JP2019090595A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の大型化を抑制しながら、冷却負荷に対する冷却能力を向上させることが可能な冷却装置を提供する。【解決手段】この冷却装置１００は、圧縮機１０と、凝縮器１１と、メイン膨張弁１２と、サブ膨張弁１３と、高温側回路１０１および低温側回路１０２に跨るように設けられるカスケード熱交換器３と、高温側回路１０１および低温側回路１０２に跨るように設けられ、高温側回路１０１においてカスケード熱交換器３と並列に配置される過冷却器４とを冷媒配管１により接続して形成される高温側回路１０１と、圧縮機２０と、カスケード熱交換器３と、過冷却器４と、膨張弁Ｌ１と、冷却負荷Ｌとを冷媒配管２により接続して形成される低温側回路１０２と、を備える。【選択図】図１

Description

この発明は、冷却装置に関し、特に、カスケード熱交換器を備えた冷却装置に関する。

従来、カスケード熱交換器を備えた冷却装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

上記特許文献１には、高温側回路と、低温側回路と、低温側回路の冷媒と高温側回路の冷媒とが熱交換を行うことにより低温側回路の冷媒を冷却する単一のカスケード熱交換器とを備える冷却装置が開示されている。冷却装置は、低温側回路の冷媒を用いて冷却負荷を冷却する。

特開２０１２−１９３９０８号公報

ここで、冷却装置の分野においては、低温側回路における冷却負荷に対する冷却能力のさらなる向上が望まれている。しかしながら、上記特許文献１に記載された冷却装置では、低温側回路における冷却能力をさらに向上させるために、低温側回路の冷媒を一層冷却する必要があるので、カスケード熱交換器を大型化（サイズアップ）させる必要がある。これに伴い、冷媒配管や圧縮機を大型化させる必要があり、装置全体が大型化するという問題点がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、装置の大型化を抑制しながら、冷却負荷に対する冷却能力を向上させることが可能な冷却装置を提供することである。

上記目的を達成するために、この発明の一の局面による冷却装置は、高温側圧縮機と、高温側凝縮器と、高温側膨張弁と、カスケード熱交換器とを冷媒配管により接続して形成される高温側回路と、低温側圧縮機と、カスケード熱交換器と、低温側膨張弁と、冷却負荷とを冷媒配管により接続して形成される低温側回路と、を備え、カスケード熱交換器は、高温側回路および低温側回路に跨るように設けられるメインカスケード熱交換器と、高温側回路および低温側回路に跨るように設けられ、高温側回路においてメインカスケード熱交換器と並列に配置されるサブカスケード熱交換器とを含む。

この発明の一の局面による冷却装置では、上記のように、高温側回路および低温側回路に跨るように設けられるメインカスケード熱交換器と、高温側回路および低温側回路に跨るように設けられ、高温側回路においてメインカスケード熱交換器と並列に配置されるサブカスケード熱交換器とを設けることにより、高温側回路において、メインカスケード熱交換器側が設けられる冷媒配管と、サブカスケード熱交換器が設けられる冷媒配管とに冷媒を分流させることができるので、単一のカスケード熱交換器を備える冷却装置と比較して、高温側回路において、冷媒配管が大型化するのを抑制することができる。その結果、冷媒配管が大型化するのに伴い、高温側回路の圧縮機や凝縮器などが大型化するのを抑制することができるので、装置全体が大型化するのを抑制することができる。また、複数のカスケード熱交換器（メインカスケード熱交換器およびサブカスケード熱交換器）により、低温側回路の冷媒を冷却することができるので、冷却負荷に対する冷却能力を向上させることができる。以上により、本発明による冷却装置は、装置の大型化を抑制しながら、冷却負荷に対する冷却能力を向上させることができる。

上記一の局面による冷却装置において、好ましくは、高温側膨張弁は、メインカスケード熱交換器の上流側に直列に配置されるメイン膨張弁と、サブカスケード熱交換器の上流側に直列に配置されるサブ膨張弁とを含み、メインカスケード熱交換器およびメイン膨張弁と、サブカスケード熱交換器およびサブ膨張弁とは、並列に配置され、メイン膨張弁およびサブ膨張弁の開度を、それぞれ独立して制御するように構成されている。このように構成すれば、高温側回路において、メインカスケード熱交換器およびサブカスケード熱交換器に流入する冷媒量を、それぞれ独立して制御することができるので、冷却負荷の目標冷却温度などに応じて、メインカスケード熱交換器およびサブカスケード熱交換器に流入する冷媒量のそれぞれを適切に設定することができる。その結果、適切な冷媒量により低温側回路の冷媒を冷却させて、冷却負荷に対する冷却能力をより向上させることができる。

上記一の局面による冷却装置において、好ましくは、メイン膨張弁の開度を、高温側回路の冷媒温度または冷媒圧力に基づいて制御するように構成され、サブ膨張弁の開度を、低温側回路の冷媒温度に基づいて制御するように構成されている。このように構成すれば、メイン膨張弁およびサブ膨張弁のそれぞれの開度が調整できない場合と比べて、高温側回路における冷媒配管内の冷媒温度または冷媒圧力に基づいて、メインカスケード熱交換器に流入する冷媒量をより適切に設定することができるとともに、低温側回路における冷却負荷側に流入する冷媒温度に基づいて、サブカスケード熱交換器に流入する冷媒量をより適切に設定することができる。その結果、低温側回路における冷却負荷に対する冷却能力を一層向上させることができる。

上記一の局面による冷却装置において、好ましくは、サブカスケード熱交換器は、低温側回路において、メインカスケード熱交換器の下流側に配置され、メインカスケード熱交換器により凝縮された液体冷媒を冷却する過冷却器を含む。このように構成すれば、低温側回路において、メインカスケード熱交換器により凝縮および冷却された液体冷媒を、過冷却器によってさらに冷却することができるので、メインカスケード熱交換器のみが冷媒の凝縮および冷却を行う場合と比較して、冷却負荷に対する冷却能力を効果的に向上させることができる。すなわち、過冷却器によりメインカスケード熱交換器による液体冷媒の冷却時の負担を軽減することができる。

