JP2015178920A

JP2015178920A - 冷凍装置

Info

Publication number: JP2015178920A
Application number: JP2014055975A
Authority: JP
Inventors: 孝輔宮城; Kosuke MIYAGI; 須田　淳一; Junichi Suda; 淳一須田; 昌敬早川; Masataka HAYAKAWA; 裕亮臂; Hiroaki Hiji; 和宏表; Kazuhiro OMOTE
Original assignee: Sanden Holdings Corp
Current assignee: Sanden Corp
Priority date: 2014-03-19
Filing date: 2014-03-19
Publication date: 2015-10-08

Abstract

【課題】低段側冷媒回路の高圧側冷媒を的確に過冷却することができる冷凍装置を比較的安価で提供する。【解決手段】高段側冷媒回路４と、複数の低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂと、高段側冷媒回路の冷媒を蒸発させて各低段側冷媒回路の高圧側冷媒をそれぞれ冷却する複数のカスケード熱交換器４３Ａ、４３Ｂとを備え、各冷媒回路には二酸化炭素を冷媒として封入して成る冷凍装置１において、高段側冷媒回路は、並列に接続された複数の高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂと、各高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂの出口にそれぞれ接続された複数の高段側膨張弁１３Ａ、１３Ｂと、各高段側膨張弁の出口にそれぞれ接続されて各カスケード熱交換器をそれぞれ構成する複数の高段側蒸発器１６Ａ、１６Ｂを備えた。【選択図】図１

Description

本発明は、高段側冷媒回路と低段側冷媒回路とをカスケード接続し、各冷媒回路には冷媒として二酸化炭素を封入して成る冷凍装置に関するものである。

従来より、例えばコンビニエンスストアやスーパーマーケット等の店舗には、陳列室内にて商品を冷却しながら陳列販売するショーケースが複数台設置されている。各ショーケースには陳列室内を冷却するための蒸発器が設置され、この蒸発器には店外等に設置された冷凍機ユニットから冷媒が供給される構成とされていた。

また、近年の地球環境問題からこの種ショーケースにおいても二酸化炭素が冷媒として使用されるようになってきているが、この二酸化炭素を圧縮するためには比較的大型の圧縮機が必要となる。そこで、それぞれ独立した冷媒閉回路を構成する高段側冷媒回路と低段側冷媒回路とをカスケード接続し、高段側冷媒回路の冷媒を蒸発させて低段側冷媒回路の高圧側冷媒を過冷却することにより、低段側冷媒回路の蒸発器で所要の冷凍能力を得る冷凍装置が開発されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

ここで、図６は係る冷凍装置の低段側冷媒回路のｐ−ｈ線図を例示している。図中縦軸は低段側冷媒回路の高圧側圧力、Ｌ１は飽和液線、Ｌ２は飽和蒸気線、Ｌ３は＋４０℃の等温線、Ｌ４は＋１００℃〜＋１２０℃の等温線をそれぞれ示している。また、図中Ｘ１は低段側冷媒回路の高圧側圧力が９ＭＰａのときに＋１００℃〜＋１２０℃の冷媒を＋４０℃まで冷却したときの比エンタルピの差を示し、Ｘ２は低段側冷媒回路の高圧側圧力が７．５ＭＰａのときに＋１００℃〜＋１２０℃の冷媒を＋４０℃まで冷却したときの比エンタルピの差を示している。

二酸化炭素冷媒はガスクーラにて超臨界状態で冷却されるため、顕熱変化となる。そして、図６からも明らかな如く、低段側冷媒回路の高圧側圧力が高い９ＭＰａのときの方が、７．５ＭＰａのときよりも比エンタルピの差が大きく、その分、冷凍能力が高くなることが分かる。

また、図７は低段側冷媒回路の高圧側圧力と各熱交換器の能力（図６とは条件が異なる夏期高温３８℃）の関係を示している。また、図中菱形は低段側ガスクーラ、四角は高段側ガスクーラ、三角はカスケード熱交換器、丸はＣＯＰをそれぞれ示している。この図からも明らかな如く、図中Ｘ３で示す領域、即ち、低段側冷媒回路の高圧側圧力が高い領域で効率ＣＯＰが改善されることが分かる。例えば、この例の冷凍装置の場合、外気温度が＋３８℃の環境下では、低段側冷媒回路の高圧側圧力が１０．５ＭＰａ程であるときに効率ＣＯＰが最大となることが分かる。

特開２００１−９１０７４号公報特開２０００−２０５６７２号公報

前記特許文献２では単一の高段側冷媒回路に対して複数の低段側冷媒回路がカスケード接続されているが、高段側の単一の凝縮器にて冷却された高圧側冷媒を各カスケード熱交換器に分流しているため、各低段側冷媒回路の高圧側冷媒を的確に過冷却することが難しかった。

一方、各カスケード熱交換器にはそれぞれ高段側の膨張弁を設けていたため、構成が複雑化し、コストも高騰していた。

本発明は、係る従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、低段側冷媒回路の高圧側冷媒を的確に過冷却することができる冷凍装置を比較的安価で提供するものである。

上記課題を解決するために請求項１の発明は、高段側冷媒回路と、複数の低段側冷媒回路と、高段側冷媒回路の冷媒を蒸発させて各低段側冷媒回路の高圧側冷媒をそれぞれ冷却する複数のカスケード熱交換器とを備え、各冷媒回路には二酸化炭素を冷媒として封入して成る冷凍装置において、高段側冷媒回路は、並列に接続された複数の高段側ガスクーラと、各高段側ガスクーラの出口にそれぞれ接続された複数の高段側膨張弁と、各高段側膨張弁の出口にそれぞれ接続されて各カスケード熱交換器をそれぞれ構成する複数の高段側蒸発器を備えたことを特徴とする。

