(57)【要約】  【課題】簡易な構成で膨張弁の開度と圧縮機の能力を制御することで、冷蔵あるいは冷凍機器に要求される圧縮機の耐久性を損なうことなく、電源投入時の冷凍能力および安定時の冷凍効率などの性能向上を図る。  【解決手段】蒸発器の温度を検知する蒸発温度検知センサー２３と、圧縮機への吸入配管入口の温度を検知する吸入温度検知センサー２５とを備え、蒸発温度検知センサー２３で検知された蒸発温度から決定される目標温度より、吸入温度検知センサー２５で検知された実測値が高い場合は電動膨張弁２２の開度を大きくし、実測値が低い場合は電動膨張弁２２の開度を小さくして蒸発温度を制御することで、電源投入時および安定時における圧縮機２１の吐出冷媒の温度を略一定に保つことで圧縮機２１の耐久性を損なうことなく、電源投入時に蒸発温度を高く保つことで冷媒循環量を増大させて冷凍能力を向上できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機と、放熱器と、膨張弁と、蒸発器とからなる冷凍システムにおいて、前記蒸発器の温度を検知する蒸発温度検知センサーと、前記蒸発器と前記圧縮機を繋ぐ吸入配管の入口部の温度を検知する吸入温度検知センサーとを備え、前記蒸発温度検知センサーで検知された蒸発温度から決定される目標温度より、前記吸入温度検知センサーで検知された実測値が高い場合は前記膨張弁の開度を大きくし、前記吸入温度検知センサーで検知された実測値が低い場合は前記膨張弁の開度を小さくすることで蒸発温度を制御することを特徴とする冷凍システム。
【請求項２】
冷媒として二酸化炭素を主成分とする自然冷媒を使用したことを特徴とする請求項１に記載の冷凍システム。
【請求項３】
被冷却室の室内温度を検知する室内温度検知センサーと、能力可変可能な圧縮機とを備え、前記室内温度検知センサーで検知された実測値と設定温度との差に基づいて前記圧縮機の能力を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の冷凍システム。
【請求項４】
圧縮機の能力が最大能力より低い場合、圧縮機能力に応じて吸入配管の入口部の目標温度を上げることを特徴とする請求項３に記載の冷凍システム。
【請求項５】
被冷却室の室内温度を調整するために圧縮機が停止していた時間の長さに応じて、起動時の圧縮機の能力を決定することを特徴とする請求項３または４に記載の冷凍システム。
【請求項６】
スパイラルフィンチューブで放熱器を形成することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の冷凍システム。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項記載の冷凍システムを搭載するとともに、食品を冷蔵あるいは冷凍温度で保存する保冷庫。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒として二酸化炭素を使用した冷凍システムにおいて、冷蔵あるいは冷凍に利用する比較的蒸発温度が低い冷凍システムおよび、この冷凍システムを搭載する保冷庫に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、冷凍システムに使用される冷媒の地球温暖化に対する影響を削減する要求が高まってきており、地球温暖化に対する影響が小さい自然冷媒として、二酸化炭素を使用した冷凍システムが提案されている。また、二酸化炭素を使用した冷凍システムは、遷臨界サイクルである点を利用して高い出湯温度を得る給湯機に適用されるとともに、不燃性である点を利用して使用時の冷媒漏洩量が大きいカーエアコンに適用されている。
【０００３】
ここで、二酸化炭素の遷臨界サイクルを使用した冷凍システムは、高い外気温度においては高い高圧圧力に制御する方が高効率な運転ができるため、蒸発器出口に設置されたアキュームレータ内に滞留する液冷媒の量を調整して高圧圧力を制御する構成が適用されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
一方、冷蔵あるいは冷凍に利用する比較的蒸発温度が低い冷凍システムにおいては、蒸発温度の低下に伴って吐出ガス温度が非常に高くなるという問題があり、適用が進んでいない。そこで、内部熱交換量を制御して吐出ガス温度の上昇を抑える冷凍システムが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
以下、図面を参照しながら従来の冷凍システムを説明する。
【０００６】
図６は従来の冷凍システムの冷媒回路図、図７は従来の冷凍システムのモリエル線図である。
【０００７】
