WO2017138420A1

WO2017138420A1 - 冷凍装置

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Publication number: WO2017138420A1
Application number: PCT/JP2017/003662
Authority: WO
Inventors: 豊明木屋; 桑原　修; 對比地　亮佑; 森　徹
Original assignee: パナソニックＩｐマネジメント株式会社
Priority date: 2016-02-08
Filing date: 2017-02-01
Publication date: 2017-08-17
Also published as: CN108603696A; JP6653464B2; JPWO2017138420A1; CN108603696B

Abstract

二酸化炭素冷媒を使用する場合に冷凍能力を確保すること。同一の回転軸により駆動される第１の回転圧縮要素（１４）と第２の回転圧縮要素（１６）を有する圧縮機（１１）と、ガスクーラ（２８）と、電磁膨張弁（３９）と、蒸発器（４１）とから冷媒回路が構成される冷凍装置（Ｒ）において、電動膨張弁（３３）と、タンク（３６）と、スプリット熱交換器（２９）と、電動膨張弁（４３）と、電動膨張弁（４７）と、補助回路（４８）と、主回路（３８）と、制御装置（５７）と、補助圧縮機（６０）とを備える。圧縮機（１１）と補助圧縮機（６０）は並列に設けられている。スプリット熱交換器（２９）の第１の流路（２９Ａ）を通過した冷媒は、補助圧縮機（６０）および圧縮機（１１）の中間圧部に流入される。

Description

冷凍装置

　本発明は、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）。

　また、給湯機を構成するヒートポンプ装置でも、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（例えば、特許文献２参照）。

特公平７－１８６０２号公報特開２００７－１７８０４２号公報

　しかしながら、上述した二酸化炭素冷媒を使用する冷凍装置では、例えば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、庫内を冷却するが、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ことがある。この場合、蒸発器入口の比エンタルピーが大きくなるため、冷凍能力が著しく低下する。

　本発明の目的は、二酸化炭素冷媒を使用する場合に冷凍能力を確保することができる冷凍装置を提供することである。

　本発明に係る冷凍装置は、同一の回転軸により駆動される第１の回転圧縮要素と第２の回転圧縮要素を有する圧縮手段と、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、二酸化炭素冷媒が用いられる冷凍装置において、前記圧縮手段と並列に設けられた補助圧縮手段と、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接続され、前記ガスクーラから流出した冷媒の圧力を調整する圧力調整用絞り手段と、前記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接続されたタンクと、前記タンクの下流側であって、前記主絞り手段の上流側の前記冷媒回路に設けられ、第１の流路と第２の流路を有するスプリット熱交換器と、前記タンクの第１の高さに設けられた配管から流出した冷媒の圧力を調整する第１の補助絞り手段と、前記第１の高さよりも低い位置に設けられた配管から流出し、前記スプリット熱交換器の前記第２の流路を通過した後、前記第２の流路の下流側で分流した冷媒のうちの一方の圧力を調整する第２の補助絞り手段と、前記第１の補助絞り手段により圧力が調整された冷媒と前記第２の補助絞り手段により圧力が調整された冷媒とが混合した冷媒を前記スプリット熱交換器の前記第１の流路に流した後、前記圧縮手段の中間圧部および前記補助圧縮手段に吸い込ませる補助回路と、前記タンクから流出した冷媒を前記スプリット熱交換器の前記第２の流路に流し、前記第１の流路を流れる冷媒と熱交換させた後、前記第２の流路の下流側で分流した冷媒のうちの他方を前記主絞り手段に流入させる主回路と、前記圧縮手段、前記補助圧縮手段、前記主絞り手段、前記圧力調整用絞り手段、前記第１の補助絞り手段、および、前記第２の補助絞り手段の動作を制御する制御手段と、を備える。

　本発明に係る冷凍装置は、同一の回転軸により駆動される第１の回転圧縮要素と第２の回転圧縮要素を有する圧縮手段と、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、二酸化炭素冷媒が用いられる冷凍装置において、前記圧縮手段と並列に設けられた補助圧縮手段と、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接続され、前記ガスクーラから流出した冷媒の圧力を調整する圧力調整用絞り手段と、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接続され、前記圧力調整用絞り手段と並列に設けられ、前記ガスクーラからの流出後に分流した冷媒を膨張させるとともに、膨張エネルギを回収する膨張手段と、前記圧力調整用絞り手段および前記膨張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接続されたタンクと、前記タンクの下流側であって、前記主絞り手段の上流側の前記冷媒回路に設けられ、第１の流路と第２の流路を有するスプリット熱交換器と、前記タンクの第１の高さに設けられた配管から流出した冷媒の圧力を調整する第１の補助絞り手段と、前記第１の高さよりも低い位置に設けられた配管から流出し、前記スプリット熱交換器の前記第２の流路を通過した後、前記第２の流路の下流側で分流した冷媒のうちの一方の圧力を調整する第２の補助絞り手段と、前記第１の補助絞り手段により圧力が調整された冷媒と前記第２の補助絞り手段により圧力が調整された冷媒とが混合した冷媒を前記スプリット熱交換器の前記第１の流路に流した後、前記圧縮手段の中間圧部および前記補助圧縮手段に吸い込ませる補助回路と、前記タンクから流出した冷媒を前記スプリット熱交換器の第２の流路に流し、前記第１の流路を流れる冷媒と熱交換させた後、前記第２の流路の下流側で分流した冷媒のうちの他方を前記主絞り手段に流入させる主回路と、前記圧縮手段、前記補助圧縮手段、前記主絞り手段、前記圧力調整用絞り手段、前記第１の補助絞り手段、前記第２の補助絞り手段、および、前記膨張手段の動作を制御する制御手段と、を備え、前記膨張手段により回収された膨張エネルギは、前記補助圧縮手段の圧縮動作に使用される。

　本発明によれば、二酸化炭素冷媒を使用する場合に冷凍能力を確保することができる。

本発明を適用した一実施例の冷凍装置の冷媒回路図高温期の環境における補助圧縮機を備えない冷凍装置の動作状態を示すＰ－Ｈ線図高温期の環境における冷凍装置の動作状態を示すＰ－Ｈ線図図１とは別の構成を有する冷凍装置の冷媒回路図低温期の環境における冷凍装置の動作状態を示すＰ－Ｈ線図図１とは別の構成を有する冷凍装置の冷媒回路図本発明を適用した一実施例の冷凍装置の冷媒回路図高温期の環境における冷凍装置の動作状態を示すＰ－Ｈ線図高温期の環境における補助圧縮機を備えない冷凍装置の動作状態を示すＰ－Ｈ線図図７とは別の構成を有する冷凍装置の冷媒回路図

　以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

　＜実施形態１＞
　まず、本発明の実施形態１について説明する。

　（１）冷凍装置Ｒの構成
　図１は、本発明を適用する一実施例にかかる冷凍装置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等の店舗の機械室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４とを備え、これら冷凍機ユニット３とショーケース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および冷媒配管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）となり得る二酸化炭素（Ｒ７４４）を冷媒として用いる。この二酸化炭素冷媒は、地球環境に優しく、可燃性およ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。図１に示す各矢印は、二酸化炭素冷媒の流れを示している。

