JP6540872B1 - 製氷システム - Google Patents

Abstract

【課題】設備コストの抑制を図る製氷システムを提供する。
【解決手段】製氷システムは、圧縮機２、圧縮機２から吐出された冷媒を凝縮する凝縮器３、凝縮器３からの冷媒を減圧する開度調整可能な第１膨張弁５、第１膨張弁５により減圧された冷媒を蒸発させる満液式蒸発器１Ａ、及び満液式蒸発器１Ａから排出された冷媒に過熱度を付与する過熱器６を含み、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷媒回路と、満液式蒸発器１Ａにより冷却される被冷却媒体を循環させる循環回路と、過熱器６により、満液式蒸発器１Ａから排出される冷媒の乾き度ｘを１未満の所定範囲に収めることができる過熱度ＳＨが冷媒に付与されるように、第１膨張弁５の開度を制御する制御装置５０と、を備えている。
【選択図】 図１

Description

本開示は、製氷システムに関する。

特許文献１には、水やブライン等の被冷却媒体を流通させる複数本の流通管と、この流通管を内装する容器とを有する満液式蒸発器を備えた冷凍装置が開示されている。この冷凍装置は、凝縮器から流出する高圧液冷媒を膨張機構で膨張して低圧化し、低圧液冷媒を満液式蒸発器の容器内に供給し、容器内の流通管を低圧液冷媒で浸漬する。これにより、流通管を流れる被冷却媒体が冷却される一方、容器内の液冷媒が蒸発する。蒸発した低圧の冷媒は、満液式蒸発器の上部から排出され、圧縮機の吸入側に返送される。

この種の満液式蒸発器は、容器内の液冷媒で流通管を浸すことによって冷却能力が有効に発揮される。そのため、特許文献１の満液式蒸発器には、容器内の液冷媒の高さを検出するフロートスイッチが設けられている。そして、容器内の液冷媒の高さが所定よりも低下していることをフロートスイッチが検出すると、凝縮器から流出する高圧液冷媒をバイパスして容器内に供給することで、容器内の液冷媒の高さを維持している。

さらに、特許文献１記載の冷凍装置は、満液式蒸発器と圧縮機の吸込側との間にアキュムレータを備えている。一般に、アキュムレータは、満液式蒸発器の容器から排出された冷媒を気相と液相とに分離し、気相のみを圧縮機に吸引させる。特許文献１の満液式蒸発器では、容器内の液冷媒の高さが高位置に維持され容器から排出される冷媒が湿り蒸気となるため、上記のようなアキュムレータが必要となる。

特開平１−２５６７６０号公報

特許文献１に記載された冷凍装置は、満液式蒸発器の容器内の液冷媒の高さを所定に維持するためにフロートスイッチを必要としている。また、特許文献１に記載された冷凍装置は、圧縮機に液冷媒が流入するのを抑制するためにアキュムレータを必要とし、特に、満液式蒸発器では比較的冷媒量が多くなるため、それに伴ってアキュムレータも大型となる。そのため、特許文献１の冷凍装置は設備コストの高騰化を招く。

本開示は、設備コストの抑制を図る製氷システムを提供することを目的とする。

（１）本開示の製氷システムは、
圧縮機、前記圧縮機から吐出された冷媒を凝縮する凝縮器、前記凝縮器から流出した冷媒を過冷却する過冷却装置、前記過冷却装置からの冷媒を減圧する開度調整可能な第１膨張弁、前記第１膨張弁により減圧された冷媒を蒸発させる満液式蒸発器、及び前記満液式蒸発器から排出された冷媒に過熱度を付与する過熱器を含み、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷媒回路と、
前記満液式蒸発器により冷却される被冷却媒体を循環させる循環回路と、
前記過熱器により、前記満液式蒸発器から排出される冷媒の乾き度を１未満の所定範囲に収めることができる過熱度が前記冷媒に付与されるように、前記第１膨張弁の開度を制御する制御装置と、を備え、
前記過熱器は、前記過冷却装置により過冷却された冷媒によって、前記満液式蒸発器から排出された冷媒を過熱するものであり、
前記制御装置は、前記過冷却装置により過冷却され前記過熱器に流入する冷媒の温度が一定に維持されるように、前記過冷却装置の能力を制御する。

以上の構成により、満液式蒸発器内の冷媒を所定の高さに維持して満液式蒸発器の冷却能力を確保したとしても液冷媒が圧縮機に吸引されることを抑制することができる。そのため、従来のようなフロートスイッチや大型のアキュムレータが不要となり、設備コストを低減できる。

