JP5966364B2 - 冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の圧縮機を備えた冷凍装置に関し、特に圧縮機から冷媒とともに吐出された潤滑油を油分離器を経て圧縮機へ戻す油戻し技術に関するものである。

従来より、複数の圧縮機を備えた冷凍装置が知られている。そして、これらの冷凍装置の中には、特許文献１に示すように、低段側及び高段側の圧縮機とが直列に接続されて二段圧縮で冷凍サイクルが行われる冷媒回路を有するものがある。

低段側及び高段側の圧縮機の潤滑不良を防止するため、低段側及び高段側の圧縮機から吐出される潤滑油混じりの冷媒から潤滑油（以下、油という。）を分離する油分離器と、該油分離器で分離した油を圧縮機へ戻す油戻し配管とを冷媒回路に設けることが考えられる。

例えば、低段側圧縮機に対応する低段側油分離器を、低段側圧縮機の吐出口と高段側圧縮機の吸入口とを接続する接続配管に設け、高段側圧縮機に対応する高段側油分離器を、高段側圧縮機の吐出配管に設ける。又、低段側圧縮機に対応する低段側油戻し配管は、低段側油分離器の排油口と低段側圧縮機の吸入配管との間を連通させ、高段側圧縮機に対応する高段側油戻し配管は、高段側油分離器の排油口と上記接続配管との間を連通させる。このように、低段側圧縮機と低段側油分離器と高段側圧縮機と高段側油分離器との順で直列に接続することが考えられる。

特開２００９−３０９５４号公報

しかしながら、特に圧縮機が高圧ドーム型（冷媒を圧縮する圧縮機構の吐出口がケーシング内に開口している）の場合、各圧縮機の運転容量が大きくなればなるほど、該圧縮機の底部に貯留する潤滑油が吐出冷媒とともにケーシングの外側へ流出する量（以下、油上がり量という。）が増える。又、油分離器の油分離効率も油混じりの冷媒の流入量によって変化する。一般的には、この流入量が増えるほど、油分離効率が減少する傾向にある。

例えば、低段側圧縮機の油上がり量や低段側油分離器の油分離効率の変化によって、これらの下流側に位置する高段側圧縮機内の油貯留量が変動し、低段側及び高段側の圧縮機の一方に油が偏り、他方が油不足になることが考えられる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、冷凍サイクルを行う冷媒回路に直列に接続された低段側及び高段側の圧縮機に係る油不足を解消して、冷凍装置が運転不良を起こさないようにすることにある。

第１の発明は、低段側圧縮機（11）と低段側油分離器（2a）と高段側圧縮機（12）と高段側油分離器（2b）とが直列に接続されて冷凍サイクルを行う冷媒回路（10）を備えた冷凍装置を前提としている。

そして、この冷凍装置において、上記高段側油分離器（2b）で上記高段側圧縮機（12）の吐出冷媒から分離した油を上記高段側圧縮機（12）へ戻す高段側油戻し通路（3b）と、上記低段側油分離器（2a）で上記低段側圧縮機（11）の吐出冷媒から分離した油を上記低段側圧縮機（11）へ戻す低段側油戻し通路（3a）に設けられた第１油調整弁（6）と、上記低段側油戻し通路（3a）と上記高段側油戻し通路（3b）とを接続する接続通路（4）に設けられた第２油調整弁（5）と、上記低段側圧縮機（11）及び上記高段側圧縮機（12）の油不足を検出する検出部（7）と、上記検出部（7）で上記低段側圧縮機（11）の油不足を検出すると、上記第１油調整弁（6）を開いた状態で上記第２油調整弁（5）の開度を上記低段側圧縮機（11）に係る油不足の検出時よりも大きくして、上記検出部（7）で上記高段側圧縮機（12）の油不足を検出すると、上記第２油調整弁（5）を閉じた状態で上記第１油調整弁（6）の開度を上記高段側圧縮機（12）に係る油不足の検出時よりも小さくする油調整弁調整部（46）とを備えている。

第１の発明では、低段側圧縮機（11）の油不足を検出した場合には、低段側油分離器（2a）だけでなく高段側油分離器（2b）からも低段側圧縮機（11）へ油を供給できるようにした。具体的には、上記第２油調整弁（5）の開度を油不足の検出時よりも大きくする。これにより、上記高段側油分離器（2b）の油が上記接続通路（4）を通じて上記高段側油戻し通路（3b）から上記低段側油戻し通路（3a）へ流れ、この低段側油戻し通路（3a）を通じて低段側圧縮機（11）へ吸入される油の量が増える。この結果、低段側圧縮機（11）の油不足が解消される。

一方、高段側圧縮機（12）の油不足を検出した場合には、低段側油分離器（2a）から高段側圧縮機（12）へ吸入される冷媒に含まれる油の量を増やすようにした。具体的には、上記第１油調整弁（6）の開度を油不足の検出時よりも小さくする。すると、上記低段側油分離器（2a）から上記低段側圧縮機（11）へ戻る油の量が減り、低段側油分離器（2a）内に油が溜まるようになる。この結果、低段側油分離器（2a）内の油貯留量の増加とともに低段側油分離器（2a）の油分離効率が低下すると、低段側油分離器（2a）から高段側圧縮機（12）へ冷媒とともに吸入される油の量が増える。これにより、高段側圧縮機（12）の油不足が解消される。

また、第１の発明では、上記冷媒回路（10）は、低段側圧縮機（11）と低段側油分離器（2a）と高段側圧縮機（12）と高段側油分離器（2b）と第１熱交換器（13）と高段側膨張機構（14）と低段側膨張機構（15）と第２熱交換器（16）とが順に冷媒通路で接続されて、上記第１熱交換器（13）が放熱器となり上記第２熱交換器（16）が蒸発器となって冷凍サイクルを行うことが可能に構成され、上記低段側油分離器（2a）及び上記高段側圧縮機（12）の間の冷媒通路と上記低段側膨張機構（15）及び上記高段側膨張機構（14）の間の冷媒通路との間に設けられて、上記低段側圧縮機（11）の冷媒吐出量が上記高段側圧縮機（12）の冷媒吸入量よりも大きいときに放熱器として機能し、上記低段側圧縮機（11）の冷媒吐出量が上記高段側圧縮機（12）の冷媒吸入量よりも小さいときに蒸発器として機能する補助熱交換器（61）を備えている。

第１の発明では、上記冷媒回路（10）を二段圧縮で冷凍サイクルが行われるように構成する。そして、この冷媒回路（10）の中間圧冷媒が流れる流路に補助熱交換器（61）を配置した。この冷媒回路（10）では、上記低段側圧縮機（11）の冷媒吐出量を上記高段側圧縮機（12）の冷媒吸入量よりも大きくすると、上記低段側圧縮機（11）から吐出した冷媒を上記高段側圧縮機（12）だけでなく、補助熱交換器（61）にも供給できるようになる。これにより、この補助熱交換器（61）を放熱器として機能させることが可能となる。これは、上記冷媒回路（10）に係るヒートバランスが放熱不足の場合に有効である。

一方、上記高段側圧縮機（12）の冷媒吸入量を上記低段側圧縮機（11）の冷媒吐出量よりも大きくすると、上記低段側圧縮機（11）から流出した冷媒だけでなく、補助熱交換器（61）から流出した冷媒も高段側圧縮機（12）が吸入できるようになる。これにより、補助熱交換器（61）を蒸発器として機能させることが可能となる。これは、上記冷媒回路（10）に係るヒートバランスが吸熱不足の場合に有効である。

このように、低段側圧縮機（11）と高段側圧縮機（12）の運転容量を異ならせることが多くなる冷媒回路（10）では、一方の圧縮機に油が溜まり易くなって他方の油が不足しやすくなる。例えば、両方の圧縮機（11,12）のうち、該圧縮機（11,12）の運転回転数の低い方に油が偏りやすく、運転回転数の高い方の油が不足しやすい。このような場合でも、第１又は第２の油調整弁（6,5）を操作することによって、低段側及び高段側の圧縮機（11,12）に係る油不足を解消することができるようになる。

第２の発明は、第１の発明において、上記検出部（7）で上記高段側圧縮機（12）の油不足を検出すると、上記高段側圧縮機（12）の冷媒吸入量が上記低段側圧縮機（11）の冷媒吐出量よりも大きくなるように、上記低段側圧縮機（11）及び上記高段側圧縮機（12）の運転容量を調整する第１容量調整部（48a）を備えていることを特徴としている。

第２の発明では、上記低段側圧縮機（11）から吐出された油混じりの冷媒が補助熱交換器（61）へ分流しないようにするため、上記高段側圧縮機（12）の冷媒吸入量を上記低段側圧縮機（11）の冷媒吐出量よりも大きくする。これにより、上記低段側圧縮機（11）から吐出された油混じりの冷媒が、全て上記高段側圧縮機（12）へ吸入される。この結果、上記低段側圧縮機（11）に係る油混じりの冷媒が補助熱交換器（61）へ分流する場合に比べて、上記高段側圧縮機（12）へ吸入される油の量が増加する。

