JPWO2017022076A1 - 冷凍装置および冷凍装置の運転方法 - Google Patents

Abstract

冷凍装置は、熱源ユニット（１）と、冷却ユニット（２）と、低圧ガス管（５）と、バイパス回路（ＢＣ）とを備えている。熱源ユニット（１）は、圧縮機（７）と、凝縮器（８）と、管（１ａ）とを内部に収容する。圧縮機（７）は容量可変でありかつ吸入した冷媒を圧縮して吐出する。凝縮器（８）は圧縮機（７）により圧縮された冷媒を凝縮する。管（１ａ）は圧縮機（７）と凝縮器（８）とを接続する。冷却ユニット（２）は、膨張弁（１３）と、冷却器（１４）とを内部に収容する。膨張弁（１３）は凝縮器（８）により凝縮された冷媒を減圧する。冷却器（１４）は膨張弁（１３）により減圧された冷媒を蒸発させる。低圧ガス管（５）は冷却器（１４）と圧縮機（７）とを接続する。バイパス回路（ＢＣ）は、熱源ユニット（１）の内部に配置された管（１ａ）と、冷却ユニット（２）の内部に配置された低圧ガス管（５）とを接続する。

Description

本発明は、冷凍装置および冷凍装置の運転方法に関し、特に、容量可変の圧縮機を備えた冷凍装置およびその運転方法に関するものである。

冷凍装置は、たとえば冷凍庫の内部を所定温度に冷却および維持するためのものである。この冷凍装置は、容量可変の圧縮機を備えている。この冷凍装置では、圧縮機の駆動周波数を低くすることにより冷媒回路を循環する冷媒の流量を少なくして運転する低容量運転が行われると、冷媒流速が低下することにより冷媒流れのせん断力によって移動する冷凍機油の移動速度が低下する。したがって、冷媒回路内のガス単相部分である蒸発器出口から圧縮機に戻るまでの配管内に冷凍機油が多量に分布する。

この低容量運転が長時間継続すると、圧縮機内部の冷凍機油が無くなり、潤滑不良による不具合が発生する。このため、一般に、低容量運転が所定時間継続したと判断されると、圧縮機を強制的に高容量にする運転制御が行われる。つまり、圧縮機の駆動周波数を高くすることにより冷媒回路を循環する冷媒の流量を多くして運転する高容量運転が行われる。この運転制御は油回収モードと言われる。この油回収モードにより、冷媒回路内に分布する冷凍機油が圧縮機に回収される。

この油回収モードでは、冷却負荷とは無関係に高容量運転が行われるため、過剰な冷却能力が発揮されることにより凝縮圧力の異常上昇などの不具合が発生する可能性がある。たとえば、特公平６−５４１８６号公報（特許文献１）には、この不具合を回避するため、凝縮圧力を監視しながら油回収モードを終了する冷凍装置が記載されている。

特公平６−５４１８６号公報

しかしながら、上記公報に記載された冷凍装置では、油回収のために、一時的には必ず圧縮機の高容量運転が行われる。このため、圧縮機の低容量運転が継続している段階で既に、外気温度が高温のため凝縮器内の冷媒の圧力が高圧で運転許容範囲の上限付近である場合および庫内設定温度が低温であるため蒸発器内の冷媒の圧力が低圧で運転許容範囲の下限付近である場合には、高容量運転により冷媒の圧力が運転許容範囲を超える。そのため、圧力異常が発生するという問題がある。圧力異常が発生すると、冷凍装置は安全装置が作動して保護停止に至ってしまう。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、圧縮機の低容量運転が継続した場合に、圧力異常に至らずに冷凍機油を圧縮機に回収できる冷凍装置およびその運転方法を提供することである。

本発明の冷凍装置は、熱源ユニットと、冷却ユニットと、第２の管と、バイパス回路とを備えている。熱源ユニットは、圧縮機と、凝縮器と、第１の管とを内部に収容する。圧縮機は容量可変でありかつ吸入した冷媒を圧縮して吐出する。凝縮器は圧縮機により圧縮された冷媒を凝縮する。第１の管は圧縮機と凝縮器とを接続する。冷却ユニットは、膨張弁と、蒸発器とを内部に収容する。膨張弁は凝縮器により凝縮された冷媒を減圧する。蒸発器は膨張弁により減圧された冷媒を蒸発させる。第２の管は蒸発器と圧縮機とを接続する。バイパス回路は、熱源ユニットの内部に配置された第１の管と、冷却ユニットの内部に配置された第２の管とを接続する。

本発明によれば、バイパス回路は、熱源ユニットの内部に配置された第１の管と、冷却ユニットの内部に配置された第２の管とを接続する。このため、バイパス回路により、凝縮器および蒸発器を流れる冷媒の流量を減らすことができ、圧縮機に至る第２の管を流れる冷媒の流量を増大させることができる。これにより、圧縮機の低容量運転が継続した場合に、圧力異常に至らずに冷凍機油を圧縮機に回収することができる。

本発明の実施の形態１における冷凍装置の冷媒回路の構成を概略的に示す図である。 本発明の実施の形態１における冷凍装置の制御装置の構成を説明するための機能ブロック図である。 本発明の実施の形態１における冷凍装置の運転動作を示すフロー図である。 本発明の実施の形態１における冷凍装置の通常冷却運転モードの冷媒の流れを示す冷媒回路図である。 本発明の実施の形態１における冷凍装置の通常冷却運転モードの冷凍サイクル動作を表す状態図である。 本発明の実施の形態１における冷凍装置の油回収モードの冷媒の流れを示す冷媒回路図である。 本発明の実施の形態１における冷凍装置の油回収モードの冷凍サイクル動作を表す状態図である。 本発明の実施の形態１における冷凍装置のホットガス除霜モードの冷媒の流れを示す冷媒回路図である。 本発明の実施の形態１における冷凍装置のホットガス除霜モードの冷凍サイクル動作を表す状態図である。 本発明の実施の形態２における冷凍装置の冷媒回路の構成を概略的に示す図である。 本発明の実施の形態２における冷凍装置の通常冷却運転モードの冷媒の流れを示す冷媒回路図である。 本発明の実施の形態２における冷凍装置の油回収モードの冷媒の流れを示す冷媒回路図である。 本発明の実施の形態２における冷凍装置のホットガス除霜モードの冷媒の流れを示す冷媒回路図である。

