(57)【要約】  高温側圧縮機１、高温側凝縮器２、高温側膨張弁３、及び、カスケードコンデンサ９の高温側蒸発器４が直列に配管接続され、冷媒を循環させる高温側循環回路Ａと、低温側圧縮機５、カスケードコンデンサ９の低温側凝縮器６、低温側膨張弁７、及び、低温側蒸発器８が直列に配管接続され、冷媒を循環させる低温側循環回路Ｂと、を備え、高温側循環回路Ａの冷媒として、Ｒ３２またはＲ３２を６５重量％以上含む混合冷媒を使用し、低温側循環回路Ｂの冷媒として、ＣＯ２を使用し、高温側循環回路Ａの蒸発温度を−１５℃以上で使用したものである。
2014199445.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温側圧縮機、高温側凝縮器、高温側膨張弁、及び、カスケードコンデンサの高温側蒸発器が直列に配管接続され、冷媒を循環させる高温側循環回路と、
低温側圧縮機、前記カスケードコンデンサの低温側凝縮器、低温側膨張弁、及び、低温側蒸発器が直列に配管接続され、冷媒を循環させる低温側循環回路と、を備え、
前記高温側循環回路の冷媒として、Ｒ３２またはＲ３２を６５重量％以上含む混合冷媒を使用し、
前記低温側循環回路の冷媒として、ＣＯ２を使用し、
前記高温側循環回路の蒸発温度を−１５℃以上としている
ことを特徴とする冷凍装置。
【請求項２】
高温側圧縮機、高温側凝縮器、高温側膨張弁、及び、カスケードコンデンサの高温側蒸発器が直列に配管接続され、冷媒を循環させる高温側循環回路と、
低温側圧縮機、前記カスケードコンデンサの低温側凝縮器、低温側膨張弁、及び、低温側蒸発器が直列に配管接続され、冷媒を循環させる低温側循環回路と、を備え、
前記高温側循環回路の冷媒として、Ｒ３２またはＲ３２を６５重量％以上含む混合冷媒を使用し、
前記低温側循環回路の冷媒として、ＣＯ２を使用し、
前記高温側圧縮機の吸入ガス温度と前記カスケードコンデンサの高温側蒸発器の蒸発温度との温度差を１０Ｋ以下に抑え、
前記高温側循環回路の蒸発温度を−３０℃以上としている
ことを特徴とする冷凍装置。
【請求項３】
高温側圧縮機、高温側凝縮器、高温側膨張弁、及び、カスケードコンデンサの高温側蒸発器が直列に配管接続され、冷媒を循環させる高温側循環回路と、
低温側圧縮機、前記カスケードコンデンサの低温側凝縮器、低温側膨張弁、及び、低温側蒸発器が直列に配管接続され、冷媒を循環させる低温側循環回路と、を備え、
前記高温側循環回路の冷媒として、Ｒ３２またはＲ３２を６５重量％以上含む混合冷媒を使用し、
前記低温側循環回路の冷媒として、ＣＯ２を使用し、
前記高温側凝縮器の出口に受液器を設け、該受液器と前記高温側膨張弁との間に過冷却熱交換器を設け、
該過冷却熱交換器と前記高温側膨張弁との間から分岐した液配管に過冷却熱交換器用膨張弁を設け、前記過冷却熱交換器用膨張弁で膨張され冷却された冷媒配管と、前記受液器から出た前記液配管とを前記過冷却熱交換器で熱交換させ、冷却された前記冷媒配管から冷却された冷媒を前記高温側圧縮機の圧縮途中に合流させ、
前記高温側圧縮機の吸入ガス温度と前記カスケードコンデンサの高温側蒸発器の蒸発温度との温度差を１０Ｋ以下に抑え、
前記高温側循環回路の蒸発温度を−４０℃以上としている
ことを特徴とする冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低蒸発温度で使用する冷凍装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０４Ａに代わる代替冷媒として、地球温暖化係数（ＧＷＰ）の値が小さいＲ３２などの微燃性冷媒を用いた空気調和装置や冷凍装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。なお、地球温暖化係数（ＧＷＰ）とは、ＣＯ２（二酸化炭素）を基準（１）として、ほかの温室効果ガスがどれだけ温暖化する能力があるかを表した数値のことであり、数値が大きいほど地球温暖化への影響が大きくなる。【０００３】
