JP6091567B2 - 冷凍機及び冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍機等に係るものである。特に二段冷凍サイクルに補助放熱器を用いて冷媒回路を構成するに関するものである。

例えば、冷凍サイクル（ヒートポンプサイクル）を利用した冷凍装置では、基本的に、圧縮機、放熱器（凝縮器）、絞り装置（減圧装置）及び冷却器（蒸発器）を冷媒配管により接続し、冷媒を循環させる冷媒回路を構成している。

冷凍装置において、マイナス数十度の低温度帯での冷却を行うため、冷媒の圧縮過程を低段側と高段側との二段階に分割して行う二段サイクル冷凍装置がある。そして、このような二段サイクル冷凍装置において、例えば高段側圧縮機の前段に補助放熱器を設置するものが提案されている。低段側圧縮機が吐出した冷媒を補助放熱器で放熱させて冷却し、高段側圧縮機に吸入させるようにすることで、運転効率の向上をはかっている（例えば、特許文献１参照）。

特許第４２１９１９８号公報

上記の特許文献１における冷凍装置では、低段側圧縮機が吐出した冷媒を冷却する補助放熱器により運転効率を向上することができるとされている。しかし、このような冷凍装置では、外気温度、圧縮機の運転状況等によって、補助放熱器で冷媒が凝縮してしまう可能性があった。そして、凝縮によってできた液状の冷媒（液冷媒）を高段側圧縮機が吸引してしまうと、液圧縮により損傷を受けてしまう可能性があった。

特許文献１では、この点について、圧縮機の回転数を上昇させることによって補助放熱器で冷媒が凝縮しないようにして、圧縮機の損傷を回避するようにしている。しかし、圧縮機の回転数を上昇させると、冷却能力が増大するために、冷却負荷と冷却能力とのバランスが崩れ、冷却対象を冷やし過ぎてしまうことがある。また、冷凍装置の発停頻度が増加することで省エネルギー性が低下してしまうことがある。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、高い信頼性を確保しつつ省エネルギー性をはかることができる冷凍機等を提供することを目的とする。

本発明に係る冷凍機は、冷媒を圧縮して吐出する低段側圧縮機と、低段側圧縮機が吐出した冷媒と周囲空気とを熱交換させ、冷媒を放熱させる補助放熱器と、補助放熱器で放熱した冷媒を圧縮して吐出する高段側圧縮機と、高段側圧縮機が吐出した冷媒と周囲空気とを熱交換させ、冷媒を放熱させる高段側放熱器とを少なくとも有し、冷媒として二酸化炭素を用い、高段側放熱器と補助放熱器とが、高段側放熱器における冷媒の放熱量と補助放熱器における冷媒の放熱量との合計放熱量に対する、補助放熱器における冷媒の放熱量の割合である放熱量比率が１７％以下であり、高段側放熱器が補助放熱器よりも下側に位置し、かつ、伝熱フィンを一体化した一体型放熱器で構成され、補助放熱器と高段側圧縮機との間に設置され、高段側圧縮機にガス状の冷媒を吸入させる気液分離器と、一端が気液分離器の液冷媒流出口と接続し、他端が高段側放熱器の流出側の配管と接続して、気液分離器内の液状の冷媒を、高段側放熱器を流出した冷媒と合流させる液冷媒配管と、液冷媒配管上に設置され、液冷媒配管を通過する冷媒量を調節する流量調節装置とを備えるものである。

本発明の冷凍機においては、高段側放熱器と補助放熱器とが、高段側放熱器における冷媒の放熱量と補助放熱器における冷媒の放熱量との合計放熱量に対する、補助放熱器における冷媒の放熱量の割合である放熱量比率が１７％以下であり、高段側放熱器が補助放熱器よりも下側に位置し、かつ、伝熱フィンを一体化した一体型放熱器で構成されるようにしたので、周囲温度が低いときに生じる高段側圧縮機の液圧縮に対応した放熱器を構成し、年間を通して高段側圧縮機の液圧縮を回避し、高い信頼性と省エネルギー性を得ることが可能となる。

本発明の実施の形態１に係る冷凍装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る冷凍装置の一体型放熱器７の構成を示す概略図である。 冷凍装置におけるエンタルピと圧力との関係を示す図である。 中間圧力と圧縮機入力との関係を示す図である。 低段側凝縮温度が外気温度よりも低い場合と高い場合とにおける放熱量をモリエル線図で説明した図である。 補助放熱器２の放熱量とＣＯＰとの関係を説明するための図である。 本発明の実施の形態１に係る冷凍装置の一体型放熱器７の放熱量を説明するための図である。 本発明の実施の形態１に係る冷凍装置の一体型放熱器における補助放熱器の放熱量割合を説明するための図である。 補助放熱器２の放熱量比率を冷媒毎に示す図である。 本発明の実施の形態１に係る放熱量に対する十分な熱処理能力を説明するための図である。 本発明の実施の形態２に係る冷凍装置の構成を示す図である。

