KR101220583B1 - 냉동장치 - Google Patents

Abstract

<과제> 고압 측이 임계압력이 되는 냉동장치에서 냉매회로 내의 순환냉매량을 적절히 유지하여, 고압 이상에 의한 압축수단의 과부하 운전을 방지한다.
<해결수단> 본 발명은 고압 측이 초임계압력이 되는 냉동장치(R)로서, 연통회로(101)를 통하여 고압 측에 접속된 냉매량 조정탱크(100)와, 이 탱크의 상부와 냉매회로의 중간압영역을 연통하는 연통회로(103)와, 탱크의 하부와 냉매회로의 중간압영역을 연통하는 연통회로(105)와, 연통회로(101)의 전동팽창밸브(102)와, 연통회로(103)의 전자밸브(104)와, 연통회로(105)의 전자밸브(106)와, 이들을 제어하여 냉매회로 중의 순환냉매를 탱크로 회수하고, 냉매회로(1)로 냉매를 방출하는 제어장치(C)를 구비하였다.

Description

냉동장치{FREEZING DEVICE}

본 발명은 압축수단과, 가스쿨러(gas cooler)와, 조임수단과, 증발기로 냉매회로가 구성되고, 고압 측이 초(超)임계압력이 되는 냉동장치에 관한 것이다.

종래부터, 이런 종류의 냉동장치는 압축수단, 가스쿨러(gas cooler), 조임수단 등으로 냉동사이클이 구성되고, 압축수단에서 압축된 냉매가 가스쿨러로 방열되며, 조임수단으로 감압된 후, 증발기로 냉매를 증발시키고, 이 때의 냉매의 증발에 의해 주위의 공기를 냉각하는 것으로 되어 있었다. 최근, 이런 종류의 냉동장치에서는 자연환경문제 등의 이유로 프레온계 냉매를 사용할 수 없게 되어 오고 있다. 이 때문에, 프레온 냉매의 대체품으로서 자연냉매인 이산화탄소를 사용하는 것이 개발되고 있다. 당해 이산화탄소 냉매는 고저압차(高低壓差)가 격렬한 냉매로서, 임계압력이 낮고, 압축에 의해 냉매사이클의 고압 측이 초임계상태가 되는 것이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).

[특허문헌 1] 일본국 특공평7-18602호 공보

상술한 같은 프레온 냉매는, 응축기로부터 나온 후, 리시버(receiver) 탱크 내로 들어가고, 그곳에 일단 저장되어 기액(氣液)이 분리된다. 분리된 액체냉매는 리시버 탱크에 저장되고, 외기온도 등에 따라 냉매량의 조정에 이용된다. 한편, 고압 측이 초임계압력이 되도록 하는 냉매, 예를 들면 이산화탄소를 이용한 경우는, 외기온도가 강하하면, 포화사이클이 행해지기 때문에, 냉매는 가스액 혼합상태가 되고, 저압 측에 마련되는 리시버 탱크에 의해서 기액분리되며, 가스냉매만이 압축수단으로 흡입된다. 당해 리시버 탱크에 의해서 냉매회로 중의 순환냉매량의 조정도 행할 수 있다. 그러나, 외기온도가 상승하여, 예를 들면 +25℃ ~ 30℃ 이상이 되면, 냉매는 액화하지 않고, 가스사이클 운전이 행해진다. 이 때문에, 리시버 탱크에 의한 순환냉매량의 조정을 행하지 못하고, 냉매회로 중의 과잉인 가스냉매에 의해서, 고압 측 압력이 이상(異常) 상승하는 문제가 있다.

그래서, 고압 측 압력의 이상 상승을 회피하기 위하여 고압차단장치가 마련되어 있지만, 이 고압차단장치는 냉매회로의 고압 측 압력이 소정의 고압차단 설정값에 이른 경우에 압축수단을 강제적으로 정지시켜 시스템을 보호하는 것이지만, 압축수단이 정지하면 증발기에 의한 냉각도 정지해 버린다.

본 발명은 종래의 기술적 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 고압 측이 임계압력이 되는 냉동장치에 있어서, 냉매회로 내의 순환냉매량을 적절히 유지하여, 고압 이상에 의한 압축수단의 과부하운전을 방지할 수 있는 냉동장치를 제공한다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은, 압축수단과, 가스쿨러와, 조임수단과, 증발기로 냉매회로가 구성되고, 고압 측이 초임계압력이 되는 냉동장치에 있어서, 제1 연통회로를 통하여 냉매회로의 고압 측에 접속된 냉매량 조정탱크와, 이 냉매량 조정탱크의 상부와 냉매회로의 중간압영역을 연통하는 제2 연통회로와, 냉매량 조정탱크의 하부와 냉매회로의 중간압영역을 연통하는 제3 연통회로와, 제1 연통회로에 마련된 조임기능을 가지는 제1 개폐수단과, 제2 연통회로에 마련된 제2 개폐수단과, 제3 연통회로에 마련된 제3 개폐수단과, 각 개폐수단을 제어하여 냉매회로 중의 순환냉매를 냉매량 조정탱크로 회수하고, 냉매회로로 냉매를 방출하는 제어수단을 구비한 것을 특징으로 한다.

청구항 2의 발명은, 상기 발명에 있어서, 제어수단은 제3 개폐수단을 닫은 상태에서 제1 개폐수단 및 제2 개폐수단을 개방함으로써, 냉매를 냉매량 조정탱크로 회수하는 냉매회수동작을 실행하고, 제1 개폐수단 및 제2 개폐수단을 닫은 상태에서 제3 개폐수단을 개방함으로써, 냉매량 조정탱크로부터 냉매를 방출하는 냉매방출동작을 실행하는 것을 특징으로 한다.

청구항 3의 발명은, 상기 발명에 있어서, 제어수단은 냉매회로의 고압 측 압력에 근거하고, 당해 고압 측 압력이 상승한 것에 근거하여 냉매회수동작을 실행하고, 고압 측 압력이 저하한 것에 근거하여 냉매방출동작을 실행하는 것을 특징으로 한다.

청구항 4의 발명은, 상기 발명에 있어서, 제어수단은 고압 측 압력이 소정의 회수 문턱값을 넘은 경우, 또는, 고압 측 압력이 회수 문턱값보다 낮은 소정의 회수 보호값을 넘고, 또한, 가스쿨러를 공랭하는 송풍기의 회전수가 최대값이 된 것을 조건으로 하여, 냉매회수동작을 실행하고, 고압 측 압력이 회수 보호값 이하로 저하한 경우에 냉매회수동작을 종료함과 아울러, 고압 측 압력이 회수 보호값보다 낮은 소정의 방출 문턱값을 하회한 경우, 또는, 고압 측 압력이 회수 보호값 이하가 되고, 또한, 송풍기의 회전수가 최대값보다도 낮은 소정의 규정값 이하가 된 것을 조건으로 하여 냉매방출동작을 실행하는 것을 특징으로 한다.

청구항 5의 발명은, 상기 각 발명에 있어서, 압축수단은 제1 및 제2 압축요소로 구성되고, 냉매회로의 저압 측으로부터 제1 압축요소로 냉매를 흡입하여 압축하며, 당해 제1 압축요소로부터 토출된 중간압의 냉매를 제2 압축요소로 흡입하고, 압축하여 냉매회로의 고압 측으로 토출함과 아울러, 제1 압축요소로부터 토출된 냉매를 공랭하기 위한 인터쿨러를 구비하고, 제2 및 제3 연통회로를 인터쿨러의 출구 측에 연통시킨 것을 특징으로 한다.

청구항 6의 발명은, 상기 각 발명에 있어서, 냉매로서 이산화탄소를 사용한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 압축수단과, 가스쿨러와, 조임수단과, 증발기로 냉매회로가 구성되고, 고압 측이 초임계압력이 되는 냉동장치에 있어서, 제1 연통회로를 통하여 냉매회로의 고압 측에 접속된 냉매량 조정탱크와, 이 냉매량 조정탱크의 상부와 냉매회로의 중간압영역을 연통하는 제2 연통회로와, 냉매량 조정탱크의 하부와 냉매회로의 중간압영역을 연통하는 제3 연통회로와, 제1 연통회로에 마련된 조임기능을 가지는 제1 개폐수단과, 제2 연통회로에 마련된 제2 개폐수단과, 제3 연통회로에 마련된 제3 개폐수단과, 각 개폐수단을 제어하여 냉매회로 중의 순환냉매를 냉매량 조정탱크로 회수하고, 냉매회로로 냉매를 방출하는 제어수단을 구비한 것으로, 제1 개폐수단을 개방함으로써, 냉매회로의 고압 측으로부터 냉매량 조정탱크로 냉매를 회수할 수 있다.

고압 측이 초임계압력이 되는 냉동장치에서는 외기온도가 소정의 온도영역을 넘어가면, 냉매회로 내에서 액화하지 않는 가스사이클 운전이 되기 때문에, 종래와 같은 리시버 탱크에 의한 액량조정을 행할 수 없지만, 본 발명에 의하면, 잉여가 된 냉매에 의해서 고압 측의 압력이 오른 경우, 제1 개폐수단을 개방함으로써, 회로 내의 냉매를 냉매량 조정탱크로 회수할 수 있어, 냉매회로 내의 순환냉매량을 적절히 유지하는 것이 가능하게 된다.

그 때, 특히 청구항 2의 발명과 같이 제어수단은 제3 개폐수단을 닫은 상태에서 제1 개폐수단 및 제2 개폐수단을 개방함으로써, 냉매량 조정탱크의 상부와 냉매회로의 중간압영역을 연통하는 제2 연통회로를 통하여, 냉매량 조정탱크 내의 압력을 탱크 밖으로 방출함으로써, 탱크 내의 압력이 저하하여 당해 탱크 내의 냉매가 액화하여 고이기 때문에, 신속하고, 또한, 효율적으로 냉매회로 내의 냉매를 냉매량 조정탱크로 회수할 수 있다.

이것에 의해, 냉매회로 내의 고압 측이 이상 고압이 되는 문제점을 해소할 수 있어, 이상 고압에 의한 압축수단의 과부하 운전을 방지하는 것이 가능하게 된다.

특히, 본 발명에서는 냉매량 조정탱크의 상부와 냉매회로의 중간압영역을 제2 연통회로를 통하여 연통시킴으로써, 냉매회로의 저압 측 영역과 연통시키는 경우와 달리, 저압 측 압력이 상승되는 것에 의한 냉각효율의 저하를 회피하는 것이 가능하게 된다.

또, 제어수단은 제1 개폐수단 및 제2 개폐수단을 닫은 상태에서 제3 개폐수단을 개방함으로써, 냉매량 조정탱크로부터 냉매를 냉매회로로 방출하는 냉매방출동작을 실행하므로, 액체냉매를 냉매량 조정탱크의 하부로부터 냉매회로로 방출할 수 있다. 그 때문에, 냉매량 조정탱크의 상부로부터 가스냉매가 혼입한 상태에서 냉매회로로 방출하는 경우와 달리, 신속하게 냉매량 조정탱크 내의 냉매를 냉매회로로 방출할 수 있다. 이것에 의해, 냉동장치를 높은 효율로 운전하는 것이 가능하게 된다.

또, 청구항 3의 발명에 의하면, 상기 발명에 더하여, 제어수단은 냉매회로의 고압 측 압력에 근거하고, 당해 고압 측 압력이 상승한 것에 근거하여 냉매회수동작을 실행하고, 고압 측 압력이 저하한 것에 근거하여, 냉매방출동작을 실행함으로써, 고압 측 압력에 근거하여 냉매 회수·방출을 제어할 수 있어, 적확하게 고압보호 및 과부하 운전을 방지할 수 있다. 이것에 의해, 냉동장치의 냉각능력을 확보할 수 있어, COP의 적정화를 도모하는 것이 가능하게 된다.

청구항 4의 발명에 의하면, 상기 발명에 더하여, 제어수단은 고압 측 압력이 소정의 회수 문턱값을 넘은 경우, 또는, 고압 측 압력이 회수 문턱값보다 낮은 소정의 회수 보호값을 넘고, 또한, 가스쿨러를 공랭하는 송풍기의 회전수가 최대값이 된 것을 조건으로 하여, 냉매회수동작을 실행하고, 고압 측 압력이 회수 보호값 이하로 저하한 경우에 냉매회수동작을 종료함과 아울러, 고압 측 압력이 회수 보호값보다 낮은 소정의 방출 문턱값을 하회한 경우, 또는, 고압 측 압력이 회수 보호값 이하가 되고, 또한, 송풍기의 회전수가 최대값보다도 낮은 소정의 규정값 이하가 된 것을 조건으로 하여, 냉매방출동작을 실행함으로써, 상기 발명에 더하여 가스쿨러를 공랭하는 송풍기의 회전수도 고려하여 냉매회수·방출동작을 제어하는 것이 가능하게 되어, 냉매회로의 고압 측이 비정상으로 높아진 상태가 계속되는 것에 의한 효율 저하를 방지하는 것이 가능하게 된다.

