(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温側圧縮機、高温側空冷式凝縮器、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高温側循環回路を形成する高温側サイクル装置と、
低温側圧縮機、空冷式中間冷却器、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低温側循環回路を形成する低温側サイクル装置と、
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、
空気が流れる方向に対して略垂直方向に並べられた前記高温側空冷式凝縮器と前記空冷式中間冷却器とに空気を送り込むための送風機と、
前記高温側空冷式凝縮器での熱交換に基づく第１の送風機出力判定の結果と、前記空冷式中間冷却器における熱交換に基づく第２の送風機出力判定の結果とに基づいて、前記第１の送風機出力判定の結果と前記第２の送風機出力判定の結果とが異なる場合には、出力の維持及び減少よりも出力を増加させる結果又は出力の減少よりも出力を維持させる結果を優先して前記送風機の出力を決定する制御装置と
を備えることを特徴とする冷凍装置。
【請求項２】
前記制御装置は、
前記高温側循環回路における高圧圧力の飽和温度値と、前記高温側空冷式凝縮器及び前記空冷式中間冷却器に送り込む空気の温度となる外気温度の値とに基づいて前記第１の送風機出力判定を行い、低温側循環回路における高圧圧力の飽和温度値、前記空冷式中間冷却器の流出側における前記低温側冷媒の温度値及び前記外気温度の値に基づいて前記第２の送風機出力判定を行うことを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
【請求項３】
前記制御装置は、
前記高温側空冷式凝縮器及び前記空冷式中間冷却器に送り込む空気の温度となる外気温度に基づいて高温側循環回路における高圧圧力の目標値を設定し、
前記低温側循環回路における低圧圧力に基づいて前記低温側循環回路における高圧圧力の目標値を設定する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】
前記制御装置は、
前記空冷式中間冷却器の冷媒流出口側の温度値と、前記低温側循環回路における高圧圧力の飽和温度値又は前記高温側空冷式凝縮器及び前記空冷式中間冷却器に送り込む空気の温度となる外気温度の値との差に基づいて、前記第２の送風機出力判定を行う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】
前記制御装置は、
飽和温度換算で前記高温側空冷式凝縮器及び前記空冷式中間冷却器に送り込む空気の温度となる外気温度から５〜２０℃高い温度となるように、前記高温側循環回路における高圧圧力の飽和温度値の目標値を設定し、前記高温側循環回路における高圧圧力の飽和温度値と前記目標値とを比較して前記第１の送風機出力を判定し、
前記空冷式中間冷却器の冷媒流出口側の温度値から低温側高圧圧力の飽和温度値または外気温度の値を引いた値と、５〜１０Ｋの範囲とを比較して前記第２の送風機出力を判定することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の冷凍装置。
【請求項６】
前記空冷式中間冷却器は、前記高温側空冷式凝縮器の熱交換能力に対して、１７％以上の熱交換能力を有する構成であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、複数の冷凍サイクル装置（冷媒循環回路）を多段構成した多元冷凍装置に関するものである。特に熱交換器において冷媒との熱交換を行う空気を送り込むための送風機の制御に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、例えば高温側（高段側、一次側）となる冷凍サイクル装置（以下、高温側サイクルという）と低温側（低段側、二次側）となる冷凍サイクル装置（以下、低温側サイクルという）とをそれぞれ形成して多段で構成した冷凍装置がある（ここでは二段構成の二元冷凍装置であるものとする）。そして、多段構成の冷凍装置において、高温側サイクルが有する空冷式凝縮器と低温側サイクルが有する空冷式中間冷却器とに空気を送り込む送風機を共通にして、低温側サイクルと高温側サイクルとを流れる冷媒を冷却するものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このような冷凍装置では、通常、低温側サイクルが有する空冷式中間冷却器（特許文献１では前段放熱器と記載）の冷媒流出口側の温度を元に、高温側サイクルの圧縮機における能力を変化させ、低温側サイクルにおける高圧側の圧力（高圧圧力）を一定に保っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２７５９号公報（図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の多元冷凍装置では、上述したように、低温側サイクルが有する空冷式中間冷却器（前段放熱器）の冷媒流出口側の温度を元に、高温側サイクルの空冷式凝縮器と低温側サイクルの空冷式中間冷却器を同時に冷却する送風機の制御を行っていた。このため、高温側サイクルの空冷式凝縮器の熱交換能力（放熱能力）を適正にできない場合があり、冷却能力の不足、エネルギー効率（運転効率）が悪くなる等の問題があった。
