(57)【要約】【課題】起動時、特にコールドスタート時に高温側の冷媒圧力を安定させて、確実な制御を行える二元冷凍機を提供する。【解決手段】二元冷凍機３０において、高温側回路３２の高温側蒸発器５３の上流側には、第１の冷媒の高温側蒸発器５３への流入量を調整する制御弁３７が設けられ、高温側回路３２の所定箇所には、第１の冷媒の圧力を検出する圧力センサ６４が設けられ、高温側圧縮機３８を駆動させてから、低温側圧縮機５１を駆動させるまでの間に、圧力センサ６４における圧力値が第１の閾値よりも小さいことが検出された場合には、高温側蒸発器５３への第１の冷媒の流入量を減少させるように、制御弁３７を制御する制御部５８が設けられている。【選択図】図１
2009168258.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第1の冷媒を圧縮する高温側圧縮機、該高温側圧縮機によって圧縮された第１の冷媒を冷却して液化する高温側凝縮器、該高温側凝縮器によって液化された第１の冷媒を膨張させる高温側膨張器及び該高温側膨張器によって膨張した第１の冷媒を蒸発させる高温側蒸発器が管路によって連結されてなる高温側回路と、
第２の冷媒を圧縮する低温側圧縮機、該低温側圧縮機によって圧縮された第２の冷媒を冷却して液化する低温側凝縮器、該低温側凝縮器によって液化された第２の冷媒を膨張させる低温側膨張器及び該低温側膨張器によって膨張した第２の冷媒を蒸発させる低温側蒸発器が管路によって連結されてなる低温側回路とを具備し、
前記高温側蒸発器と前記低温側凝縮器とがカスケードコンデンサによって熱的に接続されて構成されている二元冷凍機において、
前記高温側回路の高温側蒸発器の上流側には、第１の冷媒の高温側蒸発器への流入量を調整する制御弁が設けられ、
前記高温側回路の所定箇所には、第１の冷媒の圧力を検出する圧力センサが設けられ、
前記高温側圧縮機を駆動させてから、前記低温側圧縮機を駆動させるまでの間に、前記圧力センサにおける圧力値が第１の閾値よりも小さいことが検出された場合には、前記高温側蒸発器への第１の冷媒の流入量を減少させるように、前記制御弁を制御する制御部が設けられていることを特徴とする二元冷凍機。
【請求項２】
前記制御部は、
前記高温側蒸発器への第１の冷媒の流入量を減少させるように、前記制御弁を制御した後、前記圧力センサにおける圧力値が第２の閾値よりも大きいことが検出された場合には、前記高温側蒸発器への第１の冷媒の流入量を増加させるように、前記制御弁を制御することを特徴とする請求項１記載の二元冷凍機。
【請求項３】
第1の冷媒を圧縮する高温側圧縮機、該高温側圧縮機によって圧縮された第１の冷媒を冷却して液化する高温側凝縮器、該高温側凝縮器によって液化された第１の冷媒を膨張させる高温側膨張器及び該高温側膨張器によって膨張した第１の冷媒を蒸発させる高温側蒸発器が管路によって連結されてなる高温側回路と、
第２の冷媒を圧縮する低温側圧縮機、該低温側圧縮機によって圧縮された第２の冷媒を冷却して液化する低温側凝縮器、該低温側凝縮器によって液化された第２の冷媒を膨張させる低温側膨張器及び該低温側膨張器によって膨張した第２の冷媒を蒸発させる低温側蒸発器が管路によって連結されてなる低温側回路とを具備し、
前記高温側蒸発器と前記低温側凝縮器とがカスケードコンデンサによって熱的に接続されて構成されている二元冷凍機において、
前記高温側回路の高温側蒸発器の上流側には、第１の冷媒の高温側蒸発器への流入量を調整する制御弁が設けられ、
前記高温側回路の所定箇所には、第１の冷媒の圧力を検出する圧力センサが設けられ、
前記高温側回路には、前記高温側膨張器と並列に接続された第２の高温側膨張器が設けられ、
前記第２の高温側膨張器によって膨張した第１の冷媒を蒸発させる第２の高温側蒸発器が設けられ、
前記高温側回路の前記第２の高温側蒸発器の上流側には、第１の冷媒の第２の高温側蒸発器への流入量を調整する第２の制御弁が設けられ、
