JP6134477B2 - 冷凍装置及び冷凍機ユニット - Google Patents

Description

本発明は、圧縮機、凝縮器、減圧機構、蒸発器を順次接続して冷凍サイクルを構成するようにした冷凍装置及び冷凍機ユニットに係り、特に液冷媒冷却回路を備えるものに関する。

この種従来技術としては、例えば特開２００９−１０９０６５号公報（特許文献１）に記載のものがある。この従来技術のものには、冷凍サイクルの主回路を循環する高圧冷媒の一部を抜き出して減圧させた減圧冷媒を圧縮機の中間圧部に注入する液冷媒冷却回路（第１の液インジェクション回路）及び中間圧液インジェクション回路（第２の液インジェクション回路）を備えている。

そして、上記従来技術のものでは、特に前記液冷媒冷却回路により、液冷媒を周囲温度以下に下げることで、低圧機器側へ流れる冷媒循環量が同じでも冷凍能力の向上を図ることができるようにしている。

特開２００９−１０９０６５号公報

上記特許文献１の冷凍装置のものには、圧縮機（圧縮装置）１として駆動周波数を可変とする可変容量型圧縮機を用い、冷凍サイクルの負荷に応じて、前記容量可変型圧縮機を制御して冷凍能力を調整することが記載され、また冷凍能力を上げたい場合には、前記液冷媒冷却回路に設けた弁を開いて、該液冷媒冷却回路を使用することが記載されている。

しかし、この特許文献１のものは、基本的には、前記容量可変型圧縮機を制御して冷凍能力を調整するものであり、負荷に応じて前記容量可変型圧縮機の駆動周波数が制御されるものである。圧縮機は必要な冷凍能力を得るために高い回転数で駆動されるため、運転電流が高くなり、圧縮機の負担が大きくなる。この結果、圧縮機の信頼性が低下し、また消費電力も大きくなるからＣＯＰ（成績係数）の向上を十分に図ることはできず、省エネ化に対しても十分な配慮は為されていない。

本発明の目的は、冷凍サイクルの負荷が変動しても、圧縮装置の運転容量の変動を小さくして安定化させつつ必要な冷凍能力を得ることができるようにし、圧縮機の負担を小さくしてその信頼性向上を図ると共に、圧縮機の駆動電流の上昇も抑制して省エネ化を図ることのできる冷凍装置及び冷凍機ユニットを得ることにある。

上記目的を達成するために、本発明は、容量制御が可能な圧縮装置と、該圧縮装置で圧縮された高圧冷媒を凝縮させる凝縮器と、この凝縮器で凝縮された高圧冷媒を減圧する減圧機構と、この減圧機構で減圧された低圧冷媒を蒸発させる蒸発器とを順次冷媒配管で接続して構成される冷凍サイクルを備える冷凍装置において、前記冷凍サイクルの主回路を循環する高圧液冷媒の一部を抜き出して減圧させた減圧冷媒により前記主回路を流れる液冷媒を過冷却すると共に、主回路の液冷媒を冷却後の前記減圧冷媒を圧縮機の中間圧部に注入する液冷媒冷却回路と、前記液冷媒冷却回路を流れる液冷媒の流量を制御すると共に減圧するための流量制御手段と、前記主回路の負荷変動に応じて前記流量制御手段を制御するコントローラとを備え、前記コントローラは、前記主回路の負荷変動に応じて、冷凍能力を増加させる必要がある場合及び冷凍能力を低減させる必要がある場合の何れの場合にも、前記流量制御手段を制御して冷凍能力を制御した後、前記圧縮装置の容量制御による冷凍能力の制御が更に必要な場合に、圧縮機の容量制御を行うことを特徴とする。

本発明の他の特徴は、容量制御が可能な圧縮装置と、該圧縮装置で圧縮された高圧冷媒を凝縮させる凝縮器とを備え、前記凝縮器で凝縮された高圧冷媒を減圧するための減圧機構と、この減圧機構で減圧された低圧冷媒を蒸発させる蒸発器とを備える低圧機器と接続されて冷凍サイクルを構成可能にしている冷凍機ユニットにおいて、前記冷凍サイクルの主回路となる冷媒配管から高圧液冷媒の一部を抜き出して減圧させた減圧冷媒により前記主回路を流れる液冷媒を過冷却すると共に、主回路の液冷媒を冷却後の前記減圧冷媒を圧縮機の中間圧部に注入する液冷媒冷却回路と、前記液冷媒冷却回路を流れる液冷媒の流量を制御すると共に減圧するための流量制御手段と、前記主回路の負荷変動を検出して前記流量制御手段を制御するコントローラとを備え、前記コントローラは、前記主回路の負荷変動に応じて、冷凍能力を増加させる必要がある場合及び冷凍能力を低減させる必要がある場合の何れの場合にも、前記流量制御手段を制御して冷凍能力を制御した後、前記圧縮装置の容量制御による冷凍能力の制御が更に必要な場合に、圧縮機の容量制御を行うことにある。