【０００６】
本発明はこのような問題を解決するもので、高温側サイクルの空冷式凝縮器及び低温側サイクルの空冷式中間冷却器の熱交換能力が適正になるようにし、冷凍装置全体の冷凍能力、省エネルギー性能をさらに良好とする冷凍装置を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る冷凍装置は、高温側圧縮機、高温側空冷式凝縮器、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高温側循環回路を形成する高温側サイクル装置と、低温側圧縮機、空冷式中間冷却器、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低温側循環回路を形成する低温側サイクル装置と、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、空気が流れる方向に対して略垂直方向に並べられた高温側空冷式凝縮器と空冷式中間冷却器とに空気を送り込むための送風機と、高温側空冷式凝縮器での熱交換に基づく第１の送風機出力判定の結果と、空冷式中間冷却器における熱交換に基づく第２の送風機出力判定の結果とに基づいて、第１の送風機出力判定の結果と第２の送風機出力判定の結果とが異なる場合には、出力の維持及び減少よりも出力を増加させる結果又は出力の減少よりも出力を維持させる結果を優先して送風機の出力を決定する制御装置とを備えるものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明の冷凍装置は、高温側循環回路における高温側凝縮器の熱交換に基づいて判断した第１の送風機出力結果と低温側中間冷却器の熱交換に基づいて判断した第２の送風機出力結果とに基づいて、最終的な送風機の出力を決定し、制御を行うようにしたので、高温側空冷式凝縮器又は低温側空冷式中間冷却器の熱交換能力（放熱能力）を不足させることがなく、十分に放熱させることができ、低温側蒸発器による冷却対象（負荷）への冷却能力を損なわず、省エネルギー性能を良好にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】この発明の実施の形態における冷凍装置の構成を表す図である。
【図２】制御装置６０を中心とした制御における入出力関係を表す図である。
【図３】実施の形態の冷凍装置におけるモリエル線図を表す図である。
【図４】システム効率（ＣＯＰ）の理論計算値を示す図（その１）である。
【図５】システム効率（ＣＯＰ）の理論計算値を示す図（その２）である。
【図６】低温側サイクル２０の低圧圧力と高圧圧力との最適関係を表す図である。
【図７】高温側サイクル１０に基づく送風機４０制御のフローチャートの図である。
【図８】外気温度と目標凝縮温度との関係を表す図である。
【図９】低温側サイクル２０に基づく送風機４０制御のフローチャートの図である。
【図１０】最終的な送風機４０への出力決定手順を表すための図である。
【図１１】必要熱交換量の理論計算値を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態．
図１はこの発明の実施の形態における冷凍装置の構成を表す図である。図１に示すように、本実施の形態では、高温側サイクル１０と低温側サイクル２０とを有し、それぞれ冷媒を循環させる冷媒循環回路を構成する多元冷凍装置（図１では二元冷凍装置）について説明する。
【００１１】
本実施の形態の二元冷凍装置では、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、２つの冷媒循環回路を多段構成にしている。そして、高温側凝縮器１２と低温側中間冷却器（補助コンデンサ）２５とに熱交換のための空気を供給する送風機４０を有している。また、二元冷凍装置全体の運転制御を行う制御装置６０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、装置等における状態、動作等において相対的に定まる関係に基づいて表記しているものとする。
【００１２】
図１において、高温側サイクル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、高温側の冷媒循環回路（以下、高温側循環回路という）を構成している。一方、低温側サイクル２０は、低温側圧縮機２１と、低温側中間冷却器２５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、低温側の冷媒循環回路（以下、低温側循環回路という）を構成している。
