(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒液を蒸発させて冷媒ガスにする蒸発器と、前記冷媒ガスを吸入して圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮した冷媒ガスを冷却して凝縮し、冷媒液にする凝縮器とを有する既設の冷凍機に取り付ける、前記既設の冷凍機の改造用のエコノマイザユニットであって；
前記蒸発器の蒸発圧力と前記凝縮器の凝縮圧力との中間のエコノマイザ圧力で、前記凝縮器で凝縮した冷媒液を蒸発させて冷媒ガスとし、その蒸発の際の気化熱で冷媒液を冷却して、その冷却した冷媒液を前記蒸発器に送るエコノマイザと；
前記エコノマイザで蒸発した冷媒ガスを吸入して圧縮し、前記凝縮器に送る、副圧縮機と；
前記副圧縮機の吸入圧力を前記エコノマイザ圧力に制御する制御装置を備え；
前記エコノマイザユニットは、前記凝縮器で凝縮した冷媒液を受け入れる冷媒液受入口と、前記気化熱で冷却された冷媒液を前記蒸発器に送りだす冷媒液送出口と、前記エコノマイザ圧力で蒸発した冷媒ガスを前記副圧縮機を介して前記凝縮器に送りだす冷媒ガス送出口を有し；
前記制御装置は、前記蒸発圧力と前記凝縮圧力から前記エコノマイザ圧力の目標値を演算する目標値演算器を有し、前記エコノマイザ圧力が前記目標値となるように、前記副圧縮機の回転速度を調節するように構成され；
さらに、前記凝縮圧力の検出器としての、前記副圧縮機と前記冷媒ガス送出口との間に設けられた前記副圧縮機の吐出圧力を検出する吐出圧力検出器、又は前記冷媒液受入口と前記エコノマイザとの間に設けられた凝縮温度検出器と；
前記冷媒液送出口と前記エコノマイザとの間に設けられた膨張機構と；
前記冷媒液送出口と前記膨張機構との間に設けられた前記蒸発圧力の検出器としての、蒸発圧力検出器又は蒸発温度検出器と；
前記エコノマイザ圧力の検出器としての、エコノマイザ圧力検出器又はエコノマイザ温度検出器とを備え；
前記エコノマイザと、前記副圧縮機と、前記凝縮圧力の検出器と、前記蒸発圧力の検出器と、前記エコノマイザ圧力の検出器と、前記冷媒液受入口と、前記冷媒液送出口と、前記冷媒ガス送出口とを１つの台板上に搭載して改造用のユニットとして構成した；
エコノマイザユニット。
【請求項２】
前記副圧縮機は可変速圧縮機であり；
前記制御装置は、前記副圧縮機の回転速度を調節することにより、前記エコノマイザ圧力を制御する制御装置である；
請求項１に記載のエコノマイザユニット。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のエコノマイザユニットと；
前記エコノマイザユニットが取り付けられた、前記既設の冷凍機とを備える；
圧縮式冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧縮式冷凍機とエコノマイザユニットに関する。特に、成績係数を改善した圧縮式冷凍機及び既設の圧縮式冷凍機に搭載して成績係数を改善することのできるエコノマイザユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
図８のフローシートに示すように、従来から二段の圧縮機１を備える圧縮式冷凍機では、エコノマイザ２を使って、省エネルギーに対する社会的要求の高まりに応えていた。すなわち、凝縮器３から蒸発器４に冷媒液を戻す配管中に、膨張弁５とその下流側にエコノマイザ２を設置し、膨張弁６を介して冷媒液を蒸発器４に戻す。エコノマイザ２では冷媒液がフラッシュ（一部蒸発）し、蒸発した冷媒ガスを二段圧縮機１の低圧側圧縮機１ａと高圧側圧縮機１ｂとの間に送り込む。送りこまれた冷媒ガスは、蒸発器４で蒸発し低圧側圧縮機１ａで中間圧まで圧縮されたガスと一緒に、高圧側圧縮機１ｂに吸い込まれ圧縮されて凝縮器に吐出される。
【０００３】
一方、フラッシュにより中間圧に相当する温度まで冷却された冷媒液は、エコノマイザ２から蒸発器に供給される。よって単位重量当たりの冷凍能力が高くなった冷媒液を蒸発器４に供給できる上に、フラッシュした冷媒ガスは高圧側の圧縮機１ｂで圧縮するだけで済むので、成績係数はエコノマイザ２無しの場合よりも高くなる（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