以下、本発明に係る冷凍機を含む冷凍装置の好適な実施の形態について図面を参照して説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る冷凍装置の構成を示す図である。図１において、低段側圧縮機１、補助放熱器２、高段側圧縮機３、高段側放熱器４、減圧装置としての膨張弁５及び冷却器として機能する蒸発器６が順次接続されて冷媒回路が構成されている。本実施の形態では、低段側圧縮機１、補助放熱器２、高段側圧縮機３、高段側放熱器４及び膨張弁５を冷凍機１１が有しており、蒸発器６は負荷装置となる室内機１２が有している。ここで、膨張弁５については室内機１２が有するようにしてもよい。

低段側圧縮機１は、吸入側配管側からの冷媒を圧縮して吐出する。補助放熱器２は、低段側圧縮機１が吐出した冷媒と周囲空気（外気）とを熱交換させ、冷媒を放熱させる。高段側圧縮機３は、補助放熱器２で放熱された冷媒を圧縮して吐出する。高段側放熱器４は、高段側圧縮機３が吐出した冷媒と周囲空気とを熱交換させ、冷媒を放熱（凝縮）させる。膨張弁５は、高段側放熱器４で放熱された冷媒を減圧する。蒸発器６は、膨張弁５で減圧された冷媒を蒸発させる。

ここで、高段側放熱器４及び補助放熱器２は、一体型放熱器７を構成している。一体型放熱器７の近傍には放熱器ファン８が設けられている。放熱器ファン８は、一体型放熱器７に外気を通過させ、一体型放熱器７の伝熱管を通過する冷媒と熱交換させた後、熱交換後の外気を一体型放熱器７外に排気させる。

図２は、本発明の実施の形態１に係る冷凍装置の一体型放熱器７の構成を示す概略図である。図２において、一体型放熱器７は、平板状の伝熱フィン７１に伝熱管７２を貫通して構成したプレートフィンチューブ型熱交換器である。ここで、本実施の形態では、高段側放熱器４及び補助放熱器２は、伝熱フィン７１を共有することによって一体化しているが、伝熱フィン７１部分を分割して構成するようにしてもよい。一体化することで、熱交換器の構造上、製造が容易となる。一方、高温となる補助放熱器２と高段側放熱器４との間で伝熱フィン７１を分割した構成とした場合には熱絶縁効果が大きくなるため、補助放熱器２及び高段側放熱器４の双方がより効率よく放熱可能となる。

また、一体型放熱器７では、図２に示すように、低段側圧縮機１が吐出した高温となるガス状の冷媒（ガス冷媒）を冷却する補助放熱器２を熱交換器の上方部（重力方向の上側）に配置し、高段側放熱器４を下方部（重力方向の下側）に配置する。これにより、補助放熱器２の放熱が高段側放熱器４側に干渉することがない。したがって、補助放熱器２で暖められた被熱伝達流体が高段側放熱器４側に移動することがなく、補助放熱器２及び高段側放熱器４の双方が効率よく放熱可能となる。

本実施の形態では、図２に示しているように、一体型放熱器７の全放熱量（高段側放熱器４の放熱量＋補助放熱器２の放熱量）に対する補助放熱器２の放熱量比率を、所定の低周囲温度の放熱量比率以下の範囲内として一体型放熱器７（高段側放熱器４と補助放熱器２）を構成した装置とすることに特徴を有するものである。詳細については後述する。

このように構成された冷凍装置に用いる冷媒は、本実施の形態では二酸化炭素（ＣＯ_２）とする。例えば、本実施の形態の冷凍機１１の接続対象となる室内機１２として、例えばスーパーマーケットのショーケース等においては、配置換え等により配管等が開放されることがあり、冷媒漏れが発生する可能性がある。そこで、冷媒漏れを考慮すると、地球温暖化に対する影響が小さいＣＯ_２を冷媒として用いることが望ましい。

また、本実施の形態の冷凍装置は、冷凍機内蔵型のショーケース等にも適用することができる。冷凍機内蔵型のショーケースは、冷媒回路が開放されることがないため、冷媒漏れ量も小さい。このため、従来用いられている地球温暖化係数の高いＨＦＣ系冷媒でもよいが、本来的には、地球温暖化に対する影響が小さい冷媒である、例えばＨＦＯ冷媒、ＨＣ系冷媒、ＣＯ_２、アンモニア、水等が望ましい。

