JP2009210138A - 冷凍サイクルシステム - Google Patents

Abstract

【課題】大きな能力、大きな圧縮圧力比、省電力という複数の要求を満足することのできる冷凍サイクルシステムを提供することを目的とする。
【解決手段】冷凍サイクルシステム１０Ａに、２台の圧縮機２０Ａ、２０Ｂを備える構成とし、バルブ７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃを切り替えることで、圧縮機２０Ａ、２０Ｂの直列運転、並列運転、いずれか一方の単独運転のいずれかの運転モードを選択できるようにした。これにより、大能力要求時、大圧縮圧力比要求時、省電力要求時のいずれにもフレキシブルに対応する。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍車等に車載される冷凍サイクルシステムに関する。

冷凍車、冷蔵車等においては、冷凍サイクルシステムにより荷物庫内を所定の温度に維持している。周知の通り、冷凍サイクルシステムは、圧縮機で圧縮して高温・高圧とした冷媒を、コンデンサにより冷却して液化し、荷物庫内に配置したエバポレータで庫内の雰囲気と熱交換を行うことで温度調整を行う（例えば特許文献１参照。）。

特開２００４−１３２６３５号公報

冷蔵車・冷凍車等に用いられる車載の冷凍サイクルシステムにおいては、以下に示すような課題が存在する。
荷物庫内を冷却し始めるときには、荷物庫内が大気温あるいはそれ以上の温度となっていることもあり、それを所定の冷蔵温度あるいは冷凍温度まで冷却するには、圧縮機に大きな能力が要求される。

一方、荷物庫内が冷却されると、外気と荷物庫内の温度差が大きいために、荷物庫内を所定の温度に維持するには、圧縮機に大きな圧縮圧力比が要求される。

また、従来の車載の冷凍サイクルシステムは、走行用のエンジンで圧縮機を駆動していたが、近年のハイブリッド車等においては、走行用のエンジンで発電機を駆動し、この発電機によって発電された電力によりモータを回転させて、圧縮機をこのモータにより駆動する、電動式の圧縮機が用いられている。このような電動式の圧縮機の場合、エンジンが停止しているときには、車載のバッテリから供給される電力によってモータを回転させて圧縮機を駆動する。このような状態においては、消費電力を抑えることが要求される。

しかし、圧縮機の回転数を司る圧縮機の許容運転周波数の範囲（最小運転周波数〜最大運転周波数の幅）は、圧縮機ごとに決まっている。要求される大きな能力に対応して、大型の圧縮機を用いた場合、現状の大型の圧縮機では、（最大運転周波数／最小運転周波数）で表される回転数比が現状で３〜４倍程度となっている。したがって、消費電力を抑えるために最小運転周波数を抑えようとしても限界がある。

また、圧縮機においては、運転周波数の大きさによって運転効率が異なり、運転効率の良い運転周波数範囲が決まっている。このため、特に低い運転周波数で運転する場合、運転効率が低く、この点においても消費電力の抑制は難しい。逆に、消費電力抑制の目的を重視して低い運転周波数での運転効率の良い圧縮機を選択すると、前記の回転数比の制限により、大能力要求に応じることができない。

また、大きな圧縮圧力比の要求に対しては、圧縮機への負荷が大きく、体積効率（圧縮機による流せる冷媒流量／圧縮機容積（押しのけ量））、全断熱効率（圧縮機により冷媒に与えられるエネルギ／圧縮機を駆動するのに必要なエネルギ）が低下してしまう。

本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、大きな能力、大きな圧縮圧力比、省電力という複数の要求を満足することのできる冷凍サイクルシステムを提供することを目的とする。

かかる目的のもとになされた本発明の冷凍サイクルシステムは、冷媒を圧縮して高温・高圧化する複数の圧縮機と、冷媒を冷却して液化するコンデンサと、コンデンサから送られてくる冷媒の熱を周囲雰囲気と熱交換するエバポレータと、を備え、エバポレータとコンデンサの間の冷媒経路において、複数の圧縮機を直列配置として稼働させる運転モードと、複数の圧縮機を並列配置として稼働させる運転モードとに切り換え可能とされている。
複数備えた圧縮機を直列配置した運転モードでは、大きな圧縮比を実現でき、複数の圧縮機を並列配置した運転モードでは、冷媒循環量を大きくして大能力を発揮できる。大きな圧縮機１台を用いる場合と比較すると、複数の圧縮機を備える場合には、それぞれの圧縮機を小型化することができるので、運転時には効率の良い周波数域で運転することができる。
ここで、圧縮機は複数であればよく、２台に限らず、３台以上備えることも可能である。

また、エバポレータとコンデンサの冷媒経路において、複数の圧縮機の一つを選択的に稼働可能とすることもできる。このように、圧縮機の一つを単独で作動させることで、従来にない低い能力での運転が可能となる。これにより、特に圧縮機が電動式である場合、消費電力を抑えることができる。

運転モードの切り替えは、複数の圧縮機が設けられた冷媒経路を、バルブにより切り替えることで行われる。バルブの切り替えは、制御部において、様々な条件から運転モードを決定し、決定した運転モードに応じてバルブを切り替えればよい。

複数の圧縮機は、圧縮機容積を互いに異ならせることもできる。これにより、圧縮能力の調整幅を拡大することができる。
また、複数の圧縮機の圧縮機容積を互いに異ならせることで、複数の圧縮機を直列配置とする運転モードにおいて複数の圧縮機の負荷を均等化するもできる。

