(57)【要約】【課題】冷却機能を速やかに発揮できるようにしたカスケード式冷凍装置を提供する。【解決手段】メイン冷凍機の冷媒と過冷却冷凍機Ｂの冷媒とをカスケード熱交換器４で熱交換させて、前記メイン冷凍機の冷媒を過冷却冷凍機Ｂの冷媒によって冷却するカスケード式冷凍装置において、前記過冷却冷凍機Ｂの出口冷媒圧を検出する圧力センサＳ２と、圧力センサＳ２により検出された前記出口冷媒圧が所定圧を越えると過冷却冷凍機Ｂを運転させて前記出口冷媒圧を下げる制御を行う制御装置５と、を備える。【選択図】図２
2019082294.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
メイン冷凍機の冷媒と過冷却冷凍機の冷媒とをカスケード熱交換器で熱交換させて、前記メイン冷凍機の冷媒を前記過冷却冷凍機の冷媒によって冷却するカスケード式冷凍装置において、
前記過冷却冷凍機の出口冷媒圧を検出する圧力センサと、
前記圧力センサにより検出された前記出口冷媒圧が所定圧を越えると前記過冷却冷凍機を運転させて前記出口冷媒圧を下げる制御を行う制御装置と、
を備えたことを特徴とするカスケード式冷凍装置。
【請求項２】
外気温を検出する温度センサを備え、
前記温度センサにより検出された前記外気温が上限温度を越えた場合に前記制御を実行する
ことを特徴とする請求項１に記載のカスケード式冷凍装置。
【請求項３】
前記メイン冷凍機が除霜中となった場合に、前記制御を実行する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のカスケード式冷凍装置。
【請求項４】
前記制御では、所定時間だけ前記過冷却冷凍機を運転させる
ことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のカスケード式冷凍装置。
【請求項５】
前記制御では、前記出口冷媒圧が前記所定圧未満になるまで、前記過冷却冷凍機を運転させる
ことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のカスケード式冷凍装置。
【請求項６】
前記過冷却冷凍機の冷媒の流通方向において前記カスケード熱交換器の上流側に設けられた主絞り手段を有し、
前記過冷却冷凍機は、
圧縮機と、
前記圧縮機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ガスクーラと、
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と、
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と、
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と、
前記中間タンク上部内のガス状の冷媒を、ガス戻し用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、前記圧縮機の中間圧部に吸い込ませる補助回路と、
前記中間タンク下部から冷媒を流出させ、該冷媒を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とを有している
ことを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載のカスケード式冷凍装置。
【請求項７】
前記制御を開始するときに、前記ガス戻し用絞り手段を第一所定開度まで開く
ことを特徴とする請求項６に記載のカスケード式冷凍装置。
【請求項８】
前記制御を開始するときに、前記圧力調整用絞り手段を第二所定開度まで絞る
ことを特徴とする請求項６又は７に記載のカスケード式冷凍装置。
【請求項９】
前記過冷却冷凍機の前記冷媒が二酸化炭素であり、前記所定圧は、７ＭＰａ以上、７．３Ｍｐａ以下の範囲内の一定の圧力である
ことを特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載のカスケード式冷凍装置。
【請求項１０】
前記出口冷媒圧が強制停止圧力を超えると前記過冷却冷凍機を強制停止する安全装置を備え、
前記所定圧は、前記強制停止圧力以下に設定されている
