減圧されるため、蒸発器１４の入口エンタルピが減少して、蒸発器１４の入口と出口でのエンタルピ差が大きくなり、吸熱能力（冷却能力）が増大する。
このような高圧側回路の容積が比較的小さい冷凍サイクル装置において、従来のように、圧縮機１１と放熱器１２との間に油分離器１５を備えない場合には、圧縮機１１からＣＯ２冷媒とともにオイルが吐出されると、特に小口径の複数の貫通孔の冷媒流路で構成される放熱器１２において、ＣＯ２冷媒とともに吐出されるオイルが、容積の小さい高圧側回路の容積をさらに小さくしてしまう。
それと同時に、低圧側回路に保有されるＣＯ２冷媒が高圧側回路へと移動することから、急激な圧力上昇が生じるものであり、特に冷凍サイクル装置の起動時などの場合に生じやすい。急激な高圧側回路の圧力上昇が生じると、冷凍サイクル装置の放熱器や蒸発器や圧縮機の耐圧を保護するために、高圧保護機構が働いて圧縮機を停止させてしまい、うまく起動できない、等の問題もあるものであった。
しかし、本発明の実施の形態１では、図１に示すような圧縮機１１と放熱器１２との間に油分離器１５を備えている。
このような場合には、圧縮機１１からＣＯ２冷媒とともに吐出されるオイルは油分離器１５において分離され、油分離器１５のオイル出口管から、副減圧器１７を介して、圧縮機１１に配管接続された補助経路１８により、低圧側回路にある圧縮機１１に順次、帰還させることにより、オイルが吐出されることによる急激な高圧側回路の容積の縮小を防止することができる。
このため、急激な高圧側回路の圧力上昇を低減することができ、冷凍サイクル装置の起動時において、急激に高圧が上昇したり高圧保護機構が働くこともない冷凍サイクル装置を実現することができる。
油分離器１５の種々の構成検討により、オイルが吐出されることによる急激な高圧側回路の容積の縮小を防止し、急激な高圧側回路の圧力上昇を低減するには、冷凍サイクル装置の運転時に高圧側回路を循環する、ＣＯ２冷媒重量に対するオイル重量の比が２％以下となるの状態が望ましいことが判明した。
さらに、圧縮機１１には、急激な高圧側回路の圧力上昇を低減できる点において、ＣＯ２冷媒に不溶解性のオイルを用いることが望ましいことが判明した。また、高圧となる圧縮メカ部の容積を除く低圧シェルの内部容積の５０％未満の容積にオイルを充填することが望ましい。
この理由は、不溶解性オイルを用いたり、オイル量を低圧シェルの内部容積の５０％未満の量とすることで、オイルへ溶け込む冷媒の量を低減できるために、起動時に、オイルに溶け込んでいた冷媒が発泡することで、高圧側回路と低圧側回路に保有される冷媒量のバランスが急激に変化するといった外乱を低減できるためである。
また、放熱器１２を構成する扁平チューブに形成された複数の貫通孔の水力相当直径を検討した結果、水力相当直径が０．２ｍｍから６．０ｍｍでは、高圧側回路の内部容積が全内部容積の７０％未満となる冷凍サイクル装置において、急激な高圧側回路の圧力上昇を低減出来ることが判明した。
ここで、水力相当直径を０．２ｍｍ以上に限定した根拠は、０．２ｍｍ未満の場合には、穴が小さすぎるために少量のオイルによっても穴が閉塞するなどし、急激な高圧側回路の圧力上昇を低減できない可能性が生じたためである。
一方、６．０ｍｍ以下に限定した根拠は、６．０ｍｍより大きい場合では、高圧となるＣＯ２冷媒の圧力に耐える強度設計を行うと肉扁平チューブの肉厚が厚くなり放熱器が大型化したり、伝熱性能が低下するといった別の不具合が生じるためである。
さらに、このような高圧側回路の内部容積が全内部容積の７０％未満である冷凍サイクル装置では、起動時の急激な圧力上昇を防止するには、回路内に封入されるＣＯ２冷媒量を、回路の全内部容積を基準とした場合に、１リッター当たり０．２５キログラム以下とすることが望ましい事が判明した。
