(57)【要約】  高元側圧縮機２１、高元側凝縮器２２、高元側絞り装置２３及び高元側蒸発器２４を配管接続し、冷媒を循環させる高元冷凍サイクル２０と、低元側圧縮機１１、補助放熱器１５、低元側凝縮器１２、低元側絞り装置１３及び低元側蒸発器１４を配管接続し、冷媒を循環させる低元冷凍サイクル１０と、高元側蒸発器２４及び低元側凝縮器１２を有し、高元冷凍サイクル２０を流れる冷媒と低元冷凍サイクル１０を流れる冷媒との間の熱交換を行うカスケードコンデンサＣと、高元冷凍サイクル２０及び低元冷凍サイクル１０の両方を運転させる二元運転と、高元冷凍サイクル２０を停止し、低元冷凍サイクル１０を運転させる単段運転とを、ＣＯＰの高い方に切替えて運転する制御装置３０とを備えた。
2014181399.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高元側圧縮機、高元側凝縮器、高元側絞り装置及び高元側蒸発器を配管接続し、冷媒を循環させる高元冷凍サイクルと、
低元側圧縮機、補助放熱器、低元側凝縮器、低元側絞り装置及び低元側蒸発器を配管接続し、冷媒を循環させる低元冷凍サイクルと、
前記高元側蒸発器及び前記低元側凝縮器を有し、前記高元冷凍サイクルを流れる冷媒と前記低元冷凍サイクルを流れる冷媒との間の熱交換を行うカスケードコンデンサと、
前記高元冷凍サイクル及び前記低元冷凍サイクルの両方を運転させる二元運転と、前記高元冷凍サイクルを停止し、前記低元冷凍サイクルを運転させる単段運転とを、それらの運転におけるＣＯＰの高い方に切替えて運転する制御装置と
を備えたことを特徴とする二元冷凍装置。
【請求項２】
前記高元側凝縮器及び前記補助放熱器のそれぞれは外気に放熱する熱交換器であり、
前記制御装置は、前記二元運転中の外気温度がＣＯＰの大小判別の閾値となる閾値外気温度以下の場合、前記二元運転から前記単段運転への切替えを行う
ことを特徴とする請求項１記載の二元冷凍装置。
【請求項３】
前記制御装置は、前記二元運転中の前記低元冷凍サイクル又は前記高元冷凍サイクルの圧縮比が、ＣＯＰの大小判別の閾値となる閾値圧縮比以下の場合、前記二元運転から前記単段運転への切替えを行う
ことを特徴とする請求項１記載の二元冷凍装置。
【請求項４】
前記制御装置は、前記二元運転中の前記低元冷凍サイクルの蒸発圧力と前記高元冷凍サイクルの凝縮圧力とによって決まる圧縮比が、ＣＯＰの大小判別の閾値となる閾値圧縮比以下の場合、前記二元運転から前記単段運転への切替えを行う
ことを特徴とする請求項１記載の二元冷凍装置。
【請求項５】
前記高元側凝縮器及び前記補助放熱器のそれぞれは外気に放熱する熱交換器であり、    前記制御装置は、前記単段運転中の外気温度がＣＯＰの大小判別の閾値となる閾値外気温度より高い場合、前記単段運転から前記二元運転への切替えを行う
ことを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の二元冷凍装置。
【請求項６】
前記制御装置は、前記単段運転中の前記低元冷凍サイクルの圧縮比がＣＯＰの大小判別の閾値となる閾値圧縮比より高い場合、前記単段運転から前記二元運転への切替えを行う
ことを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の二元冷凍装置。
【請求項７】
前記制御装置は、前記単段運転中の前記低元冷凍サイクルの凝縮圧力である高圧圧力が、前記二元運転から前記単段運転へ切替わったときの前記低元冷凍サイクルの凝縮圧力である高圧圧力を上回った場合に前記単段運転から前記二元運転への切替えを行う
ことを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の二元冷凍装置。
【請求項８】
前記高元側凝縮器及び前記補助放熱器は一体化されて一体型放熱器を構成しており、
前記一体型放熱器に空気を送風する送風機を備えた
ことを特徴とする請求項１〜請求項７の何れか一項に記載の二元冷凍装置。
【請求項９】
前記一体型放熱器は、空気が通過するように間隔を空けて配置された複数の伝熱フィンと、前記複数の伝熱フィンを貫通する複数の伝熱管とを備え、
前記複数の伝熱管は、空気通過方向に対して垂直方向の段方向へ複数段、且つ前記空気通過方向に複数列配置されており、前記複数の伝熱管のうち、前記補助放熱器を構成する複数の前記伝熱管が何れか１列に集約されている
ことを特徴とする請求項８記載の二元冷凍装置。
【請求項１０】
前記高元側凝縮器と前記補助放熱器は、同等の伝熱面積であることを特徴とする請求項１〜請求項９の何れか一項に記載の二元冷凍装置。
【請求項１１】
前記低元冷凍サイクルと前記高元冷凍サイクルに用いる冷媒は、互いに異なる
ことを特徴とする請求項１〜請求項１０の何れか一項に記載の二元冷凍装置。
【請求項１２】
前記低元冷凍サイクルに用いる冷媒よりも高効率となる冷媒を前記高元冷凍サイクルに用いる
ことを特徴とする請求項１〜請求項１１の何れか一項に記載の二元冷凍装置。
【請求項１３】
前記低元冷凍サイクル及び前記高元冷凍サイクルの少なくともどちらか一方に、ＣＯ２冷媒又はＣＯ２を含む混合冷媒を用いる
ことを特徴とする請求項１〜請求項１２の何れか一項に記載の二元冷凍装置。
【請求項１４】
前記低元冷凍サイクル及び前記高元冷凍サイクルの少なくともどちらか一方に、Ｒ３２、Ｒ４１０Ａ、Ｒ１３４ａ、Ｒ４０４Ａ、Ｒ４０７Ｃ、ＨＦＯ１２３４ｙｆ、ＨＦＯ１２３４ｚｅ、アンモニア、プロパン、イソブタンの何れかの冷媒又は混合冷媒を用いることを特徴とする請求項１３記載の二元冷凍装置。
【請求項１５】
前記低元冷凍サイクルにＣＯ２冷媒を用い、
前記制御装置は、前記単段運転中の前記低元冷凍サイクルの凝縮圧力である高圧圧力を臨界圧力以下とする
ことを特徴とする請求項１〜請求項１４の何れか一項に記載の二元冷凍装置。
【請求項１６】
前記低元冷凍サイクルにＣＯ２冷媒を用い、
前記高元側凝縮器及び前記補助放熱器のそれぞれは外気に放熱する熱交換器であり、
前記制御装置は、前記二元運転中の外気温度が２１℃以下の場合、前記二元運転から前記単段運転への切替えを行う
ことを特徴とする請求項１〜請求項１５の何れか一項に記載の二元冷凍装置。
【請求項１７】
前記低元冷凍サイクルにＣＯ２冷媒を用い、
前記低元冷凍サイクルに膨張タンクを設置した
ことを特徴とする請求項１〜請求項１６の何れか一項に記載の二元冷凍装置。
【請求項１８】
前記低元冷凍サイクルにＣＯ２冷媒を用い、
前記低元側凝縮器と前記低元側絞り装置との間の液配管の上流に第二の絞り装置を設置し、前記液配管を通過する冷媒を気液二相冷媒とする
ことを特徴とする請求項１〜請求項１７の何れか一項に記載の二元冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は二元冷凍装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、マイナス数十度の低温度の冷却を行うための装置として、高温側冷媒を循環するための冷凍サイクル装置である高元冷凍サイクルと低温側冷媒を循環するための冷凍サイクル装置である低元冷凍サイクルとを有する二元冷凍装置が使用されている。例えば、二元冷凍装置では、低元冷凍サイクルにおける低元側凝縮器と高元冷凍サイクルにおける高元側蒸発器とを熱交換できるように構成したカスケードコンデンサによって低元冷凍サイクルと高元冷凍サイクルとを連結している。【０００３】
そして、低元冷凍サイクルにおいてカスケードコンデンサの前段に補助放熱器を設置した二元冷凍装置がある（特許文献１参照）。この二元冷凍装置では、低温側圧縮機から吐出された吐出冷媒を補助放熱器で放熱させて冷却することで運転効率の向上を図っている。【０００４】
二元冷凍装置は、高圧縮比において効率の良いところで使用することができるので、一般に省エネルギーの点で有利である。しかし、冬期などの低外気温度時のように二元冷凍装置で低圧縮比になる領域では、単元の冷凍装置でも必要な温度まで無理なく冷却できるため、二元冷凍装置を使っても省エネルギーのメリットが得られない。そこで、従来より、二元冷凍装置において低圧縮比運転となる場合、高元冷凍サイクルを停止し、低元冷凍サイクルのみを運転する単段運転に切替えて性能低下を回避する先行技術がある（例えば、特許文献２参照）。【０００５】
この技術では、高元冷凍サイクルの放熱器である高元側熱交換器の一部を低元冷凍サイクルの凝縮器に並列に接続して低元冷凍サイクルの放熱器として部分利用することで、単段運転と二元運転とを切替えられるようにしている。すなわち、単段運転時、低元冷凍サイクルは、高元側熱交換器の一部を利用して外気放熱を行う。そして、二元運転時、低元冷凍サイクルは、高元側熱交換器の前記一部への冷媒の流通を遮断してカスケードコンデンサ側に冷媒を流し、カスケードコンデンサ側にて放熱を行い、高元冷凍サイクルは、高元側熱交換器の前記一部以外の部分により外気放熱するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３６０４９７３号公報（第２頁、第３頁、図１）
【特許文献２】特開２０００−２７４８４８号公報（第５頁、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１の二元冷凍装置では、補助放熱器により運転効率の向上を図っている。しかし、低外気温度時などの低圧縮比運転では圧縮機性能低下が避けられない。また、二元冷凍装置では、構成上の特徴として、カスケードコンデンサにおける低元側凝縮温度と高元側蒸発温度との温度差がロスとなる。高圧縮比運転の場合は、この温度差は問題とならない。しかし、低圧縮比運転では高圧縮比運転の場合に比べてこの温度差の影響が相対的に大きくなるため、運転効率低下が避けられない。つまり、特許文献１の二元冷凍装置では、補助放熱器により運転効率の向上が図れるものの、運転効率低下を避けられない時期があり、年間を通して省エネルギー効果を得ることは難しいという問題があった。【０００８】
また、特許文献２における二元冷凍装置の低元冷凍サイクルは、低外気温度時の低圧縮比運転で、二元運転から単段運転に切替えることで性能低下回避に一定の効果が見られる。しかしながら、二元運転（低元冷凍サイクルと高元冷凍サイクルの両方を運転）のときはカスケードコンデンサにて放熱し、単段運転のときは高元側凝縮器で放熱している。このように特許文献２では二元運転と単段運転とで流路の切替えが必要であり、また、二元運転時に高元側凝縮器の一部が未使用となるため無駄が生じる。このように、特許文献２では、並列に増設する空冷放熱器や切替え弁、バイパス流路の追加によるコスト増加が課題となる。【０００９】
本発明はこのような点に鑑みなされたもので、補助放熱器による運転効率向上を図ることができると共に低圧縮比運転時の性能低下を回避でき、コストの増加を招くことなく、例えば、年間を通して省エネルギー効果を得ることが可能な二元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】
【００１０】
