JP5826722B2 - 二元冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、低元側冷凍サイクルと高元側冷凍サイクルとを有する二元冷凍装置に関する。

特許文献１は、１次側冷媒回路(低元側冷凍サイクル)と２次側冷媒回路（高元側冷凍サイクル）とが冷媒熱交換器（カスケード熱交換器）を介して接続され、二元の冷凍サイクル動作と単元の冷凍サイクル動作とを切り換える切換手段を備える二元冷凍装置を開示する。特許文献１の二元冷凍装置では、外気に応じて、低圧力比となる運転条件の場合には、単元運転へ切り換えて運転することで省エネルギ性を高める。

特開２０００−２７４８４８号公報

特許文献１では、単元運転と二元運転の運転状態の切り換えは可能であるが、逆サイクル運転はできない。

本発明は、連続的な運転状態を保ちつつ、単元加熱運転モード、単元冷却運転モード、二元加熱運転モード（二元冷却運転モード）の切替選択が可能な冷凍機を提供することを課題とする。

本発明の冷凍機は、低元側圧縮機、低元側四方弁、利用側の熱搬送媒体と熱交換する利用側熱交換器、低元側膨張弁、低元側熱交換器を順次冷媒配管で接続した第１低元側冷凍サイクルと、第１低元側冷凍サイクルにおける低元側四方弁と利用側熱交換器との間のＡ点で分岐してカスケード熱交換器を介して第１低元側冷凍サイクルにおける利用側熱交換器と低元側膨張弁との間のＢ点で接続されるとともに、低元側圧縮機、低元側四方弁、カスケード熱交換器、低元側膨張弁、低元側熱交換器を順次冷媒配管で接続した第２低元側冷凍サイクルと、を有する低元側冷凍サイクルと、高元側圧縮機、利用側熱交換器、高元側膨張弁、カスケード熱交換器を順次冷媒配管で接続した高元側冷凍サイクルと、を備え、第１低元側冷凍サイクルにより低元側圧縮機、低元側四方弁、低元側熱交換器、低元側膨張弁、利用側熱交換器の順に冷媒を循環させる単元冷却運転モードと、第１低元側冷凍サイクルにより低元側圧縮機、低元側四方弁、利用側熱交換器、低元側膨張弁、低元側熱交換器の順に冷媒を循環させる単元加熱運転モードと、第２低元側冷凍サイクルにより低元側圧縮機、低元側四方弁、カスケード熱交換器、低元側膨張弁、低元側熱交換器の順に冷媒を循環させるとともに、高元側冷凍サイクルにより高元側圧縮機、利用側熱交換器、高元側膨張弁、カスケード熱交換器の順に冷媒を循環させる二元加熱運転モードと、第１低元側冷凍サイクルにより低元側圧縮機、低元側四方弁、低元側熱交換器、低元側膨張弁、利用側熱交換器の順に冷媒を循環させる除霜運転モードと、を備える。

本発明の冷凍装置は、第１低元側冷凍サイクルにより低元側圧縮機、低元側四方弁、低元側熱交換器、低元側膨張弁、利用側熱交換器の順に冷媒を循環させる単元冷却運転モードと、第１低元側冷凍サイクルにより低元側圧縮機、低元側四方弁、利用側熱交換器、低元側膨張弁、低元側熱交換器の順に冷媒を循環させる単元加熱運転モードと、第１低元側冷凍サイクルにより低元側圧縮機、低元側四方弁、利用側熱交換器、低元側膨張弁、低元側熱交換器の順に冷媒を循環させるとともに、高元側冷凍サイクルにより高元側圧縮機、利用側熱交換器、高元側膨張弁、カスケード熱交換器の順に冷媒を循環させる二元加熱運転モードと、を備えるので、低元側四方弁、低元側圧縮機、及び高元側圧縮機等の簡易な制御により、連続的な運転状態を保ちつつ、単元加熱運転モード、単元冷却運転モード、二元加熱運転モード（二元冷却運転モード）の切替選択が可能である。

特に、低元側冷凍サイクルの所定位置に流量制御弁を備え、運転モードに応じて低元側熱交換器及び利用側熱交換器への冷媒の流入を制御するので、より信頼性高く、連続的な運転状態を保ちつつ、各運転モードでの選択切替が可能となる。

二元冷凍装置を示す冷凍サイクル構成図 第１実施例の単元冷却運転／除霜運転を説明する冷媒流路図 第１実施例の単元加熱運転を説明する冷媒流路図 第１実施例の二元加熱運転を説明する冷媒流路図 第１実施例の運転モード切換動作図 第１実施例の運転状態遷移図 第２実施例の冷凍サイクル構成図 第３実施例の冷凍サイクル構成図 第４実施例の冷凍サイクル構成図 第５実施例の冷凍サイクル構成図 第６実施例の冷凍サイクル構成図 第７実施例の冷凍サイクル構成図