以上のように構成された冷凍装置の動作について冷媒の流れに基づいて説明する。
低段側圧縮機１はＣＯ_２冷媒を圧縮する。圧縮されて吐出されたＣＯ_２冷媒は、一体型放熱器７内の補助放熱器２で放熱することで冷却された後、高段側圧縮機３に吸入される。高段側圧縮機３はＣＯ_２冷媒をさらに圧縮する。高段側圧縮機３で圧縮されて吐出されたＣＯ_２冷媒は、一体型放熱器７内の高段側放熱器４で放熱することで凝縮された後、膨張弁５で減圧されて蒸発器６に流入する。蒸発器６に流入したＣＯ_２冷媒は蒸発して、低段側圧縮機１へ還流する。蒸発器６においてＣＯ_２冷媒が蒸発する際に負荷を冷却する。

本実施の形態の冷凍装置では、低段側圧縮機１と高段側圧縮機３との容量比により低段側高圧（中間圧力）を調節する。ここで、本実施の形態では、圧縮機を駆動させるモータの回転数を制御できる運転容量可変式とすることで、低段側高圧の調節を行えるようにするが、低段側圧縮機１と高段側圧縮機３の排除容積比により低段側高圧を調節してもよい。

図３は、冷凍装置におけるエンタルピと圧力との関係を示す図である。本実施の形態の冷凍装置では、外気温度に応じて冷却負荷が変化し、冷却負荷に対して冷凍能力（蒸発器６の熱交換量）を決定しており、その決定した冷凍能力を一定に保つように、低段側圧縮機１により冷媒流量を制御している。このため、ある運転状態から高段側圧縮機３の駆動回転数を上げて高段側圧縮機３の容量を増大させても、低段側圧縮機１の駆動回転数が追従するわけではない。したがって、高段側圧縮機３の容量が増大すると高段側吸入圧力が低下し、低段側高圧（低段側吐出圧力）も低下するという関係がある。逆に、高段側圧縮機３の容量を低減すれば低段側高圧が上昇する。

また、図３から明らかなように、高段側圧縮機３の駆動回転数を上げて低段側高圧が低下すると、高段側圧縮機３の入力（電力）は大きくなる（ＷＨ１＜ＷＨ２）のに対し、低段側圧縮機１の入力は小さくなる（ＷＬ１＞ＷＬ２）。

ところで、低段側圧縮機１と高段側圧縮機３の圧縮比が略同等となるときに、合計入力（高段側圧縮機３の入力＋低段側圧縮機１の入力）が最小となり、二段サイクル全体の運転効率が最適となる。そこで、高段側圧縮機３の容量を調節して、低段側圧縮機１と高段側圧縮機３との圧縮比が略同等となるように低段側高圧を調節する。よって、低段側高圧は超臨界とならない運転となる。このため、圧力によって相変化が生じる飽和温度が決まることとなる。

図４は、中間圧力と圧縮機の入力との関係を示す図である。図４は、前述した関係を整理したものであり、横軸を低段側高圧（中間圧力）とし、縦軸を二段サイクル冷凍装置における入力として、高段側圧縮機３の入力（エンタルピ差）と低段側圧縮機１の入力（エンタルピ差）とそれらの合計入力をそれぞれ示している。図４に示すように、高段側圧縮機３と低段側圧縮機１とにおける圧縮機入力が略同じになるときに合計入力が最も小さくなることがわかる。そして、このときＣＯＰ（＝冷凍能力／（高段側圧縮機入力＋低段側圧縮機入力））が最大となる。

以上より、高段側圧縮機３と低段側圧縮機１とにおける圧縮比を略同じとする低段側高圧（以下、最適中間圧という）を目標として高段側圧縮機３の容量制御を行う。これにより、二段サイクル冷凍装置のＣＯＰが最大となる効果を得ることができる。ここで、本実施の形態では、高段側圧縮機３の容量制御を行う場合について説明するが、本発明はこれに限らず、低段側圧縮機１の圧縮比と高段側圧縮機３の圧縮比とが同等となるように、低段側圧縮機１の容量と高段側圧縮機３の容量との容量比を調節すればよい。

高段側高圧は、高段側放熱器４において冷媒との熱交換に係る周囲空気の温度によって変化する。本実施の形態では高段側放熱器４は屋外設置の冷凍機１１が収容している。このため、高段側放熱器４において冷媒と熱交換するのは外気空気である。例えば外気温度が上昇すれば高段側高圧が上昇し、最適中間圧も上昇する。一方、外気温度が低下すれば同様に最適中間圧が低下する。このように、外気温度に伴って最適中間圧が変化することになる。

