JP4779609B2 - 冷凍装置 - Google Patents

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が切換可能な冷凍装置に関し、特に、単段圧縮冷凍サイクル時の冷媒循環量の過不足対策に係るものである。

従来より、二段圧縮冷凍サイクルと単段圧縮冷凍サイクルが切り換え可能な冷凍装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１には、二段圧縮冷凍サイクルで暖房運転を行い、単段圧縮冷凍サイクルで冷房運転を行う空気調和装置が開示されている。

また、上記特許文献１の空気調和装置は、中間圧冷媒の気液分離器を備えている。そして、二段圧縮冷凍サイクルを行う際には、気液分離器で分離された中間圧のガス冷媒を低段側圧縮機の吐出冷媒と共に高段側圧縮機へ吸入させている。これにより、高段側圧縮機へ吸入される冷媒の過熱度を低下させ、高段側圧縮機への入力の削減を図っている。
特開２００１−２３５２４５号公報

しかしながら、上述した特許文献１のような冷凍装置では、単段圧縮冷凍サイクル時に冷媒循環量を調整する手段が何ら考慮されていないという問題があった。

つまり、二段圧縮冷凍サイクルから単段圧縮冷凍サイクルへ切り換えられると、二段圧縮冷凍サイクル中には冷媒が流通していた高段側圧縮機や気液分離器等が冷媒の循環経路から遮断されることになり、これらの部分に冷媒が閉じ込められる。したがって、単段圧縮冷凍サイクル時に、例えば、冷媒循環量が不足した場合、冷媒回路（15）全体としては十分な冷媒量が充填されているにも拘わらず、その冷媒を利用する手段がなかった。そのため、冷媒循環量を適切に調節できなかった。

本発明は、斯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、単段圧縮冷凍サイクル時に冷媒循環量を適切に調整することである。

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）とが接続された冷媒回路（15）を備え、上記気液分離器（33）は、膨張弁（34）が設けられた液流入管（33a）と、液流出管（33b）と、高段側圧縮機（31）の吸入側と接続されるガス流出管（33c）とを有し、上記冷媒回路（15）では、気液分離器（33）の中間圧のガス冷媒がガス流出管（33c）から流出して低段側圧縮機（21）の吐出冷媒と共に高段側圧縮機（31）へ吸入される一方、液冷媒が液流入管（33a）を通じて気液分離器（33）へ流入し且つ気液分離器（33）の中間圧の液冷媒が液流出管（33b）から流出する二段圧縮二段膨張冷凍サイクルと、高段側圧縮機（31）を停止させると共に液流入管（33a）の膨張弁（34）を閉じて低段側圧縮機（21）の吐出冷媒を循環させ、高段側圧縮機（31）の吸入側および気液分離器（33）が上記冷媒循環部分と遮断される単段圧縮冷凍サイクルとが切り換えて行われる冷凍装置を前提としている。

そして、本発明は、上記単段圧縮冷凍サイクル動作時に、冷媒循環量の不足を検知する冷媒量検知手段（51）と、該冷媒量検知手段（51）が冷媒循環量の不足を検知すると、液流入管（33a）の膨張弁（34）を閉じ気液分離器（33）を単段圧縮冷凍サイクル動作時の冷媒循環部分と遮断した状態で、高段側圧縮機（31）を運転させ、該高段側圧縮機（31）が気液分離器（33）のガス冷媒をガス流出管（33c）を通じて吸入して上記冷媒循環部分の低圧ラインへ吐出する冷媒補充動作を行う冷媒量制御手段（52）とを備えているものである。

上記の発明では、冷媒回路（15）において、二段圧縮二段膨張冷凍サイクルと単段圧縮冷凍サイクルとが切り換え可能に構成されている。先ず、二段圧二段膨張冷凍サイクル動作時では、低段側圧縮機（21）と高段側圧縮機（31）で冷媒が順に圧縮されると共に、気液分離器（33）の上流と下流のそれぞれにおいて冷媒が二段階に膨張する。一方、単段圧縮冷凍サイクル動作では、高段側圧縮機（31）が停止して低段側圧縮機（21）だけが運転され、低段側圧縮機（21）だけで冷媒が圧縮されて循環する。さらに、この単段圧縮冷凍サイクル動作において、高段側圧縮機（31）の吸入側および気液分離器（33）が冷媒が循環する部分から遮断されている。

ところで、単段圧縮冷凍サイクル動作時では、冷媒量検知手段（51）によって冷媒循環量の不足が検知される。そして、冷媒循環量の不足が検知されると、冷媒量制御手段（52）によって気液分離器（33）から冷媒が冷媒循環部分へ供給される（冷媒補充動作）。これにより、単段圧縮冷凍サイクル動作時の冷媒循環部分において、冷媒循環量が増大し、その冷媒循環量の不足状態が解消される。

