JP2021055917A - 熱源ユニット及び冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱器の下流側に気液分離器（15）を設け、冷凍サイクルの高圧圧力が臨界圧力以上になる冷媒回路（6）を備えた冷凍装置において、冷媒が気液分離器（15）に流入しにくくなるのを抑制する。【解決手段】冷媒を冷却する冷却器（19）と、気液分離器（15）内の冷媒を臨界点の温度よりも低い温度になるように冷却器（19）を制御する制御器（100）とを設ける。【選択図】図１

Description

本開示は、熱源ユニット及び冷凍装置に関するものである。

従来、冷凍装置が有する冷媒回路の冷媒に二酸化炭素を用いたものがある。二酸化炭素を冷媒とする冷媒回路では、冷媒の高圧圧力が臨界圧力以上となる冷凍サイクル（超臨界サイクルという）が行われる。

このように超臨界サイクルを行う冷媒回路を備えた冷凍装置において、放熱器の下流側に気液分離器を設けたものがある（例えば、特許文献１参照）。

国際公開第ＷＯ２０１７／１３８４１９号

超臨界サイクルを行う冷媒回路を備えた冷凍装置では、外気温度が臨界点の温度より高くなると、気液分離器内の圧力が冷媒回路の高圧圧力より高くなるおそれがある。その結果、冷媒が気液分離器に流入しにくくなるおそれがある。

本開示の目的は、超臨界サイクルを行う冷媒回路を備え、放熱器の下流側に気液分離器を備えた冷凍装置及びその熱源ユニットにおいて、冷媒が気液分離器に流入しにくくなるのを抑制することである。

本開示の第１の態様は、
圧縮部（20）と放熱器（13）と気液分離器（15）とを有し、利用側機器に接続されて冷媒回路（6）が構成され、上記冷媒回路（6）の高圧圧力が冷媒の臨界圧力以上となる冷凍サイクルを行う熱源ユニットであって、
上記冷媒を冷却する冷却器（19）と、
上記気液分離器（15）内の冷媒を臨界点の温度よりも低い温度になるように上記冷却器（19）を制御する制御器（100）と、
を備えていることを特徴とする。

第１の態様では、冷凍装置の熱源ユニットにおいて、気液分離器（15）内の冷媒が、その臨界点の温度よりも低い温度になるように冷却器（19）で冷却される。そのため、外気温度が高くても、気液分離器（15）内の圧力上昇が抑えられ、冷媒が気液分離器に流入しやすくなる。

本開示の第２の態様は、第１の態様において、
上記冷却器（19）は、上記放熱器（13）と上記気液分離器（15）との間の冷媒配管に設けられる冷却熱交換器（18）である
ことを特徴とする。

第２の態様では、放熱器（13）から流出した冷媒が冷却熱交換器（18）で冷却されて気液分離器（15）に流入し、気液分離器（15）内の冷媒が臨界点の温度よりも低い温度になる。このことにより、外気温度が高くても、気液分離器（15）内の圧力上昇が抑えられ、冷媒が気液分離器に流入しやすくなる。

本開示の第３の態様は、第２の態様において、
上記冷却器（19）は、上記放熱器（13）と上記気液分離器（15）との間の冷媒配管に設けられる膨張装置（14）を更に備え、上記膨張装置（14）が上記冷却熱交換器（18）の上流側に接続されている
ことを特徴とする。

第３の態様では、放熱器（13）から流出した冷媒が膨張装置（14）で減圧されて温度が低下し、さらに冷却熱交換器（18）で冷却されて気液分離器（15）に流入する。このことにより、外気温度が高くても、気液分離器（15）内の圧力上昇が抑えられ、冷媒が気液分離器に流入しやすくなる。

本開示の第４の態様は、第２の態様において、
上記冷却器（19）は、上記放熱器（13）と上記気液分離器（15）との間の冷媒配管に設けられる膨張装置（14）を更に備え、上記冷却熱交換器（18）が上記膨張装置（14）の上流側に接続されている
ことを特徴とする。

第４の態様では、放熱器（13）から流出した冷媒が冷却熱交換器（18）で冷却され、さらに膨張装置（14）で減圧されることで温度が低下して気液分離器（15）に流入する。このことにより、外気温度が高くても、気液分離器（15）内の圧力上昇が抑えられ、冷媒が気液分離器に流入しやすくなる。

本開示の第５の態様は、第１から第４の態様の何れか１つにおいて、
上記制御器（100）は、外気温度が所定値より高くなると、上記気液分離器（15）内の冷媒の温度の目標値を臨界点の温度より低い温度の範囲内で低下させ、外気温度が所定値以下になると、上記気液分離器（15）内の冷媒の温度の目標値を臨界点の温度より低い温度の範囲内で上昇させる
ことを特徴とする。

第５の態様では、外気温度が所定値（第１の所定値）より高くなると、冷媒を冷却熱交換器（18）や膨張装置（14）などの冷却器（19）で冷却する目標温度が、臨界点の温度より低い温度の範囲内のより低い温度に設定される。このことにより、気液分離器（15）内の圧力の上昇を抑えられる。

逆に、外気温度が所定値（第２の所定値）より低くなると、冷媒を冷却熱交換器（18）や膨張装置（14）などの冷却器（19）で冷却する目標温度が、臨界点の温度より低い温度の範囲内で高めの温度に設定される。こうすると、冷媒が過度に冷やされる無駄な制御をしなくてよい。

本開示の第６の態様は、第１から第５の態様の何れか１つにおいて、
上記制御器（100）は、上記気液分離器（15）内の冷媒の温度の目標値を上記臨界点の温度より低い温度の範囲内に維持しつつ、利用側機器の冷却負荷が基準値に対して大きくなると上記目標値を低下させ、該冷却負荷が基準値に対して小さくなると上記目標値を上昇させる
ことを特徴とする。

第６の態様では、気液分離器（15）内の冷媒の温度の目標値は、臨界点の温度より低い温度の範囲内に維持される。この構成において、利用側の冷却負荷が基準値に対して大きくなると目標値を低下させることで、冷却能力を高められる。また、利用側の冷却負荷が基準値に対して小さくなると目標値を上昇させることで、必要以上に冷却能力が高められるのを抑制できる。

本開示の第７の態様は、第１から第６の態様の何れか１つにおいて、
上記制御器（100）は、外気温度が臨界点の温度より所定温度低い場合に、上記気液分離器（15）内の冷媒を臨界点の温度よりも低い温度にする上記冷却器（19）の制御を停止する
ことを特徴とする。

第７の態様では、外気温度が臨界点の温度より所定温度低い温度である場合に、冷却器（19）による冷媒の冷却を停止する。この場合、冷却器（19）で冷媒を冷却しなくても、気液分離器（15）内の圧力の上昇を抑えられるためである。なお、冷却器（19）による冷媒の冷却を停止する外気温度は、運転条件に応じて定めるとよい。

本開示の第８の態様は、第１から第４の態様の何れか１つにおいて、
上記制御器（100）は、上記冷媒回路（6）への冷媒充填時に外気温度が冷媒の臨界点の温度より高いと、上記気液分離器（15）内の冷媒を臨界点の温度よりも低い温度になるように上記冷却器（19）を制御する
ことを特徴とする。

第８の態様では、冷凍装置を設置して冷媒回路（6）に冷媒を充填するときに、外気温度が冷媒の臨界点の温度より高いと、制御器（100）により、気液分離器（15）内の冷媒が臨界点の温度よりも低い温度になるように冷却器（19）が制御される。冷媒充填時に気液分離器（15）の圧力が上昇しすぎると、冷媒回路（6）への冷媒の充填不足が生じるおそれがあるが、この第８の態様では、冷媒の充填不足が生じるのを抑えられる。

本開示の第９の態様は、第１から第８の態様の何れか１つにおいて、
上記冷媒回路（6）の冷媒は、二酸化炭素である
ことを特徴とする。

第９の態様では、二酸化炭素を冷媒として超臨界サイクルを行う冷媒回路（6）を有する冷凍装置の熱源ユニットにおいて、気液分離器（15）内の圧力が冷媒回路（6）の高圧圧力より高くなるのを抑えることで、冷媒が気液分離器（15）に流入しにくくなるのを抑制できる。

