JP5033337B2 - 冷凍システム及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、店舗等において室内空調と冷却貯蔵設備の冷却とを行う冷凍システム及びその制御方法に関する。

従来よりコンビニエンスストア等の店舗の店内は、空気調和機によって冷暖房空調されている。また、店内には商品を陳列販売する冷蔵或いは冷凍用のオープンショーケースや扉付きのショーケース（冷却貯蔵設備）が設置されており、これらは冷凍機によって庫内冷却が行われている。この種のものには、空調用冷媒回路や冷却貯蔵設備用冷媒回路を１つのシステムとして構成したものが考案されている（例えば、特許文献１）。
特開２００４−３６０９９９号公報

ところで、室内空気を熱源としたヒートポンプ空調では室外温度が低下すると、空調用室外熱交換器（熱源側熱交換器）に霜が発生して除霜運転を繰り返す場合が生じ、暖房能力の低下や成績係数（ＣＯＰ）の低下を招いてしまう等の問題があった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、熱源側熱交換器の着霜を防止し、かつ、暖房能力の向上や高い成績係数を維持できる冷凍システム及びその制御方法を提供することにある。

上述した課題を解決するため、本発明は、圧縮機、熱源側熱交換器及び利用側熱交換器を備える空調用冷媒回路と、冷却用圧縮機、凝縮器及び蒸発器を備える冷却貯蔵設備用冷媒回路と、前記空調用冷媒回路の低圧側の冷媒と前記冷却貯蔵設備用冷媒回路の高圧側の冷媒とを熱交換させるカスケード熱交換器と、運転を制御する運転制御部とを備える冷凍システムにおいて、前記運転制御部は、前記空調用冷媒回路で前記圧縮機から吐出された冷媒を前記利用側熱交換器を介して、前記熱源側熱交換器と前記カスケード熱交換器とに流通させると共に、前記冷却貯蔵設備用冷媒回路で前記冷却用圧縮機から吐出された冷媒を前記カスケード熱交換器、前記凝縮器、前記蒸発器の順に流通させて暖房運転を行い、外気温度が予め定めた開始温度を下回ると、前記冷却貯蔵設備用冷媒回路の高圧側の冷媒を前記カスケード熱交換器に流した後、前記凝縮器を介さずに前記蒸発器に流すと共に、前記空調用冷媒回路の低圧側の冷媒を前記熱源側熱交換器に流さずに前記カスケード熱交換器に流す低外気運転モードに移行し、前記外気温度が前記熱源側熱交換器に着霜が生じない解除温度を超えた場合、或いは、前記冷却貯蔵設備用冷媒回路の高圧側冷媒の圧力が許容上限圧を超えた場合に、前記低外気運転モードを解除することを特徴とする。
この発明によれば、空調用冷媒回路の暖房運転時に、外気温度が予め定めた開始温度を下回ると、冷却貯蔵設備用冷媒回路の高圧側の冷媒をカスケード熱交換器に流した後、凝縮器を介さずに蒸発器に流すと共に、空調用冷媒回路の低圧側の冷媒を熱源側熱交換器に流さずにカスケード熱交換器に流すので、熱源側熱交換器の着霜を防止し、かつ、暖房能力の向上や高い成績係数を維持することができる。

上記構成において、前記空調用冷媒回路は、前記空調用冷媒回路の低圧側の冷媒を前記熱源側熱交換器に流す経路に配置される第１膨張弁と、前記経路から分岐して前記冷媒を前記カスケード熱交換器に流す経路に配置される第２膨張弁とを有し、前記運転制御部は、前記空調用冷媒回路の暖房運転時に外気温度が予め定めた開始温度を下回ると、前記第２膨張弁を開けると共に前記第１膨張弁を閉じることが好ましい。

上記構成において、前記運転制御部は、前記外気温度が前記解除温度を超えて前記低外気運転モードを解除した場合、前記冷却貯蔵設備用冷媒回路の高圧側の冷媒を前記カスケード熱交換器に流した後、前記凝縮器を介して前記蒸発器に流すと共に、前記空調用冷媒回路の低圧側の冷媒を前記熱源側熱交換器に流すことが好ましい。

