(57)【要約】【課題】装置の大型化を抑制しながら、冷却負荷に対する冷却能力を向上させることが可能な冷却装置を提供する。【解決手段】この冷却装置１００は、圧縮機１０と、凝縮器１１と、メイン膨張弁１２およびサブ膨張弁１３と、カスケード熱交換器とを接続して形成される高温側回路１０１と、圧縮機２０と、カスケード熱交換器と、膨張弁Ｌ１と、冷却負荷Ｌとを接続して形成される低温側回路１０２とを備え、カスケード熱交換器は、メインカスケード熱交換器３と、高温側回路１０１でメインカスケード熱交換器３と並列に配置されるとともに、低温側回路１０２でメインカスケード熱交換器３の下流側に配置され、メインカスケード熱交換器３により凝縮された液体冷媒を冷却する過冷却器４とを有し、高温側回路１０１は、メインカスケード熱交換器３と並列に配置されるとともに、過冷却器４の下流側に配置される補助圧縮機１７を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温側圧縮機と、高温側凝縮器と、高温側膨張弁と、カスケード熱交換器とを冷媒配管により接続して形成される高温側回路と、
低温側圧縮機と、前記カスケード熱交換器と、低温側膨張弁と、冷却負荷とを冷媒配管により接続して形成される低温側回路と、を備え、
前記カスケード熱交換器は、メインカスケード熱交換器と、前記高温側回路において前記メインカスケード熱交換器と並列に配置されるとともに、前記低温側回路において前記メインカスケード熱交換器の下流側に配置され、前記メインカスケード熱交換器により凝縮された液体冷媒を冷却するサブカスケード熱交換器としての過冷却器とを有し、
前記高温側回路は、前記メインカスケード熱交換器と並列に配置されるとともに、前記過冷却器の下流側に配置される圧縮機を含む、冷却装置。
【請求項２】
前記高温側膨張弁は、前記メインカスケード熱交換器の上流側に直列に配置されるメイン膨張弁と、前記過冷却器の上流側に直列に配置されるサブ膨張弁とを有し、
前記メイン膨張弁および前記メインカスケード熱交換器と、前記サブ膨張弁および前記過冷却器とは、並列に配置され、
前記過冷却器が配置される前記サブ膨張弁および前記圧縮機の間の冷媒配管内の圧力が変更されるように、前記サブ膨張弁および前記圧縮機の少なくとも一方を制御するように構成されている、請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
前記圧縮機は、前記高温側圧縮機と独立して設けられる補助圧縮機と、前記高温側圧縮機と一体的に設けられることによって、２段目圧縮部としての前記高温側圧縮機とともに２段圧縮機を構成する１段目圧縮部とのいずれか一方により構成されている、請求項１または２に記載の冷却装置。
【請求項４】
前記高温側回路は、前記高温側凝縮器および前記高温側膨張弁の間に配置される冷媒配管と、前記過冷却器および前記圧縮機の間に配置される冷媒配管とに跨るように設けられる内部熱交換器を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷却装置。
【請求項５】
前記高温側回路において前記高温側凝縮器および前記高温側膨張弁の間に配置される冷媒配管と、前記低温側回路において前記冷却負荷および前記低温側圧縮機の間に配置される冷媒配管とに跨るように設けられる相互ガスカスケード熱交換器をさらに備える、請求項１〜４のいずれか１項に記載の冷却装置。
【請求項６】
前記高温側回路は、前記圧縮機の下流側に直列に配置される逆止弁をさらに含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、冷却装置に関し、特に、カスケード熱交換器を備えた冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、カスケード熱交換器を備えた冷却装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
上記特許文献１には、高温側回路と、低温側回路と、低温側回路の冷媒と高温側回路の冷媒とが熱交換を行うことにより低温側回路の冷媒を冷却する単一のカスケード熱交換器とを備える冷却装置が開示されている。冷却装置は、低温側回路の冷媒を用いて冷却負荷を冷却する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１９３９０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、冷却装置の分野においては、低温側回路における冷却負荷に対する冷却能力のさらなる向上が望まれている。しかしながら、上記特許文献１に記載された冷却装置では、低温側回路における冷却能力をさらに向上させるために、低温側回路の冷媒を一層冷却する必要があるので、カスケード熱交換器を大型化（サイズアップ）させる必要がある。これに伴い、冷媒配管や圧縮機を大型化させる必要があり、装置全体が大型化するという問題点がある。
【０００６】
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あり、この発明の１つの目的は、装置の大型化を抑制しながら、冷却負荷に対する冷却能力を向上させることが可能な冷却装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、この発明の一の局面による冷却装置は、高温側圧縮機と、高温側凝縮器と、高温側膨張弁と、カスケード熱交換器とを冷媒配管により接続して形成される高温側回路と、低温側圧縮機と、カスケード熱交換器と、低温側膨張弁と、冷却負荷とを冷媒配管により接続して形成される低温側回路と、を備え、カスケード熱交換器は、メインカスケード熱交換器と、高温側回路においてメインカスケード熱交換器と並列に配置されるとともに、低温側回路においてメインカスケード熱交換器の下流側に配置され、メインカスケード熱交換器により凝縮された液体冷媒を冷却するサブカスケード熱交換器としての過冷却器とを有し、高温側回路は、メインカスケード熱交換器と並列に配置されるとともに、過冷却器の下流側に配置される圧縮機を含む。
【０００８】