請求項２の発明は、高段側冷媒回路と、複数の低段側冷媒回路と、高段側冷媒回路の冷媒を蒸発させて各低段側冷媒回路の高圧側冷媒をそれぞれ冷却する複数のカスケード熱交換器とを備え、各冷媒回路には二酸化炭素を冷媒として封入して成る冷凍装置において、高段側冷媒回路は、高段側ガスクーラと、この高段側ガスクーラの出口に接続された高段側膨張弁と、この高段側膨張弁の出口に並列に接続されて各カスケード熱交換器をそれぞれ構成する複数の高段側蒸発器を備えたことを特徴とする。

請求項３の発明は、高段側冷媒回路と、複数の低段側冷媒回路と、高段側冷媒回路の冷媒を蒸発させて各低段側冷媒回路の高圧側冷媒をそれぞれ冷却する複数のカスケード熱交換器とを備え、各冷媒回路には二酸化炭素を冷媒として封入して成る冷凍装置において、高段側冷媒回路は、高段側ガスクーラと、この高段側ガスクーラの出口に接続された高段側膨張弁と、この高段側膨張弁の出口に直列に接続されて各カスケード熱交換器をそれぞれ構成する複数の高段側蒸発器を備えたことを特徴とする。

請求項４の発明は、上記各発明において高段側蒸発器を出た冷媒を、高段側冷媒回路の高圧側冷媒と熱交換させること無く、高段側冷媒回路の高段側圧縮機に吸い込ませることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、高段側冷媒回路と、複数の低段側冷媒回路と、高段側冷媒回路の冷媒を蒸発させて各低段側冷媒回路の高圧側冷媒をそれぞれ冷却する複数のカスケード熱交換器とを備え、各冷媒回路には二酸化炭素を冷媒として封入して成る冷凍装置において、高段側冷媒回路は、並列に接続された複数の高段側ガスクーラと、各高段側ガスクーラの出口にそれぞれ接続された複数の高段側膨張弁と、各高段側膨張弁の出口にそれぞれ接続されて各カスケード熱交換器をそれぞれ構成する複数の高段側蒸発器を備えているので、一つの高段側冷媒回路にて複数の低段側冷媒回路の高圧側冷媒を過冷却することができるようになる。

この場合、高段側冷媒回路は、並列に接続された複数の高段側ガスクーラと、各高段側ガスクーラの出口にそれぞれ接続された複数の高段側膨張弁と、各高段側膨張弁の出口にそれぞれ接続されて各カスケード熱交換器をそれぞれ構成する複数の高段側蒸発器を有しているので、低段側冷媒回路を複数用いる場合にも、各カスケード熱交換器により各低段側冷媒回路の高圧側冷媒を的確に過冷却することができるようになる。

請求項２の発明によれば、高段側冷媒回路と、複数の低段側冷媒回路と、高段側冷媒回路の冷媒を蒸発させて各低段側冷媒回路の高圧側冷媒をそれぞれ冷却する複数のカスケード熱交換器とを備え、各冷媒回路には二酸化炭素を冷媒として封入して成る冷凍装置において、高段側冷媒回路は、高段側ガスクーラと、この高段側ガスクーラの出口に接続された高段側膨張弁と、この高段側膨張弁の出口に並列に接続されて各カスケード熱交換器をそれぞれ構成する複数の高段側蒸発器を備えているので、同様に一つの高段側冷媒回路にて複数の低段側冷媒回路の高圧側冷媒を過冷却することができるようになる。

この場合、高段側冷媒回路は、高段側ガスクーラと、この高段側ガスクーラの出口に接続された高段側膨張弁と、この高段側膨張弁の出口に並列に接続されて各カスケード熱交換器をそれぞれ構成する複数の高段側蒸発器を備えているので、一つの高段側膨張弁から複数の高段側蒸発器へ冷媒を流すことができるようになり、制御が簡素化されると共に、コストの低減も図ることが可能となる。

請求項３の発明によれば、高段側冷媒回路と、複数の低段側冷媒回路と、高段側冷媒回路の冷媒を蒸発させて各低段側冷媒回路の高圧側冷媒をそれぞれ冷却する複数のカスケード熱交換器とを備え、各冷媒回路には二酸化炭素を冷媒として封入して成る冷凍装置において、高段側冷媒回路は、高段側ガスクーラと、この高段側ガスクーラの出口に接続された高段側膨張弁と、この高段側膨張弁の出口に直列に接続されて各カスケード熱交換器をそれぞれ構成する複数の高段側蒸発器を備えているので、同様に一つの高段側冷媒回路にて複数の低段側冷媒回路の高圧側冷媒を過冷却することができるようになる。

この場合、高段側冷媒回路は、高段側ガスクーラと、この高段側ガスクーラの出口に接続された高段側膨張弁と、この高段側膨張弁の出口に直列に接続されて各カスケード熱交換器をそれぞれ構成する複数の高段側蒸発器を有しているので、何れかの低段側冷媒回路の運転が停止したときに、高段側冷媒回路の高段側圧縮機に液バックが発生する不都合を防止することが可能となるものである。

