JP4899489B2

JP4899489B2 - 冷凍装置

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Publication number: JP4899489B2
Application number: JP2006011287A
Authority: JP
Inventors: 昌弘山田
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2006-01-19
Filing date: 2006-01-19
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2026-01-19
Also published as: WO2007083560A1; US20100154451A1; AU2007206539A1; EP1980802B1; CN101371083A; EP1980802A4; KR20080086538A; US8109111B2; EP1980802A1; KR101003228B1; JP2007192470A; CN101371083B; AU2007206539B2

Description

本発明は、冷凍装置に関し、特に、中間圧冷媒の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冷凍装置や給湯機などが知られている。例えば、特許文献１には、冷媒回路において冷媒を可逆に循環させて、室内の冷房および暖房を行う冷凍装置として空気調和機が開示されている。

具体的に、特許文献１の空気調和機では、四路切換弁を切り換えることにより、冷房時には圧縮機の吐出冷媒が室外熱交換器へ流れる冷房サイクルが行われ、暖房時には圧縮機の吐出冷媒が室内熱交換器へ流れる暖房サイクルが行われる。さらに、この空気調和機では、暖房運転中に室外熱交換器が着霜すると、暖房サイクルから冷房サイクルへ切り換えて、高温のホットガスで室外熱交換器の除霜を行ういわゆる逆サイクルデフロスト運転が行われる。
特開平１０−２５３２０７号公報

ところで、近年では、地球環境保護等の面から、冷媒として二酸化炭素などの自然冷媒が利用されている。しかし、二酸化炭素を用いた場合、二酸化炭素をその臨界圧力まで圧縮することから、圧縮機の圧縮比が高くなり、圧縮機の負担が著しく大きくなってしまう。そこで、従来より、圧縮機の負担を軽減すると共に圧縮機の運転効率を高めるために、低段側圧縮機と高段側圧縮機とを直列に設けると共に、中間圧冷媒の気液分離器を設けて該気液分離器のガス冷媒を高段側圧縮機の吸入側にインジェクションする、いわゆる二段圧縮二段膨張冷凍サイクルが知られている。

ここで、既設の上記空気調和機において、冷媒を二酸化炭素に代えて、例えば暖房サイクル時に二段圧縮二段膨張冷凍サイクルを行うため、高段側圧縮機および気液分離器を後付けで設置する場合を考える。この場合、高段側圧縮機は、暖房サイクル時に既設の低段側圧縮機の吐出冷媒を吸入するように、四路切換弁と室内熱交換器との間の連絡ガス配管に設けられる。気液分離器は、室内熱交換器と室外熱交換器との間の連絡液配管に設けられ、ガス冷媒を高段側圧縮機の吸入側にインジェクションする配管が接続される。ス冷媒のインジェクション量と高段側圧縮機の吸入冷媒量との関係から、一般に、高段側圧縮機の容積が低段側圧縮機の容積よりも小さくなるように設定される。

上記の状態において、暖房サイクル時には、低段側圧縮機の吐出冷媒が四路切換弁を介して高段側圧縮機へ吸入されて二段圧縮された後、室内熱交換器へ流れて凝縮する一方、気液分離器のガス冷媒が高段側圧縮機の吸入側に流れる。気液分離器の液冷媒は、室外熱交換器へ流れて蒸発した後、低段側圧縮機へ吸入されて再び吐出される。冷房サイクル時には、既設の低段側圧縮機の吐出冷媒が四路切換弁を介して室外熱交換器へ流れて凝縮し、この液冷媒が気液分離器を介して室内熱交換器へ流れて蒸発する。つまり、この冷房サイクル時では、高段側圧縮機の吸入側が低段側圧縮機とは連通せずに気液分離器とだけに連通することになる。したがって、冷房サイクル時に、高段側圧縮機も併せて運転しようとすると、気液分離器の液冷媒が高段側圧縮機へ吸入される、いわゆる液バックの恐れがあるという問題が生じる。

このことから、冷房サイクル時は、高段側圧縮機を運転することが困難となる。そうすると、逆サイクルのデフロスト運転では、高段側圧縮機を備えているにも拘わらず低段側圧縮機しか運転することができないため、除霜能力が十分に発揮されず、除霜時間が長くなってしまう。この結果、暖房運転時の快適性が損なわれる。

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、暖房運転時に二段圧縮二段膨張冷凍サイクルを行うために後付けで高段側圧縮機および気液分離器を設けた冷凍装置において、冷房サイクルで除霜運転する際に、気液分離器から高段側圧縮機への液バックを防止し、両圧縮機を運転させることである。

第１の発明は、第１圧縮機（21）と第２圧縮機（31）と中間圧冷媒の気液分離器（33）とを有し、冷凍サイクルを行う冷媒回路（15）を備えている。上記冷媒回路（15）は、第１圧縮機（21）の吐出冷媒が第２圧縮機（31）で圧縮される一方、凝縮冷媒が気液分離器（33）を流れると共に該気液分離器（33）のガス冷媒が第２圧縮機（31）に吸入されて冷媒が二段圧縮二段膨張される暖房サイクルと、第２圧縮機（31）を停止し第１圧縮機（21）のみを運転して行う第１除霜サイクルと、第１圧縮機（21）および第２圧縮機（31）の両方を運転して行う第２除霜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、上記第１除霜サイクルでは、上記第１圧縮機（21）から吐出されて凝縮した冷媒が気液分離器（33）をバイパスしてその後蒸発し、上記第２除霜サイクルでは、第１圧縮機（21）から吐出されて凝縮した冷媒の一部が気液分離器（33）へ流れ残りがその後蒸発する一方、気液分離器（33）のガス冷媒が第２圧縮機（31）へ吸入され第２圧縮機（31）の吐出冷媒が上記蒸発冷媒に合流し、上記冷媒回路（15）は、上記第２除霜サイクル時に第２圧縮機（31）の吐出冷媒の一部を該第２圧縮機（31）の吸入側へインジェクションし、気液分離器（33）からの冷媒と混合させるインジェクション管（36）を備えているものである。