以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における冷凍装置の冷媒回路構成の一例を示す概略構成図である。まずは、図１を参照して、本発明の実施の形態１における冷凍装置の構成について説明する。本実施の形態の冷凍装置は、冷媒を循環させることにより、たとえば冷凍庫内を冷却するためのものである。

本実施の形態の冷凍装置は、熱源ユニット１と、冷却ユニット２と、除霜ユニット３と、液管４と、低圧ガス管５と、高圧ガス管６とを主に有している。本実施の形態では、熱源ユニット１は室外に設置されており、冷却ユニット２は冷却対象である冷凍庫内に設置されている。さらに、冷却ユニット２には除霜ユニット３が併設されている。熱源ユニット１と冷却ユニット２とが液管４、低圧ガス管５および高圧ガス管６で接続されて本実施の形態の冷凍装置が構成されている。

熱源ユニット１は、管（第１の管）１ａと、圧縮機７と、凝縮器８と、室外ファン９と、レシーバ１０と、ホットガス弁１１と、内部熱交換器２０と、中間圧膨張弁２１と、制御装置３０とを主に有している。熱源ユニット１は筐体を有している。熱源ユニット１は、管１ａと、圧縮機７と、凝縮器８と、室外ファン９と、レシーバ１０と、ホットガス弁１１と、内部熱交換器２０と、中間圧膨張弁２１と、制御装置３０とを筐体の内部に収容している。熱源ユニット１は、圧縮機７、凝縮器８、レシーバ１０、内部熱交換器２０の順に冷媒が流通するように構成されている。

圧縮機７は吸入した冷媒を圧縮して吐出するように構成されている。圧縮機７は容量可変に構成されている。本実施の形態の圧縮機７は回転数調整可能に構成されている。具体的には、圧縮機７は、制御装置３０からの指示に基づいて駆動周波数が変更されることにより、圧縮機７の回転数が調整される。これにより、圧縮機７の容量が変化する。この圧縮機７の容量は単位時間あたりの冷媒を送り出す量である。つまり、圧縮機７は低容量運転および高容量運転を行うことができる。低容量運転では、圧縮機７の駆動周波数を低くすることにより冷媒回路を循環する冷媒の流量を少なくして運転が行われる。高容量運転では、圧縮機７の駆動周波数を高くすることにより冷媒回路を循環する冷媒の流量を多くして運転が行われる。また、本実施の形態の圧縮機７は、圧縮途中の中間圧力部に冷媒を注入できる中間圧ポート７ａを備えた二段圧縮機である。

管１ａは圧縮機７と凝縮器８とを接続している。凝縮器８は圧縮機７により圧縮された冷媒を凝縮するように構成されている。冷媒は凝縮器８により凝縮されることにより液化する。本実施の形態の凝縮器８は空冷凝縮器である。凝縮器８には室外ファン９が併設されている。室外ファン９は、凝縮器８における室外の空気と冷媒との熱交換量を調整するように構成されている。

液管４にレシーバ１０および内部熱交換器２０が取り付けられている。レシーバ１０は受液器である。つまり、レシーバ１０は、凝縮器８で凝縮されて液化した冷媒を一時的に貯える圧力容器である。内部熱交換器２０は冷媒同士を熱交換させるように構成されている。内部熱交換器２０は、高温側出口で一部の冷媒が分岐し、中間圧膨張弁２１によって減圧された後に再び内部熱交換器２０の低温側に流通するように構成されている。内部熱交換器２０の低温側出口は圧縮機７の中間圧ポート７ａに接続されている。また、圧縮機７を流出する吐出ガス冷媒を直接冷却ユニット２に流通させるためのホットガス弁１１が配置されている。

制御装置３０は、演算、指示等を行って冷凍装置の各手段、機器等を制御するように構成されている。制御装置３０は、特に、圧縮機７、ホットガス弁１１、冷却ユニット２の液電磁弁１２、除霜ユニット３の除霜用電磁弁１７および油回収用電磁弁１８のそれぞれに電気的に接続されており、これらの動作を制御する。

熱源ユニット１と冷却ユニット２とが液管４および低圧ガス管（第２の管）５により接続されている。液管４の一部は熱源ユニット１および冷却ユニット２の各々の内部に収容されており、液管４の他部は熱源ユニット１および冷却ユニット２の各々の外部に配置されている。また、低圧ガス管５の一部は熱源ユニット１および冷却ユニット２の各々の内部に収容されており、低圧ガス管５の他部は熱源ユニット１および冷却ユニット２の各々の外部に配置されている。

熱源ユニット１のホットガス弁１１は高圧ガス管６に取り付けられている。高圧ガス管６は管１ａに取り付けられている。高圧ガス管６の一部は熱源ユニット１の内部に収容されている。高圧ガス管６は熱源ユニット１の内部から外部に延びて除霜ユニット３を経由して冷却ユニット２に接続されている。

冷却ユニット２は、管（第３の管）２ａと、液電磁弁１２と、膨張弁１３と、冷却器（蒸発器）１４と、冷却ファン１５と、逆止弁（逆流防止手段）１６とを主に有している。冷却ユニット２は筐体を有している。冷却ユニット２は、管２ａと、液電磁弁１２と、膨張弁１３と、冷却器（蒸発器）１４と、冷却ファン１５と、逆止弁１６とを筐体の内部に収容している。冷却ユニット２は、液電磁弁１２、膨張弁１３、冷却器１４、逆止弁１６の順に冷媒が流通するように構成されている。

液管４は凝縮器８と膨張弁１３とを接続している。液電磁弁１２は液管４に取り付けられている。膨張弁１３は凝縮器８により凝縮された冷媒を減圧するように構成されている。管２ａは膨張弁１３と冷却器１４とを接続している。低圧ガス管（第２の管）５は冷却器１４と圧縮機７とを接続している。冷却器１４は、膨張弁１３により減圧された冷媒を蒸発させるように構成されている。冷却ファン１５は、冷却器１４における冷凍庫内の空気と冷媒との熱交換量を調整するように構成されている。冷却ファン１５は冷凍庫内の空気を循環させるように構成されている。逆止弁１６は低圧ガス管５に取り付けられている。逆止弁１６は、圧縮機７から冷却器１４への冷媒の流れを防止するように構成されている。

