JP7471515B2 - 二元冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本開示は二元冷凍サイクル装置に関する。

従来から二元冷凍サイクル装置が知られている。特許文献１には、第１高元冷凍サイクルと第２高元冷凍サイクルと低元冷凍サイクルとを有する二元冷凍サイクル装置が記載されている。

国際公開第２０１２／０６６７６３号公報

高元冷凍サイクル側で複数の冷凍サイクルを構成した場合、負荷に要求される冷却能力の変化に応じた柔軟な運転を複数の高元冷凍サイクルで実現できることが望ましい。

本開示は、負荷に要求される冷却能力の変化に応じた柔軟な運転を複数の高元冷凍サイクルで実現可能な二元冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

本開示の二元冷凍サイクル装置は、第１冷媒を循環させる第１高元冷媒回路と、第２冷媒を循環させる第２高元冷媒回路と、第３冷媒を循環させる低元冷媒回路と、第１冷媒と第３冷媒との間で熱交換する第１カスケードコンデンサと、第２冷媒と第３冷媒との間で熱交換する第２カスケードコンデンサとを備える。第１高元冷媒回路は、第１圧縮機と、第１熱交換器と、第１膨張弁とを有し、第１圧縮機、第１熱交換器、第１膨張弁、第１カスケードコンデンサ、および第１圧縮機の順に第１冷媒を循環させる。第２高元冷媒回路は、第２圧縮機と、第２熱交換器と、第２膨張弁とを有し、第２圧縮機、第２熱交換器、第２膨張弁、第２カスケードコンデンサ、および第２圧縮機の順に第２冷媒を循環させる。低元冷媒回路は、第３圧縮機と、第３熱交換器と、第３膨張弁とを有し、第３圧縮機、第１カスケードコンデンサ、第２カスケードコンデンサ、第３膨張弁、第３熱交換器、および第３圧縮機の順に第３冷媒を循環させる。第１高元冷媒回路および第２高元冷媒回路は、それぞれの最大冷却能力が互いに異なるように構成されている。

本開示によれば、負荷に要求される冷却能力の変化に応じた柔軟な運転を複数の高元冷凍サイクルで実現可能な二元冷凍サイクル装置を提供することができる。

実施の形態１に関わる二元冷凍サイクル装置の構成を示す図である。 受液器と第１カスケードコンデンサおよび第２カスケードコンデンサとの配置関係を示す図である。 第１高元冷媒回路、第２高元冷媒回路、および低元冷媒回路の構成の比較例を示す図である。 実施の形態１に関わる二元冷凍サイクル装置の変形例１を示す図である。 第１熱交換器と第２熱交換器とを一体化した第５熱交換器を示す図である。 実施の形態１に関わる二元冷凍サイクル装置に無停電電源装置を設けた例を示す図である。 変形例１の二元冷凍サイクル装置に無停電電源装置を設けた例を示す図である。 第１高元冷凍サイクルの周波数範囲と冷却能力との関係、および第２高元冷凍サイクルの周波数範囲と冷却能力との関係を示すグラフ１である。 第１高元冷凍サイクルの周波数範囲と冷却能力との関係、および第２高元冷凍サイクルの周波数範囲と冷却能力との関係を示すグラフ２である。 実施の形態１に関わる運転モードの制御の内容を示すフローチャートである。 停止運転モードの制御の内容を示すフローチャートである。 冷却運転モードの制御の内容を示すフローチャートである。 庫内の蒸発温度の設定値と冷却能力との関係を示すグラフである（実施の形態１）。 高容量運転モードの制御の内容を示すフローチャートである。 低容量運転モードの制御の内容を示すフローチャートである。 実施の形態２に関わる二元冷凍サイクル装置の構成を示す図である。 第１熱交換器および第２熱交換器の伝熱面積と、第４熱交換器との伝熱面積の比率を示す図である。 第１熱交換器と第２熱交換器と第４熱交換器とを一体化した第６熱交換器を示す図である。 第２熱交換器と第４熱交換器とを一体化した第７熱交換器、および第７交換器と組み合わせて使用される第１熱交換器を示す図である。 実施の形態２に係わる運転モードの制御の内容を示すフローチャートである。 実施の形態２に係わる冷却運転モード２の制御の内容を示すフローチャートである。 庫内の蒸発温度の設定値と冷却能力との関係を示すグラフである（実施の形態２）。 第３圧縮機（Ｃｏｍｐ３０１）の周波数と庫内の蒸発温度の設定値との関係を示すグラフである（実施の形態２）。 実施の形態２に係わる冷却運転モード２の変形例を示すフローチャートである。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。以下では、複数の実施の形態について説明するが、各実施の形態で説明された構成を適宜、組み合わせることは出願当初から予定されている。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に関わる二元冷凍サイクル装置５１の構成を示す図である。図１に基づいて、二元冷凍サイクル装置５１の回路構成および動作について説明する。二元冷凍サイクル装置５１は、低元冷媒回路３００と、第１高元冷媒回路１００と、第２高元冷媒回路２００と、制御装置３０とを備える。

第１高元冷媒回路１００および第２高元冷媒回路２００は、室外機１に配置される。低元冷媒回路３００は、延長配管１５によって室外機１と室内機２とに跨がって配置される。制御装置３０は、室外機１または室内機２に配置される。室外機１には、外気温度を検出する温度センサ２０が設けられている。制御装置３０は、室外機１および室内機２とは別の箇所に配置されていてもよい。制御装置３０は、ユーザーによって操作されるリモートコントローラーと無線通信してもよい。

第１高元冷媒回路１００には第１冷媒が封入されている。第２高元冷媒回路２００には第２冷媒が封入されている。低元冷媒回路３００には第３冷媒が封入されている。室外機１には、第１高元冷媒回路１００の第１冷媒と低元冷媒回路３００の第３冷媒との間で熱を交換させるための第１カスケードコンデンサ１０４と、第２高元冷媒回路２００の第２冷媒と低元冷媒回路３００の第３冷媒との間で熱を交換させるための第２カスケードコンデンサ２０４とが設けられている。

第１カスケードコンデンサ１０４は、第１高元冷媒回路１００に含まれる構成としてもよく、低元冷媒回路３００に含まれる構成としてもよい。第２カスケードコンデンサ２０４は、第２高元冷媒回路２００に含まれる構成としてもよく、低元冷媒回路３００に含まれる構成としてもよい。
＜第１高元冷媒回路１００の構成＞
第１高元冷媒回路１００は、第１圧縮機１０１と、第１熱交換器１０２と、第１膨張弁１０３とを備える。第１圧縮機１０１と、第１熱交換器１０２と、第１膨張弁１０３とは、第１冷媒が流れる冷媒配管によって接続されている。第１熱交換器１０２には外気と第１冷媒との間の熱交換を促す第１ファン１０２１が設けられる。第１高元冷媒回路１００は、第１冷媒が、第１圧縮機１０１、第１熱交換器１０２、第１膨張弁１０３、第１カスケードコンデンサ１０４、および第１圧縮機１０１の順に循環するように構成される。したがって、第１熱交換器１０２は凝縮器として機能する。第１高元冷媒回路１００には、制御装置３０の指令を受けて動作するマイクロコンピュータが搭載されている。制御装置３０が第１高元冷媒回路１００を起動することにより、第１高元冷凍サイクルが起動する。
＜第２高元冷媒回路２００の構成＞
第２高元冷媒回路２００は、第２圧縮機２０１と、第２熱交換器２０２と、第２膨張弁２０３とを備える。第２圧縮機２０１と、第２熱交換器２０２と、第２膨張弁２０３とは、第２冷媒が流れる冷媒配管によって接続されている。第２熱交換器２０２には外気と第２冷媒との間の熱交換を促す第２ファン２０２１が設けられる。第２高元冷媒回路２００は、第２冷媒が、第２圧縮機２０１、第２熱交換器２０２、第２膨張弁２０３、第２カスケードコンデンサ２０４、および第２圧縮機２０１の順に循環するように構成される。したがって、第２熱交換器２０２は、凝縮器として機能する。第２高元冷媒回路２００には、制御装置３０の指令を受けて動作するマイクロコンピュータが搭載されている。制御装置３０が第２高元冷媒回路２００を起動することにより、第２高元冷凍サイクルが起動する。

本実施の形態において、第１高元冷媒回路１００および第２高元冷媒回路２００は、それぞれの最大冷却能力が互いに異なるように構成されている。特に、第２高元冷媒回路２００の最大冷却能力が、第１高元冷媒回路１００の最大の冷却能力よりも低くなるように、第２圧縮機２０１、第２熱交換器２０２、第２膨張弁２０３、および第２カスケードコンデンサ２０４の少なくとも１つの構成要素が、第１高元冷媒回路１００の第１圧縮機１０１、第１熱交換器１０２、第１膨張弁１０３、および第１カスケードコンデンサ１０４のうちの対応する構成要素よりも小型の構成要素で構成されている。
＜低元冷媒回路３００の構成＞
低元冷媒回路３００は、第３圧縮機３０１と、第３熱交換器３０２と、第３膨張弁３０３と、受液器３０４とを備える。第３熱交換器３０２と第３膨張弁３０３とは、室内機２に配置される。受液器３０４は、室外機１に配置される。第３圧縮機３０１と、第３熱交換器３０２と、第３膨張弁３０３と、受液器３０４とは、第３冷媒が流れる冷媒配管によって接続されている。第３熱交換器３０２には庫内の空気と第３冷媒との間の熱交換を促す第３ファン３０２１が設けられる。

低元冷媒回路３００は、第３冷媒が、第３圧縮機３０１、第１カスケードコンデンサ１０４、第２カスケードコンデンサ２０４、受液器３０４、第３膨張弁３０３、第３熱交換器３０２、および第３圧縮機３０１の順に循環するように構成される。したがって、第３熱交換器３０２は、庫内を冷却する蒸発器として機能する。低元冷媒回路３００には、制御装置３０の指令を受けて動作するマイクロコンピュータが搭載されている。制御装置３０が低元冷媒回路３００を起動することにより、低元冷凍サイクルが起動する。

第３圧縮機３０１の吐出側に位置する冷媒配管には、圧力センサ１０が設けられている。圧力センサ１０は、第３圧縮機３０１の吐出部から第１カスケードコンデンサ１０４の入口までの区間であればいずれの位置に設けてもよい。しかし、圧力センサ１０は、第３圧縮機３０１の吐出部に設けることが好ましい。第３圧縮機３０１の吐出部で第３冷媒の圧力が最も高くなるからである。第３圧縮機３０１は、第３冷媒の圧力を高めることで、低元冷媒回路３００内で第３冷媒を循環させる。第３圧縮機３０１は、インバータによって第３圧縮機３０１の内部のモータ（図示省略）を制御することにより、状況に応じて運転容量を変化させる。第３圧縮機３０１は、第３冷媒の温度が制御装置３０で設定した目標出口温度になるように、第３圧縮機３０１の周波数を制御する。

第３膨張弁３０３は、第３冷媒の流量を調節する。第３膨張弁３０３は、たとえば、電子膨張弁またはキャピラリーである。電子膨張弁は、絞り開度を調整することによって、第３冷媒の流量を効率よく制御する機能を有する。

受液器３０４は、高圧の液冷媒を貯留する。受液器３０４は低元冷媒回路３００において、第２カスケードコンデンサ２０４と第３膨張弁３０３との間に配置されている。換言すると、受液器３０４は、第１カスケードコンデンサ１０４および第２カスケードコンデンサ２０４よりも下流側で第３膨張弁３０３よりも上流側に配置されている。

受液器３０４と第２カスケードコンデンサ２０４とは第１冷媒配管１６で接続されている。受液器３０４と第３膨張弁３０３とは第２冷媒配管１７および延長配管１５で接続されている。第１冷媒配管１６は受液器３０４の上部に接続されている。第２冷媒配管１７は受液器３０４の下部に接続されている。受液器３０４の上部には、帰還冷媒配管１８がさらに接続されている。帰還冷媒配管１８は、第１カスケードコンデンサ１０４と第２カスケードコンデンサ２０４との間に位置する冷媒配管と、受液器３０４とを接続する。帰還冷媒配管１８には、帰還冷媒配管１８を通じて第１カスケードコンデンサ１０４または第２カスケードコンデンサ２０４から受液器３０４へ第１冷媒が流れ込むことを阻止する逆止弁３０５が設けられている。

＜制御装置３０の構成＞
制御装置３０は、プロセッサ３１とメモリ３２とが搭載されている。プロセッサ３１は、メモリ３２に格納されたオペレーティングシステムおよびアプリケーションプログラムを実行する。プロセッサ３１は、アプリケーションプログラムを実行するときに、メモリ３２に格納されている各種のデータを参照する。プロセッサ３１は、メモリ３２に格納されたアプリケーションプログラムに従って、第１高元冷媒回路１００、第２高元冷媒回路２００、および低元冷媒回路３００から運転状況を示すデータを収集する。

プロセッサ３１は、圧力センサ１０の検出値に基づいて第３冷媒の圧力を取得する。プロセッサ３１は、温度センサ２０の検出値に基づいて外気温度を取得する。プロセッサ３１は、メモリ３２に格納されたアプリケーションプログラムに従って、第１高元冷媒回路１００、第２高元冷媒回路２００、および低元冷媒回路３００を制御する。

制御装置３０は、運転モードを冷却運転モードと停止運転モードとの間で切り替えることが可能である。冷却運転モードは、第３熱交換器３０２が配置された庫内を冷却するための運転モードである。冷却運転モードでは、低元冷媒回路３００と第２高元冷媒回路２００とが動作する。冷却運転モードでは、低元冷媒回路３００および第２高元冷媒回路２００の運転状況に応じて第１高元冷媒回路１００がさらに動作することがある。

停止運転モードは、庫内を冷却しないときに利用する運転モードである。停止運転モードでは、低元冷媒回路３００の動作が停止する。停止運転モードでは、低元冷媒回路３００内の圧力が異常に上昇することを防止するため、第２高元冷媒回路２００が動作する。停止運転モードにおいて、第１高元冷媒回路１００をさらに動作させてもよい。

制御装置３０は、冷却運転モードにおいて、第１高元冷媒回路１００、第２高元冷媒回路２００、および低元冷媒回路３００を独立して制御することが可能である。

制御装置３０は、冷却運転モードにおいて、低容量運転モードと高容量運転モードとのうちのいずれか一方を選択可能である。低容量運転モードは、第１高元冷媒回路１００を停止させ、低元冷媒回路３００および第２高元冷媒回路２００を動作させるモードである。高容量運転モードは、第１高元冷媒回路１００、第２高元冷媒回路２００、および低元冷媒回路３００を動作させるモードである。

なお、制御装置３０は、第１高元冷媒回路１００、第２高元冷媒回路２００、および低元冷媒回路３００のうち、低元冷媒回路３００のみを動作させる運転モードを選択可能に構成してもよい。

＜第１高元冷媒回路１００および第２高元冷媒回路２００の動作＞
第１高元冷媒回路１００の動作を説明する。第１圧縮機１０１から吐出した高温かつ高圧のガス状の第１冷媒は、凝縮器として機能する第１熱交換器１０２に流れる。第１冷媒は、第１熱交換器１０２内でガス状態の冷媒から液状態の冷媒に変化する。第１熱交換器１０２から流出した第１冷媒は、第１膨張弁１０３に流入し、減圧される。その結果、液状態の第１冷媒は、低圧の二相冷媒に変化する。低圧の二相冷媒は、第１膨張弁１０３から第１カスケードコンデンサ１０４に流入する。第１カスケードコンデンサ１０４に流入した第１冷媒は、低元冷媒回路３００を流れる第３冷媒から熱を奪う。これにより第３冷媒が凝縮され、第１冷媒はガス化する。ガス化した第１冷媒は第１圧縮機１０１に吸入される。

第２高元冷媒回路２００の動作は、第１高元冷媒回路１００の動作と同様であるので、ここではその説明を繰り返さない。第１高元冷媒回路１００と第２高元冷媒回路２００との違いは、最大冷却能力の大きさにある。換言すると、第１高元冷媒回路１００と第２高元冷媒回路２００とでは、低元冷媒回路３００を流れる第３冷媒を凝縮する能力に差がある。第２高元冷媒回路２００は、第１高元冷媒回路１００よりも第３冷媒を凝縮する能力が低くなるように設計されている。

＜低元冷媒回路３００の動作＞
低元冷媒回路３００の動作を説明する。第３圧縮機３０１から吐出した高温および高圧のガス状態の第３冷媒は、第１カスケードコンデンサ１０４および第２カスケードコンデンサ２０４に流れる。第１高元冷媒回路１００が動作しているとき、第１カスケードコンデンサ１０４は第３冷媒に対して凝縮器として機能する。第２高元冷媒回路２００が動作しているとき、第２カスケードコンデンサ２０４は第３冷媒に対して凝縮器として機能する。第３冷媒は、これにより、ガス状態の冷媒から液状態の冷媒に変化する。第２カスケードコンデンサ２０４から流出した第３冷媒は、受液器３０４に流入する。受液器３０４に溜まった液状態の第３冷媒は、受液器３０４内のガス圧によって第２冷媒配管１７に押し出される。第２冷媒配管１７に流入した第３冷媒は、延長配管１５を介して第３膨張弁３０３に向かう。

