JP2011133206A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高圧側が臨界圧力となる冷凍装置において、送風機の運転による騒音を低減しつつ、冷媒回路内の高圧側圧力を適切に維持する。
【解決手段】本発明は、圧縮機１１、１１と、ガスクーラ４６と、絞り手段６２Ａ、６２Ｂと、蒸発器６３Ａ、６３Ｂとから冷媒回路１が構成され、高圧側が超臨界圧力となる冷凍装置Ｒであって、ガスクーラを空冷する送風機４７と、この送風機４７を制御する制御装置Ｃとを備え、この制御装置Ｃは、外気温度と蒸発器における冷媒の蒸発温度に基づいて送風機の回転数を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮手段と、ガスクーラと、絞り手段と、蒸発器とから冷媒回路が構成され、高圧側が超臨界圧力となる冷凍装置に関するものである。

従来よりこの種冷凍装置は、圧縮手段、ガスクーラ、絞り手段等から冷凍サイクルが構成され、圧縮手段で圧縮された冷媒がガスクーラにて放熱し、絞り手段にて減圧された後、蒸発器にて冷媒を蒸発させて、このときの冷媒の蒸発により周囲の空気を冷却するものとされていた。近年、この種冷凍装置では、自然環境問題などからフロン系冷媒が使用できなくなってきている。このため、フロン冷媒の代替品として自然冷媒である二酸化炭素を使用するものが開発されている。当該二酸化炭素冷媒は、高低圧差の激しい冷媒で、臨界圧力が低く、圧縮により冷媒サイクルの高圧側が超臨界状態となることが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特公平７−１８６０２号公報

上述したようなフロン冷媒は、飽和サイクルを行うため、冷媒温度と圧力とが一義的な関係を有している。これに対し、上述したような高圧側が超臨界状態となる超臨界サイクルでは、外気温度によって、飽和サイクルとガスサイクルの何れかを行う。飽和サイクルでは、フロン冷媒を用いたときと同様に冷媒温度と圧力とが一義的な関係を示すが、ガスサイクルでは、冷媒が液化しないため、冷媒回路内の冷媒が過剰となると、蒸発器の温度は降下するが高圧側の圧力が異常に高くなってしまうという問題がある。

本発明は、従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、高圧側が臨界圧力となる冷凍装置において、送風機の運転による騒音を低減しつつ、冷媒回路内の高圧側圧力を適切に維持することができる冷凍装置を提供する。

上記課題を解決するために、本発明は、圧縮手段と、ガスクーラと、絞り手段と、蒸発器とから冷媒回路が構成され、高圧側が超臨界圧力となる冷凍装置であって、ガスクーラを空冷する送風機と、この送風機を制御する制御手段とを備え、この制御手段は、外気温度と蒸発器における冷媒の蒸発温度に基づいて送風機の回転数を制御することを特徴とする。

請求項２の発明は、上記において、制御手段は、外気温度と蒸発温度に基づき、冷媒回路の高圧側圧力の目標値を決定し、高圧側圧力が目標値となるよう送風機を制御することを特徴とする。

請求項３の発明は、上記において、制御手段は、外気温度が低い程、目標値を低くし、蒸発温度が高い程、目標値を高くする方向で当該目標値を決定することを特徴とする。

請求項４の発明は、上記各発明において、冷媒として二酸化炭素を使用したことを特徴とする。

本発明によれば、圧縮手段と、ガスクーラと、絞り手段と、蒸発器とから冷媒回路が構成され、高圧側が超臨界圧力となる冷凍装置であって、ガスクーラを空冷する送風機と、この送風機を制御する制御手段とを備え、この制御手段は、外気温度と蒸発器における冷媒の蒸発温度に基づいて送風機の回転数を制御することにより、高圧側が超臨界圧力となる冷凍装置であっても、適切な高圧圧力となるように送風機の回転数を制御することができ、送風機の運転による騒音を低減しつつ、高効率な運転を実現することができる。

請求項２の発明によれば、上記において、制御手段は、外気温度と蒸発温度に基づき、冷媒回路の高圧側圧力の目標値を、例えば、請求項３の発明の如く、外気温度が低い程、目標値を低くし、蒸発温度が高い程、目標値を高くする方向で当該目標値を決定し、高圧側圧力が目標値となるよう、送風機を制御することにより、外気温度により飽和サイクルとガスサイクルに変化する冷媒の状態を考慮し、且つ、蒸発温度に基づいて好適な高圧側圧力を実現でき、これにより、高効率な運転を実現できる。

請求項４の発明の如く、冷媒として二酸化炭素を使用した超臨界冷媒回路（超臨界冷凍サイクル）において、上記各発明は、特に有効である。

本実施例における冷凍装置の冷媒回路図である。 制御装置のブロック図である。 外気温度と蒸発温度とから決定される目標高圧ＨＰＴの傾向を示す図である。 冷媒調整器の部分縦断側面図である。 冷媒調整器の部分断面平面図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の実施形態にかかる冷凍装置Ｒの冷媒回路図である。本実施例における冷凍装置Ｒは、冷凍機ユニット３と複数台のショーケースユニット５Ａ、５Ｂとを備え、これら冷凍機ユニット３と各ショーケースユニット５Ａ、５Ｂとが、冷媒配管７及び９により連結されて所定の冷凍サイクルを構成する。

この冷凍サイクルは、高圧側の冷媒圧力（高圧圧力）がその臨界圧力以上（超臨界）となる二酸化炭素を冷媒として用いる。この二酸化炭素冷媒は、地球環境に優しく、可燃性及び毒性等を考慮した自然冷媒である。また、潤滑油としてのオイルは、例えば鉱物油（ミネラルオイル）、アルキルベンゼン油、エーテル油、エステル油、ＰＡＧ（ポリアルキルグリコール）等、既存のオイルが使用される。

冷凍機ユニット３は、並列に配置された２台の圧縮機１１、１１を備える。本実施例において、圧縮機１１は、内部中間圧型多段圧縮式ロータリ圧縮機であり、鋼板から成る円筒状の密閉容器１２と、この密閉容器１２の内部空間の上側に配置収納された駆動要素としての電動要素１４及びこの電動要素１４の下側に配置され、電動要素１４の回転軸１６により駆動される第１の（低段側）回転圧縮要素（第１の圧縮要素）１８及び第２の（高段側）回転圧縮要素（第２の圧縮要素）２０から成る回転圧縮機構部にて構成されている。

第１の回転圧縮要素１８は、冷媒配管９を介して冷媒回路１の低圧側から圧縮機１１に吸い込まれる低圧冷媒を圧縮して中間圧まで昇圧して吐出し、第２の回転圧縮要素２０は、第１の回転圧縮要素２０で圧縮されて吐出された中間圧の冷媒を更に吸い込み、圧縮して高圧まで昇圧し、冷媒回路１の高圧側に吐出する。圧縮機１１は、周波数可変型の圧縮機であり、電動要素１４の運転周波数を変更することで、第１の回転圧縮要素１８及び第２の回転圧縮要素２０の回転数を制御可能とする。

圧縮機１１の密閉容器１２の側面には、第１の回転圧縮要素１８に連通する低段側吸込口２２及び低段側吐出口２４と、第２の回転圧縮要素２０に連通する高段側吸込口２６及び高段側吐出口２８が形成されている。各圧縮機１１、１１の低段側吸込口２２、２２には、それぞれ冷媒導入管３０が接続され、それぞれの上流側で合流し冷媒配管９に接続される。

低段側吸込口２２により第１の回転圧縮要素１８の低圧部に吸い込まれた低圧（ＬＰ：通常運転状態で４ＭＰａ程）の冷媒ガスは、当該第１の回転圧縮要素１８により中間圧（ＭＰ：通常運転状態で８ＭＰａ程）に昇圧されて密閉容器１２内に吐出される。これにより、密閉容器１２内は中間圧（ＭＰ）となる。

そして、密閉容器１２内の中間圧の冷媒ガスが吐出される各圧縮機１１、１１の低段側吐出口２４、２４には、それぞれ中間圧吐出配管３６、３６が接続され、それぞれの下流側で合流し、インタークーラ３８の一端に接続される。このインタークーラ３８は、第１の回転圧縮要素１８から吐出された中間圧の冷媒を空冷するものであり、当該インタークーラ３８の他端には、中間圧吸入管４０が接続され、この中間圧吸入管４０は２つに分岐した後に各圧縮機１１、１１の高段側吸込口２６、２６に接続される。

高段側吸込口２６により第２の回転圧縮要素２０の中圧部に吸い込まれた中圧（ＭＰ）の冷媒ガスは、当該第２の回転圧縮要素２０により２段目の圧縮が行われて高温高圧（ＨＰ：通常運転状態で１２ＭＰａ程の超臨界圧力）の冷媒ガスとなる。

そして、各圧縮機１１、１１の第２の回転圧縮要素２０の高圧室側に設けられた高段側吐出口２８、２８には、それぞれ高圧吐出配管４２、４２が接続され、それぞれの下流側で合流し、オイルセパレータ４４、ガスクーラ４６、詳細は後述する排熱回収熱交換器７０及びスプリットサイクルを構成する中間熱交換器８０を介して、冷媒回路７に接続される。

