JP2018132223A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】所謂スプリットサイクルを有する冷凍装置を、従来よりも高い蒸発温度範囲で機能させる。【解決手段】圧縮手段（１１）と、ガスクーラ（２８）と、主絞り手段（３９）と、蒸発器（４１）とから冷媒回路が構成され、高圧側が超臨界圧力となり、所謂スプリットサイクルを有する冷凍装置（Ｒ）において、前記圧縮手段（１１）を冷媒を低圧から中間圧に圧縮する低段側回転圧縮要素（１４）と、冷媒を中間圧から高圧に圧縮する高段側回転圧縮要素（１６）とを有しているもので構成し、前記高段側回転圧縮要素（１６）の排除容積を前記低段側回転圧縮要素（１４）の排除容積の８５％以上とする。【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮手段と、ガスクーラと、主絞り手段と、蒸発器とから冷媒回路が構成される冷凍装置に関する。

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、地球温暖化防止のため従来のフロン系冷媒から、より地球温暖化係数の小さい冷媒への転換が求められている。このため、フロン系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（例えば、特許文献１参照）。

一方、例えばショーケース等に設置された蒸発器において吸熱作用を利用し、庫内を冷却する冷凍装置では、外気温度（ガスクーラ側の熱源温度）が高い等の原因により、ガスクーラ出口の冷媒温度が高くなる条件下においては、蒸発器入口の比エンタルピが大きくなるため、冷凍能力が著しく低下する問題がある。そのようなときに、冷凍能力を確保するため、圧縮手段の吐出圧力（高圧側圧力）を上昇させると、圧縮動力が増大して成績係数が低下してしまう。

そこで、ガスクーラで冷却された二酸化炭素冷媒を第１及び第２の二つの冷媒流に分流し、第１の冷媒流を補助絞り手段で減圧膨張（温度低下）させた後、スプリット熱交換器の一方の通路に流し、低圧段圧縮要素及び高圧段圧縮要素を有する二段圧縮機の中間圧部分に戻す一方、第２の冷媒流をスプリット熱交換器の他方の流路に流して第１の冷媒流と熱交換させた後、主絞り手段を介して蒸発器に流入させる所謂スプリットサイクルの冷凍装置が提案されている。係る冷凍装置によれば、第１の冷媒流により第２の冷媒流を冷却でき、蒸発器入口の比エンタルピを小さくすることで、冷凍能力を改善することができるものであった（例えば、特許文献２参照）。

特公平７−１８６０２号公報 特開２０１１−１３３２０７号公報

従来、このようなスプリットサイクルの冷凍装置は、蒸発温度が−４５℃〜−５℃程度となる用途で使用されている。蒸発温度の上限が−５℃程度とされている理由は次のとおりである。

高圧段圧縮要素が吸入する冷媒の質量流量は、低圧段圧縮要素が吐出する冷媒の質量流量とスプリットサイクルの第１の冷媒流の質量流量の和と等しくなければならない。中間圧力は、低圧段圧縮要素の排除容積に対する高圧段圧縮要素の排除容積の比（排除容積比率）や、スプリットサイクルを流通する第１の冷媒流と第２の冷媒流の質量流量の比率や、蒸発圧力等によって決定される。例えば、排除容積比率が小さいほど、スプリットサイクルを流通する第１の冷媒流の質量流量の比率が大きいほど、あるいは、蒸発圧力が高いほど、中間圧力は高くなる。

また、スプリットサイクルを成立させるためには、ガスクーラの下流側であってスプリット熱交換器の上流側に配置されているタンクから、補助絞り手段において飽和状態で５℃程度温度が低下するように減圧膨張させた後に、圧縮機の中間圧部分に冷媒を流す必要がある。つまり、タンク内と圧縮機の中間圧部分との間にはある程度の差圧が必要である。

しかしながら、タンクやその下流側の機器及びそれらを接続する配管等の設計圧力を低くしたいというコスト上の理由と、そもそもタンク内圧が二酸化炭素の臨界点の７．４ＭＰａ以上になると冷媒を気液分離できなくなるという技術的な理由から、タンクの内圧は、通常、６．０ＭＰａ程度とされている。

すなわち、蒸発温度（蒸発圧）の上昇に伴って中間圧が高くなると、６．０ＭＰａ程度とされているタンク内圧と中間圧との間に、スプリットサイクルを成立させるために必要な差圧が確保できなくなる恐れがある。よって、蒸発温度の上限は−５℃程度とされていた。

一方で、例えば冷気温度がやや高いショーケースや食品加工場の作業室の空調に利用する場合等、スプリットサイクルの冷凍装置における蒸発温度を０℃以上にしたいという需要がある。

このような状況下、本発明は、スプリットサイクルの冷凍装置を、蒸発温度が０℃以上の条件で使用できるようにすることを課題としている。

上記課題を解決すべく、本発明者らが試行錯誤した結果、二段圧縮機を構成する２つの回転圧縮要素の排除容積の比（排除容積比率）を所定の範囲とすれば、スプリットサイクルの冷凍装置を、より高い蒸発温度で使用できるという知見を得ることができた。