第３膨張弁３０３に流入した第３冷媒は、第３膨張弁３０３で減圧される。その結果、液状態の第３冷媒は、低圧の二相冷媒に変化する。低圧の二相冷媒は、第３膨張弁３０３から第３熱交換器３０２へと移動する。このとき、第３熱交換器３０２は、蒸発器として機能する。第３熱交換器３０２に流入した第３冷媒は、庫内の空気と熱を交換する。これにより庫内が冷却される。第３熱交換器３０２の内部でガス化した第３冷媒は第３圧縮機３０１に吸入される。

制御装置３０は、様々なパラメータに基づいて第３圧縮機３０１の周波数や第３ファン３０２１の回転数を調整する。パラメータとしては、たとえば、吸入温度、吐出温度、熱交換器温度、空気吸込み温度、および湿度などを挙げることができる。制御装置３０は、これらのパラメータを低元冷媒回路３００に配置されたセンサの値を利用して取得できる。

たとえば、第３圧縮機３０１の吐出部に温度センサを設けて第３冷媒の吐出温度を検知してもよい。制御装置３０は、温度センサの検知結果と、予め設定した第３圧縮機３０１の吐出温度との温度差に基づき、低元冷媒回路３００に制御信号を送る。低元冷媒回路３００は、制御信号に基づいて、第３圧縮機３０１の回転数、第３ファン３０２１の回転数、または第３膨張弁３０３の開度を調整する。この調整によって、制御装置３０は、低元冷媒回路３００に設けた各種機器の温度が耐熱温度以上に上昇しないように制御することが可能となる。

なお、精度の観点からすると、各種のパラメータは、センサによって直接に検知することが望ましい。ただし、それらのパラメータの一部は、センサを用いることなく演算によって推定することも可能である。たとえば、圧力センサ１０の検出値から、凝縮温度（ＣＴ：Condensation Temperature）を推定してもよい。

図２は、受液器３０４と第１カスケードコンデンサ１０４および第２カスケードコンデンサ２０４との配置関係を示す図である。図２に示されるように、受液器３０４は、鉛直方向において、第１カスケードコンデンサ１０４および第２カスケードコンデンサ２０４よりも低い高さとなる位置に配置される。このため、低元冷媒回路３００が起動していないときでも、第１のカスケードコンデンサ１０４または第２カスケードコンデンサ２０４にて冷却されて液化した第３冷媒は重力により受液器３０４へ落下する。このことは、特に低元冷凍サイクルを起動していないときに制御する停止運転モードにおいて有効である。以下、停止運転モードの動作を図１および図２を用いて詳細に説明する。

＜停止運転モードの動作＞
制御装置３０は、低元冷凍サイクルを停止しているときに、高元冷凍サイクルを起動させる。このような運転モードを停止運転モードという。制御装置３０は、停止運転モードで二元冷凍サイクル装置５１を運転することにより、低元冷媒回路３００内に滞留する第３冷媒の温度上昇に伴う圧力上昇を防止する。制御装置３０は、低元冷凍サイクルを停止しているときの外気温度が基準温度以上となった場合、高元冷凍サイクルを起動する。基準温度は、たとえば、－５℃である。

低元冷凍サイクルを停止すると、低元冷媒回路３００内の圧力が均一化され、やがて、その圧力は外気温度に対応する圧力となる。低元冷媒回路３００の内容積に対して封入されている第３冷媒の量が少ない場合には、第３冷媒の平均密度が小さい。このため、ボイルシャルルの法則（Ｐ∝ρ×Ｔ）に従って圧力が低くなる。しかし、第３冷媒の平均密度が高いと、低元冷媒回路３００内の圧力が上昇する。

低元冷凍サイクルを停止したときに外気温度が高いと、外気から熱を吸収することにより、低元冷媒回路３００内の第３冷媒が気化する。これにより、低元冷媒回路３００内の圧力が上昇する。なお、一般的な冷凍サイクルでは、内容積に対して冷媒のすべてが液体またはガスにはならないため、圧力が均等の場合、圧力は冷媒の種類に基づいた圧力と温度との関係に依存した値となる。たとえば、冷媒がＣＯ２（二酸化炭素）で温度が２０℃の場合、圧力は５．６ＭＰａＧである。

低元冷凍サイクルを停止したときに、高元冷凍サイクルを起動することによって第３冷媒を強制的に冷却することができる。その結果、第３冷媒の温度は外気より下がる。すると、低元冷媒回路３００内の第３冷媒の圧力は低下する。

停止運転モードにおいて制御装置３０が起動する高元冷凍サイクルは、第２高元冷凍サイクルである。制御装置３０は、低元冷媒回路３００内の圧力が異常に上昇することを効果的に抑えるために、第２高元冷凍サイクルの第２圧縮機２０１の周波数、第２ファン２０２１の回転数、および第２膨張弁２０３の開度を制御する。制御装置３０は、第２高元冷凍サイクルの起動のみでは低元冷媒回路３００内の圧力が異常に上昇することを抑えることができない場合、より凝縮能力の高い第１高元冷凍サイクルを起動してもよい。

停止運転モードにおいて、第２高元冷凍サイクルを起動することによって、第２高元冷媒回路２００と低元冷媒回路３００との間に存在する第２カスケードコンデンサ２０４が第３冷媒に対して凝縮器として機能する。その結果、第２カスケードコンデンサ２０４内の第３冷媒が凝縮される。第２カスケードコンデンサ２０４によって凝縮された第３冷媒は液化される。液化された第３冷媒は、第１冷媒配管１６を通り、受液器３０４に滴下する。このとき、図２に示したように、第２カスケードコンデンサ２０４と受液器３０４とは鉛直方向において高低差があるため、第３冷媒は自重で受液器３０４に落ちる。

液体の第３冷媒が受液器３０４に滴下されるにつれて、ガス相の容積は減少する。重力の影響を受けにくいガスの第３冷媒は帰還冷媒配管１８を経由して第２カスケードコンデンサ２０４の上流側に吸い上げられる。

図２に示すように、帰還冷媒配管１８は、受液器３０４の上部に接続されているため、受液器３０４の上方に存在する第３冷媒を自然に吸引できる。また、逆止弁３０５は、第１カスケードコンデンサ１０４から第２カスケードコンデンサ２０４に向かうべき第３冷媒が、帰還冷媒配管１８を介して受液器３０４に流入するのを阻止する。特に、冷却運転モードにおいて、第３冷媒が第２カスケードコンデンサ２０４をバイパスして受液器３０４に流入することを防止できる。

第２カスケードコンデンサ２０４の上流側に吸い上げられた蒸気の第３冷媒は、第２カスケードコンデンサ２０４によって冷却されて液化する。液化した第３冷媒は、受液器３０４に滴下する。停止運転モードにおいては、低元冷凍サイクルは起動されていないが、このような自然循環によって第３冷媒が低元冷媒回路３００を流通する。

第３冷媒がこのように自然循環することを繰り返すことで、低元冷媒回路３００の圧力上昇を効果的に抑制できる。また、圧力が上昇することを抑制するために凝縮させたいガスのみを帰還冷媒配管１８に流すことができる。さらに、第２カスケードコンデンサ２０４を設けることによって、受液器３０４を直接冷却せずに液体の第３冷媒を受液器３０４に貯留することができる。

第１カスケードコンデンサ１０４および第２カスケードコンデンサ２０４は共に第３冷媒に対して凝縮器として機能し、受液器３０４に流入する前の第３冷媒を冷却する。このため、受液器３０４に冷却機能を設ける必要がない。第１カスケードコンデンサ１０４および第２カスケードコンデンサ２０４は、冷却運転モードにおいても冷却機能を発揮する。このため、冷却運転時に第３冷媒を冷却する機能を受液器３０４に設ける構成と比較して、受液器３０４の構成を単純化できる。受液器３０４内で第３冷媒を冷却する場合には、受液器３０４に蒸発器が必要となるためである。受液器３０４内に蒸発器を設けた場合、受液器３０４の容積を縮小せざるを得ない。また、受液器３０４の容器外周に伝熱管を設けた場合、熱疲労により接触部が劣化しやすいという問題が生じ、さらに、容器が複雑な構成となる。本実施の形態によれば、受液器３０４の構成を簡素にすることが可能となり、製造コストを低減できる。

実施の形態１に関わる二元冷凍サイクル装置５１は、低元冷凍サイクルが停止中であっても、少なくとも第２高元冷凍サイクルを起動させ、第２カスケードコンデンサ２０４によって低元冷媒回路３００内に滞留する第３冷媒を冷却する。このとき、低元冷媒回路３００内で第３冷媒を循環させることで、第３冷媒の温度上昇に伴う圧力上昇を効果的に抑制することができる。これにより、第３圧縮機３０１、第３熱交換器３０２、第３膨張弁３０３、受液器３０４、および冷媒配管などの各種機器の設計圧力を高く設定する必要がなくなる。その結果、低元冷媒回路３００を構成する機器のコストを削減することができる。

＜冷媒回路の比較＞
図３は、第１高元冷媒回路１００、第２高元冷媒回路２００、および低元冷媒回路３００の構成の比較例を示す図である。本実施の形態において、第１高元冷媒回路１００および第２高元冷媒回路２００は、それぞれの最大冷却能力が互いに異なるように構成されている。より具体的には、第２高元冷媒回路２００の冷却能力は、第１高元冷媒回路１００の冷却能力よりも低くなるように構成されている。図３では、低元冷媒回路３００の能力に関する数値の表示を省略している。

図３は、第１高元冷媒回路１００の定格能力を４１ｋＷとし、第２高元冷媒回路２００の定格能力を１０ｋＷとした例を示す。この場合、高元側の容量(冷却能力)は、４１ｋＷと１０ｋＷとを足し合わせることで５１ｋＷと算出される。５１ｋＷに対する第２高元冷媒回路２００の定格能力の割合は、図３に示すように約２０％である。

図３に示すように、第２高元冷媒回路２００の最大冷却能力は第１高元冷媒回路１００および第２高元冷媒回路２００による最大冷却能力の５０％未満であればよい。すなわち、第２高元冷媒回路２００の冷却能力の上限値は、第１高元冷媒回路１００および第２高元冷媒回路２００による冷却能力の上限値の５０％未満であればよい。第２高元冷媒回路２００の冷却能力の上限値は、第１高元冷媒回路１００および第２高元冷媒回路２００による冷却能力の上限値の３５％以下であることが好ましい。さらには、第２高元冷媒回路２００の冷却能力の上限値は第１高元冷媒回路１００および第２高元冷媒回路２００による冷却能力の上限値の２０％以下であることがより好ましい。

このように、第１高元冷媒回路１００と第２高元冷媒回路２００との間で冷却能力に差を設けるためには、第２高元冷媒回路２００の第２圧縮機２０１、第２熱交換器２０２、第２膨張弁２０３、および第２カスケードコンデンサ２０４のうちの少なくとも１つの構成要素を、第１高元冷媒回路１００の第１圧縮機１０１、第１熱交換器１０２、第１膨張弁１０３、および第１カスケードコンデンサ１０４のうちの対応する構成要素よりも能力の小さい構成要素で構成するとよい。

圧縮機のサイズが冷媒回路のコストおよび冷却能力に最も影響を与える。このため、第１圧縮機１０１よりも能力が小さい小型の圧縮機で第２圧縮機２０１を構成することによって、第１高元冷媒回路１００と第２高元冷媒回路２００との間に冷却能力差を設けることが望ましい。第２圧縮機２０１を小型化することによって第２高元冷媒回路２００のコストを下げることもできる。第２圧縮機２０１を小型化することによって、第２圧縮機２０１に必要な材料費用を低減できる。また、第２圧縮機２０１の容積が縮小されるため、第２高元冷媒回路２００に必要な冷媒量を低減することができる。

第２圧縮機２０１を小型化することで削減できた費用を第１圧縮機１０１に割り当てることにより、第１圧縮機１０１をより高性能化させてもよい。たとえば、本実施の形態では、第１圧縮機１０１よりも能力が小さい小型の圧縮機で第２圧縮機２０１を構成している。また、本実施の形態では、第１高元冷媒回路１００に比べて第２高元冷媒回路２００の冷媒容量が小さい。

図３に示すように、第１高元冷媒回路１００と第２高元冷媒回路２００とを下限能力で比較すると、第１高元冷媒回路１００の下限能力は１０ｋＷであり、第２高元冷媒回路２００の下限能力は２．５ｋＷである。なお、ここでは、圧縮機の周波数の範囲から定格能力の２５％を下限能力と仮定している。

第１高元冷媒回路１００と第２高元冷媒回路２００とで定格能力を異ならせることより、運転状況に応じたきめ細やかな高元冷凍サイクルの運転が可能となる。すなわち、本実施の形態では、高元冷凍サイクルを第１高元冷凍サイクルと第２高元冷凍サイクルとで構成し、かつ、それぞれのサイクルの容量に差を設けることで、運転範囲を拡大している。第１高元冷媒回路１００と第２高元冷媒回路２００とで定格能力を異ならせることは、冷却運転モードと停止運転モードとのいずれにおいても有効である。

制御装置３０は、庫内を冷却する場合、第３熱交換器３０２が配置された庫内の設定温度および外気温度などの環境条件に応じて、低容量運転モードと高容量運転モードとのうちのいずれか一方の冷却運転モードを選択する。

制御装置３０は、停止運転モードにおいて、第１高元冷媒回路１００よりも冷却能力が低い第２高元冷媒回路２００を起動する。停止運転モードでは、冷却運転モードのときよりも、通常、冷却負荷が小さい。冷却運転モードは、庫内を冷却することを目的とする一方、停止運転モードは、低元冷媒回路３００内の圧力の異常な上昇の抑制を目的としているためである。冷却負荷が小さい停止運転モードにおいて、もし、能力の高い高元冷凍サイクルを起動すると、高元冷凍サイクル側の圧縮機の起動および起動停止が頻発する。

ここで、高元冷凍サイクルを単一の冷凍サイクルで構成した場合を考える。単一の高元冷凍サイクルの定格能力を５１ｋＷとする。５１ｋＷという値は、図３に示す第１高元冷媒回路１００の定格能力と第２高元冷媒回路２００の定格能力とを足し合わせた数字である。

必要冷却能力の２５％程度が高元冷凍サイクル側の圧縮機の運転範囲の下限と仮定すると、定格能力が５１ｋＷの場合、１３ｋＷが下限能力となる。１３ｋＷという値は、停止運転モードに必要な冷却能力に対して大き過ぎるかもしれない。この場合、必要とされる冷却能力に対して、高元冷凍サイクルの能力が大き過ぎるため、高元冷凍サイクルの圧縮機の吸込み圧力が低下する。その結果、圧縮機が起動および起動停止を繰り返すことになり、二元冷凍サイクル装置の信頼性が低下するおそれがある。また、停止運転モードにおいて過剰な冷却運転を継続することになるため、消費電力が増加するおそれもある。

そこで、本実施の形態では、２つのサイクルで高元冷凍サイクルを構成している。図３に示すように、高元冷凍サイクルの容量を２つに分けることによって、２．５ｋＷ～５１ｋＷの運転範囲が確保される。下限の２．５ｋＷの運転能力は、第２高元冷媒回路２００によって実現可能とされる。上限の５１ｋＷの運転能力は、第１高元冷媒回路１００および第２高元冷媒回路２００によって実現可能とされる。

停止運転モードでは、第２高元冷媒回路２００を起動する。これによって、停止運転モードにおいて、高元冷凍サイクルの圧縮機が起動および起動停止を繰り返すことを抑制している。もちろん、停止運転モードのみならず、冷却運転モードにおいても、高元冷凍サイクル側で必要に応じた適切な能力を発揮できるため、高元冷凍サイクルの圧縮機が起動および起動停止を繰り返すことが抑制される。すなわち、本実施の形態では、高元冷凍サイクルを第１高元冷凍サイクルと第２高元冷凍サイクルとで構成し、かつ、それぞれのサイクルの容量に差を設けることで、運転範囲を拡大している。なお、停止運転モードにおいて必要な冷却能力として、たとえば、１ｋＷ～４ｋＷ程度を想定する。

本実施の形態によれば、高元冷凍サイクル側の第１圧縮機１０１および第２圧縮機２０１が起動および起動停止を繰り返すことを防止できる。このため、省エネルギー性を向上させることができる。特に、圧縮機の起動時に起動ロスが生じるため、圧縮機が起動および起動停止を繰り返さないことは重要である。

＜冷媒の種類＞
低元冷媒回路３００と、第１高元冷媒回路１００と、第２高元冷媒回路２００とに封入する冷媒の種類の組み合わせは、様々に決定することができる。各冷媒回路の冷媒を同一の冷媒としてもよい。さらに、第１高元冷媒回路１００と第２高元冷媒回路２００とに同じ冷媒を封入し、低元冷媒回路３００には第１高元冷媒回路１００および第２高元冷媒回路２００に封入する冷媒とは異なる冷媒を使用してもよい。

