JP2008032336A - 二段膨張冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで高圧側膨張手段を経た冷媒の圧力が最適な圧力となるように制御することができる二段膨張冷凍装置を提供する。
【解決手段】圧縮機１（低段側圧縮要素１Ａと高段側圧縮要素１Ｂ）及び各膨張手段（高圧側膨張手段としての高圧側膨張弁３と低圧側膨張手段としての低圧側膨張弁５）を制御する制御手段（コントローラ５０）と、高圧側膨張弁３を経た冷媒の温度を検出する温度センサ５２（温度検出手段）とを備え、コントローラ５０は、温度センサ５２が検出した温度に基づいて高圧側膨張弁３を経た冷媒の圧力Ｐ２を推定し、推定した圧力Ｐ２に基づいて高圧側膨張弁３、若しくは、低圧側膨張弁５の何れか一方を制御する。
【選択図】図４

Description

本発明は、膨張手段が高圧側膨張手段と低圧側膨張手段にて構成され、高圧側膨張手段で減圧された冷媒を低圧側膨張手段にて更に減圧する二段膨張冷凍装置に関するものである。

従来この種二段膨張冷凍装置は、低段側圧縮要素と高段側圧縮要素からなる圧縮機、放熱器、高圧側膨張手段、気液分離手段、低圧側膨張手段及び蒸発器から冷媒回路が構成されている。そして、圧縮機の高段側圧縮要素から吐出されたガス冷媒が放熱器に流入し、そこで放熱する。放熱器で凝縮した冷媒は高圧側膨張手段で中間圧まで減圧された後、気液分離手段に流入する。当該気液分離手段内にて中間圧の冷媒は、気相冷媒（飽和ガス冷媒）と液相冷媒（飽和液冷媒）とに分離される。そして、この気液分離手段で分離された中間圧の気相冷媒は、圧縮機の低段側圧縮要素から吐出された冷媒ガスと合流して、高段側圧縮要素に吸入され、圧縮される。

一方、気液分離手段内の中間圧の液相冷媒は低圧側膨張手段により減圧されて、蒸発器に至る。そして、当該蒸発器において吸熱して蒸発した後、圧縮機の低段側圧縮要素に吸入されるサイクルを繰り返すものであった。このように、高圧側膨張手段における減圧で蒸発した冷媒（気相冷媒）は、蒸発器において蒸発しないため、冷凍に寄与しないので、気液分離手段にて液相冷媒と気相冷媒に分離し、気相冷媒を圧縮機の高段側圧縮要素の吸込側に戻すことで、液相冷媒のみを低圧側膨張手段にて減圧し、蒸発器で蒸発させて、当該蒸発器における冷凍効果を改善することができるようになった。更に、冷凍に寄与しない気相冷媒を圧縮機の高段側圧縮要素の吸込側に戻すことで、当該気相冷媒は圧縮機の低段側圧縮要素をバイパスする形となるので、圧縮機の低段側圧縮要素にて圧縮される冷媒量が減少し、入力を低減することができるようになった。従って、従来の単段膨張の冷凍装置に比べて、成績係数ＣＯＰの向上を図ることができるようになった（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−１４２００７号公報

ところで、このような二段膨張冷凍装置では、高圧側膨張手段を経た冷媒の圧力が高段側圧縮手段の吸込側である中間圧部の圧力より高い場合には、圧力差を利用して気液分離手段にて分離された気相冷媒を中間圧部に円滑に流すことができるが、高圧側膨張手段を経た冷媒の圧力（高圧側膨張手段の下流側であり、低圧側膨張手段の上流側の領域）と高段側圧縮手段の吸込側である中間圧部との圧力差が小さすぎる、若しくは、高段側圧縮手段の吸込側である中間圧部の圧力の方が高くなると、気液分離器で分離された気相冷媒を中間圧部に流し難くなる。これにより、気液分離手段にて分離された当該気相冷媒が液相冷媒と共に低圧側膨張手段に流入し、蒸発器に至る結果となる。従って、蒸発器には早期蒸発により冷凍効果を発揮しない気相冷媒が流れることとなるため、冷凍効果の低下を招き、二段膨張冷凍装置の特徴を生かすことができなかった。そこで、高圧側膨張手段を経た冷媒の圧力を検出して、この圧力が最適な圧力となるように制御する必要があるが、係る圧力を検出するために圧力センサを取り付けると、冷凍装置のコストが著しく上昇する不都合を招いていた。

本発明は、係る従来技術の課題を解決するために成されたものであり、低コストで高圧側膨張手段を経た冷媒の圧力が最適な圧力となるように制御することができる二段膨張冷凍装置を提供することを目的とする。

本発明の二段膨張冷凍装置は、圧縮機、放熱器、高圧側膨張手段、気液分離手段、低圧側膨張手段及び蒸発器から構成される冷媒回路を備え、気液分離手段で分離された気相冷媒を圧縮機の中間圧部に戻し、液相冷媒を低圧側膨張手段を経て蒸発器に流入させるものであって、圧縮機及び各膨張手段を制御する制御手段と、高圧側膨張手段を経た冷媒の温度を検出する温度検出手段とを備え、制御手段は、温度検出手段が検出した温度に基づいて高圧側膨張手段を経た冷媒の圧力Ｐ２を推定し、推定した圧力Ｐ２に基づいて高圧側膨張手段、若しくは、低圧側膨張手段のどちらか一方を制御することを特徴とする。

請求項２の発明の二段膨張冷凍装置では、請求項１に記載の発明において温度検出手段は、前記気液分離手段にて分離された液相冷媒の温度を検出することを特徴とする。

請求項３の発明の二段膨張冷凍装置では、上記各発明において制御手段は、圧力Ｐ２と圧縮機の中間圧部の圧力Ｐ１に基づいて高圧側膨張手段、若しくは、低圧側膨張手段のどちらか一方を制御することを特徴とする。

請求項４の発明の二段膨張冷凍装置では、上記各発明において制御手段は、Ｐ２がＰ１より高くなるよう高圧側膨張手段、若しくは、低圧側膨張手段のどちらか一方を制御することを特徴とする。

本発明によれば、圧縮機、放熱器、高圧側膨張手段、気液分離手段、低圧側膨張手段及び蒸発器から構成される冷媒回路を備え、気液分離手段で分離された気相冷媒を圧縮機の中間圧部に戻し、液相冷媒を低圧側膨張手段を経て蒸発器に流入させる二段膨張冷凍装置において、圧縮機及び各膨張手段を制御する制御手段と、高圧側膨張手段を経た冷媒の温度を検出する温度検出手段とを備え、制御手段は、温度検出手段が検出した温度に基づいて高圧側膨張手段を経た冷媒の圧力Ｐ２を推定し、推定した圧力Ｐ２に基づいて高圧側膨張手段を制御するので、圧力センサを用いることなく、温度検出手段が検出した温度により、高圧側膨張弁を経た冷媒圧力Ｐ２を推定し、高圧側膨張手段、若しくは、低圧側膨張手段を的確に制御することができる。これにより、コストの削減を図ることができるようになる。

特に、請求項２の発明の如く温度検出手段は、気液分離手段にて分離された液相冷媒の温度を検出するので、より正確な冷媒温度を検出することが可能となる。これにより、高圧側膨張手段、若しくは、低圧側膨張手段をより一層的確に制御することができるようになる。

更に、請求項３の発明の如く制御手段は、圧力Ｐ２と圧縮機の中間圧部の圧力Ｐ１に基づいて高圧側膨張手段、若しくは、低圧側膨張手段のどちらか一方を制御するので、例えば、請求項４の発明の如く制御手段を高圧側膨張手段を経た冷媒の圧力Ｐ２が圧縮機の中間圧部の圧力Ｐ１より高くなるよう高圧側膨張手段、若しくは、低圧側膨張手段のどちらか一方を制御すれば、気液分離手段で分離した気相冷媒が円滑に圧縮機の中間圧部に流入するようになる。これにより、的確な気液分離を行うことができるようになる。

