JP7388467B2 - 二元冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、二元冷凍装置に関し、特に、定常運転までの円滑な立ち上がりを可能とする二元冷凍装置に関する。

従来の二元冷凍装置は、圧縮機と、凝縮器と、膨張機構と、中間熱交換器の蒸発部とが順に接続されて構成され、高元側冷媒が循環する高元側冷媒回路と、圧縮機と、中間熱交換器の凝縮部と、膨張機構と、蒸発器とが順に接続されて構成され、低元側冷媒が循環すると共に、中間熱交換器において高元側冷媒と低元側冷媒とが熱交換する低元側冷媒回路とを備える。このような二元冷凍装置では、高元側冷媒回路の凝縮器において、放熱したり、低元側冷媒回路の蒸発器において、冷凍庫の冷熱源を得たりすることが可能である。

このような二元冷凍装置において、低元側冷媒回路および高元側冷媒回路を同時に起動すると、高元側冷媒回路では吐出温度が十分に上昇するまでは凝縮器において冷媒が凝縮されないため冷媒循環量が十分に確保できず、高元側冷媒回路が低圧カットに至る場合がある。また、高元側冷媒回路の冷媒循環量が十分に確保できない状態のまま低元側冷媒回路が起動するため、低元側冷媒回路の低元側冷媒が中間熱交換器で高元側冷媒と十分に熱交換されないことで、低元側冷媒回路の高圧カットに至ることがあり、いずれにしても定常運転に至る前に異常停止となるおそれが高かった。

そのため、特許文献１に開示された二元冷凍装置では、低元側冷媒回路を起動した後、低元側冷媒が所定第１圧力に達したら、低元側冷媒回路を停止するとともに、高元側冷媒回路を起動し、低元側冷媒回路の低元側冷媒が所定第２圧力まで減圧されたら、低元側冷媒回路を起動することで、立ち上げの際に、低元側冷媒回路の高圧異常および高元側冷媒回路の低圧異常いずれも引き起こすおそれがなく、定常運転までの円滑な立ち上げを可能にしている。

特開２０１３－２１３５９２号公報

しかし、特許文献１に開示された二元冷凍装置では、低元側冷媒回路の圧縮機と高元側冷媒回路の圧縮機とを交互に運転するため、立ち上がりに時間がかかるとともに圧縮機の信頼性が低下する。また、圧縮機の起動と停止を繰り返すことから消費電力も増加するという課題がある。

上記課題に鑑み、本発明の目的は、二元冷凍装置において、立ち上がり運転を速やかに行い、圧縮機の信頼性低下の抑制と消費電力の増加を抑制できる二元冷凍装置を提供するものである。

本発明の一態様は、高元側圧縮機と、熱媒体と熱交換する高元側熱交換器と、高元側膨張機構と、カスケード熱交換器とが冷媒配管で順次接続され、高元側冷媒が循環する高元側第１循環路を有する高元側冷媒回路と、低元側圧縮機と、カスケード熱交換器と、低元側膨張機構と、熱源側熱交換器とが冷媒配管で順次接続され、低元側冷媒が循環する低元側冷媒回路と、高元側冷媒回路と低元側冷媒回路を制御する制御部と、高元側冷媒回路は、高元側圧縮機の吐出側と吸入側とを高元側バイパス路で接続し高元側圧縮機から吐出された高元側冷媒が高元側バイパス路を通って高元側圧縮機の吸入側へと循環する高元側第２循環路と、高元側圧縮機から吐出された高元側冷媒を高元側第１循環路または高元側第２循環路に循環するように循環路を切り換える高元側切換手段と、を備え、カスケード熱交換器で高元側冷媒と低元側冷媒とが熱交換し、制御部は、高元側圧縮機を起動させ、高元側冷媒が高元側第２循環路を循環するように高元側切換手段を制御し、高元側冷媒の吐出冷媒温度が所定値を超えた場合に、高元側切換手段を高元側第１循環路に切り換え、高元側冷媒を高元側第１循環路に循環させ、高元側冷媒の吐出冷媒温度が熱媒体の温度を超えた場合、低元側圧縮機を起動させることを特徴とする二元冷凍装置である。

本発明によれば、二元冷凍装置において、立ち上がり運転を速やかに行い、圧縮機の信頼性低下の抑制と消費電力の増加を抑制できる二元冷凍装置を提供できる。

本発明の第１の実施形態に係る二元冷凍装置の冷凍回路図である。 本発明の第１の実施形態に係る二元冷凍装置の制御フロー図である。 本発明の第２の実施形態に係る二元冷凍装置の冷凍回路図である。 本発明の第２の実施形態に係る二元冷凍装置の制御フロー図である。 本発明の第３の実施形態に係る二元冷凍装置の冷凍回路図である。 本発明の第３の実施形態に係る二元冷凍装置の制御フロー図である。

以下に、本発明に係る二元冷凍装置の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、第１の実施形態に係る二元冷凍装置の冷凍回路図である。図２は、第１の実施形態に係る二元冷凍装置の制御フロー図である。

