WO2015141633A1 - 冷凍装置 - Google Patents

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孝輔 宮城
須田　淳一
裕亮 臂
昌敬 早川
和宏 表
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サンデンホールディングス株式会社
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    • F25B2700/21175—Temperatures of an evaporator of the refrigerant at the outlet of the evaporator

Definitions

  • the present invention relates to a refrigeration apparatus in which a high-stage refrigerant circuit and a low-stage refrigerant circuit are cascade-connected, and each refrigerant circuit is filled with carbon dioxide as a refrigerant.
  • each showcase is provided with an evaporator for cooling the display room, and the evaporator is configured to be supplied with a refrigerant from a refrigerator unit installed outside the store.
  • FIG. 6 illustrates a ph diagram of the low-stage refrigerant circuit of the refrigeration apparatus.
  • the vertical axis indicates the high-pressure side pressure of the low-stage refrigerant circuit
  • L1 is the saturated liquid line
  • L2 is the saturated vapor line
  • L3 is the + 40 ° C isotherm
  • L4 is the + 100 ° C to + 120 ° C isotherm.
  • X1 indicates the difference in specific enthalpy when the + 100 ° C. to + 120 ° C. refrigerant is cooled to + 40 ° C. when the high-pressure side pressure of the low-stage refrigerant circuit is 9 MPa
  • X2 indicates the low-stage refrigerant circuit.
  • the graph shows the difference in specific enthalpy when a + 100 ° C. to + 120 ° C. refrigerant is cooled to + 40 ° C. when the high pressure side pressure is 7.5 MPa.
  • FIG. 7 shows the relationship between the high-pressure side pressure of the low-stage refrigerant circuit and the capacity of each heat exchanger (the summer high temperature is 38 ° C. under different conditions from FIG. 6).
  • the rhombus indicates the low-stage gas cooler
  • the square indicates the high-stage gas cooler
  • the triangle indicates the cascade heat exchanger
  • the circle indicates the COP.
  • the efficiency COP is improved in the region indicated by X3 in the drawing, that is, in the region where the high pressure side pressure of the low stage side refrigerant circuit is high.
  • the efficiency COP is maximized when the high pressure side pressure of the low stage side refrigerant circuit is about 10.5 MPa.
  • the optimum value (10.5 MPa at the above-mentioned outside air temperature + 38 ° C.) for the high-pressure side pressure of the low-stage side refrigerant circuit in terms of refrigeration capacity and efficiency.
  • the pressure on the high-pressure side of the low-stage side refrigerant circuit has conventionally depended on the throttle condition of the expansion valve provided in the showcase, so the high-pressure side of the low-stage side refrigerant circuit The pressure could not be controlled to an optimum value.
  • the high pressure side pressure of the low stage side refrigerant circuit is monitored so that it does not cause a cut error due to abnormal high pressure, and when it rises, the operating frequency of the low stage side compressor is lowered. It is necessary to prevent the high pressure from rising abnormally.
  • an internal heat exchanger for exchanging heat between the high-pressure side refrigerant of the low-stage side refrigerant circuit and the refrigerant discharged from the low-stage side evaporator of the low-stage side refrigerant circuit is sometimes provided for the purpose of improving the refrigerating capacity.
  • the present invention has been made to solve the conventional technical problem, and can control the high-pressure side pressure of the low-stage refrigerant circuit to an optimum value to improve the cooling capacity and efficiency.
  • a refrigeration apparatus is provided.
  • the present invention provides a cascade heat that evaporates the refrigerant in the high-stage refrigerant circuit, the low-stage refrigerant circuit, and the high-stage refrigerant circuit to cool the high-pressure refrigerant in the low-stage refrigerant circuit.
  • a pressure adjusting expansion valve for adjusting the high pressure side pressure of the low stage refrigerant circuit is provided.
  • a refrigeration apparatus comprising a control device for controlling the pressure adjusting expansion valve in the above invention, wherein the control device is configured to obtain an optimum high pressure side pressure based on the high pressure side pressure of the low stage side refrigerant circuit.
  • the expansion valve for pressure adjustment is controlled as a target value.
  • the control device holds in advance information indicating the relationship between the outside air temperature and the optimum high pressure side pressure at that time, and the high pressure side pressure is determined based on the outside air temperature. A target value is calculated.
  • a refrigeration apparatus in which the refrigerant that has exited the low-stage evaporator of the low-stage refrigerant circuit in each of the above-described inventions is heat-exchanged with the high-pressure refrigerant of the low-stage refrigerant circuit.
  • the low-stage compressor of the side refrigerant circuit is sucked, and an accumulator is provided on the suction side of the low-stage compressor.
  • the refrigeration apparatus according to each of the above-mentioned inventions, wherein the low-stage refrigerant circuit has a low-stage compressor and a low-stage gas cooler, and the cascade heat exchanger is a refrigerant that has exited the low-stage gas cooler. Is supercooled.
  • the refrigeration apparatus of the invention of claim 6 includes a plurality of low-stage refrigerant circuits and a plurality of cascade heat exchangers respectively provided in each low-stage refrigerant circuit in each of the above-described inventions, A plurality of high-stage gas coolers connected in parallel; a plurality of high-stage expansion valves connected to the outlets of the respective high-stage gas coolers; and a cascade connected to the outlets of the respective high-stage expansion valves. It has a plurality of high stage side evaporators which constitute each heat exchanger.
  • a refrigeration apparatus includes the plurality of low-stage refrigerant circuits and the plurality of cascade heat exchangers respectively provided in the respective low-stage refrigerant circuits in the inventions of the first to fifth aspects
  • the high stage side refrigerant circuit includes a high stage side gas cooler, a high stage side expansion valve connected to the outlet of the high stage side gas cooler, and each cascade heat exchanger connected in parallel to the outlet of the high stage side expansion valve. It is characterized by having a plurality of high stage side evaporators which respectively constitute.
  • a refrigeration apparatus includes the plurality of low-stage refrigerant circuits according to the first to fifth inventions, and a plurality of cascade heat exchangers respectively provided in each low-stage refrigerant circuit
  • the high stage side refrigerant circuit includes a high stage side gas cooler, a high stage side expansion valve connected to the outlet of the high stage side gas cooler, and each cascade heat exchanger connected in series to the outlet of the high stage side expansion valve. It is characterized by having a plurality of high stage side evaporators which respectively constitute.
  • a high-stage refrigerant circuit a low-stage refrigerant circuit, and a cascade heat exchanger that evaporates the refrigerant in the high-stage refrigerant circuit and cools the high-pressure refrigerant in the low-stage refrigerant circuit.
  • a pressure adjusting expansion valve for adjusting the high pressure side pressure of the low stage side refrigerant circuit is provided.
  • the control device for controlling the pressure adjustment expansion valve as described above By controlling the expansion valve for pressure adjustment with the optimal high pressure side pressure as a target value based on the high pressure side pressure of the low stage side refrigerant circuit by the control device for controlling the pressure adjustment expansion valve as described above, The specific enthalpy difference of the high-pressure side refrigerant in the refrigerant circuit can be ensured, and the cooling capacity can be improved and the efficiency can be improved.
  • the control device holds in advance information indicating the relationship between the outside air temperature and the optimum high pressure side pressure at that time, and sets the target value of the high pressure side pressure based on the outside air temperature. If calculated, the high pressure side pressure of the low stage side refrigerant circuit can be smoothly controlled to an optimum value by the pressure adjusting expansion valve.
  • the refrigerant exiting the low stage side evaporator of the low stage side refrigerant circuit as in the invention of claim 4 can be reduced in the low stage side refrigerant circuit without exchanging heat with the high pressure side refrigerant of the low stage side refrigerant circuit. If the suction is performed by the stage side compressor, it becomes possible to prevent an abnormal increase in the high pressure side pressure of the low stage side refrigerant circuit, especially in the summer when the outside air temperature becomes high, and the optimum high pressure side pressure is achieved. It is also possible to perform the control smoothly. Further, since the refrigerant having a high density can be sucked into the low stage side compressor, the efficiency is also improved.
  • the low stage side refrigerant circuit has a low stage side compressor and a low stage side gas cooler, and the cascade heat exchanger outputs the low stage side gas cooler. Since the refrigerant in the low stage side refrigerant circuit cooled by the low stage side gas cooler can be further supercooled by the cascade heat exchanger, further cooling capacity can be improved. It will be possible to improve.
  • the invention of claim 6 in addition to the above-described inventions, it includes a plurality of low-stage refrigerant circuits and a plurality of cascade heat exchangers respectively provided in each low-stage refrigerant circuit.
  • One high stage refrigerant circuit can supercool the high pressure side refrigerants of the plurality of low stage refrigerant circuits.
  • the high-stage refrigerant circuit includes a plurality of high-stage gas coolers connected in parallel, a plurality of high-stage expansion valves respectively connected to the outlets of the high-stage gas coolers, and each high-stage expansion valve Since the plurality of high-stage evaporators respectively connected to the outlets of the respective stages constitute the cascade heat exchangers, each cascade heat exchanger can The high-pressure side refrigerant in the stage-side refrigerant circuit can be accurately subcooled.
  • a plurality of low-stage refrigerant circuits, and a plurality of cascade heat exchangers respectively provided in each low-stage refrigerant circuit Therefore, it becomes possible to supercool the high pressure side refrigerants of the plurality of low stage side refrigerant circuits in the same manner, using a single high stage side refrigerant circuit.
  • the high stage side refrigerant circuit is connected in parallel to the high stage side gas cooler, the high stage side expansion valve connected to the outlet of the high stage side gas cooler, and the outlet of the high stage side expansion valve. Since it has multiple high-stage evaporators that make up each heat exchanger, it is possible to flow refrigerant from one high-stage expansion valve to multiple high-stage evaporators, and control is simple In addition, the cost can be reduced.
  • the high stage side refrigerant circuit is connected in series to the high stage side gas cooler, the high stage side expansion valve connected to the outlet of the high stage side gas cooler, and the outlet of the high stage side expansion valve.
  • FIG. 1 is a refrigerant circuit diagram of a refrigeration apparatus 1 according to an embodiment to which the present invention is applied.
  • the refrigeration apparatus 1 in the embodiment supplies refrigerant from a refrigerator unit 3 installed outside the store to a plurality of showcases 2 (four in the embodiment) installed in a store such as a convenience store or a supermarket. It is composed of one high-stage refrigerant circuit 4 and a plurality of (two systems in the embodiment) low-stage refrigerant circuits 6A and 6B.
  • the high-stage refrigerant circuit 4 of this embodiment is connected to a high-stage compressor 7 composed of a scroll compressor and branch pipes 9A and 9B branched from the discharge pipe 8 of the high-stage compressor 7 respectively.
  • a high-stage compressor 7 composed of a scroll compressor and branch pipes 9A and 9B branched from the discharge pipe 8 of the high-stage compressor 7 respectively.
