WO2017047354A1 - 複数段圧縮式冷凍サイクル装置 - Google Patents

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WO2017047354A1
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stage compression
pressure
pressure refrigerant
compression mechanism
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家田　恒
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株式会社デンソー
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    • Y02B30/70—Efficient control or regulation technologies, e.g. for control of refrigerant flow, motor or heating

Definitions

  • the present disclosure relates to a multi-stage compression refrigeration cycle apparatus including a multi-stage compression mechanism.
  • the multistage compression refrigeration cycle apparatus of Patent Document 1 is configured as a so-called economizer refrigeration cycle.
  • the economizer refrigeration cycle includes a radiator that radiates high-pressure refrigerant discharged from the high-stage compression mechanism, and an intermediate-pressure expansion valve that decompresses and expands part of the high-pressure refrigerant flowing out of the radiator until it becomes intermediate-pressure refrigerant. Yes.
  • the intermediate-pressure refrigerant decompressed by the intermediate-pressure expansion valve is guided to the suction side of the high-stage compression mechanism.
  • the high-stage compression mechanism can suck a mixed refrigerant of the intermediate-pressure refrigerant decompressed by the intermediate-pressure expansion valve and the intermediate-pressure refrigerant discharged from the low-stage compression mechanism. it can.
  • the mixed refrigerant having a lower temperature can be sucked into the high stage side compression mechanism than when the intermediate pressure refrigerant discharged from the low stage side compression mechanism is sucked. Efficiency can be improved.
  • the conventional apparatus is configured such that the rotation speeds of the low-stage compressor and the high-stage compressor are controlled so that the rotation speed ratio between the low-stage compression mechanism and the high-stage compression mechanism is constant.
  • such a device protects the motor provided in the high stage compressor when the temperature in the warehouse is high, so that the rotational speed of the high stage compressor is less than a predetermined protection control value. Limited. For this reason, the rotation speeds of the low-stage compressor and the high-stage compressor cannot be sufficiently increased, and it takes a long time to cool the interior when the apparatus is started.
  • This disclosure aims to shorten the cool-down time when starting up the apparatus without increasing the size of each compressor.
  • a multi-stage compression refrigeration cycle apparatus includes a low-stage compression mechanism that compresses and discharges low-pressure refrigerant until it becomes intermediate-pressure refrigerant, and an intermediate medium that is discharged from the low-stage compression mechanism.
  • a high-stage compression refrigeration cycle apparatus comprising a high-stage compression mechanism that compresses and discharges pressurized refrigerant until it becomes high-pressure refrigerant, wherein the high-pressure refrigerant discharged from the high-stage compression mechanism is heated with outdoor air and heat.
  • a heat radiator that radiates heat by exchanging, an intermediate pressure expansion valve that decompresses and expands the high-pressure refrigerant that flows out of the heat radiator until it becomes an intermediate-pressure refrigerant, and flows out to the suction side of the high-stage compression mechanism, and a high pressure that flows out of the radiator
  • a low-pressure expansion valve that decompresses and expands the refrigerant until it becomes a low-pressure refrigerant
  • the low-pressure refrigerant decompressed and expanded by the low-pressure expansion valve exchanges heat with the blown air that blows air to the space to be cooled, evaporates, and sucks the low-stage compression mechanism With the evaporator flowing out to the side
  • a control device for controlling the rotational speed of the low-stage compression mechanism and a higher stage compression mechanism, and a physical quantity sensor for detecting a physical quantity correlating to the pressure of the low pressure refrigerant, a.
  • the control device is configured to increase the rotation speed ratio of the low
  • control device is configured to increase the rotation speed ratio of the low-stage compression mechanism with respect to the rotation speed of the high-stage compression mechanism as the pressure of the low-pressure refrigerant increases, based on the physical quantity detected by the physical quantity sensor. ing. For this reason, even if the rotation speed of the high stage compressor is limited, the rotation speed of the low stage compression mechanism can be increased to improve the refrigerating capacity of the evaporator. Therefore, the cool-down time when starting up the apparatus can be shortened without increasing the size of each compressor.
  • FIG. 1 is an overall configuration diagram of a multistage compression refrigeration cycle apparatus according to an embodiment. It is a flowchart which shows the control processing of the control apparatus of the multistage compression refrigeration cycle apparatus which concerns on embodiment. It is a figure showing the relationship between the optimal rotation speed ratio of a low stage side compressor and a high stage side compressor, and a low pressure refrigerant pressure. It is the figure which showed the relationship of the time characteristic of the rotation speed ratio of the high stage side compression mechanism after implementing cool down, and the low stage side compression mechanism. It is the figure which showed the relationship between internal temperature and cool down time. It is the figure which showed the result of having calculated
  • FIG. 1 is an overall configuration diagram of a multiple-stage compression refrigeration cycle apparatus according to the present embodiment.
  • This multi-stage compression refrigeration cycle apparatus is applied to a refrigerator and has a function of cooling the blown air blown into a freezer as a cooling target space to an extremely low temperature of about ⁇ 30 ° C. to ⁇ 10 ° C. Fulfill.
  • the multistage compression refrigeration cycle apparatus includes two compressors, a high-stage compressor 11 and a low-stage compressor 12, so that the refrigerant circulating in the cycle is multistage.
  • the pressure is increased.
  • coolant a normal freon-type refrigerant
  • coolant for example, R404A
  • the refrigerant is mixed with refrigerating machine oil (that is, oil) for lubricating the sliding parts in the low-stage compressor 12 and the high-stage compressor 11, and a part of the refrigerating machine oil is cycled together with the refrigerant. Is circulating.
  • the low-stage compressor 12 includes a low-stage compression mechanism 12a that compresses and discharges the low-pressure refrigerant until it becomes an intermediate-pressure refrigerant, and a low-stage electric motor 12b that rotationally drives the low-stage compression mechanism 12a. It is an electric compressor having.
  • the low-stage electric motor 12b is an AC motor whose operation (for example, the number of rotations) is controlled by an alternating current output from the low-stage inverter 22. Moreover, the low stage side inverter 22 outputs the alternating current of the frequency according to the control signal output from the refrigerator control apparatus 20 mentioned later. And by this frequency control, the refrigerant
  • the low-stage electric motor 12b constitutes the discharge capacity changing unit of the low-stage compressor 12.
  • a DC motor may be employed as the low-stage electric motor 12b, and the rotation speed may be controlled by a control voltage output from the refrigerator control device 20.
  • the suction port side of the high-stage compressor 11 is connected to the discharge port of the low-stage compression mechanism 12a.
  • the basic configuration of the high stage compressor 11 is the same as that of the low stage compressor 12. Accordingly, the high-stage compressor 11 includes a high-stage compression mechanism 11a that compresses and discharges the intermediate-pressure refrigerant discharged from the low-stage compressor 12 until it becomes a high-pressure refrigerant, and a high-stage electric motor 11b. It is an electric compressor having.
  • the rotation speed of the high stage side electric motor 11 b is controlled by the alternating current output from the high stage side inverter 21. Further, the compression ratio of the high-stage compression mechanism 11a and the compression ratio of the low-stage compression mechanism 12a of the present embodiment are substantially the same.
  • the refrigerant inlet side of the radiator 13 is connected to the discharge port of the high stage side compression mechanism 11a.