また、上記構成において、前記運転制御部は、前記冷却貯蔵設備用冷媒回路の高圧側冷媒の圧力が前記許容上限圧を超えて前記低外気運転モードを解除した場合、前記冷却貯蔵設備用冷媒回路の高圧側の冷媒を前記カスケード熱交換器に流した後、前記凝縮器を介して前記蒸発器に流すと共に、前記空調用冷媒回路の低圧側の冷媒を前記熱源側熱交換器に流し、前記冷却貯蔵設備用冷媒回路の高圧側冷媒の圧力が、前記許容上限圧より低い値に設定された復帰圧を下回った際に、前記低外気運転モードに復帰することが好ましい。

また、上記構成において、前記冷却貯蔵設備用冷媒回路は、前記カスケード熱交換器から流れた前記冷却貯蔵設備用冷媒回路の高圧側の冷媒を、前記凝縮器を介さずに前記蒸発器に流すか、前記凝縮器を介して前記蒸発器に流すかを切替可能な四方弁を有することが好ましい。

また、本発明は、圧縮機、熱源側熱交換器及び利用側熱交換器を備える空調用冷媒回路と、冷却用圧縮機、凝縮器及び蒸発器を備える冷却貯蔵設備用冷媒回路と、前記空調用冷媒回路の低圧側の冷媒と前記冷却貯蔵設備用冷媒回路の高圧側の冷媒とを熱交換させるカスケード熱交換器と、運転を制御する運転制御部とを備える冷凍システムの制御方法において、前記運転制御部は、前記空調用冷媒回路で前記圧縮機から吐出された冷媒を前記利用側熱交換器を介して、前記熱源側熱交換器と前記カスケード熱交換器とに流通させると共に、前記冷却貯蔵設備用冷媒回路で前記冷却用圧縮機から吐出された冷媒を前記カスケード熱交換器、前記凝縮器、前記蒸発器の順に流通させて暖房運転を行い、外気温度が予め定めた開始温度を下回ると、前記冷却貯蔵設備用冷媒回路の高圧側の冷媒を前記カスケード熱交換器に流した後、前記凝縮器を介さずに前記蒸発器に流すと共に、前記空調用冷媒回路の低圧側の冷媒を前記熱源側熱交換器に流さずに前記カスケード熱交換器に流す低外気運転モードに移行し、前記外気温度が前記熱源側熱交換器に着霜が生じない解除温度を超えた場合、或いは、前記冷却貯蔵設備用冷媒回路の高圧側冷媒の圧力が許容上限圧を超えた場合に、前記低外気運転モードを解除することを特徴とする。
この発明によれば、空調用冷媒回路の暖房運転時に、外気温度が予め定めた開始温度を下回ると、冷却貯蔵設備用冷媒回路の高圧側の冷媒をカスケード熱交換器に流した後、凝縮器を介さずに蒸発器に流すと共に、空調用冷媒回路の低圧側の冷媒を熱源側熱交換器に流さずにカスケード熱交換器に流すので、熱源側熱交換器の着霜を防止し、かつ、暖房能力の向上や高い成績係数を維持することができる。

本発明は、空調用冷媒回路の暖房運転時に、外気温度が予め定めた開始温度を下回ると、冷却貯蔵設備用冷媒回路の高圧側の冷媒をカスケード熱交換器に流した後、凝縮器を介さずに蒸発器に流すと共に、空調用冷媒回路の低圧側の冷媒を熱源側熱交換器に流さずにカスケード熱交換器に流すので、熱源側熱交換器の着霜を防止し、かつ、暖房能力の向上や高い成績係数を維持することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳述する。図１は本発明の実施形態に係る冷凍システム１の冷媒回路を含むシステム構成を示す図である。この冷凍システム１は、例えばコンビニエンスストアに設置された空調室内機３０による空調と、この室内２に設置されている冷却貯蔵設備としての冷蔵ケース３１や冷凍ケース３４の庫内冷却とを行うものである。

これらの冷蔵ケース３１や冷凍ケース３４は、前面や上面が開口するオープンショーケースや、ガラス扉によって開閉自在なクローズショーケース等であり、例えば、冷蔵ケース３１の庫内は約３℃から約＋１０℃の冷蔵温度に冷却され、飲料や食料品等が陳列されると共に、冷凍ケース３４の庫内は約−２０℃から約−１０℃の冷凍温度に冷却され、冷凍食品や冷菓等が陳列されるものである。

