(57)【要約】【課題】外気温の変動にかかわらず、能力不足に陥ることがなく、且つ、ＣＯＰの良い運転が可能な二元冷凍システムを提供する。【解決手段】二元冷凍システム（１）が、可変速圧縮機（２０１）を備える低段側冷凍回路（２）と、高段側冷凍回路（３）と、前記低段側冷凍回路（２）中の低段側冷媒と前記高段側冷凍回路（３）中の高段側冷媒との間で熱交換を行うカスケード熱交換器（４）と、前記可変速圧縮機（２０１）の周波数が外気温に対応して定められた閾値以上となった場合に前記高段側冷凍回路（３）を作動させる制御手段（５）とを備えるようにする。【選択図】図１
2018132224.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変速圧縮機を備える低段側冷凍回路と、
高段側冷凍回路と、
前記低段側冷凍回路中の低段側冷媒と前記高段側冷凍回路中の高段側冷媒との間で熱交換を行うカスケード熱交換器と、
前記可変速圧縮機の周波数が外気温に対応して定められた閾値以上となった場合に前記高段側冷凍回路を作動させる制御手段とを備える
二元冷凍システム。
【請求項２】
前記低段側冷凍回路は、
前記可変速圧縮機の下流側に配置されたガスクーラ、
前記ガスクーラの下流側に配置された主絞り手段、
前記主絞り手段の下流側であって、前記可変速圧縮機の上流側に配置された蒸発器、
前記ガスクーラの下流側であって、前記主絞り手段の上流側に配置された圧力調整用絞り手段、
前記圧力調整用絞り手段の下流側であって、前記主絞り手段の上流側に配置された中間タンク、
前記中間タンクの下流側であって、前記主絞り手段の上流側に配置されたスプリット熱交換器、
前記中間タンク内の低段側冷媒を、補助絞り手段を介して前記スプリット熱交換器の第１の流路に流した後、前記可変速圧縮機の中間圧部に吸い込ませる補助回路、
前記中間タンク下部から低段側冷媒を流出させ、前記スプリット熱交換器の第２の流路に流し、前記第１の流路を流れる低段側冷媒と熱交換させた後、前記主絞り手段に流出させる主回路を有し、
前記カスケード熱交換器は、前記スプリット熱交換器の第２の流路の下流側であって、前記主絞り手段の上流側に配置されている
請求項１記載の二元冷凍システム。
【請求項３】
前記低段側冷凍回路中の低段側冷媒量を調整する冷媒量調整機構を更に備え、
前記冷媒量調整機構は、
冷媒量調整タンク、
前記ガスクーラの下流側であって、前記圧力調整用絞り手段の上流側の冷媒流路から前記冷媒量調整タンクに低段側冷媒を流す高圧冷媒路、
前記蒸発器の下流側であって、前記可変速圧縮機の上流側の冷媒流路に前記冷媒量調整タンク内の低段側冷媒を流す低圧冷媒路、
前記中間タンクの下流側であって、前記スプリット熱交換器の第１の流路の上流側の冷媒流路と、前記冷媒量調整タンクとの間で低段側冷媒を流す中間圧冷媒路、
前記高圧冷媒路に設けられた第１の弁、
前記低圧冷媒路に設けられた第２の弁、
前記中間圧冷媒路に設けられた第３の弁、及び
前記低圧冷媒路に介設された低圧冷媒絞り手段を有し、
前記制御手段は、前記可変速圧縮機の下流側であって、前記圧力調整用絞り手段の上流側における低段側冷媒の圧力に応じて前記第１の弁、前記第２の弁及び前記第３の弁それぞれの開度を調整する
請求項２記載の二元冷凍システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低段側冷凍回路、高段側冷凍回路、及び低段側冷凍回路中の低段側冷媒と前記高段側冷凍回路中の高段側冷媒との間で熱交換を行うカスケード熱交換器を備える二元冷凍システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
冷凍装置では、圧縮手段、ガスクーラ、絞り手段、蒸発器等から冷凍サイクルが構成され、圧縮手段で圧縮された冷媒はガスクーラにて放熱し、その後絞り手段にて減圧され、蒸発器にて蒸発する。そして、このときの冷媒の蒸発により周囲の空気が冷却される。
【０００３】
近年、この種の冷凍装置では、自然環境問題などからフロン系冷媒が使用できなくなってきている。また、地球温暖化防止のため、より地球温暖化係数（ＧＷＰ：Ｇｌｏｂａｌ  Ｗａｒｍｉｎｇ  Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）の小さい冷媒への転換が求められている。このため、フロン系冷媒の代替品として自然冷媒である二酸化炭素を使用する冷凍装置が開発されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