本発明に係る二元冷凍装置は、高元側圧縮機、高元側凝縮器、高元側絞り装置及び高元側蒸発器を配管接続し、冷媒を循環させる高元冷凍サイクルと、低元側圧縮機、補助放熱器、低元側凝縮器、低元側絞り装置及び低元側蒸発器を配管接続し、冷媒を循環させる低元冷凍サイクルと、高元側蒸発器及び低元側凝縮器を有し、高元冷凍サイクルを流れる冷媒と低元冷凍サイクルを流れる冷媒との間の熱交換を行うカスケードコンデンサと、高元冷凍サイクル及び低元冷凍サイクルの両方を運転させる二元運転と、高元冷凍サイクルを停止し、低元冷凍サイクルを運転させる単段運転とを、それらの運転におけるＣＯＰの高い方に切替えて運転する制御装置とを備えたものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、低元冷凍サイクルに補助放熱器を備え、二元運転では補助放熱器を低元側凝縮器の補助として用いる一方、単段運転では補助放熱器をメインの放熱器として用い、二元運転と単段運転とをＣＯＰの高い方に切替えて運転するようにした。これにより、通年を通して高い運転効率を達成し、省エネルギーを図ることができる。また、単段運転では補助放熱器をメインの放熱器として用いることで低元冷凍サイクルを流路変更なくそのまま使用できる。このため、単段運転を行うにあたり流路変更のための構成部品の追加が不要で、コスト低減を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１における二元冷凍装置の構成を表す図である。
【図２】図１の二元冷凍装置におけるエンタルピと飽和温度との関係を示す図である。
【図３】低元側凝縮温度と圧縮機入力との関係を示す図である。
【図４】図１の二元冷凍装置における二元運転時の外気温度に応じた高元側圧縮機２１の回転数決定までの流れを示すフローチャートである。
【図５】低元側凝縮温度が外気温度よりも低い場合と高い場合のそれぞれの放熱量をモリエル線図で説明した図である。
【図６】補助放熱器１５の放熱量とＣＯＰとの関係を説明するための図である。
【図７】図１の二元冷凍装置における単段運転と二元運転（補助熱交換器あり）とのそれぞれにおける、外気温度−ＣＯＰ特性を示す図である。
【図８】図１の二元冷凍装置の運転動作を示すフローチャートである。
【図９】本発明の実施の形態１の二元冷凍装置における外気温度と閾値外気温度Ｔｃａとの関係を、横軸を外気温度、縦軸を外気温度から目標低元側凝縮温度Ｔｃを減算した温度（外気温度−Ｔｃ）として表現した図である。度との関係を示す図である。
【図１０】図１の高元側凝縮器と補助放熱器とを一体型放熱器で構成した場合の二元冷凍装置の構成を表す図である。
【図１１】図１の高元側凝縮器と補助放熱器とを一体型放熱器で構成した場合の構成例の説明図である。
【図１２】本発明の実施の形態２における二元冷凍装置の構成例１を表す図である。
【図１３】本発明の実施の形態２における二元冷凍装置の構成例２を表す図である。
【図１４】本発明の実施の形態２における二元冷凍装置におけるエンタルピと飽和温
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係る二元冷凍装置の好適な実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１４】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における二元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１における二元冷凍装置は、低元冷凍サイクル１０と高元冷凍サイクル２０とを有し、それぞれ独立して冷媒を循環させる冷媒回路を構成する。そして、２つの冷媒回路を多段構成するために、高元側蒸発器２４と低元側凝縮器１２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）Ｃを設けている。また、二元冷凍装置全体の運転制御を行う制御装置３０を有する。ここで、温度、圧力等の高低については、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、システム、装置等における状態、動作等において相対的に定まるものとする。
【００１５】
図１において、低元冷凍サイクル１０は、低元側圧縮機１１と、補助放熱器１５と、低元側凝縮器１２と、低元側膨張弁（低元側絞り装置）１３と、低元側蒸発器１４とを順に冷媒配管で接続して冷媒回路を構成している。一方、高元冷凍サイクル２０は、高元側圧縮機２１と、高元側凝縮器２２と、高元側膨張弁（高元側絞り装置）２３と、高元側蒸発器２４とを順に冷媒配管で接続して冷媒回路を構成している。
【００１６】
低元冷凍サイクル１０の低元側圧縮機１１は、冷媒を吸入し、圧縮して高温・高圧の状態にして吐出する。ここでは、例えばインバータ回路等により回転数を制御し、高元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。
【００１７】
補助放熱器１５は、例えばガスクーラ等として機能し、屋外の空気（外気）、水、ブライン等との熱交換により低元側圧縮機１１が吐出したガス冷媒を冷却する。ここで、本実施の形態１の補助放熱器１５は、外気（周囲空気）と冷媒との熱交換を行うものとする。
【００１８】
低元側凝縮器１２は、補助放熱器１５を通過した冷媒を、高元冷凍サイクル２０において高元側膨張弁２３を通過した冷媒との間で熱交換して凝縮させ、液状の冷媒にする（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Ｃにおいて低元冷凍サイクル１０を流れる冷媒が通過する伝熱管等が低元側凝縮器１２となる。
【００１９】
減圧装置、絞り装置等となる低元側膨張弁１３は、低元冷凍サイクル１０を流れる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、毛細管（キャピラリ）、感温式膨張弁等の冷媒流量調節手段等で構成する。低元側蒸発器１４は、低元冷凍サイクル１０を流れる冷媒を、例えば冷却対象と熱交換して蒸発させ、気体（ガス）状の冷媒にする（蒸発ガス化させる）ものである。冷媒との熱交換により、冷却対象は、直接又は間接に冷却されることになる。
【００２０】
一方、高元冷凍サイクル２０の高元側圧縮機２１は、高元冷凍サイクル２０を流れる冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮して高温・高圧の状態にして吐出する。高元側圧縮機２１についても、例えばインバータ回路等を有し、冷媒の吐出量を調整できるタイプの圧縮機で構成する。高元側凝縮器２２は、例えば、外気、水、ブライン等と高元冷凍サイクル２０を流れる冷媒との間で熱交換を行い、冷媒を凝縮液化させるものである。ここで、本実施の形態１では、高元側凝縮器２２が外気（周囲空気）と冷媒との熱交換を行うものとし、熱交換を促すための高元側凝縮器ファン２５を有しているものとする。高元側凝縮器ファン２５についても風量を調整できるタイプのファンで構成する。
【００２１】
減圧装置、絞り装置等となる高元側膨張弁２３は、高元側冷媒回路を流れる冷媒を減圧して膨張させるものである。例えば前述した電子式膨張弁等の流量制御手段、毛細管等の冷媒流量調節手段で構成する。高元側蒸発器２４は、熱交換により高元冷凍サイクル２０を流れる冷媒を蒸発ガス化するものである。例えば、ここではカスケードコンデンサＣにおいて高元冷凍サイクル２０を流れる冷媒が通過する伝熱管等が高元側蒸発器２４となって、低元冷凍サイクル１０を流れる冷媒との熱交換が行われるものとする。
【００２２】
また、カスケードコンデンサＣは、前述した高元側蒸発器２４と低元側凝縮器１２との機能を有し、高元側冷媒と低元側冷媒とを熱交換可能にする冷媒間熱交換器である。カスケードコンデンサＣを介して高元冷凍サイクル２０と低元冷凍サイクル１０とを多段構成にし、冷媒間の熱交換を行うようにすることで、独立した冷媒回路を連携させることができる。また、制御装置３０は、二元冷凍装置を構成する各機器の動作制御等を行う。外気温度検出手段３１は外気温度を検出するための温度センサーである。以下、外気温度は、外気温度検出手段３１の検出に係る温度であるものとする。
【００２３】
このように構成された二元冷凍装置において、低元冷凍サイクル１０に用いる冷媒は、ここではＣＯ２（二酸化炭素）とするが、これは以下の理由による。低元冷凍サイクル１０は、室内の負荷装置、例えばスーパーマーケットのショーケースなどを接続対象としており、ショーケースの配置換えなどにより冷媒回路が開放され、冷媒漏れが発生する可能性が多くなる。よって、冷媒漏れを考慮し、地球温暖化に対する影響が小さいＣＯ２（二酸化炭素）を用いる。
【００２４】
一方、高元冷凍サイクル２０に用いる冷媒は、例えば、ＨＦＯ冷媒（ＨＦＯ１２３４ｙｆ、ＨＦＯ１２３４ｚｅ等）、ＨＣ冷媒、ＣＯ２、アンモニア、水などの地球温暖化に対する影響が小さい冷媒を用いることが望ましい。しかし、高元冷凍サイクル２０は冷媒回路が開放されることがないため、例えば地球温暖化係数の高いＨＦＣ冷媒などを用いることができる。そこで、本実施の形態１では、高元冷凍サイクル２０を循環させる冷媒としてＨＦＣ冷媒のＲ３２を用いる。
【００２５】
以上のような二元冷凍装置の冷却運転における各構成機器の動作等を、各冷媒回路を循環する冷媒の流れに基づいて説明する。まず、高元冷凍サイクル２０の動作を説明し、続いて低元冷凍サイクル１０の動作を説明する。
【００２６】
（高元冷凍サイクルの動作）
高元側圧縮機２１は高元側冷媒を吸入し、圧縮して高温・高圧の状態にして吐出する。吐出した冷媒は高元側凝縮器２２へ流入する。高元側凝縮器２２は、高元側凝縮器ファン２５から供給される外気と高元側冷媒との間で熱交換を行い、高元側冷媒を凝縮液化させる。凝縮液化した冷媒は高元側膨張弁２３で減圧される。減圧された高元側冷媒は高元側蒸発器２４（カスケードコンデンサＣ）に流入する。高元側蒸発器２４は、高元側冷媒を、低元側凝縮器１２を通過する低元側冷媒と熱交換して蒸発ガス化する。蒸発ガス化された高元側冷媒は高元側圧縮機２１に吸入される。
【００２７】
（低元冷凍サイクルの動作）
低元側圧縮機１１は、ＣＯ２冷媒を吸入し、圧縮して高温・高圧の状態にして吐出する。吐出した冷媒は補助放熱器１５で冷却されて低元側凝縮器１２（カスケードコンデンサＣ）へ流入する。低元側凝縮器１２は、低元側冷媒を、高元側蒸発器２４を通過する高元側冷媒と熱交換して凝縮液化させる。凝縮液化した低元側冷媒は低元側膨張弁１３で減圧される。減圧された低元側冷媒は低元側蒸発器１４に流入する。低元側蒸発器１４は低元側冷媒を、冷却対象との熱交換により蒸発ガス化する。蒸発ガス化した低元側冷媒は高元側圧縮機２１に吸入される。
【００２８】
本実施の形態１の二元冷凍装置では、例えば、高元側圧縮機２１において、駆動するモータの周波数を制御し、高元冷凍サイクル２０における冷却能力を制御することにより低元側冷媒回路における吐出側の圧力（高圧）を調節する。この点について以下に詳述する。
