(57)【要約】【課題】負荷が大きくなっても低温側圧縮機を破損させずに連続運転が可能な二元冷凍機を提供する。【解決手段】二元冷凍機３０において、低温側管路５５における低温側圧縮機５１の高圧側と低圧側とをバイパスするバイパス管６０と、バイパス管６０を開閉する常閉弁であって、低温側圧縮機５１の高圧側における第２の冷媒が所定の圧力以上になったときに開となり、圧力の増加に伴って第２の冷媒の流量を増加させてバイパス管６０に流入させる第１の制御弁６２と、低温側圧縮機５１の低圧側における低温側管路５５を開閉する常開弁であって、低温側圧縮機５１の低圧側における第２の冷媒が所定の圧力以上になったとき、圧力の増加に伴って低温側圧縮機５１に流入させる第２の冷媒の流量を制限する第２の制御弁６６とを具備する。【選択図】図１
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【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高温側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低温側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、
前記低温側管路における前記低温側圧縮機の高圧側と低圧側とをバイパスするバイパス管と、
該バイパス管を開閉する常閉弁であって、前記低温側圧縮機の高圧側における第２の冷媒が所定の圧力以上になったときに開となり、圧力の増加に伴って第２の冷媒の流量を増加させて前記バイパス管に流入させる第１の制御弁と、
前記低温側圧縮機の低圧側における低温側管路を開閉する常開弁であって、前記低温側圧縮機の低圧側における第２の冷媒が所定の圧力以上になったとき、圧力の増加に伴って前記低温側圧縮機に流入させる第２の冷媒の流量を制限する第２の制御弁とを具備することを特徴とする二元冷凍機。
【請求項２】
前記低温側圧縮機の高圧側における第２の冷媒の圧力を検出する第１の圧力センサと、
前記低温側圧縮機の低圧側における第２の冷媒の圧力を検出する第２の圧力センサと、
第１の圧力センサが検出した圧力値が予め設定された第１の閾値以上になった場合には、圧力の増加に比例した流量の第２の冷媒が前記バイパス管に流入するように前記第１の制御弁へ制御信号を出力するとともに、第２の圧力センサが検出した圧力値が予め設定された第２の閾値以上になった場合には、圧力の増加に反比例した流量の第２の冷媒が前記低温側圧縮機に流入するように前記第２の制御弁へ制御信号を出力する制御部とを具備することを特徴とする請求項１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３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】
上述したように、従来の二元冷凍機では、運転中に負荷が大きくなった場合において低温側回路の冷媒の圧力が上昇するとともに冷媒の温度も上昇する。そして、カスケードコンデンサ１４の温度センサ２７で検出する温度が所定温度以上となると低温側圧縮機２６の運転が停止してしまう。
しかし、負荷が大きくなる都度、運転が停止するのでは冷却効率が悪くなってしまうので、負荷が大きくなっても連続運転して冷却効率を下げないようにすべきである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、負荷が大きくなっても低温側圧縮機を破損させずに連続運転が可能な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高温側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低温側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、前記低温側管路における前記低温側圧縮機の高圧側と低圧側とをバイパスするバイパス管と、該バイパス管を開閉する常閉弁であって、前記低温側圧縮機の高圧側における第２の冷媒が所定の圧力以上になったときに開となり、圧力の増加に伴って第２の冷媒の流量を増加させて前記バイパス管に流入させる第１の制御弁と、前記低温側圧縮機の低圧側における低温側管路を開閉する常開弁であって、前記低温側圧縮機の低圧側における第２の冷媒が所定の圧力以上になったとき、圧力の増加に伴って前記低温側圧縮機に流入させる第２の冷媒の流量を制限する第２の制御弁とを具備す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、負荷が大きくなって低温側圧縮機の高圧側における第２の冷媒の圧力及び温度が上昇した場合には、第１の制御弁が動作して低温側凝縮器へ流入するはずの第２の冷媒が分岐してバイパス管内に流入する。そして、バイパス管を通った第２の冷媒は、低温側圧縮機の低圧側に移動する。このため、高温の第２の冷媒が多量に低温側凝縮器に流入することを防止することによって、カスケードコンデンサ内の温度上昇を防止することができ、負荷が大きくなった場合でも連続運転を可能にする。さらに、低温側圧縮機の低圧側にバイパスされた高温の第２の冷媒は、圧力に大きくなるほど低温側圧縮機への流入が制御されるので、高圧となった第２の冷媒が低温側圧縮機内に大量に流入するのが妨げられ低温側圧縮機の破損を防ぐことができる。