すなわち、本発明に係る冷凍装置は、圧縮手段と、ガスクーラと、主絞り手段と、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り、前記ガスクーラの下流側であって、前記主絞り手段の上流側の前記冷媒回路に接続された圧力調整用絞り手段と、該圧力調整用絞り手段の下流側であって、前記主絞り手段の上流側の前記冷媒回路に接続されたタンクと、該タンクの下流側であって、前記主絞り手段の上流側の前記冷媒回路に設けられたスプリット熱交換器と、前記タンク内の冷媒を、補助絞り手段を介して前記スプリット熱交換器の第１の流路に流した後、前記圧縮手段の中間圧部に吸い込ませる補助回路と、前記タンク下部から冷媒を流出させ、前記スプリット熱交換器の第２の流路に流し、前記第１の流路を流れる冷媒と熱交換させた後、前記主絞り手段に流入させる主回路と、前記圧力調整用絞り手段により、当該圧力調整用絞り手段より上流側の前記冷媒回路の高圧側圧力を調整する制御手段とを備え、前記圧縮手段は、冷媒を低圧から中間圧に圧縮する低段側回転圧縮要素と、冷媒を中間圧から高圧に圧縮する高段側回転圧縮要素とを有しており、前記高段側回転圧縮要素の排除容積が前記低段側回転圧縮要素の排除容積の８５％以上とされている。

本発明によれば、冷媒が二酸化炭素であるスプリットサイクルを用いた冷凍装置を、蒸発温度が０℃以上の条件で使用することができる。

本発明を適用した一実施例の冷凍装置の冷凍回路図である。 図１に示される冷凍装置が機能する排除容積比率の範囲を示す図である。 図１に示される冷凍装置が蒸発温度０℃で運転するときのｐ−ｈ線図である。

以下、本発明について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（１）冷凍装置Ｒの構成
図１は、本発明を適用する一実施例にかかる冷凍装置Ｒの冷媒回路図である。この冷媒装置Ｒは、後に詳しく説明するとおり、スプリット熱交換器２９を備える所謂スプリットサイクルの冷凍装置である。冷凍装置Ｒは、スーパーマーケット等の店舗の機械室等に設置された冷凍機ユニット３と、店舗の売り場内に設置された一台若しくは複数台（図面では一台のみ示す）のショーケース４とを備え、これら冷凍機ユニット３とショーケース４とが、ユニット出口６とユニット入口７を介して、冷媒配管（液管）８および冷媒配管９により連結されて所定の冷媒回路１を構成している。

冷媒回路１は、高圧側の冷媒圧力がその臨界圧力以上（超臨界）となり得る二酸化炭素（Ｒ７４４）を冷媒として用いる。この二酸化炭素冷媒は、地球温暖化係数（ＧＷＰ：Ｇｌｏｂａｌ Ｗａｒｍｉｎｇ Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）が小さく、不燃性で毒性の無い自然冷媒である。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。図１に示す各矢印は、二酸化炭素冷媒の流れを示している。

冷凍機ユニット３は、圧縮機１１（圧縮手段の一例）を備える。圧縮機１１は、例えば、内部中間圧型２段圧縮式ロータリコンプレッサである。この圧縮機１１は、密閉容器１２と、回転圧縮機構部とを備えている。回転圧縮機構部は、密閉容器１２の内部空間の上部に収納された駆動要素としての電動要素１３、この電動要素１３の下側に配置された、第１の（低段側）回転圧縮要素（第１の圧縮要素）１４、および、第２の（高段側）回転圧縮要素（第２の圧縮要素）１６から成る。圧縮機１１は、同一の回転軸（電動要素１３の回転軸）により駆動される第１の回転圧縮要素１４および第２の回転圧縮要素１６を有する二段圧縮機である。このような二段圧縮機では、低段側と高段側の排除容積比率が決まっており、その排除容積比率に応じて中間圧（ＭＰ）が決定される。

圧縮機１１の第１の回転圧縮要素１４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、中間圧まで昇圧して吐出する。第２の回転圧縮要素１６は、第１の回転圧縮要素１４により吐出された中間圧の冷媒を吸い込み、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る。後述する制御装置５７は、電動要素１３の運転周波数を変更することで、第１の回転圧縮要素１４、および、第２の回転圧縮要素１６の回転数を制御する。

圧縮機１１の密閉容器１２の側面には、第１の回転圧縮要素１４に連通する低段側吸込口１７、密閉容器１２内に連通する低段側吐出口１８、第２の回転圧縮要素１６に連通する高段側吸込口１９、および、高段側吐出口２１が形成されている。圧縮機１１の低段側吸込口１７には、冷媒導入配管２２の一端が接続され、その他端はユニット入口７にて冷媒配管９に接続されている。

低段側吸込口１７より第１の回転圧縮要素１４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１４により１段目の圧縮が行われて中間圧に昇圧され、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圧縮機１１の低段側吐出口１８には、中間圧吐出配管２３の一端が接続され、その他端はインタークーラ２４の入口に接続されている。このインタークーラ２４は、第１の回転圧縮要素１４から吐出された中間圧の冷媒を空冷する。インタークーラ２４の出口には、中間圧吸入配管２６の一端が接続される。中間圧吸入配管２６の他端は、圧縮機１１の高段側吸込口１９に接続される。