Ｒ４１０Ａの地球温暖化係数（ＧＷＰ）は２０９０で、Ｒ４０４Ａの地球温暖化係数（ＧＷＰ）は３９２０であるのに対し、Ｒ３２の地球温暖化係数（ＧＷＰ）は６７５であり、Ｒ４１０Ａの約１／３、Ｒ４０４Ａの約１／６となっている。そのため、Ｒ３２はＲ４１０ＡやＲ４０４Ａに比べ地球温暖化への影響が小さく、環境負荷の少ない冷媒である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３４８４８６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、Ｒ３２は圧損が小さくＣＯＰ（成績係数）向上を図れる一方、冷媒物性上Ｒ４１０ＡやＲ４０４Ａに対して圧縮機の吐出温度が理論上では１０℃〜２０℃高くなり、使用蒸発温度が低くなるとさらに吐出温度が上昇する。このため、Ｒ４１０ＡやＲ４０４Ａを使用している装置について、Ｒ３２に冷媒を入れ替え、冷凍機油をＲ３２用に変更しただけでは信頼性や性能が低下してしまうという課題があった。
また、信頼性について、圧縮機が高温化すると材料劣化や油劣化が進み、長期信頼性が低下することが懸念される。特に圧縮機モータは、温度による劣化（減磁力の低下）が大きいとされており、使用する材料においてＤＣモータは注意が必要である。また、性能面については、吐出温度、各種センサによる冷媒制御及び電流制御が従来と同じであれば、能力低下や運転範囲が狭まるという課題があった。【０００６】
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、圧縮機の信頼性を低下させることなく、性能も低下させずに、省エネルギーと低環境負荷を実現できる冷凍装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る冷凍装置は、高温側圧縮機、高温側凝縮器、高温側膨張弁、及び、カスケードコンデンサの高温側蒸発器が直列に配管接続され、冷媒を循環させる高温側循環回路と、低温側圧縮機、カスケードコンデンサの低温側凝縮器、低温側膨張弁、及び、低温側蒸発器が直列に配管接続され、冷媒を循環させる低温側循環回路と、を備え、前記高温側循環回路の冷媒として、Ｒ３２またはＲ３２を６５重量％以上含む混合冷媒を使用し、前記低温側循環回路の冷媒として、ＣＯ２を使用し、前記高温側循環回路の蒸発温度を−１５℃以上としているものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る冷凍装置によれば、Ｒ３２を使用しても吐出温度上昇を抑え、圧縮機の信頼性を低下させることなく、性能も低下させずに、省エネルギーと低環境負荷を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態に係る冷凍装置の冷媒回路図である。
【図２】単段サイクルの冷媒回路図である。
【図３】図２で示した単段サイクルで過熱度を１０Ｋとした場合のＲ３２とＲ４１０Ａにおける蒸発温度と吐出温度との関係を示した図である。
【図４】図２で示した単段サイクルで高温側圧縮機に吸入される吸入ガス温度を１８℃とした場合のＲ３２とＲ４１０Ａにおける蒸発温度と吐出温度との関係を示した図である。
【図５】中間インジェクションサイクルの冷媒回路図である。
【図６】図５で示した中間インジェクションサイクルで過熱度を１０Ｋとした場合のＲ３２とＲ４１０Ａにおける蒸発温度と吐出温度との関係を示した図である。
【図７】図５で示した中間インジェクションサイクルで高温側圧縮機に吸入される吸入ガス温度を１８℃とした場合のＲ３２とＲ４１０Ａにおける蒸発温度と吐出温度との関係を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下に説明する実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。
【００１１】
実施の形態．
図１は、本発明の実施の形態に係る冷凍装置の冷媒回路図である。
本実施の形態に係る冷凍装置は、高温側と低温側（負荷側）とでそれぞれ循環回路が形成され、高温側蒸発器４と低温側凝縮器６とを含むカスケードコンデンサ９を共通としている。