図６に示すように、従来の冷凍システムは、冷媒として二酸化炭素を使用するとともに、圧縮機１、放熱器２、膨張弁３、蒸発器４、アキュームレータ５からなる回路構成を有する。また、放熱器２から膨張弁３へ向かうガス冷媒と、アキュームレータ５から圧縮機１へ向かうガス冷媒との熱交換を行う中間熱交換器６、放熱器２と圧縮機１を外気で空冷する放熱器ファン７、蒸発器４で生成した冷気を保冷庫の庫内（図示せず）へ循環する蒸発器ファン８、放熱器２の出口の冷媒圧力と温度を検知するセンサー９を備えている。
【０００８】
ここで、膨張弁３はセンサー９で検知された放熱器２の出口の冷媒圧力と温度に基づいて、膨張弁制御装置（図示せず）によってその絞り量が最適制御されるものである。
【０００９】
以上のように構成された従来の冷凍システムについて、以下その動作を説明する。
【００１０】
圧縮機１で圧縮されて吐出された冷媒は、放熱器２で外気温度近傍まで冷却され、さらに中間熱交換器６で冷却された後、膨張弁３で減圧されて、蒸発器４で蒸発する。そして、蒸発器４で蒸発できなかった液冷媒をアキュームレータ５内部に貯留しながら、アキュームレータ５からガス冷媒のみが中間熱交換器６を介して圧縮機１へ還流する。
【００１１】
ここで、外気温度が高い場合、センサー９で検知される放熱器２の出口の冷媒温度が高くなり、膨張弁制御装置（図示せず）によって放熱器２の出口の冷媒圧力が最適な所定量まで高くなるように膨張弁３の開度が絞られる。膨張弁３の開度を絞ることで放熱器２の出口の冷媒圧力が増大するのは、膨張弁３の開度を絞ることによって蒸発温度が低下して、蒸発器４での熱交換量が大きくなるとともに冷媒循環量が低下する結果、蒸発器４の出口の冷媒の乾き度が増大してアキュームレータ５内部に貯留される冷媒量が減少するためである。
【００１２】
また、外気温度が低い場合、センサー９で検知される放熱器２の出口の冷媒温度が低くなり、膨張弁制御装置（図示せず）によって放熱器２の出口の冷媒圧力が最適な所定量まで低くなるように膨張弁３の開度が開けられる。膨張弁３の開度を開けることで放熱器２の出口の冷媒圧力が低下するのは、膨張弁３の開度を開けることによって蒸発温度が上昇して、蒸発器４での熱交換量が小さくなるとともに冷媒循環量が増大する結果、蒸発器４の出口の冷媒の乾き度が減少してアキュームレータ５内部に貯留される冷媒量が増加するためである。
【００１３】
次に、従来の冷凍システムの冷媒の状態変化について図７を用いて詳細に説明する。
【００１４】
図７は横軸を冷媒のエンタルピーｈ、縦軸を冷媒の圧力Ｐとするモリエル線図であり、ａｂｃｄｅの各点は保冷庫の庫内（図示せず）が所定温度まで低下した定常状態にある安定時の冷媒の状態変化を示し、ａ’ｂ’ｃ’ｄ’ｅ’の各点は保冷庫の庫内（図示せず）が外気温度の近傍にある電源投入時の冷媒の状態変化を示す。
【００１５】
安定時において、圧縮機１から吐出された冷媒は温度Ｔ２のａ点であり、放熱器２で冷却されて温度Ｔ１のｂ点となる。ｂ点において冷媒は超臨界状態にあり液化しないことが遷臨界サイクルの特長である。次に、膨張弁３で減圧されて気液混合状態のｃ点となり、蒸発器４に供給される。蒸発器４で蒸発した冷媒はｄ点となり、液冷媒が滞留するアキュームレータ５をそのまま通過した後、中間熱交換器６などで加熱されて温度Ｔ０のｅ点となって圧縮機１に還流する。
【００１６】
ここで、温度Ｔ１は外気温度の近傍にあり、外気温度の変動によって変化する。この時、膨張弁制御装置（図示せず）によって、外気温度が高ければａ点およびｂ点で示される高圧圧力がより高い所定値に調整されるとともに、外気温度が低ければａ点およびｂ点で示される高圧圧力がより低い所定値に調整される。この結果、広範囲の外気温度においてその外気温度で得られる最適な冷凍効率が実現できる。また、この調整範囲内でアキュームレータ５内に液冷媒が貯留していれば、ｄ点が冷媒の飽和気相線上にありｅ点の温度Ｔ０がＴ１より低く保たれることで、圧縮機１から吐出されるａ点の冷媒温度Ｔ２が異常に上昇することが抑制できる。
【００１７】
一方、電源投入時においては、圧縮機１から吐出された冷媒は温度Ｔ３のａ’点であり、放熱器２で冷却されて温度Ｔ１のｂ’点となる。ｂ’点において冷媒は安定時と同様に超臨界状態にある。次に、膨張弁３で減圧されて気液混合状態のｃ’点となり、蒸発器４に供給される。蒸発器４では冷媒が完全に蒸発してｄ’点となり、アキュームレータ５をそのまま通過した後、中間熱交換器６などで加熱されて温度Ｔ１のｅ’点となって圧縮機１に還流する。
【００１８】
