JP2015218911A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高圧側圧力の上昇等から圧縮手段を保護しつつ、十分な排熱回収効果を発揮することができる冷凍装置を提供する。
【解決手段】ガスクーラ２８の下流側で電動膨張弁３９の上流側に接続された電動膨張弁３３と、電動膨張弁３３の下流側で電動膨張弁３９の上流側に接続されたタンク３６と、タンク内の冷媒を電動膨張弁４３、４７を介して圧縮機１１に戻すバイパス回路４８を備える。コントローラ２７は、電動膨張弁３３によって上流側の冷媒回路の高圧側圧力を調整し、電動膨張弁４３、４７によりタンク内の圧力を調整する。ガスクーラの上流側に排熱回収熱交換器２１を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮手段、ガスクーラ、絞り手段、及び、蒸発器から冷媒回路が構成された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、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て、このときの冷媒の蒸発により周囲の空気（例えば、ショーケースの庫内）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。当該二酸化炭素冷媒は、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、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は、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問題がある。そのようなときに、冷凍能力を確保するため、圧縮手段の吐出圧力（高圧側圧力）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、ガスクーラで冷却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た後、スプリット熱交換器の一方の通路に流し、他方の冷媒流をスプリット熱交換器の他方の流路に流して熱交換させた後、主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、減圧膨張された第１の冷媒流により第２の冷媒流を冷却でき、蒸発器入口の比エンタルピを小さくすることで、冷凍能力を改善することができるものであった（例えば、特許文献２参照）。

特公平７−１８６０２号公報 特開２０１１−１３３２１０号公報

しかしながら、特に二酸化炭素のような冷媒を使用する冷凍装置では、外気温度が高くなると圧縮手段から冷媒が吐出される冷媒回路の高圧側圧力が上昇し、圧縮手段の運転効率が低下すると共に、最悪の場合には圧縮手段に損傷を来す危険性が生じる。この場合、二酸化炭素のような冷媒を使用した冷凍装置では、季節によって高圧側圧力が大きく変動するために適正な冷媒充填量を判別しにくい。

また、外気温度が変動すると主絞り手段に流入する冷媒の圧力が大きく変動し、主絞り手段の制御と冷凍能力が安定しなくなる。更に、スーパーマーケット等の店舗において、圧縮手段やガスクーラが設置された冷凍機から主絞り手段や蒸発器が設けられた店舗内のショーケースに冷媒を供給する場合、ショーケース側の主絞り手段までの高圧側圧力が高いため、長い冷媒配管（液管）として耐圧の高いものを使用しなければならなくなり、施工コスト的に不利となる。

更にまた、前記特許文献２では、冷凍装置の排熱を回収して給湯等を行うための排熱回収熱交換器を設けているが、ガスクーラの下流に設けられているため、ガスクーラを空冷する送風機の回転数を落としても、十分な排熱回収効果（給湯能力等）が得られないという問題もあった。

本発明は、係る従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、高圧側圧力の上昇等から圧縮手段を保護しつつ、十分な排熱回収効果を発揮することができる冷凍装置を提供することを目的とする。

本発明の冷凍装置は、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たものにおいて、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接続された圧力調整用絞り手段と、この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接続されたタンクと、このタンク内の冷媒を、バイパス用絞り手段を介して圧縮手段に戻すバイパス回路と、圧力調整用絞り手段及びバイパス用絞り手段を制御する制御手段とを備え、この制御手段は、圧力調整用絞り手段により、当該圧力調整用絞り手段より上流側の冷媒回路の高圧側圧力を調整し、バイパス用絞り手段により、タンク内の圧力を調整すると共に、ガスクーラの上流側には、圧縮手段から吐出された冷媒が流れる排熱回収熱交換器を設けたことを特徴とする。

請求項２の発明の冷凍装置は、上記発明において排熱回収熱交換器にて回収された冷媒の排熱により、給湯又は暖房を行うことを特徴とする。

請求項３の発明の冷凍装置は、上記各発明において主絞り手段に流入する冷媒とバイパス用絞り手段を経たバイパス回路の冷媒とを熱交換させるスプリット熱交換器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、上記各発明においてバイパス回路は、圧縮手段の中間圧部に冷媒を戻すことを特徴とする。

