CN104520657B - 二元制冷装置 - Google Patents

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Abstract

一种二元制冷装置，包括：高元制冷循环(20)，其利用配管连接高元侧压缩机(21)、高元侧冷凝器(22)、高元侧膨胀阀(23)以及高元侧蒸发器(24)，并构成高元侧制冷剂回路；低元制冷循环(10)，其利用配管连接低元侧压缩机(11)、低元侧冷凝器(12)、低元侧贮液器(13)、低元侧膨胀阀(14)以及低元侧蒸发器(15)，并构成低元侧制冷剂回路；级联冷凝器(30)，其具有高元侧蒸发器(24)与低元侧冷凝器(12)；贮液器热交换部(25)，其将低元侧贮液器(13)冷却；以及高元制冷循环控制器(32)，若在低元侧压缩机(11)除霜时，基于低元侧制冷剂的压力推断为低元侧制冷剂到达超临界状态，则进行使高元侧压缩机(21)起动这样的控制。

Description

二元制冷装置
技术领域
本发明涉及二元制冷装置，特别是涉及低元制冷循环装置的除霜的处理。
背景技术
以往，作为用于进行零下数十度的低温度带的冷却的装置，使用了如下二元制冷装置，其具有作为用于使高温侧制冷剂循环的制冷循环装置的高元制冷循环、以及作为用于使低温侧制冷剂循环的制冷循环装置的低元制冷循环。例如，在二元制冷装置中，利用级联冷凝器将低元制冷循环与高元制冷循环连结，并做成多级结构,该级联冷凝器通过将低元制冷循环中的低元侧冷凝器与高元制冷循环中的高元侧蒸发器构成为能够热交换而成。
在这种二元制冷装置中，在低元制冷循环的低元侧压缩机停止的过程中，有时驱动高元制冷循环的高元侧压缩机(例如，参照专利文献1)。在该二元制冷装置中，在除霜运转中，利用高元制冷循环的蒸发器带来的级联热交换器的冷却对低元制冷循环的低元侧冷凝器进行冷却，抑制低元制冷循环内的压力上升。
另外，在低元制冷循环中，有时在设于级联冷凝器(低元侧冷凝器)与冷却器之间的储液器内贯通冷却管，利用配管连接制冷机与冷却管(例如，参照专利文献2)。在该制冷装置中，在停止制冷装置的运转时，使制冷机运转而将冷却管冷却，从而将储液器内的制冷剂气体冷却，使在低元制冷循环中流动的制冷剂的气体压力降低。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2004－190917号公报
专利文献2：日本实开平2－4167号公报
发明内容
发明要解决的课题
例如，在如上述专利文献1那种以往的制冷装置中，利用级联热交换器将低元制冷循环内的制冷剂冷却。在低元制冷循环中，例如在使自低元侧压缩机排出的高温的制冷剂流入低元侧蒸发器而进行除霜的热气除霜中，为了避免在使制冷剂流入之前制冷剂放热，需要使制冷剂绕过级联冷凝器(低元侧冷凝器)。若使制冷剂绕过级联冷凝器(低元侧冷凝器),则低元制冷循环内的制冷剂不会在低元侧冷凝器内部流动。因此，存在如下问题：例如若制冷剂以某种程度冷凝，级联冷凝器中的低元制冷循环的低元侧冷凝器内部被液体制冷剂填满，则不能充分地进行冷却。
另外，在如上述专利文献2那种以往的制冷装置中，为了将储液器冷却，除了高元制冷循环、低元制冷循环以外还必须具备另一个制冷机，存在设备的大型化、不能廉价地制造制冷装置等的问题。
解决课题的技术方案
本发明是为了解决上述那种问题而完成的，获得一种例如能够防止低元制冷循环的除霜中的制冷剂(制冷剂回路)的异常的压力上升、能够实现可靠性的提高的二元制冷装置。
本发明的二元制冷装置包括：第1制冷循环装置，其利用配管连接第1压缩机、第1冷凝器、第1节流装置以及第1蒸发器，构成使第1制冷剂循环的第1制冷剂回路；第2制冷循环装置，其利用配管连接第2压缩机、第2冷凝器、贮液器、第2节流装置以及第2蒸发器，构成使第2制冷剂循环的第2制冷剂回路；级联冷凝器，其具有第1蒸发器与第2冷凝器，进行在第1蒸发器中流动的第1制冷剂与在第2冷凝器中流动的第2制冷剂之间的热交换；贮液器热交换部，其通过与在第1制冷剂回路中成为低压的第1制冷剂所流经的部分之间的热交换，将贮液器冷却；除霜部件，其进行第2蒸发器的除霜；第2制冷剂回路压力确定部件，其确定第2制冷剂回路中的第2制冷剂的压力；以及控制装置，若在除霜部件进行第2蒸发器的除霜的过程中，基于第2制冷剂回路压力确定部件的确定的第2制冷剂的压力推断为第2制冷剂到达超临界状态，则进行使第1压缩机起动并使第1制冷剂流入贮液器热交换部这样的控制。
发明效果
在本发明的二元制冷装置中，若判断为第2制冷循环装置内的第2制冷剂到达超临界状态，则使第1压缩机起动而将贮液器热交换部中的第2制冷剂冷却，因此能够将第2制冷循环装置内的第2制冷剂的压力维持在例如比临界点压力低的压力等低于预定的饱和压力，从而能够使装置的可靠性提高。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1的二元制冷装置的结构的图。
图2是表示本发明的实施方式1的二元制冷装置的控制系统的结构的图。
图3是表示抑制本发明的实施方式1的低元侧制冷剂回路中的压力上升的处理的流程的图。
图4是表示本发明的实施方式2的二元制冷装置的结构的图。
图5是表示本发明的实施方式2的二元制冷装置的控制系统的结构的图。
图6是表示抑制本发明的实施方式2的低元侧制冷剂回路中的压力上升的处理的流程的图。
图7是表示本发明的实施方式3的二元制冷装置的结构的图。
具体实施方式
实施方式1.
