JP2007147212A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】気液分離器を用いて二段圧縮二段膨張冷凍サイクルが行われる冷凍装置において、高段側圧縮機の油戻り量不足を解消する。
【解決手段】冷媒回路（15）には、低段側圧縮機（21）の吐出冷媒中から冷凍機油を分離して低段側圧縮機（21）の吸入側に戻す低段側の油分離器（26）と、高段側圧縮機（31）の吐出冷媒中から冷凍機油を分離して高段側圧縮機（31）の吸入側に戻す高段側の油分離器（36）とが設けられる。ここで、低段側の油分離器（26）の油分離率が高段側の油分離器（36）の油分離率よりも低く設定される。
【選択図】図３

Description

本発明は、気液分離器を有し、二段圧縮二段膨張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、この冷凍装置の圧縮機の油戻し技術に係るものである。

従来より、冷媒回路で冷凍サイクルを行うことにより、室内の冷房や暖房を行う冷凍装置が知られている。

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、冷媒の流路を切り換えるための四路切換弁や電磁弁等が接続されている。更に、冷媒回路には、気液二相状態の冷媒を液冷媒とガス冷媒とに分離する気液分離器が接続されている。

この空気調和装置の暖房運転では、高段側圧縮機で圧縮された冷媒が、室内熱交換器へ送られる。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、第１の膨張弁で中間圧まで減圧された後、気液分離器へ流入する。気液分離器では、中間圧となった気液二相状態の冷媒が液冷媒とガス冷媒とに分離される。気液分離器で分離した液冷媒は、第２の膨張弁で低圧まで減圧された後、室外熱交換器へ送られる。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、更に高段側圧縮機の吸入側に送られる。この冷媒は、上記気液分離器で分離したガス冷媒と混合された後、高段側圧縮機で更に圧縮される。

以上のように、この冷媒回路では、高圧冷媒を２つの膨張弁で減圧する二段膨張と低圧冷媒を２つの圧縮機で圧縮する二段圧縮とが行われ、更に、中間圧とした気液分離器で分離した冷媒を高段側圧縮機へ吸入させる、いわゆる二段圧縮二段膨張冷凍サイクルが行われる。
特開２００１−５６１５９号公報

ところで、上述の高段側圧縮機や低段側圧縮機には、冷媒を圧縮するための圧縮機構等の各摺動部の潤滑を図るために冷凍機油が用いられる。具体的に、各圧縮機のケーシング内には、冷凍機油が貯留される油溜めが形成されており、この冷凍機油が駆動軸の下端部に設けられた油ポンプで圧送され、圧縮機構の駆動軸周りや各摺動部に供給される。圧縮機構内に供給された冷凍機油は、冷媒と共に各圧縮機から吐出され、冷媒回路を循環する。その後、冷凍機油は冷媒と共に各圧縮機に吸入され、再び圧縮機構等の潤滑に利用される。

ところが、上記特許文献１のように気液分離器を用いながら二段圧縮二段膨張冷凍サイクルを行うと、高段側圧縮機への油戻り量が不足してしまう問題が生じる。具体的に、気液分離器では、上述の如く気液二相状態の冷媒が液冷媒とガス冷媒とに分離されるので、冷凍機油のほとんどが液冷媒に溶け込むことになる。従って、気液分離器内の冷凍機油の多くは低段側圧縮機へ吸入されることになる。一方、気液分離器で分離したガス冷媒中には、冷凍機油がほとんど含まれないことになるので、高段側圧縮機への油戻り量は低段側圧縮機への油戻り量よりも相対的に少なくなる。その結果、高段側圧縮機では、冷凍機油が次第に減少し、潤滑油不足に伴って各摺動部の摺動損失が増大したり、各摺動部で焼き付きが生じ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、中間圧冷媒の気液分離器を有し、二段圧縮二段膨張冷凍サイクルを行う冷凍装置において、高段側圧縮機の油戻り量不足を解消することである。

第１の発明は、低段側圧縮機（21）と高段側圧縮機（31）と中間圧冷媒の気液分離器（33）とを有して二段圧縮二段膨張冷凍サイクルを行う冷媒回路（15）を備えた冷凍装置を前提としている。そして、この冷凍装置の冷媒回路（15）には、上記低段側圧縮機（21）の吐出冷媒中から分離した冷凍機油を該低段側圧縮機（21）の吸入側に戻す低段側油分離手段（26,27,28）と、上記高段側圧縮機（31）の吐出冷媒中から分離した冷凍機油を該高段側圧縮機（31）の吸入側に戻す高段油分離手段（36,37,38）とが設けられ、上記低段側油分離手段（26,27,28）は、その油分離率が上記高段側油分離手段（36,37,38）の油分離率よりも低く設定されていることを特徴とするものである。

