JP2023177526A - 二元冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＯ２を低元側冷媒としてスクリュ式の低元側圧縮機を使用する二元冷凍装置において、低元側圧縮機の軸受の長寿命を確保する。【解決手段】二元冷凍装置１は、低元側冷凍サイクル１０と、高元側冷凍サイクル２０と、制御装置３０とを備える。制御装置３０は、低元側吸込圧力が第１下限圧力未満の場合には低元側モータ１１ｂの回転数を減少させ、低元側吸込圧力が第１上限圧力を超える場合には低元側モータ１１ｂの回転数を増大させ、低元側吸込圧力が第１下限圧力以上かつ第１上限圧力以下の場合には低元側モータ１１ｂの回転数を維持するとともに以下の低元側差圧に応じた制御を実行し、即ち低元側差圧が第２下限圧力未満の場合には高元側モータ２１ａの回転数を減少させ、低元側差圧が第２上限圧力を超える場合には高元側モータ２１ａの回転数を増大させ、低元側差圧が第２下限圧力以上かつ第２上限圧力以下の場合には高元側モータ２１ａの回転数を維持する。【選択図】図１

Description

本発明は、二元冷凍装置に関する。

低元側冷凍サイクルと高元側冷凍サイクルをカスケード熱交換器により熱的に接続した二元冷凍装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の二元冷凍装置では、低元側冷凍サイクルおいて、ＣＯ２（二酸化炭素）を低元側冷媒とし、スクロール式の低元側圧縮機を使用している。特許文献１は、効率の高い二元冷凍装置を得ることを目的としている。

特開２０１２－１１２６１５号公報

スクロール式またはスクリュ式のような回転式の低元側圧縮機は、軸受を有している。ＣＯ２を低元側冷媒とし、回転式の低元側圧縮機を使用すると、軸受に非常に高い圧力負荷が発生する。従って、軸受の長寿命を確保できないおそれがある。

本発明は、ＣＯ２を低元側冷媒としてスクリュ式の低元側圧縮機を使用する二元冷凍装置において、低元側圧縮機の軸受の長寿命を確保することを課題とする。

本発明は、
ＣＯ２を低元側冷媒として使用し、軸受によって回転可能に支持されたスクリュロータおよび前記スクリュロータを駆動する低元側モータを有するスクリュ式であって前記低元側冷媒を圧縮する低元側圧縮機を含む低元側冷凍サイクルと、
高元側モータを有し、高元側冷媒を圧縮する高元側圧縮機を含む高元側冷凍サイクルと、
前記低元側圧縮機の吸込圧力である低元側吸込圧力を測定する第１圧力センサと、
前記低元側圧縮機の吐出圧力である低元側吐出圧力を測定する第２圧力センサと、
前記第１圧力センサから前記低元側吸込圧力を受信するとともに前記第２圧力センサから前記低元側吐出圧力を受信し、前記低元側吐出圧力と前記低元側吸込圧力との差分である低元側差圧を算出する制御装置と
を備え、
前記低元側冷凍サイクルおよび前記高元側冷凍サイクルは、前記低元側冷凍サイクルにおいて前記低元側冷媒を凝縮させる凝縮器として機能するとともに前記高元側冷凍サイクルにおいて前記高元側冷媒を蒸発させる蒸発器として機能し、前記低元側冷凍サイクルと前記高元側冷凍サイクルとの間で熱交換するカスケードコンデンサを共有し、
前記制御装置は、
前記低元側吸込圧力が第１下限圧力未満の場合には前記低元側モータの回転数を減少させ、前記低元側吸込圧力が前記第１上限圧力を超える場合には前記低元側モータの回転数を増大させ、前記低元側吸込圧力が前記第１下限圧力以上かつ前記第１上限圧力以下の場合には前記低元側モータの回転数を維持するとともに以下の前記低元側差圧に応じた制御を実行し、
前記低元側差圧が第２下限圧力未満の場合には前記高元側モータの回転数を減少させ、前記低元側差圧が前記第２上限圧力を超える場合には前記高元側モータの回転数を増大させ、前記低元側差圧が前記第２下限圧力以上かつ前記第２上限圧力以下の場合には前記高元側モータの回転数を維持する、二元冷凍装置を提供する。