請求項５の発明の冷凍装置は、上記各発明においてバイパス用絞り手段は、ガス戻し用絞り手段と液戻し用絞り手段を有すると共に、バイパス回路は、タンク上部から冷媒を流出させ、ガス戻し用絞り手段に流入させるガス配管と、タンク下部から冷媒を流出させ、液戻し用絞り手段に流入させる液配管を有し、制御手段は、ガス戻し用絞り手段により、タンク内の圧力を調整すると共に、液戻し用絞り手段により、スプリット熱交換器に流すバイパス回路の液冷媒量を調整することを特徴とする。

請求項６の発明の冷凍装置は、上記各発明において制御手段は、排熱回収熱交換器での排熱回収効果を増大させる必要がある場合、圧力調整用絞り手段を絞ることを特徴とする。

請求項７の発明の冷凍装置は、上記各発明において制御手段は、排熱回収熱交換器での排熱回収効果を増大させる必要がある場合、バイパス用絞り手段を絞ることを特徴とする。

請求項８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。

本発明によれば、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た冷凍装置において、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接続された圧力調整用絞り手段と、この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接続されたタンクと、このタンク内の冷媒を、バイパス用絞り手段を介して圧縮手段に戻すバイパス回路と、圧力調整用絞り手段及びバイパス用絞り手段を制御する制御手段とを備えているので、タンクにて冷媒回路内の循環冷媒量の変動を吸収し、冷媒充填量の誤差を吸収することができるようになる。

また、制御手段は圧力調整用絞り手段によって、当該圧力調整用絞り手段より上流側の冷媒回路の高圧側圧力を調整するので、圧縮手段から冷媒が吐出される高圧側圧力が高くなって圧縮手段の運転効率が低下し、或いは、圧縮手段に損傷を来す不都合を未然に回避することが可能となる。

更に、制御手段はバイパス用絞り手段により、タンク内の圧力を調整するので、このバイパス用絞り手段によって、高圧側圧力の変動の影響を抑制して、主絞り手段に搬送される冷媒の圧力を制御することができるようになる。また、バイパス用絞り手段によって主絞り手段に流入する冷媒の圧力を下げることにより、主絞り手段に至る配管として耐圧強度が低いものを使用することができるようになる。これにより、施工性や施工コストの改善を図ることが可能となる。

特に、ガスクーラの上流側に、圧縮手段から吐出された冷媒が流れる排熱回収熱交換器を設けたので、ガスクーラにて冷却される前の極めて高温の冷媒から排熱を回収することができるようになり、請求項２の如き給湯や暖房を行う際の給湯能力や暖房能力を著しく改善することができるようになるものである。

また、請求項３の発明によれば、上記各発明に加えて主絞り手段に流入する冷媒とバイパス用絞り手段を経たバイパス回路の冷媒とを熱交換させるスプリット熱交換器を設けたので、スプリット熱交換器でバイパス回路を流れる冷媒をバイパス用絞り手段で膨張させ、主絞り手段に流入する冷媒を過冷却することができるようになり、蒸発器入口の比エンタルピを小さくして冷凍能力を効果的に改善することができるようになる。

この場合、請求項４の発明の如くバイパス回路により、圧縮手段の中間圧部に冷媒を戻すようにすれば、圧縮手段の低圧部に吸い込まれる冷媒量が減少し、低圧から中間圧まで圧縮するための圧縮手段における圧縮仕事量が減少する。その結果、圧縮手段における圧縮動力が低下して成績係数が向上する。

また、請求項５の発明の如くバイパス用絞り手段を、ガス戻し用絞り手段と液戻し用絞り手段から構成し、バイパス回路に、タンク上部から冷媒を流出させ、ガス戻し用絞り手段に流入させるガス配管と、タンク下部から冷媒を流出させ、液戻し用絞り手段に流入させる液配管を設け、制御手段が、ガス戻し用絞り手段により、タンク内の圧力を調整すると共に、液戻し用絞り手段により、スプリット熱交換器に流すバイパス回路の液冷媒量を調整するようにすれば、タンク上部からガス戻し用絞り手段を介して低温のガスを抜くことで、タンク内の圧力が低下する。これにより、タンク内では温度が低下するので、冷媒の凝縮作用が生じ、当該タンク内に液状態の冷媒を効果的に貯めることができるようになる。また、圧力調整用絞り手段で膨張されることで液化した冷媒の一部はタンク内で蒸発し、温度が低下したガス冷媒となり、残りは液冷媒となってタンク内下部に一旦貯留されるかたちとなる。