これらにおいて、請求項４の発明の如く高段側蒸発器を出た冷媒を、高段側冷媒回路の高圧側冷媒と熱交換させること無く、高段側冷媒回路の高段側圧縮機に吸い込ませるようにしたので、特に外気温度が高くなる夏期等に、高段側冷媒回路の高圧側圧力の異常上昇を防止することができるようになる。また、高段側圧縮機に密度の濃い冷媒を吸い込ませることができるので、効率も向上することになる。

本発明を適用した一実施例の冷凍装置の冷媒回路図である（実施例１）。図１の冷凍装置の制御装置による圧力調整用膨張弁の制御フローチャートである。図１の冷凍装置の制御装置による低段側冷媒回路の高圧側圧力の目標値の算出動作を説明するための図である。本発明を適用した他の実施例の冷凍装置の冷媒回路図である（実施例２）。本発明を適用したもう一つの他の実施例の冷凍装置の冷媒回路図である（実施例３）。この種冷凍装置の低段側冷媒回路のｐ−ｈ線図である。この種冷凍装置の低段側冷媒回路の高圧側圧力と各熱交換器の能力の関係を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

図１は本発明を適用した一実施例の冷凍装置１の冷媒回路図である。実施例の冷凍装置１は、コンビニエンスストアやスーパーマーケット等の店舗に設置された複数台のショーケース２（実施例では四台）に、店外に設置された冷凍機ユニット３から冷媒を供給するものであり、一台の高段側冷媒回路４と、複数（実施例では二系統）の低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂとから構成されている。

この実施例の高段側冷媒回路４は、スクロール圧縮機から成る高段側圧縮機７と、この高段側圧縮機７の吐出配管８から分岐した分岐配管９Ａ、９Ｂにそれぞれ接続されて相互に並列となる第１及び第２の（複数の）高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂと、第１の高段側ガスクーラ１１Ａの出口配管１２Ａに接続された第１の高段側膨張弁１３Ａと、第２の高段側ガスクーラ１１Ｂの出口配管１２Ｂに接続された第２の高段側膨張弁１３Ｂと、第１の高段側膨張弁１３Ａの出口配管１４Ａに接続された第１の高段側蒸発器１６Ａと、第２の高段側膨張弁１３Ｂの出口配管１４Ｂに接続された第２の高段側蒸発器１６Ｂとを備えており、これら第１及び第２の高段側蒸発器１６Ａ、１６Ｂの出口配管１７Ａ、１７Ｂが合流され、高段側圧縮機７の吸込配管１８に接続されて冷凍サイクルが構成されている。この高段側冷媒回路４には、二酸化炭素が冷媒として所定量封入されている。

一方、低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂは何れも同一の構成である。即ち、実施例の低段側冷媒回路６Ａ（低段側冷媒回路６Ｂも同様）は、これもスクロール圧縮機から成る低段側圧縮機２１と、この低段側圧縮機２１の吐出配管２２に接続された第１の低段側ガスクーラ２３と、その出口配管２４に接続されて第１の低段側ガスクーラ２３の冷媒下流側となる第２の低段側ガスクーラ２６と、この第２の低段側ガスクーラ２６の出口配管２７に接続された過冷却用熱交換器２８と、この過冷却用熱交換器２８の出口配管２９に接続された圧力調整用膨張弁３１と、この圧力調整用膨張弁３１の出口配管３２から分岐した分岐配管３３Ａ、３３Ｂにそれぞれ接続された低段側膨張弁３４、３４と、各低段側膨張弁３４、３４の出口側にそれぞれ接続された低段側蒸発器３６、３６とを備えている。

これら低段側膨張弁３４及び低段側蒸発器３６が二台のショーケース２内にそれぞれ設置されるものである。そして、各ショーケース２内の低段側蒸発器３６の出口側にはそれぞれ電磁弁３７が接続され、各電磁弁３７の出口配管３８が合流された後、入口配管４２を経てアキュムレータ３９に接続され、このアキュムレータ３９の出口側が低段側圧縮機２１の吸込配管４１に接続されて冷凍サイクルが構成されている。アキュムレータ３９は所定容量を有するタンクである。また、各低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂには、二酸化炭素が冷媒として所定量封入されている。

そして、高段側冷媒回路４の第１の高段側蒸発器１６Ａと低段側冷媒回路６Ａの過冷却用熱交換器２８とが熱交換関係に設けられて第１のカスケード熱交換器４３Ａが構成され、高段側冷媒回路４の第２の高段側蒸発器１６Ｂと低段側冷媒回路６Ｂの過冷却用熱交換器２８とが熱交換関係に設けられて第２のカスケード熱交換器４３Ｂが構成されている。また、上記分岐配管３３Ａ、３３Ｂと出口配管３８が冷凍機ユニット３から各ショーケース２に渡る配管となる。

図中、４４は各低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの低段側圧縮機２１の吐出配管２２に取り付けられた圧力センサであり、低段側圧縮機２１から吐出された高圧側冷媒の圧力を検出する。また、４６、４７は各低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの出口配管２７及び２９にそれぞれ取り付けられた温度センサであり、温度センサ４６は過冷却用熱交換器２８に流入する冷媒の温度を、温度センサ４７は過冷却用熱交換器２８から流出する冷媒の温度をそれぞれ検出する。

図中５１、５２は第１及び第２のガスクーラ用送風機であり、第１のガスクーラ用送風機５１は各高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂと第１の低段側ガスクーラ２３に通風してそれらを空冷し、第２のガスクーラ用送風機５２は第２の低段側ガスクーラ２６に通風して空冷する。また、図中５３は外気温度を検出する温度センサである。更に、図中４８は冷凍機ユニット３側の制御装置であり、各センサ４４、４６、４７、５３等の出力に基づいて高段側冷媒回路４の高段側圧縮機７の運転周波数、各高段側膨張弁１３Ａ、１３Ｂの弁開度、低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの低段側圧縮機２１の運転周波数、圧力調整用膨張弁３１の弁開度、各ガスクーラ用送風機５１、５２の運転を制御する。