この構成によれば、低元側吸込圧力を第１下限圧力と第１上限圧力との間に調整できるため、低元側冷凍サイクルにおける冷却量を好適な範囲に調整できる。また、低元側差圧を第２下限圧力と第２上限圧力との間に調整できるため、軸受に対する圧力負荷を調整でき、軸受の長寿命を確保できる。低元側モータの回転数を増大させると、低元側冷凍サイクルにおける冷却量が増大し、冷却温度が低下する。従って、低元側冷凍サイクルにおいて、蒸発温度が低下するため、蒸発圧力（即ち低元側吸込圧力）が低下する。反対に、低元側モータの回転数を減少させると、蒸発圧力（即ち低元側吸込圧力）が上昇する。このように、低元側吸込圧力は調整可能である。また、高元側モータの回転数を増大させると、高元側冷凍サイクルにおける冷却量が増大し、冷却温度が低下する。従って、高元側冷凍サイクルにおける蒸発温度が低下し、カスケードコンデンサによって熱的に接続された低元側冷凍サイクルにおける凝縮温度が低下する。よって、低元側冷凍サイクルにおける凝縮圧力（即ち低元側吐出圧力）が低下する。反対に、高元側モータの回転数を減少させると、低元側冷凍サイクルにおける凝縮圧力（即ち低元側吐出圧力）が上昇する。このように、低元側吐出圧力は調整可能である。従って、軸受に影響を与える低元側差圧を好適な範囲に調整できる。また、低元側冷媒として使用するＣＯ２のＧＷＰ（地球温暖化係数）は１であり、環境性に優れる。また、低元側圧縮機がスクリュ式であるため、ＣＯ２が低温により固体化（ドライアイス化）した場合でもスクリュロータにより破砕できるため、スクロール式などの他の回転式と比べて悪影響が少ない。

前記第２上限圧力と前記第２下限圧力との差分は、０．４ＭＰａ以下であってもよい。例えば、前記第２下限圧力は、０．６ＭＰａであってもよく、前記第２上限圧力は、１．０ＭＰａであってもよい。

この構成によれば、低元側差圧を具体的に好適な範囲内に調整でき、軸受の長寿命を確保できる。

前記高元側冷媒は、Ｒ１２３４ｙｆであってもよい。

この構成によれば、高元側冷媒として使用するＲ１２３４ｙｆのＧＷＰは１であり、環境性に優れる。

前記二元冷凍装置は、
前記低元側モータの温度を測定する第１温度センサと、
前記高元側モータの温度を測定する第２温度センサと
をさらに備えてもよく、
前記制御装置は、
前記第１温度センサから前記低元側モータの温度を受信するとともに前記第２温度センサから前記高元側モータの温度を受信してもよく、
前記低元側モータの温度が上限値以下となるまでは前記低元側モータの回転数を増大させることを待機してもよく、
前記高元側モータの温度が上限値以下となるまでは前記高元側モータの回転数を増大させることを待機してもよい。

この構成によれば、低元側モータおよび高元側モータの温度をそれぞれ上限値以下に抑えることができる。従って、低元側モータおよび高元側モータにかかる負荷を一定以下に抑えることができる。

前記二元冷凍装置は、
前記低元側モータの電流を測定する第１電流センサと、
前記高元側モータの電流を測定する第２電流センサと
をさらに備えてもよく、
前記制御装置は、
前記第１電流センサから前記低元側モータの電流を受信するとともに前記第２電流センサから前記高元側モータの電流を受信してもよく、
前記低元側モータの電流が上限値以下となるまでは前記低元側モータの回転数を増大させることを待機してもよく、
前記高元側モータの温度が上限値以下となるまでは前記高元側モータの回転数を増大させることを待機してもよい。

この構成によれば、低元側モータおよび高元側モータの電流をそれぞれ上限値以下に抑えることができる。従って、低元側モータおよび高元側モータにかかる負荷を一定以下に抑えることができる。

前記二元冷凍装置は、
前記低元側モータの回転数を測定する第１回転数センサと、
前記高元側モータの回転数を測定する第２回転数センサと
をさらに備えてもよく、
前記制御装置は、
前記第１回転数センサから前記低元側モータの回転数を受信するとともに前記第２回転数センサから前記高元側モータの回転数を受信してもよく、
前記低元側モータの回転数が上限値以下となるまでは前記低元側モータの回転数を増大させることを待機してもよく、
前記高元側モータの回転数が上限値以下となるまでは前記高元側モータの回転数を増大させることを待機してもよい。

この構成によれば、低元側モータおよび高元側モータの回転数をそれぞれ上限値以下に抑えることができる。従って、低元側モータおよび高元側モータにかかる負荷を一定以下に抑えることができる。

本発明によれば、ＣＯ２を低元側冷媒としてスクリュ式の低元側圧縮機を使用する二元冷凍装置において、低元側圧縮機の軸受の長寿命を確保できる。

本発明の第１実施形態に係る二元冷凍装置の冷媒回路図。 低元側圧縮機の内部を示す断面図。 第１実施形態における制御装置のブロック図。 制御装置による制御を示すフローチャート。 図４のステップＳ４－３に対応する第１実施形態における低元側モータの回転数制御のフローチャート。 図４のステップＳ４－４に対応する第１実施形態における高元側モータの回転数制御のフローチャート。 本発明の第２実施形態に係る二元冷凍装置の冷媒回路図。 第２実施形態における制御装置のブロック図。 図４のステップＳ４－３に対応する第２実施形態における低元側モータの回転数制御のフローチャート。 図４のステップＳ４－４に対応する第２実施形態における高元側モータの回転数制御のフローチャート。 図４のステップＳ４－３に対応する第２実施形態の第１変形例における低元側モータの回転数制御のフローチャート。 図４のステップＳ４－４に対応する第２実施形態の第１変形例における高元側モータの回転数制御のフローチャート。 図４のステップＳ４－３に対応する第２実施形態の第２変形例における低元側モータの回転数制御のフローチャート。 図４のステップＳ４－４に対応する第２実施形態の第２変形例における高元側モータの回転数制御のフローチャート。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