圧縮機１１の高段側吸込口１９から第２の回転圧縮要素１６に吸い込まれた中間圧（ＭＰ）の冷媒ガスは、第２の回転圧縮要素１６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る。

また、圧縮機１１の第２の回転圧縮要素１６の高圧室側に設けられた高段側吐出口２１には、高圧吐出配管２７の一端が接続され、その他端はガスクーラ（放熱器）２８の入口に接続されている。なお、図示は省略するが、高圧吐出配管２７の途中にはオイルセパレータが設けられてもよい。オイルセパレータにより冷媒から分離されたオイルは、圧縮機１１の密閉容器１２内に戻される。

ガスクーラ２８は、圧縮機１１から吐出された高圧の吐出冷媒を冷却する。ガスクーラ２８の近傍には、当該ガスクーラ２８を空冷するガスクーラ用送風機３１が配設されている。本実施形態では、ガスクーラ２８は、上述したインタークーラ２４と並設されており、これらは同一の風路に配設されている。

そして、ガスクーラ２８の出口にはガスクーラ出口配管３２の一端が接続され、このガスクーラ出口配管３２の他端は電動膨張弁３３（圧力調整用絞り手段の一例）の入口に接続されている。この電動膨張弁３３は、ガスクーラ２８から出た冷媒を絞って膨張させるとともに、電動膨張弁３３から上流側の冷媒回路１の高圧側圧力の調整を行うためのものである。電動膨張弁３３の出口は、タンク入口配管３４を介してタンク３６の上部に接続されている。

タンク３６は、その内部に所定容積の空間を有する容積体であり、その下部にはタンク出口配管３７の一端が接続され、このタンク出口配管３７の他端がユニット出口６にて冷媒配管８に接続されている。このタンク出口配管３７の途中には、スプリット熱交換器２９の第２の流路２９Ｂが設けられる。このタンク出口配管３７が、本実施形態における主回路３８を構成する。

一方、店舗内に設置されるショーケース４は、冷媒配管８、９に接続される。ショーケース４には、電動膨張弁３９（主絞り手段の一例）と蒸発器４１とが設けられており、冷媒配管８と冷媒配管９との間に順次接続されている（電動膨張弁３９が冷媒配管８側、蒸発器４１が冷媒配管９側）。蒸発器４１の隣には、当該蒸発器４１に送風する冷気循環用送風機（図示略）が設けられている。そして、冷媒配管９は、上述したように冷媒導入配管２２を介して圧縮機１１の第１の回転圧縮要素１４に連通する低段側吸込口１７に接続されている。

他方、タンク３６の上部にはガス配管４２の一端が接続されており、このガス配管４２の他端は電動膨張弁４３（第１の補助回路用絞り手段の一例）の入口に接続されている。ガス配管４２はタンク３６上部からガス冷媒を流出させ、電動膨張弁４３に流入させる。

この電動膨張弁４３の出口には中間圧戻り配管４４の一端が接続され、この中間圧戻り配管４４の他端は、圧縮機１１の中間圧部に繋がる中間圧吸入配管２６の途中に連通されている。この中間圧戻り配管４４の途中には、スプリット熱交換器２９の第１の流路２９Ａが設けられている。

また、スプリット熱交換器２９の第２の流路２９Ｂの下流側において、液配管４６の一端がタンク出口配管３７に接続されている。液配管４６の他端は、電動膨張弁４３の下流側の中間圧戻り配管４４に接続されている。液配管４６の途中には、電動膨張弁４７（第２の補助回路用絞り手段の一例）が設けられている。

上述した電動膨張弁４３（第１の補助回路用絞り手段）と電動膨張弁４７（第２の補助回路用絞り手段）が、本実施形態における補助絞り手段を構成する。また、中間圧戻り配管４４と、電動膨張弁４３と、電動膨張弁４７と、ガス配管４２と、液配管４６とが、本実施形態における補助回路４８を構成する。

このように、電動膨張弁３３は、ガスクーラ２８の下流側であって電動膨張弁３９の上流側に位置する。また、タンク３６は、電動膨張弁３３の下流側であって電動膨張弁３９の上流側に位置する。さらに、スプリット熱交換器２９は、タンク３６の下流側であって電動膨張弁３９の上流側に位置する。これにより、本実施形態における冷凍装置Ｒの冷媒回路１が構成される。

この冷媒回路１の各所には種々のセンサが取り付けられている。

例えば、高圧吐出配管２７には、高圧センサ４９が取り付けられる。高圧センサ４９は、冷媒回路１の高圧側圧力ＨＰ（圧縮機１１の高段側吐出口２１と電動膨張弁３３の入口の間の圧力）を検出する。

また、例えば、冷媒導入配管２２には、低圧センサ５１が取り付けられる。低圧センサ５１は、冷媒回路１の低圧側圧力ＬＰ（電動膨張弁３９の出口と低段側吸込口１７の間の圧力）を検出する。