この場合、好ましくは、低温側回路には、メインカスケード熱交換器の下流側で、過冷却器の上流側に配置される受液器が冷媒配管により接続されている。このように構成すれば、受液器により、低温側回路の過冷却器に熱交換の効率の低い気液二相状態の冷媒が流入するのを抑制することができるので、気液二相状態の冷媒を冷却して凝縮させる際の過冷却器の負担を軽減することができる。その結果、過冷却器における冷却負荷に対する冷却能力が低下するのを抑制することができる。

上記一の局面による冷却装置において、好ましくは、サブカスケード熱交換器は、低温側回路において、メインカスケード熱交換器の上流側に配置され、低温側圧縮機により圧縮された気体冷媒の一部を凝縮するガスクーラを含む。このように構成すれば、低温側回路において、メインカスケード熱交換器に冷媒が流入する前に、ガスクーラにより気体冷媒を冷却して、気液二相状態にすることができるので、熱交換の効率の低い気体冷媒のみがメインカスケード熱交換器に流入する場合と比較して、冷却負荷に対する冷却能力を効果的に向上させることができる。すなわち、ガスクーラによりメインカスケード熱交換器による気体冷媒の冷却時の負担を軽減することができる。

上記一の局面による冷却装置において、好ましくは、サブカスケード熱交換器は、低温側回路において、メインカスケード熱交換器の下流側に配置され、メインカスケード熱交換器により凝縮された液体冷媒を冷却する過冷却器と、低温側回路において、メインカスケード熱交換器の上流側に配置され、低温側圧縮機により圧縮された気体冷媒の一部を凝縮するガスクーラとを含み、過冷却器と、ガスクーラとは、高温側回路において並列に配置されている。このように構成すれば、低温側回路において、メインカスケード熱交換器から流出する液体冷媒を、過冷却器により冷却することができるので、メインカスケード熱交換器のみが冷媒の凝縮および冷却を行う場合と比較して、冷却負荷に対する冷却能力を効果的に向上させることができる。さらに、低温側回路において、メインカスケード熱交換器に冷媒が流入する前に、ガスクーラにより気体冷媒を冷却して、気液二相状態にすることができるので、熱交換の効率の低い気体冷媒のみがメインカスケード熱交換器に流入する場合と比較して、冷却負荷に対する冷却能力を効果的に向上させることができる。すなわち、過冷却器およびガスクーラによりメインカスケード熱交換器による気体冷媒および液体冷媒の冷却時の負担を軽減することができる。また、過冷却器とガスクーラとを高温側回路において並列に配置することにより、各々に冷媒を供給することができるので、過冷却器とガスクーラとにより低温側回路の冷媒を確実に冷却することができる。

本発明によれば、上記のように、装置の大型化を抑制しながら、冷却負荷に対する冷却能力を向上させることが可能な冷却装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態による冷却装置の概略的な全体構成を示した図である。 本発明の第１実施形態による冷却装置のｐ−ｈ線図（モリエル線図）である。 本発明の第２実施形態による冷却装置の概略的な全体構成を示した図である。 本発明の第２実施形態による冷却装置のｐ−ｈ線図（モリエル線図）である。 本発明の第３実施形態による冷却装置の概略的な全体構成を示した図である。 本発明の第３実施形態による冷却装置のｐ−ｈ線図（モリエル線図）である。 本発明の第４実施形態による冷却装置の概略的な全体構成を示した図である。

以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。

［第１実施形態］
（冷却装置の構成）
図１および図２を参照して、本発明の第１実施形態による冷却装置１００の構成について説明する。

図１に示す冷却装置１００は、冷却負荷Ｌを冷却するための装置である。たとえば、冷却装置１００は、物品（図示せず）を保管する冷蔵倉庫（図示せず）を所定温度に維持するための装置である。冷却装置１００は、一般的に、一元冷却装置よりも低い冷却温度（超低温）を得ることが可能である。

冷却装置１００は、高温側回路１０１と、低温側回路１０２とを備えている。高温側回路１０１および低温側回路１０２は、それぞれ、独立して冷媒を循環させるように構成されている。高温側回路１０１および低温側回路１０２は、互いに異なる冷媒を循環させるように構成されている。高温側回路１０１および低温側回路１０２には、それぞれ、高温特性の良好な冷媒および低温特性の良好な冷媒が用いられる。なお、冷媒は、回路内（高温側回路１０１および低温側回路１０２内）において黒塗りの矢印で示される方向に移動している。

ここで、第１実施形態では、冷却装置１００は、高温側回路１０１と低温側回路１０２とに跨るように設けられ、高温側回路１０１と低温側回路１０２との間で熱エネルギーを交換する熱交換器として、カスケード熱交換器３および過冷却器４を備えている。なお、カスケード熱交換器３は、特許請求の範囲の「メインカスケード熱交換器」の一例である。また、過冷却器４は、特許請求の範囲の「サブカスケード熱交換器」の一例である。

カスケード熱交換器３および過冷却器４は、高温側回路１０１において、冷媒に熱エネルギーを付与する機能を有しており、低温側回路１０２において、冷媒から熱エネルギーを奪う機能を有している。詳細には、カスケード熱交換器３は、高温側回路１０１において、蒸発器として機能するとともに、低温側回路１０２において、凝縮器として機能するように構成されている。過冷却器４は、高温側回路１０１において、蒸発器として機能するとともに、低温側回路１０２において、液体冷媒を冷却（過冷却）する機能を有している。

すなわち、冷却装置１００は、高温側回路１０１の蒸発潜熱を利用して、カスケード熱交換器３および過冷却器４により、低温側冷媒を凝縮および冷却するように構成されている。また、過冷却器４は、カスケード熱交換器３に対して補助的に液体冷媒の冷却を行い、カスケード熱交換器３による液体冷媒の冷却時の負担を軽減する役割を有している。

