JP6291684B2 - 冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、高段側冷媒回路と低段側冷媒回路とをカスケード接続し、各冷媒回路には冷媒として二酸化炭素を封入して成る冷凍装置に関するものである。

従来より、例えばコンビニエンスストアやスーパーマーケット等の店舗には、陳列室内にて商品を冷却しながら陳列販売するショーケースが複数台設置されている。各ショーケースには陳列室内を冷却するための蒸発器が設置され、この蒸発器には店外等に設置された冷凍機ユニットから冷媒が供給される構成とされていた（例えば、特許文献１参照）。

また、近年の地球環境問題からこの種ショーケースにおいても二酸化炭素が冷媒として使用されるようになってきているが、この二酸化炭素を圧縮するためには比較的大型の圧縮機が必要となる。そこで、それぞれ独立した冷媒閉回路を構成する高段側冷媒回路（高温側冷媒循環回路）と低段側冷媒回路（低温側冷媒循環回路）とをカスケード接続し、高段側冷媒回路のＲ４１０Ａ冷媒を蒸発させて低段側冷媒回路の高圧側の二酸化炭素冷媒を冷却することにより、低段側冷媒回路の蒸発器で所要の冷凍能力を得る冷凍装置が開発されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平９−１４５２３０号公報 特開２０１２−１９３８６６号公報

しかしながら、特許文献２では高段側冷媒回路の凝縮器と低段側冷媒回路の中間冷却器を並設された別個の筺体に分けて設置し、若しくは、高段側冷媒回路の凝縮器を分けてその一部を中間冷却器側の筺体に設置するようにしていたため、設置スペースが拡大してしまう。これは一つの高段側冷媒回路に対して低段側冷媒回路が複数使用されるときに顕著な問題となる。

また、係る構成ではカスケードコンデンサ手前の低段側冷媒回路の中間冷却器の空冷が不十分になる危険性があると共に、高段側冷媒回路と低段側冷媒回路の双方に二酸化炭素を冷媒として使用したときには、双方の二酸化炭素冷媒の放熱性能（各冷媒回路トータルでの放熱性能）に不足が生じ、運転効率が低下する問題があった。

本発明は、係る従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、高段側冷媒回路と低段側冷媒回路とをカスケード接続した冷凍装置において、各冷媒回路のガスクーラにおける熱交換効率を改善しながら、スペース的な効率と安定性も向上させることを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、高段側圧縮機、高段側ガスクーラ、高段側膨張弁、及び、高段側蒸発器を備えた高段側冷媒回路と、低段側圧縮機、低段側ガスクーラ、過冷却用熱交換器、低段側膨張弁、及び、低段側蒸発器を備えた低段側冷媒回路と、高段側蒸発器と過冷却用熱交換器とで構成され、高段側蒸発器で冷媒を蒸発させて過冷却用熱交換器を流れる冷媒を冷却するカスケード熱交換器とを備え、各冷媒回路には二酸化炭素を冷媒として封入して成る冷凍装置において、各圧縮機と、各ガスクーラと、カスケード熱交換器と、各ガスクーラを空冷するためのガスクーラ用送風機が設置される冷凍機ユニットを備え、低段側ガスクーラを、冷媒流に対して上流側に位置する第１の低段側ガスクーラと、その下流側に位置する第２の低段側ガスクーラとから構成すると共に、冷凍機ユニット内に、ガスクーラ用送風機により通風される第１の風路及び第２の風路を構成し、第１の低段側ガスクーラと高段側ガスクーラを第１の風路に設置し、第２の低段側ガスクーラを、第２の風路に設置したことを特徴とする。

請求項２の発明の冷凍装置は、上記発明において第１の低段側ガスクーラを、高段側ガスクーラに対して第１の風路内の空気下流側に配置したことを特徴とする。

請求項３の発明の冷凍装置は、上記各発明において第１及び第２のガスクーラ用送風機を備え、第１のガスクーラ用送風機を第１の風路に設置し、第２のガスクーラ用送風機を第２の風路に設置したことを特徴とする。

請求項４の発明の冷凍装置は、上記各発明において冷凍機ユニット内を上機械室と下機械室とに仕切る仕切板を備え、第１の風路を下機械室に、第２の風路を上機械室に構成したことを特徴とする。

請求項５の発明の冷凍装置は、上記発明において各圧縮機を下機械室に設置し、カスケード熱交換器を上機械室に設置したことを特徴とする。

請求項６の発明の冷凍装置は、上記発明において第１及び第２の低段側冷媒回路と、各低段側冷媒回路にそれぞれ設けられた第１及び第２のカスケード熱交換器とを備え、高段側冷媒回路の高段側圧縮機と各低段側冷媒回路の低段側圧縮機のうちの何れか二つを下機械室に設置し、一つを上機械室に設置したことを特徴とする。

