JP5430604B2 - 二元冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、二元冷凍装置に係り、特に低元冷凍サイクルにＣＯ２冷媒を用いた二元冷凍装置に関するものである。

近年、冷凍装置に使用される冷媒の地球温暖化に対する影響を削減する要求が高まっており、地球温暖化に対する影響が小さい自然冷媒として、ＣＯ２を使用した冷凍装置が提案されている。また、ＣＯ２を使用した冷凍装置は、遷臨界サイクルである点を利用して高い出湯温度を得る給湯機に適用され、また不燃性である点を利用して使用時の冷媒漏洩量が大きいカーエアコンに適用されている。

一方、冷蔵あるいは冷凍に利用する比較的蒸発温度が低い冷凍装置においては、高外気温度条件において効率が著しく低下するとともに、蒸発温度の低下に伴って吐出ガス温度が非常に高くなるという問題があり、ＣＯ２冷媒の適用が進んでいない。

そこで、ＣＯ２冷媒を使用した冷凍サイクル（低元冷凍サイクル）と他の冷媒を使用した冷凍サイクル（高元冷凍サイクル）とを備え、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する二元冷凍装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この二元冷凍装置では、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、低元側圧縮機から吐出された吐出冷媒を補助放熱器で冷却することで運転効率の向上を図っている。

また、二元冷凍装置において補助放熱器と高元側凝縮器とを一体型とし、装置のコンパクト化を図った技術がある（例えば、特許文献２参照）。

特許第３６０４９７３号公報（第２頁、第３頁、図１） 特開２０１０−１２７５４８号公報（図４）

特許文献１の二元冷凍装置では補助放熱器と高元側凝縮器が別体で構成されているため、装置が大型化する。このため、特許文献２のように補助放熱器と高元側凝縮器とを一体型とすれば、運転効率の向上と装置のコンパクト化を図った二元冷凍装置を構成できる。

ところで、特許文献１の二元冷凍装置では、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すれば、高元冷凍サイクルの能力を低減でき、運転効率を向上することができる。補助放熱器の放熱量をどの程度まで増大すればよいかは外気温度によって異なる。また、カスケードコンデンサにおいて低元側凝縮器と高元側蒸発器とが熱交換する二元冷凍装置では、運転効率を最大とするにあたり、補助放熱器の放熱量と高元凝縮器の放熱量との間に最適な放熱比が存在する。この放熱比は、装置のコンパクト化を図るために補助放熱器と高元側凝縮器とを一体型とした場合には、一体型放熱器全体の放熱量に対する補助放熱量の放熱量の割合に置き換えられる。この放熱量割合もまた外気温度によって変化する。

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望まれている。よって、補助放熱器と高元側凝縮器とを一体型とした二元冷凍装置では、年間を通した外気温度変化を踏まえた上で、高い運転効率が達成されるように放熱量割合を決定することが望まれる。しかし、特許文献１では、この点について検討されていない。

本発明はこのような点に鑑みなされたもので、一体型放熱器における補助放熱器の放熱量割合を規定し、年間を通して省エネ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、ＣＯ２冷媒を用いた低元冷凍サイクルと、低元冷凍サイクルの放熱を補助する高元冷凍サイクルと、低元冷凍サイクル及び高元冷凍サイクルを制御する制御装置とを備え、低高元側蒸発器元冷凍サイクル及び高元冷凍サイクルはそれぞれ圧縮機、凝縮器、減圧装置及び蒸発器を備えており、高元側蒸発器と低元側凝縮器とがカスケードコンデンサで熱交換し、カスケードコンデンサの低元冷凍サイクルにおける前段に設置された補助放熱器及び高元側凝縮器が一体化されて一体型放熱器を構成しており、一体型放熱器の全放熱量の１０％から２０％を補助放熱器の放熱量とし、制御装置は、低元冷凍サイクル及び高元冷凍サイクルのそれぞれに備えた圧縮機の入力を略同一とする運転制御を行うものである。

