WO2015132964A1 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

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refrigeration cycle
low
source
refrigerant
heat
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智隆 石川
隅田　嘉裕
杉本　猛
池田　隆
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三菱電機株式会社
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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
    • 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
    • F25B2700/00—Sensing or detecting of parameters; Sensors therefor
    • F25B2700/21—Temperatures
    • F25B2700/2106—Temperatures of fresh outdoor air

Definitions

  • the present invention relates to a refrigeration cycle apparatus such as a refrigeration air conditioner used for applications such as refrigeration and air conditioning.
  • a refrigeration cycle apparatus is used as a refrigeration system.
  • chlorofluorocarbon is generally used as a refrigerant.
  • one refrigeration cycle is divided into a low-end side (using CO2 refrigerant) and a high-end side (using refrigerants such as chlorofluorocarbon, ammonia, hydrocarbons), and the role of the low-end side condenser and the high-end side evaporator
  • a refrigeration cycle apparatus has been proposed in which heat is directly exchanged by a cascade heat exchanger.
  • the refrigerant pressure on the low element side is affected by the cooling capacity on the high element side, so that the low element side can be maintained at a low pressure. Therefore, it is possible to reduce the thickness of the connecting piping and to reduce the number of on-site piping work.
  • the cooling function on the high side stops when the refrigeration cycle on the high side stops, so the low side has a saturation temperature equivalent to the ambient temperature, and the ambient temperature can be increased.
  • the pressure may be as high as 7 to 8 MPa or more. If an attempt is made to construct such a structure that can withstand such a pressure increase, a heavy equipment structure is required despite the use of a dual refrigeration cycle, resulting in high costs.
  • JP 2010-271000 A (first embodiment etc.)
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and does not require the cooling capacity of the high-source side refrigeration cycle in order to maintain the pressure reduction of the refrigeration cycle.
  • An object of the present invention is to provide a refrigeration cycle apparatus which is unnecessary and achieves energy saving and economical efficiency at the same time.
  • the refrigeration cycle apparatus includes a low-source side refrigeration cycle in which a low-side compressor, a heat-source-side heat exchanger, a low-side condenser, a low-side expansion valve, and a use-side heat exchanger are connected in order.
  • a refrigeration cycle apparatus configured to exchange heat with an evaporator, wherein the heat source temperature of a heat source exchanging heat with the refrigerant flowing through the heat source side heat exchanger, and heat exchange with the refrigerant flowing through the use side heat exchanger When any one of the utilization temperatures of the utilization side heat source is lower than the predetermined temperature, heat exchange on the temperature side lower than the predetermined temperature is promoted.
  • the refrigeration cycle apparatus according to the present invention can effectively use an existing cold heat source and keep the pressure of the refrigeration cycle low. For this reason, according to the refrigeration cycle apparatus according to the present invention, it is more energy efficient than the conventional system, avoids the cost increase of the equipment, and can achieve the thinning of the pipe, thereby reducing the man-hours of the local piping work. Can be made economically.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an example of a refrigerant circuit configuration of a refrigeration cycle apparatus (hereinafter referred to as a refrigeration cycle apparatus 100) according to an embodiment of the present invention.
  • the refrigeration cycle apparatus 100 will be described based on FIG.
  • the refrigeration cycle apparatus 100 has two refrigerant circuits (a low-side refrigeration cycle 10 and a high-side refrigeration cycle 20), and is configured to circulate refrigerant independently of each other. .
  • the refrigeration cycle apparatus 100 is configured so that two refrigerant circuits have a multistage configuration to form a dual refrigeration cycle, and heat between the refrigerant passing through the high-side evaporator 24 and the low-side condenser 12 respectively. They are connected by a cascade condenser (inter-refrigerant heat exchanger) C that is configured such that exchanges are possible.
  • the refrigeration cycle apparatus 100 includes a control device 30 that performs operation control of the entire dual refrigeration cycle.
  • the levels of temperature, pressure, etc. are not particularly determined in relation to absolute values, but are relatively determined in terms of the state and operation of the system, device, etc. And
  • the low-side refrigeration cycle 10 includes a low-side compressor 11, an auxiliary radiator 15, a low-side condenser 12, a low-side expansion valve 13, and a low-side evaporator 14 in this order as refrigerant piping. 19 is connected.
  • the high-side refrigeration cycle 20 is configured by connecting a high-side compressor 21, a high-side condenser 22, a high-side expansion valve 23, and a high-side evaporator 24 in this order through a refrigerant pipe 29. Configured.
  • the low-side compressor 11 sucks the refrigerant flowing through the low-side refrigeration cycle 10, compresses the refrigerant, and discharges it in a high temperature / high pressure state.
  • the low-source side compressor 11 is configured by a compressor of a type that can adjust the discharge amount of the high-side refrigerant, for example, by controlling the rotation speed by an inverter circuit or the like.
  • the auxiliary radiator 15 functions as a heat source side heat exchanger, for example, and cools the gas refrigerant discharged by the low-side compressor 11 by heat exchange with, for example, outdoor air (outside air), water, brine, or the like as a heat source.
  • outdoor air outdoor air
  • the auxiliary radiator 15 will be described assuming that the heat source is the outside air and heat exchange is performed between the outside air and the refrigerant.
  • the auxiliary radiator 15 is assumed to have an auxiliary radiator fan 16 for promoting heat exchange.
  • the auxiliary radiator fan 16 may be configured by a blower of a type that can adjust the air volume.
