(57)【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高温側サイクル装置と、
低温側圧縮機、中間冷却器、低温側凝縮器、第一の低温側絞り装置及び低温側蒸発器を配管接続して、低温側冷媒を循環させる低温側循環回路を形成し、該低温側循環回路における冷媒の流れを切り替える流路切替装置と、前記中間冷却器と前記低温側凝縮器との間に、さらに第二の低温側絞り装置とを有する低温側サイクル装置と、
前記高温側蒸発器と前記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カスケードコンデンサと、
前記流路切替装置により冷媒の流れを切り替えて行う前記低温側蒸発器の霜取運転において、前記低温側蒸発器と前記低温側凝縮器とにより前記低温側冷媒を凝縮させ、前記第二の低温側絞り装置に前記低温側冷媒を減圧させ、前記中間冷却器において前記低温側冷媒を蒸発させるように制御を行う制御手段と
を備えることを特徴とする冷凍装置。
【請求項２】
前記制御手段は、
前記霜取運転において、低温側サイクル装置における前記低温側圧縮機の吐出圧力が所定圧力以上であると判断すると、前記第一の低温側絞り装置を開放させ、前記第二の低温側絞り装置に前記低温側冷媒を減圧させて前記低温側凝縮器に前記低温側冷媒を凝縮させるようにし、前記高温側サイクル装置を動作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】
前記制御手段は、
前記霜取運転開始から処置時間が経過したものと判断すると、前記第一の低温側絞り装置を開放させ、前記第二の低温側絞り装置に前記低温側冷媒を減圧させて前記低温側凝縮器に前記低温側冷媒を凝縮させるようにし、前記高温側サイクル装置を動作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４】
前記中間冷却器は、前記低温側冷媒と熱交換させるための蓄熱剤を有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。
【請求項５】
前記中間冷却器は、蓄熱剤を有する中間冷却器と蓄熱剤を有さない中間冷却器とを、前記高温側循環回路に対して直列に配管接続して構成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。
【請求項６】
前記中間冷却器は、蓄熱剤を有する中間冷却器と蓄熱剤を有さない中間冷却器とを、前記高温側循環回路に対して並列に配管接続して構成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。
【請求項７】
二酸化炭素を前記低温側冷媒とすることを特徴とする請求項１〜６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（冷却運転）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は、低温側サイクルの蒸発器（低温側蒸発器）における蒸発温度がマイナス（零下）となる低温で運転を続けると、空気中の水分が氷結して低温側蒸発器に着霜していき、冷却対象等との熱交換を妨げるため、冷凍装置としての能力（冷凍能力）が低下する。そこで、例えば所定時間毎に、圧縮機が吐出した気体状の冷媒（以下、ホットガスという。）を蒸発器に供給する等して低温側蒸発器の霜を融かす霜取（除霜、デフロスト）運転を行っている。 
【０００４】
このとき、例えば、低温側サイクルが有する四方弁を切り換えて通常の冷媒の循環経路（正サイクル）と反対の循環経路（逆サイクル）によってホットガスを蒸発器に供給し、低温側サイクルの蒸発器の霜取運転を行う二元冷凍装置が提案されている。さらに、低温側サイクルに、霜取運転時の蒸発器として機能する中間冷却器を追加接続した二元冷凍装置の改良例が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】実開平１−１４４７７０号公報（第２０１頁、第１図、第２図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の二元冷凍装置において、逆サイクルによる霜取運転を行うと、次のような問題があった。例えば、霜取運転途中の蒸発器に霜が残っている間であれば、霜の融解にホットガスの熱量を奪われるため、霜取運転中の凝縮温度は０℃を少し上回る１０℃程度である。しかし、霜が少なくなってくると蒸発器の送風機を停止させているために、ホットガスを放熱させることができず、急激に凝縮温度が上昇し、低温側サイクルにおける冷媒の圧力が急上昇してしまう。条件によっては霜取運転が終了するまでに低温側サイクルにおける圧力の異常上昇を検出して運転を異常停止する場合がある。特に、作動圧が高く、臨界温度が比較的低い冷媒、例えば二酸化炭素（臨界温度が３１．１℃）のような冷媒の場合は、霜取運転中に霜がなくなってくると臨界温度をすぐに超えてしまう。このため、冷媒の圧力が異常上昇し、低温側サイクルの設計圧力に到達してしまい、異常停止、安全弁が作動等してしまうことがあった。
【０００７】
また、霜取運転終了時には、低温側サイクルの蒸発器内には凝縮により液体状の冷媒（液冷媒）が蓄積している。この状態で霜取運転終了後に正サイクルによる通常の冷却運転を再開すると、圧縮機に多くの液冷媒が流入することがあり、圧縮機を損傷させる可能性があった。
【０００８】
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、霜取運転中の冷媒圧力の異常上昇を抑制して、霜取運転を異常停止させることなく、確実に、信頼性の高い、霜取運転を短時間に行うことができる冷凍装置を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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高温側サイクル装置と、低温側圧縮機、中間冷却器、低温側凝縮器、第一の低温側絞り装置及び低温側蒸発器を配管接続して、低温側冷媒を循環させる低温側循環回路を形成し、低温側循環回路における冷媒の流れを切り替える流路切替装置と、中間冷却器と低温側凝縮器との間に、さらに第二の低温側絞り装置とを有する低温側サイクル装置と、高温側蒸発器と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カスケードコンデンサと、流路切替装置により冷媒の流れを切り替えて行う低温側蒸発器の霜取運転において、低温側蒸発器と低温側凝縮器とにより低温側冷媒を凝縮させ、第二の低温側絞り装置に低温側冷媒を減圧させ、中間冷却器において低温側冷媒を蒸発させるように制御を行う制御手段とを備えるものである。
【発明の効果】
【００１０】