カスケード熱交換器３および過冷却器４は、高温側回路１０１において並列に配置されている。なお、過冷却器４も、高温側回路１０１と低温側回路１０２との間で熱エネルギーを交換する熱交換器として機能する。カスケード熱交換器３および過冷却器４の詳細については後述する。

冷却装置１００は、さらに、メイン制御部５と、サブ制御部６とを備えている。メイン制御部５は、高温側回路１０１においてカスケード熱交換器３の入口側（上流側）に直列に配置される後述するメイン膨張弁１２の開度を制御するように構成されている。サブ制御部６は、高温側回路１０１において過冷却器４の入口側（上流側）に直列に配置される後述するサブ膨張弁１３の開度を制御するように構成されている。冷却装置１００は、メイン制御部５およびサブ制御部６により、メイン膨張弁１２およびサブ膨張弁１３の開度を、それぞれ独立して制御するように構成されている。

メイン制御部５は、メイン膨張弁１２および後述する圧力センサ１６のそれぞれと信号を送受信可能なように接続されている。サブ制御部６は、サブ膨張弁１３および後述する温度センサ２２のそれぞれと信号を送受信可能なように接続されている。

（高温側回路の構成）
冷却装置１００の高温側回路１０１は、圧縮機１０と、凝縮器１１と、メイン膨張弁１２と、サブ膨張弁１３と、カスケード熱交換器３と、過冷却器４と、冷媒配管１とを備えている。高温側回路１０１は、圧縮機１０、凝縮器１１、メイン膨張弁１２、サブ膨張弁１３、カスケード熱交換器３および過冷却器４を、冷媒配管１により接続して形成されている。なお、圧縮機１０は、特許請求の範囲の「高温側圧縮機」の一例である。また、凝縮器１１は、特許請求の範囲の「高温側凝縮器」の一例である。

高温側回路１０１は、圧縮機１０の冷媒吐出側を高温側回路１０１の基点（最上流の構成）とした場合に、圧縮機１０、凝縮器１１、膨張弁（メイン膨張弁１２およびサブ膨張弁１３）および熱交換器（カスケード熱交換器３および過冷却器４）が上流側から順に配置されるとともに、各構成が冷媒配管１により環状に接続されるように構成されている。

冷却装置１００の高温側回路１０１は、さらに、圧縮機１０の出口側（吐出側）と入口側（吸入側）とを接続する戻し回路１４と、アキュムレータ１５と、圧力センサ１６とを備えている。

圧縮機１０は、吸入された気体冷媒を圧縮して高圧側（凝縮器１１側）に吐出するように構成されている。たとえば、圧縮機１０には、回転数の変更により冷媒吐出量が制御可能なインバータ制御式圧縮機が用いられる。圧縮機１０により圧縮された冷媒は、冷媒配管１を流通して圧縮機１０の下流側に配置される凝縮器１１に流入される。

戻し回路１４は、圧縮機１０から吐出された冷媒の一部を圧縮機１０の入口側に還流させるように構成されている。具体的には、戻し回路１４には、直列に配置される流量調整弁１４ａおよび逆止弁１４ｂを含んでいる。流量調整弁１４ａは、図示しない制御部により、開度が制御されて、冷媒の戻り量を調整するように構成されている。逆止弁１４ｂは、戻し回路１４内で、圧縮機１０の入口側（吸入側）およびカスケード熱交換器３および過冷却器４の出口側（下流側）から圧縮機１０の出口側（吐出側）方向への冷媒の逆流を防止するように構成されている。

凝縮器１１は、冷媒を凝縮するように構成されている。たとえば、凝縮器１１は、内部を流通する過熱状態の気体冷媒を送風機（図示せず）により送風される空気を用いて冷却する空気熱交換器により構成されている。凝縮器１１により凝縮された冷媒は、冷媒配管１を流通して凝縮器１１の下流側に配置されるメイン膨張弁１２およびサブ膨張弁１３に流入される。

メイン膨張弁１２およびサブ膨張弁１３は、上記の通り、それぞれ、カスケード熱交換器３および過冷却器４の入口側（上流側）に直列に配置されている。メイン膨張弁１２およびカスケード熱交換器３と、サブ膨張弁１３および過冷却器４とは、並列に配置されている。

すなわち、冷媒配管１は、凝縮器１１の下流側に設けられる分岐点Ｔ１において、下流側に向けて分岐する第１配管１ａおよび第２配管１ｂを含んでいる。第１配管１ａには、メイン膨張弁１２およびカスケード熱交換器３が上流側から順に設けられている。第２配管１ｂには、サブ膨張弁１３および過冷却器４が上流側から順に設けられている。第１配管１ａおよび第２配管１ｂは、カスケード熱交換器３および過冷却器４の下流側で、かつ、圧縮機１０の上流側に設けられる合流点Ｔ２において合流するように構成されている。

メイン膨張弁１２は、メイン制御部５の制御の下、（原則）全開にならない範囲で、高温側回路１０１のカスケード熱交換器３に流入する冷媒量を調整するように構成されている。すなわち、メイン膨張弁１２は、第１配管１ａに流入する冷媒量を調整するように構成されている。

サブ膨張弁１３は、サブ制御部６の制御の下、（原則）全開にならない範囲で、高温側回路１０１の過冷却器４に流入する冷媒量を調整するように構成されている。すなわち、サブ膨張弁１３は、第２配管１ｂに流入する冷媒量を調整するように構成されている。なお、メイン膨張弁１２およびサブ膨張弁１３により膨張された冷媒は、気液二相状態になる。

カスケード熱交換器３および過冷却器４は、上記の通り、高温側回路１０１において、共に、蒸発器として機能するように構成されている。カスケード熱交換器３および過冷却器４により蒸発された冷媒は、冷媒配管１を流通して、アキュムレータ１５を介してカスケード熱交換器３および過冷却器４の下流側に配置される圧縮機１０に流入される。

アキュムレータ１５は、圧縮機１０に液体冷媒が流入して、圧縮機１０で液圧縮が発生するのを防止するために、圧縮機１０の上流側において、液体冷媒を気体冷媒から分離するように構成されている。なお、アキュムレータ１５には、戻し回路１４により還流された冷媒も流入するように構成されている。

