JP2020201001A - 熱源ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】冷凍装置を構成する熱源ユニットにおいて、熱源ユニットが冷却運転を一時的に休止する可能性を低減する。【解決手段】熱源ユニット（11）は、利用側ユニット（12）に接続され、少なくとも冷却運転を行う。冷却運転中に第２判断条件が成立すると、制御器（90）は、減圧弁（45）の開度を小さくし、冷凍サイクルの高圧を、冷媒の臨界圧力よりも高い圧力にまで上昇させる。第２判断条件は、圧縮機（31）の回転速度が所定の第１回転速度以下であるという条件を少なくとも含む条件である。【選択図】図３

Description

本開示は、熱源ユニットに関するものである。

特許文献１には、冷凍装置を構成する熱源ユニットが開示されている。この熱源ユニットは、ショーケース等の利用側ユニットに接続され、利用側ユニットの間で冷媒を循環させて冷凍サイクルを行う。また、この熱源ユニットは、二酸化炭素を冷媒として用い、高圧が冷媒の臨界圧力よりも高い冷凍サイクルを行う。

国際公開第２０１７／１３８４２０号

冷凍装置を構成する熱源ユニットは、利用側ユニットにおける冷却負荷に応じて、利用側ユニットが発揮する冷却能力を調節する。また、利用側ユニットが発揮する冷却能力が冷却負荷に対して過大である場合には、冷却対象の温度が下がりすぎるのを防ぐため、熱源ユニットが冷却運転を一時的に休止することがある。熱源ユニットが冷却運転を一時的に休止すると、冷却対象の冷却が一時的に行われなくなり、利用側ユニットにおいて冷却される冷却対象の温度の変動幅が大きくなるおそれがある。

本開示の目的は、利用側機器において冷却対象を冷却するための冷却運転を行う熱源ユニットにおいて、熱源ユニットが冷却運転を一時的に休止する可能性を低減することにある。

本開示の第１の態様は、利用側機器（12）に接続され、圧縮機（31）と熱源側熱交換器（33）とを有して冷凍サイクルを行う熱源ユニット（11）を対象とする。そして、上記利用側機器（12）において冷却対象を冷却するために、上記熱源側熱交換器（33）が放熱器として機能する冷却運転を少なくとも行う一方、上記冷却運転中に上記熱源側熱交換器（33）から流出した高圧の冷媒を減圧する開度可変の減圧弁（45）と、上記圧縮機（31）の回転速度が所定の第１回転速度以下であるという条件を少なくとも含む判断条件が、上記冷却運転中に冷凍サイクルの高圧が冷媒の臨界圧力よりも低いときに成立すると、上記減圧弁（45）の開度を小さくして冷凍サイクルの高圧を冷媒の臨界圧力よりも高い圧力にまで上昇させる制御器（90）とを備えることを特徴とする。

第１の態様の制御器（90）は、圧縮機（31）の回転速度が所定の第１回転速度以下であるという条件を少なくとも含む判断条件が、冷却運転中に冷凍サイクルの高圧が冷媒の臨界圧力よりも低いときに成立すると、減圧弁（45）の開度を小さくして冷凍サイクルの高圧を上昇させる。冷凍サイクルの高圧が冷媒の臨界圧力以上になると、放熱器として機能する熱源側熱交換器（33）における冷媒の放熱量が減少するため、利用側機器（12）における冷媒の吸熱量が減少し、その結果、熱源ユニット（11）の冷却運転によって得られる冷却能力が減少する。そのため、熱源ユニット（11）の冷却運転によって得られる冷却能力の調節範囲を拡大でき、熱源ユニット（11）が冷却運転を一時的に休止する可能性を低減できる。

本開示の第２の態様は、上記第１の態様において、上記第１回転速度は、上記圧縮機（31）が作動可能な回転速度の範囲の最小値であることを特徴とする。

第２の態様では、圧縮機（31）の回転速度が最小値に達した場合に、判断条件が成立する可能性がある。圧縮機（31）の回転速度が最小値に達した状態でも、判断条件が成立して制御器（90）が減圧弁（45）の開度を小さくすれば、冷凍サイクルの高圧が上昇し、熱源ユニット（11）の冷却運転によって得られる冷却能力が減少する。

本開示の第３の態様は、上記第１又は第２の態様において、上記熱源側熱交換器（33）へ室外空気を供給する熱源側ファン（22）を備え、上記熱源側熱交換器（33）は、上記熱源側ファン（22）によって供給された室外空気を冷媒と熱交換させるように構成され、上記制御器（90）の判断条件は、上記圧縮機（31）の回転速度が上記第１回転速度以下であり、且つ上記熱源側ファン（22）の回転速度が第２回転速度以下であるという条件であることを特徴とする。

第３の態様では、放熱器として機能する熱源側熱交換器（33）において、冷媒が室外空気へ放熱する。利用側機器（12）における冷却負荷が小さいほど、熱源側ファン（22）の回転速度は低くなる。従って、この態様の判定条件は、利用側機器（12）における冷却負荷がある程度以下の場合に成立する。

本開示の第４の態様は、上記第３の態様において、上記第２回転速度は、上記熱源側ファン（22）が作動可能な回転速度の範囲の最小値であることを特徴とする。

第４の態様では、圧縮機（31）の回転速度が最小値に達すると共に、熱源側ファン（22）の回転速度が最小値に達した場合に、判断条件が成立する。圧縮機（31）の回転速度と熱源側ファン（22）の回転速度がそれぞれの最小値に達した状態であっても、判断条件が成立して制御器（90）が減圧弁（45）の開度を小さくすれば、冷凍サイクルの高圧が上昇し、熱源ユニット（11）の冷却運転によって得られる冷却能力が減少する。