ここで、本実施の形態では、圧縮機の圧力運転範囲を維持するため、放熱器ファン８の回転速度を制御して高段側高圧を調節する。このとき、本実施の形態のように高段側圧縮機３と低段側圧縮機１とにおける圧縮比を略同じとする最適中間圧を目標として高段側圧縮機３の容量制御を行おうとすると、最適中間圧における冷媒の飽和温度が外気温度よりも高くなる可能性がある。

＜低段側凝縮温度が外気温度よりも低い場合と高い場合の補助放熱器２の放熱量の違いについて＞
次に、補助放熱器２の放熱量について考察する。本実施の形態の冷凍装置では、上記のような圧力制御を行うため、最適中間圧の飽和温度が外気温度（周囲温度）に対して低くなる場合と高くなる場合（同じ場合も含む）とがある。補助放熱器２は外気に冷媒の熱を放熱する放熱器であるため、低段側圧縮機１から吐出された冷媒は補助放熱器２で外気と熱交換しても、最大でも外気温度までしか下がらない。また、低段側凝縮温度が外気温度よりも低い場合と高い場合とでは吐出温度の冷媒を補助放熱器２で同じ外気温度まで下げるにあたっても、その放熱量は異なるものとなる。

図５は、凝縮温度が外気温度よりも低い場合と高い場合との放熱量をモリエル線図で説明した図である。図５（ａ）は、凝縮温度が外気温度よりも高い場合の放熱エンタルピ差、図５（ｂ）は、凝縮温度が外気温度よりも低い場合の放熱エンタルピ差を示している。

（ａ）凝縮温度が外気温度よりも高い場合
圧縮機の吐出冷媒の温度（ａ点の温度）が例えば８０℃〜９０℃であり、外気温度が２０℃で凝縮温度が２５℃の場合について考える。
放熱器は外気に冷媒の熱を放熱する放熱器であるため、図５（ａ）に示すように、８０℃〜９０℃の冷媒（点ａ）は、放熱器での外気との熱交換により、まず、ガス状態のまま凝縮温度である２５℃（点ｂ）まで下がる。そして、２５℃を保ちながら凝縮して液状態となる（ｃ点）。外気温度は２０℃であるため冷媒はさらに放熱可能であり、液状態で２０℃（点ｄ）まで下がる。このように凝縮温度が外気温度よりも高い場合、冷媒は凝縮するため、相変化を伴う冷却を行うことになる。

（ｂ）凝縮温度が外気温度よりも低い場合
低段側圧縮機１の吐出冷媒の温度（ａ点の温度）が例えば８０℃〜９０℃であり、外気温度が２０℃で凝縮温度が１０℃の場合について考える。補助放熱器２は外気に冷媒の熱を放熱する放熱器であるため、上述したように８０℃〜９０℃の冷媒は、補助放熱器２における外気との熱交換により最大でも外気温度の２０℃までしか下がらない。したがって、図５（ｂ）に示すように、８０℃〜９０℃の冷媒（点ａ）は、補助放熱器２でガス状態のまま２０℃（点ｂ）となる。このため、凝縮温度が外気温度より低い場合は、補助放熱器２では凝縮による相変化を伴う冷却を行えず、ガス状のまま冷却を行うことになる。

＜補助放熱器２の放熱量とＣＯＰとの関係＞
図６は、補助放熱器２の放熱量とＣＯＰとの関係を説明するための図である。図６においては、二段サイクルのモリエル線図を示している。二段サイクルを構成するにあたり、補助放熱器２での放熱量をＱｓｕｂ１にした場合（図６（ａ））とＱｓｕｂ２にした場合（図６（ｂ））とを比較する（Ｑｓｕｂ１＜Ｑｓｕｂ２）。図６に示すように、冷凍能力が一定とすると、θｈ１＜θｈ２となるため、放熱量Ｑｓｕｂ１で放熱する場合に比べて放熱量Ｑｓｕｂ２で放熱する方が高段側圧縮機３の入力（エンタルピ差）を少なくすることができる（ＷＨ１＞ＷＨ２）。このため、高段側圧縮機３の吸入温度が低ければ同じ昇圧量でも圧縮機動力は少なくなる。よって、補助放熱器２の放熱量が多い方が高段側圧縮機３の入力を小さくできる。

本実施の形態の冷凍装置では、冷凍能力一定の制御が行われており、ＣＯＰ＝冷凍能力／（高段側圧縮機３の入力＋低段側圧縮機１の入力）であるため、高段側圧縮機３の入力を小さくすることができればＣＯＰを大きくすることができる。

