JP5627416B2 - 二元冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍・冷蔵等の用途に利用する二元冷凍装置に関するものである。

従来より、低温の冷凍倉庫や冷蔵倉庫の冷凍装置には、高元冷凍サイクルと低元冷凍サイクルをカスケード熱交換器により熱的に接続した二元冷凍サイクルが利用されている。

このような二元冷凍サイクルを利用した従来の二元冷凍装置としては、例えば、高元圧縮機、高元流量制御弁、カスケード熱交換器及び低元圧縮機で構成され、冷凍倉庫の庫外床側に設置された室外ユニットと、低元流量制御装置及び蒸発器で構成され、冷凍倉庫の庫内に設置された冷却ユニットとからなり、この室外ユニットと冷却ユニットを液配管とガス配管で接続した冷凍装置が提案されている（特許文献１参照）。

また、このような二元冷凍サイクルを利用した従来の二元冷凍装置としては、例えば、高元圧縮機に容量連続制御手段を設けた半密閉形スクリュー二段圧縮機を用い、低元圧縮機に容量連続制御手段を設けた半密閉形スクリュー単段圧縮機を用いた二元冷凍装置が提案されている（特許文献２参照）。

特許第３１７１０１０号公報 特開平１１−６３６９６号公報

上述のように、従来の二元冷凍装置には、高元圧縮機及び低元圧縮機に容量連続制御手段を設けたものが採用されている。しかしながら、これらの二元冷凍装置は、単に負荷が変動しても常時安定した運転が可能になっているのみであり、二元冷凍装置の効率を考慮して高元圧縮機及び低元圧縮機が制御されていないという問題点があった。

また、近年の地球温暖化防止の観点から、フロン系冷媒に代わり自然冷媒のひとつである二酸化炭素が低元冷凍サイクルの冷媒として用いられるようになっている。この二酸化炭素冷媒を用いた二元冷凍装置では、高効率化や信頼性向上が重要な課題となっている。

本発明は、上述のような課題の少なくとも１つを解消するためになされたものであり、効率の高い二元冷凍装置を得ることを目的とする。

本発明に係る二元冷凍装置は、高元圧縮機、凝縮器、高元流量制御装置及びカスケード熱交換器が順次配管接続され、高元冷媒が循環する高元冷凍サイクルと、低元圧縮機、カスケード熱交換器、低元流量制御装置及び蒸発器が順次配管接続され、低元冷媒が循環する低元冷凍サイクルと、を有する二元冷凍装置において、
高元圧縮機が吐出する高元冷媒の圧力を検知する高元高圧検知器と、低元圧縮機が吐出する低元冷媒の圧力を検知する低元高圧検知器と、低元圧縮機が吸入する低元冷媒の圧力を検知する低元低圧検知器と、高元高圧検知器の検知値及び低元低圧検知器の検知値に基づいて低元圧縮機が吐出する低元冷媒の圧力の目標値である低元高圧目標値を演算し、低元圧縮機が吐出する低元冷媒の圧力を低元高圧目標値に制御する制御器と、を備えたものである。

また、本発明に係る二元冷凍装置は、高元圧縮機、凝縮器、高元流量制御装置及びカスケード熱交換器が順次配管接続され、高元冷媒が循環する高元冷凍サイクルと、低元圧縮機、カスケード熱交換器、低元流量制御装置及び蒸発器が順次配管接続され、低元冷媒が循環する低元冷凍サイクルと、を有する二元冷凍装置において、
高元圧縮機が吐出する高元冷媒の圧力を検知する高元高圧検知器と、高元圧縮機が吸入する高元冷媒の圧力を検知する高元低圧検知器と、低元圧縮機が吸入する低元冷媒の圧力を検知する低元低圧検知器と、高元高圧検知器の検知値及び低元低圧検知器の検知値に基づいて高元圧縮機が吸入する高元冷媒の圧力の目標値である高元低圧目標値を演算し、高元圧縮機が吸入する高元冷媒の圧力を高元低圧目標値に制御する制御器と、を備えたものである。

本発明によれば、外気温度、庫内温度及び冷却能力が変化しても常に消費電力が最小となるポイントでの運転が可能となり、最高効率での運転を常に維持することが可能な二元冷凍装置を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る二元冷凍装置の冷媒回路図である。 本発明の実施の形態１に係る二元冷凍装置の制御器の動作を示す説明図である。 本発明の実施の形態１に係る二元冷凍装置における低元凝縮温度と圧縮機入力（圧縮機消費電力）との関係を示す特性図である。 本発明の実施の形態１に係る二元冷凍装置における低元凝縮温度とＣＯＰの関係を示す特性図である。 本発明の実施の形態１に係る二元冷凍装置の別の一例を示す冷媒回路図である。 本発明の実施の形態１に係る二元冷凍装置のさらに別の一例を示す冷媒回路図である。 本発明の実施の形態１に係る二元冷凍装置のさらに別の一例を示す冷媒回路図である。 実施の形態２に係る二元冷凍装置の制御器の動作を示す説明図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る二元冷凍装置の冷媒回路図である。
本実施の形態１に係る二元冷凍装置１００は、高元冷凍サイクルＡ及び低元冷凍サイクルＢを備え、高元冷凍サイクルＡ及び低元冷凍サイクルＢは、カスケード熱交換器２０によって熱的に接続されている。

