JP5627417B2 - 二元冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍・冷蔵等の用途に利用する二元冷凍装置に関するものである。

従来より、低温の冷凍倉庫や冷蔵倉庫の冷凍装置には、高元冷凍サイクルと低元冷凍サイクルをカスケード熱交換器により熱的に接続した二元冷凍サイクルが利用されている。このような二元冷凍サイクルを利用した従来の二元冷凍装置としては、例えば、高元圧縮機、高元流量制御弁、カスケード熱交換器及び低元圧縮機で構成され、冷凍倉庫の庫外床側に設置された室外ユニットと、低元流量制御装置及び蒸発器で構成され、冷凍倉庫の庫内に設置された冷却ユニットとからなり、この室外ユニットと冷却ユニットを液配管とガス配管で接続した冷凍装置が提案されている（特許文献１参照）。この従来の二元冷凍装置は、低元圧縮機で圧縮された高温高圧の蒸気冷媒はカスケード熱交換器で凝縮液化し、高圧の液冷媒の状態で液配管内を流れ、庫内の冷却ユニットへ流入する。冷凍ユニットへ流入したこの液冷媒は、冷却ユニット内の低元流量制御装置によって減圧され、低圧の気液二相冷媒となって蒸発器へ流入し、庫内空気で加熱されて蒸発し、低圧蒸気冷媒となってガス配管を通って低元圧縮機に戻る。

特許第３１７１０１０号公報

従来の二元冷凍装置では庫外に設置された室外ユニットと庫内に設置された冷却ユニットは液配管とガス配管で接続され、この液配管内には低元冷凍サイクルの液冷媒が循環する。ここで、通常、室外ユニットと冷却ユニットの設置距離は様々な長さ（例えば、１０ｍから２００ｍ程度）となる。このため、室外ユニットと冷却ユニットの設置距離が長くなると、液配管の長さが増大し、低元冷凍サイクルの充填冷媒量が増加してしまう。その結果、従来の二元冷凍装置は、冷媒コストが増加し、二元冷凍装置の製品コストが増加してしまうという問題点があった。また、充填冷媒量が増加すると、起動時や負荷変化時に圧縮機への液バックが発生しやすくなるため、従来の二元冷凍装置は装置の信頼性が低下してしまうという問題点があった。

また、近年の地球温暖化防止の観点から、フロン系冷媒に代わり自然冷媒のひとつである二酸化炭素が低元冷凍サイクルの冷媒として用いられるようになっている。この二酸化炭素冷媒を用いた二元冷凍装置では、高効率化、信頼性向上、低コスト化及び現地据付工事の容易化等の改善が要望されている。

本発明は、上述のような課題の少なくとも１つを解消するためになされたものであり、低元冷凍サイクルの冷媒充填量を削減し、コスト削減や信頼性向上を可能とする二元冷凍装置を得ることを第１の目的とする。またユニット据付の際、現地での追加冷媒充填を不要にし、現地据付工事の簡易化が可能な二元冷凍装置を得ることを第２の目的とする。

本発明に係る二元冷凍装置は、高元圧縮機、凝縮器、高元流量制御装置及びカスケード熱交換器が順次配管接続され、高元冷媒が循環する高元冷凍サイクルと、低元圧縮機、カスケード熱交換器、低元第一流量制御装置及び蒸発器が順次配管接続され、低元冷媒が循環する低元冷凍サイクルと、高元圧縮機、凝縮器、高元流量制御装置、カスケード熱交換器及び低元圧縮機が収納された室外ユニットと、低元第一流量制御装置及び蒸発器が収納された冷却ユニットと、を備え、室外ユニットと冷却ユニットとが液配管及びガス配管によって接続される二元冷凍装置において、
室外ユニットは、カスケード熱交換器の低元冷凍サイクル側となる出口配管に低元第二流量制御装置を備え、カスケード熱交換器から流出した低元冷媒を低元第二流量制御装置で減圧し、液配管を流れる低元冷媒を気液二相状態とするものである。

また、本発明に係る二元冷凍装置は、高元圧縮機、凝縮器、高元流量制御装置及びカスケード熱交換器が順次配管接続され、高元冷媒が循環する高元冷凍サイクルと、低元圧縮機、カスケード熱交換器、低元第一流量制御装置及び蒸発器が順次配管接続され、低元冷媒が循環する低元冷凍サイクルと、高元圧縮機、凝縮器、高元流量制御装置、カスケード熱交換器及び低元圧縮機が収納された室外ユニットと、低元第一流量制御装置及び蒸発器が収納された冷却ユニットと、を備え、室外ユニットと冷却ユニットとが液配管及びガス配管によって接続される二元冷凍装置において、
液配管を流れる低元冷媒が気液二相状態となるように、カスケード熱交換器の熱交換量を制御するものである。

また、本発明に係る二元冷凍装置は、高元圧縮機、凝縮器、高元流量制御装置及びカスケード熱交換器が順次配管接続され、高元冷媒が循環する高元冷凍サイクルと、低元圧縮機、カスケード熱交換器、低元第一流量制御装置及び蒸発器が順次配管接続され、低元冷媒が循環する低元冷凍サイクルと、高元圧縮機、凝縮器、高元流量制御装置及びカスケード熱交換器が収納された室外ユニットと、低元圧縮機、低元第一流量制御装置及び蒸発器が収納された冷却ユニットと、を備え、室外ユニットと冷却ユニットとが液配管及びガス配管によって接続される二元冷凍装置において、
室外ユニットは、カスケード熱交換器の低元冷凍サイクル側となる出口配管に低元第二流量制御装置を備え、カスケード熱交換器から流出した低元冷媒を低元第二流量制御装置で減圧し、液配管を流れる低元冷媒を気液二相状態とするものである。

また、本発明に係る二元冷凍装置は、高元圧縮機、凝縮器、高元流量制御装置及びカスケード熱交換器が順次配管接続され、高元冷媒が循環する高元冷凍サイクルと、低元圧縮機、カスケード熱交換器、低元第一流量制御装置及び蒸発器が順次配管接続され、低元冷媒が循環する低元冷凍サイクルと、高元圧縮機、凝縮器、高元流量制御装置及びカスケード熱交換器が収納された室外ユニットと、低元圧縮機、低元第一流量制御装置及び蒸発器が収納された冷却ユニットと、を備え、室外ユニットと冷却ユニットとが液配管及びガス配管によって接続される二元冷凍装置において、
液配管を流れる低元冷媒が気液二相状態となるように、カスケード熱交換器の熱交換量を制御するものである。

本発明においては、室外ユニットと冷却ユニットを接続する液配管内の低元冷媒を気液二相冷媒状態とすることができる。このため、低元冷凍サイクルの必要冷媒充填量を大幅に少なくすることができる。したがって、冷媒コストが低減でき、装置全体のコストを低減できる二元冷凍装置を得ることができる。また、信頼性が向上した二元冷凍装置を得ることもできる。