具体的に、上記の発明では、単段圧縮冷凍サイクル動作時に冷媒循環量の不足が検知されると、気液分離器（33）のガス冷媒が高段側圧縮機（31）によって吸入され、冷媒循環部分へ補充される。その際、冷媒循環部分の冷媒が直接気液分離器（33）へ流入したり、気液分離器（33）の冷媒が直接冷媒循環部分へ流出することはない。

第２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）とが接続された冷媒回路（15）を備え、上記気液分離器（33）は、膨張弁（34）が設けられた液流入管（33a）と、液流出管（33b）と、高段側圧縮機（31）の吸入側と接続されるガス流出管（33c）とを有し、上記冷媒回路（15）では、気液分離器（33）の中間圧のガス冷媒がガス流出管（33c）から流出して低段側圧縮機（21）の吐出冷媒と共に高段側圧縮機（31）へ吸入される一方、液冷媒が液流入管（33a）を通じて気液分離器（33）へ流入し且つ気液分離器（33）の中間圧の液冷媒が液流出管（33b）から流出する二段圧縮二段膨張冷凍サイクルと、高段側圧縮機（31）を停止させると共に液流入管（33a）の膨張弁（34）を閉じて低段側圧縮機（21）の吐出冷媒を循環させ、高段側圧縮機（31）の吸入側および気液分離器（33）が上記冷媒循環部分と遮断される単段圧縮冷凍サイクルとが切り換えて行われる冷凍装置を前提としている。

そして、本発明は、上記単段圧縮冷凍サイクル動作時に、冷媒循環量の過不足を検知する冷媒量検知手段（51）と、該冷媒量検知手段（51）が冷媒循環量の不足を検知すると、液流入管（33a）の膨張弁（34）を閉じ気液分離器（33）を単段圧縮冷凍サイクル動作時の冷媒循環部分と遮断した状態で、高段側圧縮機（31）を運転させ、該高段側圧縮機（31）が気液分離器（33）のガス冷媒をガス流出管（33c）を通じて吸入して上記冷媒循環部分の低圧ラインへ吐出する冷媒補充動作と、上記冷媒量検知手段（51）が冷媒循環量の過剰を検知すると、高段側圧縮機（31）を停止させた状態で、液流入管（33a）の膨張弁（34）を開き気液分離器（33）を単段圧縮冷凍サイクル動作時の冷媒循環部分の高圧ラインと連通させて該冷媒循環部分の冷媒を気液分離器（33）へ貯留させる冷媒排出動作とを行う冷媒量制御手段（52）とを備えているものである。

上記の発明では、冷媒回路（15）において、二段圧縮二段膨張冷凍サイクルと単段圧縮冷凍サイクルとが切り換え可能に構成され、各サイクル動作は上述した第１の発明と同様である。

そして、単段圧縮冷凍サイクル動作時では、冷媒量検知手段（51）によって冷媒循環量の過不足が検知される。そして、冷媒循環量の不足が検知されると、冷媒量制御手段（52）によって気液分離器（33）から冷媒が冷媒循環部分へ供給される（冷媒補充動作）。これにより、単段圧縮冷凍サイクル動作時の冷媒循環部分において、冷媒循環量が増大し、その冷媒循環量の不足状態が解消される。また、上記冷媒量検知手段（51）によって冷媒循環量の過剰が検知されると、冷媒量制御手段（52）によって冷媒循環部分から冷媒が気液分離器（33）へ排出される（冷媒排出動作）。これにより、単段圧縮冷凍サイクル動作時の冷媒循環部分において、冷媒循環量が減少し、その冷媒循環量の過剰状態が解消される。

具体的に、上記の発明では、単段圧縮冷凍サイクル動作時に冷媒循環量の不足が検知されると、気液分離器（33）のガス冷媒が高段側圧縮機（31）によって吸入され、冷媒循環部分へ補充される。その際、冷媒循環部分の冷媒が直接気液分離器（33）へ流入したり、気液分離器（33）の冷媒が直接冷媒循環部分へ流出することはない。また、上記の発明では、単段圧縮冷凍サイクル動作時に冷媒循環量の過剰が検知されると、気液分離器（33）の液冷媒の流入側が冷媒循環部分と連通されるので、冷媒循環部分の液冷媒が気液分離器（33）へ流れて貯留される。

第３の発明は、上記第１または第２の発明において、上記冷媒量検知手段（51）は、低段側圧縮機（21）の吐出温度が予め設定された所定値よりも高いと、冷媒循環量の不足を検知するように構成されているものである。