コンデンサの出口側とエバポレータの入口側の間にエコノマイザ用エバポレータが設けられている場合、複数の圧縮機を直列配置とした運転モードにて、コンデンサの出口側から分岐した冷媒を膨張弁で膨張させることで圧力を下げて中圧冷媒とし、中圧冷媒をエコノマイザ用エバポレータに通すことで、コンデンサを経てエバポレータに送られる冷媒をエコノマイザ用エバポレータで冷却し、エコノマイザ用エバポレータを経た中圧冷媒を、直列配置の複数の圧縮機の間に供給することができる。
このように、エコノマイザ機能を備えた場合にも本発明は適用できる。
ここで、中圧冷媒とは、複数の圧縮機の入口側の冷媒圧力を低圧、出口側の冷媒圧力を高圧としたときの、相対的なものである。

複数の圧縮機の上流側に、並列状態に配置された複数のエバポレータを備えることもできる。一つの荷物庫を複数の荷室に区切り、それぞれの荷室にエバポレータを備えることで、荷室の温度を互いに異ならせることができる。このようなシステム形態においても本発明は適用できる。
この場合、並列状態に配置された複数のエバポレータを経た冷媒が合流したのち、複数の圧縮機に供給することもできる。

本発明によれば、複数の圧縮機を備え、これらを直列配置とした運転モード、並列配置とした運転モード、単独運転とした運転モード等で切り替えることで、大きな能力、大きな圧縮圧力比、省電力という複数の要求を満足することが可能となる。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
〔第一の実施形態〕
図１は、本実施の形態における冷凍サイクルシステム１０Ａの構成を説明するための図である。本実施の形態における冷凍サイクルシステム１０Ａは、冷凍車、冷蔵車等の車両に搭載されるものである。この冷凍サイクルシステム１０Ａは、冷媒を圧縮し、高温・高圧のガスにする２つの圧縮機２０Ａ、２０Ｂと、高温・高圧の冷媒を外気で冷却して液化するコンデンサ３０と、冷媒の圧力を下げる膨張弁４０と、車両の荷物庫内の空気から熱を奪い、冷媒を蒸発させるエバポレータ５０と、これらの間で冷媒を循環させるための冷媒管６０と、を含んで構成される。

そして、エバポレータ５０の出口側において、冷媒管６０は分岐し、その一方の冷媒管６０ａは、圧縮機２０Ａに接続されている。他方の冷媒管６０ｂは、圧縮機２０Ａをバイパスし、圧縮機２０Ａと圧縮機２０Ｂとを結ぶ冷媒管６０ｃに接続されている。また、冷媒管６０ｃは、冷媒管６０ｂとの合流部よりも圧縮機２０Ａ側で冷媒管６０ｄが分岐し、冷媒管６０ｄは、圧縮機２０Ａをバイパスして、圧縮機２０Ｂとコンデンサ３０を結ぶ冷媒管６０ｅに合流している。

冷媒管６０ｂ、６０ｃ、６０ｄには、バルブ７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃが設けられている。このうち、バルブ７０Ｂは、冷媒管６０ｃにおいて、冷媒管６０ｂとの合流部と、冷媒管６０ｄとの合流部との間に設けられている。これらバルブ７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃを開閉することで、冷媒の流路（冷媒経路）を切り替え、複数の運転モード間での切り替えが行える。

図２に示すように、
バルブ７０Ａ：ＯＦＦ
バルブ７０Ｂ：ＯＮ
バルブ７０Ｃ：ＯＦＦ
とすれば、エバポレータ５０からの冷媒は、冷媒管６０ａ、６０ｃ、６０ｅを経る流路Ｒ１により、圧縮機２０Ａ、圧縮機２０Ｂを直列的に通る。
これにより、圧縮機２０Ａの入口側と、圧縮機２０Ｂの出口側とで大きな圧縮圧力比を得ることができ、このような運転モードは、いったん冷却された荷物庫内を低温に維持するときに適している。
図３は、圧縮機の圧縮圧力比と全断熱効率の一般的特性を示すものである。大型の圧縮機１台と、直列に連結した２台の圧縮機２０Ａ、２０Ｂとで、同等の圧縮圧力比を得る場合、図３中のプロットＰ１に示すように、大型の圧縮機は大きな圧縮圧力比を発揮する必要があるが、図３中のプロットＰ２に示すように、圧縮機２０Ａと圧縮機２０Ｂとを直列に連結する場合、圧縮機２０Ａ、２０Ｂのそれぞれにおいては、圧縮圧力比を下げることができ、全断熱効率が高い領域で圧縮機２０Ａ、２０Ｂを駆動させることができる。

図４に示すように、
バルブ７０Ａ：ＯＮ
バルブ７０Ｂ：ＯＦＦ
バルブ７０Ｃ：ＯＮ
とすれば、エバポレータ５０からの冷媒は、冷媒管６０ａ、６０ｄを経ることで、圧縮機２０Ｂをバイパスして圧縮機２０Ａのみを経る流路Ｒ２と、冷媒管６０ｂ、６０ｃを経ることで圧縮機２０Ａをバイパスして圧縮機２０Ｂのみを経る流路Ｒ３とを通る。
このように、圧縮機２０Ａと圧縮機２０Ｂを並列的に用いる運転モードでは、循環する冷媒量は（圧縮機２０Ａの能力）＋（圧縮機２０Ｂの能力）となり、大きな能力を得ることができ、起動時等に荷物庫内の温度を大幅に低下させるときに適している。