地球温暖化に対する影響が小さい自然冷媒として、運転効率の低いＣＯ２冷媒を冷凍装置に使用した場合であっても、年間を通して大きな省エネ効果があり、コンパクトな二元冷凍装置を得ることができる。

本発明の一実施の形態に係る二元冷凍装置の冷媒回路図である。 図１の一体型放熱器の伝熱フィン部分の構成を示す概略図である。 図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の説明図である。 補助放熱器の放熱量とＣＯＰとの関係の説明図である。 低元側凝縮温度と二元冷凍装置全体の運転効率変動率との関係を示す図である。 図７の運転効率最大値部分の拡大図である。 図１の一体型放熱器の放熱量の説明図である。 図１の一体型放熱器における補助放熱器の放熱量割合の説明図である。 外気温度が３２℃のときの補助放熱器の放熱量割合と運転効率変動率との関係を示す図である。

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添付図面を参照して説明する。
実施の形態．
図１は、本発明の一実施の形態に係る二元冷凍装置の冷媒回路図である。図１において、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とを備えている。低元冷凍サイクル１０は、運転容量可変式の低元側圧縮機１１、カスケードコンデンサＣ、減圧装置としての低元側膨張弁１３、低元側蒸発器１４及び補助放熱器１５が順次接続されて構成されている。高元冷凍サイクル２０は、運転容量可変式の高元側圧縮機２１、高元側凝縮器２２、減圧装置としての高元側膨張弁２３及びカスケードコンデンサＣが順次接続されて構成されている。本例の二元冷凍装置では、低元冷凍サイクル１０には冷媒としてＣＯ２冷媒を用い、高元冷凍サイクル２０にはＣＯ２冷媒よりも運転効率の高いＨＣ系冷媒やＨＦＣ冷媒、ＨＦＯ冷媒（ＨＦＯ−１２３４ｙｆ、ＨＦＯ−１２３４ｚｅ等）等を用いる。

カスケードコンデンサＣは高元側の高元側蒸発器２４と低元側の低元側凝縮器１２とを備え、互いに熱交換するように構成されている。また、一体型放熱器２５は、補助放熱器１５と高元側凝縮器２２とを一体型として形成したもので、高元側凝縮器２２は高元冷凍サイクル２０を流れる冷媒を凝縮し、これと同時に、低元冷凍サイクル１０においてカスケードコンデンサＣの前段に配置された補助放熱器１５は、低元冷凍サイクル１０を流れるＣＯ２ガスを冷却する。また、一体型放熱器２５は一体型放熱器２５内に外気を吸入して一体型放熱器２５を通過する冷媒と熱交換させた後、熱交換後の外気を一体型放熱器２５外に排気するための放熱器ファン１６を備えている。

図２は、図１の一体型放熱器の伝熱フィン部分の構成を示す概略図である。
一体型放熱器２５は、平板状の伝熱フィン２５ａに伝熱管２５ｂを貫通してなるプレートフィンチューブ型熱交換器である。高元側凝縮器２２及び補助放熱器１５は、伝熱フィン２５ａを共有することによって一体化されていてもよいし、伝熱フィン２５ａ部分が分割されていてもよい。一体化されていれば、熱交換器の構造上、製造が容易となる。また、高温となる補助放熱器１５と高元側凝縮器２２との間で伝熱フィン２５ａを分割した構成とした場合には熱絶縁効果が大きくなるため、補助放熱器１５及び高元側凝縮器２２の双方がより効率よく放熱可能となる。

また、一体型放熱器２５では、高温となる低元ＣＯ２冷媒の吐出ガスを冷却する補助放熱器１５を熱交換器の上方部に配置し、高元側凝縮器２２を下方部に配置する。これにより、補助放熱器１５の放熱が高元側凝縮器２２側に干渉することがなく、すなわち補助放熱器１５で暖められた被熱伝達流体が高元側凝縮器２２側に移動することがなく、補助放熱器１５及び高元側凝縮器２２の双方が効率よく放熱可能となる。