また、例えば、中間圧戻り配管４４には、中間圧センサ５２が取り付けられる。中間圧センサ５２は、冷媒回路１の中間圧領域の圧力である中間圧ＭＰ（電動膨張弁４３、４７の出口より下流の中間圧戻り配管４４内の圧力であって、圧縮機１１の低段側吐出口１８と高段側吸込口１９との間の圧力に等しい圧力）を検出する。

また、例えば、スプリット熱交換器２９の下流側のタンク出口配管３７には、ユニット出口センサ５３が取り付けられている。このユニット出口センサ５３は、タンク３６内の圧力ＯＰを検出する。このタンク３６内の圧力は、冷凍機ユニット３から出て冷媒配管８から電動膨張弁３９に流入する冷媒の圧力となる。

上述した各センサは、マイクロコンピュータから構成された冷凍機ユニット３の制御装置５７（制御手段の一例）の入力に接続される。一方、制御装置５７の出力には、圧縮機１１の電動要素１３、ガスクーラ用送風機３１、電動膨張弁３３、電動膨張弁４３、電動膨張弁４７、電動膨張弁３９が接続される。制御装置５７は、各センサからの検出結果と設定データ等に基づいて、出力側の各構成要素を制御する。

なお、以下では、ショーケース４側の電動膨張弁３９や上述した冷気循環用送風機も制御装置５７が制御するものとして説明するが、これらは店舗の主制御装置（図示略）を介し、制御装置５７と連携して動作するショーケース４側の制御装置（図示略）により制御されることとしてもよい。したがって、本実施形態における制御手段は、制御装置５７やショーケース４側の制御装置、上述した主制御装置等を含めた概念としてもよい。

（２）冷凍装置Ｒの動作
次に、冷凍装置Ｒの動作を説明する。制御装置５７により圧縮機１１の電動要素１３が駆動されると、第１の回転圧縮要素１４および第２の回転圧縮要素１６が回転し、低段側吸込口１７より第１の回転圧縮要素１４の低圧部に低圧の冷媒ガス（二酸化炭素）が吸い込まれる。そして、第１の回転圧縮要素１４により中間圧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内の中間圧のガス冷媒は、低段側吐出口１８から中間圧吐出配管２３を経てインタークーラ２４に入り、インタークーラ２４において空冷される。

空冷されたガス冷媒は、インタークーラ２４から中間圧吸入配管２６へ流出し、その中間圧吸入配管２６において、中間圧戻り配管４４から中間圧吸入配管２６へ流入するガス冷媒（詳細は後述）と混合する。混合したガス冷媒は、圧縮機１１の高段側吸込口１９（中間圧部）に流入する。

高段側吸込口１９へ流入した中間圧のガス冷媒は、第２の回転圧縮要素１６に吸い込まれ、この第２の回転圧縮要素１６により２段目の圧縮が行われて高温高圧のガス冷媒となる。このガス冷媒は、高段側吐出口２１から高圧吐出配管２７に吐出される。

（２−１）電動膨張弁３３の制御
高圧吐出配管２７からガスクーラ２８へ流入したガス冷媒は、ガスクーラ２８にて空冷された後、ガスクーラ出口配管３２を経て電動膨張弁３３に至る。この電動膨張弁３３は、電動膨張弁３３より上流側の冷媒回路１の高圧側圧力ＨＰを所定の目標値ＴＨＰに制御するために設けられており、高圧センサ４９の出力に基づき、制御装置５７によりその弁開度が制御される。

（２−１−１）電動膨張弁３３の運転始動時の開度の設定
運転始動時には先ず、制御装置５７は外気温度に基づいて冷凍装置Ｒの始動時における電動膨張弁３３の開度（始動時の弁開度）を設定する。具体的には、本実施形態では、制御装置５７は、始動時における外気温度と電動膨張弁３３の始動時の弁開度との関係を示すデータテーブルを予め記憶しており、始動時における外気温度から、上記データテーブルを参照して、電動膨張弁３３の始動時の弁開度を設定する。

なお、外気温度は、例えば、外気温度センサ（図示略）により検出される。外気温度センサは、インタークーラ２４、ガスクーラ２８、ガスクーラ用送風機３１などが格納される室外機の内部、または、その近傍などに配置される。これに限らず、高圧センサ４９が検出する高圧側圧力ＨＰから制御装置５７が外気温度を検出するようにしてもよい（以下、同じ）。高圧センサ４９が検出する高圧側圧力ＨＰと外気温度との間には相関関係があるため、制御装置５７は高圧側圧力ＨＰから外気温度を判断することができる。具体的には、制御装置５７は、始動時における高圧側圧力ＨＰ（外気温度）と電動膨張弁３３の始動時の弁開度との関係を示すデータテーブルを予め記憶しており、始動時における外気温度を推定し、上記データテーブルを参照して、電動膨張弁３３の始動時の弁開度を設定する。

（２−１−２）運転中における電動膨張弁３３の開度の設定
運転中、制御装置５７は、外気温度を示す指標である高圧センサ４９の検出圧力（高圧側圧力ＨＰ）に基づいて、電動膨張弁３３の開度を設定する。この場合、制御装置５７は、高圧側圧力ＨＰ（外気温度）が低い場合に大きくなるよう電動膨張弁３３の開度を設定する。これにより、電動膨張弁３３における圧力低下を最小限に抑えることができ、圧縮機１１に入る中間圧吸入配管２６の中間圧（ＭＰ）との圧力差を確保して、冷凍運転および冷蔵運転を効率的に行うことができる。

