JP5759076B2

JP5759076B2 - 冷凍装置

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Publication number: JP5759076B2
Application number: JP2014534094A
Authority: JP
Inventors: 杉本　猛; 猛杉本; 野本　宗; 宗野本; 智隆石川; 池田　隆; 隆池田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-09-06
Filing date: 2012-09-06
Publication date: 2015-08-05
Anticipated expiration: 2032-09-06
Also published as: WO2014038028A1; JPWO2014038028A1

Description

本発明は、冷凍装置に関し、特に、液冷媒を貯留する受液器を有する冷凍装置に関するものである。

従来の冷凍装置には、低温側循環回路と高温側循環回路とがカスケード熱交換器で接続された二元冷凍サイクルを有し、低温側循環回路にＣＯ_２冷媒が採用されたものが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。この特許文献１に記載の技術のように、冷媒にＣＯ_２冷媒が採用されているものは、冷媒圧力が高くなり、その分冷凍装置の設計圧力も大きくする必要がある。すなわち、たとえば蒸発器のヘアピン（銅管）の肉厚や蒸発器に接続された配管の肉厚などを大きくし、冷媒圧力に耐えられるように設計する必要があるということである。

そこで、特許文献１に記載の技術は、低温側循環回路の蒸発器の霜取時に、高温側循環回路の圧縮機を運転するものである。これにより、高温側循環回路のカスケード熱交換器で、低温側循環回路のカスケード熱交換器を冷却し、低温側循環回路内の圧力上昇を抑制し、冷凍装置の設計圧力を低くすることを実現しようとしている。

また、特許文献１に記載の技術は、低温側循環回路の停止時（サーモオフ時）に負荷が発生して再起動する場合において、高温側循環回路の圧縮機を起動後、所定時間経過してから低温側循環回路の圧縮機を起動するようにしているものである。これにより、低温側循環回路の起動時において、圧縮機から吐出される冷媒の圧力が過渡的に急上昇することを抑制し、冷凍装置の設計圧力を低くすることを実現しようとしている。

特開２００４−１９０９１７号公報（たとえば、第１４頁及び第１図参照）

特許文献１に記載の技術は、低温側循環回路の蒸発器の霜取時に、高温側循環回路の圧縮機を運転し、冷凍装置の設計圧力を低減している。しかし、霜取時の高温側循環回路の圧縮機の運転には約３０〜４０分程度（１日に４〜５回程度霜取実施）要し、その分の時間だけ、冷凍装置の利便性が損なわれてしまうという課題があった。

特許文献１に記載の技術は、低温側循環回路の停止時（サーモオフ時）に負荷が発生して再起動する場合において、高温側循環回路の圧縮機を起動してから数十秒〜数分経過後に低温側循環回路の圧縮機を起動するため、プルダウン速度が遅くなってしまうという課題があった。
なお、プルダウン速度とは、たとえば冷凍装置がショーケースである場合には、ショーケース内の温度を目標温度まで下げる速度を指す。

また、低温側循環回路の圧縮機が長時間停止時には、外気温度近くまで低温側循環回路の冷媒回路が温められる。このため、低温側循環回路の設計圧力（３〜４Ｍｐａ）以上になると、安全弁でＣＯ_２冷媒を放出し、その後ＣＯ_２冷媒を補充する（長時間停止のたびに）作業が必要となり、冷凍装置の利便性が損なわれてしまうという課題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、設計圧力を低減しながら利便性が損なわれることを抑制すること、及び、設計圧力を低減しながらプルダウン速度の低減を抑制することを実現する冷凍装置を提供することを目的としている。

本発明に係る冷凍装置は、高温側圧縮機、高温側凝縮器、高温側絞り装置、及びカスケードコンデンサの蒸発側を冷媒配管で接続して構成した高温側冷凍サイクルと、低温側圧縮機、カスケードコンデンサの凝縮側、受液器、低温側絞り装置、及び低温側蒸発器を冷媒配管で接続して構成した低温側冷凍サイクルとを有する冷凍装置において、受液器は、低温側冷凍サイクルに充填された全冷媒を液冷媒としたときの容積の５倍〜７倍とした容積の容器を備えている。

本発明の冷凍装置によれば、低温側冷凍サイクルに充填された冷媒の容積を液冷媒の容積に換算したとき、受液器の容積が、当該換算された液冷媒の容積の５倍〜７倍であるので、設計圧力を低減しながら、利便性が損なわれることを抑制すること、及び、プルダウン速度の低減を抑制することを実現することができる。

