JPWO2010021137A1 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

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Abstract

冷凍サイクル装置（１００Ａ）は、膨張機一体型圧縮機である第１圧縮機（１０１）、第２圧縮機（１０２）、および制御装置（３００）を備えている。制御装置（３００）は、第１オイル溜り（１３）の油面Ｓ１が所定レベルＬ以下になったときに、第１電動機（１２）の回転数を所定量だけ下げるとともに第２電動機（１２）の回転数を所定量だけ上げ、かつ、第１配管（３ａ）を通じて放熱器（４）に導かれる吐出冷媒の圧力または温度が略一定に保たれるようにバイパスバルブ（７０）の開度を上げる均油運転に移行し、均油運転の開始から所定時間経過後に、第１電動機（１１）および第２電動機（１２）の回転数ならびにバイパスバルブ（７０）の開度を均油運転開始前の状態に戻す。

Description

本発明は、給湯機や空調機などに用いる、膨張機構と複数の圧縮機構を搭載した冷凍サイクル装置に関する。
近年、冷凍サイクル装置の更なる高効率化を図る手段として、膨張弁に代えて膨張機構を用い、冷媒が膨張する過程でその圧力エネルギーを膨張機構によって動力の形で回収し、その回収分だけ圧縮機構の駆動に要する電力を低減する動力回収式の冷凍サイクル装置が提案されている。このような冷凍サイクル装置では、電動機、圧縮機構、および膨張機構がシャフトで連結された膨張機一体型圧縮機が用いられる。
ところで、膨張機一体型圧縮機では、圧縮機構と膨張機構とがシャフトによって連結されているので、運転条件によっては、圧縮機構の押しのけ量が不足したり膨張機構の押しのけ量が不足したりすることがある。そこで、圧縮機構の押しのけ量が不足するような運転条件でも回収動力を確保して冷凍サイクル装置のＣＯＰ（Coefficient of Performance）を高く維持できるようにするために、膨張機一体型圧縮機に加え、さらに第２の圧縮機を用いた冷凍サイクル装置も提案されている（例えば、特許文献１参照）。この冷凍サイクル装置では、冷凍サイクルの高圧が所定の目標値となるように第２の圧縮機が運転される。
図１０は、特許文献１に記載された冷凍サイクル装置を示す構成図である。図１０に示すように、膨張機一体型圧縮機２２０および第２の圧縮機２３０を用いた冷凍サイクル装置は、冷媒回路２１０と、制御装置であるコントローラ２５０とを備えている。冷媒回路２１０中では、室内熱交換器２１１と室外熱交換器２１２との間に、膨張機一体型圧縮機２２０の第１圧縮機構２２１と第２の圧縮機２３０の第２圧縮機構２３１とが並列に配置されている。また、第１圧縮機構２２１は、電動機２２２および膨張機構２２３とシャフトで連結されており、第２圧縮機構２３１は、電動機２３２とシャフトで連結されている。
コントローラ２５０は、冷凍サイクルの高圧が所定の目標値となるように、第２の圧縮機２３０の制御を行う。具体的に、このコントローラ２５０は、高圧Ｐｈの測定値が目標値よりも高ければ、電動機２３２の回転速度を低下させて第２圧縮機構２３１の吐出量を削減し、逆に、高圧Ｐｈの測定値が目標値よりも低ければ、電動機２３２の回転速度を上昇させて第２圧縮機構２３１の吐出量を増大させる。
従って、第１圧縮機構２２１だけでは押しのけ量が不足するような運転条件においても、第２圧縮機構２３１を駆動することで押しのけ量の不足分を補うことができ、ＣＯＰを高く保ちながら冷凍サイクル装置の運転を継続することができる。
ところで、冷凍サイクル装置の高出力化のために、圧縮機を複数台用いた冷凍サイクル装置もある。例えば、特許文献２には、図１１に示すような冷凍サイクル装置が開示されている。この冷凍サイクル装置は、２台の圧縮機３２０，３３０が並列に配置された冷媒回路３１０を備えている。圧縮機３２０，３３０の内部には、圧縮機構の摺動部分の潤滑およびシールに使用されるオイルが溜められている。このような冷凍サイクル装置では、双方の圧縮機３２０，３３０のオイル保持量の均衡が崩れると、信頼性および効率の面で問題となる。その問題を解決するために、特許文献２に開示された冷凍サイクル装置では、双方の圧縮機３２０，３３０のオイル保持量を均衡させる構造が採用されている。
すなわち、図１１に示すように、圧縮機３２０，３３０の冷媒吐出側配管には、オイルセパレータ３１１が設けられ、そのオイルセパレータ３１１から圧縮機３２０，３３０の冷媒吸込側配管にかけてオイルバイパス管３１２が設けられている。また、図１２に示すように、圧縮機３２０，３３０の下部同士は、均油管３５０で相互に連結されており、均油管３５０を通じて圧縮機３２０，３３０同士の間のオイルの流通が可能となっている。さらに、冷凍サイクルの高圧側配管には、圧力センサ３１５が設けられている。
そして、圧縮機３２０，３３０の２台運転時、均油運転として以下の運転が行われる。
一方の圧縮機３２０の運転周波数をまず一定値だけステップアップし、設定時間ｔａが経過するまでの間、圧力センサ３１５の検出圧力Ｐｄが変化しないように、他方の圧縮機３３０の運転周波数を下げる。設定時間ｔａが経過したら、一方の圧縮機３２０の運転周波数を一定値だけステップダウンし、同じく設定時間ｔａが経過するまでの間、圧力センサ３１５の検出圧力Ｐｄが変化しないように他方の圧縮機３３０の運転周波数を上げる。こうして、再び設定時間ｔａが経過したら、圧縮機３２０，３３０の運転周波数を元に戻す。そして、設定時間ｔｂが経過する毎に、上記ステップアップ、ステップダウンの均油運転を繰り返す。
このように、圧縮機３２０，３３０同士を均油管３５０で連結するとともに、圧縮機３２０，３３０の２台運転時、圧縮機３２０，３３０の運転周波数を交互に上下させることにより、圧縮機３２０，３３０のオイルが均油管３５０を通じて効率よく流通し、双方の圧縮機３２０，３３０のオイル保持量の均衡が保たれるようになる。
特開２００４−２１２００６号公報 特開平１−１２７８６５号公報
しかしながら、図１０に示す特許文献１に記載された動力回収式の冷凍サイクル装置に対して、膨張機一体型圧縮機２２０と第２の圧縮機２３０とを均油管で相互に連結し、特許文献２に記載されたような均油運転を行ってオイル保持量の均衡を図ろうとしても、膨張機一体型圧縮機２２０と第２圧縮機２３０とは非対称な流体機械であるために十分な均油効果は得られない。すなわち、回転機械が第２圧縮機構２３１一つである第２圧縮機２３０に比べ、膨張機一体型圧縮機２２０は、第１圧縮機構２２１に加え膨張機構２２３も備えているためにオイルの利用量が多い。そのため、一定時間毎に運転周波数を交互に上下させたとしても、膨張機一体型圧縮機２２０内のオイル保持量が減少してしまい、オイルが圧縮機構または膨張機構の摺動部分に十分に供給されなくなるおそれがある。そうすると、信頼性が低下することになる。
また、膨張機一体型圧縮機２２０の運転周波数が変化すると膨張機構２２３の回転数も変わることから、冷凍サイクルの高圧が最適圧力からずれてしまい、ＣＯＰが低下するという問題がある。
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、膨張機構と複数の圧縮機構を搭載した冷凍サイクル装置において、ＣＯＰの低下を抑制しつつ信頼性を高めることにある。
前記目的を達成するために、本発明の発明者らは、第１圧縮機である膨張機一体型圧縮機のオイル量は減る傾向にあり、第２圧縮機のオイル量は増える傾向にあることに着目し、第１圧縮機のオイル量をセンシングもしくは推定して第１圧縮機および第２圧縮機の回転数を切り替えれば双方のオイル量を適切に保てるのではないかと考えた。また、冷凍サイクル装置に膨張機構をバイパスするバイパス路または膨張過程の膨張機構にさらに冷媒を供給するインジェクション路をバルブ付で設け、そのバルブの開度を調整すれば、前記のように第１圧縮機および第２圧縮機の回転数を切り替える際にも冷凍サイクルの高圧を最適高圧に維持できるのではないかと考えた。本発明は、このような観点からなされたものである。
すなわち、本発明は、
冷媒を圧縮する第１圧縮機構と、膨張する冷媒から動力を回収する膨張機構と、第１シャフトにより前記第１圧縮機構および前記膨張機構と連結された第１電動機と、前記第１圧縮機構、前記膨張機構、および前記第１電動機を収容し、底部に第１オイル溜りが形成された第１密閉容器と、を含む第１圧縮機と、
冷媒を圧縮する第２圧縮機構であって冷媒回路中で前記第１圧縮機構と並列に接続される第２圧縮機構と、第２シャフトにより前記第２圧縮機構と連結された第２電動機と、前記第２圧縮機構および前記第２電動機を収容し、底部に第２オイル溜りが形成された第２密閉容器と、を含む第２圧縮機と、
前記第１圧縮機構および前記第２圧縮機構から吐出される冷媒を放熱させる放熱器と、
前記膨張機構から吐出される冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記第１圧縮機構および前記第２圧縮機構から前記放熱器に冷媒を導く第１配管と、
前記放熱器から前記膨張機構に冷媒を導く第２配管と、
前記膨張機構から前記蒸発器に冷媒を導く第３配管と、
前記第２配管から前記膨張機構をバイパスして前記第３配管に至るバイパス路と、
前記バイパス路に設けられた、開度調整可能なバイパスバルブと、
前記第１オイル溜りの油面が所定レベル以下になったときに、前記第１電動機の回転数を下げるとともに前記第２電動機の回転数を上げ、かつ、前記第１配管を通じて前記放熱器に導かれる吐出冷媒の圧力または温度が略一定に保たれるように前記バイパスバルブの開度を上げる均油運転に移行し、前記均油運転の開始から所定時間経過後に、前記第１電動機および前記第２電動機の回転数ならびに前記バイパスバルブの開度を均油運転開始前の状態に戻す制御装置と、
を備えた冷凍サイクル装置を提供する。
また、本発明は、
冷媒を圧縮する第１圧縮機構と、膨張する冷媒から動力を回収する膨張機構と、第１シャフトにより前記第１圧縮機構および前記膨張機構と連結された第１電動機と、前記第１圧縮機構、前記膨張機構、および前記第１電動機を収容し、底部に第１オイル溜りが形成された第１密閉容器と、を含む第１圧縮機と、
冷媒を圧縮する第２圧縮機構であって冷媒回路中で前記第１圧縮機構と並列に接続される第２圧縮機構と、第２シャフトにより前記第２圧縮機構と連結された第２電動機と、前記第２圧縮機構および前記第２電動機を収容し、底部に第２オイル溜りが形成された第２密閉容器と、を含む第２圧縮機と、
前記第１圧縮機構および前記第２圧縮機構から吐出される冷媒を放熱させる放熱器と、
前記第１圧縮機構および前記第２圧縮機構から前記放熱器に冷媒を導く第１配管と、
前記放熱器から前記膨張機構に冷媒を導く第２配管と、
前記第２配管から分岐し、膨張過程の前記膨張機構にさらに冷媒を供給するインジェクション路と、
前記インジェクション路に設けられた、開度調整可能なインジェクションバルブと、
前記第１オイル溜りの油面が所定レベル以下になったときに、前記第１電動機の回転数を下げるとともに前記第２電動機の回転数を上げ、かつ、前記第１配管を通じて前記放熱器に導かれる吐出冷媒の圧力または温度が略一定に保たれるように前記インジェクションバルブの開度を上げる均油運転に移行し、前記均油運転の開始から所定時間経過後に、前記第１電動機および前記第２電動機の回転数ならびに前記インジェクションバルブの開度を均油運転開始前の状態に戻す制御装置と、
を備えた冷凍サイクル装置を提供する。
上記の構成によれば、必要なタイミングで自動的に第１圧縮機の第１電動機の回転数を下げるとともに第２圧縮機の第２電動機の回転数を上げることができ、これにより第１圧縮機と第２圧縮機とでオイル量の均衡を図ることができる。しかも、その際には、バイパスバルブまたはインジェクションバルブの開度を上げることにより、冷凍サイクルの高圧を最適高圧に維持することが可能になる。従って、本発明によれば、第１オイル溜りおよび第２オイル溜りにおけるオイル量を共に安定して確保しながら、冷凍サイクルの高圧を最適高圧に維持してＣＯＰが最大となる運転をすることができる。
本発明の第１実施形態に係る冷凍サイクル装置を示す概略構成図 第１実施形態の第１圧縮機の縦断面図 図３ＡはIIIA−IIIA線での横断面図、図３Ｂは図２のIIIB−IIIB線での横断面図 第１実施形態の第２圧縮機の縦断面図 図１に示した冷凍サイクル装置と制御装置の概略図 本発明の第１実施形態における制御のフローチャート 本発明の第２実施形態に係る冷凍サイクル装置と制御装置の概略図 他の形態の制御方法を説明するタイムチャート 静電容量型センサが設置された第１圧縮機の一部断面図 従来の冷凍サイクル装置を示す構成図 従来の他の冷凍サイクル装置を示す構成図 図１１に示した冷凍サイクル装置における、圧縮機および均油管を示す斜視図