ここで、制御装置５７は、高圧側圧力ＨＰ（外気温度）と電動膨張弁３３の開度との関係を示すデータテーブルを予め記憶しておき、それを参照することにより電動膨張弁３３の開度を設定してもよいし、当該開度を計算式から算出してもよい。

（２−１−３）高圧側圧力ＨＰの上限値ＭＨＰでの制御
なお、上述のように制御を行っているときに、設置環境や負荷の影響で電動膨張弁３３より上流側の高圧側圧力ＨＰが所定の上限値ＭＨＰに上昇してしまった場合、制御装置５７は電動膨張弁３３の弁開度をさらに増大させる。この弁開度の増大により、高圧側圧力ＨＰは低下する方向に向かうので、高圧側圧力ＨＰを常に上限値ＭＨＰ以下に維持することができるようになる。これにより、電動膨張弁３３より上流側の高圧側圧力ＨＰの異常上昇を的確に抑制して圧縮機１１の保護を確実に行うことが可能となり、異常な高圧による圧縮機１１の強制停止（保護動作）を未然に回避することが可能となる。

ここで、ガスクーラ２８から超臨界状態の冷媒ガスが流出した場合、電動膨張弁３３で絞られて気液二相の混合状態となり、タンク入口配管３４を経てタンク３６の上部からタンク３６内に流入する。タンク３６は、電動膨張弁３３を出た液／ガスの冷媒を一旦貯留し、気液分離する役割と、冷凍装置Ｒの高圧側圧力（この場合は、タンク３６からタンク３６より上流側の圧縮機１１の高圧吐出配管２７までの領域）の圧力変化や冷媒循環量の変動を吸収する役割を果たす。

このタンク３６内の下部に溜まった液冷媒は、タンク３６からタンク出口配管３７（主回路３８）へ流出する。以下、主回路３８における冷媒の流れについて説明する。

タンク３６から流出した液冷媒は、スプリット熱交換器２９の第２の流路２９Ｂへ流入し、第２の流路２９Ｂにおいて第１の流路２９Ａを流れる冷媒により冷却（過冷却）される。

その後、液冷媒は、第２の流路２９Ｂの出口において、分流する。分流した冷媒のうち、一方は、冷凍機ユニット３から出て冷媒配管８から電動膨張弁３９に流入し、もう一方は、液配管４６に流入する。液配管４６に流入した液冷媒は、電動膨張弁４７により絞られた後、中間圧戻り配管４４に流入し、電動膨張弁４３を経たガス冷媒と合流し、第１の流路２９Ａに流入する。この第１の流路２９Ａにおいて、液冷媒は蒸発する。このときの吸熱作用により、第２の流路２９Ｂを流れる液冷媒の過冷却度を増大させる。

このように、スプリット熱交換器２９では、タンク３６から流出した液冷媒と、電動膨張弁４７で絞られた液冷媒と電動膨張弁４３で絞られたガス冷媒とが混合した冷媒との熱交換が行われる。

電動膨張弁３９に流入した冷媒は、電動膨張弁３９で絞られて膨張することでさらに圧力が低下し、蒸発器４１に流入して蒸発する。これによる吸熱作用により冷却効果が発揮される。制御装置５７は、蒸発器４１の入口側と出口側の温度を検出する温度センサ（図示略）の出力に基づき、電動膨張弁３９の弁開度を制御して蒸発器４１における冷媒の過熱度を適正値に調整する。

蒸発器４１から出た低温のガス冷媒は、冷媒配管９から冷凍機ユニット３に戻り、冷媒導入配管２２を経て、圧縮機１１の第１の回転圧縮要素１４に連通する低段側吸込口１７に吸い込まれる。以上が主回路３８における冷媒の流れである。

（２−２）電動膨張弁４３の制御
補助回路４８における冷媒の流れを説明する。タンク３６内の上部に溜まったガス冷媒の温度は、ほぼ、タンク３６内の冷媒圧力での飽和温度となっている。このガス冷媒は、タンク３６からガス配管４２へ流出する。上述したようにガス配管４２には電動膨張弁４３が接続されている。ガス冷媒は、電動膨張弁４３で絞られた後、電動膨張弁４７を経た液冷媒と合流し、スプリット熱交換器２９の第１の流路２９Ａに流入する。そして、ガス冷媒は、第１の流路２９Ａにおいて第２の流路２９Ｂを流れる冷媒を冷却した後、中間圧戻り配管４４を経て中間圧吸入配管２６に流入する。そして、中間圧戻り配管４４から中間圧吸入配管２６へ流入したガス冷媒は、上述したとおり、インタークーラ２４から出た冷媒と混合し、圧縮機１１の高段側吸込口１９に吸い込まれる。