  • the second high stage side expansion valve 13B connected to the outlet pipe 12B of the second high stage side gas cooler 11B, and the first high stage side connected to the outlet pipe 14A of the first high stage side expansion valve 13A.
  • An evaporator 16A and a second high-stage evaporator 16B connected to the outlet pipe 14B of the second high-stage expansion valve 13B are provided, and these first and second high-stage evaporators 16A are provided.
  • 16B outlet pipes 17A and 17B are joined together to form a high stage compressor 7 Connected to the refrigeration cycle to the suction pipe 18 is configured.
  • the high-stage refrigerant circuit 4 is filled with a predetermined amount of carbon dioxide as a refrigerant.
  • both of the low-stage refrigerant circuits 6A and 6B have the same configuration. That is, the low-stage refrigerant circuit 6A of the embodiment (the same applies to the low-stage refrigerant circuit 6B) includes a low-stage compressor 21 that is also a scroll compressor, and a discharge pipe 22 of the low-stage compressor 21.
  • the first low-stage gas cooler 23 connected, the second low-stage gas cooler 26 connected to the outlet pipe 24 and downstream of the refrigerant of the first low-stage gas cooler 23, and the second low-stage gas cooler 26
  • the supercooling heat exchanger 28 connected to the outlet pipe 27 of the stage side gas cooler 26, the pressure adjusting expansion valve 31 connected to the outlet pipe 29 of the supercooling heat exchanger 28, and the pressure adjusting expansion Low-stage side expansion valves 34 and 34 connected to branch pipes 33A and 33B branched from the outlet pipe 32 of the valve 31, respectively, and low-stage side evaporation connected to the outlet side of the low-stage side expansion valves 34 and 34, respectively.
  • 36, 36 36.
  • low stage side expansion valve 34 and low stage side evaporator 36 are respectively installed in the two showcases 2. Then, an electromagnetic valve 37 is connected to the outlet side of the low-stage evaporator 36 in each showcase 2, and the outlet pipe 38 of each electromagnetic valve 37 is joined, and then connected to the accumulator 39 via the inlet pipe 42. Then, the outlet side of the accumulator 39 is connected to the suction pipe 41 of the low-stage compressor 21 to constitute a refrigeration cycle.
  • the accumulator 39 is a tank having a predetermined capacity.
  • Each low stage refrigerant circuit 6A, 6B is filled with a predetermined amount of carbon dioxide as a refrigerant.
  • the first high-stage evaporator 16A of the high-stage refrigerant circuit 4 and the supercooling heat exchanger 28 of the low-stage refrigerant circuit 6A are provided in a heat exchange relationship, and the first cascade heat exchanger 43A.
  • the second high-stage side evaporator circuit 16B of the high-stage side refrigerant circuit 4 and the supercooling heat exchanger 28 of the low-stage side refrigerant circuit 6B are provided in a heat exchange relationship to provide a second cascade heat exchange.
  • a device 43B is configured.
  • the branch pipes 33 ⁇ / b> A and 33 ⁇ / b> B and the outlet pipe 38 are pipes extending from the refrigerator unit 3 to each showcase 2.
  • 44 is a pressure sensor attached to the discharge pipe 22 of the low-stage compressor 21 of each low-stage refrigerant circuit 6A, 6B, and the pressure of the high-pressure refrigerant discharged from the low-stage compressor 21 is shown.
  • Reference numerals 46 and 47 denote temperature sensors attached to the outlet pipes 27 and 29 of the low-stage refrigerant circuits 6A and 6B, respectively.
  • the temperature sensor 46 indicates the temperature of the refrigerant flowing into the supercooling heat exchanger 28,
  • the temperature sensor 47 detects the temperature of the refrigerant flowing out of the supercooling heat exchanger 28, respectively.
  • reference numerals 51 and 52 denote first and second gas cooler blowers.
  • the first gas cooler blower 51 ventilates each of the high-stage gas coolers 11A and 11B and the first low-stage gas cooler 23 to air-cool them.
  • the second gas cooler blower 52 ventilates the second low-stage gas cooler 26 and cools it by air.
  • reference numeral 53 denotes a temperature sensor for detecting the outside air temperature.
  • 48 is a control device on the refrigerator unit 3 side, and the operating frequency of the high stage compressor 7 of the high stage side refrigerant circuit 4 based on the output of each sensor 44, 46, 47, 53, etc.
  • the low-stage expansion valve 34 and the electromagnetic valve 37 on the showcase 2 side are controlled by the control device of each showcase 2 based on the temperature in the display room, the temperature of the cold air blown out there, and the like.
  • the control device of the showcase 2 and the control device 48 of the refrigerator unit 3 are centrally controlled by an integrated control device provided in the store, and operate in cooperation with each other.
  • the control device 48 operates the high stage compressor 7 of the high stage refrigerant circuit 4, the low stage compressor 21 of the low stage refrigerant circuits 6A and 6B, and the gas cooler fans 51 and 52. Then, the high-temperature and high-pressure refrigerant (carbon dioxide) compressed by the high-stage compressor 7 is discharged to the discharge pipe 8 and divided into the branch pipes 9A and 9B, and then flows into the high-stage gas coolers 11A and 11B. . The refrigerant that has flowed into the high-stage gas coolers 11A and 11B is cooled in a supercritical state by the gas cooler blower 51, and the temperature decreases.
  • the refrigerant cooled by the first high-stage gas cooler 11A flows into the first high-stage expansion valve 13A via the outlet pipe 12A, and is throttled (decompressed) there, and then the first cascade from the outlet pipe 14A.
  • the refrigerant flows into the first high-stage evaporator 16A constituting the heat exchanger 43A, evaporates, and cools the refrigerant flowing through the supercooling heat exchanger 28 of the first low-stage refrigerant circuit 6A (supercooling). .
  • the refrigerant cooled by the second high stage side gas cooler 11B flows into the second high stage side expansion valve 13B via the outlet pipe 12B, and is decompressed there, and then the second cascade heat from the outlet pipe 14B.
  • the refrigerant flows into the second high-stage evaporator 16B constituting the exchanger 43B, evaporates, and cools the refrigerant flowing through the supercooling heat exchanger 28 of the second low-stage refrigerant circuit 6B (supercooling).
  • the refrigerant that has exited the first and second high-stage evaporators 16A and 16B merges through the outlet pipes 17A and 17B, and repeats circulation that is sucked into the high-stage compressor 7 from the suction pipe 18.
  • the high-temperature and high-pressure refrigerant (carbon dioxide) compressed by the low-stage compressor 21 of the first low-stage refrigerant circuit 6A (as well as the second low-stage refrigerant circuit 6B) is discharged to the discharge pipe 22.
  • the first low-stage gas cooler 23 Flows into the first low-stage gas cooler 23.
  • the refrigerant that has flowed into the first low-stage side gas cooler 23 is cooled in a supercritical state by the gas cooler blower 51, and after the temperature has decreased, it flows into the second low-stage side gas cooler 26 through the outlet pipe 24. To do.
  • the refrigerant that has flowed into the second low-stage gas cooler 26 is cooled in a supercritical state by the gas cooler blower 52 and, after the temperature has further decreased, passes through the outlet pipe 27 and passes through the first cascade heat exchanger 43A (second In the case of the lower stage refrigerant circuit 6B, the refrigerant flows into the supercooling heat exchanger 28 constituting the second cascade heat exchanger 43B).
  • the refrigerant flowing into the supercooling heat exchanger 28 evaporates in the first high-stage evaporator 16A (in the case of the second low-stage refrigerant circuit 6B, the second high-stage evaporator 16B). After being cooled (supercooled) by the refrigerant of the high-stage side refrigerant circuit 4 and further lowered in temperature, it reaches the pressure adjusting expansion valve 31 through the outlet pipe 29.
  • the high pressure side refrigerant of the low stage side refrigerant circuit 6A (6B) is throttled by the pressure adjusting expansion valve 31, and is branched to the branch pipes 33A and 33B via the outlet pipe 32, and then exits from the refrigerator unit 3 to each showcase 2 to go into.
  • the refrigerant flowing through the branch pipes 33A and 33B reaches the low-stage expansion valve 34 of each showcase 2 and is throttled there, and then flows into the low-stage evaporator 36 and evaporates.
  • the display chamber of each showcase 2 is cooled to a predetermined temperature by the endothermic action at this time.
  • the refrigerant exiting the low-stage evaporator 36 of the showcase 2 merges through an electromagnetic valve 37 (when the showcase 2 is cooled, the electromagnetic valve 37 is open) and an outlet pipe 38. Then, it flows into the accumulator 39 from the inlet pipe 42.
  • the refrigerant that has flowed into the accumulator 39 is gas-liquid separated there, and the circulation of the gas refrigerant that is sucked into the low-stage compressor 21 through the suction pipe 41 is repeated.
  • the control device 48 detects the temperature of the refrigerant flowing into the supercooling heat exchanger 28 detected by the temperature sensor 46 provided in each of the low-stage refrigerant circuits 6A and 6B, and the supercooling heat exchange detected by the temperature sensor 47. Based on the temperature of the refrigerant flowing out from the vessel 28 (for example, based on the difference between them), the high-pressure side refrigerant in the low-stage side refrigerant circuits 6A and 6B is appropriately subcooled in each supercooling heat exchanger 28.
  • the valve opening degree of each high stage side expansion valve 13A, 13B is controlled independently. Thereby, the high pressure side refrigerant
  • the refrigerant in the high-stage side refrigerant circuit 4 is evaporated in the high-stage side evaporators 16A and 16B of the cascade heat exchangers 43A and 43B, and the low-stage side refrigerant circuits 6A flowing through the supercooling heat exchanger 28.
  • a relatively large (high capacity) compressor is used as the compressor 7, 21 of each refrigerant circuit 4, 6A, 6B. Without using it, it becomes possible to obtain the required cooling capacity in the low-stage evaporator 36 of each showcase 2.
  • the refrigerant that has exited the low-stage evaporator 36 of the low-stage refrigerant circuits 6A and 6B does not exchange heat with the high-pressure refrigerant of the low-stage refrigerant circuits 6A and 6B, and the low-stage refrigerant circuit 6A, Since it is configured to be sucked into the low-stage compressor 21 of 6B, it is possible to prevent an abnormal increase in the high-pressure side pressure of the low-stage refrigerant circuits 6A and 6B, especially in summer when the outside air temperature becomes high. At the same time, since the high-density refrigerant can be sucked into the low-stage compressor 21, the efficiency is also improved.
  • the cascade heat exchangers 43A and 43B supercool the refrigerant that has exited the low-stage gas cooler 26, the carbon dioxide refrigerant of the low-stage refrigerant circuits 6A and 6B cooled by the low-stage gas coolers 24 and 26 is used. Further cooling is performed by the cascade heat exchangers 43A and 43B, and further cooling capacity can be improved.
  • one The high-stage side refrigerant circuit 4 can supercool the high-pressure side refrigerants of the two systems (plurality) of the low-stage refrigerant circuits 6A and 6B.