ガスクーラ４６は、圧縮機１１から吐出された高圧の吐出冷媒を冷却するものであり、ガスクーラ４６の近傍には当該ガスクーラ４６を空冷するガスクーラ用送風機４７が配設されている。本実施例では、ガスクーラ４６は上述したインタークーラ３８及び詳細は後述するオイルクーラ７４と並設されており、これらは同一の風路４５に配設されている。当該風路４５には、当該冷凍機ユニット３が配設される外気温度を検出する外気温度センサ（外気温度検出手段）５６が設けられている。

また、高段側吐出口２８、２８には、第２の回転圧縮要素２０、２０から吐出された冷媒の吐出圧力を検出する高圧圧力センサ（高圧圧力検出手段）４８と、吐出冷媒温度を検出する吐出温度センサ（吐出温度検出手段）５０及び、圧縮機１１の高段側吐出口２８からガスクーラ４６（オイルセパレータ４４）に向かう方向を順方向とする逆止弁９０を備えた冷媒調整器９１が設けられている。尚、当該冷媒調整器９１の詳細は後述する。

一方、ショーケースユニット５Ａ、５Ｂは、それぞれ店舗内等に設置され、冷媒配管７及び９にそれぞれ並列に接続されている。各ショーケースユニット５Ａ、５Ｂは、冷媒配管７と冷媒配管９とを連結するケース側冷媒配管６０Ａ、６０Ｂを有しており、各ケース側冷媒配管６０Ａ、６０Ｂには、それぞれストレーナ６１Ａ、６１Ｂと、主絞り手段６２Ａ、６２Ｂと、蒸発器６３Ａ、６３Ｂが順次接続されている。各蒸発器６３Ａ、６３Ｂには、それぞれ当該蒸発器に送風する図示しない冷気循環用送風機が隣接されている。そして、当該冷媒配管９は、上述したように冷媒導入管３０を介して各圧縮機１１、１１の第１の回転圧縮要素１８に連通する低段側吸込口２２に接続されている。これにより、本実施例における冷凍装置Ｒの冷媒回路１が構成される。

冷凍装置Ｒは、汎用のマイクロコンピュータにより構成される制御装置（制御手段）Ｃを備えている。当該制御装置Ｃは、図２に示すように入力側に各種センサが接続されていると共に、出力側には、各種弁装置、圧縮機１１、１１、ガスクーラ用送風機４７のファンモータ４７Ｍ等が接続されている。尚、当該制御装置Ｃの詳細については各制御に応じて後述する。

（Ａ）冷媒量調整制御
次に、本実施例における冷凍装置Ｒの冷媒回路１の冷媒量調整制御について説明する。冷媒回路１の超臨界圧力となる高圧側、本実施例では、冷凍機ユニット３の中間熱交換器８０の下流側には、第１の連通回路１０１を介して冷媒量調整タンク１００が接続されている。当該冷媒量調整タンク１００は、所定の容積を有するものであり、当該タンク１００上部に第１の連通回路１０１が接続されている。この第１の連通回路１０１には、絞り機能を有する第１の開閉手段として電動膨張弁１０２が介設されている。尚、絞り機能を有する開閉手段は、これに限定されるものではなく、例えば、第１の連通回路１０１に絞り手段として例えばキャピラリーチューブと電磁弁（開閉弁）により構成しても良い。

そして、この冷媒量調整タンク１００には、当該タンク１００内上部と、冷媒回路１の中間圧領域とを連通する第２の連通回路１０３が接続されている。本実施例では、第２の連通回路１０３の他端は、中間圧領域の一例として冷媒回路１のインタークーラ３８の出口側の中間圧吸入管４０に連通させる。この第２の連通回路１０３には、第２の開閉手段としての電磁弁１０４が介設されている。

また、この冷媒量調整タンク１００には、当該タンク１００内下部と、冷媒回路１の中間圧領域とを連通する第３の連通回路１０５が接続されている。本実施例では、第３の連通回路１０５の他端は、中間圧領域の一例として上記第２の連通回路１０３と同様に、冷媒回路１のインタークーラ３８の出口側の中間圧吸入管４０に連通させる。この第３の連通回路１０５には、第３の開閉手段としての電磁弁１０６が介設されている。

上記制御装置Ｃは、図２に示すように入力側にユニット出口側圧力センサ（ユニット出口側圧力検出手段）５８と、外気温度センサ５６が接続されている。このユニット出口側圧力センサ５８は、冷媒量調整タンク１００の下流側であって、ショーケースユニット５Ａ、５Ｂに向かう冷媒の圧力を検出するものである。その出力側には、電動膨張弁（第１の開閉手段）１０２、電磁弁（第２の開閉手段）１０４、電磁弁（第３の開閉手段）１０６と、上記ガスクーラ４６用の送風機４７のファンモータ４７Ｍが接続されている。当該制御装置Ｃは、詳細は後述する如く外気温度センサ５６の検出温度と、蒸発器６３Ａ、６３Ｂにおける冷媒の蒸発温度に基づきガスクーラ用送風機４７のファンモータ４７Ｍの回転数制御を行う。

（Ａ−１）冷媒回収動作
以下、冷媒回路１の冷媒回収動作について説明する。制御装置Ｃは、ユニット出口側圧力センサ５８の検出圧力が所定の回収閾値を超えたか否か、又は、当該ユニット出口側圧力センサ５８の検出圧力が先の回収閾値よりも低い所定の回収保護値を超え、且つ、上記ガスクーラ用送風機４７の回転数が最大値となっているか否かを判断する。

本実施例では、冷媒回路１の中間圧（ＭＰ）は、一例として８ＭＰａ程を適正値としているため、当該値を回収保護値として設定し、回収閾値は当該回収保護値よりも高い例えば）９ＭＰａに設定する。また、本実施例におけるガスクーラ用送風機４７の回転数の最大値は、一例として８００ｒｐｍとする。また、ガスクーラ用送風機４７の回転数が最大値となってから所定時間経過することを条件としても良い。

これにより、制御装置Ｃは、ユニット出口側圧力センサ５８の検出圧力が回収閾値である９ＭＰａを超えた場合、若しくは、検出圧力が回収閾値以下であっても回収保護値である８ＭＰａを超え、且つ、上記ガスクーラ用送風機４７の回転数が最大値の８００ｒｐｍとなっている場合には、冷媒回路１内に過剰のガス冷媒によって、高圧側圧力が異常上昇したものと判断し、冷媒回収動作を実行する。

この冷媒回収動作では、制御装置Ｃは、電磁弁（第３の開閉手段）１０６を閉じた状態で、電動膨張弁（第１の開閉手段）１０２及び電磁弁（第２の開閉手段）１０４を開放する。これにより、圧縮機１１、１１の高段側吐出口２８から吐出された高温高圧冷媒は、オイルセパレータ４４を経て、ガスクーラ４６、排熱回収熱交換器７０、中間熱交換器８０にて冷却された後、その一部が開放されている電動膨張弁１０２が介設された第１の連通回路１０１を介して冷媒量調整タンク１００内に流入する。

このとき、電磁弁１０４が開放されていることにより、冷媒量調整タンク１００の上部と冷媒回路１の中間圧領域とを連通する第２の連通回路１０３を介して、冷媒量調整タンク１００内の圧力をタンク外に逃がすことができる。そのため、外気温度が高くなった場合など、冷媒回路１内の冷媒が液化しないガスサイクル運転している場合であっても、タンク１００内の圧力が低下して当該タンク内に流入した冷媒は液化して当該タンク１００内に溜まる。即ち、冷媒量調整タンク１００内の圧力は超臨界圧力以下に降下することによって、冷媒がガス領域から飽和領域となり、液面を確保することができる。

これにより、迅速に、且つ、効率的に、冷媒回路１内の冷媒を冷媒量調整タンク１００に回収することができる。従って、冷媒回路１内の高圧側が余剰となった冷媒によって異常高圧となる不都合を解消することができ、高圧異常による圧縮機１１、１１の過負荷運転を防止することが可能となる。

特に、冷媒量調整タンク１００の上部と冷媒回路１の中間圧領域とを第２の連通回路１０３を介して連通させることにより、冷媒回路１の低圧側領域と連通させる場合と異なり、低圧側圧力が上昇されることによる冷却効率の低下を回避することが可能となる。

また、本実施例では、ユニット出口側圧力センサ５８により検出された高圧側の圧力が回収閾値以下であっても、所定の回収保護値を超えており、且つ、ガスクーラ４６を空冷する送風機４７の回転数が最高値である場合には、当該冷媒回収動作を行うため、当該送風機４７の運転状態をも考慮して、冷媒回路１の高圧側が異常に高くなった状態が続くことによる効率低下を防止することが可能となる。

（Ａ−２）冷媒保持動作
一方、制御装置Ｃは、ユニット出口側圧力センサ５８により検出された高圧側の圧力が回収保護値、本実施例では、８ＭＰａ以下となったか否かを判断し、回収保護値を下回った場合、冷媒回収動作を終了して冷媒保持動作に移行する。この冷媒保持動作では、制御装置Ｃは、電磁弁（第３の開閉手段）１０６を閉じた状態を維持し、電磁弁（第２の開閉手段）１０４を閉じ、電動膨張弁（第１の開閉手段）１０２の開度を先ほどの冷媒回収動作における開度を維持する。

尚、上記電動膨張弁１０２の開度を冷媒回収動作における開度よりも小さくしても良い。これにより、電磁弁１０４が閉じられることで、開放された電動膨張弁１０２を介し、冷媒回路１の高圧側領域による圧力にて冷媒量調整タンク１００内の液面を維持することが可能となる。そのため、冷媒量調整タンク１００内における液封を回避でき、安全性を確保することができる。これにより、冷媒回路１内の循環冷媒量を適切に維持することが可能となる。