一般に、冷媒は、その種類によって、理論性能、ＧＷＰ（Global-warming potential）、燃焼性、毒性などが異なる。たとえば、Ｒ２９０やＲ３２などの冷媒は、理論性能は高いが、燃焼性、毒性、およびＧＷＰ（Global-warming potential）が高い。このため、燃焼性、毒性、およびＧＷＰを考慮すると、これらの冷媒を冷媒回路に多量に封入することは避けるべきである。一方、Ｒ１２３４ｙｆなどは、オゾン破壊係数および地球温暖化係数が低く、地球環境に極めて優しい冷媒とされている。ＣＯ２のような自然冷媒は、機器の総ＧＷＰを大幅に削減できるというメリットがある。さらに、ＣＯ２のような不燃ガスは、万一の冷媒漏洩を考慮すると、室内機に使用することが望ましい。

したがって、冷媒の特性と冷媒を封入する冷媒回路の特性とを考慮して、適切な冷媒を選定することが好ましい。具体的には、冷媒の種類は、封入する冷媒回路が、室内機２を通る低元冷媒回路３００であるか、室外機１に用いる第１高元冷媒回路１００または第２高元冷媒回路２００であるか、という観点で選定することが考えられる。また、冷媒の種類は、封入する冷媒回路が、冷却性能の高い第１高元冷媒回路１００であるか、冷却性能の低い第２高元冷媒回路２００であるか、という観点で選定することが考えられる。本実施の形態では、第１高元冷媒回路１００に比べて第２高元冷媒回路２００の冷媒容量が少ない。

図３には、第１高元冷媒回路１００、第２高元冷媒回路２００、および低元冷媒回路３００の各々に異なる冷媒を封入した例が示されている。ここでは、冷媒の特性と冷媒を封入する冷媒回路の特性とを考慮して、適切な冷媒を選定した例を示している。

＜高元冷媒回路の冷媒＞
高容量の第１高元冷媒回路１００には地球環境に優しいＲ１２３４ｙｆを、低容量の第２高元冷媒回路２００には理論性能の高いＲ３２を、それぞれ封入している。つまり、第１冷媒はＲ１２３４ｙｆであり、第２冷媒はＲ３２である。また、室内機２を通る低元冷媒回路３００には不燃ガスであるＣＯ２を封入している。つまり、第１冷媒はＣＯ２である。第２高元冷媒回路２００には、Ｒ３２に代えてＲ２９０またはＲ７１４（アンモニア）を封入してもよい。低元冷媒回路３００には、ＣＯ２に代えてｈｆｃ１１３２Ａを封入してもよい。

Ｒ２９０やＲ３２といった冷媒のように、理論性能は高いが、燃焼性や毒性、高ＧＷＰを考慮すると、多量に封入することが懸念される冷媒は、第１高元冷媒回路１００よりも冷媒容量の小さい第２高元冷媒回路２００に封入する。このように、容量の小さい第２高元冷媒回路２００に対して、第１高元冷媒回路１００および低元冷媒回路３００に封入する冷媒よりも理論性能の高いあるいは実使用上の性能が高い冷媒を封入することで、システムのＣＯＰ（Coefficient Of Performance）を向上させることができる。

仮に、第１高元冷媒回路１００および第２高元冷媒回路２００の両方に地球環境に極めて優しい冷媒とされるＲ１２３４ｙｆを使用していた場合、第２高元冷媒回路２００の冷媒を、Ｒ１２３４ｙｆに比べてより理論性能の高いＲ２９０に変更することが望ましい。

このように、本実施の形態では、Ｒ３２などの理論性能は高いが、燃焼性、毒性、およびＧＷＰが高いとはいえない冷媒を、使用冷媒量が少ない第２高元冷媒回路２００に採用する。これにより、冷媒のデメリットが装置に与える影響を抑えることができる。一方、Ｒ１２３４ｙｆなどの地球環境に優しいとされる冷媒を使用冷媒量が多い第１高元冷媒回路１００に用いる。これにより、Ｒ３２のような冷媒を第１高元冷媒回路１００および第２高元冷媒回路２００の両方に採用した二元冷凍サイクル装置に対して、ＧＷＰの上昇を抑制しつつシステムのＣＯＰを向上させることができる。

さらに、本実施の形態によれば、各国の規制状況に柔軟に対応することもできる。たとえば、ＧＷＰの規制が緩やかである国においては、第１高元冷媒回路１００にＲ３２を、第２高元冷媒回路２００にＲ２９０を、それぞれ封入する。これにより、システムＣＯＰの最大化を狙うことが可能である。一方、ＧＷＰの規制が厳しい国においては、第１高元冷媒回路１００にＲ１２３４ｙｆを、第２高元冷媒回路２００にＲ２９０またはＲ３２を、それぞれ封入する。これにより、ＧＷＰを規制値以下にしつつシステムＣＯＰの向上を狙うことが可能である。

＜低元冷媒回路の冷媒＞
図３には、低元冷媒回路３００にＣＯ２を封入する例が示されている。低元冷媒回路３００の第３冷媒は室内機２を流れるため、不燃かつ高圧冷媒であるＣＯ２を低元冷媒回路３００の第３冷媒として適用することが好ましい。ＣＯ２は、自然冷媒のため、機器の総ＧＷＰを大幅に削減できる。

本実施の形態に関わる二元冷凍サイクル装置５１は、低元冷凍サイクルと高元冷凍サイクルとの２種類の冷凍サイクルを実現する。このため、高元冷凍サイクルにおいて低元側の凝縮圧力を低減できる。したがって、低元冷媒回路３００に高圧冷媒であるＣＯ２を採用しても、低元冷媒回路３００には、耐圧圧力の低い冷媒配管および各要素機器を適用することができる。このため、従来は使用できなかった要素機器を低元冷媒回路３００に使用することも可能である。

たとえば、受液器３０４には、フロン（Ｒ４１０Ａ）に対する圧力耐性があればよい。同様に、第１カスケードコンデンサ１０４および第２カスケードコンデンサ２０４のうち、低元冷媒回路３００が通過する部分にも、フロンに対する圧力耐性があればよい。低元冷媒回路３００には、冷媒配管などの数多くの要素機器が設けられているため、必要とされる耐性圧力が低くなることで、低コスト化を実現可能である。

単段冷凍サイクル装置または２段冷凍サイクル装置では、高い圧力耐性が求められるため、高い圧力耐性を有する高価な機器を適用せざるを得ない。しかし、本実施の形態では、二元冷凍サイクルを採用しているため、そのような必要がない。

一般に、ＣＯ２は生産量が少なく、また、冷媒としてＣＯ２を使用した場合に求められる耐圧基準は厳しい。このため、ＣＯ２を採用すると高コストになりがちである。本実施の形態に関わる二元冷凍サイクル装置５１は、単段冷凍サイクル装置または２段冷凍サイクル装置にＣＯ２を適用する場合と比較して、ＣＯ２を凝縮させる側で必要とされる圧力が低い。低圧ほど冷媒の密度は小さくなる。

このため、凝縮器の容積が同等の場合、冷媒として必要なＣＯ２の量を低減することができる。その結果、本実施の形態によれば、ＣＯ２に求められる厳しい耐圧基準をクリアし、かつ、ＣＯ２にかかるコストも抑えることができる。また、本実施の形態によれば、単段冷凍サイクル装置または二段冷凍サイクル装置において使用できない耐圧の低い要素機器および配管を使用することも可能である。

以上のとおり、本実施の形態によれば、低元冷媒回路３００側の凝縮温度を低減した状態で運転させることができることで、低元冷媒回路３００の冷媒配管に求められる耐圧圧力を低減させることができる。また、高元側と低元側とで別々の冷凍サイクルを有するため、高元側の冷媒と低元側の冷媒とに関して、各国の規制に柔軟に対応することができる。

たとえば、自然冷媒しか許容しない国においては、低元冷媒回路３００にＣＯ２を、第１高元冷媒回路１００および第２高元冷媒回路２００にＲ２９０を、それぞれ適用する。低ＧＷＰを求める国においては、低元冷媒回路３００にＣＯ２を、第１高元冷媒回路１００および第２高元冷媒回路２００にＲ１２３４ｙｆを、それぞれ適用する。このように、低元冷媒回路３００の冷媒の仕様を変更することなく、高元側の冷媒を変更することで、各国の冷媒規制に対応することができる。

図４は、実施の形態１に関わる二元冷凍サイクル装置５１の変形例１を示す図である。変形例１では、受液器３０４から延びる帰還冷媒配管１８が第１カスケードコンデンサ１０４と第３圧縮機３０１との間に接続されている。このため、ガス化した第３冷媒は、受液器３０４から第１カスケードコンデンサ１０４に流入する。第１カスケードコンデンサ１０４に流入した第３冷媒は、第１カスケードコンデンサ１０４で冷却されてから第２カスケードコンデンサ２０４に流入する。このため、図１に示す構成と比較すると、変形例１では、より一層、第３冷媒に対する冷却効果を得ることができる。

なお、受液器３０４から延びる帰還冷媒配管１８を接続する位置は、第３圧縮機３０１の吐出部分から第１カスケードコンデンサ１０４の入口部分までのどの位置であってもよい。受液器３０４から延びる帰還冷媒配管１８は、第３圧縮機３０１の吐出部に接続することがより好ましい。第３冷媒の圧力は、第３圧縮機３０１の吐出部で圧力が最も高くなるためである。

＜熱交換器の一体化＞
図５は、第１熱交換器１０２と第２熱交換器２０２とを一体化した第５熱交換器５０２を示す図である。図１の符号Ａに示す構成部分を一体化したものが第５熱交換器５０２に相当する。

第５熱交換器５０２は、第１冷媒が流れる第１高元冷媒回路１００と、第２冷媒が流れる第２高元冷媒回路２００とが分割されつつ、第１熱交換器１０２と第２熱交換器２０２とが一体化された構成を備えている。第５熱交換器５０２には第５ファン５０２１が設けられる。ただし、第５熱交換器５０２に対して、複数台のファンを設けてもよい。

第１熱交換器１０２と第２熱交換器２０２とを一体化することにより、機器を配置するスペースを有効活用できる。また、第１熱交換器１０２と第２熱交換器２０２とを一体化することにより、コストを低減できる。なお、一体型の第５熱交換器５０２は、図４に示した変形例１に適用してもよい。

図６は、実施の形態１に関わる二元冷凍サイクル装置５１に無停電電源装置２０５を設けた例を示す図である。図６に示すように、第２高元冷媒回路２００は、無停電電源装置２０５に接続されている。

なお、無停電電源装置２０５に制御装置３０を接続してもよい。あるいは、制御装置３０に対して無停電電源装置２０５と別の無停電電源装置を接続してもよい。これにより、停電が発生することによって低元冷媒回路３００が停止した場合でも、制御装置３０は、第２高元冷媒回路２００を用いて停止運転モードによる運転をすることができる。その結果、停電時に低元冷媒回路３００内の圧力が異常に上昇することを防止できる。それゆえ、停電時に第３冷媒を低元冷媒回路３００から外部に取り出すことによって圧力上昇を抑える作業をする必要がない。本構成によれば、信頼性を低下させることなく、低元冷凍サイクルの温度上昇に伴う圧力上昇を抑制することができる。

第１高元冷媒回路１００にも無停電電源装置２０５を設けてもよい。しかし、第１高元冷媒回路１００と第２高元冷媒回路２００とのうち、第２高元冷媒回路２００に対して優先的に無停電電源装置２０５を設けることが好ましい。停止運転モードでは第２高元冷媒回路２００を起動するからである。

また、第２高元冷媒回路２００の方が第１高元冷媒回路１００よりも容量が小さいため、無停電電源装置２０５に要求される電源容量が小さくて済む。このため、第１高元冷媒回路１００よりも第２高元冷媒回路２００に無停電電源装置２０５を設けた方が経済的である。また、第２高元冷媒回路２００には容量の少ない小型の無停電電源装置２０５を採用できる。

図７は、変形例１の二元冷凍サイクル装置５１に無停電電源装置２０５を設けた例を示す図である。図７に示すように、変形例１にも図６に示す構成と同様に無停電電源装置２０５を適用できる。一体型の第５熱交換器５０２を採用した二元冷凍サイクル装置５１において、図６に示す構成と同様に無停電電源装置２０５を適用してもよい。

図８は、第１高元冷凍サイクルの周波数範囲と冷却能力との関係、および第２高元冷凍サイクルの周波数範囲と冷却能力との関係を示すグラフ１である。図８において、符号Ｌ１ａは、第１高元冷凍サイクルを構成する第１圧縮機１０１の周波数範囲を示す。符号Ｌ２ａは、第２高元冷凍サイクルを構成する第２圧縮機２０１の周波数範囲を示す。

図８に示すように、第１高元冷凍サイクルの方が第２高元冷凍サイクルよりも最大冷却能力は高い。一方、第２高元冷凍サイクルの方が第１高元冷凍サイクルよりも最小の冷却能力は低い。第１高元冷凍サイクルの下限周波数はｆ１ｍｉｎであり、第１高元冷凍サイクルの上限周波数はｆ１ｍａｘである。第２高元冷凍サイクルの下限周波数はｆ２ｍｉｎであり、第２高元冷凍サイクルの上限周波数はｆ２ｍａｘである。

図８に示されるように、第１高元冷凍サイクルの下限周波数ｆ１ｍｉｎで出力可能な冷却能力に対し、第２高元冷凍サイクルの上限周波数ｆ２ｍａｘで出力可能な冷却能力は大きくなるよう設計されている。このため、第１高元冷凍サイクルの冷却能力と、第２高元冷凍サイクルの冷却能力とに重なる範囲Ｃａが生じる。

第１高元冷凍サイクルの冷却能力の範囲を１０ｋＷ～４０ｋＷに設計し、第２高元冷凍サイクルの冷却能力の範囲を２ｋＷ～１０ｋＷに設計した仮想例を考える。仮想例の場合、両高元冷凍サイクルの冷却能力は１０ｋＷを境界にして、下の能力と上の能力とに分かれることになる。

このため、両高元冷凍サイクルの冷却能力には、図８に示すような重なる範囲が存在しない。両高元冷凍サイクルを起動している場合の最小冷却能力は、１２ｋＷである。低元冷凍サイクルの必要能力が高元冷凍サイクルの冷却能力よりも小さいときに、冷却能力低減のために第１高元冷凍サイクルを停止し、高元冷凍サイクルとして第２高元冷凍サイクルのみを動作させた場合、１０～１２ｋＷの間の冷却能力を高元冷凍サイクルで提供できないという問題が生じる。

しかし、図８に示されるように、第１高元冷凍サイクルの冷却能力と、第２高元冷凍サイクルの冷却能力とに重なる範囲Ｃａを設けることによって、そのような問題が発生することを防止できる。たとえば、上記の仮想例の場合、第２高元冷凍サイクルの最大冷却能力を１２ｋＷに引き上げることによって、図８に示すように、第１高元冷凍サイクルの冷却能力と、第２高元冷凍サイクルの冷却能力とに重なる範囲Ｃａを設けることができる。

図９は、第１高元冷凍サイクルの周波数範囲と冷却能力との関係、および第２高元冷凍サイクルの周波数範囲と冷却能力との関係を示すグラフ２である。図９に示す例では、第１高元冷凍サイクルの下限周波数ｆ１ｍｉｎと、第２高元冷凍サイクルの下限周波数ｆ２ｍｉｎとが一致しており、第１高元冷凍サイクルの上限周波数ｆ１ｍａｘと、第２高元冷凍サイクルの上限周波数ｆ２ｍａｘとが一致している。しかし、図９に示す例の場合も図８に示す例と同様に第１高元冷凍サイクルの冷却能力と、第２高元冷凍サイクルの冷却能力とに重なる範囲Ｃｂが生じるように設計されている。このため、図８に示す例と同様に、上記仮想例によって生じる上記のような問題を解消することができる。

このように、本実施の形態において、第１高元冷媒回路１００の冷却能力の上限値は、第２高元冷媒回路２００の冷却能力の上限値よりも大きい。また、本実施の形態において、第１高元冷媒回路１００の冷却能力の範囲に、第２高元冷媒回路２００の冷却能力の上限値が含まれる。図８および図９のいずれのパターンで、実施の形態１に関わる二元冷凍サイクル装置５１の高元冷凍サイクルの周波数および冷却能力を設計してもよい。

＜運転モードの制御＞
図１０は、実施の形態１に関わる運転モードの制御の内容を示すフローチャートである。制御装置３０は、本フローチャートに基づく処理を実行することによって運転モードを冷却運転モードと停止運転モードとに切り替える。

制御装置３０は、はじめに、冷却運転が停止しているか否かを判定する（ステップＳ１）。停電、その他の事情によって低元冷媒回路３００の運転が停止している場合、制御装置３０は、ステップＳ１においてＹＥＳと判定し、停止運転モードに移行する（ステップＳ２）。低元冷媒回路３００の運転が停止していない場合、制御装置３０は、ステップＳ１においてＮＯと判定し、冷却運転モードに移行する（ステップＳ３）。停止運転モードの処理は図１１に開示されている。冷却運転モードの処理は図１２に開示されている。