上記の発明では、低段側圧縮機（21）の吐出温度の所定値が、予め運転条件に応じて設定されている。例えば、低段側圧縮機（21）の運転周波数および膨張弁の開度に応じて所定値が定められ、冷媒量検知手段（51）に入力されている。この所定値よりも低段側圧縮機（21）の吐出温度が高くなると、冷媒量検知手段（51）によって冷媒循環量が不足であると判定される。

第４の発明は、上記第２の発明において、上記冷媒量検知手段（51）は、単段圧縮冷凍サイクルの冷媒の高圧圧力および冷媒の過冷却度が予め設定されたそれぞれの所定値よりも高いと、冷媒循環量の過剰を検知するように構成されているものである。

上記の発明では、冷媒の高圧圧力および過冷却度の各所定値が、予め運転条件に応じて設定されている。例えば、低段側圧縮機（21）の運転周波数および外気温度に応じて各所定値が定められ、冷媒量検知手段（51）に入力されている。冷媒の高圧圧力および過冷却度がその所定値よりも高くなると、冷媒量検知手段（51）によって冷媒循環量が過剰であると判定される。

したがって、第１および第２の発明によれば、単段圧縮冷凍サイクル時において、冷媒循環量が不足していると気液分離器（33）から冷媒を補充し、または冷媒循環量が過剰であると気液分離器（33）へ冷媒を排出するようにしたので、冷媒循環量を増減させることができる。その結果、冷媒循環量を調節することができるので、適切な冷媒循環量で単段圧縮冷凍サイクルを行うことができる。

また、第１および第２の発明によれば、高段側圧縮機（31）によって気液分離器（33）の冷媒を吸入して単段圧縮冷凍サイクル時の冷媒循環部分へ供給するようにしたので、確実に且つ簡易に冷媒循環量を増大させることができる。

また、第２の発明によれば、気液分離器（33）の液冷媒の流入側を単段圧縮冷凍サイクル時の冷媒循環部分と連通させるようにしたので、その冷媒循環部分から液冷媒を気液分離器（33）へ排出することができる。これにより、確実に且つ簡易に冷媒循環量を減少させることができる。

また、第３の発明によれば、低段側圧縮機（21）の吐出温度に基づいて冷媒循環量の不足を検知し、第４の発明によれば、冷媒の高圧圧力および過冷却度に基づいて冷媒循環量の過剰を検知するようにしたので、冷媒循環量の過不足状態を簡易に把握することができる。

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。

本実施形態の冷凍装置は、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、増設用の中間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、第１連絡配管（11）および第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、上記室外ユニット（20）は、第３連絡配管（13）および第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。このように、各ユニット（20,30,40）が接続されて、冷媒回路（15）が構成されている。この冷媒回路（15）は、冷媒が循環して蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行うように構成されている。

なお、上記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にも適用可能なパワーアップユニットを構成している。例えば、既設の空気調和装置が室外ユニット（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ても、これら室外ユニット（20）および室内ユニット（40）の間にオプションユニット（30）を接続することにより、この空気調和装置（10）の冷媒回路（15）で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、第１圧縮機である低段側圧縮機（21）と、室外熱交換器（22）と、室外側膨張弁（25）と、四路切換弁（23）とが設けられている。

上記低段側圧縮機（21）は、可変容量式のスクロール圧縮機により構成されている。上記室外熱交換器（22）は、いわゆるクロスフィン型のフィン・アンド・チューブ熱交換器で構成されている。この室外熱交換器（22）の近傍には、室外ファン（24）が設置されている。この室外ファン（24）は、室外熱交換器（22）へ室外空気を取り込む。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により構成されている。

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。この四路切換弁（23）では、第１ポートに低段側圧縮機（21）の吐出管（21a）が接続され、第２ポートに低段側圧縮機（21）の吸入管（21b）が接続されている。また、この四路切換弁（23）では、第３ポートに室外熱交換器（22）および室外側膨張弁（25）を介して第２連絡配管（12）が接続され、第４ポートに第１連絡配管（11）が接続されている。そして、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第１状態（図３に示す状態）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第２状態（図２に示す状態）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、第２圧縮機である高段側圧縮機（31）と、三路切換弁（32）と、気液分離器（33）と、オプション側膨張弁（34）とが設けられている。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。また、このオプションユニット（30）には、第２連絡配管（12）と第４連絡配管（14）とに接続された主配管（35）が設けられている。この主配管（35）には、開閉可能な電磁弁（SV）が設けられている。