第１の発明の冷凍装置の冷媒回路（15）では、中間圧冷媒が気液分離器（33）で液冷媒とガス冷媒とに分離されると共に、二段圧縮二段膨張冷凍サイクルが行われる。

具体的に、この冷媒回路では、高段側圧縮機（31）で高圧まで圧縮された冷媒が、例えば室内熱交換器等で凝縮し、その後中間圧まで減圧されてから、気液分離器（33）に流入する。気液分離器（33）では、中間圧となった気液二相状態の冷媒が液冷媒とガス冷媒とに分離される。気液分離器（33）で分離した液冷媒は、その後低圧まで減圧されてから、例えば室外熱交換器で蒸発する。その後、冷媒は、低段側圧縮機（21）で中間圧まで圧縮される。低段側圧縮機（21）の吐出冷媒は、高段側圧縮機（31）の吸入側に送られる。この冷媒は、気液分離器（33）で分離した飽和状態のガス冷媒と混合した後、高段側圧縮機（31）に吸入されて更に圧縮される。

また、冷媒回路（15）には、低段側圧縮機（21）の吐出側と、高段側圧縮機（31）の吐出側とにそれぞれ油分離手段が設けられる。低段側油分離手段（26,27,28）は、低段側圧縮機（21）の吐出冷媒中から冷凍機油を分離し、この冷凍機油を低段側圧縮機（21）の吸入側に返送する。一方、高段側油分離手段（36,37,38）は、高段側圧縮機（31）の吐出冷媒中から冷凍機油を分離し、この冷凍機油を高段側圧縮機（31）の吸入側に返送する。その結果、各圧縮機（21,31）内には、有る程度の冷凍機油が確保される。

一方、上述の二段圧縮二段膨張冷凍サイクルを行うと、気液分離器（33）に流入した冷媒中の冷凍機油は、ほとんどが低段側圧縮機（21）へ送られることとなるので、高段側圧縮機（31）へ送られる冷凍機油が不足気味となる。

そこで、本発明では、低段側油分離手段（26,27,28）の油分離率を高段側油分離手段（36,37,38）の油分離率よりも低くしている。このようにすると、低段側油分離手段（36,37,38）を通過する冷媒とともに高段側圧縮機（31）の吸入側に送られる冷凍機油量が相対的に多くなる。逆に、高段側油分離手段（36,37,38）から高段側圧縮機（31）の吸入側に戻る冷凍機油の量が相対的に多くなる。従って、気液分離器（33）から高段側圧縮機（31）に吸入されるガス冷媒中に冷凍機油が含まれていなくても、低段側圧縮機（21）と高段側圧縮機（31）への油戻り量がバランスし易くなり、高段側圧縮機（31）の油戻り量不足が解消される。

第２の発明は、第１の発明において、上記高段側油分離手段は、上記高段側圧縮機（31）の吐出側に直列に接続される複数の油分離器（36a,36b）を備え、上記低段側油分離手段は、上記低段側圧縮機（21）の吐出側に接続されるとともに、上記高段側圧縮機（31）の油分離器（36a,36b）よりも少ない数量の油分離器（26）を備えていることを特徴とするものである。

第２の発明では、高段側圧縮機（31）の吐出冷媒が、低段側の油分離器（26）よりも多い数量の油分離器（36a,36b）を通過して冷凍機油が分離される。その結果、低段側油分離手段の油分離率を高段側分離手段の油分離率よりも容易に低くすることができる。

第３の発明は、第１の発明において、上記高段側圧縮機（31）のケーシングの内部には、冷凍機油の油溜めが形成される一方、上記冷媒回路（15）には、一端が上記油溜めの所定高さ位置に開口するように高段側圧縮機（31）のケーシングに接続され、他端が低段側圧縮機（21）の吸入側に接続された油戻し管（51）が設けられていることを特徴とするものである。

