JP2022083749A - 冷凍装置 - Google Patents

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Abstract

Figure 2022083749000001
【課題】二酸化炭素を含有する冷媒を使用し、エジェクターを利用する冷凍装置の性能向上。
【解決手段】冷凍装置は、主圧縮機構、ガスクーラ、主絞り機構および蒸発器を備え、二酸化炭素を含有する冷媒が循環する冷凍装置であって、前記ガスクーラの下流側かつ前記主絞り機構の上流側の部位に配置された第１流路、および、前記第１流路から流出した冷媒の一部が流入する第２流路を有するスプリット熱交換器と、前記第２流路に流入する冷媒を絞る補助絞り機構と、前記主圧縮機構の下流側かつ前記第１流路の上流側の部位に配置されたノズル、および、前記第２流路から流出した冷媒を吸い込む吸い込み部を有するエジェクターと、を備える。
【選択図】図１

Description

本開示は、二酸化炭素を含有する冷媒が循環する冷凍装置に関する。
従来、冷凍装置では、圧縮手段、ガスクーラ、絞り手段、蒸発器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はガスクーラにて放熱し、その後絞り手段にて減圧され、蒸発器にて蒸発する。そして、このときの冷媒の蒸発により周囲の空気が冷却される。
近年、この種の冷凍装置では、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冷凍装置が開発されている。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）。
このような冷媒特性のもと、冷凍サイクルの成績係数を向上させるべく、エジェクターを利用する冷凍サイクルも開発されている（例えば、特許文献２参照）。
特公平７－１８６０２号公報 特許第３３２２２６３号公報
本開示は、二酸化炭素を含有する冷媒を使用し、エジェクターを利用する冷凍装置の性能向上を課題とする。
本開示に係る冷凍装置は、主圧縮機構、ガスクーラ、主絞り機構および蒸発器を備え、二酸化炭素を含有する冷媒が循環する冷凍装置であって、前記ガスクーラの下流側かつ前記主絞り機構の上流側の部位に配置された第１流路、および、前記第１流路から流出した冷媒の一部が流入する第２流路を有するスプリット熱交換器と、前記第２流路に流入する冷媒を絞る補助絞り機構と、前記主圧縮機構の下流側かつ前記第１流路の上流側の部位に配置されたノズル、および、前記第２流路から流出した冷媒を吸い込む吸い込み部を有するエジェクターと、を備える。
本開示によれば、二酸化炭素を含有する冷媒を使用し、かつ、エジェクターを使用する冷凍装置の性能を向上させることができる。
第１の実施形態に係る冷凍装置の冷媒回路図 第２の実施形態に係る冷凍装置の冷媒回路図 第３の実施形態に係る冷凍装置の冷媒回路図 第３の実施形態および参考例に係る冷凍装置における電力シミュレーション結果を示すグラフ
以下、本開示の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
（１）第１の実施形態
図１は、第１の実施形態に係る冷凍装置１の冷媒回路図である。本実施形態における冷凍装置１は、屋内の機械室や屋外等に設置された冷凍機ユニット２と、負荷装置３、例えばスーパーマーケット等に設置されたショーケースとを備え、これら冷凍機ユニット２と負荷装置３とが、ユニット出口２ｏｕｔとユニット入口２ｉｎを介して、冷媒配管（液管）３１および冷媒配管３２により連結されて所定の冷媒回路４を構成している。なお、負荷装置３は食品倉庫等のクーリングコイル、水などの冷媒冷却装置でも良い。
この冷媒回路４を、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）が冷媒として循環する。なお、冷媒は、二酸化炭素のみからなっていても良いし、二酸化炭素と他の物質とを含有する混合冷媒であっても良い。混合冷媒は、二酸化炭素と、例えば、Ｒ３２、Ｒ４１、Ｒ１３４ａ、Ｒ１２５、Ｒ１５２ａ、プロパンおよびジメチルエーテルのなかの１つまたは２つ以上を含有していても良い。図１に示される各矢印は、冷媒の流れを示している。
