WO2007063883A1 - 冷凍装置 - Google Patents

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stage
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Shuuji Fujimoto
Atsushi Yoshimi
Takahiro Yamaguchi
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Definitions

  • the present invention relates to a refrigeration apparatus including a refrigerant circuit that includes two compression mechanisms and performs a two-stage compression refrigeration cycle, and particularly relates to control of the operating capacity of the compression mechanism.
  • Patent Document 1 a refrigeration apparatus that includes two compression mechanisms and performs a two-stage compression refrigeration cycle of refrigerant is known (for example, Patent Document 1).
  • the refrigeration apparatus described in Patent Document 1 is an air conditioner, and includes an outdoor unit, an indoor unit, and a power-up unit for increasing the capacity by performing a two-stage compression operation mainly during heating operation. It has.
  • the outdoor unit is provided with an outdoor expansion valve, outdoor heat exchange, and a low-stage compressor that is the main compression mechanism, and the indoor unit is provided with an indoor heat exchange and an indoor expansion valve.
  • the power-up unit includes a high-stage compressor as an auxiliary compression mechanism, a gas expansion valve provided in the gas line, a liquid expansion valve provided in the liquid line, and an intercooler.
  • the refrigerant discharged from the high-stage compressor of the power-up unit exchanges heat with the indoor air in the indoor heat exchanger to form a condensed liquid and heats the indoor air.
  • the condensed liquid refrigerant is depressurized to an intermediate pressure by a liquid expansion valve, flows into the intermediate cooler, and cools the refrigerant flowing from the low-stage compression mechanism to the high-stage compression mechanism. Thereafter, the refrigerant is depressurized by the outdoor expansion valve and evaporated in the outdoor heat exchanger. The evaporated refrigerant is sucked into the low-stage compression mechanism.
  • the refrigerant compressed by the low-stage compression mechanism is introduced into the power unit, flows through the gas expansion valve, and is then cooled by the liquid refrigerant flowing from the indoor heat exchanger in the intermediate cooler to be cooled to the high-stage compressor. Flow into. In this way, the heating capacity is increased by performing two-stage compression.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-56156
  • the present invention has been made in view of such a point, and in a refrigeration apparatus including a refrigerant circuit that performs a two-stage compression refrigeration cycle, the operating capacity of each compression mechanism is individually controlled. Therefore, it aims at performing the driving
  • a first aspect of the present invention is a refrigerant circuit (15) having a variable capacity first compression mechanism (21, 31) and a variable capacity second compression mechanism (31, 21), and performing a two-stage compression refrigeration cycle.
  • a first control means (101) that performs increase / decrease control of the operating capacity of the first compression mechanism (21, 31) so as to correspond to the load of the refrigerating capacity
  • the above 2 Second control means (102) is provided for performing increase / decrease control of the operating capacity of the second compression mechanism (31, 21) so that the intermediate pressure of the stage compression refrigeration cycle becomes a predetermined value.
  • the first control means (101) controls the operating capacity of the first compression mechanism (21, 31)
  • the operation is performed with the capacity corresponding to the load of the refrigerating capacity.
  • the second control means (102) controls the operating capacity of the second compression mechanism (31, 21)
  • appropriate intermediate pressure control is performed. In this way, by controlling each compression mechanism (21, 31) individually, an operation suitable for the operation situation is performed.
  • a second invention is the first invention, wherein the second control means (102) is a first pressure ratio that is a ratio of a discharge pressure to a suction pressure of the first compressor mechanism (21, 31).
  • the operating capacity of the second compression mechanism (31, 21) is set so that the second pressure ratio that is the ratio of the discharge pressure to the suction pressure of the second compressor mechanism (31, 21) is 1: 1. Control.
  • the second control means (102) controls the first pressure ratio and the second pressure ratio to be 1: 1, thereby improving COP. . That is, as the pressure ratio of the compression mechanism (21, 31) increases, the COP decreases, so the pressure ratio, which is the ratio of the high pressure (PH) to the low pressure (PL) in the above-described two-stage compression refrigeration cycle, is set to 2
  • the COP is the highest by distributing equally between the two compression mechanisms (21,3 1).
  • the first The predetermined value of the intermediate pressure in the invention is a geometric mean value ⁇ (PL'PH) 1/2 ⁇ of the low pressure (PL) and the high pressure (PH) in the two-stage compression refrigeration cycle.
  • a third invention is the first invention, in which the operating capacity of the second compression mechanism (31, 21) is replaced with the first compression mechanism (21, 21) instead of the second control means (102) at the time of startup.
  • the third control means (103) is provided for controlling to a predetermined target operating capacity derived from V based on the operating capacity of 31).
  • the third control means (103) derives the operating capacity of the second compression mechanism (31, 21) from the operating capacity of the first compression mechanism (21, 31). In addition, control is performed so as to achieve a predetermined target operating capacity so that the operation corresponding to the load of the refrigerating capacity is quickly performed at the time of startup.
  • the third control means (103) controls the second compression mechanism (31, 21) to improve the startability of the driving ability at the time of start-up.
  • a fourth invention is the first invention, wherein the first compression mechanism (21, 31) force is constituted by the low-stage compression mechanism (21) during the heating operation, and the second compression mechanism (31, 31) 21) consists of a high-stage compressor structure (31). Then, during the heating operation, the first control means (101) operates the low-stage compression mechanism (21) so that the discharge pressure of the high-stage compression mechanism (31) becomes a predetermined target value. While controlling the capacity, the second control means (102) controls the operating capacity of the high stage compression mechanism (31) so that the intermediate pressure becomes a predetermined value.
  • the first control means (101) is the high stage side compression mechanism.
  • the operating capacity of the low-stage compression mechanism (21) is controlled so that the discharge pressure of (31) becomes a pressure corresponding to the target condensation pressure.
  • an optional unit (30) with a high-stage compression mechanism (31) is connected to a refrigeration system of a single-stage compression refrigeration cycle with a low-stage compression mechanism (21) to perform two-stage compression.
  • Refrigeration cycle The refrigeration apparatus may be used.
  • the operation capacity control corresponding to the heating load that is the load of the refrigeration capacity is performed by the operation capacity control of the low stage compression mechanism (21).
  • the operation capacity control by the operation capacity control of the low-stage compression mechanism (21) is applied as it is.
  • the first control means (101) controls the operating capacity of the low-stage compression mechanism (21) in any operation of the single-stage compression refrigeration cycle and the two-stage compression refrigeration cycle, so that the heating load Operate according to.
  • a fifth invention is the first invention, wherein, in the cooling operation, the first compression mechanism (21, 31) is composed of a high-stage compression mechanism, and the second compression mechanism (31, 21) It consists of a low-stage compression mechanism.
  • the first control means (101) operates the high stage compression mechanism (31) so that the suction pressure of the low stage compression mechanism (21) becomes a predetermined target value.
  • the second control means (102) controls the operating capacity of the low-stage compression mechanism (21) so that the intermediate pressure becomes a predetermined value.
  • the first control means (101) causes the suction pressure of the low-stage compression mechanism (21) to be a pressure corresponding to the target evaporation pressure.
  • the operating capacity of the high-stage compressor (31) is controlled.
  • the optional unit (30) having the low-stage compression mechanism (21) is connected to the refrigeration apparatus of the single-stage compression refrigeration cycle having the high-stage compression mechanism (31) to perform two-stage compression.
  • the operation capacity control corresponding to the cooling load that is the load of the refrigeration capacity is performed by the operation capacity control of the high stage compression mechanism (31).
  • the operation capacity control by the operation capacity control of the high-stage compression mechanism (31) is applied as it is.
  • the first control means (101) controls the operating capacity of the high-stage compression mechanism (31) in any operation of the single-stage compression refrigeration cycle and the two-stage compression refrigeration cycle, so that the cooling load The operation corresponding to can be performed.
  • the first compression mechanism (21, 31) and the second compression mechanism (31, 21) are inverter-controlled.
  • the first compression mechanism (21, 31) and the second compression mechanism (31, 21) Easy capacity control.
  • the first control means (101) and the second control means (102) individually control the compression mechanisms (21, 31). It is possible to carry out driving suitable for the situation.
  • the second control means (102) force is controlled so that the first pressure ratio and the second pressure ratio are 1: 1.
  • COP can be the highest.
  • the third control means (103) is configured so that the second compression mechanism
  • the operating capacity of (31, 21) is controlled so that the operating capacity of the first compression mechanism (21, 31) becomes the predetermined target operating capacity derived, the operation corresponding to the load of the refrigeration capacity is performed. Can be done quickly.
  • the first control means (101) allows the discharge pressure of the high stage compression mechanism (31) to be a predetermined target value. Since the operation capacity of the low-stage compression mechanism (21) is controlled, the discharge pressure of the high-stage compression mechanism (31) is set to a pressure value corresponding to the condensation pressure of the target condensation temperature. The capacity of the low-stage compression mechanism (21) can be controlled to cope with the heating load, which is a load of the refrigeration capacity.
  • an optional unit (30) having a high-stage compression mechanism (31) is connected to a refrigeration apparatus of a single-stage compression refrigeration cycle having a low-stage compression mechanism (21) to thereby perform a two-stage compression refrigeration.
  • the optional unit (30)! In the single-stage compression refrigeration cycle, the operation capacity control corresponding to the heating load that is the load of the refrigeration capacity is performed by the operation capacity control of the low-stage compression mechanism (21). .
  • the operation capacity control by the operation capacity control of the low-stage compression mechanism (21) is applied as it is.
  • the first control means (101) responds to the heating load by controlling the operating capacity of the low-stage compression mechanism (21) in both the single-stage compression refrigeration cycle and the two-stage compression refrigeration cycle. Since it can drive
  • the first control means (101) allows the suction pressure of the low-stage compression mechanism (21) to be a predetermined target value. Since the operating capacity of the high-stage compression mechanism (31) is controlled, the suction pressure of the low-stage compression mechanism (21) is set to a pressure value corresponding to the evaporation pressure of the target evaporation temperature.
  • the capacity control of the high-stage compression mechanism (31) can be performed to cope with the cooling load that is the load of the refrigeration capacity.
  • an optional unit (30) having a low-stage compression mechanism (21) is connected to a refrigeration apparatus of a single-stage compression refrigeration cycle having a high-stage compression mechanism (31) to thereby perform a two-stage compression refrigeration.
  • the optional unit (30)! In the single-stage compression refrigeration cycle, the operation capacity control corresponding to the cooling load that is the load of the refrigeration capacity is performed by the operation capacity control of the high-stage compression mechanism (31). .
  • the operation capacity control by the operation capacity control of the high-stage compression mechanism (31) is applied as it is.
  • the first control means (101) responds to the cooling load by controlling the operating capacity of the high-stage compression mechanism (31) in both the single-stage compression refrigeration cycle and the two-stage compression refrigeration cycle. Since it can drive
  • FIG. 1 is a piping system diagram showing a refrigerant circuit of an air conditioner according to Embodiment 1.
  • FIG. 1 is a piping system diagram showing a refrigerant circuit of an air conditioner according to Embodiment 1.
  • FIG. 2 is a piping system diagram showing the refrigerant flow during the cooling operation of the air-conditioning apparatus according to Embodiment 1.
  • FIG. 3 is a piping system diagram showing a refrigerant flow during heating operation of the single-stage compression refrigeration cycle of the air-conditioning apparatus according to Embodiment 1.
  • FIG. 4 shows the heating operation of the two-stage compression refrigeration cycle of the air-conditioning apparatus according to Embodiment 1. It is a piping system figure which shows the flow of the refrigerant
  • FIG. 5 is a flowchart showing operation frequency control of the low-stage compressor and the high-stage compressor of the air-conditioning apparatus according to Embodiment 1.
  • FIG. 6 is a piping system diagram showing a refrigerant circuit of the refrigeration apparatus according to Embodiment 2.
  • Fig. 7 is a piping diagram showing the refrigerant flow during the cooling operation of the single-stage compression refrigeration cycle of the refrigeration apparatus according to Embodiment 2.
  • FIG. 8 is a piping diagram showing the refrigerant flow during the cooling operation of the two-stage compression refrigeration cycle of the refrigeration apparatus according to Embodiment 2.
  • FIG. 9 is a flowchart showing operation frequency control of the low-stage compressor and the high-stage compressor of the refrigeration apparatus according to Embodiment 2.
  • Air conditioning equipment (refrigeration equipment)
  • Second control unit (second control means)
  • Embodiment 1 of the present invention is a heat pump type air conditioner (10) capable of cooling operation and heating operation, as shown in FIG.
  • the air conditioner (10) includes an outdoor unit (20) installed outdoors, an optional unit (30) constituting an expansion unit, an indoor unit (40) installed indoors, and an air conditioner And a controller (100) that performs the operation control of (10).
  • the outdoor unit (20) is connected to the option unit (30) via the first connection pipe (11) and the second connection pipe (12).
  • the indoor unit (40) It is connected to the option unit (30) via the connecting pipe (13) and the fourth connecting pipe (14).
  • the refrigerant circuit (15) in which the refrigerant circulates and the vapor compression refrigeration cycle is performed is configured.
  • the option unit (30) constitutes a power-up unit of an existing separate type air conditioner. Specifically, in the existing air conditioner, the refrigerant circuit composed of the outdoor unit (20) and the indoor unit (40) performs the cooling operation and the heating operation by the single-stage compression refrigeration cycle operation. On the other hand, by connecting the optional unit (30) between the outdoor unit (20) and the indoor unit (40), the heating operation by the two-stage compression refrigeration cycle operation becomes possible.
  • the outdoor unit (20) is provided with a low-stage compressor (21), an outdoor heat exchanger (22), an outdoor expansion valve (25), and a four-way switching valve (23).
  • the low-stage compressor (21) is a scroll compressor, is configured such that electric power is supplied via an inverter and the operation frequency is variable, and the output frequency of the inverter is changed to change the compressor motor. Change the rotation speed. That is, the low-stage compressor (21) is configured as a first compression mechanism whose capacity is variable by inverter control.
  • the outdoor heat exchange (22) is constituted by a cross fin and tube type heat exchange.
  • An outdoor fan (24) is installed in the vicinity of the outdoor heat exchanger (22).
  • the outdoor fan (24) blows outdoor air to the outdoor heat exchanger (22).
  • the outdoor expansion valve (25) is an electronic expansion valve whose opening degree can be adjusted.
  • the four-way switching valve (23) includes four ports from first to fourth.
  • the first port is connected to the discharge pipe (21a) of the low-stage compressor (21), and the second port is connected to the suction pipe (21b) of the low-stage compressor (21). It is connected.
  • the third port is connected to one end of the second connection pipe (12) via the outdoor heat exchanger (22) and the outdoor expansion valve (25), and the fourth port is Connected to one end of the first connecting pipe (11).
  • This four-way selector valve (23) is connected to the first state (shown by a solid line in FIG.
  • a low-stage oil separator (26) is provided in the discharge pipe (21a) of the low-stage compressor (21).
  • One end of a first oil return pipe (27) is connected to the low stage side oil separator (26), and the other end of the first oil return pipe (27) is connected to the low stage side compressor (21). It is connected to the suction pipe (21b). Further, the first oil return pipe (27) is provided with a first capillary single tube (28). In this way, the refrigeration oil separated by the low-stage oil separator (26) is reduced in pressure when flowing through the first oil return pipe (27) and returned to the low-stage compressor (21). Constructed!
  • the outdoor unit (20) is provided with various sensors. Specifically, the discharge pipe (21a) of the low-stage side compression mechanism (21) has a discharge pressure sensor (82) and a discharge temperature sensor (86), and the suction pipe (21b) has a suction pressure sensor (83). And a suction temperature sensor (87). In addition, an outside air temperature sensor (18) and an outdoor heat exchanger (22) refrigerant temperature sensor (29) are provided.