尚、ショーケース２側の低段側膨張弁３４や電磁弁３７は各ショーケース２の制御装置により陳列室内に温度やそこに吹き出される冷気の温度等に基づいて制御されるものであるが、ショーケース２の制御装置と冷凍機ユニット３の制御装置４８は店舗に設けられる統合制御装置により集中制御され、互いに連携して動作するものである。

以上の構成で、制御装置４８により高段側冷媒回路４の高段側圧縮機７、低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの低段側圧縮機２１、各ガスクーラ用送風機５１、５２が運転されると、高段側圧縮機７で圧縮された高温高圧の冷媒（二酸化炭素）が吐出配管８に吐出され、分岐配管９Ａ、９Ｂに分流された後、各高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂに流入する。各高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂに流入した冷媒は、ガスクーラ用送風機５１により超臨界状態で冷却され、温度が低下する。

第１の高段側ガスクーラ１１Ａで冷却された冷媒は、出口配管１２Ａを経て第１の高段側膨張弁１３Ａに流入し、そこで絞られた後（減圧）、出口配管１４Ａから第１のカスケード熱交換器４３Ａを構成する第１の高段側蒸発器１６Ａに流入して蒸発し、第１の低段側冷媒回路６Ａの過冷却用熱交換器２８を流れる冷媒を冷却する（過冷却）。また、第２の高段側ガスクーラ１１Ｂで冷却された冷媒は、出口配管１２Ｂを経て第２の高段側膨張弁１３Ｂに流入し、そこで減圧された後、出口配管１４Ｂから第２のカスケード熱交換器４３Ｂを構成する第２の高段側蒸発器１６Ｂに流入して蒸発し、第２の低段側冷媒回路６Ｂの過冷却用熱交換器２８を流れる冷媒を冷却する（過冷却）。

そして、これら第１及び第２の高段側蒸発器１６Ａ、１６Ｂを出た冷媒は、出口配管１７Ａ、１７Ｂを経て合流し、吸込配管１８から高段側圧縮機７に吸い込まれる循環を繰り返す。

一方、第１の低段側冷媒回路６Ａ（第２の低段側冷媒回路６Ｂも同様）の低段側圧縮機２１で圧縮された高温高圧の冷媒（二酸化炭素）は吐出配管２２に吐出され、第１の低段側ガスクーラ２３に流入する。この第１の低段側ガスクーラ２３に流入した冷媒は、ガスクーラ用送風機５１により超臨界状態で冷却され、温度が低下した後、出口配管２４を経て次に第２の低段側ガスクーラ２６に流入する。この第２の低段側ガスクーラ２６に流入した冷媒は、ガスクーラ用送風機５２により超臨界状態で冷却され、温度が更に低下した後、出口配管２７を経て第１のカスケード熱交換器４３Ａ（第２の低段側冷媒回路６Ｂの場合は第２のカスケード熱交換器４３Ｂ）を構成する過冷却用熱交換器２８に流入する。

この過冷却用熱交換器２８に流入した冷媒は、第１の高段側蒸発器１６Ａ（第２の低段側冷媒回路６Ｂの場合は第２の高段側蒸発器１６Ｂ）内で蒸発する高段側冷媒回路４の冷媒により冷却（過冷却）されて更に温度が低下した後、出口配管２９を経て圧力調整用膨張弁３１に至る。

この圧力調整用膨張弁３１で低段側冷媒回路６Ａ（６Ｂ）の高圧側冷媒は絞られ、出口配管３２を経て分岐配管３３Ａ、３３Ｂに分流し、冷凍機ユニット３から出て各ショーケース２に入る。分岐配管３３Ａ、３３Ｂを流れる冷媒は各ショーケース２の低段側膨張弁３４に至り、そこで絞られた後、低段側蒸発器３６に流入して蒸発する。このときの吸熱作用で各ショーケース２の陳列室内は所定の温度に冷却される。

そして、これらショーケース２の低段側蒸発器３６を出た冷媒は、電磁弁３７（ショーケース２を冷却する場合、電磁弁３７は開放されているものとする）、出口配管３８を経て合流し、入口配管４２からアキュムレータ３９に流入する。アキュムレータ３９に流入した冷媒はそこで気液分離され、ガス冷媒が吸込配管４１を経て低段側圧縮機２１に吸い込まれる循環を繰り返す。

制御装置４８は、各低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂに設けられた温度センサ４６が検出する過冷却用熱交換器２８に流入する冷媒の温度と、温度センサ４７が検出する過冷却用熱交換器２８から流出する冷媒の温度に基づき（例えば、それらの差に基づき）、各過冷却用熱交換器２８において低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの高圧側冷媒が適切に過冷却されるように各高段側膨張弁１３Ａ、１３Ｂの弁開度をそれぞれ独立して制御する。これにより、各カスケード熱交換器４３Ａ、４３Ｂによって各低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの高圧側冷媒をそれぞれ的確に過冷却する。

このように、各カスケード熱交換器４３Ａ、４３Ｂの高段側蒸発器１６Ａ、１６Ｂにおいて高段側冷媒回路４の冷媒を蒸発させ、過冷却用熱交換器２８を流れる各低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの高圧側冷媒を過冷却することにより、二酸化炭素を冷媒として使用する場合にも、各冷媒回路４、６Ａ、６Ｂの圧縮機７、２１として比較的大型（大能力）の圧縮機を使用すること無く、各ショーケース２の低段側蒸発器３６において所要の冷却能力を得ることが可能となる。