  • the refrigeration cycle apparatus 100 includes an outside air temperature sensor 31 that detects an outside air temperature that is a heat source temperature. The outside air temperature detected by the outside air temperature sensor 31 is sent to the control device 30. In addition, what is necessary is just to determine the classification of a sensor according to a heat source.
  • the low-source side condenser 12 exchanges heat between the refrigerant that has passed through the auxiliary radiator 15 and the refrigerant that flows through the high-side refrigeration cycle 20, and condenses the refrigerant that has passed through the auxiliary radiator 15 to form a liquid refrigerant (Condensed liquid).
  • a liquid refrigerant Condensed liquid
  • the heat transfer tube or the like through which the refrigerant flowing through the low-source side refrigeration cycle 10 passes becomes the low-source side condenser 12, and heat exchange with the refrigerant flowing through the high-source side refrigeration cycle 20 is performed.
  • the low-side expansion valve 13 functions as a decompression device, a throttling device, and the like, and decompresses and expands the refrigerant flowing through the low-side refrigeration cycle 10.
  • the low-source side expansion valve 13 may be composed of, for example, a flow rate control means such as an electronic expansion valve, a refrigerant flow rate adjustment means such as a capillary tube, a temperature-sensitive expansion valve, and the like.
  • the low-side evaporator 14 functions as, for example, a use-side heat exchanger, and evaporates the refrigerant flowing through the low-side refrigeration cycle 10 in order to maintain the use temperature set by heat exchange with the cooling target.
  • Gas refrigerant (evaporated gas).
  • the object to be cooled is cooled directly or indirectly by heat exchange with the refrigerant.
  • the low-side evaporator 14 has a low-side evaporator fan 17 for promoting heat exchange.
  • the low-source side evaporator fan 17 may be configured by a blower of a type that can adjust the air volume.
  • the refrigeration cycle apparatus 100 includes a use temperature sensor 32 that detects the current use temperature (the temperature of the use-side heat source (cooling target)) in the vicinity of the low-side evaporator 14.
  • the use temperature detected by the use temperature sensor 32 is sent to the control device 30.
  • the high-side compressor 21 sucks the refrigerant flowing through the high-side refrigeration cycle 20, compresses the refrigerant, and discharges it in a high temperature / high pressure state.
  • the high-end compressor 21 may be configured by a compressor of a type having an inverter circuit or the like and capable of adjusting the refrigerant discharge amount.
  • the high-side condenser 22 performs, for example, heat exchange between outside air, water, brine, and the like and the refrigerant flowing through the high-side refrigeration cycle 20 to condense and liquefy the refrigerant.
  • the high-side condenser 22 will be described assuming that the heat source is the outside air and heat exchange is performed between the outside air and the refrigerant.
  • the high-side condenser 22 has a high-side condenser fan 25 for promoting heat exchange.
  • the high-end condenser fan 25 may also be configured by a type of blower that can adjust the air volume.
  • the high-side expansion valve 23 functions as a decompression device, a throttling device, and the like, and decompresses and expands the refrigerant flowing through the high-side refrigeration cycle 20.
  • the high-side expansion valve 23 may be composed of, for example, the above-described flow rate control means such as an electronic expansion valve and refrigerant flow rate adjustment means such as a capillary tube.
  • the high-side evaporator 24 evaporates the refrigerant flowing through the high-side refrigeration cycle 20 by heat exchange.
  • a heat transfer tube or the like through which the refrigerant flowing through the high-side refrigeration cycle 20 serves as the high-side evaporator 24, and heat exchange with the refrigerant flowing through the low-side refrigeration cycle 10 is performed.
  • the cascade capacitor C may be configured with a plate heat exchanger or the like.
  • the cascade condenser C is an inter-refrigerant heat exchanger that has the functions of the high-end side evaporator 24 and the low-end side condenser 12 described above and enables heat exchange between the high-end side refrigerant and the low-end side refrigerant. .
  • the cascade condenser C is an inter-refrigerant heat exchanger that has the functions of the high-end side evaporator 24 and the low-end side condenser 12 described above and enables heat exchange between the high-end side refrigerant and the low-end side refrigerant. .
  • the control device 30 performs operation control of each device constituting the dual refrigeration cycle.
  • the control device 30 can be configured by hardware such as a circuit device that realizes the function, or can be configured by an arithmetic device such as a microcomputer or a CPU and software executed thereon.
  • the outside air temperature sensor 31 is a temperature sensor for detecting the outside air temperature.
  • the outside air temperature is a temperature related to detection by the outside air temperature sensor 31.
  • the utilization temperature sensor 32 is a temperature sensor for detecting utilization temperature.
  • the use temperature is assumed to be a temperature related to detection by the use temperature sensor 32.
  • a part of the low-end refrigeration cycle 10 (for example, the low-end evaporator 14) is included in an indoor load device such as a supermarket showcase.
  • an indoor load device such as a supermarket showcase.
  • the refrigerant circuit is opened by changing the connection of the piping by rearranging the showcase or the like, the possibility of refrigerant leakage increases.
  • the refrigerant circuit is not opened in accordance with the rearrangement of the showcase.
  • CO 2 that has a small influence on global warming is used as a refrigerant that circulates the low-source side refrigeration cycle 10 in consideration of refrigerant leakage.
  • HFO hydro-fluoro-olefin
  • HC refrigerant HC refrigerant
  • CO 2 ammonia
  • ammonia water
  • the high-side refrigeration cycle 20 does not open the refrigerant circuit.
  • an HFC refrigerant having a high global warming potential can be used. Therefore, in the refrigeration cycle apparatus 100, the HFO refrigerant HFO-1234yf is used as the refrigerant circulating in the high-side refrigeration cycle 20.