  • the optional unit (30) is provided with a high-stage compressor (31), a three-way selector valve (32), a gas-liquid separator (33), and an optional expansion valve (34).
  • the high-stage compressor (31) is a scroll compressor, is configured such that electric power is supplied via an inverter and the operation frequency is variable, and the output frequency of the inverter is changed to change the compressor motor. Change the rotation speed. That is, the high-stage compressor (31) is configured as a second compression mechanism whose capacity is variable by inverter control.
  • the three-way selector valve (32) includes three ports from first to third.
  • the first port is connected to the discharge pipe (31a) of the high-stage compressor (31), and there is a third connecting pipe (13) in the middle of the discharge pipe (31a). Are connected at one end.
  • the second port of the three-way selector valve (32) is connected to the suction pipe (31b) of the high-stage compressor (31), and the third port is connected to the other end of the first connection pipe (11).
  • This three-way selector valve (32) has a first state (state indicated by a solid line in FIG. 1) in which the second port and the third port communicate with each other and a second state in which the first port and the third port communicate (in FIG. The state can be switched to the state indicated by the dotted line in FIG.
  • the gas-liquid separator (33) separates the gas-liquid two-phase refrigerant into a liquid refrigerant and a gas refrigerant.
  • the gas-liquid separator (33) is composed of a cylindrical sealed container and has a lower part. While the liquid refrigerant storage part is formed, the gas refrigerant storage part is formed on the upper side thereof.
  • the gas-liquid separator (33) is connected with a liquid inflow pipe (33a) that passes through the trunk and faces the gas refrigerant reservoir and a liquid outflow pipe (33b) that faces the liquid refrigerant reservoir. Yes.
  • the gas-liquid separator (33) is also connected with a gas outflow pipe (33c) that passes through the top of the gas-liquid separator (33) and faces the gas refrigerant reservoir.
  • the inflow end of the liquid inflow pipe (33a) and the outflow end of the liquid outflow pipe (33b) have one end force of the fourth connection pipe (14) and the main pipe extending to the other end of the second connection pipe (12). In the middle of (35), they are connected in order from the 4th connecting pipe (14) side.
  • the liquid inlet pipe (33a) is provided with the option side expansion valve (34).
  • This optional expansion valve (34) is an electronic expansion valve whose opening degree can be adjusted.
  • the outflow end of the gas outflow pipe (33c) is connected in the middle of the suction pipe (31b) of the high stage compressor (31).
  • a high-stage oil separator (36) is provided in the discharge pipe (31a) of the high-stage compressor (31).
  • One end of a second oil return pipe (37) is connected to the high stage side oil separator (36), and the other end of the second oil return pipe (37) is connected to the high stage side compressor (31). It is connected between the connection part of the gas outflow pipe (33c) of the suction pipe (31b) and the high stage side compressor (31).
  • the second oil return tube (38) is connected to the second oil return pipe (37). In this way, the refrigeration oil separated by the high-stage oil separator (36) is decompressed through the second oil return pipe (37) and returned to the high-stage compressor (31). It is made up of.
  • the option unit (30) is also provided with an electromagnetic valve for switching between opening and closing and a check valve for regulating the flow of the refrigerant.
  • the main pipe (35) is provided with a solenoid valve (SV) between the connection part of the liquid inflow pipe (33a) and the connection part of the liquid outflow pipe (33b).
  • the liquid outlet pipe (33b) has a first check valve (CV-1), and the discharge pipe (31a) of the higher stage compressor (31) has a second check valve (CV-2).
  • the first and second check valves (CV-1, CV-2) allow the refrigerant to flow only in the directions indicated by the arrows in FIG.
  • the optional unit (30) is provided with various sensors.
  • the discharge pipe (31a) of the high-stage compression mechanism (31) has a discharge pressure sensor (80) and a discharge temperature sensor (84) force.
  • the suction pipe (31b) has a suction pressure sensor (81) and An inhalation temperature sensor (85) is provided.
  • the liquid outlet pipe (33b) of the gas-liquid separator (33) has a temperature sensor (88) and a pressure sensor. (89) is provided.
  • the indoor unit (40) is provided with an indoor heat exchanger (41) and an indoor side expansion valve (42).
  • the indoor heat exchange (41) is composed of cross fin and tube type heat exchange.
  • An indoor fan (43) is installed near the indoor heat exchanger (41).
  • the indoor fan (43) blows indoor air to the indoor heat exchanger (41).
  • the indoor expansion valve (42) is an electronic expansion valve whose opening degree can be adjusted.
  • the other end of the third connection pipe (13) is connected to the other of the fourth connection pipe (14) via the indoor heat exchange (41) and the indoor expansion valve (42). Connected to the end!
  • the indoor unit (40) is provided with an indoor temperature sensor (44) and a refrigerant temperature sensor (45) of the indoor heat exchanger (41).
  • the controller (100) controls the operation of the air conditioner (10) by switching various valves provided in the refrigerant circuit (15) and adjusting the opening.
  • the controller (100) includes a first control unit (101), a second control unit (102), and a third control unit (103).
  • the first control unit (101) performs inverter control of the operating frequency of the low-stage compressor (21) so as to correspond to the load of the refrigerating capacity, and is configured as a first control means.
  • the second control unit (102) performs inverter control of the operating frequency of the high-stage compressor (31) so that the intermediate pressure of the two-stage compression refrigeration cycle becomes a predetermined value. It is constituted by means.
  • the third control unit (103) replaces the second control unit (102) with the operating frequency of the high-stage compressor (31) as the operating frequency of the low-stage compressor (21).
  • the inverter is controlled so as to achieve a predetermined target operating frequency derived based on this, and is configured as a third control means.
  • the air conditioner (10) performs a cooling operation and a heating operation by a single-stage compression refrigeration cycle and a heating operation by a two-stage compression refrigeration cycle.
  • the refrigerant in the refrigerant circuit (15) during the cooling operation, the refrigerant is compressed only by the low-stage compressor (21), and the suction pressure and the discharge pressure of the low-stage compressor (21) are converted into a single-stage compression refrigeration. Cycle low and high pressure.
  • the high-pressure refrigerant discharged from the low-stage compressor (21) flows through the outdoor heat exchanger (22), dissipates heat to the outdoor air, and is condensed and liquefied.
  • the liquid refrigerant condensed in the outdoor heat exchanger (22) flows through the second expansion pipe (12) through the fully opened outdoor expansion valve (25) and is introduced into the option unit (30).
  • the high-pressure liquid refrigerant flows through the main pipe (35), flows through the fourth connection pipe (14), and is introduced into the indoor unit (40).
  • the refrigerant introduced into the indoor unit (40) is decompressed and expanded when passing through the indoor expansion valve (42), and becomes a low-pressure refrigerant.
  • the low-pressure refrigerant flows through the indoor heat exchanger (41), absorbs heat from the indoor air, and evaporates. As a result, the indoor air is cooled and cooling is performed.
  • the refrigerant evaporated in the indoor heat exchanger (41) is also introduced into the option unit (30) by the third communication pipe (13) and flows through the first communication pipe (11) via the three-way selector valve (32). And introduced into the outdoor unit (20).
  • the low-pressure refrigerant introduced into the outdoor unit (20) is sucked into the low-stage compressor (21) and compressed to become high-pressure refrigerant.
  • the first control unit (101) of the controller (100) controls the inverter so that the operation frequency of the low-stage compressor (21) corresponds to the cooling load that is a load of the refrigeration capacity. To do. That is, the first control unit (101) controls the operating frequency of the low-stage compressor (21) so that the evaporation temperature in the indoor heat exchanger (41) becomes the indoor set temperature Te ° C. Specifically, the first control unit (101) performs low-stage compression so that the suction pressure of the low-stage compressor (21) has a pressure value corresponding to the evaporation pressure corresponding to the set temperature Te ° C. Machine (21) operating frequency Control the number.
  • the first control unit (101) first measures the set temperature Te ° C and the indoor temperature sensor (44) in the comparison circuit (150). Calculate the temperature difference from the actual room temperature. Thereafter, the gain circuit (151) multiplies the differential temperature of the comparison circuit (150) by a constant K to calculate the operating frequency of the low-stage compressor (21), and the low-stage compressor (21) To control.
  • the second control unit (102) is not controlled.
  • the four-way selector valve (23) is set to the first state and the three-way selector valve (32) is set to the second state under the control of the controller (100).
  • the solenoid valve (SV) is set to the open state.
  • the option side expansion valve (34) is set to a fully closed state
  • the indoor side expansion valve (42) is set to a fully open state
  • the outdoor expansion valve (25) is appropriately controlled according to the operating conditions. Further, in this heating operation, the low-stage compressor (21) is operated, while the high-stage compressor (31) is stopped.
  • the refrigerant in the refrigerant circuit (15) in the heating operation, the refrigerant is compressed only by the low-stage compressor (21), and the suction pressure and the discharge pressure of the low-stage compressor (21) are converted into a single-stage compression refrigeration. Cycle low pressure and high pressure.
  • the high-pressure refrigerant from which the low-stage compressor (21) force is also discharged flows through the first connection pipe (11) via the four-way selector valve (23), and the optional unit (30 )
  • the high-pressure refrigerant introduced into the option unit (30) flows through the third connection pipe (13) via the three-way switching valve (32) and is introduced into the indoor unit (40).
  • the high-pressure refrigerant flows through the indoor heat exchanger (41), dissipates heat to the indoor air, and is condensed and liquefied. As a result, room air is heated and heating is performed.
  • the liquid refrigerant condensed in the indoor heat exchanger (41) flows through the fourth expansion pipe (14) through the fully opened indoor expansion valve (42) and is introduced into the option unit (30).
  • the high-pressure liquid refrigerant introduced into the optional unit (30) flows through the main pipe (35), It flows through the connecting pipe (12) and is introduced into the outdoor unit (20).
  • the refrigerant introduced into the outdoor unit (20) is decompressed and expanded when passing through the outdoor expansion valve (25), and becomes a low-pressure refrigerant.
  • the low-pressure refrigerant flows through the outdoor heat exchanger (22), absorbs heat from the outdoor air, and evaporates.
  • the low-pressure refrigerant evaporated in the outdoor heat exchanger (22) is sucked into the low-stage compressor (21) through the four-way switching valve (23) and compressed to become high-pressure refrigerant.
  • the first control unit (101) of the controller (100) sets the operation frequency of the low-stage compressor (21) to the heating load that is the load of the refrigeration capacity.
  • the inverter is controlled so as to correspond to That is, the first control unit (101) controls the operation frequency of the low-stage compressor (21) so that the condensation temperature in the indoor heat exchanger (41) becomes the indoor set temperature Tc ° C.
  • the first control unit (101) performs low-stage compression so that the discharge pressure of the low-stage compressor (21) becomes a pressure value corresponding to the condensation pressure corresponding to the set temperature Tc ° C. Control the operating frequency of the machine (21).
  • the first control unit (101) first measures the set temperature Tc ° C and the indoor temperature sensor (44) in the comparison circuit (150). Calculate the temperature difference from the actual room temperature. Thereafter, the gain circuit (151) multiplies the differential temperature of the comparison circuit (150) by a constant K to calculate the operating frequency of the low-stage compressor (21), and the low-stage compressor (21) To control.
  • the second control unit (102) Since the high stage compressor (31) is in a stopped state, the second control unit (102) is not controlled.
  • the four-way switching valve (23) and the three-way switching valve (32) are set to the first state under the control of the controller (100), and the electromagnetic The valve (SV) is set to the closed state.
  • the opening degrees of the indoor side expansion valve (42), the option side expansion valve (34), and the outdoor expansion valve (25) are appropriately adjusted according to the operating conditions.
  • the low-stage compressor (21) and the high-stage compressor (31) are each operated.
  • the high-pressure refrigerant discharged from the high-stage compressor (31) discharged from the high-stage compressor (31)
  • the indoor unit (40) when the high-pressure refrigerant passes through the indoor heat exchanger (41), it dissipates heat to the indoor air and is condensed and liquefied. As a result, indoor air is heated and heating is performed.
  • the liquid refrigerant condensed in the indoor heat exchanger (41) passes through the indoor expansion valve (42), then flows through the fourth connecting pipe (14), and is introduced into the option unit (30). From (35), it passes through the option side expansion valve (34) and flows into the liquid inflow pipe (33a).
  • the liquid refrigerant is decompressed and tensioned in stages by the indoor expansion valve (42) and the optional expansion valve (34), and becomes an intermediate-pressure refrigerant in a gas-liquid two-phase state to the gas-liquid separator (33). Inflow.
  • the gas-liquid two-phase intermediate pressure refrigerant is separated into the gas refrigerant and the liquid refrigerant.
  • the separated saturated gas refrigerant flows through the gas outflow pipe (33c) and is sent to the suction pipe (31b) of the high-stage compressor (31).
  • the separated liquid refrigerant flows out of the liquid outflow pipe (33b), flows through the second connecting pipe (12), and is introduced into the outdoor unit (20).
  • the intermediate-pressure liquid refrigerant introduced into the outdoor unit (20) passes through the outdoor expansion valve (25), the intermediate-pressure liquid refrigerant is decompressed to expand into a low-pressure refrigerant, and passes through the outdoor heat exchanger (22). In addition, it absorbs heat from the outdoor air and evaporates.
  • the low-pressure refrigerant evaporated in the outdoor heat exchanger (22) is sucked into the low-stage compressor (21) through the four-way switching valve (23).
  • the low-pressure refrigerant is compressed into intermediate-pressure refrigerant, and the intermediate-pressure refrigerant flows through the first connection pipe (11) via the four-way selector valve (23), and the optional unit ( Introduced in 30).
  • the suction pipe (31b) of the high stage compressor (31) passes through the intermediate pressure refrigerant force three-way switching valve (32) discharged from the low stage compressor (21). Flowing.
  • the intermediate-pressure refrigerant flows through the suction pipe (31b)
  • the intermediate-pressure refrigerant is supplied from the gas outflow pipe (33c) and sucked into the high-stage compressor (31).
  • the high-stage compressor (31) the intermediate pressure refrigerant is compressed into high pressure refrigerant.
  • the intermediate-pressure gas-liquid two-phase refrigerant is separated into the gas refrigerant and the liquid refrigerant by the gas-liquid separator (33) and separated.
  • the gas-liquid separator (33) By returning the subsequent gas refrigerant to the high-stage compressor (31), only the liquid refrigerant is sent to the outdoor heat exchanger (22), so the gas-liquid separator (33) to the outdoor heat exchanger (22 ), The pressure loss of the liquid piping up to) is reduced, and the so-called flash phenomenon, in which part of the liquid refrigerant evaporates and remains in the piping, is also suppressed.
  • the inverter control of the high stage compressor (21, 31) is performed by the section (103).
  • the first control unit (101) operates the low-stage compressor (21) so as to cope with the heating load that is a load of the refrigeration capacity. Control the frequency. That is, the first controller (101) controls the operating frequency of the low-stage compressor (21) so that the condensation temperature in the indoor heat exchanger (41) becomes the indoor set temperature Tc ° C. Specifically, the first control unit (101) determines that the discharge pressure of the high-stage compressor (31) is a pressure value corresponding to the condensation pressure corresponding to the set temperature Tc ° C. Controls the operating frequency of the compressor (21).
  • the first control unit (101) first measures the set temperature Tc ° C and the indoor temperature sensor (44) in the comparison circuit (150). Calculate the temperature difference from the actual room temperature. Thereafter, the gain circuit (151) multiplies the differential temperature of the comparison circuit (150) by a constant K to calculate the operating frequency of the low-stage compressor (21), and the low-stage compressor (21) To control.