【００２９】
図２は、本発明の二元冷凍装置におけるエンタルピと飽和温度との関係を示す図である。なお、図２の上図と下図とでは、低圧圧力Ｐｓ及び高圧圧力Ｐｄを固定としている（つまり、図２は、ある外気温度のときのエンタルピと飽和温度との関係を示している）。以下、図２より、低元側凝縮温度に応じて低元冷凍サイクル１０及び高元冷凍サイクル２０のそれぞれの入力が変化する点について説明する。
【００３０】
二元冷凍装置では、カスケードコンデンサＣにおいて、低元側凝縮温度と高元側蒸発温度との間で温度差ΔＴが生じるものとする。温度差ΔＴはカスケードコンデンサＣの大きさ（性能）によって異なるが、ここでは例えば５℃程度とする。なお、以下の説明において、低圧圧力Ｐｓとは、二元運転及び単段運転のどちらも低元冷凍サイクル１０の蒸発圧力を指すものとする。また、高圧圧力Ｐｄとは、二元運転であれば高元冷凍サイクル２０の凝縮圧力、単段運転であれば低元冷凍サイクル１０の凝縮圧力を指すものとする。
【００３１】
例えば、ある運転状態から高元側圧縮機２１の運転周波数を上げて高元側の冷却能力を増大させると、高元側蒸発温度が低下し、これに伴って低元側凝縮温度（低元側高圧）も低下する。逆に、高元側の冷却能力を低減すれば低元側高圧が上昇する。
【００３２】
また、図２から明らかなように、高元側圧縮機２１の運転周波数を上げて低元冷凍サイクル１０の低元側高圧が低下すると、高元側圧縮機２１の入力（以下、高元側圧縮機入力という）は大きくなる（ＷＨ１＜ＷＨ２）。一方、低元側圧縮機１１の入力（以下、低元側圧縮機入力という）は小さくなる（ＷＬ１＞ＷＬ２）。ここで、冷凍能力Ｑ＝Ｇｒ（冷媒流量）×ΔＨ（圧縮機におけるエンタルピ差）である。
【００３３】
二元冷凍装置では、外気温度に応じて冷却負荷が変化し、冷却負荷に対して冷凍能力（低元冷凍サイクル１０側の蒸発能力に相当）を決定している。そして、決定した冷凍能力に一定に保つように低元側圧縮機１１によりＧｒ（冷媒流量）を制御している。例えば、ΔＨ（エンタルピ差）が一定であれば、Ｇｒ（冷媒流量）が一定となるように低元側圧縮機１１を制御する。
【００３４】
例えば、本実施の形態１の二元冷凍装置において、低元冷凍サイクル１０に使用されるＣＯ２冷媒は、高元冷凍サイクル２０で用いられるＲ３２に比べて冷凍効果が小さい。そのため、大きな圧縮機動力が必要となり、高元冷凍サイクル２０で用いているＲ３２に比べて運転効率が低くなる。そこで、高元側圧縮機２１の容量を増大させて、低元側高圧を低下させることにより、低元冷凍サイクル１０側の消費電力を小さくする。そして、運転効率が高いＲ３２を用いた高元冷凍サイクル２０側の消費電力が大きくなったとしても高元冷凍サイクル２０側の仕事量を増やすことで、二元冷凍装置全体の運転効率を向上させる。このように、高効率な高元冷凍サイクル２０の消費電力比率を大きくすることで、二元冷凍装置全体の運転効率を最適とすることができる。このため、低元冷凍サイクル１０の低元側高圧は、ＣＯ２が超臨界状態にならないことが多くなり、低元側凝縮器１２において相変化が生じる飽和温度（低元側凝縮温度）が決まっている。
【００３５】
図３は、低元側凝縮温度と圧縮機入力との関係を示す図である。図３において、横軸は低元側凝縮温度であり、縦軸は圧縮機入力である。また、図３には、高元側圧縮機２１入力と、低元側圧縮機１１入力と、それらの合計入力（二元冷凍装置全体の合計入力）とをそれぞれ示している。図３に示すように、低元側凝縮温度を外気温度以下とし、且つ、高元側圧縮機２１と低元側圧縮機１１のそれぞれの圧縮機入力が略同等となるときに合計入力が最も小さくなり、ＣＯＰ（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  Ｏｆ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ：成績係数＝冷凍能力／（高元側圧縮機入力＋低元側圧縮機入力））が最大となることがわかる。
【００３６】
以上より、二元冷凍装置の高元側圧縮機２１ではＣＯＰが最大となるように高元側圧縮機入力と低元側圧縮機入力とを略同等とする運転制御を行っている。例えば、図２で説明すると、高元側圧縮機入力（＝エンタルピ差ＷＨ１×高元冷媒流量Ｇｒｈ）と、低元側圧縮機入力（＝エンタルピ差ＷＬ１×低元冷媒流量Ｇｒｌ）とが略同等となるように、制御装置３０は制御を行っている。
【００３７】
ここで、図３を別の見方をすると、低元冷凍サイクル１０の低元側凝縮温度がＴｃのとき合計入力が最小となり、ＣＯＰが最大となる。よって、高元側圧縮機入力と低元側圧縮機入力とを略同等とする運転制御は、具体的には低元側凝縮温度を目標低元側凝縮温度Ｔｃに保つように低元冷凍サイクル１０を制御することになる。このとき、高元冷凍サイクル２０側は、目標低元側凝縮温度ＴｃよりもΔＴ℃（ここでは上述したように５℃）低い温度を目標高元側蒸発温度として一定に保つ制御を行うことになる。このような制御を行うことにより、ＣＯＰを最大とすることができる。
【００３８】
（外気温度に応じた高元側圧縮機２１の回転数制御）
図４は、図１の二元冷凍装置における二元運転時の外気温度に応じた高元側圧縮機２１の回転数決定までの流れを示すフローチャートである。
【００３９】
（Ｓ１）
まず、前提条件について説明する。まず、冷凍能力はユーザーからの要求（ユーザーが用いる冷蔵倉庫などの利用側設備の冷却負荷）によって決まる（例えば、１０馬力だと１０ｋＷ）。また、ＣＯＰを最大とする目標低元側凝縮温度Ｔｃは、ユーザーからの要求で決まる低元側蒸発温度（例えば−４０℃）と、外気温度に応じて一意に決まる高元側凝縮温度とにより決まる。高元側凝縮温度は、外気温度が高くなるに連れて高元側凝縮温度も高くなる傾向を示す。目標低元側凝縮温度Ｔｃは、言い換えれば、図２において低元側蒸発温度ＥＴから換算される低圧圧力Ｐｓと、高元側凝縮温度ＣＴから換算される高圧圧力Ｐｄとにより決まる。また、温度差ΔＴはここでは上述したように５℃としており、カスケードコンデンサＣの大きさ（性能）によって決まる。
【００４０】
（Ｓ２）
冷凍能力に基づき、その冷凍能力を得るために低元側凝縮器１２に要求される必要放熱量Ｑ１が決まる。
【００４１】
（Ｓ３）
カスケードコンデンサＣでは、低元側凝縮器１２と高元側蒸発器２４とが熱交換するため、低元側凝縮器１２における放熱量と高元側蒸発器２４における吸熱量は同じである。よって、低元側凝縮器１２における必要放熱量Ｑ１に基づいて高元冷凍サイクル２０の冷凍能力Ｑ２が決まる。
【００４２】
（Ｓ４）
低元側蒸発温度と外気温度に応じた高元側凝縮温度とに基づいて目標低元側凝縮温度Ｔｃが決まる。制御装置３０は、低元側蒸発温度と高元側凝縮温度とを変数としてＣＯＰ最大とする目標低元側凝縮温度Ｔｃを求める近似式やそれに相当するマップを予め保持しており、これらの情報に基づいて目標低元側凝縮温度Ｔｃを決定することができる。なお、外気温度に応じて高元側凝縮温度が変化するため、ＣＯＰを最大とする目標低元側凝縮温度Ｔｃも外気温度によって変化する。具体的には、外気温度が高くなると高元側凝縮温度が上がり、目標低元側凝縮温度Ｔｃも上昇する傾向となる。
【００４３】
（Ｓ５）
目標低元側凝縮温度Ｔｃから温度差ΔＴを減算することによりが決まる。高元冷凍サイクル２０では高元側蒸発温度を目標高元側蒸発温度（＝目標低元側凝縮温度Ｔｃ−ΔＴ℃）となるように高元側圧縮機２１の回転数の制御を行うことになる。
【００４４】
（Ｓ６）
高元側蒸発温度に基づき高元冷凍サイクル２０の蒸発圧力が一意に決まる。
【００４５】
（Ｓ７）
高元冷凍サイクル２０の蒸発圧力に基づき高元側の冷媒密度ρ、エンタルピ差ΔＨが決まる。
【００４６】
（Ｓ８）
高元冷凍サイクル２０の冷凍能力Ｑ２＝Ｇｒ（高元側の冷媒流量）×ΔＨ（高元側カスケードコンデンサＣにおけるエンタルピ差）                              ・・・ （１）
高元冷凍サイクル２０の冷媒流量Ｇｒ＝ρ（高元冷凍サイクル２０の冷媒密度）×Ｖｓｔ（高元側圧縮機２１の押しのけ量）×Ｎ（高元側圧縮機２１の回転数）    ・・・ （２）
の関係があり、ここでは「高元冷凍サイクル２０の冷凍能力Ｑ２」、「エンタルピ差ΔＨ」が既知であるため、（１）式より「高元冷凍サイクル２０の冷媒流量Ｇｒ」が求められる。そして、高元側圧縮機２１の押しのけ量Ｖｓｔは圧縮機に応じて固有の値であり既知である。よって、（２）式より、高元冷凍サイクル２０において高元側蒸発温度を目標高元側蒸発温度（＝目標低元側凝縮温度Ｔｃ−ΔＴ℃）とするための「高元側圧縮機２１の回転数」が決定する。
【００４７】
このようにして決定された回転数で高元側圧縮機２１を運転することで、高元側圧縮機入力と低元側圧縮機入力とを略同等とする運転制御を実現することができ、ＣＯＰを最大とすることができる。ここで、高元冷凍サイクル２０を制御する際、目標高元側蒸発温度を定めて高元側蒸発温度を制御するようにしたが、低元側凝縮温度を直接検知して制御するようにしてもよい。また、高元側圧縮機入力と低元側圧縮機入力とを直接検知又は演算して高元冷凍サイクル２０を制御するようにしてもよい。また、高元冷凍サイクル２０は、このマップや近似式などに従って制御してもよい。また、二元冷凍装置の制御は、図４に示したように、冷凍サイクルの原理に基づいて目標値を満たす高元側圧縮機２１の回転数を算出して制御する方法に限らず、目標値（目標低元側凝縮温度Ｔｃ）と現在値（現在の低元側凝縮温度）との偏差に基づいたフィードバック制御の方法でもよい（低元側蒸発温度も同様）。
【００４８】
なお、ここでは、「高元側圧縮機２１の回転数」の決定までの流れを説明したが、「低元側圧縮機１１の回転数」の決定の流れも同様である。すなわち、低元側蒸発温度→低元側の蒸発圧力→低元側の冷媒密度，エンタルピ差→低元側の流量→低元側圧縮機１１の回転数のようにして決定する。
【００４９】
以上の説明において、低効率の低元冷凍サイクル１０の消費電力を抑えるために低元側高圧（低元側凝縮温度）を低下させるものとしたが、これは制御原理上の説明であって、実運転上において低元側高圧を低下させるという意味ではない。実運転上は、上述したように目標低元側凝縮温度Ｔｃに一定に保つ制御を行うことになる。
【００５０】
また、低元側高圧を低下させる制御原理について補足して説明すると、高元冷凍サイクル２０で用いられるＲ３２は低元冷凍サイクル１０で用いられるＣＯ２冷媒に比べると高効率な冷媒（高ＣＯＰとなるような冷媒）である。このため、高元冷凍サイクル２０において、高元側圧縮機２１の運転により導かれる図２のモリエル線図上の傾きθｈは、低元側圧縮機１１の運転による傾きθｌより大きい。したがって、図３からも明らかなように、高元側圧縮機入力を上げて低元側凝縮温度を下げていっても、低元側凝縮温度が目標低元側凝縮温度Ｔｃに至るまでは高元側圧縮機入力が低元側圧縮機入力を超えることはない。そして、目標低元側凝縮温度Ｔｃにおいて、高元側圧縮機入力と低元側圧縮機入力とが等しくなる。
【００５１】