圧力センサ１６は、アキュムレータ１５と圧縮機１０との間で、かつ、圧縮機１０の入口近傍の冷媒配管１に設けられている。圧力センサ１６は、冷媒配管１内の冷媒圧力を検出するように構成されている。メイン制御部５は、圧力センサ１６により検出された冷媒圧力の検出信号Ｓ１を取得するように構成されている。メイン制御部５は、圧力センサ１６から取得した検出信号Ｓ１に基づいて、メイン膨張弁１２の開度を調整するように構成されている。すなわち、メイン制御部５は、高温側回路１０１の冷媒圧力に基づいて、メイン膨張弁１２の開度を制御するように構成されている。

（低温側回路の構成）
冷却装置１００の低温側回路１０２は、圧縮機２０と、カスケード熱交換器３と、過冷却器４と、冷媒配管２とを備えている。低温側回路１０２は、圧縮機２０、カスケード熱交換器３、過冷却器４、膨張弁Ｌ１および冷却負荷Ｌを、冷媒配管２により接続して形成されている。なお、圧縮機２０は、特許請求の範囲の「低温側圧縮機」の一例である。

低温側回路１０２は、圧縮機２０の冷媒吐出側を低温側回路１０２の基点（最上流の構成）とした場合に、圧縮機２０、カスケード熱交換器３、過冷却器４、膨張弁Ｌ１および冷却負荷Ｌが上流側から順に配置されるとともに、各構成が冷媒配管２により環状に接続されるように構成されている。

冷却負荷Ｌには、入口近傍（上流側）に膨張弁Ｌ１が設けられている。冷却負荷Ｌおよび膨張弁Ｌ１は、２つのサービスバルブ２３を介して、圧縮機２０の上流側で、過冷却器４の下流側に接続されている。

低温側回路１０２は、さらに、受液器２１と、温度センサ２２とを備えている。

圧縮機２０は、高温側回路１０１の圧縮機１０と同様の構成であるため説明を省略する。圧縮機２０により圧縮された冷媒は、冷媒配管２を流通して圧縮機２０の下流側に配置されるカスケード熱交換器３に流入される。

カスケード熱交換器３は、上記の通り、低温側回路１０２において、凝縮器として機能するように構成されている。すなわち、カスケード熱交換器３は、圧縮機２０側（上流側）から流入する気体冷媒（過熱蒸気または飽和蒸気）を、液体冷媒（飽和液または過冷却液）にするように構成されている。カスケード熱交換器３は、概して、気液二相状態の冷媒を流出させないように構成されている。ここで、高温側回路１０１では、メイン制御部５およびサブ制御部６は、メイン膨張弁１２にサブ膨張弁１３よりも多くの冷媒を流入させるように制御を行う。このため、カスケード熱交換器３は、過冷却器４と比較して、大きな冷媒の冷却負荷に対する冷却能力を発揮可能なように構成されている。カスケード熱交換器３により凝縮された冷媒は、冷媒配管２を流通して、受液器２１を介してカスケード熱交換器３の下流側に配置される過冷却器４に流入される。

受液器２１は、カスケード熱交換器３の下流側で、過冷却器４の上流側に配置されている。受液器２１は、冷媒配管２に接続されている。受液器２１は、冷却負荷Ｌの負荷変動によるカスケード熱交換器３内の冷媒量の変動を吸収するように構成されている。また、受液器２１は、カスケード熱交換器３により、冷媒を凝縮しきれなかった場合にカスケード熱交換器３から冷媒配管２に流出する気液二相状態の冷媒を過冷却器４の手前（上流側）で回収する機能を有している。

過冷却器４は、カスケード熱交換器３の下流側に配置されている。過冷却器４は、カスケード熱交換器３により凝縮および冷却された液体冷媒を冷却するように構成されている。

温度センサ２２は、過冷却器４と膨張弁Ｌ１との間で、かつ、過冷却器４の出口近傍の冷媒配管２に設けられている。温度センサ２２は、冷媒配管２内の冷媒温度を検出するように構成されている。サブ制御部６は、温度センサ２２により検出された冷媒温度の検出信号Ｓ２を取得するように構成されている。サブ制御部６は、温度センサ２２から検出信号Ｓ２に基づいて、サブ膨張弁１３の開度を調整するように構成されている。すなわち、サブ制御部６は、低温側回路１０２の冷媒温度に基づいて、サブ膨張弁１３の開度を制御するように構成されている。

（ｐ−ｈ線図）
次に、図２を参照して、冷却装置１００の低温側回路１０２の圧力（ｐｒｅｓｓｕｒｅ）と比エンタルピー（ｈｅａｔ ｃｏｎｔｅｎｔ）との関係を示すｐ−ｈ線図（モリエル線図）について説明する。なお、図２に示す点Ａ１、点Ａ２、点Ａ２１、点Ａ３および点Ａ４は、それぞれ、図１に示す低温側回路１０２の冷媒配管２の位置Ａ１、位置Ａ２、位置Ａ２１、位置Ａ３および位置Ａ４における冷媒の比エンタルピおよび圧力を示している。

点Ａ１は、圧縮機２０による圧縮前の冷媒の状態を示している。冷媒は、点Ａ１の状態では、気体冷媒である。点Ａ１の状態での冷媒の比エンタルピおよび圧力を、ｈ１およびｐ１とする。そして、点Ａ１の状態の冷媒が圧縮機２０により圧縮されると、点Ａ２の状態になる。

点Ａ２は、圧縮機２０による圧縮後で、カスケード熱交換器３による凝縮前の冷媒の状態を示している。冷媒は、点Ａ２の状態では、気体冷媒である。点Ａ２の状態での冷媒の比エンタルピおよび圧力を、ｈ２およびｐ２とする。比エンタルピｈ２は、比エンタルピｈ１よりも大きい。圧力ｐ２は、圧力ｐ１よりも大きい。そして、点Ａ２の状態の冷媒がカスケード熱交換器３により凝縮されると、点Ａ２１の状態になる。