そして、このタンク内下部の液冷媒が主絞り手段に流入することになるので、満液状態で主絞り手段に冷媒を流入させることが可能となり、特に蒸発器における蒸発温度が高い冷蔵条件における冷凍能力の向上を図ることができるようになる。また、液戻し用絞り手段を介してスプリット熱交換器にタンク内下部の液冷媒を流し、主絞り手段に流入する冷媒の過冷却を増大させることができる。これにより、主絞り手段に搬送される冷媒の液相割合を効果的に高め、満液状態で主絞り手段に流入させることができるようになる。また、圧縮手段が吸い込む冷媒の温度も低下することになるので、結果的に圧縮手段から吐出される冷媒の吐出温度も下げることができるようになり、圧縮手段の保護を図ることが可能となる。

更に、請求項６の発明によれば、上記各発明に加えて制御手段が、排熱回収熱交換器での排熱回収効果を増大させる必要がある場合、圧力調整用絞り手段を絞るので、当該圧力調整用絞り手段より上流側の高圧側圧力を上げ、圧縮手段の吐出温度を上昇させて排熱回収熱交換器における排熱回収効果を向上させることが可能となる。

また、請求項７の発明によれば、上記各発明に加えて制御手段が、排熱回収熱交換器での排熱回収効果を増大させる必要がある場合、バイパス用絞り手段を絞るので、バイパス回路から圧縮手段の例えば中間圧部に戻す冷媒量を減少させ、圧縮手段の吐出温度を上昇させて排熱回収熱交換器における排熱回収効果を向上させることが可能となる。

特に、請求項８の発明の如く冷媒として二酸化炭素を使用した場合に、上記各発明により冷凍能力や排熱回収効果を効果的に改善し、性能の向上を図ることができるようになるものである。

本発明を適用した一実施例の冷凍装置の冷媒回路図である。

（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。本実施例において、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、密閉容器内に収納された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）１４及び第２の（高段側）回転圧縮要素（第２の圧縮要素）１６を備えている

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、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１４及び第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には、第１の回転圧縮要素１４に連通する低段側吸込口１７と、第２の回転圧縮要素１６に連通する高段側吐出口１５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（ＬＰ：通常運転状態で３ＭＰａ程）の冷媒ガスは、当該第１の回転圧縮要素１４により中間圧（ＭＰ：通常運転状態で４ＭＰａ程度）に昇圧される。この第１の回転圧縮要素１４から吐出された中間圧（ＭＰ）の冷媒ガスは第２の回転圧縮要素１６に吸い込まれ、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（ＨＰ：通常運転状態で９ＭＰａ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１６の高圧室側に設けられた高段側吐出口１５は、冷媒配管により排熱回収熱交換器２１の第１の流路２１Ａの入口に接続されている。この排熱回収熱交換器２１は、圧縮機１１から吐出された高圧の吐出冷媒の排熱を回収するものであり、排熱回収熱交換器２１の第２の流路２１Ｂには、実施例では給湯器２４にて湯を生成するための熱媒体（水やブライン等）が熱媒体循環回路１９により循環されるように構成されている。給湯器２４は店舗のバックヤード等に給湯するために用いられる。

尚、２０は圧縮機１１の高段側吐出口１５と排熱回収熱交換器２１との間に介設されたオイルセパレータである。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、圧縮機１１に戻すものである。

そして、排熱回収熱交換器２１の第１の流路２１Ａの出口は、ガスクーラ（放熱器）２８の入口に接続されている。このガスクーラ２８は、圧縮機１１から吐出されて排熱回収熱交換器２１の第１の流路２１Ａを経た高圧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。

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中にスプリット熱交換器２９の第２の流路２９Ｂが介設されている。このタンク出口配管３７が主回路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及び９に接続される。ショーケース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）。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の他端はガス戻し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（第２の回転圧縮要素１６の吸込側）に連通されている。この中間圧戻り配管４４中にスプリット熱交換器２９の第１の流路２９Ａが介設されている。

