(57)【要約】  高温側第一圧縮機１１Ａ、高温側第一凝縮器１２Ａ、高温側第一絞り装置１３Ａ、高温側第一蒸発器１４Ａを有する高温側第一サイクル１０Ａと、高温側第二圧縮機１１Ｂ、高温側第二凝縮器１２Ｂ、高温側第二絞り装置１３Ｂ、高温側第二蒸発器１４Ｂを有する高温側第二サイクル１０Ｂと、低温側圧縮機２１、低温側第一凝縮器２２Ａ、低温側第二凝縮器２２Ｂ、低温側絞り装置２３及び低温側蒸発器２４を接続して、二酸化炭素を冷媒とする低温側サイクル２０と、高温側冷媒と低温側冷媒との熱交換を行う第一カスケードコンデンサ３０Ａ、第二カスケードコンデンサ３０Ｂと、低温側冷媒の流れに対応して高温側蒸発器１４の蒸発温度が低くなるようにする制御手段４０とを備える。
2012066763.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温側圧縮機、高温側凝縮器、高温側絞り装置及び高温側蒸発器を配管接続して、高温側冷媒を循環させる高温側循環回路を形成する複数の高温側サイクル装置と、
低温側圧縮機、複数の低温側凝縮器、低温側絞り装置及び低温側蒸発器を配管接続して、二酸化炭素を低温側冷媒として循環させる低温側循環回路を形成する低温側サイクル装置と、
前記複数の高温側サイクル装置の各高温側蒸発器と各低温側凝縮器とにより構成し、前記高温側冷媒と前記低温側冷媒との間の熱交換を行う複数のカスケードコンデンサとを備え、
低温側凝縮器に前記低温側冷媒が流入出する順に、各カスケードコンデンサにおいて前記低温側凝縮器と対応する高温側蒸発器における蒸発温度を順に低くするように制御する制御手段と
を備えることを特徴とする冷凍装置。
【請求項２】
高温側サイクル装置の一部又は全部に、前記高温側圧縮機及び前記高温側絞り装置とそれぞれ並列にバイパス配管を接続し、
前記制御手段は、外気温度よりも前記高温側蒸発器における蒸発温度が高い高温側サイクル装置に対して、前記高温側圧縮機を停止させ、前記バイパス配管に前記高温側冷媒を通過させて前記高温側冷媒を循環させる制御を行うことを特徴とする請求項１記載の冷凍装置。
【請求項３】
前記高温側蒸発器の蒸発温度の高さに合わせた沸点の高温側冷媒を充填することを特徴とする請求項１又は２に記載の冷凍装置。
【請求項４】
前記複数の高温側サイクル装置のうち、一部の前記高温側サイクル装置に充填する前記高温側冷媒をテトラフルオロプロペンとすることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、家庭用・業務用冷凍冷蔵庫、超低温フリーザ、冷凍冷蔵ショーケース冷却システム等に利用できる冷凍装置に関するものである。特に、複数の冷凍サイクル装置（冷媒循環回路）を多段構成した多元冷凍装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、例えば高温側（高段側、一次側）となる冷凍サイクル装置（以下、高温側サイクルという）と低温側（低段側、二次側）となる冷凍サイクル装置（以下、低温側サイクルという）とをそれぞれ形成して多段で構成した冷凍装置がある（ここでは二段構成の二元冷凍装置であるものとする）。このような冷凍装置では、例えば低温側サイクルにおける冷媒の凝縮による凝縮熱と高温側サイクルにおける冷媒の蒸発による蒸発熱とを熱交換しながら、最終段となる低温側サイクルの蒸発器において冷却対象等との熱交換を行うことにより、連携した冷凍運転を行っている。これにより、低温側サイクルの蒸発器において、マイナス数十度の低温度の蒸発熱を効率良く得ることができる。【０００３】
