(57)【要約】【課題】可変容量の第１圧縮機（11）と第２圧縮機（12）とを備えて冷媒の二段圧縮を行う冷凍装置（1）において、低段側の冷媒流量を確保することにより必要な冷凍能力が得られるようにする。【解決手段】冷媒回路（10）の動作を制御するコントローラ（30）に、冷却負荷に基づいて第１圧縮機（11）の運転容量を制御する第１制御部（31）と、第２膨張弁（16）の開度が所定開度よりも小さくなるか、第１圧縮機（11）の吐出温度が所定温度よりも高くなると、第２圧縮機（12）の運転容量を増大させる第２制御部（32）とを設ける。【選択図】図１
2008025905.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変容量の低段側圧縮機（11）と高段側圧縮機（12）と凝縮器（13）と膨張機構（16）と蒸発器（17）とを備えて冷媒を二段圧縮する冷凍サイクルを行う冷媒回路（10）を備えた冷凍装置であって、
冷媒回路（10）の動作を制御する制御手段（30）を備え、
該制御手段（30）は、冷却負荷に基づいて上記低段側圧縮機（11）の運転容量を制御する第１制御部（31）と、上記膨張機構（16）の開度が所定開度よりも大きくなるか、上記低段側圧縮機（11）の吐出温度が所定温度よりも高くなると、上記高段側圧縮機（12）の運転容量を増大させる第２制御部（32）とを備えていることを特徴とする冷凍装置。
【請求項２】
請求項１において、
上記第２制御部（32）は、上記低段側圧縮機（11）の吸入圧力と吐出圧力の圧力差が所定値よりも小さくなると、上記高段側圧縮機（12）の運転容量を低下させるように構成されていることを特徴とする冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍装置に関し、特に、容量可変の低段側圧縮機と高段側圧縮機とを備えて冷媒を二段圧縮する冷凍サイクルを行う冷凍装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、冷媒を二段圧縮する冷凍装置として、冷媒回路の高圧圧力と中間圧力の圧力比と、中間圧力と低圧圧力の圧力比とが同じになるように、中間圧の制御を行うものがある（例えば特許文献１参照）。この冷凍装置では、上記の制御を行うことにより、各圧縮機の効率向上（省エネ化）を図るようにしている。
【特許文献１】特開平２００２−３２７６９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、高段側圧縮機を中間圧に基づいて制御しても、蒸発器の冷媒流量が確保できているかどうかは不明であり、必要な冷凍能力が得られないことがある。
【０００４】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、冷媒の二段圧縮を行う冷凍装置において、蒸発器の冷媒流量を確保して必要な冷凍能力が得られるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
第１の発明は、可変容量の低段側圧縮機（11）と高段側圧縮機（12）と凝縮器（13）と膨張機構（16）と蒸発器（17）とを備えて冷媒を二段圧縮する冷凍サイクルを行う冷媒回路（10）を備えた冷凍装置を前提としている。
【０００６】
そして、この冷凍装置は、冷媒回路（10）の動作を制御する制御手段（30）を備え、この制御手段（30）が、冷却負荷に基づいて上記低段側圧縮機（11）の運転容量を制御する第１制御部（31）と、上記膨張機構（16）の開度が所定開度よりも大きくなるか、上記低段側圧縮機（11）の吐出温度が所定温度よりも高くなると、上記高段側圧縮機（12）の運転容量を増大させる第２制御部（32）とを備えていることを特徴としている。
【０００７】
