(57)【要約】  【課題】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、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システム性能を向上する。  【解決手段】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と圧縮機２１を繋ぐ吸入配管の入口部の温度を検知する吸入配管入口温度検知センサー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、吸入配管入口温度検知センサー２５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、吸入配管入口温度検知センサー２５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し、吸入配管内での油滞留を防止するとともに、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ち、圧縮機２１の耐久性を損なうことなく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、蒸発器を具備した冷凍システムにおいて、冷媒として二酸化炭素を主成分とする自然冷媒を使用するとともに、前記蒸発器の蒸発温度を−５０℃〜０℃の範囲として、前記蒸発器の蒸発温度と前記圧縮機の吸入配管温度との差を２０℃以内に保つようにした冷凍システム。
【請求項２】
前記圧縮機の潤滑油として、４０℃での動粘度が３０ｍｍ２／ｓ〜３００ｍｍ２／ｓであるポリアルキレングリコール冷凍機油を使用した請求項１に記載の冷凍システム。
【請求項３】
前記蒸発器の蒸発温度を検知する蒸発温度センサーと、前記圧縮機の吸入配管における圧縮機近傍の温度を検知する吸入配管出口温度センサーを備え、前記蒸発温度センサーで検知した蒸発温度から決定される目標温度より、前記吸入配管出口温度センサーで検知された吸入配管温度が高い場合に前記膨張弁の開度を大きくし、低い場合に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請求項１または２に記載の冷凍システム。
【請求項４】
前記蒸発器の蒸発温度を検知する蒸発温度センサーと、前記圧縮機の吸入配管における蒸発器近傍の温度を検知する吸入配管入口温度センサーを備え、前記蒸発温度センサーで検知した蒸発温度から決定される目標温度より、前記吸入配管入口温度センサーで検知された吸入配管温度が高い場合に前記膨張弁の開度を大きくし、低い場合に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請求項１または２に記載の冷凍システム。
【請求項５】
前記圧縮機を能力可変可能な圧縮機とし、被冷却室内の空気温度の高低で圧縮機の能力を制御する請求項１から４のいずれか一項に記載の冷凍システム。
【請求項６】
前記圧縮機のシェルの温度、あるいは吐出配管における圧縮機近傍の温度を検知する高温保護検知センサーを備え、前記高温保護検知センサーによって検出した温度が所定値を越えた場合に、前記圧縮機の能力を所定時間毎に低下させる制御を行う請求項５に記載の冷凍システム。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載の冷凍システムを搭載した貯蔵装置。
【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等の貯蔵装置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による地球温暖化に対する影響を削減するために、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、主に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、また、不燃性である点を利用してカーエアコンに適用されている。
【０００３】
ここで、前記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】
また、一般に冷媒として二酸化炭素を用いた冷凍システムにおいては、圧縮機の冷凍機油として、４０℃での動粘度が１００ｍｍ２／ｓ程度、１００℃での動粘度が２０ｍｍ２／ｓ程度のポリアルキレングリコール冷凍機油が使用される（例えば、非特許文献１参照）。
【０００６】
前記ポリアルキレングリコール冷凍機油を前記冷凍機油に用いる主な理由は、蒸発器内の低温低圧条件において分離した油相が二酸化炭素冷媒を良く溶解して低粘度となるとともに、圧縮機内の超臨界状態においては二酸化炭素冷媒をあまり溶解せず圧縮機の潤滑に必要な粘度を維持することができるためである。
【０００７】
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。
【０００８】
図６は従来の冷凍システムの回路構成図、図７は従来の冷凍システムのモリエル線図である。
【０００９】
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内部熱交換器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をそれぞれ備えている。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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、さらに内部熱交換器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内部熱交換器６を介して圧縮機１へ還流する。
【００１３】