点Ａ２１は、カスケード熱交換器３による凝縮後で、過冷却器４による冷却前の冷媒の状態を示している。冷媒は、点Ａ２１の状態では、液体冷媒である。すなわち、冷媒は、カスケード熱交換器３による凝縮により、飽和蒸気線および飽和液線を順に跨いで気体冷媒から液体冷媒に変化する。点Ａ２１の状態での冷媒の比エンタルピを、ｈ２１とする。比エンタルピｈ２１は、比エンタルピｈ２よりも小さい。点Ａ２１の状態での冷媒の圧力は、ｐ２である。そして、点Ａ２１の状態の冷媒が過冷却器４により冷却されると、点Ａ３の状態になる。

点Ａ３は、過冷却器４による冷却後で、膨張弁Ｌ１による膨張前の冷媒の状態を示している。冷媒は、点Ａ３の状態では、液体冷媒である。過冷却器４では、概して、液体冷媒の過冷却が行われる。すなわち、過冷却器４は、一般的な単一のカスケード熱交換器により冷却負荷を冷却する冷却装置とは異なり、カスケード熱交換器３に代わり、液体冷媒の過冷却を行う役割を有している。点Ａ３の状態での冷媒の比エンタルピを、ｈ３とする。比エンタルピｈ３は、比エンタルピｈ２１よりも小さい。点Ａ３の状態での冷媒の圧力は、ｐ２である。そして、点Ａ３の状態の冷媒が圧縮機２０により圧縮されると、点Ａ４の状態になる。

点Ａ４は、膨張弁Ｌ１による膨張後で、冷却負荷Ｌによる蒸発前の冷媒の状態を示している。冷媒は、点Ａ４の状態では、気液二相状態の冷媒である。すなわち、冷媒は、膨張弁Ｌ１による膨張により、飽和液線を跨いで液体冷媒から気液二相状態の冷媒に変化する。点Ａ４の状態での冷媒の比エンタルピは、ｈ３である。Ａ４の状態での冷媒の圧力は、ｐ１である。そして、点Ａ４の状態の冷媒が冷却負荷Ｌにより蒸発および加熱されると、点Ａ１の状態に戻る。

第１実施形態では、以下のような効果を得ることができる。

第１実施形態では、上記の通り、高温側回路１０１および低温側回路１０２に跨るように配置されるカスケード熱交換器３と、高温側回路１０１および低温側回路１０２に跨るように配置され、高温側回路１０１においてカスケード熱交換器３と並列に配置される過冷却器４とを設けることにより、高温側回路１０１において、カスケード熱交換器３側が設けられる冷媒配管１（第１配管１ａ）と、過冷却器４が設けられる冷媒配管１（第２配管１ｂ）とに冷媒を分流させることができるので、単一のカスケード熱交換器３を備える冷却装置１００と比較して、高温側回路１０１において、冷媒配管１が大型化するのを抑制することができる。その結果、冷媒配管１が大型化するのに伴い、高温側回路１０１の圧縮機１０や凝縮器１１などが大型化するのを抑制することができるので、装置全体が大型化するのを抑制することができる。また、高温側回路１０１および低温側回路１０２に跨る複数の熱交換器（カスケード熱交換器３および過冷却器４）により、低温側回路１０２の冷媒を冷却することができるので、冷却負荷Ｌに対する冷却能力を向上させることができる。以上により、冷却装置１００は、装置の大型化を抑制しながら、冷却負荷Ｌに対する冷却能力を向上させることができる。

また、第１実施形態では、上記のように、カスケード熱交換器３の上流側に直列に配置されるメイン膨張弁１２と、過冷却器４の上流側に直列に配置されるサブ膨張弁１３とを設け、カスケード熱交換器３およびメイン膨張弁１２と、過冷却器４およびサブ膨張弁１３とは、並列に配置され、メイン膨張弁１２およびサブ膨張弁１３の開度を、それぞれ独立して制御するように構成されている。これにより、高温側回路１０１において、カスケード熱交換器３および過冷却器４に流入する冷媒量を、それぞれ独立して制御することができるので、冷却負荷Ｌの目標冷却温度などに応じて、カスケード熱交換器３および過冷却器４に流入する冷媒量のそれぞれを適切に設定することができる。その結果、適切な冷媒量により低温側回路１０２の冷媒を冷却させて、低温側回路１０２における冷却負荷Ｌに対する冷却能力をより向上させることができる。

また、第１実施形態では、上記のように、メイン膨張弁１２の開度を、高温側回路１０１の冷媒温度または冷媒圧力に基づいて制御するように構成され、冷却装置１００は、サブ膨張弁１３の開度を、低温側回路１０２の冷媒温度に基づいて制御するように構成されている。これにより、メイン膨張弁１２およびサブ膨張弁１３のそれぞれの開度が調整できない場合と比べて、高温側回路１０１における冷媒配管１内の冷媒圧力に基づいて、カスケード熱交換器３に流入する冷媒量をより適切に設定することができるとともに、低温側回路１０２における冷却負荷Ｌ側に流入する冷媒温度に基づいて、過冷却器４に流入する冷媒量をより適切に設定することができる。その結果、低温側回路１０２における冷却負荷Ｌに対する冷却能力を一層向上させることができる。

また、第１実施形態では、上記のように、過冷却器４は、低温側回路１０２において、カスケード熱交換器３の下流側に配置され、カスケード熱交換器３により凝縮された液体冷媒を冷却する過冷却器４を含む。これにより、低温側回路１０２において、カスケード熱交換器３により冷却および凝縮された液体冷媒を、過冷却器４によってさらに冷却することができるので、カスケード熱交換器３のみが冷媒の凝縮および冷却を行う場合と比較して、低温側回路１０２における冷却負荷Ｌに対する冷却能力を効果的に向上させることができる。すなわち、過冷却器４によりカスケード熱交換器３による液体冷媒の冷却時の負担を軽減することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、低温側回路１０２には、カスケード熱交換器３の下流側で、過冷却器４の上流側に配置される受液器２１が冷媒配管２により接続されている。これにより、受液器２１により、低温側回路１０２の過冷却器４に熱交換の効率の低い気液二相状態の冷媒が流入するのを抑制することができるので、気液二相状態の冷媒を冷却して凝縮させる際の過冷却器４の負担を軽減することができる。その結果、低温側回路１０２における冷却負荷Ｌに対する冷却能力が低下するのを抑制することができる。

