(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高元側圧縮機、高元側凝縮器、高元側膨張弁、および高元側蒸発器を配管で接続し、高元側冷媒を循環させる高元側冷媒回路を形成す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、低元側膨張弁、および低元側蒸発器を配管で接続し、低元側冷媒を循環させる低元側冷媒回路を形成する低元冷凍サイクルと、
前記高元側蒸発器および前記低元側凝縮器を有し、前記高元側冷媒回路を流れる前記高元側冷媒と、前記低元側冷媒回路を流れる前記低元側冷媒との間で熱交換を行う第１のカスケードコンデンサと
を備えた二元冷凍装置であって、
前記高元冷凍サイクルにおける前記高元側凝縮器の下流から分岐し、前記高元側膨張弁の上流に戻る分岐回路と、
前記分岐回路に設けられ、該分岐回路を流れる前記高元側冷媒と、前記低元側蒸発器から流出する前記低元側冷媒との間で熱交換を行う第２のカスケードコンデンサと、
外気の温度を検出する外気温度センサと、
前記低元側圧縮機から吐出される前記低元側冷媒の吐出温度を検出する吐出温度センサと、
前記分岐回路に流入する前記高元側冷媒の流量を調整する流量調整弁と、
前記二元冷凍装置に設けられた各機器の動作を制御する制御装置と
を備え、
前記制御装置は、
前記外気温度センサによる検出結果と、前記吐出温度センサによる検出結果とに基づき、前記流量調整弁の開度を制御する
二元冷凍装置。
【請求項２】
前記制御装置は、
前記低元側蒸発器から流出する前記低元側冷媒が気液二相状態となるように、前記低元側膨張弁の開度を制御する
請求項１に記載の二元冷凍装置。
【請求項３】
前記低元側凝縮器と前記低元側膨張弁との間と、前記低元側蒸発器と前記低元側圧縮機との間とを接続するインジェクション回路と、
前記インジェクション回路に設けられたインジェクション膨張弁と
をさらに備え、
前記制御装置は、
前記吐出温度センサによる検出結果に基づき、前記インジェクション膨張弁の開度を制御する
請求項１または２に記載の二元冷凍装置。
【請求項４】
前記低元側圧縮機に吸入される前記低元側冷媒の吸入温度を検出する吸入温度センサ
をさらに備え、
前記制御装置は、
前記外気温度センサによる検出結果と、前記吐出温度センサによる検出結果と、前記吸入温度センサによる検出結果とに基づき、前記インジェクション膨張弁の開度を制御する
請求項３に記載の二元冷凍装置。
【請求項５】
前記高元側冷媒および前記低元側冷媒には、
互いに異なる冷媒が用いられる
請求項１〜４のいずれか一項に記載の二元冷凍装置。
【請求項６】
前記高元側冷媒には、
前記低元側冷媒よりも高効率となる冷媒が用いられる
請求項１〜５のいずれか一項に記載の二元冷凍装置。
【請求項７】
前記高元側冷媒および前記低元側冷媒の少なくとも一方は、
二酸化炭素冷媒または二酸化炭素を含む混合冷媒が用いられる
請求項１〜６のいずれか一項に記載の二元冷凍装置。
【請求項８】
前記高元側冷媒および前記低元側冷媒の少なくとも一方は、
Ｒ３２、Ｒ４１０Ａ、Ｒ１３４ａ、Ｒ４０４Ａ、Ｒ４０７Ｃ、ＨＦＯ１２３４ｙｆ、ＨＦＯ１２３４ｚｅ、アンモニア、プロパン、およびイソブタンのいずれかの冷媒またはこれらのいずれかを含む混合冷媒が用いられる
請求項１〜７のいず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、二元冷凍装置に関し、特に、低元冷凍サイクル側に補助放熱器を備えた二元冷凍装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、マイナス数十度の低温度の冷却を行う装置として、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、冷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。二元冷凍装置では、例えば、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の間で熱交換を行うことができるように構成したカスケードコンデンサにより、低元冷凍サイクルおよび高元冷凍サイクルを連結している。【０００３】
このような二元冷凍装置において、カスケードコンデンサの前段に補助放熱器を設置し、低温側圧縮機から吐出された冷媒を補助放熱器で放熱させて冷却することにより、運転効率の向上を図ったものがある（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【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】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の二元冷凍装置では、補助放熱器によって運転効率を向上させることができるが、低元側の圧縮機から吐出される冷媒の吐出温度が低い場合には、補助放熱器に流れる冷媒温度と外気温度との差が小さくなる。そのため、このような二元冷凍装置では、補助放熱器を有効活用することができない。【０００６】
本発明は、上記従来の技術における課題に鑑みてなされたものであって、高元冷凍サイクルにおける冷凍能力を向上させつつ、補助放熱器における熱交換量を向上させることができる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】
