WO2002066907A1

WO2002066907A1 - Dispositif a cycle de refrigeration

Info

Publication number: WO2002066907A1
Application number: PCT/JP2002/001441
Authority: WO
Inventors: Noriho Okaza; Masami Funakura; Fumitoshi Nishiwaki; Yuji Yoshida; Yuuichi Yakumaru
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date: 2001-02-21
Filing date: 2002-02-20
Publication date: 2002-08-29
Also published as: KR20030081454A; US6871511B2; JPWO2002066907A1; US20040089018A1; CN1492986A; EP1363084A1

Description

冷凍サイクル装置技術分野

本発明は、冷媒として二酸化炭素（以下 C 0₂と記す）冷媒を用いた冷凍サィクル装置に関するものである明。

背景技術田空調機、カーエアコン、電気（冷凍）冷蔵庫、冷蔵または冷凍倉庫、ショ一ケース等には、圧縮機、放熱器、減圧器、蒸発器等を接続してなる冷凍サィクル装置が使われて！/、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（H C F C、ハイド口クロ口フルォロカーボン）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。

し力し、 H C F C (ハイド口クロ口フルォロカーボン）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壌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 H F C (ハイド口フルォロカーボン）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。

上記ハ口ゲン原子を含有する H C F C類や H F C類の代わりに、ォゾン破壌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 C O 2を冷媒として用レ、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、 C0₂を使用した冷凍サイクル装置が提案されている。

ここで C〇₂の臨界温度は 31. 1°C、臨界圧力は 7372 k P a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、 C0₂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 C0₂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 C0₂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一 D) 、気液二相状態となった C0₂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つ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、 110 ( 類ゃ11?( 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、飽和液線及ぴ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 H F C類の場合のような凝縮行程が存在せず、 C 0₂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、 C0₂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 1 OMP a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 7 0 %以上とすべきであること、 C 0₂冷媒の冷媒充填量は、全內部容積を基準とした場合に、 1リツター当たり 0 . 5 5から0. 7 0キログラムの量とすべきであることが、特許第 2 8 0 4 8 4 4号公報に提案されている。尚、特許第 2 8 0 4 8 4 4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 5 1 aから構成される扁平チューブ 5 1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 7 0 %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 c o₂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 C 0₂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 7 0 %未満となる冷凍サイクル装置において、 C O ₂冷媒充填量が多い場合、あるいは C〇₂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 C O ₂冷媒密度が増加してしまう、あるいは、 c o₂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、高圧保護機構が働レヽ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（c o₂) 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 7 0 %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 Z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（c o₂) 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ノレ装置である。

又、第 8の本発明（請求項 8記載の本発明に対応）は、前記冷媒回路の內部には、単位リツター当たり、 0 . 2 5キログラム以下の量の二酸化炭素（ C〇₂) 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、 5 0 %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 1 0の本発明（請求項 1 0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ユア圧縮機である上記第 1〜 9のいずれか一^ 3の本発明の冷凍サイクル装置である。

又、第 1 1の本発明（請求項 1 1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 . 2 mmから 6 . 0 mm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〜 1 0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 1 2の本発明（請求項 1 2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（c o₂) 冷媒に不溶解性オイルである上記第：!〜 1 1のいずれか一つの本発明の冷凍サイクノレ装置である。

又、第 1 3の本発明（請求項 1 3記載の本発明に対応）は、少なぐとも圧縮機と、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 7 0 %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、単位リツター当たり、 0 . 2 5キログラム以下の量の二酸化炭素（c o ₂) 冷媒が充填されている冷凍サイクル装置である。又、第 1 4の本発明（請求項 1 4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（c o ₂) 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 3の本発明の冷凍サイタル装置である。

又、第 1 5の本発明（請求項 1 5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、 5 0 %未満の容積にオイルを封入した上記第 1 3又は、第 1 4の本発明の冷凍サイクル装置である。

又、第 1 6の本発明（請求項 1 6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 3〜1 5 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 1 7の本発明（請求項 1 7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 . 2 mmから 6 . O mm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 3〜1 6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 1 8の本発.明（請求項 1 8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ィヒ炭素（C 0₂) 冷媒に不溶解性オイルである上記第 1 3〜1 7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、 C O ₂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 C O ₂冷媒とオイル量の適切な関係を提供することが出来る。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）