本開示の第１０の態様は、
圧縮部（20）と放熱器（13）と気液分離器（15）とを備える熱源ユニット（10）と、利用側機器である利用ユニット（50，60）とを有し、高圧圧力が冷媒の臨界圧力以上となる冷凍サイクルを行う冷凍装置であって、
上記熱源ユニット（10）が、第１から第９の態様の何れか１つの熱源ユニットであることを特徴とする。

第１０の態様では、超臨界サイクルを行う冷媒回路（6）を有する冷凍装置において、気液分離器（15）内の圧力が冷媒回路（6）の高圧圧力より高くなるのを抑えることで、冷媒が気液分離器（15）に流入しにくくなるのを抑制できる。

図１は、実施形態に係る冷凍装置の配管系統図である。 図２は、冷設運転の冷媒の流れを示した図１相当図である。 図３は、冷房運転の冷媒の流れを示した図１相当図である。 図４は、冷房/冷設運転の冷媒の流れを示した図１相当図である。 図５は、暖房運転の冷媒の流れを示した図１相当図である。 図６は、暖房/冷設運転の冷媒の流れを示した図１相当図である。 図７は、暖房/冷設熱回収運転の冷媒の流れを示した図１相当図である。 図８は、暖房/冷設余熱運転の冷媒の流れを示した図１相当図である。 図９は、気液分離器の冷媒の温度を室外膨張弁で制御する動作を示すフローチャートである。 図１０は、気液分離器の冷媒の温度を第２減圧弁で制御する動作を示すフローチャートである。 図１１は、一定圧力における冷媒の温度と比体積の関係を示すグラフである。 図１２は、冷媒の圧力と密度の関係を示すグラフである。 図１３は、冷凍サイクルのＰ−ｈ線図である。

以下、実施形態に係る室外ユニット（熱源ユニット）及び冷凍装置について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

《実施形態１》
〈全体構成〉
実施形態１に係る冷凍装置（1）は、冷却対象の冷却と、室内の空調とを同時に行う。ここでいう冷却対象は、冷蔵庫、冷凍庫、ショーケースなどの冷凍設備を含む。以下では、このような冷却対象の冷凍設備を略して冷設と称する。

図１に示すように、冷凍装置（1）は、室外に設置される室外ユニット（10）と、冷蔵庫等の貯蔵庫の庫内の空気を冷却する冷設ユニット（50）と、室内の空調を行う室内ユニット（60）と、コントローラ（100）とを備える。冷設ユニット（50）及び室内ユニット（60）の数量は、１つに限らず、２つ以上であってもよい。本実施形態では、これらのユニット（10,50,60）が４本の連絡配管（2,3,4,5）によって接続されることで、冷媒回路（6）が構成される。

４本の連絡配管（2,3,4,5）は、第１液連絡配管（2）、第１ガス連絡配管（3）、第２液連絡配管（4）、及び第２ガス連絡配管（5）で構成される。第１液連絡配管（2）及び第１ガス連絡配管（3）は、冷設ユニット（50）に対応する。第２液連絡配管（4）及び第２ガス連絡配管（5）は、室内ユニット（60）に対応する。

冷媒回路（6）では、冷媒が循環することで冷凍サイクルが行われる。本実施形態の冷媒回路（6）の冷媒は、二酸化炭素である。冷媒回路（6）は、冷媒の高圧圧力が臨界圧力以上となる冷凍サイクルを行うように構成される。

〈室外ユニット〉
室外ユニット（10）は、屋外に設置される熱源ユニットである。室外ユニット（10）は、室外ファン（12）と、室外回路（11）とを有する。室外回路（11）は、圧縮部（20）、切換ユニット（30）、室外熱交換器（13）、室外膨張弁（14）、気液分離器（15）、第１冷却熱交換器（16）、中間冷却器（17）、及び第２冷却熱交換器（18）（冷却器（19））を有する。

〈圧縮部〉
圧縮部（20）は、冷媒を圧縮する。圧縮部（20）は、第１圧縮機（21）、第２圧縮機（22）、及び第３圧縮機（23）を有する。圧縮部（20）は、二段圧縮式に構成される。第２圧縮機（22）及び第３圧縮機（23）は、低段側圧縮機を構成する。第２圧縮機（22）及び第３圧縮機（23）は、互いに並列に接続される。第１圧縮機（21）は、高段側圧縮機を構成する。第１圧縮機（21）及び第２圧縮機（22）は、直列に接続される。第１圧縮機（21）及び第３圧縮機（23）は、直列に接続される。第１圧縮機（21）、第２圧縮機（22）、及び第３圧縮機（23）は、モータによって圧縮機構が駆動される回転式圧縮機である。第１圧縮機（21）、第２圧縮機（22）、及び第３圧縮機（23）は、運転周波数、ないし回転速度が調節可能な可変容量式に構成される。

第１圧縮機（21）には、第１吸入管（21a）及び第１吐出管（21b）が接続される。第２圧縮機（22）には、第２吸入管（22a）及び第２吐出管（22b）が接続される。第３圧縮機（23）には、第３吸入管（23a）及び第３吐出管（23b）が接続される。

第２吸入管（22a）は、冷設ユニット（50）に連通する。第２圧縮機（22）は、冷設ユニット（50）に対応する冷設側圧縮機である。第３吸入管（23a）は、室内ユニット（60）に連通する。第３圧縮機（23）は、室内ユニット（60）に対応する室内側圧縮機である。

〈切換ユニット〉
切換ユニット（30）は、冷媒の流路を切り換える。切換ユニット（30）は、第１配管（31）、第２配管（32）、第３配管（33）、第４配管（34）、第１三方弁（TV1）、及び第２三方弁（TV2）を有する。第１配管（31）の流入端と、第２配管（32）の流入端とは、第１吐出管（21b）に接続する。第１配管（31）及び第２配管（32）は、圧縮部（20）の吐出圧が作用する配管である。第３配管（33）の流出端と、第４配管（34）の流出端とは、第３圧縮機（23）の第３吸入管（23a）に接続する。第３配管（33）及び第４配管（34）は、圧縮部（20）の吸入圧が作用する配管である。

第１三方弁（TV1）は、第１ポート（P1）、第２ポート（P2）、及び第３ポート（P3）を有する。第１三方弁（TV1）の第１ポート（P1）は、高圧流路である第１配管（31）の流出端に接続する。第１三方弁（TV1）の第２ポート（P2）は、低圧流路である第３配管（33）の流入端に接続する。第１三方弁（TV1）の第３ポート（P3）は、室内ガス側流路（35）に接続する。

第２三方弁（TV2）は、第１ポート（P1）、第２ポート（P2）、及び第３ポート（P3）を有する。第２三方弁（TV2）の第１ポート（P1）は、高圧流路である第２配管（32）の流出端に接続する。第２三方弁（TV2）の第２ポート（P2）は、低圧流路である第４配管（34）の流入端に接続する。第２三方弁（TV2）の第３ポート（P3）は、室外ガス側流路（36）に接続する。

第１三方弁（TV1）及び第２三方弁（TV2）は、電動式の三方弁である。各三方弁（TV1,TV2）は、第１状態（図１の実線で示す状態）と第２状態（図１の破線で示す状態）とにそれぞれ切り換わる。第１状態の各三方弁（TV1,TV2）では、第１ポート（P1）と第３ポート（P3）とが連通し、且つ第２ポート（P2）が閉鎖される。第２状態の各三方弁（TV1,TV2）では、第２ポート（P2）と第３ポート（P3）とが連通し、第１ポート（P1）が閉鎖される。

〈室外熱交換器〉
室外熱交換器（13）は、熱源熱交換器を構成している。室外熱交換器（13）は、フィン・アンド・チューブ型の空気熱交換器である。室外ファン（12）は、室外熱交換器（13）の近傍に配置される。室外ファン（12）は、室外空気を搬送する。室外熱交換器は、その内部を流れる冷媒と、室外ファン（12）が搬送する室外空気とを熱交換させる。