【００１３】
このような構成の二元冷凍装置において、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Ｒ４１０Ａ、Ｒ３２、Ｒ４０４Ａ、ＨＦＯ−１２３４ｙｆ、プロパン、イソブタン、二酸化炭素（ＣＯ2 ）、アンモニアなどが用いられる。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 ）、窒素、空気等が用いられる。ここでは、高温側冷媒にＨＦＣ冷媒であるＲ４１０Ａ、低温側冷媒に二酸化炭素（ＣＯ2 ）を用いる場合について説明する。
【００１４】
二元冷凍装置の各構成機器についてさらに詳細に説明する。高温側サイクル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、本実施の形態では、高温側圧縮機１１は、例えばインバータ回路等の回転数制御により、高温側冷媒の吐出量を調整できるタイプの圧縮機で構成しているものとする。そして、高温側サイクル１０に設けた低圧圧力兼温度検知器５１の検知に係る高温側サイクル１０における低圧圧力値（高温側低圧圧力値）及び低温側サイクル２０に設けた高圧圧力兼温度検知器５２の検知に係る低温側サイクル２０における高圧圧力値（低温側高圧圧力値）に基づいて、制御装置６０により、カスケードコンデンサ３０での冷媒間の熱交換量が不足しないような駆動が行われる。
【００１５】
高温側凝縮器１２は、送風機４０から供給される空気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空冷式の凝縮器である。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装置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が行われるものとする。
【００１６】
一方、低温側サイクル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。そして、低温側サイクル２０に設けた低圧圧力兼温度検知器５３の検知に係る低温側サイクル２０における低圧圧力値（低温側低圧圧力値）に基づいて、制御装置６０により、低温側蒸発器２４に供給する冷却能力が不足しないような駆動が行われる。
【００１７】
低温側中間冷却器２５は、ガスクーラ又は凝縮器として機能し、送風機４０から供給される空気と低温側冷媒との間で熱交換を行い、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空冷式の熱交換器である。ここで、本実施の形態では、低温側中間冷却器２５に熱交換のための空気を送り込む送風機４０とが高温側凝縮器１２と共通している。そして、送風機４０の空気の流れる方向に対して、ほぼ垂直となる方向に低温側中間冷却器２５と高温側凝縮器１２とが並んで配置されるものとする。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が行われるものとする。
【００１８】
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。ここでは、低温側絞り装置２３は制御装置６０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。
【００１９】
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、冷却対象物等が直接又は間接に冷却されることになる。ここで、低温側蒸発器２４に空気等を供給する送風機等については、高温側凝縮器１２、低温側中間冷却器２５に空気等を供給する送風機４０と異なるものであるものとする。
【００２０】
送風機４０は、高温側凝縮器１２及び低温側中間冷却器２５の両方に、熱交換のための空気を供給する。送風機４０は、例えば制御装置６０がプロペラ等の回転数を制御することにより、出力（供給する空気量、風量）を調整することができる。このとき、制御装置６０は、高温側サイクル１０に設けた高圧圧力兼温度検知器５０の検知に係る高温側サイクル１０における高圧圧力値（高温側高圧圧力値）、高圧圧力兼温度検知器５２の検知に係る低温側高圧圧力値、中間冷却器出口温度検知器５４及び外気温度検知器５５の検知に係る温度値に基づいて、高温側凝縮器１２及び低温側中間冷却器２５の熱交換能力が不足しないように送風機４０を駆動させて出力の調整を行う。出力の調整については、決定する度にプロペラ等の回転数等を所定の分だけアップ（増加）、ダウン（減少）又は回転数等を維持することにより行うものである。
【００２１】
