(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】P2022181837
(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
【ＦＩ】
F25B1/10 E
F25B1/00 396D
F25B1/00 311B
F25B1/00 321Q
F25B1/00 371F
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021089018
(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】石田 寿幸
(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】黒田 直樹
(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】圧縮段数の増加により冷凍サイクルの効率を向上させつつ、広範囲の運転条件に亘り安定して動作させることが可能な冷凍装置を提供する。
【解決手段】冷凍装置は、複数段の圧縮機構を含み、段数Ｎが３以上である圧縮部と、圧縮部からの吐出冷媒を外気へと放熱させる第１熱交換器と、複数段の各段に与えられる複数の減圧機構を含む減圧部と、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、減圧機構と減圧機構との間にそれぞれ与えられる複数の気液分離器と、複数の気液分離器にそれぞれ対応し、対応する気液分離器から圧縮機構間に気相の冷媒を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少なくとも一つに設けられるバルブと、を備える。バルブを動作させると、冷媒が循環する有効段数が変わる。
【選択図】図１
【解決手段】冷凍装置は、複数段の圧縮機構を含み、段数Ｎが３以上である圧縮部と、圧縮部からの吐出冷媒を外気へと放熱させる第１熱交換器と、複数段の各段に与えられる複数の減圧機構を含む減圧部と、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、減圧機構と減圧機構との間にそれぞれ与えられる複数の気液分離器と、複数の気液分離器にそれぞれ対応し、対応する気液分離器から圧縮機構間に気相の冷媒を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少なくとも一つに設けられるバルブと、を備える。バルブを動作させると、冷媒が循環する有効段数が変わる。
【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複数段の圧縮機構を含み、段数が３以上である圧縮部と、
前記圧縮部により低段から高段へと複数のステップに亘り圧縮されて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、
前記複数段の各段に与えられる複数の減圧機構を含み、前記第１熱交換器を経た前記冷媒の圧力を複数のステップに亘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、
前記減圧機構と前記減圧機構との間にそれぞれ与えられる複数の気液分離器と、
前記複数の気液分離器にそれぞれ対応し、対応する前記気液分離器から前記圧縮機構と前記圧縮機構との間に気相の前記冷媒を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少なくとも一つに設けられるバルブと、を備え、
前記バルブを動作させることで、前記冷媒が循環する有効段数が可変に構成されている、
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複数段の圧縮機構を含み、段数が３以上である圧縮部と、
前記圧縮部により低段から高段へと複数のステップに亘り圧縮されて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、
前記複数段の各段に与えられる複数の減圧機構を含み、前記第１熱交換器を経た前記冷媒の圧力を複数のステップに亘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、
前記減圧機構と前記減圧機構との間にそれぞれ与えられる複数の気液分離器と、
前記複数の気液分離器にそれぞれ対応し、対応する前記気液分離器から前記圧縮機構と前記圧縮機構との間に気相の前記冷媒を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少なくとも一つに設けられるバルブと、を備え、
前記バルブを動作させることで、前記冷媒が循環する有効段数が可変に構成されている、
冷凍装置。
【請求項2】
前記バルブは、前記複数の中間圧インジェクション流路のうち最も高圧の前記中間圧インジェクション流路に設けられる、
請求項１に記載の冷凍装置。
請求項１に記載の冷凍装置。
【請求項3】
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】
前記段数は、４以上であり、
前記バルブは、前記複数の中間圧インジェクション流路のうち、高圧側の前記中間圧インジェクション流路の少なくとも一つと、低圧側の前記中間圧インジェクション流路の少なくとも一つとに設けられている、
請求項１から３のいずれか一項に記載の冷凍装置。
前記バルブは、前記複数の中間圧インジェクション流路のうち、高圧側の前記中間圧インジェクション流路の少なくとも一つと、低圧側の前記中間圧インジェクション流路の少なくとも一つとに設けられている、
請求項１から３のいずれか一項に記載の冷凍装置。
【請求項5】
いずれかの前記圧縮機構としての低段側圧縮機構から吐出された前記冷媒を前記外気と熱交換させて、前記低段側圧縮機構と直列に接続されている前記圧縮機構としての高圧側圧縮機構に流入させる中間熱交換器を備える、
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１から４のいずれか一項に記載の冷凍装置。
【請求項6】
前記圧縮部は、
直列に接続される複数の前記圧縮機構と、前記複数の圧縮機構を収容するハウジングと、前記複数の圧縮機構を駆動する電動機と、を備えた複数段電動圧縮機を含む、
請求項１から５のいずれか一項に記載の冷凍装置。
直列に接続される複数の前記圧縮機構と、前記複数の圧縮機構を収容するハウジングと、前記複数の圧縮機構を駆動する電動機と、を備えた複数段電動圧縮機を含む、
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】
