(57)【要約】  吐出能力を変化させることができ、炭素二重結合を分子構造として有する高温側冷媒を吐出する高温側圧縮機１１、高温側凝縮器１２、高温側絞り装置１３及び高温側蒸発器１４を配管接続して、高温側冷媒を循環させる冷媒回路を形成する高温側循環回路１０と、二酸化炭素を含む低温側冷媒を吐出する低温側圧縮機２１、低温側凝縮器２２、低温側絞り装置２３及び低温側蒸発器２４を配管接続して、低温側冷媒を循環させる冷媒回路を形成する低温側循環回路２０と、高温側蒸発器１４と低温側凝縮器２２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３０と、圧力検知手段の検知に係る圧力に基づいて、高温側循環回路内の圧力が回路外の圧力に対して負圧にならないように高温側蒸発器１４における高温側冷媒の蒸発温度を制御する制御手段４０とを備える。
2013018148.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素多重結合を分子構造として有する高温側冷媒を吐出する、能力可変の高温側圧縮機、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冷媒循環回路を形成する高温側循環回路と、
二酸化炭素を含む低温側冷媒を吐出する低温側圧縮機、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、低温側冷媒を循環させる冷媒循環回路を形成する低温側循環回路と、
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、
前記高温側圧縮機の吸入側の圧力を検知する圧力検知手段と、
該圧力検知手段の検知に係る圧力に基づいて、前記高温側循環回路内の圧力が回路外の圧力に対して負圧にならないように、前記高温側蒸発器における前記高温側冷媒の蒸発温度を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】
前記低温側圧縮機と前記低温側凝縮器との間に、前記低温側冷媒が所定温度になるように冷却させる補助コンデンサをさらに備え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】
高温側凝縮器と高温側絞り装置との間の配管が一体となるように構成した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】
前記制御手段は、前記圧力検知手段の検知に係る圧力に基づいて、高温側圧縮機の運転周波数を制御して、前記高温側蒸発器における前記高温側冷媒の蒸発温度が所定温度以上となるように制御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】
前記制御手段は、最低の運転周波数で前記高温側圧縮機を起動させてから前記運転周波数を高めていくように駆動することを特徴とする請求項４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、冷凍装置に関するものである。特にＨＦＯ冷媒等を用いて行うための対応を図るようにしたものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、オゾン層破壊防止の観点から、冷媒循環（冷凍サイクル）を利用して、対象の冷却等を行う冷凍サイクル装置装置に封入する冷媒として、塩素を含まない冷媒への移行が行われた。ただ、これらの塩素を含まないＨＦＣ冷媒（例えばＲ４１０Ａ、Ｒ４０４Ａ等）は比較的温暖化係数が高いため、冷凍装置の外へ冷媒が漏れないように冷媒漏れ対策がとられたり、機器の廃棄時には冷媒回収義務が課せられている。しかしながら回収率が不充分であったり、使用時の冷媒漏れもあることから、地球温暖化係数（ＧＷＰ）の値が小さい冷媒へのさらなる移行が要望されている。ＧＷＰの値が小さい冷媒として、例えば、二酸化炭素などの自然冷媒、ＨＦＯ−１２３４ｙｆ（ハイドロフルオロオレフィン）、ＨＦＯ−１２３４ｚｅ（テトラフルオロプロペン）のようなＨＦＯ（オレフィン系フッ素化合物）系冷媒（以下、ＨＦＯ冷媒という）等が検討されている。【０００３】
例えば、従来、ＨＦＯ冷媒を使用した冷凍装置として、エジェクタと気液分離器とを備えるものがあった（例えば、特許文献１参照）。そして、気液分離器において分離したガス冷媒を圧縮機に戻し、気液分離器において分離した液冷媒を蒸発器において蒸発させた後、エジェクタに吸い込ませるものであった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２１３４号（第８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、ＨＦＯ冷媒は炭素の二重結合をもつ分子構造である。一般に炭素と炭素の二重結合や三重結合という官能基、言いかえるとアルケンやアルキンのような（不飽和炭化水素）は、さまざまな分子が付加反応するという特徴を持っている。このため、従来の多重結合を持たない冷媒に対して、炭素多重結合を持つ冷媒は、多重結合部が開裂しやすく、また、官能基が他の物質と反応しやすく化学的安定性が極端に劣る特性を有している。特に冷媒循環回路内にコンタミ（コンタミネーション）として混入した空気や水分との反応によって冷媒が分解されやすくなる。【０００６】