図１を参照して、第１の実施形態である二元冷凍装置１について説明する。図１は、第１の実施形態の二元冷凍装置１の冷媒回路図である。二元冷凍装置１は、高温側で高温度の温水を作る運転、あるいは、暖房運転に用いられることができる冷凍装置である。以下、温水をつくる運転と暖房運転をまとめて暖房運転と呼ぶことがある。本実施形態では、暖房運転に用いられる二元冷凍装置について説明する。二元冷凍装置１は、高元側冷媒回路２、低元側冷媒回路３、制御部５を備え、制御部５は二元冷凍装置１を制御する。

高元側冷媒回路２は、高元側第１循環路１７を有している。高元側第１循環路１７は、高元側圧縮機１０と、空気や水などの熱媒体と熱交換する高元側熱交換器１１と、高元側膨張機構としての高元側膨張弁１２と、カスケード熱交換器１３とが冷媒配管６で順次接続され、高元側冷媒が循環する。カスケード熱交換器１３は、高元側冷媒回路２を流れる高元側冷媒と低元側冷媒回路３を流れる低元側冷媒とが熱交換する熱交換器である。本実施形態では、高元側熱交換器１１は、高元側冷媒と図示しない送風機を介して熱媒体としての空気と熱交換する熱交換器である。高元側熱交換器１１は、高元側冷媒と熱媒体としての空気が熱交換する熱交換器であるが、例えば、図示しない熱媒体回路を流れる熱媒体としての水と熱交換する熱交換器であっても構わない。高元側冷媒回路２における矢印は暖房運転時の高元側冷媒の流れを示す。

高元側冷媒回路２において、高元側圧縮機１０の吐出側には、高元側圧縮機１０から吐出される高元側冷媒を高元側熱交換器１１の側に流すか、または、カスケード熱交換器１３の側に流すかを切り換える高元側四方弁１４が接続されている。本実施形態では、高元側四方弁１４によって、高元側圧縮機１０から吐出される高元側冷媒が高元側熱交換器１１の側へ流れる場合（暖房運転）について説明する。従って、高元側冷媒回路２においては、高元側圧縮機１０から吐出された高元側冷媒は、高元側熱交換器１１、高元側膨張弁１２、カスケード熱交換器１３を流れて、高元側圧縮機１０に吸入される。

低元側冷媒回路３は、低元側第１循環路２３と低元側第２循環路２８を有している。低元側第１循環路２３は、低元側圧縮機２０と、高元側冷媒回路２に接続されたカスケード熱交換器１３と、低元側膨張機構としての低元側膨張弁２１と、外気から吸熱する熱源側熱交換器２２とが冷媒配管６で順次接続され、低元側冷媒が循環する。カスケード熱交換器１３は、低元側冷媒と高元側冷媒回路２を流れる高元側冷媒とが熱交換する熱交換器である。低元側冷媒回路３における矢印は低元側冷媒の流れを示す。

低元側冷媒回路３は、低元側圧縮機２０の吐出側と低元側圧縮機２０の吸入側とを接続する低元側バイパス路２５を備えている。低元側バイパス路２５には低元側開閉弁２６が設けられている。低元側開閉弁２６は低元側バイパス路２５を開閉する。低元側圧縮機２０の吐出側から低元側バイパス路２５を通って低元側圧縮機２０の吸入側へと低元側冷媒が循環する流路が低元側第２循環路２８となる。低元側開閉弁２６を閉じると低元側冷媒は低元側第１循環路２３を循環し、低元側開閉弁２６を開くと多くの低元側冷媒は低元側第１循環路２３よりも流路抵抗の小さい低元側第２循環路２８を循環する。低元側開閉弁２６は、本発明における低元側圧縮機２０から吐出された低元側冷媒を低元側第１循環路２３または低元側第２循環路２８に循環するように切り換える低元側切換手段となる。尚、本実施形態では、低元側切換手段として開閉弁である低元側開閉弁２６を用いたが、低元側切換手段として他の手段を用いても構わない。例えば、低元側バイパス路２５の一端または他端に三方弁を設けて、三方弁により、低元側圧縮機２０から吐出された低元側冷媒を低元側第１循環路２３または低元側第２循環路２８に循環するように切り換えても構わない。

低元側冷媒回路３において、低元側圧縮機２０の吐出側には、低元側圧縮機２０から吐出される低元側冷媒を、カスケード熱交換器１３の側に流すか、または、熱源側熱交換器２２の側に流すかを切り換える低元側四方弁２７が接続されている。本実施形態では、低元側四方弁２７によって、低元側圧縮機２０から吐出される低元側冷媒がカスケード熱交換器１３の側へ流れる場合（暖房運転）について説明する。この場合、低元側冷媒回路３においては、低元側圧縮機２０から吐出された低元側冷媒は、カスケード熱交換器１３、低元側膨張弁２１、熱源側熱交換器２２を流れて、低元側圧縮機２０に吸入される。低元側冷媒回路３において、低元側圧縮機２０は、低元側第１循環路２３および低元側第２循環路２８において共通に用いられる構成である。