前記バルブを動作させる指令を発生させる制御装置を備え、
前記制御装置は、前記外気の温度に応じて前記指令を発生させることにより、前記有効段数を変化させる、
請求項１から６のいずれか一項に記載の冷凍装置。
前記制御装置は、前記外気の温度に応じて前記指令を発生させることにより、前記有効段数を変化させる、
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ガス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（中間圧ガスインジェクション）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ガス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ガス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（中間圧ガスインジェクション）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ガス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、圧縮機構の段数を例えば「４」に増やした冷凍装置は、外気温等の運転条件によっては安定して動作しない。かかる冷凍装置は、Ｎ個の圧縮機構と、Ｎ個の膨張弁と、Ｎ－１個の気液分離器と、Ｎ－１個のガスインジェクション配管とを備える。
【0006】
以上より、本開示は、圧縮段数の増加により冷凍サイクルの効率を向上させつつ、広範囲の運転条件に亘り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複数段の圧縮機構を含み、段数が３以上である圧縮部と、圧縮部により低段から高段へと複数のステップに亘り圧縮されて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、複数段の各段に与えられる複数の減圧機構を含み、第１熱交換器を経た冷媒の圧力を複数のステップに亘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、減圧機構と減圧機構との間にそれぞれ与えられる複数の気液分離器と、複数の気液分離器にそれぞれ対応し、対応する気液分離器から圧縮機構と圧縮機構との間に気相の冷媒を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少なくとも一つに設けられるバルブと、を備える。かかる冷凍装置は、バルブを動作させることで、冷媒が循環する有効段数が可変に構成されている。
本願発明において中間圧インジェクション流路に設けられるバルブは、冷凍装置を安定して運転させることを目的として、運転条件に応じて、冷凍装置の運転中に開閉させることができる。これに加えて、他の目的、例えば、冷凍装置の停止時に冷媒の移動を防ぐために、当該バルブを閉じることも妨げられない。
本願発明において中間圧インジェクション流路に設けられるバルブは、冷凍装置を安定して運転させることを目的として、運転条件に応じて、冷凍装置の運転中に開閉させることができる。これに加えて、他の目的、例えば、冷凍装置の停止時に冷媒の移動を防ぐために、当該バルブを閉じることも妨げられない。
【発明の効果】
【0008】
本開示の冷凍装置によれば、複数の中間圧インジェクション流路の少なくとも一つに設けられるバルブを開または閉に切り替えることにより、冷媒が循環する有効段数が可変に構成されている。そのため、最大の段数による冷凍サイクルによりＣＯＰを向上させつつ、最大の段数により運転させると運転状態が不安定となる場合には、運転中にバルブを閉じて最大の段数に対して有効段数を減らすことにより、冷凍装置を安定して運転させることができる。
本開示によれば、バルブの開閉による有効段数の変更により種々の運転条件における冷媒の状態のそれぞれに適合するサイクルを容易に実現することができるので、広範囲の運転条件に亘り安定して運転可能な多段圧縮の冷凍装置を提供することができる。
本開示によれば、バルブの開閉による有効段数の変更により種々の運転条件における冷媒の状態のそれぞれに適合するサイクルを容易に実現することができるので、広範囲の運転条件に亘り安定して運転可能な多段圧縮の冷凍装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】第１実施形態に係る冷凍装置の回路構成を示す図である。
【図4】第１実施形態の変形例に係る冷凍装置の回路構成を示す図である。
【図5】第２実施形態に係る冷凍装置の回路構成を示す図である。
【図7】変形例に係る冷凍装置の回路構成を示す図である。
【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。
〔第１実施形態〕
（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。
〔第１実施形態〕
（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、二酸化炭素（ＣＯ２）を少なくとも一部に含む冷媒が封入されている。かかる冷媒は、ＣＯ２の単一冷媒、あるいは、ＣＯ２に例えばＲ３２冷媒を１０～２０％程度の比率で混合させた混合冷媒に相当する。二酸化炭素のＧＷＰは「１」である。他の冷媒、例えば、ＨＦＣ（Hydro Fluoro Carbon）の臨界温度に対して二酸化炭素の臨界温度は低い。そのため、冷凍装置１の通常運転モードにおいて、本実施形態の冷媒は、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、他の冷媒が用いられる場合よりも高圧側Ｈの設定圧力が高い状態で運転される。
【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】
後述するように、段数Ｎは、冷凍装置１の運転モードに応じて変更される。図２は、通常運転モードにおいて想定される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。
【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】
それぞれ同一の電動機により駆動されるいずれも複数段の圧縮機構を備えた２つの電動圧縮機１０１，１０２を組み合わせることにより、段数Ｎの多段圧縮冷凍装置１が実現されている。そのため、制御装置１５は、２つの電動機１０１Ｂ，１０２Ｂのそれぞれの回転数を制御すればよい。したがって、各段の圧縮機構１１～１４が個別に対応する電動機により駆動される場合と比べ、冷凍装置１の制御は容易である。また、圧縮部１０が、それぞれに圧縮機構、電動機、およびハウジングを備えた４台の圧縮機からなる場合と比べ、冷凍装置１の小型化および軽量化を図ることができる。