【０００７】
本発明の二元冷凍装置は、高元側圧縮機、高元側凝縮器、高元側膨張弁、および高元側蒸発器を配管で接続し、高元側冷媒を循環させる高元側冷媒回路を形成す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、低元側膨張弁、および低元側蒸発器を配管で接続し、低元側冷媒を循環させる低元側冷媒回路を形成する低元冷凍サイクルと、前記高元側蒸発器および前記低元側凝縮器を有し、前記高元側冷媒回路を流れる前記高元側冷媒と、前記低元側冷媒回路を流れる前記低元側冷媒との間で熱交換を行う第１のカスケードコンデンサとを備えた二元冷凍装置であって、前記高元冷凍サイクルにおける前記高元側凝縮器の下流から分岐し、前記高元側膨張弁の上流に戻る分岐回路と、前記分岐回路に設けられ、該分岐回路を流れる前記高元側冷媒と、前記低元側蒸発器から流出する前記低元側冷媒との間で熱交換を行う第２のカスケードコンデンサと、外気の温度を検出する外気温度センサと、前記低元側圧縮機から吐出される前記低元側冷媒の吐出温度を検出する吐出温度センサと、前記分岐回路に流入する前記高元側冷媒の流量を調整する流量調整弁と、前記二元冷凍装置に設けられた各機器の動作を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記外気温度センサによる検出結果と、前記吐出温度センサによる検出結果とに基づき、前記流量調整弁の開度を制御するものである。
【発明の効果】
【０００８】
以上のように、本発明の二元冷凍装置によれば、第２のカスケードコンデンサを用いて低元側冷媒に対して過熱度を付与し、低元側圧縮機から吐出される低元側冷媒の吐出温度を高くすることにより、補助放熱器における熱交換量を向上させるとともに、高元側のエンタルピを増大させて高元側の冷凍能力を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態１に係る二元冷凍装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図２】実施の形態２に係る二元冷凍装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図３】実施の形態３に係る二元冷凍装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図４】実施の形態４に係る二元冷凍装置の構成の一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１に係る二元冷凍装置について説明する。
【００１１】
［二元冷凍装置の構成］
図１は、本実施の形態１に係る二元冷凍装置１の構成の一例を示すブロック図である。図１に示すように、二元冷凍装置１は、低元冷凍サイクル１０、高元冷凍サイクル２０および制御装置４０で構成されている。低元冷凍サイクル１０および高元冷凍サイクル２０は、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。また、二元冷凍装置１には、２つの冷媒回路を多段構成するために、後述する低元冷凍サイクル１０における低元側凝縮器１３と、高元冷凍サイクル２０における高元側蒸発器２４とを、それぞれを通過する冷媒間で熱交換するように結合させて構成した第１のカスケードコンデンサ３０が設けられている。
【００１２】
なお、図１における矢印は、冷媒の流れる方向を示す。このことは、後述する図２〜図４においても同様とする。また、以下の説明において、温度、圧力等を含む高低の表現等については、特に絶対的な値との関係で定められるものではなく、システム、装置等における状態、動作等によって相対的に定まるものとする。
【００１３】
（低元冷凍サイクル）
低元冷凍サイクル１０は、低元側圧縮機１１、補助放熱器１２、低元側凝縮器１３、低元側膨張弁１４、および低元側蒸発器１５で構成されている。そして、低元冷凍サイクル１０は、これらの各機器が順に冷媒配管を介して環状に接続されることにより、低元側冷媒が循環する低元側冷媒回路を形成している。
【００１４】
低元側圧縮機１１は、低温低圧の低元側冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮して高温高圧の状態にして吐出する。低元側圧縮機１１としては、例えば、インバータ回路等によって回転数を制御し、容量制御可能なインバータ圧縮機等を用いることができる。
【００１５】
補助放熱器１２は、低元側圧縮機１１から吐出された低元側冷媒と、例えば室外空気等の外気との間で熱交換を行う。すなわち、補助放熱器１２は、低元側冷媒から外気に対して熱を放出させて外気を加熱する熱交換器である。補助放熱器１２は、例えばガスクーラ等として機能し、外気、水、ブライン等との熱交換するものである。
【００１６】
低元側凝縮器１３は、補助放熱器１２を通過した低元側冷媒を凝縮液化させ、液状の冷媒にするものである。本実施の形態１では、例えば第１のカスケードコンデンサ３０において低元冷凍サイクル１０を流れる低元側冷媒が通過する伝熱管等により低元側凝縮器１３を構成し、低元側冷媒が高元冷凍サイクル２０を流れる冷媒との間で熱交換が行われるものとする。
【００１７】