この発明の冷凍装置は、中間冷却器と低温側凝縮器との間に第二の低温側絞り装置を有する構成としたので、低温側蒸発器にホットガスを供給して霜取を行う霜取運転時に、低温側蒸発器だけでなく、低温側凝縮器も凝縮器として機能させることができる。このため、低温側蒸発器に付いた霜が少なくなる又はなくなることで、低温側蒸発器による低温側冷媒の凝縮液化機能が低下しても、低温側凝縮器において、凝縮液化させることができ、低温側冷媒の圧力上昇を抑えることができる。これにより霜取運転を異常停止等することなく、確実に、信頼性の高い霜取運転を行うことができる冷凍装置を得ることができる。また、霜取運転を終了したとき、凝縮液化した冷媒は低温側凝縮器内に流れ込んでいるため、冷却運転を再開した際、凝縮液化した冷媒が低温側圧縮機に急激に戻るようなことがなく、低温側圧縮機を損傷させることなく冷却運転を再開することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】この発明の実施の形態１における二元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】実施の形態１における運転制御フローチャートを示す図である。
【図４】実施の形態１における低温側サイクルの霜取運転を示すモリエル線図である。
【図５】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。
【図６】実施の形態３における運転制御フローチャートを示す図である。
【図７】この発明の実施の形態４における二元冷凍装置の構成を表す図である。
【図８】この発明の実施の形態５における二元冷凍装置の構成を表す図である。
【図９】実施の形態５における運転制御フローチャートを示す図である。
【図１０】この発明の実施の形態６における二元冷凍装置の構成を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
次に、この発明の実施形態を図面に基づいて説明する。 
【００１３】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における二元冷凍装置の構成を表す図である。図１に示すように、本実施の形態における二元冷凍装置は、高温側サイクル１０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、２つの冷媒循環回路を多段構成にするために、高温側蒸発器１４と低温側凝縮器２２とを、それぞれ通過する冷媒間での熱交換を可能に結合させて構成したカスケードコンデンサ（冷媒間熱交換器）３０を設けている。また、二元冷凍装置全体の運転制御を行う制御手段４０を有する。ここで、以下で説明する温度、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。
【００１４】
図１において、高温側サイクル１０は、高温側圧縮機１１と、高温側凝縮器１２と、高温側絞り装置１３と、高温側蒸発器１４とを直列に冷媒配管で接続し、冷媒循環回路（以下、高温側循環回路という）を構成している。一方、低温側サイクル２０は、低温側圧縮機２１と、低温側四方弁２５と、低温側中間冷却器（補助コンデンサ）２６と、第二の低温側絞り装置２７と、低温側凝縮器２２と、第一の低温側絞り装置２３と、低温側蒸発器２４とを直列に冷媒配管で接続し、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。また、高温側循環回路を循環する冷媒（以下、低温側冷媒という）として、二酸化炭素、窒素、空気などが用いられる。ここでは、高温側冷媒にＲ４１０Ａ、低温側冷媒に二酸化炭素を用いた場合の例について説明する。
【００１６】
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。高温側サイクル１０の高温側圧縮機１１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。高温側凝縮器１２は、例えば送風機、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ものである。
【００１７】
減圧弁、膨張弁等の高温側絞り装置１３は、高温側冷媒を減圧して膨張させるものである。例えば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）、感温式膨張弁等の冷媒流量調節手段で構成してもよい。高温側蒸発器１４は、熱交換により高温側冷媒を蒸発ガス化させるものである。例えば、ここではカスケードコンデンサ３０において高温側冷媒が通過する伝熱管等が高温側蒸発器１４となって、低温側冷媒との熱交換が行われるものとする。
【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】
低温側中間冷却器２６は、ガスクーラまたは凝縮器として機能し、例えば送風機、ポンプ等（図示せず）から供給される空気、水等と低温側冷媒との間で熱交換を行い、低温側凝縮器２２において低温側冷媒を凝縮液化させる補助を行うものである。ここで、高温側凝縮器１２に空気等を供給する送風機等を共通して用いてもよい。低温側凝縮器２２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。例えば、ここではカスケードコンデンサ３０において低温側冷媒が通過する伝熱管等が低温側凝縮器２２となって、高温側冷媒との熱交換が行われるものとする。
【００２０】
減圧弁、膨張弁等の第一の低温側絞り装置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。また、第二の低温側絞り装置２７も、低温側冷媒を減圧して膨張させるものであるが、ここでは、特に霜取運転において低温側冷媒の減圧等を行う。ここで、第一の低温側絞り装置２３、第二の低温側絞り装置２７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、第一の低温側絞り装置２３、第二の低温側絞り装置２７が開度調整ができない冷媒流量調節手段である場合において、絞り機能を最小化し、圧力損失の低減等をはかるため、例えば第一の低温側絞り装置２３、第二の低温側絞り装置２７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、例えば送風機、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させるものである。低温側冷媒との熱交換により、冷却対象物等が直接又は間接に冷却されることになる。ここで、低温側蒸発器２４に空気等を供給する送風機等については、高温側凝縮器１２、低温側中間冷却器２６に空気等を供給する送風機等と異なるものであるものとする。流路切替装置となる低温側四方弁２５は、低温側循環回路における低温側冷媒の流れを切り替えるものである。ここでは、通常の冷却運転における低温側冷媒の流れ（正サイクル、順方向）と霜取運転における低温側冷媒の流れ（逆サイクル、逆方向）とを切り替える。図１では正サイクルを実線矢印で示し、逆サイクルを破線矢印で示している。
【００２２】
また、カスケードコンデンサ３０は、前述した高温側蒸発器１４と低温側凝縮器２２との機能を有し、高温側冷媒と低温側冷媒とを熱交換可能にする冷媒間熱交換器である。例えばプレート熱交換器、二重管熱交換器等で構成する。カスケードコンデンサ３０を介して高温側循環回路と低温側循環回路とを多段構成にし、冷媒間の熱交換を行うようにすることで、独立した冷媒循環回路を連携させることができる。
