JP2007218565A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低段側圧縮機構（90）と高段側圧縮機構（11）とが直列に接続されて二段圧縮冷凍サイクルを行う冷凍装置（1）において、冷凍機油を高段側圧縮機構（11）の圧縮機（11a,11b）に行き渡らせて、高段側圧縮機構（11）の圧縮機（11a,11b）の故障の発生を抑制させる。
【解決手段】返油用圧縮機（90a）に溜まった冷凍機油を高段側圧縮機構（11）へ供給するために、返油用圧縮機（90a）のケーシング内に形成された吐出圧空間の油溜まりと油分離器（94）の下流側とを返油通路（97）で接続する。そして、低段側圧縮機構（90）の吐出管（85）における返油用圧縮機（90a）と油分離器（94）との間に、返油用圧縮機（90a）から油分離器（94）へ向かう冷媒を減圧する減圧手段（93）を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、低段側圧縮機構と高段側圧縮機構とが直列に接続されて二段圧縮冷凍サイクルを行う冷媒回路を備えた冷凍装置に関し、特にその冷凍機油を低段側圧縮機構から高段側圧縮機構へ戻す機構に関するものである。

従来より、冷凍装置としては冷媒回路で冷媒を循環させて蒸気圧縮冷凍サイクルを行うものが一般的である。また、従来より、この種の冷凍装置として、冷媒の圧縮が二段に分けられた二段圧縮冷凍サイクルを行うものが知られている。

上記二段圧縮冷凍サイクルを行う冷凍装置は、低段側圧縮機構と高段側圧縮機構とを備えている。蒸発器からの低圧のガス冷媒は、低段側圧縮機構の圧縮機に吸入されて中間圧まで圧縮される。低段側圧縮機構からの吐出冷媒は、高段側圧縮機構の圧縮機へ送られて更に圧縮される。そして、高段側圧縮機構の吐出冷媒は凝縮器へ送られる。

この種の冷凍装置では、高段側圧縮機構の圧縮機や低段側圧縮機構の圧縮機で冷凍機油が不足しないように油分離器や返油通路を設けるなどの工夫が必要である。例えば、特許文献１では、高段側圧縮機構から吐出された冷媒中の冷凍機油を分離する油分離器を設け、この油分離器から高段側圧縮機構及び低段側圧縮機構にそれぞれ冷凍機油を返す返油通路を設けるものが開示されている。また、特許文献２では、低段側圧縮機構から吐出された冷媒中の冷凍機油を分離する気液分離器を設け、この気液分離器から低段側圧縮機構に冷凍機油を戻す返油通路を設けるものが示されている。
特開平７−２６０２６３号公報 国際公開第０２／４６６６３号パンフレット

しかしながら、従来の冷凍装置では、低段側圧縮機構の圧縮機内に溜まった冷凍機油を高段側圧縮機構へ戻すことができなかった。従って、冷凍機油は低圧側に溜まりやすいため、高段側圧縮機構の圧縮機内の冷凍機油が徐々に減少してしまい、その圧縮機が冷凍機油の欠乏による焼損によって故障する虞があった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、低段側圧縮機構と高段側圧縮機構とが直列に接続されて二段圧縮冷凍サイクルを行う冷凍装置において、冷凍機油を高段側圧縮機構の圧縮機に行き渡らせて、該高段側圧縮機構の圧縮機の故障の発生を抑制することにある。

第１の発明は、１つ又は複数の圧縮機からなる高段側圧縮機構（11）と１つ又は複数の圧縮機からなる低段側圧縮機構（90）とが直列に接続されて二段圧縮冷凍サイクルを行う冷媒回路（6）と、上記冷媒回路（6）における低段側圧縮機構（90）の吐出管（85）に設けられて該低段側圧縮機構（90）の吐出冷媒から冷凍機油を分離する油分離器（94）とを備える冷凍装置（1）を前提とする。

そして、この冷凍装置（1）は、上記低段側圧縮機構（90）を構成する１台の圧縮機（90a）に溜まった冷凍機油を上記高段側圧縮機構（11）へ供給するために該圧縮機（90a）から延びて上記油分離器（94）の下流側に接続する返油通路（97）を備え、上記返油通路（97）が接続された圧縮機である返油用圧縮機（90a）では、そのケーシング内に圧縮後の冷媒で満たされた吐出圧空間が形成されて、該吐出圧空間内の油溜まりに上記返油通路（97）が開口し、上記低段側圧縮機構（90）の吐出管（85）における返油用圧縮機（90a）と油分離器（94）との間には、該返油用圧縮機（90a）から油分離器（94）へ向かう冷媒を減圧する減圧手段（93）が設けられている。

第１の発明では、返油用圧縮機（90a）に溜まった冷凍機油を高段側圧縮機構（11）へ供給するための返油通路（97）が、該返油用圧縮機（90a）のケーシング内に形成された吐出圧空間の油溜まりと油分離器（94）の下流側とを接続している。ここで、減圧手段（93）が返油用圧縮機（90a）から油分離器（94）へ向かう冷媒を減圧すると、返油用圧縮機（90a）のケーシング内の吐出圧空間と油分離器（94）の下流側との圧力差が大きくなる。つまり、返油通路（97）における高圧側の入口端と低圧側の出口端との圧力差が大きくなる。このため、吐出圧空間の油溜まりの冷凍機油が、返油通路（97）を通じて油分離器（94）の下流側から高段側圧縮機構（11）へ流れやすくなる。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記低段側圧縮機構（90）が互いに並列に接続された複数台の圧縮機（90a,90b,90c）により構成され、上記減圧手段（93）が、上記低段側圧縮機構（90）の吐出管（85）のうち上記返油用圧縮機（90a）に接続する分岐管（91a）に設けられている。

