(57)【要約】【課題】被冷却物の温度制御性の高いマルチ冷却システムを提供する。【解決手段】複数の被冷却物をそれぞれ異なる温度に冷却可能なマルチ冷却システムにおいて、第１被冷却物を冷却する第１蒸発器（１０４）を通過した冷媒は圧縮機（１０１）の吸入部へと導かれ、第２被冷却物を冷却する第２蒸発器（２０４）を通過した冷媒は中間接続部（２０５）へと導かれ、前記第１被冷却物の温度を検出する第１被冷却物温度検出部（５１）と、前記第２被冷却物の温度を検出する第２被冷却物温度検出部（６１）と、を備え、第１膨張弁制御部（５０）は、第１蒸発器（１０４）への冷媒流量を調節する第１膨張弁（１０３）を制御することで第１被冷却物の温度を制御し、第２膨張弁制御部（６０）は、第２蒸発器（２０４）への冷媒流量を調節する第２膨張弁（２０３）を制御することで、第１被冷却物の温度を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機（１０１）と、凝縮器（１０２）と、開度調節可能な第１膨張弁（１０３）と、第１蒸発器（１０４）と、が冷媒配管で接続された回路内を冷媒が循環する冷媒回路（１０）と、
前記冷媒回路（１０）における前記凝縮器（１０２）と前記第１膨張弁（１０３）との間の冷媒配管に設けられた分岐部（２０１）から分岐され、前記圧縮機（１０１）の圧縮機構の途中に設けられた接続部である中間接続部（２０５）に接続される冷媒配管である第２蒸発器冷媒配管（２０）と、
前記第２蒸発器冷媒配管の途中に設けられた第２蒸発器（２０４）と、
前記分岐部（２０１）と前記第２蒸発器（２０４）との間の前記冷媒配管に設けられた開度調節可能な第２膨張弁（２０３）と、
前記第１蒸発器（１０４）によって冷却される第１被冷却物の温度を検出する第１被冷却物温度検出部（５１）と、
前記第２蒸発器（２０４）によって冷却される第２被冷却物の温度を検出する第２被冷却物温度検出部（６１）と、
前記第１被冷却物温度検出部（５１）が検出した温度に基づいて、前記第１被冷却物の温度が所定の範囲内となるように前記第１膨張弁（１０３）の開度を制御する第１膨張弁制御部（５０）と、
前記第２被冷却物温度検出部（６１）が検出した温度に基づいて、前記第２被冷却物の温度が所定の範囲内となるように前記第２膨張弁（２０３）の開度を制御する第２膨張弁制御部（６０）と、を備える冷凍装置。
【請求項２】
前記冷媒回路（１０）内の冷媒が前記第１蒸発器（１０４）で飽和ガスであるときの温度である蒸発温度を検出する第１蒸発温度検出部（７０、７２）と、
前記第２蒸発器冷媒配管内の冷媒が前記第２蒸発器で飽和ガスであるときの温度である蒸発温度を検出する第２蒸発温度検出部（６０、６２）と、
前記圧縮機の運転状態を制御する圧縮機制御部（７０）と、をさらに備え、
前記圧縮機制御部（７０）は、前記第１蒸発温度検出部（７０、７２）が検出した温度に基づいて、前記第１蒸発器（１０４）内を通過する冷媒の蒸発温度が所定の範囲内となるように前記圧縮機（１０１）の回転数を制御し、
前記第２膨張弁制御部（６０）は、前記制御に加えてさらに、前記第２蒸発温度検出部（６０、６２）が検出した温度に基づいて、前記第２蒸発器（２０４）内を通過する冷媒の蒸発温度が所定の範囲内となるように、前記第２膨張弁（２０３）の開度の上限とする上限開度を設定する請求項１に記載の冷凍装置。
【請求項３】
前記第２膨張弁制御部（６０）は、前記第２被冷却物の温度と前記第２蒸発器（２０４）を通過する冷媒の前記蒸発温度との温度差が所定値未満となった場合に、前記第２膨張弁（２０３）の開度を減ずることで前記上限開度を設定する請求項２に記載の冷凍装置。
【請求項４】
前記第１蒸発温度検出部（７０、７２）は、前記第１蒸発器（１０４）と前記圧縮機（１０１）の吸入部との間の前記冷媒配管を通過する冷媒ガスの圧力を検出する第１圧力検出部（７２）を備え、該圧力に基づいて蒸発温度を算出し、
前記第２蒸発温度検出部（６０、６２）は、前記第２蒸発器（２０４）と前記中間接続部（２０５）との間の前記冷媒配管を通過する冷媒ガスの圧力を検出する第２圧力検出部（６２）を備え、該圧力に基づいて蒸発温度を算出する請求項２又は３のいずれかに記載の冷凍装置。
【請求項５】
前記第１蒸発器（１０４）に接続されたブライン回路であって、該ブライン回路内のブラインと前記冷媒回路（１０）内の冷媒とが前記第１蒸発器（１０４）で熱交換されることで該ブラインが冷却される第１ブライン回路（３０）と、
前記第２蒸発器（２０４）に接続されたブライン回路であって、該ブライン回路内のブラインと前記第２蒸発器冷媒配管（２０）を通過する冷媒とが前記第２蒸発器（２０４）で熱交換されることで該ブラインが冷却される第２ブライン回路（４０）と、をさらに備え、
前記第１被冷却物温度検出部（５１）は、前記第１ブライン回路（３０）の前記第１蒸発器（１０４）の出口部のブライン温度を検出し、
前記第２被冷却物温度検出部（６１）は、前記第２ブライン回路（４０）の前記第２蒸発器（２０４）の出口部のブライン温度を検出する請求項１〜４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】