本開示の第５の態様は、上記第１〜第４のいずれか一つの態様において、上記冷却運転中に上記減圧弁（45）を通過した冷媒が流入するレシーバ（37）を備え、上記減圧弁（45）は、上記冷却運転中に冷凍サイクルの高圧が冷媒の臨界圧力以上であるときに、上記熱源側熱交換器（33）から流出した高圧の冷媒を、冷媒の臨界圧力よりも低い圧力にまで減圧することを特徴とする。

第５の態様では、熱源ユニット（11）にレシーバ（37）が設けられる。冷却運転中において、放熱器として機能する熱源側熱交換器（33）から流出した冷媒は、減圧弁（45）を通過することによって圧力が臨界圧力よりも低くなる。減圧弁（45）を通過した冷媒は、レシーバ（37）に流入する。

図１は、実施形態１の冷凍装置の概略構成を示す冷媒回路図である。 図２は、通常運転中の冷凍装置が行う冷凍サイクルを示すモリエル線図である。 図３は、冷凍装置の制御器が行う制御動作を示すフロー図である。 図４は、図３のステップＳＴ２の第１判断条件が成立しているときの冷凍サイクルの一例を示すモリエル線図である。 図５は、図３のステップＳＴ３の処理を制御器が行ったときの冷凍サイクルの一例を示すモリエル線図である。 図６は、図３のステップＳＴ６の第２判断条件が成立しているときの冷凍サイクルの一例を示すモリエル線図である。 図７は、図３のステップＳＴ７の処理を制御器が行ったときの冷凍サイクルの一例を示すモリエル線図である。

本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。本実施形態の冷凍装置（10）は、冷蔵庫の庫内空間を冷却する。

図１に示すように、冷凍装置（10）は、一台の熱源ユニット（11）と、複数台（本実施形態では二台）の利用側ユニット（12）とを備える。熱源ユニット（11）は、いわゆる室外ユニットであって、屋外に設置される。利用側ユニット（12）は、いわゆるユニットクーラーであって、冷蔵庫の庫内に設置される。利用側ユニット（12）は、熱源ユニット（11）に接続される利用側機器である。なお、利用側ユニット（12）の台数は、単なる例示である。

熱源ユニット（11）には、熱源側回路（21）と熱源側ファン（22）と制御器（90）とが設けられる。一方、各利用側ユニット（12）には、利用側回路（23）と利用側ファン（24）とが設けられる。

冷凍装置（10）では、熱源ユニット（11）の熱源側回路（21）と各利用側ユニット（12）の利用側回路（23）とを液側連絡配管（14）及びガス側連絡配管（15）で接続することによって、冷媒回路（20）が構成される。冷媒回路（20）は、冷媒を循環させることによって蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う。本実施形態の冷媒回路（20）に充填された冷媒は、二酸化炭素である。

熱源側回路（21）は、その液側端に液閉鎖弁（V1）が設けられ、そのガス側端にガス閉鎖弁（V2）が設けられる。液側連絡配管（14）は、熱源側回路（21）の液閉鎖弁（V1）を、各利用側回路（23）の液側端に接続する。ガス側連絡配管（15）は、熱源側回路（21）のガス閉鎖弁（V2）を、各利用側回路（23）のガス側端に接続する。冷媒回路（20）では、各利用側ユニット（12）の利用側回路（23）が互いに並列に接続される。

−熱源側回路−
熱源側回路（21）は、圧縮機（31）と、四方切換弁（32）と、熱源側熱交換器（33）と、過冷却熱交換器（34）と、過冷却膨張弁（35）と、レシーバ（37）と、第１〜第３逆止弁（CV1〜CV3）と、油分離器（41）とを有する。また、熱源側回路（21）には、吐出冷媒配管（51）と、吸入冷媒配管（52）と、熱源側液冷媒配管（53）と、インジェクション配管（54）と、第１接続配管（55）と、第２接続配管（56）と、油戻し配管（57）と、ガス抜き配管（58）とが設けられる。なお、熱源ユニット（11）には、複数台の圧縮機（31）が設けられていてもよい。

〈圧縮機〉
圧縮機（31）は、スクロール式の全密閉型圧縮機である。圧縮機（31）には、吸入ポートと、中間ポートと、吐出ポートとが設けられている。圧縮機（31）は、吸入ポートから吸い込んだ冷媒を圧縮し、圧縮した冷媒を吐出ポートから吐き出す。また、圧縮機（31）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。

圧縮機（31）は、その容量が可変である。圧縮機（31）の電動機には、図外のインバータから電力が供給される。インバータの出力周波数を変更すると、圧縮機（31）の回転速度が変化し、圧縮機（31）の運転容量が変化する。

〈四方切換弁〉
四方切換弁（32）は、第１ポートと第３ポートとが連通し且つ第２ポートと第４ポートとが連通する第１状態（図１に実線で示す状態）と、第１ポートと第４ポートとが連通し且つ第２ポートと第３ポートとが連通する第２状態（図１に破線で示す状態）とに切り換え可能に構成される。

四方切換弁（32）は、その第１ポートが吐出冷媒配管（51）によって圧縮機（31）の吐出ポートに接続され、その第２ポートが吸入冷媒配管（52）によって圧縮機（31）の吸入ポートに接続される。また、四方切換弁（32）は、その第３ポートが熱源側熱交換器（33）のガス側端に接続され、その第４ポートがガス閉鎖弁（V2）に接続される。

〈熱源側熱交換器〉
熱源側熱交換器（33）は、クロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器であって、冷媒を室外空気と熱交換させる。熱源側熱交換器（33）は、その液側端が熱源側液冷媒配管（53）に接続され、そのガス側端が四方切換弁（32）の第３ポートに接続される。また、熱源側熱交換器（33）の近傍には、熱源側熱交換器（33）へ室外空気を供給するための熱源側ファン（22）が配置される。