この第１の発明では、低段側圧縮機（11）の運転容量を、目標とする蒸発温度や、冷却対象となる庫内空間の設定温度から定まる冷却負荷に基づいて制御しながら、蒸発器（17）の手前の膨張機構（16）の開度が所定開度よりも大きくなるか、低段側圧縮機（11）の吐出温度が所定温度よりも高くなると、高段側圧縮機（12）の運転容量を増大させる制御が行われる。上記膨張機構（16）の開度が所定開度よりも大きくなるのは、蒸発器（17）の冷媒流量が少なくてその出口冷媒の過熱度が上昇しているためであり、このときに高段側圧縮機（12）の運転容量を増大させると蒸発器（17）の冷媒流量を確保できる。また、低段側圧縮機（11）の吐出温度が所定温度よりも高くなるのは、蒸発器（17）の流量不足のためにガス欠気味になっているからであり、このときにも高段側圧縮機（12）の運転容量を増大させると蒸発器（17）の冷媒流量を確保できる。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明において、上記第２制御部（32）が、上記低段側圧縮機（11）の吸入圧力と吐出圧力（冷媒回路（10）の低圧圧力と中間圧力）の圧力差が所定値よりも大きくなると、上記高段側圧縮機（12）の運転容量を低下させるように構成されていることを特徴としている。
【０００９】
この第２の発明では、高段側の運転容量を上げすぎると、冷媒回路（10）の低圧圧力と中間圧力との圧力差が小さくなり、圧縮機内の給油不良が生じたり（これは、圧縮機内において圧力差を利用して給油を行う場合に、この圧力差が小さくなると冷凍機油が潤滑箇所に送られなくなるためである）、圧縮機がスクロール圧縮機であるときに可動スクロールの転覆が生じて圧縮不良が生じたりする（これは、スクロール圧縮機では冷媒の圧力を利用して可動スクロールを固定スクロールに押し付けることで可動スクロールの転覆を防止しており、冷媒圧力が低下すると可動スクロールが転覆しやすくなるためである）おそれがあるのに対して、低段側圧縮機（11）の吸入圧力と吐出圧力の圧力差が所定値よりも小さくなると、高段側圧縮機（12）の運転容量を低下させ、上記圧力差を確保する制御を行うので、圧縮機の給油不良や圧縮不良のような問題が生じない。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、低段側圧縮機（11）の運転容量を、目標とする蒸発温度や庫内空間の設定温度から定まる冷却負荷に基づいて制御しながら、上記膨張機構（16）の開度が所定開度よりも小さくなるか、低段側圧縮機（11）の吐出温度が所定温度よりも高くなると、高段側圧縮機（12）の運転容量を増大させる制御を行うようにしているので、蒸発器（17）の冷媒流量を確保できる。したがって、必要な冷凍能力を確実に得ることができる。また、特許文献１の装置では、低段側圧縮機と高段側圧縮機を同一サイズのものにする必要があるが、本発明の制御を適用すれば、低段側圧縮機（11）と高段側圧縮機（12）を同一サイズにしなくてもよい。
【００１１】
上記第２の発明によれば、低段側圧縮機（11）の吸入圧力と吐出圧力の圧力差が所定値よりも小さくなると、高段側圧縮機（12）の運転容量を低下させる制御を行うので、圧縮機内の給油不良が生じたり、圧縮機がスクロール圧縮機である場合に可動スクロールの転覆が生じて圧縮不良が生じたりするおそれが生じない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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。
【００１３】
図１に示すように、本実施形態の冷凍装置（1）は、いわゆる二段圧縮式冷凍サイクルを行う冷媒回路（10）を備え、食品等を冷凍する冷凍庫（冷凍倉庫）に用いられている。
【００１４】
上記冷媒回路（10）には、低段側圧縮機である第１圧縮機（11）と、高段側圧縮機である第２圧縮機（12）とが設けられている。第１圧縮機（11）と第２圧縮機（12）とは直列に接続され、第１圧縮機（11）の吐出側と第２圧縮機（12）の吸入側とが冷媒配管（21）により接続されている。第１圧縮機（11）と第２圧縮機（12）は、それぞれインバータの周波数制御によりモータの回転数を変化させて運転容量を調整することができる、可変容量型のスクロール圧縮機により構成されている。
【００１５】
上記第２圧縮機（12）の吐出側は、冷媒配管（22）を介して室外熱交換器（凝縮機）（13）の一端に接続されている。この室外熱交換器（13）の他端は、冷媒配管（23）を介して気液分離器（15）に接続されている。この冷媒配管（23）には、第１膨張弁（14）が設けられている。