本発明は、複数の被冷却物をそれぞれ異なる温度に冷却可能な冷凍装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、１つの冷媒回路に蒸発器を複数備え、複数の被冷却物をそれぞれ異なる温度に冷却可能ないわゆるマルチ冷却システムを構成する冷凍装置が知られている（例えば特許文献１参照）。マルチ冷却システムは、１つの冷媒回路で複数の被冷却物を冷却することにより冷凍装置の構成が簡素化されるので、構成機器の数が削減されて信頼性が向上し、コストダウンも可能になるという利点がある。
【０００３】
なお、特許文献１の冷凍装置は、１次冷媒が循環されて冷凍サイクルが実行される冷媒回路とは別に、２次冷媒（ブライン）が循環されて被冷却物を冷却する複数のブライン回路が、前記複数の蒸発器にそれぞれ接続され、温度の異なるブラインを該複数のブライン回路で循環させて被冷却物を冷却することで、マルチ冷却システムを構成している。
【特許文献１】特許第３６６０９６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図５は、マルチ冷却システムを構成する特許文献１の冷凍装置を示す模式図である。このような特許文献１の構成において、第２蒸発器冷媒配管２０の第２膨張弁２０３および第２蒸発器２０４と、冷媒回路１０の第１膨張弁１０３および第１蒸発器１０４とは、凝縮器１０２の出口と圧縮機１０１’の吸入部との間に並列に接続されている。
【０００５】
そのため、凝縮器１０２から排出される冷媒の第１蒸発器１０４と第２蒸発器２０４とへの流量配分は、第１膨張弁１０３と第２膨張弁２０３との開度比で決まることになる。したがって、一方の蒸発器の能力を制御するためにその上流の膨張弁の開度を変更すると、他方の蒸発器の冷媒流量が変化するため、当該他方の蒸発器の能力も変化してしまう。すなわち、第１膨張弁１０３の制御と第２膨張弁２０３の制御とは、相互に干渉することとなる。
【０００６】
このように、従来のマルチ冷却システムを構成する冷凍装置は、第１膨張弁と第２膨張弁の流量が、一方の変化に伴って他方も変化する。そのため、流量変化に伴う膨張弁のハンチングが発生しやすくなっている。その結果、被冷却物の温度の制御性が低下するという問題点を有している。
【０００７】
本発明は、このような従来の技術的課題に鑑みてなされたものであり、第１膨張弁の制御と第２膨張弁の制御との干渉を防ぐことで膨張弁のハンチングを抑制し、被冷却物の温度制御性の高いマルチ冷却システムを構成する冷凍装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載の冷凍装置は、圧縮機と、凝縮器と、開度調節可能な第１膨張弁と、第１蒸発器と、が冷媒配管で接続された回路内を冷媒が循環する冷媒回路と、前記冷媒回路における前記凝縮器と前記第１膨張弁との間の冷媒配管に設けられた分岐部から分岐され、前記圧縮機の圧縮機構の途中に設けられた接続部である中間接続部に接続される冷媒配管である第２蒸発器冷媒配管と、前記第２蒸発器冷媒配管の途中に設けられた第２蒸発器と、前記分岐部と前記第２蒸発器との間の前記冷媒配管に設けられた開度調節可能な第２膨張弁と、前記第１蒸発器によって冷却される第１被冷却物の温度を検出する第１被冷却物温度検出部と、前記第２蒸発器によって冷却される第２被冷却物の温度を検出する第２被冷却物温度検出部と、前記第１被冷却物温度検出部が検出した温度に基づいて、前記第１被冷却物の温度が所定の範囲内となるように前記第１膨張弁の開度を制御する第１膨張弁制御部と、前記第２被冷却物温度検出部が検出した温度に基づいて、前記第２被冷却物の温度が所定の範囲内となるように前記第２膨張弁の開度を制御する第２膨張弁制御部と、を備える。
【０００９】
請求項１に記載の冷凍装置によれば、前記第１蒸発器を通過した冷媒は前記圧縮機の吸入部へと導かれ、前記第２蒸発器を通過した冷媒は前記中間接続部へと導かれる。すなわち、前記第２蒸発器を通過した冷媒は、前記第２蒸発器冷媒配管をバイパスして前記中間接続部に流入することになる。そのため、前記第２膨張弁の開度変更にともなう前記第２蒸発器への冷媒流量の変化は、前記第１蒸発器を通過して前記圧縮機の吸入部へと流入する冷媒の循環量には殆ど影響しない。したがって、従来のマルチ冷却システムを構成する冷凍装置と比較して、流量変化に伴う膨張弁のハンチングの発生が抑制され、被冷却物の温度制御性を向上させることができる。
【００１０】
請求項２に記載の冷凍装置は、請求項１に記載の冷凍装置において、前記冷媒回路内の冷媒が前記第１蒸発器で飽和ガスであるときの温度である蒸発温度を検出する第１蒸発温度検出部と、前記第２蒸発器冷媒配管内の冷媒が前記第２蒸発器で飽和ガスであるときの温度である蒸発温度を検出する第２蒸発温度検出部と、前記圧縮機の運転状態を制御する圧縮機制御部と、をさらに備え、前記圧縮機制御部は、前記第１蒸発温度検出部が検出した温度に基づいて、前記第１蒸発器内を通過する冷媒の蒸発温度が所定の範囲内となるように前記圧縮機の回転数を制御し、前記第２膨張弁制御部は、前記制御に加えてさらに、前記第２蒸発温度検出部が検出した温度に基づいて、前記第２蒸発器内を通過する冷媒の蒸発温度が所定の範囲内となるように、前記第２膨張弁の開度の上限とする上限開度を設定する。
