JP2024039427A - Refrigeration equipment - Google Patents

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Abstract

【課題】低元冷凍サイクルおよび高元冷凍サイクルを含む冷凍装置において、簡易な構成で低元圧縮機の停止中であっても低元冷媒を効率的に冷却する。【解決手段】冷凍装置1は、二酸化炭素を低元冷媒として用いて循環させ、低元蒸発器14にて冷却対象物を冷却する低元冷凍サイクル10と、高元冷媒を循環させる高元冷凍サイクル20と、低元凝縮器5aと高元蒸発器5bとを有し、低元冷媒と高元冷媒との熱交換を行うとともに液化した低元冷媒を貯留可能なカスケードコンデンサ5と、低元冷凍サイクル10において低元圧縮機11の吸込圧力を測定する圧力センサ15aと、低元冷凍サイクル10における冷却対象物の冷却が不要となった場合に電磁弁15を閉じることによってカスケードコンデンサ5内に液化した低元冷媒を回収および貯留し、圧力センサ15aによって測定した吸込圧力が下限値以下になると低元圧縮機11を停止する制御装置30とを備える。【選択図】図1The present invention provides a refrigeration system including a low-base refrigerating cycle and a high-base refrigerating cycle, which efficiently cools a low-base refrigerant with a simple configuration even when a low-base compressor is stopped. [Solution] A refrigeration device 1 includes a low-source refrigeration cycle 10 that uses and circulates carbon dioxide as a low-source refrigerant and cools objects to be cooled in a low-source evaporator 14, and a high-source refrigeration cycle that circulates a high-source refrigerant. A cascade condenser 5 which has a cycle 20, a low-base condenser 5a and a high-base evaporator 5b, performs heat exchange between the low-base refrigerant and the high-base refrigerant, and can store the liquefied low-base refrigerant; In the refrigeration cycle 10, there is a pressure sensor 15a that measures the suction pressure of the low source compressor 11, and a pressure sensor 15a that measures the suction pressure of the low source compressor 11, and a pressure sensor 15a that measures the suction pressure of the low source compressor 11. The control device 30 collects and stores the liquefied low-base refrigerant and stops the low-base compressor 11 when the suction pressure measured by the pressure sensor 15a becomes equal to or lower than the lower limit value. [Selection diagram] Figure 1

Description

本発明は、冷凍装置に関し、特に低元冷凍サイクルおよび高元冷凍サイクルを含む冷凍装置に関する。 The present invention relates to a refrigeration system, and particularly to a refrigeration system including a low-base refrigeration cycle and a high-base refrigeration cycle.

低元冷凍サイクルと高元冷凍サイクルをカスケードコンデンサにより熱的に接続した冷凍装置が知られている。例えば特許文献1には、そのような冷凍装置として低元冷凍サイクルの冷媒に二酸化炭素(CO2)を採用したものが開示されている。低元冷媒として使用するCO2のGWP(地球温暖化係数)は1であり、環境性に優れている。ただし、CO2の飽和圧力は非常に高いため、圧力上昇を抑制するために冷却を要する。 A refrigeration system is known in which a low-base refrigeration cycle and a high-base refrigeration cycle are thermally connected by a cascade condenser. For example, Patent Document 1 discloses such a refrigeration system that employs carbon dioxide (CO2) as a refrigerant in a low-end refrigeration cycle. The GWP (global warming potential) of CO2 used as a low-base refrigerant is 1, making it excellent in environmental friendliness. However, since the saturation pressure of CO2 is very high, cooling is required to suppress the pressure increase.

特許文献1の冷凍装置は、低元圧縮機、低元凝縮器、低元膨張弁、低元蒸発器、低元受液器、低元受液器と低元膨張弁との間に配置される電磁弁、および低元圧縮機と低元凝縮器との間に配置される逆止弁を有している。当該冷凍装置では、低元圧縮機を停止するとき、電磁弁を閉状態にすることによって低元冷媒を電磁弁と逆止弁との間に集め、低元冷凍サイクルの低圧圧力が所定値以下となった場合に低元圧縮機を停止する。これにより、低元圧縮機が停止中であっても、低元冷媒を低元受液器に回収し、低元受液器を冷却することによって低元冷媒の効率的な冷却およびそれに伴う低元冷媒の圧力上昇の抑制を図っている。 The refrigeration system of Patent Document 1 includes a low-base compressor, a low-base condenser, a low-base expansion valve, a low-base evaporator, a low-base liquid receiver, and a low-base liquid receiver arranged between the low-base liquid receiver and the low-base expansion valve. It has a solenoid valve located between the low-base compressor and the low-base condenser, and a check valve disposed between the low-base compressor and the low-base condenser. In this refrigeration system, when the low-source compressor is stopped, the low-source refrigerant is collected between the solenoid valve and the check valve by closing the solenoid valve, and the low-pressure pressure of the low-source refrigeration cycle is kept below a predetermined value. If this occurs, the low-end compressor will be stopped. As a result, even when the low source compressor is stopped, the low source refrigerant is recovered to the low source liquid receiver and the low source liquid receiver is cooled, thereby efficiently cooling the low source refrigerant and reducing the associated Efforts are being made to suppress the rise in pressure of the original refrigerant.

特許第5323023号公報Patent No. 5323023

特許文献1の冷凍装置では、低元冷媒を貯蔵するための低元受液器が設けられている。低元受液器は、例えば大型のタンクであり、外部から熱の影響を受けやすい。従って、低元受液器を冷却するための追加の構成が必要となる場合があり、冷凍装置の構成が複雑化するおそれがある。 The refrigeration apparatus of Patent Document 1 is provided with a low-base liquid receiver for storing a low-base refrigerant. The low-temperature liquid receiver is, for example, a large tank, and is easily affected by heat from the outside. Therefore, an additional configuration for cooling the low-main liquid receiver may be required, which may complicate the configuration of the refrigeration system.

本発明は、低元冷凍サイクルおよび高元冷凍サイクルを含む冷凍装置において、簡易な構成で低元圧縮機の停止中であっても低元冷媒を効率的に冷却することを課題とする。 An object of the present invention is to efficiently cool a low-base refrigerant with a simple configuration in a refrigeration system including a low-base refrigerating cycle and a high-base refrigerating cycle even when the low-base compressor is stopped.

本発明は、低元圧縮機、低元凝縮器、低元膨張弁、低元蒸発器、前記低元凝縮器と前記低元膨張弁との間に配置される電磁弁、および前記低元圧縮機と前記低元凝縮器との間に配置される逆止弁を有し、二酸化炭素を低元冷媒として用いて循環させ、前記低元蒸発器にて対象物を冷却する低元冷凍サイクルと、高元圧縮機、高元凝縮器、高元膨張弁、および高元蒸発器を有し、高元冷媒を循環させる高元冷凍サイクルと、前記低元凝縮器と前記高元蒸発器とを有し、前記低元冷媒と前記高元冷媒との熱交換を行うとともに液化した前記低元冷媒を貯留可能なカスケードコンデンサと、前記低元冷凍サイクルにおいて前記低元圧縮機の吸込圧力を測定する圧力センサと、前記低元冷凍サイクルにおける前記対象物の冷却が不要となった場合に前記電磁弁を閉じることによって前記カスケードコンデンサ内に液化した前記低元冷媒を回収および貯留し、前記圧力センサによって測定した前記吸込圧力が下限値以下になると前記低元圧縮機を停止する制御装置とを備える、冷凍装置を提供する。 The present invention provides a low-base compressor, a low-base condenser, a low-base expansion valve, a low-base evaporator, a solenoid valve disposed between the low-base condenser and the low-base expansion valve, and a low-base compressor. a low-source refrigeration cycle that has a check valve disposed between the machine and the low-source condenser, circulates carbon dioxide as a low-source refrigerant, and cools objects in the low-source evaporator; , a high-base refrigeration cycle that has a high-base compressor, a high-base condenser, a high-base expansion valve, and a high-base evaporator and circulates a high-base refrigerant, and the low-base condenser and the high-base evaporator. a cascade condenser capable of exchanging heat between the low-base refrigerant and the high-base refrigerant and storing the liquefied low-base refrigerant; and measuring the suction pressure of the low-base compressor in the low-base refrigeration cycle. A pressure sensor is used to collect and store the liquefied low-source refrigerant in the cascade condenser by closing the solenoid valve when cooling of the object in the low-source refrigeration cycle is no longer necessary; A refrigeration system is provided, comprising: a control device that stops the low-end compressor when the measured suction pressure becomes equal to or less than a lower limit value.

この構成によれば、低元圧縮機を停止する前にカスケードコンデンサ内に低元冷媒を回収および貯留できる。カスケードコンデンサ内の低元冷媒は、高元冷媒との熱交換によって冷却される。これにより、低元圧縮機の停止中であっても低元冷媒を一か所(カスケードコンデンサ)で効率的に冷却できる。特に、低元冷媒を別途貯留するための低元受液器および低元受液器を冷却するための構成を追加的に設ける必要がないため、非常に簡易な構成で実現可能である。 According to this configuration, the low-base refrigerant can be recovered and stored in the cascade condenser before stopping the low-base compressor. The low source refrigerant in the cascade condenser is cooled by heat exchange with the high source refrigerant. Thereby, even when the low-base compressor is stopped, the low-base refrigerant can be efficiently cooled in one place (cascade condenser). In particular, since there is no need to additionally provide a low-source liquid receiver for separately storing the low-source refrigerant and a configuration for cooling the low-source liquid receiver, it can be realized with a very simple configuration.

前記カスケードコンデンサには設計圧力が規定されてもよく、前記高元圧縮機は、回転速度制御可能であってもよく、前記制御装置は、前記低元圧縮機の停止後、前記カスケードコンデンサ内の前記低元冷媒の圧力が前記設計圧力より一定範囲内で小さくなるように前記高元圧縮機の回転速度を制御してもよい。例えば、前記設計圧力は、0.3MPaA以上かつ0.4MPaA以下の値であってもよく、前記一定範囲は、0.05MPaA以上かつ0.1MPaA以下であってもよい。 A design pressure may be specified for the cascade condenser, the high-base compressor may be controllable in rotational speed, and the control device controls the rotation speed of the high-base compressor after stopping the low-base compressor. The rotational speed of the high source compressor may be controlled so that the pressure of the low source refrigerant is lower than the design pressure within a certain range. For example, the design pressure may be a value of 0.3 MPaA or more and 0.4 MPaA or less, and the certain range may be 0.05 MPaA or more and 0.1 MPaA or less.

この構成によれば、カスケードコンデンサにおける低元冷媒の圧力を設計圧力より小さくすることでカスケードコンデンサを安全に使用できる。また、設計圧力からカスケードコンデンサにおける低元冷媒の圧力を差し引いた値が一定の範囲未満となるように高元圧縮機を運転することで、低元冷媒の過剰冷却または冷却不足を防止でき、必要以上の電力消費を防止できるとともに所望の冷却能力を達成できる。例えば、設計圧力が0.3MPaAのとき、カスケードコンデンサ内の低元冷媒の圧力は0.20~0.25MPaAとしてもよい。 According to this configuration, the cascade condenser can be used safely by making the pressure of the low-source refrigerant in the cascade condenser lower than the design pressure. In addition, by operating the high source compressor so that the value obtained by subtracting the pressure of the low source refrigerant in the cascade condenser from the design pressure is less than a certain range, it is possible to prevent overcooling or insufficient cooling of the low source refrigerant. The above power consumption can be prevented and the desired cooling capacity can be achieved. For example, when the design pressure is 0.3 MPaA, the pressure of the lower refrigerant in the cascade condenser may be 0.20 to 0.25 MPaA.

