JP6467682B2 - 冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮手段、ガスクーラ、主絞り手段、及び、蒸発器から冷媒回路が構成される冷凍装置に関するものである。

従来、この種の冷凍装置は、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、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。

また、近年では、自然環境問題などから、この種の冷凍装置にフロン系冷媒が使用できなくなってきている。そのため、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を参照）。二酸化炭素冷媒は、高低圧差の大きい冷媒で、臨界温度が３１℃と低く、夏季の運転条件下では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。

また、給湯機を構成するヒートポンプ装置では、ガスクーラにて優れた加熱作用が得られる二酸化炭素冷媒が使用されるようになってきており、その場合にガスクーラから出た冷媒を２段膨張させ、各膨張装置の間に気液分離器を介設して、圧縮機にガスインジェクションできるようにするものも開発されている。

一方、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、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という問題がある。こ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、ガスクーラと絞り手段との間に熱交換器を設け、ガスクーラから吐出された冷媒を二つの冷媒流に分流し、分流された一方の冷媒流を補助絞り手段で絞って減圧膨張させた後、その熱交換器に戻して他方の冷媒流の冷媒を冷却させ、他方の冷媒流を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、蒸発器入口の比エンタルピを小さくすることができ、その結果冷凍能力を改善することができる。ここで、減圧膨張させた冷媒流は、２段圧縮式の圧縮手段の中間圧部に戻されて圧縮された後、ガスクーラに向けて吐出される。

特開２０１３−１５５９７２号公報

このような冷凍装置では、圧縮手段の中間圧部に戻される冷媒の量が多くなると圧縮動力が増加するため消費電力が大きくなる。また、熱交換により比エンタルピを小さくするため、熱交換器により高い能力が要求され、熱交換器が大型化する。さらに、冷媒を分流させる際の分流量の調整は容易ではなく、また、分流された冷媒が液冷媒として圧縮手段に流入する事態を確実に防止することも要求されている。

本発明は、消費電力を抑制しつつ小型化を可能とし、さらに、冷媒の分流量の調整、および、液冷媒の圧縮手段への流入防止を適切に行うことが可能な冷凍装置を提供することを目的とする。

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る冷凍装置であって、ガスクーラの下流側であって、主絞り手段の上流側の冷媒回路に設けられた熱交換器と、熱交換器の下流側であって、主絞り手段の上流側の冷媒回路に接続された圧力調整用絞り手段と、圧力調整用絞り手段の下流側であって、主絞り手段の上流側の冷媒回路に設けられたタンクと、タンク内の冷媒を、補助絞り手段を介して熱交換器の第１の流路に流し、熱交換器の第２の流路を流れる冷媒と熱交換させた後、圧縮手段の中間圧部に吸い込ませる補助回路と、タンク下部から冷媒を流出させ、冷媒を前記主絞り手段に流入させる主回路と、を備え、前記補助絞り手段は、第１の補助回路用絞り手段と第２の補助回路用絞り手段を有し、前記補助回路は、前記タンク上部から冷媒を流出させ、前記第１の補助回路用絞り手段に流入させるガス配管と、前記タンク下部から冷媒を流出させ、前記第２の補助回路用絞り手段に流入させる液配管を有する。

本発明によれば、消費電力を抑制しつつ装置の小型化を可能とし、さらに、冷媒の分流量の調整、および、液冷媒の圧縮手段への流入防止を適切に行うことができる。

本発明を適用した冷凍装置の冷媒回路図の一実施形態を示す図 図１の冷凍装置におけるＰ−Ｈ線図（高外気温時）の一例を示す図 図１の冷凍装置におけるＰ−Ｈ線図（低外気温時）の一例を示す図

（１）冷凍装置Ｒの構成
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。図１は本発明を適用する一実施形態にかかる冷凍装置Ｒの冷媒回路図である。本実施形態における冷凍装置Ｒは、スーパーマーケット等の店舗の戸外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）のショーケースユニット４とを備え、これら冷凍機ユニット３とショーケースユニット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及び冷媒配管９により連結されて所定の冷媒回路１を構成している。

