JP5988698B2 - 二元冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、第１冷媒回路と、第２冷媒回路と、第１冷媒回路の蒸発器の冷媒と第２冷媒回路の凝縮器の冷媒を熱交換する熱交換器と、を備えた二元冷凍装置に関するものである。

従来の二元冷凍装置として、１つの第１冷媒回路に対して複数の第２冷媒回路を有するものがある。そのような二元冷凍装置では、第１冷媒回路の冷媒を複数の熱交換器に供給し、複数の熱交換器のそれぞれで第２冷媒回路の凝縮器が第１冷媒回路の蒸発器と熱交換することで、第２冷媒回路を個別に運転している（例えば、特許文献１参照）。
このような二元冷凍装置では、通常、第２冷媒回路の台数が多い場合、第１冷媒回路の冷媒循環量を増大させてから予め定める時間経過後に第２冷媒回路の運転台数を増加させて、第２冷媒回路のオーバーロードや高圧カットを防止している。
また、このような二元冷凍装置では、第２冷媒回路を最小容量で運転していても、二元冷凍装置の必要とされる冷凍能力に対して第１冷媒回路の冷凍能力が過剰になり第２冷媒回路が不必要となる場合があるため、第２冷媒回路の低圧側圧力が所定値以下になると第２冷媒回路の運転を停止し、所定値以上になると再始動する制御を頻繁に行なっている。

特許第３２４０８１１号公報（段落［０００４］）

従来の二元冷凍装置では、第１冷媒回路の冷媒循環量を増大させた時と第２冷媒回路の運転台数を増加した時に圧力が急変するため、圧縮機や他の部品が故障するという問題点があった。また、第１冷媒回路の冷媒循環量を増大させてから予め定める時間経過までは第１冷媒回路が能力過剰となり、第１冷媒回路の蒸発器で蒸発しきれない液冷媒が圧縮機に吸入されるため、圧縮機が故障するという問題点があった。また、第２冷媒回路の停止と再始動の回数が多いため、その際の圧力変動により圧縮機や他の部品が故障するという問題点があった。

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、第１冷媒回路または第２冷媒回路の能力が急変することによる圧力の急変がない二元冷凍装置を得るものである。また、本発明は、第１冷媒回路が能力過剰になることによる圧縮機への液冷媒の吸入を抑制した二元冷凍装置を得るものである。また、本発明は、第２冷媒回路を停止し再始動する回数が少ない二元冷凍装置を得るものである。

本発明に係る二元冷凍装置は、第１凝縮器と第１膨張弁と第１蒸発器と第１圧縮機とを接続して冷媒を循環させる第１冷媒回路と、第２凝縮器と第２膨張弁と第２蒸発器と第２圧縮機とを接続して冷媒を循環させる第２冷媒回路と、第１蒸発器と第２凝縮器とで構成され第１蒸発器の冷媒と第２凝縮器の冷媒とを熱交換する熱交換器と、第２冷媒回路の凝縮負荷と第１冷媒回路の冷凍能力の比率を一定に制御する制御装置と、を備え、制御装置は、第２冷媒回路の冷媒循環量の変化比率に対して第１冷媒回路の冷媒循環量の変化比率を１より大きい所定倍に制御するものである。

本発明は、第２冷媒回路の凝縮負荷と第１冷媒回路の冷凍能力の比率を一定に制御することで、二元冷凍装置の必要とされる冷凍能力に応じて、逐次、第２冷媒回路及び第１冷媒回路の冷凍能力や凝縮負荷を変化させるから、圧力の急変を防ぐことが可能である。また、第１冷媒回路の冷凍能力が過剰になることによる第１冷媒回路の第１圧縮機への液冷媒の吸入を抑制できる。また、第１冷媒回路の冷凍能力が二元冷凍装置の必要とされる冷凍能力に対して過剰となる頻度が低下するから、第２冷媒回路を停止し再始動する回数を低減できる。

実施の形態１に係る二元冷凍装置の、構成を示す図である。 実施の形態１に係る二元冷凍装置の、制御ブロックを示す図である。 実施の形態１に係る二元冷凍装置の、モリエル線図を示す図である。 実施の形態１に係る二元冷凍装置の、フローチャートを示す図である。 実施の形態２、３に係る二元冷凍装置の、第１冷媒回路及び第２冷媒回路の圧縮機のインバータの周波数を変化させた際の、第１冷媒回路の冷凍能力と第２冷媒回路の凝縮負荷の理論計算結果を示す図である。 図５をグラフ化した図である。 実施の形態４に係る二元冷凍装置の、第２冷媒回路の高圧側圧力を変化させた際の、第２冷媒回路の冷凍能力の理論計算結果を示す図である。 図７をグラフ化した図である。 実施の形態４に係る二元冷凍装置の、フローチャートを示す図である。 実施の形態５に係る二元冷凍装置の、フローチャートを示す図である。 実施の形態６に係る二元冷凍装置の、フローチャートを示す図である。