【００２３】
また、制御手段４０は、高温側サイクル１０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および霜取運転の動作を制御する。例えば高温側圧縮機１１、高温側絞り装置１３、低温側圧縮機２１、低温側四方弁２５、第一の低温側絞り装置２３、第二の低温側絞り装置２７等の動作を制御する。ここで、本実施の形態の制御手段４０はタイマを有しており、計時を行うことができる。また、ここでは、制御手段４０が高温側サイクル１０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、例えば高温側サイクル１０、低温側サイクル２０の機器をそれぞれ制御する２台の制御手段で構成するようにしてもよい。
【００２４】
蒸発器温度センサ５１は、例えば低温側蒸発器２４においてホットガスが凝縮液化して流出する温度を検出し、信号として制御手段４０に送る温度検出手段である。また、吐出側圧力センサ５２は、低温側圧縮機２１の冷媒吐出側（高圧側）における低温側冷媒の圧力を検出し、信号として制御手段４０に送る圧力検出手段である。
【００２５】
本実施の形態の二元冷凍装置では、低温側凝縮器２２と低温側中間冷却器２６との間に第二の低温側絞り装置２７を設ける。そして、霜取運転時においては、低温側蒸発器２４及び低温側凝縮器２２を凝縮器として、低温側中間冷却器２６を蒸発器として機能させるようにする。これにより、低温側蒸発器２４に付いた霜が少なくなる又はなくなることで、低温側蒸発器２４による低温側冷媒の凝縮液化機能が低下しても、低温側凝縮器２２において、凝縮液化させることができるため、ＣＯ2 等の低温側冷媒の急な圧力上昇を防ぎ、短時間で効率よく低温側蒸発器２４の霜取を行うことができる。
【００２６】
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、高温側サイクル１０の冷却運転時の動作について説明する。高温側圧縮機１１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凝縮器１２へ流入する。高温側凝縮器１２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絞り装置１３を通過する。高温側絞り装置１３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蒸発器１４（カスケードコンデンサ３０）に流入する。高温側蒸発器１４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圧縮機１１が吸入する。ここで、高温側絞り装置１３が例えば電子膨張弁の場合、制御手段４０は、高温側蒸発器１４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（高温側冷媒がＲ４１０Ａの場合）、高温側絞り装置１３に開度調整を行わせる。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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四方弁２５を経由し、低温側中間冷却器２６へ流入する。このとき、低温側四方弁２５は低温側冷媒が正サイクルとなるように切り替えられている。
【００３０】
低温側中間冷却器２６は、送風機、ポンプ等（図示せず）から供給される空気、水等と冷媒との間で熱交換を行い、低温側凝縮器２２が低温側冷媒を凝縮液化させるための補助を行う。ここで、低温側中間冷却器２６は、かならずしも低温側冷媒を凝縮液化させなければならないということではなく、少なくとも低温側冷媒から熱（顕熱）を奪うようにすることで低温側冷媒を一定温度まで冷却させるようにする（図２中のＤ点からＥ点の凝縮工程）。これにより、装置全体として冷却運転効率を向上させることが可能となる。
【００３１】
低温側中間冷却器２６を流れ出た冷媒は、第二の低温側絞り装置２７を通って、低温側凝縮器２２（カスケードコンデンサ３０）に流入する。ここで、第二の低温側絞り装置２７が電子式膨張弁の場合には、開度を全開させて、絞り機能を作用させないようにする。また、バイパス配管を並列に設けている場合は、バイパス配管を通過させるようにする。したがって、冷却運転時においては、第二の低温側絞り装置２７は機能しないこととなる。
【００３２】
低温側凝縮器２２は、高温側冷媒との熱交換により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）。凝縮液化した低温側冷媒は、第一の低温側絞り装置２３を通過する。第一の低温側絞り装置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）。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四方弁２５を経由し、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。
【００３３】
ここで、ある運転条件での、冷却運転における各機器の低温側冷媒の温度を一例として示す。例えば、高温側凝縮器１２での凝縮温度は＋４５℃、高温側蒸発器１４での蒸発温度は−１０℃である。また、低温側凝縮器２２での凝縮温度は−５℃、低温側蒸発器２４での蒸発温度は−４０℃である。さらに図２中のＣ点における低温側冷媒の温度（低温側圧縮機２１の吸入温度）は０℃である。また、Ｄ点における低温側冷媒の温度（低温側圧縮機２１の吐出側温度）は１２０℃、Ｅ点における低温側冷媒の温度（低温側中間冷却器２６を通過した低温側冷媒の温度）は３２℃である。
【００３４】
図３は、制御手段４０が行う二元冷凍装置の運転制御のフローチャートを示す図である。図３に示すように、制御手段４０は、高温側サイクル１０、低温側サイクル２０に冷却運転させる（Ｓ１）。そして、制御手段４０はタイマによる計時を開始する。
【００３５】
冷却運転においては、例えば上述したように、低温側冷媒の流れが正サイクルとなるように低温側四方弁２５の切り替えを制御する。また、第一の低温側絞り装置２３において冷媒の減圧をさせるようにする。一方で、第二の低温側絞り装置２７を全開等させて減圧が行われないように制御する。そして、例えば高温側サイクル１０、低温側サイクル２０の冷媒配管、機器に設けた温度、圧力等の検出手段（図示せず）により、高温側サイクル１０および低温側サイクル２０の運転状態を監視し、二元冷凍装置が行う冷却運転を制御する（Ｓ２）。
【００３６】
冷却運転開始から所定時間が経過したものと判断すると（Ｓ３）、制御手段４０は、高温側サイクル１０、低温側サイクル２０に霜取運転を開始させる（Ｓ４）。霜取運転開始までの所定時間については特に限定するものではない。例えば想定される低温側蒸発器２４の着霜状態に基づいて設定する。
【００３７】