この冷媒回路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）が小さいため地球環境に優しく、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、圧縮手段としての圧縮機１１を備える。本実施形態において、圧縮機１１は、内部中間圧型２段圧縮式ロータリコンプレッサであり、密閉容器１２と、この密閉容器１２の内部空間の上部に配置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、その回転軸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）１４、および、第２の（高段側）回転圧縮要素（第２の圧縮要素）１６から成る回転圧縮機構部にて構成されている。

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て中間圧まで昇圧して吐出し、第２の回転圧縮要素１６は、第１の回転圧縮要素１４で圧縮されて吐出された中間圧の冷媒をさらに吸い込み、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、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の回転数を制御可能とする。

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。この冷媒配管９中に第２内部熱交換器１５の第２の流路１５Ｂが設けられている。

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ものであり、当該インタークーラ２４の出口には、中間圧吸入配管２６の一端が接続され、この中間圧吸入配管２６の他端は圧縮機１１の高段側吸込口１９に接続される。

高段側吸込口１９より第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、当該第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。

そして、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、この高圧吐出配管２７中にはオイルセパレータ２０が設けられている。オイルセパレータ２０は圧縮機１１から吐出された冷媒中のオイルを分離し、オイル通路２５Ａと電動弁２５Ｂを介して圧縮機１１の密閉容器１２内に戻す。なお、フロートスイッチ５５は圧縮機１１内のオイルレベルを検出するスイッチである。

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。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。

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の他端は圧力調整用絞り手段としての電動膨張弁３３の入口に接続されている。このガスクーラ出口配管３２中に第１内部熱交換器２９の第２の流路２９Ｂが設けられる。

電動膨張弁３３は第１内部熱交換器２９から出た冷媒を絞って膨張させると共に、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、そ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。

このタンク３６は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が本発明における主回路３８を構成する。

一方、店舗内に設置されるショーケースユニット４に備わる蒸発器４１は、冷媒配管８、９に接続される。ショーケースユニット４には、主絞り手段としての電動膨張弁３９と蒸発器４１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）。さらに、冷媒配管８中には第２内部熱交換器１５の第１の流路１５Ａが設けられ、冷媒配管９中には第２内部熱交換器１５の第２の流路１５Ｂが設けられる。また、第２内部熱交換器１５の第１の流路１５Ａには並列にバイパス回路４５が接続されており、このバイパス回路４５には弁装置としての電磁弁５０が介設されている。蒸発器４１には、当該蒸発器４１に送風する図示しない冷気循環用送風機が隣設されている。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の他端は第１の補助回路用絞り手段としての電動膨張弁４３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、その他端は圧縮機１１の中間圧部に繋がる中間圧吸入配管２６（中間圧領域の一例）の途中に連通されている。この中間圧戻り配管４４中に第１内部熱交換器２９の第１の流路２９Ａが設けられている。

タンク３６の下部には液配管４６の一端が接続されており、この液配管４６の他端は電動膨張弁４３の下流側の中間圧戻り配管４４に連通されている。また、この液配管４６中には第２の補助回路用絞り手段としての電動膨張弁４７が設けられている。これら電動膨張弁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）が補助絞り手段を構成する。この液配管４６はタンク３６下部から液冷媒を流出させ、電動膨張弁４７に流入させる。そして、これら中間圧戻り配管４４と、電動膨張弁４３、４７と、これら電動膨張弁４３、４７の上流側にあるガス配管４２及び液配管４６が補助回路４８を構成する。

このように、第１内部熱交換器２９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、電動膨張弁３３は第１内部熱交換器２９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、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。以上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。即ち、高圧吐出配管２７には高圧センサ４９が取り付けられて冷媒回路１の高圧側圧力ＨＰ（圧縮機１１からガスクーラ２８に吐出される冷媒の圧力である圧縮機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、冷媒導入配管２２には低圧センサ５１が取り付けられて冷媒回路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、中間圧吸入配管２６には中間圧センサ５２が取り付けられて冷媒回路の１の中間圧領域の圧力である中間圧ＭＰ（密閉容器１２内と高段側吸込口１９の間、電動膨張弁４３、４７の出口以降の中間圧戻り配管４４内の圧力）を検出する。

また、タンク出口配管３７にはユニット出口センサ５３が取り付けられており、このユニット出口センサ５３はタンク３６内の圧力ＴＰ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に相当する。このように冷媒配管８にはタンク３６内の圧力に相当する圧力しかかからないことから、冷媒配管８や電動膨張弁３９に高い耐圧性能が要求されず、冷凍装置Ｒのコストを低減させることができる。

