(57)【要約】【課題】中間圧インジェクション管及びエコノマイザ熱交換器を有するコンテナ用冷凍装置において、冷媒として二酸化炭素を使用した超臨界冷凍サイクルを採用するにあたり、高外気条件においても、中間圧インジェクションによって圧縮機の吐出温度を下げる効果を十分に得る。【解決手段】コンテナ用冷凍装置（１）は、圧縮機（２１）とガスクーラ（２２）と膨張機構（２３）と蒸発器（２４）とが順次接続されるとともに、中間圧インジェクション管（４０）及びエコノマイザ熱交換器（３９）が設けられた冷媒回路（１０）を有し、冷媒として二酸化炭素を使用した超臨界冷凍サイクルを行う。中間圧インジェクション管（４０）は、ガスクーラ（２２）と膨張機構（２３）との間を流れる冷媒がエコノマイザ熱交換器（３９）において冷却された後に、この冷媒の一部を分岐するように設けられている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機（２１）とガスクーラ（２２）と膨張機構（２３）と蒸発器（２４）とが順次接続されるとともに、前記ガスクーラの出口と前記膨張機構との間を流れる冷媒の一部を分岐して前記圧縮機の圧縮過程の途中に戻す中間圧インジェクション管（４０）、及び、前記中間圧インジェクション管を流れる冷媒によって前記ガスクーラの出口と前記膨張機構との間を流れる冷媒を冷却するエコノマイザ熱交換器（３９）がさらに設けられた冷媒回路（１０）を有するコンテナ用冷凍装置において、
前記冷媒回路は、冷媒として二酸化炭素を使用しており、前記圧縮機から吐出される冷媒の圧力が冷媒の臨界圧力を超える圧力になる超臨界冷凍サイクルを行うものであり、
前記中間圧インジェクション管は、前記ガスクーラの出口と前記膨張機構との間を流れる冷媒が前記エコノマイザ熱交換器において冷却された後に前記ガスクーラの出口と前記膨張機構との間を流れる冷媒の一部を分岐する熱交後分岐を行うように設けられている、
コンテナ用冷凍装置（１）。
【請求項２】
前記中間圧インジェクション管（４０）は、前記熱交後分岐と、前記ガスクーラ（２２）の出口と前記膨張機構（２３）との間を流れる冷媒が前記エコノマイザ熱交換器（３９）において冷却される前に前記ガスクーラの出口と前記膨張機構との間を流れる冷媒の一部を分岐する熱交前分岐と、を切り換えて行うことができるように設けられている、
請求項１に記載のコンテナ用冷凍装置（１）。
【請求項３】
前記中間圧インジェクション管（４０）は、庫外温度が所定の高外気閾庫外温度まで上昇する、又は、前記冷媒回路（１０）を流れる冷媒の状態量が前記高外気閾庫外温度に相当する高外気閾状態値まで到達する高外気条件を満たすまでは、前記熱交前分岐に切り換えられ、前記高外気条件を満たすと、前記熱交後分岐に切り換えられる、
請求項２に記載のコンテナ用冷凍装置（１）。
【請求項４】
前記高外気条件の指標として使用される前記状態量及び前記高外気閾状態値は、前記ガスクーラ（２２）の出口温度及び所定の高外気閾ガスクーラ出口温度、又は、前記圧縮機（２１）の吐出温度及び所定の高外気閾吐出温度である、
請求項３に記載のコンテナ用冷凍装置（１）。
【請求項５】
前記中間圧インジェクション管（４０）は、前記高外気条件を満たす場合であっても、庫内温度が所定の低内気閾庫内温度まで低下する、又は、前記冷媒回路（１０）を流れる冷媒の状態量が前記低内気閾庫内温度に相当する低内気閾状態値まで到達する低内気条件を満たさない場合には、前記熱交前分岐に切り換え、前記高外気条件及び前記低内気条件の両方を満たす場合に、前記熱交後分岐に切り換えられる、
請求項３又は４に記載のコンテナ用冷凍装置（１）。
【請求項６】
前記低内気条件の指標として使用される前記状態量及び前記低内気閾状態値は、前記冷媒回路（１０）の蒸発温度及び所定の低蒸発閾温度、又は、前記圧縮機（２１）の吸入圧力及び所定の低蒸発閾吸入圧力である、
請求項５に記載のコンテナ用冷凍装置（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンテナ用冷凍装置、特に、中間圧インジェクション管及びエコノマイザ熱交換器を有するコンテナ用冷凍装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のコンテナ用冷凍装置として、特許文献１（特開２０１１−１１２２７０号公報）に示すように、圧縮機と凝縮器と膨張機構と蒸発器とが順次接続されるとともに、過冷却バイパス回路及びプレート熱交換器がさらに設けられた冷媒回路を有するものがある。中間圧インジェクション管としての過冷却バイパス回路は、凝縮器の出口と膨張機構との間を流れる冷媒がエコノマイザ熱交換器において冷却される前に凝縮器の出口と膨張機構との間を流れる冷媒の一部を分岐して圧縮機の圧縮過程の途中に戻すように設けられている。また、エコノマイザ熱交換器としてのプレート熱交換器は、中間圧インジェクション管を流れる冷媒によって凝縮器の出口と膨張機構との間を流れる冷媒を冷却するように設けられている。そして、このコンテナ用冷凍装置では、中間圧インジェクション管及びエコノマイザ熱交換器によって、凝縮器の出口と膨張機構との間を流れる冷媒の一部を分岐して圧縮機の圧縮過程の途中に戻す中間圧インジェクションを行い、圧縮機の吐出温度を下げるようにしている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記の中間圧インジェクション管及びエコノマイザ熱交換器を有するコンテナ用冷凍装置では、従来からフロン系冷媒が使用されているが、近年、環境問題の観点から、フロン系冷媒を二酸化炭素のような自然冷媒に変更することが考えられている。
【０００４】
しかし、コンテナ用冷凍装置において、冷媒として二酸化炭素を使用すると、圧縮機から吐出される冷媒の圧力が冷媒の臨界圧力を超える圧力となる超臨界冷凍サイクルになる。そうすると、圧縮機から吐出された高圧の冷媒は、ガスクーラとしての凝縮器において冷却されても凝縮しなくなるため、コンテナの庫外温度が非常に高くなる高外気条件において、ガスクーラの出口における冷媒のエンタルピが大きくなり、冷凍能力が小さくなりやすくなる。
【０００５】
このため、中間圧インジェクション管及びエコノマイザ熱交換器を有するコンテナ用冷凍装置において、冷媒として二酸化炭素を使用した超臨界冷凍サイクルを採用すると、中間圧インジェクションを行っても、中間圧インジェクション管を通じてエコノマイザ熱交換器に流入する冷媒の乾き度が大きくなるため、圧縮機の吐出温度を下げる効果が得られにくくなる。そうすると、圧縮機の吐出温度が過度に上昇してしまい、圧縮機の信頼性が損なわれるおそれがある。ここで、コンテナ用冷凍装置は、海上コンテナや陸上コンテナに設けられるため、通常の建物等に設置される空気調和装置や冷凍装置に比べて、非常に過酷な高温条件で使用される場合がある。それにもかかわらず、庫内の冷凍状態を維持するために運転を継続することが要求されるため、圧縮機の信頼性を確保することが非常に重要である。
【０００６】