以下、本発明の二元冷凍装置の具体的実施例を図面に基づき説明する。

（実施例１）本発明の二元冷凍装置の第１の実施例を説明する。図１は本実施例の二元冷凍装置の冷凍サイクル構成図である。二元冷凍装置は、低元側冷凍サイクル１及び高元側冷凍サイクル２０から構成される。

低元側冷凍サイクル１は、低元側圧縮機２、低元側四方弁３、利用側熱交換器３０、カスケード熱交換器３１、膨張弁４、二方弁６、７、レシーバ８、低元側熱交換器９、膨張弁１０、加熱運転時に液冷媒温度を検知する温度検知器５０、高圧遮断装置６０などの主構成要素を備える。具体的には、上述したように、低元側圧縮機、低元側四方弁、利用側の熱搬送媒体と熱交換する利用側熱交換器、低元側膨張弁、低元側熱交換器を順次冷媒配管で接続した第１低元側冷凍サイクルと、第１低元側冷凍サイクルにおける低元側四方弁と利用側熱交換器との間のＡ点で分岐してカスケード熱交換器を介して第１低元側冷凍サイクルにおける利用側熱交換器と低元側膨張弁との間のＢ点で接続されるとともに、低元側圧縮機、低元側四方弁、カスケード熱交換器、低元側膨張弁、低元側熱交換器を順次冷媒配管で接続した第２低元側冷凍サイクルと、を有する。

また、高元側冷凍サイクル２０は、高元側圧縮機２１、利用側熱交換器３０、高元側膨張弁２２、カスケード熱交換器３１などの主構成要素を備え、これら、高元側圧縮機２１、利用側熱交換器３０、高元側膨張弁２２、カスケード熱交換器３１が順次冷媒配管で接続される。

利用側熱交換器３０には、利用側の熱搬送媒体である被冷却媒体の入口配管４２と出口配管４３が接続され、それぞれに被冷却媒体の入口温度を検知する温度検知器４０と出口温度を検知する温度検知器４１を有する。利用側熱交換器３０を通過する温水等の被冷却媒体（利用側の熱搬送媒体）は、ポンプにより循環されて、入口配管４２から利用側熱交換器３０に流入する。利用側熱交換器３０において、被冷却媒体は低元側冷凍サイクル１又は高元側冷凍サイクル２０を流れる冷媒と熱交換して冷却／加熱された後、出口配管４３から需要先に供給される。ここで、低元側サイクル１の圧縮機吸入側にアキュムレータを用いてもよい。また、カスケード熱交換器３１や高元側利用側熱交換器３０としては、プレート式熱交換器、二重管式熱交換器、シェルアンドチューブ熱交換器などを用いることができる。本実施例では、プレート熱交換器を使用し、被冷却媒体の流れは冷媒に対して対向流とする。また、低元側冷凍サイクル１には高圧冷媒であるＲ４１０Ａを使用し、高元側冷凍サイクル２０には低圧冷媒であるＲ１３４ａを使用する。

低元側サイクル１は単元運転と二元運転とを選択するための二方弁６、二方弁７を備える。具体的には、図１のＡ点と利用側熱交換器との間に第１二方弁６を備え、Ａ点とカスケード熱交換器との間に第２二方弁７を備える。これらの二方弁６，７は、流量を制御する流れる冷媒の流量を制御できるものであれば流量制御弁等どのような装置でもよい。これら二方弁６，７により、低元側冷凍サイクル１による単元運転と低元側冷凍サイクル１及び高元側冷凍サイクル２０による二元運転において使用する熱交換器（カスケード熱交換器３１、利用側熱交換器３０）を切り替える。

本実施例においては、単元運転では低元側冷凍サイクル１（第１低元側冷凍サイクル１）により単元冷却運転モード又は単元加熱運転モードを可能とし、二元運転では低元側冷凍サイクル１（第２低元側冷凍サイクル１）及び高元側冷凍サイクル２０により二元加熱運転モードを可能とする。尚、低元側熱交換器９の除霜運転では、低元側冷凍サイクル１による単元冷却運転モードを行う。本実施例の二元冷凍装置は、単元運転により冷温水を提供できるとともに、二元運転により、より高い温度の温水を提供することができるため、幅広い温度範囲における運転が可能となる。