本発明によれば、高段側圧縮機、高段側ガスクーラ、高段側膨張弁、及び、高段側蒸発器を備えた高段側冷媒回路と、低段側圧縮機、低段側ガスクーラ、過冷却用熱交換器、低段側膨張弁、及び、低段側蒸発器を備えた低段側冷媒回路と、高段側蒸発器と過冷却用熱交換器とで構成され、高段側蒸発器で冷媒を蒸発させて過冷却用熱交換器を流れる冷媒を冷却するカスケード熱交換器とを備え、各冷媒回路には二酸化炭素を冷媒として封入して成る冷凍装置において、各圧縮機と、各ガスクーラと、カスケード熱交換器と、各ガスクーラを空冷するためのガスクーラ用送風機が設置される冷凍機ユニットを備え、低段側ガスクーラを、冷媒流に対して上流側に位置する第１の低段側ガスクーラと、その下流側に位置する第２の低段側ガスクーラとから構成すると共に、冷凍機ユニット内に、ガスクーラ用送風機により通風される第１の風路及び第２の風路を構成し、第１の低段側ガスクーラと高段側ガスクーラを第１の風路に設置し、第２の低段側ガスクーラを、第２の風路に設置したので、冷媒流に対して下流側に位置する第２の低段側ガスクーラを、第２の風路に通風される空気により効果的に空冷することができるようになる。

一方、上流側に位置する第１の低段側ガスクーラは、高段側ガスクーラと共に第１の風路に設置しているので、高段側ガスクーラを第１の低段側ガスクーラとは別個の風路に設置する場合に比して、冷凍機ユニットの小型化も図ることが可能となる。これは特に請求項６の発明の如く低段側冷媒回路を複数（第１及び第２）設ける場合に極めて有効となる。

この場合、請求項２の発明の如く第１の低段側ガスクーラを、高段側ガスクーラに対して第１の風路内の空気下流側に配置すれば、第１の風路に通風される空気により最初に高段側ガスクーラを空冷することができるようになり、高段側ガスクーラの空冷も効果的に行うことができるようになる。また、第１の低段側ガスクーラには高段側ガスクーラを経た空気が通風されることになるが、第１の低段側ガスクーラは第２の低段側ガスクーラの冷媒上流側に位置するので、第１の低段側ガスクーラにて第２の低段側ガスクーラに流入する冷媒を予冷することができるようになる。これらにより、総じて高段側冷媒回路及び低段側冷媒回路の各ガスクーラにおける熱交換効率を著しく改善することが可能となるものである。

また、請求項３の発明の如く第１及び第２のガスクーラ用送風機を設け、第１のガスクーラ用送風機を第１の風路に設置し、第２のガスクーラ用送風機を第２の風路に設置すれば、各風路に各ガスクーラ用送風機によって独立して通風することができるようになり、高段側ガスクーラ及び各低段側ガスクーラを一層効果的に空冷することができるようになる。

また、請求項４の発明の如く冷凍機ユニット内を仕切板によって上機械室と下機械室とに仕切り、第１の風路を下機械室に、第２の風路を上機械室に構成することにより、各風路を並設する場合に比して、冷凍機ユニットの設置スペースも縮小することができるようになる。このとき、下機械室の第１の風路に高段側ガスクーラと第１の低段側ガスクーラが設置され、上機械室の第２の風路に第２の低段側ガスクーラが設置されることになるので、冷凍機ユニットの下部の重量配分を大きくすることができるようになり、安定性が良好となる。

この場合、請求項５の発明の如く各圧縮機を下機械室に設置し、カスケード熱交換器を上機械室に設置すれば、重量の大きい各圧縮機が冷凍機ユニットの下部に配置されることになり、安定性が更に向上する。

特に、請求項６の発明の如く冷凍装置が、第１及び第２の低段側冷媒回路と、各低段側冷媒回路にそれぞれ設けられた第１及び第２のカスケード熱交換器を備えている場合、高段側冷媒回路の高段側圧縮機と各低段側冷媒回路の低段側圧縮機のうちの何れか二つを下機械室に設置し、一つを上機械室に設置すれが、第１、第２の低段側冷媒回路を有する場合にも、冷凍機ユニットの小型化と安定性の向上を図ることができるようになる。

本発明を適用した一実施例の冷凍装置の冷媒回路図である。 図１の冷凍装置の冷凍機ユニットの内部構成を示す正面図である。 図２の冷凍機ユニット内の第１及び第２の風路を説明する図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。図１は本発明を適用した一実施例の冷凍装置１の冷媒回路図である。

（１）冷凍装置１の冷媒回路構成
実施例の冷凍装置１は、コンビニエンスストアやスーパーマーケット等の店内に設置された複数台のショーケース２Ａ、２Ｂ（実施例では二台）に、店外に設置された冷凍機ユニット３から冷媒を供給するものであり、一台の高段側冷媒回路４と、複数（実施例では二系統）の低段側冷媒回路（第１の低段側冷媒回路６Ａ、及び、第２の低段側冷媒回路６Ｂ）とから構成されている。

実施例の高段側冷媒回路４は、スクロール圧縮機から成る高段側圧縮機７と、第１及び第２の（複数の）高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂと、高段側膨張弁１３と、第１及び第２の（複数の）高段側蒸発器１６Ａ、１６Ｂとを備えている。この場合、第１及び第２の高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂは、高段側圧縮機７の吐出配管８から分岐した分岐配管９Ａ、９Ｂにそれぞれ接続されて相互に並列となる。また、第１の高段側ガスクーラ１１Ａの出口配管１２Ａと第２の高段側ガスクーラ１１Ｂの出口配管１２Ｂは合流され、入口配管２０を介して高段側膨張弁１３の入口に接続されている。即ち、各高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂは高段側圧縮機７と高段側膨張弁１３の間に並列に接続されたかたちとなる。