前記高温側圧縮機を駆動させてから、前記低温側圧縮機を駆動させるまでの間に、前記圧力センサにおける圧力値が第１の閾値よりも小さいことが検出された場合には、前記高温側蒸発器または前記第２の高温側蒸発器のうちの少なくともいずれか一方への第１の冷媒の流入量を減少させるように、前記制御弁または前記第２の制御弁のうちの少なくともいずれか一方を制御する制御部が設けられていることを特徴とする二元冷凍機。
【請求項４】
前記制御部は、
前記高温側蒸発器への第１の冷媒の流入量を減少させるように、前記制御弁または前記第２の制御弁のうちの少なくともいずれか一方を制御した後、前記圧力センサにおける圧力値が第２の閾値よりも大きいことが検出された場合には、前記高温側蒸発器または前記第２の高温側蒸発器のうちの少なくともいずれか一方への第１の冷媒の流入量を増加させるように、前記制御弁または前記第２の制御弁のうちの少なくともいずれか一方を制御することを特徴とする請求項３記載の二元冷凍機。
【請求項５】
前記制御部は、
前記高温側圧縮機を駆動させてから、前記低温側圧縮機を駆動させるまでの間に、前記圧力センサにおける圧力値が第１の閾値よりも小さいことが検出された場合には、前記制御弁と前記第２の制御弁の双方を、それぞれの開度比率が合わせて１００％となるように制御することを特徴とする請求項３または請求項４記載の二元冷凍機。
【請求項６】
前記制御部は、
前記高温側蒸発器への第１の冷媒の流入量を減少させるように、前記制御弁及び第２の制御弁を制御した後、前記圧力センサにおける圧力値が第２の閾値よりも大きいことが検出された場合には、前記高温側蒸発器への第１の冷媒の流入量を増加させるように、前記制御弁及び第２の制御弁を制御することを特徴とする請求項５記載の二元冷凍機。
【請求項７】
前記高温側膨張器及び制御弁は、１つの比例制御型制御弁で構成されていることを特徴とする請求項１〜請求項６のうちのいずれか1項記載の二元冷凍機。
【請求項８】
前記第２の高温側膨張器及び第２の制御弁は、１つの比例制御型制御弁で構成されていることを特徴とする請求項３〜請求項６記載の二元冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温側回路と低温側回路とがカスケードコンデンサによって熱的に接続されて構成されている二元冷凍機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から知られている二元冷凍機について、図５に基づいて説明する。
二元冷凍機１０は、高温特性が良い第１の冷媒を循環させる高温側回路１１と、低温特性が良い第２の冷媒を循環させる低温側回路１２とを有しており、高温側回路１１の高温側蒸発器２２と低温側回路１２の低温側凝縮器２８がカスケードコンデンサ１４によって熱的に接続されている。
【０００３】
高温側回路１１には、高温側圧縮機１６、高温側凝縮器１８、高温側膨張器２０、及びカスケードコンデンサ１４を構成する高温側蒸発器２２が設けられ、これら各機器が管路１５によって直列に接続されている。高温側回路で用いられる冷媒は、高温側圧縮機１６で圧縮され、次に高温側凝縮器１８によって冷却されると共に液化され、この液化した状態で高温側膨張器２０によって膨張させられることにより沸点を下げ、高温側蒸発器２２において低温側回路１２の凝縮器から蒸発熱を奪って蒸発している。
【０００４】
一方、低温側回路１２には、低温側圧縮機２６、カスケードコンデンサ１４を構成する低温側凝縮器２８、低温側膨張器２９、及び所望の低温を達成する低温側蒸発器９が設けられ、これら各機器が管路２５によって直列に接続されている。低温側回路１２で用いられる冷媒は、低温側圧縮機２６で圧縮され、次に低温側凝縮器２８によって高温側蒸発器２２によって冷却されると共に液化され、この液化した状態で低温側膨張器２９によって膨張させられることにより沸点を下げ、低温側蒸発器９において周囲の熱を奪って、周囲を所望の低温とするようにしている。
【０００５】
なお、低温側回路１２で用いる第２の冷媒は、低沸点であるものが一般的に使用されており、常温では高圧となっている場合が多い。
このような冷媒を用いた二元冷凍機１０を起動する場合（一時停止後、再起動する場合も含め）、いきなり低温側圧縮機２６を動作させようとしても低温側回路１２の管路２５内では冷媒が高圧となっているため、低温側圧縮機２６には大きな負荷がかかり、全く動作しないか、あるいは動作したとしてもすぐに破損してしまうおそれがある。