第３の発明は、第２の発明において、上記補助熱交換器（61）を通過する冷媒の流量を調整する冷媒調整弁（62）と、上記検出部（7）で上記高段側圧縮機（12）の油不足を検出すると、上記冷媒調整弁（62）の開度を上記高段側圧縮機（12）に係る油不足の検出時よりも大きくして、上記補助熱交換器（61）から流出する冷媒を湿り状態にする第１減圧調整部（49a）とを備えていることを特徴としている。

第３の発明では、蒸発器となる補助熱交換器（61）に残留した油を上記高段側圧縮機（12）へ吸入させるため、上記冷媒調整弁（62）の開度を上記高段側圧縮機（12）に係る油不足の検出時よりも大きくする。これにより、上記補助熱交換器（61）へ流入する冷媒の量が増え、この冷媒の量が増えた分だけ、上記補助熱交換器（61）で冷媒が完全に蒸発しにくくなる。そして、この蒸発しきれなかった液冷媒が、上記補助熱交換器（61）に残留した油を押し流すことにより、この残留油とともに液冷媒が上記高段側圧縮機（12）へ吸入される。尚、この液冷媒の量は、当然に高段側圧縮機（12）が液圧縮で破損しない程度の量である。

第４の発明は、第１から第３の何れか１つの発明において、上記検出部（7）で上記低段側圧縮機（11）の油不足を検出すると、それに続いて、上記低段側圧縮機（11）の冷媒吐出量を上記低段側圧縮機（11）に係る油不足の検出時よりも小さくする第２容量調整部（48b）を備えていることを特徴としている。

第４の発明では、上記低段側圧縮機（11）の油不足を検出すると、上記低段側圧縮機（11）の冷媒吐出量を上記低段側圧縮機（11）に係る油不足の検出時よりも小さくする。上述したように、特に低段側圧縮機（11）が高圧ドーム型の場合には、冷媒吐出量の低下とともに油上がり量も減少する。この油上がり量の減少により、上記低段側圧縮機（11）内の油量の減少が抑制される。

第５の発明は、第１から第４の何れか１つの発明において、上記検出部（7）で上記低段側圧縮機（11）の油不足を検出すると、上記低段側膨張機構（15）に係る冷媒膨張量を上記低段側圧縮機（11）に係る油不足の検出時よりも小さくして、上記蒸発器となる上記第２熱交換器（16）から上記低段側圧縮機（11）へ吸入される冷媒を湿り状態にする第２減圧調整部（49b）を備えていることを特徴としている。

第５の発明では、蒸発器となる第２熱交換器（16）に残留した油を上記低段側圧縮機（11）へ吸入させるため、上記低段側膨張機構（15）の冷媒膨張量を小さくする。この冷媒の膨張量の減少によって、上記第２熱交換器（16）へ流入する冷媒の量が増え、この冷媒の量が増えた分だけ、第２熱交換器（16）で冷媒が完全に蒸発しにくくなる。そして、この蒸発しきれなかった液冷媒が、第２熱交換器（16）に残留した油を押し流すことにより、この残留油とともに液冷媒が上記低段側圧縮機（11）へ吸入される。尚、この液冷媒の量は、当然に低段側圧縮機（11）が液圧縮で破損しない程度の量である。

第６の発明は、第１から第５の何れか１つの発明において、上記低段側及び高段側の圧縮機（11,12）は、冷媒を圧縮する圧縮機構が収容されたケーシング（70）と、該ケーシング（70）の底部で上記圧縮機構（73）を潤滑した後の油を貯留する油溜まり部（75）と、該油溜まり部（75）の油を上記圧縮機構（73）へ供給する供給部（76）とを備え、上記検出部（7）は、上記各油溜まり部（75）の油面が、上記各圧縮機（11,12）で油不足が生じる油面高さ以下であるか否かを検出する油面センサであることを特徴としている。

第６の発明では、上記各油溜まり部（75）の油面を油面センサ（7）で検知し、低段側及び高段側の圧縮機（11,12）の油不足を確実に判定することができるようになる。

第７の発明は、第１から第５の発明の何れか１つにおいて、上記検出部（7）は、上記低段側圧縮機（11）の冷媒吐出量に係る積算量と上記高段側圧縮機（12）の冷媒吸入量に係る積算量との大小関係に基いて、上記低段側圧縮機（11）及び上記高段側圧縮機（12）の油不足を検出することを特徴としている。

第７の発明では、上記低段側圧縮機（11）と上記高段側圧縮機（12）との間の冷媒通路に上記補助熱交換器（61）から延びる冷媒通路が接続される場合、上記低段側圧縮機（11）の冷媒吐出量が上記高段側圧縮機（12）の冷媒吸入量よりも大きいときに低段側圧縮機（11）から吐出された油混じり冷媒の一部が補助熱交換器（61）へ分流するため、高段側圧縮機（12）の油不足が生じやすい。又、上記高段側圧縮機（12）の冷媒吸入量が上記低段側圧縮機（11）の冷媒吐出量よりも大きいときに低段側圧縮機（11）から吐出された油混じりの冷媒が高段側圧縮機（12）へ吸入され易くなるため、低段側圧縮機（11）で油不足が生じやすくなる。

このような特性を利用し、上記低段側圧縮機（11）の冷媒吐出量に係る積算量が上記高段側圧縮機（12）の冷媒吸入量に係る積算量よりも大きい場合には、上記高段側圧縮機（12）で油不足が生じていると判定し、上記高段側圧縮機（12）の冷媒吸入量に係る積算量が上記低段側圧縮機（11）の冷媒吐出量に係る積算量よりも大きい場合には、上記低段側圧縮機（11）で油不足が生じていると判定する。

本発明によれば、上記低段側圧縮機（11）が油不足の場合には上記第２油調整弁（5）の開度を大きくし、上記高段側圧縮機（12）が油不足の場合には上記第１油調整弁（6）の開度を小さくする。上記第２油調整弁（5）の開度を大きくすることにより、上記接続通路（4）を通じて上記高段側油戻し通路（3b）から上記低段側油戻し通路（3a）へ油が流れて、上記低段側油戻し通路（3a）から上記低段側圧縮機（11）へ吸入される油の量が増える。これにより、低段側圧縮機（11）の油不足を解消することができる。

又、上記第１油調整弁（6）の開度を小さくすることにより、上記低段側油分離器（2a）内に溜まる油の量が増え、この油が上記低段側圧縮機（11）の吐出冷媒とともに上記高段側圧縮機（12）へ供給され、上記高段側圧縮機（12）へ吸入される油の量が増える。これにより、高段側圧縮機（12）の油不足を解消することができる。

また、上記第１の発明によれば、低段側及び高段側の圧縮機（11,12）の運転容量を異ならせる運転が可能な冷媒回路（10）に、第１又は第２の油調整弁（6,5）と接続通路（4）とを設けることにより、上述した互いの圧縮機（11.12）の運転容量を異ならせる運転の際に生じる圧縮機（11.12）の油不足を確実に解消することができる。

また、上記第２の発明によれば、上記高段側圧縮機（12）の冷媒吸入量を上記低段側圧縮機（11）の冷媒吐出量よりも大きくすることにより、上記高段側圧縮機（12）へ吸入される油混じりの冷媒の量を増やすことができる。これにより、上記高段側圧縮機（12）の油不足を解消することができる。

また、上記第３の発明によれば、上記冷媒調整弁（62）の開度を大きくすることにより、上記補助熱交換器（61）に係る残留油を上記高段側圧縮機（12）へ吸入させることができる。これにより、上記高段側圧縮機（12）の油不足を解消することができる。これは、上記低段側圧縮機（11）内の油保有量が少ない場合に有効である。

また、上記第４の発明によれば、上記低段側圧縮機（11）の冷媒吐出量を減少させることにより、該低段側圧縮機（11）の油上がり量を少なくすることができる。これにより、上記低段側圧縮機（11）から冷媒とともに吐出される油の量が減り、該低段側圧縮機（11）の油不足を解消することができる。

また、上記第５の発明によれば、上記低段側膨張機構（15）の冷媒膨張量を小さくすることにより、上記第２熱交換器（16）に係る残留油を上記低段側圧縮機（11）へ吸入させることができる。これにより、上記低段側圧縮機（11）の油不足を解消することができる。

また、上記第６の発明によれば、上記油面センサ（7）で油溜まり部（75）の油面を検知することにより、低段側及び高段側の圧縮機（11,12）の油不足を確実に判定することができる。

また、上記第７の発明によれば、上記油溜まり部（75）の油面を直接的に検知しなくても、上記低段側圧縮機（11）及び上記高段側圧縮機（12）の運転状態から各圧縮機（1,12）の油不足を検知することができる。

図１は、本実施形態に係るヒートポンプの冷媒回路図である。 図２は、本実施形態に係る圧縮機の概略断面図である。 図３は、本実施形態に係る油分離器の概略断面図である。 図４は、本実施形態の加熱過多運転における冷媒の流れを示す図である。 図５は、本実施形態の冷却過多運転における冷媒の流れを示す図である。 図６は、本実施形態の通常油戻し運転における油の流れを示す図である。 図７は、本実施形態の低段側油戻し運転における油の流れを示す図である。 図８は、本実施形態の高段側油戻し運転における油の流れを示す図である。 図９は、本実施形態に係るコントローラの構成を示す図である。 図１０は、本実施形態の変形例１に係るコントローラの構成を示す図である。 図１１は、本実施形態の変形例２に係るコントローラの構成を示す図である。 図１２は、本実施形態の変形例３に係るコントローラの構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