  • each component device in the cooling operation of the refrigeration cycle apparatus 100 including the above-described binary refrigeration cycle will be described based on the flow of the refrigerant circulating through each refrigerant circuit.
  • the operation of the high-side refrigeration cycle 20 will be described.
  • the high-end compressor 21 sucks HFO-1234yf, compresses it, and discharges it in a high temperature / high pressure state.
  • the discharged refrigerant flows into the high-side condenser 22.
  • the high-side condenser 22 performs heat exchange between the outside air supplied from the high-side condenser fan 25 and HFO-1234yf, and condenses and liquefies HFO-1234yf.
  • the condensed and liquefied refrigerant passes through the high-side expansion valve 23.
  • the high-side expansion valve 23 depressurizes the condensed and liquefied refrigerant.
  • the decompressed refrigerant flows into the high-side evaporator 24 (cascade capacitor C).
  • the high-side evaporator 24 evaporates the refrigerant by heat exchange with the refrigerant passing through the low-side condenser 12.
  • the high-end compressor 21 sucks HFO-1234yf that has been vapor
  • the low-side compressor 11 sucks CO 2 refrigerant, compresses it, and discharges it in a high temperature / high pressure state.
  • the discharged refrigerant is cooled by the auxiliary radiator 15 and flows into the low-side condenser 12 (cascade capacitor C).
  • the low-side condenser 12 condenses and liquefies the refrigerant by heat exchange with the refrigerant passing through the high-side evaporator 24.
  • the condensed and liquefied refrigerant passes through the low-side expansion valve 13.
  • the low-side expansion valve 13 depressurizes the condensed and liquefied refrigerant.
  • the decompressed refrigerant flows into the low-side evaporator 14.
  • the low-source side evaporator 14 evaporates the refrigerant by heat exchange with the object to be cooled.
  • the low-source compressor 11 sucks the CO 2 2 refrigerant that has been vaporized.
  • a chlorofluorocarbon refrigerant is used. If the chlorofluorocarbon refrigerant is, for example, R410A, the design pressure is 4.15 MPa.
  • the design pressure can be made less than 4.15 MPa.
  • connection piping of the conventional refrigeration cycle apparatus Even if the connection piping of the conventional refrigeration cycle apparatus is reused, it can sufficiently withstand the pressure of the flowing high-pressure operating refrigerant.
  • the wall thickness is small, bending and connecting work become easy, reducing the number of man-hours required for local piping construction, and reducing construction time and construction costs. Can contribute.
  • the refrigeration cycle apparatus 100 includes the heat source side heat exchanger (auxiliary radiator 15) and the use side heat exchanger (low side evaporator 14) in the low source side refrigeration cycle 10, and thus each heat exchanger. When there is a cold heat source at, heat exchange is promoted, and the pressure of the low-source side refrigeration cycle 10 can be kept low.
  • the refrigerant saturation temperature (pressure) in the low-source-side refrigeration cycle 10 becomes uniform, and the outside air temperature is always Stable at temperatures between use temperature. For this reason, since either the outside air temperature or the use temperature becomes a cold heat source, when either the outside air temperature or the use temperature is lower than a predetermined temperature, the lower heat exchanger becomes the heat exchanger that becomes the cold heat source. The heat exchange can be promoted, and the pressure of the low-source side refrigeration cycle 10 can be kept low. In particular, if the temperature lower than the predetermined temperature is the outside air temperature, the cooling source can be the outside air, so that more energy saving can be obtained. Therefore, the refrigerant saturation temperature in the low-source side refrigeration cycle 10 may be set to a predetermined temperature.
  • the heat exchange promotion method is air blowing to the heat exchanger by fan operation. That is, the blower corresponds to the “heat exchange promoting means” of the present invention.
  • the outside air temperature or the use temperature is a cold heat source, but there is a heat exchanger whose temperature is higher than the predetermined temperature, promoting this heat exchange can promote the evaporation of the refrigerant. Can be quickly moved to the heat exchanger on the cold heat source side.
  • the pressure may rise transiently and exceed the design pressure. For this reason, if the heat exchange is promoted only when the temperature higher than the predetermined temperature is equal to or lower than the saturation temperature corresponding to the design pressure of the low-source side refrigeration cycle 10, the refrigerant pressure does not exceed the design pressure.
  • the refrigerant can be quickly moved to the side, and the pressure of the low-source side refrigeration cycle 10 can be quickly kept low.
  • the critical temperature of the refrigerant in the low-source side refrigeration cycle 10 may be set to a predetermined temperature.
  • the refrigeration cycle apparatus 100 is assumed to use CO 2 (critical temperature 31 ° C.) having a low critical temperature for the low-source-side refrigeration cycle 10. An effect can be obtained.
  • the refrigerant circulating in the low-stage-side refrigeration cycle 10 may be a single CO 2 but may be a mixed refrigerant containing them.
  • the refrigeration cycle apparatus 100 is advantageous in terms of energy saving by stopping the high-source side refrigeration cycle 20 by using a heat source other than the high-source side refrigeration cycle 20 when the low-source side refrigeration cycle 10 is stopped. It becomes.
  • the low heat source refrigeration cycle 10 cannot obtain a cooling heat source, it is necessary to cool the high heat source side refrigeration cycle 20 and maintain the low water source side refrigeration cycle 10 at a low pressure. Therefore, the high-source-side refrigeration cycle 20 is operated only when the refrigerant pressure of the low-source-side refrigeration cycle 10 is likely to exceed the design pressure, for example, and the low-source-side refrigeration cycle 10 is maintained at a low pressure for reliability. Secure.