総じて、本発明により高圧側膨張手段を経た冷媒を最適な圧力となるよう制御して、二段膨張冷凍装置の特徴を最大限に発揮した冷凍効果を得ることができるようになる。

以下、図面に基づき本発明の二段膨張冷凍装置の実施形態を詳述する。

図１は、本発明の一実施例の二段膨張冷凍装置の冷媒回路図を示している。二段膨張冷凍装置は、圧縮機１、放熱器２、高圧側膨張弁（高圧側膨張手段）３、気液分離器４、低圧側膨張弁（低圧側膨張手段）５及び蒸発器６から冷媒回路が構成されている。圧縮機１は、低段側圧縮要素１Ａと、高段側圧縮要素１Ｂとを備え、両圧縮要素１Ａ、１Ｂが単一のモータ（図示せず）で一体に結合されたものである。そして、低段側圧縮要素１Ａにて低圧の冷媒を圧縮して中間圧とし、これを低段側圧縮要素１Ａと高段側圧縮要素１Ｂの間の中間圧部に吐出させた後、高段側圧縮要素１Ｂにて高圧まで圧縮するよう構成されている。

低段側圧縮要素１Ａの吸込側には、冷媒導入管３０の一端が接続されており、ここから低段側圧縮要素１Ａ内に低温低圧の冷媒ガスが導入される。当該冷媒導入管３０の他端は蒸発器６の出口に接続される。また、低段側圧縮要素１Ａの吐出側には、冷媒導入管３２の一端が接続され、この冷媒導入管３２は高段側圧縮要素１Ｂの吸込側に接続され、ここから高段側圧縮要素１Ｂ内に中間圧の冷媒ガスが導入される。また、冷媒導入管３２の途中部には後述する冷媒配管４０の一端が接続される。

前記高段側圧縮要素１Ｂの吐出側には、冷媒吐出管３４の一端が接続されており、当該冷媒吐出管３４から高段側圧縮要素１Ｂにて圧縮された高温高圧の冷媒ガスが圧縮機１の外部に吐出される。また、冷媒吐出管３４の他端は放熱器２の入口に接続される。即ち、圧縮機１は、低段側圧縮要素１Ａにて蒸発器６から出た冷媒を吸い込んで圧縮し、冷媒導入管３２から低段側圧縮要素１Ａの外部に吐出して、後述する気液分離器４から出た冷媒と合流させた後、高段側圧縮要素１Ｂ内に流入させると共に、高段側圧縮要素１Ｂにて上記中間圧の冷媒を圧縮し、放熱器２に吐出する構成とされている。

放熱器２は、高段側圧縮要素１Ｂからの高温高圧の冷媒ガスと水や空気などの熱媒体とを熱交換させて、冷媒を放熱するための熱交換器である。当該放熱器２の出口には冷媒配管３６が接続され、この冷媒配管３６は高圧側膨張弁３の入口に接続される。当該高圧側膨張弁３は、放熱器２にて放熱された冷媒を減圧するための絞り手段である。そして、高圧側膨張弁３の出口に接続された冷媒配管３８は、気液分離器４に接続される。

上記気液分離器４は、高圧側膨張弁３による減圧で気体／液体の二層混合状態となった冷媒を気相冷媒（飽和ガス冷媒）と液相冷媒（飽和液冷媒）とに分離するための分離手段であり、縦長円筒状の本体から構成されている。そして、この本体の一側面に内部と連通する入口が形成され、ここに前記冷媒配管３８が連通接続される。また、本体の上面には冷媒出口が形成されている。当該冷媒出口は、気液分離器４内にて液相冷媒と分離された気相冷媒を当該空間内の上方から取り出すための取出口であり、前述した冷媒配管４０が接続されて、この冷媒配管４０の他端が気液分離器４内の上方にて開口している。この冷媒配管４０の一端は冷媒導入管３２の途中部に接続される。また、当該冷媒配管４０上には冷媒導入管３２の途中部に接続された一端側を順方向とする逆止弁７が接続されている。この逆止弁７は、低段側圧縮要素１Ａで圧縮されて中間圧となり、冷媒導入管３２に吐出された冷媒が、当該冷媒導入管３２の途中部に接続された冷媒配管４０に逆流することを回避するために設けられたものである。

一方、気液分離器４の本体の下面（底面）にはもう一つの冷媒出口が形成されている。この冷媒出口は、当該気液分離器４内にて前記気相冷媒と分離された液相冷媒を取り出すための取出口であり、冷媒配管４２の一端に接続されている。冷媒配管４２は、気液分離器４の下部にて一端が開口し、他端は低圧側膨張弁５の入口に接続される。この低圧側膨張弁５は、気液分離器４にて分離された液相冷媒を減圧するための絞り手段であり、当該低圧側膨張弁５の出口は冷媒配管４４を介して蒸発器６の入口に接続される。

また、気液分離器４の液相冷媒の取出口に接続された冷媒配管４２には、高圧側膨張弁３を経て、気液分離器４にて分離された液相冷媒の温度を検出するための温度センサ５２が設置されている。また、蒸発器６の入口に接続された冷媒配管４４には、当該蒸発器６入口における冷媒温度Ｔｉｎを検出するための蒸発器入口温度センサ５３が設置され、蒸発器６の出口に接続された冷媒配管３０には、蒸発器６にて蒸発して、低段側圧縮要素１Ａに吸い込まれる冷媒の温度（蒸発器６出口における冷媒温度）Ｔｏｕｔを検出する蒸発器出口温度センサ５４が設置されている。これら温度センサ５２、５３及び５４は後述する制御手段としてのコントローラ５０に接続される。

ところで、本実施例の二段膨張冷凍装置の圧縮機１及び高圧側膨張弁３及び低圧側膨張弁５は、前述したコントローラ５０に接続され、コントローラ５０により運転及び弁開度が制御されている。このコントローラ５０は二段膨張冷凍装置の制御を司る制御手段であり、図２に示すように入力側に冷媒温度センサ５２、蒸発器入口温度センサ５３、蒸発器出口温度センサ５４及び外気温度センサ５５が接続されている。外気温度センサ５５は当該二段膨張冷凍装置の外部（外気）の温度を検出するための温度センサである。

他方、コントローラ５０の出力側には、圧縮機１、高圧側膨張弁３及び低圧側膨張弁５が接続されている。そして、コントローラ５０は、圧縮機１の運転周波数（Ｈｚ）を外気温度センサ５５にて検出される外気温度と蒸発器６にて冷凍される空間（即ち、被冷凍空間）の温度に基づき制御している。具体的には、被冷凍空間の温度に応じて圧縮機１のＯＮ／ＯＦＦが制御されると共に、外気温度に応じて圧縮機１の運転周波数が制御されている。例えば、本実施例の二段膨張冷凍装置を冷蔵庫に使用する場合、外気温度に応じた３段階の周波数帯で圧縮機１の周波数が制御されている。即ち、外気温度が低い場合には、コントローラ５０は、圧縮機１の周波数が最も低くなるよう制御する。また、外気温度が高い場合には、圧縮機１の周波数が最も高くなるように制御し、通常の外気温度である場合には、上記運転周波数の間の周波数となるように圧縮機１を制御している。尚、本実施例では、コントローラ５０が外気温度センサ５５の出力に基づき、圧縮機１の回転周波数を制御するものとしたが、外気温度センサ５５に限らず、例えば、図２に破線で示すように放熱器２に温度センサ５６を設置し、コントローラ５０は当該放熱器温度センサ５６により圧縮機１の運転周波数を制御するものとしても構わない。

更に、コントローラ５０は、高圧側膨張弁３を経た冷媒の圧力に基づいて高圧側膨張弁３を制御している。本実施例では、コントローラ５０がこの高圧側膨張弁３を経た冷媒の圧力を冷媒配管３８上に設置された温度センサ５２にて検出される冷媒温度に基づいて推定し、この推定した圧力Ｐ２に基づいて高圧側膨張弁３を制御している。

即ち、コントローラ５０が温度センサ５２にて検出される気液分離器４から出た液相冷媒の温度を検出し、この温度に基づいて高圧側膨張弁３を経た冷媒の圧力Ｐ２を推定している。即ち、高圧側膨張弁３を経た冷媒は液相状態の冷媒が混在した気体／液体の二相混合状態であり、係る液相を含む冷媒は温度と圧力に相関関係がある。従って、高圧側膨張弁３を経た冷媒の温度を検出することで、当該冷媒の温度から圧力を推定することができる。