また、制御装置Ｃは、当該冷媒保持動作における電動膨張弁１０２の開度を、冷媒回収動作における開度よりも小さくすることにより、冷媒保持動作において、冷媒量調整タンク１００内に冷媒回路１内の冷媒が過剰に回収されることにより、冷媒回路１内の冷媒不足が生じてしまう不都合を効果的に解消することが可能となる。

（Ａ−３）冷媒放出動作
そして、制御装置Ｃは、ユニット出口側圧力センサ５８の検出圧力が上記回収保護値（この場合８ＭＰａ程）より低い所定の放出閾値（本実施例では、７ＭＰａ程）を下回った場合、又は、当該ユニット出口側圧力センサ５８の検出圧力が先の回収保護値以下となり、且つ、上記ガスクーラ用送風機４７の回転数が最大値よりも低い所定の規定値以下となっているか否かを判断する。なお、当該所定の規定値とは、本実施例では、一例として最大値の３／８程度、即ち、最高値８００ｒｐｍとした場合、３００ｒｐｍ程度とする。また、ガスクーラ用送風機４７の回転数が所定の規定値以下となってから所定時間経過することを条件としても良い。

これにより、制御装置Ｃは、ユニット出口側圧力センサ５８の検出圧力が放出閾値である７ＭＰａを下回った場合、若しくは、検出圧力が回収保護値である８ＭＰａ以下となり、且つ、上記ガスクーラ用送風機４７の回転数が所定の規定値、この場合３００ｒｐｍ以下となっている場合には、冷媒回路１内の冷媒が不足してきたものと判断し、冷媒放出動作を実行する。

この冷媒放出動作では、制御装置Ｃは、電動膨張弁（第１の開閉手段）１０２及び電磁弁（第２の開閉手段）１０４を閉じ、電磁弁（第３の開閉手段）１０６を開放する。これにより、冷媒量調整タンク１００内に溜まった液冷媒は、当該タンク１００の下部に接続された電磁弁１０６が開放されている第３の連通回路１０５を介して冷媒回路１に放出する。そのため、冷媒量調整タンク１００の上部からガス冷媒が混入した状態で冷媒回路１に放出する場合と異なり、迅速に冷媒量調整タンク１００内の冷媒を冷媒回路１に放出できる。これにより、冷凍装置を高い効率にて運転することが可能となる。

（Ａ−４）冷媒保持動作
その後、制御装置Ｃは、ユニット出口側圧力センサ５８により検出された高圧側の圧力が回収保護値、本実施例では、８ＭＰａ以上となったか否かを判断し、回収保護値を超えた場合、冷媒放出動作を終了して上述した如き冷媒保持動作に移行する。以後、冷媒回路１の高圧側圧力に基づき、当該冷媒回収動作−冷媒保持動作―冷媒放出動作―冷媒保持動作を繰り返して実行することにより、高圧側圧力に基づいて冷媒回収・放出を制御でき、的確に高圧保護及び過負荷運転の防止することができる。これにより、冷凍装置の冷却能力を確保することができ、ＣＯＰの適正化を図ることが可能となる。

特に本実施例では、高圧側圧力のみならず、ガスクーラ４６を空冷する送風機４７の回転数をも考慮して冷媒回収・放出動作を制御することが可能となり、冷媒回路１の高圧側が異常に高くなった状態が続くことによる効率低下を防止することが可能となる。

また、本実施例において、第２の連通回路１０３及び第３の連通回路１０５はいずれも冷媒回路１のインタークーラ３８の出口側に連通させている。これにより、インタークーラ３８における圧力損失を防止して、円滑に冷媒量調整タンク１００から冷媒回路１に冷媒を放出することが可能となる。

なお、圧縮機１１、１１が運転を停止した場合には、制御装置Ｃは、冷媒放出動作を実行するものとする。これにより、圧縮機１１、１１の起動時において冷媒回路１内の冷媒量が不足する不都合を解消することができ、運転する圧縮機１１による高圧側の圧力に応じて適切な高圧側圧力を実現できる。

また、この場合において、圧縮機１１（圧縮手段）は、密閉容器１２内に第１、第２の圧縮要素１８、２０と電動要素１４を組み込んだ二段圧縮式ロータリコンプレッサを採用しているが、このほかにも、２台の単段のロータリコンプレッサ、又は、その他の形式のコンプレッサで中間圧部から冷媒を取り出し、導入できる形式のものであってもよいものとする。

（Ｂ）スプリットサイクル
次に、本実施例における冷凍装置Ｒのスプリットサイクルについて説明する。本実施例における冷凍装置Ｒは、各圧縮機１１、１１の第１の回転圧縮要素（低段側）１８、インタークーラ３８、２つの流体の流れを合流させる合流装置としての合流器８１、各圧縮機１１、１１の第２の回転圧縮要素（高段側）２０、オイルセパレータ４４、ガスクーラ４６、分流器８２、補助絞り手段（補助膨張弁）８３、中間熱交換器８０、主絞り手段（主膨張弁）６２Ａ、６２Ｂ、蒸発器６３Ａ、６３Ｂとから冷凍サイクルが構成される。

分流器８２は、ガスクーラ４６から出た冷媒を二つの流れに分岐させる分流装置である。即ち、本実施例の分流器８２は、ガスクーラ４６から出た冷媒を第１の冷媒流と第２の冷媒流とに分流し、第１の冷媒流を補助回路に流し、第２の冷媒流を主回路に流すように構成されている。

図１における主回路とは、第１の回転圧縮要素１８、インタークーラ３８、合流器８１、第２の回転圧縮要素２０、ガスクーラ４６、分流器８２、中間熱交換器８０の第２の流路８０Ｂ、主絞り手段６２Ａ、６２Ｂ、蒸発器６３Ａ、６３Ａから成る環状の冷媒回路であり、補助回路とは、分流器８２から補助絞り手段８３、中間熱交換器８０の第１の流路８０Ａを順次経て合流器８１に至る回路を示す。

補助絞り手段８３は、上記分流器８２で分流され、補助回路を流れる第１の冷媒流を減圧するものである。中間熱交換器８０は、補助絞り手段８３で減圧された補助回路の第１の冷媒流と分流器８２で分流された第２の冷媒流との熱交換を行う熱交換器である。当該中間熱交換器８０には、第２の冷媒流が流れる第２の流路８０Ｂと、上記第１の冷媒流が流れる第１の流路８０Ａとが熱交換可能な関係で設けられており、該中間熱交換器８０の第２の流路８０Ｂを通過することにより、第２の冷媒流は第１の流路８０Ａを流れる第１の冷媒流により冷却されるので、蒸発器６３Ａ、６３Ｂにおける比エンタルピを小さくすることができる。

上記制御装置Ｃは、図２に示すように入力側に吐出温度センサ（吐出温度検出手段）５０、ユニット出口側圧力センサ（ユニット出口側圧力検出手段）５８、中間圧圧力センサ（中間圧圧力検出手段）４９、低圧圧力センサ（吸込圧力検出手段）３２、ガスクーラ出口温度センサ（ガスクーラ出口温度検出手段）５２、ユニット出口温度センサ（ユニット出口温度検出手段）５４、ユニット入口温度センサ（入口温度検出手段）３４が接続されている。

吐出温度センサ５０は、圧縮機１１、１１の高段側吐出口２８に設けられ、第２の回転圧縮要素２０から吐出された冷媒の吐出温度を検出する。ユニット出口側圧力センサ５８は、冷媒量調整タンク１００の下流側であって、ショーケースユニット５Ａ、５Ｂに向かう冷媒の圧力を検出するものである。低圧圧力センサ３２は、冷媒回路１の低圧側、本実施例では、各蒸発器６３Ａ、６３Ｂの下流側であって、圧縮機１１、１１の低段側吸込口２２、２２に接続される冷媒配管９に設けられ、当該冷媒導入管３０に向かう冷媒の吸込圧力を検出する。中間圧圧力センサ４９は、冷媒回路１の中間圧領域、本実施例では、スプリットサイクルの補助回路であって、中間熱交換器８０の第１の流路８０Ａを経た後の第１の冷媒流の圧力を検出する。

ガスクーラ出口温度センサ５２は、ガスクーラ４６の出口側に設けられ、当該ガスクーラ４６を出た冷媒の温度（ＧＣＴ）を検出する。ユニット出口温度センサ５４は、冷媒配管７に接続される中間熱交換器８０の出口側に設けられ、ユニット出口温度（ＬＴ）を検出する。ユニット入口温度センサ３４は、圧縮機１１の低段側吸込口２２に接続される冷媒配管９に設けられ、当該冷媒導入管３０に向かう冷媒の吸込温度を検出する。そして、出力側には、当該スプリットサイクルを構成する補助絞り手段８３が接続されている。当該補助絞り手段８３は、ステップモータによって開度が制御される。

以下、補助絞り手段８３の開度制御について詳述する。補助絞り手段８３は、圧縮機１１の運転開始時点では、所定の初期弁開度とする。その後、制御装置Ｃは、以下の第１の制御量、第２の制御量、第３の制御量に基づき補助絞り手段８３の弁開度を増大させる操作量を決定する。