  • the heat radiator 13 performs heat exchange between the high-pressure refrigerant discharged from the high-stage compressor 11 and the outside air blown by the cooling fan 13a (that is, outdoor air) to dissipate the high-pressure refrigerant and cool it. Heat exchanger.
  • the refrigerator control device 20 constitutes a control device that controls the rotational speeds of the low-stage compression mechanism 12a and the high-stage compression mechanism 11a. More specifically, the refrigerator control device 20 controls the number of rotations of the low-stage electric motor 12b that rotates the low-stage compression mechanism 12a and the high-stage electric motor 11b that rotates the high-stage compression mechanism 11a. Configure the device.
  • the cooling fan 13a is an electric blower whose rotation speed is controlled by a control voltage output from the refrigerator control device 20. The amount of blown air is determined according to this rotational speed.
  • a chlorofluorocarbon refrigerant is employed as the refrigerant, and a subcritical refrigeration cycle in which the high-pressure side refrigerant pressure does not exceed the critical pressure of the refrigerant is configured. Functions as a condenser to condense the refrigerant.
  • a branching portion 14 for branching the flow of the refrigerant flowing out of the radiator 13 is connected to the refrigerant outlet of the radiator 13.
  • the branch part 14 has a three-way joint structure having three inflow / outlets.
  • One of the inflow / outflow ports is a refrigerant inflow port, and two are refrigerant outflow ports.
  • Such a branch part 14 may be configured by joining pipes, or may be configured by providing a plurality of refrigerant passages in a metal block or a resin block.
  • the inlet side of the intermediate pressure expansion valve 15 is connected to one refrigerant outlet of the branch part 14, and the inlet side of the high-pressure refrigerant flow path 16 a of the intermediate heat exchanger 16 is connected to the other refrigerant outlet of the branch part 14.
  • the intermediate pressure expansion valve 15 is a temperature type expansion valve that expands the high pressure refrigerant flowing out of the radiator 13 under reduced pressure until it becomes intermediate pressure refrigerant and flows out to the suction side of the high-stage compression mechanism 11a.
  • the intermediate pressure expansion valve 15 has a temperature sensing portion disposed on the outlet side of the intermediate pressure refrigerant channel 16b of the intermediate heat exchanger 16, and the temperature of the refrigerant on the outlet side of the intermediate pressure refrigerant channel 16b. Based on the pressure, the degree of superheat of the refrigerant on the outlet side of the intermediate pressure refrigerant flow path 16b is detected.
  • the intermediate pressure expansion valve 15 adjusts the valve opening degree by a mechanical mechanism so that the degree of superheat becomes a predetermined value set in advance.
  • the intermediate pressure expansion valve 15 refrigerant flow rate is determined according to the valve opening. Further, the outlet side of the intermediate pressure expansion valve 15 is connected to the inlet side of the intermediate pressure refrigerant flow path 16b.
  • the intermediate heat exchanger 16 is decompressed and expanded by the intermediate pressure expansion valve 15 and circulates through the intermediate pressure refrigerant flow path 16b, and the other is branched at the branch portion 14 and circulated through the high pressure refrigerant flow path 16a. Exchanges heat with high-pressure refrigerant. Since the temperature of the high-pressure refrigerant is reduced by reducing the pressure, in the intermediate heat exchanger 16, the intermediate-pressure refrigerant flowing through the intermediate-pressure refrigerant channel 16b is heated, and the high-pressure refrigerant flowing through the high-pressure refrigerant channel 16a is cooled. Will be.
  • the intermediate heat exchanger 16 a double-pipe heat exchanger configuration in which an inner tube forming the intermediate pressure refrigerant flow channel 16b is arranged inside the outer tube forming the high pressure refrigerant flow channel 16a.
  • the high-pressure refrigerant channel 16a may be an inner tube
  • the intermediate-pressure refrigerant channel 16b may be an outer tube.
  • coolant piping which forms the high pressure refrigerant flow path 16a and the intermediate pressure refrigerant flow path 16b, and heat-exchange may be employ
  • the flow direction of the high-pressure refrigerant flowing through the high-pressure refrigerant flow path 16a and the flow direction of the intermediate pressure refrigerant flowing through the intermediate-pressure refrigerant flow path 16b are the same.
  • a heat exchanger is used.
  • an AC type heat exchanger in which the flow direction of the high-pressure refrigerant flowing through the high-pressure refrigerant flow path 16a and the flow direction of the intermediate-pressure refrigerant flowing through the intermediate pressure refrigerant flow path 16b are opposite may be employed.
  • the inlet side of the above-described high-stage compression mechanism 11a is connected to the outlet side of the intermediate pressure refrigerant flow path 16b of the intermediate heat exchanger 16 through a check valve (not shown). Therefore, the high-stage compression mechanism 11a of the present embodiment sucks the mixed refrigerant of the intermediate-pressure refrigerant that has flowed out from the intermediate-pressure refrigerant flow path 16b and the intermediate-pressure refrigerant that is discharged from the low-stage compressor 12.
  • the inlet side of the low-pressure expansion valve 17 is connected to the outlet side of the high-pressure refrigerant channel 16a of the intermediate heat exchanger 16.
  • the low-pressure expansion valve 17 is a temperature type expansion valve that decompresses and expands the high-pressure refrigerant flowing out of the radiator 13 until it becomes a low-pressure refrigerant.
  • the basic configuration of the low pressure expansion valve 17 is the same as that of the intermediate pressure expansion valve 15.
  • the low-pressure expansion valve 17 has a temperature sensing portion arranged on the refrigerant outlet side of the evaporator 18 described later, and the evaporator 18 is based on the temperature and pressure of the refrigerant on the outlet side of the evaporator 18. The degree of superheat of the outlet side refrigerant is detected.
  • the low pressure expansion valve 17 adjusts the valve opening degree by a mechanical mechanism so that the degree of superheat becomes a predetermined value set in advance.
  • the flow rate of the refrigerant flowing through the low pressure expansion valve 17 is determined according to the valve opening.
  • the refrigerant inlet side of the evaporator 18 is connected to the outlet side of the low pressure expansion valve 17.
  • the evaporator 18 evaporates the low-pressure refrigerant and exhibits an endothermic effect by exchanging heat between the low-pressure refrigerant decompressed and expanded by the low-pressure expansion valve 17 and the blown air circulated through the freezer by the blower fan 18a.
  • This is an endothermic heat exchanger.
  • the blower fan 18 a is an electric blower whose rotation speed is controlled by a control voltage output from the refrigerator control device 20. The amount of air blown from the blower fan 18a is determined according to the rotational speed.
  • the refrigerant outlet of the evaporator 18 is connected to the suction port side of the low-stage compression mechanism 12a.
  • the refrigerator control device 20 includes a well-known microcomputer including a CPU and a storage circuit, an output circuit that outputs control signals or control voltages to various control target devices, an input circuit that receives detection signals of various sensors, and a power source It consists of a circuit and the like.
  • the CPU performs control processing and arithmetic processing.
  • the storage circuit is a ROM, a RAM, or the like that stores programs, data, and the like.
  • the storage circuit is a non-transitional tangible storage medium.
  • the above-described low-stage inverter 22, high-stage inverter 21, cooling fan 13a, blower fan 18a, and the like are connected to the output side of the refrigerator control device 20 as control target devices.
  • the refrigerator control device 20 controls the operation of these control target devices.