【０００６】
このため、二元冷凍機１０の起動の際には、まず高温側圧縮機１６のみを作動させ、カスケードコンデンサ１４がある程度冷却され、低温側回路１２内の冷媒の圧力が低下したところで低温側圧縮機２６を作動させることが一般的であった。
【０００７】
また、カスケードコンデンサ１４には温度センサ２７が設けられており、温度センサ２７の温度に基づいて低温側圧縮機２６のオン−オフが制御される。具体的には、低温側圧縮機２６は、運転中にカスケードコンデンサ１４が予め設定された所定温度以上になった場合には運転が停止するように制御され、カスケードコンデンサ１４がこの所定温度未満になった場合には運転が再開するように制御される。
つまり、カスケードコンデンサ１４内の温度がある所定温度以上になったということは、低温側回路１２内の第２の冷媒の圧力も高圧になっているということであり、高圧のまま運転を続行すると低温側圧縮機２６が破損等するおそれがあるため、所定温度以上になった場合には運転を停止させているのである。
【０００８】
【特許文献１】特開平５−３４０６１９号公報（０００３等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来の二元冷凍機では、運転停止後、すぐに運転を再開する場合にはまだカスケードコンデンサ内の温度が低下している場合が多い。このような状態で運転を開始することをコールドスタートと称しているが、コールドスタートにおいて高温側圧縮機を作動させると高温側の冷媒圧力が異常低下してしまい、冷却制御が困難になってしまうという課題があった。
【００１０】
そこで本発明は上記課題を解決すべくなされ、その目的とするところは、起動時、特にコールドスタート時に高温側の冷媒圧力を安定させて、確実な制御を行える二元冷凍機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
すなわち、本発明にかかる二元冷凍機によれば、第1の冷媒を圧縮する高温側圧縮機、該高温側圧縮機によって圧縮された第１の冷媒を冷却して液化する高温側凝縮器、該高温側凝縮器によって液化された第１の冷媒を膨張させる高温側膨張器及び該高温側膨張器によって膨張した第１の冷媒を蒸発させる高温側蒸発器が管路によって連結されてなる高温側回路と、第２の冷媒を圧縮する低温側圧縮機、該低温側圧縮機によって圧縮された第２の冷媒を冷却して液化する低温側凝縮器、該低温側凝縮器によって液化された第２の冷媒を膨張させる低温側膨張器及び該低温側膨張器によって膨張した第２の冷媒を蒸発させる低温側蒸発器が管路によって連結されてなる低温側回路とを具備し、前記高温側蒸発器と前記低温側凝縮器とがカスケードコンデンサによって熱的に接続されて構成されている二元冷凍機において、前記高温側回路の高温側蒸発器の上流側には、第１の冷媒の高温側蒸発器への流入量を調整する制御弁が設けられ、前記高温側回路の所定箇所には、第１の冷媒の圧力を検出する圧力センサが設けられ、前記高温側圧縮機を駆動させてから、前記低温側圧縮機を駆動させるまでの間に、前記圧力センサにおける圧力値が第１の閾値よりも小さいことが検出された場合には、前記高温側蒸発器への第１の冷媒の流入量を減少させるように、前記制御弁を制御する制御部が設けられていることを特徴としている。
この構成を採用することによって、高温側蒸発器に流入する冷媒の量を制限することで高温側の第１の冷媒の蒸発圧力の異常低下を防ぎ、高温側の第１の冷媒の蒸発圧力を安定させることができるので、冷却制御を確実に行える。
【００１２】
また、前記制御部は、前記高温側蒸発器への第１の冷媒の流入量を減少させるように、前記制御弁を制御した後、前記圧力センサにおける圧力値が第２の閾値よりも大きいことが検出された場合には、前記高温側蒸発器への第１の冷媒の流入量を増加させるように、前記制御弁を制御することを特徴としてもよい。
この構成によれば、高温側回路の冷媒の蒸発圧力が第1の閾値と第２の閾値との間で安定するように制御できる。
【００１３】
