JP5367100B2

JP5367100B2 - 二元冷凍装置

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Publication number: JP5367100B2
Application number: JP2012021983A
Authority: JP
Inventors: 智隆石川; 宗野本; 猛杉本; 哲也山下; 隆池田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-02-03
Filing date: 2012-02-03
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2032-02-03
Also published as: JP2013160427A

Description

本発明は二元冷凍装置に関し、特に冷熱を蓄熱する蓄熱槽を備えた二元冷凍装置に関するものである。

従来より、マイナス数十度の低温度の冷却を行うための装置として、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、低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。例えば、二元冷凍装置では、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を熱交換できるように構成したカスケードコンデンサによって低元冷凍サイクルと高元冷凍サイクルとを連結している。

また、冷却負荷が小さく低い冷凍能力しか要求されない夜間において熱源側の余剰能力を有効利用できるように、蓄熱媒体に蓄熱を可能とする構成とし、蓄熱による夜間電力の積極的使用による電力使用平準化促進とそれによる使用電力料金の低減といった効果を達成するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−２７１０００号公報（段落［００１４］）

従来の二元冷凍装置では、低元冷凍サイクルと高元冷凍サイクルとをカスケードコンデンサを介して一体的に組み立て、低元冷凍サイクルを運転する際には高元冷凍サイクルも同時に運転される。このような二元冷凍装置においては、高元冷凍サイクルが故障または停電等により停止すると、低元冷凍サイクルではカスケードコンデンサ（凝縮器）における冷媒の熱交換が不十分となる。これにより、低元冷凍サイクルの冷媒圧力が、冷媒量の多い凝縮器側の周囲温度に応じた飽和圧力にまで上昇し、冷媒回路に設けた安全弁等から冷媒が大気に放出される恐れがある。このため、低元冷凍サイクルと高元冷凍サイクルとを個別に運転することができない、という問題点があった。

また、低元冷凍サイクルに受液器を設けた場合、高元冷凍サイクルが故障等により停止すると、高温・高圧の冷媒が受液器に流入することになる。このため、受液器の温度が上昇しこれに伴い冷媒圧力が上昇する、という問題点があった。特に、低元冷凍サイクルにＣＯ₂冷媒を用いた場合、周囲温度の上昇により超臨界状態となる場合があり、受液器に流入する冷媒密度が低下する。このため、受液器に流入した冷媒圧力を設計圧以下に維持するために必要な受液器容積が過大となり、または冷媒回路の設計圧を上げる必要がある。これにより、重量の増加や、コンパクト性に欠け、製造コストが増加する、という問題点があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、二つの冷媒回路を結合した二元冷凍装置において、二元冷凍装置の運転停止時に周囲温度が上昇しても圧力上昇を抑制でき、信頼性を向上することができる二元冷凍装置を得るものである。

本発明に係る二元冷凍装置は、第１圧縮機、第１凝縮器、第１絞り装置、第１蒸発器、及び第１蓄熱蒸発器を配管接続し、冷媒を循環させる第１冷媒回路と、第２圧縮機、第２凝縮器、受液器、第２絞り装置、及び第２蒸発器を配管接続し、冷媒を循環させる第２冷媒回路と、前記第１蒸発器と前記第２凝縮器とにより構成され、前記第１蒸発器を流れる冷媒と前記第２凝縮器を流れる冷媒とが熱交換を行うカスケードコンデンサと、前記第１蓄熱蒸発器と前記受液器とを収容し、前記第１蓄熱蒸発器によって蓄熱媒体を冷却して冷熱を蓄熱するとともに、前記蓄熱媒体に蓄熱された冷熱により前記受液器を冷却する蓄熱槽とを備えたものである。

本発明は、第１蓄熱蒸発器と受液器とを収容し、第１蓄熱蒸発器によって蓄熱媒体を冷却して冷熱を蓄熱するとともに、蓄熱媒体に蓄熱された冷熱により受液器を冷却する蓄熱槽を備えたので、受液器の温度上昇に伴う圧力上昇を抑制でき、信頼性を向上することができる。

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２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３に係る二元冷凍装置の冷媒回路図である。

以下、本発明に係る二元冷凍装置の好適な実施の形態について添付図面を参照して説明する。

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。図１において、二元冷凍装置は、低元冷凍サイクル１０と高元冷凍サイクル２０とを有し、それぞれ独立して冷媒を循環させる冷媒回路を構成している。また、二元冷凍装置は、当該二元冷凍装置全体の運転制御を行う制御装置３３を有する。

低元冷凍サイクル１０は、低元側圧縮機１１と、低元側凝縮器１２と、低元側受液器１３と、低元側膨張弁１５と、低元側蒸発器１６とを順に冷媒配管で接続して冷媒回路（以下、低元側冷媒回路という）を構成している。

なお、低元冷凍サイクル１０は、本発明における「第２冷媒回路」に相当する。また、低元側圧縮機１１は「第２圧縮機」に相当し、低元側凝縮器１２は「第２凝縮器」に相当し、低元側受液器１３は「受液器」に相当し、低元側膨張弁１５は「第２絞り装置」に相当し、低元側蒸発器１６は「第２蒸発器」に相当する。

高元冷凍サイクル２０は、高元側圧縮機２１と、高元側凝縮器２２と、高元側膨張弁２３と、高元側蒸発器２４と、高元側蓄熱蒸発器２５とを順に冷媒配管で接続して冷媒回路（以下、高元側冷媒回路という）を構成している。

なお、高元冷凍サイクル２０は、本発明における「第１冷媒回路」に相当する。また、高元側圧縮機２１は「第１圧縮機」に相当し、高元側凝縮器２２は「第１凝縮器」に相当し、高元側膨張弁２３は「第１絞り装置」に相当し、高元側蒸発器２４は「第１蒸発器」に相当し、高元側蓄熱蒸発器２５は「第１蓄熱蒸発器」に相当する。