これら、弁６及び弁７の切換動作、並びに、単元運転モード／二元運転モードの切換動作の判断は制御装置７０により行う。また、低元側サイクル１及び高元側サイクル２０の利用側熱交換器３０入口配管４２の非冷却媒体温度(冷温水)を検知する温度検知器４１からの温度及び温度検知器５０の温度を取り込むことにより、制御装置７０は圧縮機２および圧縮機２１の容量制御を行う。制御装置７０は、目標となる被冷却媒体の出口温度を設定する機能も有する。本実施例のように、低元側サイクル１に高圧冷媒を用いた場合で且つ二元加熱運転の際に、弁６、弁７に故障や誤作動が起こった場合に、高圧圧力が上昇しすぎることを防止するため、高圧圧力遮断装置６０を配置する。

本実施例の二元冷凍装置における低元側サイクル１と高元側サイクル２０の動作の詳細を説明する。 まず、単元冷却運転モードの動作について説明する。低元側サイクル１において、圧縮機３で圧縮された高圧ガス冷媒は、熱交換器９でファンにより取り込まれる空気と熱交換して凝縮し、高圧の液冷媒となる。液冷媒はレシーバ８を通過後、膨張弁４にて減圧されて二相冷媒となり、利用側熱交換器３０に流入し、冷水と熱交換することで蒸発する。その後、蒸発したガス冷媒は弁６を通過し、（弁７が閉状態のためカスケード熱交３１には流れず、）四方弁３に入り、圧縮機２に戻る。単元冷却運転の際は、高元側サイクル２０の圧縮機２１は停止する。冷却運転時においては、圧縮機２は出口水温が目標出口水温となるよう容量制御を行う。尚、低元側熱交換器９の除霜運転では、上述した低元側冷凍サイクル１による単元冷却運転モードと同様の運転を行う。

次に、図５及び図６を用いて、本実施例における単元加熱運転モード、単元冷却運転モード、二元加熱運転モードの切り替えについて説明する。

まず、単元加熱運転モードの動作について説明する。設定温度と実入口水温から加熱運転判定を行う。運転判定により単元加熱運転モードと判定された場合には、四方弁３を切り換えて加熱運転へと移行する。単元加熱運転では、弁６は開状態、弁７は閉状態とする。低元側冷凍サイクル１において、低元側圧縮機２で圧縮された冷媒は高圧ガスとなり、低元側四方切換弁（四方弁）３を介して、（弁７は閉じているため、）開状態の弁６を通過する。弁６を通過した高圧ガス冷媒は、利用側熱交換器３０に流入し、被冷却媒体(温水)と熱交換することで液化し、冷媒はレシーバ８を介して、低元側膨張弁１０で減圧される。低元側膨張弁１０で減圧されて気液二相となった冷媒は、低元側熱交換器（空気熱交換器）９においてファンにより取り込まれる空気と熱交換されてガス化した後、四方弁３を介して、圧縮機２に吸入されて再度高圧ガスに圧縮される。単元加熱運転の際も出口水温と目標出口温度の差が小さくなるよう容量制御を行う。単元加熱運転モードにおいては、高元側サイクル２０の圧縮機２１は停止させる。除霜運転が指示された場合は、上述の除霜運転を実施する。

次に、二元加熱運転モードの運転動作を説明する。まず、単元加熱運転モードから二元加熱運転モードへの移行について説明する。高温水を提供する場合に、単元運転では負荷（圧力比）が大きく効率が悪くなるため二元運転が必要となる。二元運転への移行は、設定温度および実出口水温から制御装置７０が判定し、例えば単元加熱運転で実出口温度が４５℃となり、且つ、目標出口温度が６０℃となると、二元加熱運転へ移行する。

単元加熱運転時の弁６開状態／弁７閉状態から、一旦弁７を開状態にする。この状態をｔ１秒（例えば５秒）継続させ、その後弁６を閉状態とする。その後、例えば、カスケード熱交換器３１出口側の温度検知器５０の実温度が３０℃以上となった場合に、制御装置７０により高元側圧縮機２１を起動させる。弁６、弁７の両方を開状態とするのは、利用側熱交換器３０にも高圧冷媒を流した状態とすれば、温水温度の低下を抑制することができ、二元加熱運転へと移行した際のサイクル安定を早めることができる。

二元加熱運転では、低元側サイクル１の利用側熱交換器３０は使用しないため、低元側サイクル１から利用側熱交換器３０へは冷媒が流れない。二元加熱運転を継続し、温水温度が上昇すれば、利用側熱交換器３０内部に溜まっている冷媒の圧力が上昇し、カスケード熱交換器で液化する高圧冷媒よりも圧力が高くなることで、利用側熱交換器３０内の冷媒は低元側サイクル１側に回収される。従って、運転を停止させることなく、サイクルの切換が可能である。