次に冷媒の運転効率について具体的に説明する。運転効率の指標である理論ＣＯＰ（＝蒸発器のエンタルピ差／圧縮過程のエンタルピ差）が高ければ、少ない圧縮動力で大きな蒸発潜熱を得られ、高効率な冷媒となる。例えば、外気温度３２℃で運転する一般の単段サイクル冷凍機の動作状態、すなわち蒸発温度−４０℃、凝縮温度４０℃（超臨界のＣＯ２高圧は８．８ＭＰａとする）、吸入過熱度５℃、液過冷却度５℃の条件で各冷媒の理論ＣＯＰは、ＣＯ２：１．２５、Ｒ３２：１．９８、ＨＦＯ１２３４ｙｆ：１．８４、ＨＦＯ１２３４ｚｅ：１．９７、プロパン：１．９９、イソブタン：２．０５、アンモニア：２．０７、Ｒ１３４ａ：２．０１、Ｒ４１０Ａ：１．９１、Ｒ４０７Ｃ：１．９８、Ｒ４０４Ａ：１．７６となる。ＣＯ２は、その他のＨＦＯ冷媒やＨＦＣ冷媒やＨＣ冷媒などと比較しＣＯＰが低く、低効率な冷媒である。
【００５２】
ここで、本実施の形態１では低元冷凍サイクル１０においてＣＯ２を冷媒として使用している。この場合、例えば高外気条件である３２℃のとき、目標低元側凝縮温度Ｔｃが約２０℃となり、目標低元側凝縮温度Ｔｃは外気温度よりも低くなる。上述したように、低元側高圧（低元側凝縮温度）を下げると、運転効率が低い低元冷凍サイクル１０側における低元側圧縮機入力を下げることができるため、外気温度よりも低い温度領域内に目標低元側凝縮温度Ｔｃが位置することになる。
【００５３】
ここで、外気温度よりも低い温度領域内に目標低元側凝縮温度Ｔｃが位置するのは、低効率なＣＯ２冷媒を低元冷凍サイクル１０に適用した場合であって、低元冷凍サイクル１０と高元冷凍サイクル２０との冷媒種類の組み合わせによっては、この限りではない。例えば、低外気温度時に外気温度よりも目標低元側凝縮温度Ｔｃの方が高くなり、高外気温度時に外気温度よりも目標低元側凝縮温度Ｔｃの方が低くなるなど、冷媒種類の組み合わせによっては、外気温度変化に対して目標低元側凝縮温度Ｔｃと外気温度との相対関係が変化する場合もある。
【００５４】
（低元側凝縮温度が外気温度よりも低い場合と高い場合の補助放熱器１５の放熱量の違いについて）
次に、補助放熱器１５の放熱量について考察する。本実施の形態１の二元冷凍装置では、低元冷凍サイクル１０に運転効率の低いＣＯ２冷媒を使用している関係から、高外気条件である３２℃の場合、目標低元側凝縮温度Ｔｃが外気温度よりも低くなる。補助放熱器１５は低元側冷媒が有する熱を外気に放熱する。このため、低元側圧縮機１１から吐出された低元側冷媒と外気とを補助放熱器１５で熱交換しても、低元側冷媒の温度は、最大でも外気温度までしか下がらない。しかし、低元冷凍サイクル１０の低元側凝縮温度が外気温度よりも低い場合と高い場合とでは、吐出温度の低元側冷媒を補助放熱器１５で同じ外気温度まで下げるにあたっても、その放熱量は異なったものとなる。
【００５５】
図５は、低元側凝縮温度が外気温度よりも低い場合と高い場合のそれぞれの放熱量をモリエル線図で説明した図である。図５（１）は、低元側凝縮温度が外気温度よりも高い場合の放熱エンタルピ差、図５（２）は、低元側凝縮温度が外気温度よりも低い場合の放熱エンタルピ差を示している。
【００５６】
（１）低元側凝縮温度が外気温度よりも高い場合
低元側圧縮機１１の吐出冷媒の温度（ａ点の温度）が例えば８０℃〜９０℃であり、外気温度が２０℃で低元側凝縮温度が２５℃の場合について考える。補助放熱器１５は外気に熱を放熱するため、図５（１）に示すように、８０℃〜９０℃の冷媒（点ａ）が補助放熱器１５での外気との熱交換により、まず、ガス状態のまま凝縮温度である２５℃（点ｂ）まで下がる。そして、２５℃を保ちながら凝縮して液状態となる（ｃ点）。外気温度は２０℃であるため冷媒は更に放熱可能であり、液状態で２０℃（点ｄ）まで下がる。このように凝縮温度が外気温度よりも高い場合は凝縮するため、相変化を伴う冷却を行うことができ、相変化を伴わない冷却を行う場合に比べて放熱量を大きくすることができる。
【００５７】
（２）低元側凝縮温度が外気温度よりも低い場合
低元側圧縮機１１の吐出冷媒の温度（ａ点の温度）が例えば８０℃〜９０℃であり、外気温度が２０℃で低元側凝縮温度が１０℃の場合について考える。補助放熱器１５は外気に熱を放熱するため、上述したように８０℃〜９０℃の冷媒は、補助放熱器１５での外気との熱交換により最大でも外気温度の２０℃までしか下がらない。つまり、図５（２）に示すように、８０℃〜９０℃の冷媒（点ａ）は、補助放熱器１５でガス状態のまま２０℃（点ｂ）となる。つまり、低元側凝縮温度が外気温度より低い場合は、補助放熱器１５では相変化を伴う冷却を行えず、相変化を伴わないガス冷却を行うことになる。つまり、補助放熱器１５はガス冷却域で使用されることになる。
【００５８】
ここで、図５（２）の点ａから点ｂまでの放熱はガス状態での放熱であるため、同じ外気温度２０℃まで温度を下げるにしても、凝縮させて２０℃まで下げる上記（１）の場合に比べて補助放熱器１５での放熱量を大きくできない。よって、低元側凝縮温度が外気温度よりも低い場合は、補助放熱器１５の風量を多くしたり、補助放熱器１５として伝熱面積の大きな放熱器を採用したりしても、補助放熱器１５の放熱量を増やすことはできず、最大でも吐出冷媒がガス状態のまま外気温度に低下するまでに放熱する放熱量となる。
【００５９】
（補助放熱器１５の放熱量とＣＯＰとの関係）
図６は、補助放熱器１５の放熱量とＣＯＰとの関係を説明するための図である。図６は低元冷凍サイクル１０のモリエル線図を示している。低元冷凍サイクル１０を構成するにあたり、補助放熱器１５での放熱量を、図６のＱｓｕｂ１にした場合とＱｓｕｂ２にした場合とを比較すると、Ｑｓｕｂ２にした場合の方が、対応する低元側凝縮器１２の放熱量Ｑｃ２（＜Ｑｃ１）を少なくすることができる。カスケードコンデンサＣでは、高元側蒸発器２４と低元側凝縮器１２とにおける熱交換量は等しくなる。よって、高元冷凍サイクル２０側は、低元側凝縮器１２での放熱量Ｑｃ２とのバランスを図ればよいため、補助放熱器１５の放熱量がＱｓｕｂ１である場合に比べてＱｓｕｂ２にした場合の方が、高元側圧縮機入力を小さくできる。また、補助放熱器１５の放熱量を多くするほど、ＣＯＰの値を大きくすることができる。
【００６０】
二元冷凍装置では冷凍能力一定の制御が行われており、ＣＯＰ＝冷凍能力／（高元側圧縮機入力＋低元側圧縮機入力）であるため、高元側圧縮機入力を小さくすることができると、ＣＯＰを大きくすることができる。
【００６１】
本実施の形態１の二元冷凍装置では、上述したように補助放熱器１５はガス冷却域で使用されるため、補助放熱器１５の伝熱面積の大きさ等の構造に関わらず、最大放熱できても吐出温度の冷媒を外気温度に下げるまでである。また、上述したように補助放熱器１５の放熱量を多くするほど、ＣＯＰを大きくすることができる。よって、補助放熱器１５で吐出温度の冷媒を外気温度近くまで温度を下げられる程度に補助放熱器１５の放熱量を確保するようにする。以下、「補助放熱器１５での放熱により、吐出温度の冷媒を外気温度近くの温度まで下げる際の、補助放熱器１５での放熱量」を所要放熱量という。所要放熱量を達成するには、例えば、補助放熱器１５の風量を制御したり、補助放熱器１５自体の構造的な設計を行ったりすることになる。このように補助放熱器１５の放熱量を所要放熱量とすることにより、所要放熱量よりも少ない放熱量とした場合に比べてＣＯＰを大きくすることができる。
【００６２】
ところで、所要放熱量は外気温度によって異なる。よって、年間を通じて大きなＣＯＰを確保するには、低外気条件のときの所要放熱量と高外気条件のときの所要放熱量を把握しておく必要がある。本実施の形態１における二元冷凍装置では、上述のように補助放熱器１５はガス冷却域で使用され、所要放熱量は小さい。しかし、前述したように、低元冷凍サイクル１０と高元冷凍サイクル２０とにおける冷媒種類の組み合わせによっては、例えば低外気温度時は目標低元側凝縮温度Ｔｃの方が高くなり、高外気温度時は目標低元側凝縮温度Ｔｃの方が低くなることがある。このため、外気温度変化に対して目標低元側凝縮温度Ｔｃとの相対関係が変化し、所要放熱量が変化する。
【００６３】
例えば、低元側凝縮温度が外気温度より低い場合は、上述したように補助放熱器１５では相変化を伴う冷却は行えず、所要放熱量は低下する。そして、補助放熱器１５での放熱量は、最大でも吐出冷媒がガス状態のまま外気温度に低下するまでに放熱する放熱量となる。このため、補助放熱器１５の風量を多くしても、補助放熱器１５の放熱量を増やすことはできない。逆に、補助放熱器１５の風量を抑制して最適化しなければ、無駄にファン入力を消費することになり、ＣＯＰ低下の要因となる。よって、無駄にファン入力を増大させることなく補助放熱器１５で吐出温度の冷媒を外気温度近くまで温度を下げられる程度に補助放熱器１５の放熱量を確保する。このように補助放熱器１５の風量を減少させることでファン入力を最適化し、二元冷凍装置全体のＣＯＰを向上させることが可能である。
【００６４】
一方、低元側凝縮温度が外気温度より高い場合は、補助放熱器１５で相変化を伴う冷却を行い、所要放熱量は増大する。このときは所要放熱量増大に伴い補助放熱器１５の風量を増大させ続け、補助放熱器１５の放熱量を増やすことにより、二元冷凍装置全体のＣＯＰを向上させることが可能である。
【００６５】
低元側凝縮温度の方が外気温度より低いときは、所要放熱量の変化に対する補助放熱器１５の風量制御を、以下のように行う。すなわち、補助放熱器１５の出口冷媒温度と外気温度との温度差が所定値（ここでは２℃程度）となるような制御を行う。これにより、補助放熱器１５の風量を適切に調節し、二元冷凍装置全体のＣＯＰを向上させることができる。
【００６６】
以上のように、補助放熱器１５の風量によって、外気温度に対する補助放熱器１５の放熱量を適切に制御することで、年間を通して高い省エネルギー効果を得ることができる。
【００６７】
補助放熱器１５を、所要放熱量の小さいガス冷却域で使用することを想定した場合、補助放熱器１５の伝熱面積は、高元側凝縮器２２の伝熱面積の１０〜２０％程度で充分な大きさとなる。一方、所要放熱量が大きい相変化を伴う放熱を行うことを想定した場合、補助放熱器１５の伝熱面積は高元側凝縮器２２の略同等まで拡大し、補助放熱器１５の放熱量を大きく増大させることで二元冷凍装置全体のＣＯＰを向上させることが可能である。また、補助放熱器１５と高元側凝縮器２２を同等形状とすることで部品の共通化を図ることができ、コスト低減も可能となる。
【００６８】
補助放熱器１５の伝熱面積を高元側凝縮器２２の略同等とした場合、所要放熱量の増大に伴い補助放熱器１５の風量を増大させ、補助放熱器１５の放熱量を大きく増やすことができる。補助放熱器１５の放熱量を大きく増やすと、カスケードコンデンサＣの低元側凝縮器１２での放熱量が低下し、高元側の冷却能力も減少する。このため、高元側の冷却能力によって低元側凝縮器１２の放熱を促し、低元側凝縮温度を制御することはできない。つまり、補助放熱器１５の放熱量が低元側凝縮器１２の放熱量を大きく上回るとき、低元側凝縮温度は補助放熱器１５の放熱量に依存する。
【００６９】