また、低元側冷媒回路と高元側冷媒回路とを多段構成とするために、高元側蒸発器２４と低元側凝縮器１２とを、それぞれを通過する冷媒間での熱交換を可能に結合させて構成したカスケードコンデンサ３０を設けている。ここで、低元側、高元側と称する構成における、温度、圧力等の高低については、特に絶対的な値との関係で高低等が定まっているものではなく、システム、装置等における状態、動作等において相対的に定まるものとする。

低元側圧縮機１１は、低元側冷媒回路を流れる冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮して高温・高圧の状態にして吐出する。この低元側圧縮機１１は、例えばインバータ回路等により回転数を制御し、冷媒の吐出量を調整できるタイプの圧縮機で構成する。

低元側凝縮器１２は、冷媒を凝縮させて液状の冷媒にする（凝縮液化させる）ものである。本実施の形態では、例えばカスケードコンデンサ３０において低元側冷媒回路を流れる冷媒が通過する伝熱管等により低元側凝縮器１２を構成し、高元側冷媒回路を流れる冷媒との熱交換が行われるものとする。
低元側受液器１３は、低元側凝縮器１２の下流側に設けられ冷媒を貯留するものである。

低元側膨張弁１５は、低元側冷媒回路を流れる冷媒を減圧して膨張させるものである。例えば電子式膨張弁等の流量制御手段、毛細管（キャピラリ）、感温式膨張弁等の冷媒流量調節手段等の任意の減圧装置、絞り装置等で構成する。

低元側蒸発器１６は、例えば冷却対象との熱交換により低元冷媒回路を流れる冷媒を蒸発させて気体（ガス）状の冷媒にする（蒸発ガス化させる）ものである。冷媒との熱交換により、冷却対象は、直接又は間接に冷却されることになる。

高元側圧縮機２１は、高元側冷媒回路を流れる冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮して高温・高圧の状態にして吐出する。この高元側圧縮機２１は、例えばインバータ回路等を有し、冷媒の吐出量を調整できるタイプの圧縮機で構成する。

高元側凝縮器２２は、例えば、空気、ブライン等と高元側冷媒回路を流れる冷媒との間で熱交換を行い、冷媒を凝縮液化させるものである。本実施の形態では、外気と冷媒との熱交換を行うものとし、熱交換を促すための高元側凝縮器ファンを有しているものとする。高元側凝縮器ファンについても風量を調整できるタイプのファンで構成する。

高元側膨張弁２３は、高元側冷媒回路を流れる冷媒を減圧して膨張させるものである。例えば電子式膨張弁等の流量制御手段、冷媒流量調節手段等、絞り量が制御可能な任意の減圧装置、絞り装置等で構成する。

高元側蒸発器２４は、熱交換により高元側冷媒回路を流れる冷媒を蒸発ガス化するものである。本実施の形態では、例えばカスケードコンデンサ３０において高元側冷媒回路を流れる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、低元側冷媒回路を流れる冷媒との熱交換が行われるものとする。

カスケードコンデンサ３０は、高元側蒸発器２４と低元側凝縮器１２とにより構成され、高元側蒸発器２４を流れる冷媒と低元側凝縮器１２を流れる冷媒とを熱交換可能にする冷媒間熱交換器である。カスケードコンデンサ３０を介して高元側冷媒回路と低元側冷媒回路とを多段構成にし、冷媒間の熱交換を行うようにすることで、独立した冷媒回路を連携させることができる。

また、本実施の形態の二元冷凍装置は、低元側受液器１３と高元側蓄熱蒸発器２５とを収容する蓄熱槽３１を備えている。この蓄熱槽３１内には例えばブライン、水等の蓄熱媒体３２が貯留されている。蓄熱槽３１は高元側蓄熱蒸発器２５から授与された冷熱を蓄熱槽３１内の蓄熱媒体３２に蓄える機能を有している。また、蓄熱槽３１は蓄熱媒体３２に蓄熱された冷熱により低元側受液器１３を冷却する機能を有している。

制御装置３３には、高元側圧縮機２１の吐出側の冷媒圧力を計測する高圧圧力センサ（図示せず）や、吸入側の冷媒圧力を計測する低圧圧力センサ（図示せず）、高元側蒸発器２４の蒸発温度を計測する温度センサ（図示せず）、高元側蒸発器２４出口の過冷却度を検出するために高元側蒸発器２４の出口側温度を計測する温度センサ（図示せず）、高元側蓄熱蒸発器２５出口の過冷却度を検出するために高元側蓄熱蒸発器２５の出口側温度を計測する温度センサ（図示せず）など、高元冷凍サイクル２０の運転制御に必要な各種の計測情報が入力される。制御装置３３には、蓄熱槽３１内に貯留された蓄熱媒体３２の温度を計測する温度センサ（図示せず）からの計測情報が入力される。なお、高元側蒸発器２４の蒸発温度は、高元側蒸発器２４に設けた温度センサにより計測しても良いし、高元側冷媒回路の低圧圧力から算出しても良い。

制御装置３３は、各センサから入力された計測情報や、図示しない操作装置から使用者により指示された運転内容（設定温度等）などに基づいて、低元側圧縮機１１及び高元側圧縮機２１の運転周波数（容量）、高元側膨張弁２３の絞り量、高元側凝縮器ファンの回転数などを制御する。