次に、二元加熱運転モードでの低元側サイクル１及び高元側冷凍サイクル２０について説明する。低元側サイクル１において、低元側圧縮機２で圧縮された冷媒は高圧ガスとなり、四方弁３を介して、（弁６は閉状態であるため、）開状態の弁７方向に流れ、カスケード熱交換器３１に流入する。カスケード熱交換器３１に流入した冷媒は、高元側冷凍サイクル２０の低圧二相冷媒と熱交換することで凝縮して液化し、その後、レシーバ８を介して、低元側熱交換器９においてファンにより取り込まれる空気と熱交換されて蒸発しガス化する。このガス冷媒は、再膨張弁１０で減圧されて気液二相の冷媒となり、四方弁３を通過した後、圧縮機２に吸入され、再度高圧ガスに圧縮され、以下同様のサイクルを繰り返す。

高元側冷凍サイクル２０では、高元側圧縮機２１で圧縮された冷媒は高圧ガスとなり、利用側熱交換器３０において入口配管４２から供給される温水などの媒体と熱交換されて液化する。この液冷媒は膨張弁２２で減圧膨張されて気液二相の冷媒となり、カスケード熱交換器３１に流入して、低元側冷凍サイクル１のガス冷媒と熱交換してガス化される。このガス冷媒は、圧縮機２１へ吸入されて、再度高圧ガスに圧縮され、以下同様のサイクルを繰り返す。

二元加熱運転中の低元側圧縮機２の容量制御は、目標出口水温と温度検知器４３により検知される実出口水温の差を小さくするよう制御７０により容量制御を行う。高元側サイクル２０の圧縮機２１は温度検知器４０にて検知される実入口水温から決定される低元側サイクル１のカスケード熱交換器３１出口側の目標冷媒温度を決定し、温度検知器５０にて検知されるカスケード熱交換器３１出口の実冷媒温度との差を小さくするように容量制御を行う。実冷媒温度が目標温度より高ければロードアップを行い、目標冷媒温度より低ければロードダウンを行う。ここで、目標冷媒温度の決定は、実出口水温から決定しても良い。この温度検知器５０にて検知される冷媒温度は、低元側サイクル１の高圧圧力及び高元側サイクル２０の低圧圧力の指標でもあり、両サイクルのバランスが良くなるような目標温度を制御装置７０により決定する。

二元加熱運転中に、単元加熱運転で十分運転可能な設定に目標温水温度が変更された場合、二元加熱運転から単元加熱運転への弁の開閉によるサイクル変更は行わず、両サイクルとも停止（サーモＯＦＦ）させ、目標温度よりも実温度が低くなった後に、弁の開閉状態を単元加熱運転状態とするようにしてもよい。または、高元側、低元側ともに、能力のバランスは崩さぬよう容量を落とし、実出口水温が単元運転可能な温度まで低下した後、弁７開状態のまま、弁６を開状態とし、例えば５秒継続後に、弁７を閉状態とすることで加熱単元運転へと切り換える。

次に、二元加熱運転から除霜運転へ切り換える動作について説明する。二元加熱運転中は、弁６は閉状態、弁７は開状態である。この状態で除霜信号を受信した場合、低元側サイクル１の四方弁３を除霜運転状態へと切り換える。四方弁３切換え信号を受け取り、高元側サイクル２０の圧縮機２１の運転を制御装置７０にて停止させると同時に、弁７は開状態のまま弁６を開状態とする。この動作により、カスケード熱交換器３１内の高圧冷媒を熱交換器９の低圧側に回収するものである。例えば、この弁状態をｔ２秒（例えば１０）秒継続後、除霜運転とするために弁７を閉状態とする。

除霜運転終了後、再度二元加熱運転へ切り換える動作について説明する。除霜運転からの復帰については、除霜運転中は、弁６は開状態、弁７は閉状態であり、高元側サイクル２０の圧縮機２１も停止している。除霜運転が終了後、低元側サイクル１の四方弁３が切り換わり、単元加熱運転サイクルとする。ここからの動作は、再度設定温度および実出口水温から加熱運転モードを判定し、二元加熱運転条件であれば再度二元加熱運転モードとなり、高元側圧縮機運転条件を満たせば、再度運転を行う。

（実施例２）本発明の第２の実施例を説明する。図７は第２実施例の冷凍サイクル構成図である。本実施例においては、利用側熱交換器３０を、高元側利用側熱交換器３０a、低元側利用側熱交換器３０bに分割する。低元側利用側熱交換器３０bには低元側冷凍サイクル１の冷媒のみが循環する。高元側利用側熱交換器３０aには高元側冷凍サイクル２０の冷媒のみが循環する。ここで、被冷却媒体は、入口配管４２を通過後、低元側利用側熱交換器３０b及び高元側利用側熱交換器３０aの順に経由して、出口配管４３を通過する。