（第１実施形態）
図１を参照して、第１実施形態に係る二元冷凍装置１は、低元側冷凍サイクル１０と、高元側冷凍サイクル２０と、制御装置３０とを備えている。

低元側冷凍サイクル１０では、ＣＯ２（二酸化炭素）を低元側冷媒として使用する。低元側冷凍サイクル１０は、低元側圧縮機１１と、油回収器１２と、カスケードコンデンサ５と、膨張弁１３と、蒸発器１４とを含む。

図２を併せて参照して、低元側圧縮機１１は、スクリュ式であり、低元側冷媒を圧縮する。低元側圧縮機１１は、スクリュロータ１１ａと、スクリュロータ１１ａを駆動する低元側モータ１１ｂと、それらを収容するケーシング１１ｃとを有している。スクリュロータ１１ａは、軸受（転がり軸受）１１ｄによって回転可能に支持され、カップリング１１ｅを介して低元側モータ１１ｂと機械的に接続されている。

低元側モータ１１ｂは、ケーシング１１ｃに固定された固定子１１ｂ１と、固定子１１ｂ１の内側に配置されるとともに軸受（転がり軸受）１１ｆによって回転可能に支持された回転子１１ｂ２とを有している。低元側モータ１１ｂは、インバータ１１ｇによって回転数を調整可能である。

本実施形態では、低元側圧縮機１１は、油冷式である。スクリュロータ１１ａと低元側モータ１１ｂとの間には、カップリング１１ｅに隣接して軸封装置１１ｈが設けられている。軸封装置１１ｈは、油の通過を防止する。

低元側圧縮機１１は、低元側冷媒（ＣＯ２）を、吸込口１１ｉから吸い込み、内部で圧縮し、吐出口１１ｊから吐出する。吐出されたＣＯ２は、油を含んでおり、油回収器１２に送られて油を回収される。回収された油は、低元側圧縮機１１に供給され、即ち循環利用される。油回収器１２で油を分離されたＣＯ２は、カスケードコンデンサ５に送られる。

カスケードコンデンサ５は、低元側冷凍サイクル１０および高元側冷凍サイクル２０によって共有されている。カスケードコンデンサ５では、低元側冷凍サイクル１０と高元側冷凍サイクル２０との間で熱交換が実行される。カスケードコンデンサ５は、低元側冷凍サイクル１０においては低元側冷媒を冷却して凝縮させる凝縮器として機能する。

カスケードコンデンサ５にて凝縮された低元側冷媒は、膨張弁１３を通過して膨張し、蒸発器１４に送られる。膨張弁１３は、例えば圧力調整弁である。

蒸発器１４では、膨張弁１３を通過して膨張した低元側冷媒が蒸発し、蒸発した低元側冷媒は低元側圧縮機１１に送られる。

低元側冷凍サイクル１０では、低元側圧縮機１１の吸込圧力である低元側吸込圧力を測定する第１圧力センサ１５ａと、低元側圧縮機１１の吐出圧力である低元側吐出圧力を測定する第２圧力センサ１５ｂとが設けられている。

高元側冷凍サイクル２０では、例えば、ＨＦＯ（ハイドロフルオロオレフィン）、ＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）、またはＮＨ３（アンモニア）を高元側冷媒として使用する。本実施形態では、ＨＦＯの一種のＲ１２３４ｙｆを高元側冷媒として使用する。高元側冷凍サイクル２０は、高元側圧縮機２１と、油回収器２２と、凝縮器２３と、膨張弁２４と、カスケードコンデンサ５とを含む。

高元側圧縮機２１は、高元側冷媒を圧縮する。高元側圧縮機２１は、例えば、スクリュ式、スクロール式、またはレシプロ式などであり得る。高元側圧縮機２１は、駆動源となる高元側モータ２１ａを有している。高元側モータ２１ａは、インバータ２１ｂによって回転数を調整可能である。

高元側圧縮機２１では、高元側冷媒を、吸込口２１ｃから吸い込み、内部で圧縮し、吐出口２１ｄから吐出する。吐出された高元側冷媒は、油を含んでおり、油回収器２２に送られて油を回収される。回収された油は、高元側圧縮機２１に供給され、即ち循環利用される。油回収器２２で油を分離された高元側冷媒は、凝縮器２３に送られる。