図５に示すように、
バルブ７０Ａ：ＯＦＦ
バルブ７０Ｂ：ＯＦＦ
バルブ７０Ｃ：ＯＮ
とすれば、エバポレータ５０からの冷媒は、冷媒管６０ａ、６０ｄを経る流路Ｒ２により、圧縮機２０Ｂをバイパスして圧縮機２０Ａのみを通る。
また、図６に示すように、
バルブ７０Ａ：ＯＮ
バルブ７０Ｂ：ＯＦＦ
バルブ７０Ｃ：ＯＦＦ
とすれば、エバポレータ５０からの冷媒は、冷媒管６０ｂ、６０ｃを経る流路Ｒ３により、圧縮機２０Ａをバイパスして圧縮機２０Ｂのみを通る。

図５、図６に示したように、圧縮機２０Ａのみ、または圧縮機２０Ｂのみを単独で用いる運転モードでは、循環する冷媒量を少なくすることができる。しかも大型の圧縮機１台を用いる従来に比較すると、圧縮機２０Ａ、２０Ｂは小型のものを用いることができる。
図７は、圧縮機の駆動周波数と全断熱効率の一般的特性を示すものである。大型の圧縮機１台と、圧縮機２０Ａまたは圧縮機２０Ｂとで、同等の循環冷媒量を得る場合、図７中のプロットＰ３に示すように、大型の圧縮機は駆動周波数を下げる必要がある。これに対し、図７中のプロットＰ４に示すように、圧縮機２０Ａまたは圧縮機２０Ｂを単独で用いる場合、その駆動周波数を高くすることができ、全断熱効率が高い領域とすることができる。さらに、低い駆動周波数とすれば、大きな圧縮機の場合よりも押しのけ量が小さいため、従来にない低い流量での運転が可能となる。

これらバルブ７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃの切り替え、すなわち運転モードの切り替えは、図示しない制御部によって行われる。
制御部（図示無し）においては、圧縮機２０Ａ、２０Ｂに要求される必要圧縮圧力比、必要能力等の条件に基づき、圧縮機２０Ａ、２０Ｂの運転モードを決定する。ここで、必要圧縮圧力比は、例えば（外気温度−荷物庫内温度）により求めることができる。必要能力は、例えば（設定温度−荷物庫内温度）や、｛（エバポレータ５０における吸い込み側と吹き出し側の目標温度差）−（実際の吸い込み温度−吹き出し温度）｝等により求めることができる。
上記のような条件の閾値は、適宜設定すればよい。そして、制御部は、予め設定されたプログラムに基づく所定の処理を実行することで、前記の各温度の検出値と設定された条件とに基づいて、図２の圧縮機２０Ａ、２０Ｂの直列運転、図４の圧縮機２０Ａ、２０Ｂの並列運転、図５、６の圧縮機２０Ａ、２０Ｂいずれか一方の単独運転のいずれの運転モードとするかを決定し、それに応じてバルブ７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃを切り替えればよい。

なお、圧縮機２０Ａ、２０Ｂが電動式の場合、制御部は、圧縮機２０Ａ、２０Ｂが、発電機ではなくバッテリから供給されている状態のときには、図５、図６に示した単独運転モードとすることができる。また、小型の圧縮機２０Ａ、２０Ｂを用いることで、全断熱効率の良い周波数域を用いることができるので、運転効率も高まる。さらに、システム全体としての能力調整幅も、特に低能力側に広くなり、よりフレキシブルに富んだ運転を行うことができる。加えて、単独運転は、耐久性重視の観点から、圧縮機２０Ａと圧縮機２０Ｂとを交互に同等に用いるのが好ましい。
また、電力を供給するバッテリ（図示無し）の残留電力に基づき、圧縮機２０Ａ、２０Ｂの運転モードを決定することもできる。その場合、上記のようにして決定した運転モードとしたときに、残留電力が不足する状態であれば、図５、６の圧縮機２０Ａ、２０Ｂいずれか一方の単独運転のいずれの運転モード等にして、消費電力を抑えるのが好ましい。

ここで、例えば圧縮機２０Ａ、圧縮機２０Ｂの押しのけ量＝１とし、圧縮機２０Ａ、２０Ｂのそれぞれにおける回転数範囲（最小駆動周波数〜最大駆動周波数）を１〜４とした場合を検討すると、図２、図４〜図６に示した各運転モードにおける冷凍サイクルシステム１０Ａの圧縮機能力は、以下のとおりとなる。
図２に示した圧縮機２０Ａ、２０Ｂの直列運転においては、最小能力が１×１＝１、最大能力が１×４＝４となる。図４に示した圧縮機２０Ａ、２０Ｂの並列運転においては、最小能力は、１×１＋１×１＝２、最大能力は、１×４＋１×４＝８となる。また、図５、図６に示した圧縮機２０Ａ、２０Ｂを単独運転させる場合、最小能力は、１×１＝１、最大能力は１×４＝４となる。
つまり、図２、図４〜図６に示した運転モードを切り替えることで、冷凍サイクルシステム１０Ａにおける最小能力は１、最大能力は８となる。

一方、従来のように、大きな圧縮機を一台のみ設けた構成では、この大きな圧縮機の能力を２（圧縮機２０Ａ、２０Ｂの能力の和に相当）、回転数範囲を１〜４とした場合を検討すると、最小能力は２×１＝２、最大能力は２×４＝８となる。つまり、大きな圧縮機を一台のみ設けた場合、その冷凍サイクルシステムにおける最小能力は２、最大能力は８となる。

このようにして、２台の圧縮機２０Ａ、２０Ｂを用いることで、能力調整範囲を大きくすることができ、よりフレキシブル性に富むシステム構成とすることができる。

上記したように、バルブ７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃを切り替えることで、圧縮機２０Ａ、２０Ｂの直列運転、並列運転、いずれか一方の単独運転のいずれかの運転モードを選択できるようにした。これにより、大能力要求時、大圧縮圧力比要求時、省電力要求時のいずれにもフレキシブルに対応することができ、冷凍・冷蔵性能の向上とともに省エネルギ化を図ることが可能となる。

