(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022181836
(43)【公開日】2022-12-08
(54)【発明の名称】多段圧縮冷凍装置
(51)【国際特許分類】
F25B 1/10 20060101AFI20221201BHJP
F25B 1/00 20060101ALI20221201BHJP
F25B 43/00 20060101ALI20221201BHJP
【ＦＩ】
F25B1/10 E
F25B1/00 396D
F25B1/00 311B
F25B43/00 L
F25B1/00 331E
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021089017
(22)【出願日】2021-05-27
(71)【出願人】
【識別番号】516299338
【氏名又は名称】三菱重工サーマルシステムズ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100100077
【弁理士】
【氏名又は名称】大場 充
(74)【代理人】
【識別番号】100136010
【弁理士】
【氏名又は名称】堀川 美夕紀
(74)【代理人】
【識別番号】100130030
【弁理士】
【氏名又は名称】大竹 夕香子
(74)【代理人】
【識別番号】100203046
【弁理士】
【氏名又は名称】山下 聖子
(72)【発明者】
【氏名】黒田 直樹
(72)【発明者】
【氏名】塩谷 篤
(72)【発明者】
【氏名】山田 実希
(72)【発明者】
【氏名】石田 寿幸
(72)【発明者】
【氏名】岡田 有二
(72)【発明者】
【氏名】笹谷 有悟
(72)【発明者】
【氏名】松本 航平
(72)【発明者】
【氏名】在本 崚平
(72)【発明者】
【氏名】佐藤 真悟
(57)【要約】
【課題】冷凍サイクルの効率を向上させつつ、安定して動作させることが可能な冷凍装置を提供すること
【解決手段】冷凍装置は、３段以上の圧縮機構を含む圧縮部と、第１熱交換器と、減圧部と、第２熱交換器と、高圧減圧機構と低圧減圧機構との間に与えられ、高圧と低圧との間の中間圧の冷媒を圧縮機構と圧縮機構との間に供給する複数の中間圧インジェクション流路と、複数の中間圧インジェクション流路のうち相対的に高圧側の高圧中間圧インジェクション流路に気相の冷媒を供給する気液分離器と、気液分離器から供給される液相の冷媒である液冷媒と、液冷媒の一部を減圧させてなる二相冷媒とを熱交換させることで液冷媒から吸熱させた冷媒を、高圧中間圧インジェクション流路に対して低圧側の中間圧インジェクション流路に供給する内部熱交換器と、を備える。
【選択図】図１
【解決手段】冷凍装置は、３段以上の圧縮機構を含む圧縮部と、第１熱交換器と、減圧部と、第２熱交換器と、高圧減圧機構と低圧減圧機構との間に与えられ、高圧と低圧との間の中間圧の冷媒を圧縮機構と圧縮機構との間に供給する複数の中間圧インジェクション流路と、複数の中間圧インジェクション流路のうち相対的に高圧側の高圧中間圧インジェクション流路に気相の冷媒を供給する気液分離器と、気液分離器から供給される液相の冷媒である液冷媒と、液冷媒の一部を減圧させてなる二相冷媒とを熱交換させることで液冷媒から吸熱させた冷媒を、高圧中間圧インジェクション流路に対して低圧側の中間圧インジェクション流路に供給する内部熱交換器と、を備える。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
冷凍サイクルにより冷媒を循環させる冷凍装置であって、
直列に接続されてそれぞれ前記冷媒を圧縮する３段以上の圧縮機構を含む圧縮部と、
前記圧縮部から吐出された前記冷媒を外気へと放熱させる第１熱交換器と、
相対的に高圧側の高圧減圧機構と、相対的に低圧側の低圧減圧機構とを含み、前記第１熱交換器を経た前記冷媒の圧力を前記高圧減圧機構および前記低圧減圧機構により減少させる減圧部と、
前記減圧部を経た前記冷媒を熱負荷から吸熱させる第２熱交換器と、
前記高圧減圧機構と前記低圧減圧機構との間に与えられ、前記第１熱交換器に設定される高圧と、前記第２熱交換器に設定される低圧との間の中間圧の前記冷媒を前記圧縮機構と前記圧縮機構との間に供給する複数の中間圧インジェクション流路と、
前記複数の中間圧インジェクション流路のうち相対的に高圧側の高圧中間圧インジェクション流路に気相の前記冷媒を供給する気液分離器と、
前記気液分離器から供給される液相の前記冷媒である液冷媒と、前記液冷媒の一部を減圧させてなる二相冷媒とを熱交換させることで前記液冷媒から吸熱させた前記冷媒を、前記高圧中間圧インジェクション流路に対して低圧側の前記中間圧インジェクション流路に供給する内部熱交換器と、を備える、冷凍装置。
直列に接続されてそれぞれ前記冷媒を圧縮する３段以上の圧縮機構を含む圧縮部と、
前記圧縮部から吐出された前記冷媒を外気へと放熱させる第１熱交換器と、
相対的に高圧側の高圧減圧機構と、相対的に低圧側の低圧減圧機構とを含み、前記第１熱交換器を経た前記冷媒の圧力を前記高圧減圧機構および前記低圧減圧機構により減少させる減圧部と、
前記減圧部を経た前記冷媒を熱負荷から吸熱させる第２熱交換器と、
前記高圧減圧機構と前記低圧減圧機構との間に与えられ、前記第１熱交換器に設定される高圧と、前記第２熱交換器に設定される低圧との間の中間圧の前記冷媒を前記圧縮機構と前記圧縮機構との間に供給する複数の中間圧インジェクション流路と、
前記複数の中間圧インジェクション流路のうち相対的に高圧側の高圧中間圧インジェクション流路に気相の前記冷媒を供給する気液分離器と、
前記気液分離器から供給される液相の前記冷媒である液冷媒と、前記液冷媒の一部を減圧させてなる二相冷媒とを熱交換させることで前記液冷媒から吸熱させた前記冷媒を、前記高圧中間圧インジェクション流路に対して低圧側の前記中間圧インジェクション流路に供給する内部熱交換器と、を備える、冷凍装置。
【請求項2】
前記気液分離器は、１つだけ備えられ、
前記内部熱交換器は、前記気液分離器と前記低圧減圧機構との間に１つ以上が備えられる、
請求項１に記載の冷凍装置。
前記内部熱交換器は、前記気液分離器と前記低圧減圧機構との間に１つ以上が備えられる、
請求項１に記載の冷凍装置。
【請求項3】
最も高圧側に位置する前記気液分離器であって、前記高圧減圧機構から直接的に前記冷媒が供給される最高圧気液分離器を備える、
請求項１または２に記載の冷凍装置。
請求項１または２に記載の冷凍装置。
【請求項4】
最も低圧側に位置する前記内部熱交換器であって、前記低圧減圧機構へと直接的に前記冷媒を流入させる最低圧内部熱交換器を備える、
請求項１または２に記載の冷凍装置。
請求項１または２に記載の冷凍装置。
【請求項5】
前記内部熱交換器は、
前記液冷媒の一部の圧力を減少させて膨張させる膨張弁を含む、