室外熱交換器（13）のガス端には、室外ガス側流路（36）が接続される。室外熱交換器（13）の液端には、室外流路（O）が接続される。

室外熱交換器（13）は、冷房運転時に放熱器となる熱交換器である。

〈室外流路〉
室外流路（O）は、室外第１管（o1）、室外第２管（o2）、室外第３管（o3）、室外第４管（o4）、室外第５管（o5）、室外第６管（o6）、室外第７管（o7）、及び室外第８管（o8）を含む。室外第１管（o1）の一端は、室外熱交換器（13）の液端に接続される。室外第１管（o1）の他端には、室外第２管（o2）の一端、及び室外第３管（o3）の一端がそれぞれ接続される。室外第２管（o2）の他端は、気液分離器（15）の頂部に接続される。室外第４管（o4）の一端は、気液分離器（15）の底部に接続される。室外第４管（o4）の他端には、室外第５管（o5）の一端及び室外第３管（o3）の他端がそれぞれ接続される。室外第５管（o5）の他端は、第１液連絡配管（2）に接続する。室外第６管（o6）の一端は、室外第５管（o5）の途中に接続する。室外第６管（o6）の他端は、第２液連絡配管（4）に接続する。室外第７管（o7）の一端は、室外第６管（o6）の途中に接続する。室外第7管（o7）の他端は、室外第２管（o2）の途中に接続する。室外第８管（o8）については後述する。

〈室外膨張弁〉
室外膨張弁（14）は、室外第１管（o1）に接続される。室外膨張弁（14）は、冷媒を減圧する減圧機構である。室外膨張弁（14）は、熱源膨張弁である。室外膨張弁（14）は、開度が可変な電子膨張弁である。

〈気液分離器〉
本実施形態の気液分離器（15）は、冷媒を貯留する容器を構成し、受液機の機能も有する。気液分離器（15）は、冷媒をガス冷媒と液冷媒とに分離する。気液分離器（15）の頂部には、室外第２管（o2）の他端と、ガス抜き管（37）の一端が接続される。ガス抜き管（37）の他端は、インジェクション通路（38）の途中に接続される。ガス抜き管（37）には、ガス抜き弁（39）が接続される。ガス抜き弁（39）は、開度が可変な電子膨張弁である。

〈第１冷却熱交換器〉
第１冷却熱交換器（16）は、気液分離器（15）で分離された冷媒（主として液冷媒）を冷却する。第１冷却熱交換器（16）は、第１冷媒流路（16a）と、第２冷媒流路（16b）とを有する。第１冷媒流路（16a）は、室外第４管（o4）の途中に接続される。第２冷媒流路（16b）は、インジェクション通路（38）の途中に接続される。

インジェクション通路（38）の一端は、室外第４管（o4）の途中（第１冷媒流路（16a）の下流側）に接続される。インジェクション通路（38）の他端は、第１圧縮機（21）の第１吸入管（21a）に接続される。換言すると、インジェクション通路（38）の他端は、圧縮部（20）の中間圧力部分に接続される。インジェクション通路（38）には、第２冷媒流路（16b）よりも上流側に第１減圧弁（40）が設けられる。第１減圧弁（40）は、開度が可変の膨張弁である。

第１冷却熱交換器（16）では、第１冷媒流路（16a）を流れる冷媒と、第２冷媒流路（16b）を流れる冷媒とが熱交換する。第２冷媒流路（16b）は、第１減圧弁（40）で減圧された冷媒が流れる。第１冷却熱交換器（16）では、第１冷媒流路（16a）を流れる冷媒が冷却される。

〈第２冷却熱交換器〉
第２冷却熱交換器（18）（冷却器（19））は、気液分離器（15）へ流入する高圧の冷媒を低圧の冷媒との熱交換により冷却する熱交換器である。第２冷却熱交換器（18）は、室外熱交換器（冷房運転時の放熱器）（13）と気液分離器（15）との間の冷媒配管（室外第２管（o2））に設けられる。第２冷却熱交換器（18）は、第１冷媒流路（18a）と、第２冷媒流路（18b）とを有する。第１冷媒流路（18a）は、室外第２管（o2）の途中（室外第7管（o7）の接続点より下流側）に接続される。第２冷媒流路（18b）は、室外第８管（o8）の途中に接続される。

室外第８管（o8）の一端は、室外第４管（o4）の途中（室外第４管（o4）とインジェクション通路（38）との接続点と、第１冷却熱交換器（16）との間）に接続される。室外第８管（o8）の他端は、後述の中間流路（41）の途中（第１吸入管（21a）と中間熱交換器（17）との間）に接続される。室外第８管（o8）には、第２冷媒流路（18b）よりも上流側に第２減圧弁（48）が設けられる。第２減圧弁（48）は、開度が可変の膨張弁である。

第２冷却熱交換器（18）では、第１冷媒流路（18a）を流れる冷媒と、第２冷媒流路（18b）を流れる冷媒とが熱交換する。第２冷媒流路（18b）は、第２減圧弁（48）で減圧された冷媒が流れる。第２冷却熱交換器（18）では、第１冷媒流路（18a）を流れる冷媒が冷却される。

本実施形態においては、室外熱交換器（13）と気液分離器（15）との間の冷媒配管（室外第１管（o1））に設けられる室外膨張弁（膨張装置）（14）は、第２冷却熱交換器（18）とともに、冷却器（19）として機能する。室外膨張弁（14）は第２冷却熱交換器（18）の上流側に接続されている。

〈中間冷却器〉
中間冷却器（17）は、中間流路（41）に接続される。中間流路（41）の一端は、第２圧縮機（22）の第２吐出管（22b）、及び第３圧縮機（23）の第３吐出管（23b）に接続される。中間流路（41）の他端は、第１圧縮機（21）の第１吸入管（21a）に接続される。換言すると、中間流路（41）の他端は、圧縮部（20）の中間圧力部に接続される。

中間冷却器（17）は、フィン・アンド・チューブ型の空気熱交換器である。中間冷却器（17）の近傍には、冷却ファン（17a）が配置される。中間冷却器（17）は、その内部を流れる冷媒と、冷却ファン（17a）が搬送する室外空気とを熱交換させる。

〈油分離回路〉
室外回路（11）は、油分離回路（42）を含む。油分離回路（42）は、油分離器（43）と、第１油戻し管（44）と、第２油戻し管（45）とを有する。油分離器（43）は、第１圧縮機（21）の第１吐出管（21b）に接続される。油分離器（43）は、圧縮部（20）から吐出された冷媒から油を分離する。第１油戻し管（44）及び第２油戻し管（45）の流入端は、油分離器（43）に接続される。第１油戻し管（44）の流出端は、第２圧縮機（22）の第２吸入管（22a）に接続される。第２油戻し管（45）の流出端は、第３圧縮機（23）の第３吸入管（23a）に接続される。第１油戻し管（44）には、第１油量調節弁（46）が接続される。第２油戻し管（45）には、第２油量調節弁（47）が接続される。

油分離器（43）で分離された油は、第１油戻し管（44）を介して第２圧縮機（22）に戻される。油分離器（43）で分離された油は、第２油戻し管（45）を介して第３圧縮機（23）に戻される。なお、油分離器（43）で分離された油を、第２圧縮機（22）のケーシング内の油溜まりに直接戻してもよい。油分離器（43）で分離された油を、第３圧縮機（23）のケーシング内の油溜まりに直接戻してもよい。

〈バイパス通路〉
第１吸入管（21a）と第２吸入管（21b）には、第１圧縮機（21）をバイパスする第１バイパス通路（26）が接続される。第１バイパス通路（26）には、第１吸入管（21a）から第２吸入管（21b）への冷媒の流れを許容し、逆方向への冷媒の流れを禁止する逆止弁（27）が接続される。第１圧縮機（21）の吐出側流路（21b）と第２圧縮機（22）の第２吸入側流路（22a）には、第２バイパス通路（28）が接続される。第２バイパス通路（28）には、バイパス弁（29）が接続される。バイパス弁（29）は、第２バイパス通路（28）の冷媒の流量を調整する電子膨張弁で構成される。