本発明の実施の形態１に係る二元冷凍装置の冷媒回路図である。 本発明の実施の形態１に係る低元冷凍サイクルの動作を示す圧力―エンタルピー線図である。 本発明の実施の形態２に係る二元冷凍装置の冷媒回路図である。 本発明の実施の形態２に係る低元冷凍サイクルの動作を示す圧力―エンタルピー線図である。 本発明の実施の形態３に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。 本発明の実施の形態３に係る低元冷凍サイクルの動作を示す圧力―エンタルピー線図である。 本発明の実施の形態３に係る冷凍サイクル装置の別の一例を示す冷媒回路図である。 本発明の実施の形態４に係る二元冷凍装置の冷媒回路図である。 本発明の実施の形態５に係る二元冷凍装置の冷媒回路図である。 本発明の実施の形態６に係る二元冷凍装置の冷媒回路図である。 本発明の実施の形態６に係る冷凍サイクル装置の別の一例を示す冷媒回路図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る二元冷凍装置の冷媒回路図である。
本実施の形態１に係る二元冷凍装置１００は、高元冷凍サイクル１０１及び低元冷凍サイクル１０２を備え、高元冷凍サイクル１０１及び低元冷凍サイクル１０２は、カスケード熱交換器２０によって熱的に接続されている。また、これら高元冷凍サイクル１０１及び低元冷凍サイクル１０２を構成する各要素は、室外ユニット１又は冷却ユニット２に収納されている。

高元冷凍サイクル１０１は、高元冷媒が循環するものであり、高元圧縮機１０、凝縮器１１、高元流量制御装置１２及びカスケード熱交換器２０が順次配管接続されて構成されている。高元圧縮機１０は、例えば二段スクリュー圧縮機である。凝縮器１１は例えばプレートフィンアンドチューブ熱交換器であり、凝縮器１１の近傍には送風機（図示せず）が設けられている。送風機によって周囲空気（外気）が凝縮器１１に供給されると、凝縮器１１を流れる高元冷媒は供給された周囲空気に凝縮熱を放熱する。高元流量制御装置１２は、例えば電子式膨張弁であり、高元冷凍サイクル１０１を循環する高元冷媒の流量を制御している。カスケード熱交換器２０は、例えばプレート式熱交換器であり、高元冷媒と低元冷媒（低元冷凍サイクル１０２を流れる冷媒）とが熱交換を行うものである。

低元冷凍サイクル１０２は、低元冷媒が循環するものであり、低元圧縮機３０、カスケード熱交換器２０、低元第一流量制御装置３２及び蒸発器３１が順次配管接続されて構成されている。低元圧縮機３０は、例えばスクロール圧縮機である。低元第一流量制御装置３２は、例えば電子式膨張弁であり、低元冷凍サイクル１０２を循環する低元冷媒の流量を制御している。蒸発器３１は例えばプレートフィンアンドチューブ熱交換器であり、蒸発器３１の近傍には送風機（図示せず）が設けられている。この送風機によって冷凍倉庫の庫内空気が蒸発器３１に供給されると、蒸発器３１を流れる低元冷媒は、供給された冷凍倉庫の庫内空気を冷却して、蒸発する。

また、本実施の形態１に係る低元冷凍サイクル１０２には、低元レシーバー３４及び低元第二流量制御装置３３が設けられている。低元レシーバー３４は、カスケード熱交換器２０の出口配管に設けられており、低元冷凍サイクル１０２の余剰な低元冷媒を貯留するものである。低元第二流量制御装置３３は、例えば電子式膨張弁であり、低元レシーバー３４と低元第一流量制御装置３２との間の冷媒配管に設けられている。この低元第二流量制御装置３３は、低元第一流量制御装置３２と共に低元冷凍サイクル１０２を循環する低元冷媒の流量を制御している。

上述した二元冷凍装置１００の各構成要素は、室外ユニット１又は冷却ユニット２に収納されている。本実施の形態１においては、高元圧縮機１０、凝縮器１１、高元流量制御装置１２、カスケード熱交換器２０、低元圧縮機３０、低元第二流量制御装置３３及び低元レシーバー３４が、室外ユニット１に収納されている。また、蒸発器３１、低元第一流量制御装置３２が、冷却ユニット２に収納されている。そして、室外ユニット１と冷却ユニット２は、２つの配管（液配管３及びガス配管４）で接続されている。

なお、本実施の形態１に係る二元冷凍装置１００では、高元冷凍サイクル１０１を循環する高元冷媒として、例えば２，３，３，３−テトラフルオロプロペン（ＨＦＯ−１２３４ｙｆ）等のテトラフルオロプロペン、又はこのテトラフルオロプロペンを含む混合冷媒を用いている。また、低元冷凍サイクル１０２を循環する低元冷媒として、二酸化炭素を用いている。

（動作説明）
続いて、本実施の形態１に係る二元冷凍装置１００の動作について説明する。

高元冷凍サイクル１０１の高元圧縮機１０より吐出された高温高圧で蒸気状態の高元冷媒は、凝縮器１１へ流入し、外気と熱交換して凝縮液化し、高圧液冷媒となる。この高圧液状態の高元冷媒は、高元流量制御装置１２で減圧され、低圧の気液二相冷媒となってカスケード熱交換器２０に流入する。この低圧の気液二相状態となった高元冷媒は、カスケード熱交換器２０内で低元冷媒によって加熱されて蒸発し、低圧の蒸気冷媒となって高元圧縮機１０へ流入し、再び圧縮される。

一方、低元冷凍サイクル１０２では、低元圧縮機３０より吐出された高温高圧で蒸気状態の低元冷媒は、カスケード熱交換器２０へ流入し、高元冷媒に冷却されて凝縮液化し、高圧液冷媒となる。この高圧液状態の低元冷媒は、低元レシーバー３４を通って、低元第二流量制御装置３３に流入する。低元第二流量制御装置３３に流入した高圧液状態の低元冷媒は、減圧されて中圧の気液二相冷媒となり、液配管３を通って、冷却ユニット２に流入する。冷却ユニット２に流入した中圧で気液二相状態の低元冷媒は、低元第一流量制御装置３２でさらに減圧され、低圧の気液二相冷媒となって蒸発器３１に流入する。蒸発器３１に流入した低圧で気液二相状態の低元冷媒は、冷凍倉庫の庫内空気によって加熱され（冷凍倉庫の庫内空気を冷却し）、蒸発して低圧の蒸気冷媒となる。蒸発器３１を流出した低圧で蒸気状態の低元冷媒は、ガス配管４を通って低元圧縮機３０へ流入し、再び圧縮される。

