(57)【要約】  冷凍装置１００は、第１冷媒回路５０と第２冷媒回路６０とを備え、第１冷媒回路５０の第１蒸発器４と第２冷媒回路６０の第２凝縮器７とでカスケードコンデンサー１５を構成する冷凍装置である。この冷凍装置１００の第２冷媒回路６０は、第２凝縮器７と第２膨張弁１０との間に設けられたレシーバー８と、第２圧縮機５に接続され、第２圧縮機５の余剰な冷凍機油１８を貯留して第２圧縮機５内の冷凍機油１８の量を調整するタンク１４と、レシーバー８とタンク１４とを接続するバイパス回路１３と、バイパス回路１３に設けられ、第２冷媒回路６０の高圧圧力が所定圧力以上になるとバイパス回路１３を開き、第２冷媒回路６０の高圧圧力が前記所定圧力よりも小さくなるとバイパス回路１３を閉じるバイパス弁１３ａと、を備えたものである。
2014045394.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１圧縮機、第１凝縮器、第１減圧装置及び第１蒸発器が順次配管接続された第１冷媒回路と、
第２圧縮機、第２凝縮器、第２減圧装置及び第２蒸発器が順次配管接続された第２冷媒回路と、
を備え、
前記第１冷媒回路の前記第１蒸発器と前記第２冷媒回路の第２凝縮器とでカスケードコンデンサーを構成する冷凍装置であって、
前記第２冷媒回路の前記第２凝縮器と前記第２減圧装置との間に接続され、余剰な冷媒を貯留するレシーバーと、
前記第２冷媒回路の前記第２圧縮機に接続され、前記第２圧縮機の余剰な冷凍機油を貯留して前記第２圧縮機内の冷凍機油の量を調整するタンクと、
前記レシーバーと前記タンクとを接続するバイパス回路と、
前記バイパス回路に設けられ、前記第２冷媒回路の高圧圧力が所定圧力以上になると前記バイパス回路を開き、前記第２冷媒回路の高圧圧力が前記所定圧力よりも小さくなると前記バイパス回路を閉じる第１開閉弁と、
を備えたことを特徴とする冷凍装置。
【請求項２】
前記第２圧縮機を複数備え、
前記タンクは、少なくとも２つの前記第２圧縮機に接続され、これら前記第２圧縮機内の冷凍機油の量を調整することを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
【請求項３】
前記第２蒸発器の流出口と前記タンクとを接続し、
前記タンクにおける前記冷凍機油よりも上方となる位置と前記第２圧縮機の吸入口とを接続し、
前記タンクをアキュムレーターとしても使用することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の冷凍装置。
【請求項４】
前記第２圧縮機と前記第２凝縮器との間に設けられた油分離器を備え、
該油分離器の油戻し配管が、前記タンク又は前記圧縮機の吸入側の配管に接続されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の冷凍装置。
【請求項５】
前記第１開閉弁は、前記第２冷媒回路の高圧圧力に基づいて機械的に開閉する開閉弁であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の冷凍装置。
【請求項６】
前記レシーバーと前記第２減圧装置との間に、両者の間の回路を開閉する第２開閉弁を備えたことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍装置に関し、特に、第１冷媒回路及び第２冷媒回路を備え、第１冷媒回路の蒸発器と第２冷媒回路の凝縮器とでカスケードコンデンサーを構成した二元冷凍装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の冷凍機として、第１冷媒回路及び第２冷媒回路を備え、第１冷媒回路の蒸発器と第２冷媒回路の凝縮器とでカスケードコンデンサーを構成した二元冷凍装置が提案されている。このような従来の二元冷凍装置には、第２冷媒回路に、「圧縮機２０の吸込側の配管２０Ｓにキャピラリーチューブ６６を介して接続された膨張タンク６５を備え、キャピラリーチューブ６６に並列に逆止弁６７を接続し、膨張タンク６５の方向を逆止弁の順方向とした。」という構成を備えたものも提案されている（特許文献１参照）。
このような冷凍装置は、通常、第２冷媒回路の圧縮機停止時に第２冷媒回路内の冷媒を逆止弁を介して膨張タンクに迅速に回収することによって、第２冷媒回路内の圧力上昇の防止を図っている。また、このような冷凍装置は、第２冷媒回路の圧縮機の起動後に減圧装置を介して徐々に膨張タンクから第２冷媒回路中に冷媒を戻すことで、第２冷媒回路の圧縮機の起動負荷の軽減を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３０３７９２号（要約、図６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