本実施形態のヒートポンプは、産業用として用いられるものである。このヒートポンプは、冷熱及び温熱の同時取り出しが可能である。このヒートポンプには、冷媒回路（10）とコントローラ（40）とが設けられている。

−冷媒回路−
上記冷媒回路（10）は、二段圧縮で冷凍サイクルを行うものである。この冷媒回路（10）には、低段側圧縮機（11）と低段側油分離器（2a）と高段側圧縮機（12）と高段側油分離器（2b）と加熱用熱交換器（第１熱交換器）（13）と高段側膨張弁（高段膨張機構）（14）と低段側膨張弁（低段側膨張機構）（15）と冷却用熱交換器（第２熱交換器）（16）と冷媒調整弁（62）と補助熱交換器（61）とが設けられている。

〈低段側圧縮機と高段側圧縮機〉
図２に示すように、上記低段側圧縮機（11）及び上記高段側圧縮機（12）は、共にケーシング（70）を備えている。このケーシング（70）は、縦長で円筒状の密閉容器である。各ケーシング（70）内には、上下方向へ延びる回転軸（71）で互いに連結された状態の圧縮機構（73）及び電動機（74）が収容されている。

各電動機（74）には図示しないインバータが接続されている。このインバータによって各電動機（74）の運転回転数が可変に構成され、この運転回転数の変更により、各圧縮機構（73）の運転容量が変更される。尚、本実施形態では、設計条件において、両方の圧縮機（11,12）に係る運転回転数が同じ場合に、両方の圧縮機（11,12）の冷媒流量が同じになるようにしている。仮に、低段側圧縮機（11）及び高段側圧縮機（12）のシリンダ容積が同じ場合は、上記高段側圧縮機（12）側の冷媒の圧力が高い分、該高段側圧縮機（12）の吸入冷媒密度が大きい。このため、低段側圧縮機（11）及び高段側圧縮機（12）の運転回転数が同じ場合には各圧縮機（11,12）の冷媒流量が異なる。

このため、本実施形態では、上述した設計条件において、両方の圧縮機（11,12）が、同じ回転数のときに同じ冷媒流量となるように、各圧縮機（11,12）の容量を決定している。

各圧縮機構（73）は、図示しないピストン及びシリンダを有するロータリ式の容積型流体機械である。このピストンは回転軸（71）に連結されている。上記電動機（74）の駆動力で回転軸（71）とともにピストンを回転させることにより、ピストン及びシリンダの間の圧縮室で冷媒の吸入、圧縮及び吐出の各動作が連続的に繰り返される。この圧縮室で圧縮された冷媒は、一旦ケーシング（70）内へ吐出された後に該ケーシング（70）から流出する。つまり、上記低段側圧縮機（11）及び上記高段側圧縮機（12）は、いわゆる高圧ドーム型のものである。

上記ケーシング（70）の底部には油溜まり部（75）が形成されている。この油溜まり部（75）に上記圧縮機構（73）の摺動部を潤滑する油が貯留している。上記回転軸（71）の下端部には遠心ポンプ（76）が設けられ、この遠心ポンプ（76）が上記油溜まり部（75）に浸漬している。又、上記回転軸（71）の内部には、この遠心ポンプ（76）の流出口から軸方向へ延びるように給油路（77）が形成されている。この給油路（77）の流出端は上記回転軸（71）の外面に開口している。上記電動機（74）により回転軸（71）が回転すると、上記遠心ポンプ（76）によって油溜まり部（75）の油が汲み上げられ、この汲み上げられた油が上記給油路（77）を通じて上記回転軸（71）の外面から流出し、圧縮機構（73）の摺動部へ供給される。そして、この油で摺動部が潤滑される。この潤滑後の油は下方へ流れ落ちて上記油溜まり部（75）へ再び貯留される。

又、各油溜まり部（75）の油面を検知する油面センサ（7）（検出部）が取り付けられている。各油面センサ（7）は、上記コントローラ（40）に電気的に接続されている。各油面センサ（7）は、上下２つの位置での油の有無を検出する。

尚、本実施形態に係る圧縮機（11,12）の場合、上記油溜まり部（75）の油の一部が上記圧縮機構（73）の吐出冷媒とともにケーシング（70）の外側へ排出されてしまうことがある。このように、吐出冷媒とともに油がケーシング（70）の外側へ排出されるのを油上がりという。この油上がり量は、冷媒吐出量の増加とともに多くなる傾向にある。

上記低段側圧縮機（11）の吐出口及び上記高段側圧縮機（12）の吸入口とが圧縮機側の連結配管（64）で連結されている。この連結配管（64）には、上記低段側圧縮機（11）寄りに逆止弁（CV1）が取り付けられている。この逆止弁（CV1）は、上記低段側圧縮機（11）から上記高段側圧縮機（12）へ向かう冷媒の流れを許容して逆方向への流れを阻止する。

〈低段側及び高段側の油分離器〉
図３に示すように、上記油分離器（2a,2b）は、ケーシング（80）を有している。各ケーシング（80）には冷媒流入管（81）と冷媒流出管（82）と油流出管（83）とが設けられている。又、各ケーシング（80）内には油分離部材（84）が収容されている。尚、この油分離部材（84）は、例えばバッフル板やデミスタ等で構成される。又、このケーシング（80）の底部には、上記油分離部材（84）で捕捉した油が溜まる油溜まり部（85）が形成されている。

この油分離器（2a,2b）では、上記油分離部材（84）で上記冷媒流入管（81）から流入した油混じりの冷媒から油が分離される。この油分離部材（84）で分離した油は、上記油溜まり部（85）へ流れ落ちた後に油流出管（83）からケーシング（80）外へ排出される。一方、上記油分離部材（84）で油が分離された冷媒は上記冷媒流出管（82）を通じてケーシング（80）外へ流出する。

本実施形態の油分離器（2a,2b）では、油溜まり部（75）に係る油面が所定高さよりも高くなると油分離部材（84）の油分離効率が大きく低下するように構成されている。例えば、油溜まり部（85）の油面が、油分離部材（84）に接触するまで高くなってしまった場合等に油分離効率の低下が起きる。

上記低段側の油分離器（2a）は、上記低段側圧縮機（11）と上記高段側圧縮機（12）との間の連結配管（64）に設けられている。具体的に、この低段側の油分離器（2a）は、上記低段側圧縮機（11）及び上記逆止弁（CV1）の間で、上記連結配管（64）と上記分岐管（63a）との分岐点よりも上記低段側圧縮機（11）側に位置している。上記低段側の油分離器（2a）に係る冷媒流入管（81）が上記低段側圧縮機（11）の吐出口に連通し、上記低段側の油分離器（2a）に係る冷媒流出管（82）が上記逆止弁（CV1）の入口に連通している。

上記高段側の油分離器（2b）は、上記高段側圧縮機（12）と上記加熱用熱交換器（13）との間の第１冷媒配管（65）に設けられている。上記高段側の油分離器（2b）に係る冷媒流入管（81）が上記高段側圧縮機（12）の吐出口に連通し、上記高段側の油分離器（2b）に係る冷媒流出管（82）が上記加熱用熱交換器（13）の入口に連通している。

〈油戻し配管と油戻し連通配管と油調整弁〉
上記冷媒回路（10）には、低段側及び高段側の油戻し配管（3a,3b）と油戻し連通配管（接続通路）（4）とが設けられている。

上記低段側の油戻し配管（3a）の一端が上記低段側の油分離器（2a）の油流出管（83）に接続されている。又、低段側の油戻し配管（3a）の他端が、上記冷却用熱交換器（16）の流出口と上記低段側圧縮機（11）の吸入口とを接続する第４冷媒配管（69）の途中に設けられている。この低段側の油戻し配管（3a）には、該低段側の油戻し配管（3a）の油量を調整するための第１油調整弁（6）が設けられている。この第１油調整弁（6）の開度は、適宜にコントローラ（40）で調整される。又、この低段側の油戻し配管（3a）には、この第１油調整弁（6）の下流側の位置にキャピラリチューブ（CP1）が取り付けられている。このキャピラリチューブ（CP1）が流動抵抗となって上記低段側圧縮機（11）の吐出側と吸入側の圧力差が保たれる。

上記高段側の油戻し配管（3b）の一端が上記高段側の油分離器（2b）の油流出管（83）に接続されている。又、高段側の油戻し配管（3b）の他端が上記連結配管（64）の途中に接続されている。この途中とは、上記連結配管（64）と上記分岐部（63a）との分岐点よりも上記高段側圧縮機（12）側のことである。この高段側の油戻し配管（3b）の他端を分岐点よりも上記高段側圧縮機（12）側に接続したのは、仮にこの分岐点よりも低段側圧縮機（11）側に接続された場合、この高段側の油戻し配管（3b）から流出する油が上記分岐部（63a）を通じて上記補助熱交換器（61）へ流れてしまうおそれがあるからである。

又、この高段側の油戻し配管（3b）には、キャピラリチューブ（CP2）が取り付けられている。このキャピラリチューブ（CP2）が流動抵抗となって上記低段側圧縮機（11）の吐出側と吸入側の圧力差が保たれる。

