JP5971548B2 - 冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮手段と、ガスクーラと、膨張手段と、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、膨張手段（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、膨張手段にて減圧膨張された後、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（例えば、特許文献１参照）。

二酸化炭素冷媒は、臨界点が圧力７．３８ＭＰａと高圧であるのに加え、これが＋３１．１℃という日常的な温度で生じるという特有の物性を有している。そのため、通常の気温では、二酸化炭素冷媒を使用した冷凍装置の高圧側での放熱運転は、臨界点以上の超臨界圧力で行われる場合が多い。臨界状態での二酸化炭素の放熱は、液化という状態が無いため、ガスクーラ内の冷媒の温度に依存する密度と容積により圧力が決定される。

この状態の冷媒を膨張弁等で膨張させると、蒸発器入口での冷媒の乾き度が高くなり、液冷媒の比率が低くなるため、冷却能力を確保するためには、蒸発器への冷媒の供給量を増加させる必要がある。また、蒸発器への冷媒供給量が多くなると、配管内を流れる冷媒の速度が上がるため、圧力損失が増大し、蒸発器入口と出口の間で温度勾配が生じ、熱交換効率が悪化する。

また、臨界状態であった冷媒は膨張して臨界圧力以下に下がると、液／ガス２相の平衡状態になり、それが蒸発器に流入すると、蒸発器の配管内は同温度の液とガスの気泡で満たされた状態となる。そのため、管壁付近での熱交換はあるものの、管中心部では冷媒への熱移動が困難になる。これらの問題から、吸熱効果を上げるために蒸発器を大型化し、圧力損失を抑えるために配管数を増やしたり複雑化する必要が生じ、コストが高騰する問題があった。

また、高圧側が超臨界圧力となる二酸化炭素冷媒を用いた場合は、外気温度が上昇して例えば＋２５℃〜３０℃以上となると、上述のガスクーラ内では冷媒は液化せず、高圧側は超臨界の状態のガスサイクル運転が行われることとなる。そのため、超臨界ガスとなった高圧側では冷媒の圧力や密度が高いため、それを収納するために径の大きな所謂受液器を設けることは冷凍機の機内のスペースが大きくなり、現実的には無理がある。更に、冷媒の状態が所謂気体（ガス）といった状態ではないので、上記受液器内では気液分離することができない。そのため、この受液器では循環冷媒量の調整を行うことができなくなり、冷媒回路中の過剰なガス冷媒によって高圧側圧力が異常に上昇するという問題が考えられる。

そこで、ガスクーラで放熱させた臨界冷媒の一部を分離して膨張させ、分離した残りの冷媒を熱交換器で過冷却し、膨張弁に送る乾き度を下げる。また、冷媒回路の高圧側に膨張弁を介して冷媒量調整タンクを接続し、高圧側の圧力が異常に上昇したときは、この冷媒量調整タンクに冷媒を回収し、圧力が低下した場合には冷媒回路中に放出する方法が考えられている（例えば、特許文献２参照）。

図４に係る従来の冷凍装置１００の冷媒回路図を示し、図５にそのｐ−ｈ線図を示す。従来の冷凍装置１００は、冷凍機１０３と複数台のショーケース１０５Ａ、１０５Ｂとから成り、冷凍機１０３と各ショーケース１０５Ａ、１０５Ｂとが、冷媒配管１０７及び１０９により連結されている。そして、冷媒回路は高圧側の冷媒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。

冷凍機１０３は、第１及び第２の回転圧縮要素１１８、１２０を有する圧縮機１１１を備える。第１の回転圧縮要素１１８は、冷媒配管１０９を介して冷媒回路の低圧側から圧縮機１１１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し、第２の回転圧縮要素１２０は、第１の回転圧縮要素１１８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、冷媒回路の高圧側に吐出する。

第１の回転圧縮要素１１８の低圧部（図５のａ）に吸い込まれた低圧（ＬＰ：通常運転状態で２．５ＭＰａ程）の冷媒ガスは、当該第１の回転圧縮要素１１８により中間圧（ＭＰ：通常運転状態で５ＭＰａ程）に昇圧され（図５のｂ）、インタークーラ１３８に流入する。インタークーラ１３８は、第１の回転圧縮要素１１８から吐出された中間圧の冷媒を空冷するものであり、インタークーラ１３８でた冷媒は第２の回転圧縮要素１２０に吸い込まれる（図５のｃ）。そして、この第２の回転圧縮要素１２０に吸い込まれた中間圧（ＭＰ）の冷媒ガスは、当該第２の回転圧縮要素１２０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８ＭＰａ程の超臨界圧力）の冷媒ガスとなる（図５のｄ）。