また、冷媒と共に冷媒回路４を循環する潤滑油は、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）等である。
冷媒回路４は、冷凍機ユニット２内に、主圧縮機構１１、ガスクーラ１２、エジェクター１３，スプリット熱交換器１４および補助絞り機構１５を備える。冷媒回路４は、負荷装置３内に、主絞り機構１６および蒸発器１７を備える。
主圧縮機構１１は、周波数可変型の圧縮機であり、１つ以上の圧縮機構部を有し、気相の冷媒を吸引し、高温高圧の冷媒を吐出する。
主圧縮機構１１から吐出された冷媒は配管２１を通って、ガスクーラ１２に流入する。
ガスクーラ１２は、図示されないガスクーラ用送風機によって供給される外気と、冷媒とを熱交換させることにより、冷媒の温度を低下させる。なお、ガスクーラ１２はガスクーラ用水ポンプによって供給される水と冷媒とを、熱交換させても良い。
ガスクーラ１２から流出した冷媒は配管２２を通って、エジェクター１３のノズル１３１に流入する。ノズル１３１は開度を調整できるように構成されている。ノズル１３１の開度が大きくなると、ノズル１３１から流入し、エジェクター１３内を流れる冷媒の流速が低下し、開度が小さくなると、当該冷媒の流速が増加する。
ノズル１３１に流入した冷媒は、後に説明する吸い込み部１３２から吸い込まれた気相冷媒と混合しながら膨張し、気液混合状態となってエジェクター１３から流出する。なお、ノズル１３１から流入し、エジェクター１３内を流れる冷媒の流速が増加すると、エジェクター１３内の静圧が低下するので、吸い込み部１３２における吸引圧は低下する（吸い込みやすくなる）。逆に、ノズル１３１から流入し、エジェクター１３内を流れる冷媒の流速が小さくなると、エジェクター１３内の静圧が増大するので、吸い込み部１３２における吸引圧は増大する（吸い込みにくくなる）。
エジェクター１３から流出した冷媒は、配管２３を通って、スプリット熱交換器１４の第１流路１４１に流入する。
第１流路１４１に流入した冷媒は、後に説明する第２流路１４２を流れる冷媒と熱交換することで温度が低下した状態で、第１流路１４１から流出する。
第１流路１４１から流出した冷媒は、配管２４、ユニット出口２ｏｕｔおよび冷媒配管３１を通過して、主絞り機構１６に流入する。主絞り機構１６は、例えば開度調整が可能な電動膨張弁である。
また、配管２４の途中には分岐部２５がある。分岐部２５には、配管２４から分岐する分岐配管２６が接続されている。第１流路１４１から流出した冷媒は、分岐配管２６を通って、補助絞り機構１５に流入する。補助絞り機構１５は、例えば開度調整が可能な電動膨張弁である。
補助絞り機構１５は、補助絞り機構１５に流入した冷媒を膨張および気化させる。このとき、冷媒の温度は低下する。
補助絞り機構１５から流出する冷媒は気液混合状態になっており、配管２７を通って、スプリット熱交換器１４の第２流路１４２に流入する。
第２流路１４２に流入した冷媒は、第１流路１４１を通過する冷媒と熱交換し、前述の通り第１流路１４１を通過する冷媒の温度を低下させた後、第２流路１４２から流出する。
第２流路１４２から流出した冷媒は、配管２８を通過して、エジェクター１３の吸い込み部１３２に吸い込まれる。吸い込み部１３２からエジェクター１３内に吸い込まれた冷媒は、ノズル１３１から吸い込まれた冷媒と混合する。
一方、分岐部２５を通過して主絞り機構１６に流入した液相状態の冷媒は、例えば電動膨張弁である主絞り機構１６によって膨張させられる。主絞り機構１６から流出した冷媒は、冷媒配管３３を介して蒸発器１７に流入し、蒸発器１７で完全に蒸発する。蒸発器１７を流れる冷媒は、負荷装置３内の流体、例えば空気と熱交換し、この空気を冷却する。なお、負荷装置３内の流体は、冷媒回路４内を循環する冷媒によって冷却される他の冷媒（例えば水）でも良い。
蒸発器１７から流出した冷媒は、冷媒配管３２，ユニット入口２ｉｎおよび配管２９を通過して、主圧縮機構１１に吸引される。