上記油戻し連通配管（4）は、上記低段側及び高段側の油戻し配管（3a,3b）同士を連通するものであり、その一端が上記低段側の油戻し配管（3a）に接続されて、他端が上記高段側の油戻し配管（3b）に接続されている。この油戻し連通配管（4）には、該油戻し連通配管（4）の油量を調整するための第２油調整弁（5）が設けられている。この第２油調整弁（5）の開度は、適宜にコントローラ（40）で調整される。

〈加熱用熱交換器と冷却用熱交換器〉
上記加熱用熱交換器（13）は、冷媒流路（13a）及び水流路（13b）を有している。この冷媒流路（13a）の流入口と上記高段側圧縮機（12）の吐出口とが第１冷媒配管（65）で接続され、上記冷媒流路（13a）の流出口と上記高段側膨張弁（14）の流入口とが第２冷媒配管（66）で接続されている。一方、上記加熱用熱交換器（13）の水流路（13b）は温水回路（30）に連通している。この温水回路（30）には、温水ポンプ（31）及び温水タンク（32）が接続されている。この加熱用熱交換器（13）では、上記高段側圧縮機（12）から吐出された高圧冷媒が上記冷媒流路（13a）を通過し、上記温水ポンプ（31）から流出した水が上記水流路（13b）を通過する際に、上記高圧冷媒と上記水とが熱交換するように構成されている。

上記冷却用熱交換器（16）は、冷媒流路（16a）及び水流路（16b）を有している。この冷媒流路（16a）の流入口と上記低段側膨張弁（15）の流出口とが第３冷媒配管（68）で接続され、上記冷媒流路（16a）の流出口と上記低段側圧縮機（11）の吸入口とが第４冷媒配管（69）で接続されている。一方、上記冷却用熱交換器（16）の水流路（16b）は冷水回路（33）に連通している。この冷水回路（33）には、冷水ポンプ（34）及び冷水タンク（35）が接続されている。この冷却用熱交換器（16）では、上記低段側膨張弁（15）を流出した低圧冷媒が上記冷媒流路（16a）を通過し、上記冷水ポンプ（34）から流出した水が上記水流路（16b）を通過する際に、上記低圧冷媒と上記水とが熱交換するように構成されている。

〈高段側膨張弁と低段側膨張弁〉
上記高段側膨張弁（14）及び上記低段側膨張弁（15）は、共に開度が調節可能な電子膨張弁で構成されている。これらの膨張弁（14,15）によって冷媒が膨張する。又、これらの膨張弁（14,15）の開度は上記コントローラ（40）によって適宜に変更され、この開度調整によって冷媒の膨張量が調整される。上記高段側膨張弁（14）の流出口と上記低段側膨張弁（15）の流入口とが膨張弁側の連結配管（67）で接続されている。

〈補助熱交換器と冷媒調整弁〉
上記補助熱交換器（61）は、上記冷媒回路（10）に係る冷凍サイクルのヒートバランスを釣り合わせるためのものである。この補助熱交換器（61）は、例えばクロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器で構成され、冷媒通路（61a）及び空気通路（図示なし）を有している。この補助熱交換器（61）に係る冷媒通路（61a）の一端には上記圧縮機側の連結配管（64）から分岐した分岐管（63a）が接続され、他端には上記膨張弁側の連結配管（67）から分岐した分岐管（63b）が接続されている。又、上記補助熱交換器（61）の近傍には送風ファン（17）が設けられている。この補助熱交換器（61）では、上記低段側圧縮機（11）から吐出された冷媒又は上記高段側膨張弁（14）から流出した冷媒が上記冷媒通路（61a）を通過し、上記送風ファン（17）の空気が上記空気通路を通過する際に、上記冷媒と外気とが熱交換するように構成されている。

上記冷媒調整弁（62）は、上記膨張弁側の連結配管（67）に係る分岐管（63b）に設けられている。この冷媒調整弁（62）の開度は上記コントローラ（40）によって適宜に変更され、この開度調整によって冷媒の膨張量が調整される。

−コントローラ−
上記コントローラ（40）は、上記ヒートポンプの運転動作を制御するものである。このコントローラ（40）には、図９に示すように、圧縮機調整部（41）と負荷判定部（42）と冷媒調整弁調整部（43）と高段膨張弁調整部（44）と低段膨張弁調整部（45）と油調整弁調整部（46）と油戻し判定部（47）とが設けられている。

又、上記コントローラ（40）には、複数の温度センサ（21〜26）が電気的に接続されている。具体的に、複数の温度センサ（21〜26）とは、上記高段側膨張弁（14）の冷媒出口温度を検出する高段側膨張弁温度センサ（21）と、上記冷却用熱交換器（16）の冷媒出口温度を検出する冷却熱交温度センサ（22）と、上記補助熱交換器（61）を通過する前後の冷媒温度を検出する第１及び第２の補助熱交温度センサ（23,24）と、上記加熱用熱交換器（13）の温水出口温度を検出する温水温度センサ（25）と、上記冷却用熱交換器（16）の冷水出口温度を検出する冷水温度センサ（26）である。又、上記コントローラ（40）には、上述したように、低段側及び高段側の油面センサ（7）が電気的に接続されている。

〈圧縮機調整部〉
上記圧縮機調整部（41）には、上記温水温度センサ（25）及び上記冷水温度センサ（26）の検出値、上記加熱用熱交換器（13）に係る温水出口温度の温水設定値、及び上記冷却用熱交換器（16）に係る冷水出口温度の冷水設定値が入力される。例えば、温水設定値及び冷水設定値は、ユーザによって適宜に変更される。

上記圧縮機調整部（41）は、上記温水温度センサ（25）の検出値が上記温水設定値よりも低い場合には上記高段側圧縮機（12）の運転回転数を増加させるための信号を該高段側インバータ（図示なし）へ出力する。又、上記温水温度センサ（25）の検出値が上記温水設定値よりも高い場合には上記高段側圧縮機（12）の運転回転数を減少させるための信号を該高段側インバータ（図示なし）へ出力する。

又、上記圧縮機調整部（41）は、上記冷水温度センサ（26）の検出値が上記冷水設定値よりも高い場合には上記低段側圧縮機（11）の運転回転数を増加させるための信号を該低段側インバータ（図示なし）へ出力する。又、上記冷水温度センサ（26）の検出値が上記冷水設定値よりも低い場合には上記低段側圧縮機（11）の運転回転数を減少させるための信号を該低段側インバータ（図示なし）へ出力する。

このように、上記圧縮機調整部（41）では、上記加熱負荷に応じて上記高段側圧縮機（12）の運転容量を調整し、上記冷却負荷に応じて上記低段側圧縮機（11）の運転容量を調整する。

〈負荷判定部〉
上記負荷判定部（42）には、上記低段側及び高段側のインバータの周波数指令値が入力される。この負荷判定部（42）では、低段側インバータの周波数指令値に基いて冷却負荷値を演算し、高段側インバータの周波数指令値に基いて加熱負荷値を演算する。この負荷判定部（42）では、加熱負荷値が冷却負荷値よりも大きいと判定すると加熱過多信号を出力し、冷却負荷値が加熱負荷値よりも大きいと判定すると冷却過多信号を出力する。

〈冷媒調整弁調整部〉
上記冷媒調整弁調整部（43）には、第１及び第２の補助熱交温度センサ（23,24）の検出値と、上記負荷判定部（42）の判定信号とが入力される。又、上記補助熱交換器（61）内を流れる冷媒の温度を検出する補助熱交内部温度センサ（図示なし）の検出値が上記冷媒調整弁調整部（43）へ入力される。

この冷媒調整弁調整部（43）では、上記負荷判定部（42）から加熱過多信号が入力されると、上記補助熱交内部温度センサの検出値を補助熱交換器（61）の蒸発温度とし、この蒸発温度に基いて第２補助熱交温度センサ（24）の検出値から上記補助熱交換器（61）の出口過熱度を算出する。そして、上記冷媒調整弁調整部（43）から上記冷媒調整弁（62）へ開度調整信号が適宜に出力され、上記出口過熱度が所定値（例えば３℃）となるように上記冷媒調整弁（62）の開度が調整される。

一方、上記負荷判定部（42）から冷却過多信号が入力されると、上記補助熱交内部温度センサの検出値を補助熱交換器（61）の凝縮温度とし、この凝縮温度に基いて第１補助熱交温度センサ（23）の検出値から上記補助熱交換器（61）の出口過冷却度を算出する。そして、上記冷媒調整弁調整部（43）から上記冷媒調整弁（62）へ開度調整信号が適宜に出力され、上記出口過冷却度が所定値（例えば２℃）となるように上記冷媒調整弁（62）の開度が調整される。

〈高段膨張弁調整部〉
上記高段膨張弁調整部（44）には、上記高段側膨張弁温度センサ（21）の検出値と、上記冷却熱交温度センサ（22）の検出値と、上記第２補助熱交温度センサ（24）の検出値と、上記負荷判定部（42）の判定信号とが入力される。

この高段膨張弁調整部（44）では、上記負荷判定部（42）から加熱過多信号が入力されると、高段膨張弁調整部（44）から上記高段側膨張弁（14）へ開度調整信号を出力する。これにより、上記高段側膨張弁（14）の開度が全開となる。