（２）好ましくは、前記乾き度の所定範囲が、０．９以上０．９５以下である。
この構成により、満液式蒸発器内の液面の高さを適性に維持することができる。

（３）製氷システムは、前記凝縮器から流出した冷媒を過冷却する過冷却装置を備え、前記過熱器は、前記過冷却装置により過冷却された冷媒によって、前記満液式蒸発器から排出された冷媒を過熱するものであり、前記制御装置は、前記過冷却装置により過冷却され前記過熱器に流入する冷媒の温度が一定に維持されるように、前記過冷却装置の能力を制御する。
この構成によれば、過冷却器から流出した冷媒の温度が一定に維持されるので、過熱器の能力の変動を抑制することができる。そのため、一定の過熱度が付与されるように第１膨張弁を制御することで、満液式蒸発器から排出される冷媒の乾き度を所定範囲に収めることができる。

（４）好ましくは、前記過冷却装置は、前記凝縮器からの冷媒が流入する過冷却器と、前記過冷却器から前記第１膨張弁への冷媒の経路から分岐する分岐配管と、前記分岐配管を流れる冷媒を減圧する第２膨張弁とを備え、前記凝縮器から前記過冷却器に流入する冷媒を、前記第２膨張弁で減圧された冷媒によって過冷却するものであり、
前記制御装置は、前記過冷却器から流出した冷媒の温度が一定の目標値となるように、前記第２膨張弁を制御する。
この構成によれば、制御装置によって第２膨張弁を制御することで過冷却器から流出した冷媒の温度を一定に維持し、過熱器の能力の変動を抑制することができる。
（５）また、好ましくは、前記分岐配管は、前記過冷却器から前記第１膨張弁への冷媒の経路に一端が接続され、前記圧縮機の中間ポートに他端が接続された第１インジェクション管であり、
前記過冷却装置は、前記過冷却器と前記圧縮機との間における前記第１インジェクション管に一端が接続され、前記第１インジェクション管の前記一端と前記過熱器との間の冷媒の経路に他端が接続された第２インジェクション管と、前記第２インジェクション管を流れる冷媒を減圧する第３膨張弁とを備えている。

（６）好ましくは、製氷システムが、前記制御装置によって運転回転数が制御され前記凝縮器を空冷するファンをさらに備え、
前記制御装置は、前記第１膨張弁を通過する冷媒循環量が一定となるように、前記過冷却装置及び前記ファンの少なくとも一方の能力を制御する。
第１膨張弁を通過する冷媒循環量が変動すると、満液式蒸発器内の液面の高さが不安定になり、熱交換効率の悪化や圧縮機の潤滑不足を招く可能性がある。一方、第１膨張弁を通過する冷媒循環量は、第１膨張弁に流入する冷媒の温度と圧力（高圧）とに影響される。したがって、上記構成においては、第１膨張弁に流入する冷媒の温度を調整することができる過冷却装置と、同冷媒の圧力を調整することができるファンとの少なくとも一方の能力を制御することによって第１膨張弁を通過する冷媒循環量を一定とし、満液式蒸発器内の冷媒の高さの変動を抑制することができる。

（７）好ましくは、前記被冷却媒体が海水である。

第１の実施形態に係る製氷システムの概略構成図である。 製氷機の側面説明図である。 製氷機とこれに接続される冷媒配管を示す概略的な説明図である。 冷凍サイクルを示すｐ−ｈ線図である。 第２の実施形態に係る製氷システムの概略構成図である。

以下、添付図面を参照しつつ、製氷システムの実施形態を詳細に説明する。なお、本開示は以下の例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

［第１の実施形態］
（製氷システムの全体構成）
図１は、第１の実施形態に係る製氷システムの概略構成図である。
本実施形態の製氷システムＡは、海水タンク８に貯めた海水を原料として製氷機１にてより氷スラリーを連続的に生成し、生成した氷スラリーを海水タンク８に戻すシステムである。本実施形態の製氷機１は、アイスジェネレーターとも呼ばれる。本実施形態の製氷機１は、例えば二重管式製氷機よりなる。

氷スラリーとは、水または水溶液に微細な氷が混濁したシャーベット状の氷のことをいう。氷スラリーは、アイススラリー、スラリーアイス、スラッシュアイス、リキッドアイスとも呼ばれる。
本実施形態の製氷システムＡは、海水をベースとした氷スラリーを連続的に生成可能である。このため、本実施形態の製氷システムＡは、例えば漁船や漁港などに設置され、海水タンク８に戻された氷スラリーは鮮魚の保冷などに利用される。

