JP2013108396A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】オイルセパレータの容積を大きくせずに、オイル分離効率及びオイル貯留量を確保し、圧縮機の潤滑不良を防止することができる冷凍装置を提供する。
【解決手段】オイルセパレータ２２で分離されたオイルを貯留する所定容積を有するオイルタンク６１を設け、このオイルタンク６１に貯留されたオイルを前記オイル戻し管２８，２８Ａを通して圧縮機１１のケース１２内に戻すとともに、オイル戻し管２８Ａの開度を調整する電動弁３０を設け、電動弁３０の開度を、圧縮機１１の運転周波数に応じて調整するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、オイルセパレータで捕捉されたオイルを圧縮機内に戻すオイル戻し管を備えた冷凍装置に関する。

一般に、吸入した冷媒を多段階に圧縮して吐出する多段式（例えば２段式）の圧縮機と、この圧縮機の高圧吐出管に設けられたオイルセパレータと、このオイルセパレータで捕捉されたオイルを圧縮機に戻すオイル戻し管とを備える冷凍装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この種の冷凍装置では、圧縮機のケース内が中間圧もしくは低圧となるように構成するとともに、オイル戻し管に電磁開閉弁を備え、ケース内のオイル量が下限まで減少した際に、この電磁開閉弁を開閉することにより、吐出冷媒（高圧）とケース内（中間圧もしくは低圧）との差圧を利用してオイルをケース内に戻す構成とするものがある。

特開２００８−１４４６４３号公報

ところで、二酸化炭素（ＣＯ₂）を冷媒として使用する冷凍装置では、フロン（代替フロンを含み、フルオロカーボン系冷媒とも言う）を使用する冷凍装置に比べて、作動圧力が高いので、十分な耐圧強度を確保する必要性から、オイルセパレータの内径を大きくすることが困難であり、オイルセパレータの容積を大きく確保することが難しかった。
オイルセパレータの容積を十分に確保できないと、オイルセパレータにおけるオイル分離効率（オイルセパレータ内で冷媒の流速を落として冷媒とオイルを分離する効率）が低下し、分離できなかったオイルが冷凍サイクルの低圧側にある蒸発器へと流れ、蒸発器内に滞留し、伝熱性能の低下や圧縮機の潤滑不良の原因となる。

また、オイルセパレータの容積が小さいと、十分なオイル貯留量を確保することも困難になり、オイル戻し管を通じて圧縮機へ戻るオイルに冷媒が混入し、冷凍装置の効率が著しく低下したり、圧縮機へ戻るオイル量が不足して潤滑不良を招いたりする原因となる。
また、二酸化炭素を冷媒として使用する冷凍装置では、フルオロカーボン系冷媒を使用する冷凍装置に比べて、冷媒回路の高圧側と低圧側（または中間圧）の圧力差が大きくなるので、圧縮機の吐出冷媒と圧縮機のケース内（中間圧もしくは低圧）との差圧が大きくなり、電磁開閉弁でオイル戻し量を適切に調整することが困難であり、これも圧縮機の潤滑不良を招く原因となる。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、オイルセパレータの容積を大きくせずに、オイル分離効率及びオイル貯留量を確保し、圧縮機の潤滑不良を防止することができる冷凍装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明は、二酸化炭素を冷媒として冷凍サイクル運転を行う冷媒回路を備え、この冷媒回路は、ケース内にオイルを貯留し、このオイルと共に冷媒を高圧吐出管に吐出する圧縮機と、前記高圧吐出管に設けられたオイルセパレータと、前記オイルセパレータで分離されたオイルを前記ケース内に戻すオイル戻し管とを有する冷凍装置において、前記オイルセパレータで分離されたオイルを貯留する所定容積を有するオイルタンクを設け、このオイルタンクに貯留されたオイルを前記オイル戻し管を通して前記ケース内に戻すとともに、前記オイル戻し管に電動弁を設け、前記電動弁の開度を、前記圧縮機の運転周波数に応じて調整する弁開度調整手段を設けたことを特徴とする。
この構成によれば、オイルセパレータで分離されたオイルを貯留する所定容積を有するオイルタンクを設け、このオイルタンクに貯留されたオイルを前記オイル戻し管を通して前記ケース内に戻すとともに、前記オイル戻し管の開度を調整する電動弁を設け、前記電動弁の開度を、前記圧縮機の運転周波数に応じて調整するので、オイルセパレータの容積を大きくせずに、オイル分離効率及びオイル貯留量を確保し、圧縮機の潤滑不良を防止することができる。

上記構成において、前記圧縮機は、並列に接続される複数の圧縮機を有し、前記オイルセパレータは、前記複数の圧縮機の高圧吐出管を合流した単一の高圧吐出管に設けられ、前記オイルタンクは、前記オイルオイルセパレータよりも高さが低い耐熱容器で形成されるようにしても良い。この構成によれば、複数の圧縮機でオイルセパレータを共用でき、部品点数の削減ができるとともに、オイルタンクについて、十分な耐圧強度を確保し易く、また、冷凍装置内へのレイアウトが容易になる。