図９のモリエル線図を参照して従来のエコノマイザサイクルを説明する。凝縮圧力をＰｃ、蒸発圧力をＰｅ、エコノマイザ圧力（中間圧）をＰｍとする。Ｐｃと飽和液線の交点を１１、Ｐｍと飽和液線の交点を１２、Ｐｅと飽和蒸気線の交点を１４とする。点１１のエンタルピをｉ１１、点１２のエンタルピをｉ１２、点１４のエンタルピをｉ１４とする。エコノマイザ無しのサイクルでは、単位重量当たりの冷凍能力は（ｉ１４−ｉ１１）であるのに対して、エコノマイザサイクルの場合は、単位重量当たりの冷凍能力は（ｉ１４−ｉ１２）となる。そのため、成績係数は１０〜２０％改善される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−３３７１９９号公報（図１、図２、図３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、一段圧縮の圧縮式冷凍機にはエコノマイザを設置することができない。また二段以上の圧縮式冷凍機であっても、エコノマイザからの冷媒ガスを吸入できるように既設の圧縮機自体を改造することは困難であった。また更新するにしても、更新用部材を搬入し据え付けることによる工事の困難性は、冷凍機本体を新設する手間をも上回り得る。また、冷凍機自身も耐用年数は長く、更新した場合と更新しなかった場合とで費用対効果を検討すると、コストメリットを見いだすことはなかなか難しく、更新に踏み切ることができない場合も多かった。
【０００７】
そこで本発明は、容易に成績係数を改善した圧縮式冷凍機及び既設の圧縮式冷凍機に搭載して成績係数を改善することのできるエコノマイザユニットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様に係る圧縮式冷凍機１０１は、例えば図１に示すように、冷媒液を蒸発させて冷媒ガスにする蒸発器４０と；前記冷媒ガスを吸入して圧縮する主圧縮機１０と；主圧縮機１０で圧縮した冷媒ガスから熱を奪って凝縮し、冷媒液にする凝縮器３０と；蒸発器４０の蒸発圧力Ｐｅと凝縮器３０の凝縮圧力Ｐｃとの中間のエコノマイザ圧力Ｐｍで、凝縮器３０で凝縮した冷媒液を蒸発させて冷媒ガスとし、その蒸発の際の気化熱で冷媒液を冷却して、その冷却した冷媒液を蒸発器３０に送るエコノマイザ２０と；エコノマイザ２０で蒸発した冷媒ガスを吸入して圧縮し、凝縮器３０に送る副圧縮機７０とを備える。
【０００９】
本態様のように構成すると、副圧縮機を備えるので、エコノマイザで蒸発した冷媒ガスを主圧縮機を介することなく圧縮して凝縮器に送ることができる。
【００１０】
本発明の第２の態様に係る圧縮式冷凍機１０１は、第１の態様に係る圧縮式冷凍機において、例えば、図１に示すように、エコノマイザ圧力Ｐｍが冷凍機１０１の運転状態から演算される目標値となるように副圧縮機を制御する制御装置７５を備える。
【００１１】
本態様のように構成すると、制御装置を備えるので、エコノマイザ圧力を目標値に制御することができる。
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明の第３の態様に係るエコノマイザユニット２０１は、例えば図１に示すように、冷媒液を蒸発させて冷媒ガスにする蒸発器４０と、前記冷媒ガスを吸入して圧縮する圧縮機１０と、圧縮機１０で圧縮した冷媒ガスを冷却して凝縮し、冷媒液にする凝縮器３０とを有する冷凍機１０１に取り付けるエコノマイザユニット２０１であって；蒸発器４０の蒸発圧力Ｐｅと凝縮器３０の凝縮圧力Ｐｃとの中間のエコノマイザ圧力Ｐｍで、凝縮器３０で凝縮した冷媒液を蒸発させて冷媒ガスとし、その蒸発の際の気化熱で冷媒液を冷却して、その冷却した冷媒液を蒸発器４０に送るエコノマイザ２０と；エコノマイザ２０で蒸発した冷媒ガスを吸入して圧縮し、凝縮器３０に送る、可変速副圧縮機７０と；副圧縮機７０の回転速度を調節することにより、副圧縮機７０の吸入圧力を蒸発器４０の蒸発圧力Ｐｅと凝縮器３０の凝縮圧力Ｐｃとの中間のエコノマイザ圧力Ｐｍに制御する制御装置７５を備え；エコノマイザ２０は、凝縮器３０で凝縮した冷媒液を受け入れる冷媒液受入口２０１−１と、前記気化熱で冷却された冷媒液を蒸発器４０に送りだす冷媒液送出口２０１−２と、エコノマイザ圧力Ｐｍで蒸発した冷媒ガスを凝縮器３０に送りだす冷媒ガス送出口２０１−３を有する。
【００１３】
本態様のように構成すると、冷媒液受入口と、前記気化熱で冷却された冷媒液を蒸発器に送りだす冷媒液送出口と、エコノマイザ圧力Ｐｍで蒸発した冷媒ガスを凝縮器に送りだす冷媒ガス送出口を有するので、既設の冷凍機にエコノマイザを追加設備することができ、既設の冷凍機の成績係数を改善することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、容易に成績係数を改善した圧縮式冷凍機及び既設の圧縮式冷凍機に搭載して成績係数を改善することのできるエコノマイザユニットを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第一の実施の形態にかかる圧縮式冷凍機の構成を示す概念的フローシートである。