次に、二元冷凍装置の霜取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。ここで、高温側サイクル１０の霜取運転における動作については、先に述べた冷却運転時の動作と同じである。ただし、霜取運転においては、常に高温側サイクル１０を動作させる必要はなく、高温側蒸発器１４での冷却負荷に応じて、必要に応じて動作を停止させる制御を行うようにしてもよい。また、高温側蒸発器１４での蒸発温度設定は、冷却運転時とかならずしも同一の温度に設定する必要はない。
【００３８】
図４は、霜取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４についても、図２と同様に、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４の台形状で表されるＡ線は、図２のＡ線と同様に、低温側サイクル２０の霜取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。詳細は後述する。
【００３９】
次に図１および図４に基づいて、低温側サイクル２０の霜取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４中のＣ点からＤ点の圧縮工程）。吐出した冷媒は低温側四方弁２５を経由し、低温側蒸発器２４へ流入する。このとき、制御手段４０は、低温側冷媒の流れが逆サイクルとなるように低温側四方弁２５の切り替えを制御する。また、低温側蒸発器２４に空気等を送る送風機等（図示せず）を停止させる制御を行う。
【００４０】
低温側蒸発器２４は、霜と低温側冷媒との間で熱交換を行い、低温側冷媒を一定温度まで冷却し、凝縮液化させる（図４中のＤ点からＦ点の凝縮工程）。一方、霜を相変化させて水にして低温側蒸発器２４から滴下させる。滴下した水は、例えば水の受け皿となるドレンパン（図示せず）等によって集められ、例えば冷蔵庫（冷却対象空間）等から庫外に排出される。
【００４１】
低温側蒸発器２４を流れ出た低温側冷媒は、第一の低温側絞り装置２３を通って、低温側凝縮器２２に流入する。例えば第一の低温側絞り装置２３が電子式膨張弁の場合には、開度を全開させて、絞り機能を作用させないようにする。また、バイパス配管を並列に設けている場合は、バイパス配管を通過させるようにする。したがって、霜取運転時においては、第一の低温側絞り装置２３は機能しないこととなる。
【００４２】
ここで、低温側蒸発器２４において霜との熱交換により低温側冷媒が凝縮液化している間は、低温側凝縮器２２（カスケードコンデンサ３０）では低温側冷媒を凝縮液化させる必要がない。このため、高温側サイクル１０側の動作を停止させるようにしてもよい。低温側凝縮器２２を流出した低温側冷媒は、第二の低温側絞り装置２７を通過する。
【００４３】
第二の低温側絞り装置２７は、凝縮液化した低温側冷媒を減圧する（図４中のＦ点からＧ点の膨張工程）。減圧した低温側冷媒は低温側中間冷却器２６に流入する。低温側中間冷却器２６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、低温側冷媒を蒸発ガス化する。そして、低温側中間冷却器２６を流出した低温側冷媒は低温側四方弁２５を経由し、高温側圧縮機１１に吸入される（図４中のＧ点からＣ点の蒸発工程）。ここで、第二の低温側絞り装置２７が例えば電子式膨張弁の場合、制御手段４０は、低温側中間冷却器２６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、第二の低温側絞り装置２７に開度調整を行わせる。
【００４４】
以上のように、霜取運転中、低温側蒸発器２４に霜がある間は、上記のような動作になる。霜取運転が進み、低温側蒸発器２４における霜が減少してくると、低温側蒸発器２４は、霜と低温側冷媒との間で熱交換する熱量が少なくなる。このため、低温側蒸発器２４が凝縮液化する低温側冷媒が減少していく。一方で気体状の冷媒（ガス冷媒）が増えるため、低温側冷媒の圧力は上昇する。このとき、低温側蒸発器２４における霜の減少が急速に進むため、圧力も急上昇する。
【００４５】
このときの低温側蒸発器２４の冷媒流出口の状態は、図４のモリエル線図上ではＥ点における状態となっている。例えば、低温側蒸発器２４に霜が十分あればＥ点はＦ点と一致する。霜が減少してくると、Ｅ点はＦ点から、Ｄ点の方向へ移動し、霜がなくなって低温側冷媒との間で熱交換がなくなると、Ｅ点はＤ点と一致することになる。
【００４６】
そこで、制御手段４０は、低温側蒸発器２４の霜が少なくなる又はなくなっても低温側冷媒の圧力（高圧側）の上昇を抑えるような制御を行う。このため、高温側サイクル１０を動作させ、カスケードコンデンサ３０において、高温側蒸発器１４を通過する高温側冷媒と低温側凝縮器２２を通過する低温側冷媒とを熱交換させる。そして、低温側蒸発器２４において凝縮液化できなかったガス冷媒を凝縮液化する。これにより、霜が減少又は完全になくなって低温側蒸発器２４が低温側冷媒を十分に凝縮液化させることができなくても低温側冷媒の圧力の急上昇を防ぐことができる。
【００４７】
図３に示すように、霜取運転を開始すると、制御手段４０は、低温側蒸発器２４に空気、ブライン等を送る送風機、ポンプ（図示せず）等を停止させる。また、低温側冷媒の流れが逆サイクルとなるように低温側四方弁２５の切り替えを制御する。そして、第二の低温側絞り装置２７において冷媒の減圧をさせるようにし、第一の低温側絞り装置２３を全開等させて減圧が行われないように制御する（Ｓ４）。例えば、霜取運転を時間管理している場合には、制御手段４０は霜取運転に係る計時を開始する。
【００４８】
制御手段４０は、例えば、蒸発器温度センサ５１の検出温度（低温側蒸発器２４の温度）が所定温度以上になったものと判断すると（Ｓ５）、霜取運転を終了するものと判断すると、送風機、ポンプ（図示せず）等を駆動させ、空気、ブライン等を低温側蒸発器２４に送り込む（Ｓ６）。また、Ｓ１に戻り、冷却運転を行うために、低温側冷媒の流れが正サイクルとなるように低温側四方弁２５の切り替えを制御する。また、第一の低温側絞り装置２３に低温側冷媒の減圧をさせるようにし、第二の低温側絞り装置２７を全開等させて減圧が行われないように制御する。そして、例えば高温側サイクル１０、低温側サイクル２０の冷媒配管、機器に設けた温度、圧力等の検出手段（図示せず）により、高温側サイクル１０および低温側サイクル２０の運転状態を監視し、二元冷凍装置が行う冷却運転を制御する。ここで、Ｓ５では蒸発器温度センサ５１の検出温度に基づいて霜取運転の終了判断を行っているが、霜取運転時間等により終了判断を行ってもよい（以下、同じ）。
【００４９】
例えば霜取運転途中に、霜が少なくなる又はなくなってくると、低温側蒸発器２４の出口が図４中のＤ点に近づくため、低温側蒸発器２４内は凝縮液化した冷媒が残留しない。そして、凝縮液化した冷媒は、正サイクルにおいて第一の低温側絞り装置２３より上流側の低温側凝縮器２２に残留している。以上のことから、逆サイクルから正サイクルにしたときに、低温側蒸発器２４から低温側圧縮機２１に液戻りが生じることなく、円滑に冷却運転を再開することができる。