本発明によれば、冷凍サイクルの負荷が変動しても、圧縮装置の運転容量の変動を小さくして安定化させつつ必要な冷凍能力を得ることができるから、圧縮装置の負担を小さくしてその信頼性の向上を図ることができると共に、圧縮装置の駆動電流の上昇も抑制して省エネ化も図ることができる効果が得られる。

本発明の冷凍装置の実施例１を示す冷凍サイクル構成図である。 図１の冷凍装置におけるモリエル線図である。 図１に示す冷凍装置Iの制御動作を説明するフローチャートである。 図３の制御動作に基づく冷凍能力の変化の一例を説明する線図である。

以下、本発明の具体的実施例を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の冷凍装置の実施例１を示す冷凍サイクル構成図である。
図１において、Iは冷凍装置で、この冷凍装置Iは、屋外に設置される冷凍機ユニット
II及び屋内に設置され、前記冷凍機ユニットと冷媒配管で接続される低圧機器IIIで構成されている。本実施例では、前記低圧機器IIIは、スーパーマーケット等の店舗内に設置され食品などの被冷却物を冷却するショーケースなどである。このようなショーケースは一般に負荷が大きく変動し易いものである。なお、低圧機器IIIとしては、これに限られるものではなく、他の形態の冷蔵庫や冷凍庫、或いは空気調和機の室内機等にも同様に適用可能であり、また低圧機器の数も複数台並列に接続することも同様に可能である。

本実施例に係る冷凍装置Iは、容量制御が可能な圧縮装置としての圧縮機（圧縮装置）１と、この圧縮機１で圧縮された高圧冷媒に含まれる冷凍機油を分離するための油分離器２と、この油分離器２で分離された高圧冷媒を凝縮する凝縮器３と、この凝縮器３で凝縮された高圧冷媒を減圧する減圧機構７と、この減圧機構７で減圧された低圧冷媒を蒸発させる蒸発器８とを順次接続して冷凍サイクルの主回路が構成されている。

前記圧縮機１は、低温低圧のガス冷媒を圧縮して高温高圧のガス冷媒にする。前記圧縮機１によって圧縮された高温高圧のガス冷媒には、冷凍機油が含まれている。そのため、前記油分離器２によって冷媒と冷凍機油に分離される。油分離器２で分離された高温高圧のガス冷媒は、前記凝縮器３によって凝縮されて高温高圧の液冷媒となる。凝縮された高圧の液冷媒は、前記減圧機構７により減圧され、蒸発器８により蒸発して、低温低圧のガス冷媒となって圧縮機１に戻る。
前記減圧機構７は膨張弁などで構成され、前記蒸発器８と共に前記低圧機器IIIに設置されている。

なお、圧縮機１としては、本実施例では、駆動周波数を可変とする可変容量型圧縮機が用いられている。これにより、冷凍サイクルの負荷に応じて、可変容量型圧縮機を制御して冷凍能力を調整することが可能となる。また、圧縮機（圧縮装置）１としては、例えばインバータ制御される可変容量型のスクロール圧縮機やロータリ圧縮機、或いはスクリュー圧縮機などが用いられる。前記圧縮機１を複数台設ける場合には、可変容量型圧縮機ではなく、固定容量型圧縮機（一定速型圧縮機）を複数台組み合わせて台数制御による容量制御可能な圧縮装置としても、或いは可変容量型圧縮機と固定容量型圧縮機との組み合わせとして容量制御ができるようにした圧縮装置としても良い。
冷媒としては、ＨＦＣ系のもの（例えば、Ｒ４０４ＡやＲ４１０Ａ）が用いられる。

本実施例では、前記凝縮器３の下流側に、凝縮器３からの冷媒を収容する受液器４が設置され、更にこの受液器４の下流側には、該受液器４から出た液冷媒を空気と熱交換させて過冷却する空気過冷却熱交換器５が配置されている。これにより、蒸発器８までの管路内の気泡の発生（いわゆるフラッシングの発生）を好適に防止することができる。その結果、後述する過冷却熱交換器６に導入される冷媒流量の変動を抑制でき、冷凍能力を調整させることができる。前記凝縮器３及び空気過冷却熱交換器５は、本実施例ではクロスフィン型熱交換器で構成され、これらには冷却ファン６０により屋外空気が通風される。