高温側循環回路Ａは、高温側圧縮機１と、高温側凝縮器２と、高温側膨張弁３と、カスケードコンデンサ９の高温側蒸発器４と、を直列に接続して形成され、低温側循環回路Ｂは、低温側圧縮機５と、カスケードコンデンサ９の低温側凝縮器６と、低温側膨張弁７と、低温側蒸発器８と、を直列に接続して形成されている。このように形成されたカスケード式の二元冷凍装置において、高温側循環回路Ａには冷媒として、Ｒ３２またはＲ３２を６５重量％以上含む混合冷媒を使用し、低温側循環回路Ｂには冷媒として、ＣＯ２（二酸化炭素）を使用する。
そして、高温側循環回路Ａの蒸発温度を所定値（例えば−１５℃）以上で使用する。さらに過熱度を所定値（例えば１０Ｋ）以下に抑え、蒸発温度を所定値（例えば−３０℃）以上で使用してもよい。
【００１２】
このように構成されたカスケード式の二元冷凍装置は、温暖化防止対応として負荷側のショーケースやユニットクーラと接続される冷媒量が多くなる低温側循環回路Ｂに地球温暖化係数（ＧＷＰ）が１であるＣＯ２冷媒を使用し、閉ざされた冷媒量が比較的少ない高温側循環回路Ａに地球温暖化係数（ＧＷＰ）が小さい冷媒Ｒ３２を使用する。
【００１３】
次に、動作について説明する。
図２は、単段サイクルの冷媒回路図、図３は、図２で示した単段サイクルで過熱度を１０Ｋとした場合のＲ３２とＲ４１０Ａにおける蒸発温度と吐出温度との関係を示した図である。なお、図２に示す単段サイクルの冷媒回路図は、本実施の形態に係る冷凍装置の高温側循環回路Ａを想定した図である。また、図３は、各冷媒（Ｒ３２とＲ４１０Ａ）の特性から計算により求めたものである。
単段サイクルは、高温側圧縮機１と、高温側凝縮器２と、高温側膨張弁３と、高温側蒸発器４と、を直列に接続して形成されている。
図３は、この冷凍装置にＲ３２またはＲ４１０Ａの冷媒を使用し、高温側凝縮器２の凝縮温度を４０℃とし、過熱度（高温側圧縮機１の吸入ガス温度−高温側蒸発器４の蒸発温度）を１０Ｋとした場合の高温側蒸発器４の蒸発温度と高温側圧縮機１の吐出温度との関係を示している。
【００１４】
図３に示すように、Ｒ３２の方がＲ４１０Ａよりも同じ蒸発温度に対して吐出温度が１０℃〜５０℃程度高くなり、低蒸発温度になるほど両者の差が大きくなることが分かる。
高温側圧縮機１の吐出温度は、高温側圧縮機１や冷凍機油の信頼性の面から１２０℃以下に抑える必要がある。そのため、Ｒ３２は蒸発温度が約−３０℃以上で使用すればよいことになる。一方、蒸発温度が−３０℃以下では吐出温度が１２０℃を超え、高くなるため使用が難しくなる。
【００１５】
図４は、図２で示した単段サイクルで高温側圧縮機１に吸入される吸入ガス温度を１８℃とした場合のＲ３２とＲ４１０Ａにおける蒸発温度と吐出温度との関係を示した図である。
図４は、図２の冷凍装置にＲ３２またはＲ４１０Ａの冷媒を使用し、高温側凝縮器２の凝縮温度を４０℃とし、高温側圧縮機１に吸入される吸入ガス温度を１８℃とした場合の高温側蒸発器４の蒸発温度と高温側圧縮機１の吐出温度との関係を示している。
【００１６】
例えば、蒸発温度が−１０℃の場合に吸入ガス温度が１８℃とすれば過熱度（高温側圧縮機１の吸入ガス温度−高温側蒸発器４の蒸発温度）は２８Ｋとなるので、図３の場合と比べて吐出温度は高くなり、蒸発温度が−１５℃以下では吐出温度が１２０℃を超えるため使用が難しくなる。特に低蒸発温度では過熱度が大きくなり、Ｒ３２の吐出温度が非常に高くなるので、過熱度を適切にとる必要がある。
【００１７】
図５は、中間インジェクションサイクルの冷媒回路図である。なお、図５に示す中間インジェクションサイクルの冷媒回路図は、本実施の形態に係る冷凍装置の高温側循環回路Ａを想定した図である。
吐出温度を抑える方法として、高温側圧縮機１を例えば、スクロール式やロータリ式として圧縮している途中に冷却された冷媒をインジェクションする方法があるが、図５にその中間インジェクションサイクルの冷媒回路図を示す。中間インジェクションサイクルは、高温側圧縮機１と、高温側凝縮器２と、高温側膨張弁３と、高温側蒸発器４と、が直列に接続されている。また、高温側凝縮器２の出口に受液器１１を設け、受液器１１と高温側膨張弁３との間に過冷却熱交換器１２を設け、過冷却熱交換器１２と高温側膨張弁３との間から分岐した冷媒配管１２ｂに過冷却熱交換器用膨張弁１３を設け、過冷却熱交換器用膨張弁１３で膨張され冷却された冷媒配管１２ｂと、受液器１１から出た液配管１２ａとを過冷却熱交換器１２で熱交換させ、冷却された冷媒配管１２ｂから冷却された冷媒を高温側圧縮機１の圧縮途中に合流させ、吐出管温度を冷却させる方法がある。