補助放熱器１５の風量を増大させればファン入力が増大するが、低元側凝縮温度を低下させることができるため、低元側圧縮機入力を低減することができる。しかし、低元側凝縮温度が下がり、外気温度に近づいて以降は、補助放熱器１５の風量を増大させても低元側凝縮温度が低下しなくなるため、無駄にファン入力が消費されてしまう。そこで、補助放熱器１５の伝熱面積を高元側凝縮器２２の略同等とした場合は、低元側凝縮温度を外気温度より所定温度（ここでは１０℃程度）高い温度となるようにすれば、低元側圧縮機入力とファン入力を最適化することができ、二元冷凍装置全体のＣＯＰを向上させることが可能である。
【００７０】
（本発明の特徴）
以下、本発明の特徴について説明する。本発明は、低元冷凍サイクル１０に設けた補助放熱器１５を、二元運転時は低元側凝縮器１２の補助として用いて運転効率向上に役立てて用いる一方、単段運転時は補助放熱器１５をメインの放熱器として用いる。つまり補助放熱器１５を、二元運転時も単段運転時も用いる点を特徴の一つとしている。また、低外気温度時には、二元運転を行うよりもＣＯＰの高い運転が可能となる単段運転に切替える。このように、二元運転と単段運転とをＣＯＰの高い方に切替えて運転する点も特徴の一つとしている。更に、単段運転を行うにあたっては、補助放熱器１５をメインの放熱器として用いることで、特許文献２のように流路を切替えることなく低元冷凍サイクル１０をそのまま使用できる点も特徴の一つとしている。
【００７１】
本発明の二元冷凍装置は以上の特徴を備えることにより、補助放熱器１５による運転効率向上効果を得ることができると共に、低圧縮比運転時の性能低下を回避でき、年間を通して省エネルギー効果を得ることができる。以下、これらの点について更に詳細に説明する。
【００７２】
二元冷凍装置を低外気温度で運転させると、高元側凝縮温度が低下し、それに伴って低元側凝縮温度も低下する。この場合、低元冷凍サイクル１０と高元冷凍サイクル２０とはそれぞれ低圧縮比の運転となり、圧縮機性能が低下すると共に、規格として定められた運転範囲を逸脱し、信頼性を保持できない。また、低圧縮比運転時は、低元側蒸発温度と高元側凝縮温度との温度差に対して、カスケードコンデンサＣの温度差ΔＴ（＝低元側凝縮温度−高元側蒸発温度）の割合が大きくなるため、性能低下の影響が大きくなる。
【００７３】
一般的に、圧縮機性能は圧縮比と回転数とによって変化する。圧縮機は、最も使用頻度が高いと想定される圧縮比にて圧縮機性能が最大となるように設計されている。このため、運転中の圧縮比が、この圧縮比より極端に小さい又は極端に大きくなると、大幅に性能低下が生じる。
【００７４】
そこで、本実施の形態１の二元冷凍装置では、上記のような性能低下及び信頼性低下を回避するため、以下の制御を行う。すなわち、制御装置３０は、二元運転中に、このまま二元運転を継続するとＣＯＰの低下を招く「所定の外気温度」以下に外気温度が低下したものと判断すると、高元冷凍サイクル２０を停止させ、低元冷凍サイクル１０のみ運転させるようにする。つまり、二元運転から単段運転に切替える。単段運転における冷媒の流れとしては、具体的には、低元側圧縮機１１で圧縮されて吐出された冷媒を、補助放熱器１５のみで放熱して冷却するようにし、補助放熱器１５で冷却された冷媒を、低元側膨張弁１３で減圧し、低元側蒸発器１４で蒸発させて、低元側圧縮機１１へ還流するようにする。なお、上記の「所定の外気温度」、つまりＣＯＰの低下を招くか否かの閾値外気温度については後述する。
【００７５】
上記のように低外気温度の際には二元運転から単段運転に切替え、低元冷凍サイクル１０のみを動作させることで、低元側圧縮機１１は適正な圧縮比を保ち、性能と信頼性を確保することができる。また、二元冷凍装置構成上の特徴的な問題も同時に回避可能となる。すなわち、低元側蒸発温度と高元側凝縮温度との温度差に対する、カスケードコンデンサＣの温度差ΔＴの割合が大きくなることによる性能低下の問題も同時に回避可能となる。更に、単段運転を行うにあたっては、流路変更を行うこと無く、補助放熱器１５をそのままメインの放熱器として利用するため、上述したように新たな熱交換器の設置や切替え弁やバイパス配管などが不要であり、コスト増加も回避できる。よって、コスト増加のない低外気温度時の運転制御適正化を可能とし、通年を通して高い省エネルギー性を実現できる。
【００７６】
次に、二元運転と単独運転との切り替えポイントとなる閾値外気温度について説明する。
【００７７】
図７は、図１の二元冷凍装置における単段運転と二元運転（補助熱放熱器あり）とのそれぞれにおける、外気温度−ＣＯＰ特性を示す図である。図７には更に、比較のため、補助放熱器１５を備えていない従来の二元冷凍装置の二元運転における外気温度−ＣＯＰ特性（二元運転（補助放熱器なし））も示している。図７は、ある圧力値に固定した低圧圧力Ｐｓ及び外気温度から決まる高圧圧力Ｐｄとした場合の外気温度−ＣＯＰ特性図である。
【００７８】
図７に示すように、何れの運転においても外気温度が上がるに連れ、つまり冷却負荷が高くなるに連れ、ＣＯＰが低下する傾向を示す。そして、単段運転の特性と二元運転（補助熱交換器あり）の特性とが交差する点の温度Ｔｃａが、ＣＯＰの低下を招くか否かの閾値温度となる。つまり、外気温度が閾値外気温度Ｔｃａより高い場合は二元運転の方がＣＯＰが高く、外気温度が閾値外気温度Ｔｃａ以下の場合は単段運転の方がＣＯＰが高くなる。よって、本実施の形態１の二元冷凍装置では、外気温度と閾値外気温度Ｔｃａとの比較結果に応じてＣＯＰの高い方の運転に切替えて運転を行う。図７の各特性は予め実験又はシミュレーションにより求められるため、閾値外気温度Ｔｃａも予め求めることができる。
【００７９】
なお、図７においてＴｃは、二元運転（補助放熱器あり）での目標低元側凝縮温度であり、Ｔｃを境に、外気温度がＴｃ以下では、二元運転（補助放熱器あり）におけるＣＯＰの増加割合が高くなっている。これは、外気温度が低元側凝縮温度Ｔｃ以下の場合、図５で説明したように補助放熱器１５で低元側冷媒が凝縮し、相変化を伴う冷却を行うことができ、相変化を伴わない冷却に比べて放熱量が大きくなることに起因する。そして、図６で説明したように、補助放熱器１５での放熱量を多くするほどＣＯＰが高くなる。これらのことから、外気温度が低元側凝縮温度Ｔｃ以下の場合と、外気温度が低元側凝縮温度Ｔｃより高い場合とを比較すると、外気温度が低元側凝縮温度Ｔｃ以下の場合の方が、外気温度が低元側凝縮温度Ｔｃより高い場合よりもＣＯＰの増加割合が大きくなっている。
【００８０】
また、単段運転から二元運転に戻るときの切替え判断も同様に上記閾値外気温度Ｔｃａとし、ＣＯＰの高い運転モードを選択する。切替えの頻発を防ぐため、二元運転から単段運転への切替え方向と、逆方向の切替えとにヒステリシスを持たせる、又は所定時間は切替えないとする。閾値外気温度Ｔｃａは、低元側蒸発温度により変化するため、低元側蒸発温度を変数とした近似式、又はマップで設定してもよい。
【００８１】
本実施の形態１では、上述したように低元冷凍サイクル１０にＣＯ２冷媒を適用している。単段運転時に高圧圧力が臨界圧力を超える場合、性能が大きく低下する。このため、低元冷凍サイクル１０にＣＯ２冷媒を適用している場合の二元運転から単段運転への切替えに用いる閾値外気温度Ｔｃａは、単段運転に切替えた後に高圧圧力が臨界圧力を超えないように、以下のように設定する。
【００８２】
熱交換器の設計指針の一例として凝縮温度が外気温度よりも１０℃程度高くなるように放熱器が設計されることを考慮すると、低元冷凍サイクル１０にＣＯ２冷媒を適用している場合の二元運転から単段運転への切替えに用いる閾値外気温度Ｔｃａは、臨界飽和温度である３１℃より１０℃低い２１℃とする。つまり、二元運転中に外気温度が２１℃以下となると、単段運転に切替える。また、単段運転から二元運転に戻るタイミングは、高圧側の冷媒温度が臨界飽和温度３１℃となった場合とする。このような切替え運転を行うことにより、低元冷凍サイクル１０にＣＯ２冷媒を適用しても、単段運転時に高圧圧力が臨界圧力を超えることはなく、大きな性能低下が生じることを回避できる。
【００８３】
図８は、図１の二元冷凍装置の運転動作を示すフローチャートである。図８のフローチャートの処理は、例えば制御間隔毎に繰り返し行われる。
制御装置３０は、外気温度検出手段３１により検知された外気温度と予め設定された閾値外気温度Ｔｃａとを比較する（Ｓ１１）。外気温度が閾値外気温度Ｔｃａ以下の場合、制御装置３０は単段運転を行い（Ｓ１２）、外気温度が閾値外気温度Ｔｃａより高い場合、制御装置３０は二元運転を行う（Ｓ１３）。よって、二元運転中に外気温度が閾値外気温度Ｔｃａ以下となれば、二元運転から単段運転に切替えられ、単段運転中に外気温度が閾値外気温度Ｔｃａより高くなれば、単段運転から二元運転に切替えられることになる。
【００８４】
上記では、二元運転から単段運転への切替えの閾値として外気温度を用いたが、以下の閾値を用いて切替えを行ってもよい。
【００８５】
（１）圧縮比に基づく切替え
一般的に圧縮機性能は圧縮比によるため、低元冷凍サイクル１０又は高元冷凍サイクル２０の圧縮比によって運転切替えを行ってもよい。つまり、低元冷凍サイクル１０又は高元冷凍サイクル２０の圧縮比が、切替えの閾値となる閾値圧縮比以下であれば、単段運転を行い、低元冷凍サイクル１０又は高元冷凍サイクル２０の圧縮比が閾値圧縮比より高ければ、二元運転を行う。閾値圧縮比は、圧縮機性能又は信頼性に基づき設定（例えば、圧縮比２．０）する。
【００８６】
よって、二元運転中に低元冷凍サイクル１０又は高元冷凍サイクル２０の圧縮比が閾値圧縮比以下となれば、二元運転から単段運転に切替える。これにより、低圧縮比運転の性能低下を確実に防止でき、信頼性低下も防止できる。また、単段運転から二元運転への逆方向においても同様に、単段運転中に低元冷凍サイクル１０の圧縮比が閾値圧縮比より高くなれば、単段運転から二元運転に切替える。これにより、高圧縮比による圧縮機性能低下を確実に防ぐことができる。また、二元運転中の二元冷凍サイクル全体の圧縮比（低元冷凍サイクル１０の蒸発圧力と高元冷凍サイクル２０の凝縮圧力とによって決まる圧縮比）によって運転切替えを行ってもよい。この場合、二元冷凍サイクル全体の圧縮比が閾値圧縮比（例えば、圧縮比４．０）以下であれば二元運転から単段運転に切替えるようにすればよい。
【００８７】
（２）外気温度と低元側凝縮温度との温度差に基づく切替え
低元側冷媒にＣＯ２を用いる場合、ＣＯＰが最大となる目標低元側凝縮温度Ｔｃは外気温度よりも低く、外気温度が下がると、この関係を保ったまま、目標低元側凝縮温度Ｔｃも下がる。つまり、目標低元側凝縮温度Ｔｃは外気温度よりも低いまま、外気温度が下がるに連れ、目標低元側凝縮温度Ｔｃも下がる傾向となる。そして、外気温度と目標低元側凝縮温度Ｔｃとの温度差は、外気温度が下がるに連れ、小さくなるという関係がある。よって、外気温度と目標低元側凝縮温度Ｔｃとの温度差が所定値ａより大きい間は二元運転を行い、外気温度と目標低元側凝縮温度Ｔｃとの温度差が所定値ａ以下となると単段運転に切替えるようにしてもよい。この点について次の図９で説明する。