（Ｂ−１）補助絞り手段の弁開度増大制御
第１の制御量（ＤＴｃｏｎｔ）は、圧縮機１１の吐出冷媒温度ＤＴに基づいて得られる。制御装置Ｃは、上記吐出温度センサ５０にて検出される温度ＤＴが所定値ＤＴ０より高いか否かを判断し、当該吐出冷媒温度ＤＴが所定値ＤＴ０より高い場合には、補助絞り手段８３の開度を増大させる方向に作用する制御量とする。当該所定値ＤＴ０は、圧縮機１１の適正な運転を実現可能とする限界温度（一例として＋１００℃）より少許低い温度（一例として＋９５℃）とし、温度が上昇した場合、補助絞り手段８３の開度を増大させることで、当該圧縮機１１の温度上昇を抑制し、圧縮機１１が限界温度に達しないような制御を行う。

第２の制御量（ＭＰｃｏｎｔ）は、スプリットサイクルの補助回路に流す冷媒量を調整して中間圧力（ＭＰ）の適正化を図る制御量である。本実施例では、ユニット出口側圧力センサ５８により検出される冷媒回路１の高圧側圧力ＨＰと、低圧圧力センサ３２により検出される冷媒回路１の低圧側圧力ＬＰとから算出される（求められる）適正中間圧力値よりも、中間圧圧力センサ４９により検出される冷媒回路１の中間圧領域の圧力ＭＰが高いか否かを判断し、当該中間圧領域の圧力ＭＰが適正中間圧力値よりも低い場合には、補助絞り手段８３の開度を増大させる方向に作用させる。

尚、適正中間圧力値は、検出された高圧側圧力ＨＰと、低圧側圧力ＬＰとの相乗平均から算出してもよく、これ以外に、予め高圧側圧力ＨＰと低圧側圧力ＬＰとから適正な中間圧力値を実験的に取得し、これに基づいて構築されるデータテーブルから決定しても良い。

また、本実施例では、高圧側圧力ＨＰと、低圧側圧力ＬＰとから求められる適正中間圧力値と、中間圧領域の圧力ＭＰとを比較して第２の制御量（ＭＰｃｏｎｔ）を決定しているが、これに限定されるものではなく、例えば、下記のものを採用しても良い。即ち、中間圧圧力センサ４９により検出される冷媒回路１の中間圧領域の圧力ＭＰと、低圧圧力センサ３２により検出される冷媒回路１の低圧側圧力ＬＰから過圧縮判定値ＭＰＯを求め、当該過圧縮判定値ＭＰＯがユニット出口側圧力センサ５８により検出される冷媒回路１の高圧側圧力ＨＰよりも低いか否かを判断し、過圧縮判定値ＭＰＯが高圧側圧力ＨＰよりも低い場合には、補助絞り手段８３の開度を増大させる方向に作用させる。当該第２の制御量を補助絞り手段８３の開度制御に反映させることで、高圧側圧力ＨＰ、中間圧領域の圧力ＭＰ、低圧側圧力ＬＰの圧力差を適正に保つことができ、冷凍サイクルの運転の安定化を図ることができる。

第３の制御量（ＳＰｃｏｎｔ）は、中間熱交換器８０の第２の流路から出た冷媒温度ＬＴの適正化を図る制御量である。本実施例では、制御装置Ｃは、ガスクーラ出口温度センサ５２により検出されるガスクーラ４６を経た冷媒の温度ＧＣＴと、ユニット出口温度センサ５４により検出される中間熱交換器８０を経た第２の冷媒流の温度ＬＴとの差（ＧＣＴ−ＬＴ）が所定値ＳＰより小さいか否かを判断し、小さい場合には、補助絞り手段８３の開度を増大させる方向に作用させる。

ここで、所定値ＳＰは、高圧側圧力ＨＰが当該冷媒の超臨界領域である場合と、飽和領域である場合とで異なるものとする。本実施例では、高圧側圧力ＨＰが超臨界領域であるか飽和領域であるかは、外気温度センサ５６により検出された外気温度に基づき、当該外気温度が高い場合、例えば、＋３１℃以上では、超臨界領域であると判断し、外気温度が低い場合、例えば、＋３１℃未満では飽和領域であるものと判断する。そして、超臨界領域と判断した場合には、所定値ＳＰは上げた設定とし、飽和領域と判断した場合には、所定値ＳＰを下げた設定とする。本実施例では、超臨界領域では所定値ＳＰは、３５℃、飽和領域では２０℃とする。

制御装置Ｃは、上述した如く得られた３つの制御量、即ち、第１の制御量（ＤＴｃｏｎｔ）と、第２の制御量（ＭＰｃｏｎｔ）と、第３の制御量（ＳＰｃｏｎｔ）とを合算して、補助絞り手段８３の弁開度の操作量を決定し、これに基づき弁開度を増大させる。

（Ｂ−２）補助絞り手段の弁開度縮小制御
また、制御装置Ｃは、中間熱交換器８０を経た第２の冷媒流の温度ＬＴ、又は、圧縮機１１からの吐出冷媒温度ＤＴとガスクーラ４６を経た冷媒の温度ＧＣＴとの差から補助絞り手段８３の弁開度を縮小させる操作量を決定する。

即ち、制御装置Ｃは、ユニット出口温度センサ５４により検出される中間熱交換器８０を経た第２の冷媒流の温度ＬＴが所定値より低いか否かを判断する。本実施例では、当該所定値は一例として０℃とする。これにより、ユニット出口温度が０℃以下である場合には、補助絞り手段８３の開度を縮小させる方向に操作し、中間熱交換器８０において冷却される第２の冷媒流が過剰に冷却されてしまう不都合を解消することができる。

また、制御装置Ｃは、吐出温度センサ５０にて検出される温度ＤＴと、ガスクーラ出口温度センサ５２により検出されるガスクーラ４６を経た冷媒の温度ＧＣＴとの差（ＤＴ−ＧＣＴ）が所定値ＴＤＴより低いか否かを判断し、低い場合には、補助絞り手段８３の開度を縮小させる方向に作用させる。

ここで、所定値ＴＤＴは、高圧側圧力ＨＰが当該冷媒の超臨界領域である場合と、飽和領域である場合とで異なる。本実施例では、上記第３の制御量を求めた場合と同様に、高圧側圧力ＨＰが超臨界領域であるか飽和領域であるかは、外気温度に基づき判断する。そして、超臨界領域と判断した場合には、所定値ＴＤＴは下げた設定とし、飽和領域と判断した場合には、所定値ＴＤＴを上げる設定とする。本実施例では、超臨界領域では所定値ＴＤＴは１０℃、飽和領域では３５℃とする。

制御装置Ｃは、中間熱交換器８０を経た第２の冷媒流の温度ＬＴが所定値（０℃）以下である場合、又は、圧縮機１１からの吐出冷媒温度ＤＴとガスクーラ４６を経た冷媒の温度ＧＣＴとの差が所定値ＴＤＴより低い場合、補助絞り手段８３の弁開度の操作量を決定し、上記弁開度増大制御にかかわらず、これに基づき弁開度を縮小させる。

上述したようなスプリットサイクルを備えた本実施例における冷凍装置Ｒでは、ガスクーラ４６で放熱した後の冷媒を分流し、補助絞り手段８３で減圧膨張された第１の冷媒流により、第２の冷媒流を冷却することができるようになり、各蒸発器６３Ａ、６３Ｂ入口の比エンタルピを小さくすることができるようになる。これにより、冷凍効果を大きくすることが可能となり、従来の装置に比べて効果的に性能を向上させることができるようになる。また、分流された第１の冷媒流は圧縮機１１の高段側吸込口２６から第２の回転圧縮要素２０（中間圧部）に戻されるため、圧縮機１１の低段側吸込口２２から第１の回転圧縮要素１８（低圧部）に吸い込まれる第２の冷媒流の量が減少し、低圧から中間圧まで圧縮するための第１の回転圧縮要素１８（低段部）における圧縮仕事量が減少する。その結果、圧縮機１１における圧縮動力が低下して成績係数が向上する。

ここで、上記所謂スプリットサイクルの効果は中間熱交換器８０を流れる第１の冷媒流と第２の冷媒流の量に依存する。即ち、第１の冷媒流の量が多すぎれば蒸発器６３Ａ、６３Ｂにおいて最終的に蒸発する第２の冷媒流の量が不足することにより、逆に第１の冷媒流の量が少なすぎればスプリットサイクルの効果が薄れてくる。一方、補助絞り手段８３で減圧された第１の冷媒流の圧力は冷媒回路１の中間圧力であり、当該中間圧力を制御することは第１の冷媒流の量を制御することになる。

ここで、本実施例では、上述したように圧縮機１１からの吐出冷媒の温度ＤＴ（吐出温度センサ５０）が所定値ＤＴ０より高い場合に補助絞り手段８３の開度を増大させる方向に作用する第１の制御量と、冷媒回路１の高圧側圧力ＨＰと低圧側圧力ＬＰとから求められる適正中間圧力値よりも、冷媒回路１の中間圧領域の圧力ＭＰが低い場合に補助絞り手段８３の開度を増大させる方向に作用する第２の制御量と、ガスクーラ４６を経た冷媒の温度ＧＣＴと中間熱交換器８０を経た第２の冷媒流の温度ＬＴとの差（ＧＣＴ−ＬＴ）が所定値ＳＰより小さい場合に補助絞り手段８３の開度を増大させる方向に作用する第３の制御量を演算し、これら第１乃至第３の制御量を合算することにより、補助絞り手段８３の弁開度を増大させる操作量を決定する。また、温度ＬＴが所定値よりも低い場合、又は、温度ＤＴ−ＧＣＴが所定値ＴＤＴより低い場合に補助絞り手段８３の弁開度を縮小する方向で操作量を決定する。