請求項１から４のいずれか一項に記載の冷凍装置。
前記液冷媒の一部の圧力を減少させて膨張させる膨張弁を含む、
請求項１から４のいずれか一項に記載の冷凍装置。
【請求項6】
２つ以上の前記内部熱交換器を備え、
相対的に高圧側に位置する前記内部熱交換器の能力は、相対的に低圧側に位置する前記内部熱交換器の能力よりも大きい、
請求項１から５のいずれか一項に記載の冷凍装置。
相対的に高圧側に位置する前記内部熱交換器の能力は、相対的に低圧側に位置する前記内部熱交換器の能力よりも大きい、
請求項１から５のいずれか一項に記載の冷凍装置。
【請求項7】
前記冷媒は、二酸化炭素を少なくとも一部に含む、
請求項１から６のいずれか一項に記載の冷凍装置。
請求項１から６のいずれか一項に記載の冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、多段に亘り冷媒を圧縮する冷凍装置に関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１は、２段圧縮機構を備えた冷凍装置を開示する。かかる冷凍装置は、密閉ハウジング内に低段圧縮機構および高段圧縮機構を備えた電動圧縮機と、放熱器と、高圧膨張弁と、気液分離器と、低圧膨張弁と、蒸発器と、ガスインジェクション配管とを備えている。ガスインククション配管により、気液分離器から電動圧縮機のハウジング内に導入されたガス冷媒は、低段圧縮機構からハウジング内に吐出された冷媒と共に高段圧縮機構へと吸入される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１７－４４４２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
地球温暖化係数（ＧＷＰ；Global Warming Potential）の低減、およびエネルギー消費効率（ＣＯＰ；Coefficient of Performance）の向上を目的として、ＧＷＰが低い冷媒が採用されるとともに、２段圧縮機構を含む冷凍装置の開発および製品化が進められている。
冷媒としてＣＯ２を含む冷媒が採用される場合には、高圧運転に伴い高い冷媒吐出温度を許容限度に抑えるため、放熱器に設定される高圧と、蒸発器に設定される低圧との間の中間圧の冷媒を気液分離器から低段圧縮機構と高段圧縮機構との間に導入すること（中間圧インジェクション）が有効である。かかる構成によれば、低段圧縮機構から吐出される冷媒の温度と比べて低温の冷媒のインジェクションにより、吐出温度を抑制することができる。それに加え、気液分離器から低圧膨張弁に液冷媒が供給されることにより、蒸発器によって得られるエンタルピが単段圧縮の場合に対して拡大するため、冷凍能力を増加させ、ＣＯＰを向上させることができる。
冷媒としてＣＯ２を含む冷媒が採用される場合には、高圧運転に伴い高い冷媒吐出温度を許容限度に抑えるため、放熱器に設定される高圧と、蒸発器に設定される低圧との間の中間圧の冷媒を気液分離器から低段圧縮機構と高段圧縮機構との間に導入すること（中間圧インジェクション）が有効である。かかる構成によれば、低段圧縮機構から吐出される冷媒の温度と比べて低温の冷媒のインジェクションにより、吐出温度を抑制することができる。それに加え、気液分離器から低圧膨張弁に液冷媒が供給されることにより、蒸発器によって得られるエンタルピが単段圧縮の場合に対して拡大するため、冷凍能力を増加させ、ＣＯＰを向上させることができる。
【0005】
低ＧＷＰの冷媒を採用する冷凍装置にあって、圧縮機構の段数をさらに増やしていくことにより、圧縮機からの吐出温度を抑制しつつ、ＣＯＰが高められた冷凍装置を実現することが望まれる。しかしながら、本開示の発明者による試験研究によると、段数を３以上に増やした場合における複数の気液分離器のそれぞれの液面が定まらないという知見を得た。一般に、フラッシュ（冷媒における気泡の発生）が起こるのを避けるため、気液分離器に液冷媒を貯留させるとともに、過冷却用熱交換器により冷媒に過冷却を与える。
例えば、圧縮機構・膨張弁の段数を例えば「４」に増やし、４段圧縮４膨張サイクルにより運転される冷凍装置においては、局所的な冷媒圧力の変動等に起因して、３つの気液分離器のそれぞれに貯留される液冷媒の液位に偏りが生じてしまう。液冷媒の偏在により、蒸発器に冷媒を流入させる低圧側の気液分離器に液を確保できず、冷媒が二相の状態で低圧減圧機構および蒸発器に流入するのならば、効率が悪化するとともに、冷凍装置の動作が不安定となる可能性がある。それを避けるため、３つの気液分離器のそれぞれにおける液位を検知し、液位に基づいて圧縮機の動作を制御することが考えられるが、そうした制御は難しい。
例えば、圧縮機構・膨張弁の段数を例えば「４」に増やし、４段圧縮４膨張サイクルにより運転される冷凍装置においては、局所的な冷媒圧力の変動等に起因して、３つの気液分離器のそれぞれに貯留される液冷媒の液位に偏りが生じてしまう。液冷媒の偏在により、蒸発器に冷媒を流入させる低圧側の気液分離器に液を確保できず、冷媒が二相の状態で低圧減圧機構および蒸発器に流入するのならば、効率が悪化するとともに、冷凍装置の動作が不安定となる可能性がある。それを避けるため、３つの気液分離器のそれぞれにおける液位を検知し、液位に基づいて圧縮機の動作を制御することが考えられるが、そうした制御は難しい。
【0006】
以上より、本開示は、冷凍サイクルの効率を向上させつつ、安定して動作させることが可能な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】
【0007】
本開示は、冷凍サイクルにより冷媒を循環させる冷凍装置であって、直列に接続されてそれぞれ冷媒を圧縮する３段以上の圧縮機構を含む圧縮部と、圧縮部から吐出された冷媒を外気へと放熱させる第１熱交換器と、相対的に高圧側の高圧減圧機構と、相対的に低圧側の低圧減圧機構とを含み、第１熱交換器を経た冷媒の圧力を高圧減圧機構および低圧減圧機構により減少させる減圧部と、減圧部を経た冷媒を熱負荷から吸熱させる第２熱交換器と、高圧減圧機構と低圧減圧機構との間に与えられ、第１熱交換器に設定される高圧と、第２熱交換器に設定される低圧との間の中間圧の冷媒を圧縮機構と圧縮機構との間に供給する複数の中間圧インジェクション流路と、複数の中間圧インジェクション流路のうち相対的に高圧側の高圧中間圧インジェクション流路に気相の冷媒を供給する気液分離器と、気液分離器から供給される液相の冷媒である液冷媒と、液冷媒の一部を減圧させてなる二相冷媒とを熱交換させることで液冷媒から吸熱させた冷媒を、高圧中間圧インジェクション流路に対して低圧側の中間圧インジェクション流路に供給する内部熱交換器と、を備える。
【発明の効果】
【0008】