電動膨張弁４３は、タンク３６の上部から流出する冷媒を絞る機能の他に、タンク３６内の圧力（電動膨張弁３９に流入する冷媒の圧力）を所定の目標値ＳＰに調整する役割を果たす。そして、制御装置５７は、ユニット出口センサ５３の出力に基づき、電動膨張弁４３の弁開度を制御する。電動膨張弁４３の弁開度が増大すれば、タンク３６内からのガス冷媒の流出量が増大し、タンク３６内の圧力は低下するからである。

本実施形態では、目標値ＳＰは高圧側圧力ＨＰよりも低く、中間圧ＭＰよりも高い値に設定されている。そして、制御装置５７は、ユニット出口センサ５３が検出するタンク３６内の圧力ＯＰ（電動膨張弁３９に流入する冷媒の圧力）と目標値ＳＰの差から電動膨張弁３９の弁開度の調整値（ステップ数）を算出し、後述する始動時の弁開度に加算してタンク３６内の圧力ＯＰを目標値ＳＰに制御する。すなわち、タンク３６内の圧力ＯＰが目標値ＳＰより上昇した場合には、電動膨張弁４３の弁開度を増大させてタンク３６内からガス冷媒をガス配管４２に流出させ、逆に目標値ＳＰより降下した場合には、弁開度を縮小させて閉じる方向に制御する。

（２−２−１）電動膨張弁４３の運転始動時の開度の設定
制御装置５７は、外気温度、または、外気温度を示す指標である高圧センサ４９の検出圧力（高圧側圧力ＨＰ）に基づいて、冷凍装置Ｒの始動時における電動膨張弁４３の弁開度（始動時の弁開度）を設定する。本実施形態の場合、制御装置５７は始動時における外気温度、または、高圧側圧力ＨＰ（外気温度）と電動膨張弁４３の始動時の弁開度との関係を示すデータテーブルを予め記憶している。

そして、制御装置５７は、始動時における外気温度、または、検出圧力（高圧側圧力ＨＰ）から、上記データテーブルに基づいて高圧側圧力ＨＰ（外気温度）が高い程増大し、逆に高圧側圧力ＨＰが低い程減少するよう電動膨張弁４３の始動時の弁開度を設定する。これにより、外気温度が高い環境での始動時におけるタンク３６内圧力の上昇を抑制し、電動膨張弁３９に流入する冷媒の圧力上昇を防止することが可能となる。

なお、本実施形態では、タンク３６内の圧力ＯＰの目標値ＳＰを固定して制御するが、電動膨張弁３３の場合と同様に、外気温度、または、外気温度を示す指標である高圧センサ４９の検出圧力（高圧側圧力ＨＰ）に基づいて目標値ＳＰを設定するようにしてもよい。この場合には、制御装置５７は、外気温度、または、高圧側圧力ＨＰが高いほど目標値ＳＰを高く設定する。そのため、外気温度が高い環境では電動膨張弁３９に流入する冷媒の圧力の運転中における目標値ＳＰが高くなる。

すなわち、高い外気温度の影響で高圧側圧力ＨＰが高くなる場合には、タンク３６内の圧力ＯＰの目標値ＳＰが高く設定されることで中間圧ＭＰが高くできるので、電動膨張弁４３の弁開度が大きくなっても補助回路４８に冷媒が流れにくくなる不都合を防止することができるようになる。逆に、低い外気温度の影響で高圧側圧力ＨＰが低くなる場合には、電動膨張弁４３の弁開度を小さくすることで、補助回路４８に流入する冷媒量を減少させ、ユニット出口６における冷媒の圧力が低下する不都合を防止することができるようになる。これらにより、季節の移り変わりに伴う外気温度の変化に関わらず、電動膨張弁４３の弁開度を適切に制御して、ユニット出口６における冷媒の圧力の変化を抑えることができ、冷媒量を的確に調整することができる。

（２−２−２）タンク内圧力ＯＰの規定値ＭＯＰでの制御
なお、上述のように制御を行っているときに、設置環境や負荷の影響でタンク３６内圧力ＯＰ（電動膨張弁３９に流入する冷媒の圧力）が所定の規定値ＭＯＰに上昇してしまった場合、制御装置５７は、電動膨張弁４３の弁開度を所定ステップ増大させる。この弁開度の増大により、タンク３６内圧力ＯＰは低下する方向に向かうので、圧力ＯＰを常に規定値ＭＯＰ以下に維持することができるようになり、高圧側圧力変動の影響抑制と、電動膨張弁３９に搬送される冷媒の圧力の抑制効果を確実に達成することが可能となる。

（２−３）電動膨張弁４７の制御
補助回路４８における冷媒の流れを説明する。タンク３６内の下部に溜まる液冷媒は、タンク３６からタンク出口配管３７へ流入し、第２の流路２９Ｂを通過後、分流する。分流した液冷媒の一方は、液配管４６へ流入し、電動膨張弁４７で絞られる。その後、液冷媒は、中間圧戻り配管４４に流入し、電動膨張弁４３からのガス冷媒と合流し、スプリット熱交換器２９の第１の流路２９Ａに流入し、そこで蒸発する。このときの吸熱作用により、第２の流路２９Ｂを流れる液冷媒の過冷却を増大させる。