【００１６】
上記気液分離器（15）は、冷媒配管（24）を介して庫内熱交換器（蒸発器）（17）の一端に接続されている。この冷媒配管（24）には第２膨張弁（膨張機構）（16）が設けられている。上記冷媒配管（24）は、気液分離器（15）の下部に接続され、冷媒液を気液分離器（15）から庫内熱交換器（17）へ導いている。上記庫内熱交換器（17）の他端は、冷媒配管（25）を介して第１圧縮機（11）の吸入側に接続されている。
【００１７】
上記気液分離器（15）は、中間圧冷媒を貯留するように構成され、ガス配管（26）を介して両圧縮機（11，12）の間の冷媒配管（21）に接続されている。該ガス配管（26）は、気液分離器（15）の上部に接続され、冷媒ガスを気液分離器（15）から第２圧縮機（12）の吸入側に導いている。つまり、上記第２圧縮機（12）は、第１圧縮機（11）の吐出冷媒と、気液分離器（15）内の冷媒ガスとを吸入する。上記ガス配管（26）には、このガス配管（26）を開通または遮断する電磁弁（27）が設けられている。
【００１８】
この冷凍装置（1）は、冷媒回路（10）の動作を制御するコントローラ（制御手段）（30）を備えている。コントローラ（30）は、第１圧縮機（11）、第２圧縮機（12）、第１膨張弁（14）、第２膨張弁（16）に接続されている。
【００１９】
上記コントローラ（30）は、冷却負荷に基づいて第１圧縮機（11）の運転容量を制御する第１制御部（31）と、第２膨張弁（16）の開度が所定開度（全開の８０％）よりも大きくなるか、上記第１圧縮機（11）の吐出温度が所定温度（例えば１００℃）よりも高くなると、第２圧縮機（12）の運転容量を増大させる第２制御部（32）とを備えている。また、第２制御部（32）は、第１圧縮機（11）の吸入圧力（低圧圧力）と吐出圧力（中間圧力）の圧力差が所定値（例えば４Kg/cm２）よりも小さくなると、第２圧縮機（12）の運転容量を低下させるように構成されている。
【００２０】
−運転動作−
次に、上述した冷凍装置（1）の運転動作について説明する。
【００２１】
運転時には、第１膨張弁（15）及び第２膨張弁（16）が所定開度に調節される。この状態において、第２圧縮機（12）から吐出した高圧の冷媒ガスは、室外熱交換器（13）に流入し、室外空気と熱交換して凝縮する。凝縮した冷媒は、第１膨張弁（14）で減圧されて中間圧となり、二相状態で気液分離器（15）に流入する。気液分離器（15）では、二相状態の冷媒が冷媒ガスと冷媒液とに分離される。
【００２２】
該気液分離器（15）の冷媒液は、第２膨張弁（16）でさらに減圧された後に庫内熱交換器（17）に流入する。この庫内熱交換器（17）では、冷媒が庫内空気と熱交換を行って蒸発し、庫内空気が冷却される。蒸発した冷媒は、第１圧縮機（11）に吸入される。
【００２３】
第１圧縮機（11）は、吸入した冷媒を中間圧にまで圧縮し、冷媒配管（21）に吐出する。一方、気液分離器（15）で分離された冷媒ガスは、ガス配管（26）を通って冷媒配管（21）に流れ込む。
【００２４】
そして、第２圧縮機（12）は、第１圧縮機（11）の吐出冷媒と気液分離器（15）からの冷媒ガスとを吸入する。該第２圧縮機（12）は、吸入した冷媒を高圧にまで圧縮し、冷媒配管（22）へ吐出する。以上の動作を繰り返して冷凍サイクル動作を行い、庫内空間を冷却する。このとき、コントローラ（30）は、両圧縮機（11，12）の回転数や両膨張弁（14，16）の開度を適宜制御し、冷却能力を調節する。
【００２５】
次に、上記第１圧縮機（11）及び第２圧縮機（12）の制御動作について、図２のフローチャートに基づいて説明する。
【００２６】
まず、このフローチャートの動作の前提として、第１圧縮機（11）は、上記第１制御部（31）により、目標の蒸発温度または庫内温度の設定値によって定められる冷却負荷に基づいて運転容量が制御される。
【００２７】
ステップST１では、第２膨張弁（16）の開度が所定開度（全開の８０％）よりも大きいかどうかと、上記第１圧縮機（11）の吐出温度が所定温度（例えば１００℃）よりも高いかどうかが判別される。この２つの条件のうち、どちらか一方が満たされると、ステップST２へ進み、第２制御部（32）により、第２圧縮機（12）の運転容量を増大させる制御が行われる。