　冷凍機ユニット３は、圧縮機１１（圧縮手段の一例）を備える。圧縮機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。この圧縮機１１は、密閉容器１２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１２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１３、この電動要素１３の下側に配置された、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。圧縮機１１は、同一の回転軸（電動要素１３の回転軸）により駆動される第１の回転圧縮要素１４および第２の回転圧縮要素１６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（ＭＰ）が決定される。

　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、中間圧まで昇圧して吐出する。第２の回転圧縮要素１６は、第１の回転圧縮要素１４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る。後述する制御装置５７は、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。

　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１段目の圧縮が行われて中間圧に昇圧され、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。インタークーラ２４の出口には、中間圧吸入配管２６の一端が接続される。中間圧吸入配管２６の他端は分岐して、圧縮機１１の高段側吸込口１９および補助圧縮機６０の吸込口６４に接続される。

　冷凍機ユニット３は、圧縮機１１と並列に設けられた補助圧縮機６０（補助圧縮手段の一例）を備える。補助圧縮機６０は、密閉容器６１と、この密閉容器６１の内部空間に収納された駆動要素としての電動要素６２と、この電動要素６２の回転軸により駆動される回転圧縮要素６３とを備えている。

　回転圧縮要素６３は、中間圧吸入配管２６から吸い込まれた中間圧の冷媒を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。補助圧縮機６０は、周波数可変型の圧縮機である。後述する制御装置５７は、電動要素６２の運転周波数を変更することで、回転圧縮要素６３の回転数を制御する。

　密閉容器６１の側面には、回転圧縮要素６３に連通する吸込口６４および吐出口６５が形成されている。吸込口６４には中間圧吸入配管２６の一端が接続されている。また、補助圧縮機６０の吐出口６５は、配管を介して高圧吐出配管２７に接続されている。

　圧縮機１１の高段側吸込口１９から第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、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。

　また、補助圧縮機６０の吸込口６４から回転圧縮要素６３に吸い込まれた中間圧（ＭＰ）の冷媒ガスは、回転圧縮要素６３により圧縮が行われて、高温高圧の冷媒ガスとなる。

　また、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、図示は省略するが、高圧吐出配管２７の途中にはオイルセパレータ２０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、圧縮機１１の密閉容器１２内および補助圧縮機６０の密閉容器６１内に戻される。

　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。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。

　そして、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の他端は電動膨張弁３３（圧力調整用絞り手段の一例）の入口に接続されている。この電動膨張弁３３は、ガスクーラ２８から出た冷媒を絞って膨張させるとともに、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ある。電動膨張弁３３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。

　タンク３６は、その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の途中には、スプリット熱交換器２９の第２の流路２９Ｂが設けられる。このタンク出口配管３７が、本実施形態における主回路３８を構成する。

　一方、店舗内に設置されるショーケース４は、冷媒配管８、９に接続される。ショーケース４には、電動膨張弁３９（主絞り手段の一例）と蒸発器４１とが設けられており、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）。蒸発器４１の隣には、当該蒸発器４１に送風する冷気循環用送風機（図示略）が設けられている。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の他端は電動膨張弁４３（第１の補助回路用絞り手段の一例）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、この中間圧戻り配管４４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の途中に連通されている。この中間圧戻り配管４４の途中には、スプリット熱交換器２９の第１の流路２９Ａが設けられている。

　また、スプリット熱交換器２９の第２の流路２９Ｂの下流側において、液配管４６の一端がタンク出口配管３７に接続されている。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に接続されている。液配管４６の途中には、電動膨張弁４７（第２の補助回路用絞り手段の一例）が設けられている。

　上述した電動膨張弁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、本実施形態における補助絞り手段を構成する。また、中間圧戻り配管４４と、電動膨張弁４３と、電動膨張弁４７と、ガス配管４２と、液配管４６とが、本実施形態における補助回路４８を構成する。

　このように、電動膨張弁３３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、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。さらに、スプリット熱交換器２９は、タンク３６の下流側であって電動膨張弁３９の上流側に位置する。これにより、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。

　例えば、高圧吐出配管２７には、高圧センサ４９が取り付けられる。高圧センサ４９は、冷媒回路１の高圧側圧力ＨＰ（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、例えば、冷媒導入配管２２には、低圧センサ５１が取り付けられる。低圧センサ５１は、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、例えば、中間圧戻り配管４４には、中間圧センサ５２が取り付けられる。中間圧センサ５２は、冷媒回路の１の中間圧領域の圧力である中間圧ＭＰ（電動膨張弁４３、４７の出口より下流の中間圧戻り配管４４内の圧力であって、圧縮機１１の低段側吐出口１８と高段側吸込口１９との間の圧力に等しい圧力）を検出する。

　また、例えば、スプリット熱交換器２９の下流側のタンク出口配管３７には、ユニット出口センサ５３が取り付けられている。このユニット出口センサ５３は、タンク３６内の圧力ＯＰ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となる。

　上述した各センサは、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の制御装置５７（制御手段の一例）の入力に接続される。一方、制御装置５７の出力には、圧縮機１１の電動要素１３、補助圧縮機６０の電動要素６２、ガスクーラ用送風機３１、電動膨張弁３３、電動膨張弁４３、電動膨張弁４７、電動膨張弁３９が接続される。制御装置５７は、各センサからの検出結果と設定データ等に基づいて、出力側の各構成要素を制御する。

　なお、以下では、ショーケース４側の電動膨張弁３９や上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、これらは店舗の主制御装置（図示略）を介し、制御装置５７と連携して動作するショーケース４側の制御装置（図示略）により制御されることとしてもよい。したがって、本実施形態における制御手段は、制御装置５７やショーケース４側の制御装置、上述した主制御装置等を含めた概念としてもよい。

　（２）冷凍装置Ｒの動作
　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および第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。

　また、制御装置５７により補助圧縮機６０の電動要素６２が駆動されると、回転圧縮要素６３が回転する。

　そして、密閉容器１２内の中間圧のガス冷媒は、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、インタークーラ２４において空冷される。

　空冷されたガス冷媒は、インタークーラ２４から中間圧吸入配管２６へ流出し、その中間圧吸入配管２６において、中間圧戻り配管４４から中間圧吸入配管２６へ流入するガス冷媒（詳細は後述）と混合する。混合したガス冷媒は、中間圧吸入配管２６において分流し、圧縮機１１の高段側吸込口１９（中間圧部）と補助圧縮機６０の吸込口６４にそれぞれ流入する。

　高段側吸込口１９へ流入した中間圧のガス冷媒は、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ガス冷媒となる。このガス冷媒は、高段側吐出口２１から高圧吐出配管２７に吐出される。

　また、吸込口６４へ流入した中間圧のガス冷媒は、回転圧縮要素６３により圧縮が行われて高温高圧のガス冷媒となる。このガス冷媒は、吐出口６５から高圧吐出配管２７に吐出され、この高圧吐出配管２７において高段側吐出口２１からのガス冷媒と混合する。