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。この三路切換弁（32）では、第１のポートに高段側圧縮機（31）の吐出管（31a）が接続され、第２のポートに高段側圧縮機（31）の吸入管（31b）が接続され、第３のポートに第１連絡配管（11）が接続されている。そして、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第１状態（図３に示す状態）と、第２ポートと第３ポートを連通させる第２状態（図２に示す状態）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、この気液分離器（33）は、縦長の円筒状に形成された密閉容器で構成されている。この気液分離器（33）の内部は、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。そして、この気液分離器（33）には、その胴部を貫通してガス冷媒貯留部に臨む液流入管（33a）と、胴部を貫通して液冷媒貯留部に臨む液流出管（33b）とがそれぞれ接続されている。また、この気液分離器（33）には、その頂部を貫通してガス冷媒貯留部に臨むガス流出管（33c）が接続されている。

上記液流入管（33a）の流入端と液流出管（33b）の流出端は、それぞれ主配管（35）に接続されている。具体的に、上記主配管（35）において、電磁弁（SV）よりも第４連絡配管（14）側に液流入管（33a）が、電磁弁（SV）よりも第２連絡配管（12）側に液流出管（33b）がそれぞれ接続されている。また、上記液流入管（33a）には、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により構成されている。一方、上記ガス流出管（33c）の流出端は、高段側圧縮機（31）の吸入管（31b）に接続されている。つまり、上記気液分離器（33）からガス冷媒が流出するガス流出管（33c）は、吸入管（31b）を介して高段側圧縮機（31）の吸入側と常に連通している。

上記オプションユニット（30）には、冷媒の流れを規制する逆止弁が設けられている。つまり、上記液流出管（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、これらの逆止弁（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。

上記オプションユニット（30）において、三路切換弁（32）と電磁弁（SV）とオプション側膨張弁（34）と第１逆止弁（CV-1）とは、二段圧縮二段膨張冷凍サイクルと単段圧縮冷凍サイクルが切り換わるように冷媒回路（15）の冷媒循環経路を切り換える切換機構を構成している。具体的に、三路切換弁（32）が第２状態に、電磁弁（SV）が全閉状態に、オプション側膨張弁（34）が所定開度にそれぞれ設定されて、気液分離器（33）の中間圧のガス冷媒が低段側圧縮機（21）の吐出冷媒と共に高段側圧縮機（31）へ吸入される二段圧縮二段膨張冷凍サイクルが行われる。また、上記三路切換弁（32）が第１状態に、電磁弁（SV）が全開状態に、オプション側膨張弁（34）が全閉状態にそれぞれ設定されて、低段側圧縮機（21）のみの吐出冷媒が循環し、その冷媒循環部分から高段側圧縮機（31）の吸入側および気液分離器（33）が遮断される単段圧縮冷凍サイクルが行われる。

<室内ユニット>
上記室内ユニット（40）には、室内熱交換器（41）および室内側膨張弁（42）が設けられている。上記室内熱交換器（41）は、クロスフィン型のフィン・アンド・チューブ熱交換器で構成されている。この室内熱交換器（41）の近傍には、室内ファン（43）が設置されている。この室内ファン（43）は、室内熱交換器（41）へ室内空気を取り込む。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により構成されている。

<制御系統>
上記冷媒回路（15）には、各種センサが設けられている。具体的に、上記低段側圧縮機（21）の吐出管（21a）には、低段側圧縮機（21）の吐出冷媒の温度を検出する吐出温度センサ（S1）が設けられている。上記室外熱交換器（22）には、室外ファン（24）によって取り込まれた室外空気の温度を検出する外気温センサ（S3）が設けられている。上記室内ユニット（40）には、室内側膨張弁（42）よりも第４連絡配管（14）側に液冷媒の温度を検出する過冷却温度センサ（S4）が設けられている。また、上記低段側圧縮機（21）の吐出管（21a）には、低段側圧縮機（21）の吐出圧力を検出する吐出圧力センサ（S2）が設けられている。つまり、この吐出圧力センサ（S2）の検出圧力は、単段圧縮冷凍サイクル時の冷媒の高圧圧力に相当する。

上記空気調和装置（10）は、コントローラ（50）を備えている。このコントローラ（90）は、冷媒量検知部（51）と冷媒量制御部（52）とが設けられている。

上記冷媒量検知部（51）は、単段圧縮冷凍サイクル時の冷媒回路（15）における冷媒循環量の過不足を検知する過不足検知手段を構成している。

具体的に、この冷媒量検知部（51）は、単段圧縮冷凍サイクル動作時に、上述した吐出温度センサ（S1）や吐出圧力センサ（S2）等の検出値が入力されると共に、低段側圧縮機（21）の運転周波数および室内側膨張弁（42）の開度が入力される。そして、この冷媒量検知部（51）は、吐出温度センサ（S1）の検出温度が低段側圧縮機（21）の運転周波数および室内側膨張弁（42）の開度に応じて予め設定された所定値よりも高い場合、冷媒循環量の不足を検知するように構成されている。また、上記冷媒量検知部（51）は、吐出圧力センサ（S2）の検出圧力および過冷却温度センサ（S4）の検出温度が、低段側圧縮機（21）の運転周波数および外気温センサ（S3）の検出温度に応じて予め設定された所定値よりも高い場合、冷媒循環量の過剰を検知するように構成されている。