【００５０】
ここで、ある運転条件での、冷却運転における各機器の低温側冷媒の温度を一例として示す。例えば、低温側蒸発器２４に霜が付いている霜取運転初期では、高温側サイクル１０は停止している。低温側蒸発器２４での凝縮温度は＋１２℃、低温側中間冷却器２６での蒸発温度は−１０℃である。また、図４中のＣ点における低温側冷媒の温度は１０℃、Ｄ点における低温側冷媒の温度は８０℃である。
【００５１】
低温側蒸発器２４に付いた霜が減少し、高温側サイクル１０を動作させた霜取運転後半では、例えば高温側凝縮器１２での凝縮温度は＋４５℃、高温側蒸発器１４での蒸発温度は０℃である。また、低温側凝縮器２２での凝縮温度は＋１２℃、低温側中間冷却器２６での蒸発温度は−１０℃である。さらに図４中のＣ点における低温側冷媒の温度は１０℃、Ｄ点における低温側冷媒の温度は８０℃である。
【００５２】
以上のように、実施の形態１の二元冷凍装置は、低温側中間冷却器２６と低温側凝縮器２２との間に第二の低温側絞り装置２７を有する構成としたので、霜取運転時に、低温側蒸発器２４だけでなく、低温側凝縮器２２も凝縮器として機能させることができる。このため、低温側蒸発器２４に付いた霜が少なくなる又はなくなることで、低温側蒸発器２４による低温側冷媒の凝縮液化機能が低下しても、低温側凝縮器２２において、凝縮液化させることができ、低温側冷媒の異常な圧力上昇を抑えることができる。これにより、霜取運転を異常停止等することなく、安全に、確実に、信頼性の高い霜取運転を短時間で行うことができる冷凍装置を得ることができる。また、霜取運転を終了したときには、凝縮液化した低温側冷媒は、冷却運転において第一の低温側絞り装置２３より上流側となる低温側凝縮器２２に溜まっていることとなる。このため、冷却運転を再開した際、凝縮液化した低温側冷媒が低温側圧縮機に急激に戻る（液バックする）ようなことがなく、低温側圧縮機２１を損傷等させることなく、保護をはかりつつ冷却運転を再開することができる。
【００５３】
また、低温側凝縮器２２において凝縮液化させることができるので、二酸化炭素のように、臨界温度（３１．１℃）が比較的低い冷媒を低温側冷媒として用いても、霜取運転中に臨界温度を超えることがなく、確実に、信頼性の高い霜取運転を、より効率よく、より短時間で行うことができる。このため、省エネルギーに貢献することができる。
【００５４】
実施の形態２．
図５はこの発明の実施の形態２に係る二元冷凍装置の運転制御のフローチャートを示す図である。上述した実施の形態１においては、霜取運転を開始すると、第二の低温側絞り装置２７において冷媒の減圧をさせるようにし、第一の低温側絞り装置２３を全開等させるようにした。
【００５５】
本実施の形態では、低温側蒸発器２４に霜が付いている霜取運転初期においては、冷却運転と同様に、第一の低温側絞り装置２３において冷媒の減圧をさせるようにし、第二の低温側絞り装置２７を全開等させるようにする。そして、低温側蒸発器２４に付いた霜が減少して高温側サイクル１０を動作させる際に、第二の低温側絞り装置２７において冷媒の減圧をさせるようにし、第一の低温側絞り装置２３を全開等させるようにするものである。逆サイクルの場合に、低温側蒸発器２４に近い位置にある第一の低温側絞り装置２３が減圧動作を行うことにより、低温側蒸発器２４における霜と低温側冷媒との熱交換の効率を高め、霜取運転の時間を短縮することができる。
【００５６】
図５において、Ｓ１１〜Ｓ１４については、実施の形態１において説明したＳ１〜４の処理と基本的に同様の処理を行う。ここで、Ｓ１４において、霜取運転を開始する場合においても、上述したように、第一の低温側絞り装置２３、第二の低温側絞り装置２７の開度等を変更しない。第一の低温側絞り装置２３に低温側冷媒の減圧をさせるようにし、第二の低温側絞り装置２７を全開等させて減圧が行われないように制御する。
【００５７】
そして、吐出側圧力センサ５２の検出圧力（低温側サイクル２０の高圧側の圧力）が所定圧力以上になったかどうかを判断する（Ｓ１５）。所定圧力以上でないと判断すると、Ｓ１４に戻る。
【００５８】
一方、低温側圧縮機２１の吐出圧力が所定圧力以上になったものと判断すると、第二の低温側絞り装置２７において冷媒の減圧をさせるようにし、第一の低温側絞り装置２３を全開等させて減圧が行われないように制御する（Ｓ１６）。そして、高温側サイクル１０を動作させ、カスケードコンデンサ３０において、高温側蒸発器１４を通過する高温側冷媒と低温側凝縮器２２を通過する低温側冷媒とを熱交換させるようにする。これにより、低温側蒸発器２４に付いた霜が少なくなる又はなくなった場合でも、低温側冷媒の圧力の急上昇を抑え、安定した霜取運転を行うことができる。Ｓ１７、Ｓ１８の処理については、実施の形態１で説明した図３のフローチャートにおけるＳ５、Ｓ６と同様の処理を行う。
【００５９】
以上のように、実施の形態２の二元冷凍装置によれば、霜取運転時に、低温側圧縮機２１の吐出圧力（低温側サイクル２０の高圧側の圧力）が所定圧力以上になった場合に、第二の低温側絞り装置２７において冷媒の減圧をさせるようにし、第一の低温側絞り装置２３を全開等させて減圧が行われないように制御するようにしたので、霜取運転の初期段階では、低温側蒸発器２４に近い位置にある第一の低温側絞り装置２３が減圧動作を行うことにより、低温側蒸発器２４における霜と低温側冷媒との熱交換の効率を高め、霜取運転時間を短縮することができる。また、実施の形態１の冷凍装置と同様に、臨界温度等が低い低温側冷媒の圧力の異常上昇を抑制して、霜取運転を異常停止することなく、確実に、信頼性の高い霜取運転を短時間で行うことができる。また、低温側圧縮機２１を損傷させることなく冷却運転を再開することができる。
【００６０】
実施の形態３．
図６はこの発明の実施の形態３に係る二元冷凍装置の運転制御のフローチャートを示す図である。上述の実施の形態２では、低温側圧縮機２１の吐出圧力が所定圧力以上になったものと判断すると、高温側サイクル１０を動作させるようにした。第二の低温側絞り装置２７において冷媒の減圧をさせるようにし、第一の低温側絞り装置２３を全開等させて減圧が行われないようにした。
【００６１】
ここで、低温側サイクル２０の高圧側圧力に基づいて霜取運転をすると、条件によっては過渡的に高圧側圧力が急上昇する場合がある。そこで、本実施の形態では、制御手段４０は計時を行い、霜取運転の開始後、所定時間が経過すると（高圧側の圧力が所定の圧力に至る前であっても）、高温側サイクル１０を動作させるようにする。また、第二の低温側絞り装置２７において冷媒の減圧をさせるようにし、第一の低温側絞り装置２３を全開等させて減圧が行われないようにする。
【００６２】
図６においてＳ２１〜Ｓ２４については、図５におけるＳ１１〜Ｓ１４と同様の処理を行う。そして、本実施の形態では、霜取運転の開始後、所定時間が経過したかどうかを判断する（Ｓ２５）。所定時間経過したものと判断すると、第二の低温側絞り装置２７において冷媒の減圧をさせるようにし、第一の低温側絞り装置２３を全開等させて減圧が行われないように制御する（Ｓ２６）。Ｓ２７、Ｓ２８の処理については、実施の形態２で説明した図５のフローチャートにおけるＳ１７、Ｓ１８と同様の処理を行う。