二元冷凍装置において、第２冷媒回路の周囲温度が運転時における第２冷媒回路の高圧圧力側の飽和温度（高圧側の回路部分を流れる冷媒の飽和温度）より高い場合、第２冷媒回路の圧縮機が停止すると、第２冷媒回路内の圧力は周囲温度に相当する圧力まで上昇することになる。このような場合、従来の二元冷凍装置は、上述のように第２冷媒回路内の冷媒を膨張タンクに回収し、第２冷媒回路内の圧力上昇の防止を図っている。【０００５】
ここで、運転中の二元冷凍装置の第２冷媒回路においては、低圧圧力側の回路部分（減圧装置から圧縮機の吸入口までの回路部分）に比べ、高圧圧力側の回路部分（圧縮機の吐出口から減圧装置までの回路部分）の方が冷媒密度が大きい。このため、第２冷媒回路の圧縮機が停止した際、高圧圧力側の回路部分が低圧側の回路部分よりも圧力が高くなる。しかしながら、従来の二元冷凍装置は、第２冷媒回路の圧縮機の吸入側の配管、つまり、第２冷媒回路の低圧側の回路部分に膨張タンクを接続している。このため、従来の二元冷凍装置は、第２冷媒回路の圧縮機が停止した際、第２冷媒回路の高圧側の回路部分において圧力の異常上昇を回避できない場合があるという問題点があった。【０００６】
なお、第２冷媒回路の蒸発器の上流側に、第２冷媒回路の圧縮機が停止した際に蒸発器へ冷媒が流れることを防止する開閉弁（高圧側の回路部分と低圧側の回路部分を遮断する開閉弁）を設ける場合がある。このような開閉弁を設けている場合、第２冷媒回路の高圧側の回路部分から低圧側の回路部分へ冷媒が流れ込む流路がさらに減少するため、第２冷媒回路の高圧側の回路部分において圧力の異常上昇を回避できない場合があるという上記の問題点はさらに顕著となる。【０００７】
また、二元冷凍装置では、第２冷媒回路の圧縮機が停止した場合でも、第１冷媒回路を運転させて第２冷媒回路を冷却することによって、第２冷媒回路の異常圧力上昇を回避できる。このため、停電等が発生して第１冷媒回路を運転することができない場合を除き、膨張タンクはその機能を果たすことがない。したがって、従来の二元冷凍装置は、使用するかどうかがわからない膨張タンクを備えているため、二元冷凍装置のコストがアップしてしまうという問題点があった。【０００８】
本発明は、上述のような課題のうちの少なくとも１つを解決するものであり、第２冷媒回路の圧縮機が停止した際、第２冷媒回路の高圧側の回路部分において圧力の異常上昇が発生することを防止でき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】
【０００９】
本発明に係る冷凍装置は、第１圧縮機、第１凝縮器、第１減圧装置及び第１蒸発器が順次配管接続された第１冷媒回路と、第２圧縮機、第２凝縮器、第２減圧装置及び第２蒸発器が順次配管接続された第２冷媒回路と、を備え、前記第１冷媒回路の前記第１蒸発器と前記第２冷媒回路の前記第２凝縮器とでカスケードコンデンサーを構成する冷凍装置であって、前記第２冷媒回路の前記第２凝縮器と前記第２減圧装置との間に接続され、余剰な冷媒を貯留するレシーバーと、前記第２冷媒回路の前記第２圧縮機に接続され、前記第２圧縮機の余剰な冷凍機油を貯留して前記第２圧縮機内の冷凍機油の量を調整するタンクと、前記レシーバーと前記タンクとを接続するバイパス回路と、前記バイパス回路に設けられ、前記第２冷媒回路の高圧圧力が所定圧力以上になると前記バイパス回路を開き、前記第２冷媒回路の高圧圧力が前記所定圧力よりも小さくなると前記バイパス回路を閉じる第１開閉弁と、を備えたものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る冷凍装置においては、第２冷媒回路の第２圧縮機が停止し、第２冷媒回路の高圧圧力が所定圧力以上になった際、高圧側の回路部分に設けられたレシーバーから、バイパス回路及び第１開閉弁を介して、第２冷媒回路内の冷媒をタンク内に貯留する。このため、本発明に係る冷凍装置は、第２冷媒回路の第２圧縮機が停止した際、第２冷媒回路の高圧側の回路部分において圧力の異常上昇が発生することを防止できる。【００１１】
また、本発明に係る冷凍装置においては、従来の冷凍装置の膨張タンクとして機能するタンクは、第２冷媒回路の運転中、第２圧縮機の油タンクとしても機能する。このため、本発明に係る冷凍装置は、冷凍機油の枯渇によって第２圧縮機が故障してしまうことも防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１に係る冷凍装置の構成を示す冷媒回路図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る冷凍装置の動作状態を示すモリエル線図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る第２冷媒の冷媒密度と冷媒温度と冷媒圧力との関係を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る冷凍装置における第２冷媒回路の各構成要素の内容積、これら各構成要素に蓄えられる冷媒量（第２冷媒の量）、第２冷媒回路内の冷媒密度、及び冷媒圧力の関係を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る第２冷媒回路のタンク近傍を示す冷媒回路図である。