【0016】
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）。
【0017】
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。
【0018】
圧縮部１０が複数段の圧縮機構１１～１４からなることに対応して、減圧部２０は、各段（ｎ１，ｎ２，ｎ３，ｎ４）に与えられる、圧縮の段数Ｎと同数の減圧機構２１～２４を含んでいる。減圧機構２１～２４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。第４段減圧機構２４、第３段減圧機構２３、第２段減圧機構２２、および第１段減圧機構２１は、この順序で、放熱器Ｅ１を経た冷媒の圧力を複数のステップに亘り順次減少させる。
【0019】
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（図２の矢印Ａ１参照）、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（図２の矢印Ａ１参照）、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。
【0020】
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。
高圧側Ｈにおける放熱器Ｅ１の設定圧力ＰＨと、低圧側Ｌにおける吸熱器Ｅ２の設定圧力ＰＬと、中間圧（Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３）とから決まる各段ｎ１，ｎ２，ｎ３，ｎ４の圧力比に基づいて、冷媒は、相変化を伴い圧力およびエンタルピを変化させながら、冷凍装置１の冷媒回路を循環する。
高圧側Ｈにおける放熱器Ｅ１の設定圧力ＰＨと、低圧側Ｌにおける吸熱器Ｅ２の設定圧力ＰＬと、中間圧（Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３）とから決まる各段ｎ１，ｎ２，ｎ３，ｎ４の圧力比に基づいて、冷媒は、相変化を伴い圧力およびエンタルピを変化させながら、冷凍装置１の冷媒回路を循環する。
【0021】
（中間圧ガスインジェクション）
冷凍装置１は、第１～４段減圧機構２１～２４の段と段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ガス冷媒を第１～第４段圧縮機構１１～１４のそれぞれの間に供給するガスインジェクションを実施する。そのため、冷凍装置１は、第１～第４段減圧機構２１～２４のそれぞれの間に与えられるＮ－１個の気液分離器３１～３３と、気液分離器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、第１～４段減圧機構２１～２４の段と段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ガス冷媒を第１～第４段圧縮機構１１～１４のそれぞれの間に供給するガスインジェクションを実施する。そのため、冷凍装置１は、第１～第４段減圧機構２１～２４のそれぞれの間に与えられるＮ－１個の気液分離器３１～３３と、気液分離器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。
【0022】
通常運転モードにおいて、第４段圧縮機構１４から吐出され、放熱器Ｅ１および第４段減圧機構２４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。
第３中間圧気液分離器３３（受液器）は、第４段減圧機構２４から貯留タンク３３Ａの内部に冷媒を受け入れて気相と液相とに分離させる。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の内部において冷媒は、密度差に基づいて気相と液相とに分離される。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。
第３中間圧気液分離器３３（受液器）は、第４段減圧機構２４から貯留タンク３３Ａの内部に冷媒を受け入れて気相と液相とに分離させる。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の内部において冷媒は、密度差に基づいて気相と液相とに分離される。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。
【0023】
第３中間圧インジェクション流路４３は、気相領域３３Ｂから第３中間圧Ｐ３のガス冷媒を第４段圧縮機構１４の吸入部へと供給する（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へ供給されるガス冷媒の温度は、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。
【0024】
一方、貯留タンク３３Ａに貯留される第３中間圧Ｐ３の液冷媒は、貯留タンク３３Ａから流れ出て第３段減圧機構２３により減圧される（ｒ１４からｒ１５へ）。減圧機構２３を含め、減圧機構２１～２３に液冷媒が供給されることによれば、吸熱器Ｅ２における蒸発過程に相当するエンタルピの拡大により（第３段減圧機構２３について図２の矢印Ａ２参照）、ＣＯＰを向上させることができる。
【0025】
以上で述べた吐出温度の低減と、エンタルピ拡大による効率向上は、第３中間圧Ｐ３、第２中間圧Ｐ２、および第１中間圧Ｐ１のそれぞれについて言える。本実施形態の４段に限らず、５段、６段と段数Ｎを増やすことで、吐出温度の低減および効率向上の効果を高めることが可能である。
【0026】
第２中間圧Ｐ２および第１中間圧Ｐ１のそれぞれのガスインジェクションについても、上述の第３中間圧Ｐ３のガスインジェクションと同様である。
第３段減圧機構２３を経た冷媒は、第２中間圧気液分離器３２へと受け入れられ、第３中間圧気液分離器３３と同様に気相と液相とに分離される。これは、ｒ１５から、ｒ１６およびｒ１７への状態変化に相当する。
第３段減圧機構２３を経た冷媒は、第２中間圧気液分離器３２へと受け入れられ、第３中間圧気液分離器３３と同様に気相と液相とに分離される。これは、ｒ１５から、ｒ１６およびｒ１７への状態変化に相当する。
【0027】