このように、本実施の形態１に係る二元冷凍装置１００は、カスケード熱交換器２０の低元冷凍サイクル１０２側の出口配管（より詳しくは、低元レシーバー３４の出口配管）に低元第二流量制御装置３３を設け、液配管３を流れる低元冷媒を中圧の気液二相冷媒としている。

図２は、本発明の実施の形態１に係る低元冷凍サイクルの動作を示す圧力―エンタルピー線図である。なお、図２のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｅ，Ｇ点における低元冷媒の位置を図１にも示す。より詳しくは、図２に示すＡ点は低元圧縮機３０から吐出された低元冷媒の状態を示し、Ｂ点はカスケード熱交換器２０から流出した低元冷媒の状態を示し、Ｃ点は液配管３内を流れる低元冷媒の状態を示し、Ｅ点は蒸発器３１に流入する低元冷媒の状態を示し、Ｇ点は低元圧縮機３０に吸入される冷媒の状態を示す。

従来の二元冷凍装置は液配管３内の低元冷媒が高圧液状態となっていた。これに対し、本実施の形態１に係る二元冷凍装置１００は、低元第二流量制御装置３３により液配管３内の低元冷媒を中圧の気液二相状態としている。このため、本実施の形態１に係る二元冷凍装置１００は、液配管３内の冷媒量を大幅に削減でき、低元冷凍サイクル１０２の必要冷媒充填量を大幅に低減することができる。

低元冷媒が気液二相状態となって液配管３内を流れる場合、液冷媒とガス冷媒が相対速度をもって流れる。例えば、乾き度０．１から０．２程度の気液二相冷媒の場合、液配管の断面に占める液相冷媒と気相冷媒の割合は、それぞれ０．５程度となることが知られている。すなわち、乾き度０．１から０．２程度の気液二相状態の冷媒が流れる液配管３内での平均密度は完全な液状態の半分程度となり、気液二相状態の冷媒が流れる液配管３内の必要冷媒量は液状態の冷媒が流れる場合の半分程度となる。

例えば、本実施の形態１に係る二元冷凍装置１００を冷凍倉庫の冷却装置として用いる場合、室外ユニット１は冷凍倉庫の周囲に設置され、冷却ユニット２は冷凍倉庫の庫内に設置される。この室外ユニット１と冷却ユニット２の距離はさまざまで、最小５ｍ程度から最大２００ｍ程度となる場合もある。この距離が長いと、室外ユニット１と冷却ユニット２を接続する液配管３の長さも長くなり、低元冷凍サイクル１０２の必要冷媒充填量に占めるこの液配管３の影響は大きくなる。したがって、室外ユニット１と冷却ユニット２の設置位置が離れて液配管３の長さが長い二元冷凍装置１００ほど、液配管３内の低元冷媒を気液二相状態とすることにより、低元冷凍サイクル１０２の必要冷媒充填量を大幅に低減することができる。

低元冷凍サイクル１０２の冷媒充填量を少なくすることにより、冷媒コストが低減でき、二元冷凍装置１００全体のコストを安くすることができる。また、低元冷凍サイクル１０２内の冷媒充填量が少なくなると、二元冷凍装置１００の起動時や負荷変動時にも低元冷凍サイクル１０２内の冷媒量分布の変動が小さくなる。このため、本実施の形態１に係る二元冷凍装置１００は、低元冷凍サイクル１０２の安定性向上による性能向上や低元圧縮機３０への液バックの発生減少による信頼性向上も可能となる。

また一般的に、従来の二元冷凍装置は、低元冷凍サイクル内に必要最小限の低元冷媒を充填して工場から出荷している。そして、二元冷凍装置を現地に据え付ける際、室外ユニット１と冷却ユニット２の設置距離に応じて、必要な分だけ低元冷媒を充填している。したがって、本実施の形態１に係る二元冷凍装置１００を従来と同様に据え付ける場合、現地での追加冷媒量を従来の約半分に低減することが可能となり、現地据付工事の短時間化及び簡略化が可能となる。

さらに、本実施の形態１に係る二元冷凍装置１００は、低元レシーバー３４が設けられている場合、液配管３の長さが仕様最大長さ（例えば２００ｍ）となるときに必要な量の低元冷媒を低元冷凍サイクル１０２にあらかじめ充填して工場出荷することで、現地での追加冷媒充填工事を不要にすることができる。すなわち、液配管３の長さが仕様最小長さ（例えば５ｍ）のときに余剰となる液状低元冷媒を貯留できる容積の低元レシーバー３４を二元冷凍装置１００に設けることにより、現地での追加冷媒充填工事を不要にすることができる。このように現地での追加充填工事が不要となれば、工事費用の低減、工事時間の短縮が可能となる。また、冷媒誤充填による信頼性や性能低下を未然に防ぐことが可能となる。

この現地での追加冷媒充填が不要となる原理を具体的に説明する。本実施の形態１に係る二元冷凍装置１００において、室外ユニット１と冷却ユニット２で必要な低元冷媒の量を１００ｋｇ、液配管３が仕様最小長さ（例えば５ｍ）のときに必要な低元冷媒の量を５ｋｇ、液配管３が仕様最大長さ（例えば２００ｍ）のときに必要な低元冷媒の量を２００ｋｇとする。また、ガス配管４に必要な低元冷媒の量は、他の部位に比べて少ないので無視することとする。この場合、液配管３が仕様最小長さ（例えば５ｍ）のときに二元冷凍装置１００が必要とする低元冷媒の量は、１００ｋｇ＋５ｋｇ＝１０５ｋｇとなる。また、液配管３が仕様最大長さ（例えば２００ｍ）のときに二元冷凍装置１００が必要とする低元冷媒の量は、１００ｋｇ＋２００ｋｇ＝３００ｋｇとなる。

したがって、二元冷凍装置１００を現地での追加充填工事を不要にするためには、次のようにすればよい。つまり、液配管３が仕様最大長さ（例えば２００ｍ）のときに二元冷凍装置１００が必要とする量（３００ｋｇ）の低元冷媒を、あらかじめ室外ユニット１側の低元冷凍サイクル１０２に充填すればよい。そして、低元レシーバー３４は、液配管３が仕様最小長さ（例えば５ｍ）のときに余剰となる量（３００ｋｇ−１０５ｋｇ＝１９５ｋｇ）以上の液状低元冷媒を貯留できる容積とすればよい。このように二元冷凍装置１００を構成することにより、仕様液配管長さ（例えば５ｍから２００ｍ）の範囲で追加冷媒充填が不要となり、工事費用の低減、工事時間の短縮が可能となる。また、冷媒誤充填による信頼性や性能低下を未然に防ぐことも可能となる。