除霜ユニット３には、除霜用電磁弁１７と、油回収用電磁弁１８と、固定絞り１９とが内蔵されている。高圧ガス管６は、除霜ユニット３内において、冷却器１４の下流側で低圧ガス管５に接続された管６ａと、冷却器１４の上流側で管２ａに接続された管６ｂとに分岐している。冷却器１４の下流側で低圧ガス管５に接続された管６ａに油回収用電磁弁１８および固定絞り１９が取り付けられている。また、冷却器１４の上流側で管２ａに接続された管６ｂに除霜用電磁弁１７が取り付けられている。

バイパス回路ＢＣは圧縮機７の出口から分岐して凝縮器８、膨張弁１３、冷却器１４などをバイパスして低圧ガス管５に接続されている。高圧ガス管６の管６ａと管６ｂとに分岐する分岐点Ｐ２までの部分と、管６ａとがバイパス回路ＢＣを構成している。バイパス回路ＢＣは、低圧ガス管５の冷却ユニット２の内部に配置された部分に接続されている。つまり、バイパス回路ＢＣは、熱源ユニット１の内部に配置された管１ａと、冷却ユニット２の内部に配置された低圧ガス管５とを接続している。また、逆止弁１６は、低圧ガス管５とバイパス回路ＢＣとの接続部分（合流点）Ｐ１と冷却器１４との間において、低圧ガス管５に取り付けられている。

除霜回路ＤＣは、冷却器１４の霜を融かして除霜するためのものである。高圧ガス管６の管６ａと管６ｂとに分岐する分岐点Ｐ２までの部分と、管６ｂとが除霜回路ＤＣを構成している。除霜回路ＤＣは、バイパス回路ＢＣから分岐して管２ａに接続している。つまり、除霜回路ＤＣは、熱源ユニット１の内部に配置された管１ａと、膨張弁１３と冷却器１４との間の部分とを接続している。除霜ユニット３は、除霜用電磁弁１７および油回収用電磁弁１８を動作させることより、熱源ユニット１から高圧ガス管６によって導かれる高温冷媒を冷却器１４の上流側に送るか、下流側に送るかを選択できるように構成されている。

続いて、図２を参照して、本実施の形態の制御装置３０についてさらに詳しく説明する。制御装置３０は、制御部３１と、タイマー３２と、温度測定部３３と、圧縮機駆動部３４と、ファン駆動部３５と、膨張弁駆動部３６と、電磁弁駆動部３７とを主に有している。制御部３１は、タイマー３２および温度測定部３３からの信号に基づいて、圧縮機駆動部３４、ファン駆動部３５、膨張弁駆動部３６および電磁弁駆動部３７を制御するためのものである。

タイマー３２は、時間を測定し、時間に基づく信号を制御部３１に送信するためのものである。温度測定部３３は、冷凍庫内に設置された温度計４０からの信号に基づいて温度を測定し、温度に基づく信号を制御部３１に送信するためのものである。

圧縮機駆動部３４は、制御部３１からの信号に基づいて圧縮機７を駆動させるためのものである。具体的には、圧縮機駆動部３４は、圧縮機７のモータ（図示せず）に流す交流電流の周波数を制御することにより圧縮機７のモータの回転数を制御する。

ファン駆動部３５は、制御部３１からの信号に基づいて室外ファン９および冷却ファン１５を駆動させるためのものである。具体的には、ファン駆動部３５は、室外ファン９および冷却ファン１５の各々のモータ（図示せず）に流す交流電流の周波数を制御することにより室外ファン９および冷却ファン１５の各々のモータの回転数を制御する。

膨張弁駆動部３６は、制御部３１からの信号に基づいて膨張弁１３および中間圧膨張弁２１を駆動させるためのものである。具体的には、膨張弁駆動部３６は、膨張弁１３および中間圧膨張弁２１の各弁の開度を制御することにより各弁を制御する。

電磁弁駆動部３７は、制御部３１からの信号に基づいてホットガス弁１１、液電磁弁１２、除霜用電磁弁１７および油回収用電磁弁１８を駆動させるためのものである。具体的には、電磁弁駆動部３７は、ホットガス弁１１、液電磁弁１２、除霜用電磁弁１７および油回収用電磁弁１８の各弁に取り付けられたモータ（図１において１１ａ、１２ａ、１７ａ、１８ａと表記された部分）などの駆動源を制御することにより各弁を制御する。

再び図１および図２を参照して、本実施の形態の冷凍装置は、圧縮機７と、凝縮器８と、膨張弁１３と、冷却器１４とを順に冷媒が流れる通常冷却運転モードと、バイパス回路ＢＣに冷媒が流れる油回収モードと、除霜回路ＤＣに冷媒が流れるホットガス除霜モードとを選択可能に構成されている。

また、本実施の形態の冷凍装置は、通常冷却運転モードにおいては、圧縮機７の第１の運転状態と、第２の運転状態とが切り替え可能に構成されている。第２の運転状態は、第１の運転状態よりも圧縮機７の駆動周波数が低い。そして、油回収モードは、第２の運転状態により低圧ガス管５に冷媒が滞留したときに開始される。また、本実施の形態の冷凍装置においては、油回収モードにおける圧縮機７の駆動周波数は、通常冷却運転モードにおける圧縮機７の駆動周波数の範囲内に設定されている。

次に、主に図２および図３を参照して、本実施の形態の冷凍装置の運転方法について説明する。

本発明の実施の形態の冷凍装置では、まず通常冷却運転モードが開始される（ステップＳ１）。続いて、通常冷却運転モードが開始されてから運転時間が所定時間内（たとえば６時間内）か否かが判定される（ステップＳ２）。この判定は、タイマー３２からの信号に基づいて制御部３１により行われる。