このような二元冷凍装置において、高温側サイクルが循環に用いる冷媒として、地球温暖化防止の観点から、ＧＷＰ（Global Warming Potential：温暖化係数、地球温暖化係数）が低い炭化水素系冷媒を用い、低温側サイクルが循環に用いる冷媒として二酸化炭素を用いるものがある（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３６０４９７３号公報（第４頁、第１図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、例えば冷凍装置が大型化した場合について検討する。冷凍装置が大型化すると、冷媒の充填量も多くなる。前述のような二元冷凍装置において、高温側サイクルに用いている炭化水素系冷媒は可燃性であるため、冷媒充填量が多いと、冷媒漏れ等を想定した安全対策を行うための設備等に多大なコストを費やさなければならなくなる。例えば、２，３，３，３−テトラフルオロプロペン（ＨＦＯ−１２３４ｙｆ）等のテトラフルオロプロペン、Ｒ３２等の燃焼性を有する冷媒の場合も同様である。【０００６】
また、例えば不燃性であっても、比較的ＧＷＰの低いフロン冷媒（Ｒ４１０Ａ等）を高温冷凍サイクルに用いる場合には、環境に係る冷媒漏洩管理の観点から、冷媒漏れ等に対する環境対策を行うための設備等に多大なコストを費やさなければならなくなる。また、環境対策としては、冷媒のＧＷＰだけでなく、二元冷凍装置の運転効率を高め、ＴＥＷＩ（Total Equivalent Warming Impact ：総合等価温暖化因子）を低減し、地球温暖化防止への貢献も考慮することが望ましい。【０００７】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、多元冷凍装置の低コスト化をはかるとともに、運転の効率化をはかり、環境への配慮を行うことができる二元冷凍装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係る冷凍装置は、高温側圧縮機、高温側凝縮器、高温側絞り装置及び高温側蒸発器を配管接続して、高温側冷媒を循環させる高温側循環回路を形成する複数の高温側サイクル装置と、低温側圧縮機、複数の低温側凝縮器、低温側絞り装置及び低温側蒸発器を配管接続して、二酸化炭素を低温側冷媒として循環させる低温側循環回路を形成する低温側サイクル装置と、複数の高温側サイクル装置の各高温側蒸発器と各低温側凝縮器とにより構成し、高温側冷媒と低温側冷媒との間の熱交換を行う複数のカスケードコンデンサとを備え、低温側凝縮器に低温側冷媒が流入出する順に対応して、高温側蒸発器における蒸発温度が順に低くなるように制御する制御手段とを備えるものである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明の冷凍装置によれば、複数の高温側サイクル装置を用いて、低温側サイクルを循環する低温側冷媒の凝縮液化を行うようにし、各高温側サイクル装置において循環する高温側冷媒の冷媒量を少なくするようにしたので、例えば、炭化水素系冷媒、ＨＦＯ１２３４ｙｆ、Ｒ３２などの燃焼性を有する冷媒、地球温暖化係数等が高い冷媒を用いている場合でも、ひとつの冷凍サイクル中の冷媒量が低減でき、万一冷媒が冷凍サイクル外に漏れ出たときを想定した安全対策、環境対策に要するコストを低減することができる。このとき、低温側冷媒の流れる方向に沿って、高温側蒸発器における蒸発温度を低くするようにしたので、低温側冷媒を徐々に冷却させて、効率よく蒸発液化させていくことができるので、省エネルギーをはかることができる。そして、その結果、ＴＥＷＩを低減することができ、地球温暖化防止への貢献を同時に達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の実施の形態１における冷凍装置の構成を表す図である。
【図２】実施の形態１における低温側サイクルの冷却運転を示すモリエル線図である。
【図３】この発明の実施の形態２における冷凍装置の構成を表す図である。