以下、本発明の二元冷凍装置について、図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る二元冷凍装置の構成を示す図である。
図１に示すように、実施の形態１に係る二元冷凍装置は、第１凝縮器１と第１膨張弁２と第１蒸発器３と第１圧縮機４とを接続して冷媒を循環させる高温側サイクルと、第２凝縮器５と第２膨張弁６と第２蒸発器７と第２圧縮機８とを接続して冷媒を循環させる低温側サイクルと、前記第１蒸発器３と前記第２凝縮器５とで構成され前記第１蒸発器３の冷媒と前記第２凝縮器５の冷媒とを熱交換するカスケードコンデンサ９と、を有する。

なお、高温側サイクルは、本発明における「第１冷媒回路」に相当する。また、低温側サイクルは、本発明における「第２冷媒回路」に相当する。また、カスケードコンデンサ９は、本発明における「熱交換器」に相当する。

高温側サイクルにおいて、第１凝縮器１と第１膨張弁２の間に設けた高圧側圧力兼温度検知器１１を用いて高圧側圧力と高圧側温度を検出し、第１蒸発器３と第１圧縮機４の間に設けた低圧側圧力兼温度検知器１２を用いて低圧側圧力と低圧側温度を検出する。
また、低温側サイクルにおいて、第２凝縮器５と第２膨張弁６の間に設けた高圧側圧力兼温度検知器１３を用いて高圧側圧力と高圧側温度を検出し、第２蒸発器７と第２圧縮機８の間に設けた低圧側圧力兼温度検知器１４を用いて低圧側圧力と低圧側温度を検出する。

第１凝縮器１は、送風機１０によって冷却される。
高温側サイクルにおいて、温度検知器１５が、第１凝縮器１と空気が熱交換する前の空気温度を検出している。

図２は、実施の形態１に係る二元冷凍装置の制御ブロックを示す図である。
制御装置１６は、低温側サイクルの第２圧縮機８を、高圧側圧力兼温度検知器１３が検知した低温側サイクルの高圧側圧力及び温度と低圧側圧力兼温度検知器１４が検知した低温側サイクルの低圧側圧力及び温度とに応じて、第２蒸発器７への冷媒循環量が過不足ないように制御する。
また、制御装置１６は、高温側サイクルの第１圧縮機４を、高圧側圧力兼温度検知器１１が検知した高温側サイクルの高圧側圧力及び温度と低圧側圧力兼温度検知器１２が検知した高温側サイクルの低圧側圧力及び温度と高圧側圧力兼温度検知器１３が検知した低温側サイクルの高圧側圧力及び温度と低圧側圧力兼温度検知器１４が検知した低温側サイクルの低圧側圧力及び温度とに応じて、カスケードコンデンサ９での熱交換が過不足ないように制御する。
また、制御装置１６は、高圧側圧力兼温度検知器１１が検知した高温側サイクルの高圧側温度と低圧側圧力兼温度検知器１２が検知した高温側サイクルの低圧側温度と温度検知器１５が検知した空気温度とに応じて、送風機１０を制御する。

図３のモリエル線図を用いて、実施の形態１に係る二元冷凍装置の動作をより詳しく説明する。
高温側サイクルにおいて、第１圧縮機４を出た高温高圧の冷媒はＢの位置となり、第１凝縮器１で熱交換されて凝縮液化された冷媒はＣの位置となる。その後、第１膨張弁２で減圧された冷媒はＤの位置となり、カスケードコンデンサ９で熱交換されて蒸発した冷媒はＡの位置となる。その後、冷媒は第１圧縮機４に吸入され、このサイクルを繰り返す。
また、低温側サイクルにおいて、第２圧縮機８を出た高温高圧の冷媒はＦの位置となり、カスケードコンデンサ９で熱交換されて凝縮液化された冷媒はＧの位置となる。その後、第２膨張弁６で減圧された冷媒はＨの位置となり、第２蒸発器７で熱交換されて蒸発した冷媒はＥの位置となる。その後、冷媒は第２圧縮機８に吸入され、このサイクルを繰り返す。