なお、ＣＯ２冷媒量を、全内部容積を基準として、その１リッター当たり０．２５キログラム以下とした場合でも、高圧側回路の内容積が全内部容積の７０％未満と小さいために、作動中の高圧側圧力を最適な高圧側圧力に一致させ、相対的に高い冷凍能力且つ高い効率で運転することが可能である。
また、図１に示すように油分離器１５の位置を圧縮機１１と放熱器１２の間とする場合には、放熱器１２において、オイルがＣＯ２冷媒の伝熱阻害したり、圧力損失を増大させたりすることを防止でき、放熱器の熱交換効率も向上させることができるといった副次的なメリットも有する。
また、油分離器１５の位置は、高圧側回路の一部に有りさえすればよく、放熱器１２と減圧器１３の間としても良い。
この場合には、圧縮機１１に帰還させるオイルの温度を放熱器１２や補助熱交換器１６によって低減できるために、圧縮機１１の低圧シェル内の温度の上昇を防止し、圧縮機の効率を向上させることができるといった副次的なメリットも有する。
（実施の形態２）
図２は、前記実施の形態１における油分離器１５の概略構成図である。
同図において、油分離器１５は、円筒状の容器２１の上部にはその内周面に対して接線方向にＣＯ２冷媒とオイルとが流入するように設けられた入口管２２が、容器２１の下端にはオイル出口管２６がそれぞれ設けられている。冷媒出口管２３は容器２１の上端中央を貫通して下方に伸長するように設けられている。さらに、容器２１内の冷媒出口管２３の外周には旋回板２５が設けられている。
このような構造を有する油分離器の動作について、図１との関係もあわせて説明する。圧縮機１１から吐出されたＣＯ２冷媒とオイルは入口管２２から流入したのち、旋回板２５に衝突し、旋回運動を与えられて、ＣＯ２冷媒より密度の大きいオイルの液滴は遠心力により分離される。オイルの分離されたＣＯ２冷媒は、ガス冷媒であるため、容器内に伸長して設けられた冷媒出口管２３を通り、冷媒出口管２３から配管接続された放熱器１２へと流出する。
一方、分離されたオイルの液滴は、重力により落下し、容器２１の下部に貯められ、オイル出口管２６から圧縮機１１に配管接続された補助経路１８を介して、圧縮機１１に帰還される。
なお、補助回路１８に設けられた副減圧器１７は、油分離器１５内に貯まったオイル量が一定レベルに達すると自動で開くように制御されていても良いし、定期的に開くように制御されていても良い。
このような構造の油分離器を設け、低圧側回路にある圧縮機１１に順次、オイルを帰還させることにより、オイルが吐出されることによる急激な高圧側回路の容積の縮小を防止することができ、急激な高圧側回路の圧力上昇を低減することができる。
さらに、このような構造の油分離器では、ＣＯ２冷媒とオイルを分離するために、容器２１はある程度の内容積を必要とするが、油分離器を高圧側回路に接続することで、容器２１は一時的に冷媒を保持し、急激な冷媒量の変化を緩和するバッファの役目を担うために、急激な高圧側回路の圧力上昇を緩和できるといった副次的なメリットも生じる。
したがって、このような構造の油分離器を高圧側回路に接続することで、冷凍サイクル装置の起動時において、急激に高圧が上昇したり高圧保護機構が働くこともない冷凍サイクル装置を実現することができる。
なお、容器２１内下部には、オイルの液滴を補足、分離し、容器内下部に貯まったオイルが冷媒出口管２３から流出するのを防止する目的で、繊維状の金属線を編んだ細かいネットであるデミスタ２７や、デミスタ２７を保持するために、複数の穴を有する金属プレート２８などが設けられていても良い。
尚、本発明の冷媒貯留室は、容器２１の内部空間（但し、底部にオイルが貯留している場合には、そのオイル貯留部分を除く空間）に対応する。又、本発明の油分離手段は、旋回板２５等に対応する。
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３は、図１における圧縮機１１として、低圧シェルタイプの圧縮機であって、（１）オイルを用いないオイルレス型、又は（２）オイルの使用が少量のオイルプア型のリニア圧縮機を用いたものである。