【図４】実施の形態２における運転制御フローチャートを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１２】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における冷凍装置の構成を表す図である。図１に示すように、本実施の形態の冷凍装置は二元冷凍装置として説明する。本実施の形態の二元冷凍装置は、高温側第一サイクル１０Ａ、高温側第二サイクル１０Ｂと低温側サイクル２０とを有し、それぞれ独立して冷媒を循環させる冷媒循環回路を構成する。そして、冷媒循環回路を多段で構成するため、高温側第一蒸発器１４Ａと低温側第一凝縮器２２Ａとをそれぞれ通過する冷媒間で熱交換させるように構成した第一カスケードコンデンサ（冷媒間熱交換器）３０Ａを設けている。同様に、高温側第二蒸発器１４Ｂと低温側第二凝縮器２２Ｂとをそれぞれ通過する冷媒間で熱交換させる第二カスケードコンデンサ３０Ｂを設けている。ここで、温度の高低、圧力の高低については、特に絶対的な値との関係で高低等が定まっているものではなく、システム、装置等における状態、動作等において相対的に定まるものとする。
【００１３】
図１において、高温側第一サイクル１０Ａは、高温側第一圧縮機１１Ａと、高温側第一凝縮器１２Ａと、高温側第一絞り装置１３Ａと、高温側第一蒸発器１４Ａとを直列に冷媒配管で接続し、冷媒循環回路（以下、高温側第一循環回路という）を構成している。また、高温側第二サイクル１０Ｂは、高温側第二圧縮機１１Ｂと、高温側第二凝縮器１２Ｂと、高温側第二絞り装置１３Ｂと、高温側第二蒸発器１４Ｂとを直列に冷媒配管で接続し、冷媒循環回路（以下、高温側第二循環回路という）を構成している。
【００１４】
一方、低温側サイクル２０は、低温側圧縮機２１と、低温側第一凝縮器２２Ａと、低温側第二凝縮器２２Ｂと、低温側絞り装置２３と、低温側蒸発器２４とを冷媒配管で接続し、冷媒循環回路（以下、低温側循環回路という）を構成している。
【００１５】
このような構成の二元冷凍装置において、高温側第一循環回路、高温側第二循環回路を循環する冷媒（以下、高温側冷媒という）として、例えばＲ４１０Ａ、Ｒ３２、Ｒ４０４Ａ、ＨＦＯ−１２３４ｙｆ、プロパン、イソブタン、二酸化炭素、アンモニアなどが用いられる。ここで、本実施の形態では高温側第一サイクル１０Ａ（高温側第一循環回路）に用いる高温側冷媒（以下、高温側第一冷媒という）としてＨＦＯ−１２３４ｙｆ（沸点−２９℃、ＧＷＰ：４）を用い、高温側第二サイクル１０Ｂ（高温側第二循環回路）に用いる高温側冷媒（以下、高温側第二冷媒という）としてＲ３２（沸点−５１．７℃、ＧＷＰ：６７５）を用いる。また、低温側循環回路を循環する冷媒（以下、低温側冷媒という）には地球温暖化に対する影響が小さい二酸化炭素（ＣＯ２  、ＧＷＰ：１）を用いる。
【００１６】
次に二元冷凍装置の各構成機器についてさらに詳細に説明する。高温側第一サイクル１０Ａ、高温側第二サイクル１０Ｂの高温側第一圧縮機１１Ａ、高温側第二圧縮機１１Ｂは、高温側冷媒を吸入し、圧縮して高温・高圧の状態にして吐出する。ここで、例えばインバータ回路等により回転数を制御し、高温側冷媒の吐出量を調整できるタイプの圧縮機で構成するとよい。高温側第一凝縮器１２Ａ、高温側第二凝縮器１２Ｂは、送風機、ポンプ等（図示せず）から供給される空気、水等と高温側冷媒との間で熱交換を行い、高温側冷媒を凝縮させて液状の冷媒（液冷媒）にする（凝縮液化させる）ものである。ここで、送風機等については、高温側第一凝縮器１２Ａ、高温側第二凝縮器１２Ｂに対応してそれぞれ設けてもよいし、共通に設けるようにしてもよい。
【００１７】
減圧弁、膨張弁等の高温側第一絞り装置１３Ａ、高温側第二絞り装置１３Ｂは、高温側冷媒を減圧して膨張させるものである。例えば前述した電子式膨張弁等の流量制御手段で構成することが最適であるが、毛細管（キャピラリ）等の冷媒流量調節手段で構成してもよい。高温側第一蒸発器１４Ａ、高温側第二蒸発器１４Ｂは、熱交換により高温側冷媒を蒸発させて気体状の冷媒（ガス冷媒）にする（蒸発ガス化させる）ものである。ここでは、それぞれ第一カスケードコンデンサ３０Ａ、第二カスケードコンデンサ３０Ｂにおいて低温側冷媒との熱交換を行う。