第２中間圧気液分離器３２の気相領域には、第２中間圧インジェクション流路４２が接続されている。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のガス冷媒を第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。
第２中間圧気液分離器３２から流れ出る第２中間圧Ｐ２の液冷媒は、第２段減圧機構２２により減圧される（ｒ１７からｒ１８へ）。
第２中間圧気液分離器３２から流れ出る第２中間圧Ｐ２の液冷媒は、第２段減圧機構２２により減圧される（ｒ１７からｒ１８へ）。
【0028】
第２段減圧機構２２を経た冷媒は、第１中間圧気液分離器３１へと受け入れられて気相と液相とに分離される。これは、ｒ１８から、ｒ１９およびｒ２０への状態変化に相当する。
第１中間圧気液分離器３１の気相領域に接続される第１中間圧インジェクション流路４１により、第１中間圧Ｐ１のガス冷媒を第２段圧縮機構１２の吸入部へと供給すると（ｒ１８からｒ３へ）、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）。
第１中間圧気液分離器３１から流れ出る第１中間圧Ｐ１の液冷媒は、第１段減圧機構２１により減圧される（ｒ２０からｒ２１へ）。第１段減圧機構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，ｒ１へ）。
第１中間圧気液分離器３１の気相領域に接続される第１中間圧インジェクション流路４１により、第１中間圧Ｐ１のガス冷媒を第２段圧縮機構１２の吸入部へと供給すると（ｒ１８からｒ３へ）、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）。
第１中間圧気液分離器３１から流れ出る第１中間圧Ｐ１の液冷媒は、第１段減圧機構２１により減圧される（ｒ２０からｒ２１へ）。第１段減圧機構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，ｒ１へ）。
【0029】
制御装置１５により冷凍装置１が通常運転モードに設定されている状態で運転されるとき、冷凍装置１に備わる段数Ｎ分の圧縮、膨張、および中間圧インジェクションが行われることにより、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。
しかしながら、例えば外気温が、通常運転モードで想定する外気温の範囲に対して過大である場合には、冷凍装置１を最大の段数Ｎで運転させると、運転状態が不安定となり得、冷媒を循環させることができないこともあり得る。
多段圧縮を経て圧縮部１０から吐出されるＣＯ２冷媒の温度が臨界圧力ＰＣを超えることは許容されるとしても、外気温の上昇に伴い放熱器Ｅ１による冷媒の放熱量が減少することで、第３中間圧Ｐ３（ｒ１２，ｒ１３，ｒ１４）が臨界圧力ＰＣを超えたならば、第３中間圧気液分離器３３において冷媒が凝縮しないので気液分離を行うことはできず、超臨界状態の冷媒の挙動は安定しないので、安定した制御を行うことが難しい。超臨界流体の圧力、温度、流量等を予測して運転状態を安定させることは難しい。
しかしながら、例えば外気温が、通常運転モードで想定する外気温の範囲に対して過大である場合には、冷凍装置１を最大の段数Ｎで運転させると、運転状態が不安定となり得、冷媒を循環させることができないこともあり得る。
多段圧縮を経て圧縮部１０から吐出されるＣＯ２冷媒の温度が臨界圧力ＰＣを超えることは許容されるとしても、外気温の上昇に伴い放熱器Ｅ１による冷媒の放熱量が減少することで、第３中間圧Ｐ３（ｒ１２，ｒ１３，ｒ１４）が臨界圧力ＰＣを超えたならば、第３中間圧気液分離器３３において冷媒が凝縮しないので気液分離を行うことはできず、超臨界状態の冷媒の挙動は安定しないので、安定した制御を行うことが難しい。超臨界流体の圧力、温度、流量等を予測して運転状態を安定させることは難しい。
【0030】
そこで、外気温が過大である運転条件、あるいは他の運転条件を含め、広い範囲に亘り冷凍装置１を安定して運転させるため、冷凍装置１は、中間圧インジェクション流路４１～４３から任意に選択される少なくとも一つに設けられるバルブ（Ｖ３）を備えている。
本実施形態の冷凍装置１は、最も高圧側Ｈの第３中間圧インジェクション流路４３に設けられる第３中間圧バルブＶ３を備えている。
第３中間圧バルブＶ３は、電磁弁であり、制御装置１５から発せられる指令に基づいて開または閉に切り替えられる。
本実施形態の冷凍装置１は、最も高圧側Ｈの第３中間圧インジェクション流路４３に設けられる第３中間圧バルブＶ３を備えている。
第３中間圧バルブＶ３は、電磁弁であり、制御装置１５から発せられる指令に基づいて開または閉に切り替えられる。
【0031】
冷凍装置１は、通常運転モードにおいては、第３中間圧バルブＶ３が開いた状態で、第１～第３中間圧インジェクション流路４１～４３により第１～第３中間圧Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３のインジェクションを実施しつつ、図２に示すように冷媒の圧力およびエンタルピを変化させながら運転される。このとき、冷媒が循環している段数としての有効段数ＮＡは、冷凍装置１に備わる段の総数Ｎに相当する「４」である。
【0032】
（高外気温モード）
冷媒が臨界圧力を超える程に外気温が過大である場合には、制御装置１５は、第３中間圧バルブＶ３を閉じて第１中間圧インジェクション流路４１および第２中間圧インジェクション流路４２のみにより中間圧インジェクションを実施する高外気温モードへと冷凍装置１の運転モードを切り替える。高外気温モードでは、第４段減圧機構２４を経ても超臨界状態にある冷媒が、第３中間圧気液分離器３３の貯留タンク３３Ａの内部を通過し、第３段減圧機構２３により減圧された後に第２中間圧気液分離器３２へと流入する（ｒ１２，ｒ１３，ｒ１４からｒ１５へ）。このとき貯留タンク３３Ａには液冷媒が貯留されない（図４に示す貯留タンク３３Ａの内部の状態に相当）。
冷媒が臨界圧力を超える程に外気温が過大である場合には、制御装置１５は、第３中間圧バルブＶ３を閉じて第１中間圧インジェクション流路４１および第２中間圧インジェクション流路４２のみにより中間圧インジェクションを実施する高外気温モードへと冷凍装置１の運転モードを切り替える。高外気温モードでは、第４段減圧機構２４を経ても超臨界状態にある冷媒が、第３中間圧気液分離器３３の貯留タンク３３Ａの内部を通過し、第３段減圧機構２３により減圧された後に第２中間圧気液分離器３２へと流入する（ｒ１２，ｒ１３，ｒ１４からｒ１５へ）。このとき貯留タンク３３Ａには液冷媒が貯留されない（図４に示す貯留タンク３３Ａの内部の状態に相当）。
【0033】