冷凍機ユニット２は、冷凍装置１全体を統括制御する制御装置５０を備えている。また、主絞り機構１６の下流側かつ主圧縮機構１１の上流側の部位、例えば、配管２９には、主圧縮機構１１に吸引される冷媒の圧力（低圧）を検出する低圧センサ５１（本明細書において第３圧力センサともいう）が取り付けられている。低圧センサ５１の検出値は制御装置５０に送信される。
低圧センサ５１の検出値は、蒸発器１７における冷媒の蒸発圧力つまり蒸発器１７における冷媒の温度を示している。制御装置５０は、低圧センサ５１の検出結果に基づいて主圧縮機構１１の運転周波数を調整することにより、蒸発器１７における冷媒の温度、ひいては、負荷装置３内の流体温度を調整することができる。換言すれば、負荷装置３にて必要とされる冷凍能力に合わせた運転を主圧縮機構１１に行わせることができる。
二酸化炭素を含有する冷媒は、上述のサイクルを繰り返すことで、蒸発器１７において所望の量および温度の流体を生成することができる。
第１の実施形態に係る冷凍装置１は、上述したようなエジェクター１３、スプリット熱交換器１４および補助絞り機構１５を備えている。エジェクター１３は、高圧状態となった冷媒を動力を必要とせずに膨張させることができる。スプリット熱交換器１４および補助絞り機構１５は、エジェクター１３から流出し主絞り機構１６に流入する前の冷媒の温度を低下させることができる。そして、主絞り機構１６は、スプリット熱交換器１４を通過して温度が低下した冷媒を膨張させることができる。つまり、第１の実施形態に係る冷凍装置１は、エジェクター１３、スプリット熱交換器１４および補助絞り機構１５を備えることによって、負荷装置３にて所望の冷凍能力を得つつ、高圧側（主圧縮機構１１の吐出側）の圧力を調整することができる。つまり、ガスクーラ１２に供給される外気または水の温度に応じて主圧縮機構１１を適切に運転することができる。
なお、第1の実施形態においては、エジェクター１３はガスクーラ１２とスプリット熱交換器１４の第１流路１４１との間に配置されている。しかしながら、エジェクター１３は、主圧縮機構１１の下流側かつ第１流路１４１の上流側の部位であればどこに配置されていても良く、例えば、主圧縮機構１１の下流側かつガスクーラ１２の上流側の部位に配置されていても良い。この場合、上述の効果に加えて、効率よく、所望の量および温度の被冷却流体（空気または水等）を生成することができる。
（２）第２の実施形態
図２は、第２の実施形態に係る冷凍装置１の冷媒回路図である。第１の実施形態と共通する事項は説明を省略する場合がある。逆に、本実施形態に係る説明が、第１の実施形態に当てはまる場合もある。
本実施形態に係る冷凍装置１は、気液分離器１８、補助圧縮機構１９および搬送圧センサ５２（本明細書において、第１圧力センサともいう）を備えている。本実施形態において、エジェクター１３とスプリット熱交換器１４の第１流路１４１とを接続する配管２３は、上流側の配管２３１と下流側の配管２３２とに分かれており、これらの配管の間に、気液分離器１８が配置されている。
気液分離器１８は、冷媒を貯留することができるタンクである。気液分離器１８には、配管２３１に接続された入口を介して、気液混合状態の冷媒が流入する。気液分離器１８に流入した冷媒は、気液分離器１８の内部で気相冷媒と液相冷媒とに分離する。
気液分離器１８の内部で分離した液相冷媒は、配管２３２に接続された気液分離器１８の液相冷媒出口から流出するとともに、スプリット熱交換器１４の第１流路１４１に流入する。
気液分離器１８の内部で分離した気相冷媒は、配管４１に接続された気液分離器１８の気相冷媒出口から流出する。気相冷媒出口から流出した気相冷媒は、配管４１を通って、補助圧縮機構１９に吸引される。配管４１には、搬送圧センサ５２が配置されている。搬送圧センサ５２は、主絞り機構１６に流入する冷媒の圧力を検出する。搬送圧センサ５２の検出値は制御装置５０に送信される。
なお、主絞り機構１６に流入する冷媒の圧力を検出することができれば、搬送圧センサ５２は、必ずしも配管４１に配置されている必要はない。搬送圧センサ５２は、例えば、配管２３１，気液分離器１８、配管２３２、第１流路１４１、配管２４、分岐部２５、分岐配管２６または冷媒配管３１に配置されていても良い。