本発明の課題は、中間圧インジェクション管及びエコノマイザ熱交換器を有するコンテナ用冷凍装置において、冷媒として二酸化炭素を使用した超臨界冷凍サイクルを採用するにあたり、高外気条件においても、中間圧インジェクションによって圧縮機の吐出温度を下げる効果を十分に得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の観点にかかるコンテナ用冷凍装置は、圧縮機とガスクーラと膨張機構と蒸発器とが順次接続されるとともに、中間圧インジェクション管及びエコノマイザ熱交換器がさらに設けられた冷媒回路を有している。冷媒回路は、冷媒として二酸化炭素を使用しており、圧縮機から吐出される冷媒の圧力が冷媒の臨界圧力を超える圧力になる超臨界冷凍サイクルを行うものである。中間圧インジェクション管は、ガスクーラの出口と膨張機構との間を流れる冷媒の一部を分岐して圧縮機の圧縮過程の途中に戻す冷媒管である。エコノマイザ熱交換器は、中間圧インジェクション管を流れる冷媒によってガスクーラの出口と膨張機構との間を流れる冷媒を冷却する熱交換器である。そして、中間圧インジェクション管は、ガスクーラの出口と膨張機構との間を流れる冷媒がエコノマイザ熱交換器において冷却された後にガスクーラの出口と膨張機構との間を流れる冷媒の一部を分岐する熱交後分岐を行うように設けられている。尚、「圧縮機の圧縮過程の途中」とは、圧縮機が多段圧縮構成である場合には、「中間段の吸入側」を意味する。また、圧縮機が中間圧の冷媒を圧縮過程の途中に導入することが可能な構成である場合には、「中間圧ポート」を意味する。
【０００８】
中間圧インジェクション管及びエコノマイザ熱交換器を有するコンテナ用冷凍装置において、性能面だけを考慮すると、エコノマイザ熱交換器を流れる冷媒の流量を少なくして、エコノマイザ熱交換器における圧力損失及び熱負荷を小さくすることが好ましい。このため、従来のコンテナ用冷凍装置のように、中間圧インジェクション管を、ガスクーラの出口と膨張機構との間を流れる冷媒がエコノマイザ熱交換器において冷却される前に、この冷媒の一部を分岐させる熱交前分岐を行うように設けることが好ましい。これにより、エコノマイザ熱交換器を流れる冷媒の流量が少なくなり、エコノマイザ熱交換器における圧力損失及び熱負荷を小さくすることができるからである。
【０００９】
しかし、中間圧インジェクション管及びエコノマイザ熱交換器を有するコンテナ用冷凍装置では、上記のように、冷媒として二酸化炭素を使用した超臨界冷凍サイクルを採用するにあたり、高外気条件においても、中間圧インジェクションによって圧縮機の吐出温度を下げる効果を十分に得るという課題がある。
【００１０】
そこで、このコンテナ用冷凍装置では、従来のコンテナ用冷凍装置とは異なり、上記のように、中間圧インジェクション管を、ガスクーラの出口と膨張機構との間を流れる冷媒がエコノマイザ熱交換器において冷却された後に、この冷媒の一部を分岐する熱交後分岐を行うように設けるようにしている。
【００１１】
これにより、中間圧インジェクション管が熱交前分岐を行うように設けられる場合に比べて、エコノマイザ熱交換器を流れる冷媒の流量が多くなるが、中間圧インジェクション管に分岐される冷媒の温度が低くなる。そうすると、中間圧インジェクション管を通じてエコノマイザ熱交換器に流入する冷媒の乾き度が小さくなるため、中間圧インジェクションによって圧縮機の圧縮過程の途中における冷媒の過熱度を小さくする効果が大きくなる。その結果、圧縮機の吐出温度を下げる効果も大きくなるため、圧縮機の吐出温度が過度に上昇することを抑えて、圧縮機の信頼性を確保することができる。
【００１２】
このように、このコンテナ用冷凍装置では、中間圧インジェクション管を熱交後分岐を行うように設けることによって、中間圧インジェクションによって圧縮機の吐出温度を下げる効果が十分に得られるようにしている。これにより、このコンテナ用冷凍装置では、冷媒として二酸化炭素を使用した超臨界冷凍サイクルを採用するにあたり、高外気条件においても、中間圧インジェクションによって圧縮機の吐出温度を下げる効果を十分に得ることができる。
【００１３】
第２の観点にかかるコンテナ用冷凍装置は、第１の観点にかかるコンテナ用冷凍装置において、中間圧インジェクション管が、熱交後分岐と、ガスクーラの出口と膨張機構との間を流れる冷媒がエコノマイザ熱交換器において冷却される前にガスクーラの出口と膨張機構との間を流れる冷媒の一部を分岐する熱交前分岐と、を切り換えて行うことができるように設けられている。
【００１４】
上記のように、中間圧インジェクション管及びエコノマイザ熱交換器を有するコンテナ用冷凍装置においては、性能面を考慮すると、熱交前分岐を行うように中間圧インジェクション管を設けることが好ましく、圧縮機の吐出温度の上昇の抑制を考慮すると、熱交後分岐を行うように中間圧インジェクション管を設けることが好ましい。すなわち、中間圧インジェクション管及びエコノマイザ熱交換器を有するコンテナ用冷凍装置では、中間圧インジェクション管の分岐位置に関して、熱交後分岐が好ましい運転条件と、熱交前分岐が好ましい運転条件とが存在するということである。
【００１５】
そこで、このコンテナ用冷凍装置では、熱交後分岐と熱交前分岐とを切り換えることができるように中間圧インジェクション管を設けるようにしている。
【００１６】
これにより、このコンテナ用冷凍装置では、運転条件に応じて、熱交後分岐と熱交前分岐とを適切に切り換えることができる。
【００１７】
第３の観点にかかるコンテナ用冷凍装置は、第２の観点にかかるコンテナ用冷凍装置において、中間圧インジェクション管が、庫外温度が所定の高外気閾庫外温度まで上昇する、又は、冷媒回路を流れる冷媒の状態量が高外気閾庫外温度に相当する高外気閾状態値まで到達する高外気条件を満たすまでは、熱交前分岐に切り換えられ、高外気条件を満たすと、熱交後分岐に切り換えられる。
【００１８】
このコンテナ用冷凍装置では、庫外温度が高外気閾庫外温度まで上昇する等の高外気条件を満たすまでは、中間圧インジェクション管を熱交前分岐に切り換えることによって、性能面を優先することができる。そして、高外気条件を満たす場合だけ、中間圧インジェクション管を熱交後分岐に切り換えることによって、圧縮機の吐出温度の上昇の抑制を優先することができる。
【００１９】
これにより、このコンテナ用冷凍装置では、中間圧インジェクション管を熱交後分岐に切り換える条件を高外気条件に限定し、基本的には中間圧インジェクション管を熱交前分岐に切り換えるようにして、主として性能面を優先した運転を行うことができる。
【００２０】
第４の観点にかかるコンテナ用冷凍装置は、第３の観点にかかるコンテナ用冷凍装置において、高外気条件の指標として使用される状態量及び高外気閾状態値が、ガスクーラの出口温度及び所定の高外気閾ガスクーラ出口温度、又は、圧縮機の吐出温度及び所定の高外気閾吐出温度である。
【００２１】
このコンテナ用冷凍装置では、高外気条件の指標として使用される状態量及び高外気閾状態値として、ガスクーラの出口温度及び高外気閾ガスクーラ出口温度、又は、圧縮機の吐出温度及び高外気閾吐出温度を使用しているため、高外気条件に到達したかどうかを適切に判定することができる。
【００２２】
第５の観点にかかるコンテナ用冷凍装置は、第３又は第４の観点にかかるコンテナ用冷凍装置において、中間圧インジェクション管が、高外気条件を満たす場合であっても、庫内温度が所定の低内気閾庫内温度まで低下する、又は、冷媒回路を流れる冷媒の状態量が低内気閾庫内温度に相当する低内気閾状態値まで到達する低内気条件を満たさない場合には、熱交前分岐に切り換え、高外気条件及び低内気条件の両方を満たす場合に、熱交後分岐に切り換えられる。
【００２３】
庫内温度が低内気閾庫内温度まで低下する等の低内気条件を満たさない場合には、圧縮機の吐出温度の過度な上昇が発生しないことが多い。
【００２４】