ここで、電源投入時に蒸発器４およびアキュームレータ５において、冷媒が完全に蒸発して冷媒の飽和気相線よりも高い温度であるｄ’点になるのは、保冷庫の庫内（図示せず）が外気温度の近傍にあるために、安定時に比べて蒸発器４での蒸発能力が著しく大きくなるためである。そして、安定時にアキュームレータ５内に滞留するべき液冷媒が高圧側に供給されて、ａ’点およびｂ’点で示される高圧圧力をａ点およびｂ点で示される安定時の高圧圧力よりも高く保つことになる。なお、電源投入時においては膨張弁制御装置（図示せず）によって膨張弁３の絞り量を変化させてもアキュームレータ５には液冷媒が滞留せず、高圧圧力が大きく変化しないので、保冷庫の庫内（図示せず）が所定温度まで低下した定常状態になるまで、安定時と同程度の蒸発温度となるように絞り量を固定値としている。
【００１９】
この結果、ｄ’点とｃ’点のエンタルピーｈの差で示される電源投入時の冷凍効果を、ｄ点とｃ点のエンタルピーｈの差で示される安定時の冷凍効果よりも増大することができ、冷蔵あるいは冷凍機器に要求される定常状態到達までの時間を短縮することができる。
【特許文献１】特表平３−５０３２０６号公報
【特許文献２】特開２０００−３４６４６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
しかしながら、上記従来の構成では、比較的蒸発温度が低い冷蔵あるいは冷凍機器の場合、図７のｄ’点とｃ’点で示される低圧圧力がより低くなり、電源投入時において圧縮機１から吐出されたａ’点の冷媒温度Ｔ３が異常に上昇して圧縮機１の耐久性を損なう恐れがあった。そのために、安定時に液冷媒を滞留するアキュームレータ５や、圧縮機１に還流するｅ’点のガス冷媒の温度を上昇させる内部熱交換器６の設計が困難になり、電源投入時の冷凍効果の増大や安定時の冷凍効率の最適化が実現できないという課題があった。
【００２１】
これは、電源投入時において圧縮機１から吐出されたａ’点の冷媒温度Ｔ３を下げるためには、安定時に液冷媒を滞留するアキュームレータ５の容量を小さくするとともに、内部熱交換器６の熱交換量を低下させる必要があるが、いずれも電源投入時の冷凍効果と安定時の冷凍効率を悪化する結果を招くことから、冷蔵あるいは冷凍機器に要求される圧縮機の耐久性と冷凍システム性能とを同時に満足することができないためである。
【００２２】
本発明は、従来の課題を解決するもので、冷蔵あるいは冷凍機器に要求される圧縮機の耐久性を損なうことなく、電源投入時の冷凍能力および安定時の冷凍効率などの冷凍システム性能の向上を図る冷凍システム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】
【００２３】
上記従来の課題を解決するために、本発明の冷凍システムおよびこれを備えた保冷庫は、アキュームレータと内部熱交換器を搭載せず、蒸発器の温度を検知する蒸発温度検知センサーと、蒸発器と圧縮機を繋ぐ吸入配管の入口部の温度を検知する吸入温度検知センサーとを備え、蒸発温度検知センサーで検知された蒸発温度から決定される目標温度より、吸入温度検知センサーで検知された実測値が高い場合は膨張弁の開度を大きくし、吸入温度検知センサーで検知された実測値が低い場合は膨張弁の開度を小さくすることで蒸発温度を制御することを特徴とするものである。
【００２４】
これによって、電源投入時および安定時における圧縮機の吐出冷媒の温度を略一定に保つことで圧縮機の耐久性を損なうことなく、電源投入時に蒸発温度を高く保つことで冷媒循環量を増大させて冷凍能力の向上を図ることができる。
【００２５】
また、上記従来の課題を解決するために、本発明の冷凍システムおよびこれを備えた保冷庫は、さらに被冷却室の室内温度を検知する室内温度検知センサーと、能力可変可能な圧縮機とを備え、室内温度検知センサーで検知された実測値と設定温度との差に基づいて圧縮機の能力を制御することを特徴とするものである。
【００２６】
これによって、電源投入時および安定時における圧縮機の吐出冷媒の温度を略一定に保つことで圧縮機の耐久性を損なうことなく、電源投入時に蒸発温度を高く保つことで冷媒循環量を増大させて冷凍能力の向上を図ることができるとともに、安定時に圧縮機の能力を抑制すると同時に蒸発温度を高く保つことで冷凍効率の向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の冷凍システムおよびこれを備えた保冷庫は、簡易な構成で膨張弁の開度と圧縮機の能力を制御することで、冷蔵あるいは冷凍機器に要求される圧縮機の耐久性を損なうことなく、電源投入時の冷凍能力および安定時の冷凍効率などの冷凍システム性能の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明の請求項１に記載の発明は、圧縮機と、放熱器と、膨張弁と、蒸発器とからなる冷凍システムにおいて、前記蒸発器の温度を検知する蒸発温度検知センサーと、前記蒸発器と前記圧縮機を繋ぐ吸入配管の入口部の温度を検知する吸入温度検知センサーとを備え、前記蒸発温度検知センサーで検知された蒸発温度から決定される目標温度より、前記吸入温度検知センサーで検知された実測値が高い場合は前記膨張弁の開度を大きくし、前記吸入温度検知センサーで検知された実測値が低い場合は前記膨張弁の開度を小さくすることで蒸発温度を制御することを特徴とする冷凍システムであるので、電源投入時および安定時における圧縮機の吐出冷媒の温度を略一定に保つことで圧縮機の耐久性を損なうことなく、電源投入時に蒸発温度を高く保つことで冷媒循環量を増大させて冷凍能力の向上を図ることができる。