二元冷凍装置においては、低元冷凍サイクル１０の一部の機器（例えば低元側蒸発器１６）を、例えばスーパーマーケット等に設置されるショーケースなどの室内の負荷装置に配置することがある。例えば、ショーケースを配置換えなどして配管の接続変更などを行って冷媒回路が開放されると、冷媒漏れが発生する可能性が多くなる。そこで、ここでは、低元冷凍サイクル１０の低元側冷媒回路を循環させる冷媒として、冷媒漏れを考慮し、地球温暖化に対する影響が小さいＣＯ₂（二酸化炭素）を用いる。一方、高元冷凍サイクル２０に用いる冷媒は、高元冷凍サイクル２０は冷媒回路が開放されることがないため、例えば地球温暖化係数の高いＨＦＣ冷媒などを用いることができる。それでも、例えば、ＨＦＯ冷媒（ＨＦＯ１２３４ｙｆ、ＨＦＯ１２３４ｚｅ等）、ＨＣ冷媒、ＣＯ₂、アンモニア、水などの地球温暖化に対する影響が小さい冷媒を用いることが望ましい。そこで、本実施の形態では、高元冷凍サイクル２０の高元側冷媒回路を循環させる冷媒としてＨＦＯ冷媒を用いる。

（動作の概要）
次に、上記のような構成からなる二元冷凍装置の動作の概要について説明する。まず、冷凍負荷を冷却する動作に先んじ（又は同時対応でも良い）高元冷凍サイクル２０の運転を行い、蓄熱槽３１の蓄熱媒体３２（ブライン、水等）にその冷熱を蓄える。そして、蓄熱媒体３２に蓄熱された冷熱により、低元側受液器１３自体および内部の冷媒が冷却される。

以上のような二元冷凍装置の冷却運転における各構成機器の動作等を、各冷媒回路を循環する冷媒の流れに基づいて説明する。

（高元冷凍サイクル２０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、ＨＦＯ冷媒を吸入し、圧縮して高温・高圧の状態にして吐出する。吐出した冷媒は高元側凝縮器２２へ流入する。高元側凝縮器２２は、高元側凝縮器ファンから供給される外気とＨＦＯ冷媒との間で熱交換を行い、ＨＦＯ冷媒を凝縮液化する。凝縮液化した冷媒は高元側膨張弁２３を通過する。高元側膨張弁２３は凝縮液化した冷媒を減圧する。減圧した冷媒は高元側蒸発器２４（カスケードコンデンサ３０）に流入する。高元側蒸発器２４は、低元側凝縮器１２を通過する冷媒との熱交換により冷媒を蒸発する。さらに、蒸発した冷媒は高元側蓄熱蒸発器２５（蓄熱槽３１）に流入する。高元側蓄熱蒸発器２５は、蓄熱槽３１に収容される蓄熱媒体３２との熱交換により冷媒を蒸発、ガス化する。完全に蒸発ガス化したＨＦＯ冷媒を高元側圧縮機２１が吸入する。

（低元冷凍サイクル１０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、ＣＯ₂冷媒を吸入し、圧縮して高温・高圧の状態にして吐出する。吐出した冷媒は低元側凝縮器１２（カスケードコンデンサ３０）へ流入する。低元側凝縮器１２は、高元側蒸発器２４を通過する冷媒との熱交換により冷媒を凝縮する。さらに、凝縮した冷媒は低元側受液器１３（蓄熱槽３１）へ流入する。低元側受液器１３は、蓄熱槽３１に収容される蓄熱媒体３２により冷却され、内部の冷媒が凝縮する。完全に凝縮液化した冷媒は低元側膨張弁１５を通過する。低元側膨張弁１５は凝縮液化した冷媒を減圧する。減圧した冷媒は低元側蒸発器１６に流入する。低元側蒸発器１６は冷却対象との熱交換により冷媒を蒸発ガス化する。蒸発ガス化したＣＯ₂冷媒を高元側圧縮機２１が吸入する。

（高元冷凍サイクル２０が停止時における低元冷凍サイクル１０の動作）
本実施の形態における二元冷凍装置は、高元冷凍サイクル２０の故障などにより運転が停止している場合であっても、低元側受液器１３の温度上昇に伴う圧力上昇を回避できる。このような高元冷凍サイクル２０が停止時における低元冷凍サイクル１０の動作について説明する。
低元側圧縮機１１は、ＣＯ₂冷媒を吸入し、圧縮して高温・高圧の状態にして吐出する。吐出した冷媒は低元側凝縮器１２（カスケードコンデンサ３０）へ流入する。高元冷凍サイクル２０が停止しているため低元側凝縮器１２では、高元冷凍サイクル２０を通過する冷媒との熱交換が十分に行われず、高温・高圧の状態で低元側受液器１３（蓄熱槽３１）へ流入する。ＣＯ₂冷媒を用いた場合、周囲温度の上昇により超臨界状態で低元側受液器１３へ流入される場合もある。低元側受液器１３は、蓄熱槽３１に収容される蓄熱媒体３２により冷却され、低元側受液器１３に流入した冷媒が冷却される。これにより、冷媒の温度上昇に伴う圧力上昇が抑制される。低元側受液器１３から流出した冷媒は、低元側膨張弁１５および低元側蒸発器１６を経て、再び高元側圧縮機２１に吸入される。

以上のように本実施の形態においては、高元側蓄熱蒸発器２５と低元側受液器１３とを収容し、高元側蓄熱蒸発器２５によって蓄熱媒体３２を冷却して冷熱を蓄熱するとともに、蓄熱媒体３２に蓄熱された冷熱により低元側受液器１３を冷却する蓄熱槽３１を備えている。このため、高元冷凍サイクル２０で蓄熱運転し、この蓄冷熱で低元側受液器１３を冷却できる。このことにより、高元冷凍サイクル２０が仮に故障等により停止しても、蓄熱槽３１に貯蓄された冷熱によって低元側受液器１３の温度上昇に伴う圧力上昇を抑制することができる。よって、二元冷凍装置の信頼性を向上することができる。また、過度に大きい受液器や高い設計圧に設定する必要がなく、コスト低減の効果も期待できる。