製氷システムＡは海水を被冷却媒体（被冷却物）とする。製氷システムＡは、利用側熱交換器である製氷機１、圧縮機２、熱源側熱交換器３、四路切換弁４、利用側膨張弁（第１膨張弁）５、過熱器６、レシーバ７、過冷却装置１１、熱源側膨張弁２７、送風ファン１０、海水タンク８、及びポンプ９等を備えている。

製氷機１、圧縮機２、熱源側熱交換器３、四路切換弁４、利用側膨張弁５、過熱器６、レシーバ７、熱源側膨張弁２７、及び過冷却装置１１は、冷媒配管により接続されて冷媒回路を構成している。また、製氷機１、海水タンク８、及びポンプ９は海水配管により接続されて循環回路を構成している。

圧縮機２は、冷媒を圧縮し、冷媒回路内で冷媒を循環させるものである。圧縮機２は、可変容量型（能力可変型）であり、内蔵されているモータをインバータ制御することによって、このモータの運転回転数を段階的又は連続的に変更することができる。また、送風ファン１０は、熱源側熱交換器３を空冷するものであり、インバータ制御によって運転回転数が段階的又は連続的に変更されるモータを備えている。

四路切換弁４は、圧縮機２から吐出された冷媒を、熱源側熱交換器３又は製氷機１に切り換えて供給するものである。利用側膨張弁５及び熱源側膨張弁２７は、例えばパルスモータ駆動方式の電子膨張弁で構成され、開度を調整可能である。過熱器６は、製氷機１から排出された冷媒を過熱するものである。例えば、過熱器６は二重管熱交換器により構成される。また、過熱器６は、製氷機１から排出された冷媒を、熱源側熱交換器３から流出し過冷却装置１１を経た冷媒によって過熱する。本実施形態では、２つの過熱器６が直列又は並列に接続されている。

過冷却装置１１は、熱源側熱交換器３から流出した冷媒を過冷却するものである。より具体的には、過冷却装置１１は、過冷却器１１ａと、過冷却器１１ａの下流側の冷媒配管から分岐するインジェクション配管（分岐配管）１１ｂと、インジェクション配管１１ｂに設けられた中間膨張弁（第２膨張弁）１１ｃとを備えている。過冷却器１１ａは、例えば二重管熱交換器により構成される。インジェクション配管１１ｂは、圧縮機２の中間ポートに接続されている。圧縮機２の中間ポートは、圧縮途中の圧縮室へ冷媒を導入するためのポートである。中間膨張弁１１ｃは、例えばパルスモータ駆動方式の電子膨張弁が用いられる。中間膨張弁１１ｃは、インジェクション配管１１ｂを流れる冷媒の流量を調整するとともに冷媒を減圧し、温度を低下させる。

そして、過冷却装置１１は、熱源側熱交換器３から流出し過冷却器１１ａに流入した冷媒を、インジェクション配管１１ｂを流れ中間膨張弁１１ｃで減圧された冷媒（過冷却用冷媒）によって過冷却する。

図２は、製氷機の側面説明図である。
製氷機１は、二重管式製氷機により構成されている。この二重管式製氷機１は、蒸発器１Ａと、分散装置１Ｂとを備える。蒸発器１Ａは、円筒形状に形成された内管１２と外管１３とを備えている。また、蒸発器１Ａは、横置き型であり、内管１２及び外管１３の軸心が水平に配置されている。

内管１２は、内部を被冷却媒体である海水が通過する要素である。内管１２は、金属材料で形成されている。内管１２の軸方向の両端は閉止されている。内管１２の内部には分散装置１Ｂを構成するブレード機構１５が配設されている。内管１２の軸方向一端側（図２において左側）には分散装置１Ｂを構成する駆動部２４が配設されている。分散装置１Ｂは、内管１２の内周面に生成されたシャーベット状のスラリー氷を掻き上げて内管１２内に分散させる。

内管１２の軸方向他端側（図２において右側）には、海水入口１６が設けられている。海水は、海水入口１６から内管１２内に供給される。内管１２の軸方向一端側には、海水出口１７が設けられている。内管１２内の海水は、海水出口１７から排出される。