液配管内を液冷媒が流れる従来の二元冷凍装置では、液配管の必要とする低元冷媒の量が本実施の形態１に係る二元冷凍装置１００の２倍となる。つまり、液配管が仕様最小長さ（例えば５ｍ）のときに必要な低元冷媒の量は１０ｋｇとなり、液配管が仕様最大長さ（例えば２００ｍ）のときに必要な低元冷媒の量は４００ｋｇとなる。このため、従来の二元冷凍装置で現地追加冷媒充填を不要とするためには、液配管が仕様最大長さ（例えば２００ｍ）のときにこの二元冷凍装置が必要とする量５００ｋｇ（＝１００ｋｇ＋４００ｋｇ）の低元冷媒を、あらかじめ室外ユニット側の低元冷凍サイクルに充填しなければならない。また、低元レシーバー３４は、５００ｋｇ−（１００ｋｇ＋１０ｋｇ）＝３９０ｋｇ以上の液状低元冷媒を貯留可能な容積とする必要がある。

つまり、液配管３内を気液二相状態の低元冷媒が流れる本実施の形態１の二元冷凍装置１００は、従来の二元冷凍装置に比べて冷媒充填量が３００ｋｇ／５００ｋｇ＝０．６倍となり、低元レシーバー３４容積が１９５／３９０＝０．５倍となる。このため、本実施の形態１に係る二元冷凍装置１００は、従来よりも冷媒充填量を少なくでき、従来よりも低元レシーバー３４を小さくすることができる。したがって、経済性に優れ、さらに低圧レシーバーの小型化によって室外ユニット１の小型化も可能な二元冷凍装置を提供することができる。

また、本実施の形態１に係る二元冷凍装置１００は、低元冷凍サイクル１０２の低元冷媒として二酸化炭素を使用しているので、地球温暖化への影響の小さな二元冷凍装置１００を提供できる。また、二酸化炭素冷媒は通常のフロン系冷媒に比べてガス配管４を流れる際の圧力損失が小さくなるので、このガス配管４内の圧力損失による性能低下を抑制でき、効率の高い二元冷凍装置１００を提供することができる。また、二酸化炭素冷媒はアンモニア冷媒のように毒性がないので、安全性に優れた二元冷凍装置１００を提供することができる。

さらに、本実施の形態１に係る二元冷凍装置１００は、従来に比べて二酸化炭素冷媒を用いる低元冷凍サイクル１０２の冷媒充填量を大幅に少なくできるので、冷却ユニット２から万一冷媒漏洩が発生し、冷凍倉庫内への二酸化炭素冷媒が漏洩しても、その漏洩量を少なくすることができ、二酸化炭素冷媒漏洩による酸欠の危険性を小さくできる。

また、本実施の形態１に係る二元冷凍装置１００は、高元冷凍サイクル１０１の高元冷媒として２，３，３，３−テトラフルオロプロペン（ＨＦＯ−１２３４ｙｆ）等のテトラフルオロプロペン、又はこのテトラフルオロプロペンを含む混合冷媒を使用しているので、地球温暖化への影響の小さな二元冷凍装置１００を提供できる。

また、本実施の形態１に係る二元冷凍装置１００は、高元圧縮機１０として二段スクリュー圧縮機を用いているので、圧縮比の大きな高元冷凍サイクル１０１の運転効率を高く維持することができ、効率の高い二元冷凍装置１００を提供することができる。

なお、本実施の形態１に係る二元冷凍装置１００では、低元冷凍サイクル１０２の低元冷媒として二酸化炭素を使用したが、これに限るものではなく、二酸化炭素以外の炭化水素など自然冷媒やフロン系冷媒を使用しても同様の効果を発揮する。

また、本実施の形態１に係る二元冷凍装置１００では、低元第一流量制御装置３２、低元第二流量制御装置３３がともに電子膨張弁である場合について説明したが、これに限ることは無く、どちらか一方、あるいは両方が、温度式膨張弁や毛細管であっても同様の効果を発揮する。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２に係る二元冷凍装置の冷媒回路図である。
本実施の形態２に係る二元冷凍装置１００は、実施の形態１で示した二元冷凍装置１００の構成から低元第二流量制御装置３３を取り外した構成となっている。そして、本実施の形態２に係る二元冷凍装置１００は、カスケード熱交換器２０での熱交換量を制御することにより、液配管３を流れる低元冷媒を気液二相状態に制御している。なお、本実施の形態２において、特に記述しない項目については実施の形態１と同様とし、同一の機能や構成については同一の符号を用いて、重複する説明は省略する。

（動作説明）
続いて、本実施の形態２に係る二元冷凍装置１００の動作について説明する。なお、高元冷凍サイクル１０１の動作は実施の形態１と同様なので、その説明は省略する。

低元冷凍サイクル１０２では、低元圧縮機３０より吐出された高温高圧で蒸気状態の低元冷媒は、カスケード熱交換器２０へ流入し、高元冷媒に冷却されて凝縮液化し、高圧の気液二相冷媒となる。この高圧で気液二相状態の低元冷媒は、液配管３を通って、冷却ユニット２に流入する。冷却ユニット２に流入した高圧で気液二相状態の低元冷媒は、低元第一流量制御装置３２で減圧され、低圧の気液二相冷媒となって蒸発器３１に流入する。蒸発器３１に流入した低圧で気液二相状態の低元冷媒は、冷凍倉庫の庫内空気によって加熱され（冷凍倉庫の庫内空気を冷却し）、蒸発して低圧の蒸気冷媒となる。蒸発器３１を流出した低圧で蒸気状態の低元冷媒は、ガス配管４を通って低元圧縮機３０へ流入し、再び圧縮される。

このように、本実施の形態２に係る二元冷凍装置１００は、カスケード熱交換器２０の熱交換量を調整することにより、カスケード熱交換器２０の出口の低元冷媒が完全に凝縮しないように（つまり、カスケード熱交換器２０の出口の低元冷媒が高圧の気液二相状態となるように）制御している。これにより、本実施の形態２に係る二元冷凍装置１００では、液配管３を流れる低元冷媒が高圧の気液二相冷媒となる。

図４は、本発明の実施の形態２に係る低元冷凍サイクルの動作を示す圧力―エンタルピー線図である。なお、図４のＡ，Ｂ，Ｅ，Ｇ点における低元冷媒の位置を図３にも示す。より詳しくは、図４に示すＡ点は低元圧縮機３０から吐出された低元冷媒の状態を示し、Ｂ点はカスケード熱交換器２０から流出した低元冷媒の状態を示し、Ｅ点は蒸発器３１に流入する低元冷媒の状態を示し、Ｇ点は低元圧縮機３０に吸入される冷媒の状態を示す。