〈過冷却熱交換器〉
過冷却熱交換器（34）は、いわゆるプレート式熱交換器である。過冷却熱交換器（34）には、第１流路（34a）と第２流路（34b）とが複数ずつ形成されている。過冷却熱交換器（34）は、第１流路（34a）を流れる冷媒を、第２流路（34b）を流れる冷媒と熱交換させる。

〈熱源側液冷媒配管〉
熱源側液冷媒配管（53）は、その一端が熱源側熱交換器（33）に接続され、その他端が液閉鎖弁（V1）に接続される。熱源側液冷媒配管（53）は、三本の熱源側液管（53a,53b,53c）によって構成される。第１熱源側液管（53a）は、熱源側熱交換器（33）の液側端とレシーバ（37）の入口を接続する。第２熱源側液管（53b）は、レシーバ（37）の出口と過冷却熱交換器（34）の第１流路（34a）の入口を接続する。第３熱源側液管（53c）は、過冷却熱交換器（34）の第１流路（34a）の出口と液閉鎖弁（V1）を接続する。

第１熱源側液管（53a）には、第１逆止弁（CV1）が設けられる。第１逆止弁（CV1）は、熱源側熱交換器（33）からレシーバ（37）へ向かう冷媒の流れを許容し、逆向きの冷媒の流れを阻止する。

第３熱源側液管（53c）には、第２逆止弁（CV2）が設けられる。第２逆止弁（CV2）は、過冷却熱交換器（34）から液閉鎖弁（V1）へ向かう冷媒の流れを許容し、逆向きの冷媒の流れを阻止する。

〈インジェクション配管〉
インジェクション配管（54）は、二本のインジェクション主管（54m,54n）によって構成される。

第１インジェクション主管（54m）は、一端が第３熱源側液管（53c）における過冷却熱交換器（34）と第２逆止弁（CV2）の間に接続され、他端が過冷却熱交換器（34）の第２流路（34b）の入口に接続される。第１インジェクション主管（54m）には、過冷却膨張弁（35）が設けられる。

第２インジェクション主管（54n）は、その一端が過冷却熱交換器（34）の第２流路（34b）の出口に接続される。第２インジェクション主管（54n）の他端は、圧縮機（31）の中間ポートに接続される。

〈接続配管〉
第１接続配管（55）は、一端が第３熱源側液管（53c）における第２逆止弁（CV2）と液閉鎖弁（V1）の間に接続され、他端が第１熱源側液管（53a）における第１逆止弁（CV1）とレシーバ（37）の間に接続される。第１接続配管（55）には、第３逆止弁（CV3）が設けられる。第３逆止弁（CV3）は、第１接続配管（55）の一端から他端へ向かう冷媒の流れを許容し、逆向きの冷媒の流れを阻止する。

第２接続配管（56）は、一端が第３熱源側液管（53c）における過冷却熱交換器（34）と第２逆止弁（CV2）の間に接続され、他端が第１熱源側液管（53a）における熱源側熱交換器（33）と第１逆止弁（CV1）の間に接続される。第２接続配管（56）の一端は、第３熱源側液管（53c）に接続する第１インジェクション主管（54m）の一端よりも第２逆止弁（CV2）寄りに接続される。第２接続配管（56）には、第４逆止弁（CV4）が設けられる。第４逆止弁（CV4）は、第２接続配管（56）の一端から他端へ向かう冷媒の流れを許容し、逆向きの冷媒の流れを阻止する。

〈油分離器、油戻し配管〉
油分離器（41）は、吐出冷媒配管（51）に設けられる。圧縮機（31）からは、ミスト状の冷凍機油を含んだガス冷媒が吐出される。油分離器（41）は、圧縮機（31）から吐出された冷媒から冷凍機油を分離する。

油戻し配管（57）は、油分離器（41）から圧縮機（31）へ冷凍機油を戻すための配管である。この油戻し配管（57）は、一端が油分離器（41）に接続され、他端が第２インジェクション主管（54n）に接続されている。また、油戻し配管（57）には、キャピラリチューブ（42）が設けられる。

〈ガス抜き配管〉
ガス抜き配管（58）は、一端がレシーバの頂部に接続され、他端が第２インジェクション主管（54n）に接続される。ガス抜き配管（58）には、ガス抜き弁（39）が設けられる。ガス抜き弁（39）は、開度可変の電動膨張弁である。

〈温度センサ、圧力センサ〉
熱源側回路（21）には、冷媒温度センサ（81）が設けられる。冷媒温度センサ（81）は、熱源側熱交換器（33）の液側端付近に取り付けられ、冷媒回路（20）内を流れる冷媒の温度を計測する。

熱源側回路（21）には、吐出圧力センサ（85）と、吸入圧力センサ（86）と、中間圧力センサ（87）とが設けられる。吐出圧力センサ（85）は、吐出冷媒配管（51）に接続され、圧縮機（31）から吐出された冷媒の圧力を計測する。吸入圧力センサ（86）は、吸入冷媒配管（52）に接続され、圧縮機（31）へ吸入される冷媒の圧力を計測する。中間圧力センサは、第１熱源側液管（53a）における第１逆止弁（CV1）とレシーバ（37）の間に接続さ れ、レシーバ（37）内の冷媒の圧力を計測する。

また、熱源ユニット（11）には、外気温度センサ（82）が設けられる。外気温度センサ（82）は、熱源ユニット（11）に吸い込まれた室外空気の温度を、熱源側熱交換器（33）の上流において計測する。つまり、外気温度センサ（82）は、熱源側熱交換器（33）を通過する前の室外空気の温度を計測する。