【図２】本発明の第二の実施の形態にかかる圧縮式冷凍機の構成を示す概念的フローシートである。
【図３】本発明の第一と第二の実施の形態にかかる圧縮式冷凍機のモリエル線図である。
【図４】本発明の第三の実施の形態にかかる圧縮式冷凍機の構成を示す概念的フローシートである。
【図５】本発明の第三の実施の形態にかかる圧縮式冷凍機のモリエル線図である。
【図６】本発明の第四の実施の形態にかかる圧縮式冷凍機の構成を示す概念的フローシートである。
【図７】本発明の第四の実施の形態にかかる圧縮式冷凍機のモリエル線図である。
【図８】従来の圧縮式冷凍機の構成を示す概念的フローシートである。
【図９】従来の圧縮式冷凍機のモリエル線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、互いに同一又は相当する部分には同一又は類似の符号を付し，重複した説明は省略する。
【００１７】
図１の概念的フローシートを参照して、本発明の第一の実施の形態である圧縮式冷凍機１０１を説明する。圧縮式冷凍機１０１は、冷媒ガスを吸入して圧縮する主圧縮機としての例えばスクリュー圧縮機１０と、スクリュー圧縮機１０で圧縮された冷媒ガスから例えば約３２℃の冷却水により熱を奪って凝縮し冷媒液にする凝縮器３０を備える。凝縮器３０からの冷媒液は、減圧されて蒸発器４０に送られる。凝縮器３０から蒸発器４０までの冷媒液流路には、エコノマイザ２０が挿入配置される。凝縮器３０とエコノマイザ２０との間の冷媒液流路には、膨張機構５０が配置され、エコノマイザ２０から蒸発器４０との間の冷媒液流路には、膨張機構６０が配置される。
【００１８】
蒸発器４０では、エコノマイザを介して供給された冷媒液を蒸発させて、被冷却媒体としての冷水を例えば５℃に冷却する。
【００１９】
エコノマイザ２０は、フラッシュタンクとして構成され、その中で凝縮器３０からの冷媒液がフラッシュすなわち一部蒸発する。エコノマイザ２０では、凝縮器３０からの冷媒液の全体がエコノマイザ圧力Ｐｍでフラッシュする。圧縮式冷凍機１０１は、一部蒸発した冷媒ガスを吸入して圧縮する副圧縮機としてのスクロール圧縮機７０を備える。スクロール圧縮機７０は、圧縮した冷媒ガスを凝縮器３０に吐出する。その冷媒ガスは、スクリュー圧縮機１０で圧縮されたガスと一緒に、凝縮器３０で冷却され凝縮する。
【００２０】
エコノマイザ２０では、蒸発器４０の蒸発圧力Ｐｅと凝縮器３０の凝縮圧力Ｐｃとの中間のエコノマイザ圧力Ｐｍで、冷媒液をフラッシュさせる。フラッシュにより一部の冷媒液が蒸発し冷媒ガスとなり、その気化熱で残りの冷媒液をエコノマイザ圧力Ｐｍに対応する飽和温度まで冷却する。その冷却された冷媒液は、膨張機構６０で減圧され蒸発器４０に供給される。
【００２１】
第一の実施の形態では、エコノマイザでフラッシュにより冷却された冷媒液を蒸発器４０に送るように構成されているので、いわゆるオープン型である。クローズ型のエコノマイザは、熱交換器として構成するものである。クローズ型は、第四の実施の形態として後で詳述する。
【００２２】
圧縮式冷凍機１０１は、スクロール圧縮機７０の冷媒ガスの吐出側には、吐出圧力検出器７２を、吸込側には吸込圧力検出器７３を、膨張機構６０の下流側には蒸発圧力検出器７４を備える。さらに、スクロール圧縮機７０を駆動する電動機（不図示）に、周波数変換した電力を供給するインバータ７１を備える。吐出圧力検出器７２、吸込圧力検出器７３、蒸発圧力検出器７４で検出された圧力を表わす各信号は、制御装置７５に送信される。制御装置７５は目標値演算器７５−１を備える。
【００２３】
吐出圧力検出器７２は、凝縮器３０の凝縮圧力Ｐｃを検出すると見てもよく、蒸発圧力検出器７４は、蒸発器４０の蒸発圧力Ｐｅを検出すると見てもよい。このような位置に圧力検出器を設けるときは、それぞれ凝縮器３０や蒸発器４０に圧力検出器を設ける場合と異なり、後述のエコノマイザユニットとして圧力検出器を含めてまとめることができるという利点がある。吸込圧力検出器７３は、もちろんエコノマイザ圧力Ｐｍを検出するものである。
【００２４】