なお、カスケード熱交換器２０の熱交換量は、例えば高元冷凍サイクル１０１の高元圧縮機１０の回転周波数をインバーターで調整することにより制御することができる。また例えば、カスケード熱交換器２０の熱交換量は、カスケード熱交換器２０を流れる高元冷媒の流量を高元流量制御装置１２の弁開度で調整することにより制御することができる。

以上、本実施の形態２のように構成された二元冷凍装置１００においては、カスケード熱交換器２０の熱交換量を制御することにより、実施の形態１と同様に液配管３内の低元冷媒を気液二相状態とすることができる。このため、本実施の形態２のように構成された二元冷凍装置１００は、実施の形態１と同様に冷媒充填量を少なくできるので、冷媒コストが低減でき、二元冷凍装置１００全体のコストを安くすることができる。また、低元冷凍サイクル１０２内の冷媒充填量が少なくなると、二元冷凍装置１００の起動時や負荷変動時にも低元冷凍サイクル１０２内の冷媒量分布の変動が小さくなる。このため、本実施の形態２に係る二元冷凍装置１００は、実施の形態１と同様に、低元冷凍サイクル１０２の安定性向上による性能向上や低元圧縮機３０への液バックの発生減少による信頼性向上も可能となる。

さらに、本実施の形態２のように構成された二元冷凍装置１００においては、実施の形態１と異なり低元第二流量制御装置３３を用いていないので、二元冷凍装置１００をさらに安価に提供することができる。

なお、本実施の形態２に係る二元冷凍装置１００は、低元レシーバー３４が設けられていない構成となっているが、低元レシーバー３４を設けても勿論よい。

実施の形態３．
図５は、本発明の実施の形態３に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。
本実施の形態３に係る二元冷凍装置１００は、実施の形態１で示した二元冷凍装置１００の構成に低元内部熱交換器３５を追加した構成となっており、低元冷凍サイクル１０２の効率向上と安定性向上を図っている。なお、本実施の形態３において、特に記述しない項目については実施の形態１又は実施の形態２と同様とし、同一の機能や構成については同一の符号を用いて説明する。また、実施の形態１又は実施の形態２と重複する説明は省略する。

低元内部熱交換器３５は、低元第一流量制御装置３２の入口配管を流れる低元冷媒と低元圧縮機３０の吸入側配管を流れる低元冷媒とが熱交換するものである。この低元内部熱交換器３５は、例えばプレート式熱交換器であり、冷却ユニット２に収納されている。

（動作説明）
続いて、本実施の形態３に係る二元冷凍装置１００の動作について説明する。なお、高元冷凍サイクル１０１の動作は実施の形態１と同様なので、その説明は省略する。

低元冷凍サイクル１０２では、低元圧縮機３０より吐出された高温高圧で蒸気状態の低元冷媒は、カスケード熱交換器２０へ流入し、高元冷媒に冷却されて凝縮液化し、高圧液冷媒となる。この高圧液状態の低元冷媒は、低元レシーバー３４を通って、低元第二流量制御装置３３に流入する。低元第二流量制御装置３３に流入した高圧液状態の低元冷媒は、減圧されて中圧の気液二相冷媒となり、液配管３を通って、冷却ユニット２内に設けられた低元内部熱交換器３５に流入する。低元内部熱交換器３５に流入した中圧で気液二相状態の低元冷媒は、蒸発器３１を流出した低圧で蒸気状態の低元冷媒によって冷却され、中圧の液冷媒となって、低元第一流量制御装置３２に流入する。

この中圧で液状態の低元冷媒は、低元第一流量制御装置３２で減圧され、低圧の気液二相冷媒となって蒸発器３１に流入する。蒸発器３１に流入した低圧で気液二相状態の低元冷媒は、冷凍倉庫の庫内空気によって加熱され（冷凍倉庫の庫内空気を冷却し）、蒸発して低圧の蒸気冷媒となる。蒸発器３１を流出した低圧で蒸気状態の低元冷媒は、低元内部熱交換器３５に流入する。低元内部熱交換器３５に流入した低圧で蒸気状態の低元冷媒は、低元第二流量制御装置３３を流出した中圧で気液二相状態の低元冷媒によって加熱される。この低圧で蒸気状体の低元冷媒は、ガス配管４を通って低元圧縮機３０へ流入し、再び圧縮される。

このように、本実施の形態３に係る二元冷凍装置１００は、冷却ユニット２に低元内部熱交換器３５を設けることにより、低元第一流量制御装置３２に流入する低元冷媒を中圧の液冷媒としている。

図６は、本発明の実施の形態３に係る低元冷凍サイクルの動作を示す圧力―エンタルピー線図である。なお、図６のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ点における低元冷媒の位置を図５にも示す。より詳しくは、図６に示すＡ点は低元圧縮機３０から吐出された低元冷媒の状態を示し、Ｂ点はカスケード熱交換器２０から流出した低元冷媒の状態を示し、Ｃ点は液配管３内を流れる低元冷媒の状態を示し、Ｄ点は低元第一流量制御装置３２に流入する低元冷媒の状態を示し、Ｅ点は蒸発器３１に流入する低元冷媒の状態を示し、Ｆ点は蒸発器３１から流出した低元冷媒の状態を示し、Ｇ点は低元圧縮機３０に吸入される冷媒の状態を示す。

本実施の形態３に係る二元冷凍装置１００は、低元内部熱交換器３５を設けることにより、低元第一流量制御装置３２に流入する低元冷媒を液状態にし、低元第一流量制御装置３２の流量制御安定性を向上させている。一般に、低元第一流量制御装置３２として用いられる電子式膨張弁の流量制御特性は、入口冷媒（流入する冷媒）が液状態のときは安定するが、入口冷媒が気液二相状態となると不安定になる場合がある。これは、気液二相状態の冷媒はその液相と気相の割合がかならずしも時間的に一定でなく、液相と気相の割合が時間的に変動するためである。本実施の形態３に係る二元冷凍装置１００においても、電子式膨張弁である低元第一流量制御装置３２の流量特性が不安定になると、低元圧縮機３０に吸入される低元冷媒に液状態のものが混入したり、低元冷凍サイクル１０２の高圧や低圧が変動する場合があり、低元圧縮機３０の信頼性が低下する場合が考えられる。また、蒸発器３１に流入する低元冷媒の状態も変化するため、冷却能力も変動し、性能安定性が低下する場合が考えられる。

したがって、本実施の形態３に係る二元冷凍装置１００は、低元内部熱交換器３５を設けることにより、低元第一流量制御装置３２に流入する低元冷媒を液状態にし、低元第一流量制御装置３２の流量制御安定性を向上させている。このため、低元圧縮機３０の信頼性が高く、また低元圧縮機３０の性能安定性が高い二元冷凍装置１００を提供することができる。