＜停止運転モードの制御＞
図１１は、停止運転モードの制御の内容を示すフローチャートである。制御装置３０は、はじめに、Ｐ１０が閾値Ｂを超えているか否かを判定する（ステップＳ１０）。Ｐ１０は、低元冷媒回路３００の圧力を示す。制御装置３０は、低元冷媒回路３００に設けた圧力センサ１０の出力値に基づいて圧力Ｐ１０を特定する。

制御装置３０は、停止運転モードにおいて、低元冷媒回路３００の圧力Ｐ１０を一定の範囲に制御する。図１１の枠Ｗ１０には、圧力Ｐ１０と閾値との関係が示されている。制御装置３０は、圧力が閾値Ｂを超えないように制御する。図１１の枠Ｗ１０に示す（１）、（２）、および（３）は、圧力センサ１０によって検出される圧力Ｐ１０の範囲を示す。（１）～（３）のうち、制御装置３０が目標とする圧力の基準範囲は（２）である。

たとえば、低元冷媒回路３００内の第３冷媒としてＣＯ２を採用した場合、閾値Ａは３．３８ＭＰａＧとすることが好ましい。ＣＯ２の飽和温度が０℃のとき、ＣＯ２の圧力が３．３８ＭＰａＧとなることを想定している。閾値Ｂは３．６７ＭＰａＧとすることが好ましい。ＣＯ２の飽和温度が３℃のとき、ＣＯ２の圧力が３．６７ＭＰａＧであることを想定している。

ただし、閾値の圧力範囲を３．３８ＭＰａＧ～４．１５ＭＰａＧとしてもよい。これは、ＣＯ２の飽和温度０℃～７．７℃に相当する。また、閾値Ａは、ＣＯ２の飽和温度が０℃未満のときの温度に対応する値としてもよい。ただし、第１カスケードコンデンサ１０４および第２カスケードコンデンサ２０４への霜の付着を抑制するためには、ＣＯ２の飽和温度が０℃のときの温度に対応する値とすることが望ましい。

制御装置３０は、ステップＳ１０においてＰ１０が閾値Ｂを超えていないと判定した場合、Ｐ１０が閾値Ｂを超えるまで、ステップＳ１０の判定を繰り返す。制御装置３０は、ステップＳ１０において圧力Ｐ１０が閾値Ｂを超えていると判定した場合、圧力Ｐ１０を枠Ｗ１０の（２）の範囲に低下させるために、第２高元冷凍サイクルを運転する（ステップＳ１１）。これにより、第２高元冷媒回路２００が起動する。第２高元冷媒回路２００が起動すると、第２カスケードコンデンサ２０４によって第３冷媒が冷却される。

制御装置３０は、ステップＳ１１の後、破線で示すステップＳ１０１の処理を実行する。ステップＳ１０１は、第２熱交換器２０２の第２ファン２０２１の回転数と第２膨張弁２０３の開度とを調整する処理であり、ステップＳ１２とステップＳ１３とから構成される。ステップＳ１２において、制御装置３０は、第２ファン２０２１の現状の回転数が目標の凝縮温度（ＣＴ：Condensation Temperature）を達成しているか、および第２膨張弁（ＬＥＶ）２０３の現状の開度が目標の過熱度（ＳＨ：superheat）を達成しているか、を判定する。それぞれの目標を達成している場合、制御装置３０はＳ１４に移行する。それぞれの目標を達成していない場合、制御装置３０は、第２ファン２０２１の回転数と第２膨張弁２０３の開度とを再設定した後、再度、ステップＳ１２に移行する。

制御装置３０は、ステップＳ１０１の後、圧力Ｐ１０が「圧力Ｐ１０＜閾値Ｂ」、かつ、「圧力Ｐ１０＞閾値Ａ」を満たすか否かを判定する（ステップＳ１４）。すなわち、制御装置３０は、圧力Ｐ１０が枠Ｗ１０に示す（２）の範囲にあるか否かを判定する。

制御装置３０は、圧力Ｐ１０が枠Ｗ１０に示す（２）の範囲にある場合、ステップＳ１４の処理を繰り返す。制御装置３０は、圧力Ｐ１０が枠Ｗ１０に示す（２）の範囲から外れた場合、圧力Ｐ１０が「圧力Ｐ１０＜閾値Ａ」を満たすか否かを判定する。ここでは、圧力Ｐ１０が枠Ｗ１０に示す（１）の範囲にあるか否かが判定される。

ステップＳ１５において、圧力Ｐ１０が「圧力Ｐ１０＜閾値Ａ」を満たさない場合、圧力Ｐ１０が枠Ｗ１０に示す（３）の範囲にある。したがって、制御装置３０は、ステップＳ１５においてＮＯと判定した場合、第２圧縮機２０１（Ｃｏｍｐ２０１）の周波数を一定値上昇させる（ステップＳ１６）。その後、制御装置３０は、既に説明したステップＳ１０１と同じ処理を実行する（ステップＳ１７）。その後、制御装置３０は、ステップＳ１４の処理に移行する。

ステップＳ１５において、圧力Ｐ１０が「圧力Ｐ１０＜閾値Ａ」を満たす場合、圧力Ｐ１０が枠Ｗ１０に示す（１）の範囲にある。この場合、低元冷媒回路３００の圧力は十分に低いと判定できる。換言すると、高元冷凍サイクルの冷却能力が高過ぎると判定できる。この場合、第２圧縮機２０１の周波数を下げる必要がある。しかし、第２圧縮機２０１の周波数が既に下限周波数に達している可能性がある。また、第２圧縮機２０１の周波数が既に下限周波数に達していたとしても、外気温度が高い状態で第２高元冷凍サイクルの運転を直ちに停止すると、低元側冷凍サイクルの圧力が急上昇するおそれがある。

そこで、制御装置３０は、ステップＳ１５でＹＥＳと判定した場合、第２圧縮機２０１（Ｃｏｍｐ２０１）の周波数は下限周波数であり、かつ、外気温度が設定温度以下であるか否かを判定する（ステップＳ２０）。制御装置３０は、温度センサ２０の出力値に基づいて外気温度を特定する。

制御装置３０は、ステップＳ２０においてＮＯと判定した場合、第２圧縮機２０１（Ｃｏｍｐ２０１）の周波数を一定値下げる（ステップＳ１８）。その後、制御装置３０は、既に説明したステップＳ１０１と同じ処理を実行する（ステップＳ１９）。その後、制御装置３０は、ステップＳ１４の処理に移行する。

制御装置３０は、ステップＳ２０においてＹＥＳと判定した場合、第２高元冷凍サイクルを停止する（ステップＳ２１）。外気温度が設定温度以下でかつ第２圧縮機２０１（Ｃｏｍｐ２０１）の周波数が下限周波数であれば、低元冷媒回路３００の圧力が急上昇する危険性がないと判定できる。このため、ステップＳ２１において第２高元冷凍サイクルを停止する。その後、停止運転モードの処理を終了する。

図１１を用いて説明したように、制御装置３０は、停止運転モードにおいて、圧力センサ１０によって検出される圧力が閾値Ａ～閾値Ｂの範囲に入るように第１高元冷媒回路１００および第２高元冷媒回路２００を制御する。

図１１に示す停止運転モードの処理では、低元冷媒回路３００の圧力が異常に上昇することを第２高元冷凍サイクルで防止している。しかしながら、停止運転モードにおいて、第１高元冷凍サイクルをさらに利用してもよい。たとえば、図１１のステップＳ１６において、第２圧縮機２０１（Ｃｏｍｐ２０１）の周波数が上限周波数に達しているときには、第１高元冷凍サイクルを起動することが考えられる。

＜冷却運転モードの制御＞
図１２は、冷却運転モードの制御の内容を示すフローチャートである。制御装置３０は、はじめに、外気温度と室内機２において設定されている蒸発温度とから、第３圧縮機３０１（Ｃｏｍｐ３０１）の目標周波数を設定する（ステップＳ３０）。制御装置３０は、温度センサ２０の出力値に基づいて外気温度を特定する。

ステップＳ３０の後、制御装置３０は、第３圧縮機３０１（Ｃｏｍｐ３０１）の周波数が閾値Ｘを超えているか否かを判定する（ステップＳ３１）。閾値Ｘは、要求される高元冷凍サイクルの運転能力を判定するための値である。制御装置３０は、第３圧縮機３０１（Ｃｏｍｐ３０１）の周波数が閾値Ｘを超えていると判定したとき、第１および第２高元冷凍サイクルを運転する（ステップＳ３２）。制御装置３０は、第３圧縮機３０１（Ｃｏｍｐ３０１）の周波数が閾値Ｘを超えていないと判定したとき、第２高元冷凍サイクルを運転する（ステップＳ３４）。

このように、制御装置３０は、第３圧縮機３０１（Ｃｏｍｐ３０１）を起動するときに設定された周波数に基づいて、第１高元冷媒回路１００および第２高元冷媒回路２００を起動するタイミングを制御する。

図１３は、庫内の蒸発温度の設定値と冷却能力との関係を示すグラフである。ここで、図１３を参照して、閾値Ｘについて説明する。グラフにおいて、横軸は、庫内に配置される室内機２において設定される凝縮温度（ＥＴ：Evaporation Temperature）を示す。縦軸は冷却能力に対応する圧縮機の周波数（Ｈｚ）を示す。図１３に示すように、必要とされる冷却能力は外気温度ＡＴ（Outside air Temperature）によって変化する。

一般には、外気温度が高いほど、必要とされる冷却能力は高くなる。たとえば、図１３では、外気温度が２０℃の場合と－１５℃の場合とを比較した例を示している。本実施の形態では、このグラフに基づいて、閾値Ｘを６０Ｈｚと定めている。ただし、この値は例示に過ぎない。

図１２のフローチャートに戻って説明を続ける。制御装置３０は、ステップＳ３２において第１および第２高元冷凍サイクルの運転を行う場合、既に説明したステップＳ１０１と同様の処理を第１および第２高元冷凍サイクルで実行する（ステップＳ３３）。

これにより、第１高元冷媒回路１００においては、第１熱交換器１０２の第１ファン１０２１の回転数と第１膨張弁１０３の開度とが必要に応じて調整される。また、第２高元冷媒回路２００においては、第２熱交換器２０２の第２ファン２０２１の回転数と第２膨張弁２０３の開度とが必要に応じて調整される。制御装置３０は、ステップＳ３３の後、高容量運転モードを実行する。高容量運転モードの処理は図１４に開示されている。

制御装置３０は、ステップＳ３４において第２高元冷凍サイクルの運転を行う場合、既に説明したステップＳ１０１と同様の処理を第２高元冷凍サイクルで実行する（ステップＳ３５）。これにより、第２高元冷媒回路２００において、第２熱交換器２０２の第２ファン２０２１の回転数と第２膨張弁２０３の開度とが必要に応じて調整される。制御装置３０は、ステップＳ３５の後、低容量運転モードを実行する。低容量運転モードの処理は図１５に開示されている。

＜高容量運転モード＞
図１４は、高容量運転モードの制御の内容を示すフローチャートである。制御装置３０は、はじめに、圧力Ｐ１０が「Ｐ１０≦閾値Ｂ」かつ「Ｐ１０≧閾値Ａ」を満たすか否かを判定する（ステップＳ４０）。図１１を用いて既に説明されたとおり、Ｐ１０は、低元冷媒回路３００の圧力を示す。制御装置３０は、低元冷媒回路３００に設けた圧力センサ１０の出力値に基づいて圧力Ｐ１０を特定する。圧力Ｐ１０と閾値Ａおよび閾値Ｂとの関係は、図１１の枠Ｗ１０に示されている。

圧力Ｐ１０が「Ｐ１０≦閾値Ｂ」かつ「Ｐ１０≧閾値Ａ」を満たす場合、圧力Ｐ１０は、図１１の枠Ｗ１０が示す（２）の範囲にある。この場合、圧力Ｐ１０は適正と判定できる。したがって、制御装置３０は、ステップＳ４０に処理を戻す。圧力Ｐ１０が「Ｐ１０≦閾値Ｂ」かつ「Ｐ１０≧閾値Ａ」を満たさない場合、制御装置３０は、圧力Ｐ１０が「Ｐ１０＜閾値Ａ」を満たすか否かを判定する（ステップＳ４１）。

ステップＳ４１において、圧力Ｐ１０が「Ｐ１０＜閾値Ａ」を満たす場合、圧力Ｐ１０は、図１１の枠Ｗ１０が示す（１）の範囲にある。このとき、圧力Ｐ１０は下限の閾値Ａよりも低い値となっている。この場合、低元冷媒回路３００の圧力は十分に低いと判定できる。換言すると、高元冷凍サイクルの冷却能力が高過ぎると判定できる。この場合、高元冷凍サイクル側の圧縮機の周波数を下げる必要がある。しかし、高元冷凍サイクル側の第１圧縮機１０１および第２圧縮機２０１のいずれの周波数も既に下限周波数に達している可能性がある。

そこで、制御装置３０は、ステップＳ４１でＹＥＳと判定した場合、第１圧縮機１０１（Ｃｏｍｐ１０１）および第２圧縮機２０１（Ｃｏｍｐ２０１）の周波数はいずれも下限周波数に達しているか否かを判定する（ステップＳ４３）。

制御装置３０は、ステップＳ４３においてＮＯと判定した場合、高元冷凍サイクルの圧縮機の周波数を低下させる（ステップＳ５２）。ステップＳ５２において、制御装置３０は、第１圧縮機１０１（Ｃｏｍｐ１０１）および第２圧縮機２０１（Ｃｏｍｐ２０１）のうち、第１圧縮機１０１（Ｃｏｍｐ１０１）の周波数を優先して低下させる。

より具体的には、第１圧縮機１０１（Ｃｏｍｐ１０１）の周波数が下限に達していない場合、第１圧縮機１０１（Ｃｏｍｐ１０１）の周波数を一定値低下させてから、制御装置３０は、次のステップＳ５３に進む。このとき、第２圧縮機２０１（Ｃｏｍｐ２０１）の周波数は低下させない。ステップＳ４３において、第１圧縮機１０１（Ｃｏｍｐ１０１）の周波数が下限に達し、かつ、第２圧縮機２０１（Ｃｏｍｐ２０１）の周波数が下限に達していない場合、制御装置３０は、ステップＳ５２において、第２圧縮機２０１（Ｃｏｍｐ２０１）の周波数を一定値低下させてから、ステップＳ５３に進む。

制御装置３０は、ステップＳ５３において、既に説明したステップＳ１０１と同様の処理を第１および第２高元冷凍サイクルで実行する。

これにより、第１高元冷媒回路１００においては、第１熱交換器１０２の第１ファン１０２１の回転数と第１膨張弁１０３の開度とが必要に応じて調整される。また、第２高元冷媒回路２００においては、第２熱交換器２０２の第２ファン２０２１の回転数と第２膨張弁２０３の開度とが必要に応じて調整される。制御装置３０は、ステップＳ５３の後、処理をステップＳ４０に戻す。

ステップＳ４３の処理が繰り返し行われた場合、やがて、第１圧縮機１０１（Ｃｏｍｐ１０１）および第２圧縮機２０１（Ｃｏｍｐ２０１）の周波数が共に下限値に達するかもしれない。第１圧縮機１０１（Ｃｏｍｐ１０１）および第２圧縮機２０１（Ｃｏｍｐ２０１）の周波数が共に下限値に達した場合、制御装置３０は、ステップＳ４３においてＹＥＳと判定する。このとき、第１および第２高元冷凍サイクルの双方を起動しているときの高元冷凍サイクルの冷却能力が下限に達している。

制御装置３０は、ステップＳ４３においてＹＥＳと判定したとき、第１高元冷凍サイクルを停止させてから（ステップＳ５４）、運転モードを高容量運転モードから低容量運転モードに切り替える。

ステップＳ４１において、圧力Ｐ１０が「Ｐ１０＜閾値Ａ」を満たさない場合、圧力Ｐ１０は、図１１の枠Ｗ１０が示す（３）の範囲にある。このとき、圧力Ｐ１０は上限の閾値Ｂを超えた値となっている。

圧力Ｐ１０が上限の閾値Ｂを超えている場合、高元冷凍サイクルの能力を高める必要がある。制御装置３０は、ステップＳ４１において、圧力Ｐ１０が「Ｐ１０＜閾値Ａ」を満たさないと判定した場合、第１圧縮機１０１（Ｃｏｍｐ１０１）および第２圧縮機２０１（Ｃｏｍｐ２０１）の周波数がいずれも上限値に達しているか否かを判定する（ステップＳ４２）。

制御装置３０は、ステップＳ４２においてＮＯと判定した場合、高元冷凍サイクルの圧縮機の周波数を上昇させる（ステップＳ４４）。ステップＳ４４において、制御装置３０は、第１圧縮機１０１（Ｃｏｍｐ１０１）および第２圧縮機２０１（Ｃｏｍｐ２０１）のうち、第２圧縮機２０１（Ｃｏｍｐ２０１）の周波数を優先して上昇させる。

より具体的には、第２圧縮機２０１（Ｃｏｍｐ２０１）の周波数が上限に達していない場合、第２圧縮機２０１（Ｃｏｍｐ２０１）の周波数を一定値上昇させてから、次のステップＳ４５に進む。このとき、第１圧縮機１０１（Ｃｏｍｐ１０１）の周波数は上昇させない。ステップＳ４２において、第２圧縮機２０１（Ｃｏｍｐ２０１）の周波数が上限に達し、かつ、第１圧縮機１０１（Ｃｏｍｐ１０１）の周波数が上限に達していない場合、制御装置３０は、ステップＳ４４において、第１圧縮機１０１（Ｃｏｍｐ１０１）の周波数を一定値上昇させてから、ステップＳ４５に進む。