〔第一の実施形態の変形例〕
次に、上記第一の実施形態の変形例を示す。
図８に示す冷凍サイクルシステム１０Ｂは、図１に示した冷凍サイクルシステム１０Ａと基本的な構成は同様であり、圧縮機２０Ａ’と圧縮機２０Ｂ’の圧縮機容積（押しのけ量）が異なる点のみが相違する。
このような冷凍サイクルシステム１０Ｂにおいても、図９に示す圧縮機２０Ａ’、２０Ｂ’の直列運転、図１０に示す圧縮機２０Ａ’、２０Ｂ’の並列運転、図１１、１２に示す圧縮機２０Ａ’、２０Ｂ’いずれか一方の単独運転のいずれの運転モードとすることができる。

ここで、例えば圧縮機２０Ａ’の押しのけ量＝２、圧縮機２０Ｂ’の押しのけ量＝１とし、圧縮機２０Ａ’、２０Ｂ’のそれぞれにおける回転数範囲（最小駆動周波数〜最大駆動周波数）を１〜４とした場合を検討すると、図９〜図１２に示した各運転モードにおける冷凍サイクルシステム１０Ｂの圧縮機能力は、以下のとおりとなる。
図９に示した圧縮機２０Ａ’、２０Ｂ’の直列運転においては、最小能力が２×１＝２、最大能力が２×４＝８となる。図１０に示した圧縮機２０Ａ’、２０Ｂ’の並列運転においては、最小能力は、１×１＋２×１＝３、最大能力は、１×４＋２×４＝１２となる。また、図１１に示した圧縮機２０Ａ’を単独運転させる場合、最小能力は、２×１＝２、最大能力は２×４＝８となる。図１２に示した圧縮機２０Ｂ’を単独運転させる場合、最小能力は、１×１＝１、最大能力は１×４＝４となる。
つまり、図９〜図１２に示した運転モードを切り替えることで、冷凍サイクルシステム１０Ｂにおける最小能力は１、最大能力は１２となる。

一方、従来のように、大きな圧縮機を一台のみ設けた構成では、この大きな圧縮機の能力を３（圧縮機２０Ａ’、２０Ｂ’の能力の和に相当）、回転数範囲を１〜４とした場合を検討すると、最小能力は３×１＝３、最大能力は３×４＝１２となる。つまり、大きな圧縮機を一台のみ設けた場合、その冷凍サイクルシステムにおける最小能力は３、最大能力は１２となる。

このようにして、圧縮機容積の異なる圧縮機２０Ａ’、２０Ｂ’を用いることで、能力調整範囲を大きくすることができ、図１に示した冷凍サイクルシステム１０Ａに比較しても、よりフレキシブル性に富むシステム構成とすることができる。

また、図９に示した直列運転の場合においては、圧縮機２０Ａ’と、圧縮機２０Ｂ’との負荷を均等化することもできる。すなわち、圧縮機２０Ａ’の吸入圧力をＬＰと、圧縮機２０Ｂ’の吐出圧力をＨＰとし、上流側の圧縮機２０Ａ’の吐出圧力（＝下流側の圧縮機２０Ｂ’の吸入圧力）をＭＰとすると、圧縮機２０Ａ’と圧縮機２０Ｂ’との負荷を均等化するには、圧縮機２０Ａ’における圧縮圧力比ＭＰ／ＬＰと、圧縮機２０Ｂ’における圧縮圧力比ＨＰ／ＭＰとが等しくなるようにすればよい（ＭＰ／ＬＰ＝ＨＰ／ＭＰ）。
そして、圧縮機２０Ａ’の押しのけ量をＶａ、圧縮機２０Ｂ’の押しのけ量をＶｂとすると、同一回転数のときに、Ｖａ・ＬＰ＝Ｖｂ・ＭＰとなればよいので、Ｖｂ／Ｖａ＝ＬＰ／ＭＰを満たすように、押しのけ量Ｖａ、Ｖｂを設定すればよい。
このようにして圧縮機２０Ａ’と圧縮機２０Ｂ’との負荷を均等化すれば、より効率の良い運転が行える。

この、図８〜図１２に示した冷凍サイクルシステム１０Ｂにおいても、運転モードの切り替えは、図示しない制御部によってバルブ７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃを開閉することで行う。その際、圧縮機２０Ａ’、２０Ｂ’が電動式の場合、制御部は、電力を供給するバッテリ（図示無し）の残留電力に基づき、圧縮機２０Ａ’、２０Ｂ’の運転モードを決定することができるのも同様である。図９に示したような直列運転、あるいは図１０に示したような並列運転を行おうとしたときに、残留電力が不足する状態であれば、まず、図１１に示したように、押しのけ量の大きな圧縮機２０Ａ’を稼動させようとし、それでも残留電力がさらに不足しているときには、押しのけ量の小さな圧縮機２０Ｂ’を稼動させるような制御も可能である。

〔第二の実施形態〕
図１３は、本実施の形態における冷凍サイクルシステム１０Ｃの構成を説明するための図である。この冷凍サイクルシステム１０Ｃは、基本的には上記第一の実施形態の冷凍サイクルシステム１０Ａと同様の構成を有している。相違としては、エバポレータ５０の他にエコノマイザ用エバポレータ５５を有して、エコノマイザの機能を有する点にある。
すなわち、コンデンサ３０の下流側で冷媒管６０から冷媒管６０ｆが分岐し、膨張弁４５を経て、エコノマイザ用エバポレータ５５に冷媒を通し、バルブ７０Ａの下流側で冷媒管６０ｂに合流している。また、上流側のエコノマイザ用エバポレータ５５と下流側のエバポレータ５０との間に、循環する冷媒量を調整する膨張弁４０が設けられている。