また、低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの低段側蒸発器３６を出た冷媒は、当該低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの高圧側冷媒と熱交換すること無く、低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの低段側圧縮機２１に吸い込まれる構成とされているので、特に外気温度が高くなる夏期等に、低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの高圧側圧力の異常上昇を防止することができるようになると共に、低段側圧縮機２１に密度の濃い冷媒を吸い込ませることができるので、効率も向上することになる。

この場合、低段側圧縮機２１の吸込側にはアキュムレータ３９が設けられているので、低段側圧縮機２１への液バックは防止される。また、アキュムレータ３９は液溜めとして機能するので、低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂに十分な量の二酸化炭素冷媒を封入することが可能となる。

また、カスケード熱交換器４３Ａ、４３Ｂは、低段側ガスクーラ２６を出た冷媒を過冷却するので、低段側ガスクーラ２４、２６で冷却された低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの二酸化炭素冷媒をカスケード熱交換器４３Ａ、４３Ｂにて更に過冷却することになり、更なる冷却能力を改善を図ることができるようになる。

更に、この実施例では二系統の低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂと、各低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂにそれぞれ設けられた二つのカスケード熱交換器４３Ａ、４３Ｂを備えているので、一つの高段側冷媒回路４にて二系統（複数）の低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの高圧側冷媒を過冷却することができるようになる。

この場合、高段側冷媒回路４は、並列に接続された二つ（複数）の高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂと、各高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂの出口にそれぞれ接続された二つ（複数）の高段側膨張弁１３Ａ、１３Ｂと、各高段側膨張弁１３Ａ、１３Ｂの出口にそれぞれ接続されて各カスケード熱交換器４３Ａ、４３Ｂをそれぞれ構成する二つ（複数）の高段側蒸発器１６Ａ、１６Ｂを有しているので、実施例のように二系統の低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂを用いる場合にも、各カスケード熱交換器４３Ａ、４３Ｂにより各低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの高圧側冷媒を、それぞれ独立して的確に過冷却することができるようになる。

また、高段側冷媒回路４の各高段側蒸発器１６Ａ、１６Ｂを出た冷媒を、当該高段側冷媒回路４の高圧側冷媒と熱交換させること無く、高段側冷媒回路４の高段側圧縮機７に吸い込ませているので、特に外気温度が高くなる夏期等に、高段側冷媒回路４の高圧側圧力の異常上昇を防止することができるようになる。また、高段側圧縮機７に密度の濃い冷媒を吸い込ませることができるので、効率も向上する。

次に、図２及び図３を参照しながら、制御装置４８による各低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの圧力調整用膨張弁３１の弁開度制御について説明する。実施例で制御装置４８は、外気温度に基づいて低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの最適な高圧側圧力を算出し、それを目標値として各圧力調整用膨張弁３１の弁開度を制御する。即ち、制御装置４８は図２のフローチャートのステップＳ１で、温度センサ５３が検出する外気温度を検知する。次に、ステップＳ２でこの外気温度に基づき、低段側冷媒回路６Ａ（６Ｂ）の高圧側圧力の目標値を設定する。

この場合、制御装置４８は外気温度とそのときの低段側冷媒回路６Ａ（６Ｂ）の最適な高圧側圧力との関係を示す情報を予め保有している。ここで、本発明において高圧側圧力の最適値とは、前述した図７において効率ＣＯＰが最大、若しくは、それに近い値となる低段側冷媒回路６Ａ（６Ｂ）の高圧側圧力を意味する。図３中の近似式（ｙ＝０．１３４７ｘ＋５．４１３２）はこの低段側冷媒回路６Ａ（６Ｂ）の最適な高圧側圧力と外気温度との関係を示す情報である。図３の横軸（ｘ）は外気温度、縦軸（ｙ）は当該冷凍装置１の低段側冷媒回路６Ａ（６Ｂ）の高圧側圧力（低段側圧縮機２１の吐出された高圧側冷媒の圧力）の最適値であり、この近似式は予め実験により求めておく。例えば、前述した図７がこの冷凍装置１の例であるものとすると、外気温度（ｘ）＝＋３８℃の環境では、高圧側圧力の最適値（ｙ）＝１０．５ＭＰａとなることが分かる。

制御装置４８はステップＳ２でこの近似式を用い、外気温度からそのときの最適な高圧側圧力（高圧側圧力の最適値）を算出して、当該算出した高圧側圧力を目標値として設定する。例えば、外気温度＋２０℃のときの目標値（最適な高圧側圧力）は８．１ＭＰａ程となり、＋３０℃のときの目標値は９．５ＭＰａ程となる。次に、制御装置４８はステップＳ３で圧力調整用膨張弁３１の初期化開度を設定して、開度を初期化する。そして、ステップＳ４で圧力調整用膨張弁３１による低段側冷媒回路６Ａ（６Ｂ）の高圧側圧力の制御を開始する。

制御装置４８は先ずステップＳ５で所定時間（例えば１０分）待機した後、ステップＳ６で圧力センサ４４が検出する現在の高圧側圧力を検知する。次に、ステップＳ７で前記目標値（最適な高圧側圧力）と現在の高圧側圧力（現在値）との差（目標値−現在値）の絶対値（ａｂｓ）が所定値（例えば０．１ＭＰａ）以下か否か判断し、差が所定値以下である（差が無いか、小さい）場合には、ステップＳ８に進んで圧力調整用膨張弁３１の弁開度の変更する指示を行わないこととする（圧力調整用膨張弁３１の弁開度は維持される）。