外管１３は、内管１２の径方向外側において当該内管１２と同軸に設けられている。外管１３は、金属材料で形成されている。外管１３の下部には複数（本実施形態では３つ）の冷媒入口１８が設けられている。外管１３の上部には複数（本実施形態では２つ）の冷媒出口１９が設けられている。外管１３の内周面と内管１２の外周面との間の環状スペース１４は、海水との間で熱交換を行う冷媒が流入する領域である。冷媒入口１８から供給された冷媒は、環状スペース１４を通過して冷媒出口１９から排出される。

図３は、製氷機とこれに接続される冷媒配管とを概略的に示す説明図である。
ブレード機構１５は、回転軸２０と、支持バー２１と、ブレード２２とを備えている。回転軸２０の軸方向の一端は内管１２の軸方向一端に設けられたフランジ２３から外部に延び、駆動部２４としてのモータに接続されている。回転軸２０の周面には所定間隔で支持バー２１が立設されており、この支持バー２１の先端にブレード２２が取り付けられている。ブレード２２は例えば金属製の帯板部材よりなる。ブレード２２の回転方向の前方側の側縁は鋭利な先細り形状とされている。

二重管式製氷機１の蒸発器１Ａは、満液式蒸発器により構成されている。満液式蒸発器１Ａは、外管１３と内管１２との間の環状スペース１４の大部分が液冷媒とされることによって、冷媒と海水と間の熱交換効率を高めたものである。また、環状スペース１４の大部分が液冷媒とされることによって、満液式蒸発器１Ａ内の冷凍機油を満液式蒸発器１Ａから排出させやすくすることができ、排出された冷凍機油を圧縮機２へ戻すことによって圧縮機２の潤滑不足を抑制し、信頼性を高めることができる。

（製氷システムの基本動作）
通常の製氷運転時には、四路切換弁４が、図１において実線で示される状態に維持される。圧縮機２から吐出された高温高圧のガス状冷媒は四路切換弁４を経て凝縮器として機能する熱源側熱交換器３に流入し、送風ファン１０の作動により空気と熱交換して凝縮・液化する。液化した冷媒は、レシーバ７を経て過冷却装置１１に流入する。この過冷却装置１１において、冷媒は過冷却される。

過冷却装置１１から流出した冷媒は、過熱用冷媒として過熱器６を通過し、利用側膨張弁５に流入する。このとき、利用側膨張弁５には、過冷却されて液状となった冷媒が流入する。そのため、利用側膨張弁５に気液二相冷媒が流入することによる冷媒のフラッシュによるハンチング発生を抑制し、冷媒循環量の減少を抑制することができる。また、冷媒は、過熱器６を通過することによっても過冷却される。

冷媒は、利用側膨張弁５により所定の低圧に減圧され、製氷機１の冷媒入口１８から当該製氷機１を構成する内管１２と外管１３との間の環状スペース１４内に供給される。

環状スペース１４内に供給された冷媒は、ポンプ９により内管１２内に流入された海水と熱交換して蒸発する。ポンプ９は、海水タンク８から海水を吸い込んで製氷機１の海水流路に海水を圧送する。海水流路で生成された氷スラリーは、ポンプ圧によって海水とともに海水タンク８に戻される。

製氷機１で蒸発した冷媒は過熱器６を経て圧縮機２に吸い込まれる。過熱器６は、製氷機１から排出された冷媒を過熱する。これは、製氷機１で蒸発しきれずに液体を含んだ湿り状態の冷媒が圧縮機２に入ると、シリンダ内部の急激な圧力上昇（液圧縮）や冷凍機油の粘度低下により圧縮機２が故障する原因となるからである。

また、製氷機１の内管１２内の海水の流れが滞り、内管１２内に氷が蓄積される現象（アイスアキュームレーション）が生じると、製氷機１が運転できなくなる。この場合、内管１２内の氷を溶かすためにデフロスト運転（クリーニング運転）が行われる。デフロスト運転では、四路切換弁４が、図１において破線で示される状態に切り換えられる。圧縮機２から吐出された高温高圧のガス状冷媒は四路切換弁４、過熱器６を経て満液式蒸発器１Ａの内管１２と外管１３との間の環状スペース１４内に流入し、内管１２内の氷を含む海水と熱交換して凝縮・液化する。液化した冷媒は、過熱器６、過冷却装置１１、レシーバ７を経て熱源側膨張弁２７に流入し、当該熱源側膨張弁２７により所定の低圧に減圧され、蒸発器として機能する熱源側熱交換器３に流入する。デフロスト運転時には蒸発器として機能する熱源側熱交換器３に流入した冷媒は送風ファン１０の作動により空気と熱交換して蒸発し、圧縮機２に吸い込まれる。