（実施例３）次に、本発明の第３の実施例を説明する。本実施例は、実施例１又は実施例２において、１つの高元側サイクルに対して複数（本実施例においては２つ）の低元側サイクルを配置する。低元側サイクルと高元側サイクルに馬力差があった場合等で有効である。具体的な運転動作は実施例１又は実施例２と同様である。これらの被冷却媒体の流路は直列接続でも各々接続してもよい。このような構成とすれば、低元側の一方が除霜運転となった場合においても、高元側は片サイクルと熱交換が可能なため、継続した運転が可能であり、低元側サイクルが共に単元運転の場合、各々通常運転と除霜運転を行うことができる。また、低元側サイクルが複数接続のため、そのうちの一台が故障した場合であっても、継続した運転が可能である。

（実施例４）次に、本発明の第４の実施例を説明する。実施例１〜３において、カスケード熱交換器と図９のＢ点との間にカスケード熱交換器からＢ点の方向へのみ冷媒が流れる逆止弁を備える。逆止弁５により、単元加熱運転時においては、高圧の液冷媒がカスケード熱交換器３１に流れない。液冷媒がカスケード熱交換器３１にたまり込むと、サイクルに必要な冷媒量が不足する恐れがあるため、逆止弁５により、液冷媒がカスケード熱交換器３１に流入するのを防止する。また、冷媒には圧縮機の潤滑剤である冷凍機油が含まれて、サイクルを循環する。冷凍機油を含む冷媒が熱交換器内に溜まり込んだ場合、冷媒は気化して油のみ溜まり込むことがある。その結果、熱交換器の伝熱面積が小さくなり性能悪化に繋がるため、同様に、逆止弁５により、液冷媒がカスケード熱交換器３１に流入するのを防止する。

また、除霜運転時には、逆止弁５により、膨張弁で減圧された２相冷媒をカスケード熱交内に入り込むことを防止する。これは特に、除霜復帰後に再度二元加熱運転を行う際に非常に有効である。つまり、カスケード熱交換器３１が低元側サイクル１の低圧低温冷媒により冷やされてしまうと、除霜運転終了後に再度二元加熱運転となったときに、低元側サイクル１の凝縮圧力が低下し、高元側サイクル２０の能力に負けてしまう。その結果、両サイクルとも低圧圧力が低下し、信頼性及び性能に問題が生じる可能性がある。このような現象を逆止弁５により防止する。

また、始動運転及び除霜運転から単元加熱運転への移行時の四方弁３切換時におけるサイクル変動時においては、逆止弁が無い場合、カスケード熱交換器３１に冷媒が流れることで低圧となる。このような状態で四方弁３を切り換ると、熱交換器９と利用側熱交換器３０の高低圧力が一瞬でバランスし、その後圧力が逆転する。その際に、冷媒は低圧方向に流れるため、逆止弁がないと、膨張弁４からレシーバ８での液冷媒がカスケード熱交３１に流入する。その後加熱運転をしても、利用側熱交換器３０から膨張弁１０までの配管は高圧液冷媒が流れるので、カスケード熱交換器３１内部に溜まった液冷媒はサイクルに戻されることがない。また、逆止弁を用いることで、弁７には逆圧がかかることがなくなるので、二方弁の代わりに安価な電磁弁を用いることができる。さらには、この逆止弁を鉛直に用いるならば、自重により弁を閉じ、差圧により順方向に流れる安価な逆止弁とすることができる。

（実施例５）次に、本発明の第５の実施例を説明する。本実施例の冷凍装置によれば、連続的な運転状態を保ちつつ、単元加熱運転、単元冷却運転、二元冷却運転の切替選択が可能である。

具体的には、本実施例の冷凍装置は、低元側圧縮機、低元側四方弁、低元側熱交換器、低元側膨張弁、利用側の熱搬送媒体と熱交換する利用側熱交換器を順次冷媒配管で接続した第３低元側冷凍サイクルと、第３低元側冷凍サイクルにおける低元側膨張弁と利用側熱交換器との間のＣ点で分岐してカスケード熱交換器を介して第３低元側冷凍サイクルにおける利用側熱交換器と低元側四方弁との間のＤ点で接続されるとともに、低元側圧縮機、低元側四方弁、低元側熱交換器、低元側膨張弁、カスケード熱交換器を順次冷媒配管で接続した第４低元側冷凍サイクルと、を有する低元側冷凍サイクルと、高元側圧縮機、カスケード熱交換器、高元側膨張弁、利用側熱交換器を順次冷媒配管で接続した高元側冷凍サイクルと、を備え、第３低元側冷凍サイクルにより低元側圧縮機、低元側四方弁、利用側熱交換器、低元側膨張弁、低元側熱交換器の順に冷媒を循環させる単元加熱運転モードと、第３低元側冷凍サイクルにより低元側圧縮機、低元側四方弁、低元側熱交換器、低元側膨張弁、利用側熱交換器の順に冷媒を循環させる単元冷却運転モードと、第４低元側冷凍サイクルにより低元側圧縮機、低元側四方弁、低元側熱交換器、低元側膨張弁、利用側熱交換器の順に冷媒を循環させるとともに、高元側冷凍サイクルにより高元側圧縮機、カスケード熱交換器、高元側膨張弁、利用側熱交換器の順に冷媒を循環させる二元冷却運転モードと、を備える。このような構成を備えることにより、低元側四方弁、低元側圧縮機、及び高元側圧縮機の簡易な制御により、連続的な運転状態を保ちつつ、単元加熱運転モード、単元冷却運転モード、二元冷却運転モードの切替選択が可能である。