〈逆止弁〉
室外回路（11）は、第１逆止弁（CV1）、第２逆止弁（CV2）、第３逆止弁（CV3）、第４逆止弁（CV4）、第５逆止弁（CV5）、第６逆止弁（CV6）、及び第７逆止弁（CV7）を有する。第１逆止弁（CV1）は、第１吐出管（21b）に接続される。第２逆止弁（CV2）は、第２吐出管（22b）に接続される。第３逆止弁（CV3）は、第３吐出管（23b）に接続される。第４逆止弁（CV4）は、室外第２管（o2）に接続される。第５逆止弁（CV5）は、室外第３管（o3）に接続される。第６逆止弁（CV6）は、室外第６管（o6）に接続される。第７逆止弁（CV7）は、室外第７管（o7）に接続される。これらの逆止弁（CV1〜CV7）は、図１に示す矢印方向の冷媒の流れを許容し、この矢印と反対方向の冷媒の流れを禁止する。

〈冷設ユニット〉
冷設ユニット（50）は、例えば冷蔵倉庫に設置される利用ユニット（利用側機器）である。冷設ユニット（50）は、庫内ファン（52）と冷設回路（51）とを有する。冷設回路（51）の液端には、第１液連絡配管（2）が接続される。冷設回路（51）のガス端には、第１ガス連絡配管（3）が接続される。

冷設回路（51）は、液端からガス端に向かって順に、冷設膨張弁（53）及び冷設熱交換器（54）を有する。冷設膨張弁（53）は、第１の利用膨張弁である。冷設膨張弁（53）は、開度が可変な電子膨張弁で構成される。

冷設熱交換器（54）は、第１の利用熱交換器である。冷設熱交換器（54）は、フィン・アンド・チューブ型の空気熱交換器である。庫内ファン（52）は、冷設熱交換器（54）の近傍に配置される。庫内ファン（52）は、庫内空気を搬送する。冷設熱交換器（54）は、その内部を流れる冷媒と、庫内ファン（52）が搬送する庫内空気とを熱交換させる。

〈室内ユニット〉
室内ユニット（60）は、屋内に設置される利用ユニット（利用側機器）である。室内ユニット（60）は、室内ファン（62）と、室内回路（61）とを有する。室内回路（61）の液端には、第２液連絡配管（4）が接続される。室内回路（61）のガス端には、第２ガス連絡配管（5）が接続される。

室内回路（61）は、液端からガス端に向かって順に、室内膨張弁（63）及び室内熱交換器（64）を有する。室内膨張弁（63）は、第２の利用膨張弁である。室内膨張弁（63）は、開度が可変な電子膨張弁である。

室内熱交換器（64）は、第２の利用熱交換器である。室内熱交換器（64）は、フィン・アンド・チューブ型の空気熱交換器である。室内ファン（62）は、室内熱交換器（64）の近傍に配置される。室内ファン（62）は、室内空気を搬送する。室内熱交換器（64）は、その内部を流れる冷媒と、室内ファン（62）が搬送する室内空気とを熱交換させる。

室内熱交換器（64）は、暖房運転時に放熱器となる熱交換器である。

〈センサ〉
冷凍装置（1）は、各種のセンサ（図示省略）を有する。これらのセンサが検出する指標の一例として、冷媒回路（6）の高圧冷媒の温度／圧力、気液分離器（15）内の冷媒の温度／圧力、低圧冷媒の温度／圧力、中間圧冷媒の温度／圧力、室外熱交換器（13）の冷媒の温度、冷設熱交換器（54）の冷媒の温度、室内熱交換器（64）の冷媒の温度、第２圧縮機（22）の吸入冷媒の過熱度、第３圧縮機（23）の吸入冷媒の過熱度、室外空気の温度、庫内空気の温度、室内空気の温度がなど挙げられる。

〈コントローラ〉
制御器であるコントローラ（100）は、制御基板上に搭載されたマイクロコンピュータと、該マイクロコンピュータを動作させるためのソフトウエアを格納するメモリディバイス（具体的には半導体メモリ）とを含む。コントローラ（100）は、運転指令やセンサの検出信号に基づいて、冷凍装置（1）の各機器を制御する。コントローラ（100）による各機器の制御により、冷凍装置（1）の運転が切り換えられる。コントローラ（100）は、冷媒回路（6）の高圧冷媒の温度を検出する温度センサを含む各種センサと、通信線で接続されている。コントローラ（100）は、第１圧縮機（21），第２圧縮機（22），及び第３圧縮機（23）などを含む冷媒回路（6）の構成部品と通信線で接続されている。

〈コントローラによる冷媒の冷却制御〉
コントローラ（100）は、冷凍装置（1）の運転中に、気液分離器（15）内の二酸化炭素冷媒が臨界点の温度（約３２℃）よりも低い温度になるように、第２冷却熱交換器（18）や室外膨張弁（14）を制御する。

コントローラ（100）は、外気温度が所定値より高くなると、第２冷却熱交換器（18）の冷却能力を高めるように制御し、必要に応じて室外膨張弁（14）の開度を開く制御をする。これにより、気液分離器（15）内の冷媒の温度の目標値を、臨界点の温度より低い温度の範囲内で低下させる。コントローラ（100）は、外気温度が所定値以下になると、第２冷却熱交換器（18）の冷却能力を低下させるように制御し、必要に応じて室外膨張弁（14）の開度を閉める制御をする。これにより、気液分離器（15）内の冷媒の温度の目標値を、臨界点の温度より低い温度の範囲内で上昇させる。

コントローラ（100）は、冷却負荷に応じて気液分離器（15）の冷媒の温度を制御する。具体的には、コントローラ（100）は、気液分離器（15）内の冷媒の温度の目標値を臨界点の温度より低い温度の範囲内に維持しつつ、利用側の冷却負荷が基準値に対して大きくなると上記目標値を低下させる。コントローラは、逆に冷却負荷が基準値に対して小さくなると上記目標値を上昇させる。

コントローラ（100）は、外気温度が臨界点の温度より所定温度低い場合には、制御器を停止する制御を行う。

コントローラ（100）は、冷凍装置（1）の設置時などに行う冷媒回路に冷媒を充填する時にも、外気温度が冷媒の臨界点の温度より高いと、気液分離器（15）内の冷媒を臨界点の温度よりも低い温度にするように、冷却器（19）を制御する。

−運転動作−
冷凍装置（1）の運転動作について詳細に説明する。冷凍装置（1）の運転は、冷設運転、冷房運転、冷房/冷設運転、暖房運転、暖房/冷設運転、暖房/冷設熱回収運転、暖房/冷設余熱運転、及びデフロスト運転を含む。

冷設運転では、冷設ユニット（50）が運転され、室内ユニット（60）は停止する。冷房運転では、冷設ユニット（50）が停止し、室内ユニット（60）が冷房を行う。冷房/冷設運転では、冷設ユニット（50）が運転され、室内ユニット（60）が冷房を行う。暖房運転では、冷設ユニット（50）が停止し、室内ユニット（60）が暖房を行う。暖房/冷設運転、暖房/冷設熱回収運転、及び暖房/冷設余熱運転のいずれにおいても、冷設ユニット（50）が運転され、室内ユニット（60）が暖房を行う。デフロスト運転では、冷設ユニット（50）が運転され、室外熱交換器（13）の表面の霜を融かす動作が行われる。

暖房/冷設運転は、室内ユニット（60）の必要な暖房能力が比較的大きい条件下で実行される。暖房/冷設余熱運転は、室内ユニット（60）の必要な暖房能力が比較的小さい条件下で実行される。暖房/冷設熱回収運転は、室内ユニット（60）の必要な暖房能力が、暖房/冷設運転の間である条件下（冷設と暖房がバランスする条件下）で実行される。

〈冷設運転〉
図２に示す冷設運転では、第１三方弁（TV1）が第２状態、第２三方弁（TV2）が第１状態となる。室外膨張弁（14）が所定開度で開放され、冷設膨張弁（53）の開度が過熱度制御により調節され、室内膨張弁（63）が全閉状態となり、第１減圧弁（40）の開度が適宜調節される。室外ファン（12）及び庫内ファン（52）が運転され、室内ファン（62）は停止する。第１圧縮機（21）及び第２圧縮機（22）が運転され、第３圧縮機（23）は停止する。冷設運転では、圧縮部（20）で圧縮された冷媒が、室外熱交換器（13）で放熱し、冷設熱交換器（54）で蒸発する冷凍サイクルが行われる。