さらに、本実施の形態３に係る二元冷凍装置１００では、低元内部熱交換器３５出口の低元冷媒（低圧蒸気冷媒）の過熱度が所定の値（例えば５℃）になるように、低元第一流量制御装置３２を制御している。このため、蒸発器３１の出口の低元冷媒を飽和蒸気又は乾き度０．９程度の気液二相状態に維持することができる。一般に、冷媒の蒸発熱伝達率は、気液二相状態では高く、蒸気単相状態では低い。このため、蒸発器３１内に冷媒単相状態をなくすことにより、蒸発器３１内の平均冷媒蒸発熱伝達率を従来の二元冷凍装置に比べて向上することができ、二元冷凍装置１００の効率を高くすることができる。

したがって、本実施の形態３に係る二元冷凍装置１００は、低元内部熱交換器３５を設け、蒸発器３１の出口の低元冷媒を飽和蒸気又は乾き度０．９程度の気液二相状態に維持することにより、蒸発器３１内の冷媒熱伝達率を向上することができ、性能の高い二元冷凍装置１００を提供することができる。

なお、本実施の形態３では、低元冷凍サイクル１０２に低元第一流量制御装置３２と低元第二流量制御装置３３を設けた二元冷凍装置１００について説明したが、実施の形態２のように低元第一流量制御装置３２のみ設けられた構成の二元冷凍装置１００としてもよい。

また、図５に示した本実施の形態３に係る二元冷凍装置１００は、室外ユニット１を１つの筐体で形成していたが、室外ユニット１を複数の筐体で形成してもよい。

図７は、本発明の実施の形態３に係る冷凍サイクル装置の別の一例を示す冷媒回路図である。図７に示す二元冷凍装置１００の室外ユニット１は、熱源ユニット１ａとカスケードユニット１ｂとにより構成されている。そして、熱源ユニット１ａには、高元圧縮機１０及び凝縮器１１が収納されている。また、カスケードユニット１ｂには、高元流量制御装置１２、カスケード熱交換器２０、低元圧縮機３０、低元レシーバー３４及び低元第二流量制御装置３３が収納されている。このように室外ユニット１を構成することにより、熱源ユニット１ａとして通常のコンデンシングユニットを利用することができる。このため、カスケードユニット１ｂのみ新規に設置することで、二元冷凍装置１００を構築することができる。

なお、実施の形態１及び実施の形態２で示した二元冷凍装置１００（図１及び図３）や後述の実施の形態に係る二元冷凍装置１００においても、高元圧縮機１０及び凝縮器１１が収納された熱源ユニット１ａとその他の構成要素が収納されたカスケードユニット１ｂとに分けて室外ユニット１を構成することができる。図７で示した二元冷凍装置１００と同様に、熱源ユニット１ａとして通常のコンデンシングユニットを利用することができるので、カスケードユニット１ｂのみ新規に設置することで二元冷凍装置１００を構築することができる。

実施の形態４．
図８は、本発明の実施の形態４に係る二元冷凍装置の冷媒回路図である。
本実施の形態４に係る二元冷凍装置１００は、冷却ユニット２内に低元圧縮機３０を設け、低元冷凍サイクル１０２の効率向上を図っている。なお、本実施の形態４において、特に記述しない項目については実施の形態１〜実施の形態３と同様とし、同一の機能や構成については同一の符号を用いて説明する。また、実施の形態１〜実施の形態３と重複する説明は省略する。

このように構成された二元冷凍装置１００においては、蒸発器３１から低元圧縮機３０までの冷媒配管を短くでき、この配管での冷媒圧力損失を大幅に低減することができるので、圧力損失による性能低下のない二元冷凍装置１００を提供することができる。特に、室外ユニット１と冷却ユニット２の設置距離が離れている場合（つまり、ガス配管４が長い場合）ほど、この冷媒圧力損失の低減効果が大きい。

なお、本実施の形態４に係る二元冷凍装置１００は、低元冷凍サイクル１０２に低元第一流量制御装置３２、低元第二流量制御装置３３及び低元内部熱交換器３５を設けた構成としたが、実施の形態１のような低元内部熱交換器３５のない構成の二元冷凍装置１００としてもよいし、また実施の形態２のような低元第一流量制御装置３２のみの構成の二元冷凍装置１００としてもよい。

実施の形態５．
図９は、本発明の実施の形態５に係る二元冷凍装置の冷媒回路図である。なお、本実施の形態５において、特に記述しない項目については実施の形態１〜実施の形態４と同様とし、同一の機能や構成については同一の符号を用いて説明する。また、実施の形態１〜実施の形態４と重複する説明は省略する。

本実施の形態５に係る二元冷凍装置１００は、複数の冷却ユニット２を備えている。つまり、本実施の形態５に係る二元冷凍装置１００は、複数の低元冷凍サイクル１０２を備えている。図９に示す二元冷凍装置１００の場合、２つの冷却ユニット２（換言すると、２つの低元冷凍サイクル１０２）を備えている。なお、以下の説明において２つの冷却ユニット２（換言すると、低元冷凍サイクル１０２）を区別する必要がある場合、一方には添字「ａ」を付記し、他方には添字「ｂ」を付記する。

より詳しくは、本実施の形態５に係る二元冷凍装置１００は、室外ユニット１に２つのカスケード熱交換器２０（カスケード熱交換器２０ａ及びカスケード熱交換器２０ｂ）を備えている。これらカスケード熱交換器２０ａ及びカスケード熱交換器２０ｂの高元冷凍サイクル１０１側流路は、高元流量制御装置１２と高元圧縮機１０との間に直列接続されている。そして、カスケード熱交換器２０ａに低元冷凍サイクル１０２ａが接続され、カスケード熱交換器２０ｂに低元冷凍サイクル１０２ｂが接続されている。

つまり、本実施の形態５に係る二元冷凍装置１００の２つの冷却ユニット２（冷却ユニット２ａ及び冷却ユニット２ｂ）は、冷却ユニット２ａが液配管３ａ及びガス配管４ａを介して室外ユニット１と接続され、冷却ユニット２ｂが液配管３ｂ及びガス配管４ｂを介して室外ユニット１と接続されている。このため、本実施の形態５に係る二元冷凍装置１００は、冷却ユニット２ａ及び冷却ユニット２ｂを個別に冷却運転することができ、しかも液配管３ａ及び液配管３ｂの低元冷媒を気液二相状態とすることができる。

以上、このように構成された二元冷凍装置１００においては、実施の形態１〜実施の形態４と同様に、冷媒充填量が少なく、しかも現地での追加冷媒充填工事も不要で、性能および信頼性の高い二元冷凍装置１００を提供することができる。