−利用側回路−
各利用側回路（23）は、利用側熱交換器（61）と、利用側膨張弁（63）とを有する。また、各利用側回路（23）には、利用側液冷媒配管（71）と、利用側ガス冷媒配管（72）とが一つずつ設けられる。

〈利用側熱交換器〉
利用側熱交換器（61）は、クロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器であって、冷媒を庫内空気と熱交換させる。また、利用側熱交換器（61）の近傍には、利用側熱交換器（61）へ庫内空気を供給するための利用側ファン（24）が配置される。

〈利用側液冷媒配管、利用側ガス冷媒配管、利用側膨張弁〉
利用側液冷媒配管（71）は、一端が液側連絡配管（14）に接続され、他端が利用側熱交換器（61）の液側端に接続される。利用側液冷媒配管（71）の他端は、利用側回路（23）の液側端を構成する。

利用側液冷媒配管（71）には、利用側膨張弁（63）が設けられる。利用側膨張弁（63）は、開度可変の電動膨張弁である。

利用側ガス冷媒配管（72）は、その一端が利用側熱交換器（61）のガス側端に接続され、その他端がガス側連絡配管（15）に接続される。利用側ガス冷媒配管（72）の他端は、利用側回路（23）のガス側端を構成する。

−制御器−
制御器（90）は、演算処理を行う中央演算処理装置／ＣＰＵ（91）と、プログラム及びデータ等を記憶するメモリ（92）とを備える。制御器（90）は、ＣＰＵ（91）がメモリ（92）に記録されたプログラムを実行することによって、冷凍装置（10）に設けられた機器の動作を制御する制御動作を行う。

−冷凍装置の運転動作−
冷凍装置（10）では、庫内を冷却する通常運転と、利用側熱交換器（61）に付着した霜を融かすためのデフロスト運転とを、選択的に実行する。

〈通常運転〉
冷凍装置（10）の通常運転について説明する。通常運転中の冷媒回路（20）では、冷媒を循環させることによって冷凍サイクルが行われ、熱源側熱交換器（33）が放熱器として機能し、利用側熱交換器（61）が蒸発器として機能する。

通常運転では、四方切換弁（32）が第１状態に設定される。圧縮機（31）から吐出された冷媒は、熱源側熱交換器（33）において室外空気へ放熱し、その後に利用側熱交換器（61）において庫内空気から吸熱して蒸発する。利用側ユニット（12）は、利用側熱交換器（61）において冷却された庫内空気を、冷蔵庫の庫内へ吹き出す。利用側熱交換器（61）から流出した冷媒は、熱源側回路（21）へ流入し、圧縮機（31）に吸入されて圧縮される。

〈デフロスト運転〉
冷凍装置（10）のデフロスト運転について説明する。このデフロスト運転は、通常運転中に所定の条件（例えば、通常運転の継続時間が所定時間に達したという条件）が成立したときに行われる。デフロスト運転中の冷媒回路（20）では、冷媒を循環させることによって冷凍サイクルが行われ、利用側熱交換器（61）が放熱器として機能し、熱源側熱交換器（33）が蒸発器として機能する。

デフロスト運転では、四方切換弁（32）が第２状態に設定される。圧縮機（31）から吐出された冷媒は、利用側熱交換器（61）において放熱する。利用側熱交換器（61）に付着した霜は、冷媒によって加熱されて融ける。利用側熱交換器（61）から流出した冷媒は、熱源側熱交換器（33）において室外空気から吸熱して蒸発し、その後に圧縮機（31）へ吸入されて圧縮される。

−通常運転時の冷凍サイクル−
通常運転中に冷媒回路（20）で行われる冷凍サイクルについて、図２のモリエル線図（圧力−エンタルピ線図）を参照しながら説明する。

圧縮機（31）には、点Ａの状態の冷媒が吸入される。圧縮機（31）へ吸入された冷媒は、圧縮されて点Ｂの状態となり、インジェクション配管（54）から流入した冷媒と混合して点Ｃの状態となる。その後、冷媒は、引き続き圧縮されて点Ｄの状態となり、圧縮機（31）から吐出される。点Ｄの状態において、冷媒の圧力は、その臨界圧力よりも高い。

圧縮機（31）から吐出された点Ｄの状態の冷媒は、熱源側熱交換器（33）において放熱して点Ｅの状態になる。点Ｅの状態の冷媒は、熱源側熱交換器（33）から流出し、減圧弁（45）を通過する際に断熱膨張して点Ｆの状態になる。点Ｆの状態の冷媒は、レシーバ（37）へ流入し、点Ｇの状態の飽和液冷媒と、点Ｌの状態の飽和ガス冷媒とに分離される。

レシーバ（37）から第２熱源側液管（53b）へ流出した点Ｇの状態の冷媒は、過冷却熱交換器（34）の第１流路（34a）へ流入し、第２流路（34b）を流れる冷媒によって冷却されて点Ｈの状態になる。過冷却熱交換器（34）の第１流路（34a）から流出した点Ｈの状態の冷媒は、利用側回路（23）へ流入し、利用側膨張弁（63）を通過する際に断熱膨張して点Ｉの状態になる。点Ｉの状態の冷媒は、利用側熱交換器（61）において吸熱して点Ａの状態になる。利用側熱交換器（61）から流出した点Ａの状態の冷媒は、熱源側回路（21）へ流入し、圧縮機（31）へ吸入される。

レシーバ（37）からガス抜き配管（58）へ流入した点Ｌの状態の冷媒は、ガス抜き弁（39）を通過する際に断熱膨張して点Ｍの状態になる。一方、過冷却熱交換器（34）の第１流路（34a）から流出した点Ｈの状態の冷媒は、その一部が第１インジェクション主管（54m）へ流入し、過冷却膨張弁（35）を通過する際に断熱膨張して点Ｊの状態になる。点Ｊの状態の冷媒は、過冷却熱交換器（34）の第２流路（34b）へ流入し、第１流路（34a）を流れる冷媒から吸熱して蒸発し、点Ｋの状態になる。