前記冷凍装置は、中元圧縮機、中元凝縮器、中元膨張弁、および中元蒸発器を有し、中元冷媒を循環させる中元冷凍サイクルをさらに備えてもよく、前記カスケードコンデンサは、前記中元蒸発器をさらに有し、前記低元冷媒と前記中元冷媒との熱交換を行ってもよく、前記中元圧縮機は、前記高元圧縮機に比べて小さい能力を有してもよい。 The refrigeration device may further include a mid-stage refrigeration cycle having a mid-stage compressor, a mid-stage condenser, a mid-stage expansion valve, and a mid-stage evaporator, and circulating a mid-stage refrigerant; the cascade condenser may further include the mid-stage evaporator, and perform heat exchange between the low-stage refrigerant and the mid-stage refrigerant; and the mid-stage compressor may have a smaller capacity than the high-stage compressor.

この構成によれば、冷却対象物の冷却需要に応じて高元冷凍サイクルまたは中元冷凍サイクルを選択できるため、冷凍装置の運転効率を向上できる。即ち、冷却対象物の冷却需要が高い場合には高元冷凍サイクルを使用でき、冷却対象物の冷却需要が低い場合には中元冷凍サイクルを使用できる。ここで、「能力」とは、最大モータ出力、最大吐出圧力、または最大吐出量などから設計上規定される圧縮機の性能値である。簡易的には、最大モータ出力、最大吐出圧力、または最大吐出量を圧縮機の「能力」としてもよい。 According to this configuration, the high-end refrigeration cycle or the middle-end refrigeration cycle can be selected depending on the cooling demand of the object to be cooled, so that the operating efficiency of the refrigeration system can be improved. That is, when the demand for cooling the object to be cooled is high, the high-end refrigeration cycle can be used, and when the demand for cooling the object to be cooled is low, the middle-order refrigeration cycle can be used. Here, "capacity" is a performance value of the compressor that is defined in design based on maximum motor output, maximum discharge pressure, maximum discharge amount, or the like. For simplicity, the maximum motor output, maximum discharge pressure, or maximum discharge amount may be taken as the "capacity" of the compressor.

前記制御装置は、前記低元圧縮機の停止後、かつ、前記高元圧縮機の回転速度が許容最低値に達すると、前記高元圧縮機を停止させるとともに前記中元圧縮機を起動してもよい。 The control device is configured to stop the high compressor and start the middle compressor after the low compressor is stopped and the rotational speed of the high compressor reaches a minimum allowable value. Good too.

この構成によれば、冷却対象物の冷却需要に応じて高元冷凍サイクルまたは中元冷凍サイクルを自動的に選択できるため、冷凍装置の運転効率を向上できる。即ち、通常運転では高元冷凍サイクルを使用し、冷却対象物の冷却需要の低下に伴って中元冷凍サイクルに切り替えて使用できる。 According to this configuration, the high-end refrigeration cycle or the middle-end refrigeration cycle can be automatically selected depending on the cooling demand of the object to be cooled, so that the operating efficiency of the refrigeration system can be improved. That is, in normal operation, the high-end refrigeration cycle is used, and as the cooling demand for the object to be cooled decreases, the middle-end refrigeration cycle can be used.

前記カスケードコンデンサは、シェルアンドプレート型熱交換器であってもよい。 The cascade condenser may be a shell and plate heat exchanger.

この構成によれば、高性能かつ小型のカスケードコンデンサを実現できる。 According to this configuration, a high-performance and small-sized cascade capacitor can be realized.

本発明によれば、低元冷凍サイクルおよび高元冷凍サイクルを含む冷凍装置において、簡易な構成で低元圧縮機の停止中であっても低元冷媒を効率的に冷却できる。 According to the present invention, in a refrigeration system including a low-base refrigerating cycle and a high-base refrigerating cycle, the low-base refrigerant can be efficiently cooled with a simple configuration even when the low-base compressor is stopped.

本発明の第1実施形態に係る冷凍装置の冷媒回路図。1 is a refrigerant circuit diagram of a refrigeration apparatus according to a first embodiment of the present invention. 第1実施形態におけるカスケードコンデンサの一例を示す斜視図。FIG. 2 is a perspective view showing an example of a cascade capacitor in the first embodiment. 第1実施形態における制御を示すフローチャート。5 is a flowchart showing control in the first embodiment. 図3の低元冷凍サイクル停止運転の詳細を示すフローチャート。4 is a flowchart showing details of the low-source refrigeration cycle stop operation of FIG. 3. 第1実施形態におけるカスケードコンデンサの他の例を示す斜視図。FIG. 7 is a perspective view showing another example of the cascade capacitor in the first embodiment. 第2実施形態に係る冷凍装置の冷媒回路図。FIG. 3 is a refrigerant circuit diagram of a refrigeration system according to a second embodiment. 第2実施形態におけるカスケードコンデンサの一例を示す斜視図。FIG. 7 is a perspective view showing an example of a cascade capacitor in a second embodiment. 第2実施形態における制御を示すフローチャート。7 is a flowchart showing control in the second embodiment.

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

(第1実施形態)
図1を参照して、第1実施形態に係る冷凍装置1は、低元冷凍サイクル10と、高元冷凍サイクル20と、制御装置30とを備えている。低元冷凍サイクル10および高元冷凍サイクル20は、カスケードコンデンサ5によって熱的に接続されている。即ち、冷凍装置1は、二元冷凍装置である。
(First embodiment)
Referring to FIG. 1, a refrigeration system 1 according to the first embodiment includes a low-base refrigeration cycle 10, a high-base refrigeration cycle 20, and a control device 30. The lower refrigeration cycle 10 and the higher refrigeration cycle 20 are thermally connected by a cascade condenser 5. That is, the refrigeration device 1 is a dual refrigeration device.

低元冷凍サイクル10では、CO2(二酸化炭素)を低元冷媒として使用する。低元冷凍サイクル10は、低元圧縮機11と、油回収器12と、逆止弁16と、低元凝縮器5aと、電磁弁15と、低元膨張弁13と、低元蒸発器14とをこの順に含む。 In the low-source refrigeration cycle 10, CO2 (carbon dioxide) is used as a low-source refrigerant. The low-base refrigeration cycle 10 includes a low-base compressor 11, an oil recovery device 12, a check valve 16, a low-base condenser 5a, a solenoid valve 15, a low-base expansion valve 13, and a low-base evaporator 14. and in this order.

高元冷凍サイクル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を高元冷媒として使用する。高元冷凍サイクル20は、高元圧縮機21と、油回収器22と、高元凝縮器23と、高元膨張弁24と、高元蒸発器5bとをこの順に含む。 In the high-temperature refrigeration cycle 20, for example, HFO (hydrofluoroolefin), HFC (hydrofluorocarbon), or NH3 (ammonia) is used as a high-temperature refrigerant. In this embodiment, R1234yf, a type of HFO, is used as the high-grade refrigerant. The high base refrigeration cycle 20 includes a high base compressor 21, an oil recovery device 22, a high base condenser 23, a high base expansion valve 24, and a high base evaporator 5b in this order.

カスケードコンデンサ5は、低元凝縮器5aと高元蒸発器5bとを有し、低元冷媒と高元冷媒との間で熱交換を行うとともに液化した低元冷媒を貯留可能に構成されている。カスケードコンデンサ5の構造については詳細を後述する。 The cascade condenser 5 includes a low-base condenser 5a and a high-base evaporator 5b, and is configured to exchange heat between the low-base refrigerant and the high-base refrigerant and to store the liquefied low-base refrigerant. . The structure of the cascade capacitor 5 will be described in detail later.

まず、低元冷凍サイクル10について説明する。 First, the low-end refrigeration cycle 10 will be explained.

低元圧縮機11は、スクリュ式であり、低元冷媒を圧縮する。低元圧縮機11は駆動源となる低元モータ11aを有し、低元モータ11aにはインバータ11bが電気的に接続されている。従って、低元圧縮機11に流れる電流をインバータ11bによって調整でき、これにより低元圧縮機21の回転速度を調整可能である。低元モータ11aには性能が保証される最大電流値である定格電流の値が設定されている。インバータ11bを介して低元モータ11aに流れる電流は、常時測定され、制御装置30に送信され、特に定格電流との大小関係が監視されている。 The low source compressor 11 is of a screw type and compresses the low source refrigerant. The low-base compressor 11 has a low-base motor 11a serving as a driving source, and an inverter 11b is electrically connected to the low-base motor 11a. Therefore, the current flowing through the low-power compressor 11 can be adjusted by the inverter 11b, and thereby the rotational speed of the low-power compressor 21 can be adjusted. A rated current value, which is the maximum current value for which performance is guaranteed, is set for the low-power motor 11a. The current flowing to the low motor 11a via the inverter 11b is constantly measured and transmitted to the control device 30, and in particular, the magnitude relationship with the rated current is monitored.

低元圧縮機11は、低元冷媒を、吸込口11cから吸い込み、内部で圧縮し、吐出口11dから吐出する。本実施形態では、低元圧縮機11は給油式であり、吐出された低元冷媒は油を含んでいる。吐出された低元冷媒および油は、油回収器12に送られる。油回収器12では、油が回収される。回収された油は、低元圧縮機11に供給され、循環利用される。油回収器12で油を分離された低元冷媒は、逆止弁16を通過してカスケードコンデンサ5の低元凝縮器5aに送られる。逆止弁16は、低元冷媒の逆流を防ぐための弁である。なお、低元圧縮機11は給油式に限定されず、無給油式であってもよい。 The low-base compressor 11 sucks the low-base refrigerant through the suction port 11c, compresses it internally, and discharges it from the discharge port 11d. In this embodiment, the low-base compressor 11 is of an oil supply type, and the discharged low-base refrigerant contains oil. The discharged low-source refrigerant and oil are sent to the oil recovery device 12. In the oil recovery device 12, oil is recovered. The recovered oil is supplied to the low-end compressor 11 and recycled. The low-base refrigerant from which oil has been separated in the oil recovery device 12 passes through the check valve 16 and is sent to the low-base condenser 5a of the cascade condenser 5. The check valve 16 is a valve for preventing backflow of low-grade refrigerant. Note that the low-end compressor 11 is not limited to a lubricated type, and may be a non-lubricated type.

カスケードコンデンサ5の低元凝縮器5aでは、低元冷媒が冷却されて凝縮する。低元凝縮器5aにて凝縮した低元冷媒は、電磁弁15および低元膨張弁13を通過して低元蒸発器14に送られる。 In the low-base condenser 5a of the cascade condenser 5, the low-base refrigerant is cooled and condensed. The low-base refrigerant condensed in the low-base condenser 5 a passes through the electromagnetic valve 15 and the low-base expansion valve 13 and is sent to the low-base evaporator 14 .

電磁弁15は、制御装置30によって開閉制御される開閉弁である。電磁弁15は、低元凝縮器5aと低元膨張弁13との間に配置されている。 The solenoid valve 15 is an on-off valve whose opening and closing are controlled by the control device 30 . The electromagnetic valve 15 is arranged between the low source condenser 5a and the low source expansion valve 13.

低元膨張弁13は、圧力調整弁である。低元膨張弁13の通過に伴って低元冷媒は膨張し、膨張した低元冷媒は、低元蒸発器14に送られる。 The low base expansion valve 13 is a pressure regulating valve. The low-base refrigerant expands as it passes through the low-base expansion valve 13, and the expanded low-base refrigerant is sent to the low-base evaporator 14.

低元蒸発器14では、低元冷媒が蒸発し、蒸発した低元冷媒は低元圧縮機11に送られる。低元蒸発器14は、低元冷媒との熱交換によって冷却対象物C(図1において模式的に示す)を冷却する機能を有している。 In the low source evaporator 14, the low source refrigerant is evaporated, and the evaporated low source refrigerant is sent to the low source compressor 11. The low-base evaporator 14 has a function of cooling the object to be cooled C (schematically shown in FIG. 1) by heat exchange with the low-base refrigerant.

低元冷凍サイクル10では、低元圧縮機11における低元冷媒の吸込圧力を測定する圧力センサ15aと、低元凝縮器5aにおける低元冷媒の圧力を測定する圧力センサ15bとが設けられている。圧力センサ15a,15bによって測定された圧力値は、制御装置30に送信される。 The low source refrigeration cycle 10 is provided with a pressure sensor 15a that measures the suction pressure of the low source refrigerant in the low source compressor 11, and a pressure sensor 15b that measures the pressure of the low source refrigerant in the low source condenser 5a. . The pressure values measured by the pressure sensors 15a, 15b are transmitted to the control device 30.