以上の内容を整理すると、高段側圧縮機３の圧縮比と低段側圧縮機１の圧縮比とを略同じとする運転制御によりＣＯＰを最大とすることができ、また、補助放熱器２の放熱量を多くするほど、ＣＯＰの値を大きくすることができることになる。

よって、補助放熱器２の冷媒流出口において、ちょうど飽和ガスとなるような放熱量とすれば、高段側圧縮機３の液圧縮を回避しつつ、最大のＣＯＰを得られる。低段側圧縮機１から吐出された冷媒が飽和ガス状態となる程度に補助放熱器２の放熱量を確保する。この放熱量を以下では所要放熱量という。この所要放熱量を達成するには、例えば、放熱器ファン８の風量を制御したり、補助放熱器２自体の構造的な設計を行ったりすることになる。このように補助放熱器２の放熱量を所要放熱量とすることにより、高段側圧縮機３の液圧縮を回避しつつ、最大限のＣＯＰを得ることができる。

ここで、高段側圧縮機３と低段側圧縮機１とにおける圧縮比を制御し、低段側凝縮温度が外気温度より低くなるようにすれば、補助放熱器２における冷媒の冷却（放熱）では相変化が伴わないので、必ず高段側圧縮機３の液圧縮を回避することはできる。しかしながら、高段側圧縮機３と低段側圧縮機１とにおける圧縮比を略同じとする最適中間圧を目標とするものではないため、最大限のＣＯＰは得られないこととなる。

ところで、所要放熱量は外気温度によって異なる。よって、年間を通じて高段側圧縮機３の液圧縮を回避しつつ、最大限のＣＯＰを得るには、低外気条件のときの所要放熱量と高外気条件のときの所要放熱量とを把握しておく必要がある。本実施の形態の冷凍装置では、補助放熱器２の所要放熱量と高段側放熱器４の放熱量との間には、外気条件に応じた所定の放熱量比が存在する。ここで、本実施の形態では補助放熱器２と高段側放熱器４とが一体型放熱器７で構成されているため、所定の放熱量比は、一体型放熱器７の全体放熱量に対する補助放熱器２の放熱量の割合に置き換えられる。したがって、低外気条件のときの放熱量割合、又は高外気条件のときの放熱量割合のいずれか小さい方の放熱量割合を設定することにより、年間を通じて高段側圧縮機３の液圧縮を回避しつつ、最大限のＣＯＰを得ることが可能な冷凍装置を構成することができる。

後述するように、上記の一体型放熱器７における全放熱量に対する補助放熱器２の放熱量割合は、低外気条件の方が小さくなり、外気温度の変化に対して増減の傾向は変化しない単調変化となる。このため、低外気条件の放熱量割合で補助放熱器２を構成すれば、年間を通じて高段側圧縮機３の液圧縮を回避しつつ、最大ＣＯＰが得られる所要放熱量を確保できることとなる。

特に本実施の形態の冷凍装置において、使用環境の想定がつく場合、年間を通じて最も低い外気温度条件によって放熱量割合を設定すれば、年間を通じて高段側圧縮機３の液圧縮を回避できるため、高信頼性を得ることができる。

以下、ＪＩＳ規格に基づく低外気条件（７℃）及び高外気条件（３５℃）のときの放熱量割合の説明に先立って、一体型放熱器７全体の放熱量について説明する。

＜一体型放熱器７の放熱量＞
図７は、本発明の実施の形態１に係る冷凍装置の一体型放熱器７の放熱量を説明するための図である。図７においては、本実施の形態の冷凍装置のモリエル線図を示している。一体型放熱器７の放熱量ＱＡＬＬは、次の（１）式のように、高段側放熱器４の放熱量ＱＣＨと補助放熱器２の放熱量Ｑｓｕｂを加算した量となる。

ＱＡＬＬ＝Ｑｓｕｂ＋ＱＣＨ …（１）

＜一体型放熱器７における補助放熱器２の放熱量割合＞
補助放熱器２の放熱量Ｑｓｕｂを所要放熱量とすると、この放熱量Ｑｓｕｂと一体型放熱器７全体の放熱量ＱＡＬＬとの間には、外気温度及びＣＯ_２冷媒の物性に応じた関係がある。この関係について以下に説明する。

図８は、本発明の実施の形態１に係る冷凍装置の一体型放熱器における補助放熱器の放熱量割合を説明するための図である。図８においては、外気温度３５℃と外気温度７℃のときのモリエル線図を示している。

例えば外気温度が３５℃のとき、図８の高段側放熱器４の放熱量Ａ１と、補助放熱器２の放熱量Ｂ１との比が６７：３３になることがＣＯ_２冷媒の物性に基づき決まっている。また、外気温度が７℃（低外気条件）のとき、高段側放熱器４の放熱量Ａ２と、補助放熱器２の放熱量Ｂ２との比が８３：１７になることがＣＯ_２冷媒の物性に基づき決まっている。