第３の発明では、高段側圧縮機（31）の油溜めの油面を均一に保つために、油戻し管（51）が設けられる。即ち、低段側油分離手段（26,27,28）の油分離率を高段側油分離手段（36,37,38）の油分離率よりも低く設定すると、高段側圧縮機（31）のケーシング内の油溜めに貯まり込む冷凍機油量が次第に増量していく可能性があるが、本発明では、高段側圧縮機（31）内で過剰となった冷凍機油が、油戻し管（51）を経由して低段側圧縮機（21）へ戻される。その結果、高段側圧縮機（31）内の各構成部品が冷凍機油に浸かってしまうことが確実に回避される。

第４の発明は、第１の発明において、上記高段側圧縮機（31）のケーシングの内部には、冷凍機油の油溜めが形成される一方、上記冷媒回路（15）には、一端が上記油溜めの所定高さ位置に開口するように高段側圧縮機（31）のケーシングに接続され、他端が上記気液分離器（33）の分離液冷媒の流出側に接続された油戻し管（51）が設けられていることを特徴とするものである。

第４の発明では、高段側圧縮機（31）の油溜めに貯まった過剰の冷凍機油が、気液分離器（33）の液流出側に送られる。その後、この冷凍機油は、冷媒と共に低段側圧縮機（21）に吸入される。その結果、高段側圧縮機（31）内の各構成部品が冷凍機油に浸かってしまうことが確実に回避される。

第５の発明は、第４の発明において、上記冷媒回路（15）が、上記低段側圧縮機（21）及び室外熱交換器（22）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）、気液分離器（33）、及び油戻し管（51）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ることを特徴とするものである。

第５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４の発明の冷媒回路（15）が構成される。ここで、仮に第３の発明のように、高段側圧縮機（31）と接続する油戻し管（51）の流出側を低段側圧縮機（21）の吸入側と接続する場合、オプションユニット（30）側の油戻し管（51）を室外ユニット（20）側に接続する必要が生じるので、油戻し管（51）の連絡配管が必要となり、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、高段側圧縮機（31）内で過剰となった冷凍機油が油戻し管（51）を経由して気液分離器（33）の液流出側へ送られるまでの冷媒の経路が、全てオプションユニット（30）内で完結する。このため、冷媒回路（15）の簡素化、配管施工の容易化が図られるとともに、既設の室外ユニット（20）を改造することなく、二段圧縮二段膨張冷凍サイクルを行う冷凍装置を構成することができる。

本発明によれば、低段側油分離手段（26,27,28）の油分離率よりも高段側油分離手段（36,37,38）の油分離率を低く設定することで、気液分離器（33）を用いた二段圧縮二段膨張冷凍サイクル中における高段側圧縮機（31）の油戻り量不足を解消することができる。従って、高段側圧縮機（31）の各摺動部を確実に潤滑することができ、各摺動部での焼き付きや摩耗、あるいは摺動損失の増大に伴う圧縮効率の低下を回避することができる。

上記第２の発明では、低段側の油分離器（26）の数量を高段側の油分離器（36a,36b）の数量よりも少なくしている。その結果、容易且つ確実に、低段側油分離手段（26,27,28）の油分離率を高段側油分離手段（36a,36b,37,38）の油分離率よりも低く設定することができる。

また、上記第３の発明及び第４の発明では、高段側圧縮機（31）の油溜めに貯まった過剰の冷凍機油を低段側圧縮機（21）の吸入側に戻すようにしている。その結果、高段側圧縮機（31）内の油面の上昇に伴い各構成部品が冷凍機油に浸かってしまうのを確実に防止できる。

更に、第５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）で単段圧縮式の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、二段圧縮二段膨張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、上記オプションユニット（30）では、高段側圧縮機（31）内の過剰の冷凍機油が気液分離器（33）に戻るまでの冷媒の経路が完結しているので、油戻し管（51）に係る配管の簡素化を図ることができる。従って、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、その配管施工の簡便化を図ることができる。

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ており、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ており、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式の冷凍サイクル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二段膨張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（25）、及び四路切換弁（23）が設けられている。

上記低段側圧縮機（21）は、高圧ドーム型の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（24）が設置されている。室外ファン（24）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（25）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（23）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（23）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（23）では、第３ポートが室外熱交換器（22）及び室外側膨張弁（25）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（23）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。

また、室外ユニット（20）には、低段側圧縮機（21）の吐出管（21a）に低段側油分離器（26）が設けられている。この低段側油分離器（26）には、分離後の冷凍機油が流れる第１油分離管（27）の一端が接続されている。第１油分離管（27）の他端は、低段側圧縮機（21）の吸入管（21b）と接続している。また、第１油分離管（27）には、吸入側に戻る冷凍機油を減圧する第１キャピラリーチューブ（28）が接続されている。以上のようにして、低段側油分離器（26）、第１油分離管（27）、及び第１キャピラリーチューブ（28）は、低段側圧縮機（21）の吐出冷媒中から分離した冷凍機油を該低段側圧縮機（21）の吸入側に戻す、低段側の油分離手段を構成している。

