(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
給油式スクリュー圧縮機と、油分離器と、ガスクーラと、膨張弁と、蒸発器を含む閉回路と、前記圧縮機に供給されて吐出ガスに含まれ前記油分離器で分離された油を前記圧縮機に再び供給する回路とからなり、前記閉回路の高圧側が臨界超過圧力において作動する超臨界蒸気圧縮回路における高圧側圧力制御方法において、前記圧縮機に供給される油の流量もしくは温度の少なくとも１を調節することによって前記圧縮機の吐出ガス温度を調節し、該吐出ガス温度調節により高圧側の圧力を調節することを特徴とする超臨界蒸気圧縮回路における高圧側圧力制御方法。
【請求項２】
給油式スクリュー圧縮機と、油分離器と、ガスクーラと、膨張弁と、蒸発器を含む閉回路と、前記圧縮機に供給されて吐出ガスに含まれ前記油分離器で分離された油を前記圧縮機に再び供給する回路とからなり、前記閉回路の高圧側が臨界超過圧力において作動する超臨界蒸気圧縮回路における高圧側圧力制御方法において、前記油分離器内の油量を外部から油を供給あるいは外部に取り出して調節することによって高圧側の回路容積を調節し、該高圧側の回路容積の調節により高圧側の圧力を調節することを特徴とする超臨界蒸気圧縮回路における高圧側圧力制御方法。
【請求項３】
実際の運転状態における前記ガスクーラ出口の冷媒温度に対応して成績係数（COP）が最適になるように予め設定された高圧側圧力と運転状態の高圧側圧力とを比較して、その差が規定範囲内に入るように前記圧縮機に供給する油の流量もしくは温度の少なくとも１を調節して運転状態の高圧側圧力を調節することを特徴とする請求項１記載の超臨界蒸気圧縮回路における高圧側圧力制御方法。
【請求項４】
実際の運転状態における前記ガスクーラ出口の冷媒温度に対応して成績係数（COP）を最適にするように予め設定された高圧側圧力と運転状態の高圧側圧力とを比較して、その差が規定の範囲内に入るように前記油分離器内の油量を調節して高圧側回路容積を調節することによって運転状態の高圧側圧力を調節することを特徴とする請求項２記載の超臨界蒸気圧縮回路における高圧側圧力制御方法。
【請求項５】
前記した予め設定される最適高圧側圧力が前記ガスクーラ出口冷媒温度のほか前記圧縮機入口冷媒温度もしくは圧力の少なくとも１及び出口冷媒温度と圧力に対応して成績係数（COP）が最適となるように設定された圧力であることを特徴とする請求項３或は４に記載の超臨界蒸気圧縮回路における高圧側圧力制御方法。
【請求項６】
使用される冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の超臨界蒸気圧縮回路における高圧側圧力制御方法。
【請求項７】
給油式スクリュー圧縮機と、油分離器と、ガスクーラと、膨張弁と、蒸発器を含む閉回路と、前記圧縮機に供給されて吐出ガスに含まれ前記油分離器で分離された油を前記圧縮機に再び供給する回路とからなる超臨界蒸気圧縮回路装置において、前記油分離器内に外部から油を供給あるいは外部に取り出すことによって該油分離器内の油量を調節する調節手段を設けたことを特徴とする超臨界蒸気圧縮回路装置。
【請求項８】
給油式スクリュー圧縮機と、油分離器と、ガスクーラと、膨張弁と、蒸発器を含む閉回路と、前記圧縮機に供給されて吐出ガスに含まれ前記油分離器で分離された油を前記圧縮機に再び供給する回路とからなる超臨界蒸気圧縮回路装置において、前記圧縮機に油を供給する回路に該供給油の流量もしくは温度の少なくとも１を調節する調節手段と前記油分離器内に外部から油を供給あるいは外部に取り出すことによって該油分離器内の油量を調節する調節手段とを設けたことを特徴とする超臨界蒸気圧縮回路装置。
【請求項９】