本開示においては、２種類の中間圧インジェクション手段としての１つ以上の気液分離器および１つ以上の内部熱交換器を組み合わせることにより、圧縮の段数Ｎ（３以上）に相応の中間圧インジェクションの必要段数（Ｎ－１）を満足するとともに、内部熱交換器に対して高圧側に気液分離器を配置する。そうすると、中間圧インジェクションの各段に気液分離器を配置する場合と比べて気液分離器の数が少ない分、液冷媒の偏在に起因する効率低下と運転状態の不安定さを抑えることができる。
加えて、内部熱交換器に対して高圧側に気液分離器が配置されるため、気液分離器から内部熱交換器へと飽和液を流入させて冷媒に過冷却を与えることができる。過冷却により安定して効率よく運転させることができる上、内部熱交換器を経た冷媒を流入させる過冷却熱交換器を備える必要がないので、コストの低減、装置の小型化および軽量化に寄与することができる。
加えて、内部熱交換器に対して高圧側に気液分離器が配置されるため、気液分離器から内部熱交換器へと飽和液を流入させて冷媒に過冷却を与えることができる。過冷却により安定して効率よく運転させることができる上、内部熱交換器を経た冷媒を流入させる過冷却熱交換器を備える必要がないので、コストの低減、装置の小型化および軽量化に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、添付図面を参照しながら、本開示の一実施形態について説明する。
〔冷凍サイクルの基本要素〕
図１に示す多段圧縮式の冷凍装置１は、冷凍サイクルにより冷媒を循環させることにより、外気を熱源として、適宜な熱負荷（例えば、装置筐体内の空気および収容物品）を冷却する。
冷凍装置１は、冷凍サイクルをなす基本要素として、冷媒を圧縮する圧縮部１０と、冷媒を外気へと放熱させる放熱器Ｅ１（第１熱交換器）と、冷媒の圧力を減少させる減圧部２０と、熱負荷から冷媒へと吸熱させる吸熱器Ｅ２（第２熱交換器）とを備えている。圧縮部１０により圧縮された冷媒は、放熱器Ｅ１、減圧部２０、および吸熱器Ｅ２をこの順序で流れ、圧縮部１０へと吸入される。
〔冷凍サイクルの基本要素〕
図１に示す多段圧縮式の冷凍装置１は、冷凍サイクルにより冷媒を循環させることにより、外気を熱源として、適宜な熱負荷（例えば、装置筐体内の空気および収容物品）を冷却する。
冷凍装置１は、冷凍サイクルをなす基本要素として、冷媒を圧縮する圧縮部１０と、冷媒を外気へと放熱させる放熱器Ｅ１（第１熱交換器）と、冷媒の圧力を減少させる減圧部２０と、熱負荷から冷媒へと吸熱させる吸熱器Ｅ２（第２熱交換器）とを備えている。圧縮部１０により圧縮された冷媒は、放熱器Ｅ１、減圧部２０、および吸熱器Ｅ２をこの順序で流れ、圧縮部１０へと吸入される。
【0011】
本実施形態の冷凍装置１の冷媒回路には、例えば、ＨＦＣ（Hydro Fluoro Carbon）冷媒、ＨＦＯ（Hydro Fluoro Olefin）冷媒、二酸化炭素（ＣＯ２）冷媒、炭化水素系冷媒等から任意に選択される単一冷媒あるいは混合冷媒が封入されている。ＧＷＰ低減の観点から、本実施形態では、二酸化炭素（ＣＯ２）を少なくとも一部に含む冷媒を採用している。
【0012】
〔複数段の圧縮機構・減圧機構〕
圧縮部１０は、直列に接続される複数段の圧縮機構１１～１４を含んでいる。第１段圧縮機構１１、第２段圧縮機構１２、第３段圧縮機構１３、および第４段圧縮機構１４は、低圧側Ｌから高圧側Ｈへと複数のステップに亘り冷媒を順次圧縮する。圧縮部１０の段数Ｎは３以上であり、一例として段数Ｎは「４」である。第１段～第４段は、ｎ１，ｎ２，ｎ３，ｎ４の符号により示されている。
圧縮部１０は、直列に接続される複数段の圧縮機構１１～１４を含んでいる。第１段圧縮機構１１、第２段圧縮機構１２、第３段圧縮機構１３、および第４段圧縮機構１４は、低圧側Ｌから高圧側Ｈへと複数のステップに亘り冷媒を順次圧縮する。圧縮部１０の段数Ｎは３以上であり、一例として段数Ｎは「４」である。第１段～第４段は、ｎ１，ｎ２，ｎ３，ｎ４の符号により示されている。
【0013】
図２は、冷凍装置１の冷媒の圧力と比エンタルピとの関係を示すモリエール線図である。図２に示されているｒ１，ｒ２…等の記号は、図１に示されている同じ記号と対応している。
図２に示すように、冷凍装置１は、４段圧縮、２段膨張の冷凍サイクルにより運転される。
図２に示すように、冷凍装置１は、４段圧縮、２段膨張の冷凍サイクルにより運転される。
【0014】
本実施形態の冷凍装置１は、２つの電動圧縮機１０１，１０２と、電動圧縮機１０１，１０２のそれぞれの電動機や膨張弁等の動作を制御可能な制御装置１５と、電動圧縮機１０１，１０２の間に設けられる中間冷却熱交換器１６とを備えている。
第１電動圧縮機１０１は、直列に接続される第１段圧縮機構１１および第２段圧縮機構１２と、それら圧縮機構１１，１２を収容するハウジング１０１Ａと、圧縮機構１１，１２を回転駆動する電動機１０１Ｂとを備えている。
第２電動圧縮機１０２は、直列に接続される第３段圧縮機構１３および第４段圧縮機構１４と、それら圧縮機構１３，１４を収容するハウジング１０２Ａと、圧縮機構１３，１４を回転駆動する電動機１０２Ｂとを備えている。
第１電動圧縮機１０１は、直列に接続される第１段圧縮機構１１および第２段圧縮機構１２と、それら圧縮機構１１，１２を収容するハウジング１０１Ａと、圧縮機構１１，１２を回転駆動する電動機１０１Ｂとを備えている。
第２電動圧縮機１０２は、直列に接続される第３段圧縮機構１３および第４段圧縮機構１４と、それら圧縮機構１３，１４を収容するハウジング１０２Ａと、圧縮機構１３，１４を回転駆動する電動機１０２Ｂとを備えている。
【0015】
中間冷却熱交換器１６は、第２段圧縮機構１２から吐出された冷媒を外気への放熱により冷却し、第３段圧縮機構１３の吸入部へと供給する（図２における作動点ｒ４からｒ５へ）。
【0016】
第１段圧縮機構１１は、例えば、ピストンロータおびシリンダを含むロータリー式圧縮機構に相当する。第３段圧縮機構１３も同様である。第２段圧縮機構１２は、例えば、一対のスクロール部材を含むスクロール式圧縮機構に相当する。第４段圧縮機構１４も同様である。
【0017】
減圧部２０は、相対的に低圧側Ｌの低圧減圧機構２１と、相対的に高圧側Ｈの高圧減圧機構２２とを含んでいる。減圧機構２１，２２はそれぞれ、膨張弁、あるいはキャピラリーチューブ等であってよい。特に、絞りの開度調整が可能な膨張弁であることが好ましい。
高圧減圧機構２２および低圧減圧機構２１は、この順で、放熱器Ｅ１を経た冷媒の圧力を順次減少させる。
高圧減圧機構２２および低圧減圧機構２１は、この順で、放熱器Ｅ１を経た冷媒の圧力を順次減少させる。
【0018】
図２に示すように、複数段ｎ１，ｎ２，ｎ３，ｎ４の圧縮機構１１～１４により冷媒が圧縮されることで、冷媒の圧力が段階的に増大する。これに伴い冷媒の吐出温度が上昇する。
冷媒を外気へと放熱させる中間冷却熱交換器１６の作用により冷媒の温度を低下させることで（ｒ４からｒ５へ）、圧縮部１０の全体としての吐出温度の抑制に寄与することができる。