これにより、第１の制御量によって吐出冷媒の温度ＤＴを所定値ＤＴ０以下に保つことができ、第２の制御量によって、冷媒回路１の中間圧力ＭＰを適正化でき、これによって、低圧側圧力ＬＰ、中間圧力ＭＰ、高圧側圧力ＨＰの圧力差を適正に保つことができる。また、第３の制御量によって中間熱交換器８０を経た第２の冷媒流の温度ＬＴを低くし、冷凍効果を保つことができる。これらにより、総じて冷凍装置の高効率化と安定化を達成することが可能となる。

また、制御装置Ｃは、高圧側圧力ＨＰが超臨界領域にある場合、所定値ＳＰを上げ、所定値ＴＤＴを下げると共に、高圧側圧力ＨＰが飽和領域にある場合、所定値ＳＰを下げ、所定値ＴＤＴを上げることにより、高圧側圧力ＨＰが超臨界領域にある場合と飽和領域にある場合とに分けて第３の制御量と第１の制御量の所定値ＳＰ及びＴＤＴを変更して制御することが可能となる。

これにより、高圧側圧力ＨＰが飽和領域にある場合であっても中間熱交換器８０における過熱度を確実に確保することができ、圧縮機１１に液バックが生じる不都合を回避することができる。また、高圧側圧力ＨＰが超臨界領域にある場合には、このような液バックが生じないため、効率を優先した設定とすることができる。

尚、上記実施例における第２の制御量を、冷媒回路１の中間圧領域の圧力ＭＰと低圧側圧力ＬＰから求められる過圧縮判定値ＭＰＯが、冷媒回路の高圧側圧力ＨＰより低い場合に補助絞り手段の開度を増大させる方向に作用する第２の制御量として、第１乃至第３の制御量を合算することにより、補助絞り手段の弁開度の操作量を決定することとしても、上記と同様に、冷媒回路の中間圧力ＭＰを適正化でき、これによって、低圧側圧力ＬＰ、中間圧力ＭＰ、高圧側圧力ＨＰの圧力差を適正に保つことができる。

また、当該実施例における中間熱交換器８０から出た第１の冷媒流は、インタークーラ３８の出口側に設けられた合流器８１によって当該インタークーラ３８の出口側に戻すことができ、インタークーラ３８における圧力損失を防止して、円滑に中間熱交換器８０から出た冷媒流を冷媒回路１の中間圧側に合流することが可能となる。

（Ｃ）排熱回収熱交換器
次に、本実施例における冷凍装置Ｒに採用された排熱回収熱交換器７０について説明する。本実施例における排熱回収熱交換器７０は、ガスクーラ４６を経て分流器８２で分流された第２の冷媒流と、図示しない給湯装置を構成するヒートポンプユニットの二酸化炭素冷媒（排熱回収媒体）との熱交換を行う熱交換器である。本実施例における給湯装置は、図示しない冷媒圧縮機、水熱交換器、減圧装置、蒸発器を冷媒配管で管状に接続して成る冷媒回路と、貯湯タンクの水を水熱交換器で加熱した後、貯湯タンクに戻す水回路とを備えたヒートポンプユニットにより構成され、当該ヒートポンプユニットの蒸発器を上記排熱回収熱交換器７０の排熱回収媒体流路７０Ｂにより構成する。これにより、当該排熱回収熱交換器７０には、上述した如きスプリットサイクルにおける第２の冷媒流が流れる冷媒流路７０Ａと、排熱回収媒体流路７０Ｂとが熱交換可能な関係で設けられており、該排熱回収熱交換器７０の排熱回収媒体流路７０Ｂを流れるヒートポンプユニットの冷媒が通過することにより、冷媒流路７０Ａにガスクーラ４６を経た第２の冷媒流が冷却される。

ここで、本実施例では、排熱回収熱交換器７０の冷媒流路７０Ａには、ガスクーラ４６から出て上記スプリットサイクルを構成する中間熱交換器８０に入る前の第２の冷媒流を流す。これにより、外気温度の影響が少なく、排熱回収熱交換器７０にて冷媒流路７０Ａを流れる冷媒の排熱を効率的に回収して給湯装置を構成する排熱回収媒体流路７０Ｂを流れる冷媒の加熱に利用でき、効率的な温水生成を可能とすることができる。

また、ガスクーラ４６から出て中間熱交換器８０に入る前の第２の冷媒流を排熱回収熱交換器７０に流す構成としているため、温水生成側（給湯装置側）の利用が多い場合には、中間熱交換器８０に流れる第２の冷媒流の冷媒温度を下げることができるため、中間熱交換器８０に流れる第１の冷媒流の冷媒量を減少させることができる。これにより、第２の冷媒流を流れる冷媒量を増加させることができ、蒸発器６３Ａ、６３Ｂにおける冷媒の蒸発量が増加して冷凍サイクルの効率を向上させることが可能となる。

特に、本実施例の如く冷媒として二酸化炭素を使用した場合には、冷凍能力を効果的に改善でき、性能の向上を図ることができる。

また、本実施例の冷凍装置Ｒでは、ガスクーラ４６をバイパスするガスクーラバイパス回路７１を設けても良い。この場合、ガスクーラバイパス回路７１には、電磁弁７２が介設されており、当該電磁弁（弁装置）７２は、上述した如き制御装置Ｃにて開閉制御される。

これにより、給湯装置における使用量が多く、ヒートポンプユニットの排熱回収媒体流路７０Ｂ（蒸発器）を流れる冷媒を十分に蒸発させることができない場合、制御装置Ｃは、電磁弁７２を開放し、ガスクーラ４６に流入する高温冷媒の一部をガスクーラバイパス回路７１に流入させて、高温冷媒のまま排熱回収熱交換器７０の冷媒流路７０Ａを通過させても良い。これにより、排熱を効果的に用いて、給湯装置側の温度補償を行うことが可能となる。

（Ｄ）ガスクーラ用送風機の制御
次に、上述した如きガスクーラ４６を空冷するガスクーラ用送風機４７の制御について説明する。本実施例における制御装置Ｃは、図２に示すように入力側に高圧圧力センサ（高圧圧力検出手段）４８、４８と、低圧圧力センサ３２と、外気温度センサ５６が接続されている。ここで、低圧圧力センサ３２にて検出される圧力と、蒸発器６３Ａ、６３Ｂにおける蒸発温度ＴＥとは、一定の関係を有するため、制御装置Ｃは、当該低圧圧力センサ３２に検出された圧力により、蒸発器６３Ａ、６３Ｂにおける冷媒の蒸発温度ＴＥを換算して取得する。また、制御装置Ｃの出力側には、ガスクーラ４６を空冷するガスクーラ用送風機４７が接続されている。

制御装置Ｃは、高圧圧力センサ４８により検出される高圧側圧力ＨＰが所定の目標値（目標高圧：ＴＨＰ）となるように、ガスクーラ用送風機４７の回転数を制御する。ここで、目標高圧ＴＨＰは、外気温度ＴＡ及び蒸発器６３Ａ、６３Ｂにおける冷媒の蒸発温度ＴＥから決定する。

本実施例の如く冷媒回路１の高圧側が超臨界圧力以上となる冷凍装置Ｒでは、外気温度ＴＡがある温度、例えば、＋３０℃以下である場合、飽和サイクルが行われ、＋３０℃より高い温度では、ガスサイクルが行われる。ガスサイクルが行われるとき、冷媒は液化しないため、そのときの冷媒回路１内の冷媒量で温度と圧力とは一意に決定されない。そのため、外気温度ＴＡによって、目標高圧ＴＨＰが異なる。

本実施例では、一例として、外気温度センサ５６により検出される外気温度ＴＡが下限温度（例えば０℃）以下である場合、目標高圧ＴＨＰは、所定の下限値ＴＨＰＬで一定とする。また、外気温度ＴＡが３０℃より高い所定温度（上限温度）以上で目標高圧ＴＨＰは、所定の上限値ＴＨＰＨで一定とする。そして、外気温度ＴＡが下限温度より高く上限温度より低い場合には、以下の如く目標高圧ＴＨＰを求める。

外気温度ＴＡが所定の基準温度、例えば＋３０℃より低い程、高圧側圧力の目標値ＴＨＰを低くする方向で決定し、高いほど目標値ＴＨＰを高くする方向で決定する。また、上述した如く当該低圧圧力センサ３２に検出された圧力により、換算して取得された蒸発器６３Ａ、６３Ｂにおける冷媒の蒸発温度ＴＥが所定の基準温度より高い程、高圧側圧力の目標値ＴＨＰを高くする方向で決定し、低いほど目標値ＴＨＰを低くする方向で決定する。図３は外気温度ＴＡと、蒸発温度ＴＥとから決定される目標高圧ＴＨＰの傾向を示す図である。

尚、本実施例では、制御装置Ｃは目標高圧ＴＨＰを外気温度ＴＡと、蒸発温度ＴＥとから演算式を用いて算出しているが、これに限定されるものではなく、予め外気温度ＴＡ及び蒸発温度ＴＥとから取得されたデータテーブルに基づき、目標高圧ＴＨＰを取得しても良い。