具体的な制御については、後述する動作説明において詳述するが、コントローラ５０は高圧側膨張弁３を経た冷媒の圧力Ｐ２が予め設定された目標圧力Ｐｔｇとなるように高圧側膨張弁３を制御している。尚、上記目標圧力Ｐｔｇは予め設定された正の値である。

更にまた、コントローラ５０は蒸発器出口温度センサ５４にて検出される蒸発器６の出口温度Ｔｏｕｔと蒸発器入口温度センサ５３にて検出される蒸発器６の入口温度Ｔｉｎの差に基づいて蒸発器６から出て、圧縮機１に吸い込まれる冷媒が、所定の過熱度となるように低圧側膨張弁５の弁開度を制御している。このように蒸発器６にて蒸発し、圧縮機１の低段側圧縮要素１Ａに吸い込まれる冷媒が所定の過熱度となるように低圧側膨張弁５の弁開度を制御することで、低段側圧縮要素１Ａに吸い込まれる冷媒を気相状態とすることができる。これにより、圧縮機１の吸込側にレシーバータンクなどの液冷媒貯溜手段を設けることなく、圧縮機１に液冷媒が吸い込まれて液圧縮する不都合を未然に解消することができる。

尚、本実施例では、冷媒として１３４ａや４１０Ａなどのフッ素系冷媒を使用するものとする。

以上の構成で次に図３のｐ−ｈ線図（モリエル線図）を参照しながら動作を説明する。コントローラ５０により圧縮機１が起動されると、冷媒導入管３０から低段側圧縮要素１Ａの吸込側に蒸発器６から出た低温低圧の冷媒ガスが吸い込まれる（図３のＡの状態）。低段側圧縮要素１Ａに吸い込まれた冷媒はそこで圧縮され、中間圧の冷媒ガスとなり低段側圧縮要素１Ａの吐出側から吐出され、冷媒導入管３２を通過する（図３のＢの状態）。冷媒導入管３２を通過する中間圧の冷媒ガスは、当該冷媒導入管３２の途中部に接続された冷媒配管４０からの気相冷媒と合流した後（図３のＣの状態）、高段側圧縮要素１Ｂに吸い込まれて圧縮され、高温高圧の冷媒ガスとなり、高段側圧縮要素１Ｂの外部に吐出される（図３のＤの状態）。

上記高段側圧縮要素１Ｂから吐出された高温高圧の冷媒ガスは、冷媒吐出管３４を経て放熱器２に流入し、当該放熱器２において空冷或いは水冷方式により放熱する（図３のＥの状態）。放熱器２にて放熱した冷媒は冷媒配管３６を経て高圧側膨張弁３に至る。そして、当該高圧側膨張弁３にて減圧される。これにより、一部の冷媒が蒸発し、気体と液体の二相混合状態となる（図３のＦの状態）。また、係る蒸発により残りの冷媒（液相冷媒）は冷却される（図３のＧの状態）。

そして、高圧側膨張弁３から出た二相混合状態の冷媒は、冷媒配管３８を介して、気液分離器４に流入し、この気液分離器４にて気相冷媒と液相冷媒とが分離される。そして、この気液分離器４にて分離された気相冷媒は当該気液分離器４の一方の出口に接続された冷媒配管４０を経て、冷媒導入管３２内を流れる中間圧の冷媒と合流する（前述した図３のＣの状態）。ここで、高圧側膨張弁３における減圧により気体／液体の二相混合状態となった冷媒のうち、気相冷媒は蒸発潜熱が無いので、即ち、高圧側膨張弁３にて既に蒸発しており、蒸発器６に流しても蒸発しないため、冷凍に何ら寄与しない。そこで、当該気相冷媒を気液分離器４により液相冷媒から分離し、気相冷媒のみを冷媒配管４０から低段側圧縮要素１Ａの吐出側である中間圧部に戻すことで、蒸発器６における冷凍効果を改善することができるようになる。更に、冷凍に寄与しない気相冷媒を圧縮機１の高段側圧縮要素１Ｂの吸込側に戻すことで、当該気相冷媒は圧縮機１の低段側圧縮要素１Ａをバイパスすることとなる。

これにより、低段側圧縮要素１Ａにて圧縮される冷媒量が減少し、入力が低減するので、従来の単段膨張の冷凍装置に比べて、成績係数ＣＯＰの向上を図ることができる。

他方、気液分離器４にて分離された液相冷媒は（図３のＧの状態）、当該気液分離器４の他方の出口に接続された冷媒配管４２を経て低圧側膨張弁５に至る。そこで、冷媒は更に減圧される（図３のＨの状態）。そして、低圧側膨張弁５における減圧により再び気体／液体の二相混合状態となる。しかしながら、前述したように高圧側膨張弁３にて気体／液体の二相混合状態となった冷媒のうち、気相冷媒を気液分離器４にて分離し、液相冷媒のみを当該低圧側膨張弁５におけて減圧することで、蒸発器６に流入する気相冷媒の量を減らすことができる。

前記低圧側膨張弁５にて減圧され気体と液体の二相混合状態とされた冷媒は、この状態で蒸発器６に流入し、周囲の空気と熱交換して蒸発し、このときの吸熱効果により周囲の空気を冷却する。また、蒸発器６にて蒸発した冷媒は（図３のＡの状態）、冷媒導入管３０から圧縮機１の低段側圧縮要素１Ａに吸い込まれるサイクルを繰り返す。

ところで、前述したようにコントローラ５０は高圧側膨張弁３を温度センサ５２にて検出される冷媒温度から高圧側膨張弁３を経た冷媒圧力を推定し、この推定された冷媒圧力Ｐ２に基づき、高圧側膨張弁３を制御している。ここで、本実施例の二段膨張冷凍装置における高圧側膨張弁３の制御について図４のフローチャートを用いて説明する。

先ず、図４のステップＳ１にてコントローラ５０が始動（Ｓｔａｒｔ）されると、コントローラ５０は前記温度センサ５２にて検出される気液分離器４から出た液相冷媒の温度Ｔを検出し（図４のステップＳ２）、当該温度Ｔから高圧側膨張弁３を経た冷媒の圧力Ｐ２を推定する（図４のステップＳ３）。

次に、コントローラ５０は図４のステップＳ４に移行し、ステップＳ３にて推定された冷媒圧力Ｐ２が目標圧力Ｐｔｇであるか否かを判定する。この場合、ステップＳ３にて推定された冷媒圧力Ｐ２と目標圧力Ｐｔｇとが等しい場合には、コントローラ５０はステップＳ６に移行し、高圧側膨張弁３の弁開度を現在の開度のまま維持し（Ｓｔａｙ）、ステップＳ９に進んで、前記ステップＳ１に戻る（Ｒｅｔｕｒｎ）制御を繰り返す。

一方、前記ステップＳ４において、ステップＳ３にて推定された冷媒圧力Ｐ２と目標圧力Ｐｔｇとが異なる値である場合には、コントローラ５０はステップＳ５に移行し、推定された冷媒圧力Ｐ２が目標圧力Ｐｔｇより大きいか否かを判定する。そして、冷媒圧力Ｐ２が目標圧力Ｐｔｇより大きい場合には、図４のステップＳ８に移行する。このように、冷媒圧力Ｐ２が目標圧力Ｐｔｇより大きい場合には、高圧側膨張弁３の弁開度を１ステップ閉じて、ステップＳ９に進んで、前記ステップＳ１に戻る（Ｒｅｔｕｒｎ）。

このように、ステップＳ５にて冷媒圧力Ｐ２が目標圧力Ｐｔｇより大きい場合、コントローラ５０は高圧側膨張弁３の弁開度を１ステップ閉じるので（Ｃｌｏｓｅ）、高圧側膨張弁３において冷媒の減圧効果が大きくなり、高圧側膨張弁３を経た冷媒の圧力Ｐ２が降下する。