冷媒を外気へと放熱させる中間冷却熱交換器１６の作用により冷媒の温度を低下させることで（ｒ４からｒ５へ）、圧縮部１０の全体としての吐出温度の抑制に寄与することができる。
【0019】
圧縮の第１段ｎ１への吸入圧力と第２段ｎ２からの吐出圧力との間の圧力を第１中間圧Ｐ１と称する。同様に、第２段ｎ２への吸入圧力と第３段ｎ３からの吐出圧力との間の圧力を第２中間圧Ｐ２と称し、第３段ｎ３への吸入圧力と第４段ｎ４からの吐出圧力との間の圧力を第３中間圧Ｐ３と称する。Ｐ１＜Ｐ２＜Ｐ３の関係が成り立つ。
ＣＯ２の臨界温度は、他の冷媒、例えば、ＨＦＣ（Hydro Fluoro Carbon）の臨界温度よりも低い。そのため、冷凍装置１の定常運転において、ＣＯ２冷媒は、複数段に亘り冷媒を圧縮する圧縮部１０により臨界圧力ＰＣを超える圧力まで圧縮される。但し、放熱器Ｅ１および高圧減圧機構２２を経た冷媒の圧力（ｒ１２，ｒ１３，ｒ１４）、すなわち第３中間圧Ｐ３は、臨界圧力ＰＣ以下に留まる。
ＣＯ２の臨界温度は、他の冷媒、例えば、ＨＦＣ（Hydro Fluoro Carbon）の臨界温度よりも低い。そのため、冷凍装置１の定常運転において、ＣＯ２冷媒は、複数段に亘り冷媒を圧縮する圧縮部１０により臨界圧力ＰＣを超える圧力まで圧縮される。但し、放熱器Ｅ１および高圧減圧機構２２を経た冷媒の圧力（ｒ１２，ｒ１３，ｒ１４）、すなわち第３中間圧Ｐ３は、臨界圧力ＰＣ以下に留まる。
【0020】
（中間圧インジェクション）
冷凍装置１は、低圧減圧機構２１と高圧減圧機構２２との間における冷媒の気液分離により得られた中間圧の冷媒を第１～第４段圧縮機構１１～１４のそれぞれの間に供給する中間圧インジェクションを実施する。そのため、冷凍装置１は、低圧減圧機構２１および高圧減圧機構２２の間に与えられるＮ－１個の中間圧インジェクション手段（３１～３３）と、中間圧インジェクション手段（３１～３３）にそれぞれ対応するＮ－１個の中間圧インジェクション流路４１～４３とを備えている。
冷凍装置１は、低圧減圧機構２１と高圧減圧機構２２との間における冷媒の気液分離により得られた中間圧の冷媒を第１～第４段圧縮機構１１～１４のそれぞれの間に供給する中間圧インジェクションを実施する。そのため、冷凍装置１は、低圧減圧機構２１および高圧減圧機構２２の間に与えられるＮ－１個の中間圧インジェクション手段（３１～３３）と、中間圧インジェクション手段（３１～３３）にそれぞれ対応するＮ－１個の中間圧インジェクション流路４１～４３とを備えている。
【0021】
各中間圧インジェクション流路４１～４３を通じて、直列接続の圧縮機構１１～１４のそれぞれの間に中間圧Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の冷媒が供給されることにより、第２～第４段圧縮機構１２～１４のそれぞれの吐出温度を低減することができる。
なお、中間圧インジェクション流路４１～４３には、それぞれ、必要に応じてバルブを設けることができる。運転条件に応じて当該バルブを開または閉に切り替えるようにしてもよい。
なお、中間圧インジェクション流路４１～４３には、それぞれ、必要に応じてバルブを設けることができる。運転条件に応じて当該バルブを開または閉に切り替えるようにしてもよい。
【0022】
中間圧インジェクション手段（３１～３３）は、図１に示すように、単一の気液分離器３３（受液器）と、内部熱交換器３２，３１とからなる。気液分離器３３は、内部熱交換器３２，３１に対して高圧側Ｈに配置されている。高圧内部熱交換器３２は、低圧内部熱交換器３１に対して高圧側Ｈに配置されている。
これら気液分離器３３、内部熱交換器３２、および内部熱交換器３１は、それぞれ、対応する中間圧インジェクション流路４１～４３を通じて、中間圧の冷媒を第２～第４段圧縮機構１２～１４に供給する。
これら気液分離器３３、内部熱交換器３２、および内部熱交換器３１は、それぞれ、対応する中間圧インジェクション流路４１～４３を通じて、中間圧の冷媒を第２～第４段圧縮機構１２～１４に供給する。
【0023】
第４段圧縮機構１４から吐出された冷媒は、高圧減圧機構２２により減圧されて気液分離器３３へと流入する。気液分離器３３に流入した冷媒は、貯留タンク３３Ａの内部における密度差に基づいて気相と液相とに分離される。これは、図２に示すように、ｒ１２から、ｒ１３およびｒ１４への状態変化に相当する。貯留タンク３３Ａ内の液面よりも上方の気相領域３３Ｂには、第３中間圧インジェクション流路４３が接続されている。
【0024】
気液分離器３３において液相と分離された第３中間圧Ｐ３の気相の冷媒は、第３中間圧インジェクション流路４３を通じて高圧側Ｈの中間圧インジェクションに供される（ｒ１３からｒ８へ）。
第３中間圧インジェクション流路４３により第４段圧縮機構１４へ供給される第３中間圧Ｐ３の冷媒の温度は、第３段圧縮機構１３から吐出される冷媒の温度よりも低い。そのため、第３中間圧インジェクション流路４３により供給する冷媒と、第３段圧縮機構１３から吐出される冷媒との全体として、第４段圧縮機構１４へと吸入させる冷媒の温度が低下する（ｒ７からｒ８へ）。そうすると、第４段圧縮機構１４から吐出される冷媒の温度も低下するから、中間圧ガスインジェクションは、吐出温度の低減に寄与する。
第３中間圧インジェクション流路４３により第４段圧縮機構１４へ供給される第３中間圧Ｐ３の冷媒の温度は、第３段圧縮機構１３から吐出される冷媒の温度よりも低い。そのため、第３中間圧インジェクション流路４３により供給する冷媒と、第３段圧縮機構１３から吐出される冷媒との全体として、第４段圧縮機構１４へと吸入させる冷媒の温度が低下する（ｒ７からｒ８へ）。そうすると、第４段圧縮機構１４から吐出される冷媒の温度も低下するから、中間圧ガスインジェクションは、吐出温度の低減に寄与する。
【0025】
一方、貯留タンク３３Ａに貯留される液相の冷媒（液冷媒）は、高圧内部熱交換器３２および低圧内部熱交換器３１へと供給され、高圧内部熱交換器３２および低圧内部熱交換器３１によりそれぞれ過冷却が与えられるのと並行して、その一部が第２中間圧インジェクション流路４２および第１中間圧インジェクション流路４１のそれぞれを通じて、第３中間圧インジェクションに対して低圧側Ｌの中間圧インジェクションに供される。中間圧Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３のインジェクションの実施に伴い、冷媒の流量は順次減少する。そのため、高圧減圧機構２２から低圧減圧機構２１までの冷媒の流れの上流である高圧内部熱交換器３２の能力は、下流の低圧内部熱交換器３１の能力よりも大きい。冷凍装置１の定格条件において、高圧内部熱交換器３２の能力は、低圧内部熱交換器３１の能力に対して例えば、２．５倍程度大きい。
【0026】