凝縮器２３では、高元側冷媒が冷却されて凝縮する。凝縮器２３にて凝縮された高元側冷媒は、膨張弁２４を通過して膨張し、カスケードコンデンサ５に送られる。膨張弁２４は、例えば圧力調整弁である。

カスケードコンデンサ５は、高元側冷凍サイクル２０においては高元側冷媒を加熱して蒸発させる蒸発器として機能する。カスケードコンデンサ５では、膨張弁２４を通過して膨張した高元側冷媒が蒸発し、蒸発した高元側冷媒は高元側圧縮機２１に送られる。

制御装置３０は、演算処理および装置全体の制御を行う。制御装置３０は、例えば、ソフトウェアと協働して所定の機能を実現するＣＰＵ（Central Processing Unit)またはＭＰＵ(Micro Processing Unit）を含む。制御装置３０は、所定の機能を実現するように設計された専用の電子回路または再構成可能な電子回路等のハードウェア回路で構成されてもよいし、種々の半導体集積回路で構成されてもよい。種々の半導体集積回路としては、例えば、ＣＰＵ、ＭＰＵの他に、マイクロコンピュータ、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、およびＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等が挙げられる。また、制御装置３０は、ＲＡＭ（Random Access Memory）およびＲＯＭ（Read Only Memory）等の記憶装置を含んでもよい。具体的には、制御装置３０は、例えば、デスクトップパソコン、ノートパソコン、ワークステーション、またはタブレット端末のような情報処理装置または同等の機能を有するプリント基板等で構成され得る。

制御装置３０は、格納されたデータやプログラムを読み出して種々の演算処理を行うことで、所定の機能を実現する。制御装置３０によって実行されるプログラムは、所定の通信規格にしたがい通信を行う通信部等を利用して外部から提供されてもよいし、可搬性を有する記録媒体に格納されていてもよい。

図３を参照して、制御装置３０は、機能的構成として、受信部３１と、算出部３２と、低元側回転数制御部３３と、高元側回転数制御部３４とを有している。これらは、上記ハードウェアおよびソフトウェアの協働により実現される。また、これらは、それぞれ対応する回路（circuitry）と読み替えられてもよい。

受信部３１は、第１圧力センサ１５ａから低元側吸込圧力を受信するとともに第２圧力センサ１５ｂから低元側吐出圧力を受信する。

算出部３２は、低元側吐出圧力と低元側吸込圧力との差分である低元側差圧を算出する。

低元側回転数制御部３３は、図４～６のフローチャートに基づいてインバータ１１ｇを介して低元側モータ１１ｂの回転数を制御する。同様に、高元側回転数制御部３４は、図４～６のフローチャートに基づいてインバータ２１ｂを介して高元側モータ２１ａの回転数を制御する。

図４を参照して、制御装置３０は、二元冷凍装置１の運転を開始すると、高元側圧縮機２１を起動し（ステップＳ４－１）、低元側圧縮機１１を起動する（ステップＳ４－２）。その後、低元側モータ１１ｂの回転数を制御し（ステップＳ４－３）、高元側モータ２１ａの回転数を制御する（ステップＳ４－４）。すなわち、低元側モータ１１ｂの回転数制御（ステップＳ４－３）および高元側モータ２１ａの回転数制御（ステップＳ４－４）は高元側圧縮機２１および低元側圧縮機１１の起動時（すなわち、立ち上げ時）に行われるのではなく、高元側圧縮機２１および低元側圧縮機１１の起動後に行われる。

図５を参照して、低元側モータ１１ｂの回転数制御（図４のステップＳ４－３）では、低元側吸込圧力Ｐ１に関する判定を実行する（ステップＳ５－１）。低元側吸込圧力Ｐ１が第１下限圧力未満Ｐ１１の場合には（Ａ：ステップＳ５－１）、低元側モータ１１ｂの回転数を減少させる（ステップＳ５－２）。そして再び低元側吸込圧力Ｐ１に関する判定を実行する（ステップＳ５－１）。また、低元側吸込圧力Ｐ１が第１上限圧力Ｐ１２を超える場合（Ｂ：ステップＳ５－１）には、低元側モータ１１ｂの回転数を増大させる（ステップＳ５－３）。そして再び低元側吸込圧力Ｐ１に関する判定を実行する（ステップＳ５－１）。また、低元側吸込圧力Ｐ１が第１下限圧力Ｐ１以上かつ第１上限圧力Ｐ１２以下の場合（Ｃ：ステップＳ５－１）には、低元側モータ１１ｂの回転数を維持する（ステップＳ５－４）。そして低元側モータ１１ｂの回転数制御（図４のステップＳ４－３）を完了する。