また、本実施例においては、実施例１〜４と同様に、図１０のＣ点と利用側熱交換器との間に第３流量制御弁（二方弁）を備え、Ｃ点とカスケード熱交換器との間に第４流量制御弁（二方弁）を備える。さらに、単元冷却運転モード及び単元加熱運転モードの場合は第３流量制御弁を開放するとともに第４流量制御弁（二方弁）を閉じ、二元冷却運転モードの場合は第３流量制御弁（二方弁）を閉じるとともに第４流量制御弁を開放する。

実施例１〜４と同様に、二方弁の切り換えにより、単元運転と二元運転の選択が可能であり、四方弁の切り換えにより単元の逆サイクル運転が可能であるから、低温側に広い範囲で運転することができる。本実施例の場合には、例えば被冷却媒体に不凍液を使用する。本実施例の場合にも、被冷却媒体温度が低くなり、負荷が増大する場合には、二元冷却運転へと移行する。

単元冷却運転モードでは、圧縮機２のみ運転し、圧縮機２で圧縮された高圧高温のガス冷媒は、熱交換器９にてファンから取り込まれる空気と熱交換して凝縮し、レシーバ８通過後に、膨張弁４にて減圧される。膨張弁４にて減圧された気液二相冷媒は、（弁６のみ開状態であるから、）利用側熱交換器３０にて被冷却媒体と熱交換されて低圧ガス冷媒となり、四方弁３通過後に圧縮機２に吸入されて、再度高圧ガスに圧縮されるサイクルを繰り返す。負荷が大きくなった場合は二元冷却運転とする。その際の二方弁の切り換えに関しては、実施例１〜４と同様である。二元冷却運転の際には、減圧された二相冷媒が弁７のみ開状態のため、カスケード熱交換器３１に流入し、低温側の高圧ガス冷媒と熱交換し、四方弁３通過後に再度圧縮機２に吸入される。一方、低温側サイクルでは、圧縮機２１で圧縮された高圧ガス冷媒が、カスケード熱交換器３１にて液化され、膨張弁２２にて減圧され二相冷媒となる。その後、二相冷媒は、利用側熱交換器３０にて被冷却媒体と熱交することで低圧ガス冷媒となり、圧縮機２１に吸入され、再度圧縮されるサイクルを繰り返す。

単元加熱運転モードでは、圧縮機２からの高圧ガス冷媒は、四方弁３を経由して、（弁６のみ開状態のため、）利用側熱交換器３０に流入し、被冷却媒体と熱交換器され、液冷媒となる。この液冷媒は、膨張弁１０にて減圧された後に、熱交換器９にてファンより取り込まれる空気と熱交換を行い、低圧ガス冷媒となる。低圧ガス冷媒は、四方弁３を経由して、圧縮機２に吸入され、再度圧縮されるサイクルを繰り返す。この加熱運転中に、除霜運転となった場合には、四方弁３のみ切り換え、つまり、単元冷却運転を行い、除霜を行う。尚、単元冷却運転モード及び単元加熱運転モードでは、圧縮機２１は停止している。

また、実施例２と同様に、利用側熱交換器３０を単元運転用、二元運転用と別々にわけ、冷却媒体が直列に流れるような構成としてもよい。

また、実施例１と同様に、図１０のＤ点に温度検知器を配置し、利用側熱交換器の出口にも温度検知器を配置し、上記温度検知器の検出結果及び現状運転している運転モードに基づいて、単元冷却運転モード、単元加熱運転モード、二元冷却運転モードの何れで運転するか制御する。

（実施例６）次に、本発明の第６の実施例を説明する。本実施例では、実施例５において、実施例３と同様に、１つの高温側サイクルに対して複数の（本実施例では２つの）低温側のサイクルを並列に接続する。本実施例の運転動作は実施例５と同様である。実施例３と同様に、高温側、低温側に馬力差がある場合等に有効である。また、低温側が一台故障した場合においても、継続した運転が可能である。