通常冷却運転モードが開始されてから運転時間が所定時間内の場合には、庫内温度が所定温度（たとえば−３０℃）より高温か否かが判定される（ステップＳ３）。この判定は、庫内に設置された温度計４０からの信号を受けて温度測定部３３で測定された温度に基づいて制御部３１により行われる。庫内温度が所定温度より低温の場合には、再度、所定温度より高温となるまで、通常冷却運転モードが開始されてから運転時間が所定時間内か否かが判定される（ステップＳ２）。庫内温度が所定温度より高温の場合には、庫内温度と設定温度との差が所定温度差以上か否かが判定される（ステップＳ４）。この判定は、庫内に設置された温度計４０からの信号を受けて温度測定部３３で測定された温度に基づいて制御部３１により行われる。

庫内温度と設定温度との温度差が所定以上（たとえば５℃以上）の場合には、制御部３１からの信号に基づいて圧縮機駆動部３４によって圧縮機７が第１の運転状態に切り替えられる（ステップＳ５）。この第１の運転状態では、圧縮機７は、たとえば最大の駆動周波数（たとえば１００Ｈｚ）で運転される。他方、温度差が所定未満の場合には、制御部３１からの信号に基づいて圧縮機駆動部３４によって圧縮機７が第２の運転状態に切り替えられる（ステップＳ６）。この第２の運転状態では、圧縮機７は、第１の運転状態よりも低い駆動周波数（たとえば４０Ｈｚ）で運転される（低容量運転）。

続いて、第２の運転状態で運転されてから所定時間（たとえば１時間）以上か否か、つまり所定時間経過したか否かが判定される（ステップＳ７）。この判定は、タイマー３２からの信号に基づいて制御部３１により行われる。第２の運転状態の運転が所定時間内の場合には、再度、所定時間以上になるまで所定時間以上か否かが判定される（ステップＳ７）。

第２の運転状態の運転が所定時間以上の場合には、油回収モードが開始される（ステップＳ８）。油回収モードでは、圧縮機７は、たとえば最大の駆動周波数（たとえば１００Ｈｚ）で運転される（高容量運転）。油回収モードは、第２の運転状態により低圧ガス管５（図１）に冷媒が滞留したときに開始される。また、油回収モードにおける圧縮機７の駆動周波数は、通常冷却運転モードにおける圧縮機７の駆動周波数の範囲内に設定されている。そして、油回収モードが開始されてから所定時間以上（たとえば５分間以上）か否か、つまり所定時間経過したか否かが判定される（ステップＳ９）。この判定は、タイマー３２からの信号に基づいて制御部３１により行われる。

油回収モードが開始されてから所定時間内の場合には、再度、所定時間以上になるまで所定時間以上か否かが判定される（ステップＳ９）。油回収モードが開始されてから所定時間以上の場合には、再度、通常冷却運転モードにおいて運転時間が所定時間内か否かが判定される（ステップＳ２）。

また、通常冷却運転モード開始から所定時間外の場合、つまり所定時間経過した場合には、ホットガス除霜モードが開始される（ステップＳ１０）。そして、冷却器１４（図１）の出口冷媒の温度が所定温度（たとえば２０℃）を超えたか否かが判定される。この判定は、冷却器１４（図１）出口に設置された温度計４０からの信号を受けて温度測定部３３で測定された温度に基づいて制御部３１により行われる。冷却器１４（図１）の出口冷媒の温度が所定温度を超えない場合には、再度、所定温度を超えるまで所定温度を超えたか否かが判定される（ステップＳ１１）。冷却器１４（図１）の出口冷媒の温度が所定温度を超えた場合には、ホットガス除霜モードが終了する（ステップＳ１２）。

続いて、本実施の形態の冷凍装置の各運転モードについて詳しく説明する。
（通常冷却運転モード）
まずは、図２、図４および図５を参照して、通常冷却運転時の冷凍サイクル動作を説明する。図４は、通常冷却運転モードの弁動作および冷媒流れ方向を示す冷媒回路図である。図５は、通常冷却運転モードの冷凍サイクル動作を示す圧力―エンタルピ線図である。図４は図１の概略構成図に、バルブ動作と冷媒の流れを示す矢印を追加したものである。なお、図４では、黒く塗りつぶされた弁が閉止されている状態を示している。また、図４に示すアルファベットは、図５に示すアルファベットに対応している。

本発明の実施の形態の冷凍装置では、通常冷却運転モードにおいて、図４に示すように、ホットガス弁１１、除霜用電磁弁１７、油回収用電磁弁１８が閉止され、液電磁弁１２が開放されて冷媒回路が形成される。図２に示すように、ホットガス弁１１、液電磁弁１２、除霜用電磁弁１７および油回収用電磁弁１８の各弁は、制御部３１からの信号に基づいて電磁弁駆動部３７により各弁に取り付けられたモータが制御されることによって制御される。

図４および図５に示すように、この冷媒回路において、まず、冷媒（状態Ａ）が圧縮機７に流入する。圧縮機７から吐出された高温冷媒（状態Ｂ）は、凝縮器８で外気に放熱して液冷媒（状態Ｃ）となる。ここで、室外ファン９は、外気温度が高く凝縮圧力を低下させたい場合には、最大の回転速度で運転する。また、室外ファン９は、外気温度が低く凝縮圧力を上昇させたい場合には、回転速度を落とすように調整されている。図２に示すように、室外ファン９では、制御部３１からの信号に基づいてファン駆動部３５により室外ファン９のモータが制御されることによってモータの回転数が制御される。状態Ｃとなった液冷媒は、レシーバ１０に余剰冷媒を残してそのまま流出し、内部熱交換器２０に流入する。

内部熱交換器２０では、その出口側で一部分岐された冷媒が中間圧膨張弁２１で減圧されて二相冷媒（状態Ｊ）となり、主流の液冷媒と熱交換を行う。この熱交換により、高圧液冷媒（状態Ｃ）は状態Ｄまで冷却される。一方で、分岐した側の中間圧冷媒は、液冷媒から加熱されて、より乾き度の高い状態Ｋとなり、圧縮機７の中間圧ポート７ａに戻される。中間圧膨張弁２１によって調整される中間圧分岐流量は、吐出ガス冷媒（状態Ｂ）の温度が８０℃となるように調整されている。図２に示すように、中間圧膨張弁２１は、制御部３１からの信号に基づいて膨張弁駆動部３６により中間圧膨張弁２１の弁の開度が制御されることによって制御される。