制御装置１６は、高圧側圧力兼温度検知器１３が検知したＧの位置の圧力及び温度と低圧側圧力兼温度検知器１４が検知したＥの位置の圧力及び温度からＥ−Ｈ間のエンタルピ差を算出し、そのエンタルピ差から低温側サイクルの冷凍能力（つまり、Ｅ−Ｈ間のエンタルピ差×冷媒循環量）（なお、冷媒循環量は、Ｅ点の圧力と温度から求められる冷媒密度×圧縮機のストロークボリューム×圧縮機の回転数（運転周波数）を計算することで求めることができる。）を求める。この冷凍能力は、低温側サイクルの第２蒸発器７の冷凍能力であり、二元冷凍装置の必要とされる冷凍能力に対して高いか低いかに応じて、第２の冷媒回路の第２圧縮機８のインバータの周波数を最適化する。

制御装置１６は、高圧側圧力兼温度検知器１３が検知したＧの位置の圧力及び温度と低圧側圧力兼温度検知器１４が検知したＥの位置の圧力及び温度から、上述したように低温側サイクルの冷凍能力を算出し、その冷凍能力と第２圧縮機の動力から低温側サイクルの凝縮負荷（つまり、冷凍能力＋圧縮仕事の熱量）を求める。また、高圧側圧力兼温度検知器１１が検知したＣの位置の圧力及び温度と低圧側圧力兼温度検知器１２が検知したＡの位置の圧力及び温度から、上述したように高温側サイクルの冷凍能力を求める。この低温側サイクルの凝縮負荷と高温側サイクルの冷凍能力は、カスケードコンデンサ９での熱交換における能力であり、低温側サイクルの凝縮負荷と高温側サイクルの冷凍能力の比率が予め設定された所定値となるように、高温側サイクルの第１圧縮機４のインバータの周波数を最適化する。

なお、高温側サイクルの低圧側圧力の目標値は、低温側サイクルの高圧側圧力の目標値に対して飽和温度換算で５〜１０℃程度低い温度に設定する。これは、最低でもその程度の温度差がなければカスケードコンデンサ９での熱交換が物理的にできないためであり、また、逆に温度差がありすぎるとシステムとしての効率が悪くなるためである。
なお、低温側サイクルの高圧側圧力の目標値は、低温側サイクルの低圧側圧力の目標値に対して飽和温度換算で５〜３２．５℃高い温度に設定する。この温度は、使用する冷媒に応じて最適な値を設定する。また、低温側サイクルの低圧側圧力の目標値は、使用者の用途に応じて最適な値を設定する。

以上の構成により、第２圧縮機８のインバータの周波数を、低温側サイクルの冷凍能力が二元冷凍装置の必要とされる冷凍能力に対して高いか低いかに応じて設定し、高温側サイクルの第１圧縮機４のインバータの周波数を、低温側サイクルの凝縮負荷と高温側サイクルの冷凍能力の比率が一定となるように制御することが可能となる。

以下に、制御装置１６の具体的な制御フローの一例を、図４のフローチャートを用いて説明する。

ステップＳ１１において、二元冷凍装置の必要とされる冷凍能力を求める。
ステップＳ１２において、高圧側圧力兼温度検知器１３が検知した圧力及び温度と低圧側圧力兼温度検知器１４が検知した圧力及び温度から、低温側サイクルの冷凍能力を求める。
ステップＳ１３において、低温側サイクルの冷凍能力を二元冷凍装置の必要とされる冷凍能力と比較し、低温側サイクルの第２圧縮機８のインバータの周波数を決定する。
ステップＳ１４において、高圧側圧力兼温度検知器１３が検知した圧力及び温度と低圧側圧力兼温度検知器１４が検知した圧力及び温度から、低温側サイクルの凝縮負荷を求める。
ステップＳ１５において、高圧側圧力兼温度検知器１１が検知した圧力及び温度と低圧側圧力兼温度検知器１２が検知した圧力及び温度から、高温側サイクルの冷凍能力を求める。
ステップＳ１６において、低温側サイクルの凝縮能力と高温側サイクルの冷凍能力の比率を求め、予め設定された所定値となるように、高温側サイクルの第１圧縮機４のインバータの周波数を決定する。
ステップＳ１１からＳ１６を繰り返す。