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における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。
【００１４】
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の開度が開き方向に調整される。膨張弁３の開度を調整することで放熱器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における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。
【００１５】
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。
【００１６】
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、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅで示す各点は、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’で示す各点は、前記保冷庫の庫内（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。
【００１７】
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。この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。
【００１８】
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、内部熱交換器６等で加熱されて温度Ｔ０のｅ点となって圧縮機１に還流する。
【００１９】
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、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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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、内部熱交換器６等で加熱されて温度Ｔ１のｅ’点となって圧縮機１に還流する。
【００２３】
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。
【００２４】
なお、電源投入時においては、膨張弁制御装置によって膨張弁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。
【００２５】
その結果、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
【非特許文献１】出光トライボレビュー、Ｎｏ．２５、Ｐ１５５２−１５５７（２００２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２６】
しかしながら、上記従来の構成では、圧縮機内の超臨界状態において圧縮機１の潤滑に必要な粘度を維持するために、二酸化炭素冷媒をあまり溶解しない高粘度の冷凍機油を使用しなければならないが、比較的高い蒸発温度０℃〜２０℃で運転されるカーエアコン等に比べて、比較的低い蒸発温度−５０℃〜０℃で運転される冷蔵あるいは冷凍機器においては、圧縮機１に還流するｅ点あるいはｅ’点の冷媒温度が高く、かつ冷媒圧力が低いために配管内で分離した冷凍機油に冷媒があまり溶解せず、高粘度な冷凍機油が滞留することで配管が閉塞したり、起動時に滞留した油が一度に大量に還流して、圧縮機１の耐久性を損なう恐れがあった。
【００２７】
特に、冷凍システムを上部に配置する冷蔵あるいは冷凍機器においては、蒸発器４から圧縮機１に還流する際の揚程が大きく、この問題が顕著に現れる。
【００２８】
一方、圧縮機１に還流するｅ点あるいはｅ’点の冷媒温度を蒸発温度と同一になるまで下げると、液冷媒が連続的に圧縮機１に還流するため、冷凍機油の滞留の問題は解消されるが液冷媒の圧縮に伴い圧縮機１の耐久性を損なう恐れがあった。
【００２９】
さらに、ｅ点あるいはｅ’点の冷媒温度が高く、かつ冷媒圧力が低いために、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の耐久性を損なう恐れがあった。
【００３０】
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における冷凍効率等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】
【００３１】
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貯蔵装置は、アキュームレータと内部熱交換器を搭載せず、蒸発器の蒸発温度と、蒸発器と圧縮機を繋ぐ吸入配管の温度の差を２０℃以内に保つようにしたものである。
【００３２】
これによって、吸入配管内で分離した冷凍機油中の冷媒溶解量を確保することで、動粘度を３０ｍｍ２／ｓ以下、望ましくは１０ｍｍ２／ｓ以下に抑制し、配管内での油滞留を防止することができる。さらに、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。
【発明の効果】
【００３３】
本発明の冷凍システムおよびこれを備えた貯蔵装置は、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における冷凍効率等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】
【００３４】