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る冷凍サイクル装置１００Ａを示している。この冷凍サイクル装置１００Ａは、冷媒回路１０３を備えている。冷媒回路１０３は、第１圧縮機（膨張機一体型圧縮機）１０１、第２圧縮機１０２、放熱器４、蒸発器６、およびこれらの機器を接続する第１〜第４配管３ａ〜３ｄで構成されている。
具体的に、第１圧縮機１０１の第１吐出管１９および第２圧縮機１０２の第２吐出管２０は、２本の枝管が１本の本管になる第１配管３ａを介して放熱器４に接続されている。放熱器４は、第２配管３ｂを介して第１圧縮機１０１の膨張側吸入管２１に接続されている。また、第１圧縮機１０１の膨張側吐出管２２は、第３配管３ｃを介して蒸発器６に接続されている。蒸発器６は、１本の本管が２本の枝管になる第４配管３ｄを介して第１圧縮機１０１の第１吸入管７および第２圧縮機１０２の第２吸入管８に接続されている。
第１圧縮機１０１は、互いに第１シャフト２３により連結された第１圧縮機構１、第１電動機１１、および膨張機構５を収容する第１密閉容器９を有している。第２圧縮機構１０２は、互いに第２シャフト２４により連結された第２圧縮機構２および第２電動機１２を収容する第２密閉容器１０を有している。
第１圧縮機構１で圧縮された冷媒は、第１圧縮機構１からいったん第１密閉容器９内に吐出された後、第１吐出管１９を通じて第１密閉容器９外に流出する。同様に、第２圧縮機構２で圧縮された冷媒は、第２圧縮機構２からいったん第２密閉容器１０内に吐出された後、第２吐出管２０を通じて第２密閉容器１０外に流出する。第１密閉容器９外に流出した冷媒と第２密閉容器１０外に流出した冷媒は、第１配管３ａを流れる途中で合流し、放熱器４に導かれる。放熱器４に導かれた冷媒は、ここで放熱した後に、第２配管３ｂによって膨張機構５に導かれ、膨張側吸入管２１から直接的に膨張機構５に吸入される。膨張機構５に吸入された冷媒は、ここで膨張する。このとき、膨張機構５は、膨張する冷媒から動力を回収する。膨張した冷媒は、膨張機構５から膨張側吐出管２２を通じて第３配管３ｃに直接的に吐出され、蒸発器６に導かれる。蒸発器６に導かれた冷媒は、ここで吸熱して蒸発した後に、第４配管３ｄを流れる途中で分流し、第１圧縮機構１および第２圧縮機構２に第１吸入管７または第２吸入管８を通じてそれぞれ直接的に吸入される。すなわち、冷媒回路１０３中には、第１圧縮機構１と第２圧縮機構２とが並列に配置されていている。換言すれば、冷媒回路１０３中では、第１圧縮機構１は第２圧縮機構２と並列に接続されている。
さらに、本実施形態の冷凍サイクル装置１００Ａには、第２配管３ｂから分岐し、膨張機構５をバイパスして第３配管３ｃに合流するバイパス路３ｅが設けられている。バイパス路３ｅには、バイパス流量を調整するための開度調整可能なバイパス弁７０が設けられている。
また、冷凍サイクル装置１００Ａは、第１電動機１１および第２電動機１２の各回転数ならびにバイパス弁７０の開度を制御する制御装置３００を備えている。
冷媒回路１０３には、高圧部分（第１圧縮機構１と第２圧縮機構２から放熱器４を経て膨張機構５に至る部分）において超臨界状態となる冷媒が充填されている。本実施形態では、そのような冷媒として冷媒回路１０３に二酸化炭素（ＣＯ2）が充填されている。ただし、冷媒の種類は特に限定されるものではない。冷媒は、運転時に超臨界状態とならない冷媒（例えばフロン系の冷媒等）であってもよい。
また、本発明の冷凍サイクル装置が備える冷媒回路は、冷媒を一方向にのみ流通させる冷媒回路１０３に限られず、冷媒の流通方向の変更が可能な冷媒回路、例えば四方弁等を有することによって暖房運転および冷房運転の切り替えが可能な冷媒回路であってもよい。
＜第１圧縮機＞
次に、図２を参照して、第１圧縮機１０１について詳細に説明する。
第１密閉容器９は、上端部および下端部が塞がれた上下方向に延びる円筒状の形状を有している。第１密閉容器９の底部には、オイルが溜まることにより第１オイル溜り１３が形成されており、第１密閉容器９の第１オイル溜り１３よりも上側の内部空間は、第１圧縮機構１から吐出された冷媒で満たされている。膨張機構５は、第１密閉容器９内の下側位置に配置されていて第１オイル溜り１３中に浸されており、第１圧縮機構１は、第１密閉容器９内の上側位置に配置されている。そして、第１シャフト２３は、第１圧縮機構１と膨張機構５に跨って上下方向に延びている。また、第１密閉容器９内には、第１圧縮機構１と膨張機構５との間に、第１電動機１１、第１オイル流動抑制板（抑制部材）１７、第１オイルポンプ１５、および断熱部材３７が上から下に向かってこの順に配置されている。
第１シャフト２３の内部には、第１オイルポンプ１５からのオイルを第１圧縮機構１に導く第１オイル供給路２３ｅが形成されている。より詳しくは、第１シャフト２３は、上側シャフト２３ａと下側シャフト２３ｂで構成されており、これらのシャフト２３ａ，２３ｂは第１オイル流動抑制板１７よりも少し下側位置で連結部材２６によって互いに連結されている。そして、第１オイル供給路２３ｅは、上側シャフト２３ａを軸方向に貫通する上側オイル経路２３ｃと、下側シャフト２３ｂの上端面から下方に延び、下側シャフト２３ｂの側面に開口する下側オイル経路２３ｄとで構成されている。また、下側シャフト２３ｂの内部には、当該下側シャフト２３ｂの下端面から膨張機構５の各摺動部分にオイルを導く膨張機構側オイル供給路２３ｆが形成されている。
第１圧縮機構１は、第１密閉容器９の内周面に溶接等により固定されている。本実施形態では、第１圧縮機構１はスクロール式のものである。ただし、第１圧縮機構１の形式等は何ら限定されるものではなく、例えばロータリ式圧縮機等を用いることも可能である。
より詳しくは、第１圧縮機構１は、固定スクロール５１と、固定スクロール５１と軸方向に対向する可動スクロール５２と、上側シャフト２３ａの上部を支持する軸受部材５３とを備えている。固定スクロール５１および可動スクロール５２には、互いに噛み合う渦巻形状（例えばインボリュート形状等）のラップ５１ａ，５２ａが形成されており、これらのラップ５１ａとラップ５２ａの間に、渦巻状の圧縮室５８が区画されている。固定スクロール５１の中央部には、リード弁６４により開閉される吐出孔５１ｂが設けられている。可動スクロール５２の下側には、可動スクロール５２の回転を防止するオルダムリング６０が配置されている。上側シャフト２３ａの上端部には偏心部が形成されており、この偏心部に可動スクロール５２が嵌合している。そのため、可動スクロール５２は、上側シャフト２３ａの軸心から偏心した状態で旋回する。また、可動スクロール５２には、第１オイル供給路２３ｅから供給されるオイルを各摺動部分に導くオイル分配路５２ｂが設けられている。
固定スクロール５１の上側には、カバー６２が設けられている。固定スクロール５１および軸受部材５３には、カバー６２で覆われる位置に、これらを上下に貫通する吐出路６１が形成されている。また、固定スクロール５１および軸受５３には、カバー６２の外側の位置に、これらを上下に貫通する流通路６３が形成されている。このような構成により、圧縮室５８で圧縮された冷媒は、吐出孔５１ｂからカバー６２内の空間にいったん吐出された後、吐出路６１を通じて第１圧縮機構１の下方に吐出される。そして、第１圧縮機構１の下方の冷媒は、流通路６３を通じて第１圧縮機構１の上方に導かれる。
第１吸入管７は、第１密閉容器９の側部を貫通し、固定スクロール５１に接続されている。これにより、第１吸入管７は第１圧縮機構１の吸入側に接続されている。第１吐出管１９は、第１密閉容器９の上部を貫通しており、第１吐出管１９の下端は、第１密閉容器９内の第１圧縮機構１の上方の空間に開口している。
第１電動機１１は、上側シャフト２３ａの中途部に固定された回転子１１ａと、回転子１１ａの外周側に配置された固定子１１ｂとから構成されている。固定子１１ｂは、第１密閉容器９の内周面に固定されている。固定子１１ｂは、モータ配線６５を介して端子６６に接続されている。この第１電動機１１によって上側シャフト２３ａが回転させられることにより、第１圧縮機構１が駆動される。
第１オイル流動抑制板１７は、第１オイル溜り１３よりも少し上側位置（運転停止時）に、第１密閉容器９内の空間を上下に、すなわち上側空間９ａと下側空間９ｂとに仕切るように配置されている。本実施形態では、第１オイル流動抑制板１７は、第１密閉容器９の内径と略同一の直径を有する上下方向に扁平な円盤状の形状を有しており、周縁部が第１密閉容器９の内周面に溶接等で固定されている。そして、第１オイル流動抑制板１７によって、第１密閉容器９内の冷媒の流動に伴って第１オイル溜り１３のオイルが流動することが抑制されている。具体的には、上側空間９ａを満たす冷媒は、第１電動機１１の回転子１１ａの回転によって旋回流を形成するが、この旋回流が第１オイル溜り１３の油面Ｓ１に至る前に第１オイル流動抑制板１７で遮られるようになる。
本実施形態では、第１オイル流動抑制板１７を介してオイルポンプ１５、断熱部材３７、および膨張機構５等が第１密閉容器９に固定されている。ただし、例えば、断熱部材３７または膨張機構５の後述する上軸受部材２９を第１密閉容器９に固定し、これを介してオイルポンプ１５および第１オイル流動抑制板１７を第１密閉容器９に固定することも可能である。この場合、第１オイル流動抑制板１７は、第１密閉容器９の内径よりも僅かに小さな直径を有する円盤状になっていて、次に説明するオイル戻り路が第１オイル流動抑制板１７の周縁部と第１密閉容器９の内周面の間の隙間によって構成されていてもよい。
第１オイル流動抑制板１７の周縁部には、複数の貫通穴１７ａが設けられており、これらの貫通穴１７ａによって上側空間９ａから下側空間９ｂへオイルを流下させるオイル戻り路が構成されている。なお、貫通穴１７ａの数量および形状は、適宜選定可能である。また、第１オイル流動抑制板１７の中心には、貫通穴１７ｂが設けられている。そして、第１オイル流動抑制板１７の下面には、貫通穴１７ｂに嵌め込まれるようにして、上側シャフト２３ａの下部を支持する軸受部材４２が取り付けられている。
軸受部材４２には、連結部材２６を収容する収容室４３が設けられている。さらに、軸受部材４２の下側には、所定の断面形状で上下方向に延び、その中心を下側シャフト２３ｂが貫通する中間部材４１が配置されており、この中間部材４１によって収容室４３が閉塞されている。
第１オイルポンプ１５は、中間部材４１と断熱部材３７とに挟まれている。本実施形態では、第１オイルポンプ１５はロータリ式のものである。ただし、第１オイルポンプ１５の形式等はなんら限定されるものではなく、例えばトロコイド型のギア式ポンプ等を用いることも可能である。
具体的に、第１オイルポンプ１５は、下側シャフト２３ｂに形成された偏心部に嵌合して偏心運動するピストン４０と、このピストン４０を収容するハウジング（シリンダ）３９とを有している。ピストン４０とハウジング３９との間には三日月状の作動室１５ｂが形成されており、この作動室１５ｂは、上方から中間部材４１で閉塞され、下方から断熱部材３７で閉塞されている。ハウジング３９には、作動室１５ｂを第１オイル溜り１３に開放する吸入路１５ｃが設けられており、この吸入路１５ｃの入口が第１オイル吸入口１５ａを構成している。また、中間部材４１の下面には、オイルポンプ１５から吐出されたオイルを第１オイル供給路２３ｅの入口に導く案内路４１ａが形成されている。このため、第１シャフト２３が回転すると、第１オイル溜り１３のオイルは、第１オイルポンプ１５によって第１オイル吸入口１５ａから吸い込まれた後に案内路４１ａに吐出されて、案内路４１ａおよび第１オイル供給路２３ｅを通じて第１圧縮機構１に供給される。
断熱部材３７は、第１オイル溜り１３を上層部１３ａと下層部１３ｂとに仕切るとともに上層部１３ａと下層部１３ｂとの間でのオイルの流通を規制するものである。本実施形態では、断熱部材３７は、第１密閉容器９の内径よりも僅かに小さな直径を有する上下方向に扁平な円盤状をなしており、断熱部材３７と第１密閉容器９の内周面との間に形成された隙間を通じてオイルの流通が僅かに許容されている。そして、断熱部材３７の中心を下側シャフト２３ｂが貫通している。
膨張機構５は、断熱部材３７の下側に、スペーサ３８を隔てて設置されている。このスペーサ３８は、断熱部材３７と膨張機構５との間に下層部１３ｂのオイルで満たされる空間を形成する。スペーサ３８によって確保された空間を満たすオイルは、それ自体が断熱材として働き、軸方向に温度成層を形成する。
本実施形態では、膨張機構５は２段ロータリ式のものである。ただし、膨張機構５の形式等は何ら限定されるものではなく、例えば、単段のローリングピストン型またはスライディングベーン型のロータリ膨張機、スクロール型膨張機等の他形式の膨張機を用いることも可能である。
より詳しくは、膨張機構５は、閉塞部材３６、下軸受部材２７、第１膨張部２８ａ、中板３０、第２膨張部２８ｂ、および上軸受部材２９を備えており、これらは下から上に向ってこの順に配置されている。第２膨張部２８ｂは、第１膨張部２８ａよりも高さが高くなっている。本実施形態では、膨張側吸入管２１および膨張側吐出管２２が第１密閉容器９の側部を貫通して上軸受部材２９に接続されている。