冷媒として二酸化炭素を使用すると、作動圧（特に凝縮圧力）が極めて高くなり、冷凍サイクルを構成する機器の信頼性が問題となる。この問題を解決すべく、特許文献２では、二酸化炭素を冷媒とする高段側冷凍回路を構成する高段側蒸発器と低段側冷凍回路を構成する低段側ガスクーラとを含むカスケードコンデンサを備える二元冷凍装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公平７−１８６０２号公報
【特許文献２】特許第３６０４９７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一般に、二元冷凍装置は、外気温が高くなる夏期には能力不足に陥ったり、外気温が低くなる冬期や中間期には高段側冷凍回路の発停が繰り返される結果、ＣＯＰが悪化したりする可能性がある。
【０００７】
本発明は、外気温の変動にかかわらず、能力不足に陥ることがなく、且つ、ＣＯＰの良い運転が可能な二元冷凍システムを提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る二元冷凍システムは、可変速圧縮機を備える低段側冷凍回路と、高段側冷凍回路と、前記低段側冷凍回路中の低段側冷媒と前記高段側冷凍回路中の高段側冷媒との間で熱交換を行うカスケード熱交換器と、前記可変速圧縮機の周波数が外気温に対応して定められた閾値以上となった場合に前記高段側冷凍回路を作動させる制御手段とを備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る二元冷凍システムによれば、外気温の変動にかかわらず、能力不足に陥ることがなく、且つ、ＣＯＰの良い運転が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明を適用した一実施例の二元冷凍システムの冷凍回路図である。
【図２】二元冷凍システムの運転状態の切り替えに用いられる情報の一例である。
【図３】本発明を適用した他の実施例の二元冷凍システムの冷凍回路図である。
【図４】図３に示される二元冷凍システムの低段側冷凍回路のｐ−ｈ線図である。
【図５】図３に示される二元冷凍システムの低段側冷凍回路における冷媒量調整タイミングの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施例について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１２】
図１には、本発明を適用した二元冷凍システム１の冷凍回路図の一例が示されている。二元冷凍システム１は、スーパーマーケット等の店舗の機械室等に設置されるメイン冷凍機Ａ、過冷却冷凍機Ｂ及びカスケードユニットＣ、並びに店舗の売り場内に設置されるショーケースＤによって構成されている。
【００１３】
なお、図１に示される二元冷凍システム１はショーケースＤを１台のみ備えているが、これを複数台備えることも可能である。また、図１に示される二元冷凍システム１は、メイン冷凍機Ａ、過冷却冷凍機Ｂ、カスケードユニットＣ及びショーケースＤを個別の装置としているが、メイン冷凍機Ａ、過冷却冷凍機Ｂ及びカスケードユニットＣについては、必要に応じてこれらの２つ以上を単一の装置とすることもできる。
【００１４】
メイン冷凍機Ａの冷媒出口ＡｏｕｔとカスケードユニットＣの第１冷媒入口Ｃｉｎ１、カスケードユニットＣの第１冷媒出口Ｃｏｕｔ１とショーケースＤの冷媒入口Ｄｉｎ、及びショーケースＤの冷媒出口Ｄｏｕｔとメイン冷凍機Ａの冷媒入口Ａｉｎがそれぞれ冷媒（低段側冷媒）配管で接続されている。また、過冷却冷凍機Ｂの冷媒出口ＢｏｕｔとカスケードユニットＣの第２冷媒入口Ｃｉｎ２、及びカスケードユニットＣの第２冷媒出口Ｃｏｕｔ２と過冷却冷凍機Ｂの冷媒入口Ｂｉｎがそれぞれ冷媒（高段側冷媒）配管で接続されている。
【００１５】
メイン冷凍機Ａは、低段側圧縮機２０１と低段側ガスクーラ２０２を有している。カスケードユニットＣは、第１の流路４Ａと第２の流路４Ｂを有するカスケード熱交換器４を有している。ショーケースＤは、低段側主絞り手段２０３と低段側蒸発器２０４を有している。これら低段側圧縮機２０１、低段側ガスクーラ２０２、第１の流路４Ａ、低段側主絞り手段２０３及び低段側蒸発器２０４が配管で接続されて冷媒循環路を構成している。この冷媒循環路中を低段側冷媒（例えば二酸化炭素）が循環し、低段側冷凍回路２が構成されている。
【００１６】
過冷却冷凍機Ｂは、高段側圧縮機３０１、高段側ガスクーラ３０２及び高段側主絞り手段３０３を有している。これらとカスケード熱交換器４の第２の流路４Ｂが配管で接続されて冷媒循環路を構成している。この冷媒循環路中を高段側冷媒（例えば二酸化炭素）が循環し、高段側冷凍回路３が構成されている。