このような冷凍サイクルシステム１０Ｃにおいては、図１４に示すように、
バルブ７０Ａ：ＯＦＦ
バルブ７０Ｂ：ＯＮ
バルブ７０Ｃ：ＯＦＦ
とすれば、エバポレータ５０からの冷媒は、冷媒管６０ａ、６０ｃ、６０ｅを経る流路Ｒ１により、圧縮機２０Ａ、圧縮機２０Ｂを直列的に通る。

図１５に示すように、
バルブ７０Ａ：ＯＮ
バルブ７０Ｂ：ＯＦＦ
バルブ７０Ｃ：ＯＮ
とすれば、エバポレータ５０からの冷媒は、冷媒管６０ａ、６０ｄを経ることで圧縮機２０Ｂをバイパスして圧縮機２０Ａのみを経る流路Ｒ２と、冷媒管６０ｂ、６０ｃを経ることで圧縮機２０Ａをバイパスして圧縮機２０Ｂのみを経る流路Ｒ３とを通る。

図１６に示すように、
バルブ７０Ａ：ＯＦＦ
バルブ７０Ｂ：ＯＦＦ
バルブ７０Ｃ：ＯＮ
とすれば、エバポレータ５０からの冷媒は、冷媒管６０ａ、６０ｄを経る流路Ｒ２により、圧縮機２０Ｂをバイパスして圧縮機２０Ａのみを通る。
また、図１７に示すように、
バルブ７０Ａ：ＯＮ
バルブ７０Ｂ：ＯＦＦ
バルブ７０Ｃ：ＯＦＦ
とすれば、エバポレータ５０からの冷媒は、冷媒管６０ｂ、６０ｃを経る流路Ｒ３により、圧縮機２０Ａをバイパスして圧縮機２０Ｂのみを通る。

さらに、図１８に示すように、
バルブ７０Ａ：ＯＦＦ
バルブ７０Ｂ：ＯＮ
バルブ７０Ｃ：ＯＦＦ
とし、圧縮機２０Ａ、圧縮機２０Ｂを直列的に用いる場合において、冷媒管６０ｆに冷媒を通すこともできる。これにより、膨張弁４５で低温低圧とした冷媒を冷媒管６０ｆに通して中圧冷媒とし、これをエコノマイザ用エバポレータ５５に通して、コンデンサ３０からエバポレータ５０に送られる冷媒と熱交換させることで、エバポレータ５０に供給する冷媒をさらに冷却することができ、冷媒冷却性能を高めることができる。これがいわゆるエコノマイザ機能である。この場合、エコノマイザ用エバポレータ５５を経た冷媒管６０ｆの冷媒は、圧縮機２０Ａと圧縮機２０Ｂの間の中間圧部分にて、冷媒管６０ｃに合流する。

さらに、図１９に示すように、
バルブ７０Ａ：ＯＦＦ
バルブ７０Ｂ：ＯＦＦ
バルブ７０Ｃ：ＯＮ
とし、圧縮機２０Ａ、圧縮機２０Ｂを並列的に用いる場合において、エコノマイザ用エバポレータ５５を経て冷媒管６０ｆを通った冷媒を圧縮機２０Ｂへ、エバポレータ５０を経て冷媒管６０ａを通った冷媒を圧縮機２０Ａへ導く。これにより、圧縮機２０Ｂは中圧から高圧に冷媒を昇圧するだけでよく、図１５の例に比べて能力は小さくなるが、能力が減少する割合以上の割合で圧縮機動力を削減できる。エコノマイザ用エバポレータ５５および圧縮機２０Ｂを経た冷媒は、冷媒管６０ｅを介してエバポレータ５０および圧縮機２０Ａを経た冷媒が流れる冷媒管６０ｄに合流する。

これらバルブ７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃの切り替えは、図示しない制御部によって行われるのは第一の実施形態の冷凍サイクルシステム１０Ａと同様である。予め設定された条件に基づいて、図１４の圧縮機２０Ａ、２０Ｂの直列運転、図１５の圧縮機２０Ａ、２０Ｂの並列運転、図１６、１７の圧縮機２０Ａ、２０Ｂいずれか一方の単独運転、図１８および図１９のエコノマイザ運転、のいずれの運転モードとするかを決定し、それに応じてバルブ７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃを切り替えればよい。
これにより、大能力要求時、大圧縮圧力比要求時、省電力要求時のいずれにもフレキシブルに対応することができ、冷凍・冷蔵性能の向上とともに省エネルギ化を図ることが可能となる。さらに、エコノマイザ機能を備える場合にも、本発明を有効に適用することができる。しかもその場合、エコノマイザ用エバポレータ５５を経た冷媒管６０ｆの冷媒は、圧縮機２０Ａと圧縮機２０Ｂの間の中間圧部分に戻せばよいので、一台のみの圧縮機を備える構成のように、冷媒を戻すための構造を圧縮機自体に備える必要がなく、低コストでエコノマイザ機能を備えることができる。