　（２－１）電動膨張弁３３の制御
　高圧吐出配管２７からガスクーラ２８へ流入したガス冷媒は、ガスクーラ２８にて空冷された後、ガスクーラ出口配管３２を経て電動膨張弁３３に至る。この電動膨張弁３３は、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の運転始動時の開度の設定
　運転始動時には先ず、制御装置５７は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３３の開度（始動時の弁開度）を設定する。具体的には、本実施形態では、制御装置５７は、始動時における外気温度と電動膨張弁３３の始動時の弁開度との関係を示すデータテーブルを予め記憶しており、始動時における外気温度から、上記データテーブルを参照して、電動膨張弁３３の始動時の弁開度を設定する。

　なお、外気温度は、例えば、外気温度センサ（図示略）により検出される。外気温度センサは、インタークーラ２４、ガスクーラ２８、ガスクーラ用送風機３１などが格納される室外機の内部、または、その近傍などに配置される。これに限らず、高圧センサ４９が検出する高圧側圧力ＨＰから制御装置５７が外気温度を検出するようにしてもよい（以下、同じ）。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。具体的には、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の始動時の弁開度との関係を示すデータテーブルを予め記憶しており、始動時における外気温度を推定し、上記データテーブルを参照して、電動膨張弁３３の始動時の弁開度を設定する。

　（２－１－２）運転中における電動膨張弁３３の開度の設定
　運転中、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、電動膨張弁３３の開度を設定する。この場合、制御装置５７は、高圧側圧力ＨＰ（外気温度）が低い場合に大きくなるよう電動膨張弁３３の開度を設定する。これにより、電動膨張弁３３における圧力低下を最小限に抑えることができ、圧縮機１１に入る中間圧吸入配管２６の中間圧（ＭＰ）との圧力差を確保して、冷凍運転および冷蔵運転を効率的に行うことができる。

　ここで、制御装置５７は、高圧側圧力ＨＰ（外気温度）と電動膨張弁３３の開度との関係を示すデータテーブルを予め記憶しておき、それを参照することにより電動膨張弁３３の開度を設定してもよいし、当該開度を計算式から算出してもよい。

　（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の弁開度をさらに増大させる。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。

　ここで、ガスクーラ２８から超臨界状態の冷媒ガスが流出した場合、電動膨張弁３３で絞られて膨張することにより液化していき、タンク入口配管３４を経て上部からタンク３６内に流入し、その一部が蒸発する。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からタンク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内の下部に溜まった液冷媒は、タンク３６からタンク出口配管３７（主回路３８）へ流出する。以下、主回路３８における冷媒の流れについて説明する。

　タンク３６から流出した液冷媒は、スプリット熱交換器２９の第２の流路２９Ｂへ流入し、第２の流路２９Ｂにおいて第１の流路２９Ａを流れる冷媒により冷却（過冷却）される。

　その後、液冷媒は、第２の流路２９Ｂの出口において、分流する。分流した冷媒のうち、一方は、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に流入し、もう一方は、液配管４６に流入する。液配管４６に流入した液冷媒は、電動膨張弁４７により絞られた後、中間圧戻り配管４４に流入し、電動膨張弁４３を経たガス冷媒と合流し、第１の流路２９Ａに流入する。この第１の流路２９Ａにおいて、液冷媒は蒸発する。このときの吸熱作用により、第２の流路２９Ｂを流れる液冷媒の過冷却を増大させる。

　このように、スプリット熱交換器２９では、タンク３６から流出した液冷媒と、電動膨張弁４７で絞られた液冷媒と電動膨張弁４３で絞られたガス冷媒とが混合した冷媒との熱交換が行われる。電動膨張弁４７が液配管４６を介してスプリット熱交換器２９の第２の流路２９Ｂの下流側と接続されている場合、電動膨張弁４７がタンク３６の下流側と接続される場合よりも、冷凍機ユニット３の出口における比エンタルピーが小さくなる。比エンタルピーが小さくなると、冷媒の流量が下がるため、中間圧を低下させることができる。

　電動膨張弁３９に流入した冷媒は、電動膨張弁３９で絞られて膨張することでさらに液分が増え、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温度センサ（図示略）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、冷媒配管９から冷凍機ユニット３に戻り、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における冷媒の流れである。

　（２－２）電動膨張弁４３の制御
　補助回路４８における冷媒の流れを説明する。タンク３６内の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。このガス冷媒は、タンク３６からガス配管４２へ流出する。上述したようにガス配管４２には電動膨張弁４３が接続されている。ガス冷媒は、電動膨張弁４３で絞られた後、電動膨張弁４７を経た液冷媒と合流し、スプリット熱交換器２９の第１の流路２９Ａに流入する。そして、ガス冷媒は、第１の流路２９Ａにおいて第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に流入する。そして、中間圧戻り配管４４から中間圧吸入配管２６へ流入したガス冷媒は、上述したとおり、インタークーラ２４から出た冷媒と混合し、補助圧縮機６０の吸込口６４と圧縮機１１の高段側吸込口１９のそれぞれに吸い込まれる。

　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。

　本実施形態では、目標値ＳＰは高圧側圧力ＨＰよりも低く、中間圧ＭＰよりも高い値に設定されている。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ＯＰ（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ＯＰを目標値ＳＰに制御する。すなわち、タンク３６内の圧力ＯＰ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の運転始動時の開度の設定
　制御装置５７は、外気温度、または、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４３の弁開度（始動時の弁開度）を設定する。本実施形態の場合、制御装置５７は始動時における外気温度、または、高圧側圧力ＨＰ（外気温度）と電動膨張弁４３の始動時の弁開度との関係を示すデータテーブルを予め記憶している。

　そして、制御装置５７は、始動時における外気温度、または、検出圧力（高圧側圧力ＨＰ）から、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、タンク３６内の圧力ＯＰの目標値ＳＰを固定して制御するが、電動膨張弁３３の場合と同様に、外気温度、または、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）に基づいて目標値ＳＰを設定するようにしてもよい。この場合には、制御装置５７は、外気温度、または、高圧側圧力ＨＰが高い程高くなる。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、中間圧ＭＰが高くなるので、電動膨張弁４３の弁開度が大きくなっても補助回路４８に冷媒が流れにくくなる不都合を防止することができるようになる。逆に、電動膨張弁４３の弁開度を小さくすることで、補助回路４８に流入する冷媒量を減少させ、ユニット出口６における冷媒の圧力が低下す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、ユニット出口６における冷媒の圧力の変化を抑えることができ、冷媒量を的確に調整することができる。

　（２－２－２）タンク内圧力ＯＰの規定値ＭＯＰ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ＯＰ（電動膨張弁３９に流入する冷媒の圧力）が所定の規定値ＭＯＰ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ＯＰは低下する方向に向かうので、圧力ＯＰを常に規定値ＭＯＰ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
　補助回路４８における冷媒の流れを説明する。タンク３６内の下部に溜まる液冷媒は、タンク３６からタンク出口配管３７へ流入し、第２の流路２９Ｂを通過後、分流する。分流した液冷媒の一方は、液配管４６へ流入し、電動膨張弁４７で絞られる。その後、液冷媒は、中間圧戻り配管４４に流入し、電動膨張弁４３からのガス冷媒と合流し、スプリット熱交換器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を流れる液冷媒の過冷却を増大させる。