ことを特徴とする請求項１〜９の何れか一項に記載のカスケード式冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カスケード式冷凍装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、メイン冷凍機の冷媒を、過冷却冷凍機によって冷却することで冷却効果を向上させたカスケード式冷凍装置が開発されている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】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】
【０００４】
過冷却冷凍機は、メイン冷凍機だけでは必要な冷却効果が得られないときに運転を行うが、夏場の猛暑日のように外気温が高いと、過冷却冷凍機が起動されてから運転が安定するまで時間を要することがある。
【０００５】
メイン冷凍機に接続されるショーケース等の冷凍・冷蔵負荷装置（蒸発器）が、屋外よりも気温が低い屋内に設置されるのに対し、過冷却冷凍機に接続される負荷装置（カスケード熱交換器）は屋外に設置される。そのため、外気温が高いと、屋外に置かれる過冷却冷凍機は、停止期間中にその冷媒圧が冷媒配管の設計圧力近傍まで上昇することがあり、加えて、過冷却冷凍機は、運転開始後しばらくは冷媒圧が不安定で一時的に冷媒圧が上昇することがある。このため、外気温が高いと、過冷却冷凍機は、起動後しばらくは安全装置が作動して発停を繰り返し、その運転が安定するまでに時間を要することがある。
このような場合、カスケード式冷凍装置は、必要な冷却機能を速やかに発揮することが難しくなる。
【０００６】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、冷却機能を速やかに発揮できるようにしたカスケード式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】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明のカスケード式冷凍装置は、メイン冷凍機の冷媒と過冷却冷凍機の冷媒とをカスケード熱交換器で熱交換させて、前記メイン冷凍機の冷媒を前記過冷却冷凍機の冷媒によって冷却するカスケード式冷凍装置において、前記過冷却冷凍機の出口冷媒圧を検出する圧力センサと、前記圧力センサにより検出された前記出口冷媒圧が所定圧を越えると前記過冷却冷凍機を運転させて前記出口冷媒圧を下げる制御を行う制御装置と、を備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のカスケード式冷凍装置によれば、冷却機能を速やかに発揮できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態のカスケード式冷凍装置の冷凍回路の全体構成を示す模式図
【図２】本発明の一実施形態に係る過冷却冷凍機及びカスケードユニットにより形成される過冷却側冷凍回路の構成を示す模式図
【図３】本発明の一実施形態に係る制御装置の模式的な機能ブロック図
【図４Ａ】本発明の一実施形態に係る過冷却冷凍機の出口冷媒圧の挙動を説明するための模式図
【図４Ｂ】本発明の一実施形態に係る過冷却冷凍機の出口冷媒圧の挙動を説明するための模式図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態のカスケード式冷凍装置ついて、図面を参照しながら説明する。
【００１１】
[１．構成]
[１−１．全体構成]
以下、図１を参照して、カスケード式冷凍装置の全体構成の概略を説明する。
図１は、本発明の一実施形態のカスケード式冷凍装置１の冷凍回路の全体構成を示す模式図である。
【００１２】
図１に示すカスケード式冷凍装置１は、スーパーマーケット等の店舗の屋外にそれぞれ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（屋内）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】
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とが、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とが、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とが、それぞれ冷媒配管で接続されている。これにより、メイン側冷媒（本実施形態では二酸化炭素）が循環するメイン側冷凍回路２が構成されている。
