JP7299395B1 - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低元冷凍サイクルおよび高元冷凍サイクルを含む冷凍装置において、簡易な構成で低元圧縮機の停止中であっても低元冷媒を効率的に冷却する。【解決手段】冷凍装置１は、二酸化炭素を低元冷媒として用いて循環させ、低元蒸発器１４にて冷却対象物を冷却する低元冷凍サイクル１０と、高元冷媒を循環させる高元冷凍サイクル２０と、低元凝縮器５ａと高元蒸発器５ｂとを有し、低元冷媒と高元冷媒との熱交換を行うとともに液化した低元冷媒を貯留可能なカスケードコンデンサ５と、低元冷凍サイクル１０において低元圧縮機１１の吸込圧力を測定する圧力センサ１５ａと、低元冷凍サイクル１０における冷却対象物の冷却が不要となった場合に電磁弁１５を閉じることによってカスケードコンデンサ５内に液化した低元冷媒を回収および貯留し、圧力センサ１５ａによって測定した吸込圧力が下限値以下になると低元圧縮機１１を停止する制御装置３０とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍装置に関し、特に低元冷凍サイクルおよび高元冷凍サイクルを含む冷凍装置に関する。

低元冷凍サイクルと高元冷凍サイクルをカスケードコンデンサにより熱的に接続した冷凍装置が知られている。例えば特許文献１には、そのような冷凍装置として低元冷凍サイクルの冷媒に二酸化炭素（ＣＯ２）を採用したものが開示されている。低元冷媒として使用するＣＯ２のＧＷＰ（地球温暖化係数）は１であり、環境性に優れている。ただし、ＣＯ２の飽和圧力は非常に高いため、圧力上昇を抑制するために冷却を要する。

特許文献１の冷凍装置は、低元圧縮機、低元凝縮器、低元膨張弁、低元蒸発器、低元受液器、低元受液器と低元膨張弁との間に配置される電磁弁、および低元圧縮機と低元凝縮器との間に配置される逆止弁を有している。当該冷凍装置では、低元圧縮機を停止するとき、電磁弁を閉状態にすることによって低元冷媒を電磁弁と逆止弁との間に集め、低元冷凍サイクルの低圧圧力が所定値以下となった場合に低元圧縮機を停止する。これにより、低元圧縮機が停止中であっても、低元冷媒を低元受液器に回収し、低元受液器を冷却することによって低元冷媒の効率的な冷却およびそれに伴う低元冷媒の圧力上昇の抑制を図っている。

特許第５３２３０２３号公報

特許文献１の冷凍装置では、低元冷媒を貯蔵するための低元受液器が設けられている。低元受液器は、例えば大型のタンクであり、外部から熱の影響を受けやすい。従って、低元受液器を冷却するための追加の構成が必要となる場合があり、冷凍装置の構成が複雑化するおそれがある。

本発明は、低元冷凍サイクルおよび高元冷凍サイクルを含む冷凍装置において、簡易な構成で低元圧縮機の停止中であっても低元冷媒を効率的に冷却することを課題とする。

本発明は、低元圧縮機、低元凝縮器、低元膨張弁、低元蒸発器、前記低元凝縮器と前記低元膨張弁との間に配置される電磁弁、および前記低元圧縮機と前記低元凝縮器との間に配置される逆止弁を有し、二酸化炭素を低元冷媒として用いて循環させ、前記低元蒸発器にて対象物を冷却する低元冷凍サイクルと、高元圧縮機、高元凝縮器、高元膨張弁、および高元蒸発器を有し、高元冷媒を循環させる高元冷凍サイクルと、前記低元凝縮器と前記高元蒸発器とを有し、前記低元冷媒と前記高元冷媒との熱交換を行うとともに液化した前記低元冷媒を貯留可能なカスケードコンデンサと、前記低元冷凍サイクルにおいて前記低元圧縮機の吸込圧力を測定する圧力センサと、前記低元冷凍サイクルにおける前記対象物の冷却が不要となった場合に前記電磁弁を閉じることによって前記カスケードコンデンサ内に液化した前記低元冷媒を回収および貯留し、前記圧力センサによって測定した前記吸込圧力が下限値以下になると前記低元圧縮機を停止する制御装置とを備え、中元圧縮機、中元凝縮器、中元膨張弁、および中元蒸発器を有し、中元冷媒を循環させる中元冷凍サイクルをさらに備え、前記カスケードコンデンサは、前記中元蒸発器をさらに有し、前記低元冷媒と前記中元冷媒との熱交換を行い、前記中元圧縮機は、前記高元圧縮機に比べて小さい能力を有する、冷凍装置を提供する。

この構成によれば、低元圧縮機を停止する前にカスケードコンデンサ内に低元冷媒を回収および貯留できる。カスケードコンデンサ内の低元冷媒は、高元冷媒との熱交換によって冷却される。これにより、低元圧縮機の停止中であっても低元冷媒を一か所（カスケードコンデンサ）で効率的に冷却できる。特に、低元冷媒を別途貯留するための低元受液器および低元受液器を冷却するための構成を追加的に設ける必要がないため、非常に簡易な構成で実現可能である。また、冷却対象物の冷却需要に応じて高元冷凍サイクルまたは中元冷凍サイクルを選択できるため、冷凍装置の運転効率を向上できる。即ち、冷却対象物の冷却需要が高い場合には高元冷凍サイクルを使用でき、冷却対象物の冷却需要が低い場合には中元冷凍サイクルを使用できる。ここで、「能力」とは、最大モータ出力、最大吐出圧力、または最大吐出量などから設計上規定される圧縮機の性能値である。簡易的には、最大モータ出力、最大吐出圧力、または最大吐出量を圧縮機の「能力」としてもよい。