  • the refrigerator control device 20 is configured such that a control unit that controls the operation of these control target devices is integrally configured.
  • the configuration (that is, hardware and software) that controls the operation of each control target device in the refrigerator control device 20 constitutes a control unit of each control target device.
  • the configuration (that is, hardware and software) that controls the refrigerant discharge capacity of the low-stage side compression mechanism 12a by controlling the operation of the low-stage side inverter 22 is the first discharge capacity control unit 20a.
  • a configuration (that is, hardware and software) that controls the refrigerant discharge capacity of the high-stage compression mechanism 11a by controlling the operation of the side inverter 21 is referred to as a second discharge capacity control unit 20b.
  • the rotation speed of the low-stage side electric motor 12b and the rotation speed of the high-stage side electric motor 11b can be controlled independently of each other by the first discharge capacity control unit 20a and the second discharge capacity control unit 20b, respectively.
  • the outside air temperature sensor 23, the internal temperature sensor 24, the low pressure sensor 25, the intermediate pressure sensor 26, the high pressure sensor 27, and the like are connected to the input side of the refrigerator control device 20. Detection signals from these sensors are input to the refrigerator control device 20.
  • the outside air temperature sensor 23 detects the outside air temperature Tam of the outside air (that is, the outside air) that exchanges heat with the high-pressure refrigerant in the radiator 13.
  • the internal temperature sensor 24 detects the air temperature Tfr of the blown air that exchanges heat with the low-pressure refrigerant in the evaporator 18.
  • the low-pressure sensor 25 detects the pressure of the low-pressure refrigerant that flows out of the evaporator 18 and is sucked into the low-stage compressor 12.
  • the intermediate pressure sensor 26 detects the pressure of the intermediate pressure refrigerant discharged from the low stage compressor 12.
  • the high pressure sensor 27 detects the pressure of the high pressure refrigerant discharged from the high stage compressor 11.
  • the low-pressure sensor 25 is a physical quantity sensor that detects a physical quantity correlated with the pressure of the low-pressure refrigerant.
  • an operation panel 30 is connected to the input side of the refrigerator control device 20.
  • the operation panel 30 is provided with an operation / stop switch, a temperature setting switch, and the like. Operation signals of these switches are input to the refrigerator control device 20.
  • the operation / stop switch is a request signal output unit that outputs an operation request signal or a stop request signal of the refrigerator.
  • the temperature setting switch is a target temperature setting unit that sets a target cooling temperature Tset in the warehouse.
  • FIG. 2 is a flowchart showing a control process executed by the refrigerator control device 20.
  • each control step in the flowchart shown in FIG. 2 constitutes various function realization units that the refrigerator control device 20 has.
  • step S100 detection signals detected by the outside air temperature sensor 23, the internal temperature sensor 24, the low pressure sensor 25, the intermediate pressure sensor 26, the high pressure sensor 27, and the like, and operation signals such as the temperature setting switch of the operation panel 30 are read. .
  • the refrigerator control device 20 specifies the outside air temperature based on the detection signal from the outside air temperature sensor 23 and specifies the target cooling temperature in the refrigerator based on the operation signal from the temperature setting switch.
  • the refrigerator control device 20 determines that the cool-down is being performed, and the temperature difference between the outside air temperature and the target cooling temperature is less than the predetermined temperature. It is determined that the cool-down is not in progress.
  • the refrigerator control device 20 specifies the optimum rotation speed ratio in step S104. To do.
  • a map representing the relationship between the optimum rotational speed ratio of the low stage compressor 12 and the high stage compressor 11 and the low pressure refrigerant pressure is stored in the ROM of the refrigerator control device 20 as shown in FIG.
  • the rotation speed ratio is defined as the ratio of the rotation speed of the low-stage compression mechanism 12a to the rotation speed of the high-stage compression mechanism 11a.
  • the optimum rotation speed ratio is a rotation speed ratio that maximizes the refrigerating capacity of the evaporator 18. As shown in the figure, it is specified that the optimum rotational speed ratio increases as the pressure of the low-pressure refrigerant increases.
  • the relationship between the pressure of the low-pressure refrigerant and the optimum rotational speed ratio obtained experimentally is stored in the ROM of the refrigerator control device 20.
  • the optimum speed ratio is specified with reference to the map shown in FIG. Specifically, the pressure of the low-pressure refrigerant is specified based on the detection signal detected by the low-pressure sensor 25, and the optimum rotational speed ratio corresponding to the pressure of the low-pressure refrigerant is specified with reference to the map shown in FIG. .
  • the internal temperature is high and the low-pressure refrigerant pressure is high, so the optimum rotation speed ratio is a relatively large value.
  • the optimum rotational speed ratio gradually decreases.
  • the refrigerator control device 20 specifies the rotational speed of the low stage compressor 12 and the rotational speed of the high stage compressor 11 in the next step S106.
  • the rotational speed of the high stage compressor 11 is limited to less than a predetermined protection control value in order to protect the motor provided in the high stage compressor. For this reason, first, the rotational speed of the high-stage compressor 11 is specified to a value lower than the limit value by a predetermined rotational speed, and then the rotational speed of the high-stage compressor 11 and the optimum rotational speed ratio specified in step S104. Based on the above, the rotational speed of the low-stage compressor 12 is specified.
  • step S108 the rotational speeds of the low-stage compressor 12 and the high-stage compressor 11 are controlled so as to be the rotational speeds specified in step S106. Specifically, the low stage compressor 12 and the high stage compressor 11 are instructed to rotate at the respective rotational speeds specified in step S106.
  • the low-stage inverter 22 outputs an alternating current having a frequency corresponding to the control signal output from the refrigerator control device 20. And by this frequency control, the refrigerant
  • the high-stage inverter 21 outputs an alternating current having a frequency corresponding to the control signal output from the refrigerator control device 20. And by this frequency control, the refrigerant
  • the rotation speeds of the high-stage compression mechanism 11a and the low-stage compression mechanism 12a are controlled so as to have an optimum rotation ratio. Therefore, the rotation speed of the low-stage compressor 12 is specified to be larger than that in the case where the rotation speed ratio of the low-stage compression mechanism 12a to the rotation speed of the high-stage compression mechanism 11a is constant. The refrigeration capacity of 18 is maximized.
  • the refrigerator control device 20 determines whether or not the refrigeration cycle device 10 stops operating. Specifically, it is determined whether or not the refrigeration cycle apparatus 10 stops operating based on whether or not a stop request signal is output from the operation panel 30.
  • step S110 determines whether the stop request signal is not output. If YES is determined in the step S102, the processes in the steps S104 to S110 are performed again.
  • step S200 when the temperature difference between the outside air temperature and the target cooling temperature becomes less than the predetermined temperature, it is determined that the cool-down is not being performed, the process proceeds to step S200, and a transition is made to normal control.
  • the rotation speeds of the low-stage compressor and the high-stage compressor are controlled so that the rotation speed ratio between the high-stage compression mechanism 11a and the low-stage compression mechanism 12a is constant.
  • FIG. 4 shows the time characteristics of the rotation speed ratio of the high stage compression mechanism 11a and the low stage compression mechanism 12a after the cool down.
  • the rotation speed ratio between the high-stage compression mechanism 11a and the low-stage compression mechanism 12a of the multi-stage compression refrigeration cycle apparatus of the present embodiment is indicated by a solid line.