  • the second control unit (102) controls the intermediate pressure (PM) between the low-stage compressor (21) and the high-stage compressor (31) to be a predetermined value.
  • the predetermined value of the intermediate pressure is equal to the first pressure ratio (PMZPL), which is the ratio of the discharge pressure (PM) to the suction pressure (PL) of the low-stage compressor (21), and the high-stage side.
  • the second pressure ratio (PHZPM) which is the ratio of the discharge pressure (PH) to the suction pressure (PM) of the compressor (31), is an intermediate pressure value that is 1: 1.
  • the intermediate pressure value is the geometric mean value ⁇ (PL'PH) 1 / of the suction pressure (PL) of the low stage compressor (21) and the discharge pressure (PH) of the high stage compressor (31). 2 ⁇ .
  • the second control unit (102) uses the first pressure ratio ((2)) of the low-stage compressor (21) in the first division circuit (152). PMZPL) is calculated, and the second pressure ratio (PHZPM) of the high-stage compressor (31) is calculated in the second division circuit (153).
  • the comparison circuit (154) a difference ⁇ (PM / PL)-(PHZPM) ⁇ between the first pressure ratio (PMZPL) and the second pressure ratio (PHZPM) is calculated, and the gain circuit (155 ) To derive the gain K from the pressure ratio difference.
  • the target operating frequency of the high stage compressor (31) is derived by multiplying the current operating frequency of the high stage compressor (31) by the gain K, and at the target operating frequency. Control is performed so that the high-stage compressor (31) is operated.
  • the suction pressure (PL) of the low-stage compressor (21) is the measured value of the suction pressure sensor (83), and the discharge pressure (PM) is the discharge pressure sensor (82 ),
  • the suction pressure (PM) of the high-stage compressor (31) is the measurement value of the suction pressure sensor (81), and the discharge pressure (PH) is the measurement of the discharge pressure sensor (80).
  • Each value is used, but other values may be used.
  • the discharge pressure (PM) of the low-stage compressor (21) and the suction pressure (PM) of the high-stage compressor (31), which are intermediate pressure (PM), are divided into gas-liquid separators (33)
  • the saturated pressure corresponding to the measured value of the pressure sensor (89) of the liquid outlet pipe (33b) and the measured value of the temperature sensor (89) of the liquid outlet pipe (33b) can also be used.
  • the discharge pressure (PH) of the high stage compressor (31) is the condensing pressure corresponding to the condensation temperature in the indoor heat exchanger (41), and the suction pressure (PL) of the low stage compressor (21) is The evaporation pressure corresponding to the evaporation temperature in the outdoor heat exchanger (22) may be simply used.
  • the frequency corresponds to the heating load and is the operating frequency with the highest COP.
  • the first control unit (101) is configured so that the low-stage compressor (21)
  • the second control unit (102) controls the operating frequency and the first pressure ratio (PM / PL) of the low stage compressor (21) and the second pressure ratio (PHZPM) of the high stage compressor (31) Since the operation frequency of the high-stage compressor (31) is controlled so that the power is 1: 1, it is possible to perform operations suitable for heating loads and improve COP. Operation suitable for the conditions can be performed.
  • the first control unit (101) has a low-stage compressor during the operation of the single-stage compression refrigeration cycle by the existing outdoor unit (20) and the indoor unit (40). (21)
  • the operation frequency control corresponding to the refrigeration load is performed by controlling the operation frequency, and the operation capacity control is also applied when the optional unit (30) is connected to perform the two-stage compression refrigeration cycle. Since the operation capacity control corresponding to the refrigeration load is performed by controlling the operation frequency of the low-stage compressor (21), the configuration of the control means can be simplified.
  • the third control unit (103) controls the operating frequency of the high-stage compressor (31) instead of the second control unit (102). 2 Control delay of the high-stage compressor (31) caused by feedback control of the control unit (102) can be prevented, and operation corresponding to the heating load can be performed quickly.
  • Embodiment 2 of the present invention is a refrigeration apparatus (120) that performs a cooling operation in a cooling chamber, as shown in FIG.
  • the refrigeration apparatus (120) includes an outdoor unit (20) installed outdoors, an optional unit (30) constituting an expansion unit, an indoor unit (40) installed in a cooling room, and a refrigeration apparatus ( 120) and a controller (100) for performing operation control.
  • the outdoor unit (20) is connected to the option unit (30) via the first connection pipe (11) and the second connection pipe (12).
  • the indoor unit (40) is connected to the option unit (30) via the third connection pipe (13) and the fourth connection pipe (14).
  • a refrigerant circuit (15) is configured in which a refrigerant is circulated and a vapor compression refrigeration cycle is performed.
  • the optional unit (30) constitutes a power-up unit of an existing separate refrigeration apparatus.
  • a cooling operation is performed by a single-stage compression refrigeration cycle operation that refrigerates the stored items in the cooling chamber in the refrigerant circuit composed of the outdoor unit (20) and the indoor unit (40).
  • a cooling operation by a two-stage compression refrigeration cycle operation for freezing the stored material in the cooling chamber becomes possible.
  • the outdoor unit (20) is provided with a high stage compressor (31) and an outdoor heat exchanger (22).
  • the high-stage compressor (31) is a scroll compressor, is configured such that electric power is supplied via an inverter and the operation frequency is variable, and the output frequency of the inverter is changed to change the compressor motor. Change the rotation speed. That is, the high-stage compressor (31) is configured as a first compression mechanism whose capacity is variable by inverter control.
  • the outdoor heat exchange (22) is constituted by a cross fin and tube type heat exchange.
  • An outdoor fan (24) is installed in the vicinity of the outdoor heat exchanger (22). The outdoor fan (24) blows outdoor air to the outdoor heat exchanger (22).
  • the suction pipe (31b) of the high-stage compressor (31) is connected to one end of the second communication pipe (12), and the discharge pipe (31a) is connected via the outdoor heat exchanger (22). Connected to one end of the first connecting pipe (11).
  • a high-stage oil separator (36) is provided in the discharge pipe (31a) of the high-stage compressor (31).
  • One end of the second oil return pipe (37) is connected to the high stage side oil separator (36), and the other end of the second oil return pipe (37) is connected to the high stage side compressor (31).
  • the second oil return tube (38) is connected to the second oil return tube (37). In this way, the refrigeration oil separated by the high-stage oil separator (36) is decompressed through the second oil return pipe (37) and returned to the high-stage compressor (31). It is made up of.
  • the outdoor unit (20) is provided with various sensors. Specifically, high-stage side pressure
  • the discharge pipe (31a) of the compression mechanism (31) has a discharge pressure sensor (80) and a discharge temperature sensor (84), and the suction pipe (31b) has a suction pressure sensor (81) and a suction temperature sensor (85). Is provided.
  • an outside air temperature sensor (18) and an outdoor heat exchanger (22) refrigerant temperature sensor (29) are provided.
  • the optional unit (30) includes a low-stage compressor (21), a gas-liquid separator (33), an option-side expansion valve (34), a first three-way switching valve (70), and a second three-way switching.
  • a valve (71) is provided.
  • the low-stage compressor (21) is a scroll compressor, is configured such that electric power is supplied via an inverter and the operating frequency is variable, and the output frequency of the inverter is changed to change the compressor motor. Change the rotation speed. That is, the low-stage compressor (21) is configured as a second compression mechanism whose capacity is variable by inverter control.
  • the gas-liquid separator (33) is formed of a cylindrical hermetic container, and a liquid coolant reservoir that is a liquid layer is formed in the lower part, while a gas refrigerant reservoir is formed on the upper side thereof. Yes.
  • the gas-liquid separator (33) includes a liquid inflow pipe (33a) that passes through the trunk and faces the gas refrigerant reservoir, and a liquid outflow pipe (33b) that penetrates the bottom and faces the liquid refrigerant reservoir. Are connected to each other.
  • the gas-liquid separator (33) is also connected with a gas outflow pipe (33c) that passes through the top of the gas-liquid separator (33) and faces the gas refrigerant storage section.
  • the first three-way selector valve (70) has three ports from first to third.
  • the first port is connected to the outflow end of the liquid outflow pipe (33b) of the gas-liquid separator (33), and the second port is connected to the gas-liquid separator (33). It is connected to the inflow end of the liquid inflow pipe (33a), and the third port is connected to the other end of the first liquid side connecting pipe (11).
  • the first three-way selector valve (70) includes a first state (indicated by a solid line in FIG. 6) in which the second port and the third port communicate with each other and a second state in which the first port and the third port communicate with each other. It can be switched to the state (state indicated by the dotted line in Fig. 6).
  • the second three-way selector valve (71) has three ports from first to third.
  • the first port is connected to one end of the third connecting pipe (13) via the connecting pipe (47), and the second port is connected to the discharge of the low-stage compressor (21).
  • the third port is connected to the other end of the second connecting pipe (12).
  • the second three-way selector valve (71) has a second port and a second Switch between the first state where 3 ports communicate with each other (shown by the solid line in Fig. 6) and the second state where 1st port and 3rd port communicate with each other (shown by the broken line in Fig. 6) It is configured to be possible.
  • One end of the fourth connection pipe (14) is connected to the middle of the liquid outflow pipe (33b).
  • the option side expansion valve (34) is provided in the middle of the liquid inflow pipe (33a).
  • the option side expansion valve (34) is an electronic expansion valve whose opening degree can be adjusted.
  • the outflow end of the gas outflow pipe (33c) is connected to the middle of the discharge pipe (21a) of the low stage compressor (21).
  • the discharge pipe (21a) of the low-stage compressor (21) is provided with a low-stage oil separator (26).
  • One end of a first oil return pipe (27) is connected to the low stage side oil separator (26), and the other end of the first oil return pipe (27) is connected to the low stage side compressor (21).
  • the first oil return pipe (27) is provided with a first capillary single tube (28). In this way, the refrigeration oil separated by the low-stage oil separator (26) is decompressed and returned to the low-stage compressor (21) when flowing through the first oil return pipe (27). It is composed of
  • the optional unit (30) is provided with various sensors. Specifically, the discharge pipe (21a) of the low-stage compression mechanism (21) has a discharge pressure sensor (82) and a discharge temperature sensor (86) force.
  • the suction pipe (21b) has a suction pressure sensor (83) and An inhalation temperature sensor (87) is provided.
  • the liquid outlet pipe (33b) of the gas-liquid separator (33) is provided with a temperature sensor (88) and a pressure sensor (89).
  • the indoor unit (40) is provided with an indoor heat exchanger (41) and an indoor side expansion valve (42).
  • the indoor heat exchange (41) is composed of cross fin and tube type heat exchange.
  • An indoor fan (43) is installed near the indoor heat exchanger (41).
  • the indoor fan (43) blows indoor air to the indoor heat exchanger (41).
  • the indoor expansion valve (42) is an electronic expansion valve whose opening degree can be adjusted.
  • the other end of the third connection pipe (13) is connected to the other of the fourth connection pipe (14) via the indoor heat exchange (41) and the indoor expansion valve (42). Connected to the end!
  • the indoor unit (40) is provided with a cooling room temperature sensor (44) and a refrigerant temperature sensor (45) of the indoor heat exchanger (41). [0108] ⁇ Controller>
  • the controller (100) controls the operation of the refrigeration apparatus (120) by switching various valves provided in the refrigerant circuit (15) and adjusting the opening.
  • the controller (100) includes a first control unit (101), a second control unit (102), and a third control unit (103).
  • the first control unit (101) performs inverter control of the operating frequency of the high stage compressor (31) so as to correspond to the load of the refrigerating capacity, and is configured as a first control means.
  • the second control unit (102) performs inverter control of the operating frequency of the low-stage compressor (21) so that the intermediate pressure of the two-stage compression becomes a predetermined value. It is configured.
  • the third control unit (103) replaces the second control unit (102) with the operating frequency of the low stage compressor (21) and the operating frequency of the high stage compressor (31).
  • the third control means is configured to perform control so as to obtain a predetermined target operation frequency derived based on the above.
  • the refrigeration apparatus (120) includes a cooling operation by a single-stage compression refrigeration cycle operation for refrigerated storage in the cooling chamber and a cooling operation by a two-stage compression refrigeration cycle operation for freezing the storage in the cooling chamber And do.
  • the first three-way switching valve (70) and the second three-way switching valve (70) of the option unit (30) are controlled by the controller (100). 71) is set to the second state. Further, the opening degree of the indoor expansion valve (42) is adjusted as appropriate according to the operating conditions. Further, in this cooling operation, the high-stage compressor (31) is operated, while the low-stage compressor (21) is stopped. That is, in the refrigerant circuit (15) during the cooling operation, the refrigerant is compressed only by the high-stage compressor (31), and the suction pressure and the discharge pressure of the high-stage compressor (31) are the single-stage compression refrigeration cycle. Low pressure and high pressure.
  • the high-pressure refrigerant discharged from the high-stage compressor (31) is sent to the outdoor heat exchanger (22) and dissipates heat to the outdoor air to be condensed and liquefied.
  • the high-pressure liquid refrigerant condensed in the outdoor heat exchanger (22) flows through the first connection pipe (11) and is introduced into the optional unit (30). It is.
  • the high-pressure refrigerant flows through the liquid outflow pipe (33b) through the first three-way switching valve (70), and then through the fourth connection pipe (14). Introduced in (40).
  • the high-pressure refrigerant introduced into the indoor unit (40) is decompressed and expanded when passing through the indoor expansion valve (42), and becomes a low-pressure refrigerant.
  • the low-pressure refrigerant flows through the indoor heat exchanger (41), absorbs heat from the indoor air, and evaporates. As a result, the air in the cooling chamber is cooled.
  • the refrigerant evaporated by the indoor heat exchange (41) is also introduced into the optional unit (30) by the third connecting pipe (13) force.
  • the low-pressure refrigerant introduced into the option unit (30) flows through the connection pipe (47), and then flows through the second connection pipe (12) via the second three-way selector valve (71), to the outdoor unit (20 ).
  • the low-pressure refrigerant introduced into the outdoor unit (20) is sucked into the high-stage compressor (31) and compressed to become a high-pressure refrigerant.
  • the first control unit (101) of the controller (100) sets the operation frequency of the high-stage compressor (31) to the cooling load that is the load of the refrigeration capacity.
  • the inverter is controlled so as to correspond to That is, the first control unit (101) controls the operation frequency of the high stage compressor (31) so that the evaporation temperature in the indoor heat exchanger (41) becomes the set temperature Te ° C in the cooling chamber.
  • the first control unit (101) performs high-stage compression so that the suction pressure of the high-stage compressor (31) has a pressure value corresponding to the evaporation pressure corresponding to the set temperature Te ° C. Controls the operating frequency of the machine (31).
  • the first control unit (101) is first connected to the comparison circuit (160) by the set temperature Te ° C and the indoor temperature sensor (44). Calculate the temperature difference between the measured actual temperature in the cooling room. Thereafter, the gain circuit (161) multiplies the difference temperature of the comparison circuit (160) by a constant K to calculate the operating frequency of the high stage compressor (31), and the high stage compressor (31) To control.
  • the first three-way switching valve (70) and the second three-way switching valve (71 in the option unit (30) are controlled by the controller (100). ) Is set to the first state. Further, the opening degree of the indoor expansion valve (42) is appropriately adjusted according to the operating conditions. In this cooling operation, the low-stage compressor (21) and the high-stage compressor (31) are each operated.
