JP2007147213A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】単段圧縮冷凍サイクルと二段圧縮冷凍サイクルとを切り換えて行う冷凍装置において、単段圧縮冷凍サイクル中に高段側圧縮機内に冷媒が貯まり込んでいくのを回避する。
【解決手段】冷媒回路（15）には、高段側圧縮機（31）の吸入側と、単段圧縮冷凍サイクルの低圧側とを連通させる第１バイパス管（51）が設けられる。高段側圧縮機（31）を停止して低段側圧縮機（21）のみを運転させる単段圧縮冷凍サイクル中には、高段側圧縮機（31）の吸入側に漏洩した冷媒が、第１バイパス管（51）を経由して低圧側に送られ、低段側圧縮機（21）に吸入される。
【選択図】図２

Description

本発明は、二段圧縮冷凍サイクルと単段圧縮冷凍サイクルとを切り換えて行う冷凍装置に関するものである。

従来より、冷媒回路で蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷凍装置は、冷蔵庫や空気調和装置等に広く適用されている。

特許文献１には、この種の空気調和装置が開示されている。この空気調和装置は、高段側圧縮機、室内熱交換器、膨張弁、室外熱交換器、及び低段側圧縮機が接続された冷媒回路を備えている。また、冷媒回路には、四路切換弁や電磁弁等の切換機構が接続されている。この切換機構は、冷媒回路の冷媒の流路を変更し、単段圧縮冷凍サイクルと二段圧縮冷凍サイクルとを切り換えられるように構成されている。

この空気調和装置の冷房運転では、低段側圧縮機のみで冷媒を圧縮する単段圧縮冷凍サイクルが行われる。まず、低段側圧縮機で圧縮された冷媒は、室外熱交換器に流入する。室外熱交換器では、冷媒が室外空気へ放熱して凝縮する。室外熱交換器で凝縮した冷媒は、膨張弁で減圧された後に室内熱交換器に流入する。室内熱交換器では、冷媒が室内空気から吸熱して蒸発する。その結果、室内空気が冷やされ、室内の冷房が行われる。室内熱交換器で蒸発した冷媒は、低段側圧縮機に吸入されて再び圧縮される。

一方、この空気調和装置の暖房運転では、低段側圧縮機と高段側圧縮機とで冷媒を圧縮する二段圧縮冷凍サイクルが行われる。まず、高段側圧縮機で圧縮された冷媒は、室内熱交換器に流入する。室内熱交換器では、冷媒が室内空気へ放熱して凝縮する。その結果、室内の暖房が行われる。室内熱交換器で凝縮した冷媒は、膨張弁で減圧された後、室外熱交換器に流入する。室外熱交換器では、冷媒が室外空気から吸熱して蒸発する。室外熱交換器で蒸発した冷媒は、低段側圧縮機で圧縮された後、更に高段側圧縮機に吸入されて更に圧縮される。
特開２００１−５６１５６号公報

特許文献１のような単段圧縮冷凍サイクルと二段圧縮冷凍サイクルとを切り換え可能な冷凍装置では、単段圧縮冷凍サイクル中に高段側圧縮機側に冷媒が送り込まれないよう、切換機構によって冷媒の流路を切り換えるようにしている。即ち、単段圧縮冷凍サイクル中には、四路切換弁等を切り換えたり、高段側圧縮機の吸入側の電磁弁を閉鎖したりすることで低段側圧縮機の吐出側と高段側圧縮機の吸入側とを遮断するようにしている。

ところが、単段圧縮冷凍サイクルでの冷房運転等を継続して行うと、低段側圧縮機の吐出冷媒が閉鎖状態の電磁弁や四路切換弁から徐々に高段側圧縮機の吸入側に漏洩することがある。そして、このような切換機構における冷媒の漏洩に起因して、高段側圧縮機内に冷媒が溜まり込んでしまうと、単段圧縮冷凍サイクルに用いられる冷媒量が次第に不足していき、この冷凍装置の性能が損なわれてしまう恐れがある。

本発明は、このような問題点に鑑みて創案されたものであり、その目的は、単段圧縮冷凍サイクルと二段圧縮冷凍サイクルとを切り換えて行う冷凍装置において、単段圧縮冷凍サイクル中に高段側圧縮機内に冷媒が貯まり込んでいくのを回避することである。

第１の発明は、低段側圧縮機（21）及び高段側圧縮機（31）を有し、該低段側圧縮機（21）及び高段側圧縮機（31）で冷媒を圧縮する二段圧縮冷凍サイクルと、低段側圧縮機（21）だけで冷媒を圧縮する単段圧縮冷凍サイクルとが切り換え可能となっている冷媒回路（15）を備える冷凍装置を前提としている。そして、この冷凍装置は、上記二段圧縮冷凍サイクルが行われるように上記高段側圧縮機（31）の吸入側を上記低段側圧縮機（21）の吐出側に連通させる状態と、上記単段圧縮冷凍サイクルが行われるように高段側圧縮機（31）の吸入側を低段側圧縮機（21）の吐出側から遮断する状態とを切り換えるための切換機構（32,34）と、上記冷媒回路（15）のうち単段圧縮冷凍サイクル中に低圧となる部分を高段側圧縮機（31）の吸入側と連通可能にするバイパス管（51,52,53）を備えていることを特徴とするものである。