また、タンク３６の下部には液配管４６の一端が接続されている。この液配管４６中には液戻し用絞り手段としての電動膨張弁４７が介設されており、液配管４６の他端は、電動膨張弁４３の下流側に位置する中間圧戻り配管４４に連通されている。これら電動膨張弁４３（ガス戻し用絞り手段）と電動膨張弁４７（液戻し用絞り手段）が本発明におけるバイパス用絞り手段を構成する。また、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が本発明におけるバイパス回路４８を構成する。

このような構成により、排熱回収熱交換器２１の第１の流路２１Ａはガスクーラ２８の上流側であって、オイルセパレータ２０の下流側に位置する。また、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。更に、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とになり、以上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。

図中２７はマイクロコンピュータから構成された制御手段としてのコントローラである。冷凍装置１の各機器（圧縮機１１、送風機３１、電動膨張弁３３、４３、４７等）はこのコントローラ２７により運転や弁開度が制御される。尚、以後はショーケース４側の電動膨張弁３９や前述した冷気循環用送風機もコントローラ２７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コントローラ（図示せず）を介し、コントローラ２７と連携して動作するショーケース４側のコントローラ（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コントローラ２７やショーケース４側のコントローラ、前述した主コントローラ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。コントローラ２７により圧縮機１１の電動要素が駆動されると、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（ＬＰ）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（ＭＰ）に昇圧され、この中間圧（ＭＰ）の冷媒ガスは、第２の回転圧縮要素１６に吸い込まれる。そして、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（ＨＰ：超臨界圧力）の冷媒ガスとなり、高段側吐出口１５から吐出される。

高段側吐出口１５から吐出された冷媒ガスはオイルセパレータ２０に流入し、冷媒に含まれたオイルが分離される。分離されたオイルは図示しないオイル通路を経て圧縮機１１内に戻される。

（２−１）排熱回収熱交換器２１における排熱回収
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、次に、排熱回収熱交換器２１の第１の流路２１Ａに流入する。前述した如く排熱回収熱交換器２１の第２の流路２１Ｂには熱媒体が循環されているので、第１の流路２１Ａに流入した高温の冷媒ガスは放熱し、第２の流路２１Ｂに流れる熱媒体を加熱する。これにより冷媒の排熱が回収される。

熱媒体循環回路１９に循環されている熱媒体は排熱回収熱交換器２１で加熱され、給湯器２４に設けられた図示しないタンク内の水に放熱して加熱する。これにより、給湯器２４のタンク内に湯が生成されることになる。

尚、この給湯器２４にも図示しないコントローラが設けられており、コントローラ２７は後述する如くこの給湯器２４のコントローラとも連携して動作する。即ち、湯の使用が開始されて給湯器２４が動作し、熱媒体循環回路１９に熱媒体が循環されると、排熱回収要求がコントローラ２７に入る。コントローラ２７はこれを受けて送風機３１の回転数を低下させる制御や、後述する排熱回収効果増大制御を実行する。但し、係るコントローラ同士の連携によらず、排熱回収熱交換器２１の第２の流路２１Ｂの温度低下によって熱媒体の循環を検出し、それを排熱回収要求としてコントローラ２７が判断するようにしてもよい。

また、給湯器２４には図示しない電気ヒータも設けられており、厳寒期等において排熱回収熱交換器２１における冷凍装置Ｒからの排熱だけでは賄えない場合には、電気ヒータを発熱させて湯を生成する。その場合は、排熱回収熱交換器２１は給湯器２４における湯の生成の補助となる。

（２−２）電動膨張弁３３の基本的な制御
この排熱回収熱交換器２１の第１の流路２１Ａを出た冷媒ガスは、次にガスクーラ２８に流入して空冷された後、ガスクーラ出口配管３２を経て電動膨張弁（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（例えば前述した９ＭＰａ等）に制御するために設けられている。

コントローラ２７は、圧縮機１１の吐出側（電動膨張弁３３より上流側）における冷媒回路１の高圧側圧力ＨＰに基づき、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を目標値に制御する。これにより、電動膨張弁３３より上流側の高圧側圧力ＨＰが過度に上昇する不都合を回避し、圧縮機１１の保護を行う。