次に、高元冷凍サイクル20について説明する。 Next, the high-temperature refrigeration cycle 20 will be explained.

本実施形態では、高元圧縮機21は、スクリュ式であり、高元冷媒を圧縮する。高元圧縮機21は駆動源となる高元モータ21aを有し、高元モータ21aにはインバータ21bが電気的に接続されている。従って、高元圧縮機21は、インバータ21bによって回転速度を調整可能である。高元モータ21aには性能が保証される最大電流値である定格電流の値が設定されている。インバータ21bを介して高元モータ21aに流れる電流は、常時測定され、制御装置30に送信され、特に定格電流との大小関係が監視されている。なお、高元圧縮機21は、例えば、スクロール式またはレシプロ式などであってもよい。 In this embodiment, the high source compressor 21 is of a screw type and compresses high source refrigerant. The high-base compressor 21 has a high-base motor 21a serving as a driving source, and an inverter 21b is electrically connected to the high-base motor 21a. Therefore, the rotation speed of the high-end compressor 21 can be adjusted by the inverter 21b. A rated current value, which is the maximum current value for which performance is guaranteed, is set for the high-end motor 21a. The current flowing to the high motor 21a via the inverter 21b is constantly measured and transmitted to the control device 30, and in particular, the magnitude relationship with the rated current is monitored. Note that the high-pressure compressor 21 may be, for example, a scroll type or a reciprocating type.

高元圧縮機21では、高元冷媒を、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。本実施形態では、高元圧縮機21は給油式であり、吐出された高元冷媒は油を含んでいる。吐出された低元冷媒および油は、油回収器22に送られる。油回収器22では、油が回収される。回収された油は、高元圧縮機21に供給され、循環利用される。油回収器22で油を分離された高元冷媒は、高元凝縮器23に送られる。なお、高元圧縮機21は、給油式に限定されず、無給油式であってもよい。 In the high source compressor 21, high source refrigerant is sucked in through the suction port 21c, compressed inside, and discharged from the discharge port 21d. In this embodiment, the high source compressor 21 is of an oil supply type, and the discharged high source refrigerant contains oil. The discharged low-source refrigerant and oil are sent to the oil recovery device 22. In the oil recovery device 22, oil is recovered. The recovered oil is supplied to the high-pressure compressor 21 and recycled. The high-grade refrigerant from which oil has been separated in the oil recovery device 22 is sent to the high-grade condenser 23 . Note that the high-base compressor 21 is not limited to a lubricated type, and may be of a non-lubricated type.

高元凝縮器23では、高元冷媒が低温の冷却水Wとの熱交換によって冷却されて凝縮する。高元凝縮器23にて凝縮した高元冷媒は、高元膨張弁24を通過して膨張し、カスケードコンデンサ5の高元蒸発器5bに送られる。高元膨張弁24は、圧力調整弁である。 In the high source condenser 23, the high source refrigerant is cooled and condensed by heat exchange with the low temperature cooling water W. The high-base refrigerant condensed in the high-base condenser 23 passes through the high-base expansion valve 24, expands, and is sent to the high-base evaporator 5b of the cascade condenser 5. The high base expansion valve 24 is a pressure regulating valve.

カスケードコンデンサ5の高元蒸発器5bでは、高元冷媒が加熱されて蒸発する。高元蒸発器5bにて蒸発した高元冷媒は、高元圧縮機21に送られる。 In the high-phase evaporator 5b of the cascade condenser 5, the high-phase refrigerant is heated and evaporated. The high-phase refrigerant evaporated in the high-phase evaporator 5b is sent to the high-phase compressor 21.

図2を参照して、本実施形態では、カスケードコンデンサ5は、シェルアンドプレート型熱交換器である。 Referring to FIG. 2, in this embodiment, cascade condenser 5 is a shell-and-plate heat exchanger.

本実施形態では、カスケードコンデンサ5は、円筒状のケーシング5dを有している。ケーシング5dは、低元冷媒を導入する低元冷媒入口5eと、低元冷媒を導出する低元冷媒出口5fと、高元冷媒を導入する高元冷媒入口5gと、高元冷媒を導出する高元冷媒出口5hとを有している。図示の例では、低元冷媒入口5eがケーシング5dの上部に配置され、低元冷媒出口5fがケーシング5dの下部に配置されている。高元冷媒入口5gはケーシング5dの側面の下部に配置され、高元冷媒出口5hはケーシング5dの同側面の上部に配置されている。 In this embodiment, the cascade capacitor 5 has a cylindrical casing 5d. The casing 5d includes a low-base refrigerant inlet 5e for introducing the low-base refrigerant, a low-base refrigerant outlet 5f for leading out the low-base refrigerant, a high-base refrigerant inlet 5g for introducing the high-base refrigerant, and a high-base refrigerant inlet 5g for introducing the high-base refrigerant. It has a former refrigerant outlet 5h. In the illustrated example, the low-source refrigerant inlet 5e is arranged at the upper part of the casing 5d, and the low-source refrigerant outlet 5f is arranged at the lower part of the casing 5d. The high source refrigerant inlet 5g is arranged at the lower part of the side surface of the casing 5d, and the high source refrigerant outlet 5h is arranged at the upper part of the same side surface of the casing 5d.

カスケードコンデンサ5は、ケーシング5d内に円板状の複数のプレート5iを有している。複数のプレート5iは、同心かつ互いに隣接して配置されている。複数のプレート5iのそれぞれの表面には溝が形成されており、当該溝によって冷媒が通過する流路が構成されている。また、複数のプレート5iのそれぞれには貫通孔5jが設けられている。複数のプレート5iの貫通孔5jは揃えて配置され、冷媒の流路を構成している。 The cascade capacitor 5 has a plurality of disc-shaped plates 5i inside a casing 5d. The plurality of plates 5i are arranged concentrically and adjacent to each other. A groove is formed on the surface of each of the plurality of plates 5i, and the groove forms a flow path through which the refrigerant passes. Further, each of the plurality of plates 5i is provided with a through hole 5j. The through holes 5j of the plurality of plates 5i are arranged in line and constitute a coolant flow path.

高元冷媒は、高元冷媒入口5gから導入され、貫通孔5jおよび複数のプレート5iの間を通って流れ、高元冷媒出口5hから導出される(細矢印A参照)。低元冷媒は、低元冷媒入口5eから導入され、複数のプレート5iの間および外側を通って流れ、低元冷媒出口5fから導出される(太矢印B参照)。高元冷媒および低元冷媒は、混じり合わないように、かつ、複数のプレート5iを介して隣接した流路を流れている。従って、カスケードコンデンサ5では、高元冷媒と低元冷媒との間で熱交換が実行され、高元冷媒が加熱され、低元冷媒が冷却される。 The high source refrigerant is introduced from the high source refrigerant inlet 5g, flows through the through hole 5j and between the plurality of plates 5i, and is led out from the high source refrigerant outlet 5h (see thin arrow A). The low-base refrigerant is introduced from the low-base refrigerant inlet 5e, flows between and outside the plurality of plates 5i, and is led out from the low-base refrigerant outlet 5f (see thick arrow B). The high-source refrigerant and the low-source refrigerant flow in adjacent channels via the plurality of plates 5i so as not to mix. Therefore, in the cascade condenser 5, heat exchange is performed between the high source refrigerant and the low source refrigerant, so that the high source refrigerant is heated and the low source refrigerant is cooled.

次に、制御装置30について説明する。 Next, the control device 30 will be explained.

制御装置30は、冷凍装置1における演算処理および全体の制御を行う。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。 The control device 30 performs arithmetic processing and overall control in the refrigeration device 1. The control device 30 includes, for example, a CPU (Central Processing Unit) or an MPU (Micro Processing Unit) that cooperates with software to realize predetermined functions. The control device 30 may be configured with a hardware circuit such as a dedicated electronic circuit or a reconfigurable electronic circuit designed to realize a predetermined function, or may be configured with various semiconductor integrated circuits. good. Examples of various semiconductor integrated circuits include, in addition to CPUs and MPUs, microcomputers, DSPs (Digital Signal Processors), FPGAs (Field Programmable Gate Arrays), and ASICs (Application Specific Integrated Circuits). Further, the control device 30 may include a storage device such as a RAM (Random Access Memory) and a ROM (Read Only Memory). Specifically, the control device 30 may be configured with, for example, an information processing device such as a desktop computer, a notebook computer, a workstation, or a tablet terminal, or a printed circuit board having equivalent functions.

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。 The control device 30 realizes predetermined functions by reading stored data and programs and performing various calculation processes. The program executed by the control device 30 may be provided from the outside using a communication unit that communicates according to a predetermined communication standard, or may be stored in a portable recording medium.

制御装置30は、冷却対象物C(図1参照)の冷却需要を受け付けることができる。当該冷却需要は、自動的または手動的に制御装置30に入力される。冷却対象物Cの冷却需要が大きいと、冷凍装置1の冷却負荷は高くなり、制御装置30は低元圧縮機11の回転速度を増加させる。冷却対象物Cの冷却需要が小さいと、冷凍装置1の冷却負荷は低くなり、制御装置30は低元圧縮機11の回転速度を減少させる。 The control device 30 can receive a demand for cooling the object to be cooled C (see FIG. 1). The cooling demand is input into the control device 30 automatically or manually. When the cooling demand for the object to be cooled C is large, the cooling load on the refrigeration system 1 becomes high, and the control device 30 increases the rotation speed of the low-end compressor 11. When the cooling demand for the object to be cooled C is small, the cooling load on the refrigeration system 1 becomes low, and the control device 30 reduces the rotation speed of the low-end compressor 11.

制御装置30は、低元冷凍サイクル10における冷却対象物Cの冷却が不要となった場合(冷却需要がゼロとなった場合)に電磁弁15を閉じる。電磁弁15が閉じられると、電磁弁15の上流側の配管が低元冷媒で徐々に満たされる。そして、電磁弁15からカスケードコンデンサ5までの配管が低元冷媒で満たされると、カスケードコンデンサ5のケーシング5dの内部が下から徐々に低元冷媒で満たされる。このように、電磁弁15を閉じることによって、カスケードコンデンサ5内に液化した低元冷媒を回収および貯留できる。なお、カスケードコンデンサ5内において高元冷媒と低元冷媒の流路は互いに仕切られているため、低元冷媒がカスケードコンデンサ5内に貯留した状態でも高元冷媒はカスケードコンデンサ5内を流れることができる。 The control device 30 closes the solenoid valve 15 when cooling of the object C to be cooled in the low-source refrigeration cycle 10 becomes unnecessary (when the cooling demand becomes zero). When the solenoid valve 15 is closed, the piping on the upstream side of the solenoid valve 15 is gradually filled with low-grade refrigerant. When the pipe from the electromagnetic valve 15 to the cascade condenser 5 is filled with the low-grade refrigerant, the inside of the casing 5d of the cascade condenser 5 is gradually filled with the low-grade refrigerant from below. In this way, by closing the solenoid valve 15, the liquefied low-grade refrigerant can be recovered and stored in the cascade condenser 5. In addition, since the flow paths of the high-source refrigerant and the low-source refrigerant are separated from each other in the cascade condenser 5, even when the low-source refrigerant is stored in the cascade condenser 5, the high-source refrigerant cannot flow inside the cascade condenser 5. can.

電磁弁15は、低元冷媒出口5fまたは低元冷媒出口5f近傍に配置されてもよく、電磁弁15からカスケードコンデンサ5までの配管距離を短くすることでカスケードコンデンサ5外の配管に貯留する低元冷媒の量を減らしてもよい。これにより、多くの低元冷媒をカスケードコンデンサ5内に回収できる。カスケードコンデンサ5は、概ね全ての低元冷媒を貯留できる容積を有していてもよい。 The solenoid valve 15 may be arranged at the low-source refrigerant outlet 5f or near the low-source refrigerant outlet 5f, and by shortening the piping distance from the solenoid valve 15 to the cascade condenser 5, the The amount of the original refrigerant may be reduced. As a result, much of the low-grade refrigerant can be recovered into the cascade condenser 5. The cascade condenser 5 may have a volume capable of storing almost all of the low-grade refrigerant.