また、例えばＨＦＯ冷媒において、例えばＨＦＯ−１２３４ｙｆの大気圧における沸点は約−２９．４℃、ＨＦＯ−１２３４ｚｅの沸点は約−１９．０℃と他の冷媒と比べると高い。このため、冬期の外気温度が低いときなど、冷媒循環回路内において特に低圧側となる部分は、回路外の圧力に対して負圧になる可能性が高くなる。そして、冷媒配管に欠陥等がある場合には、冷媒循環回路内に空気、水分が混入するおそれが高くなり、欠陥部分から混入した空気が冷媒と反応して、冷媒の分解が促進され、冷媒循環回路内にスラッジ等が生成される可能性があった。【０００７】
また、ＨＦＯ冷媒は沸点が高いため、例えばＲ４０４Ａ等のＨＦＣ冷媒のように、蒸発温度が−４５℃〜−２０℃となるように制御し、低温域の冷却に利用することが難しくなる。このため、例えば冷凍食品を保管する用途等の冷凍装置における冷媒として使うことができなかった。【０００８】
そこで、引用文献１に記載した冷凍装置では、低圧側が負圧になる範囲を減らし、また低温域での使用を可能にして温度範囲を拡大するために、気液分離器とエジェクタとを備える。そして、気液分離器が分離した気相状態の冷媒を圧縮機に導き、液相の冷媒をエジェクタに吸引させるようにする。エジェクタにより冷媒循環回路における低圧側の圧力が高くなるようにすることで、冷媒循環回路内に空気、水等が混入するおそれを低減させ、蒸発温度を低くして冷却できる温度範囲を拡大できるようにした。【０００９】
しかし、エジェクタによる昇圧を行って約５〜１０Ｋ分程度である。一方、ＨＦＯ−１２３４ｙｆの沸点が約−２９．４℃であるため、たとえ１０Ｋ分の昇圧ができたとしても蒸発温度は約−３９．４℃となる。また、冷媒循環回路内の一部が負圧になる可能性が残っており、例えば、冷媒配管に欠陥等がある場合は、冷媒循環回路内に空気、水分等が入ることで、冷媒の分解等が懸念され、冷凍食品を保存するような低温域での使用が難しかった。【００１０】
また、エジェクタ内部で流速が大きく変化するため、効率を確保するためにはエジェクタ構造の精密な加工精度が要求される。このため、広範囲な冷凍能力を要求される分野については、さまざまな容量のエジェクタを開発しなければならず、開発期間、開発コスト等が負担となっていた。【００１１】
そこで、この発明は、ＧＷＰが低く、炭素多重結合の分子構造を有するＨＦＯ冷媒等を用いつつ、スラッジ等の発生を抑え、また、冷却温度帯域が広く、低温域の冷却に利用できるような冷凍装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明に係る冷凍装置は、吐出能力を変化させることができ、炭素二重結合を分子構造として有する高温側冷媒を吐出する高温側圧縮機、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冷媒循環回路を形成する高温側循環回路と、二酸化炭素を含む低温側冷媒を吐出する低温側圧縮機、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、低温側冷媒を循環させる冷媒循環回路を形成する低温側循環回路と、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、圧力検知手段の検知に係る圧力に基づいて、高温側循環回路内の圧力が回路外の圧力に対して負圧にならないように高温側蒸発器における高温側冷媒の蒸発温度を制御する制御手段とを備える。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、高温側循環回路を循環する高温側冷媒を炭素二重結合を分子構造として有する冷媒とし、低温側循環回路を循環する低温側冷媒を二酸化炭素冷媒とし、高温側蒸発器の蒸発温度が高温側冷媒の沸点以下とならないようにしたので、高温側循環回路内が負圧にならずにすみ、空気等が高温側循環回路内に流入するのを防ぐことができる。また、高温側循環回路の蒸発温度が高くても、低温側循環回路において低温域まで冷却することができ、冷却温度帯域の拡大をはかることができる。また、ＧＷＰが低く、効率がよい冷凍装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【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】高温側冷媒の蒸発温度と高温側循環回路１０における冷凍能力との関係を表す図である。