そこで、このコンテナ用冷凍装置では、中間圧インジェクション管を熱交後分岐に切り換える条件を高外気条件及び低内気条件の両方を満たす場合に限定するようにしている。
【００２５】
これにより、このコンテナ用冷凍装置では、圧縮機の吐出温度の過度な上昇の発生のおそれが非常に高い場合だけ、中間圧インジェクション管を熱交後分岐に切り換えることができる。
【００２６】
第６の観点にかかるコンテナ用冷凍装置は、第５の観点にかかるコンテナ用冷凍装置において、低内気条件の指標として使用される状態量及び低内気閾状態値が、冷媒回路の蒸発温度及び所定の低蒸発閾温度、又は、圧縮機の吸入圧力及び所定の低蒸発閾吸入圧力である。
【００２７】
このコンテナ用冷凍装置では、低外気条件の指標として使用される状態量及び低内気閾状態値として、冷媒回路の蒸発温度及び低蒸発閾温度、又は、圧縮機の吸入圧力及び低蒸発閾吸入圧力を使用しているため、低外気条件に到達したかどうかを適切に判定することができる。
【発明の効果】
【００２８】
以上の説明に述べたように、本発明によれば、以下の効果が得られる。
【００２９】
第１の観点にかかるコンテナ用冷凍装置では、冷媒として二酸化炭素を使用した超臨界冷凍サイクルを採用するにあたり、高外気条件においても、中間圧インジェクションによって圧縮機の吐出温度を下げる効果を十分に得ることができる。
【００３０】
第２の観点にかかるコンテナ用冷凍装置では、運転条件に応じて、熱交後分岐と熱交前分岐とを適切に切り換えることができる。
【００３１】
第３の観点にかかるコンテナ用冷凍装置では、中間圧インジェクション管を熱交後分岐に切り換える条件を高外気条件に限定し、基本的には中間圧インジェクション管を熱交前分岐に切り換えるようにして、主として性能面を優先した運転を行うことができる。
【００３２】
第４の観点にかかるコンテナ用冷凍装置では、高外気条件に到達したかどうかを適切に判定することができる。
【００３３】
第５の観点にかかるコンテナ用冷凍装置では、圧縮機の吐出温度の過度な上昇の発生のおそれが非常に高い場合だけ、中間圧インジェクション管を熱交後分岐に切り換えることができる。
【００３４】
第６の観点にかかるコンテナ用冷凍装置では、低外気条件に到達したかどうかを適切に判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施形態にかかるコンテナ用冷凍装置が設けられたコンテナの外観を示す分解斜視図である。
【図２】コンテナ用冷凍装置の概略正面図である。
【図３】コンテナ用冷凍装置の概略側面図である。
【図４】コンテナ用冷凍装置の概略冷媒回路図である。
【図５】コンテナ用冷凍装置の制御ブロック図である。
【図６】通常運転時の冷凍サイクルが図示された圧力−エンタルピ線図である。
【図７】中間圧インジェクション管を熱交前分岐を行うように設けた場合の冷媒回路図の要部である。
【図８】中間圧インジェクション管を熱交前分岐を行うように設けた場合の冷凍サイクルが図示された圧力−エンタルピ線図である。
【図９】中間圧インジェクション管を熱交後分岐を行うように設けた場合の冷凍サイクルが図示された圧力−エンタルピ線図（高外気条件）である。
【図１０】中間圧インジェクション管を熱交前分岐を行うように設けた場合の冷凍サイクルが図示された圧力−エンタルピ線図（高外気条件）である。
【図１１】変形例にかかるコンテナ用冷凍装置の概略冷媒回路図である。
【図１２】熱交後分岐と熱交前分岐の切り換え制御のフローチャートである。
【図１３】熱交後分岐と熱交前分岐の切り換え構成の変形例を示す冷媒回路図の要部である。
【図１４】熱交後分岐と熱交前分岐の切り換え構成の変形例を示す冷媒回路図の要部である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、本発明のコンテナ用冷凍装置の実施形態及びその変形例について、図面に基づいて説明する。尚、本発明のコンテナ用冷凍装置の具体的な構成は、下記の実施形態及びその変形例に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
【００３７】
（１）コンテナ用冷凍装置の構成
図１〜図５は、本発明の一実施形態にかかるコンテナ用冷凍装置１を示している。ここで、図１は、コンテナ用冷凍装置１が設けられたコンテナ２の外観を示す分解斜視図である。図２は、コンテナ用冷凍装置１の概略正面図である。図３は、コンテナ用冷凍装置１の概略側面図である。図４は、コンテナ用冷凍装置１の概略冷媒回路図である。図５は、コンテナ用冷凍装置１の制御ブロック図である。
【００３８】
コンテナ用冷凍装置１は、海上コンテナや陸上コンテナとして取り扱われるコンテナ２の開口面２ａに装着されており、蒸気圧縮式の冷凍サイクル運転を行うことによって、冷却対象物が収容されたコンテナ２の庫内ＩＳを−２０℃〜−３０℃程度の低温まで冷却する装置である。コンテナ用冷凍装置１は、主として、コンテナ２の開口面２ａを覆うフレーム３と、冷媒回路１０と、庫外ファン３６と、庫内ファン３７とを有している。
【００３９】
フレーム３は、その下部がコンテナ２の庫内ＩＳ側に向かって突出した形状を有しており、フレーム３の庫外ＯＳ側の下部には、ガスクーラファンとしての庫外ファン３６、冷媒回路１０を構成する圧縮機２１やガスクーラ２２等が配置される庫外側空間Ｓ１を形成している。また、フレーム３の庫内ＩＳ側には、フレーム３と間隔を空けて仕切板４が配置されている。この仕切板４は、サポート（図示せず）を介してフレーム３に装着されている。そして、フレーム３と仕切板４との間には、庫内ファン３７、冷媒回路１０を構成する蒸発器２３等が配置される庫内側空間Ｓ２を形成している。また、仕切板４の上部には、コンテナ２の庫内ＩＳの空気を庫内側空間Ｓ２に吸入するための吸入口４ａが形成されており、仕切板４の下部には、庫内側空間Ｓ２の空気を庫内ＩＳに吹き出すための吹出口４ｂが形成されている。
【００４０】
冷媒回路１０は、主として、圧縮機２１と、ガスクーラ２２と、膨張機構２３と、蒸発器２４とを有しており、これらの機器２１〜２４等が順次接続されることによって構成されている。そして、冷媒回路１０は、冷媒として二酸化炭素を使用しており、圧縮機２１から吐出される冷媒の圧力（すなわち、冷凍サイクルにおける高圧）が冷媒の臨界圧力を超える圧力になる超臨界冷凍サイクルを行うものである。また、冷媒として二酸化炭素を使用しているため、冷凍機油として、ポリアルキレングリコール（ＰＡＧ）等の相溶性の小さい冷凍機油が使用されている。このため、圧縮機２１の吸入側における冷媒と冷凍機油との二層分離が発生することを防ぐという観点から、圧縮機２１の吸入側には、冷媒を一時的に溜めるアキュムレータを設けない構成を採用している。
【００４１】