  • the rotational speed ratio of the comparative example in which the rotational speed ratio of the high stage compression mechanism 11a and the low stage compression mechanism 12a is constant is indicated by a dotted line.
  • the internal temperature is high and the low-pressure refrigerant pressure is high, and the rotation speed ratio of the high-stage compression mechanism 11a and the low-stage compression mechanism 12a is controlled to be a relatively large value. .
  • the optimum rotational speed ratio gradually decreases.
  • the rotation speed ratio of the high-stage compression mechanism 11a and the low-stage compression mechanism 12a becomes the same constant value as in the comparative example.
  • Fig. 5 shows the time characteristics of the internal temperature after the cool-down.
  • the internal temperature of the multistage compression refrigeration cycle apparatus of the present embodiment is indicated by a solid line.
  • the internal temperature of the comparative example which made the rotation speed ratio of the high stage side compression mechanism 11a and the low stage side compression mechanism 12a constant is shown by the dotted line.
  • the internal temperature is rapidly reduced immediately after the cool-down is performed as compared with the comparative example.
  • the cool-down time until the internal temperature reaches the target cooling temperature is significantly shortened as compared with the comparative example.
  • the refrigerator control device 20 reduces the low-stage compression with respect to the rotation speed of the high-stage compression mechanism 11a as the pressure of the low-pressure refrigerant specified based on the pressure of the low-pressure refrigerant detected by the low-pressure sensor 25 increases.
  • the rotation speed ratio of the mechanism 12a is increased. For this reason, even if the rotation speed of the high-stage compressor is limited, the rotation speed of the low-stage compression mechanism can be increased to improve the refrigerating capacity of the evaporator 18. Therefore, the cool-down time when starting up the apparatus can be shortened without increasing the size of each compressor.
  • the refrigerator control device 20 may determine whether or not to perform cool-down for rapidly cooling the cooling target space based on the temperature of the cooling target space.
  • the refrigerator control device 20 may increase the rotation speed ratio of the low-stage compression mechanism with respect to the rotation speed of the high-stage compression mechanism as the pressure of the low-pressure refrigerant increases.
  • the higher the pressure of the low-pressure refrigerant the larger the rotation speed ratio of the low-stage compression mechanism with respect to the rotation speed of the high-stage compression mechanism, thereby rapidly Can be cooled.
  • the refrigeration cycle apparatus 10 includes a high-pressure sensor 27 that detects the pressure of the high-pressure refrigerant.
  • a high-pressure sensor 27 that detects the pressure of the high-pressure refrigerant.
  • the refrigerator control apparatus 20 specifies optimal rotation speed ratio based on the relationship between the pressure of the low-pressure refrigerant
  • the relationship between the pressure of the low-pressure refrigerant and the optimum rotational speed ratio can also be specified.
  • FIG. 6 shows the result of theoretical determination of the relationship between the pressure of the low-pressure refrigerant that maximizes the refrigerating capacity of the evaporator 18 and the optimum intermediate pressure ratio.
  • the intermediate pressure ratio is expressed as intermediate pressure refrigerant pressure Pm / ⁇ (high pressure refrigerant pressure Pd ⁇ low pressure refrigerant pressure Ps).
  • the rotation speed ratio of the low-stage compression mechanism 12a to the rotation speed of the high-stage compression mechanism 11a can be specified so that the intermediate pressure ratio as shown in FIG. 6 is obtained.
  • the refrigerator control device 20 detects the internal temperature correlated with the pressure of the low-pressure refrigerant by the internal temperature sensor 24, and the higher the internal temperature detected by the internal temperature sensor 24, the larger the rotation speed ratio. May be.
  • the internal temperature sensor 24 is a physical quantity sensor that detects a physical quantity that correlates with the pressure of the low-pressure refrigerant.
  • the refrigerator control device 20 may specify the pressure of the low-pressure refrigerant based on the physical quantity detected by the internal temperature sensor 24. And the refrigerator control apparatus 20 may enlarge the rotation speed ratio of the low stage compression mechanism 12a with respect to the rotation speed of the high stage compression mechanism 11a, so that the pressure of the specified low pressure refrigerant
  • the refrigerator control device 20 specifies the rotation speed ratio that is the ratio of the rotation speed of the low-stage compression mechanism 12a to the rotation speed of the high-stage compression mechanism 11a based on the pressure of the low-pressure refrigerant. did.
  • the refrigerating machine control device 20 uses, for example, a rotation speed ratio that is a ratio of the rotation speed of the low-stage compression mechanism 12a to the rotation speed of the high-stage compression mechanism 11a based on the pressure of the low-pressure refrigerant and the pressure of the intermediate-pressure refrigerant. May be specified.
  • the refrigerator control device 20 is the ratio of the rotation speed of the low-stage compression mechanism 12a to the rotation speed of the high-stage compression mechanism 11a based on the pressure of the low-pressure refrigerant, the pressure of the intermediate-pressure refrigerant, and the pressure of the high-pressure refrigerant.
  • the rotation speed ratio may be specified. As described above, by using not only the pressure of the low-pressure refrigerant but also the pressure of the intermediate-pressure refrigerant or the pressure of the high-pressure refrigerant, the optimum rotation speed ratio can be specified with higher accuracy.
  • the refrigerator control device 20 specifies a rotation speed ratio that is a ratio of the rotation speed of the low-stage compression mechanism 12a to the rotation speed of the high-stage compression mechanism 11a based on the pressure of the low-pressure refrigerant. did.
  • the refrigerator control device 20 is, for example, a rotational speed that is a ratio of the rotational speed of the low-stage compression mechanism 12a to the rotational speed of the high-stage compression mechanism 11a based on the temperature of the low-pressure refrigerant that correlates with the pressure of the low-pressure refrigerant. The ratio may be specified.
  • the refrigerator control device 20 may detect the temperature of the pipe through which the low-pressure refrigerant flows without detecting the temperature of the low-pressure refrigerant directly. Further, the refrigerator control device 20 specifies a rotation speed ratio that is a ratio of the rotation speed of the low-stage compression mechanism 12a to the rotation speed of the high-stage compression mechanism 11a based on the temperature of the low-pressure refrigerant and the temperature of the intermediate-pressure refrigerant. May be.
  • the refrigerator control device 20 is the ratio of the rotation speed of the low-stage compression mechanism 12a to the rotation speed of the high-stage compression mechanism 11a based on the temperature of the low-pressure refrigerant, the temperature of the intermediate-pressure refrigerant, and the temperature of the high-pressure refrigerant.
  • the rotation speed ratio may be specified.
  • the refrigerator control device 20 specifies the rotation speed ratio that is the ratio of the rotation speed of the low-stage compression mechanism 12a to the rotation speed of the high-stage compression mechanism 11a based on the pressure of the low-pressure refrigerant. did. However, the refrigerator control device 20 specifies, for example, a rotation speed ratio that is a ratio of the rotation speed of the low-stage compression mechanism 12a to the rotation speed of the high-stage compression mechanism 11a based on the outside air temperature and the internal temperature. Also good. In this case, if a map that defines the optimum rotational speed corresponding to the outside air temperature and the internal temperature is stored in the ROM of the refrigerator control device 20, the refrigerator control device 20 uses the map to perform the high-stage compression. A rotation speed ratio that is a ratio of the rotation speed of the low-stage compression mechanism 12a to the rotation speed of the mechanism 11a can be specified.