【００６３】
以上のように、実施の形態３の二元冷凍装置によれば、霜取運転を開始後、所定時間が経過すると、第二の低温側絞り装置２７において冷媒の減圧をさせるようにし、第一の低温側絞り装置２３を全開等させて減圧が行われないように制御するようにしたので、霜取運転の初期段階では、低温側蒸発器２４に近い位置にある第一の低温側絞り装置２３が減圧動作を行うことにより、低温側蒸発器２４における霜と低温側冷媒との熱交換の効率を高め、霜取運転時間を短縮することができる。また、実施の形態１の冷凍装置と同様に、臨界温度等が低い低温側冷媒の圧力の異常上昇を抑制して、霜取運転を異常停止することなく、確実に、信頼性の高い霜取運転を短時間で行うことができる。また、低温側圧縮機２１を損傷させることなく冷却運転を再開することができる。
【００６４】
実施の形態４．
図７は、この発明の実施の形態４における二元冷凍装置の構成を表す図である。図７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等で説明したことと同様の動作等を行う。図７においては、低温側中間冷却器２６の代わりとして蓄熱剤を有する中間冷却器２８（以下、蓄熱剤付中間冷却器２８という）を備えている。蓄熱剤付中間冷却器２８は、例えば、送風機等（図示せず）から供給される空気等の代わりに、蓄熱剤と低温側冷媒との熱交換による吸放熱を行うことができる。冷却運転においては、低温側冷媒から吸熱することにより熱量を蓄え、低温側冷媒の凝縮液化に係る補助を行う。また、霜取運転においては、熱量を低温側冷媒に供給（放熱）して、低温側冷媒を蒸発ガス化させる。ここで、例えば水等を蓄熱剤として用いることができる。
【００６５】
上述の実施の形態においては、低温側中間冷却器２６が、例えば送風機等（図示せず）から供給される空気等と低温側冷媒とを熱交換させている。このような場合、例えば空気の温度が低い場合には熱交換効率が悪くなる等、運転環境によって左右されることがある。そこで、本実施の形態では、蓄熱剤付中間冷却器２８とすることで、冷却運転における低温側冷媒の冷却（凝縮液化を含む）、霜取運転における蒸発ガス化を安定して行えるようにするものである。
【００６６】
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について説明する。高温側サイクル１０の冷却運転時の動作については、実施の形態１で説明した動作と同様である。一方、低温側サイクル２０の動作について図７及び図２に基づいて説明する。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四方弁２５を経由し、蓄熱剤付中間冷却器２８へ流入する。このとき、低温側四方弁２５は低温側冷媒が正サイクルとなるように切り替えられている。
【００６７】
蓄熱剤付中間冷却器２８は、内部に有する蓄熱剤（例えば水等）と冷媒との間で熱交換を行い、低温側凝縮器２２が低温側冷媒を凝縮液化させるための補助を行う。ここで、蓄熱剤付中間冷却器２８において、かならずしも低温側冷媒を凝縮液化させなければならないということではなく、少なくとも低温側冷媒から熱（顕熱）を奪うようにすることで低温側冷媒を一定温度まで冷却させるようにする（図２中のＤ点からＥ点の凝縮工程）。これにより、装置全体として冷却運転効率を向上させることが可能となる。
【００６８】
一方、蓄熱剤付中間冷却器２８の蓄熱剤は低温側冷媒から熱を奪うことで、温度が上昇し、所定の熱量を蓄えておく。二元冷凍装置の低温側サイクル２０は、冬期等のような外気温度が低い環境においても、比較的安定した高圧条件で冷却運転を行うことができる。このため、低温側冷媒が有する熱エネルギーを蓄熱するのに適している。低温側凝縮器２２、第一の低温側絞り装置２３及び低温側蒸発器２４の動作については、実施の形態１で説明したことと同様である。
【００６９】
以上のように、二元冷凍装置において、低温側蒸発器２４の蒸発温度がマイナス（零下）となるような運転を続けると低温側蒸発器２４に着霜していき、冷凍能力が低下する。そこで、所定時間毎に霜取運転を行い、低温側蒸発器２４の霜取を行う。
【００７０】
次に二元冷凍装置の霜取運転時における各構成機器の動作等について説明する。高温側サイクル１０の冷却運転時の動作については、実施の形態１で説明した動作と同様である。一方、低温側サイクル２０の動作について図７及び図４に基づいて説明する。ここで、低温側冷媒が低温側圧縮機２１を吐出し、低温側四方弁２５、低温側蒸発器２４、第一の低温側絞り装置２３、低温側凝縮器２２を通過して第二の低温側絞り装置２７に至るまでの各機器の動作については、実施の形態１と同様である。
【００７１】
第二の低温側絞り装置２７は、凝縮液化した低温側冷媒を減圧する（図４中のＦ点からＧ点の膨張工程）。減圧した低温側冷媒は蓄熱剤付中間冷却器２８に流入する。
【００７２】
蓄熱剤付中間冷却器２８は、その内部に有する蓄熱剤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、蓄熱剤付中間冷却器２８を流出した低温側冷媒は低温側四方弁２５を経由し、高温側圧縮機１１に吸入される（図４中のＧ点からＣ点の蒸発工程）。
【００７３】
このとき、冷却運転時に蓄熱剤が蓄えた所定の熱量を低温側冷媒に放熱し、低温側冷媒を蒸発ガス化させるので、冬期等のような低外気条件においても、安定して所定の熱量を低温側冷媒に供給することができる。このため、蒸発温度をより高く運転でき、効率よく冷媒循環量を増加させることができる。その結果、霜取運転を異常停止することなく、確実に、信頼性の高い霜取運転を、より効率よく、より短時間で行うことができ、また、省エネルギーに貢献することができる。ここで、第二の低温側絞り装置２７が例えば電子式膨張弁の場合、制御手段４０は、蓄熱剤付中間冷却器２８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、第二の低温側絞り装置２７に開度調整を行わせる。
【００７４】
以上のように、実施の形態４の二元冷凍装置によれば、中間冷却器を蓄熱剤付中間冷却器２８とするようにしたので、例えば、外気等の運転環境に影響を受けることなく、冷却運転における低温側冷媒の冷却（凝縮液化を含む）、霜取運転における蒸発ガス化を安定して行うことができる。また、実施の形態１の冷凍装置と同様に、臨界温度等が低い低温側冷媒の圧力の異常上昇を抑制して、霜取運転を異常停止することなく、確実に、信頼性の高い霜取運転を短時間で行うことができる。また、低温側圧縮機２１を損傷させることなく冷却運転を再開することができる。
【００７５】
実施の形態５．
図８は、この発明の実施の形態５における二元冷凍装置の構成を表す図である。図８において、図１、図７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８に示すように、実施の形態１等で説明した低温側中間冷却器２６と実施の形態４で説明した蓄熱剤付中間冷却器２８とを両方備え、低温側循環回路において直列となるように接続している。
【００７６】