또, 청구항 5의 발명에 의하면, 상기 각 발명에 더하여, 압축수단은 제1 및 제2 압축요소로 구성되고, 냉매회로의 저압 측으로부터 제1 압축요소로 냉매를 흡입하여 압축하며, 당해 제1 압축요소로부터 토출된 중간압의 냉매를 제2 압축요소로 흡입하고, 압축하여 냉매회로의 고압 측으로 토출함과 아울러, 제1 압축요소로부터 토출된 냉매를 공랭하기 위한 인터쿨러를 구비하고, 제2 및 제3 연통회로를 인터쿨러의 출구 측에 연통시킴으로써, 인터쿨러에서의 압력손실을 방지하여, 원활히 냉매량 조정탱크로부터 냉매회로로 냉매를 방출하는 것이 가능하게 된다.

청구항 6의 발명과 같이, 냉매로서 이산화탄소를 사용한 초임계 냉매회로(초임계 냉동사이클)에서 상기 각 발명은 특히 유효하다.

도 1은 본 실시예에서의 냉동장치의 냉매회로도이다.
도 2는 제어장치의 블록도이다.
도 3은 외기온도와 증발온도로부터 결정되는 목표고압 HPT의 경향을 나타내는 도면이다.
도 4는 냉매조정기의 부분 종단 측면도이다.
도 5는 냉매조정기의 부분 단면 평면도이다.

이하, 본 발명의 실시형태를 도면을 참조하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시형태에 관한 냉동장치(R)의 냉매회로도이다. 본 실시예에서의 냉동장치(R)는 냉동기 유니트(3)와 복수 대의 쇼케이스(showcase) 유니트(5A, 5B)를 구비하고, 이들 냉동기 유니트(3)와 각 쇼케이스 유니트(5A, 5B)가 냉매배관(7 및 9)에 의해 연결되어 소정의 냉동사이클을 구성한다.

이 냉동사이클은 고압 측의 냉매압력(고압압력)이 그 임계압력 이상(초임계)이 되는 이산화탄소를 냉매로서 이용한다. 이 이산화탄소 냉매는 지구 환경에 우수하고, 가연성 및 독성 등을 고려한 자연냉매이다. 또, 윤활유로서의 오일은, 예를 들면 광물유(미네랄 오일), 알킬벤젠(alkyl benzene)유, 에테르유, 에스테르유, PAG(폴리알킬글리콜(polyalkyl glycol)) 등, 기존의 오일이 사용된다.

냉동기 유니트(3)는 병렬로 배치된 2대의 압축기(11, 11)를 구비한다. 본 실시예에서 압축기(11)는 내부 중간압형 다단압축식 로터리 압축기이며, 동판(銅版)으로 이루어지는 원통 모양의 밀폐용기(12)와, 이 밀폐용기(12)의 내부공간의 상측에 배치 수납된 구동요소로서의 전동(電動)요소(14) 및 이 전동요소(14)의 하측에 배치되고, 전동요소(14)의 회전축(16)에 의해 구동되는 제1(저단(低段) 측) 회전압축요소(제1 압축요소)(18) 및 제2(고단(高段) 측) 회전압축요소(제2 압축요소)(20)로 이루어지는 회전압축기구부로 구성되어 있다.

제1 회전압축요소(18)는 냉매배관(9)을 통하여 냉매회로(1)의 저압 측으로부터 압축기(11)로 흡입되는 저압냉매를 압축하여 중간압까지 승압하여 토출하고, 제2 회전압축요소(20)는 제1 회전압축요소(18)로 압축되어 토출된 중간압의 냉매를 더 흡입하고, 압축하여 고압까지 승압하며, 냉매회로(1)의 고압 측으로 토출한다. 압축기(11)는 주파수 가변형의 압축기이며, 전동요소(14)의 운전주파수를 변경함으로써, 제1 회전압축요소(18) 및 제2 회전압축요소(20)의 회전수를 제어 가능하게 한다.

압축기(11)의 밀폐용기(12)의 측면에는 제1 회전압축요소(18)에 연통하는 저단 측 흡입구(22) 및 저단 측 토출구(24)와, 제2 회전압축요소(20)에 연통하는 고단 측 흡입구(26) 및 고단 측 토출구(28)가 형성되어 있다. 각 압축기(11, 11)의 저단 측 흡입구(22, 22)에는 각각 냉매도입관(30)이 접속되며, 각각의 상류 측에서 합류하여 냉매배관(9)에 접속된다.

저단 측 흡입구(22)에 의해 제1 회전압축요소(18)의 저압부로 흡입된 저압(LP : 통상 운전상태에서 4㎫ 정도)의 냉매가스는 당해 제1 회전압축요소(18)에 의해 중간압(MP : 통상 운전상태에서 8㎫ 정도)로 승압되어 밀폐용기(12) 내로 토출된다. 이것에 의해, 밀폐용기(12) 내는 중간압(MP)이 된다.

그리고, 밀폐용기(12) 내의 중간압의 냉매가스가 토출되는 각 압축기(11, 11)의 저단 측 토출구(24, 24)에는 각각 중간압 토출배관(36, 36)이 접속되고, 각각의 하류 측에서 합류하며, 인터쿨러(38)의 일단에 접속된다. 이 인터쿨러(38)는 제1 회전압축요소(18)로부터 토출된 중간압의 냉매를 공랭하는 것으로, 당해 인터쿨러(38)의 타단에는 중간압흡입관(40)이 접속되고, 이 중간압흡입관(40)은 2개로 분기한 후에 각 압축기(11, 11)의 고단 측 흡입구(26, 26)에 접속된다.

고단 측 흡입구(26)에 의해 제2 회전압축요소(20)의 중압부(中壓部)로 흡입된 중압(MP)의 냉매가스는 당해 제2 회전압축요소(20)에 의해 2단째의 압축이 행해져 고온고압(HP : 통상 운전상태에서 12㎫ 정도의 초임계압력)의 냉매가스가 된다.

그리고, 각 압축기(11, 11)의 제2 회전압축요소(20)의 고압실 측에 마련된 고단 측 토출구(28, 28)에는 각각 고압토출배관(42, 42)이 접속되고, 각각의 하류 측에서 합류하며, 오일세퍼레이터(44), 가스쿨러(46), 상세하게는 후술하는 배열회수(排熱回收) 열교환기(70) 및 스플릿 사이클를 구성하는 중간열교환기(80)를 통하여 냉매회로(7)에 접속된다.

가스쿨러(46)는 압축기(11)로부터 토출된 고압의 토출냉매를 냉각하는 것으로, 가스쿨러(46)의 근방에는 당해 가스쿨러(46)를 공랭하는 가스쿨러용 송풍기(47)가 배치되어 있다. 본 실시예에서는 가스쿨러(46)는 상술한 인터쿨러(38) 및 상세하게는 후술하는 오일쿨러(74)와 병설되어 있고, 이들은 동일한 풍로(風路)(45)에 배치되어 있다. 당해 풍로(45)에는 당해 냉동기 유니트(3)가 배치되는 외기온도를 검출하는 외기온도센서(외기온도 검출수단)(56)가 마련되어 있다.

또, 고단 측 토출구(28, 28)에는 제2 회전압축요소(20, 20)로부터 토출된 냉매의 토출압력을 검출하는 고압압력센서(고압압력 검출수단)(48)와, 토출냉매온도를 검출하는 토출온도센서(토출온도 검출수단)(50) 및 압축기(11)의 고단 측 토출구(28)로부터 가스쿨러(46)(오일세퍼레이터(44))를 향하는 방향을 순방향으로 하는 역지밸브(90)를 구비한 냉매조정기(91)가 마련되어 있다. 또한, 당해 냉매조정기(91)의 상세한 설명은 후술한다.

한편, 쇼케이스 유니트(5A, 5B)는 각각 점포 내 등에 설치되고, 냉매배관(7 및 9)에 각각 병렬로 접속되어 있다. 각 쇼케이스 유니트(5A, 5B)는 냉매배관(7)과 냉매배관(9)을 연결하는 케이스 측 냉매배관(60A, 60B)을 가지고 있으며, 각 케이스 측 냉매배관(60A, 60B)에는 각각 스트레너(strainer)(61A, 61B)와, 주조임수단(62A, 62B)과, 증발기(63A, 63B)가 순차 접속되어 있다. 각 증발기(63A, 63B)에는 각각 당해 증발기로 송풍하는 도시하지 않은 냉기순환용 송풍기가 인접되어 있다. 그리고, 당해 냉매배관(9)은 상술한 바와 같이 냉매도입관(30)을 통하여 각 압축기(11, 11)의 제1 회전압축요소(18)에 연통하는 저단 측 흡입구(22)에 접속되어 있다. 이것에 의해, 본 실시예에서의 냉동장치(R)의 냉매회로(1)가 구성된다.

냉동장치(R)는 범용의 마이크로 컴퓨터로 구성되는 제어장치(제어수단)(C)를 구비하고 있다. 당해 제어장치(C)는, 도 2에 나타내는 바와 같이 입력 측에 각종 센서가 접속되어 있음과 아울러, 출력 측에는 각종 밸브장치, 압축기(11, 11), 가스쿨러용 송풍기(47)의 팬모터(47M) 등이 접속되어 있다. 또한, 당해 제어장치(C)의 상세한 설명에 대해서는 각 제어에 따라 후술한다.

(A) 냉매량 조정제어

다음으로, 본 실시예에서의 냉동장치(R)의 냉매회로(1)의 냉매량 조정제어에 대해서 설명한다. 냉매회로(1)의 초임계압력이 되는 고압 측, 본 실시예에서는, 냉동기 유니트(3)의 중간열교환기(80)의 하류 측에는 제1 연통회로(101)를 통하여 냉매량 조정탱크(100)가 접속되어 있다. 당해 냉매량 조정탱크(100)는 소정의 용적을 가지는 것으로, 당해 탱크(100) 상부에 제1 연통회로(101)가 접속되어 있다. 이 제1 연통회로(101)에는 조임기능을 가지는 제1 개폐수단으로서 전동팽창밸브(102)가 개재(介在)되어 있다. 또한, 조임기능을 가지는 개폐수단은 이것에 한정되는 것이 아니고, 예를 들면, 제1 연통회로(101)에 조임수단으로서 예를 들면 캐필러리 튜브(capillary tube)와 전자밸브(개폐밸브)로 구성해도 된다.

그리고, 이 냉매량 조정탱크(100)에는 당해 탱크(100) 내 상부와, 냉매회로(1)의 중간압영역을 연통하는 제2 연통회로(103)가 접속되어 있다. 본 실시예에서는 제2 연통회로(103)의 타단은 중간압영역의 일례로서 냉매회로(1)의 인터쿨러(38)의 출구 측의 중간압 흡입관(40)에 연통시킨다. 이 제2 연통회로(103)에는 제2 개폐수단으로서의 전자밸브(104)가 개재되어 있다.

또, 이 냉매량 조정탱크(100)에는 당해 탱크(100) 내 하부와, 냉매회로(1)의 중간압영역을 연통하는 제3 연통회로(105)가 접속되어 있다. 본 실시예에서는 제3 연통회로(105)의 타단은 중간압영역의 일례로서 상기 제2 연통회로(103)와 마찬가지로, 냉매회로(1)의 인터쿨러(38)의 출구 측의 중간압 흡입관(40)에 연통시킨다. 이 제3 연통회로(105)에는 제3 개폐수단으로서의 전자밸브(106)가 개재되어 있다.