第３中間圧バルブＶ３が閉じられると、第３中間圧インジェクション流路４３を冷媒が流れないので、通常運転モードにおける第３段ｎ３および第４段ｎ４が圧縮・膨張工程において一段にまとまる結果、有効段数Ｎが「３」に減少する。図３に高外気温モードにおける冷媒の状態を示すように、冷凍装置１は、ｎ１～ｎ３の３段圧縮・３段膨張のサイクルにより運転される。超臨界状態の冷媒の圧力が第３段減圧機構２３により減少するため（ｒ１２，ｒ１３，ｒ１４からｒ１５へ）、第２中間圧Ｐ２が臨界圧力ＰＣ以下に維持される。そのため、冷凍装置１は安定して運転される。
【0034】
通常運転モードにおいて、制御装置１５は、例えば、外気温と高圧側Ｈの設定圧力との対応を示すマップデータ等と、温度センサ１７により検知される外気温とを用いることにより、外気温の検知結果に対応するマップデータ上の高圧側Ｈ圧力が、余裕を見込んで臨界圧力ＰＣよりも低く設定された第１閾値圧力Ｔ１（図３）に対して大きいか否かを判定する。外気温の検知結果に対応するマップデータ上の高圧側Ｈ圧力が第１閾値圧力Ｔ１に対して大きい場合には、制御装置１５は、第３中間圧バルブＶ３を閉じて、通常運転モードから高外気温モードへと移行する。
高外気温モードにおいても外気温を継続して監視し、例えば、外気温の検知結果に対応するマップデータ上の高圧側Ｈ圧力が第１閾値圧力Ｔ１よりも低い第２閾値圧力Ｔ２に対して小さい場合には、制御装置１５は、第３中間圧バルブＶ３を開いて、高外気温モードから通常運転モードへと復帰する。
高外気温モードにおいても外気温を継続して監視し、例えば、外気温の検知結果に対応するマップデータ上の高圧側Ｈ圧力が第１閾値圧力Ｔ１よりも低い第２閾値圧力Ｔ２に対して小さい場合には、制御装置１５は、第３中間圧バルブＶ３を開いて、高外気温モードから通常運転モードへと復帰する。
【0035】
以上で説明した第１実施形態の冷凍装置１によれば、中間圧インジェクション流路４１～４３の少なくとも一つに設けられるバルブＶ３を開または閉に切り替えることにより、冷媒が循環する有効段数ＮＡが可変に構成されている。そのため、通常運転モードにおいては最大の段数Ｎによる冷凍サイクルによりＣＯＰを向上させつつ、高圧側Ｈの中間圧が臨界圧力ＰＣを超える程に外気温が上昇した場合には、高圧側Ｈの中間圧インジェクション流路４３に設けられているバルブＶ３を閉じて有効段数ＮＡを減らすことにより、冷凍装置１を安定して運転させることができる。
つまり、本実施形態によれば、超臨界状態にまで圧縮される冷媒を扱いながらも、超臨界状態の冷媒挙動の予測等に基づく難しい制御が必要とならずに、バルブＶ３の開閉による有効段数ＮＡの変更により種々の運転条件における冷媒の状態のそれぞれに適合するサイクルを容易に実現することができる。したがって、広範囲の運転条件に亘り安定して運転可能な多段圧縮の冷凍装置１を提供することができる。
つまり、本実施形態によれば、超臨界状態にまで圧縮される冷媒を扱いながらも、超臨界状態の冷媒挙動の予測等に基づく難しい制御が必要とならずに、バルブＶ３の開閉による有効段数ＮＡの変更により種々の運転条件における冷媒の状態のそれぞれに適合するサイクルを容易に実現することができる。したがって、広範囲の運転条件に亘り安定して運転可能な多段圧縮の冷凍装置１を提供することができる。
【0036】
冷凍装置１は、第３中間圧インジェクション流路４３に設けられるバルブＶ３に加え、他の中間圧インジェクション流路４２，４１に設けられるバルブを備えていてもよい。例えば、図４に示すように、第２中間圧インジェクション流路４２にも、制御装置１５により開閉可能なバルブＶ２が設けられることは妨げられない。図４に示す高外気温モードにおいては、中間圧バルブＶ２，Ｖ３のうち、黒色で示す第３中間圧バルブＶ３のみが閉じられる。
【0037】
〔第２実施形態〕
次に、図５および図６を参照し、第２実施形態について説明する。以下、第１実施形態とは相違する事項を中心に説明する。第１実施形態と同様の構成要素には同じ符号を付している。
図５に示す冷凍装置１－２は、第１実施形態の冷凍装置１とは異なる運転条件に対応するため、第１中間圧インジェクション流路４１に第１中間圧バルブＶ１を備えている。冷凍装置１－２は、第１実施形態の冷凍装置１と同様に、第３中間圧インジェクション流路４３に設けられる第３中間圧バルブＶ３も備えている。第１中間圧バルブＶ１を備えていることを除いて、第２実施形態の冷凍装置１－２は、第１実施形態の冷凍装置１と同様に構成されている。
次に、図５および図６を参照し、第２実施形態について説明する。以下、第１実施形態とは相違する事項を中心に説明する。第１実施形態と同様の構成要素には同じ符号を付している。
図５に示す冷凍装置１－２は、第１実施形態の冷凍装置１とは異なる運転条件に対応するため、第１中間圧インジェクション流路４１に第１中間圧バルブＶ１を備えている。冷凍装置１－２は、第１実施形態の冷凍装置１と同様に、第３中間圧インジェクション流路４３に設けられる第３中間圧バルブＶ３も備えている。第１中間圧バルブＶ１を備えていることを除いて、第２実施形態の冷凍装置１－２は、第１実施形態の冷凍装置１と同様に構成されている。
【0038】
冷凍装置１－２は、冷凍装置１と同様に第３中間圧バルブＶ１を備えているため、中間圧バルブＶ１，Ｖ３のうち第３中間圧バルブＶ３のみを閉じて有効段数ＮＡを「３」に減少させることにより、上述の高外気温モードを行うことができる。
【0039】
高外気温モードとは逆に、外気温が低いと、高圧側Ｈの設定圧力ＰＨと低圧側Ｌの設定圧力ＰＬとの圧力比が小さくなる。当該圧力比が各段に按分されることになるため、通常運転モードと同様に最大段数Ｎで運転させると、各段ｎ１，ｎ２，ｎ３，ｎ４の圧力比が小さくなる。各段の圧力比が、気液分離器３１～３３からそれぞれ圧縮機構１２～１４へと冷媒を搬送するために必要な圧力比に対して不足する程に外気温が低い場合は、各段に冷媒を循環させることができない。
この場合には、制御装置１５は、第１中間圧バルブＶ１および第３中間圧バルブＶ３の両方を閉じることで、通常運転モードから低外気温モード（低圧力比運転モード）へと冷凍装置１－２の運転モードを切り替える。低外気温モードでは、第２中間圧インジェクション流路４２のみを通じて中間圧インジェクションを実施する。
この場合には、制御装置１５は、第１中間圧バルブＶ１および第３中間圧バルブＶ３の両方を閉じることで、通常運転モードから低外気温モード（低圧力比運転モード）へと冷凍装置１－２の運転モードを切り替える。低外気温モードでは、第２中間圧インジェクション流路４２のみを通じて中間圧インジェクションを実施する。
【0040】