第１の発明では、低段側圧縮機（21）及び高段側圧縮機（31）の運転状態が切り換わると同時に、切換機構（32,34）が冷媒回路（15）の冷媒の流路を変更することで、この冷媒回路（15）で二段圧縮冷凍サイクルと単段圧縮冷凍サイクルとが切換可能となる。

具体的に、二段圧縮冷凍サイクル時には、切換機構（32,34）が、高段側圧縮機（31）の吸入側と低段側圧縮機（21）の吐出側とを連通させる状態となり、低段側圧縮機（21）及び高段側圧縮機（31）が運転される。その結果、低段側圧縮機（21）で圧縮された冷媒は、その後に高段側圧縮機（31）に吸入されて更に圧縮される。この冷媒は、例えば室内熱交換器で凝縮し、室内の暖房に利用される。

一方、単段圧縮冷凍サイクル時には、切換機構（32,34）が、高段側圧縮機（31）の吸入側と低段側圧縮機（21）の吐出側とを遮断する状態となり、低段側圧縮機（21）が運転される一方、高段側圧縮機（31）が停止状態となる。その結果、低段側圧縮機（21）で圧縮された冷媒は、例えば凝縮行程及び膨張行程を経た後に室内熱交換器で蒸発し、室内の冷房に利用される。

この単段圧縮冷凍サイクル中には、低段側圧縮機（21）の吐出側から高段側圧縮機（31）の吸入側への冷媒の流入を切換機構（32,34）が阻止している。しかしながら、この単段圧縮冷凍サイクルを継続して行うと、低段側圧縮機（21）の吐出冷媒が高段側圧縮機（31）の吸入側に漏洩し、高段側圧縮機（31）内に冷媒が溜まり込んでいく可能性がある。これを回避するために、本発明では、冷媒回路（15）にバイパス管（51,52,53）が設けられる。

このバイパス管（51,52,53）は、高段側圧縮機（31）の吸入側と、単段圧縮冷凍サイクル中に低圧冷媒が流れる低圧ラインとを連通可能に構成されている。従って、単段圧縮冷凍サイクル中に冷媒が高段側圧縮機（31）の吸入側に漏洩しても、この冷媒はバイパス管（51,52,53）を介して低圧ライン側へ送られ、その後に低段側圧縮機（21）に吸入される。

第２の発明は、第１の発明において、高段側圧縮機（31）の吸入側から該バイパス管（51,52,53）に流入する冷媒の流れのみを許容する逆止弁（CV-3,CV-4,CV-5）が設けられていることを特徴とするものである。

第２の発明では、バイパス管（51,52,53）に逆止弁（CV-3,CV-4,CV-5）が設けられる。この逆止弁（CV-3,CV-4,CV-5）は、単段圧縮冷凍サイクル時において、高段側圧縮機（31）の吸入側から単段圧縮冷凍サイクル中の低圧ライン側への冷媒の流れを許容するので、高段側圧縮機（31）の吸入側に漏洩した冷媒はバイパス管（51,52,53）を経由して低段側圧縮機（21）に吸入される。一方、二段圧縮冷凍サイクル時には高段側圧縮機（31）も運転状態となるが、逆止弁（CV-3,CV-4,CV-5）は、高段側圧縮機（31）から吐出された冷媒がバイパス管（51,52,53）を逆流して高段側圧縮機（31）の吸入側に戻ってしまうことを禁止する。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、上記冷媒回路（15）が、室外熱交換器（22）及び低段側圧縮機（21）を有する室外ユニット（20）と、室内熱交換器（41）を有する室内ユニット（40）と、上記高段側圧縮機（31）及びバイパス管（51,52,53）を有するオプションユニット（30）とを互いに配管で接続することによって構成されていることを特徴とするものである。

第３の発明では、室外ユニット（20）及び室内ユニット（40）にオプションユニット（30）を接続することで、第１又は第２の発明の冷媒回路（15）が構成される。ここで、仮に上記バイパス管（51,52,53）を低段側圧縮機（21）の吸入管と接続させる構成とすると、オプションユニット（30）と室外ユニット（20）との間に連絡配管を設ける必要があり、冷媒回路（15）の複雑化、配管施工の煩雑化を招いてしまう。

一方、本発明では、バイパス管（51,52,53）が全てオプションユニット（30）に納められることになるので、冷媒回路（15）の簡素化、配管施工の容易化が図られる。

第４の発明は、第１乃至第３のいずれか１の発明において、上記冷媒回路（15）では、二段圧縮冷凍サイクルの開始直前に所定時間に亘って上記単段圧縮冷凍サイクルが行われることを特徴とするものである。