【００１４】
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とが、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とが、それぞれ冷媒配管で接続されている。これにより、過冷却側冷媒（本実施形態では二酸化炭素）が循環する過冷却側冷凍回路３が構成される。
【００１５】
カスケードユニットＣは、メイン冷凍機Ａを流れるメイン側冷媒を、過冷却冷凍機Ｂを流れる過冷却側冷媒により冷却するものであり、そのためのカスケード熱交換器４及び電動膨張弁３０３（主絞り手段）を備える。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とを繋ぐようにして設けられた第１の流路４Ａと、第２冷媒入口Ｃｉｎ２と第２冷媒出口Ｃｏｕｔ２とを繋ぐようにして設けられた第２の流路４Ｂとを有する。電動膨張弁３０３は、第２の流路４Ｂ側においてカスケード熱交換器４よりも上流側に配置される。
第２の流路４Ｂを流れる過冷却側冷媒は、電動膨張弁３０３を流通する際に絞り膨張により低温となり、第１の流路４Ａを流れるメイン側冷媒と熱交換してこのメイン側冷媒を冷却する。
【００１６】
ショーケースＤは、電動膨張弁２０３と蒸発器２０４とを有している。ショーケースＤに供給されたメイン側冷媒は、電動膨張弁２０３を流通する際に絞り膨張して低温となった後、蒸発器２０４において、図示しない冷気循環用送風機から供給される空気と熱交換する。これにより、ショーケースＤ内に陳列された食品等を冷却する低温の空気が生成される。
【００１７】
また、カスケード式冷凍装置１は、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、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を構成する各部の運転を制御する。
【００１８】
制御装置５は、ショーケースの冷凍・冷蔵負荷（以下、単に負荷と称する。）が比較的小さい場合には、メイン冷凍機Ａ（メイン側冷凍回路２）を単独運転させる。
これに対し、負荷が比較的大きく、メイン冷凍機Ａの単独運転では必要とされる温度及び量の低温空気を生成できない場合には、制御装置５は、メイン冷凍機Ａに加えて過冷却冷凍機Ｂを運転させる（以下、この運転を「カスケード運転」と称する）。このカスケード運転では、上述したようにカスケード熱交換器４においてメイン側冷媒が過冷却側冷媒により冷却されるので、メイン側冷媒の過冷却度を増すことができる。よって、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、カスケード式冷凍装置１は、必要とされる温度及び量の低温空気を生成できる。
【００１９】
また、制御装置５は、一定の条件を満たした場合には、出口冷媒圧Ｐが所定圧Ｐ１を超えると負荷とは無関係に過冷却冷凍機Ｂを運転させて出口冷媒圧Ｐを下げる制御（以下「降圧制御」と称する）を行う。降圧制御については詳しく後述する。
【００２０】
なお、このカスケード式冷凍装置１では、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は、必要に応じてこれらの２つ以上を一体化させた単一の装置とすることもできる。
【００２１】
[１−２．冷凍回路の構成]
以下、図２を参照して、冷凍回路の構成をさらに説明する。メイン側冷凍回路２と過冷却側冷凍回路３とは、共に、スプリット熱交換器を備えてスプリットサイクルを実現する回路であり、過冷却側冷凍回路３を例にとりその構成を説明する。
図２は、本発明の一実施形態に係る過冷却冷凍機Ｂ及びカスケードユニットＣにより形成される過冷却側冷凍回路３の構成を示す模式図である。
【００２２】
図２に示す過冷却側冷凍回路３は、周波数可変型の圧縮機３０１を備える。圧縮機３０１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３０１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３０１ａ、及び、第２の回転圧縮要素３０１ｂから成る。