次に、ステップＳ９で所定時間（例えば、３０秒）待機した後、ステップＳ１０で再度温度センサ５３が検出する外気温度を検知する。そして、ステップＳ１１で前記目標値を設定したときの外気温度（ステップＳ１における外気温度。設定外気温度）と、現在の外気温度（現行外気温度）との差（設定外気温度−現行外気温度）が所定値（例えば、プラスマイナス２Ｋ）の範囲以内か否か判断する。そして、差が所定値（プラスマイナス２Ｋ）以内である場合は、ステップＳ１２で高圧側圧力の目標値を維持し、ステップＳ６に戻る。

ステップＳ１１で差（設定外気温度−現行外気温度）が所定値以内では無かった場合、制御装置４８はステップＳ１３に進んで図３の近似式を用い、再度そのときの外気温度（現行外気温度）における最適な高圧側圧力を算出し、当該算出した高圧側圧力を目標値として設定（更新）する。そして、ステップＳ６に戻る。このようにして制御装置４８は外気温度の変化に追従して低段側冷媒回路６Ａ（６Ｂ）の高圧側圧力の目標値を更新していく。

一方、ステップＳ７で前記目標値と現在の高圧側圧力（現在値）との差（目標値−現在値）の絶対値が所定値（０．１ＭＰａ）以下では無かった場合（差が大きい）、制御装置４８はステップＳ１４に進んで、差（目標値−現在値）が所定値（例えば、０．１ＭＰａ）より大きいか否か判断する。

そして、現在の高圧側圧力（現在値）が低く、差（目標値−現在値）が所定値（０．１ＭＰａ）より大きい場合、制御装置４８はステップＳ１５に進んで圧力調整用膨張弁３１の弁開度を所定パルス（ｘｘｐｌｓ）閉める。これにより、低段側冷媒回路６Ａ（６Ｂ）の高圧側冷媒は、カスケード熱交換器４３Ａ（４３Ｂ）の過冷却用熱交換器２８を出たところでより堰き止められるかたちとなるので、低段側冷媒回路６Ａ（６Ｂ）の高圧側圧力は上昇する。

一方、現在の低段側冷媒回路６Ａ（６Ｂ）の高圧側圧力（現在値）が高く、差（目標値−現在値）が所定値（０．１ＭＰａ）以下である場合、制御装置４８はステップＳ１６に進んで圧力調整用膨張弁３１の弁開度を所定パルス（ｘｘｐｌｓ）開く。これにより、カスケード熱交換器４３Ａ（４３Ｂ）の過冷却用熱交換器２８を出た低段側冷媒回路６Ａ（６Ｂ）の高圧側冷媒は、より流れ易くなるので、低段側冷媒回路６Ａ（６Ｂ）の高圧側圧力は低下する。

以上を繰り返して制御装置４８は圧力調整用膨張弁３１により低段側冷媒回路６Ａ（６Ｂ）の高圧側圧力を最適な値に制御する。即ち、低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの高圧側圧力を調整するための圧力調整用膨張弁３１を設け、制御装置４８により低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの高圧側圧力に基づき、最適な当該高圧側圧力を目標値として圧力調整用膨張弁３１を制御するようにしたので、低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの高圧側冷媒の比エンタルピ差を確保し、冷却能力の向上と効率の改善を図ることができるようになる。

特に、制御装置４８に外気温度とそのときの最適な高圧側圧力との関係を示す情報（近似式）を予め保有させておき、外気温度に基づいて高圧側圧力の目標値を算出するようにしたので、圧力調整用膨張弁３１により円滑に低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの高圧側圧力を最適な値に制御することが可能となる。

次に、図４を参照しながら本発明の冷凍装置１の他の実施例を説明する。尚、この図において、図１と同一符号で示すものは同一若しくは同様の機能を奏するものとする。この実施例でも低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの回路構成は実施例１の場合と同様である。この場合、高段側冷媒回路４の第１の高段側ガスクーラ１１Ａの出口配管１２Ａと第２の高段側ガスクーラ１１Ｂの出口配管１２Ｂは合流されて一つの高段側膨張弁１３の入口に接続されている。即ち、各高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂは高段側圧縮機７と高段側膨張弁１３の間に並列に接続されたかたちとなる。

また、この高段側膨張弁１３の出口は分岐配管５４Ａ、５４Ｂに分岐し、一方の分岐配管５４Ａが第１の高段側蒸発器１６Ａの入口に接続され、他方の分岐配管５４Ｂが第２の高段側蒸発器１６Ｂの入口に接続されている。即ち、各高段側蒸発器１６Ａ、１６Ｂは高段側膨張弁１３の出口に並列に接続されたかたちとなる。

図中５６は、高段側圧縮機７の吐出配管８に取り付けられて高段側冷媒回路４の高圧側圧力を検出する圧力センサであり、図中５７は、出口配管１７Ａに取り付けられて第１の高段側蒸発器１６Ａを出た冷媒の温度を検出する温度センサ、５８は、出口配管１７Ｂに取り付けられて第２の高段側蒸発器１６Ｂを出た冷媒の温度を検出する温度センサである。また、実施例１の温度センサ４６、４７は設けられていない。その他の構成は実施例１の場合と同様である。