図６は、低外気温モードにおける冷媒の状態を示している。第１中間圧バルブＶ１および第３中間圧バルブＶ３が閉じられることで、有効段数ＮＡは「２」に減少し、このとき冷凍装置１－２は、２段圧縮・２段膨張のサイクルにより運転される。段の総数Ｎに対して有効段数ＮＡが減少した分、気液分離器３１～３３のそれぞれから圧縮機構１２～１４への冷媒の搬送に足りる圧力が各段に確保されるので、冷凍装置１は安定して運転される。
【0041】
通常運転モードにおいて、制御装置１５は、例えば、外気温と各段の圧力比との対応を示すマップデータ等と、温度センサ１７により検知される外気温とを用いることにより、外気温の検知結果に対応するマップデータ上の各段圧力比が、中間圧インジェクションに必要な各段圧力比を考慮した各段の第１圧力比Ｒ１に対して大きいか小さいかを判定する。外気温の検知結果に対応するマップデータ上の各段圧力比が各段の第１圧力比Ｒ１に対して小さい場合には、制御装置１５は、第１中間圧バルブＶ１および第３中間圧バルブＶ３を閉じて、通常運転モードから低外気温モードへと移行する。
外気温を継続して監視し、例えば、外気温の検知結果に対応するマップデータ上の各段の圧力比が、各段の第２圧力比Ｒ２（Ｒ１＜Ｒ２）に対して大きい場合には、制御装置１５は、中間圧バルブＶ１，Ｖ３を開き、低外気温モードから通常運転モードへと復帰する。
外気温を継続して監視し、例えば、外気温の検知結果に対応するマップデータ上の各段の圧力比が、各段の第２圧力比Ｒ２（Ｒ１＜Ｒ２）に対して大きい場合には、制御装置１５は、中間圧バルブＶ１，Ｖ３を開き、低外気温モードから通常運転モードへと復帰する。
【0042】
以上で説明した第２実施形態の冷凍装置１－２によれば、高圧側Ｈおよび低圧側Ｌのそれぞれに一つずつ設けられている中間圧バルブＶ１，Ｖ３のうち少なくとも第３中間圧バルブＶ３を閉じることにより、段の総数である４段に対して有効段数ＮＡを３段と２段とに変化させることができる。そうすると、第１実施形態の冷凍装置１に対してより広範囲の運転条件に亘り冷凍装置１－２を安定して運転させることができる。
【0043】
有効段数ＮＡを減少させる観点だけから言えば、低外気温モードにおいて、第２実施形態の中間圧バルブＶ１，Ｖ３のうちいずれか一方のみを閉じることができる。例えば、第３中間圧バルブＶ３のみを閉じ、第１中間圧インジェクション流路４１と第２中間圧インジェクション流路４２とによる中間圧インジェクションの実施に足りる圧力比が各段ｎ１，ｎ２，ｎ３に確保される場合である。外気温を検知しつつ、例えば、中間圧バルブＶ１～Ｖ３のうち、全部が開いた状態（４段）、中間圧バルブＶ３のみが閉じた状態（３段）、および中間圧バルブＶ１，Ｖ３の両方が閉じた状態（２段）のうちの最も安定する段数にて冷凍装置１－２を運転させることができる。
あるいは、第１中間圧バルブＶ１のみを閉じ、第３中間圧インジェクション流路４３と第２中間圧インジェクション流路４２とによる中間圧インジェクションの実施に足りる圧力比を各段ｎ２，ｎ３，ｎ４に確保してもよい。後者の場合、第３中間圧Ｐ３が臨界圧力ＰＣを超える程に外気温が高い環境では冷凍装置１－２が使用されないとすれば、第３中間圧インジェクション流路４３への中間圧バルブＶ３の設置を省くことができる。
あるいは、第１中間圧バルブＶ１のみを閉じ、第３中間圧インジェクション流路４３と第２中間圧インジェクション流路４２とによる中間圧インジェクションの実施に足りる圧力比を各段ｎ２，ｎ３，ｎ４に確保してもよい。後者の場合、第３中間圧Ｐ３が臨界圧力ＰＣを超える程に外気温が高い環境では冷凍装置１－２が使用されないとすれば、第３中間圧インジェクション流路４３への中間圧バルブＶ３の設置を省くことができる。
【0044】
第２実施形態において、第２中間圧インジェクション流路４２にも開閉バルブを設けることは妨げられない。但し上記第２実施形態では、低外気温モードを含めた全ての運転モードにおいて常時、第２中間圧インジェクション流路４２を通じた中間圧インジェクションを行うことで２段圧縮・２段膨張サイクルを維持するから、第２中間圧インジェクション流路４２には中間圧バルブを設置しないことにより装置コストを抑えることができる。
【0045】
段の総数Ｎが「４」よりも多い場合、例えば、「５」や「６」である場合であっても、第２実施形態と同様に、段数Ｎを減少させて冷凍装置を運転させることができる。
例えば、段数Ｎが「５」である場合には、冷凍装置は、高圧側Ｈの第４中間圧インジェクション流路および第３中間圧インジェクション流路の少なくとも一つに設けられる中間圧バルブと、高圧側Ｈの第４中間圧インジェクション流路および第３中間圧インジェクション流路の少なくとも一つに設けられる中間圧バルブとを備えている。
この場合において、冷凍装置が、第４中間圧バルブＶ４、第３中間圧バルブＶ３、第２中間圧バルブＶ２、および第１中間圧バルブＶ１を備えているとすると、低外気温モードにおいては、例えば、第１中間圧バルブＶ１、第３中間圧バルブＶ３、および第４中間圧バルブＶ４を閉じて２段サイクルで運転させたり、あるいは、第１中間圧バルブＶ１および第４中間圧バルブＶ４を閉じて３段サイクルで運転させたりすることが可能である。つまり、有効段数ＮＡを「２」または「３」に変更することができる。
例えば、段数Ｎが「５」である場合には、冷凍装置は、高圧側Ｈの第４中間圧インジェクション流路および第３中間圧インジェクション流路の少なくとも一つに設けられる中間圧バルブと、高圧側Ｈの第４中間圧インジェクション流路および第３中間圧インジェクション流路の少なくとも一つに設けられる中間圧バルブとを備えている。
この場合において、冷凍装置が、第４中間圧バルブＶ４、第３中間圧バルブＶ３、第２中間圧バルブＶ２、および第１中間圧バルブＶ１を備えているとすると、低外気温モードにおいては、例えば、第１中間圧バルブＶ１、第３中間圧バルブＶ３、および第４中間圧バルブＶ４を閉じて２段サイクルで運転させたり、あるいは、第１中間圧バルブＶ１および第４中間圧バルブＶ４を閉じて３段サイクルで運転させたりすることが可能である。つまり、有効段数ＮＡを「２」または「３」に変更することができる。
【0046】
〔変形例〕
図示を省略するが、第１～第３中間圧インジェクション流路４１～４３にそれぞれ、つまり中間圧インジェクション流路４１～４３の全数に対して中間圧バルブを設けることも可能である。その場合において、冷凍装置に備わる３つの中間圧バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３のいずれも閉じることで、有効段数ＮＡを「１」にまで減少させることが可能となる。