  • the refrigerant compressed by the low-stage compressor (21) is further compressed by the high-stage compressor (31), and the low-stage compressor (21)
  • the suction pressure becomes the low pressure of the refrigeration cycle
  • the discharge pressure of the low-stage compressor (21) becomes the intermediate pressure of the refrigeration cycle
  • the discharge pressure of the high-stage compressor (31) becomes the high pressure of the refrigeration cycle
  • the high-pressure refrigerant discharged from the high-stage compressor (31) is sent to the outdoor heat exchanger (22), and the refrigerant dissipates heat to the outdoor air and is condensed and liquefied.
  • the high-pressure liquid refrigerant condensed in the outdoor heat exchanger (22) flows through the first connection pipe (11) and is introduced into the option unit (30).
  • the high-pressure liquid refrigerant flows through the first three-way selector valve (70) and the liquid inflow pipe (33a).
  • the high-pressure liquid refrigerant is decompressed and expanded when passing through the option-side expansion valve (34), becomes an intermediate-pressure refrigerant in a gas-liquid two-phase state, and flows into the gas-liquid separator (33).
  • the gas-liquid separator (33) the gas-liquid two-phase intermediate pressure refrigerant is separated into a gas refrigerant and a liquid refrigerant.
  • the separated saturated gas refrigerant flows through the gas outflow pipe (33c) and is sent to the discharge pipe (21a) of the low-stage compressor (21).
  • the separated liquid refrigerant flows out from the liquid outflow pipe (33b), flows through the fourth connecting pipe (14), and is introduced into the indoor unit (40).
  • the intermediate-pressure liquid refrigerant is decompressed and expanded when passing through the indoor expansion valve (42), and becomes a low-pressure refrigerant.
  • the low-pressure refrigerant absorbs heat from the indoor air and evaporates. As a result, the air in the cooling chamber is cooled.
  • the vaporized low-pressure refrigerant flows through the third connecting pipe (13) and is introduced into the option unit (30).
  • the low-pressure refrigerant flows from the third connection pipe (13) through the suction pipe (21b) of the low-stage compressor (21) and is sucked into the low-stage compressor (21). Compressed and intermediate pressure becomes a refrigerant.
  • the intermediate pressure refrigerant flows through the discharge pipe (21a) of the low-stage compressor (21), and after the saturated gas refrigerant is supplied via the gas outflow pipe (33c), the second three-way switching valve ( 71) Force Flows into the second connecting pipe (12) and is introduced into the outdoor unit (20).
  • the first control unit (101) of the controller (100) corresponds the operating frequency of the high-stage compressor (31) to the cooling load that is the load of the refrigeration capacity. Inverter control is performed. That is, the first controller (101) controls the operating frequency of the high stage compressor (31) so that the evaporation temperature in the indoor heat exchanger (41) becomes the set temperature Te ° C in the cooling chamber. Specifically, the first control unit (101) compresses the high stage side compressor so that the suction pressure of the low stage side compressor (21) becomes a pressure value corresponding to the evaporation pressure corresponding to the set temperature Te ° C. Controls the operating frequency of the machine (31).
  • the first control unit (101) first uses the set temperature Te ° C and the indoor temperature sensor (44) to the comparison circuit (160). Calculate the temperature difference between the measured actual temperature in the cooling room. Thereafter, the gain circuit (161) multiplies the difference temperature of the comparison circuit (160) by a constant K to calculate the operating frequency of the high stage compressor (31), and the high stage compressor (31) To control.
  • the second control unit (102) performs control so that the intermediate pressure of the two-stage compression refrigeration cycle becomes a predetermined value.
  • the predetermined value of the intermediate pressure is such that the second pressure ratio (PMZPL) of the low-stage compressor (21) and the first pressure ratio (PHZPM) of the high-stage compressor (31) are 1:
  • the intermediate pressure value (PM) is 1. That is, the intermediate pressure value (PM) is the geometric mean value ⁇ (PL-PH of the suction pressure (PL) of the low stage compressor (21) and the discharge pressure (PH) of the high stage compressor (31). ) 1/2 ⁇ .
  • the second control unit (102) performs the first pressure ratio (31) of the high-stage compressor (31) in the first division circuit (162).
  • PHZPM the second pressure ratio
  • PMZPL the second pressure ratio of the low-stage compressor (21) is calculated in the second divider circuit (163).
  • the comparison circuit (1 64) the difference between the first pressure ratio (PHZPM) and the second pressure ratio (PMZPL) ⁇ (PH / PM) -(PM / PL) ⁇ is calculated, and gain K is derived from the pressure ratio difference in gain circuit (165).
  • the target operating frequency of the low-stage compressor (21) is derived by multiplying the current frequency of the low-stage compressor (21) by the gain K, and the above-mentioned low frequency is obtained at the target operating frequency.
  • the stage side compressor (21) is controlled to operate.
  • the control by the first control unit (101) and the second control unit (102) is repeatedly performed, so that the high-stage compressor (31) and the low-stage compressor (21) are controlled.
  • the operating frequency corresponds to the refrigeration load and the operating frequency at which the COP is the highest.
  • the first control unit (101) controls the operation frequency of the high-stage compressor (31) so as to correspond to the load of the refrigeration capacity.
  • the second control unit (102) determines that the first pressure ratio (PHZPM) of the high stage compressor (31) and the second pressure ratio (PMZPL) of the low stage compressor (21) are 1: 1. Therefore, since the operation frequency control of the low-stage compressor (21) is controlled, it is possible to perform operation suitable for the load of refrigeration capacity and improve COP. It is possible to perform operation suitable for
  • the first control unit (101) performs the high-stage compressor (31).
  • the operating capacity control is applied to the refrigeration load. Operation capacity control corresponding to refrigeration load by controlling the operation frequency of the stage side compressor (31) Therefore, the configuration of the control means can be simplified.
  • the third control unit (103) controls the operating frequency of the low-stage compressor (21) instead of the second control unit (102). 2Control of the low-stage compressor (21) caused by feedback control of the control unit (102) can be prevented, and operation corresponding to the refrigeration load can be performed quickly.
  • the refrigerant circuit (15) is configured by connecting the optional unit (30) between the outdoor unit (20) and the indoor unit (40).
  • 30) and the outdoor unit (20) are not necessarily separate units, but they may be configured as an integrated outdoor unit.
  • each compression mechanism is not configured by a single compressor. Forces may also be configured.
  • an electromagnetic valve is provided instead of the option side expansion valve (34), and during the heating operation of the two-stage compression refrigeration cycle, the electromagnetic valve is fully opened, and the outdoor expansion valve (42) The pressure may be reduced to an intermediate pressure only.