この発明の一の局面による冷却装置では、上記のように構成することにより、高温側回路において、メインカスケード熱交換器が設けられる冷媒配管と、サブカスケード熱交換器としての過冷却器が設けられる冷媒配管とに冷媒を分流させることができるので、単一のカスケード熱交換器を備える冷却装置と比較して、高温側回路において、冷媒配管が大型化するのを抑制することができる。その結果、冷媒配管が大型化するのに伴い、高温側回路の圧縮機や凝縮器などが大型化するのを抑制することができるので、装置全体が大型化するのを抑制することができる。また、複数のカスケード熱交換器（メインカスケード熱交換器および過冷却器）により、低温側回路の冷媒を冷却することができるので、冷却負荷に対する冷却能力を向上させることができる。以上により、本発明による冷却装置は、装置の大型化を抑制しながら、冷却負荷に対する冷却能力を向上させることができる。
【０００９】
また、サブカスケード熱交換器としての過冷却器が設けられることにより、低温側回路において、メインカスケード熱交換器により、凝縮および冷却された液体冷媒を過冷却器においてさらに冷却（過冷却）することができるので、メインカスケード熱交換器のみが冷媒の凝縮および冷却（過冷却）を行う場合と比較して、冷却負荷に対する冷却能力を効果的に向上させることができる。すなわち、過冷却器によりメインカスケード熱交換器による液体冷媒の冷却時の負担を軽減することができる。
【００１０】
また、高温側回路において過冷却器の下流側に圧縮機が設けられることにより、過冷却器を通過する冷媒を、高温側膨張弁を介してメインカスケード熱交換器を通過する冷媒よりもより低圧にして、より低温にすることができる。このため、高温側回路の過冷却器を通過する冷媒により、低温側回路において過冷却器を通過する冷媒（冷却負荷に送られる冷媒）を効果的に過冷却することができる。すなわち、低温側回路の冷凍能力を向上させることができる。
【００１１】
上記一の局面による冷却装置において、好ましくは、高温側膨張弁は、メインカスケード熱交換器の上流側に直列に配置されるメイン膨張弁と、過冷却器の上流側に直列に配置されるサブ膨張弁とを有し、メイン膨張弁およびメインカスケード熱交換器と、サブ膨張弁および過冷却器とは、並列に配置され、過冷却器が配置されるサブ膨張弁および圧縮機の間の冷媒配管内の圧力が変更されるように、メイン膨張弁の制御とは独立して、サブ膨張弁および圧縮機の少なくとも一方を制御するように構成されている。このように構成すれば、サブ膨張弁および圧縮機の少なくとも一方を制御することにより、過冷却器に流入する冷媒の圧力（温度）を調整することができるので、低温側回路において過冷却器で冷媒を過冷却して、冷却負荷に対して必要な冷凍能力が発揮されるように適切に調整することができる。
【００１２】
上記一の局面による冷却装置において、好ましくは、圧縮機は、高温側圧縮機と独立して設けられる補助圧縮機と、高温側圧縮機と一体的に設けられることによって、２段目圧縮部としての高温側圧縮機とともに２段圧縮機を構成する１段目圧縮部とのいずれか一方により構成されている。このように構成すれば、補助圧縮機および高温側圧縮機によって、過冷却器に流入する冷媒量と、メインカスケード熱交換器に流入する冷媒量とを個別に制御することができる。また、２段圧縮機によって、高温側凝縮器に圧縮した冷媒を送る圧縮部（２段目圧縮部）と、メインカスケード熱交換器を通過する冷媒よりも過冷却器を通過する冷媒を低圧にする圧縮部（１段目圧縮部）とを１つの装置にまとめることができるので、部品点数を削減することができるとともに、高温側回路の構成を簡素化することができる。
【００１３】
上記一の局面による冷却装置において、好ましくは、高温側回路は、高温側凝縮器および高温側膨張弁の間に配置される冷媒配管と、過冷却器および圧縮機の間に配置される冷媒配管とに跨るように設けられる内部熱交換器を含む。このように構成すれば、内部熱交換器により、高温側回路においてメインカスケード熱交換器および過冷却器に流入する冷媒をより過冷却することができるので、高温側回路において成績係数（ＣＯＰ＝Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  Ｏｆ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）を向上させることができる。また、過冷却器の下流に設けられる内部熱交換器により、過冷却器から流出した冷媒が気液二相状態であったとしても確実に気体冷媒にすることができるので、圧縮機に液体冷媒が流入して、液圧縮が生じるのを防止することができる。
【００１４】
上記一の局面による冷却装置において、好ましくは、高温側回路において過冷却器および圧縮機の間に配置される冷媒配管と、低温側回路において冷却負荷および低温側圧縮機の間に配置される冷媒配管とに跨るように設けられる相互ガスカスケード熱交換器をさらに備える。このように構成すれば、相互ガスカスケード熱交換器により、高温側回路においてメインカスケード熱交換器および過冷却器に流入する冷媒を過冷却することができるので、高温側回路において成績係数を向上させることができる。また、低温側回路において冷却負荷から流出した冷媒が気液二相状態であったとしても確実に気体冷媒にすることができるので、低温側圧縮機に液体冷媒が流入して、液圧縮が生じるのを防止することができる。
【００１５】
上記一の局面による冷却装置において、好ましくは、高温側回路は、圧縮機の下流側に直列に配置される逆止弁をさらに含む。このように構成すれば、逆止弁により、圧縮機の停止時において、冷媒が圧縮機の下流側から上流側に逆流するのを防止することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、上記のように、装置の大型化を抑制しながら、冷却負荷に対する冷却能力を向上させることが可能な冷却装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態による冷却装置の概略的な全体構成を示した図である。
【図２】本発明の第１実施形態による冷却装置のｐ−ｈ線図（モリエル線図）である。
【図３】本発明の第２実施形態による冷却装置の概略的な全体構成を示した図である。
【図４】本発明の第２実施形態による冷却装置のｐ−ｈ線図（モリエル線図）である。
【図５】本発明の第３実施形態による冷却装置の概略的な全体構成を示した図である。
【図６】本発明の第４実施形態による冷却装置の概略的な全体構成を示した図である。
【図７】本発明の第１実施形態の変形例による冷却装置の概略的な全体構成を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１９】
［第１実施形態］
（冷却装置の構成）
図１および図２を参照して、本発明の第１実施形態による冷却装置１００の構成について説明する。
【００２０】