本発明にかかる二元冷凍機によれば、第1の冷媒を圧縮する高温側圧縮機、該高温側圧縮機によって圧縮された第１の冷媒を冷却して液化する高温側凝縮器、該高温側凝縮器によって液化された第１の冷媒を膨張させる高温側膨張器及び該高温側膨張器によって膨張した第１の冷媒を蒸発させる高温側蒸発器が管路によって連結されてなる高温側回路と、第２の冷媒を圧縮する低温側圧縮機、該低温側圧縮機によって圧縮された第２の冷媒を冷却して液化する低温側凝縮器、該低温側凝縮器によって液化された第２の冷媒を膨張させる低温側膨張器及び該低温側膨張器によって膨張した第２の冷媒を蒸発させる低温側蒸発器が管路によって連結されてなる低温側回路とを具備し、前記高温側蒸発器と前記低温側凝縮器とがカスケードコンデンサによって熱的に接続されて構成されている二元冷凍機において、前記高温側回路の高温側蒸発器の上流側には、第１の冷媒の高温側蒸発器への流入量を調整する制御弁が設けられ、前記高温側回路の所定箇所には、第１の冷媒の圧力を検出する圧力センサが設けられ、前記高温側回路には、前記高温側膨張器と並列に接続された第２の高温側膨張器が設けられ、前記第２の高温側膨張器によって膨張した第１の冷媒を蒸発させる第２の高温側蒸発器が設けられ、前記高温側回路の前記第２の高温側蒸発器の上流側には、第１の冷媒の第２の高温側蒸発器への流入量を調整する第２の制御弁が設けられ、前記高温側圧縮機を駆動させてから、前記低温側圧縮機を駆動させるまでの間に、前記圧力センサにおける圧力値が第１の閾値よりも小さいことが検出された場合には、前記高温側蒸発器または前記第２の高温側蒸発器のうちの少なくともいずれか一方への第１の冷媒の流入量を減少させるように、前記制御弁または前記第２の制御弁のうちの少なくともいずれか一方を制御する制御部が設けられていることを特徴としている。
この構成によれば、例えば被冷却物を段階的に冷却していく場合において、第２の高温側蒸発器を密閉容器等に内蔵してプレクーラーとして設け、低温側蒸発器を密閉容器等に内蔵してメインクーラーとして設けることもでき、第２の高温側蒸発器に流入する冷媒の量や高温側蒸発器に流入する冷媒の量を制限することで高温側の第１の冷媒の蒸発圧力の異常低下を防ぎ、高温側の第１の冷媒の蒸発圧力を安定させることができるので、冷却制御を確実に行える。
【００１４】
また、前記制御部は、前記高温側蒸発器への第１の冷媒の流入量を減少させるように、前記制御弁または前記第２の制御弁のうちの少なくともいずれか一方を制御した後、前記圧力センサにおける圧力値が第２の閾値よりも大きいことが検出された場合には、前記高温側蒸発器または前記第２の高温側蒸発器のうちの少なくともいずれか一方への第１の冷媒の流入量を増加させるように、前記制御弁または前記第２の制御弁のうちの少なくともいずれか一方を制御することを特徴としてもよい。
【００１５】
さらに、前記制御部は、前記高温側圧縮機を駆動させてから、前記低温側圧縮機を駆動させるまでの間に、前記圧力センサにおける圧力値が第１の閾値よりも小さいことが検出された場合には、前記制御弁と前記第２の制御弁の双方を、それぞれの開度比率が合わせて１００％となるように制御することを特徴としてもよい。
【００１６】
さらに、前記制御部は、前記高温側蒸発器への第１の冷媒の流入量を減少させるように、前記制御弁及び第２の制御弁を制御した後、前記圧力センサにおける圧力値が第２の閾値よりも大きいことが検出された場合には、前記高温側蒸発器への第１の冷媒の流入量を増加させるように、前記制御弁及び第２の制御弁を制御することを特徴としてもよい。
【００１７】
なお、前記高温側膨張器及び制御弁は、１つの比例制御型制御弁で構成されていることを特徴としてもよく、前記第２の高温側膨張器及び第２の制御弁は、１つの比例制御型制御弁で構成されていることを特徴としてもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明にかかる二元冷凍機によれば、起動時に高温側の冷媒圧力を安定させることができるので、特にコールドスタートであっても確実な冷却制御を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１に本実施形態の全体構成を示す。