1 1 圧縮機

1 2 放熱器

1 3 減圧器

1 4 蒸発器

1 5 油分離器

1 6 補助熱交換器

1 7 副減圧器

2 2 冷媒入口管

2 3 冷媒出口管 2 5 旋回板

2 6 オイル出口管

2 7 デミスタ

3 1 冷媒貯留容器

5 1 扁平チューブ

5 1 a 孑し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、 1 1は低圧シェルタイプのリニア圧縮機、 1 2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、 1 3は減圧器、 1 4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 1 1の吐出部〜放熱器 1 2〜減圧器 1 3入口部までの流路）で超臨界状態となり得る c o₂が冷媒として封入されている。

さらに、放熱器 1 2の出口から減圧器 1 3の入口までの冷媒流路である放熱側冷媒流路と、蒸発器 1 4の出口から圧縮機 1 1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 1 6を備えている。また、圧縮機 1 1と放熱器 1 2との間に油分離器 1 5が設けられており、油分離器 1 5で分離されるオイルは、油分離器 1 5のオイル出口管から、副減圧器 1 7を介して、圧縮機 1 1に配管接続された補助経路 1 8により、圧縮機 1 1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 . 6 mm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 7 0 %未満であった。

尚、本発明の容器部材は、油分離器 1 5に対応する。又、本発明の冷媒冷却手段は、補助熱交換器 1 6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 1 1で圧縮（本実施の形態では、圧力は、例えば約 1 0 MP aに圧縮する）された C O ₂冷媒は高温高圧状態となり、放熱器 1 2へ導入される。放熱器 1 2では、 C O ₂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 1 6における放熱器 1 2の出口から減圧器 1 3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 1 3では減圧（本実施の形態では、圧力は例えば、約 3 . 5 MP a に減圧する）されて、低圧の気液二相状態となり蒸発器 1 4へ導入される。さらに、 C 0₂冷媒は、蒸発器 1 4で、空気などから吸熱して、さらに、補助熱交換器 1 6における蒸発器 1 4の出口から圧縮機 1 1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 1 1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 1 2で放熱による加熱作用、蒸発器 1 4で吸熱による冷却作用を行う。

ここで、補助熱交換器 1 6では、放熱器 1 2を出て減圧器 1 3に向かう比較的高温の冷媒と、蒸発器 1 4を出て圧縮機 1 1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 1 2を出た C 0₂冷媒がさらに冷却されて減圧器 1 3で減圧されるため、蒸発器 1 4の入口ェンタルビが減少して、蒸発器 1 4の入口と出口でのェ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レ、冷凍サイクル装置において、従来のように、圧縮機 1 1と放熱器 1 2との間に油分離器 1 5を備えない場合には、圧縮機 1 1から C〇₂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 1 2において、 C〇₂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 C O ₂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。

し力し、本発明の実施の形態 1では、図 1に示すような圧縮機 1 1と放熱器 1 2との間に油分離器 1 5を備えている。

このような場合には、圧縮機 1 1から c o ₂冷媒とともに吐出されるオイルは油分離器 1 5において分離され、油分離器 1 5のオイル出口管から、副減圧器 1 7を介して、圧縮機 1 1に配管接続された補助経路 1 8により、低圧側回路にある圧縮機 1 1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ノレ装置を実現することができる。

油分離器 1 5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、 c o₂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 1 1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、 C O ₂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 5 0 %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 5 0 %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/レ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つた外乱を低減できるためである。

また、放熱器 1 2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 . 2 mmから 6 . 0 mmでは、高圧側回路の内部容積が全内部容積の 7 0 %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 . 2 mm以上に限定した根拠は、 0 . 2 mm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 . 0 mm以下に限定した根拠は、 6 . 0 mmより大きい場合では、高圧となる c o₂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つ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 7 0 %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 c o₂冷媒量を、回路の全内部容積を基準とした場合に、 1リツター当たり 0 . 2 5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、 C〇₂令媒量を、全内部容積を基準として、その 1リッター当たり 0 . 2 5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 7 0 %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 1 5の位置を圧縮機 1 1と放熱器 1 2の間とする場合には、放熱器 1 2において、オイルが C O ₂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 1 5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 1 2と減圧器 1 3の間としても良い。

この場合には、圧縮機 1 1に帰還させるオイルの温度を放熱器 1 2や補助熱交換器: I 6によって低減できるために、圧縮機 1 1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ツ卜有する。

(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 1 5の概略構成図である。

同図において、油分離器 1 5は、円筒状の容器 2 1の上部にはその内周面に対して接線方向に C O ₂冷媒とオイルとが流入するように設けられた入口管 2 2が、容器 2 1の下端にはオイル出口管 2 6がそれぞれ設けられている。冷媒出口管 2 3は容器 2 1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 2 1内の冷媒出口管 2 3の外周には旋回板 2 5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 1 1から吐出された C〇₂冷媒とオイルは入口管 2 2から流入したのち、旋回板 2 5に衝突し、旋回運動を与えられて、 C 0₂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 c o₂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 2 3を通り、冷媒出口管 2 3から配管接続された放熱器 1 2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 2 1の下部に貯められ、オイル出口管 2 6から圧縮機 1 1に配管接続された補助経路 1 8 を介して、圧縮機 1 1に帰還される。