【００２３】
圧縮機３０１の第１の回転圧縮要素３０１ａは、過冷却側冷凍回路３の低圧側から吸い込んだ過冷却側冷媒を圧縮し、中間圧まで昇圧して吐出する。第２の回転圧縮要素３０１ｂは、この中間圧の冷媒を吸い込み、圧縮して昇圧し、過冷却側冷凍回路３の高圧側に吐出する。
【００２４】
圧縮機３０１の密閉容器の側面には、第１の回転圧縮要素３０１ａ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３０１ｂ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３０１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、カスケードユニットＣの第２冷媒出口Ｃｏｕｔ２に接続されている。
【００２５】
低段側吸込口より第１の回転圧縮要素３０１ａの低圧部に吸い込まれた低圧の冷媒ガスは、この第１の回転圧縮要素３０１ａにより中間圧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となる。
【００２６】
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３０１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、この中間圧吐出配管Ｌ２の他端はインタークーラ３０５の入口に接続されている。このインタークーラ３０５は、第１の回転圧縮要素３０１ａから吐出された中間圧の冷媒を空冷するものである。インタークーラ３０５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３０１の高段側吸込口に接続されている。
【００２７】
高段側吸込口より第２の回転圧縮要素３０１ｂに吸い込まれた中間圧の冷媒ガスは、この第２の回転圧縮要素３０１ｂにより２段目の圧縮が行われて高温高圧の冷媒ガスとなる。
【００２８】
そして、圧縮機３０１の第２の回転圧縮要素３０１ｂ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。この高圧吐出配管Ｌ４の他端はガスクーラ３０２の入口に接続されている。ガスクーラ３０２は、圧縮機３０１から吐出された高温高圧の冷媒ガスを冷却するものである。
【００２９】
ガスクーラ３０２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（以下「減圧電動弁」と称する）３０６の入口に接続されている。この減圧電動弁３０６はガスクーラ３０２から出た冷媒を絞って膨張させると共に、減圧電動弁３０６から上流側における過冷却側冷凍回路３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３０７の上部に接続されている。
【００３０】
中間タンク３０７は、その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の一端が接続されている。この中間タンク出口配管Ｌ７の他端は、カスケードユニットＣの第２冷媒入口Ｃｉｎ２を介して、カスケード熱交換器４の第２の流路４Ｂの入口に接続されている。この中間タンク出口配管Ｌ７には、スプリット熱交換器３０８の第２の流路３０８Ｂが介在すると共に、この第２の流路３０８Ｂとカスケード熱交換器４との間に電動膨張弁３０３が介在する。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。
【００３１】
カスケード熱交換器４の第２の流路４Ｂの出口は、上述したように冷媒導入配管Ｌ１を介して圧縮機３０１の第１の回転圧縮要素３０１ａに連通する低段側吸込口に接続されている。
また、中間タンク３０７の上部には、ガス配管Ｌ８の一端が接続されている。このガス配管Ｌ８の他端は、ガス戻し用絞り手段としての電動膨張弁（以下「ガス戻し弁」と称する）３０９の入口に接続されている。ガス配管Ｌ８は中間タンク３０７上部からガス冷媒を流出させ、ガス戻し弁３０９に流入させる。このガス戻し弁３０９の出口には、中間圧戻り配管Ｌ９の一端が接続されている。この中間圧戻り配管Ｌ９の他端は、圧縮機３０１の中間圧部に繋がる中間圧吸入配管Ｌ３に接続されている。そして、この中間圧戻り配管Ｌ９にはスプリット熱交換器３０８の第１の流路３０８Ａが介在している。