インバータ７１は、エコノマイザ圧力Ｐｍが、蒸発圧力Ｐｅと凝縮圧力Ｐｃの中間の圧力になるようにスクロール圧縮機７０の回転速度を調節する。エコノマイザ圧力Ｐｍが中間の圧力（目標値）よりも高ければ回転速度を上昇させ、低ければ回転速度を低下させる。目標値演算器７５−１は、蒸発圧力Ｐｅと凝縮圧力Ｐｃとから、その中間の圧力Ｐｍの目標値を演算する。制御装置７５は、インバータ７１に制御信号を送って、エコノマイザの圧力Ｐｍを、前記のように演算された目標値になるように、副圧縮機の回転速度を調節するようインバータ７１に制御信号を送信する。
【００２５】
なお以上の説明では、主圧縮機はスクリュー圧縮機、副圧縮機はスクロール圧縮機として説明した。このような組合せとすると、容量のバランスがよい。すなわち、空調用冷凍機の場合、本実施の形態では、副圧縮機は主圧縮機の約１０％の質量流量の冷媒ガスを吸入するので、この組合せが適している。しかしながら、比較的小容量の冷凍機では、主圧縮機と副圧縮機の一方、あるいは両方を往復動圧縮機としてもよい。また、冷凍容量が比較的大きい場合は、主圧縮機をターボ圧縮機とし、副圧縮機をスクリュー圧縮機、あるいは往復動圧縮機としてもよい。このような組合せが、バランスのとれた組合せとなる。以下の実施の形態でも同様である。
【００２６】
膨張機構５０及び６０は、オリフィスとして図示しているが、キャピラリチューブとしてもよい。これらは、構造が簡単で、小型冷凍機に適する。また、膨張機構５０は、凝縮器３０で凝縮した冷媒液の溜めを作り、その溜めの液面が一定になるように開度が調整される膨張機構としてもよい。例えばフロート弁（不図示）である。前記溜めの液面が上昇するとフロートが上昇し液用開口が開く。膨張機構６０も同様である。こちらは、エコノマイザ２０の液面を検出して、これを一定にするような機構とする。例えばフロート弁である。液面制御方式は、オリフィスよりも機械的構造は多少複雑になるものの、冷媒液による液封がされるので冷媒ガスの吹き抜けを防止できる点で比較的大型の冷凍機に適する。
【００２７】
また図中破線の枠で囲んだ部分、エコノマイザ２０、その上流側の膨張機構５０、下流側の膨張機構６０、副圧縮機７０、インバータ７１、圧力検出器７２、７３、７４、及びこれらを接続する配管、信号配線を備えるユニットは、エコノマイザユニット２０１として、１つの台板（不図示）の上に搭載し、既設の冷凍機の改造用のユニットとして構成してもよい。このとき、エコノマイザユニット２０１は、凝縮器３０と膨張機構５０の間に冷媒液受入口２０１−１と、副圧縮機７０と凝縮器３０との間に冷媒ガスを凝縮器３０に送りだす冷媒ガス送出口２０１−３と、膨張機構６０と蒸発器４０との間に冷媒液を蒸発器４０に送りだす冷媒液送出口２０１−２とを有する。これら各々の口で、配管が既設機と接続できるように配管取り合いが形成されている。配管取り合いは、切断された既設機の配管と溶接で接続できるように、配管の開放端として形成されていてもよく、フランジが配設されていてもよい。フランジのときは、既設配管を切断してその配管端部に相フランジを取りつければ、エコノマイザユニット２０１と既設機を容易に接続できる。
【００２８】
以上の通り、本実施の形態のエコノマイザユニット２０１は、エコノマイザ２０自身の圧力、及び前後の圧力の検出器を備え、検出値により副圧縮機７０の回転速度を調節し、エコノマイザ２０の圧力を制御する制御装置７５を備える。また、エコノマイザ自身の圧力の代わりに、エコノマイザ自身の温度、及び前後の温度の検出器を備え、検出した温度値により副圧縮機の回転速度を調節するものとしてもよい。
【００２９】
図２の概念的フローシートを参照して、本発明の第二の実施の形態である圧縮式冷凍機１０２を説明する。本実施の形態の圧縮式冷凍機１０２は、圧縮式冷凍機１０１の変形例であり、エコノマイザユニット２０２の部分が異なる。異なる部分について説明する。エコノマイザユニット２０２は、エコノマイザ２０、膨張機構５０、膨張機構６０、副圧縮機７０、インバータ７１を、第一の実施の形態と同様に備えている。
【００３０】
本実施の形態は、圧力検出器７２、７３、７４を備えず、その代わりにエコノマイザ２０の冷媒液面レベルを検出する液面検出器２１を備える。液面検出器２１の検出値はインバータ７１に送られ、インバータ７１により副圧縮機７０の回転速度を調節することにより、エコノマイザ２０の液面レベルを制御する。この制御は、不図示の制御装置を備え、そこに液面検出器２１の検出信号を入力し、それにより副圧縮機７０の回転速度を調節するようにしてもよい。
【００３１】
第一の実施の形態と同様に、図中破線の枠で囲んだ部分、エコノマイザ２０、その上流側の膨張機構５０、下流側の膨張機構６０、副圧縮機７０、インバータ７１、液面検出器２１、及びこれらを接続する配管、信号配線を備えるユニットは、エコノマイザユニット２０２として、１つの台板（不図示）の上に搭載し、既設の冷凍機の改造用のユニットとして構成してもよい。エコノマイザユニット２０２の配管の取り合い関係は、第一の実施の形態と同様である。