高圧側圧力検出手段と、前記ガスクーラ出口の冷媒温度検出手段と、前記圧縮機に供給する油の流量もしくは温度もしくは前記油分離器内の油量を調節する少なくとも１の調節手段を前記検出手段により検出したガスクーラ出口冷媒温度に対応して成績係数（COP）が最適になるように予め設定された高圧側圧力と運転状態の高圧側圧力とを比較してその差が規定の範囲内に入るように制御する制御手段とを備えたことを特徴とする請求項７乃至８のいずれか１項に記載の超臨界蒸気圧縮回路装置。
【請求項１０】
高圧側圧力検出手段と、前記ガスクーラ出口の冷媒温度、前記圧縮機入口の冷媒温度もしくは圧力の少なくとも１、及び出口の冷媒温度と圧力を検出する検出手段と、前記圧縮機に供給する油の流量もしくは温度もしくは前記油分離器内の油量を調節する少なくとも１の調節手段を前記検出手段により検出した冷媒温度、圧力に対応して成績係数（COP）が最適になるように予め設定された高圧側圧力と運転状態の高圧側圧力とを比較してその差が規定の範囲内に入るように制御する制御手段とを備えたことを特徴とする請求項７乃至８のいずれか１項に記載の超臨界蒸気圧縮回路装置。
【請求項１１】
使用される冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする請求項７乃至８記載の超臨界蒸気圧縮回路装置。
【請求項１２】
請求項６記載のCO2超臨界蒸気圧縮回路において、スクリュー圧縮機による圧縮中に前記スクリュー圧縮機内に油噴射を行うことにより吐出ガス温度を変化させて回路の高圧側圧力を制御することを特徴とする超臨界蒸気圧縮回路における高圧側圧力制御方法。
【請求項１３】
請求項１１記載のCO2超臨界蒸気圧縮回路装置において、給油式スクリュー圧縮機のロータに油噴射を行う手段と吐出ガス中に含まれる油を分離する手段を設けたことを特徴とする超臨界蒸気圧縮回路装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、給油式スクリュー圧縮機を備え、超臨界条件で運転される冷凍、空調、およびヒートポンプのような蒸気圧縮回路に関し、より詳しくは、外部条件が変った際の冷凍能力を維持確保し、および外部条件の変化に対応して最大の効率で運転できるように高圧側の圧力を制御する制御方法および回路装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
給油式スクリュー圧縮機は信頼性、耐久性が優れていて、振動も少なくコストも低いことから、冷凍機等に多用されている。従来、冷凍装置や空調、ヒートポンプの冷媒として多用されてきたハロゲン化炭化水素（フロン）系冷媒はオゾン層の破壊をもたらす原因物質として規制され、脱フロン対策の一つとして、例えば二酸化炭素（CO2）を冷媒として使用する蒸気圧縮冷凍サイクルを行う装置、運転方法が種々提案されている。CO2は従来から一部の冷凍装置には冷媒として用いられていたが、その臨界温度が３１℃と従来多用されていたフロンの臨界温度（例えばR１２では約１１２℃）と比べて低いので、圧縮された冷媒を冷却する放熱器（凝縮器）へ入る冷却水あるいは冷却空気の温度が高い夏季等では冷却能力を確保するために、高圧側が冷媒の臨界点を越えた状態となる超臨界蒸気圧縮サイクルとして運転することが行われる。
【０００３】
図４は、超臨界蒸気圧縮サイクルの圧力−エンタルピ線図（P−h線図）を示す。同図において、Kは冷媒の臨界点であり、CO2の場合は温度TKは３１．０５℃、臨界圧力PKは７．３９MPaである。S−K線は飽和液線、K−V線は飽和蒸気線であり、TI、TK、TX、TY、TZ、TW線は等温線である。同図において横軸は比エンタルピ（単位質量当りのエンタルピ）であるが単にエンタルピと記した。以下、本明細書においては比エンタルピを単にエンタルピと記す。A−B−C−Dは一つの超臨界蒸気圧縮サイクルを示し、飽和蒸気よりも若干過熱状態のA点の冷媒が圧縮機に吸入され、該冷媒は圧縮機で圧縮されて圧力と温度が上昇してB点状態となる。該圧縮された冷媒がガスクーラで冷却媒体により温度TXまで冷却されるとC点状態になる。C点状態のガスは膨張弁（絞り弁）で絞られて等エンタルピ変化をして圧力と温度が降下しD点の湿り蒸気状態となる。該湿り蒸気の液相分が蒸発器内で被冷却媒体から蒸発潜熱を奪って蒸発し、さらに被冷却媒体からの奪熱により若干過熱状態となった温度TIのA点の状態となり、冷媒は再び圧縮機に吸入されて圧縮される。このサイクルにおいて、h1が蒸発器における冷媒のエンタルピ増大即ち被冷却媒体からの奪熱量であり、H1がガスクーラにおける冷媒のエンタルピの減少即ち冷却媒体への放熱量である。
