WO2023067807A1

WO2023067807A1 - 二元冷凍装置

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Publication number: WO2023067807A1
Application number: PCT/JP2021/039135
Authority: WO
Inventors: 拓未西山; 智隆石川; 寛也石原; 崇憲八代; 裕弥井内; 英希大野
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2021-10-22
Filing date: 2021-10-22
Publication date: 2023-04-27

Abstract

二元冷凍装置（１０）は、第１圧縮機（１１）、凝縮装置（１２）、第１膨張弁（１３）、および、カスケード熱交換器（３）を含み、第１冷媒が循環する第１冷凍サイクル（１）と、第２圧縮機（２１）、カスケード熱交換器（３）、第２膨張弁（２３）、および、蒸発器（２４）を含み、第２冷媒が循環する第２冷凍サイクル（２）とを備える。カスケード熱交換器（３）は、第１冷媒と第２冷媒との間で熱交換をすることにより、第１冷凍サイクル（１）で蒸発器部（３１）として用いられるとともに、第２冷凍サイクル（２）で凝縮器部（３２）として用いられる。凝縮装置（１２）は、第１冷媒を凝縮させる第１熱交換器部（１２１）と、第１冷媒を凝縮または蒸発させる第２熱交換器部（１２２）とを含む。二元冷凍装置（１０）は、第２熱交換器部（１２２）の状態を、第１冷媒を凝縮させる第１状態と、第１冷媒を蒸発させる第２状態との間で切換える切換え装置（８０）をさらに備える。切換え装置（８０）は、第２冷凍サイクル（２）の蒸発器（２４）による冷却を実行する第１運転において、切換え装置（８０）が第２熱交換器部（１２２）を第１状態とし、第２冷凍サイクル（２）の圧力を抑制する第２運転において切換え装置（８０）が第２熱交換器部（１２２）を第２状態とする。

Description

二元冷凍装置

　本開示は、二元冷凍装置に関する。

　従来、例えばマイナス数十度などの低温度帯での冷却を行うための冷凍装置としては、高温側の第１冷媒を循環する第１冷凍サイクルと、低温側の第２冷媒を循環する第２冷凍サイクルとを有する二元冷凍装置が使用されている。第１冷凍サイクルは、高元冷凍サイクルと呼ばれる。第２冷凍サイクルは、低元冷凍サイクルと呼ばれる。

　二元冷凍装置では、カスケードコンデンサが設けられる。カスケードコンデンサは、第１冷凍サイクルにおける蒸発器と第２冷凍サイクルにおける凝縮器とを含み、第１冷媒と第２冷媒とで熱交換ができるように構成される。二元冷凍装置では、第１冷凍サイクルと第２冷凍サイクルとをカスケードコンデンサによって連結した多段構成の冷凍サイクルが構成される。

　このような二元冷凍装置としては、特許文献１に開示されたものがある。特許文献１に開示された二元冷凍装置は、低元冷凍サイクルにおいて、カスケードコンデンサと受液器との間で冷媒を循環させる自然循環回路が設けられる。

　特許文献１に開示された二元冷凍装置では、低元冷凍サイクルの停止時において、低元冷凍サイクルの圧力上昇を抑制するために、高元冷凍サイクルを運転する。これにより、二元冷凍装置では、低元冷凍サイクルの停止時において、カスケードコンデンサにより、低元冷凍サイクルの冷媒が冷却される。そして、二元冷凍装置では、低元冷凍サイクルにおいて、カスケードコンデンサで冷却された冷媒が受液器に供給される。二元冷凍装置では、受液器内に貯蔵された冷媒に含まれる蒸気冷媒がカスケードコンデンサに供給されることにより、冷媒が自然循環回路で循環する。

　このように、特許文献１では、低元冷凍サイクルの停止時において高元冷凍サイクルを運転することに加え、カスケードコンデンサで冷却された冷媒を自然循環させることにより、低元冷凍サイクルの停止時において低元冷凍サイクルの圧力上昇を抑制することが開示されている。

国際公開第２０１８／１９８２０３号

　しかし、第１冷凍サイクルである高元冷凍サイクルは、二元冷凍装置における通常の冷却運転時に必要な能力を発揮できるように各種機器が構成される。したがって、特許文献１に開示されたような従来の二元冷凍装置においては、第２冷凍サイクルである低元冷凍サイクルの停止時において低元冷凍サイクルの圧力上昇を抑制する圧力抑制運転時に、第１冷凍サイクルである高元冷凍サイクルにおけるカスケード熱交換器に含まれる蒸発器で冷媒を蒸発させる能力が不十分となる。これにより、特許文献１に開示された従来の二元冷凍装置においては、第１冷凍サイクルである高元冷凍サイクルの運転状態が不安定になるという問題があった。

　本開示の二元冷凍装置は、上記課題を解決するものであり、二元冷凍装置における第２冷凍サイクルの停止時において第１冷凍サイクルの運転状態を安定化することを目的とする。

　本開示は、二元冷凍装置に関する。二元冷凍装置は、第１圧縮機、凝縮装置、第１膨張弁、および、カスケード熱交換器を含み、第１冷媒が循環する第１冷凍サイクルと、第２圧縮機、カスケード熱交換器、第２膨張弁、および、第２蒸発器を含み、第２冷媒が循環する第２冷凍サイクルとを備える。カスケード熱交換器は、第１冷媒と第２冷媒との間で熱交換をすることにより、第１冷凍サイクルで第１蒸発器として用いられるとともに、第２冷凍サイクルで第２凝縮器として用いられる。凝縮装置は、第１冷媒を凝縮させる第１熱交換器部と、第１冷媒を凝縮または蒸発させる第２熱交換器部とを含む。二元冷凍装置は、第２熱交換器部の状態を、第１冷媒を凝縮させる第１状態と、第１冷媒を蒸発させる第２状態との間で切換える切換え装置をさらに備える。切換え装置は、第２冷凍サイクルの第２蒸発器による冷却を実行する第１運転において、切換え装置が第２熱交換器部を第１状態とし、第２冷凍サイクルの圧力を抑制する第２運転において切換え装置が第２熱交換器部を第２状態とする。