  • the high-stage refrigerant circuit 4 includes two (plural) high-stage gas coolers 11A and 11B connected in parallel and two (multiple-stage) connected to the outlets of the high-stage gas coolers 11A and 11B, respectively.
  • 16A and 16B even when two low-stage refrigerant circuits 6A and 6B are used as in the embodiment, the cascade-stage heat exchangers 43A and 43B use the low-stage refrigerant circuits 6A and 6B.
  • the 6B high-pressure refrigerant can be subcooled accurately and independently.
  • the refrigerant that has exited each of the high-stage evaporators 16A and 16B of the high-stage refrigerant circuit 4 does not exchange heat with the high-pressure refrigerant of the high-stage refrigerant circuit 4, and thus the high-stage refrigerant circuit 4 Since the suction is performed by the stage-side compressor 7, an abnormal increase in the high-pressure side pressure of the high-stage refrigerant circuit 4 can be prevented particularly in summer when the outside air temperature becomes high. Moreover, since a high-density refrigerant can be sucked into the high stage side compressor 7, efficiency is also improved.
  • the control device 48 calculates the optimum high-pressure side pressure of the low-stage refrigerant circuits 6A and 6B based on the outside air temperature, and controls the valve opening degree of each pressure adjusting expansion valve 31 using this as a target value. . That is, the control device 48 detects the outside air temperature detected by the temperature sensor 53 in step S1 of the flowchart of FIG. Next, in step S2, a target value for the high-pressure side pressure of the low-stage refrigerant circuit 6A (6B) is set based on the outside air temperature.
  • the control device 48 holds in advance information indicating the relationship between the outside air temperature and the optimum high-pressure side pressure of the low-stage refrigerant circuit 6A (6B) at that time.
  • the optimum value of the high-pressure side pressure means the high-pressure side pressure of the low-stage refrigerant circuit 6A (6B) at which the efficiency COP is maximized or close to the value in FIG.
  • the horizontal axis (x) is the outside air temperature
  • the vertical axis (y) is the high-pressure side pressure of the low-stage refrigerant circuit 6A (6B) of the refrigeration apparatus 1 (the high-pressure refrigerant discharged from the low-stage compressor 21).
  • This approximate expression is obtained in advance by experiments. For example, if FIG. 7 described above is an example of the refrigeration apparatus 1, it can be seen that the optimum value (y) of the high-pressure side pressure is 10.5 MPa in an environment where the outside air temperature (x) is + 38 ° C.
  • the control device 48 uses this approximate expression in step S2, calculates the optimum high-pressure side pressure at that time (the optimum value of the high-pressure side pressure) from the outside air temperature, and sets the calculated high-pressure side pressure as a target value.
  • the target value (optimum high-pressure side pressure) at the outside air temperature + 20 ° C. is about 8.1 MPa
  • the target value at + 30 ° C. is about 9.5 MPa.
  • step S3 the control device 48 sets an initialization opening of the pressure adjusting expansion valve 31 to initialize the opening.
  • step S4 the control of the high pressure side pressure of the low stage side refrigerant circuit 6A (6B) by the pressure adjusting expansion valve 31 is started.
  • the controller 48 first waits for a predetermined time (for example, 10 minutes) in step S5, and then detects the current high-pressure side pressure detected by the pressure sensor 44 in step S6.
  • a predetermined time for example, 10 minutes
  • the absolute value (abs) of the difference (target value-current value) between the target value (optimal high pressure side pressure) and the current high pressure side pressure (current value) is a predetermined value (for example, 0.1 MPa).
  • a predetermined value for example, 0.1 MPa.
  • step S9 After waiting for a predetermined time (for example, 30 seconds) in step S9, the outside temperature detected by the temperature sensor 53 is detected again in step S10. Then, the difference (set outside air temperature ⁇ current outside air temperature) between the outside air temperature when the target value is set in step S11 (outside air temperature in step S1; set outside air temperature) and the current outside air temperature (current outside air temperature) is It is determined whether or not the value is within a range of a predetermined value (for example, plus or minus 2K). If the difference is within the predetermined value (plus or minus 2K), the target value of the high pressure side pressure is maintained in step S12, and the process returns to step S6.
  • a predetermined time for example, 30 seconds
  • step S11 If the difference (set outside air temperature ⁇ current outside air temperature) is not within the predetermined value in step S11, the control device 48 proceeds to step S13 to use the approximate expression of FIG. 3 again, and the outside air temperature at that time (current outside air temperature) again.
  • the optimum high-pressure side pressure is calculated, and the calculated high-pressure side pressure is set (updated) as a target value. Then, the process returns to step S6. In this way, the controller 48 updates the target value of the high-pressure side pressure of the low-stage refrigerant circuit 6A (6B) following the change in the outside air temperature.
  • step S7 the absolute value of the difference (target value ⁇ current value) between the target value and the current high pressure side pressure (current value) is not less than or equal to the predetermined value (0.1 MPa) in step S7 (the difference is large).
  • the control device 48 proceeds to step S14, and determines whether or not the difference (target value ⁇ current value) is larger than a predetermined value (for example, 0.1 MPa).
  • the control device 48 proceeds to step S15 and the pressure adjusting expansion valve 31 is set.
  • the valve opening is closed by a predetermined pulse (xxpls).
  • the control device 48 performs step. Proceeding to S16, the valve opening degree of the pressure adjusting expansion valve 31 is opened by a predetermined pulse (xxpls). As a result, the high-pressure side refrigerant of the low-stage side refrigerant circuit 6A (6B) that has exited the supercooling heat exchanger 28 of the cascade heat exchanger 43A (43B) becomes easier to flow, so the low-stage side refrigerant circuit 6A ( The high pressure side pressure of 6B) decreases.
  • the control device 48 controls the high pressure side pressure of the low stage side refrigerant circuit 6A (6B) to an optimum value by the pressure adjusting expansion valve 31. That is, a pressure adjusting expansion valve 31 for adjusting the high pressure side pressure of the low stage side refrigerant circuits 6A, 6B is provided, and the control unit 48 determines the optimum relevant pressure based on the high pressure side pressure of the low stage side refrigerant circuits 6A, 6B. Since the pressure adjusting expansion valve 31 is controlled with the high pressure side pressure as a target value, the specific enthalpy difference between the high pressure side refrigerants in the low stage side refrigerant circuits 6A and 6B is secured to improve the cooling capacity and the efficiency. It becomes possible to plan.
  • the pressure adjusting expansion valve 31 can smoothly control the high pressure side pressure of the low stage side refrigerant circuits 6A and 6B to an optimum value.
  • the same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same or similar functions.
  • the circuit configurations of the low-stage refrigerant circuits 6A and 6B are the same as those in the first embodiment.
  • the outlet pipe 12A of the first high-stage side gas cooler 11A of the high-stage side refrigerant circuit 4 and the outlet pipe 12B of the second high-stage side gas cooler 11B are joined together to the inlet of one high-stage side expansion valve 13. It is connected. That is, the high stage side gas coolers 11A and 11B are connected in parallel between the high stage side compressor 7 and the high stage side expansion valve 13.
  • the outlet of the high stage side expansion valve 13 branches into branch pipes 54A and 54B, one branch pipe 54A is connected to the inlet of the first high stage side evaporator 16A, and the other branch pipe 54B is the second pipe. Is connected to the inlet of the higher stage evaporator 16B. That is, the high-stage evaporators 16A and 16B are connected in parallel to the outlet of the high-stage side expansion valve 13.
  • 56 is a pressure sensor which is attached to the discharge pipe 8 of the high stage side compressor 7 and detects the high pressure side pressure of the high stage side refrigerant circuit 4, and 57 in the figure is attached to the outlet pipe 17A.
  • the temperature sensor 58 detects the temperature of the refrigerant that has exited the first high-stage evaporator 16A
  • 58 is a temperature sensor that is attached to the outlet pipe 17B and detects the temperature of the refrigerant that has exited the second high-stage evaporator 16B. It is.
  • the temperature sensors 46 and 47 of the first embodiment are not provided. Other configurations are the same as those in the first embodiment.
  • the control device 48 causes the high-stage compressor 7 of the high-stage refrigerant circuit 4, the low-stage compressor 21 of the low-stage refrigerant circuits 6 ⁇ / b> A and 6 ⁇ / b> B, and the gas cooler blowers 51 and 52 to be used.
  • the high-temperature and high-pressure refrigerant (carbon dioxide) compressed by the high-stage compressor 7 is discharged to the discharge pipe 8 and divided into the branch pipes 9A and 9B, and then each of the high-stage gas coolers 11A and 11B. Flow into.
  • the refrigerant that has flowed into the high-stage gas coolers 11A and 11B is cooled in a supercritical state by the gas cooler blower 51, and the temperature decreases.
  • the refrigerant cooled by the high-stage gas coolers 11A and 11B merges through the outlet pipes 12A and 12B, and then flows into the high-stage expansion valve 13 where it is throttled (decompressed), and then the branch pipe 54A. , 54B.
  • the refrigerant that has flowed into the branch pipe 54A flows into the first high-stage evaporator 16A that constitutes the first cascade heat exchanger 43A, evaporates, and heat for supercooling the first low-stage refrigerant circuit 6A.
  • the refrigerant flowing through the exchanger 28 is cooled (supercooled).
  • the refrigerant that has flowed into the branch pipe 54B flows into the second high-stage evaporator 16B that constitutes the second cascade heat exchanger 43B, evaporates, and supercools the second low-stage refrigerant circuit 6B.
  • the refrigerant flowing through the heat exchanger 28 is cooled (supercooled).
  • the refrigerant that has exited the first and second high-stage evaporators 16A and 16B merges through the outlet pipes 17A and 17B, and repeats circulation that is sucked into the high-stage compressor 7 from the suction pipe 18.
  • control device 48 in this case sets the operating frequency of the high stage compressor 7 based on, for example, an average value of the temperature of the refrigerant that has exited the high stage evaporators 16A and 16B detected by the temperature sensors 57 and 58. Control. At this time, the control device 48 controls the operating frequency of the high-stage compressor 7 so that the required supercooling of the high-pressure refrigerant in the low-stage refrigerant circuits 6A and 6B can be obtained in the cascade heat exchangers 43A and 43B. .
  • control device 48 determines the valve opening degree of the expansion valve 13 based on the high-pressure side pressure of the high-stage refrigerant circuit 4 detected by the pressure sensor 56, and the pressure adjusting expansion valves for the low-stage refrigerant circuits 6A and 6B described above.
  • the high pressure side pressure of the high stage side refrigerant circuit 4 is controlled to an appropriate value (target value of the high pressure side pressure of the high stage side refrigerant circuit 4) as described above.
  • the operation of the low-stage refrigerant circuits 6A and 6B and the control of the control device 48 related thereto are the same as in the first embodiment.