　その後、第１の流路２９Ａから出たガス冷媒は、中間圧吸入配管２６に流入し、インタークーラ２４から出た冷媒と混合し、補助圧縮機６０の吸込口６４と圧縮機１１の高段側吸込口１９のそれぞれに吸い込まれる。

　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、スプリット熱交換器２９の第１の流路２９Ａに流す液冷媒の量を調整する。例えば、制御装置５７は、吐出温度センサ５０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。これにより、スプリット熱交換器２９の第１の流路２９Ａに流れる液冷媒の量が調整され、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が所定の目標値ＴＤＴに制御される。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、低い場合には減少させる。これにより、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。

　（２－４）冷凍装置Ｒによる効果
　次に、冷凍装置Ｒにより得られる効果について、図２、図３を用いて説明する。

　図２は、高温期の環境における補助圧縮機を備えない冷凍装置（例えば、図１の構成から補助圧縮機６０を除いた冷凍装置）の動作状態を示すＰ－Ｈ線図である。一方、図３は、高温期の環境における冷凍装置Ｒの動作状態を示すＰ－Ｈ線図である。なお、高温期の環境とは、例えば、外気温度が摂氏３２度程度の環境（例えば、夏季）である。

　図２、図３において、Ｘ１からＸ２に向かう線、Ｘ３からＸ４に向かう線、Ｘ５からＸ６に向かう線、および、Ｘ７からＸ８に向かう線は、それぞれ、電動膨張弁３３、電動膨張弁３９、電動膨張弁４３、および、電動膨張弁４７による減圧を示している。

　また、図２、図３において、Ｘ９は、電動膨張弁４３を経た冷媒と電動膨張弁４７を経た冷媒とが混合する際の比エンタルピー／圧力を示している。Ｘ１０は、混合した冷媒がスプリット熱交換器２９の第１の流路２９Ａを通過する際の比エンタルピー／圧力を示している。Ｘ１１は、中間圧吸入配管２６を流れる冷媒が圧縮機１１の高段側吸込口１９および補助圧縮機６０の吸込口６４のそれぞれに流入する際の比エンタルピー／圧力を示している。

　図２と図３の比較から明らかなように、冷凍装置Ｒでは、補助圧縮機６０を備えない冷凍装置よりも、中間圧（ＭＰ）を低くすることができる。

　上述したとおり、同一の回転軸により第１の回転圧縮要素と第２の回転圧縮要素とが駆動される二段圧縮機では、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。よって、高段側のみの冷媒の吸込量（排除容積）を増やして中間圧を低下させることはできなかった。

　これに対し、本実施形態の冷凍装置Ｒでは、二段圧縮機である圧縮機１１と並列に設けられた補助圧縮機６０を備えることにより、中間圧部における冷媒の吸込量（排除容積）を増やしている。これにより、圧縮機１１における排除容積比率が決まっていても、中間圧を低下させることができる。

　そして、図２と図３の比較から明らかなように、中間圧を低下させることにより、タンク３６内圧力ＯＰ（Ｘ３のときの圧力）を低下させることができる。これにより、タンク３６の出口の比エンタルピーを低下させることができ、冷凍能力を確保することができる。また、高温期の環境においてタンク３６内圧力ＯＰが臨界圧力ＣＰを超えることを防止でき、気液分離を行うことができる。また、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制御（例えば、中圧カット、脱調等）を回避でき、安定した冷凍装置Ｒの運転を実現できる。

　また、本実施形態の冷凍装置Ｒでは、ショーケース４に送る冷媒の圧力を低下させているため、配管の設計圧力を低くでき、肉厚の薄い管を使うことが可能となる。

　また、本実施形態の冷凍装置Ｒでは、タンク３６に液冷媒を保持し、その量を連続的に変えられるため、冷凍回路１を循環する冷媒の量を安定して適正量に維持できる。

　本実施形態では、図１に示した冷凍装置Ｒの構成について説明をしたが、冷凍装置Ｒの構成は図１に示すものに限定されない。以下、冷凍装置Ｒの別の構成例について説明する。

　（３）冷凍装置Ｒの別の構成例１
　図４は、図１とは別の構成を有する冷凍装置Ｒの冷媒回路図である。なお、図４において、図１と同一の構成要素には同一の符号を付し、以下、それらの説明は省略する。

　図４に示す冷凍装置Ｒは、図１に示した構成に加えて、バイパス回路７０および電磁弁７１を備える。バイパス回路７０の一端は冷媒導入配管２２に接続され、バイパス回路７０の他端は補助圧縮機６０の吸込口６４に接続されている。

　また、このバイパス回路７０の途中には、電磁弁７１が設けられている。電磁弁７１の開閉は、制御装置５７により制御される。例えば、制御装置５７は、外気温度（高圧側圧力ＨＰ）と電磁弁７１の開閉との関係を示すデータテーブルを予め記憶しており、外気温度を推定し、上記データテーブルを参照して、電磁弁７１の開閉を設定する。なお、電磁弁７１の代わりに、逆止弁を設けてもよい。

　例えば、制御装置５７は、外気温度が摂氏３２度程度の場合（高温期の環境。例えば、夏季）、電磁弁７１を閉状態にするとともに、圧縮機１１および補助圧縮機６０を駆動させる。これにより、上記「（２）冷凍装置Ｒの動作」で説明したとおり、冷媒が循環する。

　一方、例えば、制御装置５７は、外気温度が摂氏２０度以下の場合（低温期の環境。例えば、冬季）、電磁弁７１を開状態にするとともに、圧縮機１１を駆動させず、補助圧縮機６０を駆動させる。また、制御装置５７は、電動膨張弁３３の弁開度を最も大きくし、かつ、電動膨張弁４３および電動膨張弁４７を閉める。

　これにより、蒸発器４１を出た冷媒は、バイパス回路７０へ流入し、補助圧縮機６０の吸込口６４へ吸い込まれる。そして、補助圧縮機６０にて圧縮された冷媒は、吐出口６５から高圧吐出配管２７へ吐出される。その後、冷媒は、ガスクーラ２８、電動膨張弁３３、タンク３６、タンク出口配管３７、スプリット熱交換器２９の第２の流路２９Ｂ、電動膨張弁３９、蒸発器４１の順に流れ、再びバイパス回路７０へと流入する。

　冷媒がバイパス回路７０を流れる場合のＰ－Ｈ線図を図５に示す。図５に示す各符号は、図２、図３と同様である。図５に示すように、冷媒の圧縮は、補助圧縮機６０による１段のみとなる。

　以上説明したように、本構成例によれば、冷却負荷が減少する環境（低温期）の場合、二段圧縮機である圧縮機１１を使用せず、補助圧縮機６０のみを使用するため、消費エネルギを低減できる。