【００１１】
請求項２に記載の冷凍装置によれば、蒸発器内を通過する冷媒の蒸発温度が所定の範囲内になるように制御される。したがって、蒸発器内の冷媒の蒸発温度が上昇することによる冷却能力の阻害を防止できる。なぜならば、膨張弁の開度を増加させた場合、該膨張弁の下流の蒸発器を通過する冷媒の流量が増加して、該蒸発器内の冷媒の圧力が上昇する、すなわち、蒸発器内の冷媒の蒸発温度が上昇して、該蒸発温度と被冷却物との温度差が小さくなるために、膨張弁の開度の増加は、冷媒流量の増加による冷却能力の向上を打ち消す方向に作用するが、この作用を抑制することができるからである。
【００１２】
請求項３に記載の冷凍装置は、請求項２に記載の冷凍装置において、前記第２膨張弁制御部は、前記第２被冷却物の温度と前記第２蒸発器を通過する冷媒の前記蒸発温度との温度差が所定値未満となった場合に、前記第２膨張弁の開度を減ずることで前記上限開度を設定する。
【００１３】
前述のように、前記第２膨張弁の開度の増加は、冷媒流量の増加による冷却能力の向上を打ち消す方向に作用する。この作用は、前記第２被冷却物の温度と前記第２蒸発器を通過する冷媒の前記蒸発温度との温度差が所定値未満になった場合、すなわち前記第２膨張弁の開度が前記温度差に対応する上限値を超えると、冷媒流量の増加による冷却能力の向上を上回る。さらに、前記第２蒸発器を通過した冷媒は前記中間接続部へと導かれるので、前記圧縮機の回転数の増減による該冷媒の圧力変化は生じない。そのため、該圧縮機の回転数の制御によっては第２蒸発器内の冷媒の蒸発温度を制御することはできない。請求項３に記載の冷凍装置によれば、前記温度差が所定値未満となった場合に、前記第２膨張弁の開度を減ずることで前記上限開度を設定するので、前記第２蒸発器の冷却能力を最大化することができる。
【００１４】
請求項４に記載の冷凍装置は、請求項２又は３のいずれかに記載の冷凍装置において、前記第１蒸発温度検出部は、前記第１蒸発器と前記圧縮機の吸入部との間の前記冷媒配管を通過する冷媒ガスの圧力を検出する第１圧力検出部を備え、該圧力に基づいて蒸発温度を算出し、前記第２蒸発温度検出部は、前記第２蒸発器と前記中間接続部との間の前記冷媒配管を通過する冷媒ガスの圧力を検出する第２圧力検出部を備え、該圧力に基づいて蒸発温度を算出する。
【００１５】
請求項４に記載の冷凍装置によれば、前記第１圧力検出部および前記第２圧力検出部が検出した冷媒ガスの圧力に対応する飽和温度を前記蒸発温度とするので、温度センサによって実測することが困難な冷媒の蒸発温度を容易に検出することができる。
【００１６】
請求項５に記載の冷凍装置は、請求項１〜４に記載のいずれかに記載の冷凍装置において、前記第１蒸発器に接続されたブライン回路であって、該ブライン回路内のブラインと前記冷媒回路内の冷媒とが前記第１蒸発器で熱交換されることで該ブラインが冷却される第１ブライン回路と、前記第２蒸発器に接続されたブライン回路であって、該ブライン回路内のブラインと前記第２蒸発器冷媒配管を通過する冷媒とが前記第２蒸発器で熱交換されることで該ブラインが冷却される第２ブライン回路と、をさらに備え、前記第１被冷却物温度検出部は、前記第１ブライン回路の前記第１蒸発器の出口部のブライン温度を検出し、前記第２被冷却物温度検出部は、前記第２ブライン回路の前記第２蒸発器の出口部のブライン温度を検出する。
【００１７】
請求項５に記載の冷凍装置によれば、冷凍サイクルを実行する冷媒回路に設けられる蒸発器ではなく、該冷媒回路とは別に設けられるブライン回路によって被冷却物が冷却される。したがって、冷媒回路の配管長が抑えられるので装置を小型化できるとともに、冷凍装置の設置場所の自由度を高くすることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、構成機器の数が削減されて信頼性が向上し、コストダウンも可能になるという従来のマルチ冷却システムの利点はそのままに、従来のマルチ冷却システムの欠点である第１膨張弁の制御と第２膨張弁の制御との干渉と、該干渉に伴う膨張弁のハンチングを抑制することができる。したがって、被冷却物の温度制御性の高いマルチ冷却システムを構成する冷凍装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面に基づき本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００２０】
（冷凍装置の構成）  図１は、本発明の一実施形態に係る冷凍装置１を示す模式図である。冷凍装置１は、冷媒回路１０、第２蒸発器冷媒配管２０、第１ブライン回路３０、第２ブライン回路４０、第１膨張弁制御部５０、第２膨張弁制御部６０、圧縮機制御部７０を備える。
【００２１】
冷媒回路１０は、冷凍サイクルが実行される回路であり、圧縮機１０１と、凝縮器１０２と、開度調節可能な第１膨張弁１０３と、第１蒸発器１０４と、が冷媒配管で接続されている。