上記の発明では、暖房運転の場合、冷媒回路（15）において、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、二段圧縮二段膨張の冷凍サイクルが行われる。

具体的に、暖房運転の場合、第２圧縮機（31）で高圧まで圧縮された冷媒は、利用側熱交換器である例えば室内熱交換器で凝縮し、その後中間圧まで減圧されて気液分離器（33）へ流入する。この気液分離器（33）では、中間圧冷媒が液冷媒とガス冷媒とに分離される。分離された液冷媒は、低圧まで減圧された後、熱源側熱交換器である例えば室外熱交換器で蒸発する。この蒸発冷媒は、第１圧縮機（21）で中間圧まで圧縮された後、第２圧縮機（31）へ吸入されて再び吐出され、この冷媒循環を繰り返す。一方、上記気液分離器（33）で分離されたガス冷媒は、第１圧縮機（21）の吐出冷媒と混合して第２圧縮機（31）へ吸入される。

一方、除霜運転の場合、例えば第２圧縮機（31）を停止させた状態で第１圧縮機（21）が運転される。その場合、第１圧縮機（21）で高圧まで圧縮された冷媒が室外熱交換器で凝縮し、室外熱交換器の除霜が行われる。凝縮した冷媒は、気液分離器（33）を通らずに流れ、低圧まで減圧された後、室内熱交換器で蒸発する。この蒸発した冷媒は、第２圧縮機（31）を通らずに第１圧縮機（21）へ吸入されて再び吐出され、この冷媒循環を繰り返す。第２圧縮機（31）の吐出側は第１圧縮機（21）の吸入側に連通しているが、第２圧縮機（31）の吸入側は、第１圧縮機（21）の吐出側および吸入側の何れにも連通せず、気液分離器（33）に連通している。

ここで、除霜能力を増大させるために第２圧縮機（31）も併せて運転すると、気液分離器（33）からガス冷媒が第２圧縮機（31）へ吸入されると共に、その第２圧縮機（31）の吐出冷媒が室内熱交換器で蒸発した冷媒と混合して第１圧縮機（21）へ吸入されることになる。これにより、冷媒回路（15）において、第２圧縮機（31）の仕事量（入熱）の分だけ冷媒のエンタルピが増大するため、除霜能力が増大する。

ところが、上記除霜運転では、気液分離器（33）のガス冷媒だけでなく液冷媒までも第２圧縮機（31）へ吸入される恐れがある。そして、液冷媒が吸入されると、圧縮機が損傷する恐れがある。そこで、本発明では、第２圧縮機（31）の吐出冷媒の一部がインジェクション管（36）を通って第２圧縮機（31）の吸入側に戻される。これにより、気液分離器（33）から流出した液冷媒がインジェクション管（36）の高温の吐出冷媒と混合するので、液冷媒が加熱されてガス化する。したがって、第２圧縮機（31）への液冷媒の吸入が防止される。

第２の発明は、第１圧縮機（21）および熱源側熱交換器（22）を有する熱源ユニット（20）と、利用側熱交換器（41）を有する利用ユニット（40）と、第２圧縮機（31）が設けられ、上記熱源ユニット（20）および利用ユニット（40）の間に繋がるガスライン（3G）と、上記第２圧縮機（31）の吸入側とガス流出管（33c）によって接続される中間圧冷媒の気液分離器（33）が設けられ、上記熱源ユニット（20）および利用ユニット（40）の間に繋がる液ライン（3L）とを有する中間ユニット（30）とを有し、上記第１圧縮機（21）の吐出冷媒がガスライン（3G）の第２圧縮機（31）で圧縮される一方、利用ユニット（40）の液冷媒が液ライン（3L）の気液分離器（33）を流れて冷媒が二段圧縮される暖房サイクルと、第２圧縮機（31）を停止し第１圧縮機（21）のみを運転して行う第１除霜サイクルと、第１圧縮機（21）および第２圧縮機（31）の両方を運転して行う第２除霜サイクルとが切り換えて行われる冷媒回路（15）を備えた冷凍装置を前提としている。

そして、本発明は、上記第１除霜サイクルでは、上記第１圧縮機（21）から熱源側熱交換器（22）へ流れた冷媒が液ライン（3L）の気液分離器（33）をバイパスして利用側熱交換器（41）へ流れ、上記第２除霜サイクルでは、上記第１圧縮機（21）から熱源側熱交換器（22）へ流れた冷媒の一部が液ライン（3L）の気液分離器（33）へ流れ残りが利用側熱交換器（41）へ流れる一方、気液分離器（33）のガス冷媒が第２圧縮機（31）へ吸入され第２圧縮機（31）の吐出冷媒が利用側熱交換器（41）から出た冷媒に合流し、上記中間ユニット（30）は、ガスライン（3G）に設けられ、上記第２除霜サイクル時に第２圧縮機（31）の吐出冷媒の一部を該第２圧縮機（31）の吸入側とガス流出管（33c）との間にインジェクションするインジェクション管（36）を有しているものである。

上記の発明では、熱源ユニット（20）および利用ユニット（40）の間に中間ユニット（30）が接続されて冷媒回路（15）が構成されている。そして、中間ユニット（30）は、例えば、既設の熱源ユニット（20）および利用ユニット（40）に対して、暖房時に冷媒を二段圧縮二段膨張させて暖房能力を向上させるために増設するユニットを構成している。