図６を参照して、高元側モータ２１ａの回転数制御（図４のステップＳ４－４）では、低元側差圧Ｐ２に関する判定を実行する（ステップＳ６－１）。低元側差圧Ｐ２が第２下限圧力Ｐ２１未満の場合（Ａ：ステップＳ６－１）には、高元側モータ２１ａの回転数を減少させる（ステップＳ６－２）。そして再び低元側差圧Ｐ２に関する判定を実行する（ステップＳ６－１）。また、低元側差圧Ｐ２が第２上限圧力Ｐ２２を超える場合（Ｂ：ステップＳ６－１）には、高元側モータ２１ａの回転数を増大させる（ステップＳ６－３）。そして再び低元側差圧Ｐ２に関する判定を実行する（ステップＳ６－１）。また、低元側差圧Ｐ２が第２下限圧力Ｐ２１以上かつ第２上限圧力Ｐ２２以下の場合（Ｃ：ステップＳ６－１）には、高元側モータ２１ａの回転数を維持する（ステップＳ６－４）。そして高元側モータ２１ａの回転数制御（図４のステップＳ４－４）を完了する。

本実施形態の二元冷凍装置１によれば、低元側吸込圧力Ｐ１を第１下限圧力Ｐ１１と第１上限圧力Ｐ１２との間に調整できるため、低元側冷凍サイクル１０における冷却量を好適な範囲に調整できる。また、低元側差圧Ｐ２を第２下限圧力Ｐ２１と第２上限圧力Ｐ２２との間に調整できるため、軸受１１ｄに対する圧力負荷を調整でき、軸受１１ｄの長寿命を確保できる。低元側モータ１１ｂの回転数を増大させると、低元側冷凍サイクル１０における冷却量が増大し、冷却温度が低下する。従って、低元側冷凍サイクル１０において、蒸発温度が低下するため、蒸発圧力（即ち低元側吸込圧力Ｐ１）が低下する。反対に、低元側モータ１１ｂの回転数を減少させると、蒸発圧力（即ち低元側吸込圧力Ｐ１）が上昇する。このように、低元側吸込圧力Ｐ１は調整可能である。また、高元側モータ２１ａの回転数を増大させると、高元側冷凍サイクル２０における冷却量が増大し、冷却温度が低下する。従って、高元側冷凍サイクル２０における蒸発温度が低下し、カスケードコンデンサ５によって熱的に接続された低元側冷凍サイクル１０における凝縮温度が低下する。よって、低元側冷凍サイクル１０における凝縮圧力（即ち低元側吐出圧力）が低下する。反対に、高元側モータ２１ａの回転数を減少させると、低元側冷凍サイクル１０における凝縮圧力（即ち低元側吐出圧力）が上昇する。このように、低元側吐出圧力は調整可能である。従って、軸受に影響を与える低元側差圧Ｐ２を好適な範囲に調整できる。また、低元側冷媒として使用するＣＯ２のＧＷＰ（地球温暖化係数）は１であり、環境性に優れる。また、低元側圧縮機１１がスクリュ式であるため、ＣＯ２が低温により固体化（ドライアイス化）した場合でもスクリュロータ１１ａにより破砕できるため、スクロール式などの他の回転式と比べて悪影響が少ない。

また、高元側冷媒として使用するＲ１２３４ｙｆのＧＷＰは１であり、環境性に優れる。

好ましくは、第２上限圧力Ｐ２１と第２下限圧力Ｐ２２との差分は、０．４ＭＰａ以下である。例えば、第２下限圧力Ｐ２１は０．６ＭＰａであり、第２上限圧力Ｐ２２は１．０ＭＰａである。低元側差圧が０．６ＭＰａ以上であれば、軸受１１ｄの必要最小荷重以上となり、軸受１１ｄのスミアリングを回避し、長寿命を確保できる。低元側差圧が１．０ＭＰａ以内であれば、軸受１１ｄに対する過負荷を回避し、長寿命を確保できる。これにより、低元側差圧Ｐ２を具体的に好適な範囲内に調整でき、軸受１１ｄの長寿命を確保できる。

（第２実施形態）
図７に示す第２実施形態に係る二元冷凍装置１は、第１温度センサ１５ｃと、第２温度センサ１５ｄと、制御装置３０とに関する構成が第１実施形態とは異なる。これらに関する部分以外は、第１実施形態と実質的に同じである。従って、第１実施形態にて示した部分については説明を省略する場合がある。

本実施形態では、低元側冷凍サイクル１０において、低元側モータ１１ｂの温度（例えばコイル温度）を測定する第１温度センサ１５ｃと、高元側モータ２１ａの温度（例えばコイル温度）を測定する第２温度センサ１５ｄとが設けられている。

図８を参照して、本実施形態では、制御装置３０の受信部３１は、第１実施形態のように低元側吸込圧力および低元側吐出圧力を受信するだけでなく、第１温度センサ１５ｃから低元側モータ１１ｂの温度および第２温度センサ１５ｄから高元側モータ２１ａの温度もまた受信する。

