JP6390796B2 - 二段昇圧式冷凍サイクル - Google Patents

Description

関連出願への相互参照

本出願は、２０１５年９月１日に出願された日本出願番号２０１５−１７２１６０号に基づくものであって、ここにその記載内容を援用する。

本開示は、低段側圧縮機と高段側圧縮機とを備え、冷媒を多段階に昇圧させる二段圧縮式冷凍サイクルに関する。

従来、２つの圧縮機の両方を作動させる二段圧縮運転、２つの圧縮機のうち、一方を作動させる単段圧縮運転を実行可能な二段昇圧式の冷凍サイクルが知られている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１では、二段圧縮運転と単段圧縮運転とを選択的に実施できる構成とすることで、冷凍サイクルの負荷に対応した能力を発揮させて、サイクル全体としての運転効率の向上を図っている。

特開２００６−１７０４８８号公報

ところで、本発明者らは、２つの圧縮機を直列に接続すると共に、低段側の圧縮機を迂回して高段側の圧縮機に流すバイパス通路を追加して、低段側の圧縮機の作動停止した際に、バイパス通路を介して高段側の圧縮機に冷媒を導く構成を検討している。

ここで、蒸気圧縮式の冷凍サイクルでは、圧縮機の内部に配置された圧縮機構等の潤滑を目的として、冷媒に潤滑油が混入されているものがある。この種の冷凍サイクルでは、潤滑油を冷媒と共に圧縮機に吸入させることで、圧縮機の信頼性を確保している。

しかしながら、本発明者らが検討している二段昇圧式の冷凍サイクルの如く、冷凍サイクル中に、冷媒が流れない経路が存在する構成とすると、当該経路に潤滑油が溜まり、圧縮機に潤滑油を吸入させることが難しい。

例えば、単段圧縮運転時には、低段側の圧縮機に冷媒が流れなくなり、低段側の圧縮機における冷媒の吸入経路に潤滑油が溜まってしまうことがある。この場合、高段側の圧縮機への潤滑油の供給量が減少してしまう。

本開示は上記点に鑑みて、運転状態によって圧縮機への潤滑油の供給量が減少してしまうことを抑制可能な二段昇圧式冷凍サイクルを提供することを目的とする。

本開示は、二段昇圧式冷凍サイクルを対象としている。

本開示の二段昇圧式冷凍サイクルは、
潤滑油が混入された冷媒を圧縮して吐出する低段側圧縮機と、
低段側圧縮機から吐出された冷媒を圧縮して吐出する高段側圧縮機と、
低段側圧縮機の冷媒吸入側に接続された低段側吸入配管と、
低段側圧縮機の冷媒吐出側と高段側圧縮機の冷媒吸入側とを接続する低段側吐出配管と、
高段側圧縮機の冷媒吐出側に接続された高段側吐出配管と、
低段側吸入配管から分岐して低段側吐出配管に接続され、低段側圧縮機の停止時に、低段側圧縮機を迂回して高段側圧縮機に冷媒を導くバイパス配管と、
バイパス配管に設けられ、低段側吸入配管から低段側吐出配管に向かう冷媒の流れを許容すると共に、低段側吐出配管から低段側吸入配管に向かう冷媒の流れを遮断する逆流防止弁と、を備えている。

本開示の１つの観点によれば、二段昇圧式冷凍サイクルは、低段側吸入配管におけるバイパス配管に分岐するバイパス分岐部から低段側圧縮機の冷媒吸入側に至る部位に、低段側圧縮機の冷媒吸入側からバイパス分岐部側に潤滑油を導く吸入側ガイド部が設けられている。そして、吸入側ガイド部は、その鉛直方向における位置が、バイパス分岐部の鉛直方向における位置以上であって、低段側圧縮機の冷媒吸入側の部位が、バイパス分岐部側の部位よりも鉛直方向において高い位置となっている。

これによれば、低段側圧縮機の停止時に、低段側吸入配管におけるバイパス分岐部から低段側圧縮機の冷媒吸入側に至る部位に滞留する潤滑油を、自重によってバイパス分岐部に導くことができる。そして、バイパス分岐部に導かれた潤滑油は、冷媒と共にバイパス通路を介して高段側圧縮機の冷媒吸入側に流れる。このため、低段側圧縮機の停止による低段側吸入配管の潤滑油の滞留を抑え、高段側圧縮機への潤滑油の供給量が減少してしまうことを抑制することが可能となる。

また、本開示の別の観点によれば、二段昇圧式冷凍サイクルは、低段側吸入配管に、バイパス配管に分岐するバイパス分岐部が設けられている。また、バイパス配管には、逆流防止弁側からバイパス分岐部側に潤滑油を導くバイパス側ガイド部が設けられている。そして、バイパス側ガイド部は、その鉛直方向における位置が、バイパス分岐部の鉛直方向における位置以上であって、逆流防止弁側の部位が、バイパス分岐部側の部位よりも鉛直方向において高い位置となっている。

これによれば、低段側圧縮機の作動時に、バイパス配管に滞留する潤滑油を、自重によってバイパス分岐部に導くことができる。そして、バイパス分岐部に導かれた潤滑油は、冷媒と共に低段側圧縮機の冷媒吸入側に流れる。このように、低段側圧縮機の作動時において、バイパス配管における潤滑油の滞留を抑えて、低段側圧縮機への潤滑油の供給量が減少してしまうことを抑制することが可能となる。