  • the refrigeration apparatus of the present invention may be applied to a chilling unit or the like.
  • plate heat exchange for cooling and heating water may be provided instead of the indoor heat exchanger in each of the above embodiments.
  • the present invention is useful for controlling the operating capacity of a compression mechanism in a refrigeration apparatus including a refrigerant circuit that includes two compression mechanisms and performs a two-stage compression refrigeration cycle.

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Abstract

　　冷凍装置（10）は、容量可変の低段側圧縮機（21）及び高段側圧縮機（31）を有して２段圧縮冷凍サイクルを行う冷媒回路（15）と、冷凍装置（10）の運転制御を行うコントローラ（100）を備えている。コントローラ（100）は、第１制御部（101）と第２制御部（102）とを備えている。第１制御部（101）は、冷凍能力の負荷に対応するように、低段側圧縮機（21）の運転容量制御を行い、第２制御部（102）は、低段側圧縮機（21）の吸入圧力に対する吐出圧力の比率である第１圧力比と高段側圧縮機（31）の吸入圧力に対する吐出圧力の比率である第２圧力比とが１：１となるように、高段側圧縮機（31）の運転容量制御を行う。

Description

冷凍装置
技術分野
[0001] 本発明は、 2つの圧縮機構を備えて 2段圧縮冷凍サイクルを行う冷媒回路を備え た冷凍装置に関し、特に、圧縮機構の運転容量の制御に係るものである。
背景技術
[0002] 従来から、 2つの圧縮機構を備えて、冷媒の 2段圧縮冷凍サイクルを行う冷凍装 置が知られている（例えば、特許文献 1)。
[0003] 特許文献 1に記載の冷凍装置は、空気調和装置であって、室外ユニットと、室内 ユニットと、主に暖房運転時に 2段圧縮運転を行って能力を増大させるためのパワー アップユニットとを備えている。室外ユニットには、室外膨張弁と室外熱交翻と主圧 縮機構である低段側圧縮機とが設けられ、室内ユニットには、室内熱交^^と室内 膨張弁とが設けられている。パワーアップユニットには、補助圧縮機構である高段側 圧縮機と、ガスラインに設けられたガス膨張弁と、液ラインに設けられた液膨張弁と、 中間冷却器とを備えている。
[0004] 暖房運転時には、パワーアップユニットの高段側圧縮機から吐出された冷媒が、 室内熱交^^において、室内空気と熱交換して凝縮液ィ匕し、室内空気を加熱する。 凝縮した液冷媒は、液膨張弁により中間圧に減圧され中間冷却器に流入し、低段側 圧縮機構から高段側圧縮機構に流れる冷媒を冷却する。その後、冷媒は、室外膨張 弁で減圧されて室外熱交^^において蒸発する。そして、蒸発した冷媒は、低段側 圧縮機構に吸入される。低段側圧縮機構で圧縮された冷媒は、パワーユニットに導 入され、ガス膨張弁を流れた後、中間冷却器において、室内熱交 カゝら流れた液 冷媒により冷却されて高段側圧縮機に流入する。このようにして、 2段圧縮を行うこと により、暖房能力の増大を図っている。
特許文献 1 :特開 2001— 56156号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題 [0005] し力しながら、上記特許文献 1の冷凍装置においては、 2段圧縮冷凍サイクルの 運転時に、 2段圧縮を行う各圧縮機構の運転容量をそれぞれ個別に如何に制御す るかについては何ら考慮されていな力つた。したがって、従来の冷凍装置において、 運転状況に適した制御が行われて 、るとは 、 、難 、と 、う問題点があった。
[0006] 本発明は、斯カる点に鑑みてなされたものであり、 2段圧縮冷凍サイクルを行う冷 媒回路を備えた冷凍装置において、各圧縮機構の運転容量をそれぞれ個別に制御 することにより、運転状況に適した運転を行うことを目的とする。
課題を解決するための手段
[0007] 第 1の発明は、容量可変の第 1圧縮機構 (21,31)と容量可変の第 2圧縮機構 (31, 21)とを有し、 2段圧縮冷凍サイクルを行う冷媒回路（15)を備えた冷凍装置であって、 冷凍能力の負荷に対応するように、上記第 1圧縮機構 (21,31)の運転容量の増減制 御を行う第 1制御手段（101)と、上記 2段圧縮冷凍サイクルの中間圧力が所定値とな るように、上記第 2圧縮機構 (31,21)の運転容量の増減制御を行う第 2制御手段（102 )とを備えている。
[0008] この第 1の発明では、第 1制御手段（101)が、第 1圧縮機構 (21,31)の運転容量の 制御を行うので、冷凍能力の負荷に対応した能力で運転が行われると共に、第 2制 御手段（102)が、第 2圧縮機構 (31,21)の運転容量の制御を行うので、適切な中間圧 力制御が行われる。このように、各圧縮機構 (21,31)をそれぞれ個別に制御すること により、運転状況に適した運転を行う。
[0009] 第 2の発明は、第 1の発明において、上記第 2制御手段（102)は、上記第 1圧縮機 構 (21,31)の吸入圧力に対する吐出圧力の比率である第 1圧力比と上記第 2圧縮機 構 (31,21)の吸入圧力に対する吐出圧力の比率である第 2圧力比とが 1 : 1となるよう に、上記第 2圧縮機構 (31,21)の運転容量を制御する。
[0010] この第 2の発明では、上記第 2制御手段（102)が、上記第 1圧力比と上記第 2圧力 比とが 1 : 1となるように制御することにより、 COPの向上を図る。つまり、圧縮機構 (21, 31)の圧力比が大きくなると、 COPが低下するので、上記 2段圧縮冷凍サイクルにお ける低圧力（PL)に対する高圧力（PH)の比率である圧力比を 2つの圧縮機構 (21,3 1)で等しく分配することにより、 COPを最も高くする。そして、第 2の発明では、第 1の 発明における中間圧力の所定値とは、 2段圧縮冷凍サイクルにおける低圧力（PL)と 高圧力（PH)との相乗平均値 { (PL'PH)1/2}である。
[0011] 第 3の発明は、第 1の発明において、起動時に、上記第 2圧縮機構 (31,21)の運 転容量を上記第 2制御手段（102)に代わり第 1圧縮機構 (21,31)の運転容量に基づ Vヽて導出された所定の目標運転容量となるように制御する第 3制御手段（103)を備え ている。
[0012] この第 3の発明では、起動時に、第 3制御手段（103)が、第 2圧縮機構 (31,21)の 運転容量を第 1圧縮機構 (21,31)の運転容量から導出された所定の目標運転容量と なるように制御し、起動時において冷凍能力の負荷に対応した運転が迅速に行われ るようにする。そして、上記所定の目標運転容量とは、例えば、第 1圧縮機構 (21,31) の運転容量の n倍 (例えば、 n= l. 3)である。つまり、上記第 2制御部（102)が、第 1 制御部（101)が第 1圧縮機構 (21,31)の運転容量を制御した後に、第 2圧縮機構 (31, 21)の運転容量を制御するフィードバック制御を行う場合、起動時に、第 2制御手段（ 102)が第 2圧縮機 (31,21)の容量制御を行うと、フィードバック制御による遅れが生じ て、運転能力が低くなることがある。そこで、起動時には、第 3制御手段（103)が、第 2 圧縮機構 (31,21)の制御を行って、起動時の運転能力の立ち上がり性を向上させる
[0013] 第 4の発明は、第 1の発明において、暖房運転時に、上記第 1圧縮機構 (21,31) 力 低段側圧縮機構 (21)で構成され、上記第 2圧縮機構 (31,21)が、高段側圧縮機 構 (31)で構成されている。そして、上記暖房運転時に、上記第 1制御手段（101)が、 上記高段側圧縮機構 (31)の吐出圧力が所定の目標値となるように、上記低段側圧 縮機構 (21)の運転容量を制御する一方、上記第 2制御手段（102)が、上記中間圧 力が所定値となるように、上記高段側圧縮機構 (31)の運転容量を制御する。
[0014] この第 4の発明では、暖房運転時には、第 1制御手段（101)は、高段側圧縮機構
(31)の吐出圧力が、目標とする凝縮圧力に対応した圧力となるように、低段側圧縮 機構 (21)の運転容量を制御する。
[0015] ここで、低段側圧縮機構 (21)を備えた単段圧縮冷凍サイクルの冷凍装置に、高 段側圧縮機構 (31)を備えたオプションユニット (30)を接続して 2段圧縮冷凍サイクル の冷凍装置とする場合がある。オプションユニット (30)を用いな!/、単段圧縮冷凍サイ クルでは、低段側圧縮機構 (21)の運転容量制御により冷凍能力の負荷である暖房 負荷に対応した運転能力制御が行われる。また、 2段圧縮冷凍サイクルにおいても、 低段側圧縮機構 (21)の運転容量制御による運転能力制御をそのまま適用する。つ まり、第 1制御手段（101)が、単段圧縮冷凍サイクル及び 2段圧縮冷凍サイクルの何 れの運転においても、低段側圧縮機構 (21)の運転容量の制御を行って、暖房負荷 に対応した運転を行う。
[0016] 第 5の発明は、第 1の発明において、冷却運転時に、上記第 1圧縮機構 (21,31) 力 高段側圧縮機構で構成され、上記第 2圧縮機構 (31,21)が、低段側圧縮機構で 構成されている。そして、上記冷却運転時に、上記第 1制御手段（101)が、上記低段 側圧縮機構 (21)の吸入圧力が所定の目標値となるように、上記高段側圧縮機構 (31 )の運転容量を制御する一方、上記第 2制御手段（102)が、上記中間圧力が所定値 となるように、上記低段側圧縮機構 (21)の運転容量を制御する。
[0017] この第 5の発明では、冷却運転時に、第 1制御手段（101)が、低段側圧縮機構 (2 1)の吸入圧力が、目標とする蒸発圧力に対応した圧力となるように、高段側圧縮機 構 (31)の運転容量を制御する。
[0018] ここで、高段側圧縮機構 (31)を備えた単段圧縮冷凍サイクルの冷凍装置に、低 段側圧縮機構 (21)を備えたオプションユニット (30)を接続して 2段圧縮冷凍サイクル の冷凍装置とする場合がある。オプションユニット (30)を用いな!/、単段圧縮冷凍サイ クルでは、高段側圧縮機構 (31)の運転容量制御により冷凍能力の負荷である冷却 負荷に対応した運転能力制御が行われる。また、 2段圧縮冷凍サイクルにおいても、 高段側圧縮機構 (31)の運転容量制御による運転能力制御をそのまま適用する。つ まり、第 1制御手段（101)が、単段圧縮冷凍サイクル及び 2段圧縮冷凍サイクルの何 れの運転においても、高段側圧縮機構 (31)の運転容量の制御を行って、冷却負荷 に対応した運転を行うことができる。
[0019] 第 6の発明は、第 1の発明において、上記第 1圧縮機構 (21,31)及び上記第 2圧 縮機構 (31,21)は、インバータ制御される。
[0020] この第 6の発明では、上記第 1圧縮機構 (21,31)及び上記第 2圧縮機構 (31,21) の容量制御を容易に行う。
発明の効果
[0021] 上記第 1の発明によれば、第 1制御手段（101)と第 2制御手段（102)とが、各圧縮 機構 (21,31)をそれぞれ個別に制御するようにしたために、運転状況に適した運転を 行うことができる。
[0022] また、上記第 2の発明によれば、上記第 2制御手段（102)力 上記第 1圧力比と上 記第 2圧力比とが 1 : 1となるように制御するようにしたために、 COPを最も高くすること ができる。
[0023] また、上記第 3の発明によれば、起動時に、第 3制御手段（103)が、第 2圧縮機構
(31,21)の運転容量を第 1圧縮機構 (21,31)の運転容量力も導出された所定の目標 運転容量となるように制御するようにしたために、冷凍能力の負荷に対応した運転を 迅速に行うことができる。ここで、上記所定の目標運転容量とは、例えば、第 1圧縮機 構 (21,31)の運転容量の n倍 (例えば、 n= l . 3)である。これにより、上記第 2制御部 (102)が、上記第 1制御部（101)が第 1圧縮機構 (21,31)の運転容量を制御した後に 、この運転容量を基に第 2圧縮機構 (31,21)のフィードバック制御を行う場合であって も、起動時の運転能力の立ち上がり性を向上させることができる。
[0024] また、上記第 4の発明によれば、暖房運転時には、上記第 1制御手段（101)が、 上記高段側圧縮機構 (31)の吐出圧力が所定の目標値となるように、上記低段側圧 縮機構 (21)の運転容量を制御するようにしたために、高段側圧縮機構 (31)の吐出 圧力を目標とする凝縮温度の凝縮圧力に対応する圧力値となるように、低段側圧縮 機構 (21)の容量制御を行って、冷凍能力の負荷である暖房負荷に対応させることが できる。
[0025] また、低段側圧縮機構 (21)を備えた単段圧縮冷凍サイクルの冷凍装置に、高段 側圧縮機構 (31)を備えたオプションユニット (30)を接続して 2段圧縮冷凍サイクルの 冷凍装置とする場合がある。オプションユニット（30)を用いな!/、単段圧縮冷凍サイク ルでは、低段側圧縮機構 (21)の運転容量制御により冷凍能力の負荷である暖房負 荷に対応した運転能力制御が行われる。そして、 2段圧縮冷凍サイクルにおいても、 低段側圧縮機構 (21)の運転容量制御による運転能力制御をそのまま適用される。 つまり、第 1制御手段（101)が、単段圧縮冷凍サイクル及び 2段圧縮冷凍サイクルの 何れの運転においても、低段側圧縮機構 (21)の運転容量の制御して暖房負荷に対 応した運転を行うことができるので、制御手段の構成が簡素化される。
[0026] また、上記第 5の発明によれば、冷却運転時には、上記第 1制御手段（101)が、 上記低段側圧縮機構 (21)の吸入圧力が所定の目標値となるように、上記高段側圧 縮機構 (31)の運転容量を制御するようにしたために、上記低段側圧縮機構 (21)の 吸入圧力を目標とする蒸発温度の蒸発圧力に対応する圧力値となるように、高段側 圧縮機構 (31)の容量制御を行って、冷凍能力の負荷である冷却負荷に対応させる ことができる。
[0027] また、高段側圧縮機構 (31)を備えた単段圧縮冷凍サイクルの冷凍装置に、低段 側圧縮機構 (21)を備えたオプションユニット (30)を接続して 2段圧縮冷凍サイクルの 冷凍装置とする場合がある。オプションユニット（30)を用いな!/、単段圧縮冷凍サイク ルでは、高段側圧縮機構 (31)の運転容量制御により冷凍能力の負荷である冷却負 荷に対応した運転能力制御が行われる。そして、 2段圧縮冷凍サイクルにおいても、 高段側圧縮機構 (31)の運転容量制御による運転能力制御をそのまま適用される。 つまり、第 1制御手段（101)が、単段圧縮冷凍サイクル及び 2段圧縮冷凍サイクルの 何れの運転においても、高段側圧縮機構 (31)の運転容量の制御して冷却負荷に対 応した運転を行うことができるので、制御手段の構成が簡素化される。
[0028] また、上記第 6の発明によれば、上記第 1圧縮機構 (21,31)及び上記第 2圧縮機 構 (31,21)力 Sインバータ制御されるようにしたために、上記第 1圧縮機構 (21,31)及び 上記第 2圧縮機構 (31,21)の容量制御を容易に行うことができる。
図面の簡単な説明
[0029] [図 1]図 1は、実施形態 1に係る空気調和装置の冷媒回路を示す配管系統図である。
[図 2]図 2は、実施形態 1の係る空気調和装置の冷房運転時における冷媒の流れを 示す配管系統図である。
[図 3]図 3は、実施形態 1の係る空気調和装置の単段圧縮冷凍サイクルの暖房運転 時における冷媒の流れを示す配管系統図である。
[図 4]図 4は、実施形態 1に係る空気調和装置の 2段圧縮冷凍サイクルの暖房運転時 における冷媒の流れを示す配管系統図である。
[図 5]図 5は、実施形態 1に係る空気調和装置の低段側圧縮機及び高段側圧縮機の 運転周波数制御を示すフローチャートである。
[図 6]図 6は、実施形態 2の係る冷凍装置の冷媒回路を示す配管系統図である。
[図 7]図 7は、実施形態 2に係る冷凍装置の単段圧縮冷凍サイクルの冷却運転時に おける冷媒の流れを示す配管系統図である。
[図 8]図 8は、実施形態 2に係る冷凍装置の 2段圧縮冷凍サイクルの冷却運転時にお ける冷媒の流れを示す配管系統図である。
[図 9]図 9は、実施形態 2に係る冷凍装置の低段側圧縮機及び高段側圧縮機の運転 周波数制御を示すフローチャートである。
符号の説明
10 空気調和装置 (冷凍装置）
15 冷媒回路
21 低段側圧縮機 (第 1圧縮機構、第 2圧縮機構)
31 高段側圧縮機 (第 1圧縮機構、第 2圧縮機構)
101 第 1制御部 (第 1制御手段）
102 第 2制御部 (第 2制御手段）
103 第 3制御部 (第 3制御手段）
120 冷凍装置
発明を実施するための最良の形態
[0031] 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。