前記カスケードコンデンサには設計圧力が規定されてもよく、前記高元圧縮機は、回転速度制御可能であってもよく、前記制御装置は、前記低元圧縮機の停止後、前記カスケードコンデンサ内の前記低元冷媒の圧力が前記設計圧力より一定範囲内で小さくなるように前記高元圧縮機の回転速度を制御してもよい。例えば、前記設計圧力は、０．３ＭＰａＡ以上かつ０．４ＭＰａＡ以下の値であってもよく、前記一定範囲は、０．０５ＭＰａＡ以上かつ０．１ＭＰａＡ以下であってもよい。

この構成によれば、カスケードコンデンサにおける低元冷媒の圧力を設計圧力より小さくすることでカスケードコンデンサを安全に使用できる。また、設計圧力からカスケードコンデンサにおける低元冷媒の圧力を差し引いた値が一定の範囲未満となるように高元圧縮機を運転することで、低元冷媒の過剰冷却または冷却不足を防止でき、必要以上の電力消費を防止できるとともに所望の冷却能力を達成できる。例えば、設計圧力が０．３ＭＰａＡのとき、カスケードコンデンサ内の低元冷媒の圧力は０．２０～０．２５ＭＰａＡとしてもよい。

前記制御装置は、前記低元圧縮機の停止後、かつ、前記高元圧縮機の回転速度が許容最低値に達すると、前記高元圧縮機を停止させるとともに前記中元圧縮機を起動してもよい。

この構成によれば、冷却対象物の冷却需要に応じて高元冷凍サイクルまたは中元冷凍サイクルを自動的に選択できるため、冷凍装置の運転効率を向上できる。即ち、通常運転では高元冷凍サイクルを使用し、冷却対象物の冷却需要の低下に伴って中元冷凍サイクルに切り替えて使用できる。

前記カスケードコンデンサは、シェルアンドプレート型熱交換器であってもよい。

この構成によれば、高性能かつ小型のカスケードコンデンサを実現できる。

本発明によれば、低元冷凍サイクルおよび高元冷凍サイクルを含む冷凍装置において、簡易な構成で低元圧縮機の停止中であっても低元冷媒を効率的に冷却できる。

本発明の第１実施形態に係る冷凍装置の冷媒回路図。 第１実施形態におけるカスケードコンデンサの一例を示す斜視図。 第１実施形態における制御を示すフローチャート。 図３の低元冷凍サイクル停止運転の詳細を示すフローチャート。 第１実施形態におけるカスケードコンデンサの他の例を示す斜視図。 第２実施形態に係る冷凍装置の冷媒回路図。 第２実施形態におけるカスケードコンデンサの一例を示す斜視図。 第２実施形態における制御を示すフローチャート。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

（第１実施形態）
図１を参照して、第１実施形態に係る冷凍装置１は、低元冷凍サイクル１０と、高元冷凍サイクル２０と、制御装置３０とを備えている。低元冷凍サイクル１０および高元冷凍サイクル２０は、カスケードコンデンサ５によって熱的に接続されている。即ち、冷凍装置１は、二元冷凍装置である。

低元冷凍サイクル１０では、ＣＯ２（二酸化炭素）を低元冷媒として使用する。低元冷凍サイクル１０は、低元圧縮機１１と、油回収器１２と、逆止弁１６と、低元凝縮器５ａと、電磁弁１５と、低元膨張弁１３と、低元蒸発器１４とをこの順に含む。

高元冷凍サイクル２０では、例えば、ＨＦＯ（ハイドロフルオロオレフィン）、ＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）、またはＮＨ３（アンモニア）を高元冷媒として使用する。本実施形態では、ＨＦＯの一種のＲ１２３４ｙｆを高元冷媒として使用する。高元冷凍サイクル２０は、高元圧縮機２１と、油回収器２２と、高元凝縮器２３と、高元膨張弁２４と、高元蒸発器５ｂとをこの順に含む。

カスケードコンデンサ５は、低元凝縮器５ａと高元蒸発器５ｂとを有し、低元冷媒と高元冷媒との間で熱交換を行うとともに液化した低元冷媒を貯留可能に構成されている。カスケードコンデンサ５の構造については詳細を後述する。

まず、低元冷凍サイクル１０について説明する。

低元圧縮機１１は、スクリュ式であり、低元冷媒を圧縮する。低元圧縮機１１は駆動源となる低元モータ１１ａを有し、低元モータ１１ａにはインバータ１１ｂが電気的に接続されている。従って、低元圧縮機１１に流れる電流をインバータ１１ｂによって調整でき、これにより低元圧縮機１１の回転速度を調整可能である。低元モータ１１ａには性能が保証される最大電流値である定格電流の値が設定されている。インバータ１１ｂを介して低元モータ１１ａに流れる電流は、常時測定され、制御装置３０に送信され、特に定格電流との大小関係が監視されている。

低元圧縮機１１は、低元冷媒を、吸込口１１ｃから吸い込み、内部で圧縮し、吐出口１１ｄから吐出する。本実施形態では、低元圧縮機１１は給油式であり、吐出された低元冷媒は油を含んでいる。吐出された低元冷媒および油は、油回収器１２に送られる。油回収器１２では、油が回収される。回収された油は、低元圧縮機１１に供給され、循環利用される。油回収器１２で油を分離された低元冷媒は、逆止弁１６を通過してカスケードコンデンサ５の低元凝縮器５ａに送られる。逆止弁１６は、低元冷媒の逆流を防ぐための弁である。なお、低元圧縮機１１は給油式に限定されず、無給油式であってもよい。