【００３２】
また、中間タンク出口配管Ｌ７と中間圧戻り配管Ｌ９との間には、液戻し配管Ｌ１０が設けられている。この液戻し配管Ｌ１０には、電動膨張弁３１０が介在している。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３０９、３１０と、電動膨張弁３０９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。
【００３３】
ここで、減圧電動弁３０６は、ガスクーラ３０２の下流側であって電動膨張弁３０３の上流側に位置する。また、中間タンク３０７は、減圧電動弁３０６の下流側であって電動膨張弁３０３の上流側に位置する。また、スプリット熱交換器３０８は、中間タンク３０７の下流側であって電動膨張弁３０３の上流側に位置する。更に、カスケード熱交換器４は、電動膨張弁３０３の下流側であって、圧縮機３０１の上流側に位置する。
【００３４】
また、過冷却冷凍機Ｂの各所には種々のセンサが取り付けられている。例えば、ガスクーラ３０２の筐体等には外気温を検出する外気温センサＳ１（温度センサ）が取り付けられ、ガス配管Ｌ８には出口冷媒圧Ｐを検出する出口圧センサＳ２（圧力センサ）が取り付けられており、これらのセンサＳ１、Ｓ２の検出情報は制御装置５へと出力される。制御装置５はセンサＳ１、Ｓ２を含む各種センサの検出情報に基づいて過冷却冷凍機Ｂを構成する各種機器の作動を制御する。
【００３５】
[２．制御構成]
以下、図３を参照して、過冷却冷凍機Ｂの出口冷媒圧Ｐを低下させるための降圧制御について説明する。
図３は、本発明の一実施形態に係る制御装置５の模式的な機能ブロック図である。
【００３６】
降圧制御に関連した機能に着目すると、図３に示すように、制御装置５は、降圧制御を行うか否かを判定する判定部５０と、メイン冷凍機Ａに設けられた（すなわちメイン側冷凍回路２に設けられた）圧縮機２０１の作動を制御するメイン側圧縮機制御部５１と、過冷却冷凍機Ｂに設けられた（すなわち過冷却側冷凍回路３に設けられた）圧縮機３０１の作動を制御する過冷却側圧縮機制御部５２と、メイン冷凍機Ａ及び過冷却冷凍機Ｂに備えられた各種バルブの作動を制御するバルブ制御部５３とを備える。
【００３７】
上述したように、過冷却冷凍機Ｂの周囲温度（外気温）が高い場合、過冷却冷凍機Ｂの停止期間中にその出口冷媒圧Ｐが上昇すると、過冷却冷凍機Ｂを起動してから運転が安定するまでに時間が掛かることがある。
そこで、判定部５０は、以下の条件１及び条件２の少なくとも一方の条件が満たされているときには、降圧制御が必要であると判断する。ここで、降圧制御とは、出口圧センサＳ２により検出された過冷却冷凍機Ｂの出口冷媒圧Ｐが所定圧Ｐ１を超えると（Ｐ＞Ｐ１）過冷却冷凍機Ｂを運転させて出口冷媒圧Ｐを下げる制御のことである。
【００３８】
（条件１）外気温センサＳ１により検出された外気温Ｔが、上限温度Ｔｍａｘ（例えば４０℃〜４５℃）を超えた場合（Ｔ＞Ｔｍａｘ）。
（条件２）メイン冷凍機Ａが除霜中の場合。
【００３９】
条件１は、外気温Ｔが高いと出口冷媒圧Ｐが高くなりやすいので、それを抑制するために設定される条件である。
条件２は、メイン冷凍機Ａの除霜後に、過冷却冷凍機Ｂを速やかに運転させるために設定される条件である。つまり、メイン冷凍機Ａの除霜中、メイン冷凍機Ａが停止するか又は除霜運転を行うためメイン冷凍機Ａによる冷却が行われないので、それまで冷却が行われなかった分を早期に補えるよう、過冷却冷凍機Ｂを運転させて急速冷却を行うために設定される条件である。
なお、判定部５０は、制御装置５の内部信号である除霜指令を監視することで、メイン冷凍機Ａが除霜中であることを検出できる。
【００４０】
ここで、所定圧Ｐ１は、強制停止圧力Ｐｓ以下の圧力に設定されている。強制停止圧力Ｐｓとは、過冷却冷凍機Ｂを強制停止させる圧力であり、出口冷媒圧Ｐがこの圧力を超えると、出口冷媒圧Ｐが過冷却側冷凍回路３の配管設計圧Ｐｄを超えてしまわないように安全装置が作動する。この強制停止圧力Ｐｓは、余裕を見込んで配管設計圧Ｐｄ以下に設定されている。
すなわち、降圧制御は、安全装置が作動して過冷却冷凍機Ｂを強制停止させないように、出口冷媒圧Ｐが、強制停止圧力Ｐｓ以下である所定圧Ｐ１を超えたときに、出口冷媒圧Ｐを下げるための制御である。