図２に示すように、第２圧縮機（22）で圧縮された冷媒は、中間冷却器（17）で冷却された後、第１圧縮機（21）に吸入される。第１圧縮機（21）で圧縮された冷媒は、室外熱交換器（13）で放熱し、第２冷却熱交換器（18）で冷却され、気液分離器（15）を流れ、第１冷却熱交換器（16）の第１冷媒流路（16a）で冷却される。第１冷媒流路（16a）の冷媒を冷却した第２冷媒流路（16b）の冷媒は、インジェクション通路（38）を流れ、第１圧縮機（21）に吸入される。第１冷却熱交換器（16）の第１冷媒流路（16a）で冷却された冷媒は、冷設膨張弁（53）で減圧された後、冷設熱交換器（54）で蒸発する。この結果、庫内空気が冷却される。第１冷却熱交換器（16）で蒸発した冷媒は、第２圧縮機（22）に吸入され、再び圧縮される。

〈冷房運転〉
図３に示す冷房運転では、第１三方弁（TV1）が第２状態、第２三方弁（TV2）が第１状態となる。室外膨張弁（14）が所定開度で開放され、冷設膨張弁（53）が全閉状態となり、室内膨張弁（63）の開度が過熱度制御により調節され、第１減圧弁（40）の開度が適宜調節される。室外ファン（12）、及び室内ファン（62）が運転され、庫内ファン（52）は停止する。第１圧縮機（21）及び第３圧縮機（23）が運転され、第２圧縮機（22）は停止する。冷房運転では、圧縮部（20）で圧縮された冷媒が、室外熱交換器（13）で放熱し、室内熱交換器（64）で蒸発する冷凍サイクルが行われる。

図３に示すように、第３圧縮機（23）で圧縮された冷媒は、中間冷却器（17）で冷却された後、第１圧縮機（21）に吸入される。第１圧縮機（21）で圧縮された冷媒は、室外熱交換器（13）で放熱し、第２冷却熱交換器（18）で冷却され、気液分離器（15）を流れ、第１冷却熱交換器（16）の第１冷媒流路（16a）で冷却される。第１冷媒流路（16a）の冷媒を冷却した第２冷媒流路（16b）の冷媒は、インジェクション通路（38）を流れ、第１圧縮機（21）に吸入される。第１冷却熱交換器（16）の第１冷媒流路（16a）で冷却された冷媒は、室内膨張弁（63）で減圧された後、室内熱交換器（64）で蒸発する。この結果、室内空気が冷却される。室内熱交換器（64）で蒸発した冷媒は、第３圧縮機（23）に吸入され、再び圧縮される。

〈冷房/冷設運転〉
図４に示す冷房／冷設運転では、第１三方弁（TV1）が第２状態、第２三方弁（TV2）が第１状態となる。室外膨張弁（14）が所定開度で開放され、冷設膨張弁（53）及び室内膨張弁（63）の各開度が過熱度制御により調節され、第１減圧弁（40）の開度が適宜調節される。室外ファン（12）、庫内ファン（52）、及び室内ファン（62）が運転される。第１圧縮機（21）、第２圧縮機（22）、及び第３圧縮機（23）が運転される。冷房/冷設運転では、圧縮部（20）で圧縮された冷媒が、室外熱交換器（13）で放熱し、冷設熱交換器（54）及び室内熱交換器（64）で蒸発する冷凍サイクルが行われる。

図４に示すように、第２圧縮機（22）及び第３圧縮機（23）でそれぞれ圧縮された冷媒は、第１圧縮機（21）に吸入される。第１圧縮機（21）で圧縮された冷媒は、室外熱交換器（13）で放熱し、第２冷却熱交換器（18）で冷却され、気液分離器（15）を流れ、第１冷却熱交換器（16）の第１冷媒流路（16a）で冷却される。第１冷媒流路（16a）の冷媒を冷却した第２冷媒流路（16b）の冷媒は、インジェクション通路（38）を流れ、第１圧縮機（21）に吸入される。第１冷却熱交換器（16）の第１冷媒流路（16a）で冷却された冷媒は、冷設ユニット（50）と室内ユニット（60）とに分流する。冷設膨張弁（53）で減圧された冷媒は、冷設熱交換器（54）で蒸発する。冷設熱交換器（54）で蒸発した冷媒は、第２圧縮機（22）に吸入され、再び圧縮される。室内膨張弁（63）で減圧された冷媒は、室内熱交換器（64）で蒸発する。室内熱交換器（64）で蒸発した冷媒は、第３圧縮機（23）に吸入され、再び圧縮される。

〈暖房運転〉
図５に示す暖房運転では、第１三方弁（TV1）が第１状態、第２三方弁（TV2）が第２状態となる。室内膨張弁（63）が所定開度で開放され、冷設膨張弁（53）が全閉状態となり、室外膨張弁（14）の開度が過熱度制御により調節され、第１減圧弁（40）の開度が適宜調節される。室外ファン（12）及び室内ファン（62）が運転され、庫内ファン（52）が停止する。第１圧縮機（21）及び第３圧縮機（23）が運転され、第２圧縮機（22）は停止する。暖房運転では、圧縮部（20）で圧縮された冷媒が、室内熱交換器（64）で放熱し、室外熱交換器（13）で蒸発する冷凍サイクルが行われる。

図５に示すように、第３圧縮機（23）で圧縮された冷媒は、第１圧縮機（21）に吸入される。第１圧縮機（21）で圧縮された冷媒は、室内熱交換器（64）で放熱する。この結果、室内空気が加熱される。室内熱交換器（64）で放熱した冷媒は、第２冷却熱交換器（18）で冷却され、気液分離器（15）を流れ、第１冷却熱交換器（16）の第１冷媒流路（16a）で冷却される。第１冷媒流路（16a）の冷媒を冷却した第２冷媒流路（16b）の冷媒は、インジェクション通路（38）を流れ、第１圧縮機（21）に吸入される。第１冷却熱交換器（16）の第１冷媒流路（16a）で冷却された冷媒は、室外膨張弁（14）で減圧された後、室外熱交換器（13）で蒸発する。室外熱交換器（13）で蒸発した冷媒は、第３圧縮機（23）に吸入され、再び圧縮される。

〈暖房/冷設運転〉
図６に示す暖房/冷設運転では、第１三方弁（TV1）が第１状態、第２三方弁（TV2）が第２状態に設置される。室内膨張弁（63）が所定開度で開放され、冷設膨張弁（53）及び室外膨張弁（14）の開度が過熱度制御により調節され、第１減圧弁（40）の開度が適宜調節される。室外ファン（12）、庫内ファン（52）、及び室内ファン（62）が運転される。第１圧縮機（21）、第２圧縮機（22）、及び第３圧縮機（23）が運転される。暖房/冷設運転では、圧縮部（20）で圧縮された冷媒が、室内熱交換器（64）で放熱し、冷設熱交換器（54）及び室外熱交換器（13）で蒸発する冷凍サイクルが行われる。

図６に示すように、第２圧縮機（22）及び第３圧縮機（23）でそれぞれ圧縮された冷媒は、第１圧縮機（21）に吸入される。第１圧縮機（21）で圧縮された冷媒は、室内熱交換器（64）で放熱する。この結果、室内空気が加熱される。室内熱交換器（64）で放熱した冷媒は、第２冷却熱交換器（18）で冷却され、気液分離器（15）を流れ、第１冷却熱交換器（16）の第１冷媒流路（16a）で冷却される。第１冷媒流路（16a）の冷媒を冷却した第２冷媒流路（16b）の冷媒は、インジェクション通路（38）を流れ、第１圧縮機（21）に吸入される。第１冷却熱交換器（16）の第１冷媒流路（16a）で冷却された冷媒の一部は、室外膨張弁（14）で減圧された後、室外熱交換器（13）で蒸発する。室外熱交換器（13）で蒸発した冷媒は、第３圧縮機（23）に吸入され、再び圧縮される。

第１冷却熱交換器（16）の第１冷媒流路（16a）で冷却された冷媒の残りは、冷設膨張弁（53）で減圧された後、冷設熱交換器（54）で蒸発する。この結果、庫内空気が冷却される。冷設熱交換器（54）で蒸発した冷媒は、第２圧縮機（22）に吸入され、再び圧縮される。