そして、制御装置Ｃは、高圧圧力センサ（高圧圧力検出手段）４８により検出された高圧側圧力ＨＰと、目標高圧ＴＨＰと、これらＨＰとＴＨＰの偏差ｅ、当該偏差ｅに基づきＰ（比例。偏差ｅの大きさに比例して、当該偏差ｅを縮小させる方向の制御）と、Ｄ（微分。偏差ｅの変化を縮小させる方向の制御）とから、比例微分演算を実行し、操作量として導出されるガスクーラ用送風機４７の回転数を決定する。当該回転数は、目標高圧ＴＨＰが高いほど、送風機４７の回転数は上げられ、目標高圧ＴＨＰが低いほど、送風機４７の回転数が下げられる。

これにより、制御装置Ｃは、外気温度ＴＡと蒸発器における冷媒の蒸発温度（低圧圧力センサ３２にて検出された低圧圧力から換算して取得）ＴＥに基づいてガスクーラ用送風機４７の回転数を制御することにより、高圧側が超臨界圧力となる冷凍装置Ｒであっても、適切な高圧圧力となるようにガスクーラ用送風機４７の回転数を制御することができる。これにより、ガスクーラ用送風機４７の運転による騒音を低減しつつ、高効率な運転を実現することができる。

本実施例では、制御装置Ｃは、外気温度ＴＡと蒸発温度ＴＥに基づき、冷媒回路１の高圧側圧力の目標値ＴＨＰを、例えば、外気温度ＴＡが低い程、目標値ＴＨＰを低くし、蒸発温度ＴＥが高い程、目標値ＴＨＰを高くする方向で当該目標値ＴＨＰを決定し、高圧側圧力が目標値ＴＨＰとなるよう、ガスクーラ用送風機４７を制御することにより、外気温度ＴＡにより飽和サイクルとガスサイクルに変化する冷媒の状態を考慮し、且つ、蒸発温度ＴＥに基づいて好適な高圧側圧力を実現でき、これにより、高効率な運転を実現できる。このように、本発明は、冷媒として二酸化炭素を使用した超臨界冷媒回路（超臨界冷凍サイクル）において、特に有効となる。

（Ｅ）オイルセパレータ
一方、上述した如き圧縮機１１の高段側吐出口２８とガスクーラ４６とを接続する高圧吐出配管４２には、オイルセパレータ４４が介設されている。このオイルセパレータ４４は、圧縮機１１から吐出された高圧の吐出冷媒中に含まれるオイルを冷媒と分離して捕捉するものであり、このオイルセパレータ４４には、捕捉したオイルを圧縮機１１に戻すオイル戻し回路７３が接続されている。このオイル戻し回路７３中には、捕捉したオイルを冷却するオイルクーラ７４が設けられ、このオイルクーラ７４の下流側で、オイル戻し回路７３は２系統に分岐され、それぞれストレーナ７５及び流量調整弁（電動弁）７６を介して圧縮機１１の密閉容器１２に接続される。圧縮機１１の密閉容器１２内は、上述のように中間圧に保たれるため、捕捉されたオイルは、オイルセパレータ４４内の高圧と密閉容器１２内の中間圧との差圧によって当該密閉容器１２内に戻される。また、圧縮機１１の密閉容器１２には、この密閉容器１２内に保有するオイルのレベルを検出するオイルレベルセンサ７７が設けられている。

また、このオイル戻し回路７３には、オイルクーラ７４をバイパスするオイルバイパス回路７８が設けられ、このオイルバイパス回路７８には、電磁弁（弁装置）７９が介設されている。当該電磁弁７９は、上述した如き制御装置Ｃにより開閉制御される。また、上述したように、当該オイルクーラ７４は、上記ガスクーラ４６と同一の風路４５に設置されており、ガスクーラ用送風機４７により空冷される。

以上の構成により、制御装置Ｃは、風路４５に設けられる外気温度センサ５６により検出された温度が所定のオイル低温度（所定値）以下となったか否かを判断し、オイル低温度を上回っている場合には、オイルバイパス回路７８の電磁弁７９を閉鎖する。

これにより、各圧縮機１１、１１の高段側吐出口２８から吐出された高温高圧冷媒は、第２の回転圧縮要素２０、２０の下流側で合流し、オイルセパレータ４４、ガスクーラ４６等を経て冷凍機ユニット３、３に接続される。オイルセパレータ４４内に流入した高温高圧冷媒中に含まれるオイルは、ここで、冷媒と分離して捕捉される。そして、圧縮機１１の密閉容器１２内は、中間圧に保持されるため、捕捉されたオイルは、オイルセパレータ４４内の高圧と密閉容器１２内の中間圧との差圧によって、オイル戻し回路２８を介して圧縮機１１に戻される。

オイル戻し回路２８内に流入したオイルは、ガスクーラ４６と同一の風路４５に配設されるオイルクーラ７４にて送風機４７の運転により空冷される。当該オイルクーラ７４を経た後、二系統に分離してストレーナ７５、流量調整弁７６を経て圧縮機１１に戻る。これにより、高温冷媒と共に高温とされたオイルは、オイルクーラ７４にて冷却されて圧縮機１１に帰還するため、圧縮機１１の温度上昇を抑制することができる。

他方、外気温度センサ５６により検出された温度が所定のオイル下限温度（所定値）以下となった場合には、制御装置Ｃは、オイルバイパス回路７８の電磁弁７９を開放する。これにより、オイルセパレータ４４にて冷媒と分離されたオイルは、オイルクーラ７４を経ることなくオイル戻し回路２８のオイルバイパス回路７８を介して圧縮機１１、１１に戻る。尚、制御装置Ｃは、外気温度センサ５６により検出された温度がオイル下限温度よりも所定温度高いオイル上限温度に達した場合には、電磁弁７９を閉塞するものとする。

これにより、外気温度の低下によって、オイル温度も低下し、オイルの粘度が上昇してしまう状況となった場合であっても、電磁弁７９を開放することによりオイルクーラ７４を経ることなくオイルバイパス回路７８を介してオイルセパレータ４４内のオイルを圧縮機１１に戻すことが可能となる。これにより、圧縮機１１へのオイル戻りを円滑なものとすることができる。

特に、本実施例では、オイルクーラ７４をガスクーラ４６と同一の風路４５に設置し、送風機４７は、上述したようオイルクーラ７４の温度とは無関係に送風機４７の制御を行っているため、送風機４７の運転によって必要以上にオイルクーラ７４の温度が低下してしまい、オイルに冷媒が溶け込みやすくなるが、制御装置Ｃにより、オイルバイパス回路７８の電磁弁７９を開放することにより、円滑にオイルクーラ７４を経ることなくオイルバイパス回路７８を介してオイルセパレータ４４内のオイルを圧縮機１１に戻すことができる。これにより、特に、空冷量の調整をできない場合において、制御を簡素化でき、有効となる。

また、制御装置Ｃは、外気温度が所定のオイル下限温度（所定値）よりも低い場合、電磁弁７９によりオイルバイパス回路７８の流路を開放することにより、冷媒がオイルに溶け込んで粘度が上昇することを防止して、的確にオイルクーラ７４を迂回するオイルバイパス回路７８を介してオイルセパレータ４４内のオイルを圧縮機１１に戻すことが可能となる。

尚、本実施例では、風路４５に設けられた外気温度センサ５６により検出された温度に基づき電磁弁７９の開閉制御を行っているが、これに限定されるものではなく、例えば、オイルセパレータ４４の温度を検出する手段を設け、当該温度検出手段により検出された温度が所定値よりも低い場合に、電磁弁７９によりオイルバイパス回路７８の流路を開放することとしても良い。この場合においても、確実に冷媒がオイルに溶け込んで粘度が上昇することを防止して、オイルクーラ７４を迂回するオイルバイパス回路７８を介してオイルセパレータ４４内のオイルを圧縮機１１に戻すことが可能となる。

尚、本実施例のように冷媒として二酸化炭素を使用した場合には、上述した如き制御を行うことで、オイルを円滑に圧縮機１１に戻すことができると共に、冷凍能力を効果的に改善でき、性能の向上を図ることができる。

（Ｆ）圧縮機の始動性改善（バイパス回路）
次に、圧縮機１１の始動性改善制御について説明する。図２に示すように上述した如き冷凍装置Ｒのインタークーラ３８の出口側の冷媒回路１の中間圧領域、本実施例では、当該インタークーラ３８の出口側に接続される上記第２又は第３の連通回路１０４、１０５と、冷媒回路１の低圧側、本実施例では、蒸発器６３Ａ、６３Ｂの冷媒出口側とを連通するバイパス回路８４が設けられている。このバイパス回路８４には、電磁弁（弁装置）８５が介設されている。そして、制御装置Ｃは、図２に示すように圧縮機１１、１１及び電磁弁８５が接続されている。制御装置Ｃは、圧縮機１１の運転周波数を検出（取得）可能とする。

以上の構成により、圧縮機１１の始動性改善制御動作について説明する。上述したように圧縮機１１が運転されている状態では、低段側吸込口２２により第１の回転圧縮要素１８の低圧部に吸い込まれた低圧の冷媒ガスは、当該第１の回転圧縮要素１８により中間圧に昇圧されて密閉容器１２内に吐出される。密閉容器１２内の中間圧の冷媒ガスは、圧縮機１１の低段側吐出口２４から中間圧吐出配管３６に吐出され、インタークーラ３８が接続された中間圧吸入管４０を介して高段側吸込口２６に吸い込まれる。第１の回転圧縮要素１８から吐出され、高段側吸込口２６を介して第２の回転圧縮要素２０に吸い込まれるまでの領域が中間圧領域とされる。