過冷却熱交換器（34）の第２流路（34b）から流出した点Ｋの状態の冷媒は、第２インジェクション主管（54n）を流れ、ガス抜き配管（58）から流入した点Ｍの状態と共に、圧縮機（31）の中間ポートへ流入する。

−制御器の制御動作−
制御器（90）が冷凍装置（10）の冷却能力を制御する動作について説明する。制御器（90）は、冷凍装置（10）の冷却運転中に、この動作を行う。

通常運転中において、制御器（90）は、原則として、吸入圧力センサ（86）の計測値ＬＰに基づいて圧縮機（31）の回転速度を制御し、冷媒温度センサ（81）の計測値Ｔroに基づいて熱源側ファン（22）の回転速度を制御し、中間圧力センサ（87）の計測値ＲＰに基づいて減圧弁（45）の開度を制御する。

吸入圧力センサ（86）の計測値ＬＰが目標圧力（目標ＬＰ）を含む目標範囲（例えば、目標ＬＰ±αの範囲）に入っている場合、制御器（90）は、圧縮機（31）の回転速度を保持する。また、この場合、制御器（90）は、冷媒温度センサ（81）の計測値Ｔroが目標温度（本実施形態では、外気温度センサ（82）の計測値Ｔao＋５℃）となるように、熱源側ファン（22）の回転速度を調節する。また、この場合、制御器（90）は中間圧力センサ（87）の計測値ＲＰが冷媒（本実施形態では、二酸化炭素）の臨界圧力未満となるように、減圧弁（45）の開度を調節する。この段落に記載した制御器（90）の動作は、図３のステップＳＴ９において制御器（90）が行う動作である。

以下では、制御器（90）が冷凍装置（10）の冷却能力を制御する動作について、図３のフロー図を参照しながら説明する。

〈ステップＳＴ１〉
ステップＳＴ１の処理において、制御器（90）は、吸入圧力センサ（86）の計測値ＬＰを、目標範囲の上限値（目標ＬＰ＋α）と比較する。計測値ＬＰが上限値（目標ＬＰ＋α）よりも高い場合（ＬＰ＞目標ＬＰ＋α）、制御器（90）は、冷凍装置（10）の冷却能力が冷却負荷に対して不足していると判断し、ステップＳＴ２の処理を行う。一方、計測値ＬＰが上限値（目標ＬＰ＋α）以下の場合（ＬＰ≦目標ＬＰ＋α）、制御器（90）は、ステップＳＴ５の処理を行う。

〈ステップＳＴ２〉
ステップＳＴ２の処理において、制御器（90）は、“圧縮機（31）の運転周波数が最大であり、且つ、熱源側ファン（22）の回転速度が最大である”という第１判断条件の成否を判断する。

第１判断条件が成立する場合は、圧縮機（31）の回転速度と熱源側ファン（22）の回転速度とを引き上げることができない。そこで、この場合、制御器（90）は、冷凍装置（10）の冷却能力を増加させるために、ステップＳＴ３の処理を行う。一方、第１判断条件が成立しない場合は、圧縮機（31）の回転速度と熱源側ファン（22）の回転速度の一方または両方を引き上げることができる。そこで、制御器（90）は、この場合、ステップＳＴ４の処理を行う。

〈ステップＳＴ３〉
ステップＳＴ２の第１判断条件は、外気温度が比較的高い場合に成立する可能性が高い。この第１判断条件が成立するときに冷媒回路（20）で行われる冷凍サイクルの一例を、図４のモリエル線図に示す。

例えば、外気温度が３５℃の場合、放熱器として機能する熱源側熱交換器（33）において、冷媒の温度は４０℃程度にまでしか下がらない。このため、熱源側熱交換器（33）の出口における冷媒の比エンタルピが比較的高くなり、熱源側熱交換器（33）から流出する冷媒の状態を示す点Ｅが臨界点ＣＰよりも右側となる。点Ｅの状態の冷媒は、減圧弁（45）を通過する際に断熱膨張して点Ｆの状態になる。

図４における点Ｆの状態の冷媒は、乾き度が大きい。そのため、レシーバ（37）から流出する点Ｇの状態の冷媒も、その乾き度が大きい。この点Ｇの状態の冷媒が、過冷却熱交換器（34）の第１流路（34a）へ流入し、第２流路（34b）を流れる冷媒によって冷却される。第２流路（34b）を流れる冷媒は、その乾き度が大きいため、その吸熱量が少ない。そのため、過冷却熱交換器（34）の第１流路（34a）を通過した冷媒は、点Ｈの状態になる。この点Ｈの冷媒は、気液二相状態である。そして、蒸発器として機能する利用側熱交換器（61）へ流入する点Ｉの状態の冷媒は、その比エンタルピが比較的高くなる。その結果、利用側熱交換器（61）の入口と出口における冷媒の比エンタルピの差Δｈ1が比較的小さくなり、冷凍装置（10）の冷却能力が冷却負荷に対して不足する。

そこで、ステップＳＴ３の処理において、制御器（90）は、吐出圧力センサ（85）の計測値ＨＰに基づいて減圧弁（45）の開度を調節する。このとき、制御器（90）は、吐出圧力センサ（85）の計測値ＨＰを上昇させるために、減圧弁（45）の開度を縮小する。

具体的に、制御器（90）は、ステップＳＴ３の処理を開始する時点の吐出圧力センサ（85）の計測値ＨＰ’を読み込み、それよりも所定値βだけ高い値を、目標ＨＰ（＝ＨＰ’＋β）に設定する。そして、制御器（90）は、吐出圧力センサ（85）の計測値ＨＰが目標ＨＰとなるように、減圧弁（45）の開度を調節する。吐出圧力センサ（85）の計測値ＨＰは、冷凍サイクルの高圧と実質的に等しい。