第４の発明では、二段圧縮冷凍サイクルを行う直前に、単段圧縮冷凍サイクルが行われる結果、以下の問題が解消される。

第２暖房運転を終了した後、この冷凍装置を長期間休止させると、高段側圧縮機（31）内に冷媒が寝込んでしまうことがある。そして、このような状態から高段側圧縮機（31）を再度運転して二段圧縮冷凍サイクルを行うと、高段側圧縮機（31）で液状態の冷媒を圧縮してしまう可能性があり好ましくない。そこで、本発明では、高段側圧縮機（31）を運転させて二段圧縮冷凍サイクルを行う直前に、単段圧縮冷凍サイクルが行われる。その結果、この単段圧縮式冷凍サイクルにおいて、高段側圧縮機（31）内に溜まった冷媒が、バイパス管（51,52,53）を経由して低段側圧縮機（21）に吸入されることになる。従って、再度の二段圧縮冷凍サイクルを行う際には、高段側圧縮機（31）内に冷媒が寝込んでいることがない。

本発明によれば、単段圧縮冷凍サイクル時において、高段側圧縮機（31）の吸入側に漏洩した冷媒をバイパス管（51,52,53）を経由して低段側圧縮機（21）の吸入側に戻せるようにしている。このため、本発明によれば、単段圧縮冷凍サイクルを継続して行っても高段側圧縮機（31）内に冷媒が溜まり込んでしまうことを確実に回避できる。従って、単段圧縮冷凍サイクルに用いられる冷媒量を充分に確保することができ、この冷凍装置の単段圧縮冷凍サイクル時の性能を充分に発揮させることができる。

また、このように高段側圧縮機（31）内に冷媒が溜まり込まないようにすると、その後に高段側圧縮機（31）を運転して二段圧縮冷凍サイクルを行う際、高段側圧縮機（31）で寝込んだ液冷媒を圧縮してしまう、いわゆる液圧縮を回避することができる。

特に、第２の発明では、バイパス管（51,52,53）に逆止弁（CV-3,CV-4,CV-5）を設けるようにしている。このため、本発明によれば、二段圧縮冷凍サイクル時において、高段側圧縮機（31）の吐出冷媒がバイパス管（51,52,53）を逆流して高段側圧縮機（31）の吸入側に戻ってしまうことを確実に防止できる。

更に、第３の発明では、室外ユニット（20）と、室内ユニット（40）と、オプションユニット（30）とをそれぞれユニット化している。従って、既設の室外ユニット（20）及び室内ユニット（40）から成り、一つの圧縮機（21）で単段圧縮冷凍サイクルを行うセパレート型の冷凍装置に対し、上記オプションユニット（30）を付加することで、二段圧縮冷凍サイクルが可能な冷凍装置を構成することができる。

ここで、上記バイパス管（51,52,53）は、オプションユニット（30）内に納まるように設けられるので、既設の室外ユニット（20）及び室内ユニット（40）にオプションユニット（30）を増設する際、配管施工が容易となる。

第４の発明では、二段圧縮冷凍サイクルを開始する直前に、所定時間に亘って単段圧縮冷凍サイクルを行うようにしている。このため、高段側圧縮機（31）内に寝込んだ冷媒を低段側圧縮機（21）の吸入側に送ることができる。従って、二段圧縮冷凍サイクルの開始時における高段側圧縮機（31）での液圧縮を確実に回避することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

《発明の実施形態１》
本発明の実施形態１について説明する。実施形態１の冷凍装置は、冷房運転と暖房運転とが可能なヒートポンプ式の空気調和装置（10）を構成している。図１に示すように、この空気調和装置（10）は、室外に設置される室外ユニット（20）と、増設用のユニットを構成するオプションユニット（30）と、室内に設置される室内ユニット（40）とを備えている。上記室外ユニット（20）は、熱源側のユニットを構成し、第１連絡配管（11）及び第２連絡配管（12）を介してオプションユニット（30）と接続している。また、室内ユニット（40）は、利用側のユニットを構成し、第３連絡配管（13）及び第４連絡配管（14）を介してオプションユニット（30）と接続している。その結果、この空気調和装置（10）では、冷媒が循環して蒸気圧縮式の冷凍サイクルが行われる冷媒回路（15）が構成されている。

なお、オプションユニット（30）は、既設のセパレート型の空気調和装置のパワーアップユニットを構成している。具体的に、既設の空気調和装置では、室外ユニット（20）と室内ユニット（40）とから成る冷媒回路で単段圧縮冷凍サイクルのみを行うものであったのに対し、これら室外ユニット（20）及び室内ユニット（40）の間にオプションユニット（30）を接続することで、この空気調和装置（10）の冷媒回路（15）では、詳細は後述する二段圧縮冷凍サイクルが可能となる。