第１の実施形態では、高元側冷媒回路２における高元側冷媒と低元側冷媒回路３における低元側冷媒は同一の冷媒であるが、必ずしも同一である必要はなく、例えば、高元側冷媒よりも低沸点である低元側冷媒としても構わない。

次に、図２に示す制御フロー図を参照して、第１の実施形態に係る二元冷凍装置１の制御について説明する。

制御部５は、二元冷凍装置１を起動させる際に、まず、高元側圧縮機１０を起動（ＳＴ１）させ、その後、低元側圧縮機２０を起動（ＳＴ２）させる。すなわち、高元側圧縮機１０と低元側圧縮機２０とがほぼ同時に起動する。次に、低元側開閉弁２６を開く（ＳＴ３）。低元側開閉弁２６を開くことにより、低元側圧縮機２０から吐出された高温高圧の低元側冷媒の多くは低元側第１循環路２３よりも流路抵抗の小さい低元側バイパス路２５を通って低元側圧縮機２０の吸入側へ流れる。すなわち、低元側圧縮機２０から吐出された高温高圧の低元側冷媒は低元側第２循環路２８を循環する。次に、高元側冷媒回路２の高元側圧縮機１０から吐出された高元側冷媒の温度が、高元側熱交換器１１において熱交換する熱媒体としての空気の温度より高いかどうかを判断する（ＳＴ４）。高元側冷媒の温度は、高元側圧縮機１０の吐出側に接続された配管に設けられた図示しない温度センサによって検出される。熱媒体の温度は、高元側熱交換器１１に流入する熱媒体の温度を検出する位置に設けられた図示しない温度センサにより検出される。高元側冷媒回路２の高元側圧縮機１０から吐出された高元側冷媒の温度が、高元側熱交換器１１において熱交換する熱媒体としての空気の温度より高い場合（ＳＴ４のＹｅｓ）は、低元側開閉弁２６を閉じる（ＳＴ５）。

第１の実施形態の二元冷凍装置１では、高元側圧縮機１０を起動（ＳＴ１）させ、低元側圧縮機２０を起動（ＳＴ２）させてから、低元側開閉弁２６を開いて、低元側圧縮機２０から吐出された高温高圧の低元側冷媒は低元側第２循環路２８を循環することを特徴としている。すなわち、低元側圧縮機２０から吐出された高温高圧の低元側冷媒の多くは、低元側第１循環路２３よりも流路抵抗の小さい低元側バイパス路２５を通って低元側圧縮機２０の吸入側へと循環することで、低元側圧縮機２０から吐出される冷媒の圧力と低元側圧縮機２０に吸入される冷媒の圧力の差が小さくなる。これにより、低元側冷媒回路３の高圧側における低元側冷媒の圧力が上昇することを抑制することができ、高元側冷媒回路２のカスケード熱交換器１３において高元側冷媒が蒸発できない状態であっても、低元側圧縮機２０の運転を継続できる。また、即座に低元側圧縮機２０を温めることで低外気時の寝込みを抑制することができる。

次に、図３を参照して、第２の実施形態としての二元冷凍装置５０について説明する。第２の実施形態の二元冷凍装置５０と第１の実施形態の二元冷凍装置１との相違は、高元側冷媒回路２に高元側第２循環路１８を設け、低元側冷媒回路３に低元側第２循環路２８を設けていない点であり、他の構成は共通する。共通する構成については同一の付番を使用する。

図３は、第２実施形態の二元冷凍装置５０の冷媒回路図である。二元冷凍装置５０は、高温側で暖房運転に用いられることができる冷凍装置である。本実施形態では、暖房運転に用いられる二元冷凍装置について説明する。二元冷凍装置５０は、高元側冷媒回路２、低元側冷媒回路３、制御部５を備え、制御部５は二元冷凍装置５０を制御する。

高元側冷媒回路２は、高元側第１循環路１７と高元側第２循環路１８を有している。高元側第１循環路１７は、高元側圧縮機１０と、空気や水などの熱媒体と熱交換する高元側熱交換器１１と、高元側膨張機構としての高元側膨張弁１２と、カスケード熱交換器１３とが冷媒配管６で順次接続され、高元側冷媒が循環する。カスケード熱交換器１３は、高元側冷媒回路２を流れる高元側冷媒と低元側冷媒回路３を流れる低元側冷媒とが熱交換する熱交換器である。本実施形態では、高元側熱交換器１１は、高元側冷媒と図示しない送風機を介して熱媒体としての空気と熱交換する熱交換器である。高元側熱交換器１１は、高元側冷媒と熱媒体としての空気が熱交換する熱交換器であるが、例えば、図示しない熱媒体回路を流れる熱媒体としての水と熱交換する熱交換器であっても構わない。高元側冷媒回路２における矢印は高元側冷媒の流れ（暖房運転）を示す。