【００１２】
また、前記低温側圧縮機の高圧側における第２の冷媒の圧力を検出する第１の圧力センサと、前記低温側圧縮機の低圧側における第２の冷媒の圧力を検出する第２の圧力センサと、第１の圧力センサが検出した圧力値が予め設定された第１の閾値以上になった場合には、圧力の増加に比例した流量の第２の冷媒が前記バイパス管に流入するように前記第１の制御弁へ制御信号を出力するとともに、第２の圧力センサが検出した圧力値が予め設定された第２の閾値以上になった場合には、圧力の増加に反比例した流量の第２の冷媒が前記低温側圧縮機に流入するように前記第２の制御弁へ制御信号を出力する制御部とを具備することを特徴としてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明にかかる二元冷凍機によれば、負荷が大きくなったとしても連続運転が可能であり、しかも低温側圧縮機の破損を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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。
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。
【００１５】
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。
また、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バルブ３９が設けられている。
【００１６】
高温側凝縮器４０にはファン３５が設けられており、ファン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等が挙げられる。
【００１７】
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。
【００１８】
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４４が設けられている。
温度センサ４４には、制御部５８が接続されている。制御部５８は、高温側圧縮機３８及び低温側圧縮機５１の動作を制御可能に設けられており、検出したカスケードコンデンサ３６内の温度が、予め設定しておいた所定の温度になるように制御する。
また、制御部５８は、温度センサ４４が検出した温度が予め設定された所定温度以上になった場合に、低温側圧縮機５１の運転を停止するように制御する。
【００１９】
冷媒流通管５５における、低温側圧縮機５１の高圧側と低圧側との間は、バイパス管６０が接続されている。
また、バイパス管６０には、通常の運転時は閉となっている常閉型の制御弁６２が設けられている。制御弁６２は比例制御型であり、低温側圧縮機５１の高圧側における第２の冷媒が予め設定された圧力以上になった場合に、開となるように制御される。
【００２０】
低温側圧縮機５１の高圧側には、第２の冷媒の圧力を測定する圧力センサ６４が設けられている。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。
制御部５８は、圧力センサ６４が測定した圧力値に基づいて圧力値に比例した電流値の制御信号を制御弁６２へ出力する。制御弁６２では、制御部５８からの制御信号に基づいて制御信号の電流値の大きさに比例して開度が大きくなるように制御している。
【００２１】
低温側圧縮機５１の低圧側には、通常の運転時は開となっている常開型の制御弁６６が設けられている。制御弁６６は比例制御型であり、低温側圧縮機５１の低圧側における第２の冷媒が予め設定された圧力以上になった場合に、低温側圧縮機５１への冷媒の流入量が圧力に反比例して絞られるように制御される。
【００２２】
低温側圧縮機５１の低圧側には、第２の冷媒の圧力を測定する圧力センサ６７が設けられている。圧力センサ６７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。
制御部５８は、圧力センサ６７が測定した圧力値に基づいて圧力値に反比例した電流値の制御信号を制御弁６６へ出力する。制御弁６６では、制御部５８からの制御信号に基づいて制御信号の電流値の大きさに比例して弁が開度が大きくなるように制御している。
【００２３】
本実施形態における二元冷凍機３０の動作を図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。
【００２４】
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内の温度を温度センサ４４によって検出しており、カスケードコンデンサ３６内が予め設定された所定温度にまで低下したことを検出した場合には、低温側圧縮機５１の運転を開始させる。