上記のようにして低元冷媒がカスケードコンデンサ5内に貯留されるにつれて、低元圧縮機11の吸込圧力は低下する。当該吸込圧力の低下は圧力センサ15aによって検出される。全ての低元冷媒がカスケードコンデンサ5内に回収されると、当該吸込圧力がゼロ(真空状態)となり、悪影響を生じるおそれがある。そのため、当該吸込圧力がゼロより大きく、かつ、大部分の低元冷媒がカスケードコンデンサ5内に回収された際の圧力を予め確認し、当該圧力を下限値として制御装置30に設定する。制御装置30は、圧力センサ15aによって測定した吸込圧力が下限値以下になると低元圧縮機11を停止する。これにより、低元冷凍サイクル10において、真空状態を回避しつつ、大部分の低元冷媒をカスケードコンデンサ5内に回収および貯留できるポンプダウン運転が実行される。 As the low-source refrigerant is stored in the cascade condenser 5 as described above, the suction pressure of the low-source compressor 11 decreases. This decrease in suction pressure is detected by the pressure sensor 15a. When all of the low-grade refrigerant is recovered into the cascade condenser 5, the suction pressure becomes zero (vacuum state), which may cause an adverse effect. Therefore, the pressure at which the suction pressure is greater than zero and most of the low-grade refrigerant is recovered into the cascade condenser 5 is confirmed in advance, and the pressure is set in the control device 30 as the lower limit. The control device 30 stops the low-end compressor 11 when the suction pressure measured by the pressure sensor 15a becomes equal to or less than the lower limit value. Thereby, in the low-base refrigeration cycle 10, a pump-down operation is performed in which most of the low-base refrigerant can be recovered and stored in the cascade condenser 5 while avoiding a vacuum state.

図3を併せて参照して、制御装置30による制御を説明する。 Control by the control device 30 will be explained with reference to FIG. 3 as well.

制御装置30は、冷凍装置1の運転を開始すると、高元圧縮機21を起動し(ステップS3-1)、低元圧縮機11を起動し(ステップS3-2)、冷却対象物Cを冷却する通常運転を行う(ステップS3-3)。通常運転は、冷却対象物Cを冷却する運転である。その後、制御装置30は、前述のように冷却対象物Cの冷却需要を受け付け、冷却需要がゼロであるか否かを判定する(ステップS3-4)。冷却対象物Cの冷却需要がゼロでない場合(N:ステップS3-4)、通常運転を継続する(ステップS3-3)。冷却対象物Cの冷却需要がゼロとなった場合(Y:ステップS3-4)、以下の低元冷凍サイクル停止運転を実行する(ステップS3-5)。 When the control device 30 starts operating the refrigeration device 1, it starts the high-end compressor 21 (step S3-1), starts the low-end compressor 11 (step S3-2), and cools the object C to be cooled. Normal operation is performed (step S3-3). The normal operation is an operation in which the object C to be cooled is cooled. After that, the control device 30 receives the cooling demand for the object to be cooled C as described above, and determines whether the cooling demand is zero (step S3-4). If the cooling demand for the object to be cooled C is not zero (N: step S3-4), normal operation is continued (step S3-3). When the cooling demand for the object to be cooled C becomes zero (Y: step S3-4), the following low-source refrigeration cycle stop operation is executed (step S3-5).

図4を参照して、上記低元冷凍サイクル停止運転の詳細を説明する。 With reference to FIG. 4, details of the above-mentioned low-source refrigeration cycle stop operation will be explained.

低元冷凍サイクル停止運転では、電磁弁15を閉じる(ステップS4-1)。これにより、前述のように低元冷媒をカスケードコンデンサ5内に回収および貯留するためのポンプダウン運転が実行される。そして、圧力センサ15aによって測定した吸込圧力P1が前述のように真空状態を防止するための下限値Pmとなるまで低元圧縮機11のポンダウン運転を継続し、吸込圧力P1を下限値Pm以下まで減圧させた後に低元圧縮機11を停止する(ステップS4-2)。 In the low-source refrigeration cycle stop operation, the solenoid valve 15 is closed (step S4-1). As a result, the pump-down operation for recovering and storing the low-grade refrigerant in the cascade condenser 5 is executed as described above. Then, the pump-down operation of the lower compressor 11 is continued until the suction pressure P1 measured by the pressure sensor 15a reaches the lower limit value Pm for preventing a vacuum state as described above, and the suction pressure P1 is lowered to below the lower limit value Pm. After reducing the pressure, the low-end compressor 11 is stopped (step S4-2).

次いで、圧力センサ15bによって測定したカスケードコンデンサ5における低元冷媒の圧力P2がカスケードコンデンサ5の設計圧力Ps未満であるか否かを判定する(ステップS4-3)。例えば、設計圧力Psは、0.3MPaA以上かつ0.4MPaA以下の値であり得る。圧力P2が設計圧力Ps未満でない場合(N:ステップS4-3)、高元モータ21aに流れている電流Iが高元モータ21aの定格電流未満Ir未満であるか否かを判定する(ステップS4-4)。電流Iが定格電流Ir未満である場合(Y:ステップS4-4)、高元圧縮機21の回転速度は増加される(ステップS4-5)。高元圧縮機21の回転速度が増加されると、高元冷凍サイクル20の冷却能力が増大し、カスケードコンデンサ5における低元冷媒の温度が低下し、圧力P2が低下する。従って、圧力P2が設計圧力Ps未満となるように低元冷媒の圧力P2を調整できる。また、電流Iが定格電流Ir未満でない場合(N:ステップS4-4)、定格電流Ir以下での運転とするために高元圧縮機21の回転速度は減少される(ステップS4-6)。 Next, it is determined whether the pressure P2 of the low-grade refrigerant in the cascade condenser 5 measured by the pressure sensor 15b is less than the design pressure Ps of the cascade condenser 5 (step S4-3). For example, the design pressure Ps can be a value of 0.3 MPaA or more and 0.4 MPaA or less. If the pressure P2 is not less than the design pressure Ps (N: step S4-3), it is determined whether the current I flowing through the high motor 21a is less than the rated current Ir of the high motor 21a (step S4). -4). If the current I is less than the rated current Ir (Y: step S4-4), the rotation speed of the high-power compressor 21 is increased (step S4-5). When the rotation speed of the high source compressor 21 is increased, the cooling capacity of the high source refrigeration cycle 20 increases, the temperature of the low source refrigerant in the cascade condenser 5 decreases, and the pressure P2 decreases. Therefore, the pressure P2 of the lower source refrigerant can be adjusted so that the pressure P2 is less than the design pressure Ps. Further, if the current I is not less than the rated current Ir (N: step S4-4), the rotation speed of the high-pressure compressor 21 is reduced to operate at the rated current Ir or less (step S4-6).

圧力P2が設計圧力Ps未満である場合(Y:ステップS4-3)、設計圧力Psから圧力P2を差し引いた値(Ps-P2)が一定の範囲ΔP未満であるか否かを判定する(ステップS4-7)。例えば、一定の範囲ΔPは、0.05MPaA以上かつ0.1MPaA以下であり得る。設計圧力Psから圧力P2を差し引いた値(Ps-P2)が一定の範囲ΔP未満である場合(Y:ステップS4-7)、高元圧縮機21の回転速度は維持される(ステップS4-8)。即ち、高元冷凍サイクル20の高元凝縮器5bでの冷却能力を維持し、即ちカスケードコンデンサ5における低元冷媒の冷却を維持する。また、設計圧力Psから圧力P2を差し引いた値(Ps-P2)が一定の範囲ΔP未満でない場合(N:ステップS4-7)、高元圧縮機21の回転速度は減少される(ステップS4-6)。高元圧縮機21の回転速度が減少されると、高元冷凍サイクル20の冷却能力が低下し、カスケードコンデンサ5における低元冷媒の温度が上昇し、当該低元冷媒の圧力P2が上昇する。従って、設計圧力Psから圧力P2を差し引いた値(Ps-P2)が一定の範囲ΔP未満となるように低元冷媒の圧力P2を調整できる。 If the pressure P2 is less than the design pressure Ps (Y: step S4-3), it is determined whether the value obtained by subtracting the pressure P2 from the design pressure Ps (Ps - P2) is less than a certain range ΔP (step S4-7). For example, the certain range ΔP may be greater than or equal to 0.05 MPaA and less than or equal to 0.1 MPaA. If the value obtained by subtracting the pressure P2 from the design pressure Ps (Ps - P2) is less than the certain range ΔP (Y: step S4-7), the rotational speed of the high-pressure compressor 21 is maintained (step S4-8 ). That is, the cooling capacity of the high source condenser 5b of the high source refrigeration cycle 20 is maintained, that is, the cooling of the low source refrigerant in the cascade condenser 5 is maintained. Further, if the value obtained by subtracting the pressure P2 from the design pressure Ps (Ps - P2) is not less than the certain range ΔP (N: step S4-7), the rotation speed of the high-pressure compressor 21 is reduced (step S4- 6). When the rotation speed of the high source compressor 21 is reduced, the cooling capacity of the high source refrigeration cycle 20 decreases, the temperature of the low source refrigerant in the cascade condenser 5 increases, and the pressure P2 of the low source refrigerant increases. Therefore, the pressure P2 of the lower source refrigerant can be adjusted so that the value obtained by subtracting the pressure P2 from the design pressure Ps (Ps-P2) is less than the certain range ΔP.

このように、本実施形態では、制御装置30は、低元圧縮機11の停止後、カスケードコンデンサ5内の低元冷媒の圧力P2が設計圧力Psより一定範囲ΔP内で小さくなるように高元圧縮機21の回転速度を制御している。例えば、設計圧力Psが0.3MPaAのとき、カスケードコンデンサ5内の低元冷媒の圧力P2は0.20~0.25MPaAの範囲内となるように制御されてもよい。 As described above, in the present embodiment, the control device 30 controls the high-temperature refrigerant so that the pressure P2 of the low-temperature refrigerant in the cascade condenser 5 becomes smaller than the design pressure Ps within a certain range ΔP after the low-temperature compressor 11 is stopped. The rotation speed of the compressor 21 is controlled. For example, when the design pressure Ps is 0.3 MPaA, the pressure P2 of the lower refrigerant in the cascade condenser 5 may be controlled to be within the range of 0.20 to 0.25 MPaA.

本実施形態に係る冷凍装置1によれば、以下の作用効果を奏する。 According to the refrigeration device 1 according to this embodiment, the following effects are achieved.

低元圧縮機11を停止する前にカスケードコンデンサ5内に低元冷媒を回収および貯留できる。カスケードコンデンサ5内の低元冷媒は、高元冷媒との熱交換によって冷却される。これにより、低元圧縮機11の停止中であっても低元冷媒を一か所(カスケードコンデンサ5)で効率的に冷却できる。特に、低元冷媒を別途貯留するための低元受液器および低元受液器を冷却するための構成を追加的に設ける必要がないため、非常に簡易な構成で実現可能である。 The low-base refrigerant can be recovered and stored in the cascade condenser 5 before the low-base compressor 11 is stopped. The low-source refrigerant in the cascade condenser 5 is cooled by heat exchange with the high-source refrigerant. Thereby, even when the low-base compressor 11 is stopped, the low-base refrigerant can be efficiently cooled in one place (cascade condenser 5). In particular, since there is no need to additionally provide a low-source liquid receiver for separately storing the low-source refrigerant and a configuration for cooling the low-source liquid receiver, it can be realized with a very simple configuration.