補助圧縮機構１９は、例えば、密閉容器と、この密閉容器の内部空間に収納された駆動要素としての電動要素と、この電動要素の回転軸により駆動される回転圧縮要素とを備えるコンプレッサである。
補助圧縮機構１９によって圧縮された冷媒は、合流配管４２に吐出される。合流配管４２は、主圧縮機構１１の下流側かつガスクーラ１２の上流側の配管２１の途中に設けられた合流部４３で、配管２１に接続されている。補助圧縮機構１９から合流配管４２に吐出された冷媒は、合流配管４２および合流部４３を通って、配管２１中の主圧縮機構１１から吐出された冷媒に合流する。
また、本実施形態に係る冷凍装置１は、高圧センサ５３（本明細書において、第２圧力センサともいう）、および、外気温度センサ５４（本明細書において第１温度センサともいう）を備える。これらのセンサの検出値は制御装置５０に送信される。
高圧センサ５３は、主圧縮機構１１から吐出された冷媒の圧力（高圧）を検出するセンサであり、この圧力を検出することができればどこに配置されていても良い。本実施形態においては、配管２２に配置されているが、高圧センサ５３は、配管２１に配置されていても良いし、ガスクーラ１２に配置されていても良い。
外気温度センサ５４は、外気温、つまり、ガスクーラ１２にて冷媒を冷却する流体の温度を検出するセンサである。例えばガスクーラ１２の近傍に配置されている。なお、ガスクーラ１２は、必ずしも外気によって冷媒を冷却するものには限られず、例えば水によって冷媒を冷却するものであってもよい。この場合、第１温度センサは外気温度センサ５４に代えて水温センサとなる。
また、本実施形態に係る冷凍装置１は、搬送温度センサ５５（本明細書において、第２温度センサともいう）、および、第２流路入口温度センサ５６（本明細書において第３温度センサともいう）を備える。これらのセンサの検出値は制御装置５０に送信される。
搬送温度センサ５５は、主絞り機構１６に供給される冷媒の温度を検出するセンサであり、この温度を検出することができればどこに配置されていても良い。本実施形態においては、配管２４に配置されているが、搬送温度センサ５５は、分岐部２５または分岐配管２６に配置されていても良いし、冷媒配管３１に配置されていても良い。
第２流路入口温度センサ５６は、スプリット熱交換器１４の第２流路１４２に流入する冷媒の温度を検出するセンサであり、配管２７に配置されている。
本実施形態に係る冷凍装置１において、冷媒は次のように循環する。
主圧縮機構１１は、気相状態の冷媒を吸引し、高圧状態の冷媒を吐出する。主圧縮機構１１から吐出された冷媒は、配管２１を通って、ガスクーラ１２に流入する。ガスクーラにて温度を低下させられた冷媒は、配管２２を通って、エジェクター１３のノズル１３１に流入する。ノズル１３１に流入した冷媒は、吸い込み部１３２から吸い込まれた気相冷媒と混合しながら膨張し、気液混合状態となってエジェクター１３から流出する。
エジェクター１３から流出した冷媒は、配管２３１を通って、気液分離器１８に流入する。冷媒は気液分離器１８内において、気相冷媒と液相冷媒に分離される。気液分離器１８内の液相冷媒は、配管２３２を通って、スプリット熱交換器１４の第１流路１４１に流入する。第１流路１４１を通過する際、液相冷媒は、スプリット熱交換器１４の第２流路１４２を通過する冷媒と熱交換し、冷却される。
第１流路１４１から流出した液相冷媒は、配管２４、分岐部２５、ユニット出口２ｏｕｔおよび冷媒配管３１を通過して、主絞り機構１６に流入する。主絞り機構１６に流入した冷媒は、主絞り機構１６にて絞られるとともに膨張する。主絞り機構１６から流出した冷媒は冷媒配管３３を経て蒸発器１７に流入し、蒸発する。このとき周囲の空気と熱交換することにより冷気を生成する。なお、負荷装置３の用途に応じて、蒸発器１７で熱交換する流体は、空気ではなくてもよい。例えば、負荷装置３は、水を冷却して冷水を生成してもよい。蒸発器１７から流出した気相冷媒は、冷媒配管３２、ユニット入口２ｉｎおよび配管２９を経て再び主圧縮機構１１に吸引される。