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、蒸発器を具備した冷凍システムにおいて、冷媒として二酸化炭素を主成分とする自然冷媒を使用するとともに、前記蒸発器の蒸発温度を−５０℃〜０℃の範囲として、前記蒸発器の蒸発温度と前記圧縮機の吸入配管温度との差を２０℃以内に保つようにしたものである。
【００３５】
これにより、前記圧縮機の吸入配管内で分離した冷凍機油中の冷媒溶解量を確保し、配管内での油滞留を防止することができる。
【００３６】
本発明の請求項２に記載の発明は、前記圧縮機の潤滑油として４０℃での動粘度が３０ｍｍ２／ｓ〜３００ｍｍ２／ｓであるポリアルキレングリコール冷凍機油を使用したものである。
【００３７】
かかることにより、前記吸入配管内で分離した冷凍機油中の冷媒溶解量を確保でき、動粘度を３０ｍｍ２／ｓ以下、望ましくは１０ｍｍ２／ｓ以下に抑制し、配管内での油滞留を防止することができる。
【００３８】
本発明の請求項３に記載の発明は、前記蒸発器の蒸発温度を検知する蒸発温度センサーと、前記圧縮機の吸入配管における圧縮機近傍の温度を検知する吸入配管出口温度センサーを備え、前記蒸発温度センサーで検知した蒸発温度から決定される目標温度より、前記吸入配管出口温度センサーで検知された吸入配管温度が高い場合に前記膨張弁の開度を大きくし、低い場合に前記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ようにしたものである。
【００３９】
かかることにより、前記吸入配管内で分離した冷凍機油中の冷媒溶解量を確保し、動粘度を３０ｍｍ２／ｓ以下、望ましくは１０ｍｍ２／ｓ以下に抑制し、配管内での油滞留を防止することができるとともに、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ができる。その結果、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。
【００４０】
本発明の請求項４に記載の発明は、前記蒸発器の蒸発温度を検知する蒸発温度センサーと、前記圧縮機の吸入配管における蒸発器近傍の温度を検知する吸入配管入口温度センサーを備え、前記蒸発温度センサーで検知した蒸発温度から決定される目標温度より、前記吸入配管入口温度センサーで検知された吸入配管温度が高い場合に前記膨張弁の開度を大きくし、低い場合に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ものである。
【００４１】
かかることにより、比較的外気温度の影響を受けない圧縮機の吸入配管における蒸発器近傍の温度を基に制御することができ、液バックを防止しながら精度よく吸入配管の温度を調整することができる。また、前記吸入配管内で分離した冷凍機油中の冷媒溶解量を確保することで、動粘度を３０ｍｍ２／ｓ以下、望ましくは１０ｍｍ２／ｓ以下に抑制し、配管内での油滞留を防止することができ、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ち、前記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ができ、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。
【００４２】
本発明の請求項５に記載の発明は、前記圧縮機を能力可変可能な圧縮機とし、被冷却室内の空気温度の高低で圧縮機の能力を制御するものである。
【００４３】
かかることにより、特に被冷却室内の空気温度が高い電源投入時において、前記圧縮機の能力を増大することで蒸発器出口温度および吸入配管の温度を速やかに低下させることができ、電源投入時の吸入配管内での油滞留を防止することができるとともに、被冷却室内の空気温度が低下した安定時には、圧縮機の能力を減少することで効率の高い運転が実現できる。
【００４４】
本発明の請求項６に記載の発明は、前記圧縮機のシェルの温度、あるいは吐出配管における圧縮機近傍の温度を検知する高温保護検知センサーを備え、前記高温保護検知センサーによって検出した温度が所定値を超えた場合に、前記圧縮機の能力を所定時間毎に低下させる制御を行うものである。
【００４５】
かかることにより、前記放熱器が埃等によって目詰まりする等、放熱能力の低下に起因して前記圧縮機の能力を低下させ、これによって生じる異常高温により、圧縮機の耐久性を低下させるといった不具合を防止することができる。
【００４６】
本発明の請求項７に記載の発明は、上記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貯蔵装置としたものである。
【００４７】
かかる貯蔵装置は、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における冷凍効率等の冷凍システム性能の向上を図ることができ、信頼性の高い貯蔵装置が得られる。
【００４８】
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。
【００４９】
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。また、本実施の形態により本発明が限定されるものではない。
【００５０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における冷凍システムの冷媒回路図、図２は、同実施の形態１における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における冷凍システムの冷凍機油の動粘度特性を示す図、図４は、同実施の形態１における冷凍システムのモリエル線図である。
【００５１】
図１に示すように、実施の形態１の冷凍システムは、冷媒として二酸化炭素を使用し、また、圧縮機２１は、回転数に比例して能力が変化する能力可変型の圧縮機（以下、圧縮機と称す）を採用している。そして、本冷凍システムの冷凍サイクルは、圧縮機２１、放熱器２、電動膨張弁２２、蒸発器４を配管により環状に連結することによって構成されている。