また、低元冷媒の圧力P2を設計圧力Psより小さくすることでカスケードコンデンサ5を安全に使用できる。設計圧力Psから圧力P2を差し引いた値(Ps-P2)が一定の範囲ΔP未満となるように高元圧縮機21を運転することで、低元冷媒の過剰冷却または冷却不足を防止でき、必要以上の電力消費を防止できるとともに所望の冷却能力を達成できる。 Moreover, the cascade condenser 5 can be used safely by making the pressure P2 of the low-source refrigerant smaller than the design pressure Ps. By operating the high-base compressor 21 so that the value obtained by subtracting the pressure P2 from the design pressure Ps (Ps - P2) is less than a certain range ΔP, it is possible to prevent overcooling or insufficient cooling of the low-base refrigerant, and to avoid the necessary The above power consumption can be prevented and the desired cooling capacity can be achieved.

また、カスケードコンデンサ5がシェルアンドプレート型熱交換器であるため、高性能かつ小型のカスケードコンデンサを実現できる。 Moreover, since the cascade capacitor 5 is a shell-and-plate heat exchanger, a high-performance and small-sized cascade capacitor can be realized.

図5を参照して、変形例として、カスケードコンデンサ5は、シェルアンドチューブ型熱交換器であってもよい。シェルアンドチューブ型熱交換器は、シェルアンドプレート型熱交換器の複数のプレート5iが複数のチューブ5kに置き換えられたものである。 Referring to FIG. 5, as a modification, cascade condenser 5 may be a shell-and-tube heat exchanger. The shell and tube heat exchanger is a shell and plate heat exchanger in which the plurality of plates 5i are replaced with a plurality of tubes 5k.

図示の例では、低元冷媒入口5eがケーシング5dの上部に配置され、低元冷媒出口5fがケーシング5dの下部に配置されている。高元冷媒入口5gはケーシング5dの側面に配置され、高元冷媒出口5hは反対側面に配置されている。また、本変形例では、カスケードコンデンサ5は、ケーシング5d内に複数のチューブ5kを有している。複数のチューブ5kは、高元冷媒入口5gから高元冷媒出口5hまで概略水平に延びている。 In the illustrated example, the low-source refrigerant inlet 5e is arranged at the upper part of the casing 5d, and the low-source refrigerant outlet 5f is arranged at the lower part of the casing 5d. The high source refrigerant inlet 5g is arranged on the side surface of the casing 5d, and the high source refrigerant outlet 5h is arranged on the opposite side. Moreover, in this modification, the cascade capacitor 5 has a plurality of tubes 5k within the casing 5d. The plurality of tubes 5k extend approximately horizontally from the high source refrigerant inlet 5g to the high source refrigerant outlet 5h.

高元冷媒は、高元冷媒入口5gから導入され、複数のチューブ5kの内側を通って流れ、高元冷媒出口5hから導出される(細矢印A参照)。低元冷媒は、低元冷媒入口5eから導入され、複数のチューブ5kの外側を通って流れ、低元冷媒出口5fから導出される(太矢印B参照)。本変形例においても、高元冷媒と低元冷媒が混じり合うことなく低元冷媒をケーシング5d内に貯留可能であり、高元冷媒と低元冷媒の流路は仕切られている。従って、カスケードコンデンサ5では、高元冷媒と低元冷媒との間で熱交換が実行され、高元冷媒が加熱され、低元冷媒が冷却される。 The high source refrigerant is introduced from the high source refrigerant inlet 5g, flows through the inside of the plurality of tubes 5k, and is led out from the high source refrigerant outlet 5h (see thin arrow A). The low-base refrigerant is introduced from the low-base refrigerant inlet 5e, flows through the outside of the plurality of tubes 5k, and is led out from the low-base refrigerant outlet 5f (see thick arrow B). Also in this modification, the low-source refrigerant can be stored in the casing 5d without mixing of the high-source refrigerant and the low-source refrigerant, and the flow paths of the high-source refrigerant and the low-source refrigerant are partitioned off. Therefore, in the cascade condenser 5, heat exchange is performed between the high source refrigerant and the low source refrigerant, so that the high source refrigerant is heated and the low source refrigerant is cooled.

上記実施形態および変形例に示すように、カスケードコンデンサ5の態様は特に限定されず、低元冷媒を貯留可能な様々な態様の熱交換器をカスケードコンデンサ5に使用できる。 As shown in the above embodiments and modifications, the aspect of the cascade condenser 5 is not particularly limited, and various types of heat exchangers capable of storing low-grade refrigerant can be used in the cascade condenser 5.

(第2実施形態)
図6に示す第2実施形態に係る冷凍装置1は、中元冷凍サイクル40を追加的に備えている点で第1実施形態とは異なる。これ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。
(Second embodiment)
The refrigeration system 1 according to the second embodiment shown in FIG. 6 differs from the first embodiment in that it additionally includes a middle refrigeration cycle 40. The parts other than this are substantially the same as the first embodiment. Therefore, the description of the parts shown in the first embodiment may be omitted.

本実施形態に係る冷凍装置1は、低元冷凍サイクル10と、高元冷凍サイクル20と、中元冷凍サイクル40とを備えている。低元冷凍サイクル10、高元冷凍サイクル20、および中元冷凍サイクル40は、カスケードコンデンサ5によって熱的に接続されている。 The refrigeration apparatus 1 according to the present embodiment includes a low-base refrigeration cycle 10, a high-base refrigeration cycle 20, and a middle-base refrigeration cycle 40. The lower refrigeration cycle 10, the higher refrigeration cycle 20, and the middle refrigeration cycle 40 are thermally connected by a cascade condenser 5.

中元冷凍サイクル40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)を中元冷媒として使用する。本実施形態では、HFOの一種のR1234yfを中元冷媒として使用する。従って、中元冷媒は、高元冷媒と同種(本実施形態では同じ)である。また、中元冷凍サイクル40は、中元圧縮機41と、油回収器42と、中元凝縮器43と、中元膨張弁44と、中元蒸発器5cとをこの順に含む。 In the core refrigerating cycle 40, for example, HFO (hydrofluoroolefin), HFC (hydrofluorocarbon), or NH3 (ammonia) is used as the core refrigerant. In this embodiment, R1234yf, a type of HFO, is used as the intermediate refrigerant. Therefore, the intermediate refrigerant is the same type as the high-end refrigerant (in this embodiment, the same). The midstream refrigeration cycle 40 also includes a midstream compressor 41, an oil recovery device 42, a midstream condenser 43, a midstream expansion valve 44, and a midstream evaporator 5c in this order.

カスケードコンデンサ5は、低元凝縮器5aと高元蒸発器5bと中元蒸発器5cを有し、低元冷媒と高元冷媒との間での熱交換および低元冷媒と中元冷媒との間での熱交換を行うとともに液化した低元冷媒を貯留可能に構成されている。カスケードコンデンサ5の構造については詳細を後述する。 The cascade condenser 5 has a low-base condenser 5a, a high-base evaporator 5b, and a middle-base evaporator 5c, and performs heat exchange between the low-base refrigerant and high-base refrigerant and between the low-base refrigerant and the middle base refrigerant. The structure is configured to exchange heat between the refrigerants and to store liquefied low-grade refrigerant. The structure of the cascade capacitor 5 will be described in detail later.

本実施形態では、中元圧縮機41は、スクリュ式であり、中元冷媒を圧縮する。中元圧縮機41は駆動源となる中元モータ41aを有し、中元モータ41aにはインバータ41bが電気的に接続されている。従って、中元圧縮機41は、インバータ41bによって回転速度を調整可能である。中元モータ41aには性能が保証される最大電流値である定格電流の値が設定されている。インバータ41bを介して中元モータ41aに流れる電流は、常時測定され、制御装置30に送信され、特に定格電流との大小関係が監視されている。なお、中元圧縮機41は、例えば、スクロール式またはレシプロ式などであってもよい。 In this embodiment, the intermediate compressor 41 is of a screw type and compresses the intermediate refrigerant. The core compressor 41 has a core motor 41a serving as a driving source, and an inverter 41b is electrically connected to the core motor 41a. Therefore, the rotation speed of the middle compressor 41 can be adjusted by the inverter 41b. A rated current value, which is the maximum current value for which performance is guaranteed, is set for the middle motor 41a. The current flowing to the intermediate motor 41a via the inverter 41b is constantly measured and transmitted to the control device 30, and in particular, the magnitude relationship with the rated current is monitored. Note that the middle compressor 41 may be, for example, of a scroll type or a reciprocating type.

中元圧縮機41では、中元冷媒を、吸込口41cから吸い込み、内部で圧縮し、吐出口41dから吐出する。本実施形態では、中元圧縮機41は給油式であり、吐出された高元冷媒は油を含んでいる。吐出された低元冷媒および油は、油回収器42に送られる。油回収器42では、油が回収される。回収された油は、中元圧縮機41に供給され、循環利用される。油回収器42で油を分離された高元冷媒は、中元凝縮器43に送られる。なお、中元圧縮機41は給油式に限定されず、無給油式であってもよい。 In the core compressor 41, the core refrigerant is sucked in through the suction port 41c, compressed inside, and discharged from the discharge port 41d. In this embodiment, the intermediate compressor 41 is of an oil supply type, and the discharged high-grade refrigerant contains oil. The discharged low-source refrigerant and oil are sent to the oil recovery device 42. In the oil recovery device 42, oil is recovered. The recovered oil is supplied to the middle compressor 41 and recycled. The high-grade refrigerant from which oil has been separated in the oil recovery device 42 is sent to the medium-grade condenser 43 . Note that the middle compressor 41 is not limited to a lubricated type, and may be an oil-free type.

中元圧縮機41は、高元圧縮機21に比べて小さい能力を有している。ここで、「能力」とは、最大モータ出力、最大吐出圧力、または最大吐出量などから設計上規定される圧縮機の性能値である。簡易的には、最大モータ出力、最大吐出圧力、または最大吐出量を圧縮機の「能力」としてもよい。 The medium compressor 41 has a smaller capacity than the high compressor 21. Here, "capacity" is a performance value of the compressor that is defined in design based on maximum motor output, maximum discharge pressure, maximum discharge amount, or the like. For simplicity, the maximum motor output, maximum discharge pressure, or maximum discharge amount may be taken as the "capacity" of the compressor.

中元凝縮器43では、中元冷媒が低温の冷却水Wとの熱交換によって冷却されて凝縮する。中元凝縮器43にて凝縮した中元冷媒は、中元膨張弁44を通過して膨張し、カスケードコンデンサ5の中元蒸発器5cに送られる。中元膨張弁44は、圧力調整弁である。 In the core condenser 43, the core refrigerant is cooled and condensed through heat exchange with the low-temperature cooling water W. The intermediate refrigerant condensed in the intermediate condenser 43 passes through the intermediate expansion valve 44, expands, and is sent to the intermediate evaporator 5c of the cascade condenser 5. The middle expansion valve 44 is a pressure regulating valve.

カスケードコンデンサ5の中元蒸発器5cでは、中元冷媒が加熱されて蒸発する。中元蒸発器5cにて蒸発した中元冷媒は、中元圧縮機41に送られる。 In the middle evaporator 5c of the cascade condenser 5, the middle refrigerant is heated and evaporated. The core refrigerant evaporated in the core evaporator 5c is sent to the core compressor 41.

図7を参照して、本実施形態では、カスケードコンデンサ5は、シェルアンドチューブ型熱交換器である。 Referring to FIG. 7, in this embodiment, cascade condenser 5 is a shell-and-tube heat exchanger.

本実施形態では、カスケードコンデンサ5は、ケーシング5d内に複数のチューブ5k,5lを有している。複数のチューブ5kは高元冷媒入口5gから高元冷媒出口5hまで概略水平に延び、複数のチューブ5lは中元冷媒入口5mから中元冷媒出口5nまで水平に延びている。 In this embodiment, the cascade capacitor 5 has a plurality of tubes 5k and 5l inside the casing 5d. The plurality of tubes 5k extend approximately horizontally from the high-base refrigerant inlet 5g to the high-base refrigerant outlet 5h, and the plurality of tubes 5l extend horizontally from the mid-base refrigerant inlet 5m to the mid-base refrigerant outlet 5n.