なお、高元冷凍サイクル２０の運転が停止した場合には、低元冷凍サイクル１０の運転も停止させるのが望ましい。このような、高元冷凍サイクル２０および低元冷凍サイクル１０の運転停止時に周囲温度が上昇しても、蓄熱槽３１に貯蓄された冷熱によって低元側受液器１３の温度上昇に伴う圧力上昇を抑制することができる。よって、二元冷凍装置の信頼性を向上することができる。また、過度に大きい受液器や高い設計圧に設定する必要がなく、コスト低減の効果も期待できる。

実施の形態２．
図２は、本発明の実施の形態２に係る二元冷凍装置の冷媒回路図である。図２において、上記実施の形態１の構成に加え、低元冷凍サイクル１０は、低元側受液器１３と低元側膨張弁１５との間に、低元側蓄熱凝縮器１４を備えている。
本実施の形態の蓄熱槽３１には、低元側受液器１３と低元側蓄熱凝縮器１４と高元側蓄熱蒸発器２５とが収容されており、高元側蓄熱蒸発器２５から授与された冷熱を蓄熱槽３１内の蓄熱媒体３２に蓄え、この蓄熱媒体３２に蓄熱された冷熱により低元側受液器１３と低元側蓄熱凝縮器１４とを冷却する。なお、低元側蓄熱凝縮器１４は「第２蓄熱蒸発器」に相当する。

本実施の形態における二元冷凍装置は、高元冷凍サイクル２０と低元冷凍サイクル１０で使用する冷媒により蓄熱槽３１内の蓄熱媒体３２を介して低温側の冷熱を高温側に移動させるものである。この間の運転効率は蓄熱媒体３２（ブライン、水等）を介するため、カスケードコンデンサ３０の直接熱交換に比べ冷媒間の温度差が大きくなり運転効率が低くなる。しかし、夜間などの蓄熱運転により冷却負荷平準化が可能となり、安定運転による冷凍サイクルの運転効率は向上し、蓄熱槽３１内の熱交換による運転効率の低下を補って余りある。

冷却負荷平準化による安定運転の効果について補足する。冷凍機は定格環境条件である外気３２℃において使用される場合に最大運転効率となるように設計される。定格条件から外れた環境での使用は、著しい性能低下を招く恐れがある。具体的には、高外気温度時の圧縮機動作は高圧縮比、高回転となり、低外気温度時は低圧縮比、低回転となる。特に、二元冷凍装置においては圧縮機を２台用いるため、圧縮過程が分割され通常冷凍機より低圧縮比による性能低下が危惧される。このため、夜間など低外気時の蓄熱運転、または昼間などの高外気時の蓄熱利用運転による冷却負荷平準化によって圧縮比、回転数が安定し、運転効率低下を回避できる。

本実施の形態の二元冷凍装置は、高元側と低元側の独立性を可能とし、冷凍機設計、設置容量の独立性やサービスの独立性が推進される。

高元冷凍サイクル２０をヒートポンプとし低元側凝縮器１２の冷媒熱を利用できるよう切り換え接続すれば、暖房あるいは給湯の熱源として冷凍、冷蔵熱の熱回収運転も可能となる。

例えば、冷媒がアンモニアの場合、毒性のため、現地での在人空間までの冷媒配管接続は好ましくない。炭化水素（ＨＣ）も可燃ガスのためチャージ量の使用制限がある。フロン（ＨＦＣ）は温暖化ガスであり、ガス漏れを防止するため、これらの冷媒はできるだけ現地配管は避けるべきである。本実施の形態は、高元冷媒回路（アンモニア、ＨＣ、ＨＦＣなど）とはカスケードコンデンサ３０で分離してあり、在人空間においては、低元冷媒回路に炭酸ガス（ＣＯ₂など）を用いれば安全である。

このような構成の二元冷凍装置においては、低元冷凍サイクル１０の一部の機器（例えば低元側蒸発器１６）を、例えばスーパーマーケット等に設置されるショーケースなどの室内の負荷装置に配置することがある。例えば、ショーケースを配置換えなどして配管の接続変更などを行って冷媒回路が開放されると、冷媒漏れが発生する可能性が多くなる。そこで、ここでは、低元冷凍サイクル１０の低元側冷媒回路を循環させる冷媒として、冷媒漏れを考慮し、地球温暖化に対する影響が小さいＣＯ₂（二酸化炭素）を用いる。一方、高元冷凍サイクル２０に用いる冷媒は、高元冷凍サイクル２０は冷媒回路が開放されることがないため、例えば地球温暖化係数の高いＨＦＣ冷媒などを用いることができる。それでも、例えば、ＨＦＯ冷媒（ＨＦＯ１２３４ｙｆ、ＨＦＯ１２３４ｚｅ等）、ＨＣ冷媒、ＣＯ₂、アンモニア、水などの地球温暖化に対する影響が小さい冷媒を用いることが望ましい。そこで、本実施の形態では、高元冷凍サイクル２０の高元側冷媒回路を循環させる冷媒としてＨＦＯ冷媒を用いる。

（低元冷凍サイクル１０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、ＣＯ₂冷媒を吸入し、圧縮して高温・高圧の状態にして吐出する。吐出した冷媒は低元側凝縮器１２（カスケードコンデンサ３０）へ流入する。低元側凝縮器１２は、高元側蒸発器２４を通過する冷媒との熱交換により冷媒を凝縮する。凝縮した冷媒は低元側受液器１３に貯留され、低元側蓄熱凝縮器１４（蓄熱槽３１）へ流入する。低元側蓄熱凝縮器１４は、蓄熱槽３１に収容される蓄熱媒体３２との熱交換により冷媒を凝縮する。完全に凝縮液化した冷媒は低元側膨張弁１５を通過する。低元側膨張弁１５は凝縮液化した冷媒を減圧する。減圧した冷媒は低元側蒸発器１６に流入する。低元側蒸発器１６は冷却対象との熱交換により冷媒を蒸発ガス化する。蒸発ガス化したＣＯ₂冷媒を高元側圧縮機２１が吸入する。