高圧圧力兼温度検知器５０は、高温側循環回路（高温側サイクル１０）において、高温側圧縮機１１の冷媒吐出側から高温側絞り装置１３までの間に設けられ、高圧圧力、高圧圧力飽和温度を検知するための検知器である。低圧圧力兼温度検知器５１は、高温側循環回路（高温側サイクル１０）において、高温側絞り装置１３から高温側圧縮機１１の冷媒吸入側までの間に設けられ、低圧圧力、低圧圧力飽和温度を検知するための検知器である。高圧圧力兼温度検知器５２は、低温側循環回路（低温側サイクル２０）において、低温側圧縮機２１の冷媒吐出側から低温側絞り装置２３までの間に設けられ、高圧圧力、高圧圧力飽和温度を検知するための検知器である。低圧圧力兼温度検知器５３は、低温側循環回路（低温側サイクル２０）において、低温側絞り装置２３から低温側圧縮機２１の冷媒吸入側までの間に設けられ、低圧圧力、低圧圧力飽和温度を検知するための検知器である。中間冷却器出口温度検知器５４は、低温側中間冷却器２５から流出する低温側冷媒の温度を検知する。外気温度検知器５５は、冷却対象となる空間外の空気（外気）の温度を検知する。ここでは、高温側凝縮器１２、低温側中間冷却器２５と熱交換をする前の空気の温度を外気温度として検知できるような場所に設置する。
【００２２】
図２は制御装置６０を中心とした制御における入出力関係を表す図である。制御装置６０は、各圧力、温度検知器の検知に係る信号から判断した圧力値、温度値等の検知値に基づいて、演算処理を行い、高温側圧縮機１１、低温側圧縮機２１、送風機４０などのアクチュエータの駆動を制御する。例えば、低圧圧力兼温度検知器５１の検知に係る値に基づいて、目標値に対して高いか低いか（大きいか小さいか）を判断し、高温側圧縮機１１、高温側絞り装置１３に信号を送って駆動を制御する。また、低圧圧力兼温度検知器５３の検知に係る値に基づいて、目標値に対して高いか低いかを判断し、低温側圧縮機２１、低温側絞り装置２３に信号を送って駆動を制御する。
【００２３】
そして、特に本実施の形態では、制御装置６０による送風機４０の駆動制御について説明する。送風機４０の駆動制御に際しては、高圧圧力兼温度検知器５０と外気温度検知器５５との検知に係る値に基づいて、高圧圧力飽和温度換算、目標凝縮温度計算、高温側サイクル１０（高温側冷媒循環回路）における送風機４０の出力判定等の処理を行い、記憶手段６１に記憶する。また、高圧圧力兼温度検知器５２、中間冷却器出口温度検知器５４及び外気温度検知器５５の検知に係る値に基づいて、高圧圧力飽和温度換算、低温側サイクル２０（低温側冷媒循環回路）における送風機４０の出力判定等の処理を行い、記憶手段６１に記憶する。そして、各出力判定結果に基づいて、最終的な出力を決定し、送風機４０に信号を送って駆動を制御する。以上の制御装置６０における処理のさらに具体的内容については後に詳述する。
【００２４】
図３はこの発明に係る実施の形態の冷凍装置におけるモリエル線図を表す図である。図３に基づいて、各冷媒循環回路における冷媒の状態について説明する。線図上の高温側冷媒のサイクルにおいて、高温側圧縮機１１が吸入するときの高温側冷媒の状態はＡの位置となる。そして、高温側圧縮機１１を出た高温側冷媒の状態はＢの位置となり、高温側凝縮器１２を通過して熱交換した後の状態はＣの位置となる。その後、高温側絞り装置１３を通過した高温側冷媒の状態はＤの位置となり、カスケードコンデンサ３０を通過するとＡの位置となる。高温側冷媒はこのサイクルに基づく態変化（相変化）を繰り返す。
【００２５】
一方、線図上の低温側冷媒のサイクルにおいて、低温側圧縮機２１が吸入するときの低温側冷媒の状態はＥの位置となる。また、低温側圧縮機２１を出た低温側冷媒の状態はＦの位置となる。そして、低温側冷媒は低温側中間冷却器２５を通過して熱交換される。ここで、前述したように低温側冷媒は二酸化炭素（ＣＯ2 ）である。このため、例えば、外気温度が低温側サイクル２０の高圧圧力飽和温度より低い等温度線Ｔ１に対応する温度である場合、低温側中間冷却器２５を出た低温側冷媒の状態はＧ１の位置までは熱交換することができる。一方、外気温度が高圧圧力飽和温度より高い等温度線Ｔ２に対応する温度である場合、低温側中間冷却器２５を出た低温側冷媒はＧ２の位置に対応する状態まで熱交換ができる（低温側中間冷却器２５が外気と十分な熱交換能力があればＨの位置まで熱交換することができる）。このことは高温側サイクル１０にもあてはまる可能性があるが、本実施の形態では、一般的な環境下において外気温度より高圧圧力飽和温度が常に高いＨＦＣ冷媒であるＲ４１０Ａを高温側冷媒として使用していることから、特に問題はないものとする。
【００２６】
その後、カスケードコンデンサ３０を通った低温側冷媒の状態はＨの位置となり、低温側絞り装置２３を通るとＪの位置となる。そして、低温側蒸発器２４を通るとＥの位置となる。低温側冷媒の状態はこのサイクルに基づく態変化（相変化）を繰り返す。
【００２７】