高元冷凍サイクルＡは、高元冷媒が循環するものであり、高元圧縮機１０、凝縮器１１、高元流量制御装置１２及びカスケード熱交換器２０が順次配管接続されて構成されている。高元圧縮機１０は、例えば二段スクリュー圧縮機である。この高元圧縮機１０には、その回転数を連続的に調整可能な高元圧縮機インバーター１７が接続されている。凝縮器１１は例えばプレートフィンアンドチューブ熱交換器であり、凝縮器１１の近傍には送風機１３が設けられている。送風機１３によって周囲空気（外気）が凝縮器１１に供給されると、凝縮器１１を流れる高元冷媒は供給された周囲空気に凝縮熱を放熱する。この送風機１３には、その回転数を連続的に調整可能な送風機インバーター１４が接続されている。高元流量制御装置１２は、例えば電子式膨張弁であり、高元冷凍サイクルＡを循環する高元冷媒の流量を制御している。カスケード熱交換器２０は、例えばプレート式熱交換器であり、高元冷媒と低元冷媒（低元冷凍サイクルＢを流れる冷媒）とが熱交換を行うものである。

また、本実施の形態１に係る高元冷凍サイクルＡには、高元圧縮機１０の吐出側配管に高元高圧検知器１８が設けられている。高元高圧検知器１８は、例えば圧力センサーであり、高元圧縮機１０が吐出した高圧冷媒の圧力を検知するものである。
なお、以下では、圧縮機（高元圧縮機１０、及び後述の低元圧縮機３０）が吐出した冷媒の圧力を高圧と称し、圧縮機が吸入する冷媒の圧力を低圧と称する。

低元冷凍サイクルＢは、低元冷媒が循環するものであり、低元圧縮機３０、カスケード熱交換器２０、低元第一流量制御装置３２及び蒸発器３１が順次配管接続されて構成されている。ここで、低元第一流量制御装置３２が本発明における低元流量装置に相当する。

低元圧縮機３０は、例えばスクロール圧縮機である。この低元圧縮機３０には、その回転数を連続的に調整可能な低元圧縮機インバーター３７が接続されている。低元第一流量制御装置３２は、例えば電子式膨張弁であり、低元冷凍サイクルＢを循環する低元冷媒の流量を制御している。蒸発器３１は例えばプレートフィンアンドチューブ熱交換器であり、蒸発器３１の近傍には送風機（図示せず）が設けられている。この送風機によって冷凍倉庫の庫内空気が蒸発器３１に供給されると、蒸発器３１を流れる低元冷媒は、供給された冷凍倉庫の庫内空気を冷却して、蒸発する。

また、本実施の形態１に係る低元冷凍サイクルＢには、低元レシーバー３４、低元第二流量制御装置３３、低元内部熱交換器３５、低元高圧検知器３８及び低元低圧検知器３９が設けられている。低元レシーバー３４は、カスケード熱交換器２０の流出側配管に設けられており、低元冷凍サイクルＢの余剰な低元冷媒を貯留するものである。低元第二流量制御装置３３は、例えば電子式膨張弁であり、低元レシーバー３４と低元第一流量制御装置３２との間の冷媒配管に設けられている。この低元第二流量制御装置３３は、低元第一流量制御装置３２と共に低元冷凍サイクルＢを循環する低元冷媒の流量を制御している。低元内部熱交換器３５は、低元第一流量制御装置３２に流入する低元冷媒と蒸発器３１から流出した低元冷媒とが熱交換するものである。低元高圧検知器３８は、例えば圧力センサーであり、低元圧縮機３０の吐出側配管に設けられている。この低元高圧検知器３８は、低元圧縮機３０の高圧を検知するものである。低元低圧検知器３９は、例えば圧力センサーであり、低元圧縮機３０の吸入側配管に設けられている。この低元低圧検知器３９は、低元圧縮機３０の低圧を検知するものである。

また、本実施の形態１に係る二元冷凍装置１００には、高元圧縮機１０、低元圧縮機３０及び送風機１３等の回転数を制御する制御器５０が設けられている。より詳しくは、制御器５０は、入力情報として、高元高圧検知器１８、低元高圧検知器３８及び低元低圧検知器３９の情報（検知値）が取り込まれる。制御器５０は、これらの情報に基いて高元圧縮機１０、低元圧縮機３０及び送風機１３の最適運転状態を演算する。そして、制御器５０は、その最適運転状態の情報を高元圧縮機インバーター１７、低元圧縮機インバーター３７及び送風機インバーター１４へ出力する。

上述した二元冷凍装置１００の各構成要素は、室外ユニット１又は冷却ユニット２に収納されている。本実施の形態１においては、高元圧縮機１０、凝縮器１１、高元流量制御装置１２、送風機１３、送風機インバーター１４、高元圧縮機インバーター１７、高元高圧検知器１８、カスケード熱交換器２０、低元圧縮機３０、低元第二流量制御装置３３、低元レシーバー３４、低元圧縮機インバーター３７、低元高圧検知器３８、低元低圧検知器３９及び制御器５０が、室外ユニット１に収納されている。また、蒸発器３１、低元第一流量制御装置３２及び低元内部熱交換器３５が、冷却ユニット２に収納されている。そして、室外ユニット１と冷却ユニット２は、２つの配管（液配管３及びガス配管４）で接続されている。