また、内部熱交換器１５の上流側のタンク出口配管３７にはユニット出口温度センサ５４が取り付けられ、内部熱交換器１５の第１の流路１５Ａに流入する冷媒の温度ＩＴを検出する。さらに、内部熱交換器１５の下流側の冷媒導入配管２２にはユニット入口温度センサ５６が取り付けられ、内部熱交換器１５の第２の流路１５Ｂを出た冷媒の温度ＯＴを検出する。また、圧縮機１１の高段側吐出口２１に接続された高圧吐出配管２７には吐出温度センサ６１が取り付けられ、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）を検出する。

そして、これらセンサ４９、５１、５２、５３、５４、５６、６１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の制御手段を構成する制御装置５７の入力に接続され、フロートスイッチ５５も制御装置５７の入力に接続される。また、制御装置５７の出力には圧縮機１１の電動要素１３、電動弁２５Ｂ、ガスクーラ用送風機３１、電動膨張弁（圧力調整用絞り手段）３３、電動膨張弁（第１の補助回路用絞り手段）４３、電動膨張弁（第２の補助回路用絞り手段）４７、電磁弁５０、電動膨張弁（主絞り手段）３９が接続され、制御装置５７は各センサの出力と設定データ等に基づいてこれらを制御する。

なお、以下ではショーケースユニット４の電動膨張弁（主絞り手段）３９や前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、それらは実際には店舗の主制御装置（図示せず）を介し、制御装置５７と連携して動作するショーケースユニット４の制御装置（図示せず）により制御される。従って、本発明における制御手段は、制御装置５７やショーケースユニット４の制御装置、前述した主制御装置等を含めた概念とする。

（２）冷凍装置Ｒの動作
以上の構成で、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及び第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内の中間圧の冷媒ガスは低段側吐出口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、そこで空冷された後、中間圧吸入配管２６を経て高段側吸込口１９に戻る。この高段側吸込口１９に戻った中間圧（ＭＰ）の冷媒ガスは、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冷媒ガスとなり、高段側吐出口２１から高圧吐出配管２７に吐出される。

高圧吐出配管２７に吐出された冷媒ガスはオイルセパレータ２０に流入し、冷媒ガスに含まれたオイルが分離される。分離されたオイルはオイル通路２５Ａを通り、電動弁２５Ｂを経て密閉容器１２内に戻される。なお、制御装置５７はフロートスイッチ５５が検出する密閉容器１２内のオイルレベルに基づき、電動弁２５Ｂを制御してオイルの戻し量を調整し、密閉容器１２内のオイルレベルを維持する。

（２−１）電動膨張弁３３の制御
一方、オイルセパレータ２０でオイルが分離された冷媒ガスは、ガスクーラ２８に流入して空冷される。そして、この冷媒ガスは、ガスクーラ出口配管３２内を通り、第１内部熱交換器２９により冷却された後、電動膨張弁（圧力調整用絞り手段）３３に至る。この電動膨張弁３３は、当該電動膨張弁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の始動時開度の設定
ここで先ず、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（始動時開度）を設定する。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。本実施形態の場合、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の始動時の弁開度の関係を示すデータテーブルを予め有しており、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３３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圧縮機１１の起動（冷凍装置Ｒの始動）時に、電動膨張弁３３より上流側の冷媒回路１の高圧側圧力ＨＰが異常に上昇してしまうことを抑制し、圧縮機１１の保護を図ることが可能となる。また、圧縮機１１は特に起動時に高圧側圧力ＨＰが上昇する。そのため、所定の高い圧力値（異常な高圧）で圧縮機１１を強制的に停止する保護動作が設けられているが、電動膨張弁３３の始動時弁開度を上記のように設定することで、強制停止も抑制、若しくは、防止することが可能となる。

なお、本実施形態では高圧センサ４９が検出する高圧側圧力ＨＰから制御装置５７が外気温度を推定するようにしたが、それに限らず、別途外気温度センサを設けて直接外気温度を検出するようにしてもよい（以下、同じ）。