高圧内部熱交換器３２および低圧内部熱交換器３１のいずれも、気液分離器３３から供給される液冷媒と、気液分離器３３から供給される液冷媒の一部を減圧機構（３２１，３１１）により減圧させてなる二相冷媒とを熱交換させる。
高圧内部熱交換器３２は、飽和状態にある気液分離器３３の内部から供給される液冷媒を流入させる主流路３２０と、減圧機構３２１と、気液分離器３３から供給される液冷媒の一部を減圧機構３２１へと流入させる分岐流路３２２と、減圧機構３２１による第３中間圧Ｐ３から第２中間圧Ｐ２への減圧（図２におけるｒ１４からｒ１５へ）を経た二相冷媒を流入させる吸熱流路３２３とを備えている。
高圧内部熱交換器３２は、飽和状態にある気液分離器３３の内部から供給される液冷媒を流入させる主流路３２０と、減圧機構３２１と、気液分離器３３から供給される液冷媒の一部を減圧機構３２１へと流入させる分岐流路３２２と、減圧機構３２１による第３中間圧Ｐ３から第２中間圧Ｐ２への減圧（図２におけるｒ１４からｒ１５へ）を経た二相冷媒を流入させる吸熱流路３２３とを備えている。
【0027】
吸熱流路３２３を流れる冷媒は、主流路３２０を流れる冷媒から吸熱することでガス化し（ｒ１５からｒ１６へ）、第２中間圧インジェクション流路４２を通じて第３段圧縮機構１３へと吸入される。
一方、主流路３２０を流れる冷媒は、吸熱流路３２３を流れる冷媒へと放熱することで過冷却され（ｒ１４からｒ１７へ）、低圧内部熱交換器３１へと流入する。
一方、主流路３２０を流れる冷媒は、吸熱流路３２３を流れる冷媒へと放熱することで過冷却され（ｒ１４からｒ１７へ）、低圧内部熱交換器３１へと流入する。
【0028】
第２中間圧インジェクション流路４２により、第２中間圧Ｐ２の冷媒を第３段圧縮機構１３の吸入部へと供給すると（ｒ１６からｒ６へ）、中間冷却熱交換器１６から流出して第３段圧縮機構１３へと吸入される冷媒の温度が低下する（ｒ５からｒ６へ）。第２段圧縮機構１２と第３段圧縮機構１３との間においては、中間圧Ｐ２のインジェクション作用に加え、中間冷却熱交換器１６による作用（ｒ４からｒ５へ）によっても第３段圧縮機構１３への吸入温度が低下するため、吐出温度をより抑えることができる。
【0029】
低圧内部熱交換器３１は、高圧内部熱交換器３２から流出した過冷却状態の液冷媒（過冷却液）を流入させる主流路３１０と、減圧機構３１１と、過冷却液の一部を減圧機構３１１へと流入させる分岐流路３１２と、減圧機構３１１による第２中間圧Ｐ２から第１中間圧Ｐ１への減圧（ｒ１７からｒ１８へ）を経た二相冷媒を流入させる吸熱流路３１３とを備えている。吸熱流路３１３を流れる冷媒は、主流路３１０を流れる冷媒から吸熱することでガス化し（ｒ１８からｒ１９へ）、第１中間圧インジェクション流路４１を通じて第２段圧縮機構１２へと吸入される（ｒ１９からｒ３へ）。これによって第２段圧縮機構１２へと吸入させる冷媒の温度が低下する（ｒ２からｒ３へ）。
【0030】
一方、主流路３１０を流れる冷媒は、吸熱流路３１３を流れる冷媒へと放熱することで過冷却度を増大させ（ｒ１７からｒ２０へ）、低圧減圧機構２１へと流入する。
低圧内部熱交換器３１から流れ出る第１中間圧Ｐ１の液冷媒は、十分な過冷却が与えられているから、過冷却用熱交換器を経ることなく、低圧減圧機構２１へと直接的に流入し、低圧減圧機構２１により減圧される（ｒ２０からｒ２１へ）。低圧減圧機構２１を経た冷媒は、吸熱器Ｅ２により熱負荷から吸熱することで蒸発し、第１段圧縮機構１１へと吸入される（ｒ２１からｒ２２へ）。
低圧内部熱交換器３１から流れ出る第１中間圧Ｐ１の液冷媒は、十分な過冷却が与えられているから、過冷却用熱交換器を経ることなく、低圧減圧機構２１へと直接的に流入し、低圧減圧機構２１により減圧される（ｒ２０からｒ２１へ）。低圧減圧機構２１を経た冷媒は、吸熱器Ｅ２により熱負荷から吸熱することで蒸発し、第１段圧縮機構１１へと吸入される（ｒ２１からｒ２２へ）。
【0031】
気液分離器３３から内部熱交換器３２へと流入する液冷媒、高圧内部熱交換器３２から低圧内部熱交換器３１へと流入する液冷媒、および低圧内部熱交換器３１から低圧減圧機構２１へと流入する冷媒のそれぞれの圧力は、第３中間圧Ｐ３に相当する（ｒ１４、ｒ１７、およびｒ２０）。そのため、冷凍サイクルにおける膨張工程は、高圧減圧機構２２による高圧ＰＨから第３中間圧Ｐ３までの減圧と、第３中間圧Ｐ３から低圧ＰＬまでの減圧との２段に集約される。つまり、冷凍装置１は、圧縮の段数Ｎよりも膨張の段数が少ない状態で、つまり、４段圧縮２段膨張サイクルにより運転される。
【0032】
〔主な作用および効果〕
低ＧＷＰの冷媒を使用しつつＣＯＰを向上させるため、単段圧縮から２段圧縮へ、さらには３段圧縮、４段圧縮というように、段数Ｎを増加させることが有効である。
以下に比較例を示しつつ、本実施形態の冷凍装置１の作用および効果を説明する。
３段以上の多段圧縮を採用する場合、２段圧縮の例（例えば、上述の特許文献１）に基づいて、冷凍装置に対して圧縮段数Ｎと同数の減圧機構およびＮ－１個の気液分離器を与えることが考えられる。かかる冷凍装置は、例えば４段の場合、高圧側Ｈから低圧側Ｌに向けて、減圧機構、気液分離器、減圧機構、気液分離器、減圧機構、気液分離器、および減圧機構がこの順に配置され、各気液分離器から中間圧の気相冷媒が中間圧インジェクション流路を通じて圧縮機構の吸入部へと供給される。
こうした比較例の冷凍装置は、図３に実線で示すように、Ｎ段圧縮、Ｎ段膨張のサイクルにより動作する。Ｎは、例えば「４」である。
比較例の冷凍装置は、最も低圧側Ｌの気液分離器から流出した液冷媒と外気とを熱交換させる過冷却用熱交換器を備えていてもよい。その場合は、図３に一点鎖線の矢印で示すように、冷媒に過冷却が与えられる。
低ＧＷＰの冷媒を使用しつつＣＯＰを向上させるため、単段圧縮から２段圧縮へ、さらには３段圧縮、４段圧縮というように、段数Ｎを増加させることが有効である。
以下に比較例を示しつつ、本実施形態の冷凍装置１の作用および効果を説明する。
３段以上の多段圧縮を採用する場合、２段圧縮の例（例えば、上述の特許文献１）に基づいて、冷凍装置に対して圧縮段数Ｎと同数の減圧機構およびＮ－１個の気液分離器を与えることが考えられる。かかる冷凍装置は、例えば４段の場合、高圧側Ｈから低圧側Ｌに向けて、減圧機構、気液分離器、減圧機構、気液分離器、減圧機構、気液分離器、および減圧機構がこの順に配置され、各気液分離器から中間圧の気相冷媒が中間圧インジェクション流路を通じて圧縮機構の吸入部へと供給される。
こうした比較例の冷凍装置は、図３に実線で示すように、Ｎ段圧縮、Ｎ段膨張のサイクルにより動作する。Ｎは、例えば「４」である。
比較例の冷凍装置は、最も低圧側Ｌの気液分離器から流出した液冷媒と外気とを熱交換させる過冷却用熱交換器を備えていてもよい。その場合は、図３に一点鎖線の矢印で示すように、冷媒に過冷却が与えられる。
【0033】