图1是表示本发明的实施方式1的二元制冷装置的结构的图。在图1中，本实施方式的二元制冷装置具有利用封入的制冷剂的循环进行热泵的、作为制冷循环装置的低元制冷循环10以及高元制冷循环20。低元制冷循环10以及高元制冷循环20能够分别独立地使制冷剂循环。这里，对于包含温度、压力等在内的高、低的表现等，并非特别地依靠与绝对的值之间的关系确定高低等，而是在系统、装置等中的状态、动作等中相对地确定。
在封入低元制冷循环10的制冷剂(以下，称作低温侧制冷剂)中，考虑制冷剂泄漏而使用对地球温室效应的影响小的二氧化碳(CO2)。另外，在封入高元制冷循环20的制冷剂(以下，称作高温侧制冷剂)中，例如使用R410A、R32、R404A、HFO－1234yf、丙烷、异丁烷、二氧化碳、氨等。
另外，二元制冷装置具有低元制冷循环控制器31、高元制冷循环控制器32以及室内机控制器33这三个控制装置，协作地进行装置的控制。这里，低元制冷循环控制器31以及室内机控制器33进行低元制冷循环10的运转控制。另外，高元制冷循环控制器32进行高元制冷循环20的运转控制。各控制器的详细情况如后所述。
低元制冷循环10具有利用制冷剂配管依次将低元侧压缩机11、低元侧冷凝器12、低元侧贮液器13、贮液器出口阀29、低元侧膨胀阀14、以及低元侧蒸发器15呈环状连接而构成的制冷剂回路(以下，称作低元侧制冷剂回路)。各设备的详细情况如后所述。另外，为了使低元侧膨胀阀14与低元侧制冷剂的流动并列，连接有用于使低元侧制冷剂不通过低元侧膨胀阀14而是绕过低元侧膨胀阀14的第2旁通阀18。另外，具有作为将低元侧压缩机11与低元侧冷凝器12之间的配管、以及贮液器出口阀29与低元侧膨胀阀14之间的配管连接起来的配管的旁通回路16。而且，在旁通回路16连接有第1旁通阀17。
这里，低元侧制冷剂回路相当于本发明中的“第2制冷剂回路”，低元侧制冷剂相当于“第2制冷剂”。另外，低元侧压缩机11相当于“第2压缩机”，低元侧冷凝器12相当于“第2冷凝器”，低元侧贮液器13相当于“贮液器”。而且，低元侧膨胀阀14相当于“第2节流装置”，低元侧蒸发器15相当于“第2蒸发器”，贮液器出口阀29相当于“贮液器出口开闭装置”。
另一方面，高元制冷循环20具有利用制冷剂配管依次将高元侧压缩机21、高元侧冷凝器22、高元侧膨胀阀23、贮液器热交换部25、以及高元侧蒸发器24呈环状连接而构成的制冷剂回路(以下，称作高元侧制冷剂回路)。各设备的详细情况如后所述。
这里，高元侧制冷剂回路相当于本发明中的“第1制冷剂回路”，高元侧制冷剂相当于“第1制冷剂”。另外，高元侧压缩机21相当于“第1压缩机”，高元侧冷凝器22相当于“第1冷凝器”，高元侧膨胀阀23相当于“第1节流装置”，高元侧蒸发器24相当于“第1蒸发器”。而且，由高元制冷循环控制器32进行本发明的控制。因此，高元制冷循环控制器32相当于“控制装置”。另外，如后所述那样，自压力传感器61、温度传感器62、63向高元制冷循环控制器32输送检测所涉及的检测的压力、温度作为信号。由此，作为成为确定第2制冷剂回路内的第2制冷剂的压力的第2制冷剂回路压力确定部件的一部分的确定部件、推断部件、推断算出部件等发挥功能。
另外，为了将低元侧制冷剂回路与高元侧制冷剂回路做成多级结构而设有级联冷凝器(制冷剂间热交换器)30，该级联冷凝器30构成为使高元侧蒸发器24与低元侧冷凝器12以能够使分别通过它们的制冷剂之间进行热交换的方式结合。
这里，在本实施方式中，将构成高元制冷循环20的设备及低元制冷循环10中的低元侧压缩机11、低元侧冷凝器12(级联冷凝器30)、低元侧贮液器13、旁通回路16、第1旁通阀17以及贮液器出口阀29容纳在设置于室外的室外机(热源单元)1中。另外，低元制冷循环控制器31、高元制冷循环控制器32以及高元侧冷凝器风扇52也容纳在室外机1中。另一方面，低元侧膨胀阀14、低元侧蒸发器15、第2旁通阀18、低元侧蒸发器风扇51以及室内机控制器33容纳在室内机(冷却机组)2中。
图2是表示本发明的实施方式1的二元制冷装置的控制系统的结构的图。如上述那样，在本实施方式中，二元制冷装置通过低元制冷循环控制器31、高元制冷循环控制器32以及室内机控制器33进行运转控制。各控制器是例如具有微型计算机、存储装置、周边回路等的结构。
这里，能够利用例如通信线连接低元制冷循环控制器31与高元制冷循环控制器32之间并进行通信(例如串行信号的收发)。另外，能够利用例如通信线连接低元制冷循环控制器31与室内机控制器33之间并进行通信。在本实施方式中，自室内机控制器33向低元制冷循环控制器31发送室内机2的启动、关闭信号、室内机2的除霜开始、结束的指示等。
低元制冷循环控制器31向低元侧反相回路101以及低元侧阀驱动回路107输出信号。另外，自压力传感器61、温度传感器62、63分别向高元制冷循环控制器32输送检测所涉及的信号。另外，向高元侧反相回路104、高元侧风扇驱动回路105以及高元侧阀驱动回路106输出信号。然后，自温度传感器64向室内机控制器33输送检测所涉及的信号。另外，向低元侧风扇驱动回路102以及室内侧阀驱动回路103输出信号。