[0032] 《発明の実施形態 1》
本発明の実施形態 1は、図 1に示すように、冷房運転と暖房運転とが可能なヒート ポンプ式の空気調和装置（10)である。該空気調和装置（10)は、室外に設置される 室外ユニット（20)と、増設用のユニットを構成するオプションユニット（30)と、室内に 設置される室内ユニット (40)と、空気調和装置（10)の運転制御を行うコントローラ（10 0)とを備えている。上記室外ユニット (20)は、第 1連絡配管（11)及び第 2連絡配管（1 2)を介してオプションユニット（30)と接続されている。また、室内ユニット（40)は、第 3 連絡配管（13)及び第 4連絡配管（14)を介してオプションユニット (30)と接続されて!、 る。これにより、上記空気調和装置（10)では、冷媒が循環して蒸気圧縮式の冷凍サ イタルが行われる冷媒回路（15)が構成されている。
[0033] なお、オプションユニット（30)は、既設のセパレート型の空気調和装置のパワーァ ップユニットを構成している。具体的に、既設の空気調和装置では、室外ユニット (20 )と室内ユニット (40)とから成る冷媒回路で、単段圧縮冷凍サイクル動作による冷房 運転及び暖房運転時が行われるものであつたのに対し、これら室外ユニット (20)及 び室内ユニット (40)の間にオプションユニット (30)を接続することで、 2段圧縮冷凍サ イタル動作による暖房運転が可能となる。
[0034] 〈室外ユニット〉
上記室外ユニット (20)には、低段側圧縮機 (21)、室外熱交換器 (22)、室外側膨 張弁 (25)、及び四路切換弁 (23)が設けられて 、る。
[0035] 上記低段側圧縮機 (21)は、スクロール圧縮機であって、インバータを介して電力 が供給されて運転周波数が可変に構成され、該インバータの出力周波数を変化させ て圧縮機モータの回転速度を変化させる。つまり、上記低段側圧縮機 (21)は、イン バータ制御により容量が可変な第 1圧縮機構に構成されている。
[0036] 上記室外熱交 (22)は、クロスフィンアンドチューブ式の熱交^^で構成され ている。室外熱交翻 (22)の近傍には、室外ファン (24)が設置されている。室外ファ ン (24)は、室外熱交換器 (22)へ室外空気を送風する。上記室外側膨張弁 (25)は、 開度調節可能な電子膨張弁で構成されて 、る。
[0037] 上記四路切換弁 (23)は、第 1から第 4までの 4つのポートを備えている。四路切換 弁 (23)では、第 1ポートが低段側圧縮機 (21)の吐出管 (21a)と接続され、第 2ポート が低段側圧縮機 (21)の吸入管 (21b)と接続されている。また、四路切換弁 (23)では 、第 3ポートが室外熱交換器 (22)及び室外側膨張弁 (25)を介して第 2連絡配管（12) の一端と接続され、第 4ポートが第 1連絡配管（11)の一端と接続されている。この四 路切換弁 (23)は、第 1ポートと第 4ポートとが連通すると同時に、第 2ポートと第 3ポー トとが連通する第 1状態（図 1に実線で示す状態)と、第 1ポートと第 3ポートとが連通 すると同時に、第 2ポートと第 4ポートとが連通する第 2状態（図 1に点線で示す状態） とに切り換え可能に構成されている。
[0038] 上記低段側圧縮機 (21)の吐出管 (21a)には、低段側油分離器 (26)が設けられて いる。該低段側油分離器 (26)には、第 1油戻し管 (27)の一端が接続され、該第 1油 戻し管 (27)の他端は、低段側圧縮機 (21)の吸入管 (21b)と接続されている。また、第 1油戻し管（27)には、第 1キヤビラリ一チューブ (28)が設けられている。このようにして 、低段側油分離器 (26)で分離された冷凍機油が、第 1油戻し管 (27)を流れる際に減 圧されて低段側圧縮機 (21)に戻されるように構成されて!ヽる。
[0039] また、室外ユニット (20)には、各種センサが設けられている。具体的に、低段側圧 縮機構 (21)の吐出管 (21a)には、吐出圧力センサ (82)及び吐出温度センサ (86)が 、吸入管（21b)には、吸入圧力センサ（83)及び吸入温度センサ (87)が設けられてい る。また、外気温センサ（18)と室外熱交 (22)の冷媒温度センサ (29)とが設けら れている。
[0040] 〈オプションユニット〉
上記オプションユニット (30)には、高段側圧縮機 (31)、三路切換弁 (32)、気液分 離器 (33)及びオプション側膨張弁 (34)が設けられて 、る。
[0041] 上記高段側圧縮機 (31)は、スクロール圧縮機であって、インバータを介して電力 が供給されて運転周波数が可変に構成され、該インバータの出力周波数を変化させ て圧縮機モータの回転速度を変化させる。つまり、上記高段側圧縮機 (31)は、イン バータ制御により容量が可変な第 2圧縮機構に構成されている。
[0042] 上記三路切換弁 (32)は、第 1から第 3までの 3つのポートを備えている。三路切換 弁 (32)では、第 1のポートが高段側圧縮機 (31)の吐出管 (31a)と接続され、該吐出 管 (31a)の途中には、第 3連絡配管（13)の一端が接続されている。また、三路切換弁 (32)の第 2のポートが高段側圧縮機 (31)の吸入管 (31b)と接続され、第 3のポートが 第 1連絡配管（11)の他端と接続されている。この三路切換弁 (32)は、第 2ポートと第 3ポートとが連通する第 1状態（図 1に実線で示す状態)と、第 1ポートと第 3ポートとを 連通する第 2状態（図 1に点線で示す状態）とに切り換え可能に構成されている。
[0043] 上記気液分離器 (33)は、気液二相状態の冷媒を液冷媒とガス冷媒とに分離する ものである。具体的に、気液分離器 (33)は、円筒状の密閉容器で構成され、下部に 液冷媒貯留部が形成される一方、その上側にガス冷媒貯留部が形成されている。上 記気液分離器 (33)には、その胴部を貫通してガス冷媒貯留部に臨む液流入管 (33a )と液冷媒貯留部に臨む液流出管 (33b)とがそれぞれ接続されている。また、気液分 離器 (33)には、その頂部を貫通してガス冷媒貯留部に臨むガス流出管 (33c)も接続 されている。
[0044] 液流入管 (33a)の流入端と、液流出管 (33b)の流出端とは、第 4連絡配管（14)の 一端力 第 2連絡配管（12)の他端まで延びる主配管 (35)の途中に、第 4連絡配管（ 14)側から順にそれぞれ接続されている。また、液流入管（33a)には、上記オプション 側膨張弁 (34)が設けられている。このオプション側膨張弁 (34)は、開度調節可能な 電子膨張弁で構成されている。一方、ガス流出管 (33c)の流出端は、高段側圧縮機（ 31)の吸入管（31b)の途中に接続されて 、る。
[0045] また、オプションユニット（30)には、高段側圧縮機 (31)の吐出管（31a)に高段側 油分離器 (36)が設けられている。この高段側油分離器 (36)には、第 2油戻し管 (37) の一端が接続され、該第 2油戻し管 (37)の他端は、高段側圧縮機 (31)の吸入管 (31 b)のガス流出管 (33c)の接続部と高段側圧縮機 (31)との間に接続されて ヽる。また、 第 2油戻し管 (37)には、第 2キヤビラリ一チューブ (38)が接続されている。このように して、高段側油分離器 (36)で分離された冷凍機油が、第 2油戻し管 (37)を通って減 圧されて高段側圧縮機 (31)に戻されるように構成されて ヽる。
[0046] オプションユニット（30)には、開閉の切り換えが行われる電磁弁や、冷媒の流れを 規制する逆止弁も設けられている。具体的に、上記主配管 (35)には、液流入管 (33a )の接続部と液流出管（33b)の接続部との間に電磁弁 (SV)が設けられて 、る。また、 上記液流出管 (33b)には第 1逆止弁 (CV-1)が、高段側圧縮機 (31)の吐出管 (31a) には第 2逆止弁 (CV-2)がそれぞれ設けられている。なお、第 1,第 2逆止弁 (CV-1, CV-2)は、それぞれ図 1の矢印で示す方向のみの冷媒の流れを許容している。
[0047] また、オプションユニット（30)には、各種センサが設けられている。具体的に、高 段側圧縮機構 (31)の吐出管 (31a)には、吐出圧力センサ (80)及び吐出温度センサ (84)力 吸入管（31b)には、吸入圧力センサ（81)及び吸入温度センサ（85)が設けら れている。また、気液分離器 (33)の液流出管（33b)には、温度センサ（88)と圧力セン サ（89)とが設けられている。
[0048] 〈室内ユニット〉
上記室内ユニット (40)には、室内熱交換器 (41)及び室内側膨張弁 (42)が設けら れている。室内熱交 (41)は、クロスフィンアンドチューブ式の熱交^^で構成さ れている。室内熱交^^ (41)の近傍には、室内ファン (43)が設置されている。室内 ファン (43)は、室内熱交換器 (41)へ室内空気を送風する。上記室内側膨張弁 (42) は、開度調節可能な電子膨張弁で構成されている。
[0049] 室内ユニット (40)においては、第 3連絡配管（13)の他端が、室内熱交翻 (41) 及び室内側膨張弁 (42)を介して第 4連絡配管（14)の他端に接続されて!、る。
[0050] また、室内ユニット (40)には、室内温度センサ (44)と、室内熱交換器 (41)の冷媒 温度センサ (45)が設けられて 、る。
[0051] 〈コントローラ〉
上記コントローラ（100)は、上記冷媒回路（15)に設けられた各種の弁の切換や開 度調整等を行って、上記空気調和装置（10)の運転動作の制御を行うものである。ま た、上記コントローラ（100)は、第 1制御部（101)と第 2制御部（102)と第 3制御部（103 )とを備えている。上記第 1制御部（101)は、冷凍能力の負荷に対応するように、低段 側圧縮機 (21)の運転周波数をインバータ制御するものであって、第 1制御手段に構 成されている。上記第 2制御部（102)は、 2段圧縮冷凍サイクルの中間圧力が所定値 となるように、上記高段側圧縮機 (31)の運転周波数をインバータ制御するものであつ て、第 2制御手段に構成されている。上記第 3制御部（103)は、起動時に、上記第 2 制御部（102)に代わって、高段側圧縮機 (31)の運転周波数を、低段側圧縮機 (21) の運転周波数に基づ ヽて導出された所定の目標運転周波数となるようにインバータ 制御するものであって、第 3制御手段に構成されている。
[0052] 運転動作
次に、本実施形態の空気調和装置（10)の運転動作について説明する。
[0053] 上記空気調和装置（10)は、単段圧縮冷凍サイクルによる冷房運転及び暖房運転 と、 2段圧縮冷凍サイクルによる暖房運転とを行う。
[0054] 〈冷房運転〉 冷房運転では、図 2に示すように、コントローラ（100)の制御により、四路切換弁 (2 3)及び三路切換弁 (32)が第 2状態に設定され、電磁弁 (SV)が開の状態に設定され る。また、室外側膨張弁 (25)が全開の状態に、オプション側膨張弁 (34)が全閉の状 態に、それぞれ設定される一方、室内側膨張弁 (42)の開度が運転条件に応じて適 宜調節される。更に、この冷房運転では、低段側圧縮機 (21)が運転される一方、高 段側圧縮機 (31)は停止状態となる。つまり、冷房運転時の冷媒回路（15)では、低段 側圧縮機 (21)のみで冷媒が圧縮され、該低段側圧縮機 (21)の吸入圧力及び吐出 圧力とが、単段圧縮冷凍サイクルの低圧力及び高圧力となる。
[0055] 室外ユニット (20)において、低段側圧縮機 (21)力も吐出された高圧冷媒は、室外 熱交換器 (22)を流れて、室外空気へ放熱して凝縮液化する。室外熱交換器 (22)で 凝縮した液冷媒は、全開状態の室外側膨張弁 (25)を通って第 2連絡配管（12)を流 れ、オプションユニット（30)に導入される。
[0056] オプションユニット (30)にお 、ては、高圧液冷媒が、主配管（35)を流れ、第 4連絡 配管（14)を流れて室内ユニット (40)に導入される。
[0057] 室内ユニット (40)に導入された冷媒は、室内側膨張弁 (42)を通過する際に減圧 されて膨張し、低圧冷媒となる。該低圧冷媒は、室内熱交換器 (41)を流れて、室内 空気から吸熱して蒸発する。この結果、室内空気が冷却され、冷房が行われる。室内 熱交換器 (41)で蒸発した冷媒は、第 3連絡配管（13)力もオプションユニット (30)に導 入され、三路切換弁 (32)を介して第 1連絡配管（11)を流れ、室外ユニット (20)へ導 入される。室外ユニット (20)に導入された低圧冷媒は、低段側圧縮機 (21)に吸入さ れ、圧縮されて高圧冷媒となる。
[0058] 〈冷房運転時の制御〉
冷房運転においては、上記コントローラ（100)の第 1制御部（101)が、上記低段側 圧縮機 (21)の運転周波数を、冷凍能力の負荷である冷房負荷に対応するようにイン バータ制御する。つまり、第 1制御部（101)は、室内熱交 (41)における蒸発温度 が室内の設定温度 Te°Cとなるように低段側圧縮機 (21)の運転周波数を制御する。 具体的に、第 1制御部（101)は、低段側圧縮機 (21)の吸入圧力が、設定温度 Te°C に相当する蒸発圧力に対応した圧力値となるように、低段側圧縮機 (21)の運転周波 数を制御する。
[0059] そこで、上記第 1制御部（101)は、図 5 (a)に示すように、まず、比較回路（150)に おいて、設定温度 Te°Cと室内温度センサ (44)で測定される実際の室内温度との差 温を算出する。その後、ゲイン回路（151)において、上記比較回路（150)の差温に定 数 Kを乗算して低段側圧縮機 (21)の運転周波数を算出し、該低段側圧縮機 (21)を 制御する。
[0060] なお、上記高段側圧縮機 (31)は停止状態であるので、上記第 2制御部（102)の 制御は行われない。
[0061] 〈単段圧縮冷凍サイクルの暖房運転〉
単段圧縮冷凍サイクルの暖房運転では、図 3に示すように、コントローラ（100)の 制御により、四路切換弁 (23)が第 1状態に設定され、三路切換弁 (32)が第 2状態に 設定され、電磁弁 (SV)が開の状態に設定される。また、オプション側膨張弁 (34)が 全閉の状態に、室内側膨張弁 (42)を全開の状態に、それぞれ設定され、室外膨張 弁 (25)が運転条件に応じて適宜制御される。更に、この暖房運転では、低段側圧縮 機 (21)が運転される一方、高段側圧縮機 (31)は停止状態となる。つまり、この暖房 運転における冷媒回路（15)では、低段側圧縮機 (21)のみで冷媒が圧縮され、該低 段側圧縮機 (21)の吸入圧力及び吐出圧力とが、単段圧縮冷凍サイクルの低圧力及 び高圧力となる。
[0062] 室外ユニット (20)において、低段側圧縮機 (21)力も吐出された高圧冷媒は、四路 切換弁 (23)を介して第 1連絡配管（11)を流れ、オプションユニット (30)に導入される
[0063] オプションユニット (30)に導入された高圧冷媒は、三路切換弁 (32)を介して第 3 連絡配管（13)を流れて室内ユニット (40)に導入される。
[0064] 室内ユニット (40)にお 、て、高圧冷媒は、室内熱交換器 (41)を流れて、室内空 気へ放熱して凝縮液化する。この結果、室内空気が加熱され、暖房が行われる。室 内熱交換器 (41)で凝縮した液冷媒は、全開状態の室内側膨張弁 (42)を通って第 4 連絡配管（14)を流れ、オプションユニット（30)に導入される。
[0065] オプションユニット (30)に導入された高圧の液冷媒は、主配管（35)を流れ、第 2 連絡配管（12)を流れて室外ユニット (20)に導入される。
[0066] 室外ユニット (20)に導入された冷媒は、室外側膨張弁 (25)を通過する際に減圧 されて膨張し、低圧冷媒となる。該低圧冷媒は、室外熱交換器 (22)を流れて、室外 空気から吸熱して蒸発する。室外熱交換器 (22)で蒸発した低圧冷媒は、四路切換 弁 (23)を介して低段側圧縮機 (21)に吸入され、圧縮されて高圧冷媒となる。
[0067] 〈単段圧縮冷凍サイクルの暖房運転時の制御〉
単段圧縮冷凍サイクルの暖房運転においては、上記コントローラ（100)の第 1制 御部（101)が、上記低段側圧縮機 (21)の運転周波数を、冷凍能力の負荷である暖 房負荷に対応するようにインバータ制御する。つまり、第 1制御部（101)は、室内熱交 換器 (41)における凝縮温度が室内の設定温度 Tc°Cとなるように、低段側圧縮機 (21 )の運転周波数を制御する。具体的に、第 1制御部（101)は、低段側圧縮機 (21)の 吐出圧力が、設定温度 Tc°Cに相当する凝縮圧力に対応した圧力値となるように、低 段側圧縮機 (21)の運転周波数を制御する。
[0068] そこで、上記第 1制御部（101)は、図 5 (a)に示すように、まず、比較回路（150)に おいて、設定温度 Tc°Cと室内温度センサ (44)で測定される実際の室内温度との差 温を算出する。その後、ゲイン回路（151)において、上記比較回路（150)の差温に定 数 Kを乗算して低段側圧縮機 (21)の運転周波数を算出し、該低段側圧縮機 (21)を 制御する。
[0069] なお、上記高段側圧縮機 (31)は停止状態であるので、上記第 2制御部（102)の 制御は行われない。
[0070] 〈2段圧縮冷凍サイクルの暖房運転〉
