JP5409747B2

JP5409747B2 - 二元冷凍装置

Info

Publication number: JP5409747B2
Application number: JP2011230759A
Authority: JP
Inventors: 智隆石川; 宗野本; 哲也山下; 隆池田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-10-20
Filing date: 2011-10-20
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2031-10-20
Also published as: JP2013088080A

Description

本発明は二元冷凍装置に関するものである。特に低元冷凍サイクル側に補助放熱器を備えた二元冷凍装置に関するものである。

従来より、マイナス数十度の低温度の冷却を行うための装置として、高温側冷媒を循環するための冷凍サイクル装置である高元冷凍サイクルと低温側冷媒を循環するための冷凍サイクル装置である低元冷凍サイクルとを有する二元冷凍装置が使用されている。例えば、二元冷凍装置では、低元冷凍サイクルにおける低元側凝縮器と高元冷凍サイクルにおける高元側蒸発器とを熱交換できるように構成したカスケードコンデンサによって低元冷凍サイクルと高元冷凍サイクルとを連結している。

そして、このような二元冷凍装置には、例えば低元冷凍サイクルにおいてカスケードコンデンサの前段に補助放熱器を設置し、低温側圧縮機から吐出された吐出冷媒を補助放熱器で放熱させて冷却することで運転効率の向上を図っているものがある（例えば、特許文献１参照）。

特許第３６０４９７３号公報（第２頁、第３頁、図１）

上記の特許文献１の二元冷凍装置は、低元冷凍サイクルにおいて吐出冷媒を冷却する補助放熱器の放熱量を増大させることで、高元冷凍サイクルの冷却能力を低減して運転効率を向上するものである。ここで、補助放熱器の放熱量をどの程度まで増大できるかは、例えば屋外の空気（外気）の温度などの放熱を行う対象によって異なる。

例えば、二元冷凍装置に対しては、年間を通して高い運転効率での運転ができることが望まれている。よって、空冷式の補助放熱器を備えた二元冷凍装置においても、例えば年間を通した外気温度変化を踏まえた上で、高い運転効率によって省エネルギーを図ることができるように補助放熱器の放熱量を制御することが望まれる。しかし、従来の二元冷凍装置において、この点については検討されているものはなかった。

本発明はこのような点に鑑みなされたもので、補助放熱器の放熱量を制御し、例えば、年間を通して省エネルギー効果を得ることが可能な二元冷凍装置を提供することを目的とする。

本発明に係る二元冷凍装置は、高元側圧縮機、高元側凝縮器、高元側絞り装置及び高元側蒸発器を配管接続し、冷媒を循環させる高元側冷媒回路を形成する高元冷凍サイクルと、低元側圧縮機、補助放熱器、低元側凝縮器、低元側絞り装置及び低元側蒸発器を配管接続し、冷媒を循環させる低元側冷媒回路を形成する低元冷凍サイクルと、高元側蒸発器と低元側凝縮器とにより構成し、高元側冷媒回路を流れる冷媒と低元側冷媒回路を流れる冷媒との間の熱交換を行うカスケードコンデンサと、補助放熱器を流れる冷媒と熱交換させるための屋外空気を補助放熱器に通過させる送風機と、低元冷凍サイクルの低元側凝縮器における凝縮温度よりも、補助放熱器を通過させる屋外空気の温度の方が高いと判断すると、送風機の風量を減少させる制御を行う制御装置とを備えるものである。

本発明によれば、二元冷凍装置において、低減冷凍サイクルに補助放熱器と放熱器に屋外空気を流す送風機を備え、制御装置が、低元冷凍サイクルにおける凝縮温度よりも屋外空気の温度の方が高いと判断すると送風機の風量を減少させるようにしたので、例えば、空気の温度変化を踏まえた上で運転を制御することができ、高い運転効率を達成し、省エネルギーを図ることができる。例えば屋外空気に放熱を行う際には、年間を通して高い運転効率を達成することができる。

本発明の実施の形態１における二元冷凍装置の構成を表す図である。本発明の実施の形態１の二元冷凍装置におけるエンタルピと飽和温度との関係を示す図である。低元側凝縮温度と圧縮機入力との関係を示す図である。低元側凝縮温度が外気温度よりも低い場合と高い場合の放熱量について説明するための図である。補助放熱器１５の放熱量とＣＯＰとの関係を説明するための図である。本発明の実施の形態２における二元冷凍装置の構成を表す図である。

以下、本発明に係る二元冷凍装置の好適な実施の形態について図面を参照して説明する。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１における二元冷凍装置の構成を表す図である。図１に示すように、本実施の形態における二元冷凍装置は、低元冷凍サイクル１０と高元冷凍サイクル２０とを有し、それぞれ独立して冷媒を循環させる冷媒回路を構成する。そして、２つの冷媒回路を多段構成するために、高元側蒸発器２４と低元側凝縮器１２とを、それぞれ通過する冷媒間での熱交換を可能に結合させて構成したカスケードコンデンサ（冷媒間熱交換器）Ｃを設けている。また、二元冷凍装置全体の運転制御を行う制御装置３０を有する。ここで、温度、圧力等の高低については、特に絶対的な値との関係で高低等が定まっているものではなく、システム、装置等における状態、動作等において相対的に定まるものとする。