二元冷凍機３０は、高温側回路３２と低温側回路３４とがカスケードコンデンサ３６によって熱的に接続されることにより構成されている。
高温側回路３２は、高温側圧縮機（コンプレッサー）３８と、高温側凝縮器４０と、高温側膨張器４２と、カスケードコンデンサを構成する高温側蒸発器５３とを備えており、これらの各機器は高温側の冷媒が流通する冷媒流通管４５によって直列に接続されている。
【００２０】
高温側回路３２の高温側凝縮器４０の下流側には、冷媒ドライヤ５０が設けられており、冷媒中の水分の除去を図っている。
高温側膨張器４２と高温側蒸発器５３との間には、冷媒流通管４５を流通する冷媒の流量を調節する制御弁３７が設けられている。
また、高温側蒸発器５３と高温側圧縮機３８の間には、冷媒流通管４５を流通する冷媒の蒸発圧力を測定する圧力センサ６４が設けられている。
【００２１】
高温側凝縮器４０にはファン３５が設けられており、ファン３５によって導入された外気によって冷媒が冷却されて凝縮されるように設けられている。
このような構成を有する高温側回路３２では、高温における特性が優れた冷媒を使用している。高温側回路３２で用いられる冷媒の例としては、Ｒ５０２、Ｒ４０４ａなどが挙げられる。
【００２２】
次に、低温側回路３４の構成について説明する。
低温側回路３４は、低温側圧縮機（コンプレッサー）５１と、カスケードコンデンサ３６を構成する低温側凝縮器５２と、低温側膨張器５４と、低温側蒸発器５６とを備えており、これらの各機器は低温側冷媒が流通する冷媒流通管５５によって接続されている。また、低温側回路３４の低温側凝縮器５２の下流側には、冷媒ドライヤ５７が設けられており、冷媒中の水分の除去を図っている。
また、低温側圧縮機５１と低温側凝縮器５２の間には、オイルセパレータ５９が設けられている。オイルセパレータ５９は、低温側圧縮機５１から生じたオイルが他の機器へ流入しないように、オイルを分離して低温側圧縮機５１に戻すようにしている。
このような構成を有する低温側回路３４では、低温における特性が優れた冷媒を使用している。低温側回路３４で用いられる冷媒の例としては、Ｒ５０３、Ｒ２３などが挙げられる。
【００２３】
なお、上述した高温側回路３２の圧力センサ６４は制御部５８に接続されており、測定した圧力値を制御部５８に出力している。
さらに、制御部５８は、高温側回路３２の制御弁３７の開度を制御可能に設けられており、圧力センサ６４によって検出された冷媒の圧力に基づいて制御弁３７を制御する。
【００２４】
また、カスケードコンデンサ３６内には、カスケードコンデンサ３６内の温度を検出する温度センサ４８が設けられている。温度センサ４８は、制御部５８に接続されており、検出したカスケードコンデンサ３６内の温度を制御部５８に出力する。
【００２５】
続いて、上述した構成の二元冷凍機の動作について、図２に基づいて説明する。
停止状態から二元冷凍機３０を運転するには、まず高温側回路３２の高温側圧縮機３８を始動する。なぜなら、低温側回路３４における第２の冷媒は常温では高圧となっているため、このまま低温側圧縮機５１を運転しようとすると低温側圧縮機５１には大きな負荷がかかり、全く動作しないか、あるいは動作したとしてもすぐに破損してしまうからである。
【００２６】
高温側回路３２が運転開始すると、高温側蒸発器５３はカスケードコンデンサ３６内で低温側凝縮器５２から蒸発熱を奪うため、低温側回路３４の第２の冷媒の温度は徐々に低下していき、このため第２の冷媒の圧力も低下する。
制御部５８は、カスケードコンデンサ３６内の温度センサ４８で検出したカスケードコンデンサ３６の温度が、所定の温度にまで低下したことを検出したら、制御部５８内のタイマー回路を作動させる。そして、制御部５８は、所定の温度にまで低下してから所定時間経過したことをタイマー回路が検出したときに、低温側圧縮機５１の運転を開始させるように制御信号を出力する。
【００２７】
なお、霜取りや負荷異常などで一旦運転を停止した後、カスケードコンデンサ３６内の温度がまだ低温に保持されているときに、高温側回路３２の運転を開始することを、コールドスタートと称している。