また、前記冷凍サイクルの主回路には、主回路を循環する高圧冷媒の一部を抜き出して減圧させた減圧冷媒と、前記主回路を循環する高圧冷媒とを熱交換させる過冷却熱交換器６が設置されている。該過冷却熱交換器６は、前記凝縮器３の下流側に配置される。また、過冷却熱交換器６は、受液器４及び空気過冷却熱交換器５より下流側に配置されている。

前記過冷却熱交換器６は、主回路としての第１流路６ａと、前記主回路から分岐する第２流路６ｂを有しており、例えばプレート式熱交換器で構成されて、前記第１流路６ａを流れる冷媒と、前記第２流路６ｂを流れる冷媒とが熱交換されるように構成されている。

ところで、過冷却熱交換器６で熱交換される高圧冷媒は、前記凝縮器３と過冷却熱交換器６との間から抜き出され、具体的には、空気過冷却熱交換器５と過冷却熱交換器６との間から抜き出される。ただし、これに限定されるものではなく、前記受液器４から抜き出されるものであってもよく、過冷却熱交換器６より下流側から抜き出されるものであっても良い。

前記過冷却熱交換器６において、前記主回路を循環する高圧冷媒と熱交換された減圧冷媒は、液冷媒冷却回路４１を介して圧縮機１の中間圧部に注入される。即ち、圧縮機１の中間圧部にはインジェクションポートが形成されており、前記液冷媒冷却回路４１からの液冷媒はこのインジェクションポートに注入される。前記液冷媒冷却回路４１には、圧縮機１の中間圧部への冷媒の注入量を制御する電子膨張弁などの流量制御弁（流量制御手段）１１が設けられている。この流量制御弁１１は、流量調整可能な減圧手段として設けられており、前記主回路からの分岐点と過冷却熱交換器６との間に配置されている。この液冷媒冷却回路４１は、前記過冷却熱交換器６での過冷却度を制御して冷凍能力を調整するために設けられている。

また、本実施例では、前記液冷媒冷却回路４１の他に、圧縮機の温度上昇を防止するための液インジェクション回路４２も設けられている。本実施例では、前記液インジェクション回路４２は、その一端側が前記空気過冷却熱交換器５と前記過冷却器熱交換器６とを接続している前記主回路の冷媒配管に接続され、他端側は前記液冷媒冷却回路４１に接続されることにより、前記液冷媒冷却回路４１と同一の配管で圧縮機１の中間圧部に接続されている。また、この液インジェクション回路４２には、電子膨張弁、或いはキャピラリチューブなどの減圧器と開閉弁を組み合わせた減圧手段９が設けられている。この減圧手段は前記圧縮機１から吐出される吐出ガス温度や吐出ガスの過熱度に基づいて制御される。

前記液冷媒冷却回路４１や液インジェクション回路４２の一端側は必ずしも、前記過冷却器熱交換器６の上流側に接続しなければならないものではなく、その下流側に接続するようにしても良い。

１７は前記油分離器２で分離された油を、前記圧縮機１の吸入側の冷媒配管に戻すための油戻し回路で、この油戻し回路１７には減圧手段１０が設けられている。この減圧手段１０としては開閉弁とキャピラリチューブなどでの減圧器とを組み合わせたものなどが使用される。

また、前記圧縮機１の吸入側の冷媒配管には吸入圧力センサ１４が設けられ、前記圧縮機１の吐出側の冷媒配管には吐出ガス温度センサ１５と吐出圧力センサ１９が設けられている。前記吐出ガス温度センサ１５により圧縮機からの吐出ガス温度を検出することで圧縮機１の温度を検出するものである。また、前記吐出ガス温度センサ１５と吐出圧力センサ１９からの検出値に基づいて過熱度を求めることができる。更に、本実施例では、前記過冷却熱交換器６の下流側の冷媒配管には前記過冷却熱交換器６で冷却された液冷媒の温度を検出する液温度センサ１８が設けられている。

これらのセンサ１４，１５，１８，１９からの信号はコントローラ（制御手段）１６に入力され、これらの入力された信号などに基づいて、前記コントローラ１６は、前記圧縮機、前記液冷媒冷却回路４１の流量制御弁１１、前記液インジェクション回路４２の減圧手段９、油戻し回路１７の減圧手段１０などを制御するように構成されている。

前記吸入圧力センサ１４は、前記主回路の負荷（低圧機器IIIにおける負荷）を検出するために設けられているものであり、圧縮機１の吸入側の圧力を検出するものである。

次に、前記主回路の基本的な動作について、図１及び図２を用いて説明する。なお、図２は図１の冷凍装置におけるモリエル線図である。

圧縮機１に吸入されたガス冷媒は、圧縮機１で圧縮され、高温、高圧のガス冷媒となって吐出される。吐出されたガス冷媒は、油分離機２を経て、凝縮器３で屋外空気（外気）と熱交換して放熱されることにより、凝縮されて受液器４に流入し溜められる。受液器４に溜められた液冷媒は、過冷却器５に導かれて、ここで再び屋外空気と熱交換して過冷却される。

