JPH08189713A - 二元冷凍装置 - Google Patents

二元冷凍装置

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JPH08189713A
JPH08189713A JP7003890A JP389095A JPH08189713A JP H08189713 A JPH08189713 A JP H08189713A JP 7003890 A JP7003890 A JP 7003890A JP 389095 A JP389095 A JP 389095A JP H08189713 A JPH08189713 A JP H08189713A
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high temperature
outside air
condenser
refrigerant
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Akitoshi Ueno
明敏 上野
Yuuji Fujimoto
遊二 藤本
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Daikin Industries Ltd
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Daikin Industries Ltd
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    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B7/00—Compression machines, plants or systems, with cascade operation, i.e. with two or more circuits, the heat from the condenser of one circuit being absorbed by the evaporator of the next circuit
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B25/00—Machines, plants or systems, using a combination of modes of operation covered by two or more of the groups F25B1/00 - F25B23/00
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2500/00—Problems to be solved
    • F25B2500/31—Low ambient temperatures

Abstract

(57)【要約】 【目的】二元冷凍装置の省エネルギー化を図る。 【構成】低温側冷凍サイクルを構成する低温側ユニット
(1) よりも、高温側冷凍サイクルを構成する高温側圧縮
機(15)及び凝縮器(16)を備えた高温側ユニット(2) を高
位置に設け、高温側ユニット(2) 高温側圧縮機(15)をバ
イパスする通路(19)を設けるとともに、該通路(19)に開
閉弁(20)を設け、外気温センサ(21)によって検出される
外気温が低いときには上記高温側圧縮機(15)の運転を停
止させて上記バイパス通路(19)を開とし、高温側冷凍サ
イクルにおいては冷媒を自然循環させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は二元冷凍装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】二元冷凍装置は、低温側と高温側とで別
個のサイクルを行なう二つの冷凍機を一つに組み合わせ
たものであり、マイナス数十度の低い温度を得るために
使用されている。この装置は、高圧縮比から低圧縮比ま
で効率の良いところで使用することができるため、省エ
ネルギーの点で有利である。その一例については特開平
５−５５６７号公報に記載されている。このものは、組
付け、配管接続に高度の精密技術ならびに品質管理が要
求される低温側の冷却ユニットをファクトリ・アッセン
ブリ化した一体構造のものとし、これに構造が簡単な高
温側ユニットであるセパレート型の室外機を組み合わせ
るようにして、現地工事の簡単化ならびに装置の信頼性
の向上を図ったものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記二元冷凍
装置は、省エネルギー化が図れるとはいっても、外気温
が低い場合には、高圧縮比を生かすことはできず、かえ
って室外機の運転を常時行なう必要があるため、エネル
ギー的に不利になることがある。
【０００４】すなわち、本発明の課題は、上記二元冷凍
装置において、その省エネルギー化をより一層図ること
ができるようにすることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明者は、上記課題に