本実施形態では、制御装置３０の制御は、第１実施形態の図４に関しては同じであるが、第１実施形態の図５，６のフローチャートが図９，１０のフローチャートにそれぞれ置換される。

図９を参照して、低元側モータ１１ｂの回転数制御（図４のステップＳ４－３）では、低元側吸込圧力Ｐ１に関する判定を実行する（ステップＳ９－１）。低元側吸込圧力Ｐ１が第１下限圧力未満Ｐ１１の場合には（Ａ：ステップＳ９－１）、低元側モータ１１ｂの回転数を減少させる（ステップＳ９－２）。そして再び低元側吸込圧力Ｐ１に関する判定を実行する（ステップＳ９－１）。また、低元側吸込圧力Ｐ１が第１上限圧力Ｐ１２を超える場合（Ｂ：ステップＳ９－１）には、低元側モータ１１ｂの温度に関する判定を実行する（ステップＳ９－３）。低元側モータ１１ｂの温度が上限値以下である場合（Ｙ：ステップＳ９－３）には、低元側モータ１１ｂの回転数を増大させ（ステップＳ９－４）、再び低元側吸込圧力Ｐ１に関する判定を実行する（ステップＳ９－１）。低元側モータ１１ｂの温度が上限値以下でない場合（Ｎ：ステップＳ９－３）には、低元側モータ１１ｂの回転数を減少させ（ステップＳ９－２）、再び低元側吸込圧力Ｐ１に関する判定を実行する（ステップＳ９－１）。また、低元側吸込圧力Ｐ１が第１下限圧力Ｐ１以上かつ第１上限圧力Ｐ１２以下の場合（Ｃ：ステップＳ９－１）には、低元側モータ１１ｂの温度に関する判定を実行する（ステップＳ９－５）。低元側モータ１１ｂの温度が上限値以下でない場合（Ｎ：ステップＳ９－５）には、低元側モータ１１ｂの回転数を減少させ（ステップＳ９－２）、再び低元側吸込圧力Ｐ１に関する判定を実行する（ステップＳ９－１）。低元側モータ１１ｂの温度が上限値以下である場合（Ｙ：ステップＳ９－５）には、低元側モータ１１ｂの回転数を維持し（ステップＳ９－６）、低元側モータ１１ｂの回転数制御（図４のステップＳ４－３）を完了する。

即ち、本実施形態では、制御装置３０は、第１実施形態の制御に加えて、低元側モータ１１ｂの温度が上限値以下となるまでは低元側モータ１１ｂの回転数を増大させることを待機する。

図１０を参照して、高元側モータ２１ａの回転数制御（図４のステップＳ４－４）では、低元側差圧Ｐ２に関する判定を実行する（ステップＳ１０－１）。低元側差圧Ｐ２が第２下限圧力Ｐ２１未満の場合（Ａ：ステップＳ１０－１）には、高元側モータ２１ａの回転数を減少させる（ステップＳ１０－２）。そして再び低元側差圧Ｐ２に関する判定を実行する（ステップＳ１０－１）。また、低元側差圧Ｐ２が第２上限圧力Ｐ２２を超える場合（Ｂ：ステップＳ１０－１）には、高元側モータ２１ａの温度に関する判定を実行する（ステップＳ１０－３）。高元側モータ２１ａの温度が上限値以下である場合（Ｙ：ステップＳ１０－３）には、高元側モータ２１ａの回転数を増大させる（ステップＳ１０－４）。そして再び低元側差圧Ｐ２に関する判定を実行する（ステップＳ１０－１）。高元側モータ２１ａの温度が上限値以下でない場合（Ｎ：ステップＳ１０－３）には、高元側モータ２１ａの回転数を減少させる（ステップＳ１０－２）。そして再び低元側差圧Ｐ２に関する判定を実行する（ステップＳ１０－１）。また、低元側差圧Ｐ２が第２下限圧力Ｐ２１以上かつ第２上限圧力Ｐ２２以下の場合（Ｃ：ステップＳ１０－１）には、高元側モータ２１ａの温度に関する判定を実行する（ステップＳ１０－４）。高元側モータ２１ａの温度が上限値以下でない場合（Ｎ：ステップＳ１０－５）には、高元側モータ２１ａの回転数を減少させる（ステップＳ１０－２）。そして再び低元側差圧Ｐ２に関する判定を実行する（ステップＳ１０－１）。高元側モータ２１ａの温度が上限値以下である場合（Ｙ：ステップＳ１０－５）には、高元側モータ２１ａの回転数を維持し（ステップＳ１０－６）、高元側モータ２１ａの回転数制御（図４のステップＳ４－４）を完了する。