高元側冷媒回路２は、高元側圧縮機１０の吐出側と高元側圧縮機１０の吸入側とを接続する高元側バイパス路１５を備えている。高元側バイパス路１５には高元側開閉弁１６が設けられている。高元側開閉弁１６は高元側バイパス路１５を開閉する。高元側圧縮機１０の吐出側から高元側バイパス路１５を通って高元側圧縮機１０の吸入側へと高元側冷媒が循環する流路が高元側第２循環路１８となる。高元側開閉弁１６を閉じると高元側冷媒は高元側第１循環路１７を循環し、高元側開閉弁１６を開くと多くの高元側冷媒は高元側第１循環路１７よりも流路抵抗の小さい高元側第２循環路１８を循環する。高元側開閉弁１６は、本発明における高元側圧縮機１０から吐出された高元側冷媒を高元側第１循環路１７または高元側第２循環路１８に循環するように切り換える高元側切換手段となる。尚、本実施形態では、高元側切換手段として開閉弁である高元側開閉弁１６を用いたが、高元側切換手段として他の手段を用いても構わない。例えば、高元側バイパス路１５の一端または他端に三方弁を設けて、三方弁により、高元側圧縮機１０から吐出された高元側冷媒を高元側第１循環路１７または高元側第２循環路１８に循環するように切り換えても構わない。

高元側冷媒回路２において、高元側圧縮機１０の吐出側には、高元側圧縮機１０から吐出される高元側冷媒を高元側熱交換器１１の側に流すか、または、カスケード熱交換器１３の側に流すかを切り換える高元側四方弁１４が接続されている。本実施形態では、高元側四方弁１４によって、高元側圧縮機１０から吐出される高元側冷媒が高元側熱交換器１１の側へ流れる場合について説明する。従って、高元側冷媒回路２においては、高元側圧縮機１０から吐出された高元側冷媒は、高元側熱交換器１１、高元側膨張弁１２、カスケード熱交換器１３を流れて、高元側圧縮機１０に吸入される。高元側冷媒回路２において、高元側圧縮機１０は、高元側第１循環路１７および高元側第２循環路１８において共通に用いられる構成である。

低元側冷媒回路３は、低元側第１循環路２３を有している。低元側第１循環路２３は、低元側圧縮機２０と、高元側冷媒回路２に接続されたカスケード熱交換器１３と、低元側膨張機構としての低元側膨張弁２１と、外気から吸熱する熱源側熱交換器２２とが冷媒配管６で順次接続され、低元側冷媒が循環する。カスケード熱交換器１３は、低元側冷媒と高元側冷媒回路２を流れる高元側冷媒とが熱交換する熱交換器である。低元側冷媒回路３における矢印は低元側冷媒の流れを示す。

低元側冷媒回路３において、低元側圧縮機２０の吐出側には、低元側圧縮機２０から吐出される低元側冷媒を、カスケード熱交換器１３の側に流すか、または、熱源側熱交換器２２の側に流すかを切り換える低元側四方弁２７が接続されている。本実施形態では、低元側四方弁２７によって、低元側圧縮機２０から吐出される低元側冷媒がカスケード熱交換器１３の側へ流れる場合について説明する。従って、低元側冷媒回路３においては、低元側圧縮機２０から吐出された低元側冷媒は、カスケード熱交換器１３、低元側膨張弁２１、熱源側熱交換器２２を流れて、低元側圧縮機２０に吸入される。

本実施形態では、高元側冷媒回路２における高元側冷媒と低元側冷媒回路３における低元側冷媒は同一の冷媒であるが、必ずしも同一である必要はなく、例えば、高元側冷媒よりも低沸点である低元側冷媒としても構わない。

次に、図４に示す制御フロー図を参照して、第２の実施形態に係る二元冷凍装置５０の制御について説明する。

制御部５は、二元冷凍装置５０を起動させる際に、まず、高元側圧縮機１０を起動（ＳＴ１０）させる。次に、高元側開閉弁１６を開く（ＳＴ１１）。高元側開閉弁１６を開くことにより、高元側圧縮機１０から吐出された高温高圧の高元側冷媒の多くは高元側第１循環路１７よりも流路抵抗の小さい高元側バイパス路１５を通って高元側圧縮機１０の吸入側へと循環する。すなわち、高元側圧縮機１０から吐出された高温高圧の高元側冷媒は高元側第２循環路１８を循環する。次に、高元側圧縮機１０の温度が所定値である６０℃を越えたかどうかを判断する（ＳＴ１２）。高元側圧縮機１０の温度は、高元側圧縮機１０の吐出側に接続された配管に設けられた図示しない温度センサによって検出される。所定値は、高元側圧縮機１０の温度がその値以上であれば高元側熱交換器１１において、熱媒体と所望の熱交換量が得られ、その温度に到達すれば高元側熱交換器１１において高元側冷媒が十分に凝縮できる温度である。高元側圧縮機１０の温度が所定値である６０℃を越えた場合（ＳＴ１２のＹｅｓ）、高元側開閉弁１６を閉じる（ＳＴ１３）。高元側圧縮機１０の温度が所定値である６０℃を越えない場合は（ＳＴ１２のＮｏ）継続する。次に、高元側冷媒回路２の高元側圧縮機１０から吐出された高元側冷媒の温度が、高元側熱交換器１１において熱交換する熱媒体としての空気の温度より高いかどうかを判断する（ＳＴ１４）。熱媒体の温度は、高元側熱交換器１１に流入する熱媒体の温度を検出する位置に設けられた図示しない温度センサにより検出される。高元側冷媒回路２の高元側圧縮機１０から吐出された高元側冷媒の温度が、高元側熱交換器１１において熱交換する熱媒体としての空気の温度より高い場合（ＳＴ１４のＹｅｓ）は、低元側圧縮機２０を起動（ＳＴ１５）させる。