<室外ユニット>
上記室外ユニット（20）には、低段側圧縮機（21）、室外熱交換器（22）、室外側膨張弁（23）、及び四路切換弁（24）が設けられている。

上記低段側圧縮機（21）は、可変容量式のスクロール圧縮機で構成されている。上記室外熱交換器（22）は、熱源側の熱交換器であって、クロスフィンアンドチューブ式の熱交換器で構成されている。室外熱交換器（22）の近傍には、室外ファン（25）が設置されている。室外ファン（25）は、室外熱交換器（22）へ室外空気を送風する。上記室外側膨張弁（23）は、その開度を調節可能な電子膨張弁で構成されている。

上記四路切換弁（24）は、第１から第４までの４つのポートを備えている。四路切換弁（24）では、第１ポートが低段側圧縮機（21）の吐出管（21a）と接続し、第２ポートが低段側圧縮機（21）の吸入管（21b）と接続している。また、四路切換弁（24）では、第３ポートが室外熱交換器（22）及び室外側膨張弁（23）を介して第２連絡配管（12）と接続し、第４ポートが第１連絡配管（11）と接続している。この四路切換弁（24）は、第１ポートと第３ポートを連通させると同時に、第２ポートと第４ポートを連通させる状態と、第１ポートと第４ポートを連通させると同時に、第２ポートと第３ポートを連通させる状態とに切り換え可能に構成されている。

<オプションユニット>
上記オプションユニット（30）には、高段側圧縮機（31）、三路切換弁（32）、気液分離器（33）、及びオプション側膨張弁（34）が設けられている。上記高段側圧縮機（31）は、可変容量式のスクロール圧縮機で構成されている。

上記三路切換弁（32）は、第１から第３までの３つのポートを備えている。三路切換弁（32）では、第１のポートが高段側圧縮機（31）の吐出管（31a）と接続し、第２のポートが高段側圧縮機（31）の吸入管（31b）と接続し、第３のポートが第１連絡配管（11）と接続している。この三路切換弁（32）は、第１ポートと第３ポートを連通させる状態と、第２ポートと第３ポートを連通させる状態とに切り換え可能に構成されている。

上記気液分離器（33）は、気液二相状態の冷媒を液冷媒とガス冷媒とに分離するものである。具体的に、気液分離器（33）は、円筒状の密閉容器で構成されており、その下部に液冷媒貯留部が形成される一方、その上側にガス冷媒貯留部が形成されている。気液分離器（33）には、その胴部を貫通してガス冷媒貯留部に臨む第１管（33a）の一端と、その胴部を貫通して液冷媒貯留部に臨む第２管（33b）の一端とがそれぞれ接続されている。また、気液分離器（33）には、その頂部を貫通してガス冷媒貯留部に臨む第３管（33c）も接続されている。

第１管（33a）の他端と、第２管（33b）の他端とは、第２連絡配管（12）から第４連絡配管（14）まで延びる主配管（35）とそれぞれ接続している。また、第１管（33a）には、上記オプション側膨張弁（34）が設けられている。このオプション側膨張弁（34）は、その開度を調節可能な電子膨張弁で構成されている。一方、第３管（33c）の流出端は、高段側圧縮機（31）の吸入管（31b）と接続している。

オプションユニット（30）には、開閉の切り換えが行われる電磁弁や、冷媒の流れを規制する逆止弁も設けられている。具体的に、上記主配管（35）には、第１管（33a）の接続部と第２管（33b）の接続部との間に電磁弁が設けられている。また、上記第２管（33b）には第１逆止弁（CV-1）が、高段側圧縮機（31）の吐出管（31a）には第２逆止弁（CV-2）がそれぞれ設けられている。なお、第１，第２逆止弁（CV-1,CV-2）は、それぞれ図１の矢印で示す方向のみの冷媒の流れを許容している。

<室内ユニット>
室内ユニット（40）には、室内熱交換器（41）及び室内側膨張弁（42）が設けられている。室内熱交換器（41）は、利用側の熱交換器であって、クロスフィンアンドチューブ式の熱交換器で構成されている。室内熱交換器（41）の近傍には、室内ファン（43）が設置されている。室内ファン（43）は、室内熱交換器（41）へ室内空気を送風する。上記室内側膨張弁（42）は、その開度が調節可能な電子膨張弁で構成されている。

<バイパス管の構成>
本発明の特徴として、上記オプションユニット（30）には、第１バイパス管（51）及び第２バイパス管（52）が設けられている。第１バイパス管（51）は、その一端が高段側圧縮機（31）の吸入管（31b）と接続し、その他端が第３連絡配管（13）と三路切換弁（32）の間の配管と接続している。この第１バイパス管（51）には、第３逆止弁（CV-3）が設けられている。第２バイパス管（52）は、その一端が高段側圧縮機（31）の吸入管（31b）と接続し、その他端が主配管（35）と接続している。この第２バイパス管（52）には、第４逆止弁（CV-4）が設けられている。なお、第３逆止弁（CV-3）及び第４逆止弁（CV-4）は、それぞれ高段側圧縮機（31）の吸入側から各バイパス管（51,52）へ流入する冷媒の流れのみ（図１の矢印で示す方向の冷媒の流れのみ）を許容している。

