JP5287831B2 - 二段昇圧式冷凍サイクル - Google Patents

Description

本発明は、低段側圧縮機構と高段側圧縮機構とを備え、冷媒を多段階に昇圧させる二段昇圧式冷凍サイクルに関する。

従来、特許文献１に、直列に接続された複数の圧縮機構によって、冷媒（ヘリウムガス）を多段階に昇圧させる二段昇圧式冷凍サイクルが開示されている。さらに、この特許文献１の二段昇圧式冷凍サイクルでは、それぞれの圧縮機構の負荷を軽減するために、低段側圧縮機構として、その吐出容量が高段側圧縮機構の吐出容量よりも大きいものを採用している。

このように、低段側圧縮機構として、高段側圧縮機構よりも吐出容量が大きいものを採用する二段昇圧式冷凍サイクルでは、初期起動時のように、サイクル内の高低圧差が均圧化された均圧状態において双方の圧縮機構を同時に起動すると、吐出容量の大きい低段側圧縮機構の吐出側冷媒圧力が高段側圧縮機構の吐出側冷媒圧力よりも高くなってしまう圧力の逆転現象が生じることがある。

そこで、特許文献１の冷凍サイクルでは、均圧状態で各圧縮機構を起動させる際には、まず吐出容量の小さい高段側圧縮機構を起動させ、その後に、低段側圧縮機構を起動させることで、上述の圧力の逆転現象の発生を抑制している。

特開６１−２３５６４８号公報

ところで、特許文献１には、均圧状態の起動時における圧縮機構の起動順序については記載されているものの、サイクル内の高低圧差が残存している状態における圧縮機構の起動順序等については何ら記載されていない。

しかしながら、例えば、圧縮機構に対して電磁クラッチ等を介して駆動力を伝達する冷凍サイクルでは、蒸発器における冷媒蒸発温度を所望の目標温度とするために圧縮機構を断続的に作動させることがある。このような冷凍サイクルでは、サイクル内の高低圧差が残存する状態で、圧縮機構を起動させなければならないことがある。

さらに、サイクル内の高低圧差が残存する状態では、圧縮機構の稼動部材が、高低圧差によって生じる荷重を受けて、固定部材側等に押し付けられているので、この状態で圧縮機構を起動させると、圧縮機構の構成部材に摩耗等が生じ、圧縮機構の耐久寿命に悪影響を与えてしまう。

すなわち、サイクル内の高低圧差が残存している状態では、特許文献１のように、単に、高段側圧縮機構を起動させて、その後に、低段側圧縮機構を起動させるだけでは、各圧縮機構の耐久寿命に悪影響を与えてしまうおそれがある。

本発明は、上記点に鑑み、低段側圧縮機構および高段側圧縮機構を断続的に作動させる二段昇圧式冷凍サイクルにおいて、低段側圧縮機構および高段側圧縮機構の保護を図ることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、低圧冷媒を中間圧冷媒となるまで圧縮して吐出する低段側圧縮機構（１２ａ）と、低段側圧縮機構（１２ａ）から吐出された中間圧冷媒を高圧冷媒となるまで圧縮して吐出する高段側圧縮機構（１１ａ）と、高段側圧縮機構（１１ａ）から吐出された高圧冷媒を室外空気と熱交換させて放熱させる放熱器（１３）と、放熱器（１３）から流出した高圧冷媒を中間圧冷媒となるまで減圧膨張させて高段側圧縮機構（１１ａ）吸入側へ流出する中間圧膨張弁（１５）と、放熱器（１３）から流出した高圧冷媒を低圧冷媒となるまで減圧膨張させる低圧膨張弁（１７）と、低圧膨張弁（１７）にて減圧膨張された低圧冷媒を冷却対象空間に送風される送風空気と熱交換させて蒸発させ、低段側圧縮機構（１２ａ）吸入側へ流出する蒸発器（１８）とを備え、低段側圧縮機構（１２ａ）および高段側圧縮機構（１１ａ）を断続的に駆動することによって、蒸発器（１８）にて低圧冷媒と熱交換する熱交換対象流体の温度が目標温度（Ｔｓｅｔ）に近づくように調整される二段昇圧式冷凍サイクルであって、
低段側圧縮機構（１２ａ）および高段側圧縮機構（１１ａ）を停止させて再び起動させる際に、低段側圧縮機構（１２ａ）の低段吐出側冷媒圧力（Ｐｍ）から低段吸入側冷媒圧力（Ｐｓ）を減算した低段側圧力差（ＰＬｄ）と高段側圧縮機構（１１ａ）の高段吐出側冷媒圧力（Ｐｄ）から低段吐出側冷媒圧力（Ｐｍ）を減算した高段側圧力差（ＰＨｄ）とのうち低い方の圧力差となっている一方の圧縮機構（１１ａ）を起動させ、その後に、低段側圧力差（ＰＬｄ）および高段側圧力差（ＰＨｄ）のうち高い方の圧力差を縮小させて他方の圧縮機構（１２ａ）を起動させることを特徴とする。

これによれば、低段側圧縮機構（１２ａ）および高段側圧縮機構（１１ａ）を停止させて再び起動させる際に、サイクル内の高低圧差が残存する状態であっても、低段側圧力差（ＰＬｄ）および高段側圧力差（ＰＨｄ）のうち低い方の圧力差となっている一方の圧縮機構（１１ａ）を起動させるので、高い方の圧力差となっている他方の圧縮機構（１２ａ）を起動させる場合よりも、圧縮機構（１１ａ、１２ａ）の保護を図ることができる。

なお、二段昇圧式冷凍サイクルにおいて、サイクルの高低圧差が残存する状態とは、低段側圧力差（ＰＬｄ）および高段側圧力差（ＰＨｄ）のうち、少なくとも一方が存在している状態を意味している。

さらに、二段昇圧式冷凍サイクルでは、低段側圧縮機構（１２ａ）の吐出側と高段側圧縮機構（１１ａ）の吸入側が同じ圧力となるので、後述する実施形態に説明するように、一方の圧縮機構（１１ａ）を起動させると、一方の圧縮機構（１１ａ）の吐出側冷媒圧力から吸入側冷媒圧力を減算した圧力差が拡大して、作動していない他方の圧縮機構（１２ａ）における圧力差を縮小させることができる。

従って、他方の圧縮機構（１２ａ）についても、その圧力差を縮小させた状態で起動させることができる。その結果、先に起動させる一方の圧縮機構（１１ａ）およびその後に起動させる他方の圧縮機構（１２ａ）の双方の保護を図ることができる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の二段昇圧式冷凍サイクルにおいて、低段側圧縮機構（１２ａ）および高段側圧縮機構（１１ａ）を停止させる際に、一方の圧縮機構（１１ａ）を停止させ、その後、他方の圧縮機構（１２ａ）を停止させることを特徴とする。

これによれば、低段側圧縮機構（１２ａ）および高段側圧縮機構（１１ａ）を停止させる際に、まず一方の圧縮機構（１１ａ）を停止させるので、停止していない他方の圧縮機構（１２ａ）の昇圧能力によって、一方の圧縮機構（１１ａ）における圧力差を縮小させることができる。

その結果、双方の圧縮機構（１１ａ、１２ａ）を停止させて再び起動させる際に、確実に低段側圧力差（ＰＬｄ）および高段側圧力差（ＰＨｄ）を異なる値として、先に起動させる一方の圧縮機構（１１ａ）を確実に保護することができる。

請求項３に記載の発明では、請求項１に記載の二段昇圧式冷凍サイクルにおいて、低段側圧縮機構（１２ａ）および高段側圧縮機構（１１ａ）を停止させる際に、低段側圧縮機構（１２ａ）および高段側圧縮機構（１１ａ）を同時に停止させるとともに、中間圧膨張弁（１５）および低圧膨張弁（１７）のうち、いずれか一方の絞り開度を増加させることを特徴とする。