このように制御すれば、二元冷凍装置の必要とされる冷凍能力に応じて、逐次、高温側サイクル及び低温側サイクルの冷凍能力や凝縮負荷を変化させることができるから、圧力の急変を防ぐことが可能となる。
また、低温側サイクルの凝縮負荷と高温側サイクルの冷凍能力の比率を一定に維持することができるから、高温側サイクルの冷凍能力が過剰になることによる高温側サイクルの第１圧縮機４への液冷媒の吸入を抑制することができる。
また、高温側サイクルの冷凍能力が二元冷凍装置の必要とされる冷凍能力に対して過剰となる頻度が低下するから、低温側サイクルを停止し再始動する回数が少なくなる。

実施の形態２．
実施の形態１では、低温側サイクルの凝縮負荷と高温側サイクルの冷凍能力を求め、その比率が一定となるように高温側サイクルの第１圧縮機４のインバータの周波数を決定した。
それに対して、実施の形態２では、低温側サイクルの凝縮負荷と高温側サイクルの冷凍能力を求めず、高温側サイクルの第１圧縮機４のインバータの周波数を低温側サイクルの第２圧縮機８のインバータの周波数から直接決定することを特徴とする。

図５及び図６は、高温側サイクルにＲ１３４ａ冷媒、低温側サイクルにＣＯ₂冷媒を使用したときの高温側サイクルの冷凍能力と低温側サイクルの凝縮負荷の理論計算値を示す図である。
高温側サイクルの高圧側圧力を飽和温度換算で４３℃〜４７℃とし、低温側サイクルの高圧側圧力と高温側サイクルの低圧側圧力の差を飽和温度換算で５Ｋとし、高温側サイクルの低圧側圧力を飽和温度換算で１０℃とし、低温側サイクルの高圧側圧力を飽和温度換算で１５℃とし、低温側サイクルの低圧側圧力を飽和温度換算で−１０℃とし、第１圧縮機４及び第２圧縮機８の冷媒押しのけ量を固定値とし、インバータの運転周波数を３０、５０、７０Ｈｚに変化させた場合の理論計算値である。

図５及び図６より、低温側サイクルの第２圧縮機８のインバータの周波数が増加したときの凝縮負荷の増加比率は、高温側サイクルの第１圧縮機４のインバータの周波数が増加したときの冷凍能力の増加比率に対して大きいものの、インバータの周波数に関わらず低温側サイクルの凝縮負荷の増加比率と高温側サイクルの冷凍能力の増加比率の比率は一定であることがわかる。

低温側サイクルの凝縮負荷の増加比率が高温側サイクルの冷凍能力の増加比率に対して大きくなるのは、高温側サイクルの第１凝縮器１が周囲の空気と熱交換する際に、高圧側圧力が一定に保たれず上昇するためである。そして、インバータの周波数を増加した際に高圧側圧力がどの程度上昇するかは、第１凝縮器１の能力と送風機１０の能力に依存しており、計算することが可能であるから、低温側サイクルの凝縮負荷と高温側サイクルの冷凍能力の比率を一定にする低温側サイクルの第２圧縮機８のインバータの周波数の変化比率と高温側サイクルの第１圧縮機４のインバータの周波数の変化比率の比率を計算することが可能である。

つまり、低温側サイクルの凝縮負荷と高温側サイクルの冷凍能力を求めなくても、高温側サイクルの第１圧縮機４のインバータの周波数の変化比率を低温側サイクルの第２圧縮機８のインバータの周波数の変化比率から直接決定することができ、低温側サイクルの第２圧縮機８のインバータの周波数を変化させ、その変化比率の所定倍の変化比率で高温側サイクルの第１圧縮機４のインバータの周波数を変化させれば、低温側サイクルの凝縮負荷と高温側サイクルの冷凍能力の比率を一定に制御することが可能である。

実施の形態３．
実施の形態２では、低温側サイクルの第２圧縮機８のインバータの周波数の変化比率と高温側サイクルの第１圧縮機４のインバータの周波数の変化比率の比率を、第１凝縮器１の能力と送風機１０の能力から計算した。
それに対して、実施の形態３では、低温側サイクルの第２圧縮機８のインバータの周波数の変化比率と高温側サイクルの第１圧縮機４のインバータの周波数の変化比率の比率を、第１凝縮器１の能力と送風機１０の能力から計算せずに、１．０５倍〜１．５倍の範囲内の所定倍とすることを特徴とする。