【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】この発明の実施の形態３における高温側凝縮器１２と高温側絞り装置１３との関係を表す図である。
【図５】各種方式の冷凍条件でのＣＯＰの比較である。
【図６】各種方式の冷凍条件でのＴＥＷＩ（総合等価温暖化因子）の比較である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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。ここでは、冷凍サイクル装置の一例として二段の冷媒循環回路で構成する二元冷凍措置について説明する。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、高温側循環回路１０と低温側循環回路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。そして、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。
【００１６】
図１において、高温側循環回路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た冷媒循環回路を構成している。一方、低温側循環回路２０は、低温側圧縮機２１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た冷媒循環回路を構成している。
【００１７】
ここで、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、例えば炭素２重結合を含む、ＨＦＯ−１２３４ｙｆ、ＨＦＯ−１２３４ｚｅ等のＨＦＯ（テトラフルオロプロペン）冷媒を用いるものとする。ここでは単一のＨＦＯ冷媒とするが、例えばＨＦＯ−１２３４ｙｆとＲ３２とを混合した混合冷媒を高温側冷媒としてもよい。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）として、二酸化炭素（ＣＯ２  ）を含む冷媒（二酸化炭素冷媒）を用いるものとする。
【００１８】
高温側循環回路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、本実施の形態の高温側圧縮機１１は、例えばインバータ回路等により運転周波数を制御し、高温側冷媒の吐出量を調整（能力可変）できるタイプの圧縮機である。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。
【００１９】
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を行うものとする。
【００２０】
一方、低温側循環回路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。また、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を行うものとする。
【００２１】
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、低温側絞り装置２３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。
【００２２】
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、冷却対象物等を直接又は間接に冷却する。
【００２３】
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。
【００２４】
制御手段４０は、高温側循環回路１０および低温側循環回路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。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、低温側絞り装置２３等の動作を制御する。特に本実施の形態では、高温側蒸発器１４の蒸発温度が目標蒸発温度以上となるように制御する。また、低圧圧力センサー４１は、高温側圧縮機１１の吸入側の圧力（低圧圧力）を検知する。
【００２５】
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、高温側循環回路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が吸入し、吐出する。
【００２６】