【００８８】
図９は、本発明の実施の形態１の二元冷凍装置における外気温度と閾値外気温度Ｔｃａとの関係を、横軸を外気温度、縦軸を外気温度から目標低元側凝縮温度Ｔｃを減算した温度（外気温度−Ｔｃ）として表現した図である。
図９に示すように、閾値外気温度Ｔｃａは、外気温度から目標低元側凝縮温度Ｔｃを減算した所定値ａに置き換えることができる。よって、外気温度から目標低元側凝縮温度Ｔｃを減算した温度が、所定値ａより高い場合は二元運転、外気温度から目標低元側凝縮温度Ｔｃを減算した温度が、所定値ａ以下の場合は単段運転を行うように運転モードを切替えるようにしてもよい。
【００８９】
図９では、「外気温度−Ｔｃ」が負値に下がる、つまりＴｃが外気温度よりも高くなる温度領域があることが示されており、これは以下の理由による。装置上、圧縮比の下限値は決まっている。このため、外気温度が下がっていっても目標低元側凝縮温度Ｔｃはある温度以下には下がらない。よって、外気温度とＴｃとの関係が逆転し、Ｔｃが外気温度よりも高くなることがある。
【００９０】
このように外気温度から目標低元側凝縮温度Ｔｃを減算した温度に基づく二元運転から単段運転への切替えによっても、性能低下を確実に防止できる。
【００９１】
（３）高圧圧力に基づく切替え（単段運転→二元運転）
単段運転から二元運転への切替えは、以下のようにして行える。すなわち、単段運転中の高圧圧力Ｐｄが、二元運転から単段運転に切替わった直後の高圧圧力Ｐｄを上回った場合に、単段運転から二元運転に切替える。これにより、ＣＯＰの高い運転モードを確実に選択できる。
【００９２】
なお、単段運転から二元運転への順方向（二元運転→単段運転）の切替えに用いる閾値と、二元運転から単段運転への逆方向（単段運転→二元運転）の切替えに用いる閾値は、必ずしも同じ閾値に限定するものではなく、異なっていても良い。すなわち、順方向の切替えには上記（１）の閾値外気温度Ｔｃａを用い、逆方向の切替えには上記（３）の高圧圧力Ｐｄを用いる等としてもよい。
【００９３】
ここで、高元側凝縮器２２及び補助放熱器１５に用いられる熱交換器について説明する。高元側凝縮器２２と補助放熱器１５は、平板状の伝熱フィンに伝熱管を貫通してなるプレートフィンチューブ型熱交換器である。高元側凝縮器２２及び補助放熱器１５は、次の図１０に示すように伝熱フィン４０を共有することによって一体化された一体型放熱器４２で構成してもよいし、伝熱フィン部分が分割されていてもよい。伝熱フィン４０が一体化されていれば、熱交換器の構造上、製造が容易となる。
【００９４】
図１０は、図１の高元側凝縮器及び補助放熱器を一体型放熱器で構成した場合の二元冷凍装置の構成を表す図である。
図１０において４３は、高元側凝縮器２２及び補助放熱器１５を一体化した一体型放熱器４２に送風する送風機である。
【００９５】
補助放熱器１５は、低元側圧縮機１１から吐出される高温の吐出ガスが通過することから高温となる。よって、高温となる補助放熱器１５と高元側凝縮器２２との間で伝熱フィンを分割した構成とした場合には熱絶縁効果が大きくなり、補助放熱器１５及び高元側凝縮器２２の双方でより効率よく放熱可能となる。
【００９６】
また、高元側凝縮器２２及び補助放熱器１５を一体型放熱器４２で構成する場合には、図１０に示したように、補助放熱器１５を上方部（重力方向の上側）に配置し、高元側凝縮器２２を下方部（重力方向の下側）に配置する。高温となる補助放熱器１５を熱交換器の上方部側とすることで、補助放熱器１５の放熱が高元側凝縮器２２側に干渉することがない。すなわち補助放熱器１５で暖められた被熱伝達流体が高元側凝縮器２２側に移動することがなく、補助放熱器１５及び高元側凝縮器２２の双方が効率よく放熱可能となる。
【００９７】
また、送風機４３を図１０に示すように高元側凝縮器２２と補助放熱器１５とで共通とした場合、二元運転から単段運転に切替えたとき、高元側凝縮器２２を通風する風量が無駄となる。そこで、一体型放熱器４２を次の図１１に示すように構成してもよい。
【００９８】
図１１は、図１の高元側凝縮器と補助放熱器とを一体型放熱器で構成した場合の構成例の説明図である。図１１には、伝熱フィン部分の構成を概略図で示している。
一体型放熱器４２は、空気が通過するように間隔を空けて配置された複数の伝熱フィン４０と、複数の伝熱フィン４０を貫通する複数の伝熱管４１とを備えている。複数の伝熱管４１は、空気通過方向に対して垂直方向の段方向（図１１の上下方向）へ複数段、且つ空気通過方向（図１１の左右方向）に複数列配置されている。そして、複数の伝熱管４１のうち、補助放熱器１５を構成する複数の伝熱管４１が何れか１列に集約されている。このように構成することにより、単段運転時にも無駄なく補助放熱器１５に風量が得られる。その結果、単段運転時に多くの風量が得られ、性能を向上させることが可能となる。
【００９９】
補助放熱器１５をガス領域で使用することが多い、１年を通して外気温度の高い地域において二元運転時のＣＯＰを最大とするには、補助放熱器１５の伝熱面積を、高元側凝縮器２２の伝熱面積の１０〜２０％程度の大きさとすればよいことが知られている。一方、外気温度の低い地域において、単段運転を含めた一年通した省エネを考慮すると、補助放熱器１５の伝熱面積を、高元側凝縮器２２の略同等まで拡大した面積とし、低外気温度時の単段運転時のＣＯＰを向上させることが望ましい。このとき、補助放熱器１５と高元側凝縮器２２を同等とすることで部品の共通化を図ることができ、コスト低減も可能となる。
【０１００】
二元運転時は、上述したようにＣＯＰ最大となる目標低元側凝縮温度Ｔｃを目標として運転する。低元冷凍サイクル１０と高元冷凍サイクル２０とのそれぞれに異なった冷媒を適用した場合、理論ＣＯＰが低い冷媒の圧縮比が小さく、一方の理論ＣＯＰが高い冷媒の圧縮比が大きくなるように低元側凝縮温度が目標値とされる。低元冷凍サイクル１０と高元冷凍サイクル２０とで圧縮比に偏りができるため、圧縮比が極端に小さく、又は大きくなる可能性がある。特に、どちらか一方の冷凍サイクルに理論ＣＯＰが低いＣＯ２冷媒、又はＣＯ２を含む混合冷媒を適用した場合、圧縮比の偏りは顕著なものとなる。
【０１０１】
このように、低元冷凍サイクル１０と高元冷凍サイクル２０との両方の圧縮比が同時に適切となることはないため、少なくともどちらか一方は圧縮機性能の低下となる。よって、異なった冷媒を適用した二元冷凍装置において、低圧縮比又は高圧縮比の性能低下を回避可能とする単段運転が特に有効となり、年間を通した省エネ効果を大幅に向上できる。
【０１０２】
特に、低元冷凍サイクル１０にＣＯ２を適用した本実施の形態１のように、低元冷凍サイクル１０側に理論ＣＯＰの低い冷媒を適用し、一方の高元冷凍サイクル２０側に理論ＣＯＰの高い冷媒を適用した場合、低元側の圧縮比が小さくなるような低元側凝縮温度を目標とするため、低外気温度時には低圧側圧縮比が極端に小さくなる。そこで、低元側の圧縮比低下による性能低下を避ける低元冷凍サイクル１０の単段運転が特に有効となり、年間を通した省エネ効果を大幅に向上できる。
【０１０３】
なお、理論ＣＯＰの高い冷媒としては、例えばＲ３２、Ｒ４１０Ａ、Ｒ１３４ａ、Ｒ４０４Ａ、Ｒ４０７Ｃ、ＨＦＯ１２３４ｙｆ、ＨＦＯ１２３４ｚｅ、アンモニア、プロパン、イソブタン、などがある。本発明は低元冷凍サイクル１０及び高元冷凍サイクル２０の少なくともどちらか一方に上記理論ＣＯＰの高い冷媒を用いた構成を含む。
【０１０４】
以上説明したように、本実施の形態１によれば、低元冷凍サイクル１０に補助放熱器１５を備え、二元運転では補助放熱器１５を低元側凝縮器１２の補助として用いる一方、単段運転では補助放熱器１５をメインの放熱器として用いる。そして、二元運転と単段運転とをＣＯＰの高い方に切替えて運転するようにした。これにより、通年を通して高い運転効率を達成し、省エネルギーを図ることができる。また、単段運転では補助放熱器１５をメインの放熱器として用いることで低元冷凍サイクル１０を流路変更なくそのまま使用できる。このため、単段運転のために新たに空冷放熱器や切替え弁、バイパス流路を増設する必要がなく、コスト低減を達成することができる。
【０１０５】
実施の形態２．
本実施の形態２における二元冷凍装置は、低元冷凍サイクル１０にＣＯ２を適用し、低元冷凍サイクル１０の設計圧力を、ＨＦＣ冷媒同等の設計圧力である、例えばＲ４１０Ａ相当の４．１５ＭＰａ程度に抑えるようにしたものである。
【０１０６】
ＣＯ２は、従来のＲ４０４Ａ又はＲ４１０ＡなどＨＦＣ冷媒に比べて冷媒動作圧力が高い。このため、従来のＲ４０４Ａ又はＲ４１０ＡなどＨＦＣ冷媒を用いることを想定して設計された低元冷凍サイクル１０にＣＯ２を適用するとなると、本来であれば設計圧力の高い新規部品を用いる必要があり、大幅なコスト増加となる。そこで、作動冷媒をＨＦＣ冷媒としていた従来の低元冷凍サイクルの部品を流用し、コスト低減を図ることが求められている。そのため、本実施の形態２では、低元冷凍サイクル１０の設計圧力を高めることはせず、低元冷凍サイクル１０の設計圧力を、ＨＦＣ冷媒同等の設計圧力である、例えばＲ４１０Ａ相当の４．１５ＭＰａ程度に抑える。低元冷凍サイクルの設計圧力を４．１５ＭＰａ程度に抑えることを可能とする構成について、後述の図１２、図１３で説明する。
【０１０７】
以下、実施の形態２が実施の形態１と異なる部分を中心に説明する。なお、実施の形態１と同様の構成部分について適用される変形例は、本実施の形態２についても同様に適用される。
【０１０８】
ここでまず、低元冷凍サイクル１０にＣＯ２を適用した場合に低元冷凍サイクル１０の設計圧力を高める必要性が生じる理由について改めて説明する。
低負荷時に単段運転となるため、単段運転中に低元側圧縮機１１の発停を繰り返す運転が想定される。低元冷凍サイクル１０の低元側圧縮機１１が停止すると、冷媒が外気温度近くまで温められてガス化するため、低元冷凍サイクル１０内の圧力が上昇する。例えば、周囲温度が高く、低元側圧縮機１１の停止中に冷媒が超臨界となった場合、低元冷凍サイクル１０内の内容積と封入冷媒量によるが、低元冷凍サイクル１０内の圧力が設計圧力を超えてしまう可能性がある。
【０１０９】
このような低元冷凍サイクル１０停止中の圧力上昇に対して、高元冷凍サイクル２０を起動させて低元冷凍サイクル１０を冷却すれば解決する。しかし、高元冷凍サイクル２０と低元冷凍サイクル１０とが交互に発停を繰り返すのは、ＯＮ／ＯＦＦロスの影響で省エネとならない。また、停電時や高元側圧縮機２１の故障などの異常時に対処することができない。そこで、次の図１２に示すように二元冷凍装置を構成する。
【０１１０】
図１２は、本発明の実施の形態２における二元冷凍装置の構成例１を表す図である。図１２において図１と同一部分には同一符号を付す。
図１２に示す二元冷凍装置は、図１の低元冷凍サイクル１０の低元側圧縮機１１と低元側蒸発器１４との間に、電磁弁３３を介して膨張タンク３２を接続した構成となっている。電磁弁３３を開放して膨張タンク３２を低元冷凍サイクル１０に連通させることにより、低元冷凍サイクル１０の内容積を拡大することができる。
【０１１１】