低元側膨張弁１４は、低元側凝縮器１３を通過した低元側冷媒の流量を調整することによって減圧して膨張させるものである。低元側膨張弁１４としては、例えば電子式膨張弁等の流量制御手段、キャピラリ等の毛細管、感温式膨張弁等の冷媒流量調節手段等を用いることができる。
【００１８】
低元側蒸発器１５は、低元側膨張弁１４によって減圧された低元側冷媒と、冷却対象である冷凍室内の空気等の室内空気との間で熱交換を行い、低元側冷媒を蒸発させて気体状の冷媒にするものである。低元側冷媒との熱交換により、冷却対象は、直接的または間接的に冷却されることになる。
【００１９】
（高元冷凍サイクル）
高元冷凍サイクル２０は、高元側圧縮機２１、高元側凝縮器２２、高元側膨張弁２３、高元側蒸発器２４で構成されている。そして、高元冷凍サイクル２０は、これらの各機器が順に冷媒配管を介して環状に接続されることにより、高元側冷媒が循環する高元側冷媒回路を形成している。
【００２０】
また、高元冷凍サイクル２０において、高元側凝縮器２２と高元側膨張弁２３との間には、冷媒配管が分岐した分岐回路２０ａが形成されている。分岐回路２０ａは、高元側凝縮器２２の下流側から分岐し、高元側膨張弁２３の上流側に戻るように形成されている。分岐回路２０ａには、第２のカスケードコンデンサ２６が設けられている。
【００２１】
高元側圧縮機２１は、低温低圧の高元側冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮して高温高圧の状態にして吐出する。高元側圧縮機２１としては、例えば、インバータ回路等によって回転数を制御し、容量制御可能なインバータ圧縮機等を用いることができる。
【００２２】
高元側凝縮器２２は、高元側圧縮機２１から吐出された高元側冷媒と、例えば室外空気等の外気との間で熱交換を行い、冷媒を凝縮液化させ、液状の冷媒にするものである。すなわち、高元側凝縮器２２は、高元側冷媒から外気に対して熱を放出させて外気を加熱する熱交換器である。高元側凝縮器２２は、例えばガスクーラ等として機能し、外気、水、ブライン等との熱交換するものである。高元側凝縮器２２には、熱交換を促すためのファン２５が設けられている。このようなファン２５としては、例えば、風量を調整することが可能なものを用いることができる。
【００２３】
高元側膨張弁２３は、減圧装置、絞り装置等であり、高元側凝縮器２２を通過した高元側冷媒の流量を調整することによって減圧して膨張させるものである。高元側膨張弁２３としては、例えば電子式膨張弁等の流量制御手段、キャピラリ等の毛細管、感温式膨張弁等の冷媒流量調節手段等を用いることができる。
【００２４】
高元側蒸発器２４は、高元側膨張弁２３によって減圧された高元側冷媒と、低元冷凍サイクル１０の補助放熱器１２を通過した低元側冷媒との間で熱交換を行い、高元側冷媒を蒸発させて低温の気体状の冷媒にするものである。本実施の形態１では、例えば第１のカスケードコンデンサ３０において高元冷凍サイクル２０を流れる高元側冷媒が通過する伝熱管等により高元側蒸発器２４を構成し、高元側冷媒が低元冷凍サイクル１０を流れる低元側冷媒との間で熱交換が行われるものとする。
【００２５】
第２のカスケードコンデンサ２６は、高元側凝縮器２２で凝縮液化された中温高圧の液状の高元側冷媒と、低元側圧縮機１１に吸入される低温低圧の気体状の低元側冷媒との間で熱交換を行う。ここで、高元側凝縮器２２で凝縮液化された高元側冷媒の温度は、低元側圧縮機１１に吸入される低元側冷媒の温度よりも高いものとする。
【００２６】
第２のカスケードコンデンサ２６によって熱交換を行うことにより、高元側冷媒は、過冷却度を付与された液冷媒となり、分岐回路２０ａを介して高元側膨張弁２３に流入する。低元側冷媒は、過熱度を付与されたガス冷媒となり、低元側圧縮機１１に吸入される。
【００２７】
（カスケードコンデンサ）
第１のカスケードコンデンサ３０は、低元側凝縮器１３を流れる低元側冷媒と高元側蒸発器２４を流れる高元側冷媒との間で熱交換する冷媒間熱交換器である。このとき、第１のカスケードコンデンサ３０は、低元側凝縮器１３として機能するとともに、高元側蒸発器２４として機能する。第１のカスケードコンデンサ３０を介して低元冷凍サイクル１０における低元側冷媒回路と、高元冷凍サイクル２０における高元側冷媒回路とを多段構成にし、冷媒間での熱交換を行うことにより、独立した冷媒回路を連携させることができる。
【００２８】
（制御装置）
制御装置４０は、例えばマイクロコンピュータ、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）などの演算装置上で実行されるソフトウェア、各種機能を実現する回路デバイスなどのハードウェア等で構成され、この二元冷凍装置１全体の運転を制御する。例えば、制御装置４０は、各種検出手段から受け取った情報に基づく二元冷凍装置１の運転情報、並びに利用者から指示される運転内容に基づき、低元側圧縮機１１および高元側圧縮機２１の駆動周波数、ファン２５のＯＮ／ＯＦＦを含む回転数、低元側膨張弁１４および高元側膨張弁２３の開度等を制御する。
【００２９】
制御装置４０には、外気温度センサ４１が接続されている。外気温度センサ４１は、室外空気等の外気の温度を検出するために設けられている。外気温度センサ４１は、検出した外気温度を制御装置４０に供給する。
【００３０】
［各冷凍サイクルを循環する冷媒について］
このように構成された二元冷凍装置１において、低元側蒸発器１５等の低元冷凍サイクル１０の一部の機器は、例えばスーパーマーケットのショーケースなどの室内の負荷装置に設けられている。