  • the cooling means of the low-source side refrigeration cycle 10 of the refrigeration cycle apparatus 100 is the vapor compression heat pump apparatus of the high-source side refrigeration cycle 20, but it is not limited to this embodiment.
  • the high-source side refrigeration cycle 20 is a closed circuit that does not require connection pipes that connect the indoor unit and the outdoor unit, so there is almost no refrigerant leakage and the effect of pressure loss. There are few. Therefore, the refrigerant sealed in the high-end refrigeration cycle 20 is toxic ammonia, CO 2 causing oxygen deficiency, highly flammable hydrocarbons, chlorofluorocarbon having a high global warming potential, and low-pressure refrigerant that has a large effect on pressure loss. Any of HFO-1234yf and HFO-1234ze can obtain a great cooling effect while maintaining performance, reliability, and protection of the global environment.
  • the refrigeration cycle apparatus 100 is used by being applied to an apparatus having a refrigeration cycle, such as a refrigeration air conditioner (for example, a refrigeration apparatus, a refrigeration apparatus, a room air conditioner, a packaged air conditioner, a building multi air conditioner).
  • a refrigeration air conditioner for example, a refrigeration apparatus, a refrigeration apparatus, a room air conditioner, a packaged air conditioner, a building multi air conditioner.

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Abstract

冷凍サイクルの圧力低下を維持するために高元側冷凍サイクルの冷却能力を必要とせず、また蓄熱槽など高コスト設備を不要とし、省エネ性と経済性を同時に達成する冷凍サイクル装置を提供する。低元側凝縮器と高元側蒸発器とで熱交換させるように構成された二元冷凍サイクル装置であって、熱源側熱交換器（補助放熱器１５）を流れる冷媒と熱交換する熱源の熱源温度、利用側熱交換器（低元側蒸発器１４）を流れる冷媒と熱交換する利用側熱源の利用温度のいずれかが所定温度より低いとき、前記所定温度より低い温度側の熱交換を促進させる。

Description

冷凍サイクル装置
　本発明は、例えば、冷凍、空調等の用途に利用する冷凍空調装置等の冷凍サイクル装置に関するものである。
　冷凍工場、食品加工工場、農水物加工工場、市場、物流倉庫等の物流拠点、あるいは、スーパーマーケットやコンビニエンスストアなどの小売店舗等では、冷凍、冷蔵、空調等の用途に利用する冷凍空調装置等の冷凍システムとして冷凍サイクル装置が使用されている。冷凍サイクル装置には、一般的に、フロンが冷媒として使用されている。
　しかしながら、フロンは、地球温暖化等、自然環境上での問題が指摘されておりその使用が制限されてきている。このため、近年、冷媒として環境負荷の少ない自然冷媒（元来自然界に存在する物質）を、フロン等の温室効果ガスに代わって使用する冷凍サイクル装置が開発されている。その中で、特に高圧冷媒である二酸化炭素（ＣＯ２）を用いる試みがなされている。
　ＣＯ２を冷媒として用いた冷凍サイクル装置では、作動圧力が高いため、各部品の耐圧向上、配管肉厚の増加などが必要となり、高コストとなっていた。そして、コンビニエンスストアのショーケース等に、このような冷凍サイクル装置を使用すれば、冷却ユニットを複数台必要として、接続配管の長さ寸法が大（例えば、全長が１００ｍ程度）となる場合が多い。接続配管の長さ寸法が大であれば、現地配管施工の材料コストが増大し、さらには、曲げ加工や接続加工を難しくして現地配管施工に要する工数を多くしてしまう。このため、施工時間や施工費を増加させる要因にもなっていた。