図１に示す冷却装置１００は、冷却負荷Ｌを冷却するための装置である。たとえば、冷却装置１００は、物品（図示せず）を保管する冷蔵倉庫（図示せず）を所定温度に維持するための装置である。冷却装置１００は、二元式の冷凍装置であり、一般的に、一元冷却装置よりも低い冷却温度（超低温）を得ることが可能である。
【００２１】
冷却装置１００は、高温側回路１０１と、低温側回路１０２とを備えている。高温側回路１０１および低温側回路１０２は、それぞれ、独立して冷媒を循環させるように構成されている。高温側回路１０１および低温側回路１０２は、互いに異なる冷媒を循環させるように構成されている。高温側回路１０１および低温側回路１０２には、それぞれ、高温特性の良好な冷媒および低温特性の良好な冷媒が用いられる。なお、冷媒は、回路内（高温側回路１０１および低温側回路１０２内）において黒塗りの矢印で示される方向に移動する。
【００２２】
ここで、第１実施形態では、冷却装置１００は、高温側回路１０１と低温側回路１０２とに跨るように設けられ、高温側回路１０１と低温側回路１０２との間で熱エネルギーを交換する熱交換器として、メインカスケード熱交換器３、および、サブカスケード熱交換器としての過冷却器４を備えている。
【００２３】
メインカスケード熱交換器３および過冷却器４は、高温側回路１０１において、冷媒に熱エネルギーを付与する機能を有しており、低温側回路１０２において、冷媒から熱エネルギーを奪う機能を有している。詳細には、メインカスケード熱交換器３は、高温側回路１０１において、蒸発器として機能するとともに、低温側回路１０２において、凝縮器として機能するように構成されている。過冷却器４は、高温側回路１０１において、蒸発器として機能するとともに、低温側回路１０２において、液体冷媒を冷却（過冷却）する機能を有している。
【００２４】
すなわち、冷却装置１００は、高温側回路１０１の蒸発潜熱を利用して、メインカスケード熱交換器３および過冷却器４により、低温側冷媒を凝縮および冷却するように構成されている。また、過冷却器４は、メインカスケード熱交換器３に対して補助的に液体冷媒の冷却を行い、メインカスケード熱交換器３による液体冷媒の冷却時の負担を軽減する役割を有している。
【００２５】
メインカスケード熱交換器３および過冷却器４は、高温側回路１０１において並列に配置されている。なお、過冷却器４も、高温側回路１０１と低温側回路１０２との間で熱エネルギーを交換する熱交換器として機能する。メインカスケード熱交換器３および過冷却器４の詳細については後述する。
【００２６】
（高温側回路の構成）
冷却装置１００の高温側回路１０１は、２段圧縮型の回路を有している。冷却装置１００の高温側回路１０１は、圧縮機１０と、凝縮器１１と、メイン膨張弁１２と、サブ膨張弁１３と、メインカスケード熱交換器３と、過冷却器４と、冷媒配管１とを備えている。なお、圧縮機１０は、特許請求の範囲の「高温側圧縮機」の一例である。また、凝縮器１１は、特許請求の範囲の「高温側凝縮器」の一例である。
【００２７】
高温側回路１０１は、圧縮機１０、凝縮器１１、メイン膨張弁１２、サブ膨張弁１３、メインカスケード熱交換器３および過冷却器４を、冷媒配管１により接続して形成されている。
【００２８】
高温側回路１０１は、圧縮機１０の冷媒吐出側を高温側回路１０１の基点（最上流の構成）とした場合に、圧縮機１０、凝縮器１１、膨張弁（メイン膨張弁１２およびサブ膨張弁１３）および熱交換器（メインカスケード熱交換器３および過冷却器４）が上流側から順に配置されるとともに、各構成が冷媒配管１により環状に接続されるように構成されている。
【００２９】
冷却装置１００の高温側回路１０１は、さらに、圧縮機１０の出口側（吐出側）と入口側（吸入側）とを接続する戻し回路１４と、アキュムレータ１５と、圧力センサ１６と、補助圧縮機１７と、逆止弁１８とを備えている。なお、補助圧縮機１７は、特許請求の範囲の「圧縮機」の一例である。
【００３０】
圧縮機１０は、吸入された気体冷媒を圧縮して高圧側（凝縮器１１側）に吐出するように構成されている。たとえば、圧縮機１０には、回転数の変更により冷媒吐出量が制御可能なインバータ制御式圧縮機が用いられる。圧縮機１０により圧縮された冷媒は、冷媒配管１を流通して圧縮機１０の下流側に配置される凝縮器１１に流入される。
【００３１】
戻し回路１４は、圧縮機１０から吐出された冷媒の一部を圧縮機１０の入口側に還流させるように構成されている。具体的には、戻し回路１４には、直列に配置される流量調整弁１４ａおよび逆止弁１４ｂを含んでいる。流量調整弁１４ａは、図示しない制御部により、開度が制御されて、冷媒の戻り量を調整するように構成されている。逆止弁１４ｂは、戻し回路１４内で、圧縮機１０の入口側（吸入側）およびメインカスケード熱交換器３および過冷却器４の出口側（下流側）から圧縮機１０の出口側（吐出側）方向への冷媒の逆流を防止するように構成されている。
【００３２】
凝縮器１１は、冷媒を凝縮するように構成されている。たとえば、凝縮器１１は、内部を流通する過熱状態の気体冷媒を送風機（図示せず）により送風される空気を用いて冷却する空気熱交換器により構成されている。凝縮器１１により凝縮された冷媒は、冷媒配管１を流通して凝縮器１１の下流側に配置されるメイン膨張弁１２およびサブ膨張弁１３に流入される。
【００３３】
メイン膨張弁１２およびサブ膨張弁１３は、それぞれ、メインカスケード熱交換器３および過冷却器４の入口側（上流側）に直列に配置されている。メイン膨張弁１２およびメインカスケード熱交換器３と、サブ膨張弁１３および過冷却器４とは、並列に配置されている。
【００３４】
詳細には、冷媒配管１は、凝縮器１１の下流側に設けられる分岐点Ｔ１において、下流側に向けて分岐する第１配管１ａおよび第２配管１ｂを含んでいる。第１配管１ａには、メイン膨張弁１２およびメインカスケード熱交換器３が上流側から順に設けられている。第２配管１ｂには、サブ膨張弁１３、過冷却器４、補助圧縮機１７および逆止弁１８が上流側から順に設けられている。第１配管１ａおよび第２配管１ｂは、メインカスケード熱交換器３および過冷却器４の下流側で、かつ、圧縮機１０の上流側に設けられる合流点Ｔ２において合流するように構成されている。
【００３５】
メイン膨張弁１２は、原則、全開にならない範囲で、高温側回路１０１のメインカスケード熱交換器３に流入する冷媒量を調整するように構成されている。すなわち、メイン膨張弁１２は、第１配管１ａに流入する冷媒量を調整するように構成されている。
【００３６】