第１実施形態の二段昇圧式冷凍サイクルの全体構成図である。 比較例１の二段昇圧式冷凍サイクルの単段圧縮運転時におけるバイパス分岐部付近の冷媒およびオイルの流れを示す模式図である。 第１実施形態の二段昇圧式冷凍サイクルの各圧縮機を設置した際のレイアウトを示す模式図である。 第１実施形態の二段昇圧式冷凍サイクルの単段圧縮運転時におけるバイパス分岐部付近の冷媒およびオイルの流れを示す模式図である。 第１実施形態の変形例である二段昇圧式冷凍サイクルの各圧縮機を設置した際のレイアウトを示す模式図である。 第２実施形態の二段昇圧式冷凍サイクルの各圧縮機を設置した際のレイアウトを示す模式図である。 比較例２の二段昇圧式冷凍サイクルの単段圧縮運転時におけるバイパス分岐部付近の冷媒およびオイルの流れを示す模式図である。 第２実施形態の二段昇圧式冷凍サイクルの単段圧縮運転時におけるバイパス分岐部付近の冷媒およびオイルの流れを示す模式図である。 第２実施形態の変形例である二段昇圧式冷凍サイクルの各圧縮機を設置した際のレイアウトを示す模式図である。 第３実施形態の二段昇圧式冷凍サイクルの各圧縮機を設置した際のレイアウトを示す模式図である。 第３実施形態の二段昇圧式冷凍サイクルの単段圧縮運転時におけるバイパス分岐部付近の冷媒およびオイルの流れを示す模式図である。

以下、本開示の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、先行する実施形態で説明した事項と同一もしくは均等である部分には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する場合がある。

また、各実施形態において、構成要素の一部だけを説明している場合、構成要素の他の部分に関しては、先行する実施形態において説明した構成要素を適用することができる。

以下の実施形態は、特に組み合わせに支障が生じない範囲であれば、特に明示していない場合であっても、各実施形態同士を部分的に組み合わせることができる。

（第１実施形態）
本実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。図１は、本実施形態の二段昇圧式冷凍サイクル１０の全体構成図である。本実施形態の二段昇圧式冷凍サイクル１０は、冷凍庫を有するトレーラに適用されており、冷却対象空間である冷凍庫内へ送風される送風空気を−３０℃〜−１０℃程度の極低温となるまで冷却する機能を果たす。

図１に示すように、二段昇圧式冷凍サイクル１０は、低段側圧縮機１１および高段側圧縮機１２といった２つの圧縮機を備えている。これにより、二段昇圧式冷凍サイクル１０は、サイクルを循環する冷媒を多段階に昇圧可能となっている。

具体的には、本実施形態の二段昇圧式冷凍サイクル１０は、低段側圧縮機１１および高段側圧縮機１２の両方を作動させる二段圧縮運転、低段側圧縮機１１および高段側圧縮機１２のうち、高段側圧縮機１２を作動させる単段圧縮運転を実行可能となっている。なお、冷媒としては、通常のフロン系冷媒（例えば、Ｒ４０４Ａ）を採用することができる。さらに、冷媒には、低段側圧縮機１１および高段側圧縮機１２内の摺動部位を潤滑する潤滑油として冷凍機油（すなわち、オイル）が混入されている。オイルの一部は、冷媒とともにサイクルを循環している。

低段側圧縮機１１は、低圧冷媒を中間圧冷媒となるまで圧縮して吐出する圧縮機構を有する。本実施形態の低段側圧縮機１１は、冷媒の吐出容量が固定された固定容量型の圧縮機構で構成されている。低段側圧縮機１１の圧縮機構としては、スクロール型圧縮機構、ベーン型圧縮機構、ローリングピストン型圧縮機構等の各種圧縮機構を採用できる。

低段側圧縮機１１の冷媒吸入側には、後述する蒸発器１８の冷媒出口側に接続された低段側吸入配管１０１が接続されている。また、低段側圧縮機１１の冷媒吐出側には、低段側吐出配管１０２が接続されている。

高段側圧縮機１２は、その冷媒吸入側に低段側吐出配管１０２が接続されている。高段側圧縮機１２は、低段側吐出配管１０２を流れる冷媒を高圧冷媒となるまで圧縮して吐出する圧縮機構を有する。本実施形態の高段側圧縮機１２は、低段側圧縮機１１と同様に固定容量型の圧縮機構で構成されている。高段側圧縮機１２の冷媒吐出側には、高段側吐出配管１０３が接続されている。この高段側吐出配管１０３には、放熱器１３の冷媒入口側が接続されている。なお、各圧縮機１１、１２をトレーラに設置した際のレイアウトについては後述する。

ここで、本実施形態の低段側圧縮機１１および高段側圧縮機１２は、トレーラに搭載された冷凍庫専用の内燃機関（例えば、エンジンＥＧ）３０により回転駆動される。内燃機関３０は、回転駆動力が各圧縮機１１、１２に伝達されるように、プーリおよびベルトを介して、低段側圧縮機１１および高段側圧縮機１２の双方に接続されている。内燃機関３０は、駆動装置５５を介して制御装置５０に接続されており、制御装置５０からの制御信号に応じて、その作動が制御される。

また、本実施形態の低段側圧縮機１１と内燃機関３０との間には、内燃機関３０から低段側圧縮機１１への回転駆動力の伝達をオン・オフする電磁クラッチ３１が設けられている。電磁クラッチ３１は、後述する制御装置５０からの制御信号に応じて、その作動が制御される。

放熱器１３は、高段側圧縮機１２から吐出された高圧冷媒と図示しない冷却ファンにより送風される庫外空気（すなわち、外気）とを熱交換させることによって、高圧冷媒を放熱させて冷却する放熱用熱交換器である。なお、本実施形態の二段昇圧式冷凍サイクル１０では、冷媒としてフロン系冷媒を採用し、高圧側冷媒圧力が冷媒の臨界圧力を超えない亜臨界冷凍サイクルを構成している。このため、放熱器１３は冷媒を凝縮させる凝縮器として機能する。

放熱器１３の冷媒出口には、放熱器１３から流出した冷媒の流れを分岐する分岐部１４が接続されている。分岐部１４は、３つの流入出口が形成された三方継手構造を有する。分岐部１４は、流入出口のうち１つを冷媒流入口とし、２つを冷媒流出口としたものである。このような分岐部１４は、配管を接合して構成してもよいし、金属ブロックや樹脂ブロックに複数の冷媒通路を設けて構成してもよい。

分岐部１４の一方の冷媒出口には中間圧膨張弁１５の入口側が接続され、分岐部１４の他方の冷媒出口には中間熱交換器１６の高圧冷媒流路１６ａの入口側が接続されている。中間圧膨張弁１５は、放熱器１３から流出した高圧冷媒を中間圧冷媒となるまで減圧膨張させる温度式膨張弁である。