カスケードコンデンサ５の低元凝縮器５ａでは、低元冷媒が冷却されて凝縮する。低元凝縮器５ａにて凝縮した低元冷媒は、電磁弁１５および低元膨張弁１３を通過して低元蒸発器１４に送られる。

電磁弁１５は、制御装置３０によって開閉制御される開閉弁である。電磁弁１５は、低元凝縮器５ａと低元膨張弁１３との間に配置されている。

低元膨張弁１３は、圧力調整弁である。低元膨張弁１３の通過に伴って低元冷媒は膨張し、膨張した低元冷媒は、低元蒸発器１４に送られる。

低元蒸発器１４では、低元冷媒が蒸発し、蒸発した低元冷媒は低元圧縮機１１に送られる。低元蒸発器１４は、低元冷媒との熱交換によって冷却対象物Ｃ（図１において模式的に示す）を冷却する機能を有している。

低元冷凍サイクル１０では、低元圧縮機１１における低元冷媒の吸込圧力を測定する圧力センサ１５ａと、低元凝縮器５ａにおける低元冷媒の圧力を測定する圧力センサ１５ｂとが設けられている。圧力センサ１５ａ，１５ｂによって測定された圧力値は、制御装置３０に送信される。

次に、高元冷凍サイクル２０について説明する。

本実施形態では、高元圧縮機２１は、スクリュ式であり、高元冷媒を圧縮する。高元圧縮機２１は駆動源となる高元モータ２１ａを有し、高元モータ２１ａにはインバータ２１ｂが電気的に接続されている。従って、高元圧縮機２１は、インバータ２１ｂによって回転速度を調整可能である。高元モータ２１ａには性能が保証される最大電流値である定格電流の値が設定されている。インバータ２１ｂを介して高元モータ２１ａに流れる電流は、常時測定され、制御装置３０に送信され、特に定格電流との大小関係が監視されている。なお、高元圧縮機２１は、例えば、スクロール式またはレシプロ式などであってもよい。

高元圧縮機２１では、高元冷媒を、吸込口２１ｃから吸い込み、内部で圧縮し、吐出口２１ｄから吐出する。本実施形態では、高元圧縮機２１は給油式であり、吐出された高元冷媒は油を含んでいる。吐出された高元冷媒および油は、油回収器２２に送られる。油回収器２２では、油が回収される。回収された油は、高元圧縮機２１に供給され、循環利用される。油回収器２２で油を分離された高元冷媒は、高元凝縮器２３に送られる。なお、高元圧縮機２１は、給油式に限定されず、無給油式であってもよい。

高元凝縮器２３では、高元冷媒が低温の冷却水Ｗとの熱交換によって冷却されて凝縮する。高元凝縮器２３にて凝縮した高元冷媒は、高元膨張弁２４を通過して膨張し、カスケードコンデンサ５の高元蒸発器５ｂに送られる。高元膨張弁２４は、圧力調整弁である。

カスケードコンデンサ５の高元蒸発器５ｂでは、高元冷媒が加熱されて蒸発する。高元蒸発器５ｂにて蒸発した高元冷媒は、高元圧縮機２１に送られる。

図２を参照して、本実施形態では、カスケードコンデンサ５は、シェルアンドプレート型熱交換器である。

本実施形態では、カスケードコンデンサ５は、円筒状のケーシング５ｄを有している。ケーシング５ｄは、低元冷媒を導入する低元冷媒入口５ｅと、低元冷媒を導出する低元冷媒出口５ｆと、高元冷媒を導入する高元冷媒入口５ｇと、高元冷媒を導出する高元冷媒出口５ｈとを有している。図示の例では、低元冷媒入口５ｅがケーシング５ｄの上部に配置され、低元冷媒出口５ｆがケーシング５ｄの下部に配置されている。高元冷媒入口５ｇはケーシング５ｄの側面の下部に配置され、高元冷媒出口５ｈはケーシング５ｄの同側面の上部に配置されている。

カスケードコンデンサ５は、ケーシング５ｄ内に円板状の複数のプレート５ｉを有している。複数のプレート５ｉは、同心かつ互いに隣接して配置されている。複数のプレート５ｉのそれぞれの表面には溝が形成されており、当該溝によって冷媒が通過する流路が構成されている。また、複数のプレート５ｉのそれぞれには貫通孔５ｊが設けられている。複数のプレート５ｉの貫通孔５ｊは揃えて配置され、冷媒の流路を構成している。

高元冷媒は、高元冷媒入口５ｇから導入され、貫通孔５ｊおよび複数のプレート５ｉの間を通って流れ、高元冷媒出口５ｈから導出される（細矢印Ａ参照）。低元冷媒は、低元冷媒入口５ｅから導入され、複数のプレート５ｉの間および外側を通って流れ、低元冷媒出口５ｆから導出される（太矢印Ｂ参照）。高元冷媒および低元冷媒は、混じり合わないように、かつ、複数のプレート５ｉを介して隣接した流路を流れている。従って、カスケードコンデンサ５では、高元冷媒と低元冷媒との間で熱交換が実行され、高元冷媒が加熱され、低元冷媒が冷却される。