  • This embodiment also includes two (a plurality of) low-stage refrigerant circuits 6A and 6B and two (a plurality of) cascade heat exchangers 43A and 43B provided in each of the low-stage refrigerant circuits 6A and 6B. Accordingly, similarly, the high-pressure side refrigerants of the two systems (plurality) of the low-stage refrigerant circuits 6A and 6B can be supercooled by the single high-stage refrigerant circuit 4.
  • the high stage side refrigerant circuit 4 includes the first and second high stage side gas coolers 11A and 11B and a single high stage connected to the outlets of these high stage side gas coolers 11A and 11B.
  • the refrigerant can flow from one high-stage expansion valve 13 to the two (plural) high-stage evaporators 16A and 16B, thereby simplifying the control and reducing the cost. There is an effect that can be achieved.
  • the same reference numerals as those in FIGS. 1 and 4 indicate the same or similar functions.
  • the circuit configurations of the low-stage refrigerant circuits 6A and 6B are the same as those in the first embodiment.
  • the outlet pipe 12A of the first high-stage side gas cooler 11A of the high-stage side refrigerant circuit 4 and the outlet pipe 12B of the second high-stage side gas cooler 11B are joined together to the inlet of one high-stage side expansion valve 13. It is connected. That is, the high stage side gas coolers 11A and 11B are connected in parallel between the high stage side compressor 7 and the high stage side expansion valve 13.
  • the outlet of the high stage side expansion valve 13 is connected to the inlet of the first high stage side evaporator 16A via the outlet pipe 59.
  • the outlet pipe 17A of the first high stage evaporator 16A is connected to the inlet of the second high stage evaporator 16B, and the outlet pipe 17B of the high stage evaporator 16B is connected to the high stage compressor 7.
  • the suction pipe 18 is connected. That is, the high-stage evaporators 16A and 16B are connected in series to the outlet of the high-stage side expansion valve 13.
  • the temperature sensor 57 of the second embodiment is not provided, and the temperature sensor 58 is attached to the outlet pipe 17B to detect the temperature of the refrigerant that has exited the second higher-stage evaporator 16B. Also in this case, the temperature sensors 46 and 47 of the first embodiment are not provided. Other configurations are the same as those in the first or second embodiment.
  • the control device 48 causes the high-stage compressor 7 of the high-stage refrigerant circuit 4, the low-stage compressor 21 of the low-stage refrigerant circuits 6 ⁇ / b> A and 6 ⁇ / b> B, and the gas cooler blowers 51 and 52 to be used.
  • the high-temperature and high-pressure refrigerant (carbon dioxide) compressed by the high-stage compressor 7 is discharged to the discharge pipe 8 and divided into the branch pipes 9A and 9B, and then each of the high-stage gas coolers 11A and 11B. Flow into.
  • the refrigerant that has flowed into the high-stage gas coolers 11A and 11B is cooled in a supercritical state by the gas cooler blower 51, and the temperature decreases.
  • the refrigerant cooled by the high-stage gas coolers 11A and 11B merges through the outlet pipes 12A and 12B, and then flows into the high-stage expansion valve 13 where it is throttled (decompressed), and then the outlet pipe 59.
  • the refrigerant flows into the first high-stage evaporator 16A constituting the first cascade heat exchanger 43A, evaporates, and flows through the supercooling heat exchanger 28 of the first low-stage refrigerant circuit 6A. Is cooled (supercooled).
  • the refrigerant that has exited the first high-stage evaporator 16A flows into the second high-stage evaporator 16B that constitutes the second cascade heat exchanger 43B through the outlet pipe 17A, and then evaporates.
  • the refrigerant flowing through the supercooling heat exchanger 28 of the second low-stage refrigerant circuit 6B is cooled (supercooling).
  • the refrigerant that has exited the second high-stage evaporator 16B repeats circulation that is sucked into the high-stage compressor 7 from the suction pipe 18 via the outlet pipe 17B.
  • control device 48 in this case controls the operating frequency of the high-stage compressor 7 based on the temperature of the refrigerant that has exited the second high-stage evaporator 16B detected by the temperature sensor 58. At this time, the control device 48 controls the operating frequency of the high-stage compressor 7 so that the required supercooling of the high-pressure refrigerant in the low-stage refrigerant circuits 6A and 6B can be obtained in the cascade heat exchangers 43A and 43B. .
  • control device 48 determines the valve opening degree of the expansion valve 13 based on the high pressure side pressure of the high stage side refrigerant circuit 4 detected by the pressure sensor 56 as in the case of the second embodiment. , 6B, the high pressure side pressure of the high stage side refrigerant circuit 4 is set to an appropriate value similar to the above (target value of the high pressure side pressure of the high stage side refrigerant circuit 4). Control.
  • the operation of the low-stage refrigerant circuits 6A and 6B and the control of the control device 48 related thereto are the same as in the first embodiment.
  • This embodiment also includes two (a plurality of) low-stage refrigerant circuits 6A and 6B and two (a plurality of) cascade heat exchangers 43A and 43B provided in each of the low-stage refrigerant circuits 6A and 6B. Accordingly, similarly, the high-pressure side refrigerants of the two systems (plurality) of the low-stage refrigerant circuits 6A and 6B can be supercooled by the single high-stage refrigerant circuit 4.