高元冷媒は、高元冷媒入口5gから導入され、複数のチューブ5kの内側を通って流れ、高元冷媒出口5hから導出される(細矢印A参照)。低元冷媒は、低元冷媒入口5eから導入され、複数のチューブ5k,5lの外側を通って流れ、低元冷媒出口5fから導出される(太矢印B参照)。中元冷媒は、中元冷媒入口5mから導入され、複数のチューブ5lの内側を通って流れ、中元冷媒出口5nから導出される(細矢印C参照)。従って、カスケードコンデンサ5では、高元冷媒と低元冷媒との間で熱交換が実行されるとともに、中元冷媒と低元冷媒との間で熱交換が実行される。具体的には、高元冷媒が加熱され、低元冷媒が冷却される。また、中元冷媒が加熱され、低元冷媒が冷却される。 The high source refrigerant is introduced from the high source refrigerant inlet 5g, flows through the inside of the plurality of tubes 5k, and is led out from the high source refrigerant outlet 5h (see thin arrow A). The low-base refrigerant is introduced from the low-base refrigerant inlet 5e, flows through the outside of the plurality of tubes 5k and 5l, and is led out from the low-base refrigerant outlet 5f (see thick arrow B). The core refrigerant is introduced from the core refrigerant inlet 5m, flows through the inside of the plurality of tubes 5l, and is led out from the core refrigerant outlet 5n (see thin arrow C). Therefore, in the cascade condenser 5, heat exchange is performed between the high source refrigerant and the low source refrigerant, and heat exchange is performed between the middle source refrigerant and the low source refrigerant. Specifically, the high source refrigerant is heated and the low source refrigerant is cooled. Moreover, the middle base refrigerant is heated and the low base refrigerant is cooled.

本実施形態においても電磁弁15が閉じられると、電磁弁15の上流側の配管において徐々に低元冷媒が溜まっていく。そして、電磁弁15からカスケードコンデンサ5までの配管が低元冷媒で満たされると、カスケードコンデンサ5の内部が下から徐々に低元冷媒で満たされる。このように、電磁弁15を閉じることによって、カスケードコンデンサ5内に液化した低元冷媒を回収および貯留できる。なお、カスケードコンデンサ5内において高元冷媒と低元冷媒の流路は互いに仕切られているため、低元冷媒がカスケードコンデンサ5内に貯留した状態でも高元冷媒はカスケードコンデンサ5内を流れることができる。同様に、カスケードコンデンサ5内において中元冷媒と低元冷媒の流路は互いに仕切られているため、低元冷媒がカスケードコンデンサ5内に貯留した状態でも中元冷媒はカスケードコンデンサ5内を流れることができる。 Also in this embodiment, when the solenoid valve 15 is closed, low-source refrigerant gradually accumulates in the piping on the upstream side of the solenoid valve 15. When the piping from the solenoid valve 15 to the cascade condenser 5 is filled with the low-grade refrigerant, the inside of the cascade condenser 5 is gradually filled with the low-grade refrigerant from below. In this way, by closing the solenoid valve 15, the liquefied low-grade refrigerant can be recovered and stored in the cascade condenser 5. In addition, since the flow paths of the high-source refrigerant and the low-source refrigerant are separated from each other in the cascade condenser 5, even when the low-source refrigerant is stored in the cascade condenser 5, the high-source refrigerant cannot flow inside the cascade condenser 5. can. Similarly, in the cascade condenser 5, the flow paths of the middle-grade refrigerant and the low-grade refrigerant are separated from each other, so even when the low-grade refrigerant is stored in the cascade condenser 5, the middle-grade refrigerant does not flow inside the cascade condenser 5. I can do it.

電磁弁15は、低元冷媒出口5fまたは低元冷媒出口5f近傍に配置されてもよく、電磁弁15からカスケードコンデンサ5までの配管距離を短くすることでカスケードコンデンサ5外の配管に貯留する低元冷媒の量を減らしてもよい。これにより、多くの低元冷媒をカスケードコンデンサ5内に回収できる。このとき、カスケードコンデンサ5は、概ね全ての低元冷媒を貯留できる容積を有していてもよい。 The solenoid valve 15 may be arranged at the low-source refrigerant outlet 5f or near the low-source refrigerant outlet 5f, and by shortening the piping distance from the solenoid valve 15 to the cascade condenser 5, the The amount of the original refrigerant may be reduced. As a result, much of the low-grade refrigerant can be recovered into the cascade condenser 5. At this time, the cascade condenser 5 may have a volume capable of storing almost all of the low-grade refrigerant.

本実施形態の冷凍装置1において、中元冷凍サイクル40は、高元冷凍サイクル20を使用すると冷凍装置1の冷却能力が冷却需要に対して過剰となる場合に使用される。従って、本実施形態では、図3の低元冷凍サイクル停止運転(ステップS3-5)の詳細が第1実施形態とは異なっている。 In the refrigeration system 1 of this embodiment, the middle refrigeration cycle 40 is used when the use of the high refrigeration cycle 20 causes the cooling capacity of the refrigeration system 1 to be excessive with respect to the cooling demand. Therefore, in this embodiment, the details of the low-source refrigeration cycle stop operation (step S3-5) in FIG. 3 are different from the first embodiment.

図8を参照して、本実施形態における低元冷凍サイクル停止運転の詳細を説明する。 With reference to FIG. 8, details of the low-source refrigeration cycle stop operation in this embodiment will be described.

本実施形態における低元冷凍サイクル停止運転では、電磁弁15を閉じる(ステップS8-1)。そして、圧力センサ15aによって測定した吸込圧力P1が下限値Pmとなるまで低元圧縮機11の運転を継続し、吸込圧力P1が下限値Pm以下となるまで減圧した後に低元圧縮機11を停止する(ステップS8-2)。即ち、第1実施形態と同様に、低元冷媒をカスケードコンデンサ5に回収および貯留するためのポンプダウン運転を実行する。 In the low-source refrigeration cycle stop operation in this embodiment, the solenoid valve 15 is closed (step S8-1). Then, the operation of the low source compressor 11 is continued until the suction pressure P1 measured by the pressure sensor 15a reaches the lower limit value Pm, and after the pressure is reduced until the suction pressure P1 becomes equal to or lower than the lower limit value Pm, the low source compressor 11 is stopped. (Step S8-2). That is, similarly to the first embodiment, a pump-down operation for recovering and storing the low-grade refrigerant in the cascade condenser 5 is executed.

次いで、圧力センサ15bによって測定したカスケードコンデンサ5における低元冷媒の圧力P2がカスケードコンデンサ5の設計圧力Ps未満であるか否かを判定する(ステップS8-3)。例えば、設計圧力Psは、0.3MPaA以上かつ0.4MPaA以下の値であり得る。圧力P2が設計圧力Ps未満でない場合(N:ステップS8-3)、低元モータ11aに流れている電流Iが低元モータ11aの定格電流Ir未満であるか否かを判定する(ステップS8-4)。電流Iが定格電流Ir未満である場合(Y:ステップS8-4)、高元圧縮機21の回転速度は増加される(ステップS8-5)。電流Iが定格電流Ir未満でない場合(N:ステップS8-4)、高元圧縮機21の回転速度は減少される(ステップS8-6)。 Next, it is determined whether the pressure P2 of the low-grade refrigerant in the cascade condenser 5 measured by the pressure sensor 15b is less than the design pressure Ps of the cascade condenser 5 (step S8-3). For example, the design pressure Ps can be a value of 0.3 MPaA or more and 0.4 MPaA or less. If the pressure P2 is not less than the design pressure Ps (N: step S8-3), it is determined whether the current I flowing through the low source motor 11a is less than the rated current Ir of the low source motor 11a (step S8-3). 4). If the current I is less than the rated current Ir (Y: step S8-4), the rotational speed of the high-power compressor 21 is increased (step S8-5). If the current I is not less than the rated current Ir (N: step S8-4), the rotational speed of the high-power compressor 21 is reduced (step S8-6).

また、圧力P2が設計圧力Ps未満である場合(Y:ステップS8-3)、制御装置30は、設計圧力Psから圧力P2を差し引いた値(Ps-P2)が一定の範囲ΔP未満であるか否かを判定する(ステップS8-7)。例えば、一定の範囲ΔPは、0.05MPaA以上かつ0.1MPaA以下であり得る。設計圧力Psから圧力P2を差し引いた値(Ps-P2)が一定の範囲ΔP未満である場合(Y:ステップS8-7)、高元圧縮機21の回転速度は維持される(ステップS8-8)。設計圧力Psから圧力P2を差し引いた値(Ps-P2)が一定の範囲ΔP未満でない場合(N:ステップS8-7)、高元圧縮機21の回転速度は減少され(ステップS8-6)、高元圧縮機21の回転速度Rが許容最低値Rmに一致しているか否かを判定する(ステップS8-9)。許容最低値Rmは、高元圧縮機21の回転速度調整許容範囲の下限値である。高元圧縮機21の回転速度Rが許容最低値Rmに一致している場合(Y:ステップS8-9)、高元圧縮機21を停止し、中元圧縮機41を起動する(ステップS8-10)。高元圧縮機21の回転速度Rが許容最低値Rmに一致していない場合(N:ステップS8-9)、特段の処理を実行しない。 Further, when the pressure P2 is less than the design pressure Ps (Y: step S8-3), the control device 30 determines whether the value obtained by subtracting the pressure P2 from the design pressure Ps (Ps - P2) is less than a certain range ΔP. It is determined whether or not (step S8-7). For example, the certain range ΔP may be greater than or equal to 0.05 MPaA and less than or equal to 0.1 MPaA. If the value obtained by subtracting the pressure P2 from the design pressure Ps (Ps - P2) is less than the certain range ΔP (Y: step S8-7), the rotational speed of the high-pressure compressor 21 is maintained (step S8-8 ). If the value obtained by subtracting the pressure P2 from the design pressure Ps (Ps - P2) is not less than the certain range ΔP (N: step S8-7), the rotation speed of the high-base compressor 21 is reduced (step S8-6), It is determined whether the rotational speed R of the high-end compressor 21 matches the allowable minimum value Rm (step S8-9). The minimum allowable value Rm is the lower limit of the allowable rotational speed adjustment range of the high-end compressor 21. If the rotational speed R of the high-end compressor 21 matches the allowable minimum value Rm (Y: step S8-9), the high-end compressor 21 is stopped and the middle-end compressor 41 is started (step S8-9). 10). If the rotational speed R of the high-end compressor 21 does not match the allowable minimum value Rm (N: step S8-9), no special processing is performed.

このように、本実施形態では、制御装置30は、低元圧縮機11の停止後、かつ、高元圧縮機21の回転速度Rが許容最低値Rmに達すると、高元圧縮機21を停止させるとともに中元圧縮機41を起動する。即ち、低元冷凍サイクル10の熱的な接続先を高元冷凍サイクル20から中元冷凍サイクル40に切り替える。 As described above, in the present embodiment, the control device 30 stops the high-compressor 21 after the low-compressor 11 is stopped and when the rotational speed R of the high-compressor 21 reaches the allowable minimum value Rm. At the same time, the middle compressor 41 is started. That is, the thermal connection destination of the low-base refrigeration cycle 10 is switched from the high-base refrigeration cycle 20 to the middle-base refrigeration cycle 40.

本実施形態の冷凍装置1によれば、冷却対象物Cの冷却需要に応じて高元冷凍サイクル20または中元冷凍サイクル40を選択できるため、冷凍装置1の運転効率を向上できる。即ち、冷却対象物Cの冷却需要が高い場合には高元冷凍サイクル20を使用でき、冷却対象物Cの冷却需要が低い場合には中元冷凍サイクル40を使用できる。 According to the refrigeration system 1 of the present embodiment, the high-end refrigeration cycle 20 or the middle refrigeration cycle 40 can be selected depending on the cooling demand of the object C to be cooled, so that the operating efficiency of the refrigeration system 1 can be improved. That is, when the cooling demand of the object to be cooled C is high, the high-temperature refrigeration cycle 20 can be used, and when the cooling demand of the object to be cooled C is low, the middle-center refrigeration cycle 40 can be used.