この高段側膨張弁１３の出口は出口配管１５を経て第２の高段側蒸発器１６Ｂの入口に接続されている。そして、この第２の高段側蒸発器１６Ｂの出口配管１７Ｂが第１の高段側蒸発器１６Ａの入口に接続され、この第１の高段側蒸発器１６Ａの出口配管１７Ａが高段側圧縮機７の吸込配管１８に接続されている。即ち、各高段側蒸発器１６Ａ、１６Ｂは高段側膨張弁１３の出口に直列に接続されたかたちとなり、これにより、高段側冷媒回路４の冷凍サイクルが構成されている。そして、この高段側冷媒回路４には、二酸化炭素が冷媒として所定量封入されている。

一方、低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂは何れも同一の構成である。先ず、実施例の低段側冷媒回路６Ａは、これもスクロール圧縮機から成る低段側圧縮機２１Ａと、この低段側圧縮機２１Ａの吐出配管２２Ａに接続された第１の低段側ガスクーラ２３Ａと、その出口配管２４Ａに接続されて第１の低段側ガスクーラ２３Ａの冷媒下流側となる第２の低段側ガスクーラ２６Ａと、この第２の低段側ガスクーラ２６Ａの出口配管２７Ａに接続された過冷却用熱交換器２８Ａと、この過冷却用熱交換器２８Ａの出口配管２９Ａに接続された圧力調整用膨張弁３１Ａと、この圧力調整用膨張弁３１Ａの出口配管３２Ａに接続口３５Ａを介して接続された渡り配管３３Ａに接続されたショーケース２Ａの低段側膨張弁３４Ａ及び低段側蒸発器３６Ａの直列回路とを備えている。

これら低段側膨張弁３４Ａ及び低段側蒸発器３６Ａは、ショーケース２Ａ内に設置されるものである。そして、ショーケース２Ａ内の低段側蒸発器３６Ａの出口側には電磁弁３７Ａが接続され、この電磁弁３７Ａの出口が渡り配管３８Ａと接続口４０Ａ、入口配管４２Ａを経てアキュムレータ３９Ａに接続され、このアキュムレータ３９Ａの出口側が低段側圧縮機２１Ａの吸込配管４１Ａに接続されて冷凍サイクルが構成されている。アキュムレータ３９Ａは所定容量を有するタンクである。

他方、低段側冷媒回路６Ｂは、やはりスクロール圧縮機から成る低段側圧縮機２１Ｂと、この低段側圧縮機２１Ｂの吐出配管２２Ｂに接続された第１の低段側ガスクーラ２３Ｂと、その出口配管２４Ｂに接続されて第１の低段側ガスクーラ２３Ｂの冷媒下流側となる第２の低段側ガスクーラ２６Ｂと、この第２の低段側ガスクーラ２６Ｂの出口配管２７Ｂに接続された過冷却用熱交換器２８Ｂと、この過冷却用熱交換器２８Ｂの出口配管２９Ｂに接続された圧力調整用膨張弁３１Ｂと、この圧力調整用膨張弁３１Ｂの出口配管３２Ｂに接続口３５Ｂを介して接続された渡り配管３３Ｂに接続されたショーケース２Ｂの低段側膨張弁３４Ｂ及び低段側蒸発器３６Ｂの直列回路とを備えている。

これら低段側膨張弁３４Ｂ及び低段側蒸発器３６Ｂは、ショーケース２Ｂ内に設置されるものである。そして、ショーケース２Ｂ内の低段側蒸発器３６Ｂの出口側には電磁弁３７Ｂが接続され、この電磁弁３７Ｂの出口が渡り配管３８Ｂと接続口４０Ｂ、入口配管４２Ｂを経てアキュムレータ３９Ｂに接続され、このアキュムレータ３９Ｂの出口側が低段側圧縮機２１Ｂの吸込配管４１Ｂに接続されて冷凍サイクルが構成されている。このアキュムレータ３９Ｂも所定容量を有するタンクである。尚、各低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂにも、二酸化炭素が冷媒として所定量封入されている。

そして、高段側冷媒回路４の第１の高段側蒸発器１６Ａと低段側冷媒回路６Ａの過冷却用熱交換器２８Ａが熱交換関係に設けられて第１のカスケード熱交換器４３Ａが構成され、高段側冷媒回路４の第２の高段側蒸発器１６Ｂと低段側冷媒回路６Ｂの過冷却用熱交換器２８Ｂとが熱交換関係に設けられて第２のカスケード熱交換器４３Ｂが構成されている。また、上記渡り配管３３Ａ、３３Ｂと渡り配管３８Ａ、３８Ｂが冷凍機ユニット３から各ショーケース２Ａ、２Ｂに渡る配管となる。

図中４４Ａ、４４Ｂは各低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの低段側圧縮機２１Ａ、２１Ｂの吐出配管２２Ａ、２２Ｂにそれぞれ取り付けられた圧力センサであり、各低段側圧縮機２１Ａ、２１Ｂから吐出された高圧側冷媒の圧力をそれぞれ検出する。また、図中４６は、高段側圧縮機７の吐出配管８に取り付けられて高段側冷媒回路４の高圧側圧力を検出する圧力センサである。更に、図中４７は温度センサであり、出口配管１７Ａに取り付けられて第１の高段側蒸発器１６Ａを出た冷媒の温度を検出する。