  • the refrigerator control device 20 determines that the cool-down is being performed when the temperature difference between the outside air temperature and the target cooling temperature is equal to or higher than a predetermined temperature.
  • the refrigerator control device 20 may determine that the cool-down is being performed, for example, when the pressure of the high-pressure refrigerant is equal to or higher than the protection control value.
  • the refrigerator control device 20 is in a cool-down state when the temperature difference between the outside air temperature and the target cooling temperature is equal to or higher than a predetermined temperature, and when the pressure of the high-pressure refrigerant is equal to or higher than the protection control value. You may judge.
  • various features of the present disclosure are applied to a multi-stage compression refrigeration cycle apparatus having a two-stage compression mechanism on the high stage side and the low stage side.
  • the various features of the present disclosure can also be applied to a multistage compression refrigeration cycle apparatus having a compression mechanism of three or more stages.
  • the refrigerator control device 20 may determine whether or not the pressure of the high-pressure refrigerant exceeds a threshold value. When the refrigerator control device 20 determines that the pressure of the high-pressure refrigerant exceeds the threshold value, the refrigerator control device 20 reduces the rotation speed of the high-stage compression mechanism 11a and the rotation speed of the low-stage compression mechanism 12a for protection. May be.
  • a chlorofluorocarbon refrigerant for example, R404A
  • the refrigerant is not limited to the fluorocarbon refrigerant, and for example, a refrigerant mainly composed of carbon dioxide may be employed.
  • the refrigerator control device 20 corresponds to the determination unit by executing the process of step S102.

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Abstract

複数段圧縮式冷凍サイクル装置は、低段側圧縮機構（１２ａ）と、高段側圧縮機構（１１ａ）と、高段側圧縮機構から吐出された高圧冷媒を放熱させる放熱器（１３）と、放熱器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の吸入側へ流出させる中間圧膨張弁（１５）と、放熱器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、低圧膨張弁にて減圧膨張された低圧冷媒を送風空気と熱交換させて蒸発させ、低段側圧縮機構の吸入側へ流出させる蒸発器（１８）と、低段側圧縮機構及び高段側圧縮機構の回転数を制御する制御装置（２０）と、低圧冷媒の圧力に相関する物理量を検出する物理量センサ（２４、２５）と、を備える。制御装置は、物理量センサにより検出された物理量に基づいて、低圧冷媒の圧力が高いほど高段側圧縮機構の回転数に対する低段側圧縮機構の回転数比を大きくする。

Description

複数段圧縮式冷凍サイクル装置 関連出願への相互参照
　本出願は、２０１５年９月１５日に出願された日本特許出願番号２０１５－１８２１７２号に基づくもので、ここにその記載内容が参照により組み入れられる。
　本開示は、複数段の圧縮機構を備えた複数段圧縮式冷凍サイクル装置に関するものである。
　従来、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と、低段側圧縮機構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とを備える複数段圧縮式冷凍サイクル装置が、例えば特許文献１に開示されている。この複数段圧縮式冷凍サイクル装置は、冷媒を多段階に昇圧させる。
　より詳細には、特許文献１の複数段圧縮式冷凍サイクル装置は、いわゆるエコノマイザ式冷凍サイクルとして構成されている。エコノマイザ式冷凍サイクルは、高段側圧縮機構から吐出された高圧冷媒を放熱させる放熱器、放熱器から流出した高圧冷媒の一部を中間圧冷媒となるまで減圧膨張させる中間圧膨張弁を備えている。そしてエコノマイザ式冷凍サイクルは、中間圧膨張弁にて減圧された中間圧冷媒を高段側圧縮機構の吸入側へ導く。
　この種のエコノマイザ式冷凍サイクルでは、高段側圧縮機構に、中間圧膨張弁にて減圧された中間圧冷媒と低段側圧縮機構から吐出された中間圧冷媒との混合冷媒を吸入させることができる。これにより、高段側圧縮機構に、低段側圧縮機構から吐出された中間圧冷媒のみを吸入させる場合に対して温度の低い混合冷媒を吸入させることができるので、高段側圧縮機構の圧縮効率を向上させることができる。
　特許文献１の二段圧縮式冷凍装置は、装置を起動する際に、低段側圧縮機及び高段側圧縮機の回転数を、最大能力を発揮する最大回転数に対して低速の回転数で運転を開始して、段階的に引き上げるようにしている。これにより、圧縮機からのオイル流出が抑制され、オイル不足による故障の発生を抑制することが可能となっている。
特開２０１２－２４７１５４号公報
　ところで、このような二段圧縮式冷凍サイクル装置においては、装置を起動する際にできるだけ冷却対象空間としての庫内を早く冷却したいといった要望がある。特に、外気温の高い夏場には、庫内を早く冷却してクールダウン時間を短縮したいといった要望が大きい。
　しかし、従来の装置は、低段側圧縮機構および高段側圧縮機構の回転数比が一定となるよう低段側圧縮機および高段側圧縮機の回転数が制御されるよう構成されている。また、このような装置は、庫内の温度が高い場合に、高段側圧縮機内に設けられたモータを保護するため、高段側圧縮機の回転数が予め定められた保護制御値未満に制限される。このため、低段側圧縮機と高段側圧縮機の回転数を十分に大きくすることができず、装置を起動する際に庫内を冷却するのに長い時間を要していた。
　なお、上記特許文献１に記載された装置は、装置を起動する際に、低段側圧縮機及び高段側圧縮機の回転数を、最大能力を発揮する最大回転数に対して低速の回転数で運転を開始して、段階的に引き上げるよう構成されている。しかし、この装置は、単にオイル流出の抑制のために低段側圧縮機及び高段側圧縮機の回転数を制御しているだけであり、クールダウン時間を短縮する点については検討されていない。
