JP2023087517A - 冷凍装置及び温調システム - Google Patents

Abstract

【課題】大型化、エネルギー消費量及び環境負荷を抑えつつ、所望の冷凍能力を安定的に得る。【解決手段】冷凍装置１０は、高温側冷凍回路２０と低温側冷凍回路３０とを備える。低温側冷凍回路３０における圧縮機と凝縮器との間には、水冷却器３８が設けられている。そして、冷凍装置１０は、低温側冷凍回路３０の蒸発器の冷凍能力をＣＬ（Ｋｗ）とし、低温側冷凍回路３０の圧縮機の圧縮動力をＰＡ（Ｋｗ）とし、水冷却器３８の冷却能力をＣＷ（Ｋｗ）とし、高温側冷凍回路２０の蒸発器の冷凍能力をＣＨ（Ｋｗ）とし、高温側冷凍回路２０の冷媒循環量をＦ１（Ｋｇ／ｈｏｕｒ）とし、低温側冷凍回路３０の冷媒循環量をＦ２（Ｋｇ／ｈｏｕｒ）としたとき、「０．２５×（ＣＬ＋ＰＡ）≦ＣＷ≦０．４×（ＣＬ＋ＰＡ）、且つ、０．６×（ＣＬ＋ＰＡ）≦ＣＨ≦０．７５×（ＣＬ＋ＰＡ）、且つ、０．５×ＰＡ≦ＣＷ、且つ、Ｆ１≦Ｆ２」の関係で、運転を行う。【選択図】図１

Description

本発明の実施の形態は、複数の冷凍回路を備える多元式の冷凍装置及び温調システムに関する。

多元式の冷凍装置の例である二元冷凍装置は、高温側冷凍回路と低温側冷凍回路とを備え、高温側冷凍回路の蒸発器と低温側冷凍回路の凝縮器とで互いの冷媒を熱交換可能なカスケードコンデンサを構成する。カスケードコンデンサでは、高温側冷凍回路で凝縮後に膨張された高温側冷媒により低温側冷凍回路で圧縮された低温側冷媒を凝縮させる。凝縮された低温側冷媒は大きい過冷却度を付与され、その後、膨張されて降温する。これにより、二元冷凍装置によれば、温度制御対象を極めて低温の温度域まで冷却することができる。

特許第６７２７４２２号

二元冷凍装置は２つの冷凍回路を備えるため、通常、単元の冷凍装置よりもサイズが大きくなる。また、高い冷凍能力を得るためには、高流量及び高圧縮比の圧縮機を使用する必要がある。この場合、サイズがさらに大きくなることに加えて、部品コストが高くなり、且つエネルギー消費量も多くなる。

本件発明者は、低温側冷凍回路の圧縮機から流出する高温高圧の低温側冷媒を水を利用した冷却器（以下、水冷却器）で補助的に冷却することにより、装置全体のサイズ及びエネルギー消費量を抑えつつ、所望の冷凍能力を得ることを検討した。水冷却器を用いれば、装置が及ぼす環境負荷も抑制され得る。

しかしながら、例えば低温側冷凍回路にて－７０℃以下等の極低温で冷媒を蒸発させる場合や、高い冷凍能力の出力が望まれる場合には、高温側冷凍回路の蒸発器でも大きい冷凍能力を確保する必要がある。言い換えると、低温側冷凍回路において大きい凝縮負荷が必要になる。この場合、水冷却器では、所望の凝縮負荷へ大きく貢献しない。そのため、極低温や高冷凍能力を要求される場合には、結局、大出力又は大型の高温側冷凍回路が必要となり、水冷却器を用いたとしても、有効に装置サイズ及びエネルギー消費量を抑制し難い。

また、水冷却器で使用する水は、季節に応じて温度変動が生じる。そのため、水冷却器で使用する水の温度変動に応じて、高温側冷凍回路に求められる冷凍能力を調整する必要性が生じ得る。このような場合における冷凍能力の調整幅は、制御の安定性を考慮すると、定常的な運転に対してなるべく小さい方がよい。

また、水冷却器を利用する際の所望の冷凍能力の安定的な出力、エネルギー消費量の抑制、圧縮機性能の合理的な設定、及び装置サイズには、高温側冷凍回路及び低温側冷凍回路の冷媒循環量の設定が大きく影響することも本件発明者は知見した。

そして、本件発明者は、上記の問題や知見を考慮しつつ鋭意研究を行い、水冷却器を用いて、大型化、エネルギー消費量及び環境負荷を抑えつつ多元式の冷凍装置において所望の冷凍能力を安定的に確保できる条件を見出すに至った。