本例では、図２に示したように、一体型放熱器２５全体の放熱量に対する補助放熱器１５の放熱量割合を１０％〜２０％としたことに特徴を有するものであるが、その詳細については後述する。

このように構成された二元冷凍装置において、低元冷凍サイクル１０に用いる冷媒は、本例ではＣＯ２としているが、これは以下の理由による。低元冷凍サイクル１０は、室内の負荷装置、例えばスーパーマーケットのショーケースなどを接続対象としており、ショーケースの配置換えなどにより冷媒回路が開放され冷媒漏れが多い。よって、冷媒漏れを考慮し、地球温暖化に対する影響が小さいＣＯ２を用いる。一方、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、高元冷凍サイクル２０に用いる冷媒は冷媒漏れ量も小さい。このため、高元冷凍サイクル２０に用いる冷媒は従来の地球温暖化係数の高いＨＦＣ系冷媒でも問題ないが、地球温暖化に対する影響が小さい冷媒、即ちＨＦＯ冷媒、ＨＣ系冷媒、ＣＯ２、水などが望ましい。

以上のように構成された二元冷凍装置について、以下にその動作を説明する。
低元側圧縮機１１で圧縮されて吐出されたＣＯ２冷媒は、一体型放熱器２５内の補助放熱器１５で冷却された後、カスケードコンデンサＣの低元側凝縮器１２で高元側蒸発器２４を流れるＨＦＯ冷媒と熱交換して更に冷却される。そして、カスケードコンデンサＣで冷却されたＣＯ２冷媒は低元側膨張弁１３で減圧された後、低元側蒸発器１４で蒸発し、吸入管を介して低元側圧縮機１１へ還流する。

また、高元側圧縮機２１で圧縮されて吐出されたＨＦＯ冷媒は、一体型放熱器２５内の高元側凝縮器２２で放熱、凝縮された後、高元側膨張弁２３で減圧されてカスケードコンデンサＣの高元側蒸発器２４に流入する。高元側蒸発器２４に流入したＨＦＯ冷媒は低元側凝縮器１２を流れるＣＯ２冷媒と熱交換しながら蒸発し、高元側圧縮機２１へ還流する。

本実施の形態の二元冷凍装置では、高元側圧縮機２１を駆動するモータの周波数を制御して高元側の冷却能力を制御することにより低元側高圧を調節する。この点について以下に詳述する。

図３は、図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。本例の二元冷凍装置では、低元側凝縮温度と高元側蒸発温度との温度差ΔＴ（ここでは例えば５℃）が生じる。よって、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冷却能力を増大させると、高元側蒸発温度が低下し、その低下した高元側蒸発温度との温度差ΔＴが生じて低元側凝縮温度（低元側高圧）も低下するという関係がある。逆に、高元冷却能力を低減すれば低元側高圧が上昇する。

また、図３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の入力は大きくなる（ＷＨ１＜ＷＨ２）のに対し、低元側圧縮機１１の入力は小さくなる（ＷＬ１＞ＷＬ２）。なお、冷凍能力Ｑ＝ΔＨ（エンタルピ差）×Ｇｒ（冷媒流量）であり、また、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）を決定しており、その決定した冷凍能力に一定に保つように低元側圧縮機１１によりＧｒを制御している。ΔＨが一定であれば、Ｇｒも一定となるように低元側圧縮機１１を制御する。

ところで、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く、大きな圧縮機動力が必要となるため、高元冷凍サイクル２０で用いられるＨＦＯ冷媒に比べて運転効率が低い。そのため、高元側圧縮機２１の容量を増大させ、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側の消費電力を抑える運転を行う。すなわち、運転効率が低いＣＯ２冷媒を用いた低元冷凍サイクル１０側の消費電力を小さくし、運転効率が高いＨＦＯ冷媒を用いた高元冷凍サイクル２０側の消費電力を大きくして高元冷凍サイクル２０側の仕事量を増やし、二元冷凍装置全体の運転効率を向上させる。更に言い換えれば、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。よって、低元冷凍サイクル１０の高圧は超臨界とならない運転が多くなり、高圧によって相変化が生じる飽和温度が決まっている。