比較例の冷凍装置は、Ｎ－１個の気液分離器を備えているから、段数Ｎが３以上の場合は、２以上の気液分離器を備えている。その場合は、複数の気液分離器のうちの所定の気液分離器に液冷媒を確保することが難しい。最も低圧側Ｌに過冷却熱交換器が設けられているとしても、冷媒が二相の状態で低圧減圧機構２１および吸熱器Ｅ２に流入するのを避けるため、少なくとも、最も低圧側Ｌに位置する気液分離器には液冷媒を確保し、当該気液分離器から低圧減圧機構２１へと液冷媒を供給することが望まれる。そのためには、Ｎ－１個の気液分離器のそれぞれの液位に基づいて圧縮機構１１～１４の回転数を制御する必要がある。Ｎ－１個の気液分離器のそれぞれの液位を把握するため、少なくとも２つの液位センサが必要となる。
【0034】
比較例とは異なり、本実施形態の冷凍装置１は、段数Ｎを増やすにあたり、段数Ｎに相応の数の減圧機構および気液分離器を備えることなく、あるいは、段数Ｎに相応の数の内部熱交換器を備えることなく、単一の気液分離器３３を高圧側Ｈに備えるとともに、低圧側Ｌには内部熱交換器３２，３１を備えている。つまり、本実施形態の冷凍装置１は、中間圧インジェクションの必要段数（Ｎ－１）と同数の気液分離器を備えておらず、中間圧インジェクションの必要段数（Ｎ－１）よりも少ない数の気液分離器３３を備えている。
中間圧インジェクションの必要段数（Ｎ－１）に対して、冷凍装置１が備えている気液分離器３３の数が少ない分、複数の気液分離器を備えている場合に起こりうる気液分離器の相互間における冷媒の偏在の度合が軽減される。その結果、液冷媒の偏在に起因する効率低下と運転状態の不安定さを抑えつつ、圧縮段数Ｎの増加による効率向上の効果を担保し、また、冷凍装置１の運転状態の安定に寄与することができる。
中間圧インジェクションの必要段数（Ｎ－１）に対して、冷凍装置１が備えている気液分離器３３の数が少ない分、複数の気液分離器を備えている場合に起こりうる気液分離器の相互間における冷媒の偏在の度合が軽減される。その結果、液冷媒の偏在に起因する効率低下と運転状態の不安定さを抑えつつ、圧縮段数Ｎの増加による効率向上の効果を担保し、また、冷凍装置１の運転状態の安定に寄与することができる。
【0035】
特に本実施形態の冷凍装置１は、気液分離器として、単一の気液分離器３３のみを備えているから、複数の気液分離器のうちの一部の気液分離器において液量が尽きる状態に陥らずに、特定の気液分離器３３に液冷媒が貯留されることを担保することができる。そうすると、気液分離器の液位に基づく制御が不要となり、液位センサも不要となる。液位センサを設置するとしても、その数を削減することができる。
【0036】
以上より、本実施形態の冷凍装置１によれば、次のような効果を得ることができる。
（１）気液分離器として単一の気液分離器３３のみを備えているため、複数の気液分離器を備えている場合とは異なり、気液分離器相互の間で液冷媒が移動することなく、特定の気液分離器３３に液冷媒が貯留されることを担保することができる。そのため、気液分離器における液位に基づく制御を行う必要がない。制御の簡素化により、冷凍装置１のコストを低減することができる。
（１）気液分離器として単一の気液分離器３３のみを備えているため、複数の気液分離器を備えている場合とは異なり、気液分離器相互の間で液冷媒が移動することなく、特定の気液分離器３３に液冷媒が貯留されることを担保することができる。そのため、気液分離器における液位に基づく制御を行う必要がない。制御の簡素化により、冷凍装置１のコストを低減することができる。
【0037】
（２）内部熱交換器３２，３１に対して高圧側Ｈに気液分離器３３が配置されているため、気液分離器３３から内部熱交換器３２，３１へと飽和液が流入する。そのため、冷媒に過冷却を与えることができる。そうすると、ＣＯＰを向上させ、フラッシュの発生を抑えて冷凍装置１を安定して効率よく運転させることができるばかりでなく、確実に過冷却が与えられるので、内部熱交換器３２，３１を経た冷媒を過冷却熱交換器に流入させる必要がない。つまり、内部熱交換器３２，３１を経た冷媒を低圧減圧機構２１に直接的に流入させればよい。
そうすると、比較例に対して過冷却熱交換器が不要となって、冷媒回路構成の簡素化が図られるため、コストの低減、装置の小型化および軽量化に寄与することができる。
本実施形態では、気液分離器３３から液冷媒を２つの内部熱交換器３２，３１へと順次流入させることにより、過冷却度を十分に得ることができる。そのため、効率向上および運転安定化の効果が大きいことに加え、過冷却度を増大させるために能力の大きな過冷却熱交換器を追加する必要がないから、コストの低減、装置の小型化および軽量化の効果も大きい。
そうすると、比較例に対して過冷却熱交換器が不要となって、冷媒回路構成の簡素化が図られるため、コストの低減、装置の小型化および軽量化に寄与することができる。
本実施形態では、気液分離器３３から液冷媒を２つの内部熱交換器３２，３１へと順次流入させることにより、過冷却度を十分に得ることができる。そのため、効率向上および運転安定化の効果が大きいことに加え、過冷却度を増大させるために能力の大きな過冷却熱交換器を追加する必要がないから、コストの低減、装置の小型化および軽量化の効果も大きい。
【0038】
（３）高圧内部熱交換器３２および／または低圧内部熱交換器３１に減圧機構としての膨張弁が備えられることによれば、膨張弁の開度の調整により、図２に示すが如く、二相冷媒による中間圧インジェクションを行うことが可能となる。例えば、高圧内部熱交換器３２に減圧機構３２１としての膨張弁が備えられる場合は、膨張弁の開度調整により、第２中間圧インジェクション流路４２を通じて、二相冷媒による第２中間圧Ｐ２のインジェクション（ｒ１６からｒ６へ）を第３段圧縮機構１３に対して行うことが可能となる。
あるいは、低圧内部熱交換器３１に減圧機構３１１としての膨張弁が備えられる場合は、膨張弁の開度調整により、二相冷媒による第１中間圧Ｐ１のインジェクション（ｒ１９からｒ３へ）を第２段圧縮機構１２に対して行うことが可能となる。
二相冷媒のインジェクションにより、圧縮機構への冷媒の吸入温度が下がるため、吐出温度を許容限度に抑えることができる。
あるいは、低圧内部熱交換器３１に減圧機構３１１としての膨張弁が備えられる場合は、膨張弁の開度調整により、二相冷媒による第１中間圧Ｐ１のインジェクション（ｒ１９からｒ３へ）を第２段圧縮機構１２に対して行うことが可能となる。
二相冷媒のインジェクションにより、圧縮機構への冷媒の吸入温度が下がるため、吐出温度を許容限度に抑えることができる。
【0039】
（４）一般に、気液分離器には、冷媒を低温に保つために断熱材が設けられる。内部熱交換器３１，３２に対して高圧側Ｈに気液分離器３３が配置されることによれば、低圧側Ｌに気液分離器が配置される場合に比べ、気液分離器における圧力飽和温度が高くなるため、気液分離器３３と外気温との温度差が小さい。したがって、気液分離器３３に設けられる断熱材の厚さを薄くすることができるので、コストの低減、装置の小型化および軽量化に寄与することができる。