図３Ａに示すように、第１膨張部２８ａは、下側シャフト２３ｂに形成された偏心部に嵌合する円筒状のピストン３２ａと、このピストン３２ａを収容する略円筒状のシリンダ３１ａとを備えている。シリンダ３１ａの内周面とピストン３２ａの外周面との間には、第１流体室３３ａが区画されている。また、シリンダ３１ａには、径方向外側向きに延びるベーン溝３４ｃが形成され、このベーン溝３４ｃにはベーン３４ａが摺動可能に挿入されている。また、シリンダ３１ａのベーン３４ａの背面側（径方向外側）には、ベーン溝３４ｃと連通し、径方向外側向きに延びる背面室３４ｈが形成されている。背面室３４ｈ内には、ベーン３４ａをピストン３２ａに向かって付勢するばね３５ａが設けられている。ベーン３４ａは、第１流体室３３ａを高圧側流体室ＶＨ１と低圧側流体室ＶＬ１とに仕切っている。
図３Ｂに示すように、第２膨張部２８ｂは、第１膨張部２８ａとほぼ同様の構成を有している。すなわち、第２膨張部２８ｂは、下側シャフト２３ｂに形成された偏心部に嵌合する円筒状のピストン３２ｂと、このピストン３２ｂを収容する略円筒状のシリンダ３１ｂとを備えている。シリンダ３１ｂの内周面とピストン３２ｂの外周面との間には、第２流体室３３ｂが区画されている。シリンダ３１ｂにも、径方向外側向きに延びるベーン溝３４ｄが形成され、このベーン溝３４ｄにはベーン３４ｂが摺動可能に挿入されている。また、シリンダ３１ｂのベーン３４ｂの背面側には、ベーン溝３４ｄと連通し、径方向外側向きに延びる背面室３４ｉが形成されている。背面室３４ｉ内には、ベーン３４ｂをピストン３２ｂに向かって付勢するばね３５ｂが設けられている。ベーン３４ｂは、第２流体室３３ｂを高圧側流体室ＶＨ２と低圧側流体室ＶＬ２とに仕切っている。
下軸受部材２７は、下側シャフト２３ｂを支持するとともに、第１流体室３３ａを下方から閉塞している。この下軸受部材２７には、導入路３１ｃを通じて膨張側吸入管２１と連通する膨張前流体室２７ｂが設けられており、この膨張前流体室２７ｂが閉塞部材３６で閉塞されている。また、下軸受部材２７には、膨張前流体室２７ｂから第１膨張部２８ａの高圧側流体室ＶＨ１に冷媒を流入させる吸入ポート２７ａが設けられている。
中板３０は、第１流体室３３ａを上方から閉塞し、第２流体室３３ｂを下方から閉塞している。また、中板３０には、第１膨張部２８ａの低圧側流体室ＶＬ１と第２膨張部２８ｂの高圧側流体室ＶＨ２とを連通して膨張室を構成する連通路３０ａが形成されている。
上軸受部材２９は、下側シャフト２３ｂを支持するとともに、第２流体室３３ｂを上方から閉塞している。また、上軸受部材２９には、第２膨張部２８ｂの低圧側流体室ＶＬ２から膨張側吐出管２２に冷媒を導出させる吐出ポート２９ａが設けられている。
さらに、本実施形態では、第１圧縮機１０１に、第１オイル溜り１３の油面Ｓ１が所定レベルＬ以下になったことを検知するための油面センサとして、超音波型センサ８０が設けられている。具体的には、超音波型センサ８０は、第１密閉容器９の外周面における第１オイル流動抑制板１７と断熱部材３７の間の領域に取り付けられている。そして、超音波型センサ８０は、中継部材４１に向かって超音波を発信し、その反射音を受信することにより、発信から受信までにかかる時間からセンサ８０が取り付けられたレベルにオイルがあるか否かを検出する。より詳しくは、超音波型センサ８０は、オイルポンプ１５よりも僅かに上側に配置されていて、所定レベルＬが第１オイル吸入口１５ａよりも上側に設定されている。
次に、第１圧縮機１０１内のオイルの循環について説明する。
第１オイル溜り１３の上層部１３ａのオイルは、第１オイルポンプ１５によって第１オイル供給路２３ｅを通じて第１圧縮機構１に供給される。その途中、上側シャフト２３ａと下側シャフト２３ｂとの連結部分では、連結部材２６と上側シャフト２３ａおよび下側シャフト２３ｂとの間の僅かの隙間からオイルが漏れ出るおそれがある。しかし、連結部材２６を収容する収容室４３は軸受部材４２と中間部材４１とで閉塞されているため、安定して第１圧縮機構１へオイルを供給することができる。さらに、第１圧縮機構１へ供給されたオイルは、部品間のシールおよび潤滑に使用された後、一部は冷媒と共に吐出路６１を通じて吐出され、残りは軸受部材５３および上側シャフト２３ａを潤滑しながら回転子１１ａの上端に流れ落ちる。その後、第１圧縮機構１の下方に排出されたオイルは、冷媒と共に、第１電動機１１の下方に移動する。ここで、重力および遠心力により冷媒から分離されたオイルは、第１オイル流動抑制板１７の貫通穴１７ａを通って、再び第１オイル溜り１３へと戻る。一方、冷媒から分離されなかったオイルは、冷媒と共に、流通路６３等を通って第１圧縮機構１の上方に導かれ、第１吐出管１９から第１配管３ａに吐出される。
一方、膨張機構５へのオイルの供給は、下側シャフト２３ｂ内に設けられた膨張機構側オイル供給路２３ｆによって第１オイル溜り１３の下層部１３ｂからオイルが汲み上げられることにより行われる。膨張機構５へ供給されたオイルは、部品間のシールおよび潤滑に使用される。このとき、オイルの一部はピストン３２ａ，３２ｂおよびベーン３４ａ，３４ｂの周囲の隙間を通って、第１流体室３３ａおよび第２流体室３３ｂ内に流入する。流入したオイルは、膨張側吐出管２２から第３配管３ｃに吐出される。
＜第２圧縮機＞
次に、図４を参照して、第２圧縮機１０２について詳細に説明する。
第２密閉容器１０は、上端部および下端部が塞がれた上下方向に延びる円筒状の形状を有している。本実施形態では、第２密閉容器１０の内径は、第１密閉容器９の内径と同じになっている。第１密閉容器１０の底部には、オイルが溜まることにより第２オイル溜り１４が形成されており、第２密閉容器１０の第２オイル溜り１４よりも上側の内部空間は、第２圧縮機構２から吐出された冷媒で満たされている。第２密閉容器１０内には、第２圧縮機構２、第２電動機１２、第２オイル流動抑制板１８、および第２オイルポンプ１６が上から下に向かってこの順に配置されている。そして、第２シャフト２４は、第２圧縮機構２と第２オイルポンプ１６とに跨って上下方向に延びている。
第２シャフト２４の内部には、当該第２シャフト２４を軸方向に貫通して、第２オイルポンプ１６からのオイルを第２圧縮機構２に導く第２オイル供給路２４ａが形成されている。
本実施形態では、第２圧縮機構２として、第１圧縮機構１と同じスクロール式の圧縮機構が用いられている。また、第２電動機１２も第１電動機１１と同じものである。そこで、第２圧縮機構２および第２電動機１２の構成に関しては、第１圧縮機構１および第１電動機１１と同部材には同一符号を付し、その説明を省略する。
第２オイル流動抑制板１８は、第２オイル溜り１４よりも少し上側位置（運転停止時）に、第２密閉容器１０内の空間を上下に、すなわち上側空間１０ａと下側空間１０ｂとに仕切るように配置されている。本実施形態では、第２オイル流動抑制板１８は、第２密閉容器１０の内径と略同一の直径を有する上下方向に扁平な円盤状の形状を有しており、周縁部が第２密閉容器１０の内周面に溶接等で固定されている。そして、第２オイル流動抑制板１８によって、第２密閉容器１０内の冷媒の流動に伴って第２オイル溜り１４のオイルが流動することが抑制されている。具体的には、上側空間１０ａを満たす冷媒は、第２電動機１２の回転子１１ａの回転によって旋回流を形成するが、この旋回流が第２オイル溜り１４の油面Ｓ２に至る前に第２オイル流動抑制板１８で遮られるようになる。
第２オイル流動抑制板１８の周縁部には、複数の貫通穴１８ａが設けられており、これらの貫通穴１８ａによって上側空間１０ａから下側空間１０ｂへオイルを流下させるオイル戻り路が構成されている。なお、貫通穴１８ａの数量および形状は、適宜選定可能である。また、第２オイル流動抑制板１８の中心には、貫通孔１８ｂが設けられている。そして、第２オイル流動抑制板１８の下面には、貫通穴１８ｂに嵌め込まれるようにして、第２シャフト２４の下部を支持する軸受部材４４が取り付けられている。
本実施形態の第２オイルポンプ１６は、オイルギアポンプ４５とオイル経路板４６とで構成されている。オイルギアポンプ４５は、軸受部材４４の下面に設けられた凹部４４ａ内に配置され、第２シャフト２４の下端部に取り付けられている。オイル経路板４６は、軸受部材４４に凹部４４ａを塞ぐように取り付けられている。オイル経路板４６には、当該オイル経路板４６を貫通してオイルギアポンプ４５の作動室にオイルを導入させる吸入路４６ａと、オイルギアポンプ４５の作動室から第２オイル供給路２４ａにオイルを導く吐出路４６ｂとが形成されている。
また、本実施形態では、オイル経路板４６の下側に、ロート状のオイルストレーナ４７が配置されており、オイルストレーナ４７の入口によって第２オイル吸入口１６ａが構成されている。なお、オイルストレーナ４７は省略可能である。この場合、オイル経路板４６の吸入路４６ａの下端が第２オイル吸入口１６ａを構成することになる。また、第２オイルポンプ１６の形式等はなんら限定されるものではなく、例えば第１オイルポンプ１５と同様のロータリ式ポンプ等を用いることも可能である。
次に、第２圧縮機１０２内のオイルの循環について説明する。
第２シャフト２４が回転すると、第２オイル溜り１４のオイルは、第２オイルポンプ１６によって第２オイル吸入口１６ａから吸い込まれた後に第２オイル供給路２４ａに吐出されて、第２オイル供給路２４ａを通じて第２圧縮機構２に供給される。その後のオイルの流動状況は、第１圧縮機１０１の圧縮機構１に関するオイル流動状況と同じである。
＜第１圧縮機と第２圧縮機との関係＞
次に、第１圧縮機１０１と第２圧縮機１０２との関係について説明する。
第１密閉容器９と第２密閉容器１０とは均油管２５によって互いに連結されており、第１オイル溜り１３と第２オイル溜り１４とは、均油管２５を通じて連通している。均油管２５には均油管バルブ２５ａが設けられており、この均油管バルブ２５ａの開閉によって第１オイル溜り１３と第２オイル溜り１４との間でのオイルの流通を制限したり完全に禁止したりできるようになっている。そして、運転停止時に均油管バルブ２５ａが開かれると、第１オイル溜り１３の油面Ｓ１と第２オイル溜り１４の油面Ｓ２とが同一水平面上に保たれるようになる。
＜制御装置による制御＞
次に、制御装置３００が行う制御について説明する。
制御装置３００は、まず起動運転を行って、第１電動機１１の回転数および第２電動機１２の回転数を特定の回転数ｆ１，ｆ２にするとともに、バイパスバルブ７０の開度Ｘを調整する。ついで、制御装置３００は通常運転を行う。この通常運転の際、制御装置３００は、超音波型センサ８０からの信号等に基づいて第１圧縮機１０１と第２圧縮機１０２とでオイル量の均衡を図るための制御、すなわち均油運転を行う。これを、図５および図６を参照して説明する。なお、図５では、作図の都合上、第１圧縮機１０１と第２圧縮機１０２を横向きに描いているが、これらは実際には図２および図４に示すように縦型のものである。
制御装置３００は、第１オイル溜り１３の油面Ｓ１（図１参照）が所定レベルＬ以下になるまで第１電動機１１および第２電動機１２の回転数ｆ１，ｆ２ならびにバイパスバルブ７０の開度Ｘをそのまま維持する（ステップＳ１でＮＯ）。超音波型センサ８０が第１オイル溜り１３の油面Ｓ１が所定レベルＬ以下になったことを検知したとき（ステップＳ１でＹＥＳ）、制御装置３００は、第１電動機１１の回転数ｆ１をａＨｚ下げ、第２電動機１２の回転数ｆ２をｂＨｚ上げて均油運転を開始する（ステップＳ２）。
ここで、第１電動機１１の回転数の下げ幅ａＨｚと第２電動機１２の回転数の上げ幅ｂＨｚは、第１オイル溜り１３の油面Ｓ１が上昇に転じる程度であればよく、変更後の第１電動機１１の回転数ｆ１’（＝ｆ１−ａ）と変更後の第２電動機の回転数ｆ２’（＝ｆ２＋ｂ）の大小関係が必ずしもｆ１’＜ｆ２’となる必要はない。このような下げ幅ａＨｚおよび上げ幅ｂＨｚの臨界点は、予め実験などにより求めることができるため、制御装置３００には予め回転数差等に応じて決定した下げ幅ａＨｚおよび上げ幅ｂＨｚをテーブルとして記憶させておけばよい。なお、本実施形態では、第１圧縮機構１の押しのけ容積と第２圧縮機構２の押しのけ容積が同じであるため、第１電動機１１の回転数の上げ幅ａＨｚと第２電動機１２の回転数の下げ幅ｂＨｚは同じであることが好ましい。
その後、制御装置３００は、第１配管３ａの本管部分に設けられた温度センサ７５によって第１配管３ａを通じて放熱器４に導かれる吐出冷媒の温度Ｔｃを検知し、この温度Ｔｃが略一定に保たれるようにバイパスバルブ７０の開度Ｘを調整する。具体的には、制御装置３００は、バイパスバルブ７０の開度Ｘを上げることにより、吐出冷媒の温度Ｔｃを目的値に調整する（ステップＳ３）。
なお、ａＨｚおよびｂＨｚを小刻み（例えば５Ｈｚまたは１０Ｈｚ）にし、ステップＳ２およびステップＳ３を複数回繰り返すようにしてもよい。