〈暖房/冷設熱回収運転〉
図７に示す暖房/冷設熱回収運転は、第１三方弁（TV1）が第１状態、第２三方弁（TV2）が第２状態となる。室内膨張弁（63）が所定開度で開放され、室外膨張弁（14）が全閉状態となり、冷設膨張弁（53）の開度が過熱度制御により調節され、第１減圧弁（40）の開度が適宜調節される。室内ファン（62）及び庫内ファン（52）が運転され、室外ファン（12）が停止する。第１圧縮機（21）及び第２圧縮機（22）が運転され、第３圧縮機（23）は停止する。暖房/冷設熱回収運転では、圧縮部（20）で圧縮された冷媒が、室内熱交換器（64）で放熱し、冷設熱交換器（54）で蒸発し、室外熱交換器（13）が実質的に停止する冷凍サイクルが行われる。

図７に示すように、第２圧縮機（22）で圧縮された冷媒は、第１圧縮機（21）に吸入される。第１圧縮機（21）で圧縮された冷媒は、室内熱交換器（64）で放熱する。この結果、室内空気が加熱される。室内熱交換器（64）で放熱した冷媒は、第２冷却熱交換器（18）で冷却され、気液分離器（15）を流れ、第１冷却熱交換器（16）の第１冷媒流路（16a）で冷却される。第１冷媒流路（16a）の冷媒を冷却した第２冷媒流路（16b）の冷媒は、インジェクション通路（38）を流れ、第１圧縮機（21）に吸入される。第１冷却熱交換器（16）の第１冷媒流路（16a）で冷却された冷媒は、冷設膨張弁（53）で減圧された後、冷設熱交換器（54）で蒸発する。冷設熱交換器（54）で蒸発した冷媒は、第２圧縮機（22）に吸入され、再び圧縮される。

〈暖房/冷設余熱運転〉
図８に示すように、暖房/冷設余熱運転では、第１三方弁（TV1）が第１状態、第２三方弁（TV2）が第１状態となる。室内膨張弁（63）及び室外膨張弁（14）が所定開度で開放され、冷設膨張弁（53）の開度が過熱度制御により調節され、第１減圧弁（40）の開度が適宜調節される。室外ファン（12）、庫内ファン（52）、及び室内ファン（62）が運転される。第１圧縮機（21）及び第２圧縮機（22）が運転され、第３圧縮機（23）は停止する。暖房/冷設余熱運転では、圧縮部（20）で圧縮された冷媒が、室内熱交換器（64）及び室外熱交換器（13）で放熱し、冷設熱交換器（54）で蒸発する冷凍サイクルが行われる。

図８に示すように、第２圧縮機（22）で圧縮された冷媒は、第１圧縮機（21）に吸入される。第１圧縮機（21）で圧縮された冷媒の一部は、室外熱交換器（13）で放熱する。第１圧縮機（21）で圧縮された冷媒の残りは、室内熱交換器（64）で放熱する。この結果、室内空気が加熱される。室外熱交換器（13）で放熱した冷媒と、室内熱交換器（64）で放熱した冷媒とは、合流した後、第２冷却熱交換器（18）で冷却され、気液分離器（15）を流れ、第１冷却熱交換器（16）の第１冷媒流路（16a）で冷却される。第１冷媒流路（16a）の冷媒を冷却した第２冷媒流路（16b）の冷媒は、インジェクション通路（38）を流れ、第１圧縮機（21）に吸入される。第１冷却熱交換器（16）の第１冷媒流路（16a）で冷却された冷媒は、冷設膨張弁（53）で減圧された後、冷設熱交換器（54）で蒸発する。この結果、庫内空気が冷却される。冷設熱交換器（54）で蒸発した冷媒は、第２圧縮機（22）に吸入され、再び圧縮される。

〈デフロスト運転〉
デフロスト運転では、図４に示す冷房運転と同じ動作が行われる。デフロスト運転では、第２圧縮機（22）及び第１圧縮機（21）で圧縮された冷媒が、室外熱交換器（13）で放熱する。この結果、室外熱交換器（13）の表面の霜が内部から加熱される。室外熱交換器（13）の除霜に利用された冷媒は、室内熱交換器（64）で蒸発した後、第２圧縮機（22）に吸入され、再び圧縮される。

〈気液分離器の冷媒の温度制御〉
本実施形態では、例えば、冷房運転時や冷房／冷設運転時に外気温度が冷媒の臨界点の温度よりも高い場合に、気液分離器（15）に流入する冷媒を冷却する制御が行われる。

この制御について、図９及び図１０のフローチャートを用いて説明する。図９は、室外膨張弁（14）（図９ではＥＶ１と表記）の制御を示している。このフローチャートのステップST１では、高圧圧力（HP）が１０Ｍｐａより高いかどうかが判別される。判別結果が「ＹＥＳ」であると高圧圧力が高すぎる状態であり、この状態では、ステップST２において、パルスモータで制御される室外膨張弁（14）を、開度が全開となる４８０ｐｌｓに設定する。このことにより、高圧の冷媒を第２冷却熱交換器（18）へ流入させ、後述する図１０のフローチャートに示す第２減圧弁（48）の制御により、その高圧の冷媒を第２冷却熱交換器（18）で冷却する。

ステップST１の判別結果が「ＮＯ」であるとステップST３へ進み、高圧圧力（HP）が９．５ＭＰａより低く、気液分離器（15）の内部の圧力（RP）が７ＭＰａより高いという２つの条件をいずれも満たしているかどうかが判別される。この２つの条件が満たされていると、ステップST４へ進み、室外膨張弁（14）を閉める制御を行う。このとき、２５０ｐｌｓを下限開度とする。ステップST３の条件が満たされているときは、ＨＰ＜９．５（ＭＰａ）であるから室外膨張弁（14）を閉めてもＨＰ＞１０（ＭＰａ）には直ぐには上昇せず、ＲＰ＞７（ＭＰａ）で気液分離器（15）内が超臨界圧であるから、室外膨張弁（14）を絞ることで気液分離器（15）の内部の圧力が低下して、臨界圧力よりも下がっていく。

次に、ＨＰ＞１０（ＭＰａ）である時に行われる第２減圧弁（48）の制御を図１０のフローチャートを用いて説明する。このフローチャートの制御が開始されると、ステップST１１において、３つの条件の何れかが満たされているかどうかが判別される。

ステップST１１の第１の条件は、空調用の第３圧縮機（23）が最大周波数で運転され、且つ空調側の低圧圧力（LP2）が目標低圧圧力より高いことである。第２の条件は、冷設用の第２圧縮機（22）が最大周波数で運転され、且つ冷設側の低圧圧力（LP2）が目標低圧圧力より高いことである。第３の条件は、気液分離器（15）の内部の圧力（RP）が７ＭＰａより高く、気液分離器（15）の内部が臨界圧力より高いことである。

ステップST１１の３つの条件のいずれかが満たされていると、ステップST１２へ進んで、第２減圧弁（48）の開度が０ｐｌｓより大きいかどうか、言い換えると第２減圧弁（48）が少しでも開いているかどうかが判別される。第２減圧弁（48）が少しでも開いていると、ステップST１３において、冷媒が第２冷却熱交換器（18）で冷却され、第２冷却熱交換器（18）の出口冷媒の過熱度の目標値が下げられる。第２冷却熱交換器（18）の出口冷媒の過熱度の目標値を下げるのは、ステップST１１の判別結果により、冷設や空調に高めの能力が求められていると判断され、それに応じて気液分離器（15）内の冷媒を液化させ、冷媒循環量を確保するためである。

ステップST１２の判別の結果、第２減圧弁（48）が閉じている場合は、ステップST１４において、第２減圧弁（48）の開度を５０ｐｌｓに設定し、全開（４８０ｐｌｓ）の１０分の１程度だけ開き、リターンする。この状態でステップST１１に戻って動作が繰り返されると、ステップST１２の判別の次にステップST１４の制御が行われ、冷媒が第２冷却熱交換器（18）で冷却される。

ステップST１１の条件が満たされていない場合は、ステップST１５へ進む。ステップST１５では、４つの条件の何れかが満たされているかどうかが判別される。ステップST１５の第１の条件は、空調用の第３圧縮機（23）が最大周波数で運転されておらず、且つ空調側の低圧圧力（LP2）が目標低圧圧力より低いことである。第２の条件は、冷設用の第２圧縮機（22）が最大周波数で運転されておらず、且つ冷設側の低圧圧力（LP1）が目標低圧圧力より低いことである。第３の条件は、気液分離器（15）の内部の圧力（RP）が５．５ＭＰａより低く、気液分離器（15）内の冷媒が亜臨界状態であることである。第４の条件は、第１圧縮機（21）の吐出温度（Td）が３０℃より低く、冷媒が湿り状態であることである。これらの条件のどれかが満たされていると、冷設や空調の能力が不足していないと判断される。