低元侧反相回路101是根据来自低元制冷循环控制器31的指令而向低元侧压缩机11输出交流电力(电压)、并以与交流电力对应的运转频率(转速)驱动的回路。另外，高元侧反相回路104也是以与来自高元制冷循环控制器32的指令相应的运转频率使高元侧压缩机21驱动的回路。
低元侧风扇驱动回路102是根据来自室内机控制器33的指令而向低元侧蒸发器风扇51输出交流电力(电压)、并以与交流电力对应的运转频率驱动的回路。另外，高元侧风扇驱动回路105也是以与来自高元制冷循环控制器32的指令相应的运转频率使高元侧冷凝器风扇52驱动的回路。
室内侧阀驱动回路103根据室内机控制器33的指令而设定低元侧膨胀阀14的开度、第2旁通阀18的开闭。另外，低元侧阀驱动回路107根据来自低元制冷循环控制器31的指令而设定第1旁通阀17的开闭、贮液器出口阀29的开闭。而且，高元侧阀驱动回路106根据高元制冷循环控制器32的指令而设定高元侧膨胀阀23的开度。
低元侧压缩机11将低元侧制冷剂吸入、压缩，成为高温、高压的状态而排出。该低元侧压缩机11由通过低元侧反相回路101控制转速、且能够调整制冷剂的排出量的类型的压缩机构成。
低元侧冷凝器12用于使制冷剂冷凝而成为液状的制冷剂(使其冷凝液化)。在本实施方式中，例如在级联冷凝器30中利用在低元侧制冷剂回路中流动的制冷剂所通过的导热管等构成低元侧冷凝器12，进行与在高元侧制冷剂回路中流动的制冷剂之间的热交换。低元侧贮液器13存储设于低元侧冷凝器12的下游侧的制冷剂。
例如电子式膨胀阀等低元侧膨胀阀14通过调整制冷剂流量而使制冷剂减压。但是，也可以采用毛细管(capillary)、感温式膨胀阀等制冷剂流量调整部件。
低元侧蒸发器15例如利用与冷却对象之间的热交换而使在低元制冷剂回路中流动的制冷剂蒸发而成为气体(gas)状的制冷剂(使其蒸发气化)。冷却对象利用与制冷剂之间的热交换被直接或者间接地冷却。在本实施方式1中，低元侧蒸发器15进行作为冷却对象的空气与制冷剂之间的热交换，并具有用于促进热交换的低元侧蒸发器风扇51。
高元侧压缩机21将高元侧制冷剂吸入、压缩，成为高温、高压的状态而排出。该高元侧压缩机21由通过高元侧反相回路104控制转速、且能够调整制冷剂的排出量的类型的压缩机构成。
高元侧冷凝器22例如在空气、载冷剂等与在高元侧制冷剂回路中流动的制冷剂之间进行热交换，使制冷剂冷凝液化。在本实施方式中，高元侧冷凝器22进行外部空气与制冷剂之间的热交换，并具有用于促进热交换的高元侧冷凝器风扇52。高元侧冷凝器风扇52也由能够调整风量的类型的风扇构成。
例如电子式膨胀阀等高元侧膨胀阀23通过调整制冷剂流量而使制冷剂减压。但是，也可以采用毛细管(capillary)、感温式膨胀阀等的制冷剂流量调整部件。
高元侧蒸发器24利用热交换使在高元侧制冷剂回路中流动的制冷剂蒸发气化。在本实施方式中，例如在级联冷凝器30中利用在高元侧制冷剂回路中流动的制冷剂所通过的导热管等构成高元侧蒸发器24，进行与在低元侧制冷剂回路中流动的制冷剂之间的热交换。
级联冷凝器30由高元侧蒸发器24与低元侧冷凝器12构成，是能够对在高元侧蒸发器24中流动的制冷剂与在低元侧冷凝器12中流动的制冷剂进行热交换的制冷剂间热交换器。通过借助级联冷凝器30将高元侧制冷剂回路与低元侧制冷剂回路做成多级结构并进行制冷剂间的热交换，能够使独立的制冷剂回路协作。
另外，本实施方式1的二元制冷装置包括在高元侧制冷剂回路的低压侧将低元侧制冷剂回路的低元侧贮液器13冷却的贮液器热交换部25。在贮液器热交换部25中，在高元侧制冷剂回路中流动的制冷剂在内部蒸发气化，在低元侧制冷剂回路中流动的制冷剂在外部冷凝液化。贮液器热交换部25例如是插入到低元侧贮液器13的容器内部的制冷剂配管，也可以在配管内侧设置用于促进导热的槽、在配管外侧设置用于促进导热的翅片等。另外，贮液器热交换部25也可以不插入到低元侧贮液器13，而是例如以卷绕于低元侧贮液器13的外侧的方式构成，并与低元侧贮液器13的外侧进行热交换。
另外，在低元制冷循环10中具备例如作为电磁阀的第1旁通阀17、第2旁通阀18、贮液器出口阀29，能够使制冷剂流动或停止。
作为制冷剂压力检测部件的压力传感器61设置于低元侧制冷剂回路的低元侧压缩机11与低元侧膨胀阀14的制冷剂流入侧之间的配管，用于检测低元侧制冷剂回路的高压侧的低元侧制冷剂的压力。温度传感器62例如设置于高元侧冷凝器22的空气吸入侧，用于检测外部空气温度。温度传感器63例如设置于低元侧贮液器13的表面，用于检测低元侧制冷剂回路的高压侧的液体制冷剂的温度。温度传感器64例如设置于低元侧蒸发器15的空气吸入侧，用于检测冷却对象的空气温度。但是，只要能够将压力传感器61、温度传感器62、温度传感器63、温度传感器64分别设置于可检测出高元侧制冷剂回路的高压侧的高元侧制冷剂的压力、外部空气温度、低元侧制冷剂回路的高压侧的液体制冷剂的温度、冷却对象的空气的温度的位置，其位置就不被限定。这里，压力传感器61相当于“压力检测装置”，温度传感器63相当于“液体制冷剂温度检测装置”，成为第2制冷剂回路压力确定部件的一部分。
在本实施方式1中，分别设置低元制冷循环控制器31与高元制冷循环控制器32，相互利用串行信号互通各种控制指令等。在像本实施方式1这种二元制冷装置中，与运转状态相应地分别控制低元侧压缩机11、高元侧压缩机21、高元侧冷凝器风扇52的转速、高元侧膨胀阀23的开度等的设备大多对控制器施加负载，因此优选在低元制冷循环10和高元制冷循环20中设置独立的控制器。