吐出冷媒の温度Ｔｃが目的値に調整された後は、制御装置３００は、均油運転開始から、すなわちステップＳ２の処理を開始してから所定時間が経過するまで第１電動機１１および第２電動機１２の回転数ｆ１’，ｆ２’ならびにバイパスバルブ７０の開度Ｘをそのまま維持する（ステップＳ４）。この所定時間は、超音波型センサ８０が第１オイル溜り１３の油面Ｓ１が所定レベルＬ（図１参照）を超えたことを検知してから一定時間Ｔ経過するまでの時間（Ｔよりも少し長い時間）である。ここで、一定時間Ｔとは、第１オイル溜り１３のオイルが十分に確保されるようになる（例えば、油面Ｓ１が第１オイル流動抑制板１７に到達する）時間であり、例えば第１電動機の回転数ｆ１’と第２電動機の回転数ｆ２’の差に応じて予め定めておけばよい。
第１オイル溜り１３の油面Ｓ１が所定レベルＬを超えてから一定時間Ｔ経過したときは、制御装置３００は、第１電動機１１の回転数をａＨｚ上げてｆ１’からｆ１に戻すとともに、第２電動機１２の回転数をｂＨｚ下げてｆ２’からｆ２に戻す（ステップＳ５）。さらに制御装置３００は、バイパスバルブ７０の開度Ｘを下げて変更前の開度に戻し、吐出冷媒の温度Ｔｃを目的値に調整する（ステップＳ６）。すなわち、制御装置３００は、第１電動機１１および第２電動機１２の回転数ならびにバイパスバルブ７０の開度Ｘを均油運転開始前の状態に戻して均油運転を終了する。
このように、本実施形態の冷凍サイクル装置１００Ａでは、必要なタイミングで自動的に第１圧縮機１の第１電動機１１の回転数を下げるとともに第２圧縮機２の第２電動機１２の回転数を上げることができる。これにより第１圧縮機１０１と第２圧縮機１０２とでオイル量の均衡を図ることができる。しかも、その際には、バイパスバルブ７０の開度Ｘを上げることにより、冷凍サイクルの高圧を最適高圧に維持することが可能になる。従って、冷凍サイクル装置１００Ａでは、第１オイル溜り１３および第２オイル溜り１４におけるオイル量を共に安定して確保しながら、冷凍サイクルの高圧を最適高圧に維持してＣＯＰが最大となる運転をすることができる。
また、本実施形態では、超音波型センサ８０を第１圧縮機１０１に設けるだけでよく、少ないセンサでより安価にオイル溜りの偏りを防止することができる。
さらに、超音波型センサ８０がオイルの有無を判定する所定レベルＬが第１オイル吸入口１５ａよりも上側に設定されているので、第１オイル溜り１３のオイルは第１オイルポンプ１５に確実に吸入されることになる。
また、本実施形態の冷凍サイクル装置１００Ａには、第１オイル溜り１３と第２オイル溜り１４とを連通する均油管２５が設けられているので、運転時にも均油管バルブ２５ａを開いておけば、運転時にもオイル溜りの偏りを緩和することができ、より安定して第１オイル溜り１３および第２オイル溜り１４を確保することができる。
＜変形例＞
なお、本実施形態では、第１電動機１１および第２電動機１２の回転数を元に戻すタイミングを、第１オイル溜り１３の油面Ｓ１が所定レベルＬを超えてから一定時間Ｔ経過した時としているが、例えば次のようにすることも可能である。第１圧縮機構１０１に第１オイル溜り１３の油面Ｓ１の上限を検知するための第２油面センサを設け、ステップＳ３の後はこの第２油面センサが油面Ｓ１が上限に到達したことを検知した時にステップＳ５に移るようにしてもよい。あるいは、第２圧縮機１０２に第２オイル溜り１４の油面Ｓ２の下限を検知するための第２油面センサを設け、ステップＳ３の後はこの第２油面センサが油面Ｓ２が下限に到達したことを検知した時にステップＳ５に移るようにしてもよい。すなわち、第１電動機１１の回転数を下げるとともに第２電動機１２の回転数を上げた状態を維持する所定時間は、開始および終了が共に油面センサで規定されるものであってもよい。
また、本実施形態では、油面センサとして超音波型センサ８０が採用されているが、油面センサとしては、例えば図９に示すような検出部が第１密閉容器１０内に配置される静電容量型センサ８１を採用してもよい。この静電容量型センサ８１では、検出部が互いに対向して上下方向に延びる一対の電極８１ａで構成されており、これらの電極８１ａが第１密閉容器９の外に配置された測定部８１ｂに接続されている。なお、測定部８１ｂは、制御装置３００に組み込まれていてもよい。そして、測定部８１ｂでは、電極８１ａ間の電圧を測定することにより、油面Ｓ１がどの位置にあるのかを検出できるようになっている。このような静電容量型センサ８１を用いた場合は、油面Ｓ１の高さを測定可能であるため、図６に示すフローチャートのステップＳ４に代えて、第１オイル溜り１３の油面Ｓ１が所定レベルＬよりも十分に高い第２の所定レベルＬ’に到達したときに、ステップＳ５に進むようにしてもよい。
あるいは、油面センサとしては、超音波型センサ８０または静電容量型センサ８１のような無接点センサに代えて、フロートセンサのような有接点センサを用いてもよい。
さらに、本実施形態では、制御装置３００がバイパスバルブ７０の開度Ｘを調整する際に、吐出冷媒の温度Ｔｃを用いているが、代わりに吐出冷媒の圧力を用いるようにしてもよい。このようにすることで、圧縮機構１，２の吐出圧力に基づいて冷凍サイクル装置のＣＯＰが最も高くなる開度Ｘを決定するこができる。
（第２実施形態）
図７は、本発明の第２実施形態に係る冷凍サイクル装置１００Ｂを示している。第２実施形態の冷凍サイクル装置１００Ｂは、バイパス路３ｅに代えてインジェクション路３ｆが設けられている以外は第１実施形態の冷凍サイクル装置１００Ａと同じであるため、第１実施形態と同一構成部分には同一符号を付して、その説明を省略する。なお、図７においても、図５と同様に第１圧縮機１０１と第２圧縮機１０２を横向きに描いているが、これらは第１実施形態と同様に実際には図２および図４に示すように縦型のものである。
インジェクション路３ｆは、第２配管３ｂから分岐して、膨張過程の膨張機構５にさらに冷媒を供給するものである。インジェクション路３ｆには、インジェクション流量を調整するための開度調整可能なインジェクションバルブ７１が設けられている。
また、第２実施形態における制御装置３００の制御方法（起動運転および通常運転）は、第１実施形態で説明した制御方法において「バイパスバルブ７０」を「インジェクションバルブ７１」に置き換えただけのものである。すなわち、制御装置３００は、まず、第１電動機１１および第２電動機１２の回転数をそれぞれｆ１，ｆ２にするとともに、インジェクションバルブ７１の開度Ｘを調製する。ついで、制御装置３００は、超音波型センサ８０が第１オイル溜り１３の油面Ｓ１が所定レベルＬ以下になったことを検知したときに（ステップＳ１でＹＥＳ）、均油運転に移行する。すなわち、制御装置３００は、第１電動機１１の回転数ｆ１をａＨｚだけ下げるとともに第２電動機１２の回転数ｆ２をｂＨｚだけ上げ（ステップＳ２）、その後に、吐出冷媒の温度Ｔｃが略一定に保たれるようにインジェクションバルブ７１の開度Ｘを調整する。その後、均油運転開始から所定時間経過後に、制御装置３００は、第１電動機１１および第２電動機１２の回転数ならびにインジェクションバルブ７１の開度Ｘを元に戻して均油運転を終了する。
このような構成とすることで、膨張機構５を流れる流量を可変にしながら、なおかつ、インジェクション路３ｆに流れる冷媒からも膨張機構５によって動力を回収できるので、冷媒からのエネルギー回収効率が向上し、ＣＯＰをより高くすることができる。なお、インジェクション路３ｆ以外は第２実施形態の構成と第１実施形態の構成は同じであるため、第２実施形態でも第１実施形態と同様の効果（オイル保持量の均衡等）が得られる。
また、第２実施形態においても、第１実施形態において示した変形例を適用可能である。
（他の形態）
なお、前記各実施形態では、油面センサが第１オイル溜り１３の油面Ｓ１が所定レベルＬ以下になったときに第１電動機１１をいったん下げるとともに第２電動機１２の回転数をいったん上げるようにしているが、制御装置３００は、予め設定されたインターバルごとに第１オイル溜り１３の油面Ｓ１が所定レベル以下になったと判定し、均油運転に移行してもよい。すなわち、第１電動機１１および第２電動機１２の回転数の切り替えを設定時間で行うようにしてもよい。なお、インターバルは、所定レベルが第１オイル吸入口１５ａよりも上側になる程度の時間であることが好ましい。
制御装置３００は、図８に示すように、起動運転終了後、まず第１設定時間Ｔ１が経過するまで、第１電動機１１の回転数をｆ１、第２電動機１２の回転数をｆ２のままにする。そして、第１設定時間Ｔ１が経過した時、制御装置３００は、第１電動機１１の回転数ｆ１をａＨｚ下げ、第２電動機１２の回転数ｆ２をｂＨｚ上げる。そして、それから第１設定時間Ｔ１よりも十分に長い第２設定時間Ｔ２が経過するまで、制御装置３００は、第１電動機１１の回転数をｆ１’、第２電動機１２の回転数をｆ２’のままにし、第２設定時間Ｔ２が経過した時に、第１電動機１１および第２電動機１２の回転数を元に戻す。このようにして、制御装置３００は、第１設定時間Ｔ１と第２設定時間Ｔ２とで構成されるサイクルＳを連続して繰り返す。すなわち、前述したインターバルは、第１設定時間Ｔ１と第２設定時間Ｔ２の和である。なお、第１電動機１１および第２電動機１２の回転数を変更する毎に、前記各実施形態と同様に、吐出冷媒の温度Ｔｃまたは圧力が略一定に保たれるようにバイパスバルブ７０またはインジェクションバルブ７１の開度Ｘを調整する。
このようにしても、冷凍サイクルの高圧をＣＯＰが最大となるように制御しつつ、第１オイル溜り１３および第２オイル溜り１４を共に安定して確保することができる。
また、この構成では、第１圧縮機１０１が高回転になる運転時間が第２圧縮機１０２が高回転になる運転時間よりも短くなるように制御される。ここで、第１圧縮機１０１は第１圧縮機構１と膨張機構５の二つの流体機械を有するため、第２圧縮機１０２に比べ消費オイル量が多い。このため、第１圧縮機１０１と第２圧縮機１０２を同じ時間交互に回転数を上げ下げすると、消費オイル量の多い第１圧縮機１０１の第１オイル溜り１３が枯渇する危険がある。ところが、本構成では、第１圧縮機１０１が高回転になる運転時間が短くなるので、第１オイル溜り１３の枯渇を抑制することができる。
本発明の冷凍サイクル装置は、冷凍サイクルにおける冷媒の膨張エネルギーを回収して動力回収を行う手段として有用である。
本発明は、給湯機や空調機などに用いる、膨張機構と複数の圧縮機構を搭載した冷凍サイクル装置に関する。
近年、冷凍サイクル装置の更なる高効率化を図る手段として、膨張弁に代えて膨張機構を用い、冷媒が膨張する過程でその圧力エネルギーを膨張機構によって動力の形で回収し、その回収分だけ圧縮機構の駆動に要する電力を低減する動力回収式の冷凍サイクル装置が提案されている。このような冷凍サイクル装置では、電動機、圧縮機構、および膨張機構がシャフトで連結された膨張機一体型圧縮機が用いられる。
ところで、膨張機一体型圧縮機では、圧縮機構と膨張機構とがシャフトによって連結されているので、運転条件によっては、圧縮機構の押しのけ量が不足したり膨張機構の押しのけ量が不足したりすることがある。そこで、圧縮機構の押しのけ量が不足するような運転条件でも回収動力を確保して冷凍サイクル装置のＣＯＰ（Coefficient of Performance）を高く維持できるようにするために、膨張機一体型圧縮機に加え、さらに第２の圧縮機を用いた冷凍サイクル装置も提案されている（例えば、特許文献１参照）。この冷凍サイクル装置では、冷凍サイクルの高圧が所定の目標値となるように第２の圧縮機が運転される。
図１０は、特許文献１に記載された冷凍サイクル装置を示す構成図である。図１０に示すように、膨張機一体型圧縮機２２０および第２の圧縮機２３０を用いた冷凍サイクル装置は、冷媒回路２１０と、制御装置であるコントローラ２５０とを備えている。冷媒回路２１０中では、室内熱交換器２１１と室外熱交換器２１２との間に、膨張機一体型圧縮機２２０の第１圧縮機構２２１と第２の圧縮機２３０の第２圧縮機構２３１とが並列に配置されている。また、第１圧縮機構２２１は、電動機２２２および膨張機構２２３とシャフトで連結されており、第２圧縮機構２３１は、電動機２３２とシャフトで連結されている。
コントローラ２５０は、冷凍サイクルの高圧が所定の目標値となるように、第２の圧縮機２３０の制御を行う。具体的に、このコントローラ２５０は、高圧Ｐｈの測定値が目標値よりも高ければ、電動機２３２の回転速度を低下させて第２圧縮機構２３１の吐出量を削減し、逆に、高圧Ｐｈの測定値が目標値よりも低ければ、電動機２３２の回転速度を上昇させて第２圧縮機構２３１の吐出量を増大させる。
従って、第１圧縮機構２２１だけでは押しのけ量が不足するような運転条件においても、第２圧縮機構２３１を駆動することで押しのけ量の不足分を補うことができ、ＣＯＰを高く保ちながら冷凍サイクル装置の運転を継続することができる。