なお、本実施の形態１に係る二元冷凍装置１００では、高元冷凍サイクルＡを循環する高元冷媒として、例えば２，３，３，３−テトラフルオロプロペン（ＨＦＯ−１２３４ｙｆ）等のテトラフルオロプロペン、又はこのテトラフルオロプロペンを含む混合冷媒を用いている。また、低元冷凍サイクルＢを循環する低元冷媒として、二酸化炭素を用いている。

（動作説明）
続いて、本実施の形態１に係る二元冷凍装置１００の動作について説明する。

高元冷凍サイクルＡの高元圧縮機１０より吐出された高温高圧で蒸気状態の高元冷媒は、凝縮器１１へ流入し、外気と熱交換して凝縮液化し、高圧液冷媒となる。この高圧液状態の高元冷媒は、高元流量制御装置１２で減圧され、低圧の気液二相冷媒となってカスケード熱交換器２０に流入する。この低圧の気液二相状態となった高元冷媒は、カスケード熱交換器２０内で低元冷媒によって加熱されて蒸発し、低圧の蒸気冷媒となって高元圧縮機１０へ流入し、再び圧縮される。

一方、低元冷凍サイクルＢでは、低元圧縮機３０より吐出された高温高圧で蒸気状態の低元冷媒は、カスケード熱交換器２０へ流入し、高元冷媒に冷却されて凝縮液化し、高圧液冷媒となる。この高圧液状態の低元冷媒は、低元レシーバー３４を通って、低元第二流量制御装置３３に流入する。低元第二流量制御装置３３に流入した高圧液状態の低元冷媒は、減圧されて中圧の気液二相冷媒となり、液配管３を通って、冷却ユニット２内に設けられた低元内部熱交換器３５に流入する。低元内部熱交換器３５に流入した中圧で気液二相状態の低元冷媒は、蒸発器３１を流出した低圧で蒸気状態の低元冷媒によって冷却され、中圧の液冷媒となって、低元第一流量制御装置３２に流入する。

この中圧で液状態の低元冷媒は、低元第一流量制御装置３２で減圧され、低圧の気液二相冷媒となって蒸発器３１に流入する。蒸発器３１に流入した低圧で気液二相状態の低元冷媒は、冷凍倉庫の庫内空気によって加熱され（冷凍倉庫の庫内空気を冷却し）、蒸発して低圧の蒸気冷媒となる。蒸発器３１を流出した低圧で蒸気状態の低元冷媒は、低元内部熱交換器３５に流入する。低元内部熱交換器３５に流入した低圧で蒸気状態の低元冷媒は、低元第二流量制御装置３３を流出した中圧で気液二相状態の低元冷媒によって加熱される。この低圧で蒸気状体の低元冷媒は、ガス配管４を通って低元圧縮機３０へ流入し、再び圧縮される。

制御器５０には、高元高圧検知器１８から高元冷凍サイクルＡの高圧情報（つまり、高元圧縮機１０の高圧情報）が入力され、低元高圧検知器３８から低元冷凍サイクルＢの高圧情報（つまり、低元圧縮機３０の高圧情報）が入力され、低元低圧検知器３９から低元冷凍サイクルＢの低元情報（つまり、低元圧縮機３０の低圧情報）が入力される。制御器５０は、これらの情報から高元圧縮機１０、低元圧縮機３０及び送風機１３の回転数指令を演算し、高元圧縮機インバーター１７、低元圧縮機インバーター３７及び送風機インバーター１４のそれぞれへ回転数指令を出力する。

図２は、本発明の実施の形態１に係る二元冷凍装置の制御器の動作を示す説明図である。制御器５０には、高元高圧検知器１８の検知値である高元高圧ＰＨＨと、低元高圧検知器３８の検知値である低元高圧ＰＬＨと、低元低圧検知器３９の検知値である低元低圧ＰＬＬが入力される。まず、制御器５０は、高元高圧検知器１８から入力された高元高圧ＰＨＨと低元低圧検知器３９から入力された低元低圧ＰＬＬから、低元高圧目標値ＰＬＨｍ（二元冷凍装置１００の効率がもっとも高くなる低元圧縮機３０の高圧）を演算する。

この低元高圧目標値ＰＬＨｍの演算方法を図３及び図４を用いて具体的に説明する。
図３は、本発明の実施の形態１に係る二元冷凍装置における低元凝縮温度と圧縮機入力との関係を示す特性図である。この図３は、低元高圧目標値ＰＬＨｍを決定するプロセスを説明するためのものであり、低元高圧ＰＬＨから一義的に決定される低元凝縮温度を横軸に示し、圧縮機の入力（換言すると消費電力）を縦軸に示している。また、図３は、高元高圧ＰＨＨから一義的に決定される高元凝縮温度が４２℃、低元低圧ＰＬＬから一義的に決定される低元蒸発温度が−４０℃のときの特性図である。