図中５１、５２は第１及び第２のガスクーラ用送風機であり、第１のガスクーラ用送風機５１は後に詳述する如く各高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂと各低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの第１の低段側ガスクーラ２３Ａ、２３Ｂに通風してそれらを空冷し、第２のガスクーラ用送風機５２は各低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの第２の低段側ガスクーラ２６Ａ、２６Ｂに通風して空冷する。また、図中５３は外気温度を検出する温度センサである。更に、図中４８は冷凍機ユニット３側の制御装置であり、各センサ４４Ａ、４４Ｂ、４６、４７、５３等の出力に基づいて高段側冷媒回路４の高段側圧縮機７の運転周波数、高段側膨張弁１３の弁開度、各低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの低段側圧縮機２１Ａ、２１Ｂの運転周波数、圧力調整用膨張弁３１Ａ、３１Ｂの弁開度、各ガスクーラ用送風機５１、５２の運転を制御する。

尚、ショーケース２Ａ、２Ｂ側の低段側膨張弁３４Ａ、３４Ｂや電磁弁３７Ａ、３７Ｂは各ショーケース２Ａ、２Ｂの制御装置により陳列室内に温度やそこに吹き出される冷気の温度等に基づいて制御されるものであるが、ショーケース２Ａ、２Ｂの制御装置と冷凍機ユニット３の制御装置４８は店舗に設けられる統合制御装置により集中制御され、互いに連携して動作するものである。

（２）冷凍装置１の動作
以上の構成で、制御装置４８により高段側冷媒回路４の高段側圧縮機７、各低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの低段側圧縮機２１Ａ、２１Ｂ、各ガスクーラ用送風機５１、５２が運転されると、高段側圧縮機７で圧縮された高温高圧の冷媒（二酸化炭素）が吐出配管８に吐出され、分岐配管９Ａ、９Ｂに分流された後、各高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂに流入する。各高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂに流入した冷媒は、ガスクーラ用送風機５１により超臨界状態で冷却され、温度が低下する。

高段側圧縮機７で圧縮された高温高圧の冷媒（二酸化炭素）が吐出配管８に吐出され、分岐配管９Ａ、９Ｂに分流された後、各高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂに流入する。各高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂに流入した冷媒は、ガスクーラ用送風機５１により超臨界状態で冷却され、温度が低下する。

そして、各高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂで冷却された冷媒は、出口配管１２Ａ、１２Ｂを経て合流した後、高段側膨張弁１３に流入し、そこで絞られた後（減圧）、出口配管１５を経て先ず第２のカスケード熱交換器４３Ｂを構成する第２の高段側蒸発器１６Ｂに流入して蒸発し、第２の低段側冷媒回路６Ｂの過冷却用熱交換器２８Ｂを流れる冷媒を冷却する（過冷却）。

この第２の高段側蒸発器１６Ｂを出た冷媒は、出口配管１７Ｂを経て次に第１のカスケード熱交換器４３Ａを構成する第１の高段側蒸発器１６Ａに流入して蒸発し、第１の低段側冷媒回路６Ａの過冷却用熱交換器２８Ａを流れる冷媒を冷却する（過冷却）。そして、この第１の高段側蒸発器１６Ａを出た冷媒は、出口配管１７Ａを経て吸込配管１８から高段側圧縮機７に吸い込まれる循環を繰り返す。

一方、第１の低段側冷媒回路６Ａの低段側圧縮機２１Ａで圧縮された高温高圧の冷媒（二酸化炭素）は吐出配管２２Ａに吐出され、第１の低段側ガスクーラ２３Ａに流入する。この第１の低段側ガスクーラ２３Ａに流入した冷媒は、ガスクーラ用送風機５１により超臨界状態で冷却され、温度が低下した後、出口配管２４Ａを経て次に第２の低段側ガスクーラ２６Ａに流入する。この第２の低段側ガスクーラ２６Ａに流入した冷媒は、ガスクーラ用送風機５２により超臨界状態で冷却され、温度が更に低下した後、出口配管２７Ａを経て第１のカスケード熱交換器４３Ａを構成する過冷却用熱交換器２８Ａに流入する。

この過冷却用熱交換器２８Ａに流入した冷媒は、第１の高段側蒸発器１６Ａ内で蒸発する高段側冷媒回路４の冷媒により冷却（過冷却）されて更に温度が低下した後、出口配管２９Ａを経て圧力調整用膨張弁３１Ａに至る。

この圧力調整用膨張弁３１Ａで低段側冷媒回路６Ａの高圧側冷媒は絞られ、出口配管３２Ａを経て接続口３５Ａで冷凍機ユニット３から出る。冷凍機ユニット３から出た冷媒は渡り配管３３Ａを経てショーケース２Ａに入る。そして、低段側膨張弁３４Ａに至り、そこで絞られた後、低段側蒸発器３６Ａに流入して蒸発する。このときの吸熱作用で各ショーケース２Ａの陳列室内は所定の温度に冷却される。

そして、ショーケース２Ａの低段側蒸発器３６Ａを出た冷媒は、電磁弁３７Ａ（ショーケース２Ａを冷却する場合、電磁弁３７Ａは開放されているものとする）、渡り配管３８Ａを経て接続口４０Ａから冷凍機ユニット３に入る。そして、入口配管４２Ａからアキュムレータ３９Ａに流入する。アキュムレータ３９Ａに流入した冷媒はそこで気液分離され、ガス冷媒が吸込配管４１Ａを経て低段側圧縮機２１Ａに吸い込まれる循環を繰り返す。