（実施例７）次に、本発明の第７の実施例を説明する。本実施例では、実施例５、６において、実施例４と同様に、逆止弁を備える。具体的には、カスケード熱交換器と図１２のＤ点との間にカスケード熱交換器からＤ点の方向へのみ冷媒が流れる逆止弁を備える。単元加熱運転時には、逆止弁によりカスケード熱交内に高圧ガス冷媒が流れ込むことがなく、弁７にも逆圧がかからなくなるので上述したように、弁７を安価な電磁弁を用いることができる。単元冷却運転時には、利用側熱交換器３０にてガス化された低圧冷媒が流れこまない。逆止弁取付方法も、鉛直に取付けるならば、安価な自重式の逆止弁を用いることができる。

１：低元側冷凍サイクル、２：低元側圧縮機、３：低元側四方切換弁（四方弁）、４：低元側膨張弁１、５：逆止弁、６：二方弁１、７：二方弁２、８：レシーバ、９：低元側室外熱交換器、１０：低元側膨張弁２、６０：低元側高圧遮断装置、２０：高元側冷凍サイクル、２１：高元側圧縮機、２２：高元側膨張弁、３０：利用側熱交換器、３０a：高元側利用側熱交換器、３０b：低元側熱交換器、３１：カスケード熱交換器、４０：媒体入口温度検知器、４１：媒体出口温度検知器、４２：入口配管、４３：出口配管、５０：温度検知器、７０：制御装置

Claims (14)