ついて種々の実験・検討を行ない、上述の如き外気温が
低い場合には、高温側ユニットの冷媒を圧縮せずに自然
循環させるだけでも低温側ユニットからの廃熱を吸収し
室外に放出するに充分であることを見出だし、本発明を
完成するに至ったものである。
【０００６】すなわち、特許請求の範囲の請求項１に係
る発明は、低温側圧縮機(3) 、カスケードコンデンサ
(4) の凝縮部、膨張手段(5) 及び蒸発器(6) が順に接続
されて低温側冷凍サイクルを構成している低温側ユニッ
ト(1) と、高温側圧縮機(15)と、外気を利用して冷媒を
凝縮させる凝縮器(16)とを有し、該高温側圧縮機(15)及
び凝縮器(16)が高温側冷凍サイクルを構成するように膨
張手段９を介して上記カスケードコンデンサ(4) の蒸発
部に接続された高温側ユニット(2) とを備えている二元
冷凍装置において、上記高温側ユニット(2) が低温側ユ
ニット(1) よりも高位置に設けられており、外気温を検
出する外気温センサ(21)と、上記外気温センサ(21)によ
って検出された外気温が所定温度よりも低いときに上記
高温側冷凍サイクルにおいて冷媒を自然循環させる自然
循環手段とを備えていることを特徴とするものである。
【０００７】また、請求項２に係る発明は、上記請求項
１に係る二元冷凍装置において、上記自然循環手段が、
上記高温側圧縮機(15)をバイパスするバイパス通路(19)
と、該バイパス通路(19)を開閉する開閉弁(20)と、上記
外気温センサ(21)によって検出される外気温が所定温度
よりも低いときに、上記高温側圧縮機(15)を停止させる
とともに、上記開閉弁(20)を開にする制御手段(22)とを
備えてなることを特徴とするものである。
【０００８】請求項３に係る発明は、上記請求項２に係
る二元冷凍装置において、さらに、上記高温側冷凍サイ
クルの膨張弁(9) をバイパスする第２のバイパス通路(1
0)と、該第２のバイパス通路(10)を開閉する第２の開閉
弁(11)とを設け、上記制御手段(22)が、上記外気温が所
定温度よりも低いときにさらに上記第２の開閉弁(11)を
開にするようにしたものである。
【０００９】
【作用】請求項１に係る発明において、外気温が高いと
きには、高温側圧縮機(15)が運転される。これにより、
当該高温側ユニット(2) の冷媒は高い圧縮比で圧縮され
るため、外気温が高くともこれを凝縮器(16)で液化し、
カスケードコンデンサ(4) において低温側ユニット(1)
の冷媒と熱交換をさせることができる。
【００１０】外気温が低いときには、上記高温側圧縮機
(15)はその運転が停止されるが、カスケードコンデンサ
(4) での熱交換によって温度が高くなった高温側ユニッ
ト(2) の冷媒は、外気温が低いために凝縮器(16)におい
て外気との熱交換によって液化する。この場合、高温側
ユニット(2) は低温側ユニット(1) よりも高位置にある
ため、液化した当該冷媒は重力でカスケードコンデンサ
(4) の蒸発部に流れ、低温側ユニット(1) の冷媒との間
で熱交換を行ない、気化・膨張して再び高位置にある凝
縮器(16)まで上昇する、という自然循環（重力循環）を
行なうことになる。
【００１１】請求項２に係る発明においては、外気温が
低いときには、上記高温側圧縮機(15)の運転は停止さ
れ、上記バイパス通路(19)が開となる。従って、カスケ
ードコンデンサ(4) での熱交換によって温度が高くなっ
た高温側ユニット(2) の冷媒は、高温側圧縮機(15)をバ
イパスして凝縮器(16)に流れる、という自然循環を行な
うことになる。このため、当該自然循環において高温側
圧縮機(15)が通路抵抗となることを避けることができ、
冷媒循環量を多くすることができる。
【００１２】請求項３に係る発明の場合は、外気温が低
いときに冷媒が高温側冷凍サイクルの膨張弁(9) をバイ
パスして循環するため、通路抵抗が少なくなり、所期の
冷媒循環量を確保する上で有利になる。
【００１３】
【発明の効果】請求項１に係る発明によれば、二元冷凍
装置において、高温側ユニット(2) を低温側ユニット
(1) よりも高位置に設けるとともに、外気温を検出する
外気温センサ(21)を設け、該外気温センサ(21)によって
検出された外気温が所定温度よりも低いときに高温側冷
凍サイクルにおいて冷媒を自然循環させるようにしたか
ら、冷却能力の大きな低下を招くことなく、高温側圧縮
機(15)が無駄に運転されることを防止することができ、
省エネルギー化を図ることができる。
【００１４】請求項２に係る発明によれば、上記高温側
冷凍サイクルの冷媒を自然循環させる手段が、上記高温
側圧縮機(15)をバイパスするバイパス通路(19)と、該バ
イパス通路(19)を開閉する開閉弁(20)と、上記外気温セ
ンサ(21)によって検出される外気温が所定温度よりも低
いときに、上記高温側圧縮機(15)を停止させるととも
に、上記開閉弁(20)を開にする制御手段(22)とを備えて
なるものであるから、当該自然循環において高温側圧縮
機(15)が通路抵抗となることを避けて冷媒の自然循環量