他方、第２の低段側冷媒回路６Ｂの低段側圧縮機２１Ｂで圧縮された高温高圧の冷媒（二酸化炭素）は吐出配管２２Ｂに吐出され、第１の低段側ガスクーラ２３Ｂに流入する。この第１の低段側ガスクーラ２３Ｂに流入した冷媒は、ガスクーラ用送風機５１により超臨界状態で冷却され、温度が低下した後、出口配管２４Ｂを経て次に第２の低段側ガスクーラ２６Ｂに流入する。この第２の低段側ガスクーラ２６Ｂに流入した冷媒は、ガスクーラ用送風機５２により超臨界状態で冷却され、温度が更に低下した後、出口配管２７Ｂを経て第２のカスケード熱交換器４３Ｂを構成する過冷却用熱交換器２８Ｂに流入する。

この過冷却用熱交換器２８Ｂに流入した冷媒は、第２の高段側蒸発器１６Ｂ内で蒸発する高段側冷媒回路４の冷媒により冷却（過冷却）されて更に温度が低下した後、出口配管２９Ｂを経て圧力調整用膨張弁３１Ｂに至る。

この圧力調整用膨張弁３１Ｂで低段側冷媒回路６Ｂの高圧側冷媒は絞られ、出口配管３２Ｂを経て接続口３５Ｂで冷凍機ユニット３から出る。冷凍機ユニット３から出た冷媒は渡り配管３３Ｂを経てショーケース２Ｂに入る。そして、低段側膨張弁３４Ｂに至り、そこで絞られた後、低段側蒸発器３６Ｂに流入して蒸発する。このときの吸熱作用で各ショーケース２Ｂの陳列室内は所定の温度に冷却される。

そして、ショーケース２Ｂの低段側蒸発器３６Ｂを出た冷媒は、電磁弁３７Ｂ（ショーケース２Ｂを冷却する場合、電磁弁３７Ｂは開放されているものとする）、渡り配管３８Ｂを経て接続口４０Ｂから冷凍機ユニット３に入る。そして、入口配管４２Ｂからアキュムレータ３９Ｂに流入する。アキュムレータ３９Ｂに流入した冷媒はそこで気液分離され、ガス冷媒が吸込配管４１Ｂを経て低段側圧縮機２１Ｂに吸い込まれる循環を繰り返す。

制御装置４８は、温度センサ４７が検出する第１の高段側蒸発器１６Ａを出た冷媒の温度に基づいて高段側圧縮機７の運転周波数を制御する。このとき、制御装置４８は、各カスケード熱交換器４３Ａ、４３Ｂにおいて低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの高圧側冷媒の所要の過冷却がとれるように高段側圧縮機７の運転周波数を制御する。

また、実施例で制御装置４８は、温度センサ５３が検出する外気温度に基づいて低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの最適な高圧側圧力を算出し、それを目標値として各圧力調整用膨張弁３１Ａ、３１Ｂの弁開度を制御する。この場合、制御装置４８は外気温度とそのときの低段側冷媒回路６Ａ（６Ｂ）の最適な高圧側圧力との関係を示す情報を予め保有しており、この情報に基づいて低段側冷媒回路６Ａ（６Ｂ）の高圧側圧力の最適値を算出し、それを目標値として圧力調整用膨張弁３１Ａ、３１Ｂを制御する。ここで、高圧側圧力の最適値とは、運転効率ＣＯＰが最大、若しくは、それに近い値となる低段側冷媒回路６Ａ（６Ｂ）の高圧側圧力を意味する。

更に、制御装置４８は、圧力センサ４６が検出する高段側冷媒回路４の高圧側圧力に基づいて膨張弁１３の弁開度を前述した低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの圧力調整用膨張弁３１Ａ、３１Ｂと同様に制御することにより、高段側冷媒回路４の高圧側圧力を前述同様の適正な値（高段側冷媒回路４の高圧側圧力の目標値）に制御する。

このように、各カスケード熱交換器４３Ａ、４３Ｂの高段側蒸発器１６Ａ、１６Ｂにおいて高段側冷媒回路４の冷媒を蒸発させ、過冷却用熱交換器２８Ａ、２８Ｂを流れる各低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの高圧側冷媒を過冷却することにより、二酸化炭素を冷媒として使用する場合にも、各冷媒回路４、６Ａ、６Ｂの圧縮機７、２１Ａ、２１Ｂとして比較的大型（大能力）の圧縮機を使用すること無く、各ショーケース２Ａ、２Ｂの低段側蒸発器３６Ａ、３６Ｂにおいて所要の冷却能力を得ることが可能となる。

また、低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの低段側蒸発器３６Ａ、３６Ｂを出た冷媒は、当該低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの高圧側冷媒と熱交換すること無く、低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの低段側圧縮機２１Ａ、２１Ｂに吸い込まれる構成とされているので、特に外気温度が高くなる夏期等に、低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの高圧側圧力の異常上昇を防止することができるようになると共に、低段側圧縮機２１Ａ、２１Ｂに密度の濃い冷媒を吸い込ませることができるので、効率も向上することになる。