そして、第２の回転圧縮要素１２０の吐出側はオイルセパレータ１４４、ガスクーラ１４６、分流器１８２、スプリット熱交換器１８０を介して冷媒配管１０７に接続される。ガスクーラ１４６にはそれを空冷するガスクーラ用送風機１４７が配設されている。ショーケース１０５Ａ、１０５Ｂは、店舗内等に設置されて冷媒配管１０７及び１０９に並列に接続される。各ショーケース１０５Ａ、５Ｂは、電動膨張弁からなる主膨張手段１６２Ａ、１６２Ｂと、蒸発器１６３Ａ、１６３Ｂをそれぞれ備えている。主膨張手段１６２Ａ、１６２Ｂは冷媒配管１０７に接続され、各蒸発器１６３Ａ、１６３Ｂは冷媒配管１０９に接続されて最終的に圧縮機１１１の第１の回転圧縮要素１１８に連通接続されている。

分流器１８２は、ガスクーラ１４６から出た冷媒（図５のｅ）を第１の冷媒流と第２の冷媒流とに分流し、第１の冷媒流は電動膨張弁からなる補助膨張手段１８３を介してスプリット熱交換器１８０の第１の流路１８０Ａに流れ、これが補助回路となる。また、第２の冷媒流はスプリット熱交換器１８０の第２の流路１８０Ｂを経て冷媒配管１０７に流れ、これが主回路となる。即ち、冷凍機１０３からショーケース１０５Ａ、１０５Ｂに冷媒は高圧で搬送されることになる。

スプリット熱交換器１８０は、補助膨張手段１８３で減圧された第１の冷媒流（図５のｇ）を第１の流路１８０Ａに流し、分流器１８２で分流された第２の冷媒流を第２の流路１８０Ｂに流してそれらの熱交換を行わせる。それにより、第２の冷媒流は第１の流路１８０Ａを流れる第１の冷媒流により冷却されるので、主膨張手段１６２Ａ、１６２Ｂに向かう第２の冷媒流（図５のｆ）を過冷却することが可能となり、蒸発器１６３Ａ、１６３Ｂの入口側における比エンタルピを小さくすることができる。そして、主膨張手段１６２Ａ、１６２Ｂで減圧された第２の冷媒流（図５のｈ）は蒸発器１６３Ａ、１６３Ｂに流入して蒸発し、このときの吸熱作用でショーケース１０５Ａ、１０５Ｂの庫内を冷蔵温度に冷却する。

図５は係る冷凍装置１００のｐ−ｈ線図である。図４の冷媒回路中に（ａ）〜（ｉ）の符号で示した箇所が、図５中の（ａ）〜（ｉ）に対応している。スプリット熱交換器１８０における過冷却は図５中の（ｅ）から（ｆ）で示す部分であり、その分（ｈ）から（ａ）までの冷凍効果が増大される効果がある。尚、第１の流路１８０Ａを出た冷媒（図５のｉ）はインタークーラ１３８から出た冷媒に合流される。

スプリット熱交換器１８０の下流側の冷媒配管１０７には、第１の連通回路２０１を介して冷媒量調整タンク２００が接続されている。冷媒量調整タンク２００は、所定の容積を有するものであり、第１の連通回路２０１には、電動膨張弁２０２が介設されている。冷媒量調整タンク２００には、当該タンク２００内上部と、インタークーラ１３８出口とを連通する第２の連通回路２０３が接続され、第２の連通回路２０３には、電磁弁２０４が介設されている。また、冷媒量調整タンク２００には、下部とインタークーラ１３８出口とを連通する第３の連通回路２０５が接続され、第３の連通回路２０５には、電磁弁２０６とキャピラリチューブ２０７が介設されている。

そして、高圧側の圧力が異常に上昇したときは、電動膨張弁２０２を介して冷媒量調整タンク２００に高圧冷媒を回収し、高圧上昇を抑える。そして、高圧側の圧力が低下したら電磁弁２０６を開いて圧縮機１１１の第２の回転圧縮要素１２０の吸込側に放出するものであった。