このコールドスタートでは、高温側回路３２の運転を開始すると、高温側回路３２では既に蒸発圧力が低下している状態であるから、さらに高温側圧縮機３８を駆動することで高温側回路３２の冷媒の蒸発圧力が異常低下してしまうおそれがある。
【００２８】
そこで、制御部５８は、以下に説明するように、高温側回路３２の運転後であって低温側回路３４の運転前（起動時）における、圧力センサ６４に基づく高温側回路３２の制御弁３７の開度の制御を実行する。
制御部５８では、高温側回路３２における冷媒の蒸発圧力を圧力センサ６４で常時検出しており、圧力センサ６４で検出した圧力値が予め設定した第１の閾値を下回った場合には、高温側回路３２の制御弁３７を、開度を絞る方向に制御する。ただし、制御弁３７は全閉状態にするのではなく、冷媒の流通量を減少させつつもある程度の流通量は確保できる程度に絞るようにする。
すなわち、制御部５８は、高温側回路３２における冷媒の予め設定された圧力値を第１の閾値として記憶しており、圧力センサ６４が検出した圧力値が第１の閾値以上である場合には、制御弁３７の開度は一定のまま保持している。
【００２９】
制御部５８は、圧力センサ６４が検出した圧力値が第１の閾値を下回った場合には、制御弁３７の開度を閉じる方向に制御信号を出力する。制御信号を受信した制御弁３７は開度を若干絞る。すると、高温側回路３２において冷媒が高温側蒸発器５３に流入する量が制限され、高温側蒸発器５３を有するカスケードコンデンサ３６内の温度が上昇する。温度が上昇することにより、冷媒の圧力も上昇する。
【００３０】
また、制御部５８は、圧力センサ６４が検出する圧力値が上記の第１の閾値よりも大きい値である第２の閾値以上になった場合には、高温側回路３２の制御弁３７の開度を開ける方向に制御する。
すなわち、制御部５８は、高温側回路３２における冷媒の予め設定された圧力値を第２の閾値として記憶しており、圧力センサ６４が検出した圧力値が第２の閾値以上である場合には、制御弁３７を開ける。
【００３１】
制御部５８は、圧力センサ６４が検出した圧力値が第２の閾値以上となった場合には、制御弁３７の開度を開ける方向に制御信号を出力する。制御信号を受信した制御弁３７は全開とする。すると、高温側回路３２において冷媒が高温側蒸発器５３に流入する量が運転初期の状態となり、高温側蒸発器５３を有するカスケードコンデンサ３６内の温度が下降する。
【００３２】
このようにして、起動時において、高温側回路３２の冷媒の圧力値に基づいて高温側回路３２の制御弁３７の開閉を制御することによって、起動時における高温側回路３２の冷媒の圧力値を適正な値で安定させることができ、冷却制御を正確に行うことができる。
【００３３】
なお、低温側圧縮機５１の運転が開始されると、低温側回路３４における冷凍サイクルが循環し始める。このため、低温側蒸発器５６においては、周囲から蒸発熱を吸熱し、周囲温度を下げる。
低温側圧縮機５１が始動した後の運転行程が、いわゆる通常運転に該当する。
【００３４】
なお、本実施形態では、高温側膨張器４２と高温側蒸発器５３との間に、高温側蒸発器５３への第１の冷媒の流入量を制御する制御弁３７を配置した。しかし、制御弁３７の配置箇所は、高温側膨張器４２の上流側であってもよい。
さらに、高温側膨張器４２と制御弁３７の代わりに比例制御型制御弁を設け、この比例制御型制御弁によって、第１の冷媒の膨張機能と高温側蒸発器５３への流量制御機能の両機能を実現させるようにしてもよい。
【００３５】
（第２の実施形態）
次に本発明の第２の実施形態について、図３に基づいて説明する。
なお、上述した第１の実施形態と同一の構成要素については同一の符号を付し、説明を省略する場合もある。
第２の実施形態の二元冷凍機６０は、高温側回路３２にカスケードコンデンサ３６を構成する高温側蒸発器５３と並列に第２の高温側蒸発器６６を設けている点が特徴となっている。
【００３６】
高温側回路３２の管路４５は、冷媒ドライヤ５０を経た後に分岐され、一方の管路４５ａがカスケードコンデンサ３６を構成する高温側蒸発器５３に接続されている。分岐した他方の管路４５ｂは、第２の高温側膨張器６８と第２の制御弁６９に接続されたのち、第２の高温側蒸発器６６に接続されている。