【００１７】
また、二元冷凍システム１は、低段側冷凍回路２、高段側冷凍回路３を構成する各機器の運転を制御するマイクロコンピュータから構成された制御装置５を有している。制御装置５は本発明における制御手段を構成している。制御装置５は、低段側圧縮機２０１の周波数を検出する周波数センサＳ１と、例えばメイン冷凍機Ａに取り付けられて外気温を検出する外気温センサＳ２に接続されている。なお、制御装置５は、メイン冷凍機Ａ、過冷却冷凍機Ｂ、カスケードユニットＣ及びショーケースＤの全てを制御する単一の制御装置であってもよいし、これら各装置を個別に制御する複数個の制御装置の組み合わせであってもよい。
【００１８】
低段側圧縮機２０１は、インバータによって周波数（回転数）を制御することができる可変速圧縮機であり、例えばロータリコンプレッサである。
【００１９】
低段側ガスクーラ２０２は、低段側圧縮機２０１から吐出された低段側冷媒の熱を外気中に放熱して冷却する。
【００２０】
カスケード熱交換器４は、第１冷媒入口Ｃｉｎ１と第１冷媒出口Ｃｏｕｔ１の間に配置される第１の流路４Ａと、第２冷媒入口Ｃｉｎ２と第２冷媒出口Ｃｏｕｔ２の間に配置される第２の流路４Ｂを有する。低段側冷媒は第１の流路４Ａを流れ、第２の流路４Ｂを流れる高段側冷媒によって更に冷却される。
【００２１】
低段側主絞り手段２０３は、例えば電動膨張弁で構成され、低段側冷媒を絞り膨張させる。
【００２２】
低段側蒸発器２０４は、図示しない冷気循環用送風機から供給される空気と低段側冷媒とを熱交換させて低温空気を得るための熱交換器である。この低温空気によってショーケースＤ内に陳列された食品等を冷却することができる。
【００２３】
高段側圧縮機３０１は、インバータによって周波数（回転数）を制御することができる可変速圧縮機であり、例えばロータリコンプレッサである。なお、高段側圧縮機３０１は、必ずしも可変速圧縮機である必要はなく、一定速圧縮機としてもよい。
【００２４】
高段側ガスクーラ３０２は、高段側圧縮機３０１から吐出された高段側冷媒の熱を外気中に放熱して冷却する。
【００２５】
高段側主絞り手段３０３は、例えば電動膨張弁で構成され、低段側冷媒を絞り膨張させる。
【００２６】
カスケード熱交換器４の第２の流路４Ｂは、蒸発器として機能する。すなわち、高段側冷媒は、第２の流路４Ｂを流れる際に第１の流路４Ａを流れる低段側冷媒によって加熱され、過熱蒸気となってカスケード熱交換器４から流出する。
【００２７】
以上のように構成された二元冷凍システム１は次のように作動する。
【００２８】
通常時には、二元冷凍システム１は低段側冷凍回路２のみを作動させ、高段側冷凍回路３は作動させない。すなわち、まず、低段側冷媒は、低段側圧縮機２０１で圧縮されて高温高圧状態となり、低段側ガスクーラ２０２で冷却される。次に、低段側冷媒は、カスケード熱交換器４の第１の流路４Ａをほとんど状態の変化を伴うことなく通過し、低段側主絞り手段２０３にて膨張して低温低圧の湿り蒸気となる。続いて、低段側冷媒は、低段側蒸発器２０４においてその液分が蒸発するとともに周囲の空気と熱交換する。このようにして、必要とされる温度及び量の低温空気が得られる。
【００２９】
これに対し、低段側冷凍回路２のみの作動では必要とされる温度及び量の低温空気が得られない場合には、制御装置５は、低段側冷凍回路２に加えて高段側冷凍回路３を作動させ、カスケード熱交換器４の第２の流路４Ｂに低温の高段側冷媒を供給する。すると、低段側冷媒は、カスケード熱交換器４の第１の流路４Ａを通過する際に高段側冷媒と熱交換することによって過冷却度を増す。よって、低段側蒸発器２０４においてショーケースＤ内の空気と交換する熱量が増え、必要とされる温度及び量の低温空気を得ることができる。
【００３０】
制御装置５は、低段側冷凍回路２のみの作動と、低段側冷凍回路２及び高段側冷凍回路３の両方の作動とを、低段側圧縮機２０１の周波数が外気温に対応して予め定められた閾値以上となったか否かを判断することによって切り替える。制御装置５は、高段側冷凍回路３の発停を切り替える基準となる情報を記憶しておき、この情報に従って、二元冷凍システム１の運転状態を切り替えることができる。
【００３１】
このような情報の一例を図２に示す。図２に示されている情報は、縦軸を低段側圧縮機２０１の周波数、横軸を外気温としたグラフであり、グラフ中に示される線よりも下側の領域では低段側冷凍回路２のみを作動させ、当該線上及びそれよりも上側の領域では低段側冷凍回路２に加えて高段側冷凍回路３を作動させることを示している。
【００３２】