一方、上記負荷判定部（42）から冷却過多信号が入力されると、高段膨張弁調整部（44）から上記高段側膨張弁（14）へ開度調整信号を適宜に出力する。これにより、上記高段側膨張弁（14）の冷媒出口温度（高段側膨張弁温度センサ（21）の検出値）が上記補助熱交換器（61）の冷媒出口温度（第２補助熱交温度センサ（24）の検出値）と上記低温熱交換器（16）の冷媒出口温度（冷却熱交温度センサ（22）の検出値）との間の温度となるように、上記高段側膨張弁（14）の開度が調整される。

〈低段膨張弁調整部〉
上記低段膨張弁調整部（45）には、上記冷却熱交温度センサ（22）の検出値が入力される。又、上記冷却用熱交換器（16）内を流れる冷媒の温度を検出する冷却熱交内部温度センサ（図示なし）の検出値が低段膨張弁調整部（45）へ入力される。

この低段膨張弁調整部（45）では、上記冷却熱交内部温度センサの検出値を冷却用熱交換器（16）の蒸発温度とし、この蒸発温度に基いて上記冷却熱交温度センサ（22）の検出値から上記冷却用熱交換器（16）の出口過熱度を算出する。そして、上記低段膨張弁調整部（45）から上記低段側膨張弁（15）へ開度調整信号が適宜に出力され、上記出口過熱度が所定値（例えば３℃）となるように上記低段側膨張弁（15）の開度が調整される。

〈油戻し判定部〉
上記油戻し判定部（47）は、上記冷媒回路（10）に油戻し運転を行わせるか否かを判定するものである。上記油戻し判定部（47）には、上記低段側及び高段側の油面センサ（7）の検出値が入力される。上述したように、これらの油面センサ（7）は上下２つの位置（以下、下限位置と上限位置という。）で油面を検知する。そして、これらの検出結果に基づいて、上記油調整弁調整部（46）へ油戻し運転を指示する信号を出力する。

上記油戻し判定部（47）は、上記低段側の油面センサ（7）が下限位置以下で油面を検出したときに低段側不足信号を上記油調整弁調整部（46）へ出力する。そして、上記低段側の油面センサ（7）が上限位置以上で油面を検出したときに低段側不足信号の出力を停止する。又、上記高段側の油面センサ（7）が下限位置以下で油面を検出したときに高段側不足信号を上記油調整弁調整部（46）へ出力する。そして、上記高段側の油面センサ（7）が上限位置以上で油面を検出したときに高段側不足信号の出力を停止する。

〈油調整弁調整部〉
上記油調整弁調整部（46）は、上記油戻し判定部（47）の信号に基いて、上記第１及び第２の油調整弁（6,5）の開度を調整するものである。上記油戻し判定部（47）から低段側及び高段側の不足信号が入力されていない場合には、上記第２油調整弁（5）を全閉に設定し、上記第１油調整弁（6）を全開に設定する。尚、この状態には限定されず、上記第２油調整弁（5）を全閉から僅かに開いた状態に設定してもよいし、上記第１油調整弁（6）を全開から僅かに閉じた状態に設定してもよい。この設定は、運転条件によって変更してもよい。

この油調整弁調整部（46）に対して、低段側不足信号のみが入力されると、上記第１油調整弁（6）の開度を全開のままで上記第２油調整弁（5）の開度を所定の量だけ開くように設定する。これにより、上記高段側油分離器（2b）の油が上記接続通路（4）を通じて上記高段側油戻し通路（3b）から上記低段側油戻し通路（3a）へ流れ、この低段側油戻し通路（3a）から低段側圧縮機（11）へ流れる油の量が増える。この第２油調整弁（5）の開度を開く動作は、上記低段側不足信号が停止するまで、つまり上記低段側の油面センサ（7）が上限位置以上で油面を検出して低段側の油溜まり部の油面が回復するまで継続して行われる。

又、この油調整弁調整部（46）に対して、高段側不足信号のみが入力されると、上記第２油調整弁（5）の開度を全閉のままで上記第１油調整弁（6）の開度を全閉に設定する。これにより、上記低段側油分離器（2a）から上記低段側圧縮機（11）へ油が戻らなくなり、低段側油分離器（2a）内に油が溜まるようになる。この結果、低段側油分離器（2a）の油分離効率が低下し、低段側油分離器（2a）から高段側圧縮機（12）へ冷媒とともに吸入される油の量が増える。尚、本実施形態では、上記第１油調整弁（6）の開度を全閉にしたが、これに限定されず、この第１油調整弁（6）の開度を所定の量だけ閉じるように設定してもよい。

−運転動作−
このヒートポンプでは、加熱負荷と冷却負荷の状況に応じて、切換弁等を用いることなく運転動作の切り換えを行うことが可能である。又、このヒートポンプでは、この加熱過多運転及び冷却過多運転時に生じる低段側圧縮機（11）又は高段側圧縮機（12）の油不足を解消するための油戻し運転を行うことが可能である。まず、加熱過多運転及び冷却過多運転について説明した後に、油戻し運転について説明する。

〈加熱過多運転〉
図４に示す加熱過多運転は、上記ヒートポンプに係る加熱負荷が冷却負荷よりも大きい場合の運転である。尚、本実施形態では、外気温度が１５℃、上記圧縮機調整部（41）で設定される温水設定値が６５℃、冷水設定値が７℃で、上記ヒートポンプの必要加熱能力が９０％、必要冷却能力が６０％の場合の加熱過多運転について説明する。

この加熱過多運転では、上記コントローラ（40）の圧縮機調整部（41）により、上記加熱用熱交換器（13）の温水出口温度が温水設定値の６５℃となるように上記高段側圧縮機（12）の運転回転数が調整され、上記冷却用熱交換器（16）の冷水出口温度が冷水設定値の７℃となるように上記低段側圧縮機（11）の運転回転数が調整される。

又、上記高段膨張弁調整部（44）によって上記高段側膨張弁（14）が全開に設定される。又、上記冷媒調整弁調整部（43）によって上記補助熱交換器（61）の出口過熱度が３℃となるように上記冷媒調整弁（62）の開度が調整される。又、上記低段膨張弁調整部（45）によって上記冷却用熱交換器（16）の出口過熱度が３℃となるように上記低段側膨張弁（15）の開度が調整される。

上記低段側圧縮機（11）及び上記高段側圧縮機（12）が運転を開始した後、加熱負荷が冷却負荷よりも大きいため、上記高段側圧縮機（12）の運転回転数が上記低段側圧縮機（11）の運転回転数を上回り、高段側圧縮機（12）の冷媒吸入量が低段側圧縮機（11）の冷媒吐出量よりも大きくなる。

そのため、上記補助熱交換器（61）で蒸発した冷媒が、上記低段側圧縮機（11）から吐出された冷媒とともに上記高段側圧縮機（12）へ吸入される。つまり、上記補助熱交換器（61）内を膨張弁側から圧縮機側（図４に係る補助熱交換器（61）の左側から右側）へ向かって冷媒が流れる。

上記高段側圧縮機（12）から吐出された冷媒は、上記加熱用熱交換器（13）で上記温水回路（30）の水に放熱して凝縮する。このとき、上記加熱用熱交換器（13）の凝縮温度は７０℃前後であり、上記温水回路（30）の水は、上記加熱用熱交換器（13）に係る冷媒の放熱によって６５℃まで加熱される。上記加熱用熱交換器（13）で凝縮した冷媒は、上記高段膨張弁調整部（44）によって全開に設定された高段側膨張弁（14）を通過した後で２つに分流する。

この分流した冷媒の一方は、上記低段側膨張弁（15）で減圧された後に上記冷却用熱交換器（16）で上記冷水回路（33）の水から吸熱して蒸発する。このときの上記冷却用熱交換器（16）の蒸発温度は０℃前後であり、上記冷水回路（33）の水は、上記冷却用熱交換器（16）に係る冷媒の吸熱によって７℃まで冷却される。そして、上記冷却用熱交換器（16）で蒸発した冷媒は、上記低段側圧縮機（11）に吸入されて圧縮された後に上記高段側圧縮機（12）の吸入側へ向かって吐出される。

一方、この分流した冷媒の他方は、上記冷媒調整弁（62）で減圧された後に上記補助熱交換器（61）で外気から吸熱して蒸発する。このときの蒸発温度は、１０℃前後である。そして、上記補助熱交換器（61）で蒸発した冷媒は、上記低段側圧縮機（11）から吐出された冷媒と合流した後で、上記高段側圧縮機（12）へ吸入されて圧縮された後に、再び上記加熱用熱交換器（13）へ吐出される。

このように、加熱負荷が冷却負荷よりも大きいときには、上記補助熱交換器（61）の冷媒の流れ方向が膨張弁側から圧縮機側となり、上記補助熱交換器（61）が蒸発器として機能する。これにより、上記冷媒回路（10）が、熱バランスを保ちながら冷凍サイクルを行うことができるようになる。