また、上記構成において、前記オイル戻し管には、前記オイルタンクの下流にオイルクーラーが設けられるようにしても良い。この構成によれば、オイルを効率よく冷却することができる。

また、上記構成において、前記弁開度調整手段は、前記圧縮機の運転周波数が大きくなった際に前記電動弁の弁開度を大きくし、前記圧縮機の運転周波数が小さくなった際に前記電動弁の弁開度を小さくするようにしても良い。この構成によれば、オイルの吐出量に応じて、ケース内に戻されるオイル量を制御できるため、安定したオイル戻し制御が可能となる。

本発明によれば、オイルセパレータの容積を大きくせずに、オイル分離効率及びオイル貯留量を確保し、圧縮機の潤滑不良を防止することができる。

本実施形態に係る冷凍装置の回路構成図である。 オイル戻し制御の動作を示すフローチャートである。 運転停止制御の動作を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の一実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る冷凍装置の回路構成図である。
冷凍装置１は、冷凍機ユニット３と複数台（例えば２台）のショーケースユニット５Ａ，５Ｂとを備え、これら冷凍機ユニット３と各ショーケースユニット５Ａ，５Ｂとが、液冷媒配管７及びガス冷媒配管９により連結されて冷凍サイクル運転を行う冷媒回路１０を構成している。
この冷媒回路１０には、高圧側が超臨界圧力となる二酸化炭素（ＣＯ₂）冷媒が使用されている。二酸化炭素冷媒は、オゾン破壊係数が０で、地球温暖化係数が１であるため、環境への負荷が小さく、毒性、可燃性がなく安全で安価である。また、二酸化炭素冷媒に加えて、冷媒回路１０内の圧縮機１１を潤滑するためのオイルも冷媒配管に入れられている。図１には、実線矢印で冷媒の流れを示し、破線矢印でオイルの流れを示している。

冷凍機ユニット３は、並列に配管接続された２台の圧縮機１１，１１を備える。これら圧縮機１１，１１は、ケース１２，１２内が中間圧となる内部中間圧型のロータリ式二段圧縮機である。各圧縮機１１は、ケース１２内部に電動機部（図示略）と、この電動機部により駆動される低段圧縮要素１１Ａ及び高段圧縮要素１１Ｂとが配置されている。低段圧縮要素１１Ａは、ガス冷媒配管９を通じて圧縮機１１に吸い込まれる低圧の冷媒を中間圧まで昇圧して吐出し、高段圧縮要素１１Ｂは、上記低段圧縮要素１１Ａで圧縮された中間圧の冷媒を更に高圧まで昇圧して吐出する。また、圧縮機１１は、周波数可変型の圧縮機であり、電動機部の運転周波数を変更することにより、低段圧縮要素１１Ａ及び高段圧縮要素１１Ｂの回転数が調整可能となっている。

圧縮機１１のケース１２には、低段圧縮要素１１Ａに連通する低段側吸込口１２Ａ及び低段側吐出口１２Ｂと、高段圧縮要素１１Ｂに連通する高段側吸込口１２Ｃ及び高段側吐出口１２Ｄとが形成されている。各圧縮機１１，１１の低段側吸込口１２Ａ，１２Ａには、それぞれ低圧吸入管１３，１３が接続され、これら低圧吸入管１３，１３は低段圧縮要素１１Ａ，１１Ａの上流側で合流し、単一のアキュームレータ１４を介して、単一のガス冷媒配管９に接続される。また、低圧吸入管１３には、この低圧吸入管１３を流れる冷媒の吸込圧力と吸込温度とをそれぞれ検出する吸込圧力センサー１５と吸込温度センサー１６とが設けられている。

各低段側吐出口１２Ｂ，１２Ｂには、それぞれ中間圧吐出管１７，１７が接続され、この中間圧吐出管１７，１７は低段圧縮要素１１Ａ，１１Ａの下流側で合流して中間冷却器１８の一端に接続される。この中間冷却器１８は、低段圧縮要素１１Ａから吐出された中間圧の冷媒を冷却するものであり、当該中間冷却器１８の他端には、中間圧吸入管１９が接続され、この中間圧吸入管１９は２つに分岐した後に高段側吸込口１２Ｃ，１２Ｃに接続される。また、中間圧吸入管１９には、この中間圧吸入管１９を流れる冷媒の中間圧力を検出する中間圧力センサー２０が設けられている。本構成では、高段側吸込口１２Ｃは、ケース１２内空間を介して高段圧縮要素１１Ｂに連通しており、圧縮機１１の運転中、当該ケース１２内は中間圧に保たれる。

各高段側吐出口１２Ｄ，１２Ｄには、それぞれ高圧吐出管２１，２１が接続され、この高圧吐出管２１，２１は高段圧縮要素１１Ｂ，１１Ｂの下流側で合流し、単一の高圧吐出管２１Ａとなる。この高圧吐出管２１Ａは、単一のオイルセパレータ２２、ガスクーラー（放熱器）２３及び過冷却熱交換器２４を介して、液冷媒配管７に接続される。また、高段側吐出口１２Ｄ，１２Ｄには、高段圧縮要素１１Ｂ，１１Ｂから吐出された冷媒の吐出圧力と吐出温度とをそれぞれ検出する吐出圧力センサー２５と吐出温度センサー２６とが各々設けられている。