これによれば、低段側圧縮機構（１２ａ）および高段側圧縮機構（１１ａ）を同時に停止させる際に、中間圧膨張弁（１５）の絞り開度を増加させることで、高段側圧力差（ＰＨｄ）を速やかに縮小させることができ、低圧膨張弁（１７）の絞り開度を増加させることで、低段側圧力差（ＰＬｄ）を速やかに縮小させることができる。

その結果、双方の圧縮機構（１１ａ、１２ａ）を停止させて再び起動させる際に、確実に低段側圧力差（ＰＬｄ）および高段側圧力差（ＰＨｄ）を異なる値として、先に起動させる一方の圧縮機構（１１ａ）を確実に保護することができる。

請求項４に記載の発明では、請求項１に記載の二段昇圧式冷凍サイクルにおいて、一方の圧縮機構（１１ａ）から吐出された冷媒に混入している冷凍機油を分離して、一方の圧縮機構（１１ａ）の吸入側に戻すオイルセパレータ（１９ｂ）を備えることを特徴とする。

これによれば、低段側圧縮機構（１２ａ）および高段側圧縮機構（１１ａ）を停止させることで、一方の圧縮機構（１１ａ）側に設けられたオイルセパレータ（１９ｂ）を介して、一方の圧縮機構（１２ａ）の高圧側と低圧側とを連通させて圧力差を縮小することができる。その結果、双方の圧縮機構（１１ａ、１２ａ）を停止させて再び起動させる際に、確実に低段側圧力差（ＰＬｄ）および高段側圧力差（ＰＨｄ）を異なる値として、先に起動させる一方の圧縮機構（１１ａ）を確実に保護することができる。

なお、低段側圧縮機構（１２ａ）および高段側圧縮機構（１１ａ）を停止させる際に、いずれか一方を先に停止させる場合には、オイルセパレータ（１９ｂ）は、先に停止させる一方の圧縮機構（１１ａ）側に設けることが望ましい。

また、低段側圧縮機構（１２ａ）および高段側圧縮機構（１１ａ）を同時に停止させ、中間圧膨張弁（１５）の絞り開度を増加させる場合には、オイルセパレータ（１９ｂ）は、高段側圧縮機構（１１ａ）側に設けることが望ましく、低圧膨張弁（１７）の絞り開度を増加させる場合には、オイルセパレータ（１９ｂ）は、低段側圧縮機構（１２ａ）側に設けることが望ましい。

請求項５に記載の発明では、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の二段昇圧式冷凍サイクルにおいて、一方の圧縮機構は、高段側圧縮機構（１１ａ）であり、他方の圧縮機構は、低段側圧縮機構（１２ａ）であることを特徴とする。

これによれば、冷媒を蒸発させて吸熱作用を発揮させる蒸発器（１８）に接続される低段側圧縮機構（１２ａ）が他方の圧縮機構となるので、高段側圧縮機構（１１ａ）を停止させても、低段側圧力差（ＰＬｄ）の変動を抑制できる。従って、高段側圧縮機構（１１ａ）および低段側圧縮機構（１２ａ）を停止させる際に、蒸発器（１８）の冷媒蒸発圧力（冷媒蒸発温度）が変動してしまうことを抑制できる。

さらに、圧縮機構（１１ａ、１２ａ）を再び起動させる際に、一方の圧縮機構である高段側圧縮機構（１１ａ）を起動させるので、高段側圧縮機構（１１ａ）の吸入側冷媒圧力、すなわち低段側圧縮機構（１２ａ）の吐出側冷媒圧力が低下して、低段側圧力差（ＰＬｄ）が縮小しても、低段側圧縮機構（１２ａ）の吸入側冷媒圧力は変化しにくい。

従って、高段側圧縮機構（１１ａ）および低段側圧縮機構（１２ａ）を再び起動させる際に、蒸発器（１８）の冷媒蒸発圧力（冷媒蒸発温度）が変動してしまうことを抑制できる。

その結果、低段側圧縮機構（１２ａ）および高段側圧縮機構（１１ａ）を断続的に作動させたとしても、蒸発器（１８）の冷媒蒸発温度が変化してしまうことを抑制できる。延いては、蒸発器（１８）の冷媒蒸発温度を低下させるための低段側圧縮機構（１２ａ）および高段側圧縮機構（１１ａ）の消費動力を低減できる。

請求項６に記載の発明では、請求項１ないし５のいずれか１つに記載の二段昇圧式冷凍サイクルにおいて、低段側圧縮機構（１２ａ）および高段側圧縮機構（１１ａ）を起動させる際に、一方の圧縮機構（１１ａ）の起動後、他方の圧縮機構（１２ａ）における圧力差が予め定めた基準圧力差以下となった際に、他方の圧縮機構（１２ａ）を起動させることを特徴とする。

これによれば、一方の圧縮機構（１１ａ）を起動後、他方の圧縮機構（１２ａ）における圧力差が予め定めた基準圧力差以下となった際に、他方の圧縮機構（１２ａ）を起動させるので、より一層、確実に、他方の圧縮機構（１２ａ）の保護を図ることができる。

請求項７に記載の発明では、請求項１ないし５のいずれか１つに記載の二段昇圧式冷凍サイクルにおいて、低段側圧縮機構（１２ａ）および高段側圧縮機構（１１ａ）を起動させる際に、一方の圧縮機構（１１ａ）を起動後、予め定めた基準待機時間が経過した際に、他方の圧縮機構（１２ａ）を起動させることを特徴とする。

これによれば、一方の圧縮機構（１１ａ）を起動後、予め定めた基準待機時間が経過した後に、他方の圧縮機構（１２ａ）を起動させるので、他方の圧縮機構（１２ａ）における圧力差が充分に縮小するまで待つことができ、より一層、確実に、他方の圧縮機構（１２ａ）の保護を図ることができる。

請求項８に記載の発明のように、請求項１ないし６のいずれか１つに記載の二段昇圧式冷凍サイクルにおいて、中間圧膨張弁（１５）は、放熱器（１３）から流出した高圧冷媒の流れを分岐する分岐部（１４）にて分岐された一方の高圧冷媒を減圧膨張させ、低圧膨張弁（１７）は、分岐部（１４）にて分岐された他方の高圧冷媒を減圧膨張させ、さらに、中間圧膨張弁（１５）にて減圧膨張された低圧冷媒と分岐部（１４）にて分岐された他方の高圧冷媒とを熱交換させる中間熱交換器（１６）を備えていてもよい。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

第１実施形態の二段昇圧式冷凍サイクルの全体構成図である。 第１実施形態の二段昇圧式冷凍サイクルの冷媒の状態を示すモリエル線図である。 第１実施形態の二段昇圧式冷凍サイクルの断続制御時の高圧側圧力差と低圧側圧力差の変化を示す説明図である。 （ａ）は、第１実施形態の二段昇圧式冷凍サイクルの断続制御時の高段吐出側冷媒圧力Ｐｄ等の変化を示すタイムチャートであり、（ｂ）は、比較例の二段昇圧式冷凍サイクルの断続制御時の高段吐出側冷媒圧力Ｐｄ等の変化を示すタイムチャートである。 （ａ）は、第１実施形態の二段昇圧式冷凍サイクルの断続制御時の庫内空気の空気温度Ｔｆｒ等の変化を示すタイムチャートであり、（ｂ）は、比較例の二段昇圧式冷凍サイクルの断続制御時の庫内空気の空気温度Ｔｆｒ等の変化を示すタイムチャートでる。 第３実施形態の二段昇圧式冷凍サイクルの全体構成図である。 第４実施形態の二段昇圧式冷凍サイクルの全体構成図である。 他の実施形態の二段昇圧式冷凍サイクルの全体構成図である。