上記冷媒量制御部（52）は、冷媒量検知部（51）が冷媒循環量の不足を検知すると冷媒補充動作を行い、冷媒量検知部（51）が冷媒循環量の過剰を検知すると冷媒排出動作を行う冷媒量制御手段を構成している。

具体的に、冷媒補充動作は、気液分離器（33）を単段圧縮冷凍サイクル動作時の冷媒循環部分と遮断したままの状態で高段側圧縮機（31）を運転させ、該高段側圧縮機（31）がガス流出管（33c）より気液分離器（33）のガス冷媒を吸入して単段圧縮冷凍サイクル動作時の冷媒循環部分へ吐出することによって行われる。つまり、上記気液分離器（33）のガス冷媒が冷媒循環部分へ供給される。冷媒排出動作は、高段側圧縮機（31）を停止したままの状態で、オプション側膨張弁（34）を開けて気液分離器（33）を単段圧縮冷凍サイクル動作時の冷媒循環部分と連通させることによって行われる。つまり、上記オプション側膨張弁（34）の開度調整により、単段圧縮冷凍サイクル動作時の余剰冷媒が気液分離器（33）へ貯留される。

−運転動作−
次に、上記空気調和装置（10）の運転動作について説明する。

<暖房運転>
図２に示すように、暖房運転では、四路切換弁（23）および三路切換弁（32）が第２状態に設定され、電磁弁（SV）が閉状態に設定される。また、上記室内側膨張弁（42）が全開状態に設定され、オプション側膨張弁（34）および室外側膨張弁（25）の開度が運転条件に応じて適宜調節される。さらに、この暖房運転では、低段側圧縮機（21）および高段側圧縮機（31）の両方が運転される。そして、この暖房運転の冷媒回路（15）では、低段側圧縮機（21）および高段側圧縮機（31）で冷媒を順次圧縮すると共に、オプション側膨張弁（34）と室外膨張弁（25）で冷媒を順次膨張させる二段圧縮二段膨張冷凍サイクルが行われる。

上記低段側圧縮機（21）から吐出された中間圧冷媒は、オプションユニット（30）の三路切換弁（32）および吸入管（31b）を順に通って高段側圧縮機（31）へ吸入される。上記気液分離器（33）の中間圧のガス冷媒は、ガス流出管（33c）および吸入管（31b）を順に通って高段側圧縮機（31）へ吸入される。上記高段側圧縮機（31）の高圧の吐出冷媒は、吐出管（31a）を通って室内ユニット（40）へ送られる。この室内ユニット（40）に流入した高圧冷媒は、室内熱交換器（41）で室内空気へ放熱して凝縮する。その際、室内空気が加熱され、室内の暖房が行われる。

上記室内熱交換器（41）で凝縮した冷媒は、オプションユニット（30）の液流入管（33a）へ流入し、オプション側膨張弁（34）で減圧されて中間圧となってから気液分離器（33）へ流入する。この気液分離器（33）では、気液二相状態の中間圧冷媒がガス冷媒と液冷媒とに分離される。上述したように、気液分離器（33）で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、気液分離器（33）で分離された飽和状態の液冷媒は、液流出管（33b）を通って室外ユニット（20）へ送られる。この室外ユニット（20）へ流入した中間圧の液冷媒は、室外側膨張弁（25）で低圧まで減圧された後、室外熱交換器（22）で室外空気から吸熱して蒸発する。この蒸発した冷媒は、低段側圧縮機（21）で圧縮されて中間圧冷媒となる。

<冷房運転>
図３に示すように、冷房運転では、四路切換弁（23）および三路切換弁（32）が第１状態に設定され、電磁弁（SV）が開状態に設定される。また、上記室外側膨張弁（25）が全開状態に、オプション側膨張弁（34）が全閉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。さらに、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）が停止状態となる。そして、この冷房運転の冷媒回路（15）では、低段側圧縮機（21）だけで冷媒が圧縮されて循環する単段圧縮冷凍サイクルが行われる。