<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、高圧ドーム型の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）と、その胴部を貫通して液冷媒貯留部に臨む第２管（33b）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）の流入端と、第２管（33b）の流出端とは、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（SV）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。

また、オプションユニット（30）には、高段側圧縮機（31）の吐出管（31a）に高段側油分離器（36）が設けられている。この高段側油分離器（36）には、分離後の冷凍機油が流れる第２油分離管（37）の一端が接続されている。第２油分離管（37）の他端は、高段側圧縮機（31）の吸入管（31b）と接続している。また、第２油分離管（37）には、吸入側に戻る冷凍機油を減圧する第２キャピラリーチューブ（38）が接続されている。以上のようにして、高段側油分離器（36）、第２油分離管（37）、及び第２キャピラリーチューブ（38）は、高段側圧縮機（31）の吐出冷媒中から分離した冷凍機油を該高段側圧縮機（31）の吸入側に戻す、高段側の油分離手段を構成している。

<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。

<油分離器の性能>
本発明の特徴として、室外ユニット（20）の低段側油分離手段の油分離率（吐出冷媒中から分離される冷凍機油の割合）が、オプションユニット（30）の高段側油分離手段の油分離率よりも低く設定されている。具体的に、上記低段側油分離器（26）は、比較的油分離率が低いサイクロン式の油分離器で構成されており、その油分離率は約９０％となっている。一方、上記高段側油分離器（36）は、比較的油分離率が高い、デミスタ式の油分離器で構成されており、その油分離率は約９５％となっている。従って、この冷媒回路（15）では、低段側圧縮機（21）よりも高段側圧縮機（31）の方が吐出冷媒中から積極的に冷凍機油が回収されて吸入側に戻るようになっている。

−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。

<冷房運転>
冷房運転では、四路切換弁（23）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（25）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、低段側圧縮機（21）のみで冷媒が圧縮され、単段圧縮式の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、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。

また、この冷房運転時には、低段側油分離器（26）によって低段側圧縮機（21）の吐出冷媒中から冷凍機油が分離される。この冷凍機油は、第１油分離管（27）を流れ、第１キャピラリーチューブ（28）で減圧された後、低段側圧縮機（21）に吸入される。その結果、低段側圧縮機（21）から吐出されてしまった冷凍機油が再び低段側圧縮機（21）に返送される。このため、低段側圧縮機（21）内の各摺動部へ供給される冷凍機油が不足してしまうのが回避される。

<暖房運転>
暖房運転では、四路切換弁（23）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（25）の開度が運転条件に応じて適宜調節される。また、この暖房運転では、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。

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（25）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。

以上のように、暖房運転では、高圧冷媒を二段階に膨張する一方、低圧冷媒を二段階に圧縮すると共に、中間圧の気液二相状態の冷媒を気液分離器（33）でガス冷媒と液冷媒とに分離し、分離後のガス冷媒を高段側圧縮機（31）へ戻す、二段圧縮二段膨張冷凍サイクルが行われる。

一方、このように気液分離器を用いて二段圧縮二段膨張冷凍サイクルを行うと、従来の空気調和装置であれば、高段側圧縮機で冷凍機油が不足してしまうという問題が生じる。即ち、気液分離器では、冷媒中の冷凍機油のほとんどが液冷媒に溶け込む一方、ガス冷媒中には冷凍機油がほとんど含まれない。このため、気液分離器に流れた冷媒中の冷凍機油は、ほとんどが低段側圧縮機に送られることになる。その結果、高段側圧縮機に戻される冷凍機油の量は、低段側圧縮機と比較して相対的に不足気味となる。従って、従来のものでは、高段側圧縮機の各摺動部の潤滑不良に伴って、各摺動部における摺動損失の増大、焼き付き、摩耗等を招く恐れがある。