特公平７−１８６０２号公報 特開２０１１−１３３２０５号公報

しかしながら、上記のように冷媒を高圧で搬送する冷凍装置では、冷媒配管１０７を超臨界状態の冷媒が流れるため、サイトグラスなどで冷媒充填量を正確に判断することが難しくなる。また、冷媒は外気温度が高くなる夏季には膨張し、冬季には収縮するが、二酸化炭素等の冷媒ではこの変化が大きくなるため、冷媒量調整タンクで回収／放出しても調整し切れなくなる。そのため、冷凍能力の確保を考慮して多めに充填した場合、運転状況によっては、やはり高圧側圧力が急激に上昇するようになる。そして、高圧側圧力が大きく変化することにより、ショーケース１０５Ａ、１０５Ｂ側の主膨張手段１６２Ａ、１６２Ｂ前後の差圧も大きく変化し、電動膨張弁により制御し切れなくなる。

更に、外気温度が高い環境下ではスプリット熱交換器１８０における過冷却効果が殆ど期待できなくなることが分かった。即ち、補助膨張手段１８３を中間圧で制御しているため、冷蔵のショーケース等では中間圧が高く、温度があまり低くなくなり、スプリット熱交換器１８０における過冷却が行えなくなる。

例えば、外気温度が＋２０℃のとき、中間圧（ＭＰ）は５ＭＰａ、＋３０℃のとき６ＭＰａに達する。そして、スプリット熱交換器１８０における第１の冷媒流による冷却温度は実測値＋１５℃〜＋２３℃となっていて、スプリット熱交換器１８０を出た第２の冷媒流の温度は＋２０℃〜＋３０℃であった。これは外気温度と殆ど同一であり、スプリット熱交換器１８０における過冷却効果が小さいことが実測で分かっている。

また、スプリット熱交換器１８０からの第１の冷媒流で第１の回転圧縮要素１１８の吐出温度を制御していたため、供給冷媒量が変動し、スプリット熱交換器１８０における安定した過冷却を得ることができない。

更に、従来の冷凍装置では冷凍機１０３の保護を目的として冷媒量は不足気味で運転されていた。そして、ショーケース１０５Ａ、１０５Ｂに供給される冷媒は臨界圧からの膨張となるので、スプリット熱交換器１８０で十分な過冷却が行えない場合、やはり主膨張手段１６２Ａ、１６２Ｂにおける冷媒の乾き度が高くなり、蒸発器１６３Ａ、１６３Ｂにおいて十分な冷却効果が得られないという問題が発生する。

本発明は、係る従来の技術的課題を解決するためになされたものであり、二酸化炭素等の冷媒を用いる冷凍装置において、蒸発器に流入する冷媒を膨張させる膨張手段に十分な量の飽和液冷媒を送ることができる冷凍装置を提供するものである。

上記課題を解決するために、請求項１の発明の冷凍装置は、圧縮手段と、ガスクーラと、主膨張手段と、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ものにおいて、ガスクーラと主膨張手段の間に接続された中圧制御装置を備え、この中圧制御装置は、ガスクーラから出た高圧冷媒を膨張させて中間圧に下げる高圧膨張手段と、この高圧膨張手段にて膨張された冷媒を貯留し、飽和液冷媒とガス冷媒とに分離する中圧受液器と、この中圧受液器内の飽和液冷媒が流入する液冷媒流路と中圧受液器内のガス冷媒が流入するガス冷媒流路とを有して両流路を流れる冷媒を熱交換させるガス冷熱回収器と、中圧受液器内のガス冷媒を膨張させた後、ガス冷熱回収器のガス冷媒流路に流入させる中圧膨張手段とを有し、ガス冷熱回収器の液冷媒流路から出た冷媒を主膨張手段に流入させ、ガス冷媒流路から出た冷媒を圧縮手段に戻すことを特徴とする。
更に、ガスクーラから出た冷媒の温度と圧力を検出するガスクーラ出口温度センサ及びガスクーラ出口圧力センサと、各センサの出力に基づいて高圧膨張手段を制御する制御手段とを設けたので、この制御手段により、例えばガスクーラ内の冷媒の流速が速くなり過ぎないように高圧膨張手段を制御することにより、ガスクーラにおける冷媒の放熱能力を確保することが可能となる。

請求項２の発明の冷凍装置は、上記発明においてガス冷熱回収器のガス冷媒流路を出た冷媒を、蒸発器を出た冷媒と共に圧縮手段に吸い込ませることを特徴とする。

請求項３の発明の冷凍装置は、請求項１又は請求項２の発明において中圧膨張手段に流入するガス冷媒の圧力を検出する中圧膨張手段入口圧力センサと、この中圧膨張手段入口圧力センサの出力に基づいて中圧膨張手段を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。