（冷却負荷に応じた運転動作）
本実施の形態の二元冷凍装置では、例えば、高元側圧縮機２１において、駆動するモータの周波数を制御し、高元冷凍サイクル２０における冷却能力を制御することにより低元側冷媒回路における吐出側の圧力（低元側高圧）を調節する。カスケードコンデンサ３０において、低元側凝縮器１２の凝縮温度（低元側凝縮温度）と高元側蒸発器２４の蒸発温度（高元側蒸発温度）との温度差ΔＴが生じるものとする。温度差ΔＴはカスケードコンデンサ３０の熱交換量によって変化するが、ここでは例えば５℃程度とする。ある運転状態から高元側圧縮機２１の運転周波数を上げて高元側の冷却能力を増大させると、高元側蒸発温度が低下する。低下した高元側蒸発温度に伴い低元側凝縮温度（低元側高圧）も低下する。逆に、高元側の冷却能力が低減すれば低元側高圧も上昇する。

本実施の形態の二元冷凍装置では、外気温度に応じて冷却負荷が変化し、冷却負荷に対して冷凍能力（低元冷凍サイクル１０側の蒸発能力に相当）を決定している。そして、必要とする冷凍能力を得られるように低元側圧縮機１１により冷媒流量を制御している。

以下、冷却負荷の大きさ別に、通常運転モード、蓄熱運転モード、蓄熱利用運転モードの各運転動作について説明する。

＜冷却負荷：通常＞
冷却負荷が通常時（中間期など）の場合、蓄熱槽３１への蓄熱または利用を行わない通常運転モードを実施する。この通常運転モードでは、冷媒間で直接熱交換するカスケードコンデンサ３０を用いて高効率運転を行う。本実施の形態においては、高元側冷媒回路は冷媒がカスケードコンデンサ３０から蓄熱槽３１の順に流れるように接続し、低元側冷媒回路は冷媒がカスケードコンデンサ３０から蓄熱槽３１の順に流れるように接続しているため、熱交換の大部分をカスケードコンデンサ３０で行う。

制御装置３３は、カスケードコンデンサ３０（高元側蒸発器２４）出口の冷媒過熱度が所定値（例えば２℃程度）となるように、高元側膨張弁２３の絞り量を制御する。これにより、カスケードコンデンサ３０出口の高元側冷媒回路の冷媒は完全に蒸発する。これに伴い、低元側冷媒回路の冷媒もカスケードコンデンサ３０（低元側凝縮器１２）により完全に凝縮する。このため、より確実にカスケードコンデンサ３０にて必要とする熱交換を実施できる。

また、制御装置３３は、高元側蒸発器２４の蒸発温度が蓄熱媒体３２の温度とほぼ同等となるように、高元側圧縮機２１の容量を制御する。これにより、高元側蓄熱蒸発器２５を通過する高元側冷媒回路の冷媒温度と蓄熱媒体３２の温度がほぼ一致し、高元側冷媒回路の冷媒と蓄熱媒体３２との間で熱交換が行われない。一方、上述したように本実施の形態においては、低元側凝縮温度と高元側蒸発温度とに温度差ΔＴ（例えば５℃程度）が生じている。このため、低元側凝縮温度が高元側蒸発温度より高いが、低元側蓄熱凝縮器１４出口の液過冷却度が０℃（飽和液）から２℃程度となるように冷媒封入量を調節することにより、低元側蓄熱凝縮器１４を通過する低元側冷媒回路の冷媒温度と蓄熱媒体３２の温度とがほぼ一致し、低元側冷媒回路と蓄熱媒体３２との間で熱交換が行われない。したがって、通常運転モードでは、蓄熱槽３１において蓄熱媒体３２を介した熱交換を行わず、カスケードコンデンサ３０による熱交換を実施できるため、高効率運転が可能となる。

なお、蓄熱槽３１に収納した低元側受液器１３を蓄熱媒体３２の冷熱により冷却することで、低元側受液器１３に貯留される冷媒の液過冷却度を拡大することができ、さらなる冷凍効果を得ることができ運転効率を向上することが可能となる。

＜冷却負荷：小さい＞
冷却負荷が小さい場合（冬期、夜間など）、高元側冷媒回路（高元側蓄熱蒸発器２５）によって蓄熱媒体３２を冷却して冷熱を蓄熱する蓄熱運転モードを実施する。この蓄熱運転モードでは、冷媒間で直接熱交換するカスケードコンデンサ３０を用いて高効率運転を行いつつ、高元側蓄熱蒸発器２５によって蓄熱媒体３２を冷却して冷熱を蓄熱する蓄熱運転を行う。冷却負荷が小さいときはカスケードコンデンサ３０の熱交換量が減少するため、高元側冷媒回路の冷却能力が冷却負荷より過剰となる。このため、高元側冷媒回路の冷媒はカスケードコンデンサ３０（高元側蒸発器２４）において完全には蒸発せず、残った冷熱は高元側蓄熱蒸発器２５において蓄熱媒体３２への蓄熱分として消費される。

さらに、制御装置３３は、蓄熱槽３１出口（高元側蓄熱蒸発器２５出口）の冷媒過熱度が所定値（例えば２℃程度）となるように、高元側膨張弁２３の絞り量を制御する。これにより、カスケードコンデンサ３０と蓄熱槽３１の熱交換により、高元側蓄熱蒸発器２５出口の高元側冷媒回路の冷媒は完全に蒸発し、効率よく蓄熱することが可能となる。