即ち、本実施形態では、制御装置３０は、第１実施形態の制御に加えて、高元側モータ２１ａの温度が上限値以下となるまでは高元側モータ２１ａの回転数を増大させることを待機する。

低元側モータ１１ｂの温度の上限値および高元側モータ２１ａの温度の上限値は、モータの種類によって異なり得る。例えば、Ｆ種の上限値は１５５℃と設定され、Ｂ種の上限値は１３０℃と設定され、Ｅ種の上限値は１２０℃と設定されてもよい。

本実施形態によれば、低元側モータ１１ｂおよび高元側モータ２１ａの温度をそれぞれ上限値以下に抑えることができる。従って、低元側モータ１１ｂおよび高元側モータ２１ａにかかる負荷を一定以下に抑えることができる。

上記の低元側モータ１１ｂの温度および高元側モータ２１ａの温度に応じた制御については様々に変形例が考えられる。

図７，８を参照して、第１変形例として、第１温度センサ１５ｃは、低元側モータ１１ｂの電流を測定する第１電流センサ１５ｅに変更されてもよい。同様に、第２温度センサ１５ｄは、高元側モータ２１ａの電流を測定する第２電流センサ１５ｆに変更されてもよい。

図１１，１２を参照して、上記の低元側モータ１１ｂの温度は、低元側モータ１１ｂの電流に変更されてもよい（ステップＳ１１－３，Ｓ１１－５）。同様に、高元側モータ２１ａの温度は、高元側モータ２１ａの電流に変更されてもよい（ステップＳ１２－３，Ｓ１２－５）。即ち、本変形例では、制御装置３０は、第１実施形態の制御に加えて、低元側モータ１１ｂの電流が上限値以下となるまでは低元側モータ１１ｂの回転数を増大させることを待機し、高元側モータ２１ａの電流が上限値以下となるまでは高元側モータ２１ａの回転数を増大させることを待機する。

低元側モータ１１ｂの電流の上限値および高元側モータ２１ａの電流の上限値は、モータに規定される定格電流値と設定されてもよい。

第１変形例によれば、低元側モータ１１ｂおよび高元側モータ２１ａの電流をそれぞれ上限値以下に抑えることができる。従って、低元側モータ１１ｂおよび高元側モータ２１ａにかかる負荷を一定以下に抑えることができる。

図７，８を参照して、第２変形例として、第１温度センサ１５ｃは、低元側モータ１１ｂの回転数を測定する第１回転数センサ１５ｇに変更されてもよい。同様に、第２温度センサ１５ｄは、高元側モータ２１ａの回転数を測定する第２回転数センサ１５ｈに変更されてもよい。

図１３，１４を参照して、上記の低元側モータ１１ｂの温度は、低元側モータ１１ｂの回転数に変更されてもよい（ステップＳ１３－３，Ｓ１３－５）。同様に、高元側モータ２１ａの温度は、高元側モータ２１ａの回転数にそれぞれ変更されてもよい（ステップＳ１４－３，Ｓ１４－５）。即ち、本変形例では、制御装置３０は、第１実施形態の制御に加えて、低元側モータ１１ｂの電流が上限値以下となるまでは低元側モータ１１ｂの回転数を増大させることを待機し、高元側モータ２１ａの電流が上限値以下となるまでは高元側モータ２１ａの回転数を増大させることを待機する。

低元側モータ１１ｂの回転数の上限値および高元側モータ２１ａの回転数の上限値は、モータに使用する回転子および軸受の許容回転数を考慮して設定され得る。例えば、当該上限値は、６０００ｒｐｍと設定されてもよい。

第２変形例によれば、低元側モータ１１ｂおよび高元側モータ２１ａの回転数をそれぞれ上限値以下に抑えることができる。従って、低元側モータおよび高元側モータにかかる負荷を一定以下に抑えることができる。

以上より、本発明の具体的な実施形態およびその変形例について説明したが、本発明は上記形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。例えば、個々の実施形態の内容を適宜組み合わせたものを、この発明の一実施形態としてもよい。

１ 二元冷凍装置
５ カスケードコンデンサ
１０ 低元側冷凍サイクル
１１ 低元側圧縮機
１１ａ スクリュロータ
１１ｂ 低元側モータ
１１ｂ１ 固定子
１１ｂ２ 回転子
１１ｃ ケーシング
１１ｄ 軸受
１１ｅ カップリング
１１ｆ 軸受
１１ｇ インバータ
１１ｈ 軸封装置
１１ｉ 吸込口
１１ｊ 吐出口
１２ 油回収器
１３ 膨張弁
１４ 蒸発器
１５ａ 第１圧力センサ
１５ｂ 第２圧力センサ
１５ｃ 第１温度センサ
１５ｄ 第２温度センサ
１５ｅ 第１電流センサ
１５ｆ 第２電流センサ
１５ｇ 第１回転数センサ
１５ｈ 第２回転数センサ
２０ 高元側冷凍サイクル
２１ 高元側圧縮機
２１ａ 高元側モータ
２１ｂ インバータ
２１ｃ 吸込口
２１ｄ 吐出口
２２ 油回収器
２３ 凝縮器
２４ 膨張弁
３０ 制御装置
３１ 受信部
３２ 算出部
３３ 低元側回転数制御部
３４ 高元側回転数制御部