第２の発明では、低段側圧縮機構（90）の吐出管（85）のうち返油用圧縮機（90a）に接続する分岐管（91a）に減圧手段（93）を設けている。従って、返油用圧縮機（90a）以外の低段側圧縮機構（90）の圧縮機（90b,90c）からの吐出冷媒は、減圧手段（93）を通過せずに油分離器（94）に流入する。

第３の発明は、上記第２の発明において、上記低段側圧縮機構（90）には、上記返油用圧縮機（90a）の吸入側へ該返油用圧縮機（90a）以外の通常圧縮機（90b,90c）に溜まった冷凍機油を供給する送油通路（100,101）が設けられている。

第３の発明では、低段側圧縮機構（90）のうち通常圧縮機（90b,90c）に溜まった冷凍機油が、送油通路（100,101）を通じて返油用圧縮機（90a）の吸入側へ供給される。従って、低段側圧縮機構（90）の各圧縮機（90a,90b,90c）内の冷凍機油が返油用圧縮機（90a）に集められる。

第４の発明は、上記第１乃至第３の何れか１つの発明において、上記減圧手段（93）が開度可変の調節弁（93）によって構成される一方、上記調節弁（93）の開度を小さくすることによって上記返油用圧縮機（90a）の吐出圧空間と上記油分離器（94）の下流との圧力差を大きくして、該吐出圧空間の油溜まりに溜まる冷凍機油を上記返油通路（97）を通じて高段側圧縮機構（11）へ送り出す返油動作を実行可能な制御手段（30）が設けられている。

第４の発明では、減圧手段である調節弁（93）の開度を小さくすると、吐出管（85）の流路抵抗が大きくなるので返油用圧縮機（90a）内の圧力が上昇すると共に、返油用圧縮機（90a）の吐出冷媒が調節弁（93）を通過する際により減圧される。そして、返油用圧縮機（90a）のケーシング内の吐出圧空間と油分離器（94）の下流側との圧力差が大きくなる。この第４の発明では、この調節弁（93）の開度を制御する制御手段（30）が設けられている。従って、調節弁（93）の開度を制御して返油用圧縮機（90a）のケーシング内の吐出圧空間と油分離器（94）の下流側との圧力差を調節することで、返油用圧縮機（90a）から高段側圧縮機構（11）への冷凍機油の流れ易さが調節される。

第５の発明は、上記第４の発明において、上記返油用圧縮機（90a）が運転容量が可変に構成される一方、上記制御手段（30）は、上記返油用圧縮機（90a）の運転容量が所定値を下回る時に上記返油動作を実行するように構成されている。

第５の発明では、運転容量が可変の返油用圧縮機（90a）の運転容量が所定値を下回る時に返油動作が実行される。返油用圧縮機（90a）の運転容量が小さい時は、油用圧縮機（90a）内の吐出圧空間の圧力が低下するので、該返油用圧縮機（90a）内の吐出圧空間と油分離器（94）の下流側との圧力差が小さくなる。すなわち、返油用圧縮機（90a）から高段側圧縮機構（11）へ冷凍機油が流れくくなる。従って、このような場合に返油動作を実行して、返油用圧縮機（90a）内の吐出圧空間と油分離器（94）の下流側との圧力差を大きくしている。

本発明では、返油用圧縮機（90a）から油分離器（94）へ向かう冷媒を減圧手段（93）によって減圧することで、該返油用圧縮機（90a）から高段側圧縮機構（11）へ冷凍機油を送るための圧力差が大きくなるようにしている。つまり、減圧手段（93）によれば、圧力の低い低段側圧縮機構（90）側に溜まる傾向にある冷凍機油を、返油用圧縮機（90a）から高段側圧縮機構（11）へ流れやすくすることが可能である。このため、冷凍機油が高段側圧縮機構（11）へ行き渡りやすいので、該高段側圧縮機構（11）の圧縮機（11a,11b）において冷凍機油の欠乏及びその冷凍機油の欠乏による故障を抑制することができる。また、返油用圧縮機（90a）に冷凍機油が溜まり過ぎることを抑制することができるので、該返油用圧縮機（90a）では冷凍機油による回転抵抗を減少させて運転効率を向上させることができる。

さらに、本発明によれば、より少ない冷凍機油の量で高段側圧縮機構（11）の圧縮機（11a,11b）及び低段側圧縮機構（90）の圧縮機（90a,90b,90c）の潤滑を行うことも可能である。この場合、高段側圧縮機構（11）の圧縮機（11a,11b）及び低段側圧縮機構（90）の圧縮機（90a,90b,90c）での冷凍機油による回転抵抗が減少するので、冷凍装置（1）の運転効率を向上させることができる。

上記第２の発明では、返油用圧縮機（90a）以外の低段側圧縮機構（90）の圧縮機（90b,90c）からの吐出冷媒が、減圧手段（93）を通過せずに油分離器（94）に流入するようにしている。すなわち、返油用圧縮機（90a）以外の低段側圧縮機構（90）の圧縮機（90b,90c）からの吐出冷媒は減圧手段（93）による圧力損失を受けないので、低段側圧縮機構（90）の吐出管（85）における各分岐管（91a,91b,91c）が合流してからの位置に減圧手段（93）を設ける場合に比べて、低段側圧縮機構（90）における冷媒の圧力損失を低減することができる。従って、減圧手段（93）を設けることによる低段側圧縮機構（90）の運転効率の低下を抑制することができる。