2段圧縮冷凍サイクルの暖房運転では、図 4に示すように、コントローラ（100)の制 御により、四路切換弁 (23)及び三路切換弁 (32)が第 1状態に設定され、電磁弁 (SV )が閉の状態に設定される。また、室内側膨張弁 (42)、オプション側膨張弁 (34)、及 び室外膨張弁 (25)の開度が運転条件に応じて適宜調節される。また、この暖房運転 では、低段側圧縮機 (21)及び高段側圧縮機 (31)がそれぞれ運転される。つまり、こ の暖房運転時の冷媒回路（15)では、低段側圧縮機 (21)で圧縮された冷媒が高段 側圧縮機 (31)で更に圧縮され、該低段側圧縮機 (21)の吸入圧力が冷凍サイクルの 低圧力となり、該低段側圧縮機 (21)の吐出圧力が冷凍サイクルの中間圧力となり、 該高段側圧縮機 (31)の吐出圧力が冷凍サイクルの高圧力となる 2段圧縮冷凍サイク ルが行われる。
[0071] オプションユニット (30)において、高段側圧縮機 (31)から吐出された高圧冷媒は
、第 3連絡配管（13)を流れて室内ユニット (40)に導入される。
[0072] 室内ユニット (40)にお 、て、高圧冷媒は、室内熱交換器 (41)を通過する際に、室 内空気へ放熱して凝縮液化する。この結果、室内空気が加熱され、暖房が行われる
[0073] 室内熱交換器 (41)で凝縮した液冷媒は、室内側膨張弁 (42)を通過した後、第 4 連絡配管（14)を流れてオプションユニット（30)に導入され、主配管（35)からォプショ ン側膨張弁 (34)を通過し、液流入管 (33a)に流れる。液冷媒は、室内側膨張弁 (42) とオプション側膨張弁 (34)とにより、段階的に減圧されて張し、気液二相状態の中間 圧冷媒となり、気液分離器 (33)へ流入する。
[0074] 気液分離器 (33)では、気液二相状態の中間圧冷媒が、ガス冷媒と液冷媒とに分 離される。分離された飽和状態のガス冷媒は、ガス流出管 (33c)を流れて高段側圧 縮機 (31)の吸入管 (31b)へ送られる。一方、分離された液冷媒は、液流出管 (33b) 力 流出し、第 2連絡配管（12)を流れて室外ユニット (20)に導入される。
[0075] 室外ユニット (20)に導入された中間圧液冷媒は、室外側膨張弁 (25)を通過する 際、減圧されて膨張し低圧冷媒となり、室外熱交換器 (22)を通過する際に、室外空 気から吸熱して蒸発する。室外熱交換器 (22)で蒸発した低圧冷媒は、四路切換弁（ 23)を介して低段側圧縮機 (21)に吸入される。低段側圧縮機 (21)では、低圧冷媒が 圧縮されて中間圧冷媒となり、該中間圧冷媒は、四路切換弁 (23)を介して第 1連絡 配管（11)を流れ、オプションユニット（30)に導入される。
[0076] オプションユニット (30)においては、低段側圧縮機 (21)から吐出した中間圧冷媒 力 三路切換弁 (32)を通って高段側圧縮機 (31)の吸入管 (31b)を流れる。中間圧 冷媒は、吸入管 (31b)を流れる際に、ガス流出管 (33c)から供給されて高段側圧縮機 (31)に吸入される。高段側圧縮機 (31)では、中間圧冷媒が圧縮されて高圧冷媒とな る。 [0077] 以上のようにして、 2段圧縮冷凍サイクルの暖房運転では、中間圧の気液二相状 態の冷媒を気液分離器 (33)でガス冷媒と液冷媒とに分離し、分離後のガス冷媒を高 段側圧縮機 (31)へ戻すことにより、室外熱交換器 (22)へは液冷媒だけが送られるの で、気液分離器 (33)から室外熱交換器 (22)までの液配管の圧力損失が低減すると ともに、液冷媒の一部が蒸発して配管内に残存する、いわゆるフラッシュ現象の発生 も抑制される。
[0078] 〈2段圧縮冷凍サイクルの暖房運転時の制御〉
2段圧縮冷凍サイクルの暖房運転時においては、上記コントローラ（100)の第 1制 御部（101)による低段側圧縮機 (21)の制御と、第 2制御部（102)及び第 3制御部（10 3)による高段側圧縮機 (21,31)のインバータ制御が行われる。
[0079] まず、第 1制御部（101)が、図 5 (a)に示すように、冷凍能力の負荷である暖房負 荷に対応するように、上記低段側圧縮機 (21)の運転周波数を制御する。つまり、第 1 制御部（101)は、室内熱交換器 (41)における凝縮温度が室内の設定温度 Tc°Cとな るように低段側圧縮機 (21)の運転周波数を制御する。具体的に、第 1制御部（101) は、高段側圧縮機 (31)の吐出圧力が、設定温度 Tc°Cに相当する凝縮圧力に対応し た圧力値となるように、低段側圧縮機 (21)の運転周波数を制御する。
[0080] そこで、上記第 1制御部（101)は、図 5 (a)に示すように、まず、比較回路（150)に おいて、設定温度 Tc°Cと室内温度センサ (44)で測定される実際の室内温度との差 温を算出する。その後、ゲイン回路（151)において、上記比較回路（150)の差温に定 数 Kを乗算して低段側圧縮機 (21)の運転周波数を算出し、該低段側圧縮機 (21)を 制御する。
[0081] 一方、上記第 2制御部（102)が、低段側圧縮機 (21)と高段側圧縮機 (31)との間 の中間圧力（PM)が所定値となるように制御を行う。本実施形態では、上記中間圧 力の所定値は、低段側圧縮機 (21)の吸入圧力（PL)に対する吐出圧力（PM)の比 率である第 1圧力比 (PMZPL)と高段側圧縮機 (31)の吸入圧力（PM)に対する吐 出圧力（PH)の比率である第 2圧力比（PHZPM)とが 1： 1となる中間圧力値である 。つまり、該中間圧力値は、低段側圧縮機 (21)の吸入圧力 (PL)と高段側圧縮機 (31 )の吐出圧力（PH)との相乗平均値 { (PL'PH)1/2}である。 [0082] 具体的に、第 2制御部（102)は、図 5 (b)に示すように、第 1除算回路（152)におい て、低段側圧縮機 (21)の第 1圧力比 (PMZPL)を算出し、第 2除算回路（153)にお いて、上記高段側圧縮機 (31)の第 2圧力比 (PHZPM)を算出する。そして、比較回 路（154)にお 、て、第 1圧力比（PMZPL)と第 2圧力比（PHZPM)との差 { (PM/ PL) - (PHZPM) }を算出し、ゲイン回路（155)で、該圧力比の差からゲイン Kを導 出する。そして、導出回路（156)において、現在の高段側圧縮機 (31)の運転周波数 にゲイン Kを乗じて高段側圧縮機 (31)の目標運転周波数を導出し、該目標運転周 波数で上記高段側圧縮機 (31)が運転されるように制御する。
[0083] なお、本実施形態では、低段側圧縮機 (21)の吸入圧力（PL)は、吸入圧力セン サ (83)の測定値を、吐出圧力（PM)は、吐出圧力センサ (82)の測定値をそれぞれ 用い、高段側圧縮機 (31)の吸入圧力（PM)は、吸入圧力センサ (81)の測定値を、 吐出圧力（PH)は、吐出圧力センサ (80)の測定値をそれぞれ用いるが、その他の値 を用いてもよい。具体的に、中間圧力（PM)である低段側圧縮機 (21)の吐出圧力（P M)と高段側圧縮機 (31)の吸入圧力（PM)には、気液分離器 (33)の液流出管 (33b) の圧力センサ (89)の測定値、液流出管（33b)の温度センサ（89)の測定値に相当す る飽和圧力を用いることもできる。また、高段側圧縮機 (31)の吐出圧力（PH)は、室 内熱交換器 (41)における凝縮温度対応する凝縮圧力を、低段側圧縮機 (21)の吸入 圧力（PL)は、室外熱交換器 (22)における蒸発温度に対応する蒸発圧力を、それぞ れ簡易的に用いてもよい。
[0084] そして、この第 1制御部（101)と第 2制御部（102)とによる制御が繰り返し行われる ことにより、高段側圧縮機 (31)及び低段側圧縮機 (21)の運転周波数が、暖房負荷 に対応し且つ COPが最も高くなる運転周波数となる。
[0085] また一方、この 2段圧縮冷凍サイクルの暖房運転では、起動時に、第 3制御部（10 3)が、第 2制御部（102)に代わり、高段側圧縮機 (31)の運転周波数を制御する。具 体的に、第 3制御部（103)は、高段側圧縮機 (31)の運転周波数が低段側圧縮機 (21 )の運転周波数の n倍 (例えば、 n= l. 3)となるように制御する。つまり、上記第 2制 御部（102)は、中間圧力を上記所定値とするために、第 1制御部（101)により低段側 圧縮機 (21)の運転周波数が変動するのに追随して、高段側圧縮機 (31)の運転周波 数も変動させるフィードバック制御を行うので、起動時に、該フィードバック制御による 遅れが生じて所定の運転能力になるまでに長時間を要することを防止する。
[0086] 一実施形態 1の効果
本実施形態では、暖房運転時の 2段圧縮式の冷凍サイクルにおいて、第 1制御 部（101)が、冷凍能力の負荷である暖房負荷に対応するように、低段側圧縮機 (21) の運転周波数制御を行い、第 2制御部（102)が、低段側圧縮機 (21)の第 1圧力比 (P M/PL)と高段側圧縮機 (31)の第 2圧力比 (PHZPM)とが 1： 1となるように、高段 側圧縮機 (31)の運転周波数を制御したために、暖房負荷に適した運転を行うことが できると共に、 COPの向上を図ることができるので、運転条件に適した運転を行うこと ができる。
[0087] また、本実施形態では、既設の室外ユニット（20)と室内ユニット (40)とによる単段 圧縮冷凍サイクルの運転にぉ 、て、第 1制御部（101)が低段側圧縮機 (21)の運転周 波数制御を行って冷凍負荷に対応した運転能力制御を行い、オプションユニット（30 )を接続して 2段圧縮冷凍サイクルを行う際にも、その運転能力制御を適用して低段 側圧縮機 (21)の運転周波数の制御により、冷凍負荷に対応した運転能力制御を行 うので、制御手段の構成の簡素化を図ることができる。
[0088] また、起動時には、第 3制御部（103)が、第 2制御部（102)に代わり、高段側圧縮 機 (31)の運転周波数を制御するようにしたために、起動時に、第 2制御部（102)のフ イードバック制御により生じる高段側圧縮機 (31)の制御の遅れを防止し、暖房負荷に 対応した運転を迅速に行うことができる。
[0089] 《発明の実施形態 2》
本発明の実施形態 2は、図 6に示すように、冷却室内の冷却運転を行う冷凍装置 (120)である。該冷凍装置（120)は、室外に設置される室外ユニット (20)と、増設用の ユニットを構成するオプションユニット（30)と、冷却室内に設置される室内ユニット (40 )と、冷凍装置（120)の運転制御を行うコントローラ（100)とを備えている。上記室外ュ ニット (20)は、第 1連絡配管（11)及び第 2連絡配管（12)を介してオプションユニット ( 30)と接続されている。また、室内ユニット (40)は、第 3連絡配管（13)及び第 4連絡配 管（14)を介してオプションユニット (30)と接続されている。これにより、上記冷凍装置 (120)では、冷媒が循環して蒸気圧縮式の冷凍サイクルが行われる冷媒回路（15)が 構成されている。
[0090] なお、オプションユニット（30)は、既設のセパレート型の冷凍装置のパワーアップ ユニットを構成している。具体的に、既設の冷凍装置では、室外ユニット (20)と室内 ユニット (40)とから成る冷媒回路で、冷却室内の貯蔵物を冷蔵する単段圧縮冷凍サ イタル動作による冷却運転が行われ、これら室外ユニット（20)及び室内ユニット (40) の間にオプションユニット（30)を接続することで、冷却室内の貯蔵物を冷凍する 2段 圧縮冷凍サイクル動作による冷却運転が可能となる。
[0091] 〈室外ユニット〉
上記室外ユニット (20)には、高段側圧縮機 (31)と室外熱交 (22)とが設けら れている。
[0092] 上記高段側圧縮機 (31)は、スクロール圧縮機であって、インバータを介して電力 が供給されて運転周波数が可変に構成され、該インバータの出力周波数を変化させ て圧縮機モータの回転速度を変化させる。つまり、上記高段側圧縮機 (31)は、イン バータ制御により容量が可変な第 1圧縮機構に構成されている。
[0093] 上記室外熱交 (22)は、クロスフィンアンドチューブ式の熱交^^で構成され ている。室外熱交翻 (22)の近傍には、室外ファン (24)が設置されている。室外ファ ン (24)は、室外熱交換器 (22)へ室外空気を送風する。
[0094] 上記高段側圧縮機 (31)の吸入管 (31b)は、第 2連絡配管（12)の一端に接続され 、吐出管 (31a)は、室外熱交換器 (22)を介して第 1連絡配管（11)の一端に接続され ている。
[0095] また、高段側圧縮機 (31)の吐出管 (31a)には、高段側油分離器 (36)が設けられ ている。この高段側油分離器 (36)には、第 2油戻し管 (37)の一端が接続され、該第 2 油戻し管 (37)の他端は、高段側圧縮機 (31)の吸入管 (31b)に接続されている。また 、第 2油戻し管 (37)には、第 2キヤビラリ一チューブ (38)が接続されている。このように して、高段側油分離器 (36)で分離された冷凍機油が、第 2油戻し管 (37)を通って減 圧されて高段側圧縮機 (31)に戻されるように構成されて ヽる。
[0096] また、室外ユニット (20)には、各種センサが設けられている。具体的に、高段側圧 縮機構 (31)の吐出管（31a)には、吐出圧力センサ（80)及び吐出温度センサ (84)が 、吸入管（31b)には、吸入圧力センサ（81)及び吸入温度センサ (85)が設けられてい る。また、外気温センサ（18)と室外熱交 (22)の冷媒温度センサ (29)とが設けら れている。
[0097] 〈オプションユニット〉
上記オプションユニット (30)には、低段側圧縮機 (21)と気液分離器 (33)とォプシ ヨン側膨張弁 (34)と第 1三路切換弁 (70)と第 2三路切換弁 (71)とが設けられて ヽる。
[0098] 上記低段側圧縮機 (21)は、スクロール圧縮機であって、インバータを介して電力 が供給されて運転周波数が可変に構成され、該インバータの出力周波数を変化させ て圧縮機モータの回転速度を変化させる。つまり、上記低段側圧縮機 (21)は、イン バータ制御により容量が可変な第 2圧縮機構に構成されている。
[0099] 上記気液分離器 (33)は、円筒状の密閉容器で構成され、下部に液層である液冷 媒貯留部が形成される一方、その上側にガス冷媒貯留部が形成されている。上記気 液分離器 (33)には、その胴部を貫通してガス冷媒貯留部に臨む液流入管 (33a)と底 部を貫通して液冷媒貯留部に臨む液流出管 (33b)とがそれぞれ接続されている。ま た、気液分離器 (33)には、その頂部を貫通してガス冷媒貯留部に臨むガス流出管（ 33c)も接続されている。
[0100] 上記第 1三路切換弁 (70)は、第 1から第 3までの 3つのポートを備えている。第 1 三路切換弁 (70)では、第 1のポートが気液分離器 (33)の液流出管 (33b)の流出端と 接続され、第 2のポートが気液分離器 (33)の液流入管 (33a)の流入端と接続され、第 3のポートが第 1液側連絡配管（11)の他端と接続されている。上記第 1三路切換弁（ 70)は、第 2ポートと第 3ポートとが連通する第 1状態（図 6に実線で示す状態）と、第 1 ポートと第 3ポートとを連通する第 2状態（図 6に点線で示す状態）とに切り換え可能 に構成されている。
[0101] 上記第 2三路切換弁 (71)は、第 1から第 3までの 3つのポートを備ええている。第 2 三路切換弁 (71)では、第 1ポートが接続管 (47)を介して第 3連絡配管（13)の一端と 接続され、第 2ポートが低段側圧縮機 (21)の吐出管 (21a)と接続され、第 3ポートが 第 2連絡配管（12)の他端と接続されている。第 2三路切換弁 (71)は、第 2ポートと第 3ポートとが互いに連通する第 1状態（図 6に実線で示す状態）と、第 1のポートと第 3 のポートとが互いに連通する第 2状態（図 6に破線で示す状態）とに切り換え可能に 構成されている。
[0102] 液流出管 (33b)の途中には、第 4連絡配管（14)の一端が接続されている。液流入 管（33a)の途中には、上記オプション側膨張弁 (34)が設けられている。該オプション 側膨張弁 (34)は、開度調節可能な電子膨張弁で構成されている。一方、ガス流出管 (33c)の流出端は、低段側圧縮機 (21)の吐出管（21a)の途中に接続されて 、る。
[0103] また、上記低段側圧縮機 (21)の吐出管 (21a)には、低段側油分離器 (26)が設け られている。該低段側油分離器 (26)には、第 1油戻し管 (27)の一端が接続され、該 第 1油戻し管 (27)の他端は、低段側圧縮機 (21)の吸入管 (21b)と接続されて!ヽる。 また、第 1油戻し管 (27)には、第 1キヤビラリ一チューブ (28)が設けられている。この ようにして、低段側油分離器 (26)で分離された冷凍機油が、第 1油戻し管 (27)を流 れる際に減圧されて低段側圧縮機 (21)に戻されるように構成されて 、る。
[0104] また、オプションユニット（30)には、各種センサが設けられている。具体的に、低 段側圧縮機構 (21)の吐出管 (21a)には、吐出圧力センサ (82)及び吐出温度センサ (86)力 吸入管（21b)には、吸入圧力センサ（83)及び吸入温度センサ（87)が設けら れている。また、気液分離器 (33)の液流出管（33b)には、温度センサ（88)と圧力セン サ（89)とが設けられている。
[0105] 〈室内ユニット〉
上記室内ユニット (40)には、室内熱交換器 (41)及び室内側膨張弁 (42)が設けら れている。室内熱交 (41)は、クロスフィンアンドチューブ式の熱交^^で構成さ れている。室内熱交^^ (41)の近傍には、室内ファン (43)が設置されている。室内 ファン (43)は、室内熱交換器 (41)へ室内空気を送風する。上記室内側膨張弁 (42) は、開度調節可能な電子膨張弁で構成されている。