熱源ユニット１を流出した液冷媒（状態Ｄ）は、液管４を経由して状態Ｅで冷凍庫に設置されている冷却ユニット２に流入する。冷却ユニット２では、冷媒は、液電磁弁１２を通過し、膨張弁１３によって減圧されて低圧二相冷媒（状態Ｆ）となり、さらに冷却器１４で冷凍庫内空気から熱を奪って蒸発する。図２に示すように、膨張弁１３は、制御部３１からの信号に基づいて膨張弁駆動部３６により膨張弁１３の弁の開度が制御されることによって制御される。膨張弁１３は、冷却器１４の出口状態が過熱度１０［Ｋ］程度となるようにその開度が調整されている。冷却器１４に冷却ファン１５によって冷凍庫内の空気が送られる。図２に示すように、冷却ファン１５は、制御部３１からの信号に基づいてファン駆動部３５により冷却ファン１５のモータが制御されることによってモータの回転数が制御される。この冷却器１４出口の低圧ガス冷媒（状態Ｇ）は、状態Ｈで低圧ガス管５を通って熱源ユニット１に戻り、状態Ａで再び圧縮機７に吸入される。

この通常冷却運転モードは、庫内空気を所定温度、たとえば−３０℃に維持することを目的に運転される。圧縮機７の容量、すなわち駆動周波数は３０Ｈｚ〜１００Ｈｚまで調整可能となっている。庫内空気が−３０℃よりも高温である時には圧縮機の回転数を最大にして運転し、庫内温度が−３０℃付近になっている状態ではそれ以上冷え過ぎとならないように低い回転数で運転する。

圧縮機７が稼働している間は、内部に貯留されて圧縮機構部を潤滑している冷凍機油が絶えず外部に流出し続けており、それが冷媒回路内を循環している。液冷媒が存在している部位では、冷凍機油は液冷媒に溶解しているので冷媒とともに移動する。冷媒がガス単相となる冷却器１４出口付近から低圧ガス管５の内部では、析出した冷凍機油がガス冷媒によるせん断力によって冷媒流よりもゆっくりと移動しており、相当量滞留している状態となっている。

冷凍庫内の冷却負荷が比較的小さい場合、圧縮機７は低容量運転を長時間継続することになる。熱源ユニット１が冷却ユニット２よりも上方に設置されている物件などでは低圧ガス管５内に滞留する冷凍機油が移動しにくく、低容量運転状態の冷媒流速では冷凍機油が移動しなくなる場合もある。したがって、所定時間、たとえば１時間間隔で油回収運転が行われる。続いて、この油回収運転を行う油回収モードについて冷凍サイクル動作を説明する。

（油回収モード）
図６および図７を参照して、油回収モードの冷凍サイクル動作を説明する。図６は、油回収モードの弁動作および冷媒流れ方向を示す冷媒回路図である。図７は、油回収モード時の冷凍サイクル動作を表す圧力―エンタルピ線図である。図６は図１の概略構成図に、バルブ動作と冷媒の流れを示す矢印を追加したものである。なお、図６では、黒く塗りつぶされた弁が閉止されている状態を示している。また、図６に示すアルファベットは、図７に示すアルファベットに対応している。本実施の形態における冷凍装置は、通常冷却運転モードで圧縮機７が４０Ｈｚ以下での運転を１時間以上継続すると、この油回収モードに移行する。

圧縮機７の許容運転範囲は、たとえば高圧飽和温度５５℃以下、低圧飽和温度−４５℃以上に設定されている。しかし、圧縮機７が４０Ｈｚ以下の低容量で運転されていても、庫内温度設定が−３５℃以下の場合、また外気温度が４０℃を超えるような状況の場合には、冷凍機油を回収しようとして不用意に圧縮機容量を増大させてしまうと、凝縮器８内の冷媒の圧力（高圧）および冷却器１４内の冷媒の圧力（低圧）が運転許容範囲を超えてしまう。

そこで、本実施の形態の冷凍装置は、前述の通常冷却運転を継続したままホットガス弁１１、油回収用電磁弁１８を開放して新たな冷媒流路を形成する。この冷媒回路を流通する冷媒流量は、通常冷却運転側で流通する冷媒流量の２０％〜３０％になるように固定絞り１９の流動抵抗が設定されている。

この油回収モードでは、吐出ガス冷媒（状態Ｂ）の２０％がホットガス弁１１、高圧ガス管６、油回収用電磁弁１８の順に流通し、固定絞り１９で減圧されて状態Ｋになった後、冷却器１４を流出した通常冷却運転側の冷媒と合流して状態Ｈとなり、再び圧縮機７に吸入される。

圧縮機７が循環させている冷媒の８０％が流通する冷却運転側の冷凍サイクルでは、凝縮器８での処理熱量が通常冷却運転モードのときよりも２０％減少するため、凝縮圧力が低下し、同様に、冷却器１４を流通する冷媒流量も２０％減少するので蒸発圧力が上昇する。

よって、凝縮圧力または蒸発圧力が運転許容範囲の限界を超えることが無い程度に圧縮機７の駆動周波数を増大させることができる。また、圧縮機７の駆動周波数を増大させなくても、低圧側を流通するガス冷媒の密度が増大するので、低圧ガス管５を流通する冷媒流量が増大し、低圧側に滞留した冷凍機油の移動を促進させることができる。この油回収モードでの運転を５分間継続して再び通常冷却運転モードに移行する。

油回収モードに移行してホットガス弁１１、油回収用電磁弁１８を開放した直後は、低圧と高圧が連通するので過渡的に合流部の圧力が冷却器１４内の圧力よりも高くなることがある。このため、高温のガス冷媒（状態Ｋ）が冷却器１４に逆流して冷凍庫内を加熱することがないように逆止弁１６が設置されている。