（製氷システムの具体的制御）
以下、製氷システムＡのより具体的な制御について説明する。
図１に示すように、製氷システムＡは、制御装置５０を備えている。制御装置５０は、ＣＰＵとメモリとを備える。メモリには、ＲＡＭ、ＲＯＭなどが含まれる。

制御装置５０は、メモリに格納されたコンピュータプログラムをＣＰＵが実行することにより、製氷システムＡの運転に関する各種の制御を実現する。具体的に、制御装置５０は、利用側膨張弁５、中間膨張弁１１ｃの開度を制御する。また、制御装置５０は、圧縮機２及び送風ファン１０の運転周波数を制御する。なお、制御装置５０は、製氷機１側と、熱源側熱交換器３側とに分けて設けられていてもよく、この場合、例えば、中間膨張弁１１ｃ、送風ファン１０、圧縮機２の動作制御を熱源側熱交換器３側の制御装置で行い、利用側膨張弁５の動作制御を製氷機１側の制御装置で行うことができる。

製氷システムＡにおける冷媒回路には、複数のセンサが設けられている。図１に示すように、圧縮機２の吸込側には吸込圧力センサ３１が設けられ、吐出側には吐出圧力センサ３２が設けられている。また、過冷却装置１１の下流側には、液冷媒温度センサ３３が設けられている。製氷機１を通過した後の過熱器６の下流側には、ガス冷媒温度センサ３４が設けられている。これらのセンサの検出信号は制御装置５０に入力され、各種の制御のために利用される。

図４は、冷凍サイクルを示すｐ−ｈ線図である。
本実施形態の製氷システムＡは、満液式蒸発器１Ａの環状スペース１４における液冷媒の液面を高く維持させるために、満液式蒸発器１Ａの冷媒出口１９から排出される冷媒の乾き度ｘを１未満の所定の目標範囲、例えばｘ＝０．９〜０．９５に収めるように構成されている。そして、満液式蒸発器１Ａの冷媒出口１９から排出された冷媒に対して過熱器６により過熱度ＳＨを付与することによって圧縮機２への液冷媒の流入が抑制されている。過熱器６は、乾き度ｘが０．９〜０．９５の冷媒に５〜８度の過熱度ＳＨを付与することができる能力を有している。

本実施形態の制御装置５０は、満液式蒸発器１Ａから排出される冷媒の乾き度を所定範囲に収めるために、次のような処理を行う。
（Ａ）利用側膨張弁制御による過熱度調整
（Ｂ）過熱度の目標値調整
（Ｃ）過冷却装置の能力制御による過熱用冷媒の温度維持
（Ｄ）過冷却装置及びファンの能力制御による膨張弁の冷媒循環量維持

以下、各処理について詳細に説明する。
（Ａ：膨張弁制御による過熱度調整）
本実施形態の制御装置５０は、吸込圧力センサ３１により検出された吸込圧力によって冷媒の飽和温度（蒸発温度）を算出する。また、制御装置５０は、ガス冷媒温度センサ３４により検出された温度と飽和温度との差分により、冷媒の過熱度ＳＨを求める。制御装置５０は、当該過熱度ＳＨと所定の目標値（目標過熱度）とを比較し、両者が一致するように利用側膨張弁５の開度を制御する。具体的には、制御装置５０は、過熱器６により、満液式蒸発器１Ａから排出される冷媒の乾き度ｘを所定範囲（例えばｘ＝０．９〜０．９５の範囲）に収めることができる過熱度ＳＨが冷媒に付与されるように、利用側膨張弁５の開度を制御する。

これにより、満液式蒸発器１Ａの環状スペース１４において、液冷媒の液面の高さを高位置で一定に維持することができ、液冷媒と海水との熱交換効率を高めることができる。また、満液式蒸発器１Ａに流入した冷凍機油は、湿り状態の冷媒とともに満液式蒸発器１Ａから排出され、圧縮機２に戻り易くなる。そのため、圧縮機２の潤滑不足を抑制することができる。

（Ｂ：過熱度の目標値調整）
上記（Ａ）で説明した利用側膨張弁５の制御は、過熱器６の能力が一定であれば、一定の目標過熱度に基づいて行うことができる。しかし、過熱器６の能力が変動した場合、冷媒に一定の過熱度ＳＨを付与したとしても、満液式蒸発器１Ａから排出される冷媒の乾き度ｘが所定範囲に収まらなくなる可能性がある。そのため、本実施形態の制御装置５０は、過熱器６の能力が変動する場合には、それに応じて過熱度ＳＨの目標値を調整する。