請求項４の発明の冷凍装置は、請求項１乃至請求項３の発明において圧縮手段及びガスクーラを含む冷凍機ユニットと、主膨張手段及び蒸発器を含む利用側ユニットとを備え、冷凍機ユニットは、中圧制御装置も含むことを特徴とする。

請求項５の発明の冷凍装置は、請求項１乃至請求項３の発明において圧縮手段及びガスクーラを含む冷凍機ユニットと、主膨張手段及び蒸発器を含む利用側ユニットとを備え、この利用側ユニットは、中圧制御装置も含むことを特徴とする。

請求項６の発明の冷凍装置は、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。

圧縮手段にて圧縮され、ガスクーラから出た冷媒を膨張させて圧力を中間圧に下げると、飽和液冷媒とガス冷媒とになる。本発明では、ガスクーラから出た冷媒を膨張させてその圧力を中間圧に下げ、その後、飽和液冷媒とガス冷媒とに分離し、飽和液冷媒を主膨張手段に供給する。そして、気液分離したガス冷媒を膨張させて低温の液冷媒とガス冷媒にする。それを主膨張手段に向かう飽和液冷媒と熱交換させるので、ガス冷媒の冷熱を利用して主膨張手段に向かう液冷媒を過冷却することができるようになる。

これにより、ガスクーラから出た冷媒の状態に拘わらず、過冷却状態で主膨張手段に十分な量の冷媒を供給し、蒸発器に流入する冷媒の乾き度を小さくすることができるようになり、請求項８の発明の如き二酸化炭素冷媒を用いた冷凍装置の蒸発器において大きな冷却効果を得ることが可能となる。

特に、分離したガス冷媒が有する冷却能力を蒸発器での冷却能力に置換することができるようになるので、ガスクーラから出た冷媒のガス比率が高い場合でも、蒸発器における冷却効果の向上を図ることが可能となる。

更に、ガスクーラから出た冷媒を高圧膨張手段にて膨張させてその圧力を中間圧に下げ、その後、中圧受液器に貯留して飽和液冷媒とガス冷媒とに分離するようにすれば、冷媒量の調整効果も得ることができるようになり、冷媒回路内に多めに冷媒を充填することも可能となる。更にまた、中圧受液器にて高圧側圧力の変動も吸収することが可能となるので、一定の中間圧にて飽和液冷媒を主膨張手段に供給することができるようになり、蒸発器における安定した過熱度制御を行うことができるようになる。

この場合、請求項１の発明の如く高圧膨張手段と、中圧受液器と、中圧受液器で分離された飽和液冷媒が流入する液冷媒流路とガス冷媒が流入するガス冷媒流路とを有して両流路を流れる冷媒を熱交換させるガス冷熱回収器と、中圧受液器で分離されたガス冷媒を膨張させた後、ガス冷熱回収器のガス冷媒流路に流入させる中圧膨張手段を有する中圧制御装置を構成し、この中圧制御装置が請求項４の発明の如く、圧縮手段及びガスクーラを含む冷凍機ユニットに含まれるようにすれば、主膨張手段及び蒸発器を含む利用側ユニット側に中圧制御装置を設ける場合に比して、利用側ユニット側における設置スペースを削減することが可能となる。

逆に、請求項５の発明の如く中圧制御装置が利用側ユニットに含まれるようにすれば、店舗に設置されるショーケースユニットと冷凍機ユニットの如く、主膨張手段及び蒸発器を含む利用側ユニットと冷凍機ユニットとが離間して設置される場合に、冷凍機ユニットと利用側ユニットとを接続する長い冷媒配管を高圧で冷媒搬送することができるようになるので、充填冷媒量を削減することができるようになる。

また、請求項２の発明の如くガス冷熱回収器のガス冷媒流路を出た冷媒を、蒸発器を出た冷媒と共に圧縮手段に吸い込ませるようにすれば、中圧受液器内のガス冷媒の圧力を中圧膨張手段により低圧まで落とすことができるようになり、ガス冷媒による高い過冷却効果を期待できるようになる。

更に、請求項３の発明の如く中圧膨張手段に流入するガス冷媒の圧力を検出する中圧膨張手段入口圧力センサと、この中圧膨張手段入口圧力センサの出力に基づいて中圧膨張手段を制御する制御手段とを設けたので、この制御手段により、例えば中圧膨張手段に流入するガス冷媒の圧力が下がり過ぎないように中圧膨張手段を制御することにより、ガス冷熱回収器における飽和液冷媒の過冷却効果を維持することが可能となる。