オイルセパレータ２２は、圧縮機１１から吐出された高圧の吐出冷媒中に含まれるオイルを冷媒と分離して捕捉するものであり、このオイルセパレータ２２には、捕捉したオイルを圧縮機１１に戻すオイル戻し管２８が接続されている。このオイル戻し管２８には、捕捉したオイルを冷却するオイルクーラー２７が設けられ、このオイルクーラー２７の下流側で、オイル戻し管２８は２系統のオイル戻し管（圧縮機１１毎のオイル戻し管）２８Ａに分岐され、それぞれストレーナ２９及び流量調整弁等の電動弁３０を介して圧縮機１１のケース１２に接続される。圧縮機１１のケース１２内は、上述のように中間圧に保たれるため、捕捉されたオイルは、オイルセパレータ２２内の高圧（高圧吐出管２１Ａ内の圧力と同等）とケース１２内の中間圧との差圧によって当該ケース１２内に戻される。

ところで、本冷凍装置１は、二酸化炭素冷媒を使用するため、フルオロカーボン系冷媒を使用する場合に比べて作動圧力が高く、耐圧強度を確保する必要性からオイルセパレータ２２の容積が制約される。このことは、オイルセパレータ２２のオイル分離効率が低下し、分離できなかったオイルが冷凍サイクルの低圧側にある蒸発器（ケース熱交換器４３Ａ，４３Ｂ）へと流れ、蒸発器内に滞留し、伝熱性能の低下や圧縮機の潤滑不良の原因となる。また、分離されたオイルをオイルセパレータ２２内に十分に貯留できず、圧縮機１１へ戻るオイルに冷媒が混入し、冷凍装置１の効率が著しく低下したり、圧縮機１１へ戻るオイル量が不足して潤滑不良を招いたりする原因にもなる。
そこで、本実施形態では、オイルセパレータ２２で分離されたオイルを貯留する所定容積を有する単一のオイルタンク６１を設け、このオイルタンク６１に貯留されたオイルをオイル戻し管２８Ａ，２８Ａを通して圧縮機１１，１１のケース１２内に戻すようにしている。

このオイルタンク６１は、オイルセパレータ２２よりも高さが低い小型（小容積）の耐熱容器で形成され、本冷凍装置１の高い作動圧力に耐えるのに十分な耐圧強度を有し、オイルセパレータ２２に隣接して配置されている。
オイルセパレータ２２とオイルタンク６１とを接続するオイル配管２８Ｂは、一端がオイルセパレータ２２内の底部近傍で開口し、底部近傍のオイルを上記差圧によってオイル配管２８Ｂ内に引き込み、オイルタンク６１内に引き込む。このオイルタンク６１には、圧縮機１１，１１につながる単一のオイル戻し管２８の一端が接続され、上記差圧によりオイルタンク６１内のオイルがオイル戻し管２８に吸い込まれ、圧縮機１１，１１のケース１２内に戻される。
この構成によれば、オイルセパレータ２２で分離されたオイルは圧縮機１１，１１のケース１２内の負圧によりオイルタンク６１内に流れて溜まり、その分、オイルセパレータ２２内のオイル油面を低くすることができる。これにより、オイル分離空間（気相冷媒とオイルミストの混合流からオイルを分離させるための空間）を広く確保してオイル分離効率を高めるとともに、オイルタンク６１内に十分なオイル量を確保できる。

圧縮機１１のケース１２には、このケース１２内に貯留されているオイルのレベル（オイル量）を検出するオイルレベルセンサー（オイルレベル検出手段）３１が設けられている。
オイルレベルセンサー３１は、上限レベル及び下限レベルを検出できる２接点式のレベルセンサであり、図示は省略するが、ケース１２に連通するセンサケースを備え、このセンサケース内のオイルレベルは、圧縮機１１のケース１２内のオイルレベルに応じて変動する。また、センサケース内には、オイルレベルの変動に応じて上下に浮遊するフロートと、このフロートの高さ位置が変動することによって開閉される上接点及び下接点とを備えるフロートスイッチが配置されている。このフロートスイッチでは、フロートに磁石が配置され、この磁石の磁力によって、異なる高さに配置された上接点及び下接点が開閉される。
具体的には、ケース１２内のオイルレベルが上限レベルを上回ると上接点がオンし、この上限レベルを下回ると上接点がオフする。また、ケース１２内のオイルレベルが下限レベルを上回ると下接点がオフし、この下限レベルを下回ると下接点がオンする。