第２の制御弁６９の開度は制御部５８によって制御可能に設けられており、第２の制御弁６９の開度によって第２の高温側蒸発器６６の温度を設定することができる。
また、一方の管路４５ａの高温側蒸発器５３の下流側と、他方の管路４５ｂの第２の高温側蒸発器６６の下流側は合流し、高温側圧縮機３８の低圧側に接続されている。
【００３７】
このように、高温側回路３２に２つの高温側蒸発器５３，６６を備えたことで、一方の高温側蒸発器５３はカスケードコンデンサ３６を構成し、他方の高温側蒸発器６６は、何らかの被冷却物を冷却することができる。この第２の高温側蒸発器６６は、低温側蒸発器５６と比較すれば高温であるから、第２の高温側蒸発器６６をプレクーラーとし、低温側蒸発器５６をメインクーラーとして段階的に冷却することができる。
【００３８】
以下、二元冷凍機の第２の実施形態の動作について、図４に基づいて説明する。
まず、停止状態から二元冷凍機６０を運転するには、高温側回路３２の高温側圧縮機３８を始動する。
【００３９】
高温側回路３２が運転開始すると、高温側蒸発器５３はカスケードコンデンサ３６内で低温側凝縮器５２から蒸発熱を奪うため、低温側回路３４の第２の冷媒の温度は徐々に低下していき、このため第２の冷媒の圧力も低下する。
制御部５８は、カスケードコンデンサ３６内の温度センサ４８で検出したカスケードコンデンサ３６の温度が、所定の温度にまで低下したことを検出したら、制御部５８内のタイマー回路を作動させる。そして、制御部５８は、所定の温度にまで低下してから所定時間経過したことをタイマー回路が検出したときに、低温側圧縮機５１の運転を開始させるように制御信号を出力する。
【００４０】
なお、第２の制御弁６９は、高温側圧縮機３８を始動させてから低温側圧縮機５１を始動させた後、低温側蒸発器５６に冷却負荷を投入するまでは全閉としておき、冷却負荷を投入した後に全開となるように、制御部５８によって制御される。このような制御によって、低温側回路３４側の温度をなるべく短時間で目標温度にまで達成させることができる。
【００４１】
上述した実施形態と同様にコールドスタートでは、高温側回路３２の運転を開始すると、高温側回路３２では既に蒸発圧力が低下している状態であるから、さらに高温側圧縮機３８を駆動することで高温側回路３２の冷媒の蒸発圧力が異常低下してしまうおそれがある。
【００４２】
そこで、制御部５８は、以下に説明するように、高温側回路３２の運転後であって低温側回路３４の運転前（起動時）における、圧力センサ６４に基づく高温側回路３２の制御弁３７及び第２の制御弁６９の開度の制御を実行する。
制御部５８では、高温側回路３２における冷媒の蒸発圧力を圧力センサ６４で常時検出しており、圧力センサ６４で検出した圧力値が予め設定した第１の閾値を下回った場合には、高温側回路３２の制御弁３７及び第２の制御弁６９を、開度を絞る方向に制御する。ただし、制御弁３７及び第２の制御弁６９は全閉状態にするのではなく、冷媒の流通量を減少させつつもある程度の流通量は確保できる程度に絞るようにする。
すなわち、制御部５８は、高温側回路３２における冷媒の予め設定された圧力値を第１の閾値として記憶しており、圧力センサ６４が検出した圧力値が第１の閾値以上である場合には、制御弁３７及び第２の制御弁６９の開度は一定のまま保持している。
【００４３】
制御部５８は、圧力センサ６４が検出した圧力値が第１の閾値を下回った場合には、制御弁３７及び第２の制御弁６９の開度を閉じる方向に制御信号を出力する。制御信号を受信した制御弁３７及び第２の制御弁６９は開度を若干絞る。すると、高温側回路３２において冷媒が高温側蒸発器５３に流入する量が制限され、高温側蒸発器５３を有するカスケードコンデンサ３６内の温度が上昇する。温度が上昇することにより、冷媒の圧力も上昇する。
【００４４】
また、制御部５８は、圧力センサ６４が検出する圧力値が上記の第１の閾値よりも大きい値である第２の閾値以上になった場合には、高温側回路３２の制御弁３７及び第２の制御弁６９の開度を開ける方向に制御する。
すなわち、制御部５８は、高温側回路３２における冷媒の予め設定された圧力値を第２の閾値として記憶しており、圧力センサ６４が検出した圧力値が第２の閾値以上である場合には、制御弁３７及び第２の制御弁６９を開ける。