尚、低段側圧縮機２１Ａ、２１Ｂの吸込側にはアキュムレータ３９Ａ、３９Ｂが設けられているので、低段側圧縮機２１Ａ、２１Ｂへの液バックは防止される。また、アキュムレータ３９Ａ、３９Ｂは液溜めとして機能するので、低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂに十分な量の二酸化炭素冷媒を封入することが可能となる。

また、カスケード熱交換器４３Ａ、４３Ｂは、低段側ガスクーラ２６Ａ、２６Ｂを出た冷媒を過冷却するので、低段側ガスクーラ２３Ａ、２３Ｂ、２６Ａ、２６Ｂで冷却された低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの二酸化炭素冷媒をカスケード熱交換器４３Ａ、４３Ｂにて更に過冷却することになり、更なる冷却能力を改善を図ることができるようになる。

更に、この実施例では二系統の低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂと、各低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂにそれぞれ設けられた二つのカスケード熱交換器４３Ａ、４３Ｂを備えているので、一つの高段側冷媒回路４にて二系統（複数）の低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの高圧側冷媒を過冷却することができるようになる。

更にまた、実施例では高段側冷媒回路４は、高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂの出口に接続された高段側膨張弁１３の出口に直列に各カスケード熱交換器４３Ｂ、４３Ａをそれぞれ構成する二つ（複数）の高段側蒸発器１６Ｂ、１６Ａを接続しており、下流側の第１の高段側蒸発器１６Ａを出た冷媒の温度で高段側圧縮機７の運転周波数を制御しているので、比較的簡単な構成とすることができると共に、高段側圧縮機７への液バックも適切に解消できる。

（３）冷凍機ユニット３内のレイアウト
次に、図２、図３を参照しながら実施例の冷凍装置１の冷凍機ユニット３の構造と内部に設置される各機器のレイアウトについて説明する。冷凍機ユニット３は、底部のベース５６と、左右の側面パネル５７、５８と、上部の天面パネル５９等から構成された外装ケース６１を備えており、この外装ケース６１内に各機器が収納される機械室６０が構成されている。天面パネル５９の下側には間隔を存して天部仕切板６２が取り付けられており、この天部仕切板６２と天面パネル５９の間に前記制御装置４８等を含む電装基板が収納される基板室６３が構成されている。

更にこの天部仕切板６２の下方の外装ケース６１の機械室６０内は、縦仕切板６４により左右に仕切られており、更にこの縦仕切板６４の左右の機械室６０内は上下方向の中途部において左右の仕切板６６、６７により上機械室６０Ａと下機械室６０Ｂとに仕切られ、これにより、縦仕切板６４の左側で仕切板６６の下側の下機械室６０Ｂに第１の風路６８が構成されると共に、縦仕切板６４の左側で仕切板６６の上側の上機械室６０Ａには第１の風路６８とは独立した第２の風路６９が構成され、縦仕切板６４の右側で仕切板６７の下側の下機械室６０Ｂに第１の収納室７１が構成され、縦仕切板６４の右側で仕切板６７の上側の上機械室６０Ａに第２の収納室７２がそれぞれ構成されている。

尚、第１及び第２の収納室７１、７２の前後面は着脱可能な図示しないパネル（通気口あり）によって隠蔽されている。また、第１及び第２の風路６８、６９の後面は、図３に示すように空気吸込口７３、７４（着脱可能な図示しない通気性カバーが取り付けられる）とされ、前面は同様の空気排出口７６、７７とされている。

そして、この第１の風路６８の空気吸込口７３側（空気流の上流側）に、高段側冷媒回路４の第１及び第２の高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂが上下に設置され、その空気排出口７６側（空気流の下流側）に、第１の低段側冷媒回路６Ａの第１の低段側ガスクーラ２３Ａと第２の低段側冷媒回路６Ｂの第１の低段側ガスクーラ２３Ｂが上下に設置されている。そして、これら低段側ガスクーラ２３Ａ、２３Ｂの空気排出口７６側の第１の風路６８内に第１のガスクーラ用送風機５１が設置されている。

また、第２の風路６９内には、第１の低段側冷媒回路６Ａの第２の低段側ガスクーラ２６Ａと第２の低段側冷媒回路６Ｂの第２の低段側ガスクーラ２６Ｂが上下に設置されている。そして、これら低段側ガスクーラ２６Ａ、２６Ｂの空気排出口７７側の第２の風路６９内に第２のガスクーラ用送風機５２が設置されている。

また、高段側冷媒回路４の高段側圧縮機７と第２の低段側冷媒回路６Ｂの低段側圧縮機２１Ｂ及びアキュムレータ３９Ｂは、下側の第１の収納室７１内のベース５６上に設置されている。更に、第１の低段側冷媒回路６Ａの低段側圧縮機２１Ａ及びアキュムレータ３９Ａは、その上側の第２の収納室７２内の仕切板６７上に設置され、各カスケード熱交換器４３Ａ、４３Ｂも第２の収納室７２内に収納されている。

尚、各接続口３５Ａ、３５Ｂ、４０Ａ、４０Ｂは、第１の収納室７１の第１の風路６８とは反対側となる側面パネル５８側に設けられて外装ケース６１外に露出している。

以上の構成で、第１のガスクーラ用送風機５１が運転されると、図３に矢印で示す如く第１の風路６８の空気吸込口７３から外気が吸引され、先ず、各高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂに通風される。これにより、高段側冷媒回路４の高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂは、他の機器と熱交換していない新鮮な外気によって効果的に空冷される。この高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂを冷却した空気は、次に各第１の低段側ガスクーラ２３Ａ、２３Ｂに通風された後、空気排出口７６より排熱側に排出される。これにより、各低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの冷媒の上流側に位置する第１の低段側ガスクーラ２３Ａ、２３Ｂは冷却されるが、この空気は高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂを経て温度が上昇した空気であるので、これは予冷的な効果となる。