  • the high stage side refrigerant circuit 4 is configured in series with each cascade heat exchanger in series with the outlet of the high stage side expansion valve 13 connected to the outlets of the high stage side gas coolers 11A and 11B.
  • Two (a plurality of) high stage evaporators 16A and 16B are connected, and the operating frequency of the high stage compressor 7 is set at the temperature of the refrigerant that has exited the second high stage evaporator 16B on the downstream side. Since it is controlled, such inconvenience is solved.
  • the first high-stage evaporator 16A is upstream, and the second high-stage evaporator 16B is downstream.
  • the supercooling of the refrigerant in the low-stage refrigerant circuit 6A cooled by 43A is prioritized over the low-stage refrigerant circuit 6B. Therefore, the low stage side refrigerant circuit 6A may be configured to share cooling of the showcase 2 where the load becomes larger.
  • the present invention has been described with a refrigeration apparatus in which a single high-stage refrigerant circuit and two low-stage refrigerant circuits are cascade-connected.
  • the present invention is not limited thereto, and a single low-stage refrigerant circuit and A refrigeration apparatus in which high-stage refrigerant circuits are cascade-connected may be used, or three or more low-stage refrigerant circuits may be cascade-connected to a high-stage refrigerant circuit.
  • the present invention is applied to a refrigeration apparatus that cools a showcase.
  • the present invention is not limited thereto, and the present invention is also effective for a refrigeration apparatus that cools a vending machine or the like.
  • Refrigeration apparatus 2 Showcase 3 Refrigerator unit 4 High stage side refrigerant circuit 6A, 6B Low stage side refrigerant circuit 7 High stage side compressor 11A, 11B High stage side gas cooler 13A, 13B, 13 High stage side expansion valve 16A, 16B High-stage evaporator 21 Low-stage compressor 23, 26 Low-stage gas cooler 28 Supercooling heat exchanger 31 Pressure adjustment expansion valve 34 Low-stage expansion valve 36 Low-stage evaporator 39 Accumulator 48 Controllers 51, 52 Gas cooler blower

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Abstract

【課題】低段側冷媒回路の高圧側圧力を最適な値に制御して、冷却能力と効率を向上させることができる冷凍装置を提供する。【解決手段】高段側冷媒回路（４）と、第１、第２の低段側冷媒回路（６Ａ、６Ｂ）と、高段側冷媒回路（４）の冷媒を蒸発させて低段側冷媒回路（６Ａ、６Ｂ）の高圧側冷媒を冷却するカスケード熱交換器（４３Ａ、４３Ｂ）とを備え、各冷媒回路（４、６Ａ、６Ｂ）には二酸化炭素を冷媒として封入して成る冷凍装置（１）において、低段側冷媒回路（６Ａ、６Ｂ）の高圧側圧力を調整するための圧力調整用膨張弁（３１）を設けた。

Description

冷凍装置
　本発明は、高段側冷媒回路と低段側冷媒回路とをカスケード接続し、各冷媒回路には冷媒として二酸化炭素を封入して成る冷凍装置に関するものである。
　従来より、例えばコンビニエンスストアやスーパーマーケット等の店舗には、陳列室内にて商品を冷却しながら陳列販売するショーケースが複数台設置されている。各ショーケースには陳列室内を冷却するための蒸発器が設置され、この蒸発器には店外等に設置された冷凍機ユニットから冷媒が供給される構成とされていた。
　また、近年の地球環境問題からこの種ショーケースにおいても二酸化炭素が冷媒として使用されるようになってきているが、この二酸化炭素を圧縮するためには比較的大型の圧縮機が必要となる。そこで、それぞれ独立した冷媒閉回路を構成する高段側冷媒回路と低段側冷媒回路とをカスケード接続し、高段側冷媒回路の冷媒を蒸発させて低段側冷媒回路の高圧側冷媒を過冷却することにより、低段側冷媒回路の蒸発器で所要の冷凍能力を得る冷凍装置が開発されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
特開２００１－９１０７４号公報 特開２０００－２０５６７２号公報
　ここで、図６は係る冷凍装置の低段側冷媒回路のｐ－ｈ線図を例示している。図中縦軸は低段側冷媒回路の高圧側圧力、Ｌ１は飽和液線、Ｌ２は飽和蒸気線、Ｌ３は＋４０℃の等温線、Ｌ４は＋１００℃～＋１２０℃の等温線をそれぞれ示している。また、図中Ｘ１は低段側冷媒回路の高圧側圧力が９ＭＰａのときに＋１００℃～＋１２０℃の冷媒を＋４０℃まで冷却したときの比エンタルピの差を示し、Ｘ２は低段側冷媒回路の高圧側圧力が７．５ＭＰａのときに＋１００℃～＋１２０℃の冷媒を＋４０℃まで冷却したときの比エンタルピの差を示している。
　二酸化炭素冷媒はガスクーラにて超臨界状態で冷却されるため、顕熱変化となる。そして、図６からも明らかな如く、低段側冷媒回路の高圧側圧力が高い９ＭＰａのときの方が、７．５ＭＰａのときよりも比エンタルピの差が大きく、その分、冷凍能力が高くなることが分かる。
　また、図７は低段側冷媒回路の高圧側圧力と各熱交換器の能力（図６とは条件が異なる夏期高温３８℃）の関係を示している。また、図中菱形は低段側ガスクーラ、四角は高段側ガスクーラ、三角はカスケード熱交換器、丸はＣＯＰをそれぞれ示している。この図からも明らかな如く、図中Ｘ３で示す領域、即ち、低段側冷媒回路の高圧側圧力が高い領域で効率ＣＯＰが改善されることが分かる。例えば、この例の冷凍装置の場合、外気温度が＋３８℃の環境下では、低段側冷媒回路の高圧側圧力が１０．５ＭＰａ程であるときに効率ＣＯＰが最大となることが分かる。
　このように、二酸化炭素を冷媒として使用した場合、低段側冷媒回路の高圧側圧力には、冷凍能力上、及び、効率上、最適な値（前述した外気温度＋３８℃における１０．５ＭＰａ）が存在し、それは比較的高い領域であるが、従来では低段側冷媒回路の高圧側圧力は、ショーケースに設けられた膨張弁の絞り具合に依存していたため、低段側冷媒回路の高圧側圧力を最適な値に制御することができなかった。
　また、二酸化炭素は高圧上昇が早いため、異常高圧でカットエラーとならないよう、低段側冷媒回路の高圧側圧力を監視して、上昇した際には低段側圧縮機の運転周波数を下げて高圧が異常に上昇することを抑制する必要がある。一方、従来では冷凍能力を向上させる目的で低段側冷媒回路の高圧側冷媒と低段側冷媒回路の低段側蒸発器を出た冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を設ける場合があるが、低段側圧縮機に吸い込まれる冷媒温度が上昇するため、特に外気温度が高くなる夏期等に高圧が高くなり勝ちとなり、運転周波数の低下制御が働いて図７における９ＭＰａ当たりまでしか上がらず、これによっても高圧側圧力が最適値に上昇しないという問題があった。
　本発明は、係る従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、低段側冷媒回路の高圧側圧力を最適な値に制御して、冷却能力と効率を向上させることができる冷凍装置を提供するものである。
　上記課題を解決するために本発明は、高段側冷媒回路と、低段側冷媒回路と、高段側冷媒回路の冷媒を蒸発させて低段側冷媒回路の高圧側冷媒を冷却するカスケード熱交換器とを備え、各冷媒回路には二酸化炭素を冷媒として封入して成る冷凍装置において、低段側冷媒回路の高圧側圧力を調整するための圧力調整用膨張弁を設けたことを特徴とする。
　請求項２の発明の冷凍装置は、上記発明において圧力調整用膨張弁を制御する制御装置を備え、この制御装置は、低段側冷媒回路の高圧側圧力に基づき、最適な当該高圧側圧力を目標値として圧力調整用膨張弁を制御することを特徴とする。
　請求項３の発明の冷凍装置は、上記発明において制御装置は、外気温度とそのときの最適な高圧側圧力との関係を示す情報を予め保有しており、外気温度に基づいて高圧側圧力の目標値を算出することを特徴とする。
　請求項４の発明の冷凍装置は、上記各発明において低段側冷媒回路の低段側蒸発器を出た冷媒を、当該低段側冷媒回路の高圧側冷媒と熱交換させること無く、低段側冷媒回路の低段側圧縮機に吸い込ませると共に、この低段側圧縮機の吸込側には、アキュムレータを設けたことを特徴とする。
　請求項５の発明の冷凍装置は、上記各発明において低段側冷媒回路は、低段側圧縮機と、低段側ガスクーラを有し、カスケード熱交換器は、低段側ガスクーラを出た冷媒を過冷却することを特徴とする。
　請求項６の発明の冷凍装置は、上記各発明において複数の低段側冷媒回路と、各低段側冷媒回路にそれぞれ設けられた複数のカスケード熱交換器とを備え、高段側冷媒回路は、並列に接続された複数の高段側ガスクーラと、各高段側ガスクーラの出口にそれぞれ接続された複数の高段側膨張弁と、各高段側膨張弁の出口にそれぞれ接続されて各カスケード熱交換器をそれぞれ構成する複数の高段側蒸発器を有することを特徴とする。
　請求項７の発明の冷凍装置は、請求項１乃至請求項５の発明において複数の低段側冷媒回路と、各低段側冷媒回路にそれぞれ設けられた複数のカスケード熱交換器とを備え、高段側冷媒回路は、高段側ガスクーラと、この高段側ガスクーラの出口に接続された高段側膨張弁と、この高段側膨張弁の出口に並列に接続されて各カスケード熱交換器をそれぞれ構成する複数の高段側蒸発器を有することを特徴とする。
　請求項８の発明の冷凍装置は、請求項１乃至請求項５の発明において複数の低段側冷媒回路と、各低段側冷媒回路にそれぞれ設けられた複数のカスケード熱交換器とを備え、高段側冷媒回路は、高段側ガスクーラと、この高段側ガスクーラの出口に接続された高段側膨張弁と、この高段側膨張弁の出口に直列に接続されて各カスケード熱交換器をそれぞれ構成する複数の高段側蒸発器を有することを特徴とする。
　本発明によれば、高段側冷媒回路と、低段側冷媒回路と、高段側冷媒回路の冷媒を蒸発させて低段側冷媒回路の高圧側冷媒を冷却するカスケード熱交換器とを備え、各冷媒回路には二酸化炭素を冷媒として封入して成る冷凍装置において、低段側冷媒回路の高圧側圧力を調整するための圧力調整用膨張弁を設けたので、例えば、請求項２の発明の如く圧力調整用膨張弁を制御する制御装置により、低段側冷媒回路の高圧側圧力に基づき、最適な当該高圧側圧力を目標値として圧力調整用膨張弁を制御することにより、低段側冷媒回路の高圧側冷媒の比エンタルピ差を確保し、冷却能力の向上と効率の改善を図ることができるようになる。
　この場合、請求項３の発明の如く制御装置に、外気温度とそのときの最適な高圧側圧力との関係を示す情報を予め保有させておき、外気温度に基づいて高圧側圧力の目標値を算出するようにすれば、圧力調整用膨張弁により、円滑に低段側冷媒回路の高圧側圧力を最適な値に制御することが可能となる。