また、冷却対象物Cの冷却需要に応じて高元冷凍サイクル20または中元冷凍サイクル40を自動的に選択できるため、冷凍装置1の運転効率を向上できる。即ち、通常運転では高元冷凍サイクル20を使用し、冷却対象物Cの冷却需要の低下に伴って中元冷凍サイクル40に切り替えて使用できる。 Moreover, since the high-end refrigeration cycle 20 or the middle-end refrigeration cycle 40 can be automatically selected according to the cooling demand of the object C to be cooled, the operating efficiency of the refrigeration apparatus 1 can be improved. That is, in normal operation, the high source refrigeration cycle 20 is used, and as the cooling demand for the object C to be cooled decreases, the middle source refrigeration cycle 40 can be used.

本実施形態では、低元圧縮機11を停止する場合に、中元圧縮機41を起動させることを説明した。例えば、低元圧縮機11および高元圧縮機21が起動している場合に高元圧縮機21の能力が不足してきたときや、低元圧縮機11および高元圧縮機21が起動している場合に冷却対象物Cの冷却需要が低いときに、中元圧縮機41を起動させてもよい。この構成によれば、冷凍装置1の運転効率を向上できる。 In the present embodiment, it has been described that the middle compressor 41 is started when the low compressor 11 is stopped. For example, when the capacity of the high compressor 21 becomes insufficient when the low compressor 11 and the high compressor 21 are activated, or when the low compressor 11 and the high compressor 21 are activated. In some cases, the intermediate compressor 41 may be activated when the demand for cooling the object C to be cooled is low. According to this configuration, the operating efficiency of the refrigeration device 1 can be improved.

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。 Although specific embodiments of the present invention and modifications thereof have been described above, the present invention is not limited to the above embodiments, and can be implemented with various modifications within the scope of the present invention.

1 冷凍装置
5 カスケードコンデンサ
5a 低元凝縮器
5b 高元蒸発器
5c 中元蒸発器
5d ケーシング
5e 低元冷媒入口
5f 低元冷媒出口
5g 高元冷媒入口
5h 高元冷媒出口
5i プレート
5j 貫通孔
5k,5l チューブ
5m 中元冷媒入口
5n 中元冷媒出口
10 低元冷凍サイクル
11 低元圧縮機
11a 低元モータ
11b インバータ
11c 吸込口
11d 吐出口
12 油回収器
13 低元膨張弁
14 低元蒸発器
15a,15b 圧力センサ
20 高元冷凍サイクル
21 高元圧縮機
21a 高元モータ
21b インバータ
21c 吸込口
21d 吐出口
22 油回収器
23 高元凝縮器
24 高元膨張弁
30 制御装置
40 中元冷凍サイクル
41 中元圧縮機
41a 中元モータ
41b インバータ
41c 吸込口
41d 吐出口
42 油回収器
43 中元凝縮器
44 中元膨張弁
1 Refrigeration equipment 5 Cascade condenser 5a Low source condenser 5b High source evaporator 5c Middle source evaporator 5d Casing 5e Low source refrigerant inlet 5f Low source refrigerant outlet 5g High source refrigerant inlet 5h High source refrigerant outlet 5i Plate 5j Through hole 5k, 5l tube 5m mid-base refrigerant inlet 5n mid-base refrigerant outlet 10 low-base refrigeration cycle 11 low-base compressor 11a low-base motor 11b inverter 11c suction port 11d discharge port 12 oil recovery device 13 low-base expansion valve 14 low-base evaporator 15a, 15b Pressure sensor 20 High source refrigeration cycle 21 High source compressor 21a High source motor 21b Inverter 21c Suction port 21d Discharge port 22 Oil recovery device 23 High source condenser 24 High source expansion valve 30 Control device 40 Nakamoto refrigeration cycle 41 Nakamoto Compressor 41a Nakamoto motor 41b Inverter 41c Suction port 41d Discharge port 42 Oil recovery device 43 Nakamoto condenser 44 Nakamoto expansion valve

本発明は、低元圧縮機、低元凝縮器、低元膨張弁、低元蒸発器、前記低元凝縮器と前記低元膨張弁との間に配置される電磁弁、および前記低元圧縮機と前記低元凝縮器との間に配置される逆止弁を有し、二酸化炭素を低元冷媒として用いて循環させ、前記低元蒸発器にて対象物を冷却する低元冷凍サイクルと、高元圧縮機、高元凝縮器、高元膨張弁、および高元蒸発器を有し、高元冷媒を循環させる高元冷凍サイクルと、前記低元凝縮器と前記高元蒸発器とを有し、前記低元冷媒と前記高元冷媒との熱交換を行うとともに液化した前記低元冷媒を貯留可能なカスケードコンデンサと、前記低元冷凍サイクルにおいて前記低元圧縮機の吸込圧力を測定する圧力センサと、前記低元冷凍サイクルにおける前記対象物の冷却が不要となった場合に前記電磁弁を閉じることによって前記カスケードコンデンサ内に液化した前記低元冷媒を回収および貯留し、前記圧力センサによって測定した前記吸込圧力が下限値以下になると前記低元圧縮機を停止する制御装置とを備え、中元圧縮機、中元凝縮器、中元膨張弁、および中元蒸発器を有し、中元冷媒を循環させる中元冷凍サイクルをさらに備え、前記カスケードコンデンサは、前記中元蒸発器をさらに有し、前記低元冷媒と前記中元冷媒との熱交換を行い、前記中元圧縮機は、前記高元圧縮機に比べて小さい能力を有する、冷凍装置を提供する。
The present invention provides a low-base compressor, a low-base condenser, a low-base expansion valve, a low-base evaporator, a solenoid valve disposed between the low-base condenser and the low-base expansion valve, and a low-base compressor. a low-source refrigeration cycle that has a check valve disposed between the machine and the low-source condenser, circulates carbon dioxide as a low-source refrigerant, and cools objects in the low-source evaporator; , a high-base refrigeration cycle that has a high-base compressor, a high-base condenser, a high-base expansion valve, and a high-base evaporator and circulates a high-base refrigerant, and the low-base condenser and the high-base evaporator. a cascade condenser capable of exchanging heat between the low-base refrigerant and the high-base refrigerant and storing the liquefied low-base refrigerant; and measuring the suction pressure of the low-base compressor in the low-base refrigeration cycle. A pressure sensor is used to collect and store the liquefied low-source refrigerant in the cascade condenser by closing the solenoid valve when cooling of the object in the low-source refrigeration cycle is no longer necessary; a control device that stops the low-end compressor when the measured suction pressure becomes equal to or lower than a lower limit value; The cascade condenser further includes an intermediate refrigerating cycle that circulates the original refrigerant, the cascade condenser further includes the intermediate refrigerant, and the intermediate refrigerant exchanges heat between the lower refrigerant and the intermediate refrigerant. , provides a refrigeration system having a smaller capacity than the high-end compressor .

この構成によれば、低元圧縮機を停止する前にカスケードコンデンサ内に低元冷媒を回収および貯留できる。カスケードコンデンサ内の低元冷媒は、高元冷媒との熱交換によって冷却される。これにより、低元圧縮機の停止中であっても低元冷媒を一か所(カスケードコンデンサ)で効率的に冷却できる。特に、低元冷媒を別途貯留するための低元受液器および低元受液器を冷却するための構成を追加的に設ける必要がないため、非常に簡易な構成で実現可能である。また、冷却対象物の冷却需要に応じて高元冷凍サイクルまたは中元冷凍サイクルを選択できるため、冷凍装置の運転効率を向上できる。即ち、冷却対象物の冷却需要が高い場合には高元冷凍サイクルを使用でき、冷却対象物の冷却需要が低い場合には中元冷凍サイクルを使用できる。ここで、「能力」とは、最大モータ出力、最大吐出圧力、または最大吐出量などから設計上規定される圧縮機の性能値である。簡易的には、最大モータ出力、最大吐出圧力、または最大吐出量を圧縮機の「能力」としてもよい。
According to this configuration, the low-base refrigerant can be recovered and stored in the cascade condenser before stopping the low-base compressor. The low source refrigerant in the cascade condenser is cooled by heat exchange with the high source refrigerant. Thereby, even when the low-base compressor is stopped, the low-base refrigerant can be efficiently cooled in one place (cascade condenser). In particular, since there is no need to additionally provide a low-source liquid receiver for separately storing the low-source refrigerant and a configuration for cooling the low-source liquid receiver, it can be realized with a very simple configuration. Further, since the high-end refrigeration cycle or the middle-end refrigeration cycle can be selected depending on the cooling demand of the object to be cooled, the operating efficiency of the refrigeration system can be improved. That is, when the demand for cooling the object to be cooled is high, the high-end refrigeration cycle can be used, and when the demand for cooling the object to be cooled is low, the middle-order refrigeration cycle can be used. Here, "capacity" is a performance value of the compressor that is defined in design based on maximum motor output, maximum discharge pressure, maximum discharge amount, or the like. For simplicity, the maximum motor output, maximum discharge pressure, or maximum discharge amount may be taken as the "capacity" of the compressor.

低元圧縮機11は、スクリュ式であり、低元冷媒を圧縮する。低元圧縮機11は駆動源となる低元モータ11aを有し、低元モータ11aにはインバータ11bが電気的に接続されている。従って、低元圧縮機11に流れる電流をインバータ11bによって調整でき、これにより低元圧縮機11の回転速度を調整可能である。低元モータ11aには性能が保証される最大電流値である定格電流の値が設定されている。インバータ11bを介して低元モータ11aに流れる電流は、常時測定され、制御装置30に送信され、特に定格電流との大小関係が監視されている。
The low source compressor 11 is of a screw type and compresses the low source refrigerant. The low-base compressor 11 has a low-base motor 11a serving as a driving source, and an inverter 11b is electrically connected to the low-base motor 11a. Therefore, the current flowing through the low-power compressor 11 can be adjusted by the inverter 11b, and thereby the rotational speed of the low-power compressor 11 can be adjusted. A rated current value, which is the maximum current value for which performance is guaranteed, is set for the low-power motor 11a. The current flowing to the low motor 11a via the inverter 11b is constantly measured and transmitted to the control device 30, and in particular, the magnitude relationship with the rated current is monitored.

高元圧縮機21では、高元冷媒を、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。本実施形態では、高元圧縮機21は給油式であり、吐出された高元冷媒は油を含んでいる。吐出された元冷媒および油は、油回収器22に送られる。油回収器22では、油が回収される。回収された油は、高元圧縮機21に供給され、循環利用される。油回収器22で油を分離された高元冷媒は、高元凝縮器23に送られる。なお、高元圧縮機21は、給油式に限定されず、無給油式であってもよい。
In the high source compressor 21, high source refrigerant is sucked in through the suction port 21c, compressed inside, and discharged from the discharge port 21d. In this embodiment, the high source compressor 21 is of an oil supply type, and the discharged high source refrigerant contains oil. The discharged high -grade refrigerant and oil are sent to the oil recovery device 22. In the oil recovery device 22, oil is recovered. The recovered oil is supplied to the high-pressure compressor 21 and recycled. The high-grade refrigerant from which oil has been separated in the oil recovery device 22 is sent to the high-grade condenser 23 . Note that the high-base compressor 21 is not limited to a lubricated type, and may be of a non-lubricated type.