【図６】本発明の実施の形態２に係る冷凍装置の構成を示す冷媒回路図である。
【図７】本発明の実施の形態３に係る冷凍装置の構成を示す冷媒回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る冷凍装置の構成を示す冷媒回路図である。
図１に示すように、本実施の形態１に係る冷凍装置１００は、二元冷凍装置であり、第１冷媒回路５０と第２冷媒回路６０とを備えている。
【００１４】
第１冷媒回路５０は、第１冷媒が循環する冷媒回路であり、第１圧縮機１、第１凝縮器２、第１膨張弁３及び第１蒸発器４が順次配管接続されて構成されている。第１圧縮機１は、低圧で気相状態の第１冷媒を吸入し、高圧の気相状態に圧縮するものである。第１凝縮器２は、第１圧縮機１で高圧の気相状態に圧縮された第１冷媒を、空気等の熱交換対象と熱交換させ、高圧の液相状態に凝縮させるものである。第１膨張弁３は、第１凝縮器２で高圧の液相状態に凝縮された第１冷媒を膨張・減圧して低圧の気液二相状態にするものである。第１蒸発器４は、第１膨張弁３で低圧の気液二相状態に膨張・減圧した第１冷媒を、第２冷媒回路６０の第２凝縮器７を流れる第２冷媒と熱交換させ、低圧の気相状態に蒸発させるものである。つまり、本実施の形態１に係る冷凍装置１００は、第１冷媒回路５０の第１蒸発器４と第２冷媒回路６０の第２凝縮器７とで、カスケードコンデンサー１５を構成している。
ここで、第１膨張弁３が、本発明の第１減圧装置に相当する。第１減圧装置として、キャピラリーチューブ等を用いてもよい。なお、上記の第１冷媒回路５０の説明に用いた「高圧」及び「低圧」、並びに、以下の第１冷媒回路５０の説明に用いる「高圧」及び「低圧」は、第１冷媒回路５０内における第１冷媒の相対的な圧力を示したものであり、第１冷媒の絶対的な圧力を示したものではない。
【００１５】
第２冷媒回路６０は、第２冷媒が循環する冷媒回路であり、第２圧縮機５、第２凝縮器７、第２膨張弁１０及び第２蒸発器１１が順次配管接続されて構成されている。第２圧縮機５は、低圧で気相状態の第２冷媒を吸入し、高圧の気相状態に圧縮するものである。第２凝縮器７は、第２圧縮機５で高圧の気相状態に圧縮された第２冷媒を、第１冷媒回路５０の第１蒸発器４を流れる第１冷媒と熱交換させ、高圧の液相状態又は気液二相状態に凝縮させるものである。第２膨張弁１０は、第２凝縮器７で高圧の液相状態又は気液二相状態に凝縮された第２冷媒を膨張・減圧して低圧の気液二相状態にするものである。第２蒸発器１１は、第２膨張弁１０で低圧の気液二相状態に膨張・減圧した第２冷媒を、空気等の熱交換対象と熱交換させ、低圧の気相状態に蒸発させるものである。
ここで、第２膨張弁１０が、本発明の第２減圧装置に相当する。第２減圧装置として、キャピラリーチューブ等を用いてもよい。なお、上記の第２冷媒回路６０の説明に用いた「高圧」及び「低圧」、並びに、以下の第２冷媒回路６０の説明に用いる「高圧」及び「低圧」は、第２冷媒回路６０内における第２冷媒の相対的な圧力を示したものであり、第２冷媒の絶対的な圧力を示したものではない。
【００１６】
また、本実施の形態１に係る第２冷媒回路６０には、油分離器６、レシーバー８、開閉弁９、アキュムレーター１２、バイパス回路１３、バイパス弁１３ａ及びタンク１４も設けられている。
【００１７】
油分離器６は、第２圧縮機５と第２凝縮器７との間に設けられるものであり、第２圧縮機５から吐出された第２冷媒に混入した冷凍機油を分離するものである。この油分離器６には、油戻し配管６ａが設けられている。この油戻し配管６ａは第２圧縮機５の吸入側に接続されており、油分離器６で分離された冷凍機油は第２圧縮機５の吸入側に戻される構造となっている。レシーバー８は、第２凝縮器７と第２膨張弁１０との間に設けられ、余剰な第２冷媒を貯留するものである。また、レシーバー８は、第２凝縮器７から気液二相状態の第２冷媒が流出した際、当該第２冷媒を気相状態の第２冷媒と液相状態の第２冷媒とに分離し、液相状態の第２冷媒を第２膨張弁１０へ供給する機能も果たす。
【００１８】