また、分岐部２５から分岐して分岐配管２６に流入した液相冷媒は、補助絞り機構１５に流入する。補助絞り機構１５に流入した液相冷媒は、補助絞り機構１５にて絞られるとともに膨張する。補助絞り機構１５から流出した冷媒は、配管２７を経てスプリット熱交換器１４の第２流路１４２に流入し、蒸発する。このとき、第１流路１４１を通過する冷媒と熱交換し、第１流路を通過する冷媒の温度を低下させる。第２流路１４２から流出した冷媒は、配管２８を通過して、エジェクター１３の吸い込み部１３２から吸い込まれる。吸い込み部１３２から吸い込まれた冷媒は、ノズル１３１に流入した冷媒とエジェクター１３内にて混合された後、エジェクター１３から流出し、再び気液分離器１８に流入する。
また、気液分離器１８内の気相冷媒は、配管４１を通って、補助圧縮機構１９に吸引される。補助圧縮機構１９に吸引された冷媒は、補助圧縮機構１９によって主圧縮機構１１出口の冷媒の圧力と等しい圧力まで圧縮されて、合流配管４２に吐出される。補助圧縮機構１９から合流配管４２に吐出された冷媒は、合流部４３を経て、主圧縮機構１１から吐出された配管２１中の冷媒に合流する。
本実施形態によれば、補助圧縮機構１９によって、気液分離器１８内の圧力を低下させること、つまり、気液分離器１８内の冷媒の温度を低下させることができる。ひいては、蒸発器１７に供給される冷媒の温度を低下させることができる。
しかも、補助圧縮機構１９は、補助絞り機構１５を通過して圧力が低下している第２流路１４２から流出した気相冷媒ではなく、比較的圧力が高い気液分離器１８内の気相冷媒を吸引している。そして、第２流路１４２から流出した気相冷媒は、エジェクター１３によって吸引されている。したがって、補助圧縮機構１９の動力（つまり入力電力）を大きくすることなく、エジェクター１３の作用によって、第２流路１４２を通過する冷媒の圧力を低下させることができ、ひいては、第２流路１４２を通過する冷媒の温度を低下させることができる。第２流路１４２を通過する冷媒の温度を低下させることにより、第１流路１４１から流出する冷媒の温度を低下させることができる。ひいては、蒸発器１７に供給される冷媒の温度を低下させることができる。すなわち、冷凍装置１の冷凍能力を増大させることができるとともに、冷凍効率を向上させることができる。
また、本実施形態においては、制御装置５０は、搬送圧センサ５２の検出結果に基づいて補助圧縮機構１９の運転周波数を調整する。よって、搬送圧、つまり、主絞り機構１６に供給される冷媒の圧力を所定の値にすることができる。したがって、主絞り機構１６で絞られた後の冷媒の圧力を所定の値にすることが容易となり、ひいては、蒸発器１７に流入する冷媒の圧力および温度を所定の値にすることが容易となり、蒸発器１７が安定的に所望の温度および量の冷気を生成することができる。
また、本実施形態においては、制御装置５０は、高圧センサ５３の検出結果および外気温度センサ５４の検出結果に基づいてエジェクター１３のノズル１３１の開度を調整する。つまり、ガスクーラ１２にて冷媒と熱交換する流体の温度に基づいて、主圧縮機構１１の吐出圧つまりガスクーラ１２内における冷媒の圧力を調整する。
具体的には、外気温が上がった場合、つまり、外気温度センサ５４の検出値が大きくなった場合、制御装置５０は高圧センサ５３の検出値が目標値となるよう、ノズル１３１の開度を小さくすることで、ガスクーラ１２内の冷媒の圧力を上げることができる。すると、エジェクター１３内における冷媒の流速が大きくなり、吸い込み部１３２から吸い込まれる冷媒の圧力が低下する。ひいては、スプリット熱交換器１４から主絞り機構１６に供給される冷媒の温度が低下する。逆に、外気温が下がった場合、つまり、外気温度センサ５４の検出値が小さくなった場合、制御装置５０は高圧センサ５３の検出値が目標値となるよう、ノズル１３１の開度を大きくすることで、ガスクーラ１２内の冷媒の圧力を下げることができる。すると、エジェクター１３内における冷媒の流速が小さくなり、吸い込み部１３２から吸い込まれる冷媒の圧力が増大する。ひいては、スプリット熱交換器１４から主絞り機構１６に供給される冷媒の温度が高くなる。このような制御により、主圧縮機構１１の運転状態つまり主圧縮機構１１の消費電力を適正化することができ、ひいては、冷凍装置１の省エネ性を確保することができる。
また、本実施形態においては、制御装置５０は、搬送温度センサ５５の検出結果および第２流路入口温度センサ５６の検出結果に基づいて、補助絞り機構１５の開度を調整する。