この冷凍システム１は、空調用冷媒回路４を有する空気調和機５と、冷蔵ケース３１や冷凍ケース３４の庫内を冷却する冷却貯蔵設備用冷媒回路６を有する冷却装置７とを備えている。空気調和機５は、室内２の天井等に設置された室内機と、室外に設置された室外ユニット３とを備え、これらの間に渡って上記空調用冷媒回路４が構成されている。

この空調用冷媒回路４は、室外ユニット３のケース内に設置されたアキュムレータ２０と、二台の圧縮機２１Ａ及び２１Ｂと、逆止弁２２Ａ及び２２Ｂと、オイルセパレータ２３と、四方弁２４と、熱源側熱交換器２５と、膨張弁（電動膨張弁から成る減圧手段）２６、２７及び２８と、カスケード熱交換器１８と、逆止弁２９と、室内２に設置された利用側熱交換器３０Ａ等から構成されている。なお、圧縮機２１Ａはインバータによる周波数制御運転が可能な圧縮機であり、圧縮機２１Ｂは定速運転を行う圧縮機である。

圧縮機２１Ａ及び２１Ｂは相互に並列接続されており、各圧縮機２１Ａ及び２１Ｂの吐出側はそれぞれ逆止弁２２Ａ及び２２Ｂを介して合流され、オイルセパレータ２３の入口に接続されている。なお、逆止弁２２Ａ及び２２Ｂはオイルセパレータ２３方向が順方向とされている。オイルセパレータ２３の出口は四方弁２４の一方の入口に接続され、一方の出口は熱源側熱交換器２５の入口に接続されている。この熱源側熱交換器２５は多数の並列配管から構成される流路抵抗の比較的小さい入口側２５Ａと、これらが少数の並列配管若しくは単数の配管に集約される出口側２５Ｂとで構成されている。そして、この熱源側熱交換器２５の出口側２５Ｂは膨張弁（第１膨張弁）２６を介して膨張弁２８の入口に接続され、この膨張弁２８の出口は利用側熱交換器３０Ａの入口に接続されている。

利用側熱交換器３０Ａの出口は室外ユニット３内の四方弁２４の他方の入口に接続され、四方弁２４の他方の出口は逆止弁２９を介してアキュムレータ２０の入口に接続されている。そして、このアキュムレータ２０の出口は圧縮機２１Ａ及び２１Ｂの吸込側に接続されている。なお、逆止弁２９はアキュムレータ２０方向が順方向とされている。

また、膨張弁２６と膨張弁２８の間の配管は膨張弁（第２膨張弁）２７の入口に接続され、この膨張弁２７の出口はカスケード熱交換器１８の空調側管路１８Ａの入口に接続されている。このカスケード熱交換器１８の空調側通路１８Ａの出口はアキュムレータ２０を介して圧縮機２１Ａ及び２１Ｂの吸込側に接続されている。

一方、冷却装置７は室外ユニット３と室内に設置された冷蔵ケース３１及び冷凍ケース３４との間に渡って冷却貯蔵設備用冷媒回路６が配管構成されている。この冷却貯蔵設備用冷媒回路６は、室外ユニット３のケース内に設置された冷蔵用の圧縮機１１と、凝縮器１４と、三つの四方弁１３、１７及び５１と、オイルセパレータ１２と、レシーバタンク１６と、逆止弁１９と、冷蔵ケース３１の庫内を冷却する冷蔵用蒸発器３１Ａと、冷凍ケース３４の庫内を冷却する冷凍用蒸発器３４Ａと、膨張弁３２及び３５と、電磁弁３３及び３６と、逆止弁４０と、冷凍増幅用の圧縮機４１と、オイルセパレータ４２等から構成されている。

圧縮機１１の吐出側は、オイルセパレータ１２を介して四方弁１３の一方の入口に接続され、この四方弁１３の一方の出口は四方弁５１の一方の入口に接続される。そして、この四方弁５１の一方の出口は凝縮器１４の入口に接続されている。この凝縮器１４は多数の並列配管から構成される流路抵抗の比較的小さい入口側１４Ａと、これらが少数の並列配管若しくは単数の配管に集約される出口側１４Ｂとで構成されている。そして、この凝縮器１４の出口側１４Ｂは四方弁５１の他方の入口にと接続され、この四方弁５１の他方の出口はレシーバタンク１６の入口に接続されている。また、凝縮器１４の出口側１４Ｂは、上述した四方弁５１を介する経路とは別に逆止弁１９を介してレシーバタンク１６に連通している。なお、逆止弁１９はレシーバタンク１６方向を順方向としている。