以上の関係を整理し、横軸を低元側凝縮温度、縦軸を二元冷凍装置全体の合計入力として、高元側圧縮機入力と低元側圧縮機入力とそれらの合計入力のそれぞれのグラフを作成すると、図４に示すようになる。図４に示すように、高元側と低元側のそれぞれの圧縮機入力が略同じになるとき合計入力が最も小さくなり、ＣＯＰ（＝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じとする運転制御を行っている。図３で説明すると、高元側圧縮機入力に相当するＷＨ１×Ｇｒｈと、低元側圧縮機入力に相当するＷＬ１×Ｇｒｌとを同じとする運転制御を行っている。なお、Ｇｒｈは高元冷媒流量、Ｇｒｌは低元冷媒流量である。

ここで、図４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じとする運転制御は、具体的には低元側凝縮温度を低元目標凝縮温度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、高元側は低元目標凝縮温度ＴｃよりもΔＴ℃低い温度を目標蒸発温度として一定に保つ制御を行うことになる。この制御により、ＣＯＰを最大とすることができる。なお、外気温度に応じて二元冷凍装置に求められる冷凍能力は異なるため、ＣＯＰを最大とする低元目標凝縮温度Ｔｃも外気温度によって変化する。

以上の内容を整理すると、外気温度に基づいて二元冷凍装置で必要な冷凍能力が決定し、冷凍能力が決定すると低元目標凝縮温度Ｔｃが決定する。低元目標凝縮温度Ｔｃが決定すると、低元冷凍サイクル１０では、決定した冷凍能力に一定に保つように低元冷媒流量Ｇｒｌを調整する制御が行われ、また、高元冷凍サイクル２０では高元蒸発温度を低元目標凝縮温度Ｔｃ＋ΔＴ℃に一定に保つ制御が行われる。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じとする運転制御が実現され、ＣＯＰを最大とすることができる。また、高元冷凍サイクル２０は低元凝縮温度を直接検知して制御してもよい。さらに、高元冷凍サイクル２０は高元入力と低元入力を直接検知して制御してもよい。

なお、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低元目標凝縮温度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冷媒に比べて高効率な冷媒である。このため、高元側圧縮機２１の図３の線図上の傾きθｈは低元側圧縮機１１側の傾き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、低元側凝縮温度が低元目標凝縮温度Ｔｃに至るまでは高元側圧縮機２１の入力が低元側圧縮機１１の入力を超えることはなく、低元目標凝縮温度Ｔｃで高元側圧縮機２１の入力と低元側圧縮機１１の入力とが等しくなるということになる。

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。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）、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、ＨＦＯ−１２３４ｙｆ：１．８３となる。ＣＯ２は、ＨＦＣ冷媒やＨＣ冷媒、ＨＦＯ冷媒と比較しＣＯＰが低く、低効率な冷媒である。

ここで、本例では低元冷凍サイクル１０においてＣＯ２冷媒を使用しており、この場合、低元目標凝縮温度Ｔｃは外気温度よりも低くなる。具体的には外気条件がＪＲＡ規格（日本冷凍空調工業会）に基づく高外気条件である３２℃のとき、低元目標凝縮温度Ｔｃが約２０℃、外気条件がＪＩＳ規格に基づく低外気条件である７℃のとき、低元目標凝縮温度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）を下げると低元側圧縮機１１の入力が下がるため、言い換えれば運転効率が悪い低元冷凍サイクル１０側の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低元目標凝縮温度Ｔｃが位置することになる。