具体的には、搬送温度センサ５５の検出値が第２流路入口温度センサ５６の検出値に近づくように、補助絞り機構１５の開度を調整する。このような制御を行うことにより、主絞り機構１６を介して蒸発器１７に供給される冷媒の温度を低下させることができる。すなわち、冷凍装置１の冷凍能力を増大させることができるとともに、冷凍効率を向上させることができる。
特に、外気温の変化等によりエジェクター１３のノズル１３１の開度が変化する場合に、搬送温度センサ５５の検出結果および第２流路入口温度センサ５６の検出結果に基づいて、補助絞り機構１５の開度を調整する制御は効果を発揮する。つまり、ノズル１３１の開度が変化することにより吸い込み部１３２から吸い込まれる冷媒の圧力が変動すると、第２流路１４２に流入する冷媒の温度が変化する。その結果、第１流路１４１から流出して主絞り機構１６に供給される冷媒の温度が変化しかねない。このような場合においても、搬送温度センサ５５の検出結果および第２流路入口温度センサ５６の検出結果に基づいて、補助絞り機構１５の開度を調整することにより、主絞り機構１６に供給される冷媒の温度を、所望の値に維持することができる。
（３）第３の実施形態
図３は、第３の実施形態に係る冷凍装置１の冷媒回路図である。第１および第２の実施形態と共通する事項は説明を省略する場合がある。逆に、本実施形態に係る説明が第１または第２の実施形態にも当てはまる場合もある。
本実施形態に係る冷凍装置１において、主圧縮機構１１は、低段圧縮機構１１１と高段圧縮機構１１２とから構成されている。また、本実施形態に係る冷凍装置１は、インタークーラ１２１を備えている。インタークーラ１２１は、上流側の配管４４および下流側の配管４５を介して、冷媒回路４における低段圧縮機構１１１と高段圧縮機構１１２との間に配置されている。
主圧縮機構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。この主圧縮機構１１は、密閉容器と、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、この電動要素の下側に配置された、第１の回転圧縮要素（低段圧縮機構１１１）、および、第２の回転圧縮要素（高段圧縮機構１１２）から成る。主圧縮機構１１は、同一の回転軸（電動要素の回転軸）により駆動される第１の回転圧縮要素および第２の回転圧縮要素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が決定される。なお、低段圧縮機構１１１と高段圧縮機構１１２はそれぞれ互いに独立した単段圧縮式コンプレッサでも良い。
低段圧縮機構１１１は、配管２９を介して冷媒回路４の低圧側から主圧縮機構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。高段圧縮機構１１２は、低段圧縮機構１１１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４の高圧側に吐出する。主圧縮機構１１は、周波数可変型の圧縮機である。制御装置５０は、電動要素の運転周波数を変更することで、低段圧縮機構１１１、および、高段圧縮機構１１２の回転数を制御する。
主圧縮機構１１の密閉容器の側面には、低段圧縮機構１１１に連通する低段側吸込口、密閉容器内に連通する低段側吐出口、高段圧縮機構１１２に連通する高段側吸込口、および、高段側吐出口が形成されている。主圧縮機構１１の低段側吸込口には、配管２９の一端が接続され、その他端はユニット入口２ｉｎにて冷媒配管３２に接続されている。
低段側吸込口より低段圧縮機構１１１の低圧部に吸い込まれた低圧の冷媒ガスは、当該低段圧縮機構１１１により１段目の圧縮が行われて中間圧に昇圧され、密閉容器内に吐出される。これにより、密閉容器内は中間圧となる。
そして、密閉容器内の中間圧の冷媒ガスが吐出される主圧縮機構１１の低段側吐出口には、配管４４の一端が接続され、その他端はインタークーラ１２１の入口に接続されている。このインタークーラ１２１は、低段圧縮機構１１１から吐出された中間圧の冷媒を冷却する。インタークーラ１２１の出口には、配管４５の一端が接続される。配管４５の他端は、主圧縮機構１１の高段側吸込口に接続される。