【００２２】
圧縮機１０１は、例えばスクロール型の圧縮機構を備える。圧縮機１０１は、第１蒸発器１０４から送られてきた低温・低圧の冷媒蒸気を圧縮して、高温・高圧の冷媒蒸気とする。なお、従来の冷凍装置と同様、圧縮機１０１の保護のために、圧縮機１０１の吐出部に設けられた図略の圧力センサ又は温度センサの検出値に基づいて、圧縮機１０１から吐出される冷媒ガスの温度制御が行われている。
【００２３】
凝縮器１０２は、例えばプレート式熱交換器であり、冷媒回路１０を循環する冷媒と例えば冷却水とを熱交換させることによって、圧縮機１０１から吐出された高温・高圧の冷媒を冷却し、過冷却状態の高圧液冷媒とする。
【００２４】
第１膨張弁１０３は、例えばステッピングモータによって駆動される電子膨張弁であり、ステッピングモータのパルス数を変更することで自在に開度を調整する。第１膨張弁１０３での絞り膨張によって、前記高圧液冷媒は低温・低圧の冷媒となり、第１蒸発器１０４に送られる。
【００２５】
第１蒸発器１０４は、例えばプレート式熱交換器であり、第１ブライン回路３０を循環するブラインと冷媒回路１０を循環する冷媒とを熱交換させる。その結果、冷媒は前記ブラインから熱を奪って蒸発し、該ブラインが冷却される。蒸発した冷媒は、飽和温度からわずかに過熱状態にある過熱蒸気となって圧縮機１０１の吸入部へと向かう。第１蒸発器１０４と圧縮機１０１との間には、低圧圧力センサ７２（第１圧力検出部）が設けられている。
【００２６】
低圧圧力センサ７２は、第１蒸発器１０４と圧縮機１０１との間を通過する前記の過熱蒸気の状態の冷媒の圧力を検出する。
【００２７】
第２蒸発器冷媒配管２０は、凝縮器１０２と第１膨張弁１０３との間の冷媒配管に設けられた分岐部２０１から分岐され、圧縮機１０１の圧縮機構の途中に設けられた接続部である中間接続部２０５に接続される。第２蒸発器冷媒配管２０は、途中に設けられた第２蒸発器２０４と、分岐部２０１と第２蒸発器２０４との間に設けられた開度調節可能な第２膨張弁２０３と、を備える。
【００２８】
第２膨張弁２０３は、第１膨張弁１０３と同じく、例えばステッピングモータによって駆動される電子膨張弁であり、ステッピングモータのパルス数を変更することで自在に開度を調整する。第２膨張弁２０３での絞り膨張によって、前記高圧液冷媒は第１膨張弁１０３通過後の冷媒よりは高温・高圧の中温・中圧の冷媒となり、第２蒸発器２０４に送られる。
【００２９】
第２膨張弁２０３通過後の冷媒が、第１膨張弁１０３通過後の冷媒よりは高温・高圧となる理由を以下に説明する。第１蒸発器１０４内の冷媒は圧縮機１０１の吸入部へ、第２蒸発器２０４内の冷媒は圧縮機１０１の圧縮機構の途中に設けられた接続部である中間接続部２０５へ、と向かう。中間接続部２０５の圧力は圧縮機１０１の吸入部の圧力よりも当然に高くなるから、第２蒸発器２０４内の冷媒は第１蒸発器１０４内の冷媒より圧力が高くなり、蒸発温度も高くなるのである。
【００３０】
第２蒸発器２０４は、第１蒸発器１０４と同じく、例えばプレート式熱交換器であり、第２ブライン回路４０を循環するブラインと第２蒸発器冷媒配管２０を通過する冷媒とを熱交換させる。その結果、冷媒は前記ブラインから熱を奪って蒸発し、該ブラインが冷却される。蒸発した冷媒は、飽和温度からわずかに過熱状態にある過熱蒸気となって中間接続部２０５へと向かう。第２蒸発器２０４と中間接続部２０５との間には、中間圧圧力センサ６２（第２圧力検出部）が設けられている。
【００３１】
中間圧圧力センサ６２は、第２蒸発器２０４と中間接続部２０５との間を通過する前記の過熱蒸気の状態の冷媒の圧力を検出する。
【００３２】
第１ブライン回路３０は、冷凍サイクルを担う冷媒回路１０とは別に設けられる、被冷却物を冷却するための回路であり、第１蒸発器１０４に接続される。第１ブライン回路３０内のブラインと冷媒回路１０内の冷媒とが第１蒸発器１０４で熱交換されることで、被冷却物を冷却して吸熱、昇温した第１ブライン回路３０内のブラインが冷却される。第１ブライン回路３０の第１蒸発器１０４の出口部には、該出口部のブライン温度Ｔｂ１を検出する第１ブライン温度センサ５１（第１被冷却物温度検出部）が設けられている。
【００３３】
第１ブライン温度センサ５１は、例えば半導体製造装置用の冷凍装置（半導体チラー）のように精密なブライン温度制御を求められる場合には、白金測温抵抗体を用いる白金温度計が使用され、ブライン温度Ｔｂ１を検出する。
【００３４】
第２ブライン回路４０は、冷凍サイクルを担う冷媒回路１０とは別に設けられる回路であり、第１ブライン回路３０とは別の被冷却物を冷却する。第２ブライン回路４０は第２蒸発器２０４に接続される。第２ブライン回路４０内のブラインと第２蒸発器冷媒配管２０内の冷媒とが第２蒸発器２０４で熱交換されることで、被冷却物を冷却して吸熱、昇温した第２ブライン回路４０内のブラインが冷却される。第２ブライン回路４０の第２蒸発器２０４の出口部には、該出口部のブライン温度Ｔｂ２を検出する第２ブライン温度センサ６１（第２被冷却物温度検出部）が設けられている。
【００３５】