上記低段側圧縮機（21）から吐出された高圧冷媒は、室外熱交換器（22）へ送られ、室外空気へ放熱して凝縮する。この凝縮した冷媒は、オプションユニット（30）の主配管（35）を通って室内ユニット（40）へ送られる。この室内ユニット（40）に流入した冷媒は、室内側膨張弁（42）で低圧まで減圧される。この減圧後の低圧冷媒は、室内熱交換器（41）へ送られ、室内空気から吸熱して蒸発する。その際、室内空気が冷却され、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）の三路切換弁（32）を通過して室外ユニット（20）へ送られ、低段側圧縮機（21）へ吸入されて圧縮される。

つまり、この冷房運転では、低段側圧縮機（21）の吐出冷媒が高段側圧縮機（31）や気液分離器（33）を流れない。さらに言えば、この冷房運転中は、高段側圧縮機（31）やその吸入管（31b）、気液分離器（33）、ガス流出管（33c）、液流入管（33a）のうちオプション側膨張弁（34）よりも下流部、液流出管（33b）のうち第１逆止弁（CV-1）よりも上流部のそれぞれに冷媒が閉じ込められる。

<冷媒補充動作>
上記冷房運転中に、冷媒量検知部（51）が冷媒循環量の不足を検知すると、冷房運転を継続しながら、冷媒量制御部（52）によって冷媒補充動作が行われる。つまり、図４に示すように、冷房運転中に、冷媒量制御部（52）が高段側圧縮機（31）を起動させる。

上記高段側圧縮機（31）が運転されると、気液分離器（33）のガス冷媒がガス流出管（33c）および吸入管（31b）を順に通って高段側圧縮機（31）へ吸入される。この高段側圧縮機（31）の吐出冷媒は、吐出管（31a）を通って室内ユニット（40）からの冷媒と合流し、その後低段側圧縮機（21）へ吸入される。これにより、単段圧縮冷凍サイクル時の冷媒循環部分へ冷媒が補充されることになり、その冷媒循環量が増大する。なお、上記高段側圧縮機（31）の吐出管（31a）が低段側圧縮機（21）の吸入側に連通しているため、高段側圧縮機（31）の吐出冷媒は低圧状態である。つまり、この場合、高段側圧縮機（31）は、冷媒を圧縮することなく、気液分離器（33）から冷媒循環部分へ冷媒を供給するポンプの機能を果たしている。

この冷媒補充動作において、吐出温度センサ（S1）の検出温度が低段側圧縮機（21）の運転周波数および室内側膨張弁（42）の開度に応じて予め設定された所定値以下になると、冷媒量検知部（51）によって冷媒循環量の不足が解消されたと判定される。そうなると、冷媒量制御部（52）によって高段側圧縮機（31）が停止され、冷媒補充動作が終了する。これにより、冷媒循環量の不足分が補充されるので、その後は適切な冷媒循環量で冷房運転を行うことができる。

<冷媒排出動作>
上記冷房運転中に、冷媒量検知部（51）が冷媒循環量の過剰を検知すると、冷房運転を継続しながら、冷媒量制御部（52）によって冷媒排出動作が行われる。つまり、図５に示すように、冷房運転中に、冷媒量制御部（52）がオプション側膨張弁（34）を所定開度に設定する。

上記オプション側膨張弁（34）が所定開度で開くと、主配管（35）を流れる液冷媒の一部は室内ユニット（40）へ流れる一方、残りの液冷媒は液流入管（33a）へ流れてオプション側膨張弁（34）で減圧された後、気液分離器（33）へ流れる。この気液分離器（33）に流れた気液二相状態の冷媒は、ガス冷媒と液冷媒とに分離される。ここで、高段側圧縮機（31）が停止しているため、気液分離器（33）のガス冷媒はガス流出管（33c）から流出することはない。また、上記主配管（35）が気液分離器（33）よりも圧力が高いため、気液分離器（33）の液冷媒は液流出管（33b）の第１逆止弁（CV-1）から主配管（35）側へは流れない。つまり、単段圧縮冷凍サイクル時の冷媒循環部分の一部である主配管（35）から液冷媒が気液分離器（33）に貯留され、冷媒循環部分の冷媒循環量が減少する。

この冷媒排出動作において、吐出圧力センサ（S2）の検出圧力および過冷却温度センサ（S4）の検出温度が、低段側圧縮機（21）の運転周波数および外気温センサ（S3）の検出温度に応じて予め設定された所定値以下になると、冷媒量検知部（51）によって冷媒循環量の過剰が解消されたと判定される。そうなると、オプション側膨張弁（34）が全閉状態に切り換えられ、冷媒排出動作が終了する。これにより、冷媒循環量の余剰分（過剰分）が気液分離器（33）へ排出されるので、その後は適切な冷媒循環量で冷房運転を行うことができる。