【００２９】
本発明の請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、冷媒として二酸化炭素を主成分とする自然冷媒を使用したことを特徴とする冷凍システムであるので、二酸化炭素の単独冷媒、あるいは二酸化炭素と炭化水素との混合冷媒などの放熱器内で超臨界状態となる自然冷媒を用いることで、冷媒漏洩時の地球温暖化の影響が抑制できるとともに、電源投入時および安定時における圧縮機の吐出冷媒の温度を略一定に保つことで圧縮機の耐久性を損なうことなく、電源投入時に蒸発温度を高く保つことで冷媒循環量を増大させて冷凍能力の向上を図ることができる。
【００３０】
本発明の請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、被冷却室の室内温度を検知する室内温度検知センサーと、能力可変可能な圧縮機とを備え、前記室内温度検知センサーで検知された実測値と設定温度との差に基づいて前記圧縮機の能力を制御することを特徴とする冷凍システムであるので、電源投入時および安定時における圧縮機の吐出冷媒の温度を略一定に保つことで圧縮機の耐久性を損なうことなく、電源投入時に蒸発温度を高く保つことで冷媒循環量を増大させて冷凍能力の向上を図ることができるとともに、安定時に圧縮機の能力を抑制すると同時に蒸発温度を高く保つことで冷凍効率の向上を図ることができる。
【００３１】
本発明の請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、圧縮機の能力が最大能力より低い場合、圧縮機能力に応じて吸入配管の入口部の目標温度を上げることを特徴とする請求項２記載の冷凍システムであるので、低能力で運転される安定時に最高効率が得られるように設計された圧縮機を用いた場合に、圧縮機の実際の吐出冷媒の温度を略一定に保ちながら、安定時の冷凍効果を高めることで冷凍効率の向上を図ることができる。
【００３２】
本発明の請求項５に記載の発明は、請求項３または４に記載の発明において、被冷却室の室内温度を調整するために圧縮機が停止していた時間の長さに応じて、起動時の圧縮機の能力を決定することを特徴とする冷凍システムであるので、安定時に被冷却室内に高温の食品などの熱負荷が投入された場合に、圧縮機能力を高めて熱負荷の冷却速度を高めることができる。
【００３３】
本発明の請求項６に記載の発明は、請求項１から５のいずれか一項に記載の発明において、スパイラルフィンチューブで放熱器を形成することを特徴とする冷凍システムであるので、放熱器内の超臨界状態で温度の異なる冷媒相互間の熱移動を抑制するとともに、外気に対して容易に対向流を形成することができるので、放熱能力を高めて冷凍効率の向上を図ることができる。
【００３４】
本発明の請求項７に記載の発明は、請求項１から６のいずれか一項に記載の冷凍システムを搭載して、食品を冷蔵あるいは冷凍温度で保存する保冷庫であるので、特に蒸発温度が低い運転条件であっても簡易な構成で膨張弁の開度と圧縮機の能力を制御することで、圧縮機の耐久性を損なうことなく、電源投入時の冷凍能力および安定時の冷凍効率などの冷凍システム性能の向上を図ることができる。
【００３５】
以下、本発明による冷凍システムの実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、従来と同一構成については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００３６】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１による冷凍システムの冷媒回路図、図２は同実施の形態１の冷凍システムの制御基準線を示す図、図３は同実施の形態１の冷凍システムの制御フロー図、図４は同実施の形態１の冷凍システムのモリエル線図である。なお、従来と同一の構成については同一番号を付して、詳細な説明は省略する。
【００３７】