〈冷却過多運転〉
図５に示す冷却過多運転は、上記ヒートポンプに係る冷却負荷が加熱負荷よりも大きい運転である。尚、本実施形態では、外気温度が１５℃、上記圧縮機調整部（41）で設定される温水設定値が６５℃、冷水設定値が７℃で、上記ヒートポンプの必要加熱能力が４０％、必要冷却能力が８０％の場合の冷却過多運転について説明する。

この冷却過多運転では、上記コントローラ（40）の圧縮機調整部（41）により、上記加熱用熱交換器（13）の温水出口温度が温水設定値の６５℃となるように上記高段側圧縮機（12）の運転回転数が調整され、上記冷却用熱交換器（16）の冷水出口温度が冷水設定値の７℃となるように上記低段側圧縮機（11）の運転回転数が調整される。

又、上記高段膨張弁調整部（44）によって上記高段側膨張弁（14）の冷媒出口温度が上記補助熱交換器（61）の冷媒出口温度と上記冷却用熱交換器（16）の冷媒出口温度との間の温度となるように上記高段側膨張弁（14）の開度が調整される。又、上記冷媒調整弁調整部（43）によって上記補助熱交換器（61）の出口過冷却度が２℃となるように上記冷媒調整弁（62）の開度が調整される。又、上記低段膨張弁調整部（45）によって上記冷却用熱交換器（16）の出口過熱度が３℃となるように上記低段側膨張弁（15）の開度が調整される。

上記低段側圧縮機（11）及び上記高段側圧縮機（12）が運転を開始した後、冷却負荷が加熱負荷よりも大きいため、上記低段側圧縮機（11）の運転回転数が上記高段側圧縮機（12）の運転回転数よりも大きくなり、低段側圧縮機（11）の冷媒吐出量が、高段側圧縮機（12）の冷媒吸入量よりも大きくなる。

こうなると、上記高段側圧縮機（12）が上記低段側圧縮機（11）から吐出された冷媒を全て吸入することができず、上記低段側圧縮機（11）から吐出された冷媒の一部が上記補助熱交換器（61）へ流れる。つまり、上記補助熱交換器（61）内を圧縮機側から膨張弁側（図５に係る補助熱交換器（61）の右側から左側）へ向かって冷媒が流れるようになる。

上記低段側圧縮機（11）から上記高段側圧縮機（12）へ向かって分流した冷媒は、該高段側圧縮機（12）で圧縮された後で上記加熱用熱交換器（13）へ向けて吐出される。上記高段側圧縮機（12）から吐出された冷媒は、上記加熱用熱交換器（13）で上記温水回路（30）の水に放熱して凝縮する。このときの凝縮温度は７０℃前後であり、上記温水回路（30）の水は、上記加熱用熱交換器（13）に係る冷媒の放熱によって６５℃まで加熱される。そして、上記加熱用熱交換器（13）で凝縮した冷媒は、上記高段側膨張弁（14）で減圧される。

一方、上記低段側圧縮機（11）から上記補助熱交換器（61）側へ向かって分流した冷媒は、該補助熱交換器（61）で凝縮した後で上記冷媒調整弁（62）に流入する。このときの補助熱交換器（61）に係る凝縮温度は２０℃前後である。上記冷媒調整弁（62）へ流入した冷媒は、該冷媒調整弁（62）で減圧された後に、上記高段側膨張弁（14）から流出した冷媒と合流して上記低段側膨張弁（15）に流入する。

上記低段側膨張弁（15）に流入した冷媒は減圧された後に上記冷却用熱交換器（16）で上記冷水回路（33）の水から吸熱して蒸発する。このときの上記冷却用熱交換器（16）の蒸発温度は０℃前後であり、上記冷水回路（33）の水は、上記冷却用熱交換器（16）に係る冷媒の吸熱によって７℃まで冷却される。そして、上記冷却用熱交換器（16）で蒸発した冷媒は、上記低段側圧縮機（11）に吸入されて圧縮された後で上記補助熱交換器（61）及び高段側圧縮機（12）へ向けて再び吐出される。

このように、冷却負荷が加熱負荷よりも大きいときには、上記補助熱交換器（61）の冷媒の流れ方向が圧縮機側から膨張弁側となり上記補助熱交換器（61）が凝縮器として機能する。これにより、上記冷媒回路（10）が、熱バランスを保ちながら冷凍サイクルを行うことができるようになる。

〈油戻し運転〉
この油戻し運転は、通常油戻し運転と低段側油戻し運転と高段側油戻し運転とがある。まず、通常油戻し運転について説明した後に、低段側油戻し運転、高段側油戻し運転について説明する。

図６に示す通常油戻し運転は、上記油戻し判定部（47）から上記油調整弁調整部（46）へ低段側及び高段側の不足信号が入力されていない場合の運転である。この通常油戻し運転では、上記第１油調整弁（6）が全開となり、上記第２油調整弁（5）が全閉になる。これにより、上記低段側の油分離器（2a）から上記低段側圧縮機（11）へ油が供給され、上記高段側の油分離器（2b）から上記高段側圧縮機（12）へ油が供給される。

図７に示す低段側油戻し運転は、低段側の油溜まり部（75）の油面が少なくなったときに行われる運転である。この低段側油戻し運転では、上記低段側の油面センサ（7）が下限位置以下で油面を検知すると、上記コントローラ（40）の油戻し判定部（47）から上記第１油調整弁（6）へ向かって該第１油調整弁（6）の開度が全開となるように指示し、上記コントローラ（40）の油戻し判定部（47）から上記第２油調整弁（5）へ向かって、該第２油調整弁（5）の開度を所定量だけ開くように指示する。

これにより、上記高段側油分離器（2b）の油が上記接続通路（4）を通じて上記高段側油戻し通路（3b）から上記低段側油戻し通路（3a）へ流れ、この低段側油戻し通路（3a）から低段側圧縮機（11）へ流れる油の量が増える。そして、上記低段側の油溜まり部（75）の油面が回復して、上記低段側の油面センサ（7）が上限位置以上で油面を検知すると、上記コントローラ（40）の油戻し判定部（47）から上記第１油調整弁（6）へ向かって該第１油調整弁（6）の開度が全開となるように指示し、上記コントローラ（40）の油戻し判定部（47）から上記第２油調整弁（5）へ向かって、該第２油調整弁（5）の開度が全閉となるように指示する。これにより、低段側油戻し運転が終了する。

又、図８に示す高段側油戻し運転は、高段側の油溜まり部（75）の油面が少なくなったときに行われる運転である。この高段側油戻し運転では、上記高段側の油面センサ（7）が下限位置以下で油面を検知すると、上記コントローラ（40）の油戻し判定部（47）から上記第１油調整弁（6）へ向かって該第１油調整弁（6）の開度が全閉となるように指示し、上記コントローラ（40）の油戻し判定部（47）から上記第２油調整弁（5）へ向かって、該第２油調整弁（5）の開度が全閉となるように指示する。

これにより、上記低段側油分離器（2a）から上記低段側圧縮機（11）へ油が戻らなくなり、低段側油分離器（2a）内に油が溜まるようになる。そして、上記低段側油分離器（2a）内に係る油量の増加に伴って、低段側油分離器（2a）の油分離効率が低下し、低段側油分離器（2a）から高段側圧縮機（12）へ冷媒とともに吸入される油の量が増える。この結果、上記高段側の油溜まり部（75）の油面が回復して、上記高段側の油面センサ（7）が上限位置以上で油面を検知すると、上記コントローラ（40）の油戻し判定部（47）から上記第１油調整弁（6）へ向かって該第１油調整弁（6）の開度が全開となるように指示し、上記コントローラ（40）の油戻し判定部（47）から上記第２油調整弁（5）へ向かって、該第２油調整弁（5）の開度が全閉となるように指示する。これにより、高段側油戻し運転が終了する。

−実施形態の効果−
本実施形態によれば、上記低段側圧縮機（11）が油不足の場合には上記第２油調整弁（5）の開度を大きくし、上記高段側圧縮機（12）が油不足の場合には上記第１油調整弁（6）の開度を全閉にする。上記第２油調整弁（5）の開度を大きくすることにより、上記接続通路（4）を通じて上記高段側油戻し通路（3b）から上記低段側油戻し通路（3a）へ油が流れて、上記低段側油戻し通路（3a）から上記低段側圧縮機（11）へ吸入される油の量が増える。これにより、該低段側圧縮機（11）の油不足を解消することができる。

又、上記第１油調整弁（6）の開度を全閉にすることにより、上記低段側油分離器（2a）内には、分離した油が全て溜まり、この油が上記低段側圧縮機（11）の吐出冷媒とともに上記高段側圧縮機（12）へ供給され、上記高段側圧縮機（12）へ吸入される油の量が増える。これにより、高段側圧縮機（12）の油不足を解消することができる。

−実施形態の変形例１−
実施形態の変形例１では、低段側又は高段側の圧縮機（11,12）が油不足になると、これらの圧縮機（11,12）の運転回転数をインバータで制御することによって、油戻し運転を行う。以下、上記実施形態と同じ部分について説明を省略し、相違点についてのみ説明する。

図１０に示す変形例１のコントローラ（40）では、上記圧縮機調整部（41）が、上記実施形態で上述した圧縮機調整部（41）と同じ動作を行う通常容量調整部（48c）と、第１及び第２の容量調整部（48a,48b）とを有している。そして、上記油戻し判定部（47）が上記圧縮機調整部（41）に対して高段側不足信号又は低段側不足信号を出力する。