開閉弁９は、レシーバー８と第２膨張弁１０との間に設けられ、両者の間の回路を開閉するものである。つまり、開閉弁９は、第２蒸発器１１に第２冷媒が流入することを防止するものである。換言すると、開閉弁９は、第２冷媒回路６０の高圧側の回路部分（第２圧縮機５の吐出口から第２膨張弁１０までの回路部分）と低圧側の回路部分（第２膨張弁１０から第２圧縮機５の吸入口までの回路部分）とを遮断するものである。
ここで、開閉弁９が、本発明の第２開閉弁に相当する。
【００１９】
アキュムレーター１２は、第２蒸発器１１と第２圧縮機５との間に設けられるものである。このアキュムレーター１２は、第２蒸発器１１から流出した第２冷媒を気相状態の第２冷媒と液相状態の第２冷媒とに分離し、気相状態の第２冷媒を第２圧縮機５に吸入させ、第２圧縮機５での液バックの発生を防止する。また、アキュムレーター１２は、余剰な第２冷媒を貯留する機能も果たす。なお、本実施の形態１に係る第２冷媒回路６０は、余剰な第２冷媒を貯留する機能を果たす構成として、レシーバー８も備えている。このため、第２圧縮機５で液バックが発生する懸念が無い場合、アキュムレーター１２を設けなくてもよい。
【００２０】
タンク１４は、従来の冷凍装置（より詳しくは二元冷凍装置）の膨張タンクと同様の機能を果たすものである。このタンク１４は、バイパス回路１３によってレシーバー８と接続されている。つまり、本実施の形態１に係る冷凍装置１００は、第２冷媒回路６０の高圧側の回路部分に膨張タンクとして機能するタンク１４が接続された構成となっている。また、バイパス回路１３には、バイパス回路１３を開閉するバイパス弁１３ａが設けられている。このバイパス弁１３ａは、通常の運転時には閉状態（バイパス回路１３を閉じた状態）になっている。また、このバイパス弁１３ａは、第２圧縮機５が停止し、第２冷媒回路６０の高圧側の圧力が所定圧力以上になった際、開状態（バイパス回路１３を開いた状態）にするものである。つまり、本実施の形態１に係る冷凍装置１００は、第２冷媒回路６０の高圧側の圧力が所定圧力以上になった際、第２冷媒回路６０の第２冷媒をタンク１４に貯留する構成となっている。
ここで、バイパス弁１３ａが、本発明の第１開閉弁に相当する。
なお、所定圧力とは、例えば、通常の運転時に想定される高圧圧力（第２冷媒回路６０の高圧側の回路部分の圧力）よりも高い圧力であり、第２冷媒回路６０の故障を防止するために設定された許容圧力よりも低い圧力である。また、第２冷媒回路６０の高圧圧力は、例えば、第２冷媒回路６０の高圧側の回路部分に設けられた図示せぬ圧力センサーによって検出される。
【００２１】
上記のように構成された冷凍装置１００は、次のように動作する。
【００２２】
図２は、本発明の実施の形態１に係る冷凍装置の動作状態を示すモリエル線図である。
まず、第１冷媒回路５０の動作について説明する。第１冷媒回路５０においては低圧で気相状態の第１冷媒（点Ａ）は、第１圧縮機１に吸入されて圧縮され、第１冷媒回路５０においては高圧の気相状態（点Ｂ）となり、第１圧縮機１から吐出される。第１圧縮機１から吐出された第１冷媒（点Ｂ）は、第１凝縮器２に流入し、空気等の熱交換対象によって冷却されて凝縮し（換言すると、空気等の熱交換対象を加熱し）、第１冷媒回路５０においては高圧で液状態の第１冷媒（点Ｃ）となる。この第１冷媒は、第１凝縮器２から流出した後に第１膨張弁３に流入し、減圧・膨張して、第１冷媒回路５０では低圧の気液二相冷媒（点Ｄ）となる。そして、第１膨張弁３から流出した第１冷媒は、第１蒸発器４（つまり、カスケードコンデンサー１５）に流入し、第２冷媒回路６０の第２凝縮器７を流れる第２冷媒に加熱されて蒸発し（換言すると、第２冷媒回路６０の第２凝縮器７を流れる第２冷媒を冷却し）、第１冷媒回路５０においては低圧で気相状態の第１冷媒（点Ａ）となる。その後、この第１冷媒は、再び第１圧縮機１に吸入される。第１冷媒回路５０は、このような動作を繰り返す。
【００２３】
続いて、第２冷媒回路６０の動作について説明する。第２冷媒回路６０においては低圧で気相状態の第２冷媒（点Ｅ）は、第２圧縮機５に吸入されて圧縮され、第２冷媒回路６０においては高圧の気相状態（点Ｆ）となり、第２圧縮機５から吐出される。第２圧縮機５から吐出された第２冷媒（点Ｆ）は、油分離器６で冷凍機油が分離された後、第２凝縮器７（つまり、カスケードコンデンサー１５）に流入し、第１冷媒回路５０の第１蒸発器４を流れる第１冷媒に冷却されて凝縮し（換言すると、第１冷媒回路５０の第１蒸発器４を流れる第１冷媒を加熱し）、第２冷媒回路６０においては高圧で液状態の第２冷媒（点Ｇ）となる。この第２冷媒は、第２凝縮器７から流出した後、レシーバー８及び開閉弁９を介して第２膨張弁１０に流入し、減圧・膨張して、第２冷媒回路６０では低圧の気液二相冷媒（点Ｈ）となる。そして、第２膨張弁１０から流出した第２冷媒は、空気等の加熱対象に加熱されて蒸発し（換言すると、空気等の熱交換対象を冷却し）、第２冷媒回路６０においては低圧で気相状態の第１冷媒（点Ｅ）となる。その後、この第２冷媒は、アキュムレーター１２を通った後、再び第２圧縮機５に吸入される。第２冷媒回路６０は、このような動作を繰り返す。