　（４）冷凍装置Ｒの別の構成例２
　図６は、図１とは別の構成を有する冷凍装置Ｒの冷媒回路図である。なお、図６は、図１の図示を簡略化したものであり、図１と同一の構成要素には同一の符号を付し、以下、それらの説明は省略する。

　図６に示す冷凍装置Ｒは、図１に示した構成に加えて、圧縮機１１ａを備える。圧縮機１１ａは、圧縮機１１と並列に設けられた二段圧縮機であり、圧縮機１１と同様の構成を備える。

　図６に示す冷凍装置Ｒでは、蒸発器４１からの冷媒は、圧縮機１１と圧縮機１１ａのそれぞれに吸い込まれる。また、インタークーラ２４からの冷媒と中間圧戻り配管４４からの冷媒が混合した冷媒は、圧縮機１１、圧縮機１１ａ、補助圧縮機６０のそれぞれに吸い込まれる。

　なお、図６では、電動膨張弁３９、ショーケース４、および蒸発器４１のそれぞれを１つずつ設ける構成としたが、電動膨張弁３９、ショーケース４、および蒸発器４１のそれぞれを複数設ける構成としてもよい。例えば、１つの電動膨張弁３９、１つのショーケース４、および１つの蒸発器４１を一組とし、その組を並列に設ける構成にする。

　（５）冷凍装置Ｒの別の構成例３
　図１、図４、図６に示した構成では、補助圧縮機６０を１つだけ設ける構成としたが、補助圧縮機６０を複数設けてもよい。複数の補助圧縮機６０は、互いに並列に設けられ、かつ、１つまたは複数の圧縮機１１（圧縮機１１ａ）と並列に設けられる。インタークーラ２４からの冷媒と中間圧戻り配管４４からの冷媒が混合した冷媒は、複数の補助圧縮機６０のそれぞれに吸い込まれる。

　以上説明したように、本実施形態では、圧縮機１１は、同一の回転軸により駆動される第１の回転圧縮要素１４と第２の回転圧縮要素１６を有する圧縮機（圧縮手段）１１と、ガスクーラ２８と、電動膨張弁（主絞り手段）３９と、蒸発器４１とから冷媒回路１が構成され、二酸化炭素冷媒が用いられる冷凍装置Ｒにおいて、圧縮機１１と並列に設けられた補助圧縮機（補助圧縮手段）６０と、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に接続され、ガスクーラ２８から流出した冷媒の圧力を調整する電動膨張弁（圧力調整用絞り手段）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に接続されたタンク３６と、タンク３６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、第１の流路２９Ａと第２の流路２９Ｂを有するスプリット熱交換器２９と、タンク３６の第１の高さに設けられたガス配管４２から流出した冷媒の圧力を調整する電動膨張弁（第１の補助絞り手段）４３と、第１の高さよりも低い位置に設けられた液配管４６から流出し、スプリット熱交換器２９の第２の流路２９Ｂを通過した後、第２の流路２９Ｂの下流側で分流した冷媒のうちの一方の圧力を調整する電動膨張弁（第２の補助絞り手段）４７と、電動膨張弁４３により圧力が調整された冷媒と電動膨張弁４７により圧力が調整された冷媒とが混合した冷媒をスプリット熱交換器２９第１の流路２９Ａに流した後、圧縮機１１の中間圧部および補助圧縮機６０に吸い込ませる補助回路４８と、タンク３６から流出した冷媒をスプリット熱交換器２９第２の流路２９Ｂに流し、第１の流路２９Ａを流れる冷媒と熱交換させた後、第２の流路２９Ｂの下流側で分流した冷媒のうちの他方を電動膨張弁３９に流入させる主回路３８と、圧縮機１１、補助圧縮機６０、電動膨張弁３９、電動膨張弁３３、電動膨張弁４３、および、電動膨張弁４７の動作を制御する制御装置（制御手段）５７と、を備えることとした。

　これにより、二酸化炭素冷媒を使用する場合において、中間圧部における冷媒の吸込量（排除容積）を増加させることができ、圧縮機１１における排除容積比率が決まっていても、中間圧を低下させることができる。その結果、タンク３６の出口の比エンタルピーを低下させることができ、冷凍能力を確保することができる。

　また、冷凍装置Ｒは、補助圧縮機６０と、蒸発器４１の下流側かつ圧縮機１１の上流側に設けられた冷媒導入配管２２とを接続するバイパス回路７０をさらに備え、バイパス回路７０には、逆止弁、または、制御装置５７により開閉が制御される電磁弁７１が設けられることとした。

　これにより、冷却負荷が減少する環境（低温期）の場合、消費エネルギを低減できる。

　また、冷凍装置Ｒは、補助圧縮機６０の回転数は可変であることとした。

　また、冷凍装置Ｒは、互いに並列に設けられた複数の補助圧縮機６０を備え、複数の補助圧縮機６０には、電動膨張弁４３および電動膨張弁４７により圧力が調整された後でスプリット熱交換器２９の第１の流路２９Ａを流れた冷媒が吸い込まれることとした。

　また、冷凍装置Ｒは、互いに並列に設けられた複数の圧縮機１１、１１ａを備え、複数の圧縮機１１、１１ａの中間圧部には、電動膨張弁４３および電動膨張弁４７により圧力が調整された後でスプリット熱交換器２９の第１の流路２９Ａを流れた冷媒が吸い込まれることとした。

　以上、本発明の実施形態１について説明した。

　＜実施形態２＞
　次に、本発明の実施形態２について説明する。

　（１）冷凍装置Ｒの構成
　図７は、本発明を適用する一実施例にかかる冷凍装置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等の店舗の機械室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４とを備え、これら冷凍機ユニット３とショーケース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および冷媒配管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）となり得る二酸化炭素（Ｒ７４４）を冷媒として用いる。この二酸化炭素冷媒は、地球環境に優しく、可燃性およ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。図７に示す各矢印は、二酸化炭素冷媒の流れを示している。

　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。インタークーラ２４の出口には、中間圧吸入配管２６の一端が接続される。中間圧吸入配管２６の他端は分流して、圧縮機１１の高段側吸込口１９および補助圧縮機６０の吸込口６４に接続される。

　冷凍機ユニット３は、圧縮機１１と並列に設けられた補助圧縮機６０（補助圧縮手段の一例）を備える。補助圧縮機６０は、中間圧吸入配管２６から流入した中間圧の冷媒を圧縮する。

　補助圧縮機６０は、密閉容器６１と、この密閉容器６１の内部空間に収納された駆動要素としての電動要素６２と、この電動要素６２の回転軸により駆動される回転圧縮要素６３とを備えている。

　回転圧縮要素６３は、中間圧吸入配管２６から吸い込まれた中間圧の冷媒を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。補助圧縮機６０は、周波数可変型の圧縮機である。後述する制御装置５７は、電動要素６２の運転周波数を変更することで、回転圧縮要素６２の回転数を制御する。