上記第３の発明では、送油通路（100,101）を設けることによって、低段側圧縮機構（90）の各圧縮機（90a,90b,90c）内の冷凍機油を返油用圧縮機（90a）に集めるようにしている。従って、より多くの冷凍機油を高段側圧縮機構（11）へ送ることができるので、該高段側圧縮機構（11）の圧縮機（11a,11b）において冷凍機油の欠乏及びその冷凍機油の欠乏による故障をさらに抑制することができる。また、通常圧縮機（90b,90c）に冷凍機油が溜まり過ぎることを抑制することができるので、該通常圧縮機（90b,90c）では冷凍機油による回転抵抗を減少させて運転効率を向上させることができる。

上記第４の発明では、調節弁（93）を調節して返油動作を実行する制御手段（30）を設けることによって、返油用圧縮機（90a）から高段側圧縮機構（11）への冷凍機油の流れ易さが調節されるようにしている。従って、制御手段（30）に制御によって低段側圧縮機構（90）の冷凍機油の量と高段側圧縮機構（11）の冷凍機油の量とのバランスを調節することができるので、低段側圧縮機構（90）の圧縮機（90a,90b,90c）及び高段側圧縮機構（11）の圧縮機（11a,11b）に冷凍機油を適切に行き渡らせることができる。

上記第５の発明では、返油用圧縮機（90a）の運転容量が小さくなって返油用圧縮機（90a）から高段側圧縮機構（11）へ冷凍機油が流れにくい時に、制御手段（30）が返油動作を実行する。つまり、返油用圧縮機（90a）の運転容量によらず安定的に冷凍機油を該返油用圧縮機（90a）から高段側圧縮機構（11）へ供給することができる。従って、高段側圧縮機構（11）において冷凍機油の欠乏をさらに抑制することができると共に、返油用圧縮機（90a）に冷凍機油が溜まり過ぎことを抑制することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

〈冷凍装置の全体構成〉
本実施形態にかかる冷凍装置（1）は、室内の空調と飲食物の冷蔵及び冷凍を行う冷凍装置であって、例えば、コンビニエンスストアに設置されるものである。この冷凍装置（1）は、図１に示すように、高段側圧縮機構（11）と低段側圧縮機構（90）とが直列に接続されて二段圧縮冷凍サイクルを行う冷媒回路（6）を備えている。この冷媒回路（6）には、室外ユニット（2）の室外回路（2a）と、室内ユニット（3）の室内回路（3a）と、冷蔵ユニット（4）の冷蔵回路（4a）と、冷凍ユニット（5）の冷凍回路（5a）とが設けられている。

室外回路（2a）の端部には、第１閉鎖弁（7）、第２閉鎖弁（8）、及び第３閉鎖弁（9）が設けられている。第１閉鎖弁（7）には、第１ガス側連絡配管（39）の一端が接続されている。第１ガス側連絡配管（39）の他端は、室内回路（3a）のガス側端に接続されている。第２閉鎖弁（8）には、第２ガス側連絡配管（38）の一端が接続されている。第２ガス側連絡配管（38）の他端は、２本に分岐して、冷蔵回路（4a）及び冷凍回路（5a）のガス側端にそれぞれ接続されている。第３閉鎖弁（9）には、液側連絡配管（35）の一端が接続されている。液側連絡配管（35）の他端は、３本に分岐して、室内回路（3a）、冷蔵回路（4a）、及び冷凍回路（5a）の液側端にそれぞれ接続されている。

《室外ユニット》
室外回路（2a）には、高段側圧縮機構（11）と、室外熱交換器（13）と、レシーバ（14）と、油分離器（16）とが設けられている。高段側圧縮機構（11）は、容量可変の第１高段側圧縮機（11a）と、容量固定の第２高段側圧縮機（11b）とから構成されている。第１高段側圧縮機（11a）と第２高段側圧縮機（11b）とは、互いに並列に接続されている。第１高段側圧縮機（11a）は、運転容量が可変に構成され、インバータを介して電力が供給される。この第１高段側圧縮機（11a）は、インバータの出力周波数を変化させて駆動モータの回転速度を変更することによって、その容量が変更可能となっている。一方、第２高段側圧縮機（11b）は、運転容量が固定で、駆動モータが常に一定の回転速度で運転されるものである。

第１高段側圧縮機（11a）の吐出側には第１吐出管（12a）の一端が接続され、第２高段側圧縮機（11b）の吐出側には第２吐出管（12b）の一端が接続されている。これらの吐出管（12a,12b）の他端は、吐出側本管（12）を介して四路切換弁（15）の第１ポートに接続されている。また、第２吐出管（12b）には、第２高段側圧縮機（11b）から吐出側本管（12）へ向かう冷媒の流れのみを許容する逆止弁（CV）が設けられている。

第１高段側圧縮機（11a）の吸入側には第１吸入管（22a）の一端が接続され、第２高段側圧縮機（11b）の吸入側には第２吸入管（22b）の一端が接続されている。これらの吸入管（22a,22b）は、吸入側本管（22）の一端が分岐したものである。吸入側本管（22）の他端は、２つに分岐しており、一方が四路切換弁（15）の第３ポートに接続され、他方が第２閉鎖弁（8）に接続されている。また、第１閉鎖弁（7）は、四路切換弁（15）の第４ポートに接続されている。