第２ブライン温度センサ６１は、第１ブライン温度センサ５１と同じく、例えば半導体チラーのように精密なブライン温度制御を求められる場合には、白金測温抵抗体を用いる白金温度計が使用され、ブライン温度Ｔｂ２を検出する。
【００３６】
このように、本実施形態に係る冷凍装置１では、第１ブライン回路３０および第２ブライン回路４０によって被冷却物が冷却される。したがって、冷媒回路１０の配管長が抑えられるので装置を小型化できるとともに、冷凍装置１の設置場所の自由度を高くすることができる。
【００３７】
第１膨張弁制御部５０は、ブライン温度Ｔｂ１の制御目標値がＴ１℃、Ｔｂ１の温度制御の不感帯が例えば±０．１℃であるとき、第１ブライン温度センサ５１が検出したＴｂ１が（Ｔ１＋０．１）℃よりも高いときは、第１膨張弁１０３の開度を増して第１蒸発器１０４への冷媒流量を増加させることで冷却能力を増大させ、（Ｔ１−０．１）℃よりも低いときには、第１膨張弁の開度を減じて第１蒸発器１０４への冷媒流量を減少させることで冷却能力を減少させて、第１ブライン回路のブライン温度を一定に制御する。なお、Ｔｂ１の温度制御の不感帯は、第１膨張弁１０３の１パルスあたりのブライン温度変化幅に相当する。また、ブライン温度制御目標値Ｔ１は、冷凍装置１の能力の範囲内、例えば−１０℃〜６０℃の間で任意の温度に設定可能である。
【００３８】
第２膨張弁制御部６０は、ブライン温度Ｔｂ２の制御目標値がＴ２℃、Ｔｂ２の温度制御の不感帯が例えば±０．１℃であるとき、第２ブライン温度センサ６１が検出したＴｂ２が（Ｔ２＋０．１）℃よりも高いときは、第２膨張弁２０３の開度を増して第２蒸発器２０４への冷媒流量を増加させることで冷却能力を増大させ、（Ｔ２−０．１）℃よりも低いときには、第２膨張弁２０３の開度を減じて第２蒸発器２０４への冷媒流量を減少させることで冷却能力を減少させて、第２ブライン回路４０のブライン温度を一定に制御する。なお、Ｔｂ１の温度制御の場合と同様に、Ｔｂ２の温度制御の不感帯は、第２膨張弁２０３の１パルスあたりのブライン温度変化幅に相当する。また、ブライン温度制御目標値Ｔ２は、冷凍装置１の能力の範囲内、例えば３０℃〜１００℃の間で任意の温度に設定可能である。
【００３９】
ただし設定温度は、Ｔ２＞Ｔ１とする必要がある。前述の通り、第２膨張弁２０３通過後の冷媒は、第１膨張弁１０３通過後の冷媒よりは高温であるので、冷媒と熱交換されて冷却されるブラインの温度も、第２蒸発器２０４に接続される第２ブライン回路４０内のブラインの温度Ｔｂ２の方が、第１蒸発器１０４に接続される第１ブライン回路３０内のブラインの温度Ｔｂ１よりも高くなるからである。
【００４０】
第２膨張弁制御部６０はさらに、中間圧圧力センサ６２が検出した第２蒸発器２０４と中間接続部２０５との間を通過する冷媒ガスの圧力を用いて、第２蒸発器２０４を通過する冷媒が第２蒸発器２０４で飽和ガスであるときの温度である蒸発温度Ｔｖ２を算出することで、第２蒸発温度検出部として機能する。第２膨張弁制御部６０は、蒸発温度Ｔｖ２と第２ブライン回路４０のブライン温度Ｔｂ２との温度差が所定の範囲内となるように、第２膨張弁２０３の開度の上限とする上限開度を設定する。この上限開度の設定については、後に詳しく説明する。
【００４１】
圧縮機制御部７０は、圧縮機１０１の運転を制御する。圧縮機制御部７０はさらに、低圧圧力センサ７２が検出した冷媒ガスの圧力を用いて、第１蒸発器１０４を通過する冷媒が第１蒸発器１０４で飽和ガスであるときの温度である蒸発温度Ｔｖ１を算出することで、第１蒸発温度検出部として機能する。圧縮機制御部７０は、蒸発温度Ｔｖ１の制御目標値がＴ３℃、Ｔｖ１の温度制御の不感帯が±例えば１．０℃であるとき、低圧圧力センサ７２が検出した冷媒ガスの圧力から算出されたＴｖ１が（Ｔ３＋１．０）℃よりも高いときは、圧縮機１０１の回転数Ｎを増して圧縮機１０１の吸入部での圧力を下げることでＴｖ１を低下させ、（Ｔ３−１．０）℃よりも低いときには、圧縮機１０１の回転数Ｎを減じて圧縮機１０１の吸入部での圧力を上げることでＴｖ１を上昇させて、Ｔｖ１を一定に制御する。なお、Ｔｖ１の温度制御の不感帯は、圧縮機回転数１ステップあたりの蒸発温度変化幅に相当する。
【００４２】
本実施形態に係る冷凍装置１において、低圧圧力センサ７２および中間圧圧力センサ６２が検出した冷媒ガスの圧力に対応する飽和温度を、それぞれ第１蒸発器１０４内の冷媒の蒸発温度Ｔｖ１、第２蒸発器２０４内の冷媒の蒸発温度Ｔｖ２、としているのは、冷媒の蒸発温度であるＴｖ１およびＴｖ２は、温度センサによって実測することが困難なためである。
【００４３】
なお、図１では、第１膨張弁制御部５０、第２膨張弁制御部６０、圧縮機制御部７０をそれぞれ別々に図示しているが、１つのコントローラが、第１膨張弁制御部５０、第２膨張弁制御部６０、圧縮機制御部７０として機能するようにしてもよいことは勿論のことである。
【００４４】
本実施形態の冷凍装置１では、従来のマルチ冷却システムを構成する冷凍装置とは異なり、第１蒸発器１０４を通過した冷媒は圧縮機１０１の吸入部へと導かれ、第２蒸発器２０４を通過した冷媒は中間接続部２０５へと導かれる。そのため、第１膨張弁１０３の制御と第２膨張弁２０３の制御とが干渉しない。このことにつき以下の例で説明する。