（ホットガス除霜モード）
続いて、図８および図９を参照して、ホットガス除霜モードの冷凍サイクル動作について説明する。図８はホットガス除霜モードの弁動作および冷媒流れ方向を示す冷媒回路図である。図９は、ホットガス除霜モードにおける冷凍サイクル動作を示す圧力―エンタルピ線図である。図８は図１の概略構成図に、バルブ動作と冷媒の流れを示す矢印を追加したものである。なお、図８では、黒く塗りつぶされた弁が閉止されている状態を示している。また、図８に示すアルファベットは、図９に示すアルファベットに対応している。

本発明の実施の形態における冷凍装置では、タイマー設定により６時間間隔でホットガス除霜運転が行われる。ホットガス除霜モードに移行すると、まず圧縮機７の駆動周波数が６０Ｈｚに固定されるとともに液電磁弁１２および油回収用電磁弁１８が閉止され、低圧側に存在する冷媒が凝縮器８およびレシーバ１０に回収される。その後、ホットガス弁１１および除霜用電磁弁１７が開放され、冷却ファン１５および室外ファン９が停止する。

この冷媒回路で、圧縮機７から吐出されたガス冷媒がホットガス弁１１、高圧ガス管６、除霜用電磁弁１７を経由して低圧高温冷媒（状態Ｆ）となり、冷却器１４に流入する。冷却器１４では霜を融かしながら状態Ｇとなり、再び圧縮機７に戻る。一方、中間圧膨張弁２１は吐出ガス温度を８０℃になるように調整している。このため、前述のホットガス冷媒循環側の冷媒量が不足して吐出ガス温度が高温になると、レシーバ１０から圧縮機７の中間圧ポートに液冷媒が供給され、ホットガス除霜循環の冷媒量が適正に調整されている。このとき液管４には冷媒が流通していない。冷却器１４の出口冷媒の温度が２０℃を超えた時点で除霜完了と判断し、ホットガス除霜モードが終了する。

次に、本実施の形態の作用効果について説明する。
本実施の形態の冷凍装置によれば、バイパス回路ＢＣは、熱源ユニット１の内部に配置された管（第１の管）１ａと、冷却ユニット２の内部に配置された低圧ガス管（第２の管）５とを接続する。このため、バイパス回路ＢＣにより、凝縮器８および冷却器１４を流れる冷媒の流量を減らすことができる。これにより、外気温度が高温のため凝縮器８内の冷媒の圧力が高圧で運転許容範囲の上限付近である場合に凝縮圧力が上がることを抑制でき、庫内設定温度が低温であるため冷却器１４内の冷媒の圧力が低圧で運転許容範囲の下限付近である場合に蒸発圧力が下がることを抑制できる。したがって、凝縮圧力および蒸発圧力の圧力異常を抑制できる。また、圧縮機７の低容量運転が継続した場合に、圧縮機７と冷却器１４とを接続する低圧ガス管５では、冷媒がガス単相となるので析出した冷凍機油がガス冷媒によるせん断力によってガス冷媒の流れよりもゆっくりと移動するため、低圧ガス管５には冷凍機油が滞留する。バイパス回路ＢＣは管１ａと冷却ユニット２の内部に配置された低圧ガス管（第２の管）５とを接続するため、低圧ガス管５とバイパス回路ＢＣとの接続部分（合流点）Ｐ１から圧縮機７に至る低圧ガス管５を流れる冷媒の流量を増大させることができる。これにより、低圧ガス管５に滞留した冷凍機油の移動を促進させることができる。したがって、冷凍機油を圧縮機７に回収することができる。以上より、圧縮機７の低容量運転が継続した場合に、圧力異常に至らずに冷凍機油を圧縮機７に回収することができる。

また、本実施の形態の冷凍装置においては、逆止弁１６が低圧ガス管５とバイパス回路ＢＣとの接続部分（合流点）Ｐ１と冷却器１４との間において、低圧ガス管５に取り付けられている。油回収モードに移行してホットガス弁１１、油回収用電磁弁１８を開放した直後は、低圧と高圧が連通するので過渡的に合流部の圧力が冷却器１４内の圧力よりも高くなることがある。逆止弁１６により、高温のガス冷媒が冷却器１４に逆流して冷凍庫内を加熱することを防止できる。

また、本実施の形態の冷凍装置は、バイパス回路ＢＣから分岐して管２ａに接続する除霜回路ＤＣを備えている。このため、冷却器１４の除霜を行うことができる。また、高温のガス冷媒をバイパス回路ＢＣから冷却器１４の下流側に流すか、除霜回路ＤＣから冷却器１４の上流側に流すかを選択することができる。

また、本実施の形態の冷凍装置は、通常冷却運転モードと、油回収モードと、ホットガス除霜モードとを選択可能に構成されている。このため、通常冷却運転モードと、油回収モードと、ホットガス除霜モードとで冷凍装置を運転することができる。

また、本実施の形態の冷凍装置では、通常冷却運転モードにおいては、圧縮機７の第１の運転状態と、第２の運転状態とが切り替え可能であり、油回収モードは、第２の運転状態により低圧ガス管５に冷凍機油が滞留したときに開始される。このため、油回収モードにより低圧ガス管５に滞留した冷凍機油を回収することができる。

また、本実施の形態の冷凍装置では、油回収モードにおける圧縮機７の駆動周波数は、通常冷却運転モードにおける圧縮機７の駆動周波数の範囲内に設定されている。このため、油回収モードにおいて凝縮圧力および蒸発圧力が運転許容範囲を超えないようにすることができる。

また、本実施の形態の冷凍装置では、油回収モードは、通常冷却運転モードが開始されてから所定時間内に開始される。このため、通常冷却運転モードで低圧ガス管５内に滞留した冷凍機油を油回収モードにより確実に回収することができる。

また、本実施の形態の冷凍装置では、ホットガス除霜モードは、通常冷却運転モードが開始されてから所定時間経過後に開始される。このため、通常冷却運転モードで冷却器１４に発生した霜をホットガス除霜モードにより融かすことができる。

本実施の形態の冷凍装置の運転方法によれば、冷凍装置は、圧縮機７と、凝縮器８と、管１ａと、膨張弁１３と、冷却器（蒸発器）１４と、低圧ガス管５と、バイパス回路ＢＣと、管２ａと、除霜回路ＤＣとを備えている。冷凍装置は、通常冷却運転モードと、油回収モードと、ホットガス除霜モードとを選択可能である。このため、通常冷却運転モードと、油回収モードと、ホットガス除霜モードとで冷凍装置を運転することができる。