吐出側本管（12）には、油分離器（16）が設けられている。この油分離器（16）は、各高段側圧縮機（11a,11b）の吐出冷媒から冷凍機油を分離するためのものである。油分離器（16）には油戻し管（18）の一端が接続されている。油戻し管（18）の他端は、第２吸入管（22b）に接続されている。油戻し管（18）には油戻し電磁弁（19）が設けられている。この油戻し電磁弁（19）を開口すると、油分離器（16）内の冷凍機油が高段側圧縮機構（11）へ戻される。

また、第２高段側圧縮機（11b）には、一端が第１吸入管（22a）に接続された均油管（20）が接続されている。均油管（20）には均油電磁弁（21）が設けられている。この均油電磁弁（21）を開口すると、第２高段側圧縮機（11b）内の冷凍機油が第１高段側圧縮機（11a）へ送られる。

室外熱交換器（13）は、クロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器であって、熱源側熱交換器を構成している。室外熱交換器（13）の近傍には、室外ファン（23）が設けられている。この室外熱交換器（13）では、流通する冷媒と室外ファン（23）によって送られる室外空気との間で熱交換が行われる。室外熱交換器（13）の一端は四路切換弁（15）の第２ポートに接続されている。

室外熱交換器（13）の他端は、第１液管（24）を介してレシーバ（14）の頂部に接続されている。第１液管（24）には、レシーバ（14）へ向かう方向への冷媒の流れのみを許容する逆止弁（CV）が設けられている。レシーバ（14）は、第２液管（25）を介して第３閉鎖弁（9）に接続されている。第２液管（25）には、第３閉鎖弁（9）へ向かう冷媒の流れのみを許容する逆止弁（CV）が設けられている。

第１液管（24）と第２液管（25）との間には、レシーバ（14）をバイパスする第１バイパス管（28）及び第２バイパス管（29）が設けられている。第１バイパス管（28）は、一端が第１液管（24）における室外熱交換器（13）と逆止弁（CV）との間に接続され、他端が第２液管（25）におけるレシーバ（14）と逆止弁（CV）との間に接続されている。第１バイパス管（28）には電子膨張弁（27）が設けられている。第２バイパス管（29）は、一端が第１液管（24）における逆止弁（CV）とレシーバ（14）との間に接続され、他端が第２液管（25）における逆止弁（CV）と第３閉鎖弁（9）との間に接続されている。第２バイパス管（29）には、レシーバ（14）へ向かう冷媒の流れのみを許容する逆止弁（CV）が設けられている。

四路切換弁（15）は、第１ポートと第２ポートが互いに連通して第３ポートと第４ポートが互いに連通する第１状態（図１に実線で示す状態）と、第１ポートと第４ポートが互いに連通して第２ポートと第３ポートが互いに連通する第２状態（図１に破線で示す状態）とに切り換え可能となっている。

室外ユニット（2）には、各種のセンサや圧力スイッチが設けられている。具体的に、
第１吐出管（12a）には、高圧圧力スイッチ（40）が設けられている。この高圧圧力スイッチ（40）は、高段側圧縮機構（11）の吐出圧力を検出して異常高圧時に保護装置として冷凍装置（1）を緊急停止させるものである。第１吐出管（12a）と第２吐出管（12b）と合流箇所（吐出側本管（12）の上流端）には、圧力センサ（82）が設けられている。吐出側本管（12）には、温度センサ（81）が設けられている。第１吸入管（22a）と第２吸入管（22b）と合流箇所（吸入側本管（22）の下流端）には、圧力センサ（83）が設けられている。吸入側本管（22）には、温度センサ（37）が設けられている。また、室外ファン（23）の近傍には、室外空気の温度を検出する温度センサ（50）が設けられている。

《室内ユニット》
室内ユニット（3）は、室内の空気調和を実行するものである。この室内ユニット（3）の室内回路（3a）には、その液側端からガス側端へ向かって順に、室内膨張弁（43）と室内熱交換器（42）とが設けられている。室内膨張弁（43）は、開度が調節可能な電子膨張弁で構成されている。また、室内熱交換器（42）は、クロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器で構成されている。この室内熱交換器（42）の近傍には、室内ファン（44）が設けられている。この室内熱交換器（42）では、流通する冷媒と室内ファン（44）によって送られる室内空気との間で熱交換が行われる。

室内熱交換器（42）には温度センサ（45）が設けられている。室内回路（3a）のガス側端と室内熱交換器（42）との間には、温度センサ（46）が設けられている。また、室内ファン（44）の近傍には、室内空気の温度を検出する温度センサ（51）が設けられている。

《冷蔵ユニット》
冷蔵ユニット（4）は、飲食物を冷蔵するものである。この冷蔵ユニット（4）の冷蔵回路（4a）には、その液側端からガス側端へ向かって順に、冷蔵用膨張弁（48）と冷蔵用熱交換器（47）とが設けられている。冷蔵用膨張弁（48）は、開度が調節可能な電子膨張弁で構成されている。また、冷蔵用熱交換器（47）は、クロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器で構成されている。この冷蔵用熱交換器（47）の近傍には、冷蔵用ファン（49）が設けられている。この冷蔵用熱交換器（47）では、流通する冷媒と冷蔵用ファン（49）によって送られる庫内空気との間で熱交換が行われる。