図５のモリエル線図に示すように、冷凍サイクルの高圧がＰh1からＰh2に上昇すると、熱源側熱交換器（33）から流出する冷媒の状態を示す点Ｅは、等温線に沿って左側へ移動する。つまり、点Ｅの状態の冷媒の比エンタルピが低下する。点Ｅの状態の冷媒の比エンタルピが低下すると、それに伴って、蒸発器として機能する利用側熱交換器（61）へ流入する点Ｉの状態の冷媒の比エンタルピが低下する。その結果、利用側熱交換器（61）の入口と出口における冷媒の比エンタルピの差Δｈ2がΔｈ1に比べて大きくなり、冷凍装置（10）の冷却能力が増加する。

このように、制御器（90）がステップＳＴ３の処理を行うことによって、ステップＳＴ２の第１判断条件が成立している状態でも、冷凍装置（10）の冷却能力を増加させることが可能となる。

〈ステップＳＴ４〉
ステップＳＴ４の処理において、制御器（90）は、圧縮機（31）と熱源側ファン（22）の一方または両方を制御する。具体的に、圧縮機（31）の回転速度が最大に達していない場合、制御器（90）は、圧縮機（31）の回転速度を引き上げる。また、熱源側ファン（22）の回転速度が最大に達していない場合、制御器（90）は、冷媒温度センサ（81）の計測値Ｔroが目標温度（本実施形態では、外気温度センサ（82）の計測値Ｔao＋５℃）となるように、熱源側ファン（22）の回転速度を制御する。

〈ステップＳＴ５〉
ステップＳＴ５の処理において、制御器（90）は、吸入圧力センサ（86）の計測値ＬＰを、目標範囲の下限値（目標ＬＰ−α）と比較する。計測値ＬＰが下限値（目標ＬＰ−α）よりも低い場合（ＬＰ＜目標ＬＰ−α）、制御器（90）は、冷凍装置（10）の冷却能力が冷却負荷に対して過剰と判断し、ステップＳＴ６の処理を行う。一方、計測値ＬＰが下限値（目標ＬＰ−α）以上の場合（ＬＰ≧目標ＬＰ−α）、制御器（90）は、ステップＳＴ９の処理を行う。

〈ステップＳＴ６〉
ステップＳＴ６の処理において、制御器（90）は、“圧縮機（31）の回転速度が第１回転速度であり、且つ、熱源側ファン（22）の回転速度が第２回転速度である”という第２判断条件の成否を判断する。本実施形態の制御器（90）において、圧縮機（31）の制御に関する第１回転速度は、圧縮機（31）が作動可能な回転速度の範囲の最小値である。また、本実施形態の制御器（90）において、熱源側ファン（22）の制御に関する第２回転速度は、熱源側ファン（22）が作動可能な回転速度の範囲の最小値である。

第２判断条件が成立する場合は、圧縮機（31）の回転速度と熱源側ファン（22）の回転速度とを引き下げることができない。そこで、この場合、制御器（90）は、冷凍装置（10）の冷却能力を減少させるために、ステップＳＴ７の処理を行う。一方、第２判断条件が成立しない場合は、圧縮機（31）の回転速度と熱源側ファン（22）の回転速度の一方または両方を引き下げることができる。そこで、制御器（90）は、この場合、ステップＳＴ８の処理を行う。

〈ステップＳＴ７〉
ステップＳＴ６の第２判断条件は、外気温度が比較的低い場合に成立する可能性が高い。この第２判断条件が成立するときに冷媒回路（20）で行われる冷凍サイクルの一例を、図６のモリエル線図に示す。

例えば、外気温度が１０℃の場合、冷媒回路（20）で行われる冷凍サイクルの高圧は、冷媒の臨界圧力よりも低くなる。熱源側熱交換器（33）へ流入した冷媒は、室外空気へ放熱して凝縮し、点Ｅの状態になって熱源側熱交換器（33）から流出する。そして、蒸発器として機能する利用側熱交換器（61）へ流入する点Ｉの状態の冷媒は、その比エンタルピが比較的低くなる。その結果、利用側熱交換器（61）の入口と出口における冷媒の比エンタルピの差Δｈ3が比較的大きくなり、冷凍装置（10）の冷却能力が冷却負荷に対して過剰となる。

そこで、ステップＳＴ７の処理において、制御器（90）は、冷媒温度センサ（81）の計測値Ｔroに基づいて減圧弁（45）の開度を調節する。このとき、制御器（90）は、冷凍サイクルの高圧を上昇させて冷媒温度センサ（81）の計測値Ｔroを上昇させるために、減圧弁（45）の開度を縮小する。

具体的に、制御器（90）は、冷媒の臨界温度以上の所定値を、目標温度に設定する。本実施形態の冷媒回路（20）に冷媒として充填された二酸化炭素の臨界温度は、３１．１℃である。従って、本実施形態の制御器（90）は、３１．１℃以上の値（例えば、４０℃）を、目標温度に設定する。そして、制御器（90）は、冷媒温度センサ（81）の計測値Ｔroが目標温度となるように、減圧弁（45）の開度を調節する。

制御器（90）は、冷媒温度センサ（81）の計測値Ｔroを目標温度に近づけるために、減圧弁（45）の開度を縮小する。その結果、冷凍サイクルの高圧が冷媒（本実施形態では、二酸化炭素）の臨界圧力よりも高くなり、冷媒温度センサ（81）の計測値Ｔroが上昇する。