より具体的には、中間圧膨張弁１５は、中間圧冷媒流路１６ｂの出口側における冷媒の温度と圧力とに基づいて中間圧冷媒流路１６ｂの出口側における冷媒の過熱度が予め設定された所定値となるように弁開度を調整するようになっている。また、中間圧膨張弁１５の出口側には、中間圧冷媒流路１６ｂの入口側が接続されている。

中間熱交換器１６は、中間圧冷媒流路１６ｂを流通する中間圧膨張弁１５にて減圧膨張された中間圧冷媒と、高圧冷媒流路１６ａを流通する分岐部１４にて分岐された他方の高圧冷媒との間で熱交換を行う熱交換器である。なお、冷媒は減圧されることによって温度低下する。このため、中間熱交換器１６では、中間圧冷媒流路１６ｂを流通する中間圧冷媒が加熱され、高圧冷媒流路１６ａを流通する高圧冷媒が冷却されることになる。

また、中間熱交換器１６の具体的構成としては、高圧冷媒流路１６ａを形成する外側管の内側に中間圧冷媒流路１６ｂを形成する内側管を配置する二重管方式の熱交換器構成を採用している。もちろん、高圧冷媒流路１６ａを内側管として、中間圧冷媒流路１６ｂを外側管としてもよい。さらに、高圧冷媒流路１６ａと中間圧冷媒流路１６ｂとを形成する冷媒配管同士を接合して熱交換させる構成等を採用してもよい。

ここで、図１に示す中間熱交換器１６では、高圧冷媒流路１６ａを流通する高圧冷媒の流れ方向と中間圧冷媒流路１６ｂを流通する中間圧冷媒の流れ方向が同一となる並行流型の熱交換器を採用している。もちろん、中間熱交換器１６としては、高圧冷媒流路１６ａを流通する高圧冷媒の流れ方向と中間圧冷媒流路１６ｂを流通する中間圧冷媒の流れ方向が逆方向となる対向流型の熱交換器を採用してもよい。

中間熱交換器１６の中間圧冷媒流路１６ｂの出口側は、中間圧冷媒配管１０４を介して、前述の低段側吐出配管１０２に接続されている。従って、本実施形態の高段側圧縮機１２は、中間圧冷媒流路１６ｂから流出した冷媒と低段側圧縮機１１から吐出された冷媒との混合冷媒を吸入可能となっている。

一方、中間熱交換器１６の高圧冷媒流路１６ａの出口側には、低圧膨張弁１７の入口側が接続されている。低圧膨張弁１７は、放熱器１３から流出した高圧冷媒を低圧冷媒となるまで減圧膨張させる温度式膨張弁である。この低圧膨張弁１７の基本的構成は、中間圧膨張弁１５と同様である。

より具体的には、低圧膨張弁１７は、蒸発器１８の出口側における冷媒の温度と圧力とに基づいて蒸発器１８の出口側における冷媒の過熱度が予め設定された所定値となるように弁開度を調整するようになっている。

低圧膨張弁１７の出口側には、蒸発器１８の冷媒流入口側が接続されている。蒸発器１８は、低圧膨張弁１７にて減圧膨張された低圧冷媒と、図示しない送風ファンによって冷凍庫内を循環送風される送風空気とを熱交換させることによって、低圧冷媒を蒸発させて吸熱作用を発揮させる吸熱用熱交換器である。蒸発器１８の冷媒流出口には、低段側吸入配管１０１が接続されている。

ここで、低段側吸入配管１０１には、蒸発器１８の冷媒流出口と低段側圧縮機１１の冷媒吸入側との間にバイパス分岐部２２が設けられている。バイパス分岐部２２の基本構成は、前述の分岐部１４と同様である。具体的には、本実施形態のバイパス分岐部２２は、１つの冷媒流入口、および２つの冷媒流出口が形成されたＴ字型の三方継手構造を有する。

そして、低段側吸入配管１０１には、バイパス分岐部２２を介して、バイパス配管１０５が接続されている。バイパス配管１０５は、低段側圧縮機１１の停止時に、低段側圧縮機１１を迂回して高段側圧縮機１２に冷媒を導く冷媒配管である。なお、低段側圧縮機１１の停止時とは、高段側圧縮機１２が作動している状態であって、電磁クラッチ３１がオフされて低段側圧縮機１１に対して内燃機関３０からの回転駆動力の伝達が遮断された状態である。

具体的には、バイパス配管１０５は、冷媒流れ上流側の一端側がバイパス分岐部２２に接続され、冷媒流れ下流側の他端側が低段側吐出配管１０２に設けられた合流部２４に接続されている。

ここで、図１に示す合流部２４は、中間圧冷媒配管１０４と低段側吐出配管１０２との接続部に対して冷媒流れ上流側に設けられている。もちろん、合流部２４は、中間圧冷媒配管１０４と低段側吐出配管１０２との接続部に対して冷媒流れ下流側に設けてもよい。

また、バイパス配管１０５には、逆流防止弁１９が設けられている。逆流防止弁１９は、低段側吸入配管１０１側から低段側吐出配管１０２側に向かう冷媒の流れを許容すると共に、低段側吐出配管１０２側から低段側吸入配管１０１側に向かう冷媒の流れを遮断する弁部材である。逆流防止弁１９としては、前後差圧により開閉する機械式の弁部材や、通電の有無により開閉する電動式の弁部材等を採用することができる。

本実施形態の二段昇圧式冷凍サイクル１０では、低段側圧縮機１１の作動時に、低段側圧縮機１１から吐出された冷媒が、低段側吐出配管１０２、バイパス配管１０５、低段側吸入配管１０１の順に流れてしまうことを逆流防止弁１９によって防止している。

次に、本実施形態の二段昇圧式冷凍サイクル１０の電気制御部を構成する制御装置５０について説明する。制御装置５０は、ＣＰＵおよびプログラムやデータ等を記憶するＲＯＭおよびＲＡＭ等の記憶部を含むマイクロコンピュータ、各種制御機器への制御信号等を出力する出力回路、各種センサの検出信号が入力される入力回路等から構成されている。