制御装置３０は、ステップＳ４５において、既に説明したステップＳ１０１と同様の処理を第１および第２高元冷凍サイクルで実行する。

これにより、第１高元冷媒回路１００においては、第１熱交換器１０２の第１ファン１０２１の回転数と第１膨張弁１０３の開度とが必要に応じて調整される。また、第２高元冷媒回路２００においては、第２熱交換器２０２の第２ファン２０２１の回転数と第２膨張弁２０３の開度とが必要に応じて調整される。制御装置３０は、ステップＳ４５の後、処理をステップＳ４０に戻す。

ステップＳ４４の処理が繰り返し行われた場合、やがて、第１圧縮機１０１（Ｃｏｍｐ１０１）および第２圧縮機２０１（Ｃｏｍｐ２０１）の周波数が共に上限値に達するかもしれない。第１圧縮機１０１（Ｃｏｍｐ１０１）および第２圧縮機２０１（Ｃｏｍｐ２０１）の周波数が共に上限値に達した場合、制御装置３０は、ステップＳ４２においてＹＥＳと判定する。このとき、高元冷凍サイクルの冷却能力が上限に達している。

ステップＳ４２においてＹＥＳと判定した場合、制御装置３０は、能力不足であることをユーザーに通知する（ステップＳ４６）。制御装置３０は、たとえば、室内機２を操作するためのリモートコントローラーに能力不足を意味するメッセージを表示する。

制御装置３０はステップＳ４６の処理の後、低元冷媒回路３００を構成する第３圧縮機３０１（Ｃｏｍｐ３０１）の周波数を一定値下げる（ステップＳ４７）。制御装置３０は、既に説明したステップＳ１０１と同様の処理を各冷凍サイクルに対して実行する（ステップＳ４８）。その後、制御装置３０は、圧力Ｐ１０が「Ｐ１０≦閾値Ｂ」を満たすか否かを判定する（ステップＳ４９）。

ステップＳ４９にて、圧力Ｐ１０が「Ｐ１０≦閾値Ｂ」を満たさない場合、制御装置３０は、ステップＳ４６に処理を戻す。ステップＳ４９にて、圧力Ｐ１０が「Ｐ１０≦閾値Ｂ」を満たす場合、制御装置３０は、低元冷凍サイクルを停止するためのユーザーの操作が検出されたか否かを判定する（ステップＳ５０）。制御装置３０は、低元冷凍サイクルを停止するためのユーザーの操作が検出されるまで、ステップＳ５０の処理を継続する。ユーザーの操作は、たとえば、室内機２に対応するリモートコントローラーから制御装置３０に入力される。なお、制御装置３０は、ステップＳ５０でＮＯと判定したとき、ステップＳ４６に処理を戻して、再度、ユーザーに能力不足を通知してもよい。

制御装置３０は、ステップＳ５０においてユーザーの操作を検出すると、低元冷凍サイクルおよび第１高元冷凍サイクルを停止する（ステップＳ５１）。次に、制御装置３０は、運転モードを停止運転モードに切り替える。運転モードが停止運転モードに切り替えられることにより、低元冷媒回路３００の圧力が異常に高まることが防止される。

図１４を用いて説明したように、制御装置３０は、高容量運転モードにおいて、圧力センサ１０によって検出される圧力が閾値Ａ～閾値Ｂの範囲に入るように第１高元冷媒回路１００および第２高元冷媒回路２００を制御する。

＜低容量運転モード＞
図１５は、低容量運転モードの制御の内容を示すフローチャートである。制御装置３０は、はじめに、圧力Ｐ１０が「Ｐ１０≦閾値Ｂ」かつ「Ｐ１０≧閾値Ａ」を満たすか否かを判定する（ステップＳ７０）。図１１を用いて既に説明されたとおり、Ｐ１０は、低元冷媒回路３００の圧力を示す。制御装置３０は、低元冷媒回路３００に設けた圧力センサ１０の出力値に基づいて圧力Ｐ１０を特定する。圧力Ｐ１０と閾値Ａおよび閾値Ｂとの関係は、図１１の枠Ｗ１０に示されている。

圧力Ｐ１０が「Ｐ１０≦閾値Ｂ」かつ「Ｐ１０≧閾値Ａ」を満たす場合、圧力Ｐ１０は、図１１の枠Ｗ１０が示す（２）の範囲にある。この場合、圧力Ｐ１０は適正と判定できる。この場合、制御装置３０は、ステップＳ７０に処理を戻す。圧力Ｐ１０が「Ｐ１０≦閾値Ｂ」かつ「Ｐ１０≧閾値Ａ」を満たさない場合、制御装置３０は、圧力Ｐ１０が「Ｐ１０＜閾値Ａ」を満たすか否かを判定する（ステップＳ７１）。

ステップＳ７１において、圧力Ｐ１０が「Ｐ１０＜閾値Ａ」を満たす場合、圧力Ｐ１０は、図１１の枠Ｗ１０が示す（１）の範囲にある。このとき、圧力Ｐ１０は下限の閾値Ａよりも低い値となっている。この場合、低元冷媒回路３００の圧力は十分に低いと判定できる。換言すると、高元冷凍サイクルの冷却能力が高過ぎると判定できる。この場合、高元冷凍サイクル側で起動している第２圧縮機２０１の周波数を下げる必要がある。しかし、第２圧縮機２０１の周波数が既に下限周波数に達している可能性がある。

そこで、制御装置３０は、ステップＳ７１でＹＥＳと判定した場合、第２圧縮機２０１（Ｃｏｍｐ２０１）の周波数は下限周波数に達しているか否かを判定する（ステップＳ７３）。

制御装置３０は、ステップＳ７３においてＮＯと判定した場合、第２圧縮機２０１（Ｃｏｍｐ２０１）の周波数を一定値低下させる（ステップＳ７６）。その後、制御装置３０は、ステップＳ７７において、既に説明したステップＳ１０１と同様の処理を第２高元冷凍サイクルで実行する。制御装置３０は、ステップＳ７７の後、処理をステップＳ７０に戻す。

ステップＳ７６の処理が繰り返し行われた場合、やがて、第２圧縮機２０１（Ｃｏｍｐ２０１）の周波数が下限値に達するかもしれない。第２圧縮機２０１（Ｃｏｍｐ２０１）の周波数が下限値に達した場合、制御装置３０は、ステップＳ７３においてＹＥＳと判定する。このとき、第２高元冷凍サイクルの冷却能力が下限に達している。

制御装置３０は、ステップＳ７３においてＹＥＳと判定したとき、低元冷媒回路３００を構成する第３膨張弁３０３の開度を調整することにより、目標過熱度（ＳＨ）を上昇させる（ステップＳ７８）。その後、制御装置３０は、ステップＳ７９において、既に説明したステップＳ１０１と同様の処理を低元冷凍サイクルで実行する。具体的には、制御装置３０は、第３熱交換器３０２の第３ファン３０２１の回転数を調整する。

制御装置３０は、ステップＳ７９の後、圧力Ｐ１０が「Ｐ１０≦閾値Ｂ」かつ「Ｐ１０≧閾値Ａ」を満たすか否かを判定する（ステップＳ８０）。圧力Ｐ１０が「Ｐ１０≦閾値Ｂ」かつ「Ｐ１０≧閾値Ａ」を満たさない場合、制御装置３０は、第３膨張弁３０３の目標過熱度（ＳＨ）を再度調整する（ステップＳ８１）。その後、制御装置３０は、ステップＳ７９と同様の処理を実行し（ステップＳ８２）、処理をステップＳ７０に戻す。

制御装置３０は、ステップＳ８０においてＹＥＳと判断したとき、ユーザーによる停止操作が検出されたか否かを判定する（ステップＳ８３）。ユーザーは、たとえば、リモートコントローラーによって低元冷凍サイクルを停止させる操作をする。制御装置３０は、ステップＳ８３においてＮＯと判定したとき、処理をステップＳ７０に戻す。制御装置３０は、ステップＳ８３においてＹＥＳと判定したとき、低元冷凍サイクルを停止する（ステップＳ８４）。その後、制御装置３０は、停止運転モードに運転モードを切り替える。

ステップＳ７１において、圧力Ｐ１０が「Ｐ１０＜閾値Ａ」を満たさない場合、圧力Ｐ１０は、図１１の枠Ｗ１０が示す（３）の範囲にある。このとき、圧力Ｐ１０は上限の閾値Ｂを超えた値となっている。

圧力Ｐ１０が上限の閾値Ｂを超えている場合、高元冷凍サイクルの能力を高める必要がある。制御装置３０は、ステップＳ７１において、圧力Ｐ１０が「Ｐ１０＜閾値Ａ」を満たさないと判定した場合、第２圧縮機２０１（Ｃｏｍｐ２０１）の周波数が上限値に達しているか否かを判定する（ステップＳ７２）。

制御装置３０は、ステップＳ７２においてＮＯと判定した場合、第２圧縮機２０１（Ｃｏｍｐ２０１）の周波数を一定値上昇させる（ステップＳ７４）。その後、制御装置３０は、既に説明したステップＳ１０１と同様の処理を第２高元冷凍サイクルで実行する（ステップＳ７５）。制御装置３０は、ステップＳ７５の後、処理をステップＳ７０に戻す。

ステップＳ７４の処理が繰り返し行われた場合、やがて、第２圧縮機２０１（Ｃｏｍｐ２０１）の周波数が上限値に達するかもしれない。第２圧縮機２０１（Ｃｏｍｐ２０１）の周波数が上限値に達した場合、制御装置３０は、ステップＳ７２においてＹＥＳと判定し、運転モードを高容量運転モードに切り替える。運転モードが高容量運転モードに切り替えられることにより、第２高元冷凍サイクルが起動し、高元冷凍サイクルの冷凍能力が上昇する。

図１５を用いて説明したように、制御装置３０は、低容量運転モードにおいて、圧力センサ１０によって検出される圧力が閾値Ａ～閾値Ｂの範囲に入るように第１高元冷媒回路１００および第２高元冷媒回路２００を制御する。

これまでの説明から理解されるとおり、制御装置３０は、状況に応じて運転モードを停止運転モードと冷却運転モードとの間で切り換える。より具体的には、制御装置３０は、停止運転モードおよび冷却運転モードのいずれにおいても、制御装置３０は、圧力センサ１０によって検出される圧力が閾値Ａ～閾値Ｂの範囲に入るように第１高元冷媒回路１００および第２高元冷媒回路２００を制御する。なお、閾値は、各モードに応じて異ならせてもよい。

また、制御装置３０は、図１２に示されるとおり、第３圧縮機３０１（Ｃｏｍｐ３０１）を起動するときに設定された周波数に基づいて、低容量運転モードで運転するか、高容量運転モードで運転するかを決定する。特に、高容量運転モードでは、高元側で第１および第２高元冷凍サイクルが共に起動する。一方、低容量運転モードでは、高元側で第２高元冷凍サイクルのみが起動する。ゆえに、制御装置３０は、第３圧縮機３０１を起動するときに設定された周波数に基づいて、第１高元冷媒回路１００および第２高元冷媒回路２００を起動するタイミングを制御している。

さらに、制御装置３０は、図１１、図１４、および図１５を用いて説明したとおり、必要な冷却能力の程度に応じて、冷却運転モードを低容量運転モードと高容量運転モードとの間で切り替える。

以上のとおり、制御装置３０は、第１高元冷媒回路１００および第２高元冷媒回路２００により提供される高元冷凍サイクルの冷却能力を低元冷媒回路３００の冷凍サイクルの状態に基づいて変動させる。

また、図８および図９を用いて説明したとおり、第１高元冷凍サイクルの冷却能力と、第２高元冷凍サイクルの冷却能力とに重なる範囲が生じるように高元冷凍サイクルを設計することは、起動する高元側の冷凍サイクルがこのように変化するときに効果的である。

すなわち、図８および図９に示すように、第１高元冷凍サイクルの下限周波数で出力可能な冷却能力に対し、第２高元冷凍サイクルの上限周波数で出力可能な冷却能力は大きくなるよう設定することで、境界となる冷却能力が必要となる際に発生する圧縮機の起動および起動停止を抑制することができる。

また、第２高元冷凍サイクルから第１高元冷凍サイクルに対してスムーズに運転を切り替えることができる。このため、第２圧縮機２０１の周波数を過剰に低下させることなく、必要な冷却能力を得ることができる。

さらに、本実施の形態とは異なり、圧縮機の周波数を過剰に低下させざるを得ない冷凍サイクルシステムの場合には、圧縮機が冷媒を吐出するときに併せて排出される冷凍機油に対して、圧縮機が冷媒を吸入するときに圧縮機に戻る冷凍機油が減少するおそれがある。この場合、圧縮機のモーターが焼損してしまうかもしれない。しかし、本実施の形態では、第２圧縮機２０１の周波数を過剰に低下する必要がないため、冷凍機油の不足によって第２圧縮機２０１のモーターが焼損することを防止でき、第２圧縮機２０１の信頼性を向上させることができる。

実施の形態２．
次に、本実施の形態２を説明する。図１６は、実施の形態２に関わる二元冷凍サイクル装置５２の構成を示す図である。図１６に示すように、実施の形態２に関わる二元冷凍サイクル装置５２は、実施の形態１に関わる二元冷凍サイクル装置５１の構成に対して、第４熱交換器４０２が追加されている。第４熱交換器４０２には外気と第３冷媒との間の熱交換を促す第４ファン４０２１が設けられている。

第４熱交換器４０２は、低元冷媒回路３００に設けられる。第４熱交換器４０２は、第１カスケードコンデンサ１０４と第１圧縮機１０１との間に接続されている。第４熱交換器４０２には、第１圧縮機１０１から吐出された高温かつ高圧のガス状の第３冷媒が入力される。第４ファン４０２１が回転することにより、第４熱交換器４０２は、第１圧縮機１０１から吐出された第３冷媒の熱を空気に放熱する。したがって、第４熱交換器４０２は凝縮器として機能する。

既に説明した実施の形態１に関わる二元冷凍サイクル装置５１は、冷却運転モードとして、低容量運転モードと高容量運転モードとの２つのモードを備える。これら２つのモードでは、高元冷凍サイクルが起動し、低元冷凍サイクルの第３冷媒が冷却される。

実施の形態２に関わる二元冷凍サイクル装置５２は、低容量運転モードと高容量運転モードとに加えて、高元冷凍サイクルを起動せずに第４熱交換器４０２によって第３冷媒を冷却するモードを有する。以下、このモードを“低元冷却モード”と称する。このように、実施の形態２の冷却運転モードは、実施の形態１の冷却運転モードよりも、切替え可能なモードの数が多い。以下、実施の形態１の冷却運転モードと実施の形態２の冷却運転モードとを区別するため、後者の冷却運転モードを特に“冷却運転モード２”と称する場合がある。

低元冷却モードでは、第４熱交換器４０２に対応する第４ファン４０２１が回転することによって低元冷媒回路３００を流れる第３冷媒が冷却される。なお、二元冷凍サイクル装置５２は、第３冷媒の圧力を適正に保つため、圧力センサ１０の出力値に基づいて第４ファン４０２１の回転数を制御してもよい。

第３冷媒の圧力が適正範囲を超えて上昇する場合、二元冷凍サイクル装置５２は、運転モードを低元冷却モードから低容量運転モードに切り換える。低容量運転モードの内容は、実施の形態１と同様である。ただし、実施の形態２に関わる低容量運転モードでは、第４熱交換器４０２も引き続き凝縮器として機能している。したがって、実施の形態２に関わる低容量運転モードでは、第４熱交換器４０２に対応する第４ファン４０２１が回転している。このため、実施の形態２に関わる低容量運転モードは実施の形態１に関わる低容量運転モードよりも最大冷却能力が高い。

なお、実施の形態２に関わる低容量運転モードにおいて、第４熱交換器４０２に対応する第４ファン４０２１の回転を停止してもよい。また、実施の形態２に関わる低容量運転モードにおいて、制御装置３０は、第３冷媒の圧力を適正に保つため、圧力センサ１０の出力値に基づいて第４ファン４０２１の回転数を制御してもよい。

低容量運転モードにおいて第３冷媒の圧力が適正範囲を超えて上昇する場合、二元冷凍サイクル装置５２は、運転モードを低容量運転モードから高容量運転モードに切り換える。高容量運転モードの内容は実施の形態１と同様である。ただし、実施の形態２に関わる低容量運転モードでは、第４熱交換器４０２も引き続き凝縮器として機能している。したがって、実施の形態２に関わる低容量運転モードでは、第４熱交換器４０２に対応する第４ファン４０２１が回転している。このため、実施の形態２に関わる高容量運転モードは実施の形態１に関わる低容量運転モードよりも最大冷却能力が高い。