另外，室内机2例如是设置于超市等的陈列柜等的负载装置。若作为陈列柜的吸入传感器的温度传感器64所检测的温度到达上限值，则室内机2的运转开启，开启信号自室内机控制器33被发送到低元制冷循环控制器31。之后，低元制冷循环控制器31将运转指令发送到高元制冷循环控制器32。
另外，空气中的水分、来自食品的水分形成霜而附着在低元侧蒸发器15中。例如若进行几小时将冷却对象冷却的冷却运转(常规运转)，则低元侧蒸发器15被霜覆盖，通风阻力增加而风量降低，并且制冷剂与空气之间的热阻力增加且制冷能力降低。因此，为了防止能力降低而进行几小时一次左右的低元侧蒸发器15的除霜。此时，室内机控制器33将除霜运转的开始、结束发送到低元制冷循环控制器31。
这里，在二元制冷装置中，有时将低元制冷循环10的室内机2配置于例如设置在超市等中的陈列柜等的室内的负载装置。例如，若替换配置陈列柜等进行配管的连接变更等而使制冷剂回路开放，则产生制冷剂泄漏的可能性变大。因此，使用了对地球温室效应的影响较小的(地球温室效应系数较低的)低温侧制冷剂。另一方面，由于高元侧制冷剂回路开放的不频繁，因此即使地球温室效应系数高，产生问题的可能性也较小。因此，能够重视运转效率地选择高温侧制冷剂，例如能够使用HFC制冷剂等。除此以外，也能够将HC制冷剂、氨等用作高温侧制冷剂。
(常规的冷却运转动作的概要)
在如以上那种结构的二元制冷装置中，基于在各制冷剂回路中循环的制冷剂的流动说明将作为冷却对象的空气冷却的常规的冷却运转中的各构成设备的动作等。
(高元制冷循环20的动作)
首先，对高元制冷循环20的动作进行说明。高元侧压缩机21将高元侧制冷剂吸入、压缩，成为高温、高压的状态并排出。排出后的高元侧制冷剂向高元侧冷凝器22流入。高元侧冷凝器22在利用高元侧冷凝器风扇52的驱动而被供给的外部空气与高元侧制冷剂之间进行热交换，将高元侧制冷剂冷凝液化。冷凝液化后的制冷剂通过高元侧膨胀阀23。高元侧膨胀阀23将冷凝液化后的制冷剂减压。减压后的制冷剂依次流入贮液器热交换部25、高元侧蒸发器24(级联冷凝器30)。贮液器热交换部25利用与低元侧贮液器13的低元侧制冷剂之间的热交换使高元侧制冷剂蒸发。高元侧蒸发器24利用与通过低元侧冷凝器12的低元侧制冷剂之间的热交换使高元侧制冷剂蒸发、气化。由高元侧压缩机21吸入蒸发气化后的高元侧制冷剂。
这里，高元制冷循环控制器32例如控制高元侧压缩机21的转速，以使高元侧制冷剂回路的低压侧饱和温度到达预定的目标值。另外，例如控制高元侧冷凝器风扇52的转速，以使高元侧制冷剂回路的高压侧饱和温度到达预定的目标值。然后，例如控制高元侧膨胀阀23的开度，以使高元侧蒸发器24的制冷剂出口的过热度到达预定的目标值。
(低元制冷循环10的动作)
接下来，对低元制冷循环10的动作进行说明。低元侧压缩机11将低元侧制冷剂吸入、压缩，成为高温、高压的状态并排出。排出后的低元侧制冷剂向低元侧冷凝器12(级联冷凝器30)流入。低元侧冷凝器12利用与通过高元侧蒸发器24的高元侧制冷剂之间的热交换将低元侧制冷剂冷凝。进而，冷凝后的制冷剂向低元侧贮液器13流入，在贮液器热交换部25中进一步冷凝。此时，开放贮液器出口阀29，冷凝液化后的低温侧制冷剂的一部分不存储于低元侧贮液器13而是通过贮液器出口阀29。低元侧膨胀阀14将冷凝液化后的制冷剂减压。减压后的低元侧制冷剂流入低元侧蒸发器15。低元侧蒸发器15利用与冷却对象之间的热交换使低温侧制冷剂蒸发气化。低元侧压缩机11吸入蒸发气化后的低元侧制冷剂。这里，为了要在低元侧贮液器13中以预定量存储有冷凝液化后的低温侧制冷剂，因此优选低元侧制冷剂回路的高压侧的运转时压力(高压侧压力)小于临界点压力。这里，第1旁通阀、第2旁通阀关闭以不使低元侧制冷剂通过。
低元制冷循环控制器31例如控制低元侧压缩机11的转速，以使低元制冷循环10的低压侧饱和温度到达预定的目标值。另外，室内机控制器33例如控制低元侧膨胀阀14的开度，以使低元侧蒸发器15的制冷剂出口的过热度到达预定的目标值。
(热气除霜运转动作的概要)
本实施方式1中的二元制冷装置在进行低元侧蒸发器15的除霜时进行使自低元侧压缩机11出来的高温的制冷剂向低元侧蒸发器15的入口流入的热气除霜。在开始热气除霜运转时，高元制冷循环20(高元侧制冷剂回路)停止。在低元制冷循环10中，关闭贮液器出口阀29，使第1旁通阀17以及第2旁通阀18开放，使低元侧膨胀阀14全开。虽然低元侧压缩机11被驱动，但低元侧蒸发器风扇51停止。
自低元侧压缩机11出来的高温的低元侧制冷剂通过旁通回路16，通过第1旁通阀17、低元侧膨胀阀14以及第2旁通阀18而流入低元侧蒸发器15。在低元侧蒸发器15中，利用低元侧制冷剂的热量使霜融解，从而制冷剂的温度降低，制冷剂再次被低元侧压缩机11吸入。
(高元制冷循环20在低元制冷循环10进行热气除霜时的动作)