そして、四方弁１７の一方の出口はカスケード熱交換器１８のケース側管路１８Ｂの入口に接続されている。なお、カスケード熱交換器１８は、内部に構成された空調側管路１８Ａとケース側管路１８Ｂを対向に通過する冷媒を相互に熱交換させるものであり、これによって空調用冷媒回路４の低圧側と冷却貯蔵設備用冷媒回路６の高圧側とは熱的に結合されている。

カスケード熱交換器１８のケース側管路１８Ｂの出口は、四方弁１３の他方の入口に接続されている。この四方弁１３の他方の出口は四方弁１７の他方の入口に接続され、この四方弁１７の他方の出口は室外ユニット３から出て室内２に入り分岐する。

分岐した一方の配管は電磁弁３３、膨張弁３２を介して冷蔵用蒸発器３１Ａの入口に接続されている。分岐した他方の配管は電磁弁３６、膨張弁３５を介して冷凍用蒸発器３４Ａの入口に接続されている。

冷凍用蒸発器３４Ａの出口は逆止弁４０を介して圧縮機４１の吸込側に接続されている。なお、逆止弁４０は、圧縮機４１方向が順方向とされている。この圧縮機４１は圧縮機１１よりも出力の小さい圧縮機であり、その吐出側はオイルセパレータ４２を介して圧縮機１１の吸込側に接続されている。すなわち、圧縮機４１と圧縮機１１は冷媒回路上直列に接続されている。また、冷蔵用蒸発器３１Ａの出口は圧縮機４１の吐出側のオイルセパレータ４２の出口側に接続されている。

以上の構成の下、この冷凍システム１の動作を説明する。なお、圧縮機１１と圧縮機２１Ａとはインバータにより周波数制御がなされ、圧縮機２１Ｂと圧縮機４１とは定速運転されるものとする。また、冷凍システム１全体の動作は汎用マイクロコンピュータから構成されたコントローラ１００により制御される。なお、利用側熱交換器３０Ａの近傍には送風機３０Ｂが設置され、冷蔵用蒸発器３１Ａの近傍には送風機３１Ｂが設置され、冷凍用蒸発器３４Ａの近傍には送風機３４Ｂが設置され、熱源側熱交換器２５及び凝縮器１４の近傍にも送風機５０Ａ及び５０Ｂが設置され、これら熱交換器に送風が可能となっている。

次に空気調和機５が暖房運転を行う場合を説明する。暖房運転を行う際は、コントローラ１００が外気温度センサ６０により外気温度Ｔを取得し、この外気温度Ｔが、熱源側熱交換器２５に着霜が生じる温度範囲か否か、より具体的には、予め定めた低外気運転モード開始温度（開始温度、本例では−１０度）Ｔ０以下か否かを判定し、外気温度Ｔが低外気運転モード開始温度Ｔ０を超える場合には、室外ユニット３において図２に示される冷媒回路を構成する。

図２に示すように、空気調和機５を構成する空調用冷媒回路４において、コントローラ１００は、四方弁２４によりオイルセパレータ２３の出口と利用側熱交換器３０Ａの入口を連通させ、熱源側熱交換器２５の入口側２５Ａと逆止弁２９の入口を連通させ、また、膨張弁２８を全開にする。そして、圧縮機２１Ａ及び２１Ｂを運転すると共に、圧縮機２１Ａの運転周波数を制御することに暖房能力を調整する。

圧縮機２１Ａ及び２１Ｂより吐出された高温高圧のガス冷媒は、オイルセパレータ２３、四方弁２４を介して利用側熱交換器３０Ａに入る。この利用側熱交換器３０Ａには送風機３０Ｂにより室内２の空気が通風され、冷媒はここで放熱し室内空気を加熱することで凝縮液化する。

利用側熱交換器３０Ａで液化した冷媒は利用側熱交換器３０Ａから流出して膨張弁２８を通過して分岐し、一方の冷媒が膨張弁２７において減圧された後、カスケード熱交換器１８の空調側管路１８Ａに流入し、蒸発することで吸熱した後、アキュムレータ２０を経て圧縮機２１Ａ及び２１Ｂに吸引され、他方の冷媒が膨張弁２６において減圧された後、熱源側熱交換器２５に流入し、蒸発することで吸熱した後、アキュムレータ２０を経て圧縮機２１Ａ及び２１Ｂに吸引される。