ここで、低圧圧力兼温度検知器５１の検知に係る値に基づいて、制御装置６０はＡの位置における高温側冷媒の圧力値（高温側低圧圧力）と温度値とを得ることができる。また、高圧圧力兼温度検知器５２の検知に係る値に基づいて、Ｃの位置における高温側冷媒の圧力（高温側高圧圧力）と温度値とを得ることができる。これらの温度値及び圧力値に基づいて、線ＡＤで表されるエンタルピ差を算出することができる。そして、エンタルピ差と、高温側圧縮機１１の駆動周波数に基づいて計算した高温側冷媒の循環量との積（Ａ−Ｄのエンタルピ差×冷媒循環量）が、カスケードコンデンサ３０において、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に使用される熱交換能力となる。
【００２８】
この能力が不足しないように、制御装置６０は、目標とする線ＡＤに相当する圧力又は温度の値に対して、低圧圧力兼温度検知器５１の検知に係る値が目標値より高い（大きい）と判断した場合には、高温側圧縮機１１の出力（運転周波数）を増加させる信号を送信する。また、目標値より低い（小さい）と判断した場合には出力を減少させる信号を送信する。又は、制御装置６０は、低圧圧力兼温度検知器５１の検知に係る値が目標値より高いと判断した場合には高温側絞り装置１３の開度を小さくさせ、目標値より低いと判断した場合は開度を大きくさせるように信号を送るようにしてもよい。
【００２９】
また、線図上、線ＡＤに相当する高温側サイクル１０の低圧圧力の目標値は、低温側サイクル２０の目標高圧圧力の飽和温度に対して、飽和温度換算で５〜１０℃（Ｋ）程度低い温度となる値に設定する。これは、最低でも約５℃以上の温度差がなければカスケードコンデンサ３０での熱交換が物理的にできないためであり、温度差がありすぎても装置全体の運転効率が悪くなるためである。
【００３０】
また、低温側サイクル２０の高圧圧力の目標値は、低温側サイクル２０の目標低圧圧力の飽和温度に対して、飽和温度に換算して５〜３２．５℃高い温度となる値に設定する。ここで、この目標値として設定する値は使用する冷媒によって最適な値があるので、使用する低温側冷媒に応じて変更する必要がある。
【００３１】
低温側サイクル２０の低圧圧力の目標値は、使用者の用途に応じて設置業者が設定する値である。この設定された低圧圧力の目標値に対して、実際の低温側低圧圧力値は低圧圧力兼温度検知器５３の検知に係る値となる。低温側蒸発器２４が必要とする能力を不足させないように、制御装置６０は、目標とする線ＥＪに相当する圧力又は温度に対して、低圧圧力兼温度検知器５３の検知に係る値が目標値より高いと判断した場合には、低温側圧縮機２１の出力を増加させる信号を送る。また、目標値より低いと判断した場合には出力を減少させる信号を送る。又は、制御装置６０は、低圧圧力兼温度検知器５３の検知に係る値が目標値より高いと判断した場合には低温側絞り装置２３の開度を小さくさせ、目標値より低いと判断した場合は開度を大きくさせるように信号を送るようにしてもよい。
【００３２】
図４及び図５は高温側冷媒をＲ４１０Ａとし、低温側冷媒を二酸化炭素（ＣＯ2 ）としたときのシステム効率（ＣＯＰ：Coefficient Of Performance、成績係数）の理論計算値を示す図である。図４及び図５では高温側サイクルの高圧圧力飽和温度を４５℃、カスケードコンデンサ３０での温度差（低温側サイクル２０側の高圧圧力飽和温度−高温側サイクル１０側の低圧圧力飽和温度）を１０Ｋ、低温側圧縮機２１の冷媒押しのけ量を固定値としている。また、図４に示す低温側サイクル２０の低圧圧力飽和温度が−１０℃のときは負荷に対する能力（システム能力）を２７．６ｋＷとし、図５に示す低圧圧力飽和温度が−４０℃のときは負荷に対する能力を１１．３１ｋＷとして、低温側サイクル２０の高圧圧力飽和温度を変化させた場合についての計算値である。
【００３３】
図４（Ａ）、図５（Ａ）は計算結果を一覧にした表を表したものである。また、図４（Ｂ）、図５（Ｂ）は各図Ａの中から低温側サイクル２０の高圧圧力飽和温度とシステム効率（ＣＯＰ）の関係を表したものである。システム効率（ＣＯＰ）は、システム入力（高温側サイクル１０に対する入力＋低温側サイクル２０に対する入力）に対するシステム能力の割合となる。図４、図５のように、システム能力が同じであれば、システム入力が小さいほど効率が良くなる。図４（Ｂ）に表されるように、低温側サイクル２０の低圧圧力が飽和温度換算で−１０℃となる圧力のときは、低温側サイクル２０の高圧圧力が飽和温度換算で約５℃となる圧力のときにもっとも効率（ＣＯＰ）が良くなる。また、図５（Ｂ）に表されるように、低温側サイクル２０の低圧圧力が飽和温度換算で−４０℃となる圧力のときは低温側サイクルの高圧圧力が飽和温度換算で約−１０℃となる圧力のときにもっとも効率（ＣＯＰ）が良くなる。
【００３４】
図６は低温側サイクル２０の低圧圧力と高圧圧力との最適関係を表す図である。図６は、低温側サイクル２０の低圧圧力が飽和温度換算で−４５〜１０℃のときに、もっとも効率がよくなる低温側サイクル２０の高圧圧力について、飽和温度換算値を表したものである。制御装置６０は、低温側サイクル２０については、目標とする低圧圧力飽和温度に応じて、図６で表される高圧圧力飽和温度となるように目標値を定め、冷凍装置を運転させれば良い。ここで、高圧圧力兼温度検知器５２の測定精度を考慮し、目標とする高圧圧力飽和温度に対して±２．５℃以内に収めるようにすることが良い。