（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。本例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低元目標凝縮温度Ｔｃが外気温度よりも低くなる。補助放熱器１５は外気に熱を放熱する放熱器であるため、低元側圧縮機１１から吐出された冷媒は補助放熱器１５で外気と熱交換しても、最大でも外気温度までしか下がらない。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。本例では、低元側凝縮温度を低元目標凝縮温度Ｔｃに一定になるように制御するものであり、低元目標凝縮温度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。なお、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器での放熱量についても考察する。

図５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の説明図である。図５（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、図５（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
圧縮機の吐出冷媒の温度（ａ点の温度）が例えば８０℃〜９０℃であり、外気温度が２０℃で凝縮温度が２５℃の場合について考える。
放熱器は外気に熱を放熱する放熱器であるため、図５（１）に示すように、８０℃〜９０℃の冷媒（点ａ）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℃であるため冷媒は更に放熱可能であり、液状態で２０℃（点ｄ）まで下がる。このように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
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。つまり、図５（２）に示すように、８０℃〜９０℃の冷媒（点ａ）は、補助放熱器１５でガス状態のまま２０℃（点ｂ）となる。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。つまり、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を行えず、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５（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できない。よって、低元側凝縮温度が外気温度よりも低い場合は、補助放熱器１５の放熱器ファン１６の風量を多くしたり、補助放熱器１５として伝熱面積の大きな放熱器を採用したとしても、補助放熱器１５の放熱量を増やすことはできず、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。

以上の内容を整理すると、本例の補助放熱器１５はガス冷却域で使用され、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６は、補助放熱器１５の放熱量とＣＯＰとの関係の説明図で、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６のＱ_sub1にした場合とＱ_sub2にした場合とを比較すると、Ｑ_sub2にした場合の方が低元側凝縮器１２の放熱量Ｑｃ２（＜Ｑｃ１）を少なくできる。カスケードコンデンサＣでは、常に高元側蒸発器２４と低元側凝縮器１２との熱交換量は等しくなる。よって、低元側凝縮器１２での放熱量をＱｃ２とした場合、高元冷凍サイクル２０側では放熱量Ｑｃ２とのバランスを図れば良いため、補助放熱器１５の放熱量をＱ_sub1とした場合に比べて高元側圧縮機２１の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、高元側の圧縮機入力を小さくできると、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略同じとする運転制御によりＣＯＰを最大とすることができ、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とになる。

図７は、低元側凝縮温度と二元冷凍装置全体の運転効率変動率との関係を示す図である。図７は、外気温度７℃で低元側凝縮温度を変化させたときの運転効率変動率を調べた計算結果であり、この例では、一体熱交換器全体の伝熱面積に対する補助放熱器１５の伝熱面積の割合を１０％、２０％、３０％、４０％に構成した場合それぞれにおける計算結果を示している。なお、図７は補助放熱器無し（つまり一体熱交換器全てが高元側凝縮器の構成）のときの最大値を基準（１００％）とした運転効率変動率を示している。また、図７Ａは、図７の運転効率最大値部分の拡大図である。
図７及び図７Ａには、伝熱面積の分割割合が何れであっても、外気温度よりも低いガス冷却域内の、ある低元側凝縮温度（この例では０℃付近の温度であり、上記の低元目標凝縮温度Ｔｃに相当する）のときに二元冷凍装置の運転効率が最大となることが示されている。また、図７には、補助放熱器１５の放熱量を増大させようとして低元側凝縮温度を外気温度よりも上げて補助放熱器１５を凝縮域で使用するようにすると、低元冷凍サイクル１０の消費電力割合が大きくなりすぎて全体としての運転効率が低下することが示されている。なお、図７には４０％までしか図示されていないが、仮に１００％としても、ガス冷却域における最大運転効率を超えることはない。