【０００４】
前記ガスクーラの冷却媒体である水あるいは空気の温度が高くて該ガスクーラ出口の冷媒温度をTXよりも高いTYまでしか冷却できない場合は、サイクルはA−B−C'−D'となり、蒸発器での被冷却媒体からの奪熱量はh2に減少し、ガスクーラでの冷却媒体への放熱量はH2に減少する。圧縮機出口状態をB点よりも圧力が高いB”にすると、サイクルはA−B−C''−D''となり、蒸発器での被冷却媒体からの奪熱量はh3に、ガスクーラでの冷却媒体への放熱量はH3になり、両者はそれぞれサイクルA−B−C−Dの場合にほぼ等しくなる。
【０００５】
このように、冷凍サイクルの高圧側圧力を高くすることにより冷凍能力を高めることができる。高圧側の圧力を高める方法として、蒸発器と圧縮機入口の間に低圧冷媒レシーバを設け絞り弁の操作によって高圧側の充填冷媒質量を変えて圧力を変える装置が特公平７−１８６０２号公報に開示されており、また、絞り弁と蒸発器の間に分離膨張容器を設け該容器の冷媒貯留量を調節することによって回路の充填冷媒質量を変えて高圧側の圧力を変える装置が特許第２８０４８４４号に開示されている。また、前記特公平７−１８６０２号公報に開示された装置においてガスクーラ出口の冷媒温度を検出し、該温度に対して冷凍サイクルの成績係数（COP)が最大となる高圧側圧力となるように絞り弁を操作する高圧側圧力調節方法が特許第２９３１６６８号に開示されている。さらに、ガスクーラと絞り弁の中間に、内部に設けた移動可能な隔壁手段を移動させることによって高圧側の回路容積を変えて高圧側圧力を変える可変容積要素を設けた超臨界蒸気圧縮回路装置が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記いずれの開示においても、高圧側圧力を調節するために、新たに低圧冷媒レシーバ、分離膨張容器、あるいは可変容積要素を設ける必要がある。例えば、CO2を冷媒とする超臨界蒸気圧縮回路では低圧側といえども相当に高い圧力となるので、これらの容器は相当の耐圧性が求められ、また相当のスペースをも要するので、コストアップの要因となる。本発明の目的は、給油式スクリュー圧縮機を用いた冷凍サイクル回路に特に新規に容器等を設けることなく高圧側圧力を調節して常に効率の高い運転ができる制御方法及び回路装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の超臨界蒸気圧縮回路における高圧側圧力の制御方法は給油式スクリュー圧縮機と、油分離器と、ガスクーラと、膨張弁と、蒸発器を含む閉回路と、前記圧縮機に供給されて吐出ガスに含まれ前記油分離器で分離された油を前記圧縮機に再び供給する回路とからなり、前記閉回路の高圧側が臨界超過圧力において作動する超臨界蒸気圧縮回路における高圧側圧力制御方法において、前記圧縮機に供給される油の流量もしくは温度の少なくとも１を調節することによって前記圧縮機の吐出ガス温度を調節し、該吐出ガス温度調節により高圧側の圧力を調節することを特徴とする。
【０００８】
給油式スクリュー圧縮機は圧縮機ロータ間に油を噴射することによりロータの潤滑に資するとともに、ロータ間やロータとケーシング間のシール性が向上されて内部漏れが少なく、また圧縮中のガスが油により冷却されるため圧縮動力が節減される等の特徴を有している。ガス中に噴射された油は吐出後に油分離器で分離されて再び圧縮機に供給され、油が分離されたガスが所定の所に供給される。この圧縮機に供給される油の流量もしくは温度の少なくとも１を変えることにより吐出ガスの温度を変えることができる。