ガスクーラー２３は、圧縮機１１から吐出された高圧の吐出冷媒を冷却するものであり、本構成では、ガスクーラー２３は、上記した中間冷却器１８及びオイルクーラー２７に並設されている。これらガスクーラー２３、中間冷却器１８及びオイルクーラー２７には、当該ガスクーラー２３、中間冷却器１８及びオイルクーラー２７に向けて送風する冷却ファン３２が隣接して設けられている。
過冷却熱交換器２４は、ガスクーラー２３で冷却され、ガスクーラー２３から高圧吐出管２１Ａ及び液冷媒配管７を通じて、ショーケースユニット５Ａ，５Ｂが備える第一膨張弁（第一絞り手段）４２Ａ，４２Ｂへ向かう冷媒を、このガスクーラー２３の出口側で分岐された分岐冷媒を用いて過冷却するものである。この過冷却熱交換器２４の分岐冷媒流路入口には、ガスクーラー２３の出口側で高圧吐出管２１から分岐された分岐配管３３が、第二膨張弁３４を介して接続され、分岐冷媒流路出口は、中間冷却器１８の出口側の中間圧吸入管１９に接続されている。また、高圧吐出管２１には、過冷却熱交換器２４の入口側及び出口側に、それぞれ高圧吐出管２１を流れる冷媒温度を検出する入口温度センサー３５及び出口温度センサー３６が設けられている。

また、冷凍機ユニット３は、冷凍装置１全体の動作を制御する主制御装置５０を備える。この主制御装置５０は、ショーケースユニット５Ａ，５Ｂの冷凍負荷に応じて、圧縮機１１，１１の運転周波数を調整するとともに、吐出温度センサー２６が検出する高段圧縮要素１１Ｂの冷媒吐出温度に基づいて第二膨張弁３４の開度を調整する。なお、この第二膨張弁３４の開度は、過冷却熱交換器２４の中間圧となる分岐冷媒の出口温度、過冷却熱交換器２４の冷媒の出入口温度差等に基づいて調整しても良い。
また、主制御装置５０は、オイルセパレータ２２から各圧縮機１１，１１へのオイル戻し制御を実行し、このオイル戻し制御時に、各圧縮機１１，１１の運転周波数に基づいて、各電動弁３０，３０の弁開度を調整する。さらに、オイル戻し制御をする際に、各オイルレベルセンサー３１で検出したオイルレベルに基づいて、弁開度を補正する。この実施形態では、主制御装置５０は、圧縮機１１，１１の運転周波数に応じて、電動弁３０，３０の弁開度を調整する弁開度調整手段として機能するとともに、オイルレベルに応じて弁開度を補正する弁開度補正手段として機能する。

一方、ショーケースユニット５Ａ，５Ｂは、それぞれ店舗内等に設置され、液冷媒配管７及びガス冷媒配管９にそれぞれ並列に接続されている。各ショーケースユニット５Ａ，５Ｂは、液冷媒配管７とガス冷媒配管９とを連結するケース冷媒配管４０Ａ，４０Ｂを備え、これらケース冷媒配管４０Ａ，４０Ｂには、それぞれストレーナ４１Ａ，４１Ｂと、第一膨張弁（第一絞り手段）４２Ａ，４２Ｂとケース熱交換器４３Ａ，４３Ｂとが設けられている。このケース熱交換器４３Ａ，４３Ｂには、当該ケース熱交換器４３Ａ，４３Ｂに送風するケースファン４４Ａ，４４Ｂが隣接して設けられている。
また、ショーケースユニット５Ａ，５Ｂは、これらショーケースユニット５Ａ，５Ｂの各部の動作を制御するケース制御装置４５Ａ，４５Ｂを備え、このケース制御装置４５Ａ，４５Ｂは、主制御装置５０と通信可能に構成される。ケース制御装置４５Ａ，４５Ｂは、ケース熱交換器４３Ａ，４３Ｂの出入口温度差（過熱度）に基づいて、第一膨張弁４２Ａ，４２Ｂの開度をそれぞれ調整する。

次に、上記したオイル戻し制御の動作について説明する。図２は、オイル戻し制御の動作を示すフローチャートである。なお、このオイル戻し制御は両圧縮機１１，１１で同様であるため、以下、一方の圧縮機１１及び対応する電動弁３０について説明する。
主制御装置５０は、冷凍装置１の運転が開始されると、電動弁３０の初期開度を取得する（ステップＳ１）。この初期開度は、冷凍装置１（すなわち圧縮機１１，１１）の運転起動時に設定される弁開度であり、本実施形態では、電動弁３０を略閉じた状態とする弁開度（例えば３０パルス）に設定されている。
続いて、主制御装置５０は、電動弁３０の弁開度を、それぞれ圧縮機１１の運転周波数に応じて調整する（ステップＳ２）。この弁開度は、圧縮機１１の運転周波数と、オイルレベルによって適宜変更される補正係数Ａとから算出される。具体的には、運転周波数を変数ｘとする相関式ｆ（ｘ）により求められた値と、補正係数Ａとを乗算することにより弁開度を求めており、運転周波数が高いときは弁開度を大きく、低いときは弁開度を小さくする。