この圧縮機調整部（41）では、高段側不足信号が入力されると通常容量調整部（48c）の動作を一旦停止して第１容量調整部（48a）の動作を開始する。これにより、高段側の油戻し運転が開始される。又、低段側不足信号が入力されると通常容量調整部（48c）の動作を一旦停止して第２容量調整部（48b）の動作を開始する。これにより、低段側の油戻し運転が開始される。

（高段側油戻し運転）
上記油戻し判定部（47）から上記圧縮機調整部（41）へ高段側不足信号が入力されると、上記圧縮機調整部（41）が通常容量調整部（48c）の動作を一旦停止して第１容量調整部（48a）の動作を開始する。

ところで、上記冷却過多運転では、上述したように低段側圧縮機（11）の冷媒吐出量が高段側圧縮機（12）の冷媒吸入量よりも大きくなり、補助熱交換器（61）が放熱器として機能している。この運転では、低段側圧縮機（11）から吐出された油混じりの冷媒が補助熱交換器（61）及び高段側圧縮機（12）へ向かうため、この冷媒が補助熱交換器（61）へ流れる分だけ、上記高段側圧縮機（12）への油の供給量が少なくなる。この結果、上記高段側の油溜まり部（75）で油面の低下が生じ易くなる。

この冷却過多運転時に、上記油戻し判定部（47）から上記圧縮機調整部（41）へ高段側不足信号が入力されると、上記圧縮機調整部（41）が通常容量調整部（48c）の動作を一旦停止して第１容量調整部（48a）の動作を開始する。

この第１容量調整部（48a）では、上記高段側圧縮機（12）の冷媒吸入量が上記低段側圧縮機（11）の冷媒吐出量よりも大きくなるように高段側又は低段側の圧縮機の運転回転数を調整する。この場合において、高段側圧縮機（12）の運転回転数のみを上昇させてもよいし、低段側圧縮機（11）の運転回転数のみを低下させてもよい。又、高段側圧縮機（12）の運転回転数のみを上昇させ且つ低段側圧縮機（11）の運転回転数を低下させてもよい。

この第１容量調整部（48a）の動作により、上記低段側圧縮機（11）から吐出された油混じりの冷媒が補助熱交換器（61）へ分流しなくなり、上記低段側圧縮機（11）から吐出された油混じりの冷媒が全て上記高段側圧縮機（12）へ吸入される。又、補助熱交換器（61）が蒸発器となって、この補助熱交換器（61）で蒸発した冷媒が上記高段側圧縮機（12）へ吸入される。この結果、上記低段側圧縮機（11）に係る油混じりの冷媒が補助熱交換器（61）へ分流する場合に比べて、上記高段側圧縮機（12）へ吸入される油の量が増加する。そして、高段側の油溜まり部（75）に係る油面が回復して、上記油戻し判定部（47）から上記圧縮機調整部（41）へ高段側不足信号が入力されなくなると、第１容量調整部（48a）の動作が停止して、再び通常容量調整部（48c）の動作が開始される。

（低段側油戻し運転）
上記油戻し判定部（47）から上記圧縮機調整部（41）へ低段側不足信号が入力されると、上記圧縮機調整部（41）が通常容量調整部（48c）の動作を一旦停止して第２容量調整部（48b）の動作を開始する。

この第２容量調整部（48b）では、上記低段側圧縮機（11）の運転回転数を上記低段側圧縮機（11）に係る油不足の検出時よりも小さくする。この第２容量調整部（48b）の動作により、上記低段側圧縮機（11）から冷媒とともに吐出される油の量が減り、上記低段側圧縮機（11）内の油量の減少が抑制される。そして、低段側の油溜まり部（75）に係る油面が回復して、上記油戻し判定部（47）から上記圧縮機調整部（41）へ高段側不足信号が入力されなくなると、第２容量調整部（48b）の動作が停止して、再び通常容量調整部（48c）の動作が開始される。

−実施形態の変形例２−
実施形態の変形例２では、低段側又は高段側の圧縮機（11,12）が油不足になると、主に冷媒調整弁（62）又は低段側膨張弁（15）の開度調整を行うことによって、油戻し運転を行う。以下、上記実施形態と同じ部分について説明を省略し、相違点についてのみ説明する。

図１１に示す変形例２のコントローラ（40）では、上記圧縮機調整部（41）が、上記実施形態で上述した圧縮機調整部（41）と同じ動作を行う通常容量調整部（48c）と、第１容量調整部（48a）とを有している。又、上記高段膨張弁調整部（44）は、上記実施形態で上述した高段膨張弁調整部（44）と同じ動作を行う通常高段調整部（49c）と、第１減圧調整部（49a）とを有している。又、上記低段膨張弁調整部（45）は、上記実施形態で上述した低段膨張弁調整部（45）と同じ動作を行う通常低段調整部（49d）と、第２減圧調整部（49b）とを有している。

そして、上記油戻し判定部（47）が上記圧縮機調整部（41）及び上記高段膨張弁調整部（44）に対して高段側不足信号を出力する。又、上記油戻し判定部（47）が上記低段膨張弁調整部（45）に対して低段側不足信号を出力する。

この圧縮機調整部（41）では、高段側不足信号が入力されると通常容量調整部（48c）の動作を一旦停止して第１容量調整部（48a）の動作を開始する。そして、この第１容量調整部（48a）の動作中に、上記高段膨張弁調整部（44）では、高段側不足信号が入力されると通常高段調整部（49c）の動作を一旦停止して第１減圧調整部（49a）の動作を開始する。この第１容量調整部（48a）及び第１減圧調整部（49a）の動作により、高段側油戻し運転が開始される。

又、上記低段膨張弁調整部（45）では、低段側不足信号が入力されると通常低段調整部（49d）の動作を一旦停止して第２減圧調整部（49b）の動作を開始する。この第２減圧調整部（49b）の動作により、低段側油戻し運転が開始される。

（高段側油戻し運転）
上記油戻し判定部（47）から上記圧縮機調整部（41）及び上記高段膨張弁調整部（44）へ高段側不足信号が入力されると、上記圧縮機調整部（41）が通常容量調整部（48c）の動作を一旦停止して第１容量調整部（48a）の動作を開始し、この第１容量調整部（48a）の動作中に、上記高段膨張弁調整部（44）が通常高段調整部（49c）の動作を一旦停止して第１減圧調整部（49a）の動作を開始する。

第１容量調整部（48a）では、上述したように、上記高段側圧縮機（12）の冷媒吸入量が上記低段側圧縮機（11）の冷媒吐出量よりも大きくなるように高段側又は低段側の圧縮機の運転回転数を調整する。この結果、上記補助熱交換器（61）が蒸発器として機能する。

上記第１減圧調整部（49a）では、上記補助熱交換器（61）が蒸発器として機能している状態で、この補助熱交換器（61）に残留した油を上記高段側圧縮機（12）へ吸入させるため、上記冷媒調整弁（62）の開度を上記高段側不足信号の入力時よりも大きくする。例えば、補助熱交換器（61）の出口過熱度に係る目標値を上記高段側不足信号の入力時よりも小さくする。

これにより、上記補助熱交換器（61）へ流入する冷媒の量が増え、この冷媒の量が増えた分だけ、冷媒が上記補助熱交換器（61）で完全に蒸発しにくくなる。そして、補助熱交換器（61）に残留した油が、この蒸発しきれなかった液冷媒で押し流された後に、この液冷媒とともに上記高段側圧縮機（12）へ吸入される。この結果、高段側の油溜まり部（75）に係る油面が回復して、上記油戻し判定部（47）から高段側不足信号が入力されなくなると、第１容量調整部（48a）の動作が停止して再び通常容量調整部（48c）の動作が開始して、第１減圧調整部（49a）の動作が停止して再び通常高段調整部（49c）の動作が開始される。

（低段側油戻し運転）
上記油戻し判定部（47）から上記低段膨張弁調整部（45）へ低段側不足信号が入力されると、上記低段膨張弁調整部（45）が通常低段調整部（49d）の動作を一旦停止して第２減圧調整部（49b）の動作を開始する。

上記第２減圧調整部（49b）では、冷却用熱交換器（16）に残留した油を上記低段側圧縮機（11）へ吸入させるため、上記低段側膨張弁（15）の開度を上記低段側不足信号の入力時よりも大きくする。例えば、冷却用熱交換器（16）の出口過熱度に係る目標値を上記低段側不足信号の入力時よりも小さくする。

これにより、上記冷却用熱交換器（16）へ流入する冷媒の量が増え、この冷媒の量が増えた分だけ、冷媒が冷却用熱交換器（16）で完全に蒸発しにくくなる。そして、冷却用熱交換器（16）に残留した油が、この蒸発しきれなかった液冷媒で押し流された後に、この液冷媒とともに上記低段側圧縮機（11）へ吸入される。この結果、低段側の油溜まり部（75）に係る油面が回復して、上記油戻し判定部（47）から低段側不足信号が出力されなくなると、上記第２減圧調整部（49b）の動作が停止して再び通常低段調整部（49d）の動作が開始される。