上述したように、周波数の増加によって高圧側圧力がどの程度上昇するかは、第１凝縮器１の能力と送風機１０の能力によって異なる。
図５及び図６は、高温側サイクルの第１凝縮器１を、圧縮機のインバータの周波数が１Ｈｚ増加した際に高圧側圧力が飽和温度換算で、０．０５℃上昇する仕様Ａと０．１℃上昇する仕様Ｂであるとして、高温側サイクルの冷凍能力の増加比率を理論計算したものである。
その結果、仕様Ｂでの低温側サイクルの凝縮負荷の増加比率と高温側サイクルの冷凍能力の増加比率の比率は、仕様Ａでの低温側サイクルの凝縮負荷の増加比率と高温側サイクルの冷凍能力の増加比率の比率に対して１．０１７倍であり、等しくはないものの、仕様Ａと仕様Ｂの間で大きな差が生じないことが判明した。

つまり、第１凝縮器１の能力と送風機１０の能力に関わらず、低温側サイクルの第２圧縮機８のインバータの周波数の変化比率と高温側サイクルの第１圧縮機４のインバータの周波数の変化比率の比率を所定値に決定することができ、そのように制御しても、低温側サイクルの凝縮負荷と高温側サイクルの冷凍能力の比率をほぼ一定に制御することが可能である。
なお、実際の冷凍サイクルには熱交換ロスがあるため、低温側サイクルの第２圧縮機８のインバータの周波数の変化比率に対する高温側サイクルの第１圧縮機４のインバータの周波数の変化比率の比率を、１．０５倍〜１．５倍とするのが良い。

実施の形態４．
実施の形態４は、低温側サイクルの凝縮負荷と高温側サイクルの冷凍能力の比率を一定に制御することに加えて、低温側サイクルの高圧側圧力の目標値及び高温側サイクルの低圧側圧力の目標値を制御することで、二元冷凍装置の必要とされる冷凍能力に対して高温側サイクルの冷凍能力が過剰となって低温側サイクルが停止する頻度を更に低減するものである。

図７及び図８に、ＣＯ₂冷媒を使用し、低圧側圧力を飽和温度換算で−１０℃とし、第２圧縮機８の冷媒押しのけ量を固定値とし、第２圧縮機８のインバータの周波数を３０Ｈｚとし、高圧側圧力を飽和温度換算で１５℃〜２０℃に変化させた場合の低温側サイクルの冷凍能力の理論計算値を示す。
これより、低温側サイクルの高圧側圧力の目標値を増加させることで、低温側サイクルの冷凍能力を低下できることが分かる。また、同様に、高温側サイクルの低圧側圧力の目標値を増加させることで、高温側サイクルの冷凍能力を低下できる。
つまり、低温側サイクルの高圧側圧力の目標値及び高温側サイクルの低圧側圧力の目標値を増加させることで、低温側サイクルの冷凍能力及び高温側サイクルの冷凍能力を低下することができ、二元冷凍装置の必要とされる冷凍能力に応じて低温側サイクルの高圧側圧力の目標値及び高温側サイクルの低圧側圧力の目標値を変化させれば、二元冷凍装置の必要とされる冷凍能力に対して高温側サイクルの冷凍能力が過剰となって低温側サイクルが停止する頻度を減らすことが可能である。

以下に、制御装置１６の具体的な制御フローの一例を、図９のフローチャートを用いて説明する。

ステップＳ２１において、第１の所定時間（例えば１５分）内で低温側サイクルの第２圧縮機８が所定回数（例えば１回）以上停止したか否かを判定する。第１の所定時間をどの程度の時間に設定するかは、二元冷凍装置の耐性から決定する。所定回数以上である場合は、低温側サイクルの冷凍能力及び高温側サイクルの冷凍能力が過剰状態であると判断でき、ステップＳ２２に進む。所定回数より少ない場合は、ステップＳ２３に進む。
ステップＳ２２において、低温側サイクルの高圧側圧力の目標値及び高温側サイクルの低圧側圧力の目標値をアップする。
ステップＳ２３において、第２の所定時間（例えば直近の４時間）内で低温側サイクルの第２圧縮機８が所定回数（例えば１回）以上停止したか否かを判定する。第２の所定時間は、第１の所定時間より長い時間であり、除霜運転により冷凍装置の圧縮機が必ず停止する時間間隔以上に設定する。所定回数以上である場合は、低温側サイクルの冷凍能力及び高温側サイクルの冷凍能力が適正状態であると判断でき、ステップＳ２４に進む。所定回数より少ない場合は、低温側サイクルの冷凍能力及び高温側サイクルの冷凍能力が不足状態であると判断でき、ステップＳ２５に進む。
ステップＳ２４において、低温側サイクルの高圧側圧力の目標値及び高温側サイクルの低圧側圧力の目標値を現在の値に設定する。
ステップＳ２５において、低温側サイクルの高圧側圧力の目標値及び高温側サイクルの低圧側圧力の目標値をダウンする。
ステップＳ２１からＳ２５を繰り返す。