【００３１】
例えば、ショーケースの配置換えまたは入れ替えにより、配管の接続位置を変更する際には、現地で冷媒回路が開放されることになる。このような場合には、現地で施工業者によって冷媒配管のろう付けが複数箇所で行われることになる。そのため、ろう付け部分から冷媒漏れが発生する場合がある。
【００３２】
また、配管接続が現地で行われることに加えて、通常規模のスーパー、冷凍倉庫では、室外に配置されることが想定される低元側の冷凍装置に接続される冷媒配管の長さは、例えば１００ｍ程度に達することがある。これにより、現地で配管接続される箇所がさらに増加するため、配管接続部から冷媒漏れが発生する可能性がより高くなる。一方、大規模のスーパー、冷凍倉庫では、冷媒配管の長さが１００ｍ以上となることもある。そのため、冷媒漏れが発生する可能性がさらに高くなる。
【００３３】
さらに、現地で施工される冷媒配管は、様々な環境の場所に置かれることが考えられる。例えば、冷蔵倉庫内では、保管物から発生する腐食性ガスにより、腐食環境下に置かれることが考えられる。腐食雰囲気による銅の腐食では、酢酸などのカルボン酸による蟻の巣状腐食、アンモニアなどによる応力腐食割れ、亜硫酸ガスなどの酸による腐食、等が一般的に考えられる。
【００３４】
また、低元側の冷凍装置と接続される冷媒配管が室外に置かれる場合でも、例えば温泉の近く、卵などの加工品を製造する食品工場の周辺など、室外に硫化水素などの硫黄系ガスが発生するような場所でも、硫黄系物質による銅管の腐食が発生することが考えられる。
【００３５】
通常、このような冷凍装置においては、熱交換器および熱交換器周辺の配管に防食塗装を施した仕様が設定されており、上述したような腐食環境下に置かれる場合には、その仕様を予め選択することもできる。しかしながら、現地で配管を施工する場合には、防食仕様が存在しないため、腐食環境への対応が困難であることも考えられる。
【００３６】
そこで、本実施の形態１では、低元冷凍サイクル１０内を循環する低元側冷媒として、地球温暖化に対する影響を示す地球温暖化係数（ＧＷＰ；Ｇｌｏｂａｌ  Ｗａｒｍｉｎｇ  Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）が小さい二酸化炭素（ＣＯ２）、またはＣＯ２を含む混合冷媒を用いる。
【００３７】
また、高元冷凍サイクル２０内を循環する高元側冷媒としては、例えば、ＨＦＯ１２３４ｙｆ、ＨＦＯ１２３４ｚｅ等のＨＦＯ（ハイドロフルオロオレフィン）冷媒、ＣＯ２、アンモニア、水などの地球温暖化に対する影響の小さい冷媒、またはこれらのいずれかを含む混合冷媒を用いると好ましい。ただし、高元冷凍サイクル２０は、高元側冷媒回路が現地で開放されることがないため、例えばＲ３２、Ｒ４０４Ａ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ４１０Ａ、ＨＦＣ１３４ａなどのＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）冷媒、プロパン、イソブタン等の地球温暖化係数の高い冷媒、またはこれらのいずれかを含む混合冷媒を用いてもよい。
【００３８】
このように、低元冷凍サイクル１０内を循環する低元側冷媒と、高元冷凍サイクル２０内を循環する高元側冷媒とでは、互いに異なる冷媒を用いると好ましい。また、高元冷凍サイクル２０内を循環する高元側冷媒としては、低元冷凍サイクル１０内を循環する低元側冷媒よりも高効率となる冷媒を用いるとより好ましい。
【００３９】
［二元冷凍装置の動作］
次に、本実施の形態１に係る二元冷凍装置１の動作について説明する。ここでは、高元側冷媒回路および低元側冷媒回路における各構成機器の動作等を、各冷媒回路を流れる冷媒の流れに基づいて説明する。
【００４０】
（高元冷凍サイクルの動作）
まず、高元冷凍サイクル２０の動作について説明する。高元側圧縮機２１は、高元側冷媒を吸入し、圧縮することにより高温高圧の状態にして吐出する。吐出された高元側冷媒は、高元側凝縮器２２に流入する。高元側凝縮器２２は、ファン２５の駆動によって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する。
【００４１】
凝縮液化された高元側冷媒は、高元側膨張弁２３を通過する。高元側膨張弁２３は、凝縮液化した高元側冷媒を減圧する。減圧された高元側冷媒は、高元側蒸発器２４に流入する。高元側蒸発器２４は、第１のカスケードコンデンサ３０により、減圧した高元側冷媒と、低元側凝縮器１３を通過する低元側冷媒との間で熱交換を行い、高元側冷媒を蒸発させガス化する。蒸発ガス化した高元側冷媒は、高元側圧縮機２１に吸入される。
【００４２】
また、高元側凝縮器２２で凝縮液化された高元側冷媒は、分岐回路２０ａを流れて第２のカスケードコンデンサ２６にも流入する。第２のカスケードコンデンサ２６は、凝縮液化した高元側冷媒と、低元側蒸発器１５で蒸発ガス化した低元側冷媒との間で熱交換を行い、高元側冷媒に過冷却度を付与する。高元側冷媒に過冷却度が付与されると、高元側冷媒回路におけるエンタルピは、過冷却度が付与されない場合と比較して大きくなる。過冷却度が付与された高元側冷媒は、分岐回路２０ａを流れて高元側膨張弁２３を通過する。
【００４３】
（低元冷凍サイクルの動作）