コントローラ１００は、カスケード熱交換器１８の空調側管路１８Ａの出入り口の冷媒温度或いはカスケード熱交換器１８の温度に基づいて適正な過熱度となるように上記膨張弁２６及び２７の弁開度を調整する。また、利用側熱交換器３０Ａの温度やそこに通風される空気の温度に基づき、送風機３０Ｂの制御を行う。

また、コントローラ１００は、冷却装置７の冷却貯蔵設備用冷媒回路６の四方弁１３により、オイルセパレータ１２の出口と四方弁１７の一方の入口を連通させ、カスケード熱交換器１８のケース側管路１８Ｂの出口と四方弁５１の一方の入口を連通させる。また、四方弁１７により四方弁１３の一方の出口とカスケード熱交換器１８のケース側管路１８Ｂの入口を連通させ、レシーバタンク１６の出口と電磁弁３３及び３６を連通させる。さらに、四方弁５１により四方弁１３の一方の出口と凝縮器１４の入口側１４Ａを連通させ、凝縮器１４の出口側１４Ｂとレシーバタンク１６の入口を連通させる。

これにより、圧縮機１１から吐出された高温高圧のガス冷媒は、四方弁１３、１７を介してカスケード熱交換器１８のケース側管路１８Ｂに入る。したがって、圧縮機１１から吐出された高温高圧のガス冷媒は凝縮器１４で放熱する前に直接カスケード熱交換器１８のケース側管路１８Ｂに供給される。このケース側管路１８Ｂに流入した冷却貯蔵設備用冷媒回路６の高圧側の冷媒は、カスケード熱交換器１８で放熱し、空調側管路１８Ａで蒸発する空調用冷媒回路４の低圧側の冷媒によって冷却される。これによって、空調用冷媒回路４の冷媒は冷却貯蔵設備用冷媒回路６の排熱を利用することができ、暖房能力を向上することができる。

このカスケード熱交換器１８のケース側管路１８Ｂを通過した冷媒は四方弁１３及び５１を通過して凝縮器１４の入口側１４Ａに入り、そこで放熱して凝縮液化し、四方弁５１を介してレシーバタンク１６に入り、そこで気液分離され、分離された液冷媒はレシーバタンク１６から流出し、四方弁１７を介して室内２に流入した後に分岐し、電磁弁３３及び３６の入口へ流れる。

この運転により、カスケード熱交換器１８で冷却貯蔵設備用冷媒回路６の高圧側冷媒の廃熱を回収して空調用冷媒回路４の利用側熱交換器３０Ａに搬送することができ、暖房能力の改善を図ることができるようになり、総じて、室内空調と冷蔵ケース３１及び冷凍ケース３４の庫内冷却を行う空調冷凍装置１の効率改善を図り、省エネ化を図ることが可能となる。
特に、冷却貯蔵設備用冷媒回路６の高圧側冷媒を凝縮器１４よりも先にカスケード熱交換器１８に流すので、冷却貯蔵設備用冷媒回路６の高圧側冷媒からの廃熱を効率よく回収し、空調用冷媒回路４の利用側熱交換器３０Ａにおける暖房能力をより向上させることができる。

なお、空気調和機５の負荷が軽くなった場合、コントローラ１００は、膨張弁２７の弁開度を絞って冷媒流量を低減させる。この場合、カスケード熱交換器１８における冷却貯蔵設備用冷媒回路６の冷媒の放熱量が過剰となるが、本発明では冷却貯蔵設備用冷媒回路６の高圧側冷媒をカスケード熱交換器１８に流した後に凝縮器１４に流すようにしているので、凝縮器１４において過剰な熱量を放出でき、安定した廃熱回収運転を実現することができる。

また、冷却貯蔵設備用冷媒回路６の冷凍用蒸発器３４Ａから出た冷媒の圧力は、その蒸発温度が低くなることから冷蔵用蒸発器３１Ａから出た冷媒よりも低くなるが、冷蔵用蒸発器３１Ａから出た冷媒と合流させる以前に圧縮機４１により圧縮することで昇圧されるので、圧縮機１１の吸込側圧力を調整することにより、冷蔵ケース３１と冷凍ケース３４の庫内冷却を各々適切に行うことができる。