ここで、本例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。この放熱量を以下では所要放熱量という。この所要放熱量を達成するには、例えば、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。本例の二元冷凍装置では、カスケードコンデンサＣで高元側蒸発器２４と低元側凝縮器１２とが熱交換する構成であることや、低元冷凍サイクル１０にＣＯ２冷媒を用いていること、更にその他の以下に説明する内容を加味すると、補助放熱器１５の所要放熱量と高元側凝縮器２２の放熱量との間には、外気条件に応じた所定の放熱量比が存在する。本例では補助放熱器１５と高元側凝縮器２２とが一体型放熱器２５で構成されているため、所定の放熱量比は、一体型放熱器２５の全体放熱量に対する補助放熱器１５の放熱量の割合に置き換えられる。したがって、低外気条件のときの放熱量割合と高外気条件のときの放熱量割合の範囲内に放熱量割合を設定することにより、年間を通じてＣＯＰを大きくすることが可能な二元冷凍装置を構成できる。

以下、低外気条件（７℃）及び高外気条件（３２℃）のときの放熱量割合の説明に先立って、一体型放熱器２５全体の放熱量について説明する。

（一体型放熱器２５の放熱量）
図８は、図１の一体型放熱器２５の放熱量の説明図で、二元冷凍装置のモリエル線図を示している。
一体型放熱器２５の放熱量Ｑ_ALLは、次の（１）式のように高元側凝縮器２２の放熱量Ｑ_CHと補助放熱器１５の放熱量Ｑ_subを加算した量となる。

Ｑ_ALL＝Ｑ_sub＋Ｑ_CH ・・・（１）

ここで高元側凝縮器２２の放熱量Ｑ_CHは、高元側圧縮機２１の入力分ＷＨと高元側蒸発器２４の熱交換量Ｑ_eHとを加算した値に相当するため、（１）式は次の（２）式に書き換えられる。
Ｑ_ALL＝Ｑ_sub＋ＷＨ＋Ｑ_eH ・・・（２）

そして、本例では高元側圧縮機入力ＷＨと低元側圧縮機入力ＷＬとが略同じとなるように制御しており、また、高元側蒸発器２４の熱交換量Ｑ_eHと低元側凝縮器１２の熱交換量Ｑ_CLとは等しいため、これらを（２）式に代入すると、（３）式となる。
Ｑ_ALL＝Ｑ_sub＋ＷＬ＋Ｑ_CL ・・・（３）

また、低元側圧縮機入力分ＷＬは補助放熱器１５の放熱量Ｑ_subに略等しくなるため、これを（３）式に代入すると、（４）式が得られる。
Ｑ_ALL＝Ｑ_sub＋Ｑ_sub＋Ｑ_C ・・・（４）

ここで、熱交換量Ｑ_WLと補助放熱器１５の放熱量Ｑ_subとが略等しくなるのは、本例の二元冷凍装置が以下の４点に示す運転を行っていることによる。
１．低元冷凍サイクル１０の過熱度を５℃としている。
２．低元目標側凝縮温度Ｔｃが外気温度より少し低い温度となっている。
３．ＣＯＰを最大とするために高元側と低元側の圧縮機入力を略同じとしている。
４．ＣＯ２の飽和蒸気線ｌの傾きθが９０゜に近い傾きを有している（図６参照）。

（一体型放熱器２５における補助放熱器１５の放熱量割合）
補助放熱器１５の放熱量Ｑ_subを所要放熱量とすると、この放熱量Ｑ_subと一体型放熱器２５全体の放熱量Ｑ_ALLとの間には、外気温度及びＣＯ２冷媒の物性に応じた関係がある。この関係について以下に説明する。

図９は、図１の一体型放熱器における補助放熱器の放熱量割合の説明図で、外気温度が３２℃のときの低元冷凍サイクルのモリエル線図を示している。図９中の点線は、外気温度が７℃のときの低元冷凍サイクルのモリエル線図である。
外気温度が３２℃（高外気条件）のとき、本例の二元冷凍装置では低元目標凝縮温度Ｔｃを約２０℃とすることは上述の通りである。そして、外気温度が３２℃のとき、図９の凝縮潜熱量Ａ１と、ａ１点とｃ１点との間の放熱量Ｂ１との比が３：１になることがＣＯ２冷媒の物性に基づき決まっている。
また、外気温度が７℃（低外気条件）のとき、低元目標凝縮温度を約０℃としており、このとき、凝縮潜熱量Ａ２と、ａ２点とｃ２点との間の放熱量Ｂ２との比が８：１になることがＣＯ２冷媒の物性に基づき決まっている。