また、本実施の形態５に係る二元冷凍装置１００は、高元冷凍サイクル１０１にカスケード熱交換器２０ａ及びカスケード熱交換器２０ｂを直列に２つ設け、それぞれのカスケード熱交換器に冷却ユニット２ａ及び冷却ユニット２ｂを接続している。このため、各冷却ユニットの運転、停止が可能となり、また各冷却ユニットの冷却能力を制御することができ、温度安定性の高い二元冷凍装置１００を得ることができる。各冷却ユニットの冷却能力を制御する際には、高元冷凍サイクル１０１の高元圧縮機１０の運転周波数をインバーターで調整したり、高元流量制御装置１２の開度を調整することにより、カスケード熱交換器２０ａ及びカスケード熱交換器２０ｂの冷却能力を制御すればよい。

なお、本実施の形態５に係る二元冷凍装置１００では、冷却ユニット２を２つ備えた例について説明したが、これに限ることはなく、冷却ユニット２を３つ以上備えることも勿論可能である。この場合、高元冷凍サイクル１０１で３つ以上のカスケード熱交換器２０を直列接続し、各カスケード熱交換器２０に低元冷凍サイクル１０２を接続すればよい。

また、本実施の形態５に係る二元冷凍装置１００は、低元冷凍サイクル１０２に低元第一流量制御装置３２、低元第二流量制御装置３３及び低元内部熱交換器３５を設けた構成としたが、実施の形態１のような低元内部熱交換器３５のない構成の二元冷凍装置１００としてもよいし、また実施の形態２のような低元第一流量制御装置３２のみの構成の二元冷凍装置１００としてもよい。

実施の形態６．
図１０は、本発明の実施の形態６に係る二元冷凍装置の冷媒回路図である。なお、本実施の形態６において、特に記述しない項目については実施の形態１〜実施の形態５と同様とし、同一の機能や構成については同一の符号を用いて説明する。また、実施の形態１〜実施の形態５と重複する説明は省略する。

本実施の形態６に係る二元冷凍装置１００は、２つの冷却ユニット２（換言すると、２つの低元冷凍サイクル１０２）を備えている。なお、以下の説明において２つの冷却ユニット２（換言すると、低元冷凍サイクル１０２）を区別する必要がある場合、一方には添字「ａ」を付記し、他方には添字「ｂ」を付記する。

より詳しくは、本実施の形態６に係る二元冷凍装置１００は、室外ユニット１に２つのカスケード熱交換器２０（カスケード熱交換器２０ａ及びカスケード熱交換器２０ｂ）を備えている。これらカスケード熱交換器２０ａ及びカスケード熱交換器２０ｂの高元冷凍サイクル１０１側流路は、凝縮器１１と高元圧縮機１０との間に並列接続されている。また、カスケード熱交換器２０ａ及びカスケード熱交換器２０ｂの入口配管には、高元流量制御装置１２ａ及び高元流量制御装置１２ｂがそれぞれ設けられている。そして、カスケード熱交換器２０ａに低元冷凍サイクル１０２ａが接続され、カスケード熱交換器２０ｂに低元冷凍サイクル１０２ｂが接続されている。

つまり、本実施の形態６に係る二元冷凍装置１００の２つの冷却ユニット２（冷却ユニット２ａ及び冷却ユニット２ｂ）は、冷却ユニット２ａが液配管３ａ及びガス配管４ａを介して室外ユニット１と接続され、冷却ユニット２ｂが液配管３ｂ及びガス配管４ｂを介して室外ユニット１と接続されている。このため、本実施の形態６に係る二元冷凍装置１００は、冷却ユニット２ａ及び冷却ユニット２ｂを個別に冷却運転することができ、しかも液配管３ａ及び液配管３ｂの低元冷媒を気液二相状態とすることができる。

以上、このように構成された二元冷凍装置１００においては、実施の形態１〜実施の形態５と同様に、冷媒充填量が少なく、しかも現地での追加冷媒充填工事も不要で、性能および信頼性の高い二元冷凍装置１００を提供することができる。

また、本実施の形態６に係る二元冷凍装置１００は、高元冷凍サイクル１０１にカスケード熱交換器２０ａ及びカスケード熱交換器２０ｂを並列に２つ設け、それぞれのカスケード熱交換器に冷却ユニット２ａ及び冷却ユニット２ｂを接続している。このため、各冷却ユニットの運転、停止が可能となり、また各冷却ユニットの冷却能力を制御することができ、温度安定性の高い二元冷凍装置１００を得ることができる。各冷却ユニットの冷却能力を制御する際には、高元冷凍サイクル１０１の高元圧縮機１０の運転周波数をインバーターで調整したり、高元流量制御装置１２ａ及び高元流量制御装置１２ｂの開度を調整することにより、カスケード熱交換器２０ａ及びカスケード熱交換器２０ｂの冷却能力を制御すればよい。

なお、本実施の形態６に係る二元冷凍装置１００では、冷却ユニット２を２つ備えた例について説明したが、これに限ることはなく、冷却ユニット２を３つ以上備えることも勿論可能である。この場合、高元冷凍サイクル１０１で３つ以上のカスケード熱交換器２０を並列接続し、各カスケード熱交換器２０に低元冷凍サイクル１０２を接続すればよい。

また、本実施の形態６に係る二元冷凍装置１００は、低元冷凍サイクル１０２に低元第一流量制御装置３２、低元第二流量制御装置３３及び低元内部熱交換器３５を設けた構成としたが、実施の形態１のような低元内部熱交換器３５のない構成の二元冷凍装置１００としてもよいし、また実施の形態２のような低元第一流量制御装置３２のみの構成の二元冷凍装置１００としてもよい。

さらに、図１０に示した本実施の形態６に係る二元冷凍装置１００においても、図７で示した二元冷凍装置１００と同様に、熱源ユニット１ａとカスケードユニット１ｂにより室外ユニット１を構成してもよい。

図１１は、本発明の実施の形態６に係る冷凍サイクル装置の別の一例を示す冷媒回路図である。図１１に示す二元冷凍装置１００の室外ユニット１は、熱源ユニット１ａとカスケードユニット１ｂとにより構成されている。そして、熱源ユニット１ａには、高元圧縮機１０及び凝縮器１１が収納されている。また、カスケードユニット１ｂには、高元流量制御装置１２ａ，１２ｂ、カスケード熱交換器２０ａ，２０ｂ、低元圧縮機３０ａ，３０ｂ、低元レシーバー３４ａ，３４ｂ及び低元第二流量制御装置３３ａ，３３ｂが収納されている。このように室外ユニット１を構成することにより、熱源ユニット１ａとして通常のコンデンシングユニットを利用することができる。このため、カスケードユニット１ｂのみ新規に設置することで、二元冷凍装置１００を構築することができる。