圧縮機２１は、冷媒を圧縮（ここでは、冷媒の臨界圧力を超える圧力になるまで圧縮）する機器であり、庫外側空間Ｓ１に配置されている。圧縮機２１は、主として、低段側圧縮機２１ａと、高段側圧縮機２１ｂとを有している。低段側圧縮機２１ａは、ロータリ式やスクロール式等の容積式の圧縮要素（図示せず）を低段側圧縮機モータ３１ａによって回転駆動する密閉式構造となっている。また、高段側圧縮機２１ｂは、ロータリ式やスクロール式等の容積式の圧縮要素（図示せず）を高段側圧縮機モータ３１ｂによって回転駆動する密閉式構造となっている。ここでは、圧縮機モータ３１ａ、３１ｂとして、インバータにより制御される回転数（周波数）可変式のモータが使用されている。低段側圧縮機２１ａは、吸入側に吸入冷媒管３２が接続されており、吐出側に中間冷媒管３３が接続されている。高段側圧縮機２１ｂは、吸入側に中間冷媒管３３が接続されており、吐出側に吐出冷媒管３４が接続されている。これにより、低段側圧縮機２１ａと高段側圧縮機２１ｂとは、直列に接続されており、冷媒を順次圧縮する多段（ここでは、２段）圧縮機を構成している。また、中間冷媒管３３には、低段側逆止機構３３ａが設けられており、吐出冷媒管３４には、高段側逆止機構３４ａが設けられている。低段側逆止機構３３ａは、低段側圧縮機２１ａの吐出側から高段側圧縮機２１ｂの吸入側への冷媒の流れを許容し、かつ、高段側圧縮機２１ｂの吸入側から低段側圧縮機２１ａの吐出側への冷媒の逆流れを遮断するための機構である。高段側逆止機構３４ａは、高段側圧縮機２１ｂの吐出側からガスクーラ２２の入口側への冷媒の流れを許容し、かつ、ガスクーラ２２の入口側から高段側圧縮機２１ａの吐出側への冷媒の逆流れを遮断するための機構である。ここでは、逆止機構３３ａ、３４ａとして、逆止弁が使用されている。尚、ここでは、圧縮機２１として、２段圧縮機を採用しているが、３段以上の多段圧縮機であってもよいし、中間圧の冷媒を圧縮過程の途中に導入することが可能な中間圧ポートを有する単段圧縮機であってもよい。また、ここでは、１つの圧縮要素に１つの駆動モータが連結された２つの圧縮機２１ａ、２１ｂを直列接続することによって多段圧縮機を構成しているが、複数の圧縮要素を共通の駆動モータによって連結することによって多段圧縮機を構成してもよい。
【００４２】
ガスクーラ２２は、圧縮機２１において圧縮された高圧の冷媒の放熱を行う機器であり、庫外側空間Ｓ１に配置されている。ガスクーラ２２は、ここでは、伝熱管と多数のフィンとにより構成された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り、庫外空気を冷却源として高圧の冷媒の放熱を行うようになっている。ガスクーラ２２は、入口が吐出冷媒管３４に接続されており、出口が液冷媒管３５に接続されている。そして、ガスクーラ２２の冷却源としての庫外空気は、庫外ファン３６によって供給されるようになっている。庫外ファン３６は、庫外側空間Ｓ１に配置されており、ここでは、プロペラファンが使用されている。庫外ファン３６は、庫外ファンモータ３６ａによって回転駆動されるようになっている。尚、ここでは、ガスクーラ２２として、クロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器を採用しているが、他の型式の熱交換器であってもよい。
【００４３】
膨張機構２３は、ガスクーラ２２において放熱した高圧の冷媒を冷凍サイクルにおける低圧になるまで減圧するための機構であり、庫内側空間Ｓ２に配置されている。膨張機構２３は、液冷媒管３５に設けられており、主として、冷媒を減圧する上流側膨張機構２５と、上流側膨張機構２５において減圧された冷媒を減圧する下流側膨張機構２６とを有している。具体的には、上流側膨張機構２５は、ガスクーラ２２において放熱した後の高圧の冷媒を冷凍サイクルにおける中間圧になるまで減圧するための機構である。下流側膨張機構２６は、上流側膨張機構２５において減圧された後の中間圧の冷媒を低圧になるまで減圧するための機構である。ここでは、膨張機構２５、２６として、電動膨張弁が使用されている。
【００４４】
また、液冷媒管３５には、上流側膨張機構２５と下流側膨張機構２６との間の部分に、上流側膨張機構２５において減圧された冷媒を貯留する中間圧レシーバ２７が設けられている。中間圧レシーバ２７は、ここでは、円筒形状の容器であり、庫内側空間Ｓ２に配置されている。中間圧レシーバ２７に流入する中間圧の冷媒は、上流側膨張機構２５において冷媒の臨界圧力以下の圧力まで減圧されて飽和状態又は気液二相状態になっているため、液状態で中間圧レシーバ２７に貯留されることになる。
【００４５】
また、液冷媒管３５及び吸入冷媒管３２には、ガスクーラ２２の出口と膨張機構２３（ここでは、上流側膨張機構２５）との間の部分に、蒸発器２４の出口と圧縮機２１の吸入側との間を流れる冷媒（すなわち、低圧側冷媒）によって、ガスクーラ２２の出口から上流側膨張機構２５に至るまでの間を流れる冷媒（すなわち、高圧側冷媒）を冷却する液ガス熱交換器２８が設けられている。液ガス熱交換器２８は、庫内側空間Ｓ２に配置されている。液ガス熱交換器２８は、ここでは、プレート型熱交換器であり、高圧側流路２８ａを流れる冷媒と低圧側流路２８ｂを流れる冷媒とが熱交換するようになっている。高圧側流路２８ａには、液冷媒管３５のガスクーラ２２の出口側と上流側膨張機構２５との間の部分を流れる高圧の冷媒（すなわち、高圧側冷媒）が流れるようになっている。低圧圧側流路２８ｂには、吸入冷媒管３２の蒸発器２４の出口と圧縮機２１の吸入側との間の部分を流れる低圧の冷媒（すなわち、低圧側冷媒）が流れるようになっている。尚、ここでは、液ガス熱交換器２８として、プレート型熱交換器を採用しているが、他の型式の熱交換器であってもよい。
【００４６】
蒸発器２４は、膨張機構２３において減圧された低圧の冷媒の蒸発を行う機器であり、庫内側空間Ｓ２に配置されている。そして、圧縮機２１は、庫外側空間Ｓ１において、蒸発器２４の略真下側に配置されている。蒸発器２４は、ここでは、伝熱管と多数のフィンとにより構成された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り、庫内空気を加熱源として低圧の冷媒の蒸発を行い、これにより、庫内空気を冷却するようになっている。蒸発器２４は、入口が液冷媒管３５に接続されており、出口が吸入冷媒管３２に接続されている。そして、蒸発器２４の加熱源としての庫内空気は、庫内ファン３７によって供給されるようになっている。庫内ファン３７は、庫内側空間Ｓ２に配置されており、ここでは、２つのプロペラファンが使用されている。庫内ファン３７は、庫内ファンモータ３７ａによって回転駆動されるようになっている。尚、ここでは、蒸発器２４として、クロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器を採用しているが、他の型式の熱交換器であってもよい。
【００４７】
また、中間冷媒管３３には、低段側圧縮機２１ａから吐出された冷媒の放熱を行うインタークーラ３８が設けられている。インタークーラ３８は、庫外側空間Ｓ１に配置されている。インタークーラ３８は、ここでは、伝熱管と多数のフィンとにより構成された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り、庫外空気を冷却源として低段側圧縮機２１ａから吐出された冷媒の放熱を行うようになっている。また、ここでは、インタークーラ３８は、ガスクーラ２２と一体化している。そして、インタークーラ３８の冷却源としての庫外空気は、ガスクーラ２２と同様に、庫外ファン３６によって供給されるようになっている。尚、ここでは、インタークーラ３８として、クロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器を採用しているが、他の型式の熱交換器であってもよい。
【００４８】