【００１８】
一方、低温側サイクル２０の低温側圧縮機２１は、低温側冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮して高温・高圧の状態にして吐出する。低温側圧縮機２１についても、例えばインバータ回路等を有し、低温側冷媒の吐出量を調整できるタイプの圧縮機で構成するとよい。
【００１９】
低温側第一凝縮器２２Ａ、低温側第二凝縮器２２Ｂは、熱交換により低温側冷媒を凝縮液化させるものである。ここでは、第一カスケードコンデンサ３０Ａ、第二カスケードコンデンサ３０Ｂにおいて高温側冷媒との熱交換を行う。ここで、低温側第一凝縮器２２Ａについて、低温側冷媒を凝縮させるようにしてもよいが、低温側冷媒を凝縮液化させずに、低温側冷媒から熱（顕熱）を奪うようにして所定温度まで冷却させるだけでよい場合もある。
【００２０】
減圧弁、膨張弁等の低温側絞り装置２３は、低温側冷媒を減圧して膨張させるものである。例えば前述した電子式膨張弁等の流量制御手段で構成することが最適であるが、毛細管等の冷媒流量調節手段で構成してもよい。ここで、本実施の形態では制御手段４０からの指示に基づいて開度調整を行う流量制御手段で構成しているものとする。例えば、低温側絞り装置２３が冷媒流量調節手段である場合において、冷媒流量調節手段を必要としないときの圧力損失の低減等をはかるため、例えば低温側絞り装置２３と並列にバイパス配管（図示せず）を設けるようにしてもよい。そして、冷媒流量調節手段を必要としない場合には、バイパス配管に冷媒を流すように切り替えることができるように構成してもよい。
【００２１】
低温側蒸発器２４は、送風機、ポンプ等（図示せず）から供給される空気、ブライン等と低温側冷媒との間で熱交換を行い、低温側冷媒を蒸発ガス化するものである。低温側冷媒との熱交換により、冷却対象（冷蔵又は冷凍対象）は、直接又は間接に冷却されることになる。
【００２２】
また、第一カスケードコンデンサ３０Ａ、第二カスケードコンデンサ３０Ｂは、例えばプレート熱交換器、二重管熱交換器等からなる。第一カスケードコンデンサ３０Ａは、高温側第一蒸発器１４Ａと低温側第一凝縮器２２Ａとを結合するかたちで構成し、高温側冷媒と低温側冷媒とを熱交換可能にする。同様に、第二カスケードコンデンサ３０Ｂは、高温側第二蒸発器１４Ｂと低温側第二凝縮器２２Ｂとを結合するかたちで構成し、高温側冷媒と低温側冷媒とを熱交換可能にする。第一カスケードコンデンサ３０Ａ、第二カスケードコンデンサ３０Ｂにより二段構成にし、冷媒間の熱交換を行うことで、独立した冷媒循環回路を連携して制御することができる。以下、添字を付している機器等については、特に区別したり、特定したりする必要がない場合には、添字を省略して記載する場合もある。
【００２３】
制御手段４０は、高温側第一サイクル１０Ａ、高温側第二サイクル１０Ｂおよび低温側サイクル２０の状態を監視し、二元冷凍装置における冷却運転等の動作を制御する。ここでは、制御手段４０が高温側第一サイクル１０Ａ、高温側第二サイクル１０Ｂ及び低温側サイクル２０の機器の動作を制御するものとして説明するが、例えば各冷凍サイクル装置の機器をそれぞれ制御する複数の制御手段で構成するようにしてもよい。
【００２４】
次に、二元冷凍装置の冷却運転時における各構成機器の動作等を、各冷媒循環回路を循環する冷媒の流れに基づいて説明する。まず、高温側第一サイクル１０Ａの冷却運転時の動作について説明する。高温側第一圧縮機１１Ａは、高温側冷媒を吸入し、圧縮して高温・高圧の状態にして吐出する。吐出した冷媒は高温側第一凝縮器１２Ａへ流入する。高温側第一凝縮器１２Ａは、送風機、ポンプ等（図示せず）から供給される空気、水等と高温側冷媒との間で熱交換を行い、高温側冷媒を凝縮液化させる。凝縮液化した高温側冷媒は高温側第一絞り装置１３Ａを通過する。