過冷却器５で過冷却された液冷媒は、液冷媒冷却回路４１や液インジェクション回路４２に冷媒が流れていない場合には、その全量が過冷却熱交換器６の第１流路６ａに導かれる。また、前記流量制御弁１１が開いて、液冷媒の一部が主回路から分岐し、第２流路６ｂ側（液冷媒冷却回路４１側）に冷媒が流れている場合には、前記液冷媒冷却回路４１の流量制御弁１１で減圧されて温度が低下した冷媒と、前記第１流路６ａを流れる液冷媒とが熱交換して、第１流路６ａを流れる液冷媒は更に過冷却される。この第１流路６ａから流出された液冷媒は、低圧機器IIIの減圧機構７により減圧され、ガス液混合冷媒となる。このガス液混合冷媒は、蒸発器８で周囲の被冷却物から吸熱（被冷却物を冷却）して蒸発され、低温、低圧のガス冷媒となって前記圧縮機１に再び吸入される。

ここで、前記液インジェクション回路４２に冷媒が流れていない状態と冷媒が流れている状態での冷凍サイクルにおけるモリエル線図を図２により説明する。この図２において、前記液冷媒冷却回路４１に冷媒が流れていない状態のモリエル線図を実線６１で、前記液冷媒冷却回路４１に冷媒が流れている状態でのモリエル線図を点線６２で示す。

次に、液冷媒冷却回路４１の基本的な動作について、図１及び図２を参照しながら説明する。
低圧機器IIIに冷却負荷の変動が生じた場合、圧縮機１への吸入圧力に変動が生じるので、この圧力変動を吸入圧力センサ１４により検出し、この検出された吸入圧力値はコントローラ１６に入力される。コントローラ１６は検出された吸入圧力値に応じて、低圧機器IIIの冷却温度（設定温度）に対応して決定される吸入圧力値となるように、前記液冷媒冷却回路４１の流量制御弁１１を制御して、冷凍能力を調整する。

例えば、前記吸入圧力センサ１４で検出された吸入圧力値が設定されている吸入圧力値よりも大きい場合、前記コントローラ１６は液冷媒冷却回路４１の流量制御弁１１を開度が大きくなる方向に動作させる。これにより、空気過冷却熱交換器３で過冷却された主回路を流れる液冷媒の一部は、前記第２流路６ｂ側に分流されて前記液冷媒冷却回路４１側に流れる。この分流された液冷媒は、液冷媒冷却回路４１の流量制御弁１１で減圧され、前記第１流路６ａを流れる主回路の液冷媒と熱交換して吸熱し、第１流路６ａを流れる液冷媒を更に過冷却して自らは蒸発した後、前記圧縮機１の中間圧部に設けられたインジェクションポートに注入される。

このように、主回路を流れる液冷媒は更に過冷却されて低圧機器III側に流れるので、冷却能力が増大して前記低圧機器IIIの温度を低下させることができる。従って、前記吸入圧力センサ１４で検出される吸入圧力値も低下し、設定されている吸入圧力値に近づけて行くことができる。なお、本実施例では、前記液温度センサ１８を備えているので、前記コントローラ１６は、この液温度センサ１８から得られた液冷媒温度も取り込んで、前記流量制御弁１１の開度を制御すれば、前記流量制御弁１１をより迅速に適切な開度に制御することができる。

この作用について、図２に示すモリエル線図で詳しく説明する。図２において、前記液冷媒冷却回路４１の流量制御弁１１を閉じている場合には、液冷媒冷却回路４１が設けられていない通常の冷凍装置と同様に動作するので、そのモリエル線図は図２に実線６１で示す線となり、そのエンタルピ差はΔｑ１で示すようになる。これに対し、前記液冷媒冷却回路４１の流量制御弁１１が開かれると、該液冷媒冷却回路４１が動作し、主回路のモリエル線図は、図２の点線６２で示すように、モリエル線図を低エンタルピ側に拡大させることができ、そのエンタルピ差はΔｑ２で示すように大きくできる。

この図２から明らかなように、前記液冷媒冷却回路４１を動作させて主回路を流れる液冷媒の過冷却度を調整範囲Ａに示すように調整することにより、冷凍機ユニットIIの冷凍能力（エンタルピ差）を増大させることができる。即ち、冷凍能力は冷媒循環量とエンタルピ差との乗算で表されるが、低圧機器IIIを流れる冷媒循環量が同じで、液冷媒冷却回路４１が動作しない状態のエンタルピ差Δｑ１より、液冷媒冷却回路４１が動作した状態のエンタルピ差Δｑ２の方が大きくなるため、冷凍能力は増大する。