【００２４】
上記のように動作する冷凍装置１００において、第２冷媒回路６０の第２蒸発器１１を利用側熱交換器として用いる場合、つまり、例えば被冷却物が保管された保管空間内の空気を第２蒸発器１１で冷却する場合、第２蒸発器１１で発揮される能力は、点Ｈから点Ｅのエンタルピー差と第２蒸発器１１を流れる第２冷媒の量との積になる。また、本実施の形態１に係る冷凍装置１００では、第２蒸発器１１の冷却が必要な場合、開閉弁９を開状態にして第２冷媒が第２蒸発器１１に流れるようにし、第２圧縮機５を運転させる。そして、第１冷媒回路も同様に運転させる。また、第２蒸発器１１の冷却が不要となった場合、開閉弁９を閉状態にして第２冷媒の流れを止めると共に第２圧縮機５を停止させ、第１冷媒回路も同様に停止させるようにしている。
【００２５】
ここで、第２冷媒回路６０の周囲温度が運転時における第２冷媒回路６０の高圧圧力側の飽和温度（高圧側の回路部分を流れる第２冷媒の飽和温度）より高い場合、第２冷媒回路６０の第２圧縮機５が停止すると、第２冷媒回路６０内の圧力は周囲温度に相当する圧力まで上昇することになる。
例えば、本実施の形態１に係る冷凍装置１００では、第２冷媒としてＣＯ２冷媒の使用を想定している。そして、第２冷媒回路６０の運転中の高圧圧力側の飽和温度がＣＯ２冷媒の臨界温度（３１．１［℃］）より低い温度となるように運転することを想定している。このような場合、停止時における第２冷媒回路６０内の圧力は図３に示すようになる。
【００２６】
図３は、本発明の実施の形態１に係る第２冷媒の冷媒密度と冷媒温度と冷媒圧力との関係を示す図である。なお、この図３は、横軸に第２冷媒の温度を示し、縦軸に第２冷媒の圧力を示している。また、図３に示す「１５０」，「２３０」，「２６０」，「３５０」，「４００」，「４５０」，「５００」，「５５０」の直線は、それぞれ、第２冷媒の冷媒密度（冷媒量［ｋｇ］）／容積［ｍ３］）が１５０［ｋｇ／ｍ３］，２３０［ｋｇ／ｍ３］，２６０［ｋｇ／ｍ３］，３５０［ｋｇ／ｍ３］，４００［ｋｇ／ｍ３］，４５０［ｋｇ／ｍ３］，５００［ｋｇ／ｍ３］，５５０［ｋｇ／ｍ３］のときの冷媒温度と圧力との関係を表している。
【００２７】
図３に示すように、第２冷媒の温度が高くなるほど、第２冷媒の圧力が高くなっている。また、第２冷媒の冷媒密度が高くなるほど、第２冷媒の圧力が高くなっている。例えば、第２冷媒の冷媒密度が約３５０［ｋｇ／ｍ３］で温度が６０［℃］の場合、第２冷媒の圧力は１０．８９４［ＭＰａ］となる。
【００２８】
このため、本実施の形態１では、第２冷媒回路６０が停止し、第２冷媒回路６０の周囲温度が上昇し、第２冷媒回路６０内の圧力が上昇した場合でも、第２冷媒回路６０内の圧力が許容圧力以下となるように、タンク１４の内容積を決定している。
【００２９】
図４は、本発明の実施の形態１に係る冷凍装置における第２冷媒回路の各構成要素の内容積、これら各構成要素に蓄えられる冷媒量（第２冷媒の量）、第２冷媒回路内の冷媒密度、及び冷媒圧力の関係を示す図である。この図４に示す第２冷媒回路６０の各構成要素の内容積は、１０馬力（［Ｈｐ］＝×７４５．７［Ｗ］）相当の第２冷媒回路６０を想定した場合のものである。また、この図４に示す第２冷媒回路６０の各構成要素に蓄えられる冷媒量は、この１０馬力相当の第２冷媒回路６０の運転中に、各構成要素に蓄えられる冷媒量を示している。ここで、図４に示す「吐出配管」は、第２圧縮機５の吐出口から第２凝縮器へ至るまでの配管である。また、「液管」は、第２凝縮器７から第２膨張弁１０へ至るまでの配管である。また、「吸入管」は、第２蒸発器１１から第２圧縮機５の吸入口へ至るまでの配管である。なお、第２膨張弁１０から第２蒸発器１１へ至るまでの配管は、短く内容積及び冷媒貯留量が小さいので、図４での記載を省略している。
また、
【００３０】
図４に示す第２冷媒回路６０の場合、第２冷媒回路６０の内容積合計は０．０８４［ｍ３］であり、冷媒量は１９．３６［ｋｇ］となるため、冷媒密度は２３０．６［ｋｇ／ｍ３］となる。この冷媒密度において周囲温度が４３［℃］となった場合、第２冷媒回路６０内の圧力は、図２より約７．６９６［ＭＰａ］となる。このとき、第２冷媒回路６０内の圧力を許容圧力（６．２＋α［ＭＰａ］）よりも小さい冷媒圧力である６．２［ＭＰａ］以下程度にしようとすると、第２冷媒回路６０内の冷媒密度を１５０［ｋｇ／ｍ３］以下にする必要がある。つまり、第２冷媒回路６０内の第２冷媒の量が変わらないとすると（第２冷媒の量１９．３６［ｋｇ］を固定値とすると）、第２冷媒回路６０の必要内容積は０．１２９１［ｍ３］となる。つまり、タンク１４は、０．０４５１［ｍ３］（＝０．１２９１−０．０８４）の内容積が必要となる。