本発明の課題は、大型化、エネルギー消費量及び環境負荷を抑えつつ、所望の冷凍能力を安定的に得ることができる冷凍装置及び温調システムを提供することである。

本発明の一実施の形態にかかる冷凍装置は、高温側冷凍回路と、低温側冷凍回路とを備え、前記高温側冷凍回路の蒸発器と前記低温側冷凍回路の凝縮器とがカスケードコンデンサを構成する冷凍装置であって、前記低温側冷凍回路における圧縮機と凝縮器との間で前記低温側冷凍回路が循環させる低温側冷媒を水で冷却する水冷却器を備え、
前記低温側冷凍回路の蒸発器の冷凍能力をＣＬ（Ｋｗ）とし、
前記低温側冷凍回路の圧縮機の圧縮動力をＰＡ（Ｋｗ）とし、
前記水冷却器の冷却能力をＣＷ（Ｋｗ）とし、
前記高温側冷凍回路の蒸発器の冷凍能力をＣＨ（Ｋｗ）とし、
前記高温側冷凍回路の冷媒循環量をＦ１（Ｋｇ／ｈｏｕｒ）とし、
前記低温側冷凍回路の冷媒循環量をＦ２（Ｋｇ／ｈｏｕｒ）としたとき、
０．２５×（ＣＬ＋ＰＡ）≦ＣＷ≦０．４×（ＣＬ＋ＰＡ）、且つ、０．６×（ＣＬ＋ＰＡ）≦ＣＨ≦０．７５×（ＣＬ＋ＰＡ）、且つ、０．５×ＰＡ≦ＣＷ、且つ、Ｆ１≦Ｆ２の関係で、運転を行う。

一実施の形態にかかる冷凍装置は、０．５×Ｆ２＜Ｆ１≦０．７×Ｆ２の関係で、運転を行ってもよい。

一実施の形態にかかる冷凍装置は、前記高温側冷凍回路の冷媒循環量Ｆ１を４７０Ｋｇ／ｈｏｕｒ以上６００Ｋｇ／ｈｏｕｒ以下とし、前記低温側冷凍回路の冷媒循環量Ｆ２を８８０Ｋｇ／ｈｏｕｒ以上９２０Ｋｇ／ｈｏｕｒ以下として、運転を行ってもよい。

前記水冷却器は、５℃以上２８℃以下の範囲の水で前記低温側冷媒を冷却してもよい。

前記水冷却器は、水源からの水を温調せずに通流させて前記低温側冷媒を冷却してもよい。

前記低温側冷凍回路の蒸発器の冷凍能力ＣＬは、３０Ｋｗ以下でもよい。

前記低温側冷凍回路の蒸発器の冷凍能力ＣＬは、２０Ｋｗ以上３０Ｋｗ以下でもよい。

前記低温側冷凍回路の蒸発器の冷凍能力ＣＬは、前記水冷却器の冷却能力ＣＷの下限値の２倍以上３倍以下でもよい。

また、一実施の形態にかかる冷凍装置には、前記低温側冷凍回路の圧縮機から流出し、前記水冷却器及び前記低温側冷凍回路の凝縮器を通過する前の低温側冷媒を、前記低温側冷凍回路の膨張弁の下流側で且つ蒸発器の上流側の部分に送る低温側ホットガス回路がさらに設けられてもよい。

また、一実施の形態にかかる温調システムは、前記の冷凍装置と、前記低温側冷凍回路の蒸発器で冷却される流体を通流させる流体通流装置と、を備える。

本発明によれば、大型化、エネルギー消費量及び環境負荷を抑えつつ、所望の冷凍能力を安定的に得ることができる。

一実施の形態に係る冷凍装置を備える温調システムを概略的に示す図である。 図１に示す冷凍装置を構成する低温側冷凍回路の運転状態を説明するモリエル線図である。

以下、添付の図面を参照しつつ一実施の形態を詳細に説明する。

＜温調システム及び冷凍装置の構成＞
図１は、一実施の形態に係る冷凍装置１０を備える温調システムＳを概略的に示す図である。図１に示される温調システムＳは、冷凍装置１０と、水供給装置１００と、流体通流装置２００と、コントローラ３００と、を備える。

冷凍装置１０は、二元冷凍装置である。冷凍装置１０は、高温側冷凍回路２０と、低温側冷凍回路３０とを備える。冷凍装置１０は、高温側冷凍回路２０と低温側冷凍回路３０との間に構成されるカスケードコンデンサＣＣで高温側冷凍回路２０が循環させる高温側冷媒と低温側冷凍回路３０が循環させる低温側冷媒とを熱交換させる。

高温側冷凍回路２０は、高温側圧縮機２１、高温側凝縮器２２、高温側膨張弁２３及び高温側蒸発器２４とがこの順で高温側冷媒を循環させるように接続された高温側冷媒循環部２５と、過冷却回路部２６と、高温側ホットガス回路部２７と、を備える。

過冷却回路部２６は、過冷却流路２６Ａと、過冷却流路２６Ａに設けられる過冷却制御弁２６Ｂと、過冷却流路２６Ａにおける過冷却制御弁２６Ｂの下流側の位置に設けられる過冷却熱交換器２６Ｃと、を有する。過冷却流路２６Ａは、高温側冷媒循環部２５における高温側凝縮器２２の下流側で且つ高温側膨張弁２３の上流側の部分と、高温側圧縮機２１とを接続している。

過冷却流路２６Ａは、高温側凝縮器２２から流出する高温側冷媒の一部を高温側圧縮機２１に送ることができる。過冷却制御弁２６Ｂは、開状態になることにより、過冷却流路２６Ａを通流する高温側冷媒を膨張させて降温し、その後、過冷却熱交換器２６Ｃに送る。