【００５２】
また、前記冷凍サイクルは、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配管入口温度検知センサー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を備えている。
【００５３】
ここで、圧縮機２１の潤滑油として、４０℃の動粘度が約１００ｍｍ２／ｓであるポリアルキレングリコール冷凍機油を使用している。また、図１中の実線矢印は冷媒の流れを示し、破線矢印は、蒸発器４および放熱器２を通過する風の流れを示している。
【００５４】
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。
【００５５】
圧縮機２１で圧縮され、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で蒸発したガス冷媒が圧縮機２１へ還流する。
【００５６】
ここで、圧縮機２１は、室内温度センサー２６で検知された被冷却室の室内空気温度Ｔｒと設定温度に基づいて、圧縮機制御装置２７によりその回転数が最適制御されるものである。
【００５７】
また、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の蒸発温度と吸入配管入口温度検知センサー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２８によりその絞り量が最適制御されるものである。
【００５８】
かかる膨張弁２２の制御は、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に対応して予め規定された吸入管２４の入口部の目標温度Ｔｓと、吸入配管入口温度検知センサー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、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。
【００５９】
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、また、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。
【００６０】
また、蒸発器４の任意の蒸発温度Ｔｅに対応して予め規定された吸入管２４の入口部の目標温度Ｔｓを定める制御基準線を、圧縮機２１で圧縮され、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）の室内空気温度や圧縮機２１の能力が変化しても圧縮機２１で圧縮され、吐出された冷媒の温度を略同一に保つことができる。
【００６１】
例えば、高圧圧力の設計値を９ＭＰａとし、下記の（式１）に基づいて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−５℃となり、冷媒が吸入管２４から圧縮機２１に流入するまでに３℃程度昇温して−２℃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。
【００６２】
Ｔｓ＝αＴｅ・Ｔｅ＋βＴｅ＋γ    …（式１）
α＝０．００３７，β＝１．２６，γ＝６
同様に、式１によれば、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から圧縮機２１に流入するまでに同様に３℃程度昇温して−９℃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。
【００６３】
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、蒸発温度と吸入管２４内の冷媒および冷凍機油の温度との差を１０℃以内にすることができるとともに、吸入管２４内の冷媒の温度を下げることにより圧縮機２１から吐出される冷媒温度の上昇を１２０℃以内に抑えることができる。
【００６４】
なお、安定時における目標温度Ｔｓが、被冷却室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。すなわち、目標温度Ｔｓが被冷却室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。
【００６５】
そして、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。
【００６６】
また、吸入管２４の断熱を強化して、冷媒が吸入管２４から圧縮機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、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、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。
【００６７】
ここで、吸入管２４内における冷凍機油の動粘度の変化について、図３を用いて説明する。
【００６８】
図３は横軸を温度、縦軸を動粘度とし、冷凍機油および冷凍機油と冷媒の混合物の温度と動粘度の関係を示している。例えば、冷媒重量比＝０％で示した線は冷凍機油の温度と動粘度の関係を示しており、４０℃での動粘度が約１００ｍｍ２／ｓ、１００℃での動粘度が約１６ｍｍ２／ｓである。また、冷凍機油と冷媒の混合物については、混合物中の冷媒の重量比１０％、２０％、３０％、４０％、５０％における温度と動粘度の関係をそれぞれ異なる記号（○、□、◇、△、×）毎にそれを結ぶ線で示している。
【００６９】
また、図３において、線Ａ、線Ｂ、線Ｃ、線Ｄは、それぞれ蒸発温度が−２０℃、−１０℃、０℃、１０℃における吸入管２４内の冷凍機油と、冷媒の混合物の温度と、動粘度の関係を示したものである。これらの線は、それぞれの蒸発温度に相当する冷媒圧力下における冷媒の溶解量を測定した結果から、冷凍機油と冷媒の混合物の動粘度を推定したものである。