なお、本実施形態では制御装置５が安全装置の機能を担っているが、安全装置を制御装置５とは別に設けてもよい。
【００４１】
設計圧Ｐｄは冷媒の種類によって決定される。本実施形態のように過冷却冷凍機Ｂの冷媒に二酸化炭素が使用される場合には、設計圧Ｐｄは例えば８ＭＰａ（高圧部は１２ＭＰａ）程度であり、所定圧Ｐ１は、７ＭＰａ以上、７．５ＭＰａ以下の範囲内の所定圧力（例えば７．３ＭＰａ）に設定される。
【００４２】
判定部５０は、出口圧センサＳ２により検出された出口冷媒圧Ｐの監視しており、出口冷媒圧Ｐが所定圧力Ｐ１を超えると、その旨の信号を、メイン側圧縮機制御部５１，過冷却側圧縮機制御部５２及びバルブ制御部５３にそれぞれ出力する。
そして、この信号を受信すると、メイン側圧縮機制御部５１，過冷却側圧縮機制御部５２及びバルブ制御部５３はそれぞれ次のような制御を行う。
【００４３】
過冷却側圧縮機制御部５２は、過冷却側圧縮機３０１を所定の周波数で作動させて、過冷却冷凍機Ｂを所定時間ｔだけ運転させる。
【００４４】
バルブ制御部５３は、降圧制御において過冷却冷凍機Ｂの圧縮機３０１が起動される時に、（１）ガス戻し弁３０９を第一所定開度まで開く制御、（２）減圧電動弁３０６を第二所定開度まで絞る制御、の少なくとも一つを実行する。
【００４５】
このような制御を行う理由は次のとおりである。
圧縮機３０１の作動開始後、出口冷媒圧Ｐが不安定で一時的に上昇したとしても、ガス戻し弁３０９を第一所定開度まで開いておけば、圧力がガス戻し弁３０９から中間圧吸入配管Ｌ３へと抜けるようになり、出口冷媒圧Ｐが下がる。
【００４６】
また、減圧電動弁３０６を第二所定開度まで絞ることにより、減圧電動弁３０６の上流側と下流側との差圧が大きくなって、減圧電動弁３０６の下流側の圧力である出口冷媒圧Ｐが下がる。但し、その一方で減圧電動弁３０６の上流側の冷媒圧は上昇するので、減圧電動弁３０６の上流側の冷媒圧が過度に上昇しないように第二所定開度を適切な開度に設定しておく必要がある。
【００４７】
[３．作用・効果]
本発明の一実施形態のカスケード式冷凍装置１による作用・効果を、図４Ａ及び図４Ｂを参照して説明する。
図４Ａ及び図４Ｂは、本発明の一実施形態に係る過冷却冷凍機Ｂの出口冷媒圧Ｐの挙動を説明するための模式図である。
【００４８】
図４Ａは、降圧制御を行わない従来技術相当の過冷却冷凍機における出口冷媒圧Ｐの挙動の一例を示す。この例では、時刻ｔ１でカスケード運転が終了し、メイン冷凍機の単独運転が開始した後、高い外気温Ｔの影響で、過冷却冷凍機の出口冷媒圧Ｐが強制停止圧力Ｐｓ近くまで上昇する。このような冷却性能に対する要求が高くなった状態で過冷却冷凍機が起動されると、起動後しばらくの間は冷媒圧が不安定であるため、出口冷媒圧Ｐが強制停止圧力Ｐｓを超えて過冷却冷凍機が強制停止するおそれがある。
【００４９】
過冷却冷凍機が強制停止しても、その後、出口冷媒圧Ｐが強制停止圧力Ｐｓよりも低下すると、過冷却冷凍機の運転は再開されるが、再び、出口冷媒圧Ｐが強制停止圧力Ｐｓを超えて過冷却冷凍機が強制停止し、発停が繰り返されるおそれがある。このように発停が繰り返されるうちに、過冷却冷凍機の冷媒は、カスケード熱交換器で放熱して温度が徐々に低下して圧力が下がる。この結果、過冷却冷凍機の運転が継続して行われるようになるが、それまでに時間を要する。
【００５０】
図４Ｂは、降圧制御を行った場合における出口冷媒圧Ｐの挙動を示す。
時刻ｔ１でカスケード運転が終了した後、高い外気温Ｔの影響で出口冷媒圧Ｐが所定圧Ｐ１まで上昇すると、過冷却冷凍機Ｂが所定時間ｔだけ運転する。これにより、過冷却冷凍機Ｂの冷媒は、カスケード熱交換器４（図１及び図２参照）で放熱して温度が低下し出口冷媒圧Ｐが低下する。以降、出口冷媒圧Ｐが所定圧Ｐ１まで上昇するたびに、過冷却冷凍機Ｂは、所定時間ｔだけの一時的な運転を繰り返し、過冷却冷凍機Ｂの出口冷媒圧Ｐは、所定圧Ｐ１よりも低圧に維持される。
【００５１】
このように出口冷媒圧Ｐは、強制停止圧力Ｐｓ以下である所定圧Ｐ１未満に維持されるので、必要な冷却性能が得られるよう過冷却冷凍機Ｂの本来の運転が開始された後、出口冷媒圧Ｐが不安定で一時的に上昇したとしても、出口冷媒圧Ｐが強制停止圧力Ｐｓを超えることを防止できる。
【００５２】
したがって、本実施形態のカスケード式冷凍装置１によれば、出口冷媒圧Ｐが高いことに起因した過冷却冷凍機Ｂの起動時の発停の繰り返しを抑制でき、カスケード運転の開始後、必要な冷却機能を速やかに発揮できる。