前記コントローラ１６は、前記吸入圧力センサ１４で検知した吸入圧力値に応じて（換言すれば、冷凍装置の負荷変動に応じて）、液冷媒冷却回路４１の流量制御弁１１の開度を制御するように構成されている。液冷媒冷却回路４１の流量制御弁１１の開度を制御して、液冷媒冷却回路４１を流れる冷媒を減圧しつつその冷媒量を変化させることにより、前記冷凍機ユニットIIの冷凍能力を変化させることができる。

即ち、液冷媒冷却回路４１の流量制御弁１１の開度が大きくなるように制御すれば、該液冷媒冷却回路４１を流れる冷媒量を増大することができ、主回路（第１流路６１側）を流れる液冷媒の過冷却量を増大して冷凍能力を増大することができる。逆に、前記液冷媒冷却回路４１の流量制御弁１１の開度が小さくなるように制御すれば、該液冷媒冷却回路４１を流れる冷媒量が低減し、主回路を流れる液冷媒の過冷却量が小さくなるから冷凍能力を低下させることができる。

このように液冷媒冷却回路４１を動作させることにより、図２のモリエル線図の点線６２に示すように、液冷媒の過冷却度を増加させて冷凍能力を増大できると共に、圧縮機１の中間圧部に低温の冷媒が注入されるので、圧縮機１から吐出される吐出冷媒ガスの温度を低くすることもできる。

即ち、液冷媒冷却回路４１の流量制御弁１１の制御により、低圧機器IIIへ供給される液冷媒の過冷却度を変化させることができ、それによって低圧機器III側への冷媒循環量を変化させること無く冷凍能力を制御できると共に、低圧機器IIIの冷却負荷が小さい場合でも、前記圧縮機１への油戻り量が低減するのも防止することができる。

次に、液インジェクション回路４２の基本的な動作について、図１に基づき説明する。本実施例では、吐出ガス温度センサ１５を備えており、吐出ガス温度センサ１５の検出温度値に基づいて、前記コントローラ１６は液インジェクション回路４２に設けられている減圧手段（電子膨張弁を用いている場合には流量制御手段にもなる）９を制御する。前記減圧手段９を開くと、空気過冷却熱交換器５からの主回路を流れる液冷媒の一部は、前記液インジェクション回路４２に分流される。この分流されて液インジェクション回路４２を流れる液冷媒は、前記減圧手段９で減圧された後、前記圧縮機１の中間圧力部に設けられているインジェクションポートに注入される。

前記減圧手段９は、前記吐出ガス温度センサ１５での検出温度値が、設定温度以上となった場合に前記コントローラ１６により開かれるように制御され、前記検出温度値が設定温度より低下した場合には閉じるように制御される。このように液インジェクション回路４２を動作させることにより、圧縮機１を冷却してその温度上昇を防止できるから、信頼性の向上を図ることができる。

次に、前記吸入圧力センサ１４に基づく制御と、その制御による冷凍能力の変化について、図３及び図４により説明する。図３は図１に示す冷凍装置Iの制御動作を説明するフローチャート、図４は図３の制御動作に基づく冷凍能力の変化の一例を説明する線図である。

図３において、１６は図１に示したコントローラで、このコントローラ１６での動作を図３のフローチャートで説明する。前記コントローラ１６には、低圧機器IIIの冷却負荷変動として、図１に示す吸入圧力センサ１４からの検出圧力値Ｐｓが随時取り込まれている（ステップＳ１）。一方、低圧機器IIIの冷却温度（設定温度）に対応する設定吸入圧力値の範囲（以下、単に設定圧力範囲ともいう）が設定される（ステップＳ２）。

低圧機器IIIに負荷変動が生じた場合、前記吸入圧力センサ１４の検出圧力値Ｐｓは変動するので、この検出圧力値Ｐｓと前記設定圧力範囲とを比較する（ステップＳ３）。
この比較の結果、検出圧力値Ｐｓが設定圧力範囲より高くなったか否かを判定し、検出圧力値Ｐｓが設定圧力範囲よりも高いと判定された場合には、冷凍能力を増加する必要がある場合と想定されるので、次にステップＳ４に移り、まずは冷媒循環量が最大（Ｍａｘ）であるか否かを判定する（ステップＳ４）。冷媒循環量が最大か否かは圧縮機の回転数が最大か否かで判定することができる。