ここで、高外気条件において外気温度の３２℃（ｂ１点）まで下がった冷媒がガス領域のまま低元側凝縮温度２０℃まで低下する際の放熱量は、低元冷凍サイクル１０の全放熱量に対して少ないため、凝縮潜熱量Ａ１と放熱量Ｂ１との比は、（５）式に示すように所要放熱量Ｑ_sub1と低元側蒸発器１４の放熱量Ｑ_CL1の比に近似することができる。また、外気温度が７℃の場合も同様に、（６）式に示すように近似できる。
外気温度が３２℃の場合
Ｑ_CL1：Ｑ_sub1 ≒ ３：１ ・・・（５）
外気温度が７℃の場合
Ｑ_CL2：Ｑ_sub2 ≒ ８：１ ・・・（６）

以上の（５）式及び（６）式のそれぞれを（４）式に代入すると、（７）式及び（８）式となる。

外気温度が３２℃の場合
Ｑ_ALL＝Ｑ_sub＋Ｑ_sub＋３Ｑ_sub ＝５Ｑ_sub ・・・（７）
外気温度が７℃の場合
Ｑ_ALL＝Ｑ_sub＋Ｑ_sub＋８Ｑ_sub ＝１０Ｑ_sub ・・・（８）

以上より、二元冷凍装置をＣＯＰが最大となる制御で運転し、ガス領域で使用される補助放熱器１５で最大可能な放熱量を確保して高いＣＯＰを得るための構成とするには、一体型放熱器２５の全放熱量に対する補助放熱器１５の放熱量割合を、外気温度が３２℃の場合は２０％とし、外気温度が７℃の場合を１０％とすることが好ましい。そして、この二元冷凍装置は年間を通して使用されることを鑑みると、一体型放熱器２５の全放熱量の１０％〜２０％を補助放熱器１５で放熱する構成とすることが望ましいということになる。

放熱量割合をこのようにするための具体的な構成は任意の構成が採用でき、図１に示すように補助放熱器１５と高元側凝縮器２２とで共通のファンを備えた構成とする場合は、補助放熱器１５の伝熱面積を一体型放熱器２５の伝熱面積の１０％〜２０％とする。また、補助放熱器１５と高元側凝縮器２２とでそれぞれ別々のファンを用いる場合には、ファンの回転数を変えて放熱量割合を制御するようにしてもよい。この場合、外気温度が７℃の場合には放熱量割合が１０％、外気温度が３２℃のときは放熱量割合が２０％となるように、図示しない制御装置により外気温度に応じて各ファンを制御するようにしてもよい。

ここで、本実施の形態の二元冷凍装置における定常運転中の具体的な熱収支の一例を図１０に示す。低元冷凍サイクル１０はＣＯ２冷媒、高元冷凍サイクル２０はＨＦＣ冷媒のＲ４１０Ａを用い、低元側蒸発器１４の蒸発温度−１０℃で冷却能力を２５ｋＷ、外気温度を３２℃とした場合、低元側凝縮温度を１０℃とすれば二元冷凍装置全体の運転効率が最適となり、このとき補助放熱器１５の放熱量６．３ｋＷ、高元側凝縮器２２の放熱量３１ｋＷとなる。すなわち、補助放熱器１５の放熱量は一体型放熱器２５の全放熱量に対し、２０％となる。

ここで改めて図７Ａを参照する。図７Ａに示されているように、一体型放熱器２５全体の伝熱面積に対する補助放熱器１５の伝熱面積の割合を１０％としたときに、最もＣＯＰが高くなることが示されている。なお、図７Ａはあくまでも伝熱面積の分割割合であって、放熱量割合ではない。