【００７０】
これらの線Ａ、線Ｂ、線Ｃ、線Ｄの形状から、吸入管２４内の冷凍機油と冷媒の混合物の温度が常温近傍の２０℃〜４０℃の範囲において、その動粘度は１０ｍｍ２／ｓを大きく越えた極大値を持ち、かつ蒸発温度が低いほど動粘度の極大値が大きくなることがわかる。
【００７１】
これは、蒸発温度が低いほど吸入管２４内の冷媒圧力が低くなることで、冷凍機油に溶解する冷媒量が小さくなり、冷凍機油単独の動粘度に近づくためである。このことから、前記蒸発温度が−２０℃よりさらに低くなると動粘度の極大値がさらに大きくなることが推定される。
【００７２】
この結果から、内部熱交換器を用いて吸入管２４を常温程度まで加温する従来の構成に比べて、蒸発温度と吸入管２４内の冷媒および冷凍機油の温度との差を１０℃以内にする本実施の形態１では、吸入管２４内の冷凍機油と冷媒の混合物の動粘度をほぼ１０ｍｍ２／ｓ以下に抑えることができ、吸入配管２４内での油滞留を防止することができる。したがって、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ができ、能力可変型の圧縮機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ち、冷媒循環量を増大させて冷凍能力の向上を実現できることがわかる。
【００７３】
なお、比較的高い蒸発温度０℃〜２０℃で運転されるカーエアコンと同等の油滞留特性を確保するには、吸入配管２４内の冷凍機油と冷媒の混合物の動粘度を３０ｍｍ２／ｓ以下に保つ必要がある。さらに、冷凍システムを上部に設置した冷蔵庫等の保冷庫の場合は、蒸発器４が圧縮機２１の下側にあり、吸入配管２４の揚程が大きくなるのでさらに低い動粘度１０ｍｍ２／ｓ以下に抑えることが望ましい。
【００７４】
次に、本実施の形態１における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。
【００７５】
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、ｐ、ｑ、ｒ、ｓ、ｔで示す各点は、被冷却室（冷蔵庫の場合は冷蔵室あるいは冷凍室が相当）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’で示す各点は、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。
【００７６】
図４において、安定時は、前記能力可変型の圧縮機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。
【００７７】
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点となって圧縮機２１に還流する。
【００７８】
ここで、蒸発器４で蒸発した冷媒のｓ点の温度は、吸入配管入口温度検知センサー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２８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の断熱構造等によって決まり、また、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圧縮機２１の圧縮機効率でほぼ決まる。これらのことから、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。
【００７９】
なお、室内空気温度Ｔｒの変化に応じて圧縮機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（所定値）に保つことができる。ただし、圧縮機２１を、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。
【００８０】
さらに、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ができ、冷凍効率の向上を図ることができる。
【００８１】
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等の構造を持たないためである。
【００８２】
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。
【００８３】
したがって、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。
【００８４】
一方、電源投入時においては、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。これらの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。
【００８５】
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から圧縮機２１に流入するまでに加熱され、温度Ｔ５のｔ’点となって圧縮機２１に還流する。
【００８６】
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ｒ、ｓ、ｔの各点で示される安定時の低圧圧力よりも高いのは、前述の如く膨張弁制御装置２８により電動膨張弁２２の開度が調整されているためであり、吸入配管入口温度検知センサー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結果である。
【００８７】
また、吸入配管入口温度検知センサー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が高いことに起因して、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。