このステップＳ４で冷媒循環量が最大にはなっていないと判定された場合には、液冷媒冷却回路４１の流量制御弁１１の開度（液冷媒冷却回路の流量）が最大であるか否かを判定する（ステップＳ５）。このステップＳ５で液冷媒冷却回路４１の流量制御弁１１開度が最大になっていないと判定された場合には、ステップＳ６に移り、流量制御弁（電子膨張弁）１１の開度を増加（ＵＰ）させることにより、冷凍機ユニットIIの冷凍能力を増加（ＵＰ）させる。

このステップＳ６における流量制御弁１１の制御により、図４に示すように、冷凍機ユニットIIの冷凍能力をハッチングで示した液冷媒冷却回路４１による冷凍能力制御領域Ｂの範囲で調整することができる。例えば、図４に示す冷媒循環量が５０％の場合、冷凍能力を４０％（流量制御弁１１が全閉の状態）から、５０％（流量制御弁１１が全開の状態）の範囲で調整することができる。

前記ステップＳ５で液冷媒冷却回路４１の流量制御弁１１開度が最大と判定された場合には、図３のステップＳ７に移り、圧縮機１の回転数を増加（運転容量を増加）させて冷媒循環量を増大（ＵＰ）させることにより、冷凍能力を増大（ＵＰ）させる。即ち、吸入圧力センサ１４による検出圧力値Ｐｓに基づいて圧縮機１の回転数を増大し、冷媒循環量を増大させるように、前記圧縮機１をインバータ制御する。この圧縮機１の回転数制御（容量制御）によって、図４の実線６３に示すように、冷媒循環量を５０％〜１００％の範囲で制御することにより、冷凍能力を４０％〜８０％の範囲で調整することができる。

前記ステップＳ４で冷媒循環量が最大となっていると判定された場合には、圧縮機運転容量制御による冷凍能力の増大が望めないので、ステップＳ８に移り、液冷媒冷却回路４１の流量が最大（Ｍａｘ）になっているか否かを判定する。この液冷媒冷却回路４１の流量とは、過冷却熱交換器６の第２流路６ｂを流れる冷媒量のことであり、この冷媒量は液冷媒冷却回路４１の流量制御弁１１の開度によって決定される。従って、液冷媒冷却回路４１の流量制御弁１１が最大開度になっているか否かを判定することにより、液冷媒冷却回路流量が最大になっているか否かを判定できる。

このステップＳ８で、液冷媒冷却回路４１の流量が最大になっていないと判定された場合には、ステップＳ９に移り、液冷媒冷却回路４１の流量制御弁（電子膨張弁）１１の開度を大きく（ＵＰ）して、該液冷媒冷却回路４１の流量を増大し、冷凍能力を増大（ＵＰ）させる。このような液冷媒冷却回路４１の流量制御によって、図４の液冷媒冷却回路４１による冷凍能力制御領域Ｂに示すように、冷媒循環量が１００％の状態で、冷凍能力を８０％〜１００％の範囲で調整することができる。

前記ステップＳ８で液冷媒冷却回路４１の流量が最大になっていると判定された場合は、冷凍能力が最大となっている状態なので、その運転状態を維持する（ステップＳ１０）。

前記ステップＳ３で検出圧力値Ｐｓが設定圧力範囲より高くなっていない場合には、ステップＳ１１に移り、検出圧力値Ｐｓが設定圧力範囲より低くなっているか否かを判定する。ステップＳ１１で検出圧力値Ｐｓが設定圧力範囲より低くなっていると判定された場合には冷凍能力を低減させる必要があるので、ステップＳ１２に移り、まず液冷媒冷却回路４１の流量が最少（Ｍｉｎ）になっているか否かを判定する。この判定で、液冷媒冷却回路４１の流量が最少になっていないと判定された場合には、ステップＳ１３に移り、検出圧力値Ｐｓに基づき、前記流量制御弁（電子膨張弁）１１の開度が小さくなる（Ｄｏｗｎ）ように制御して、液冷媒冷却回路４１を流れる液冷媒量を減少させる。これによって主回路を流れる液冷媒の過冷却度を減少させて冷凍能力を低減（Ｄｏｗｎ）でき、圧縮機１への吸入圧力値を上昇させて、設定圧力範囲に入るようにすることが可能となる。

前記ステップＳ１２で、液冷媒冷却回路４１の流量が最小（流量制御弁１１の開度が最小）になっていると判定された場合には、次にステップＳ１４に移り、検出圧力値Ｐｓに基づいて、圧縮機１の回転数（容量）を低減して冷媒循環量を低減させるように、前記圧縮機１をインバータ制御する。これによって、主回路を流れる冷媒循環量が低減するので、冷凍能力を減少させて圧縮機１への吸入圧力値を上昇させ、設定圧力範囲に入るように制御可能となる。