次に、制御装置３０について説明する。

制御装置３０は、冷凍装置１における演算処理および全体の制御を行う。制御装置３０は、例えば、ソフトウェアと協働して所定の機能を実現するＣＰＵ（Central Processing Unit)またはＭＰＵ(Micro Processing Unit）を含む。制御装置３０は、所定の機能を実現するように設計された専用の電子回路または再構成可能な電子回路等のハードウェア回路で構成されてもよいし、種々の半導体集積回路で構成されてもよい。種々の半導体集積回路としては、例えば、ＣＰＵ、ＭＰＵの他に、マイクロコンピュータ、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、およびＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等が挙げられる。また、制御装置３０は、ＲＡＭ（Random Access Memory）およびＲＯＭ（Read Only Memory）等の記憶装置を含んでもよい。具体的には、制御装置３０は、例えば、デスクトップパソコン、ノートパソコン、ワークステーション、またはタブレット端末のような情報処理装置または同等の機能を有するプリント基板等で構成され得る。

制御装置３０は、格納されたデータやプログラムを読み出して種々の演算処理を行うことで、所定の機能を実現する。制御装置３０によって実行されるプログラムは、所定の通信規格にしたがい通信を行う通信部等を利用して外部から提供されてもよいし、可搬性を有する記録媒体に格納されていてもよい。

制御装置３０は、冷却対象物Ｃ（図１参照）の冷却需要を受け付けることができる。当該冷却需要は、自動的または手動的に制御装置３０に入力される。冷却対象物Ｃの冷却需要が大きいと、冷凍装置１の冷却負荷は高くなり、制御装置３０は低元圧縮機１１の回転速度を増加させる。冷却対象物Ｃの冷却需要が小さいと、冷凍装置１の冷却負荷は低くなり、制御装置３０は低元圧縮機１１の回転速度を減少させる。

制御装置３０は、低元冷凍サイクル１０における冷却対象物Ｃの冷却が不要となった場合（冷却需要がゼロとなった場合）に電磁弁１５を閉じる。電磁弁１５が閉じられると、電磁弁１５の上流側の配管が低元冷媒で徐々に満たされる。そして、電磁弁１５からカスケードコンデンサ５までの配管が低元冷媒で満たされると、カスケードコンデンサ５のケーシング５ｄの内部が下から徐々に低元冷媒で満たされる。このように、電磁弁１５を閉じることによって、カスケードコンデンサ５内に液化した低元冷媒を回収および貯留できる。なお、カスケードコンデンサ５内において高元冷媒と低元冷媒の流路は互いに仕切られているため、低元冷媒がカスケードコンデンサ５内に貯留した状態でも高元冷媒はカスケードコンデンサ５内を流れることができる。

電磁弁１５は、低元冷媒出口５ｆまたは低元冷媒出口５ｆ近傍に配置されてもよく、電磁弁１５からカスケードコンデンサ５までの配管距離を短くすることでカスケードコンデンサ５外の配管に貯留する低元冷媒の量を減らしてもよい。これにより、多くの低元冷媒をカスケードコンデンサ５内に回収できる。カスケードコンデンサ５は、概ね全ての低元冷媒を貯留できる容積を有していてもよい。

上記のようにして低元冷媒がカスケードコンデンサ５内に貯留されるにつれて、低元圧縮機１１の吸込圧力は低下する。当該吸込圧力の低下は圧力センサ１５ａによって検出される。全ての低元冷媒がカスケードコンデンサ５内に回収されると、当該吸込圧力がゼロ（真空状態）となり、悪影響を生じるおそれがある。そのため、当該吸込圧力がゼロより大きく、かつ、大部分の低元冷媒がカスケードコンデンサ５内に回収された際の圧力を予め確認し、当該圧力を下限値として制御装置３０に設定する。制御装置３０は、圧力センサ１５ａによって測定した吸込圧力が下限値以下になると低元圧縮機１１を停止する。これにより、低元冷凍サイクル１０において、真空状態を回避しつつ、大部分の低元冷媒をカスケードコンデンサ５内に回収および貯留できるポンプダウン運転が実行される。

図３を併せて参照して、制御装置３０による制御を説明する。

制御装置３０は、冷凍装置１の運転を開始すると、高元圧縮機２１を起動し（ステップＳ３－１）、低元圧縮機１１を起動し（ステップＳ３－２）、冷却対象物Ｃを冷却する通常運転を行う（ステップＳ３－３）。通常運転は、冷却対象物Ｃを冷却する運転である。その後、制御装置３０は、前述のように冷却対象物Ｃの冷却需要を受け付け、冷却需要がゼロであるか否かを判定する（ステップＳ３－４）。冷却対象物Ｃの冷却需要がゼロでない場合（Ｎ：ステップＳ３－４）、通常運転を継続する（ステップＳ３－３）。冷却対象物Ｃの冷却需要がゼロとなった場合（Ｙ：ステップＳ３－４）、以下の低元冷凍サイクル停止運転を実行する（ステップＳ３－５）。

図４を参照して、上記低元冷凍サイクル停止運転の詳細を説明する。

低元冷凍サイクル停止運転では、電磁弁１５を閉じる（ステップＳ４－１）。これにより、前述のように低元冷媒をカスケードコンデンサ５内に回収および貯留するためのポンプダウン運転が実行される。そして、圧力センサ１５ａによって測定した吸込圧力Ｐ１が前述のように真空状態を防止するための下限値Ｐｍとなるまで低元圧縮機１１のポンダウン運転を継続し、吸込圧力Ｐ１を下限値Ｐｍ以下まで減圧させた後に低元圧縮機１１を停止する（ステップＳ４－２）。