[0106] 室内ユニット (40)においては、第 3連絡配管（13)の他端が、室内熱交翻 (41) 及び室内側膨張弁 (42)を介して第 4連絡配管（14)の他端に接続されて!、る。
[0107] また、室内ユニット (40)には、冷却室内温度センサ (44)と、室内熱交換器 (41)の 冷媒温度センサ (45)が設けられて 、る。 [0108] 〈コントローラ〉
上記コントローラ（100)は、上記冷媒回路（15)に設けられた各種の弁の切換や開 度調整等を行って、上記冷凍装置（120)の運転動作の制御を行うものである。上記コ ントローラ（100)は、第 1制御部（101)と第 2制御部（102)と第 3制御部（103)とを備え ている。上記第 1制御部（101)は、冷凍能力の負荷に対応するように、高段側圧縮機 (31)の運転周波数をインバータ制御するものであって、第 1制御手段に構成されて いる。上記第 2制御部（102)は、 2段圧縮の中間圧が所定値となるように、上記低段 側圧縮機 (21)の運転周波数をインバータ制御するものであって、第 2制御手段に構 成されている。上記第 3制御部（103)は、起動時に、上記第 2制御部（102)に代わつ て、低段側圧縮機 (21)の運転周波数を、高段側圧縮機 (31)の運転周波数に基づい て導出された所定の目標運転周波数となるように制御する第 3制御手段に構成され ている。
[0109] 運転動作
次に、本実施形態の冷凍装置（120)の運転動作につ 、て説明する。
[0110] 上記冷凍装置（120)は、冷却室内の貯蔵物を冷蔵する単段圧縮冷凍サイクル動 作による冷却運転と、冷却室内の貯蔵物を冷凍する 2段圧縮冷凍サイクル動作によ る冷却運転とを行う。
[0111] 〈単段圧縮冷凍サイクルの冷却運転〉
単段圧縮冷凍サイクルの冷却運転においては、図 7に示すように、コントローラ（1 00)の制御により、オプションユニット (30)の第 1三路切換弁 (70)及び第 2三路切換 弁 (71)が第 2状態に設定される。また、室内側膨張弁 (42)の開度が、運転条件に応 じて適宜調節される。更に、この冷却運転では、高段側圧縮機 (31)が運転される一 方、低段側圧縮機 (21)は停止状態となる。つまり、冷却運転時の冷媒回路（15)では 、高段側圧縮機 (31)のみで冷媒が圧縮され、該高段側圧縮機 (31)の吸入圧力及び 吐出圧力が、単段圧縮冷凍サイクルの低圧力及び高圧力となる。
[0112] 室外ユニット (20)において、高段側圧縮機 (31)力も吐出された高圧冷媒は、室外 熱交換器 (22)に送られ、室外空気へ放熱して凝縮液化する。室外熱交換器 (22)で 凝縮した高圧液冷媒は、第 1連絡配管（11)を流れてオプションユニット (30)に導入さ れる。
[0113] オプションユニット (30)において、高圧冷媒は、第 1三路切換弁（70)を通って液 流出管 (33b)を流れた後、第 4連絡配管（14)を流れて、室内ユニット (40)に導入され る。
[0114] 室内ユニット (40)に導入された高圧冷媒は、室内側膨張弁 (42)を通過する際に 減圧されて膨張し、低圧冷媒となる。該低圧冷媒は、室内熱交換器 (41)を流れて、 室内空気から吸熱して蒸発する。この結果、冷却室内の空気が冷却される。室内熱 交翻 (41)で蒸発した冷媒は、第 3連絡配管（13)力もオプションユニット (30)に導入 される。
[0115] オプションユニット (30)に導入された低圧冷媒は、接続管 (47)を流れ、第 2三路 切換弁 (71)を介して第 2連絡配管（12)を流れ、室外ユニット (20)へ導入される。室 外ユニット (20)に導入された低圧冷媒は、高段側圧縮機 (31)に吸入されて圧縮され 、高圧冷媒となる。
[0116] 〈単段圧縮冷凍サイクルの冷却運転時の制御〉
単段圧縮冷凍サイクルの冷却運転においては、上記コントローラ（100)の第 1制 御部（101)が、上記高段側圧縮機 (31)の運転周波数を、冷凍能力の負荷である冷 却負荷に対応するようにインバータ制御する。つまり、第 1制御部（101)は、室内熱交 換器 (41)における蒸発温度が冷却室内の設定温度 Te°Cとなるように高段側圧縮機 (31)の運転周波数を制御する。具体的に、第 1制御部（101)は、高段側圧縮機 (31) の吸入圧力が、設定温度 Te°Cに相当する蒸発圧力に対応した圧力値となるように、 高段側圧縮機 (31)の運転周波数を制御する。
[0117] そこで、上記第 1制御部（101)は、図 9 (a)に示すように、まず、比較回路（160)に ぉ 、て、設定温度 Te°Cと室内温度センサ (44)で測定される実際の冷却室内温度と の差温を算出する。その後、ゲイン回路（161)において、上記比較回路（160)の差温 に定数 Kを乗算して高段側圧縮機 (31)の運転周波数を算出し、該高段側圧縮機 (3 1)を制御する。
[0118] なお、上記低段側圧縮機 (21)は停止状態であるので、上記第 2制御部（102)の 制御は行われない。 [0119] 〈2段圧縮冷凍サイクルの冷却運転〉
2段圧縮冷凍サイクルの冷却運転では、図 8に示すように、コントローラ（100)の制 御により、オプションユニット (30)の第 1三路切換弁 (70)及び第 2三路切換弁 (71)が 第 1状態に設定される。また、室内側膨張弁 (42)の開度が、運転条件に応じて適宜 調節される。また、この冷却運転では、低段側圧縮機 (21)及び高段側圧縮機 (31)が それぞれ運転される。つまり、この冷却運転における冷媒回路（15)では、低段側圧 縮機 (21)で圧縮された冷媒が高段側圧縮機 (31)で更に圧縮され、該低段側圧縮機 (21)の吸入圧力が冷凍サイクルの低圧力となり、該低段側圧縮機 (21)の吐出圧力 が冷凍サイクルの中間圧力となり、該高段側圧縮機 (31)の吐出圧力が冷凍サイクル の高圧力となる 2段圧縮冷凍サイクルが行われる。
[0120] 室外ユニット (20)において、高段側圧縮機 (31)力も吐出された高圧冷媒は、室外 熱交換器 (22)に送られ、冷媒が室外空気へ放熱して凝縮液化する。室外熱交換器 ( 22)で凝縮した高圧液冷媒は、第 1連絡配管（11)を流れてオプションユニット (30)に 導入される。
[0121] オプションユニット (30)において、高圧液冷媒は、第 1三路切換弁（70)を通って 液流入管 (33a)を流れる。高圧液冷媒は、オプション側膨張弁 (34)を通過する際に 減圧されて膨張し、気液二相状態の中間圧冷媒となり、気液分離器 (33)へ流入する 。気液分離器 (33)では、気液二相状態の中間圧冷媒が、ガス冷媒と液冷媒とに分離 される。分離された飽和状態のガス冷媒は、ガス流出管 (33c)を流れて低段側圧縮 機 (21)の吐出管 (21a)へ送られる。一方、分離された液冷媒は、液流出管 (33b)から 流出し、第 4連絡配管（14)を流れて室内ユニット (40)に導入される。
[0122] 室内ユニット (40)において、中間圧液冷媒は、室内側膨張弁 (42)を通過する際 に減圧されて膨張し、低圧冷媒となる。低圧冷媒は、室内熱交換器 (41)を通過する 際に、室内空気から吸熱して蒸発する。この結果、冷却室内の空気が冷却される。蒸 発した低圧冷媒は、第 3連絡配管（13)を流れてオプションユニット (30)に導入される
[0123] オプションユニット (30)において、低圧冷媒は、第 3連絡配管（13)から低段側圧 縮機 (21)の吸入管 (21b)を流れ、低段側圧縮機 (21)に吸入されて圧縮され、中間圧 冷媒となる。該中間圧冷媒は、低段側圧縮機 (21)の吐出管 (21a)を流れ、ガス流出 管 (33c)を介して飽和状態のガス冷媒が供給された後、第 2三路切換弁 (71)力 第 2 連絡配管（12)へ流れて室外ユニット（20)に導入される。
[0124] 室外ユニット (20)に導入された中間圧冷媒は、高段側圧縮機 (31)の吸入管 (31b )を介して高段側圧縮機 (31)に吸入され、圧縮されて高圧冷媒となる。
[0125] 〈2段圧縮冷凍サイクルの冷却運転時の制御〉
2段圧縮冷凍サイクルの冷却運転においては、上記コントローラ（100)の第 1制御 部（101)が、上記高段側圧縮機 (31)の運転周波数を、冷凍能力の負荷である冷却 負荷に対応するようにインバータ制御する。つまり、第 1制御部（101)は、室内熱交換 器 (41)における蒸発温度が冷却室内の設定温度 Te°Cとなるように高段側圧縮機 (3 1)の運転周波数を制御する。具体的に、第 1制御部（101)は、低段側圧縮機 (21)の 吸入圧力が、設定温度 Te°Cに相当する蒸発圧力に対応した圧力値となるように、高 段側圧縮機 (31)の運転周波数を制御する。
[0126] そこで、上記第 1制御部（101)は、図 9 (a)に示すように、まず、比較回路（160)に ぉ 、て、設定温度 Te°Cと室内温度センサ (44)で測定される実際の冷却室内温度と の差温を算出する。その後、ゲイン回路（161)において、上記比較回路（160)の差温 に定数 Kを乗算して高段側圧縮機 (31)の運転周波数を算出し、該高段側圧縮機 (3 1)を制御する。
[0127] 一方、上記第 2制御部（102)が、 2段圧縮冷凍サイクルの中間圧力が所定値とな るように制御を行う。本実施形態では、上記中間圧力の所定値は、低段側圧縮機 (21 )の第 2圧力比 (PMZPL)と高段側圧縮機 (31)の第 1圧力比 (PHZPM)とが 1： 1と なる中間圧力値 (PM)である。つまり、該中間圧力値 (PM)は、低段側圧縮機 (21) の吸入圧力（PL)と高段側圧縮機 (31)の吐出圧力（PH)との相乗平均値 { (PL-PH) 1/2}である。
[0128] 具体的に、第 2制御部（102)は、図 9 (b)に示すように、第 1除算回路（162)におい て、高段側圧縮機 (31)の第 1圧力比 (PHZPM)を算出し、第 2除算回路（163)にお いて、低段側圧縮機 (21)の第 2圧力比 (PMZPL)を算出する。そして、比較回路（1 64)にお 、て、第 1圧力比（PHZPM)と第 2圧力比（PMZPL)との差 { (PH/PM) - (PM/PL) }を算出し、ゲイン回路（165)で、該圧力比の差からゲイン Kを導出す る。そして、導出回路（166)において、現在の低段側圧縮機 (21)の周波数にゲイン K を乗じて低段側圧縮機 (21)の目標運転周波数を導出し、該目標運転周波数で上記 低段側圧縮機 (21)が運転されるように制御する。
[0129] そして、この第 1制御部（101)と第 2制御部（102)とによる制御が繰り返し行われれ ることにより、高段側圧縮機 (31)及び低段側圧縮機 (21)の運転周波数が、冷凍負荷 に対応し且つ COPが最も高くなる運転周波数となる。
[0130] また一方、この 2段圧縮冷凍サイクルの冷却運転では、起動時に、第 3制御部（10 3)が、第 2制御部（102)に代わり、低段側圧縮機 (21)の運転周波数を制御する。具 体的に、第 3制御部（103)は、低段側圧縮機 (21)の運転周波数が高段側圧縮機 (31 )の運転周波数の n倍 (例えば、 n= l. 3)となるように制御する。つまり、上記第 2制 御部（102)は、中間圧力を上記所定値とするために、第 1制御部（101)により高段側 圧縮機 (31)の運転周波数が変動するのに追随して、低段側圧縮機 (21)の運転周波 数も変動させるフィードバック制御を行うので、起動時に、該フィードバック制御による 遅れが生じて所定の運転能力になるまでに長時間を要することを防止する。
[0131] 一実施形態 2の効果
本実施形態では、冷却運転時の 2段圧縮式の冷凍サイクルにおいて、第 1制御 部（101)が、冷凍能力の負荷に対応するように、高段側圧縮機 (31)の運転周波数制 御を行い、第 2制御部（102)が、高段側圧縮機 (31)の第 1圧力比 (PHZPM)と低段 側圧縮機 (21)の第 2圧力比 (PMZPL)とが 1： 1となるように、低段側圧縮機 (21)の 運転周波数制御を制御したために、冷凍能力の負荷に適した運転を行うことができ ると共に、 COPの向上を図ることができるので、運転条件に適した運転を行うことがで きる。
[0132] また、本実施形態では、既設の室外ユニット (20)と室内ユニット (40)とによる単段 圧縮冷凍サイクルの運転において、第 1制御部（101)により高段側圧縮機 (31)の運 転周波数制御を行って冷凍負荷に対応した運転能力制御を行 ヽ、オプションュニッ ト (30)を接続した 2段圧縮冷凍サイクルを行う際にも、その運転能力制御を適用して 高段側圧縮機 (31)の運転周波数の制御により、冷凍負荷に対応した運転能力制御 を行うので、制御手段の構成の簡素化を図ることができる。
[0133] また、起動時には、第 3制御部（103)が、第 2制御部（102)に代わり、低段側圧縮 機 (21)の運転周波数を制御するようにしたために、起動時に、第 2制御部（102)のフ イードバック制御により生じる低段側圧縮機 (21)の制御の遅れを防止し、冷凍負荷に 対応した運転を迅速に行うことができる。
[0134] その他の構成、作用及び効果は実施形態 1と同じである。
[0135] 《その他の実施形態》
上記実施形態にっ ヽては、以下のような構成としてもょ ヽ。
[0136] 上記各実施形態では、室外ユニット（20)及び室内ユニット (40)の間にオプション ユニット (30)を接続することで冷媒回路（15)を構成するようにしたが、上記オプション ユニット (30)と室外ユニット (20)とは必ずしも別ユニットでなくてもよぐこれらを一体 型の室外ユニットで構成するようにしてもよ ヽ。
[0137] 上記各実施形態の冷媒回路（15)の構成は、特に限定されなず、例えば、各圧縮 機構が一台の圧縮機により構成されるのではなぐ複数台並列に接続された圧縮機 力も構成されていてもよい。また、上記実施形態 1においては、オプション側膨張弁（ 34)の代わりに電磁弁を設けて、 2段圧縮冷凍サイクルの暖房運転時に、当該電磁 弁を全開状態とし、室外側膨張弁 (42)のみで中間圧に減圧するようにしてもよい。
[0138] また、本発明の冷凍装置をチリングユニットなどに適用してもよい。その場合は、 例えば、上記各実施形態の室内熱交換器に代わり、水の冷却加温を行うプレート熱 交翻を設けてもよい。
[0139] 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。
産業上の利用可能性
[0140] 以上説明したように、本発明は、 2つの圧縮機構を備えて 2段圧縮冷凍サイクルを 行う冷媒回路を備えた冷凍装置において、圧縮機構の運転容量制御について有用 である。

Claims

請求の範囲
[1] 容量可変の第 1圧縮機構 (21,31)と容量可変の第 2圧縮機構 (31,21)とを有し、 2 段圧縮冷凍サイクルを行う冷媒回路（15)を備えた冷凍装置であって、
冷凍能力の負荷に対応するように、上記第 1圧縮機構 (21,31)の運転容量の増減 制御を行う第 1制御手段（101)と、
上記 2段圧縮冷凍サイクルの中間圧力が所定値となるように、上記第 2圧縮機構（ 31,21)の運転容量の増減制御を行う第 2制御手段（102)とを備えている
ことを特徴とする冷凍装置。
[2] 請求項 1において、
上記第 2制御手段（102)は、上記第 1圧縮機構 (21,31)の吸入圧力に対する吐出 圧力の比率である第 1圧力比と上記第 2圧縮機構 (31,21)の吸入圧力に対する吐出 圧力の比率である第 2圧力比とが 1 : 1となるように、上記第 2圧縮機構 (31,21)の運転 容量を制御する
ことを特徴とする冷凍装置。
[3] 請求項 1において、
起動時に、上記第 2圧縮機構 (31,21)の運転容量を上記第 2制御手段（102)に代 わり第 1圧縮機構 (21,31)の運転容量に基づいて導出された所定の目標運転容量と なるように制御する第 3制御手段（103)を備えて!/、る
ことを特徴とする冷凍装置。
[4] 請求項 1において、
暖房運転時に、上記第 1圧縮機構 (21,31)が、低段側圧縮機構 (21)で構成され、 上記第 2圧縮機構 (31,21)が、高段側圧縮機構 (31)で構成され、
上記暖房運転時に、上記第 1制御手段（101)が、上記高段側圧縮機構 (31)の吐 出圧力が所定の目標値となるように、上記低段側圧縮機構 (21)の運転容量を制御 する一方、上記第 2制御手段（102)が、上記中間圧力が所定値となるように、上記高 段側圧縮機構 (31)の運転容量を制御する
ことを特徴とする冷凍装置。
[5] 請求項 1において、 冷却運転時に、上記第 1圧縮機構 (21,31)が、高段側圧縮機構で構成され、上記 第 2圧縮機構 (31,21)が、低段側圧縮機構で構成され、
上記冷却運転時に、上記第 1制御手段（101)が、上記低段側圧縮機構 (21)の吸 入圧力が所定の目標値となるように、上記高段側圧縮機構 (31)の運転容量を制御 する一方、上記第 2制御手段（102)が、上記中間圧力が所定値となるように、上記低 段側圧縮機構 (21)の運転容量を制御する
ことを特徴とする冷凍装置。
請求項 1において、
上記第 1圧縮機構 (21,31)及び上記第 2圧縮機構 (31,21)は、インバータ制御され る
ことを特徴とする冷凍装置。
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