상기 제어장치(C)는, 도 2에 나타내는 바와 같이 입력 측에 유니트 출구 측 압력센서(유니트 출구 측 압력검출수단)(58)와, 외기온도센서(56)가 접속되어 있다. 이 유니트 출구 측 압력센서(58)는 냉매량 조정탱크(100)의 하류 측으로서, 쇼케이스 유니트(5A, 5B)를 향하는 냉매의 압력을 검출하는 것이다. 그 출력 측에는 전동팽창밸브(제1 개폐수단)(102), 전자밸브(제2 개폐수단)(104), 전자밸브(제3 개폐수단)(106)와, 상기 가스쿨러(46)용의 송풍기(47)의 팬모터(47M)가 접속되어 있다. 당해 제어장치(C)는, 상세하게는 후술하는 바와 같이 외기온도센서(56)의 검출온도와, 증발기(63A, 63B)에서의 냉매의 증발온도에 근거하여 가스쿨러용 송풍기(47)의 팬모터(47M)의 회전수제어를 행한다.

(A-1) 냉매회수동작

이하, 냉매회로(1)의 냉매회수동작에 대해서 설명한다. 제어장치(C)는 유니트 출구 측 압력센서(58)의 검출압력이 소정의 회수 문턱값을 넘었는지 아닌지, 또는, 당해 유니트 출구 측 압력센서(58)의 검출압력이 앞의 회수 문턱값보다도 낮은 소정의 회수 보호값을 넘고, 또한, 상기 가스쿨러용 송풍기(47)의 회전수가 최대값이 되어 있는지 아닌지를 판단한다.

본 실시예에서는, 냉매회로(1)의 중간압(MP)은 일례로서 8㎫ 정도를 적정값으로 하고 있기 때문에, 당해 값을 회수 보호값으로서 설정하고, 회수 문턱값은 당해 회수 보호값보다도 높은, 예를 들면 9㎫로 설정한다. 또, 본 실시예에서의 가스쿨러용 송풍기(47)의 회전수의 최대값은, 일례로서 800rpm으로 한다. 또, 가스쿨러용 송풍기(47)의 회전수가 최대값이 되고 나서 소정 시간 경과하는 것을 조건으로 하여도 된다.

이것에 의해, 제어장치(C)는 유니트 출구 측 압력센서(58)의 검출압력이 회수 문턱값인 9㎫을 넘은 경우, 혹은, 검출압력이 회수 문턱값 이하에서도 회수 보호값인 8㎫를 넘고, 또한, 상기 가스쿨러용 송풍기(47)의 회전수가 최대값인 800 rpm으로 되어 있는 경우에는, 냉매회로(1) 내에 과잉의 가스냉매에 의해서, 고압 측 압력이 이상(異常) 상승한 것이라고 판단하여 냉매회수동작을 실행한다.

이 냉매회수동작에서는, 제어장치(C)는 전자밸브(제3 개폐수단)(106)를 닫은 상태에서 전동팽창밸브(제1 개폐수단)(102) 및 전자밸브(제2 개폐수단)(104)를 개방한다. 이것에 의해, 압축기(11, 11)의 고단 측 토출구(28)로부터 토출된 고온고압냉매는 오일세퍼레이터(44)를 거쳐, 가스쿨러(46), 배열회수 열교환기(70), 중간열교환기(80)로 냉각된 후, 그 일부가 개방되어 있는 전동팽창밸브(102)가 개재된 제1 연통회로(101)를 통하여 냉매량 조정탱크(100) 내로 유입한다.

이 때, 전자밸브(104)가 개방되어 있음으로써, 냉매량 조정탱크(100)의 상부와 냉매회로(1)의 중간압영역을 연통하는 제2 연통회로(103)를 통하여, 냉매량 조정탱크(100) 내의 압력을 탱크 밖으로 방출할 수 있다. 이 때문에, 외기온도가 높아졌을 경우 등, 냉매회로(1) 내의 냉매가 액화하지 않는 가스사이클 운전하고 있는 경우라도 탱크(100) 내의 압력이 저하하여 당해 탱크 내로 유입한 냉매는 액화하여 당해 탱크(100) 내에 고인다. 즉, 냉매량 조정탱크(100) 내의 압력은 초임계압력 이하로 강하함으로써, 냉매가 가스영역으로부터 포화영역이 되어, 액면을 확보할 수 있다.

이것에 의해, 신속하고, 또한, 효율적으로, 냉매회로(1) 내의 냉매를 냉매량 조정탱크(100)로 회수할 수 있다. 따라서, 냉매회로(1) 내의 고압 측이 잉여가 된 냉매에 의해서 이상 고압이 되는 문제점을 해소할 수 있어, 이상 고압에 의한 압축기(11, 11)의 과부하 운전을 방지하는 것이 가능하게 된다.

특히, 냉매량 조정탱크(100)의 상부와 냉매회로(1)의 중간압영역을 제2 연통회로(103)를 통하여 연통시킴으로써, 냉매회로(1)의 저압 측 영역과 연통시키는 경우와 달리, 저압 측 압력이 상승되는 것에 의한 냉각효율의 저하를 회피하는 것이 가능하게 된다.

또, 본 실시예에서는 유니트 출구 측 압력센서(58)에 의해 검출된 고압 측의 압력이 회수 문턱값 이하라도 소정의 회수 보호값을 넘어 있고, 또한, 가스쿨러(46)를 공랭하는 송풍기(47)의 회전수가 최고값인 경우에는, 당해 냉매회수동작을 행하기 때문에, 당해 송풍기(47)의 운전상태도 고려하여 냉매회로(1)의 고압 측이 비정상으로 높아진 상태가 계속되는 것에 의한 효율저하를 방지하는 것이 가능하게 된다.

(A-2) 냉매유지동작

한편, 제어장치(C)는 유니트 출구 측 압력센서(58)에 의해 검출된 고압 측의 압력이 회수 보호값, 본 실시예에서는 8㎫ 이하가 되었는지 아닌지를 판단하고, 회수 보호값을 하회한 경우, 냉매회수동작을 종료하여 냉매유지동작으로 이행한다. 이 냉매유지동작에서는, 제어장치(C)는 전자밸브(제3 개폐수단)(106)를 닫은 상태를 유지하고, 전자밸브(제2 개폐수단)(104)를 닫고, 전동팽창밸브(제1 개폐수단)(102)의 개도를 앞서 기술한 냉매회수동작에서의 개도 정도를 유지한다.

또한, 상기 전동팽창밸브(102)의 개도를 냉매회수동작에서의 개도보다도 작게 해도 된다. 이것에 의해, 전자밸브(104)가 닫힘으로써, 개방된 전동팽창밸브(102)를 통해 냉매회로(1)의 고압 측 영역에 의한 압력으로 냉매량 조정탱크(100) 내의 액면을 유지하는 것이 가능하게 된다. 이 때문에, 냉매량 조정탱크(100) 내에서의 액봉(液封, 액체가 가득 찬 상태)을 회피할 수 있어 안전성을 확보할 수 있다. 이것에 의해, 냉매회로(1) 내의 순환냉매량을 적절히 유지하는 것이 가능하게 된다.

또, 제어장치(C)는 당해 냉매유지동작에서의 전동팽창밸브(102)의 개도를 냉매회수동작에서의 개도보다도 작게 함으로써, 냉매유지동작에서 냉매량 조정탱크(100) 내에 냉매회로(1) 내의 냉매가 과잉으로 회수됨으로써, 냉매회로(1) 내의 냉매부족이 생겨 버리는 문제점을 효과적으로 해소하는 것이 가능하게 된다.

(A-3) 냉매방출동작

그리고, 제어장치(C)는 유니트 출구 측 압력센서(58)의 검출압력이 상기 회수 보호값(이 경우 8㎫ 정도)보다 낮은 소정의 방출 문턱값(본 실시예에서는 7㎫ 정도)을 하회한 경우, 또는, 당해 유니트 출구 측 압력센서(58)의 검출압력이 앞의 회수 보호값 이하가 되고, 또한, 상기 가스쿨러용 송풍기(47)의 회전수가 최대값보다도 낮은 소정의 규정값 이하로 되어 있는지 아닌지를 판단한다. 또한, 당해 소정의 규정값이란, 본 실시예에서는 일례로서 최대값의 3/8 정도, 즉, 최고값 800rpm으로 한 경우, 300rpm 정도로 한다. 또, 가스쿨러용 송풍기(47)의 회전수가 소정의 규정값 이하로 되고 나서 소정 시기 경과하는 것을 조건으로 해도 된다.

이것에 의해, 제어장치(C)는 유니트 출구 측 압력센서(58)의 검출압력이 방출 문턱값인 7㎫를 하회한 경우, 혹은, 검출압력이 회수 보호값인 8㎫ 이하가 되고, 또한, 상기 가스쿨러용 송풍기(47)의 회전수가 소정의 규정값, 이 경우 300rpm 이하로 되어 있는 경우에는, 냉매회로(1) 내의 냉매가 부족해진 것이라고 판단하고, 냉매방출동작을 실행한다.

이 냉매방출동작에서는, 제어장치(C)는 전동팽창밸브(제1 개폐수단)(102) 및 전자밸브(제2 개폐수단)(104)를 닫아 전자밸브(제3 개폐수단)(106)를 개방한다. 이것에 의해, 냉매량 조정탱크(100) 내에 고인 액체냉매는 당해 탱크(100)의 하부에 접속된 전자밸브(106)가 개방되어 있는 제3 연통회로(105)를 통하여 냉매회로(1)로방출한다. 이 때문에, 냉매량 조정탱크(100)의 상부로부터 가스냉매가 혼입한 상태에서 냉매회로(1)로 방출하는 경우와 달리, 신속하게 냉매량 조정탱크(100) 내의 냉매를 냉매회로(1)로 방출할 수 있다. 이것에 의해, 냉동장치를 높은 효율로 운전하는 것이 가능하게 된다.

(A-4) 냉매유지동작

그 후, 제어장치(C)는 유니트 출구 측 압력센서(58)에 의해 검출된 고압 측의 압력이 회수 보호값, 본 실시예에서는 8㎫ 이상이 되었는지 아닌지를 판단하고, 회수 보호값을 넘은 경우, 냉매방출동작을 종료하여 상술한 바와 같이 냉매유지동작으로 이행한다. 이후, 냉매회로(1)의 고압 측 압력에 근거하여, 당해 냉매회수동작-냉매유지동작-냉매방출동작-냉매유지동작을 반복하여 실행함으로써, 고압 측 압력에 근거하여 냉매회수·방출을 제어할 수 있어, 적확하게 고압보호 및 과부하운전을 방지할 수 있다. 이것에 의해, 냉동장치의 냉각능력을 확보할 수 있어, COP의 적정화를 도모하는 것이 가능하게 된다.

특히 본 실시예에서는 고압 측 압력뿐만 아니라, 가스쿨러(46)를 공랭하는 송풍기(47)의 회전수도 고려하여 냉매회수·방출동작을 제어하는 것이 가능하게 되고, 냉매회로(1)의 고압 측이 비정상으로 높아진 상태가 계속되는 것에 의한 효율저하를 방지하는 것이 가능하게 된다.

또, 본 실시예에서 제2 연통회로(103) 및 제3 연통회로(105)는 모두 냉매회로(1)의 인터쿨러(38)의 출구 측에 연통시키고 있다. 이것에 의해, 인터쿨러(38)에서의 압력손실을 방지하여, 원활히 냉매량 조정탱크(100)로부터 냉매회로(1)로 냉매를 방출하는 것이 가능하게 된다.

또한, 압축기(11, 11)가 운전을 정지한 경우에는, 제어장치(C)는 냉매방출동작을 실행하는 것으로 한다. 이것에 의해, 압축기(11, 11)의 기동시에 냉매회로(1) 내의 냉매량이 부족하는 문제점을 해소할 수 있어, 운전하는 압축기(11)에 의한 고압 측의 압력에 따라 적절한 고압 측 압력을 실현할 수 있다.

또, 이 경우에, 압축기(11)(압축수단)는 밀폐용기(12) 내에 제1, 제2 압축요소(18, 20)와 전동요소(14)를 조립한 이단압축식 로타리 콤프레셔를 채용하고 있지만, 이 외에도 2대의 단단(單段)의 로타리 콤프레셔, 또는, 그 외의 형식의 콤프레셔에서 중간압부로부터 냉매를 취출하여, 도입할 수 있는 형식의 것이라도 되는 것으로 한다.