図１において、低元冷凍サイクル１０は、低元側圧縮機１１と、補助放熱器１５と、低元側凝縮器１２と、低元側膨張弁１３と、低元側蒸発器１４とを順に冷媒配管で接続して冷媒回路（以下、低元側冷媒回路という）を構成している。一方、高元冷凍サイクル２０は、高元側圧縮機２１と、高元側凝縮器２２と、高元側膨張弁２３と、高元側蒸発器２４とを順に冷媒配管で接続して冷媒回路（以下、高元側冷媒回路という）を構成している。

低元冷凍サイクル１０の低元側圧縮機１１は、冷媒を吸入し、圧縮して高温・高圧の状態にして吐出する。ここでは、例えばインバータ回路等により回転数を制御し、高元側冷媒の吐出量を調整できるタイプの圧縮機で構成する。

補助放熱器１５は、例えばガスクーラ等として機能し、屋外の空気（外気）との熱交換により低元側圧縮機１１が吐出したガス冷媒を冷却する。ここで、本実施の形態における二元冷凍装置は、補助放熱器１５における外気と冷媒との熱交換を促すための送風機である補助放熱器ファン１６を有しているものとする。補助放熱器ファン１６は補助放熱器１５に空気を通過させる流れを形成する。例えばインバータ回路等により回転数を制御し、風量を調整できるタイプのファンで構成する。

また、低元側凝縮器１２は、補助放熱器１５を通過した冷媒との間で熱交換を行い、冷媒を凝縮させて液状の冷媒にする（凝縮液化させる）ものである。例えば、ここではカスケードコンデンサＣにおいて低元側冷媒回路を流れる冷媒が通過する伝熱管等が低元側凝縮器１２となって、高元側冷媒回路を流れる冷媒との熱交換が行われるものとする。

減圧装置、絞り装置等となる低元側膨張弁１３は、低元側冷媒回路を流れる冷媒を減圧して膨張させるものである。例えば電子式膨張弁等の流量制御手段、毛細管（キャピラリ）、感温式膨張弁等の冷媒流量調節手段等で構成する。低元側蒸発器１４は、例えば冷却対象との熱交換により低元冷媒回路を流れる冷媒を蒸発させて気体（ガス）状の冷媒にする（蒸発ガス化させる）ものである。冷媒との熱交換により、冷却対象は、直接又は間接に冷却されることになる。

一方、高元冷凍サイクル２０の高元側圧縮機２１は、高元側冷媒回路を流れる冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮して高温・高圧の状態にして吐出する。高元側圧縮機２１についても、例えばインバータ回路等を有し、冷媒の吐出量を調整できるタイプの圧縮機で構成する。高元側凝縮器２２は、例えば、空気、ブライン等と高元側冷媒回路を流れる冷媒との間で熱交換を行い、冷媒を凝縮液化させるものである。ここで、本実施の形態では、外気と冷媒との熱交換を行うものとし、熱交換を促すための高元側凝縮器ファン２５を有しているものとする。高元側凝縮器ファン２５についても風量を調整できるタイプのファンで構成する。

減圧装置、絞り装置等となる高元側膨張弁２３は、高元側冷媒回路を流れる冷媒を減圧して膨張させるものである。例えば前述した電子式膨張弁等の流量制御手段、毛細管等の冷媒流量調節手段で構成する。高元側蒸発器２４は、熱交換により高元側冷媒回路を流れる冷媒を蒸発ガス化するものである。例えば、ここではカスケードコンデンサＣにおいて高元側冷媒回路を流れる冷媒が通過する伝熱管等が高元側蒸発器２４となって、低元側冷媒回路を流れる冷媒との熱交換が行われるものとする。

また、カスケードコンデンサＣは、前述した高元側蒸発器２４と低元側凝縮器１２との機能を有し、高元側冷媒と低元側冷媒とを熱交換可能にする冷媒間熱交換器である。カスケードコンデンサＣを介して高元側冷媒回路と低元側冷媒回路とを多段構成にし、冷媒間の熱交換を行うようにすることで、独立した冷媒回路を連携させることができる。また、制御装置３０は、二元冷凍装置を構成する各機器の動作制御等を行う。外気温度検出手段３１は外気温度を検出するための温度センサーである。以下、外気温度は、外気温度検出手段３１の検出に係る温度であるものとする。

このような構成の二元冷凍装置においては、低元冷凍サイクル１０の一部の機器（例えば低元側蒸発器１４）を、例えばスーパーマーケットのショーケースなどの室内の負荷装置が有していることがある。例えば、ショーケースを配置換えなどして配管の接続変更などを行って冷媒回路が開放されると、冷媒漏れが発生する可能性が多くなる。そこで、ここでは、低元冷凍サイクル１０の低元側冷媒回路を循環させる冷媒として、冷媒漏れを考慮し、地球温暖化に対する影響が小さいＣＯ₂（二酸化炭素）を用いる。一方、高元冷凍サイクル２０に用いる冷媒は、高元冷凍サイクル２０は冷媒回路が開放されることがないため、例えば地球温暖化係数の高いＨＦＣ冷媒などを用いることができる。それでも、例えば、ＨＦＯ冷媒（ＨＦＯ１２３４ｙｆ、ＨＦＯ１２３４ｚｅ等）、ＨＣ冷媒、ＣＯ₂、アンモニア、水などの地球温暖化に対する影響が小さい冷媒を用いることが望ましい。そこで、本実施の形態では、高元冷凍サイクル２０の高元側冷媒回路を循環させる冷媒としてＨＦＯ冷媒を用いる。