本実施形態の二元冷凍装置１では、高元側圧縮機１０を起動（ＳＴ１０）させてから、高元側開閉弁１６を開いて、高元側圧縮機１０から吐出された高温高圧の高元側冷媒が高元側第２循環路１８を循環することを特徴としている。すなわち、高元側圧縮機１０から吐出された高温高圧の高元側冷媒の多くは、高元側第１循環路１７よりも流路抵抗の小さい高元側バイパス路１５を通って高元側圧縮機１０の吸入側へと循環する。これにより、高元側圧縮機１０の温度を即座に上昇させ、低外気温度時の寝込み運転を抑制することができる。また、高元側冷媒の冷媒圧力が上がりやすい状態にすることができるので、高元側冷媒が高元側熱交換器１１で熱媒体である空気と熱交換できるため凝縮させることができるので、カスケード熱交換器１３で低元側冷媒と熱交換ができるようになり、すみやかに低元側圧縮機２０の起動を開始できる。

次に、図５を参照して、第３の実施形態としての二元冷凍装置５１について説明する。第３の実施形態の二元冷凍装置５１と第１の実施形態の二元冷凍装置１との相違は、高元側冷媒回路２に高元側第２循環路１８を設け、また、低元側冷媒回路３に低元側第２循環路２８を設けた点であり、他の構成は共通する。共通する構成については同一の付番を使用する。

図５は、第３実施形態の二元冷凍装置５１の冷媒回路図である。二元冷凍装置５１は、低温側で利用する場合には冷凍食品などを貯蔵するために用いられ、高温側で利用する場合には、高温度の温水を作り出す、あるいは、暖房運転に用いられることができる冷凍装置である。本実施形態では、暖房運転に用いられる二元冷凍装置について説明する。二元冷凍装置５１は、高元側冷媒回路２、低元側冷媒回路３、制御部５を備え、制御部５は二元冷凍装置５１を制御する。

高元側冷媒回路２は、高元側第１循環路１７と高元側第２循環路１８を有している。高元側第１循環路１７は、高元側圧縮機１０と、空気や水などの熱媒体と熱交換する高元側熱交換器１１と、高元側膨張機構としての高元側膨張弁１２と、カスケード熱交換器１３とが冷媒配管６で順次接続され、高元側冷媒が循環する。カスケード熱交換器１３は、高元側冷媒回路２を流れる高元側冷媒と低元側冷媒回路３を流れる低元側冷媒とが熱交換する熱交換器である。本実施形態では、高元側熱交換器１１は、高元側冷媒と図示しない送風機を介して熱媒体としての空気と熱交換する熱交換器である。高元側熱交換器１１は、高元側冷媒と熱媒体としての空気が熱交換する熱交換器であるが、例えば、図示しない熱媒体回路を流れる熱媒体としての水と熱交換する熱交換器であっても構わない。高元側冷媒回路２における矢印は高元側冷媒の流れ（暖房運転）を示す。

高元側冷媒回路２は、高元側圧縮機１０の吐出側と高元側圧縮機１０の吸入側とを接続する高元側バイパス路１５を備えている。高元側バイパス路１５には高元側開閉弁１６が設けられている。高元側開閉弁１６は高元側バイパス路１５を開閉する。高元側圧縮機１０の吐出側から高元側バイパス路１５を通って高元側圧縮機１０の吸入側へと高元側冷媒が循環する流路が高元側第２循環路１８となる。高元側開閉弁１６を閉じると高元側冷媒は高元側第１循環路１７を循環し、高元側開閉弁１６を開くと多くの高元側冷媒は高元側第１循環路１７よりも流路抵抗の小さい高元側第２循環路１８を循環する。高元側開閉弁１６は、本発明における高元側圧縮機１０から吐出された高元側冷媒を高元側第１循環路１７または高元側第２循環路１８に循環するように切り換える高元側切換手段となる。尚、本実施形態では、高元側切換手段として開閉弁である高元側開閉弁１６を用いたが、高元側切換手段として他の手段を用いても構わない。例えば、高元側バイパス路１５の一端または他端に三方弁を設けて、三方弁により、高元側圧縮機１０から吐出された高元側冷媒を高元側第１循環路１７または高元側第２循環路１８に循環するように切り換えても構わない。