また、液冷媒管３５には、ガスクーラ２２の出口と液ガス熱交換器２８の入口との間の部分に、ガスクーラ２２の出口から膨張機構２３（ここでは、上流側膨張機構２５）に至るまでの間を流れる冷媒を冷却するエコノマイザ熱交換器３９が設けられている。エコノマイザ熱交換器３９は、庫外側空間Ｓ１に配置されている。エコノマイザ熱交換器３９は、ここでは、プレート型熱交換器であり、高圧側流路３９ａを流れる冷媒と中間圧側流路３９ｂを流れる冷媒とが熱交換するようになっている。高圧側流路３９ａには、液冷媒管３５のガスクーラ２２の出口側と液ガス熱交換器２８の入口側との間の部分を流れる高圧の冷媒（すなわち、高圧側冷媒）が流れるようになっている。中間圧側流路３９ｂには、液冷媒管３５のガスクーラ２２の出口側と液ガス熱交換器２８の入口側との間の部分から分岐された中間圧インジェクション管４０を流れる中間圧の冷媒（すなわち、中間圧側冷媒）が流れるようになっている。すなわち、エコノマイザ熱交換器３９は、中間圧インジェクション管４０を流れる中間圧側冷媒によってガスクーラ２２の出口と液ガス熱交換器２８の入口との間を流れる高圧側冷媒を冷却する熱交換器となっている。中間圧インジェクション管４０は、ここでは、液冷媒管３５のエコノマイザ熱交換器３９の高圧側流路３９ａの出口側と液ガス熱交換器２８の高圧側流路２８ａの入口側との間の部分から分岐している。すなわち、中間圧インジェクション管４０は、ガスクーラ２２の出口と上流側膨張機構２５との間を流れる冷媒がエコノマイザ熱交換器３９において冷却された後にガスクーラ２２の出口と上流側膨張機構２５との間を流れる冷媒の一部を分岐する熱交後分岐を行うように設けられている。尚、中間圧インジェクション管４０は、液冷媒管３５の液ガス熱交換器２８の高圧側流路２８ａの出口側と上流側膨張機構２５との間の部分から分岐していてもよい。また、中間圧インジェクション管４０は、中間冷媒管３３のインタークーラ３８の出口側と圧縮機２１の圧縮過程の途中である高段側圧縮機２１ｂの吸入との間の部分に合流している。そして、中間圧インジェクション管４０には、中間圧側流路３９ｂの入口側の部分に、中間圧戻し膨張機構４１が設けられている。中間圧戻し膨張機構４１は、中間圧インジェクション管４０に分岐された高圧の冷媒を中間圧になるまで減圧するための機構であり、庫外側空間Ｓ１に配置されている。ここでは、中間圧戻し膨張機構４１として、電動膨張弁が使用されている。尚、ここでは、エコノマイザ熱交換器３９として、プレート型熱交換器を採用しているが、他の型式の熱交換器であってもよい。
【００４９】
また、吐出冷媒管３４には、高段側逆止機構３４ａとガスクーラ２２の入口との間の部分に、蒸発器２４の除霜運転等の際に開閉又は開度調節される吐出流量調整機構４２が設けられている。吐出流量調整機構４２は、庫外側空間Ｓ１に配置されている。ここでは、吐出流量調整機構４２として、電動膨張弁が使用されている。また、吐出冷媒管３４には、高段側逆止機構３４ａと吐出流量調整機構４２との間の部分から、加熱用冷媒管４３が分岐されている。加熱用冷媒管４３は、液冷媒管３５の下流側膨張機構２６と蒸発器２４との間の部分に合流している。加熱用冷媒管４３には、電磁弁からなる除霜側開閉機構４４が設けられている。これにより、吐出流量調整機構４２を閉止し、かつ、除霜側開閉機構４４を開けることによって、圧縮機２１から吐出された高圧の冷媒を、蒸発器２４に直接的に供給して、蒸発器２４の除霜運転を行うことができる。尚、ここでは、蒸発器２４の除霜運転等のために、加熱用冷媒管４３及び吐出流量調整機構４２を冷媒回路１０に設けるようにしているが、除霜運転等のための構成はこれに限定されるものではなく、他の構成よって除霜運転等を行うようにしてもよい。
【００５０】
このように、コンテナ用冷凍装置１は、冷媒として二酸化炭素を使用した超臨界冷凍サイクルを採用しており、中間圧インジェクション管４０及びエコノマイザ熱交換器３９を有している。そして、ここでは、中間圧インジェクション管４０が、ガスクーラ２２の出口と膨張機構２３との間を流れる冷媒がエコノマイザ熱交換器３９において冷却された後にガスクーラ２２の出口と膨張機構２３との間を流れる冷媒の一部を分岐する熱交後分岐を行うように設けられている。
【００５１】
また、コンテナ用冷凍装置１には、各種のセンサやスイッチが設けられている。具体的には、吸入冷媒管３２には、圧縮機２１（低段側圧縮機２１ａ）に吸入される低圧の冷媒の圧力Ｐｓを検出する吸入圧力センサ５１が設けられている。ここで、吸入圧力センサ５１によって検出される低圧の冷媒の圧力Ｐｓを冷媒の飽和温度に換算することによって、冷媒回路１０の蒸発温度Ｔｅが得られる。また、吸入冷媒管３２には、圧縮機２１（低段側圧縮機２１ａ）に吸入される低圧の冷媒の温度Ｔｓを検出する吸入温度センサ５２が設けられている。また、蒸発器２４には、蒸発器２４の入口における低圧の冷媒の温度を検出する蒸発器入口温度センサ５３が設けられている。この温度は、冷媒回路１０の蒸発温度Ｔｅに相当する。ここで、温度Ｔｓから蒸発温度Ｔｅを減算することによって、圧縮機２１の吸入側、すなわち、液ガス熱交換器２８の低圧側流路２８ｂ側の出口と圧縮機２１の吸入側との間を流れる低圧の冷媒の過熱度ＳＨが得られる。吐出冷媒管３４には、圧縮機２１（高段側圧縮機２１ｂ）から吐出される高圧の冷媒の圧力Ｐｄを検出する吐出圧力センサ５４が設けられている。また、吐出冷媒管３４には、圧縮機２１（高段側圧縮機２１ｂ）から吐出される高圧の冷媒の温度Ｔｄを検出する吐出温度センサ５５が設けられている。また、吐出冷媒管３４には、圧縮機２１（高段側圧縮機２１ｂ）から吐出される高圧の冷媒の異常高圧を検出して圧縮機２１を停止させる吐出圧力スイッチ５６が設けられている。また、液冷媒管３５又はガスクーラ２２には、ガスクーラ２２の出口における冷媒の温度Ｔｃｏを検出するガスクーラ出口温度センサ５７が設けられている。また、庫外ファン３６の近傍には、庫外温度Ｔａを検出する庫外温度センサ５８が設けられており、庫内ファン３７の近傍（例えば、仕切板４の吸入口４ａの近傍）には、庫内温度Ｔｒを検出する庫内温度センサ５９が設けられている。
【００５２】
また、コンテナ用冷凍装置１は、コンテナ用冷凍装置１を構成する圧縮機２１、ファン３６、３７、膨張機構２３等の各部の動作を制御するための制御部６を有している。制御部６は、マイクロコンピュータやメモリ等を有しており、各種運転設定や各種センサの検出値等に基づいて、コンテナ用冷凍装置１を構成する各部の動作を制御するようになっている。
【００５３】
（２）コンテナ用冷凍装置の動作
次に、図４及び図６を用いて、コンテナ用冷凍装置１の動作について説明する。ここで、図６は、通常運転時の冷凍サイクルが図示された圧力−エンタルピ線図である。
【００５４】
通常運転は、冷媒回路１０が、吐出流量調整機構４２が全開、そして、除霜側開閉機構４４が全閉の状態で行われる。
【００５５】
このような冷媒回路１０の状態において、低圧の冷媒（図４及び図６の点Ａ参照）は、吸入冷媒管３２から圧縮機２１に吸入され、まず、低段側圧縮機２１ａによって中間圧まで圧縮された後に、中間冷媒管３３に吐出される（図４及び図６の点Ｂ参照）。
【００５６】
この低段側圧縮機２１ａから吐出された中間圧の冷媒は、低段側逆止機構３３ａを通じて、インタークーラ３８に送られる。このインタークーラ３８に送られた中間圧の冷媒は、インタークーラ３８において、庫外ファン３６によって供給される庫外空気と熱交換を行って放熱する（図４及び図６の点Ｃ参照）。
【００５７】
このインタークーラ３８において放熱した中間圧の冷媒は、中間圧インジェクション管４０から中間冷媒管３３に戻される冷媒（図４及び図６の点Ｍ参照）と合流することによって、さらに冷却される（図４及び図６の点Ｄ参照）。
【００５８】
