JP2007147218A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】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、圧縮機構の適切な運転容量制御を行い、運転状況に適した運転を行うことである。
【解決手段】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。
【選択図】図４

Description

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。

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）。

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換器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、室内熱交換器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。

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、室内熱交換器において、室内空気と熱交換して凝縮液化し、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換器において蒸発する。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、室内熱交換器か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。
特開２００１−５６１５６号公報

しかしながら、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かった。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いるとはいい難いという問題点があった。

本発明は、かか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。

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。

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。

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。

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（21,31）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）｝である。

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）を備えている。

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て、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＝１．３）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。

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）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）で構成される一方、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。

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、オプションユニット（30）を用いない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、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。

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）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る一方、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（21）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。

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、オプションユニット（30）を用いない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、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。

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。

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。

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。

また、上記第２の発明によれば、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ようにしたために、ＣＯＰを最も高くすることができる。

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）の運転容量から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＝１．３）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。

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。

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、オプションユニット（30）を用いない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が、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ことができる。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。

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。

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、オプションユニット（30）を用いない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が、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ことができる。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。

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）が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。

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。

《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（100）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（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クルが行われる冷媒回路（15）が構成されている。

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ア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ったのに対し、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段圧縮冷凍サイクル動作による暖房運転が可能となる。

〈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）が設けられている。

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、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ことにより、運転周波数が可変に構成されている。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。

上記室外熱交換器（22）は、クロスフィンアンドチューブ式の熱交換器で構成されている。室外熱交換器（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いる。

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。

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キャピラリーチューブ（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いる。

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）と室外熱交換器（22）の冷媒温度センサ（29）とが設けられている。

〈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）とが設けられている。

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、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ことにより、運転周波数が可変に構成されている。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。

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。

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ており、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。

液流入管（33a）の流入端と、液流出管（33b）の流出端は、第４連絡配管（14）の一端から第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いる。

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（31b）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いる。また、第２油戻し管（37）には、第２キャピラリーチューブ（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いる。

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）が設けられている。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。

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）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、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。

〈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。室内熱交換器（41）は、クロスフィンアンドチューブ式の熱交換器で構成されている。室内熱交換器（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。

室内ユニット（40）においては、第３連絡配管（13）の他端が、室内熱交換器（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いる。

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）が設けられている。

〈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い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。

−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。

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。

〈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（23）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。

室外ユニット（20）において、低段側圧縮機（21）から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。

オプションユニット（30）においては、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。

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）から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。

〈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、室内熱交換器（41）における蒸発温度が室内の設定温度Ｔｅ℃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℃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。

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℃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。

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。

〈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。

室外ユニット（20）において、低段側圧縮機（21）から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。

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。

室内ユニット（40）において、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。

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。

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。

〈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℃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℃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。

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℃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。

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。

〈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。

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。

室内ユニット（40）において、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。

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）からオプション側膨張弁（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。

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）から流出し、第２連絡配管（12）を流れて室外ユニット（20）に導入される。

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。

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が、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。

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。

〈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（103）による高段側圧縮機（21,31）のインバータ制御が行われる。

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℃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℃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。

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℃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。

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（ＰＭ／ＰＬ）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（ＰＨ／ＰＭ）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）｝である。

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（ＰＭ／ＰＬ）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（ＰＨ／ＰＭ）を算出する。そして、比較回路（154）において、第１圧力比（ＰＭ／ＰＬ）と第２圧力比（ＰＨ／ＰＭ）との差｛（ＰＭ／ＰＬ）−（ＰＨ／ＰＭ）｝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。

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（ＰＭ）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。

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。

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（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。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＝１．３）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。

−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（ＰＭ／ＰＬ）と高段側圧縮機（31）の第２圧力比（ＰＨ／ＰＭ）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。

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）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。

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）のフィ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て、暖房負荷に対応した運転を迅速に行うことができる。

《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。上記室外ユニット（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。

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ク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。

〈室外ユニット〉
上記室外ユニット（20）には、高段側圧縮機（31）と室外熱交換器（22）とが設けられている。

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、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ことにより、運転周波数が可変に構成されている。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。

上記室外熱交換器（22）は、クロスフィンアンドチューブ式の熱交換器で構成されている。室外熱交換器（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。

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キャピラリーチューブ（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いる。

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）と室外熱交換器（22）の冷媒温度センサ（29）とが設けられている。

〈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）とオプション側膨張弁（34）と第１三路切換弁（70）と第２三路切換弁（71）とが設けられている。

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、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ことにより、運転周波数が可変に構成されている。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。

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。

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。

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。

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いる。

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）と接続されている。また、第１油戻し管（27）には、第１キャピラリーチューブ（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いる。

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）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、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。

〈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。室内熱交換器（41）は、クロスフィンアンドチューブ式の熱交換器で構成されている。室内熱交換器（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。

室内ユニット（40）においては、第３連絡配管（13）の他端が、室内熱交換器（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いる。

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）が設けられている。

〈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）に代わって、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。

−運転動作−
次に、本実施形態の冷凍装置（120）の運転動作について説明する。

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。

〈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（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。

室外ユニット（20）において、高段側圧縮機（31）から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。

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。

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。室内熱交換器（41）で蒸発した冷媒は、第３連絡配管（13）からオプションユニット（30）に導入される。

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。

〈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℃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℃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。

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）において、設定温度Ｔｅ℃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（31）を制御する。

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。

〈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。

室外ユニット（20）において、高段側圧縮機（31）から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。

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。

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。

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）から第２連絡配管（12）へ流れて室外ユニット（20）に導入される。

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。

〈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℃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、低段側圧縮機（21）の吸入圧力が、設定温度Ｔｅ℃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。

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）において、設定温度Ｔｅ℃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（31）を制御する。

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（ＰＭ／ＰＬ）と高段側圧縮機（31）の第１圧力比（ＰＨ／ＰＭ）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）｝である。

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（ＰＨ／ＰＭ）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（ＰＭ／ＰＬ）を算出する。そして、比較回路（164）において、第１圧力比（ＰＨ／ＰＭ）と第２圧力比（ＰＭ／ＰＬ）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。

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。

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（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。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＝１．３）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。

−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（ＰＨ／ＰＭ）と低段側圧縮機（21）の第２圧力比（ＰＭ／ＰＬ）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。

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い、オプションユニット（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。

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）のフィ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て、冷凍負荷に対応した運転を迅速に行うことができる。

その他の構成、作用及び効果は実施形態１と同じである。

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

上記各実施形態では、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く、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い。

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く、複数台並列に接続された圧縮機から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。

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換器を設けてもよい。

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

以上説明したように、本発明は、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。

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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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

Claims (6)

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）を備えている
   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）で構成される一方、
   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る一方、
   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。
6. 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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