高温側第一絞り装置１３Ａは、通過する凝縮液化した冷媒を減圧する。減圧した冷媒は高温側第一蒸発器１４Ａ（第一カスケードコンデンサ３０Ａ）に流入する。高温側第一蒸発器１４Ａは、低温側冷媒との熱交換により高温側冷媒を蒸発ガス化する。蒸発ガス化した高温側冷媒を高温側第一圧縮機１１Ａが吸入する。ここで、高温側第一絞り装置１３Ａが例えば電子膨張弁の場合、制御手段４０は、高温側第一蒸発器１４Ａから流出する高温側冷媒が必要な過熱度（４〜１０Ｋ）を有するように、高温側第一絞り装置１３Ａに開度調整を行わせる。高温側第二サイクル１０Ｂの各機器についても同様の動作を行う。
【００２５】
本実施の形態の冷凍装置においては、低温側冷媒を二段階で凝縮液化して冷却運転を行い、装置全体として効率のよい運転を行うようにする。このとき、制御手段４０は、高温側第一蒸発器１４Ａにおける蒸発温度が高温側第二蒸発器１４Ｂにおける蒸発温度よりも高くなるように制御する。
【００２６】
前述したように、本実施の形態では高温側第一循環回路に用いる高温側冷媒としてＨＦＯ−１２３４ｙｆ（沸点−２９℃）、高温側第二循環回路に用いる高温側冷媒としてＲ３２（沸点−５１．７℃）を用いている。ここで、沸点は、冷媒の特性を表す代表的な数値であり、沸点が低いほど冷凍サイクル装置の運転効率は低下する。これは、沸点が低ければ、それに応じて臨界温度も低くなり、液冷媒の蒸発潜熱が小さくなり冷凍効果が減少するためである。
【００２７】
したがって、冷媒の沸点が高い冷媒を用いることができる冷凍サイクル装置では、沸点が高い冷媒を採用することで省エネルギーをはかることができる。そこで、本実施の形態では、蒸発温度を高く設定することができる高温側第一サイクル１０Ａの高温側冷媒として冷媒ＨＦＯ−１２３４ｙｆ（沸点−２９℃）を封入（充填）している。現時点で、ＨＦＯ−１２３４ｙｆは、ＧＷＰが３００以下の冷媒の中で、もっとも高い沸点をもつ冷媒である。
【００２８】
一方、蒸発温度が低くなると、沸点が高い冷媒では、圧縮機が吸入するガス冷媒の密度が低下し、冷凍効果が小さくなるため、装置が大型化する。そこで、高温側第一サイクル１０Ａよりも蒸発温度を低く設定する高温側第二サイクル１０Ｂには、沸点が低くても冷凍効果を確保することができ、装置の大型化を抑えることができるように、冷媒Ｒ３２を封入する。
【００２９】
図２は、冷却運転時における低温側冷媒の状態を示すモリエル線図（Ｐ−Ｈ線図）である。図２では、縦軸が絶対圧力（ＭＰａａｂｓ）を、横軸が比エンタルピ（ＫＪ／ｋｇ）をそれぞれ示している。図２中、Ｂ曲線（飽和液線と飽和蒸気線とによる線）で囲まれた部分では低温側冷媒が気液二相状態となっていることを表している。また、飽和液線の左側の部分では低温側冷媒が液状態であることを、飽和蒸気線の右側の部分では低温側冷媒がガス状態であることをそれぞれ表している。
【００３０】
また、図２中、Ｂ曲線の頂点Ｈは臨界点と呼び、臨界点より上方の部分では、液、蒸気の相変化がない。図２のほぼ台形状で表されるＡ線は、低温側サイクル２０の冷却運転における各機器が行う動作（工程）における冷媒状態の変化等を表す。低温側サイクル２０は低温側循環回路を構成していることから閉路となっている。詳細は後述する。
【００３１】
次に図１および図２に基づいて、低温側サイクル２０の冷却運転時の動作について説明する。低温側圧縮機２１は、低温側冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮して高温・高圧の状態にして吐出する（図２中のＣ点からＤ点の圧縮工程）。吐出した冷媒は低温側第一凝縮器２２Ａ（第一カスケードコンデンサ３０Ａ）へ流入する。このとき、例えば、Ｃ点における吸入ガス冷媒の温度は約０℃、Ｄ点における吐出ガス冷媒温度は約１２０℃となる。
【００３２】