過冷却熱交換器２６Ｃは、高温側凝縮器２２から高温側膨張弁２３に流れる高温側冷媒を、過冷却制御弁２６Ｂから流出した高温側冷媒で冷却する。これにより、高温側凝縮器２２から高温側膨張弁２３に流れる高温側冷媒に過冷却度を付与できる。

高温側ホットガス回路部２７は、高温側冷媒循環部２５における高温側圧縮機２１の下流側で且つ高温側凝縮器２２の上流側の部分と、高温側冷媒循環部２５における高温側膨張弁２３の下流側で且つ高温側蒸発器２４の上流側の部分とを接続する高温側ホットガス流路２７Ａと、高温側ホットガス流路２７Ａに設けられる高温側ホットガス制御弁２７Ｂと、を有する。

高温側ホットガス流路２７Ａは、高温側圧縮機２１から流出する高温側冷媒を、高温側膨張弁２３の下流側で且つ高温側蒸発器２４の上流側の部分に送ることができる。高温側ホットガス制御弁２７Ｂは、開状態になることにより、高温側ホットガス流路２７Ａを通流する高温側冷媒を高温側膨張弁２３から流出する高温側冷媒と混ぜることができる。

低温側冷凍回路３０は、低温側圧縮機３１、低温側凝縮器３２、低温側膨張弁３３及び低温側蒸発器３４とがこの順で低温側冷媒を循環させるように接続された低温側冷媒循環部３５と、低温側ホットガス回路部３６と、インジェクション回路部３７と、を備える。

低温側ホットガス回路部３６は、低温側冷媒循環部３５における低温側圧縮機３１の下流側で且つ低温側凝縮器３２の上流側の部分と、低温側冷媒循環部３５における低温側膨張弁３３の下流側で且つ低温側蒸発器３４の上流側の部分とを接続する低温側ホットガス流路３６Ａと、低温側ホットガス流路３６Ａに設けられる低温側ホットガス制御弁３６Ｂと、を有する。

低温側ホットガス流路３６Ａは、低温側圧縮機３１から流出する低温側冷媒を、低温側膨張弁３３の下流側で且つ低温側蒸発器３４の上流側の部分に送ることができる。低温側ホットガス制御弁３６Ｂは、開状態になることにより、低温側ホットガス流路３６Ａを通流する低温側冷媒を低温側膨張弁３３から流出する低温側冷媒と混ぜることができる。

インジェクション回路部３７は、低温側冷媒循環部３５における低温側凝縮器３２の下流側で且つ低温側膨張弁３３の上流側の部分と、低温側冷媒循環部３５における低温側蒸発器３４の下流側で且つ低温側圧縮機３１の上流側の部分とを接続するインジェクション流路３７Ａと、インジェクション流路３７Ａに設けられるインジェクション制御弁３７Ｂと、を有する。

インジェクション流路３７Ａは、低温側凝縮器３２から流出する低温側冷媒を、低温側蒸発器３４の下流側で且つ低温側圧縮機３１の上流側の部分に送ることができる。インジェクション制御弁３７Ｂは、開状態になることにより、インジェクション流路３７Ａを通流する低温側冷媒を、低温側蒸発器３４から流出した低温側冷媒と混ぜることができる。

上述のカスケードコンデンサＣＣは、高温側冷凍回路２０の高温側蒸発器２４と、低温側冷凍回路３０の低温側凝縮器３２と、で構成されている。カスケードコンデンサＣＣでは、高温側膨張弁２３で膨張されて低温低圧になった高温側冷媒と、低温側圧縮機３１から流出した低温側冷媒とが熱交換する。これにより、カスケードコンデンサＣＣから流出する低温側冷媒が凝縮する。その後、凝縮した低温側冷媒は、低温側膨張弁３３で膨張されて低温低圧になり、低温側蒸発器３４に流入する。高温側冷媒と低温側冷媒との種類は特に限られるものではない。例えば高温側冷媒は、Ｒ４４９Ａでもよく、低温側冷媒は、Ｒ５０８Ｂでもよい。

また、低温側冷凍回路３０は水冷却器３８を備える。水冷却器３８は熱交換器であり、内部に水と低温側冷媒とを受け入れる。そして、水冷却器３８は、内部に流通させる水により、カスケードコンデンサＣＣ（低温側凝縮器３２）に流入する前の低温側冷媒を冷却する。すなわち、冷凍装置１０では、低温側圧縮機３１から流出した低温側冷媒が、まず、水冷却器３８で冷却され、つづいて、カスケードコンデンサＣＣで冷却される。これにより、低温側冷媒には、大きい過冷却度が付与される。なお、低温側ホットガス流路３６Ａは、低温側圧縮機３１から流出し、水冷却器３８及び低温側凝縮器３２（カスケードコンデンサＣＣ）を通過する前の低温側冷媒を、低温側膨張弁３３の下流側で且つ低温側蒸発器３４の上流側の部分に送るように構成されている。

水冷却器３８が使用する水は、水供給装置１００から供給される。水供給装置１００は、水源１０１と接続し、水源１０１の水を、水冷却器３８と高温側凝縮器２２とに送る。水供給装置１００は、水ポンプ１０２を有し、水ポンプ１０２の駆動により、水が水冷却器３８と高温側凝縮器２２とに送られる。