【００３５】
次に送風機４０の駆動制御について説明する。上述したように、制御装置６０は、送風機４０を駆動動作させるため、まず高温側サイクル１０と低温側サイクル２０で別々に個々の情報（データ）を用いて、送風機４０の出力をアップさせるか、ダウンさせるか、現在の出力を維持するかを判定する。そして、高温側サイクル１０と低温側サイクル２０とに係る出力判定結果に基づいて、最終的に送風機４０の出力を決定する流れとしている。
【００３６】
図７は高温側サイクル１０における送風機４０の出力判定結果（第１の送風機出力結果）を導く処理のフローチャートを示す図である。まず、ステップＳ１では高温側サイクル１０における高圧圧力飽和温度の値が目標値に１（℃）を加えた値よりも大きいかどうかを判断する。ここで、目標値に対して１（℃）を加えているのは、制御においてハンチングすることを抑制し、安定性を確保するための不感帯を設けるようにするためである。高圧圧力飽和温度は前述の高圧圧力兼温度検知器５０の検知に係る値（高温側高圧圧力値）に基づいて制御装置６０が計算する。また、目標値は外気温度検知器５５の検知に係る外気温度の値に基づいて制御装置６０が計算する値であり、外気温度の値から５〜２０℃分程度高い値を目標値としている。ここで、５〜２０℃の差を設ける理由について説明する。例えば外気温度が低い場合には高圧圧力と低圧圧力との圧力差を確保し、高温側冷媒が高圧側から低圧側へ流れるためには、飽和温度差換算において２０℃程度となる最低差圧が必要となる。また、高圧圧力と低圧圧力の最低差圧が確保できる外気が高い条件では、できる限り高圧圧力が低いほうが効率が良くなる。このため、空気（外気）と高温側凝縮器１２を流れる高圧側冷媒とが物理的に熱交換可能な５℃差以上を目標とする。
【００３７】
図８は外気温度と高圧圧力飽和温度の目標（目標凝縮温度）との関係を表す図である。前述した温度差をふまえて、図８に示すような外気温度と高圧圧力飽和温度の目標の関係を持たせている。例えば、外気温度が５℃以下の場合は高圧圧力飽和温度の目標を約２５℃とし、外気温度が４０℃以上の場合は高圧圧力飽和温度の目標を約４５℃としている。外気温度が５〜４０℃の場合は、前述の外気温度が５℃と４０℃の場合の目標高圧圧力飽和温度である２５℃と４５℃の間の値を比例的に近似して目標としている。ここで、図８は使用する高温側冷媒によって異なり、各冷媒によって最適な値があるので、使用する冷媒に応じて変更する必要がある。
【００３８】
ステップＳ１において、高圧圧力飽和温度が目標温度に１（℃）を加えた値よりも大きいものと判断した場合はステップＳ２へ進み、送風機４０の出力をアップさせるものと判定する。
【００３９】
また、ステップＳ１において、高圧圧力飽和温度の値が目標値に１（℃）を加えた値以下であると判断した場合はステップＳ３へ進む。ステップＳ３では、高圧圧力飽和温度の値が目標値から１（℃）を引いた値よりも小さいかどうかを判断する。目標値から１（℃）を引く理由は、前述したように、安定性を確保するために不感帯を設けるためである。
【００４０】
ステップＳ３において、高圧圧力飽和温度の値が目標値から１（℃）を引いた値よりも小さいものと判断した場合はステップＳ４へ進み、送風機４０の出力をダウンさせるものと判定する。また、高圧圧力飽和温度の値が目標値から１（℃）を引いた値以上であると判断した場合はステップＳ５へ進み、送風機４０の現出力を維持するものと判定する。
【００４１】
図９は低温側サイクル２０における送風機４０の出力判定結果（第２の送風機出力結果）を導く処理のフローチャートを示す図である。まずステップＳ１１では低温側サイクル２０における高圧圧力飽和温度の値が外気温度の値よりも大きいかどうかを判断する。前述したように、低温側サイクル２０においては、図３等に示すように外気温度が高圧圧力飽和温度より高いかどうかで熱交換可能な熱量が異なり、冷却度合いの算出において基準とする温度が異なるためである。高圧圧力飽和温度は、前述したように高圧圧力兼温度検知器５２の検知に係る値（低温側高圧圧力値）に基づいて制御装置６０が計算する値であり、外気温度の値は外気温度検知器５５が検知する値である。
【００４２】
そして、高圧圧力飽和温度の値が外気温度の値よりも大きいものと判断した場合はステップＳ１２へ進む。ステップＳ１２では中間冷却器出口温度の値から高圧圧力飽和温度の値を引いた値が５（Ｋ）より小さいかどうかを判断する。５Ｋの差を設ける理由は、高圧圧力兼温度検知器５２及び外気温度検知器５５の検知精度バラツキと検知誤差をふまえて駆動制御を確実に行うためのマージンである。また、中間冷却器出口温度値は中間冷却器出口温度検知器５４が検知する値である。
【００４３】
ステップＳ１２にて、５（Ｋ）より小さいと判断した場合は冷却が十分になされているものとしてステップＳ１３へ進み、送風機４０の出力をダウンさせるものと判定する。また、ステップＳ１２にて中間冷却器出口温度の値から高圧圧力飽和温度の値を引いた値が５（Ｋ）より小さくない（５以上）と判断した場合はステップＳ１４へ進む。