暖房運転の場合、第２圧縮機（31）で高圧まで圧縮された冷媒は、ガスライン（3G）を介して利用ユニット（40）へ流れ、利用側熱交換器（41）で凝縮する。この凝縮冷媒は、中間ユニット（30）の液ライン（3L）へ流れて中間圧まで減圧された後、気液分離器（33）へ流入する。この気液分離器（33）では、中間圧冷媒が液冷媒とガス冷媒とに分離される。分離された液冷媒は、液ライン（3L）を介して熱源ユニット（20）へ流れ、低圧まで減圧された後、熱源側熱交換器（22）で蒸発する。この蒸発冷媒は、第１圧縮機（21）で中間圧まで圧縮された後、中間ユニット（30）のガスライン（3G）へ流れて第２圧縮機（31）で再び高圧まで圧縮され、この冷媒循環を繰り返す。一方、上記気液分離器（33）で分離されたガス冷媒は、ガス流出管（33c）を通じてガスライン（3G）へ流れ、第１圧縮機（21）の吐出冷媒と混合して第２圧縮機（31）へ吸入される。つまり、この暖房運転では、冷媒回路（15）において二段圧縮二段膨張冷凍サイクルが行われる。

一方、除霜運転の場合、例えば第２圧縮機（31）を停止させた状態で第１圧縮機（21）が運転される。その場合、第１圧縮機（21）で高圧まで圧縮された冷媒は、熱源側熱交換器（22）で凝縮し、熱源側熱交換器（22）の除霜が行われる。凝縮した冷媒は、中間ユニット（30）の液ライン（3L）へ流れ、気液分離器（33）を通らずに利用ユニット（40）へ流れる。この冷媒は、低圧まで減圧された後、室内熱交換器で蒸発し、中間ユニット（30）のガスライン（3G）へ流れる。このガスライン（3G）の冷媒は、第２圧縮機（31）およびガス流出管（33c）を通らずに熱源ユニット（20）へ流れる。この熱源ユニット（20）へ流入した冷媒は、第１圧縮機（21）で再び高圧まで圧縮され、この冷媒循環を繰り返す。つまり、この除霜サイクルにおいて、第２圧縮機（31）の吐出側は第１圧縮機（21）の吸入側に連通しているが、第２圧縮機（31）の吸入側は、第１圧縮機（21）の吐出側および吸入側の何れにも連通せず、気液分離器（33）に連通している。

ここで、除霜能力を増大させるために第２圧縮機（31）も併せて運転すると、気液分離器（33）からガス冷媒が第２圧縮機（31）へ吸入されると共に、その第２圧縮機（31）の吐出冷媒がガスライン（3G）で利用側熱交換器（41）からの蒸発冷媒と混合して第１圧縮機（21）へ吸入される。これにより、冷媒回路（15）においては、第２圧縮機（31）の仕事量（入熱）の分だけ冷媒のエンタルピが増大するため、除霜能力が増大する。

ところが、上記除霜運転では、気液分離器（33）のガス冷媒だけでなく液冷媒までも第２圧縮機（31）へ吸入される恐れがある。そして、液冷媒が吸入されると、圧縮機が損傷する恐れがある。そこで、本発明では、第２圧縮機（31）の吐出冷媒の一部がインジェクション管（36）を通って第２圧縮機（31）の吸入側に流れる。これにより、ガス流出管（33c）から流出した液冷媒がインジェクション管（36）の高温の吐出冷媒と混合し、加熱されてガス化する。したがって、第２圧縮機（31）への液冷媒の吸入が防止される。

第３の発明は、上記第２の発明において、上記中間ユニット（30）は、液ライン（3L）に設けられて気液分離器（33）へ流入する冷媒を加熱する加熱手段（38）を有しているものである。

上記の発明では、第２圧縮機（31）および第１圧縮機（21）の両方を運転する除霜運転において、熱源ユニット（20）から中間ユニット（30）の液ライン（3L）へ流入した液冷媒の一部が気液分離器（33）へ流れ、残りが利用ユニット（40）へ流れる。つまり、上記気液分離器（33）からガス冷媒が第２圧縮機（31）へ吸入されるので、その吸入された分だけ液ライン（3L）の冷媒の一部が気液分離器（33）へ補充される。

上記の状態において、気液分離器（33）へ流れる冷媒は、加熱手段（38）によって加熱されるので、気液二相状態の冷媒となる。つまり、冷媒の乾き度が高くなる。これにより、気液分離器（33）において、冷媒全体に対するガス冷媒量の割合が高くなる。したがって、気液分離器（33）から第２圧縮機（31）への液冷媒の流出が抑制される。その結果、第２圧縮機（31）への液冷媒の吸入が確実に防止される。

第４の発明は、上記第２の発明において、上記中間ユニット（30）は、ガス流出管（33c）に設けられて気液分離器（33）からの冷媒を加熱する加熱手段（38）を有しているものである。

上記の発明では、第２圧縮機（31）および第１圧縮機（21）の両方を運転する除霜運転において、気液分離器（33）から液冷媒がガス流出管（33c）を通じて流出しても、その液冷媒が加熱手段（38）によって加熱されてガス化する。したがって、第２圧縮機（31）への液冷媒の吸入が確実に防止される。

第５の発明は、上記第２の発明において、上記中間ユニット（30）は、気液分離器（33）に設けられて該気液分離器（33）の冷媒を加熱する加熱手段（39）を有しているものである。

上記の発明では、第２圧縮機（31）および第１圧縮機（21）の両方を運転する除霜運転において、気液分離器（33）内の冷媒が加熱手段（39）によって加熱されるので、気液分離器（33）内におけるガス冷媒量の割合が高くなる。したがって、気液分離器（33）から第２圧縮機（31）への液冷媒の流出が抑制される。その結果、第２圧縮機（31）への液冷媒の吸入が確実に防止される。