【０００９】
超臨界蒸気圧縮回路では、高圧側は常に気体であるので、ある質量の気体の容積と温度が決まればその圧力が決まる。回路の容積は設計時に決定されており、通常高圧側の回路容積は低圧側のそれよりも大幅に大きい。回路に充填されている冷媒質量は一定であり、低圧側回路に存在する冷媒質量が運転条件によって若干変っても、高圧側回路容積が前述のように低圧側回路容積よりも大幅に大きいので高圧側回路に存在する冷媒質量は運転条件によってほとんど変化しない。したがって、圧縮機から吐出される冷媒の温度を変えることによって回路の高圧側圧力を変えることができる。即ち、前記給油式スクリュー圧縮機に供給される油の温度を高くするか或は流量を減少することによって圧縮機からの吐出冷媒の温度を高めて高圧側の圧力を高めることができ、前述したように冷凍能力を大きくすることができる、つまりガスクーラの冷却媒体の入口温度上昇による冷凍能力の減少を防ぐことができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、給油式スクリュー圧縮機と、油分離器と、ガスクーラと、膨張弁と、蒸発器を含む閉回路と、前記圧縮機に供給されて吐出ガスに含まれ前記油分離器で分離された油を前記圧縮機に再び供給する回路とからなり、前記閉回路の高圧側が臨界超過圧力において作動する超臨界蒸気圧縮回路における高圧側圧力制御方法において、前記油分離器内の油量を外部から油を供給あるいは外部に取り出して調節することによって高圧側の回路容積を調節し、該高圧側の回路容積の調節により高圧側の圧力を調節することを特徴とする。
【００１１】
給油式スクリュー圧縮機を用いた蒸気圧縮回路の油分離器で分離された油は油分離器と圧縮機の間を循環するので、その間における若干の油の損耗を無視すれば油分離器内の油量は運転中一定に保たれる。油分離器は圧縮機の吐出口とガスクーラ間に配置されるので、オイルクーラ内で冷媒ガスが占める空間容積は高圧側回路容積に含まれる。したがって、外部から油分離器に油を供給して油分離器内の油量を増加すれば油分離器内で冷媒ガスが占める容積が減少し、高圧側回路容積が減少する。前記したように、高圧側に存在する冷媒質量はほぼ一定であるので、高圧側回路容積の減少により高圧側圧力を増大することができる。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、実際の運転状態における前記ガスクーラ出口の冷媒温度に対応して成績係数（COP）が最適になるように予め設定された高圧側圧力と運転状態の高圧側圧力とを比較して、その差が規定範囲内に入るように前記圧縮機に供給する油の流量もしくは温度の少なくとも１を調節して運転状態の高圧側圧力を調節することを特徴とする。また請求項４に記載の発明は、油分離器内の油量調節によって高圧側回路容積を調節し、請求項３に記載と同様に運転状態における高圧側圧力制御を行うものである。
【００１３】
蒸気圧縮冷凍サイクルの成績係数（COP）と圧縮機吐出圧力（ガスクーラ出口冷媒圧力つまり高圧側圧力）との間には、例えば図５に示すような関係がある。なお、超臨界蒸気圧縮サイクルでは、通常の蒸気圧縮サイクルにおける凝縮器（放熱器）内で冷媒は気相であるので、凝縮器（放熱器）は一般にガスクーラと称される。同図はCO2を冷媒とし、蒸発器における蒸発温度を−１５℃の飽和状態とした場合で、圧縮機の断熱効率と機械効率を共に１００％とした場合の計算結果である。同図より、ガスクーラ出口冷媒温度が高いほどCOPが最大となる吐出圧は高く、該圧力を超えるとCOPは低下することが分る。しかしながら、ガスクーラ（放熱器）出口のCO2温度が３０℃以上ではCOP最大点付近では吐出圧力の変化に対するCOPの変化は緩やかである。吐出圧が高いと圧縮機や配管に負担がかかるので、むやみに吐出圧を高めてCOP向上の利得が少ないのは得策ではない。したがって、COPが最大となる吐出圧よりも低い吐出圧でCOPも高い吐出圧（高圧側圧力）を最適高圧側圧力としてガスクーラ出口の冷媒温度に対応して予め設定しておき、運転状態における高圧側圧力と前記のように設定した最適高圧側圧力との差が規定範囲に入るように高圧側圧力を制御するのがよい。この規定範囲は、例えば±０．１MPa等、その範囲の高圧側圧力の変化によるCOPの変化が許容できるような範囲に設定される。