また、制御装置３３は、高元側蒸発器２４の蒸発温度が蓄熱媒体３２の温度より所定温度（例えば５℃程度）低くなるように、高元側圧縮機２１の容量を制御する。これにより、高元側蓄熱蒸発器２５を通過する高元側冷媒回路の冷媒温度と蓄熱媒体３２の温度とに適度な温度差が生じ、効率よく蓄熱することが可能となる。このとき、低元側冷媒回路の冷媒はカスケードコンデンサ３０（低元側凝縮器１２）により完全に凝縮し、蓄熱媒体３２の温度とほぼ一致するため、熱交換を行わない。このため、高元側冷媒回路の冷媒による蓄熱が効率よく行うことができる。

＜冷却負荷：大きい＞
冷却負荷が大きい場合（夏期、昼間など）、蓄熱媒体３２に蓄熱された冷熱を利用して低元側蓄熱凝縮器１４を冷却する蓄熱利用運転モードを実施する。この蓄熱利用運転モードでは、冷媒間で直接熱交換するカスケードコンデンサ３０を用いて高効率運転を行いつつ、蓄熱媒体３２に蓄熱された冷熱により低元側蓄熱凝縮器１４を冷却する蓄熱利用運転を行う。冷却負荷が大きいときはカスケードコンデンサ３０の熱交換量が増大するため、高元側冷媒回路の冷却能力が冷却負荷より不足となる。このため、低元側冷媒回路の冷媒はカスケードコンデンサ３０（低元側凝縮器１２）において完全には凝縮せず、残った放熱量は低元側蓄熱凝縮器１４において蓄熱媒体３２の蓄冷熱により処理する。

制御装置３３は、カスケードコンデンサ３０（高元側蒸発器２４）出口の冷媒過熱度が所定値（例えば２℃程度）となるように、高元側膨張弁２３の絞り量を制御する。これにより、カスケードコンデンサ３０出口の高元側冷媒回路の冷媒は完全に蒸発する。これにより、より確実にカスケードコンデンサ３０にて高元側冷媒回路の冷却能力を出力することができる。

また、制御装置３３は、高元側蒸発器２４の蒸発温度が蓄熱媒体３２の温度とほぼ同等となるように、高元側圧縮機２１の容量を制御する。これにより、高元側蓄熱蒸発器２５を通過する高元側冷媒回路の冷媒温度と蓄熱媒体３２の温度がほぼ一致し、高元側冷媒回路の冷媒と蓄熱媒体３２との間で熱交換が行われない。一方、低元側凝縮温度と蓄熱媒体３２の温度に適度な温度差（例えば５℃）が生じ、効率よく蓄熱利用することが可能となる。

（冷却負荷の検知）
ここで、冷却負荷の検知方法の一例について説明する。前述したように、冷却負荷に対して冷凍能力決定し、必要とする冷凍能力を得るために低元側圧縮機１１により冷媒流量を制御している。すなわち、必要とされる冷凍能力を出力し、低元側蒸発温度を一定に保つことにより、接続される冷却対象の温度（例えばショーケースの庫内温度）を一定に保つ。具体的には、冷却負荷が高まれば冷却対象の温度（庫内温度）が上昇し、低元側蒸発温度が上昇するため、低元側圧縮機１１の回転数を増大させ、所定の低元側蒸発温度とする。冷却負荷が小さくなれば低元側蒸発温度が低下するため、低元側圧縮機１１の回転数を減少させ、所定の低元側蒸発温度とする。

このため、冷却負荷は低元側圧縮機１１の回転数によって判断することができる。そこで、本実施の形態における制御装置３３は、低元側圧縮機１１の回転数から当該二元冷凍装置の冷却負荷を検知する。そして、検知した冷却負荷に応じて上記の蓄熱運転モード、蓄熱利用運転モード、または通常運転モードを実施することで、冷却負荷に応じた適切な運転モードを実施できるため、効率的な運転が可能となる。

具体的には、制御装置３３は、冷却負荷が第１所定値よりも小さい場合、即ち、低元側圧縮機１１の回転数が第１回転数よりも小さい場合、冷却負荷が小さいと判断して、蓄熱運転モードを実施する。また、冷却負荷が第１所定値よりも大きい第２所定値を超えた場合、即ち、低元側圧縮機１１の回転数が第１回転数よりも大きい第２回転数を超えた場合、冷却負荷が大きいと判断して、蓄熱利用運転モードを実施する。また、冷却負荷が第１所定値を超え第２所定値以下の場合、即ち、低元側圧縮機１１の回転数が第１回転数を超え第２回転数以下の場合、冷却負荷が通常であると判断して、通常運転モードを実施する。

冷却負荷の検知方法はこれに限るものではなく、外気温度や冷却対象の温度により冷却負荷の大小を判断しても良い。また、例えば夜間や昼間、冬期や夏期など、時刻や時期により、冷却負荷の大小を想定して、上記運転モードを切り替えるようにしても良い。

（高元冷凍サイクル２０が停止時における低元冷凍サイクル１０の動作）
本実施の形態における二元冷凍装置は、高元冷凍サイクル２０の運転状態によらず、低元冷凍サイクル１０の運転の起動が可能である。即ち本実施の形態の二元冷凍装置においては、低元冷凍サイクル１０が蓄熱槽３１に貯蓄された冷熱を利用するため、低元冷凍サイクル１０の運転を起動させたあとに高元冷凍サイクル２０の運転を起動してもよいし、高元冷凍サイクル２０の運転から起動しても、または各サイクルの運転を同時に起動してもよい。
ここで、高元冷凍サイクル２０が停止時において低元冷凍サイクル１０の運転を起動した場合の動作について説明する。なお、高元冷凍サイクル２０から起動する場合または同時に起動する場合は、上述した動作となる。