以上より、本実施の形態の冷凍装置をＣＯＰが最大となる制御で運転し、補助放熱器２で凝縮させずに最大可能な放熱量を確保して高いＣＯＰを得るための構成とするには、一体型放熱器７の全放熱量に対する補助放熱器２の放熱量割合を、外気温度が３５℃の場合は３３％とし、外気温度が７℃の場合は１７％とすることが好ましい。そして、この冷凍装置は年間を通して使用されることを鑑みると、一体型放熱器７の全放熱量は、低外気温度７℃での割合１７％以下を補助放熱器２で放熱する構成とすることが望ましいということになる。

また、上記の全放熱量に対する補助放熱器２の放熱量割合は、外気温度変化に対して増減の傾向は変化しないため、外気温度に対して単調増加、又は単調減少となる。よって、例えば最低外気温度７℃のときの放熱量割合で補助放熱器２を構成すれば、年間を通じて高段側圧縮機３の液圧縮を回避しつつ、最大ＣＯＰが得られる所要放熱量となる。

ここで、上述した外気温度は一例である。冷凍装置が配置される環境に応じて適宜設定することができる。例えば低外気条件の温度（所定の低周囲温度）は、外気温度として想定される温度の下限値に応じた温度であり、高外気条件の温度（所定の高周囲温度）は、外気温度として想定される温度の上限値に応じた温度である。そして、一体型放熱器７の全放熱量に対する補助放熱器２の放熱量比率を、外気温度が低外気条件の際に、補助放熱器２により冷媒状態を略飽和ガス状態まで冷却させた場合での放熱量比率より低くなるように、補助放熱器２を構成すればよい。

例えば本実施の形態の冷凍装置で用いるＣＯ_２冷媒は超臨界冷媒となる。そのため、高段側放熱器４のエンタルピ差が小さく、また、比熱比が大きいため吐出温度が高く、補助放熱器２のエンタルピ差が大きい。よって、一体型放熱器７の全放熱量に対する補助放熱器２の放熱量割合は大きいものとなる。

図９は、補助放熱器２の放熱量比率を冷媒毎に示す図である。次に凝縮潜熱を利用する冷媒について考察する。図９においては、ＣＯ_２冷媒、凝縮潜熱を利用する代表的な冷媒（プロパン、イソブタン、アンモニア、ＨＦＯ１２３４ｙｆ、ＨＦＯ１２３４ｚｅ、Ｒ１３４ａ、Ｒ４１０Ａ、Ｒ３２）を用いた場合における、一体型放熱器７の全放熱量に対する補助放熱器２の放熱量比率を、低外気条件（７℃）と高外気条件（３５℃）とでそれぞれグラフで示している。

凝縮潜熱を利用した場合、ＣＯ_２冷媒とは対照に、高段側放熱器４のエンタルピ差が大きく、補助放熱器２のエンタルピ差が小さくなる。よって、一体型放熱器７の全放熱量に対する補助放熱器２の所要放熱量割合はＣＯ_２冷媒より小さいものとなる。各冷媒の中で、最小の放熱量割合はイソブタンの７．７％となり、最大の放熱量割合はＲ４１０Ａ、又はＲ３２の１６．９％となる。よって、ＣＯ_２冷媒以外の凝縮潜熱を利用する冷媒を、年間を通して使用することを鑑みると、一体型放熱器７の全放熱量の８％以下を補助放熱器２で放熱する構成とすることが望ましいということになる。

本実施の形態の冷凍装置において、上記のような放熱量割合にするための具体的な構成として任意の構成を採用することができる。例えば、図１に示すように補助放熱器２と高段側放熱器４とで共通の放熱器ファン８を備えた構成とする場合は、補助放熱器２の伝熱面積を一体型放熱器７の伝熱面積の１７％以下とする。

また、補助放熱器２と高段側放熱器４とでそれぞれ別々の放熱器ファン８を用いる構成であれば、各放熱器ファン８の回転数を変えて放熱量割合を制御するようにしてもよい。この場合、外気温度が７℃の場合には放熱量割合が１７％、外気温度が３５℃のときは放熱量割合が３３％となるように、図示しない制御装置により外気温度に応じて各放熱器ファン８を制御するようにしてもよい。