【００２８】
第２圧縮機（12）は、通常はできる限りロードが少なくなる状態で運転されるが、少なすぎると、庫内熱交換器（17）の出口の冷媒の過熱度が上昇して第２膨張弁（16）が全開となり、庫内空気が冷えない状態となる。または、庫内熱交換器（17）の冷媒流量が不足して中間圧が高くなるので、第１圧縮機（11）の吐出温度が所定温度よりも高くなる。そのため、これらの状態に陥ると、ステップST２において第２圧縮機（12）の運転容量を増大させて庫内熱交換器（17）の冷媒流量を確保し、ステップST１へ戻る。
【００２９】
ステップST１の判別の結果、２つの条件の両方が満たされていない場合は、ステップST３において、第１圧縮機（11）の吸入圧力（低圧圧力）と吐出圧力（中間圧力）の圧力差が所定値（例えば４Kg/cm２）よりも小さいかどうかを判別する。そして、判別結果が「ＹＥＳ」の場合、ステップST４へ進んで第２圧縮機（12）の運転容量を低下させる制御を行う。つまり、第２圧縮機（12）の周波数を上げすぎると、低圧圧力と中間圧力の圧力差が小さくなり、圧縮機（11，12）が高圧ドーム形圧縮機で差圧給油を行う場合に圧縮機（11，12）内での油の給油ができなくなったり、スクロール圧縮機（11，12）で冷媒圧力を可動スクロールの転覆防止機構に利用している場合に可動スクロールの転覆が生じて圧縮機（11，12）内での冷媒の圧縮ができない状態になる。このため、そのような問題が生じないように、第２圧縮機（12）の運転容量を低下させて上記圧力差を確保するようにしている。なお、ステップST３の判別結果が「ＮＯ」の場合は圧縮機（11，12）の周波数は制御せずにステップST１に戻る。
【００３０】
−実施形態の効果−
この実施形態によれば、第１圧縮機（11）の運転容量を、目標とする蒸発温度や庫内温度の設定値から定まる冷却負荷に基づいて制御しながら、第２膨張弁（16）の開度が所定開度よりも小さくなるか、第１圧縮機（11）の吐出温度が所定温度よりも高くなると、第２圧縮機（12）の運転容量を増大させる制御を行うようにしたことにより、庫内熱交換器（17）の冷媒流量を確保できるので、必要な冷凍能力を確実に得ることができる。
【００３１】
また、第１圧縮機（11）の吸入圧力と吐出圧力の圧力差が所定値よりも小さくなると、第２圧縮機（12）の運転容量を低下させる制御を行うので、圧縮機（11，12）内の給油不良が生じたり、圧縮機（11，12）がスクロール圧縮機である場合に可動スクロールの転覆が生じて圧縮不良が生じたりするおそれも生じない。
【００３２】
《その他の実施形態》
上記実施形態については、以下のような構成としてもよい。
【００３３】
例えば、上記実施形態では圧縮機（11，12）をインバータ制御の可変容量圧縮機として説明したが、容量を可変にする方式はインバータに限らず、アンロード方式など、他の方式を採用しても良い。また、圧縮機（11，12）はスクロール圧縮機でなく、ローリングピストン型やスイング型の圧縮機を採用しても良い。
【００３４】
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】
【００３５】
以上説明したように、本発明は、容量可変の第１圧縮機と第２圧縮機とを備えて冷媒を二段圧縮する冷凍サイクルを行う冷凍装置について有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施形態に係る冷凍装置の冷媒回路図である。
【図２】圧縮機の制御を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００３７】
10  冷媒回路
11  第１圧縮機（低段側圧縮機）
12  第２圧縮機（高段側圧縮機）
13  室外熱交換器（凝縮器）
14  第１膨張弁
16  第２膨張弁（膨張機構）
17  庫内熱交換器（蒸発器）
30  コントローラ（制御手段）
31  第１制御部
32  第２制御部
【図１】
2008025905.tif 000003
【図２】
2008025905.tif 000004