以上のような二元冷凍装置の冷却運転における各構成機器の動作等を、各冷媒回路を循環する冷媒の流れに基づいて説明する。まず、高元冷凍サイクル２０の動作について説明する。高元側圧縮機２１は、ＨＦＯ冷媒を吸入し、圧縮して高温・高圧の状態にして吐出する。吐出した冷媒は高元側凝縮器２２へ流入する。高元側凝縮器２２は、高元側凝縮器ファン２５から供給される外気とＨＦＯ冷媒との間で熱交換を行い、ＨＦＯ冷媒を凝縮液化する。凝縮液化した冷媒は高元側膨張弁２３を通過する。高元側膨張弁２３は凝縮液化した冷媒を減圧する。減圧した冷媒は高元側蒸発器２４（カスケードコンデンサＣ）に流入する。高元側蒸発器２４は、低減側凝縮器１２を通過する冷媒との熱交換により冷媒を蒸発ガス化する。蒸発ガス化したＨＦＯ冷媒を高元側圧縮機２１が吸入する。

次に、低元冷凍サイクル１０の動作について説明する。低元側圧縮機１１は、ＣＯ₂冷媒を吸入し、圧縮して高温・高圧の状態にして吐出する。吐出した冷媒は補助放熱器１５で冷却されて低元側凝縮器１２（カスケードコンデンサＣ）へ流入する。低元側凝縮器１２は、高元側蒸発器２４を通過する冷媒との熱交換により冷媒を凝縮液化する。凝縮液化した冷媒は低元側膨張弁１３を通過する。低元側膨張弁１３は凝縮液化した冷媒を減圧する。減圧した冷媒は低元側蒸発器１４に流入する。低元側蒸発器１４は冷却対象との熱交換により冷媒を蒸発ガス化する。蒸発ガス化したＣＯ₂冷媒を高元側圧縮機２１が吸入する。

本実施の形態の二元冷凍装置では、例えば、高元側圧縮機２１において、駆動するモータの周波数を制御し、高元冷凍サイクル２０における冷却能力を制御することにより低元側冷媒回路における吐出側の圧力（高圧）を調節する。この点について以下に詳述する。

図２は本発明の二元冷凍装置におけるエンタルピと飽和温度との関係を示す図である。本実施の形態の二元冷凍装置では、カスケードコンデンサＣにおいて、低元側凝縮温度と高元側蒸発温度との温度差ΔＴが生じるものとする。温度差ΔＴはカスケードコンデンサＣの熱交換量によって変化するが、ここでは例えば５℃程度とする。

例えば、ある運転状態から高元側圧縮機２１の運転周波数を上げて高元側の冷却能力を増大させると、高元側蒸発温度が低下する。低下した高元側蒸発温度との温度差ΔＴを維持することで低元側凝縮温度（低元側高圧）も低下する。逆に、高元側の冷却能力を低減すれば低元側高圧が上昇する。

また、図２から明らかなように、高元側圧縮機２１の運転周波数を上げて低元冷凍サイクル１０の低元側高圧が低下すると、高元側圧縮機２１の入力（以下、高元側圧縮機入力という）は大きくなる（ＷＨ１＜ＷＨ２）のに対し、低元側圧縮機１１の入力（以下、低元側圧縮機入力という）は小さくなる（ＷＬ１＞ＷＬ２）。ここで、冷凍能力Ｑ＝ΔＨ（エンタルピ差）×Ｇｒ（冷媒流量）である。二元冷凍装置では、外気温度に応じて冷却負荷が変化し、冷却負荷に対して冷凍能力（低元冷凍サイクル１０側の蒸発能力に相当）を決定している。そして、決定した冷凍能力を一定に保つように低元側圧縮機１１によりＧｒ（冷媒流量）を制御している。例えば、ΔＨ（エンタルピ差）が一定であれば、Ｇｒ（冷媒流量）が一定となるように低元側圧縮機１１を制御する。

例えば、本実施の形態の二元冷凍装置において、低元冷凍サイクル１０に使用されるＣＯ₂冷媒は、高元冷凍サイクル２０で用いられるＨＦＯ冷媒に比べて冷凍効果が小さい。そのため、大きな圧縮機動力が必要となり、高元冷凍サイクル２０で用いているＨＦＯ冷媒に比べて運転効率が低くなる。そこで、高元側圧縮機２１の容量を増大させて、低元側高圧を低下させることにより、低元冷凍サイクル１０側の消費電力を小さくする。そして、運転効率が高いＨＦＯ冷媒を用いた高元冷凍サイクル２０側の消費電力が大きくなったとしても高元冷凍サイクル２０側の仕事量を増やすことで、二元冷凍装置全体の運転効率を向上させる。このように、高効率な高元冷凍サイクル２０の消費電力比率を大きくすることで、二元冷凍装置全体の運転効率を最適とすることができる。このため、低元冷凍サイクル１０の低元側高圧は、ＣＯ₂が超臨界状態にならないことが多くなり、低元側凝縮器１２において相変化が生じる飽和温度（低元側凝縮温度）が決まっている。