(B) 스플릿 사이클

다음으로, 본 실시예에서의 냉동장치(R)의 스플릿 사이클에 대해서 설명한다. 본 실시예에서의 냉동장치(R)는 각 압축기(11, 11)의 제1 회전압축요소(저단 측)(18), 인터쿨러(38), 2개의 유체의 흐름을 합류시키는 합류장치로서의 합류기(81), 각 압축기(11, 11)의 제2 회전압축요소(고단 측)(20), 오일세퍼레이터(44), 가스쿨러(46), 분류기(82), 보조조임수단(보조팽창밸브)(83), 중간열교환기(80), 주조임수단(주팽창밸브)(62A, 62B), 증발기(63A, 63B)로 냉동사이클이 구성된다.

분류기(82)는 가스쿨러(46)로부터 나온 냉매를 2개의 흐름으로 분기시키는 분류장치이다. 즉, 본 실시예의 분류기(82)는 가스쿨러(46)로부터 나온 냉매를 제1 냉매류와 제2 냉매류로 분류하고, 제1 냉매류를 보조회로로 흘리고, 제2 냉매류를 주회로로 흘리도록 구성되어 있다.

도 1에서의 주회로란, 제1 회전압축요소(18), 인터쿨러(38), 합류기(81), 제2 회전압축요소(20), 가스쿨러(46), 분류기(82), 중간열교환기(80)의 제2 유로(80B), 주조임수단(62A, 62B), 증발기(63A, 63A)로 이루어지는 환상의 냉매회로이며, 보조회로란, 분류기(82)로부터 보조조임수단(83), 중간열교환기(80)의 제1 유로(80A)를 순차적으로 거쳐 합류기(81)에 이르는 회로를 나타낸다.

보조조임수단(83)은 상기 분류기(82)에서 분류되어, 보조회로를 흐르는 제1 냉매류를 감압하는 것이다. 중간열교환기(80)는 보조조임수단(83)으로 감압된 보조회로의 제1 냉매류와 분류기(82)에서 분류된 제2 냉매류와의 열교환을 행하는 열교환기이다. 당해 중간열교환기(80)에는 제2 냉매류가 흐르는 제2 유로(80B)와, 상기 제1 냉매류가 흐르는 제1 유로(80A)가 열교환 가능한 관계로 마련되어 있고, 이 중간열교환기(80)의 제2 유로(80B)를 통과함으로써, 제2 냉매류는 제1 유로(80A)를 흐르는 제1 냉매류에 의해 냉각되므로, 증발기(63A, 63B)에서의 비엔탈피를 작게 할 수 있다.

상기 제어장치(C)는, 도 2에 나타내는 바와 같이 입력 측에 토출온도센서(토출온도 검출수단)(50), 유니트 출구 측 압력센서(유니트 출구 측 압력검출수단)(58), 중간압 압력센서(중간압 압력검출수단)(49), 저압압력센서(흡입압력 검출수단)(32), 가스쿨러 출구온도센서(가스쿨러 출구온도 검출수단)(52), 유니트 출구온도센서(유니트 출구온도 검출수단)(54), 유니트 입구온도센서(입구온도 검출수단)(34)가 접속되어 있다.

토출온도센서(50)는 압축기(11, 11)의 고단 측 토출구(28)에 마련되고, 제2 회전압축요소(20)로부터 토출된 냉매의 토출온도를 검출한다. 유니트 출구 측 압력센서(58)는 냉매량 조정탱크(100)의 하류 측으로서, 쇼케이스 유니트(5A, 5B)를 향하는 냉매의 압력을 검출하는 것이다. 저압압력센서(32)는 냉매회로(1)의 저압 측, 본 실시예에서는 각 증발기(63A, 63B)의 하류 측으로서, 압축기(11, 11)의 저단 측 흡입구(22, 22)에 접속되는 냉매배관(9)에 마련되고, 당해 냉매도입관(30)을 향하는 냉매의 흡입압력을 검출한다. 중간압 압력센서(49)는 냉매회로(1)의 중간압영역, 본 실시예에서는 스플릿 사이클의 보조회로로서, 중간열교환기(80)의 제1 유로(80A)를 거친 후의 제1 냉매류의 압력을 검출한다.

가스쿨러 출구온도센서(52)는 가스쿨러(46)의 출구 측에 마련되고, 당해 가스쿨러(46)를 나온 냉매의 온도(GCT)를 검출한다. 유니트 출구온도센서(54)는 냉매배관(7)에 접속되는 중간열교환기(80)의 출구 측에 마련되며, 유니트 출구온도(LT)를 검출한다. 유니트 입구온도센서(34)는 압축기(11)의 저단 측 흡입구(22)에 접속되는 냉매배관(9)에 마련되고, 당해 냉매도입관(30)을 향하는 냉매의 흡입온도를 검출한다. 그리고, 출력 측에는 당해 스플릿 사이클을 구성하는 보조조임수단(83)이 접속되어 있다. 당해 보조조임수단(83)은 스텝모터에 의해서 개도가 제어된다.

이하, 보조조임수단(83)의 개도제어에 대해서 상세히 설명한다. 보조조임수단(83)은 압축기(11)의 운전개시시점에서는 소정의 초기밸브개도로 한다. 그 후, 제어장치(C)는 이하의 제1 제어량, 제2 제어량, 제3 제어량에 근거하여 보조조임수단(83)의 밸브개도를 증대시키는 조작량을 결정한다.

(B-1) 보조조임수단의 밸브개도 증대제어

제1 제어량(DT cont)은 압축기(11)의 토출냉매온도 DT에 근거하여 얻을 수 있다. 제어장치(C)는 상기 토출온도센서(50)로 검출되는 온도 DT가 소정값 DT0보다 높은지 아닌지를 판단하고, 당해 토출냉매온도 DT가 소정값 DT0보다 높은 경우에는 보조조임수단(83)의 개도를 증대시키는 방향으로 작용하는 제어량으로 한다. 당해 소정값 DT0는 압축기(11)의 적정한 운전을 실현 가능하게 하는 한계온도(일례로서 +100℃)보다 적은 허용 저(低)온도(일례로서 +95℃)로 하고, 온도가 상승한 경우, 보조조임수단(83)의 개도를 증대시킴으로써, 당해 압축기(11)의 온도상승을 억제하여, 압축기(11)가 한계온도에 이르지 않도록 하는 제어를 행한다.

제2 제어량(MP cont)은 스플릿 사이클의 보조회로로 흘리는 냉매량을 조정하여 중간압력(MP)의 적정화를 도모하는 제어량이다. 본 실시예에서는 유니트 출구 측 압력센서(58)에 의해 검출되는 냉매회로(1)의 고압 측 압력 HP와, 저압압력센서(32)에 의해 검출되는 냉매회로(1)의 저압 측 압력 LP로부터 산출되는(구해지는) 적정 중간압력값보다도 중간압 압력센서(49)에 의해 검출되는 냉매회로(1)의 중간압영역의 압력 MP가 높은지 아닌지를 판단하고, 당해 중간압영역의 압력 MP가 적정 중간압력값보다도 낮은 경우에는 보조조임수단(83)의 개도를 증대시키는 방향으로 작용시킨다.

또한, 적정 중간압력값은 검출된 고압 측 압력 HP와, 저압 측 압력 LP와의 상승평균(相乘平均)으로부터 산출하여도 되고, 이 외에 미리 고압 측 압력 HP와 저압 측 압력 LP로부터 적정한 중간압력값을 실험적으로 취득하고, 이것에 근거하여 구축되는 데이터 테이블로부터 결정해도 된다.

또, 본 실시예에서는 고압 측 압력 HP와 저압 측 압력 LP로부터 구해지는 적정 중간압력값과, 중간압영역의 압력 MP를 비교하여 제2 제어량(MP cont)을 결정하고 있지만, 이것에 한정되는 것이 아니며, 예를 들면, 하기의 것을 채용하여도 된다. 즉, 중간압 압력센서(49)에 의해 검출되는 냉매회로(1)의 중간압영역의 압력 MP와, 저압압력센서(32)에 의해 검출되는 냉매회로(1)의 저압 측 압력 LP로부터 과압축 판정값 MPO를 구하고, 당해 과압축 판정값 MPO가 유니트 출구 측 압력센서(58)에 의해 검출되는 냉매회로(1)의 고압 측 압력 HP보다도 낮은지 아닌지를 판단하며, 과압축 판정값 MPO가 고압 측 압력 HP보다도 낮은 경우에는 보조조임수단(83)의 개도를 증대시키는 방향으로 작용시킨다. 당해 제2 제어량을 보조조임수단(83)의 개도제어에 반영시킴으로써, 고압 측 압력 HP, 중간압영역의 압력 MP, 저압 측 압력 LP의 압력차이를 적정하게 유지할 수 있어, 냉동사이클의 운전의 안정화를 도모할 수 있다.

제3 제어량(SP cont)은 중간열교환기(80)의 제2 유로로부터 나온 냉매온도 LT의 적정화를 도모하는 제어량이다. 본 실시예에서는, 제어장치(C)는 가스쿨러 출구온도센서(52)에 의해 검출되는 가스쿨러(46)를 거친 냉매의 온도 GCT와, 유니트 출구온도센서(54)에 의해 검출되는 중간열교환기(80)를 거친 제2 냉매류의 온도 LT와의 차이 (GCT - LT)가 소정값 SP보다 작은지 아닌지를 판단하고, 작은 경우에는 보조조임수단(83)의 개도를 증대시키는 방향으로 작용시킨다.

여기서, 소정값 SP는 고압 측 압력 HP가 당해 냉매의 초임계영역인 경우와, 포화영역인 경우에서 다른 것으로 한다. 본 실시예에서는 고압 측 압력 HP가 초임계영역인지 포화영역인지는 외기온도센서(56)에 의해 검출된 외기온도에 근거하여, 당해 외기온도가 높은 경우, 예를 들면, +31℃ 이상에서는 초임계영역이라고 판단하고, 외기온도가 낮은 경우, 예를 들면, +31℃ 미만에서는 포화영역이라고 판단한다. 그리고, 초임계영역이라고 판단한 경우에는 소정값 SP는 올린 설정으로 하고, 포화영역이라고 판단한 경우에는 소정값 SP를 내린 설정으로 한다. 본 실시예에서는, 초임계영역에서는 소정값 SP는 35℃, 포화영역에서는 20℃로 한다.

제어장치(C)는 상술한 바와 같이 얻어진 3개의 제어량, 즉, 제1 제어량(DT cont)과, 제2 제어량(MP cont)과, 제3 제어량(SP cont)을 합산하여, 보조조임수단(83)의 밸브개도의 조작량을 결정하고, 이것 근거하여 밸브개도를 증대시킨다.

(B-2) 보조조임수단의 밸브개도 축소제어

또, 제어장치(C)는 중간열교환기(80)를 거친 제2 냉매류의 온도 LT, 또는, 압축기(11)로부터의 토출냉매온도 DT와 가스쿨러(46)를 거친 냉매의 온도 GCT와의 차이로부터 보조조임수단(83)의 밸브개도를 축소시키는 조작량을 결정한다.

즉, 제어장치(C)는 유니트 출구온도센서(54)에 의해 검출되는 중간열교환기(80)를 거친 제2 냉매류의 온도 LT가 소정값보다 낮은지 아닌지를 판단한다. 본 실시예에서는, 당해 소정값은 일례로서 0℃로 한다. 이것에 의해, 유니트 출구온도가 0℃ 이하인 경우에는 보조조임수단(83)의 개도를 축소시키는 방향으로 조작하여 중간열교환기(80)에서 냉각되는 제2 냉매류가 과잉으로 냉각되어 버리는 문제점을 해소할 수 있다.

또, 제어장치(C)는 토출온도센서(50)로 검출되는 온도 DT와, 가스쿨러 출구온도센서(52)에 의해 검출되는 가스쿨러(46)를 거친 냉매의 온도 GCT와의 차이 (DT - GCT)가 소정값 TDT보다 낮은지 아닌지를 판단하고, 낮은 경우에는 보조조임수단(83)의 개도를 축소시키는 방향으로 작용시킨다.

여기서, 소정값 TDT는 고압 측 압력 HP가 당해 냉매의 초임계영역인 경우와, 포화영역인 경우에서 다르다. 본 실시예에서는, 상기 제3 제어량을 구한 경우와 마찬가지로, 고압 측 압력 HP가 초임계영역인지 포화영역인지는 외기온도에 근거하여 판단한다. 그리고, 초임계영역이라고 판단한 경우에는, 소정값 TDT는 내린 설정으로 하고, 포화영역이라고 판단한 경우에는 소정값 TDT를 올리는 설정으로 한다. 본 실시예에서는, 초임계영역에서는 소정값 TDT는 10℃, 포화영역에서는 35℃로 한다.