サブ膨張弁１３は、原則、全開にならない範囲で、高温側回路１０１の過冷却器４に流入する冷媒量を調整するように構成されている。すなわち、サブ膨張弁１３は、第２配管１ｂに流入する冷媒量を調整するように構成されている。なお、サブ膨張弁１３は、補助圧縮機１７が駆動されることにより、サブ膨張弁１３とサブ膨張弁１３の下流側の補助圧縮機１７との間の冷媒配管１Ａ内を減圧するように、比較的小さな開度に調整される。メイン膨張弁１２およびサブ膨張弁１３により膨張された冷媒は、気液二相状態（湿り蒸気）になる。
【００３７】
メインカスケード熱交換器３および過冷却器４は、上記の通り、高温側回路１０１において、共に、蒸発器として機能するように構成されている。メインカスケード熱交換器３および過冷却器４により蒸発された冷媒は、冷媒配管１を流通して、アキュムレータ１５を介してメインカスケード熱交換器３および過冷却器４の下流側に配置される圧縮機１０に流入される。
【００３８】
アキュムレータ１５は、圧縮機１０に液体冷媒が流入して、圧縮機１０で液圧縮が発生するのを防止するために、圧縮機１０の上流側において、液体冷媒を気体冷媒から分離するように構成されている。なお、アキュムレータ１５には、戻し回路１４により還流された冷媒も流入するように構成されている。
【００３９】
圧力センサ１６は、アキュムレータ１５と圧縮機１０との間で、かつ、圧縮機１０の入口近傍の冷媒配管１に設けられている。圧力センサ１６は、冷媒配管１内の冷媒圧力を検出するように構成されている。冷却装置１００は、圧力センサ１６の検出結果に基づいて、メイン膨張弁１２の開度を調整するように構成されている。すなわち、冷却装置１００は、高温側回路１０１の冷媒圧力に基づいて、メイン膨張弁１２の開度を制御するように構成されている。
【００４０】
補助圧縮機１７は、メインカスケード熱交換器３と並列に配置されるとともに、過冷却器４の下流側に配置されている。また、補助圧縮機１７は、圧縮機１０の上流側に設けられる合流点Ｔ２よりも上流側に配置されている。補助圧縮機１７は、圧縮機１０とは独立して設けられている。すなわち、補助圧縮機１７は、圧縮機１０とは別構成である。
【００４１】
冷却装置１００は、低温側回路１０２の後述する温度センサ２２の検出結果や冷却負荷Ｌの温度などに基づいて、過冷却器４が配置されるサブ膨張弁１３および補助圧縮機１７の間に配置される冷媒配管１Ａ（冷媒配管１の一部を構成する冷媒配管）内の圧力が変更されるように、サブ膨張弁１３および補助圧縮機１７の少なくとも一方を制御するように構成されている。
【００４２】
具体例として、冷却装置１００は、低温側回路１０２の温度センサ２２の検出結果や冷却負荷Ｌの温度などに基づいて、冷却負荷Ｌに送る液体冷媒の温度を下げる必要があると判断した場合（所定の設定温度よりも液体冷媒の温度が高い場合）には、補助圧縮機１７のロータの回転速度（ピストン式圧縮機の場合には、ピスントンの往復移動速度）を増大させて、冷媒配管１Ａ内を減圧するように構成されている。その結果、冷却装置１００は、高温側回路１０１においてメインカスケード熱交換器３に流入する冷媒よりも一層低温になった冷媒を用いて、過冷却器４において低温側回路１０２の冷媒と熱交換を行うように構成されている。
【００４３】
逆止弁１８は、補助圧縮機１７の下流側に直列に配置されている。また、逆止弁１８は、圧縮機１０の上流側に設けられる合流点Ｔ２よりも上流側に配置されている。逆止弁１８は、冷却装置１００が停止した際に、冷媒が、逆止弁１８の下流側から上流側（補助圧縮機１７側）に逆流するのを防止する機能を有している。
【００４４】
（低温側回路の構成）
冷却装置１００の低温側回路１０２は、圧縮機２０と、メインカスケード熱交換器３と、過冷却器４と、冷媒配管２とを備えている。なお、圧縮機２０は、特許請求の範囲の「低温側圧縮機」の一例である。
【００４５】
低温側回路１０２は、圧縮機２０、メインカスケード熱交換器３、過冷却器４、膨張弁Ｌ１および冷却負荷Ｌを、冷媒配管２により接続して形成されている。
【００４６】
低温側回路１０２は、圧縮機２０の冷媒吐出側を低温側回路１０２の基点（最上流の構成）とした場合に、圧縮機２０、メインカスケード熱交換器３、過冷却器４、膨張弁Ｌ１および冷却負荷Ｌが上流側から順に配置されるとともに、各構成が冷媒配管２により環状に接続されるように構成されている。
【００４７】
冷却負荷Ｌには、入口近傍（上流側）に膨張弁Ｌ１が設けられている。冷却負荷Ｌおよび膨張弁Ｌ１は、２つのサービスバルブ２３を介して、圧縮機２０の上流側で、過冷却器４の下流側に接続されている。
【００４８】
低温側回路１０２は、さらに、受液器２１と、温度センサ２２とを備えている。
【００４９】
圧縮機２０は、高温側回路１０１の圧縮機１０と同様の構成であるため説明を省略する。圧縮機２０により圧縮された冷媒は、冷媒配管２を流通して圧縮機２０の下流側に配置されるメインカスケード熱交換器３に流入される。
【００５０】
メインカスケード熱交換器３は、上記の通り、低温側回路１０２において、凝縮器として機能するように構成されている。すなわち、メインカスケード熱交換器３は、圧縮機２０側（上流側）から流入する気体冷媒（過熱蒸気または飽和蒸気）を、液体冷媒（飽和液または過冷却液）にするように構成されている。メインカスケード熱交換器３は、概して、気液二相状態の冷媒を流出させないように構成されている。ここで、高温側回路１０１では、冷却装置１００は、メイン膨張弁１２にサブ膨張弁１３よりも多くの冷媒を流入させるように制御を行う。このため、メインカスケード熱交換器３は、過冷却器４と比較して、大きな冷媒の冷却負荷に対する冷却能力を発揮可能なように構成されている。メインカスケード熱交換器３により凝縮された冷媒は、冷媒配管２を流通して、受液器２１を介してメインカスケード熱交換器３の下流側に配置される過冷却器４に流入される。
【００５１】
受液器２１は、メインカスケード熱交換器３の下流側で、過冷却器４の上流側に配置されている。受液器２１は、冷媒配管２に接続されている。受液器２１は、冷却負荷Ｌの負荷変動によるメインカスケード熱交換器３内の冷媒量の変動を吸収するように構成されている。また、受液器２１は、メインカスケード熱交換器３により冷媒を凝縮しきれなかった場合に、メインカスケード熱交換器３から冷媒配管２に流出する気液二相状態の冷媒を過冷却器４の手前（上流側）で回収する機能を有している。
【００５２】
過冷却器４は、低温側回路１０２において、メインカスケード熱交換器３の下流側に配置されている。過冷却器４は、メインカスケード熱交換器３により凝縮および冷却された液体冷媒を冷却するように構成されている。
【００５３】
温度センサ２２は、過冷却器４と膨張弁Ｌ１との間で、かつ、過冷却器４の出口近傍の冷媒配管２に設けられている。温度センサ２２は、冷媒配管２内の冷媒温度を検出するように構成されている。