【0040】
例えば、冷凍装置１の定格条件において、図１の如く、第３中間圧Ｐ３に対応する単一の気液分離器３３を備え、第２中間圧Ｐ２および第１中間圧Ｐ１にそれぞれ対応する２つの内部熱交換器３２，３１を備える場合には、気液分離器３３の液出口の温度は２０℃であり、この場合に最も外気温との温度差が小さい。液出口の温度は、サイクル計算による。以下も同様である。
図示を省略するが、第２中間圧Ｐ２に対応する単一の気液分離器を備え、第３中間圧Ｐ３および第１中間圧Ｐ１にそれぞれ対応する２つの気液分離器を備える場合には、気液分離器の液出口の温度は２℃である。
さらに、第１中間圧Ｐ１に対応する単一の気液分離器を備え、第３中間圧Ｐ３および第２中間圧Ｐ２にそれぞれ対応する２つの気液分離器を備える場合には、気液分離器の液出口の温度は－１２℃である。
図示を省略するが、第２中間圧Ｐ２に対応する単一の気液分離器を備え、第３中間圧Ｐ３および第１中間圧Ｐ１にそれぞれ対応する２つの気液分離器を備える場合には、気液分離器の液出口の温度は２℃である。
さらに、第１中間圧Ｐ１に対応する単一の気液分離器を備え、第３中間圧Ｐ３および第２中間圧Ｐ２にそれぞれ対応する２つの気液分離器を備える場合には、気液分離器の液出口の温度は－１２℃である。
【0041】
気液分離器の位置が高圧側であるほど、圧力飽和温度が高いため気液分離器と外気との温度差が小さいことは、比較例に係る図３のモリエール図によっても説明することができる。図３から理解されるように、高圧の気液分離器（ｒ１２）の圧力飽和温度をＴ１、中圧の気液分離器（ｒ１５）の圧力飽和温度をＴ２、低圧の気液分離器（ｒ１８）の圧力飽和温度をＴ３とすると、Ｔ１＞Ｔ２＞Ｔ３であることが明らかである。圧力飽和温度が高いほど、気液分離器と外気との温度差が小さい。
【0042】
以上で説明したように、本実施形態の冷凍装置１によれば、２種類の中間圧インジェクション手段としての１つ以上の気液分離器３３および１つ以上の内部熱交換器３１，３２を組み合わせて、圧縮の段数Ｎ（３以上）に相応の中間圧インジェクションの必要段数（Ｎ－１）を満足するとともに、内部熱交換器３１，３２に対して高圧側Ｈに気液分離器３３を配置することにより、例えばＣＯ２のように低ＧＷＰの冷媒を使用しつつＣＯＰを向上させ、かつ吐出温度を許容限度以下に維持しながら冷凍装置１を安定して運転させることができる。
【0043】
〔変形例〕
冷凍装置１は、必ずしも高圧内部熱交換器３２および低圧内部熱交換器３１を備えている必要はなく、段数Ｎに応じて、単一の内部熱交換器のみを備えていたり、あるいは３つ以上の内部熱交換器を備えていたりしてもよい。そうした場合も、上記実施形態により得られる作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
冷凍装置１は、必ずしも高圧内部熱交換器３２および低圧内部熱交換器３１を備えている必要はなく、段数Ｎに応じて、単一の内部熱交換器のみを備えていたり、あるいは３つ以上の内部熱交換器を備えていたりしてもよい。そうした場合も、上記実施形態により得られる作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
【0044】
図４に示す冷凍装置１－２は、Ｎ段（４段）の圧縮機構１１～１４を備え、Ｎ－１個（３個）の中間圧インジェクション手段として、２つの気液分離器３３，３２－２と、単一の内部熱交換器３１とを備えている。図５は、冷凍装置１－２のモリエール線図である。
冷凍装置１－２は、２つの気液分離器３３，３２－２の間に位置する減圧機構２２を含め、減圧部２０を構成する３つの減圧機構２１～２３を備えている。そのため、４段圧縮３段膨張のサイクルにより運転される。
冷凍装置１－２は、２つの気液分離器３３，３２－２の間に位置する減圧機構２２を含め、減圧部２０を構成する３つの減圧機構２１～２３を備えている。そのため、４段圧縮３段膨張のサイクルにより運転される。
【0045】
冷凍装置１－２も、上記実施形態の冷凍装置１と同様に、中間圧インジェクションの必要段数（Ｎ－１）に対して少ない数である２つの気液分離器３３，３２－２を備えていることにより、気液分離器３３，３２－２の間の液冷媒の偏在の度合が軽減される。その結果、サイクル効率低下と運転状態の不安定さを抑えつつ、圧縮段数Ｎの増加による効率向上の効果を担保することができ、また、冷凍装置１－２の運転状態の安定に寄与することができる。
【0046】
加えて、内部熱交換器３１に対して高圧側Ｈに気液分離器３３，３２－２が配置されているため、気液分離器３２－２から内部熱交換器３１へと飽和液が流入するので、冷媒に過冷却を与えることができる（図４におけるｒ１７からｒ２０へ）。過冷却により安定して効率よく運転させることができる上、過冷却を得るために過冷却熱交換器を追加する必要がないので、コストの低減、装置の小型化および軽量化に寄与することができる。
【0047】
その他、内部熱交換器３１に減圧機構３１１として備えられる膨張弁の開度の調整により、二相冷媒による第１中間圧Ｐ１のインジェクションを行うことが可能となる（ｒ１９からｒ３へ）。そうすると、第２段圧縮機構１２への冷媒の吸入温度が低下するため、圧縮部１０からの冷媒の吐出温度を許容限度に抑えることができる。
さらに、内部熱交換器３１に対して高圧側Ｈに気液分離器３３，３２－２が配置されることによれば、内部熱交換器３１に対して低圧側Ｌに気液分離器３３，３２－２が配置される場合に対し、断熱材の厚さを低減できるため、装置の小型化および軽量化に寄与できる。
さらに、内部熱交換器３１に対して高圧側Ｈに気液分離器３３，３２－２が配置されることによれば、内部熱交換器３１に対して低圧側Ｌに気液分離器３３，３２－２が配置される場合に対し、断熱材の厚さを低減できるため、装置の小型化および軽量化に寄与できる。
【0048】
上記以外にも、上記実施形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更したりすることが可能である。
【0049】
（付記）
以上で説明した冷凍装置は、以下のように把握される。