高温側循環回路１０では、上述したように高温側冷媒としてＨＦＯ冷媒を用いている。ＨＦＯ冷媒において、例えばＨＦＯ−１２３４ｚｅは、沸点が約−１９℃である。したがって、高温側蒸発器１４における高温側冷媒の蒸発温度が沸点より低い環境下における低圧側の配管等内は、配管外の圧力（大気圧）に対して負圧となる。そこで、高温側蒸発器１４の蒸発温度がＨＦＯ冷媒の沸点以下にならないようにする。このため、例えば、高温側蒸発器１４の目標蒸発温度を−１５℃に設定し、制御手段４０は、低圧圧力センサー４１の検知に係る圧力に基づいて、高温側蒸発器１４の蒸発温度が例えば−１５℃以上になるように高温側圧縮機１１の運転周波数を制御する。このような高温側冷媒の状態においては、冷媒循環回路（配管）内の圧力が、回路外の圧力に対して高いため、配管外から配管内に空気等の異物が侵入することを防ぎ、スラッジの発生を抑えることができる。
【００２７】
また、制御手段４０は、高温側圧縮機１１の起動時には、最低の運転周波数で起動させるようにし、高温側循環回路１０内における圧力差が小さい状態にして、低圧側における圧力が比較的高くなるようにする。そして、高温側蒸発器１４における高温側冷媒の蒸発温度が目標蒸発温度以上となる範囲で徐々に圧力を下げていく。起動時において、低圧側の圧力を急に下げないようにして、冷媒循環回路内が負圧にならないようにすることで、起動時においても空気等の異物が侵入することを防ぎ、スラッジの発生を抑えることができるようにすることができる。
【００２８】
一方、低温側循環回路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。吐出した冷媒は低温側凝縮器２２（カスケードコンデンサ３０）に流入する。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。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。そして低温側絞り装置２３は凝縮液化した低温側冷媒を減圧する。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。このとき、冷却対象は直接又は間接に冷却される。そして、低温側蒸発器２４を流出した低温側冷媒を低温側圧縮機２１が吸入し、吐出する。このように、ＨＦＯ冷媒を用いた高温側循環回路１０における蒸発温度が−１５℃以上であっても、低温側循環回路２０において、低温側蒸発器２４における冷媒の蒸発温度を例えば−４５℃等として低温域での冷却を行うことができる。
【００２９】
例えば、高温側循環回路１０の高温側蒸発器１４の蒸発温度について、低温側蒸発器２４における低温側冷媒の蒸発温度を、冷蔵用（例えば−１０℃）に設定して冷凍装置を運転する場合には、高温側蒸発器１４における高温側冷媒の蒸発温度は８〜１０℃程度になる。また、低温側蒸発器２４における低温側冷媒の蒸発温度を、冷凍用（例えば−４０℃）に設定して冷凍装置を運転する場合には、高温側蒸発器１４における高温側冷媒の蒸発温度は−１５〜−１０℃程度になる。このため、冷凍用に設定して運転する方が、高温側蒸発器１４における蒸発温度と例えばＨＦＯ−１２３４ｚｅの沸点（約−１９℃）との差が小さくなる。そこで、ここでは、冷凍用として運転を行う場合の制御等について説明する。
【００３０】
図２は高温側冷媒の蒸発温度と高温側循環回路１０における冷凍能力との関係を表す図である。図２では、高温側蒸発器１４における冷媒の蒸発温度を横軸とする。また、高温側圧縮機１１と高温側凝縮器１２との能力を組み合わせた冷凍能力を縦軸とする。
【００３１】
例えば、外気温度が３５℃（夏場）の場合に、目標の冷凍能力を得るため、高温側蒸発器１４における冷媒の蒸発温度が−１５℃となるように能力を設定したとする。図２に示すように、外気３５℃における冷凍能力線図Ａ１と高温側蒸発器１４の能力線図Ｂとの交点においては、蒸発温度−１５℃で冷凍能力Ｃ１で運転している。
【００３２】
一方、中間期、冬期等においては、高温側凝縮器１２の凝縮温度が下がる。このため、例えば外気が２０℃の場合における、高温側圧縮機１１と高温側凝縮器１２とを組み合わせた冷凍能力は、図２に示すように、外気３５℃の冷凍能力と比べて大きくなる（冷凍能力線図Ａ２）。このため、冷凍能力線図Ａ２と高温側蒸発器１４の能力線図Ｂとの交点においては、蒸発温度−１５℃より低い温度Ｄで冷凍能力Ｃ２で運転することになる。このとき、場合によってはＨＦＯ１２３４ｚｅの沸点を下回ることになる。このとき、例えば目標とする蒸発温度が−１５℃となるように高温側圧縮機１１の運転周波数を下げて冷凍能力を低下させる。これにより、高温側蒸発器１４の蒸発温度−１５℃を維持することができる。このとき、冷凍能力はＣ２からＣ１に落とすことになるが、目標の冷凍能力は夏場の３５℃を基準に選定しているため、冷凍能力不足になることはない。
【００３３】