【００４５】
この例では、圧縮機１０１の回転数がＮ、第１膨張弁１０３の開度がＥＶ１、第２膨張弁２０３の開度がＥＶ２で安定している一定負荷の平衡状態から、第２蒸発器２０４の負荷増加よって第２ブライン回路４０の第２蒸発器２０４出口側のブライン温度が上昇したため、第２膨張弁制御部６０が、第２蒸発器２０４の冷却能力を増加させるために第２膨張弁２０３の開度を増加させたものとする（図１参照）。
【００４６】
第２膨張弁２０３の開度増大にともない、第２蒸発器２０４を流れる冷媒循環量Ｇｅｖ２は増加する。このとき、圧縮機１０１からの吐出冷媒循環量Ｇｃｏｕｔは、Ｇｅｖ２が増加する分だけ増加する。しかし、Ｇｅｖ２の増加分の冷媒は、第２蒸発器冷媒配管２０をバイパスして中間接続部２０５に流入することになるので、圧縮機１０１への吸入冷媒循環量Ｇｃｉｎには殆ど影響しない。
【００４７】
また、第１蒸発器１０４を流れる冷媒循環量Ｇｅｖ１は圧縮機吸入冷媒循環量Ｇｃｉｎと等しい。すなわち、圧縮機吸入冷媒循環量Ｇｃｉｎが殆ど変化しなければ第１蒸発器１０４を流れる冷媒循環量Ｇｅｖ１も殆ど変化しないので、第２膨張弁２０３の開度が増大しても、第１蒸発器１０４の能力は殆ど変化しない。したがって、第１膨張弁１０３の開度を変更する必要はない。また、第１蒸発器１０４の蒸発温度の殆ど変化しないので、該蒸発温度を一定に制御するために圧縮機１０１の回転数Ｎを変化させる必要もない。
【００４８】
すなわち、第２蒸発器２０４の負荷変動に対応するために、第２膨張弁制御部６０によって第２膨張弁２０３の開度が変更されても、第１蒸発器１０４の能力への干渉がごく僅かであるため、第１膨張弁１０３による流量調整頻度が減少して、第１膨張弁１０３の流量変化に伴うハンチングの発生が抑制される。したがって、ブライン温度の安定性が向上し、その結果ブライン温度の制御性も向上する。
【００４９】
以上説明したように、本実施形態に係る冷凍装置１によれば、第２蒸発器２０４を通過した冷媒は、第２蒸発器冷媒配管２０をバイパスして中間接続部２０５に流入することになる。そのため、第２膨張弁２０３の開度変更にともなう第２蒸発器２０４への冷媒流量の変化は、第１蒸発器１０４を通過して圧縮機１０１の吸入部へと流入する冷媒回路１０の冷媒の循環量には殆ど影響しない。したがって、従来のマルチ冷却システムを構成する冷凍装置と比較して、流量変化に伴う第１膨張弁１０３のハンチングの発生が抑制されるので、ブラインの温度制御性を向上させることができる。
【００５０】
（第２膨張弁の上限開度設定の原理）  図２は、第２膨張弁２０３の開度と冷凍装置１における第２ブライン回路４０の冷却能力との関係を示す図である。
【００５１】
第２膨張弁２０３の開度（本実施形態ではステッピングモータのパルス数に相当する）が０（全閉）から順次増加するにともない、第２蒸発器２０４を流れる冷媒循環量Ｇｍが増加する。冷媒が第２蒸発器２０４で受ける熱量、すなわち冷媒の能力Ｑｒは、第２蒸発器２０４入口の冷媒の比エンタルピｈ１と第２蒸発器２０４出口の冷媒の比エンタルピｈ２との差ｈ２−ｈ１をΔＨとすると、Ｑｒ＝Ｇｍ・ΔＨであるから、第２蒸発器２０４を流れる冷媒循環量Ｇｍが増加すると、Ｑｒも増加する（曲線ＯＢ）。
【００５２】
このとき、Ｇｍの増加にともなって、中間接続部２０５における冷媒の圧力が増加するため、第２蒸発器２０４内の冷媒の蒸発温度Ｔｖ２が上昇する（曲線ＣＤ）。第２蒸発器２０４におけるブラインと冷媒との伝熱、すなわち第２蒸発器２０４の能力Ｑｅは、平均熱通過率をＫ、伝熱面積をＡ、第２蒸発器２０４入り口部のブライン温度をＴｂ２（直線ＤＤ’）、ブラインと冷媒との温度差（Ｔｂ２−Ｔｖ２）をΔＴとすると、Ｑｅ＝Ｋ・Ａ・ΔＴである。したがって、第２蒸発器２０４内の冷媒の蒸発温度が上昇する、すなわちΔＴが減少すると、第２蒸発器２０４の能力Ｑｅが低下する（曲線ＥＦ）。
【００５３】
冷凍装置１による第２ブライン回路４０の冷却能力は、冷媒の能力Ｑｒと第２蒸発器２０４の能力Ｑｅとの小さいほうで決まる（曲線ＯＪＦ）。したがって、冷媒の能力が熱交換器の能力を超える場合（Ｑｒ＞Ｑｅ）、すなわち第２膨張弁２０３の開度が、Ｑｒ＝Ｑｅとなる場合のΔＴの値であるＴｈ℃に対応する開度Ｐｔｈを超えると、第２膨張弁２０３を開けるほど冷却能力が低下する。前記Ｔｈの値は、冷媒の能力特性と、平均熱通過率Ｋと、第２蒸発器２０４の伝熱面積Ａと、が異なると当然に異なることになるが、概ね＝５℃〜１５℃程度である。
【００５４】
以上説明した理由により、第２膨張弁２０３は上限開度設定が必要となる。そして第２膨張弁２０３の上限開度は、ΔＴ＝Ｔｈとなるときの開度とすればよい。なお、第１膨張弁１０３の開度増大にともない、第１蒸発器１０４を流れる冷媒循環量Ｇｅｖ１が増加する場合には、圧縮機制御部７０は、圧縮機１０１の回転数Ｎを増して圧縮機１０１の吸入部での圧力を下げるため、第１蒸発器１０４の蒸発温度が上昇することはない。したがって、第２膨張弁２０３とは異なり、第１膨張弁１０３について上限開度設定は不要である。
【００５５】