（２−１−２）運転中における高圧側圧力ＨＰの目標値ＴＨＰの設定
さらに、制御装置５７は上記のように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）に基づいて前述した目標値ＴＨＰ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）が高い程高くなり、逆に低い程低くなるよう目標値ＴＨＰを設定する。制御装置５７は高圧センサ４９が検出する高圧側圧力ＨＰと目標値ＴＨＰの差から電動膨張弁３３の弁開度の調整値（ステップ数）を算出し、前述した始動時の弁開度に加算して電動膨張弁３３を制御する。これにより、高圧側圧力ＨＰを目標値ＴＨＰに制御する。

なお、この場合も予め設定されたデータテーブルを用いても良いし、計算式から算出しても良い。ただし、制御が難しい場合には前述したように外気温度センサを用いて直接外気温度を取り込むと良い。

これにより、外気温度が高い環境では電動膨張弁３３より上流側の高圧側圧力ＨＰの運転中における目標値ＴＨＰが高くなり、外気温度が低い環境では目標値ＴＨＰが低くなる。すなわち、高い外気温度の影響で高圧側圧力ＨＰが高くなる状況ではその目標値ＴＨＰが高くなるので、電動膨張弁３３の弁開度が過度に大きくなってタンク３６内の圧力が高くなり過ぎる不都合を防止することができるようになる。逆に、低い外気温度で高圧側圧力ＨＰが低くなる状況では目標値ＴＨＰも低くなるので、電動膨張弁３３の弁開度が過度に小さくなってタンク３６に流入する冷媒量が減少する不都合も防止することができるようになる。

そして、これらによって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３３の弁開度を適切に制御し、冷凍装置Ｒの冷凍能力の確保と圧縮機１１の保護の双方を好適に実現することができるようになる。

（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の弁開度を所定ステップ増大させる。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、異常な高圧による前述した圧縮機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。

ガスクーラ２８から出た超臨界状態の冷媒ガスは、第１内部熱交換器２９で冷却され、さらに電動膨張弁３３で絞られて膨張することにより液／ガスの二相混合状態となり、タンク入口配管３４を経て上部からタンク３６内に流入する。このタンク３６は電動膨張弁３３を出た液／ガスの冷媒を一旦貯留し、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内下部に溜まった液冷媒は、タンク出口配管３７から流出し（主回路３８）、内部熱交換器１５の第１の流路１５Ａにて第２の流路１５Ｂを流れる冷媒により冷却され、その後、電動膨張弁（主絞り手段）３９に流入する。なお、電磁弁５０の動作については後述する。

電動膨張弁３９に流入した冷媒はそこで絞られて膨張し、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図示しない温度センサの出力に基づき、電動膨張弁３９の弁開度を制御して蒸発器４１の出口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、内部熱交換器１５の第２の流路１５Ｂで第１の流路１５Ａを流れる冷媒を冷却した後、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の流れである。

（２−２）電動膨張弁４３の制御
次に補助回路４８における冷媒の流れを説明する。前述したようにタンク３６の上部に接続されたガス配管４２には電動膨張弁４３（第１の補助回路用絞り手段）が接続されており、この電動膨張弁４３を介してタンク３６上部からガス冷媒が流出し、第１内部熱交換器２９の第１の流路２９Ａに流される。

タンク３６内上部に溜まるガス冷媒は、タンク３６内での蒸発により温度が低下している。このタンク３６内上部のガス冷媒は、上部に接続された補助回路４８を構成するガス配管４２から流出し、電動膨張弁４３を経て絞られた後、第１内部熱交換器２９の第１の流路２９Ａに流入する。そこで第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に合流し、圧縮機１１の中間圧部に吸い込まれる。

また、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。

例えば、目標値ＳＰは高圧側圧力ＨＰよりも低く、中間圧ＭＰよりも高い圧力に設定される。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ＴＩＰ（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ＴＩＰ（電動膨張弁３９に流入する冷媒の圧力）を目標値ＳＰに制御する。即ち、タンク３６内の圧力ＴＩＰ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の始動時開度の設定
ここで、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。または、前述の如く外気温度センサが設けられている場合には、直接検出した外気温度）に基づいて冷凍装置Ｒの始動時における電動膨張弁４３の弁開度（始動時開度）を設定する。本実施形態の場合、前述した電動膨張弁３３の場合と同様に、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４３の始動時の弁開度の関係を示すデータテーブルを予め有している。