制御装置５０の出力側には、制御対象機器として前述の電磁クラッチ３１や内燃機関３０の駆動装置５５等が接続されている。制御装置５０は、これらの制御対象機器の作動を制御する。なお、制御装置５０は、各制御対象機器の作動を制御する制御部を統合したものであるが、制御装置５０のうち、それぞれの制御対象機器の作動を制御するハードウェアおよびソフトウェアが、それぞれの制御対象機器の制御部を構成する。

本実施形態では、制御装置５０における電磁クラッチ３１の作動を制御するハードウェアおよびソフトウェアが、二段昇圧式冷凍サイクル１０の作動を二段圧縮運転と単段圧縮運転と切り替える運転切替制御部５０ａを構成する。

また、制御装置５０の入力側には、図示しないが、放熱器１３にて高圧冷媒と熱交換する庫外空気（すなわち、外気）の温度を検出する外気温センサや、蒸発器１８にて低圧冷媒と熱交換する送風空気の温度を検出する庫内温度センサ等が接続されている。制御装置５０には、各センサの検出信号が入力される。

さらに、制御装置５０の入力側には、操作パネル６０が接続されている。操作パネル６０には、冷凍庫の冷却を要求する作動要求信号や停止要求信号を出力する作動・停止スイッチ、庫内の目標冷却温度を設定する温度設定スイッチ等が設けられている。これら各スイッチの操作信号は、制御装置５０へ入力される。

次に、上記構成における本実施形態の二段昇圧式冷凍サイクル１０の作動について説明する。前述の如く、本実施形態の二段昇圧式冷凍サイクル１０は、低段側圧縮機１１および高段側圧縮機１２の両方を作動させる二段圧縮運転、低段側圧縮機１１および高段側圧縮機１２のうち、高段側圧縮機１２を作動させる単段圧縮運転を実行可能となっている。

本実施形態の制御装置５０は、二段昇圧式冷凍サイクル１０の負荷状態に応じて、二段圧縮運転、および単段圧縮運転を切り替える。例えば、制御装置５０は、冷凍庫の起動時等のように、庫内温度と設定温度（すなわち、目標冷却温度）との差が所定の基準温度差を超えて乖離している過渡状態である場合に、電磁クラッチ３１をオンして二段圧縮運転を実行する。また、制御装置５０は、庫内温度と設定温度（すなわち、目標冷却温度）との差が所定の基準温度差以内に収まる定常状態である場合に、電磁クラッチ３１をオフして単段圧縮運転を実行する。

まず、二段圧縮運転時の二段昇圧式冷凍サイクル１０では、高段側圧縮機１２が、低段側圧縮機１１から吐出された中間圧冷媒と中間熱交換器１６の中間圧冷媒流路１６ｂから流出した中間圧冷媒との混合冷媒を吸入し、圧縮して吐出する。

そして、高段側圧縮機１２から吐出された高温高圧冷媒が、放熱器１３へ流入し、冷却ファンにより送風された庫外空気と熱交換して冷却される。放熱器１３から流出した高圧冷媒の流れは、分岐部１４にて分岐される。そして、分岐部１４から中間圧膨張弁１５へ流入した高圧冷媒は、中間圧冷媒となるまで減圧膨張される。

この際、中間圧膨張弁１５の絞り開度は、中間熱交換器１６の中間圧冷媒流路１６ｂ出口側冷媒の過熱度が予め定めた所定値となるように調整される。さらに、中間圧膨張弁１５にて減圧された中間圧冷媒は、中間熱交換器１６の中間圧冷媒流路１６ｂへ流入して、分岐部１４から中間熱交換器１６の高圧冷媒流路１６ａへ流入した高圧冷媒と熱交換して加熱され、高段側圧縮機１２に吸入される。

一方、分岐部１４から中間熱交換器１６の高圧冷媒流路１６ａへ流入した高圧冷媒は、中間熱交換器１６にて冷却される。高圧冷媒流路１６ａから流出した高圧冷媒は、低圧膨張弁１７へ流入して、低圧冷媒となるまで減圧膨張される。

さらに、低圧膨張弁１７にて減圧された低圧冷媒は、蒸発器１８へ流入して、送風ファンによって循環送風された送風空気から吸熱して蒸発する。これにより、冷却対象空間である冷凍庫内に送風される送風空気が冷却される。蒸発器１８から流出した冷媒は、低段側圧縮機１１に吸入され、再び圧縮される。

続いて、単段圧縮運転時の二段昇圧式冷凍サイクル１０では、電磁クラッチ３１がオフされて低段側圧縮機１１が停止した状態となる。このため、高段側圧縮機１２は、バイパス配管１０５を介して蒸発器１８を通過した後の冷媒と、中間熱交換器１６の中間圧冷媒流路１６ｂから流出した中間圧冷媒との混合冷媒を吸入し、圧縮して吐出する。

そして、高段側圧縮機１２から吐出された高温高圧冷媒が、放熱器１３へ流入し、冷却ファンにより送風された庫外空気と熱交換して冷却される。放熱器１３から流出した高圧冷媒の流れは、分岐部１４にて分岐される。そして、分岐部１４から中間圧膨張弁１５へ流入した高圧冷媒は、中間圧冷媒となるまで減圧膨張される。

さらに、中間圧膨張弁１５にて減圧された中間圧冷媒は、中間熱交換器１６の中間圧冷媒流路１６ｂへ流入して、分岐部１４から中間熱交換器１６の高圧冷媒流路１６ａへ流入した高圧冷媒と熱交換して加熱され、高段側圧縮機１２に吸入される。

一方、分岐部１４から中間熱交換器１６の高圧冷媒流路１６ａへ流入した高圧冷媒は、中間熱交換器１６にて冷却される。高圧冷媒流路１６ａから流出した高圧冷媒は、低圧膨張弁１７へ流入して、低圧冷媒となるまで減圧膨張される。

さらに、低圧膨張弁１７にて減圧された低圧冷媒は、蒸発器１８へ流入して、送風ファンによって循環送風された送風空気から吸熱して蒸発する。これにより、冷却対象空間である冷凍庫内に送風される送風空気が冷却される。蒸発器１８から流出した冷媒は、バイパス配管１０５を介して高段側圧縮機１２に吸入され、再び圧縮される。