このように、低温側サイクルの停止回数を基準として、低温側サイクルの高圧側圧力の目標値及び高温側サイクルの低圧側圧力の目標値を制御することにより、低温側サイクルの冷凍能力及び高温側サイクルの冷凍能力を逐次最適化することができ、低温側サイクルの第２圧縮機８の停止と再始動の頻度を少なくすることが可能である。

実施の形態５．
実施の形態４では、低温側サイクルの停止回数を基準として、低温側サイクルの高圧側圧力の目標値及び高温側サイクルの低圧側圧力の目標値を制御している。
それに対して、実施の形態５では、低温側サイクルの第２圧縮機８のインバータの周波数を基準として、低温側サイクルの高圧側圧力の目標値及び高温側サイクルの低圧側圧力の目標値を制御することを特徴とする。

以下に、制御装置１６の具体的な制御フローの一例を、図１０のフローチャートを用いて説明する。

ステップＳ３１において、低温側サイクルの第２圧縮機８のインバータの周波数を判定し、最低周波数である場合は、低温側サイクルの冷凍能力及び高温側サイクルの冷凍能力が過剰状態であると判断でき、ステップＳ３２に進む。最大周波数である場合は、低温側サイクルの冷凍能力及び高温側サイクルの冷凍能力が不足状態であると判断でき、ステップＳ３３に進む。最低周波数でも最大周波数でもない場合は、ステップＳ３４に進む。なお、最低周波数と最大周波数は、第２圧縮機８のインバータを駆動可能な周波数の最低値と最大値を意味する。
ステップＳ３２において、低温側サイクルの高圧側圧力の目標値及び高温側サイクルの低圧側圧力の目標値をアップする。
ステップＳ３３において、低温側サイクルの高圧側圧力の目標値及び高温側サイクルの低圧側圧力の目標値をダウンする。
ステップＳ３４において、低温側サイクルの高圧側圧力の目標値及び高温側サイクルの低圧側圧力の目標値を現在の値に設定する。
ステップＳ３１からＳ３４を繰り返す。

このように、低温側サイクルの第２圧縮機８のインバータの周波数を基準として、低温側サイクルの高圧側圧力の目標値及び高温側サイクルの低圧側圧力の目標値を制御することにより、低温側サイクルの冷凍能力と高温側サイクルの冷凍能力を逐次最適化することができ、低温側サイクルの第２圧縮機８の停止と再始動の頻度を少なくすることが可能である。
なお、以上では、低温側サイクルの第２圧縮機８のインバータの周波数が最低値であるかと最大値であるかを判定しているが、第１の所定値以下であるかと第１の所定値より大きい第２の所定値以上であるかを判定しても良いことは言うまでもない。

実施の形態６．
実施の形態６では、低温側サイクルの停止回数及び低温側サイクルの第２圧縮機８のインバータの周波数を基準として、低温側サイクルの高圧側圧力の目標値及び高温側サイクルの低圧側圧力の目標値を制御する。