−運転動作−
次に、実施形態１の空気調和装置（10）の運転動作について説明する。この空気調和装置（10）の冷媒回路（15）では、三路切換弁（32）、電磁弁（SV）、オプション側膨張弁（34）等の切換機構の設定に応じて冷媒の流路が変更され、単段式冷凍サイクルと二段式冷凍サイクルとが切り換え可能となっている。また、冷媒回路（15）では、四路切換弁（24）の設定に応じて、室外熱交換器（22）と室内熱交換器（41）との間の冷媒の循環方向も切り換え可能となっている。そして、この空気調和装置（10）では、単段圧縮冷凍サイクルでの冷房運転と、単段圧縮冷凍サイクルでの暖房運転（第１暖房運転）と、二段圧縮冷凍サイクルでの暖房運転（第２暖房運転）とが可能となっている。

<冷房運転>
冷房運転では、四路切換弁（24）及び三路切換弁（32）が図２に示す状態に設定され、電磁弁（SV）が開の状態に設定される。また、室外側膨張弁（23）が全開の状態に、オプション側膨張弁（34）が全閉の状態にそれぞれ設定される一方、室内側膨張弁（42）の開度が運転条件に応じて適宜調節される。更に、この冷房運転では、低段側圧縮機（21）が運転される一方、高段側圧縮機（31）は停止状態となる。つまり、冷房運転時の冷媒回路（15）では、冷媒が低段側圧縮機（21）のみで圧縮されて、単段圧縮冷凍サイクルが行われる。

室外ユニット（20）の低段側圧縮機（21）の吐出冷媒は、室外熱交換器（22）を流れる。室外熱交換器（22）では、高圧冷媒が室外空気へ放熱して凝縮する。室外熱交換器（22）で凝縮した冷媒は、オプションユニット（30）の主配管（35）を経由して室内ユニット（40）へ送られる。

室内ユニット（40）に流入した冷媒は、室内側膨張弁（42）を通過する際に低圧まで減圧される。減圧後の低圧冷媒は、室内熱交換器（41）を流れる。室内熱交換器（41）では、冷媒が室内空気から吸熱して蒸発する。その結果、室内空気が冷やされ、室内の冷房が行われる。室内熱交換器（41）で蒸発した冷媒は、オプションユニット（30）を介して室外ユニット（20）へ送られる。室外ユニット（20）に流入した冷媒は、低段側圧縮機（21）に吸入される。

以上のような冷房運転時には、三路切換弁（32）が第２ポートを閉鎖する状態となり、オプション側膨張弁（34）が閉じた状態となるため、低段側圧縮機（21）の吐出側と高段側圧縮機（31）の吸入側とは遮断された状態となる。しかし、このような冷房運転を継続して行うと、閉鎖状態のオプション側膨張弁（34）を高圧冷媒が徐々に通過して高段側圧縮機（31）の吸入管（31b）に流入し、この冷媒が高段側圧縮機（31）内に溜まり込んでいく可能性がある。その結果、単段圧縮冷凍サイクルに用いられる冷媒量が不足してしまい、冷房能力の低下を招く恐れがある。

本実施形態では、冷房運転時における高段側圧縮機（31）内の冷媒の溜まり込みを解消すべく、第１バイパス管（51）を設けるようにしている。具体的に、冷房運転時には、第１バイパス管（51）によって高段側圧縮機（31）の吸入側と、単段圧縮冷凍サイクルでの冷房運転時に低圧となる部分（以下、低圧ラインと称す）とが連通する状態となる。このため、オプション側膨張弁（34）から高段側圧縮機（31）の吸入側に冷媒が漏洩しても、この冷媒は第１バイパス管（51）を経由して低圧ラインに送られ、その後に低段側圧縮機（21）に吸入される。従って、高段側圧縮機（31）内の冷媒の溜まり込みが回避され、結果として冷房運転時における単段圧縮式冷凍サイクルの冷媒量も充分確保されることになる。

<第１暖房運転>
第１暖房運転では、四路切換弁（24）及び三路切換弁（32）が図３に示す状態に設定され、電磁弁（SV）が開の状態に設定される。また、オプション側膨張弁（34）が全閉の状態にそれぞれ設定される一方、室外側膨張弁（23）及び室内側膨張弁（42）の開度が運転条件に応じて適宜調節される。更に、この第１暖房運転では、低段側圧縮機（21）が運転される一方、高段側圧縮機（31）は停止状態となる。つまり、第１暖房運転時の冷媒回路（15）では、冷媒が低段側圧縮機（21）のみで圧縮されて、単段圧縮冷凍サイクルが行われる。

室外ユニット（20）の低段側圧縮機（21）の吐出冷媒は、室内熱交換器（41）を流れる。室内熱交換器（41）では、冷媒が室外空気へ放熱して凝縮する。その結果、室内空気が加熱され、室内の暖房が行われる。室内熱交換器（41）で凝縮した冷媒は、室内側膨張弁（42）で減圧された後、オプションユニット（30）の主配管（35）を経由して室外ユニット（20）へ送られる。