本発明を適用した実施例の冷凍装置の冷媒回路図である。 図１の冷凍装置のｐ−ｈ線図である。 図１の冷凍機ユニットの電気回路の機能ブロック図である。 従来の冷凍装置の冷媒回路図である。 図４の冷凍装置のｐ−ｈ線図である。

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、スーパーマーケットやコンビニエンスストア等の店舗に設置された低温ショーケースを冷却するものであり、店外に設置された冷凍機ユニット３と、店内に設置された複数台のショーケースユニット（利用側ユニット）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媒回路１が構成されるものである。

この冷凍装置Ｒの冷媒回路１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、圧縮機（圧縮手段）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図示しない電動要素及びこの電動要素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、前記電動要素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の第１の回転圧縮要素１８には冷媒導入管２１が接続され、この冷媒導入管２１に冷媒配管９に接続されている。これらの配管を介して第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２．５ＭＰａ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５ＭＰａ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はインタークーラ２２の一端に接続された中間圧吐出配管２３に吐出される。インタークーラ２２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２２の他端には、中間圧吸入管２４が接続され、この中間圧吸入管２４は圧縮機１１の第２の回転圧縮要素２０の吸込側に接続される。

中間圧吸入管２４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間圧（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８ＭＰａ程の超臨界圧力）の冷媒ガスとなる。

そして、圧縮機１１の第２の回転圧縮要素２０の高圧室側に接続された高圧吐出配管２６は、オイルセパレータ２７、ガスクーラ２８、詳細は後述する本発明の中圧制御装置２９を介して、冷媒配管７に接続される。尚、本実施例では中圧制御装置２９は冷凍機ユニット３に設置されている。

ガスクーラ２８は、圧縮機１１から吐出された高温高圧の冷媒を放熱させて冷却するものであり、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。そして、このガスクーラ２８の出口配管３２に中圧制御装置２９の入口配管３３が接続されている。

この中圧制御装置２９は、電動膨張弁から成る高圧膨張手段３４と、所定容量のタンクから成る中圧受液器３６と、これも電動膨張弁から成る中圧膨張手段３７と、熱交換器から成るガス冷熱回収器３８等から構成されている。前記入口配管３３は高圧膨張手段３４の入口配管であり、この高圧膨張手段３４の出口配管３９は中圧受液器３６内に上部から挿入接続されて内部にて開口している。

この中圧受液器３６内底部からは液冷媒配管４１が引き出され、中圧受液器３６の上部にはガス冷媒配管４２が接続されている。ガス冷熱回収器３８は液冷媒流路３８Ａとガス冷媒流路３８Ｂとを有しており、両流路３８Ａ、３８Ｂ内を流れる冷媒同士を熱交換させるものである。そして、このガス冷熱回収器３８の液冷媒流路３８Ａの入口に前記液冷媒配管４１の出口が接続されている。中圧膨張手段３７はガス冷媒配管４２に介設され、このガス冷媒配管４２の出口はガス冷熱回収器３８のガス冷媒流路３８Ｂの入口に接続されている。

そして、ガス冷熱回収器３８のガス冷媒流路３８Ｂの出口は冷媒戻し配管４３に接続され、この冷媒戻し配管４３は圧縮機１１の冷媒導入管２１に接続された冷媒配管９に接続されている。また、ガス冷熱回収器３８の液冷媒流路３８Ａの出口は冷媒配管７に接続されている。

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４４Ａ、４４Ｂを有しており、各ケース側冷媒配管４４Ａ、４４Ｂには、それぞれ電動膨張弁から成る膨張手段としての主膨張手段４６Ａ、４６Ｂと、蒸発器４７Ａ、４７Ｂが順次接続されている。各蒸発器４７Ａ、４７Ｂ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戻し配管４３と合流した後、冷媒導入管２１を介して圧縮機１１の第１の回転圧縮要素１８の吸込側に接続されている。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の冷凍機ユニット３は、汎用のマイクロコンピュータにより構成される制御手段５０を備えている。尚、各電気機器及びセンサは冷凍機ユニット３とショーケースユニット５Ａ、５Ｂに設けられるものであり、制御手段もそれらにそれぞれ設けられるものであるが、ここでは冷凍機ユニット３の制御手段５０について説明する。

制御手段５０の入力側には、ガスクーラ２８の出口配管３２に設けられてガスクーラ２８を出た冷媒の温度と圧力を検出するガスクーラ出口温度センサ５１及びガスクーラ出口圧力センサ５２の出力と、中圧膨張手段３７の入口側のガス冷媒配管４２に設けられて中圧膨張手段３７に流入するガス冷媒の圧力を検出する中圧膨張手段入口圧力センサ５３の出力が接続されている。また、制御手段５０の入力側には冷媒導入管２１に設けられて冷媒回路１の低圧側圧力を検出する低圧センサ５４の出力が接続されている。