（第１実施形態）
図１〜図５により、本発明の第１実施形態を説明する。図１は、本実施形態の二段昇圧式冷凍サイクル１０の全体構成図である。この二段昇圧式冷凍サイクル１０は、冷凍機に適用されており、冷却対象空間である冷凍庫内へ送風される送風空気を−３０℃〜０℃程度の極低温となるまで冷却する機能を果たす。

まず、二段昇圧式冷凍サイクル１０は、図１に示すように、高段側圧縮機１１および低段側圧縮機１２の２つの圧縮機を備えており、サイクルを循環する冷媒を多段階に昇圧する。なお、本実施形態では冷媒として、通常のフロン系冷媒（例えば、Ｒ４０４Ａ）を採用している。さらに、冷媒には、低段側圧縮機１２および高段側圧縮機１１内の摺動部位を潤滑するための冷凍機油（オイル）が混入されており、冷凍機油の一部は冷媒とともにサイクルを循環している。

低段側圧縮機１２は、低圧冷媒を中間圧冷媒となるまで圧縮して吐出する低段側圧縮機構１２ａ、および、低段側圧縮機構１２ａを回転駆動する低段側電動モータ１２ｂを有する電動圧縮機である。低段側圧縮機構１２ａは、その吐出容量が固定された固定容量型圧縮機構で構成されており、具体的には、スクロール型圧縮機構、ベーン型圧縮機構、ローリングピストン型圧縮機構等の各種圧縮機構を採用できる。

低段側電動モータ１２ｂは、低段側インバータ２２から出力される交流電流によって、その作動（回転数）が制御される交流モータである。また、低段側インバータ２２は、後述する冷凍機制御装置２０から出力される制御信号に応じた周波数の交流電流を出力する。そして、この周波数制御によって低段側圧縮機１２（具体的には、低段側圧縮機構１２ａ）の冷媒吐出能力が変更される。

従って、本実施形態では、低段側電動モータ１２ｂが低段側圧縮機１２の吐出能力変更手段を構成している。もちろん、低段側電動モータ１２ｂとして、直流モータを採用し、冷凍機制御装置２０から出力される制御電圧によって、その回転数を制御するようにしてもよい。また、低段側圧縮機１２（具体的には、低段側圧縮機構１２ａ）の吐出口には、高段側圧縮機１１の吸入口側が接続されている。

従って、低段側圧縮機構１２ａの低段吐出側冷媒圧力Ｐｍは、高段側圧縮機構１１ａの高段吸入側冷媒圧力と同等の値となる。高段側圧縮機１１の基本的構成は、低段側圧縮機１２と同様である。従って、高段側圧縮機１１は、低段側圧縮機１２から吐出された中間圧冷媒を高圧冷媒となるまで圧縮して吐出する高段側圧縮機構１１ａ、および、高段側電動モータ１１ｂを有する電動圧縮機である。

さらに、高段側圧縮機構１１ａは、吐出容量が固定された固定容量型圧縮機構で構成され、高段側電動モータ１１ｂは、高段側インバータ２１から出力される交流電流によって回転数が制御される。なお、本実施形態の高段側圧縮機構１１ａの圧縮比および低段側圧縮機構１２ａの圧縮比は略同等となっている。

また、本実施形態の高段側圧縮機１１および低段側圧縮機１２は、図示しない吐出弁を有している。この吐出弁は、各圧縮機構１１ａ、１２ａから吐出された冷媒が、各圧縮機１１、１２の内部へ逆流することを抑制するための逆止弁として機能する。

高段側圧縮機１１（具体的には、高段側圧縮機構１１ａ）の吐出口には、放熱器１３の冷媒入口側が接続されている。放熱器１３は、高段側圧縮機１１から吐出された高圧冷媒と冷却ファン１３ａにより送風される庫外空気（室外空気）とを熱交換させることによって、高圧冷媒を放熱させて冷却する放熱用熱交換器である。

冷却ファン１３ａは、冷凍機制御装置２０から出力される制御電圧によって回転数（送風空気量）が制御される電動式送風機である。なお、本実施形態の二段昇圧式冷凍サイクル１０では、冷媒としてフロン系冷媒を採用し、高圧側冷媒圧力が冷媒の臨界圧力を超えない亜臨界冷凍サイクルを構成しているので、放熱器１３は冷媒を凝縮させる凝縮器として機能する。

放熱器１３の冷媒出口には、放熱器１３から流出した冷媒の流れを分岐する分岐部１４が接続されている。分岐部１４は、３つの流入出口を有する三方継手構造のもので、流入出口のうち１つを冷媒流入口とし、２つを冷媒流出口としたものである。このような分岐部１４は、配管を接合して構成してもよいし、金属ブロックや樹脂ブロックに複数の冷媒通路を設けて構成してもよい。

分岐部１４の一方の冷媒出口には中間圧膨張弁１５の入口側が接続され、分岐部１４の他方の冷媒出口には中間熱交換器１６の高圧冷媒流路１６ａの入口側が接続されている。中間圧膨張弁１５は、放熱器１３から流出した高圧冷媒を中間圧冷媒となるまで減圧膨張させる電気式膨張弁である。

具体的には、中間圧膨張弁１５は、絞り開度を変更可能に構成された弁体と、この弁体の絞り開度を変化させるステッピングモータからなる電動アクチュエータとを有して構成されている。また、中間圧膨張弁１５は、冷凍機制御装置２０から出力される制御信号によって、その作動が制御される。

本実施形態では、具体的に、高段側圧縮機１１吸入側冷媒の過熱度が予め定めた所定範囲となるように、中間圧膨張弁１５の絞り開度（冷媒流量）が制御される。さらに、中間圧膨張弁１５は、その絞り開度を全閉とすることで、分岐部１４の一方の冷媒出口から中間熱交換器１６の中間圧冷媒流路１６ｂの入口側へ至る冷媒配管における冷媒の流れを遮断することもできる。

中間圧膨張弁１５の出口側には、中間熱交換器１６の中間圧冷媒流路１６ｂの入口側が接続されている。中間熱交換器１６は、中間圧冷媒流路１６ｂを流通する中間圧膨張弁１５にて減圧膨張された中間圧冷媒と、高圧冷媒流路１６ａを流通する分岐部１４にて分岐された他方の高圧冷媒との間で熱交換を行うものである。

なお、高圧冷媒は減圧されることによって温度低下するので、中間熱交換器１６では、中間圧冷媒流路１６ｂを流通する中間圧冷媒が加熱され、高圧冷媒流路１６ａを流通する高圧冷媒が冷却されることになる。

また、中間熱交換器１６の具体的構成としては、高圧冷媒流路１６ａを形成する外側管の内側に中間圧冷媒流路１６ｂを形成する内側管を配置する二重管方式の熱交換器構成を採用している。もちろん、高圧冷媒流路１６ａを内側管として、中間圧冷媒流路１６ｂを外側管としてもよい。さらに、高圧冷媒流路１６ａと中間圧冷媒流路１６ｂとを形成する冷媒配管同士を接合して熱交換させる構成等を採用してもよい。

その他にも、中間熱交換器１６の具体的構成として、高圧冷媒流路１６ａとして冷媒を流通させる蛇行状のチューブあるいは複数本のチューブを採用し、隣り合うチューブ間に中間圧冷媒流路１６ｂを形成し、さらに、高圧冷媒と中間圧冷媒との熱交換を促進する波状のコルゲートフィンあるいは板状のプレートフィンを設ける熱交換器構成を採用してもよい。