以上説明したように、本実施の形態によれば、高段側放熱器４の冷媒の放熱量と補助放熱器２の冷媒の放熱量との合計放熱量に対する補助放熱器２の冷媒の放熱量の割合である放熱量比率を、低外気条件の際に補助放熱器２の放熱量を所要放熱量とした場合における放熱量比率より低くするようにした。このため、低い周囲温度における放熱量に基づいて高段側放熱器４と補助放熱器２とを構成することで、補助放熱器２における冷媒の凝縮は年間を通じて発生せず、高段側圧縮機３の液圧縮を回避できるため、高い信頼性を得ることができる。また、圧縮機の発停等が抑えられ、安定した駆動を行うことができるので省エネルギー効果を得ることが可能となる。ここで、本実施の形態では、高段側放熱器４と補助放熱器２との構成を、放熱量比率（割合）に基づいて設定するようにしたが、例えば高段側放熱器４と補助放熱器２とにおける冷媒の放熱量について、比等の関係に基づいて構成を定めるようにしてもよい。

また、地球温暖化に対する影響が小さい自然冷媒として、運転効率の低いＣＯ_２冷媒を用いた冷凍装置に関して、年間を通した外気温度変化、負荷変動と、冷媒の特性、高段と低段の消費電力比率を考慮しつつ、放熱量割合を選定するようにしたので、高段側圧縮機３の液圧縮を回避しつつ、冷凍装置全体の運転効率が向上することで年間を通した省エネルギー効果を得ることができる。例えば、また、補助放熱器２の放熱量を一体型放熱器７の全放熱量に対して１７％以下としたことにより、ＣＯ_２冷媒を冷凍装置に使用した場合であっても、年間を通して大きな省エネルギー効果を得ることができる。

さらに、補助放熱器２と高段側放熱器４とを一体とした一体型放熱器７で形成することでコンパクトな冷凍装置を得ることができる。さらに、補助放熱器２の放熱量を一体型放熱器７の全放熱量に対して１７％以下にするにあたり、一体型放熱器７において、補助放熱器２と高段側放熱器４とで伝熱面積を分けるように構成することにより、無駄なく一体型放熱器７を使用することができ、信頼性が高く、かつ年間を通して大きな省エネルギー効果となるコンパクトな冷凍装置を得ることができる。

本実施の形態の冷凍装置において、補助放熱器２の放熱量を一体型放熱器７の全放熱量に対して１７％以下にすれば補助放熱器２において信頼性が高く、最も高い省エネルギー効果が得られるのは上述の通りである。これは、全放熱量に対して一体型放熱器７が十分な熱処理能力を有している場合に成立する。一方、例えば一体型放熱器７が十分な熱処理能力を有していないような場合は、高段側高圧が高くなるため、補助放熱器２の割合を減らして高段側放熱器４に割り当てた方が省エネルギー効果が大きくなる。また、高段側高圧が過上昇するような場合は、信頼性を確保するため補助放熱器２を高段側放熱器４に割り当てざるを得ない。しかし、これらは補助放熱器２で所要放熱量が得られないため、所要放熱量が得られる場合と比較するとＣＯＰは大きく悪化する。

よって、一体型放熱器７が十分な熱処理能力を有している場合に補助放熱器２の所要放熱量を得ることができるため、二段サイクルにおける補助放熱器２の効果を最大限に活かすには、一体型放熱器７は十分な熱処理能力を有していた方が良い。

図１０は、本発明の実施の形態１に係る放熱量に対する十分な熱処理能力を説明するための図である。図１０に基づいて、放熱量に対する十分な熱処理能力について具体的に説明する。放熱量は、蒸発器６（冷却器）の熱交換量（冷凍能力）＋圧縮機入力となる。例えば、ＣＯＰ＝２の単段サイクルの冷凍装置の場合、圧縮機入力が「１」に対して冷凍能力が「２」となるため、放熱量は「３」となる。よって、一般的に放熱器の熱処理能力は冷却器の１．５倍程度で設計される。

また、蒸発器６において、冷媒温度（蒸発温度）と被冷却媒体（冷蔵庫内空気）との温度差を所望の温度（例えば１０℃）とするため、放熱器の冷媒温度（凝縮温度）と外気温度との温度差がその所望の温度（例えば１０℃）となれば十分な熱処理能力を有する。例えば本実施の形態のような二段サイクル冷凍装置の一体型放熱器７において、冷媒温度（凝縮温度）と外気温度との温度差を、放熱器の冷媒温度（凝縮温度）と外気温度との温度差以下（例えば１０℃以下）とすれば、補助放熱器２の効果を含めて確実に単段サイクルより高いＣＯＰを得ることができる。

ここで、熱処理能力とは、熱交換器の伝熱面積と熱通過率の積で表される。熱通過率は、主に冷媒側の熱伝達率と空気側の熱伝達率で決まる。低温機器用の冷却器は着霜耐力向上の観点から、伝熱管やフィンのピッチが大きく、放熱器より熱通過率が小さいため、伝熱面積は大きいが、熱処理能力は放熱器より小さい。