本発明の実施の形態１に係る冷凍装置の冷媒回路図の一例である。図１に示す受液器の構成例を表す模式図である。本発明の実施の形態１に係る冷凍装置の回路内容積と回路内圧力の関係を表す線図である。本発明の実施の形態２に係る冷凍装置の冷媒回路図の一例である。本発明の実施の形態２に係る冷凍装置の動作を表すｐ−Ｈ線図である。

実施の形態１．
以下、本発明に係る冷凍装置の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。
本実施の形態に係る冷凍装置１００は、設計圧力を低減しながら利便性が損なわれることを抑制すること、及び、設計圧力を低減しながらプルダウン速度の低減を抑制するため、低温側の冷媒循環回路に設けられた受液器９に改良が加えられているものである。

［構成説明］
図１は、実施の形態１に係る冷凍装置１００の冷媒回路図の一例である。図２は、図１に示す受液器９の構成例を表す模式図である。図１及び図２を参照して冷凍装置１００の構成について説明する。
冷凍装置１００は、高温側圧縮機１などが設けられ、第１冷媒が循環する高温側循環回路Ａと、低温側圧縮機５などが設けられ、第２冷媒が循環する低温側循環回路Ｂとを有している。
そして、冷凍装置１００は、後述のカスケードコンデンサ８を介して高温側循環回路Ａと、低温側循環回路Ｂとが接続され、第１冷媒と第２冷媒とが熱交換して第２冷媒が加熱されるようになっている。

（高温側循環回路Ａ及び低温側循環回路Ｂ）
高温側循環回路Ａは、第１冷媒を圧縮して吐出する高温側圧縮機１と、凝縮器（放熱器）として機能する高温側凝縮器２と、第１冷媒を減圧させる高温側膨張弁３と、蒸発器として機能する高温側蒸発器４（カスケードコンデンサ８）とが冷媒配管で接続されて構成されている。
低温側循環回路Ｂは、第２冷媒を圧縮して吐出する低温側圧縮機５と、凝縮器（放熱器）として機能する補助コンデンサ６及び低温側凝縮器７と、第２冷媒のうちの液冷媒を貯留する受液器９と、流路の開閉をする低温側電磁弁１１と、第２冷媒を減圧させる低温側第一膨張弁１０と、蒸発器として機能する低温側蒸発器１２とが冷媒配管で接続されて構成されている。
なお、低温側循環回路Ｂは、受液器９と低温側電磁弁１１とを接続する液配管１５と、低温側蒸発器１２と低温側圧縮機５の吸入側とを接続するガス配管１６を有している。
また、低温側第一膨張弁１０、低温側電磁弁１１、及び低温側蒸発器１２は、ショーケースやユニットクーラーなどである冷却ユニット１３に搭載されている。

なお、本実施の形態１では、低温側循環回路Ｂの第２冷媒に、地球温暖化係数（ＧＷＰ）が１であるＣＯ_２冷媒を採用している場合を例に説明する。
また、高温側循環回路Ａには低温側循環回路Ｂのように液配管１５やガス配管１６がなく、短く閉じている回路で冷媒量も少ない。このため、高温側循環回路Ａの第１冷媒には、地球温暖化係数（ＧＷＰ）が比較的小さな冷媒（たとえば、Ｒ４１０Ａ、Ｒ１３４ａ、Ｒ３２、及びＨＦＯ冷媒など）を採用している場合を例に説明する。

（高温側圧縮機１及び低温側圧縮機５）
高温側圧縮機１は、第１冷媒を吸入し、その第１冷媒を圧縮して高温・高圧の状態にして吐出するものである。高温側圧縮機１は、第１冷媒の吐出側が高温側凝縮器２に接続され、吸入側が高温側蒸発器４に接続されている。
低温側圧縮機５も、高温側圧縮機１と同様の機能を有するものである。すなわち、低温側圧縮機５は、第２冷媒を吸入し、その第２冷媒を圧縮して高温・高圧の状態にして吐出するものである。低温側圧縮機５は、第２冷媒の吐出側が補助コンデンサ６に接続され、吸入側が低温側蒸発器１２に接続されている。
なお、本実施の形態１では、高温側圧縮機１及び低温側圧縮機５の出力が、約１０馬力程度である場合を例に説明する。