他方、ステップＳ５において、推定された冷媒圧力Ｐ２が目標圧力Ｐｔｇより小さい場合には、コントローラ５０はステップＳ７に移行する。このように、推定された冷媒圧力Ｐ２が目標圧力Ｐｔｇより小さい場合、高圧側膨張弁３を経た冷媒圧力Ｐ２が低すぎて、気液分離器４にて分離された気相冷媒が圧縮機１の中間圧部に流れ難い、若しくは、流れなくなる恐れがある。これにより、気相冷媒が液相冷媒と共に低圧側膨張弁５に至り、蒸発器６を通過して、低段側圧縮要素１Ａに吸い込まれることとなる。これにより、蒸発器６に早期蒸発により冷凍効果を発揮しない気相冷媒が多く流れることとなり、冷凍効果を著しく低下させる不都合が生じる。更に、低段側圧縮要素１Ａにおける入力も削減することがない。これにより、成績係数ＣＯＰも著しく低下し、二段膨張冷凍装置の特徴を十分に生かすことができなくなる。

そこで、図４のステップＳ５にて推定された冷媒圧力Ｐ２が目標圧力Ｐｔｇより小さい場合には、コントローラ５０はステップＳ７に移行し、高圧側膨張弁３の弁開度を１ステップ開き、ステップＳ９に進んで、前記ステップＳ１に戻る（Ｒｅｔｕｒｎ）。

このように、ステップＳ５にて推定された冷媒圧力Ｐ２が目標圧力Ｐｔｇより小さい場合、コントローラ５０は高圧側膨張弁３の弁開度を１ステップ開くので（Ｏｐｅｎ）、高圧側膨張弁３において冷媒の減圧効果が小さくなり、高圧側膨張弁３を経た冷媒の圧力Ｐ２が上昇する。これにより、高圧側膨張弁３を経た冷媒の圧力Ｐ２が高くなり、係る冷媒圧力Ｐ２により、気液分離器４にて分離された気相冷媒を冷媒配管４０を介して圧縮機１の低段側圧縮要素１Ａの吐出側（高段側圧縮要素１Ｂの吸込側）に円滑に戻すことができるようになる。

更に、上述したようにコントローラ５０は低圧側膨張弁５を蒸発器入口温度センサ４３にて検出される蒸発器６入口の冷媒温度Ｔｉｎと蒸発器出口温度センサ５４にて検出される蒸発器６出口の冷媒温度Ｔｏｕｔにより制御している。そこで、次に本実施例の二段膨張冷凍装置における低圧側膨張弁５の制御について図５のフローチャートを用いて説明する。

先ず、図５のステップＳ１にてコントローラ５０が始動されると（Ｓｔａｒｔ）、コントローラ５０は図５のステップＳ２にて蒸発器入口温度センサ５３にて蒸発器６入口の冷媒温度Ｔｉｎを検出し、次に、図５のステップＳ３にて蒸発器出口温度センサ５４にて蒸発器６出口の冷媒温度Ｔｏｕｔを検出した後、図５のステップＳ４に移行する。

そして、図５のステップＳ４にてコントローラ５０は、上記図５のステップＳ３にて検出された蒸発器６出口の冷媒温度Ｔｏｕｔと図５のステップＳ２にて検出された蒸発器６入口の冷媒温度Ｔｉｎとの差（Ｔｏｕｔ−Ｔｉｎ）と予め設定された所定の下限値ΔＴｍｉｎ（予め設定された正の値）とを比較し、Ｔｏｕｔ−Ｔｉｎの値が所定の下限値ΔＴｍｉｎより大きい場合には、図５のステップＳ５に移行する。

一方、上記Ｔｏｕｔ−Ｔｉｎの値が所定の下限値ΔＴｍｉｎ以下である場合には、図５のステップＳ６に移行する。このように、Ｔｏｕｔ−Ｔｉｎの値が所定の下限値ΔＴｍｉｎ以下である場合、ＴｏｕｔとＴｉｎとの温度差が小さすぎて、蒸発器６から出た冷媒の過熱度が十分に確保されていない。即ち、蒸発器６から出た冷媒中に液相状態の冷媒が残留している恐れがある。これにより、液相冷媒が圧縮機１の低段側圧縮要素１Ａに吸い込まれて液圧縮する恐れがあった。

そこで、図５のステップＳ４にてＴｏｕｔ−Ｔｉｎの値が所定の下限値ΔＴｍｉｎ以下である場合には、ステップＳ６に移行し、コントローラ５０は低圧側膨張弁５の弁開度を絞り（Ｃｌｏｓｅ）、ステップＳ９に進んで、前記ステップＳ１に戻る制御を繰り返す（Ｒｅｔｕｒｎ）。

このように、ステップＳ４にてＴｏｕｔ−Ｔｉｎの値が所定の下限値ΔＴｍｉｎ以下である場合、コントローラ５０は低圧側膨張弁５の弁開度を絞るので、蒸発器６に流れる冷媒量が少なくなり、蒸発器６において冷媒を十分に蒸発させることができるようになる。これにより、係る液圧縮を解消することができる。

他方、上記Ｔｏｕｔ−Ｔｉｎの値が所定の下限値ΔＴｍｉｎより高い場合には、コントローラ５０はステップＳ５に移行し、前記Ｔｏｕｔ−Ｔｉｎと予め設定された所定の上限値ΔＴｍａｘ（予め設定された正の値）とを比較する。そして、Ｔｏｕｔ−Ｔｉｎの値が所定の上限値ΔＴｍａｘより小さい場合には、ステップＳ７に移行し、低圧側膨張弁５の弁開度を現在の開度のまま維持し（Ｓｔａｙ）、ステップＳ９に進んで、前記ステップＳ１に戻る制御を繰り返す（Ｒｅｔｕｒｎ）。

一方、上記Ｔｏｕｔ−Ｔｉｎの値が所定の上限値ΔＴｍａｘ以上である場合には、ステップＳ８に移行する。このように、Ｔｏｕｔ−Ｔｉｎの値が所定の上限値ΔＴｍａｘ以上である場合、蒸発器６出口における冷媒温度Ｔｏｕｔが高すぎて、即ち、圧縮機１の低段側圧縮要素１Ａに吸い込まれる冷媒温度が高くなりすぎて、回路内を流れる冷媒温度及び冷媒圧力が異常上昇する不都合を招く恐れがある。

そこで、Ｔｏｕｔ−Ｔｉｎの値が所定の上限値ΔＴｍａｘ以上である場合、図５のステップＳ８に移行し、コントローラ５０は低圧側膨張弁５の絞りを緩める（低圧側膨張弁５の弁開度を現時点より開く（Ｏｐｅｎ））。これにより、蒸発器６に流れる冷媒量が多くなり、蒸発器６出口における冷媒温度が下がり、係る回路内の冷媒温度及び圧力の異常上昇を解消することができる。

ところで、上述したように、図５のステップＳ６にてコントローラ５０が低圧側膨張弁５を絞ると（Ｃｌｏｓｅ）、低圧側膨張弁５から蒸発器６に流れる冷媒量が少なくなり、冷媒は低圧側膨張弁５で堰き止められるため、その上流側の冷媒圧力及び当該冷媒圧力と相関関係にある冷媒温度も上昇することとなる。即ち、温度センサ５２にて検出される高圧側膨張弁３を経た冷媒の温度が上昇し、当該冷媒温度から推定される冷媒圧力Ｐ２も上昇することとなる。このような場合であっても、図４の高圧側膨張弁３の制御で説明したように、高圧側膨張弁３を経た冷媒の圧力Ｐ２が予め設定された目標圧力Ｐｔｇより高くなると、図４のステップＳ８の如くコントローラ５０は高圧側膨張弁３の弁開度を１ステップ閉じるので（Ｃｌｏｓｅ）、何ら問題なく冷媒が流れるようになる。

以上詳述したように本実施例の二段膨張冷凍装置によれば、コントローラ５０が温度センサ５２にて検出した冷媒温度に基づいて、高圧側膨張弁３を経た冷媒の圧力Ｐ２を推定し、推定した圧力Ｐ２に基づいて高圧側膨張弁３を制御することにより、高価な圧力センサを用いることなく、安価な温度センサ５２を用いて、高圧側膨張弁３を経た冷媒の圧力Ｐ２を推定し、高圧側膨張弁３を的確に制御することができる。これにより、コストの削減を図ることができるようになる。