図７のモリエル線図に示すように、冷凍サイクルの高圧がＰh3からＰh4に上昇し、冷媒温度センサ（81）の計測値Ｔroが１４℃から４０℃に上昇すると、熱源側熱交換器（33）から流出する冷媒の状態を示す点Ｅは、臨界点ＣＰよりも右側へ移動する。つまり、点Ｅの状態の冷媒の比エンタルピが上昇する。点Ｅの状態の冷媒の比エンタルピが上昇すると、それに伴って、蒸発器として機能する利用側熱交換器（61）へ流入する点Ｉの状態の冷媒の比エンタルピが上昇する。その結果、利用側熱交換器（61）の入口と出口における冷媒の比エンタルピの差Δｈ4がΔｈ3に比べて小さくなり、冷凍装置（10）の冷却能力が減少する。

このように、制御器（90）がステップＳＴ７の処理を行うことによって、ステップＳＴ５の第２判断条件が成立している状態でも、冷凍装置（10）の冷却能力を減少させることが可能となる。

〈ステップＳＴ８〉
ステップＳＴ８の処理において、制御器（90）は、圧縮機（31）と熱源側ファン（22）の一方または両方を制御する。具体的に、圧縮機（31）の回転速度が最小に達していない場合、制御器（90）は、圧縮機（31）の回転速度を引き下げる。また、熱源側ファン（22）の回転速度が最小に達していない場合、制御器（90）は、冷媒温度センサ（81）の計測値Ｔroが目標温度（本実施形態では、外気温度センサ（82）の計測値Ｔao＋５℃）となるように、熱源側ファン（22）の回転速度を制御する。

〈ステップＳＴ９〉
ステップＳＴ１の第１判断条件とステップＳＴ５の第２判断条件の両方が成立しない場合は、冷凍装置（10）の冷却能力が冷却負荷と均衡していると判断できる。そこで、この場合、制御器（90）は、冷凍装置（10）の冷却能力を保つためにステップＳＴ９の処理を行う。

ステップＳＴ９において制御器（90）が行う処理は、上述した通りである。具体的に、制御器（90）は、圧縮機（31）の回転速度を保持し、冷媒温度センサ（81）の計測値Ｔroに基づいて熱源側ファン（22）の回転速度を制御し、中間圧力センサ（87）の計測値ＲＰに基づいて減圧弁（45）の開度を制御する。

−実施形態の特徴（１）−
本実施形態の熱源ユニット（11）は、利用側ユニット（12）に接続され、圧縮機（31）と熱源側熱交換器（33）とを有して冷凍サイクルを行う。熱源ユニット（11）は、利用側ユニット（12）において冷却対象を冷却するために、熱源側熱交換器（33）が放熱器として機能する冷却運転を少なくとも行う。熱源ユニット（11）は、減圧弁（45）と、制御器（90）とを備える。減圧弁（45）は、冷却運転中に熱源側熱交換器（33）から流出した高圧の冷媒を減圧する開度可変の弁である。制御器（90）は、圧縮機（31）の回転速度が所定の第１回転速度以下であるという条件を少なくとも含む第２判断条件が、冷却運転中に冷凍サイクルの高圧が冷媒の臨界圧力よりも低いときに成立すると、減圧弁（45）の開度を小さくして冷凍サイクルの高圧を冷媒の臨界圧力よりも高い圧力にまで上昇させる。

本実施形態において、制御器（90）が成否を判断する第２判断条件には、圧縮機（31）の回転速度が所定の第１回転速度以下であるという条件が含まれる。利用側ユニット（12）における冷却負荷が小さいほど、圧縮機（31）の回転速度は低くなる。従って、この第２判定条件は、利用側ユニット（12）における冷却負荷がある程度以下である場合に成立する。

ここで、冷凍サイクルの高圧が冷媒の臨界圧力よりも低いときは、放熱器として機能する熱源側熱交換器（33）において、冷媒が潜熱変化（具体的には、凝縮）する。一方、冷凍サイクルの高圧が冷媒の臨界圧力以上ときは、放熱器として機能する熱源側熱交換器（33）において顕熱変化する。そのため、冷凍サイクルの高圧が冷媒の臨界圧力以上のときは、冷凍サイクルの高圧が冷媒の臨界圧力よりも低いときに比べて、放熱器として機能する熱源側熱交換器（33）における冷媒の放熱量が減少する。

そこで、本実施形態の制御器（90）は、冷却運転中に冷凍サイクルの高圧が冷媒の臨界圧力よりも低いときに判断条件が成立すると、減圧弁（45）の開度を小さくして冷凍サイクルの高圧を上昇させる。冷凍サイクルの高圧が冷媒の臨界圧力以上になると、放熱器として機能する熱源側熱交換器（33）における冷媒の放熱量が減少するため、利用側ユニット（12）における冷媒の吸熱量が減少し、その結果、熱源ユニット（11）の冷却運転によって得られる冷却能力が減少する。そのため、熱源ユニット（11）の冷却運転によって得られる冷却能力の調節範囲を拡大でき、熱源ユニット（11）が冷却運転を一時的に休止する可能性を低減できる。

−実施形態の特徴（２）−
本実施形態の制御器（90）が成否を判断する第２判断条件において、第１回転速度は、圧縮機（31）が作動可能な回転速度の範囲の最小値である。

本実施形態では、圧縮機（31）の回転速度が最小値に達した場合に、第２判断条件が成立する可能性がある。圧縮機（31）の回転速度が最小値に達した状態でも、第２判断条件が成立して制御器（90）が減圧弁（45）の開度を小さくすれば、冷凍サイクルの高圧が上昇し、熱源ユニット（11）の冷却運転によって得られる冷却能力が減少する。