ステップST１５の４つの条件の何れかが満たされていると、ステップST１６へ進んで、冷媒が第２冷却熱交換器（18）で冷却され、第２冷却熱交換器（18）の出口冷媒の過熱度の目標値が上げられる。第２冷却熱交換器（18）の出口冷媒の過熱度の目標値を上げるのは、ステップST１５の判別結果から冷設や空調に高い能力が求められていないと判断され、気液分離器（15）に流入する冷媒を必要以上に冷却しなくてもよいと判断されるためである。

ここで、図１１は、圧力を７ＭＰａで一定とした場合の、冷媒（二酸化炭素）の温度と比体積の関係を示すグラフである。また、図１２は、冷媒の圧力と密度の関係を示すグラフ、図１３は冷凍サイクルの概略のＰ−ｈ線図である。図１１に示すように、本実施形態の冷媒は、温度が上昇し、約３０℃を超えると比体積が急激に大きくなる。言い換えると、密度が急激に小さくなる。また、本実施形態の冷媒は、図１２のＡ，Ｂのラインは図１３のＡ，Ｂのラインに対応しており、冷媒の密度が小さくなると圧力が低くなる。

以上のことから、ステップST１３やステップST１６において冷媒を冷却熱交換器（18）で冷却することにより、冷媒が液化して体積が小さくなり、圧力が低下する。そのため、気液分離器（15）の圧力が低下し、冷媒が気液分離器（15）へ流入しやすくなる。

−実施形態１の効果−
本実施形態では、冷媒回路（6）の高圧圧力が冷媒の臨界圧力以上となる冷凍サイクルを行う熱源ユニット及び冷凍装置において、冷媒を冷却する冷却器としての第２冷却熱交換器（19）と、気液分離器（15）内の冷媒を臨界点の温度よりも低い温度になるように第２冷却熱交換器（19）を制御する制御器（100）とを設けている。

ここで、二酸化炭素を冷媒とする従来の冷凍装置では、外気温度が冷媒の臨界点の温度（約３２℃）以上になれば、冷媒が気化して体積が大きくなる。そのため、気液分離器（15）内の圧力が上昇し、冷媒回路の高圧圧力より高くなるおそれがある。その結果、冷媒が気液分離器（15）へ流入しにくくなるおそれがある。また、外気温度が高いときは、通常は利用側の冷却負荷は増加するが、場合によっては冷却負荷が小さいときがある。この場合、余剰の冷媒が生じやすくなり、特に冷媒が気液分離器（15）に流入しにくくなる。

外気温度が高いときに冷媒が気液分離器（15）へ流入するのが妨げられないようにするには、気液分離器（15）の容量を大きくしたり、膨張タンクなどの専用の容器を設けたりすることが考えられる。しかしながら、このようにすると、冷凍装置（1）を構成する機器が大型化したり、機器の数が増加したりする。そこで、本実施形態では、二酸化炭素を冷媒として超臨界サイクルを行う冷媒回路を備え、放熱器の下流側に気液分離器を設けた冷凍装置及びその熱源ユニットにおいて、冷媒が気液分離器に流入しにくくなるのを抑制するようにしている。

本実施形態によれば、気液分離器（15）内の冷媒がその臨界点の温度よりも低い温度になるように、第２冷却熱交換器（19）を用いて冷媒を冷却する制御が行われる。そのため、外気温度が高くても、気液分離器（15）内の圧力上昇が抑えられ、冷媒が気液分離器に流入しやすくなる。また、本実施形態によれば、外気温度が高く、しかも利用側の冷却負荷が小さいときでも、気液分離器（15）内の冷媒の体積を小さくして圧力を下げることができるから、余った冷媒も気液分離器に流入しやすくなる。

本実施形態によれば、外気温度が高いときでも冷媒が気液分離器（15）へ流入しやすくなるので、気液分離器（15）の内容積を大きくしたり、膨張タンクのような専用の容器を設けたりしなくてもよく、装置の大型化や複雑化を抑えられる。本実施形態によれば、気液分離器（15）の内部の圧力を下げることができるから、気液分離器（15）の耐圧性能を必要以上に高めなくてもよい。本実施形態によれば、気液分離器（15）の圧力を下げることができるので、図示していないがガス抜き弁を設けない構成にすることも可能であり、構成を簡素化できる。

本実施形態では、冷却器は、第２冷却熱交換器（18）に加えて、気液分離器（15）の上流側に設けられている室外膨張弁（14）も含む。この構成では、室外熱交換器（13）が放熱器として機能する状態で、その室外熱交換器（13）から流出した冷媒が膨張装置（14）で減圧されて温度が低下し、さらに冷却熱交換器（18）で冷却されて気液分離器（15）に流入する。このことにより、外気温度が高くても、気液分離器（15）内の冷媒をより低温にすることが可能になり、気液分離器（15）内の圧力上昇が抑えられる。

本実施形態では、コントローラ（100）は、外気温度が所定値より高くなると、上記気液分離器（15）内の冷媒の温度の目標値を臨界点の温度より低い温度の範囲内で低下させる制御を行う。又、コントローラ（100）は、外気温度が所定値以下になると、上記気液分離器（15）内の冷媒の温度の目標値を臨界点の温度より低い温度の範囲内で上昇させる制御を行う。

コントローラ（100）をこのように構成することにより、外気温度が所定値（第１の所定値：例えば３５℃）より高くなると、冷媒を冷却器（19）で冷却する目標温度が、臨界点の温度より低い温度の範囲内で、より低い温度になるように設定される。このことにより、気液分離器（15）内の圧力の上昇をより確実に抑えられる。

逆に、外気温度が所定値（第２の所定値：例えば１５℃）より低くなると、冷媒を冷却器（19）で冷却する目標温度が、臨界点の温度より低い温度の範囲内で、高めの温度になるように設定される。このことにより、気液分離器（15）内の圧力が必要以上に低下するのを抑制できる。

本実施形態では、コントローラ（100）は、気液分離器（15）内の冷媒の温度の目標値を臨界点の温度より低い温度の範囲内に維持しつつ、利用側の冷却負荷が基準値に対して大きくなると、上記目標値を低下させる制御をおこなう。また、コントローラ（100）は、気液分離器（15）内の冷媒の温度の目標値を臨界点の温度より低い温度の範囲内に維持しつつ、利用側の冷却負荷が基準値に対して小さくなると、上記目標値を上昇させる制御を行うように構成されている。

この構成によれば、気液分離器（15）内の冷媒の温度の目標値を、利用側の冷却負荷が基準値に対して大きくなると低下させることで、冷却能力を高められる。この場合、冷却負荷が大きくなるにつれて目標値を連続的に低下させてもよいし、一つまたは複数の基準値を定めておいて目標値を段階的に低下させてもよい。また、利用側の冷却負荷が基準値に対して小さくなると目標値を上昇させると、必要以上に冷却能力が高められるのを抑制できる。この場合、冷却負荷が小さくなるにつれて目標値を連続的に上昇させてもよいし、一つまたは複数の基準値を定めておいて目標値を段階的に上昇させてもよい。このように、第２冷却熱交換器（18）で能力制御を行うこともできる。なお、第２冷却熱交換器（18）で冷却能力を制御する場合は、第１冷却熱交換器（16）は設けなくてもよい。

本実施形態では、コントローラ（100）は、外気温度が臨界点の温度より所定温度低い温度（例えば１０℃）である場合に、気液分離器（15）内の冷媒を臨界点の温度よりも低い温度にする冷却器（19）の制御を停止するように構成されている。

この構成では、外気温度が臨界点の温度より所定温度低い温度である場合に、冷却器（19）による冷媒の冷却を停止する。これは、冷却器（19）で冷媒を冷却しなくても、気液分離器（15）内の圧力の上昇を抑えられるためである。なお、冷却器（19）による冷媒の冷却を停止する温度は、運転条件に応じて適切な温度を定めるとよい。