また、冷凍装置に備わる３つの中間圧バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３のうちの一つまたは二つのバルブを常時開放とし、残りの中間圧バルブのみを開閉させることにより、要求される種々の運転条件に冷凍装置を対応させることができる。このとき常時開放されるバルブでも、冷凍装置に使用される冷媒や、冷凍装置の使用地域に適した外気温範囲等の運転条件によっては、運転モードに応じて閉じることができる。つまり、同じ冷媒回路を冷媒や使用環境温度、あるいは用途等が異なる複数の製品に展開することかできる。
図示を省略するが、第１～第３中間圧インジェクション流路４１～４３にそれぞれ、つまり中間圧インジェクション流路４１～４３の全数に対して中間圧バルブを設けることも可能である。その場合において、冷凍装置に備わる３つの中間圧バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３のいずれも閉じることで、有効段数ＮＡを「１」にまで減少させることが可能となる。
また、冷凍装置に備わる３つの中間圧バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３のうちの一つまたは二つのバルブを常時開放とし、残りの中間圧バルブのみを開閉させることにより、要求される種々の運転条件に冷凍装置を対応させることができる。このとき常時開放されるバルブでも、冷凍装置に使用される冷媒や、冷凍装置の使用地域に適した外気温範囲等の運転条件によっては、運転モードに応じて閉じることができる。つまり、同じ冷媒回路を冷媒や使用環境温度、あるいは用途等が異なる複数の製品に展開することかできる。
【0047】
図７に示す冷凍装置１－３は、複数段の電動圧縮機（図１の１０１，１０２）を備えていない。冷凍装置１－３に備わる圧縮機構１１～１３はそれぞれ、電動機１０Ｍおよびハウジング１０Ｈと共に、単段の圧縮機として構成されている。
冷凍装置１－３は、第１、第２中間圧インジェクション流路４１，４２のうち高圧側Ｈの第２中間圧インジェクション流路４２に第２中間圧バルブＶ２を備えているとともに、低圧側Ｌの第１中間圧インジェクション流路４１に第１中間圧バルブＶ１を備えている。
冷凍装置１－３は、第１、第２中間圧インジェクション流路４１，４２のうち高圧側Ｈの第２中間圧インジェクション流路４２に第２中間圧バルブＶ２を備えているとともに、低圧側Ｌの第１中間圧インジェクション流路４１に第１中間圧バルブＶ１を備えている。
【0048】
外気温が高いため、第１、第２中間圧インジェクション流路４１，４２のいずれも使用して中間圧インジェクションを実施した場合に第２中間圧Ｐ２が臨界圧力ＰＣを超えるとするならば、最も高圧側Ｈの第２中間圧バルブＶ２を閉じることにより、冷凍装置１－３を２段圧縮・２段膨張サイクルで運転させるとよい。
また、外気温が低いため、第１、第２中間圧インジェクション流路４１，４２の両方を使用して中間圧インジェクションを実施した場合に各段の圧力比が不足するとするならば、あるいは他の理由から、中間圧バルブＶ１，Ｖ２のいずれか一方または両方を閉じることにより、２段圧縮・２段膨張サイクルまたは１段圧縮・膨張サイクルで冷凍装置１－３を運転させるとよい。
また、外気温が低いため、第１、第２中間圧インジェクション流路４１，４２の両方を使用して中間圧インジェクションを実施した場合に各段の圧力比が不足するとするならば、あるいは他の理由から、中間圧バルブＶ１，Ｖ２のいずれか一方または両方を閉じることにより、２段圧縮・２段膨張サイクルまたは１段圧縮・膨張サイクルで冷凍装置１－３を運転させるとよい。
【0049】
冷凍装置１－３は、中間冷却熱交換器１６（図１）を備えていないが、吐出温度を低減させるために、圧縮機構１１，１２の間、および圧縮機構１２，１３の間の少なくともいずれかに中間冷却熱交換器１６を設けることができる。
上述の冷凍装置１，１－２においても、中間冷却熱交換器１６は、必要に応じて設けられていれば足りる。
上述の冷凍装置１，１－２においても、中間冷却熱交換器１６は、必要に応じて設けられていれば足りる。
【0050】
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。
例えば、上記各実施形態において、圧縮機構１１～１４を保護するため、気液分離器３１～３３に液位センサを設けることが可能である。液位センサにより、貯留タンクに過大な量の液冷媒が貯留されていることが検知されたならば、制御装置１５により、対応する中間圧インジェクション流路の中間圧バルブを閉じるとよい。そうすることで、液冷媒の流入による圧縮機構の損傷を未然に防ぐことができる。
例えば、上記各実施形態において、圧縮機構１１～１４を保護するため、気液分離器３１～３３に液位センサを設けることが可能である。液位センサにより、貯留タンクに過大な量の液冷媒が貯留されていることが検知されたならば、制御装置１５により、対応する中間圧インジェクション流路の中間圧バルブを閉じるとよい。そうすることで、液冷媒の流入による圧縮機構の損傷を未然に防ぐことができる。
【0051】
〔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１，１－２，１－３は、直列に接続されてそれぞれ冷媒を圧縮する複数段の圧縮機構１１～１４を含み、段数Ｎが３以上である圧縮部１０と、圧縮部１０により低段から高段へと複数のステップに亘り圧縮されて圧縮部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、複数段の各段に与えられる複数の減圧機構２１～２４を含み、第１熱交換器（Ｅ１）を経た冷媒の圧力を複数のステップに亘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、減圧機構２１～２４のうちの減圧機構間にそれぞれ与えられる複数の気液分離器３１～３３と、複数の気液分離器３１～３３にそれぞれ対応し、対応する気液分離器３１～３３から圧縮機構１１～１４のうちの圧縮機構間に気相の冷媒を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の少なくとも一つに設けられるバルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３と、を備える。バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３を動作させることで、冷媒が循環する有効段数ＮＡが可変に構成されている。
〔２〕バルブＶ３は、複数の中間圧インジェクション流路４１～４３のうち最も高圧の中間圧インジェクション流路４１～４３に設けられる。
〔３〕冷媒は、二酸化炭素を少なくとも一部に含む。