ところで、冷凍サイクル装置の高出力化のために、圧縮機を複数台用いた冷凍サイクル装置もある。例えば、特許文献２には、図１１に示すような冷凍サイクル装置が開示されている。この冷凍サイクル装置は、２台の圧縮機３２０，３３０が並列に配置された冷媒回路３１０を備えている。圧縮機３２０，３３０の内部には、圧縮機構の摺動部分の潤滑およびシールに使用されるオイルが溜められている。このような冷凍サイクル装置では、双方の圧縮機３２０，３３０のオイル保持量の均衡が崩れると、信頼性および効率の面で問題となる。その問題を解決するために、特許文献２に開示された冷凍サイクル装置では、双方の圧縮機３２０，３３０のオイル保持量を均衡させる構造が採用されている。
すなわち、図１１に示すように、圧縮機３２０，３３０の冷媒吐出側配管には、オイルセパレータ３１１が設けられ、そのオイルセパレータ３１１から圧縮機３２０，３３０の冷媒吸込側配管にかけてオイルバイパス管３１２が設けられている。また、図１２に示すように、圧縮機３２０，３３０の下部同士は、均油管３５０で相互に連結されており、均油管３５０を通じて圧縮機３２０，３３０同士の間のオイルの流通が可能となっている。さらに、冷凍サイクルの高圧側配管には、圧力センサ３１５が設けられている。
そして、圧縮機３２０，３３０の２台運転時、均油運転として以下の運転が行われる。
一方の圧縮機３２０の運転周波数をまず一定値だけステップアップし、設定時間ｔａが経過するまでの間、圧力センサ３１５の検出圧力Ｐｄが変化しないように、他方の圧縮機３３０の運転周波数を下げる。設定時間ｔａが経過したら、一方の圧縮機３２０の運転周波数を一定値だけステップダウンし、同じく設定時間ｔａが経過するまでの間、圧力センサ３１５の検出圧力Ｐｄが変化しないように他方の圧縮機３３０の運転周波数を上げる。こうして、再び設定時間ｔａが経過したら、圧縮機３２０，３３０の運転周波数を元に戻す。そして、設定時間ｔｂが経過する毎に、上記ステップアップ、ステップダウンの均油運転を繰り返す。
このように、圧縮機３２０，３３０同士を均油管３５０で連結するとともに、圧縮機３２０，３３０の２台運転時、圧縮機３２０，３３０の運転周波数を交互に上下させることにより、圧縮機３２０，３３０のオイルが均油管３５０を通じて効率よく流通し、双方の圧縮機３２０，３３０のオイル保持量の均衡が保たれるようになる。
特開２００４−２１２００６号公報 特開平１−１２７８６５号公報
しかしながら、図１０に示す特許文献１に記載された動力回収式の冷凍サイクル装置に対して、膨張機一体型圧縮機２２０と第２の圧縮機２３０とを均油管で相互に連結し、特許文献２に記載されたような均油運転を行ってオイル保持量の均衡を図ろうとしても、膨張機一体型圧縮機２２０と第２圧縮機２３０とは非対称な流体機械であるために十分な均油効果は得られない。すなわち、回転機械が第２圧縮機構２３１一つである第２圧縮機２３０に比べ、膨張機一体型圧縮機２２０は、第１圧縮機構２２１に加え膨張機構２２３も備えているためにオイルの利用量が多い。そのため、一定時間毎に運転周波数を交互に上下させたとしても、膨張機一体型圧縮機２２０内のオイル保持量が減少してしまい、オイルが圧縮機構または膨張機構の摺動部分に十分に供給されなくなるおそれがある。そうすると、信頼性が低下することになる。
また、膨張機一体型圧縮機２２０の運転周波数が変化すると膨張機構２２３の回転数も変わることから、冷凍サイクルの高圧が最適圧力からずれてしまい、ＣＯＰが低下するという問題がある。
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、膨張機構と複数の圧縮機構を搭載した冷凍サイクル装置において、ＣＯＰの低下を抑制しつつ信頼性を高めることにある。
前記目的を達成するために、本発明の発明者らは、第１圧縮機である膨張機一体型圧縮機のオイル量は減る傾向にあり、第２圧縮機のオイル量は増える傾向にあることに着目し、第１圧縮機のオイル量をセンシングもしくは推定して第１圧縮機および第２圧縮機の回転数を切り替えれば双方のオイル量を適切に保てるのではないかと考えた。また、冷凍サイクル装置に膨張機構をバイパスするバイパス路または膨張過程の膨張機構にさらに冷媒を供給するインジェクション路をバルブ付で設け、そのバルブの開度を調整すれば、前記のように第１圧縮機および第２圧縮機の回転数を切り替える際にも冷凍サイクルの高圧を最適高圧に維持できるのではないかと考えた。本発明は、このような観点からなされたものである。
すなわち、本発明は、
冷媒を圧縮する第１圧縮機構と、膨張する冷媒から動力を回収する膨張機構と、第１シャフトにより前記第１圧縮機構および前記膨張機構と連結された第１電動機と、前記第１圧縮機構、前記膨張機構、および前記第１電動機を収容し、底部に第１オイル溜りが形成された第１密閉容器と、を含む第１圧縮機と、
冷媒を圧縮する第２圧縮機構であって冷媒回路中で前記第１圧縮機構と並列に接続される第２圧縮機構と、第２シャフトにより前記第２圧縮機構と連結された第２電動機と、前記第２圧縮機構および前記第２電動機を収容し、底部に第２オイル溜りが形成された第２密閉容器と、を含む第２圧縮機と、
前記第１圧縮機構および前記第２圧縮機構から吐出される冷媒を放熱させる放熱器と、
前記膨張機構から吐出される冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記第１圧縮機構および前記第２圧縮機構から前記放熱器に冷媒を導く第１配管と、
前記放熱器から前記膨張機構に冷媒を導く第２配管と、
前記膨張機構から前記蒸発器に冷媒を導く第３配管と、
前記第２配管から前記膨張機構をバイパスして前記第３配管に至るバイパス路と、
前記バイパス路に設けられた、開度調整可能なバイパスバルブと、
前記第１オイル溜りの油面が所定レベル以下になったときに、前記第１電動機の回転数を下げるとともに前記第２電動機の回転数を上げ、前記第１電動機および前記第２電動機を駆動させた状態で、前記第１配管を通じて前記放熱器に導かれる吐出冷媒の圧力または温度が略一定に保たれるように前記バイパスバルブの開度を上げる均油運転に移行し、前記均油運転の開始から所定時間経過後に、前記第１電動機および前記第２電動機の回転数ならびに前記バイパスバルブの開度を均油運転開始前の状態に戻す制御装置と、
を備えた冷凍サイクル装置を提供する。
また、本発明は、
冷媒を圧縮する第１圧縮機構と、膨張する冷媒から動力を回収する膨張機構と、第１シャフトにより前記第１圧縮機構および前記膨張機構と連結された第１電動機と、前記第１圧縮機構、前記膨張機構、および前記第１電動機を収容し、底部に第１オイル溜りが形成された第１密閉容器と、を含む第１圧縮機と、
冷媒を圧縮する第２圧縮機構であって冷媒回路中で前記第１圧縮機構と並列に接続される第２圧縮機構と、第２シャフトにより前記第２圧縮機構と連結された第２電動機と、前記第２圧縮機構および前記第２電動機を収容し、底部に第２オイル溜りが形成された第２密閉容器と、を含む第２圧縮機と、
前記第１圧縮機構および前記第２圧縮機構から吐出される冷媒を放熱させる放熱器と、
前記第１圧縮機構および前記第２圧縮機構から前記放熱器に冷媒を導く第１配管と、
前記放熱器から前記膨張機構に冷媒を導く第２配管と、
前記第２配管から分岐し、膨張過程の前記膨張機構にさらに冷媒を供給するインジェクション路と、
前記インジェクション路に設けられた、開度調整可能なインジェクションバルブと、
前記第１オイル溜りの油面が所定レベル以下になったときに、前記第１電動機の回転数を下げるとともに前記第２電動機の回転数を上げ、前記第１電動機および前記第２電動機を駆動させた状態で、前記第１配管を通じて前記放熱器に導かれる吐出冷媒の圧力または温度が略一定に保たれるように前記インジェクションバルブの開度を上げる均油運転に移行し、前記均油運転の開始から所定時間経過後に、前記第１電動機および前記第２電動機の回転数ならびに前記インジェクションバルブの開度を均油運転開始前の状態に戻す制御装置と、
を備えた冷凍サイクル装置を提供する。
上記の構成によれば、必要なタイミングで自動的に第１圧縮機の第１電動機の回転数を下げるとともに第２圧縮機の第２電動機の回転数を上げることができ、これにより第１圧縮機と第２圧縮機とでオイル量の均衡を図ることができる。しかも、その際には、バイパスバルブまたはインジェクションバルブの開度を上げることにより、冷凍サイクルの高圧を最適高圧に維持することが可能になる。従って、本発明によれば、第１オイル溜りおよび第２オイル溜りにおけるオイル量を共に安定して確保しながら、冷凍サイクルの高圧を最適高圧に維持してＣＯＰが最大となる運転をすることができる。
本発明の第１実施形態に係る冷凍サイクル装置を示す概略構成図 第１実施形態の第１圧縮機の縦断面図 図３ＡはIIIA−IIIA線での横断面図、図３Ｂは図２のIIIB−IIIB線での横断面図 第１実施形態の第２圧縮機の縦断面図 図１に示した冷凍サイクル装置と制御装置の概略図 本発明の第１実施形態における制御のフローチャート 本発明の第２実施形態に係る冷凍サイクル装置と制御装置の概略図 他の形態の制御方法を説明するタイムチャート 静電容量型センサが設置された第１圧縮機の一部断面図 従来の冷凍サイクル装置を示す構成図 従来の他の冷凍サイクル装置を示す構成図 図１１に示した冷凍サイクル装置における、圧縮機および均油管を示す斜視図
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る冷凍サイクル装置１００Ａを示している。この冷凍サイクル装置１００Ａは、冷媒回路１０３を備えている。冷媒回路１０３は、第１圧縮機（膨張機一体型圧縮機）１０１、第２圧縮機１０２、放熱器４、蒸発器６、およびこれらの機器を接続する第１〜第４配管３ａ〜３ｄで構成されている。
具体的に、第１圧縮機１０１の第１吐出管１９および第２圧縮機１０２の第２吐出管２０は、２本の枝管が１本の本管になる第１配管３ａを介して放熱器４に接続されている。放熱器４は、第２配管３ｂを介して第１圧縮機１０１の膨張側吸入管２１に接続されている。また、第１圧縮機１０１の膨張側吐出管２２は、第３配管３ｃを介して蒸発器６に接続されている。蒸発器６は、１本の本管が２本の枝管になる第４配管３ｄを介して第１圧縮機１０１の第１吸入管７および第２圧縮機１０２の第２吸入管８に接続されている。
第１圧縮機１０１は、互いに第１シャフト２３により連結された第１圧縮機構１、第１電動機１１、および膨張機構５を収容する第１密閉容器９を有している。第２圧縮機構１０２は、互いに第２シャフト２４により連結された第２圧縮機構２および第２電動機１２を収容する第２密閉容器１０を有している。
第１圧縮機構１で圧縮された冷媒は、第１圧縮機構１からいったん第１密閉容器９内に吐出された後、第１吐出管１９を通じて第１密閉容器９外に流出する。同様に、第２圧縮機構２で圧縮された冷媒は、第２圧縮機構２からいったん第２密閉容器１０内に吐出された後、第２吐出管２０を通じて第２密閉容器１０外に流出する。第１密閉容器９外に流出した冷媒と第２密閉容器１０外に流出した冷媒は、第１配管３ａを流れる途中で合流し、放熱器４に導かれる。放熱器４に導かれた冷媒は、ここで放熱した後に、第２配管３ｂによって膨張機構５に導かれ、膨張側吸入管２１から直接的に膨張機構５に吸入される。膨張機構５に吸入された冷媒は、ここで膨張する。このとき、膨張機構５は、膨張する冷媒から動力を回収する。膨張した冷媒は、膨張機構５から膨張側吐出管２２を通じて第３配管３ｃに直接的に吐出され、蒸発器６に導かれる。蒸発器６に導かれた冷媒は、ここで吸熱して蒸発した後に、第４配管３ｄを流れる途中で分流し、第１圧縮機構１および第２圧縮機構２に第１吸入管７または第２吸入管８を通じてそれぞれ直接的に吸入される。すなわち、冷媒回路１０３中には、第１圧縮機構１と第２圧縮機構２とが並列に配置されていている。換言すれば、冷媒回路１０３中では、第１圧縮機構１は第２圧縮機構２と並列に接続されている。
さらに、本実施形態の冷凍サイクル装置１００Ａには、第２配管３ｂから分岐し、膨張機構５をバイパスして第３配管３ｃに合流するバイパス路３ｅが設けられている。バイパス路３ｅには、バイパス流量を調整するための開度調整可能なバイパス弁７０が設けられている。
また、冷凍サイクル装置１００Ａは、第１電動機１１および第２電動機１２の各回転数ならびにバイパス弁７０の開度を制御する制御装置３００を備えている。
冷媒回路１０３には、高圧部分（第１圧縮機構１と第２圧縮機構２から放熱器４を経て膨張機構５に至る部分）において超臨界状態となる冷媒が充填されている。本実施形態では、そのような冷媒として冷媒回路１０３に二酸化炭素（ＣＯ2）が充填されている。ただし、冷媒の種類は特に限定されるものではない。冷媒は、運転時に超臨界状態とならない冷媒（例えばフロン系の冷媒等）であってもよい。
また、本発明の冷凍サイクル装置が備える冷媒回路は、冷媒を一方向にのみ流通させる冷媒回路１０３に限られず、冷媒の流通方向の変更が可能な冷媒回路、例えば四方弁等を有することによって暖房運転および冷房運転の切り替えが可能な冷媒回路であってもよい。
＜第１圧縮機＞
次に、図２を参照して、第１圧縮機１０１について詳細に説明する。