図１に示すように、実施の形態１の冷凍装置を構成する冷凍システムは、冷媒として二酸化炭素を使用するとともに、回転数を可変することで能力可変可能な能力可変圧縮機２１、放熱器２、電動膨張弁２２、蒸発器４からなる回路構成を有する。また、蒸発器４の蒸発温度を検知する蒸発温度検知センサー２３と、蒸発器４と能力可変圧縮機２１を接続する吸入管２４の入口部の温度を検知する吸入温度検知センサー２５と、被冷却室（図示せず）の室内空気温度を検知する室内温度センサー２６とを備えている。
【００３８】
以上のように構成された実施の形態１の冷凍システムについて、以下その動作を説明する。
【００３９】
能力可変圧縮機２１で圧縮されて吐出された冷媒は、放熱器２で外気温度近傍まで冷却された後、電動膨張弁２２で減圧されて、蒸発器４で蒸発する。そして、蒸発器４で完全に蒸発したガス冷媒が能力可変圧縮機２１へ還流する。
【００４０】
ここで、電動膨張弁２２は蒸発温度検知センサー２３で検知された蒸発器４の蒸発温度と吸入温度検知センサー２５で検知された吸入管２４の入口部の温度に基づいて、膨張弁制御装置（図示せず）によりその絞り量が最適制御されるものである。具体的には、図２に示すように、蒸発温度検知センサー２３で検知された蒸発器４の蒸発温度Ｔｅに対して規定された吸入管２４の入口部の目標温度Ｔｓと、吸入温度検知センサー２５で検知された実際の温度とを比較して、実際の温度の方が高い場合（図２の領域Ａ）は電動膨張弁２２の開度を所定量開けるとともに、実際の温度の方が低い場合（図２の領域Ｂ）は電動膨張弁２２の開度を所定量閉じるものである。
【００４１】
これによって、図２の領域Ａでは蒸発器４の蒸発温度を高く、かつ吸入管２４の入口部の温度を低く変化させ、図２の領域Ｂでは蒸発器４の蒸発温度を低く、かつ吸入管２４の入口部の温度を高く変化させることができ、結果として図２で示した制御基準線上で冷凍システムの状態を安定させることができる。また、蒸発器４の任意の蒸発温度Ｔｅに対して規定された吸入管２４の入口部の目標温度Ｔｓを結ぶ線である制御基準線を、能力可変圧縮機２１で圧縮されて吐出された冷媒の温度が略同一となるように予め決めておけば、被冷却室（図示せず）の室内空気温度や能力可変圧縮機２１の能力が変化しても能力可変圧縮機２１で圧縮されて吐出された冷媒の温度を略同一に保つことができる。
【００４２】
例えば、高圧圧力の設計値を９ＭＰａとし（式１）に示したように制御基準線を設定すれば、蒸発器４の蒸発温度Ｔｅが−９℃においては目標温度Ｔｓが０℃となり、冷媒が吸入管２４から能力可変圧縮機２１に流入するまでに２０℃程度昇温して２０℃程度になると推定され、さらに９ＭＰａまで圧縮されると吐出された冷媒の温度は１２０℃程度になる。また、蒸発器４の蒸発温度Ｔｅが−１５℃においては目標温度Ｔｓが−１２℃となり、冷媒が吸入管２４から能力可変圧縮機２１に流入するまでに同様に２０℃程度昇温して８℃程度なると推定され、さらに９ＭＰａまで圧縮されると吐出された冷媒の温度は１２０℃程度になる。このように、蒸発器４の蒸発温度Ｔｅが低い場合には目標温度Ｔｓを低く制御することで、圧縮比の増大に伴って能力可変圧縮機２１から吐出される冷媒温度の上昇を抑えることができる。
【００４３】
【数１】
2006336943.tif 000003
【００４４】
なお、安定時の目標温度Ｔｓが被冷却室（図示せず）の設定温度と同程度になるように、蒸発器４の蒸発能力を設計することが望ましい。目標温度Ｔｓが被冷却室（図示せず）の設定温度と同程度であれば、冷媒の冷凍効果が最大限利用できるので高い冷凍効率が期待できる。蒸発器４の蒸発能力が不足すると、目標温度Ｔｓが被冷却室（図示せず）の設定温度を下回るとともに、蒸発温度Ｔｅがより低いレベルで安定する。
【００４５】
また、被冷却室（図示せず）の設定温度が−１０℃より低い冷凍設定にいては、吸入管２４の断熱を強化して、冷媒が吸入管２４から能力可変圧縮機２１に流入するまでの昇温を抑制することが望ましい。これは、能力可変圧縮機２１から吐出される冷媒温度の上昇を抑えるために、能力可変圧縮機２１に流入する冷媒の温度をさらに下げる必要があるためである。
【００４６】
一方、能力可変圧縮機２１は室内温度センサー２６で検知された被冷却室（図示せず）の室内空気温度と設定温度に基づいて、圧縮機制御装置（図示せず）によりその回転数が最適制御されるものである。具体的には、図３に示すように、被冷却室（図示せず）の室内空気温度Ｔｒが起動温度Ｔｏｎ以上で能力可変圧縮機２１を起動し、室内空気温度Ｔｒが停止温度Ｔｏｆｆ以下で能力可変圧縮機２１を停止する。また、能力可変圧縮機２１を駆動中に室内空気温度Ｔｒが増速温度Ｔｕｐ以上で能力可変圧縮機２１を増速し、室内空気温度Ｔｒが減速温度Ｔｄｏｗｎ以下で能力可変圧縮機２１を減速する。ここで、起動温度Ｔｏｎと停止温度Ｔｏｆｆは被冷却室（図示せず）の設定温度を挟むように設けるとともに、増速温度Ｔｕｐは起動温度Ｔｏｎの近傍に、減速温度Ｔｄｏｗｎは起動温度Ｔｏｎと設定温度の間に設けることが望ましい。