제어장치(C)는 중간열교환기(80)를 거친 제2 냉매류의 온도 LT가 소정값(0℃) 이하인 경우, 또는, 압축기(11)로부터의 토출냉매온도 DT와 가스쿨러(46)를 거친 냉매의 온도 GCT와의 차이가 소정값 TDT보다 낮은 경우, 보조조임수단(83)의 밸브개도의 조작량을 결정하여, 상기 밸브개도 증대제어에 관계없이, 이것에 근거하여 밸브개도를 축소시킨다.

상술한 바와 같은 스플릿 사이클을 구비한 본 실시예에서의 냉동장치(R)에서는 가스쿨러(46)로 방열한 후의 냉매를 분류하고, 보조조임수단(83)으로 감압팽창된 제1 냉매류에 의해, 제2 냉매류를 냉각할 수 있게 되어, 각 증발기(63A, 63B) 입구의 비엔탈피를 작게 할 수 있도록 있다. 이것에 의해, 냉동효과를 크게 하는 것이 가능하게 되어, 종래의 장치에 비해 효과적으로 성능을 향상시킬 수 있게 된다. 또, 분류된 제1 냉매류는 압축기(11)의 고단 측 흡입구(26)로부터 제2 회전압축요소(20)(중간압부)로 되돌려지기 때문에, 압축기(11)의 저단 측 흡입구(22)로부터 제1 회전압축요소(18)(저압부)로 흡입되는 제2 냉매류의 양이 감소하고, 저압으로부터 중간압까지 압축하기 위한 제1 회전압축요소(18)(저단부)에서의 압축일량이 감소한다. 그 결과, 압축기(11)에서의 압축동력이 저하하여 성적계수가 향상한다.

여기서, 상기 소위 스플릿 사이클의 효과는 중간열교환기(80)를 흐르는 제1 냉매류와 제2 냉매류의 양에 의존한다. 즉, 제1 냉매류의 양이 너무 많으면 증발기(63A, 63B)에서 최종적으로 증발하는 제2 냉매류의 양이 부족하게 되고, 반대로 제1 냉매류의 양이 너무 적으면 스플릿 사이클의 효과가 미미하게 된다. 한편, 보조조임수단(83)으로 감압된 제1 냉매류의 압력은 냉매회로(1)의 중간압력이며, 당해 중간압력을 제어하는 것은 제1 냉매류의 양을 제어하는 것이 된다.

여기서, 본 실시예에서는, 상술한 바와 같이 압축기(11)로부터의 토출냉매의 온도 DT(토출온도센서(50))가 소정값 DT0보다 높은 경우에 보조조임수단(83)의 개도를 증대시키는 방향으로 작용하는 제1 제어량과, 냉매회로(1)의 고압 측 압력 HP와 저압 측 압력 LP로부터 구해지는 적정 중간압력값보다도 냉매회로(1)의 중간압영역의 압력 MP가 낮은 경우에 보조조임수단(83)의 개도를 증대시키는 방향으로 작용하는 제2 제어량과, 가스쿨러(46)를 거친 냉매의 온도 GCT와 중간열교환기(80)를 거친 제2 냉매류의 온도 LT와의 차이 (GCT - LT)가 소정값 SP보다 작은 경우에 보조조임수단(83)의 개도를 증대시키는 방향으로 작용하는 제3 제어량을 연산하고, 이들 제1 내지 제3 제어량을 합산함으로써, 보조조임수단(83)의 밸브개도를 증대시키는 조작량을 결정한다. 또, 온도 LT가 소정값보다도 낮은 경우, 또는, 온도 DT - GCT가 소정값 TDT보다 낮은 경우에, 보조조임수단(83)의 밸브개도를 축소하는 방향으로 조작량을 결정한다.

이것에 의해, 제1 제어량에 의해서 토출냉매의 온도 DT를 소정값 DT0 이하로 유지할 수 있고, 제2 제어량에 의해서 냉매회로(1)의 중간압력 MP를 적정화할 수 있으며, 이것에 의해서, 저압 측 압력 LP, 중간압력 MP, 고압 측 압력 HP의 압력차이를 적정하게 유지할 수 있다. 또, 제3 제어량에 의해서 중간열교환기(80)를 거친 제2 냉매류의 온도 LT를 낮게 하여 냉동효과를 유지할 수 있다. 이들에 의해, 대체로 냉동장치의 고효율화와 안정화를 달성하는 것이 가능하게 된다.

또, 제어장치(C)는 고압 측 압력 HP가 초임계영역에 있는 경우, 소정값 SP를 올리고, 소정값 TDT를 내림과 아울러, 고압 측 압력 HP가 포화영역에 있는 경우, 소정값 SP를 내리고, 소정값 TDT를 올림으로써, 고압 측 압력 HP가 초임계영역에 있는 경우와 포화영역에 있는 경우로 나누어 제3 제어량과 제1 제어량의 소정값 SP 및 TDT를 변경하여 제어하는 것이 가능하게 된다.

이것에 의해, 고압 측 압력 HP가 포화영역에 있는 경우라도 중간열교환기(80)에서의 과열도를 확실히 확보할 수 있어, 압축기(11)에 액체역류가 발생하는 문제점을 회피할 수 있다. 또, 고압 측 압력 HP가 초임계영역에 있는 경우에는 이와 같은 액체역류가 생기지 않기 때문에, 효율을 우선한 설정으로 할 수 있다.

또한, 상기 실시예에서의 제2 제어량을 냉매회로(1)의 중간압영역의 압력 MP와 저압 측 압력 LP로부터 구해지는 과압축 판정값 MPO가 냉매회로의 고압 측 압력 HP보다 낮은 경우에 보조조임수단의 개도를 증대시키는 방향으로 작용하는 제2 제어량으로서, 제1 내지 제3 제어량을 합산함으로써, 보조조임수단의 밸브개도의 조작량을 결정하는 것으로 하여도, 상기와 마찬가지로, 냉매회로의 중간압력 MP를 적정화할 수 있고, 이것에 의해, 저압 측 압력 LP, 중간압력 MP, 고압 측 압력 HP의 압력차이를 적정하게 유지할 수 있다.

또, 당해 실시예에서의 중간열교환기(80)로부터 나온 제1 냉매류는 인터쿨러(38)의 출구 측에 마련된 합류기(81)에 의해서 당해 인터쿨러(38)의 출구 측으로 되돌릴 수 있어, 인터쿨러(38)에서의 압력손실을 방지하여, 원활히 중간열교환기(80)로부터 나온 냉매류를 냉매회로(1)의 중간압 측에 합류하는 것이 가능하게 된다.

(C) 배열회수 열교환기

다음으로, 본 실시예에서의 냉동장치(R)에 채용된 배열회수 열교환기(70)에 대해서 설명한다. 본 실시예에서의 배열회수 열교환기(70)는 가스쿨러(46)를 거쳐 분류기(82)에서 분류된 제2 냉매류와, 도시하지 않은 급탕장치를 구성하는 히트펌프 유니트의 이산화탄소 냉매(배열회수 매체)와의 열교환을 행하는 열교환기이다. 본 실시예에서의 급탕장치는 도시하지 않은 냉매압축기, 수열(水熱)교환기, 감압장치, 증발기를 냉매배관에서 관 모양으로 접속하여 이루어지는 냉매회로와, 저탕(貯湯)탱크의 물을 수열교환기로 가열한 후, 저탕탱크로 되돌리는 수(水)회로를 구비한 히트펌프 유니트에 의해 구성되고, 당해 히트펌프 유니트의 증발기를 상기 배열회수 열교환기(70)의 배열회수매체 유로(70B)에 의해 구성한다. 이것에 의해, 당해 배열회수 열교환기(70)에는 상술한 바와 같이 스플릿 사이클에서의 제2 냉매류가 흐르는 냉매유로(70A)와, 배열회수매체 유로(70B)가 열교환 가능한 관계로 마련되어 있고, 이 배열회수 열교환기(70)의 배열회수매체 유로(70B)를 흐르는 히트펌프 유니트의 냉매가 통과함으로써, 냉매유로(70A)에 가스쿨러(46)를 거친 제2 냉매류가 냉각된다.

여기서, 본 실시예에서는, 배열회수 열교환기(70)의 냉매유로(70A)에는 가스쿨러(46)로부터 나와 상기 스플릿 사이클을 구성하는 중간열교환기(80)로 들어가기 전의 제2 냉매류를 흘린다. 이것에 의해, 외기온도의 영향이 적고, 배열회수 열교환기(70)로 냉매유로(70A)를 흐르는 냉매의 배열을 효율적으로 회수하여 급탕장치를 구성하는 배열회수매체 유로(70B)를 흐르는 냉매의 가열에 이용할 수 있어, 효율적인 온수생성을 가능하게 할 수 있다.

또, 가스쿨러(46)로부터 나와 중간열교환기(80)로 들어가기 전의 제2 냉매류를 배열회수 열교환기(70)로 흘리는 구성으로 하고 있기 때문에, 온수생성 측(급탕장치 측)의 이용이 많은 경우에는 중간열교환기(80)로 흐르는 제2 냉매류의 냉매온도를 내릴 수 있기 때문에, 중간열교환기(80)로 흐르는 제1 냉매류의 냉매량을 감소시킬 수 있다. 이것에 의해, 제2 냉매류를 흐르는 냉매량을 증가시킬 수 있어, 증발기(63A, 63B)에서의 냉매의 증발량이 증가하여 냉동사이클의 효율을 향상시키는 것이 가능하게 된다.

특히, 본 실시예와 같이 냉매로서 이산화탄소를 사용한 경우에는 냉동능력을 효과적으로 개선할 수 있어 성능의 향상을 도모할 수 있다.

또, 본 실시예의 냉동장치(R)에서는 가스쿨러(46)를 바이패스하는 가스쿨러 바이패스회로(71)를 마련해도 된다. 이 경우, 가스쿨러 바이패스회로(71)에는 전자밸브(72)가 개재되어 있고, 당해 전자밸브(밸브장치)(72)는 상술한 바와 같이 제어장치(C)로 개폐제어된다.

이것에 의해, 급탕장치에서의 사용량이 많아, 히트펌프 유니트의 배열회수매체 유로(70B)(증발기)를 흐르는 냉매를 충분히 증발시킬 수 없는 경우, 제어장치(C)는 전자밸브(72)를 개방하고, 가스쿨러(46)로 유입하는 고온냉매의 일부를 가스쿨러 바이패스회로(71)로 유입시켜, 고온냉매 그대로 배열회수 열교환기(70)의 냉매유로(70A)를 통과시켜도 된다. 이것에 의해, 배열을 효과적으로 이용하여, 급탕장치 측의 온도보상을 행하는 것이 가능하게 된다.

(D) 가스쿨러용 송풍기의 제어

다음으로, 상술한 바와 같이 가스쿨러(46)를 공랭하는 가스쿨러용 송풍기(47)의 제어에 대해서 설명한다. 본 실시예에서의 제어장치(C)는, 도 2에 나타내는 바와 같이 입력 측에 고압압력센서(고압압력 검출수단)(48, 48)과, 저압압력센서(32)와, 외기온도센서(56)가 접속되어 있다. 여기서, 저압압력센서(32)에서 검출되는 압력과, 증발기(63A, 63B)에서의 증발온도 TE는 일정한 관계를 가지기 때문에, 제어장치(C)는 당해 저압압력센서(32)로 검출된 압력에 의해, 증발기(63A, 63B)에서의 냉매의 증발온도 TE를 환산하여 취득한다. 또, 제어장치(C)의 출력 측에는 가스쿨러(46)를 공랭하는 가스쿨러용 송풍기(47)가 접속되어 있다.

제어장치(C)는 고압압력센서(48)에 의해 검출되는 고압 측 압력 HP가 소정의 목표값(목표고압 : THP)이 되도록 가스쿨러용 송풍기(47)의 회전수를 제어한다. 여기서 목표고압 THP는 외기온도 TA 및 증발기(63A, 63B)에서의 냉매의 증발온도 TE로부터 결정한다.

본 실시예와 같이 냉매회로(1)의 고압 측이 초임계압력 이상이 되는 냉동장치(R)에서는 외기온도 TA가 어느 온도, 예를 들면, +30℃ 이하인 경우, 포화사이클이 행해지고, +30℃보다 높은 온도에서는 가스사이클이 행해진다. 가스사이클이 행해질 때, 냉매는 액화하지 않기 때문에, 그 때의 냉매회로(1) 내의 냉매량에서 온도와 압력은 일의(一意)로 결정되지 않는다. 이 때문에, 외기온도 TA에 의해서, 목표고압 THP가 다르다.