更に、本実施例では温度センサ５２を気液分離器４の本体下部に形成された冷媒出口に接続された冷媒配管４２上に設置し、当該温度センサ５２により気液分離器４にて分離された液相冷媒の温度を検出するので、温度センサ５２にてより正確な冷媒温度を検出することが可能となる。

即ち、前述したように高圧側膨張弁３を経た冷媒は液相状態の冷媒が混在した気体／液体の二相混合状態であり、係る液相を含む冷媒は温度と圧力に相関関係があるため、当該高圧側膨張弁３を経た冷媒の温度を検出すれば、圧力も推定することが可能である。

この場合、高圧側膨張弁３の出口に接続された冷媒配管３８、気液分離器４に接続された冷媒配管４０、或いは、冷媒配管４２に温度センサを設置し、冷媒の温度を検出することで、圧力を推定することが可能であるが、特に、本実施例の如く冷媒配管４２内を通過する気液分離器４にて分離された液相冷媒は上述のように外部からの熱に進入に対しても温度上昇し難い、或いは、温度上昇が生じない。このため、温度センサ５２を冷媒配管４２上に設置して、気液分離器４にて分離された液相冷媒の温度を検出することで、当該温度センサ５２により、より正確な冷媒温度を検出することが可能となる。これにより、高圧側膨張弁３をより一層的確に制御することができるようになる。

尚、本実施例では、コントローラ５０が高圧側膨張弁３を経た冷媒の圧力Ｐ２が予め設定された目標圧力Ｐｔｇとなるように高圧側膨張弁３を制御するものとしたが、目標圧力Ｐｔｇは、外気温度センサ５５にて検出される外気温度、或いは、圧縮機１の周波数に応じてコントローラ５０が決定するものとしても差し支えない。また、高圧側膨張弁３を経た冷媒の圧力Ｐ２が当該目標圧力Ｐｔｇの上下に所定の圧力幅±ｐを有して設けられた上限圧力（Ｐｔｇ＋ｐ）と下限圧力（Ｐｔｇーｐ）の範囲内となるように高圧側膨張弁３を制御するものとしても構わない。

この場合の制御について、図６のフローチャートを用いて説明する。図６のステップＳ１にてコントローラ５０が始動（Ｓｔａｒｔ）されると、コントローラ５０は前記温度センサ５２にて検出される気液分離器４から出た液相冷媒の温度Ｔを検出し（図６のステップＳ２）、当該温度Ｔから高圧側膨張弁３を経た冷媒の圧力Ｐ２を推定する（図６のステップＳ３）。

次に、コントローラ５０は図６のステップＳ４に移行し、ステップＳ３にて推定された冷媒圧力Ｐ２が目標圧力Ｐｔｇ上限圧力（Ｐｔｇ＋ｐ）より高いか否かを判定する。この場合、ステップＳ３にて推定された冷媒圧力Ｐ２が上限圧力（Ｐｔｇ＋ｐ）より高い場合には、ステップＳ６に移行し、高圧側膨張弁３の弁開度を１ステップ閉じて、ステップＳ９に進んで、前記ステップＳ１に戻る（Ｒｅｔｕｒｎ）。

一方、上記ステップＳ４において、推定された冷媒圧力Ｐ２が目標圧力Ｐｔｇ上限圧力（Ｐｔｇ＋ｐ）以下である場合には、コントローラ５０はステップＳ５に移行し、推定された冷媒圧力Ｐ２が下限圧力（Ｐｔｇーｐ）より低いか否かを判定する。そこで、推定された冷媒圧力Ｐ２が下限圧力（Ｐｔｇーｐ）より低い場合には、図６のステップＳ８に移行する。このように、推定された冷媒圧力Ｐ２が下限圧力（Ｐｔｇーｐ）より低い場合、高圧側膨張弁３を経た冷媒圧力Ｐ２が低すぎて、気液分離器４にて分離された気相冷媒が圧縮機１の中間圧部に流れ難い、若しくは、流れなくなる恐れがある。これにより、気相冷媒が液相冷媒と共に低圧側膨張弁５に至り、蒸発器６を通過して、低段側圧縮要素１Ａに吸い込まれることとなる。これにより、蒸発器６に早期蒸発により冷凍効果を発揮しない気相冷媒が多く流れることとなり、冷凍効果を著しく低下させる不都合が生じる。更に、低段側圧縮要素１Ａにおける入力も削減することがない。これにより、成績係数ＣＯＰも著しく低下し、二段膨張冷凍装置の特徴を十分に生かすことができなくなる。

そこで、図６のステップＳ５にて推定された冷媒圧力Ｐ２が下限圧力（Ｐｔｇーｐ）より低い場合には、コントローラ５０はステップＳ８に移行し、高圧側膨張弁３の弁開度を１ステップ開き、ステップＳ９に進んで、前記ステップＳ１に戻る（Ｒｅｔｕｒｎ）。

このように、ステップＳ５にて推定された冷媒圧力Ｐ２が下限圧力（Ｐｔｇーｐ）より低い場合、コントローラ５０は高圧側膨張弁３の弁開度を１ステップ開くので（Ｏｐｅｎ）、高圧側膨張弁３において冷媒の減圧効果が小さくなり、高圧側膨張弁３を経た冷媒の圧力Ｐ２が上昇する。これにより、高圧側膨張弁３を経た冷媒の圧力Ｐ２が高くなり、係る冷媒圧力Ｐ２により、気液分離器４にて分離された気相冷媒を冷媒配管４０を介して圧縮機１の低段側圧縮要素１Ａの吐出側（高段側圧縮要素１Ｂの吸込側）に円滑に戻すことができるようになる。

他方、図６のステップＳ５にて推定された冷媒圧力Ｐ２が下限圧力（Ｐｔｇーｐ）以上である場合には、コントローラ５０はステップＳ７に移行し、高圧側膨張弁３の弁開度を現在の開度のまま維持し（Ｓｔａｙ）、ステップＳ９に進んで、前記ステップＳ１に戻る（Ｒｅｔｕｒｎ）制御を繰り返す。

尚、上記実施例１では、コントローラ５０は、温度センサ５２にて検出される高圧側膨張弁３を経た冷媒の温度から高圧側膨張弁３を経た冷媒の圧力Ｐ２を推定し、推定した圧力Ｐ２に基づいて高圧側膨張弁３を制御することで、高圧側膨張弁３を経た冷媒の圧力が最適となるようにしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、少なくとも、制御手段（実施例ではコントローラ５０）が温度検出手段（実施例では温度センサ５２）が検出した温度に基づいて高圧側膨張手段（高圧側膨張弁３）を経た冷媒の圧力Ｐ２を推定し、推定して圧力Ｐ２に基づいて高圧側膨張手段（高圧側膨張弁３）、若しくは、低圧側膨張手段（低圧側膨張弁５）のどちらか一方を制御するものであれば有効である。

ここで、コントローラ５０が推定した圧力Ｐ２に基づいて低圧側膨張弁５を制御する場合の一例を説明する。尚、本実施例において、冷媒回路は図１に示す前記実施例１と同様の冷媒回路を使用するため、説明を省略し、制御についてのみ説明する。

コントローラ５０は高圧側膨張弁３を経た冷媒の圧力Ｐ２が予め設定された目標圧力Ｐｔｇとなるように低圧側膨張弁５を制御している。尚、上記目標圧力Ｐｔｇは予め設定された正の値である。本実施例の二段膨張冷凍装置における低圧側膨張弁５の制御について図７のフローチャートを用いて説明する。

先ず、図７のステップＳ１にてコントローラ５０が始動（Ｓｔａｒｔ）されると、コントローラ５０は温度センサ５２にて検出される気液分離器４から出た液相冷媒の温度Ｔを検出し（図７のステップＳ２）、当該温度Ｔから高圧側膨張弁３を経た冷媒の圧力Ｐ２を推定する（図７のステップＳ３）。