【００４７】
これによって、被冷却室（図示せず）の室内空気温度Ｔｒが外気温度の近傍にある電源投入時には、能力可変圧縮機２１を増速させて高い冷凍能力を得るとともに、被冷却室（図示せず）の室内空気温度Ｔｒが設定温度近傍まで低下した定常状態にある安定時には、能力可変圧縮機２１を減速させて高い冷凍効率を得ることができる。
【００４８】
特に、前記した電動膨張弁２２の制御と協働して能力可変圧縮機２１の制御を行うことで、能力可変圧縮機２１から吐出された冷媒の温度を略同一に保ちながら、電源投入時には能力可変圧縮機２１を高速回転でかつ高蒸発で駆動して冷凍能力の増大を図るとともに、安定時には能力可変圧縮機２１を低速回転でかつ高蒸発で駆動して冷凍効率を向上することができる。また、電源投入時から安定時に至る中間の状態において、蒸発器４の蒸発能力に対して能力可変圧縮機２１が過大となった場合でも、能力可変圧縮機２１から吐出された冷媒の温度を略同一に保ちながら、電動膨張弁２２の開度を閉じて蒸発器４の蒸発温度を下げて蒸発能力不足を解消することができる。
【００４９】
なお、能力可変圧縮機２１を起動するときの所定回転数は、能力可変圧縮機２１が起動する直前の停止時間の長さに応じて変化させることが望ましい。これによって、被冷却室および被冷却室内に設置された食品などの熱負荷（図示せず）が設定温度近傍まで低下した安定時には、能力可変圧縮機２１を低速で起動するとともに、被冷却室内に高温の食品などの熱負荷（図示せず）が投入された場合には能力可変圧縮機２１が停止している間の室内空気温度Ｔｒの上昇が急速になり、能力可変圧縮機２１をより高速で起動することができる。
【００５０】
次に、実施の形態１の冷凍システムの冷媒の状態変化について図４を用いて詳細に説明する。
【００５１】
図４は横軸を冷媒のエンタルピーｈ、縦軸を冷媒の圧力Ｐとするモリエル線図であり、ｐｑｒｓｔの各点は被冷却室（図示せず）の室内空気温度Ｔｒが所定温度まで低下した定常状態にある安定時の冷媒の状態変化を示し、ｐ’ｑ’ｒ’ｓ’ｔ’の各点は室内空気温度Ｔｒが外気温度の近傍にある電源投入時の冷媒の状態変化を示す。
【００５２】
安定時において、能力可変圧縮機２１から吐出された冷媒は温度Ｔ６のｐ点であり、放熱器２で冷却されて温度Ｔ５のｑ点となる。ｑ点において冷媒は超臨界状態にあり液化しないことが遷臨界サイクルの特長である。次に、電動膨張弁２２で減圧されて気液混合状態のｒ点となり、蒸発器４に供給される。蒸発器４で蒸発した冷媒はｓ点となり、吸入管２４の入口部に流入した後、吸入管２４から能力可変圧縮機２１に流入するまでに加熱されて温度Ｔ４のｔ点となって能力可変圧縮機２１に還流する。
【００５３】
ここで、蒸発器４で蒸発した冷媒はｓ点の温度は、吸入温度検知センサー２５で検知されるとともに、前記したように目標温度Ｔｓに近づくように膨張弁制御装置（図示せず）により電動膨張弁２２の開度が調整されている。そして、ｓ点からｔ点までの温度変化は吸入管２４の断熱構造などによって決まるとともに、ｔ点からｐ点までの温度変化は蒸発温度Ｔｅと高圧圧力の設計値と能力可変圧縮機２１の圧縮機効率でほぼ決まることから、ｓ点の温度を任意の蒸発温度Ｔｅに対して予め決められた目標温度Ｔｓに近づけると、ｐ点の温度Ｔ６をほぼ任意の値に保つことができる。
【００５４】
なお、室内空気温度Ｔｒの変化に応じて能力可変圧縮機２１の能力を変化させても、同様にｓ点の温度を任意の蒸発温度Ｔｅに対して予め決められた目標温度Ｔｓに近づけると、ｐ点の温度Ｔ６をほぼ任意の値に保つことができる。ただし、低能力で運転される安定時に最高効率が得られるように能力可変圧縮機２１を設計した場合、低速運転時においてｔ点からｐ点までの温度上昇が小さくなるので、室内空気温度Ｔｒを越えない範囲で目標温度Ｔｓを高速運転時よりも高く設定してもよい。室内空気温度Ｔｒを越えない範囲で目標温度Ｔｓを高く設定する方が、ｒ点からｓ点までのエンタルピー変化で示される冷凍効果を高めることで冷凍効率の向上を図ることができる。
【００５５】
また、温度Ｔ５は外気温度の近傍にあり、外気温度の変動によって変化する。この時、ｑ点の圧力はほとんど変化せず、エンタルピーが変化する。これは、蒸発器４内に液冷媒が滞留するアキュームレータなどの構造を持たないためである。この結果、高圧圧力を通常使用される９〜１２ＭＰａ程度に設計すると、２５℃以下の低外気温ではｒ点からｓ点までのエンタルピー変化で示される冷凍効果が大きくなり高い冷凍効率が実現できるが、３５℃以上の高外気温ではｒ点からｓ点までのエンタルピー変化で示される冷凍効果が小さくなり冷凍効率は著しく低下する。従って、常に高外気温度で使用される場合は、高圧圧力の設計値を１５ＭＰａ程度のより高い値にすることが望ましい。