この中間圧インジェクション管４０から戻る冷媒と合流した中間圧の冷媒は、高段側圧縮機２１ｂに吸入されてさらに圧縮されて、圧縮機２１から吐出冷媒管３４に吐出される（図４及び図６の点Ｅ参照）。ここで、圧縮機２１から吐出された高圧の冷媒は、圧縮機２１ａ、２１ｂによる二段圧縮動作によって、冷媒の臨界圧力（図６の圧力Ｐｃｐ参照）を超える圧力まで圧縮されている。
【００５９】
この圧縮機２１から吐出された高圧の冷媒は、吐出流量調整機構４２を通じて、ガスクーラ２２に送られる。
【００６０】
このガスクーラ２２に送られた高圧の冷媒は、ガスクーラ２２において、庫外ファン３６によって供給される庫外空気と熱交換を行って放熱し、液冷媒管３５に送られる（図４及び図６の点Ｆ参照）。
【００６１】
このガスクーラ２２において放熱した高圧の冷媒は、エコノマイザ熱交換器３９の高圧側流路３９ａに送られる。そして、エコノマイザ熱交換器３９の高圧側流路３９ａに送られた高圧の冷媒は、エコノマイザ熱交換器３９の中間圧側流路３９ｂに送られた中間圧の冷媒と熱交換を行って冷却される（図４及び図６の点Ｇ参照）。そして、エコノマイザ熱交換器３９において冷却された高圧の冷媒は、一部が中間圧インジェクション管４０に分岐され、残りが液ガス熱交換器２８の高圧側流路２８ａに送られる。そして、中間圧インジェクション管４０を流れる高圧の冷媒は、中間圧戻し膨張機構４１において、中間圧になるまで減圧される（図４及び図６の点Ｌ参照）。この中間圧戻し膨張機構４１において減圧された中間圧の冷媒は、エコノマイザ熱交換器３９の中間圧側流路３９ｂに送られる。そして、エコノマイザ熱交換器３９の中間圧側流路３９ｂに送られた中間圧の冷媒は、上記のように、エコノマイザ熱交換器３９の高圧側流路３９ａに送られた高圧の冷媒と熱交換を行って加熱され（図４及び図６の点Ｍ参照）、中間冷媒管３３を流れる冷媒に合流する。
【００６２】
この液ガス熱交換器２８の高圧側流路２８ａに送られた高圧の冷媒は、液ガス熱交換器２８の低圧側流路２８ｂを流れる低圧の冷媒と熱交換を行ってさらに冷却される（図４及び図６の点Ｈ参照）。ここで、液ガス熱交換器２８の低圧側流路２８ｂを流れる低圧の冷媒は、蒸発器２４の出口から圧縮機２１の吸入に向かう吸入冷媒管３２を流れる低圧の冷媒であり、この低圧の冷媒が液ガス熱交換器２８の冷却源となっている。
【００６３】
この液ガス熱交換器２８において冷却された高圧の冷媒は、上流側膨張機構２５において、中間圧になるまで減圧されて、飽和状態又は気液二相状態になり、中間圧レシーバ２７に流入して、中間圧レシーバ２７に液状態で一時的に貯留される（図４及び図６の点Ｉ参照）。
【００６４】
この中間圧レシーバ２７に一時的に貯留された中間圧の冷媒は、下流側膨張機構２６に送られて、低圧になるまで減圧される（図４及び図６の点Ｊ参照）。
【００６５】
この下流側膨張機構２６において減圧された低圧の冷媒は、蒸発器２４に送られて、庫内ファン３７によって供給される庫内空気と熱交換を行って蒸発し、吸入冷媒管３２に送られる（図４及び図６の点Ｋ参照）。
【００６６】
この吸入冷媒管３２に送られた低圧の冷媒は、上記のように、液ガス熱交換器２８の低圧側流路２８ｂに送られて、液ガス熱交換器２８の高圧側流路２８ａを流れる高圧の冷媒と熱交換を行って加熱され、再び、圧縮機２１に吸入される（図４及び図６の点Ａ参照）。
【００６７】
このような通常運転において、制御部６は、庫内温度Ｔｒを設定された目標温度Ｔｒｓに近づけるように、各部の動作を制御している。ここでは、制御部６は、主として、庫内温度Ｔｒと目標温度Ｔｒｓとの温度差（すなわち、蒸発器２４において要求される冷凍負荷）に基づいて、各部の動作を制御している。
【００６８】
具体的には、まず、制御部６は、庫内温度Ｔｒと目標温度Ｔｒｓとの温度差から、冷媒回路１０の低圧Ｐｓの目標値Ｐｓｓ（蒸発温度Ｔｅを使用する場合には、目標値Ｔｅｓ）を決定している。
【００６９】
そして、制御部６は、冷媒回路１０の蒸発温度Ｔｅ又は低圧Ｐｓが目標蒸発温度値Ｔｅｓ又は目標低圧値Ｐｓｓで一定になるように、圧縮機２１の圧縮機モータ３１ａ、３１ｂの回転数（周波数）を制御している（低圧制御）。すなわち、蒸発温度Ｔｅ又は低圧Ｐｓが目標蒸発温度値Ｔｅｓ又は目標低圧値Ｐｓｓよりも高い場合には、圧縮機２１の圧縮機モータ３１ａ、３１ｂの回転数（周波数）を大きくする制御を行っている。逆に、蒸発温度Ｔｅ又は低圧Ｐｓが目標蒸発温度値Ｔｅｓ又は目標低圧値Ｐｓｓよりも低い場合には、圧縮機２１の圧縮機モータ３１ａ、３１ｂの回転数（周波数）を小さくする制御を行っている。尚、目標温度Ｔｒｓは、−２０℃〜−３０℃程度の低温に設定されるため、目標蒸発温度値Ｔｅｓ（又は、目標低圧値Ｐｓｓ）も目標温度Ｔｒｓに応じて、−２０℃〜−３５℃程度の低温（又は、これに対応する飽和圧力）に設定されることになる。
【００７０】
また、ここでは、制御部６は、冷媒回路１０の高圧Ｐｄが高圧目標値Ｐｄｓで一定になるように、上流側膨張機構２５の開度を制御している（高圧制御）。すなわち、高圧Ｐｄが高圧目標値Ｐｄｓよりも高い場合には、上流側膨張機構２５の開度を大きくする制御を行っている。逆に、高圧Ｐｄが高圧目標値Ｐｄｓよりも低い場合には、上流側膨張機構２５の開度を小さくする制御を行っている。
【００７１】
また、ここでは、制御部６は、中間圧インジェクション管４０を流れる冷媒の流量が適切な流量になるように中間圧戻し膨張機構４１の開度を制御している（インジェクション制御）。例えば、制御部６は、冷媒回路１０を循環する冷媒の流量の程度を示す指標である圧縮機モータ３１ａ、３１ｂの回転数（周波数）に応じて、中間圧戻し膨張機構４１の開度を制御している。すなわち、圧縮機モータ３１ａ、３１ｂの回転数（周波数）が大きい場合には、中間圧膨張機構４１の開度を大きくし、圧縮機モータ３１ａ、３１ｂの回転数（周波数）が小さい場合には、中間圧膨張機構４１の開度を小さくする制御を行っている。
【００７２】
また、ここでは、制御部６は、液ガス熱交換器２８の低圧側流路２８ｂ側の出口と圧縮機２１の吸入側との間を流れる低圧の冷媒の過熱度ＳＨが過熱度目標値ＳＨｓで一定になるように、下流側膨張機構２６の開度を制御している（過熱度制御）。すなわち、過熱度ＳＨが過熱度目標値ＳＨｓよりも高い場合には、下流側膨張機構２６の開度を大きくする制御を行っている。逆に、過熱度ＳＨが過熱度目標値ＳＨｓよりも小さい場合には、下流側膨張機構２６の開度を小さくする制御を行っている。
【００７３】
（３）コンテナ用冷凍装置の特徴
本実施形態のコンテナ用冷凍装置１には、以下のような特徴がある。
【００７４】
中間圧インジェクション管及びエコノマイザ熱交換器を有するコンテナ用冷凍装置において、性能面だけを考慮すると、エコノマイザ熱交換器を流れる冷媒の流量を少なくして、エコノマイザ熱交換器における圧力損失及び熱負荷を小さくすることが好ましい。このため、従来のコンテナ用冷凍装置と同様に、図７に示すように、中間圧インジェクション管４０を、ガスクーラ２２の出口と膨張機構２３との間を流れる冷媒がエコノマイザ熱交換器３９において冷却される前に、この冷媒の一部を分岐させる熱交前分岐を行うように設けることが好ましい。これにより、エコノマイザ熱交換器３９を流れる冷媒の流量が少なくなり、エコノマイザ熱交換器３９における圧力損失及び熱負荷を小さくすることができるからである。
【００７５】
しかし、コンテナ用冷凍装置において、冷媒として二酸化炭素を使用すると、圧縮機から吐出される冷媒の圧力が冷媒の臨界圧力を超える圧力となる超臨界冷凍サイクルになる。そうすると、圧縮機から吐出された高圧の冷媒は、ガスクーラにおいて冷却されても凝縮しなくなるため、コンテナの庫外温度が非常に高くなる高外気条件において、ガスクーラの出口における冷媒のエンタルピが大きくなり、冷凍能力が小さくなりやすくなる。