更に、制御手段５０の出力側には、前記圧縮機１１、ガスクーラ用送風機３１、高圧膨張手段３４、中圧膨張手段３７が接続されている。制御手段５０は各センサの出力に基づいてこれらの圧縮機１１及びガスクーラ用送風機３１の運転を制御し、各膨張手段３４、３７の弁開度を制御するものである。

以上の構成で次に動作を説明する。制御手段５０により圧縮機１１が運転されると、前述したように冷媒導入管２１を介して圧縮機１１の第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２．５ＭＰａ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５ＭＰａ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は中間圧吐出配管２３からインタークーラ２２に流入して放熱した後、中間圧吸入管２４から圧縮機１１の第２の回転圧縮要素２０に吸い込まれる。第２の回転圧縮要素２０の中圧部に吸い込まれた中間圧（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８ＭＰａ程の超臨界圧力）の冷媒ガスとなり、高圧吐出配管２６からオイルセパレータ２７を経てガスクーラ２８に流入する。

ガスクーラ２８で放熱した冷媒は出口配管３２から出て中圧制御装置２９の入口配管３３から高圧膨張手段３４に至る。この高圧膨張手段３４で冷媒は絞られ、一段目の膨張が行われて圧力は４．５ＭＰａ〜５ＭＰａに下げられる。この一段目の膨張により冷媒は飽和液冷媒とガス冷媒となって出口配管３９より中圧受液器３６内に流入する。中圧受液器３６に流入した飽和液冷媒はその内底部に貯留され、ガス冷媒は上部に移動して気液分離が行われる。

この中圧受液器３６内に貯留された飽和液冷媒は、液冷媒配管４１を経てガス冷熱回収器３８の液冷媒流路３８Ａに流入し、そこを通過して冷媒配管７に流出する。一方、中圧受液器３６内上部のガス冷媒は、ガス冷媒配管４２を経て中圧膨張手段３７に至る。そして、この中圧膨張手段３７で低圧まで圧力が下げられて膨張する。

ガス冷媒は、低圧に膨張されると、低温の液冷媒とガス冷媒とになる。この気液混合冷媒はガス冷媒配管４２からガス冷熱回収器３８のガス冷媒流路３８Ｂに流入し、液冷媒は蒸発する。このときのガス冷媒の冷熱及び液冷媒の蒸発に伴う吸熱作用で、液冷媒流路３８Ａを通過する飽和液冷媒は過冷却されることになる。

そして、このガス冷熱回収器３８で過冷却された飽和液冷媒は分流して各主膨張手段４６Ａ、４６Ｂに至り、そこで最終的な膨張が行われて蒸発器４７Ａ、４７Ｂに流入し、そこで蒸発する。このときの吸熱作用で冷気を生成し、送風機で庫内に循環することでショーケースユニット５Ａ、５Ｂの庫内を冷蔵温度に冷却する。

各蒸発器４７Ａ、４７Ｂを出た冷媒は合流して冷媒配管９に入る。一方、ガス冷熱回収器３８のガス冷媒流路３８Ｂを通過した冷媒は冷媒戻し配管４３を経て冷媒配管９に至る。そこで、蒸発器４７Ａ、４７Ｂからの冷媒と合流して冷媒導入管２１から圧縮機１１の第１の回転圧縮要素１８に吸い込まれることになる。

制御手段５０は、ガスクーラ出口温度センサ５１及びガスクーラ出口圧力センサ５２の出力に基づき、ガスクーラ２８内の冷媒の流速が速くなり過ぎないように高圧膨張手段３４の弁開度を制御する。この高圧膨張手段３４の弁開度を開け過ぎると、ガスクーラ２８内の冷媒の流速が速くなり、ガスクーラ２８において十分な放熱を得られなくなる。制御手段５０はガスクーラ出口温度と圧力を監視し、ガスクーラ２８における所要の放熱能力を維持するように高圧膨張手段３４の弁開度を制御する。また、この高圧膨張手段３４の弁開度により、中圧受液器３６内のガス冷媒の量が決まる。

また、制御手段５０は中圧膨張手段入口圧力センサ５３の出力に基づき、中圧膨張手段３７に流入するガス冷媒の圧力（中間圧）が下がり過ぎないように中圧膨張手段３７の弁開度を制御する。即ち、制御手段５０は中圧膨張手段３７に流入するガス冷媒の圧力が一定の目標値となるように中圧膨張手段３７の弁開度を制御する。