次に、コントローラ５０は図７のステップＳ４に移行し、ステップＳ３にて推定された冷媒圧力Ｐ２が目標圧力Ｐｔｇであるか否かを判定する。この場合、ステップＳ３にて推定された冷媒圧力Ｐ２と目標圧力Ｐｔｇとが等しい場合には、コントローラ５０はステップＳ６に移行し、低圧側膨張弁３の弁開度を現在の開度のまま維持し（Ｓｔａｙ）、ステップＳ９に進んで、前記ステップＳ１に戻る（Ｒｅｔｕｒｎ）制御を繰り返す。

一方、前記ステップＳ４において、ステップＳ３にて推定された冷媒圧力Ｐ２と目標圧力Ｐｔｇとが異なる値である場合には、コントローラ５０はステップＳ５に移行し、推定された冷媒圧力Ｐ２が目標圧力Ｐｔｇより大きいか否かを判定する。そして、冷媒圧力Ｐ２が目標圧力Ｐｔｇより大きい場合には、図７のステップＳ８に移行する。このように、冷媒圧力Ｐ２が目標圧力Ｐｔｇより大きい場合には、低圧側膨張弁３の弁開度を１ステップ開いて、ステップＳ９に進んで、前記ステップＳ１に戻る（Ｒｅｔｕｒｎ）。

このように、ステップＳ５にて冷媒圧力Ｐ２が目標圧力Ｐｔｇより大きい場合、コントローラ５０は低圧側膨張弁５の弁開度を１ステップ開くので（Ｏｐｅｎ）、低圧側膨張弁３において冷媒が流れやすくなるため、高圧側膨張弁３を経た冷媒の圧力Ｐ２が降下する。

他方、ステップＳ５において、推定された冷媒圧力Ｐ２が目標圧力Ｐｔｇより小さい場合には、コントローラ５０はステップＳ７に移行する。このように、推定された冷媒圧力Ｐ２が目標圧力Ｐｔｇより小さい場合、高圧側膨張弁３を経た冷媒圧力Ｐ２が低すぎて、気液分離器４にて分離された気相冷媒が圧縮機１の中間圧部に流れ難い、若しくは、流れなくなる恐れがある。これにより、気相冷媒が液相冷媒と共に低圧側膨張弁５に至り、蒸発器６を通過して、低段側圧縮要素１Ａに吸い込まれることとなる。これにより、蒸発器６に早期蒸発により冷凍効果を発揮しない気相冷媒が多く流れることとなり、冷凍効果を著しく低下させる不都合が生じる。更に、低段側圧縮要素１Ａにおける入力も削減することがない。これにより、成績係数ＣＯＰも著しく低下し、二段膨張冷凍装置の特徴を十分に生かすことができなくなる。

そこで、図７のステップＳ５にて推定された冷媒圧力Ｐ２が目標圧力Ｐｔｇより小さい場合には、コントローラ５０はステップＳ７に移行し、低圧側膨張弁５の弁開度を１ステップ閉じ、ステップＳ９に進んで、前記ステップＳ１に戻る（Ｒｅｔｕｒｎ）。

このように、ステップＳ５にて推定された冷媒圧力Ｐ２が目標圧力Ｐｔｇより小さい場合、コントローラ５０は低圧側膨張弁５の弁開度を１ステップ閉じるので（Ｃｌｏｓｅ）、低圧側膨張弁３において冷媒の減圧効果が小さくなり、即ち、低圧側膨張弁３の減圧効果が上昇し、冷媒がより流れ難くなるので、高圧側膨張弁３を経た冷媒の圧力Ｐ２が上昇する。これにより、高圧側膨張弁３を経た冷媒の圧力Ｐ２が高くなり、係る冷媒圧力Ｐ２により、気液分離器４にて分離された気相冷媒を冷媒配管４０を介して圧縮機１の低段側圧縮要素１Ａの吐出側（高段側圧縮要素１Ｂの吸込側）に円滑に戻すことができるようになる。

以上詳述したように本実施例の如くコントローラ５０が温度センサ５２にて検出した冷媒温度に基づいて、高圧側膨張弁３を経た冷媒の圧力Ｐ２を推定し、推定した圧力Ｐ２に基づいて低圧側膨張弁５を制御することにより、高価な圧力センサを用いることなく、安価な温度センサ５２を用いて、高圧側膨張弁３を経た冷媒の圧力Ｐ２を推定し、低圧側膨張弁５を的確に制御することができる。これにより、上記実施例と同様の効果を得ることができるようになる。

また、上記各実施例では、温度センサ５２が検出した温度のみに基づいて、高圧側膨張弁３を経た冷媒の圧力Ｐ２を推定し、推定した圧力Ｐ２に基づいて、高圧側膨張弁３、若しくは、低圧側膨張弁５を制御するものとしたが、当該高圧側膨張弁３を経た冷媒圧力に加えて、圧縮機１の中間圧部の圧力Ｐ１に基づいて、高圧側膨張弁３、或いは、低圧側膨張弁５を制御することも可能である。この場合の一例を以下に詳述する。尚、本実施例において、冷媒回路は図１に示す前記実施例１と同様の冷媒回路を使用するものとする。

本実施例において、コントローラ５０は、高圧側膨張弁３を経た冷媒の圧力Ｐ２と圧縮機の中間圧部の圧力Ｐ１に基づいて高圧側膨張弁３を制御する。具体的には、コントローラ５０は高圧側膨張弁３を経た冷媒の圧力Ｐ２が圧縮機１の中間圧部の圧力Ｐ１より高くなるよう高圧側膨張弁３を制御している。ここで、圧縮機１の中間圧部とは、圧縮機１の低段側圧縮要素１Ａで圧縮されて中間圧となった冷媒が高段側圧縮要素１Ｂに吸い込まれて圧縮されるまでの範囲内であり、圧縮機１の中間圧部の圧力Ｐ１とは、低段側圧縮要素１Ａで圧縮された冷媒の圧力のことである。この圧縮機１の中間圧部の圧力Ｐ１は前記外気温度センサ５５と運転周波数に基づくテーブルで表される。即ち、コントローラ５０には外気温度センサ５５と運転周波数に基づくテーブルの情報が内蔵されており、外気温度センサ５５にて入力される外気温度により、その時の運転周波数から圧縮機１の中間圧部の圧力Ｐ１が算出される。

また、本実施例では、コントローラ５０が温度センサ５２にて検出される気液分離器４から出た液相冷媒の温度を検出し、この温度に基づいて高圧側膨張弁３を経た冷媒の圧力Ｐ２を推定している。即ち、高圧側膨張弁３を経た冷媒は液相状態の冷媒が混在した気体／液体の二相混合状態であり、係る液相を含む冷媒は温度と圧力に相関関係がある。従って、高圧側膨張弁３を経た冷媒の温度を検出することで、当該冷媒の温度から圧力を推定することができる。

そして、コントローラ５０は上述の如く推定した高圧側膨張弁３を経た冷媒の圧力Ｐ２が、上記圧縮機１の中間圧部の圧力Ｐ１より高くなるよう高圧側膨張弁３を制御している。具体的には、後述する動作説明において詳述するが、コントローラ５０は高圧側膨張弁３を経た冷媒の圧力Ｐ２と圧縮機１の中間圧部の圧力Ｐ１との差（Ｐ２−Ｐ１）が予め設定された上限値ΔＰｍａｘと下限値ΔＰｍｉｎの間となるように、高圧側膨張弁３の弁開度を段階的に制御している。本実施例では、コントローラ５０により、Ｐ２−Ｐ１の値が所定の下限値ΔＰｍｉｎ以下である場合、高圧側膨張弁３の弁開度を１ステップ開き、所定の上限値ΔＰｍａｘ以上である場合には、高圧側膨張弁３の弁開度を１ステップ閉じるよう制御されている。尚、上記下限値ΔＰｍｉｎ及び上限値ΔＰｍａｘは共に予め設定された正の値である。

ところで、前述したようにコントローラ５０は高圧側膨張弁３を温度センサ５２にて検出される冷媒温度から推定される高圧側膨張弁３を経た冷媒圧力Ｐ２が外気温度センサ５５にて検出される外気温度から推定される中間圧部の圧力Ｐ１より高くなるよう高圧側膨張弁３を制御している。ここで、本実施例の二段膨張冷凍装置における高圧側膨張弁３の制御について図８のフローチャートを用いて説明する。