〔１〕冷凍サイクルにより冷媒を循環させる冷凍装置１，１－２は、直列に接続されてそれぞれ冷媒を圧縮する３段以上の圧縮機構１１～１４を含む圧縮部１０と、圧縮部１０から吐出された冷媒を外気へと放熱させる第１熱交換器（Ｅ１）と、相対的に高圧側の高圧減圧機構２２と、相対的に低圧側の低圧減圧機構２１とを含み、第１熱交換器Ｅ１を経た冷媒の圧力を高圧減圧機構２２および低圧減圧機構２１により減少させる減圧部２０と、減圧部２０を経た冷媒を熱負荷から吸熱させる第２熱交換器（Ｅ２）と、高圧減圧機構２２と低圧減圧機構２１との間に与えられ、第１熱交換器（Ｅ１）に設定される高圧ＰＨと、第２熱交換器（Ｅ２）に設定される低圧ＰＬとの間の中間圧Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の冷媒を圧縮機構と圧縮機構との間に供給する複数の中間圧インジェクション流路４１～４３と、複数の中間圧インジェクション流路４１～４３のうち相対的に高圧側Ｈの高圧中間圧インジェクション流路（４３、または４３，４２）に気相の冷媒を供給する気液分離器３３（または３３，３２－２）と、気液分離器３３から供給される液相の冷媒である液冷媒と、液冷媒の一部を減圧させてなる二相冷媒とを熱交換させることで液冷媒から吸熱させた冷媒を、高圧中間圧インジェクション流路（４３、または４３，４２）に対して低圧側Ｌの中間圧インジェクション流路４２，４１（または４１）に供給する内部熱交換器３２，３１（または３１）と、を備える。
〔２〕冷凍装置１には、気液分離器３３は、１つだけ備えられ、内部熱交換器３２，３１は、気液分離器３３と低圧減圧機構２１との間に１つ以上が備えられる。
〔３〕冷凍装置１は、最も高圧側Ｈに位置する気液分離器３３であって高圧減圧機構２２から直接的に冷媒が供給される最高圧気液分離器（３３）を備える。
〔４〕冷凍装置１，１－２は、最も低圧側Ｌに位置する内部熱交換器３１であって低圧減圧機構２１へと直接的に冷媒を流入させる最低圧内部熱交換器（３１）を備える。
〔５〕内部熱交換器３１，３２は、液冷媒の一部の圧力を減少させて膨張させる膨張弁（３１１，３２１）を含む。
〔６〕冷凍装置１は、２つ以上の内部熱交換器３１，３２を備え、相対的に高圧側Ｈに位置する内部熱交換器３２の能力は、相対的に低圧側に位置する内部熱交換器３１の能力よりも大きい。
〔７〕冷媒は、二酸化炭素を少なくとも一部に含む。
以上で説明した冷凍装置は、以下のように把握される。
〔１〕冷凍サイクルにより冷媒を循環させる冷凍装置１，１－２は、直列に接続されてそれぞれ冷媒を圧縮する３段以上の圧縮機構１１～１４を含む圧縮部１０と、圧縮部１０から吐出された冷媒を外気へと放熱させる第１熱交換器（Ｅ１）と、相対的に高圧側の高圧減圧機構２２と、相対的に低圧側の低圧減圧機構２１とを含み、第１熱交換器Ｅ１を経た冷媒の圧力を高圧減圧機構２２および低圧減圧機構２１により減少させる減圧部２０と、減圧部２０を経た冷媒を熱負荷から吸熱させる第２熱交換器（Ｅ２）と、高圧減圧機構２２と低圧減圧機構２１との間に与えられ、第１熱交換器（Ｅ１）に設定される高圧ＰＨと、第２熱交換器（Ｅ２）に設定される低圧ＰＬとの間の中間圧Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の冷媒を圧縮機構と圧縮機構との間に供給する複数の中間圧インジェクション流路４１～４３と、複数の中間圧インジェクション流路４１～４３のうち相対的に高圧側Ｈの高圧中間圧インジェクション流路（４３、または４３，４２）に気相の冷媒を供給する気液分離器３３（または３３，３２－２）と、気液分離器３３から供給される液相の冷媒である液冷媒と、液冷媒の一部を減圧させてなる二相冷媒とを熱交換させることで液冷媒から吸熱させた冷媒を、高圧中間圧インジェクション流路（４３、または４３，４２）に対して低圧側Ｌの中間圧インジェクション流路４２，４１（または４１）に供給する内部熱交換器３２，３１（または３１）と、を備える。
〔２〕冷凍装置１には、気液分離器３３は、１つだけ備えられ、内部熱交換器３２，３１は、気液分離器３３と低圧減圧機構２１との間に１つ以上が備えられる。
〔３〕冷凍装置１は、最も高圧側Ｈに位置する気液分離器３３であって高圧減圧機構２２から直接的に冷媒が供給される最高圧気液分離器（３３）を備える。
〔４〕冷凍装置１，１－２は、最も低圧側Ｌに位置する内部熱交換器３１であって低圧減圧機構２１へと直接的に冷媒を流入させる最低圧内部熱交換器（３１）を備える。
〔５〕内部熱交換器３１，３２は、液冷媒の一部の圧力を減少させて膨張させる膨張弁（３１１，３２１）を含む。
〔６〕冷凍装置１は、２つ以上の内部熱交換器３１，３２を備え、相対的に高圧側Ｈに位置する内部熱交換器３２の能力は、相対的に低圧側に位置する内部熱交換器３１の能力よりも大きい。
〔７〕冷媒は、二酸化炭素を少なくとも一部に含む。
【符号の説明】
【0050】
１，１－２ 冷凍装置
１０ 圧縮部
１１ １段圧縮機構
１２ ２段圧縮機構
１３ ３段圧縮機構
１４ ４段圧縮機構
１５ 制御装置
１６ 中間冷却熱交換器
２０ 減圧部
２１ 低圧減圧機構
２２ 高圧減圧機構
２１～２３ 減圧機構
３１ 低圧内部熱交換器（最低圧内部熱交換器）
３２ 高圧内部熱交換器
３２－２ 気液分離器
３３ 気液分離器（最高圧気液分離器）
３３Ａ 貯留タンク
３３Ｂ 気相領域
４１ 第１中間圧インジェクション流路
４２ 第２中間圧インジェクション流路
４３ 第３中間圧インジェクション流路（高圧中間圧インジェクション流路）
１０１ 第１電動圧縮機
１０１Ａ ハウジング
１０１Ｂ 電動機
１０２ 第２電動圧縮機
１０２Ａ ハウジング
１０２Ｂ 電動機
３１０ 主流路
３１１ 減圧機構
３１２ 分岐流路
３１３ 吸熱流路
３２０ 主流路
３２１ 減圧機構
３２２ 分岐流路
３２３ 吸熱流路
Ｅ１ 放熱器（第１熱交換器）
Ｅ２ 吸熱器（第２熱交換器）
Ｈ 高圧側
Ｌ 低圧側
Ｎ 段数
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３ 中間圧
ＰＣ 臨界圧力
ＰＨ 高圧
ＰＬ 低圧
ｎ１，ｎ２，ｎ３，ｎ４ 段
１０ 圧縮部
１１ １段圧縮機構
１２ ２段圧縮機構
１３ ３段圧縮機構
１４ ４段圧縮機構
１５ 制御装置
１６ 中間冷却熱交換器
２０ 減圧部
２１ 低圧減圧機構
２２ 高圧減圧機構
２１～２３ 減圧機構
３１ 低圧内部熱交換器（最低圧内部熱交換器）
３２ 高圧内部熱交換器
３２－２ 気液分離器
３３ 気液分離器（最高圧気液分離器）
３３Ａ 貯留タンク
３３Ｂ 気相領域
４１ 第１中間圧インジェクション流路
４２ 第２中間圧インジェクション流路
４３ 第３中間圧インジェクション流路（高圧中間圧インジェクション流路）
１０１ 第１電動圧縮機
１０１Ａ ハウジング
１０１Ｂ 電動機
１０２ 第２電動圧縮機
１０２Ａ ハウジング
１０２Ｂ 電動機
３１０ 主流路
３１１ 減圧機構
３１２ 分岐流路
３１３ 吸熱流路
３２０ 主流路
３２１ 減圧機構
３２２ 分岐流路
３２３ 吸熱流路
Ｅ１ 放熱器（第１熱交換器）
Ｅ２ 吸熱器（第２熱交換器）
Ｈ 高圧側
Ｌ 低圧側
Ｎ 段数
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３ 中間圧
ＰＣ 臨界圧力
ＰＨ 高圧
ＰＬ 低圧
ｎ１，ｎ２，ｎ３，ｎ４ 段
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】