図３に示すように、低元凝縮温度が低下すると、高元圧縮機１０の消費電力は単調に増加するのに対し、低元圧縮機３０の消費電力は単調に減少する。低元凝縮温度の低下とともに高元圧縮機１０の消費電力が増加するのは、低元凝縮温度の低下によって高元蒸発温度も低下し、高元圧縮機１０の圧縮比が増加するためである。また、低元凝縮温度の低下とともに低元圧縮機３０の消費電力が減少するのは、低元凝縮温度の低下により、低元圧縮機３０の圧縮比が減少するためである。

二元冷凍装置１００の圧縮機消費電力は、高元圧縮機１０の消費電力と低元圧縮機３０の消費電力の合計値（消費電力合計値）となる。図３からわかるように、この消費電力合計値は、低元凝縮温度が−１０℃から−２０℃の間に最小値を示す。したがって、低元凝縮温度が−１０℃から−２０℃の間になるように制御することで、二元冷凍装置１００の消費電力を最小に維持することができる。

図４は、本発明の実施の形態１に係る二元冷凍装置における低元凝縮温度とＣＯＰの関係を示す特性図である。なお、ＣＯＰとは、二元冷凍装置１００の冷却能力を消費電力合計値（高元圧縮機１０の消費電力と低元圧縮機３０の消費電力の合計値）で除した値である。図４からわかるように、低元凝縮温度が−１０℃から−２０℃の間でＣＯＰが最大となっている。

そこで、制御器５０は、低元冷媒である二酸化炭素の物性値を用いて、この低元凝縮温度（図３及び図４の条件では−１０℃から−２０℃の間の温度）を低元高圧目標値ＰＬＨｍに変換し、低元高圧目標値ＰＬＨｍを演算する。ここで、この低元高圧目標値ＰＬＨｍ（つまり、消費電力合計値が最小となりＣＯＰが最大となる低元凝縮温度）は、高元高圧ＰＨＨ（つまり、高元凝縮温度）と低元低圧ＰＬＬ（つまり、低元蒸発温度）によって変化する。このため、制御器５０は、高元高圧ＰＨＨ及び低元低圧ＰＬＬが変化するごとに、低元高圧目標値ＰＬＨｍを演算する。

なお、消費電力合計値が最小となる低元凝縮温度の算出は、種々の方法で算出することができる。例えば、高元高圧ＰＨＨ（つまり、高元凝縮温度）及び低元低圧ＰＬＬ（つまり、低元蒸発温度）を変化させ、図３のように各高元高圧ＰＨＨ及び各低元低圧ＰＬＬ毎に消費電力合計値が最小となりＣＯＰが最大となる低元凝縮温度を予め算出しておく。そして、各高元高圧ＰＨＨ（つまり、高元凝縮温度）及び各低元低圧ＰＬＬ（つまり、低元蒸発温度）とこの低元凝縮温度との関係をテーブルや演算式としてまとめ、このテーブルや演算式を予め制御器５０に記憶させておけばよい。

次に、制御器５０は、この低元高圧目標値ＰＬＨｍと低元高圧検知器３８が検知した現在の低元高圧ＰＬＨから、低元高圧偏差ΔＰＬＨ（＝ＰＬＨ−ＰＬＨｍ）を演算する。そして、制御器５０は、この低元高圧偏差ΔＰＬＨから、高元圧縮機１０の回転数指令を演算する。

すなわち、この低元高圧偏差ΔＰＬＨが正の時、制御器５０は、高元圧縮機１０の回転数（つまり、高元圧縮機１０の容量）が現状よりも大きくなるように、高元圧縮機インバーター１７へ指令を出す。これにより、高元低圧ＰＨＬ（高元圧縮機１０が吸入する高元冷媒の圧力）が下がり、低元高圧ＰＬＨが下がる。逆に、低元高圧偏差ΔＰＬＨが負の時、制御器５０は、高元圧縮機１０の回転数（つまり、高元圧縮機１０の容量）が現状よりも小さくなるように、高元圧縮機インバーター１７へ指令を出す。これにより、高元低圧ＰＨＬが上がり、低元高圧ＰＬＨが上がる。なお、高元低圧ＰＨＬと低元高圧ＰＬＨはカスケード熱交換器２０で熱交換する関係にあるので、この高元低圧ＰＨＬと低元高圧ＰＬＨは所定の差を有しながら連動して変化する。このため、制御器５０は、この特性を利用して、高元圧縮機１０の回転数指令を低元高圧偏差ΔＰＬＨから決定している。

このように、本実施の形態１に係る二元冷凍装置１００は、高元高圧検知器１８と低元低圧検知器３９の検知情報から、消費電力合計値（高元圧縮機１０の消費電力と低元圧縮機３０の消費電力の合計値）が最小となるように高元圧縮機１０の回転数を決定している。このため、外気温度、庫内温度及び冷却能力が変化しても常に消費電力が最小のポイントで二元冷凍装置１００を運転することが可能となる。したがって、最高効率が常に維持できる二元冷凍装置１００を提供することができる。

なお、本実施の形態１では、外気温度、庫内温度及び冷却能力が変化しても常に消費電力が最小のポイントで運転できる二元冷凍装置１００の例として、高元高圧検知器１８と低元低圧検知器３９の検知情報から消費電力合計値が最小となる低元高圧目標値ＰＬＨｍを演算し、低元高圧検知器３８が検知した現在の低元高圧情報を用いて高元圧縮機１０の回転数を決定する例について説明した。しかしながら、これに限らず、例えば次のように二元冷凍装置１００を運転してもよい。