高元側冷媒回路２において、高元側圧縮機１０の吐出側には、高元側圧縮機１０から吐出される高元側冷媒を高元側熱交換器１１の側に流すか、または、カスケード熱交換器１３の側に流すかを切り換える高元側四方弁１４が接続されている。本実施形態では、高元側四方弁１４によって、高元側圧縮機１０から吐出される高元側冷媒が高元側熱交換器１１の側へ流れる場合について説明する。従って、高元側冷媒回路２においては、高元側圧縮機１０から吐出された高元側冷媒は、高元側熱交換器１１、高元側膨張弁１２、カスケード熱交換器１３を流れて、高元側圧縮機１０に吸入される。高元側冷媒回路２において、高元側圧縮機１０は、高元側第１循環路１７および高元側第２循環路１８において共通に用いられる構成である。

低元側冷媒回路３は、低元側第１循環路２３と低元側第２循環路２８を有している。低元側第１循環路２３は、低元側圧縮機２０と、高元側冷媒回路２に接続されたカスケード熱交換器１３と、低元側膨張機構としての低元側膨張弁２１と、外気から吸熱する熱源側熱交換器２２とが冷媒配管６で順次接続され、低元側冷媒が循環する。カスケード熱交換器１３は、低元側冷媒と高元側冷媒回路２を流れる高元側冷媒とが熱交換する熱交換器である。低元側冷媒回路３における矢印は低元側冷媒の流れを示す。

低元側冷媒回路３は、低元側圧縮機２０の吐出側と低元側圧縮機２０の吸入側とを接続する低元側バイパス路２５を備えている。低元側バイパス路２５には低元側開閉弁２６が設けられている。低元側開閉弁２６は低元側バイパス路２５を開閉する。低元側圧縮機２０の吐出側から低元側バイパス路２５を通って低元側圧縮機２０の吸入側へと低元側冷媒が循環する流路が低元側第２循環路２８となる。低元側開閉弁２６を閉じると低元側冷媒は低元側第１循環路２３を循環し、低元側開閉弁２６を開くと多くの低元側冷媒は低元側第１循環路２３よりも流路抵抗の小さい低元側第２循環路２８を循環する。低元側開閉弁２６は、本発明における低元側圧縮機２０から吐出された低元側冷媒を低元側第１循環路２３または低元側第２循環路２８に循環するように切り換える低元側切換手段となる。尚、本実施形態では、低元側切換手段として開閉弁である低元側開閉弁２６を用いたが、低元側切換手段として他の手段を用いても構わない。例えば、低元側バイパス路２５の一端または他端に三方弁を設けて、三方弁により、低元側圧縮機２０から吐出された低元側冷媒を低元側第１循環路２３または低元側第２循環路２８に循環するように切り換えても構わない。

低元側冷媒回路３において、低元側圧縮機２０の吐出側には、低元側圧縮機２０から吐出される低元側冷媒を、カスケード熱交換器１３の側に流すか、または、熱源側熱交換器２２の側に流すかを切り換える低元側四方弁２７が接続されている。本実施形態では、低元側四方弁２７によって、低元側圧縮機２０から吐出される低元側冷媒がカスケード熱交換器１３の側へ流れる場合について説明する。従って、低元側冷媒回路３においては、低元側圧縮機２０から吐出された低元側冷媒は、カスケード熱交換器１３、低元側膨張弁２１、熱源側熱交換器２２を流れて、低元側圧縮機２０に吸入される。低元側冷媒回路３において、低元側圧縮機２０は、低元側第１循環路２３および低元側第２循環路２８において共通に用いられる構成である。

本実施形態では、高元側冷媒回路２における高元側冷媒と低元側冷媒回路３における低元側冷媒は同一の冷媒であるが、必ずしも同一である必要はなく、例えば、高元側冷媒よりも低沸点である低元側冷媒としても構わない。