ここで、単段圧縮運転時には、低段側圧縮機１１が停止している。このため、低段側吸入配管１０１におけるバイパス分岐部２２から低段側圧縮機１１の冷媒吸入側に至る部位には、冷媒が流れないことになる。また、二段圧縮運転時には、低段側圧縮機１１が作動している。このため、バイパス配管１０５には、冷媒が流れないことになる。

このように、本実施形態の二段昇圧式冷凍サイクル１０では、低段側圧縮機１１の作動の有無によって、サイクル内に冷媒が流れない経路ができてしまう。サイクル内における冷媒が流れない経路が存在すると、当該経路に潤滑油であるオイルが滞留し、各圧縮機１１、１２へのオイルの供給量が減少してしまう。

例えば、図２の比較例１に示すように、低段側吸入配管１０１が水平方向に延びる構成となっている場合、低段側圧縮機１１の停止時には、オイルを含む冷媒の流れがバイパス分岐部２２にてバイパス配管１０５側に向かって転向する。この際、冷媒よりも密度の大きいオイルには、強い慣性力が作用する。このため、オイルは、バイパス配管１０５側だけでなく、低段側吸入配管１０１のバイパス分岐部２２よりも下流側の部位にも流れ、当該部位に滞留してしまうことがある。

このような課題に対して、本実施形態では、各圧縮機１１、１２周辺のレイアウトを変更することで対応している。以下、本実施形態の各圧縮機１１、１２周辺のレイアウトについて、図３を参照して説明する。

図３は、各圧縮機１１、１２をトレーラに設置した際のレイアウトを示す模式図である。図３に示す上下を示す矢印は、トレーラに設置した状態における鉛直方向を示している。なお、図３では、説明の便宜上、中間圧冷媒配管１０４の図示を省略している。また、鉛直方向とは、重力の方向、すなわち、水平面に対して垂直となる方向である。

本実施形態では、二段圧縮運転および単段圧縮運転の双方において、低段側吸入配管１０１のバイパス分岐部２２に冷媒が流れることに着眼し、バイパス分岐部２２にオイルが集まり易い構成としている。

図３に示すように、本実施形態の低段側吸入配管１０１には、バイパス分岐部２２から低段側圧縮機１１の冷媒吸入部１１ａに至る部位に、吸入側ガイド部１０１ａが設けられている。吸入側ガイド部１０１ａは、低段側圧縮機１１の停止時に、低段側圧縮機１１の冷媒吸入部１１ａ側からバイパス分岐部２２側にオイルを導く部位である。

吸入側ガイド部１０１ａは、その上下方向（すなわち、鉛直方向）における位置が、バイパス分岐部２２の上下方向における位置以上となるように設定されている。これにより、バイパス分岐部２２側に存在するオイルが、その自重によって、低段側圧縮機１１の冷媒吸入部１１ａ側に流れ難くなっている。

さらに、吸入側ガイド部１０１ａは、低段側圧縮機１１の冷媒吸入部１１ａ側の部位１０１ｂが、バイパス分岐部２２側の部位１０１ｃよりも上下方向において高い位置となるように設定されている。本実施形態の吸入側ガイド部１０１ａは、低段側圧縮機１１の冷媒吸入部１１ａ側の部位１０１ｂが、バイパス分岐部２２側の部位１０１ｃよりも上下方向においてΔｈ１だけ高くなるように、上下方向に対して傾斜している。

本実施形態の吸入側ガイド部１０１ａは、低段側吸入配管１０１におけるバイパス分岐部２２から低段側圧縮機１１の冷媒吸入部１１ａに至る部位のうち、上方側に向けて曲折された部位で構成されている。なお、吸入側ガイド部１０１ａは、単一の配管で構成してもよいし、複数の配管を連結して構成してもよい。

また、本実施形態の低段側吸入配管１０１は、バイパス分岐部２２の位置が低段側圧縮機１１の冷媒吸入部１１ａよりも下方側に位置するように配置されている。具体的には、本実施形態の低段側圧縮機１１は、バイパス分岐部２２よりも上下方向においてＨ１だけ高い位置に配置されている。

続いて、本実施形態のバイパス配管１０５には、バイパス分岐部２２から逆流防止弁１９に至る部位に、バイパス側ガイド部１０５ａが設けられている。バイパス側ガイド部１０５ａは、低段側圧縮機１１の作動時に、逆流防止弁１９側からバイパス分岐部２２側にオイルを導く部位である。

バイパス側ガイド部１０５ａは、その上下方向（すなわち、鉛直方向）における位置が、バイパス分岐部２２の上下方向における位置以上となるように設定されている。これにより、バイパス分岐部２２側に存在するオイルが、その自重によって、バイパス配管１０５側に流れ難くなっている。

さらに、バイパス側ガイド部１０５ａは、逆流防止弁１９側の部位１０５ｂが、バイパス分岐部２２側の部位１０５ｃよりも上下方向において高い位置となるように設定されている。本実施形態のバイパス側ガイド部１０５ａは、逆流防止弁１９側の部位１０５ｂが、バイパス分岐部２２側の部位１０５ｃよりも上下方向において高くなるように、上下方向に沿って延びている。

本実施形態のバイパス側ガイド部１０５ａは、バイパス配管１０５におけるバイパス分岐部２２から逆流防止弁１９に至る部位で構成されている。なお、バイパス側ガイド部１０５ａは、単一の配管で構成してもよいし、複数の配管を連結して構成してもよい。

また、本実施形態のバイパス分岐部２２は、上下方向の位置が逆流防止弁１９よりも下方側に位置するように配置されている。具体的には、本実施形態の逆流防止弁１９は、バイパス分岐部２２よりも上下方向においてＨ２だけ高い位置に配置されている。なお、図２では、Ｈ１がＨ２よりも大きくなっているが、Ｈ１とＨ２の大小関係は、逆転していたり、同等となったりしてもよい。