冷蔵用熱交換器（47）には温度センサ（53）が設けられている。冷蔵回路（4a）のガス側端と冷蔵用熱交換器（47）との間には、温度センサ（54）が設けられている。また、冷蔵用ファン（49）の近傍には、庫内空気の温度を検出する温度センサ（52）が設けられている。

《冷凍ユニット》
冷凍ユニット（5）は、飲食物を冷凍するものである。この冷凍ユニット（5）の冷凍回路（5a）には、その液側端からガス側端へ向かって順に、冷凍用膨張弁（57）と冷凍用熱交換器（56）と低段側圧縮機構（90）と油分離器（94）とが設けられている。冷凍用膨張弁（57）は、開度が調節可能な電子膨張弁で構成されている。また、冷凍用熱交換器（56）は、クロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器で構成されている。この冷凍用熱交換器（56）の近傍には、冷凍用ファン（58）が設けられている。この冷凍用熱交換器（56）では、流通する冷媒と冷凍用ファン（58）によって送られる庫内空気との間で熱交換が行われる。

冷凍用熱交換器（56）には温度センサ（61）が設けられている。冷凍回路（5a）のガス側端と冷凍用熱交換器（56）との間には、温度センサ（62）が設けられている。また、冷凍用ファン（58）の近傍には、庫内空気の温度を検出する温度センサ（63）が設けられている。

低段側圧縮機構（90）は、返油用圧縮機である第１低段側圧縮機（90a）と、通常圧縮機である第２低段側圧縮機（90b）及び第３低段側圧縮機（90c）とで構成されている。第１低段側圧縮機（90a）は、運転容量が可変に構成され、インバータを介して電力が供給される。この第１低段側圧縮機（90a）は、インバータの出力周波数を変化させて駆動モータの回転速度を変更することによってその運転容量が変更可能となっている。一方、第２低段側圧縮機（90b）及び第３低段側圧縮機（90c）は、運転容量が固定で、駆動モータが常に一定の回転速度で運転されるものである。

第１低段側圧縮機（90a）、第２低段側圧縮機（90b）、及び第３低段側圧縮機（90c）は、共に高圧ドーム型に構成され、各ケーシング内には圧縮後の冷媒で満たされた吐出圧空間が形成される。また、これらの圧縮機（90a,90b,90c）のケーシング内の底部には、冷凍機油が溜まる油溜まりが形成される。

低段側圧縮機構（90）の各圧縮機（90a,90b,90c）には吐出管（85）が接続されている。吐出管（85）は、吐出側本管（77）と第１分岐管（91a）と第２分岐管（91b）と第３分岐管（91c）とを備えている。第１低段側圧縮機（90a）の吐出側には第１分岐管（91a）の一端が接続されている。第２低段側圧縮機（90b）の吐出側には第２分岐管（91b）の一端が接続されている。第３低段側圧縮機（90c）の吐出側には第３分岐管（91c）の一端が接続されている。これらの分岐管（91a,91b,91c）の他端は、吐出側本管（77）を介して第２ガス側連絡配管（38）に接続されている。

第１分岐管（91a）には、通過する冷媒を減圧させる減圧機構である調節弁（93）が設けられている。調節弁（93）は、開度が調節可能な電子膨張弁によって構成されている。なお、減圧手段（93）は、冷媒が流通する際に抵抗になるものであればよく、調整弁の他にキャピラリーチューブ、油分離器、フィルタ、マフラー、逆止弁、長い配管などを適用することができる。

第１低段側圧縮機（90a）の吸入側には第１吸入管（92a）の一端が接続されている。第２低段側圧縮機（90b）の吸入側には第２吸入管（92b）の一端が接続されている。第３低段側圧縮機（90c）には第３吸入管（92c）の一端が接続されている。これらの吸入管（92a,92b,92c）は、一端が冷凍用熱交換器（56）に接続された吸入側本管（84）の他端が分岐したものである。具体的に、吸入側本管（84）は、上流側の第１分岐点（84a）で第１吸入管（92a）が分岐し、第２分岐点（84b）で第２吸入管（92b）と第３吸入管（92c）とに分岐する。

吐出側本管（77）には、油分離器（94）が設けられている。この油分離器（94）は、各低段側圧縮機（90a,90b,90c）の吐出冷媒から冷凍機油を分離するためのものである。油分離器（94）には油戻し管（95）の一端が接続されている。油戻し管（95）の他端は、吸入側本管（84）における第１分岐点（84a）と第２分岐点（84b）との間に接続されている。

油戻し管（95）には油戻し電磁弁（96）が設けられている。この油戻し電磁弁（96）を開口すると、油分離器（94）で吐出冷媒から分離された冷凍機油が吸入側本管（84）に流入する。吸入側本管（84）に流入した冷凍機油は、第２低段側圧縮機（90b）及び第３低段側圧縮機（90c）の停止中は第１低段側圧縮機（90a）に吸入される。第２低段側圧縮機（90b）又は第３低段側圧縮機（90c）の運転中はその第２低段側圧縮機（90b）又は第３低段側圧縮機（90c）に吸入される。