这里，对抑制低元制冷循环10进行热气除霜时的低元侧制冷剂回路的压力上升的必要性进行说明。在热气除霜运转中，在低元侧冷凝器12中，制冷剂不会进行冷凝，因此低元侧制冷剂回路成为气体循环。因此，剩余制冷剂变多，低元侧制冷剂回路中的压力容易升高。而且，由于使自低元侧压缩机11出来的高温的低元侧制冷剂流通到低元侧制冷剂回路然后流入低元侧蒸发器15，因此低元侧制冷剂回路的温度容易升高，例如存储有液状的低元侧制冷剂的低元侧贮液器13等可能在由低温侧制冷剂变暖的配管的热传导的作用下被加热。另外，虽然贮液器出口阀29关闭，但少量自低元侧压缩机11出来的高温的制冷剂通过低元侧冷凝器12而流入低元侧贮液器13，可能会将存储于低元侧贮液器13的制冷剂加热。
虽然使用了CO2作为本实施方式的低元侧制冷剂，但由于CO2的临界点温度为约31℃，相比于其它制冷剂较低，因此低元侧制冷剂回路内的压力伴随着温度上升而升高，低元侧制冷剂有时会成为超临界状态。若CO2的压力到达临界点压力以上，则压力相对于温度上升而上升的程度容易变大。因此，若容许低元侧制冷剂回路的低元侧制冷剂成为超临界状态，则必须与低元侧制冷剂回路内的显著的压力上升对应地对设备进行耐压设计，设备的设计压力显著升高，造成设备的大型化、不利于经济性。
出于上述那种理由，为了在低元侧蒸发器15进行热气除霜运转时抑制低元侧制冷剂回路的压力上升，优选检测低元侧制冷剂回路的压力上升，使高元制冷循环20运转而将低元侧制冷剂回路冷却。
本实施方式1中的二元制冷装置即使在低元制冷循环10停止时也使高元制冷循环20(高元侧制冷剂回路)运转，利用高元侧制冷剂回路的低压部将低元侧贮液器13冷却，从而能够抑制压力伴随着低元侧制冷剂回路的温度上升而上升。对这种低元制冷循环10停止时的高元制冷循环20的动作进行说明。
(低元侧制冷剂回路的压力上升抑制运转方法)
图3是表示本发明的实施方式1的低元侧制冷剂回路的压力调整处理的流程的图。这里，基于图3说明在低元制冷循环10进行热气除霜时利用压力传感器61的检测所涉及的低元侧制冷剂回路中的低元侧制冷剂的压力使高元制冷循环20动作的动作。若低元制冷循环10(低元侧制冷剂回路)开始除霜运转则高元制冷循环控制器32开始本处理，且该高元制冷循环控制器32在进行低元侧压缩机11的除霜期间继续进行处理。
高元制冷循环控制器32判断开始处理后是否已经过预定时间(步骤S101)，若判断为已经过预定时间(Yes)，则获取(确定)压力传感器61的检测所涉及的低元侧制冷剂回路的高压侧压力Ph_L(步骤S102)。这里，作为预定时间例如是一分钟左右的时间。
另外，高元制冷循环控制器32判定低元侧制冷剂回路的高压侧压力Ph_L是否大于CO2的临界点压力Pcr减去阈值α而得的值(步骤S103)。若判定为大于CO2的临界点压力Pcr减去阈值α而得的值(Yes)则进入步骤S104及其之后的步骤。另一方面，若判定为不大于CO2的临界点压力Pcr减去阈值α而得的值(No)，则返回步骤S101而继续处理。这里，CO2的临界点压力Pcr为约7.38MPa(以下，使压力单位表示绝对压力)，高元制冷循环控制器32预先存储临界点压力Pcr的值。
另外，高元制冷循环控制器32使高元侧压缩机21起动(更优选的是使高元侧冷凝器风扇52也起动)。由此，进行高元侧制冷剂回路的运转(步骤S104)。
然后，高元制冷循环控制器32判断是否已经过预定时间(步骤S105)，若判断为已经过预定时间(Yes)，则再次获取(确定)压力传感器61的检测所涉及的低元侧制冷剂回路的高压侧压力Ph_L(步骤S106)。这里，预定时间优选为约一分钟左右。
高元制冷循环控制器32判定低元侧制冷剂回路的高压侧压力Ph_L是否小于CO2的临界点压力Pcr减去阈值β而得的值(步骤S107)。若判定为小于CO2的临界点压力Pcr减去阈值β而得的值(Yes)，则使高元侧压缩机21、高元侧冷凝器风扇52停止(步骤S108)，返回步骤S101而继续处理。另一方面，若判定为不小于CO2的临界点压力Pcr减去阈值β而得的值(No)，则返回步骤S105而继续处理。
如以上那样，在本实施方式1中，在低元制冷循环10进行热气除霜时，若推断低元侧制冷剂回路内的压力(可能)到达临界点压力以上，则将高元侧压缩机21起动，利用贮液器热交换部25将低元侧制冷剂回路(低元侧制冷剂)冷却。由此，通过用容纳于相同的室外机1的高元制冷循环20进行冷却，从而能够抑制除霜运转中的低元侧制冷剂回路内的低温侧制冷剂的压力上升。由此，能够使二元制冷装置的可靠性提高。另外，即使将与其他制冷剂相比较临界点温度较低的CO2用作低温侧制冷剂，也无需采用过大的贮液器、将设备的设计压设定为较高等，能够期待成本减少的效果。
另外，在本实施方式1的二元制冷装置中，高元制冷循环控制器32获取压力传感器61所检测的低元侧制冷剂回路的高压侧压力Ph_L而判断是否需要抑制低元侧制冷剂回路的压力上升。然后，若判断为需要，则将高元侧压缩机21起动，使高元制冷循环20运转，由此使低温的高元侧制冷剂流入贮液器热交换部25来将低元侧贮液器13冷却，从而冷却低元侧制冷剂而抑制低元侧制冷剂回路内的低元侧制冷剂的压力上升。因此，高元制冷循环控制器32能够单独进行处理，能够取消与低元制冷循环控制器31、室内机控制器33之间的通信。由此，即使在控制器间的通信产生不良情况、低元制冷循环10的设备的一部分发生故障等的情况下，也能够更可靠地抑制低元侧制冷剂回路的压力上升。