本実施形態では、コントローラ（100）は、冷凍装置（1）の設置時などに行う冷媒回路への冷媒充填時にも、外気温度が冷媒の臨界点の温度より高いと、気液分離器（15）内の冷媒を臨界点の温度よりも低い温度になるように、冷却器（19）（第２冷却熱交換器（18）及び室外膨張弁（14））を制御する。

この構成では、冷凍装置を設置して冷媒回路（6）に冷媒を充填するときに、外気温度が冷媒の臨界点の温度より高いと、制御器（100）により、気液分離器（15）内の冷媒が臨界点の温度よりも低い温度になるように冷却器（19）が制御される。冷媒充填時に気液分離器（15）の圧力が上昇しすぎると、冷媒回路（6）への冷媒の充填不足が生じるおそれがあるが、この実施形態では、冷媒の充填不足が生じるのを抑えられる。

−実施形態の変形例−
〈変形例１〉
上記実施形態では、室外膨張弁（14）を第２冷却熱交換器（18）の上流側に接続して、室外膨張弁（14）と第２冷却熱交換器（18）を冷却器として用いているが、図１に仮想線で簡略化して示すように、第２冷却熱交換器（18）が室外膨張弁（14）の上流側になるように構成してもよい。

この変形例１では、室外熱交換器（13）から流出した冷媒が第２冷却熱交換器（18）で冷却され、さらに室外膨張弁（14）で減圧されることで温度が低下して気液分離器（15）に流入する。このことにより、外気温度が高くても、気液分離器（15）内の冷媒が臨界点の温度よりも低い温度になり、気液分離器（15）内の圧力上昇が抑えられる。

〈変形例２〉
上記実施形態では、第２冷却熱交換器（18）の低圧側の流路である第２冷媒流路（18b）に気液分離器（18）から流出して減圧した冷媒が流れる構成にして、気液分離器（18）へ流入する前の冷媒と熱交換するようにしている。

上記構成に代えて、第２冷却熱交換器（18）の第２冷媒流路（18b）には、図示していないが、上記冷媒回路（6）とは別に設置した冷媒回路の低圧配管を接続し、低圧冷媒が第１冷媒流路（18a）の高圧冷媒と熱交換するようにしてもよい。

また、第２冷却熱交換器（18）には、図示していないが、冷水が流れる水回路を接続し、冷水が第２冷媒流路の冷媒と熱交換するようにしてもよい。以上のように、第２冷却熱交換器（18）は、気液分離器（15）へ流入する高圧の冷媒を、冷媒回路（6）の冷媒以外の熱媒体との熱交換で冷却するように構成してもよい。

《その他の実施形態》
上記実施形態については、以下のような構成としてもよい。

上記実施形態では、冷却器として冷却熱交換器や室外膨張弁を用いているが、例えばペルチェ効果素子など、その他の機器を冷却器として用いてもよい。また、冷却器は、上記実施形態のように気液分離器（15）の上流側で冷媒を冷却するほかに、気液分離器（15）の内部で冷媒を冷却してもよい。

上記実施形態では、圧縮部（20）が高段側圧縮機（21）と低段側圧縮機（22，23）を有する構成にしているが、圧縮部（20）は、１台の圧縮機のケーシングの内部に高段側圧縮要素と低段側圧縮要素が収容された構成にしてもよい。また、圧縮部（20）は冷媒を二段圧縮する構成には限定されない。

上記実施形態では、切換ユニット（30）を２つの三方弁（TV1，TV2）で構成しているが、三方弁の代わりに、電動切り換え方式の２つの四路切換弁を用い、各四路切換弁の１つのポートを閉鎖して上記切換ユニット（30）を構成してもよい。また、三方弁（TV1，TV2）の代わりに、複数の電磁弁を組み合わせて上記切換ユニット（30）を構成してもよい。

上記実施形態では、冷媒として二酸化炭素を用いる例を説明したが、冷媒は二酸化炭素に限らない。本開示の熱源ユニット及び冷凍装置では、冷媒は、冷媒回路の高圧圧力が臨界圧力以上となる冷媒であればよい。

以上、実施形態および変形例を説明したが、特許請求の範囲の趣旨および範囲から逸脱することなく、形態や詳細の多様な変更が可能なことが理解されるであろう。また、以上の実施形態および変形例は、本開示の対象の機能を損なわない限り、適宜組み合わせたり、置換したりしてもよい。

以上説明したように、本開示は、熱源ユニット及び冷凍装置について有用である。

1 冷凍装置
6 冷媒回路
10 室外ユニット（熱源ユニット）
13 室外熱交換器（放熱器）
14 室外膨張弁（膨張装置（冷却器））
15 気液分離器
18 冷却熱交換器
19 冷却器
50 冷設ユニット（利用ユニット）
60 室内ユニット（利用ユニット）
100 制御器
C 圧縮部

Claims (10)

1. 圧縮部（20）と放熱器（13）と気液分離器（15）とを有し、利用側機器に接続されて冷媒回路（6）が構成され、上記冷媒回路（6）の高圧圧力が冷媒の臨界圧力以上となる冷凍サイクルを行う熱源ユニットであって、
   上記冷媒を冷却する冷却器（19）と、
   上記気液分離器（15）内の冷媒を臨界点の温度よりも低い温度になるように上記冷却器（19）を制御する制御器（100）と、
   を備えていることを特徴とする熱源ユニット。
2. 請求項１において、
   上記冷却器（19）は、上記放熱器（13）と上記気液分離器（15）との間の冷媒配管に設けられる冷却熱交換器（18）である
   ことを特徴とする熱源ユニット。
3. 請求項２において、
   上記冷却器（19）は、上記放熱器（13）と上記気液分離器（15）との間の冷媒配管に設けられる膨張装置（14）を更に備え、上記膨張装置（14）が上記冷却熱交換器（18）の上流側に接続されている
   ことを特徴とする熱源ユニット。
4. 請求項２において、
   上記冷却器（19）は、上記放熱器（13）と上記気液分離器（15）との間の冷媒配管に設けられる膨張装置（14）を更に備え、上記冷却熱交換器（18）が上記膨張装置（14）の上流側に接続されている
   ことを特徴とする熱源ユニット。
5. 請求項１から４の何れか１つにおいて、
   上記制御器（100）は、外気温度が所定値より高くなると、上記気液分離器（15）内の冷媒の温度の目標値を臨界点の温度より低い温度の範囲内で低下させ、外気温度が所定値以下になると、上記気液分離器（15）内の冷媒の温度の目標値を臨界点の温度より低い温度の範囲内で上昇させる
   ことを特徴とする熱源ユニット。
6. 請求項１から５の何れか１つにおいて、
   上記制御器（100）は、上記気液分離器（15）内の冷媒の温度の目標値を上記臨界点の温度より低い温度の範囲内に維持しつつ、利用側の冷却負荷が基準値に対して大きくなると上記目標値を低下させ、該冷却負荷が基準値に対して小さくなると上記目標値を上昇させる
   ことを特徴とする熱源ユニット。
7. 請求項１から６の何れか１つにおいて、
   上記制御器（100）は、外気温度が臨界点の温度より所定温度低い場合に、上記気液分離器（15）内の冷媒を臨界点の温度よりも低い温度にする上記冷却器（19）の制御を停止する
   ことを特徴とする熱源ユニット。
8. 請求項１から４の何れか１つにおいて、
   上記制御器（100）は、上記冷媒回路（6）への冷媒充填時に外気温度が冷媒の臨界点の温度より高いと、上記気液分離器（15）内の冷媒を臨界点の温度よりも低い温度になるように上記冷却器（19）を制御する
   ことを特徴とする熱源ユニット。
9. 請求項１から８の何れか１つにおいて、
   上記冷媒回路（6）の冷媒は、二酸化炭素である
   ことを特徴とする熱源ユニット。
10. 圧縮部（20）と放熱器（13）と気液分離器（15）とを備える熱源ユニット（10）と、利用側機器である利用ユニット（50，60）とを有し、高圧圧力が冷媒の臨界圧力以上となる冷凍サイクルを行う冷凍装置であって、
    上記熱源ユニット（10）が、請求項１から９の何れか１つの熱源ユニットであることを特徴とする冷凍装置。

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