を多くすることができ、所期の冷却能力を確保する上で
有利になる。
【００１５】請求項３に係る発明によれば、外気温が低
いときに冷媒が高温側冷凍サイクルの膨張弁(9) をバイ
パスして循環するようにしたから、通路抵抗が少なくし
て冷媒の自然循環量を多くすることができ、所期の冷却
能力を確保する上でさらに有利になる。
【００１６】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。
【００１７】二元冷凍装置の冷媒回路を示す図１におい
て、(1) は屋内の冷凍庫に設けられる低温側ユニット、
(2) は屋上に設けられる高温側ユニットであり、この実
施例では高温側ユニット(2) は低温側ユニット(1) より
も１０ｍ以上高い位置に設けられている。
【００１８】上記低温側ユニット(1) において、(3) は
低温側圧縮機、(4) はカスケードコンデンサ、(5) は低
温側の感温膨張弁、(6) は冷凍庫７の内部に設けられる
蒸発器であり、蒸発器(6) には庫内ファン(8) が付設さ
れている。上記低温側圧縮機(3) 、カスケードコンデン
サ(4) の凝縮部、感温膨張弁(5) 及び蒸発器(6) は順に
接続されて低温側冷凍サイクルを構成している。
【００１９】上記カスケードコンデンサ(4) の蒸発部の
流入ポート側には、後述する高温側冷凍サイクルを構成
する高温側の感温膨張弁(9) が接続されているととも
に、該膨張弁(9) をバイパスする通路(10)及び該バイパ
ス通路(10)を開閉する電磁開閉弁(11)が設けられてい
る。また、上記蒸発器(6) の流出ポート側及び上記カス
ケードコンデンサ(4) の蒸発部の流出ポート側には、上
記感温膨張弁(5),(9) のための温度センサ(12),(13) が
それぞれ付設されている。
【００２０】上記低温側ユニット(1) は、その各機器の
組付け、冷媒配管の接続を含む一切の組立が専門工場に
おいて行なわれた、つまりファクトリ・アッセンブリ化
されたものであり、現地においては当該ユニットの据付
とカスケードコンデンサ(4)の蒸発部に対する配管接続
だけが行なわれるものである。
【００２１】次に、高温側ユニット(2) において、(15)
は高温側圧縮機、(16)は外気を利用して冷媒を凝縮させ
る凝縮器、(17)は逆止弁であり、凝縮器(16)には室外フ
ァン(18)が付設されている。そして、上記高温側圧縮機
(15)、逆止弁(17)、凝縮器(16)、低温側ユニット(1) の
高温側膨張弁(9) 及び上記カスケードコンデンサ(4)の
蒸発部が順に接続されて高温側冷凍サイクルを構成して
いる。
【００２２】上記高温側ユニット(2) には、上記高温側
圧縮機(15)及び逆止弁(17)をバイパスして上記カスケー
ドコンデンサ(4) の蒸発部の流出側ポートを上記凝縮器
(16)に結ぶバイパス通路(19)が設けられていて、該バイ
パス通路(19)には該通路を開閉する電磁開閉弁(20)が設
けられている。
【００２３】そうして、当該二元冷凍装置は、上記高温
側ユニット(2) が配設された屋上に外気温を検出する外
気温センサ(21)を備えているとともに、該外気温センサ
(21)によって検出される外気温に基づいて上記低温側圧
縮機(3) 、庫内ファン(8) 、電磁開閉弁(11)，(20)、高
温側圧縮機(15)、及び室外ファン(18)の作動を制御する
制御手段(22)を備えている。
【００２４】すなわち、上記制御手段(22)は、図２に示
すように、外気温が５℃以上のときに二元サイクル運転
モードとなり、外気温が５℃未満のときに自然循環運転
モードとなるように、上記各機器を制御するものであ
る。各運転モードにおける各機器の作動状態は表１に示
す通りである。
【００２５】
【表１】
【００２６】従って、例えば外気温が３０℃のときは、
電磁開閉弁(11)，(20)がバイパス通路(10)，(19)を閉
じ、二元冷凍サイクルの運転モードとなる。この運転モ
ードでは、例えば、庫内温度を−２０℃にするときは、
図３（ｐ−ｉ線図）に示すように、蒸発器(6) での蒸発
温度が−３０℃、カスケードコンデンサ(4) の一次側が
１０℃、その２次側が５℃、凝縮器(16)での凝縮温度が
４５℃となるように設計される。
【００２７】よって、低温側冷凍サイクルでは、低温側
圧縮機(3) によって圧縮された冷媒はカスケードコンデ
ンサ(4) の一次側の凝縮部において１０℃で液化し、膨
張弁(5) において減圧膨張し、蒸発器(6) において−３
０℃で蒸発し周囲から蒸発熱を奪うことによって庫内温
度を−２０℃に保ち、低温側圧縮機(3) において再び圧
縮される。高温側冷凍サイクルでは、高温側圧縮機(15)
によって圧縮された冷媒は、凝縮器(16)において外気と
の熱交換によって４５℃で液化し、膨張弁(9)において
減圧膨張し、カスケードコンデンサ(4) の二次側の蒸発
部において低温側冷凍サイクルの冷媒との熱交換によっ
て５℃で蒸発し、該低温側冷凍サイクルの冷媒を液化さ
せた後、高温側圧縮機(15)で再び圧縮される。
【００２８】一方、例えば外気温が０℃のときは、上記
電磁開閉弁(11)，(20)がバイパス通路(10)，(19)を開く