【００４５】
制御部５８は、圧力センサ６４が検出した圧力値が第２の閾値以上となった場合には、制御弁３７及び第２の制御弁の開度を開ける方向に制御信号を出力する。制御信号を受信した制御弁３７及び第２の制御弁６９は全開とする。すると、高温側回路３２において冷媒が高温側蒸発器５３に流入する量が運転初期の状態となり、高温側蒸発器５３を有するカスケードコンデンサ３６内の温度が下降する。
【００４６】
このようにして、起動時において、高温側回路３２の冷媒の圧力値に基づいて高温側回路３２の制御弁３７及び第２の制御弁６９の開閉を制御することによって、起動時における高温側回路３２の冷媒の圧力値を適正な値で安定させることができ、冷却制御を正確に行うことができる。
【００４７】
なお、制御弁３７の制御と第２の制御弁６９の制御を同時に行うときは、制御部５８は、制御弁３７の開度と第２の制御弁６９の開度比率が合わせて１００％となるように制御するとよい。例えば、制御弁３７を３０％だけ開いている状態にしたら、第２の制御弁６９を７０％だけ開いているようにする状態である。このように、２つの制御弁３７，６９で流量を絞った場合にも、それぞれの開度にかかわらずに、高温側回路全体として一定流量の冷媒が流れるようにすることで、高温側回路３２の冷媒の圧力が大きく変動しないように精度良く調整することができる。
【００４８】
なお、本実施形態では、第２の高温側膨張器６８と第２の高温側蒸発器６６との間に、第２の高温側蒸発器６６への第１の冷媒の流入量を制御する第２の制御弁６９を配置した。しかし、第２の制御弁６９の配置箇所は、第２の高温側膨張器６８の上流側であってもよい。
さらに、第２の高温側膨張器６８と第２の制御弁６９の代わりに比例制御型制御弁を設け、この比例制御型制御弁によって、第１の冷媒の膨張機能と第２の高温側蒸発器６６への流量制御機能の両機能を実現させるようにしてもよい。
【００４９】
本実施形態では、制御弁３７と第２の制御弁６９を同時に制御する場合について説明したが、制御弁３７は全開のままで、第２の制御弁６９のみを第1の実施形態のように制御してもよい。
【００５０】
なお、上述してきた各実施形態では、高温側回路３２に設けた圧力センサ６４は、高温側蒸発器５３と高温側圧縮機３８の間に設けるものには限定されず、他の箇所に設けて第２の冷媒の圧力を測定してもよい。
【００５１】
以上本発明につき好適な実施形態を挙げて種々説明したが、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、発明の精神を逸脱しない範囲内で多くの改変を施し得るのはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】二元冷凍機の第１の実施形態の全体構成を示す説明図である。
【図２】二元冷凍機の第1の実施形態の動作タイミングを示すチャート図である。
【図３】二元冷凍機の第２の実施形態の全体構成を示す説明図である。
【図４】二元冷凍機の第２の実施形態の動作タイミングを示すチャート図である。
【図５】従来の二元冷凍機を示す説明図である。
【符号の説明】
【００５３】
３０  二元冷凍機
３２  高温側回路
３４  低温側回路
３５  ファン
３６  カスケードコンデンサ
３７  制御弁
３８  高温側圧縮機
４０  高温側凝縮器
４２  高温側膨張器
４５  冷媒流通管
４８  温度センサ
５０  冷媒ドライヤ
５１  低温側圧縮機
５２  低温側凝縮器
５３  高温側蒸発器
５４  低温側膨張器
５５  冷媒流通管
５６  低温側蒸発器
５７  冷媒ドライヤ
５８  制御部
５９  オイルセパレータ
６０  二元冷凍機
６４  圧力センサ
６６  第２の高温側蒸発器
６８  第２の高温側膨張器
６９  第２の制御弁
【図１】
2009168258.tif 000003
【図２】
2009168258.tif 000004
【図３】
2009168258.tif 000005
【図４】
2009168258.tif 000006
【図５】
2009168258.tif 000007