次に、低元冷凍サイクル１０の動作について説明する。低元側圧縮機１１は、低元側冷媒を吸入し、圧縮することにより高温高圧の状態にして吐出する。吐出された低元側冷媒は、補助放熱器１２に流入する。補助放熱器１２は、外気と低元側冷媒との間で熱交換を行う。補助放熱器１２を通過した低元側冷媒は、低元側凝縮器１３に流入する。
【００４４】
低元側凝縮器１３は、第１のカスケードコンデンサ３０により、流入した低元側冷媒と、高元側蒸発器２４を通過する高元側冷媒との間で熱交換を行い、低元側冷媒を凝縮液化する。凝縮液化された低元側冷媒は、低元側膨張弁１４を通過する。低元側膨張弁１４は、凝縮液化した低元側冷媒を減圧する。減圧された低元側冷媒は、低元側蒸発器１５に流入する。
【００４５】
低元側蒸発器１５は、減圧した低元側冷媒と冷却対象との間で熱交換を行い、低元側冷媒を蒸発させガス化する。蒸発ガス化した低元側冷媒は、第２のカスケードコンデンサ２６を通過する。第２のカスケードコンデンサ２６は、蒸発ガス化した低元側冷媒と、凝縮液化した高元側冷媒との間で熱交換を行い、低元側冷媒に過熱度を付与する。過熱度が付与された低元側冷媒は、低元側圧縮機１１に吸入される。
【００４６】
このように、低元側圧縮機１１に吸入される低元側冷媒に過熱度が付与されると、低元側圧縮機１１から吐出される低元側冷媒の吐出温度を示す低元側冷媒吐出温度は、過熱度が付与されない場合と比較して高くなる。そして、補助放熱器１２においては、外気の温度と低元側冷媒吐出温度との温度差が高くなる。
【００４７】
以上のように、本実施の形態１に係る二元冷凍装置１は、高元側圧縮機２１、高元側凝縮器２２、高元側膨張弁２３、および高元側蒸発器２４を配管で接続し、高元側冷媒を循環させる高元側冷媒回路を形成する高元冷凍サイクル２０と、低元側圧縮機１１、補助放熱器１２、低元側凝縮器１３、低元側膨張弁１４、および低元側蒸発器１５を配管で接続し、低元側冷媒を循環させる低元側冷媒回路を形成する低元冷凍サイクル１０と、高元側蒸発器２４および低元側凝縮器１３を有し、高元側冷媒回路を流れる高元側冷媒と、低元側冷媒回路を流れる低元側冷媒との間で熱交換を行う第１のカスケードコンデンサ３０とを備えている。また、二元冷凍装置１は、高元冷凍サイクル２０における高元側凝縮器２２の下流から分岐し、高元側膨張弁２３の上流に戻る分岐回路２０ａと、分岐回路２０ａに設けられ、分岐回路２０ａを流れる高元側冷媒と、低元側蒸発器１５から流出する低元側冷媒との間で熱交換を行う第２のカスケードコンデンサ２６と、二元冷凍装置１に設けられた各機器の動作を制御する制御装置４０とを備えている。
【００４８】
このように、第２のカスケードコンデンサ２６において、分岐回路２０ａを流れる高元側冷媒と、低元側蒸発器１５から流出した低元側冷媒とが熱交換を行うことにより、高元側冷媒の温度が低元側冷媒の温度よりも高いため、高元側冷媒に対して過冷却度が付与される。同時に、低元側冷媒に対しては、過熱度が付与される。
【００４９】
そして、高元側冷媒に対して過冷却度が付与されることにより、高元側冷媒回路におけるエンタルピが大きくなるため、高元側冷媒回路、すなわち高元冷凍サイクル２０の冷凍能力を向上させることができる。また、高元側圧縮機２１の容量を小さくすることができる。
【００５０】
さらに、低元側冷媒に対して過熱度が付与されることにより、低元側圧縮機１１に吸入される低元側冷媒の過熱度が大きくなるため、低元側圧縮機１１における低元側冷媒吐出温度を高くすることができる。このように、補助放熱器１２に流入する低元側冷媒の温度を従来よりも高温にすることができる。したがって、補助放熱器１２において熱交換を行う外気との温度差を大きくすることができ、補助放熱器１２における熱交換量を向上させ、補助放熱器１２を有効活用することができる。
【００５１】
実施の形態２．
次に、本実施の形態２に係る二元冷凍装置１について説明する。本実施の形態２は、高元側冷媒回路の分岐回路２０ａに流量調整弁を設ける点で、上述した実施の形態１と相違する。
【００５２】
［二元冷凍装置の構成］
図２は、本実施の形態２に係る二元冷凍装置１の構成の一例を示すブロック図である。なお、以下の説明において、上述した実施の形態１と共通する部分には、同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図２に示すように、二元冷凍装置１は、実施の形態１と同様に、低元冷凍サイクル１０、高元冷凍サイクル２０、第１のカスケードコンデンサ３０および制御装置４０で構成され、高元冷凍サイクル２０の高元側冷媒回路には、分岐回路２０ａが設けられている。
【００５３】
本実施の形態２において、分岐回路２０ａには、流量調整弁４２が設けられている。また、低元側圧縮機１１の吐出側には、吐出温度センサ４３が設けられている。
【００５４】
流量調整弁４２は、分岐回路２０ａに流入する高元側冷媒の流量を調整するために設けられ、制御装置４０によって開度が制御される。流量調整弁４２としては、例えば電子式膨張弁等の流量制御手段、キャピラリ等の毛細管、感温式膨張弁等の冷媒流量調節手段等を用いることができる。
【００５５】
流量調整弁４２が開くと、第２のカスケードコンデンサ２６によって熱交換される高元側冷媒の流量が増え、低元側圧縮機１１に吸入される低元側冷媒の過熱度が大きくなる。そのため、低元側圧縮機１１から吐出される低元側冷媒の温度が高くなる。
【００５６】