【００５４】
（ｐ−ｈ線図）
次に、冷却装置１００の圧力と比エンタルピとの関係を示すｐ−ｈ線図（モリエル線図）について説明する。
【００５５】
〈高温側回路のｐ−ｈ線図〉
図２を参照して、高温側回路１０１における冷媒のｐ−ｈ線図について説明する。なお、図２に示す点Ａ１、点Ａ２、点Ａ３、点Ａ４１、点Ａ４２、点Ａ５１、点Ａ５２および点Ａ６は、それぞれ、図１に示す高温側回路１０１の冷媒配管２の位置Ａ１、位置Ａ２、位置Ａ３、位置Ａ４１、位置Ａ４２、位置Ａ５１、位置Ａ５２および位置Ａ６における冷媒の比エンタルピおよび圧力を示している。
【００５６】
点Ａ１は、圧縮機１０による圧縮前の冷媒の状態を示している。冷媒は、点Ａ１の状態では、気体冷媒である。点Ａ１の状態での冷媒の比エンタルピおよび圧力を、ｈａ１およびｐａ１とする。そして、点Ａ１の状態の冷媒が圧縮機１０により圧縮されると、点Ａ２の状態に至る。
【００５７】
点Ａ２は、圧縮機１０による圧縮後で、凝縮器１１による凝縮前の冷媒の状態を示している。冷媒は、点Ａ２の状態では、気体冷媒である。点Ａ２の状態での冷媒の比エンタルピおよび圧力を、それぞれ、ｈａ２およびｐａ２とする。比エンタルピｈａ２は、比エンタルピｈａ１よりも大きい。圧力ｐａ２は、圧力ｐａ１よりも大きい。そして、点Ａ２の状態の冷媒が凝縮器１１により凝縮されると、点Ａ３の状態に至る。
【００５８】
点Ａ３は、凝縮器１１による凝縮後で、膨張弁（メイン膨張弁１２、サブ膨張弁１３）による膨張前の冷媒の状態を示している。冷媒は、点Ａ３の状態では、液体冷媒である。すなわち、冷媒は、凝縮器１１による凝縮により、飽和蒸気線および飽和液線を順に跨いで気体冷媒から液体冷媒に変化する。点Ａ３の状態での冷媒の比エンタルピを、ｈａ３とする。比エンタルピｈａ３は、比エンタルピｈａ１よりも小さい。点Ａ３の状態での冷媒の圧力は、ｐａ２である。そして、点Ａ３の状態の冷媒がメイン膨張弁１２により膨張されると、点Ａ４１の状態に至る。また、点Ａ３の状態の冷媒がサブ膨張弁１３により膨張されると、点Ａ４２の状態に至る。
【００５９】
点Ａ４１は、メイン膨張弁１２による膨張後で、メインカスケード熱交換器３による蒸発前の冷媒の状態を示している。冷媒は、点Ａ４１の状態では、気液二相状態の冷媒である。すなわち、冷媒は、メイン膨張弁１２による膨張により、飽和液線を跨いで液体冷媒から気液二相状態の冷媒に変化する。点Ａ４１の状態での冷媒の比エンタルピおよび圧力は、それぞれ、ｈａ３およびｐａ１である。そして、点Ａ４１の状態の冷媒がメインカスケード熱交換器３により蒸発されると、点Ａ５１の状態に至る。
【００６０】
点Ａ４２は、サブ膨張弁１３による膨張後で、過冷却器４による蒸発前の冷媒の状態を示している。冷媒は、点Ａ４２の状態では、気液二相状態の冷媒である。点Ａ４２の状態での冷媒の比エンタルピは、ｈａ３である。点Ａ４２の状態での冷媒の圧力を、ｐａ４２とする。ここで、サブ膨張弁１３の下流側には、サブ膨張弁１３に直列に接続される補助圧縮機１７が設けられている。したがって、サブ膨張弁１３と補助圧縮機１７との間の冷媒配管１Ａ内の圧力（圧力ｐａ４２）は、圧力ｐａ１よりも小さくなる。
【００６１】
すなわち、過冷却器４に流入する冷媒の圧力がメインカスケード熱交換器３に流入する冷媒の圧力よりも小さく（ｐａ４２＜ｐａ１）、かつ、過冷却器４に流入する冷媒の比エンタルピがメインカスケード熱交換器３に流入する冷媒の比エンタルピと等しい（ｈａ３＝ｈａ３）。このため、冷却装置１００は、過冷却器４に流入する冷媒の温度を、メインカスケード熱交換器３に流入する冷媒の温度よりも小さくすることが可能である。したがって、補助圧縮機１７を設けることにより、冷却装置１００は、低温側回路１０２の冷媒の過冷却を効果的に行うことができる。そして、点Ａ４２の状態の冷媒が過冷却器４により蒸発されると、点Ａ５２の状態に至る。
【００６２】
点Ａ５１は、メインカスケード熱交換器３による蒸発後で、補助圧縮機１７および逆止弁１８を通過した冷媒と合流する前の冷媒の状態を示している。冷媒は、点Ａ５１の状態では、気体冷媒である。点Ａ５１の状態での冷媒の圧力は、ｐａ１である。点Ａ５１の状態での冷媒の比エンタルピを、ｈａ５１とする。比エンタルピｈａ５１は、比エンタルピｈａ３よりも大きい。
【００６３】
点Ａ５２は、過冷却器４による蒸発後で、補助圧縮機１７による圧縮前の冷媒の状態を示している。冷媒は、点Ａ５２の状態では、気体冷媒である。点Ａ５２の状態での冷媒の圧力は、ｐａ４２である。点Ａ５２の状態での冷媒の比エンタルピを、ｈａ５２とする。比エンタルピｈａ５２は、比エンタルピｈａ３よりも大きい。そして、点Ａ５２の状態の冷媒が補助圧縮機１７により圧縮されると、点Ａ６の状態に至る。
【００６４】
点Ａ６は、補助圧縮機１７による圧縮後で、メインカスケード熱交換器３を通過した冷媒と合流する前（逆止弁１８を通過する前）の冷媒の状態を示している。冷媒は、点Ａ６の状態では、気体冷媒である。点Ａ６の状態での冷媒の圧力は、ｐａ１である。点Ａ６の状態での冷媒の比エンタルピを、ｈａ６とする。比エンタルピｈａ６は、比エンタルピｈａ５２よりも大きい。そして、点Ａ６の状態の冷媒が逆止弁１８を通過し、合流点Ｔ２において、メインカスケード熱交換器３を通過した点Ａ５１の冷媒と合流すると、点Ａ１の状態に戻る。
【００６５】
〈低温側回路のｐ−ｈ線図〉
図２を参照して、低温側回路１０２における冷却装置１００のｐ−ｈ線図について説明する。なお、図２に示す点Ｂ１、点Ｂ２、点Ｂ２１、点Ｂ３および点Ｂ４は、それぞれ、図１に示す低温側回路１０２の冷媒配管２の位置Ｂ１、位置Ｂ２、位置Ｂ２１、位置Ｂ３および位置Ｂ４における冷媒の比エンタルピおよび圧力を示している。
【００６６】
点Ｂ１は、圧縮機２０による圧縮前の冷媒の状態を示している。冷媒は、点Ｂ１の状態では、気体冷媒である。点Ｂ１の状態での冷媒の比エンタルピおよび圧力を、ｈｂ１およびｐｂ１とする。そして、点Ｂ１の状態の冷媒が圧縮機２０により圧縮されると、点Ｂ２の状態に至る。
【００６７】
点Ｂ２は、圧縮機２０による圧縮後で、メインカスケード熱交換器３による凝縮前の冷媒の状態を示している。冷媒は、点Ｂ２の状態では、気体冷媒である。点Ｂ２の状態での冷媒の比エンタルピおよび圧力を、それぞれ、ｈｂ２およびｐｂ２とする。比エンタルピｈｂ２は、比エンタルピｈｂ１よりも大きい。圧力ｐｂ２は、圧力ｐｂ１よりも大きい。そして、点Ｂ２の状態の冷媒がメインカスケード熱交換器３により凝縮されると、点Ｂ２１の状態に至る。
【００６８】