低元側圧縮機１１は、ＣＯ₂冷媒を吸入し、圧縮して高温・高圧の状態にして吐出する。吐出した冷媒は低元側凝縮器１２（カスケードコンデンサ３０）へ流入する。高元冷凍サイクル２０が停止しているため低元側凝縮器１２では、高元冷凍サイクル２０を通過する冷媒との熱交換が十分に行われず、高温・高圧の状態で低元側受液器１３（蓄熱槽３１）へ流入する。ＣＯ₂冷媒を用いた場合、周囲温度の上昇により超臨界状態で低元側受液器１３へ流入される場合もある。低元側受液器１３は、蓄熱槽３１に収容される蓄熱媒体３２により冷却され、低元側受液器１３に流入した冷媒が冷却される。これにより、冷媒の温度上昇に伴う圧力上昇が抑制される。低元側受液器１３から流出した冷媒は低元側蓄熱凝縮器１４（蓄熱槽３１）へ流入する。低元側蓄熱凝縮器１４は、蓄熱槽３１に収容される蓄熱媒体３２との熱交換により冷媒を凝縮する。凝縮液化した冷媒は低元側膨張弁１５を通過する。低元側膨張弁１５は凝縮液化した冷媒を減圧する。減圧した冷媒は低元側蒸発器１６に流入する。低元側蒸発器１６は冷却対象との熱交換により冷媒を蒸発ガス化する。蒸発ガス化したＣＯ₂冷媒を高元側圧縮機２１が吸入する。

このように本実施の形態における二元冷凍装置は、蓄熱槽３１に貯蓄された冷熱を利用することで、高元冷凍サイクル２０の運転状態によらず、低元冷凍サイクル１０の運転の起動が可能である。

従来の二元冷凍装置では、低元冷凍サイクルと高元冷凍サイクルとをカスケードコンデンサを介して一体的に組み立て、低元冷凍サイクルを運転するためには必ず高元冷凍サイクルの同時運転をしなければならない。一方、本実施の形態における二元冷凍装置は、上述したように、高元冷凍サイクル２０の運転状態によらず、低元冷凍サイクル１０を運転することができ、各冷凍サイクルの運転の独立性を可能とし、各冷凍サイクルの装置設計、設置容量の独立性やサービスの独立性を推進することが可能となる。

また、本実施の形態における二元冷凍装置は、蓄熱槽３１を備えたことにより、高元冷凍サイクル２０の容量（冷凍能力）と、低元冷凍サイクル１０の容量（冷凍能力）の一体的整合性は不要となる。例えば、高元冷凍サイクル２０の容量が、低元冷凍サイクル１０の容量以下であっても運転時間を考慮することにより高元側と低元側の負荷の整合性を図ることができる。

即ち、下記式を満たすように、高元冷凍サイクル２０の冷凍能力に運転時間を乗算した値が、低元冷凍サイクル１０の冷凍能力に運転時間を乗算した値以上となるように、高元冷凍サイクル２０及び低元冷凍サイクル１０の運転を起動又は停止させる制御を行う。

高元側冷凍サイクルの冷凍能力×運転時間≧低元側冷凍サイクルの冷凍能力×運転時間

なお、各冷凍サイクルの冷凍能力は公知の演算方法を用いることで求めることができる。例えば圧縮機の出力と、冷媒温度・圧力から換算したエンタルピーとを用いて、演算により算出することができる。
制御装置３３は、各冷凍サイクルの冷凍能力を逐次算出し、運転時間を乗算する。そして、上記式を満たすように、高元冷凍サイクル２０及び低元冷凍サイクル１０の運転を起動又は停止させる制御を行う。例えば、高元冷凍サイクル２０による蓄熱運転を行ったあと、高元冷凍サイクル２０を停止し、低元冷凍サイクル１０のみを運転した場合、上記式の右辺が左辺より大きくなった場合、制御装置３３は、高元冷凍サイクル２０の運転を起動し、上記式を満たすように制御する。

以上のように本実施の形態においては、高元冷凍サイクル２０の運転状態によらず、低元冷凍サイクル１０を運転することができる。即ち、低元冷凍サイクル１０から起動しても、高元冷凍サイクル２０から起動しても、または各冷凍サイクルを同時に起動してもよい。特に、負荷装置に接続される低元冷凍サイクル１０から起動すれば、例えばショーケースなどの負荷装置において起動後即座に冷却が行われるため、急速冷却が可能となり、ユーザー要求に適している。

また本実施の形態においては、冷却負荷の変動に対応して、カスケードコンデンサ３０による高効率運転を行いつつ、蓄熱運転または蓄熱利用運転を行うことが可能となる。また、蓄熱以外の通常運転において高効率運転を達成し、蓄熱運転による冷却負荷平準化もまた実現できる。よって、常時省エネルギー化が可能となり、蓄熱運転による冷却負荷平準化によって使用電力料金の低減と、高効率となる動作点において安定運転できることから、さらなる省エネルギー化を図ることができる。

実施の形態３．
図３は、本発明の実施の形態３に係る二元冷凍装置の冷媒回路図である。図３において、上記実施の形態２の構成に加え、高元冷凍サイクル２０は、高元側蓄熱蒸発器２５をバイパスする高元側蓄熱バイパス管２６を備え、低元冷凍サイクル１０は、低元側蓄熱凝縮器１４をバイパスする低元側蓄熱バイパス管１７を備えている。

高元側蓄熱バイパス管２６には、冷媒流路を遮断または開放する開閉弁が設けられており、この開閉弁を遮断または開放することで、高元側蒸発器２４から流出した冷媒が、高元側蓄熱蒸発器２５を経て高元側圧縮機２１へと至る流路と、高元側蓄熱蒸発器２５をバイパスして高元側圧縮機２１へと至る流路とが切り替えられる。また、低元側蓄熱バイパス管１７には、冷媒流路を遮断または開放する開閉弁が設けられており、この開閉弁を遮断または開放することで、低元側凝縮器１２から流出した冷媒が、低元側蓄熱凝縮器１４を経て低元側膨張弁１５へと至る流路と、低元側蓄熱凝縮器１４をバイパスして低元側膨張弁１５へと至る流路とが切り替えられる。