一方、流量調整弁４２が閉じると、第２のカスケードコンデンサ２６によって熱交換される高元側冷媒の流量が減り、低元側圧縮機１１に吸入される低元側冷媒の過熱度が小さくなる。そのため、低元側圧縮機１１から吐出される低元側冷媒の温度が低くなる。
【００５７】
吐出温度センサ４３は、低元側圧縮機１１における低元側冷媒吐出温度を検出するために設けられている。吐出温度センサ４３は、検出した低元側冷媒吐出温度を示す情報を、制御装置４０に供給する。
【００５８】
制御装置４０は、実施の形態１で説明した動作に加えて、さらに、外気温度センサ４１から供給された外気温度と、吐出温度センサ４３から供給された低元側冷媒吐出温度とに基づき、流量調整弁４２の開度を制御する。
【００５９】
［二元冷凍装置の動作］
次に、本実施の形態２に係る二元冷凍装置１の動作について説明する。なお、以下の説明において、上述した実施の形態１と同様の動作については、詳細な説明を省略する。また、低元冷凍サイクル１０については、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。
【００６０】
（高元冷凍サイクルの動作）
本実施の形態２において、高元側冷媒が高元側圧縮機２１に吸入されてから高元側凝縮器２２で凝縮液化されるまでの動作については、上述した実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。
【００６１】
低元側圧縮機１１から吐出される低元側冷媒の温度が低い場合には、流量調整弁４２が「開」状態とされ、この場合、高元側凝縮器２２で凝縮液化された高元側冷媒は、高元側膨張弁２３を通過するとともに、分岐回路２０ａにも流入する。分岐回路２０ａに流入した高元側冷媒は、第２のカスケードコンデンサ２６に流入し、低元側蒸発器１５で蒸発ガス化した低元側冷媒との間で熱交換を行う。これにより、高元側冷媒には、過冷却度が付与される。過冷却度が付与された高元側冷媒は、分岐回路２０ａを流れて高元側膨張弁２３を通過する。
【００６２】
一方、低元側圧縮機１１から吐出される低元側冷媒の温度が高い場合には、流量調整弁４２が「閉」状態とされ、この場合、高元側凝縮器２２で凝縮液化された高元側冷媒は、分岐回路２０ａに流入せず、高元側膨張弁２３を通過する。高元側膨張弁２３を通過した高元側冷媒は、減圧され、高元側蒸発器２４に流入する。高元側蒸発器２４に流入した高元側冷媒は、第１のカスケードコンデンサ３０により、低元側凝縮器１３を通過する低元側冷媒との間で熱交換を行い、蒸発してガス化される。そして、蒸発ガス化した高元側冷媒は、高元側圧縮機２１に吸入される。
【００６３】
ここで、熱交換器における熱交換量について説明する。熱交換器の能力を示す熱交換量Ｑ［Ｗ］は、一般に、式（１）で表すことができる。なお、式（１）において、「Ｋ」は、熱交換器の熱通過率［Ｗ／ｍ２・Ｋ］を示し、熱交換器の仕様、空気熱交換器の場合には組み合わせられる風量によって決定される。「Ａ」は、熱交換器の伝熱面積［ｍ２］を示し、熱交換器の面積によって決定される。また、「ΔＴｍ」は、熱交換を行う２つの媒体の平均温度差［Ｋ］を示す。
【００６４】
［数１］
Ｑ＝Ｋ×Ａ×ΔＴｍ      ・・・（１）
【００６５】
この場合、例えば熱通過率Ｋおよび伝熱面積Ａが常に同じ値をとるものとすると、平均温度差ΔＴｍを大きくすることにより、熱交換量Ｑを大きくすることができる。すなわち、熱交換器に流入する冷媒の温度を高くすることにより、平均温度差ΔＴｍを大きくすることができるため、熱交換量Ｑを大きくすることができる。
【００６６】
したがって、本実施の形態２においては、流量調整弁４２の開度を制御することにより、低元側圧縮機１１における低元側冷媒吐出温度を高くすることができ、これにより、補助放熱器１２に流入する低元側冷媒の温度が高くなり、補助放熱器１２における熱交換量を大きくすることができる。
【００６７】
ここで、低元冷凍サイクル１０および高元冷凍サイクル２０における冷凍能力を向上させる制御について説明する。例えば、制御装置４０による制御に基づき、低元側膨張弁１４の開度が大きくなり、低元側蒸発器１５から流出する低元側冷媒が気液二相状態となるようにした場合を考える。この場合には、低元側蒸発器１５内のすべての低元側冷媒が気液二相状態となるため、気液二相状態の低元側冷媒と、冷蔵庫内の空気等の冷却対象とが熱交換を行うことになる。これにより、上述した式（１）に示す低元側冷媒と冷却対象との平均温度差ΔＴｍを、通常状態よりも大きくすることができる。そのため、低元側蒸発器１５における熱交換量Ｑを増大させることができるので、低元冷凍サイクル１０の冷却能力を向上させることができる。
【００６８】
また、低元側蒸発器１５から流出した低元側冷媒と、分岐回路２０ａを流れる高元側冷媒との間で熱交換を行う第２のカスケードコンデンサ２６における熱交換量も増大する。そのため、高元側冷媒に付与する過冷却度を大きくすることができ、高元側冷媒回路におけるエンタルピが大きくなるので、高元冷凍サイクル２０の冷凍能力を向上させることができる。
【００６９】
以上のように、本実施の形態２に係る二元冷凍装置１は、外気の温度を検出する外気温度センサ４１と、低元側圧縮機１１から吐出される低元側冷媒の吐出温度を検出する吐出温度センサ４３と、分岐回路２０ａに流入する高元側冷媒の流量を調整する流量調整弁４２とをさらに備え、制御装置４０は、外気温度センサ４１による検出結果と、吐出温度センサ４３による検出結果とに基づき、流量調整弁４２の開度を制御する。