そして、制御装置５７は始動時における外気温度を推定し、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、本実施形態では上述したように、タンク３６内の圧力ＴＩＰ（電動膨張弁３９に流入する冷媒の圧力）の目標値ＳＰを固定して制御するようにしたが、電動膨張弁３３の場合と同様に、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。その場合には、高圧側圧力ＨＰ（外気温度）が高い程高くなり、逆に低い程低くなるよう目標値ＳＰを設定する。

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が高くなり、外気温度が低い環境では目標値ＳＰが低くなる。すなわち、高い外気温度の影響で圧力が高くなる状況では、電動膨張弁３９に流入する冷媒の圧力の目標値ＳＰが高くなるので、電動膨張弁４３の弁開度が過度に大きくなって補助回路４８に冷媒が流れ過ぎる不都合を防止することができるようになる。逆に低い外気温度で圧力が低くなる状況では電動膨張弁３９に流入する冷媒の圧力の目標値ＳＰも低くなるので、電動膨張弁４３の弁開度が小さくなり過ぎて、補助回路４８に流入する冷媒量が減少し過ぎ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、補助回路４８に流れる冷媒量を的確に調整することができるようになる。

（２−２−２）タンク内圧力ＴＩＰの規定値ＭＴＩＰ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ＴＩＰ（電動膨張弁３９に流入する冷媒の圧力）が所定の規定値ＭＴＩＰ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ＴＩＰは低下する方向に向かうので、圧力ＴＩＰを常に規定値ＭＴＩＰ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
また、前述した如くタンク３６の下部に接続された液配管４６には電動膨張弁４７（第２の補助回路用絞り手段）が接続されており、この電動膨張弁４７を介してタンク３６下部から液冷媒が流出し、ガス配管４２からのガス冷媒に合流して第１内部熱交換器２９の第１の流路２９Ａに流される。

すなわち、タンク３６内下部に溜まる液冷媒は、下部に接続された補助回路４８を構成する液配管４６から流出し、電動膨張弁４７を経て絞られた後、第１内部熱交換器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を流れる冷媒を冷却させた後、中間圧戻り配管４４を経て中間圧吸入配管２６に合流し、圧縮機１１の中間圧部に吸い込まれる。

このように、電動膨張弁４７はタンク３６の下部から流出する液冷媒を絞って第１内部熱交換器２９の第１の流路２９Ａで蒸発させ、第２の流路２９Ｂに流れる主回路３８の冷媒を冷却するものであるが、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、第１内部熱交換器２９の第１の流路２９Ａに流す液冷媒の量を調整する。

なお、タンク３６内で液冷媒とガス冷媒とが分離されるため、電動膨張弁３９には液冷媒が流入するようになり、それにより、圧縮機１１が吸い込む冷媒の温度も低下することになる。そして、結果的に圧縮機１１からガスクーラ２８に吐出される冷媒の吐出温度も低下することになる。

そこで、制御装置５７は吐出温度センサ６１が検出する圧縮機１１からガスクーラ２９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とにより、第１内部熱交換器２９の第１の流路２９Ａに流す液冷媒の量を調整し、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を所定の目標値ＴＤＴに制御する。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、低い場合には縮小させる。それにより、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。

この場合、制御装置５７は蒸発器４１における冷媒の蒸発温度を表す指標である低圧センサ５１の検出圧力（低圧側圧力ＬＰ）に基づき、低圧側圧力ＬＰ（蒸発温度）が高い程低くなり、低い程高くなるよう圧縮機１１の冷媒の吐出温度の目標値ＴＤＴを変更する。例えば、蒸発温度が−２０℃より低い場合、目標値ＴＤＴを＋１００℃とし、蒸発温度が−２０℃以上の場合、目標値ＴＤＴを＋７０℃に変更する。

これにより、特に蒸発器４１における蒸発温度が高い冷蔵条件（冷蔵ショーケース等）において、第１内部熱交換器２９の第２の流路２９Ｂにおける主回路３８の冷媒を冷却し、冷凍能力を安定して維持することができるようになる。