リニア圧縮機は、シェル内のシリンダに摺動自在に支持されるピストンをリニアモータで往復動させて冷媒を圧縮して吐出する圧縮機である。オイルレス型やオイルプア型のリニア圧縮機を用いる場合には、圧縮機１１からＣＯ２冷媒とともに吐出されるオイルが無いか、きわめて少量となるために、図１の冷凍サイクル装置において、油分離器１５や副減圧器１７や補助経路１８を省略することが可能である。
リニア圧縮機は、シリンダとピストンとは接触状態での摺動動作を必要とするが、回転式モータを用いた従来の圧縮機で必要となる軸受が不要となるため、その他の部材は、必ずしも接触状態での摺動動作を必要としない。
従って、ピストン又はシリンダに表面処理を施すことで、耐久性が向上し、低摩擦係数化の効果があり、オイルを用いないで動作させることができる。
また、冷凍サイクル装置内を循環する冷媒ガスを、ピストンとシリンダの間に高圧で流入させるガスベアリングを採用することにより、オイルを用いないで動作させることができる。
また、ピストン又はシリンダに多孔性表面層を形成することで、多孔性表面層でオイルを保持するため、極めて少ないオイルで動作させることもできる。
このような構成の冷凍サイクル装置では、当然のことながら、高圧側回路の内部容積は全内部容積の７０％未満となる。しかしながら、オイルレス型やオイルプア型のリニア圧縮機を用いる場合には、圧縮機１１から吐出されるオイルが無いか、きわめて少量となるために、オイルが吐出されることによる急激な高圧側回路の容積の縮小を防止することができ、急激な高圧側回路の圧力上昇を低減することができる。
したがって、冷凍サイクル装置の起動時において、急激に高圧が上昇したり高圧保護機構が働くこともない冷凍サイクル装置を実現することができる。
また、オイルが吐出されることによる急激な高圧側回路の容積の縮小を防止し、急激な高圧側回路の圧力上昇を低減するには、冷凍サイクル装置の運転時に高圧側回路を循環する、ＣＯ２冷媒重量に対するオイル重量の比が２％以下になるようなオイルプアの状態が望ましいことが判明した。
さらに、放熱器１２を構成する扁平チューブに形成された複数の貫通孔の水力相当直径が０．２ｍｍから６．０ｍｍであり、高圧側回路の内部容積が全内部容積の７０％未満である冷凍サイクル装置では、起動時の急激な圧力上昇を防止するには、回路内に封入されるＣＯ２冷媒量を回路の全内部容積のリッター当たり０．２５キログラム以下とすることが望ましい事は実施の形態１の場合と同様である。
なお、全内部容積のリッター当たり０．２５キログラム以下とした場合でも、高圧側回路の内容積が全内部容積の７０％未満と小さいために、作動中の高圧側圧力を最適な高圧側圧力に一致させ、相対的に高い冷凍能力且つ高い効率で運転することが可能である。
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４における冷凍サイクル装置の概略構成を、図３に示す。なお、図３において、図１と同じ構成要素は図１と同じ番号とし、説明を省略する。
本実施の形態４では、補助熱交換器１６と減圧器１３との間に冷媒貯留容器３１を備えている。この冷媒貯留容器３１は、両端に配管接続用の開口部を備えた、単なる略円筒状の中空容器である。
なお、このような構成の冷凍サイクル装置の冷媒貯留容器３１を含めても高圧側回路の内部容積は全内部容積の７０％未満であった。
このような冷媒貯留容器３１では、ＣＯ２冷媒とオイルを分離し、オイルを圧縮機に帰還させることはできないために、オイルが吐出されることによる急激な高圧側回路の容積の縮小を防止することはできないが、冷媒貯留容器３１は一時的に冷媒を保持し、急激な冷媒量の変化を緩和するバッファの役目を担うために、急激な高圧側回路の圧力上昇を緩和できるといったメリットは残る。