この場合の冷凍装置１において、制御装置４８により高段側冷媒回路４の高段側圧縮機７、低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの低段側圧縮機２１、各ガスクーラ用送風機５１、５２が運転されると、高段側圧縮機７で圧縮された高温高圧の冷媒（二酸化炭素）が吐出配管８に吐出され、分岐配管９Ａ、９Ｂに分流された後、各高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂに流入する。各高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂに流入した冷媒は、ガスクーラ用送風機５１により超臨界状態で冷却され、温度が低下する。

そして、各高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂで冷却された冷媒は、出口配管１２Ａ、１２Ｂを経て合流した後、高段側膨張弁１３に流入し、そこで絞られた後（減圧）、分岐配管５４Ａ、５４Ｂに分流する。分岐配管５４Ａに流入した冷媒は、第１のカスケード熱交換器４３Ａを構成する第１の高段側蒸発器１６Ａに流入して蒸発し、第１の低段側冷媒回路６Ａの過冷却用熱交換器２８を流れる冷媒を冷却する（過冷却）。また、分岐配管５４Ｂに流入した冷媒は、第２のカスケード熱交換器４３Ｂを構成する第２の高段側蒸発器１６Ｂに流入して蒸発し、第２の低段側冷媒回路６Ｂの過冷却用熱交換器２８を流れる冷媒を冷却する（過冷却）。

また、この場合の制御装置４８は、温度センサ５７、５８が検出する各高段側蒸発器１６Ａ、１６Ｂを出た冷媒の温度の例えば平均値に基づいて高段側圧縮機７の運転周波数を制御する。このとき、制御装置４８は、各カスケード熱交換器４３Ａ、４３Ｂにおいて低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの高圧側冷媒の所要の過冷却がとれるように高段側圧縮機７の運転周波数を制御する。

更に、制御装置４８は、圧力センサ５６が検出する高段側冷媒回路４の高圧側圧力に基づいて膨張弁１３の弁開度を前述した低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの圧力調整用膨張弁３１と同様に制御することにより、高段側冷媒回路４の高圧側圧力を前述同様の適正な値（高段側冷媒回路４の高圧側圧力の目標値）に制御する。尚、低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの運転及びそれらに関する制御装置４８の制御は実施例１と同様である。

この実施例においても二系統（複数）の低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂと、各低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂにそれぞれ設けられた二つ（複数）のカスケード熱交換器４３Ａ、４３Ｂを備えているので、同様に一つの高段側冷媒回路４にて二系統（複数）の低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの高圧側冷媒を過冷却することができるようになる。特に、この実施例の場合、高段側冷媒回路４は、第１、第２の高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂと、これら高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂの出口に接続された単一の高段側膨張弁１３と、この高段側膨張弁１３の出口に並列に接続されて各カスケード熱交換器４３Ａ、４３Ｂをそれぞれ構成する二つ（複数）の高段側蒸発器１６Ａ、１６Ｂを有しているので、一つの高段側膨張弁１３から二つ（複数）の高段側蒸発器１６Ａ、１６Ｂへ冷媒を流すことができるようになり、制御が簡素化されると共に、コストの削減も図ることができるようになる効果がある。

次に、図５を参照しながら本発明の冷凍装置１のもう一つ他の実施例を説明する。尚、この図において、図１、図４と同一符号で示すものは同一若しくは同様の機能を奏するものとする。この実施例でも低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの回路構成は実施例１の場合と同様である。この場合も高段側冷媒回路４の第１の高段側ガスクーラ１１Ａの出口配管１２Ａと第２の高段側ガスクーラ１１Ｂの出口配管１２Ｂは合流されて一つの高段側膨張弁１３の入口に接続されている。即ち、各高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂは高段側圧縮機７と高段側膨張弁１３の間に並列に接続されたかたちとなる。

但し、この高段側膨張弁１３の出口は出口配管５９を経て第１の高段側蒸発器１６Ａの入口に接続されている。そして、この第１の高段側蒸発器１６Ａの出口配管１７Ａが第２の高段側蒸発器１６Ｂの入口に接続され、この高段側蒸発器１６Ｂの出口配管１７Ｂが高段側圧縮機７の吸込配管１８に接続されている。即ち、各高段側蒸発器１６Ａ、１６Ｂは高段側膨張弁１３の出口に直列に接続されたかたちとなる。

また、前記実施例２の温度センサ５７は設けられておらず、温度センサ５８が出口配管１７Ｂに取り付けられて第２の高段側蒸発器１６Ｂを出た冷媒の温度を検出する。また、この場合も実施例１の温度センサ４６、４７は設けられていない。その他の構成は実施例１、或いは、実施例２の場合と同様である。

そして、各高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂで冷却された冷媒は、出口配管１２Ａ、１２Ｂを経て合流した後、高段側膨張弁１３に流入し、そこで絞られた後（減圧）、出口配管５９を経て先ず第１のカスケード熱交換器４３Ａを構成する第１の高段側蒸発器１６Ａに流入して蒸発し、第１の低段側冷媒回路６Ａの過冷却用熱交換器２８を流れる冷媒を冷却する（過冷却）。この第１の高段側蒸発器１６Ａを出た冷媒は、出口配管１７Ａを経て次に第２のカスケード熱交換器４３Ｂを構成する第２の高段側蒸発器１６Ｂに流入して蒸発し、第２の低段側冷媒回路６Ｂの過冷却用熱交換器２８を流れる冷媒を冷却する（過冷却）。