【００３２】
図３のモリエル線図（Ｐｉ線図（圧力−エンタルピ線図））を参照して、第一と第二の実施の形態の圧縮式冷凍機の作用を説明する。図中、１０は主圧縮機、７０は副圧縮機、２０はエコノマイザ、３０は凝縮器、４０は蒸発器、５０と６０は膨張機構を示し、図１、図２の符合と共通である。点１１は凝縮圧力Ｐｃと飽和液線の交点であり、凝縮器３０で凝縮された冷媒液の状態（過冷却されないと仮定）を、点１２はエコノマイザ圧力Ｐｍと飽和液線との交点であり、エコノマイザでフラッシュし蒸発した冷媒で冷却された冷媒液の状態を、点１４は蒸発圧力Ｐｅと飽和蒸気線との交点であり、蒸発器４０で蒸発した冷媒ガスの状態を、点１５はエコノマイザ圧力Ｐｍと飽和蒸気線との交点であり、エコノマイザでフラッシュし蒸発した冷媒ガスの状態を、点１６は凝縮圧力Ｐｃと飽和蒸気線の交点であり、凝縮器３０で冷却され顕熱を奪われて、これから凝縮されようとする冷媒ガスの状態を示す点である。
【００３３】
ｉ１１は、点１１に対応するエンタルピ、ｉ１２は、点１２に対応するエンタルピ、ｉ１４は点１４に対応するエンタルピ、ｉ１５は、点１５に対応するエンタルピである。
【００３４】
点１１の状態の冷媒液は、凝縮器３０で凝縮した冷媒液の全量が膨張機構５０を介して膨張し、エコノマイザ２０に流入する。ここで流入した冷媒液の（ｉ１１−ｉ１２）／（ｉ１５−ｉ１２）分が蒸発し点１５の状態となり、その気化熱で残りの（ｉ１５−ｉ１１）／（ｉ１５−ｉ１２）分の冷媒液が冷却され点１２の状態となる。
【００３５】
点１２の状態の冷媒液は、膨張機構６０を介して膨張し、蒸発器４０に流入する。その冷媒液は蒸発器４０で蒸発して点１４の冷媒ガスとなる。エコノマイザ２０がなければ、蒸発器４０に流入する冷媒液のエンタルピはｉ１１であり、冷凍容量を発揮する冷媒液のエンタルピ差は（ｉ１４−ｉ１１）であるところ、エコノマイザ２０で冷却された冷媒液のエンタルピはｉ１２であるので、冷凍容量を発揮する冷媒液のエンタルピ差は（ｉ１４−ｉ１２）となり、空調用の冷凍機の場合で、１５〜２５％も単位重量当たりの冷凍容量を増やすことができる。
【００３６】
点１４の状態の冷媒ガスは、主圧縮機１０により圧縮されて凝縮器３０に送られる。そして冷却水により顕熱分の熱が奪われ冷却され、点１６の状態の冷媒ガスになり、さらに冷却水により潜熱分の熱を奪われ、点１１の状態の冷媒液となる。
【００３７】
点１５の状態の冷媒ガスは、副圧縮機７０により圧縮されて凝縮器３０に送られる。そして、主圧縮機１０で圧縮された冷媒ガスと凝縮器３０内で混合される。そして、主圧縮機１０で圧縮された冷媒ガスと一緒に冷却水により顕熱分の熱が奪われ冷却され、点１６の状態の冷媒ガスになり、さらに冷却水により潜熱分の熱を奪われ、点１１の状態の冷媒液となる。
【００３８】
このサイクルでは、先に説明したように、蒸発器４０内の冷媒液の単位重量当たりの冷凍容量が大きくなっているので、総冷凍容量が同じであれば、主圧縮機１０で圧縮すべき冷媒の量を少なくできるので、主圧縮機１０の動力が少なくなる。その代わり副圧縮機７０の動力分が増えるが、副圧縮機７０で生じさせるべきヘッドは、主圧縮機１０よりも小さい。したがって、その動力の増分を考慮しても、圧縮式冷凍機１０１、１０２のＣＯＰ（成績係数）は、空調用冷凍機の場合でも、エコノマイザ２０無しの場合と比較して約１０％改善される。
【００３９】
以上説明したように、本実施の形態によれば、副圧縮機７０を備えるので、主圧縮機が一段の圧縮機であっても、エコノマイザサイクルを形成することができる。また既設の圧縮式冷凍機に、エコノマイザユニット２０１またはエコノマイザユニット２０２を追加することができる。この場合は、主圧縮機に手を加えることなく、既設の圧縮式冷凍機のＣＯＰを容易に改善することができる。
【００４０】
エコノマイザ圧力Ｐｍは、蒸発器４０の蒸発圧力Ｐｅと凝縮器３０の凝縮圧力Ｐｃとの中間の圧力とすると説明したが、要は、エコノマイザ出口の冷媒液の温度もしくは圧力が、冷凍機の運転状態において最適となるように制御するのがよい。同圧力等が最適となるのは、エコノマイザ２０の出口冷媒液の比エンタルピが、凝縮器３０の冷媒液と蒸発器４０の冷媒液とのほぼ中間となるところである。近似的には、冷媒液の温度が、蒸発器４０と凝縮器３０の飽和温度の、中間の温度となるように制御するか、エコノマイザ２０内の冷媒液の蒸発圧力Ｐｍが、蒸発器４０と凝縮器３０の圧力の幾何平均となるようにするとよい。副圧縮機７０の制御は回転速度制御によるほか、副圧縮機７０としてスクリュー式圧縮機を用いている場合は、スライド弁によってもよい。以下の実施の形態においても同様である。このときは、副圧縮機は、スクリュー圧縮機のスライド弁を含む可変バルブタイミングを有し、副圧縮機の制御が、可変バルブタイミングによるものとするとよい。