【００２５】
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。
【００２６】
ここで、二元冷凍機３０に大きな負荷が生じた場合について説明する。
大きな負荷とは、高温側凝縮器４０において、周囲の温度が高温となり高温側凝縮器４０からの放熱がうまくいかなくなった場合等が考えられる。この場合、高温側回路３２の第１の冷媒の温度が上昇し、カスケードコンデンサ３６内における高温側蒸発器５３では低温側凝縮器５２からの凝縮潜熱を吸収できず、第２の冷媒の温度が上昇する。
すると低温側圧縮機５１の高圧側においても第２の冷媒の温度が上昇すると共に圧力が上昇する。
【００２７】
低温側圧縮機５１の高圧側における第２の冷媒の圧力の上昇は、圧力センサ６４によって検出される。制御部５８は、圧力センサ６４からの圧力信号を受信し、圧力センサ６４が検出する圧力が予め設定された第１の閾値以上になるかどうかを判断する。制御部５８は、圧力センサ６４が検出した圧力が第１の閾値以上になったと判断した場合、制御弁６２へ制御信号を出力する。制御部５８が出力する制御信号は、圧力センサ６４が検出した圧力値に比例した大きさの電流量の信号である。制御弁６２は、比例制御型の制御弁を採用していることから、この制御信号を受けることによって、圧力に比例した開度で弁を開き、圧力に比例した量の第２の冷媒をバイパス管６０へ流入させることができる。バイパス管６０を通過した第２の冷媒は、低温側圧縮機５１の低圧側に流出する。
【００２８】
バイパス管６０を通過した第２の冷媒が低温側圧縮機５１の低圧側に流出すると、この部分において第２の冷媒が高圧となる。
低温側圧縮機５１の低圧側における第２の冷媒の圧力の上昇は、圧力センサ６７によって検出される。制御部５８は、圧力センサ６７からの圧力信号を受信し、圧力センサ６７が検出する圧力が予め設定された第２の閾値以上になるかどうかを判断する。制御部５８は、圧力センサ６７が検出した圧力が第２の閾値以上になったと判断した場合、制御弁６６へ制御信号を出力する。制御部５８が出力する制御信号は、圧力センサ６７が検出した圧力値に反比例した大きさの電流量の信号である。制御弁６２は、比例制御型の制御弁を採用していることから、この制御信号を受けることによって、圧力に反比例した開度で弁を閉じていき、圧力に反比例した量の第２の冷媒を低温側圧縮機５１へ流入させることができる。
【００２９】
上述してきたように、二元冷凍機３０に負荷がかかっても制御弁６２及び制御弁６６を制御することによって、カスケードコンデンサ３６の温度を上げることなく、温度センサ４４の温度検出に基づいて制御部５８が低温側圧縮機５１をオフにすることがない。このため、本発明の二元冷凍機３０は、負荷がかかった場合であっても連続運転を可能としている。
しかし、負荷が大きすぎて制御弁６２や制御弁６６の制御によっても第２の冷媒が高圧、高温化して低温側圧縮機５１への影響が避けられないような場合、カスケードコンデンサ３６内の温度センサ４４の温度検出によって制御部５８が低温側圧縮機５１をオフするように制御する。すなわち、制御部５８が温度センサ４４の検出温度に基づいて低温側圧縮機５１をオフにする場合の設定温度は、圧力センサ６４で検出する圧力に該当する温度よりも高い温度に設定しておくことが必要である。
【００３０】
なお、上述してきた実施形態では、制御弁６２は圧力に比例した量の第２の冷媒をバイパス管６０に流すように制御しているが、圧力上昇に伴ってバイパス管６０への流入量も上昇するのであれば比例関係になることに限定するものではない。
同様に、制御弁６６は圧力に反比例した量の第２の冷媒を低温側圧縮機５１に流すように制御しているが、圧力上昇に伴って低温側圧縮機５１への流入量も減少するのであれば反比例関係になることに限定するものではない。
【００３１】
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】
【００３２】
【図１】本発明の二元冷凍機の全体構成を示す説明図である。
【図２】本発明の二元冷凍機の動作タイミングを示すチャート図である。
【図３】従来の二元冷凍機を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３３】
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  制御バルブ
３８  高温側圧縮機
３９  制御バルブ
４０  高温側凝縮器
４３  高温側膨張器
４４  温度センサ
４５  冷媒流通管
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  バイパス管
６２，６６  制御弁
６４，６７  圧力センサ
【図１】
2009128001.tif 000003
【図２】
2009128001.tif 000004
【図３】
2009128001.tif 000005