　また、回転圧縮要素６３の駆動には、電動要素６２の動力に加えて、後述する膨張機７２により回収された膨張エネルギも使用される。

　冷凍機ユニット３は、電動膨張弁３３と並列に設けられた膨張機７２（膨張手段の一例）を備える。

　膨張機７２は、ガスクーラ２８から出た冷媒を膨張させる。膨張機７２の入口（吸入口）には配管６８の一端が接続され、この配管６８の他端はガスクーラ出口配管３２に接続されている。これにより、ガスクーラ２８から出た冷媒は、分流して電動膨張弁３３と膨張機７２のそれぞれに流入する。また、膨張機７２の出口（吐出口）には配管６９の一端が接続され、この配管６９の他端はタンク入口配管３４に接続されている。これにより、膨張機７２から出た冷媒は、ガス配管４２へ流入し、電動膨張弁３３から出た冷媒と混合する。

　また、膨張機７２は、冷媒が高圧から低圧になるときの膨張エネルギを回収する。上述したとおり、回収された膨張エネルギは、補助圧縮機６０の回転圧縮要素６３の駆動に使用される。

　なお、図７では例として、圧縮機１１と膨張機７２とを離して図示しているが、圧縮機１１と膨張機７２とを並設し、それらの回転軸を連結してもよい。この場合、膨張機７２で回収された膨張エネルギは、連結された回転軸を介して補助圧縮機６０に伝達され、回転圧縮要素６３の駆動に使用される。

　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、この中間圧戻り配管４４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の途中に連通されている。この中間圧戻り配管４４の途中には、スプリット熱交換器２９の第１の流路２９Ａが設けられている。

　また、スプリット熱交換器２９の第２の流路２９Ｂの下流側において、液配管４６の一端が、タンク出口配管３７のスプリット熱交換器２９の下流側に接続されている。液配管４６の他端は、中間圧戻り配管４４のスプリット熱交換器２９の上流側で電動膨張弁４３の下流側に接続されている。液配管４６の途中には、電動膨張弁４７（第２の補助回路用絞り手段の一例）が設けられている。

　上述した電動膨張弁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、本実施形態における補助絞り手段を構成する。また、中間圧戻り配管４４と、電動膨張弁４３、電動膨張弁４７と、ガス配管４２と、液配管４６とが、本実施形態における補助回路４８を構成する。

　（２－１）電動膨張弁３３の制御
　高圧吐出配管２７からガスクーラ２８へ流入したガス冷媒は、ガスクーラ２８にて空冷された後、ガスクーラ出口配管３２において分流し、電動膨張弁３３および膨張機７２に流入する。電動膨張弁３３は、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。

　ここで、ガスクーラ２８から流出した超臨界状態の冷媒ガスは、電動膨張弁３３および膨張機７２で減圧されて気液二相の混合状態となり、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。タンク３６は、タンク入口配管３４から流入した液／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からタンク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。

　タンク３６から流出した液冷媒は、スプリット熱交換器２９の第２の流路２９Ｂへ流入し、第２の流路２９Ｂにおいて第１の流路２９Ａを流れる冷媒により冷却（過冷却）される。その後、液冷媒は、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。

　（２－２）電動膨張弁４３の制御
　補助回路４８における冷媒の流れを説明する。タンク３６内の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。このガス冷媒は、タンク３６からガス配管４２へ流出する。上述したようにガス配管４２には電動膨張弁４３が接続されている。ガス冷媒は、電動膨張弁４３で絞られた後、スプリット熱交換器２９の第１の流路２９Ａに流入する。そして、ガス冷媒は、第１の流路２９Ａにおいて第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に流入する。そして、中間圧戻り配管４４から中間圧吸入配管２６へ流入したガス冷媒は、上述したとおり、インタークーラ２４から出た冷媒と混合し、補助圧縮機６０の吸込口６４と圧縮機１１の高段側吸込口１９のそれぞれに吸い込まれる。

　（２－３）電動膨張弁４７の制御
　補助回路４８における冷媒の流れを説明する。タンク３６内の下部に溜まる液冷媒は、タンク３６からタンク出口配管３７へ流入し、第２の流路２９Ｂを通過後、分流する。分流した液冷媒の一方は、液配管４６へ流入し、電動膨張弁４７で絞られる。その後、液冷媒は、中間圧戻り配管４４に流入し、電動膨張弁４３からのガス冷媒に合流し、スプリット熱交換器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を流れる冷媒の過冷却を増大させる。

　その後、第１の流路２９Ａを出たガス冷媒は、中間圧吸入配管２６に流入し、インタークーラ２４から出た冷媒と混合し、補助圧縮機６０の吸込口６４と圧縮機１１の高段側吸込口１９のそれぞれに吸い込まれる。

　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、スプリット熱交換器２９の第１の流路２９Ａに流す液冷媒の量を調整する。例えば、制御装置５７は、吐出温度センサ５０が検出する圧縮機１１からガスクーラ２８に吐出される冷媒の温度（吐出温度）に基づいて、電動膨張弁４７の弁開度を制御する。これにより、スプリット熱交換器２９の第１の流路２９Ａに流れる液冷媒の量が調整され、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が所定の目標値ＴＤＴに制御される。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、低い場合には減少させる。これにより、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。

　（２－４）冷凍装置Ｒによる効果
　次に、冷凍装置Ｒにより得られる効果について、図８、図９を用いて説明する。

　図８は、高温期の環境における冷凍装置Ｒの動作状態を示すＰ－Ｈ線図である。一方、図９は、高温期の環境における補助圧縮機を備えない冷凍装置（図７の構成から補助圧縮機６０、配管６８、６９、膨張機７２を除いた冷凍装置）の動作状態を示すＰ－Ｈ線図である。なお、高温期の環境とは、例えば、外気温度が摂氏３２度程度の環境（例えば、夏季）である。

　図８において、Ｘ１からＸ２に向かう線は、電動膨張弁３３および膨張機７２による減圧を示している。一方、図９において、Ｘ１からＸ２に向かう線は、電動膨張弁３３による減圧を示している。また、図８、図９において、Ｘ３からＸ４に向かう線、Ｘ５からＸ６に向かう線、および、Ｘ３からＸ８に向かう線は、それぞれ、電動膨張弁３９、電動膨張弁４３、および、電動膨張弁４７による減圧を示している。

　また、図８、図９において、Ｘ９は、電動膨張弁４３を経た冷媒と電動膨張弁４７を経た冷媒とが混合する際の比エンタルピー／圧力を示している。Ｘ１０は、混合した冷媒がスプリット熱交換器２９の第１の流路２９Ａを通過する際の比エンタルピー／圧力を示している。Ｘ１１は、中間圧吸入配管２６を流れる冷媒が圧縮機１１の高段側吸込口１９および補助圧縮機６０の吸込口６４のそれぞれに流入する際の比エンタルピー／圧力を示している。