水源１０１は、例えば水道水の供給部でもよいし、工場用水の供給部でもよいし、井戸でもよいし、水を溜めたタンクでもよい。本実施の形態における水供給装置１００は、省エネルギー化を考慮して水を温調する機器を備えていない。すなわち、水冷却器３８は、水源１０１からの水を温調せずに通流させ、低温側冷媒を冷却する。ただし、水の温調機器が用いられてもよい。

水源１０１が水道水の供給部、工場用水の供給部、井戸、水を溜めたタンクなどである場合、水供給装置１００が供給する水の温度は、多くの地域で、季節に応じて５℃以上２８℃以下の範囲で変動し得る。ここで、水供給装置１００は、１０Ｌ／ｍｉｎ以上２５Ｌ／ｍｉｎ以下の範囲で水を通流させてもよい。この場合、水ポンプ１０２の動力が比較的抑えられるため、エネルギー消費量が抑えられる。そして、上述の流量範囲である場合、水供給装置１００の冷却能力（Ｋｗ）は、季節要因で概ね１０Ｋｗ以下１６Ｋｗの範囲で変動し得る。

図示の水供給装置１００は、共通の水源１０１から二又に分岐する第１供給路１０３Ａ及び第２供給路１０３Ｂを有する。第１供給路１０３Ａからの水が水冷却器３８に供給され、第２供給路１０３Ｂからの水が高温側凝縮器２２に供給される。また、水冷却器３８における水の排出口の下流側には定流量弁１０４が設けられる。これにより、水冷却器３８に流入する水の流量は所定の値に制御される。なお、水の流量を弁によって調整可能とする構成が採用されてもよい。

流体通流装置２００は、低温側冷凍回路３０の低温側蒸発器３４で低温側冷媒によって冷却される流体を通流させる。通流させる流体は、ブライン等でもよいが特に限られるものではない。

流体通流装置２００は、低温側蒸発器３４に接続される循環用流路２０１と、循環用流路２０１の一部を構成する三方弁２０２と、バイパス流路２０３と、循環用ポンプ２０４と、を有する。低温側蒸発器３４は、低温側冷媒の通過部分と、流体の通過部分と、を有する。循環用流路２０１は、低温側蒸発器３４における流体の通過部分の一方の開口に接続される上流側流路２０１Ｕと、低温側蒸発器３４における流体の通過部分の他方の開口に接続される下流側流路２０１Ｄと、を有する。

三方弁２０２は、３つのポートのうちの２つのポート間の部分で下流側流路２０１Ｄの一部を構成し、三方弁２０２の残りのポートには、バイパス流路２０３が接続されている。バイパス流路２０３は、三方弁２０２と上流側流路２０１Ｕとを接続している。循環用ポンプ２０４は、上流側流路２０１Ｕに設けられる。循環用ポンプ２０４が駆動することによって、流体が通流する。

流体通流装置２００では、循環用ポンプ２０４の駆動に応じて通流する流体が低温側蒸発器３４で低温側冷媒によって冷却され、低温側蒸発器３４から流出した流体が下流側流路２０１Ｄを介して図示しない温度制御対象に送られる。そして、温度制御対象を通過した流体は、上流側流路２０１Ｕを介して低温側蒸発器３４に戻る。また、三方弁２０２は、低温側蒸発器３４に戻る流体の流量と、低温側蒸発器３４に戻らずに低温側蒸発器３４の下流側にバイパスされる流体の流量とを調節できる。これにより、低温側蒸発器３４で冷却された流体と、低温側蒸発器３４に戻らずに低温側蒸発器３４の下流側にバイパスされる流体との混合比が調節可能となり、温度制御対象に送る流体の温度を迅速に調節することが可能となっている。

コントローラ３００は、冷凍装置１０の構成機器及び流体通流装置２００の構成機器を制御する。具体的には、コントローラ３００は、高温側圧縮機２１の駆動状態（回転数）を制御することで、高温側冷媒の循環量（Ｋｇ／ｈｏｕｒ）を制御できる。また、コントローラ３００は、高温側ホットガス制御弁２７Ｂの開閉及び開度を制御できる。また、コントローラ３００は、低温側圧縮機３１の駆動状態（回転数）を制御することで、低温側冷媒の循環量（Ｋｇ／ｈｏｕｒ）を制御できる。また、コントローラ３００は、低温側ホットガス制御弁３６Ｂの開閉及び開度を制御できる。また、コントローラ３００は、インジェクション制御弁３７Ｂの開閉及び開度を制御できる。

コントローラ３００は、例えばＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等を備えるコンピュータで構成され、記憶されたプログラムに従って上記各部の動作を制御してもよい。また、コントローラ３００は、その他のプロセッサや電気回路（例えばＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｌｌｅｙ）等）で構成されてもよい。