なお、実施の形態２に関わる高容量運転モードにおいて、第４熱交換器４０２に対応する第４ファン４０２１の回転を停止してもよい。また、実施の形態２に関わる高容量運転モードにおいて、制御装置３０は、第３冷媒の圧力を適正に保つため、圧力センサ１０の出力値に基づいて第４ファン４０２１の回転数を制御してもよい。

＜伝熱面積比率＞
図１７は、第１熱交換器１０２および第２熱交換器２０２の伝熱面積と、第４熱交換器４０２との伝熱面積の比率を示す図である。実施の形態２では、第１熱交換器１０２および第２熱交換器２０２が高元冷凍サイクルの凝縮器を構成し、第４熱交換器４０２が低元冷凍サイクルの凝縮器を構成する。したがって、図１７は、高元冷凍サイクルの凝縮器と、低元冷凍サイクルの凝縮器との伝熱面積を比較した図に相当する。

第１熱交換器１０２、第２熱交換器２０２、および第４熱交換器４０２の総伝熱面積に対する、第４熱交換器４０２の伝熱面積の比率に関して、パターン１とパターン２とが図１７に示されている。

パターン１では、第１熱交換器１０２、第２熱交換器２０２、および第４熱交換器４０２の総伝熱面積に対する、第４熱交換器４０２の伝熱面積の比率が３％～５０%の範囲とされている。つまり、パターン１は、低元冷凍サイクルおよび高元冷凍サイクルの凝縮器の伝熱総面積に対する低元冷凍サイクルの伝熱面積の比率を３％～５０%の範囲とする例である。

パターン２では、第１熱交換器１０２、第２熱交換器２０２、および第４熱交換器４０２の総伝熱面積に対する、第４熱交換器４０２の伝熱面積の比率が８％～３０%の範囲とされている。つまり、パターン２は、低元冷凍サイクルおよび高元冷凍サイクルの凝縮器の伝熱総面積に対する低元冷凍サイクルの伝熱面積の比率を８％～３０%の範囲とする例である。

伝熱面積比率として、パターン１よりもパターン２を採用する方がより望ましい。たとえば、パターン１よりもパターン２の方が低元冷凍サイクルの凝縮器の伝熱面積比率が高いため、パターン１よりもパターン２の方が第４熱交換器４０２を用いた低元冷却モードでの冷却機能が高めることを期待できる。

なお、パターン１において、第４熱交換器４０２の伝熱比率の３～５０％の範囲のいずれを採用してもよい。また、パターン２において、第４熱交換器４０２の伝熱比率の８～３０％の範囲のいずれを採用してもよい。

＜熱交換器の一体化＞
図１８は、第１熱交換器１０２と第２熱交換器２０２と第４熱交換器４０２とを一体化した第６熱交換器６０２を示す図である。図１６の符号Ｂ、符号Ｃ、および符号Ｄが示す構成部分を一体化したものが第６熱交換器６０２に相当する。

第６熱交換器６０２は、第１冷媒が流れる第１高元冷媒回路１００と、第２冷媒が流れる第２高元冷媒回路２００と、第３冷媒が流れる低元冷媒回路３００とが分割されつつ、第１熱交換器１０２と第２熱交換器２０２と第４熱交換器４０２とが一体化された構成を備えている。第６熱交換器６０２には第６ファン６０２１が設けられる。ただし、第６熱交換器６０２に対して、複数台のファンを設けてもよい。

第１熱交換器１０２と第２熱交換器２０２と第４熱交換器４０２とを一体化することにより、機器を配置するスペースを有効活用できる。また、第１熱交換器１０２と第２熱交換器２０２と第４熱交換器４０２とを一体化することにより、コストを低減できる。

図１９は、第２熱交換器２０２と第４熱交換器４０２とを一体化した第７熱交換器７０２、および第７熱交換器７０２と組み合わせて使用される第１熱交換器１０２を示す図である。図１６の符号Ｂおよび符号Ｃが示す構成部分を一体化したものが第７熱交換器７０２に相当する。

第７熱交換器７０２は、第２冷媒が流れる第２高元冷媒回路２００と、第３冷媒が流れる低元冷媒回路３００とが分割されつつ、第２熱交換器２０２と第４熱交換器４０２とが一体化された構成を備えている。第７熱交換器７０２には第７ファン７０２１が設けられる。ただし、第７熱交換器７０２に対して、複数台のファンを設けてもよい。

第２熱交換器２０２と第４熱交換器４０２とを一体化することにより、機器を配置するスペースを有効活用できる。また、第２熱交換器２０２と第４熱交換器４０２とを一体化することにより、コストを低減できる。なお、第１熱交換器１０２と第４熱交換器４０２とを一体化して構成してもよい。

＜運転モードの制御＞
図２０は、実施の形態２に関わる運転モードの制御の内容を示すフローチャートである。制御装置３０は、本フローチャートに基づく処理を実行することによって運転モードを冷却運転モード２と停止運転モードとに切り替える。

制御装置３０は、はじめに、冷却運転が停止しているか否かを判定する（ステップＳ１０００）。停電、その他の事情によって低元冷媒回路３００の運転が停止している場合、制御装置３０は、ステップＳ１０００においてＹＥＳと判定し、停止運転モードに移行する（ステップＳ２０００）。

停止運転モードの内容は、実施の形態１と同様であるので、ここではその説明を繰り返さない。低元冷媒回路３００の運転が停止していない場合、制御装置３０は、ステップＳ１０００においてＮＯと判定し、冷却運転モード２に移行する（ステップＳ３０００）。

＜冷却運転モード２の制御＞
図２１は、冷却運転モード２の制御の内容を示すフローチャートである。制御装置３０は、はじめに、外気温度と室内機２において設定されている蒸発温度とから、第３圧縮機３０１（Ｃｏｍｐ３０１）の目標周波数を設定する（ステップＳ９０）。制御装置３０は、温度センサ２０の出力値に基づいて外気温度を特定する。

ステップＳ９０の後、制御装置３０は、第３圧縮機３０１（Ｃｏｍｐ３０１）の周波数が閾値Ｙ以下、かつ、外気（外気温度）が設定値以下であるか否かを判定する（ステップＳ９１）。外気温度の設定値は、予め設定された値である。外気温度の設定値については、図２２を用いて後に説明する。制御装置３０は設定値を記憶している。

制御装置３０は、冷凍サイクルの運転を切り換えるか否かを判定するための閾値として閾値Ｘと閾値Ｙとを記憶している。図２１の枠Ｗ２０には、第３圧縮機３０１（Ｃｏｍｐ３０１）の周波数と閾値Ｘおよび閾値Ｙとの関係が示されている。先に、枠Ｗ２０を参照して、第３圧縮機３０１（Ｃｏｍｐ３０１）の周波数と閾値Ｘ，Ｙとの関係を説明する。

枠Ｗ２０において（１）～（３）は、第３圧縮機３０１（Ｃｏｍｐ３０１）の周波数の値がとる範囲を示す。（１）は、第３圧縮機３０１（Ｃｏｍｐ３０１）の周波数が閾値Ｙ以下の範囲を示す。（２）は、第３圧縮機３０１（Ｃｏｍｐ３０１）の周波数が閾値Ｙを超過し、かつ、閾値Ｘ未満の範囲を示す。（３）は、第３圧縮機３０１（Ｃｏｍｐ３０１）の周波数が閾値Ｘ以上となる範囲を示す。周波数範囲（２）は適正範囲を示す。周波数範囲（１）は適正範囲よりも低い範囲を示す。周波数範囲（３）は適正範囲よりも高い範囲を示す。

ここで、図２２および図２３を参照して、閾値Ｘ、閾値Ｙ、および外気温度の設定値について詳細に説明する。図２２は、庫内の蒸発温度の設定値と冷却能力との関係を示すグラフである（実施の形態２）。図２３は、第３圧縮機（Ｃｏｍｐ３０１）の周波数と庫内の蒸発温度の設定値との関係を示すグラフである（実施の形態２）。図２２を用いて閾値Ｘおよび外気温度の設定値について説明し、図２３を用いて閾値Ｙについて説明する。

図２２が示すグラフにおいて、横軸は、庫内に配置される室内機２において設定される凝縮温度（ＥＴ：Evaporation Temperature）を示す。縦軸は冷却能力に対応する圧縮機の周波数（Ｈｚ）を示す。図２２に示すように、必要とされる冷却能力は外気温度ＡＴ（Outside air Temperature）によって変化する。

一般には、外気温度が高いほど、必要とされる冷却能力は高くなる。たとえば、図２２では、外気温度が２０℃の場合と－１５℃の場合とを比較した例を示している。本実施の形態２では、このグラフに基づいて、閾値Ｘを６０Ｈｚとしている。ただし、この値は例示に過ぎない。

図２２には、高元運転が不要とされる領域Ｒ１０がさらに示されている。領域Ｒ１０では、低元冷凍サイクルを運転しているときに、第１および第２高元冷凍サイクルのいずれの運転も不要とされる。領域Ｒ１０においては、制御装置３０は、運転モードとして低元冷却モードを選択する。低元冷却モードでは、低元冷媒回路３００に設けた第４熱交換器４０２が凝縮器として機能することにより、第３冷媒が冷却される。低元冷却モードでは、高元冷凍サイクルが起動しない。

図２２に示すように、領域Ｒ１０は、外気温度ＡＴ１０を境界にして設定されている。つまり、制御装置３０は、外気温度がＡＴ１０以下であることを条件に低元冷却モードを選択する。外気温度ＡＴ１０は、－１５℃から２０℃の範囲のいずれかの値として設定される。

図２３が示すグラフにおいて、横軸は、第３圧縮機３０１（Ｃｏｍｐ３０１）の周波数を示す。縦軸は、庫内に配置される室内機２において設定される凝縮温度（ＥＴ）を示す。図２３のグラフには、第３圧縮機３０１（Ｃｏｍｐ３０１）の周波数と凝縮温度（ＥＴ）との関係において、高元運転が不要とされる領域Ｒ１０と、高元運転が必要とされる領域Ｒ２０とが示されている。領域Ｒ２０は、能力同等線によって仕切られる。第３圧縮機３０１（Ｃｏｍｐ３０１）の周波数と凝縮温度（ＥＴ）とが高くなるほど、必要とされる冷却能力は高くなる。

図２３には、閾値Ｙとして採用可能な値の例として、Ｙ１とＹ２とが示されている。閾値Ｙ１は、高元運転が不要とされる領域Ｒ１０における第３圧縮機３０１（Ｃｏｍｐ３０１）の最大周波数である。したがって、Ｙ１は固定値である。閾値Ｙ２は、能力同等線に沿う第３圧縮機３０１（Ｃｏｍｐ３０１）の周波数である。したがって、Ｙ２は、室内機２において設定される凝縮温度（ＥＴ）に応じて変動する値である。

実施の形態２においては、閾値ＹとしてＹ１およびＹ２のいずれを採用してもよい。また、制御装置３０のメモリ３２に予めＹ１、Ｙ２の２つの閾値を格納してもよい。制御装置３０は、Ｙ１、Ｙ２いずれの閾値を採用するかを選択できるものとしてもよい。

図２１のフローチャートに戻って説明を続ける。制御装置３０は、ステップＳ９１においてＮＯと判定した場合、第４熱交換器４０２の第４ファン４０２１を回転させる運転を行う（ステップＳ９５）。つまり、制御装置３０は、低元冷却モードの運転を開始する。これにより、第４熱交換器４０２は凝縮器として機能する。その結果、低元冷媒回路３００の第３冷媒は第４熱交換器４０２によって冷却される。

次に、制御装置３０は、第３圧縮機３０１（Ｃｏｍｐ３０１）の周波数が閾値Ｙを超過し、かつ、第３圧縮機３０１（Ｃｏｍｐ３０１）の周波数が閾値Ｘ未満であるか否かを判定する（ステップＳ９６）。つまり、制御装置３０は、第３圧縮機３０１の周波数が枠Ｗ２０に示した適正範囲（２）にあるか否かを判定する。

制御装置３０は、ステップＳ９６においてＹＥＳと判定したとき、第２高元冷凍サイクルを運転する（ステップＳ９９）。制御装置３０は、第２高元冷凍サイクルの運転を行う場合、既に説明したステップＳ１０１と同様の処理を第２高元冷凍サイクルで実行する（ステップＳ１００）。これにより、第２高元冷媒回路２００において、第２熱交換器２０２の第２ファン２０２１の回転数と第２膨張弁２０３の開度とが必要に応じて調整される。

制御装置３０は、ステップＳ１００の後、低容量運転モードを実行する。低容量運転モードの処理は図１５に開示されている。実施の形態２の低容量運転の処理は、図１５に示した実施の形態１の低容量運転モードの制御の内容を同様であるので、ここではその説明を繰り返さない。なお、実施の形態２においては、運転モードが低容量運転モードに移行しても、ステップＳ９５が示す第４熱交換器４０２の第４ファン４０２１の運転が継続される。

制御装置３０は、ステップＳ９６においてＮＯと判定したとき、第１および第２高元冷凍サイクルを運転する（ステップＳ９７）。

制御装置３０は、ステップＳ９７において第１および第２高元冷凍サイクルの運転を行う場合、既に説明したステップＳ１０１と同様の処理を第１および第２高元冷凍サイクルで実行する（ステップＳ９８）。

これにより、第１高元冷媒回路１００においては、第１熱交換器１０２の第１ファン１０２１の回転数と第１膨張弁１０３の開度とが必要に応じて調整される。また、第２高元冷媒回路２００においては、第２熱交換器２０２の第２ファン２０２１の回転数と第２膨張弁２０３の開度とが必要に応じて調整される。

制御装置３０は、ステップＳ９８の後、高容量運転モードを実行する。高容量運転モードの処理は図１４に開示されている。実施の形態２の高容量運転の処理は、図１４に示した実施の形態１の高容量運転モードの制御の内容を同様であるので、ここではその説明を繰り返さない。なお、実施の形態２においては、運転モードが高容量運転モードに移行しても、ステップＳ９５が示す第４熱交換器４０２の第４ファン４０２１の運転が継続される。

制御装置３０は、ステップＳ９１においてＹＥＳと判定したとき、第４熱交換器４０２の第４ファン４０２１を回転させる運転を行う（ステップＳ９２）。この処理は、既に説明したステップＳ９５と同様である。

次に、制御装置３０は、低元冷媒回路３００の圧力Ｐ１０が閾値Ｂを超えているか否かを判定する（ステップＳ９３）。

図１１を用いて既に説明したとおり、Ｐ１０は、低元冷媒回路３００の圧力を示す。制御装置３０は、低元冷媒回路３００に設けた圧力センサ１０の出力値に基づいて圧力Ｐ１０を特定する。圧力Ｐ１０と閾値Ａおよび閾値Ｂとの関係は、図１１の枠Ｗ１０に示されている。

ステップＳ９３において圧力Ｐ１０が閾値Ｂを超えていない場合、圧力Ｐ１０は、設定した圧力範囲の上限を超えていない。そこで、制御装置３０は、ステップＳ９３においてＮＯと判定した場合、圧力Ｐ１０が閾値Ｂを超えるまで、ステップＳ９３の判定を繰り返す。

ステップＳ９３において圧力Ｐ１０が閾値Ｂを超える場合、第４熱交換器４０２のみでは放熱が不足していると判断できる。そこで、制御装置３０は、ステップＳ９３においてＹＥＳと判定した場合、圧力Ｐ１０を図１１の枠Ｗ１０の（２）の範囲に低下させるために、第２高元冷凍サイクルを運転する（ステップＳ９４）。これにより、第２高元冷媒回路２００が起動する。第２高元冷媒回路２００が起動すると、第２カスケードコンデンサ２０４によって第３冷媒が冷却される。

このように、制御装置３０は、第４熱交換器４０２を起動しても圧力Ｐ１０が閾値Ａから閾値Ｂの範囲よりも高くなる場合、第２高元冷媒回路２００を起動する
制御装置３０は、ステップＳ９４の後、低容量運転モードを実行する。低容量運転モードの制御の内容は、図１５に開示されている。実施の形態２の低容量運転の処理は、図１５に示した実施の形態１の低容量運転モードの制御の内容を同様であるので、ここではその説明を繰り返さない。なお、実施の形態２においては、運転モードが低容量運転モードに移行しても、ステップＳ９２が示す第４熱交換器４０２の第４ファン４０２１の運転を継続する。

以上、説明した実施の形態２によれば、冷凍サイクルに対する負荷が低いとき、低元冷媒回路３００が備える第４熱交換器４０２の放熱機能を利用することによって、第３冷媒の圧力が異常に上昇することを防止できる。このとき、高元冷凍サイクルを運転する必要がない。このため、冷凍サイクルを高い効率で運転することが可能である。

実施の形態２において、制御装置３０は、第３圧縮機３０１を起動するときに設定された周波数に基づいて、第１高元冷媒回路１００および第２高元冷媒回路２００を起動するタイミングを制御する。また、実施の形態２においても、低容量運転モードおよび高容量運転モードは実行される。低容量運転モードおよび高容量運転モードの内容は、実施の形態１として説明したとおりである。ただし、実施の形態２においては、第４熱交換器４０２も起動している。したがって、実施の形態２に関わる制御装置３０は、圧力Ｐ１０が第１閾値Ａから第２閾値Ｂの範囲に入るように、第１高元冷媒回路１００、第２高元冷媒回路２００、および第４熱交換器４０２を制御する。