図３は低元側凝縮温度と圧縮機入力との関係を示す図である。図３において、横軸は低元側凝縮温度であり、縦軸は圧縮機入力である。そして、高元側圧縮機２１入力と低元側圧縮機１１入力とそれらの合計入力（二元冷凍装置全体の合計入力）とについて、それぞれ表している。図３に示すように、高元側圧縮機２１と低元側圧縮機１１のそれぞれの圧縮機入力が略同等となるときに合計入力が最も小さくなり、ＣＯＰ（Coefficient Of Performance：成績係数＝冷凍能力／（高元側圧縮機入力＋低元側圧縮機入力））が最大となることがわかる。

以上より、二元冷凍装置ではＣＯＰが最大となるように高元側圧縮機入力と低元側圧縮機入力とを略同等とする運転制御を行っている。例えば、図２で説明すると、高元側圧縮機入力（＝エンタルピ差ＷＨ１×高元冷媒流量Ｇｒｈ）と、低元側圧縮機入力（＝エンタルピ差ＷＬ１×低元冷媒流量Ｇｒｌ）とが略同等となるように、制御装置３０は制御を行っている。

ここで、図３を別の見方をすると、低元冷凍サイクル１０の低元側凝縮温度がＴｃのとき合計入力が最小となり、ＣＯＰが最大となる。よって、高元側圧縮機入力と低元側圧縮機入力とを略同等とする運転制御は、具体的には低元側凝縮温度を目標低元側凝縮温度Ｔｃに保つように低元冷凍サイクル１０を制御することになる。このとき、高元冷凍サイクル２０側は、目標低元側凝縮温度ＴｃよりもΔＴ℃低い温度を目標高元側蒸発温度として一定に保つ制御を行うことになる。このような制御を行うことにより、ＣＯＰを最大とすることができる。ここで、外気温度に応じて高元側高圧（高元側凝縮温度）は異なるため、高元側圧縮機２１入力も外気温度に伴い変化する。したがって、ＣＯＰを最大とする目標低元側凝縮温度Ｔｃも外気温度によって変化することになる。

以上のことから、外気温度に基づいて高元側凝縮温度が決定し、高元側凝縮温度が決定すると目標低元側凝縮温度Ｔｃが決定する。そして、目標低元側凝縮温度Ｔｃが決定すると、高元冷凍サイクル２０では高元蒸発温度を目標低元側凝縮温度Ｔｃ−ΔＴ℃となるようにする制御を行う。これにより高元側圧縮機入力と低元側圧縮機入力とを略同等とする運転制御を実現することができ、ＣＯＰを最大とすることができる。ここで、高元冷凍サイクル２０を制御をする際、目標高元側蒸発温度を定めて高元蒸発温度を制御するようにしたが、低元側凝縮温度を直接検知して制御するようにしてもよい。また、高元側圧縮機入力と低元側圧縮機入力とを直接検知して高元冷凍サイクル２０を制御するようにしてもよい。

以上の説明において、低効率の低元冷凍サイクル１０の消費電力を抑えるために低元側高圧（低元側凝縮温度）を低下させるものとしたが、これは制御原理上の説明であって、実運転上において低元側高圧を低下させるという意味ではない。実運転上は、上述したように目標低元側凝縮温度Ｔｃに一定に保つ制御を行うことになる。

また、低元側高圧を低下させる制御原理について補足して説明すると、高元冷凍サイクル２０で用いられるＨＦＯ冷媒は低元冷凍サイクル１０で用いられるＣＯ₂冷媒に比べると高効率な冷媒（高ＣＯＰとなるような冷媒）である。このため、高元冷凍サイクル２０において、高元側圧縮機２１の運転により導かれる図２のモリエル線図上の傾きθｈは低元側圧縮機１１の運転による傾きθｌより大きい。したがって、低元側凝縮温度を下げていっても、低元側凝縮温度が目標低元側凝縮温度Ｔｃに至るまでは高元側圧縮機入力が低元側圧縮機入力を超えることはない。そして、目標低元側凝縮温度Ｔｃにおいて、高元側圧縮機入力と低元側圧縮機入力とが等しくなる。

次に冷媒の運転効率について具体的に説明する。運転効率の指標であるＣＯＰ（＝蒸発器のエンタルピ差／圧縮過程のエンタルピ差）が高ければ、少ない圧縮動力で大きな蒸発潜熱を得られ、高効率な冷媒となる。例えば、外気温度３２℃で運転する一般の冷凍機の動作状態、すなわち蒸発温度−４０℃、凝縮温度４０℃（超臨界のＣＯ₂高圧は８．８ＭＰａとする）、吸入過熱度５℃、液過冷却度５℃の条件で各冷媒の理論上得られるＣＯＰは、ＣＯ₂：１．２５、Ｒ４０４Ａ：１．７６、Ｒ４１０Ａ：１．９１、Ｒ１３４ａ：２．０１、Ｒ３２：１．９８、プロパン：１．９９、イソブタン：２．０５、ＨＦＯ１２３４ｙｆ：１．８３となる。ＣＯ₂は、ＨＦＯ冷媒やＨＦＣ冷媒やＨＣ冷媒と比較しＣＯＰが低く、低効率な冷媒である。