前記ステップＳ１１で、検出圧力値Ｐｓが設定圧力範囲より低くなっていないと判定された場合には、検出圧力値Ｐｓが設定圧力範囲内にあると判断できるので、その運転状態を維持する（ステップＳ１５）。

前記液冷媒冷却回路４１を備えておらず、過冷却熱交換器６での過冷却をしない従来の冷凍装置では、図４の実線６３で示す「過冷却度制御無し」の特性のようになり、圧縮機１の容量制御による冷媒循環量の制御範囲が５０％〜１００％であるとした場合、それによる冷凍能力の制御範囲は４０％〜８０％となる。

これに対し、上述した本実施例の冷凍装置によれば、液冷媒冷却回路４１を設け、ここを通過する液冷媒量を制御することで、過冷却熱交換器６での過冷却度制御をすることができるように構成している。従って、圧縮機１の容量制御による冷媒循環量の制御範囲が上記従来のものと同じ５０％〜１００％の場合であっても、冷凍能力の制御範囲を、図４の実線６３で示す特性に加え、点線６４に示す「過冷却度制御有り」の特性の範囲まで増加させることができるから、４０％〜１００％と大幅に拡大できる。この結果、低圧機器IIIで冷却される食品等の被冷却物をきめ細かく冷却できるから、冷却不足をなくして鮮度維持を図ることができ、冷却し過ぎも防止可能となる。

また、本実施例によれば、圧縮機への吸入圧力に基づく冷凍能力の制御を、液冷媒冷却回路４１を流れる液冷媒量の制御を優先して行うので、圧縮機の回転数（容量）をより低減した運転が可能となる。この結果、圧縮機の信頼性向上を図れると共に、省エネ化も図ることが可能となり、冷凍装置のＣＯＰ向上も図れる。

即ち、前記液冷媒冷却回路４１による冷凍能力の制御は、前記低圧機器IIIにおけるどの蒸発温度においても使用可能なため、冷凍能力の可変範囲を最大限に発揮させることができ、圧縮機の回転数をできるだけ下げた運転を行うことで、よりＣＯＰを向上させた運転を行うことが可能となる。
更に、液冷媒冷却回路４１からの低温の冷媒ガスを圧縮機の中間圧部に注入するので、圧縮機の冷却も可能となり、その温度上昇を抑えることができる。

以上説明したように、本実施例によれば、同じ冷媒循環量において、冷凍能力を増大させることが可能となるから、圧縮機の回転数（容量）をより低減させ、回転数変動の少ない安定した運転が可能となる。この結果、圧縮機の信頼性向上を図れると共に、省エネ化も図ることのできる冷凍装置を得ることができる効果がある。

即ち、本実施例では、冷凍サイクルの負荷が変動しても、圧縮装置（圧縮機）の運転容量の変動を小さくして安定化させつつ必要な冷凍能力を得ることができるから、圧縮装置の負担を小さくしてその信頼性の向上を図ることができると共に、圧縮装置の駆動電流の上昇も抑制して省エネ化を図ることのできる効果が得られる。

１…圧縮機（圧縮装置）、２…油分離器、
３…凝縮器、４…受液器、５…空気過冷却熱交換器、
６…過冷却熱交換器、６ａ…第１流路、６ｂ…第２流路、
７…減圧機構、８…蒸発器、
９，１０…減圧手段、１１…流量制御弁（流量制御手段）、
１４…吸入圧力センサ、１５…吐出ガス温度センサ、
１６…コントローラ、
１７…油戻し回路、
１８…液温度センサ、１９…吐出圧力センサ、
４１…液冷媒冷却回路、４２…液インジェクション回路、
６０…冷却ファン、
I…冷凍装置、II…冷凍機ユニット、III…低圧機器、
Ａ…過冷却度の調整範囲、
Ｂ…液冷媒冷却回路による冷凍能力制御領域。

Claims (11)