また、本実施の形態の二元冷凍装置は開閉弁２９を有している。そして、蓄熱剤付中間冷却器２８と並列にバイパス配管を備え、開閉弁２９の開閉により、蓄熱剤付中間冷却器２８に低温側冷媒を通過させるか、バイパス配管にも低温側冷媒を通過させるかを選択することができる。図８では特に示していないが、例えば蓄熱剤付中間冷却器２８に低温側冷媒を通過させるか否かを選択し、流路の切り替えを行うことができる開閉弁等を蓄熱剤付中間冷却器２８側の流路に設けるようにしてもよい。
【００７７】
次に本実施の形態における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について説明する。高温側サイクル１０の冷却運転時の動作については、実施の形態１で説明した動作と同様である。
【００７８】
一方、低温側サイクル２０の動作について図８及び図２に基づいて説明する。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四方弁２５、低温側中間冷却器２６を経由し、蓄熱剤付中間冷却器２８へ流入する。このとき、低温側四方弁２５は低温側冷媒が正サイクルとなるように切り替えられている。また、吐出した冷媒が蓄熱剤付中間冷却器２８へ流入するように、開閉弁２９を閉じ、バイパス配管を低温側冷媒が通過しないようにしている。そして、低温側中間冷却器２６に空気等を供給する送風機等は停止させている。
【００７９】
蓄熱剤付中間冷却器２８は、内部に有する蓄熱剤（例えば水等）と冷媒との間で熱交換を行い、低温側凝縮器２２が低温側冷媒を凝縮液化させるための補助を行う。ここで、蓄熱剤付中間冷却器２８において、かならずしも低温側冷媒を凝縮液化させなければならないということではなく、少なくとも低温側冷媒から熱（顕熱）を奪うようにすることで低温側冷媒を一定温度まで冷却させるようにする（図２中のＤ点からＥ点の凝縮工程）。これにより、装置全体として冷却運転効率を向上させることが可能となる。
【００８０】
ここで、蓄熱剤付中間冷却器２８の蓄熱剤は低温側冷媒から熱を奪うことで、温度が上昇し、所定の熱量を蓄えるようにする。二元冷凍装置の低温側サイクル２０は、冬期等のような外気温度が低い環境においても、比較的安定した高圧条件で冷却運転を行うことができる。このため、低温側冷媒が有する熱エネルギーを蓄熱するのに適している。
【００８１】
例えば冷却運転開始から所定時間が経過し、蓄熱剤付中間冷却器２８の蓄熱剤に所定の熱量が蓄えられたものと判断すると、制御手段４０は開閉弁２９を開放し、バイパス配管にも低温側冷媒を通過させるようにする。また、送風機等を駆動させて低温側中間冷却器２６に空気等を供給する。これにより、蓄熱剤付中間冷却器２８、低温側中間冷却器２６が低温側冷媒を凝縮液化させるための補助を行うこととなる。
【００８２】
図９は実施の形態５に係る制御手段４０が行う二元冷凍装置の運転制御のフローチャートを示す図である。Ｓ３１、Ｓ３２の処理については、実施の形態１で説明した図３のＳ１、Ｓ２の処理と同様の処理を行う。
【００８３】
そして、蓄熱剤付中間冷却器２８の蓄熱剤における熱量が所定の熱量未満であるかどうかを判断する（Ｓ３３）。所定の熱量未満であると判断すると、制御手段４０は、開閉弁２９を閉じ、低温側中間冷却器２６に空気等を供給する送風機等は停止させるようにする（Ｓ３４）。一方、熱量が所定の熱量未満でない（所定の熱量以上である）と判断すると、開閉弁を開き、送風機等を駆動させて低温側中間冷却器２６に空気等を供給させるようにする（Ｓ３５）。ここで、熱量が所定の熱量未満であるかどうかをどのようにして判断するかについては、特に限定するものではない。例えば、冷却運転時間に基づいて判断するようにしてもよい。また、蓄熱剤の温度を検出するための温度検出手段を設けておき、温度検出手段の検出温度に基づいて蓄熱剤の熱量を判断するようにしてもよい。低温側凝縮器２２、第一の低温側絞り装置２３及び低温側蒸発器２４の動作については、実施の形態１で説明したことと同様である。
【００８４】
以上のように、二元冷凍装置において、低温側蒸発器２４の蒸発温度がマイナス（零下）となるような運転を続けると低温側蒸発器２４に着霜していき、冷凍能力が低下する。そこで、図９のフローチャートに示すように、所定時間毎に霜取運転を行い、低温側蒸発器２４の霜取を行う（Ｓ３６）。
【００８５】
次に二元冷凍装置の霜取運転時における各構成機器の動作等について説明する。高温側サイクル１０の冷却運転時の動作については、実施の形態１で説明した動作と同様である。一方、低温側サイクル２０の動作について図８及び図４に基づいて説明する。ここで、低温側冷媒が低温側圧縮機２１を吐出し、低温側四方弁２５、低温側蒸発器２４、第一の低温側絞り装置２３、低温側凝縮器２２を通過して第二の低温側絞り装置２７に至るまでの各機器の動作については、実施の形態１と同様である。ここで、開閉弁２９は閉じるようにしておく。
【００８６】
第二の低温側絞り装置２７は、凝縮液化した低温側冷媒を減圧する（図４中のＦ点からＧ点の膨張工程）。減圧した低温側冷媒は、開閉弁２９を閉じているため、蓄熱剤付中間冷却器２８に流入する。
【００８７】
蓄熱剤付中間冷却器２８は、その内部に有する蓄熱剤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、蓄熱剤付中間冷却器２８を流出した低温側冷媒は低温側四方弁２５を経由し、高温側圧縮機１１に吸入される（図４中のＧ点からＣ点の蒸発工程）。
【００８８】
このとき、冷却運転時に蓄熱剤が蓄えた所定の熱量を低温側冷媒に放熱し、低温側冷媒を蒸発ガス化させるので、冬期等のような低外気条件においても、安定して所定の熱量を低温側冷媒に供給することができる。このため、蒸発温度をより高く運転でき、効率よく冷媒循環量を増加させることができる。その結果、霜取運転を異常停止することなく、確実に、信頼性の高い霜取運転を、より効率よく、より短時間で行うことができ、また、省エネルギーに貢献することができる。
【００８９】
図９に示すフローチャートにおいて、Ｓ３７〜Ｓ４１の処理については、基本的には、実施の形態２で説明した図５のＳ１４〜Ｓ１８の処理と同様の処理を行う。ここで、Ｓ３７においては、上述したように開閉弁２９を閉じ、低温側冷媒が蓄熱剤付中間冷却器２８に流入するようにする。また、Ｓ３８においては、実施の形態３のＳ２５と同様に、霜取運転開始してから所定時間経過後に、第一の低温側絞り装置２３、第二の低温側絞り装置２７の開度を変更するようにしてもよい。
【００９０】
以上のように、実施の形態５の二元冷凍装置によれば、低温側中間冷却器２６と蓄熱剤付中間冷却器２８とを直列に配管接続するようにしたので、例えば、外気等の運転環境に影響を受けることなく、冷却運転における低温側冷媒の冷却（凝縮液化を含む）、霜取運転における蒸発ガス化を安定して行うことができる。また、低温側中間冷却器２６と蓄熱剤付中間冷却器２８とを設けることで、蓄熱剤付中間冷却器２８における蓄熱剤を必要最小限に最適設計することができるため、低コストでかつ装置全体として省スペース化することができる。そして、実施の形態１の冷凍装置と同様に、臨界温度等が低い低温側冷媒の圧力の異常上昇を抑制して、霜取運転を異常停止することなく、確実に、信頼性の高い霜取運転を短時間で行うことができる。また、低温側圧縮機２１を損傷させることなく冷却運転を再開することができる。