冷凍装置１が始動して圧縮機１１の運転が開始されると、主制御装置５０は、補正係数Ａを初期値（Ａ＝２．０）に設定し（ステップＳ３）、この値を用いて弁開度を調整する。これにより、冷凍装置１が始動した後には、電動弁３０の弁開度が圧縮機１１の運転周波数に応じて調整される。このため、各電動弁３０の弁開度を、各圧縮機１１の運転周波数に応じた弁開度にでき、従来の電動開閉弁でオイル戻し量を調整する構成に比して、オイル戻し量を圧縮機１１に合わせて細かく調整できる。
ここで、補正係数Ａの初期値は、圧縮機１１から吐出されるオイル量に相当するオイル戻し量を得るための弁開度にする値に設定され、例えば、圧縮機１１の仕様に基づいて設定される。これにより、各圧縮機１１から吐出されるオイル量と、各圧縮機１１のケース１２，１２内に戻されるオイル量とのバランスを向上させることができ、各圧縮機１１へのオイル戻し量を適正にすることができる。

続いて、主制御装置５０は、内蔵するタイマーをリセットした後（ステップＳ４）、両圧縮機１１，１１のフロートスイッチの下接点がオフであるか否かを判別する（ステップＳ５）。
この判別において、フロートスイッチの下接点がオフでない場合（ステップＳ５；Ｎｏ）、すなわちオイルレベルが下限レベルを下回っている場合には、予め定めた第１の待ち時間（本実施形態では３０秒）が経過したか否かを判別し（ステップＳ６）、この待ち時間が経過していなければ（ステップＳ６；Ｎｏ）、ステップＳ５の処理へ戻る。
この待ち時間が経過したか否かを判断する処理を行うことにより、圧縮機運転時に生じるオイル面の変動によるオイルレベルの誤検知を回避することができる。そして、待ち時間が経過した場合（ステップＳ６；Ｙｅｓ）、つまり、オイルレベルが下限レベルを継続して下回っている場合に、ケース１２内のオイル量が過少と判断されるため、主制御装置５０は、処理をステップＳ１２に移行して電動弁３０の弁開度を補正する。

フロートスイッチの下接点がオフである場合（ステップＳ５；Ｙｅｓ）、すなわち、オイルレベルが下限レベルを上回っている場合には、主制御装置５０は、内蔵するタイマーをリセットした後（ステップＳ７）フロートスイッチの上接点がオフであるか否かを判別する（ステップＳ８）。
ステップＳ８の判別において、フロートスイッチの上接点がオフでない場合（ステップＳ８；Ｎｏ）、すなわちオイルレベルが上限レベルを上回っている場合には、予め定めた第２の待ち時間（本実施形態では３０秒）が経過したか否かを判別し（ステップＳ９）、この待ち時間が経過していなければ（ステップＳ９；Ｎｏ）、ステップＳ８の処理へ戻る。これにより、上記と同様に、オイルレベルの誤検知を回避することができ、待ち時間が経過した場合、つまり、オイルレベルが上限レベルを継続して上回っている場合に、ケース１２内のオイル量が過多と判断されるため、主制御装置５０は、処理をステップＳ１５に移行して電動弁３０の弁開度を補正する。

一方、フロートスイッチの上接点がオフである場合（ステップＳ８；Ｙｅｓ）すなわち、オイルレベルが上限レベルを下回っている場合には、主制御装置５０は、圧縮機１１，１１が停止しているか否かを判別する（ステップＳ１０）。この判別において、圧縮機１１が停止していない場合（ステップＳ１０；Ｎｏ）、処理をステップＳ４に移行し、上記ステップＳ４〜Ｓ１０で示されるオイルレベル判定処理を繰り返し実行する。
また、圧縮機１１が停止している場合には（ステップＳ１０；Ｙｅｓ）、電動弁３０の弁開度を初期開度に設定して処理を終了する（ステップＳ１１）。

上述したように、フロートスイッチの下接点がオフでない状態が継続した場合（ステップＳ６；Ｎｏ）、ケース１２内のオイル量が過少と判断されるため、そのケース１２へのオイル戻し管２８Ａに設けられた電動弁３０の弁開度を大きく（拡径）するように補正する。具体的には、主制御装置５０は、圧縮機１１の電動弁３０の弁開度に関する補正係数Ａを、所定量（本実施形態では１０％）増加して設定する（ステップＳ１２）。これにより、圧縮機１１の運転周波数に応じて調整された電動弁３０の弁開度が、ケース１２内のオイル量に基づいて大きくなるように補正される。このため、ケース１２内に戻されるオイル量を増大させることができ、当該ケース１２内のオイル量が過少である状態を早期に解消できる。
また、主制御装置５０は、補正係数Ａが所定の上限値（本実施形態では６．０）よりも大きいか否かを判別する（ステップＳ１３）。この上限値は、補正係数Ａを増加する際の上限値であり、補正係数Ａが上限値より小さい場合（ステップＳ１３；Ｎｏ）には、処理をステップＳ４に戻す。
一方、補正係数Ａが上限値を超える場合（ステップＳ１３；Ｙｅｓ）には、補正係数Ａを上限値に設定し（ステップＳ１４）、処理をステップＳ４に戻す。