実施の形態２．
図１１は、本発明の実施の形態２に係る冷凍装置の構成を示す図である。図１１において、図１等と同じ符号を付している機器等については、実施の形態１で説明したことと同様の動作等を行う。図１１（ａ）、図１１（ｂ）に示すように、本実施の形態の冷凍装置は、冷媒回路における補助放熱器２から高段側圧縮機３の間の経路にアキュムレータ９を備える。補助放熱器２において凝縮した液冷媒が生じても、アキュムレータ９により液を貯留することが可能となり、気液分離を行うことができる。このため、高段側圧縮機３にはガス冷媒のみを流出させることができるため、高段側圧縮機３の液圧縮を回避可能となる。

そして、特に図１１（ｂ）では、アキュムレータ９において、気液分離により貯留した液冷媒の取出口を備え、流量調節弁１０を介して流量調節、減圧等を行って蒸発器６の上流側へ液冷媒を流して、高段側放熱器４、膨張弁５を通過した冷媒と合流させる構成とする。図１１（ｂ）の冷凍装置では、アキュムレータ９内の中間圧冷媒を、圧縮、凝縮等の過程を経ずに、蒸発器６に直接導くことができるため、高段側圧縮機３の入力を低減することができ、省エネルギー効果も得ることができる。

本実施の形態の冷凍装置についても、冷媒のノンフロン化やフロン冷媒の削減、機器の省エネルギー化が要求されるショーケース、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広く適用することができる。

１ 低段側圧縮機、２ 補助放熱器、３ 高段側圧縮機、４ 高段側放熱器、５ 膨張弁、６ 蒸発器、７ 一体型放熱器、８ 放熱器ファン、９ アキュムレータ、１０ 流量調節弁、１１ 冷凍機、１２ 室内機、１３ 液冷媒配管、７１ 伝熱フィン、７２ 伝熱管。

Claims (5)

1. 冷媒を圧縮して吐出する低段側圧縮機と、
   前記低段側圧縮機が吐出した前記冷媒と周囲空気とを熱交換させ、前記冷媒を放熱させる補助放熱器と、
   前記補助放熱器で放熱した前記冷媒を圧縮して吐出する高段側圧縮機と、
   前記高段側圧縮機が吐出した前記冷媒と前記周囲空気とを熱交換させ、前記冷媒を放熱させる高段側放熱器とを少なくとも有し、
   前記冷媒として二酸化炭素を用い、
   前記高段側放熱器と前記補助放熱器とが、
   前記高段側放熱器における前記冷媒の放熱量と前記補助放熱器における前記冷媒の放熱量との合計放熱量に対する、前記補助放熱器における前記冷媒の放熱量の割合である放熱量比率が１７％以下であり、
   前記高段側放熱器が前記補助放熱器よりも下側に位置し、かつ、伝熱フィンを一体化した一体型放熱器で構成され、
   前記補助放熱器と前記高段側圧縮機との間に設置され、前記高段側圧縮機にガス状の前記冷媒を吸入させる気液分離器と、
   一端が前記気液分離器の液冷媒流出口と接続し、他端が前記高段側放熱器の流出側の配管と接続して、前記気液分離器内の液状の冷媒を、前記高段側放熱器を流出した前記冷媒と合流させる液冷媒配管と、
   該液冷媒配管上に設置され、該液冷媒配管を通過する冷媒量を調節する流量調節装置と
   を備えることを特徴とする冷凍機。
2. 前記低段側圧縮機の圧縮比と前記高段側圧縮機の圧縮比とが同等となるように、前記低段側圧縮機の容量と前記高段側圧縮機の容量との容量比を調節することを特徴とする請求項１に記載の冷凍機。
3. 前記高段側放熱器は、
   当該高段側放熱器を流れる前記冷媒と前記周囲空気との温度差が、前記冷媒を蒸発させる冷却器を流れる前記冷媒と、前記冷却器における前記冷媒の熱交換対象との温度差以下となる熱処理能力を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の冷凍機。
4. 前記一体型放熱器に前記周囲空気を通過させる送風機をさらに備えることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の冷凍機。
5. 請求項１〜４の何れか一項に記載の冷凍機における低段側圧縮機、補助放熱器、高段側圧縮機及び高段側放熱器と、
   前記高段側放熱器で放熱した冷媒を減圧する減圧装置と、
   前記減圧装置で減圧された前記冷媒を蒸発させる冷却器とを配管接続して冷媒回路を構成することを特徴とする冷凍装置。

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