［第２実施形態］
図３および図４を参照して、第２実施形態について説明する。この第２実施形態では、カスケード熱交換器３の補助的な熱交換器として、冷却装置１００が過冷却器４を備える上記第１実施形態とは異なり、カスケード熱交換器３の補助的な熱交換器として、冷却装置２００がガスクーラ７を備える例について説明する。なお、ガスクーラ７は、本発明の「サブカスケード熱交換器」の一例である。また、図中において、上記第１実施形態と同様の構成には、第１実施形態と同じ符号を付して図示している。

本発明の第２実施形態による冷却装置２００は、図３に示すように、高温側回路１０１と低温側回路１０２とに跨るように設けられ、高温側回路１０１と低温側回路１０２との間で熱エネルギーを交換する熱交換器として、カスケード熱交換器３に加えて、ガスクーラ７を備えている。低温側回路１０２は、温度センサ２２２と、内部熱交換器８と備えている。

ガスクーラ７は、高温側回路１０１において、蒸発器として機能するとともに、低温側回路１０２において、凝縮器として機能するように構成されている。また、ガスクーラ７は、冷媒の凝縮および冷却を行うカスケード熱交換器３の冷却負荷Ｌに対する冷却能力を最大限に引き出すために、補助的に冷媒の冷却を行う機能を有している。なお、低温側回路１０２において、ガスクーラ７により冷却された気体冷媒は、気液二相状態になる。

高温側回路１０１において、サブ膨張弁１３は、ガスクーラ７の入口側（上流側）に直列に配置されている。メイン膨張弁１２およびカスケード熱交換器３と、サブ膨張弁１３およびガスクーラ７とは、並列に配置されている。高温側回路１０１において、ガスクーラ７により蒸発された冷媒は、冷媒配管１を流通して、アキュムレータ１５を介してカスケード熱交換器３の下流側に配置される圧縮機１０に流入される。

低温側回路１０２において、ガスクーラ７は、カスケード熱交換器３の上流側に配置されている。低温側回路１０２において、ガスクーラ７は、気体冷媒の一部を凝縮するように構成されている。低温側回路１０２において、ガスクーラ７により一部を凝縮された冷媒は、冷媒配管１を流通して、ガスクーラ７の下流側に配置されるカスケード熱交換器３に流入される。ここで、カスケード熱交換器３は、流入する冷媒に液体冷媒が多く含まれる方が、高温側回路１０１と低温側回路１０２との間で効果的に熱交換を行うことができるので、効果的に冷却負荷Ｌの冷却能力を発揮することができる。

温度センサ２２２は、ガスクーラ７とカスケード熱交換器３との間で、かつ、カスケード熱交換器３の入口近傍の冷媒配管２に設けられている。温度センサ２２２は、冷媒温度を検出するように構成されている。サブ制御部６は、温度センサ２２２により検出された冷媒温度の検出信号Ｓ２を取得するように構成されている。サブ制御部６は、温度センサ２２２から検出信号Ｓ２に基づいて、サブ膨張弁１３の開度を調整するように構成されている。すなわち、サブ制御部６は、低温側回路１０２の冷媒温度に基づいて、サブ膨張弁１３の開度を制御するように構成されている。

内部熱交換器８は、受液器２１および膨張弁Ｌ１を繋ぐ冷媒配管２と、冷却負荷Ｌおよび圧縮機２０とを繋ぐ冷媒配管２とに跨るように設けられている。すなわち、内部熱交換器８は、冷却負荷Ｌ側に流入する冷媒と、冷却負荷Ｌから圧縮機２０に流出する冷媒との間で熱エネルギーを交換するように構成されている。これにより、冷却負荷Ｌ側に流入する冷媒がさらに冷却される。

（ｐ−ｈ線図）
次に、図４を参照して、冷却装置２００の低温側回路１０２のｐ−ｈ線図について説明する。なお、図４に示す点Ａ１、点Ａ２、点Ａ２２、点Ａ３および点Ａ４は、それぞれ、図３に示す低温側回路１０２の冷媒配管２の位置Ａ１、位置Ａ２、位置Ａ２２、位置Ａ３および位置Ａ４における冷媒の比エンタルピおよび圧力を示している。また、圧縮機２０による圧縮過程、膨張弁Ｌ１による膨張過程および冷却負荷Ｌによる蒸発過程については、第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。

点Ａ２は、圧縮機２０による圧縮後で、ガスクーラ７による凝縮前の冷媒の状態を示している。点Ａ２の状態の冷媒がガスクーラ７により凝縮されると、点Ａ２２の状態になる。

点Ａ２２は、ガスクーラ７による一部の冷媒の凝縮後で、カスケード熱交換器３による凝縮前の冷媒の状態を示している。冷媒は、点Ａ２２の状態では、気液二相状態の冷媒である。すなわち、ガスクーラ７による一部の冷媒の凝縮により、飽和蒸気線を跨いで気体冷媒から液体冷媒に一部が変化する。点Ａ２２の状態での冷媒の比エンタルピを、ｈ２２とする。比エンタルピｈ２２は、比エンタルピｈ２よりも小さい。点Ａ２２の状態での冷媒の圧力は、ｐ２である。そして、点Ａ２２の状態の冷媒がカスケード熱交換器３および内部熱交換器８により冷却されると、点Ａ３の状態になる。

