WO2022244098A1 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

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low
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compressor
temperature
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PCT/JP2021/018771
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智隆 石川
拓未 西山
寛也 石原
崇憲 八代
誠 江上
裕弥 井内
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三菱電機株式会社
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    • F25B40/00—Subcoolers, desuperheaters or superheaters
    • F25B40/02—Subcoolers

Definitions

  • the present disclosure relates to a refrigeration cycle device, and more particularly to a refrigeration cycle device having a high-level circuit and a low-level circuit.
  • a binary refrigeration cycle As a refrigeration cycle device, a binary refrigeration cycle is known that has a high-level circuit in which a high-level refrigerant circulates and a low-level circuit in which a low-level refrigerant circulates.
  • a cascade heat exchanger having a higher circuit connected to the higher circuit and a lower circuit connected to the lower circuit, high temperature gas flowing through the higher circuit functions as a higher evaporator.
  • the source refrigerant and the low-level refrigerant flowing through the low-level circuit functioning as a low-level condenser exchange heat.
  • Patent Document 1 discloses a refrigeration cycle device with a dual refrigeration cycle in which an intercooler is arranged upstream of a low-condensing condenser. According to the configuration of Patent Document 1, since the discharge gas from the low-order compressor connected to the low-order circuit is cooled by the intercooler, the amount of cooling in the high-order evaporator is reduced, and the high-order compressor is cooled. Power is reduced.
  • the low-order refrigerant whose temperature has been lowered by being cooled by the intercooler flows into the low-order flow path of the cascade heat exchanger that functions as a low-order condenser, and functions as a high-order evaporator.
  • the high-order refrigerant in the high-order flow path exchanges heat with the low-order refrigerant and evaporates to become a gas refrigerant.
  • the high temperature refrigerant does not overheat even after heat exchange with the low temperature refrigerant, a liquid backflow occurs in which the liquid refrigerant flows into the high temperature compressor, damaging the high temperature compressor.
  • the performance of the high-order compressor is lowered.
  • the present disclosure has been made in order to solve the above problems, and aims to provide a refrigeration cycle apparatus that suppresses damage or deterioration in performance of a high-pressure compressor.
  • a refrigeration cycle apparatus includes a high-level compressor, a high-level condenser, a high-level expansion valve, and a high-level flow path of a cascade heat exchanger connected by piping to circulate a high-level refrigerant.
  • control device for controlling the operation of the high-order circuit and the low-order circuit, wherein when the control device determines that liquid state refrigerant flows into the high-order compressor, the cascade heat exchange The high-temperature low temperature refrigerant discharged from the low temperature compressor is caused to flow into the low temperature flow path of the device.
  • the refrigeration cycle device when it is determined that liquid state refrigerant flows into the high pressure side compressor, high temperature low temperature refrigerant flows into the cascade heat exchanger, so the high temperature refrigerant is in a superheated state. As a result, liquid backflow is prevented, and damage or deterioration of performance of the high-pressure compressor can be suppressed.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a refrigerant circuit of a refrigeration cycle apparatus according to Embodiment 1;
  • FIG. 4 is a flow chart of control by the control device of the refrigeration cycle apparatus according to Embodiment 1.
  • FIG. FIG. 4 is a ph diagram in the high-level circuit of the refrigeration cycle apparatus according to Embodiment 1;
  • FIG. 4 is a ph diagram in the low-level circuit of the refrigeration cycle apparatus according to Embodiment 1;
  • 4 is a graph showing refrigerant temperatures in the cascade heat exchanger of the refrigeration cycle apparatus according to Embodiment 1.
  • FIG. 4 is a ph diagram during liquid backflow suppression processing in the high-level circuit of the refrigeration cycle apparatus according to Embodiment 1.
  • FIG. 5 is a ph diagram during liquid backflow suppression processing in the low-order circuit of the refrigeration cycle apparatus according to Embodiment 1; 4 is a graph showing refrigerant temperatures in the cascade heat exchanger of the refrigeration cycle apparatus according to Embodiment 1.
  • FIG. 7 is a refrigerant circuit diagram of a refrigeration cycle device according to Embodiment 2;
  • a refrigeration cycle apparatus 1 will be described below with reference to the drawings. It should be noted that in the following drawings, the relative dimensional relationship and shape of each component may differ from the actual one. Moreover, in the following drawings, the same reference numerals denote the same or equivalent parts, and this applies throughout the specification. In addition, alphabetical letters after numerals in the reference numerals in the drawings may be omitted in the description. Also, to facilitate understanding, terms such as “up”, “down”, “right”, “left”, “front”, or “back” are used as appropriate. However, the directional terminology is used for convenience of description and does not limit the arrangement and orientation of the device or parts.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a refrigerant circuit of a refrigeration cycle device 1 according to Embodiment 1.
  • a refrigeration cycle apparatus 1 according to Embodiment 1 includes a high-level circuit 10 and a low-level circuit 20, and the high-level circuit 10 and low-level circuit 20 are connected by a cascade heat exchanger 30. ing.
  • the high-level refrigerant flowing through the high-level circuit 10 for example, R410A, R32, R404A, HFO-1234yf, propane, isobutane, carbon dioxide, ammonia, or the like can be used.
  • the low-level refrigerant flowing through the low-level circuit 20 for example, carbon dioxide, ie, CO2 , can be used because the influence of refrigerant leakage on global warming is suppressed.
  • the low-order circuit can be called the primary-side circuit
  • the high-order circuit can be called the secondary-side circuit
  • the low-order refrigerant can be called the primary-side refrigerant
  • the high-order refrigerant can be called the secondary-side refrigerant.
  • the cascade heat exchanger 30 is a heat exchanger between refrigerants that causes heat exchange between the high-level refrigerant flowing through the high-level flow path 31 and the low-level refrigerant flowing through the low-level flow path 32 .
  • the high-order flow path 31 forms part of the high-order circuit 10
  • the low-order flow path 32 forms part of the low-order circuit 20 .
  • the high-order flow path 31 and the low-order flow path 32 are countercurrent. That is, one end side of the cascade heat exchanger 30 is the inlet side of the high-order flow path 31 and the outlet side of the low-order flow path 32.
  • the high temperature refrigerant and the low temperature refrigerant flowing out from the low temperature flow path 32 exchange heat.
  • the other end side of the cascade heat exchanger 30 is the outlet side of the high-order flow path 31 and the inlet side of the low-order flow path 32.
  • the outflowing high temperature refrigerant and the low temperature refrigerant flowing into the low temperature flow path 32 exchange heat.
  • the high-level circuit 10 comprises a high-level compressor 11, a high-level condenser 12, a high-level expansion valve 13, and a high-level flow path 31 of a cascade heat exchanger 30, which are connected in this order by pipes in a ring. It is
  • the high-level compressor 11 sucks and compresses the high-level refrigerant that has flowed out from the high-level flow path 31 of the cascade heat exchanger 30, and discharges it in a state of high temperature and high pressure.
  • the high-level compressor 11 is, for example, an inverter compressor.
  • a drive circuit such as an inverter circuit may be used to arbitrarily change the number of revolutions to change the capacity of the high-level compressor 11 to send out refrigerant per unit time. In that case, the drive circuit is controlled by the controller 90 .
  • a discharge side of the high-pressure compressor 11 is connected to an inlet side of the high-pressure condenser 12 .
  • the high-level condenser 12 is a heat exchanger that allows the high-level refrigerant to flow and exchange heat between the high-level refrigerant and the heat medium around the high-level condenser 12 .
  • the high-level condenser 12 is, for example, an air-cooled heat exchanger.
  • the first blower 51 is arranged near the high-level condenser 12 . In this case, the driving of the first blower 51 is controlled by the control device 90 .
  • the outlet side of the high-order condenser 12 is connected to the high-order expansion valve 13 .
  • the high-level expansion valve 13 expands and decompresses the high-level refrigerant.
  • a thermostatic automatic expansion valve or a linear electronic expansion valve can be used as the high-level expansion valve 13 .
  • the high-level expansion valve 13 is composed of an electronic expansion valve, the degree of opening is adjusted under the control of the control device 90 .
  • the outlet side of the high-order expansion valve 13 is connected to the inlet side of the high-order flow path 31 of the cascade heat exchanger 30 .
  • the high-level flow path 31 of the cascade heat exchanger 30 functions as an evaporator in which the high-level refrigerant evaporates through heat exchange.
  • the outlet side of the high-level flow path 31 is connected to the suction side of the high-level compressor 11 .