（２−４）外気温度毎の冷凍装置Ｒの実際の動作
次に、図２、図３のＰ−Ｈ線図を用いて冷凍装置Ｒの実際の動作状況を説明する。

（２−４−１）高外気温時（夏季等）
図２は外気温度が高い場合（夏季等）のＰ−Ｈ線図の一例を示している。前述したように制御装置５７は、電動膨張弁３３の弁開度を制御して、当該電子膨張弁３３より上流側の高圧側圧力ＨＰを目標値ＴＨＰに制御し、電動膨張弁４３の弁開度を制御して、ガス配管４２から流出するガス冷媒の量を調整し、タンク３６内の圧力ＴＩＰ（電動膨張弁３９に流入する冷媒の圧力）を目標値ＳＰに制御する。さらに、電動膨張弁４７の弁開度を制御して、液配管４６から流出する液冷媒の量を調整し、圧縮機１１の冷媒の吐出温度を目標値ＴＤＴに調整する。

図２においてＸ２からＸ３まで降下している線が電動膨張弁３３による減圧を示している。Ｘ３における圧力（タンク３６内の圧力ＴＩＰ）は電動膨張弁４３で目標値ＳＰに調整される。このＸ３の状態でタンク３６から液／ガスが分かれる。ここで、Ｘ３からＸ４までの左に向かう線は主回路３８の電動膨張弁３９に向かう液冷媒の冷却を示す。そして、冷媒は電動膨張弁３９により絞られ、Ｘ４から下に向かう線により示されるように、圧力が降下する（図３も同様）。

また、Ｘ１からＸ２までの左に向かう線は、第１内部熱交換器２９の第２の流路２９Ｂを流れる冷媒の冷却を示している。そして、Ｘ５からＸ６まで右に向かう線が、第１の流路２９Ａを流れる冷媒の加熱を示している。この第１内部熱交換器２９における熱交換により、Ｘ１の状態をＸ２の状態に変化させることができ、Ｘ２からＸ３まで降下する線からわかるように、電動膨張弁３３による減圧で生じるガス冷媒の量を減らすことができる。その結果、第１内部熱交換器２９の第１の流路２９Ａを介して圧縮機１１の中間圧部に吸い込まれる冷媒の量を減少させることができるので、圧縮機１１の圧縮動力、および、冷凍装置Ｒの消費電力が低減される。

また、従来のスプリットサイクルの冷凍装置では、電動膨張弁（絞り手段）に流入させる冷媒の比エンタルピを熱交換で減少させるのに対し、本実施形態における冷凍装置Ｒでは、電動膨張弁３３における減圧とタンク３６における気液分離により電動膨張弁３９に流入させる冷媒の比エンタルピを減少させる。そのため、第１内部熱交換器２９にそれ程高い熱交換能力が必要とされることはなく、第１内部熱交換器２９の小型化が可能となる。さらに、第１の流路２９Ａにおける冷媒の温度上昇、および、第１内部熱交換器２９の出口での冷媒の過熱度を大きくできるため、冷媒が液冷媒として圧縮機１１に流入する事態を容易に防止でき、補助回路４８に分流させる冷媒の量の制御も容易になる。

（２−４−２）低外気温時（冬季等）
次に、図３は外気温度が低い場合（冬季等）のＰ−Ｈ線図の一例を示している。低外気温時には高圧側圧力ＨＰが低くなるが、前述したように目標値ＴＨＰも低くなるため、電動膨張弁３３の弁開度は全開に近い状態になる。そのため、タンク３６内の圧力ＴＩＰは高圧側圧力ＨＰに近い圧力となり、タンク３６の効果は小さくなるが、低外気温のためにガスクーラ２８を出た冷媒は液化し易くなっているので、第１内部熱交換器２９、および、電動膨張弁３３を経てタンク３６に入った冷媒は殆ど液化している。

この状態では、タンク３６から圧縮機１１に戻る冷媒の量は非常に少なくなるよう調整され、圧縮機１１の中間圧部に吸い込まれるガス冷媒の量が減少するため、圧縮機１１の圧縮動力、および、冷凍装置Ｒの消費電力が低減される。この場合、第１内部熱交換器２９の第２の流路２９Ｂを流れる冷媒の冷却を示す線の端点Ｘ１、Ｘ２はほぼ一致する。

（２−５）内部熱交換器１５の機能
次に、制御装置５７による電磁弁５０の制御について説明する。前述したように内部熱交換器１５においては、第２の流路１５Ｂを流れる蒸発器４１から出た低温の冷媒により、第１の流路１５Ａを流れて電動膨張弁３９に流入する冷媒を冷却することができるので、蒸発器４１入口の比エンタルピをさらに小さくして冷凍能力を一層効果的に改善することができる。