フロートスイッチの上接点がオフでない状態が継続した場合（ステップＳ９；Ｎｏ）、ケース１２内のオイル量が過多と判断されるため、電動弁３０の弁開度を小さく（縮径）するように補正する。具体的には、主制御装置５０は、圧縮機１１の電動弁３０の弁開度に関する補正係数Ａを、所定量（本実施形態では約５％）減少して設定する（ステップＳ１５）。これにより、圧縮機１１の運転周波数に応じて調整された電動弁３０の弁開度が、ケース１２内のオイル量に基づいて小さくなるように補正される。このため、ケース１２内に戻されるオイル量を減少させることができ、当該ケース１２内のオイル量が過多である状態を早期に解消できる。
続いて、主制御装置５０は、補正係数Ａが所定の下限値（本実施形態では０．３）よりも小さいか否かを判別する（ステップＳ１６）。この下限値は、補正係数Ａを減少する際の下限値であり、補正係数Ａが下限値以上の場合（ステップＳ１６；Ｎｏ）には、処理をステップＳ４に戻す。
一方、補正係数Ａが下限値を下回る場合（ステップＳ１６；Ｙｅｓ）には、補正係数Ａを下限値に設定し（ステップＳ１７）、処理をステップＳ４に戻す。

このように本実施形態では、ケース１２内が中間圧となる２段式の圧縮機１１と、この圧縮機１１の高圧吐出管２１に設けられたオイルセパレータ２２と、このオイルセパレータ２２で捕捉したオイルをケース１２内に戻すオイル戻し管２８と、オイル戻し管２８Ａに設けられた電動弁３０と、この電動弁３０の弁開度を圧縮機１１の運転周波数に応じて調整する弁開度調整手段としての主制御装置５０とを備えるため、二酸化炭素冷媒を使用する構成でも、圧縮機１１から吐出されるオイル量と当該圧縮機１１のケース１２内に戻されるオイル量とのバランスを図ることができ、当該ケース１２内のオイル量を容易に制御することができる。

また、本実施形態では、主制御装置５０は、圧縮機１１の運転周波数が大きくなった際に電動弁３０の弁開度を大きくし、圧縮機１１の運転周波数が小さくなった際に電動弁３０の弁開度を小さくするため、当該圧縮機１１から吐出されるオイルの吐出量に応じて、ケース１２内に戻されるオイル量を制御できるため、安定したオイル戻し制御が可能となる。

また、本実施形態では、ケース１２内のオイルレベルを検出するオイルレベルセンサー３１を備え、主制御装置５０は、オイルレベルセンサー３１で検出したオイルレベルが上限レベルを上回った場合には、圧縮機１１の運転周波数に応じて調整された電動弁３０の弁開度を小さくするように補正し、当該オイルレベルが下限レベルを下回った場合には、当該弁開度を大きくするように補正するため、ケース１２内のオイル量が過少または過多となった状態をすみやかに解消することができ、当該ケース１２内のオイル量が不足しないように制御できる。

本冷凍装置１は、上述したように、圧縮機１１の運転周波数やケース１２内のオイルレベルに応じて、オイル戻し管２８Ａに設けられた電動弁３０の弁開度を調整するオイル戻し制御を行うため、オイル戻し量の適正化を図り圧縮機１１内のオイル量が少なくなる事態を可及的に避けることができる。
しかしながら、この冷凍装置１であっても、設置した直後に行われる試運転時、特に配管距離が長い場合の試運転時には、配管内にオイルが適正に循環するまでに時間がかかる場合があり、かかる場合には、電動弁３０、３０を大きく開けても、圧縮機１１，１１のケース１２，１２内にオイルが戻らず、ケース１２，１２内のオイル量が少なくなる事態が生じる。更に、冷凍装置１内のオイル総量が少ない場合にも、電動弁３０、３０の開度によらず、圧縮機１１，１１のケース１２，１２内のオイル量が少なくなる事態が生じる。
上記オイル戻し制御では、オイル量が少ない場合でも圧縮機１１の運転が継続するため、試運転時やオイル総量が少ない場合等に圧縮機１１の運転を継続してしまい、潤滑不良を招くおそれが生じる。そこで、本実施形態では、上記のオイル戻し制御に加えて、圧縮機１１内のオイル量が少ない状態での圧縮機１１の運転を回避する運転停止制御を行うようにしている。

図３は、運転停止制御の動作を示すフローチャートである。このフローは、冷凍装置１の冷却運転が開始されると、所定の割り込み周期で繰り返し実行され、図２に示すオイル戻し制御と並行して実施される。なお、この運転停止制御についても両圧縮機１１，１１で同様に実施される。
まず、主制御装置５０は、内蔵する別のタイマーをリセットした後（ステップＳ２１）、圧縮機１１のフロートスイッチの下接点がオフであるか否かを判別する（ステップＳ２２）。
この判別において、フロートスイッチの下接点がオフでない場合（ステップＳ２２；Ｎｏ）、すなわちオイルレベルが下限レベルを下回っている場合には、上記オイル戻し制御ではオイル量が増えない状態、つまり、オイル不足を回避不能な状態と判断できる待ち時間（運転停止判断用の待ち時間）が経過したか否かを判別する（ステップＳ２３）。この待ち時間は、オイル戻し制御用の上記第１及び第２の待ち時間（本実施形態では３０秒）よりも長い時間であって、圧縮機１１に大きな悪影響を与えない時間内に設定され、本実施形態では１０分に設定される。