  • the low-level circuit 20 includes a low-level compressor 21, an intercooler 22, a low-level flow path 32 of the cascade heat exchanger 30, a low-level expansion valve 24, and a low-level evaporator 25, which are annularly connected by piping. configured as follows.
  • a bypass circuit 23 that bypasses the intercooler 22 is provided in the low-level circuit 20 .
  • the low-level compressor 21 compresses the sucked low-level refrigerant and discharges it as a high-temperature and high-pressure refrigerant.
  • the low-order compressor 21 is, for example, an inverter compressor.
  • the number of rotations may be arbitrarily changed by a drive circuit such as an inverter circuit to change the capacity of the low-order compressor 21 to send out refrigerant per unit time.
  • the drive circuit is controlled by the controller 90 .
  • a discharge side of the low-pressure compressor 21 is connected to an inlet side of the intercooler 22 .
  • the intercooler 22 circulates the low temperature refrigerant that has been compressed by the low temperature compressor 21 and has a high temperature. Exchanger.
  • the intercooler 22 is, for example, an air-cooled heat exchanger. If the intercooler 22 is an air-cooled heat exchanger, a third blower 53 may be arranged near the intercooler 22 . In this case, the driving of the third blower 53 is controlled by the control device 90 .
  • the outlet side of the intercooler 22 is connected to the inlet side of the low-order flow path 32 of the cascade heat exchanger 30 .
  • the bypass circuit 23 has one end connected between the discharge side of the low-level compressor 21 and the inlet side of the intercooler 22, and connects the outlet side of the intercooler 22 and the low-level flow path of the cascade heat exchanger 30. The other end is connected to the inlet side of 32 .
  • a bypass valve 230 is connected to the bypass circuit 23 .
  • the bypass valve 230 blocks or opens the bypass circuit 23 . When the bypass valve 230 is opened and opened, the low-concentration refrigerant bypasses the intercooler 22 and passes through the bypass circuit 23 .
  • the opening and closing operations of bypass valve 230 are controlled by control device 90 .
  • the bypass valve 230 can be composed of, for example, an electromagnetic valve or the like that can open and close the bypass circuit 23 .
  • the low-level flow path 32 of the cascade heat exchanger 30 functions as a condenser that condenses the low-level refrigerant through heat exchange.
  • the outlet side of the low-order flow path 32 is connected to the inlet side of the low-order expansion valve 24 .
  • the low-level expansion valve 24 expands and decompresses the low-level refrigerant.
  • a temperature-type automatic expansion valve, a linear electronic expansion valve, or the like can be used as the low-level expansion valve 24, for example.
  • the control device 90 controls the degree of opening.
  • the outlet side of the low-level expansion valve 24 is connected to the inlet side of the low-level evaporator 25 .
  • the low-level evaporator 25 is a heat exchanger that circulates the low-level refrigerant and exchanges heat between the low-level refrigerant and the heat medium around the low-level evaporator 25 .
  • the low-level evaporator 25 is, for example, an air-cooled heat exchanger. If the low-level evaporator 25 is air-cooled, a second blower 52 may be arranged near the low-level evaporator 25 . In this case, the driving of the second blower 52 is controlled by the control device 90 .
  • the outlet side of the low-level evaporator 25 is connected to the suction side of the low-level compressor 21 .
  • the control device 90 is composed of a processing circuit.
  • the processing circuit consists of dedicated hardware or a processor.
  • Dedicated hardware is, for example, ASIC (Application Specific Integrated Circuit) or FPGA (Field Programmable Gate Array).
  • the processor executes programs stored in memory.
  • a storage unit (not shown) provided in the control device 90 is composed of a memory.
  • Memory is nonvolatile or volatile semiconductor memory such as RAM (Random Access Memory), ROM (Read Only Memory), flash memory, EPROM (Erasable Programmable ROM), or disk such as magnetic disk, flexible disk, or optical disk. be.
  • the control device 90 controls the operations of the high-level circuit 10 and the low-level circuit 20 .
  • Detected values of various sensors arranged in the high-level circuit 10 or the low-level circuit 20 are input to the control device 90 .
  • the sensors include an air temperature sensor T0, a low-order compressor discharge pressure sensor P21, a low-order cascade inlet temperature sensor T32, a high-order compressor suction temperature sensor T11, and a high-order compressor suction pressure sensor P11.
  • the air temperature sensor T0 is arranged in the space where the intercooler 22 is arranged and detects the air temperature in the space where the intercooler 22 is arranged.
  • the air temperature sensor T0 detects, for example, the temperature of the air taken in by the third blower 53 .
  • the low-level compressor discharge pressure sensor P21 is arranged on the discharge side of the low-level compressor 21 and detects the discharge pressure in the low-level compressor 21 .
  • the low-order cascade inlet temperature sensor T32 is arranged at the inlet of the low-order flow path 32 of the cascade heat exchanger 30 and detects the temperature of the low-order refrigerant at the inlet of the low-order flow path 32 of the cascade heat exchanger 30 .
  • the high-level compressor suction temperature sensor T11 is arranged on the suction side of the high-level compressor 11 and detects the temperature of the high-level refrigerant on the suction side of the high-level compressor 11 .
  • the high-order compressor suction pressure sensor P11 is arranged on the suction side of the high-order compressor 11 and detects the pressure of the high-order refrigerant on the suction side of the high-order compressor 11 .
  • a low-level compressor suction temperature sensor that is arranged on the suction side of the low-level compressor 21 and detects the temperature of the low-level refrigerant on the suction side of the low-level compressor 21, or A low-level compressor suction pressure sensor or the like that detects the pressure of the refrigerant may be provided.
  • the control device 90 determines that there is a concern of liquid backflow in the high-level compressor 11 based on the sensor value, it performs liquid backflow suppression processing.
  • the high temperature low temperature refrigerant discharged from the low temperature compressor 21 is configured to flow into the low temperature flow path 32 of the cascade heat exchanger 30 .
  • the bypass valve 230 is opened by the controller 90 .
  • the low-concentration refrigerant flows through the bypass circuit 23 and bypasses the intercooler 22 . Therefore, the high-temperature low-temperature refrigerant discharged from the low-temperature compressor 21 is not cooled in the intercooler 22 and flows into the low-temperature flow path 32 of the cascade heat exchanger 30 while maintaining its high temperature.
  • a first indication is when the air temperature in the space in which the intercooler 22 is arranged is lower than the sum of the condensation temperature in the low-order flow path 32 of the cascade heat exchanger 30 and the first predetermined value.
  • the first predetermined value is, for example, 5K.
  • a second indication is when the degree of superheat at the inlet of the lower flow path 32 of the cascade heat exchanger 30 is less than a second predetermined value.
  • the second predetermined value is, for example, 5K.
  • a third indicator is when the degree of superheat on the suction side of the high-pressure compressor 11 is smaller than a third predetermined value.
  • the third predetermined value is, for example, 5K. Therefore, the control device 90 performs the liquid backflow suppression process when determining that the first index, the second index, or the third index is met based on the detection value of the sensor.
  • the indicator for determining whether there is a concern about liquid backflow is not limited to the first indicator, the second indicator, or the third indicator. Other indicators may be used if feasible. In this case, a sensor may be arranged in the high-level circuit 10 or the low-level circuit 20 as required.
  • FIG. 2 is a flow chart of control by the control device 90 of the refrigeration cycle apparatus 1 according to Embodiment 1.
  • the control device 90 determines whether or not there is concern about liquid backflow. That is, the control device 90 determines whether or not the value of the sensor corresponds to any one of the first index, the second index, and the third index. The control device 90 determines that there is a concern of liquid backflow if any of the first indicator, the second indicator, or the third indicator is met.
  • the control device 90 controls that the air temperature in the space in which the intercooler 22 is arranged is lower than the sum of the condensation temperature in the low-order flow path 32 of the cascade heat exchanger 30 and the first predetermined value. In this case, it is determined that there is a concern of liquid backflow in which the liquid refrigerant flows into the high-pressure compressor 11 .
  • the air temperature in the space where the intercooler 22 is arranged can be obtained from the air temperature in the space where the intercooler 22 is arranged in the control device 90 .
  • the condensing temperature in the low-order flow path 32 of the cascade heat exchanger 30 can be obtained from the physical properties of the low-order refrigerant in the controller 90 based on the detection value of the low-order compressor discharge pressure sensor P21.
  • the control device 90 determines that there is a concern of liquid backflow in the high-level compressor 11 .