さらに、図１に示す中間熱交換器１６では、高圧冷媒流路１６ａを流通する高圧冷媒の流れ方向と中間圧冷媒流路１６ｂを流通する中間圧冷媒の流れ方向が同一となる並行流型の熱交換器を採用しているが、もちろん、高圧冷媒流路１６ａを流通する高圧冷媒の流れ方向と中間圧冷媒流路１６ｂを流通する中間圧冷媒の流れ方向が逆方向となる対交流型の熱交換器を採用してもよい。

中間熱交換器１６の中間圧冷媒流路１６ｂの出口側には、図示しない逆止弁を介して、前述の高段側圧縮機１１（具体的には、高段側圧縮機構１１ａ）の吸入口側が接続されている。従って、本実施形態の高段側圧縮機構１１ａでは、中間圧冷媒流路１６ｂから流出した中間圧冷媒と低段側圧縮機１２から吐出された中間圧冷媒との混合冷媒を吸入する。

一方、中間熱交換器１６の高圧冷媒流路１６ａの出口側には、低圧膨張弁１７の入口側が接続されている。低圧膨張弁１７は、放熱器１３から流出した高圧冷媒を低圧冷媒となるまで減圧膨張させる電気式膨張弁である。この低圧膨張弁１７の基本的構成は、中間圧膨張弁１５と同様である。

従って、低圧膨張弁１７は、絞り開度を変更可能に構成された弁体と、この弁体の絞り開度を変化させる電動アクチュエータとを有して構成され、冷凍機制御装置２０から出力される制御信号によって、その作動が制御される。本実施形態では、具体的に、低段側圧縮機１２吸入側冷媒の過熱度が予め定めた所定範囲となるように、低圧膨張弁１７の絞り開度（冷媒流量）が制御される。

さらに、低圧膨張弁１７は、その絞り開度を全閉とすることで、中間熱交換器１６の高圧冷媒流路１６ａから蒸発器１８の入口側へ至る冷媒配管における冷媒の流れを遮断することもできる。

低圧膨張弁１７の出口側には、蒸発器１８の冷媒流入口側が接続されている。蒸発器１８は、低圧膨張弁１７にて減圧膨張された低圧冷媒と、送風ファン１８ａによって冷凍庫内を循環送風される送風空気とを熱交換させることによって、低圧冷媒を蒸発させて吸熱作用を発揮させる吸熱用熱交換器である。従って、本実施形態の熱交換対象流体は、庫内を循環送風される送風空気である。

送風ファン１８ａは、冷凍機制御装置２０から出力される制御電圧によって回転数（送風空気量）が制御される電動式送風機である。さらに、蒸発器１８の冷媒流出口には、低段側圧縮機１２（具体的には、低段側圧縮機構１２ａ）の吸入口側が接続されている。

次に、本実施形態の電気制御部について説明する。冷凍機制御装置２０は、制御処理や演算処理を行うＣＰＵおよびプログラムやデータ等を記憶するＲＯＭおよびＲＡＭ等の記憶回路を含む周知のマイクロコンピュータ、各種制御対象機器への制御信号あるいは制御電圧を出力する出力回路、各種センサの検出信号が入力される入力回路、並びに、電源回路等から構成されている。

冷凍機制御装置２０の出力側には、制御対象機器として上述の低段側インバータ２２、高段側インバータ２１、冷却ファン１３ａ、中間圧膨張弁１５、低圧膨張弁１７、送風ファン１８ａ等が接続され、冷凍機制御装置２０は、これらの制御対象機器の作動を制御する。

なお、冷凍機制御装置２０は、これらの制御対象機器の作動を制御する制御手段が一体に構成されたものであるが、冷凍機制御装置２０のうち、それぞれの制御対象機器の作動を制御する構成（ハードウェアおよびソフトウェア）が、それぞれの制御対象機器の制御手段を構成している。

本実施形態では、低段側インバータ２２の作動を制御して低段側圧縮機構１２ａの冷媒吐出能力を制御する構成（ハードウェアおよびソフトウェア）を低段側吐出能力制御手段２０ａとし、高段側インバータ２１の作動を制御して高段側圧縮機構１１ａの冷媒吐出能力を制御する構成を高段側吐出能力制御手段２０ｂとする。

従って、低段側電動モータ１２ｂの回転数および高段側電動モータ１１ｂの回転数は、それぞれ低段側吐出能力制御手段２０ａおよび高段側吐出能力制御手段２０ｂによって、互いに独立して制御できるようになっている。

また、中間圧膨張弁１５の作動を制御して中間圧膨張弁１５の絞り開度を制御する構成を中間圧絞り開度制御手段２０ｃとし、低圧膨張弁１７の絞り開度を制御する構成を低圧絞り開度制御手段２０ｄとする。もちろん、低段側、高段側吐出能力制御手段２０ａ、２０ｂ、中間圧、低圧絞り開度制御手段２０ｃ、２０ｄを、冷凍機制御装置２０に対してそれぞれ別体の制御装置として構成してもよい。

一方、冷凍機制御装置２０の入力側には、放熱器１３にて高圧冷媒と熱交換する庫外空気（室外空気）の外気温度Ｔａｍを検出する外気温度検出手段である外気温センサ２３、蒸発器１８にて低圧冷媒と熱交換する送風空気の空気温度Ｔｆｒを検出する庫内温度検出手段である庫内温度センサ２４等が接続され、これらのセンサの検出信号が冷凍機制御装置２０へ入力される。

さらに、冷凍機制御装置２０の入力側には、操作パネル３０が接続されている。この操作パネル３０には、冷凍機の作動要求信号あるいは停止要求信号を出力する要求信号出力手段としての作動・停止スイッチ、庫内温度（目標冷却温度）Ｔｓｅｔを設定する目標温度設定手段としての温度設定スイッチ等が設けられ、これらのスイッチの操作信号が冷凍機制御装置２０へ入力される。

次に、上記構成における本実施形態の二段昇圧式冷凍サイクル１０の作動を説明する。本実施形態の冷凍機制御装置２０は、操作パネル３０の作動・停止スイッチが投入（ＯＮ）されて作動要求信号が出力されると、予め記憶回路に記憶されている冷凍機制御用のプログラムを実行する。

このプログラムが実行されると、冷凍機制御装置２０が、その入力側に接続された上述の各種センサ２３、２４の検出信号および操作パネル３０の操作信号等を読み込み、読み込んだ検出信号および操作信号等に基づいて、出力側に接続された高段側圧縮機１１、低段側圧縮機１２等の制御対象機器に制御信号を出力して、その作動を制御する。

例えば、高段側圧縮機構１１ａおよび低段側圧縮機構１２ａについては、冷凍庫の庫内温度に相当する空気温度Ｔｆｒが、目標温度Ｔｓｅｔに第１基準温度（本実施形態では、２℃）を加えた作動温度以上になっている場合には、予め定めた所定の冷媒吐出能力を発揮するように低段側圧縮機１２および高段側圧縮機１１を作動させ、目標温度Ｔｓｅｔから第２基準温度（本実施形態では、２℃）を減算した停止温度以下になっている場合に低段側圧縮機１２および高段側圧縮機１１を停止させる。

換言すると、本実施形態の冷凍機制御装置２０では、高段側圧縮機構１１ａおよび低段側圧縮機構１２ａを断続的に駆動する断続制御を行うことによって、冷凍庫内に循環送風される送風空気の温度が操作パネル３０によって設定された目標温度Ｔｓｅｔに近づくように調整している。なお、上述の作動温度と停止温度との温度差は、制御ハンチング防止のためのヒステリシス幅として設定されている。

さらに、冷凍機制御装置２０では、操作パネル３０の作動・停止スイッチがＯＦＦとされて、冷凍機の作動停止が要求されるまで、所定の制御周期毎に、上述の検出信号および操作信号の読み込み→制御対象機器の作動制御といった制御ルーチンを繰り返す。