以上のように、実施の形態１の冷凍装置によれば、高温側循環回路１０の高温側冷媒をＨＦＯ冷媒とし、低温側循環回路２０の低温側冷媒を二酸化炭素冷媒とする二元冷凍装置で構成し、高温側蒸発器１４の蒸発温度がＨＦＯ冷媒の沸点以下とならないようにしたので、高温側循環回路１０内が負圧にならずにすみ、空気等が高温側循環回路１０内に流入するのを防ぎ、スラッジの発生を抑えることができる。また、高温側循環回路１０の蒸発温度が高くても、低温側循環回路２０において低温域まで冷却することができ、冷却温度帯域の拡大をはかることができる。
【００３４】
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は、実施の形態１で説明した機器と同じ動作等を行う。
【００３５】
本実施の形態での冷凍装置は、低温側圧縮機２１と低温側凝縮器２２との間に補助コンデンサ（中間冷却器）２５を有している。補助コンデンサ２５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、所定温度に冷却して、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、補助コンデンサ２５では、低温側冷媒を凝縮液化できなくてもよく、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ことができればよい。ここで、送風機等には、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。
【００３６】
補助コンデンサ２５を設けることにより、カスケードコンデンサ３０（低温側凝縮器２２と高温側蒸発器１４）において高温側冷媒と低温側冷媒との熱交換に係る熱量（熱交換量）少なくすることができる。このため、高温側循環回路１０の高温側冷媒の量を少なくすることができる。
【００３７】
実施の形態３．
図４はこの発明の実施の形態３における高温側凝縮器１２と高温側絞り装置１３との関係を表す図である。ここでは、高温側凝縮器１２と高温側絞り装置１３との間の配管接続ができるだけ短くなるように配置等する。例えば、図４に示すように、熱交換器と絞り装置とを一体として構成する弁一体型熱交換器１６を用いてもよい。高温側凝縮器１２と高温側絞り装置１３とをこのような関係を有する配置をすることで、高温側循環回路１０内において高温側冷媒が液状の冷媒（液冷媒）となる部分の容積を極力少なくすることができる。液冷媒は冷媒密度が高いので、液冷媒として循環回路を流れる部分を少なくすることで、高温側循環回路１０内の冷媒量を少なくすることができる。
【００３８】
図５は低温域（冷凍領域）における冷媒の条件が異なる冷凍装置によるＣＯＰを表す図である。また、図６は低温域における冷媒の条件が異なる冷凍装置によるＴＥＷＩ（Total Equivalent Warming Impact ）を表す図である。図５及び図６では、１つの冷媒循環回路で構成する単段構成の冷媒装置においては、冷媒をＲ４０４Ａ（ＧＷＰ：３９２２。一般的な業務用冷却装置）、二酸化炭素（ＧＷＰ：１）とによりそれぞれ冷却運転を行った場合を表している。また、二元冷凍装置においては、高温側冷媒をＲ４０４Ａ、低温側冷媒を二酸化炭素としたもの、高温側冷媒をＨＦＯ−１２３４ｙｆ（ＧＷＰ：６）、低温側冷媒を二酸化炭素としたものによりそれぞれ冷却運転を行った場合を表している。
【００３９】
そして、図５については、Ｒ４０４Ａを冷媒とする単段構成の冷凍装置におけるＣＯＰを１００％として、他の冷凍装置の冷却運転におけるＣＯＰの割合を表している。同様に、図６については、二酸化炭素を冷媒とする単段構成の冷凍装置を二酸化炭素におけるＴＥＷＩを１００％として、他の冷凍装置の冷却運転におけるＴＥＷＩの割合を表している。また、運転に係る条件は、外気温度が３２℃、例えばショーケースなどの負荷側（低温側）となる蒸発器における蒸発温度を−１０℃（冷蔵条件）、冷凍能力を約３０ｋＷとする。また、単段構成の冷凍装置、低温側循環回路２０における延長配管を１００ｍとする。このとき、液管径（液冷媒が通過する管の径）をφ１９．０５ｍｍ、ガス管径（ガス冷媒が通過する管の径）をφ３８．１ｍｍとする）とする。
【００４０】
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）
【００４１】
本実施の形態では、また、年間冷媒漏れ率Ｌについては、単段構成の冷凍装置及び二元冷凍装置の低温側循環回路２０においては、設置時に現地での延長配管を考慮して１６％とする。一方、二元冷凍サイクルの高温側循環回路１０は現地で配管をせず閉じた冷媒循環回路となるため２％とする。また、機器運転年数ｎを１５年とし、廃棄時冷媒回収率αを３０％とする。そして、排出原単価βを０．４１ｋｇＣＯ２  ／ｋＷｈ）とする。
【００４２】
低温域において、高温側冷媒をＨＦＯ−１２３４ｙｆとし、低温側冷媒を二酸化炭素冷媒とした二元冷凍装置は、図５に示すように、ＣＯＰについては、現在、低温域で一般に使われるＲ４０４Ａを用いた単段の冷凍装置と比較して約１９％改善している。また、図６に示すように、ＴＥＷＩについては、二酸化炭素冷媒を用いた単段の冷凍装置よりも小さくすることができる。そして、Ｒ４０４Ａを用いた単段の冷凍装置と比較して約３０％低減している。