  • the degree of superheat at the inlet of the low-order flow path 32 of the cascade heat exchanger 30 is determined by the control device 90 as the condensation temperature of the low-order refrigerant based on the low-order cascade inlet temperature sensor T32 and the low-order compressor discharge pressure sensor P21. can be obtained from the difference between
  • the control device 90 determines that there is a concern of liquid backflow in the high-level compressor 11 .
  • the degree of superheat on the suction side of the high-order compressor 11 is obtained by the controller 90 from the difference between the high-order compressor suction temperature sensor T11 and the evaporation temperature of the high-order refrigerant based on the high-order compressor suction pressure sensor P11. be able to.
  • step S01 when the control device 90 determines that there is a concern of liquid backflow in the high-level compressor 11, the process proceeds to step S02, and in step S02, liquid backflow prevention processing is performed.
  • the low temperature circuit 20 is configured such that the high temperature low temperature refrigerant discharged from the low temperature compressor 21 flows into the low temperature flow path 32 of the cascade heat exchanger 30 .
  • the control device 90 opens the bypass valve 230 provided in the bypass circuit 23 , and directs the high-temperature low-temperature refrigerant discharged from the low-temperature compressor 21 to the bypass circuit 23 . into the low-order flow path 32 of the cascade heat exchanger 30 via the .
  • the high temperature low temperature refrigerant discharged from the low temperature compressor 21 flows through the bypass circuit 23 and flows into the low temperature flow path 32 of the cascade heat exchanger 30 without being cooled in the intercooler 22 .
  • control device 90 proceeds to step S03 and determines whether or not the concern about liquid backflow has been resolved. In other words, the control device 90 determines whether any one of the first indicator, the second indicator, or the third indicator applies. If the first index, the second index, or the third index is met, the control device 90 returns to step S02 and continues the liquid backflow prevention process. The control device 90 determines that the concern about the liquid backflow has been resolved when the first index, the second index, or the third index is not met. When the control device 90 determines in step S03 that the concern about the liquid backflow has been resolved, the process ends. Note that the processing by the control device 90 can be configured to be performed, for example, at regular time intervals.
  • the low temperature circuit 20 is configured to bypass the intercooler 22 when it is determined that there is a concern of liquid backflow in the high temperature compressor 11, and the low temperature refrigerant is at a high temperature. can flow into the lower flow path 32 of the cascade heat exchanger 30 in this state.
  • the high temperature of the low-concentration refrigerant in the liquid backflow prevention process means that the low-concentration refrigerant has a temperature at which the high-concentration refrigerant flowing through the high-concentration flow path 31 of the cascade heat exchanger 30 can be heated.
  • the two-phase high-level refrigerant that has passed through the high-level flow path 31 of the cascade heat exchanger 30 is heated by the high-temperature low-level refrigerant to be superheated and flows out of the high-level flow path 31 .
  • the high-level refrigerant flowing into the high-level compressor 11 is superheated, so liquid backflow is prevented from occurring in the high-level compressor 11, and damage to the high-level compressor 11 or reduction in performance is suppressed. be.
  • the high-level refrigerant is sucked into the high-level compressor 11, compressed, and discharged in a high-temperature and high-pressure gas state.
  • the high temperature and high pressure gaseous state refrigerant is cooled in the high temperature condenser 12 by exchanging heat with the air around the high temperature condenser 12 to become a low temperature and high pressure high temperature refrigerant. It flows out of the high-level condenser 12 and reaches the high-level expansion valve 13 .
  • the low-temperature and high-pressure high-pressure refrigerant is expanded and decompressed in the high-pressure expansion valve 13 to become a low-temperature and low-pressure two-phase state.
  • a high temperature refrigerant in a two-phase state of low temperature and low pressure flows into a high temperature flow path 31 of a cascade heat exchanger 30 functioning as a high temperature evaporator (point a in FIG. 1), and flows through a low temperature flow path 32. Exchanging heat with the original refrigerant.
  • the high temperature refrigerant evaporates by exchanging heat with the low temperature refrigerant flowing through the low temperature flow path 32 that has been cooled by the intercooler 22 in the low temperature circuit 20 and becomes a low temperature and low pressure gas state. (Point b in FIG. 1). Then, the high temperature refrigerant in a low temperature and low pressure gas state flows out of the high temperature flow path 31 and is sucked into the high temperature compressor 11 again.
  • the low temperature refrigerant is sucked into the low temperature compressor 21, compressed, and discharged in a high temperature and high pressure gas state.
  • the high-temperature and high-pressure low-source refrigerant is cooled in the intercooler 22 and flows out
  • the low-level refrigerant that has flowed out of the intercooler 22 flows into the low-level flow path 32 of the cascade heat exchanger 30 that functions as a low-level condenser (point c in FIG. 1), and flows through the high-level flow path 31. By exchanging heat with the refrigerant, it condenses and becomes a low-temperature and high-pressure low-element refrigerant (point d in FIG. 1).
  • the low-temperature and high-pressure low-temperature refrigerant is expanded and decompressed in the low-temperature expansion valve 24 and flows out in a low-temperature and low-pressure two-phase state.
  • the low-temperature and low-pressure two-phase refrigerant flows into the low-temperature evaporator 25 and evaporates by exchanging heat with the air around the low-temperature evaporator 25, and becomes a low-temperature and low-pressure gas state. and flows out of the low-level evaporator 25 and is sucked into the low-level compressor 21 again.
  • the low temperature refrigerant flowing into the low temperature flow path 32 of the cascade heat exchanger 30 is cooled in the intercooler 22 and has a low temperature.
  • the low temperature refrigerant discharged from the low temperature compressor 21 at a high temperature of 100° is cooled by the intercooler 22 if the ambient temperature in the space where the intercooler 22 is arranged is, for example, 20°. It is in a gaseous state at a low temperature of, for example, 30°.
  • the amount of cooling from the inlet to the outlet of the high-order refrigerant by the high-order refrigerant is reduced compared to the case where the low-order refrigerant flows into the low-order passage 32 of the cascade heat exchanger 30 while the temperature is still high. .
  • the power of the high-level compressor 11 is reduced.
  • FIG. 3 is a ph diagram in the high-level circuit 10 of the refrigeration cycle apparatus 1 according to Embodiment 1.
  • FIG. 4 is a ph diagram in the low-order circuit 20 of the refrigeration cycle apparatus 1 according to Embodiment 1.
  • FIG. 3 and 4 the horizontal axis indicates the specific enthalpy h, and the vertical axis indicates the pressure p. 3 and 4, points a, b, c, and d indicate the state of the refrigerant at each point in FIG.
  • the high-level refrigerant that has reached the outlet side of the high-level flow path 31 flows out from the high-level flow path 31 without being superheated, which is the difference in temperature from the evaporation temperature, which is the saturation temperature, the high-level refrigerant is in a liquid state. It flows into the high-pressure compressor 11, and liquid backflow is a concern.
  • the low-concentration refrigerant is cooled in the intercooler 22 on the inlet side of the low-concentration flow path 32, so that the degree of superheat, which is the temperature difference from the condensation temperature, which is the saturation temperature, is It is in a reduced state (point c in FIG. 4).
  • the degree of superheat of the low temperature refrigerant is lowered, the high temperature refrigerant on the outlet side of the high temperature flow path 31 is not superheated to the evaporation temperature or higher, and cannot evaporate and gasify.
  • FIG. 5 is a graph showing refrigerant temperatures in the cascade heat exchanger 30 of the refrigeration cycle apparatus 1 according to Embodiment 1.
  • the horizontal axis indicates the distance X from one end of the cascade heat exchanger 30, and the vertical axis indicates the temperature T of the refrigerant.
  • points a, b, c, and d indicate the state of the refrigerant at each point in FIG.
  • FIG. 6 is a ph diagram during liquid backflow suppression processing in the high-level circuit 10 of the refrigeration cycle apparatus 1 according to Embodiment 1.
  • FIG. 7 is a ph diagram during liquid backflow suppression processing in the low-level circuit 20 of the refrigeration cycle apparatus 1 according to Embodiment 1.
  • FIG. 6 and 7 the horizontal axis indicates the specific enthalpy h, and the vertical axis indicates the pressure. 6 and 7, points a, b, c, and d indicate the state of the refrigerant at each point in FIG.
  • the low temperature refrigerant discharged from the low temperature compressor 21 flows through the bypass circuit 23 and flows into the low temperature flow path 32 of the cascade heat exchanger 30 .
  • Point c in FIG. 7 and heat exchange with the high-level refrigerant on the outlet side of the high-level flow path 31 (Point b in FIG. 6).