また、本実施の形態の冷凍装置の運転方法では、油回収モードは、通常冷却運転モードが開始されてから所定時間内に開始される。このため、通常冷却運転モードで低圧ガス管５内に滞留した冷凍機油を油回収モードにより確実に回収することができる。

また、本実施の形態の冷凍装置の運転方法では、ホットガス除霜モードは、通常冷却運転モードが開始されてから所定時間経過後に開始される。このため、通常冷却運転モードで冷却器１４に付着した霜をホットガス除霜モードにより融かすことができる。

（実施の形態２）
図１０を参照して、本発明の実施の形態２における冷凍装置の構成について説明する。以下、特に説明しない限り、実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。

本実施の形態の冷凍装置においては、液管（第１の接続管）４は、通常冷却運転モードでは冷却運転用の冷媒回路の一部を構成し、除霜モードでは除霜用の冷媒回路の一部を構成し、油回収モードでは油回収用の冷媒回路の一部を構成する。このように、本実施の形態の冷凍装置においては、液管４は高圧ガス管の一部をも構成している。

本実施の形態の冷凍装置は、第１の高圧ガス管（第２の接続管）６１と、第２の高圧ガス管（第３の接続管）６２と、電磁弁５０とを有している。第１の高圧ガス管６１は、熱源ユニット１の筐体の内部に収容されている。第１の高圧ガス管６１は、管１ａと液管４とを接続している。第１の高圧ガス管６１にホットガス弁１１が取り付けられている。

第２の高圧ガス管６２の一部は、除霜ユニット３の内部に収容されている。第２の高圧ガス管６２は、除霜ユニット３を経由して冷却ユニット２に接続されている。第２の高圧ガス管６２は、低圧ガス管５と液管４とを接続している。第２の高圧ガス管６２は、除霜ユニット３内において、冷却器１４の下流側で低圧ガス管５に接続された管６２ａと、冷却器１４の上流側で管２ａに接続された管６２ｂとに分岐している。冷却器１４の下流側で低圧ガス管５に接続された管６２ａに油回収用電磁弁１８および固定絞り１９が取り付けられている。また、冷却器１４の上流側で管２ａに接続された管６２ｂに除霜用電磁弁１７が取り付けられている。

電磁弁５０は液管４に取り付けられている。電磁弁５０は、第１の高圧ガス管６１と液管４との接続部分よりも上流側に位置している。電磁弁５０は、内部熱交換器２０よりも下流側に位置している。電磁弁５０は制御装置３０に電気的に接続されている。電磁弁５０は、図２に示す制御部３１からの信号に基づいて電磁弁駆動部３７よって駆動される。

バイパス回路ＢＣは、凝縮器８と膨張弁１３とを接続する液管４と、管１ａと液管４とを接続する第１の高圧ガス管６１と、低圧ガス管５と液管４とを接続する第２の高圧ガス管６２とを有している。第１の高圧ガス管６１と、第１の高圧ガス管６１と第２の高圧ガス管６２とを接続する液管４と、第２の高圧ガス管６２の管６２ａと管６２ｂとに分岐する分岐点Ｐ３までの部分と、管６２ａとがバイパス回路ＢＣを構成している。

第１の高圧ガス管６１と、第１の高圧ガス管６１と第２の高圧ガス管６２とを接続する液管４と、第２の高圧ガス管６２の管６２ａと管６２ｂとに分岐する分岐点Ｐ３までの部分と、管６２ｂとが除霜回路ＤＣを構成している。

次に、本実施の形態の冷凍装置の各運転モードについて説明する。
（通常冷却運転モード）
まずは、図１１を参照して、通常冷却運転時の冷凍サイクル動作を説明する。図１１は、通常冷却運転モードの弁動作および冷媒流れ方向を示す冷媒回路図である。図１１は図１０の概略構成図に、バルブ動作と冷媒の流れを示す矢印を追加したものである。なお、図１１では、黒く塗りつぶされた弁が閉止されている状態を示している。

通常冷却運転モードでは、ホットガス弁１１、除霜用電磁弁１７、油回収用電磁弁１８が閉止され、液電磁弁１２、電磁弁５０が開放される。通常冷却運転モードでは、冷媒は、圧縮機７、管１ａ、凝縮器８、液管４、膨張弁１３、管２ａ、冷却器１４、低圧ガス管５の順に流通し、再び圧縮機７に吸入される。

（油回収モード）
続いて、図１２を参照して、油回収モードの冷凍サイクル動作を説明する。図１２は、油回収モードの弁動作および冷媒流れ方向を示す冷媒回路図である。図１２は図１０の概略構成図に、バルブ動作と冷媒の流れを示す矢印を追加したものである。なお、図１１では、黒く塗りつぶされた弁が閉止されている状態を示している。

油回収モードでは、前述の通常冷却運転を継続したままホットガス弁１１、油回収用電磁弁１８が開放されて新たな冷媒流路が形成される。油回収モードでは、圧縮機７からの吐出ガス冷媒の２０％がホットガス弁１１、第１の高圧ガス管６１、液管４、第２の高圧ガス管６２、油回収用電磁弁１８の順に流通し、固定絞り１９で減圧された後、冷却器１４を流出した通常冷却運転側の冷媒と合流して、再び圧縮機７に吸入される。

（ホットガス除霜モード）
続いて、図１３を参照して、ホットガス除霜モードの冷凍サイクル動作について説明する。図１３はホットガス除霜モードの弁動作および冷媒流れ方向を示す冷媒回路図である。図１３は図１０の概略構成図に、バルブ動作と冷媒の流れを示す矢印を追加したものである。なお、図１３では、黒く塗りつぶされた弁が閉止されている状態を示している。

ホットガス除霜モードでは、液電磁弁１２、油回収用電磁弁１８、電磁弁５０が閉止され、ホットガス弁１１、除霜用電磁弁１７が開放される。ホットガス除霜モードでは、圧縮機７から吐出されたガス冷媒は、ホットガス弁１１、第１の高圧ガス管６１、液管４、第２の高圧ガス管６２、除霜用電磁弁１７の順に流通し、冷却器１４に流入する。ガス冷媒は、冷却器１４で霜を融かしてから再び圧縮機７に戻る。