図５は、本発明の実施の形態１に係る二元冷凍装置の別の一例を示す冷媒回路図である。
図５に示す二元冷凍装置１００には、図１に示した二元冷凍装置１００に設けられていた低元高圧検知器３８に換えて、高元圧縮機１０の低圧を検知する高元低圧検知器１９が設けられている。このように構成された二元冷凍装置１００においては、高元高圧検知器１８と低元低圧検知器３９の検知情報から消費電力合計値が最小となる高元蒸発温度を求める。そして、低元冷媒である二酸化炭素の物性値を用いて、この高元蒸発温度から高元低圧目標値ＰＨＬｍを演算する。そして、高元低圧検知器１９が算出した現在の高元低圧情報が高元低圧目標値ＰＨＬｍとなるように、高元圧縮機１０の回転数を制御する。

上述のように、高元低圧と低元高圧はカスケード熱交換器２０で熱交換する関係にあるので、この高元低圧ＰＨＬと低元高圧ＰＬＨは所定の差を有しながら連動して変化する。このため、高元低圧検知器１９が算出した現在の高元低圧情報を高元低圧目標値ＰＨＬｍとなるように高元圧縮機１０の回転数を制御しても、最高効率が常に維持できる二元冷凍装置１００を提供することができる。

次に、二元冷凍装置１００の装置起動時の制御方法について説明する。
本実施の形態１に係る二元冷凍装置１００においては、制御器５０に運転指令が入力されると、制御器５０は、まず高元圧縮機１０から起動する。その後、制御器５０は低元圧縮機３０を起動する。

二元冷凍装置１００が停止している状態においては、低元冷凍サイクルＢ内の冷媒圧力は外気温度や庫内温度の影響を受けて変化する。このため、低元冷凍サイクルＢの冷媒圧力が高い状態で二元冷凍装置１００を起動させる場合、高元圧縮機１０よりも低元圧縮機３０を先に起動すると、低元冷媒がカスケード熱交換器２０で凝縮できなくなる。したがって、低元冷凍サイクルＢの高圧が一気に上昇し、高圧カットが発生しやすくなる。

そこで、本実施の形態１に係る二元冷凍装置１００においては、制御器５０に運転指令が入力されると、制御器５０は、まず高元圧縮機１０から起動する。そして、カスケード熱交換器２０へ高元冷媒を供給して、低元冷凍サイクルＢの冷媒圧力が所定の値（例えば３ＭＰａ程度）となった後、低元圧縮機３０を起動するようにしている。このように高元圧縮機１０及び低元圧縮機３０を起動することにより、二元冷凍装置１００の起動時に低元冷凍サイクルＢの高圧カット停止が発生せず、信頼性の高い二元冷凍装置１００を提供することができる。

なお、低元冷凍サイクルＢの冷媒圧力は、低元高圧検知器３８の検知値としてもよいし、低元低圧検知器３９の検知値としてもよいし、低元高圧検知器３８の検知値と低元低圧検知器３９の検知値の平均値としてもよい。また、高元圧縮機１０が起動して所定時間経過した後に、低元圧縮機３０を起動するようにしてもよい。

次に、二元冷凍装置１００の装置停止時の制御方法について説明する。
本実施の形態１に係る二元冷凍装置１００においては、制御器５０に停止指令が入力されると、制御器５０は、まず低元圧縮機３０から停止する。その後、制御器５０は高元圧縮機１０を停止する。

このように高元圧縮機１０が運転中に低元圧縮機３０を先に停止するように制御しているので、装置停止時に低元冷凍サイクルＢの冷媒圧力が急激に上昇することなく、信頼性の高い二元冷凍装置１００を提供することができる。

なお、本実施の形態１では、室外ユニット１内の低元冷凍サイクルＢの低元レシーバー３４の出口に低元第二流量制御装置３３を設けた例について説明したが、これに限るものではなく、例えば次のような二元冷凍装置においても、図１及び図５に示した二元冷凍装置１００と同様の効果を得ることができる。
図６は、本発明の実施の形態１に係る二元冷凍装置のさらに別の一例を示す冷媒回路図である。図６に示す二元冷凍装置１００は、図１に示した二元冷凍装置１００から低元第二流量制御装置３３が取り外されているものである。このような二元冷凍装置１００においても、図１及び図５に示した二元冷凍装置１００と同様の効果を得ることができる。

さらに、本実施の形態１では、冷却ユニット２内に低元内部熱交換器３５を設けた例について説明したが、これに限るものではなく、例えば次のような二元冷凍装置においても、図１，図５及び図６に示した二元冷凍装置１００と同様の効果を得ることができる。
図７は、本発明の実施の形態１に係る二元冷凍装置のさらに別の一例を示す冷媒回路図である。図７に示す二元冷凍装置１００は、図５に示した二元冷凍装置１００から低元内部熱交換器３５が取り外されているものである。このような二元冷凍装置１００においても、図１，図５及び図６に示した二元冷凍装置１００と同様の効果を得ることができる。