従って、二段昇圧式冷凍サイクル１０では、高段側圧縮機構１１ａおよび低段側圧縮機構１２ａの双方が作動している際には、図２のモリエル線図に示すように冷媒の状態が変化する。具体的には、高段側圧縮機１１から吐出された高圧冷媒（図２のａ₂点）が放熱器１３へ流入し、冷却ファン１３ａから送風された庫外空気と熱交換して冷却される（図２のａ点→ｂ点）。

放熱器１３から流出した冷媒の流れは分岐部１４にて分岐され、分岐部１４の一方の冷媒出口から流出した冷媒は、中間圧膨張弁１５にて、中間圧冷媒となるまで減圧膨張される（図２のｂ点→ｃ点）。この際、中間圧膨張弁１５の絞り開度は、高段側圧縮機１１吸入側冷媒（図２のｉ点）の過熱度が予め定めた所定範囲となるように制御される。

中間圧膨張弁１５ａにて減圧膨張された中間圧冷媒は、中間熱交換器１６の中間圧冷媒流路１６ｂへ流入し、分岐部１４の他方の冷媒出口から流出して高圧冷媒流路１６ａを流通する高圧冷媒と熱交換して、そのエンタルピを増加させる（図２のｃ点→ｄ点）。逆に、高圧冷媒流路１６ａを流通する高圧冷媒は冷却されて、そのエンタルピを減少させる（図２のｂ点→ｅ点）。

高圧冷媒流路１６ａから流出した冷媒は、低圧膨張弁１７にて、低圧冷媒となるまで減圧膨張される（図２のｅ点→ｆ点）。この際、低圧膨張弁１７の絞り開度は、低段側圧縮機１２吸入側冷媒（図２のｇ点）の過熱度が予め定めた所定範囲となるように制御される。これにより、低段側圧縮機１２の液圧縮の問題を回避できる。

低圧膨張弁１７にて減圧膨張された低圧冷媒は蒸発器１８へ流入し、送風ファン１８ａにより循環送風される庫内空気と熱交換して蒸発し、吸熱作用を発揮する（図２のｆ点→ｇ点）。これにより、庫内空気が冷却される。蒸発器１８から流出した冷媒は、低段側圧縮機１２へ吸入され、圧縮されて吐出される（図２のｇ点→ｈ点）。

低段側圧縮機１２から吐出された冷媒は、中間熱交換器１６の中間圧冷媒流路１６ｂから流出した冷媒と合流して（図２のｈ点→ｉ点およびｄ点→ｉ点）、再び高段側圧縮機１１へ吸入される。

さらに、本実施形態では、庫内温度を目標温度Ｔｓｅｔに近づけるために、高段側圧縮機構１１ａおよび低段側圧縮機構１２ａを断続的に駆動する断続制御を行っている。つまり、低段側圧縮機１２および高段側圧縮機１１の双方を作動させることによって庫内温度（空気温度Ｔｆｒ）が停止温度以下になった際には、庫内温度を目標温度Ｔｓｅｔに近づけるために、低段側圧縮機１２および高段側圧縮機１１を停止させる。

この際、冷凍機制御装置２０は、低段側圧縮機構１２ａよりも先に、高段側圧縮機構１１ａを停止させるとともに、低圧膨張弁１７を全閉状態とする。これにより、高段側圧縮機構１１ａの高段吐出側冷媒圧力Ｐｄが低下するとともに、低段側圧縮機構１２ａの昇圧能力によって、高段側圧縮機構１１ａの高段吸入側冷媒圧力（＝低段吐出側冷媒圧力Ｐｍ）が上昇する。

すなわち、高段側圧縮機構１１ａの高段側吐出側冷媒圧力Ｐｄから低段側圧縮機構１２ａの低段吐出側冷媒圧力Ｐｍを減算した高段側圧力差ＰＨｄが縮小する。一方、高段側圧縮機１１の高段吸入側冷媒圧力（＝低段吐出側冷媒圧力Ｐｍ）が上昇することによって、低段側圧縮機構１２ａの低段吐出側冷媒圧力Ｐｍから低段吸入側冷媒圧力Ｐｓを減算し低段側圧力差ＰＬｄが拡大する。

そして、この状態で低段側圧縮機構１２ａを停止させることによって、図３に示すように、低段側圧力差ＰＬｄよりも高段側圧力差ＰＨｄを縮小させた状態で、高段側圧縮機１１および低段側圧縮機１２の双方を停止させている。なお、図３は、図２のモリエル線図と比較した場合の断続制御時おける高段側圧縮機１１および低段側圧縮機１２の低段側圧力差ＰＬｄおよび高段側圧力差ＰＨｄの変化を示す説明図である。

この際、低段側圧縮機１２には吐出弁が設けられているとともに、低圧膨張弁１７が全閉状態となっているので、低段側圧縮機構１２ａの吐出側から吸入側（蒸発器１８側）への冷媒の流れ込みが抑制される。従って、低段吸入側冷媒圧力Ｐｓの変化、すなわち蒸発器１８における冷媒蒸発圧力の変化が抑制される。

さらに、高段側圧縮機１１および低段側圧縮機１２の双方を停止させて、庫内温度（空気温度Ｔｆｒ）が作動温度以上になった際には、再び低段側圧縮機１２および高段側圧縮機１１を作動させる。

この際、冷凍機制御装置２０は、低段側圧縮機構１２ａよりも先に、高段側圧縮機構１１ａを起動させる。換言すると、低段側圧力差ＰＬｄと高段側圧力差ＰＨｄとのうち低い方の圧力差となっている圧縮機構を起動させる。つまり、本実施形態では、高段側圧縮機構１１ａが特許請求の範囲に記載された一方の圧縮機構となり、低段側圧縮機構１２ａが特許請求の範囲に記載された他方の圧縮機構となる。

これにより、高段側圧縮機構１１ａの高段吐出側冷媒圧力Ｐｄが上昇するとともに、高段側圧縮機構１１ａの高段吸入側冷媒圧力（＝低段吐出側冷媒圧力Ｐｍ）が低下する。すなわち、高段側圧縮機構１１ａの高段側圧力差ＰＨｄが拡大する。一方、高段側圧縮機１１の吸入側冷媒圧力が低下することによって、図３に示すように、低段側圧力差ＰＬｄが縮小する。

この際、低段側圧縮機１２には吐出弁が設けられているとともに、低圧膨張弁１７が全閉状態となっているので、低段側圧縮機構１２ａの吐出側から吸入側（蒸発器１８側）への冷媒の流れ込みが抑制される。従って、低段側圧縮機構１２ａよりも先に、高段側圧縮機構１１ａを起動させたとしても、低段吸入側冷媒圧力Ｐｓの変化、すなわち蒸発器１８における冷媒蒸発圧力の変化が抑制される。

そして、高段側圧縮機構１１ａの起動後、さらに、予め定めた基準待機時間（本実施形態では、１０秒）が経過した後に、低圧膨張弁１７を予め定めた所定の絞り開度にするとともに、低段側圧縮機構１２ａを起動させる。なお、この基準待機時間は、高段側圧縮機構１１ａの起動後、低段側圧縮機構１２ａを起動させたとしても、低段側圧縮機構１２ａの耐久寿命に悪影響を与えない圧力まで低段側圧力差ＰＬｄを低下させることができるように決定された値である。

高段側圧縮機構１１ａを起動した後、低段側圧縮機構１２ａを起動させて、低段側圧縮機１２および高段側圧縮機１１の双方が作動した状態における二段昇圧式冷凍サイクル１０の作動は、図２を用いて説明した通りである。