第６の発明は、上記第４の発明において、上記中間ユニット（30）は、一端が液ライン（3L）に接続され、他端がガス流出管（33c）における加熱手段（38）の上流に接続された液分岐管（33e）を有しているものである。

上記の発明では、第２圧縮機（31）および第１圧縮機（21）の両方を運転する除霜運転において、熱源ユニット（20）から中間ユニット（30）の液ライン（3L）へ流入した液冷媒の一部が気液分離器（33）へ流れ、残りが利用ユニット（40）へ向かって流れる。さらに、その利用ユニット（40）へ向かって流れる冷媒は、一部が液分岐管（33e）へ流れ、残りが利用ユニット（40）へ流れる。上記液分岐管（33e）に流れた冷媒は、ガス流出管（33c）で気液分離器（33）からの冷媒と合流した後、配管用ヒータ（38）によって加熱される。

以上により、利用側熱交換器（41）へ流入する冷媒量が減少するので、その利用側熱交換器（41）における冷媒温度が上昇する。したがって、第１圧縮機（21）に吸入される冷媒の温度が上昇し、その吐出冷媒の温度も上昇する。よって、除霜能力が増大する。

第７の発明は、上記第１または第２の発明において、上記冷媒が二酸化炭素であるものである。

上記の発明では、暖房運転において、二酸化炭素がその臨界圧力まで圧縮されるが、第１圧縮機（21）と第２圧縮機（31）とによって二段圧縮されるので、圧縮機の負担が軽減される。

したがって、本発明によれば、第２圧縮機（31）が気液分離器（33）からガス冷媒を吸入して第１圧縮機（21）の吸入側へ吐出する除霜運転において、第２圧縮機（31）の吐出冷媒の一部をその吸入側にインジェクションするようにした。したがって、気液分離器（33）から液冷媒が第２圧縮機（31）へ向かって流出した場合でも、その液冷媒を高温の吐出冷媒でガス化させることができる。これにより、第２圧縮機（31）における液冷媒の吸入を防止することができる。その結果、除霜運転において、第１圧縮機（21）および第２圧縮機（31）の両方を運転することができ、除霜能力を増大させることができる。

さらに、第３の発明によれば、液ライン（3L）に気液分離器（33）へ流入する冷媒を加熱する加熱手段（38）を設けるようにしたので、気液分離器（33）へ流入する冷媒の乾き度が高めることができる。これにより、気液分離器（33）におけるガス冷媒量の割合を高めることができるので、第２圧縮機（31）への液冷媒の吸入を確実に防止することができる。

また、第４の発明によれば、ガス流出管（33c）に気液分離器（33）からの冷媒を加熱する加熱手段（38）を設けるようにしたので、ガス流出管（33c）に流出した液冷媒をガス化させることができる。これにより、第２圧縮機（31）への液冷媒の吸入を確実に防止することができる。

また、第５の発明によれば、気液分離器（33）内の冷媒を加熱する加熱手段（39）を設けるようにしたので、気液分離器（33）におけるガス冷媒量の割合を高めることができる。したがって、気液分離器（33）から液冷媒の流出を抑制できるので、第２圧縮機（31）への液冷媒の吸入を確実に防止することができる。

また、第６の発明によれば、利用ユニット（40）へ向かう液ライン（3L）の冷媒の一部をガス流出管（33c）へ流すようにしたので、利用側熱交換器（41）へ流入する冷媒量を減少させ、その利用側熱交換器（41）における冷媒温度を上昇させることができる。これにより、第１圧縮機（21）における吸入冷媒および吐出冷媒の温度を上昇させることができ、除霜能力を一層増大させることができる。

また、第７の発明によれば、冷媒に二酸化炭素を用いて、二酸化炭素をその臨界圧力まで圧縮するが、第１圧縮機（21）および第２圧縮機（31）によって二段圧縮するので、各圧縮機の負担を軽減することができる。

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》
本実施形態１の冷凍装置は、冷房運転、暖房運転および除霜運転（デフロスト運転）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）に接続されている。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）に接続されている。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が行われるものであった。そして、上述したように、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）を接続することで、この空気調和装置（10）の冷媒回路（15）では、後述する二段圧縮二段膨張冷凍サイクルが行われる。

<室外ユニット>
上記室外ユニット（20）は、第１圧縮機（21）、室外熱交換器（22）、室外側膨張弁（25）および四路切換弁（23）を備えている。

上記第１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により構成されている。上記室外熱交換器（22）は、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。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）へ室外空気を送り込む。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）は、第１ポートに第１圧縮機（21）の吐出管（21a）が接続され、第２ポートに第１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）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、上記四路切換弁（23）は、第１ポートと第３ポートとを連通させ且つ第２ポートと第４ポートとを連通させる状態と、第１ポートと第４ポートとを連通させ且つ第２ポートと第３ポートとを連通させる状態とに切り換え可能に構成されている。

<室内ユニット>
上記室内ユニット（40）は、室内熱交換器（41）および室内側膨張弁（42）を備えている。この室内熱交換器（41）の一端は、第３連絡配管（13）に接続され、他端は、室内側膨張弁（42）を介して第４連絡配管（14）に接続されている。上記室内熱交換器（41）は、クロスフィンアンドチューブ式の熱交換器により構成されている。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）へ室内空気を送り込む。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。

<オプションユニット>
上記オプションユニット（30）は、第２圧縮機（31）、三路切換弁（32）、気液分離器（33）およびオプション側膨張弁（34）を備えている。