另外，在步骤S103中，关于开始抑制压力上升的运转的条件、即低元侧制冷剂回路的高压侧压力Ph_L，由于已相对于CO2的临界点压力Pcr设置了阈值α，因此在低元侧制冷剂回路的压力上升抑制运转开始至低元侧贮液器13实际被冷却的期间内，能够抑制Ph_L变得高于Pcr。这里，开始的高压侧压力Ph_L的条件为比临界点压力低的饱和压力。接下来，说明饱和压力的计算方法。考虑距CO2的临界点温度即31℃相差约3～5℃左右的裕度，将饱和温度设定为26～28℃左右。此时的CO2的饱和压力通过换算到达6.58～6.89MPa。由此，作为与临界点压力Pcr(约7.38MPa)的差的阈值α成为约0.5～0.8MPa左右即可。
另外，在步骤S107中，判定低元侧贮液器13是否已完成冷却，关于成为结束低元侧制冷剂回路的压力上升抑制运转的条件的低元侧制冷剂回路的高压侧压力Ph_L，由于已相对于CO2的临界点压力Pcr设置了阈值β，因此在低元侧制冷剂回路的压力上升抑制运转结束时，Ph_L变得低于Pcr，成为饱和状态，因此能够在低元侧贮液器13中存储液体制冷剂。这里，通过使β的值大于α，能够在进行压力上升抑制运转之前降低Ph_L。关于结束的条件，相比于开始的条件降低饱和温度。饱和温度为比CO2的临界点温度即31℃低约10～15℃左右的16～21℃左右，此时的CO2的饱和压力通过换算到达5.21～5.86MPa。由此，作为与临界点压力Pcr的差的阈值β约为1.5～2.2MPa左右即可。
例如，为了能够进行贮液器热交换部25中的热交换，作为较高温度的低元侧制冷剂回路的冷凝温度与作为较低温度的高元侧制冷剂回路的蒸发温度需要预定的温度差。此时，优选高元侧制冷剂回路的蒸发温度比低元侧制冷剂回路的冷凝温度低5～10℃。另外，在步骤S107中，低元侧制冷剂回路的压力上升抑制运转即将结束之前的低元侧制冷剂回路的高压侧压力Ph_L是临界点压力Pcr减β而得的值，低元侧制冷剂回路的冷凝温度是相当于高压侧压力Ph_L的饱和温度。
根据以上，能够根据在步骤S107中设定的低元侧制冷剂回路的饱和温度设定高元侧制冷剂回路的目标低压侧饱和温度。例如，将使压力上升抑制运转结束时的高压侧压力Ph_L中的低元侧制冷剂(CO2)的饱和温度的换算值设定为比临界点温度31℃低例如10℃的21℃。此时，实际上运转即将结束之前的低元侧制冷剂的冷凝温度到达21℃。因此，关于高元侧制冷剂的蒸发温度，考虑贮液器热交换部25的温度差，将高元侧制冷剂回路的蒸发温度(高元侧制冷剂回路的目标低压侧饱和温度)设定为16℃，以使其比低元侧制冷剂的冷凝温度低例如5℃。
这里，在目标低压侧饱和温度过低的情况下，由于高元制冷循环20中的消耗电力变大，因此通过设定适当的目标低压侧饱和温度能够进行节能的运转。在进行压力上升抑制运转时，多数情况下外部空气温度较高，因此期待高元侧冷凝器风扇52的转速到达最大(全速)，但并不限定于此。另外，优选与常规的冷却运转相同地调整高元侧膨胀阀23的开度，以使高元侧蒸发器24的制冷剂出口过热度到达预定的目标值。
另外，在本实施方式1中，虽然在步骤S102以及步骤S106中直接检测高压侧压力Ph_L，但也可以使用例如检测设置于低元侧贮液器13的低元侧制冷剂回路的高压侧的液体制冷剂的温度Th_L的温度传感器63。这里，高元制冷循环控制器32根据饱和压力与饱和温度之间的关系以表格形式预先准备高压侧压力Ph_L与高压液体制冷剂温度Th_L之间的关系的数据。而且，成为推断算出部件的高元制冷循环控制器32基于高压液体制冷剂温度Th_L进行推断算出，确定低元侧制冷剂回路的低元侧制冷剂的压力。
另外，在高压侧压力Ph_L比临界点压力Pcr大的情况下，饱和温度不存在，但在该情况下也可以使用伪饱和温度设定临界点温度以上的压力与温度之间的关系。只要将温度传感器63连接于高元制冷循环控制器32，就能够仅依靠高元制冷循环控制器32进行低元侧制冷剂回路的压力上升抑制运转。在低元侧贮液器13中，优选设置温度传感器63的位置是尽可能靠近底面的位置，以使其与液面相接。也可以将温度传感器63插入低元侧贮液器13而直接检测高压液体制冷剂的温度。由此，能够取代压力传感器61而基于温度传感器63的检测所涉及的低元侧制冷剂回路的高压液体制冷剂的温度而推断低元侧制冷剂回路的高压侧压力Ph_L。
另外，在本实施方式1中，由于在低元侧贮液器13中冷却了低元侧制冷剂回路，因此能够将通过冷却而产生的低元侧液体制冷剂随时存储于低元侧贮液器13。由此，能够更有效地冷却低元侧制冷剂回路。另外，由于低元侧贮液器13较多地存储有低元侧制冷剂，因此为了抑制低元侧制冷剂回路的压力上升而冷却低元侧贮液器13是有效的。
另外，在本实施方式1中，在高元侧制冷剂回路的高元侧膨胀阀23与高元侧蒸发器24之间设有贮液器热交换部25，但也可以设于例如高元侧蒸发器24与高元侧压缩机21之间。
另外，在本实施方式1中，设有低元制冷循环控制器31、高元制冷循环控制器32以及室内机控制器33这三个控制器，但这是示出了特别优选的例子。也可以根据情况的不同而设置一个或者两个控制器。在该情况下，如果例如在低元侧制冷剂回路的压力上升抑制运转时，能够仅依靠高元制冷循环20进行低元侧贮液器13的冷却运转，就能够更可靠地冷却低元侧贮液器13。
实施方式2.