次いで、圧力センサ１５ｂによって測定したカスケードコンデンサ５における低元冷媒の圧力Ｐ２がカスケードコンデンサ５の設計圧力Ｐｓ未満であるか否かを判定する（ステップＳ４－３）。例えば、設計圧力Ｐｓは、０．３ＭＰａＡ以上かつ０．４ＭＰａＡ以下の値であり得る。圧力Ｐ２が設計圧力Ｐｓ未満でない場合（Ｎ：ステップＳ４－３）、高元モータ２１ａに流れている電流Ｉが高元モータ２１ａの定格電流未満Ｉｒ未満であるか否かを判定する（ステップＳ４－４）。電流Ｉが定格電流Ｉｒ未満である場合（Ｙ：ステップＳ４－４）、高元圧縮機２１の回転速度は増加される（ステップＳ４－５）。高元圧縮機２１の回転速度が増加されると、高元冷凍サイクル２０の冷却能力が増大し、カスケードコンデンサ５における低元冷媒の温度が低下し、圧力Ｐ２が低下する。従って、圧力Ｐ２が設計圧力Ｐｓ未満となるように低元冷媒の圧力Ｐ２を調整できる。また、電流Ｉが定格電流Ｉｒ未満でない場合（Ｎ：ステップＳ４－４）、定格電流Ｉｒ以下での運転とするために高元圧縮機２１の回転速度は減少される（ステップＳ４－６）。

圧力Ｐ２が設計圧力Ｐｓ未満である場合（Ｙ：ステップＳ４－３）、設計圧力Ｐｓから圧力Ｐ２を差し引いた値（Ｐｓ－Ｐ２）が一定の範囲ΔＰ未満であるか否かを判定する（ステップＳ４－７）。例えば、一定の範囲ΔＰは、０．０５ＭＰａＡ以上かつ０．１ＭＰａＡ以下であり得る。設計圧力Ｐｓから圧力Ｐ２を差し引いた値（Ｐｓ－Ｐ２）が一定の範囲ΔＰ未満である場合（Ｙ：ステップＳ４－７）、高元圧縮機２１の回転速度は維持される（ステップＳ４－８）。即ち、高元冷凍サイクル２０の高元蒸発器５ｂでの冷却能力を維持し、即ちカスケードコンデンサ５における低元冷媒の冷却を維持する。また、設計圧力Ｐｓから圧力Ｐ２を差し引いた値（Ｐｓ－Ｐ２）が一定の範囲ΔＰ未満でない場合（Ｎ：ステップＳ４－７）、高元圧縮機２１の回転速度は減少される（ステップＳ４－６）。高元圧縮機２１の回転速度が減少されると、高元冷凍サイクル２０の冷却能力が低下し、カスケードコンデンサ５における低元冷媒の温度が上昇し、当該低元冷媒の圧力Ｐ２が上昇する。従って、設計圧力Ｐｓから圧力Ｐ２を差し引いた値（Ｐｓ－Ｐ２）が一定の範囲ΔＰ未満となるように低元冷媒の圧力Ｐ２を調整できる。

このように、本実施形態では、制御装置３０は、低元圧縮機１１の停止後、カスケードコンデンサ５内の低元冷媒の圧力Ｐ２が設計圧力Ｐｓより一定範囲ΔＰ内で小さくなるように高元圧縮機２１の回転速度を制御している。例えば、設計圧力Ｐｓが０．３ＭＰａＡのとき、カスケードコンデンサ５内の低元冷媒の圧力Ｐ２は０．２０～０．２５ＭＰａＡの範囲内となるように制御されてもよい。

本実施形態に係る冷凍装置１によれば、以下の作用効果を奏する。

低元圧縮機１１を停止する前にカスケードコンデンサ５内に低元冷媒を回収および貯留できる。カスケードコンデンサ５内の低元冷媒は、高元冷媒との熱交換によって冷却される。これにより、低元圧縮機１１の停止中であっても低元冷媒を一か所（カスケードコンデンサ５）で効率的に冷却できる。特に、低元冷媒を別途貯留するための低元受液器および低元受液器を冷却するための構成を追加的に設ける必要がないため、非常に簡易な構成で実現可能である。

また、低元冷媒の圧力Ｐ２を設計圧力Ｐｓより小さくすることでカスケードコンデンサ５を安全に使用できる。設計圧力Ｐｓから圧力Ｐ２を差し引いた値（Ｐｓ－Ｐ２）が一定の範囲ΔＰ未満となるように高元圧縮機２１を運転することで、低元冷媒の過剰冷却または冷却不足を防止でき、必要以上の電力消費を防止できるとともに所望の冷却能力を達成できる。

また、カスケードコンデンサ５がシェルアンドプレート型熱交換器であるため、高性能かつ小型のカスケードコンデンサを実現できる。

図５を参照して、変形例として、カスケードコンデンサ５は、シェルアンドチューブ型熱交換器であってもよい。シェルアンドチューブ型熱交換器は、シェルアンドプレート型熱交換器の複数のプレート５ｉが複数のチューブ５ｋに置き換えられたものである。

図示の例では、低元冷媒入口５ｅがケーシング５ｄの上部に配置され、低元冷媒出口５ｆがケーシング５ｄの下部に配置されている。高元冷媒入口５ｇはケーシング５ｄの側面に配置され、高元冷媒出口５ｈは反対側面に配置されている。また、本変形例では、カスケードコンデンサ５は、ケーシング５ｄ内に複数のチューブ５ｋを有している。複数のチューブ５ｋは、高元冷媒入口５ｇから高元冷媒出口５ｈまで概略水平に延びている。