（高温側凝縮器２、補助コンデンサ６及び低温側凝縮器７）
高温側凝縮器２は、図示省略の付設されたファンによって供給された空気と、第１冷媒との間で熱交換を行わせ、第１冷媒を凝縮液化させるものである。高温側凝縮器２は、一方が高温側圧縮機１の吐出側に接続され、他方が高温側膨張弁３に接続されている。
補助コンデンサ６及び低温側凝縮器７も、高温側凝縮器２と同等の機能を有するものである。なお、補助コンデンサ６は、図示省略の付設されたファンによって供給された空気と、第２冷媒との間で熱交換を行わせ、第２冷媒を凝縮液化させるものである。一方、低温側凝縮器７は、高温側蒸発器４を流れる第１冷媒からの冷熱を利用して第２冷媒を凝縮液化させる。補助コンデンサ６は、一方が低温側圧縮機５の吐出側に接続され、他方が低温側凝縮器７に接続されている。低温側凝縮器７は、一方が補助コンデンサ６に接続され、他方が受液器９に接続されている。

（高温側膨張弁３及び低温側第一膨張弁１０）
高温側膨張弁３は、第１冷媒を減圧、膨張させるためのものである。高温側膨張弁３は、一方が高温側凝縮器２に接続され、他方が高温側蒸発器４に接続されている。
低温側第一膨張弁１０も、高温側膨張弁３と同等の機能を有するものである。すなわち、低温側第一膨張弁１０は、第２冷媒を減圧、膨張させるためのものである。低温側第一膨張弁１０は、一方が低温側電磁弁１１に接続され、他方が低温側蒸発器１２に接続されている。なお、低温側第一膨張弁１０は、冷却ユニット１３に搭載されている。
なお、高温側膨張弁３及び低温側第一膨張弁１０は、たとえば、温度式自動膨張弁や開度が可変である電子式膨張弁などで構成するとよい。

（高温側蒸発器４及び低温側蒸発器１２）
高温側蒸発器４は、低温側凝縮器７を流れる第２冷媒の温熱を利用して第１冷媒を蒸発させるものである。高温側蒸発器４は、一方が高温側膨張弁３に接続され、他方が高温側圧縮機１の吸入側に接続されている。また、高温側蒸発器４は、カスケードコンデンサ８の一部を構成している。
低温側蒸発器１２は、図示省略の付設されたファンによって供給された空気と、第２冷媒との間で熱交換を行わせ、第２冷媒を蒸発ガス化させるものである。低温側蒸発器１２は、一方が低温側第一膨張弁１０に接続され、他方がガス配管１６を介して低温側圧縮機５の吸入側に接続されている。なお、低温側蒸発器１２は、冷却ユニット１３に搭載されている。
なお、この低温側蒸発器１２、高温側凝縮器２及び補助コンデンサ６は、たとえば、フィンを通過する空気と、冷媒との間で熱交換ができるようなプレートフィンチューブ熱交換器で構成するとよい。

（受液器９）
受液器９は、低温側蒸発器１２に安定的に供給できるように、低温側循環回路Ｂを循環する低温側凝縮器７で凝縮した液冷媒の一部を貯留するものである。また、受液器９は、ガス冷媒と液冷媒とを分離し、この分離した液冷媒を下流側に供給することができる。
受液器９は、図２に示すように、ガス冷媒及び液冷媒を貯留する容器９Ａと、容器９Ａ内に連通するように容器９Ａに接続された冷媒流入管９Ｂ１及び冷媒流出管９Ｂ２とを有している。
容器９Ａは、低温側凝縮器７側から供給される液冷媒、ガス冷媒を貯留する容器である。容器９Ａには、冷媒流入管９Ｂ１及び冷媒流出管９Ｂ２が接続されている。このため、冷媒流入管９Ｂ１から冷媒が容器９Ａ内に供給されるとともに、容器９Ａ内に貯留された液冷媒が冷媒流出管９Ｂ２から低温側蒸発器１２側に流出するようになっている。
冷媒流入管９Ｂ１は、一方が低温側凝縮器７側の配管に接続され、他方の端部が容器９Ａの内部内に設けられている。冷媒流出管９Ｂ２は、一方の端部が容器９Ａの内部に設けられ、他方が液配管１５に接続されている。