高段側吸込口２６により第２の回転圧縮要素２０の中圧部に吸い込まれた中圧の冷媒ガスは、当該第２の回転圧縮要素２０により２段目の圧縮が行われて高温高圧の冷媒ガスとなり、高段側吐出口２８より高圧吐出配管４２に吐出され、オイルセパレータ４４、ガスクーラ４６、排熱回収熱交換器７０、中間熱交換器８０、冷媒配管７及びショーケースユニット５Ａ、５Ｂの主絞り手段６２Ａ、６２Ｂまでの領域が高圧側とされる。

そして、主絞り手段６２Ａ、６２Ｂにて減圧膨張されることにより、それより下流の蒸発器６３Ａ、６３Ｂから第１の回転圧縮要素１８に連通する低段側吸込口２２までが冷媒回路１の低圧側とされる。

上記圧縮機１１の運転が停止した後、圧縮機１１を再始動する際には、制御装置Ｃは、圧縮機１１の起動から所定の運転周波数に上昇するまでの間、電磁弁８５を開放してバイパス回路８４の流路を開放する。当該所定の運転周波数とは、圧縮機１１が実効的なトルク制御が可能となる運転周波数であり、本実施例では、一例として３５Ｈｚとする。

これにより、圧縮機１１の停止状態から起動され、当該所定の運転周波数に上昇するまでの間、電磁弁８５が開放されることにより、第１の回転圧縮要素１８により中間圧に昇圧され、低段側吐出口２４から中間圧吐出配管３６に吐出され、インタークーラ３８を経た後の中間圧領域の冷媒は、バイパス回路８４を介して、冷媒回路１の低圧側領域に流入する。これにより、冷媒回路１の中間圧領域と低圧側領域との圧力が均圧される。

これにより、圧縮機１１の起動から所定の運転周波数に上昇するまでの始動時は、所定のトルクが確保できないが、この間、中間圧領域と低圧側領域とを均圧とすることで、外気温度が高いため中間圧が高くなりやすい状況であっても、中間圧が高圧に接近する不都合を解消できる。

そのため、圧縮機１１の始動時におけるトルク不足が生じている間に、中間圧領域の圧力と高圧領域の圧力とが接近してしまうことによる始動不良を未然に回避することができ、安定した、且つ、高効率な運転を実現することができる。尚、制御装置Ｃは、検出される圧縮機１１の運転周波数が所定の運転周波数に上昇した後は、電磁弁８５を閉鎖し、バイパス回路８４の流路を閉塞することで、上述したような通常の冷凍サイクルを行う。

（Ｇ）圧縮機の始動性改善（逆止弁）
本実施例における各圧縮機１１の高圧吐出配管４２には、冷媒調整器９１が設けられている。ここで、図４の冷媒調整器９１の部分縦断側面図及び図５の部分断面平面図を参照して冷媒調整器９１について説明する。この冷媒調整器９１は、所定の容量を有した密閉容器９２により構成されており、当該容器９２の側面には、圧縮機１１の高段側吐出口２８から吐出された冷媒が流入される冷媒流入部９６が連通形成されており、高圧吐出配管４２（高段側吐出口２８側）が接続される。また、容器９２の上端面には、容器９２内の冷媒を流出させる冷媒流出部９７が連通形成されており、高圧吐出配管４２（ガスクーラ４６側）が接続される。

そして、この容器９２内は、仕切壁９３にて上下が区画され、この下側は、冷媒流入室９４とされ、上側は冷媒流出室９５とされる。冷媒流入室９４は、上記冷媒流入部９６と連通して形成され、冷媒流出室９５は、冷媒流出部９７と連通して形成される。そして、仕切壁９３の冷媒流入室９４側には、吸込ポート９８が設けられており、当該吸込ポート９８は、仕切壁９３に形成された吸込通路９９と連通して形成される。

この吸込通路９９の冷媒流出室９５側には、容器９２内の上部に位置してリードバルブにて構成された逆止弁９０が設けられている。当該逆止弁９０は、冷媒流入室９４側から冷媒流出室９５に向かう方向を順方向（圧縮機１１の高段側吐出口２８からガスクーラ４６（オイルセパレータ４４）に向かう方向を順方向）とする。そして、この逆止弁９０の近傍には、当該逆止弁９０と所定間隔を存して支持体９０Ａが固定されている。

そして、この容器９２の容器下端部には、上述した圧縮機１１と接続するオイル戻し管８６が設けられている。当該オイル戻し管８６は、上記オイル戻し回路７３に接続され、これにより容器９２内と連通して構成されている。

以上の構成により、圧縮機１１の高段側吐出口２８から吐出された冷媒は高温吐出配管４２を介して冷媒調整器９１の冷媒流入部９６から冷媒流入室９４内に流入する。ここで、冷媒流入室９４は所定の容積を有することからマフラー効果によって脈動を吸収して平準化を図ることができる。

冷媒流入室９４内の冷媒は、吸込ポート９８を介して吸込通路９９内を通過し、冷媒流入室９４から冷媒流出室９５側を順方向とする逆止弁９０を介して冷媒流出室９５内に吐出される。逆止弁９０は、上述したようにリードバルブにより構成されているため、騒音発生を解消することができる。

そして、冷媒流出室９５内の冷媒は、冷媒流出部９７を介してガスクーラ４６に向かう高温吐出配管４２に吐出される。

ここで、冷媒調整器９１の容器９２内には、圧縮機１１の高段側吐出口２８からガスクーラ４６（オイルセパレータ４４）に向かう方向を順方向とする逆止弁９０が設けられているため、圧縮機１１が停止した場合であっても、高圧吐出配管４２に介設される冷媒調整器９１の逆止弁９０によって、ガスクーラ４６側の高圧冷媒が圧縮機１１側と連通しない。そのため、圧縮機１１の運転が停止して、密閉容器１２内にて高圧側と中間圧とが均圧してしまう場合であっても、逆止弁９０から蒸発器６３Ａ、６３Ｂの近傍に設けられた主絞り手段６２Ａ、６２Ｂまでの冷媒回路１の高圧側の圧力を維持することができる。

即ち、当該逆止弁９０が設けられていない場合には、停止した圧縮機１１内において高圧側と中圧側とが均圧してしまう。他方、密閉容器１２内において低圧側と中圧側とは、低圧側のみがオイルに浸されていることから容易には均圧し難い。しかし、圧縮機１１を始動する場合には、冷媒回路１内の圧力差が大きいことから、冷媒回路１内全体が均圧するまでの所定時間が必要となり始動性が悪いこととなる。

しかし、本実施例では、圧縮機１１を停止した後、逆止弁９０によって冷媒回路１の高圧側の圧力が維持されることで、かかる圧縮機１１の始動性の改善を図ることができる。また、冷媒回路１内全体が均圧とならないため、冷凍サイクル装置の効率化を図ることができる。

また、本実施例の如く、冷凍装置Ｒに複数、この場合２台の圧縮機１１、１１が設けられ、相互に並列接続されている場合、上記逆止弁９０を備えた冷媒調整器９１は、各圧縮機１１、１１の高圧吐出配管４２、４２が合流する以前の位置にそれぞれの圧縮機１１に対応して設ける。これにより、マルチ構成の圧縮機の追加運転が可能になり、容量制御性の改善を図ることができる。

上述したように逆止弁９０が設けられた冷媒調整器９１の容器９２は、所定の容量を有しているため、冷媒からオイルを分離するオイルセパレータの機能をも奏することができる。当該容器９２の下部に溜められたオイルは、当該下端部に設けられたオイル戻し管８６を介して円滑にそれぞれに対応する圧縮機１１、１１に返還することができる。

（Ｈ）蒸発器の除霜制御
上述したように、各ショーケースユニット５Ａ、５Ｂは、冷媒配管７及び９にそれぞれ並列に接続されている。各ショーケースユニット５Ａ、５Ｂと、冷媒配管７及び冷媒配管９とを連結するケース側冷媒配管６０Ａ、６０Ｂには、それぞれストレーナ６１Ａ、６１Ｂと、主絞り手段６２Ａ、６２Ｂと、蒸発器６３Ａ、６３Ｂが順次接続されている。

そして、一方の蒸発器６３Ａの出口側には、他方の蒸発器６３Ｂに対応する主絞り手段６２Ｂの入口側とを連通する第１の連通管６４Ａが接続されており、当該第１の連通管６４Ａには、電磁弁（弁装置）６５Ａが介設されている。また、他方の蒸発器６３Ｂの出口側には、一方の蒸発器６３Ａに対応する主絞り手段６２Ａの入口側とを連通する第２の連通管６４Ｂが接続されており、当該第２の連通管６４Ｂには、電磁弁（弁装置）６５Ｂが介設されている。尚、本実施例において主絞り手段６２Ａ、６２Ｂは、電動膨張弁にて構成しているが、これ以外にも絞り手段としてのキャピラリーチューブとこれをバイパスするバイパス管と電磁弁によって構成しても良い。

また、各ケース側冷媒配管６０Ａ、６０Ｂの蒸発器６３Ａ又は６３Ｂの出口側に接続された各連通管６４Ａ、６４Ｂとの分流器の下流側には、電磁弁（弁装置）６６Ａ及び６６Ｂが介設されている。これら電磁弁６５Ａ、６５Ｂ、６６Ａ、６６Ｂにより流路制御手段を構成する。