본 실시예에서는, 일례로서, 외기온도센서(56)에 의해 검출되는 외기온도 TA가 하한온도(예를 들면 0℃) 이하인 경우, 목표고압 THP는 소정의 하한값 THPL로 일정하게 한다. 또, 외기온도 TA가 30℃보다 높은 소정 온도(상한온도) 이상에서 목표고압 THP는 소정의 상한값 THPH로 일정하게 한다. 그리고, 외기온도 TA가 하한 온도보다 높고 상한온도보다 낮은 경우에는 이하와 같이 목표고압 THP를 구한다.

외기온도 TA가 소정의 기준온도, 예를 들면 +30℃보다 낮을수록 고압 측 압력의 목표값 THP를 낮게 하는 방향으로 결정하고, 높을수록 목표값 THP를 높게 하는 방향으로 결정한다. 또, 상술한 바와 같이 당해 저압압력센서(32)로 검출된 압력에 의해, 환산하여 취득된 증발기(63A, 63B)에서의 냉매의 증발온도 TE가 소정의 기준온도보다 높을수록 고압 측 압력의 목표값 THP를 높게 하는 방향으로 결정하고, 낮을수록 목표값 THP를 낮게 하는 방향으로 결정한다. 도 3은 외기온도 TA와 증발온도 TE로부터 결정되는 목표고압 THP의 경향을 나타내는 도면이다.

또한, 본 실시예에서는, 제어장치(C)는 목표고압 THP를 외기온도 TA와, 증발온도 TE로부터 연산식을 이용하여 산출하고 있지만, 이것에 한정되는 것이 아니고, 미리 외기온도 TA 및 증발온도 TE로부터 취득된 데이터 테이블 근거하여, 목표고압 THP를 취득하여도 된다.

그리고, 제어장치(C)는 고압압력센서(고압압력 검출수단)(48)에 의해 검출된 고압 측 압력 HP와, 목표고압 THP와, 이들 HP와 THP의 편차 e, 당해 편차 e에 근거해 P(비례. 편차 e의 크기에 비례하고, 당해 편차 e를 축소시키는 방향의 제어)와, D(미분. 편차 e의 변화를 축소시키는 방향의 제어)로부터, 비례미분연산을 실행하여, 조작량으로서 도출되는 가스쿨러용 송풍기(47)의 회전수를 결정한다. 당해 회전수는 목표고압 THP가 높을수록 송풍기(47)의 회전수는 올라가고, 목표고압 THP가 낮을수록 송풍기(47)의 회전수를 내릴 수 있다.

이것에 의해, 제어장치(C)는 외기온도 TA와 증발기에서의 냉매의 증발온도(저압압력센서(32)로 검출된 저압압력으로부터 환산하여 취득) TE에 근거하여 가스쿨러용 송풍기(47)의 회전수를 제어함으로써, 고압 측이 초임계압력이 되는 냉동장치(R)라도 적절한 고압압력이 되도록 가스쿨러용 송풍기(47)의 회전수를 제어할 수 있다. 이것에 의해, 가스쿨러용 송풍기(47)의 운전에 의한 소음을 저감하면서, 고효율인 운전을 실현할 수 있다.

본 실시예에서는, 제어장치(C)는 외기온도 TA와 증발온도 TE에 근거하여, 냉매회로(1)의 고압 측 압력의 목표값 THP를, 예를 들면, 외기온도 TA가 낮을수록 목표값 THP를 낮게 하고, 증발온도 TE가 높을수록 목표값 THP를 높게 하는 방향으로 당해 목표값 THP를 결정하며, 고압 측 압력이 목표값 THP가 되도록 가스쿨러용 송풍기(47)를 제어함으로써, 외기온도 TA에 의해 포화사이클과 가스사이클로 변화하는 냉매상태를 고려하고, 또한, 증발온도 TE에 근거하여 바람직한 고압 측 압력을 실현할 수 있으며, 이것에 의해, 고효율인 운전을 실현할 수 있다. 이와 같이, 본 발명은 냉매로서 이산화탄소를 사용한 초임계 냉매회로(초임계 냉동사이클)에서 특히 유효하게 된다.

(E) 오일세퍼레이터

한편, 상술한 바와 같이 압축기(11)의 고단 측 토출구(28)와 가스쿨러(46)를 접속하는 고압토출배관(42)에는 오일세퍼레이터(44)가 개재되어 있다. 이 오일세퍼레이터(44)는 압축기(11)로부터 토출된 고압의 토출냉매 중에 포함되는 오일을 냉매와 분리하여 포착하는 것이며, 이 오일세퍼레이터(44)에는 포착한 오일을 압축기(11)로 되돌리는 오일반환회로(73)가 접속되어 있다. 이 오일반환회로(73) 중에는 포착한 오일을 냉각하는 오일쿨러(74)가 마련되며, 이 오일쿨러(74)의 하류 측에서 오일반환회로(73)는 2계통으로 분기되고, 각각 스트레너(75) 및 유량조정밸브(전동밸브)(76)를 통하여 압축기(11)의 밀폐용기(12)에 접속된다. 압축기(11)의 밀폐용기(12) 내는 상술한 바와 같이 중간압으로 유지되기 때문에, 포착된 오일은 오일세퍼레이터(44) 내의 고압과 밀폐용기(12) 내의 중간압과의 차압에 의해서 당해 밀폐용기(12) 내로 되돌려진다. 또, 압축기(11)의 밀폐용기(12)에는 이 밀폐용기(12) 내에 보유하는 오일의 레벨을 검출하는 오일레벨센서(77)가 마련되어 있다.

또, 이 오일반환회로(73)에는 오일쿨러(74)를 바이패스하는 오일바이패스회로(78)가 마련되고, 이 오일바이패스회로(78)에는 전자밸브(밸브장치)(79)가 개재되어 있다. 당해 전자밸브(79)는, 상술한 바와 같이 제어장치(C)에 의해 개폐제어된다. 또, 상술한 바와 같이, 당해 오일쿨러(74)는 상기 가스쿨러(46)와 동일한 풍로(45)에 마련되어 있으며, 가스쿨러용 송풍기(47)에 의해 공랭된다.

이상의 구성에 의해, 제어장치(C)는 풍로(45)에 마련되는 외기온도센서(56)에 의해 검출된 온도가 소정의 오일 저온도(소정값) 이하가 되었는지 아닌지를 판단하고, 오일 저온도를 상회하고 있는 경우에는, 오일바이패스회로(78)의 전자밸브(79)를 폐쇄한다.

이것에 의해, 각 압축기(11, 11)의 고단 측 토출구(28)로부터 토출된 고온고압냉매는 제2 회전압축요소(20, 20)의 하류 측에서 합류하고, 오일세퍼레이터(44), 가스쿨러(46) 등을 거쳐 냉동기 유니트(3, 3)에 접속된다. 오일세퍼레이터(44) 내로 유입한 고온고압냉매 중에 포함되는 오일은, 여기서, 냉매와 분리하여 포착된다. 그리고, 압축기(11)의 밀폐용기(12) 내는 중간압으로 유지되기 때문에, 포착된 오일은 오일세퍼레이터(44) 내의 고압과 밀폐용기(12) 내의 중간압과의 차압에 의해서, 오일반환회로(28)를 통하여 압축기(11)로 되돌려진다.

오일반환회로(28) 내로 유입한 오일은 가스쿨러(46)와 동일한 풍로(45)에 배치되는 오일쿨러(74)로 송풍기(47)의 운전에 의해 공랭된다. 당해 오일쿨러(74)를 거친 후, 2계통으로 분리하여 스트레너(75), 유량조정밸브(76)를 거쳐 압축기(11)로 돌아온다. 이것에 의해, 고온냉매와 함께 고온으로 된 오일은 오일쿨러(74)로 냉각되어 압축기(11)로 귀환하기 때문에, 압축기(11)의 온도상승을 억제할 수 있다.

한편, 외기온도센서(56)에 의해 검출된 온도가 소정의 오일하한온도(소정값) 이하가 되었을 경우에는, 제어장치(C)는 오일바이패스회로(78)의 전자밸브(79)를 개방한다. 이것에 의해, 오일세퍼레이터(44)에서 냉매와 분리된 오일은 오일쿨러(74)를 거치지 않고 오일반환회로(28)의 오일바이패스회로(78)를 통하여 압축기(11, 11)로 돌아온다. 또한, 제어장치(C)는 외기온도센서(56)에 의해 검출된 온도가 오일하한온도보다 소정 온도 높은 오일상한온도에 이른 경우에는 전자밸브(79)를 폐색하는 것으로 한다.

이것에 의해, 외기온도의 저하에 의해서, 오일온도도 저하하고, 오일의 점도가 상승해 버리는 상황이 된 경우라도 전자밸브(79)를 개방함으로써 오일쿨러(74)를 거치지 않고 오일바이패스회로(78)를 통하여 오일세퍼레이터(44) 내의 오일을 압축기(11)로 되돌리는 것이 가능하게 된다. 이것에 의해, 압축기(11)로의 오일반환을 원활한 것으로 할 수 있다.

특히, 본 실시예에서는, 오일쿨러(74)를 가스쿨러(46)와 동일한 풍로(45)에 마련하고, 송풍기(47)는 상술한 바와 같은 오일쿨러(74)의 온도와는 관계없이 송풍기(47)의 제어를 행하고 있기 때문에, 송풍기(47)의 운전에 의해서 필요 이상으로 오일쿨러(74)의 농도가 저하해 버려, 오일에 냉매가 용입(溶入)하기 쉬워지지만, 제어장치(C)에 의해, 오일바이패스회로(78)의 전자밸브(79)를 개방함으로써, 원활히 오일쿨러(74)를 거치지 않고 오일바이패스회로(78)를 통하여 오일세퍼레이터(44) 내의 오일을 압축기(11)로 되돌릴 수 있다. 이것에 의해, 특히, 공랭량의 조정을 할 수 없는 경우에, 제어를 간소화할 수 있어 유효하게 된다.

또, 제어장치(C)는 외기온도가 소정의 오일하한온도(소정값)보다도 낮은 경우, 전자밸브(79)에 의해 오일바이패스회로(78)의 유로를 개방함으로써, 냉매가 오일에 용입하여 점도가 상승하는 것을 방지하여, 적확하게 오일쿨러(74)를 우회하는 오일바이패스회로(78)를 통하여 오일세퍼레이터(44) 내의 오일을 압축기(11)로 되돌리는 것이 가능하게 된다.

또한, 본 실시예에서는, 풍로(45)에 마련된 외기온도센서(56)에 의해 검출된 온도에 근거하여 전자밸브(79)의 개폐제어를 행하고 있지만, 이것에 한정되는 것이 아니며, 예를 들면, 오일세퍼레이터(44)의 온도를 검출하는 수단을 마련하고, 당해 온도검출수단에 의해 검출된 온도가 소정값보다도 낮은 경우에 전자밸브(79)에 의해 오일바이패스회로(78)의 유로를 개방하는 것으로 해도 된다. 이 경우에도 확실히 냉매가 오일에 용입하여 점도가 상승하는 것을 방지하여, 오일쿨러(74)를 우회하는 오일바이패스회로(78)를 통하여 오일세퍼레이터(44) 내의 오일을 압축기(11)로 되돌리는 것이 가능하게 된다.

또한, 본 실시예와 같이 냉매로서 이산화탄소를 사용한 경우에는, 상술한 바와 같이 제어를 행함으로써, 오일을 원활히 압축기(11)로 되돌릴 수 있음과 아울러, 냉동능력을 효과적으로 개선할 수 있어, 성능의 향상을 도모할 수 있다.

(F) 압축기의 시동성 개선(바이패스회로)

다음으로, 압축기(11)의 시동성 개선제어에 대해서 설명한다. 도 2에 나타내는 바와 같이 상술한 냉동장치(R)의 인터쿨러(38)의 출구 측의 냉매회로(1)의 중간압영역, 본 실시예에서는 당해 인터쿨러(38)의 출구 측에 접속되는 상기 제2 또는 제3 연통회로(104, 105)와, 냉매회로(1)의 저압 측, 본 실시예에서는 증발기(63A, 63B)의 냉매출구 측을 통과하는 바이패스회로(84)가 마련되어 있다. 이 바이패스회로(84)에는 전자밸브(밸브장치)(85)가 개재되어 있다. 그리고, 제어장치(C)는, 도 2에 나타내는 바와 같이 압축기(11, 11) 및 전자밸브(85)가 접속되어 있다. 제어장치(C)는 압축기(11)의 운전주파수를 검출(취득) 가능하게 한다.