【００１４】
図５は、蒸発温度が一定で圧縮機の断熱効率が１００％として計算した結果であるが、圧縮機に供給する油流量や温度を変えた場合は圧縮のポリトロープ指数が変り、また蒸発器における蒸発温度が異なると圧縮機入口温度が異なり、COPが最大となる吐出温度はそれらの影響を受ける。図４において、冷媒をAからB状態まで圧縮するのに要する仕事は（H1−h1）であり、冷凍の成績係数（COP）はh1／（H1−h1）で定義される。給油式スクリュー圧縮機の場合、圧縮ガスは圧縮過程においてロータに噴射された油によって冷却されるので、圧縮のポリトロープ指数は断熱指数（等エントロピ指数）よりも小さく、圧縮仕事は断熱圧縮の場合よりも小さくなる。この油による冷却の度合いは油温が低いほど、また油流量が大きいほど大きくなる。
【００１５】
したがって、そのような場合にはガスクーラ出口の冷媒温度のみでなく、圧縮機入口冷媒温度もしくは圧力の少なくとも１及び出口冷媒温度、圧力とCOPとの関係を算出してそれらの値に対し前述したような意味で最適なガスクーラ出口冷媒圧力を設定しておき、運転状態の高圧側圧力とガスクーラ出口温度、圧縮機入口温度もしくは圧力の少なくとも１つ及び出口温度、圧力の検出値に対応する前記最適な高圧側圧力との差が規定範囲内に入るように高圧側圧力を制御するのがよい。圧縮機入口冷媒温度は入口圧力における冷媒の飽和蒸気温度よりも若干高い温度にされるので、その分を予め見込んでおけば、前記圧縮機入口温度、圧力に関しては圧力、あるいは温度のどちらか一方を検出すれば他方は算出できる。入口温度が大きく変化する用途の場合は、ガスクーラ出口冷媒温度と圧縮機入口冷媒温度とに対応する最適な高圧側圧力を設定しておき、運転状態の高圧側圧力とガスクーラ出口温度の検出値及び圧縮機入口温度もしくは圧力の１の検出値とに対応する最適な高圧側圧力との差が規定範囲内に入るように高圧側圧力を制御してもよい。
【００１６】
請求項７記載の発明は、油分離器内に外部から油を供給あるいは外部に取り出すことによって油分離器内の油量を調節する調節手段を設けたことを特徴とする回路装置である。請求項８記載の発明は、油の流量、温度の調節手段とともに油分離器内油量の調節手段を設けたものである。
【００１７】
請求項９に記載の発明は、高圧側圧力検出手段と、前記ガススクーラ出口の冷媒温度検出手段と、前記圧縮機に供給する油の流量もしくは温度もしくは前記油分離器内の油量を調節する少なくとも１の調節手段を前記検出手段により検出したガスクーラ出口冷媒温度に対応して成績係数（COP）が最適になるように予め設定された高圧側圧力と運転状態の高圧側圧力とを比較してその差が規定の範囲内に入るように制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。かかる発明により、本発明の高圧側圧力の制御を自動的に行い、常に最適なCOP、つまり可能な限り低い高圧側圧力でCOPの高い運転を行うことができる。
【００１８】
請求項１０に記載の発明は、最適な高圧側圧力をガスクーラ出口温度のみではなく、圧縮機入口の冷媒温度もしくは圧力の少なくとも１、及び出口の冷媒温度、圧力を考慮して設定しておき、運転時のこれらの検出値に対応して最適な高圧側圧力の制御を自動的に行うもので、運転条件によって圧縮機入口冷媒温度が大幅に変化する場合や、圧縮機による圧縮のポリトロープ指数が変化する場合に対しても適応して、常に最適なCOP、つまり可能な限り低い高圧側圧力でCOPの高い運転を行うことができる。