このように構成された二元冷凍装置では、低元冷凍サイクル１０停止時に電磁弁３３を開放して低元冷凍サイクル１０内の冷媒を膨張タンク３２に回収する。電磁弁３３は通電閉とし、停電時でも開放して冷媒を膨張タンク３２に回収できるようにする。このように低元冷凍サイクル１０内の冷媒を膨張タンク３２に回収できるようにすることで、低元冷凍サイクル１０内の圧力が設定圧力を超えるのを防止できる。
【０１１２】
また、低元冷凍サイクル１０の再起動時に膨張タンク３２内の冷媒を低元冷凍サイクル１０に回収できるように、膨張タンク３２を、低圧側、特に低元側圧縮機１１の吸入部に設けている。また、電磁弁３３開放時に低元冷凍サイクル１０から膨張タンク３２への冷媒回収を可能とするため、膨張タンク３２内は常時低圧に保つ。更に膨張タンク３２が冷却されていれば、一層、低元冷凍サイクル１０から膨張タンク３２への冷媒回収が促進できる。
【０１１３】
また、他の構成として次の図１３のように構成してもよい。
【０１１４】
図１３は、本発明の実施の形態２における二元冷凍装置の構成例２を表す図である。図１３において図１と同一部分には同一符号を付す。
低元冷凍サイクル１０のカスケードコンデンサＣと低元側膨張弁１３との間の液配管１６の上流に第二の膨張弁（第二の絞り装置）３４を設ける。液配管１６内を気液二相とすることで液配管１６の冷媒量を削減する。これにより、低元冷凍サイクル１０の封入冷媒量を削減し、ＣＯ２が超臨界となっても、低元冷凍サイクル１０内が設計圧力以上に圧力上昇することを回避する。なお、図１３には膨張タンク３２が無い構成を示したが、膨張タンク３２が備えられていてもよい。この場合、第二の膨張弁３４を用いることで、膨張タンク３２の容量を図１２の構成に比べて低減でき、膨張タンク３２の小型化が可能となる。
【０１１５】
図１４は、本発明の実施の形態２における二元冷凍装置におけるエンタルピと飽和温度との関係を示す図である。
低元冷凍サイクル１０にＣＯ２を用いる場合、二元運転及び単段運転共に、低元側凝縮温度が設計圧力の４．１５ＭＰａ相当のＣＯ２飽和温度である８℃以下となるように運転する。低元冷凍サイクル１０にＣＯ２を用いる場合、上述したように低元側凝縮温度が外気温度よりも１０℃程度高くなるように放熱器が設計されるため、二元運転から単段運転への切替えは、低元側凝縮温度より１０℃低い外気温度である−２℃とする。つまり、外気温度が−２℃以下の場合、単段運転し、外気温度が−２℃より高い場合は、二元運転する。
【０１１６】
そして、二元運転でも単段運転でも目標値（低元側凝縮温度）は以下のように設定する。すなわち、ＣＯＰが最大となる目標値（低元側凝縮温度）が８℃以下の場合はその目標値となるように運転を行い、ＣＯＰが最大となる目標値（低元側凝縮温度）が８℃より高い場合は、目標値を８℃に制限して運転を行う。
【０１１７】
以上説明したように、本実施の形態２によれば、実施の形態１と同様の効果が得られると共に、上記の低元冷凍サイクル１０に膨張タンク３２を設置、又は第二の膨張弁３４による液管二相化による封入冷媒量低減によって以下の効果が得られる。すなわち、高元冷凍サイクル２０が停止しても、ＣＯ２を適用した低元冷凍サイクル１０の圧力がＨＦＣ冷媒相当の設計圧力４．１５ＭＰａ以下に抑制でき、従来のＨＦＣ冷凍機部品を流用可能となる。よって、コスト低減が実現できる。更に、低負荷時の単段運転中に、発停が頻発しても、高元冷凍サイクル２０を常時停止できるため、ＯＮ／ＯＦＦによるロスを回避でき省エネ効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１１８】
本実施の形態１、２の二元冷凍装置は、冷媒のノンフロン化やフロン冷媒の削減、機器の省エネルギー化が要求されるショーケースや業務用冷凍冷蔵庫、自動販売機等の冷蔵あるいは冷凍機器にも広く適用できる。
【符号の説明】
【０１１９】
１０  低元冷凍サイクル、１１  低元側圧縮機、１２  低元側凝縮器、１３  低元側膨張弁（低元側絞り装置）、１４  低元側蒸発器、１５  補助放熱器、１６  液配管、２０  高元冷凍サイクル、２１  高元側圧縮機、２２  高元側凝縮器、２３  高元側膨張弁（高元側絞り装置）、２４  高元側蒸発器、２５  高元側凝縮器ファン、３０  制御装置、３１  外気温度検出手段、３２  膨張タンク、３３  電磁弁（通電閉）、３４  第二の膨張弁（第二の絞り装置）、４０  伝熱フィン、４１  伝熱管、４２  一体型放熱器、４３  送風機、Ｃ  カスケードコンデンサ。
【図１】
2014181399.tif 000003
【図２】
2014181399.tif 000004
【図３】
2014181399.tif 000005
【図４】
2014181399.tif 000006
【図５】
2014181399.tif 000007
【図６】
2014181399.tif 000008
【図７】
2014181399.tif 000009
【図８】
2014181399.tif 000010
【図９】
2014181399.tif 000011
【図１０】
2014181399.tif 000012
【図１１】
2014181399.tif 000013
【図１２】
2014181399.tif 000014
【図１３】
2014181399.tif 000015
【図１４】
2014181399.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成27年10月6日(2015.10.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
本発明に係る二元冷凍装置は、高元側圧縮機、高元側凝縮器、高元側絞り装置及び高元側蒸発器を配管接続し、冷媒を循環させる高元冷凍サイクルと、低元側圧縮機、補助放熱器、低元側凝縮器、低元側絞り装置及び低元側蒸発器を直列に配管接続し、冷媒を循環させる低元冷凍サイクルと、高元側蒸発器及び低元側凝縮器を有し、高元冷凍サイクルを流れる冷媒と低元冷凍サイクルを流れる冷媒との間の熱交換を行うカスケードコンデンサと、高元冷凍サイクル及び低元冷凍サイクルの両方を運転させる二元運転と、高元冷凍サイクルを停止し、低元冷凍サイクルを運転させる単段運転とを、それらの運転におけるＣＯＰの高い方に切替えて運転する制御装置とを備えたものである。
【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】
高元側圧縮機、高元側凝縮器、高元側絞り装置及び高元側蒸発器を配管接続し、冷媒を循環させる高元冷凍サイクルと、
低元側圧縮機、補助放熱器、低元側凝縮器、低元側絞り装置及び低元側蒸発器を直列に配管接続し、冷媒を循環させる低元冷凍サイクルと、
前記高元側蒸発器及び前記低元側凝縮器を有し、前記高元冷凍サイクルを流れる冷媒と前記低元冷凍サイクルを流れる冷媒との間の熱交換を行うカスケードコンデンサと、
前記高元冷凍サイクル及び前記低元冷凍サイクルの両方を運転させる二元運転と、前記高元冷凍サイクルを停止し、前記低元冷凍サイクルを運転させる単段運転とを、それらの運転におけるＣＯＰの高い方に切替えて運転する制御装置と
を備えたことを特徴とする二元冷凍装置。
【請求項２】
前記高元側凝縮器及び前記補助放熱器のそれぞれは外気に放熱する熱交換器であり、
前記制御装置は、前記二元運転中の外気温度がＣＯＰの大小判別の閾値となる閾値外気温度以下の場合、前記二元運転から前記単段運転への切替えを行う
ことを特徴とする請求項１記載の二元冷凍装置。
【請求項３】
前記制御装置は、前記二元運転中の前記低元冷凍サイクル又は前記高元冷凍サイクルの圧縮比が、ＣＯＰの大小判別の閾値となる閾値圧縮比以下の場合、前記二元運転から前記単段運転への切替えを行う
ことを特徴とする請求項１記載の二元冷凍装置。
【請求項４】
前記制御装置は、前記二元運転中の前記低元冷凍サイクルの蒸発圧力と前記高元冷凍サイクルの凝縮圧力とによって決まる圧縮比が、ＣＯＰの大小判別の閾値となる閾値圧縮比以下の場合、前記二元運転から前記単段運転への切替えを行う
ことを特徴とする請求項１記載の二元冷凍装置。
【請求項５】
前記高元側凝縮器及び前記補助放熱器のそれぞれは外気に放熱する熱交換器であり、
前記制御装置は、前記単段運転中の外気温度がＣＯＰの大小判別の閾値となる閾値外気温度より高い場合、前記単段運転から前記二元運転への切替えを行う
ことを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の二元冷凍装置。
【請求項６】
前記制御装置は、前記単段運転中の前記低元冷凍サイクルの圧縮比がＣＯＰの大小判別の閾値となる閾値圧縮比より高い場合、前記単段運転から前記二元運転への切替えを行う
ことを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の二元冷凍装置。
【請求項７】
前記制御装置は、前記単段運転中の前記低元冷凍サイクルの凝縮圧力である高圧圧力が、前記二元運転から前記単段運転へ切替わったときの前記低元冷凍サイクルの凝縮圧力である高圧圧力を上回った場合に前記単段運転から前記二元運転への切替えを行う
ことを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の二元冷凍装置。
【請求項８】
前記高元側凝縮器及び前記補助放熱器は一体化されて一体型放熱器を構成しており、
前記一体型放熱器に空気を送風する送風機を備えた
ことを特徴とする請求項１〜請求項７の何れか一項に記載の二元冷凍装置。
【請求項９】
前記一体型放熱器は、空気が通過するように間隔を空けて配置された複数の伝熱フィンと、前記複数の伝熱フィンを貫通する複数の伝熱管とを備え、
前記複数の伝熱管は、空気通過方向に対して垂直方向の段方向へ複数段、且つ前記空気通過方向に複数列配置されており、前記複数の伝熱管のうち、前記補助放熱器を構成する複数の前記伝熱管が何れか１列に集約されている
ことを特徴とする請求項８記載の二元冷凍装置。
【請求項１０】
前記高元側凝縮器と前記補助放熱器は、同等の伝熱面積であることを特徴とする請求項１〜請求項９の何れか一項に記載の二元冷凍装置。
【請求項１１】
前記低元冷凍サイクルに用いる冷媒よりも高効率となる冷媒を前記高元冷凍サイクルに用いる
ことを特徴とする請求項１〜請求項１０の何れか一項に記載の二元冷凍装置。
【請求項１２】
前記低元冷凍サイクル及び前記高元冷凍サイクルの少なくともどちらか一方に、ＣＯ２冷媒又はＣＯ２を含む混合冷媒を用いる
ことを特徴とする請求項１〜請求項１１の何れか一項に記載の二元冷凍装置。
【請求項１３】
前記低元冷凍サイクル及び前記高元冷凍サイクルの少なくともどちらか一方に、Ｒ３２、Ｒ４１０Ａ、Ｒ１３４ａ、Ｒ４０４Ａ、Ｒ４０７Ｃ、ＨＦＯ１２３４ｙｆ、ＨＦＯ１２３４ｚｅ、アンモニア、プロパン、イソブタンの何れかの冷媒又は混合冷媒を用いることを特徴とする請求項１２記載の二元冷凍装置。
【請求項１４】
前記低元冷凍サイクルにＣＯ２冷媒を用い、