本実施形態の二段昇圧式冷凍サイクル１０は、以上の如く作動するので、以下のような優れた効果を得ることができる。

まず、本実施形態のように、庫内空気の空気温度Ｔｆｒを目標温度Ｔｓｅｔに近づけるために、高段側圧縮機構１１ａおよび低段側圧縮機構１２ａの断続制御を行う構成では、サイクル内の高低圧差が残存した状態で、高段側圧縮機構１１ａおよび低段側圧縮機構１２ａの再起動させなければならないことがある。

このようにサイクル内の高低圧差が残存する状態では、圧縮機構の稼動部材が、高低圧差によって生じる荷重を受けて、固定部材側等に押し付けられているので、この状態で高段側圧縮機構１１ａおよび低段側圧縮機構１２ａを起動させると、各圧縮機構１１ａ、１２ａの構成部材に摩耗等が生じ、圧縮機構の耐久寿命に悪影響を与えてしまう。従って、サイクル内の高低圧差が残存した状態で、圧縮機構を起動させる際には、その高低圧差を極力小さくすることが望ましい。

これに対して、本実施形態では、各圧縮機構１１ａ、１２ａを起動させる際に、それぞれの圧縮機構１１ａ、１２ａの高低圧差を縮小して、圧縮機構１１ａ、１２ａの保護を図ることができる。このことを、図４を用いて、一般的な二段昇圧式冷凍サイクルの断続制御と比較して説明する。

なお、図４（ａ）は、本実施形態の二段昇圧式冷凍サイクル１０の断続制御時における高段吐出側冷媒圧力Ｐｄ（太実線）、低段吐出側冷媒圧力Ｐｍ（太破線）および低段吸入側冷媒圧力Ｐｓ（太一点鎖線）の変化を示すタイムチャートであり、図４（ｂ）は、比較例の二段昇圧式冷凍サイクルの断続制御時における高段吐出側冷媒圧力Ｐｄ、低段吐出側冷媒圧力Ｐｍおよび低段吸入側冷媒圧力Ｐｓの変化を示すタイムチャートである。

また、比較例の二段昇圧式冷凍サイクルでは、各圧縮機構１１ａ、１２ａの断続制御を行う際に、各圧縮機構１１ａ、１２ａを停止させる場合は双方を同時に停止させるとともに、中間圧膨張弁１５の絞り開度を増加させ、各圧縮機構１１ａ、１２ａを起動させる場合は双方を同時に起動させるとともに、中間圧膨張弁１５の開度を、各圧縮機構１１ａ、１２ａを停止させる前の絞り開度に戻す制御を行う。

図４（ｂ）から明らかなように、比較例の二段昇圧式冷凍サイクルでは、各圧縮機構１１ａ、１２ａを停止させる際に中間圧膨張弁１５の絞り開度を増加させるので、高段側圧力差ＰＨｄ（＝Ｐｄ−Ｐｍ）については略０とすることができるものの、低段側圧力差ＰＬｄ（＝Ｐｍ−Ｐｓ）が低下しないので、この状態で双方の圧縮機構１１ａ、１２ａを同時に起動させると、低段側圧縮機構１２ａの耐久寿命に悪影響を与える可能性が高い。

一方、図４（ａ）に示すように、本実施形態の二段昇圧式冷凍サイクル１０によれば、高段側圧縮機構１１ａおよび低段側圧縮機構１２ａを停止させる際に、まず、高段側圧縮機構１１ａを停止させるので、停止していない低段側圧縮機構１２ａの昇圧能力によって、高段側圧力差ＰＨｄを縮小することができる。従って、先に起動させる高段側圧縮機構１１ａを確実に保護することができる。

さらに、高段側圧縮機構１１ａが起動することによって、低圧側圧力差ＰＬｄを縮小させた状態で低段側圧縮機構１２ａを起動させることができる。従って、後に起動させる低段側圧縮機構１２ａの双方の保護を図ることができる。

この際、本実施形態では、高段側圧縮機構１１ａを起動後、さらに、基準待機時間（１０秒）が経過した後に低段側圧縮機構１２ａを起動させているので、低段側圧力差ＰＬｄを、確実に低段側圧縮機構１２ａの耐久寿命に悪影響を与えない圧力とした状態で、低段側圧縮機構１２ａを起動できる。その結果、高段側圧縮機構１１ａおよび低段側圧縮機構１２ａの双方の保護を確実に図ることができる。

次に、比較例のサイクルにおいて、双方の圧縮機構についても保護を図るためには、各圧縮機構１１ａ、１２ａを停止させる際に中間圧膨張弁１５および低圧膨張弁１７の双方の絞り開度を増加させる手段が考えられる。ところが、低圧膨張弁１７の双方の絞り開度を増加させしまうと、低段側圧縮機構１２ａの吐出側から吸入側（蒸発器１８側）への冷媒の流れ込みが発生して、蒸発器１８における冷媒蒸発圧力が上昇してしまう。

これに対して、本実施形態では、各圧縮機構１１ａ、１２ａの断続制御を行う際に、図３にて説明したように、低段側圧縮機構１２ａの吐出側から吸入側（蒸発器１８側）への冷媒の流れ込みを抑制して、低段吸入側冷媒圧力Ｐｓを変化させないようにしているので、蒸発器１８における冷媒蒸発圧力の変動を抑制できる。このことを、図５を用いて、上述の一般的な二段昇圧式冷凍サイクルの断続制御と比較して説明する。

なお、図５（ａ）は、本実施形態の二段昇圧式冷凍サイクル１０の断続制御時における庫内空気の空気温度Ｔｆｒ（太実線）、蒸発器１８から吹き出される吹出空気温度（太破線）および蒸発器１８における冷媒蒸発温度（太一点鎖線）の変化を示すタイムチャートであり、図５（ｂ）は、比較例の二段昇圧式冷凍サイクルの断続制御時における庫内空気の空気温度Ｔｆｒ、蒸発器１８から吹き出される吹出空気温度および蒸発器１８における冷媒蒸発温度の変化を示すタイムチャートである。

また、図５では、図示の明確化のため、図４に対して低段側圧縮機構１２ａおよび高段側圧縮機構１１ａの作動タイミングを示すタイムチャートを省略して、いずれかの圧縮機構が作動している状態をＯＮ、いずれの圧縮機構１１ａ、１２ａも作動していない状態をＯＦＦとして表している。

さらに、比較例の二段昇圧式冷凍サイクルでは、各圧縮機構１１ａ、１２ａの断続制御を行う際に、各圧縮機構１１ａ、１２ａを停止させる場合は双方を同時に停止させるとともに、中間圧膨張弁１５および低圧膨張弁１７の絞り開度を増加させ、各圧縮機構１１ａ、１２ａを起動させる場合は双方を同時に起動させるとともに、中間圧膨張弁１５および低圧膨張弁１７の開度を、各圧縮機構１１ａ、１２ａを停止させる前の絞り開度に戻す制御を行う。

図５（ｂ）から明らかなように、比較例の二段昇圧式冷凍サイクルでは、各圧縮機構１１ａ、１２ａを停止させる際に中間圧膨張弁１５および低圧膨張弁１７の絞り開度を増加させるので、蒸発器１８における冷媒蒸発温度が大きく変化する。つまり、蒸発器１８における冷媒蒸発圧力（低段吸入側冷媒圧力Ｐｓ）が大きく変化する。

一方、図５（ａ）に示すように、本実施形態の二段昇圧式冷凍サイクル１０によれば、高段側圧縮機構１１ａおよび低段側圧縮機構１２ａの断続制御を行う際に、前述の如く、低段側圧縮機構１２ａの吐出側から吸入側（蒸発器１８側）への冷媒の流れ込みを抑制して、低段吸入側冷媒圧力Ｐｓを変化させないようにしているので、蒸発器１８における冷媒蒸発圧力の変動を抑制できる。