以下に、制御装置１６の具体的な制御フローの一例を、図１１のフローチャートを用いて説明する。

ステップＳ４１において、低温側サイクルの第２圧縮機８のインバータの周波数を判定し、最低周波数である場合は、ステップＳ４２に進む。最大周波数である場合は、ステップＳ４７に進む。最低周波数でも最大周波数でもない場合は、ステップＳ５０に進む。
ステップＳ４２において、第１の所定時間（例えば１５分）内で低温側サイクルの第２圧縮機８が所定回数（例えば１回）以上停止したか否かを判定する。第１の所定時間をどの程度の時間に設定するかは、実施の形態４と同様である。所定回数以上である場合は、低温側サイクルの冷凍能力及び高温側サイクルの冷凍能力が過剰状態であると判断でき、ステップＳ４３に進む。所定回数より少ない場合は、ステップＳ４４に進む。
ステップＳ４３において、低温側サイクルの高圧側圧力の目標値及び高温側サイクルの低圧側圧力の目標値をアップする。
ステップＳ４４において、第２の所定時間内（例えば直近の４時間）で低温側サイクルの第２圧縮機８が所定回数（例えば１回）以上停止したか否かを判定する。第２の所定時間をどの程度の時間に設定するかは、実施の形態４と同様である。所定回数以上である場合は、低温側サイクルの冷凍能力及び高温側サイクルの冷凍能力が適正状態であると判断でき、ステップＳ４５に進む。所定回数より少ない場合は、低温側サイクルの冷凍能力及び高温側サイクルの冷凍能力が不足状態であると判断でき、ステップＳ４６に進む。
ステップＳ４５において、低温側サイクルの高圧側圧力の目標値及び高温側サイクルの低圧側圧力の目標値を現在の値に設定する。
ステップＳ４６において、低温側サイクルの高圧側圧力の目標値及び高温側サイクルの低圧側圧力の目標値をダウンする。
ステップＳ４７において、第３の所定時間（例えば直近の１時間）内で低温側サイクルの第２圧縮機８が所定回数（例えば１回）以上停止したか否かを判定する。第３の所定時間は、除霜運転後等の一時的な冷凍能力の増加時間を除いて低温側サイクルの冷凍能力を判定できる時間に設定し、第１の所定時間より長くかつ第２の所定時間より短く設定するのが良い。所定回数以上である場合は、低温側サイクルの冷凍能力及び高温側サイクルの冷凍能力が適正状態であると判断でき、ステップＳ４８に進む。所定回数より少ない場合は、低温側サイクルの冷凍能力及び高温側サイクルの冷凍能力が不足状態であると判断でき、ステップＳ４９に進む。
ステップＳ４８において、低温側サイクルの高圧側圧力の目標値及び高温側サイクルの低圧側圧力の目標値を現在の値に維持させる。
ステップＳ４９において、低温側サイクルの高圧側圧力の目標値及び高温側サイクルの低圧側圧力の目標値をダウンする。
ステップＳ５０において、低温側サイクルの高圧側圧力の目標値及び高温側サイクルの低圧側圧力の目標値を現在の値に維持させる。
ステップＳ４１からＳ５０を繰り返す。

このように制御することで、実施の形態４、５の場合と比べて低温側サイクルの冷凍能力及び高温側サイクルの冷凍能力をより正確に最適化することができる。

以上、実施の形態１から６では、圧縮機のインバータの周波数を変化させて冷凍能力と凝縮負荷を制御する場合を説明したが、膨張弁の開度を変化させても良いことは言うまでもない。また、結果的に冷凍能力と凝縮負荷を制御できれば良く、圧縮機のインバータの周波数や膨張弁の開度を変化させることに限定されない。
また、実施の形態１から６では、高温側サイクルと低温側サイクルが各１つずつの場合を説明したが、高温側サイクル及び／又は低温側サイクルが複数の場合にも適用できることは言うまでもない。
また、実施の形態４から６では、低温側サイクルの凝縮負荷と高温側サイクルの冷凍能力の比率を一定に制御しつつ低温側サイクルの冷凍能力及び高温側サイクルの冷凍能力を最適化する場合を説明したが、二元冷凍装置の耐性が高い場合等では、低温側サイクルの凝縮負荷と高温側サイクルの冷凍能力の比率を制御しない状態で低温側サイクルの冷凍能力及び高温側サイクルの冷凍能力を最適化しても良い。

１ 第１凝縮器、２ 第１膨張弁、３ 第１蒸発器、４ 第１圧縮機、５ 第２凝縮器、６ 第２膨張弁、７ 第２蒸発器、８ 第２圧縮機、９ カスケードコンデンサ、１０ 送風機、１１ 高圧側圧力兼温度検知器、１２ 低圧側圧力兼温度検知器、１３ 高圧側圧力兼温度検知器、１４ 低圧側圧力兼温度検知器、１５ 温度検知器、１６ 制御装置。

Claims (9)