主制御装置５０は、待ち時間が経過していなければ（ステップＳ２３；Ｎｏ）、ステップＳ２２の処理へ戻り、待ち時間が経過した場合（ステップＳ２３；Ｙｅｓ）、オイルレベルが下限レベルを下回った状態が継続している圧縮機１１の運転を停止し（ステップＳ２４）、ステップＳ２２の処理へ戻る。これにより、オイル量が少ない状態での圧縮機１１の運転を回避することができる。
一方、フロートスイッチの下接点がオフである場合（ステップＳ２２；Ｙｅｓ）、すなわち、オイルレベルが下限レベルを上回っている場合には、主制御装置５０は、そのフロートスイッチが設けられている圧縮機１１が停止中か否かを判別し（ステップＳ２５）、停止中でなければ（ステップＳ２５；Ｎｏ）、ステップＳ２１の処理へ戻る。

圧縮機１１が停止中の場合（ステップＳ２５；Ｙｅｓ）、主制御装置５０は、運転を指示する運転信号ありか否か、つまり、運転指示が継続中か、又は、新たな運転指示があったか否かを判別する（ステップＳ２６）。運転指示があれば（ステップＳ２６；Ｙｅｓ）、主制御装置５０は、圧縮機１１を再び運転させる（ステップＳ２７）。すなわち、圧縮機１１の運転停止後、オイルレベルが下限レベルを上回っている場合に圧縮機１１の運転を再開する。
一方、運転指示がなければ（ステップＳ２６；Ｎｏ）、主制御装置５０は、当該処理を終了し、圧縮機１１を停止させたままにする。これにより、オイル量が少ない状態での圧縮機１１の運転を継続して回避する。

ここで、主制御装置５０は、ステップＳ２４の処理によって圧縮機１１の運転を停止した場合、この圧縮機１１の運転停止による運転能力低下を補うように他の圧縮機１１の運転能力を増大させる制御を行う。具体的には、他の圧縮機１１が停止中であれば、他の圧縮機１１の運転を開始し、停止した圧縮機１１の停止前の能力で運転させる制御を行い、他の圧縮機１１が運転中であれば、停止した圧縮機１１の停止前の運転能力分だけ、他の圧縮機１１の運転能力を上げる。これにより、運転能力の低下が抑えられ、外部負荷（冷凍負荷）に応じた冷凍運転が継続される。

以上説明したように、本実施の形態では、主制御装置５０が、圧縮機１１の運転中にオイルレベルが下限レベルを下回った状態が継続した場合に圧縮機１１の運転を停止させ、オイルレベルが下限レベルを上回った場合に圧縮機１１の運転を再開する運転制御手段として機能するので、圧縮機１１内のオイル量が少ない状態での圧縮機１１の運転を回避し、圧縮機１１の潤滑不良を防止できる。
しかも、本実施形態では、オイル戻し管２８Ａに設けられた電動弁３０の弁開度を圧縮機１１の運転周波数に応じて調整する制御を行うので、試運転時やオイル総量が少ない等の特別な状態でない限りは、オイル戻し量を適正化でき、圧縮機１１内のオイルが少ない状態が継続する事態を避けることができる。
このようにして、本実施形態では、二酸化炭素冷媒を使用する構成で、オイル戻し量の適正化を図って圧縮機１１の運転を継続可能にしつつ、上記の特別な状態を原因として圧縮機１１内のオイルが少なくなった際の圧縮機１１の潤滑不良を防止することが可能になる。

また、本実施形態では、並列に接続される複数の圧縮機１１，１１を有し、オイルレベルが下限レベルを下回った状態が継続したことによっていずれかの圧縮機１１を運転停止させた場合に、運転停止による運転能力低下を補うように他の圧縮機１１の運転能力を増大させるので、運転能力の低下を抑えることができる。従って、いずれかの圧縮機１１を運転停止させても、冷凍負荷に応じた運転を継続することができる。また、他の圧縮機１１を運転するので、運転停止した圧縮機１１へオイルを戻しやすくすることができる。

さらに、本実施形態では、オイルセパレータ２２で分離されたオイルを貯留する所定容積を有するオイルタンク６１を設け、このオイルタンク６１に貯留されたオイルをオイル戻し管２８を通して圧縮機１１のケース１２内に戻すとともに、オイル戻し管２８Ａの開度を調整する電動弁３０を設け、電動弁３０の開度を圧縮機１１の運転周波数に応じて調整するようにしたので、オイルタンク６１にオイルが溜まる分、オイルセパレータ２２内のオイル油面を低くすることができる。これによって、オイル分離空間を広く確保してオイル分離効率を高めるとともに、オイルタンク６１によって十分なオイル貯留量を確保できる。
従って、オイルセパレータ２２の容積を大きくせずに、オイル分離効率及びオイル貯留量を確保することができ、これによっても、二酸化炭素冷媒を使用する構成で、安定したオイル戻し制御が可能になり、圧縮機１１へ戻るオイルに冷媒が混入することも防止することができ、圧縮機１１の潤滑不良をより確実に防止することが可能になる。