  • the low-level refrigerant that has flowed through the bypass circuit 23 does not pass through the intercooler 22 and is not cooled. Therefore, the high temperature refrigerant on the outlet side of the high temperature flow path 31 exchanges heat with the low temperature refrigerant with an increased degree of superheat while maintaining the high temperature discharged from the low temperature compressor 21. .
  • FIG. 8 is a graph showing refrigerant temperatures in the cascade heat exchanger 30 of the refrigeration cycle apparatus 1 according to Embodiment 1.
  • the horizontal axis indicates the distance X from one end of the cascade heat exchanger 30, and the vertical axis indicates the temperature T of the refrigerant.
  • points a, b, c, and d indicate the state of the refrigerant at each point in FIG.
  • the low temperature refrigerant passes through the bypass circuit 23 and flows into the inlet side of the low temperature flow path 32 without being cooled by the intercooler 22, so the degree of superheat of the low temperature refrigerant is expanded. (point c in FIG. 8). For this reason, the high temperature refrigerant can come into contact with the low temperature refrigerant whose degree of superheating is increased and which remains high at the outlet of the high temperature flow path 31 (point b in FIG. 8).
  • the high temperature refrigerant receives heat from the low temperature refrigerant, and the high temperature refrigerant evaporates and flows out of the high temperature flow path 31 in a gaseous state due to the expansion of the degree of superheat SH of the high temperature refrigerant.
  • the degree of superheat SH of the high-temperature refrigerant flowing into the high-temperature compressor 11 is increased, and the gaseous high-temperature refrigerant is sucked into the high-temperature compressor 11. Back is suppressed.
  • the refrigeration cycle apparatus 1 is configured such that the rotation speed of the third blower 53 is reduced by the control device 90 in the liquid backflow suppression process.
  • the low-level circuit 20 may not be provided with the bypass circuit 23 that bypasses the intercooler 22 .
  • the control device 90 determines that liquid backflow is likely to occur in the high-level compressor 11 based on the sensor value, the control device 90 reduces the rotation speed of the third blower 53 by liquid backflow suppression processing.
  • the amount of cooling of the low temperature refrigerant in the intercooler 22 is reduced, the decrease in the degree of superheat of the refrigerant on the inlet side of the low temperature flow path 32 of the cascade heat exchanger 30 is suppressed, and the high temperature compressor 11 Liquid back can be suppressed.
  • the low-order flow path 32 of the cascade heat exchanger 30 flows into the low-order flow path 32 . It is configured such that the high-temperature, low-temperature refrigerant discharged from the original compressor 21 flows thereinto. Therefore, the low temperature refrigerant flows into the low temperature flow path 32 of the cascade heat exchanger 30 in a high temperature state, and the two-phase high temperature refrigerant that has passed through the high temperature flow path 31 of the cascade heat exchanger 30 It is further warmed on the outlet side of the primary flow path 31 and flows out of the primary flow path 31 in a superheated state. Therefore, the high-level refrigerant flowing into the high-level compressor 11 is overheated, preventing the occurrence of liquid backflow in the high-level compressor 11 and suppressing the damage or deterioration of the performance of the high-level compressor 11 .
  • the low-level circuit 20 has a bypass circuit 23 for bypassing the intercooler 22, and has a configuration in which the bypass valve 230 is closed when there is concern about liquid backflow.
  • the third blower 53 is configured so that the number of revolutions is reduced when there is concern about liquid backflow in the low-level circuit 20 .
  • the cooling amount of the low temperature refrigerant in the intercooler 22 is reduced, so that the degree of superheat of the low temperature refrigerant does not decrease, and liquid backflow in the high temperature compressor 11 can be suppressed.
  • control device 90 is concerned about liquid backflow when the environmental temperature of the low-level circuit 20 is lower than the sum of the condensation temperature in the low-level flow path 32 of the cascade heat exchanger 30 and the first predetermined value. It is configured to determine that there is Accordingly, when it is determined that there is a concern of liquid backflow, liquid backflow suppression processing is performed, so liquid backflow in the high-level compressor 11 can be prevented.
  • control device 90 is configured to determine that liquid backflow is a concern when the degree of superheat at the inlet of the low-order flow path 32 of the cascade heat exchanger 30 is smaller than the second predetermined value. there is Accordingly, when it is determined that there is a concern of liquid backflow, liquid backflow suppression processing is performed, so liquid backflow in the high-level compressor 11 can be prevented.
  • the control device 90 controls the liquid state refrigerant flowing into the high-level compressor 11. configured to make decisions. Accordingly, when it is determined that there is a concern of liquid backflow, liquid backflow suppression processing is performed, so liquid backflow in the high-level compressor 11 can be prevented.
  • FIG. 9 is a refrigerant circuit diagram of the refrigeration cycle device 1 according to Embodiment 2.
  • a refrigeration cycle apparatus 1 according to Embodiment 2 differs from Embodiment 1 in that a high-voltage circuit 10 is provided with a high-low pressure heat exchanger 14.
  • the high-low pressure heat exchanger 14 is a first heat exchanger through which high-level refrigerant flows on the outlet side of the high-level flow path 31 of the cascade heat exchanger 30 and on the suction side of the high-level compressor 11 . It has a flow path 141 .
  • the high-low pressure heat exchanger 14 also has a second flow path 142 through which the high-level refrigerant flows between the high-level condenser 12 and the high-level expansion valve 13 .
  • the high-low pressure heat exchanger 14 is a heat exchanger that exchanges heat between the high-level refrigerant flowing through the first flow path 141 and the high-level refrigerant flowing through the second flow path 142 . Since the high-low pressure heat exchanger 14 is provided, the high-pressure refrigerant on the outlet side of the high-pressure flow path 31 of the cascade heat exchanger 30 flows through the second flow path 142 of the high-low pressure heat exchanger 14 . It exchanges heat with the refrigerant to increase the degree of superheat SH of the high-level refrigerant. As a result, the high-level refrigerant is not sucked into the high-level compressor 11 in a two-phase state, and liquid backflow is prevented.
  • the high-pressure refrigerant on the outlet side of the high-pressure flow path 31 of the cascade heat exchanger 30 exchanges high-low pressure heat. It exchanges heat with the high-concentration refrigerant flowing through the second flow path 142 of the vessel 14 .
  • the degree of superheat SH of the high-level refrigerant is increased, liquid backflow is prevented, and damage or deterioration of the high-level compressor 11 can be further suppressed as compared with the case where only the liquid backflow suppression process is performed. .
  • 1 refrigeration cycle device 10 high-level circuit, 11 high-level compressor, 12 high-level condenser, 13 high-level expansion valve, 14 high and low pressure heat exchanger, 20 low-level circuit, 21 low-level compressor, 22 intercooler , 23 bypass circuit, 24 low-order expansion valve, 25 low-order evaporator, 30 cascade heat exchanger, 31 high-order flow path, 32 low-order flow path, 51 first blower, 52 second blower, 53 third blower, 90 control device, 141 first flow path, 142 second flow path, 230 bypass valve, P11 high-level compressor suction pressure sensor, P21 low-level compressor discharge pressure sensor, T0 air temperature sensor, T11 high-level compressor suction temperature Sensor, T32 Lower cascade inlet temperature sensor.