点Ｂ２１は、メインカスケード熱交換器３による凝縮後で、過冷却器４による冷却前の冷媒の状態を示している。冷媒は、点Ｂ２１の状態では、液体冷媒である。すなわち、冷媒は、メインカスケード熱交換器３による凝縮により、飽和蒸気線および飽和液線を順に跨いで気体冷媒から液体冷媒に変化する。点Ｂ２１の状態での冷媒の比エンタルピを、ｈｂ２１とする。比エンタルピｈｂ２１は、比エンタルピｈｂ２よりも小さい。点Ｂ２１の状態での冷媒の圧力は、ｐｂ２である。そして、点Ｂ２１の状態の冷媒が過冷却器４により冷却されると、点Ｂ３の状態に至る。
【００６９】
点Ｂ３は、過冷却器４による冷却後で、膨張弁Ｌ１による膨張前の冷媒の状態を示している。冷媒は、点Ｂ３の状態では、液体冷媒である。過冷却器４では、概して、液体冷媒の過冷却が行われる。すなわち、過冷却器４は、一般的な単一のカスケード熱交換器により冷却負荷を冷却する冷却装置とは異なり、メインカスケード熱交換器３に代わり、液体冷媒の過冷却を行う役割を有している。点Ｂ３の状態での冷媒の比エンタルピを、ｈｂ３とする。比エンタルピｈｂ３は、比エンタルピｈｂ２１よりも小さい。点Ｂ３の状態での冷媒の圧力は、ｐｂ２である。そして、点Ｂ３の状態の冷媒が膨張弁Ｌ１により膨張されると、点Ｂ４の状態に至る。
【００７０】
点Ｂ４は、膨張弁Ｌ１による膨張後で、冷却負荷Ｌによる蒸発前の冷媒の状態を示している。冷媒は、点Ｂ４の状態では、気液二相状態（湿り蒸気）の冷媒である。点Ｂ４の状態での冷媒の比エンタルピは、ｈｂ３である。点Ｂ４の状態での冷媒の圧力は、ｐｂ１である。そして、点Ｂ４の状態の冷媒が冷却負荷Ｌにより蒸発および加熱されると、点Ｂ１の状態に戻る。
【００７１】
第１実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
【００７２】
第１実施形態では、上記のように、高温側回路１０１において、メインカスケード熱交換器３が設けられる冷媒配管１（第１配管１ａ）と、サブカスケード熱交換器としての過冷却器４が設けられる冷媒配管１（第２配管１ｂ）とに冷媒を分流させることができるので、単一のカスケード熱交換器を備える冷却装置と比較して、高温側回路１０１において、冷媒配管１が大型化するのを抑制することができる。その結果、冷媒配管１が大型化するのに伴い、高温側回路１０１の圧縮機１０や凝縮器１１などが大型化するのを抑制することができるので、装置全体が大型化するのを抑制することができる。また、複数のカスケード熱交換器（メインカスケード熱交換器３および過冷却器４）により、低温側回路１０２の冷媒を冷却することができるので、冷却負荷Ｌに対する冷却能力を向上させることができる。以上により、冷却装置１００は、装置の大型化を抑制しながら、冷却負荷Ｌに対する冷却能力を向上させることができる。
【００７３】
また、サブカスケード熱交換器としての過冷却器４が設けられることにより、低温側回路１０２において、メインカスケード熱交換器３により、凝縮および冷却された液体冷媒を過冷却器４においてさらに冷却（過冷却）することができるので、メインカスケード熱交換器３のみが冷媒の凝縮および冷却（過冷却）を行う場合と比較して、冷却負荷Ｌに対する冷却能力を効果的に向上させることができる。すなわち、過冷却器４によりメインカスケード熱交換器３による液体冷媒の冷却時の負担を軽減することができる。
【００７４】
また、高温側回路１０１において過冷却器４の下流側に補助圧縮機１７が設けられることにより、過冷却器４を通過する冷媒を、メイン膨張弁１２を介してメインカスケード熱交換器３を通過する冷媒よりもより低圧にして、より低温にすることができる。このため、高温側回路１０１の過冷却器４を通過する冷媒により、低温側回路１０２において過冷却器４を通過する冷媒（冷却負荷Ｌに送られる冷媒）を効果的に過冷却することができる。すなわち、低温側回路１０２の冷凍能力を向上させることができる。
【００７５】
また、第１実施形態では、上記のように、メインカスケード熱交換器３の上流側に直列に配置されるメイン膨張弁１２と、過冷却器４の上流側に直列に配置されるサブ膨張弁１３とを設け、メイン膨張弁１２およびメインカスケード熱交換器３と、サブ膨張弁１３および過冷却器４とは、並列に配置され、過冷却器４が配置されるサブ膨張弁１３および補助圧縮機１７の間の冷媒配管１Ａ内の圧力が変更されるように、メイン膨張弁１２の制御とは独立して、サブ膨張弁１３および補助圧縮機１７の少なくとも一方を制御するように構成されている。これにより、サブ膨張弁１３および補助圧縮機１７の少なくとも一方を制御することにより、過冷却器４に流入する冷媒の圧力（温度）を調整することができるので、低温側回路１０２において過冷却器４で冷媒を過冷却して、冷却負荷Ｌに対して必要な冷凍能力が発揮されるように適切に調整することができる。
【００７６】
また、第１実施形態では、上記のように、圧縮機１０と独立して設けられる補助圧縮機１７を備える。これにより、補助圧縮機１７および圧縮機１０によって、過冷却器に流入する冷媒量と、メインカスケード熱交換器３に流入する冷媒量とを個別制御することができる。
【００７７】
また、第１実施形態では、上記のように、高温側回路１０１は、補助圧縮機１７の下流側に直列に配置される逆止弁１８をさらに含む。これにより、逆止弁１８によって、補助圧縮機１７の停止時において、冷媒が補助圧縮機１７の下流側から上流側に逆流するのを防止することができる。
【００７８】
［第２実施形態］
図３および図４を参照して、第２実施形態について説明する。この第２実施形態では、上記第１実施形態の構成に加えて、さらに、高温側回路１０１が内部熱交換器１９を備える例について説明する。なお、図中において、上記第１実施形態と同様の構成には、第１実施形態と同じ符号を付して図示している。
【００７９】
本発明の第２実施形態による冷却装置２００は、図３に示すように、内部熱交換器１９を含む高温側回路１０１を備えている。
【００８０】
内部熱交換器１９は、凝縮器１１および膨張弁（メイン膨張弁１２、サブ膨張弁１３）の間に配置される冷媒配管１Ｂと、過冷却器４および補助圧縮機１７の間に配置される冷媒配管１Ａとに跨るように設けられている。
【００８１】
内部熱交換器１９は、高温側回路１０１において、凝縮器１１により凝縮された冷媒と、過冷却器４により蒸発された冷媒との間で熱交換を行うように構成されている。その結果、冷却装置２００は、内部熱交換器１９から膨張弁（メイン膨張弁１２、サブ膨張弁１３）に過冷却された冷媒を送るように構成されている。
【００８２】
（ｐ−ｈ線図）