制御装置３０は、外気温度が低い場合（たとえば－５℃）、高元冷凍サイクルを起動することなく、第４ファン４０２１の回転数を制御することによって低元冷媒回路３００内の圧力が異常に上昇することを防止できる。特に、冬季には、高元冷凍サイクルを起動することなく冷凍サイクルを運転できるため、二元冷凍サイクル装置５２の省エネルギー性を高めることができる。また、高元冷凍サイクルの耐用年数を高めることができる。その結果、二元冷凍サイクル装置５２の性能を向上させることができる。

第３圧縮機３０１から第４熱交換器４０２に流入する第３冷媒は過熱蒸気である。高元冷凍サイクルを運転するときに第４熱交換器４０２を起動することによって、第１カスケードコンデンサ１０４に流入する前の第３冷媒の熱量の一部を第４熱交換器４０２により放熱できる。したがって、第１カスケードコンデンサ１０４では熱伝達率の高い２相領域の第３冷媒と第１冷媒とで熱交換させることができる。第２カスケードコンデンサ２０４においても同様である。

低負荷の状況では、高元冷凍サイクルを起動することなく第４熱交換器４０２の第４ファン４０２１を回転させる。これにより、冷凍サイクルを起動する際に低元冷媒回路３００の圧力が異常に上昇することを抑制しつつ二元冷凍サイクル装置５２の性能を向上させることができる。たとえば、第３圧縮機３０１の周波数が閾値よりも低く、外気温度が設定値よりも低いときに、二元冷凍サイクル装置５２は、低負荷の状況となる。

一方、第３圧縮機３０１の周波数が閾値よりも低いが、外気温度が設定値より高いとき、第４ファン４０２１を回転させると共に、第２高元冷凍サイクルを起動する。これにより、第４熱交換器４０２のみでは熱処理できない状況において、冷凍サイクルの起動時から低元冷媒回路３００の圧力が異常に上昇することを確実に抑制できる。

このとき、第１高元冷凍サイクルは起動しないため、必要最低限の機器を起動することで低元冷媒回路３００の圧力が上昇することを抑制できる。よって、二元冷凍サイクル装置５２の省エネルギー性を高めることができる。また、高元冷凍サイクルの耐用年数を高めることができる。その結果、二元冷凍サイクル装置５２の性能を向上させることができる。

さらに、第３圧縮機３０１の周波数が閾値よりも高く、外気温度が設定値より高いとき、第４ファン４０２１を回転させると共に、第１および第２高元冷凍サイクルを起動してもよい。これにより、第４熱交換器４０２および第２高元冷凍サイクルのみでは熱処理できない状況において、冷凍サイクルの起動時から低元冷媒回路３００の圧力が異常に上昇することを確実に抑制できる。

＜冷却運転モード２の制御の変形例＞
図２４は、実施の形態２に係わる冷却運転モード２の変形例を示すフローチャートである。図２４を用いて、実施の形態２に係わる冷却運転モード２の変形例を説明する。

制御装置３０は、はじめに、外気温度と室内機２において設定されている蒸発温度とから、第３圧縮機３０１（Ｃｏｍｐ３０１）の目標周波数を設定する（ステップＳ１２０）。ステップＳ１２０の処理は、図２１のステップＳ９０の処理と同様である。

次に、制御装置３０は、第３圧縮機３０１（Ｃｏｍｐ３０１）の周波数が閾値Ｙ以下か否かを判定する（ステップＳ１２１）。制御装置３０は、ステップＳ１２０で設定された第３圧縮機３０１の周波数が閾値Ｙ以下であると判定した場合、外気温度が設定値以下か否かを判定する（ステップＳ１２２）。ここで、外気温度は、温度センサ２０によって検出された温度である。

制御装置３０は、外気温度が設定値以下であると判定した場合、第４熱交換器４０２の第４ファン４０２１を回転させる運転を行う（ステップＳ１２３）。これにより、第４熱交換器４０２が起動する。この処理は、図２１のステップＳ９２と同様である。その後、制御装置３０は、ステップＳ１２４～Ｓ１２５の処理を行う。この処理は、図２１のステップＳ９３～Ｓ９４の処理と同様である。

制御装置３０は、ステップＳ１２２において、外気温度が設定値以下でないと判断した場合、第４熱交換器４０２の第４ファン４０２１を回転させると共に、第２高元冷媒回路２００を起動する（ステップＳ１２６）。次に、制御装置３０は、既に説明したステップＳ１０１と同様の処理を第２高元冷凍サイクルで実行し（ステップＳ１２７）、低容量運転モードに移行する。

制御装置３０は、ステップＳ１２１において、第３圧縮機３０１の周波数が閾値Ｙ以下でないと判定した場合、外気温度が設定値以下か否かを判定する（ステップＳ１２８）。制御装置３０は、外気温度が設定値以下であると判断した場合、既に説明したステップＳ１２６の処理を実行する。

制御装置３０は、ステップＳ１２８において、外気温度が設定値以下でないと判断した場合、第４熱交換器４０２の第４ファン４０２１を回転させると共に、第１高元冷媒回路１００および第２高元冷媒回路２００を起動する（ステップＳ１２９）。次に、制御装置３０は、既に説明したステップＳ１０１と同様の処理を第２高元冷凍サイクルで実行し（ステップＳ１３０）、高容量運転モードに移行する。

以上、説明したように、変形例において、制御装置３０は、第３圧縮機３０１を起動するときに設定された周波数および温度センサ２０の検出結果に基づいて、第１高元冷媒回路１００、第２高元冷媒回路２００、および第４熱交換器４０２を起動するタイミングを制御する。

実施の形態２には、実施の形態１として説明した様々な変形例も適用可能である。たとえば、実施の形態２に図４～図７に示した実施の形態１の変形例のいずれを適用してもよい。また、それらの変形例のすべてを適用してもよく、それらの変形例のひとつまたは２つ以上を適用してもよい。

＜その他の変形例＞
二元冷凍サイクル装置５１および二元冷凍サイクル装置５２は、低元冷凍サイクル１系統に対し、高元冷凍サイクルを２系統に分割した構成を備えている。しかし、二元冷凍サイクル装置５１および二元冷凍サイクル装置５２は、低元冷凍サイクル１系統に対し、高元冷凍サイクルを３系統に分割した構成を備えていてもよい。たとえば、二元冷凍サイクル装置５１および二元冷凍サイクル装置５２は、第３高元冷凍サイクルをさらに備えていてもよい。

第３高元冷凍サイクルは、第１高元冷凍サイクルよりも高い冷却能力を備えていてもよい。第３高元冷凍サイクルは、第２高元冷凍サイクルよりも低い冷却能力を備えていてもよい。第３高元冷凍サイクルには、第１～第３冷媒と異なる種類の冷媒を用いてもよい。第３高元冷凍サイクルには、第１～第３冷媒のうちのいずれかの冷媒を用いてもよい。第１～第３高元冷凍サイクルには、共通の種類の冷媒を用いてもよい。

第３圧縮機３０１の吐出側に、第３圧縮機３０１が吐出した高温冷媒の温度を検出する吐出温度センサを設けてもよい。第３圧縮機３０１の吸入部側に低圧圧力センサを設けて、低圧飽和温度ＥＴを算出してもよい。

図２１に示した冷却運転モード２において、制御装置３０は、ステップＳ９１でＹＥＳと判定したとき、およびＮＯと判定したときのいずれのときも、第４熱交換器４０２の第４ファン４０２１を回転させる運転を行う。これに代えて、制御装置３０は、ステップＳ９１でＮＯと判定したとき、第４熱交換器４０２の第４ファン４０２１を回転させることなく、ステップＳ９６の処理に移行してもよい。

実施の形態２に関わる高容量運転モードにおいて、制御装置３０は、第３冷媒の圧力を適正に保つため、圧力センサ１０の出力値に基づいて第４ファン４０２１の回転数を制御してもよい。たとえば、制御装置３０は、図１４に示したフローチャートのステップＳ４２において、ＮＯと判定した場合、第４熱交換器４０２の第４ファン４０２１の回転数を最大数に上げてもよい。その後、制御装置３０は、ステップＳ４４の処理を実行する前に、ステップＳ４１と同様の判定をしてもよい。制御装置３０は、第４熱交換器４０２の第４ファン４０２１の回転数を最大数に上げても圧力上昇を抑えることができない場合、ステップＳ４４の処理を実行してもよい。

つまり、制御装置３０は、圧力センサ１０の検出結果に基づいて、圧力が第１閾値から第２閾値の範囲に入るように、第４熱交換器４０２、または第１高元冷媒回路１００若しくは第２高元冷媒回路２００の冷凍サイクルを制御してもよい。

実施の形態２に関わる低容量運転モードにおいて、制御装置３０は、第３冷媒の圧力を適正に保つため、圧力センサ１０の出力値に基づいて第４ファン４０２１の回転数を制御してもよい。たとえば、制御装置３０は、図１５に示したフローチャートのステップＳ７３において、第２圧縮機２０１（Ｃｏｍｐ２０１）の周波数が下限周波数に達していると判定した場合、第４熱交換器４０２の第４ファン４０２１の回転数を一定数下げてもよい。その後、制御装置３０は、第４ファン４０２１の回転数を下げてからステップＳ７８～ステップＳ８０の処理を実行してもよい。さらに、制御装置３０は、ステップＳ８０においてＮＯと判定した場合、再度、第４ファン４０２１の回転数を一定数下げるようにしてもよい。あるいは、制御装置３０は、ステップＳ７３においてＮＯと判定した場合、第４熱交換器４０２の第４ファン４０２１を停止してもよい。

つまり、制御装置３０は、圧力センサ１０の検出結果に基づいて、圧力が第１閾値から第２閾値の範囲に入るように、第４熱交換器４０２の第４ファン４０２１の回転数、第１高元冷媒回路１００、および第２高元冷媒回路２００の冷凍サイクルを制御してもよい。

以上、説明したとおり、実施の形態１および実施の形態２に関わる二元冷凍サイクル装置５１，５２によれば、第１高元冷媒回路１００および第２高元冷媒回路２００は、それぞれの最大冷却能力が互いに異なるように構成されているため、冷却運転モードおよび停止運転モードのいずれにおいても、負荷に要求される冷却能力に応じた高元冷凍サイクルを起動することができる。その結果、実施の形態１に関わる二元冷凍サイクル装置によれば、負荷に要求される冷却能力の変化に応じた柔軟な運転を複数の高元冷凍サイクルで実現可能となる。

また、実施の形態１および実施の形態２に関わる二元冷凍サイクル装置５１，５２によれば、第１高元冷媒回路１００および第２高元冷媒回路２００により提供される高元冷凍サイクルの冷却能力が低元冷媒回路３００の冷凍サイクルの状態に基づいて変動する。たとえば、第３圧縮機３０１に対して設定された目標周波数の大きさに応じて、低容量運転モードおよび高容量運転モードのいずれかが選択される。その結果、実施の形態１に関わる二元冷凍サイクル装置によれば、負荷に要求される冷却能力の変化に応じた柔軟な運転を複数の高元冷凍サイクルで実現可能となる。

＜開示のポイント＞
以下、本開示のいくつかのポイントをまとめる。

(ポイント１)
本開示に関わる二元冷凍サイクル装置５１，５２において、第２高元冷凍サイクルの第２圧縮機２０１、第２熱交換器２０２、第２膨張弁２０３、および第２カスケードコンデンサ２０４のうちの少なくとも１つの構成要素が、第１高元冷凍サイクルの第１圧縮機１０１、第１熱交換器１０２、第１膨張弁１０３、および第１カスケードコンデンサ１０４のうちの対応する構成要素よりも能力の小さい構成要素で構成されている。

一般に、停止運転モードに必要な冷却能力に対し、高元冷凍サイクルの能力が大き過ぎると圧縮機の起動および起動停止が頻発し、冷凍サイクルの信頼性が低下する。しかし、本開示では、第１高元冷凍サイクルに対し、第２高元冷凍サイクルを小型の要素で構成することで、停止運転モードにおいて、高元冷凍サイクルの圧縮機の起動および起動停止が頻発することを抑制可能である。

本開示に関わる二元冷凍サイクル装置５１，５２において、高元冷凍サイクルを複数台に分割している。これにより、高元冷凍サイクルの一部の冷凍サイクルで故障などの不具合が発生したとしても、他の高元冷凍サイクルを運転させることができる。その結果、停止運転モードにおいて、低元冷凍サイクルで圧力が異常に上昇することを抑制することができる。

本開示に関わる二元冷凍サイクル装置５１，５２において、二元冷凍サイクルを利用することで、低元冷凍サイクルに高圧冷媒を用いた場合であっても、低元冷凍サイクルの凝縮温度を低減した状態で運転させることができる。

本開示に関わる二元冷凍サイクル装置５１，５２において、低元冷凍サイクルの凝縮温度を低減した状態で運転させるため、冷媒配管に求められる耐圧圧力を低減させることができる。

本開示に関わる二元冷凍サイクル装置５１，５２は、高元と低元で別々の冷凍サイクル回路を有しているため、各国の冷媒規制に柔軟に対応することができる。

（ポイント２）
本開示に関わる二元冷凍サイクル装置５１，５２において、必要となる高元冷凍サイクルの容量（冷却能力）を１００％とした場合に、第２高元冷凍サイクルの容量が５０％未満であることが好ましい。さらには、第２高元冷凍サイクルの容量が３５％以下である方がより好ましく、第２高元冷凍サイクルの容量が２０％以下である方がより好ましい。なお、容量を低減する場合、圧縮機を小型化することが好ましい。圧縮機を小型化することが、コスト低減および冷却能力低減に最も効果があるためである。

第１高元冷凍サイクルの下限周波数で出力可能な冷却能力に対し、第２高元冷凍サイクルの上限周波数で出力可能な冷却能力は、大きくなるよう設計することが好ましい。高元冷凍サイクルの容量に差を設けることによって、運転範囲を拡大することができる。

第１高元冷凍サイクルの下限周波数で出力可能な冷却能力に対し、第２高元冷凍サイクルの上限周波数で出力可能な冷却能力が大きくなるよう設計することで、境界となる冷却能力が必要となる際に、圧縮機が頻繁に起動および起動停止することを抑制することができる。

（ポイント３）
本開示に関わる二元冷凍サイクル装置５１，５２において、高元冷凍サイクルに用いられる第１熱交換器１０２および第２熱交換器２０２は、両熱交換器が一体化された第５熱交換器５０２にて構成されている。本開示によれば、高元冷凍サイクルのファンの数を減らすことができる。その結果、省スペース化および低コスト化を図ることができる。

（ポイント４）
本開示に関わる二元冷凍サイクル装置５１，５２において、低元冷凍サイクルに用いられる冷媒がＣＯ２である。低元冷凍サイクルに高圧冷媒であるＣＯ２を使用する場合、高元冷凍サイクルにて低元冷凍サイクルの凝縮圧力を低減できる。その結果、低い耐圧圧力の配管および各要素機器を低減冷凍サイクルに適用することができる。

ＣＯ２は、自然冷媒のため、機器の総ＧＷＰを大幅に削減できる。倉庫等の室内機に接続される低元冷凍サイクルに不燃ガスを用いることで、冷媒が漏洩したときに冷媒が燃焼することがない。

単段冷凍サイクルまたは２段冷凍サイクルにＣＯ２を適用する場合と比較して、凝縮側で使用する圧力が低いため、単段冷凍サイクルまたは２段冷凍サイクルでＣＯ２を使用する場合と比較して、冷媒量の使用量を低減することができる。

（ポイント５）
第２高元冷凍サイクルに無停電電源装置２０５を設けることで、停電により低元冷凍サイクルおよび第１高元冷凍サイクルが停止しても、第２高元冷凍サイクルを運転することを可能としている。これにより、低元冷凍サイクルの圧力上昇を抑制できる。

第１高元冷凍サイクルに比べ小型の第２高元冷凍サイクルに無停電電源装置２０５を適用するため、必要な電源容量を小さくすることができる。必要な電源容量を小さくすることでコストを抑制できる。また、電源サイズを小型化することができる。

（ポイント６）
本開示に関わる二元冷凍サイクル装置５１，５２において、第２高元冷凍サイクルの回路内に封入される冷媒が低元冷凍サイクルおよび第１高元冷凍サイクルの回路内に封入される冷媒と異なる。特に、容量の小さい第２高元冷凍サイクルに低元冷凍サイクルおよび第１高元冷凍サイクルの回路内に封入されている冷媒よりも理論性能または実使用上の性能が高い冷媒を封入する。これにより、システムＣＯＰを向上させることができる。また、信頼性を確保することができる。

（ポイント７）
本開示に関わる二元冷凍サイクル装置５２において、低元冷凍サイクルは、第３圧縮機３０１と第１カスケードコンデンサ１０４との間に、第３圧縮機３０１より吐出された高温冷媒の熱を空気に放熱する第４熱交換器４０２を有する。これにより、外気温度が低いときに、第４熱交換器４０２の放熱のみで低元冷凍サイクルの第３冷媒の圧力が異常に上昇することを防止できる。つまり、高元冷凍サイクルの運転が不要である。その結果、高効率な運転が可能となる。