本実施の形態１に係る冷凍装置１００の容器９Ａは、その容積が、低温側循環回路Ｂを循環する第２冷媒（ＣＯ_２冷媒）の圧力を低減するように設定されている。容器９Ａの容積については、後述の図３で詳しく説明する。
なお、本実施の形態１では、受液器９が容器９Ａ、冷媒流入管９Ｂ１及び冷媒流出管９Ｂ２を有する態様である場合を例に説明したが、それに限定されるものではない。たとえば、低温側循環回路Ｂを循環する第２冷媒に含まれる塵や水分などの不純物を取り除く乾燥剤等が設けられていてもよい。

（カスケードコンデンサ８）
カスケードコンデンサ８は、高温側蒸発器４及び低温側凝縮器７を有しており、高温側蒸発器４を流れる第１冷媒の冷熱を、低温側凝縮器７を流れる第２冷媒に伝達することができるようになっている。なお、カスケードコンデンサ８は、たとえばプレート式熱交換器などで構成するとよい。

（低温側電磁弁１１）
低温側電磁弁１１は、冷媒流路の開閉を行うものである。低温側電磁弁１１は、一方が液配管１５を介して受液器９に接続され、他方が低温側第一膨張弁１０に接続されている。低温側電磁弁１１は、制御装置１８により通電するか否かが制御されるコイル、及びコイルへの通電の当否により冷媒流路を開閉するように動作する弁体などから構成されている。

（液配管１５及びガス配管１６）
液配管１５は、一方が受液器９に接続され、他方が低温側電磁弁１１に接続されている配管である。液配管１５は、受液器９にて分離された液冷媒が流れる。
ガス配管１６は、一方が低温側蒸発器１２に接続され、他方が低温側圧縮機５の吸入側に接続されている配管である。ガス配管１６は、低温側蒸発器１２に供給される空気と熱交換し、ガス化した第２冷媒が流れる。
なお、本実施の形態１では、液配管１５及びガス配管１６の長さが、約７０ｍ程度である場合を例に説明する。

（制御装置１８）
制御装置１８は、図示省略の温度センサーなどの検出結果に基づいて、高温側圧縮機１及び低温側圧縮機５の周波数（運転／停止含む）、これらの圧縮機に付設されたファンの回転数（運転／停止含む）、高温側膨張弁３及び低温側第一膨張弁１０の開度、低温側電磁弁１１の開閉などを制御するものである。制御装置１８の設置位置は特に限定されるものではないが、図１に示すように、たとえば冷却ユニット１３に設置される。また、制御装置１８は、たとえばマイコンなどで構成されるものである。

（冷却ユニット１３）
冷却ユニット１３は、低温側蒸発器１２、低温側第一膨張弁１０及び低温側電磁弁１１を有しており、たとえば、ショーケースやユニットクーラーなどに対応するものである。本実施の形態１では、ショーケースであるものとして説明する。
また、本実施の形態１の例では、冷却ユニット１３のショーケースが、８尺のショーケースが６台、６尺のショーケースが２台接続され、ショーケースの合計の内容積は約７２リットルとなっているものとする。

［冷凍装置１００の冷媒の状態遷移について］
図１を参照しながら、同図で示される高温側循環回路Ａを流れる第１冷媒の状態遷移について説明する。高温側圧縮機１によって圧縮され吐出された気体の第１冷媒は、高温側凝縮器２へ流入する。この高温側凝縮器２に流入した気体の第１冷媒は、ファンから供給される外気と熱交換を実施して凝縮し、高温側凝縮器２から流出する。この高温側凝縮器２から流出した第１冷媒は、高温側膨張弁３に流入し、この高温側膨張弁３によって減圧される。減圧された第１冷媒は、高温側蒸発器４に流入し、低温側凝縮器７を流れる第２冷媒と熱交換して気化し、高温側蒸発器４から流出する。この高温側蒸発器４から流出した気体の第１冷媒は、高温側圧縮機１に吸引される。