在上述实施方式1中，在常规的冷却运转与低元侧制冷剂回路的压力上升抑制运转这两者中，使高元侧制冷剂流入贮液器热交换部25。接着，对在进行低元侧制冷剂回路的压力上升抑制运转的情况下使高元侧制冷剂流入贮液器热交换部25的实施方式进行说明。这里，例如在实施方式1中说明的设备等进行与在实施方式1中说明的动作相同的动作等。
图4是表示本发明的实施方式2的二元制冷装置的结构的图。在本实施方式的二元制冷装置中，在高元制冷循环20中具备贮液器热交换回路40。贮液器热交换回路40具有热交换部入口阀27、热交换部旁通阀26、单向阀28以及热交换部旁通管43。例如作为电磁阀等的热交换部入口阀27是控制高元侧制冷剂向贮液器热交换部25的通过的阀。另外，热交换部旁通管43的一端与高元侧膨胀阀23的出口配管41连接，另一端连接于高元侧蒸发器24的入口配管42。例如作为电磁阀等的热交换部旁通阀26是控制高元侧制冷剂向热交换部旁通管43的通过的阀。单向阀28是仅容许制冷剂自贮液器热交换部25向入口配管42的方向的流动的阀。这里，在本发明中，热交换部入口阀27以及单向阀28相当于“贮液器热交换部开闭装置”，热交换部旁通管43相当于“热交换部旁通部”，热交换部旁通阀26相当于“热交换部旁通开闭装置”。
图5是表示本发明的实施方式2的二元制冷装置的控制系统的结构的图。本实施方式的高元侧阀驱动回路106根据高元制冷循环控制器32的指令而控制热交换部旁通阀26、热交换部入口阀27的开闭。这里，在常规的冷却运转中，高元制冷循环控制器32进行控制以使热交换部旁通阀26开放、使热交换部入口阀27关闭。
(常规的冷却运转的高元制冷循环20的动作)
由高元侧膨胀阀23减压后的制冷剂通过热交换部旁通阀26并流入高元侧蒸发器24(级联冷凝器30)。此时，热交换部入口阀27关闭。而且，由于在贮液器热交换部25与高元侧蒸发器24的入口配管42设有单向阀28，因此在常规的冷却运转时，高元侧制冷剂回路的制冷剂不会流入贮液器热交换部25。由此，高元侧制冷剂仅通过高元侧蒸发器24蒸发、气化。
(低元侧制冷剂回路的压力上升抑制运转方法)
图6是表示本发明的实施方式2的低元侧制冷剂回路的压力调整处理的流程的图。若低元侧压缩机11停止则高元制冷循环控制器32开始本处理，在低元侧压缩机11停止时继续进行处理。
高元制冷循环控制器32判断开始处理后是否已经过预定时间(步骤S201)，若判断为已经过预定时间(Yes)，则获取(确定)压力传感器61的检测所涉及的低元侧制冷剂回路的高压侧压力Ph_L(步骤S202)。关于预定时间，与实施方式1相同，例如是一分钟左右的时间即可。另外，高元制冷循环控制器32判定低元侧制冷剂回路的高压侧压力Ph_L是否大于CO2的临界点压力Pcr减去阈值α而得的值(步骤S203)。若判定为不大于CO2的临界点压力Pcr减去阈值α而得的值(No)，则返回步骤S201而继续处理。
另一方面，若判定为大于CO2的临界点压力Pcr减去阈值α而得的值(Yes)，则高元制冷循环控制器32开放热交换部入口阀27(步骤S204)。另外，关闭热交换部旁通阀26(步骤S205)。
另外，高元制冷循环控制器32使高元侧压缩机21、高元侧冷凝器风扇52起动(步骤S206)。
然后，高元制冷循环控制器32判断是否已经过预定时间(步骤S207)，若判断为已经过预定时间(Yes)，则再次获取(确定)压力传感器61的检测所涉及的低元侧制冷剂回路的高压侧压力Ph_L(步骤S208)。与实施方式1相同，预定时间优选为约一分钟左右。
高元制冷循环控制器32判定低元侧制冷剂回路的高压侧压力Ph_L是否小于CO2的临界点压力Pcr减去阈值β而得的值(步骤S209)。若判定为小于CO2的临界点压力Pcr减去阈值β而得的值(Yes)，则使高元侧压缩机21、高元侧冷凝器风扇52停止(步骤S210)。另外，关闭热交换部入口阀27(步骤S211)并开放热交换部旁通阀26(步骤S212)，返回步骤S201而继续处理。另一方面，若判定为不小于CO2的临界点压力Pcr减去阈值β而得的值(No)，则返回步骤S207而继续处理。
在实施方式2的二元制冷装置中，在高元侧制冷剂回路中，在进行常规的冷却运转时使高温侧制冷剂不流入贮液器热交换部25而是被热交换部旁通管43旁通。在低元侧制冷剂回路的压力上升抑制运转时的情况下，在贮液器热交换部25中使低元侧贮液器13中的低元侧制冷剂冷却。
例如在进行常规的冷却运转时，在低元侧蒸发器15的冷却负载较小的情况下等，若利用贮液器热交换部25冷却低元侧贮液器13，则在低元侧贮液器13中，低元侧制冷剂回路的低元侧制冷剂会过度冷凝，液体制冷剂被大量地存储。因此，存在低元侧制冷剂回路的高压侧压力不会上升至适当的值，二元制冷装置的COP降低的可能性。因此，仅在低元侧制冷剂回路的压力上升抑制运转时，在贮液器热交换部25中将低元侧贮液器13的低元侧制冷剂冷却。由此，在进行常规的冷却运转时，不会使COP降低，并且能够提高低元制冷循环10的停止时的可靠性。
另外，在本实施方式2中，在贮液器热交换部25的制冷剂流入口侧设置热交换部入口阀27，在制冷剂流出口侧设置有单向阀28。通过在流入口侧与流出口侧这两者设置阀而控制流动，能够防止例如高元侧制冷剂回路的制冷机油滞留于贮液器热交换部25。但是，并不限定于设置于两侧，也可以仅在流入口侧或者流出口侧的一者设置开闭装置等、用于控制制冷剂的流动的装置。
这里，在本实施方式2中，在设置热交换部旁通阀26并进行低元侧制冷剂回路的压力上升抑制运转的情况下，关闭热交换部旁通阀26而使高温侧制冷剂不通过热交换部旁通管43。因此，能够使所有高元侧制冷剂通过贮液器热交换部25，从而能够进一步增大将低元侧制冷剂回路的制冷剂冷却的效果。但是，并不限定于此，即使不设置热交换部旁通阀26，只要使热交换部入口阀27开放，就能够使高温侧制冷剂流入贮液器热交换部25，从而能够将低元侧制冷剂冷却。另外，在上述处理中，虽然未特别示出，例如，在步骤S210中，若使高元侧压缩机21、高元侧冷凝器风扇52停止，则也可以关闭热交换部入口阀27并开放热交换部旁通阀26(即使在本处理不进行的情况下，例如在常规运转时使热交换部入口阀27关闭，使热交换部旁通阀26开放)。
实施方式3.