前記制御装置は、前記単段運転中の前記低元冷凍サイクルの凝縮圧力である高圧圧力を臨界圧力以下とする
ことを特徴とする請求項１〜請求項１３の何れか一項に記載の二元冷凍装置。
【請求項１５】
前記低元冷凍サイクルにＣＯ２冷媒を用い、
前記高元側凝縮器及び前記補助放熱器のそれぞれは外気に放熱する熱交換器であり、
前記制御装置は、前記二元運転中の外気温度が２１℃以下の場合、前記二元運転から前記単段運転への切替えを行う
ことを特徴とする請求項１〜請求項１４の何れか一項に記載の二元冷凍装置。
【請求項１６】
前記低元冷凍サイクルにＣＯ２冷媒を用い、
前記低元冷凍サイクルに膨張タンクを設置した
ことを特徴とする請求項１〜請求項１５の何れか一項に記載の二元冷凍装置。
【請求項１７】
前記低元冷凍サイクルにＣＯ２冷媒を用い、
前記低元側凝縮器と前記低元側絞り装置との間の液配管の上流に第二の絞り装置を設置し、前記液配管を通過する冷媒を気液二相冷媒とする
ことを特徴とする請求項１〜請求項１６の何れか一項に記載の二元冷凍装置。
【手続補正書】
【提出日】平成28年11月7日(2016.11.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
本発明に係る二元冷凍装置は、高元側圧縮機、高元側凝縮器、高元側絞り装置及び高元側蒸発器を配管接続し、冷媒を循環させる高元冷凍サイクルと、低元側圧縮機、補助放熱器、低元側凝縮器、低元側絞り装置、低元側蒸発器及び膨張タンクを直列に配管接続し、ＣＯ２冷媒を循環させる低元冷凍サイクルと、高元側蒸発器及び低元側凝縮器を有し、高元冷凍サイクルを流れる冷媒と低元冷凍サイクルを流れる冷媒との間の熱交換を行うカスケードコンデンサと、高元冷凍サイクル及び低元冷凍サイクルの両方を運転させる二元運転と、高元冷凍サイクルを停止し、低元冷凍サイクルを運転させる単段運転とを、それらの運転におけるＣＯＰの高い方に切替えて運転する制御装置とを備えたものである。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１における二元冷凍装置の構成を表す図である。
【図２】図１の二元冷凍装置におけるエンタルピと飽和温度との関係を示す図である。
【図３】低元側凝縮温度と圧縮機入力との関係を示す図である。
【図４】図１の二元冷凍装置における二元運転時の外気温度に応じた高元側圧縮機２１の回転数決定までの流れを示すフローチャートである。
【図５】低元側凝縮温度が外気温度よりも低い場合と高い場合のそれぞれの放熱量をモリエル線図で説明した図である。
【図６】補助放熱器１５の放熱量とＣＯＰとの関係を説明するための図である。
【図７】図１の二元冷凍装置における単段運転と二元運転（補助熱交換器あり）とのそれぞれにおける、外気温度−ＣＯＰ特性を示す図である。
【図８】図１の二元冷凍装置の運転動作を示すフローチャートである。
【図９】本発明の実施の形態１の二元冷凍装置における外気温度と閾値外気温度Ｔｃａとの関係を、横軸を外気温度、縦軸を外気温度から目標低元側凝縮温度Ｔｃを減算した温度（外気温度−Ｔｃ）として表現した図である。
【図１０】図１の高元側凝縮器と補助放熱器とを一体型放熱器で構成した場合の二元冷凍装置の構成を表す図である。
【図１１】図１の高元側凝縮器と補助放熱器とを一体型放熱器で構成した場合の構成例の説明図である。
【図１２】本発明の実施の形態２における二元冷凍装置の構成例１を表す図である。
【図１３】本発明の実施の形態２における二元冷凍装置の構成例２を表す図である。
【図１４】本発明の実施の形態２における二元冷凍装置におけるエンタルピと飽和温度との関係を示す図である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４３】
（Ｓ５）
目標低元側凝縮温度Ｔｃから温度差ΔＴを減算することにより高元側蒸発温度が決まる。高元冷凍サイクル２０では高元側蒸発温度を目標高元側蒸発温度（＝目標低元側凝縮温度Ｔｃ−ΔＴ℃）となるように高元側圧縮機２１の回転数の制御を行うことになる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７６】
次に、二元運転と単段運転との切り替えポイントとなる閾値外気温度について説明する。
【手続補正５】
【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】
高元側圧縮機、高元側凝縮器、高元側絞り装置及び高元側蒸発器を配管接続し、冷媒を循環させる高元冷凍サイクルと、
低元側圧縮機、補助放熱器、低元側凝縮器、低元側絞り装置、低元側蒸発器及び膨張タンクを直列に配管接続し、ＣＯ２冷媒を循環させる低元冷凍サイクルと、
前記高元側蒸発器及び前記低元側凝縮器を有し、前記高元冷凍サイクルを流れる冷媒と前記低元冷凍サイクルを流れる冷媒との間の熱交換を行うカスケードコンデンサと、
前記高元冷凍サイクル及び前記低元冷凍サイクルの両方を運転させる二元運転と、前記高元冷凍サイクルを停止し、前記低元冷凍サイクルを運転させる単段運転とを、それらの運転におけるＣＯＰの高い方に切替えて運転する制御装置と
を備えたことを特徴とする二元冷凍装置。
【請求項２】
前記低元冷凍サイクルにＣＯ２冷媒を用い、
前記低元側凝縮器と前記低元側絞り装置との間の液配管の上流に第二の絞り装置を設置し、前記液配管を通過する冷媒を気液二相冷媒とする
ことを特徴とする請求項１記載の二元冷凍装置。
【請求項３】
高元側圧縮機、高元側凝縮器、高元側絞り装置及び高元側蒸発器を配管接続し、冷媒を循環させる高元冷凍サイクルと、
低元側圧縮機、補助放熱器、低元側凝縮器、低元側絞り装置及び低元側蒸発器を直列に配管接続し、ＣＯ２冷媒を循環させる低元冷凍サイクルと、
前記高元側蒸発器及び前記低元側凝縮器を有し、前記高元冷凍サイクルを流れる冷媒と前記低元冷凍サイクルを流れる冷媒との間の熱交換を行うカスケードコンデンサと、
前記高元冷凍サイクル及び前記低元冷凍サイクルの両方を運転させる二元運転と、前記高元冷凍サイクルを停止し、前記低元冷凍サイクルを運転させる単段運転とを、それらの運転におけるＣＯＰの高い方に切替えて運転する制御装置とを備え、
前記低元側凝縮器と前記低元側絞り装置との間の液配管の上流に第二の絞り装置を設置し、前記液配管を通過する冷媒を気液二相冷媒とする
ことを特徴とする二元冷凍装置。
【請求項４】
前記高元側凝縮器及び前記補助放熱器のそれぞれは外気に放熱する熱交換器であり、
前記制御装置は、前記二元運転中の外気温度がＣＯＰの大小判別の閾値となる閾値外気温度以下の場合、前記二元運転から前記単段運転への切替えを行う
ことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の二元冷凍装置。
【請求項５】
前記制御装置は、前記二元運転中の前記低元冷凍サイクル又は前記高元冷凍サイクルの圧縮比が、ＣＯＰの大小判別の閾値となる閾値圧縮比以下の場合、前記二元運転から前記単段運転への切替えを行う
ことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の二元冷凍装置。
【請求項６】
前記制御装置は、前記二元運転中の前記低元冷凍サイクルの蒸発圧力と前記高元冷凍サイクルの凝縮圧力とによって決まる圧縮比が、ＣＯＰの大小判別の閾値となる閾値圧縮比以下の場合、前記二元運転から前記単段運転への切替えを行う
ことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の二元冷凍装置。
【請求項７】
前記高元側凝縮器及び前記補助放熱器のそれぞれは外気に放熱する熱交換器であり、
前記制御装置は、前記単段運転中の外気温度がＣＯＰの大小判別の閾値となる閾値外気温度より高い場合、前記単段運転から前記二元運転への切替えを行う
ことを特徴とする請求項１〜請求項６の何れか一項に記載の二元冷凍装置。
【請求項８】
前記制御装置は、前記単段運転中の前記低元冷凍サイクルの圧縮比がＣＯＰの大小判別の閾値となる閾値圧縮比より高い場合、前記単段運転から前記二元運転への切替えを行う
ことを特徴とする請求項１〜請求項６の何れか一項に記載の二元冷凍装置。
【請求項９】
前記制御装置は、前記単段運転中の前記低元冷凍サイクルの凝縮圧力である高圧圧力が、前記二元運転から前記単段運転へ切替わったときの前記低元冷凍サイクルの凝縮圧力である高圧圧力を上回った場合に前記単段運転から前記二元運転への切替えを行う
ことを特徴とする請求項１〜請求項６の何れか一項に記載の二元冷凍装置。
【請求項１０】
前記高元側凝縮器及び前記補助放熱器は一体化されて一体型放熱器を構成しており、
前記一体型放熱器に空気を送風する送風機を備えた
ことを特徴とする請求項１〜請求項９の何れか一項に記載の二元冷凍装置。
【請求項１１】
前記一体型放熱器は、空気が通過するように間隔を空けて配置された複数の伝熱フィンと、前記複数の伝熱フィンを貫通する複数の伝熱管とを備え、
前記複数の伝熱管は、空気通過方向に対して垂直方向の段方向へ複数段、且つ前記空気通過方向に複数列配置されており、前記複数の伝熱管のうち、前記補助放熱器を構成する複数の前記伝熱管が何れか１列に集約されている
ことを特徴とする請求項１０記載の二元冷凍装置。
【請求項１２】
前記高元側凝縮器と前記補助放熱器は、同等の伝熱面積であることを特徴とする請求項１〜請求項１１の何れか一項に記載の二元冷凍装置。
【請求項１３】
前記低元冷凍サイクルに用いる冷媒よりも高効率となる冷媒を前記高元冷凍サイクルに用いる
ことを特徴とする請求項１〜請求項１２の何れか一項に記載の二元冷凍装置。
【請求項１４】
前記低元冷凍サイクル及び前記高元冷凍サイクルの少なくともどちらか一方に、ＣＯ２冷媒又はＣＯ２を含む混合冷媒を用いる
ことを特徴とする請求項１〜請求項１３の何れか一項に記載の二元冷凍装置。
【請求項１５】
前記低元冷凍サイクル及び前記高元冷凍サイクルの少なくともどちらか一方に、Ｒ３２、Ｒ４１０Ａ、Ｒ１３４ａ、Ｒ４０４Ａ、Ｒ４０７Ｃ、ＨＦＯ１２３４ｙｆ、ＨＦＯ１２３４ｚｅ、アンモニア、プロパン、イソブタンの何れかの冷媒又は混合冷媒を用いることを特徴とする請求項１４記載の二元冷凍装置。
【請求項１６】
前記低元冷凍サイクルにＣＯ２冷媒を用い、
前記制御装置は、前記単段運転中の前記低元冷凍サイクルの凝縮圧力である高圧圧力を臨界圧力以下とする
ことを特徴とする請求項１〜請求項１５の何れか一項に記載の二元冷凍装置。
【請求項１７】
前記低元冷凍サイクルにＣＯ２冷媒を用い、
前記高元側凝縮器及び前記補助放熱器のそれぞれは外気に放熱する熱交換器であり、
前記制御装置は、前記二元運転中の外気温度が２１℃以下の場合、前記二元運転から前記単段運転への切替えを行う
ことを特徴とする請求項１〜請求項１６の何れか一項に記載の二元冷凍装置。
【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2014181399.tif 000017
【国際調査報告】
2014181399.tif 000018
2014181399.tif 000019