＜運転条件＞
次に、本実施の形態における冷凍装置１０の運転条件について説明する。
すなわち、本実施の形態における冷凍装置１０は、低温側冷凍回路３０の低温側蒸発器３４の冷凍能力をＣＬ（Ｋｗ）とし、低温側冷凍回路３０の低温側圧縮機３１の圧縮動力をＰＡ（Ｋｗ）とし、水冷却器３８の冷却能力をＣＷ（Ｋｗ）とし、高温側冷凍回路２０の高温側蒸発器２４の冷凍能力をＣＨ（Ｋｗ）とし、高温側冷凍回路２０の冷媒循環量をＦ１（Ｋｇ／ｈｏｕｒ）とし、低温側冷凍回路３０の冷媒循環量をＦ２（Ｋｇ／ｈｏｕｒ）としたとき、「０．２５×（ＣＬ＋ＰＡ）≦ＣＷ≦０．４×（ＣＬ＋ＰＡ）、且つ、０．６×（ＣＬ＋ＰＡ）≦ＣＨ≦０．７５×（ＣＬ＋ＰＡ）、且つ、０．５×ＰＡ≦ＣＷ、且つ、Ｆ１≦Ｆ２」の関係で、運転を行う。

特に、高温側冷凍回路２０の冷媒循環量Ｆ１及び低温側冷凍回路３０の冷媒循環量Ｆ２に関しては、０．５×Ｆ２＜Ｆ１≦０．７×Ｆ２の関係で、運転を行うことが望ましい。具体的には、例えば低温側冷凍回路３０の低温側蒸発器３４の冷凍能力ＣＬが３０Ｋｗ以下である場合、詳しくは２０Ｋｗ以上３０Ｋｗ以下である場合に、高温側冷凍回路２０の冷媒循環量Ｆ１を４００Ｋｇ／ｈｏｕｒ以上８００Ｋｇ／ｈｏｕｒ以下とし、低温側冷凍回路３０の冷媒循環量Ｆ２を７８０Ｋｇ／ｈｏｕｒ以上１４００Ｋｇ／ｈｏｕｒ以下として、運転を行ってもよい。

より具体的には、例えば低温側蒸発器３４の冷凍能力ＣＬが２０Ｋｗ以上２４Ｋｗである場合に、「０．５×Ｆ２＜Ｆ１≦０．７×Ｆ２の関係」において、高温側冷凍回路２０の冷媒循環量Ｆ１を４７０Ｋｇ／ｈｏｕｒ以上６００Ｋｇ／ｈｏｕｒ以下とし、低温側冷凍回路３０の冷媒循環量Ｆ２を８８０Ｋｇ／ｈｏｕｒ以上９２０Ｋｇ／ｈｏｕｒ以下として、運転を行ってもよい。なお、このような数値条件は一例であり、本発明はこのような条件に限られるものでないことは言うまでもない。

図２は、低温側冷凍回路３０の運転状態を説明するモリエル線図である。図２を参照し、低温側冷凍回路３０では、１→２に示す移行で、低温側圧縮機３１が低温側冷媒を圧縮する。２→３に示す移行で、低温側冷媒が水冷却器３８により冷却される。３→４に示す移行で、冷温側冷媒がカスケードコンデンサＣＣで高温側冷媒により冷却される。４→５に示す移行で、低温側冷媒は、低温側膨張弁３３により膨張され、気液混合状態になって低圧低温になる。そして、５→１に示す移行で、低温側冷媒は、流体通流装置２００が通流させる流体と熱交換する。

図２には、運転条件で用いた低温側冷凍回路３０の低温側蒸発器３４の冷凍能力ＣＬ（Ｋｗ）と、低温側冷凍回路３０の低温側圧縮機３１の圧縮動力ＰＡ（Ｋｗ）と、水冷却器３８の冷却能力ＣＷ（Ｋｗ）と、高温側冷凍回路２０の蒸発器の冷凍能力ＣＨ（Ｋｗ）とのそれぞれに対応する範囲が示されている。
圧縮動力ＰＡは、低温側冷媒の冷媒循環量Ｆ２×（ｈ２－ｈ１）で計算される。ｈ１は、図２における「１」点での比エンタルピーである。ｈ２は、図２における「２」点での比エンタルピーである。
本明細書での圧縮動力ＰＡを求める際、比エンタルピーｈ１は、低温側冷媒の種類と、低温側蒸発器３４から流出して低温側圧縮機３１に流入する前の低温側冷媒の圧力及び温度をセンサにより測定し、測定した低温側冷媒の圧力及び温度に対応する位置を低温側冷媒に対応するモリエル線図（ｐ－ｈ線図、冷媒物性データ）上で特定することにより、求めることができる。
比エンタルピー２は、低温側冷媒の種類と、低温側圧縮機３１から流出して水冷却器３８に流入する前の低温側冷媒の圧力及び温度のセンサにより測定し、測定した低温側冷媒の圧力及び温度に対応する位置を低温側冷媒に対応するモリエル線図（ｐ－ｈ線図、冷媒物性データ）上で特定することにより、求めることができる。

以上に説明した運転条件は、コントローラ３００が、主に、高温側圧縮機２１の駆動状態（回転数）及び低温側圧縮機３１の駆動状態（回転数）を制御することで実現される。そして、この運転条件で運転を行う場合、冷凍装置１０は、大型化、エネルギー消費量及び環境負荷を抑えつつ、所望の冷凍能力が得られるようになる。以下、このことについて詳述する。