室外ユニット（20）に流入した冷媒は、室外熱交換器（22）を流れる。室外熱交換器（22）では、冷媒が室外空気から吸熱して蒸発する。室外熱交換器（22）で蒸発した冷媒は、低段側圧縮機（21）に吸入される。

以上のような第１暖房運転時にも、三路切換弁（32）が第２ポートを閉鎖する状態となり、オプション側膨張弁（34）が閉じた状態となるため、低段側圧縮機（21）の吐出側と高段側圧縮機（31）の吸入側とは遮断された状態となる。しかし、このような第１暖房運転を継続して行うと、高圧冷媒が徐々に高段側圧縮機（31）の吸入管（31b）に流入し、この冷媒が高段側圧縮機（31）内に溜まり込んでいく。その結果、単段圧縮冷凍サイクルに用いられる冷媒量が不足してしまい、暖房能力の低下を招く恐れがある。

本実施形態では、第１暖房運転時における高段側圧縮機（31）内の冷媒の溜まり込みを解消すべく、第２バイパス管（52）を設けるようにしている。具体的に、第１暖房運転時には、第２バイパス管（52）によって高段側圧縮機（31）の吸入側と主配管（35）の低圧ラインとが連通する状態となる。従って、オプション側膨張弁（34）等から高段側圧縮機（31）の吸入側に冷媒が漏洩しても、この冷媒は第２バイパス管（52）を経由して低圧ラインに送られ、その後に低段側圧縮機（21）に吸入される。従って、高段側圧縮機（31）内の冷媒の溜まり込みが回避され、結果として第１暖房運転時における単段圧縮式冷凍サイクルの冷媒量も充分確保されることになる。

<第２暖房運転>
第２暖房運転では、四路切換弁（24）及び三路切換弁（32）が図４に示す状態に設定され、電磁弁（SV）が閉の状態に設定される。また、室内側膨張弁（42）、オプション側膨張弁（34）、及び室外側膨張弁（23）の開度が運転条件に応じて適宜調節される。また、この第２暖房運転では、低段側圧縮機（21）及び高段側圧縮機（31）がそれぞれ運転される。つまり、第２暖房運転時の冷媒回路（15）では、低段側圧縮機（21）で圧縮された冷媒が高段側圧縮機（31）で更に圧縮され、二段圧縮冷凍サイクルが行われる。

オプションユニット（30）の高段側圧縮機（31）の吐出冷媒は、室内ユニット（40）の室内熱交換器（41）を流れる。室内熱交換器（41）では、高圧冷媒が室内空気へ放熱して凝縮する。その結果、室内空気が加熱され、室内の暖房が行われる。室内熱交換器（41）で凝縮した冷媒は、室内側膨張弁（42）及びオプション側膨張弁（34）で減圧されて中間圧となった後、第１管（33a）を経由して気液分離器（33）へ流入する。

気液分離器（33）では、中間圧の気液二相状態の冷媒がガス冷媒と液冷媒とに分離される。分離された飽和状態のガス冷媒は、高段側圧縮機（31）の吸入側へ送られる。一方、分離された液冷媒は、第２管（33b）から流出する。この冷媒は、室外ユニット（20）の室外側膨張弁（23）を通過する際、低圧まで減圧される。低圧となった冷媒は、室外熱交換器（22）を流れる。室外熱交換器（22）では、冷媒が室外空気から吸熱して蒸発する。室外熱交換器（22）で蒸発した冷媒は、低段側圧縮機（21）に吸入される。

低段側圧縮機（21）では、低圧となった冷媒が中間圧まで圧縮される。中間圧となった冷媒は、オプションユニット（30）へ再び送られる。オプションユニット（30）へ流入した冷媒は、気液分離器（33）で分離されたガス冷媒と混合し、高段側圧縮機（31）に吸入される。

ところで、例えば第２暖房運転を終了した等に、空気調和装置（10）を長期間休止させると、高段側圧縮機（31）内に冷媒が寝込んでしまうことがある。そして、このような状態から再び高段側圧縮機（31）を運転して第２暖房運転を行うと、高段側圧縮機（31）で液状態の冷媒を圧縮してしまう可能性があり好ましくない。このため、本実施形態の空気調和装置（10）では、二段圧縮冷凍サイクルとなる第２暖房運転を開始する前に、上述の第１暖房運転が所定時間（数秒〜数十秒）に亘って行われる。その結果、この運転によって高段側圧縮機（31）内の冷媒は、図３に示すように、第２バイパス管（52）を経由して低段側圧縮機（21）に吸入されるので、その後の第２暖房運転の開始時に、高段側圧縮機（31）内に冷媒が寝込んでいることがない。従って、第２暖房運転の開始時には、常に良好なコンディションで高段側圧縮機（31）が起動されることになる。