【００４１】
なお、以上の制御は、冷媒温度によってもよく、その場合は、間接的にエコノマイザ圧力Ｐｍを凝縮圧力Ｐｃと蒸発圧力Ｐｅの中間の圧力に制御していることになる。また、蒸発圧力Ｐｅや蒸発温度Ｔｅなどは、安定運転中は一般に一定値となるので、実測はせずに一定の仮定値により決定してもよい。なお、インバータ７１を用いれば、副圧縮機７０を高効率で運転しつつ、エコノマイザ圧力Ｐｍを最適値に制御することができるが、副圧縮機７０を定速運転としてもよい。定速運転の場合は、エコノマイザ圧力Ｐｍが最適な値になるとは限らないが、比較的簡易な構成でほぼ中間の圧力にすることができ、ＣＯＰが改善できることに変わりはない。
【００４２】
図４の概念的フローシートを参照して、本発明の第三の実施の形態である圧縮式冷凍機１０３を説明する。本実施の形態の圧縮式冷凍機１０３は、第一の実施の形態のエコノマイザ２０に加えて過冷却器９０を備える。このときは、凝縮器３０を出た冷媒液中には冷媒蒸気が混合している場合があるので、凝縮器３０を出た冷媒をいったん収容し、気液分離する気液分離器としてのバッファタンク３１を設けるとよい。ここで、気液分離した上で過冷却器９０へと導く。バッファタンク３１の液面を液面検出器３２により監視し、冷媒流量を制御する制御弁５０ａを、第一又は第二の実施の形態のオリフィス５０の代わりに用いるとよい。液面検出器３２からの液面レベル信号が制御弁５０ａに送られる。不図示の制御装置を備え、これにより制御信号を制御弁５０ａに送り、冷媒流量を制御してもよい。
【００４３】
過冷却器９０は、冷媒液と冷却水とを熱交換する熱交換器として構成される。典型的には、凝縮器３０、蒸発器４０と同様にシェルアンドチューブ形式の熱交換器とし、チューブ側に冷却水を流し、シェル側に冷媒液を流す。冷却水は凝縮器３０と並列に流すとよい。過冷却器９０への冷却水入口配管、あるいは出口配管には流量調整弁８０（図示は冷却水出口配管に設置）を設けるとよい。この調整により、過冷却度を調整できる。
【００４４】
なお、バッファタンク３１を設けずに、凝縮器３０からの冷媒液を直接過冷却器９０に流してもよい。このときは、凝縮器３０の底部の冷媒貯留部の容量を大きくして、冷媒液がガスを含まずに溜まるように構成する。
【００４５】
ここで、エコノマイザ２０には第一または第二の実施の形態と同様に副圧縮機７０が接続されており、同様にインバータ７１で回転速度が調節される。第一又は第二の実施の形態と相違する点は、膨張機構６０の下流側に蒸発温度Ｔｅを検出する蒸発温度検出器６１を、エコノマイザ２０にはエコノマイザ温度Ｔｍを検出するエコノマイザ冷媒液温度検出器２２を、過冷却器９０と制御弁５０ａの間の冷媒液経路には過冷却冷媒液温度Ｔｃ’を検出する温度検出器９１を備える点である。これらの温度検出器からの温度信号は、インバータ７１に送られ、副圧縮機７０の回転速度を調節することにより、エコノマイザ温度Ｔｍが蒸発温度Ｔｅと過冷却冷媒液温度Ｔｃ’との中間の温度に制御する。ここでは、過冷却冷媒液温度Ｔｃ’と蒸発温度Ｔｅの算術平均温度を目標として副圧縮機７０の流量を調節するとよい。なお、図４には制御装置は不図示であるが、第一の実施の形態と同様な制御装置７５を備え、目標値演算器７５−１で前記演算を行い副圧縮機の流量を調節するとよい。
【００４６】
前述のように、これも間接的にエコノマイザ圧力Ｐｍを凝縮圧力Ｐｃと蒸発圧力Ｐｅの中間の圧力に制御していることになる。もちろん、第一の実施の形態と同様に、圧力による制御をしてもよい。
【００４７】
本例でも、これらの機器は一式のユニットとして構成することができる。この場合、副圧縮機７０の出口配管と過冷却器９０の前のバッファタンク３１の均圧管とは共用でき、冷凍機との取り合いは最小化できる。
【００４８】
図５のモリエル線図（Ｐｉ線図（圧力−エンタルピ線図））を参照して、第三の実施の形態の圧縮式冷凍機１０３の作用を説明する。第一又は第二の実施の形態との相違点は、過冷却器９０による過冷却がある点である。すなわち、点１１の状態の冷媒液は、過冷却器９０で冷却水により過冷却され凝縮圧力Ｐｃに対応する飽和液線よりも、モリエル線図において左側すなわち液領域に入り込み、点１１’の状態となる。この点のエンタルピｉ１１’は、点１１のエンタルピｉ１１よりも冷却側にある。したがって、エコノマイザ２０で一部蒸発する冷媒ガスの量は、流入した冷媒液の（ｉ１１’−ｉ１２）／（ｉ１５−ｉ１２）分となり、第一又は第二の実施の形態の場合の（ｉ１１−ｉ１２）／（ｉ１５−ｉ１２）分よりも小さくなる。よって副圧縮機７０の所要動力が小さくなる。