이상의 구성에 의해, 압축기(11)의 시동성 개선제어동작에 대해서 설명한다. 상술한 바와 같이 압축기(11)가 운전되고 있는 상태에서는 저단 측 흡입구(22)에 의해 제1 회전압축요소(18)의 저압부로 흡입된 저압의 냉매가스는 당해 제1 회전압축요소(18)에 의해 중간압으로 승압되어 밀폐용기(12) 내로 토출된다. 밀폐용기(12) 내의 중간압의 냉매가스는 압축기(11)의 저단 측 토출구(24)로부터 중간압 토출배관(36)으로 토출되며, 인터쿨러(38)가 접속된 중간압흡입관(40)을 통하여 고단 측 흡입구(26)로 흡입된다. 제1 회전압축요소(18)로부터 토출되고, 고단 측 흡입구(26)를 통하여 제2 회전압축요소(20)로 흡입되기 때까지의 영역이 중간압영역이 된다.

고단 측 흡입구(26)에 의해 제2 회전압축요소(20)의 중압부로 흡입된 중압의 냉매가스는 당해 제2 회전압축요소(20)에 의해 2단째의 압축이 행해져 고온고압의 냉매가스가 되고, 고단 측 토출구(28)로부터 고압토출배관(42)으로 토출되며, 오일세퍼레이터(44), 가스쿨러(46), 배열회수 열교환기(70), 중간열교환기(80), 냉매배관(7) 및 쇼케이스 유니트(5A, 5B)의 주조임수단(62A, 62B)까지의 영역이 고압 측이 된다.

그리고, 주조임수단(62A, 62B)으로 감압팽창됨으로써, 그것보다 하류의 증발기(63A, 63B)로부터 제1 회전압축요소(18)에 연통하는 저단 측 흡입구(22)까지가 냉매회로(1)의 저압 측이 된다.

상기 압축기(11)의 운전이 정지한 후, 압축기(11)를 재시동할 때에는, 제어장치(C)는 압축기(11)의 기동으로부터 소정의 운전주파수로 상승하기까지, 전자밸브(85)를 개방하여 바이패스회로(84)의 유로를 개방한다. 당해 소정의 운전주파수란, 압축기(11)가 실효적인 토크제어가 가능하게 되는 운전주파수이며, 본 실시예에서는 일례로서 35㎐로 한다.

이것에 의해, 압축기(11)의 정지상태로부터 기동되고, 당해 소정의 운전주파수로 상승하기까지, 전자밸브(85)가 개방됨으로써, 제1 회전압축요소(18)에 의해 중간압으로 승압되고, 저단 측 토출구(24)로부터 중간압 토출배관(36)으로 토출되며, 인터쿨러(38)을 거친 후의 중간압영역의 냉매는 바이패스회로(84)를 통하여, 냉매회로(1)의 저압 측 영역으로 유입한다. 이것에 의해, 냉매회로(1)의 중간압영역과 저압 측 영역과의 압력이 균압(均壓)된다.

이것에 의해, 압축기(11)의 기동으로부터 소정의 운전주파수로 상승하기 까지의 시동시는 소정의 토크가 확보할 수 없지만, 이 사이, 중간압영역과 저압 측 영역을 균압으로 함으로써, 외기온도가 높기 때문에 중간압이 높아지기 쉬운 상황이라도 중간압이 고압에 접근하는 문제점을 해소할 수 있다.

이 때문에, 압축기(11)의 시동시에서의 토크 부족이 생기고 있는 동안에, 중간압영역의 압력과 고압영역의 압력이 접근해 버리는 것에 의한 시동불량을 미연에 회피할 수 있어, 안정되고, 또한, 고효율인 운전을 실현할 수 있다. 또한, 제어장치(C)는 검출되는 압축기(11)의 운전주파수가 소정의 운전주파수로 상승한 후에는 전자밸브(85)를 폐쇄하여, 바이패스회로(84)의 유로를 폐색함으로써, 상술한 바와 같은 통상의 냉동사이클을 행한다.

(G) 압축기의 시동성 개선(역지밸브)

본 실시예에서의 각 압축기(11)의 고압토출배관(42)에는 냉매조정기(91)가 마련되어 있다. 여기서, 도 4의 냉매조정기(91)의 부분 종단 측면도 및 도 5의 부분 단면 평면도를 참조하여 냉매조정기(91)에 대해서 설명한다. 이 냉매조정기(91)는 소정의 용량을 가진 밀폐용기(92)에 의해 구성되어 있으며, 당해 용기(92)의 측면에는 압축기(11)의 고단 측 토출구(28)로부터 토출된 냉매가 유입되는 냉매유입부(96)가 연통 형성되어 있고, 고압토출배관(42)(고단 측 토출구(28) 측)이 접속된다. 또, 용기(92)의 상단면에는 용기(92) 내의 냉매를 유출시키는 냉매유출부(97)가 연통 형성되어 있고, 고압토출배관(42)(가스쿨러(46) 측)이 접속된다.

그리고, 이 용기(92) 내는 칸막이벽(93)으로 상하가 구획되며, 이 하측은 냉매유입실(94)이 되고, 상측은 냉매유출실(95)이 된다. 냉매유입실(94)은 상기 냉매유입부(96)와 연통하여 형성되고, 냉매유출실(95)은 냉매유출부(97)와 연통하여 형성된다. 그리고, 칸막이벽(93)의 냉매유입실(94) 측에는 흡입포트(98)가 마련되어 있고, 당해 흡입포트(98)는 칸막이벽(93)에 형성된 흡입통로(99)와 연통하여 형성된다.

이 흡입통로(99)의 냉매유출실(95) 측에는 용기(92) 내의 상부에 위치하여 리드밸브로 구성된 역지밸브(90)가 마련되어 있다. 당해 역지밸브(90)는 냉매유입실(94) 측으로부터 냉매유출실(95)로 향하는 방향을 순방향(압축기(11)의 고단 측 토출구(28)로부터 가스쿨러(46)(오일세퍼레이터(44))로 향하는 방향을 순방향)으로 한다. 그리고, 이 역지밸브(90)의 근방에는 당해 역지밸브(90)와 소정간격을 두고 지지체(90A)가 고정되어 있다.

그리고, 이 용기(92)의 용기 하단부에는, 상술한 압축기(11)와 접속하는 오일반환관(86)이 마련되어 있다. 당해 오일반환관(86)은 상기 오일반환회로(73)에 접속되고, 이것에 의해 용기(92) 내와 연통하여 구성되어 있다.

이상의 구성에 의해, 압축기(11)의 고단 측 토출구(28)로부터 토출된 냉매는 고온토출배관(42)을 통하여 냉매조정기(91)의 냉매유입부(96)로부터 냉매유입실(94) 내로 유입한다. 여기서, 냉매유입실(94)은 소정의 용적을 가지기 때문에 머플러 효과에 의해서 맥동을 흡수하여 평준화를 도모할 수 있다.

냉매유입실(94) 내의 냉매는 흡입포트(98)를 통하여 흡입통로(99) 내를 통과하고, 냉매유입실(94)로부터 냉매유출실(95) 측을 순방향으로 하는 역지밸브(90)를 통하여 냉매유출실(95) 내로 토출된다. 역지밸브(90)는, 상술한 바와 같이 리드밸브에 의해 구성되어 있기 때문에, 소음 발생을 해소할 수 있다.

그리고, 냉매유출실(95) 내의 냉매는 냉매유출부(97)를 통하여 가스쿨러(46)로 향하는 고온토출배관(42)으로 토출된다.

여기서, 냉매조정기(91)의 용기(92) 내에는 압축기(11)의 고단 측 토출구(28)로부터 가스쿨러(46)(오일세퍼레이터(44))를 향하는 방향을 순방향으로 하는 역지밸브(90)가 마련되어 있기 때문에, 압축기(11)가 정지한 경우라도 고압토출배관(42)에 개재되는 냉매조정기(91)의 역지밸브(90)에 의해서, 가스쿨러(46) 측의 고압냉매가 압축기(11) 측과 연통하지 않는다. 이 때문에, 압축기(11)의 운전이 정지하여, 밀폐용기(12) 내에서 고압 측과 중간압이 균압해 버리는 경우라도, 역지밸브(90)로부터 증발기(63A, 63B)의 근방에 마련된 주조임수단(62A, 62B)까지의 냉매회로(1)의 고압 측의 압력을 유지할 수 있다.

즉, 당해 역지밸브(90)가 마련되지 않은 경우에는 정지한 압축기(11) 내에서 고압 측과 중압 측이 균압해 버린다. 한편, 밀폐용기(12) 내에서 저압 측과 중압 측은 저압 측만이 오일에 잠기기 때문에 용이하게는 균압하기 어렵다. 그러나, 압축기(11)를 시동하는 경우에는 냉매회로(1) 내의 압력차가 크기 때문에, 냉매회로(1) 내 전체가 균압하기까지의 소정 시간이 필요하여 시동성이 나쁘게 된다.

그러나, 본 실시예에서는, 압축기(11)를 정지한 후, 역지밸브(90)에 의해서냉매회로(1)의 고압 측의 압력이 유지되므로, 이러한 압축기(11)의 시동성의 개선을 도모할 수 있다. 또, 냉매회로(1) 내 전체가 균압이 되지 않기 때문에, 냉동사이클 장치의 효율화를 도모할 수 있다.

또, 본 실시예와 같이, 냉동장치(R)에 복수, 이 경우 2대의 압축기(11, 11)가 마련되고, 서로 병렬 접속되어 있는 경우, 상기 역지밸브(90)를 구비한 냉매조정기(91)는 각 압축기(11, 11)의 고압토출배관(42, 42)이 합류하기 이전의 위치에 각각의 압축기(11)에 대응하여 마련한다. 이것에 의해, 멀티 구성의 압축기의 추가 운전이 가능하게 되어, 용량제어성의 개선을 도모할 수 있다.

상술한 바와 같이 역지밸브(90)가 마련된 냉매조정기(91)의 용기(92)는 소정의 용량을 가지고 있기 때문에, 냉매로부터 오일을 분리하는 오일세퍼레이터의 기능도 발휘할 수 있다. 당해 용기(92)의 하부에 고인 오일은 당해 하단부에 마련된 오일반환관(86)을 통하여 원활히 각각에 대응하는 압축기(11, 11)로 반환할 수 있다.

(H) 증발기의 제상(除霜)제어

상술한 바와 같이, 각 쇼케이스 유니트(5A, 5B)는 냉매배관(7 및 9)에 각각 병렬로 접속되어 있다. 각 쇼케이스 유니트(5A, 5B)와, 냉매배관(7) 및 냉매배관(9)을 연결하는 케이스 측 냉매배관(60A, 60B)에는 각각 스트레너(61A, 61B)와, 주조임수단(62A, 62B)과, 증발기(63A, 63B)가 순차 접속되어 있다.

그리고, 한쪽의 증발기(63A)의 출구 측에는 다른 쪽의 증발기(63B)에 대응하는 주조임수단(62B)의 입구 측을 연통하는 제1 연통관(64A)이 접속되어 있고, 당해 제1 연통관(64A)에는 전자밸브(밸브장치)(65A)가 개재되어 있다. 또, 다른 쪽의 증발기(63B)의 출구 측에는 한쪽의 증발기(63A)에 대응하는 주조임수단(62A)의 입구 측을 연통하는 제2 연통관(64B)이 접속되어 있고, 당해 제2 연통관(64B)에는 전자밸브(밸브장치)(65B)가 개재되어 있다. 또한, 본 실시예에서 주조임수단(62A, 62B)은 전동팽창밸브로 구성하고 있지만, 이 외에도 조임수단으로서의 캐필러리 튜브와 이것을 바이패스하는 바이패스관과 전자밸브에 의해서 구성해도 된다.

또, 각 케이스 측 냉매배관(60A, 60B)의 증발기(63A 또는 63B)의 출구 측에 접속된 각 연통관(64A, 64B)과의 분류기의 하류 측에는 전자밸브(밸브장치)(66A 및 66B)가 개재되어 있다. 이들 전자밸브(65A, 65B, 66A, 66B)에 의해 유로제어수단을 구성한다.