第１低段側圧縮機（90a）には、返油通路である返油管（97）の一端が接続されている。返油管（97）は、一端が第１低段側圧縮機（90a）のケーシング内の油溜まりに開口して、他端が吐出側本管（77）における油分離器（94）の下流側に接続されている。第１低段側圧縮機（90a）のケーシング内において返油管（97）が開口する位置は、その圧縮機（90a）の潤滑のために最低限必要な量の冷凍機油が溜まる状態の液面の高さに設定されている。返油管（97）には返油電磁弁（98）が設けられている。この返油電磁弁（98）を開口した状態で調節弁（93）の開度を調節すると返油動作が実行される。返油動作についての詳細は後述する。

第２低段側圧縮機（90b）及び第３低段側圧縮機（90c）のケーシング内の油溜まりには、送油通路である送油管（100,101）の一端がそれぞれ開口している。これらの送油管（100,101）の他端は、合流して第１吸入管（92a）に接続されている。第２低段側圧縮機（90b）及び第３低段側圧縮機（90c）の各ケーシング内において送油管（100,101）が開口する位置は、その各圧縮機（90b,90c）の潤滑のために最低限必要な量の冷凍機油が溜まる状態の液面の高さに設定されている。

各送油管（100,101）には送油電磁弁（102,103）がそれぞれ設けられている。第２低段側圧縮機（90b）や第３低段側圧縮機（90c）内の油溜まりの液面が送油管（100,101）の開口よりも高い状態の時にこの送油電磁弁（102,103）を開口すると、第２低段側圧縮機（90b）や第３低段側圧縮機（90c）内の圧力は第１吸入管（92a）内の圧力よりも高いので、油溜まりの冷凍機油は送油管（100,101）を通じて第１低段側圧縮機（90a）に吸入される。これにより、低段側圧縮機構（90）の冷凍機油が第１低段側圧縮機（90a）に集められる。

−冷凍装置の運転動作−
次に、この冷凍装置（1）の運転動作に関して説明する。

冷凍装置（1）は、冷暖房の切り換えやその能力制御と共に、後述する返油動作を実行可能なコントローラ（30）を備えている。以下では、冷房運転の時の冷凍装置（1）の運転動作について説明する。なお、暖房運転の時の運転動作については省略する。

冷房運転のときには、コントローラ（30）が、四路切換弁（15）を第１ポートと第２ポートとが連通するとともに第３ポートと第４ポートとが連通する状態（第１状態）に設定する。また、室外ユニット（2）の電子膨張弁（27）は全閉状態に設定する。そして、コントローラ（30）が高段側圧縮機構（11）及び低段側圧縮機構（90）を運転させると、冷媒回路（6）では図１に矢印で示した方向に冷媒が循環する。

具体的には、高段側圧縮機構（11）から吐出された冷媒は、室外熱交換器（13）において凝縮し、レシーバ（14）に流入する。レシーバ（14）内の冷媒は、室外ユニット（2）を流出した後、室内ユニット（3）と冷蔵ユニット（4）と冷凍ユニット（5）とに分流する。室内ユニット（3）に流入した冷媒は、室内膨張弁（43）によって減圧された後、室内熱交換器（42）において蒸発し、室内空気を冷却する。冷蔵ユニット（4）に流入した冷媒は、冷蔵用膨張弁（48）によって第１所定圧力ＰＬ１にまで減圧された後、冷蔵用熱交換器（47）において蒸発し、庫内空気を冷却する。

一方、冷凍ユニット（5）に流入した冷媒は、冷凍用膨張弁（57）によって、上記第１所定圧力ＰＬ１よりも低い第２所定圧力ＰＬ２にまで減圧される。減圧された冷媒は、冷凍用熱交換器（56）において蒸発し、庫内空気を冷却する。冷凍用熱交換器（56）を流出した冷媒は、低段側圧縮機構（90）によって第１所定圧力ＰＬ１にまで昇圧され、冷蔵用熱交換器（47）を流出した冷媒と合流し、室外ユニット（2）に流入する。室外ユニット（2）に流入した冷媒は、室内ユニット（3）から室外ユニット（2）に戻ってきた冷媒と合流し、高段側圧縮機構（11）に吸入される。高段側圧縮機構（11）に吸入された冷媒は、その高段側圧縮機構（11）によって圧縮され、再び上記の循環動作を繰り返す。

なお、この冷凍装置（1）では、コントローラ（30）が、必要となる運転容量に応じて高段側圧縮機構（11）や低段側圧縮機構（90）の運転を制御する。具体的に、低段側圧縮機構（90）では、必要となる運転容量が第１低段側圧縮機（90a）の最大運転容量よりも小さい時は、第１低段側圧縮機（90a）のみを運転させる。そして、運転容量を大きくするのに伴って、第２低段側圧縮機（90b）と第３低段側圧縮機（90c）とを順次起動させる。第２低段側圧縮機（90b）と第３低段側圧縮機（90c）とを起動させる時は、第２低段側圧縮機（90b）と第３低段側圧縮機（90c）の運転容量は固定であるため、必要に応じて第１低段側圧縮機（90a）の運転容量を低下させる。高段側圧縮機構（11）においても同様である。