本実施形態の過熱器６は、熱源側熱交換器（凝縮器）３から過冷却装置１１を経て流入する液冷媒（以下、「過熱用冷媒」ともいう）により、満液式蒸発器１Ａから排出された冷媒に過熱度ＳＨを付与している。そのため、この過熱用冷媒の温度が変動すると、過熱器６の能力も変動することになる。制御装置５０は、過熱器６の過熱用冷媒の温度を液冷媒温度センサ３３により測定し、その温度に応じて目標過熱度を決定する。

例えば、過熱器６の過熱用冷媒の温度が所定値よりも低下した場合、過熱器６の能力が低下するので、制御装置５０は目標過熱度をより低く設定する。逆に、過熱器６の過熱用冷媒の温度が所定値よりも上昇した場合、過熱器６の能力が高まるので、制御装置５０は目標過熱度をより高く設定する。そして、制御装置５０は、新たに設定された目標過熱度に基づいて利用側膨張弁５の開度を制御する。これにより、満液式蒸発器１Ａから排出される冷媒の乾き度ｘを所定範囲に収め、満液式蒸発器１Ａ内の液冷媒の高さを略一定に維持することができる。

（Ｃ：過冷却装置の能力制御による過熱用冷媒の温度維持）
本実施形態の制御装置５０は、上記（Ｂ）で説明した制御に代えて、過熱器６の過熱用冷媒の温度を一定に維持する制御を行うことができる。これにより、過熱器６の能力の変動を抑制し、目標過熱度を変更することなく利用側膨張弁５の開度を制御することができる。

液冷媒温度センサ３３は、過熱器６の過熱用冷媒の温度、すなわち、過冷却装置１１から流出する冷媒の温度ＴＬを測定する。制御装置５０は、その冷媒の温度ＴＬが所定の目標温度となるように過冷却装置１１の能力を制御する。具体的に、制御装置５０は、過冷却装置１１におけるインジェクション配管１１ｂに設けられた中間膨張弁１１ｃを制御することによって、インジェクション配管１１ｂを流れる冷媒循環量を調整する。

例えば、過熱器６の過熱用冷媒の温度が目標温度よりも上昇した場合、中間膨張弁１１ｃを開く方向に操作することによってインジェクション配管１１ｂを流れる冷媒循環量をより増加させる。逆に、過熱器６の過熱用冷媒の温度が目標温度よりも低下した場合、中間膨張弁１１ｃを閉じる方向に操作することによってインジェクション配管１１ｂを流れる冷媒循環量を減少させる。これによって、過熱器６の過熱用冷媒の温度をほぼ一定に維持し、過熱器６の能力の変動を抑制することができる。そして、制御装置５０は、一定の目標過熱度に基づいて利用側膨張弁５の開度を制御することにより、満液式蒸発器１Ａから排出される冷媒の乾き度ｘを所定範囲に収め、満液式蒸発器１Ａ内の液冷媒の高さをほぼ一定に維持することができる。

（Ｄ：過冷却装置及びファンの能力制御による膨張弁の冷媒循環量維持）
利用側膨張弁５の冷媒循環量Ｇは、次の式（１）により定義される。

ただし、ＨＰは、吐出圧力（高圧）、ＬＰは吸込圧力（低圧）である。ρＬは膨張弁前の冷媒液密度であり、冷媒温度ＴＬと吐出圧力ＨＰとで決まる物性値である。

満液式蒸発器１Ａ内の冷媒の液面高さは、利用側膨張弁５を通過する冷媒の循環量に応じて変動し、不安定となる。したがって、上記（Ａ）における利用側膨張弁５の開度制御により過熱度ＳＨの調整を行うと、製氷機１内の液面の変動を招く可能性がある。そのため、利用側膨張弁５の開度制御はできるだけ少なくし、利用側膨張弁５を通過する冷媒循環量をできるだけ一定に保つことが好ましい。

上記式（１）より、利用側膨張弁５の冷媒循環量Ｇを一定にするには、利用側膨張弁５の開度が一定の状態で、吐出圧力ＨＰと吸込圧力ＬＰの差圧（ＨＰ−ＬＰ）及び冷媒密度ρＬを一定にすればよい。冷媒密度ρＬは、冷媒温度ＴＬと吐出圧力ＨＰとにより定まるので、制御装置５０は、過熱器６によって付与される過熱度ＳＨが所定値になるような冷媒温度ＴＬの目標値を設定する。また、制御装置５０は、この冷媒温度ＴＬと差圧（ＨＰ−ＬＰ）とに応じた吐出圧力ＨＰの目標値を設定する。