【００３１】
なお、従来の冷凍装置（二元冷凍装置）の膨張タンクも、上記と同様に内容積が決定されている。
【００３２】
ここで、図４にも示すように、運転中の第２冷媒回路６０においては、低圧圧力側の回路部分に比べ、高圧圧力側の回路部分の方が冷媒密度が大きくなっている。このため、第２冷媒回路６０の第２圧縮機５が停止し、第２冷媒回路６０内の第２冷媒が周囲温度相当まで上昇した場合、高圧圧力側の回路部分が低圧側の回路部分よりも圧力が高くなる。これは高圧側の第２凝縮器７（カスケードコンデンサー１５）出口から第２膨張弁１０の間は液相状態の第２冷媒が多いことにより冷媒密度が高く、低圧側の第２蒸発器１１出口から第２圧縮機５の間は気相状態の第２冷媒が多いことにより冷媒密度が低いためである。このため、低圧側の回路部分から膨張タンク内へ冷媒を導く従来の冷凍装置においては、第２冷媒回路６０の高圧圧力側の回路部分が、第２冷媒回路の許容圧力より高くなってしまう場合があった。特に、本実施の形態１のようにレシーバー８と第２膨張弁１０との間の回路を開閉する開閉弁９を設けている場合、開閉弁９が閉状態のときに第２圧縮機５が停止すると、第２冷媒回路６０の高圧側の回路部分から低圧側の回路部分へ第２冷媒が流れ込む流路がさらに減少するため、第２冷媒回路６０の高圧側の回路部分において圧力の異常上昇を回避できない場合があるという上記の問題点はさらに顕著となる。
【００３３】
このため、本実施の形態１に係る第２冷媒回路６０は、バイパス回路１３及びバイパス弁１３ａを介して、膨張タンクとして機能するタンク１４を高圧側の回路部分に配置されたレシーバー８と接続した構成としている。そして、第２冷媒回路６０の高圧部分が所定圧力以上となった際、バイパス弁１３ａを開いて、高圧側の第２冷媒を低圧側のタンク１４に流し高圧側の圧力を下げるようにしている。
【００３４】
なお、電源が供給されている通常運転での第２圧縮機５の停止であれば、開閉弁９を開とすることにより高圧側の冷媒を低圧側に流し高圧側の圧力を下げたり、第１冷媒回路５０を運転させることによって第２冷媒回路６０の高圧を冷却し圧力を下げることも可能である。このため、バイパス弁１３ａは、停電時のように開閉弁９及び第１冷媒回路５０を動作させられない環境でも動作するものが好ましい。したがって、バイパス弁１３ａは、第２冷媒回路６０の高圧圧力に基づいて機械的に開閉する開閉弁であることが好ましい。
【００３５】
このようにタンク１４は、膨張タンクとして機能する。つまり、タンク１４は、第２冷媒回路６０の運転が停止した場合の回路内圧力を許容圧力以下に抑えることを目的としている。しかしながら、例えば停電により第２冷媒回路６０が停止して冷媒回路内の圧力を下げることにタンク１４を利用する頻度は少ない。
【００３６】
そこで、本実施の形態１では、膨張タンクとして機能するタンク１４を、通常運転中は油タンクとして用いている。
【００３７】
図５は、本発明の実施の形態１に係る第２冷媒回路のタンク近傍を示す冷媒回路図である。
図５に示すように、第２圧縮機５とタンク１４とは、例えば同一の底面部に配置され、第２圧縮機５とタンク１４の底面が同じ高さになっている。そして、タンク１４内には、冷凍機油１８が貯留されている。また、第２圧縮機５とタンク１４とは、２本の配管１７にて接続されている。詳しくは、１本の配管１７は、それぞれの底面の近くで第２圧縮機５及びタンク１４の冷凍機油１８が存在するところ（例えば底面付近）を接続している。また、もう１本は、第２圧縮機５及びタンク１４の冷凍機油１８が存在しないところ（例えばタンク１４の上面側等、気相状態の第２冷媒で満たされる場所）を接続している。
また、図１に示すように、このタンク１４には油分離器６の油戻し配管６ａも接続されており、油分離器６で分離された冷凍機油１８をタンク１４内に返す構成となっている。
【００３８】
このように第２圧縮機５とタンク１４と接続することによって、第２圧縮機５内の油面（冷凍機油１８の上面部）とタンク１４内の油面を同じ高さにすることができる。このため、第２圧縮機５内の冷凍機油が減少した場合はタンク１４から冷凍機油が補充され、第２圧縮機５内の冷凍機油１８が増加した場合（余剰な冷凍機油１８が発生した場合）はタンク１４へ冷凍機油１８が排出されることによって、第２圧縮機５内の冷凍機油１８の量の変動を調整することができ、第２圧縮機５の油枯渇や油量増加による油圧縮を回避することができる。
【００３９】