【００５６】
一方、電源投入時においては、能力可変圧縮機２１から吐出された冷媒は温度Ｔ６のｐ’点であり、放熱器２で冷却されて温度Ｔ５のｑ’点となる。ｐ’点、ｑ’点はそれぞれ安定時のｐ点、ｑ点とほぼ同じ状態にある。次に、電動膨張弁２２で減圧されて気液混合状態のｒ’点となり、蒸発器４に供給される。蒸発器４で蒸発した冷媒はｓ’点となり、吸入管２４の入口部に流入した後、吸入管２４から能力可変圧縮機２１に流入するまでに加熱されて温度Ｔ５のｔ’点となって能力可変圧縮機２１に還流する。
【００５７】
ここで、ｒ’ｓ’ｔ’の各点で示される電源投入時の低圧圧力がｒｓｔの各点で示される安定時の低圧圧力よりも高いのは、前記したように膨張弁制御装置（図示せず）により電動膨張弁２２の開度が調整されているため、吸入温度検知センサー２５で検知されるｓ’点の温度Ｔｓが定常時よりも高くなると、蒸発温度Ｔｅが定常時よりも高くなるためである。また、吸入温度検知センサー２５で検知されるｓ’点の温度Ｔｓが定常時よりも高くなるのは、室内空気温度Ｔｒが高いので、蒸発器４での蒸発能力が過剰であるとともに、吸入管２４入口部の周辺温度が高いためである。
【００５８】
この結果、電源投入時における能力可変圧縮機２１の吐出冷媒の温度を略一定に保ちながら、電源投入時に蒸発温度Ｔｅを高く保つことで冷媒循環量を増大させて冷凍能力を向上することができる。さらに、電源投入時は室内温度Ｔｒが高いので、圧縮機制御装置（図示せず）により能力可変圧縮機２１を増速して冷凍能力を向上することが期待できる。
【００５９】
以上のように、本実施の形態においては、アキュームレータと内部熱交換器を搭載せず、蒸発器４の温度を検知する蒸発温度検知センサー２３と、蒸発器４と能力可変圧縮機２１を繋ぐ吸入配管２４の入口部の温度を検知する吸入温度検知センサー２５とを備え、蒸発温度検知センサー２３で検知された蒸発温度Ｔｅから決定される目標温度Ｔｓより、吸入温度検知センサー２５で検知された実測値が高い場合は電動膨張弁２２の開度を大きくし、吸入温度検知センサー２３で検知された実測値が低い場合は電動膨張弁２２の開度を小さくすることで蒸発温度Ｔｅを制御することによって、電源投入時および安定時における能力可変圧縮機２１の吐出冷媒の温度を略一定に保つことで能力可変圧縮機２１の耐久性を損なうことなく、電源投入時に蒸発温度Ｔｅを高く保つことで冷媒循環量を増大させて冷凍能力の向上を図ることができる。
【００６０】
さらに、本実施の形態においては、被冷却室（図示せず）の室内温度Ｔｒを検知する室内温度検知センサー２６と、能力可変可能な能力可変圧縮機２１とを備え、室内温度検知センサー２６で検知された室内温度Ｔｒの実測値と設定温度との差に基づいて能力可変圧縮機２１の能力を制御することによって、電源投入時および安定時における能力可変圧縮機２１の吐出冷媒の温度を略一定に保つことで能力可変圧縮機２１の耐久性を損なうことなく、安定時に能力可変圧縮機２１の能力を抑制すると同時に蒸発温度Ｔｅを高く保つことで冷凍効率の向上を図ることができる。
【００６１】
なお、本実施の形態においては、自然冷媒として二酸化炭素の単独冷媒を使用したが、図４のＴ６で示した能力可変圧縮機２１から吐出された冷媒温度などの熱物性を改善するために、二酸化炭素に炭化水素などの自然冷媒を混合した混合冷媒を使用しても、ｑ点において液化せずに遷臨界サイクルを形成していれば同様の効果が期待できる。
【００６２】
（実施の形態２）
図５は本発明の実施の形態２による保冷庫の冷媒回路図である。なお、実施の形態１の冷凍システムと同一の構成については同一番号を付して、詳細な説明は省略する。
【００６３】
図５に示すように、実施の形態２の保冷庫の冷凍システムは実施の形態１と同様に、冷媒として二酸化炭素を使用するとともに、回転数を可変することで能力可変可能な能力可変圧縮機２１、スパイラルフィン放熱器３０、電動膨張弁２２、蒸発器４からなる回路構成を有する。また、蒸発器４の蒸発温度を検知する蒸発温度検知センサー２３と、蒸発器４と能力可変圧縮機２１を接続する吸入管２４の入口部の温度を検知する吸入温度検知センサー２５と、被冷却室（図示せず）の室内空気温度を検知する室内温度センサー２６とを備えている。
【００６４】
ここで、スパイラルフィン放熱器３０は、１本の冷媒配管にスパイラル状の１枚のフィンプレート３１を圧着固定したものであり、スパイラルフィン放熱器３０内の超臨界状態にある冷媒の温度勾配に従って、１枚のフィンプレート３１も同様の温度勾配となる特徴がある。また、スパイラルフィン放熱器３０は、１本の冷媒配管からなるので高い耐圧設計が容易であり、高圧圧力が９〜１５ＭＰａと比較的高い冷凍システムに適用する場合、同一放熱能力をフィンチューブ熱交換器より安価に実現することができる。