次に、低温側循環回路Ｂを流れる第２冷媒の状態遷移について説明する。
高温側圧縮機１によって圧縮され吐出された気体の第２冷媒は、凝縮器として機能する補助コンデンサ６を介して低温側凝縮器７に流入する。第２冷媒は、ファンから供給される外気と熱交換を実施して凝縮し、低温側凝縮器７から流出する。この低温側凝縮器７から流出した第２冷媒は、受液器９に流入し、液冷媒とガス冷媒とに分離される。受液器９内の液冷媒は、液配管１５及び低温側電磁弁１１を通って低温側第一膨張弁１０に流入する。低温側第一膨張弁１０に流入した第２冷媒は、減圧される。減圧された第２冷媒は、低温側蒸発器１２に流入し、ファンから供給される空気と熱交換を実施して蒸発し、低温側蒸発器１２から流出する。この低温側蒸発器１２から流出した気体の第２冷媒は、ガス配管１６を介して低温側圧縮機５に吸引される。

［受液器９の容器９Ａの容積について］
たとえば、低温側循環回路Ｂの低温側圧縮機５が長時間停止した場合には、高温側循環回路Ａの高温側圧縮機１を継続して駆動させて、低温側循環回路Ｂの冷凍サイクル内の圧力上昇を抑える方法がある。
しかし、この方法は、低温側圧縮機５が長時間停止（サーモオフ）しているにもかかわらず、高温側圧縮機１を駆動することになるので、無駄に高温側循環回路Ａの高温側圧縮機１を動かすことになってしまう。その一方で、この方法を実施しない、すなわち高温側圧縮機１を駆動しないと、低温側循環回路Ｂの冷媒圧力が、外気（周囲温度）に相当する圧力まで上昇してしまう可能性もある。そこで、本実施の形態１に係る受液器９は、容器９Ａの容積を大きくしている。

図３は、実施の形態１に係る冷凍装置１００の低温側循環回路Ｂ内の容積と低温側循環回路Ｂ内の圧力との関係を表している。なお、図３の結果は、下記の条件より算出されたものである。
なお、図３の曲線は、低温側循環回路ＢにＣＯ_２冷媒を採用し、低温側循環回路Ｂの低温側圧縮機５の公称出力が約１０馬力程度であり、冷却ユニット１３に接続される液配管１５及びガス配管１６が７０ｍであるものとしている。また、冷却ユニット１３は、８尺のショーケースが６台、６尺のショーケースが２台を有し、ショーケースの合計の内容積は約７２リットルであるものとしている。

なお、この条件においては、従来の冷凍装置では、液配管１５が液冷媒で満たされる場合の低温側循環回路Ｂ路の冷媒量は約３０ｋｇ程度となる。ここで、液冷媒は、ガス冷媒よりも充分に重いため、冷媒量を重量で算出するにあたり、ガス冷媒の重量は無視して計算している。すなわち、ガス配管１６中の冷媒などについては考慮にいれていない。

そして、図３は、低温側循環回路Ｂ内の回路内容積と回路内の圧力（周囲温度４６℃）との関係を示している。たとえば設計圧力をＲ４１０Ａの４．１５（Ｍｐａ）程度に抑える場合には、必要となる回路内容積が約４００（リットル）となることがわかる（図３の上側の曲線参照）。
ここで、低温側圧縮機５、補助コンデンサ６、低温側凝縮器７、受液器９（１０馬力クラスでは約４０リットル）、液配管１５（７０ｍ）、ガス配管１６（７０ｍ）、低温側蒸発器１２（ショーケースが８台で約７２リットル）の合計内容積は、約１６０（リットル）程度である。

したがって、ＣＯ_２冷媒を採用している冷凍装置１００の設計圧力を４．１５（Ｍｐａ）程度とするには、４００（リットル）と１６０（リットル）との差である、２４０（リットル）分の容積が、不足するということになる。そこで、本実施の形態１に係る受液器９の容器９Ａは、通常約４０（リットル）の受液器の７倍（４０リットル＋２４０リットル）程度の容積としている。このように、受液器９の容器９Ａの容積を、２８０（リットル）程度とすることで、冷媒充填量３０（ｋｇ）相当の液冷媒を全て収容することができる。
なお、全ての液冷媒を収容することができなくとも設計圧力を低減することができることから、通常約４０（リットル）の受液器の７倍（４０リットル＋２４０リットル）程度の容積に限定されるものではない。たとえば、受液器９の容器９Ａの容積は、通常４０（リットル）の受液器の略５倍〜７倍程度の範囲内であるとよい。