【００７６】
このため、中間圧インジェクション管及びエコノマイザ熱交換器を有するコンテナ用冷凍装置において、冷媒として二酸化炭素を使用した超臨界冷凍サイクルを採用すると、中間圧インジェクションを行っても、中間圧インジェクション管を通じてエコノマイザ熱交換器に流入する冷媒の乾き度が大きくなるため、圧縮機の吐出温度を下げる効果が得られにくくなる。そうすると、圧縮機の吐出温度が過度に上昇してしまい、圧縮機の信頼性が損なわれるおそれがある。ここで、コンテナ用冷凍装置は、海上コンテナや陸上コンテナに設けられるため、通常の建物等に設置される空気調和装置や冷凍装置に比べて、非常に過酷な高温条件で使用される場合がある。それにもかかわらず、庫内の冷凍状態を維持するために運転を継続することが要求されるため、圧縮機の信頼性を確保することが非常に重要である。
【００７７】
このように、中間圧インジェクション管及びエコノマイザ熱交換器を有するコンテナ用冷凍装置では、冷媒として二酸化炭素を使用した超臨界冷凍サイクルを採用するにあたり、高外気条件においても、中間圧インジェクションによって圧縮機の吐出温度を下げる効果を十分に得るという課題がある。
【００７８】
そこで、本実施形態のコンテナ用冷凍装置１では、従来のコンテナ用冷凍装置とは異なり、上記のように、中間圧インジェクション管４０を、ガスクーラ２２の出口と膨張機構２３との間を流れる冷媒がエコノマイザ熱交換器３９において冷却された後に、この冷媒の一部を分岐する熱交後分岐を行うように設けるようにしている（図４参照）。
【００７９】
これにより、中間圧インジェクション管４０が熱交前分岐を行うように設けられる場合（図７参照）に比べて、エコノマイザ熱交換器３９を流れる冷媒の流量が多くなるが、中間圧インジェクション管４０に分岐される冷媒の温度が低くなる。より具体的には、熱交後分岐を行う場合（図４参照）には、中間圧インジェクション管４０に分岐される冷媒の温度（図６の点Ｇ参照）が、熱交前分岐を行う場合（図７参照）の中間圧インジェクション管４０に分岐される冷媒の温度（図８の点Ｆ参照）よりも低くなる。そうすると、中間圧インジェクション管４０を通じてエコノマイザ熱交換器３９の中間圧流路３９ｂに流入する冷媒の乾き度が小さくなるため（図６及び図８の点Ｌ参照）、中間圧インジェクションによって圧縮機２１の圧縮過程の途中における冷媒の過熱度を小さくする効果が大きくなる（図６及び図８の点Ｃ、Ｄ、Ｍ参照）。その結果、圧縮機２１の吐出温度Ｔｄを下げる効果も大きくなるため（図６及び図８の点Ｅ参照）、圧縮機２１の吐出温度Ｔｄが過度に上昇することを抑えて、圧縮機２１の信頼性を確保することができる。
【００８０】
特に、高外気条件においては、ガスクーラ２２に冷却源として供給される庫外空気の温度（すなわち、庫外温度Ｔａ）が高くなるため、臨界圧力を超える高圧の冷媒の冷却が行われるガスクーラ２２では、交換熱量が非常に小さくなる傾向になる。より具体的には、高外気条件において熱交後分岐を行う場合（図９参照）、及び、高外気条件において熱交前分岐を行う場合（図１０参照）のいずれにおいても、高外気条件でない場合（図６及び図８参照）に比べて、ガスクーラ２２における交換熱量（点Ｅ、Ｆ参照）が非常に小さくなる。このため、高外気条件においては、中間圧インジェクション管４０を通じてエコノマイザ熱交換器３９の中間圧流路３９ｂに流入する冷媒の乾き度を小さくすることによって圧縮機２１の圧縮過程の途中における冷媒の過熱度を小さくする効果を高めることが非常に重要になる。このように、高外気条件を考慮すると、中間圧インジェクション管４０を熱交後分岐を行うように設けることが非常に有効であることがわかる。
【００８１】
このように、本実施形態のコンテナ用冷凍装置１では、中間圧インジェクション管４０を熱交後分岐を行うように設けることによって、中間圧インジェクションによって圧縮機２１の吐出温度Ｔｄを下げる効果が十分に得られるようにしている。これにより、本実施形態のコンテナ用冷凍装置１では、冷媒として二酸化炭素を使用した超臨界冷凍サイクルを採用するにあたり、高外気条件においても、中間圧インジェクションによって圧縮機２１の吐出温度Ｔｄを下げる効果を十分に得ることができる。
【００８２】
（４）変形例
上記のように、中間圧インジェクション管及びエコノマイザ熱交換器を有するコンテナ用冷凍装置では、性能面を考慮すると、熱交前分岐を行うように中間圧インジェクション管を設けることが好ましく（図７参照）、圧縮機の吐出温度の上昇の抑制を考慮すると、熱交後分岐を行うように中間圧インジェクション管を設けることが好ましい（図４参照）。すなわち、中間圧インジェクション管及びエコノマイザ熱交換器を有するコンテナ用冷凍装置では、中間圧インジェクション管の分岐位置に関して、熱交後分岐が好ましい運転条件と、熱交前分岐が好ましい運転条件とが存在するということである。
【００８３】
そこで、本変形例のコンテナ用冷凍装置１では、図１１に示すように、熱交後分岐と熱交前分岐とを切り換えることができるように中間圧インジェクション管４０を設けるようにしている。ここでは、中間圧インジェクション管４０は、熱交後分岐用インジェクション管４０ａと、熱交前分岐用インジェクション管４０ｂと、合流用インジェクション管４０ｃとを有している。熱交後分岐用インジェクション管４０ａは、ガスクーラ２２の出口と膨張機構２３との間を流れる冷媒がエコノマイザ熱交換器３９において冷却された後に、この冷媒の一部を分岐するように設けられた冷媒管である。熱交前分岐用インジェクション管４０ｂは、ガスクーラ２２の出口と膨張機構２３との間を流れる冷媒がエコノマイザ熱交換器３９において冷却される前に、この冷媒の一部を分岐するように設けられた冷媒管である。合流用インジェクション管４０ｃは、熱交後分岐用インジェクション管４０ａと熱交前分岐用インジェクション管４０ｂとを合流させるように設けられており、エコノマイザ熱交換器３９の中間圧側流路３９ｂに接続される冷媒管である。熱交後分岐用インジェクション管４０ａには、電動膨張弁等からなる熱交後分岐用中間圧戻し膨張機構４１ａが設けられており、熱交前分岐用インジェクション管４０ｂには、電動膨張弁等からなる熱交前分岐用中間圧戻し膨張機構４１ｂが設けられている。そして、熱交後分岐を行う場合には、制御部６が、熱交前分岐用中間圧戻し膨張機構４１ｂを閉止して、熱交後分岐用中間圧戻し膨張機構４１ａの開度制御を行うようになっている。また、熱交前分岐を行う場合には、制御部６が、熱交後分岐用中間圧戻し膨張機構４１ａを閉止して、熱交前分岐用中間圧戻し膨張機構４１ｂの開度制御を行うようになっている。尚、中間圧インジェクション管４０以外の構成は、上記実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００８４】
このように、本変形例のコンテナ用冷凍装置１では、運転条件に応じて、熱交後分岐と熱交前分岐とを適切に切り換えることができるようになっている。
【００８５】
次に、図１２のフローチャートを用いて、熱交後分岐と熱交前分岐の切り換え制御について説明する。
【００８６】