ここで、本実施の形態では低元冷凍サイクル１０においてＣＯ₂を冷媒として使用している。この場合、目標低元側凝縮温度Ｔｃは外気温度よりも低くなる。具体的には、例えば高外気条件である３２℃のとき、目標低元側凝縮温度Ｔｃが約２０℃となり、低外気条件である７℃のとき、目標低元側凝縮温度Ｔｃが約０℃となる。上述したように、低元側高圧（低元側凝縮温度）を下げると、運転効率が低い低元冷凍サイクル１０側における低元側圧縮機入力を下げることができるため、外気温度よりも低い温度領域内に目標低元側凝縮温度Ｔｃが位置することになる。ここで、外気温度よりも低い温度領域内に目標低元側凝縮温度Ｔｃが位置するのは、低元冷凍サイクル１０において低効率なＣＯ₂冷媒を適用した場合であって、低元冷凍サイクル１０と高元冷凍サイクル２０の冷媒種類の組み合わせによっては、この限りではない。例えば、低外気温度時は目標低元側凝縮温度Ｔｃの方が高くなり、高外気温度時は目標低元側凝縮温度Ｔｃの方が低くなるなど、外気温度変化に対して目標低元側凝縮温度Ｔｃと外気温度との相対関係が変化する場合もある。

（低元側凝縮温度が外気温度よりも低い場合と高い場合の補助放熱器１５の放熱量の違いについて）
次に、補助放熱器１５の放熱量について考察する。本実施の形態の二元冷凍装置では、低元冷凍サイクル１０に運転効率の低いＣＯ₂冷媒を使用している関係から目標低元側凝縮温度Ｔｃが外気温度よりも低くなる。補助放熱器１５は冷媒が有する熱を外気に放熱するため、低元側圧縮機１１から吐出された冷媒と外気とを補助放熱器１５で熱交換しても、最大でも外気温度までしか冷媒の温度は下がらない。また、低元冷凍サイクル１０の低元側凝縮温度が外気温度よりも低い場合と高い場合とでは吐出温度の冷媒を補助放熱器１５で同じ外気温度まで下げるにあたっても、その放熱量は異なったものとなる。

例えば本実施の形態の二元冷凍装置においては、制御装置３０が低元側凝縮温度を目標低元側凝縮温度Ｔｃに一定になるように制御するものである。目標低元側凝縮温度Ｔｃは外気温度よりも低いため、低元側凝縮温度が外気温度よりも低い場合の補助放熱器１５の放熱量について考察する。ここでは、比較のため、圧縮機、放熱器、膨張弁及び蒸発器を備えた一般的な冷媒回路において凝縮温度が外気温度よりも高い場合の凝縮温度での放熱量についても考察する。

図４は、低元側凝縮温度が外気温度よりも低い場合と高い場合の放熱量について説明するための図である。図４（１）は、凝縮温度が外気温度よりも高い場合の一般的な冷凍サイクルにおけるモリエル線図である。また、図４（２）は、低元側凝縮温度が外気温度よりも低い場合の低元冷凍サイクル１０のモリエル線図である。

（１）低元側凝縮温度が外気温度よりも高い場合
低元側圧縮機１１の吐出冷媒の温度（ａ点の温度）が例えば８０〜９０℃であり、外気温度が２０℃で、低元側凝縮温度が２５℃の場合について考える。補助放熱器１５は冷媒が有する熱を外気に放熱するため、図４（１）に示すように、８０〜９０℃の冷媒（ａ点）が放熱器での外気との熱交換により、まず、ガス状態のまま凝縮温度である２５℃（点ｂ）まで下がる。そして、２５℃を保ちながら凝縮して液状態となる（ｃ点）。外気温度は２０℃であるため、冷媒を更に放熱させることができ、液状態で２０℃（点ｄ）まで下げることができる。このように低元側凝縮温度が外気温度よりも高い場合は凝縮するため、相変化を伴う冷却を行うことができ、相変化を伴わない冷却を行う場合に比べて放熱量を大きくすることができる。

（２）低元側凝縮温度が外気温度よりも低い場合
次に、低元側圧縮機１１の吐出冷媒の温度（ａ点の温度）が例えば８０〜９０℃であり、外気温度が２０℃で低元側凝縮温度が１０℃の場合について考える。補助放熱器１５は外気に熱を放熱する放熱器であるため、上述したように８０〜９０℃の冷媒は、補助放熱器１５での外気との熱交換により、最大でも外気温度の２０℃までしか下がらない。したがって、図４（２）に示すように、８０〜９０℃の冷媒（ａ点）は、補助放熱器１５でガス状態のまま２０℃（点ｂ）となる。よって、２０℃まで下がった冷媒を凝縮させて更に１０℃（点ｃ）まで下げるための熱交換は低元側凝縮器１２側で行われることになる。このため、低元側凝縮温度が外気温度より低い場合は、補助放熱器１５では相変化を伴う冷却は行えず、相変化を伴わないガス冷却を行うことになる。つまり、補助放熱器１５はガス冷却域で使用されることになる。