制御装置５０は、冷媒温度ＴＬが目標値となるように、過冷却装置１１の能力を制御する。上述したように、制御装置５０が、インジェクション配管１１ｂに設けられた中間膨張弁１１ｃを制御し、インジェクション配管１１ｂを流れる冷媒循環量を調整することによって、過冷却装置１１の能力制御が行われる。

また、制御装置５０は、ファン１０の運転回転数を制御することによって吐出圧力ＨＰを目標値に調整する。つまり、ファン１０の運転回転数を高めることによって吐出圧力ＨＰを低下させ、ファン１０の運転回転数を低下させることによって吐出圧力ＨＰを上昇させる。この制御によって高低差圧（ＨＰ−ＬＰ）が所定に調整される。

以上のような過冷却装置１１及びファン１０の能力制御によって利用側膨張弁５を通過する冷媒循環量をほぼ一定にすることができ、製氷機１の満液式蒸発器１Ａ内の冷媒の液面の変動を少なくし、液面の高さを一定に安定させることができる。
また、高低圧差（ＨＰ−ＬＰ）及び冷媒温度ＴＬの一方に変動がない場合には、吐出圧力ＨＰ及び冷媒温度ＴＬの一方のみを調整してもよい。

また、中間膨張弁１１ｃによって過冷却装置１１の能力が制御できない場合、例えば、中間膨張弁１１ｃの開度が上限に達した場合には、ファン１０の運転回転数を制御することによって冷媒温度ＴＬを制御することができる。例えば、ファン１０の回転数を高めることによって冷媒温度ＴＬを低下させ、ファンの運転回転数を低下させることによって、冷媒温度ＴＬを高めることができる。

［第２の実施形態］
図５は、第２の実施形態に係る製氷システムの概略構成図である。
本実施形態の製氷システムＡでは、過冷却装置１１が、過冷却器１１ａ、インジェクション配管１１ｂ、及び中間膨張弁（第２膨張弁）１１ｃに加え、第２インジェクション配管１１ｅと、第２中間膨張弁（第３膨張弁）１１ｄとを備えている。なお、本実施形態では、インジェクション配管１１ｂを第１インジェクション配管といい、中間膨張弁１１ｃを第１中間膨張弁という。

第２インジェクション配管１１ｅの一端は、過冷却器１１ａと圧縮機２との間における第１インジェクション配管１１ｂに接続されている。第２インジェクション配管１１ｅの他端は、過冷却器１１ａの下流側の冷媒配管から第１インジェクション配管１１ｂが分岐する位置ａと過熱器６との間の冷媒配管に接続されている。

第２中間膨張弁１１ｄは、第２インジェクション配管１１ｅに設けられている。第２中間膨張弁１１ｄとしては、例えばパルスモータ駆動方式の電子膨張弁が用いられる。第２中間膨張弁１１ｄは、第２インジェクション配管１１ｅを流れる冷媒の流量を調整するとともに冷媒を減圧し、温度を低下させる。第２中間膨張弁１１ｄの開度は制御装置５０によって制御される。

前述したように、第１の実施形態における製氷システムＡは、上記（Ｃ）又は（Ｄ）の処理を行うため、制御装置５０が第１中間膨張弁１１ｃの開度を制御することによって、過熱器６における過熱用冷媒の温度を調整している。一方、圧縮機２は、第１インジェクション配管１１ｂから導入される冷媒によって冷媒の吐出温度が調整される。例えば、圧縮機２における冷媒の吐出温度が高い場合には、第１中間膨張弁１１ｃの開度を増大して第１インジェクション配管１１ｂから導入される冷媒の流量を増大させることによって吐出温度を低下させる。しかし、このような圧縮機２の吐出温度の調整を、過熱用冷媒の温度調整よりも優先して行ったとすると、過熱用冷媒の温度調整が困難になる可能性がある。

本実施形態では、過冷却装置１１が、第２インジェクション配管１１ｅと、第２中間膨張弁１１ｄとを備えており、制御装置５０は、圧縮機２へ導入する冷媒の流量の調整を、第２中間膨張弁１１ｄの開度制御によって行う。そのため、過熱器６に流入する過熱用冷媒の温度調整を、第１中間膨張弁１１ｃのみの開度制御によって適切に行うことができる。