　最近では、１つの冷凍サイクルを低元側（ＣＯ２冷媒使用）と高元側（フロン、アンモニア、炭化水素等冷媒使用）に分け、低元側の凝縮器と高元側の蒸発器の役割を担うカスケード熱交換器で直接熱交換させるようにした冷凍サイクル装置が提案されている。この二元冷凍サイクルを採用した冷凍サイクル装置では、低元側の冷媒圧力は、高元側の冷却能力によって影響されるため、低元側を低圧力に維持することが可能となる。よって、接続配管の薄肉化を達成できて、現地配管工事の工数低減を図ることが可能となる。
　しかしながら、二元冷凍サイクルを採用した冷凍サイクル装置では、高元側の冷凍サイクルが運転停止すると高元側の冷却機能が停止するため、低元側が周囲温度相当の飽和温度となり、周囲温度が高ければ圧力が７～８ＭＰａ以上もの高圧力となる可能性がある。このような圧力上昇に耐えうる構造に構築しようとすると、二元冷凍サイクルを採用しているにもかかわらず、重装備な構造が必要とされ、結局高コストとなってしまう。
　そこで、従来の二元冷凍サイクルにおける高元側冷凍サイクルの恒常的な連続運転を不要とするために、蓄熱槽を介して両サイクルを接続した新しい構成を有する蓄熱式冷凍システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この構成により、蓄熱槽に冷熱を蓄えることで、常に低元側冷凍サイクルを冷却することができ、高元側冷凍サイクルの恒常的な運転を不要とすることができ、高元側冷凍サイクルの故障などに対応した信頼性向上が達成できる。
特開２０１０-２７１０００号公報（第１実施例等）
　上記特許文献１に記載される蓄熱式冷凍システムでは、低元側冷凍サイクルの圧力低下を維持させるため、必ず高元側冷凍サイクルの冷熱を利用しなければならない。そのため、省エネ性に不利であり、蓄熱槽を設置するためのコストも必要となるという課題があった。
　本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、冷凍サイクルの圧力低下を維持するために高元側冷凍サイクルの冷却能力を必要とせず、また蓄熱槽など高コスト設備を不要とし、省エネ性と経済性を同時に達成する冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。
　本発明に係る冷凍サイクル装置は、低元側圧縮機、熱源側熱交換器、低元側凝縮器、低元側膨張弁、及び、利用側熱交換器を順に配管接続した低元側冷凍サイクルと、高元側圧縮機、高元側凝縮器、高元側膨張弁、及び、高元側蒸発器を順に配管接続した高元側冷凍サイクルと、前記低元側凝縮器と前記高元側蒸発器とで熱交換させるように構成された冷凍サイクル装置であって、前記熱源側熱交換器を流れる冷媒と熱交換する熱源の熱源温度、前記利用側熱交換器を流れる冷媒と熱交換する利用側熱源の利用温度のいずれかが所定温度より低いとき、前記所定温度より低い温度側の熱交換を促進させるものである。
　本発明に係る冷凍サイクル装置は、既存の冷熱源を有効に利用し、冷凍サイクルの圧力を低く維持することが可能となる。このため、本発明に係る冷凍サイクル装置によれば、従来システムより省エネ性に優れ、設備の高コスト化を回避し、また配管の薄肉化を達成できて、現地配管工事の工数低減を図ることができ、経済性に優れたものになる。
本発明の実施の形態に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路構成の一例を示す概略構成図である。
　以下、図面を適宜参照しながら本発明の実施の形態について説明する。なお、図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。また、明細書全文に表わされている構成要素の形態は、あくまでも例示であって、これらの記載に限定されるものではない。
　図１は、本発明の実施の形態に係る冷凍サイクル装置（以下、冷凍サイクル装置１００と称する）の冷媒回路構成の一例を示す概略構成図である。図１に基づいて、冷凍サイクル装置１００について説明する。
　図１に示すように、冷凍サイクル装置１００は、２つの冷媒回路（低元側冷凍サイクル１０及び高元側冷凍サイクル２０）を有し、それぞれ独立して冷媒を循環させるように構成されている。そして、冷凍サイクル装置１００は、２つの冷媒回路を多段構成として二元冷凍サイクルを構成するために、高元側蒸発器２４と低元側凝縮器１２とを、それぞれ通過する冷媒間での熱交換を可能に結合させて構成したカスケードコンデンサ（冷媒間熱交換器）Ｃで接続している。また、冷凍サイクル装置１００は、二元冷凍サイクル全体の運転制御を行う制御装置３０を有している。
　なお、以下の説明において、温度、圧力等の高低については、特に絶対的な値との関係で高低等が定まっているものではなく、システム、装置等における状態、動作等において相対的に定まるものとする。
　低元側冷凍サイクル１０は、低元側圧縮機１１と、補助放熱器１５と、低元側凝縮器１２と、低元側膨張弁１３と、低元側蒸発器１４と、を順に冷媒配管１９で接続して構成されている。
　一方、高元側冷凍サイクル２０は、高元側圧縮機２１と、高元側凝縮器２２と、高元側膨張弁２３と、高元側蒸発器２４と、を順に冷媒配管２９で接続して構成されている。
　低元側圧縮機１１は、低元側冷凍サイクル１０を流れる冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮して高温・高圧の状態にして吐出する。ここでは、低元側圧縮機１１を、例えばインバータ回路等により回転数を制御し、高元側冷媒の吐出量を調整できるタイプの圧縮機で構成する。