　また、請求項４の発明の如く低段側冷媒回路の低段側蒸発器を出た冷媒を、当該低段側冷媒回路の高圧側冷媒と熱交換させること無く、低段側冷媒回路の低段側圧縮機に吸い込ませるようにすれば、特に外気温度が高くなる夏期等に、低段側冷媒回路の高圧側圧力の異常上昇を防止することができるようになり、最適な高圧側圧力への制御も円滑に行うことが可能となる。また、低段側圧縮機に密度の濃い冷媒を吸い込ませることができるので、効率も向上することになる。
　特にこの場合、低段側圧縮機の吸込側にはアキュムレータを設けているので、低段側圧縮機への液バックを防止することができるようになる。また、アキュムレータは液溜めとして機能するので、低段側冷媒回路に十分な量の冷媒を封入することも可能となる。
　また、請求項５の発明によれば、上記各発明に加えて低段側冷媒回路は、低段側圧縮機と低段側ガスクーラを有し、カスケード熱交換器は、低段側ガスクーラを出た冷媒を過冷却するようにしたので、低段側ガスクーラで冷却された低段側冷媒回路の冷媒を、カスケード熱交換器にて更に過冷却することができるようになり、更なる冷却能力を改善を図ることができるようになる。
　更に、請求項６の発明によれば、上記各発明に加えて複数の低段側冷媒回路と、各低段側冷媒回路にそれぞれ設けられた複数のカスケード熱交換器とを備えているので、一つの高段側冷媒回路にて複数の低段側冷媒回路の高圧側冷媒を過冷却することができるようになる。この場合、高段側冷媒回路は、並列に接続された複数の高段側ガスクーラと、各高段側ガスクーラの出口にそれぞれ接続された複数の高段側膨張弁と、各高段側膨張弁の出口にそれぞれ接続されて各カスケード熱交換器をそれぞれ構成する複数の高段側蒸発器を有しているので、低段側冷媒回路を複数用いる場合にも、各カスケード熱交換器により各低段側冷媒回路の高圧側冷媒を的確に過冷却することができるようになる。
　また、請求項７の発明によれば、請求項１乃至請求項５の発明に加えて複数の低段側冷媒回路と、各低段側冷媒回路にそれぞれ設けられた複数のカスケード熱交換器とを備えているので、同様に一つの高段側冷媒回路にて複数の低段側冷媒回路の高圧側冷媒を過冷却することができるようになる。この場合、高段側冷媒回路は、高段側ガスクーラと、この高段側ガスクーラの出口に接続された高段側膨張弁と、この高段側膨張弁の出口に並列に接続されて各カスケード熱交換器をそれぞれ構成する複数の高段側蒸発器を有しているので、一つの高段側膨張弁から複数の高段側蒸発器へ冷媒を流すことができるようになり、制御が簡素化されると共に、コストの低減も図ることが可能となる。
　また、請求項８の発明によれば、請求項１乃至請求項５の発明に加えて複数の低段側冷媒回路と、各低段側冷媒回路にそれぞれ設けられた複数のカスケード熱交換器とを備えているので、同様に一つの高段側冷媒回路にて複数の低段側冷媒回路の高圧側冷媒を過冷却することができるようになる。この場合、高段側冷媒回路は、高段側ガスクーラと、この高段側ガスクーラの出口に接続された高段側膨張弁と、この高段側膨張弁の出口に直列に接続されて各カスケード熱交換器をそれぞれ構成する複数の高段側蒸発器を有しているので、何れかの低段側冷媒回路の運転が停止したときに、高段側冷媒回路の高段側圧縮機に液バックが発生する不都合を防止することが可能となるものである。
本発明を適用した一実施例の冷凍装置の冷媒回路図である（実施例１）。 図１の冷凍装置の制御装置による圧力調整用膨張弁の制御フローチャートである。 図１の冷凍装置の制御装置による低段側冷媒回路の高圧側圧力の目標値の算出動作を説明するための図である。 本発明を適用した他の実施例の冷凍装置の冷媒回路図である（実施例２）。 本発明を適用したもう一つの他の実施例の冷凍装置の冷媒回路図である（実施例３）。 この種冷凍装置の低段側冷媒回路のｐ－ｈ線図である。 この種冷凍装置の低段側冷媒回路の高圧側圧力と各熱交換器の能力の関係を示す図である。
　以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
　図１は本発明を適用した一実施例の冷凍装置１の冷媒回路図である。実施例の冷凍装置１は、コンビニエンスストアやスーパーマーケット等の店舗に設置された複数台のショーケース２（実施例では四台）に、店外に設置された冷凍機ユニット３から冷媒を供給するものであり、一台の高段側冷媒回路４と、複数（実施例では二系統）の低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂとから構成されている。
　この実施例の高段側冷媒回路４は、スクロール圧縮機から成る高段側圧縮機７と、この高段側圧縮機７の吐出配管８から分岐した分岐配管９Ａ、９Ｂにそれぞれ接続されて相互に並列となる第１及び第２の（複数の）高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂと、第１の高段側ガスクーラ１１Ａの出口配管１２Ａに接続された第１の高段側膨張弁１３Ａと、第２の高段側ガスクーラ１１Ｂの出口配管１２Ｂに接続された第２の高段側膨張弁１３Ｂと、第１の高段側膨張弁１３Ａの出口配管１４Ａに接続された第１の高段側蒸発器１６Ａと、第２の高段側膨張弁１３Ｂの出口配管１４Ｂに接続された第２の高段側蒸発器１６Ｂとを備えており、これら第１及び第２の高段側蒸発器１６Ａ、１６Ｂの出口配管１７Ａ、１７Ｂが合流され、高段側圧縮機７の吸込配管１８に接続されて冷凍サイクルが構成されている。この高段側冷媒回路４には、二酸化炭素が冷媒として所定量封入されている。
　一方、低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂは何れも同一の構成である。即ち、実施例の低段側冷媒回路６Ａ（低段側冷媒回路６Ｂも同様）は、これもスクロール圧縮機から成る低段側圧縮機２１と、この低段側圧縮機２１の吐出配管２２に接続された第１の低段側ガスクーラ２３と、その出口配管２４に接続されて第１の低段側ガスクーラ２３の冷媒下流側となる第２の低段側ガスクーラ２６と、この第２の低段側ガスクーラ２６の出口配管２７に接続された過冷却用熱交換器２８と、この過冷却用熱交換器２８の出口配管２９に接続された圧力調整用膨張弁３１と、この圧力調整用膨張弁３１の出口配管３２から分岐した分岐配管３３Ａ、３３Ｂにそれぞれ接続された低段側膨張弁３４、３４と、各低段側膨張弁３４、３４の出口側にそれぞれ接続された低段側蒸発器３６、３６とを備えている。
　これら低段側膨張弁３４及び低段側蒸発器３６が二台のショーケース２内にそれぞれ設置されるものである。そして、各ショーケース２内の低段側蒸発器３６の出口側にはそれぞれ電磁弁３７が接続され、各電磁弁３７の出口配管３８が合流された後、入口配管４２を経てアキュムレータ３９に接続され、このアキュムレータ３９の出口側が低段側圧縮機２１の吸込配管４１に接続されて冷凍サイクルが構成されている。アキュムレータ３９は所定容量を有するタンクである。また、各低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂには、二酸化炭素が冷媒として所定量封入されている。
　そして、高段側冷媒回路４の第１の高段側蒸発器１６Ａと低段側冷媒回路６Ａの過冷却用熱交換器２８とが熱交換関係に設けられて第１のカスケード熱交換器４３Ａが構成され、高段側冷媒回路４の第２の高段側蒸発器１６Ｂと低段側冷媒回路６Ｂの過冷却用熱交換器２８とが熱交換関係に設けられて第２のカスケード熱交換器４３Ｂが構成されている。また、上記分岐配管３３Ａ、３３Ｂと出口配管３８が冷凍機ユニット３から各ショーケース２に渡る配管となる。
　図中、４４は各低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの低段側圧縮機２１の吐出配管２２に取り付けられた圧力センサであり、低段側圧縮機２１から吐出された高圧側冷媒の圧力を検出する。また、４６、４７は各低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの出口配管２７及び２９にそれぞれ取り付けられた温度センサであり、温度センサ４６は過冷却用熱交換器２８に流入する冷媒の温度を、温度センサ４７は過冷却用熱交換器２８から流出する冷媒の温度をそれぞれ検出する。
　図中５１、５２は第１及び第２のガスクーラ用送風機であり、第１のガスクーラ用送風機５１は各高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂと第１の低段側ガスクーラ２３に通風してそれらを空冷し、第２のガスクーラ用送風機５２は第２の低段側ガスクーラ２６に通風して空冷する。また、図中５３は外気温度を検出する温度センサである。更に、図中４８は冷凍機ユニット３側の制御装置であり、各センサ４４、４６、４７、５３等の出力に基づいて高段側冷媒回路４の高段側圧縮機７の運転周波数、各高段側膨張弁１３Ａ、１３Ｂの弁開度、低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの低段側圧縮機２１の運転周波数、圧力調整用膨張弁３１の弁開度、各ガスクーラ用送風機５１、５２の運転を制御する。
　尚、ショーケース２側の低段側膨張弁３４や電磁弁３７は各ショーケース２の制御装置により陳列室内に温度やそこに吹き出される冷気の温度等に基づいて制御されるものであるが、ショーケース２の制御装置と冷凍機ユニット３の制御装置４８は店舗に設けられる統合制御装置により集中制御され、互いに連携して動作するものである。
　以上の構成で、制御装置４８により高段側冷媒回路４の高段側圧縮機７、低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの低段側圧縮機２１、各ガスクーラ用送風機５１、５２が運転されると、高段側圧縮機７で圧縮された高温高圧の冷媒（二酸化炭素）が吐出配管８に吐出され、分岐配管９Ａ、９Ｂに分流された後、各高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂに流入する。各高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂに流入した冷媒は、ガスクーラ用送風機５１により超臨界状態で冷却され、温度が低下する。
　第１の高段側ガスクーラ１１Ａで冷却された冷媒は、出口配管１２Ａを経て第１の高段側膨張弁１３Ａに流入し、そこで絞られた後（減圧）、出口配管１４Ａから第１のカスケード熱交換器４３Ａを構成する第１の高段側蒸発器１６Ａに流入して蒸発し、第１の低段側冷媒回路６Ａの過冷却用熱交換器２８を流れる冷媒を冷却する（過冷却）。また、第２の高段側ガスクーラ１１Ｂで冷却された冷媒は、出口配管１２Ｂを経て第２の高段側膨張弁１３Ｂに流入し、そこで減圧された後、出口配管１４Ｂから第２のカスケード熱交換器４３Ｂを構成する第２の高段側蒸発器１６Ｂに流入して蒸発し、第２の低段側冷媒回路６Ｂの過冷却用熱交換器２８を流れる冷媒を冷却する（過冷却）。
　そして、これら第１及び第２の高段側蒸発器１６Ａ、１６Ｂを出た冷媒は、出口配管１７Ａ、１７Ｂを経て合流し、吸込配管１８から高段側圧縮機７に吸い込まれる循環を繰り返す。
　一方、第１の低段側冷媒回路６Ａ（第２の低段側冷媒回路６Ｂも同様）の低段側圧縮機２１で圧縮された高温高圧の冷媒（二酸化炭素）は吐出配管２２に吐出され、第１の低段側ガスクーラ２３に流入する。この第１の低段側ガスクーラ２３に流入した冷媒は、ガスクーラ用送風機５１により超臨界状態で冷却され、温度が低下した後、出口配管２４を経て次に第２の低段側ガスクーラ２６に流入する。この第２の低段側ガスクーラ２６に流入した冷媒は、ガスクーラ用送風機５２により超臨界状態で冷却され、温度が更に低下した後、出口配管２７を経て第１のカスケード熱交換器４３Ａ（第２の低段側冷媒回路６Ｂの場合は第２のカスケード熱交換器４３Ｂ）を構成する過冷却用熱交換器２８に流入する。
　この過冷却用熱交換器２８に流入した冷媒は、第１の高段側蒸発器１６Ａ（第２の低段側冷媒回路６Ｂの場合は第２の高段側蒸発器１６Ｂ）内で蒸発する高段側冷媒回路４の冷媒により冷却（過冷却）されて更に温度が低下した後、出口配管２９を経て圧力調整用膨張弁３１に至る。
　この圧力調整用膨張弁３１で低段側冷媒回路６Ａ（６Ｂ）の高圧側冷媒は絞られ、出口配管３２を経て分岐配管３３Ａ、３３Ｂに分流し、冷凍機ユニット３から出て各ショーケース２に入る。分岐配管３３Ａ、３３Ｂを流れる冷媒は各ショーケース２の低段側膨張弁３４に至り、そこで絞られた後、低段側蒸発器３６に流入して蒸発する。このときの吸熱作用で各ショーケース２の陳列室内は所定の温度に冷却される。
　そして、これらショーケース２の低段側蒸発器３６を出た冷媒は、電磁弁３７（ショーケース２を冷却する場合、電磁弁３７は開放されているものとする）、出口配管３８を経て合流し、入口配管４２からアキュムレータ３９に流入する。アキュムレータ３９に流入した冷媒はそこで気液分離され、ガス冷媒が吸込配管４１を経て低段側圧縮機２１に吸い込まれる循環を繰り返す。
　制御装置４８は、各低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂに設けられた温度センサ４６が検出する過冷却用熱交換器２８に流入する冷媒の温度と、温度センサ４７が検出する過冷却用熱交換器２８から流出する冷媒の温度に基づき（例えば、それらの差に基づき）、各過冷却用熱交換器２８において低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの高圧側冷媒が適切に過冷却されるように各高段側膨張弁１３Ａ、１３Ｂの弁開度をそれぞれ独立して制御する。これにより、各カスケード熱交換器４３Ａ、４３Ｂによって各低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの高圧側冷媒をそれぞれ的確に過冷却する。