図２に示される情報に基づいて二元冷凍システム１の運転を行えば、外気温（外気温センサＳ２の検出値）が例えば比較的高いｔ１の場合、低段側圧縮機２０１の周波数（周波数センサＳ１の検出値）が比較的低いｒ１未満であれば低段側冷凍回路２のみが作動し、周波数センサＳ１の検出値がｒ１以上となると高段側冷凍回路３も作動する。よって、外気温が比較的高く、低段側冷凍回路２のみを作動させた運転では必要とされる冷凍能力が得られなく恐れがある場合であっても、低段側圧縮機２０１の周波数が比較的低いｒ１に上昇した時点で高段側冷凍回路３の作動が開始するので、二元冷凍システム１が冷凍能力不足となることが防止できる。
【００３３】
また、外気温が比較的低いｔ２の場合、低段側圧縮機２０１の周波数が比較的高いｒ２以上となるまで高段側冷凍回路３は作動しない。よって、低段側冷凍回路２の冷凍能力に比較的余裕がある（低段側圧縮機２０１の周波数が比較的低い）うちは高段側冷凍回路３が運転されないので、二元冷凍システム１の冷凍能力が過剰となることが防止できる。
【００３４】
二元冷凍システム１の冷凍能力が過剰となった場合には高段側冷凍回路３の作動を停止させれば良いとも考えられる。しかしながら、低段側冷凍回路２の冷凍能力に比較的余裕がある（低段側圧縮機２０１の周波数が比較的低い）うちに高段側冷凍回路３を作動させ、冷凍能力が過剰となった場合には高段側冷凍回路３の作動を停止させるというような運転を行うと、結果的に高段側冷凍回路３の作動を頻繁に発停させることとなる。その場合、二元冷凍システム１の運転条件が頻繁に変更されることとなるため、二元冷凍システム１全体のＣＯＰが悪化する恐れがある。これに対し、図２に示される情報に従えば、外気温が比較的低い場合には、低段側圧縮機２０１の周波数が比較的高くなるまで高段側冷凍回路３は作動しないので、高段側冷凍回路３の作動が頻繁に発停することに伴う二元冷凍システム１全体のＣＯＰの悪化を確実に防止することができる。
【００３５】
なお、二元冷凍システム１の運転状態の切り替え制御に用いられる情報は、図２に示されるグラフには限られないことは勿論である。例えば、外気温が高くなるにつれて、閾値である低段側圧縮機周波数がステップ状に減少するようなグラフでも良いし、一年を通じて外気温の変動幅が小さい地域で二元冷凍システム１が使用される場合等には、閾値である低段側圧縮機周波数が外気温によっては変わらないグラフであってもよい。
【００３６】
＜他の実施例＞
次に、図３を参照しながら、本発明に係る他の実施例について、先の実施例と異なる点を中心に説明する。なお、図３では、過冷却冷凍機Ｂの構成機器は図示を省略している。また、本実施例では、低段側冷媒、及び高段側冷媒が二酸化炭素であるものとして説明するが、低段側冷媒、及び高段側冷媒が二酸化炭素に限られないことは勿論である。
【００３７】
図３に示される低段側冷凍回路２は低段側圧縮機（以下単に「圧縮機」と記載することがある。）２０１を備える。圧縮機２０１は、例えば、内部中間圧型２段圧縮式ロータリコンプレッサである。この圧縮機２０１は、密閉容器と、回転圧縮機構部とを備えている。回転圧縮機構部は、密閉容器の内部空間の上部に収納された駆動要素としての電動要素、この電動要素の下側に配置された、第１の回転圧縮要素２０１ａ、および、第２の回転圧縮要素２０１ｂから成る。このような圧縮機では、低段側と高段側の排除容積比率が決まっており、その排除容積比率に応じて中間圧（ＭＰ）が決定される。
【００３８】
圧縮機２０１の第１の回転圧縮要素２０１ａは、低段側冷凍回路２の低圧側から圧縮機２０１に吸い込まれる低段側冷媒を圧縮し、中間圧まで昇圧して吐出する。第２の回転圧縮要素２０１ｂは、第１の回転圧縮要素２０１ａにより吐出された中間圧の冷媒を吸い込み、圧縮して高圧まで昇圧し、低段側冷凍回路２の高圧側に吐出する。圧縮機２０１は、周波数可変型の圧縮機である。制御装置５は、電動要素の運転周波数を変更することで、第１の回転圧縮要素２０１ａ、および、第２の回転圧縮要素２０１ｂの周波数を制御する。
【００３９】
圧縮機２０１の密閉容器の側面には、第１の回転圧縮要素２０１ａに連通する低段側吸込口と、密閉容器内に連通する低段側吐出口と、第２の回転圧縮要素２０１ｂに連通する高段側吸込口及び高段側吐出口が形成されている。圧縮機２０１の低段側吸込口には、冷媒導入配管Ｌ１の一端が接続されている。なお、冷媒導入配管Ｌ１の他端は低段側蒸発器２０４の排出口に接続されている。
【００４０】
低段側吸込口より第１の回転圧縮要素２０１ａの低圧部に吸い込まれた低圧（ＬＰ）の冷媒ガスは、当該第１の回転圧縮要素２０１ａにより中間圧（ＭＰ）に昇圧されて密閉容器内に吐出される。これにより、密閉容器内は中間圧（ＭＰ）となる。
