JP2014055753A - 二元冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、二元冷凍装置における冷凍サイクルの立ち上がりでのロスを抑制して、立ち上がりの悪化による暖房能力の低下を抑制することを課題とする。
【解決手段】本発明の二元冷凍装置は、低元側圧縮機、カスケード熱交換器、低元側膨張弁、低元側熱交換器を低元側冷媒配管で接続した低元側冷凍サイクルと、高元側圧縮機、高元側冷媒と被冷却媒体とを熱交換する熱交換器、高元側膨張弁、カスケード熱交換器を高元側冷媒配管で接続した高元側冷凍サイクルとが、カスケード熱交換器を介して熱的に接続され、冷凍装置を起動する際に、低元側圧縮機を起動し、その後、高元側圧縮機を起動する。本発明によれば、二元冷凍装置における冷凍サイクルの立ち上がりでのロスを抑制して、立ち上がりの悪化による暖房能力の低下を抑制することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は低元側冷凍サイクル及び高元側冷凍サイクルを有する二元冷凍装置に関する。

特許文献１は従来の二元冷凍装置を開示する。具体的には、特許文献１は、低温側圧縮機、カスケード式凝縮器と低温側膨張弁及び蒸発器とを介装した低温側冷媒配管を備えた低温側冷媒系と、高温側圧縮機、凝縮器と高温側膨張弁及び前記カスケード式凝縮器と熱交換する蒸発器とを介装した高温側冷媒配管を備えた高温側冷媒系とから成る二元冷凍装置の起動装置であって、前記高温側冷媒配管の低圧回路部分を流れる冷媒の温度を検出するサーモスタットを設けると共に、運転開始時、前記高温側圧縮機を起動し、前記サーモスタットの検出温度が設定温度以下になったとき、前記低温側圧縮機を起動させ、かつ、前記低圧回路部分の冷媒温度が、前記高温側圧縮機の起動後一定時間を経過しても設定温度以下にならないとき、前記高温側圧縮機を停止させるコントローラを設けた二元冷凍装置の起動装置を開示する。

つまり、特許文献１では、冷却を目的とした二元冷凍装置の起動について、運転開始時、高元側冷凍サイクルを起動し、高元側冷凍サイクルの低圧圧力が低下して、冷媒の温度から圧力が低下したことを確認してから、低元側冷凍サイクルを起動する。

特開平２−１４３０５６号公報

引用文献１に開示の二元冷凍装置の場合、高元側冷凍サイクルの低圧圧力が下り過ぎてしまい、負荷によっては、冷凍サイクルの立ち上がりが悪く、また、効率の悪い冷凍サイクルとなる場合がある。

本発明は、二元冷凍装置における冷凍サイクルの立ち上がりでのロスを抑制して、立ち上がりの悪化による暖房能力の低下を抑制することを課題とする。

本発明の二元冷凍装置は、低元側圧縮機、カスケード熱交換器、低元側膨張弁、低元側熱交換器を低元側冷媒配管で接続した低元側冷凍サイクルと、高元側圧縮機、高元側冷媒と被冷却媒体とを熱交換する熱交換器、高元側膨張弁、カスケード熱交換器を高元側冷媒配管で接続した高元側冷凍サイクルとが、カスケード熱交換器を介して熱的に接続され、冷凍装置を起動する際に、低元側圧縮機を起動し、その後、高元側圧縮機を起動する。

本発明によれば、二元冷凍装置における冷凍サイクルの立ち上がりでのロスを抑制して、立ち上がりの悪化による暖房能力の低下を抑制することができる。

二元冷凍装置の二元加熱運転時の冷凍サイクル構成図 制御フローチャート１ 制御フローチャート２

二元冷凍装置の高元側冷凍サイクルを利用側として使用すると、高温度の温水を作り出すことができる。しかしながら、低元側冷凍サイクルと高元側冷凍サイクルとがカスケード熱交換器を介して熱的に接続された二元冷凍装置において、カスケード熱交換器の温度が低い状態から起動するとサイクルが安定せず、冷凍サイクルの立ち上がりにロスが生じたり、立ち上がりが悪化して、暖房能力が低下する。