上記第２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により構成されている。この第２圧縮機（31）の吐出管（31a）は、室内ユニット（40）から延びる第３連絡配管（13）に接続されている。この第２圧縮機（31）の吸入管（31b）は、上記三路切換弁（32）に接続されている。また、本実施形態では、第２圧縮機（31）の容積が第１圧縮機（21）の容積よりも小さく設定されている。

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。この三路切換弁（32）は、第１のポートにガスバイパス管（31c）が接続され、第２のポートに第２圧縮機（31）の吸入管（31b）が接続され、第３のポートにガス連絡管（31d）が接続されている。そして、上記三路切換弁（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。上記ガスバイパス管（31c）は、第２圧縮機（31）の吐出管（31a）の途中に繋がっている。上記ガス連絡管（31d）は、室外ユニット（20）から延びる第１連絡配管（11）に繋がっている。このオプションユニット（30）において、第２圧縮機（31）の吐出管（31a）および吸入管（31b）とガス連絡管（31d）とはガスライン（3G）を構成している。

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、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。

この気液分離器（33）には、その胴部を貫通して液冷媒貯留部に臨む液流入管（33a）および液流出管（33b）がそれぞれ接続されている。上記液流入管（33a）は室内ユニット（40）から延びる第４連絡配管（14）に繋がり、上記液流出管（33b）は室外ユニット（20）から延びる第２連絡配管（12）に繋がっている。上記液流入管（33a）および液流出管（33b）の間には、液バイパス管（33d）が接続されている。このオプションユニット（30）において、液流入管（33a）および液流出管（33b）は液ライン（3L）を構成している。

また、上記気液分離器（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。このガス流出管（33c）は、第２圧縮機（31）の吸入管（21b）の途中に繋がっている。

上記オプション側膨張弁（34）は、液流入管（33a）における液バイパス管（33d）との接続部よりも気液分離器（33）側に設けられている。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。

上記オプションユニット（30）には、開閉弁としての電磁弁や、冷媒流れを規制する逆止弁が設けられている。具体的に、上記液バイパス管（33d）には第１電磁弁（SV-1）が設けられている。また、上記液流出管（33b）には第１逆止弁（CV-1）が設けられ、第２圧縮機（31）の吐出管（31a）におけるガスバイパス管（31c）との接続部よりも第２圧縮機（31）側に第２逆止弁（CV-2）が設けられている。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。

また、本発明の特徴として、オプションユニット（30）は、インジェクション管（36）を備えている。

このインジェクション管（36）は、流入端である一端が第２圧縮機（31）と第２逆止弁（CV-2）の間の吐出管（31a）に接続され、流出端である他端が第２圧縮機（31）とガス流出管（33c）の間の吸入管（31b）に接続されている。また、このインジェクション管（36）には、流入端側から順に開閉弁としての第３電磁弁（SV-3）とキャピラリチューブ（37）とが設けられている。

上記インジェクション管（36）は、除霜運転時に、第２圧縮機（31）の吐出ガス冷媒を第２圧縮機（31）の吸入側にインジェクションするように構成されている。これにより、除霜運転の際、第２圧縮機（31）の駆動によって気液分離器（33）からガス流出管（33c）を通じて吸い上げられた気液二相の冷媒が、インジェクションされた吐出ガス冷媒によって加熱される。

−運転動作−
次に、本実施形態１に係る空気調和装置（10）の運転動作について説明する。

<冷房運転>
この冷房運転では、四路切換弁（23）および三路切換弁（32）が図２に示す状態に設定され、第１電磁弁（SV-1）が開状態に、第３電磁弁（SV-3）が閉状態にそれぞれ設定される。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、第１圧縮機（21）が運転される一方、第２圧縮機（31）は停止状態となる。つまり、この冷房運転時の冷媒回路（15）では、第１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。

上記室外ユニット（20）の第１圧縮機（21）の高圧の吐出冷媒は、室外熱交換器（22）へ流れる。この室外熱交換器（22）では、高圧冷媒が室外空気へ放熱して凝縮する。この室外熱交換器（22）で凝縮した冷媒は、オプションユニット（30）の液流出管（33b）、液バイパス管（33d）および液流入管（33a）を経由して室内ユニット（40）へ送られる。つまり、上記オプションユニット（30）に流入した冷媒は、気液分離器（33）をバイパスして液ライン（3L）を流れる。

上記室内ユニット（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。この減圧後の低圧冷媒は、室内熱交換器（41）へ流れ、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。上記室内熱交換器（41）で蒸発した冷媒は、オプションユニット（30）の吐出管（31a）、ガスバイパス管（31c）およびガス連絡管（31d）を経由して室外ユニット（20）へ送られる。この室外ユニット（20）に流入した冷媒は、第１圧縮機（21）に吸入される。

<暖房運転>
この暖房運転では、四路切換弁（23）および三路切換弁（32）が図３に示す状態に設定され、第１電磁弁（SV-1）および第３電磁弁（SV-3）が閉状態に設定される。また、上記室内側膨張弁（42）、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。また、この暖房運転では、第１圧縮機（21）および第２圧縮機（31）の両方が運転される。

上記オプションユニット（30）の第２圧縮機（31）の高圧の吐出冷媒は、室内ユニット（40）の室内熱交換器（41）へ流れる。この室内熱交換器（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。この室内熱交換器（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）の液流入管（33a）へ流れ、オプション側膨張弁（34）でさらに減圧されて中間圧の冷媒となり気液分離器（33）へ流入する。

上記気液分離器（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、ガス流出管（33c）を通じて第２圧縮機（31）の吸入側へ流れる。一方、分離された液冷媒は、液流出管（33b）から室外ユニット（20）へ送られる。この室外ユニット（20）に流入した冷媒は、室外側膨張弁（25）で低圧まで減圧される。この低圧の冷媒は、室外熱交換器（22）へ流れ、室外空気から吸熱して蒸発する。この室外熱交換器（22）で蒸発した冷媒は、第１圧縮機（21）に吸入される。