【００７０】
このように、本実施の形態２では、吐出温度センサ４３によって検出された低元側冷媒吐出温度と、外気温度センサ４１によって検出された外気温度とに基づき、流量調整弁４２の開度を制御する。そのため、補助放熱器１２に流入する低元側冷媒吐出温度と外気温度との温度差を大きくすることができ、実施の形態１と同様に、補助放熱器１２を有効活用することができる。そして、これにより、低元側圧縮機１１における低元側冷媒吐出温度が上がりづらい、低元側蒸発器１５の蒸発温度が高い場合であっても、低元側冷媒回路の冷却能力を確保することができる。
【００７１】
また、一般に、圧縮機の吐出温度には、圧縮機の故障等の不具合を防止するため、上限が設定されている。本実施の形態２では、流量調整弁４２の開度を制御することにより、低元側圧縮機１１に吸入される低元側冷媒の温度を調整し、低元側圧縮機１１における低元側冷媒吐出温度を調整することができる。そのため、低元側冷媒吐出温度の上昇による低元側圧縮機１１の不具合を防止することができ、低元側圧縮機１１の寿命を延ばすことができる。
【００７２】
実施の形態３．
次に、本実施の形態３に係る二元冷凍装置１について説明する。本実施の形態３は、低元側凝縮器および低元側膨張弁の間と、低元側蒸発器および低元側圧縮機の間とを接続する低元側インジェクション回路を設けた点で、上述した実施の形態２と相違する。
【００７３】
［二元冷凍装置の構成］
図３は、本実施の形態３に係る二元冷凍装置１の構成の一例を示すブロック図である。なお、以下の説明において、上述した実施の形態１および実施の形態２と共通する部分には、同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図３に示すように、二元冷凍装置１は、実施の形態２と同様に、低元冷凍サイクル１０、分岐回路２０ａが設けられた高元冷凍サイクル２０、第１のカスケードコンデンサ３０および制御装置４０で構成されている。
【００７４】
本実施の形態３において、低元冷凍サイクル１０の低元側冷媒回路には、低元側インジェクション回路１０ａが形成されている。低元側インジェクション回路１０ａは、低元側凝縮器１３および低元側膨張弁１４の間と、低元側蒸発器１５および低元側圧縮機１１の間とを接続する分岐回路である。低元側インジェクション回路１０ａには、インジェクション膨張弁５１が設けられている。
【００７５】
インジェクション膨張弁５１は、低元側インジェクション回路１０ａに流入する低元側冷媒の流量を調整するために設けられ、制御装置４０によって開度が制御される。インジェクション膨張弁５１としては、例えば電子式膨張弁等の流量制御手段、キャピラリ等の毛細管、感温式膨張弁等の冷媒流量調節手段等を用いることができる。本実施の形態３では、インジェクション膨張弁５１として、例えば低元側圧縮機１１における低元側冷媒吐出温度を調整することが可能な電子式膨張弁を用いることができる。
【００７６】
制御装置４０は、吐出温度センサ４３から供給された低元側圧縮機１１における低元側冷媒吐出温度に基づき、インジェクション膨張弁５１の開度を制御する。
【００７７】
低元側インジェクション回路１０ａに設けられた第２のカスケードコンデンサ２６は、高元側の分岐回路２０ａを流れる高元側冷媒と、低元側インジェクション回路１０ａを流れ、インジェクション膨張弁５１で絞られて低温低圧の気液二相状態とされた低元側冷媒との間で熱交換を行う。
【００７８】
［二元冷凍装置の動作］
次に、本実施の形態３に係る二元冷凍装置１の動作について説明する。なお、以下の説明において、上述した実施の形態１および実施の形態２と同様の動作については、詳細な説明を省略する。また、高元冷凍サイクル２０については、実施の形態２と同様であるため、説明を省略する。
【００７９】
（低元冷凍サイクルの動作）
本実施の形態３において、低元側冷媒が低元側圧縮機１１に吸入されてから低元側凝縮器１３で凝縮液化されるまでの動作については、上述した実施の形態１および実施の形態２と同様であるため、説明を省略する。
【００８０】
低元側凝縮器１３で凝縮液化された低元側冷媒は、低元側膨張弁１４を通過するとともに、低元側インジェクション回路１０ａにも流入する。低元側インジェクション回路１０ａに流入した低元側冷媒は、インジェクション膨張弁５１を通過する。インジェクション膨張弁５１は、凝縮液化した低元側冷媒を絞り、低温低圧の気液二相状態の低元側冷媒にする。
【００８１】
このとき、インジェクション膨張弁５１を通過して低温低圧の気液二相状態となった低元側冷媒は、低元側蒸発器１５を通過して低元側圧縮機１１に吸入される低元側冷媒の圧力と同一の圧力となる。これは、インジェクション膨張弁５１の下流側が低元側圧縮機１１の吸入側に接続されているためである。
【００８２】
低温低圧の気液二相冷媒となった低元側冷媒は、第２のカスケードコンデンサ２６を通過する。第２のカスケードコンデンサ２６は、低温低圧で気液二相状態の低元側冷媒と、凝縮液化した高元側冷媒との間で熱交換を行う。
【００８３】