また、冷媒貯留容器３１は、補助熱交換器１６において放熱器の出口側から減圧器の入口側までの間に形成された放熱側冷媒流路の出口側に接続されている。この位置でのＣＯ２冷媒は、放熱器１２により冷却された後、補助熱交換器１６により、さらに冷却された冷媒であり、高圧側回路において、もっとも密度が大きい状態となっている。
すなわち、冷媒貯留容器３１を小型化し、内容積を小さくしても、ＣＯ２冷媒の密度が大きくなっているために、十分に、急激な高圧側回路の圧力上昇を緩和できるといった副次的なメリットが出てくるものである。
したがって、冷媒貯留容器３１を高圧側回路に接続すること、特に、高圧側回路のうち、ＣＯ２冷媒の密度の大きい位置に接続することで、冷凍サイクル装置の起動時において、急激に高圧が上昇したり高圧保護機構が働くこともない冷凍サイクル装置を実現することができる。
尚、本発明の容器部材は、冷媒貯留容器３１に対応する。又、本発明の冷媒冷却手段は、補助熱交換器１６に対応する。
尚、本発明の容器部材は、本実施の形態では、冷媒貯留容器３１として実現する場合について説明したが、これに限らず例えば、図７に示す様に、補助熱交換器１６０が、冷媒貯留容器３１の機能をも兼ねた構造であっても良い。
即ち、この場合、補助熱交換器１６０を構成する高圧側回路１６０ａが、図１，３に示す補助熱交換器１６の高圧側回路に比べて、その内容積が広く形成されているので、低圧側回路１６０ｂとの間の熱交換機能とともに、冷媒を貯留する機能をも備えることが出来る。これにより、上記と同様の効果を発揮する。
（実施の形態５）
本発明の実施の形態５における冷凍サイクル装置の概略構成を、図６に示す。なお、図６において、図１と同じ構成要素は図１と同じ番号とし、説明を省略する。
本実施の形態５では、高圧側回路に冷媒貯留容器を備えておらず、このような構成の冷凍サイクル装置における高圧側回路の内部容積は全内部容積の７０％未満であった。
このような冷凍サイクル装置では、実施の形態１のようにオイルを圧縮機１１に帰還させることはできず、さらに、一時的に冷媒を保持して急激な冷媒量の変化を緩和するバッファの役目を担う冷媒貯留器も備えていないため、急激な高圧側回路の圧力上昇を回避する対策を検討した結果、回路内に封入されるＣＯ２冷媒量を回路の全内部容積のリッター当たり０．２５キログラム以下とすれば、急激な高圧側回路の圧力上昇を低減できることが判明した。
即ち、低圧側回路に保有される冷媒量が高圧側回路へと移動させられることで高圧側回路の圧力が上昇し始める。これに対して、低圧側回路では、回路内に封入されるＣＯ２冷媒量が回路の全内部容積のリッター当たり０．２５キログラム以下と少ないため、低圧側回路に保有される冷媒量の減少による低圧側回路の圧力が低下して、圧縮機１１に吸入されるＣＯ２冷媒の密度低下により、低圧側から高圧側へと移動させられるＣＯ２冷媒量が低下するため、急激な高圧側回路の圧力上昇が低減でき、急激な高圧上昇による高圧保護機構が働くことのない冷凍サイクル装置を実現することができる。
なお、全内部容積のリッター当たり０．２５キログラム以下とした場合でも、高圧側回路の内容積が全内部容積の７０％未満と小さいために、作動中の高圧側圧力を最適な高圧側圧力に一致させ、相対的に高い冷凍能力かつ高い効率で運転することが可能である。
さらに、圧縮機１１に油分離機構を内蔵させることなどにより、冷凍サイクル装置の運転時に高圧側回路を循環するＣＯ２冷媒重量に対するオイル重量の比を２％以下としたり、あるいはＣＯ２冷媒に不溶解性のオイルを用いたり、あるいは高圧となる圧縮メカ部の容積を除く低圧シェルの内部容積の５０％未満の容積にオイルを充填したり、あるいは複数の貫通孔の水力相当直径が０．２ｍｍから６．０ｍｍの扁平チューブで放熱器１２を構成したり、あるいは圧縮機１１としてオイルレス型またはオイルプア型のリニア圧縮機を用いたりすると、急激な高圧側回路の圧力上昇がさらに低減できることは、上述の実施の形態１や実施の形態３の場合と同様である。