上記第１圧縮機（21）では、低圧の冷媒が圧縮されて中間圧の冷媒となる。この中間圧の冷媒は、オプションユニット（30）へ再び送られる。このオプションユニット（30）へ流入した冷媒は、ガス連絡管（31d）および三路切換弁（32）を介して第２圧縮機（31）の吸入管（31b）へ流れ、ガス流出管（33c）からのガス冷媒と合流して第２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（減圧）させる一方、低圧冷媒を二段階に圧縮する、二段圧縮二段膨張冷凍サイクルが行われる。さらに、この暖房運転では、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第２圧縮機（31）へ戻している。その結果、室外熱交換器（22）へは液冷媒だけが送られるので、気液分離器（33）から室外熱交換器（22）までの液配管の圧力損失が低減されると共に、液冷媒の一部が蒸発する、いわゆるフラッシュ現象の発生が抑制される。

また、上記気液分離器（33）で分離されたガス冷媒は室外熱交換器（22）および第１圧縮機（21）へ送られないことから、第１圧縮機（21）でガス冷媒が圧縮されることはないので、圧縮機全体の仕事量が減少する。その結果、空気調和装置（10）のＣＯＰが向上する。さらに、上記気液分離器（33）で分離した中間圧のガス冷媒を第２圧縮機（31）に吸入させるので、第２圧縮機（31）の吸入冷媒が冷却される。その結果、第２圧縮機（31）における吐出冷媒温度の異常上昇が回避される。

<除霜運転>
この除霜運転は、上述した暖房運転において室外熱交換器（22）で着霜が生じた場合に、その霜を溶かすための運転である。本実施形態の除霜運転は、冷媒流れを暖房運転時とは逆向きにして行う、いわゆる逆サイクルデフロスト運転である。また、この除霜運転は、第２圧縮機（31）を停止し第１圧縮機（21）のみを運転して行う第１除霜運転と、第２圧縮機（31）および第１圧縮機（21）の両方を運転して行う第２除霜運転とに切り換えられる。

先ず、第１除霜運転では、上述した冷房運転と同様に、四路切換弁（23）、三路切換弁（32）および第１電磁弁（SV-1）等が図２の状態に設定される。そして、第１圧縮機（21）が運転されると、冷房運転と同様に冷媒が流れる。つまり、上記第１圧縮機（21）の高温の吐出冷媒が室外熱交換器（22）へ流れる。この室外熱交換器（22）では、高温の冷媒によって除霜される。

上記第２除霜運転では、四路切換弁（23）および三路切換弁（32）が図４に示す状態に設定され、第１電磁弁（SV-1）および第３電磁弁（SV-3）が開状態に設定される。また、上記室外側膨張弁（25）およびオプション側膨張弁（34）が全開状態に設定される一方、室内側膨張弁（42）の開度が所定開度に設定される。つまり、この第２除霜運転では、上述した第１除霜運転時の冷媒回路（15）の状態において、第３電磁弁（SV-3）が開状態に、オプション側膨張弁（34）が全開状態にそれぞれ設定される。この状態において、第１圧縮機（21）および第２圧縮機（31）が運転される。

上記第１圧縮機（21）の吐出冷媒は、室外熱交換器（22）へ流れて除霜した後、オプションユニット（30）の液流入管（33a）へ流れる。この冷媒は、一部が室内ユニット（40）へ流れ、残りが気液分離器（33）へ流れる。

上記室内ユニット（40）へ流入した冷媒は、室内熱交換器（41）を通った後、オプションユニット（30）の吐出管（31a）、ガスバイパス管（31c）およびガス連絡管（31d）を経由して室外ユニット（20）へ送られる。この室外ユニット（20）に流入した冷媒は、第１圧縮機（21）に吸入される。上記気液分離器（33）に流入した冷媒は、ガス冷媒と液冷媒とに分離され、そのガス冷媒がガス流出管（33c）を通じて第２圧縮機（31）の吸入管（31b）へ流れる。

一方、上記第２圧縮機（31）の吐出冷媒は、一部がガスバイパス管（31c）で室内ユニット（40）からの冷媒と合流し、残りがインジェクション管（36）へ流れる。上記ガスバイパス管（31c）で合流した冷媒は、上述したように第１圧縮機（21）へ吸入される。この吸入冷媒は、第１除霜運転時の吸入冷媒と比べて、第２圧縮機（31）の仕事量（入熱量）の分だけエンタルピが増大している。したがって、上記第１圧縮機（21）の吐出冷媒もエンタルピが増大し、室外熱交換器（22）における除霜能力が増大する。

上記インジェクション管（36）へ流れた高温の冷媒は、キャピラリチューブ（37）を通って、吸入管（31b）で気液分離器（33）からのガス冷媒と合流して第２圧縮機（31）へ吸入される。ここで、気液分離器（33）から吸入管（31b）へは、ガス冷媒だけでなく、液冷媒も流出する恐れがある。その場合、吸入管（31b）へ流出した液冷媒は、インジェクション管（36）からの高温冷媒と混合することによってガス化する。したがって、上記第２圧縮機（31）への液冷媒の流入が防止され、第２圧縮機（31）の損傷が回避される。