また、この実施形態では、高段側圧縮機構（11）の各圧縮機（11a,11b）で冷凍機油が欠乏しないように、返油管（97）の返油電磁弁（98）を開口することによって第１低段側圧縮機（90a）内の冷凍機油を返油管（97）を通じて高段側圧縮機構（11）へ供給することが可能である。具体的に、第１低段側圧縮機（90a）から吐出された冷媒は、調節弁（93）が全開であっても、吐出管（85）の油分離器（94）の下流側に至るまでに圧力損失によって圧力が僅かに低下する。すなわち、返油管（97）の一端が開口する第１低段側圧縮機（90a）の油溜まりの圧力は、返油管（97）の他端が接続された油分離器（94）の下流側の圧力よりも僅かに高くなる。従って、第１低段側圧縮機（90a）内の油溜まりの液面が返油管（97）の開口よりも高い状態の時に返油電磁弁（98）を開口すると、第１低段側圧縮機（90a）の油溜まりの冷凍機油がその返油管（97）を通じて吐出側本管（77）における油分離器（94）の下流側へ送られる。油分離器（94）の下流側へ送られた冷凍機油は、冷媒と共に高段側圧縮機構（11）に吸入される。

但し、第１低段側圧縮機（90a）の運転容量が小さい場合は、第１低段側圧縮機（90a）の油溜まりと油分離器（94）の下流側との圧力差が小さいので、第１低段側圧縮機（90a）の冷凍機油が返油管（97）を流れにくくなる。第１低段側圧縮機（90a）の運転容量が小さい場合とは、例えば第２低段側圧縮機（90b）や第３低段側圧縮機（90c）の起動に伴い第１低段側圧縮機（90a）の運転容量を低下させた時である。コントローラ（30）は、第１低段側圧縮機（90a）の運転容量が所定値を下回ると、調節弁（93）の開度を調節して返油動作を実行する。

返油動作では、調節弁（93）の開度を全開から僅かに小さくする。そして、調節弁（93）の開度を小さくすると、第１低段側圧縮機（90a）のケーシング内の圧力が上昇すると共に、第１低段側圧縮機（90a）の吐出冷媒が調節弁（93）を通過する際の圧力損失が大きくなる。従って、第１低段側圧縮機（90a）の油溜まりと油分離器（94）の下流側との圧力差が大きくなるので、第１低段側圧縮機（90a）内の冷凍機油が返油管（97）を通じて高段側圧縮機構（11）へ供給される。コントローラ（30）は、調節弁（93）の開度を調節することにより、第１低段側圧縮機（90a）から高段側圧縮機構（11）への冷凍機油の流れ易さを自在に調節することが可能である。

−実施形態の効果−
本実施形態では、第１低段側圧縮機（90a）から油分離器（94）へ向かう冷媒を調節弁（93）によって減圧することで、該第１低段側圧縮機（90a）から高段側圧縮機構（11）へ冷凍機油を送るための圧力差が大きくなるようにしている。つまり、調節弁（93）の開度を小さくすることにより、圧力の低い低段側圧縮機構（90）側に溜まる傾向にある冷凍機油を、第１低段側圧縮機（90a）から高段側圧縮機構（11）へ流れやすくすることが可能である。このため、冷凍機油が高段側圧縮機構（11）へ行き渡りやすいので、該高段側圧縮機構（11）の圧縮機（11a,11b）において冷凍機油の欠乏及びその冷凍機油の欠乏による故障を抑制することができる。また、第１低段側圧縮機（90a）に冷凍機油が溜まり過ぎることを抑制することができるので、該第１低段側圧縮機（90a）では冷凍機油による回転抵抗を減少させて運転効率を向上させることができる。

さらに、本実施形態によれば、より少ない冷凍機油の量で高段側圧縮機構（11）の圧縮機（11a,11b）及び低段側圧縮機構（90）の圧縮機（90a,90b,90c）の潤滑を行うことも可能である。この場合、高段側圧縮機構（11）の圧縮機（11a,11b）及び低段側圧縮機構（90）の圧縮機（90a,90b,90c）での冷凍機油による回転抵抗が減少するので、冷凍装置（1）の運転効率を向上させることができる。

また、本実施形態では、第１低段側圧縮機（90a）以外の第２低段側圧縮機（90b）及び第３低段側圧縮機（90c）からの吐出冷媒が、調節弁（93）を通過せずに油分離器（94）に流入するようにしている。すなわち、第２低段側圧縮機（90b）及び第３低段側圧縮機（90c）からの吐出冷媒は調節弁（93）による圧力損失を受けないので、低段側圧縮機構（90）の吐出管（85）における各分岐管（91a,91b,91c）が合流してからの位置に調節弁（93）を設ける場合に比べて、低段側圧縮機構（90）における冷媒の圧力損失を低減することができる。従って、調節弁（93）を設けることによる低段側圧縮機構（90）の運転効率の低下を抑制することができる。

また、本実施形態では、送油管（100,101）を設けることによって、低段側圧縮機構（90）の各圧縮機（90a,90b,90c）内の冷凍機油を第１低段側圧縮機（90a）に集めるようにしている。従って、より多くの冷凍機油を高段側圧縮機構（11）へ送ることができるので、該高段側圧縮機構（11）の圧縮機（11a,11b）において冷凍機油の欠乏及びその冷凍機油の欠乏による故障をさらに抑制することができる。また、第２低段側圧縮機（90b）及び第３低段側圧縮機（90c）に冷凍機油が溜まり過ぎることを抑制することができるので、該第２低段側圧縮機（90b）及び第３低段側圧縮機（90c）では冷凍機油による回転抵抗を減少させて運転効率を向上させることができる。