【００８８】
この結果、電源投入時における圧縮機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を高く保つことにより、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２７により圧縮機２１を増速して冷凍能力を向上することが期待できる。
【００８９】
以上のように、本実施の形態１においては、冷凍システムにアキュームレータと内部熱交換器を搭載しない構成とし、また、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と能力可変型の圧縮機２１を繋ぐ吸入配管２４の入口部の温度を検知する吸入配管入口温度検知センサー２５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と比較して吸入配管入口温度検知センサー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、逆に吸入配管入口温度検知センサー２５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制御を行うものである。
【００９０】
そして、かかる制御により、蒸発温度Ｔｅを制御することが可能となり、その結果、蒸発器４と圧縮機２１を繋ぐ吸入配管の温度の差を１０℃以内に保つことにより、吸入管２４内の冷凍機油と冷媒の混合物の動粘度をほぼ１０ｍｍ２／ｓ以下に抑えることができ、吸入配管２４内での油滞留を防止することができる。さらに、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により、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を高く保つことができ、その結果、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。
【００９１】
なお、本実施の形態１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で示した能力可変型の圧縮機２１から吐出される冷媒温度等の熱物性を改善するために、二酸化炭素に炭化水素等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。
【００９２】
また、本実施の形態１においては、外気温度の影響を受けにくくするために、蒸発器４に近い吸入管２４の入口部に吸入配管入口温度検知センサー２５を備えて、吸入管２４の温度を制御したが、図１において符号２５ａで示す如く前記能力可変型の圧縮機２１に近く、外気温あるいは圧縮機からの熱伝導を受けて最も温度が高くなる吸入管２４の出口付近の温度を検知して吸入管２４の温度を制御してもよい。この場合、外気温度の影響を受けないように、吸入管２４の出口付近の温度を検知するセンサー２５ａを断熱材で被覆することが望ましい。
【００９３】
さらに、本実施の形態１においては、室内空気温度Ｔｒに基づいて圧縮機制御装置２７により能力可変型の圧縮機２１の能力を制御したが、室内温度検知センサー２６を、図１において符号２６ａで示す如く圧縮機２１から吐出される冷媒が通過する吐出配管の温度あるいは、符号２６ｂで示す如く圧縮機２１の外表面の温度を検出するセンサーに置き換え、もしくは付加し、その検出温度が基準値を越えた場合に、前述の制御（膨張弁制御）に優先して所定時間毎に圧縮機２１の能力を低下するように制御することが望ましい。これによって、放熱器７が何らかの原因で放熱能力が低下した場合に、圧縮機２１の能力を低下させ、これに起因して冷凍システムが異常高温となり、圧縮機２１の耐久性が低下するといった弊害が防止できる。
【００９４】
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２における保冷庫の構成模式図である。なお、先の実施の形態１における冷凍システムと同一の構成については同一の符号を付して、詳細な説明は省略する。
【００９５】
図５に示すように、本実施の形態２における保冷庫の冷凍システムは、先の実施の形態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型の圧縮機２１、スパイラルフィン放熱器３０、電動膨張弁２２、蒸発器４を環状に連結し、冷媒循環回路を構成している。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配管入口温度検知センサー２５と、被冷却室である貯蔵室３２の室内空気温度を検知する室内温度センサー２６を備えている。
【００９６】
ここで、スパイラルフィン放熱器３０は、周知の如く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。
【００９７】
また、スパイラルフィン放熱器３０は、１本の冷媒配管を蛇行状に折曲した構成を基本としているため、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、同一放熱能力を有する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。
【００９８】
また、本実施の形態２の保冷庫は、図５に示すように、食品等の熱負荷を冷蔵する貯蔵室３２の上部に機械室３３を設け、能力可変型の圧縮機２１やスパイラルフィン放熱器３０等を配置している。さらに、貯蔵室３２と機械室３３の間に設けた断熱壁３４の中には、蒸発器４や電動膨張弁２２等を配置している。
【００９９】
このように、上部に冷凍システムを設けた業務用冷蔵庫等の保冷庫においては、蒸発器４が圧縮機２１よりも下に配置されることが多く、吸入配管２４の揚程が大きくなることから、吸入配管２４内における冷凍機油と冷媒の混合物における動粘度の挙動が特に重要となる。
【０１００】