　また、低段側圧縮機及び高段側圧縮機を大型化することでクールダウン時間を短縮するも可能であるが、各圧縮機を大型化するとコストが高くなってしまうだけでなく、搭載スペースが広くなってしまう。
　本開示は、各圧縮機を大型化することなく、装置を起動する際におけるクールダウン時間を短縮することを目的とする。
　本開示の１つの観点によれば、複数段圧縮式冷凍サイクル装置は、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と、低段側圧縮機構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と、を備えた複数段圧縮式冷凍サイクル装置であって、高段側圧縮機構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と、放熱器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の吸入側へ流出させる中間圧膨張弁と、放熱器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と、低圧膨張弁にて減圧膨張された低圧冷媒を冷却対象空間に送風させる送風空気と熱交換させて蒸発させ、低段側圧縮機構の吸入側へ流出させる蒸発器と、低段側圧縮機構及び高段側圧縮機構の回転数を制御する制御装置と、低圧冷媒の圧力に相関する物理量を検出する物理量センサと、を備える。制御装置は、物理量センサにより検出された物理量に基づいて、低圧冷媒の圧力が高いほど高段側圧縮機構の回転数に対する低段側圧縮機構の回転数比を大きくするよう構成されている。
　このように、制御装置は、物理量センサにより検出された物理量に基づいて、低圧冷媒の圧力が高いほど高段側圧縮機構の回転数に対する低段側圧縮機構の回転数比を大きくするよう構成されている。このため、高段側圧縮機の回転数が制限されても低段側圧縮機構の回転数を大きくして蒸発器の冷凍能力を向上することができる。したがって、各圧縮機を大型化することなく、装置を起動する際におけるクールダウン時間を短縮することができる。
実施形態に係る複数段圧縮式冷凍サイクル装置の全体構成図である。 実施形態に係る複数段圧縮式冷凍サイクル装置の制御装置の制御処理を示すフローチャートである。 低段側圧縮機と高段側圧縮機の最適回転数比と低圧冷媒圧力の関係を表した図である。 クールダウンを実施してからの高段側圧縮機構および低段側圧縮機構の回転数比の時間特性の関係を示した図である。 庫内温度とクールダウン時間の関係を示した図である。 低圧冷媒の圧力と最適な中間圧比の関係を理論的に求めた結果を示した図である。
　（第１実施形態）
　図１～３により、第１実施形態を説明する。図１は、本実施形態の複数段圧縮式冷凍サイクル装置の全体構成図である。この複数段圧縮式冷凍サイクル装置は、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℃以上－１０℃以下程度の極低温となるまで冷却する機能を果たす。
　まず、複数段圧縮式冷凍サイクル装置は、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ようになっている。なお、この冷媒としては、通常のフロン系冷媒（例えば、Ｒ４０４Ａ）を採用することができる。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（すなわちオイル）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。
　まず、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（例えば回転数）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の吐出能力変更部を構成している。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。
　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。また、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。
　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（すなわち室外空気）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。
　本実施形態では、冷凍機制御装置２０は、低段側圧縮機構１２ａ及び高段側圧縮機構１１ａの回転数を制御する制御装置を構成している。より詳細には、冷凍機制御装置２０は、低段側圧縮機構１２ａを回転させる低段側電動モータ１２ｂ及び高段側圧縮機構１１ａを回転させる高段側電動モータ１１ｂの回転数を制御する制御装置を構成している。
　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が制御される電動式送風機である。この回転数に応じて送風空気量が決まる。なお、本実施形態の複数段圧縮式冷凍サイクル装置では、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となっている。流入出口のうち１つが冷媒流入口となり、２つが冷媒流出口となる。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て高段側圧縮機構１１ａの吸入側へ流出させる温度式膨張弁である。
　より具体的には、中間圧膨張弁１５は、中間熱交換器１６の中間圧冷媒流路１６ｂ出口側に配置された感温部を有し、中間圧冷媒流路１６ｂ出口側冷媒の温度と圧力とに基づいて中間圧冷媒流路１６ｂ出口側冷媒の過熱度を検知する。そして中間圧膨張弁１５は、この過熱度が予め設定された所定値となるように機械的機構により弁開度を調整する。この弁開度に応じて、中間圧膨張弁１５冷媒流量が決まる。また、中間圧膨張弁１５の出口側には、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、中間圧膨張弁１５にて減圧膨張されて中間圧冷媒流路１６ｂを流通する中間圧冷媒と、分岐部１４にて分岐されて高圧冷媒流路１６ａを流通する他方の高圧冷媒との間で熱交換を行う。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。
　なお、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。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温度式膨張弁である。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。
　より具体的には、低圧膨張弁１７は、後述する蒸発器１８の冷媒流出口側に配置された感温部を有し、蒸発器１８出口側冷媒の温度と圧力とに基づいて蒸発器１８出口側冷媒の過熱度を検知する。そして低圧膨張弁１７は、この過熱度が予め設定された所定値となるように機械的機構により弁開度を調整する。この弁開度に応じて、低圧膨張弁１７を流れる冷媒流量が決まる。
　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。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が制御される電動式送風機である。この回転数に応じて送風ファン１８ａの送風空気量が決まる。
　さらに、蒸発器１８の冷媒流出口には、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、ＣＰＵおよび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。ＣＰＵは、制御処理および演算処理を行う。記憶回路は、プログラム、データ等を記憶するＲＯＭおよびＲＡＭ等である。記憶回路は、非遷移的実体的記憶媒体である。
　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、送風ファン１８ａ等が接続される。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部が一体に構成されたものである。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（すなわち、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部を構成している。