さらに、本実施の形態１では、室外ユニット１内の低元冷凍サイクルＢに低元レシーバー３４を設けた例について説明したが、図１及び図５〜図７の二元冷凍装置１００から低元レシーバー３４を取り外したものでも、図１及び図５〜図７に示した二元冷凍装置１００と同様の効果を得ることができる。

また、本実施の形態１に係る二元冷凍装置１００では、低元冷凍サイクルＢの低元冷媒として二酸化炭素を使用したが、これに限るものではなく、二酸化炭素以外の炭化水素など自然冷媒やフロン系冷媒を使用しても同様の効果を発揮する。なお、低元冷凍サイクルＢの低元冷媒として二酸化炭素を使用することにより、地球温暖化への影響の小さな二元冷凍装置１００が提供できる。また、二酸化炭素冷媒は通常のフロン系冷媒に比べてガス配管４を流れる際の圧力損失が小さくなるので、このガス配管４内の圧力損失による性能低下を抑制でき、効率の高い二元冷凍装置１００を提供することができる。また、二酸化炭素冷媒はアンモニア冷媒のように毒性がないので、安全性に優れた二元冷凍装置１００を提供することができる。

また、本実施の形態１に係る二元冷凍装置１００では、高元冷凍サイクルＡの高元冷媒として２，３，３，３−テトラフルオロプロペン（ＨＦＯ−１２３４ｙｆ）等のテトラフルオロプロペン、又はこのテトラフルオロプロペンを使用したが、その他の冷媒を高元冷媒として使用しても勿論よい。なお、高元冷凍サイクルＡの高元冷媒として２，３，３，３−テトラフルオロプロペン（ＨＦＯ−１２３４ｙｆ）等のテトラフルオロプロペン、又はこのテトラフルオロプロペンを含む混合冷媒を作動流体（冷媒）を使用することにより、地球温暖化への影響の小さな二元冷凍装置１００が提供できる。

また、本実施の形態１に係る二元冷凍装置１００では、低元第一流量制御装置３２、低元第二流量制御装置３３がともに電子膨張弁である場合について説明したが、これに限ることは無く、どちらか一方、あるいは両方が、温度式膨張弁や毛細管であっても同様の効果を発揮する。

実施の形態２．
図８は、本発明の実施の形態２に係る二元冷凍装置の制御器の動作を示す説明図である。本実施の形態２では、二元冷凍装置１００の構成は図１と同一である。なお、本実施の形態２において、特に記述しない項目については実施の形態１と同様とし、同一の機能や構成については同一の符号を用いて、重複する説明は省略する。

制御器５０には、高元高圧検知器１８から高元冷凍サイクルＡの高圧情報（つまり、高元圧縮機１０の高圧情報）が入力され、低元高圧検知器３８から低元冷凍サイクルＢの高圧情報（つまり、低元圧縮機３０の高圧情報）が入力され、低元低圧検知器３９から低元冷凍サイクルＢの低元情報（つまり、低元圧縮機３０の低圧情報）が入力される。制御器５０は、まず、高元高圧検知器１８から入力された高元高圧ＰＨＨと低元低圧検知器３９から入力された低元低圧ＰＬＬから、低元高圧目標値ＰＬＨｍ（二元冷凍装置１００の効率がもっとも高くなる低元圧縮機３０の高圧）を演算する。この低元高圧目標値ＰＬＨｍの演算方法は、実施の形態１と同様であるので、ここでは説明を省略する。

次に、制御器５０は、この低元高圧目標値ＰＬＨｍと低元高圧検知器３８が検知した現在の低元高圧ＰＬＨから、低元高圧偏差ΔＰＬＨ（＝ＰＬＨ−ＰＬＨｍ）を演算する。そして、制御器５０は、この低元高圧偏差ΔＰＬＨから、高元圧縮機１０の回転数指令（つまり、高元圧縮機インバーター１７への回転数指令）を演算する。さらに、制御器５０は、この低元高圧偏差ΔＰＬＨから、凝縮器１１へ外気を供給する送風機１３の回転数指令（つまり、送風機インバーター１４への回転数指令）を演算する。一般に、冷凍サイクルの高圧や低圧は圧縮機の容量と凝縮器の熱交換量により決定される。すなわち、冷凍サイクルの低圧を下げたい場合には、圧縮機の容量を大きくし、また凝縮器の熱交換量を大きくすればよい。逆に、冷凍サイクルの低圧を上げたい場合には、圧縮機の容量を小さくし、また凝縮器の熱交換量を小さくすればよい。