高元冷媒は、高元冷媒入口５ｇから導入され、複数のチューブ５ｋの内側を通って流れ、高元冷媒出口５ｈから導出される（細矢印Ａ参照）。低元冷媒は、低元冷媒入口５ｅから導入され、複数のチューブ５ｋの外側を通って流れ、低元冷媒出口５ｆから導出される（太矢印Ｂ参照）。本変形例においても、高元冷媒と低元冷媒が混じり合うことなく低元冷媒をケーシング５ｄ内に貯留可能であり、高元冷媒と低元冷媒の流路は仕切られている。従って、カスケードコンデンサ５では、高元冷媒と低元冷媒との間で熱交換が実行され、高元冷媒が加熱され、低元冷媒が冷却される。

上記実施形態および変形例に示すように、カスケードコンデンサ５の態様は特に限定されず、低元冷媒を貯留可能な様々な態様の熱交換器をカスケードコンデンサ５に使用できる。

（第２実施形態）
図６に示す第２実施形態に係る冷凍装置１は、中元冷凍サイクル４０を追加的に備えている点で第１実施形態とは異なる。これに関する部分以外は、第１実施形態と実質的に同じである。従って、第１実施形態にて示した部分については説明を省略する場合がある。

本実施形態に係る冷凍装置１は、低元冷凍サイクル１０と、高元冷凍サイクル２０と、中元冷凍サイクル４０とを備えている。低元冷凍サイクル１０、高元冷凍サイクル２０、および中元冷凍サイクル４０は、カスケードコンデンサ５によって熱的に接続されている。

中元冷凍サイクル４０では、例えば、ＨＦＯ（ハイドロフルオロオレフィン）、ＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）、またはＮＨ３（アンモニア）を中元冷媒として使用する。本実施形態では、ＨＦＯの一種のＲ１２３４ｙｆを中元冷媒として使用する。従って、中元冷媒は、高元冷媒と同種（本実施形態では同じ）である。また、中元冷凍サイクル４０は、中元圧縮機４１と、油回収器４２と、中元凝縮器４３と、中元膨張弁４４と、中元蒸発器５ｃとをこの順に含む。

カスケードコンデンサ５は、低元凝縮器５ａと高元蒸発器５ｂと中元蒸発器５ｃを有し、低元冷媒と高元冷媒との間での熱交換および低元冷媒と中元冷媒との間での熱交換を行うとともに液化した低元冷媒を貯留可能に構成されている。カスケードコンデンサ５の構造については詳細を後述する。

本実施形態では、中元圧縮機４１は、スクリュ式であり、中元冷媒を圧縮する。中元圧縮機４１は駆動源となる中元モータ４１ａを有し、中元モータ４１ａにはインバータ４１ｂが電気的に接続されている。従って、中元圧縮機４１は、インバータ４１ｂによって回転速度を調整可能である。中元モータ４１ａには性能が保証される最大電流値である定格電流の値が設定されている。インバータ４１ｂを介して中元モータ４１ａに流れる電流は、常時測定され、制御装置３０に送信され、特に定格電流との大小関係が監視されている。なお、中元圧縮機４１は、例えば、スクロール式またはレシプロ式などであってもよい。

中元圧縮機４１では、中元冷媒を、吸込口４１ｃから吸い込み、内部で圧縮し、吐出口４１ｄから吐出する。本実施形態では、中元圧縮機４１は給油式であり、吐出された中元冷媒は油を含んでいる。吐出された中元冷媒および油は、油回収器４２に送られる。油回収器４２では、油が回収される。回収された油は、中元圧縮機４１に供給され、循環利用される。油回収器４２で油を分離された中元冷媒は、中元凝縮器４３に送られる。なお、中元圧縮機４１は給油式に限定されず、無給油式であってもよい。

中元圧縮機４１は、高元圧縮機２１に比べて小さい能力を有している。ここで、「能力」とは、最大モータ出力、最大吐出圧力、または最大吐出量などから設計上規定される圧縮機の性能値である。簡易的には、最大モータ出力、最大吐出圧力、または最大吐出量を圧縮機の「能力」としてもよい。

中元凝縮器４３では、中元冷媒が低温の冷却水Ｗとの熱交換によって冷却されて凝縮する。中元凝縮器４３にて凝縮した中元冷媒は、中元膨張弁４４を通過して膨張し、カスケードコンデンサ５の中元蒸発器５ｃに送られる。中元膨張弁４４は、圧力調整弁である。

カスケードコンデンサ５の中元蒸発器５ｃでは、中元冷媒が加熱されて蒸発する。中元蒸発器５ｃにて蒸発した中元冷媒は、中元圧縮機４１に送られる。

図７を参照して、本実施形態では、カスケードコンデンサ５は、シェルアンドチューブ型熱交換器である。

本実施形態では、カスケードコンデンサ５は、ケーシング５ｄ内に複数のチューブ５ｋ，５ｌを有している。複数のチューブ５ｋは高元冷媒入口５ｇから高元冷媒出口５ｈまで概略水平に延び、複数のチューブ５ｌは中元冷媒入口５ｍから中元冷媒出口５ｎまで水平に延びている。

高元冷媒は、高元冷媒入口５ｇから導入され、複数のチューブ５ｋの内側を通って流れ、高元冷媒出口５ｈから導出される（細矢印Ａ参照）。低元冷媒は、低元冷媒入口５ｅから導入され、複数のチューブ５ｋ，５ｌの外側を通って流れ、低元冷媒出口５ｆから導出される（太矢印Ｂ参照）。中元冷媒は、中元冷媒入口５ｍから導入され、複数のチューブ５ｌの内側を通って流れ、中元冷媒出口５ｎから導出される（細矢印Ｃ参照）。従って、カスケードコンデンサ５では、高元冷媒と低元冷媒との間で熱交換が実行されるとともに、中元冷媒と低元冷媒との間で熱交換が実行される。具体的には、高元冷媒が加熱され、低元冷媒が冷却される。また、中元冷媒が加熱され、低元冷媒が冷却される。