1. 第１凝縮器と第１膨張弁と第１蒸発器と第１圧縮機とを接続して冷媒を循環させる第１冷媒回路と、
   第２凝縮器と第２膨張弁と第２蒸発器と第２圧縮機とを接続して冷媒を循環させる第２冷媒回路と、
   前記第１蒸発器と前記第２凝縮器とで構成され、前記第１蒸発器の冷媒と前記第２凝縮器の冷媒とを熱交換する熱交換器と、
   前記第２冷媒回路の凝縮負荷と前記第１冷媒回路の冷凍能力の比率を一定に制御する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、
   前記第２冷媒回路の冷媒循環量の変化比率に対して前記第１冷媒回路の冷媒循環量の変化比率を１より大きい所定倍に制御する、
   ことを特徴とする二元冷凍装置。
2. 第１凝縮器と第１膨張弁と第１蒸発器と第１圧縮機とを接続して冷媒を循環させる第１冷媒回路と、
   第２凝縮器と第２膨張弁と第２蒸発器と第２圧縮機とを接続して冷媒を循環させる第２冷媒回路と、
   前記第１蒸発器と前記第２凝縮器とで構成され、前記第１蒸発器の冷媒と前記第２凝縮器の冷媒とを熱交換する熱交換器と、
   前記第２冷媒回路の停止回数及び／又は前記第２冷媒回路の冷媒循環量に応じて前記第２冷媒回路の高圧側圧力の目標値及び前記第１冷媒回路の低圧側圧力の目標値を変化させつつ、前記第２冷媒回路の凝縮負荷と前記第１冷媒回路の冷凍能力の比率を一定に制御する制御装置と、
   を備えたことを特徴とする二元冷凍装置。
3. 前記制御装置は、
   前記第２冷媒回路の冷媒循環量の変化比率に対して前記第１冷媒回路の冷媒循環量の変化比率を１．０５倍から１．５倍の範囲内の所定倍に制御する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の二元冷凍装置。
4. 前記制御装置は、
   前記第２冷媒回路の停止回数及び／又は前記第２冷媒回路の冷媒循環量に応じて前記第２冷媒回路の高圧側圧力の目標値及び前記第１冷媒回路の低圧側圧力の目標値を変化させつつ、前記第２冷媒回路の凝縮負荷と前記第１冷媒回路の冷凍能力の比率を一定に制御する、
   ことを特徴とする請求項１又は３に記載の二元冷凍装置。
5. 前記制御装置は、
   前記第２冷媒回路の第１所定時間内での停止回数が所定値以上の場合に、前記第２冷媒回路の高圧側圧力の目標値及び前記第１冷媒回路の低圧側圧力の目標値を上げ、
   前記第２冷媒回路の前記第１所定時間内での停止回数が所定値より小さく、かつ、前記第１所定時間より長い第２所定時間内での停止回数が所定値より小さい場合に、前記第２冷媒回路の高圧側圧力の目標値及び前記第１冷媒回路の低圧側圧力の目標値を下げる、
   ことを特徴とする請求項２又は４に記載の二元冷凍装置。
6. 前記制御装置は、
   前記第２冷媒回路の冷媒循環量が最小又は第１所定値以下の場合に、前記第２冷媒回路の高圧側圧力の目標値及び前記第１冷媒回路の低圧側圧力の目標値を上げ、
   前記第２冷媒回路の冷媒循環量が最大又は前記第１所定値より大きい第２所定値以上の場合に、前記第２冷媒回路の高圧側圧力の目標値及び前記第１冷媒回路の低圧側圧力の目標値を下げる、
   ことを特徴とする請求項２又は４に記載の二元冷凍装置。
7. 前記制御装置は、
   前記第２冷媒回路の冷媒循環量が最小又は第１所定値以下で、かつ、第１所定時間内での停止回数が所定値以上の場合に、前記第２冷媒回路の高圧側圧力の目標値及び前記第１冷媒回路の低圧側圧力の目標値を上げ、
   前記第２冷媒回路の冷媒循環量が最小又は前記第１所定値以下で、かつ、前記第１所定時間内での停止回数が所定値より小さく、かつ、前記第１所定時間より長い第２所定時間内での停止回数が所定値より小さい場合に、前記第２冷媒回路の高圧側圧力の目標値及び前記第１冷媒回路の低圧側圧力の目標値を下げ、
   前記第２冷媒回路の冷媒循環量が最大又は前記第１所定値より大きい第２所定値以上で、前記第１所定時間より長く前記第２所定時間より短い第３所定時間内での停止回数が所定値より少ない場合に、前記第２冷媒回路の高圧側圧力の目標値及び前記第１冷媒回路の低圧側圧力の目標値を下げる、
   ことを特徴とする請求項２又は４に記載の二元冷凍装置。
8. 前記制御装置は、
   前記第２冷媒回路の凝縮負荷及び／又は前記第１冷媒回路の冷凍能力を圧縮機のインバータの周波数を変化させて制御する、
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の二元冷凍装置。
9. 前記制御装置は、
   前記第２冷媒回路の凝縮負荷及び／又は前記第１冷媒回路の冷凍能力を膨張弁の開度を変化させて制御する、
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の二元冷凍装置。

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