第１密閉容器９は、上端部および下端部が塞がれた上下方向に延びる円筒状の形状を有している。第１密閉容器９の底部には、オイルが溜まることにより第１オイル溜り１３が形成されており、第１密閉容器９の第１オイル溜り１３よりも上側の内部空間は、第１圧縮機構１から吐出された冷媒で満たされている。膨張機構５は、第１密閉容器９内の下側位置に配置されていて第１オイル溜り１３中に浸されており、第１圧縮機構１は、第１密閉容器９内の上側位置に配置されている。そして、第１シャフト２３は、第１圧縮機構１と膨張機構５に跨って上下方向に延びている。また、第１密閉容器９内には、第１圧縮機構１と膨張機構５との間に、第１電動機１１、第１オイル流動抑制板（抑制部材）１７、第１オイルポンプ１５、および断熱部材３７が上から下に向かってこの順に配置されている。
第１シャフト２３の内部には、第１オイルポンプ１５からのオイルを第１圧縮機構１に導く第１オイル供給路２３ｅが形成されている。より詳しくは、第１シャフト２３は、上側シャフト２３ａと下側シャフト２３ｂで構成されており、これらのシャフト２３ａ，２３ｂは第１オイル流動抑制板１７よりも少し下側位置で連結部材２６によって互いに連結されている。そして、第１オイル供給路２３ｅは、上側シャフト２３ａを軸方向に貫通する上側オイル経路２３ｃと、下側シャフト２３ｂの上端面から下方に延び、下側シャフト２３ｂの側面に開口する下側オイル経路２３ｄとで構成されている。また、下側シャフト２３ｂの内部には、当該下側シャフト２３ｂの下端面から膨張機構５の各摺動部分にオイルを導く膨張機構側オイル供給路２３ｆが形成されている。
第１圧縮機構１は、第１密閉容器９の内周面に溶接等により固定されている。本実施形態では、第１圧縮機構１はスクロール式のものである。ただし、第１圧縮機構１の形式等は何ら限定されるものではなく、例えばロータリ式圧縮機等を用いることも可能である。
より詳しくは、第１圧縮機構１は、固定スクロール５１と、固定スクロール５１と軸方向に対向する可動スクロール５２と、上側シャフト２３ａの上部を支持する軸受部材５３とを備えている。固定スクロール５１および可動スクロール５２には、互いに噛み合う渦巻形状（例えばインボリュート形状等）のラップ５１ａ，５２ａが形成されており、これらのラップ５１ａとラップ５２ａの間に、渦巻状の圧縮室５８が区画されている。固定スクロール５１の中央部には、リード弁６４により開閉される吐出孔５１ｂが設けられている。可動スクロール５２の下側には、可動スクロール５２の回転を防止するオルダムリング６０が配置されている。上側シャフト２３ａの上端部には偏心部が形成されており、この偏心部に可動スクロール５２が嵌合している。そのため、可動スクロール５２は、上側シャフト２３ａの軸心から偏心した状態で旋回する。また、可動スクロール５２には、第１オイル供給路２３ｅから供給されるオイルを各摺動部分に導くオイル分配路５２ｂが設けられている。
固定スクロール５１の上側には、カバー６２が設けられている。固定スクロール５１および軸受部材５３には、カバー６２で覆われる位置に、これらを上下に貫通する吐出路６１が形成されている。また、固定スクロール５１および軸受５３には、カバー６２の外側の位置に、これらを上下に貫通する流通路６３が形成されている。このような構成により、圧縮室５８で圧縮された冷媒は、吐出孔５１ｂからカバー６２内の空間にいったん吐出された後、吐出路６１を通じて第１圧縮機構１の下方に吐出される。そして、第１圧縮機構１の下方の冷媒は、流通路６３を通じて第１圧縮機構１の上方に導かれる。
第１吸入管７は、第１密閉容器９の側部を貫通し、固定スクロール５１に接続されている。これにより、第１吸入管７は第１圧縮機構１の吸入側に接続されている。第１吐出管１９は、第１密閉容器９の上部を貫通しており、第１吐出管１９の下端は、第１密閉容器９内の第１圧縮機構１の上方の空間に開口している。
第１電動機１１は、上側シャフト２３ａの中途部に固定された回転子１１ａと、回転子１１ａの外周側に配置された固定子１１ｂとから構成されている。固定子１１ｂは、第１密閉容器９の内周面に固定されている。固定子１１ｂは、モータ配線６５を介して端子６６に接続されている。この第１電動機１１によって上側シャフト２３ａが回転させられることにより、第１圧縮機構１が駆動される。
第１オイル流動抑制板１７は、第１オイル溜り１３よりも少し上側位置（運転停止時）に、第１密閉容器９内の空間を上下に、すなわち上側空間９ａと下側空間９ｂとに仕切るように配置されている。本実施形態では、第１オイル流動抑制板１７は、第１密閉容器９の内径と略同一の直径を有する上下方向に扁平な円盤状の形状を有しており、周縁部が第１密閉容器９の内周面に溶接等で固定されている。そして、第１オイル流動抑制板１７によって、第１密閉容器９内の冷媒の流動に伴って第１オイル溜り１３のオイルが流動することが抑制されている。具体的には、上側空間９ａを満たす冷媒は、第１電動機１１の回転子１１ａの回転によって旋回流を形成するが、この旋回流が第１オイル溜り１３の油面Ｓ１に至る前に第１オイル流動抑制板１７で遮られるようになる。
本実施形態では、第１オイル流動抑制板１７を介してオイルポンプ１５、断熱部材３７、および膨張機構５等が第１密閉容器９に固定されている。ただし、例えば、断熱部材３７または膨張機構５の後述する上軸受部材２９を第１密閉容器９に固定し、これを介してオイルポンプ１５および第１オイル流動抑制板１７を第１密閉容器９に固定することも可能である。この場合、第１オイル流動抑制板１７は、第１密閉容器９の内径よりも僅かに小さな直径を有する円盤状になっていて、次に説明するオイル戻り路が第１オイル流動抑制板１７の周縁部と第１密閉容器９の内周面の間の隙間によって構成されていてもよい。
第１オイル流動抑制板１７の周縁部には、複数の貫通穴１７ａが設けられており、これらの貫通穴１７ａによって上側空間９ａから下側空間９ｂへオイルを流下させるオイル戻り路が構成されている。なお、貫通穴１７ａの数量および形状は、適宜選定可能である。また、第１オイル流動抑制板１７の中心には、貫通穴１７ｂが設けられている。そして、第１オイル流動抑制板１７の下面には、貫通穴１７ｂに嵌め込まれるようにして、上側シャフト２３ａの下部を支持する軸受部材４２が取り付けられている。
軸受部材４２には、連結部材２６を収容する収容室４３が設けられている。さらに、軸受部材４２の下側には、所定の断面形状で上下方向に延び、その中心を下側シャフト２３ｂが貫通する中間部材４１が配置されており、この中間部材４１によって収容室４３が閉塞されている。
第１オイルポンプ１５は、中間部材４１と断熱部材３７とに挟まれている。本実施形態では、第１オイルポンプ１５はロータリ式のものである。ただし、第１オイルポンプ１５の形式等はなんら限定されるものではなく、例えばトロコイド型のギア式ポンプ等を用いることも可能である。
具体的に、第１オイルポンプ１５は、下側シャフト２３ｂに形成された偏心部に嵌合して偏心運動するピストン４０と、このピストン４０を収容するハウジング（シリンダ）３９とを有している。ピストン４０とハウジング３９との間には三日月状の作動室１５ｂが形成されており、この作動室１５ｂは、上方から中間部材４１で閉塞され、下方から断熱部材３７で閉塞されている。ハウジング３９には、作動室１５ｂを第１オイル溜り１３に開放する吸入路１５ｃが設けられており、この吸入路１５ｃの入口が第１オイル吸入口１５ａを構成している。また、中間部材４１の下面には、オイルポンプ１５から吐出されたオイルを第１オイル供給路２３ｅの入口に導く案内路４１ａが形成されている。このため、第１シャフト２３が回転すると、第１オイル溜り１３のオイルは、第１オイルポンプ１５によって第１オイル吸入口１５ａから吸い込まれた後に案内路４１ａに吐出されて、案内路４１ａおよび第１オイル供給路２３ｅを通じて第１圧縮機構１に供給される。
断熱部材３７は、第１オイル溜り１３を上層部１３ａと下層部１３ｂとに仕切るとともに上層部１３ａと下層部１３ｂとの間でのオイルの流通を規制するものである。本実施形態では、断熱部材３７は、第１密閉容器９の内径よりも僅かに小さな直径を有する上下方向に扁平な円盤状をなしており、断熱部材３７と第１密閉容器９の内周面との間に形成された隙間を通じてオイルの流通が僅かに許容されている。そして、断熱部材３７の中心を下側シャフト２３ｂが貫通している。
膨張機構５は、断熱部材３７の下側に、スペーサ３８を隔てて設置されている。このスペーサ３８は、断熱部材３７と膨張機構５との間に下層部１３ｂのオイルで満たされる空間を形成する。スペーサ３８によって確保された空間を満たすオイルは、それ自体が断熱材として働き、軸方向に温度成層を形成する。
本実施形態では、膨張機構５は２段ロータリ式のものである。ただし、膨張機構５の形式等は何ら限定されるものではなく、例えば、単段のローリングピストン型またはスライディングベーン型のロータリ膨張機、スクロール型膨張機等の他形式の膨張機を用いることも可能である。
より詳しくは、膨張機構５は、閉塞部材３６、下軸受部材２７、第１膨張部２８ａ、中板３０、第２膨張部２８ｂ、および上軸受部材２９を備えており、これらは下から上に向ってこの順に配置されている。第２膨張部２８ｂは、第１膨張部２８ａよりも高さが高くなっている。本実施形態では、膨張側吸入管２１および膨張側吐出管２２が第１密閉容器９の側部を貫通して上軸受部材２９に接続されている。
図３Ａに示すように、第１膨張部２８ａは、下側シャフト２３ｂに形成された偏心部に嵌合する円筒状のピストン３２ａと、このピストン３２ａを収容する略円筒状のシリンダ３１ａとを備えている。シリンダ３１ａの内周面とピストン３２ａの外周面との間には、第１流体室３３ａが区画されている。また、シリンダ３１ａには、径方向外側向きに延びるベーン溝３４ｃが形成され、このベーン溝３４ｃにはベーン３４ａが摺動可能に挿入されている。また、シリンダ３１ａのベーン３４ａの背面側（径方向外側）には、ベーン溝３４ｃと連通し、径方向外側向きに延びる背面室３４ｈが形成されている。背面室３４ｈ内には、ベーン３４ａをピストン３２ａに向かって付勢するばね３５ａが設けられている。ベーン３４ａは、第１流体室３３ａを高圧側流体室ＶＨ１と低圧側流体室ＶＬ１とに仕切っている。
図３Ｂに示すように、第２膨張部２８ｂは、第１膨張部２８ａとほぼ同様の構成を有している。すなわち、第２膨張部２８ｂは、下側シャフト２３ｂに形成された偏心部に嵌合する円筒状のピストン３２ｂと、このピストン３２ｂを収容する略円筒状のシリンダ３１ｂとを備えている。シリンダ３１ｂの内周面とピストン３２ｂの外周面との間には、第２流体室３３ｂが区画されている。シリンダ３１ｂにも、径方向外側向きに延びるベーン溝３４ｄが形成され、このベーン溝３４ｄにはベーン３４ｂが摺動可能に挿入されている。また、シリンダ３１ｂのベーン３４ｂの背面側には、ベーン溝３４ｄと連通し、径方向外側向きに延びる背面室３４ｉが形成されている。背面室３４ｉ内には、ベーン３４ｂをピストン３２ｂに向かって付勢するばね３５ｂが設けられている。ベーン３４ｂは、第２流体室３３ｂを高圧側流体室ＶＨ２と低圧側流体室ＶＬ２とに仕切っている。
下軸受部材２７は、下側シャフト２３ｂを支持するとともに、第１流体室３３ａを下方から閉塞している。この下軸受部材２７には、導入路３１ｃを通じて膨張側吸入管２１と連通する膨張前流体室２７ｂが設けられており、この膨張前流体室２７ｂが閉塞部材３６で閉塞されている。また、下軸受部材２７には、膨張前流体室２７ｂから第１膨張部２８ａの高圧側流体室ＶＨ１に冷媒を流入させる吸入ポート２７ａが設けられている。
中板３０は、第１流体室３３ａを上方から閉塞し、第２流体室３３ｂを下方から閉塞している。また、中板３０には、第１膨張部２８ａの低圧側流体室ＶＬ１と第２膨張部２８ｂの高圧側流体室ＶＨ２とを連通して膨張室を構成する連通路３０ａが形成されている。
上軸受部材２９は、下側シャフト２３ｂを支持するとともに、第２流体室３３ｂを上方から閉塞している。また、上軸受部材２９には、第２膨張部２８ｂの低圧側流体室ＶＬ２から膨張側吐出管２２に冷媒を導出させる吐出ポート２９ａが設けられている。
さらに、本実施形態では、第１圧縮機１０１に、第１オイル溜り１３の油面Ｓ１が所定レベルＬ以下になったことを検知するための油面センサとして、超音波型センサ８０が設けられている。具体的には、超音波型センサ８０は、第１密閉容器９の外周面における第１オイル流動抑制板１７と断熱部材３７の間の領域に取り付けられている。そして、超音波型センサ８０は、中継部材４１に向かって超音波を発信し、その反射音を受信することにより、発信から受信までにかかる時間からセンサ８０が取り付けられたレベルにオイルがあるか否かを検出する。より詳しくは、超音波型センサ８０は、オイルポンプ１５よりも僅かに上側に配置されていて、所定レベルＬが第１オイル吸入口１５ａよりも上側に設定されている。
次に、第１圧縮機１０１内のオイルの循環について説明する。