尚、上記実施の形態１では、補助熱交換器１６は、放熱器１２と蒸発器１４との間にのみ設けた場合について説明したが、これに限らず例えば、油分離器１５の内部に、低圧側回路の一部を通すことにより熱交換機能も持たせて、油分離器１５の温度を下げる様に構成しても良い。
又、上記実施の形態では、圧縮機として低圧シェルタイプの圧縮機を用いた場合について説明したが、これに限らず要するに、冷媒回路の内、高圧側の回路の内部容積が、冷媒回路の全内部容積の７０％未満でありさえすれば、どの様なタイプの圧縮機を用いても構わない。
又、上記実施の形態では、一つの放熱器を構成する複数の貫通孔の水力相当直径が、０．２ｍｍ〜６．０ｍｍの範囲内の何れか一つに該当する場合について説明したが、これに限らず例えば、一つの放熱器が、上記０．２ｍｍ〜６．０ｍｍの範囲内に属する複数種類の直径の貫通孔から構成されていても良い。
以上述べたことから明らかなように、本発明によれば、油分離器を設けたり、オイルレス型やオイルプア型のリニア圧縮機を用いたことにより、望ましくは、冷凍サイクル装置の運転時に高圧側回路を循環する、ＣＯ２冷媒重量に対するオイル重量の比を２％以下とすることで、オイルが吐出されることによる急激な高圧側回路の容積の縮小を防止することができ、急激な高圧側回路の圧力上昇を低減することができる。
さらに、高圧側回路の一部に油分離器や、冷媒貯蔵容器などの冷媒容器を設けることで、冷媒容器に一時的に冷媒を保持し、急激な高圧側回路の圧力上昇を低減することができる。
また、さらに、回路内に封入されるＣＯ２冷媒量を回路の全内部容積のリッター当たり０．２５キログラム以下とすることで、起動時の急激な圧力上昇を緩和することができる。
さらに、ＣＯ２冷媒に不溶解性のオイルを充填したり、また、高圧となる圧縮メカ部の容積を除く低圧シェルの内部容積の５０％未満にオイルを充填することで、オイルへ溶け込む冷媒の量を低減できるために高圧側回路と低圧側回路に保有される冷媒量のバランスが急激に変化するといった外乱を低減できる。
以上のように、本発明によれば、ＣＯ２冷媒を用いた冷凍サイクル装置の起動時などにおいて、急激に高圧が上昇したり高圧保護機構が働くこともない冷凍サイクル装置を実現することができる。
産業上の利用可能性
以上述べたことから明らかな様に本発明によれば、冷媒回路における急激な圧力上昇を従来に比べて緩和することが出来るという長所を有する。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の概略構成図である。
第２図は、本発明の実施の形態２における油分離器の概略構成図である。
第３図は、本発明の実施の形態４における冷凍サイクル装置の概略構成図である。
第４図は、二酸化炭素を用いた冷凍サイクルの模式的なモリエル線図である。
第５図は、熱交換器を構成する扁平チューブの概略構成図である。
第６図は、本発明の実施の形態５における冷凍サイクル装置の概略構成図である。
第７図は、本発明の実施の形態４における冷凍サイクル装置の変形例を示す概略構成図である。
（符号の説明）
１１  圧縮機
１２  放熱器
１３  減圧器
１４  蒸発器
１５  油分離器
１６  補助熱交換器
１７  副減圧器
２２  冷媒入口管
２３  冷媒出口管
２５  旋回板
２６  オイル出口管
２７  デミスタ
３１  冷媒貯留容器
５１  扁平チューブ
５１ａ  貫通孔
【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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【国際調査報告】
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2002066907.tif 000011
2002066907.tif 000012
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