次に、図４を参照して、高温側回路１０１における冷却装置２００のｐ−ｈ線図について説明する。図４に示す点Ａ１、点Ａ２、点Ａ３、点Ａ５１、点Ａ５２および点Ａ６は、第１実施形態と同様の冷媒の状態を示す点であるため、説明を省略する。なお、第１実施形態と比較のため、第１実施形態における冷媒の状態を示す点Ａ４１および点Ａ４２を括弧書きにより図示している。
【００８３】
点Ａ３１、点Ａ４１０、点４２０および点Ａ５３は、それぞれ、図３に示す高温側回路１０１の冷媒配管１の位置Ａ３１、位置Ａ４１０、位置Ａ４２０および位置Ａ５３における冷媒の比エンタルピおよび圧力を示している。
【００８４】
点Ａ３の状態の液体冷媒が内部熱交換器１９での熱交換により過冷却されて、点Ａ３１の状態に至る。点Ａ３１の状態での冷媒の比エンタルピを、ｈａ３１とする。比エンタルピｈａ３１は、比エンタルピｈａ３よりも小さい。高温側回路１０１において、第２実施形態の冷却装置２００は、第１実施形態の冷却装置１００と比較して、より小さい比エンタルピの液体冷媒を膨張弁（メイン膨張弁１２、サブ膨張弁１３）に送ることが可能であるため、成績係数（ＣＯＰ＝Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  Ｏｆ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）が向上する。点Ａ３１の状態での冷媒の圧力は、ｐａ２である。そして、点Ａ３１の状態の冷媒がメイン膨張弁１２により膨張されると、点Ａ４１０の状態に至る。また、点Ａ３１の状態の冷媒がサブ膨張弁１３により膨張されると、点Ａ４２０の状態に至る。
【００８５】
点Ａ４１０は、メイン膨張弁１２による膨張後で、メインカスケード熱交換器３による蒸発前の冷媒の状態を示している。冷媒は、点Ａ４１０の状態では、気液二相状態の冷媒である。点Ａ４１０の状態での冷媒の比エンタルピおよび圧力は、それぞれ、ｈａ３１およびｐａ１である。そして、点Ａ４１０の状態の冷媒がメインカスケード熱交換器３により蒸発されると、点Ａ５１の状態に至る。
【００８６】
点Ａ４２０は、サブ膨張弁１３による膨張後で、過冷却器４による蒸発前の冷媒の状態を示している。冷媒は、点Ａ４２０の状態では、気液二相状態の冷媒である。点Ａ４２０の状態での冷媒の比エンタルピおよび圧力は、それぞれ、ｈａ３１およびｐａ４２である。そして、点Ａ４２０の状態の冷媒が過冷却器４により蒸発されると、点Ａ５２の状態に至る。
【００８７】
点Ａ５２の状態の気体冷媒が内部熱交換器１９での熱交換により加熱されて、点Ａ５３の状態に至る。点Ａ５３の状態での冷媒の比エンタルピを、ｈａ５３とする。比エンタルピｈａ５３は、比エンタルピｈａ５２よりも大きい。そして、点Ａ５３の状態の冷媒が補助圧縮機１７により圧縮されると、点Ａ６の状態に至る。なお、低温側回路１０２のｐ−ｈ線図は第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。
【００８８】
第２実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
【００８９】
第２実施形態では、上記のように、高温側回路１０１は、凝縮器１１および膨張弁（メイン膨張弁１２、サブ膨張弁１３）の間に配置される冷媒配管１Ｂと、過冷却器４および補助圧縮機１７の間に配置される冷媒配管１Ａとに跨るように設けられる内部熱交換器１９を含む。これにより、内部熱交換器１９により、高温側回路１０１においてメインカスケード熱交換器３および過冷却器４に流入する冷媒をより過冷却することができるので、高温側回路１０１において成績係数（ＣＯＰ）を向上させることができる。また、過冷却器４の下流に設けられる内部熱交換器１９により、過冷却器４から流出した冷媒が気液二相状態であったとしても確実に気体冷媒にすることができるので、補助圧縮機１７に液体冷媒が流入して、液圧縮が生じるのを防止することができる。
【００９０】
［第３実施形態］
図５を参照して、第３実施形態について説明する。この第３実施形態では、上記第１実施形態の構成に加えて、さらに、サブカスケード熱交換器としての相互ガスカスケード熱交換器１９ａを備える例について説明する。なお、図中において、上記第１実施形態と同様の構成には、第１実施形態と同じ符号を付して図示している。
【００９１】
本発明の第３実施形態による冷却装置３００は、図５に示すように、相互ガスカスケード熱交換器１９ａを備えている。
【００９２】
相互ガスカスケード熱交換器１９ａは、高温側回路１０１において凝縮器１１および膨張弁（メイン膨張弁１２、サブ膨張弁１３）の間に配置される冷媒配管１Ｂと、低温側回路１０２において冷却負荷Ｌおよび圧縮機２０の間に配置される冷媒配管２Ａとに跨るように設けられている。
【００９３】
相互ガスカスケード熱交換器１９ａは、高温側回路１０１において凝縮器１１により凝縮された冷媒と、低温側回路１０２において冷却負荷Ｌにより蒸発された冷媒との間で熱交換を行うように構成されている。その結果、冷却装置３００は、相互ガスカスケード熱交換器１９ａから膨張弁（メイン膨張弁１２、サブ膨張弁１３）に過冷却された冷媒を送るように構成されている。なお、冷却装置３００のｐ−ｈ線図は第２実施形態と同様であるため、説明を省略する。
【００９４】
第３実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
【００９５】
第３実施形態では、上記のように、高温側回路１０１において凝縮器１１および膨張弁（メイン膨張弁１２、サブ膨張弁１３）の間に配置される冷媒配管１Ｂと、低温側回路１０２において冷却負荷Ｌおよび圧縮機２０の間に配置される冷媒配管２Ａとに跨るように設けられる相互ガスカスケード熱交換器１９ａをさらに備える。これにより、相互ガスカスケード熱交換器１９ａにより、高温側回路１０１においてメインカスケード熱交換器３および過冷却器４に流入する冷媒をより過冷却することができるので、高温側回路１０１において成績係数（ＣＯＰ）を向上させることができる。また、低温側回路１０２において冷却負荷Ｌから流出した冷媒が気液二相状態であったとしても確実に気体冷媒にすることができるので、圧縮機２０に液体冷媒が流入して、液圧縮が生じるのを防止することができる。
【００９６】
［第４実施形態］
図６を参照して、第４実施形態について説明する。この第４実施形態では、過冷却器４の下流側に補助圧縮機１７を設けた上記第１実施形態の構成とは異なり、過冷却器４の下流側に２段圧縮機１９０の１段目圧縮部１９１を設ける例について説明する。なお、図中において、上記第１実施形態と同様の構成には、第１実施形態と同じ符号を付して図示している。また、２段目圧縮部１９２は、特許請求の範囲の「高温側圧縮機」の一例である。また、１段目圧縮部１９１は、特許請求の範囲の「圧縮機」の一例である。