〔第三の実施形態〕
図２０は、本実施の形態における冷凍サイクルシステム１０Ｄの構成を説明するための図である。この冷凍サイクルシステム１０Ｄは、基本的には上記第一の実施形態の冷凍サイクルシステム１０Ａと同様の構成を有している。相違としては、２組の膨張弁４０Ａ、４０Ｂ、エバポレータ５０Ａ、５０Ｂを有する点にある。
ここで、一方の膨張弁４０Ａ、エバポレータ５０Ａは、図１に示した冷凍サイクルシステム１０Ａにおける膨張弁４０、エバポレータ５０と同様に配置されている。
他方の膨張弁４０Ｂ、エバポレータ５０Ｂは、コンデンサ３０の下流側で冷媒管６０から分岐した冷媒管６０ｋに設けられている。この冷媒管６０ｋは、膨張弁４０Ｂ、エバポレータ５０Ｂを経た後、バルブ７０Ａの下流側で冷媒管６０ｂに合流している。また、冷媒管６０ｋが合流した後の冷媒管６０ｂには、バルブ７０Ｄが設けられている。
このような冷凍サイクルシステム１０Ｄは、エバポレータ５０Ａ、５０Ｂを、荷物庫の異なる荷室に配置し、荷室どうしの温度設定を異ならせることのできる構成とされている。

このような冷凍サイクルシステム１０Ｄにおいては、図２１に示すように、
バルブ７０Ａ：ＯＮ
バルブ７０Ｂ：ＯＮ
バルブ７０Ｃ：ＯＦＦ
バルブ７０Ｄ：ＯＦＦ
とすれば、コンデンサ３０の下流側で冷媒管６０ｋ、６０ｊに分岐した冷媒は、膨張弁４０Ａ、エバポレータ５０Ａを経る経路Ｒ４と、膨張弁４０Ｂ、エバポレータ５０Ｂ、冷媒管６０ｂを経る経路Ｒ５とを通り、合流する。冷媒は、合流後、圧縮機２０Ａ、圧縮機２０Ｂを直列的に通る。このような運転モードを直列運転と称する。
これにより、圧縮機２０Ａの入口側と、圧縮機２０Ｂの出口側とで大きな圧縮圧力比を得ることができ、いったん冷却された荷物庫内を低温に維持するときに適している。この場合、エバポレータ５０Ａと、エバポレータ５０Ｂは、それぞれが設けられた荷物庫内を同温度に冷却する。

図２２に示すように、
バルブ７０Ａ：ＯＮ
バルブ７０Ｂ：ＯＦＦ
バルブ７０Ｃ：ＯＮ
バルブ７０Ｄ：ＯＮ
とすれば、コンデンサ３０の下流側で冷媒管６０ｋ、６０ｊに分岐した冷媒は、膨張弁４０Ａ、エバポレータ５０Ａを経る経路Ｒ４と、膨張弁４０Ｂ、エバポレータ５０Ｂを経る経路Ｒ５とを通り、冷媒管６０ｂの合流部Ｒ６で合流する。冷媒は、合流後、再び分岐し、一方は、冷媒管６０ａ、６０ｄを経る流路Ｒ２により、圧縮機２０Ｂをバイパスして圧縮機２０Ａのみを通る。他方は、バルブ７０Ｄ，冷媒管６０ｃを経る流路Ｒ３により、圧縮機２０Ａをバイパスして圧縮機２０Ｂのみを通る。このような運転モードを合流並列運転と称する。
このように圧縮機２０Ａと圧縮機２０Ｂを並列的に用いることで、循環する冷媒量が大きくなり、大きな能力を得ることができ、起動時等に荷物庫内の温度を大幅に低下させるときに適している。この場合、エバポレータ５０Ａと、エバポレータ５０Ｂは、それぞれが設けられた荷物庫内を同温度に冷却する。このような構成は、２つのエバポレータ５０Ａ、５０Ｂの必要の能力が、圧縮機２０Ａ、２０Ｂによる能力調整範囲以上に異なる場合に有効である。

図２３に示すように、
バルブ７０Ａ：ＯＦＦ
バルブ７０Ｂ：ＯＦＦ
バルブ７０Ｃ：ＯＮ
バルブ７０Ｄ：ＯＮ
とすれば、コンデンサ３０の下流側で冷媒管６０ｋ、６０ｊに分岐した冷媒は、一方が、膨張弁４０Ａ、エバポレータ５０Ａを経る経路Ｒ４から、冷媒管６０ａ、６０ｄを経る流路Ｒ２を通り、圧縮機２０Ｂをバイパスして圧縮機２０Ａのみを通る。他方の冷媒は、膨張弁４０Ｂ、エバポレータ５０Ｂを経る経路Ｒ５からバルブ７０Ｄ，冷媒管６０ｃを経る流路Ｒ３を通り、圧縮機２０Ａをバイパスして圧縮機２０Ｂのみを通る。このような運転モードを独立並列運転と称する。
このように圧縮機２０Ａと圧縮機２０Ｂを並列的に用いることで、循環する冷媒量が大きくなり、大きな能力を得ることができ、起動時等に荷物庫内の温度を大幅に低下させるときに適している。この場合、エバポレータ５０Ａと、エバポレータ５０Ｂは、それぞれが設けられた荷物庫内を互いに異なる温度に冷却することができる。また、二つのエバポレータ５０Ａ、５０Ｂに、一つずつの圧縮機２０Ａ、２０Ｂを割り当てることができるので、エバポレータ５０Ａとエバポレータ５０Ｂとで発揮する能力を異ならせることもできる。