まず、「０．２５×（ＣＬ＋ＰＡ）≦ＣＷ≦０．４×（ＣＬ＋ＰＡ）、且つ、０．６×（ＣＬ＋ＰＡ）≦ＣＨ≦０．７５×（ＣＬ＋ＰＡ）」の関係では、低温側蒸発器３４の冷凍能力ＣＬ＋低温側圧縮機３１の圧縮動力ＰＡにより、低温側冷凍回路３０が要求する凝縮負荷（ＣＬ＋ＰＡ）が特定される。そして、上記関係では、凝縮負荷（ＣＬ＋ＰＡ）における水冷却器３８の冷却能力ＣＷ（Ｋｗ）の負担割合が、２５％～４０％になることが特定される。そして、この水冷却器３８の冷却能力ＣＷ（Ｋｗ）の負担割合は、低温側蒸発器３４の冷凍能力ＣＬを極力大きくしつつ高温側圧縮機２１のサイズ及び高温側冷凍回路２０の全体サイズ、並びにエネルギー消費量及び環境負荷を抑制し、且つ温度制御の安定性を向上させる観点で有効な条件となる。

すなわち、水冷却器３８の冷却能力ＣＷ（Ｋｗ）の負担割合が例えば６０％以上などのように大き過ぎる場合には、凝縮させる低温側冷媒を十分に過冷却できず、低温側蒸発器３４の冷凍能力ＣＬを大きくし難くなる。一方で、水冷却器３８の冷却能力ＣＷ（Ｋｗ）の負担割合が例えば１０％以下などのように小さ過ぎる場合には、水冷却器３８の冷却が有効に機能せず、高い性能の高温側圧縮機の使用の必要性が生じ得る。このような観点から、水冷却器３８の冷却能力ＣＷ（Ｋｗ）の負担割合が２５％～４０％であることは、低温側蒸発器３４の冷凍能力ＣＬを極力大きくしつつ高温側圧縮機２１のサイズ及び高温側冷凍回路２０の全体サイズを抑制する観点で良好となる。また、水冷却器３８の冷却能力ＣＷは、圧縮動力を必要とすることなく要求される凝縮負荷における比較的大きい範囲を負担するため、エネルギー消費量及び環境負荷の抑制に関して有利になる。

また、水冷却器３８の冷却能力ＣＷ（Ｋｗ）の負担割合が２５％～４０％の範囲で変動する場合、高温側冷凍回路２０の高温側蒸発器２４の冷凍能力ＣＨは、凝縮負荷（ＣＬ＋ＰＡ）に対して６０～７５％の範囲で変動する。このとき、例えば凝縮負荷（ＣＬ＋ＰＡ）に対して６０％の冷凍能力を基準の運転状態として想定した場合、水冷却器３８の冷却能力ＣＷの最大の変動に対する冷凍能力ＣＨの変化率は、２５％である。そのため、水冷却器３８の冷却能力ＣＷ（Ｋｗ）の負担割合が２５％～４０％である場合には、水冷却器３８の冷却能力ＣＷ（Ｋｗ）が変動したとしても、高温側冷凍回路２０の高温側蒸発器２４の冷凍能力ＣＨを大きく調整する必要がない。この場合、高温側圧縮機２１の使用駆動範囲を比較的狭い範囲に抑えられるため、高温側圧縮機２１を安定性に関して望ましい運転範囲に限定して運転することが可能となり、また、過剰に高い性能を圧縮機に確保しないで済むようになり得る。その結果、温度制御の安定性の観点で有利なる。

次に、「０．５×ＰＡ≦ＣＷ」という関係では、低温側圧縮機３１の圧縮動力ＰＡ（Ｋｗ）に対する水冷却器３８の冷却能力ＣＷ（Ｋｗ）の割合が、比較的大きいことが特定される。すなわち、低温側圧縮機３１の圧縮動力ＰＡ（Ｋｗ）に対する水冷却器３８の冷却能力ＣＷ（Ｋｗ）の割合が、低温側圧縮機３１の圧縮動力ＰＡ（Ｋｗ）の半分以上であることが特定される。この関係は、上述と同様に、水冷却器３８の冷却能力ＣＷ（Ｋｗ）が要求される凝縮負荷における比較的大きい範囲を負担することを意味するとともに、高温側冷凍回路２０が故障や停止した際の装置保護機能を得ることが可能となる。すなわち、仮に高温側冷凍回路２０が故障や停止した場合であっても、水冷却器３８の冷却能力ＣＷ（Ｋｗ）が「０．５×ＰＡ」以上である場合は、低温側圧縮機３１の圧縮動力ＰＡの半分以上を打ち消す能力を有することで、比較的早期に低温側冷媒が冷却され、配管などが保護され得る。このような観点で、「０．５×ＰＡ≦ＣＷ」という関係は有効である。