【００９７】
本発明の第４実施形態による冷却装置４００は、図６に示すように、１段目圧縮部１９１および２段目圧縮部１９２を含む２段圧縮機１９０を備えている。
【００９８】
２段圧縮機１９０の１段目圧縮部１９１および２段目圧縮部１９２は、共通のモータ（図示せず）により駆動されるように構成されている。１段目圧縮部１９１は、２段目圧縮部１９２と一体的に設けられることによって２段目圧縮部１９２とともに２段圧縮機１９０を構成している。
【００９９】
１段目圧縮部１９１は、過冷却器４と、逆止弁１８との間に配置されている。冷却装置４００は、過冷却器４が配置されるサブ膨張弁１３および１段目圧縮部１９１の間の冷媒配管１Ａ内の圧力が変更されるように、サブ膨張弁１３および１段目圧縮部１９１の少なくとも一方を制御するように構成されている。
【０１００】
逆止弁１８の下流側には、中間熱交換器１９０ａが設けられている。中間熱交換器１９０ａは、高温側回路１０１において凝縮器１１により凝縮された冷媒と、高温側回路１０１においてメインカスケード熱交換器３により蒸発された冷媒および高温側回路１０１において１段目圧縮部１９１で圧縮され、逆止弁１８を通過した冷媒との間で熱交換を行うように構成されている。２段目圧縮部１９２は、中間熱交換器１９０ａと、凝縮器１１との間に配置されている。なお、冷却装置４００のｐ−ｈ線図は第２実施形態と同様であるため、説明を省略する。
【０１０１】
第４実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
【０１０２】
第４実施形態では、上記のように、２段目圧縮部１９２とともに２段圧縮機１９０を構成する１段目圧縮部１９１を備える。これにより、２段圧縮機１９０によって、凝縮器１１に圧縮した冷媒を送る圧縮部（２段目圧縮部１９２）と、メインカスケード熱交換器３を通過する冷媒よりも過冷却器４を通過する冷媒を低圧にする圧縮部（１段目圧縮部１９１）とを１つの装置にまとめることができるので、部品点数を削減することができるとともに、高温側回路１０１の構成を簡素化することができる。
【０１０３】
［変形例］
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【０１０４】
たとえば、上記第２および第３実施形態では、過冷却器の下流側に配置される本発明の圧縮機の一例として補助圧縮機を用いた例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、過冷却器の下流側に配置される本発明の圧縮機として、上記第４実施形態のように２段圧縮機の１段目圧縮部を用いてもよい。
【０１０５】
また、上記第１〜第４実施形態では、カスケード熱交換器から流出した冷媒と、補助圧縮機から流出した冷媒とを直接合流させた例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、図７に示す冷却装置５００のように、補助圧縮機の上流側にサブカスケード熱交換器としてのガスクーラ１９ｂを設けてもよい。ガスクーラ１９ｂを設けることにより、低温側回路１０２では、メインカスケード熱交換器３に冷媒が流入する前に、気体冷媒を冷却して気液二相状態の冷媒にすることができるので、メインカスケード熱交換器３による凝縮を効果的に行うことができる。
【０１０６】
また、上記第１〜第４実施形態では、圧縮機の入口近傍に、圧力センサを設けた例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、アキュムレータ（中間熱交換器）の出口近傍、アキュムレータの入口近傍、または、メインカスケード熱交換器の出口近傍などに、圧力センサを設けてもよい。
【０１０７】
また、上記第１〜第４実施形態では、高温側回路に、圧力センサを設けた例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、高温側回路に、圧力センサに代えて、温度センサを設けてもよい。
【０１０８】
また、上記第４実施形態では、過冷却器を、ガスクーラの上流に直列に配置した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、ガスクーラを、過冷却器の上流に直列に配置してもよい。
【０１０９】
また、上記第１〜第４実施形態では、冷却装置が１つまたは２つのサブカスケード熱交換器を備える例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、冷却装置が３つ以上のサブカスケード熱交換器を備えていてもよい。
【０１１０】
また、上記第１〜第４実施形態では、低温側回路が受液器を備える例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、低温側回路が受液器を備えていなくてもよい。
【０１１１】
また、上記第１〜第３実施形態では、戻し回路により還流された冷媒を、アキュムレータの入口側に流入する配置にした例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、戻し回路により還流された冷媒を、圧縮機の入口側（吸入側）に流入する配置にしてもよい。
【符号の説明】
【０１１２】
１  （高温側回路の）冷媒配管
１Ａ  冷媒配管
１Ｂ  冷媒配管
２  （低温側回路の）冷媒配管
２Ａ  冷媒配管
３  メインカスケード熱交換器
４  過冷却器
１０  圧縮機（高温側圧縮機）
１１  凝縮器（高温側凝縮器）
１２  メイン膨張弁（高温側膨張弁）
１３  サブ膨張弁（高温側膨張弁）
１７  補助圧縮機（圧縮機）
１８  逆止弁
１９  内部熱交換器
１９ａ  相互ガスカスケード熱交換器
２０  圧縮機（低温側圧縮機）
１００、２００、３００、４００、５００  冷却装置
１０１  高温側回路
１０２  低温側回路
１９０  ２段圧縮機
１９１  １段目圧縮部（圧縮機）
１９２  ２段目圧縮部（高温側圧縮機）
Ｌ  冷却負荷
Ｌ１  膨張弁（低温側膨張弁）
【図１】
2019174024.tif 000003
【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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