図２４に示すように、
バルブ７０Ａ：ＯＦＦ
バルブ７０Ｂ：ＯＮ
バルブ７０Ｃ：ＯＦＦ
バルブ７０Ｄ：ＯＮ
とすれば、コンデンサ３０の下流側で冷媒管６０ｋ、６０ｊに分岐した冷媒は、一方が、膨張弁４０Ａ、エバポレータ５０Ａを経る流路Ｒ４から、圧縮機２０Ａ、圧縮機２０Ｂを直列的に通る流路Ｒ１へと流れる。他方の冷媒は、膨張弁４０Ｂ、エバポレータ５０Ｂを経る流路Ｒ５から、圧縮機２０Ａと圧縮機２０Ｂの間の中間圧部分にて、冷媒管６０ｃに合流する。このような運転モードを異温度直列運転と称する。
このようにすると、エバポレータ５０Ａを経て圧縮機２０Ａ、圧縮機２０Ｂを直列的に通る経路Ｒ１においては、圧縮機２０Ａの入口側と、圧縮機２０Ｂの出口側とで大きな圧縮圧力比を得ることができ、いったん冷却された荷物庫内を低温に維持するときに適している。一方、エバポレータ５０Ｂを経て、圧縮機２０Ａと圧縮機２０Ｂの間の中間圧部分にて、冷媒管６０ｃに合流する冷媒は、圧縮機２０Ｂのみによって圧縮されるため、圧縮圧力比が経路Ｒ６の場合よりも低い。したがって、エバポレータ５０Ｂによる冷却温度は、エバポレータ５０Ａによる冷却温度よりも高くなる。この場合、エバポレータ５０Ｂを経た冷媒を、圧縮機２０Ｂの中間圧として用いることができるので、特に圧縮機２０Ｂにおける効率向上が見込める。

図２５に示すように、
バルブ７０Ａ：ＯＮ
バルブ７０Ｂ：ＯＦＦ
バルブ７０Ｃ：ＯＮ
バルブ７０Ｄ：ＯＦＦ
とすれば、コンデンサ３０の下流側で冷媒管６０ｋ、６０ｊに分岐した冷媒は、膨張弁４０Ａ、エバポレータ５０Ａを経る経路Ｒ４と、膨張弁４０Ｂ、エバポレータ５０Ｂを経る経路Ｒ５とを通って合流する。冷媒は、合流後、冷媒管６０ａ、６０ｄを経る流路Ｒ２により、圧縮機２０Ｂをバイパスして圧縮機２０Ａのみを通る。
また、図２６に示すように、
バルブ７０Ａ：ＯＮ
バルブ７０Ｂ：ＯＦＦ
バルブ７０Ｃ：ＯＦＦ
バルブ７０Ｄ：ＯＮ
とすれば、コンデンサ３０の下流側で冷媒管６０ｋ、６０ｊに分岐した冷媒は、膨張弁４０Ａ、エバポレータ５０Ａを経る経路Ｒ４と、膨張弁４０Ｂ、エバポレータ５０Ｂを経る経路Ｒ５とを通って合流する。冷媒は、合流後、冷媒管６０ｂ、６０ｃを経る流路Ｒ３により、圧縮機２０Ａをバイパスして圧縮機２０Ｂのみを通る。
これら図２５、図２６に示す運転モードを、独立運転と称する。

これらバルブ７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃの切り替えは、図示しない制御部によって行われるのは第一の実施形態の冷凍サイクルシステム１０Ａと同様である。予め設定された条件に基づいて、図２１の直列運転、図２２の合流並列運転、図２３の独立並列運転、図２４の異温度直列運転、図２５、図２６の単独運転のいずれの運転モードとするかを決定し、それに応じてバルブ７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃを切り替えればよい。
制御部（図示無し）においては、圧縮機２０Ａ、２０Ｂに要求される必要圧縮圧力比、必要能力、庫内温度差、必要能力差等の条件に基づき、圧縮機２０Ａ、２０Ｂの運転モードを決定する。ここで、必要圧縮圧力比は、例えば（外気温度−荷物庫内温度）により求めることができる。必要能力は、例えば（設定温度−荷物庫内温度）や、｛（エバポレータ５０における吸い込み側と吹き出し側の目標温度差）−（実際の吸い込み温度−吹き出し温度）｝等により求めることができる。庫内温度差は、エバポレータ５０Ａが設けられた荷室の荷物庫内温度とエバポレータ５０Ｂが設けられた荷室における荷物庫内温度との差により求める。また、必要能力差は、エバポレータ５０Ａが設けられた荷室における（設定温度−荷物庫内温度）とエバポレータ５０Ｂが設けられた荷室における（設定温度−荷物庫内温度）との差により求める。
そして、必要能力差が大きければ、図２４の異温度直列運転、庫内温度差が大きければ図２３の独立並列運転、必要圧力比が大きければ図２１の直列運転、必要能力が大きければ図２２の合流並列運転を選択する。上記のような選択を行うための閾値は、適宜設定すればよい。
なお、圧縮機２０Ａ、２０Ｂが電動式の場合、制御部は、圧縮機２０Ａ、２０Ｂが、発電機ではなくバッテリから供給されている状態のときには、図２５、図２６に示した単独運転モードとすることができる。また、小型の圧縮機２０Ａ、２０Ｂを用いることで、全断熱効率の良い周波数域を用いることができるので、運転効率も高まる。さらに、システム全体としての能力調整幅も、特に低能力側に広くなり、よりフレキシブルに富んだ運転を行うことができる。加えて、単独運転は、耐久性重視の観点から、圧縮機２０Ａと圧縮機２０Ｂとを交互に同等に用いるのが好ましい。
また、上記のようにして決定した運転モードとしたときに、２台の圧縮機２０Ａ、２０Ｂを同時に稼働させることができるだけの残留電力がバッテリにあれば、上記図２１〜図２３のいずれかの運転モードを選択し、残留電力が不足する状態であれば、運転モードを、図２５、２５の圧縮機２０Ａ、２０Ｂいずれか一方を単独運転させる独立運転とし、消費電力を抑えることもできる。