このように、蒸発器１８における冷媒蒸発圧力の変動を抑制できることは、蒸発器１８の冷媒蒸発圧力を低下させるための高段側圧縮機構１１ａおよび低段側圧縮機構１２ａの消費動力を低減できる点で極めて有効である。

（第２実施形態）
第１実施形態では、高段側圧縮機構１１ａおよび低段側圧縮機構１２ａの断続制御時に、先に高段側圧縮機構１１ａを停止させ、その後、低段側圧縮機構１２ａを停止させた例を説明したが、本実施形態では、高段側圧縮機構１１ａおよび低段側圧縮機構１２ａを同時に停止させるとともに、中間圧膨張弁１５の絞り開度を増加させ、低圧膨張弁１７を全閉状態とする。その他の構成および作動は第１実施形態と同様である。

本実施形態の如く、断続制御時に各圧縮機構１１ａ、１２ａを同時停止させたとしても、中間圧膨張弁１５の絞り開度を増加させ、低圧膨張弁１７を全閉状態とすることで、高段側圧力差ＰＨｄを低段側圧力差ＰＬｄよりも確実に縮小することができる。従って、断続制御時に各圧縮機構１１ａ、１２ａを起動させる際に、第１実施形態と同様に、高段側圧縮機構１１ａを駆動し、その後に、低段側圧縮機構１２ａを駆動することで、第１実施形態と全く同様の効果を得ることができる。

（第３実施形態）
本実施形態では、第１実施形態に対して、図６の全体構成図に示すように、高段側圧縮機構１１ａの吐出側から吸入側へ冷媒を導くバイパス通路１９およびこのバイパス通路１９を開閉する開閉弁１９ａを設けた例を説明する。なお、開閉弁１９ａは、冷凍機制御装置２０から出力される制御信号によって、その作動が制御される。

なお、図６では、第１実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付している。このことは、以下の図面でも同様である。また、図６では、図示の明確化のため、冷凍機制御装置２０、高段側インバータ２１、低段側インバータ２２、操作パネル３０およびこれらの接続関係の図示を省略している。

さらに、本実施形態では、高段側圧縮機構１１ａおよび低段側圧縮機構１２ａの断続制御時に、高段側圧縮機構１１ａおよび低段側圧縮機構１２ａを同時に停止させるとともに、開閉弁１９ａを開き、低段側圧縮機構１２ａよりも先に高段側圧縮機構１１ａを駆動する際に、開閉弁１９ａを閉じる。その他の構成および作動は第１実施形態と同様である。

本実施形態の如く、断続制御時に各圧縮機構１１ａ、１２ａを同時停止させたとしても、開閉弁１９ａを開くことで、高段側圧力差ＰＨｄを低段側圧力差ＰＬｄよりも確実に縮小することができる。従って、断続制御時に各圧縮機構１１ａ、１２ａを起動させる際に、第１実施形態と同様に、高段側圧縮機構１１ａを駆動し、その後に、低段側圧縮機構１２ａを駆動することで、第１実施形態と全く同様の効果を得ることができる。

（第４実施形態）
本実施形態では、第１実施形態に対して、図７の全体構成図に示すように、高段側圧縮機１１にオイルセパレータ１９ｂを設けた例を説明する。オイルセパレータ１９ｂは、高段側圧縮機１１吐出冷媒に含有される冷凍機油を冷媒から分離して、高段側圧縮機１１の吸入側に戻す機能を果たすものである。なお、図７においても第３実施形態の図６と同様に、図示の明確化のため、冷凍機制御装置２０等の接続関係の図示を省略している。

具体的には、オイルセパレータ１９ｂとしては、高段側圧縮機１１吐出冷媒に旋回流を発生させて遠心力によって冷媒からオイルを分離する遠心分離タイプのもの、あるいは高段側圧縮機１１吐出冷媒を壁部などに衝突させて、その流速を低下させて、冷媒とオイルとの比重の違いを利用して冷媒からオイルを分離する重力分離タイプのもの等を採用できる。

さらに、本実施形態のオイルセパレータ１９ｂは、高段側圧縮機１１のみに設けられており、低段側圧縮機１２には設けられていない。また、本実施形態では、高段側圧縮機構１１ａおよび低段側圧縮機構１２ａの断続制御時に、高段側圧縮機構１１ａおよび低段側圧縮機構１２ａを同時に停止させる。その他の構成および作動は第１実施形態と同様である。

本実施形態の如く、断続制御時に各圧縮機構１１ａ、１２ａを同時停止させたとしても、高段側圧縮機１１のみにオイルセパレータ１９ｂが設けられていることによって、オイルセパレータ１９ｂを介して高段側圧縮機構１１ａの吐出側の冷媒を吸入側へ戻すことができる。従って、低段側圧力差ＰＬｄを縮小させることなく、高段側圧力差ＰＨｄを低段側圧力差ＰＬｄよりも確実に縮小することができる。

その結果、断続制御時に各圧縮機構１１ａ、１２ａを起動させる際に、第１実施形態と同様に、高段側圧縮機構１１ａを駆動し、その後に、低段側圧縮機構１２ａを駆動することで、第１実施形態と全く同様の効果を得ることができる。

（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。

（１）上述の実施形態では、中間熱交換器１６を採用したサイクル構成について説明したが、本発明の二段昇圧式冷凍サイクルのサイクル構成は、これに限定されない。例えば、図８に示すように、分岐部１４および中間熱交換器１６を廃止して、中間圧膨張弁１５から流出した冷媒の気液を分離する中間気液分離器４０を設けてもよい。

そして、中間気液分離器４０にて分離された気相冷媒を高段側圧縮機１１へ吸入させ、中間気液分離器にて分離された液相冷媒を低圧膨張弁１７へ流入させるようにした、いわゆるエコノマイザ式冷凍サイクルとして構成して、第１〜第４実施形態にて説明した断続制御を行ってもよい。

（２）上述の実施形態では、各圧縮機構１１ａ、１２ａを電動モータ１１ｂ、１２ｂにて駆動する電動圧縮機を採用した例を説明したが、高段側および低段側圧縮機１１、１２はこれに限定されない。例えば、内燃機関等の駆動源から伝達される駆動力を電磁クラッチ等を介して圧縮機構へ伝達するクラッチ式圧縮機を採用してもよい。もちろん、高段側圧縮機構１１ａおよび低段側圧縮機構１２ａのうち、一方の駆動手段を電動モータとして、他方の駆動手段を内燃機関としてもよい。

また、本実施形態のように電動圧縮機を採用する場合は、電動モータ１１ｂ、１２ｂの回転数制御による各圧縮機構１１ａ、１２ａの冷媒吐出能力制御と上述の各実施形態で説明した断続制御を組み合わせてもよい。つまり、外気温に対して庫内温度の目標温度Ｔｓｅｔが低く設定されている際に冷媒吐出能力制御を行い、外気温と庫内温度の目標温度Ｔｓｅｔとの差が小さく圧縮機１１、１２を連続的に作動させる必要のない場合に、上述の各実施形態で説明した断続制御を行うようにしてもよい。

（３）上述の実施形態では、断続制御において高段側圧縮機構１１ａおよび低段側圧縮機構１２ａを停止させる際に、低圧膨張弁１７を全閉状態とした例を説明したが、低圧膨張弁１７の絞り開度を維持あるいは低下させるだけでもよい。

つまり、低圧膨張弁１７の絞り開度は極めて小さいので、先に高段側圧縮機構１１ａを停止させた際に、低圧膨張弁１７を介して、低段側圧縮機構１２ａの吸入側（蒸発器１８側）へ流れ込む量も少ない。従って、低圧膨張弁１７の絞り開度を維持あるいは低下させるだけであっても蒸発器１８の冷媒蒸発圧力の上昇を抑制することができる。