なお、低温側循環回路Ｂの設計圧力を、たとえば８．５（Ｍｐａ）程度と高くした冷凍装置の場合には、低温側蒸発器１２をプレートフィンチューブ式熱交換器とすると、内部に通す銅配管（ヘアピン）の仕様はたとえばφ９．５２ｍｍ（肉厚０．８ｍｍ）程度になる。一方、低温側循環回路Ｂの設計圧力を、Ｒ４１０Ａ並みの４．１５（Ｍｐａ）程度に抑えることができれば、低温側蒸発器１２のヘアピンの仕様はφ９．５２ｍｍ（肉厚０．３５ｍｍ）程度になり、材料費だけでも半分程度に抑えることができる。

また、低温側蒸発器１２だけでなく、低温側圧縮機５、補助コンデンサ６、カスケードコンデンサ８、受液器９、液配管１５及びガス配管１６ついても肉厚を低下させることは言うまでもない。このため、低温側循環回路Ｂの設計圧力を４．１５（Ｍｐａ）以下に抑えることは、設計圧力が、たとえば８．５（Ｍｐａ）の冷凍装置と比較すると冷凍装置システム全体のコストを半分以下もしくはそれ以上に抑えることができる。

［本実施の形態１に係る冷凍装置１００の有する効果］
本実施の形態に係る冷凍装置１００は、低温側循環回路Ｂ（低温側冷凍サイクル）に充填された冷媒の容積を液冷媒の容積に換算したとき、受液器９の容器９Ａの容積が、当該換算された液冷媒の容積の略５倍〜７倍としている。これにより、低温側循環回路Ｂの冷媒圧力を低減することができるので、たとえば低温側蒸発器１２のヘアピンの肉厚や低温側蒸発器１２に接続された配管の肉厚が増大しないようにすることができる（設計圧力の低減）。
また、低温側循環回路Ｂの冷媒圧力を低減することができるので、たとえば低温側循環回路Ｂの低温側蒸発器１２の霜取時に、高温側循環回路Ａの高温側圧縮機１を運転して冷媒圧力を低減する制御（特許文献１参照）を実施する必要性も低減することができ、利便性が損なわれること抑制することができる。
さらに、低温側循環回路Ｂの冷媒圧力を低減することができるので、低温側循環回路Ｂの冷媒圧力が上昇した場合に、たとえば安全弁でＣＯ_２冷媒を放出し、その後ＣＯ_２冷媒を補充する作業を実施する必要性も低減することができ、利便性が損なわれること抑制することができる。
すなわち、本実施の形態に係る冷凍装置１００は、低温側循環回路Ｂの冷媒圧力を低減することができるので、設計圧力を低減しながら利便性が損なわれることを抑制することができる。

本実施の形態に係る冷凍装置１００は、低温側循環回路Ｂの停止時（サーモオフ時）に負荷が発生して再起動する場合において、低温側圧縮機５から吐出される冷媒圧力が過渡的に上昇したとしても次のような効果を得ることができる。
低温側循環回路Ｂの冷媒圧力を低減することができる分、過渡的に上昇した冷媒圧力の値を予め設定された値以下に抑えることができる。このように過渡的な冷媒圧力の上昇を抑制するため、高温側循環回路Ａの高温側圧縮機１を起動してから数十秒〜数分経過後に低温側循環回路Ｂの低温側圧縮機５を起動する制御（特許文献２参照）を実施する必要性が低減する。
すなわち、本実施の形態に係る冷凍装置１００は、プルダウン速度の低減を抑制することができ、設計圧力を低減しながら利便性が損なわれることを抑制することができる。

本実施の形態に係る冷凍装置１００は、上記のように設計圧力を低減することができるので、低温側蒸発器１２（ショーケースやユニットクーラ）のヘアピン（銅管）の肉厚をＨＦＣ冷媒並みにでき、低温側蒸発器１２につながる冷媒配管（液管、ガス管）の肉厚もＨＦＣ冷媒並みにすることができる。これにより、冷凍装置１００の製造コストが増加してしまうことを抑制することができる。

実施の形態２．
実施の形態２では、実施の形態１とは異なる部分を中心に説明するものとし、同様の構成については説明を省略する。本実施の形態２では、実施の形態１の低温側循環回路Ｂに、第２冷媒を中圧に減圧させる低温側第二膨張弁１４が設けられている。そして、受液器９の容積も、低温側第二膨張弁１４によって減圧されることを考慮したものとなっている。図４は、実施の形態２に係る冷凍装置２００の冷媒回路図の一例である。図４を参照して、冷凍装置２００について説明する。