【００４１】
そして、密閉容器内の中間圧の冷媒ガスが吐出される圧縮機２０１の低段側吐出口には、中間圧吐出配管Ｌ２の一端が接続され、その他端はインタークーラ２０５の入口に接続されている。このインタークーラ２０５は、第１の回転圧縮要素２０１ａから吐出された中間圧の冷媒を空冷するものであり、当該インタークーラ２０５の出口には、中間圧吸入配管Ｌ３の一端が接続され、この中間圧吸入配管Ｌ３の他端は圧縮機２０１の高段側吸込口に接続される。
【００４２】
高段側吸込口より第２の回転圧縮要素２０１ｂに吸い込まれた中間圧（ＭＰ）の冷媒ガスは、当該第２の回転圧縮要素２０１ｂにより２段目の圧縮が行われて高温高圧（ＨＰ：超臨界圧力）の冷媒ガスとなる。
【００４３】
そして、圧縮機２０１の第２の回転圧縮要素２０１ｂの高圧室側に設けられた高段側吐出口には、高圧吐出配管Ｌ４の一端が接続される。高圧吐出配管Ｌ４の他端は低段側ガスクーラ（以下単に「ガスクーラ」と記載することがある。）２０２の入口に接続されている。
【００４４】
ガスクーラ２０２は、圧縮機２０１から吐出された高圧の冷媒を冷却するものであり、ガスクーラ２０２の近傍には当該ガスクーラ２０２を空冷する図示しないガスクーラ用送風機が配設されている。ガスクーラ２０２とインタークーラ２０５とを並設し、同一の風路に配設してもよい。
【００４５】
ガスクーラ２０２の出口にはガスクーラ出口配管Ｌ５の一端が接続され、このガスクーラ出口配管Ｌ５の他端は圧力調整用絞り手段としての電動膨張弁２０６の入口に接続されている。この電動膨張弁２０６はガスクーラ２０２から出た冷媒を絞って膨張させると共に、電動膨張弁２０６から上流側の低段側冷凍回路２の高圧側圧力の調整を行うためのもので、その出口はタンク入口配管Ｌ６を介して中間タンク２０７の上部に接続されている。
【００４６】
中間タンク２０７は内部に所定容積の空間を有する容積体であり、その下部には中間タンク出口配管Ｌ７の一端が接続され、この中間タンク出口配管Ｌ７の他端が低段側主絞り手段（以下単に「主絞り手段」と記載することがある。）２０３の入口に接続されている。この中間タンク出口配管Ｌ７中にスプリット熱交換器２０８の第２の流路２０８Ｂが介設されると共に、このスプリット熱交換器２０８より下流側の中間タンク出口配管Ｌ７中には、カスケード熱交換器４の第１の流路４Ａが介設されている。この中間タンク出口配管Ｌ７が本発明における主回路を構成する。
【００４７】
カスケード熱交換器４の第１の流路４Ａの下流側には、順に、主絞り手段としての電動膨張弁２０３と低段側蒸発器（以下単に「蒸発器」と記載することがある。）２０４が設けられている。蒸発器２０４には、当該蒸発器２０４に送風する図示しない冷気循環用送風機が隣設されている。そして、蒸発器２０４の排出口は、上述したように冷媒導入配管Ｌ１を介して圧縮機２０１の第１の回転圧縮要素２０１ａに連通する低段側吸込口に接続されている。
【００４８】
他方、中間タンク２０７の上部にはガス配管Ｌ８の一端が接続されており、このガス配管Ｌ８の他端は第１の補助回路用絞り手段としての電動膨張弁２０９の入口に接続されている。ガス配管Ｌ８は中間タンク２０７上部からガス冷媒を流出させ、電動膨張弁２０９に流入させる。この電動膨張弁２０９の出口には、中間圧戻り配管Ｌ９の一端が接続され、その他端は圧縮機２０１の中間圧部に繋がる中間圧領域の一例として中間圧吸入配管Ｌ３の途中に連通されている。この中間圧戻り配管Ｌ９中にスプリット熱交換器２０８の第１の流路２０８Ａが介設されている。
【００４９】
また、スプリット熱交換器２０８の下流側の中間タンク出口配管Ｌ７と、電動膨張弁２０９の下流側の中間圧戻り配管Ｌ９との間には液戻し配管Ｌ１０が設けられており、液戻し配管Ｌ１０には、第２の補助回路用絞り手段としての電動膨張弁２１０が介設されている。電動膨張弁２０９（第１の補助回路用絞り手段）と電動膨張弁２１０（第２の補助回路用絞り手段）が本出願における補助絞り手段を構成する。液戻し配管Ｌ１０は中間タンク出口配管Ｌ７から液冷媒の一部を中間圧戻り配管Ｌ９に流入させる。そして、中間圧戻り配管Ｌ９と、電動膨張弁２０９、２１０と、電動膨張弁２０９の上流側にあるガス配管Ｌ８と、液戻し配管Ｌ１０が本発明における補助回路を構成する。
【００５０】
ここで、電動膨張弁２０６はガスクーラ２０２の下流側であって電動膨張弁２０３の上流側に位置する。また、中間タンク２０７は電動膨張弁２０６の下流側であって電動膨張弁２０３の上流側に位置する。また、スプリット熱交換器２０８は中間タンク２０７の下流側であって電動膨張弁２０３の上流側に位置する。更に、カスケード熱交換器４の第１の流路４Ａはスプリット熱交換器２０８の下流側であって電動膨張弁２０３の上流側に位置する。以上のように本実施例における低段側冷凍回路２が構成される。