低温側第一凝縮器２２Ａは、低温側冷媒と高温側第一蒸発器１４Ａを循環する高温側冷媒との間で熱交換を行う（図２中のＤ点からＥ点の凝縮工程）。前述したように、低温側冷媒を凝縮液化させる必要はなく、低温側冷媒を一定温度まで冷却させるようにしてもよい。ここで、例えば、高温側第一凝縮器１２Ａにおける蒸発温度は１０℃であり、Ｅ点における低温側冷媒の温度は約１５℃となる。
【００３３】
低温側第一凝縮器２２Ａを流れ出た冷媒は、低温側第二凝縮器２２Ｂ（第二カスケードコンデンサ３０Ｂ）に流入する。低温側第二凝縮器２２Ｂは、高温側第二蒸発器２４Ｂを循環する高温側冷媒との間で熱交換を行い、低温側冷媒を凝縮液化する（図２中のＥ点からＦ点の凝縮工程）。ここで、例えば、高温側第二凝縮器１２Ｂにおける蒸発温度は−１０℃であり、Ｆ点における低温側冷媒の温度は約−５℃となる。
【００３４】
凝縮液化した低温側冷媒は、低温側絞り装置２３を通過する。低温側絞り装置２３は、凝縮液化した低温側冷媒を減圧する（図２中のＦ点からＧ点の膨張工程）。ここで、例えば、Ｇ点における低温側冷媒の温度は約−４０℃となる。減圧した低温側冷媒は低温側蒸発器２４に流入する。低温側蒸発器２４は、冷却対象と低温側冷媒との間で熱交換を行い、低温側冷媒を蒸発ガス化する。そして、低温側蒸発器２４を流出した低温側冷媒は低温側圧縮機２１に吸入される（図２中のＧ点からＣ点の蒸発工程）。冷却対象は直接又は間接に冷却される。ここで、制御手段４０は、低温側蒸発器２４から流出する低温側冷媒が必要な過熱度（４〜１０Ｋ）を有するように、低温側絞り装置２３に開度調整を行わせる。
【００３５】
ここで、上述したＴＥＷＩは次式（１）にて計算することができる。ここで、（１）の各パラメータについて、ＴＥＷＩは総合等価温暖化因子（ｋｇＣＯ２  ）を表す。また、ＧＷＰは地球温暖化係数、ｍは冷媒循環回路への冷媒充填量（ｋｇ）、Ｌは年間冷媒漏れ率（％）、ｎは機器運転年数を表す。αは廃棄時における冷媒回収率を表す。そして、Ｗは年間消費電力量（ｋＷｈ／年）、βは電力のＣＯ２  排出原単価を表す。
ＴＥＷＩ＝ＧＷＰ×ｍ×Ｌ×ｎ＋ＧＷＰ×ｍ×（１−α）＋ｎ×Ｗ×β    …（１）
【００３６】
上記の（１）式から、ＴＥＷＩを小さくするためには、ＧＷＰが小さい冷媒を用いて冷媒充填量を少なくする、年間消費電力量を低減することになる。本実施の形態では、カスケードコンデンサ３０（低温側凝縮器２２）を２つ設け、段階的に低温側冷媒を凝縮液化させる。このとき、高温側蒸発器１４における蒸発温度を異ならせ、それぞれの蒸発温度に合わせて高温側冷媒を用いることで、効率のよい冷却運転を行って消費電力量を低減することができる。そして、各高温側サイクル１０の高温側蒸発器１４で蒸発温度等を異ならせた制御を行うことで、各高温側サイクル１０用いる高温側冷媒の選択幅を拡げることができる。そして、効率よく運転することで、低温側サイクル２０における低温側冷媒の充填量を減らすこともできる。以上のようにして、各冷凍サイクル装置だけでなく、全体としてＴＥＷＩを低減することができる。
【００３７】
以上のように、実施の形態１の冷凍装置は、高温側第一サイクル１０Ａ、高温側第二サイクル１０Ｂを用いて、低温側サイクル２０を循環する低温側冷媒の凝縮液化を行うようにし、高温側第一サイクル１０Ａ、高温側第二サイクル１０Ｂをそれぞれ循環する高温側冷媒の冷媒量を少なくするようにしたので、例えば、炭化水素系冷媒、ＨＦＯ１２３４ｙｆ、Ｒ３２などの燃焼性を有する冷媒を用いている場合でも、ひとつの冷凍サイクル中の冷媒量が低減でき、万一冷媒が冷凍サイクル外に漏れ出たときを想定した安全対策に要するコストを低減することができる。
【００３８】
また、例えば不燃性で比較的ＧＷＰの低いフロン冷媒（例えばＲ４１０Ａなど）を用いている場合でも、ひとつの冷媒循環回路中に充填する冷媒量を少なくすることができるので、高温側冷媒が冷媒循環回路外に漏れ出たときを想定した環境対策に要するコストを低減できる。
【００３９】