この特性を利用して、本実施の形態２では、高元圧縮機１０及び送風機１３の回転数を制御する。すなわち、低元高圧偏差ΔＰＬＨが正の時、制御器５０は、高元圧縮機１０の回転数（つまり、高元圧縮機１０の容量）が現状よりも大きくなるように、高元圧縮機インバーター１７へ指令を出す。また、低元高圧偏差ΔＰＬＨが正の時、制御器５０は、送風機１３の回転数が現状よりも大きくなるように、送風機インバーター１４へ指令を出す。これにより、高元低圧ＰＨＬ（高元圧縮機１０が吸入する高元冷媒の圧力）が下がり、低元高圧ＰＬＨが下がる。逆に、低元高圧偏差ΔＰＬＨが負の時、制御器５０は、高元圧縮機１０の回転数（つまり、高元圧縮機１０の容量）が現状よりも小さくなるように、高元圧縮機インバーター１７へ指令を出す。また、低元高圧偏差ΔＰＬＨが負の時、制御器５０は、送風機１３の回転数が現状よりも小さくなるように、送風機インバーター１４へ指令を出す。これにより、高元低圧ＰＨＬが上がり、低元高圧ＰＬＨが上がる。なお、高元低圧ＰＨＬと低元高圧ＰＬＨはカスケード熱交換器２０で熱交換する関係にあるので、この高元低圧ＰＨＬと低元高圧ＰＬＨは所定の差を有しながら連動して変化する。このため、制御器５０は、この特性を利用して、高元圧縮機１０及び送風機１３の回転数指令を低元高圧偏差ΔＰＬＨから決定している。

このように、本実施の形態２に係る二元冷凍装置１００は、高元高圧検知器１８と低元低圧検知器３９の検知情報から、消費電力合計値（高元圧縮機１０の消費電力と低元圧縮機３０の消費電力の合計値）が最小となるように高元圧縮機１０の回転数を決定している。このため、実施の形態１と同様に、外気温度、庫内温度及び冷却能力が変化しても常に消費電力が最小のポイントで二元冷凍装置１００を運転することが可能となる。したがって、実施の形態１と同様に、最高効率が常に維持できる二元冷凍装置１００を提供することができる。

また、本実施の形態２に係る二元冷凍装置１００は、低元高圧偏差ΔＰＬＨが小さくなるように、高元圧縮機１０の回転数と共に送風機１３の回転数も制御している。このため、本実施の形態２に係る二元冷凍装置１００は、高元圧縮機１０の回転数のみで低元高圧を制御していた実施の形態１に係る二元冷凍装置１００と比べ、すばやく確実に低元高圧を目標値に制御することができる。

なお、本実施の形態２では、外気温度、庫内温度及び冷却能力が変化しても常に消費電力が最小のポイントで運転できる二元冷凍装置１００の例として、高元高圧検知器１８と低元低圧検知器３９の検知情報から消費電力合計値が最小となる低元高圧目標値ＰＬＨｍを演算し、低元高圧検知器３８が検知した現在の低元高圧情報を用いて高元圧縮機１０及び送風機１３の回転数を決定する例について説明した。しかしながら、これに限らず、高元高圧検知器１８と低元低圧検知器３９の検知情報から消費電力合計値が最小となる高元低圧目標値ＰＨＬｍを演算し、高元低圧検知器１９が検知した現在の高元低圧情報を用いて高元圧縮機１０及び送風機１３の回転数を決定してもよい。

実施の形態３．
本発明の実施の形態３に係る二元冷凍装置１００について説明する。本実施の形態３に係る二元冷凍装置１００の構成は図１と同一である。なお、特に記述しない項目については実施の形態１と同様とし、同一の機能や構成については同一の符号を用いて、重複する説明は省略する。

本実施の形態３に係る二元冷凍装置１００は、装置起動時の制御方法が実施の形態１に係る二元冷凍装置１００と異なる。以下に、本実施の形態３に係る装置起動時の制御方法について説明する。

制御器５０に運転指令が入力されると、制御器５０は、まず低元冷凍サイクルＢの冷媒圧力を検出する。そして、制御器５０は、低元冷凍サイクルＢの冷媒圧力が所定の値（例えば３ＭＰａ）低い場合、高元圧縮機１０と低元圧縮機３０を同時に起動するように制御している。なお、本実施の形態３では、低元高圧検知器３８の検知値と低元低圧検知器３９の検知値の平均値を低元冷凍サイクルＢの冷媒圧力としている。

上述のように、実施の形態１に係る二元冷凍装置１００の制御器５０は、装置起動時、常に低元圧縮機３０よりも先に高元圧縮機１０を起動し、低元冷凍サイクルＢの起動時の高圧カット停止を防止していた。しかしながら、庫内温度の安定性の観点からは、できるだけ早く低元冷凍サイクルＢを運転することが望まれる。

そこで、本実施の形態３に係る二元冷凍装置１００の制御器５０は、運転指令が入力されると、まず低元冷凍サイクルＢの冷媒圧力を検出する。そして、低元冷凍サイクルＢの冷媒圧力が高元圧縮機１０と低元圧縮機３０を同時起動しても低元冷凍サイクルＢで高圧カット停止を発生しない所定の冷媒圧力（例えば３ＭＰａ）となっている場合、本実施の形態３に係る制御器５０は、高元圧縮機１０と低元圧縮機３０を同時に起動する。このように高元圧縮機１０及び低元圧縮機３０を起動させることにより、装置起動時に高圧カット停止のない信頼性の高い運転と、庫内温度の早期安定化の両立が可能な二元冷凍装置１００を提供することができる。なお、高元圧縮機１０と低元圧縮機３０を同時起動しても低元冷凍サイクルＢで高圧カット停止を発生しない所定の冷媒圧力は、例えば、試験等により予め確認されている値である。