また、本実施形態では、調節弁（93）を調節して返油動作を実行するコントローラ（30）を設けることによって、第１低段側圧縮機（90a）から高段側圧縮機構（11）への冷凍機油の流れ易さが調節されるようにしている。従って、コントローラ（30）に制御によって低段側圧縮機構（90）の冷凍機油の量と高段側圧縮機構（11）の冷凍機油の量とのバランスを調節することができるので、低段側圧縮機構（90）の圧縮機（90a,90b,90c）及び高段側圧縮機構（11）の圧縮機（11a,11b）に冷凍機油を適切に行き渡らせることができる。

また、本実施形態では、第１低段側圧縮機（90a）の運転容量が小さくなって第１低段側圧縮機（90a）から高段側圧縮機構（11）へ冷凍機油が流れにくい時に、コントローラ（30）が返油動作を実行する。つまり、第１低段側圧縮機（90a）の運転容量によらず安定的に冷凍機油を該第１低段側圧縮機（90a）から高段側圧縮機構（11）へ供給することができる。従って、高段側圧縮機構（11）において冷凍機油の欠乏をさらに抑制することができると共に、第１低段側圧縮機（90a）に冷凍機油が溜まり過ぎことを抑制することができる。

（その他の実施形態）
本発明は、上記実施形態について、以下のような構成としてもよい。

本実施形態について、図２に示すように減圧手段（93）を吐出側本管（77）における油分離器（94）の上流側に設けるようにしてもよい。

また、本実施形態について、第１低段側圧縮機（90a）は、運転容量が固定のものであってもよい。

また、本実施形態について、低段側圧縮機構（90）において第１低段側圧縮機（90a）以外の圧縮機（90b,90c）が、運転容量が可変のものであってもよい。

また、本実施形態について、返油管（100,101）を設けなくてもよい。この場合は、油分離器（94）内の冷凍機油を、第１低段側圧縮機（90a）、第２低段側圧縮機（90b）、及び第３低段側圧縮機（90c）の何れかに選択的に戻すことができるようにした方がよい。

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、コンビニエンスストアやスーパーマーケット等に配置され、低段側圧縮機構と高段側圧縮機構とが直列に接続されて二段圧縮冷凍サイクルを行う冷媒回路を備えた冷凍装置について有用である。

本発明の実施形態にかかる冷凍装置の概略構成図である。 その他の実施形態にかかる冷凍装置の概略構成図である。

符号の説明

1 冷凍装置
6 冷媒回路
11 高段側圧縮機構
30 コントローラ（制御手段）
85 吐出管
90 低段側圧縮機構
90a 第１低段側圧縮機（返油用圧縮機）
90b 第２低段側圧縮機（通常圧縮機）
90c 第３低段側圧縮機（通常圧縮機）
91a 第１分岐管（分岐管）
93 調節弁（減圧手段）
94 油分離器
97 返油管（返油通路）
100 送油管（送油通路）
101 送油管（送油通路）

Claims (5)

1. １つ又は複数の圧縮機からなる高段側圧縮機構（11）と１つ又は複数の圧縮機からなる低段側圧縮機構（90）とが直列に接続されて二段圧縮冷凍サイクルを行う冷媒回路（6）と、
   上記冷媒回路（6）における低段側圧縮機構（90）の吐出管（85）に設けられて該低段側圧縮機構（90）の吐出冷媒から冷凍機油を分離する油分離器（94）とを備える冷凍装置であって、
   上記低段側圧縮機構（90）を構成する１台の圧縮機（90a）に溜まった冷凍機油を上記高段側圧縮機構（11）へ供給するために該圧縮機（90a）から延びて上記油分離器（94）の下流側に接続する返油通路（97）を備え、
   上記返油通路（97）が接続された圧縮機である返油用圧縮機（90a）では、そのケーシング内に圧縮後の冷媒で満たされた吐出圧空間が形成されて、該吐出圧空間内の油溜まりに上記返油通路（97）が開口し、
   上記低段側圧縮機構（90）の吐出管（85）における返油用圧縮機（90a）と油分離器（94）との間には、該返油用圧縮機（90a）から油分離器（94）へ向かう冷媒を減圧する減圧手段（93）が設けられていることを特徴とする冷凍装置。
2. 請求項１において、
   上記低段側圧縮機構（90）が互いに並列に接続された複数台の圧縮機（90a,90b,90c）により構成され、
   上記減圧手段（93）は、上記低段側圧縮機構（90）の吐出管（85）のうち上記返油用圧縮機（90a）に接続する分岐管（91a）に設けられていることを特徴とする冷凍装置。
3. 請求項２において、
   上記低段側圧縮機構（90）には、上記返油用圧縮機（90a）の吸入側へ該返油用圧縮機（90a）以外の通常圧縮機（90b,90c）に溜まった冷凍機油を供給する送油通路（100,101）が設けられていることを特徴とする冷凍装置。
4. 請求項１乃至３の何れか１つにおいて、
   上記減圧手段（93）は、開度可変の調節弁（93）によって構成される一方、
   上記調節弁（93）の開度を小さくすることによって上記返油用圧縮機（90a）の吐出圧空間と上記油分離器（94）の下流との圧力差を大きくして、該吐出圧空間の油溜まりに溜まる冷凍機油を上記返油通路（97）を通じて高段側圧縮機構（11）へ送り出す返油動作を実行可能な制御手段（30）が設けられていることを特徴とする冷凍装置。
5. 請求項４において、
   上記返油用圧縮機（90a）は運転容量が可変に構成される一方、
   上記制御手段（30）は、上記返油用圧縮機（90a）の運転容量が所定値を下回る時に上記返油動作を実行するように構成されていることを特徴とする冷凍装置。
   

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