先ず、図８のステップＳ１にてコントローラ５０が始動（Ｓｔａｒｔ）されると、コントローラ５０は前記温度センサ５２にて検出される気液分離器４から出た液相冷媒の温度を検出し、当該温度から高圧側膨張弁３を経た圧力Ｐ２を推定する（図８のステップＳ２）。また、コントローラ５０は外気温度センサ５５にて検出される外気温度と、圧縮機１の運転周波数に基づき、当該コントローラ５０の有する前記テーブルから圧縮機１の中間圧部の圧力Ｐ１を算出する（図８のステップＳ３）。

そして、コントローラ５０は次に図８のステップＳ４に移行し、上記ステップＳ２にて推定された圧力Ｐ２とステップＳ３にて算出された圧力Ｐ１との差（Ｐ２−Ｐ１）と予め設定された所定の下限値ΔＰｍｉｎとを比較する。そして、Ｐ２−Ｐ１の値が所定の下限値ΔＰｍｉｎより大きい場合には、ステップＳ５に移行する。

一方、上記Ｐ２−Ｐ１の値が所定の下限値ΔＰｍｉｎ以下である場合には、図８のステップＳ６に移行する。このように、Ｐ２−Ｐ１の値が所定の下限値ΔＰｍｉｎ以下である場合、Ｐ２とＰ１の圧力差が小さすぎて、気液分離器４にて分離された気相冷媒が圧縮機１の中間圧部に流れ難い、若しくは、流れなくなる恐れがある。これにより、気相冷媒が液相冷媒と共に低圧側膨張弁５に至り、蒸発器６を通過して、低段側圧縮要素１Ａに吸い込まれることとなる。これにより、蒸発器６に早期蒸発により冷凍効果を発揮しない気相冷媒が多く流れることとなり、冷凍効果を著しく低下させる不都合が生じる。更に、低段側圧縮要素１Ａにおける入力も削減することがない。これにより、成績係数ＣＯＰも著しく低下し、二段膨張冷凍装置の特徴を十分に生かすことができなくなる。

そこで、図８のステップＳ４にてＰ２−Ｐ１の値が所定の下限値ΔＰｍｉｎ以下である場合には、コントローラ５０はステップＳ６に移行し、高圧側膨張弁３の弁開度を１ステップ開き、ステップＳ９に進んで、前記ステップＳ１に戻る（Ｒｅｔｕｒｎ）。

このように、ステップＳ４にてＰ２−Ｐ１の値が所定の下限値ΔＰｍｉｎ以下である場合、コントローラ５０は高圧側膨張弁３の弁開度を１ステップ開くので（Ｏｐｅｎ）、高圧側膨張弁３において冷媒の減圧効果が小さくなり、高圧側膨張弁３を経た冷媒の圧力Ｐ２が上昇する。これにより、高圧側膨張弁３を経た冷媒の圧力Ｐ２と中間圧部の圧力Ｐ１との間に所定の圧力差を確保することができるようになる。従って、係る圧力差により、気液分離器４にて分離された気相冷媒を冷媒配管４０を介して圧縮機１の低段側圧縮要素１Ａの吐出側（高段側圧縮要素１Ｂの吸込側）に円滑に戻すことができるようになる。

他方、上記Ｐ２−Ｐ１の値が所定の下限値ΔＰｍｉｎより高い場合には、コントローラ５０はステップＳ５に移行し、前記圧力Ｐ１と圧力Ｐ２との差（Ｐ２−Ｐ１）と予め設定された所定の上限値ΔＰｍａｘとを比較する。そして、Ｐ２−Ｐ１の値が所定の上限値ΔＰｍａｘより小さい場合には、ステップＳ７に移行し、高圧側膨張弁３の弁開度を現在の開度のまま維持し（Ｓｔａｙ）、ステップＳ９に進んで、前記ステップＳ１に戻る（Ｒｅｔｕｒｎ）制御を繰り返す。

一方、上記Ｐ２−Ｐ１の値が所定の上限値ΔＰｍａｘ以上である場合には、ステップＳ８に移行する。このように、Ｐ２−Ｐ１の値が所定の上限値ΔＰｍａｘ以上である場合には、高圧側膨張弁３の弁開度を１ステップ閉じて、ステップＳ９に進んで、前記ステップＳ１に戻る（Ｒｅｔｕｒｎ）。

このように、ステップＳ７にてＰ２−Ｐ１の値が所定の上限値ΔＰｍａｘ以上である場合、コントローラ５０は高圧側膨張弁３の弁開度を１ステップ閉じるので（Ｃｌｏｓｅ）、高圧側膨張弁３において冷媒の減圧効果が大きくなり、高圧側膨張弁３を経た冷媒の圧力Ｐ２が降下する。

更に、上述したようにコントローラ５０は低圧側膨張弁５を蒸発器入口温度センサ４３にて検出される蒸発器６入口の冷媒温度Ｔｉｎと蒸発器出口温度センサ５４にて検出される蒸発器６出口の冷媒温度Ｔｏｕｔにより制御している。そこで、次に本実施例の二段膨張冷凍装置における低圧側膨張弁５の制御について図５のフローチャートを用いて説明する。

先ず、図５のステップＳ１にてコントローラ５０が始動されると（Ｓｔａｒｔ）、コントローラ５０は図５のステップＳ２にて蒸発器入口温度センサ５３にて蒸発器６入口の冷媒温度Ｔｉｎを検出し、次に、図５のステップＳ３にて蒸発器出口温度センサ５４にて蒸発器６出口の冷媒温度Ｔｏｕｔを検出した後、図５のステップＳ４に移行する。

そして、図５のステップＳ４にてコントローラ５０は、上記図５のステップＳ３にて検出された蒸発器６出口の冷媒温度Ｔｏｕｔと図５のステップＳ２にて検出された蒸発器６入口の冷媒温度Ｔｉｎとの差（Ｔｏｕｔ−Ｔｉｎ）と予め設定された所定の下限値ΔＴｍｉｎ（予め設定された正の値）とを比較し、Ｔｏｕｔ−Ｔｉｎの値が所定の下限値ΔＴｍｉｎより大きい場合には、図５のステップＳ５に移行する。

一方、上記Ｔｏｕｔ−Ｔｉｎの値が所定の下限値ΔＴｍｉｎ以下である場合には、図５のステップＳ６に移行する。このように、Ｔｏｕｔ−Ｔｉｎの値が所定の下限値ΔＴｍｉｎ以下である場合、ＴｏｕｔとＴｉｎとの温度差が小さすぎて、蒸発器６から出た冷媒の過熱度が十分に確保されていない。即ち、蒸発器６から出た冷媒中に液相状態の冷媒が残留している恐れがある。これにより、液相冷媒が圧縮機１の低段側圧縮要素１Ａに吸い込まれて液圧縮する恐れがあった。

そこで、図５のステップＳ４にてＴｏｕｔ−Ｔｉｎの値が所定の下限値ΔＴｍｉｎ以下である場合には、ステップＳ６に移行し、コントローラ５０は低圧側膨張弁５の弁開度を絞り（Ｃｌｏｓｅ）、ステップＳ９に進んで、前記ステップＳ１に戻る制御を繰り返す（Ｒｅｔｕｒｎ）。

このように、ステップＳ４にてＴｏｕｔ−Ｔｉｎの値が所定の下限値ΔＴｍｉｎ以下である場合、コントローラ５０は低圧側膨張弁５の弁開度を絞るので、蒸発器６に流れる冷媒量が少なくなり、蒸発器６において冷媒を十分に蒸発させることができるようになる。これにより、係る液圧縮を解消することができる。

他方、上記Ｔｏｕｔ−Ｔｉｎの値が所定の下限値ΔＴｍｉｎより高い場合には、コントローラ５０はステップＳ５に移行し、前記Ｔｏｕｔ−Ｔｉｎと予め設定された所定の上限値ΔＴｍａｘ（予め設定された正の値）とを比較する。そして、Ｔｏｕｔ−Ｔｉｎの値が所定の上限値ΔＴｍａｘより小さい場合には、ステップＳ７に移行し、低圧側膨張弁５の弁開度を現在の開度のまま維持し（Ｓｔａｙ）、ステップＳ９に進んで、前記ステップＳ１に戻る制御を繰り返す（Ｒｅｔｕｒｎ）。