한편, 상술한 바와 같이, 냉매회로(1)를 구성하는 가스쿨러(46)를 바이패스하는 가스쿨러 바이패스회로(71)가 마련되어 있다. 이 가스쿨러 바이패스회로(71)에는 전자밸브(72)가 개재되어 있다. 그리고, 각 전자밸브(65A, 65B, 66A, 66B, 72) 및 주조임수단(62A, 62B)은 상술한 바와 같이 제어장치(C)로 개폐제어된다.

이상의 구성에 의해, 먼저, 한쪽의 증발기(63A)의 제상제어에 대해서 설명한다. 한쪽의 증발기(63A)의 제상을 행할 때에는, 제어장치(C)는 상기 유로제어수단을 증발기(63A)로부터 나온 냉매를 제1 연통관(64A)으로 흘리고, 증발기(63B)로부터 나온 냉매를 압축기(11)로 되돌리는 제어를 행한다. 즉, 당해 증발기(63A)에 대응하는 주조임수단(62A)을 전개(全開)로 하고, 제1 연통관(64A)의 전자밸브(65A), 전철밸브(66B)를 개방한다. 제2 연통관(64B)의 전자밸브(65B) 및 전자밸브(66A)를 폐쇄한다. 또한, 주조임수단(62A)을 캐필러리 튜브와 이것을 바이패스하는 바이패스관과 전자밸브로 구성하고 있는 경우에는 바이패스관의 전자밸브를 개방한다.

이것에 의해, 압축기(11)로부터 토출된 고온고압냉매는 가스쿨러(46), 배열회수 열교환기(70), 중간열교환기(80), 냉매배관(7)을 거쳐 케이스 측 냉매배관(60A)에 이르고, 전개로 되는 주조임수단(62A)을 거쳐 가스냉매 그대로 한쪽의 증발기(63A) 내로 유입한다. 당해 증발기(63A)의 제상에 의해서 액화된 냉매(가스사이클이 행해지고 있을 때는 가스냉매)는 전자밸브(66A)가 폐쇄되어 있고, 전자밸브(65A)가 개방되어 있기 때문에, 제1 연통관(64A)을 거쳐, 다른 쪽의 증발기(63B)에 대응하는 주조임수단(62B)의 입구 측으로 유입한다.

이 때문에, 한쪽의 증발기(63A)의 제상에 의해서 액화된 냉매는 다른 쪽의 증발기(63B)에 대응하는 주조임수단(62B)으로 감압팽창되고, 다른 쪽의 증발기(63B)로 증발한다. 이것에 의해, 한쪽의 증발기(63A)의 제상에 의해 액화한 냉매가 직접 압축기(11)로 귀환하는 문제점을 해소할 수 있다.

다른 쪽의 증발기(63B)의 제상을 행할 때에는, 제어장치(C)는 상기 유로제어수단을 증발기(63B)로부터 나온 냉매를 제2 연통관(64B)으로 흘리고, 증발기(63A)로부터 나온 냉매를 압축기(11)로 되돌리는 제어를 행한다. 즉, 당해 증발기(63B)에 대응하는 주조임수단(62B)을 전개로 하고, 제2 연통관(64B)의 전자밸브(65B), 전자밸브(66A)를 개방한다. 제2 연통관(64A)의 전자밸브(65A) 및 전자밸브(66B)를 폐쇄한다.

이것에 의해, 압축기(11)로부터 토출된 고온고압냉매는 가스쿨러(46), 배열회수 열교환기(70), 중간열교환기(80), 냉매배관(7)을 거쳐 케이스 측 냉매배관(60B)에 이르고, 전개로 되는 주조임수단(62B)를 거쳐 가스냉매 그대로 다른 쪽의 증발기(63B) 내로 유입한다. 당해 증발기(63B)의 제상에 의해서 액화된 냉매(가스사이클이 행해지고 있을 때는 가스냉매)는 전자밸브(66B)가 폐쇄되어 있고, 전자밸브(65B)가 개방되어 있기 때문에, 제2 연통관(64B)을 거쳐, 한쪽의 증발기(63A)에 대응하는 주조임수단(62A)의 입구 측으로 유입한다. 이 때문에, 다른 쪽의 증발기(63B)의 제상에 의해서 액화된 냉매는 한쪽의 증발기(63A)에 대응하는 주조임수단(62A)으로 감압팽창되며, 한쪽의 증발기(63A)로 증발한다.

이와 같이, 복수의 증발기(63A, 63B)를 구비한 냉동장치(R)에서 상호 제상에 의해 액화한 냉매를 다른 쪽의 증발기로 증발처리시킴으로써, 제상에 의해 액화한 냉매가 직접 압축기(11)로 귀환하는 문제점을 해소할 수 있다. 또, 이와 같은 간소한 구성으로 이들 증발기(63A, 63B)의 제상을 실현하는 것이 가능하게 된다.

또한, 본 실시예에서는 2개의 냉동기 유니트(5A, 5B)의 증발기(63A, 63B)의 제상을 예로 들어 설명하고 있지만, 증발기의 수를 더 늘렸을 경우라도 상호 제상에 의해 액화한 냉매를 다른 증발기로 증발처리시킴으로써, 본 발명에 의한 효과를 나타낼 수 있다.

또, 본 실시예에서는, 제어장치(C)는 외기온도센서(56)에 의해 검출된 온도가 소정의 저온도인 경우에는, 당해 제상시에서 가스쿨러 바이패스회로(71)에 마련된 전자밸브(72)를 개방한다. 이것에 의해, 제상이 행해지는 증발기에는 초임계사이클이 되는 가스쿨러(46)를 회피한(가스쿨러 바이패스회로(71)을 통과한) 온도가 높은 냉매를 유입시키는 것이 가능하게 된다.

이것에 의해, 낮은 외기온도시 등에서 제상을 행하는 증발기로 유입하는 냉매온도가 낮은 경우에, 보다 높은 온도의 냉매를 공급하는 것이 가능하게 되어, 효율적인 제상을 실현할 수 있다.

또, 배열을 이용한 제상을 실현하는 것이 가능하게 되기 때문에, 특별한 히터 등의 가열수단을 불필요하게 할 수 있어, 에너지 절약을 도모할 수 있다. 또, 제상시에서의 히터통전을 회피할 수 있기 때문에, 피크 전력(peak power)의 커트(cut)를 행할 수 있다.

본 실시예와 같이, 냉매로서 이산화탄소를 사용한 경우, 압축기(11)로부터의 토출온도가 높아지기 때문에, 증발기의 제상성능의 향상을 도모할 수 있다.

R 냉동장치 C 제어장치(제어수단)
1 냉매회로 3 냉동기 유니트
5A, 5B 쇼케이스 유니트 7, 9 냉매배관
11 압축기 12 밀폐용기
14 전동요소 18 제1 회전압축요소
20 제2 회전압축요소 22 저단 측 흡입구
24 저단 측 토출구 26 고단 측 흡입구
28 고단 측 토출구 32 저압압력센서(흡입압력 검출수단)
34 유니트 입구온도센서(입구온도 검출수단)
36 중간압 토출배관 38 인터쿨러
42 고압토출배관 44 오일세퍼레이터
45 풍로 46 가스쿨러
47 가스쿨러용 송풍기 48 고압압력센서(고압압력 검출수단)
49 중간압 압력센서(중간압 압력검출수단)
S0 토출온도센서(토출온도 검출수단)
52 가스쿨러 출구온도센서(가스쿨러 출구온도 검출수단)
54 유니트 출구온도센서(유니트 출구온도 검출수단)
56 외기온도센서(외기온도 검출수단)
58 유니트 출구 측 압력센서(유니트 출구 측 압력검출수단)
60A, 60B 케이스 측 냉매배관 62A, 62B 주조임수단
63A, 63B 증발기 64A, 64B 연통관
65A, 65B 전자밸브(밸브장치. 유로제어수단)
66A, 66B 전자밸브(밸브장치. 유로제어수단)
70 배열회수 열교환기 70A 냉매유로
70B 배열회수매체 유로 71 가스쿨러 바이패스회로
72 전자밸브(밸브장치) 73 오일반환회로
74 오일쿨러 76 유량조정밸브(전동밸브)
78 오일바이패스회로 79 전자밸브(밸브장치)
80 중간열교환기 80A 제1 유로
80B 제2 유로 83 보조팽창밸브(보조조임수단)
84 바이패스회로 85 전자밸브(밸브장치)
86 오일반환관 90 역지밸브
91 냉매조정기 92 밀폐용기
93 칸막이벽 100 냉매량 조정탱크
101 제1 연통회로
102 전동팽창밸브(조임기능을 가지는 제1 개폐수단)
103 제2 연통회로 104 전자밸브(제2 개폐수단)
105 제3 연통회로 106 전자밸브(제3 개폐수단)

Claims (6)

1. 압축수단과, 가스쿨러와, 조임수단과, 증발기로 냉매회로가 구성되고, 고압 측이 초임계압력이 되는 냉동장치에 있어서,
   제1 연통회로를 통하여 상기 냉매회로의 고압 측에 접속된 냉매량 조정탱크와,
   이 냉매량 조정탱크의 상부와 상기 냉매회로의 중간압영역을 연통하는 제2 연통회로와,
   상기 냉매량 조정탱크의 하부와 상기 냉매회로의 중간압영역을 연통하는 제3 연통회로와,
   상기 제1 연통회로에 마련된 조임기능을 가지는 제1 개폐수단과,
   상기 제2 연통회로에 마련된 제2 개폐수단과,
   상기 제3 연통회로에 마련된 제3 개폐수단과,
   상기 각 개폐수단을 제어하여 상기 냉매회로 중의 순환냉매를 상기 냉매량 조정탱크로 회수하고, 상기 냉매회로로 냉매를 방출하는 제어수단을 구비하며,
   상기 압축수단은 제1 및 제2 압축요소로 구성되고, 상기 냉매회로의 저압 측으로부터 상기 제1 압축요소로 냉매를 흡입하여 압축하며, 당해 제1 압축요소로부터 토출된 중간압의 냉매를 상기 제2 압축요소로 흡입하고, 압축하여 상기 냉매회로의 고압 측으로 토출하는 것을 특징으로 하는 냉동장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제어수단은 상기 제3 개폐수단을 닫은 상태에서 상기 제1 개폐수단 및 제2 개폐수단을 개방함으로써, 냉매를 상기 냉매량 조정탱크로 회수하는 냉매회수동작을 실행하고, 상기 제1 개폐수단 및 제2 개폐수단을 닫은 상태에서 상기 제3 개폐수단을 개방함으로써, 상기 냉매량 조정탱크로부터 냉매를 방출하는 냉매방출동작을 실행하는 것을 특징으로 하는 냉동장치.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 제어수단은 상기 냉매회로의 고압 측 압력에 근거하고, 당해 고압 측 압력이 상승한 것에 근거하여 상기 냉매회수동작을 실행하고, 상기 고압 측 압력이 저하한 것에 근거하여 상기 냉매방출동작을 실행하는 것을 특징으로 하는 냉동장치.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 제어수단은 상기 고압 측 압력이 소정의 회수 문턱값을 넘은 경우, 또는, 상기 고압 측 압력이 상기 회수 문턱값보다 낮은 소정의 회수 보호값을 넘고, 또한, 상기 가스쿨러를 공랭하는 송풍기의 회전수가 최대값이 된 것을 조건으로 하여, 상기 냉매회수동작을 실행하고,
   상기 고압 측 압력이 상기 회수 보호값 이하로 저하한 경우에 상기 냉매회수동작을 종료함과 아울러,
   상기 고압 측 압력이 상기 회수 보호값보다 낮은 소정의 방출 문턱값을 하회한 경우, 또는, 상기 고압 측 압력이 상기 회수 보호값 이하가 되고, 또한, 상기 송풍기의 회전수가 상기 최대값보다도 낮은 소정의 규정값 이하가 된 것을 조건으로 하여, 상기 냉매방출동작을 실행하는 것을 특징으로 하는 냉동장치.
5. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1 압축요소로부터 토출된 냉매를 공랭하기 위한 인터쿨러를 구비하고, 상기 제2 및 제3 연통회로를 상기 인터쿨러의 출구 측에 연통시킨 것을 특징으로 하는 냉동장치.
6. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 냉매로서 이산화탄소를 사용한 것을 특징으로 하는 냉동장치.

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