【００４９】
図６の概念的フローシートを参照して、本発明の第四の実施の形態である圧縮式冷凍機１０４を説明する。本実施の形態の圧縮式冷凍機１０４は、いわゆるクローズ型のエコノマイザを備える。エコノマイザユニット２０４の部分が、先の実施の形態と異なる。異なる部分について説明する。クローズ型のエコノマイザは、熱交換器として構成し、凝縮器３０からの冷媒液の一部とその残りの冷媒液とを該熱交換器の冷却側と被冷却側に導き、該一部の冷媒液をエコノマイザ圧力で蒸発させて温度を低下させ、前記残りの冷媒液をその蒸発による気化熱で過冷却するように構成するものである。
【００５０】
冷却水による過冷却器を備える点は第三の実施の形態と同様である。但し、本実施の形態では、過冷却器９０ａは凝縮器３０に組み込まれている。すなわち、凝縮器３０の底部に冷媒液溜まりがあり、その中にチューブバンドルが組み込まれている（不図示）。凝縮器組み込み型なので、エコノマイザユニットとして構成することは難しい。作用は第三の実施の形態と同様であるのでこれ以上の説明を省略する。なお第三の実施の形態と同様な別置きの過冷却９０を過冷却９０ａの代わりに備えてもよい。その場合は、過冷却器９０もエコノマイザユニットとして構成できるので、既設の冷凍機に過冷却器が備わっていない場合に容易に対処することができる。
【００５１】
本実施の形態の冷凍機１０４では、エコノマイザ２０ａは、シェルアンドチューブ型の熱交換器として構成され、チューブ側に、凝縮器３０からの冷媒液が過冷却器９０ａを経由して流入する。ここでさらに過冷却された冷媒液は、膨張機構６０を介して膨張し、蒸発器４０に流入する。
【００５２】
一方、エコノマイザ２０ａのシェル側と凝縮器３０との間の（本実施の形態では、シェル側と過冷却器９０ａとの間の）経路には、温度膨張弁５０ｂが配置されている。ここで減圧され膨張した冷媒は、一部蒸発し、液とガスの混合状態でエコノマイザ２０ａに流入する。具体的にはエコノマイザ２０ａのシェル側に流入する。ガスと液の混合状態なので、膨張弁５０ｂを経由した冷媒の方を、体積が増えた冷媒を処理し易いシェル側に流すのが好ましい。
【００５３】
ここで蒸発した冷媒ガスは副圧縮機７０に吸入される。副圧縮機７０は先の実施の形態と同様に、インバータ７１で回転速度が調節される。膨張機構６０の下流側に蒸発温度Ｔｅを検出する蒸発温度検出器６１を、エコノマイザ２０ａのシェル側で蒸発した冷媒ガスの出口、特に出口配管には冷媒ガスの温度Ｔｍ１を検出する冷媒ガス温度検出器２２ａを、エコノマイザ２０ａの過冷却された冷媒液の出口特に出口配管には、冷媒液の温度Ｔｍ２を検出する冷媒液温度検出器２２ｂを、過冷却器９０ａとエコノマイザ２０ａのチューブ側との間の冷媒液経路には冷却水で過冷却された冷媒の温度Ｔｃ’を検出する温度検出器９１を備える。これらの温度検出器からの温度信号は、インバータ７１に送られ、副圧縮機７０の回転速度を調節することにより、冷媒液の温度Ｔｍ２が蒸発温度Ｔｅと過冷却冷媒液温度Ｔｃ’との中間の温度になるように制御する。なお、図６には制御装置は不図示であるが、第一の実施の形態と同様な制御装置７５を備え、目標値演算器７５−１で前記演算を行い中間の温度を求め、その値になるように副圧縮機の流量を調節するとよい。
【００５４】
また温度膨張弁５０ｂは、温度検出器２２ａからの温度信号を受信し、冷媒ガスの温度Ｔｍ１が適切な過熱度となるよう、冷媒液が直接副圧縮機７０に吸入されないよう、冷媒液の流量を調節する。言い換えれば、エコノマイザ２０ａの出口における冷媒ガスの過熱度を一定とするように温度膨張弁５０ｂが制御される。あるいは、温度検出器２２ａの代わりに、エコノマイザ２０ａのシェル側に溜まる液の液面を検出する液面検出器（不図示）を設け、その液面がエコノマイザ２０ａ内で冷媒ガスと冷媒液が十分に分離されるような適切な液面に維持されるように、流入する冷媒液の流量を調節してもよい。
【００５５】
図７のモリエル線図を参照して、第四の実施の形態の圧縮式冷凍機１０４の作用を説明する。第一から第三の実施の形態との相違点は、エコノマイザ２０ａがクローズ型である点であり、それがモリエル線図に表れている。
【００５６】