次に、図６に示す制御フロー図を参照して、第３の実施形態に係る二元冷凍装置５１の制御について説明する。

制御部５は、二元冷凍装置５１を起動させる際に、まず、高元側圧縮機１０を起動させ、高元側開閉弁１６を開く（ＳＴ２０）。高元側開閉弁１６を開くことにより、高元側圧縮機１０から吐出された高温高圧の高元側冷媒の多くは高元側第１循環路１７よりも流路抵抗の小さい高元側バイパス路１５を通って高元側圧縮機１０の吸入側へと循環する。すなわち、高元側圧縮機１０から吐出された高温高圧の高元側冷媒は高元側第２循環路１８を循環する。次に、低元側圧縮機２０を起動させ、低元側開閉弁２６を開く（ＳＴ２１）。低元側開閉弁２６を開くことにより、低元側圧縮機２０から吐出された高温高圧の低元側冷媒の多くは低元側第１循環路２３よりも流路抵抗の小さい低元側バイパス路２５を通って低元側圧縮機２０の吸入側へと循環する。すなわち、低元側圧縮機２０から吐出された高温高圧の低元側冷媒は低元側第２循環路２８を循環する。次に、高元側圧縮機１０の温度が所定値である６０℃を越えたかどうかを判断する（ＳＴ２２）。高元側冷媒の温度は、高元側圧縮機１０の吐出側に接続された配管に設けられた図示しない温度センサによって検出される。所定値は、高元側熱交換器１１において、熱媒体と所望の熱交換量が得られ、その温度に到達すれば高元側熱交換器１１において高元側冷媒が十分に凝縮できる温度である。高元側圧縮機１０の温度が所定値である６０℃を越えた場合（ＳＴ２２のＹｅｓ）、高元側開閉弁１６を閉じる（ＳＴ２３）。高元側圧縮機１０の温度が所定値である６０℃を越えない場合は（ＳＴ２２のＮｏ）継続する。次に、高元側冷媒回路２の高元側圧縮機１０から吐出された高元側冷媒の温度が、高元側熱交換器１１において熱交換する熱媒体としての空気の温度より高いかどうかを判断する（ＳＴ２４）。熱媒体の温度は、高元側熱交換器１１に流入する熱媒体の温度を検出する位置に設けられた図示しない温度センサにより検出される。高元側冷媒回路２の高元側圧縮機１０から吐出された高元側冷媒の温度が、高元側熱交換器１１において熱交換する熱媒体としての空気の温度より高い場合（ＳＴ２４のＹｅｓ）は、低元側開閉弁２６を閉じる（ＳＴ２５）。

本実施形態の二元冷凍装置５１では、高元側圧縮機１０を起動させて高元側開閉弁１６を開き、また、低元側圧縮機２０を起動させて低元側開閉弁２６を開き、高元側圧縮機１０から吐出された高温高圧の高元側冷媒が高元側第２循環路１８を循環すること、および、低元側圧縮機２０から吐出された高温高圧の低元側冷媒が低元側第２循環路２８を循環することを特徴としている。すなわち、高元側圧縮機１０から吐出された高温高圧の高元側冷媒の多くは、高元側第１循環路１７よりも流路抵抗の小さい高元側バイパス路１５を通って高元側圧縮機１０の吸入側へと循環し、また、低元側圧縮機２０から吐出された高温高圧の低元側冷媒の多くは、低元側第１循環路２３よりも流路抵抗の小さい低元側バイパス路２５を通って低元側圧縮機２０の吸入側へと循環する。これにより、高元側圧縮機１０の温度を即座に上昇させ、低外気温度時の寝込み運転を抑制することができる。また、高元側冷媒の冷媒圧力が上がりやすい状態にすることができるので、高元側冷媒が高元側熱交換器１１で熱媒体である空気と熱交換できるため凝縮させることができるので、カスケード熱交換器１３で低元側冷媒と熱交換ができるようになり、すみやかに低元側圧縮機２０の起動を開始できる。また、低元側冷媒回路３における低元側冷媒の高圧側が上昇することを抑制することができ、高元側冷媒回路２のカスケード熱交換器１３において高元側冷媒が蒸発できない状態であっても、低元側圧縮機２０の運転を継続できる。また、即座に低元側圧縮機２０を温めることで低外気時の寝込みを抑制することができる。

以上、限られた数の実施形態を参照しながら説明したが、権利範囲はそれらに限定されるものではなく、上記の開示に基づく実施形態の改変は、当業者にとって自明のことである。

１…二元冷凍装置、２…高元側冷媒回路、３…低元側冷媒回路、５…制御部、６…冷媒配管、１０…高元側圧縮機、１１…高元側熱交換器、１２…高元側膨張弁、１３…カスケード熱交換器、１４…高元側四方弁、１５…高元側バイパス路、１６…高元側開閉弁、１７…高元側第１循環路、１８…高元側第２循環路、２０…低元側圧縮機、２１…低元側膨張弁、２２…熱源側熱交換器、２３…低元側第１循環路、２５…低元側バイパス路、２６…低元側開閉弁、２７…低元側四方弁、２８…低元側第２循環路、５０…二元冷凍装置、５１…二元冷凍装置

Claims (3)