また、本実施形態の二段昇圧式冷凍サイクル１０では、上下方向に沿って延びる低段側吐出配管１０２を介して低段側圧縮機１１の冷媒吐出部１１ｂと高段側圧縮機１２の冷媒吸入部１２ａを接続している。そして、本実施形態では、低段側圧縮機１１の上方側に配置された高段側圧縮機１２の冷媒吐出部１２ｂに高段側吐出配管１０３を接続している。

以上説明した本実施形態の二段昇圧式冷凍サイクル１０では、二段圧縮運転および単段圧縮運転の双方を切替可能であり、サイクルの負荷状態に応じて効率よく作動させることが可能である。

加えて、本実施形態では、低段側吸入配管１０１におけるバイパス分岐部２２から低段側圧縮機１１の冷媒吸入部１１ａ側に至る部位に吸入側ガイド部１０１ａを設ける構成としている。

これによれば、低段側圧縮機１１の停止時に、低段側吸入配管１０１におけるバイパス分岐部２２から低段側圧縮機１１の冷媒吸入部１１ａ側に至る部位に滞留するオイルを、図４に示すように、自重によってバイパス分岐部２２側に導くことができる。そして、バイパス分岐部２２に導かれたオイルは、冷媒と共にバイパス配管１０５を介して高段側圧縮機１２の冷媒吸入部１２ａ側に流れる。

従って、本実施形態では、簡易な構成によって、低段側圧縮機１１の停止による低段側吸入配管１０１におけるオイルの滞留を抑えて、高段側圧縮機１２へのオイルの供給量が減少してしまうことを抑制することが可能となる。

また、本実施形態では、低段側圧縮機１１を、バイパス分岐部２２よりも上下方向において高い位置に配置している。これによれば、低段側圧縮機１１に滞留するオイルが自重によってバイパス分岐部２２側に流れ易くなる。このため、低段側圧縮機１１の停止による低段側吸入配管１０１におけるオイルの滞留を抑え、高段側圧縮機１２への潤滑油の供給量の減少を抑制可能となる。

さらに、本実施形態では、バイパス配管１０５におけるバイパス分岐部２２から逆流防止弁１９側に至る部位にバイパス側ガイド部１０５ａを設ける構成としている。これによれば、低段側圧縮機１１の作動時に、バイパス配管１０５に滞留するオイルを、自重によってバイパス分岐部２２側に導くことができる。そして、バイパス分岐部２２に導かれたオイルは、冷媒と共に低段側圧縮機１１の冷媒吸入部１１ａ側に流れる。

従って、本実施形態では、簡易な構成によって、低段側圧縮機１１の作動によるバイパス配管１０５におけるオイルの滞留を抑えて、低段側圧縮機１１へのオイルの供給量が減少してしまうことを抑制することが可能となる。

さらにまた、本実施形態では、逆流防止弁１９を、バイパス分岐部２２よりも上下方向において高い位置に配置している。これによれば、バイパス配管１０５に滞留するオイルが自重によってバイパス分岐部２２側に流れ易くなる。このため、低段側圧縮機１１の作動によるバイパス配管１０５のオイルの滞留を抑え、低段側圧縮機１１へのオイルの供給量の減少を抑制可能となる。

（第１実施形態の変形例）
上述の第１実施形態では、吸入側ガイド部１０１ａが上下方向に傾斜し、バイパス側ガイド部１０５ａが上下方向に沿って延びる例について説明したが、これに限定されない。例えば、図５に示すように、吸入側ガイド部１０１ｄが上下方向に沿って延び、バイパス側ガイド部１０５ｄが上下方向に対して傾斜する構成としてもよい。

このような構成によっても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、吸入側ガイド部１０１ｄが上下方向に沿って延び、バイパス側ガイド部１０５ｄが上下方向に対して傾斜する構成は、以降の実施形態においても適用することができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について、図６〜図８を参照して説明する。本実施形態では、オイル戻し配管２０およびオイルセパレータ２１を追加している点が第１実施形態と相違している。

図６に示すように、本実施形態の二段昇圧式冷凍サイクル１０は、高段側吐出配管１０３にオイルセパレータ２１が設けられている。オイルセパレータ２１は、高段側圧縮機１２から吐出された冷媒に含まれるオイルと冷媒とを分離する機器である。

また、本実施形態の高段側吐出配管１０３には、オイルセパレータ２１で分離されたオイルを低段側吸入配管１０１に戻すオイル戻し配管２０が接続されている。オイル戻し配管２０は、一端側がオイルセパレータ２１を介して高段側吐出配管１０３に接続され、他端側が低段側吸入配管１０１に接続されている。

これによれば、二段昇圧式冷凍サイクル１０において、オイルの循環経路が、蒸発器１８等の熱交換器にてオイルが冷却されない循環経路を構成となる。このため、蒸発器１８等の熱交換器の内部にオイルが滞留してしまうことを抑えることが可能となる。

また、高段側吐出配管１０３を流れるオイルは、その温度が高いことから、粘度が低い状態となる。このため、高段側吐出配管１０３を流れるオイルを低段側吸入配管１０１に戻すことで、各圧縮機１１、１２における摩擦損失の低減を図ることができる。

ここで、低段側吸入配管１０１とオイル戻し配管２０との接続部２０１は、図７の比較例２に示すように、低段側吸入配管１０１におけるバイパス分岐部２２よりも上流側の部位に設けることが考えられる。

ところが、図７に示す構成とすると、低段側圧縮機１１が停止している際、冷媒よりも密度の大きいオイルに作用する慣性力によって、オイルが低段側圧縮機１１の冷媒吸入側に流れやすくなってしまう。このことは、低段側圧縮機１１が停止している際に、低段側吸入配管１０１にオイルが滞留してしまう要因となることから好ましくない。

そこで、本実施形態では、図６に示すように、低段側吸入配管１０１におけるオイル戻し配管２０との接続部２０１を、低段側吸入配管１０１におけるバイパス分岐部２２から低段側圧縮機１１の冷媒吸入部１１ａ側に至る部位に設ける構成としている。

より具体的には、本実施形態の接続部２０１は、低段側吸入配管１０１におけるバイパス分岐部２２から低段側圧縮機１１の冷媒吸入部１１ａ側に至る部位のうち、吸入側ガイド部１０１ａよりも冷媒流れ上流側に設ける構成としている。