ここで、図４（２）の点ａから点ｂまでの放熱はガス状態での放熱であるため、同じ外気温度２０℃まで温度を下げるにしても、凝縮させて２０℃まで下げる上記（１）の場合に比べて補助放熱器１５での放熱量を大きくすることができない。よって、低元側凝縮温度が外気温度より低い場合は、補助放熱器１５の補助放熱器ファン１６の風量を多くする、補助放熱器１５を伝熱面積の大きな放熱器を採用するなどしても、補助放熱器１５の放熱量を増やすことはできない。最大でも吐出冷媒がガス状態のまま外気温度に低下するまでの放熱量となる。

以上のことから、本実施の形態の二元冷凍装置では、補助放熱器１５をガス冷却域での放熱に使用することとなり、その放熱量は最大でも吐出冷媒がガス状態のまま外気温度に低下するまでに放熱する放熱量となる。

（補助放熱器１５の放熱量とＣＯＰとの関係）
図５は、補助放熱器１５の放熱量とＣＯＰとの関係を説明するための図である。図５は低元冷凍サイクル１０のモリエル線図を示している。低元冷凍サイクル１０を構成するにあたり、補助放熱器１５での放熱量を、図５のＱｓｕｂ１にした場合とＱｓｕｂ２にした場合とを比較すると、Ｑｓｕｂ２にした場合の方が、対応する低元側凝縮器１２の放熱量Ｑｃ２（＜Ｑｃ１）を少なくすることができる。カスケードコンデンサＣでは、高元側蒸発器２４と低元側凝縮器１２とにおける熱交換量は等しくなる。よって、高元冷凍サイクル２０側は、低元側凝縮器１２での放熱量Ｑｃ２とのバランスを図ればよいため、補助放熱器１５の放熱量がＱｓｕｂ１である場合に比べて高元側圧縮機入力を小さくできる。

二元冷凍装置では冷凍能力一定の制御が行われており、ＣＯＰ＝冷凍能力／（高元側圧縮機入力＋低元側圧縮機入力）であるため、高元側圧縮機入力を小さくすることができると、ＣＯＰを大きくすることができる。

以上の内容を整理すると、高元側圧縮機入力と低元側圧縮機入力とを同じとする運転制御によりＣＯＰを最大とすることができる。また、補助放熱器１５の放熱量を多くするほど、ＣＯＰの値を大きくすることができる。

ここで、二元冷凍装置の消費電力は圧縮機入力がほとんどを占めるため、二元冷凍装置全体の運転効率の指標であるＣＯＰ＝冷凍能力／（高元側圧縮機入力＋低元側圧縮機入力）と定義した。ただ、二元冷凍装置において、本来は、放熱器に外気を送風する補助放熱器ファン１６及び高元側凝縮器ファン２５を運転する動力にも、電力の一部を消費するため、正確には各送風機の入力を考慮する必要がある。そこで、ＣＯＰ＝冷凍能力／（高元側圧縮機入力＋低元側圧縮機入力＋高元側凝縮器ファン入力＋補助放熱器ファン入力）と再定義する。

本実施の形態の二元冷凍装置では、上述したように補助放熱器１５はガス冷却域で使用されるため、補助放熱器１５の伝熱面積の大きさ等の構造に関わらず、最大放熱できても吐出温度の冷媒を外気温度に下げるまでである。また、上述したように補助放熱器１５の放熱量を多くするほど、ＣＯＰを大きくすることができる。よって、補助放熱器１５で吐出温度の冷媒を外気温度近くまで温度を下げられる程度に補助放熱器１５の放熱量を確保するようにする。以下、この放熱量を所要放熱量という。所要放熱量を達成するには、例えば、補助放熱器ファン１６の風量を制御したり、補助放熱器１５自体の構造的な設計を行ったりすることになる。このように補助放熱器１５の放熱量を所要放熱量とすることにより、所要放熱量よりも少ない放熱量とした場合に比べてＣＯＰを大きくすることができる。

ところで、所要放熱量は外気温度によって異なる。よって、年間を通じて大きなＣＯＰを確保するには、低外気条件のときの所要放熱量と高外気条件のときの所要放熱量を把握しておく必要がある。本実施の形態における二元冷凍装置では、上述のように補助放熱器１５はガス冷却域で使用され所要放熱量は小さい。しかし、起動時、冷却負荷変動時、外気温度変動時などにおいて、過渡的に低元側凝縮温度が外気温度よりも高い場合がある。このような場合には所要放熱量は増大する。ここで、前述したように、低元冷凍サイクル１０と高元冷凍サイクル２０とにおける冷媒種類の組み合わせによっては、例えば低外気温度時は目標低元側凝縮温度Ｔｃの方が高くなり、高外気温度時は目標低元側凝縮温度Ｔｃの方が低くなることがある。このため、外気温度変化に対して目標低元側凝縮温度Ｔｃとの相対関係が変化し、所要放熱量が変化する。

例えば、低元側凝縮温度が外気温度より低い場合は、補助放熱器１５では相変化を伴う冷却は行えず、所要放熱量は低下する。このとき、最大でも吐出冷媒がガス状態のまま外気温度に低下するまでに放熱する放熱量となるため、補助放熱器ファン１６の風量を多くしても、補助放熱器１５の放熱量を増やすことはできない。逆に、補助放熱器ファン１６の回転数を抑制し、風量を最適化しなければ、無駄に補助放熱器ファン１６の入力を消費することになり、ＣＯＰ低下の要因となる。よって、低元側凝縮温度が外気温度より低い場合は、所要放熱量が小さいため、補助放熱器ファン１６の風量を減少させることで補助放熱器ファン入力を最適化し、二元冷凍装置全体のＣＯＰを向上させることが可能である。