［その他の変形例］
本開示は前述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内において種々の変更が可能である。
例えば、前述した実施形態では、製氷機の満液式蒸発器として二重管式のものが用いられていたが、例えば、冷媒が流れる外管の内部に、被冷却媒体が流れる複数の内管を備えた構成であってもよい。また、上記実施形態では、被冷却媒体として海水が用いられていたが、エチレングリコール等の他の溶液であってもよい。

また、上記実施形態では、製氷機が１台であったが、複数台の製氷機を直列に接続したものであってもよい。また、上記実施形態では、圧縮機が１台であったが、複数台の圧縮機を並列に接続してもよい。

１ ：製氷機
１Ａ ：満液式蒸発器
２ ：圧縮機
３ ：熱源側熱交換器（凝縮器）
５ ：利用側膨張弁（第１膨張弁）
６ ：過熱器
１１ ：過冷却装置
１１ａ ：過冷却器
１１ｂ ：インジェクション配管（分岐配管）
１１ｃ ：中間膨張弁（第２膨張弁）
５０ ：制御装置
Ａ ：製氷システム
ｘ ：乾き度
ＳＨ ：過熱度

Claims (6)

1. 圧縮機（２）、前記圧縮機（２）から吐出された冷媒を凝縮する凝縮器（３）、前記凝縮器（３）から流出した冷媒を過冷却する過冷却装置（１１）、前記過冷却装置（１１）からの冷媒を減圧する開度調整可能な第１膨張弁（５）、前記第１膨張弁（５）により減圧された冷媒を蒸発させる満液式蒸発器（１Ａ）、及び前記満液式蒸発器（１Ａ）から排出された冷媒に過熱度を付与する過熱器（６）を含み、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷媒回路と、
   前記満液式蒸発器（１Ａ）により冷却される被冷却媒体を循環させる循環回路と、
   前記過熱器（６）により、前記満液式蒸発器（１Ａ）から排出される冷媒の乾き度（ｘ）を１未満の所定範囲に収めることができる過熱度（ＳＨ）が前記冷媒に付与されるように、前記第１膨張弁（５）の開度を制御する制御装置（５０）と、を備え、
   前記過熱器（６）が、前記過冷却装置（１１）により過冷却された冷媒によって、前記満液式蒸発器（１Ａ）から排出された冷媒を過熱するものであり、
   前記制御装置（５０）が、前記過冷却装置（１１）により過冷却され前記過熱器（６）に流入する冷媒の温度が一定に維持されるように、前記過冷却装置（１１）の能力を制御する、製氷システム。
2. 前記乾き度（ｘ）の所定範囲が、０．９以上０．９５以下である、請求項１に記載の製氷システム。
3. 前記過冷却装置（１１）は、前記凝縮器（３）からの冷媒が流入する過冷却器（１１ａ）と、前記過冷却器（１１ａ）から前記第１膨張弁（５）への冷媒の経路から分岐する分岐配管（１１ｂ）と、前記分岐配管（１１ｂ）を流れる冷媒を減圧する第２膨張弁（１１ｃ）とを備え、前記凝縮器（３）から前記過冷却器（１１ａ）に流入する冷媒を、前記第２膨張弁（１１ｃ）で減圧された冷媒によって過冷却するものであり、
   前記制御装置（５０）は、前記過冷却器（１１ａ）から流出した冷媒の温度が一定の目標値となるように、前記第２膨張弁（１１ｃ）を制御する、請求項１又は２に記載の製氷システム。
4. 前記分岐配管（１１ｂ）は、前記過冷却器（１１ａ）から前記第１膨張弁（５）への冷媒の経路に一端（ａ）が接続され、前記圧縮機（２）の中間ポートに他端が接続された第１インジェクション管であり、
   前記過冷却装置（１１）は、前記過冷却器（１１ａ）と前記圧縮機（２）との間における前記第１インジェクション管（１１ｂ）に一端が接続され、前記第１インジェクション管（１１ｂ）の前記一端（ａ）と前記過熱器（６）との間の冷媒の経路に他端が接続された第２インジェクション管（１１ｅ）と、前記第２インジェクション管（１１ｅ）を流れる冷媒を減圧する第３膨張弁（１１ｄ）とを備えている、請求項３に記載の製氷システム。
5. 前記制御装置（５０）によって運転回転数が制御され前記凝縮器（３）を空冷するファン（１０）をさらに備え、
   前記制御装置（５０）は、前記第１膨張弁（５）を通過する冷媒循環量が一定となるように、前記過冷却装置（１１）及び前記ファン（１０）の少なくとも一方の能力を制御する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の製氷システム。
6. 前記被冷却媒体が海水である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の製氷システム。