　このように、各カスケード熱交換器４３Ａ、４３Ｂの高段側蒸発器１６Ａ、１６Ｂにおいて高段側冷媒回路４の冷媒を蒸発させ、過冷却用熱交換器２８を流れる各低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの高圧側冷媒を過冷却することにより、二酸化炭素を冷媒として使用する場合にも、各冷媒回路４、６Ａ、６Ｂの圧縮機７、２１として比較的大型（大能力）の圧縮機を使用すること無く、各ショーケース２の低段側蒸発器３６において所要の冷却能力を得ることが可能となる。
　また、低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの低段側蒸発器３６を出た冷媒は、当該低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの高圧側冷媒と熱交換すること無く、低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの低段側圧縮機２１に吸い込まれる構成とされているので、特に外気温度が高くなる夏期等に、低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの高圧側圧力の異常上昇を防止することができるようになると共に、低段側圧縮機２１に密度の濃い冷媒を吸い込ませることができるので、効率も向上することになる。
　この場合、低段側圧縮機２１の吸込側にはアキュムレータ３９が設けられているので、低段側圧縮機２１への液バックは防止される。また、アキュムレータ３９は液溜めとして機能するので、低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂに十分な量の二酸化炭素冷媒を封入することが可能となる。
　また、カスケード熱交換器４３Ａ、４３Ｂは、低段側ガスクーラ２６を出た冷媒を過冷却するので、低段側ガスクーラ２４、２６で冷却された低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの二酸化炭素冷媒をカスケード熱交換器４３Ａ、４３Ｂにて更に過冷却することになり、更なる冷却能力を改善を図ることができるようになる。
　更に、この実施例では二系統の低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂと、各低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂにそれぞれ設けられた二つのカスケード熱交換器４３Ａ、４３Ｂを備えているので、一つの高段側冷媒回路４にて二系統（複数）の低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの高圧側冷媒を過冷却することができるようになる。
　この場合、高段側冷媒回路４は、並列に接続された二つ（複数）の高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂと、各高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂの出口にそれぞれ接続された二つ（複数）の高段側膨張弁１３Ａ、１３Ｂと、各高段側膨張弁１３Ａ、１３Ｂの出口にそれぞれ接続されて各カスケード熱交換器４３Ａ、４３Ｂをそれぞれ構成する二つ（複数）の高段側蒸発器１６Ａ、１６Ｂを有しているので、実施例のように二系統の低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂを用いる場合にも、各カスケード熱交換器４３Ａ、４３Ｂにより各低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの高圧側冷媒を、それぞれ独立して的確に過冷却することができるようになる。
　また、高段側冷媒回路４の各高段側蒸発器１６Ａ、１６Ｂを出た冷媒を、当該高段側冷媒回路４の高圧側冷媒と熱交換させること無く、高段側冷媒回路４の高段側圧縮機７に吸い込ませているので、特に外気温度が高くなる夏期等に、高段側冷媒回路４の高圧側圧力の異常上昇を防止することができるようになる。また、高段側圧縮機７に密度の濃い冷媒を吸い込ませることができるので、効率も向上する。
　次に、図２及び図３を参照しながら、制御装置４８による各低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの圧力調整用膨張弁３１の弁開度制御について説明する。実施例で制御装置４８は、外気温度に基づいて低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの最適な高圧側圧力を算出し、それを目標値として各圧力調整用膨張弁３１の弁開度を制御する。即ち、制御装置４８は図２のフローチャートのステップＳ１で、温度センサ５３が検出する外気温度を検知する。次に、ステップＳ２でこの外気温度に基づき、低段側冷媒回路６Ａ（６Ｂ）の高圧側圧力の目標値を設定する。
　この場合、制御装置４８は外気温度とそのときの低段側冷媒回路６Ａ（６Ｂ）の最適な高圧側圧力との関係を示す情報を予め保有している。ここで、本発明において高圧側圧力の最適値とは、前述した図７において効率ＣＯＰが最大、若しくは、それに近い値となる低段側冷媒回路６Ａ（６Ｂ）の高圧側圧力を意味する。図３中の近似式（ｙ＝０．１３４７ｘ＋５．４１３２）はこの低段側冷媒回路６Ａ（６Ｂ）の最適な高圧側圧力と外気温度との関係を示す情報である。図３の横軸（ｘ）は外気温度、縦軸（ｙ）は当該冷凍装置１の低段側冷媒回路６Ａ（６Ｂ）の高圧側圧力（低段側圧縮機２１の吐出された高圧側冷媒の圧力）の最適値であり、この近似式は予め実験により求めておく。例えば、前述した図７がこの冷凍装置１の例であるものとすると、外気温度（ｘ）＝＋３８℃の環境では、高圧側圧力の最適値（ｙ）＝１０．５ＭＰａとなることが分かる。
　制御装置４８はステップＳ２でこの近似式を用い、外気温度からそのときの最適な高圧側圧力（高圧側圧力の最適値）を算出して、当該算出した高圧側圧力を目標値として設定する。例えば、外気温度＋２０℃のときの目標値（最適な高圧側圧力）は８．１ＭＰａ程となり、＋３０℃のときの目標値は９．５ＭＰａ程となる。次に、制御装置４８はステップＳ３で圧力調整用膨張弁３１の初期化開度を設定して、開度を初期化する。そして、ステップＳ４で圧力調整用膨張弁３１による低段側冷媒回路６Ａ（６Ｂ）の高圧側圧力の制御を開始する。
　制御装置４８は先ずステップＳ５で所定時間（例えば１０分）待機した後、ステップＳ６で圧力センサ４４が検出する現在の高圧側圧力を検知する。次に、ステップＳ７で前記目標値（最適な高圧側圧力）と現在の高圧側圧力（現在値）との差（目標値－現在値）の絶対値（ａｂｓ）が所定値（例えば０．１ＭＰａ）以下か否か判断し、差が所定値以下である（差が無いか、小さい）場合には、ステップＳ８に進んで圧力調整用膨張弁３１の弁開度の変更する指示を行わないこととする（圧力調整用膨張弁３１の弁開度は維持される）。
　次に、ステップＳ９で所定時間（例えば、３０秒）待機した後、ステップＳ１０で再度温度センサ５３が検出する外気温度を検知する。そして、ステップＳ１１で前記目標値を設定したときの外気温度（ステップＳ１における外気温度。設定外気温度）と、現在の外気温度（現行外気温度）との差（設定外気温度－現行外気温度）が所定値（例えば、プラスマイナス２Ｋ）の範囲以内か否か判断する。そして、差が所定値（プラスマイナス２Ｋ）以内である場合は、ステップＳ１２で高圧側圧力の目標値を維持し、ステップＳ６に戻る。
　ステップＳ１１で差（設定外気温度－現行外気温度）が所定値以内では無かった場合、制御装置４８はステップＳ１３に進んで図３の近似式を用い、再度そのときの外気温度（現行外気温度）における最適な高圧側圧力を算出し、当該算出した高圧側圧力を目標値として設定（更新）する。そして、ステップＳ６に戻る。このようにして制御装置４８は外気温度の変化に追従して低段側冷媒回路６Ａ（６Ｂ）の高圧側圧力の目標値を更新していく。
　一方、ステップＳ７で前記目標値と現在の高圧側圧力（現在値）との差（目標値－現在値）の絶対値が所定値（０．１ＭＰａ）以下では無かった場合（差が大きい）、制御装置４８はステップＳ１４に進んで、差（目標値－現在値）が所定値（例えば、０．１ＭＰａ）より大きいか否か判断する。
　そして、現在の高圧側圧力（現在値）が低く、差（目標値－現在値）が所定値（０．１ＭＰａ）より大きい場合、制御装置４８はステップＳ１５に進んで圧力調整用膨張弁３１の弁開度を所定パルス（ｘｘｐｌｓ）閉める。これにより、低段側冷媒回路６Ａ（６Ｂ）の高圧側冷媒は、カスケード熱交換器４３Ａ（４３Ｂ）の過冷却用熱交換器２８を出たところでより堰き止められるかたちとなるので、低段側冷媒回路６Ａ（６Ｂ）の高圧側圧力は上昇する。
　一方、現在の低段側冷媒回路６Ａ（６Ｂ）の高圧側圧力（現在値）が高く、差（目標値－現在値）が所定値（０．１ＭＰａ）以下である場合、制御装置４８はステップＳ１６に進んで圧力調整用膨張弁３１の弁開度を所定パルス（ｘｘｐｌｓ）開く。これにより、カスケード熱交換器４３Ａ（４３Ｂ）の過冷却用熱交換器２８を出た低段側冷媒回路６Ａ（６Ｂ）の高圧側冷媒は、より流れ易くなるので、低段側冷媒回路６Ａ（６Ｂ）の高圧側圧力は低下する。
　以上を繰り返して制御装置４８は圧力調整用膨張弁３１により低段側冷媒回路６Ａ（６Ｂ）の高圧側圧力を最適な値に制御する。即ち、低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの高圧側圧力を調整するための圧力調整用膨張弁３１を設け、制御装置４８により低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの高圧側圧力に基づき、最適な当該高圧側圧力を目標値として圧力調整用膨張弁３１を制御するようにしたので、低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの高圧側冷媒の比エンタルピ差を確保し、冷却能力の向上と効率の改善を図ることができるようになる。
　特に、制御装置４８に外気温度とそのときの最適な高圧側圧力との関係を示す情報（近似式）を予め保有させておき、外気温度に基づいて高圧側圧力の目標値を算出するようにしたので、圧力調整用膨張弁３１により円滑に低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの高圧側圧力を最適な値に制御することが可能となる。
　次に、図４を参照しながら本発明の冷凍装置１の他の実施例を説明する。尚、この図において、図１と同一符号で示すものは同一若しくは同様の機能を奏するものとする。この実施例でも低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの回路構成は実施例１の場合と同様である。この場合、高段側冷媒回路４の第１の高段側ガスクーラ１１Ａの出口配管１２Ａと第２の高段側ガスクーラ１１Ｂの出口配管１２Ｂは合流されて一つの高段側膨張弁１３の入口に接続されている。即ち、各高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂは高段側圧縮機７と高段側膨張弁１３の間に並列に接続されたかたちとなる。
　また、この高段側膨張弁１３の出口は分岐配管５４Ａ、５４Ｂに分岐し、一方の分岐配管５４Ａが第１の高段側蒸発器１６Ａの入口に接続され、他方の分岐配管５４Ｂが第２の高段側蒸発器１６Ｂの入口に接続されている。即ち、各高段側蒸発器１６Ａ、１６Ｂは高段側膨張弁１３の出口に並列に接続されたかたちとなる。
　図中５６は、高段側圧縮機７の吐出配管８に取り付けられて高段側冷媒回路４の高圧側圧力を検出する圧力センサであり、図中５７は、出口配管１７Ａに取り付けられて第１の高段側蒸発器１６Ａを出た冷媒の温度を検出する温度センサ、５８は、出口配管１７Ｂに取り付けられて第２の高段側蒸発器１６Ｂを出た冷媒の温度を検出する温度センサである。また、実施例１の温度センサ４６、４７は設けられていない。その他の構成は実施例１の場合と同様である。
　この場合の冷凍装置１において、制御装置４８により高段側冷媒回路４の高段側圧縮機７、低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの低段側圧縮機２１、各ガスクーラ用送風機５１、５２が運転されると、高段側圧縮機７で圧縮された高温高圧の冷媒（二酸化炭素）が吐出配管８に吐出され、分岐配管９Ａ、９Ｂに分流された後、各高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂに流入する。各高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂに流入した冷媒は、ガスクーラ用送風機５１により超臨界状態で冷却され、温度が低下する。