在上述实施方式1以及实施方式2中，在进行使自低元侧压缩机11出来的高温的低元侧制冷剂流入低元侧蒸发器15的热气除霜时，抑制了低元侧制冷剂回路的上升。接着，示出在低元侧蒸发器15附近具备电加热器等的加热部件、并利用加热部件的加热溶解低元侧蒸发器15的霜的实施方式。
图7是表示本发明的实施方式3的二元制冷装置的结构的图。在图7中，被标注与图1等相同的附图标记的设备等进行与在实施方式1等中说明的动作相同的动作等。在本实施方式3中，在二元制冷装置中的低元侧蒸发器15的附近设有电加热器19。在本实施方式3中，在低元侧蒸发器15开始除霜运转时，使低元侧压缩机11以及高元侧压缩机21停止，关闭贮液器出口阀29。之后，对电加热器19通电而使其发热，将低元侧蒸发器15的表面加热而溶解霜。
在本实施方式3中，由于利用电加热器19加热低元侧蒸发器15，因此在低元侧制冷剂回路中产生低元侧制冷剂的温度上升。由此，在低元侧蒸发器15的加热量变大或室外机1、室内机2的周围温度升高的情况下，存在低元侧制冷剂的压力升高的可能性。若推断低元侧制冷剂回路的高压侧压力到达临界点压力，则使高元制冷循环20运转，利用高元侧制冷剂回路中的作为低压侧的部分的贮液器热交换部25将低元侧贮液器13冷却，由此能够抑制压力伴随着低元侧制冷剂回路的温度上升而上升。
在本实施方式3中，相对于在室内机2中利用电加热器19将低元侧制冷剂回路的低压侧加热，在室外机1中在低元侧制冷剂回路的高压侧进行用于抑制压力上升的冷却。如上述那样，在除霜中停止了低元侧压缩机11，但在制冷机所使用的压缩机中设有仅容许制冷剂向排出的方向的流动的单向阀(未图示)，若在低元侧制冷剂回路的低压侧产生压力上升，则制冷剂向高压侧移动。由此，如本实施方式3那样，在低元侧制冷剂回路中检测成为高压的一侧的低温侧制冷剂的压力上升并进行上述冷却运转即可。另外，通过关闭贮液器出口阀29，能够在除霜时不使液体制冷剂流入低元侧制冷剂回路的低压侧，并且在将低元侧贮液器13冷却时能够更有效地将液体制冷剂存储于低元侧贮液器13。
工业上的可利用性
本发明的二元制冷装置能够广泛地应用于要求消除制冷剂的氟氯烃、减少氟氯烃制冷剂、设备的节能化的陈列柜、商业用制冷冰箱、自动贩卖机等的冷藏、制冷设备。
附图标记的说明
1室外机；2室内机；10低元制冷循环；11低元侧压缩机；12低元侧冷凝器；13低元侧贮液器；14低元侧膨胀阀；15低元侧蒸发器；16旁通回路；17第1旁通阀；18第2旁通阀；19电加热器；20高元制冷循环；21高元侧压缩机；22高元侧冷凝器；23高元侧膨胀阀；24高元侧蒸发器；25贮液器热交换部；26热交换部旁通阀；27热交换部入口阀；28单向阀；29贮液器出口阀；30级联冷凝器；31低元制冷循环控制器；32高元制冷循环控制器；33室内机控制器；40贮液器热交换回路；41出口配管；42入口配管；43热交换部旁通管；51低元侧蒸发器风扇；52高元侧冷凝器风扇；61压力传感器；62、63、64温度传感器；101低元侧反相回路；102低元侧风扇驱动回路；103室内侧阀驱动回路；104高元侧反相回路；105高元侧风扇驱动回路；106高元侧阀驱动回路；107低元侧阀驱动回路。

Claims (7)

1.一种二元制冷装置，其中，该二元制冷装置包括：
第1制冷循环装置，其利用配管连接第1压缩机、第1冷凝器、第1节流装置以及第1蒸发器，构成使第1制冷剂循环的第1制冷剂回路；
第2制冷循环装置，其利用配管连接第2压缩机、第2冷凝器、贮液器、第2节流装置以及第2蒸发器，构成使第2制冷剂循环的第2制冷剂回路；
级联冷凝器，其具有所述第1蒸发器与所述第2冷凝器，进行在所述第1蒸发器中流动的所述第1制冷剂与在所述第2冷凝器中流动的所述第2制冷剂之间的热交换；
贮液器热交换部，其通过与在所述第1制冷剂回路中成为低压的所述第1制冷剂流经的部分之间的热交换，将所述贮液器冷却；
热交换部旁通部，其在所述第1制冷剂回路中绕过所述贮液器热交换部；
热交换部开闭装置，其控制所述贮液器热交换部的制冷剂的通过；
除霜部件，其用于进行所述第2蒸发器的除霜；以及
控制装置，其在所述除霜部件进行所述第2蒸发器的除霜的过程中，基于所述第2制冷剂的压力，进行使所述第1压缩机起动并打开所述热交换部开闭装置的控制。
2.根据权利要求1所述的二元制冷装置，其中，还具备压力确定部件，其确定所述第2制冷剂回路中的所述第2制冷剂的压力，
所述压力确定部件具有压力检测装置，
该压力检测装置设置于所述第2制冷剂回路的所述第2压缩机的排出侧和所述第2节流装置的制冷剂流入侧之间，检测所述第2制冷剂回路的高压侧的所述第2制冷剂的压力。
3.根据权利要求1所述的二元制冷装置，其中，还具备压力确定部件，其确定所述第2制冷剂回路中的所述第2制冷剂的压力，
所述压力确定部件具有：
液体制冷剂温度检测装置，其检测所述第2制冷剂回路的高压侧的液状的制冷剂的温度；以及
算出部件，其基于该液体制冷剂温度检测装置的检测的温度算出第2制冷剂的压力。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的二元制冷装置，其中，
所述第2制冷剂回路还具有旁通回路，该旁通回路将所述第2压缩机与所述第2冷凝器之间的制冷剂配管、以及所述贮液器与所述第2蒸发器之间的制冷剂配管连接起来，
将热气作为所述除霜部件，所述热气为利用所述第2压缩机的驱动通过所述旁通回路而流入所述第2蒸发器的低元侧制冷剂。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的二元制冷装置，其中，
所述除霜部件是设于所述第2蒸发器的电加热器。
6.根据权利要求1所述的二元制冷装置，其中，
在所述热交换部旁通部中还具备热交换部旁通开闭装置，
在所述贮液器热交换部中将所述第2制冷剂冷却时，所述控制装置使所述热交换部旁通开闭装置关闭。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的二元制冷装置，其中，
所述第2制冷剂是二氧化碳。
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