また、低元冷凍サイクルにおいて、第３冷媒の熱量の一部を空気に放熱できる。その結果、過熱蒸気の第３冷媒は、第４熱交換器４０２によって冷却された後に第１カスケードコンデンサ１０４に案内される。したがって、第１カスケードコンデンサ１０４において、熱伝達率の高い２相領域の第３冷媒と第１冷媒とで熱交換させることができる。第２カスケードコンデンサ２０４においても同様である。

（ポイント８）
本開示に関わる二元冷凍サイクル装置５２において、第４熱交換器４０２は、第１熱交換器１０２および第２熱交換器２０２と共に一体化された第６熱交換器６０２にて構成されている。また、第４熱交換器４０２は、第２熱交換器２０２と一体化された第７熱交換器７０２にて構成されている。本開示によれば、高元冷凍サイクルのファンの数を減らすことができる。その結果、省スペース化および低コスト化を図ることができる。

（ポイント９）
第１熱交換器１０２と、第２熱交換器２０２と、第４熱交換器４０２との総伝熱面積に対して、第４熱交換器４０２の伝熱面積の比率が３％以上～５０％未満の範囲である、または、８％以上～３０％未満の範囲である。第４熱交換器４０２の伝熱面積の比率を適正化することにより、冷凍サイクルの運転状況によっては、高元冷凍サイクルを起動させずに第４熱交換器４０２の放熱のみで低元冷媒回路３００の圧力が上昇することを抑制できる。

（ポイント１０）
本開示に関わる二元冷凍サイクル装置５１，５２において、受液器３０４から逆止弁３０５を経由してガス冷媒が第１カスケードコンデンサ１０４または第２カスケードコンデンサの２０４入口部に連通するよう、帰還冷媒配管１８が設けられている。帰還冷媒配管１８は、受液器３０４の上部に設けられている。このため、冷媒の圧力上昇を抑制するために凝縮させたいガス冷媒のみを第１カスケードコンデンサ１０４または第２カスケードコンデンサ２０４に戻すことができる。

受液器３０４は、第２カスケードコンデンサ２０４よりも鉛直方向において低い位置に設けられている。このため、液体の第３冷媒を自重で受液器３０４に集めることができる。

（ポイント１１）
本開示に関わる二元冷凍サイクル装置５１，５２は、低元冷凍サイクルの凝縮部分に設けられている圧力センサ１０の検出結果に基づいて、予め設定された閾値の圧力範囲となるように高元冷凍サイクルのファン（第１ファン１０２１、第２ファン２０２１）の回転数、圧縮機（第１圧縮機１０１、第２圧縮機２０１）の周波数、および膨張弁（第１膨張弁１０３、第２膨張弁２０３）の開度を制御する。

本開示に関わる二元冷凍サイクル装置５１，５２は、圧力センサ１０の検出結果に応じて高元冷凍サイクルを起動する。負荷が大きいときには、第２高元冷凍サイクルのみならず、第１高元冷凍サイクルも起動する。さらに、高元冷凍サイクルのファンの回転数、膨張弁の開度、圧縮機の周波数を所望の冷凍サイクル状態となるよう制御することで、低元冷凍サイクルの圧力上昇を抑制できる。

特に、ファン（第１ファン１０２１、第２ファン２０２１）の回転数を制御（凝縮温度の制御）することで、高元冷凍サイクルの圧力が異常に上昇することを抑制しつつ、低圧縮比となる運転条件時に回転数を低減し、圧縮比を保つことができる。

また、膨張弁（第１膨張弁１０３、第２膨張弁２０３）の開度を制御（ＳＨの制御）することで、運転状態に応じて高元側の第１圧縮機１０１および第２圧縮機２０１にガス冷媒を吸入させることができる。第１圧縮機１０１および第２圧縮機２０１にガス冷媒を吸入させることで、第１圧縮機１０１および第２圧縮機２０１の信頼性を向上させることができる。

圧力が設定した圧力となるように圧縮機（第１圧縮機１０１、第２圧縮機２０１）の周波数を制御することで、低元冷凍サイクルの負荷に応じて高元冷凍サイクルの冷却能力を制御することができる。さらに、圧力の閾値に範囲を持たせることで、圧縮機の起動および起動停止の頻発を抑制できると共に、圧縮機の周波数が頻繁に変更されることを防止できる。

たとえば、低元冷凍サイクルの第３圧縮機３０１および第２高元冷凍サイクルの第２圧縮機２０１を起動する。低元冷凍サイクルの凝縮能力が高元冷凍サイクルの蒸発能力を超える場合、第３冷媒の圧力が上昇し、たとえば、３℃に対応する圧力以上になったとする。この場合、第２高元冷凍サイクルの第２圧縮機２０１の周波数を第３冷媒の圧力が基準値（たとば、０℃に対応する圧力）になるまで上昇させる。第２圧縮機２０１の圧力が目標値となる周波数となれば、運転を維持する。負荷が大きい場合には第１高元冷凍サイクルの第１圧縮機１０１を起動する。ただし、起動したときの第３圧縮機３０１の周波数が非常に高い場合には、第１および第２高元冷凍サイクルを同時に起動してもよい。

圧力センサ１０は、第３圧縮機３０１の吐出部から第１カスケードコンデンサ１０４の入口までの区間であればいずれの位置に設けてもよいが、第３冷媒の圧力が最も高い第３圧縮機３０１の吐出部に設けることが好ましい。高元冷凍サイクルの内、基本的には小容量の第２高元冷凍サイクルを優先的に起動し、低元冷媒回路３００内の圧力が異常に上昇することを抑制することが好ましい。第２高元冷凍サイクルは第１高元冷凍サイクルよりも小容量であるため、圧縮機で起動および起動停止が頻繁に発生することを防止できるからである。また、第２高元冷凍サイクルに理論性能の高い冷媒を封入しているときには、高効率な運転が可能である。

（ポイント１２）
本開示に関わる二元冷凍サイクル装置５１，５２は、第３圧縮機３０１の起動時の設定周波数に基づいて、第１高元冷凍サイクルおよび第２高元冷凍サイクルの起動のタイミングを制御する。たとえば、第３圧縮機３０１の周波数が閾値よりも低い際は小容量の第２高元冷凍サイクルのみを起動し、第３圧縮機３０１の周波数が閾値よりも高い際は起動時から第１高元冷凍サイクルおよび第２高元冷凍サイクルを起動する。

これにより、冷凍サイクルを起動したときに圧力が急激に上昇することを確実に抑制することができる。また、第３圧縮機３０１の周波数が低い際に第１高元冷凍サイクルを起動しないことにより、高元冷凍サイクル側で圧縮機が起動および起動停止を頻繁に繰り返すことを抑制できる。その結果、信頼性を向上させることができる。また、不要な機器動作をさせずに冷却運転を実施できるため、性能を向上させることができる。

（ポイント１３）
本開示に関わる二元冷凍サイクル装置５２は、圧力センサ１０の検出結果に基づいて、設定された範囲で圧力が維持されるように、第４熱交換器４０２の第４ファン４０２１の回転数、高元冷凍サイクルのファン（第１ファン１０２１、第２ファン２０２１）の回転数、圧縮機（第１圧縮機１０１、第２圧縮機２０１）の周波数、および膨張弁（第１膨張弁１０３、第２膨張弁２０３）の開度を制御する。

本開示によれば、第４熱交換器４０２を設けることで、外気温度が低い場合（たとえば－５℃）、高元冷凍サイクルを起動することなく、第４ファン４０２１の回転数を制御することによって低元冷媒回路３００内の圧力が異常に上昇することを防止できる。

（ポイント１４）
本開示に関わる二元冷凍サイクル装置５２は、第３圧縮機３０１の起動時の設定周波数および外気温度に基づいて、第４熱交換器４０２のファンの起動タイミング、第１高元冷凍サイクルの起動タイミング、および第２高元冷凍サイクルの起動タイミングを制御する。

＜開示の特徴＞
以下、本開示の特徴のいくつかを列挙する。

（１） 本開示に関わる二元冷凍サイクル装置（５１）は、第１冷媒を循環させる第１高元冷媒回路（１００）と、第２冷媒を循環させる第２高元冷媒回路（２００）と、第３冷媒を循環させる低元冷媒回路（３００）と、第１冷媒と第３冷媒との間で熱を交換させる第１カスケードコンデンサ（１０４）と、第２冷媒と第３冷媒との間で熱を交換させる第２カスケードコンデンサ（２０４）とを備え、第１高元冷媒回路（１００）は、第１圧縮機（１０１）と、第１熱交換器（１０２）と、第１膨張弁（１０３）とを有し、第１圧縮機（１０１）、第１熱交換器（１０２）、第１膨張弁（１０３）、第１カスケードコンデンサ（１０４）、および第１圧縮機（１０１）の順に第１冷媒を循環させ、第２高元冷媒回路（２００）は、第２圧縮機（２０１）と、第２熱交換器（２０２）と、第２膨張弁（２０３）とを有し、第２圧縮機（２０１）、第２熱交換器（２０２）、第２膨張弁（２０３）、第２カスケードコンデンサ（２０４）、および第２圧縮機（２０１）の順に第２冷媒を循環させ、低元冷媒回路（３００）は、第３圧縮機（３０１）と、第３熱交換器（３０２）と、第３膨張弁（３０３）とを有し、第３膨張弁（３０３）、第３熱交換器（３０２）、第３圧縮機（３０１）の順に第３冷媒を循環させ、第１高元冷媒回路（１００）および第２高元冷媒回路（２００）は、それぞれの最大冷却能力が互いに異なるように構成されている（図３）。

本開示によれば、負荷に要求される冷却能力の変化に応じた柔軟な運転を複数の高元冷凍サイクルで実現可能な二元冷凍サイクル装置を提供することが可能である。

（２） 第２高元冷媒回路（２００）の最大冷却能力は、第１高元冷媒回路（１００）および第２高元冷媒回路（２００）による最大冷却能力の５０％未満である（図３）。

（３） 第２圧縮機（２０１）、第２熱交換器（２０２）、第２膨張弁（２０３）、および第２カスケードコンデンサ（２０４）のうちの少なくとも１つの構成要素が、第１圧縮機（１０１）、第１熱交換器（１０２）、第１膨張弁（１０３）、および第１カスケードコンデンサ（１０４）のうちの対応する構成要素よりも能力の小さい構成要素で構成されている。

（４） 第１高元冷媒回路（１００）の最大冷却能力は、第２高元冷媒回路（２００）の最大冷却能力よりも大きく、第１高元冷媒回路（１００）の冷却能力の範囲に、第２高元冷媒回路（２００）の冷却能力の上限値が含まれる（図８、図９）。

（５） 第１熱交換器（１０２）と第２熱交換器（２０２）とは、一体型の熱交換器（５０２）により構成されている。

（６） 第３冷媒は、二酸化炭素である（図３）。
（７） 第２高元冷媒回路（２００）は、無停電電源装置（２０５）に接続されている（図６、図７）。

（８） 第１冷媒（Ｒ１２３４ｙｆなど）は、第２冷媒（Ｒ３２など）と異なる種類の冷媒である。

（９） 低元冷媒回路（３００）は、第２カスケードコンデンサ（２０４）と第３膨張弁（３０３）との間に配置される受液器（３０４）と、第２カスケードコンデンサ（２０４）から受液器（３０４）に流入した第３冷媒を、第１カスケードコンデンサ（１０４）または第２カスケードコンデンサ（２０４）に戻す帰還経路（帰還冷媒配管１８の経路）とをさらに有し、帰還経路には受液器（３０４）の方向に第３冷媒が流れることを阻止する逆止弁（３０５）が設けられている。

（１０） 帰還経路は、受液器（３０４）の上部に接続されている（図２）。
（１１） 受液器（３０４）は、第２カスケードコンデンサ（２０４）の位置よりも鉛直方向において低い位置に配置されている（図２）。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 室外機、２ 室内機、１０ 圧力センサ、１５ 延長配管、１６ 第１冷媒配管、１７ 第２冷媒配管、１８ 帰還冷媒配管、２０ 温度センサ、３０ 制御装置、３１ プロセッサ、３２ メモリ、５１，５２ 二元冷凍サイクル装置、１００ 第１高元冷媒回路、１０１ 第１圧縮機、１０２ 第１熱交換器、１０３ 第１膨張弁、１０４ 第１カスケードコンデンサ、２００ 第２高元冷媒回路、２０１ 第２圧縮機、２０２ 第２熱交換器、２０３ 第２膨張弁、２０４ 第２カスケードコンデンサ、２０５ 無停電電源装置、３００ 低元冷媒回路、３０１ 第３圧縮機、３０２ 第３熱交換器、３０３ 第３膨張弁、３０４ 受液器、３０５ 逆止弁、４０２ 第４熱交換器、５０２ 第５熱交換器、６０２ 第６熱交換器、７０２ 第７熱交換器、１０２１ 第１ファン、２０２１ 第２ファン、３０２１ 第３ファン、４０２１ 第４ファン、５０２１ 第５ファン、６０２１ 第６ファン、７０２１ 第７ファン、ＡＴ１０ 外気温度、Ｒ１０ 高元運転が不要とされる領域、Ｒ２０ 高元運転が必要とされる領域、Ｗ１０，Ｗ２０ 枠。

Claims (11)

1. 二元冷凍サイクル装置であって、
   第１冷媒を循環させる第１高元冷媒回路と、
   第２冷媒を循環させる第２高元冷媒回路と、
   第３冷媒を循環させる低元冷媒回路と、
   前記第１冷媒と前記第３冷媒との間で熱を交換させる第１カスケードコンデンサと、
   前記第２冷媒と前記第３冷媒との間で熱を交換させる第２カスケードコンデンサとを備え、
   前記第１高元冷媒回路は、第１圧縮機と、第１熱交換器と、第１膨張弁とを有し、前記第１圧縮機、前記第１熱交換器、前記第１膨張弁、前記第１カスケードコンデンサ、および前記第１圧縮機の順に前記第１冷媒を循環させ、
   前記第２高元冷媒回路は、第２圧縮機と、第２熱交換器と、第２膨張弁とを有し、前記第２圧縮機、前記第２熱交換器、前記第２膨張弁、前記第２カスケードコンデンサ、および前記第２圧縮機の順に前記第２冷媒を循環させ、
   前記低元冷媒回路は、第３圧縮機と、第３熱交換器と、第３膨張弁とを有し、前記第３圧縮機、前記第１カスケードコンデンサ、前記第２カスケードコンデンサ、前記第３膨張弁、前記第３熱交換器、および前記第３圧縮機の順に前記第３冷媒を循環させ、
   前記第１高元冷媒回路および前記第２高元冷媒回路は、それぞれの最大冷却能力が互いに異なるように構成されている、二元冷凍サイクル装置。
2. 前記第２高元冷媒回路の前記最大冷却能力は、前記第１高元冷媒回路および前記第２高元冷媒回路による前記最大冷却能力の５０％未満である、請求項１に記載の二元冷凍サイクル装置。
3. 前記第２圧縮機、前記第２熱交換器、前記第２膨張弁、および前記第２カスケードコンデンサのうちの少なくとも１つの構成要素が、前記第１圧縮機、前記第１熱交換器、前記第１膨張弁、および前記第１カスケードコンデンサのうちの対応する構成要素よりも能力の小さい構成要素で構成されている、請求項１または請求項２に記載の二元冷凍サイクル装置。
4. 前記第１高元冷媒回路の前記最大冷却能力は、前記第２高元冷媒回路の前記最大冷却能力よりも大きく、
   前記第１高元冷媒回路の冷却能力の範囲に、前記第２高元冷媒回路の冷却能力の上限値が含まれる、請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の二元冷凍サイクル装置。
5. 前記第１熱交換器と前記第２熱交換器とは、一体型の熱交換器により構成されている、請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の二元冷凍サイクル装置。
6. 前記第３冷媒は、二酸化炭素である、請求項１～請求項５のいずれか１項に記載の二元冷凍サイクル装置。
7. 前記第２高元冷媒回路は、無停電電源装置に接続されている、請求項１～請求項６のいずれか１項に記載の二元冷凍サイクル装置。
8. 前記第１冷媒は、前記第２冷媒と異なる種類の冷媒である、請求項１～請求項７のいずれか１項に記載の二元冷凍サイクル装置。
9. 前記低元冷媒回路は、
   前記第２カスケードコンデンサと前記第３膨張弁との間に配置される受液器と、
   前記第２カスケードコンデンサから前記受液器に流入した前記第３冷媒を、前記第１カスケードコンデンサまたは前記第２カスケードコンデンサに戻す帰還経路とをさらに有し、
   前記帰還経路には前記受液器の方向に前記第３冷媒が流れることを阻止する逆止弁が設けられている、請求項１～請求項８のいずれか１項に記載の二元冷凍サイクル装置。
10. 前記帰還経路は、前記受液器の上部に接続されている、請求項９に記載の二元冷凍サイクル装置。
11. 前記受液器は、前記第２カスケードコンデンサの位置よりも鉛直方向において低い位置に配置されている、請求項９または請求項１０に記載の二元冷凍サイクル装置。

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