【００９１】
実施の形態６．
図１０は、この発明の実施の形態６における二元冷凍装置の構成を表す図である。図１０において、図１、図８等と同じ符号を付している機器等については、上述した各実施の形態で説明した動作を行う。本実施の形態の二元冷凍装置は、上述した低温側中間冷却器２６と蓄熱剤付中間冷却器２８とを並列に接続するようにしたものである。また、開閉弁２９を、低温側凝縮器２２の低温側中間冷却器２６側（冷却運転における冷媒下流側）に低温側凝縮器２２と直列に設けるようにする。ここでは、開閉弁２９を低温側中間冷却器２６側に設けたが、例えば蓄熱剤付中間冷却器２８側にも開閉弁等を設けるようにして流路の切り替えを行うようにしてもよい。
【００９２】
次に本実施の形態における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について説明する。高温側サイクル１０の冷却運転時の動作については、実施の形態１で説明した動作と同様である。
【００９３】
一方、低温側サイクル２０の動作について図８及び図２に基づいて説明する。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四方弁２５、低温側中間冷却器２６を経由し、蓄熱剤付中間冷却器２８へ流入する。このとき、低温側四方弁２５は低温側冷媒が正サイクルとなるように切り替えられている。また、吐出した冷媒が蓄熱剤付中間冷却器２８へ流入するように、開閉弁を閉じ、バイパス配管を低温側冷媒が通過しないようにしている。そして、低温側中間冷却器２６に空気等を供給する送風機等は停止させている。
【００９４】
蓄熱剤付中間冷却器２８は、内部に有する蓄熱剤（例えば水等）と冷媒との間で熱交換を行い、低温側凝縮器２２が低温側冷媒を凝縮液化させるための補助を行う。ここで、蓄熱剤付中間冷却器２８において、かならずしも低温側冷媒を凝縮液化させなければならないということではなく、少なくとも低温側冷媒から熱（顕熱）を奪うようにすることで低温側冷媒を一定温度まで冷却させるようにする（図２中のＤ点からＥ点の凝縮工程）。これにより、装置全体として冷却運転効率を向上させることが可能となる。
【００９５】
ここで、蓄熱剤付中間冷却器２８の蓄熱剤は低温側冷媒から熱を奪うことで、温度が上昇し、所定の熱量を蓄えるようにする。二元冷凍装置の低温側サイクル２０は、冬期等のような外気温度が低い環境においても、比較的安定した高圧条件で冷却運転を行うことができる。このため、低温側冷媒が有する熱エネルギーを蓄熱するのに適している。
【００９６】
例えば冷却運転開始から所定時間が経過し、蓄熱剤付中間冷却器２８の蓄熱剤に所定の熱量が蓄えられたものと判断すると、制御手段４０は開閉弁２９を開放し、バイパス配管に低温側冷媒を通過させるようにする。また、送風機等を駆動させて低温側中間冷却器２６に空気等を供給する。これにより、蓄熱剤付中間冷却器２８に代わって、低温側中間冷却器２６が低温側冷媒を凝縮液化させるための補助を行うこととなる。制御手段４０が行う二元冷凍装置の冷却運転における制御については、図９のＳ３１〜Ｓ３５と同様である。
【００９７】
次に二元冷凍装置の霜取運転時における各構成機器の動作等について説明する。高温側サイクル１０の冷却運転時の動作については、実施の形態１で説明した動作と同様である。一方、低温側サイクル２０の動作について図１０及び図４に基づいて説明する。ここで、低温側冷媒が低温側圧縮機２１を吐出し、低温側四方弁２５、低温側蒸発器２４、第一の低温側絞り装置２３、低温側凝縮器２２を通過して第二の低温側絞り装置２７に至るまでの各機器の動作については、実施の形態１と同様である。ここで、開閉弁２９は閉じるようにしておく。
【００９８】
第二の低温側絞り装置２７は、凝縮液化した低温側冷媒を減圧する（図４中のＦ点からＧ点の膨張工程）。減圧した低温側冷媒は、開閉弁２９を閉じているため、蓄熱剤付中間冷却器２８に流入する。
【００９９】
蓄熱剤付中間冷却器２８は、その内部に有する蓄熱剤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、蓄熱剤付中間冷却器２８を流出した低温側冷媒は低温側四方弁２５を経由し、高温側圧縮機１１に吸入される（図４中のＧ点からＣ点の蒸発工程）。
【０１００】
このとき、冷却運転時に蓄熱剤が蓄えた所定の熱量を低温側冷媒に放熱し、低温側冷媒を蒸発ガス化させるので、冬期等のような低外気条件においても、安定して所定の熱量を低温側冷媒に供給することができる。このため、蒸発温度をより高く運転でき、効率よく冷媒循環量を増加させることができる。その結果、霜取運転を異常停止することなく、確実に、信頼性の高い霜取運転を、より効率よく、より短時間で行うことができ、また、省エネルギーに貢献することができる。制御手段４０が行う二元冷凍装置の霜取運転における制御については、図９のＳ３６〜Ｓ４１と同様である。
【０１０１】
以上のように、実施の形態６の二元冷凍装置によれば、低温側中間冷却器２６と蓄熱剤付中間冷却器２８とを並列に配管接続するようにしたので、例えば、外気等の運転環境に影響を受けることなく、冷却運転における低温側冷媒の冷却（凝縮液化を含む）、霜取運転における蒸発ガス化を安定して行うことができる。また、低温側中間冷却器２６と蓄熱剤付中間冷却器２８とを設けることで、蓄熱剤付中間冷却器２８における蓄熱剤を必要最小限に最適設計することができるため、低コストでかつ装置全体として省スペース化することができる。そして、実施の形態１の冷凍装置と同様に、臨界温度等が低い低温側冷媒の圧力の異常上昇を抑制して、霜取運転を異常停止することなく、確実に、信頼性の高い霜取運転を短時間で行うことができる。また、低温側圧縮機２１を損傷させることなく冷却運転を再開することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１０２】
上述の実施の形態は、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。また、二元冷凍装置だけでなく、例えば二酸化炭素を冷媒として冷却等を行う冷凍装置にも適用することができる。
【符号の説明】
【０１０３】
１０  高温側サイクル、１１  高温側圧縮機、１２  高温側凝縮器、１３  高温側絞り装置、１４  高温側蒸発器、２０  低温側サイクル、２１  低温側圧縮機、２２  低温側凝縮器、２３  第一の低温側絞り装置、２４  低温側蒸発器、２５  低温側四方弁、２６  低温側中間冷却器、２７  第二の低温側絞り装置、２８  蓄熱剤付中間冷却器、２９  開閉弁、３０  カスケードコンデンサ、４０  制御手段、５１  蒸発器温度センサ、５２  吐出側圧力センサ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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