−実施形態１の効果−
本実施形態によれば、除霜運転時、気液分離器（33）からの冷媒を吸入して吐出冷媒を第１圧縮機（21）の吸入冷媒に混合させる第２圧縮機（31）を備えたオプションユニット（30）において、第２圧縮機（31）の吐出冷媒の一部を吸入側にインジェクションするインジェクション管（36）を設けるようにした。これにより、万一気液分離器（33）から液冷媒が第２圧縮機（31）の吸入側へ流出した場合でも、その液冷媒をインジェクション管（36）の高温ガス冷媒によってガス化させることができる。したがって、上記第２圧縮機（31）への液冷媒の流入を防止でき、第２圧縮機（31）の損傷を回避することができる。

一方、上記第１圧縮機（21）の吸入冷媒に第２圧縮機（31）の吐出冷媒の一部が混合されるので、第１圧縮機（21）の吸入冷媒のエンタルピが増大する。これにより、第１圧縮機（21）の吐出冷媒のエンタルピも増大するので、室外熱交換器（22）の除霜能力が向上する。つまり、本実施形態によれば、従来に比べて、除霜運転時に第２圧縮機（31）を損傷させることなく駆動させることができるので、装置の信頼性を損なうことなく除霜能力を高めることができる。

《発明の実施形態２》
本実施形態２の冷凍装置は、図５に示すように、上記実施形態１の空気調和装置（10）において、オプションユニット（30）が配管用ヒータ（38）を備えるようにしたものである。

具体的に、上記配管用ヒータ（38）は、液流入管（33a）におけるオプション側膨張弁（34）よりも気液分離器（33）側に設けられている。この配管用ヒータ（38）は、第２除霜運転時に、液流入管（33a）を流れる冷媒を加熱する加熱手段を構成している。

この場合、第２除霜運転時に、室外ユニット（20）から液流入管（33a）へ流れて気液分離器（33）側に分流した液冷媒が配管用ヒータ（38）によって加熱され、気液二相状態の冷媒となる。この気液二相状態の冷媒は、気液分離器（33）へ流れる。これにより、気液分離器（33）内のガス冷媒量の液冷媒量に対する割合が増大する。したがって、上記気液分離器（33）から第２圧縮機（31）の吸入管（31b）への液冷媒の流出が抑制される。その結果、第２圧縮機（31）における液冷媒の流入を確実に防止することができる。その他の構成、作用および効果は実施形態１と同様である。

−実施形態２の変形例１−
本変形例１は、図６に示すように、上記実施形態２における配管用ヒータ（38）の設置箇所を変更したものである。具体的に、本変形例では、配管用ヒータ（38）がガス流出管（33c）の途中に設けられている。

この場合、第２除霜運転時に、気液分離器（33）からガス流出管（33c）へ流出した冷媒が配管用ヒータ（38）によって加熱された後、第２圧縮機（31）の吸入管（31b）へ流れる。したがって、上記気液分離器（33）から液冷媒が流出した場合でも、その液冷媒は配管用ヒータ（38）によって加熱されて気液二相状態の冷媒となった後、インジェクション管（36）の高温冷媒と混合される。これにより、気液分離器（33）からの液冷媒が確実にガス化されて第２圧縮機（31）へ吸入される。

−実施形態２の変形例２−
本変形例２は、図７に示すように、上記実施形態２が配管用ヒータ（38）を設けたのに代えて、気液分離器用ヒータ（39）を設けるようにしたものである。具体的に、この気液分離器用ヒータ（39）は、気液分離器（33）に設けられ、気液分離器（33）内の冷媒を加熱する加熱手段を構成している。

この場合、第２除霜運転時に、気液分離器（33）内の冷媒が加熱され、該気液分離器（33）内の液冷媒が一部がガス化する。これにより、気液分離器（33）においてガス冷媒量の液冷媒量に対する割合が増大するので、気液分離器（33）からの液冷媒の流出が抑制される。その結果、第２圧縮機（31）における液冷媒の流入を確実に防止することができる。

−実施形態２の変形例３−
本変形例３は、図８に示すように、上記実施形態２の変形例２において、オプションユニット（30）に液分岐管（33e）を設けるようにしたものである。具体的に、この液分岐管（33e）は、流入端である一端が液流入管（33a）におけるオプション側膨張弁（34）よりも室内ユニット（40）側に接続され、流出端である他端がガス流出管（33c）における配管用ヒータ（38）よりも気液分離器（33）側に接続されている。この液分岐管（33e）には、開閉弁としての第４電磁弁（SV-4）が設けられている。この第４電磁弁（SV-4）は、第２除霜運転時のみ開状態に設定される。

この変形例では、第２除霜運転時に、液バイパス管（33d）から液流入管（33a）へ流れて室内ユニット（40）側へ向かう冷媒の一部が液分岐管（33e）へ流れ、残りが室内ユニット（40）へ流れる。上記液分岐管（33e）に流れた冷媒は、ガス流出管（33c）で気液分離器（33）からの冷媒と合流した後、配管用ヒータ（38）によって加熱されて吸入管（31b）へ流れる。

この場合、室内熱交換器（41）へ流入する冷媒量が減少するので、室内熱交換器（41）における冷媒温度が上昇する。また、上記液分岐管（33e）に流れた冷媒も加熱されて温度が上昇するので、第２圧縮機（31）の吸入冷媒の温度が上昇し、その吐出冷媒の温度が上昇する。これらにより、第１圧縮機（21）に吸入される冷媒の温度が上昇し、その吐出冷媒の温度が上昇する。その結果、室外熱交換器（22）の除霜能力を向上させることができる。

《その他の実施形態》
上記各実施形態において、冷媒に二酸化炭素以外のものを用いるようにしてもよいことは勿論である。

また、上記各実施形態では、空気調和装置に適用した例について説明したが、本発明に係る冷凍装置は、利用側熱交換器で冷媒と水を熱交換させて温水を生成する例えば給湯機等に適用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、高段側圧縮機および中間圧冷媒の気液分離器を有する増設用のオプションユニットを備えた冷凍装置として有用である。