また、「Ｆ１≦Ｆ２」という関係では、高温側冷凍回路２０の冷媒循環量Ｆ１（Ｋｇ／ｈｏｕｒ）が、低温側冷凍回路３０の冷媒循環量Ｆ２（Ｋｇ／ｈｏｕｒ）以下になる。一般に、二元冷凍装置では、高温側冷凍回路の冷媒循環量が低温側冷凍回路の冷媒循環量よりも大きい。これに対して、本実施の形態では、高温側冷凍回路２０の冷媒循環量Ｆ１（Ｋｇ／ｈｏｕｒ）が、低温側冷凍回路３０の冷媒循環量Ｆ２（Ｋｇ／ｈｏｕｒ）以下になる。この場合には、高温側冷凍回路２０の小型化や低コスト化の点で有利となる。特に０．５×Ｆ２＜Ｆ１≦０．７×Ｆ２の関係で運転するように冷凍装置１０を構成する場合には、小型化や低コスト化の点で極めて有利となる。

例えば、上述したように低温側蒸発器３４の冷凍能力ＣＬが２０Ｋｗ以上２４Ｋｗ以下である場合に、高温側冷凍回路２０の冷媒循環量Ｆ１を４７０Ｋｇ／ｈｏｕｒ以上６００Ｋｇ／ｈｏｕｒ以下とし、低温側冷凍回路３０の冷媒循環量Ｆ２を８８０Ｋｇ／ｈｏｕｒ以上９２０Ｋｇ／ｈｏｕｒ以下として、冷凍装置１０の運転が行われてもよい。この数値条件における高温側冷凍回路２０の冷媒循環量Ｆ１は、２０Ｋｗ以上２４Ｋｗ以下の一般的な二元冷凍装置の高温側冷凍回路においては通常採用されない極めて少ない設定である。本実施の形態では水冷却器３８を使用することで、このような極めて少ない循環量の値を設定可能となっている。そして、０．５×Ｆ２＜Ｆ１≦０．７×Ｆ２の関係、具体的には例えば上述のような極めて少ない高温側冷凍回路２０の冷媒循環量Ｆ１が設定される場合には、高温側冷凍回路２０を効果的に小型化できる。例えば受液器を省略し得るか、受液器を使用したとしても小さい容量に抑えることができる。そのため、高温側冷凍回路２０の小型化や低コスト化の点で有利となる。
また、一般に二元冷凍装置は一つの筐体に高温側冷凍回路及び低温側冷凍回路が収まるように構成される。この際、本実施の形態では水冷却器３８に水を導入する水供給装置１００の配管部材等も同じ筐体に収容され得る。この際に、高温側冷凍回路２０が大型であると水供給装置１００の配管部材等をスペース効率良く配置し難くなる。これに対して、本実施の形態では、高温側冷媒の使用量の抑制により高温側冷凍回路２０をダウンサイズすることで、装置全体を小型化し易くなる。また、低温側冷凍回路３０の低温側蒸発器３４の冷凍能力ＣＬは、水冷却器３８の冷却能力ＣＷの下限値の２倍以上３倍以下でもよい。この場合、水冷却器３８を有効に機能させつつ、良好な運転性能及び温度制御性能が得られる。本件発明者は、種々のシミュレーション及び実験を通して、このような条件を見出すに至った。

以上に説明したように本実施の形態における冷凍装置１０は、低温側冷凍回路３０の低温側蒸発器３４の冷凍能力をＣＬ（Ｋｗ）とし、低温側冷凍回路３０の低温側圧縮機３１の圧縮動力をＰＡ（Ｋｗ）とし、水冷却器３８の冷却能力をＣＷ（Ｋｗ）とし、高温側冷凍回路２０の高温側蒸発器２４の冷凍能力をＣＨ（Ｋｗ）とし、高温側冷凍回路２０の冷媒循環量をＦ１（Ｋｇ／ｈｏｕｒ）とし、低温側冷凍回路３０の冷媒循環量をＦ２（Ｋｇ／ｈｏｕｒ）としたとき、「０．２５×（ＣＬ＋ＰＡ）≦ＣＷ≦０．４×（ＣＬ＋ＰＡ）、且つ、０．６×（ＣＬ＋ＰＡ）≦ＣＨ≦０．７５×（ＣＬ＋ＰＡ）、且つ、０．５×ＰＡ≦ＣＷ、且つ、Ｆ１≦Ｆ２」の関係で、運転を行う。これにより、大型化、エネルギー消費量及び環境負荷を抑えつつ、所望の冷凍能力を安定的に得ることができる。

特に高温側冷凍回路２０の冷媒循環量Ｆ１及び低温側冷凍回路３０の冷媒循環量Ｆ２に関しては、０．５×Ｆ２＜Ｆ１≦０．７×Ｆ２の関係で、運転を行うことが望ましい。この場合、高温側冷凍回路２０の小型化や低コスト化の点で有利となる。すなわち、本実施の形態では水冷却器３８に水を導入する水供給装置１００の配管部材等が、高温側冷凍回路２０及び低温側冷凍回路３０を収容する筐体に収容され得る。この際に、高温側冷凍回路２０が大型であると水供給装置１００の配管部材等をスペース効率良く配置し難くなる。これに対して、本実施の形態では、高温側冷媒の使用量の抑制により高温側冷凍回路２０をダウンサイズすることで、装置全体を小型化し易くなる。詳しくは、高温側冷凍回路２０及び低温側冷凍回路３０はカスケードコンデンサＣＣの構成のために接続され、そこに近接して水冷却器３８が配置される。高温側冷凍回路２０及び低温側冷凍回路３０における冷媒循環量が上記関係である場合、普通の設計では低温側冷凍回路３０が高温側冷凍回路２０よりも大きく設計され、この場合、低温側冷凍回路３０に対して高温側冷凍回路２０が凹むように位置するスペースに水供給装置１００の配管等を配置できる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではない。例えば上述の実施の形態における冷凍装置１０は二元冷凍装置であるが、本発明は三元冷凍装置にも適用できる。この場合、水冷却器３８により中温側冷凍回路が循環させる冷媒及び／又は低温側冷凍回路が循環させる冷媒が冷却される。