　そして、各高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂで冷却された冷媒は、出口配管１２Ａ、１２Ｂを経て合流した後、高段側膨張弁１３に流入し、そこで絞られた後（減圧）、分岐配管５４Ａ、５４Ｂに分流する。分岐配管５４Ａに流入した冷媒は、第１のカスケード熱交換器４３Ａを構成する第１の高段側蒸発器１６Ａに流入して蒸発し、第１の低段側冷媒回路６Ａの過冷却用熱交換器２８を流れる冷媒を冷却する（過冷却）。また、分岐配管５４Ｂに流入した冷媒は、第２のカスケード熱交換器４３Ｂを構成する第２の高段側蒸発器１６Ｂに流入して蒸発し、第２の低段側冷媒回路６Ｂの過冷却用熱交換器２８を流れる冷媒を冷却する（過冷却）。
　そして、これら第１及び第２の高段側蒸発器１６Ａ、１６Ｂを出た冷媒は、出口配管１７Ａ、１７Ｂを経て合流し、吸込配管１８から高段側圧縮機７に吸い込まれる循環を繰り返す。
　また、この場合の制御装置４８は、温度センサ５７、５８が検出する各高段側蒸発器１６Ａ、１６Ｂを出た冷媒の温度の例えば平均値に基づいて高段側圧縮機７の運転周波数を制御する。このとき、制御装置４８は、各カスケード熱交換器４３Ａ、４３Ｂにおいて低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの高圧側冷媒の所要の過冷却がとれるように高段側圧縮機７の運転周波数を制御する。
　更に、制御装置４８は、圧力センサ５６が検出する高段側冷媒回路４の高圧側圧力に基づいて膨張弁１３の弁開度を前述した低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの圧力調整用膨張弁３１と同様に制御することにより、高段側冷媒回路４の高圧側圧力を前述同様の適正な値（高段側冷媒回路４の高圧側圧力の目標値）に制御する。尚、低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの運転及びそれらに関する制御装置４８の制御は実施例１と同様である。
　この実施例においても二系統（複数）の低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂと、各低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂにそれぞれ設けられた二つ（複数）のカスケード熱交換器４３Ａ、４３Ｂを備えているので、同様に一つの高段側冷媒回路４にて二系統（複数）の低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの高圧側冷媒を過冷却することができるようになる。特に、この実施例の場合、高段側冷媒回路４は、第１、第２の高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂと、これら高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂの出口に接続された単一の高段側膨張弁１３と、この高段側膨張弁１３の出口に並列に接続されて各カスケード熱交換器４３Ａ、４３Ｂをそれぞれ構成する二つ（複数）の高段側蒸発器１６Ａ、１６Ｂを有しているので、一つの高段側膨張弁１３から二つ（複数）の高段側蒸発器１６Ａ、１６Ｂへ冷媒を流すことができるようになり、制御が簡素化されると共に、コストの低減も図ることができる効果がある。
　次に、図５を参照しながら本発明の冷凍装置１のもう一つ他の実施例を説明する。尚、この図において、図１、図４と同一符号で示すものは同一若しくは同様の機能を奏するものとする。この実施例でも低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの回路構成は実施例１の場合と同様である。この場合も高段側冷媒回路４の第１の高段側ガスクーラ１１Ａの出口配管１２Ａと第２の高段側ガスクーラ１１Ｂの出口配管１２Ｂは合流されて一つの高段側膨張弁１３の入口に接続されている。即ち、各高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂは高段側圧縮機７と高段側膨張弁１３の間に並列に接続されたかたちとなる。
　但し、この高段側膨張弁１３の出口は出口配管５９を経て第１の高段側蒸発器１６Ａの入口に接続されている。そして、この第１の高段側蒸発器１６Ａの出口配管１７Ａが第２の高段側蒸発器１６Ｂの入口に接続され、この高段側蒸発器１６Ｂの出口配管１７Ｂが高段側圧縮機７の吸込配管１８に接続されている。即ち、各高段側蒸発器１６Ａ、１６Ｂは高段側膨張弁１３の出口に直列に接続されたかたちとなる。
　また、前記実施例２の温度センサ５７は設けられておらず、温度センサ５８が出口配管１７Ｂに取り付けられて第２の高段側蒸発器１６Ｂを出た冷媒の温度を検出する。また、この場合も実施例１の温度センサ４６、４７は設けられていない。その他の構成は実施例１、或いは、実施例２の場合と同様である。
　この場合の冷凍装置１において、制御装置４８により高段側冷媒回路４の高段側圧縮機７、低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの低段側圧縮機２１、各ガスクーラ用送風機５１、５２が運転されると、高段側圧縮機７で圧縮された高温高圧の冷媒（二酸化炭素）が吐出配管８に吐出され、分岐配管９Ａ、９Ｂに分流された後、各高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂに流入する。各高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂに流入した冷媒は、ガスクーラ用送風機５１により超臨界状態で冷却され、温度が低下する。
　そして、各高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂで冷却された冷媒は、出口配管１２Ａ、１２Ｂを経て合流した後、高段側膨張弁１３に流入し、そこで絞られた後（減圧）、出口配管５９を経て先ず第１のカスケード熱交換器４３Ａを構成する第１の高段側蒸発器１６Ａに流入して蒸発し、第１の低段側冷媒回路６Ａの過冷却用熱交換器２８を流れる冷媒を冷却する（過冷却）。この第１の高段側蒸発器１６Ａを出た冷媒は、出口配管１７Ａを経て次に第２のカスケード熱交換器４３Ｂを構成する第２の高段側蒸発器１６Ｂに流入して蒸発し、第２の低段側冷媒回路６Ｂの過冷却用熱交換器２８を流れる冷媒を冷却する（過冷却）。
　そして、この第２の高段側蒸発器１６Ｂを出た冷媒は、出口配管１７Ｂを経て吸込配管１８から高段側圧縮機７に吸い込まれる循環を繰り返す。
　また、この場合の制御装置４８は、温度センサ５８が検出する第２の高段側蒸発器１６Ｂを出た冷媒の温度に基づいて高段側圧縮機７の運転周波数を制御する。このとき、制御装置４８は、各カスケード熱交換器４３Ａ、４３Ｂにおいて低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの高圧側冷媒の所要の過冷却がとれるように高段側圧縮機７の運転周波数を制御する。
　更に、制御装置４８は、実施例２の場合と同様に圧力センサ５６が検出する高段側冷媒回路４の高圧側圧力に基づいて膨張弁１３の弁開度を前述した低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの圧力調整用膨張弁３１と同様に制御することにより、高段側冷媒回路４の高圧側圧力を前述同様の適正な値（高段側冷媒回路４の高圧側圧力の目標値）に制御する。尚、低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの運転及びそれらに関する制御装置４８の制御は実施例１と同様である。
　この実施例においても二系統（複数）の低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂと、各低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂにそれぞれ設けられた二つ（複数）のカスケード熱交換器４３Ａ、４３Ｂを備えているので、同様に一つの高段側冷媒回路４にて二系統（複数）の低段側冷媒回路６Ａ、６Ｂの高圧側冷媒を過冷却することができるようになる。
　ここで、実施例２の場合には何れかの低段側冷媒回路６Ａ、又は、６Ｂの運転が停止したときに、高段側冷媒回路４の高段側圧縮機７に液バックが発生する危険性があるが、この実施例では高段側冷媒回路４は、高段側ガスクーラ１１Ａ、１１Ｂの出口に接続された高段側膨張弁１３の出口に直列に各カスケード熱交換器をそれぞれ構成する二つ（複数）の高段側蒸発器１６Ａ、１６Ｂを接続しており、下流側の第２の高段側蒸発器１６Ｂを出た冷媒の温度で高段側圧縮機７の運転周波数を制御しているので、係る不都合は解消される。
　但し、この実施例の場合には、第１の高段側蒸発器１６Ａが上流側、第２の高段側蒸発器１６Ｂが下流側となる関係上、プルダウン時にはどうしても第１のカスケード熱交換器４３Ａで冷却される低段側冷媒回路６Ａの冷媒の過冷却が低段側冷媒回路６Ｂよりも優先されるかたちとなる。そのため、低段側冷媒回路６Ａはより負荷が大きくなるショーケース２の冷却を分担する構成とするとよい。
　尚、実施例では単一の高段側冷媒回路と二系統の低段側冷媒回路とをカスケード接続した冷凍装置で本発明を説明したが、それに限らず、単一の低段側冷媒回路と高段側冷媒回路をカスケード接続した冷凍装置でも良く、或いは、三系統以上の低段側冷媒回路を高段側冷媒回路とカスケード接続したものでも良い。また、実施例ではショーケースを冷却する冷凍装置に本発明を適用したが、それに限らず、自動販売機等を冷却する冷凍装置にも本発明は有効である。
　１　冷凍装置
　２　ショーケース
　３　冷凍機ユニット
　４　高段側冷媒回路
　６Ａ、６Ｂ　低段側冷媒回路
　７　高段側圧縮機
　１１Ａ、１１Ｂ　高段側ガスクーラ
　１３Ａ、１３Ｂ、１３　高段側膨張弁
　１６Ａ、１６Ｂ　高段側蒸発器
　２１　低段側圧縮機
　２３、２６　低段側ガスクーラ
　２８　過冷却熱交換器
　３１　圧力調整用膨張弁
　３４　低段側膨張弁
　３６　低段側蒸発器
　３９　アキュムレータ
　４８　制御装置
　５１、５２　ガスクーラ用送風機

Claims (8)

  1. 　高段側冷媒回路と、低段側冷媒回路と、前記高段側冷媒回路の冷媒を蒸発させて前記低段側冷媒回路の高圧側冷媒を冷却するカスケード熱交換器とを備え、前記各冷媒回路には二酸化炭素を冷媒として封入して成る冷凍装置において、
    　前記低段側冷媒回路の高圧側圧力を調整するための圧力調整用膨張弁を設けたことを特徴とする冷凍装置。
  2. 　前記圧力調整用膨張弁を制御する制御装置を備え、
    　該制御装置は、前記低段側冷媒回路の高圧側圧力に基づき、最適な当該高圧側圧力を目標値として前記圧力調整用膨張弁を制御することを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
  3. 　前記制御装置は、外気温度とそのときの最適な前記高圧側圧力との関係を示す情報を予め保有しており、前記外気温度に基づいて前記高圧側圧力の目標値を算出することを特徴とする請求項２に記載の冷凍装置。
  4. 　前記低段側冷媒回路の低段側蒸発器を出た冷媒を、当該低段側冷媒回路の高圧側冷媒と熱交換させること無く、前記低段側冷媒回路の低段側圧縮機に吸い込ませると共に、
    　該低段側圧縮機の吸込側には、アキュムレータを設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちの何れかに記載の冷凍装置。
  5. 　前記低段側冷媒回路は、低段側圧縮機と、低段側ガスクーラを有し、
    　前記カスケード熱交換器は、前記低段側ガスクーラを出た冷媒を過冷却することを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちの何れかに記載の冷凍装置。
  6. 　複数の前記低段側冷媒回路と、各低段側冷媒回路にそれぞれ設けられた複数の前記カスケード熱交換器とを備え、
    　前記高段側冷媒回路は、並列に接続された複数の高段側ガスクーラと、各高段側ガスクーラの出口にそれぞれ接続された複数の高段側膨張弁と、各高段側膨張弁の出口にそれぞれ接続されて前記各カスケード熱交換器をそれぞれ構成する複数の高段側蒸発器を有することを特徴とする請求項１乃至請求項５のうちの何れかに記載の冷凍装置。
  7. 　複数の前記低段側冷媒回路と、各低段側冷媒回路にそれぞれ設けられた複数の前記カスケード熱交換器とを備え、
    　前記高段側冷媒回路は、高段側ガスクーラと、該高段側ガスクーラの出口に接続された高段側膨張弁と、該高段側膨張弁の出口に並列に接続されて前記各カスケード熱交換器をそれぞれ構成する複数の高段側蒸発器を有することを特徴とする請求項１乃至請求項５のうちの何れかに記載の冷凍装置。
  8. 　複数の前記低段側冷媒回路と、各低段側冷媒回路にそれぞれ設けられた複数の前記カスケード熱交換器とを備え、
    　前記高段側冷媒回路は、高段側ガスクーラと、該高段側ガスクーラの出口に接続された高段側膨張弁と、該高段側膨張弁の出口に直列に接続されて前記各カスケード熱交換器をそれぞれ構成する複数の高段側蒸発器を有することを特徴とする請求項１乃至請求項５のうちの何れかに記載の冷凍装置。
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