さらに、高温側第一蒸発器１４Ａの蒸発温度を高温側第二蒸発器１４Ｂの蒸発温度より高く設定して冷却運転を行うことにより、低温側冷媒の流れに基づいて徐々に冷却、凝縮液化を行うことができるので、運転効率を高めることができる。そして、その結果、ＴＥＷＩを低減することができ、地球温暖化防止への貢献を同時に達成することができる。
【００４０】
このとき、高温側第一サイクル１０Ａを循環する高温側冷媒の沸点が高温側第二サイクル１０Ｂを循環する高温側冷媒の沸点よりも高くなるように、各高温側冷媒を充填するようにしたので、各蒸発温度に最適な運転をすることができ、運転効率をより高めることができる。その結果、ＴＥＷＩ（総合温暖化係数）をより低減することができ、地球温暖化防止への貢献を同時に達成することができる。ここで、実施の形態１では、高温側第一サイクル１０Ａと高温側第二サイクル１０Ｂの２つの高温側サイクルを例として示したが、例えば３つ以上の高温側循環回路を有する場合も同様以上の効果が得られる。
【００４１】
実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２における冷凍装置の構成を表す図である。図３において、図１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等で説明したことと同様の動作等を行う。本実施の形態の二元冷凍装置では、図３に示すように、高温側第一サイクル１０Ａにおいて、高温側冷媒が高温側第一圧縮機１１Ａを通過しないようにするための高温側第一圧縮機バイパス配管１５を高温側第一圧縮機１１Ａと並列に配管接続している。高温側第一圧縮機バイパス配管１５には、高温側冷媒の通過の制御を行うための圧縮機バイパス開閉弁１６を設けている。また、高温側冷媒が高温側第一絞り装置１３Ａを通過しないようにするための高温側第一絞り装置バイパス配管１７を高温側第一絞り装置１３Ａと並列に配管接続している。高温側第一絞り装置バイパス配管１７も絞り装置バイパス開閉弁１８を設けている。ここではバイパスにおける通過制御を開閉弁で行っているが、例えば流量調整弁等の装置で構成するようにしてもよい。
【００４２】
また、外気温度センサ５０は、外気の温度を検出し、信号として制御手段４０に送る温度検出手段である。
【００４３】
例えば実施の形態１で説明したように、図２におけるＥ点の低温側冷媒の温度を１５℃とするために、高温側第一サイクル１０Ａの高温側第一蒸発器１４Ａにおける蒸発温度を約１０℃としている。このため、季節等によっては例えば気温、水温等が蒸発温度よりも低い場合がある。このような場合、高温側第一圧縮機１１Ａを駆動しなくても高温側第一サイクル１０Ａにおいて自然に冷媒を循環させる自然循環運転を行うことができる。
【００４４】
そこで、外気温等が蒸発温度より低い場合に、本実施の形態では、高温側第一圧縮機バイパス配管１５及び高温側第一絞り装置バイパス配管１７に高温側冷媒を通過させるようにして、自然循環運転を行い、さらに省エネルギーをはかるようにしたものである。ここで、本実施の形態では、高温側第一サイクル１０Ａが自然循環運転を行うことができるものとして説明する。ただ、冷凍装置が冷却等を行う温度域、高温側第二蒸発器１４Ｂが目標とする蒸発温度等によっては、高温側第二サイクル１０Ｂも自然循環運転を行うことができるような構成にしてもよい。
【００４５】
図４は実施の形態２に係る冷凍装置の運転制御のフローチャートを示す図である。ここで運転制御については、実施の形態１と同様に制御手段４０が行う。図４に示すように、制御手段４０は、高温側第一サイクル１０Ａ、高温側第二サイクル１０Ｂ、低温側サイクル２０に冷却運転させる（Ｓ１）。冷却運転における各機器の動作等については、実施の形態１で説明したことと同様である。このとき、圧縮機バイパス開閉弁１６及び絞り装置バイパス開閉弁１８は閉止させている。
【００４６】