ガスクーラ２８から出た超臨界状態の冷媒ガスは、この電動膨張弁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内に流入して一部が蒸発する。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の高段側吐出口１５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）、スプリット熱交換器２９の第２の流路２９Ｂにて後述するように第１の流路２９Ａ（バイパス回路４８）を流れる冷媒により冷却（過冷却）された後、冷凍機ユニット３から出て冷媒配管８から電動膨張弁（主絞り手段）３９に流入する。

電動膨張弁３９に流入した冷媒はそこで絞られて膨張することで更に液分が増え、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。電動膨張弁３９の弁開度は、蒸発器４１の入口側と出口側の温度に基づいて制御され、蒸発器４１における冷媒の過熱度が適正値に調整される。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の流れである。

（２−３）電動膨張弁４３の基本的な制御
次にバイパス回路４８の流れを説明する。前述した如くタンク３６の上部に接続されたガス配管４２には電動膨張弁４３（ガス戻し用絞り手段）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、スプリット熱交換器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、上部に接続されたバイパス回路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、スプリット熱交換器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、圧縮機１１の中間圧部に戻り、第１の回転圧縮要素１４からの吐出冷媒に合流して第２の回転圧縮要素１６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）を所定の目標値に調整する役割を果たす。そして、コントローラ２７はタンク３６内の圧力に基づき、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。この目標値は高圧側圧力ＨＰより低く、中間圧ＭＰよりも高い値に設定される（この実施例では６ＭＰａ程）。それにより、電動膨張弁３９に搬送される冷媒の圧力の抑制することが可能となる。

（２−４）電動膨張弁４７の基本的な制御
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（液戻し用絞り手段）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スプリット熱交換器２９の第１の流路２９Ａに流される。

即ち、タンク３６内下部に溜まる液冷媒は、下部に接続されたバイパス回路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、スプリット熱交換器２９の第１の流路２９Ａに流入、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た後、中間圧戻り配管４４を経て圧縮機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スプリット熱交換器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の冷媒を過冷却するものであるが、コントローラ２７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。

スプリット熱交換器２９における主回路３８の冷媒の過冷却の量が増大すれば、電動膨張弁３９に搬送される冷媒の液相割合が高くなるため、電動膨張弁３９には満液状態の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、コントローラ２７は圧縮機１１から吐出される冷媒の温度（吐出温度）が高くなりすぎる場合には、電動膨張弁４７の弁開度を増大させる。それにより、圧縮機１１の冷媒の吐出温度を所定の目標値に維持し、圧縮機１１の保護を図る。

（２−５）排熱回収効果増大制御
以上のようにコントローラ２７は圧縮機１１や各電動膨張弁３３、４３、４７を制御するものであるが、外気温度が低くなる冬季等においては、圧縮機１１の吐出温度も低下するようになるため、排熱回収熱交換器２１での排熱回収効果も低下してくる。そのような状況で給湯器２４のコントローラから排熱回収要求があった場合（排熱回収熱交換器２１の第２の流路２１Ｂに熱媒体が循環される）、コントローラ２７は各電動膨張弁３３、４３、４７の弁開度を所定ステップ低下させて流路を絞る。

電動膨張弁３３の弁開度が絞られることにより、当該電動膨張弁３３より上流側の高圧側圧力ＨＰが上がり、圧縮機１１の吐出温度も上昇する。これより、排熱回収熱交換器２１における排熱回収効果が増大する。

また、電動膨張弁４３、４７の弁開度が絞られることにより、バイパス回路４８から圧縮機１１の中間圧部に戻る冷媒量が減少するので（第１の回転圧縮要素１４が吸い込む冷媒量が増える）、圧縮機１１の吐出温度が上昇する。これにより、排熱回収熱交換器２１における排熱回収効果が増大する。

尚、各電動膨張弁３３、４３、４７を絞る度合いは、前述した通常の制御における圧縮機１１の保護等に支障を来さない範囲で決定される。また、排熱回収効果を増大させる必要がある場合に、実施例では電動膨張弁３３と、電動膨張弁４３、４７の弁開度を絞るようにしたが、それに限らず、電動膨張弁３３のみ、或いは、電動膨張弁４３と４７のみを絞るようにしても効果がある。