その他の構成は、第１実施形態と同様である。本実施形態の構成によれば、第１実施形態の構成で得られる作用効果に加えて、以下の特徴的な効果を得ることができる。すなわち、本実施形態では、低段側吸入配管１０１におけるオイル戻し配管２０との接続部２０１を、バイパス分岐部２２から低段側圧縮機１１の冷媒吸入部１１ａ側に至る部位に設けている。これによれば、低段側圧縮機１１が停止している際、図８に示すように、オイル戻り配管２０を介して低段側吸入配管１０１に戻すオイルに対して慣性力が作用しないので、オイルが低段側圧縮機１１の冷媒吸入側に流れてしまうことを抑制可能となる。

また、本実施形態の如く、オイルを自重でバイパス分岐部２２に導く構成では、オイルがバイパス分岐部２２まで流れる際に放熱することから、バイパス分岐部２２における冷媒とオイルとの不必要な熱交換を抑制することができる。これにより、冷媒の温度が低い温度に維持される。このため、低段側圧縮機１１の停止時に、高段側圧縮機１２の冷媒吸入側におけるエントロピが小さくなる。この結果、高段側圧縮機１２における動力の増加を抑えて、二段昇圧式冷凍サイクル１０の運転効率の向上を図ることできる。

（第２実施形態の変形例）
上述の第２実施形態では、オイル戻し配管２０を低段側吸入配管１０１に接続する例について説明したが、これに限定されない。例えば、図９に示すように、オイル戻し配管２０Ａをバイパス配管１０５に接続してもよい。具体的には、オイル戻し配管２０におけるバイパス配管１０５との接続部２０２を、バイパス分岐部２２から逆流防止弁１９に至る部位に設ける構成とすればよい。

これによれば、低段側圧縮機１１が作動している際に慣性力が作用しないバイパス配管１０５に対して、オイル戻り配管２０を接続することになる。このため、低段側圧縮機１１が作動している際、オイルがバイパス配管１０５側に流れてしまうことを抑制可能となる。

また、本実施形態の如く、オイルを自重でバイパス分岐部２２に導く構成では、オイルがバイパス分岐部２２まで流れる際に放熱する。このため、本実施形態の構成によれば、第２実施形態と同様に、バイパス分岐部２２における冷媒とオイルとの不必要な熱交換を抑制することができる。この結果、低段側圧縮機１１の作動時における冷媒吸入側のエントロピを抑えて、二段昇圧式冷凍サイクル１０の運転効率の向上を図ることできる。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態について、図１０、図１１を参照して説明する。図１０に示すように、本実施形態では、オイル戻し配管２０と低段側吸入配管１０１との接続部２０３を吸入側ガイド部１０１ａに設けている。

その他の構成は、第２実施形態と同様である。本実施形態の構成によれば、第２実施形態の構成で得られる作用効果に加えて、以下の特徴的な効果を得ることができる。すなわち、本実施形態では、オイル戻し配管２０と低段側吸入配管１０１との接続部２０３を吸入側ガイド部１０１ａに設けている。これによれば、低段側圧縮機１１が停止している際、図１１に示すように、オイル戻し配管２０から低段側吸入配管１０１に戻すオイルが、その自重によって、吸入側ガイド部１０１ａに沿ってバイパス分岐部２２側に流れる。このため、低段側圧縮機１１の停止時における低段側吸入配管１０１のオイルの滞留を抑え、高段側圧縮機１２へのオイルの供給量の減少を抑制可能となる。

（他の実施形態）
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されるものではなく、適宜変更が可能である。例えば、以下のように種々変形可能である。

（１）上述の各実施形態では、放熱器１３の下流側に分岐部１４を設け、分岐部１４で分岐した冷媒の一部を中間圧膨張弁１５、および中間熱交換器１６を介して、高段側圧縮機１２の冷媒吸入側に戻すサイクル構成について説明したが、これに限定されない。例えば、分岐部１４、中間圧膨張弁１５、および中間熱交換器１６を廃止して、中間圧冷媒を高段側圧縮機１２の冷媒吸入側に戻さないサイクル構成としてもよい。

（２）上述の各実施形態の如く、低段側吸入配管１０１に吸入側ガイド部１０１ａを設けると共に、バイパス配管１０５にバイパス側ガイド部１０５ａを設ける構成とすることが望ましいが、これに限定されない。例えば、低段側吸入配管１０１に吸入側ガイド部１０１ａを設け、バイパス配管１０５のバイパス側ガイド部１０５ａを廃止してもよい。また、バイパス配管１０５にバイパス側ガイド部１０５ａを設け、低段側吸入配管１０１の吸入側ガイド部１０１ａを廃止してもよい。

（３）上述の各実施形態の如く、低段側圧縮機１１をバイパス分岐部２２よりも上方側に配置することが望ましいが、これに限定されない。低段側吸入配管１０１に吸入側ガイド部１０１ａを設ける構成とすれば、低段側吸入配管１０１におけるオイルの滞留を抑えることができる。このため、低段側圧縮機１１は、バイパス分岐部２２の下方側に配置されていてもよい。

（４）上述の各実施形態の如く、逆流防止弁１９をバイパス分岐部２２よりも上方側に配置することが望ましいが、これに限定されない。バイパス配管１０５にバイパス側ガイド部１０５ａを設ける構成とすれば、バイパス配管１０５におけるオイルの滞留を抑えることができる。このため、逆流防止弁１９は、バイパス分岐部２２の下方側に配置されていてもよい。

（５）上述の実施形態では、中間圧膨張弁１５および低圧膨張弁１７として、温度式膨張弁を採用した例を説明したが、中間圧膨張弁１５および低圧膨張弁１７として、電気式膨張弁を採用してもよい。

（６）上述の各実施形態では、冷凍庫を有するトレーラに二段昇圧式冷凍サイクル１０を適用する例について説明したが、これに限定されない。例えば、二段昇圧式冷凍サイクル１０を空調装置や冷蔵庫等に適用してもよい。また、二段昇圧式冷凍サイクル１０は、トレーラ等の移動体ではなく、定置型の冷凍庫や空調装置等に適用してもよい。