また、前記超臨界蒸気圧縮回路における高圧側圧力制御方法や超臨界蒸気圧縮回路装置において使用される冷媒は二酸化炭素であることを特徴とする。
【００１９】
請求項１２に記載の発明は、前記CO2超臨界蒸気圧縮回路において、スクリュー圧縮機による圧縮中に前記スクリュー圧縮機内に油噴射を行うことにより吐出ガス温度を変化させて回路の高圧側圧力を制御することを特徴とし、又請求項１３記載の発明は前記CO2超臨界蒸気圧縮回路装置において、給油式スクリュー圧縮機のロータに油噴射を行う手段と吐出ガス中に含まれる油を分離する手段を設けたことを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載される寸法、材質、形状、その相対位置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
【００２１】
図１（A）は、本発明の超臨界蒸気圧縮回路装置の実施例を示し、１は給油式スクリュー圧縮機、２はガスクーラ、３は蒸発器、４は絞り弁、５は油分離器であり、これらは直列の閉回路を構成している。２ａは前記ガスクーラ２で冷媒を冷却する冷却媒体の流れを示し、３ａは前記蒸発器３で冷却される被冷却媒体の流れを示す。前記蒸発器３から圧縮機１に吸入されて圧縮、昇温された冷媒ガスは圧縮機に供給された油を含んでおり、該油は前記油分離器５で冷媒ガスから分離され、油が分離された冷媒ガスは前記ガスクーラ２で冷却媒体２ａにより冷却され、絞り弁４で絞られ圧力と温度が降下して液相と気相からなる湿り蒸気となり、前記蒸発器３内で被冷却媒体３ａから熱を奪って蒸発し、さらに飽和蒸気よりも若干過熱状態にされて前記圧縮機１に吸入される。
【００２２】
前記油分離器５で分離された油はオイルクーラ６で冷却されて前記圧縮機１に供給される。この油は圧縮機のロータ間、ロータとケーシング間、及び軸受けの潤滑を行うとともに、圧縮過程における冷媒ガスの冷却をも行う。前記オイルクーラ６の後流には該オイルクーラをバイパスさせる油量を調節して圧縮機に供給される油の温度を調節する三方制御弁８が設けられており、さらに該三方制御弁８の後流には圧縮機に供給される油流量を調節する制御弁７が設けられている。前記油分離器内の圧力は油が供給される圧縮機の低圧側よりも高圧であるので、油は圧力差によって供給され、前記制御弁７の開度を調節することにより油流量が調節される。給油式スクリュー圧縮機ではロータに噴射される油による圧縮過程の冷媒の冷却効果が大きいので、油の温度もしくは流量の少なくとも１を変えることにより圧縮機から吐出される冷媒ガスの温度を変えることができる。回路の高圧側容積は一定であり、また高圧側の冷媒の充填質量も運転状態に関わらず略一定であるので、冷媒ガスの吐出温度を変えることにより回路の高圧側圧力を変えることができる。
【００２３】
図１（B）は本発明の他の実施例を示し、前記油分離器５に外部から油を供給したり油分離器５から油を外部へ取り出したりする調節手段を設けたものである。該調節手段は、油タンク１０、油ポンプ１１、開閉弁１２からなり、前記油分離器５内の油量を増加する際には前記油ポンプ１１により前記油タンクから油を油分離器５に供給し、前記油分離器５内の油量を減少する際には前記開閉弁１２を開いて油分離器５内の油を油タンク１０に取り出す。前記油分離器５内の圧力はタンク１０内の圧力よりも高いので前記開閉弁１２を開けば油分離器５内の油はタンク１０へ流出する。前記油分離器５内の冷媒ガス空間容積は回路の高圧側容積の一部を構成しているので、該油分離器５内の油量を変えることにより、油分離器５内の冷媒ガス空間容積を変えることができ、回路の高圧側容積を変えることができる。前記したように高圧側の冷媒の充填質量は運転状態に関わらず略一定であるので、油分離器５内の冷媒ガス空間容積を変えることにより回路の高圧側容積を変えて高圧側圧力を変えることができる。