−実施形態の変形例３−
実施形態の変形例３では、油面センサ（7）を用いずに、上記低段側圧縮機（11）及び上記高段側圧縮機（12）の運転状態に基いて、高段側及び低段側の圧縮機（11,12）の油不足を検知する。以下、上記実施形態と同じ部分について説明を省略し、相違点についてのみ説明する。

図１２に示す変形例３には、各圧縮機（11,12）に油面センサが設けられておらず、代わりに上記コントローラ（40）に油面検知部（7）が設けられている。

ここで、上記低段側圧縮機（11）の冷媒吐出量が上記高段側圧縮機（12）の冷媒吸入量よりも大きいときに低段側圧縮機（11）から吐出された油混じり冷媒の一部が補助熱交換器（61）へ分流するため、高段側圧縮機（12）の油不足が生じやすい。又、上記高段側圧縮機（12）の冷媒吸入量が上記低段側圧縮機（11）の冷媒吐出量よりも大きいときに低段側圧縮機（11）から吐出された油混じりの冷媒が高段側圧縮機（12）へ吸入され易くなるため、低段側圧縮機（11）で油不足が生じやすくなる。このような特性を利用し、上記油面検知部（7）が各圧縮機（11,12）の油不足を検知する。

具体的には、上記低段側圧縮機（11）の冷媒吐出量に係る積算量が上記高段側圧縮機（12）の冷媒吸入量に係る積算量よりも大きい場合には、上記高段側圧縮機（12）で油不足が生じていると判定し、上記高段側圧縮機（12）の冷媒吸入量に係る積算量が上記低段側圧縮機（11）の冷媒吐出量に係る積算量よりも大きい場合には、上記低段側圧縮機（11）で油不足が生じていると判定する。

この油面検知部（7）では、上記低段側圧縮機（11）の冷媒吐出量に係る積算量を上記負荷判定部（42）で演算された冷却負荷値を積算して求める。又、上記高段側圧縮機（12）の冷媒吸入量に係る積算量を上記負荷判定部（42）で演算された加熱負荷値を積算して求める。

そして、冷却負荷値の積算値から加熱負荷値の積算値を減算した値が負の場合には、その負の値が所定値以下であるときに上記高段側圧縮機（12）で油不足が生じていると判定する。又、冷却負荷値の積算値から加熱負荷値の積算値を減算した値が正の場合には、その正の値が所定値以上であるときに上記低段側圧縮機（11）で油不足が生じていると判定する。このように、油面センサ（7）を設けなくても、高段側及び低段側の圧縮機（11,12）の油不足を検知できる。

《その他の実施形態》
上記実施形態については、以下のような構成としてもよい。

上記実施形態では、上記油面センサ（7）が上限位置で油面を検知すると、油戻し運転を停止していたが、これに限定されない。例えば、油戻し運転が開始してから所定時間の経過後に強制的に油戻し運転を終了させてもよい。上記冷却用熱交換器（16）や上記補助熱交換器（61）に油が滞留して、低段側及び高段側の圧縮機（11,12）へ油が戻りにくくなっている状態のときに、この油戻し運転の強制終了は有効である。

なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

以上説明したように、本発明は、複数の圧縮機を備えた冷凍装置に関し、特に圧縮機から冷媒とともに吐出された潤滑油を油分離器を経て圧縮機へ戻す油戻し技術ついて有用である。

２ａ 低段側油分離器
２ｂ 高段側油分離器
５ 第２油調整弁
６ 第１油調整弁
７ 油面センサ（検出部）
１０ 冷媒回路
１１ 低段側圧縮機
１２ 高段側圧縮機
１３ 加熱用熱交換器（第１熱交換器）
１４ 高段側膨張弁（高段側膨張機構）
１５ 低段側膨張弁（低段側膨張機構）
１６ 冷却用熱交換器（第２熱交換器）
４１ 圧縮機調整部
４２ 負荷判定部
４３ 冷媒調整弁調整部
４４ 高段膨張弁調整部
４５ 低段膨張弁調整部
４６ 油調整弁調整部
４７ 油戻し判定部

Claims (7)

1. 低段側圧縮機（11）と低段側油分離器（2a）と高段側圧縮機（12）と高段側油分離器（2b）とが直列に接続されて冷凍サイクルを行う冷媒回路（10）を備えた冷凍装置であって、
   上記高段側油分離器（2b）で上記高段側圧縮機（12）の吐出冷媒から分離した油を上記高段側圧縮機（12）へ戻す高段側油戻し通路（3b）と、
   上記低段側油分離器（2a）で上記低段側圧縮機（11）の吐出冷媒から分離した油を上記低段側圧縮機（11）へ戻す低段側油戻し通路（3a）に設けられた第１油調整弁（6）と、
   上記低段側油戻し通路（3a）と上記高段側油戻し通路（3b）とを接続する接続通路（4）に設けられた第２油調整弁（5）と、
   上記低段側圧縮機（11）及び上記高段側圧縮機（12）の油不足を検出する検出部（7）と、
   上記検出部（7）で上記低段側圧縮機（11）の油不足を検出すると、上記第１油調整弁（6）を開いた状態で上記第２油調整弁（5）の開度を上記低段側圧縮機（11）に係る油不足の検出時よりも大きくして、上記検出部（7）で上記高段側圧縮機（12）の油不足を検出すると、上記第２油調整弁（5）を閉じた状態で上記第１油調整弁（6）の開度を上記高段側圧縮機（12）に係る油不足の検出時よりも小さくする油調整弁調整部（46）と、
   を備え、
   上記冷媒回路（10）は、低段側圧縮機（11）と低段側油分離器（2a）と高段側圧縮機（12）と高段側油分離器（2b）と第１熱交換器（13）と高段側膨張機構（14）と低段側膨張機構（15）と第２熱交換器（16）とが順に冷媒通路で接続されて、上記第１熱交換器（13）が放熱器となり上記第２熱交換器（16）が蒸発器となって冷凍サイクルを行うことが可能に構成され、
   上記低段側油分離器（2a）及び上記高段側圧縮機（12）の間の冷媒通路と上記低段側膨張機構（15）及び上記高段側膨張機構（14）の間の冷媒通路との間に設けられて、上記低段側圧縮機（11）の冷媒吐出量が上記高段側圧縮機（12）の冷媒吸入量よりも大きいときに放熱器として機能し、上記低段側圧縮機（11）の冷媒吐出量が上記高段側圧縮機（12）の冷媒吸入量よりも小さいときに蒸発器として機能する補助熱交換器（61）を備えていることを特徴とする冷凍装置。
2. 請求項１において、
   上記検出部（7）で上記高段側圧縮機（12）の油不足を検出すると、上記高段側圧縮機（12）の冷媒吸入量が上記低段側圧縮機（11）の冷媒吐出量よりも大きくなるように、上記低段側圧縮機（11）及び上記高段側圧縮機（12）の運転容量を調整する第１容量調整部（48a）を備えていることを特徴とする冷凍装置。
3. 請求項２において、
   上記補助熱交換器（61）を通過する冷媒の流量を調整する冷媒調整弁（62）と、
   上記検出部（7）で上記高段側圧縮機（12）の油不足を検出すると、上記冷媒調整弁（62）の開度を上記高段側圧縮機（12）に係る油不足の検出時よりも大きくして、上記補助熱交換器（61）から流出する冷媒を湿り状態にする第１減圧調整部（49a）とを備えていることを特徴とする冷凍装置。
4. 請求項１から３の何れか１つにおいて、
   上記検出部（7）で上記低段側圧縮機（11）の油不足を検出すると、それに続いて、上記低段側圧縮機（11）の冷媒吐出量を上記低段側圧縮機（11）に係る油不足の検出時よりも小さくする第２容量調整部（48b）を備えていることを特徴とする冷凍装置。
5. 請求項１から４の何れか１つにおいて、
   上記検出部（7）で上記低段側圧縮機（11）の油不足を検出すると、上記低段側膨張機構（15）に係る冷媒膨張量を上記低段側圧縮機（11）に係る油不足の検出時よりも小さくして、上記蒸発器となる上記第２熱交換器（16）から上記低段側圧縮機（11）へ吸入される冷媒を湿り状態にする第２減圧調整部（49b）を備えていることを特徴とする冷凍装置。
6. 請求項１から５の何れか１つにおいて、
   上記低段側及び高段側の圧縮機（11,12）は、冷媒を圧縮する圧縮機構が収容されたケーシング（70）と、該ケーシング（70）の底部で上記圧縮機構（73）を潤滑した後の油を貯留する油溜まり部（75）と、該油溜まり部（75）の油を上記圧縮機構（73）へ供給する供給部（76）とを備え、
   上記検出部（7）は、上記各油溜まり部（75）の油面が、上記各圧縮機（11,12）で油不足が生じる油面高さ以下であるか否かを検出する油面センサであることを特徴とする冷凍装置。
7. 請求項１から５の何れか１つにおいて、
   上記検出部（7）は、上記低段側圧縮機（11）の冷媒吐出量に係る積算量と上記高段側圧縮機（12）の冷媒吸入量に係る積算量との大小関係に基いて、上記低段側圧縮機（11）及び上記高段側圧縮機（12）の油不足を検出することを特徴とする冷凍装置。

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