第２実施形態では、以下のような効果を得ることができる。

第２実施形態では、上記のように、ガスクーラ７は、低温側回路１０２において、カスケード熱交換器３の上流側に配置され、圧縮機２０により圧縮された気体冷媒の一部を凝縮するガスクーラ７を含む。これにより、低温側回路１０２において、カスケード熱交換器３に冷媒が流入する前に、ガスクーラ７により気体冷媒を冷却して、気液二相状態にすることができるので、熱交換の効率の低い気体冷媒のみがカスケード熱交換器３に流入する場合と比較して、冷却負荷Ｌの冷却能力を効果的に向上させることができる。すなわち、ガスクーラ７によりカスケード熱交換器３による気体冷媒の冷却時の負担を軽減することができる。

［第３実施形態］
図５および図６を参照して、第３実施形態について説明する。この第３実施形態では、カスケード熱交換器３の補助的な熱交換器として、冷却装置１００が過冷却器４のみを備える上記第１実施形態、および、カスケード熱交換器３の補助的な熱交換器として、冷却装置２００がガスクーラ７のみを備える上記第２実施形態とは異なり、カスケード熱交換器３の補助的な熱交換器として、冷却装置３００が過冷却器４およびガスクーラ７の両方を備える例について説明する。また、図中において、上記第１および第２実施形態と同様の構成には、第１および第２実施形態と同じ符号を付して図示している。

本発明の第３実施形態による冷却装置３００は、図５に示すように、高温側回路１０１と低温側回路１０２とに跨るように設けられ、高温側回路１０１と低温側回路１０２との間で熱エネルギーを交換する熱交換器として、カスケード熱交換器３、過冷却器４およびガスクーラ７を備えている。

高温側回路１０１において、過冷却器４およびガスクーラ７は、サブ膨張弁１３の下流側に、サブ膨張弁１３に対して直列に配置されている。過冷却器４およびガスクーラ７は、並列に配置されている。

すなわち、高温側回路１０１において、冷媒配管１の第２配管１ｂは、分岐点Ｔ１の下流側に設けられる分岐点Ｔ３において、下流側に向けて分岐する第３配管１ｃおよび第４配管１ｄを含んでいる。第３配管１ｃには、過冷却器４が設けられている。第４配管１ｄには、ガスクーラ７が設けられている。第３配管１ｃおよび第４配管１ｄは、過冷却器４およびガスクーラ７の下流側で、かつ、合流点Ｔ２の上流側に設けられる合流点Ｔ４において合流するように構成されている。また、第４配管１ｄには、ガスクーラ７の上流側に流量調整弁７１が設けられている。

（ｐ−ｈ線図）
次に、図６を参照して、冷却装置３００の低温側回路１０２のｐ−ｈ線図について説明する。なお、図６に示す点Ａ１、点Ａ２、点Ａ２２、点Ａ２１、点Ａ３および点Ａ４は、それぞれ、図５に示す低温側回路１０２の冷媒配管２の位置Ａ１、位置Ａ２、位置Ａ２２、位置Ａ２１、位置Ａ３および位置Ａ４における冷媒の比エンタルピおよび圧力を示している。圧縮機２０による圧縮過程、膨張弁Ｌ１による膨張過程および冷却負荷Ｌによる蒸発過程については、第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。

点Ａ２は、圧縮機２０による圧縮後で、ガスクーラ７による凝縮前の冷媒の状態を示している。点Ａ２の状態のガスクーラ７により凝縮されると、点Ａ２２の状態になる。

点Ａ２２は、ガスクーラ７による一部の冷媒の凝縮後で、カスケード熱交換器３による凝縮前の冷媒の状態を示している。冷媒は、点Ａ２２の状態では、気液二相状態の冷媒である。そして、点Ａ２２の状態の冷媒がカスケード熱交換器３により冷却されると、点Ａ２１の状態になる。

点Ａ２１は、カスケード熱交換器３による凝縮後で、過冷却器４による冷却前の冷媒の状態を示している。冷媒は、点Ａ２１の状態では、液体冷媒である。そして、点Ａ２１の状態の冷媒が過冷却器４により冷却されると、点Ａ３の状態になる。

第３実施形態では、以下のような効果を得ることができる。

第３実施形態では、上記のように、過冷却器４は、低温側回路１０２において、カスケード熱交換器３の下流側に配置され、カスケード熱交換器３により凝縮された液体冷媒を冷却する過冷却器４と、低温側回路１０２において、カスケード熱交換器３の上流側に配置され、圧縮機２０により圧縮された気体冷媒の一部を凝縮するガスクーラ７とを含み、過冷却器４と、ガスクーラ７とは、高温側回路１０１において並列に配置されている。これにより、低温側回路１０２において、カスケード熱交換器３から流出する液体冷媒を、過冷却器４により冷却することができるので、カスケード熱交換器３が冷媒の凝縮および過冷却を行う場合と比較して、冷却負荷Ｌの冷却能力を効果的に向上させることができる。さらに、低温側回路１０２において、カスケード熱交換器３に冷媒が流入する前に、ガスクーラ７により気体冷媒を冷却して、気液二相状態にすることができるので、気体冷媒のみがカスケード熱交換器３に流入する場合と比較して、冷却負荷Ｌの冷却能力を効果的に向上させることができる。すなわち、過冷却器４およびガスクーラ７によりカスケード熱交換器３による気体冷媒および液体冷媒の冷却時の負担を軽減することができる。また、過冷却器４とガスクーラ７とを高温側回路１０１において並列に配置することにより、各々に冷媒を供給することができるので、過冷却器４とガスクーラ７とにより低温側回路１０２の冷媒を確実に冷却することができる。

［第４実施形態］
図７を参照して、第４実施形態について説明する。この第４実施形態では、高温側回路１０１において、過冷却器４およびガスクーラ７が並列に配置される上記第３実施形態とは異なり、高温側回路１０１において、過冷却器４およびガスクーラ７が直列に配置される例について説明する。また、図中において、上記第３実施形態と同様の構成には、第３実施形態と同じ符号を付して図示している。

本発明の第４実施形態による冷却装置４００は、図７に示すように、高温側回路１０１と低温側回路１０２とに跨るように設けられ、高温側回路１０１と低温側回路１０２との間で熱エネルギーを交換する熱交換器として、カスケード熱交換器３、過冷却器４およびガスクーラ７を備えている。