1. 高元側圧縮機と、熱媒体と熱交換する高元側熱交換器と、高元側膨張機構と、カスケード熱交換器とが冷媒配管で順次接続され、高元側冷媒が循環する高元側第１循環路を有する高元側冷媒回路と、
   低元側圧縮機と、前記カスケード熱交換器と、低元側膨張機構と、熱元側熱交換器とが冷媒配管で順次接続され、低元側冷媒が循環する低元側冷媒回路と、
   前記高元側冷媒回路と前記低元側冷媒回路を制御する制御部と、
   前記高元側冷媒回路は、前記高元側圧縮機の吐出側と吸入側とを高元側バイパス路で接続し前記高元側圧縮機から吐出された高元側冷媒が前記高元側バイパス路を通って前記高元側圧縮機の吸入側へと循環する高元側第２循環路と、前記高元側圧縮機から吐出された高元側冷媒を前記高元側第１循環路または前記高元側第２循環路に循環するように循環路を切り換える高元側切換手段と、を備え、
   前記カスケード熱交換器で前記高元側冷媒と前記低元側冷媒とが熱交換し、
   前記制御部は、前記高元側圧縮機を起動させ、高元側冷媒が前記高元側第２循環路を循環するように前記高元側切換手段を制御し、
   高元側冷媒の吐出冷媒温度が所定値を超えた場合に、前記高元側切換手段を前記高元側第１循環路に切り換え、高元側冷媒を前記高元側第１循環路に循環させ、
   高元側冷媒の吐出冷媒温度が前記熱媒体の温度を超えた場合、前記低元側圧縮機を起動させることを特徴とする二元冷凍装置。
2. 高元側圧縮機と、熱媒体と熱交換する高元側熱交換器と、高元側膨張機構と、カスケード熱交換器とが冷媒配管で順次接続され、高元側冷媒が循環する高元側冷媒回路と、
   低元側圧縮機と、前記カスケード熱交換器と、低元側膨張機構と、熱源側熱交換器とが冷媒配管で順次接続され、低元側冷媒が循環する低元側第１循環路を有する低元側冷媒回路と、
   前記高元側冷媒回路と前記低元側冷媒回路を制御する制御部と、
   前記低元側冷媒回路は、前記低元側圧縮機の吐出側と吸入側とを低元側バイパス路で接続し前記低元側圧縮機から吐出された低元側冷媒が前記低元側バイパス路を通って前記低元側圧縮機の吸入側へと循環する低元側第２循環路と、前記低元側圧縮機から吐出された低元側冷媒を前記低元側第１循環路または前記低元側第２循環路に循環するように循環路を切り換える低元側切換手段と、を備え、
   前記カスケード熱交換器で前記高元側冷媒と前記低元側冷媒とが熱交換し、
   前記制御部は、前記高元側圧縮機および前記低元側圧縮機を起動させ、低元側冷媒が前記低元側第２循環路を循環するように前記低元側切換手段を制御し、高元側冷媒の吐出冷媒温度が前記熱媒体の温度を超えた場合、前記低元側切換手段を前記低元側第１循環路に切り換え、低元側冷媒を前記低元側第１循環路に循環させることを特徴とする二元冷凍装置。
3. 高元側圧縮機と、熱媒体と熱交換する高元側熱交換器と、高元側膨張機構と、カスケード熱交換器とが冷媒配管で順次接続され、高元側冷媒が循環する高元側第１循環路を有する高元側冷媒回路と、
   低元側圧縮機と、前記カスケード熱交換器と、低元側膨張機構と、熱源側熱交換器とが冷媒配管で順次接続され、低元側冷媒が循環する低元側第１循環路を有する低元側冷媒回路と、
   前記高元側冷媒回路と前記低元側冷媒回路を制御する制御部と、
   前記高元側冷媒回路は、前記高元側圧縮機の吐出側と吸入側とを高元側バイパス路で接続し前記高元側圧縮機から吐出された高元側冷媒が前記高元側バイパス路を通って前記高元側圧縮機の吸入側へと循環する高元側第２循環路と、前記高元側圧縮機から吐出された高元側冷媒を前記高元側第１循環路または前記高元側第２循環路に循環するように循環路を切り換える高元側切換手段と、
   前記低元側冷媒回路は、前記低元側圧縮機の吐出側と吸入側とを低元側バイパス路で接続し前記低元側圧縮機から吐出された低元側冷媒が前記低元側バイパス路を通って前記低元側圧縮機の吸入側へと循環する低元側第２循環路と、前記低元側圧縮機から吐出された低元側冷媒を前記低元側第１循環路または前記低元側第２循環路に循環するように循環路を切り換える低元側切換手段と、を備え、
   前記カスケード熱交換器で前記高元側冷媒と前記低元側冷媒とが熱交換し、
   前記制御部は、前記高元側圧縮機および前記低元側圧縮機を起動させ、
   高元側冷媒が前記高元側第２循環路を循環するように前記高元側切換手段を制御し、
   低元側冷媒が前記低元側第２循環路を循環するように前記低元側切換手段を制御し、
   高元側冷媒の吐出冷媒温度が所定値を超えた場合、前記高元側切換手段を前記高元側第１循環路に切り換え、高元側冷媒を前記高元側第１循環路に循環させ、
   高元側冷媒の吐出冷媒温度が前記熱媒体の温度を超えた場合、前記低元側切換手段を前記低元側第１循環路に切り換え、低元側冷媒を前記低元側第１循環路に循環させることを特徴とする二元冷凍装置。

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