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。
【０１０１】
能力可変型の圧縮機２１で圧縮され、吐出された冷媒は、スパイラルフィン放熱器３０で外気と熱交換し、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へ流れ、ここで蒸発する。そして、蒸発器４で蒸発したガス冷媒が圧縮機２１へ還流し、以下前述の流れを繰り返す。
【０１０２】
ここで、スパイラルフィン放熱器３０は、破線矢印で示す如く放熱器ファン７により機械室３３内に導入した空気（外気）の流れとほぼ対向するように配置されている。したがって、スパイラルフィン放熱器３０の内部では、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、簡素かつ安価に冷凍効率を向上することができる。
【０１０３】
また、先の実施の形態１における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の蒸発温度と吸入配管入口温度検知センサー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２８によりその絞り量が最適制御されるものである。
【０１０４】
この結果、内部熱交換器を用いて吸入管２４を常温程度まで加温する従来の構成に比べて、蒸発温度と吸入管２４内の冷媒および冷凍機油の温度との差を１０℃以内にする本実施の形態２では、吸入管２４内の冷凍機油と冷媒の混合物の動粘度をほぼ１０ｍｍ２／ｓ以下に抑えることができ、吸入配管２４内での油の滞留を防止することができる。
【０１０５】
また、先の実施の形態１における冷凍システムと同様に、能力可変型の圧縮機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２７によりその回転数が最適制御されるものである。
【０１０６】
以上のように、本実施の形態２においては、先の実施の形態１における冷凍システムと同様に、冷凍システムに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と能力可変型の圧縮機２１を繋ぐ吸入配管２４の入口部の温度を検知する吸入配管入口温度検知センサー２５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と比較して、吸入配管入口温度検知センサー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、逆に吸入配管入口温度検知センサー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制御を行い、蒸発温度Ｔｅを制御することによって、蒸発器４と圧縮機２１を繋ぐ吸入配管２４の温度の差を１０℃以内に保つことができる。
【０１０７】
その結果、吸入管２４内の冷凍機油と冷媒の混合物の動粘度をほぼ１０ｍｍ２／ｓ以下に抑えることができ、機械室３３を上部に配置した構成において、大きな揚程を持つ吸入配管２４内での油の滞留を防止することができるとともに、電源投入時および安定時における圧縮機２１の吐出冷媒の温度を略一定に保つことが可能となり、これにより圧縮機２１の耐久性を損なうことがなく、また、電源投入時に蒸発温度Ｔｅを高く保つことがかのうとなり、これにより冷媒循環量を増大させ、冷凍能力の向上を図ることができる。
【０１０８】
なお、本実施の形態２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等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。かかる構成とすれば、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ができ、さらに冷凍効率の向上を図ることが期待できる。
【０１０９】
なお、本発明は、実施の形態の保冷庫に限るものではなく、冷蔵庫、冷凍庫あるいは自動販売機等の貯蔵装置にも適用できるものである。
【産業上の利用可能性】
【０１１０】
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貯蔵装置は、吸入配管内での油の滞留を防止することができるとともに、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ができ、これにより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における冷凍効率等の冷凍システム性能の向上を図ることができる。したがって、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、自動販売機等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】
【０１１１】
【図１】本発明の実施の形態１における冷凍システムの冷媒回路図
【図２】同実施の形態１における冷凍システムの制御基準線を示す図
【図３】同実施の形態１における冷凍システムの冷凍機油の動粘度特性を示す図
【図４】同実施の形態１におけ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にける保冷庫の構成模式図
【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】
【０１１２】
２    放熱器
４    蒸発器
２１  圧縮機（能力可変型の圧縮機）
２２  電動膨張弁
２４  吸入管
２３  蒸発温度検知センサー
２５  吸入配管入口温度検知センサー
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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