【００１８】
図６は、図５で示した中間インジェクションサイクルで過熱度を１０Ｋとした場合のＲ３２とＲ４１０Ａにおける蒸発温度と吐出温度との関係を示した図である。
図６は、中間インジェクションサイクルを採用した冷凍装置にＲ３２またはＲ４１０Ａの冷媒を使用し、高温側凝縮器２の凝縮温度を４０℃とし、過熱度（高温側圧縮機１の吸入ガス温度−高温側蒸発器４の蒸発温度）を１０Ｋとした場合の高温側蒸発器４の蒸発温度と高温側圧縮機１の吐出温度との関係を示している。
図６に示すように、単段サイクルと比べ（図３参照）、中間インジェクションをすることによりＲ３２での吐出温度は約２０℃改善されて低くなっている。
高温側圧縮機１の吐出温度は、高温側圧縮機１や冷凍機油の信頼性の面から１２０℃以下に抑える必要がある。そのため、Ｒ３２は蒸発温度が約−４０℃以上で使用すればよいことになる。一方、蒸発温度が−４０℃以下では吐出温度が１２０℃を超え、高くなるため使用が難しくなる。
【００１９】
このことから、中間インジェクションサイクルを採用し、過熱度を１０Ｋ以下に抑えれば蒸発温度−４０℃以上で運転が可能である。ただし、蒸発温度を−４０℃以下まで使用する場合は前述した高温側循環回路ＡにＲ３２を使用し、低温側循環回路ＢにＣＯ２を使用すればよい。
【００２０】
図７は、図５で示した中間インジェクションサイクルで高温側圧縮機１に吸入される吸入ガス温度を１８℃とした場合のＲ３２とＲ４１０Ａにおける蒸発温度と吐出温度との関係を示した図である。
図７は、図５の冷凍装置にＲ３２またはＲ４１０Ａの冷媒を使用し、高温側凝縮器２の凝縮温度を４０℃とし、高温側圧縮機１に吸入される吸入ガス温度を１８℃とした場合の高温側蒸発器４の蒸発温度と高温側圧縮機１の吐出温度との関係を示している。
【００２１】
例えば、蒸発温度が−１０℃の場合に吸入ガス温度が１８℃とすれば過熱度（高温側圧縮機１の吸入ガス温度−高温側蒸発器４の蒸発温度）は２８Ｋとなるので、図６の場合と比べて吐出温度は高くなり、蒸発温度が−２０℃以下では吐出温度が１２０℃を超えるため使用が難しくなる。特に低蒸発温度では過熱度が大きくなり、中間インジェクションサイクルを採用したとしてもＲ３２の吐出温度が非常に高くなる。そのため、高温側循環回路Ａに中間インジェクション回路を採用し、かつ過熱度を１０Ｋ以下に抑えることにより、図６に示すように蒸発温度が約−４０℃以上で使用すればよいことになる。
【００２２】
なお、Ｒ４１０Ａの冷媒を使用した場合の単段サイクルで、蒸発温度が−１０℃、−４０℃のときのＣＯＰ（成績係数）は、計算値でそれぞれ約２．２、０．９６である。また、高温側循環回路にＲ３２の冷媒を使用し、低温側循環回路にＣＯ２冷媒を使用した場合のＣＯＰ（成績係数）は、Ｒ４１０Ａの冷媒を使用した場合の単段サイクルと比較して、ほぼ同等以上であることが計算結果から判明している。
【００２３】
以上のように、二元冷凍装置において、高温側循環回路Ａには冷媒としてＲ３２もしくはＲ３２を６５重量％以上含む混合冷媒を使用し、低温側循環回路Ｂには冷媒としてＣＯ２(二酸化炭素)を使用し、高温側循環回路Ａの蒸発温度を所定値（例えば−１５℃）以上で使用する。さらに過熱度を１０Ｋ以下におさえ、蒸発温度を−３０℃以上で使用すれば、圧縮機の信頼性を低下させることなく、性能も低下させずに、省エネルギーと低環境負荷（低地球温暖化係数（ＧＷＰ））を実現できる。特に低温側循環回路の冷媒量が多い部分にＣＯ２冷媒を使用し、高温側循環回路Ａの比較的閉ざされた冷媒回路にＲ３２冷媒を使用したので、システムとしての地球温暖化係数（ＧＷＰ）はＲ３２の単独の地球温暖化係数（ＧＷＰ）６７５に対し、約１／３程度に低減できる。
【００２４】
高温側循環回路Ａに中間インジェクション回路を採用すれば、過熱度を１０Ｋ以下に抑えることにより蒸発温度−４０℃以上で使用可能となり、圧縮機の信頼性を低下させることなく、性能も低下せずに、省エネルギーと低環境負荷（低地球温暖化係数（ＧＷＰ））を実現できる。