【００６５】
また、図５に示すように、実施の形態２の保冷庫は、食品などの熱負荷を冷蔵する貯蔵室３２の下部に機械室３３を設け、能力可変圧縮機２１やスパイラルフィン放熱器３０などを配置するとともに、貯蔵室３２と機械室３３の間に設けた断熱壁３４の中に、蒸発器４や電動膨張弁２２などを配置している。
【００６６】
以上のように構成された実施の形態２の保冷庫について、以下その動作を説明する。
【００６７】
能力可変圧縮機２１で圧縮されて吐出された冷媒は、スパイラルフィン放熱器３０で外気温度近傍まで冷却された後、電動膨張弁２２で減圧されて、蒸発器４で蒸発する。そして、蒸発器４で完全に蒸発したガス冷媒が能力可変圧縮機２１へ還流する。
【００６８】
ここで、スパイラルフィン放熱器３０は、機械室３３内に外気を導入する放熱器ファン７が形成する空気の流れとほぼ対向するように配置され、能力可変圧縮機２１に近い側が最も冷媒温度が高く、放熱器ファン７に近づくにつれて冷媒温度が低下する温度勾配が形成されている。これによって、比較的小さい放熱能力で、スパイラルフィン放熱器３０の出口部の冷媒温度を略外気温度まで低下させることができるので、安価に冷凍効率を向上することができる。
【００６９】
また、実施の形態１の冷凍システムと同様に、電動膨張弁２２は蒸発温度検知センサー２３で検知された蒸発器４の蒸発温度と吸入温度検知センサー２５で検知された吸入管２４の入口部の温度に基づいて、膨張弁制御装置（図示せず）によりその絞り量が最適制御されるものである。また、実施の形態１の冷凍システムと同様に、能力可変圧縮機２１は室内温度センサー２６で検知された貯蔵室３２の室内空気温度と設定温度に基づいて、圧縮機制御装置（図示せず）によりその回転数が最適制御されるものである。
【００７０】
以上のように、本実施の形態においては、実施の形態１の冷凍システムと同様に、電源投入時および安定時における能力可変圧縮機２１の吐出冷媒の温度を略一定に保つことで能力可変圧縮機２１の耐久性を損なうことなく、冷蔵あるいは冷凍機器に要求される電源投入時の冷凍能力および安定時の冷凍効率などの冷凍システム性能の向上を図ることができる。また、スパイラルフィン放熱器３０を備えたものであるので、スパイラルフィン放熱器３０内の超臨界状態で温度の異なる冷媒相互間の熱移動を抑制するとともに、外気に対して容易に対向流を形成することができるので、より安価に冷凍効率の向上を図ることができる。
【００７１】
なお、本実施の形態においては、スパイラルフィン放熱器３０から電動膨張弁２２までの配管を最短距離で結んだが、冷蔵あるいは冷凍機器などで使用される結露防止ヒータに換えて、スパイラルフィン放熱器３０から電動膨張弁２２までの配管を利用してもよい。外部に漏洩する冷熱を利用して電動膨張弁２２に流入する冷媒温度を低下することによって、さらに冷凍効率の向上を図ることが期待できる。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
以上のように、本発明にかかる冷凍システムおよびこれを備えた保冷庫は、電源投入時および安定時における圧縮機の吐出冷媒の温度を略一定に保つことで圧縮機の耐久性を損なうことなく、冷蔵あるいは冷凍機器に要求される電源投入時の冷凍能力および安定時の冷凍効率などの冷凍システム性能の向上を図ることができるので、冷媒のノンフロン化と機器の省エネルギー化が要求されるショーケースや業務用冷凍冷蔵庫、自動販売機などの冷蔵あるいは冷凍機器にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の実施の形態１による冷凍システムの冷媒回路図
【図２】本発明の実施の形態１による冷凍システムの制御基準線を示す図
【図３】本発明の実施の形態１による冷凍システムの制御フロー図
【図４】本発明の実施の形態１による冷凍システムのモリエル線図
【図５】本発明の実施の形態２による保冷庫の冷媒回路図
【図６】従来の冷凍システムの冷媒回路図
【図７】従来の冷凍システムのモリエル線図
【符号の説明】
【００７４】
２１  能力可変圧縮機（圧縮機）
２２  電動膨張弁（膨張弁）
２３  蒸発温度検知センサー
２５  吸入温度検知センサー
２６  室内温度検知センサー
【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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