−実施形態１の効果−
上記実施形態１では、単段圧縮冷凍サイクルでの冷房運転において、高段側圧縮機（31）の吸入側に漏れ込んだ冷媒を第１バイパス管（51）を経由して低圧ラインに戻すようにしている。また、単段圧縮冷凍サイクルでの第１暖房運転において、高段側圧縮機（31）の吸入側に漏れ込んだ冷媒を第２バイパス管（52）を経由して低圧ラインに戻すようにしている。このため、本実施形態では、単段圧縮冷凍サイクルを継続して行っても高段側圧縮機（31）内に冷媒が溜まり込んでしまうことを確実に回避できる。従って、単段圧縮冷凍サイクルに用いられる冷媒量を充分に確保することができ、この冷凍装置の単段圧縮冷凍サイクル時の性能を充分に発揮させることができる。

また、上記実施形態１では、各バイパス管（51,52）にそれぞれ逆止弁（CV-3,CV-4）を設けるようにしている。このため、図２に示すように、冷房運転時には、低段側圧縮機（21）の吐出冷媒が、第２バイパス管（52）を逆流して高段側圧縮機（31）の吸入側に流入してしまうのを確実に防止できる。また、図３に示すように、第１暖房運転時には、低段側圧縮機（21）の吐出冷媒が、第１バイパス管（51）を逆流して高段側圧縮機（31）の吸入側に流入してしまうのを確実に防止できる。更に、図４に示すように、第２暖房運転時には、高段側圧縮機（31）の吐出冷媒が第１バイパス管（51）を逆流して高段側圧縮機（31）の吸入側に流入してしまうのを確実に防止することができる。

更に、上記実施形態１では、二段圧縮冷凍サイクルの第２暖房運転を開始する直前に、所定時間に亘って第１暖房運転を行うようにしている。このため、高段側圧縮機（31）内に寝込んだ冷媒を低段側圧縮機（21）の吸入側に送ることができる。従って、第２暖房運転開始時における高段側圧縮機（31）での液圧縮を確実に回避することができる。

また、上記実施形態１では、各バイパス管（51,52）がオプションユニット（30）に納まるように設けられている。このため、既設の室外ユニット（20）及び室内ユニット（40）にオプションユニット（30）を増設する際、配管施工が容易となる。

《発明の実施形態２》
図５に示すように、実施形態２に係る冷凍装置は、上記実施形態１の空気調和装置（10）のオプションユニット（30）と構成が異なるものである。以下には、上記実施形態１と異なる点について説明する。

実施形態２のオプションユニット（30）では、主配管（35）が第２連絡配管（12）から第４連絡配管（14）に亘って延びていない。つまり、主配管（35）は、その一端が第４連絡配管（14）と接続する一方、その他端は第１管（33a）と接続し、更に第２管（33b）が第２連絡配管（12）と接続している。

また、オプションユニット（30）では、実施形態１の第２バイパス管（52）が設けられておらず、その代わりに第３バイパス管（53）が設けられている。この第３バイパス管（53）は、その一端が第３管（33c）と接続し、その他端が高段側圧縮機（31）の吸入管（31b）と接続している。また、第３バイパス管（53）には、第５逆止弁（CV-5）が設けられている。この第５逆止弁（CV-5）は、高段側圧縮機（31）の吸入側から第３バイパス管（53）へ流入する冷媒の流れのみ（図５の矢印で示す方向の冷媒の流れのみ）を許容している。

実施形態２の空気調和装置では、上記実施形態１とほぼ同様にして、冷房運転、第１暖房運転、及び第２暖房運転が行われる。

図６に示すように、冷房運転では、低段側圧縮機（21）の吐出冷媒が、室外熱交換器（22）で凝縮し、その後、第２管（33b）、気液分離器（33）、及び第１管（33a）を流通して室内ユニット（40）へ送られる。その後、冷媒は、室内側膨張弁（42）で低圧まで減圧された後、室内熱交換器（41）で蒸発し、室内の冷房に利用される。室内熱交換器（41）で蒸発した冷媒は、オプションユニット（30）を介して室外ユニット（20）へ送られ、低段側圧縮機（21）に吸入される。

この冷房運転では、実施形態１と同様、高段側圧縮機（31）の吸入側に漏洩した冷媒が、第１バイパス管（51）を経由してオプションユニット（30）の低圧ラインに送られ、低段側圧縮機（21）に吸入される。従って、この冷房運転時の高段側圧縮機（31）における冷媒の溜まり込みが回避される。

図７に示すように、第１暖房運転では、低段側圧縮機（21）の吐出冷媒が、オプションユニット（30）を介して室内ユニット（40）に送られる。その後、冷媒は、室内熱交換器（41）で凝縮し、室内の暖房に利用される。室内熱交換器（41）で凝縮した冷媒は、室内側膨張弁（42）で低圧まで減圧された後、主配管（35）、第１管（33a）、気液分離器（33）、及び第２管（33b）を流通して室外ユニット（20）へ送られる。その後、冷媒は、室外熱交換器（22）で蒸発し、低段側圧縮機（21）に吸入される。