高温側回路１０１において、過冷却器４およびガスクーラ７は、サブ膨張弁１３の下流側に、サブ膨張弁１３に対して直列に配置されている。過冷却器４およびガスクーラ７は、直列に配置されている。過冷却器４は、ガスクーラ７の上流側に配置されている。

すなわち、高温側回路１０１において、冷媒配管１の第２配管１ｂには、上流側から順に、サブ膨張弁１３、過冷却器４およびガスクーラ７が設けられている。

なお、ｐ−ｈ線図は、第３実施形態と同様であるため説明を省略する。

第４実施形態では、以下のような効果を得ることができる。

第４実施形態では、上記のように、ガスクーラ７と過冷却器４とは、冷媒配管１により直列に接続されている。このように構成すれば、ガスクーラ７と過冷却器４とを並列に接続する場合と比較して、高温側回路１０１における冷媒配管１の構成を、簡素化することができる。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

たとえば、上記第１〜第４実施形態では、メイン膨張弁およびサブ膨張弁を、それぞれ、メイン制御部およびサブ制御部により独立して制御した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、メイン膨張弁およびサブ膨張弁を、それぞれ、１つの制御部により独立して制御してもよい。

また、上記第１〜第４実施形態では、圧縮機の入口近傍に、圧力センサを設けた例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、アキュムレータの出口近傍、アキュムレータの入口近傍、または、メインカスケード熱交換器の出口近傍などに、圧力センサを設けてもよい。

また、上記第１〜第４実施形態では、高温側回路に、圧力センサを設けた例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、高温側回路に、圧力センサに代えて、温度センサを設けてもよい。

また、上記第４実施形態では、過冷却器を、ガスクーラの上流に直列に配置した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、ガスクーラを、過冷却器の上流に直列に配置してもよい。

また、上記第１〜第４実施形態では、冷却装置が１つまたは２つのサブカスケード熱交換器を備える例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、冷却装置が３つ以上のサブカスケード熱交換器を備えていてもよい。

また、上記第１〜第４実施形態では、制御部による制御の下、メイン膨張弁およびサブ膨張弁の開度を調整した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、手動により、メイン膨張弁およびサブ膨張弁の開度を調整してもよい。

また、上記第１〜第４実施形態では、低温側回路が受液器を備える例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、低温側回路が受液器を備えていなくてもよい。

また、上記第１〜第４実施形態では、戻し回路により還流された冷媒を、アキュムレータの入口側に流入する配置にした例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、戻し回路により還流された冷媒を、圧縮機の入口側（吸入側）に流入する配置にしてもよい。

１ （高温側回路の）冷媒配管
２ （低温側回路の）冷媒配管
３ カスケード熱交換器（メインカスケード熱交換器）
４ 過冷却器（サブカスケード熱交換器）
７ ガスクーラ（サブカスケード熱交換器）
１０ 圧縮機（高温側圧縮器）
１１ 凝縮器（高温側凝縮器）
１２ メイン膨張弁（高温側膨張弁）
１３ サブ膨張弁（高温側膨張弁）
２０ 圧縮機（低温側圧縮器）
２１ 受液器
１００、２００、３００、４００ 冷却装置
１０１ 高温側回路
１０２ 低温側回路
Ｌ 冷却負荷
Ｌ１ 膨張弁（低温側膨張弁）

Claims (7)

1. 高温側圧縮機と、高温側凝縮器と、高温側膨張弁と、カスケード熱交換器とを冷媒配管により接続して形成される高温側回路と、
   低温側圧縮機と、前記カスケード熱交換器と、低温側膨張弁と、冷却負荷とを冷媒配管により接続して形成される低温側回路と、を備え、
   前記カスケード熱交換器は、前記高温側回路および前記低温側回路に跨るように設けられるメインカスケード熱交換器と、前記高温側回路および前記低温側回路に跨るように設けられ、前記高温側回路において前記メインカスケード熱交換器と並列に配置されるサブカスケード熱交換器とを含む、冷却装置。
2. 前記高温側膨張弁は、前記メインカスケード熱交換器の上流側に直列に配置されるメイン膨張弁と、前記サブカスケード熱交換器の上流側に直列に配置されるサブ膨張弁とを含み、
   前記メインカスケード熱交換器および前記メイン膨張弁と、前記サブカスケード熱交換器および前記サブ膨張弁とは、並列に配置され、
   前記メイン膨張弁および前記サブ膨張弁の開度を、それぞれ独立して制御するように構成されている、請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記メイン膨張弁の開度を、前記高温側回路の冷媒温度または冷媒圧力に基づいて制御するように構成され、
   前記サブ膨張弁の開度を、前記低温側回路の冷媒温度に基づいて制御するように構成されている、請求項２に記載の冷却装置。
4. 前記サブカスケード熱交換器は、前記低温側回路において、前記メインカスケード熱交換器の下流側に配置され、前記メインカスケード熱交換器により凝縮された液体冷媒を冷却する過冷却器を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷却装置。
5. 前記低温側回路には、前記メインカスケード熱交換器の下流側で、前記過冷却器の上流側に配置される受液器が冷媒配管により接続されている、請求項４に記載の冷却装置。
6. 前記サブカスケード熱交換器は、前記低温側回路において、前記メインカスケード熱交換器の上流側に配置され、前記低温側圧縮機により圧縮された気体冷媒の一部を凝縮するガスクーラを含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の冷却装置。
7. 前記サブカスケード熱交換器は、前記低温側回路において、前記メインカスケード熱交換器の下流側に配置され、前記メインカスケード熱交換器により凝縮された液体冷媒を冷却する過冷却器と、前記低温側回路において、前記メインカスケード熱交換器の上流側に配置され、前記低温側圧縮機により圧縮された気体冷媒の一部を凝縮するガスクーラとを含み、
   前記過冷却器と、前記ガスクーラとは、前記高温側回路において並列に配置されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷却装置。

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