１ 室外ユニット、１ａ 熱源ユニット、１ｂ カスケードユニット、２（２ａ、２ｂ） 冷却ユニット、３（３ａ、３ｂ） 液配管、４（４ａ、４ｂ） ガス配管、１０ 高元圧縮機、１１ 凝縮器、１２（１２ａ、１２ｂ） 高元流量制御装置、２０（２０ａ、２０ｂ） カスケード熱交換器、３０（３０ａ、３０ｂ） 低元圧縮機、３１（３１ａ、３１ｂ） 蒸発器、３２（３２ａ、３２ｂ） 低元第一流量制御装置、３３（３３ａ、３３ｂ） 低元第二流量制御装置、３４（３４ａ、３４ｂ） 低元レシーバー、３５（３５ａ、３５ｂ） 低元内部熱交換器、１００ 二元冷凍装置、１０１ 高元冷凍サイクル、１０２（１０２ａ、１０２ｂ） 低元冷凍サイクル。

Claims (11)

1. 高元圧縮機、凝縮器、高元流量制御装置及びカスケード熱交換器が順次配管接続され、高元冷媒が循環する高元冷凍サイクルと、
   低元圧縮機、前記カスケード熱交換器、低元第一流量制御装置及び蒸発器が順次配管接続され、低元冷媒が循環する低元冷凍サイクルと、
   前記高元圧縮機、前記凝縮器、前記高元流量制御装置、前記カスケード熱交換器及び前記低元圧縮機が収納された室外ユニットと、
   前記低元第一流量制御装置及び前記蒸発器が収納された冷却ユニットと、
   を備え、
   前記室外ユニットと前記冷却ユニットとが液配管及びガス配管によって接続される二元冷凍装置において、
   前記室外ユニットは、前記カスケード熱交換器の前記低元冷凍サイクル側となる出口配管に低元第二流量制御装置を備え、
   前記カスケード熱交換器から流出した前記低元冷媒を前記低元第二流量制御装置で減圧し、前記液配管を流れる前記低元冷媒を気液二相状態とすることを特徴とする二元冷凍装置。
2. 高元圧縮機、凝縮器、高元流量制御装置及びカスケード熱交換器が順次配管接続され、高元冷媒が循環する高元冷凍サイクルと、
   低元圧縮機、前記カスケード熱交換器、低元第一流量制御装置及び蒸発器が順次配管接続され、低元冷媒が循環する低元冷凍サイクルと、
   前記高元圧縮機、前記凝縮器、前記高元流量制御装置、前記カスケード熱交換器及び前記低元圧縮機が収納された室外ユニットと、
   前記低元第一流量制御装置及び前記蒸発器が収納された冷却ユニットと、
   を備え、
   前記室外ユニットと前記冷却ユニットとが液配管及びガス配管によって接続される二元冷凍装置において、
   前記液配管を流れる前記低元冷媒が気液二相状態となるように、前記カスケード熱交換器の熱交換量を制御することを特徴とする二元冷凍装置。
3. 高元圧縮機、凝縮器、高元流量制御装置及びカスケード熱交換器が順次配管接続され、高元冷媒が循環する高元冷凍サイクルと、
   低元圧縮機、前記カスケード熱交換器、低元第一流量制御装置及び蒸発器が順次配管接続され、低元冷媒が循環する低元冷凍サイクルと、
   前記高元圧縮機、前記凝縮器、前記高元流量制御装置及び前記カスケード熱交換器が収納された室外ユニットと、
   前記低元圧縮機、前記低元第一流量制御装置及び前記蒸発器が収納された冷却ユニットと、
   を備え、
   前記室外ユニットと前記冷却ユニットとが液配管及びガス配管によって接続される二元冷凍装置において、
   前記室外ユニットには、前記カスケード熱交換器の前記低元冷凍サイクル側の出口配管に低元第二流量制御装置を備え、
   前記カスケード熱交換器から流出した前記低元冷媒を前記低元第二流量制御装置で減圧し、前記液配管を流れる前記低元冷媒を気液二相状態とすることを特徴とする二元冷凍装置。
4. 高元圧縮機、凝縮器、高元流量制御装置及びカスケード熱交換器が順次配管接続され、高元冷媒が循環する高元冷凍サイクルと、
   低元圧縮機、前記カスケード熱交換器、低元第一流量制御装置及び蒸発器が順次配管接続され、低元冷媒が循環する低元冷凍サイクルと、
   前記高元圧縮機、前記凝縮器、前記高元流量制御装置及び前記カスケード熱交換器が収納された室外ユニットと、
   前記低元圧縮機、前記低元第一流量制御装置及び前記蒸発器が収納された冷却ユニットと、
   を備え、
   前記室外ユニットと前記冷却ユニットとが液配管及びガス配管によって接続される二元冷凍装置において、
   前記液配管を流れる前記低元冷媒が気液二相状態となるように、前記カスケード熱交換器の熱交換量を制御することを特徴とする二元冷凍装置。
5. 前記冷却ユニットは、前記低元第一流量制御装置の入口配管を流れる前記低元冷媒と前記低元圧縮機の吸入側配管を流れる前記低元冷媒とが熱交換する内部熱交換器を備えたことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の二元冷凍装置。
6. 前記低元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〜請求項５のいずれか一項に記載の二元冷凍装置。
7. 前記高元冷媒として、テトラフルオロプロペン、又はテトラフルオロプロペンを含む混合冷媒を用いることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の二元冷凍装置。
8. 前記高元圧縮機として二段圧縮機を用いたことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の二元冷凍装置。
9. 請求項１、請求項３、及び、請求項１又は請求項３に従属する請求項５〜請求項８のいずれか一項に記載の二元冷凍装置であって、
   前記室外ユニットは、前記カスケード熱交換器と前記低元第二流量制御装置との間の配管に、前記低元冷凍サイクルの余剰な前記低元冷媒を貯留する低元レシーバーを備えたことを特徴とする二元冷凍装置。
10. 請求項２、請求項４、及び、請求項２又は請求項４に従属する請求項５〜請求項８のいずれか一項に記載の二元冷凍装置であって、
    前記室外ユニットには、前記カスケード熱交換器の前記低元冷凍サイクル側の出口配管に、前記低元冷凍サイクルの余剰な前記低元冷媒を貯留する低元レシーバーを備えたことを特徴とする二元冷凍装置。
11. 前記室外ユニットは、熱源ユニットとカスケードユニットに分割されており、
    前記熱源ユニットには、前記高元圧縮機及び前記凝縮器が収納され、
    前記カスケードユニットには、前記室外ユニットに収納された前記の構成要素のうちで前記高元圧縮機及び前記凝縮器以外の構成要素が収納されていることを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載の二元冷凍装置。

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