これに対し、冷房運転の場合は、図１に示すように、コントローラ１００は、空調用冷媒回路４の四方弁２４を切り換えてオイルセパレータ２３の出口と熱源側熱交換器２５の入口側２５Ａを連通させ、利用側熱交換器３０Ａの出口と逆止弁２９の入口を連通させ、膨張弁２６を全開にすることにより熱源側熱交換器２５が凝縮器に、利用側熱交換器３０Ａが蒸発器として機能して冷房運転状態となり、室内を冷房する。
なお、冷却貯蔵設備用冷媒回路６については、冷媒が凝縮器１４からカスケード熱交換器１８を経て冷蔵ケース３１と冷凍ケース３４を流れる。この運転により、凝縮器１４で凝縮した後にカスケード熱交換器１８で過冷却を増やし、冷蔵側冷却能力をアップすることができる。このため、室内空調と冷蔵ケース３１及び冷凍ケース３４の庫内冷却を行う空調冷凍装置１の効率改善を図り、省エネ化を図ることが可能となる。

ところで、室外温度が著しく低下した場合には、空調用冷媒回路４において熱源側熱交換器２５で十分な熱を汲み上げることができなくなる場合が生じる他、熱源側熱交換器２５に霜が発生してしまい、暖房能力が低下するおそれが生じる。
そこで、本構成では、コントローラ１００が、暖房運転の場合に外気温度Ｔが低下して十分な熱を汲み上げられない温度（低外気運転モード開始温度Ｔ０）以下になると、低外気運転モードに移行し、図２から図３へと四方弁５１を切り換えると共に、膨張弁２７を開け、膨張弁２６を閉じるように構成されている。

すなわち、コントローラ１００は、四方弁１３の一方の出口とレシーバタンク１６の入口を連通させ、凝縮器１４の入口側１４Ａと出口側１４Ｂを連通させる。このため、カスケード熱交換器１８のケース側管路１８Ｂの出口から流出した冷媒を凝縮器１４に流入させることなく、レシーバタンク１６を介して冷蔵ケース３１の冷蔵用蒸発器３１Ａ及び冷凍ケース３４の冷凍用蒸発器３４Ａへと流れる。すなわち、冷却貯蔵設備用冷媒回路６の高圧側の冷媒をカスケード熱交換器１８に流した後、凝縮器１４を介さずに蒸発器３１Ａ、３４Ａに流している。
この場合、凝縮器１４が冷却貯蔵設備用冷媒回路６から独立し、冷媒が凝縮器１４内に貯留されてしまうため、冷却貯蔵設備用冷媒回路６を循環する冷媒の不足を招いたり、凝縮器１４の内圧が上昇するおそれがある。そのため、本構成では、上述した四方弁５１を介する経路とは別に逆止弁１９を介して凝縮器１４とレシーバタンク１６を連通させることにより、凝縮器１４から冷却貯蔵設備用冷媒回路６へ冷媒が移動できるようにしている。

また、コントローラ１００は、空調用冷媒回路４において、膨張弁２７を開けると共に膨張弁２６を閉じているので、利用側熱交換器３０Ａから流出して膨張弁２８を通過した冷媒を、熱源側熱交換器２５に流入させることなく、膨張弁２７を通過させてカスケード熱交換器１８の空調側管路１８Ａに流入させ、ここで蒸発させることで吸熱させた後、アキュムレータ２０を経て圧縮機２１Ａ及び２１Ｂに吸引させる。すなわち、空調用冷媒回路４の低圧側の冷媒を、熱源側熱交換器２５に流さずにカスケード熱交換器１８に流している。

このような構成をとることにより、冷却貯蔵設備用冷媒回路６では、圧縮機１１から吐出した高温高圧の冷媒がカスケード熱交換器１８において、空調用冷媒回路４の冷媒に熱を供給した凝縮器１４にて放熱することなくレシーバタンク１６を介して電磁弁３３及び３６に向かう。したがって、冷媒が凝縮器１４で過剰に放熱してしまうことを防止することができ、この冷媒の排熱を回収して空調用冷媒回路４の利用側熱交換器３０Ａに搬送することにより、空気調和機５の暖房能力の改善を図ることができるようになる。