本実施形態の空気調和装置（10）では、このような問題を解消するべく、低段側油分離器（26）の油分離率を高段側油分離器（36）の油分離率より低く設定している。

具体的に、気液分離器（33）で分離された後の液冷媒は、冷凍機油を多く含んだ状態で低段側圧縮機（21）に吸入されるが、この低段側圧縮機（21）の吐出冷媒中から低段側油分離器（26）で分離される冷凍機油の量は、高段側油分離器（36）と比較すると少量となる。従って、第１油分離管（27）を経由して低段側圧縮機（21）へ戻る冷凍機油の量が相対的に少なくなる一方、冷媒と共に低段側油分離器（26）を通過する冷凍機油の量が相対的に多くなる。このため、その後に高段側圧縮機（31）へ送られる冷媒中の冷凍機油の量も多くなる。

逆に、高段側油分離器（36）で分離される冷凍機油の量は、低段側油分離器（26）と比較すると多量となる。従って、第２油分離管（37）を経由して高段側圧縮機（31）へ戻る冷凍機油の量も相対的に多くなる一方、冷媒と共に高段側油分離器（36）を通過する冷凍機油の量が相対的に多くなる。

以上のように、本実施形態の空気調和装置（10）では、高段側圧縮機（31）へ冷凍機油を積極的に戻すようにしている。従って、暖房運転時に二段圧縮二段膨張冷凍サイクルを行っても、高段側圧縮機（31）内の冷凍機油が不足してしまうことが回避される。

−実施形態１の効果−
上記実施形態１では、低段側油分離器（26）をサイクロン式の油分離器で構成し、高段側油分離器（36）をデミスタ式の油分離器で構成することで、低段側油分離手段（26,27,28）の油分離率を高段側油分離手段（36,37,38）の油分離率よりも低く設定している。このため、二段圧縮二段膨張冷凍サイクルでの暖房運転時時における高段側圧縮機（31）の油戻り量不足を解消することができる。従って、高段側圧縮機（31）の各摺動部を確実に潤滑することができ、各摺動部での焼き付きや摩耗、あるいは摺動損失の増大に伴う圧縮効率の低下を回避することができる。

<実施形態１の変形例>
図４に示すように、この変形例は、実施形態１と高段側油分離手段の構成が異なるものである。具体的に、この変形例では、高段側圧縮機（31）の吐出管（31a）に、２つの高段側油分離器（36a,36b）が設けられている。これらの油分離器（36a,36b）は、それぞれサイクロン式の油分離器で構成されている。各油分離器（36a,36b）で分離された冷凍機油は、第２油分離管（37）で合流してから高段側圧縮機（31）の吸入側に戻される。

一方、低段側圧縮機（21）の吐出管（21a）には、上記実施形態１と同様、低段側油分離器（26）が１つ設けられている。なお、この変形例では、高段側の各油分離器（36a,36b）と、低段側の油分離器（26）とがそれぞれ同等の性能を有している。

この変形例では、油分離器の数量の差に起因して、低段側油分離手段の方が高段側油分離手段よりも油分離率が低くなっている。このため、実施形態１と同様、二段圧縮二段膨張冷凍サイクル中における高段側圧縮機（31）の油戻り量不足を解消することができる。

《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）の冷媒回路（15）に高段側圧縮機（31）の油戻し管（51）を付与したものである。この油戻し管（51）の一端は、高段側圧縮機（31）のケーシング胴部に接続されており、該ケーシング内に形成される油溜めの所定高さ位置に開口している。一方、油戻し管（51）の他端は、室外ユニット（20）の低段側圧縮機（21）の吸入管（21b）に接続されている。また、油戻し管（51）には、第３キャピラリーチューブ（52）が設けられている。

上述のように、高段側油分離手段（36,37,38）の油分離率は、低段側油分離手段（26,27,28）の油分離率よりも高くなっている。このため、上述の暖房運転では、高段側圧縮機（31）の冷凍機油が貯まり過ぎて油溜めの油面が次第に上昇し、高段側圧縮機（31）の各構成部品が冷凍機油で浸かってしまう恐れがある。これを回避するため、実施形態２では、高段側圧縮機（31）に過剰に貯まった冷凍機油を低段側圧縮機（21）の吸入側に戻すようにしている。

具体的に、高段側圧縮機（31）内の冷凍機油が過剰となり、その油面高さが所定高さまで上昇すると、過剰分の冷凍機油は油戻し管（51）に流入する。この冷凍機油は第３キャピラリーチューブ（52）で減圧された後、低段側圧縮機（21）に吸入される。その結果、高段側圧縮機（31）内の油面高さが上昇し過ぎることが回避される。一方で、高段側圧縮機（31）へは積極的に油が戻されるため、高段側圧縮機（31）内の冷凍機油が不足することはなく、高段側圧縮機（31）では、所定の油面高さが常に確保されることになる。