　補助放熱器１５は、例えば熱源側熱交換器として機能し、熱源とする例えば屋外の空気（外気）、水、ブライン等との熱交換により低元側圧縮機１１が吐出したガス冷媒を冷却するものである。この実施の形態では、補助放熱器１５が、熱源を外気とし、外気と冷媒との熱交換を行うものとして説明する。また、補助放熱器１５は、熱交換を促すための補助放熱器ファン１６を有しているものとする。補助放熱器ファン１６は、風量を調整できるタイプの送風機で構成するとよい。さらに、冷凍サイクル装置１００は、熱源温度である外気温度を検知する外気温度センサ３１を備えている。外気温度センサ３１で検知された外気温度は制御装置３０に送られる。なお、熱源に応じてセンサの種別を決定すればよい。
　低元側凝縮器１２は、補助放熱器１５を通過した冷媒と高元側冷凍サイクル２０を流れる冷媒との間で熱交換を行い、補助放熱器１５を通過した冷媒を凝縮させて液状の冷媒にする（凝縮液化させる）ものである。例えば、ここでは、カスケードコンデンサＣにおいて低元側冷凍サイクル１０を流れる冷媒が通過する伝熱管等が低元側凝縮器１２となって、高元側冷凍サイクル２０を流れる冷媒との熱交換が行われるものとする。
　低元側膨張弁１３は、減圧装置、絞り装置等として機能し、低元側冷凍サイクル１０を流れる冷媒を減圧して膨張させるものである。低元側膨張弁１３は、例えば電子式膨張弁等の流量制御手段、毛細管（キャピラリ）、感温式膨張弁等の冷媒流量調節手段等で構成するとよい。
　低元側蒸発器１４は、例えば利用側熱交換器として機能し、冷却対象との熱交換により設定された利用温度に維持するため、低元側冷凍サイクル１０を流れる冷媒を蒸発させて気体（ガス）状の冷媒にする（蒸発ガス化させる）ものである。冷媒との熱交換により、冷却対象は、直接又は間接に冷却されることになる。また、低元側蒸発器１４は、熱交換を促すための低元側蒸発器ファン１７を有しているものとする。低元側蒸発器ファン１７は、風量を調整できるタイプの送風機で構成するとよい。さらに、また、冷凍サイクル装置１００は、低元側蒸発器１４の近傍に、現在の利用温度（利用側熱源（冷却対象）の温度）を検知する利用温度センサ３２を備えている。利用温度センサ３２で検知された利用温度は制御装置３０に送られる。
　高元側圧縮機２１は、高元側冷凍サイクル２０を流れる冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮して高温・高圧の状態にして吐出する。高元側圧縮機２１についても、例えばインバータ回路等を有し、冷媒の吐出量を調整できるタイプの圧縮機で構成するとよい。
　高元側凝縮器２２は、例えば、外気、水、ブライン等と高元側冷凍サイクル２０を流れる冷媒との間で熱交換を行い、冷媒を凝縮液化させるものである。この実施の形態では、高元側凝縮器２２が、熱源を外気とし、外気と冷媒との熱交換を行うものとして説明する。また、高元側凝縮器２２は、熱交換を促すための高元側凝縮器ファン２５を有しているものとする。高元側凝縮器ファン２５についても、風量を調整できるタイプの送風機で構成するとよい。
　高元側膨張弁２３は、減圧装置、絞り装置等として機能し、高元側冷凍サイクル２０を流れる冷媒を減圧して膨張させるものである。高元側膨張弁２３は、例えば前述した電子式膨張弁等の流量制御手段、毛細管等の冷媒流量調節手段で構成するとよい。
　高元側蒸発器２４は、熱交換により高元側冷凍サイクル２０を流れる冷媒を蒸発ガス化するものである。例えば、ここでは、カスケードコンデンサＣにおいて高元側冷凍サイクル２０を流れる冷媒が通過する伝熱管等が高元側蒸発器２４となって、低元側冷凍サイクル１０を流れる冷媒との熱交換が行われるものとする。または、カスケードコンデンサＣは、プレート式熱交換器などで構成してもよい。
　カスケードコンデンサＣは、前述した高元側蒸発器２４と低元側凝縮器１２との機能を有し、高元側冷媒と低元側冷媒とを熱交換可能にする冷媒間熱交換器である。このカスケードコンデンサＣを介して高元側冷凍サイクル２０と低元側冷凍サイクル１０とを多段構成にし、冷媒間の熱交換を行うようにすることで、独立した冷媒回路を連携させることができる。
　制御装置３０は、二元冷凍サイクルを構成する各機器の動作制御等を行う。制御装置３０は、その機能を実現する回路デバイスのようなハードウェアで構成することもできるし、マイコンやＣＰＵのような演算装置と、その上で実行されるソフトウェアとにより構成することもできる。
　外気温度センサ３１は、外気温度を検出するための温度センサである。外気温度は、外気温度センサ３１の検出に係る温度であるものとする。
　利用温度センサ３２は、利用温度を検出するための温度センサである。利用温度は、利用温度センサ３２の検出に係る温度であるものとする。
　このような構成の冷凍サイクル装置１００においては、低元側冷凍サイクル１０の一部の機器（例えば低元側蒸発器１４）を、例えばスーパーマーケットのショーケースなどの室内の負荷装置が有していることがある。このような場合、例えば、ショーケースを配置換えなどして配管の接続変更などを行って冷媒回路が開放されると、冷媒漏れが発生する可能性が多くなる。
　一方、高元側冷凍サイクル２０は、ショーケースの配置換えなどに伴って冷媒回路が開放されることがない。
　そこで、冷凍サイクル装置１００では、低元側冷凍サイクル１０を循環させる冷媒として、冷媒漏れを考慮し、地球温暖化に対する影響が小さいＣＯ２を用いるようにしている。
　また、冷凍サイクル装置１００の高元側冷凍サイクル２０に用いる冷媒としては、例えば、ＨＦＯ（ハイドロ・フルオロ・オレフィン）冷媒（ＨＦＯ－１２３４ｙｆ（ＣＦ３ＣＦ＝ＣＨ２）、ＨＦＯ－１２３４ｚｅ（ＣＦ３－ＣＨ＝ＣＨＦ）、ＨＣ冷媒、ＣＯ２、アンモニア、水などの地球温暖化に対する影響が小さい冷媒を用いることが望ましい。ただし、高元側冷凍サイクル２０は、冷媒回路が開放されることがないため、例えば地球温暖化係数の高いＨＦＣ冷媒などを用いることもできる。