一方、低元側凝縮温度が外気温度より高い場合は、補助放熱器１５で相変化を伴う冷却を行い、所要放熱量は増大する。このときは所要放熱量増大に伴い補助放熱器ファン１６の風量を増大させ、補助放熱器１５の放熱量を増やすことにより、二元冷凍装置全体のＣＯＰを向上させることが可能である。

所要放熱量の変化に対して補助放熱器ファン１６の風量を制御するにあたり、補助放熱器１５の出口冷媒温度と外気温度との温度差が所定値（ここでは２℃程度）となるような制御を行うと、補助放熱器ファン１６の風量を適切に調節し、二元冷凍装置全体のＣＯＰを向上させることができる。具体的には、低元側凝縮温度が外気温度より低い場合は、所要放熱量が小さいため、無駄にファン入力を増大させることなく補助放熱器１５で吐出温度の冷媒を外気温度近くまで温度を下げられる程度に補助放熱器１５の放熱量を確保する。一方、低元側凝縮温度が外気温度より高い場合は、冷媒の冷却過程において凝縮が生じるため凝縮温度を一定に保つ。このため、冷媒温度が低下せず、補助放熱器ファン１６の風量を増大させ続け最大風量を得ることができる。

補助放熱器ファン１６によって、外気温度に対する補助放熱器１５の放熱量を適切に制御することで、年間を通して高い省エネルギー効果を得ることができる。

補助放熱器１５は、所要放熱量が小さいガス冷却域で使用されることを想定した場合、高元側凝縮器２２の伝熱面積の１０〜２０％程度で充分な大きさとなる。一方、所要放熱量が大きい相変化を伴う放熱を行うことを想定した場合、補助放熱器１５の伝熱面積は高元側凝縮器２２の略同等まで拡大し、補助放熱器１５の放熱量を大きく増大させることで二元冷凍装置全体のＣＯＰを向上させることが可能である。また、補助放熱器１５と高元側凝縮器２２を同等とすることで部品の共通化を図ることができ、コスト低減も可能となる。

補助放熱器１５の伝熱面積を高元側凝縮器２２の略同等とした場合、所要放熱量の増大に伴い補助放熱器ファン１６の風量を増大させ、補助放熱器１５の放熱量を大きく増やすことができる。このとき、カスケードコンデンサＣの低元側凝縮器１２での放熱量が低下し、高元側の冷却能力も減少するため、高元側の冷却能力によって低元側凝縮器１２の放熱を促して低元側凝縮温度を制御することはできない。補助放熱器１５の放熱量が低元側凝縮器１２の放熱量を大きく上回るとき、低元側凝縮温度は補助放熱器１５の放熱量に依存する。

上記の場合、高元冷凍サイクル２０側の冷却能力の減少に伴い高元側凝縮器ファン２５の風量も低下させる。このため、二元冷凍装置全体の消費電力は、低元側圧縮機入力と補助放熱器ファン１６の入力とがほとんどを占める。このため、ＣＯＰは、冷凍能力／（低元側圧縮機入力＋補助放熱器ファン入力）とほぼ同じとなり、低元側圧縮機入力と補助放熱器ファン１６の入力とを最適化すればＣＯＰ向上を図ることが可能となる。

補助放熱器ファン１６の風量を増大させればファン入力が増大するが、低元側凝縮温度を低下させることができるため、低元側圧縮機入力を低減することができる。低元側凝縮温度が外気温度に近づけば、補助放熱器ファン１６の風量を増大させても低元側凝縮温度が低下しなくなるため、無駄にファン入力が消費されてしまう。そこで、補助放熱器ファン１６によって低元側凝縮温度を制御し、低元側凝縮温度を外気温度より所定温度差（ここでは１０℃程度）となるようにすれば、低元側圧縮機入力と補助放熱器ファン入力を最適化することができ、二元冷凍装置全体のＣＯＰを向上させることが可能である。

実施の形態２．
図６は本発明の実施の形態２における二元冷凍装置の構成を表す図である。構成機器については実施の形態１と同様である。ただ、制御によって、二元冷凍装置の高元冷凍サイクル２０を停止させるものである。

例えば二元冷凍装置を低外気温度で運転させると、高元側凝縮温度が低下し、それに伴って低元側凝縮温度も低下する。低元冷凍サイクル１０と高元冷凍サイクル２０とは低圧縮比の運転となり、圧縮機の性能が低下するとともに、圧縮機で定められた運転範囲を逸脱し、信頼性を保持できない。また、二元冷凍装置ではカスケードコンデンサＣにおいて温度差ΔＴが生じるために高元側蒸発温度が低下し、低元側凝縮温度が上昇するためＣＯＰが低下することとなり、低圧縮比運転時は特に影響が大きくなる。