　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（すなわち、ハードウェアおよびソフトウェア）を第１吐出能力制御部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（すなわち、ハードウェアおよびソフトウェア）を第２吐出能力制御部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、それぞれ第１吐出能力制御部２０ａおよび第２吐出能力制御部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。もちろん、第１、第２吐出能力制御部２０ａ、２０ｂ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、外気温センサ２３、庫内温度センサ２４、低圧センサ２５、中間圧センサ２６、高圧センサ２７等が接続される。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。外気温センサ２３は、放熱器１３にて高圧冷媒と熱交換する庫外空気（すなわち室外空気）の外気温度Ｔａｍを検出する。庫内温度センサ２４は、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。低圧センサ２５は、蒸発器１８から流出して低段側圧縮機１２に吸入される低圧冷媒の圧力を検出する。中間圧センサ２６は、低段側圧縮機１２から吐出した中間圧冷媒の圧力を検出する。高圧センサ２７は、高段側圧縮機１１から吐出した高圧冷媒の圧力を検出する。なお、低圧センサ２５は、低圧冷媒の圧力に相関する物理量を検出する物理量センサである。
　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、作動／停止スイッチ、温度設定スイッチ等が設けられている。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。作動／停止スイッチは、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部である。温度設定スイッチは、庫内の目標冷却温度Ｔｓｅｔを設定する目標温度設定部である。
　次に、上記構成における本実施形態の複数段圧縮式冷凍サイクル装置の作動を、図２に基づいて説明する。まず、図２は、冷凍機制御装置２０が実行する制御処理を示すフローチャートである。
　この制御処理は、操作パネル３０の作動／停止スイッチが投入（すなわちＯＮ）されて作動要求信号が出力されるとスタートする。なお、図２に示すフローチャートにおける各制御ステップは、冷凍機制御装置２０が有する各種の機能実現部を構成している。
　まず、ステップＳ１００では、外気温センサ２３、庫内温度センサ２４、低圧センサ２５、中間圧センサ２６、高圧センサ２７等により検出された検出信号および操作パネル３０の温度設定スイッチ等の操作信号を読み込む。
　次のステップＳ１０２では、クールダウン中であるか否かを判定する。すなわち、冷却対象空間である庫内を急速に冷却するクールダウンを実施するか否かを判定する。本実施形態では、冷凍機制御装置２０は、外気温センサ２３からの検出信号に基づいて外気温を特定するとともに、温度設定スイッチからの操作信号に基づいて庫内の目標冷却温度を特定する。そして冷凍機制御装置２０は、外気温と目標冷却温度の温度差が所定温度以上の場合には、クールダウン中であると判定し、外気温と目標冷却温度の温度差が所定温度未満の場合には、クールダウン中でないと判定する。
　ここで、外気温と目標冷却温度の温度差が所定温度以上となっており、クールダウン中であると判定された場合、冷凍機制御装置２０は、ステップＳ１０４にて、最適回転数比を特定する。
　冷凍機制御装置２０のＲＯＭに、図３に示すような、低段側圧縮機１２と高段側圧縮機１１の最適回転数比と低圧冷媒圧力の関係を表したマップが記憶されている。回転数比は、高段側圧縮機構１１ａの回転数に対する低段側圧縮機構１２ａの回転数の比として定義される。最適回転数比は、蒸発器１８の冷凍能力が最大となる回転数比である。図に示すように、低圧冷媒の圧力が高くなるほど最適回転数比は大きくなるよう規定されている。本実施形態においては、実験的に求められた低圧冷媒の圧力と最適回転数比の関係が冷凍機制御装置２０のＲＯＭに記憶されている。
　ここでは、図３に示したマップを参照して最適回転数比を特定する。具体的には、低圧センサ２５により検出された検出信号に基づいて低圧冷媒の圧力を特定し、この低圧冷媒の圧力に対応する最適回転数比を図３に示したマップを参照して特定する。
　クールダウンの初期状態では、庫内温度が高く、低圧冷媒圧力が高くなっているため、最適回転数比は比較的大きな値となる。また、時間の経過に伴い、庫内温度が低下し、低圧冷媒圧力も低下すると、最適回転数比は徐々に小さな値となる。
　冷凍機制御装置２０は、次のステップＳ１０６では、低段側圧縮機１２の回転数と高段側圧縮機１１の回転数を特定する。庫内の温度が高い場合には、高段側圧縮機内に設けられたモータを保護するため、高段側圧縮機１１の回転数は予め定められた保護制御値未満に制限される。このため、まず、高段側圧縮機１１の回転数を制限値より所定回転数低い値に特定し、次に、高段側圧縮機１１の回転数とステップＳ１０４にて特定した最適回転数比に基づいて低段側圧縮機１２の回転数を特定する。
　次のステップＳ１０８では、ステップＳ１０６にて特定した各回転数となるよう低段側圧縮機１２および高段側圧縮機１１の回転数を制御する。具体的には、ステップＳ１０６にて特定した各回転数で回転するよう低段側圧縮機１２および高段側圧縮機１１に指示する。
　低段側インバータ２２は、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が有する低段側圧縮機構１２ａの冷媒吐出能力が変更される。
　また、高段側インバータ２１は、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高段側圧縮機１１が有する高段側圧縮機構１１ａの冷媒吐出能力が変更される。
　なお、高段側圧縮機構１１ａおよび低段側圧縮機構１２ａの回転数は最適回転数比となるよう制御される。したがって、高段側圧縮機構１１ａの回転数に対する低段側圧縮機構１２ａの回転数比を一定とする場合と比較して、低段側圧縮機１２の回転数は大きくなるよう特定され、蒸発器１８の冷凍能力は最大となる。
　冷凍機制御装置２０は、次のステップＳ１１０では、冷凍サイクル装置１０が作動を停止するか否かを判定する。具体的には、操作パネル３０から停止要求信号が出力されたか否かに基づいて冷凍サイクル装置１０が作動を停止するか否かを判定する。
　ここで、停止要求信号が出力されていない場合、ステップＳ１１０の判定はＮＯとなり、ステップＳ１００へ戻る。そして、ステップＳ１０２にてＹＥＳと判定されると、再度、ステップＳ１０４～Ｓ１１０の処理を実施する。
　また、外気温と目標冷却温度の温度差が所定温度未満になると、クールダウン中でないと判定され、ステップＳ２００に進み、通常制御へ遷移する。この通常制御では、高段側圧縮機構１１ａおよび低段側圧縮機構１２ａの回転数比が一定となるよう低段側圧縮機および高段側圧縮機の回転数が制御される。
　そして、操作パネル３０の作動／停止スイッチが投入（すなわちＯＦＦ）されて停止要求信号が出力されると、本処理を終了する。
　図４は、クールダウンを実施してからの高段側圧縮機構１１ａおよび低段側圧縮機構１２ａの回転数比の時間特性を示したものである。図中には、本実施形態の複数段圧縮式冷凍サイクル装置の高段側圧縮機構１１ａおよび低段側圧縮機構１２ａの回転数比が実線で示されている。また、高段側圧縮機構１１ａおよび低段側圧縮機構１２ａの回転数比を一定とした比較例の回転数比が点線で示されている。
　クールダウンの初期状態では、庫内温度が高く、低圧冷媒圧力が高くなっており、高段側圧縮機構１１ａおよび低段側圧縮機構１２ａの回転数比は比較的大きな値となるよう制御される。
　また、時間の経過に伴い、庫内温度が低下し、低圧冷媒圧力も低下すると、最適回転数比は徐々に小さな値となる。さらに時間が経過すると、高段側圧縮機構１１ａおよび低段側圧縮機構１２ａの回転数比は比較例と同じ一定値となる。
　図５は、クールダウンを実施してからの庫内温度の時間特性を示したものである。図中には、本実施形態の複数段圧縮式冷凍サイクル装置の庫内温度が実線で示されている。また、高段側圧縮機構１１ａおよび低段側圧縮機構１２ａの回転数比を一定とした比較例の庫内温度が点線で示されている。
　本実施形態の複数段圧縮式冷凍サイクル装置では、比較例と比較してクールダウンを実施した直後から速やかに庫内温度が低下している。その結果、本実施形態の複数段圧縮式冷凍サイクル装置では、比較例と比較して庫内温度が目標冷却温度となるまでのクールダウン時間が大幅に短縮されている。
　上記したように、冷凍機制御装置２０は、低圧センサ２５により検出された低圧冷媒の圧力に基づいて特定された低圧冷媒の圧力が高いほど高段側圧縮機構１１ａの回転数に対する低段側圧縮機構１２ａの回転数比を大きくするよう構成されている。このため、高段側圧縮機の回転数が制限されても低段側圧縮機構の回転数を大きくして蒸発器１８の冷凍能力を向上することができる。したがって、各圧縮機を大型化することなく、装置を起動する際におけるクールダウン時間を短縮することができる。