Ｓ…温調システム
１０…冷凍装置
２０…高温側冷凍回路
２１…高温側圧縮機
２２…高温側凝縮器
２３…高温側膨張弁
２４…高温側蒸発器
２５…高温側冷媒循環部
３０…低温側冷凍回路
３１…低温側圧縮機
３２…低温側凝縮器
３３…低温側膨張弁
３４…低温側蒸発器
３５…低温側冷媒循環部
３６…低温側ホットガス回路部
３６Ａ…低温側ホットガス流路
３６Ｂ…低温側ホットガス制御弁
３７…インジェクション回路部
３７Ａ…インジェクション流路
３７Ｂ…インジェクション制御弁
ＣＣ…カスケードコンデンサ
１００…水供給装置
１０１…水源
１０３Ａ…第１供給路
１０３Ｂ…第２供給路
２００…流体通流装置
２０１…循環用流路
２０１Ｕ…上流側流路
２０１Ｄ…下流側流路
２０２…三方弁
２０３…バイパス流路
２０４…循環用ポンプ
３００…コントローラ

Claims (10)

1. 高温側冷凍回路と、低温側冷凍回路とを備え、前記高温側冷凍回路の蒸発器と前記低温側冷凍回路の凝縮器とがカスケードコンデンサを構成する冷凍装置であって、
   前記低温側冷凍回路における圧縮機と凝縮器との間で前記低温側冷凍回路が循環させる低温側冷媒を水で冷却する水冷却器を備え、
   前記低温側冷凍回路の蒸発器の冷凍能力をＣＬ（Ｋｗ）とし、
   前記低温側冷凍回路の圧縮機の圧縮動力をＰＡ（Ｋｗ）とし、
   前記水冷却器の冷却能力をＣＷ（Ｋｗ）とし、
   前記高温側冷凍回路の蒸発器の冷凍能力をＣＨ（Ｋｗ）とし、
   前記高温側冷凍回路の冷媒循環量をＦ１（Ｋｇ／ｈｏｕｒ）とし、
   前記低温側冷凍回路の冷媒循環量をＦ２（Ｋｇ／ｈｏｕｒ）としたとき、
   ０．２５×（ＣＬ＋ＰＡ）≦ＣＷ≦０．４×（ＣＬ＋ＰＡ）、且つ、０．６×（ＣＬ＋ＰＡ）≦ＣＨ≦０．７５×（ＣＬ＋ＰＡ）、且つ、０．５×ＰＡ≦ＣＷ、且つ、Ｆ１≦Ｆ２の関係で、運転を行う、冷凍装置。
2. ０．５×Ｆ２＜Ｆ１≦０．７×Ｆ２の関係で、運転を行う、請求項１に記載の冷凍装置。
3. 前記高温側冷凍回路の冷媒循環量Ｆ１を４７０Ｋｇ／ｈｏｕｒ以上６００Ｋｇ／ｈｏｕｒ以下とし、前記低温側冷凍回路の冷媒循環量Ｆ２を８８０Ｋｇ／ｈｏｕｒ以上９２０Ｋｇ／ｈｏｕｒ以下として、運転を行う、請求項２に記載の冷凍装置。
4. 前記水冷却器は、５℃以上２８℃以下の範囲の水で前記低温側冷媒を冷却する、請求項１乃至３のいずれかに記載の冷凍装置。
5. 前記水冷却器は、水源からの水を温調せずに通流させて前記低温側冷媒を冷却する、請求項１乃至４のいずれかに記載の冷凍装置。
6. 前記低温側冷凍回路の蒸発器の冷凍能力ＣＬは、３０Ｋｗ以下である、請求項１乃至５のいずれかに記載の冷凍装置。
7. 前記低温側冷凍回路の蒸発器の冷凍能力ＣＬは、２０Ｋｗ以上３０Ｋｗ以下である、請求項６に記載の冷凍装置。
8. 前記低温側冷凍回路の蒸発器の冷凍能力ＣＬは、前記水冷却器の冷却能力ＣＷの下限値の２倍以上３倍以下である、請求項１乃至７のいずれかに記載の冷凍装置。
9. 前記低温側冷凍回路の圧縮機から流出し、前記水冷却器及び前記低温側冷凍回路の凝縮器を通過する前の低温側冷媒を、前記低温側冷凍回路の膨張弁の下流側で且つ蒸発器の上流側の部分に送る低温側ホットガス回路がさらに設けられる、請求項１乃至８のいずれかに記載の冷凍装置。
10. 請求項１乃至８のいずれかに記載の冷凍装置と、
    前記低温側冷凍回路の蒸発器で冷却される流体を通流させる流体通流装置と、を備える、温調システム。

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