第１オイル溜り１３の上層部１３ａのオイルは、第１オイルポンプ１５によって第１オイル供給路２３ｅを通じて第１圧縮機構１に供給される。その途中、上側シャフト２３ａと下側シャフト２３ｂとの連結部分では、連結部材２６と上側シャフト２３ａおよび下側シャフト２３ｂとの間の僅かの隙間からオイルが漏れ出るおそれがある。しかし、連結部材２６を収容する収容室４３は軸受部材４２と中間部材４１とで閉塞されているため、安定して第１圧縮機構１へオイルを供給することができる。さらに、第１圧縮機構１へ供給されたオイルは、部品間のシールおよび潤滑に使用された後、一部は冷媒と共に吐出路６１を通じて吐出され、残りは軸受部材５３および上側シャフト２３ａを潤滑しながら回転子１１ａの上端に流れ落ちる。その後、第１圧縮機構１の下方に排出されたオイルは、冷媒と共に、第１電動機１１の下方に移動する。ここで、重力および遠心力により冷媒から分離されたオイルは、第１オイル流動抑制板１７の貫通穴１７ａを通って、再び第１オイル溜り１３へと戻る。一方、冷媒から分離されなかったオイルは、冷媒と共に、流通路６３等を通って第１圧縮機構１の上方に導かれ、第１吐出管１９から第１配管３ａに吐出される。
一方、膨張機構５へのオイルの供給は、下側シャフト２３ｂ内に設けられた膨張機構側オイル供給路２３ｆによって第１オイル溜り１３の下層部１３ｂからオイルが汲み上げられることにより行われる。膨張機構５へ供給されたオイルは、部品間のシールおよび潤滑に使用される。このとき、オイルの一部はピストン３２ａ，３２ｂおよびベーン３４ａ，３４ｂの周囲の隙間を通って、第１流体室３３ａおよび第２流体室３３ｂ内に流入する。流入したオイルは、膨張側吐出管２２から第３配管３ｃに吐出される。
＜第２圧縮機＞
次に、図４を参照して、第２圧縮機１０２について詳細に説明する。
第２密閉容器１０は、上端部および下端部が塞がれた上下方向に延びる円筒状の形状を有している。本実施形態では、第２密閉容器１０の内径は、第１密閉容器９の内径と同じになっている。第２密閉容器１０の底部には、オイルが溜まることにより第２オイル溜り１４が形成されており、第２密閉容器１０の第２オイル溜り１４よりも上側の内部空間は、第２圧縮機構２から吐出された冷媒で満たされている。第２密閉容器１０内には、第２圧縮機構２、第２電動機１２、第２オイル流動抑制板１８、および第２オイルポンプ１６が上から下に向かってこの順に配置されている。そして、第２シャフト２４は、第２圧縮機構２と第２オイルポンプ１６とに跨って上下方向に延びている。
第２シャフト２４の内部には、当該第２シャフト２４を軸方向に貫通して、第２オイルポンプ１６からのオイルを第２圧縮機構２に導く第２オイル供給路２４ａが形成されている。
本実施形態では、第２圧縮機構２として、第１圧縮機構１と同じスクロール式の圧縮機構が用いられている。また、第２電動機１２も第１電動機１１と同じものである。そこで、第２圧縮機構２および第２電動機１２の構成に関しては、第１圧縮機構１および第１電動機１１と同部材には同一符号を付し、その説明を省略する。
第２オイル流動抑制板１８は、第２オイル溜り１４よりも少し上側位置（運転停止時）に、第２密閉容器１０内の空間を上下に、すなわち上側空間１０ａと下側空間１０ｂとに仕切るように配置されている。本実施形態では、第２オイル流動抑制板１８は、第２密閉容器１０の内径と略同一の直径を有する上下方向に扁平な円盤状の形状を有しており、周縁部が第２密閉容器１０の内周面に溶接等で固定されている。そして、第２オイル流動抑制板１８によって、第２密閉容器１０内の冷媒の流動に伴って第２オイル溜り１４のオイルが流動することが抑制されている。具体的には、上側空間１０ａを満たす冷媒は、第２電動機１２の回転子１１ａの回転によって旋回流を形成するが、この旋回流が第２オイル溜り１４の油面Ｓ２に至る前に第２オイル流動抑制板１８で遮られるようになる。
第２オイル流動抑制板１８の周縁部には、複数の貫通穴１８ａが設けられており、これらの貫通穴１８ａによって上側空間１０ａから下側空間１０ｂへオイルを流下させるオイル戻り路が構成されている。なお、貫通穴１８ａの数量および形状は、適宜選定可能である。また、第２オイル流動抑制板１８の中心には、貫通孔１８ｂが設けられている。そして、第２オイル流動抑制板１８の下面には、貫通穴１８ｂに嵌め込まれるようにして、第２シャフト２４の下部を支持する軸受部材４４が取り付けられている。
本実施形態の第２オイルポンプ１６は、オイルギアポンプ４５とオイル経路板４６とで構成されている。オイルギアポンプ４５は、軸受部材４４の下面に設けられた凹部４４ａ内に配置され、第２シャフト２４の下端部に取り付けられている。オイル経路板４６は、軸受部材４４に凹部４４ａを塞ぐように取り付けられている。オイル経路板４６には、当該オイル経路板４６を貫通してオイルギアポンプ４５の作動室にオイルを導入させる吸入路４６ａと、オイルギアポンプ４５の作動室から第２オイル供給路２４ａにオイルを導く吐出路４６ｂとが形成されている。
また、本実施形態では、オイル経路板４６の下側に、ロート状のオイルストレーナ４７が配置されており、オイルストレーナ４７の入口によって第２オイル吸入口１６ａが構成されている。なお、オイルストレーナ４７は省略可能である。この場合、オイル経路板４６の吸入路４６ａの下端が第２オイル吸入口１６ａを構成することになる。また、第２オイルポンプ１６の形式等はなんら限定されるものではなく、例えば第１オイルポンプ１５と同様のロータリ式ポンプ等を用いることも可能である。
次に、第２圧縮機１０２内のオイルの循環について説明する。
第２シャフト２４が回転すると、第２オイル溜り１４のオイルは、第２オイルポンプ１６によって第２オイル吸入口１６ａから吸い込まれた後に第２オイル供給路２４ａに吐出されて、第２オイル供給路２４ａを通じて第２圧縮機構２に供給される。その後のオイルの流動状況は、第１圧縮機１０１の圧縮機構１に関するオイル流動状況と同じである。
＜第１圧縮機と第２圧縮機との関係＞
次に、第１圧縮機１０１と第２圧縮機１０２との関係について説明する。
第１密閉容器９と第２密閉容器１０とは均油管２５によって互いに連結されており、第１オイル溜り１３と第２オイル溜り１４とは、均油管２５を通じて連通している。均油管２５には均油管バルブ２５ａが設けられており、この均油管バルブ２５ａの開閉によって第１オイル溜り１３と第２オイル溜り１４との間でのオイルの流通を制限したり完全に禁止したりできるようになっている。そして、運転停止時に均油管バルブ２５ａが開かれると、第１オイル溜り１３の油面Ｓ１と第２オイル溜り１４の油面Ｓ２とが同一水平面上に保たれるようになる。
＜制御装置による制御＞
次に、制御装置３００が行う制御について説明する。
制御装置３００は、まず起動運転を行って、第１電動機１１の回転数および第２電動機１２の回転数を特定の回転数ｆ１，ｆ２にするとともに、バイパスバルブ７０の開度Ｘを調整する。ついで、制御装置３００は通常運転を行う。この通常運転の際、制御装置３００は、超音波型センサ８０からの信号等に基づいて第１圧縮機１０１と第２圧縮機１０２とでオイル量の均衡を図るための制御、すなわち均油運転を行う。これを、図５および図６を参照して説明する。なお、図５では、作図の都合上、第１圧縮機１０１と第２圧縮機１０２を横向きに描いているが、これらは実際には図２および図４に示すように縦型のものである。
制御装置３００は、第１オイル溜り１３の油面Ｓ１（図１参照）が所定レベルＬ以下になるまで第１電動機１１および第２電動機１２の回転数ｆ１，ｆ２ならびにバイパスバルブ７０の開度Ｘをそのまま維持する（ステップＳ１でＮＯ）。超音波型センサ８０が第１オイル溜り１３の油面Ｓ１が所定レベルＬ以下になったことを検知したとき（ステップＳ１でＹＥＳ）、制御装置３００は、第１電動機１１の回転数ｆ１をａＨｚ下げ、第２電動機１２の回転数ｆ２をｂＨｚ上げて均油運転を開始する（ステップＳ２）。
ここで、第１電動機１１の回転数の下げ幅ａＨｚと第２電動機１２の回転数の上げ幅ｂＨｚは、第１オイル溜り１３の油面Ｓ１が上昇に転じる程度であればよく、変更後の第１電動機１１の回転数ｆ１’（＝ｆ１−ａ）と変更後の第２電動機の回転数ｆ２’（＝ｆ２＋ｂ）の大小関係が必ずしもｆ１’＜ｆ２’となる必要はない。このような下げ幅ａＨｚおよび上げ幅ｂＨｚの臨界点は、予め実験などにより求めることができるため、制御装置３００には予め回転数差等に応じて決定した下げ幅ａＨｚおよび上げ幅ｂＨｚをテーブルとして記憶させておけばよい。なお、本実施形態では、第１圧縮機構１の押しのけ容積と第２圧縮機構２の押しのけ容積が同じであるため、第１電動機１１の回転数の上げ幅ａＨｚと第２電動機１２の回転数の下げ幅ｂＨｚは同じであることが好ましい。
その後、制御装置３００は、第１配管３ａの本管部分に設けられた温度センサ７５によって第１配管３ａを通じて放熱器４に導かれる吐出冷媒の温度Ｔｃを検知し、この温度Ｔｃが略一定に保たれるようにバイパスバルブ７０の開度Ｘを調整する。具体的には、制御装置３００は、バイパスバルブ７０の開度Ｘを上げることにより、吐出冷媒の温度Ｔｃを目的値に調整する（ステップＳ３）。
なお、ａＨｚおよびｂＨｚを小刻み（例えば５Ｈｚまたは１０Ｈｚ）にし、ステップＳ２およびステップＳ３を複数回繰り返すようにしてもよい。
吐出冷媒の温度Ｔｃが目的値に調整された後は、制御装置３００は、均油運転開始から、すなわちステップＳ２の処理を開始してから所定時間が経過するまで第１電動機１１および第２電動機１２の回転数ｆ１’，ｆ２’ならびにバイパスバルブ７０の開度Ｘをそのまま維持する（ステップＳ４）。この所定時間は、超音波型センサ８０が第１オイル溜り１３の油面Ｓ１が所定レベルＬ（図１参照）を超えたことを検知してから一定時間Ｔ経過するまでの時間（Ｔよりも少し長い時間）である。ここで、一定時間Ｔとは、第１オイル溜り１３のオイルが十分に確保されるようになる（例えば、油面Ｓ１が第１オイル流動抑制板１７に到達する）時間であり、例えば第１電動機の回転数ｆ１’と第２電動機の回転数ｆ２’の差に応じて予め定めておけばよい。
第１オイル溜り１３の油面Ｓ１が所定レベルＬを超えてから一定時間Ｔ経過したときは、制御装置３００は、第１電動機１１の回転数をａＨｚ上げてｆ１’からｆ１に戻すとともに、第２電動機１２の回転数をｂＨｚ下げてｆ２’からｆ２に戻す（ステップＳ５）。さらに制御装置３００は、バイパスバルブ７０の開度Ｘを下げて変更前の開度に戻し、吐出冷媒の温度Ｔｃを目的値に調整する（ステップＳ６）。すなわち、制御装置３００は、第１電動機１１および第２電動機１２の回転数ならびにバイパスバルブ７０の開度Ｘを均油運転開始前の状態に戻して均油運転を終了する。
このように、本実施形態の冷凍サイクル装置１００Ａでは、必要なタイミングで自動的に第１圧縮機１の第１電動機１１の回転数を下げるとともに第２圧縮機２の第２電動機１２の回転数を上げることができる。これにより第１圧縮機１０１と第２圧縮機１０２とでオイル量の均衡を図ることができる。しかも、その際には、バイパスバルブ７０の開度Ｘを上げることにより、冷凍サイクルの高圧を最適高圧に維持することが可能になる。従って、冷凍サイクル装置１００Ａでは、第１オイル溜り１３および第２オイル溜り１４におけるオイル量を共に安定して確保しながら、冷凍サイクルの高圧を最適高圧に維持してＣＯＰが最大となる運転をすることができる。
また、本実施形態では、超音波型センサ８０を第１圧縮機１０１に設けるだけでよく、少ないセンサでより安価にオイル溜りの偏りを防止することができる。
さらに、超音波型センサ８０がオイルの有無を判定する所定レベルＬが第１オイル吸入口１５ａよりも上側に設定されているので、第１オイル溜り１３のオイルは第１オイルポンプ１５に確実に吸入されることになる。
また、本実施形態の冷凍サイクル装置１００Ａには、第１オイル溜り１３と第２オイル溜り１４とを連通する均油管２５が設けられているので、運転時にも均油管バルブ２５ａを開いておけば、運転時にもオイル溜りの偏りを緩和することができ、より安定して第１オイル溜り１３および第２オイル溜り１４を確保することができる。
＜変形例＞
なお、本実施形態では、第１電動機１１および第２電動機１２の回転数を元に戻すタイミングを、第１オイル溜り１３の油面Ｓ１が所定レベルＬを超えてから一定時間Ｔ経過した時としているが、例えば次のようにすることも可能である。第１圧縮機構１０１に第１オイル溜り１３の油面Ｓ１の上限を検知するための第２油面センサを設け、ステップＳ３の後はこの第２油面センサが油面Ｓ１が上限に到達したことを検知した時にステップＳ５に移るようにしてもよい。あるいは、第２圧縮機１０２に第２オイル溜り１４の油面Ｓ２の下限を検知するための第２油面センサを設け、ステップＳ３の後はこの第２油面センサが油面Ｓ２が下限に到達したことを検知した時にステップＳ５に移るようにしてもよい。すなわち、第１電動機１１の回転数を下げるとともに第２電動機１２の回転数を上げた状態を維持する所定時間は、開始および終了が共に油面センサで規定されるものであってもよい。