〔４〕段数Ｎは、４以上であり、バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３は、複数の中間圧インジェクション流路４１～４３のうち、高圧側の中間圧インジェクション流路４１～４３の少なくとも一つと、低圧側の中間圧インジェクション流路４１～４３の少なくとも一つとに設けられている。
〔５〕冷凍装置１，１－２，１－３は、いずれかの圧縮機構１１～１４としての低圧側圧縮機構から吐出された冷媒を外気と熱交換させて、低圧側圧縮機構と直列に接続されている圧縮機構としての高圧側圧縮機構に流入させる中間冷却熱交換器１６を備える。
〔６〕圧縮部１０は、直列に接続される複数の圧縮機構１１，１２（または１３，１４）と、複数の圧縮機構１１，１２（または１３，１４）を収容するハウジング（１０１Ａ等）と、複数の圧縮機構１１，１２（または１３，１４）を駆動する電動機（１０１Ｂ等）と、を備えた複数段電動圧縮機１０１，１０２を含む。
〔７〕冷凍装置１，１－２，１－３は、バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３を動作させる指令を発生させる制御装置１５を備え、制御装置１５は、外気の温度に応じて指令を発生させることにより、有効段数ＮＡを変化させる。
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１，１－２，１－３は、直列に接続されてそれぞれ冷媒を圧縮する複数段の圧縮機構１１～１４を含み、段数Ｎが３以上である圧縮部１０と、圧縮部１０により低段から高段へと複数のステップに亘り圧縮されて圧縮部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、複数段の各段に与えられる複数の減圧機構２１～２４を含み、第１熱交換器（Ｅ１）を経た冷媒の圧力を複数のステップに亘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、減圧機構２１～２４のうちの減圧機構間にそれぞれ与えられる複数の気液分離器３１～３３と、複数の気液分離器３１～３３にそれぞれ対応し、対応する気液分離器３１～３３から圧縮機構１１～１４のうちの圧縮機構間に気相の冷媒を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の少なくとも一つに設けられるバルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３と、を備える。バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３を動作させることで、冷媒が循環する有効段数ＮＡが可変に構成されている。
〔２〕バルブＶ３は、複数の中間圧インジェクション流路４１～４３のうち最も高圧の中間圧インジェクション流路４１～４３に設けられる。
〔３〕冷媒は、二酸化炭素を少なくとも一部に含む。
〔４〕段数Ｎは、４以上であり、バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３は、複数の中間圧インジェクション流路４１～４３のうち、高圧側の中間圧インジェクション流路４１～４３の少なくとも一つと、低圧側の中間圧インジェクション流路４１～４３の少なくとも一つとに設けられている。
〔５〕冷凍装置１，１－２，１－３は、いずれかの圧縮機構１１～１４としての低圧側圧縮機構から吐出された冷媒を外気と熱交換させて、低圧側圧縮機構と直列に接続されている圧縮機構としての高圧側圧縮機構に流入させる中間冷却熱交換器１６を備える。
〔６〕圧縮部１０は、直列に接続される複数の圧縮機構１１，１２（または１３，１４）と、複数の圧縮機構１１，１２（または１３，１４）を収容するハウジング（１０１Ａ等）と、複数の圧縮機構１１，１２（または１３，１４）を駆動する電動機（１０１Ｂ等）と、を備えた複数段電動圧縮機１０１，１０２を含む。
〔７〕冷凍装置１，１－２，１－３は、バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３を動作させる指令を発生させる制御装置１５を備え、制御装置１５は、外気の温度に応じて指令を発生させることにより、有効段数ＮＡを変化させる。
【符号の説明】
【0052】
１，１－２，１－３ 冷凍装置
１０ 圧縮部
１０Ｈ ハウジング
１０Ｍ 電動機
１１ 第１段圧縮機構
１２ 第２段圧縮機構
１３ 第３段圧縮機構
１４ 第４段圧縮機構
１５ 制御装置
１６ 中間冷却熱交換器（中間熱交換器）
１７ 温度センサ
２０ 減圧部
２１ 第１段減圧機構
２２ 第２段減圧機構
２３ 第３段減圧機構
２４ 第４段減圧機構
３１ 第１中間圧気液分離器
３２ 第２中間圧気液分離器
３３ 第３中間圧気液分離器
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
１０１ 第１電動圧縮機（複数段電動圧縮機）
１０１Ａ ハウジング
１０１Ｂ 電動機
１０２ 第２電動圧縮機（複数段電動圧縮機）
１０２Ａ ハウジング
１０２Ｂ 電動機
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
ＮＡ 有効段数
Ｐ１ 第１中間圧
Ｐ２ 第２中間圧
Ｐ３ 第３中間圧
ＰＣ 臨界圧力
ＰＨ，ＰＬ 設定圧力
Ｒ１，Ｒ２ 圧力比
Ｔ１ 第１閾値圧力
Ｔ２ 第２閾値圧力
Ｖ１ 第１中間圧バルブ
Ｖ２ 第２中間圧バルブ
Ｖ３ 第３中間圧バルブ
ｎ１～ｎ４ 段
ｒ１～ｒ２２ 作動点
１０ 圧縮部
１０Ｈ ハウジング
１０Ｍ 電動機
１１ 第１段圧縮機構
１２ 第２段圧縮機構
１３ 第３段圧縮機構
１４ 第４段圧縮機構
１５ 制御装置
１６ 中間冷却熱交換器（中間熱交換器）
１７ 温度センサ
２０ 減圧部
２１ 第１段減圧機構
２２ 第２段減圧機構
２３ 第３段減圧機構
２４ 第４段減圧機構
３１ 第１中間圧気液分離器
３２ 第２中間圧気液分離器
３３ 第３中間圧気液分離器
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
１０１ 第１電動圧縮機（複数段電動圧縮機）
１０１Ａ ハウジング
１０１Ｂ 電動機
１０２ 第２電動圧縮機（複数段電動圧縮機）
１０２Ａ ハウジング
１０２Ｂ 電動機
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
ＮＡ 有効段数
Ｐ１ 第１中間圧
Ｐ２ 第２中間圧
Ｐ３ 第３中間圧
ＰＣ 臨界圧力
ＰＨ，ＰＬ 設定圧力
Ｒ１，Ｒ２ 圧力比
Ｔ１ 第１閾値圧力
Ｔ２ 第２閾値圧力
Ｖ１ 第１中間圧バルブ
Ｖ２ 第２中間圧バルブ
Ｖ３ 第３中間圧バルブ
ｎ１～ｎ４ 段
ｒ１～ｒ２２ 作動点
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】