（低温側第二膨張弁１４）
低温側第二膨張弁１４は、第２冷媒を中圧まで減圧させて、第２冷媒を気液２相状態にするものである。低温側第二膨張弁１４は、一方が受液器９に接続され、他方が液配管１５に接続されている。なお、低温側第二膨張弁１４は、たとえば、温度式自動膨張弁や開度が可変である電子式膨張弁などで構成するとよい。

［冷凍装置２００の冷媒の状態遷移について］
低温側循環回路Ｂを流れる第２冷媒の状態遷移について説明する。なお、高温側循環回路Ａの第１冷媒の状態遷移は、実施の形態１と同様であるので省略する。
低温側圧縮機５より吐出された高温高圧の蒸気の第２冷媒は、凝縮器として機能する補助コンデンサ６を介して低温側凝縮器７に流入する。第２冷媒は、ファンから供給される外気と熱交換を実施して凝縮し、低温側凝縮器７から流出する。この低温側凝縮器７から流出した高圧液冷媒である第２冷媒は、受液器９に流入し、液冷媒とガス冷媒とに分離される。
受液器９内の液冷媒は、受液器９から流出すると低温側第二膨張弁１４で減圧され、中圧の気液２相冷媒となる。この中圧の気液２相冷媒は、液配管１５及び低温側電磁弁１１を通って低温側第一膨張弁１０に流入する。低温側第一膨張弁１０に流入した第２冷媒は、減圧される。減圧された第２冷媒は、低温側蒸発器１２に流入し、ファンから供給される空気と熱交換を実施して蒸発し、低温側蒸発器１２から流出する。この低温側蒸発器１２から流出した気体の第２冷媒は、ガス配管１６を介して低温側圧縮機５に吸引される。

［受液器９の容器９Ａの容積について］
図５は、実施の形態２に係る冷凍装置２００の動作を表すｐ−Ｈ線図である。すなわち、図５は、低温側循環回路Ｂの動作を圧力−エンタルピー線図上に示したものである。なお、Ａ点が低温側圧縮機５の吐出、Ｂ点が低温側凝縮器の出口、Ｃ点が液配管１５内、Ｄ点が低温側蒸発器１２の入口、Ｅ点が低温側圧縮機５の吸入の状態を示している。

気液２相状態の第２冷媒が流れる液配管１５内では、液冷媒とガス冷媒が相対速度をもって流れている。具体的には、乾き度０．１から０．２程度の気液２相状態の場合には、液配管１５断面の液相と気相の占める割合は、それぞれ０．５程度に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２相状態の第２冷媒が流れる液配管１５内での平均密度は、完全な液状態の半分程度となる。このため、気液２相状態の冷媒が流れる液配管１５内の必要冷媒量は、液状態の半分程度になる。
なお、低温側循環回路Ｂ内の回路内容積と回路内の圧力（周囲温度４６℃）との関係については、先述した図３の下側の曲線に対応している。

液配管１５内の平均密度が略半減しているため、低温側循環回路Ｂ内の冷媒量は約２６（ｋｇ）程度となる。ここで、低温側循環回路Ｂ内の設計圧力をＲ４１０Ａの４．１５（Ｍｐａ）程度に抑える場合には、必要とする回路内容積は約３００（リットル）となる（図３の下側の曲線参照）。
ＣＯ_２冷媒を採用している冷凍装置２００の設計圧力を、Ｒ４１０Ａと同等の４．１５（Ｍｐａ）程度に抑えるには、３００（リットル）と１６０（リットル）との差である、１４０（リットル）分の容積が、不足するということになる。なお、１６０（リットル）は、低温側圧縮機５、補助コンデンサ６、低温側凝縮器７、受液器９（１０馬力クラスでは約４０リットル）、液配管１５（７０ｍ）、ガス配管１６（７０ｍ）、低温側蒸発器１２（ショーケースが８台で約７２リットル）の合計内容積である。
そこで、本実施の形態２に係る受液器９の容器９Ａは、通常約４０（リットル）の受液器の４．５倍（４０リットル＋１４０リットル）程度の容積としている。