（第２膨張弁の制御）  第２膨張弁２０３の上限開度設定は、ブラインと冷媒との温度差ΔＴを前記Ｔｈに相当する所定値（本実施形態では１０℃）未満とすることでなされ、第２ブライン回路のブライン温度制御は、第２膨張弁２０３の開度調節によってなされる。以下にその詳細を説明する。
【００５６】
図３は、第２膨張弁２０３の制御を説明するためのフローチャートである。冷凍装置１が起動されると、第２膨張弁制御部６０は、中間圧圧力センサ６２が検出した圧力を用いて第２蒸発器２０４を通過する冷媒の蒸発温度Ｔｖ２を算出し、第２ブライン温度センサ６１が検出した第２ブライン回路４０の第２蒸発器２０４出口部のブライン温度Ｔｂ２からＴｖ２を減算してΔＴを算出する（ステップＳ１）。
【００５７】
ΔＴが所定値（本実施形態では１０℃）未満の場合（ステップＳ１でＹＥＳ）、第２膨張弁制御部６０は、第２膨張弁２０３の開度を減ずる（ステップＳ２）。ΔＴが１０℃以上の場合は（ステップＳ１でＮＯ）、ステップＳ５に進んで第２膨張弁２０３の開度調節によるブライン温度制御を行う。
【００５８】
第２膨張弁２０３の開度を減ずることによってΔＴが１０℃以上となれば（ステップＳ３でＹＥＳ）、第２膨張弁制御部６０は、その開度を上限開度に設定する（ステップＳ４）。ΔＴが１０℃未満の場合は（ステップＳ３でＮＯ）、第２膨張弁制御部６０はステップＳ２とステップＳ３を繰り返し、ΔＴが１０℃以上となるまで第２膨張弁２０３の開度を減じ、上限開度を設定する（ステップＳ４）。
【００５９】
ΔＴが前記所定値である１０℃以上であれば、第２膨張弁制御部６０は、第２膨張弁２０３の開度調節によるブライン温度Ｔｂ２の制御を行う。以下、ブライン温度制御目標値をＴ２℃、温度制御の不感帯を±０．１℃とする。第２ブライン温度センサ６１が検出した温度Ｔｂ２が（Ｔ２＋０．１）℃よりも高い場合は（ステップＳ５でＹＥＳ）、第２膨張弁制御部６０は、第２蒸発器２０４への冷媒流量を増加させて冷却能力を増大させるために、ステップＳ４で設定した上限開度を限度として第２膨張弁２０３の開度を増す（ステップＳ６）。
【００６０】
Ｔｂ２が（Ｔ２＋０．１）℃以下の場合（ステップＳ５でＮＯ）、Ｔｂ２＝（Ｔ２±０．１）℃のときは（ステップＳ７でＹＥＳ）、ブライン温度Ｔｂ２は目標温度の範囲内、すなわち第２蒸発器２０４の冷却能力が適正であるので、第２膨張弁制御部６０は、第２膨張弁２０３の開度を維持させる（ステップＳ８）。
【００６１】
Ｔｂ２が（Ｔ２−０．１）℃未満のときは（ステップＳ７でＮＯ）、第２膨張弁制御部６０は、第２蒸発器２０４への冷媒流量を減少させて冷却能力を低下させるために第２膨張弁２０３の開度を減ずる（ステップＳ９）。
【００６２】
ステップＳ６、Ｓ８、Ｓ９のいずれの場合にも、ステップＳ１に戻り、第２膨張弁制御部６０は、ΔＴを算出する。このようにして、冷凍装置１の運転中はステップＳ１〜ステップＳ９が繰り返されことになる。
【００６３】
以上説明したように、本実施形態に係る冷凍装置１によれば、第２膨張弁制御部６０は、第２ブライン回路４０のブライン温度Ｔｂ２と第２蒸発器を通過する冷媒の蒸発温度Ｔｖ２との温度差ΔＴが所定値（本実施形態では１０℃）未満となった場合に、第２膨張弁２０３の開度を減ずることで第２膨張弁２０３の上限開度を設定する。これにより、第２蒸発器２０４の冷却能力が最大化される。
【００６４】
（第１膨張弁および圧縮機の回転数制御）  図４は、第１膨張弁１０３の開度設定に係る制御および圧縮機１０１の回転数制御を説明するためのフローチャートである。ブライン温度Ｔｂ１の制御目標値をＴ１℃、Ｔｂ１の温度制御の不感帯を±０．１℃、蒸発温度Ｔｖ１の制御目標値をＴ３℃、Ｔｖ１の温度制御の不感帯を±１．０℃とする。
【００６５】
冷凍装置１が起動されると、第１膨張弁制御部５０は、第１膨張弁１０３の開度調節によるブライン温度Ｔｂ１の制御を行う。第１ブライン温度センサ５１が検出した温度Ｔｂ１が（Ｔ１＋０．１）℃よりも高い場合は（ステップＳ１０１でＹＥＳ）、第１膨張弁制御部５０は、第１蒸発器１０４への冷媒流量を増加させて冷却能力を増大させるために、第１膨張弁１０３の開度を増す（ステップＳ１０２）。
【００６６】
Ｔｂ１が（Ｔ１＋０．１）℃以下の場合（ステップＳ１０１でＮＯ）、Ｔｂ１＝（Ｔ１±０．１）℃のときは（ステップＳ１０４でＹＥＳ）、ブライン温度Ｔｂ１は目標温度の範囲内、すなわち第１蒸発器１０４の冷却能力が適正であるので、第１膨張弁制御部５０は、第１膨張弁１０３の開度を維持する（ステップＳ１０５）。
【００６７】
Ｔｂ１が（Ｔ１−０．１）℃未満のときは（ステップＳ１０４でＮＯ）、第１膨張弁制御部５０は、第１蒸発器１０４への冷媒流量を減少させて冷却能力を低下させるために第１膨張弁１０３の開度を減ずる（ステップＳ１０７）。
【００６８】