主圧縮機構１１の高段側吸込口から高段圧縮機構１１２に吸い込まれた中間圧の冷媒ガスは、高段圧縮機構１１２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、主圧縮機構１１の高段圧縮機構１１２の高圧室側に設けられた高段側吐出口には、配管２１の一端が接続され、その他端はガスクーラ１２の入口に接続されている。なお、図示は省略するが、配管２１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、主圧縮機構１１の密閉容器内および補助圧縮機構１９の密閉容器内に戻される。
ガスクーラ１２は、主圧縮機構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１２の近傍には、当該ガスクーラ１２を空冷するガスクーラ用送風機（不図示）が配設されている。本実施形態では、ガスクーラ１２は、上述したインタークーラ１２１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。なお、ガスクーラ１２およびインタークーラ１２１は、水冷式でも良い。この場合、ガスクーラ用送風機に代えてガスクーラ用水ポンプが配設され、ガスクーラとインタークーラには並列に入水される。
そして、ガスクーラ１２の出口には配管２２の一端が接続され、この配管２２の他端はエジェクター１３のノズル１３１の入口に接続されている。
本実施形態に係る冷凍装置１において、主圧縮機構１１は、低段圧縮機構１１１と高段圧縮機構１１２とから構成されており、低段圧縮機構１１１と高段圧縮機構１１２との間にはインタークーラ１２１が配置されている。よって、同じ圧力まで単段の圧縮機で圧縮する場合と比較して、圧縮された後の冷媒の温度を低くすることができる。したがって、二酸化炭素含有冷媒のように圧縮比が大きい冷媒の場合においても、圧縮機から吐出される冷媒の温度を比較的低く抑えることができ、冷媒中の潤滑油が変性してしまうこと、並びに、配管および配管のシール部材が損傷することを防止することができる。
また、本実施形態に係る冷凍装置１は、第２の実施形態に係る冷凍装置１と同様に、エジェクター１３、気液分離器１８、スプリット熱交換器１４、補助絞り機構１５および補助圧縮機構１９を備えている。よって、冷凍装置１の冷凍能力を増大させることができるとともに、冷凍効率を向上させることができる。この第２の実施形態および第３の実施形態が有する利点について、図４を参照しながらさらに説明する。
図４は、第３の実施形態および参考例に係る冷凍装置における電力シミュレーションの結果を示すグラフである。参考例に係る冷凍装置は、図３に示される冷凍装置１に対して、以下の点で異なる。
・エジェクター１３が存在しない。
・気液分離器１８から流出した気相冷媒は、補助圧縮機構１９に流入するのではなく、絞り機構を介して補助絞り機構１５と第２流路１４２との間に流入する。
・第２流路１４２から流出した気相冷媒は、エジェクター１３の吸い込み部１３２ではなく、補助圧縮機構１９に流入する。
図４の左側のグラフは、横軸が蒸発器１７における蒸発温度（℃）であり、縦軸が補助圧縮機構１９の入力電力（ｋＷ）である。図４の右側のグラフは、横軸が蒸発器１７における蒸発温度（℃）であり、縦軸が補助圧縮機構１９および主圧縮機構１１の入力電力（ｋＷ）の合計である。なお、シミュレーション条件は、次のとおりである。
・体積効率＝圧縮効率＝１
・ガスクーラ１２出口における冷媒温度＝３５℃
・インタークーラ１２１出口における冷媒温度＝３５℃
・ガスクーラ１２出口における冷媒圧力＝９ＭＰａ
・主絞り機構１６入口における冷媒圧力（搬送圧）＝６．５ＭＰａ
・主絞り機構１６入口における冷媒温度＝１３．５℃
・主圧縮機構１１入口における冷媒温度＝１８℃
・主圧縮機構１１における排除容積比＝７０％
・エジェクター１３の動力回収率＝７０％