本実施形態においても電磁弁１５が閉じられると、電磁弁１５の上流側の配管において徐々に低元冷媒が溜まっていく。そして、電磁弁１５からカスケードコンデンサ５までの配管が低元冷媒で満たされると、カスケードコンデンサ５の内部が下から徐々に低元冷媒で満たされる。このように、電磁弁１５を閉じることによって、カスケードコンデンサ５内に液化した低元冷媒を回収および貯留できる。なお、カスケードコンデンサ５内において高元冷媒と低元冷媒の流路は互いに仕切られているため、低元冷媒がカスケードコンデンサ５内に貯留した状態でも高元冷媒はカスケードコンデンサ５内を流れることができる。同様に、カスケードコンデンサ５内において中元冷媒と低元冷媒の流路は互いに仕切られているため、低元冷媒がカスケードコンデンサ５内に貯留した状態でも中元冷媒はカスケードコンデンサ５内を流れることができる。

電磁弁１５は、低元冷媒出口５ｆまたは低元冷媒出口５ｆ近傍に配置されてもよく、電磁弁１５からカスケードコンデンサ５までの配管距離を短くすることでカスケードコンデンサ５外の配管に貯留する低元冷媒の量を減らしてもよい。これにより、多くの低元冷媒をカスケードコンデンサ５内に回収できる。このとき、カスケードコンデンサ５は、概ね全ての低元冷媒を貯留できる容積を有していてもよい。

本実施形態の冷凍装置１において、中元冷凍サイクル４０は、高元冷凍サイクル２０を使用すると冷凍装置１の冷却能力が冷却需要に対して過剰となる場合に使用される。従って、本実施形態では、図３の低元冷凍サイクル停止運転（ステップＳ３－５）の詳細が第１実施形態とは異なっている。

図８を参照して、本実施形態における低元冷凍サイクル停止運転の詳細を説明する。

本実施形態における低元冷凍サイクル停止運転では、電磁弁１５を閉じる（ステップＳ８－１）。そして、圧力センサ１５ａによって測定した吸込圧力Ｐ１が下限値Ｐｍとなるまで低元圧縮機１１の運転を継続し、吸込圧力Ｐ１が下限値Ｐｍ以下となるまで減圧した後に低元圧縮機１１を停止する（ステップＳ８－２）。即ち、第１実施形態と同様に、低元冷媒をカスケードコンデンサ５に回収および貯留するためのポンプダウン運転を実行する。

次いで、圧力センサ１５ｂによって測定したカスケードコンデンサ５における低元冷媒の圧力Ｐ２がカスケードコンデンサ５の設計圧力Ｐｓ未満であるか否かを判定する（ステップＳ８－３）。例えば、設計圧力Ｐｓは、０．３ＭＰａＡ以上かつ０．４ＭＰａＡ以下の値であり得る。圧力Ｐ２が設計圧力Ｐｓ未満でない場合（Ｎ：ステップＳ８－３）、低元モータ１１ａに流れている電流Ｉ１が低元モータ１１ａの定格電流Ｉｒ未満であるか否かを判定する（ステップＳ８－４）。電流Ｉ１が定格電流Ｉｒ未満である場合（Ｙ：ステップＳ８－４）、高元圧縮機２１の回転速度は増加される（ステップＳ８－５）。電流Ｉ１が定格電流Ｉｒ未満でない場合（Ｎ：ステップＳ８－４）、高元圧縮機２１の回転速度は減少される（ステップＳ８－６）。

また、圧力Ｐ２が設計圧力Ｐｓ未満である場合（Ｙ：ステップＳ８－３）、制御装置３０は、設計圧力Ｐｓから圧力Ｐ２を差し引いた値（Ｐｓ－Ｐ２）が一定の範囲ΔＰ未満であるか否かを判定する（ステップＳ８－７）。例えば、一定の範囲ΔＰは、０．０５ＭＰａＡ以上かつ０．１ＭＰａＡ以下であり得る。設計圧力Ｐｓから圧力Ｐ２を差し引いた値（Ｐｓ－Ｐ２）が一定の範囲ΔＰ未満である場合（Ｙ：ステップＳ８－７）、高元圧縮機２１の回転速度は維持される（ステップＳ８－８）。設計圧力Ｐｓから圧力Ｐ２を差し引いた値（Ｐｓ－Ｐ２）が一定の範囲ΔＰ未満でない場合（Ｎ：ステップＳ８－７）、高元圧縮機２１の回転速度は減少され（ステップＳ８－６）、高元圧縮機２１の回転速度Ｒが許容最低値Ｒｍに一致しているか否かを判定する（ステップＳ８－９）。許容最低値Ｒｍは、高元圧縮機２１の回転速度調整許容範囲の下限値である。高元圧縮機２１の回転速度Ｒが許容最低値Ｒｍに一致している場合（Ｙ：ステップＳ８－９）、高元圧縮機２１を停止し、中元圧縮機４１を起動する（ステップＳ８－１０）。高元圧縮機２１の回転速度Ｒが許容最低値Ｒｍに一致していない場合（Ｎ：ステップＳ８－９）、特段の処理を実行しない。

このように、本実施形態では、制御装置３０は、低元圧縮機１１の停止後、かつ、高元圧縮機２１の回転速度Ｒが許容最低値Ｒｍに達すると、高元圧縮機２１を停止させるとともに中元圧縮機４１を起動する。即ち、低元冷凍サイクル１０の熱的な接続先を高元冷凍サイクル２０から中元冷凍サイクル４０に切り替える。