しかも、空調用冷媒回路４では、冷媒が熱源側熱交換器２５を流れずにカスケード熱交換器１８だけを流れて利用側熱交換器３０Ａに流れるので、熱源側熱交換器２５に霜が発生するのを回避することができる。これにより、従来のように暖房運転時に室外温度が低くなると熱源側熱交換器２５に霜が発生して除霜運転を繰り返してしまうといった事態を回避することができ、暖房能力の低下や成績係数（ＣＯＰ）の低下を回避することが可能になる。
この場合、コントローラ１００は、膨張弁２７を開けると共に膨張弁２６を閉じた後、冷却貯蔵設備用冷媒回路６の冷媒の温度（例えば、カスケード熱交換器１８のケース側管路１８Ｂの出口、或いは、入口等の温度）に基づいて、適正な過熱度となるように膨張弁２７の開度を制御し、どうしても適正な過熱度とならない場合、膨張弁２６も開けて過熱度を調整する。なお、膨張弁２８は暖房時、常に全開とされる。

ここで、上述のように、上記着霜を防止可能な暖房運転の開始条件は外気温度Ｔが上記低外気運転モード開始温度（−１０度）Ｔ０を下回ったことであるが、解除条件は、外気温度Ｔが予め定めた設定温度（着霜が生じない温度（解除温度）、例えば０度）を超えた場合、或いは、冷却貯蔵設備用冷媒回路６の高圧側冷媒の圧力が予め定めた許容上限圧（例えば２．３ＭＰａ）を超えた場合である。そして、許容上限圧を超えた場合は、上記高圧側冷媒の圧力が予め定めた復帰圧（許容上限圧より低い値、例えば、１．０ＭＰａ）を下回った際に、上記低外気運転モードによる暖房運転に復帰させるようにしている。

以上説明したように、本実施形態によれば、暖房運転時に外気温度Ｔが熱源側熱交換器２５に着霜が生じる温度Ｔ０以下になると、冷却貯蔵設備用冷媒回路６の高圧側の冷媒をカスケード熱交換器１８に流した後、凝縮器１４を介さずに蒸発器３１Ａ、３４Ａに流すと共に、空調用冷媒回路４の低圧側の冷媒を、熱源側熱交換器２５に流さずにカスケード熱交換器１８に流すので、熱源側熱交換器２５の着霜を防止し、かつ、暖房能力の向上や高い成績係数を維持することができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の変更実施が可能である。例えば、コンビニエンスストアに設置する冷凍システムを例に挙げて説明したが、これに限らず、室内空調と冷却貯蔵設備の冷却とを行う種々の冷凍システムに広く適用することができる。

本実施形態に係る冷凍システムの構成を示す図である。 冷凍システムの暖房運転を説明する図である。 冷凍システムの低外気運転モードによる暖房運転を説明する図である。

符号の説明

１ 冷凍システム
４ 空調用冷媒回路
５ 空気調和機
６ 冷却貯蔵設備用冷媒回路
７ 冷却装置
１１、２１Ａ、２１Ｂ、４１ 圧縮機
１３、１７、２４、５１ 四方弁
１４ 凝縮器
１８ カスケード熱交換器
２５ 熱源側熱交換器
３０Ａ 利用側熱交換器
３１ 冷蔵ケース
３４ 冷凍ケース
Ｔ０ 低外気運転モード開始温度（開始温度）

Claims (6)