（４）上述の実施形態では、高段側圧縮機構１１ａを特許請求の範囲に記載された一方の圧縮機構とし、低段側圧縮機構１２ａを特許請求の範囲に記載された他方の圧縮機構としているが、もちろん、低段側圧縮機構１２ａ一方の圧縮機構とし、高段側圧縮機構１１ａを他方の圧縮機構としても各圧縮機構１１ａ、１２ａの保護を図ることができる。

また、低段側圧縮機構１２ａおよび高段側圧縮機構１１ａを停止させる際に、低段側圧縮機構１２ａを先に停止させる場合には、第３実施形態で説明したバイパス通路１９および開閉弁１９ａ、あるいは、第４実施形態で説明したオイルセパレータ１９ｂを低段側圧縮機１２に設けることが望ましい。

また、第２実施形態のように、低段側圧縮機構１２ａおよび高段側圧縮機構１１ａを同時に停止させ、中間圧膨張弁１５の絞り開度を増加させる場合には、オイルセパレータ１９ｂは、高段側圧縮機１１側に設けることが望ましく、低圧膨張弁１７の絞り開度を増加させる場合には、オイルセパレータ１９ｂは、低段側圧縮機１２側に設けることが望ましい。

（５）上述の実施形態では、断続制御において高段側圧縮機構１１ａおよび低段側圧縮機構１２ａを起動させる際に、高段側圧縮機構１１ａを起動後、基準待機時間が経過した際に、低段側圧縮機構１２ａを起動させた例を説明したが、高段側圧縮機構１１ａを起動後、低段側圧力差ＰＬｄが予め定めた基準圧力差以下となった際に、低段側圧縮機構１２ａを起動させるようにしてもよい。

なお、基準圧力差は、低段側圧力差ＰＬｄが残存している際に、低段側圧縮機構１２ａを駆動しても、低段側圧縮機構１２ａの耐久寿命に悪影響を与えない値以下に決定すればよい。

（６）上述の実施形態では、本発明の二段昇圧式冷凍サイクル１０を冷凍機に適用した例を説明したが、本発明の適用はこれに限定されない。例えば、空調装置、冷蔵庫等に適用してもよい。さらに、移動体（車両、船舶）等の冷蔵・冷凍コンテナに適用してもよい。

１１、１２ 高段側、低段側圧縮機
１１ａ、１２ａ 高段側、低段側圧縮機構
１３ 放熱器
１４ 分岐部
１５ 中間圧膨張弁
１６ 中間熱交換器
１７ 低圧膨張弁
１８ 蒸発器
１９ｂ オイルセパレータ

Claims (8)

1. 低圧冷媒を中間圧冷媒となるまで圧縮して吐出する低段側圧縮機構（１２ａ）と、
   前記低段側圧縮機構（１２ａ）から吐出された前記中間圧冷媒を高圧冷媒となるまで圧縮して吐出する高段側圧縮機構（１１ａ）と、
   前記高段側圧縮機構（１１ａ）から吐出された前記高圧冷媒を室外空気と熱交換させて放熱させる放熱器（１３）と、
   前記放熱器（１３）から流出した前記高圧冷媒を前記中間圧冷媒となるまで減圧膨張させて前記高段側圧縮機構（１１ａ）吸入側へ流出する中間圧膨張弁（１５）と、
   前記放熱器（１３）から流出した前記高圧冷媒を前記低圧冷媒となるまで減圧膨張させる低圧膨張弁（１７）と、
   前記低圧膨張弁（１７）にて減圧膨張された前記低圧冷媒を冷却対象空間に送風される送風空気と熱交換させて蒸発させ、前記低段側圧縮機構（１２ａ）吸入側へ流出する蒸発器（１８）とを備え、
   前記低段側圧縮機構（１２ａ）および前記高段側圧縮機構（１１ａ）を断続的に駆動することによって、前記蒸発器（１８）にて前記低圧冷媒と熱交換する熱交換対象流体の温度が目標温度（Ｔｓｅｔ）に近づくように調整される二段昇圧式冷凍サイクルであって、
   前記低段側圧縮機構（１２ａ）および前記高段側圧縮機構（１１ａ）を停止させて再び起動させる際に、
   前記低段側圧縮機構（１２ａ）の低段吐出側冷媒圧力（Ｐｍ）から低段吸入側冷媒圧力（Ｐｓ）を減算した低段側圧力差（ＰＬｄ）と前記高段側圧縮機構（１１ａ）の高段吐出側冷媒圧力（Ｐｄ）から前記低段吐出側冷媒圧力（Ｐｍ）を減算した高段側圧力差（ＰＨｄ）とのうち低い方の圧力差となっている一方の圧縮機構（１１ａ）を起動させ、
   その後に、前記低段側圧力差（ＰＬｄ）および前記高段側圧力差（ＰＨｄ）のうち高い方の圧力差を縮小させて他方の圧縮機構（１２ａ）を起動させることを特徴とする二段昇圧式冷凍サイクル。
2. 前記低段側圧縮機構（１２ａ）および前記高段側圧縮機構（１１ａ）を停止させる際に、前記一方の圧縮機構（１１ａ）を停止させ、その後、他方の圧縮機構（１２ａ）を停止させることを特徴とする請求項１に記載の二段昇圧式冷凍サイクル。
3. 前記低段側圧縮機構（１２ａ）および前記高段側圧縮機構（１１ａ）を停止させる際に、前記低段側圧縮機構（１２ａ）および前記高段側圧縮機構（１１ａ）を同時に停止させるとともに、中間圧膨張弁（１５）および低圧膨張弁（１７）のうち、いずれか一方の絞り開度を増加させることを特徴とする請求項１に記載の二段昇圧式冷凍サイクル。
4. 前記一方の圧縮機構（１１ａ）から吐出された冷媒に混入している冷凍機油を分離して、前記一方の圧縮機構（１１ａ）の吸入側に戻すオイルセパレータ（１９ｂ）を備えることを特徴とする請求項１に記載の二段昇圧式冷凍サイクル。
5. 前記一方の圧縮機構は、前記高段側圧縮機構（１１ａ）であり、
   前記他方の圧縮機構は、前記低段側圧縮機構（１２ａ）であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の二段昇圧式冷凍サイクル。
6. 前記低段側圧縮機構（１２ａ）および前記高段側圧縮機構（１１ａ）を起動させる際に、前記一方の圧縮機構（１１ａ）を起動させ、その後に、前記他方の圧縮機構（１２ａ）における圧力差が予め定めた基準圧力差以下となった際に、前記他方の圧縮機構（１２ａ）を起動させることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の二段昇圧式冷凍サイクル。
7. 前記低段側圧縮機構（１２ａ）および前記高段側圧縮機構（１１ａ）を起動させる際に、前記一方の圧縮機構（１１ａ）を起動後、予め定めた基準待機時間が経過した際に、前記他方の圧縮機構（１２ａ）を起動させることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の二段昇圧式冷凍サイクル。
8. 前記中間圧膨張弁（１５）は、前記放熱器（１３）から流出した高圧冷媒の流れを分岐する分岐部（１４）にて分岐された一方の高圧冷媒を減圧膨張させ、
   前記低圧膨張弁（１７）は、前記分岐部（１４）にて分岐された他方の高圧冷媒を減圧膨張させ、
   さらに、前記中間圧膨張弁（１５）にて減圧膨張された低圧冷媒と前記分岐部（１４）にて分岐された他方の高圧冷媒とを熱交換させる中間熱交換器（１６）を備えることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の二段昇圧式冷凍サイクル。

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