　そこで、冷凍サイクル装置１００では、高元側冷凍サイクル２０を循環させる冷媒としてＨＦＯ冷媒のＨＦＯ－１２３４ｙｆを用いるようにしている。
　以上のような二元冷凍サイクルを備えた冷凍サイクル装置１００の冷却運転における各構成機器の動作等を、各冷媒回路を循環する冷媒の流れに基づいて説明する。まず、高元側冷凍サイクル２０の動作について説明する。
　高元側圧縮機２１は、ＨＦＯ－１２３４ｙｆを吸入し、圧縮して高温・高圧の状態にして吐出する。吐出した冷媒は高元側凝縮器２２へ流入する。高元側凝縮器２２は、高元側凝縮器ファン２５から供給される外気とＨＦＯ－１２３４ｙｆとの間で熱交換を行い、ＨＦＯ－１２３４ｙｆを凝縮液化する。凝縮液化した冷媒は高元側膨張弁２３を通過する。高元側膨張弁２３は凝縮液化した冷媒を減圧する。減圧した冷媒は高元側蒸発器２４（カスケードコンデンサＣ）に流入する。高元側蒸発器２４は、低元側凝縮器１２を通過する冷媒との熱交換により冷媒を蒸発ガス化する。蒸発ガス化したＨＦＯ－１２３４ｙｆを高元側圧縮機２１が吸入する。
　次に、低元側冷凍サイクル１０の動作について説明する。
　低元側圧縮機１１は、ＣＯ２冷媒を吸入し、圧縮して高温・高圧の状態にして吐出する。吐出した冷媒は補助放熱器１５で冷却されて低元側凝縮器１２（カスケードコンデンサＣ）へ流入する。低元側凝縮器１２は、高元側蒸発器２４を通過する冷媒との熱交換により冷媒を凝縮液化する。凝縮液化した冷媒は低元側膨張弁１３を通過する。低元側膨張弁１３は凝縮液化した冷媒を減圧する。減圧した冷媒は低元側蒸発器１４に流入する。低元側蒸発器１４は冷却対象との熱交換により冷媒を蒸発ガス化する。蒸発ガス化したＣＯ２２冷媒を低元側圧縮機１１が吸入する。
　ところで、図１に示すような回路構成を備えた従来の冷凍サイクル装置では、フロン冷媒が用いられるようになっており、フロン冷媒が例えばＲ４１０Ａであれば設計圧力は４．１５ＭＰａとなる。
　それに対し、冷凍サイクル装置１００においては、高元側冷凍サイクル２０を運転させることにより、低元側冷凍サイクル１０の圧力を低く維持することが可能となるため、ＣＯ２冷媒のような高圧動作冷媒を用いても設計圧力を４．１５ＭＰａ未満とすることができる。
　このため、従来の冷凍サイクル装置の接続配管を再利用しても、流れる高圧動作冷媒の圧力に十分耐えることができる。また、新規に接続配管を敷設する場合でも、肉厚が小であれば、曲げ加工や接続作業が容易となって、現地配管施工に要する工数を減少させて、施工時間や施工費用の削減に寄与することができる。
　さらに、従来の冷凍サイクル装置では、運転が不要となり、低元側冷凍サイクルを停止する場合でも、低元側冷凍サイクルの圧力を低く保つために、冷媒を冷却し続けなければならず、もし高元側冷凍サイクルで冷却し続けていたら、省エネ性に欠けてしまう。そこで、冷凍サイクル装置１００では、低元側冷凍サイクル１０に熱源側熱交換器（補助放熱器１５）と利用側熱交換器（低元側蒸発器１４）を備えているため、各熱交換器にて冷熱源がある場合は熱交換を促進させ、低元側冷凍サイクル１０の圧力を低く保つことが可能となる。
　具体的には、低元側冷凍サイクル１０が停止し、高元側冷凍サイクル２０もまた停止させた場合、低元側冷凍サイクル１０内の冷媒飽和温度（圧力）は均一となり、必ず外気温度と利用温度との間の温度で安定する。このため、外気温度または利用温度のいずれかが冷熱源となるため、外気温度及び利用温度のいずれかが所定温度より低いとき、その低い方の熱交換器を冷熱源となる方の熱交換器を判断し、その熱交換を促進させ、低元側冷凍サイクル１０の圧力を低く維持することができる。特に、所定温度よりも低い方の温度が外気温度であれば、冷熱源を外気とすることができるため、より省エネ性を得ることができる。よって、低元側冷凍サイクル１０内の冷媒飽和温度を所定温度とすればよい。
　冷凍サイクル装置１００では、熱交換器（低元側蒸発器１４、補助放熱器１５、高元側凝縮器２２）に送風機（低元側蒸発器ファン１７、補助放熱器ファン１６、高元側凝縮器ファン２５）が備わっているため、熱交換の促進方法は、ファン運転による熱交換器への送風とする。つまり、送風機が、本発明の「熱交換の促進手段」に相当する。
　例えば、利用側熱交換器がスーパーマーケットのショーケースや冷蔵倉庫に設置されている場合、冷凍サイクル装置１００以外の別系統でも冷却していることがある。このため、利用側熱交換器で必ず冷熱源が得られることになり、停電や圧縮機故障などにより、高元側冷凍サイクル２０が運転停止した場合であっても、低元側冷凍サイクル１０の圧力を低く維持することができる。そのため、信頼性の高い冷凍サイクル装置１００を得ることが可能である。
　外気温度または利用温度のいずれかが冷熱源となる一方、所定温度よりも温度が高い方の熱交換器がある場合、こちらの熱交換を促進させると、冷媒の蒸発を促すことができ、冷媒を冷熱源側の熱交換器に素早く移動させることが可能となる。しかし、所定温度よりも温度が高い方の熱交換器で熱交換を促進させたら、過渡的にも圧力が上昇し、設計圧力を超えてしまう可能性がある。このため、所定温度よりも高い方の温度が低元側冷凍サイクル１０の設計圧力相当の飽和温度以下の場合に限って熱交換を促進させれば、冷媒圧力が設計圧力を超えることなく冷熱源側に素早く冷媒を移動でき、低元側冷凍サイクル１０の圧力をすみやかに低く維持することができる。