その後、第１の流路２９Ａから出たガス冷媒は、中間圧吸入配管２６に流入し、インタークーラ２４から出た冷媒と混合し、圧縮機１１の高段側吸込口１９に吸い込まれる。

制御装置５７は、電動膨張弁４７の弁開度を制御することにより、スプリット熱交換器２９の第１の流路２９Ａに流す液冷媒の量を調整する。例えば、制御装置５７は、吐出温度センサ５０が検出する圧縮機１１からガスクーラ２８に吐出される冷媒の温度（吐出温度）に基づいて、電動膨張弁４７の弁開度を制御する。これにより、スプリット熱交換器２９の第１の流路２９Ａに流れる液冷媒の量が調整され、圧縮機１１からガスクーラ２８に吐出される冷媒の吐出温度が所定の目標値ＴＤＴに制御される。すなわち、実際の吐出温度が目標値ＴＤＴより高い場合には、電動膨張弁４７の弁開度を増大させ、低い場合には減少させる。これにより、圧縮機１１の冷媒の吐出温度を目標値ＴＤＴに維持し、圧縮機１１の保護を図る。

（３）排除容積比率の算出
従来、上記冷凍装置Ｒは、蒸発器４１における冷媒温度が−５℃以下となる条件で使用されていた。このような冷凍装置Ｒを、−５℃よりも高い蒸発温度で使用することができないかシミュレーションして検討した。すなわち、蒸発器４１における冷媒蒸発温度を−１０℃、−５℃、０℃、５℃及び１０℃とした場合に、上記冷凍装置Ｒが冷凍装置として機能するための条件を、排除容積比率（第１の回転圧縮要素１４の排除容積に対する第２の回転圧縮要素１６の排除容積の比）を変化パラメータとしてシミュレーションして求めた。

（３−１）前提条件
シミュレーションを行う際の前提条件は次のとおりである。

（３−１−１）各回転圧縮要素１４、１６の差圧の下限値
回転圧縮要素は、その構造上、吸い込み圧と吐出圧との間にある程度の差圧がないと、回転圧縮要素として有効に機能することができない。例えば、ロータリー圧縮機の場合は、スライディングベーンをピストンに押しつけるために差圧を利用しており、スクロール圧縮機の場合は、固定スクロールに揺動スクロールを押しつけるために差圧を利用している。回転圧縮要素の差圧の下限値は一般的に０．５ＭＰａである。よって、各回転圧縮要素１４、１６の差圧の下限値を０．５ＭＰａとした。なお、中間圧は第１の回転圧縮要素１４の吐出圧であるから、第１の回転圧縮要素１４の差圧の下限値が０．５ＭＰａということは、蒸発圧力に０．５ＭＰａを加えた値が中間圧の下限値になるということを意味している。例えば、蒸発温度が０℃の場合、二酸化炭素の蒸発圧力は３．４９ＭＰａであるので、中間圧の下限値は３．９９ＭＰａとなる。

（３−１−２）タンク３６の内圧の設定値
スプリットサイクルの冷凍装置においては、タンクやその下流側の機器及びそれらを接続する配管等の設計圧力を低くしたいというコスト上の理由と、そもそもタンク内圧が二酸化炭素の臨界点の７．４ＭＰａ以上になると冷媒を気液分離できなくなるという技術的な理由から、タンクの内圧は、通常、６．０ＭＰａ程度とされている。よって、タンク３６の内圧の設定値を６．０ＭＰａとした。

（３−１−３）電動膨張弁４３における冷媒温度低下量
スプリット熱交換器２９において、第２の流路２９Ｂを流れる冷媒を第１の流路２９Ａを流れる冷媒で過冷却するためには、各流路を流れる冷媒の温度差が５℃以上必要である。よって、電動膨張弁４３によるガス冷媒の温度低下量を５℃以上とした。なお、タンク３６の内圧の設定値は６．０ＭＰａであるから、電動膨張弁４３出口圧力は５．３ＭＰａ以下になる。補助回路４８をガス冷媒が流れるためには、中間圧が電動膨張弁４３出口圧力よりも低くなければならないので、電動膨張弁４３出口圧力が５．３ＭＰａ以下であれば、中間圧は５．３ＭＰａ未満とする必要がある。

（３−１−４）補助回路４８の流量比率
スプリットサイクルの冷凍装置において、補助回路を流れる冷媒の流量比率は、一般的に３５％程度である。よって、補助回路４８を流れる冷媒の流量比率は３５％とした。

（３−１−５）各回転圧縮要素１４、１６の体積効率及び圧縮効率
圧縮機１１を構成する第１の回転圧縮要素１４及び第２の回転圧縮要素１６それぞれの体積効率及び圧縮効率は、各値として一般的な、９５％及び７０％とした。

（３−２）算出結果
シミュレーションの結果を表１及びこれをグラフにした図２に示す。表１及び図２に示されるように、排除容積比率を８４．６％以上１３５．７％以下とすれば、蒸発温度を、従来の使用範囲よりも高い０℃とした場合であっても、冷凍装置Ｒを冷凍装置として機能させることが可能であることが判明した。シミュレーションで得られた、蒸発温度０℃、排除容積比率８４．６％の場合のｐ−ｈ線図を図３（ａ）に、蒸発温度０℃、排除容積比率１３５．７％の場合のｐ−ｈ線図を図３（ｂ）に示す。