一方、上記Ｔｏｕｔ−Ｔｉｎの値が所定の上限値ΔＴｍａｘ以上である場合には、ステップＳ８に移行する。このように、Ｔｏｕｔ−Ｔｉｎの値が所定の上限値ΔＴｍａｘ以上である場合、蒸発器６出口における冷媒温度Ｔｏｕｔが高すぎて、即ち、圧縮機１の低段側圧縮要素１Ａに吸い込まれる冷媒温度が高くなりすぎて、回路内を流れる冷媒温度及び冷媒圧力が異常上昇する不都合を招く恐れがある。

そこで、Ｔｏｕｔ−Ｔｉｎの値が所定の上限値ΔＴｍａｘ以上である場合、図５のステップＳ８に移行し、コントローラ５０は低圧側膨張弁５の絞りを緩める（低圧側膨張弁５の弁開度を現時点より開く（Ｏｐｅｎ））。これにより、蒸発器６に流れる冷媒量が多くなり、蒸発器６出口における冷媒温度が下がり、係る回路内の冷媒温度及び圧力の異常上昇を解消することができる。

ところで、上述したように、図５のステップＳ６にてコントローラ５０が低圧側膨張弁５を絞ると（Ｃｌｏｓｅ）、低圧側膨張弁５から蒸発器６に流れる冷媒量が少なくなり、冷媒は低圧側膨張弁５で堰き止められるため、その上流側の冷媒圧力及び当該冷媒圧力と相関関係にある冷媒温度も上昇することとなる。即ち、温度センサ５２にて検出される高圧側膨張弁３を経た冷媒の温度が上昇し、当該冷媒温度から推定される冷媒圧力Ｐ２も上昇することとなる。このような場合であっても、図８の高圧側膨張弁３の制御で説明したように、高圧側膨張弁３を経た冷媒の圧力Ｐ２と圧縮機１の中間圧部の圧力Ｐ１との差（Ｐ２−Ｐ１）が予め設定された所定の上限値ΔＰｍａｘ以上になると、図８のステップＳ８の如くコントローラ５０は高圧側膨張弁３の弁開度を１ステップ閉じるので（Ｃｌｏｓｅ）、何ら問題なく冷媒が流れるようになる。

以上詳述したように本実施例の二段膨張冷凍装置では、コントローラ５０が温度センサ５２にて検出した冷媒温度に基づいて、高圧側膨張弁３を経た冷媒の圧力Ｐ２を推定し、推定した圧力Ｐ２と圧縮機１の中間圧部の圧力Ｐ１に基づいて高圧側膨張弁３を制御することにより、高圧側膨張弁３を経た冷媒の圧力Ｐ２を容易に制御することができる。

特に、温度センサ５２にて検出した冷媒温度に基づいて、高圧側膨張弁３を経た冷媒の圧力Ｐ２を推定するので、上記実施例同様に高価な圧力センサを用いることなく、安価な温度センサ５２を用いて、高圧側膨張弁３を経た冷媒の圧力Ｐ２を推定し、高圧側膨張弁３を的確に制御することができる。これにより、コストの削減を図ることができるようになる。

更に、温度センサ５２を気液分離器４の本体下部に形成された冷媒出口に接続された冷媒配管４２上に設置し、当該温度センサ５２により気液分離器４にて分離された液相冷媒の温度を検出するので、温度センサ５２にてより正確な冷媒温度を検出することが可能となる。

更にまた、コントローラ５０は、高圧側膨張弁３を経た冷媒の圧力Ｐ２が圧縮機の中間圧部の圧力Ｐ１より高くなるよう高圧側膨張弁３を制御するので、気液分離器４で分離した気相冷媒が円滑に圧縮機１の中間圧部に流入するようになる。これにより、蒸発器６にて被冷凍物の冷凍に何ら寄与しない気相冷媒を気液分離器４にて液相冷媒と分離し、円滑に圧縮機１の中間圧部に戻すことができるので、低段側圧縮要素１Ａにて圧縮される冷媒量を減らすことができる。

これにより、蒸発器６における冷凍効果が向上し、且つ、低段側圧縮要素１Ａにおける入力を削減することができる。総じて、本発明により高圧側膨張弁５を経た冷媒を最適な圧力となるように制御して、二段膨張冷凍機の特徴を最大限に発揮した冷凍効果を得ることができるようになる。

尚、上記各実施例では圧縮機として、低段側圧縮要素１Ａと高段側圧縮要素１Ｂの二つの圧縮手段から成る圧縮機１を用いるものとしたが、本発明の二段膨張冷凍装置に適用可能な圧縮機は本実施例の圧縮機１に限定されるものでない。即ち、気液分離手段で分離された気相冷媒を圧縮機の中間圧部に戻すことが可能な構成を有するものであれば良く、例えば、各圧縮要素１Ａ、１Ｂをそれぞれモータを備えた２つの圧縮手段から構成されるものであっても良いし、中間吸込ポートを設けた一つの圧縮要素を備える構成としても構わない。

本発明の一実施例の二段膨張冷凍装置の冷媒回路図である。 図１の二段膨張冷凍装置の機能ブロック図である。 図１の二段膨張冷凍装置のｐ−ｈ線図（モリエル線図）である。 実施例１の二段膨張冷凍装置の高圧側膨張弁の制御を示すフローチャートである。 図１の二段膨張冷凍装置の低圧側膨張弁の制御を示すフローチャートである。 他の二段膨張冷凍装置の高圧側膨張弁の制御を示すフローチャートである。 実施例２の二段膨張冷凍装置の低圧側膨張弁の制御を示すフローチャートである。 実施例３の二段膨張冷凍装置の高圧側膨張弁の制御を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 圧縮機
１Ａ 低段側圧縮要素
１Ｂ 高段側圧縮要素
２ 放熱器
３ 高圧側膨張弁（高圧側膨張手段）
４ 気液分離器（気液分離手段）
５ 低圧側膨張弁（低圧側膨張手段）
６ 蒸発器
７ 逆止弁
３０、３２ 冷媒導入管
３４ 冷媒吐出管
３６、３８、４０、４２、４４ 冷媒配管
５０ コントローラ
５２ 温度センサ
５３ 蒸発器入口温度センサ
５４ 蒸発器出口温度センサ
５５ 外気温度センサ
５６ 放熱器温度センサ

Claims (4)

1. 圧縮機、放熱器、高圧側膨張手段、気液分離手段、低圧側膨張手段及び蒸発器から構成される冷媒回路を備え、前記気液分離手段で分離された気相冷媒を前記圧縮機の中間圧部に戻し、液相冷媒を前記低圧側膨張手段を経て前記蒸発器に流入させる二段膨張冷凍装置において、
   前記圧縮機及び各膨張手段を制御する制御手段と、前記高圧側膨張手段を経た冷媒の温度を検出する温度検出手段とを備え、該制御手段は、前記温度検出手段が検出した温度に基づいて前記高圧側膨張手段を経た冷媒の圧力Ｐ２を推定し、推定した圧力Ｐ２に基づいて前記高圧側膨張手段、若しくは、前記低圧側膨張手段のどちらか一方を制御することを特徴とする二段膨張冷凍装置。
2. 前記温度検出手段は、前記気液分離手段にて分離された液相冷媒の温度を検出することを特徴とする請求項１に記載の二段膨張冷凍装置。
3. 前記制御手段は、前記圧力Ｐ２と前記圧縮機の中間圧部の圧力Ｐ１に基づいて前記高圧側膨張手段、若しくは、前記低圧側膨張手段のどちらか一方を制御することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の二段膨張冷凍装置。
4. 前記制御手段は、前記Ｐ２が前記Ｐ１より高くなるよう前記高圧側膨張手段、若しくは、前記低圧側膨張手段のどちらか一方を制御することを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３に記載の二段膨張冷凍装置。

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