【００５１】
この低段側冷凍回路２の各所には種々のセンサが取り付けられている。すなわち、圧縮機２０１の電動要素には、圧縮機２０１の周波数を検出する周波数センサＳ１が取り付けられている。ガスクーラ２０２の筐体等に外気温を検出する外気温センサＳ２が取り付けられている。高圧吐出配管Ｌ４には、低段側冷凍回路２の高圧側圧力ＨＰ（圧縮機２０１の高段側吐出口と電動膨張弁２０６の入口の間の圧力）を検出する高圧センサＳ３が取り付けられている。なお、高圧センサＳ３の設置位置は、ガスクーラ出口配管Ｌ５であってもよい。冷媒導入配管Ｌ１には、低段側冷凍回路２の低圧側圧力ＬＰ（電動膨張弁２０３の出口と低段側吸込口の間の圧力）を検出する低圧センサＳ４が取り付けられている。電動膨張弁２０９の上流側のガス配管Ｌ８には、メイン冷凍機Ａの出口圧力である出口圧ＯＰを検出する出口圧センサＳ５が取り付けられている。この中間タンク２０７内の圧力は、電動膨張弁２０３に流入する冷媒の圧力となる。
【００５２】
また、詳細な説明は省略するが、低段側冷凍回路２は、上述した以外にも、配管各部の冷媒圧力や冷媒温度を計測するセンサを備えている。
【００５３】
そして、これら各センサは制御装置５の入力に接続される。また、制御装置５の出力には圧縮機２０１の電動要素、ガスクーラ用送風機、電動膨張弁（圧力調整用絞り手段）２０６、電動膨張弁（補助絞り手段）２０９及び２１０、電動膨張弁（主絞り手段）２０３、高段側圧縮機３０１、高段側主絞り手段３０３が接続され、制御装置５は各センサの出力と設定データ等に基づいてこれらを制御する。
【００５４】
例えば、制御装置５は、周波数センサＳ１で検出される圧縮機２０１の周波数が外気温に対応して定められた閾値以上となった場合に、高段側冷凍回路３（高段側圧縮機３０１）を作動させ、当該閾値を下回った場合に高段側冷凍回路３の作動を停止させる。
【００５５】
図４は図３に示される二元冷凍システム１の低段側冷凍回路２のｐ−ｈ線図である。低段側冷媒は、圧縮機２０１によって２段階で圧縮されることによって、状態がＸ１からＸ２に変化し、ガスクーラ２０２中で冷却されることによって、状態がＸ２からＸ３に変化する。続いて低段側冷媒は電動膨張弁２０６で減圧され、状態がＸ３からＸ４に変化する。
【００５６】
その後、低段側冷媒は中間タンク２０７で一部が蒸発し、気体となった低段側冷媒は状態がＸ４からＸ５に変化するとともに、電動膨張弁２０９で減圧されることによって状態がＸ６に変化する。低段側冷媒は、更に、スプリット熱交換器２０８の第１の流路２０８Ａを通過するとともに、圧縮機２０１の第１の回転圧縮要素２０１ａによって圧縮された後にインタークーラ２０５で冷却された低段側冷媒と中間圧吸入配管Ｌ３内で混合することにより、状態がＸ７に変化する。
【００５７】
一方、中間タンク２０７中の液体の低段側冷媒は、スプリット熱交換器２０８の第２の流路２０８Ｂを通過する際に状態がＸ４からＸ８に変化する。ここで、カスケード熱交換器４に高段側冷媒が供給されていない場合、すなわち、高段側冷凍回路３が作動していない場合には、低段側冷媒は、状態がＸ８のまま電動膨張弁２０３に流入し、減圧され、状態がＸ９に変化する。その後、蒸発器２０４で周囲の空気と熱交換し、状態がＸ１に変化する。なお、スプリット熱交換器２０８の第２の流路２０８Ｂを通過した冷媒の一部は、液戻し配管Ｌ１０及び電動膨張弁２１０を通過して状態Ｘ１２に変化した後、インタークーラ２０５で冷却された低段側冷媒と中間圧吸入配管Ｌ３内で混合することにより、状態がＸ７に変化する。
【００５８】
これに対し、カスケード熱交換器４に高段側冷媒が供給されている場合、すなわち、高段側冷凍回路３が作動している場合には、低段側冷媒は高段側冷媒と熱交換することによって過冷却度を増し、状態がＸ８からＸ１０に変化する。状態がＸ１０となった低段側冷媒は、電動膨張弁２０３によって減圧され、状態がＸ１１に変化する。その後、蒸発器２０４で周囲の空気と熱交換し、状態がＸ１に変化する。
【００５９】
図４から明らかなように、カスケード熱交換器４で熱交換させて低段側冷媒の状態をＸ８からＸ１０に変化させることによって、蒸発器２０４の冷凍効果が、状態Ｘ９と状態Ｘ１１の間の比エンタルピー差の分、増大する。すなわち、本実施例においても、高段側冷凍回路３の作動の発停を切り替えることによって、二元冷凍システム１の冷凍能力を増減させることができる。このような高段側冷凍回路３の発停は、先の実施例と同じように、圧縮機２０１の周波数と外気温に基づいて行われる。
【００６０】