−実施形態の効果−
本実施形態によれば、単段圧縮冷凍サイクルでの冷房運転中に冷媒循環量が不足になると、高段側圧縮機（31）を運転させることによって気液分離器（33）のガス冷媒を冷媒循環部分へ供給（補充）するようにした。これにより、単段圧縮冷凍サイクル時の冷媒循環量を増大させることができる。

逆に、冷房運転中に冷媒循環量が過剰になると、オプション側膨張弁（34）を所定開度に開いて冷媒循環部分の冷媒を気液分離器（33）へ排出するようにした。これにより、単段圧縮冷凍サイクル時の冷媒循環量を減少させることができる。これらの結果、適切な冷媒循環量で冷房運転を行うことができる。

さらに、冷房運転を継続したまま、冷媒補充動作および冷媒排出動作を行うようにしたので、冷房運転を一旦停止させて冷媒補充動作等を行う場合に比べて、室内の快適性を損なうことなく冷媒循環量を調整することができる。

また、本実施形態によれば、冷房運転時に、吐出温度センサ（S1）の検出温度が低段側圧縮機（21）の運転周波数および室内側膨張弁（42）の開度に応じて予め設定された所定値よりも高いと、冷媒循環量が不足していると判定するようにした。一方、吐出圧力センサ（S2）の検出圧力および過冷却温度センサ（S4）の検出温度が、それぞれ低段側圧縮機（21）の運転周波数および外気温センサ（S3）の検出温度に応じて予め設定された所定値よりも高いと、冷媒循環量が過剰であると判定するようにした。したがって、単段圧縮冷凍サイクル時の冷媒循環量の過不足を確実に且つ簡易に検知することができる。

−実施形態の変形例１−
本変形例１は、上記実施形態の冷媒量検知部（51）が冷媒循環量の不足および過剰の両方を検知するようにしたのに代えて、冷媒循環量の不足のみ、または冷媒循環量の過剰のみを検知するようにしたものである。

例えば、上記冷媒量検知部（51）が冷媒循環量の不足のみを検知するように構成されている場合、冷媒量制御部（52）は冷媒量検知部（51）の不足検知に応じて上述した冷媒補充動作を行うように構成される。この場合、単段圧縮冷凍サイクル時における少なくとも冷媒循環量の不足状態を解消することができる。

また、上記冷媒量検知部（51）が冷媒循環量の過剰のみを検知するように構成されている場合、冷媒量制御部（52）は冷媒量検知部（51）の過剰検知に応じて上述した冷媒排出動作を行うように構成される。この場合、単段圧縮冷凍サイクル時における少なくとも冷媒循環量の過剰状態を解消することができる。その他の構成、作用および効果は上記実施形態と同様である。

−実施形態の変形例２−
本変形例２は、冷媒量制御部（52）が冷房運転中だけでなく冷房運転前に予め冷媒補充動作を行うように構成されている。具体的に、上記冷媒量制御部（52）は、冷媒回路（15）が単段圧縮冷凍サイクルを行う状態に切り換えられると、低段側圧縮機（21）を運転させる前に、高段側圧縮機（31）を所定時間の間運転させる。

この場合、気液分離器（33）のガス冷媒が高段側圧縮機（31）によって吸入され、単段圧縮冷凍サイクル時の冷媒循環部分へ吐出される。この吐出された冷媒は、三路切換弁（32）を通って室外ユニット（20）へ流れ、低段側圧縮機（21）の吸入側まで供給される。これにより、単段圧縮冷凍サイクル時の冷媒循環部部における冷媒循環量が増大するので、その後の冷房運転において冷媒循環量不足の発生を抑制することができる。したがって、冷房運転中に冷媒補充動作を行う必要がなくなり、または冷媒補充動作を行ったとしても冷媒循環量を適正量まで短時間で増大させることができる。その結果、冷房運転の快適性を向上させることができる。

−その他の実施形態−
上記実施形態では、室外ユニット（20）および室内ユニット（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、冷凍装置を空気調和装置として適用したが、いわゆるチリングユニットとして適用するようにしてもよい。つまり、上記実施形態における室内熱交換器（41）が、例えばプレート式熱交換器などにより構成され、冷媒で水を加熱したり冷却する熱交換器として用いられる。

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が切換可能な冷凍装置として有用である。

実施形態に係る空気調和装置の冷媒回路図である。 実施形態に係る空気調和装置の暖房運転の動作を示す冷媒回路図である。 実施形態に係る空気調和装置の冷房運転の動作を示す冷媒回路図である。 実施形態に係る空気調和装置の冷媒補充運転の動作を示す冷媒回路図である。 実施形態に係る空気調和装置の冷媒排出運転の動作を示す冷媒回路図である。