１ 室外ユニット、２ 冷却ユニット、３ 液配管、４ ガス配管、１０ 高元圧縮機、１１ 凝縮器、１２ 高元流量制御装置、１３ 送風機、１４ 送風機インバーター、１７ 高元圧縮機インバーター、１８ 高元高圧検知器、１９ 高元低圧検知器、２０ カスケード熱交換器、３０ 低元圧縮機、３１ 蒸発器、３２ 低元第一流量制御装置、３３ 低元第二流量制御装置、３４ 低元レシーバー、３５ 低元内部熱交換器、３７ 低元圧縮機インバーター、３８ 低元高圧検知器、３９ 低元低圧検知器、５０ 制御器、１００ 二元冷凍装置、Ａ 高元冷凍サイクル、Ｂ 低元冷凍サイクル。

Claims (11)

1. 高元圧縮機、凝縮器、高元流量制御装置及びカスケード熱交換器が順次配管接続され、高元冷媒が循環する高元冷凍サイクルと、
   低元圧縮機、前記カスケード熱交換器、低元流量制御装置及び蒸発器が順次配管接続され、低元冷媒が循環する低元冷凍サイクルと、
   を有する二元冷凍装置において、
   前記高元圧縮機が吐出する前記高元冷媒の圧力を検知する高元高圧検知器と、
   前記低元圧縮機が吐出する前記低元冷媒の圧力を検知する低元高圧検知器と、
   前記低元圧縮機が吸入する前記低元冷媒の圧力を検知する低元低圧検知器と、
   前記高元高圧検知器の検知値及び前記低元低圧検知器の検知値に基づいて前記低元圧縮機が吐出する前記低元冷媒の圧力の目標値である低元高圧目標値を演算し、前記低元圧縮機が吐出する前記低元冷媒の圧力を前記低元高圧目標値に制御する制御器と、
   を備えたことを特徴とする二元冷凍装置。
2. 前記低元高圧目標値をＰＬＨｍ、低元高圧検知器の検知値をＰＬＨと定義した場合、
   前記制御器は、
   低元高圧偏差ΔＰＬＨ＝ＰＬＨ−ＰＬＨｍを演算し、
   前記ΔＰＬＨが正の場合、前記高元圧縮機の容量を大きくし、
   前記ΔＰＬＨが負の場合、前記高元圧縮機の容量を小さくして、
   前記低元圧縮機が吐出する前記低元冷媒の圧力を前記低元高圧目標値に制御することを特徴とする請求項１に記載の二元冷凍装置。
3. 前記制御器は、
   前記高元圧縮機の容量と前記凝縮器の熱交換量を制御することにより、前記低元圧縮機が吐出する前記低元冷媒の圧力を前記低元高圧目標値に制御することを特徴とする請求項１に記載の二元冷凍装置。
4. 高元圧縮機、凝縮器、高元流量制御装置及びカスケード熱交換器が順次配管接続され、高元冷媒が循環する高元冷凍サイクルと、
   低元圧縮機、前記カスケード熱交換器、低元流量制御装置及び蒸発器が順次配管接続され、低元冷媒が循環する低元冷凍サイクルと、
   を有する二元冷凍装置において、
   前記高元圧縮機が吐出する前記高元冷媒の圧力を検知する高元高圧検知器と、
   前記高元圧縮機が吸入する前記高元冷媒の圧力を検知する高元低圧検知器と、
   前記低元圧縮機が吸入する前記低元冷媒の圧力を検知する低元低圧検知器と、
   前記高元高圧検知器の検知値及び前記低元低圧検知器の検知値に基づいて前記高元圧縮機が吸入する前記高元冷媒の圧力の目標値である高元低圧目標値を演算し、前記高元圧縮機が吸入する前記高元冷媒の圧力を前記高元低圧目標値に制御する制御器と、
   を備えたことを特徴とする二元冷凍装置。
5. 前記制御器は、
   前記高元圧縮機の容量を制御することにより、前記高元圧縮機が吸入する前記高元冷媒の圧力を前記高元低圧目標値に制御することを特徴とする請求項４に記載の二元冷凍装置。
6. 前記制御器は、
   前記高元圧縮機の容量と前記凝縮器の熱交換量を制御することにより、前記高元圧縮機が吸入する前記高元冷媒の圧力を前記高元低圧目標値に制御することを特徴とする請求項４に記載の二元冷凍装置。
7. 前記制御器は、
   装置起動時、前記低元圧縮機よりも先に前記高元圧縮機を起動することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の二元冷凍装置。
8. 前記制御器は、
   装置起動前に、前記低元冷凍サイクル内の前記低元冷媒の圧力を検出し、
   前記低元冷凍サイクル内の前記低元冷媒の圧力が所定の値よりも小さい場合、前記低元圧縮機と前記高元圧縮機を同時に起動することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の二元冷凍装置。
9. 前記制御器は、
   装置停止時、前記高元圧縮機よりも先に前記低元圧縮機を停止することを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の二元冷凍装置。
10. 前記低元冷媒として二酸化炭素を用いることを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載の二元冷凍装置。
11. 前記高元冷媒として、テトラフルオロプロペン、又はテトラフルオロプロペン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１０のいずれか一項に記載の二元冷凍装置。

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