なお、第２冷媒回路６０の運転条件及び構成等によっては、第２冷媒回路６０の運転中、第２圧縮機５以外の構成に貯留される冷凍機油１８の量、つまり、配管部分（吐出配管、液管、及び吸入管等）、油分離器６、第２凝縮器７、レシーバー８、第２蒸発器１１及びアキュムレーター１２に貯留される冷凍機油１８の量は、最大で、第２圧縮機５に貯留可能な冷凍機油の量と同程度になる場合がある。例えば、図４で示した１０馬力（［Ｈｐ］＝×７４５．７［Ｗ］）相当の第２冷媒回路６０の例では、第２圧縮機５に貯留可能な冷凍機油の量は約３［Ｌ］となる。この場合、第２冷媒回路６０の運転条件等によっては、第２圧縮機５以外の構成に貯留される冷凍機油１８の量は、最大で、約３［Ｌ］になる場合がある。このため、第２圧縮機５で油枯渇が発生することを確実に防止するには、タンク１４に貯留できる冷凍機油１８の量は、第２圧縮機５が貯留可能な冷凍機油１８の量の２倍以上としておくことが好ましい。また、第２圧縮機５とタンク１４の底面の高さは必ずしも同じにする必要はなく、第２圧縮機５の運転時の狙いの油量に対して、タンク１４はその容積・形状・保有油量に応じた底面の高さとしてよい。また、図１では第２冷媒回路６０の油分離器６にて分離した冷凍機油をタンク１４へ返す回路としているが、油分離器６の油戻し配管６ａの接続先は、第２圧縮機５の吸入側であればタンク１４に限定されるものではない。
【００４０】
以上、本実施の形態１のように構成された冷凍装置１００においては、第２冷媒回路６０の第２圧縮機５が停止し、第２冷媒回路６０の高圧圧力が所定圧力以上になった際、高圧側の回路部分に設けられたレシーバー８から、バイパス回路１３及びバイパス弁１３ａを介して、第２冷媒回路６０内の第２冷媒をタンク１４内に貯留する。このため、本実施の形態１のように構成された冷凍装置１００においては、第２冷媒回路６０の第２圧縮機５が停止した際、第２冷媒回路６０の高圧側の回路部分において圧力の異常上昇が発生することを防止できる。
【００４１】
また、本実施の形態１のように構成された冷凍装置１００においては、従来の冷凍装置の膨張タンクとして機能するタンク１４は、第２冷媒回路６０の運転中、第２圧縮機５の油タンクとしても機能する。このため、本実施の形態１のように構成された冷凍装置１００においては、冷凍機油１８の枯渇等によって第２圧縮機５が故障してしまうことも防止できる。
【００４２】
実施の形態２．
実施の形態１では、第２冷媒回路６０に１台の第２圧縮機５を備えた冷凍装置１００について説明したが、第２冷媒回路６０に複数台の第２圧縮機５を備える構成としてもよい。このような場合、タンク１４を以下のような構成にすることにより、冷凍装置１００のコストアップを抑制することも可能となる。なお、本実施の形態２で特に記述しない構成については実施の形態１と同様とし、同一の機能や構成については同一の符号を用いて述べることとする。
【００４３】
図６は、本発明の実施の形態２に係る冷凍装置の構成を示す冷媒回路図である。
本実施の形態２に係る冷凍装置１００は、実施の形態１と異なり、第２冷媒回路６０に２台の第２圧縮機５を備えている。そして、これら２台の第２圧縮機５のそれぞれは、配管１７を介して１つのタンク１４に接続されている。
【００４４】
本実施の形態２のように冷凍装置１００を構成することにより、実施の形態１と同じ効果を得ることができる。
また、本実施の形態２のように冷凍装置１００を構成することにより、第２圧縮機５の台数よりも少ない個数のタンク１４で冷凍装置を構成することができるので、冷凍装置１００のコストアップを抑制することもできる。
【００４５】
なお、本実施の形態２では２台の第２圧縮機５を備えた冷凍装置１００について説明したが、３台以上の第２圧縮機５を備えた冷凍装置１００としても勿論よい。この場合、全ての第２圧縮機５を１つのタンク１４に接続してもよいし、タンク１４を複数設けて、これらタンク１４のそれぞれに複数の第２圧縮機５を接続してもよい。また、タンク１４を複数設ける場合、そのうちの一部のタンク１４が１台の第２圧縮機５に接続される構成になっていても勿論よい。
【００４６】
実施の形態３．
第２冷媒回路６０にアキュムレーターの機能を持たせる場合、実施の形態１及び実施の形態２で示したタンク１４を以下に示すタンク１６のような構成にしてもよい。なお、本実施の形態３で特に記述しない構成については実施の形態１又は実施の形態２と同様とし、同一の機能や構成については同一の符号を用いて述べることとする。
【００４７】
図７は、本発明の実施の形態３に係る冷凍装置の構成を示す冷媒回路図である。
本実施の形態３に係るタンク１６は、実施の形態１及び実施の形態２と同様に、配管１７を介して第２圧縮機５と接続されており、バイパス回路１３及びバイパス弁１３ａを介してレシーバー８と接続されている。
【００４８】
さらに、本実施の形態３に係るタンク１６は、冷媒配管を介して、第２蒸発器１１及び第２圧縮機５の吸入口とも接続されている。これにより、本実施の形態３に係るタンク１６は、第２蒸発器１１から流出した第２冷媒を気相状態の第２冷媒と液相状態の第２冷媒とに分離し、気相状態の第２冷媒を第２圧縮機５に吸入させ、第２圧縮機５での液バックの発生を防止することができる。