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Abstract

冷凍サイクル装置は、高元圧縮機、高元凝縮器、高元膨張弁、及び、カスケード熱交換器の高元流路が配管で接続されて高元冷媒が循環している高元回路と、低元圧縮機、中間冷却器、カスケード熱交換器の低元流路、低元膨張弁、低元蒸発器が配管で接続されて低元冷媒が循環している低元回路と、高元回路及び低元回路の動作を制御する制御装置と、を備え、制御装置は、高元圧縮機に、液状態の冷媒が流入すると判断した場合、カスケード熱交換器の低元流路に低元圧縮機から吐出された高温の低元冷媒を流入させる。

Description

冷凍サイクル装置
　本開示は、冷凍サイクル装置に関し、特に、高元回路と低元回路とを有する冷凍サイクル装置に関する。
　冷凍サイクル装置として、高元冷媒が循環している高元回路と、低元冷媒が循環している低元回路と、を有する二元冷凍サイクルが知られている。二元冷凍サイクルでは、高元回路に接続された高元回路と、低元回路に接続された低元回路とを有するカスケード熱交換器において、高元蒸発器として機能する高元回路を流れる高元冷媒と、低元凝縮器として機能する低元回路を流れる低元冷媒とが熱交換を行う。
　例えば、特許文献１では、低元凝縮器の上流側に中間冷却器が配置された二元冷凍サイクルによる冷凍サイクル装置が開示されている。特許文献１の構成によれば、低元回路に接続された低元圧縮機からの吐出ガスが中間冷却器で冷却されるため、高元蒸発器における冷却量が減少し、高元圧縮機の動力が低減される。
特開２０１２－１０７８０５号公報
　特許文献１の構成では、低元凝縮器として機能するカスケード熱交換器の低元流路には、中間冷却器で冷却されて温度が低下した低元冷媒が流入し、高元蒸発器として機能する高元流路における高元冷媒が、低元冷媒と熱交換して蒸発してガス冷媒となる。このとき、低元冷媒と熱交換しても高元冷媒が過熱状態とならない場合には、高元圧縮機に液状体の冷媒が流入する液バックが生じて、高元圧縮機が損傷し、又は、高元圧縮機の能力が低下してしまう。
　本開示は、上記課題を解決するためになされたものであり、高元圧縮機の損傷又は能力の低下を抑制した冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。
　本開示に係る冷凍サイクル装置は、高元圧縮機、高元凝縮器、高元膨張弁、及び、カスケード熱交換器の高元流路が配管で接続されて高元冷媒が循環している高元回路と、低元圧縮機、中間冷却器、前記カスケード熱交換器の低元流路、低元膨張弁、低元蒸発器が配管で接続されて低元冷媒が循環している低元回路と、前記高元回路及び前記低元回路の動作を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記高元圧縮機に、液状態の冷媒が流入すると判断した場合、前記カスケード熱交換器の前記低元流路に前記低元圧縮機から吐出された高温の前記低元冷媒を流入させる。
　本開示に係る冷凍サイクル装置によれば、高元側圧縮機に液状態の冷媒が流入すると判断される場合、カスケード熱交換器に高温の低元冷媒が流入するため、高元冷媒が過熱状態となり、液バックが防止されて、高元圧縮機の損傷又は能力の低下が抑制できる。
実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路の概略構成図である。 実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の制御装置による制御のフローチャートである。 実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の高元回路におけるｐｈ線図である。 実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の低元回路における場合のｐｈ線図である。 実施の形態１に係る冷凍サイクル装置のカスケード熱交換器における冷媒温度を示すグラフである。 実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の高元回路における液バック抑止処理時のｐｈ線図である。 実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の低元回路における液バック抑止処理時のｐｈ線図である。 実施の形態１に係る冷凍サイクル装置のカスケード熱交換器における冷媒温度を示すグラフである。 実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。
　以下、実施の形態に係る冷凍サイクル装置１について図面を参照しながら説明する。なお、以下の図面では、各構成部材の相対的な寸法の関係及び形状等が実際のものとは異なる場合がある。また、以下の図面において、同一の符号を付したものは、同一、又は、これに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通することとする。また、図中の符号における数字の後のアルファベットは説明の中で省略する場合がある。また、理解を容易にするために方向を表す、例えば、「上」、「下」、「右」、「左」、「前」、又は、「後」の用語を適宜用いる。ただし、方向を表す用語は、説明の便宜上の記載であって、装置、又は、部品の配置、及び、向きを限定するものではない。
　実施の形態１．
　図１は、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１の冷媒回路の概略構成図である。図１に示すように、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１は、高元回路１０及び低元回路２０を備え、高元回路１０及び低元回路２０が、カスケード熱交換器３０により接続されている。高元回路１０を流れる高元冷媒は、例えばＲ４１０Ａ、Ｒ３２、Ｒ４０４Ａ、ＨＦＯ－１２３４ｙｆ、プロパン、イソブタン、二酸化炭素、アンモニア等を用いることができる。低元回路２０を流れる低元冷媒は、例えば、冷媒漏れによる地球温暖化への影響が抑制される二酸化炭素、すなわちＣＯ２を用いることができる。なお、低元回路は一次側回路と、高元回路は二次側回路と、低元冷媒は一次側冷媒と、高元冷媒は二次側冷媒と称する事もできる。
　カスケード熱交換器３０は、高元流路３１を流通する高元冷媒と、低元流路３２を流れる低元冷媒とで熱交換を行わせる冷媒間熱交換器である。高元流路３１は、高元回路１０の一部を構成し、低元流路３２は、低元回路２０の一部を構成している。カスケード熱交換器３０においては、高元流路３１と、低元流路３２とが、対向流になっている。すなわち、カスケード熱交換器３０の一端側は、高元流路３１の入口側であり、且つ、低元流路３２の出口側になっており、一端側において、高元流路３１に流入した高元冷媒と、低元流路３２から流出する低元冷媒とが熱交換を行う。また、カスケード熱交換器３０の他端側は、高元流路３１の出口側であり、且つ、低元流路３２の入口側になっており、他端側において、高元流路３１から流出する高元冷媒と、低元流路３２に流入する低元冷媒とが熱交換を行う。
　高元回路１０は、高元圧縮機１１、高元凝縮器１２、高元膨張弁１３、及び、カスケード熱交換器３０の高元流路３１が、この順で配管により環状に接続されて構成されている。
　高元圧縮機１１は、カスケード熱交換器３０の高元流路３１から流出した高元冷媒を吸入して圧縮し、高温及び高圧の状態として吐出する。高元圧縮機１１は、例えば、インバータ圧縮機である。高元圧縮機１１がインバータ圧縮機の場合、インバータ回路など駆動回路により、回転数を任意に変化させ、高元圧縮機１１の単位時間あたりの冷媒を送り出す容量を変化させてもよい。その場合、駆動回路は、制御装置９０によって制御される。高元圧縮機１１の吐出側は、高元凝縮器１２の入口側に接続されている。
　高元凝縮器１２は、高元冷媒を流通させ、高元冷媒と、高元凝縮器１２の周囲の熱媒体との間で熱交換を行わせる熱交換器である。高元凝縮器１２は、例えば、空冷式の熱交換器である。高元凝縮器１２が空冷式の場合、高元凝縮器１２の近傍には、第１送風機５１が配置されているとよい。この場合、第１送風機５１の駆動は、制御装置９０によって制御される。高元凝縮器１２の出口側は、高元膨張弁１３に接続されている。
　高元膨張弁１３は、高元冷媒を膨張させて減圧させるものである。高元膨張弁１３は、例えば、温度式自動膨脹弁、又は、リニア電子膨張弁などを用いることができる。高元膨張弁１３が電子膨張弁で構成されている場合には、制御装置９０の制御により開度の調整が行われる。高元膨張弁１３の出口側は、カスケード熱交換器３０の高元流路３１の入口側に接続されている。
　カスケード熱交換器３０の高元流路３１は、高元冷媒が熱交換により蒸発する蒸発器として機能する。高元流路３１の出口側は、高元圧縮機１１の吸入側に接続されている。
　低元回路２０は、低元圧縮機２１、中間冷却器２２、カスケード熱交換器３０の低元流路３２、低元膨張弁２４、及び、低元蒸発器２５が、配管で環状に接続されて構成されている。低元回路２０には、中間冷却器２２をバイパスするバイパス回路２３が設けられている。