とともに、高温側圧縮機(15)の運転が停止されて自然循
環運転モードとなる。この場合は、図４に示すように、
カスケードコンデンサ(4) の一次側が２０℃、その二次
側の温度が１５℃、凝縮器(16)での凝縮温度が１０℃と
なる。
【００２９】すなわち、高温側冷凍サイクルでは、高温
側ユニット(2) の高温側圧縮機(15)をバイパスした冷媒
は凝縮器(16)において外気との熱交換により１０℃で液
化し、重力によって低温側ユニット(1) に降下し、膨張
弁(9) をバイパスしてカスケードコンデンサ(4) の二次
側の蒸発部に至る。この蒸発部において、当該冷媒は低
温側冷凍サイクルの冷媒との熱交換によって１５℃で蒸
発・膨張し、該低温側冷凍サイクルの冷媒を液化させた
後、高温側ユニット(2) へ上昇する。
【００３０】上記自然循環サイクルにおいては、冷媒が
高温側圧縮機(15)、逆止弁(17)及び膨張弁(9) をバイパ
スして流れるため、通路抵抗が少なくなって自然循環量
が多くなり、所期の冷却効率を得る上で有利に働く。ま
た、室外ファン(18)は自然し循環においても運転される
から、凝縮器(16)における冷媒の凝縮に有利である。
【００３１】高温側ユニットを５馬力、低温側ユニット
を３馬力とし、外気温が０℃、庫内温度−２０℃の条件
のときに、上記２つの運転モードのエネルギー使用効率
（ＥＥＲ）を比較すると次のようになる。
【００３２】二元冷凍サイクルモードの場合は、例えば
冷却能力が６１５０ｋｃａｌ／ｈ、消費電力は低温側ユ
ニット(1) が２．６４ＫＷ、高温側ユニット(2) が２．
６ＫＷとなり、エネルギー使用効率は１．１７となる。
【００３３】これに対して、自然循環モードの場合は、
低温側冷凍サイクルでの圧縮比が大きくなる分、冷媒の
循環量が減るため冷却能力が例えば５５５０ｋｃａｌ／
ｈとなり、低温側ユニット(1) の消費電力が３．２４Ｋ
Ｗと大きくなるが、エネルギー使用効率は１．７１とな
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の二元冷凍装置の冷媒回路図
【図２】制御のフロー図
【図３】二元冷凍サイクルのｐ−ｉ線図
【図４】自然循環におけるｐ−ｉ線図
【符号の説明】
(1) 低温側ユニット (2) 高温側ユニット (3) 低温側圧縮機 (4) カスケードコンデンサ (5) 低温側感温膨張弁 (6) 蒸発器 (7) 冷凍庫 (8) 庫内ファン (9) 高温側感温膨張弁 (10) バイパス通路 (11) 電磁開閉弁 (12),(13) 温度センサ (15) 高温側圧縮機 (16) 凝縮器 (17) 逆止弁 (18) 室外ファン (19) バイパス通路 (20) 電磁開閉弁 (21) 外気温センサ (22) 制御手段

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 低温側圧縮機(3) 、カスケードコンデン
    サ(4) の凝縮部、膨張手段(5) 及び蒸発器(6) が順に接
    続されて低温側冷凍サイクルを構成している低温側ユニ
    ット(1) と、 高温側圧縮機(15)と、外気を利用して冷媒を凝縮させる
    凝縮器(16)とを有し、該高温側圧縮機(15)及び凝縮器(1
    6)が高温側冷凍サイクルを構成するように膨張手段(9)
    を介してして上記カスケードコンデンサ(4) の蒸発部に
    接続された高温側ユニット(2) とを備えている二元冷凍
    装置において、 上記高温側ユニット(2) が低温側ユニット(1) よりも高
    位置に設けられており、 外気温を検出する外気温センサ(21)と、 上記外気温センサ(21)によって検出された外気温が所定
    温度よりも低いときに上記高温側冷凍サイクルにおいて
    冷媒を自然循環させる自然循環手段とを備えていること
    を特徴とする二元冷凍装置。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載されている二元冷凍装置
    において、 上記自然循環手段が、上記高温側圧縮機(15)をバイパス
    するバイパス通路(19)と、該バイパス通路(19)を開閉す
    る開閉弁(20)と、上記外気温センサ(21)によって検出さ
    れる外気温が所定温度よりも低いときに、上記高温側圧
    縮機(15)を停止させるとともに、上記開閉弁(20)を開に
    する制御手段(22)とを備えてなることを特徴とする二元
    冷凍装置。
  3. 【請求項３】 請求項２に記載されている二元冷凍装置
    において、 上記高温側冷凍サイクルの膨張弁(9) をバイパスする第
    ２のバイパス通路(10)と、該第２のバイパス通路(10)を
    開閉する第２の開閉弁(11)とを備えていて、 上記制御手段(22)が、上記外気温が所定温度よりも低い
    ときにさらに上記第２の開閉弁(11)を開にすることを特
    徴とする二元冷凍装置。
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