　図８と図９の比較から明らかなように、冷凍装置Ｒでは、補助圧縮機６０を備えない冷凍装置よりも、中間圧（ＭＰ）を低くすることができる。

　そして、中間圧を低下させることにより、タンク３６内圧力ＯＰ（Ｘ３のときの圧力）を低下させることができる。これにより、タンク３６の出口の比エンタルピーを低下させることができ、冷凍能力を確保することができる。また、高温期の環境においてタンク３６内圧力ＯＰが臨界圧力ＣＰを超えることを防止でき、気液分離を行うことができる。また、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制御（例えば、中圧カット、脱調等）を回避でき、安定した冷凍装置Ｒの運転を実現できる。

　また、本実施形態の冷凍装置Ｒでは、膨張機７２により回収した膨張エネルギを補助圧縮機６０の圧縮動作に用いるため、補助圧縮機６０を駆動させるための消費電力を削減することができる。

　また、本実施形態の冷凍装置Ｒでは、膨張機７２で膨張エネルギを回収することで図８の点Ｘ２が点Ｘ１より左側に移動することにより、タンク３６で分離されガス配管４２から流出する冷媒蒸気が減少し、圧縮機１１の２段目および補助圧縮機６０で圧縮する冷媒流量が減少することで、圧縮機１１および補助圧縮機６０を駆動するための消費電力を削減することができる。

　また、本実施形態の冷凍装置Ｒでは、ショーケース４に送る冷媒の圧力を低くしているため、配管の設計圧力を低くでき、肉厚の薄い管を使うことが可能となる。

　また、本実施形態の冷凍装置Ｒでは、エコノマイザとして機能するタンク３６、電動膨張弁４３、４７、スプリット熱交換器２９を備えることにより、必要な過冷却度を確保することができる。

　本実施形態では、図７に示した冷凍装置Ｒの構成について説明をしたが、冷凍装置Ｒの構成は図７に示すものに限定されない。以下、冷凍装置Ｒの別の構成例について説明する。

　（３）冷凍装置Ｒの別の構成例１
　図１０は、図７とは別の構成を有する冷凍装置Ｒの冷媒回路図である。なお、図１０は、図７の図示を簡略化したものであり、図７と同一の構成要素には同一の符号を付し、以下、それらの説明は省略する。

　図１０に示す冷凍装置Ｒは、図７に示した構成に加えて、圧縮機１１ａを備える。圧縮機１１ａは、圧縮機１１と並列に設けられた二段圧縮機であり、圧縮機１１と同様の構成を備える。

　図１０に示す冷凍装置Ｒでは、蒸発器４１からの冷媒は、圧縮機１１と圧縮機１１ａのそれぞれに吸い込まれる。また、インタークーラ２４からの冷媒と中間圧戻り配管４４からの冷媒が混合した冷媒は、圧縮機１１、圧縮機１１ａ、補助圧縮機６０のそれぞれに吸い込まれる。

　なお、図１０では、電動膨張弁３９、ショーケース４、および蒸発器４１のそれぞれを１つずつ設ける構成としたが、電動膨張弁３９、ショーケース４、および蒸発器４１のそれぞれを複数設ける構成としてもよい。例えば、１つの電動膨張弁３９、１つのショーケース４、および１つの蒸発器４１を一組とし、その組を並列に設ける構成にする。

　（４）冷凍装置Ｒの別の構成例２
　図７、図１０に示した構成では、補助圧縮機６０を１つだけ設ける構成としたが、補助圧縮機６０を複数設けてもよい。複数の補助圧縮機６０は、互いに並列に設けられ、かつ、１つまたは複数の圧縮機１１（圧縮機１１ａ）と並列に設けられる。インタークーラ２４からの冷媒と中間圧戻り配管４４からの冷媒が混合した冷媒は、複数の補助圧縮機６０のそれぞれに吸い込まれる。

　以上説明したように、本実施形態では、同一の回転軸により駆動される第１の回転圧縮要素１４と第２の回転圧縮要素１６を有する圧縮機（圧縮手段）１１と、ガスクーラ２８と、電動膨張弁（主絞り手段）３９と、蒸発器４１とから冷媒回路１が構成され、二酸化炭素冷媒が用いられる冷凍装置Ｒにおいて、圧縮機１１と並列に設けられた補助圧縮機（補助圧縮手段）６０と、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に接続され、ガスクーラ２８から流出した冷媒の圧力を調整する電動膨張弁（圧力調整用絞り手段）３３と、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に接続され、電動膨張弁３３と並列に設けられ、ガスクーラ２８からの流出後に分流した冷媒を膨張させるとともに、膨張エネルギを回収する膨張機（膨張手段）７２と、電動膨張弁３３および前記膨張機７２の下流側であって、電動膨張弁３９の上流側の冷媒回路１に接続されたタンク３６と、タンク３６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、第１の流路２９Ａと第２の流路２９Ｂを有するスプリット熱交換器２９と、タンク３６の第１の高さに設けられたガス配管４２から流出した冷媒の圧力を調整する電動膨張弁（第１の補助絞り手段）４３と、第１の高さよりも低い位置に設けられたタンク出口配管３７から流出し、スプリット熱交換器２９の第２の流路２９Ｂを通過した後、第２の流路２９Ｂの下流側で分流した冷媒のうちの一方の圧力を調整する電動膨張弁（第２の補助絞り手段）４７と、電動膨張弁４３により圧力が調整された冷媒と電動膨張弁４７により圧力が調整された冷媒とが混合した冷媒をスプリット熱交換器２９の第１の流路２９Ａに流した後、圧縮機１１の中間圧部および補助圧縮機６０に吸い込ませる補助回路４８と、タンク３６から流出した冷媒をスプリット熱交換器２９の第２の流路２９Ｂに流し、第１の流路２９Ａを流れる冷媒と熱交換させた後、第２の流路２９Ｂの下流側で分流した冷媒のうちの他方を電動膨張弁３９に流入させる主回路３８と、圧縮機１１、補助圧縮機６０、電動膨張弁３９、電動膨張弁３３、電動膨張弁４３、電動膨張弁４７、および、膨張機７２の動作を制御する制御装置（制御手段）５７と、を備え、膨張機７２により回収された膨張エネルギは、補助圧縮機６０の圧縮動作に使用されることとした。

　また、膨張機７２により回収した膨張エネルギを補助圧縮機６０の圧縮動作に用いるため、補助圧縮機６０を駆動させるための消費電力を削減することができる。

　また、膨張機７２で膨張エネルギを回収することで図８の点Ｘ２が点Ｘ１より左側に移動することにより、タンク３６で分離されガス配管４２から流出する冷媒蒸気が減少し、圧縮機１１の２段目および補助圧縮機６０で圧縮する冷媒流量が減少することで、圧縮機１１および補助圧縮機６０を駆動するための消費電力を削減することができる。

　以上、本発明の実施形態２について説明した。

　以上本発明の各実施形態について説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

　２０１６年２月８日出願の特願２０１６－０２２１１４の日本出願、および、２０１６年２月８日出願の特願２０１６－０２２１１７の日本出願に含まれる明細書、図面および要約書の開示内容は、すべて本願に援用される。