そこで、本実施の形態の二元冷凍装置では、上記のような性能低下と信頼性低下とを回避するため、制御装置３０が、低圧縮比運転となるような所定の外気温度に低下したものと判断すると、高元冷凍サイクル２０を停止させ、低元冷凍サイクル１０のみ運転させるようにする。具体的には、低元側圧縮機１１で圧縮されて吐出された冷媒を、補助放熱器１５のみで冷却するようにし、低元側膨張弁１３で減圧し、低元側蒸発器１４で蒸発して、低元側圧縮機１１へ還流するようにする。

上記のような運転を行うことにより、低元側圧縮機１１は適正な圧縮比を保ち、性能と信頼性を確保することができる。また、二元冷凍装置の特徴であるカスケードコンデンサＣの温度差ΔＴによる性能低下も同時に回避可能となる。よって、低外気温度時の運転制御適正化により、通年を通して高い省エネルギー性を実現可能とする。

ここで、低元冷凍サイクル１０のみの運転の場合、補助放熱器１５にて全熱量を放熱する必要がある。このため、補助放熱器１５の伝熱面積を拡大した方がより放熱量を増大することができる。例えば、高元側凝縮器２２と同等の大きさに拡大すれば部品の共通化を図ることができ、コスト低減も可能となる。

補助放熱器１５の放熱量の増加に伴い、補助放熱器ファン１６の風量を増大させ、補助放熱器１５の放熱量を大きく増やす。補助放熱器ファン１６の風量を増大させればファン入力が増大するが、低元側凝縮温度を低下させて低元側圧縮機入力を低減することができる。低元側凝縮温度が外気温度に近づけば、補助放熱器ファン１６の風量を増大させても低元側凝縮温度が低下しなくなるため、無駄にファン入力が消費されてしまう。

そこで、補助放熱器ファン１６によって低元側凝縮温度を制御し、低元側凝縮温度を外気温度より所定温度差（ここでは１０℃程度）となるようにすれば、低元側圧縮機入力と補助放熱器ファン１６の入力を最適化することができる。このため、低元冷凍サイクル１０のみを運転させたときのＣＯＰを向上させることが可能である。

本実施の形態の二元冷凍装置は、冷媒のノンフロン化やフロン冷媒の削減、機器の省エネルギー化が要求されるショーケースや業務用冷凍冷蔵庫、自動販売機等の冷蔵あるいは冷凍機器にも広く適用できる。

１０低元冷凍サイクル、１１低元側圧縮機、１２低元側凝縮器、１３低元側膨張弁、１４低元側蒸発器、１５補助放熱器、１６補助放熱器ファン、２０高元冷凍サイクル、２１高元側圧縮機、２２高元側凝縮器、２３高元側膨張弁、２４高元側蒸発器、２５高元側凝縮器ファン、３０制御装置、３１外気温度検出手段、Ｃカスケードコンデンサ。

Claims

高元側圧縮機、高元側凝縮器、高元側絞り装置及び高元側蒸発器を配管接続し、冷媒を循環させる高元側冷媒回路を形成する高元冷凍サイクルと、
低元側圧縮機、補助放熱器、低元側凝縮器、低元側絞り装置及び低元側蒸発器を配管接続し、冷媒を循環させる低元側冷媒回路を形成する低元冷凍サイクルと、
前記高元側蒸発器と前記低元側凝縮器とにより構成し、前記高元側冷媒回路を流れる冷媒と前記低元側冷媒回路を流れる冷媒との間の熱交換を行うカスケードコンデンサと、
前記補助放熱器を流れる冷媒と熱交換させるための屋外空気を前記補助放熱器に通過させる送風機と、
前記低元冷凍サイクルの前記低元側凝縮器における凝縮温度よりも、前記補助放熱器を通過させる前記屋外空気の温度の方が高いと判断すると、前記送風機の風量を減少させる制御を行う制御装置と
を備えることを特徴とする二元冷凍装置。
前記制御装置は、前記低元冷凍サイクルの前記低元側凝縮器における凝縮温度よりも、前記補助放熱器を通過させる前記屋外空気の温度の方が低いと判断すると、前記送風機の風量を増加させる制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の二元冷凍装置。
前記制御装置は、前記補助放熱器から流出する冷媒の温度と前記補助放熱器を通過させる前記屋外空気の温度との温度差を一定とするように前記送風機を制御することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の二元冷凍装置。
前記制御装置は、前記屋外空気の温度が、前記高元側圧縮機及び前記低元側圧縮機が低圧縮比運転となるような温度以下であると判断すると、前記高元冷凍サイクルの運転を停止させ、前記低元冷凍サイクルだけを運転させる制御を行うことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の二元冷凍装置。
前記制御装置は、前記低元冷凍サイクルの前記低元側凝縮器における凝縮温度と前記補助放熱器を通過させる前記屋外空気の温度との温度差を一定とするように前記送風機を制御することを特徴とする請求項２又は請求項４に記載の二元冷凍装置。
前記高元側凝縮器と前記補助放熱器とにおける伝熱面積が同等となるように構成することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の二元冷凍装置。
前記低元冷凍サイクルに用いる冷媒よりも高効率となる冷媒を前記高元冷凍サイクルに用いることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の二元冷凍装置。
前記低元冷凍サイクルの冷媒として、二酸化炭素を用いることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の二元冷凍装置。