【００４４】
ステップＳ１４では中間冷却器出口温度の値から高圧圧力飽和温度の値を引いた値が１０（Ｋ）より大きいかどうかを判断する。１０Ｋの意味するところは前述の５Ｋに加えて、制御がハンチングすることを抑制し、安定性を確保するために不感帯としてさらに５Ｋ分を設けて１０Ｋとするものである。
【００４５】
ステップＳ１４にて、１０（Ｋ）より大きいと判断した場合は冷却が足りないものとしてステップＳ１５へ進み、送風機４０の出力をアップさせると判定する。また、ステップＳ１４にて中間冷却器出口温度の値から高圧圧力飽和温度の値を引いた値が１０（Ｋ）より大きくない（１０以下）と判断した場合は、ステップＳ１６へ進み、送風機４０の現出力を維持するものと判定する。
【００４６】
また、ステップＳ１１にて高圧圧力飽和温度の値が外気温度の値よりも大きくないと判断した場合は、ステップＳ１７へ進む。ステップＳ１７では中間冷却器出口温度の値から外気温度の値を引いた値が５（Ｋ）より小さいかどうかを判断する。５（Ｋ）より小さいと判断した場合はステップＳ１８へ進み、送風機４０の出力をダウンさせるものと判定する。また、ステップＳ１７にて中間冷却器出口温度の値から外気温度の値を引いた値が５（Ｋ）より小さくない（５（Ｋ）以上）と判断した場合はステップＳ１９へ進む。
【００４７】
ステップＳ１９では、中間冷却器出口温度の値から外気温度の値を引いた値が１０（Ｋ）より大きいかどうかを判断する。１０（Ｋ）より大きいと判断した場合はステップＳ２０へ進み、送風機４０の出力をアップさせると判定する。また、ステップＳ１９にて中間冷却器出口温度の値から外気温度の値を引いた値が１０（Ｋ）より大きくない（１０以下）と判断した場合は、ステップＳ２１へ進み、送風機４０の現出力を維持するものと判定する。ここで、本実施の形態では、マージン等として、５Ｋ、１０Ｋ分の値を設定したが、これらの値は使用する冷媒によって最適な値があるので、使用する冷媒に応じて変更することが望ましい。
【００４８】
図１０は最終的な送風機４０への出力決定手順を表すための図である。前述した高温側サイクル１０、低温側サイクル２０に係る送風機４０の出力判定処理において、それぞれアップ、現状維持、ダウンのいずれかを判定した。図１０に示すように、判定結果の組み合わせにより（１）〜（９）まで９通りの組合せが発生することになるので、それぞれの組合せに対して送風機４０の出力を最終的にどう決定するかを表している。
【００４９】
ここで、決定の意図するところは、高温側凝縮器１２における必要熱交換量と低温側中間冷却器２５における必要熱交換量の両方を満足させることによって冷凍装置としての能力を不足させないようにすること（どちらかの必要熱交換量が満足していない場合には、冷凍装置としての能力は、不足することがあり、過剰となることはない）である。また、送風機４０の出力ダウンによる高温側サイクル１０又は低温側サイクル２０における高圧圧力上昇に伴う異常運転による故障を回避するために、送風機４０の出力をダウンさせることの優先順位を下げていることである（大きな送風機４０の出力を必要としている方に合わせる）。
【００５０】
例えば、高温側サイクル１０又は低温側サイクル２０のどちらかが送風機４０の出力アップを判定している（１）、（２）、（３）、（４）及び（７）では、送風機４０の出力アップを最終的に決定する。また、高温側サイクル１０と低温側サイクル２０のどちらも送風機４０の出力の現状維持を判定している（５）及び高温側サイクル１０か低温側サイクル２０のどちらかが送風機４０出力ダウンを判断している（６）、（８）では、送風機４０の現出力を維持するものと決定している。
【００５１】
上述したような、高圧圧力が異常に上昇するのを避ける制御は、二酸化炭素（ＣＯ2 ）のように臨界温度が外気温度以下となる可能性がある冷媒を使用する場合に特に有効である例えば、二酸化炭素（ＣＯ2 ）の臨界温度は約３１℃である。気象庁のホームページによると日本の過去最高外気温度は４０．９℃である。ここで、冷凍装置の設置状況は一般的に気象庁が公表する外気温度から最大で２０℃程度高くなることがあるため、それを考慮すると、６１℃以下が臨界温度となる冷媒を使用する場合に有効といえる。
【００５２】
図１１は高温側凝縮器１２、カスケードコンデンサ３０及び低温側中間冷却器２５における必要熱交換量の理論計算値を表す図である。図１１は低温側冷媒を二酸化炭素（ＣＯ2 ）とし、高温側冷媒をＲ４１０Ａとしている。計算条件は、低温側サイクル２０においては、凝縮温度５℃、蒸発温度−１０℃、サブクール（過冷却度）５Ｋ、低温側圧縮機２１の吸入ガス温度１８℃、必要冷却能力２７．０６ｋＷとしている。また、高温側サイクル１０においては、凝縮温度４５℃、蒸発温度−５℃、サブクール５Ｋ、高温側圧縮機１１の吸入ガス温度１８℃としている。
【００５３】