　低元圧縮機２１は、吸入した低元冷媒を圧縮し、高温及び高圧の冷媒にして吐出する。低元圧縮機２１は、例えば、インバータ圧縮機である。低元圧縮機２１がインバータ圧縮機の場合、インバータ回路など駆動回路により、回転数を任意に変化させ、低元圧縮機２１の単位時間あたりの冷媒を送り出す容量を変化させてもよい。その場合、駆動回路は、制御装置９０によって制御される。低元圧縮機２１の吐出側は、中間冷却器２２の入口側に接続されている。
　中間冷却器２２は、低元圧縮機２１で圧縮されて高温となった低元冷媒を流通させ、低元冷媒と、中間冷却器２２の周囲の熱媒体との間で熱交換を行わせる熱交換器である。中間冷却器２２は、例えば、空冷式の熱交換器である。中間冷却器２２が空冷式の熱交換器である場合、中間冷却器２２の近傍には、第３送風機５３が配置されているとよい。この場合、第３送風機５３の駆動は、制御装置９０によって制御される。中間冷却器２２の出口側は、カスケード熱交換器３０の低元流路３２の入口側に接続されている。
　バイパス回路２３は、低元圧縮機２１の吐出側と、中間冷却器２２の入口側との間に一端が接続され、中間冷却器２２の出口側と、カスケード熱交換器３０の低元流路３２の入口側との間に他端が接続されている。バイパス回路２３には、バイパス弁２３０が接続されている。バイパス弁２３０は、バイパス回路２３を遮断又は開放するものである。バイパス弁２３０が開状態となり開放されると、低元冷媒が、中間冷却器２２をバイパスし、バイパス回路２３を通るように構成されている。バイパス弁２３０の開閉の動作は、制御装置９０によって制御される。バイパス弁２３０は、例えば、バイパス回路２３を開閉できる電磁弁等で構成することができる。
　カスケード熱交換器３０の低元流路３２は、低元冷媒が熱交換により凝縮する凝縮器として機能する。低元流路３２の出口側は、低元膨張弁２４の入口側に接続されている。
　低元膨張弁２４は、低元冷媒を膨張させて減圧させるものである。低元膨張弁２４は、例えば、温度式自動膨脹弁、又は、リニア電子膨張弁などを用いることができる。低元膨張弁２４が電子膨張弁で構成されている場合には、制御装置９０の制御により開度の調整が行われる。低元膨張弁２４の出口側は、低元蒸発器２５の入口側に接続されている。
　低元蒸発器２５は、低元冷媒を流通させ、低元冷媒と、低元蒸発器２５の周囲の熱媒体との間で熱交換を行わせる熱交換器である。低元蒸発器２５は、例えば、空冷式の熱交換器である。低元蒸発器２５が空冷式の場合、低元蒸発器２５の近傍には、第２送風機５２が配置されているとよい。この場合、第２送風機５２の駆動は、制御装置９０によって制御される。低元蒸発器２５の出口側は、低元圧縮機２１の吸入側に接続されている。
　制御装置９０は、処理回路から構成される。処理回路は、専用のハードウェア、又は、プロセッサから構成される。専用のハードウェアは、例えば、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）又はＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などである。プロセッサは、メモリに記憶されるプログラムを実行する。制御装置９０に設けられた図示しない記憶部は、メモリから構成される。メモリは、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable ROM）などの不揮発性又は揮発性の半導体メモリ、もしくは、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスクなどのディスクである。
　制御装置９０は、高元回路１０及び低元回路２０の動作を制御する。制御装置９０には、高元回路１０又は低元回路２０に配置された各種センサの検出値が入力される。センサとしては、空気温度センサＴ０、低元圧縮機吐出圧力センサＰ２１、低元カスケード入口温度センサＴ３２、高元圧縮機吸入温度センサＴ１１、及び、高元圧縮機吸入圧力センサＰ１１がある。
　空気温度センサＴ０は、中間冷却器２２が配置されている空間に配置され、中間冷却器２２の配置された空間における空気温度を検出する。空気温度センサＴ０は、例えば、第３送風機５３の吸込み空気の温度を検出する。低元圧縮機吐出圧力センサＰ２１は、低元圧縮機２１の吐出側に配置され、低元圧縮機２１における吐出圧力を検出する。低元カスケード入口温度センサＴ３２は、カスケード熱交換器３０の低元流路３２の入口に配置され、カスケード熱交換器３０の低元流路３２の入口における低元冷媒の温度を検出する。高元圧縮機吸入温度センサＴ１１は、高元圧縮機１１の吸入側に配置され、高元圧縮機１１の吸入側における高元冷媒の温度を検出する。高元圧縮機吸入圧力センサＰ１１は、高元圧縮機１１の吸入側に配置され、高元圧縮機１１の吸入側における高元冷媒の圧力を検出する。
　センサとして、上記の他、例えば、低元圧縮機２１における吸入側に配置され、低元圧縮機２１の吸入側における低元冷媒の温度を検出する低元圧縮機吸入温度センサ、又は、低元冷媒の圧力を検出する低元圧縮機吸入圧力センサなどを備えていてもよい。
　センサから値が送信される制御装置９０は、センサの値に基づき、高元圧縮機１１において液バックの懸念があると判断すると、液バック抑止処理を行う。液バック抑止処理では、カスケード熱交換器３０の低元流路３２に低元圧縮機２１から吐出された高温の低元冷媒が流入するように構成される。液バック抑止処理においては、バイパス弁２３０が、制御装置９０により開状態とされる。これにより、低元冷媒が、バイパス回路２３を流れ、中間冷却器２２をバイパスする構成になる。このため、低元圧縮機２１から吐出された高温の低元冷媒が中間冷却器２２において冷却されず、高温のままでカスケード熱交換器３０の低元流路３２に流入する構成となる。
　液バックの懸念があるか否かの判断は、第１の指標、第２の指標、又は、第３の指標に基づき行うことができる。第１の指標は、中間冷却器２２が配置された空間の空気温度が、カスケード熱交換器３０の低元流路３２における凝縮温度と第１の所定値との和よりも小さい場合である。第１の所定値は、例えば、５Ｋである。第２の指標は、カスケード熱交換器３０の低元流路３２の入口における過熱度が第２の所定値よりも小さい場合である。第２の所定値は、例えば、５Ｋである。第３の指標は、高元圧縮機１１の吸入側における過熱度が、第３の所定値よりも小さい場合である。第３の所定値は、例えば、５Ｋである。従って、制御装置９０は、センサの検出値に基づき、第１の指標、第２の指標、又は、第３の指標に該当すると判断した場合に、液バック抑止処理を行う。
　なお、液バックの懸念があるか否かの判断における指標は、第１の指標、第２の指標、又は、第３の指標に限定されず、液バックの懸念があるか否かを判断することができれば他の指標を用いてもよい。この場合、必要に応じて高元回路１０又は低元回路２０にセンサが配置されていればよい。
　図２は、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１の制御装置９０による制御のフローチャートである。図２に示すように、ステップＳ０１において、制御装置９０は、液バックの懸念があるか否かを判断する。すなわち、制御装置９０は、センサの値から、上記の第１の指標、第２の指標、又は、第３の指標のいずれかに該当するか否かを判断する。制御装置９０は、第１の指標、第２の指標、又は、第３の指標のいずれかに該当する場合には、液バックの懸念があると判断する。
　具体的には、制御装置９０は、中間冷却器２２が配置された空間の空気温度が、カスケード熱交換器３０の低元流路３２における凝縮温度と第１の所定値との和よりも小さい場合、高元圧縮機１１に、液状体の冷媒が流入する液バックの懸念があると判断する。中間冷却器２２が配置された空間の空気温度は、制御装置９０において、中間冷却器２２が配置された空間の空気温度から求めることができる。また、カスケード熱交換器３０の低元流路３２における凝縮温度は、制御装置９０において、低元圧縮機吐出圧力センサＰ２１の検出値に基づき、低元冷媒の物性から求めることができる。
　又は、制御装置９０は、カスケード熱交換器３０の低元流路３２の入口における過熱度が第２の所定値よりも小さい場合、高元圧縮機１１において液バックの懸念があると判断する。カスケード熱交換器３０の低元流路３２の入口における過熱度は、制御装置９０において、低元カスケード入口温度センサＴ３２と、低元圧縮機吐出圧力センサＰ２１に基づく低元冷媒の凝縮温度と、の差から求めることができる。
　又は、制御装置９０は、高元圧縮機１１の吸入側における過熱度が、第３の所定値よりも小さい場合、高元圧縮機１１において液バックの懸念があると判断する。高元圧縮機１１の吸入側における過熱度は、制御装置９０において、高元圧縮機吸入温度センサＴ１１と、高元圧縮機吸入圧力センサＰ１１に基づく高元冷媒の蒸発温度と、の差から求めることができる。