1. 低元側圧縮機、低元側四方弁、利用側の熱搬送媒体と熱交換する利用側熱交換器、低元側膨張弁、低元側熱交換器を順次冷媒配管で接続した第１低元側冷凍サイクルと、前記第１低元側冷凍サイクルにおける前記低元側四方弁と前記利用側熱交換器との間のＡ点で分岐してカスケード熱交換器を介して前記第１低元側冷凍サイクルにおける前記利用側熱交換器と前記低元側膨張弁との間のＢ点で接続されるとともに、前記低元側圧縮機、前記低元側四方弁、前記カスケード熱交換器、前記低元側膨張弁、前記低元側熱交換器を順次冷媒配管で接続した第２低元側冷凍サイクルと、を有する低元側冷凍サイクルと、
   高元側圧縮機、前記利用側熱交換器、高元側膨張弁、前記カスケード熱交換器を順次冷媒配管で接続した高元側冷凍サイクルと、
   を備え、
   前記第１低元側冷凍サイクルにより前記低元側圧縮機、前記低元側四方弁、前記低元側熱交換器、前記低元側膨張弁、前記利用側熱交換器の順に冷媒を循環させる単元冷却運転モードと、
   前記第１低元側冷凍サイクルにより前記低元側圧縮機、前記低元側四方弁、前記利用側熱交換器、前記低元側膨張弁、前記低元側熱交換器の順に冷媒を循環させる単元加熱運転モードと、
   前記第２低元側冷凍サイクルにより前記低元側圧縮機、前記低元側四方弁、前記カスケード熱交換器、前記低元側膨張弁、前記低元側熱交換器の順に冷媒を循環させるとともに、前記高元側冷凍サイクルにより前記高元側圧縮機、前記利用側熱交換器、前記高元側膨張弁、前記カスケード熱交換器の順に冷媒を循環させる二元加熱運転モードと、
   前記第１低元側冷凍サイクルにより前記低元側圧縮機、前記低元側四方弁、前記低元側熱交換器、前記低元側膨張弁、前記利用側熱交換器の順に冷媒を循環させる除霜運転モードと、
   を備える冷凍装置。
2. 請求項１において、前記Ａ点と前記利用側熱交換器との間に第１流量制御弁を備え、前記Ａ点と前記カスケード熱交換器との間に第２流量制御弁を備える冷凍装置。
3. 請求項２において、前記単元冷却運転モード及び前記単元加熱運転モードの場合は前記第１流量制御弁を開放するとともに前記第２流量制御弁を閉じ、前記二元加熱運転モードの場合は前記第１流量制御弁を閉じるとともに前記第２流量制御弁を開放する冷凍装置。
4. 請求項３において、前記単元加熱運転モードから、前記第１流量制御弁及び前記第２流量制御弁を開放し、その後、前記第１流量制御弁を閉じるとともに前記第２流量制御弁を開放することにより前記二元加熱運転モードへ移行する冷凍装置。
5. 請求項３又は４において、前記二元加熱運転モードから、前記第１流量制御弁及び前記第２流量制御弁を開放し、その後、前記第１流量制御弁を開放するとともに前記第２流量制御弁を閉じることにより前記単元加熱運転モードへ移行する冷凍装置。
6. 請求項３乃至５の何れかにおいて、前記二元加熱運転モードから前記低元側熱交換器の除霜運転モードに移行する際は、前記二元加熱運転モードから、前記第１流量制御弁及び前記第２流量制御弁を開放し、その後、前記第１流量制御弁を開放するとともに前記第２流量制御弁を閉じることにより前記単元冷却運転モードへ移行する冷凍装置。
7. 請求項１乃至６の何れかにおいて、前記カスケード熱交換器と前記Ｂ点との間に前記カスケード熱交換器から前記Ｂ点の方向へのみ冷媒が流れる逆止弁を備える冷凍装置。
8. 請求項１乃至７の何れかにおいて、前記Ｂ点に第１温度検知器を配置し、前記利用側熱交換器の出口に前記第２温度検知器を配置し、
   前記第１温度検知器及び前記第２温度検知器の検出結果並びに現状運転している運転モードに基づいて、前記単元冷却運転モード、前記単元加熱運転モード、前記二元加熱運転モードの何れで運転するか制御する冷凍装置。
9. 請求項１乃至８の何れかにおいて、前記低元側熱交換器の除霜運転の際は、前記高元側圧縮機を停止するとともに、前記前記第１低元側冷凍サイクルにより前記低元側圧縮機、前記低元側四方弁、前記低元側熱交換器、前記低元側膨張弁、前記利用側熱交換器の順に冷媒を循環させる冷凍装置。
10. 低元側圧縮機、低元側四方弁、低元側熱交換器、低元側膨張弁、利用側の熱搬送媒体と熱交換する利用側熱交換器を順次冷媒配管で接続した第３低元側冷凍サイクルと、前記第３低元側冷凍サイクルにおける前記低元側膨張弁と前記利用側熱交換器との間のＣ点で分岐してカスケード熱交換器を介して前記第３低元側冷凍サイクルにおける前記利用側熱交換器と前記低元側四方弁との間のＤ点で接続されるとともに、前記低元側圧縮機、前記低元側四方弁、前記低元側熱交換器、前記低元側膨張弁、前記カスケード熱交換器を順次冷媒配管で接続した第４低元側冷凍サイクルと、を有する低元側冷凍サイクルと、
    高元側圧縮機、前記カスケード熱交換器、高元側膨張弁、前記利用側熱交換器を順次冷媒配管で接続した高元側冷凍サイクルと、
    を備え、
    前記第３低元側冷凍サイクルにより前記低元側圧縮機、前記低元側四方弁、前記利用側熱交換器、前記低元側膨張弁、前記低元側熱交換器の順に冷媒を循環させる単元加熱運転モードと、
    前記第３低元側冷凍サイクルにより前記低元側圧縮機、前記低元側四方弁、前記低元側熱交換器、前記低元側膨張弁、前記利用側熱交換器の順に冷媒を循環させる単元冷却運転モードと、
    前記第４低元側冷凍サイクルにより前記低元側圧縮機、前記低元側四方弁、前記低元側熱交換器、前記低元側膨張弁、前記カスケード熱交換器の順に冷媒を循環させるとともに、前記高元側冷凍サイクルにより前記高元側圧縮機、前記カスケード熱交換器、前記高元側膨張弁、前記利用側熱交換器の順に冷媒を循環させる二元冷却運転モードと、
    前記第３低元側冷凍サイクルにより前記低元側圧縮機、前記低元側四方弁、前記低元側熱交換器、前記低元側膨張弁、前記利用側熱交換器の順に冷媒を循環させる除霜運転モードと、
    を備える冷凍装置。
11. 請求項１０において、前記Ｃ点と前記利用側熱交換器との間に第３流量制御弁を備え、前記Ｃ点と前記カスケード熱交換器との間に第４流量制御弁を備える冷凍装置。
12. 請求項１１において、前記単元冷却運転モード及び前記単元加熱運転モードの場合は前記第３流量制御弁を開放するとともに前記第４流量制御弁を閉じ、前記二元冷却運転モードの場合は前記第３流量制御弁を閉じるとともに前記第４流量制御弁を開放する冷凍装置。
13. 請求項１０乃至１２の何れかにおいて、前記カスケード熱交換器と前記Ｄ点との間に前記カスケード熱交換器から前記Ｄ点の方向へのみ冷媒が流れる逆止弁を備える冷凍装置。
14. 請求項１０乃至１３の何れかにおいて、前記Ｄ点に第３温度検知器を配置し、前記利用側熱交換器の出口に前記第４温度検知器を配置し、
    前記第３温度検知器及び前記第４温度検知器の検出結果並びに現状運転している運転モードに基づいて、前記単元冷却運転モード、前記単元加熱運転モード、前記二元冷却運転モードの何れで運転するか制御する冷凍装置。