他方、上述したように、冷媒回路１を構成するガスクーラ４６をバイパスするガスクーラバイパス回路７１が設けられている。このガスクーラバイパス回路７１には、電磁弁７２が介設されている。そして、各電磁弁６５Ａ、６５Ｂ、６６Ａ、６６Ｂ、７２及び主絞り手段６２Ａ、６２Ｂは、上述した如き制御装置Ｃにて開閉制御される。

以上の構成により、先ず、一方の蒸発器６３Ａの除霜制御について説明する。一方の蒸発器６３Ａの除霜を行う際には、制御装置Ｃは、上記流路制御手段を蒸発器６３Ａから出た冷媒を第１の連通管６４Ａに流し、蒸発器６３Ｂから出た冷媒を圧縮機１１に戻す制御を行う。即ち、当該蒸発器６３Ａに対応する主絞り手段６２Ａを全開とし、第１の連通管６４Ａの電磁弁６５Ａ、電磁弁６６Ｂを開放する。第２の連通管６４Ｂの電磁弁６５Ｂ及び電磁弁６６Ａを閉鎖する。尚、主絞り手段６２Ａをキャピラリーチューブとこれをバイパスするバイパス管と電磁弁とから構成している場合には、バイパス管の電磁弁を開放する。

これにより、圧縮機１１から吐出された高温高圧冷媒は、ガスクーラ４６、排熱回収熱交換器７０、中間熱交換器８０、冷媒配管７を経てケース側冷媒配管６０Ａに至り、全開とされる主絞り手段６２Ａを経てガス冷媒のまま一方の蒸発器６３Ａ内に流入する。当該蒸発器６３Ａの除霜によって液化された冷媒（ガスサイクルが行われているときはガス冷媒）は、電磁弁６６Ａが閉鎖されており、電磁弁６５Ａが開放されているため、第１の連通管６４Ａを経て、他方の蒸発器６３Ｂに対応する主絞り手段６２Ｂの入口側に流入する。

そのため、一方の蒸発器６３Ａの除霜によって液化された冷媒は、他方の蒸発器６３Ｂに対応する主絞り手段６２Ｂにて減圧膨張され、他方の蒸発器６３Ｂにて蒸発する。これにより、一方の蒸発器６３Ａの除霜により液化した冷媒が直接圧縮機１１に帰還する不都合を解消することができる。

他方の蒸発器６３Ｂの除霜を行う際には、制御装置Ｃは、上記流路制御手段を蒸発器６３Ｂから出た冷媒を第２の連通管６４Ｂに流し、蒸発器６３Ａから出た冷媒を圧縮機１１に戻す制御を行う。即ち、当該蒸発器６３Ｂに対応する主絞り手段６２Ｂを全開とし、第２の連通管６４Ｂの電磁弁６５Ｂ、電磁弁６６Ａを開放する。第２の連通管６４Ａの電磁弁６５Ａ及び電磁弁６６Ｂを閉鎖する。

これにより、圧縮機１１から吐出された高温高圧冷媒は、ガスクーラ４６、排熱回収熱交換器７０、中間熱交換器８０、冷媒配管７を経てケース側冷媒配管６０Ｂに至り、全開とされる主絞り手段６２Ｂを経てガス冷媒のまま他方の蒸発器６３Ｂ内に流入する。当該蒸発器６３Ｂの除霜によって液化された冷媒（ガスサイクルが行われているときはガス冷媒）は、電磁弁６６Ｂが閉鎖されており、電磁弁６５Ｂが開放されているため、第２の連通管６４Ｂを経て、一方の蒸発器６３Ａに対応する主絞り手段６２Ａの入口側に流入する。そのため、他方の蒸発器６３Ｂの除霜によって液化された冷媒は、一方の蒸発器６３Ａに対応する主絞り手段６２Ａにて減圧膨張され、一方の蒸発器６３Ａにて蒸発する。

このように、複数の蒸発器６３Ａ、６３Ｂを備えた冷凍装置Ｒにおいて、相互に除霜により液化した冷媒を他方の蒸発器にて蒸発処理させることによって、除霜により液化した冷媒が直接圧縮機１１に帰還する不都合を解消することができる。また、このような簡素な構成にてこれら蒸発器６３Ａ、６３Ｂの除霜を実現することが可能となる。

尚、本実施例では、２つの冷凍機ユニット５Ａ、５Ｂの蒸発器６３Ａ、６３Ｂの除霜を例に挙げて説明しているが、蒸発器の数を更に増やした場合であっても、相互に除霜により液化した冷媒を異なる蒸発器にて蒸発処理させることによって、本発明による効果を奏することができる。

また、本実施例では、制御装置Ｃは、外気温度センサ５６により検出された温度が所定の低温度である場合には、当該除霜時においてガスクーラバイパス回路７１に設けられた電磁弁７２を開放する。これにより、除霜が行われる蒸発器には、超臨界サイクルとなるガスクーラ４６を回避した（ガスクーラバイパス回路７１を通過した）温度の高い冷媒を流入させることが可能となる。

これにより、低外気温時等において、除霜を行う蒸発器に流入する冷媒温度が低い場合に、より高い温度の冷媒を供給することが可能となり、効率的な除霜を実現することができる。

また、排熱を利用した除霜を実現することが可能となるため、格別なヒータ等の加熱手段を不要とでき、省エネを図ることができる。また、除霜時におけるヒータ通電を回避できるため、ピーク電力のカットを行うことができる。

本実施例のように、冷媒として二酸化炭素を使用した場合、圧縮機１１からの吐出温度が高くなるため、蒸発器の除霜性能の向上を図ることができる。

Ｒ 冷凍装置
Ｃ 制御装置（制御手段）
１ 冷媒回路
３ 冷凍機ユニット
５Ａ、５Ｂ ショーケースユニット
７、９ 冷媒配管
１１ 圧縮機
１２ 密閉容器
１４ 電動要素
１８ 第１の回転圧縮要素
２０ 第２の回転圧縮要素
２２ 低段側吸込口
２４ 低段側吐出口
２６ 高段側吸込口
２８ 高段側吐出口
３２ 低圧圧力センサ（吸込圧力検出手段）
３４ ユニット入口温度センサ（入口温度検出手段）
３６ 中間圧吐出配管
３８ インタークーラ
４２ 高圧吐出配管
４４ オイルセパレータ
４５ 風路
４６ ガスクーラ
４７ ガスクーラ用送風機
４８ 高圧圧力センサ（高圧圧力検出手段）
４９ 中間圧圧力センサ（中間圧圧力検出手段）
５０ 吐出温度センサ（吐出温度検出手段）
５２ ガスクーラ出口温度センサ（ガスクーラ出口温度検出手段）
５４ ユニット出口温度センサ（ユニット出口温度検出手段）
５６ 外気温度センサ（外気温度検出手段）
５８ ユニット出口側圧力センサ（ユニット出口側圧力検出手段）
６０Ａ、６０Ｂ ケース側冷媒配管
６２Ａ、６２Ｂ 主絞り手段
６３Ａ、６３Ｂ 蒸発器
６４Ａ、６４Ｂ 連通管
６５Ａ、６５Ｂ 電磁弁（弁装置。流路制御手段）
６６Ａ、６６Ｂ 電磁弁（弁装置。流路制御手段）
７０ 排熱回収熱交換器
７０Ａ 冷媒流路
７０Ｂ 水流路
７１ ガスクーラバイパス回路
７２ 電磁弁（弁装置）
７３ オイル戻し回路
７４ オイルクーラ
７６ 流量調整弁（電動弁）
７８ オイルバイパス回路
７９ 電磁弁（弁装置）
８０ 中間熱交換器
８０Ａ 第１の流路
８０Ｂ 第２の流路
８３ 補助膨張弁（補助絞り手段）
８４ バイパス回路
８５ 電磁弁（弁装置）
８６ オイル戻し管
９０ 逆止弁
９１ 冷媒調整器
９２ 密閉容器
９３ 仕切壁
１００ 冷媒量調整タンク
１０１ 第１の連通回路
１０２ 電動膨張弁（絞り機能を有する第１の開閉手段）
１０３ 第２の連通回路
１０４ 電磁弁（第２の開閉手段）
１０５ 第３の連通回路
１０６ 電磁弁（第３の開閉手段）

Claims (4)

1. 圧縮手段と、ガスクーラと、絞り手段と、蒸発器とから冷媒回路が構成され、高圧側が超臨界圧力となる冷凍装置において、
   前記ガスクーラを空冷する送風機と、
   該送風機を制御する制御手段とを備え、
   該制御手段は、外気温度と前記蒸発器における冷媒の蒸発温度に基づいて前記送風機の回転数を制御することを特徴とする冷凍装置。
2. 前記制御手段は、前記外気温度と蒸発温度に基づき、前記冷媒回路の高圧側圧力の目標値を決定し、前記高圧側圧力が前記目標値となるよう前記送風機を制御することを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
3. 前記制御手段は、前記外気温度が低い程、前記目標値を低くし、前記蒸発温度が高い程、前記目標値を高くする方向で当該目標値を決定することを特徴とする請求項２に記載の冷凍装置。
4. 前記冷媒として二酸化炭素を使用したことを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちの何れかに記載の冷凍装置。

Images