また、上記オイルタンク６１を設けることによって、オイルタンク６１でオイルの温度を下げることができ、圧縮機１１に戻るオイルの温度を効率よく低下できるとともに、オイルタンク６１内の油面がオイルセパレータ２２内の気相冷媒によって乱されず、油面が安定する、といった効果も得られる。
さらに、オイルセパレータ２２は、複数の圧縮機１１，１１の高圧吐出管２１，２１を合流した単一の高圧吐出管２１Ａに設けられるので、複数の圧縮機１１，１１でオイルセパレータ２２を共用でき、部品点数の削減ができる。また、オイルタンク６１は、オイルセパレータ２２よりも高さが低い耐熱容器で形成されるので、十分な耐圧強度を確保し易く、また、冷凍装置１内へのレイアウトも容易である。
また、オイル戻し管２１Ａには、オイルタンク６１の下流にオイルクーラー２７が設けられるので、オイルを効率よく冷却することができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の変更実施が可能である。例えば、本実施形態では、２台の圧縮機１１，１１を備える場合を説明したが、これに限らず、１台又は３台以上にしても良い。また、ケース１２内が中間圧となる２段式の圧縮機１１に限らず、内部にオイルを貯留する公知の圧縮機を適用しても良い。
また、本実施形態では、熱源側機器となる冷凍機ユニット３と、利用側機器となるショーケースユニット５Ａ，５Ｂとからなる冷凍装置１に本発明を適用する場合を説明したが、公知の冷凍装置の構成を適用しても良い。
また、本実施形態では、オイルレベルセンサー３１を上限レベル及び下限レベルを検出できる２接点式のレベルセンサで構成する場合を説明したが、これに限らず、例えば、上限レベルと下限レベルとの間の中間レベルも検出できるレベルセンサで構成しても良い。

また、本実施形態では、運転停止制御において、圧縮機１１の運転を停止する場合と運転を再開する場合のオイルレベルを同じレベル（下限レベル）とする場合を説明したが、これに限らない。つまり、圧縮機１１の運転を停止する場合と運転を再開する場合のオイルレベルを異ならせても良く、例えば、オイルレベルが中間レベルを上回った場合に圧縮機１１の運転を再開させても良い。この場合、圧縮機１１内にオイルがより溜まった状態で圧縮機１１の運転を再開でき、潤滑不良を確実に回避すると共にその圧縮機１１の運転時間を長く確保でき、試運転時に配管内のオイルが適正に循環するまでの時間を確保し易くなる。

１ 冷凍装置
３ 冷凍機ユニット（熱源側機器）
５Ａ，５Ｂ ショーケースユニット（利用側機器）
１０ 冷媒回路
１１ 圧縮機
１２ ケース
２１ 高圧吐出管
２２ オイルセパレータ
２３ ガスクーラー
２７ オイルクーラー
２８，２８Ａ，２８Ｂ オイル戻し管
３０ 電動弁
３１ オイルレベルセンサー（オイルレベル検出手段）
３８ キャピラリチューブ（固定絞り）
５０ 主制御装置（弁開度調整手段、弁開度補正手段、運転制御手段）
６１ オイルタンク
Ａ 補正係数

Claims (4)

1. 二酸化炭素を冷媒として冷凍サイクル運転を行う冷媒回路を備え、この冷媒回路は、ケース内にオイルを貯留し、このオイルと共に冷媒を高圧吐出管に吐出する圧縮機と、前記高圧吐出管に設けられたオイルセパレータと、前記オイルセパレータで分離されたオイルを前記ケース内に戻すオイル戻し管とを有する冷凍装置において、
   前記オイルセパレータで分離されたオイルを貯留する所定容積を有するオイルタンクを設け、このオイルタンクに貯留されたオイルを前記オイル戻し管を通して前記ケース内に戻すとともに、前記オイル戻し管に電動弁を設け、前記電動弁の開度を、前記圧縮機の運転周波数に応じて調整する弁開度調整手段を設けたことを特徴とする冷凍装置。
2. 前記圧縮機は、並列に接続される複数の圧縮機を有し、
   前記オイルセパレータは、前記複数の圧縮機の高圧吐出管を合流した単一の高圧吐出管に設けられ、前記オイルタンクは、前記オイルオイルセパレータよりも高さが低い耐熱容器で形成されることを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
3. 前記オイル戻し管には、前記オイルタンクの下流にオイルクーラーが設けられることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷凍装置。
4. 前記弁開度調整手段は、前記圧縮機の運転周波数が大きくなった際に前記電動弁の弁開度を大きくし、前記圧縮機の運転周波数が小さくなった際に前記電動弁の弁開度を小さくすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の冷凍装置。

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