【符号の説明】
【００２５】
１  高温側圧縮機、２  高温側凝縮器、３  高温側膨張弁、４  高温側蒸発器、５  低温側圧縮機、６  低温側凝縮器、７  低温側膨張弁、８  低温側蒸発器、９  カスケードコンデンサ、１１  受液器、１２  過冷却熱交換器、１２ａ  液配管、１２ｂ  （冷却された）冷媒配管、１３  過冷却熱交換器用膨張弁、Ａ  高温側循環回路、Ｂ  低温側循環回路。
【図１】
2014199445.tif 000003
【図２】
2014199445.tif 000004
【図３】
2014199445.tif 000005
【図４】
2014199445.tif 000006
【図５】
2014199445.tif 000007
【図６】
2014199445.tif 000008
【図７】
2014199445.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成27年8月27日(2015.8.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
本発明に係る冷凍装置は、高温側圧縮機、高温側凝縮器、高温側膨張弁、及び、カスケードコンデンサの高温側蒸発器が直列に配管接続され、冷媒を循環させる高温側循環回路と、低温側圧縮機、前記カスケードコンデンサの低温側凝縮器、低温側膨張弁、及び、低温側蒸発器が直列に配管接続され、冷媒を循環させる低温側循環回路と、を備え、前記高温側循環回路の冷媒として、Ｒ３２またはＲ３２を６５重量％以上含む混合冷媒を使用し、前記低温側循環回路の冷媒として、ＣＯ２を使用し、前記高温側凝縮器の出口に受液器を設け、該受液器と前記高温側膨張弁との間に過冷却熱交換器を設け、該過冷却熱交換器と前記高温側膨張弁との間から分岐した液配管に過冷却熱交換器用膨張弁を設け、前記過冷却熱交換器用膨張弁で膨張され冷却された冷媒配管と、前記受液器から出た前記液配管とを前記過冷却熱交換器で熱交換させ、冷却された前記冷媒配管から冷却された冷媒を前記高温側圧縮機の圧縮途中に合流させ、前記高温側圧縮機の吸入ガス温度と前記カスケードコンデンサの高温側蒸発器の蒸発温度との温度差を１０Ｋ以下に抑え、前記高温側循環回路の蒸発温度を−４０℃以上としているものである。
【手続補正２】
【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】
高温側圧縮機、高温側凝縮器、高温側膨張弁、及び、カスケードコンデンサの高温側蒸発器が直列に配管接続され、冷媒を循環させる高温側循環回路と、
低温側圧縮機、前記カスケードコンデンサの低温側凝縮器、低温側膨張弁、及び、低温側蒸発器が直列に配管接続され、冷媒を循環させる低温側循環回路と、を備え、
前記高温側循環回路の冷媒として、Ｒ３２またはＲ３２を６５重量％以上含む混合冷媒を使用し、
前記低温側循環回路の冷媒として、ＣＯ２を使用し、
前記高温側凝縮器の出口に受液器を設け、該受液器と前記高温側膨張弁との間に過冷却熱交換器を設け、
該過冷却熱交換器と前記高温側膨張弁との間から分岐した液配管に過冷却熱交換器用膨張弁を設け、前記過冷却熱交換器用膨張弁で膨張され冷却された冷媒配管と、前記受液器から出た前記液配管とを前記過冷却熱交換器で熱交換させ、冷却された前記冷媒配管から冷却された冷媒を前記高温側圧縮機の圧縮途中に合流させ、
前記高温側圧縮機の吸入ガス温度と前記カスケードコンデンサの高温側蒸発器の蒸発温度との温度差を１０Ｋ以下に抑え、
前記高温側循環回路の蒸発温度を−４０℃以上としている
ことを特徴とする冷凍装置。
【国際調査報告】
2014199445.tif 000010
2014199445.tif 000011
2014199445.tif 000012
2014199445.tif 000013
2014199445.tif 000014
2014199445.tif 000015
2014199445.tif 000016
2014199445.tif 000017
2014199445.tif 000018