なお、補助回路 1 8に設けられた副減圧器 1 7は、油分離器 1 5内に貯まつ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 1 1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、 C 0₂冷媒とオイルを分離するために、容器 2 1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 2 1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 2 1内下部には、オイルの液滴を補足、分離し、容器內下部に貯まったオイルが冷媒出口管 2 3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 2 7や、デミスタ 2 7を保持するために、複数の穴を有する金属プレート 2 8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 2 1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 2 5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 1 1として、低圧シェルタイブの圧縮機であって、（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ァ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ァモータで往復動ざ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 1 1から C 0₂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 1 5や副減圧器 1 7や補助経路 1 8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 7 0 %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 1 1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、 C 0₂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 1 2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 . 2 mmから 6 . 0 mmであり、高圧側回路の内部容積が全内部容積の 7 0 %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 C〇₂冷媒量を回路の全内部容積のリッター当たり 0 . 2 5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、全内部容積のリツター当たり 0 . 2 5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內部容積の 7 0 %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 1 6と減圧器 1 3との間に冷媒貯留容器 3 1を備えている。この冷媒貯留容器 3 1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 3 1を含めても高圧側回路の内部容積は全内部容積の 7 0 %未満であった。

このような冷媒貯留容器 3 1では、 C 0₂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 3 1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 3 1は、補助熱交換器 1 6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 C〇₂冷媒は、放熱器 1 2により冷却された後、補助熱交換器 1 6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、もつとも密度が大い状態となっている。

すなわち、冷媒貯留容器 3 1を小型化し、内容積を小さくしても、 C 0₂冷媒の密度が大きくなつているために、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 3 1を高圧側回路に接続すること、特に、高圧側回路のうち、 C O ₂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 3 1に対応する。又、本発明の冷媒冷却手段は、補助熱交換器 1 6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 3 1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 1 6 0が、冷媒貯留容器 3 1の機能をも兼ねた構造であっても良レ、。即ち、この場合、補助熱交換器 1 6 0を構成する高圧側回路 1 6 0 a力図 1， 3に示す補助熱交換器 1 6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 1 6 0 b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 7 0 %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 1 1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 C 0₂冷媒量を回路の全内部容積のリッター当たり 0 . 2 5キロダラム以下とすれば、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 C 0₂冷媒量が回路の全内部容積のリツター当たり 0 . 2 5 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 1 1に吸入される c o₂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 C O ₂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、全内部容積のリツター当たり 0 . 2 5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內部容積の 7 0 %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 1 1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 C O ₂冷媒重量に対するオイル重暈の比を 2 %以下としたり、あるいは C 0₂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 5 0 %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 . 2 mmから 6 . 0 mmの扁平チューブで放熱器 1 2を構成したり、あるいは圧縮機 1 1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 1 6は、放熱器 1 2と蒸発器 1 4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 1 5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 1 5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 7 0 %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 . 2 mm〜6 . 0 mm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 . 2 mm 〜 6 . 0 mm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、 c o₂冷媒重量に対するオイノレ重量の比を 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 c o₂冷媒量を回路の全内部容積のリツター当たり 0. 2 5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、 C O ₂冷媒に不溶解性のオイルを充填したり、また、高圧となる圧縮メ力部の容積を除く低圧シェルの内部容積の 5 0 %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つた外乱を低減できる。

以上のように、本発明によれば、 c o₂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。

Claims

求の

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（C 0₂) 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 7 0 %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。

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 Z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。

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

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。

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

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。

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（C0₂) 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。

8. 前記冷媒回路の内部には、単位リツター当たり、 0. 25キロダラム以下の量の二酸化炭素（C0₂) 冷媒が充填されている請求項 1〜7の何れか一^ 3に記載の冷凍サイクル装置。

9. 前^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。

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。

1 1. 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. 2 m m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。

1 2. 前記圧縮機に封入されるオイルが二酸化炭素（C0₂) 冷媒に不溶解性オイルである請求項 1〜 1 1のいずれか一つに記載の冷凍サイクル装置。

1 3. 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、単位リツター当たり、 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。

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（C0₂) 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。

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。

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。

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. 2 m mから 6. 0 mm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 3〜16のいずれか一つに記載の冷凍サイクル装置。

18. 前記圧縮機に封入されるオイルが二酸化炭素（C0₂) 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。