補助放熱器１５はガス冷却域で使用するため伝熱面積の増加に比例して放熱量が上昇するのは補助放熱器１５の放熱量が所要放熱量に達するまでであり、それ以上に伝熱面積を大きくしても放熱量は上昇しない。また、補助放熱器１５は高元側凝縮器２２と一体であるため、補助放熱器１５の分割割合を大きくすると、その分、高元側凝縮器２２の伝熱面積が減ってしまい、高元側凝縮器２２の凝縮能力が低下し運転効率が低下する。よって、図７に示されているように、補助放熱器１５の伝熱面積の分割割合を多くするにつれて運転効率が下がっている。

以上説明したように、本実施の形態によれば、補助放熱器１５の放熱量を一体型放熱器２５の全放熱量に対して１０％から２０％としたことにより、地球温暖化に対する影響が小さい自然冷媒として運転効率の低いＣＯ２冷媒を二元冷凍装置に使用した場合であっても、二元冷凍装置全体の運転効率を向上でき、年間を通して大きな省エネ効果を得ることができる。言い換えれば、ＣＯ２冷媒を用いた二元冷凍装置に関して、年間を通した外気温度変化、負荷変動と、ＣＯ２の特性、高元と低元の消費電力比率を考慮しつつ、放熱量割合を選定したので、年間を通した省エネ効果を得ることができる。また、補助放熱器１５と高元側凝縮器２２とを一体型で形成することでコンパクトな二元冷凍装置を得ることができる。

また、補助放熱器１５の放熱量を一体型放熱器２５の全放熱量に対して１０％から２０％にするにあたり、一体型放熱器２５の補助放熱器１５と高元側凝縮器２２とで伝熱面積を分ける構成とすることにより、無駄なく一体型放熱器２５を使用することができ、年間を通して大きな省エネ効果となるコンパクトな二元冷凍装置を得ることができる。

また、本例の二元冷凍装置は、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 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 一体型放熱器、２５ａ 伝熱フィン、２５ｂ 伝熱管、Ｃ カスケードコンデンサ。

Claims (5)

1. ＣＯ２冷媒を用いた低元冷凍サイクルと、前記低元冷凍サイクルの放熱を補助する高元冷凍サイクルと、
   前記低元冷凍サイクル及び前記高元冷凍サイクルを制御する制御装置と
   を備え、
   前記低元冷凍サイクル及び前記高元冷凍サイクルはそれぞれ圧縮機、凝縮器、減圧装置及び蒸発器を備えており、高元側蒸発器と低元側凝縮器とがカスケードコンデンサで熱交換し、前記カスケードコンデンサの前記低元冷凍サイクルにおける前段に設置された補助放熱器及び高元側凝縮器が一体化されて一体型放熱器を構成しており、
   前記一体型放熱器の全放熱量の１０％から２０％を前記補助放熱器の放熱量とし、
   前記制御装置は、前記低元冷凍サイクル及び前記高元冷凍サイクルのそれぞれに備えた前記圧縮機の入力を略同一とする運転制御を行う
   ことを特徴とする二元冷凍装置。
2. 前記一体型放熱器の全伝熱面積の１０％から２０％を前記補助放熱器の伝熱面積としたことを特徴とする請求項１記載の二元冷凍装置。
3. 前記一体型放熱器は、上方部に前記補助放熱器を配置し、下方部に前記高元側凝縮器を配置した構成としたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の二元冷凍装置。
4. 前記一体型放熱器を、平板状フィンに伝熱管を貫通してなるプレートフィンチューブ型熱交換器とし、前記高元側凝縮器は、前記補助放熱器と伝熱フィンを共有することによって一体化されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の二元冷凍装置。
5. 前記高元冷凍サイクルに用いられる冷媒は、前記低元冷凍サイクルに用いられるＣＯ２冷媒より運転効率が高いことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の二元冷凍装置。

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