尚、各ショーケースユニット５Ａ、５Ｂも庫内温度を検出する図示しない庫内温度センサと制御手段を備えており、この制御手段により庫内温度に基づいて主膨張手段４６Ａ、４６Ｂの弁開度を制御し、庫内温度を所定の冷蔵温度に維持する。冷凍機ユニット３の制御手段５０は、低圧センサ５４の出力に基づき、低圧側圧力が所定の値より高い場合に圧縮機１１の運転周波数を制御して運転する。そして、各主膨張手段４６Ａ、４６Ｂが閉じられ、低圧側圧力が所定の値に低下したことで圧縮機１１を停止し、主膨張手段４６Ａ或いは４６Ｂが開放されて低圧側圧力が上昇したことで圧縮機１１を起動する。

図２は係る本発明の冷凍装置Ｒのｐ−ｈ線図である。図２の冷媒回路中に（ａ）〜（ｍ）の符号で示した箇所が、図１中の（ａ）〜（ｍ）に対応している。ガス冷熱回収器３８における過冷却は図２中の（ｇ）から（ｈ）で示す部分であり、その分（ｉ）から（ａ）までの冷凍効果が増大される効果がある。また、この図からも明らかな如く、−１０℃の蒸発温度における冷媒の乾き度（ｉ）は、図５における乾き度（ｈ）よりも著しく低くなっている。

このように、本発明ではガスクーラ２８から出た冷媒を膨張させてその圧力を中間圧に下げ、その後、飽和液冷媒とガス冷媒とに分離し、飽和液冷媒を主膨張手段４６Ａ、４６Ｂに供給する。そして、気液分離したガス冷媒を中圧膨張手段３７で膨張させて低温の液冷媒とガス冷媒にし、それをガス冷熱回収器３８にて主膨張手段４６Ａ、４６Ｂに向かう飽和液冷媒と熱交換させるようにしたので、ガス冷媒の冷熱を利用して主膨張手段４６Ａ、４６Ｂに向かう液冷媒を過冷却することができるようになる。

これにより、ガスクーラ２８から出た冷媒の状態に拘わらず、過冷却状態で主膨張手段４６Ａ、４６Ｂに十分な量の冷媒を供給し、蒸発器４７Ａ、４７Ｂに流入する冷媒の乾き度を小さくすることができるようになり、二酸化炭素冷媒を用いた冷凍装置Ｒの蒸発器４７Ａ、４７Ｂにおいて大きな冷却効果を得ることが可能となる。

特に、分離したガス冷媒が有する冷却能力を蒸発器４７Ａ、４７Ｂでの冷却能力に置換することができるようになるので、ガスクーラ２８から出た冷媒のガス比率が高い場合でも、蒸発器４７Ａ、４７Ｂにおける冷却効果の向上を図ることが可能となる。

更に、ガスクーラ２８から出た冷媒を高圧膨張手段３４にて膨張させてその圧力を中間圧に下げ、その後、中圧受液器３６に貯留して飽和液冷媒とガス冷媒とに分離するので、中圧受液器３６にて冷媒量の調整効果も得ることができるようになり、冷媒回路１内に多めに冷媒を充填することも可能となる。更にまた、中圧受液器３６にて高圧側圧力の変動も吸収することが可能となるので、一定の中間圧にて飽和液冷媒を主膨張手段４６Ａ、４６Ｂに供給することができるようになり、蒸発器４７Ａ、４７Ｂにおける安定した過熱度制御を行うことができるようになる。

このとき、高圧膨張手段３４と、中圧受液器３６と、ガス冷熱回収器３８と、中圧膨張手段３７を有する中圧制御装置２９を構成し、この中圧制御装置２９を冷凍機ユニット３に設けているので、ショーケースユニット５Ａ、５Ｂ側における設置スペースを削減することが可能となる。

また、ガス冷熱回収器３８のガス冷媒流路３８Ａを出た冷媒を、蒸発器４７Ａ、４７Ｂを出た冷媒と共に圧縮機１１の第１の回転圧縮要素１８に吸い込ませるようにしているので、中圧受液器３６内のガス冷媒の圧力を中圧膨張手段３７により低圧まで落とすことができるようになり、ガス冷媒による高い過冷却効果を期待できる。