各グラフに示されるように、補助圧縮機構１９への入力電力単独でも、補助圧縮機構１９および主圧縮機構１１への入力電力の合計でも、第３の実施形態に係る冷凍装置１によれば、幅広い蒸発温度において、比較例よりも入力電力を低減させることができる。つまり、図２または図３に示されるように冷媒回路４中に配置されたエジェクター１３、気液分離器１８、スプリット熱交換器１４、補助絞り機構１５および補助圧縮機構１９を備える冷凍装置１は、蒸発器１７における冷媒温度がどのような温度であっても、効率よく必要な冷凍能力を得ることができる。
本開示は、ショーケース他、冷凍回路を用いる冷凍装置に広く利用することができる。
１ 冷凍装置
２ 冷凍機ユニット
２ｏｕｔ ユニット出口
２ｉｎ ユニット入口
３ 負荷装置
４ 冷媒回路
１１ 主圧縮機構
１１１ 低段圧縮機構
１１２ 高段圧縮機構
１２ ガスクーラ
１２１ インタークーラ
１３ エジェクター
１３１ ノズル
１３２ 吸い込み部
１４ スプリット熱交換器
１４１ 第１流路
１４２ 第２流路
１５ 補助絞り機構
１６ 主絞り機構
１７ 蒸発器
１８ 気液分離器
１９ 補助圧縮機構
２１、２２、２３、２４、２７、２８、２９、４１、４４、４５ 配管
２５ 分岐部
２６ 分岐配管
３１、３２、３３ 冷媒配管
４２ 合流配管
４３ 合流部
５０ 制御装置
５１ 低圧センサ
５２ 搬送圧センサ
５３ 高圧センサ
５４ 外気温度センサ
５５ 搬送温度センサ
５６ 第２流路入口温度センサ

Claims (8)

  1. 主圧縮機構、ガスクーラ、主絞り機構および蒸発器を備え、二酸化炭素を含有する冷媒が循環する冷凍装置であって、
    前記ガスクーラの下流側かつ前記主絞り機構の上流側の部位に配置された第１流路、および、前記第１流路から流出した冷媒の一部が流入する第２流路を有するスプリット熱交換器と、
    前記第２流路に流入する冷媒を絞る補助絞り機構と、
    前記主圧縮機構の下流側かつ前記第１流路の上流側の部位に配置されたノズル、および、前記第２流路から流出した冷媒を吸い込む吸い込み部を有するエジェクターと、
    を備える冷凍装置。
  2. 前記ノズルは、前記ガスクーラの下流側かつ前記第１流路の上流側の部位に配置されている、
    請求項１に記載の冷凍装置。
  3. 前記エジェクターから流出した冷媒が流入し、かつ、冷媒を気液分離する気液分離器と、
    前記気液分離器から流出する気相冷媒を吸引し、吸引した気相冷媒を前記ガスクーラの上流側の部位に吐出する補助圧縮機構と、をさらに備え、
    前記第１流路には、前記気液分離器から流出する液相冷媒が流入する、
    請求項２に記載の冷凍装置。
  4. インタークーラをさらに備え、
    前記主圧縮機構は、冷媒を前記インタークーラの上流側の部位に吐出する低段圧縮機構、および、前記インタークーラから流出した冷媒を吸引する高段圧縮機構を有する、
    請求項３に記載の冷凍装置。
  5. 前記主絞り機構に流入する冷媒の圧力を検出する第１圧力センサをさらに備え、
    前記補助圧縮機構の運転周波数は、前記第１圧力センサの検出結果に基づいて調整される、
    請求項３または４に記載の冷凍装置。
  6. 前記ノズルに流入する冷媒の圧力を検出する第２圧力センサ、および、前記ガスクーラで冷媒と熱交換する流体の温度を検出する第１温度センサをさらに備え、
    前記ノズルの開度は、前記第２圧力センサの検出結果および前記第１温度センサの検出結果に基づいて調整される、
    請求項３から５のいずれか１項に記載の冷凍装置。
  7. 前記第１流路から流出した冷媒の温度を検出する第２温度センサ、および、前記第２流路に流入する冷媒の温度を検出する第３温度センサをさらに備え、
    前記補助絞り機構の開度は、前記第２温度センサの検出結果および前記第３温度センサの検出結果に基づいて調整される、
    請求項６に記載の冷凍装置。
  8. 前記主圧縮機構に吸引される冷媒の圧力を検出する第３圧力センサをさらに備え、
    前記主圧縮機構の運転周波数は、前記第３圧力センサの検出結果に基づいて調整される、
    請求項１から７のいずれかに記載の冷凍装置。
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