実施形態１に係る空気調和装置の冷媒回路図である。実施形態１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１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１に係る空気調和装置の除霜運転の動作を示す冷媒回路図である。実施形態２に係る空気調和装置の除霜運転の動作を示す冷媒回路図である。実施形態２の変形例１に係る空気調和装置の除霜運転の動作を示す冷媒回路図である。実施形態２の変形例２に係る空気調和装置の除霜運転の動作を示す冷媒回路図である。実施形態２の変形例３に係る空気調和装置の除霜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
20 室外ユニット（熱源ユニット）
21 第１圧縮機
22 室外熱交換器（熱源側熱交換器）
30 オプションユニット（中間ユニット）
31 第２圧縮機
33 気液分離器
33c ガス流出管
33e 液分岐管
36 インジェクション管
38 配管用ヒータ（加熱手段）
39 気液分離器用ヒータ（加熱手段）
40 室内ユニット（利用ユニット）
41 室内熱交換器（利用側熱交換器）
3G ガスライン
3L 液ライン

Claims

第１圧縮機（21）と第２圧縮機（31）と中間圧冷媒の気液分離器（33）とを有し、冷凍サイクルを行う冷媒回路（15）を備え、
上記冷媒回路（15）は、第１圧縮機（21）の吐出冷媒が第２圧縮機（31）で圧縮される一方、凝縮冷媒が気液分離器（33）を流れると共に該気液分離器（33）のガス冷媒が第２圧縮機（31）に吸入されて冷媒が二段圧縮二段膨張される暖房サイクルと、第２圧縮機（31）を停止し第１圧縮機（21）のみを運転して行う第１除霜サイクルと、第１圧縮機（21）および第２圧縮機（31）の両方を運転して行う第２除霜サイクルとが切り換えて行われる冷凍装置であって、
上記第１除霜サイクルでは、上記第１圧縮機（21）から吐出されて凝縮した冷媒が気液分離器（33）をバイパスしてその後蒸発し、上記第２除霜サイクルでは、第１圧縮機（21）から吐出されて凝縮した冷媒の一部が気液分離器（33）へ流れ残りがその後蒸発する一方、気液分離器（33）のガス冷媒が第２圧縮機（31）へ吸入され第２圧縮機（31）の吐出冷媒が上記蒸発冷媒に合流し、
上記冷媒回路（15）は、上記第２除霜サイクル時に第２圧縮機（31）の吐出冷媒の一部を該第２圧縮機（31）の吸入側へインジェクションし、気液分離器（33）からの冷媒と混合させるインジェクション管（36）を備えている
ことを特徴とする冷凍装置。
第１圧縮機（21）および熱源側熱交換器（22）を有する熱源ユニット（20）と、
利用側熱交換器（41）を有する利用ユニット（40）と、
第２圧縮機（31）が設けられ、上記熱源ユニット（20）および利用ユニット（40）の間に繋がるガスライン（3G）と、上記第２圧縮機（31）の吸入側とガス流出管（33c）によって接続される中間圧冷媒の気液分離器（33）が設けられ、上記熱源ユニット（20）および利用ユニット（40）の間に繋がる液ライン（3L）とを有する中間ユニット（30）とを有し、
上記第１圧縮機（21）の吐出冷媒がガスライン（3G）の第２圧縮機（31）で圧縮される一方、利用ユニット（40）の液冷媒が液ライン（3L）の気液分離器（33）を流れて冷媒が二段圧縮される暖房サイクルと、第２圧縮機（31）を停止し第１圧縮機（21）のみを運転して行う第１除霜サイクルと、第１圧縮機（21）および第２圧縮機（31）の両方を運転して行う第２除霜サイクルとが切り換えて行われる冷媒回路（15）を備えた冷凍装置であって、
上記第１除霜サイクルでは、上記第１圧縮機（21）から熱源側熱交換器（22）へ流れた冷媒が液ライン（3L）の気液分離器（33）をバイパスして利用側熱交換器（41）へ流れ、上記第２除霜サイクルでは、上記第１圧縮機（21）から熱源側熱交換器（22）へ流れた冷媒の一部が液ライン（3L）の気液分離器（33）へ流れ残りが利用側熱交換器（41）へ流れる一方、気液分離器（33）のガス冷媒が第２圧縮機（31）へ吸入され第２圧縮機（31）の吐出冷媒が利用側熱交換器（41）から出た冷媒に合流し、
上記中間ユニット（30）は、ガスライン（3G）に設けられ、上記第２除霜サイクル時に第２圧縮機（31）の吐出冷媒の一部を該第２圧縮機（31）の吸入側とガス流出管（33c）との間にインジェクションするインジェクション管（36）を有している
ことを特徴とする冷凍装置。
請求項２において、
上記中間ユニット（30）は、液ライン（3L）に設けられて気液分離器（33）へ流入する冷媒を加熱する加熱手段（38）を有している
ことを特徴とする冷凍装置。
請求項２において、
上記中間ユニット（30）は、ガス流出管（33c）に設けられて気液分離器（33）からの冷媒を加熱する加熱手段（38）を有している
ことを特徴とする冷凍装置。
請求項２において、
上記中間ユニット（30）は、気液分離器（33）に設けられて該気液分離器（33）の冷媒を加熱する加熱手段（39）を有している
ことを特徴とする冷凍装置。
請求項４において、
上記中間ユニット（30）は、一端が液ライン（3L）に接続され、他端がガス流出管（33c）における加熱手段（38）の上流に接続された液分岐管（33e）を有している
ことを特徴とする冷凍装置。
請求項１または２において、
上記冷媒は、二酸化炭素である
ことを特徴とする冷凍装置。