更に、中圧膨張手段３７に流入するガス冷媒の圧力を検出する中圧膨張手段入口圧力センサ５３を設け、制御手段５０により、中圧膨張手段３７に流入するガス冷媒の圧力が下がり過ぎないように、一定の目標値となるよう中圧膨張手段３７を制御しているので、ガス冷熱回収器３８における飽和液冷媒の過冷却効果を維持することが可能となる。

更にまた、ガスクーラ２８から出た冷媒の温度と圧力を検出するガスクーラ出口温度センサ５１及びガスクーラ出口圧力センサ５２を設け、制御手段５０により、ガスクーラ２８内の冷媒の流速が速くなり過ぎないように高圧膨張手段３４を制御しているので、ガスクーラ２８における冷媒の放熱能力を確保することが可能となる。

尚、実施例では中圧制御装置２９を冷凍機ユニット３に設けたが、それに限らず、スペースが許すならばショーケースユニット５Ａ、或いは、５Ｂ側に設けても良い。そのようにすれば、冷凍機ユニット３とショーケースユニット５Ａ、５Ｂとを接続する長い冷媒配管７を高圧で冷媒搬送することができるようになるので、充填冷媒量を削減することができるようになる。

また、実施例で示した各値はそれに限られるものでは無く、冷凍装置の容量、使用目的に応じて適宜設定されるべきものである。更に、実施例では利用側ユニットとしてショーケースユニットを例に採りあげて本発明を説明したが、それに限らず、家庭用冷蔵庫や業務用冷蔵庫、プレハブ冷蔵庫、空気調和機等にも本発明は有効である。更にまた、冷媒も二酸化炭素に限らず、高圧側が超臨界圧力で運転される各種冷媒に対して本発明の冷凍装置は有効である。

Ｒ 冷凍装置
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（利用側ユニット）
７、９ 冷媒配管
１１ 圧縮機
２８ ガスクーラ
２９ 中圧制御装置
３４ 高圧膨張手段
３６ 中圧受液器
３７ 中圧膨張手段
３８ ガス冷熱回収器
３８Ａ 液冷媒流路
３８Ｂ ガス冷媒流路
４６Ａ、４６Ｂ 主膨張手段（膨張手段）
４７Ａ、４７Ｂ 蒸発器
５０ 制御手段
５１ ガスクーラ出口温度センサ
５２ ガスクーラ出口圧力センサ
５３ 中圧膨張手段入口圧力センサ

Claims (6)

1. 圧縮手段と、ガスクーラと、主膨張手段と、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、
   前記ガスクーラと主膨張手段の間に接続された中圧制御装置を備え、
   該中圧制御装置は、
   前記ガスクーラから出た高圧冷媒を膨張させて中間圧に下げる高圧膨張手段と、
   該高圧膨張手段にて膨張された冷媒を貯留し、飽和液冷媒とガス冷媒とに分離する中圧受液器と、
   該中圧受液器内の飽和液冷媒が流入する液冷媒流路と前記中圧受液器内のガス冷媒が流入するガス冷媒流路とを有して両流路を流れる冷媒を熱交換させるガス冷熱回収器と、
   前記中圧受液器内のガス冷媒を膨張させた後、前記ガス冷熱回収器のガス冷媒流路に流入させる中圧膨張手段とを有し、
   前記ガス冷熱回収器の液冷媒流路から出た冷媒を前記主膨張手段に流入させ、ガス冷媒流路から出た冷媒を前記圧縮手段に戻しており、
   前記ガスクーラから出た冷媒の温度と圧力を検出するガスクーラ出口温度センサ及びガスクーラ出口圧力センサと、各センサの出力に基づいて前記高圧膨張手段を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする冷凍装置。
2. 前記ガス冷熱回収器のガス冷媒流路を出た冷媒を、前記蒸発器を出た冷媒と共に前記圧縮手段に吸い込ませることを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
3. 前記中圧膨張手段に流入するガス冷媒の圧力を検出する中圧膨張手段入口圧力センサと、
   該中圧膨張手段入口圧力センサの出力に基づいて前記中圧膨張手段を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の冷凍装置。
4. 前記圧縮手段及びガスクーラを含む冷凍機ユニットと、
   前記主膨張手段及び蒸発器を含む利用側ユニットとを備え、
   前記冷凍機ユニットは、前記中圧制御装置も含む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。
5. 前記圧縮手段及びガスクーラを含む冷凍機ユニットと、
   前記主膨張手段及び蒸発器を含む利用側ユニットとを備え、
   該利用側ユニットは、前記中圧制御装置も含む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。
6. 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５のうちの何れかに記載の冷凍装置。

Images