　ステップＳ０１において、制御装置９０は、高元圧縮機１１において液バックの懸念があると判断した場合、ステップＳ０２に移行し、ステップＳ０２において、液バック抑止処理を行う。液バック抑止処理では、低元圧縮機２１から吐出された高温の低元冷媒がカスケード熱交換器３０の低元流路３２に流入するように、低元回路２０が構成される。具体的には、制御装置９０は、液バック抑止処理において、バイパス回路２３に設けられたバイパス弁２３０を開状態とし、低元圧縮機２１から吐出された高温の低元冷媒を、バイパス回路２３を介してカスケード熱交換器３０の低元流路３２に流入させる。低元圧縮機２１から吐出された高温の低元冷媒は、バイパス回路２３を流通し、中間冷却器２２において冷却されることなく、カスケード熱交換器３０の低元流路３２に流入する。
　その後、制御装置９０は、ステップＳ０３に移行し、液バックの懸念が解消されたか否かを判断する。つまり、制御装置９０は、第１の指標、第２の指標、又は、第３の指標のいずれかに該当するか否かを判断する。制御装置９０は、第１の指標、第２の指標、又は、第３の指標に該当する場合、ステップＳ０２に戻り、液バック抑止処理を継続する。制御装置９０は、第１の指標、第２の指標、又は、第３の指標に該当しない場合には、液バックの懸念が解消されたと判断する。制御装置９０は、ステップＳ０３において、液バックの懸念が解消されたと判断すると終了する。なお、制御装置９０による処理は、例えば、一定時間ごとに行う構成とすることができる。
　このように、低元回路２０は、高元圧縮機１１において液バックの懸念があると判断された場合に、中間冷却器２２をバイパスするように構成されており、低元冷媒が、高温の状態でカスケード熱交換器３０の低元流路３２に流入することができる。液バック抑止処理において低元冷媒が高温であるとは、低元冷媒がカスケード熱交換器３０の高元流路３１を流れる高元冷媒を加熱状態にできる温度であることを意味する。カスケード熱交換器３０の高元流路３１を通った二相状態の高元冷媒は、高温の低元冷媒に暖められることで、過熱状態となって高元流路３１から流出する。これにより、高元圧縮機１１に流入する高元冷媒が過熱状態となるため、高元圧縮機１１において液バックが生じることが防止され、高元圧縮機１１の損傷又は能力の低下が抑制される。
　次に、高元回路１０及び低元回路２０における冷媒状態について説明する。始めに、液バックの懸念がない場合の冷媒状態について説明する。
　高元回路１０において、高元冷媒は、高元圧縮機１１に吸入されて圧縮され、高温及び高圧のガス状態となって吐出される。高温及び高圧のガス状態となった高元冷媒は、高元凝縮器１２において、高元凝縮器１２の周囲の空気と熱交換をすることで冷却され、低温及び高圧の高元冷媒となって高元凝縮器１２から流出して、高元膨張弁１３に到達する。低温及び高圧の高元冷媒は、高元膨張弁１３において膨張及び減圧され、低温及び低圧の二相状態になる。低温及び低圧の二相状態の高元冷媒は、高元蒸発器として機能するカスケード熱交換器３０の高元流路３１に流入し（図１の点ａ）、低元流路３２を流れる低元冷媒と熱交換する。
　高元冷媒は、低元回路２０において中間冷却器２２で冷却されて低温になった、低元流路３２を流れる低元冷媒と熱交換することで蒸発し、低温及び低圧のガス状態となる（図１の点ｂ）。そして、低温及び低圧のガス状態となった高元冷媒は、高元流路３１から流出して再び高元圧縮機１１に吸入される。
　一方、低元冷媒は、低元回路２０において、低元圧縮機２１に吸入されて圧縮され、高温及び高圧のガス状態となって吐出される。高温及び高圧の低元冷媒は、中間冷却器２２において冷却されて流出する
　中間冷却器２２から流出した低元冷媒は、低元凝縮器として機能するカスケード熱交換器３０の低元流路３２に流入し（図１の点ｃ）、高元流路３１を流れる高元冷媒と熱交換することで凝縮し、低温及び高圧の低元冷媒となる（図１の点ｄ）。低温及び高圧の低元冷媒は、低元膨張弁２４において膨張されて減圧され、低温及び低圧の二相状態になって流出する。低温及び低圧の二相状態となった低元冷媒は、低元蒸発器２５に流入し、低元蒸発器２５の周囲の空気と熱交換することで蒸発し、低温及び低圧のガス状態となって低元蒸発器２５から流出し、再び、低元圧縮機２１に吸入される。
　このように、カスケード熱交換器３０の低元流路３２に流入する低元冷媒は、中間冷却器２２において冷却され、低温になっている。例えば、１００°の高温で低元圧縮機２１から吐出された低元冷媒は、中間冷却器２２の配置された空間における環境温度が、例えば、２０°であれば、中間冷却器２２で冷却されて、例えば、３０°の低温のガス状態になっている。そのため、高元冷媒による高元流路３１の入口から出口までの冷却量は、カスケード熱交換器３０の低元流路３２に高温のままの低元冷媒が流入した場合に比べ、低減される。これにより、高元圧縮機１１の動力が低下する。
　次に、高元圧縮機１１において液バックの懸念がある場合の冷媒状態について説明する。図３は、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１の高元回路１０におけるｐｈ線図である。図４は、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１の低元回路２０におけるｐｈ線図である。図３及び図４において、横軸は、比エンタルピｈを示し、縦軸は、圧力ｐを示している。図３及び図４において、点ａ、点ｂ、点ｃ、及び、点ｄは、図１の各点における冷媒状態を示している。
　図３に示すように、高元冷媒が二相状態で高元流路３１の出口側に到達し、高元圧縮機１１に流入すると、高元圧縮機１１において液バックの懸念が生じる。つまり、高元冷媒は、低元流路３２を流れる低元冷媒から受熱しても、蒸発してガス状態とならない場合、二相状態で高元流路３１の出口側に到達することとなる（図３の点ｂ）。高元流路３１の出口側に到達した高元冷媒が、飽和温度である蒸発温度との温度差である過熱度がつかないまま高元流路３１から流出すると、高元冷媒が液状態で高元圧縮機１１に流入し、液バックの懸念が生じる。
　一方、図４に示すように、低元冷媒は、低元流路３２の入口側において、中間冷却器２２において冷却されることで、飽和温度である凝縮温度との温度差である過熱度が低下した状態となっている（図４の点ｃ）。低元冷媒の過熱度が低下した状態であると、高元流路３１の出口側における高元冷媒が蒸発温度以上に過熱されず、蒸発してガス化することができない。
　図５は、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１のカスケード熱交換器３０における冷媒温度を示すグラフである。図５において、横軸は、カスケード熱交換器３０の一端側からの距離Ｘを示し、縦軸は、冷媒の温度Ｔを示している。図５において、点ａ、点ｂ、点ｃ、及び、点ｄは、図１の各点における冷媒状態を示している。
　図５に示すように、低元流路３２の入口側における低元冷媒が中間冷却器２２で冷却され、過熱度が低下した状態であると、高元流路３１の出口側における高元冷媒の過熱度ＳＨも低下した状態である。凝縮温度と蒸発温度とは、飽和温度であり、その差が変動することもない。高元冷媒の過熱度ＳＨが低下した状態であるため、高元冷媒が蒸発温度以上に過熱されず、蒸発してガス化することができず、その状態で高元圧縮機１１に流入することとなる。そうすると、高元圧縮機１１において液バックが生じ、高元圧縮機１１の損傷又は能力の低下が生じてしまう。
　次に、高元圧縮機１１における液バック抑止処理時の冷媒状態について説明する。図６は、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１の高元回路１０における液バック抑止処理時のｐｈ線図である。図７は、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１の低元回路２０における液バック抑止処理時のｐｈ線図である。図６及び図７において、横軸は、比エンタルピｈを示し、縦軸は、圧力を示している。図６及び図７において、点ａ、点ｂ、点ｃ、及び、点ｄは、図１の各点における冷媒状態を示している。
　図６及び７に示すように、液バック抑止処理では、低元圧縮機２１から吐出された低元冷媒は、バイパス回路２３を流通してカスケード熱交換器３０の低元流路３２に流入し（図７の点ｃ）、高元流路３１の出口側の高元冷媒と熱交換を行う（図６の点ｂ）。バイパス回路２３を流通した低元冷媒は、中間冷却器２２を通らず冷却されないため、過熱度が拡大されて低元流路３２の入口側に到達する。このため、高元流路３１の出口側の高元冷媒は、低元圧縮機２１から吐出された高温のままで、過熱度が拡大された状態の低元冷媒と熱交換を行うこととなる。
　図８は、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１のカスケード熱交換器３０における冷媒温度を示すグラフである。図８において、横軸は、カスケード熱交換器３０の一端側からの距離Ｘを示し、縦軸は、冷媒の温度Ｔを示している。図８において、点ａ、点ｂ、点ｃ、及び、点ｄは、図１の各点における冷媒状態を示している。