　本発明は、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に用いるのに好適である。

　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
　６　ユニット出口
　７　ユニット入口
　８、９　冷媒配管
　１１、１１ａ　圧縮機
　１２、６１　密閉容器
　１３、６２　電動要素
　１４　第１の回転圧縮要素
　１６　第２の回転圧縮要素
　１７　低段側吸込口
　１８　低段側吐出口
　１９　高段側吸込口
　２１　高段側吐出口
　２２　冷媒導入配管
　２３　中間圧吐出配管
　２４　インタークーラ
　２６　中間圧吸入配管
　２７　高圧吐出配管
　２８　ガスクーラ
　２９　スプリット熱交換器
　２９Ａ　第１の流路
　２９Ｂ　第２の流路
　３１　ガスクーラ用送風機
　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）
　３４　タンク入口配管
　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
　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
　４９　高圧センサ
　５０　吐出温度センサ
　５１　低圧センサ
　５２　中間圧センサ
　５３　ユニット出口センサ
　５７　制御装置（制御手段）
　６０　補助圧縮機
　６３　回転圧縮要素
　６４　吸込口
　６５　吐出口
　７０　バイパス回路
　７１　電磁弁
　７２　膨張機

Claims

　同一の回転軸により駆動される第１の回転圧縮要素と第２の回転圧縮要素を有する圧縮手段と、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、二酸化炭素冷媒が用いられる冷凍装置において、
　前記圧縮手段と並列に設けられた補助圧縮手段と、
　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接続され、前記ガスクーラから流出した冷媒の圧力を調整する圧力調整用絞り手段と、
　前記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接続されたタンクと、
　前記タンクの下流側であって、前記主絞り手段の上流側の前記冷媒回路に設けられ、第１の流路と第２の流路を有するスプリット熱交換器と、
　前記タンクの第１の高さに設けられた配管から流出した冷媒の圧力を調整する第１の補助絞り手段と、
　前記第１の高さよりも低い位置に設けられた配管から流出し、前記スプリット熱交換器の前記第２の流路を通過した後、前記第２の流路の下流側で分流した冷媒のうちの一方の圧力を調整する第２の補助絞り手段と、
　前記第１の補助絞り手段により圧力が調整された冷媒と前記第２の補助絞り手段により圧力が調整された冷媒とが混合した冷媒を前記スプリット熱交換器の前記第１の流路に流した後、前記圧縮手段の中間圧部および前記補助圧縮手段に吸い込ませる補助回路と、
　前記タンクから流出した冷媒を前記スプリット熱交換器の前記第２の流路に流し、前記第１の流路を流れる冷媒と熱交換させた後、前記第２の流路の下流側で分流した冷媒のうちの他方を前記主絞り手段に流入させる主回路と、
　前記圧縮手段、前記補助圧縮手段、前記主絞り手段、前記圧力調整用絞り手段、前記第１の補助絞り手段、および、前記第２の補助絞り手段の動作を制御する制御手段と、を備える、
　冷凍装置。
　前記補助圧縮手段と、前記蒸発器の下流側かつ前記圧縮手段の上流側に設けられた配管とを接続するバイパス回路をさらに備え、
　前記バイパス回路には、逆止弁、または、前記制御手段により開閉が制御される電磁弁が設けられる、
　請求項１に記載の冷凍装置。
　前記補助圧縮手段の回転数は可変である、
　請求項１または２に記載の冷凍装置。
　前記補助圧縮手段とは別に、該補助圧縮手段と並列に、少なくとも１つの補助圧縮手段を備え、
　前記少なくとも１つの補助圧縮手段には、
　前記第１の補助絞り手段および前記第２の補助絞り手段により圧力が調整された後で前記スプリット熱交換器の前記第１の流路を流れた冷媒が吸い込まれる、
　請求項１から３のいずれか１項に記載の冷凍装置。
　前記圧縮手段とは別に、該圧縮手段と並列に、少なくとも１つの圧縮手段を備え、
　前記少なくとも１つの圧縮手段の中間圧部には、
　前記第１の補助絞り手段および前記第２の補助絞り手段により圧力が調整された後で前記スプリット熱交換器の前記第１の流路を流れた冷媒が吸い込まれる、
　請求項１から４のいずれか１項に記載の冷凍装置。
　同一の回転軸により駆動される第１の回転圧縮要素と第２の回転圧縮要素を有する圧縮手段と、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、二酸化炭素冷媒が用いられる冷凍装置において、
　前記圧縮手段と並列に設けられた補助圧縮手段と、
　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接続され、前記ガスクーラから流出した冷媒の圧力を調整する圧力調整用絞り手段と、
　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接続され、前記圧力調整用絞り手段と並列に設けられ、前記ガスクーラからの流出後に分流した冷媒を膨張させるとともに、膨張エネルギを回収する膨張手段と、
　前記圧力調整用絞り手段および前記膨張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接続されたタンクと、
　前記タンクの下流側であって、前記主絞り手段の上流側の前記冷媒回路に設けられ、第１の流路と第２の流路を有するスプリット熱交換器と、
　前記タンクの第１の高さに設けられた配管から流出した冷媒の圧力を調整する第１の補助絞り手段と、
　前記第１の高さよりも低い位置に設けられた配管から流出し、前記スプリット熱交換器の前記第２の流路を通過した後、前記第２の流路の下流側で分流した冷媒のうちの一方の圧力を調整する第２の補助絞り手段と、
　前記第１の補助絞り手段により圧力が調整された冷媒と前記第２の補助絞り手段により圧力が調整された冷媒とが混合した冷媒を前記スプリット熱交換器の前記第１の流路に流した後、前記圧縮手段の中間圧部および前記補助圧縮手段に吸い込ませる補助回路と、
　前記タンクから流出した冷媒を前記スプリット熱交換器の第２の流路に流し、前記第１の流路を流れる冷媒と熱交換させた後、前記第２の流路の下流側で分流した冷媒のうちの他方を前記主絞り手段に流入させる主回路と、
　前記圧縮手段、前記補助圧縮手段、前記主絞り手段、前記圧力調整用絞り手段、前記第１の補助絞り手段、前記第２の補助絞り手段、および、前記膨張手段の動作を制御する制御手段と、を備え、
　前記膨張手段により回収された膨張エネルギは、前記補助圧縮手段の圧縮動作に使用される、
　冷凍装置。
　前記補助圧縮手段の回転数は可変である、
　請求項６に記載の冷凍装置。
　前記補助圧縮手段とは別に、該補助圧縮手段と並列に、少なくとも１つの補助圧縮手段を備え、
　前記少なくとも１つの補助圧縮手段には、
　前記第１の補助絞り手段および前記第２の補助絞り手段により圧力が調整された後で前記スプリット熱交換器の前記第１の流路を流れた冷媒が吸い込まれる、
　請求項６または７に記載の冷凍装置。
　前記圧縮手段とは別に、該圧縮手段と並列に、少なくとも１つの圧縮手段を備え、
　前記少なくとも１つの圧縮手段の中間圧部には、
　前記第１の補助絞り手段および前記第２の補助絞り手段により圧力が調整された後で前記スプリット熱交換器の前記第１の流路を流れた冷媒が吸い込まれる、
　請求項６から８のいずれか１項に記載の冷凍装置。