まず、制御部６は、ステップＳＴ１において、庫外温度Ｔａが所定の高外気閾庫外温度Ｔａｈまで上昇する、又は、冷媒回路１０を流れる冷媒の状態量が高外気閾庫外温度Ｔａｈに相当する高外気閾状態値まで到達する高外気条件を満たすかどうかを判定する。この判定は、上記のように、高外気条件を満たすまでは、性能面を重視して、中間圧インジェクション管４０を熱交前分岐に切り換え、高外気条件を満たす場合には、圧縮機２１の吐出温度Ｔｄの上昇の抑制を考慮して、中間圧インジェクション管４０を熱交後分岐に切り換えることが好ましいことに着目して行われるものである。ここで、高外気条件の指標として、庫外温度Ｔａ以外の状態量及び高外気閾状態値を使用する場合には、ガスクーラ２２の出口温度Ｔｃｏ及び所定の高外気閾ガスクーラ出口温度Ｔｃｏｈ、又は、圧縮機２１の吐出温度Ｔｄ及び所定の高外気閾吐出温度Ｔｄｈが考えられる。例えば、高外気条件の指標として、庫外温度Ｔａやガスクーラ２２の出口温度Ｔｃｏを使用する場合には、高外気閾庫外温度Ｔａｈや高外気閾ガスクーラ出口温度Ｔｃｏｈとして、５０℃〜６０℃程度の温度が設定される。そして、ステップＳＴ１において、高外気条件を満たすものと判定された場合には、ステップＳＴ２の低内気条件を満たすかどうかの判定処理に移行する。
【００８７】
次に、制御部６は、ステップＳＴ２において、庫内温度Ｔｒが所定の低内気閾庫内温度Ｔｒｌまで低下する、又は、冷媒回路１０を流れる冷媒の状態量が低内気閾庫内温度Ｔｒｌに相当する低内気閾状態値まで到達する低内気条件を満たすかどうかを判定する。この判定は、ステップＳＴ１の高外気条件を満たす場合であっても、庫内温度Ｔｒが低内気閾庫内温度Ｔｒｌまで低下する等の低内気条件を満たさない場合には、圧縮機２１の吐出温度Ｔｄの過度な上昇が発生しないことが多いことに着目して行われるものである。ここで、低内気条件の指標として、庫内温度Ｔｒ以外の状態量及び低内気閾状態量を使用する場合には、冷媒回路１０の蒸発温度Ｔｅ及び所定の低蒸発閾温度Ｔｅｌ、又は、圧縮機２１の吸入圧力Ｐｓ及び所定の低蒸発閾吸入圧力Ｐｓｌが考えられる。例えば、低内気条件の指標として、庫内温度Ｔｒや蒸発温度Ｔｅを使用する場合には、低内気閾庫内温度Ｔｒｌや低蒸発閾温度Ｔｅｌとして、−２０〜−３０℃程度の温度が設定される。そして、ステップＳＴ２において、低内気条件を満たすものと判定された場合には、制御部６は、ステップＳＴ３の熱交後分岐の切り換え処理に移行する。そして、熱交前分岐用中間圧戻し膨張機構４１ｂが閉止されて、熱交後分岐用中間圧戻し膨張機構４１ａの開度制御が行われて、中間圧インジェクション管４０が熱交後分岐に切り換えられる。
【００８８】
また、ステップＳＴ１において高外気条件を満たさないものと判定された場合、及び、ステップＳＴ２において低内気条件を満たさないものと判定された場合には、制御部６は、ステップＳＴ４の熱交前分岐の切り換え処理に移行する。そして、熱交後分岐用中間圧戻し膨張機構４１ａが閉止されて、熱交前分岐用中間圧戻し膨張機構４１ｂの開度制御が行われて、中間圧インジェクション管４０が熱交前分岐に切り換えられる。
【００８９】
このように、本変形例のコンテナ用冷凍装置１では、庫外温度Ｔａが高外気閾庫外温度Ｔａｈまで上昇する等の高外気条件を満たすまでは、中間圧インジェクション管４０を熱交前分岐に切り換えることによって、性能面を優先することができる。そして、高外気条件を満たす場合だけ、中間圧インジェクション管４０を熱交後分岐に切り換えることによって、圧縮機２１の吐出温度Ｔｄの上昇の抑制を優先することができる。
【００９０】
これにより、本変形例のコンテナ用冷凍装置１では、中間圧インジェクション管４０を熱交後分岐に切り換える条件を高外気条件に限定し、基本的には中間圧インジェクション管４０を熱交前分岐に切り換えるようにして、主として性能面を優先した運転を行うことができる。
【００９１】
また、本変形例のコンテナ用冷凍装置１では、高外気条件を満たす場合であっても、庫内温度Ｔｒが低内気閾庫内温度Ｔｒｌまで低下する等の低内気条件を満たさない場合には、熱交前分岐に切り換えるようにし、高外気条件及び低内気条件の両方を満たす場合に、熱交後分岐に切り換えるようにしている。
【００９２】
これにより、本変形例のコンテナ用冷凍装置１では、圧縮機２１の吐出温度Ｔｄの過度な上昇の発生のおそれが非常に高い場合だけ、中間圧インジェクション管４０を熱交後分岐に切り換えることができる。
【００９３】
しかも、本変形例のコンテナ用冷凍装置１では、高外気条件の指標として使用される状態量及び高外気閾状態値として、ガスクーラ２２の出口温度Ｔｃｏ及び高外気閾ガスクーラ出口温度Ｔｃｏｈ、又は、圧縮機２１の吐出温度Ｔｄ及び高外気閾吐出温度Ｔｄｈを使用している。また、本変形例のコンテナ用冷凍装置１では、低外気条件の指標として使用される状態量及び低内気閾状態値として、冷媒回路１０の蒸発温度Ｔｅ及び低蒸発閾温度Ｔｅｌ、又は、圧縮機２１の吸入圧力Ｐｓ及び低蒸発閾吸入圧力Ｐｓｌを使用している。このため、高外気条件や低内気条件に到達したかどうかを適切に判定することができる。
【００９４】
また、図１１においては、中間圧インジェクション管４０を熱交後分岐と熱交前分岐とを切り換えることができるようにするために、２つの中間圧戻し膨張機構４１ａ、４１ｂを設けるようにしているが、この切り換え構成に限定されるものではない。
【００９５】
例えば、図１３に示すように、熱交後分岐用インジェクション管４０ａ及び熱交前分岐用インジェクション管４０ｂにそれぞれ、電磁弁等からなる開閉機構４２ａ、４２ｂを設けるとともに、合流用インジェクション管４０ｃに中間圧戻し膨張機構４１を設けるようにしてもよい。この場合には、制御部６が、開閉機構４２ａを開けるとともに開閉機構４２ｂを閉止して中間圧戻し膨張機構４１の開度制御を行うことによって、熱交後分岐を行うことができる。また、制御部６が、開閉機構４２ｂを開けるとともに開閉機構４２ａを閉止して中間圧戻し膨張機構４１の開度制御を行うことによって、熱交前分岐を行うことができる。
【００９６】
また、図１４に示すように、図１３における２つの開閉機構４２ａ、４２ｂを三方等からなる切換機構４２に変更してもよい。この場合には、制御部６が、切換機構４２を熱交後分岐用インジェクション管４０ａと合流用インジェクション管４０ｃとを連通させるとともに熱交前分岐用インジェクション管４０ｂと合流用インジェクション管４０ｃとを遮断するように切り換えて中間圧戻し膨張機構４１の開度制御を行うことによって、熱交後分岐を行うことができる。また、制御部６が、切換機構４２を熱交前分岐用インジェクション管４０ｂと合流用インジェクション管４０ｃとを連通させるとともに熱交後分岐用インジェクション管４０ａと合流用インジェクション管４０ｃとを遮断するように切り換えて中間圧戻し膨張機構４１の開度制御を行うことによって、熱交前分岐を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
本発明は、中間圧インジェクション管及びエコノマイザ熱交換器を有するコンテナ用冷凍装置に対して、広く適用可能である。
【符号の説明】
【００９８】
１    コンテナ用冷凍装置
１０  冷媒回路
２１  圧縮機
２２  ガスクーラ
２３  膨張機構
２４  蒸発器
３９  エコノマイザ熱交換器
４０  中間圧インジェクション管
【先行技術文献】
【特許文献】
【００９９】
【特許文献１】特開２０１１−１１２２７０号公報
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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