以上のように本発明では、冷凍装置Ｒのガスクーラ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に接続された電動膨張弁３３と、この電動膨張弁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、このタンク３６内の冷媒を、電動膨張弁４３や４７を介して圧縮機１１に戻すバイパス回路４８と、電動膨張弁３３、４３、４７を制御するコントローラ２７を備えているので、タンク３６にて冷媒回路１内の循環冷媒量の変動を吸収し、冷媒充填量の誤差を吸収することができるようになる。

また、コントローラ２７は電動膨張弁３３によって、当該電動膨張弁３３より上流側の冷媒回路１の高圧側圧力を調整するので、圧縮機１１から冷媒が吐出される高圧側圧力が高くなって圧縮機１１の運転効率が低下し、或いは、圧縮機１１に損傷を来す不都合を未然に回避することが可能となる。

更に、コントローラ２７は電動膨張弁４３により、タンク３６内の圧力を調整するので、この電動膨張弁４３によって、高圧側圧力の変動の影響を抑制して、電動膨張弁３９に搬送される冷媒の圧力を制御することができるようになる。また、電動膨張弁４３によって電動膨張弁３９に流入する冷媒の圧力を下げることにより、電動膨張弁３９に至る冷媒配管８として耐圧強度が低いものを使用することができるようになる。これにより、施工性や施工コストの改善を図ることが可能となる。

特に、ガスクーラ２８の上流側に、圧縮機１１から吐出された冷媒が流れる排熱回収熱交換器２１を設けたので、ガスクーラ２８にて冷却される前の極めて高温の冷媒から排熱を回収することができるようになり、給湯器２４の給湯能力を著しく改善することができるようになる。

また、電動膨張弁３９に流入する冷媒と電動膨張弁４３や４７を経たバイパス回路４８の冷媒とを熱交換させるスプリット熱交換器２９を設けたので、スプリット熱交換器２９でバイパス回路４８を流れる冷媒を電動膨張弁４３、４７で膨張させ、電動膨張弁３９に流入する冷媒を過冷却することができるようになり、蒸発器４１入口の比エンタルピを小さくして冷凍能力を効果的に改善することができるようになる。

この場合、実施例ではバイパス回路４８により圧縮機１１の中間圧部に冷媒を戻すしているので、圧縮機１１の第１の回転圧縮要素１４の吸込側（低圧部）に吸い込まれる冷媒量が減少し、低圧から中間圧まで圧縮するための圧縮機１１における圧縮仕事量が減少する。その結果、圧縮機１１における圧縮動力が低下して成績係数が向上する。

また、バイパス回路４８に、タンク３６上部から冷媒を流出させ、電動膨張弁４３に流入させるガス配管４２と、タンク３６下部から冷媒を流出させ、電動膨張弁４７に流入させる液配管４６を設け、コントローラ２７が、電動膨張弁４３により、タンク３６内の圧力を調整すると共に、電動膨張弁４７により、スプリット熱交換器２９に流すバイパス回路４８の液冷媒量を調整するので、タンク３６上部から電動膨張弁４３を介して低温のガスを抜くことで、タンク３６内の圧力が低下する。

これにより、タンク３６内では温度が低下するので、冷媒の凝縮作用が生じ、当該タンク３６内に液状態の冷媒を効果的に貯めることができるようになる。また、電動膨張弁３３で膨張されることで液化した冷媒の一部はタンク３６内で蒸発し、温度が低下したガス冷媒となり、残りは液冷媒となってタンク３６内下部に一旦貯留されるかたちとなる。

そして、このタンク３６内下部の液冷媒が電動膨張弁３９に流入することになるので、満液状態で電動膨張弁３９に冷媒を流入させることが可能となり、特に蒸発器４１における蒸発温度が高い冷蔵ショーケースにおける冷凍能力の向上を図ることができるようになる。また、電動膨張弁４７を介してスプリット熱交換器２９にタンク３６内下部の液冷媒を流し、電動膨張弁３９に流入する冷媒の過冷却を増大させることができる。これにより、電動膨張弁３９に搬送される冷媒の液相割合を効果的に高め、満液状態で電動膨張弁３９に流入させることができるようになる。また、圧縮機１１が吸い込む冷媒の温度も低下することになるので、結果的に圧縮機１１から吐出される冷媒の吐出温度も下げることができるようになり、圧縮機１１の保護を図ることが可能となる。