そして、制御手段４０は、外気温度センサ５０からの信号に基づいて、外気温度が蒸発温度より低いかどうかを判断する（Ｓ２）。外気温度が蒸発温度より低いと判断すると、制御手段４０は、高温側第一サイクル１０Ａに対し、自然循環運転を行うように制御して（Ｓ３）、Ｓ１に戻る。このとき、高温側第一サイクル１０Ａにおいて、高温側第一圧縮機１１Ａの駆動を停止させる。そして、圧縮機バイパス開閉弁１６及び絞り装置バイパス開閉弁１８を開放し、高温側第一圧縮機バイパス配管１５及び高温側第一絞り装置バイパス配管１７に高温側冷媒を通過させる。
【００４７】
高温側第一凝縮器１２Ａに空気等を送る送風機等（図示せず）については、駆動を継続させるようにし、高温側冷媒の冷却を促進させるようにする。そして、例えば最大駆動（全速）にするように制御してもよい。
【００４８】
一方、Ｓ２において外気温度が蒸発温度以上であるかどうかを判断すると、外気温度が蒸発温度以上であると判断すると、制御手段４０は、冷却運転を行うように制御して（Ｓ４）、Ｓ１に戻る。このとき、高温側第一サイクル１０Ａにおいて、高温側第一圧縮機１１Ａを駆動させる。そして、圧縮機バイパス開閉弁１６及び絞り装置バイパス開閉弁１８を閉止し、高温側第一圧縮機バイパス配管１５及び高温側第一絞り装置バイパス配管１７に高温側冷媒を通過させないようにする。
【００４９】
ここで、特に限定するものではないが、冷却運転と自然循環運転との制御を切り替えた後、所定時間が経過するまで、冷却運転と自然循環運転とを切り替えないように制御してもよい。
【００５０】
以上のように、実施の形態２の冷凍装置は、実施の形態１で説明した効果に加え、高温側第一サイクル１０Ａにおいて、高温側第一蒸発器１４Ａの蒸発温度が外気の温度よりも低い場合に、高温側第一圧縮機１１Ａを停止させ、高温側第一圧縮機バイパス配管１５及び高温側第一絞り装置バイパス配管１７に高温側冷媒を通過させて自然循環運転を行うようにしたので、さらに省エネルギー化をはかることができる。
【００５１】
ここでは、実施の形態１に合わせ、図２におけるＥ点における低温側冷媒の温度を１５℃としたが、例えば２０℃等とすることにより、高温側第一蒸発器１４Ａにおける高温側冷媒の蒸発温度が高くなるように制御してもよい。蒸発温度が高くなることで自然循環運転を行う時間の割合が多くなり、さらに運転効率がよくなり、省エネルギー化をはかることが期待できる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
前述の実施の形態は、高温側第一サイクル１０Ａ、高温側第二サイクル１０Ｂを、第一カスケードコンデンサ３０Ａ、第二カスケードコンデンサ３０Ｂにより低温側サイクル２０と連結させるようにしたが、２つに限定する必要はない。例えば、３以上の高温側サイクル１０を３以上のカスケードコンデンサ３０により低温側サイクル２０と連結させるようにすることができる。また、二元冷凍装置で説明したが、多段構成の多元冷凍装置にも適用することができる。
【符号の説明】
【００５３】
１０Ａ  高温側第一サイクル、１１Ａ  高温側第一圧縮機、１２Ａ  高温側第一凝縮器、１３Ａ  高温側第一絞り装置、１４Ａ  高温側第一蒸発器、１０Ｂ  高温側第二サイクル、１１Ｂ  高温側第二圧縮機、１２Ｂ  高温側第二凝縮器、１３Ｂ  高温側第二絞り装置、１４Ｂ  高温側第二蒸発器、１５  高温側第一圧縮機バイパス配管、１６  圧縮機バイパス開閉弁、１７  高温側第一絞り装置バイパス配管、１８  絞り装置バイパス開閉弁、２０  低温側サイクル、２１  低温側圧縮機、２２Ａ  低温側第一凝縮器、２２Ｂ  低温側第二凝縮器、２３  低温側絞り装置、２４  低温側蒸発器、２５  低温側中間冷却器、３０Ａ  第一カスケードコンデンサ、３０Ｂ  第二カスケードコンデンサ、４０  制御手段、５０  外気温度センサ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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