1. 容量制御が可能な圧縮装置と、該圧縮装置で圧縮された高圧冷媒を凝縮させる凝縮器と、この凝縮器で凝縮された高圧冷媒を減圧する減圧機構と、この減圧機構で減圧された低圧冷媒を蒸発させる蒸発器とを順次冷媒配管で接続して構成される冷凍サイクルを備える冷凍装置において、
   前記冷凍サイクルの主回路を循環する高圧液冷媒の一部を抜き出して減圧させた減圧冷媒により前記主回路を流れる液冷媒を過冷却すると共に、主回路の液冷媒を冷却後の前記減圧冷媒を圧縮装置の中間圧部に注入する液冷媒冷却回路と、
   前記液冷媒冷却回路を流れる液冷媒の流量を制御すると共に減圧するための流量制御手段と、
   前記主回路の負荷変動に応じて前記流量制御手段を制御するコントローラとを備え、前記コントローラは、前記主回路の負荷変動に応じて、冷凍能力を増加させる必要がある場合及び冷凍能力を低減させる必要がある場合の何れの場合にも、前記流量制御手段を制御して冷凍能力を制御した後、前記圧縮装置の容量制御による冷凍能力の制御が更に必要な場合に、圧縮装置の容量制御を行う
   ことを特徴とする冷凍装置。
2. 請求項１に記載の冷凍装置において、前記容量制御が可能な圧縮装置は、回転数制御が可能な少なくとも１台の圧縮機を備えることを特徴とする冷凍装置。
3. 請求項２に記載の冷凍装置において、前記主回路の負荷変動を検出するために前記圧縮装置への吸入圧力を検知する吸入圧力センサを備え、前記コントローラは、前記吸入圧力センサで検出された吸入圧力値に応じて前記流量制御手段を制御して冷凍能力を制御した後、前記圧縮装置の容量制御による冷凍能力の制御が更に必要な場合に、回転数制御が可能な前記圧縮機の回転数制御を行うことを特徴とする冷凍装置。
4. 請求項３に記載の冷凍装置において、前記凝縮器と前記減圧機構との間の主回路に過冷却熱交換器を備え、この過冷却熱交換器を流れる主回路の液冷媒を、前記液冷媒冷却回路を流れる減圧された冷媒で過冷却するように構成されていることを特徴とする冷凍装置。
5. 請求項１に記載の冷凍装置において、前記流量制御手段は電子膨張弁であることを特徴とする冷凍装置。
6. 請求項１に記載の冷凍装置において、前記冷凍サイクルの主回路を循環する高圧液冷媒の一部を抜き出して減圧手段により減圧させた減圧冷媒を圧縮機の中間圧部に注入する液インジェクション回路を更に備え、前記圧縮機１から吐出される吐出ガス温度または吐出ガスの過熱度に基づいて液インジェクション回路に設けられた前記減圧手段が制御されることを特徴とする冷凍装置。
7. 請求項４に記載の冷凍装置において、前記過冷却熱交換器の出口側に液温度センサを備え、前記コントローラは、この液温度センサから得られた液冷媒温度も取り込んで、前記流量制御手段の開度を制御するように構成されていることを特徴とする冷凍装置。
8. 請求項１に記載の冷凍装置において、前記容量制御が可能な圧縮装置は、固定容量型圧縮機を複数台組み合わせて台数制御による容量制御を可能にした圧縮装置、或いは可変容量型圧縮機と固定容量型圧縮機との組み合わせとして容量制御を可能にした圧縮装置の何れかであることを特徴とする冷凍装置。
9. 請求項４に記載の冷凍装置において、前記凝縮器の下流に受液器を設け、この受液器からの液冷媒を更に外気で過冷却する空気過冷却熱交換器を備え、この空気過冷却熱交換器の下流側に前記過冷却熱交換器が備えられていることを特徴とする冷凍装置。
10. 請求項１に記載の冷凍装置において、前記圧縮装置と前記凝縮器との間に油分離器を設け、この油分離器内の油を前記圧縮装置の吸入側に戻すための油戻し回路を備え、この油戻し回路には減圧手段が設けられていることを特徴とする冷凍装置。
11. 容量制御が可能な圧縮装置と、該圧縮装置で圧縮された高圧冷媒を凝縮させる凝縮器とを備え、前記凝縮器で凝縮された高圧冷媒を減圧するための減圧機構と、この減圧機構で減圧された低圧冷媒を蒸発させる蒸発器とを備える低圧機器と接続されて冷凍サイクルを構成可能にしている冷凍機ユニットにおいて、
    前記冷凍サイクルの主回路となる冷媒配管から高圧液冷媒の一部を抜き出して減圧させた減圧冷媒により前記主回路を流れる液冷媒を過冷却すると共に、主回路の液冷媒を冷却後の前記減圧冷媒を圧縮装置の中間圧部に注入する液冷媒冷却回路と、
    前記液冷媒冷却回路を流れる液冷媒の流量を制御すると共に減圧するための流量制御手段と、
    前記主回路の負荷変動を検出して前記流量制御手段を制御するコントローラとを備え、前記コントローラは、前記主回路の負荷変動に応じて、冷凍能力を増加させる必要がある場合及び冷凍能力を低減させる必要がある場合の何れの場合にも、前記流量制御手段を制御して冷凍能力を制御した後、前記圧縮装置の容量制御による冷凍能力の制御が更に必要な場合に、圧縮装置の容量制御を行う
    ことを特徴とする冷凍機ユニット。

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