【００２４】
図２は、本発明の装置が常に冷凍の成績係数（COP）が最適で運転されるべく自動制御されるように構成した装置を示す。○印で囲んだ記号はその位置における温度、圧力の検出手段あるいはその位置における温度、圧力、あるいは制御信号を示している。圧縮機１の吐出圧力とガスクーラ２の出口圧力とはその間の管路抵抗分だけ異なるが、通常この抵抗は小さいので無視して圧縮機吐出圧力とガスクーラ出口圧力は同じとしてある。
【００２５】
ガスクーラ２の出口の冷媒温度T3と圧力P2を検出する検出手段がガスクーラ２の冷媒出口に設けられ、検出値は制御手段２０に送られる。該制御手段２０は、検出された温度T3に対応する予め定められた最適高圧側圧力と検出された高圧側圧力P2とを比較し、その差が規定内に入るように、例えば三方制御弁８に制御信号C2を送って圧縮機１に供給される油の温度を調節することによって高圧側圧力を調節する、或は制御弁７に制御信号C1を送って圧縮機１に供給される油の流量を調節することによって高圧側圧力を調整する、或はポンプ１１又は開閉弁１２に制御信号C４又はC3を送って油分離器５内の油量を調節することによって高圧側の回路容積を調節して高圧側圧力を調節する。
【００２６】
最適高圧側圧力とは前述したように、ガスクーラ出口冷媒温度の上昇に対して高圧側圧力をむやみに高くすることなくCOPが最大近くになる高圧側圧力であって、ガスクーラ出口冷媒温度に対応して予め設定された圧力である。該最適高圧側圧力とガスクーラ出口冷媒温度との関係はマップとして前記制御手段にインプットしてある。
【００２７】
前記三方制御弁８制御による高圧側圧力調節効果と開閉弁７による高圧側圧力調節効果とは異なるので、図示しないが油温と油流量を検出して前記制御手段２０にインプットし、これらの検出値と高圧側圧力の必要調節量によりどちらをどの程度調節するかのマップを前記制御手段２０にインプットしておき、該マップに従って選択するようにしてある。図２のように圧縮機１に供給する油温、油流量調節による高圧側圧力調節と同時に油分離器５内油量調節による高圧側圧力調節も可能とした回路装置の場合は、図示しないが油分離器５の油面を検出して前記制御手段２０にインプットし、前記油温、油流量、及び該油面と高圧側圧力の必要調節量により調節手段を選択するマップを作成して前記制御手段にインプットしておく。例えば、油温度が規定値よりも高い場合は油温を上げる調節は行わないようにし、油流量が規定値よりも少ない場合は油流量を減少する調整は行わないようにする。
【００２８】
図３は、図２に対して、ガスクーラ２入口冷媒圧力、温度（圧縮機吐出圧力、温度）P2、T2と蒸発器３出口冷媒圧力、温度（圧縮機吸入圧力、温度）P1、TIとを制御手段２０に追加インプットしたものである。冷凍負荷が大幅に変化する場合、例えば冷凍のためにTIが−２０℃で運転される場合と冷房のためにTIが２０℃で運転される場合とでは、同じガスクーラ出口冷媒温度に対してもCOPが最大となる高圧側圧力は異なり、したがって最適高圧側圧力として設定すべき圧力も異なることになる。そのような場合は、ガスクーラ出口冷媒温度T3と蒸発器出口冷媒温度TIとに対する最適高圧側圧力のマップを作成して制御手段２０にインプットしておき、T3、TIの検出値に対応して最適高圧側圧力を制御する。
【００２９】