具体的には、内部熱交換器１５において蒸発器４１から出た低温の冷媒により、電動膨張弁３９に流入する冷媒を冷却し、図２および図３に破線で示すように飽和液線より左側の過冷却域（Ｘ７で示す状態）まで過冷却することができるので、冷媒を液リッチの満液状態で電動膨張弁３９に供給することができるようになる。

（２−６）電磁弁５０の制御
一方、冷凍装置Ｒのプルダウン時等には電動膨張弁３９に流入する冷媒より蒸発器４１から出る冷媒の温度が高くなる場合がある。そこで、制御装置５７はユニット出口温度センサ５４が検出する内部熱交換器１５の第１の流路１５Ａに流入する冷媒の温度ＩＴと、ユニット入口温度センサ５６が検出する内部熱交換器１５の第２の流路１５Ｂを出た冷媒の温度ＯＴに基づき、ＩＴ＜ＯＴである場合、電磁弁５０を開く（ＩＴ≧ＯＴの場合、電磁弁５０は閉）。

これにより、冷媒は内部熱交換器１５の第１の流路１５Ａをバイパスしてバイパス回路４５に流れ、電動膨張弁３９に流入するようになるので、蒸発器４１から出る冷媒で電動膨張弁３９に流入する冷媒が逆に加熱されてしまう不都合を未然に解消することが可能となる。

なお、本実施形態では内部熱交換器１５の第１の流路１５Ａに並列にバイパス回路４５を接続したが、それに限らず、第２の流路１５Ｂに並列にバイパス回路と電磁弁を設けてもよい。

以上詳述したように、本実施形態の冷凍装置Ｒは、ガスクーラ２８の下流側であって、電動膨張弁３９の上流側の冷媒回路１に設けられた第１内部熱交換器２９と、第１内部熱交換器２９の下流側であって、電動膨張弁３９の上流側の冷媒回路１に接続された電動膨張弁３３と、電動膨張弁３３の下流側であって、電動膨張弁３９の上流側の冷媒回路１に設けられたタンク３６と、タンク３６内の冷媒を、電動膨張弁４３や電動膨張弁４７を介して第１内部熱交換器２９の第１の流路２９Ａに流し、第１内部熱交換器２９の第２の流路２９Ｂを流れる冷媒と熱交換させた後、圧縮機１１の中間圧部に吸い込ませる補助回路４８と、タンク３６下部から冷媒を流出させ、冷媒を電動膨張弁３９に流入させる主回路３８と、を備えているので、消費電力を抑制しつつ装置の小型化を可能とし、さらに、冷媒の分流量の調整、および、液冷媒の圧縮機１１への流入防止を適切に行うことができる。

本発明は、圧縮手段、ガスクーラ、主絞り手段、及び、蒸発器から冷媒回路が構成される冷凍装置に好適である。

Ｒ 冷凍装置
１ 冷媒回路
３ 冷凍機ユニット
４ ショーケースユニット
８、９ 冷媒配管
１１ 圧縮機
１５ 第２内部熱交換器
１５Ａ 第１の流路
１５Ｂ 第２の流路
２２ 冷媒導入配管
２６ 中間圧吸入配管
２８ ガスクーラ
２９ 第１内部熱交換器
２９Ａ 第１の流路
２９Ｂ 第２の流路
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）
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
４５ バイパス回路
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
５０ 電磁弁（弁装置）
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る冷凍装置であって、
   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設けられた熱交換器と、
   該熱交換器の下流側であって、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設けられたタンクと、
   該タンク内の冷媒を、補助絞り手段を介して前記熱交換器の第１の流路に流し、前記熱交換器の第２の流路を流れる冷媒と熱交換させた後、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、前記冷媒を前記主絞り手段に流入させる主回路と、
   を備え、
   前記補助絞り手段は、第１の補助回路用絞り手段と第２の補助回路用絞り手段を有し、
   前記補助回路は、前記タンク上部から冷媒を流出させ、前記第１の補助回路用絞り手段に流入させるガス配管と、前記タンク下部から冷媒を流出させ、前記第２の補助回路用絞り手段に流入させる液配管を有することを特徴とする冷凍装置。
2. 前記冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。

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