点１１は他の実施の形態と同様に凝縮器３０で凝縮された冷媒液の状態である。この冷媒液は、第三の実施の形態の冷凍機１０３と同様に冷却水により過冷却され点１１’に至る。ここで、まずエコノマイザ２０ａのシェル側の流れを説明する。この点１１’の冷媒液が温度膨張弁５０ｂにより減圧され点１３に至る。凝縮圧力Ｐｃと蒸発圧力Ｐｅの中間圧力Ｐｍ１の点であり、温度はＴｍ１である。温度膨張弁５０ｂで膨張した直後は冷媒ガスと冷媒液の混合状態にある。この状態から、チューブ内を流れる冷媒液を冷却し、自身は蒸発し圧力Ｐｍ１と飽和蒸気線の交点である点１５に至る。そして副圧縮機７０に吸入される。
【００５７】
次にエコノマイザ２０ａのチューブ側の流れを説明する。点１１’の冷媒液がシェル側で蒸発する前述の冷媒により冷却され圧力はＰｃの状態で液領域にある点１１”に至る。この過冷却された冷媒液は、膨張機構６０を介して膨張し、蒸発器４０に流入する。この膨張過程は等エンタルピ変化である。この等エンタルピ線は、飽和液線と点１２ａで交差する。点１２ａの圧力はＰｍ２であり温度はＴｍ２である。圧力Ｐｍ２は圧力Ｐｍ１よりもわずかに高く、温度Ｔｍ２は温度Ｔｍ１よりもわずかに高い。したがって、チューブ側を流れる冷媒液は、シェル側で蒸発する冷媒と熱交換し、冷却される。
【００５８】
本実施の形態のエコノマイザ２０ａは熱交換器と膨張弁との組み合わせによる、いわゆる１段膨張式のエコノマイザと呼んでもよい。また本実施の形態では、主圧縮機としては半密閉式のスクリュー式の圧縮機を用い、副圧縮機としては密閉式の汎用圧縮機を用いる。また、以上の説明では、冷媒液の温度Ｔｍ２が蒸発温度Ｔｅと過冷却冷媒液温度Ｔｃ’との中間の温度になるように制御されるとしたが、エコノマイザ２０ａ内のシェル側の冷媒蒸発温度Ｔｍ１が蒸発温度Ｔｅと過冷却冷媒液温度Ｔｃ’との中間の温度になるように制御されるように、副圧縮機７０の回転速度を調節するものとしてもよい。
【００５９】
過冷却器９０ａを備えれば、冷媒の単位流量当たりの冷凍効果を高めることができる利点がある。備えなくてもよく、その場合は装置の簡素化を図ることができる。
【００６０】
その他の作用は、既に説明した他の実施の形態と同様である。本実施の形態のように構成すると、エコノマイザにおける気液の分離を確実に行うことができる。
【００６１】
以上説明したように、本発明の実施の形態では、従来の単純サイクルに、エコノマイザ（中間冷却器）を設けるとともに、エコノマイザから生じる冷媒蒸気を副圧縮機を用いて凝縮器へと戻し、凝縮させる。このようにすると、主圧縮機に手を加えることなく、蒸発器に流入する冷媒の温度を下げて冷凍能力を増加せしめ、さらに効率を向上することができる。このとき、副圧縮機を駆動するために動力が必要となるが、主圧縮機の動力が低下した分、あるいは冷凍出力が増大することに対して、副圧縮機が必要とする動力は理論上小さく、全体としては省エネルギーとなる。
【００６２】
なお、本発明においては、圧縮式冷凍機は、圧縮式ヒートポンプを含む概念である。ヒートポンプでは凝縮器で得られる熱が出力となる。また、蒸発器では熱源流体から冷媒を蒸発させる熱を得る。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明の冷凍機は、成績係数を改善した圧縮式冷凍機及び既設の圧縮式冷凍機に搭載して成績係数を改善することのできるエコノマイザユニットとして利用される。
【符号の説明】
【００６４】
１０   主圧縮機
１１、１２、１３、１４、１５、１６、  モリエル線図上の点
２０  エコノマイザ
２０ａ  エコノマイザ
２１  液面検出器
２２、２２ａ、２２ｂ  温度検出器
３０  凝縮器
３１  バッファタンク
３２  液面検出器
４０  蒸発器
５０、５０ａ、６０  膨張機構
６１  温度検出器
７０  副圧縮機
７１  インバータ
７２、７３、７４  圧力検出器
７５  制御装置
７５−１  目標値演算器
８０  流量調整弁
９０、９０ａ  過冷却器
９１  温度検出器
１０１、１０２、１０３、１０４  圧縮式冷凍機
２０１、２０２、２０３、２０４  エコノマイザユニット
２０１−１  冷媒液受入口
２０１−２  冷媒液送出口
２０１−３  冷媒ガス送出口
Ｐｃ  凝縮圧力
Ｐｅ  蒸発圧力
Ｐｍ  中間圧力
Ｔｃ  凝縮温度
Ｔｅ  蒸発温度
Ｔｍ  エコノマイザ温度
Ｔｍ１  冷媒ガスの温度
Ｔｍ２  冷媒液温度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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