油分離器５から圧縮機１に供給される油の温度、流量を調節して圧縮機吐出温度を変えて高圧側圧力を調節する場合は、圧縮機のポリトトープ指数が変化して圧縮機仕事が変化し、COPが最大となるガスクーラ出口冷媒圧力に影響する。圧縮に要する仕事（図４における（H1−h1）あるいは（H2−h2）、（H3−h3））はP1、TI、P2、T2によって求められるので、同じガスクーラ出口冷媒温度に対してもCOPが最大となる高圧側圧力はこれらの圧力、温度によって異なり、したがって最適高圧側圧力として設定すべき圧力も異なることになる。その場合には、ガスクーラ出口冷媒温度T3のほか蒸発器入口および出口の冷媒圧力、温度P1、TI、P2、T2をも含めてこれらに対する最適高圧側圧力のマップを作成して制御手段２０にインプットしておき、T3、P1、TI、P2、T2等の検出値に対応して最適高圧側圧力を制御する。蒸発器出口冷媒温度（圧縮機入口温度）TIは圧力P1における冷媒の飽和蒸気温度よりも若干高い温度で運転されるので、予めその分を見込んでおけば、P1が分ればTIが分り、逆にTIが分ればP1が分る。したがって、P1かTIのどちらか一つを検出する検出手段を設けて前記制御手段２０に入力してもよい。
【００３０】
図５に見られるように、ガスクーラ（放熱器）出口温度が低くなるとCOPが最大となる吐出圧力（高圧側圧力）は低くなる。ガスクーラ（放熱器）出口の冷媒温度が冷媒の臨界温度よりも低くなると冷媒は液相となって密度は急激に増大するので高圧側圧力も低下するのであるが、液相となる冷媒は放熱器出口付近の冷媒のみであり、大部分の冷媒は気相であるので、高圧側圧力の低下は大きくはない。本発明の油分離器内の油量を調節して高圧側圧力を調節する方法によれば、高圧側圧力を十分に低下させることが可能となり、ガスクーラ（放熱器）出口温度が臨界温度以下になる場合にも高いCOPで運転できるように高圧側圧力を制御することができる。
【００３１】
図２あるいは図３において、冷媒としてCO2を用いる場合は、ガスクーラ２の入口冷媒温度は９０〜１１０℃程度まで上昇されるので、該ガスクーラ２の冷却媒体２ａを水とすると出口温度は８０〜９０℃程度まで上昇することができ、ガスクーラを熱湯供給用の熱源として使用することができる。その場合、冷却媒体２ａの温度や流量を冷凍装置のために常に一定に保つことは困難であるが、本発明の回路装置および制御方法によればそれらの変動に対しても常に高いCOPで運転することができる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したような形態で実施され、以下に記述されるような効果を奏する。
【００３３】
給油式スクリュー圧縮機に油分離器から供給される油の温度および流量を調整することによって圧縮機の吐出冷媒温度を調節して高圧側圧力を調節することができる。また、油分離器内の油量を外部からの給油あるいは外部へ取り出すことにより調節することによって回路の高圧側容積を調節して高圧側圧力を調節することができる。そして、運転中の温度、圧力を検出して、これら温度、圧力におけるCOPを効果的に最大付近まで高める高圧側圧力となるように自動的に制御することができる。本発明の回路装置は高圧にさらされるタンク等を付加する必要がなく、従来の回路装置に制御弁等を付加するだけで容易に構成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態に係わる超臨界蒸気圧縮回路装置の回路構成図である。
【図２】  本発明の実施の形態に係わる超臨界蒸気圧縮回路装置の制御系統図の実施例である。
【図３】  本発明の実施の形態に係わる超臨界蒸気圧縮回路装置の制御系統図の他の実施例である。
【図４】  冷媒の圧力−エンタルピ線図である。
【図５】  放熱器出口冷媒温度をパラメータとして高圧側圧力と成績係数（COP）の関係を示す図である。
【符号の説明】
１      給油式スクリュー圧縮機
２      ガスクーラ（放熱器）
３      蒸発器
４      絞り弁
５      油分離器
６      オイルクーラ
７      制御弁
８      三方制御弁
１０    油タンク
１１    油ポンプ
１２    開閉弁
【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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