第１膨張弁１０３の開度が変化すると、圧縮機１０１の吸入部での圧力が変化して蒸発温度Ｔｖ１も変化する。したがって、Ｔｖ１＝（Ｔ３±１．０）に制御するために、圧縮機制御部７０は、第１膨張弁１０３の開度変化に応じて圧縮機１０１の回転数Ｎを制御する。すなわち、圧縮機制御部７０は、第１膨張弁１０３の開度が増した場合は（ステップＳ１０２）、圧縮機１０１の回転数Ｎを増して圧縮機１０１の吸入部での圧力を下げ（ステップＳ１０３）、第１膨張弁１０３の開度が維持された場合は（ステップＳ１０５）、圧縮機１０１の回転数Ｎを維持し（ステップＳ１０６）、第１膨張弁１０３の開度が減じられた場合は（ステップＳ１０７）、圧縮機１０１の回転数Ｎを減じて圧縮機１０１の吸入部での圧力を上げる（ステップＳ１０８）。
【００６９】
ステップＳ１０３、Ｓ１０６、Ｓ１０８のいずれの場合にも、圧縮機制御部７０は、低圧圧力センサ７２が検出した冷媒ガスの圧力を用いてＴｖ１を算出し、圧縮機１０１の回転数Ｎの制御の結果、Ｔｖ１が（Ｔ３±１．０）の範囲に収まっているか否かを判定する。Ｔｖ１が（Ｔ３＋１．０）℃よりも高い場合は（ステップＳ１０９でＹＥＳ）、圧縮機制御部７０は、圧縮機１０１の回転数Ｎを増して圧縮機１０１の吸入部での圧力を下げることでＴｖ１を低下させる（ステップＳ１１０）。
【００７０】
Ｔｖ１が（Ｔ３＋１．０）℃以下の場合（ステップＳ１０９でＮＯ）、Ｔｖ１＝（Ｔ３±１．０）℃のときは（ステップＳ１１１でＹＥＳ）、Ｔｖ１は目標温度の範囲内であるので、圧縮機制御部７０は、圧縮機１０１の回転数Ｎを維持させる（ステップＳ１１２）。
【００７１】
Ｔｖ１が（Ｔ３−１．０）℃未満のときは（ステップＳ１１１でＮＯ）、圧縮機制御部７０は、圧縮機１０１の回転数Ｎを減じて圧縮機１０１の吸入部での圧力を上げることでＴｖ１を上昇させる（ステップＳ１１３）。
【００７２】
ステップＳ１１０、Ｓ１１２、Ｓ１１３のいずれの場合にも、ステップＳ１０１に戻り、第１膨張弁制御部５０によるブライン温度Ｔｂ１の制御が行われる。このようにして、冷凍装置１の運転中はステップＳ１０１〜ステップＳ１１３が繰り返されことになる。
【００７３】
以上説明したように、本実施形態に係る冷凍装置１によれば、第１蒸発器１０４を通過する冷媒の蒸発温度が所定の範囲内になるように制御される。したがって、第１膨張弁１０３の開度を増加させることによって第１膨張弁１０３の下流の第１蒸発器１０４を通過する冷媒の蒸発温度が上昇してブラインとの温度差が小さくなるために、冷却能力が低下することを防止できる。
【００７４】
以上、本発明の実施形態に係る冷凍装置１について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば次のような変形実施形態を取ることもできる。
【００７５】
（１）上記実施形態においては、低圧圧力センサ７２および中間圧圧力センサ６２が検出した冷媒ガスの圧力に対応する飽和温度を、それぞれ第１蒸発器１０４内の冷媒の蒸発温度Ｔｖ１、第２蒸発器２０４内の冷媒の蒸発温度Ｔｖ２、としている。低圧圧力センサ７２および中間圧圧力センサ６２に換えて、第１膨張弁１０３と第１蒸発器１０４との間および第２膨張弁２０３と第２蒸発器２０４との間にそれぞれ温度センサを設けて、該温度センサが検出した温度を、それぞれＴｖ１およびＴｖ２として用いてもよい。
【００７６】
（２）上記実施形態においては、圧縮機１０１をスクロール圧縮機としているが、圧縮機の圧縮機構はスクロール型に限定されるものではなく、圧縮機構の途中に中間接続部を設ければ、例えばロータリー圧縮機のようなスクロール圧縮機とは異なる圧縮機構を備える圧縮機であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の一実施形態に係る冷凍装置を示す模式図である。
【図２】第２膨張弁の開度と冷凍装置における第２ブライン回路の冷却能力との関係を示す図である。
【図３】第２膨張弁の制御を説明するためのフローチャートである。
【図４】第１膨張弁の開度設定に係る制御および圧縮機１０１の回転数制御を説明するためのフローチャートである。
【図５】マルチ冷却システムを構成する従来の冷凍装置の一例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００７８】
１        冷凍装置
１０      冷媒回路
１０１    圧縮機
１０２    凝縮器
１０３    第１膨張弁
１０４    第１蒸発器
２０      第２蒸発器冷媒配管
２０１    分岐部
２０３    第２膨張弁
２０４    第２蒸発器
２０５    中間接続部
３０      第１ブライン回路
４０      第２ブライン回路
５０      第１膨張弁制御部（第１蒸発温度検出部）
５１      第１ブライン温度センサ（第１被冷却物温度検出部）
６０      第２膨張弁制御部（第２蒸発温度検出部）
６１      第２ブライン温度センサ（第２被冷却物温度検出部）
６２      中間圧圧力センサ（第２蒸発温度検出部、第２圧力検出部）
７０      圧縮機制御部
７２      低圧圧力センサ（第１蒸発温度検出部、第１圧力検出部）
【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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