＜冷媒量調整機構＞
図３に示される低段側冷凍回路２は、高圧センサＳ３で検出される高圧側圧力ＨＰが外気温と蒸発温度から定められる目標圧力となるように運転される。しかしながら、高段側冷凍回路３の作動が発停される等、運転条件が変化することにより、低段側冷凍回路２中の冷媒量（冷媒圧力）が変化し、高圧側圧力ＨＰが目標圧力よりも大きくなることがある。このような状態に対応すべく、図３に示される低段側冷凍回路２は冷媒量調整機構２５０を備えている。本実施例では、冷媒量調整機構２５０を構成する各機器はカスケードユニットＣに備え付けられているが、メイン冷凍機Ａに備え付けられていてもよいし、独立したユニット内に備え付けられていてもよい。
【００６１】
冷媒量調整機構２５０は、冷媒量調整タンク２５１、冷媒量調整タンク２５１の上部に設けられた流入口に接続された高圧冷媒路２５２、冷媒量調整タンク２５１の下部に設けられた第１の流出口に接続された低圧冷媒路２５３、冷媒量調整タンク２５１の上部に設けられた第２の流出口に接続された中間圧冷媒路２５４、高圧冷媒路２５２に介設された第１の弁２５５、低圧冷媒路２５３に介設された第２の弁２５６、中間圧冷媒路２５４に介設された第３の弁２５７、低圧冷媒路２５３に介設された低圧冷媒絞り手段２５８、及び中間圧冷媒路２５４に介設された逆止弁２５９によって構成されている。
【００６２】
高圧冷媒路２５２は、高圧サービス配管Ｌ１１を介してガスクーラ出口配管Ｌ５と接続されている。低圧冷媒路２５３は、低圧サービス配管Ｌ１２を介して冷媒導入配管Ｌ１と接続されている。中間圧冷媒路２５４は、中間圧サービス配管Ｌ１３を介してガス配管Ｌ８と接続されている。
【００６３】
第１の弁２５５は開度を調節することができる電動弁であり、第２の弁２５６及び第３の弁２５７はそれぞれ開閉状態が切り替えられる電磁弁である。これらの弁は制御装置５によって制御される。また、低圧冷媒絞り手段２５８はキャピラリである。
【００６４】
低段側冷凍回路２中の冷媒量（冷媒圧力）が変化した場合、制御装置５は図５に示されるように第１の弁２５５、第２の弁２５６及び第３の弁２５７の状態を切り替えることによって冷媒量調整機構２５０を制御する。
【００６５】
すなわち、高圧センサＳ３によって計測される低段側冷凍回路２の高圧側圧力ＨＰが目標圧力ＨＰＴ以下である場合は、制御装置５は低段側冷凍回路２の状態が圧力状態１であると判断する。その場合、第１の弁２５５の開度は０（閉）、第２の弁２５６は開、第３の弁２５７は閉とされる。このとき、冷媒量調整タンク２５１の内部空間は、低圧冷媒絞り手段２５８を介して低段側冷凍回路２の低圧側のみと接続されている。よって、冷媒量調整タンク２５１内の冷媒が冷媒量調整タンク２５１の外部に流出し、その内部空間は徐々に低圧となる。なお、低圧冷媒路２５３には低圧冷媒絞り手段２５８が介在し、ここで低段側冷媒が膨張するため、圧縮機２０１に液冷媒が供給されることはない。
【００６６】
高圧側圧力ＨＰが目標圧力ＨＰＴを超えると、制御装置５は低段側冷凍回路２の状態が圧力状態２であると判断する。その場合も、第１の弁２５５の開度は０（閉）、第２の弁２５６は開、第３の弁２５７は閉とされる。
【００６７】
高圧側圧力ＨＰが更に高くなり、第１の設定圧力ＨＰ１を超えると、制御装置５は、低段側冷凍回路２の状態が圧力状態３であると判断する。その場合、第１の弁２５５は第１の所定の開度とされ、第２の弁２５６は閉とされ、第３の弁２５７は開とされる。このとき、高圧冷媒路２５２を介してガスクーラ出口配管Ｌ５と冷媒量調整タンク２５１の内部が連通するとともに、中間圧冷媒路２５４を介してガス配管Ｌ８と冷媒量調整タンク２５１の内部が連通する。低段側冷凍回路２の状態が圧力状態１及び圧力状態２である時に、冷媒量調整タンク２５１の内部は低段側冷凍回路２の低圧側のみと接続されていたので、その内部は低圧となっている。よって、高圧冷媒の一部が冷媒量調整タンク２５１内に流入する。これによって、比較的迅速に高圧側圧力ＨＰを低下させる（低段側冷凍回路２中の冷媒量を低減させる）ことができる。また、低段側冷媒は冷媒量調整タンク２５１内で気液分離される。
【００６８】
また、冷媒量調整タンク２５１の内部圧力が出口圧を超えた後は、高圧冷媒路２５２を介して冷媒量調整タンク２５１内に流入した高圧側の冷媒が、ガス冷媒となって中間圧冷媒路２５４を介して出口圧部（ガス配管Ｌ８）に供給される。この状態においても、高圧側からの冷媒回収が継続されるので、高圧側圧力ＨＰは徐々に低下する。
【００６９】