ＨＦＣ冷媒であるＲ４１０Ａでは、たとえば１０馬力相当の場合で、ガス配管径φ３１．７５（ｍｍ）程度である。一方、ＣＯ_２冷媒は圧力損失が小さいことから、さらに配管径を細くしてもよい。たとえば、ガス配管１６は、φ１９．０５（ｍｍ）程度まで細くしてもよい。
なお、ガス配管１６の配管径を、ＨＦＣ冷媒並みの配管径であるφ３１．７５（ｍｍ）程度にしておけば、受液器９の容器９Ａの容積をその分低減させることができる。すなわち、ガス配管１６の配管径を、高温側循環回路Ａの高温側蒸発器４と高温側圧縮機１とを接続する配管径と同程度とすることで、受液器９の容器９Ａの容積をその分低減させることができるということである。
ガス配管１６の長さが７０（ｍ）程度であることから、ガス配管１６の配管径をφ３１．７５（ｍｍ）程度とすると、内容積が約４０（リットル）増加し、容器９Ａの容積を１４０（リットル）から１００（リットル）に低減することができる。

すなわち、この場合には、通常の約４０リットルの受液器９と１００（リットル）を足した１４０（リットル）の受液器９が必要となる。受液器９の容器９Ａの容積を、通常の約４０（リットル）の受液器の３．５倍（４０リットル＋１００リットル）とするということである。なお、受液器９の容積は、通常４０（リットル）程度の容積であるところ、その３．５倍或いは４．５倍程度とするとよいこと述べたが、それに限定されるものではなく、たとえば、略３倍〜５倍程度の範囲内であればよい。

［本実施の形態２に係る冷凍装置２００の有する効果］
本実施の形態２に係る冷凍装置２００は、低温側第二膨張弁１４を有しており、低温側循環回路Ｂに充填された冷媒の容積を液冷媒の容積に換算したとき、受液器９の容器９Ａの容積が、当該換算された液冷媒の容積の略３倍〜５倍としている。この構成においても、実施の形態１に係る冷凍装置１００と同様の効果を得ることができる。

１高温側圧縮機、２高温側凝縮器、３高温側膨張弁、４高温側蒸発器、５低温側圧縮機、６補助コンデンサ、７低温側凝縮器、８カスケードコンデンサ、９受液器、９Ａ容器、９Ｂ１冷媒流入管、９Ｂ２冷媒流出管、１０低温側第一膨張弁（低温側２絞り装置）、１１低温側電磁弁、１２低温側蒸発器、１３冷却ユニット、１４低温側第二膨張弁（低温側第１絞り装置）、１５液配管、１６ガス配管、１８制御装置、１００、２００冷凍装置、Ａ高温側循環回路（高温側冷凍サイクル）、Ｂ低温側循環回路（低温側冷凍サイクル）。

Claims

高温側圧縮機、高温側凝縮器、高温側絞り装置、及びカスケードコンデンサの蒸発側を冷媒配管で接続して構成した高温側冷凍サイクルと、
低温側圧縮機、前記カスケードコンデンサの凝縮側、受液器、低温側絞り装置、及び低温側蒸発器を冷媒配管で接続して構成した低温側冷凍サイクルとを有する冷凍装置において、
前記受液器は、
前記低温側冷凍サイクルに充填された全冷媒を液冷媒としたときの容積の５倍〜７倍とした容積の容器を備えている
ことを特徴とする冷凍装置。
高温側圧縮機、高温側凝縮器、高温側絞り装置、及びカスケードコンデンサの蒸発側を冷媒配管で接続して構成した高温側冷凍サイクルと、
低温側圧縮機、前記カスケードコンデンサの凝縮側、受液器、低温側第１絞り装置、低温側第２絞り装置、及び低温側蒸発器を冷媒配管で接続して構成した低温側冷凍サイクルとを有する冷凍装置において、
前記受液器は、
前記低温側冷凍サイクルに充填された全冷媒を液冷媒としたときの容積の３倍〜５倍とした容積の容器を備えている
ことを特徴とする冷凍装置。
前記低温側冷凍サイクルの冷媒には、二酸化炭素冷媒を使用している
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の冷凍装置。
前記高温側冷凍サイクルの冷媒には、ＨＦＣ冷媒を使用し、
前記低温側蒸発器と前記低温側圧縮機の吸入側とを接続する配管の配管径は、
前記カスケードコンデンサの蒸発側と前記高温側圧縮機の吸入側とを接続する配管の配管径と同等にしている
ことを特徴とする請求項３に記載の冷凍装置。