この第１暖房運転では、高段側圧縮機（31）の吸入側に漏洩した冷媒が、第３バイパス管（53）を経由して低圧ラインとなる第３管（33c）に送られる。この冷媒は、気液分離器（33）内に流入した後、最終的に低段側圧縮機（21）に吸入される。

図８に示すように、第２暖房運転では、上記実施形態１と同様にして、二段圧縮冷凍サイクルが行われる。この第２暖房運転の開始直前には、図７に示すようにして所定時間に亘って第１暖房運転が行われる。このため、高段側圧縮機（31）内に寝込んでしまった冷媒は、第３バイパス管（53）を経由して低段側圧縮機（21）に吸入される。従って、この実施形態２においても、第２暖房運転の開始時における液圧縮を確実に回避することができる。

《その他の実施形態》
上記実施形態については、以下のような構成としてもよい。

上記第２暖房運転を開始する直前において、所定時間に亘って冷房運転を行うようにしても良い。この場合、高段側圧縮機（31）内に寝込んだ冷媒は、第１バイパス管（51）を経由して低段側圧縮機（21）に吸入される。この場合にも、第２暖房運転の開始時に高段側圧縮機（31）内の冷媒を排出することができるので、高段側圧縮機（31）での液圧縮を確実に回避することができる。

また、上記実施形態１及び２では、室外ユニット（20）及び室内ユニット（40）の間にオプションユニット（30）を接続することで冷媒回路（15）を構成するようにしているが、上記オプションユニット（30）と室外ユニット（20）とは必ずしも別ユニットでなくても良く、これらを一体型の室外ユニットで構成するようにしても良い。

更に、上記実施形態では、利用側の室内熱交換器（41）において空気を冷媒で加熱したり冷却するようにしているが、例えばプレート式熱交換器などによって室内熱交換器を構成し、その室内熱交換器において水を冷媒で加熱したり冷却するようにしてもよい。

なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

以上説明したように、本発明は、二段圧縮冷凍サイクルと単段圧縮冷凍サイクルとを切り換えて行う冷凍装置について有用である。

実施形態１に係る冷凍装置の冷媒回路を示す配管系統図である。 冷房運転時の冷媒の流れを示す配管系統図である。 第１暖房運転時の冷媒の流れを示す配管系統図である。 第２暖房運転時の冷媒の流れを示す配管系統図である。 実施形態２に係る冷凍装置の冷媒回路を示す配管系統図である。 冷房運転時の冷媒の流れを示す配管系統図である。 第１暖房運転時の冷媒の流れを示す配管系統図である。 第２暖房運転時の冷媒の流れを示す配管系統図である。

符号の説明

10 空気調和装置（冷凍装置）
15 冷媒回路
20 室外ユニット
21 低段側圧縮機
22 室外熱交換器
30 オプションユニット
31 高段側圧縮機
32 三路切換弁（切換機構）
34 オプション側膨張弁（切換機構）
40 室内ユニット
41 室内熱交換器
51 第１バイパス管
52 第２バイパス管
53 第３バイパス管
CV-3 第３逆止弁
CV-4 第４逆止弁
CV-5 第５逆止弁

Claims (4)

1. 低段側圧縮機（21）及び高段側圧縮機（31）を有し、該低段側圧縮機（21）及び高段側圧縮機（31）で冷媒を圧縮する二段圧縮冷凍サイクルと、低段側圧縮機（21）だけで冷媒を圧縮する単段圧縮冷凍サイクルとが切り換え可能となっている冷媒回路（15）を備える冷凍装置であって、
   上記二段圧縮冷凍サイクルが行われるように上記高段側圧縮機（31）の吸入側を上記低段側圧縮機（21）の吐出側に連通させる状態と、上記単段圧縮冷凍サイクルが行われるように高段側圧縮機（31）の吸入側を低段側圧縮機（21）の吐出側から遮断する状態とを切り換えるための切換機構（32,34）と、
   上記冷媒回路（15）のうち単段圧縮冷凍サイクル中に低圧となる部分を高段側圧縮機（31）の吸入側と連通可能にするバイパス管（51,52,53）を備えていることを特徴とする冷凍装置。
2. 請求項１において、
   上記バイパス管（51,52,53）には、高段側圧縮機（31）の吸入側から該バイパス管（51,52,53）に流入する冷媒の流れのみを許容する逆止弁（CV-3,CV-4,CV-5）が設けられていることを特徴とする冷凍装置。
3. 請求項１又は２において、
   上記冷媒回路（15）は、室外熱交換器（22）及び低段側圧縮機（21）を有する室外ユニット（20）と、室内熱交換器（41）を有する室内ユニット（40）と、上記高段側圧縮機（31）及びバイパス管（51,52,53）を有するオプションユニット（30）とを互いに配管で接続することによって構成されていることを特徴とする冷凍装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１において、
   上記冷媒回路（15）では、二段圧縮冷凍サイクルの開始直前に所定時間に亘って上記単段圧縮冷凍サイクルが行われることを特徴とする冷凍装置。

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