−実施形態の特徴（３）−
本実施形態の熱源ユニット（11）は、熱源側熱交換器（33）へ室外空気を供給する熱源側ファン（22）を備える。熱源側熱交換器（33）は、熱源側ファン（22）によって供給された室外空気を冷媒と熱交換させるように構成される。制御器（90）の第２判断条件は、圧縮機（31）の回転速度が第１回転速度以下であり、且つ熱源側ファン（22）の回転速度が第２回転速度以下であるという条件である。

本実施形態の熱源ユニット（11）では、放熱器として機能する熱源側熱交換器（33）において、冷媒が室外空気へ放熱する。利用側ユニット（12）における冷却負荷が小さいほど、熱源側ファン（22）の回転速度は低くなる。従って、第２判定条件は、利用側機器（12）における冷却負荷がある程度以下の場合に成立する。

−実施形態の特徴（４）−
本実施形態の制御器（90）が成否を判断する第２判断条件において、第２回転速度は、熱源側ファン（22）が作動可能な回転速度の範囲の最小値である。

本実施形態の制御器（90）では、圧縮機（31）の回転速度が最小値に達すると共に、熱源側ファン（22）の回転速度が最小値に達した場合に、第２判断条件が成立する。圧縮機（31）の回転速度と熱源側ファン（22）の回転速度がそれぞれの最小値に達した状態であっても、第２判断条件が成立して制御器（90）が減圧弁（45）の開度を小さくすれば、冷凍サイクルの高圧が上昇し、熱源ユニット（11）の冷却運転によって得られる冷却能力が減少する。

−実施形態の特徴（５）−
本実施形態の熱源ユニット（11）は、冷却運転中に減圧弁（45）を通過した冷媒が流入するレシーバ（37）を備える。減圧弁（45）は、冷却運転中に冷凍サイクルの高圧が冷媒の臨界圧力以上であるときに、熱源側熱交換器（33）から流出した高圧の冷媒を、冷媒の臨界圧力よりも低い圧力にまで減圧する。

本実施形態では、熱源ユニット（11）にレシーバ（37）が設けられる。冷却運転中において、放熱器として機能する熱源側熱交換器（33）から流出した冷媒は、減圧弁（45）を通過することによって圧力が臨界圧力よりも低くなる。減圧弁（45）を通過した冷媒は、レシーバ（37）に流入する。

−実施形態の変形例−
本実施形態の冷凍装置（10）において、熱源ユニット（11）には、冷蔵または冷凍用のショーケースだけが利用側ユニット（12）として接続されていてもよいし、冷蔵庫の庫内を冷却するユニットクーラーと冷蔵または冷凍用のショーケースの両方が利用側ユニット（12）として接続されていてもよい。また、本実施形態の冷凍装置（10）において、冷媒回路（20）に充填される冷媒は、二酸化炭素に限定されない。また、本実施形態の冷凍装置（10）において、熱源ユニット（11）は、複数台の圧縮機（31）を備えていてもよい。また、本実施形態の熱源ユニット（11）は、単段圧縮ではなく多段圧縮（例えば、二段圧縮）を行うように構成されていてもよい。

以上、実施形態および変形例を説明したが、特許請求の範囲の趣旨および範囲から逸脱することなく、形態や詳細の多様な変更が可能なことが理解されるであろう。また、以上の実施形態および変形例は、本開示の対象の機能を損なわない限り、適宜組み合わせたり、置換したりしてもよい。

以上説明したように、本開示は、冷凍装置について有用である。

11 熱源ユニット
12 利用側ユニット（利用側機器）
22 熱源側ファン
31 圧縮機
33 熱源側熱交換器
37 レシーバ
45 減圧弁
90 制御器

Claims (5)

1. 利用側機器（12）に接続され、圧縮機（31）と熱源側熱交換器（33）とを有して冷凍サイクルを行う熱源ユニットであって、
   上記利用側機器（12）において冷却対象を冷却するために、上記熱源側熱交換器（33）が放熱器として機能する冷却運転を少なくとも行う一方、
   上記冷却運転中に上記熱源側熱交換器（33）から流出した高圧の冷媒を減圧する開度可変の減圧弁（45）と、
   上記圧縮機（31）の回転速度が所定の第１回転速度以下であるという条件を少なくとも含む判断条件が、上記冷却運転中に冷凍サイクルの高圧が冷媒の臨界圧力よりも低いときに成立すると、上記減圧弁（45）の開度を小さくして冷凍サイクルの高圧を冷媒の臨界圧力よりも高い圧力にまで上昇させる制御器（90）とを備える
   ことを特徴とする熱源ユニット。
2. 請求項１において、
   上記第１回転速度は、上記圧縮機（31）が作動可能な回転速度の範囲の最小値である
   ことを特徴とする熱源ユニット。
3. 請求項１又は２において、
   上記熱源側熱交換器（33）へ室外空気を供給する熱源側ファン（22）を備え、
   上記熱源側熱交換器（33）は、上記熱源側ファン（22）によって供給された室外空気を冷媒と熱交換させるように構成され、
   上記制御器（90）の判断条件は、上記圧縮機（31）の回転速度が上記第１回転速度以下であり、且つ上記熱源側ファン（22）の回転速度が第２回転速度以下であるという条件である
   ことを特徴とする熱源ユニット。
4. 請求項３において、
   上記第２回転速度は、上記熱源側ファン（22）が作動可能な回転速度の範囲の最小値である
   ことを特徴とする熱源ユニット。
5. 請求項１乃至４のいずれか一つにおいて、
   上記冷却運転中に上記減圧弁（45）を通過した冷媒が流入するレシーバ（37）を備え、
   上記減圧弁（45）は、上記冷却運転中に冷凍サイクルの高圧が冷媒の臨界圧力以上であるときに、上記熱源側熱交換器（33）から流出した高圧の冷媒を、冷媒の臨界圧力よりも低い圧力にまで減圧する
   ことを特徴とする熱源ユニット。

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