このようにして、圧縮機２０Ａ、２０Ｂの直列運転、合流並列運転、独立並列運転、異温度直列運転、単独運転のいずれかの運転モードを選択でき、２台のエバポレータ５０Ａ、５０Ｂを用いたシステムにおいても、大能力要求時、大圧縮圧力比要求時、省電力要求時のいずれにもフレキシブルに対応することができ、冷凍・冷蔵性能の向上とともに省エネルギ化を図ることが可能となる。

なお、上記第二、第三の実施の形態についても、第一の実施形態の変形例のように、圧縮機２０Ａ、２０Ｂの押しのけ量を異ならせる構成を組み合わせることが可能である。また、第一の実施形態の変形例、第二、第三の実施形態で示した構成を適宜組み合わせることも可能である。
また、運転モードについても上記以外を採用することも可能である。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。

第一の実施の形態における冷凍サイクルシステムの構成を示す図である。 図１において、圧縮機を直列配置とした運転モードを示す図である。 圧縮機における圧縮圧力比と全断熱効率との関係を示す図である。 図１において、圧縮機を並列配置とした運転モードを示す図である。 同、一方の圧縮機のみを単独運転する運転モードを示す図である。 同、他方の圧縮機のみを単独運転する運転モードを示す図である。 圧縮機における圧縮機周波数と全断熱効率との関係を示す図である。 第一の実施の形態の変形例における冷凍サイクルシステムの構成を示す図である。 図８において、圧縮機を直列配置とした運転モードを示す図である。 同、圧縮機を並列配置とした運転モードを示す図である。 同、一方の圧縮機のみを単独運転する運転モードを示す図である。 同、他方の圧縮機のみを単独運転する運転モードを示す図である。 第二の実施の形態における冷凍サイクルシステムの構成を示す図である。 図１３において、圧縮機を直列配置とした運転モードを示す図である。 同、圧縮機を並列配置とした運転モードを示す図である。 同、一方の圧縮機のみを単独運転する運転モードを示す図である。 同、他方の圧縮機のみを単独運転する運転モードを示す図である。 同、圧縮機を直列配置とし、エコノマイザを機能させる運転モードを示す図である。 同、圧縮機を並列配置とし、エコノマイザを機能させる運転モードを示す図である。 第三の実施の形態における冷凍サイクルシステムの構成を示す図である。 図２０において、圧縮機を直列配置とし、圧縮機の上流側で２つのエバポレータを経た冷媒を合流させる運転モードを示す図である。 同、圧縮機を並列配置とし、圧縮機の上流側で２つのエバポレータを経た冷媒を合流させる運転モードを示す図である。 同、圧縮機を並列配置とし、圧縮機の上流側で２つのエバポレータを経た冷媒を合流させない運転モードを示す図である。 同、圧縮機を直列配置とし、圧縮機の上流側で２つのエバポレータを経た冷媒を合流させない運転モードを示す図である。 同、一方の圧縮機のみを単独運転する運転モードを示す図である。 同、他方の圧縮機のみを単独運転する運転モードを示す図である。

符号の説明

１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ…冷凍サイクルシステム、２０Ａ、２０Ａ’、２０Ｂ、２０Ｂ’…圧縮機、３０…コンデンサ、４５…膨張弁、５０、５０Ａ、５０Ｂ…エバポレータ、５５…エコノマイザ用エバポレータ、６０…冷媒管、７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃ、７０Ｄ…バルブ

Claims (8)

1. 冷媒を圧縮して高温・高圧化する複数の圧縮機と、
   前記冷媒を冷却して液化するコンデンサと、
   前記コンデンサから送られてくる前記冷媒の熱を周囲雰囲気と熱交換するエバポレータと、を備え、
   前記エバポレータと前記コンデンサの間の冷媒経路において、複数の前記圧縮機を直列配置として稼働させる運転モードと、複数の前記圧縮機を並列配置として稼働させる運転モードとに切り換え可能とされていることを特徴とする冷凍サイクルシステム。
2. 前記エバポレータと前記コンデンサの冷媒経路において、複数の前記圧縮機の一つが選択的に稼働可能とされていることを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクルシステム。
3. 前記運転モードの切り替えは、複数の前記圧縮機が設けられた前記冷媒経路を、バルブにより切り替えることで行われることを特徴とする請求項１または２に記載の冷凍サイクルシステム。
4. 複数の前記圧縮機は、圧縮機容積が互いに異なることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の冷凍サイクルシステム。
5. 複数の前記圧縮機の圧縮機容積を互いに異ならせることで、複数の前記圧縮機を直列配置とする運転モードにおいて、複数の前記圧縮機の負荷を均等化することを特徴とする請求項４に記載の冷凍サイクルシステム。
6. 前記コンデンサの出口側と前記エバポレータの入口側の間にエコノマイザ用エバポレータが設けられ、
   複数の前記圧縮機を直列配置とした運転モードにて、
   前記コンデンサの出口側から分岐した前記冷媒を膨張弁で膨張させることで圧力を下げて中圧冷媒とし、前記中圧冷媒を前記エコノマイザ用エバポレータに通すことで、前記コンデンサを経て前記エバポレータに送られる前記冷媒を前記エコノマイザ用エバポレータで冷却し、
   前記エコノマイザ用エバポレータを経た前記中圧冷媒を、直列配置の複数の前記圧縮機の間に供給することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の冷凍サイクルシステム。
7. 複数の前記圧縮機の上流側に、並列状態に配置された複数の前記エバポレータを備えていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の冷凍サイクルシステム。
8. 並列状態に配置された複数の前記エバポレータを経た前記冷媒が合流したのち、複数の前記圧縮機に供給されることを特徴とする請求項７に記載の冷凍サイクルシステム。

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