　一般的に、冷媒が超臨界域となる場合、密度の高い液として冷媒を維持できないため、冷媒圧力を低く保つことはできない。よって、低元側冷凍サイクル１０を低い圧力に維持するために、封入された冷媒の飽和温度を臨界温度以下に保つことが前提であり、冷熱源となる温度が臨界温度以上であると効果がない。このため、冷熱源の温度が臨界温度以下であることを判断して、熱交換を促進させれば、低元側冷凍サイクル１０を低い圧力に維持することが可能となる。つまり、低元側冷凍サイクル１０内の冷媒の臨界温度を所定温度とすればよい。
　特に、冷凍サイクル装置１００は、低元側冷凍サイクル１０に臨界温度が低いＣＯ２（臨界温度３１℃）を用いることを想定したが、他に臨界温度が低い冷媒を用いても、同様に上記効果を得ることができる。なお、低元側冷凍サイクル１０に循環させる冷媒は、ＣＯ２の単独でもよいが、これらを含む混合冷媒であってもよい。
　また、冷凍サイクル装置１００は、低元側冷凍サイクル１０が停止した場合、高元側冷凍サイクル２０以外の熱源を利用して低い圧力に保ち、高元側冷凍サイクル２０の停止による省エネ性で有利となる。しかし、低元側冷凍サイクル１０で冷熱源を得ることができない場合は、高元側冷凍サイクル２０によって冷却し、低元側冷凍サイクル１０を低い圧力に維持することが必要となる。よって、高元側冷凍サイクル２０は、例えば低元側冷凍サイクル１０の冷媒圧力が設計圧力を超えそうな場合にのみ運転し、低元側冷凍サイクル１０を低い圧力に維持することで信頼性を確保する。
　冷凍サイクル装置１００の低元側冷凍サイクル１０の冷却手段を、高元側冷凍サイクル２０の蒸気圧縮式ヒートポンプ装置としたが、特に本形態に限らなくてもよい。ただし、ヒートポンプ装置を冷却手段として採用した場合、高元側冷凍サイクル２０は室内機と室外機を接続する接続配管などが不要の閉じた回路となるため、冷媒漏洩がほとんどなく、圧力損失の影響も少ない。よって、高元側冷凍サイクル２０に封入する冷媒は、毒性のあるアンモニア、酸素欠乏を引き起こすＣＯ２、燃性の高い炭化水素、地球温暖化係数の高いフロン、圧力損失の影響が大きい低圧冷媒のＨＦＯ－１２３４ｙｆ、ＨＦＯ－１２３４ｚｅのどれでも、性能や信頼性、地球環境保護を保ちながら、大きな冷却効果を得ることができる。
　なお、冷凍サイクル装置１００は、冷凍空調装置（例えば、冷凍装置、冷蔵装置、ルームエアコン、パッケージエアコン、ビル用マルチエアコン等）、ヒートポンプ給湯機等、冷凍サイクルを備えた装置に適用して利用することができる。
　１０　低元側冷凍サイクル、１１　低元側圧縮機、１２　低元側凝縮器、１３　低元側膨張弁、１４　低元側蒸発器、１５　補助放熱器、１６　補助放熱器ファン、１７　低元側蒸発器ファン、１９　冷媒配管、２０　高元側冷凍サイクル、２１　高元側圧縮機、２２　高元側凝縮器、２３　高元側膨張弁、２４　高元側蒸発器、２５　高元側凝縮器ファン、２９　冷媒配管、３０　制御装置、３１　外気温度センサ、３２　利用温度センサ、１００　冷凍サイクル装置、Ｃ　カスケードコンデンサ。

Claims (8)

  1. 　低元側圧縮機、熱源側熱交換器、低元側凝縮器、低元側膨張弁、及び、利用側熱交換器を順に配管接続した低元側冷凍サイクルと、
    　高元側圧縮機、高元側凝縮器、高元側膨張弁、及び、高元側蒸発器を順に配管接続した高元側冷凍サイクルと、
    　前記低元側凝縮器と前記高元側蒸発器とで熱交換させるように構成された冷凍サイクル装置であって、
    　前記熱源側熱交換器を流れる冷媒と熱交換する熱源の熱源温度、前記利用側熱交換器を流れる冷媒と熱交換する利用側熱源の利用温度のいずれかが所定温度より低いとき、前記所定温度より低い温度側の熱交換を促進させる
    　冷凍サイクル装置。
  2. 　前記所定温度より高い側の温度が前記低元側冷凍サイクルの設計圧力相当の飽和温度以下のとき、前記所定温度より高い温度側の熱交換もまた促進させる
    　請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
  3. 　熱交換の促進手段として送風機を設け、
    　前記送風機による送風で熱交換を促進する
    　請求項１又は２に記載の冷凍サイクル装置。
  4. 　前記所定温度は、
    　前記低元側冷凍サイクルを循環する冷媒の圧力相当となる冷媒飽和温度とする
    　請求項１～３のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
  5. 　前記所定温度は、
    　前記低元側冷凍サイクルを循環する冷媒の臨界温度とする
    　請求項１～３のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
  6. 　前記冷媒の圧力が所定圧力を超えたとき、前記高元側蒸発器により前記低元側凝縮器を冷却する
    　請求項１～５のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
  7. 　前記所定圧力は、
    　前記低元側冷凍サイクルの設計圧力より低い圧力とする
    　請求項６に記載の冷凍サイクル装置。
  8. 　前記低元側冷凍サイクルを循環させる冷媒として、ＣＯ２、または、これを含む混合冷媒を用い、
    　前記高元側冷凍サイクルを循環させる冷媒として、アンモニア、ＣＯ２、炭化水素、フロン、ＨＦＯ（ハイドロ・フルオロ・オレフィン）のいずれか、または、これらを含む混合冷媒を用いる
    　請求項１～７のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
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