そして、この第２の高段側蒸発器１６Ｂを出た冷媒は、出口配管１７Ｂを経て吸込配管１８から高段側圧縮機７に吸い込まれる循環を繰り返す。

また、この場合の制御装置４８は、温度センサ５８が検出する第２の高段側蒸発器１６Ｂを出た冷媒の温度に基づいて高段側圧縮機７の運転周波数を制御する。このとき、制御装置４８は、各カスケード熱交換器４３Ａ、４３Ｂにおいて低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの高圧側冷媒の所要の過冷却がとれるように高段側圧縮機７の運転周波数を制御する。

更に、制御装置４８は、実施例２の場合と同様に圧力センサ５６が検出する高段側冷媒回路４の高圧側圧力に基づいて膨張弁１３の弁開度を前述した低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの圧力調整用膨張弁３１と同様に制御することにより、高段側冷媒回路４の高圧側圧力を前述同様の適正な値（高段側冷媒回路４の高圧側圧力の目標値）に制御する。尚、低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの運転及びそれらに関する制御装置４８の制御は実施例１と同様である。

この実施例においても二系統（複数）の低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂと、各低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂにそれぞれ設けられた二つ（複数）のカスケード熱交換器４３Ａ、４３Ｂを備えているので、同様に一つの高段側冷媒回路４にて二系統（複数）の低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの高圧側冷媒を過冷却することができるようになる。

ここで、実施例２の場合には何れかの低段側冷媒回路６Ａ、又は、６Ｂの運転が停止したときに、高段側冷媒回路４の高段側圧縮機７に液バックが発生する危険性があるが、この実施例では高段側冷媒回路４は、高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂの出口に接続された高段側膨張弁１３の出口に直列に各カスケード熱交換器をそれぞれ構成する二つ（複数）の高段側蒸発器１６Ａ、１６Ｂを接続しており、下流側の第２の高段側蒸発器１６Ｂを出た冷媒の温度で高段側圧縮機７の運転周波数を制御しているので、係る不都合は解消される。

但し、この実施例の場合には、第１の高段側蒸発器１６Ａが上流側、第２の高段側蒸発器１６Ｂが下流側となる関係上、プルダウン時にはどうしても第１のカスケード熱交換器４３Ａで冷却される低段側冷媒回路６Ａの冷媒の過冷却が低段側冷媒回路６Ｂよりも優先されるかたちとなる。そのため、低段側冷媒回路６Ａはより負荷が大きくなるショーケース２の冷却を分担する構成とするとよい。

尚、実施例では単一の高段側冷媒回路と二系統の低段側冷媒回路をカスケード接続したが、それに限らず、三系統以上の低段側冷媒回路を高段側冷媒回路にカスケード接続した冷凍装置にも本発明は有効である。また、実施例ではショーケースを冷却する冷凍装置に本発明を適用したが、それに限らず、自動販売機等を冷却する冷凍装置にも本発明は有効である。

１冷凍装置
２ショーケース
３冷凍機ユニット
４高段側冷媒回路
６Ａ、６Ｂ低段側冷媒回路
７高段側圧縮機
１１Ａ、１１Ｂ高段側ガスクーラ
１３Ａ、１３Ｂ、１３高段側膨張弁
１６Ａ、１６Ｂ高段側蒸発器
２１低段側圧縮機
２３、２６低段側ガスクーラ
２８過冷却熱交換器
３１圧力調整用膨張弁
３４低段側膨張弁
３６低段側蒸発器
３９アキュムレータ
４８制御装置
５１、５２ガスクーラ用送風機

Claims

高段側冷媒回路と、複数の低段側冷媒回路と、前記高段側冷媒回路の冷媒を蒸発させて前記各低段側冷媒回路の高圧側冷媒をそれぞれ冷却する複数のカスケード熱交換器とを備え、前記各冷媒回路には二酸化炭素を冷媒として封入して成る冷凍装置において、
前記高段側冷媒回路は、並列に接続された複数の高段側ガスクーラと、各高段側ガスクーラの出口にそれぞれ接続された複数の高段側膨張弁と、各高段側膨張弁の出口にそれぞれ接続されて前記各カスケード熱交換器をそれぞれ構成する複数の高段側蒸発器を備えたことを特徴とする冷凍装置。
高段側冷媒回路と、複数の低段側冷媒回路と、前記高段側冷媒回路の冷媒を蒸発させて前記各低段側冷媒回路の高圧側冷媒をそれぞれ冷却する複数のカスケード熱交換器とを備え、前記各冷媒回路には二酸化炭素を冷媒として封入して成る冷凍装置において、
前記高段側冷媒回路は、高段側ガスクーラと、該高段側ガスクーラの出口に接続された高段側膨張弁と、該高段側膨張弁の出口に並列に接続されて前記各カスケード熱交換器をそれぞれ構成する複数の高段側蒸発器を備えたことを特徴とする冷凍装置。
高段側冷媒回路と、複数の低段側冷媒回路と、前記高段側冷媒回路の冷媒を蒸発させて前記各低段側冷媒回路の高圧側冷媒をそれぞれ冷却する複数のカスケード熱交換器とを備え、前記各冷媒回路には二酸化炭素を冷媒として封入して成る冷凍装置において、
前記高段側冷媒回路は、高段側ガスクーラと、該高段側ガスクーラの出口に接続された高段側膨張弁と、該高段側膨張弁の出口に直列に接続されて前記各カスケード熱交換器をそれぞれ構成する複数の高段側蒸発器を備えたことを特徴とする冷凍装置。
前記高段側蒸発器を出た冷媒を、前記高段側冷媒回路の高圧側冷媒と熱交換させること無く、前記高段側冷媒回路の高段側圧縮機に吸い込ませることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちの何れかに記載の冷凍装置。