また、本実施形態では、油面センサとして超音波型センサ８０が採用されているが、油面センサとしては、例えば図９に示すような検出部が第１密閉容器１０内に配置される静電容量型センサ８１を採用してもよい。この静電容量型センサ８１では、検出部が互いに対向して上下方向に延びる一対の電極８１ａで構成されており、これらの電極８１ａが第１密閉容器９の外に配置された測定部８１ｂに接続されている。なお、測定部８１ｂは、制御装置３００に組み込まれていてもよい。そして、測定部８１ｂでは、電極８１ａ間の電圧を測定することにより、油面Ｓ１がどの位置にあるのかを検出できるようになっている。このような静電容量型センサ８１を用いた場合は、油面Ｓ１の高さを測定可能であるため、図６に示すフローチャートのステップＳ４に代えて、第１オイル溜り１３の油面Ｓ１が所定レベルＬよりも十分に高い第２の所定レベルＬ’に到達したときに、ステップＳ５に進むようにしてもよい。
あるいは、油面センサとしては、超音波型センサ８０または静電容量型センサ８１のような無接点センサに代えて、フロートセンサのような有接点センサを用いてもよい。
さらに、本実施形態では、制御装置３００がバイパスバルブ７０の開度Ｘを調整する際に、吐出冷媒の温度Ｔｃを用いているが、代わりに吐出冷媒の圧力を用いるようにしてもよい。このようにすることで、圧縮機構１，２の吐出圧力に基づいて冷凍サイクル装置のＣＯＰが最も高くなる開度Ｘを決定するこができる。
（第２実施形態）
図７は、本発明の第２実施形態に係る冷凍サイクル装置１００Ｂを示している。第２実施形態の冷凍サイクル装置１００Ｂは、バイパス路３ｅに代えてインジェクション路３ｆが設けられている以外は第１実施形態の冷凍サイクル装置１００Ａと同じであるため、第１実施形態と同一構成部分には同一符号を付して、その説明を省略する。なお、図７においても、図５と同様に第１圧縮機１０１と第２圧縮機１０２を横向きに描いているが、これらは第１実施形態と同様に実際には図２および図４に示すように縦型のものである。
インジェクション路３ｆは、第２配管３ｂから分岐して、膨張過程の膨張機構５にさらに冷媒を供給するものである。インジェクション路３ｆには、インジェクション流量を調整するための開度調整可能なインジェクションバルブ７１が設けられている。
また、第２実施形態における制御装置３００の制御方法（起動運転および通常運転）は、第１実施形態で説明した制御方法において「バイパスバルブ７０」を「インジェクションバルブ７１」に置き換えただけのものである。すなわち、制御装置３００は、まず、第１電動機１１および第２電動機１２の回転数をそれぞれｆ１，ｆ２にするとともに、インジェクションバルブ７１の開度Ｘを調製する。ついで、制御装置３００は、超音波型センサ８０が第１オイル溜り１３の油面Ｓ１が所定レベルＬ以下になったことを検知したときに（ステップＳ１でＹＥＳ）、均油運転に移行する。すなわち、制御装置３００は、第１電動機１１の回転数ｆ１をａＨｚだけ下げるとともに第２電動機１２の回転数ｆ２をｂＨｚだけ上げ（ステップＳ２）、その後に、吐出冷媒の温度Ｔｃが略一定に保たれるようにインジェクションバルブ７１の開度Ｘを調整する。その後、均油運転開始から所定時間経過後に、制御装置３００は、第１電動機１１および第２電動機１２の回転数ならびにインジェクションバルブ７１の開度Ｘを元に戻して均油運転を終了する。
このような構成とすることで、膨張機構５を流れる流量を可変にしながら、なおかつ、インジェクション路３ｆに流れる冷媒からも膨張機構５によって動力を回収できるので、冷媒からのエネルギー回収効率が向上し、ＣＯＰをより高くすることができる。なお、インジェクション路３ｆ以外は第２実施形態の構成と第１実施形態の構成は同じであるため、第２実施形態でも第１実施形態と同様の効果（オイル保持量の均衡等）が得られる。
また、第２実施形態においても、第１実施形態において示した変形例を適用可能である。
（他の形態）
なお、前記各実施形態では、油面センサが第１オイル溜り１３の油面Ｓ１が所定レベルＬ以下になったときに第１電動機１１の回転数をいったん下げるとともに第２電動機１２の回転数をいったん上げるようにしているが、制御装置３００は、予め設定されたインターバルごとに第１オイル溜り１３の油面Ｓ１が所定レベル以下になったと判定し、均油運転に移行してもよい。すなわち、第１電動機１１および第２電動機１２の回転数の切り替えを設定時間で行うようにしてもよい。なお、インターバルは、所定レベルが第１オイル吸入口１５ａよりも上側になる程度の時間であることが好ましい。
制御装置３００は、図８に示すように、起動運転終了後、まず第１設定時間Ｔ１が経過するまで、第１電動機１１の回転数をｆ１、第２電動機１２の回転数をｆ２のままにする。そして、第１設定時間Ｔ１が経過した時、制御装置３００は、第１電動機１１の回転数ｆ１をａＨｚ下げ、第２電動機１２の回転数ｆ２をｂＨｚ上げる。そして、それから第１設定時間Ｔ１よりも十分に長い第２設定時間Ｔ２が経過するまで、制御装置３００は、第１電動機１１の回転数をｆ１’、第２電動機１２の回転数をｆ２’のままにし、第２設定時間Ｔ２が経過した時に、第１電動機１１および第２電動機１２の回転数を元に戻す。このようにして、制御装置３００は、第１設定時間Ｔ１と第２設定時間Ｔ２とで構成されるサイクルＳを連続して繰り返す。すなわち、前述したインターバルは、第１設定時間Ｔ１と第２設定時間Ｔ２の和である。なお、第１電動機１１および第２電動機１２の回転数を変更する毎に、前記各実施形態と同様に、吐出冷媒の温度Ｔｃまたは圧力が略一定に保たれるようにバイパスバルブ７０またはインジェクションバルブ７１の開度Ｘを調整する。
このようにしても、冷凍サイクルの高圧をＣＯＰが最大となるように制御しつつ、第１オイル溜り１３および第２オイル溜り１４を共に安定して確保することができる。
また、この構成では、第１圧縮機１０１が高回転になる運転時間が第２圧縮機１０２が高回転になる運転時間よりも短くなるように制御される。ここで、第１圧縮機１０１は第１圧縮機構１と膨張機構５の二つの流体機械を有するため、第２圧縮機１０２に比べ消費オイル量が多い。このため、第１圧縮機１０１と第２圧縮機１０２を同じ時間交互に回転数を上げ下げすると、消費オイル量の多い第１圧縮機１０１の第１オイル溜り１３が枯渇する危険がある。ところが、本構成では、第１圧縮機１０１が高回転になる運転時間が短くなるので、第１オイル溜り１３の枯渇を抑制することができる。
本発明の冷凍サイクル装置は、冷凍サイクルにおける冷媒の膨張エネルギーを回収して動力回収を行う手段として有用である。

Claims (11)

  1. 冷媒を圧縮する第１圧縮機構と、膨張する冷媒から動力を回収する膨張機構と、第１シャフトにより前記第１圧縮機構および前記膨張機構と連結された第１電動機と、前記第１圧縮機構、前記膨張機構、および前記第１電動機を収容し、底部に第１オイル溜りが形成された第１密閉容器と、を含む第１圧縮機と、
    冷媒を圧縮する第２圧縮機構であって冷媒回路中で前記第１圧縮機構と並列に接続される第２圧縮機構と、第２シャフトにより前記第２圧縮機構と連結された第２電動機と、前記第２圧縮機構および前記第２電動機を収容し、底部に第２オイル溜りが形成された第２密閉容器と、を含む第２圧縮機と、
    前記第１圧縮機構および前記第２圧縮機構から吐出される冷媒を放熱させる放熱器と、
    前記膨張機構から吐出される冷媒を蒸発させる蒸発器と、
    前記第１圧縮機構および前記第２圧縮機構から前記放熱器に冷媒を導く第１配管と、
    前記放熱器から前記膨張機構に冷媒を導く第２配管と、
    前記膨張機構から前記蒸発器に冷媒を導く第３配管と、
    前記第２配管から前記膨張機構をバイパスして前記第３配管に至るバイパス路と、
    前記バイパス路に設けられた、開度調整可能なバイパスバルブと、
    前記第１オイル溜りの油面が所定レベル以下になったときに、前記第１電動機の回転数を下げるとともに前記第２電動機の回転数を上げ、かつ、前記第１配管を通じて前記放熱器に導かれる吐出冷媒の圧力または温度が略一定に保たれるように前記バイパスバルブの開度を上げる均油運転に移行し、前記均油運転の開始から所定時間経過後に、前記第１電動機および前記第２電動機の回転数ならびに前記バイパスバルブの開度を均油運転開始前の状態に戻す制御装置と、
    を備えた冷凍サイクル装置。
  2. 冷媒を圧縮する第１圧縮機構と、膨張する冷媒から動力を回収する膨張機構と、第１シャフトにより前記第１圧縮機構および前記膨張機構と連結された第１電動機と、前記第１圧縮機構、前記膨張機構、および前記第１電動機を収容し、底部に第１オイル溜りが形成された第１密閉容器と、を含む第１圧縮機と、
    冷媒を圧縮する第２圧縮機構であって冷媒回路中で前記第１圧縮機構と並列に接続される第２圧縮機構と、第２シャフトにより前記第２圧縮機構と連結された第２電動機と、前記第２圧縮機構および前記第２電動機を収容し、底部に第２オイル溜りが形成された第２密閉容器と、を含む第２圧縮機と、
    前記第１圧縮機構および前記第２圧縮機構から吐出される冷媒を放熱させる放熱器と、
    前記第１圧縮機構および前記第２圧縮機構から前記放熱器に冷媒を導く第１配管と、
    前記放熱器から前記膨張機構に冷媒を導く第２配管と、
    前記第２配管から分岐し、膨張過程の前記膨張機構にさらに冷媒を供給するインジェクション路と、
    前記インジェクション路に設けられた、開度調整可能なインジェクションバルブと、
    前記第１オイル溜りの油面が所定レベル以下になったときに、前記第１電動機の回転数を下げるとともに前記第２電動機の回転数を上げ、かつ、前記第１配管を通じて前記放熱器に導かれる吐出冷媒の圧力または温度が略一定に保たれるように前記インジェクションバルブの開度を上げて均油運転に移行し、前記均油運転の開始から所定時間経過後に、前記第１電動機および前記第２電動機の回転数ならびに前記インジェクションバルブの開度を均油運転開始前の状態に戻す制御装置と、
    を備えた冷凍サイクル装置。
  3. 前記第１オイル溜りの油面が所定レベル以下になったことを検知するための油面センサをさらに備え、
    前記制御装置は、前記油面センサが前記第１オイル溜りの油面が所定レベル以下になったことを検知したときに、前記均油運転に移行する、請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。
  4. 前記制御装置は、予め設定されたインターバルごとに前記第１オイル溜りの油面が所定レベル以下になったと判定し、前記均油運転に移行する、請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。
  5. 前記第１密閉容器と前記第２密閉容器とを連結し、前記第１オイル溜りと前記第２オイル溜りとを連通する均油管をさらに備えた、請求項１〜４のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
  6. 前記膨張機構は、前記第１オイル溜り中に浸されており、前記第１圧縮機構は、前記膨張機構の上側に位置している、請求項１〜５のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
  7. 前記第１圧縮機は、前記膨張機構と前記第１圧縮機構の間に配置された、前記第１オイル溜りのオイルをオイル吸入口から吸い込み、前記第１シャフトに設けられたオイル供給路を通じて前記第１圧縮機構に供給するオイルポンプをさらに含み、
    前記所定レベルは、前記オイル吸入口よりも上側に設定されている、請求項３に記載の冷凍サイクル装置。
  8. 前記第１電動機は、前記第１圧縮機構と前記オイルポンプの間に配置されている、請求項７に記載の冷凍サイクル装置。
  9. 前記第１密閉容器は、前記第１オイル溜りよりも上側の内部空間が前記第１圧縮機構から吐出された冷媒で満たされるものであり、
    前記第１電動機と前記オイルポンプの間には、前記第１密閉容器内の空間を上下に仕切るように、前記第１密閉容器内の冷媒の流動に伴って前記第１オイル溜りのオイルが流動することを抑制する流動抑制部材が配置されており、
    前記油面センサは、前記流動抑制部材よりも下側に配置されている、請求項８に記載の冷凍サイクル装置。
  10. 前記第１圧縮機は、前記膨張機構と前記第１圧縮機構の間に配置された、前記第１オイル溜りのオイルをオイル吸入口から吸い込み、前記第１シャフトに設けられたオイル供給路を通じて前記第１圧縮機構に供給するオイルポンプをさらに含み、
    前記所定レベルは、前記オイル吸入口よりも上側に設定されている、請求項４に記載の冷凍サイクル装置。
  11. 前記第１電動機は、前記第１圧縮機構と前記オイルポンプの間に配置されている、請求項１０に記載の冷凍サイクル装置。
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