図１１より高温側サイクル１０の高温側凝縮器１２における熱交換量を１００％（熱交換比率）とした場合、低温側サイクル２０の低温側凝縮器２２と低温側中間冷却器２５とを合わせた熱交換量は約８０．７％となる。そのうち低温側中間冷却器２５における必要熱交換量は約１７．１％程度必要となる。このことから、低温側中間冷却器２５については、高温側凝縮器１２の熱交換能力に対して１７％以上の熱交換能力を有する熱交換器で構成することが、本実施の形態における送風機４０を制御するために最適といえる。
【００５４】
また、図１１より、低温側中間冷却器２５について、高温側凝縮器１２の熱交換能力に対して約８０．７％以上の熱交換能力を有していれば、カスケードコンデンサ３０（低温側凝縮器２２）において高温側冷媒と熱交換させずに、低温側冷媒を空気（外気）のみで熱交換させることもできる。例えば、低温側サイクル２０の高圧飽和温度が外気温度よりも低い場合、高温側サイクル１０を運転させずに、低温側サイクル２０に対して、図７に示す高温側サイクル１０における送風機４０の出力判定処理を行う。その出力判定結果を最終的な決定として、出力判定結果に基づく信号を送るようにすることで、さらにエネルギー等に係る効率の良い冷凍装置の運転ができる。
【００５５】
以上のように本実施の形態の冷凍装置によれば、制御装置６０が、高温側サイクル１０（高温側循環回路）における高圧圧力及び外気温度に基づいて送風機４０の風量をアップさせる、ダウンさせる又は維持させるかを判定し、また、低温側サイクル２０（低温側循環回路）における高圧圧力、低温側中間冷却器２５の冷媒流出側の温度及び外気温度に基づいて送風機４０の風量をアップさせる、ダウンさせる又は維持させるかを判定し、２つの判定結果に基づいて最終的な出力の決定を行って送風機４０を駆動させるようにしたので、両方の冷凍サイクル装置に基づいて送風機４０の風量を決定することができる。このとき、出力の維持及び減少よりも出力を増加させる結果、出力の減少よりも出力を維持させる結果を優先し、大きな送風機４０の出力を必要とする方を最終的に決定することで、高温側凝縮器１２と低温側中間冷却器２５に必要な風量を同時に確保することができ、装置全体として、エネルギー的に効率のよい運転等を行うことができる。そして、高温側サイクル１０及び低温側サイクル２０における熱交換能力不足を防ぐことができる。さらに高温側サイクル１０又は低温側サイクル２０の高圧圧力が異常に上昇することによる故障を防ぐことができる（上述したことと逆の決定をするようにした場合には過剰を抑えることができる）。
【００５６】
また、低温側サイクル２０（低温側循環回路）においては、低圧圧力に基づいて高圧圧力の目標値を設定することで、冷凍装置が冷却する温度帯に基づく値を設定することができる。さらに、判定に際し、高温側循環回路における高圧圧力の飽和温度換算値の目標値を、外気温度から５〜２０℃高い温度となるように設定するようにしたので、高圧圧力と低圧圧力との圧力差を確保して高温側冷媒を循環させることができる。そして、この目標に基づいて、低温側中間冷却器の冷媒流出口側の温度、低温側サイクル２０（低温側循環回路）における高圧圧力の飽和温度換算値又は前記外気温度の値との差に基づいて、高温側凝縮器１２における凝縮温度の目標範囲を設定することで、圧力差を確保することができる。そして、低温側中間冷却器２５の冷媒流出口側の温度値から低温側高圧圧力の飽和温度換算値または外気温度の値を引いた値と、５〜１０Ｋの範囲とを比較することで、検知誤差等も考慮した判定を行うことができる。
【００５７】
さらに、低温側中間冷却器２５について、高温側凝縮器１２の熱交換能力に対して、１７％以上の熱交換能力を有するようにしたので、冷凍装置の各熱交換器における熱交換能力のバランス、高温側凝縮器１２との送風機４０の風量配分等において最適な中間冷却器を構成することができる。特に約８０．７％以上の熱交換能力を有していれば、外気温度等、環境条件によっては、カスケードコンデンサ３０（低温側凝縮器２２）における熱交換を行わずに、空気による熱交換を行うことができるので、高温側サイクル１０の運転を行わずにすみ、さらに効率よく運転することができる。
【符号の説明】
【００５８】
１０  高温側サイクル、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、２０  低温側サイクル、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、２５  低温側中間冷却器、３０  カスケードコンデンサ、４０  送風機、５０  高圧圧力兼温度検知器、５１  低圧圧力兼温度検知器、５２  高圧圧力兼温度検知器、５３  低圧圧力兼温度検知器、５４  中間冷却器出口温度検知器、５５  外気温度検知器、６０  制御装置、６１  記憶手段。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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