10 空気調和装置（冷凍装置）
15 冷媒回路
21 低段側圧縮機
31 高段側圧縮機
33 気液分離器
51 冷媒量検知部（冷媒量検知手段）
52 冷媒量制御部（冷媒量制御手段）

Claims (4)

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）とが接続された冷媒回路（15）を備え、
   上記気液分離器（33）は、膨張弁（34）が設けられた液流入管（33a）と、液流出管（33b）と、高段側圧縮機（31）の吸入側と接続されるガス流出管（33c）とを有し、
   上記冷媒回路（15）では、気液分離器（33）の中間圧のガス冷媒がガス流出管（33c）から流出して低段側圧縮機（21）の吐出冷媒と共に高段側圧縮機（31）へ吸入される一方、液冷媒が液流入管（33a）を通じて気液分離器（33）へ流入し且つ気液分離器（33）の中間圧の液冷媒が液流出管（33b）から流出する二段圧縮二段膨張冷凍サイクルと、高段側圧縮機（31）を停止させると共に液流入管（33a）の膨張弁（34）を閉じて低段側圧縮機（21）の吐出冷媒を循環させ、高段側圧縮機（31）の吸入側および気液分離器（33）が上記冷媒循環部分と遮断される単段圧縮冷凍サイクルとが切り換えて行われる冷凍装置であって、
   上記単段圧縮冷凍サイクル動作時に、冷媒循環量の不足を検知する冷媒量検知手段（51）と、
   上記冷媒量検知手段（51）が冷媒循環量の不足を検知すると、液流入管（33a）の膨張弁（34）を閉じ気液分離器（33）を単段圧縮冷凍サイクル動作時の冷媒循環部分と遮断した状態で、高段側圧縮機（31）を運転させ、該高段側圧縮機（31）が気液分離器（33）のガス冷媒をガス流出管（33c）を通じて吸入して上記冷媒循環部分の低圧ラインへ吐出する冷媒補充動作を行う冷媒量制御手段（52）とを備えている
   ことを特徴とする冷凍装置。
2. 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）とが接続された冷媒回路（15）を備え、
   上記気液分離器（33）は、膨張弁（34）が設けられた液流入管（33a）と、液流出管（33b）と、高段側圧縮機（31）の吸入側と接続されるガス流出管（33c）とを有し、
   上記冷媒回路（15）では、気液分離器（33）の中間圧のガス冷媒がガス流出管（33c）から流出して低段側圧縮機（21）の吐出冷媒と共に高段側圧縮機（31）へ吸入される一方、液冷媒が液流入管（33a）を通じて気液分離器（33）へ流入し且つ気液分離器（33）の中間圧の液冷媒が液流出管（33b）から流出する二段圧縮二段膨張冷凍サイクルと、高段側圧縮機（31）を停止させると共に液流入管（33a）の膨張弁（34）を閉じて低段側圧縮機（21）の吐出冷媒を循環させ、高段側圧縮機（31）の吸入側および気液分離器（33）が上記冷媒循環部分と遮断される単段圧縮冷凍サイクルとが切り換えて行われる冷凍装置であって、
   上記単段圧縮冷凍サイクル動作時に、冷媒循環量の過不足を検知する冷媒量検知手段（51）と、
   上記冷媒量検知手段（51）が冷媒循環量の不足を検知すると、液流入管（33a）の膨張弁（34）を閉じ気液分離器（33）を単段圧縮冷凍サイクル動作時の冷媒循環部分と遮断した状態で、高段側圧縮機（31）を運転させ、該高段側圧縮機（31）が気液分離器（33）のガス冷媒をガス流出管（33c）を通じて吸入して上記冷媒循環部分の低圧ラインへ吐出する冷媒補充動作と、上記冷媒量検知手段（51）が冷媒循環量の過剰を検知すると、高段側圧縮機（31）を停止させた状態で、液流入管（33a）の膨張弁（34）を開き気液分離器（33）を単段圧縮冷凍サイクル動作時の冷媒循環部分の高圧ラインと連通させて該冷媒循環部分の冷媒を気液分離器（33）へ貯留させる冷媒排出動作とを行う冷媒量制御手段（52）とを備えている
   ことを特徴とする冷凍装置。
3. 請求項１または２において、
   上記冷媒量検知手段（51）は、低段側圧縮機（21）の吐出温度が予め設定された所定値よりも高いと、冷媒循環量の不足を検知するように構成されている
   ことを特徴とする冷凍装置。
4. 請求項２において、
   上記冷媒量検知手段（51）は、単段圧縮冷凍サイクルの冷媒の高圧圧力および冷媒の過冷却度が予め設定されたそれぞれの所定値よりも高いと、冷媒循環量の過剰を検知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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