高圧側圧力ＨＰが第１の設定圧力ＨＰ１よりも低い第２の設定圧力ＨＰ２以下に低下すると、制御装置５は、低段側冷凍回路２の状態が圧力状態４であると判断する。その場合、第１の弁２５５は第２の所定の開度とされ、第２の弁２５６は所定時間開とされた後に閉とされ、第３の弁２５７は閉とされる。これにより、第２の弁２５６が開とされている所定時間の間、冷媒量調整タンク２５１内の冷媒の一部が低圧サービス配管Ｌ１２を介して低圧側に戻されるとともに、高圧側の冷媒の一部が冷媒量調整タンク２５１に流入する。よって、低段側冷凍回路２の状態が圧力状態３である時よりも緩やかなペースで高圧側の冷媒を冷媒量調整タンク２５１内に流入させることができる。
【００７０】
また、第２の弁２５６が閉じられた後は、冷媒量調整タンク２５１の内部空間は高圧冷媒路２５２を介して高圧側のみと接続された状態となるので、その内部圧力は徐々に高圧側圧力ＨＰに近づき、高圧側冷媒の回収量が徐々に減少する。
【００７１】
低段側冷凍回路２の状態が圧力状態４となり、各弁の状態が上記のように切り替えられることによって、高圧側圧力ＨＰが目標圧力ＨＰＴ以下に低下すると、制御装置５は、低段側冷凍回路２の状態が圧力状態１であると判断する。その場合、第１の弁２５５の開度は０（閉）、第２の弁２５６は開、第３の弁２５７は閉とされる。
【００７２】
なお、低段側冷凍回路２の状態が圧力状態４である場合、前述の通り冷媒量調整タンク２５１の内部圧力は、徐々に高圧側ＨＰに近づき、やがてその内部も高圧側圧力ＨＰとなる。このような状態となると、冷媒量調整機構２５０は何ら冷媒量調整作用を奏していないこととなるので、再び高圧側圧力ＨＰが上昇する可能性がある。低段側冷凍回路２の状態が圧力状態３から圧力状態４に変化した後であっても、高圧側圧力ＨＰが第１の所定圧力ＨＰ１を超えた場合、制御装置５は、低段側冷凍回路２の状態が圧力状態３になったと判断する。その場合、第１の弁２５５は第１の所定の開度とされ、第２の弁２５６は閉とされ、第３の弁２５７は開とされる。このように各弁の状態を切り替えることにより、高圧側からの冷媒の回収量を増加させることができる。
【００７３】
図３に示される二元冷凍システム１は、上述のように制御される冷媒量調整機構２５０を備えているので、高段側冷凍回路３の作動の切り替え等に伴って低段側冷凍回路２の高圧側圧力ＨＰが目標圧力ＨＰＴよりも大きくなる事態が生じても、これを目標圧力ＨＰＴ以下に低下させることができる。すなわち、低段側冷媒量が所定量以下となるように調整することができる。
【００７４】
以上本発明の実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明は、低段側冷凍回路、高段側冷凍回路、及び前記低段側冷凍回路中の低段側冷媒と前記高段側冷凍回路中の高段側冷媒との間で熱交換を行うカスケード熱交換器を備える二元冷凍システムに用いるのに好適である。
【符号の説明】
【００７６】
１  二元冷凍システム
Ａ  メイン冷凍機
Ｂ  過冷却冷凍機
Ｃ  カスケードユニット
Ｄ  ショーケース
２  低段側冷凍回路
２０１  低段側圧縮機（圧縮機）
２０１ａ  第１の回転圧縮要素
２０１ｂ  第２の回転圧縮要素
２０２  低段側ガスクーラ（ガスクーラ）
２０３  低段側主絞り手段（主絞り手段、電動膨張弁）
２０４  低段側蒸発器（蒸発器）
２０５  インタークーラ
２０６  圧力調整用絞り手段（電動膨張弁）
２０７  中間タンク
２０８  スプリット熱交換器
２０９  第１の補助回路用絞り手段（電動膨張弁）
２１０  第２の補助回路用絞り手段（電動膨張弁）
２５０  冷媒量調整機構
２５１  冷媒量調整タンク
２５２  高圧冷媒路
２５３  低圧冷媒路
２５４  中間圧冷媒路
２５５  第１の弁
２５６  第２の弁
２５７  第３の弁
２５８  低圧冷媒絞り手段
２５９  逆止弁
３  高段側冷凍回路
３０１  高段側圧縮機
３０２  高段側ガスクーラ
３０３  高段側主絞り手段
３０４  高段側蒸発器
４  カスケード熱交換器
５  制御装置（制御手段）
Ｌ１  冷媒導入配管
Ｌ２  中間圧吐出配管
Ｌ３  中間圧吸入配管
Ｌ４  高圧吐出配管
Ｌ５  ガスクーラ出口配管
Ｌ６  タンク入口配管
Ｌ７  中間タンク出口配管
Ｌ８  ガス配管
Ｌ９  中間圧戻り配管
Ｌ１０  液戻し配管
Ｌ１１  高圧サービス配管
Ｌ１２  低圧サービス配管
Ｌ１３  中間圧サービス配管
Ｓ１  周波数センサ
Ｓ２  外気温センサ
Ｓ３  高圧センサ
Ｓ４  低圧センサ
Ｓ５  出口圧センサ
【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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