そこで本実施例の二元冷凍装置においては、低元側圧縮機、カスケード熱交換器、低元側膨張弁、低元側熱交換器を低元側冷媒配管で接続した低元側冷凍サイクルと、高元側圧縮機、高元側冷媒と被冷却媒体とを熱交換する熱交換器、高元側膨張弁、カスケード熱交換器を高元側冷媒配管で接続した高元側冷凍サイクルとが、カスケード熱交換器を介して熱的に接続され、冷凍装置を起動する際に、低元側圧縮機を起動し、その後、高元側圧縮機を起動する。本実施例によれば、低元側冷凍サイクルと高元側冷凍サイクルとがカスケード熱交換器を介して熱的に接続された二元冷凍装置において、この二元冷凍装置を起動する際に、低元側圧縮機を起動して、カスケード熱交換器の温度を上昇させてから、高元側圧縮機を起動するので、カスケード熱交換器の温度が高い状態から二元サイクルを起動できるため、高元側冷凍サイクルの低圧圧力を低下させずに安定した二元サイクル運転が可能であり、従って、二元冷凍装置の立ち上がりの悪化等による暖房能力の低下を抑制することができる。

以下、図面を用いて、本実施例の二元冷凍装置を説明する。図１は、本実施例の二元冷凍装置における二元加熱運転時の冷凍サイクル構成図である。二元冷凍装置は、低元側冷凍サイクル１及び高元側冷凍サイクル１０を備える。低元側冷凍サイクル１は、低元側圧縮機２、膨張弁３、低元側室外熱交換器４、熱交換器２０、カスケード熱交換器２１を低元側冷凍サイクルで接続して構成される。高元側冷凍サイクル１０は、高元側圧縮機１１、熱交換器２０、高元側膨張弁１２、カスケード熱交換器２１を高元側冷凍サイクルで接続して構成される。また、被冷却媒体は、ポンプにより循環されることで熱交換器２０に流入し、熱交換器２０において冷媒と熱交換することにより加熱され温水を生成し、需要先に供給される。

図２は、本実施例における二元冷凍装置の制御フローチャートである。図２を用いて、高温度の温水を供給する二元加熱運転時において、二元冷凍装置の二元サイクル停止状態から二元サイクルを起動する制御フローを説明する。

低元側冷凍サイクル１では、低元側圧縮機２で圧縮された冷媒が高圧ガスとなり、カスケード熱交換器２１に流入し、高元側冷凍サイクル１０の低圧二相冷媒と熱交換することで高圧ガス冷媒が凝縮する。その後、凝縮した冷媒は、低元側熱交換器４においてファンにより取り込まれる空気と熱交換して蒸発し、ガス化する。このガス冷媒は、膨張弁３で減圧されて気液二相の冷媒となり、圧縮機２に吸入され、再度高圧ガスに圧縮される。低元側冷凍サイクル１においては、このサイクルが繰り返される。

高元側冷凍サイクル１０では、高元側圧縮機１１で圧縮された冷媒が高圧ガスとなり、熱交換器２０に流入し、被冷却媒体３０と熱交換されて液化する。液冷媒は膨張弁１２で減圧膨張されて気液二相の冷媒となり、カスケード熱交換器２１に流入して、低元側冷凍サイクル１のガス冷媒と熱交換してガス化する。このガス冷媒は、圧縮機１１へ吸入されて、再度高圧ガスに圧縮される。高元側冷凍サイクル１０においてはこのサイクルが繰り返される。