一方、第２のガスクーラ用送風機５２が運転されると、図３に矢印で示す如く第２の風路６９の空気吸込口７４から外気が吸引され、各第２の低段側ガスクーラ２６Ａ、２６Ｂに通風された後、空気排出口７７より排熱側に排出される。これにより、各低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂにおいて、第１の低段側ガスクーラ２３Ａ、２３Ｂの冷媒の下流側に位置する第２の低段側ガスクーラ２６Ａ、２６Ｂは、これも他の機器と熱交換していない新鮮な外気によって効果的に空冷される。これにより、第１の低段側ガスクーラ２３Ａ、２３Ｂで予冷された各低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの冷媒は、第２の低段側ガスクーラ２６Ａ、２６Ｂにおいてより強力に冷却されて各過冷却用熱交換器２８Ａ、２８Ｂに流入することになる。

尚、ガスクーラ用送風機５１によって形成される空気流は、第１の収納室７１にも一部通風されるので、高段側圧縮機７や低段側圧縮機２１Ｂも空冷される。また、ガスクーラ用送風機５２により形成される空気流も、第２の収納室７２内に一部通風されるので、低段側圧縮機２１Ａも空冷されることになる。

以上詳述した如く、低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの低段側ガスクーラを、冷媒流に対して上流側に位置する第１の低段側ガスクーラ２３Ａ、２３Ｂと、その下流側に位置する第２の低段側ガスクーラ２６Ａ、２６Ｂとから構成すると共に、冷凍機ユニット３内に、ガスクーラ用送風機５１、５２により通風される独立した第１の風路６８と第２の風路６９を構成し、第１の低段側ガスクーラ２３Ａ、２３Ｂと高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂを第１の風路６８に設置し、第２の低段側ガスクーラ２６Ａ、２６Ｂを、第２の風路６９に設置したので、冷媒流に対して下流側に位置する第２の低段側ガスクーラ２６Ａ、２６Ｂを、第２の風路６９に通風される空気により効果的に空冷することができるようになる。

一方、上流側に位置する第１の低段側ガスクーラ２３Ａ、２３Ｂは、高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂと共に第１の風路６８に設置しているので、高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂを第１の低段側ガスクーラ２３Ａ、２３Ｂとは別個の風路に設置する場合に比して、冷凍機ユニット３の寸法の小型化を図ることが可能となる。これは特に実施例のように第１及び第２（複数）の低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂを設ける場合に極めて有効である。

この場合、第１の低段側ガスクーラ２３Ａ、２３Ｂを、高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂに対して第１の風路６８内の空気下流側に配置しているので、第１の風路６８に通風される空気により最初に高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂを空冷することができるようになり、高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂの空冷も効果的に行うことができるようになる。

一方、第１の低段側ガスクーラ２３Ａ、２３Ｂには高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂを経た空気が通風されることになるが、第１の低段側ガスクーラ２３Ａ、２３Ｂは第２の低段側ガスクーラ２６Ａ、２６Ｂの冷媒上流側に位置するので、第１の低段側ガスクーラ２３Ａ、２３Ｂにて第２の低段側ガスクーラ２６Ａ、２６Ｂに流入する冷媒を予冷することができるようになる。

これらにより、総じて高段側冷媒回路４及び低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの各ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂ、２３Ａ、２３Ｂ、２６Ａ、２６Ｂにおける熱交換効率を著しく改善することが可能となる。

また、ガスクーラ用送風機としては第１及び第２のガスクーラ用送風機５１、５２を設け、第１のガスクーラ用送風機５１を第１の風路６８に設置し、第２のガスクーラ用送風機５２を第２の風路６９に設置しているので、各風路６８、６９に各ガスクーラ用送風機５１、５２によって独立して通風することができるようになり、高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂ及び各低段側ガスクーラ２３Ａ、２３Ｂ、２６Ａ、２６Ｂを一層効果的に空冷することができるようになる。

更に、冷凍機ユニット３内を仕切板６６、６７によって上機械室６０Ａと下機械室６０Ｂとに仕切り、第１の風路６８を下機械室６０Ｂに、第２の風路６９を上機械室６０Ａに構成しているので、各風路６８、６９を並設する場合に比して、冷凍機ユニット３の設置スペースを縮小することができる。更にまた、係る構成により下機械室６０Ｂの第１の風路６８に高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂと第１の低段側ガスクーラ２３Ａ、２３Ｂが設置され、上機械室６０Ａの第２の風路６９に第２の低段側ガスクーラ２６Ａ、２６Ｂが設置されることになるので、冷凍機ユニット３の下部の重量配分を大きくすることができるようになり、安定性が良好となる。