【００５３】
また、外気温センサＳ１で検出された外気温Ｔが上限温度Ｔｍａｘを超えたときに、降圧制御を行うので、過冷却冷凍機Ｂの出口冷媒圧Ｐが強制停止圧力Ｐｓの近傍まで上昇する可能性の高いときに自動で降圧制御が行われるようにすることができる。
【００５４】
また、メイン冷凍機Ａの除霜中は、メイン冷凍機Ａによる冷却が行われないので、除霜運転後は、それまで冷却が行われなかった分を早期に補えるよう、過冷却冷凍機Ｂを運転させて急速冷却を行う可能性が高い。そこで、メイン冷凍機Ａの除霜中に過冷却冷凍機Ｂに対して降圧制御を実行しておくことで、除霜終了後、速やかに過冷却冷凍機Ｂを安定して運転させることができる。
【００５５】
また、降圧制御における圧縮機３０１の起動時に、過冷却冷凍機Ｂのガス戻し弁３０９を第一所定開度まで開くことで、過冷却冷凍機Ｂの出口冷媒圧Ｐを効果的に下げることができる。
【００５６】
また、降圧制御における圧縮機３０１の起動時に、過冷却冷凍機Ｂの減圧電動弁３０６を第二所定開度まで絞ることで、過冷却冷凍機Ｂの出口冷媒圧Ｐを効果的に下げることができる。
【００５７】
[４．変形例]
以下、変形例について説明する。
（１）降圧制御において、出口圧センサＳ２で検出された過冷却冷凍機Ｂの出口冷媒圧Ｐが所定圧Ｐ１を越えるとこの出口冷媒圧Ｐが所定圧Ｐ１未満の所定圧力になるまで過冷却冷凍機Ｂを運転させるようにしてもよい。
出口冷媒圧Ｐが所定圧Ｐ１未満になることを直接監視するので、出口冷媒圧Ｐが所定圧Ｐ１を超えてしまうことを確実に抑制できる。
【００５８】
（２）降圧制御への切り替えを手動で行うようにしてもよい。
【００５９】
（３）上記の実施形態では、メイン冷凍機Ａのメイン側冷凍回路２及び過冷却冷凍機Ｂの過冷却側冷凍回路３は、いずれもスプリットサイクルを実現した回路であったが、メイン側冷凍回路及び過冷却側冷凍回路は、スプリットサイクルを実現した回路に限定されない。
【００６０】
（４）上記の実施形態では、出口冷媒圧Ｐをガス配管Ｌ８において検出したが、出口冷媒圧Ｐの検出位置は、電動膨張弁３０６よりも下流側且つ電動膨張弁３０３よりも上流側であれば、圧力は略一定なので特に限定されない。すなわち、本発明の出口冷媒圧Ｐとは、電動膨張弁３０６により減圧されてから電動膨張弁３０３により減圧されるまでの冷媒圧を指す。
【００６１】
（５）上記の実施形態では、メイン冷凍機Ａのメイン側冷凍回路２及び過冷却冷凍機Ｂの過冷却側冷凍回路３の冷媒はそれぞれ二酸化炭素であったが、メイン側冷凍回路及び過冷却側冷凍回路の冷媒は二酸化炭素に限定されない。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明は、メイン冷凍機の冷媒と過冷却冷凍機の冷媒とをカスケード熱交換器で熱交換させて、メイン冷凍機の冷媒を過冷却冷凍機の冷媒によって冷却するカスケード式冷凍装置に用いて好適である。
【符号の説明】
【００６３】
１  カスケード式冷凍装置
２  メイン側冷凍回路
３  過冷却側冷凍回路
４  カスケード熱交換器
５  制御装置
５０  判定部
５１  メイン側圧縮機制御部
５２  過冷却側圧縮機制御部
５３  バルブ制御部
２０３  電動膨張弁
２０４  蒸発器
３０１  圧縮機
３０２  ガスクーラ
３０３  電動膨張弁（主絞り手段）
３０６  電動膨張弁（圧力調整用絞り手段）
３０８  スプリット熱交換器
３０８Ａ  第１の流路
３０８Ｂ  第２の流路
３０９  電動膨張弁（ガス戻し用絞り手段）
３１０  電動膨張弁
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
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
Ｐ  過冷却冷凍機Ｂの出口冷媒圧
Ｐｄ  過冷却冷凍機Ｂの冷媒配管の設計圧力
Ｐ１  出口冷媒圧Ｐの所定圧
Ｐｓ  強制停止圧力
Ｓ１  外気温センサ（温度センサ）
Ｓ２  出口圧センサ（圧力センサ）
Ｔ  外気温
Ｔｍａｘ  上限温度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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