1. 圧縮機、熱源側熱交換器及び利用側熱交換器を備える空調用冷媒回路と、冷却用圧縮機、凝縮器及び蒸発器を備える冷却貯蔵設備用冷媒回路と、前記空調用冷媒回路の低圧側の冷媒と前記冷却貯蔵設備用冷媒回路の高圧側の冷媒とを熱交換させるカスケード熱交換器と、運転を制御する運転制御部とを備える冷凍システムにおいて、
   前記運転制御部は、前記空調用冷媒回路で前記圧縮機から吐出された冷媒を前記利用側熱交換器を介して、前記熱源側熱交換器と前記カスケード熱交換器とに流通させると共に、前記冷却貯蔵設備用冷媒回路で前記冷却用圧縮機から吐出された冷媒を前記カスケード熱交換器、前記凝縮器、前記蒸発器の順に流通させて暖房運転を行い、外気温度が予め定めた開始温度を下回ると、前記冷却貯蔵設備用冷媒回路の高圧側の冷媒を前記カスケード熱交換器に流した後、前記凝縮器を介さずに前記蒸発器に流すと共に、前記空調用冷媒回路の低圧側の冷媒を前記熱源側熱交換器に流さずに前記カスケード熱交換器に流す低外気運転モードに移行し、前記外気温度が前記熱源側熱交換器に着霜が生じない解除温度を超えた場合、或いは、前記冷却貯蔵設備用冷媒回路の高圧側冷媒の圧力が許容上限圧を超えた場合に、前記低外気運転モードを解除することを特徴とする冷凍システム。
2. 前記空調用冷媒回路は、前記空調用冷媒回路の低圧側の冷媒を前記熱源側熱交換器に流す経路に配置される第１膨張弁と、前記経路から分岐して前記冷媒を前記カスケード熱交換器に流す経路に配置される第２膨張弁とを有し、
   前記運転制御部は、前記空調用冷媒回路の暖房運転時に外気温度が予め定めた開始温度を下回ると、前記第２膨張弁を開けると共に前記第１膨張弁を閉じることを特徴とする請求項１に記載の冷凍システム。
3. 前記運転制御部は、前記外気温度が前記解除温度を超えて前記低外気運転モードを解除した場合、前記冷却貯蔵設備用冷媒回路の高圧側の冷媒を前記カスケード熱交換器に流した後、前記凝縮器を介して前記蒸発器に流すと共に、前記空調用冷媒回路の低圧側の冷媒を前記熱源側熱交換器に流すことを特徴とする請求項１又は２に記載の冷凍システム。
4. 前記運転制御部は、前記冷却貯蔵設備用冷媒回路の高圧側冷媒の圧力が前記許容上限圧を超えて前記低外気運転モードを解除した場合、前記冷却貯蔵設備用冷媒回路の高圧側の冷媒を前記カスケード熱交換器に流した後、前記凝縮器を介して前記蒸発器に流すと共に、前記空調用冷媒回路の低圧側の冷媒を前記熱源側熱交換器に流し、前記冷却貯蔵設備用冷媒回路の高圧側冷媒の圧力が、前記許容上限圧より低い値に設定された復帰圧を下回った際に、前記低外気運転モードに復帰することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の冷凍システム。
5. 前記冷却貯蔵設備用冷媒回路は、前記カスケード熱交換器から流れた前記冷却貯蔵設備用冷媒回路の高圧側の冷媒を、前記凝縮器を介さずに前記蒸発器に流すか、前記凝縮器を介して前記蒸発器に流すかを切替可能な四方弁を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の冷凍システム。
6. 圧縮機、熱源側熱交換器及び利用側熱交換器を備える空調用冷媒回路と、冷却用圧縮機、凝縮器及び蒸発器を備える冷却貯蔵設備用冷媒回路と、前記空調用冷媒回路の低圧側の冷媒と前記冷却貯蔵設備用冷媒回路の高圧側の冷媒とを熱交換させるカスケード熱交換器と、運転を制御する運転制御部とを備える冷凍システムの制御方法において、
   前記運転制御部は、前記空調用冷媒回路で前記圧縮機から吐出された冷媒を前記利用側熱交換器を介して、前記熱源側熱交換器と前記カスケード熱交換器とに流通させると共に、前記冷却貯蔵設備用冷媒回路で前記冷却用圧縮機から吐出された冷媒を前記カスケード熱交換器、前記凝縮器、前記蒸発器の順に流通させて暖房運転を行い、外気温度が予め定めた開始温度を下回ると、前記冷却貯蔵設備用冷媒回路の高圧側の冷媒を前記カスケード熱交換器に流した後、前記凝縮器を介さずに前記蒸発器に流すと共に、前記空調用冷媒回路の低圧側の冷媒を前記熱源側熱交換器に流さずに前記カスケード熱交換器に流す低外気運転モードに移行し、前記外気温度が前記熱源側熱交換器に着霜が生じない解除温度を超えた場合、或いは、前記冷却貯蔵設備用冷媒回路の高圧側冷媒の圧力が許容上限圧を超えた場合に、前記低外気運転モードを解除することを特徴とする冷凍システムの制御方法。

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