<実施形態２の変形例>
図６に示すように、この変形例は、上記実施形態２と油戻し管（51）の接続位置が異なるものである。具体的に、この変形例２では、油戻し管（51）の他端が、気液分離器（33）の第２管（33b）の流出端側に接続されている。従って、高段側圧縮機（31）から油戻し管（51）に流出した過剰分の冷凍機油は、第２管（33b）を流出した冷媒と混合される。そして、この冷凍機油を含む冷媒は、室外熱交換器（22）を経由した後、低段側圧縮機（21）に吸入される。

この変形例では、上記実施形態２と異なり、油戻し管（51）がオプションユニット（30）内に納められるので、配管の施工が容易となる。即ち、上述した実施形態２では、オプションユニット（30）側の油戻し管（51）が室外ユニット（20）側の吸入管（21b）と接続するため、オプションユニット（30）と室外ユニット（20）との間で連絡配管が必要となるのに対し、この変形例では、このような連絡配管を設ける必要がなくなる。また、この変形例では、既設の室外ユニット（20）にオプションユニット（30）を接続する場合、室外ユニット（20）側の配管を改修する必要もない。つまり、この変形例では、高段側圧縮機（31）、気液分離器（33）、及び油戻し管（51）が全てオプションユニット（30）内に納められるので、オプションユニット（30）の増設、交換等の施工が簡便化できると同時に、高段側圧縮機（31）内の過剰の冷凍機油を低段側圧縮機（21）側に戻す機能を付加することができる。

《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。

上記実施形態では、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。しかしながら、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。

また、上記実施形態では、油分離手段としてサイクロン式やデミスタ式の油分離器を用いるようにしているが、金網式等の他の方式の油分離器を採用してもよい。

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、気液分離器を用いて二段圧縮二段膨張冷凍サイクルを行う冷凍装置における高段側圧縮機の油戻し技術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。 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１の変形例の冷凍装置の冷媒回路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。 実施形態２の変形例の冷凍装置の冷媒回路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
26 低段側油分離器（低段側油分離手段）
30 オプションユニット
31 高段側圧縮機
36 高段側油分離器（高段側油分離手段）
40 室内ユニット
41 室内熱交換器

Claims (5)

1. 低段側圧縮機（21）と高段側圧縮機（31）と中間圧冷媒の気液分離器（33）とを有して二段圧縮二段膨張冷凍サイクルを行う冷媒回路（15）を備えた冷凍装置であって、
   上記冷媒回路（15）には、上記低段側圧縮機（21）の吐出冷媒中から分離した冷凍機油を該低段側圧縮機（21）の吸入側に戻す低段側油分離手段（26,27,28）と、上記高段側圧縮機（31）の吐出冷媒中から分離した冷凍機油を該高段側圧縮機（31）の吸入側に戻す高段油分離手段（36,37,38）とが設けられ、
   上記低段側油分離手段（26,27,28）は、その油分離率が上記高段側油分離手段（36,37,38）の油分離率よりも低く設定さ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、
   上記高段側油分離手段は、上記高段側圧縮機（31）の吐出側に直列に接続される複数の油分離器（36a,36b）を備え、
   上記低段側油分離手段は、上記低段側圧縮機（21）の吐出側に接続されるとともに、上記高段側圧縮機（31）の油分離器（36a,36b）よりも少ない数量の油分離器（26）を備えていることを特徴とする冷凍装置。
3. 請求項１において、
   上記高段側圧縮機（31）のケーシングの内部には、冷凍機油の油溜めが形成される一方、
   上記冷媒回路（15）には、一端が上記油溜めの所定高さ位置に開口するように高段側圧縮機（31）のケーシングに接続され、他端が低段側圧縮機（21）の吸入側に接続された油戻し管（51）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において、
   上記高段側圧縮機（31）のケーシングの内部には、冷凍機油の油溜めが形成される一方、
   上記冷媒回路（15）には、一端が上記油溜めの所定高さ位置に開口するように高段側圧縮機（31）のケーシングに接続され、他端が上記気液分離器（33）における液冷媒の流出側に接続された油戻し管（51）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、
   上記冷媒回路（15）は、上記低段側圧縮機（21）及び室外熱交換器（22）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）、気液分離器（33）、及び油戻し管（51）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ることを特徴とする冷凍装置。

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