つまり、本実施の形態３に係るタンク１６は、実施の形態１及び実施の形態２で示したタンク１４の機能に加え、実施の形態１及び実施の形態２で示したアキュムレーター１２の機能も兼ね備えた構成となっている。
【００４９】
本実施の形態３のように冷凍装置１００を構成することにより、実施の形態１及び実施の形態２と同じ効果を得ることができる。
また、本実施の形態３のように冷凍装置１００を構成することにより、タンク１６でアキュムレーターの機能を果たすことができるので、アキュムレーターを別途設ける必要がなく、冷凍装置１００のコストアップを抑制することもできる。
【符号の説明】
【００５０】
１  第１圧縮機、２  第１凝縮器、３  第１膨張弁、４  第１蒸発器、５  第２圧縮機、６  油分離器、６ａ  油戻し配管、７  第２凝縮機、８  レシーバー、９  開閉弁、１０  第２膨張弁、１１  第２蒸発器、１２  アキュムレーター、１３  バイパス回路、１３ａ  バイパス弁、１４  タンク、１５  カスケードコンデンサー、１６  タンク、１７  配管、１８  冷凍機油、５０  第１冷媒回路、６０  第２冷媒回路、１００  冷凍装置。
【図１】
2014045394.tif 000003
【図２】
2014045394.tif 000004
【図３】
2014045394.tif 000005
【図４】
2014045394.tif 000006
【図５】
2014045394.tif 000007
【図６】
2014045394.tif 000008
【図７】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年12月9日(2014.12.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１圧縮機、第１凝縮器、第１減圧装置及び第１蒸発器が順次配管接続された第１冷媒回路と、
第２圧縮機、第２凝縮器、第２減圧装置及び第２蒸発器が順次配管接続された第２冷媒回路と、
を備え、
前記第１冷媒回路の前記第１蒸発器と前記第２冷媒回路の第２凝縮器とでカスケードコンデンサーを構成する冷凍装置であって、
前記第２冷媒回路の前記第２凝縮器と前記第２減圧装置との間に接続され、余剰な冷媒を貯留するレシーバーと、
前記第２冷媒回路の前記第２圧縮機に接続され、前記第２圧縮機の余剰な冷凍機油を貯留して前記第２圧縮機内の冷凍機油の量を調整するタンクと、
前記レシーバーと前記タンクとを接続するバイパス回路と、
前記バイパス回路に設けられ、前記第２冷媒回路の高圧圧力が所定圧力以上になると前記バイパス回路を開き、前記第２冷媒回路の高圧圧力が前記所定圧力よりも小さくなると前記バイパス回路を閉じる第１開閉弁と、
を備えたことを特徴とする冷凍装置。
【請求項２】
前記第２圧縮機を複数備え、
前記タンクは、少なくとも２つの前記第２圧縮機に接続され、これら前記第２圧縮機内の冷凍機油の量を調整することを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
【請求項３】
前記第２蒸発器の流出口と前記タンクとを接続し、
前記タンクにおける前記冷凍機油よりも上方となる位置と前記第２圧縮機の吸入口とを接続し、
前記タンクをアキュムレーターとしても使用することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の冷凍装置。
【請求項４】
前記第２圧縮機と前記第２凝縮器との間に設けられた油分離器を備え、
該油分離器の油戻し配管が、前記タンク又は前記第２圧縮機の吸入側の配管に接続されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の冷凍装置。
【請求項５】
前記第１開閉弁は、前記第２冷媒回路の高圧圧力に基づいて機械的に開閉する開閉弁であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の冷凍装置。
【請求項６】
前記レシーバーと前記第２減圧装置との間に、両者の間の回路を開閉する第２開閉弁を備えたことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の冷凍装置。
【国際調査報告】
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2014045394.tif 000011
2014045394.tif 000012
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