Claims (7)

1. ＣＯ２を低元側冷媒として使用し、軸受によって回転可能に支持されたスクリュロータおよび前記スクリュロータを駆動する低元側モータを有するスクリュ式であって前記低元側冷媒を圧縮する低元側圧縮機を含む低元側冷凍サイクルと、
   高元側モータを有し、高元側冷媒を圧縮する高元側圧縮機を含む高元側冷凍サイクルと、
   前記低元側圧縮機の吸込圧力である低元側吸込圧力を測定する第１圧力センサと、
   前記低元側圧縮機の吐出圧力である低元側吐出圧力を測定する第２圧力センサと、
   前記第１圧力センサから前記低元側吸込圧力を受信するとともに前記第２圧力センサから前記低元側吐出圧力を受信し、前記低元側吐出圧力と前記低元側吸込圧力との差分である低元側差圧を算出する制御装置と
   を備え、
   前記低元側冷凍サイクルおよび前記高元側冷凍サイクルは、前記低元側冷凍サイクルにおいて前記低元側冷媒を凝縮させる凝縮器として機能するとともに前記高元側冷凍サイクルにおいて前記高元側冷媒を蒸発させる蒸発器として機能し、前記低元側冷凍サイクルと前記高元側冷凍サイクルとの間で熱交換するカスケードコンデンサを共有し、
   前記制御装置は、
   前記低元側吸込圧力が第１下限圧力未満の場合には前記低元側モータの回転数を減少させ、前記低元側吸込圧力が前記第１上限圧力を超える場合には前記低元側モータの回転数を増大させ、前記低元側吸込圧力が前記第１下限圧力以上かつ前記第１上限圧力以下の場合には前記低元側モータの回転数を維持するとともに以下の前記低元側差圧に応じた制御を実行し、
   前記低元側差圧が第２下限圧力未満の場合には前記高元側モータの回転数を減少させ、前記低元側差圧が前記第２上限圧力を超える場合には前記高元側モータの回転数を増大させ、前記低元側差圧が前記第２下限圧力以上かつ前記第２上限圧力以下の場合には前記高元側モータの回転数を維持する、二元冷凍装置。
2. 前記第２上限圧力と前記第２下限圧力との差分は、０．４ＭＰａ以下である、請求項１に記載の二元冷凍装置。
3. 前記第２下限圧力は、０．６ＭＰａであり、
   前記第２上限圧力は、１．０ＭＰａである、請求項２に記載の二元冷凍装置。
4. 前記高元側冷媒は、Ｒ１２３４ｙｆである、請求項１から３のいずれか１項に記載の二元冷凍装置。
5. 前記低元側モータの温度を測定する第１温度センサと、
   前記高元側モータの温度を測定する第２温度センサと
   をさらに備え、
   前記制御装置は、
   前記第１温度センサから前記低元側モータの温度を受信するとともに前記第２温度センサから前記高元側モータの温度を受信し、
   前記低元側モータの温度が上限値以下となるまでは前記低元側モータの回転数を増大させることを待機し、
   前記高元側モータの温度が上限値以下となるまでは前記高元側モータの回転数を増大させることを待機する、請求項１から３のいずれか１項に記載の二元冷凍装置。
6. 前記低元側モータの電流を測定する第１電流センサと、
   前記高元側モータの電流を測定する第２電流センサと
   をさらに備え、
   前記制御装置は、
   前記第１電流センサから前記低元側モータの電流を受信するとともに前記第２電流センサから前記高元側モータの電流を受信し、
   前記低元側モータの電流が上限値以下となるまでは前記低元側モータの回転数を増大させることを待機し、
   前記高元側モータの温度が上限値以下となるまでは前記高元側モータの回転数を増大させることを待機する、請求項１から３のいずれか１項に記載の二元冷凍装置。
7. 前記低元側モータの回転数を測定する第１回転数センサと、
   前記高元側モータの回転数を測定する第２回転数センサと
   をさらに備え、
   前記制御装置は、
   前記第１回転数センサから前記低元側モータの回転数を受信するとともに前記第２回転数センサから前記高元側モータの回転数を受信し、
   前記低元側モータの回転数が上限値以下となるまでは前記低元側モータの回転数を増大させることを待機し、
   前記高元側モータの回転数が上限値以下となるまでは前記高元側モータの回転数を増大させることを待機する、請求項１から３のいずれか１項に記載の二元冷凍装置。

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