（７）上述の各実施形態では、低段側圧縮機１１および高段側圧縮機１２の双方を内燃機関３０により駆動する例について説明したが、これに限定されず、例えば、電動モータにより低段側圧縮機１１および高段側圧縮機１２の双方を駆動するようにしてもよい。この場合、低段側圧縮機１１を駆動する電動モータのオン・オフにより、二段圧縮運転と単段圧縮運転とを切り替えるようにすればよい。

（８）上述の実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

（９）上述の実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されない。

（１０）上述の実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されない。

Claims (7)

1. 二段昇圧式冷凍サイクルであって、
   潤滑油が混入された冷媒を圧縮して吐出する低段側圧縮機（１１）と、
   前記低段側圧縮機から吐出された冷媒を圧縮して吐出する高段側圧縮機（１２）と、
   前記低段側圧縮機の冷媒吸入側に接続された低段側吸入配管（１０１）と、
   前記低段側圧縮機の冷媒吐出側と前記高段側圧縮機の冷媒吸入側とを接続する低段側吐出配管（１０２）と、
   前記高段側圧縮機の冷媒吐出側に接続された高段側吐出配管（１０３）と、
   前記低段側吸入配管から分岐して前記低段側吐出配管に接続され、前記低段側圧縮機の停止時に、前記低段側圧縮機を迂回して前記高段側圧縮機に冷媒を導くバイパス配管（１０５）と、
   前記バイパス配管に設けられ、前記低段側吸入配管から前記低段側吐出配管に向かう冷媒の流れを許容すると共に、前記低段側吐出配管から前記低段側吸入配管に向かう冷媒の流れを遮断する逆流防止弁（１９）と、を備え、
   前記低段側吸入配管における前記バイパス配管に分岐するバイパス分岐部（２２）から前記低段側圧縮機の冷媒吸入側に至る部位には、前記低段側圧縮機の冷媒吸入側から前記バイパス分岐部側に前記潤滑油を導く吸入側ガイド部（１０１ａ、１０１ｄ）が設けられており、
   前記吸入側ガイド部は、その鉛直方向における位置が、前記バイパス分岐部の鉛直方向における位置以上であって、前記低段側圧縮機の冷媒吸入側の部位（１０１ｂ）が、前記バイパス分岐部側の部位（１０１ｃ）よりも鉛直方向において高い位置となっている二段昇圧式冷凍サイクル。
2. 前記低段側圧縮機は、前記バイパス分岐部よりも鉛直方向において高い位置に配置されている請求項１に記載の二段昇圧式冷凍サイクル。
3. 前記バイパス配管には、前記逆流防止弁側から前記バイパス分岐部側に前記潤滑油を導くバイパス側ガイド部（１０５ａ、１０５ｄ）が設けられており、
   前記バイパス側ガイド部は、その鉛直方向における位置が、前記バイパス分岐部の鉛直方向における位置以上であって、前記逆流防止弁側の部位（１０５ｂ）が、前記バイパス分岐部側の部位（１０５ｃ）よりも鉛直方向において高い位置となっている請求項１または２に記載の二段昇圧式冷凍サイクル。
4. 前記逆流防止弁は、前記バイパス分岐部よりも鉛直方向において高い位置に配置されている請求項３に記載の二段昇圧式冷凍サイクル。
5. 前記高段側吐出配管には、冷媒に混入された前記潤滑油を分離するオイルセパレータ（２１）が設けられると共に、前記オイルセパレータで分離された前記潤滑油を前記低段側吸入配管へ導くオイル戻し配管（２０）が接続されており、
   前記低段側吸入配管における前記オイル戻し配管との接続部（２０１、２０３）は、前記低段側吸入配管における前記バイパス分岐部から前記低段側圧縮機の冷媒吸入側に至る部位に設けられている請求項１ないし４のいずれか１つに記載の二段昇圧式冷凍サイクル。
6. 前記高段側吐出配管には、冷媒に混入された前記潤滑油を分離するオイルセパレータ（２１）が設けられると共に、前記オイルセパレータで分離された前記潤滑油を前記バイパス配管へ導くオイル戻し配管（２０Ａ）が接続されており、
   前記バイパス配管における前記オイル戻し配管との接続部（２０２）は、前記バイパス分岐部から前記逆流防止弁に至る部位に設けられている請求項１ないし４のいずれか１つに記載の二段昇圧式冷凍サイクル。
7. 二段昇圧式冷凍サイクルであって、
   潤滑油が混入された冷媒を圧縮して吐出する低段側圧縮機（１１）と、
   前記低段側圧縮機から吐出された冷媒を圧縮して吐出する高段側圧縮機（１２）と、
   前記低段側圧縮機の冷媒吸入側に接続された低段側吸入配管（１０１）と、
   前記低段側圧縮機の冷媒吐出側と前記高段側圧縮機の冷媒吸入側とを接続する低段側吐出配管（１０２）と、
   前記高段側圧縮機の冷媒吐出側に接続された高段側吐出配管（１０３）と、
   前記低段側吸入配管から分岐して前記低段側吐出配管に接続され、前記低段側圧縮機の停止時に、前記低段側圧縮機を迂回して前記高段側圧縮機に冷媒を導くバイパス配管（１０５）と、
   前記バイパス配管に設けられ、前記低段側吸入配管から前記低段側吐出配管に向かう冷媒の流れを許容すると共に、前記低段側吐出配管から前記低段側吸入配管に向かう冷媒の流れを遮断する逆流防止弁（１９）と、を備え、
   前記低段側吸入配管には、前記バイパス配管に分岐するバイパス分岐部（２２）が設けられており、
   前記バイパス配管には、前記逆流防止弁側から前記バイパス分岐部側に前記潤滑油を導くバイパス側ガイド部（１０５ａ、１０５ｄ）が設けられており、
   前記バイパス側ガイド部は、その鉛直方向における位置が、前記バイパス分岐部の鉛直方向における位置以上であって、前記逆流防止弁側の部位（１０５ｂ）が、前記バイパス分岐部側の部位（１０５ｃ）よりも鉛直方向において高い位置となっている二段昇圧式冷凍サイクル。

Images