　図８に示すように、低元冷媒は、バイパス回路２３を通り、中間冷却器２２で冷却されずに低元流路３２の入口側に流入するため、低元冷媒の過熱度が拡大されている（図８の点ｃ）。このため、高元冷媒は、高元流路３１の出口において、過熱度が拡大されて高温のままの低元冷媒と接することができる（図８の点ｂ）。そして、高元冷媒は、低元冷媒から受熱し、高元冷媒の過熱度ＳＨが拡大されることで蒸発しガス状態となって高元流路３１を流出する。これにより、高元圧縮機１１に流入する高元冷媒の過熱度ＳＨが拡大され、ガス状態となった高元冷媒が高元圧縮機１１に吸入されることとなり、高元圧縮機１１における液バックが抑制される。
　＜変形例＞
　変形例に係る冷凍サイクル装置１では、液バック抑止処理において、第３送風機５３の回転数が、制御装置９０により低下される構成である。この場合、低元回路２０には、中間冷却器２２をバイパスするバイパス回路２３が設けられなくてもよい。制御装置９０は、センサの値に基づき、高元圧縮機１１において液バックの懸念があると判断すると、液バック抑止処理により、第３送風機５３の回転数を低下させる。これにより、中間冷却器２２における低元冷媒の冷却量が低減し、カスケード熱交換器３０の低元流路３２の入口側における冷媒の過熱度の低下が抑制されて、高元圧縮機１１における液バックが抑制できる。
　以上説明した、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１によれば、高元圧縮機１１に、液状態の冷媒が流入すると判断される場合、カスケード熱交換器３０の低元流路３２に低元圧縮機２１から吐出された高温の低元冷媒が流入するように構成されている。そのため、低元冷媒が、高温の状態でカスケード熱交換器３０の低元流路３２に流入し、カスケード熱交換器３０の高元流路３１を通った二相状態の高元冷媒が、高元流路３１の出口側において更に暖められて、過熱状態となって高元流路３１から流出する。そのため、高元圧縮機１１に流入する高元冷媒が過熱状態となり、高元圧縮機１１において液バックが生じることが防止されて、高元圧縮機１１の損傷又は能力の低下が抑制される。
　低元回路２０は、中間冷却器２２をバイパスさせるためのバイパス回路２３を有し、液バックの懸念がある場合、バイパス弁２３０が閉じる構成である。これにより、カスケード熱交換器３０の低元流路３２に流入する低元冷媒の過熱度が低下しないため、低元流路３２における低元冷媒の過熱度が上昇し、高元冷媒の過熱度ＳＨも上昇して、高元圧縮機１１における液バックが抑制される。
　また、第３送風機５３は、低元回路２０において液バックの懸念がある場合には、回転数が低下するように構成されている。これにより、中間冷却器２２における低元冷媒の冷却量が低減するため、低元冷媒の過熱度が低下することがなく、高元圧縮機１１における液バックが抑止できる。
　また、制御装置９０は、低元回路２０の環境温度が、カスケード熱交換器３０の低元流路３２における凝縮温度と第１の所定値との和よりも小さい場合に、液バックの懸念があると判断するように構成されている。これにより、液バックの懸念があると判断すると、液バック抑止処理が実施されるため、高元圧縮機１１における液バックが防止できる。
　また、制御装置９０は、カスケード熱交換器３０の低元流路３２の入口における過熱度が、第２の所定値よりも小さい場合に、液バックの懸念があると判断するように構成されている。これにより、液バックの懸念があると判断すると、液バック抑止処理が実施されるため、高元圧縮機１１における液バックが防止できる。
　また、制御装置９０は、高元圧縮機１１の吸入側における高元冷媒の過熱度ＳＨが、第３の所定値よりも小さい場合に、高元圧縮機１１に、液状態の冷媒が流入すると判断するように構成されている。これにより、液バックの懸念があると判断すると、液バック抑止処理が実施されるため、高元圧縮機１１における液バックが防止できる。
　実施の形態２．
　図９は、実施の形態２に係る冷凍サイクル装置１の冷媒回路図である。実施の形態２に係る冷凍サイクル装置１は、高元回路１０に、高低圧熱交換器１４が設けられている点で実施の形態１と異なるが、実施の形態１と共通する部分は同一の符号を付して説明を省略する。図９に示すように、高低圧熱交換器１４は、カスケード熱交換器３０の高元流路３１の出口側で、且つ、高元圧縮機１１の吸入側の高元冷媒が流通する第１流路１４１を有する。また、高低圧熱交換器１４は、高元凝縮器１２と、高元膨張弁１３との間の高元冷媒が流通する第２流路１４２を有する。
　高低圧熱交換器１４は、第１流路１４１を流れる高元冷媒と、第２流路１４２を流れる高元冷媒とを熱交換させる熱交換器である。高低圧熱交換器１４が設けられていることで、カスケード熱交換器３０の高元流路３１の出口側における高元冷媒が、高低圧熱交換器１４の第２流路１４２を流れる高元冷媒と熱交換を行い、高元冷媒の過熱度ＳＨが拡大される。これにより、高元冷媒が二相状態で高元圧縮機１１に吸入されることがなくなり、液バックが防止されるため、高元圧縮機１１の損傷又は能力の低下が更に抑制できる。
　以上説明した、実施の形態２に係る冷凍サイクル装置１によれば、高低圧熱交換器１４において、カスケード熱交換器３０の高元流路３１の出口側における高元冷媒が、高低圧熱交換器１４の第２流路１４２を流れる高元冷媒と熱交換する。これにより、高元冷媒の過熱度ＳＨが拡大されるため、液バックが防止され、液バック抑止処理のみが実施された場合に比べ、高元圧縮機１１の損傷又は能力の低下が更に抑制できる。
　１　冷凍サイクル装置、１０　高元回路、１１　高元圧縮機、１２　高元凝縮器、１３　高元膨張弁、１４　高低圧熱交換器、２０　低元回路、２１　低元圧縮機、２２　中間冷却器、２３　バイパス回路、２４　低元膨張弁、２５　低元蒸発器、３０　カスケード熱交換器、３１　高元流路、３２　低元流路、５１　第１送風機、５２　第２送風機、５３　第３送風機、９０　制御装置、１４１　第１流路、１４２　第２流路、２３０　バイパス弁、Ｐ１１　高元圧縮機吸入圧力センサ、Ｐ２１　低元圧縮機吐出圧力センサ、Ｔ０　空気温度センサ、Ｔ１１　高元圧縮機吸入温度センサ、Ｔ３２　低元カスケード入口温度センサ。

Claims (8)

  1. 　高元圧縮機、高元凝縮器、高元膨張弁、及び、カスケード熱交換器の高元流路が配管で接続されて高元冷媒が循環している高元回路と、
    　低元圧縮機、中間冷却器、前記カスケード熱交換器の低元流路、低元膨張弁、低元蒸発器が配管で接続されて低元冷媒が循環している低元回路と、
    　前記高元回路及び前記低元回路の動作を制御する制御装置と、
    　を備え、
    　前記制御装置は、
    　前記高元圧縮機に、液状態の冷媒が流入すると判断した場合、前記カスケード熱交換器の前記低元流路に前記低元圧縮機から吐出された高温の前記低元冷媒を流入させる
    　冷凍サイクル装置。
  2. 　前記高温の前記低元冷媒は、前記高元流路を流れる前記高元冷媒を加熱状態にする温度の前記低元冷媒である
    　請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
  3. 　前記中間冷却器をバイパスさせるためのバイパス回路と、
    　前記バイパス回路に設けられたバイパス弁と、
    　を更に備え、
    　前記制御装置は、
    　前記高元圧縮機に、液状態の冷媒が流入すると判断した場合、前記バイパス弁を開く
    　請求項１又は２に記載の冷凍サイクル装置。
  4. 　前記中間冷却器に空気を送る送風機を更に備え、
    　前記制御装置は、
    　前記高元圧縮機に、液状態の冷媒が流入すると判断される場合、前記送風機の回転数を低下させる
    　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. 　前記制御装置は、
    　前記低元回路の環境温度が、前記カスケード熱交換器の低元流路における凝縮温度と第１の所定値との和よりも小さい場合に、前記高元圧縮機に、液状態の冷媒が流入すると判断する
    　請求項１～４のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
  6. 　前記制御装置は、
    　前記カスケード熱交換器の低元流路の入口における過熱度が、第２の所定値よりも小さい場合に、前記高元圧縮機に、液状態の冷媒が流入すると判断する
    　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. 　前記制御装置は、
    　前記高元圧縮機の吸入側における過熱度が、第３の所定値よりも小さい場合に、前記高元圧縮機に、液状態の冷媒が流入すると判断する
    　請求項１～６のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
  8. 　前記カスケード熱交換器の前記高元流路の出口側における前記高元冷媒と、前記高元圧縮機の吸入側における前記高元冷媒と、で熱交換を行う、高低圧熱交換器を更に備えた
    　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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