この場合、高段側圧縮機７と低段側圧縮機２１Ｂを下機械室６０Ｂの第１の収納室７１に設置し、第１及び第２のカスケード熱交換器４３Ａ、４３Ｂを上機械室６０Ａの第２の収納室７２に設置しているので、重量の大きい各圧縮機７、２１Ｂが冷凍機ユニット３の下部に配置されることになり、安定性が更に向上する。特に、実施例では低段側圧縮機２１Ａも存在するが、それは上機械室６０Ａの第２の収納室７２に設置しているので、それらを全て下部に並設する場合に比して、安定性を維持しながら冷凍機ユニット３の小型化を図ることが可能となる。

尚、実施例では第２の低段側冷媒回路６Ｂの低段側圧縮機２１Ｂを下側の第１の収納室７１に設置し、第１の低段側冷媒回路６Ａの低段側圧縮機２１Ａを上側の第２の収納室７２に設置したが、低段側圧縮機２１Ｂを第２の収納室７２に設置し、低段側圧縮機２１Ａを高段側圧縮機７と共に第１の収納室７１に設置してもよい。

また、各低段側圧縮機２１Ａ、２１Ｂとアキュムレータ３９Ａ、３９Ｂを下側の第１の収納室７１に設置し、高段側圧縮機７を上側の第２の収納室７２に設置してもよい。更に、実施例では仕切板６６、６７により機械室６０内を上下に仕切ったが、それに限らず、機械室６０内を仕切らずに各ガスクーラ用送風機５１、５２による空気流によって各風路６８、６９が構成されるようにしてもよく、その場合には、各圧縮機７、２１Ａ、２１Ｂの何れか二つをベース５６に、残りはその上方に棚状の設置部を設けて設置するようにすればよい。

尚、実施例では単一の高段側冷媒回路と二系統の低段側冷媒回路をカスケード接続したが、それに限らず、一系統、若しくは、三系統以上の低段側冷媒回路を高段側冷媒回路にカスケード接続した冷凍装置にも本発明は有効である。また、実施例ではショーケースを冷却する冷凍装置に本発明を適用したが、それに限らず、自動販売機等を冷却する冷凍装置にも本発明は有効である。

１ 冷凍装置
２ ショーケース
３ 冷凍機ユニット
４ 高段側冷媒回路
６Ａ、６Ｂ 低段側冷媒回路
７ 高段側圧縮機
１１Ａ、１１Ｂ 高段側ガスクーラ
１３ 高段側膨張弁
１６Ａ、１６Ｂ 高段側蒸発器
２１Ａ、２１Ｂ 低段側圧縮機
２３Ａ、２３Ｂ、２６Ａ、２６Ｂ 低段側ガスクーラ
２８Ａ、２８Ｂ 過冷却熱交換器
３４Ａ、３４Ｂ 低段側膨張弁
３６Ａ、３６Ｂ 低段側蒸発器
４３Ａ、４３Ｂ カスケード熱交換器
５１、５２ ガスクーラ用送風機
５６ ベース
６１ 外装ケース
６６、６７ 仕切板
６８、６９ 風路

Claims (6)

1. 高段側圧縮機、高段側ガスクーラ、高段側膨張弁、及び、高段側蒸発器を備えた高段側冷媒回路と、
   低段側圧縮機、低段側ガスクーラ、過冷却用熱交換器、低段側膨張弁、及び、低段側蒸発器を備えた低段側冷媒回路と、
   前記高段側蒸発器と前記過冷却用熱交換器とで構成され、前記高段側蒸発器で冷媒を蒸発させて前記過冷却用熱交換器を流れる冷媒を冷却するカスケード熱交換器とを備え、
   前記各冷媒回路には二酸化炭素を冷媒として封入して成る冷凍装置において、
   前記各圧縮機と、前記各ガスクーラと、前記カスケード熱交換器と、前記各ガスクーラを空冷するためのガスクーラ用送風機が設置される冷凍機ユニットを備え、
   前記低段側ガスクーラを、冷媒流に対して上流側に位置する第１の低段側ガスクーラと、その下流側に位置する第２の低段側ガスクーラとから構成すると共に、
   前記冷凍機ユニット内に、前記ガスクーラ用送風機により通風される第１の風路及び第２の風路を構成し、
   前記第１の低段側ガスクーラと前記高段側ガスクーラを前記第１の風路に設置し、前記第２の低段側ガスクーラを、前記第２の風路に設置したことを特徴とする冷凍装置。
2. 前記第１の低段側ガスクーラを、前記高段側ガスクーラに対して前記第１の風路内の空気下流側に配置したことを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
3. 第１及び第２の前記ガスクーラ用送風機を備え、
   前記第１のガスクーラ用送風機を前記第１の風路に設置し、前記第２のガスクーラ用送風機を前記第２の風路に設置したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の冷凍装置。
4. 前記冷凍機ユニット内を上機械室と下機械室とに仕切る仕切板を備え、
   前記第１の風路を前記下機械室に、前記第２の風路を前記上機械室に構成したことを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちの何れかに記載の冷凍装置。
5. 前記各圧縮機を前記下機械室に設置し、前記カスケード熱交換器を前記上機械室に設置したことを特徴とする請求項４に記載の冷凍装置。
6. 第１及び第２の前記低段側冷媒回路と、各低段側冷媒回路にそれぞれ設けられた第１及び第２の前記カスケード熱交換器とを備え、
   前記高段側冷媒回路の高段側圧縮機と前記各低段側冷媒回路の低段側圧縮機のうちの何れか二つを前記下機械室に設置し、一つを前記上機械室に設置したことを特徴とする請求項５に記載の冷凍装置。

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