圧力P2が設計圧力Ps未満である場合(Y:ステップS4-3)、設計圧力Psから圧力P2を差し引いた値(Ps-P2)が一定の範囲ΔP未満であるか否かを判定する(ステップS4-7)。例えば、一定の範囲ΔPは、0.05MPaA以上かつ0.1MPaA以下であり得る。設計圧力Psから圧力P2を差し引いた値(Ps-P2)が一定の範囲ΔP未満である場合(Y:ステップS4-7)、高元圧縮機21の回転速度は維持される(ステップS4-8)。即ち、高元冷凍サイクル20の高元蒸発器5bでの冷却能力を維持し、即ちカスケードコンデンサ5における低元冷媒の冷却を維持する。また、設計圧力Psから圧力P2を差し引いた値(Ps-P2)が一定の範囲ΔP未満でない場合(N:ステップS4-7)、高元圧縮機21の回転速度は減少される(ステップS4-6)。高元圧縮機21の回転速度が減少されると、高元冷凍サイクル20の冷却能力が低下し、カスケードコンデンサ5における低元冷媒の温度が上昇し、当該低元冷媒の圧力P2が上昇する。従って、設計圧力Psから圧力P2を差し引いた値(Ps-P2)が一定の範囲ΔP未満となるように低元冷媒の圧力P2を調整できる。
If the pressure P2 is less than the design pressure Ps (Y: step S4-3), it is determined whether the value obtained by subtracting the pressure P2 from the design pressure Ps (Ps - P2) is less than a certain range ΔP (step S4-7). For example, the certain range ΔP may be greater than or equal to 0.05 MPaA and less than or equal to 0.1 MPaA. If the value obtained by subtracting the pressure P2 from the design pressure Ps (Ps - P2) is less than the certain range ΔP (Y: step S4-7), the rotational speed of the high-pressure compressor 21 is maintained (step S4-8 ). That is, the cooling capacity of the high source evaporator 5b of the high source refrigeration cycle 20 is maintained, that is, the cooling of the low source refrigerant in the cascade condenser 5 is maintained. Further, if the value obtained by subtracting the pressure P2 from the design pressure Ps (Ps - P2) is not less than the certain range ΔP (N: step S4-7), the rotation speed of the high-pressure compressor 21 is reduced (step S4- 6). When the rotation speed of the high source compressor 21 is reduced, the cooling capacity of the high source refrigeration cycle 20 decreases, the temperature of the low source refrigerant in the cascade condenser 5 increases, and the pressure P2 of the low source refrigerant increases. Therefore, the pressure P2 of the lower source refrigerant can be adjusted so that the value obtained by subtracting the pressure P2 from the design pressure Ps (Ps-P2) is less than the certain range ΔP.

中元圧縮機41では、中元冷媒を、吸込口41cから吸い込み、内部で圧縮し、吐出口41dから吐出する。本実施形態では、中元圧縮機41は給油式であり、吐出された元冷媒は油を含んでいる。吐出された元冷媒および油は、油回収器42に送られる。油回収器42では、油が回収される。回収された油は、中元圧縮機41に供給され、循環利用される。油回収器42で油を分離された中元冷媒は、中元凝縮器43に送られる。なお、中元圧縮機41は給油式に限定されず、無給油式であってもよい。
In the core compressor 41, the core refrigerant is sucked in through the suction port 41c, compressed inside, and discharged from the discharge port 41d. In this embodiment, the core compressor 41 is of an oil supply type, and the discharged core refrigerant contains oil. The discharged intermediate refrigerant and oil are sent to the oil recovery device 42. In the oil recovery device 42, oil is recovered. The recovered oil is supplied to the middle compressor 41 and recycled. The core refrigerant from which oil has been separated in the oil recovery device 42 is sent to the core condenser 43. Note that the middle compressor 41 is not limited to a lubricated type, and may be an oil-free type.

次いで、圧力センサ15bによって測定したカスケードコンデンサ5における低元冷媒の圧力P2がカスケードコンデンサ5の設計圧力Ps未満であるか否かを判定する(ステップS8-3)。例えば、設計圧力Psは、0.3MPaA以上かつ0.4MPaA以下の値であり得る。圧力P2が設計圧力Ps未満でない場合(N:ステップS8-3)、低元モータ11aに流れている電流Iが低元モータ11aの定格電流Ir未満であるか否かを判定する(ステップS8-4)。電流I1が定格電流Ir未満である場合(Y:ステップS8-4)、高元圧縮機21の回転速度は増加される(ステップS8-5)。電流I1が定格電流Ir未満でない場合(N:ステップS8-4)、高元圧縮機21の回転速度は減少される(ステップS8-6)。
Next, it is determined whether the pressure P2 of the low-grade refrigerant in the cascade condenser 5 measured by the pressure sensor 15b is less than the design pressure Ps of the cascade condenser 5 (step S8-3). For example, the design pressure Ps can be a value of 0.3 MPaA or more and 0.4 MPaA or less. If the pressure P2 is not less than the design pressure Ps (N: step S8-3), it is determined whether the current I1 flowing through the low source motor 11a is less than the rated current Ir of the low source motor 11a (step S8 -4). If the current I1 is less than the rated current Ir (Y: step S8-4), the rotational speed of the high-power compressor 21 is increased (step S8-5). If the current I1 is not less than the rated current Ir (N: step S8-4), the rotational speed of the high-end compressor 21 is reduced (step S8-6).

1 冷凍装置
5 カスケードコンデンサ
5a 低元凝縮器
5b 高元蒸発器
5c 中元蒸発器
5d ケーシング
5e 低元冷媒入口
5f 低元冷媒出口
5g 高元冷媒入口
5h 高元冷媒出口
5i プレート
5j 貫通孔
5k,5l チューブ
5m 中元冷媒入口
5n 中元冷媒出口
10 低元冷凍サイクル
11 低元圧縮機
11a 低元モータ
11b インバータ
11c 吸込口
11d 吐出口
12 油回収器
13 低元膨張弁
14 低元蒸発器
15 電磁弁
15a,15b 圧力センサ
20 高元冷凍サイクル
21 高元圧縮機
21a 高元モータ
21b インバータ
21c 吸込口
21d 吐出口
22 油回収器
23 高元凝縮器
24 高元膨張弁
30 制御装置
40 中元冷凍サイクル
41 中元圧縮機
41a 中元モータ
41b インバータ
41c 吸込口
41d 吐出口
42 油回収器
43 中元凝縮器
44 中元膨張弁
1 Refrigeration equipment 5 Cascade condenser 5a Low source condenser 5b High source evaporator 5c Middle source evaporator 5d Casing 5e Low source refrigerant inlet 5f Low source refrigerant outlet 5g High source refrigerant inlet 5h High source refrigerant outlet 5i Plate 5j Through hole 5k, 5l tube 5m mid-base refrigerant inlet 5n mid-base refrigerant outlet 10 low-base refrigeration cycle 11 low-base compressor 11a low-base motor 11b inverter 11c suction port 11d discharge port 12 oil recovery device 13 low-base expansion valve 14 low-base evaporator
15 Solenoid valve
15a, 15b Pressure sensor 20 High source refrigeration cycle 21 High source compressor 21a High source motor 21b Inverter 21c Suction port 21d Discharge port 22 Oil recovery device 23 High source condenser 24 High source expansion valve 30 Control device 40 Nakamoto refrigeration cycle 41 Nakamoto compressor 41a Nakamoto motor 41b Inverter 41c Suction port 41d Discharge port 42 Oil recovery device 43 Nakamoto condenser 44 Nakamoto expansion valve

Claims (6)

低元圧縮機、低元凝縮器、低元膨張弁、低元蒸発器、前記低元凝縮器と前記低元膨張弁との間に配置される電磁弁、および前記低元圧縮機と前記低元凝縮器との間に配置される逆止弁を有し、二酸化炭素を低元冷媒として用いて循環させ、前記低元蒸発器にて冷却対象物を冷却する低元冷凍サイクルと、
高元圧縮機、高元凝縮器、高元膨張弁、および高元蒸発器を有し、高元冷媒を循環させる高元冷凍サイクルと、
前記低元凝縮器と前記高元蒸発器とを有し、前記低元冷媒と前記高元冷媒との熱交換を行うとともに液化した前記低元冷媒を貯留可能なカスケードコンデンサと、
前記低元冷凍サイクルにおいて前記低元圧縮機の吸込圧力を測定する圧力センサと、
前記低元冷凍サイクルにおける前記冷却対象物の冷却が不要となった場合に前記電磁弁を閉じることによって前記カスケードコンデンサ内に液化した前記低元冷媒を回収および貯留し、前記圧力センサによって測定した前記吸込圧力が下限値以下になると前記低元圧縮機を停止する制御装置と
を備える、冷凍装置。
a low source compressor, a low source condenser, a low source expansion valve, a low source evaporator, a solenoid valve disposed between the low source condenser and the low source expansion valve, and a low source compressor and the low source expansion valve. a low-source refrigeration cycle that has a check valve disposed between the source condenser, circulates carbon dioxide as a low-source refrigerant, and cools an object to be cooled in the low-source evaporator;
A high-base refrigeration cycle that has a high-base compressor, a high-base condenser, a high-base expansion valve, and a high-base evaporator, and circulates a high-base refrigerant;
a cascade condenser having the low-base condenser and the high-base evaporator, capable of exchanging heat between the low-base refrigerant and the high-base refrigerant and storing the liquefied low-base refrigerant;
a pressure sensor that measures the suction pressure of the low source compressor in the low source refrigeration cycle;
When it is no longer necessary to cool the object to be cooled in the low-source refrigeration cycle, the solenoid valve is closed to recover and store the low-source refrigerant liquefied in the cascade condenser. A refrigeration system comprising: a control device that stops the low-end compressor when the suction pressure becomes equal to or less than a lower limit value.
前記カスケードコンデンサには設計圧力が規定されており、
前記高元圧縮機は、回転速度制御可能であり、
前記制御装置は、前記低元圧縮機の停止後、前記カスケードコンデンサ内の前記低元冷媒の圧力が前記設計圧力より一定範囲内で小さくなるように前記高元圧縮機の回転速度を制御する、請求項1に記載の冷凍装置。
A design pressure is specified for the cascade capacitor,
The high-pressure compressor can control its rotational speed,
The control device controls the rotational speed of the high-base compressor so that the pressure of the low-base refrigerant in the cascade condenser is lower than the design pressure within a certain range after the low-base compressor is stopped. The refrigeration device according to claim 1.
前記設計圧力は、0.3MPaA以上かつ0.4MPaA以下の値であり、
前記一定範囲は、0.05MPaA以上かつ0.1MPaA以下である、請求項2に記載の冷凍装置。
The design pressure is a value of 0.3 MPaA or more and 0.4 MPaA or less,
The refrigeration apparatus according to claim 2, wherein the certain range is 0.05 MPaA or more and 0.1 MPaA or less.
中元圧縮機、中元凝縮器、中元膨張弁、および中元蒸発器を有し、中元冷媒を循環させる中元冷凍サイクルをさらに備え、
前記カスケードコンデンサは、前記中元蒸発器をさらに有し、前記低元冷媒と前記中元冷媒との熱交換を行い、
前記中元圧縮機は、前記高元圧縮機に比べて小さい能力を有する、請求項1から3のいずれか1項に記載の冷凍装置。
It further includes a midstream refrigeration cycle that has a midstream compressor, a midstream condenser, a midstream expansion valve, and a midstream evaporator, and circulates a midstream refrigerant,
The cascade condenser further includes the middle base evaporator, and performs heat exchange between the low base refrigerant and the middle base refrigerant,
The refrigeration system according to any one of claims 1 to 3, wherein the middle compressor has a smaller capacity than the high compressor.
前記制御装置は、前記低元圧縮機の停止後、かつ、前記高元圧縮機の回転速度が許容最低値に達すると、前記高元圧縮機を停止させるとともに前記中元圧縮機を起動する、請求項4の冷凍装置。 The control device stops the high base compressor and starts the middle compressor after the low base compressor is stopped and the rotational speed of the high base compressor reaches a minimum allowable value. The refrigeration device according to claim 4. 前記カスケードコンデンサは、シェルアンドプレート型熱交換器である、請求項1から3のいずれか1項に記載の冷凍装置。 The refrigeration system according to any one of claims 1 to 3, wherein the cascade condenser is a shell-and-plate heat exchanger.
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