【００４３】
実施の形態４．
例えば、上述の実施の形態１等においては、高温側蒸発器１４の蒸発温度の制御において、高温側圧縮機１１の運転周波数制御について説明したが、例えば高温側絞り装置１３の開度制御により蒸発温度の制御等をするようにしてもよい。
【符号の説明】
【００４４】
１０  高温側循環回路、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、１６  弁一体型凝縮器、２０  低温側循環回路、２１  低温側圧縮機、２２  低温側凝縮器、２３  低温側絞り装置、２４  低温側蒸発器、３０  カスケードコンデンサ、４０  制御手段、４１  低圧圧力センサー。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成25年11月26日(2013.11.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
近年、オゾン層破壊防止の観点から、冷媒循環（冷凍サイクル）を利用して、対象の冷却等を行う冷凍サイクル装置に封入する冷媒として、塩素を含まない冷媒への移行が行われた。ただ、これらの塩素を含まないＨＦＣ冷媒（例えばＲ４１０Ａ、Ｒ４０４Ａ等）は比較的温暖化係数が高いため、冷凍装置の外へ冷媒が漏れないように冷媒漏れ対策がとられたり、機器の廃棄時には冷媒回収義務が課せられている。しかしながら回収率が不充分であったり、使用時の冷媒漏れもあることから、地球温暖化係数（ＧＷＰ）の値が小さい冷媒へのさらなる移行が要望されている。ＧＷＰの値が小さい冷媒として、例えば、二酸化炭素などの自然冷媒、ＨＦＯ−１２３４ｙｆ（ハイドロフルオロオレフィン）、ＨＦＯ−１２３４ｚｅ（テトラフルオロプロペン）のようなＨＦＯ（オレフィン系フッ素化合物）系冷媒（以下、ＨＦＯ冷媒という）等が検討されている。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
図１において、高温側循環回路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た冷媒循環回路を構成している。一方、低温側循環回路２０は、低温側圧縮機２１と、低温側凝縮器２２と、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た冷媒循環回路を構成している。
【手続補正３】
【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】
炭素多重結合を分子構造として有する高温側冷媒を吐出する、能力可変の高温側圧縮機、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冷媒循環回路を形成する高温側循環回路と、
二酸化炭素を含む低温側冷媒を吐出する低温側圧縮機、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、低温側冷媒を循環させる冷媒循環回路を形成する低温側循環回路と、
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、
前記高温側圧縮機の吸入側の圧力を検知する圧力検知手段と、
該圧力検知手段の検知に係る圧力に基づいて、前記高温側循環回路内の圧力が回路外の圧力に対して負圧にならないように、前記高温側蒸発器における前記高温側冷媒の蒸発温度を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】
前記低温側圧縮機と前記低温側凝縮器との間に、前記低温側冷媒が所定温度になるように冷却させる補助コンデンサをさらに備え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】
高温側凝縮器と高温側絞り装置とが一体となるように構成した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】
前記制御手段は、前記圧力検知手段の検知に係る圧力に基づいて、高温側圧縮機の運転周波数を制御して、前記高温側蒸発器における前記高温側冷媒の蒸発温度が所定温度以上となるように制御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】
前記制御手段は、最低の運転周波数で前記高温側圧縮機を起動させてから前記運転周波数を高めていくように駆動することを特徴とする請求項４に記載の冷凍装置。
【国際調査報告】
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