さらに、高元冷凍サイクル２０は、高元側蓄熱蒸発器２５の上流側、即ち、高元側蒸発器２４と高元側蓄熱蒸発器２５との間に、高元側蓄熱膨張弁２７を備えている。高元側蓄熱膨張弁２７は、高元側蒸発器２４から流出した冷媒を減圧して膨張させるものである。例えば電子式膨張弁等の流量制御手段等の任意の減圧装置、絞り装置等で構成する。

上記のような構成により本実施の形態では、高元側冷媒回路において、蓄熱媒体３２への蓄熱及び利用を行わない通常運転モード時には、高元側蓄熱バイパス管２６の流路を開放し、一方の蓄熱槽３１へ接続する配管は遮断する。このため、通常運転モードにおいては確実にカスケードコンデンサ３０にて冷却能力を出力することができ、さらに蓄熱槽３１において熱交換を一切行わないため、高効率な運転を実施できる。
また、蓄熱を行う蓄熱運転モード時には、高元側蓄熱バイパス管２６の流路を遮断し、一方の蓄熱槽３１へ接続する配管を開放する。この場合は、上述した実施の形態２と同様の動作となる。

また、本実施の形態では、高元側蓄熱膨張弁２７を設置している。このため、蓄熱槽３１に流入する高元側冷媒回路の冷媒の蒸発温度を独立して制御できるようになる。このため、当該二元冷凍装置の運転動作に関係なく確実に蓄熱に必要な蒸発温度とすることができる。また、高元側蓄熱バイパス管２６を設置している場合は、同様に冷凍装置の運転動作に関係なく確実に蓄熱に必要な冷媒流量、すなわち蓄冷能力を確保することができる。

低元側冷媒回路において、蓄熱媒体３２への蓄熱及び利用を行わない通常運転モード時には、低元側蓄熱バイパス管１７の流路を開放し、一方の蓄熱槽３１へ接続する配管は遮断する。このため、通常運転モードにおいては確実にカスケードコンデンサ３０にて凝縮液化することができ、さらに蓄熱槽３１において熱交換を一切行わないため、高効率な運転を実施できる。
また、蓄熱を行う蓄熱運転モード時には、低元側蓄熱バイパス管１７の流路を遮断し、一方の蓄熱槽３１へ接続する配管を開放する。この場合は、上述した実施の形態２と同様の動作となる。

なお、上記実施の形態１〜３における二元冷凍装置は、例えばショーケースなどを冷却対象とすると、低元側蒸発温度は−１０℃から−４０℃で用いられることが想定される。このとき、二元冷凍装置の運転効率が最適となる高元側蒸発温度は−１０℃以上１０℃以下の温度となる。この温度帯で蓄熱利用を行える蓄熱媒体３２は、例えば０℃で相変化する氷などが最適な媒体となる。

本発明の二元冷凍装置は、冷媒のノンフロン化やフロン冷媒の削減、機器の省エネルギー化が要求されるショーケースや業務用冷凍冷蔵庫、自動販売機等の冷蔵・冷凍機器にも広く適用できる。

１０低元冷凍サイクル、１１低元側圧縮機、１２低元側凝縮器、１３低元側受液器、１４低元側蓄熱凝縮器、１５低元側膨張弁、１６低元側蒸発器、１７低元側蓄熱バイパス管、２０高元冷凍サイクル、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高元側蓄熱蒸発器、２６高元側蓄熱バイパス管、２７高元側蓄熱膨張弁、３０カスケードコンデンサ、３１蓄熱槽、３２蓄熱媒体、３３制御装置。

Claims

第１圧縮機、第１凝縮器、第１絞り装置、第１蒸発器、及び第１蓄熱蒸発器を配管接続し、冷媒を循環させる第１冷媒回路と、
第２圧縮機、第２凝縮器、受液器、第２絞り装置、及び第２蒸発器を配管接続し、冷媒を循環させる第２冷媒回路と、
前記第１蒸発器と前記第２凝縮器とにより構成され、前記第１蒸発器を流れる冷媒と前記第２凝縮器を流れる冷媒とが熱交換を行うカスケードコンデンサと、
前記第１蓄熱蒸発器と前記受液器とを収容し、前記第１蓄熱蒸発器によって蓄熱媒体を冷却して冷熱を蓄熱するとともに、前記蓄熱媒体に蓄熱された冷熱により前記受液器を冷却する蓄熱槽とを備えた
ことを特徴とする二元冷凍装置。
前記第２冷媒回路は、前記受液器と前記第２絞り装置との間に、第２蓄熱凝縮器を備え、
前記蓄熱槽は、前記第２蓄熱凝縮器を収容し、前記蓄熱媒体に蓄熱された冷熱により前記第２蓄熱凝縮器を冷却する
ことを特徴とする請求項１記載の二元冷凍装置。
前記第１冷媒回路の運転状態によらず、前記第２冷媒回路の運転の起動が可能である
ことを特徴とする請求項１又は２記載の二元冷凍装置。
前記第２冷媒回路の運転を起動させたあと、前記第１冷媒回路の運転を起動させる
ことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の二元冷凍装置。
前記第１冷媒回路の冷凍能力と当該第１冷媒回路の運転時間とを乗算した値が、前記第２冷媒回路の冷凍能力と当該第２冷媒回路の運転時間とを乗算した値以上となるように、
前記第１及び第２冷媒回路の運転を起動又は停止させる
ことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の二元冷凍装置。
前記第２冷媒回路の前記冷媒として、二酸化炭素を用いた
ことを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の二元冷凍装置。