また、蒸発温度を、より高い５℃とした場合は、排除容積比率を１０１．８％以上１３４．２％以下とすれば、冷凍装置Ｒを冷凍装置として機能させることが可能であることが判明した。また、蒸発温度を、更に高い１０℃とした場合は、排除容積比率を１２１．７％以上１３２．１％以下とすれば、冷凍装置Ｒを冷凍装置として機能させることが可能であることが判明した。

また、これらのシミュレーション結果から、蒸発温度が２．５℃の場合、排除容積比率を、０℃の場合と５℃の場合の中間値、すなわち、９３％（＝（８４．６＋１０１．８）／２）以上１３５％（＝（１３５．７＋１３４．２）／２）以下とすれば、冷凍装置Ｒを冷凍装置として機能させることが可能であると合理的に推測できる。同様に、蒸発温度が７．５℃の場合、排除容積比率を、５℃の場合と１０℃の場合の中間値、すなわち、１１２％（＝（１０１．８＋１２１．７）／２）以上１３２％（＝（１３４．２＋１３２．１）／２）以下とすれば、冷凍装置Ｒを冷凍装置として機能させることが可能であると合理的に推測できる。

なお、従来の使用範囲である蒸発温度が−１０℃の場合は、排除容積比率を５９．５％以上１３１．８％以下とすれば、冷凍装置Ｒを冷凍装置として機能させることができることが判明した。また、蒸発温度が−５℃の場合は、排除容積比率を７０．８％以上１３４．１％以下とすれば、冷凍装置Ｒを冷凍装置として機能させることができることが判明した。これらのシミュレーション結果は、従来、蒸発温度が−５℃以下となる条件で冷凍装置Ｒが使用されており、排除容積比率が７０％程度に設定されているという事実とよく一致する。

以上本発明の実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

本発明は、圧縮手段と、ガスクーラと、主絞り手段と、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用いるのに好適である。

Ｒ 冷凍装置
１ 冷媒回路
３ 冷凍機ユニット
４ ショーケース
６ ユニット出口
７ ユニット入口
８、９ 冷媒配管
１１ 圧縮機
１２ 密閉容器
１３ 電動要素
１４ 第１の回転圧縮要素
１６ 第２の回転圧縮要素
１７ 低段側吸込口
１８ 低段側吐出口
１９ 高段側吸込口
２１ 高段側吐出口
２２ 冷媒導入配管
２３ 中間圧吐出配管
２４ インタークーラ
２６ 中間圧吸入配管
２７ 高圧吐出配管
２８ ガスクーラ
２９ スプリット熱交換器
２９Ａ 第１の流路
２９Ｂ 第２の流路
３１ ガスクーラ用送風機
３２ ガスクーラ出口配管
３３ 電動膨張弁（圧力調整用絞り手段）
３４ タンク入口配管
３６ タンク
３７ タンク出口配管
３８ 主回路
３９ 電動膨張弁（主絞り手段）
４１ 蒸発器
４２ ガス配管
４３ 電動膨張弁（第１の補助回路用絞り手段）
４４ 中間圧戻り配管
４６ 液配管
４７ 電動膨張弁（第２の補助回路用絞り手段）
４８ 補助回路
４９ 高圧センサ
５０ 吐出温度センサ
５１ 低圧センサ
５２ 中間圧センサ
５３ ユニット出口センサ
５７ 制御装置（制御手段）

Claims (2)

1. 圧縮手段と、ガスクーラと、主絞り手段と、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、
   前記ガスクーラの下流側であって、前記主絞り手段の上流側の前記冷媒回路に接続された圧力調整用絞り手段と、
   該圧力調整用絞り手段の下流側であって、前記主絞り手段の上流側の前記冷媒回路に接続されたタンクと、
   該タンクの下流側であって、前記主絞り手段の上流側の前記冷媒回路に設けられたスプリット熱交換器と、
   前記タンク内の冷媒を、補助絞り手段を介して前記スプリット熱交換器の第１の流路に流した後、前記圧縮手段の中間圧部に吸い込ませる補助回路と、
   前記タンク下部から冷媒を流出させ、前記スプリット熱交換器の第２の流路に流し、前記第１の流路を流れる冷媒と熱交換させた後、前記主絞り手段に流入させる主回路と、
   前記圧力調整用絞り手段により、当該圧力調整用絞り手段より上流側の前記冷媒回路の高圧側圧力を調整する制御手段とを備え、
   前記圧縮手段は、冷媒を低圧から中間圧に圧縮する低段側回転圧縮要素と、冷媒を中間圧から高圧に圧縮する高段側回転圧縮要素とを有しており、
   前記高段側回転圧縮要素の排除容積が前記低段側回転圧縮要素の排除容積の８５％以上である冷凍装置。
2. 前記高段側回転圧縮要素の排除容積が前記低段側回転圧縮要素の排除容積の８５％以上１３６％以下である請求項１記載の冷凍装置。

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