更に、コントローラ２７は、排熱回収熱交換器２１での排熱回収効果を増大させる必要がある場合、電動膨張弁３３の弁開度を絞るので、当該電動膨張弁３３より上流側の高圧側圧力を上げ、圧縮機１１の吐出温度を上昇させて排熱回収熱交換器２１における排熱回収効果を向上させることが可能となる。

また、コントローラ２７は、排熱回収熱交換器２１での排熱回収効果を増大させる必要がある場合、電動膨張弁４３や電動膨張弁４７の弁開度を絞るので、バイパス回路４８から圧縮機１１の中間圧部に戻す冷媒量を減少させ、圧縮機１１の吐出温度を上昇させて排熱回収熱交換器２１における排熱回収効果を向上させることが可能となる。

そして、以上により、実施例の如く冷媒として二酸化炭素を使用する場合に、冷凍能力や排熱回収効果を効果的に改善し、性能の向上を図ることができるようになる。

尚、実施例ではバイパス回路４８により圧縮機１１の中間圧部に冷媒を戻すようにしたが、圧縮手段として単段の圧縮機を使用する場合には低圧部に戻すことになる。また、実施例では給湯器２４における湯の生成のために排熱を回収するようにしたが、それに限らず、室内等の暖房を行う暖房機の暖房能力を向上させるために排熱を回収する冷凍装置Ｒにも本発明は有効である。

また、実施例では二酸化炭素を冷媒として用い、高圧側が超臨界圧力となる冷凍装置で本発明を説明したが、請求項８以外の発明では高圧側が超臨界圧力とならない場合にも有効である。

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
８、９ 冷媒配管
１１ 圧縮機（圧縮手段）
２１ 排熱回収熱交換器
２４ 給湯器
２７ コントローラ（制御手段）
２８ ガスクーラ
２９ スプリット熱交換器
３３ 電動膨張弁（圧力調整用絞り手段）
３６ タンク
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（ガス戻し用絞り手段）
４６ 液配管
４７ 電動膨張弁（液戻し用絞り手段）
４８ バイパス回路

Claims (8)

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た冷凍装置において、
   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接続されたタンクと、
   該タンク内の冷媒を、バイパス用絞り手段を介して前記圧縮手段に戻すバイパス回路と、
   前記圧力調整用絞り手段及びバイパス用絞り手段を制御する制御手段とを備え、
   該制御手段は、前記圧力調整用絞り手段により、当該圧力調整用絞り手段より上流側の前記冷媒回路の高圧側圧力を調整し、前記バイパス用絞り手段により、前記タンク内の圧力を調整すると共に、
   前記ガスクーラの上流側には、前記圧縮手段から吐出された冷媒が流れる排熱回収熱交換器を設けたことを特徴とする冷凍装置。
2. 前記排熱回収熱交換器にて回収された冷媒の排熱により、給湯又は暖房を行うことを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
3. 前記主絞り手段に流入する冷媒と前記バイパス用絞り手段を経た前記バイパス回路の冷媒とを熱交換させるスプリット熱交換器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. 前記バイパス回路は、前記圧縮手段の中間圧部に冷媒を戻す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. 前記バイパス用絞り手段は、ガス戻し用絞り手段と液戻し用絞り手段を有すると共に、
   前記バイパス回路は、前記タンク上部から冷媒を流出させ、前記ガス戻し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、前記液戻し用絞り手段に流入させる液配管を有し、
   前記制御手段は、前記ガス戻し用絞り手段により、前記タンク内の圧力を調整すると共に、前記液戻し用絞り手段により、前記スプリット熱交換器に流す前記バイパス回路の液冷媒量を調整することを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちの何れかに記載の冷凍装置。
6. 前記制御手段は、前記排熱回収熱交換器での排熱回収効果を増大させる必要がある場合、前記圧力調整用絞り手段を絞る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。
7. 前記制御手段は、前記排熱回収熱交換器での排熱回収効果を増大させる必要がある場合、前記バイパス用絞り手段を絞ることを特徴とする請求項１乃至請求項６のうちの何れかに記載の冷凍装置。
8. 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７のうちの何れかに記載の冷凍装置。

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