二元加熱運転の起動について説明する。まず、二元冷凍装置を起動スタートする（Ｓ１）。低元側冷凍サイクル１が起動してもカスケード熱交換器２１の温度が低い状態であると低元側冷凍サイクル１の圧力が低下する。低元側冷凍サイクル１の能力が低下している状態で高元側冷凍サイクル１０を起動すると低元側冷凍サイクル１の圧力が更に低下してしまい、高元側冷凍サイクル１０の低圧圧力も低下する。これは立ち上がり時の熱量のロスであり、立ち上がりの悪いサイクルとなる。低元側冷凍サイクル１が起動してカスケード熱交換器２１の温度が温まっている状態で高元側冷凍サイクル１０を起動すると、高元側冷凍サイクル１０の圧力が低下することなく安定した冷凍サイクルとなる。したがって、低元側冷凍サイクル１を起動しカスケード熱交換器２１の温度を上昇させる運転をするため、まず、低元側圧縮機２を起動する（Ｓ２）。そして、カスケード熱交換器２１の温度が所定温度（Ｃ℃）まで上昇すると（Ｓ３）、高元側圧縮機１１を起動する（Ｓ４）。その後、通常の二元加熱運転制御を実行する（Ｓ５）。以上のサイクル起動により、二元加熱運転時の立ち上がりを良くして安定したサイクル運転が可能となる。

図３は、本実施例における二元冷凍装置の他の制御フローチャートである。二元加熱運転の起動を図２に記載の制御に代えて、図３に記載の制御とすることができる。具体的には、まず、二元冷凍装置を起動スタートする（Ｓ１）。次に、図２と同様に、低元側圧縮機２を起動する（Ｓ２）。そして、カスケード熱交換器２１の温度が所定温度（Ｃ℃）まで上昇すると（Ｓ３−１）、高元側圧縮機１１を起動する（Ｓ４）。一方、カスケード熱交換器２１の温度が所定温度（Ｃ℃）まで上昇しない状態が続いた場合であっても、カスケード熱交換器２１は温まっているため低元側冷凍サイクル１が凝縮できずカスケード熱交換器２１の温度が上昇できないことを防止するため、低元側圧縮機２を起動後所定時間（Ｄ秒）経過した場合は（Ｓ３−２）、高元側圧縮機１１を起動する（Ｓ４）。このように制御することで、二元加熱運転時の立ち上がりを良くして安定したサイクル運転が可能となる。その後、通常の二元加熱運転制御を実行する（Ｓ５）。

尚、二元加熱運転中に低元側冷凍サイクル１又は高元側冷凍サイクル１０が異常を検知し、低元側圧縮機２又は高元側圧縮機１１を停止させた場合、低元側圧縮機２及び高元側圧縮機１１を停止させ、その後、リトライ起動させる。このリトライ起動においても、捷起実施例と同様の二元加熱運転起動とすることができる。

１：低元側冷凍サイクル、２：低元側圧縮機、３：低元側膨張弁、４：低元側室外熱交換器、１０：高元側冷凍サイクル、１１：高元側圧縮機、１２：高元側膨張弁、２０：熱交換器、２１：カスケード熱交換器、３０：被冷却媒体、４０：制御装置

Claims (3)

1. 低元側圧縮機、カスケード熱交換器、低元側膨張弁、低元側熱交換器を低元側冷媒配管で接続した低元側冷凍サイクルと、高元側圧縮機、高元側冷媒と被冷却媒体とを熱交換する熱交換器、高元側膨張弁、前記カスケード熱交換器を高元側冷媒配管で接続した高元側冷凍サイクルとが、前記カスケード熱交換器を介して熱的に接続された二元冷凍装置であって、
   前記二元冷凍装置を起動する際に、前記低元側圧縮機を起動し、その後、前記高元側圧縮機を起動する二元冷凍装置。
   
2. 請求項１において、前記二元冷凍装置を起動する際に、前記低元側圧縮機を起動し、前記カスケード熱交換器の温度が所定温度に到達すると、前記高元側圧縮機を起動する二元冷凍装置。
   
3. 請求項２において、前記二元冷凍装置を起動する際に、前記低元側圧縮機を起動し、前記低元側圧縮機の起動から所定時間経過すると、前記カスケード熱交換器の温度が所定温度に到達していない場合であっても、前記高元側圧縮機を起動する二元冷凍装置。