次に、本実施の形態の作用効果について説明する。
本実施の形態の冷凍装置によれば、バイパス回路ＢＣは、液管４と、第１の高圧ガス管６１と、第２の高圧ガス管６２とを含んでいる。したがって、圧縮機７から吐出した冷媒としてのホットガスを、第１の高圧ガス管６１、液管４、第２の高圧ガス管６２を通して冷却器１４の下流の接続部分（合流点）Ｐ１に導くことができる。このため、凝縮器８および冷却器（蒸発器）１４を流れる冷媒の流量を減らすことができ、冷却器１４の下流の接続部分（合流点）Ｐ１から低圧ガス管５を経由して圧縮機７に向かう冷媒の流量を増大させることができる。そのため、圧縮機７の低容量運転が継続した場合に、圧力異常に至らずに冷凍機油を圧縮機７に回収することができる。

また、本実施の形態の冷凍装置においては、熱源ユニット１と除霜ユニットとを直接接続する配管が無いため、実施の形態１の冷凍装置に比べて、接続配管の本数を減らすことができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 熱源ユニット、１ａ 管（第１の管）、２ 冷却ユニット、２ａ 管（第３の管）、３ 除霜ユニット、４ 液管、５ 低圧ガス管（第２の管）、６ 高圧ガス管、７ 圧縮機、７ａ 中間圧ポート、８ 凝縮器、９ 室外ファン、１０ レシーバ、１１ ホットガス弁、１２ 液電磁弁、１３ 膨張弁、１４ 冷却器、１５ 冷却ファン、１６ 逆止弁（逆流防止手段）、１７ 除霜用電磁弁、１８ 油回収用電磁弁、２０ 内部熱交換器、２１ 中間圧膨張弁、３０ 制御装置、３１ 制御部、３２ タイマー、５０ 電磁弁、６１ 第１の高圧ガス管、６２ 第２の高圧ガス管、ＢＣ バイパス回路、ＤＣ 除霜回路。

Claims (12)

1. 容量可変でありかつ吸入した冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、前記圧縮機により圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、前記圧縮機と前記凝縮器とを接続する第１の管とを内部に収容する熱源ユニットと、
   前記凝縮器により凝縮された冷媒を減圧する膨張弁と、前記膨張弁により減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器とを内部に収容する冷却ユニットと、
   前記蒸発器と前記圧縮機とを接続する第２の管と、
   前記熱源ユニットの内部に配置された前記第１の管と、前記冷却ユニットの内部に配置された前記第２の管とを接続するバイパス回路とを備えた、冷凍装置。
2. 前記圧縮機から前記蒸発器への冷媒の流れを防止する逆流防止手段をさらに備え、
   前記逆流防止手段は、前記第２の管と前記バイパス回路との接続部分と前記蒸発器との間において、前記第２の管に取り付けられている、請求項１に記載の冷凍装置。
3. 前記膨張弁と前記蒸発器とを接続する第３の管と、
   前記バイパス回路から分岐して前記第３の管に接続する除霜回路とをさらに備えた、請求項１または２に記載の冷凍装置。
4. 前記圧縮機と、前記凝縮器と、前記膨張弁と、前記蒸発器とを順に冷媒が流れる通常冷却運転モードと、
   前記バイパス回路に冷媒が流れる油回収モードと、
   前記除霜回路に冷媒が流れるホットガス除霜モードとを選択可能に構成されている、請求項３に記載の冷凍装置。
5. 前記通常冷却運転モードにおいては、前記圧縮機の第１の運転状態と、前記第１の運転状態よりも前記圧縮機の駆動周波数が低い第２の運転状態とが切り替え可能であり、
   前記油回収モードは、前記第２の運転状態により前記第２の管に冷凍機油が滞留したときに開始される、請求項４に記載の冷凍装置。
6. 前記油回収モードにおける前記圧縮機の駆動周波数は、前記通常冷却運転モードにおける前記圧縮機の駆動周波数の範囲内に設定されている、請求項４または５に記載の冷凍装置。
7. 前記油回収モードは、前記通常冷却運転モードが開始されてから所定時間内に開始される、請求項４〜６のいずれか１項に記載の冷凍装置。
8. 前記ホットガス除霜モードは、前記通常冷却運転モードが開始されてから所定時間経過後に開始される、請求項４〜７のいずれか１項に記載の冷凍装置。
9. 前記バイパス回路は、
   前記凝縮器と前記膨張弁とを接続する第１の接続管と、
   前記第１の管と前記第１の接続管とを接続する第２の接続管と、
   前記第２の管と前記第１の接続管とを接続する第３の接続管とを含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載の冷凍装置。
10. 容量可変でありかつ吸入した冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、前記圧縮機により圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、前記圧縮機と前記凝縮器とを接続する第１の管とを内部に収容する熱源ユニットと、
    前記凝縮器により凝縮された冷媒を減圧する膨張弁と、前記膨張弁により減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器とを内部に収容する冷却ユニットと、
    前記蒸発器と前記圧縮機とを接続する第２の管と、
    前記熱源ユニットの内部に配置された前記第１の管と、前記冷却ユニットの内部に配置された前記第２の管とを接続するバイパス回路と、
    前記膨張弁と前記蒸発器とを接続する第３の管と、
    前記バイパス回路から分岐して前記第３の管に接続する除霜回路とを備えた冷凍装置の運転方法であって、
    前記冷凍装置は、
    前記圧縮機と、前記凝縮器と、前記膨張弁と、前記蒸発器とを順に冷媒が流れる通常冷却運転モードと、
    前記バイパス回路に冷媒が流れる油回収モードと、
    前記除霜回路に冷媒が流れるホットガス除霜モードとを選択可能である、冷凍装置の運転方法。
11. 前記油回収モードは、前記通常冷却運転モードが開始されてから所定時間内に開始される、請求項１０に記載の冷凍装置の運転方法。
12. 前記ホットガス除霜モードは、前記通常冷却運転モードが開始されてから所定時間経過後に開始される、請求項１０または１１に記載の冷凍装置の運転方法。

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