　また、冷凍機制御装置２０は、冷却対象空間の温度に基づいて冷却対象空間を急速に冷却するクールダウンを実施するか否かを判定してもよい。そして冷凍機制御装置２０は、クールダウンを実施すると判定した場合、低圧冷媒の圧力が高いほど高段側圧縮機構の回転数に対する低段側圧縮機構の回転数比を大きくしてもよい。このように、クールダウンを実施すると判定された場合に、低圧冷媒の圧力が高いほど高段側圧縮機構の回転数に対する低段側圧縮機構の回転数比を大きくして冷却対象空間を急速に冷却することができる。
　また、冷凍サイクル装置１０は、高圧冷媒の圧力を検出する高圧センサ２７を備える。冷凍機制御装置２０は、高圧センサ２７により検出された高圧冷媒の圧力が予め定められた基準値以上となっている場合、クールダウンを実施すると判定することができる。
　（他の実施形態）
　（１）上記実施形態では、冷凍機制御装置２０は、実験的に求められた低圧冷媒の圧力と最適回転数比の関係に基づいて最適回転数比を特定する。しかし、理論的に低圧冷媒の圧力と最適回転数比の関係を特定することもできる。図６は、蒸発器１８の冷凍能力が最大となる低圧冷媒の圧力と最適な中間圧比の関係を理論的に求めた結果を示している。なお、中間圧比は、中間圧冷媒圧力Ｐｍ／√（高圧冷媒圧力Ｐｄ×低圧冷媒圧力Ｐｓ）として表される。図６に示すような中間圧比となるよう高段側圧縮機構１１ａの回転数に対する低段側圧縮機構１２ａの回転数比を特定することができる。
　（２）上記実施形態における冷凍機制御装置２０では、低圧冷媒の圧力が高いほど高段側圧縮機構の回転数に対する低段側圧縮機構の回転数比が大きくなる。しかし、冷凍機制御装置２０は、低圧冷媒の圧力と相関する庫内温度を庫内温度センサ２４により検出し、この庫内温度センサ２４により検出された庫内温度が高いほど回転数比を大きくしてもよい。この場合、庫内温度センサ２４は、低圧冷媒の圧力に相関する物理量を検出する物理量センサである。
　また、冷凍機制御装置２０は、庫内温度センサ２４により検出された物理量に基づいて、低圧冷媒の圧力を特定してもよい。そして冷凍機制御装置２０は、特定された低圧冷媒の圧力が高いほど高段側圧縮機構１１ａの回転数に対する低段側圧縮機構１２ａの回転数比を大きくしてもよい。
　（３）上記実施形態では、冷凍機制御装置２０は、低圧冷媒の圧力に基づいて高段側圧縮機構１１ａの回転数に対する低段側圧縮機構１２ａの回転数の比である回転数比を特定した。しかし、冷凍機制御装置２０は、例えば、低圧冷媒の圧力および中間圧冷媒の圧力に基づいて高段側圧縮機構１１ａの回転数に対する低段側圧縮機構１２ａの回転数の比である回転数比を特定してもよい。また、冷凍機制御装置２０は、低圧冷媒の圧力、中間圧冷媒の圧力および高圧冷媒の圧力に基づいて高段側圧縮機構１１ａの回転数に対する低段側圧縮機構１２ａの回転数の比である回転数比を特定してもよい。このように、低圧冷媒の圧力だけでなく、中間圧冷媒の圧力や高圧冷媒の圧力を用いることで、より精度良く最適回転数比を特定することができる。
　（４）上記実施形態では、冷凍機制御装置２０は、低圧冷媒の圧力に基づいて高段側圧縮機構１１ａの回転数に対する低段側圧縮機構１２ａの回転数の比である回転数比を特定した。しかし、冷凍機制御装置２０は、例えば、低圧冷媒の圧力と相関する低圧冷媒の温度に基づいて高段側圧縮機構１１ａの回転数に対する低段側圧縮機構１２ａの回転数の比である回転数比を特定してもよい。この場合、冷凍機制御装置２０は、例えば、低圧冷媒の温度を直接検出せず、低圧冷媒が流れる配管の温度を温度センサで検出してもよい。また、冷凍機制御装置２０は、低圧冷媒の温度および中間圧冷媒の温度に基づいて高段側圧縮機構１１ａの回転数に対する低段側圧縮機構１２ａの回転数の比である回転数比を特定してもよい。また、冷凍機制御装置２０は、低圧冷媒の温度、中間圧冷媒の温度および高圧冷媒の温度に基づいて高段側圧縮機構１１ａの回転数に対する低段側圧縮機構１２ａの回転数の比である回転数比を特定してもよい。
　（５）上記実施形態では、冷凍機制御装置２０は、低圧冷媒の圧力に基づいて高段側圧縮機構１１ａの回転数に対する低段側圧縮機構１２ａの回転数の比である回転数比を特定した。しかし、冷凍機制御装置２０は、例えば、外気温と庫内温度に基づいて高段側圧縮機構１１ａの回転数に対する低段側圧縮機構１２ａの回転数の比である回転数比を特定してもよい。この場合、外気温と庫内温度に対応する最適回転数を規定したマップが冷凍機制御装置２０のＲＯＭに記憶されていれば、冷凍機制御装置２０は、このマップを用いて高段側圧縮機構１１ａの回転数に対する低段側圧縮機構１２ａの回転数の比である回転数比を特定できる。
　（６）上記実施形態では、冷凍機制御装置２０は、外気温と目標冷却温度の温度差が所定温度以上の場合に、クールダウン中であると判定した。しかし、冷凍機制御装置２０は、例えば、高圧冷媒の圧力が保護制御値以上となっている場合、クールダウン中であると判定してもよい。また、冷凍機制御装置２０は、外気温と目標冷却温度の温度差が所定温度以上の場合で、かつ、高圧冷媒の圧力が保護制御値以上となっている場合に、クールダウン中であると判定してもよい。
　（７）上記実施形態では、本開示の各種特徴を、高段側と低段側の２段の圧縮機構を有する複数段圧縮式冷凍サイクル装置に適用した。しかし、３段以上の圧縮機構を有する複数段圧縮式冷凍サイクル装置に、本開示の各種特徴を適用することもできる。
　（８）上記実施形態において、冷凍機制御装置２０は、高圧冷媒の圧力が閾値を超えているか否かを判定してもよい。そして冷凍機制御装置２０は、高圧冷媒の圧力が閾値を超えていると判定した場合、保護のために高段側圧縮機構１１ａの回転数および低段側圧縮機構１２ａの回転数をそれぞれ低下させてもよい。
　（９）上記実施形態では、冷媒としてフロン系冷媒（例えば、Ｒ４０４Ａ）が採用されている。しかし、冷媒はフロン系冷媒に限定されるものではなく、例えば、二酸化炭素を主成分とする冷媒が採用されてもよい。
　なお、本開示は上記した実施形態に限定されるものではなく、適宜変更が可能である。上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。
　なお、冷凍機制御装置２０が、ステップＳ１０２の処理を実行することで、判定部に対応する。

Claims (4)

  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、を備えた複数段圧縮式冷凍サイクル装置であって、
    　前記高段側圧縮機構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、
    　前記放熱器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前記高段側圧縮機構の吸入側へ流出させる中間圧膨張弁（１５）と、
    　前記放熱器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、
    　前記低圧膨張弁にて減圧膨張された低圧冷媒を冷却対象空間に送風させ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の吸入側へ流出させる蒸発器（１８）と、
    　前記低段側圧縮機構及び前記高段側圧縮機構の回転数を制御する制御装置（２０）と、
    　前記低圧冷媒の圧力に相関する物理量を検出する物理量センサ（２４、２５）と、を備え、
    　前記制御装置は、前記物理量センサにより検出された物理量に基づいて、前記低圧冷媒の圧力が高いほど前記高段側圧縮機構の回転数に対する前記低段側圧縮機構の回転数比を大きくするよう構成されている複数段圧縮式冷凍サイクル装置。
  2. 　前記物理量センサは、前記冷却対象空間の温度を検出する庫内温度センサ（２４）であり、
    　前記制御装置は、前記庫内温度センサにより検出された前記冷却対象空間の温度が高いほど前記回転数比を大きくするよう構成されている請求項１に記載の複数段圧縮式冷凍サイクル装置。
  3. 　前記冷却対象空間の温度に基づいて前記冷却対象空間を急速に冷却するクールダウンを実施するか否かを判定する判定部を備え、
    　前記制御装置は、前記判定部により前記クールダウンを実施すると判定された場合、前記低圧冷媒の圧力が高いほど前記高段側圧縮機構の回転数に対する前記低段側圧縮機構の回転数比を大きくするよう構成されている請求項１または２に記載の複数段圧縮式冷凍サイクル装置。
  4. 　前記高圧冷媒の圧力を検出する高圧センサ（２７）を備え、
    　前記判定部は、前記高圧センサにより検出された前記高圧冷媒の圧力が予め定められた基準値以上となっている場合、前記クールダウンを実施すると判定する請求項３に記載の複数段圧縮式冷凍サイクル装置。
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