ここで、第２のカスケードコンデンサ２６を通過する低元側冷媒は、低元側蒸発器１５を通過した低温低圧のガス化した低元側冷媒と比較して、低元側蒸発器１５で付与された過熱度分だけ温度が低くなる。これは、低元側蒸発器１５を通過した低元側冷媒の温度が低元側の低圧圧力から換算される飽和温度に低元側蒸発器１５で付与された過熱度を加算したものであるのに対して、インジェクション膨張弁５１を通過した低元側冷媒の温度が低元側の低圧圧力から換算される飽和温度であるからである。そのため、第２のカスケードコンデンサ２６において熱交換される低元側冷媒と高元側冷媒との温度差は、実施の形態２における温度差と比較して、低元側蒸発器１５を通過した低元側冷媒に付与された過熱度分だけ大きくなる。
【００８４】
したがって、第２のカスケードコンデンサ２６で熱交換を行う高温高圧の液冷媒である高元側冷媒には、実施の形態２と比較して大きい過冷却度が付与される。これにより、本実施の形態３では、高元側のエンタルピを大きくすることができ、高元冷凍サイクル２０の冷凍能力を向上させることができる。また、これにより、高元側圧縮機２１には、容量が小さい圧縮機を用いることができる。
【００８５】
以上のように、本実施の形態３に係る二元冷凍装置１は、低元側凝縮器１３および低元側膨張弁１４の間と、低元側蒸発器１５および低元側圧縮機１１の間とを接続する低元側インジェクション回路１０ａと、低元側インジェクション回路１０ａに設けられたインジェクション膨張弁５１とをさらに備え、制御装置４０は、吐出温度センサ４３による検出結果に基づき、インジェクション膨張弁５１の開度を制御する。
【００８６】
これにより、第２のカスケードコンデンサ２６で熱交換を行う低元側冷媒と高元側冷媒との温度差を、実施の形態１および２よりも大きくすることができるため、高元側のエンタルピをより大きくすることができ、高元冷凍サイクル２０の冷凍能力をより向上させることができる。
【００８７】
実施の形態４．
次に、本実施の形態４に係る二元冷凍装置１について説明する。本実施の形態４は、低元側圧縮機１１の吸入側に吸入される低元側冷媒の温度を検出するための吸入温度センサを設けた点で、上述した実施の形態３と相違する。
【００８８】
［二元冷凍装置の構成］
図４は、本実施の形態４に係る二元冷凍装置１の構成の一例を示すブロック図である。なお、以下の説明において、上述した実施の形態１〜３と共通する部分には、同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図４に示すように、二元冷凍装置１は、実施の形態３と同様に、低元側インジェクション回路１０ａが設けられた低元冷凍サイクル１０、分岐回路２０ａが設けられた高元冷凍サイクル２０、第１のカスケードコンデンサ３０および制御装置４０で構成されている。
【００８９】
本実施の形態４において、低元側圧縮機１１の吸入側には、吸入温度センサ４４が設けられている。吸入温度センサ４４は、低元側圧縮機１１に吸入される低元側冷媒の吸入温度を示す低元側冷媒吸入温度を検出するために設けられている。吸入温度センサ４４は、検出した低元側冷媒吸入温度を示す情報を、制御装置４０に供給する。
【００９０】
制御装置４０は、実施の形態１〜３で説明した動作に加えて、さらに、外気温度センサ４１から供給された外気温度と、吐出温度センサ４３から供給された低元側冷媒吐出温度と、吸入温度センサ４４から供給された低元側冷媒吸入温度とに基づき、インジェクション膨張弁５１の開度を制御する。
【００９１】
例えば、制御装置４０は、検出された低元側冷媒吐出温度と低元側冷媒吸入温度とに基づき、両方の温度のバランスを取るように、インジェクション膨張弁５１の開度を制御する。また、制御装置４０は、検出された外気温度を考慮して、補助放熱器１２における、低元側圧縮機１１から吐出された高温高圧のガス化された低元側冷媒と、外気との温度差を確保するように、インジェクション膨張弁５１の開度を制御する。
【００９２】
以上のように、本実施の形態４に係る二元冷凍装置１は、低元側圧縮機１１に吸入される低元側冷媒の吸入温度を検出する吸入温度センサ４４をさらに備え、制御装置４０は、外気温度センサ４１による検出結果と、吐出温度センサ４３による検出結果と、吸入温度センサ４４による検出結果とに基づき、インジェクション膨張弁５１の開度を制御する。これにより、低元側圧縮機１１の運転範囲を確保し、低元側圧縮機１１の故障等の不具合を防ぐことができる。
【００９３】
以上、本発明の実施の形態１〜実施の形態４について説明したが、本発明は、上述した本発明の実施の形態１〜実施の形態４に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。
【符号の説明】
【００９４】
１  二元冷凍装置、１０  低元冷凍サイクル、１０ａ  低元側インジェクション回路、１１  低元側圧縮機、１２  補助放熱器、１３  低元側凝縮器、１４  低元側膨張弁、１５  低元側蒸発器、２０  高元冷凍サイクル、２０ａ  分岐回路、２１  高元側圧縮機、２２  高元側凝縮器、２３  高元側膨張弁、２４  高元側蒸発器、２５  ファン、２６  第２のカスケードコンデンサ、３０  第１のカスケードコンデンサ、４０  制御装置、４１  外気温度センサ、４２  流量調整弁、４３  吐出温度センサ、４４  吸入温度センサ、５１  インジェクション膨張弁。
【図１】
0006664478.tif 000002
【図２】
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【図３】
0006664478.tif 000004
【図４】
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