本実施形態の冷凍装置１によれば、冷却対象物Ｃの冷却需要に応じて高元冷凍サイクル２０または中元冷凍サイクル４０を選択できるため、冷凍装置１の運転効率を向上できる。即ち、冷却対象物Ｃの冷却需要が高い場合には高元冷凍サイクル２０を使用でき、冷却対象物Ｃの冷却需要が低い場合には中元冷凍サイクル４０を使用できる。

また、冷却対象物Ｃの冷却需要に応じて高元冷凍サイクル２０または中元冷凍サイクル４０を自動的に選択できるため、冷凍装置１の運転効率を向上できる。即ち、通常運転では高元冷凍サイクル２０を使用し、冷却対象物Ｃの冷却需要の低下に伴って中元冷凍サイクル４０に切り替えて使用できる。

本実施形態では、低元圧縮機１１を停止する場合に、中元圧縮機４１を起動させることを説明した。例えば、低元圧縮機１１および高元圧縮機２１が起動している場合に高元圧縮機２１の能力が不足してきたときや、低元圧縮機１１および高元圧縮機２１が起動している場合に冷却対象物Ｃの冷却需要が低いときに、中元圧縮機４１を起動させてもよい。この構成によれば、冷凍装置１の運転効率を向上できる。

以上より、本発明の具体的な実施形態およびその変形例について説明したが、本発明は上記形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。

１ 冷凍装置
５ カスケードコンデンサ
５ａ 低元凝縮器
５ｂ 高元蒸発器
５ｃ 中元蒸発器
５ｄ ケーシング
５ｅ 低元冷媒入口
５ｆ 低元冷媒出口
５ｇ 高元冷媒入口
５ｈ 高元冷媒出口
５ｉ プレート
５ｊ 貫通孔
５ｋ，５ｌ チューブ
５ｍ 中元冷媒入口
５ｎ 中元冷媒出口
１０ 低元冷凍サイクル
１１ 低元圧縮機
１１ａ 低元モータ
１１ｂ インバータ
１１ｃ 吸込口
１１ｄ 吐出口
１２ 油回収器
１３ 低元膨張弁
１４ 低元蒸発器
１５ 電磁弁
１５ａ，１５ｂ 圧力センサ
２０ 高元冷凍サイクル
２１ 高元圧縮機
２１ａ 高元モータ
２１ｂ インバータ
２１ｃ 吸込口
２１ｄ 吐出口
２２ 油回収器
２３ 高元凝縮器
２４ 高元膨張弁
３０ 制御装置
４０ 中元冷凍サイクル
４１ 中元圧縮機
４１ａ 中元モータ
４１ｂ インバータ
４１ｃ 吸込口
４１ｄ 吐出口
４２ 油回収器
４３ 中元凝縮器
４４ 中元膨張弁

Claims (5)

1. 低元圧縮機、低元凝縮器、低元膨張弁、低元蒸発器、前記低元凝縮器と前記低元膨張弁との間に配置される電磁弁、および前記低元圧縮機と前記低元凝縮器との間に配置される逆止弁を有し、二酸化炭素を低元冷媒として用いて循環させ、前記低元蒸発器にて冷却対象物を冷却する低元冷凍サイクルと、
   高元圧縮機、高元凝縮器、高元膨張弁、および高元蒸発器を有し、高元冷媒を循環させる高元冷凍サイクルと、
   前記低元凝縮器と前記高元蒸発器とを有し、前記低元冷媒と前記高元冷媒との熱交換を行うとともに液化した前記低元冷媒を貯留可能なカスケードコンデンサと、
   前記低元冷凍サイクルにおいて前記低元圧縮機の吸込圧力を測定する圧力センサと、
   前記低元冷凍サイクルにおける前記冷却対象物の冷却が不要となった場合に前記電磁弁を閉じることによって前記カスケードコンデンサ内に液化した前記低元冷媒を回収および貯留し、前記圧力センサによって測定した前記吸込圧力が下限値以下になると前記低元圧縮機を停止する制御装置と
   を備え、
   中元圧縮機、中元凝縮器、中元膨張弁、および中元蒸発器を有し、中元冷媒を循環させる中元冷凍サイクルをさらに備え、
   前記カスケードコンデンサは、前記中元蒸発器をさらに有し、前記低元冷媒と前記中元冷媒との熱交換を行い、
   前記中元圧縮機は、前記高元圧縮機に比べて小さい能力を有する、冷凍装置。
2. 前記カスケードコンデンサには設計圧力が規定されており、
   前記高元圧縮機は、回転速度制御可能であり、
   前記制御装置は、前記低元圧縮機の停止後、前記カスケードコンデンサ内の前記低元冷媒の圧力が前記設計圧力より一定範囲内で小さくなるように前記高元圧縮機の回転速度を制御する、請求項１に記載の冷凍装置。
3. 前記設計圧力は、０．３ＭＰａＡ以上かつ０．４ＭＰａＡ以下の値であり、
   前記一定範囲は、０．０５ＭＰａＡ以上かつ０．１ＭＰａＡ以下である、請求項２に記載の冷凍装置。
4. 前記制御装置は、前記低元圧縮機の停止後、かつ、前記高元圧縮機の回転速度が許容最低値に達すると、前記高元圧縮機を停止させるとともに前記中元圧縮機を起動する、請求項１から３のいずれか１項に記載の冷凍装置。
5. 前記カスケードコンデンサは、シェルアンドプレート型熱交換器である、請求項１から３のいずれか１項に記載の冷凍装置。

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