　本開示の二元冷凍装置によれば、第２冷凍サイクルの圧力を抑制する第２運転において、切換え装置で、凝縮装置における第２熱交換器部が第１冷媒を蒸発させる第２状態に切換えられるので、第２冷凍サイクルの圧力を抑制する第２運転において、第１冷凍サイクルで第１冷媒を蒸発させる能力が増加されるため、第２冷凍サイクルの停止時における第１冷凍サイクルの運転状態を安定化することができる。

実施の形態１の二元冷凍装置１０の全体構成図である。実施の形態１の二元冷凍装置１０の全体構成図である。実施の形態１の二元冷凍装置１０の制御構成例を示すブロック図である。圧力上昇抑制運転における第２熱交換器部１２２の機能切り換え制御のフローチャートである。実施の形態２の二元冷凍装置１０Ａの全体構成図である。実施の形態２の二元冷凍装置１０Ａの全体構成図である。実施の形態３の二元冷凍装置１０Ｂの全体構成図である。実施の形態３の二元冷凍装置１０Ｂの全体構成図である。実施の形態４の熱交換器７０の構成を示す図である。実施の形態５によるヘッダの構成を示す図である。実施の形態６によるヘッダの構成を示す図である。実施の形態７による第１熱交換器部１２１および第２熱交換器部１２２の配置を示す図である。実施の形態８による第１熱交換器部１２１および第２熱交換器部１２２の配置を示す図である。実施の形態９による第１熱交換器部１２１Ａおよび第２熱交換器部１２２Ａの配置を示す図である。扁平管熱交換器に設けられる扁平管５０の一例を示す断面図である。圧力上昇抑制運転における第２冷凍サイクル２の圧力制御のフローチャートである。圧力上昇抑制運転時における第１冷媒の状態を示すモリエル線図である。圧力上昇抑制運転時における第１冷凍サイクル１の停止制御のフローチャートである。実施の形態１３による切換え装置８００を備えた二元冷凍装置１０Ｃの全体構成を示す図である。実施の形態１３による切換え装置８００を備えた二元冷凍装置１０Ｃの全体構成を示す図である。二元冷凍装置１０Ｃの制御構成例を示すブロック図である。実施の形態１４による切換え装置８０１を備えた二元冷凍装置１０Ｄの全体構成を示す図である。実施の形態１４による切換え装置８０１を備えた二元冷凍装置１０Ｄの全体構成を示す図である。実施の形態１５による切換え装置８０２を備えた二元冷凍装置１０Ｅの全体構成を示す図である。実施の形態１５による切換え装置８０２を備えた二元冷凍装置１０Ｅの全体構成を示す図である。実施の形態１６による二元冷凍装置１０Ｆの全体構成を示す図である。

　以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。以下では、複数の実施の形態について説明するが、各実施の形態で説明された構成を適宜組み合わせることは出願当初から予定されている。なお、図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

　実施の形態１．
　（二元冷凍装置１０の全体構成）
　図１および図２は、実施の形態１の二元冷凍装置１０の全体構成図である。図１および図２は、二元冷凍装置１０における各機器の接続関係および配置構成を機能的に示しており、物理的な空間における配置を必ずしも示すものではない。

　図１および図２を参照して、二元冷凍装置１０は、第１冷凍サイクル１と、第２冷凍サイクル２とを含む。第１冷凍サイクル１は、高元冷凍サイクルである。第２冷凍サイクル２は、低元冷凍サイクルである。二元冷凍装置１０では、第１冷凍サイクル１と第２冷凍サイクル２とがカスケード熱交換器３によって連結された多段構成の冷凍サイクルが構成される。

　第１冷凍サイクル１では、第１冷媒が循環する。第２冷凍サイクル２では、第２冷媒が循環する。第１冷媒は、例えばプロパン冷媒である。第２冷媒は、例えば二酸化炭素冷媒である。なお、第１冷媒と第２冷媒とは、同じ種類の冷媒が用いられてもよく、異なる種類の冷媒が用いられてもよい。

　なお、第１冷媒および第２冷媒は、高性能、低ＧＷＰ（Global Warming Potential）、低燃焼性、および、低毒性な冷媒を選定することが好ましい。特に第２冷凍サイクル２では、人の出入りが頻繁にあることが想定される室内に設けられる室内機を有する経路のため、低燃焼性および低毒性というような、人体への影響がない冷媒が第２冷媒として用いられる。第１冷凍サイクル１では、人の出入りがあまりない屋外などのスペースに設置することが想定されるため、高性能な冷媒が第１冷媒として用いられる。一例としては、第２冷凍サイクル２には、ＣＯ２冷媒が用いられ、第１冷凍サイクル１には、Ｒ２９０冷媒、Ｒ１２３４ｙｆ冷媒、または、Ｒ３２冷媒が用いられる。

　第２冷凍サイクル２において高圧冷媒を第２冷媒として用いる場合は、耐圧の高い機器および配管を用いる設計が必要となる。高圧冷媒を第２冷媒として用いる場合は、第１冷凍サイクル１により第２冷凍サイクル２の圧力の上昇を抑制する運転をすることにより、耐圧の低い機器、配管を第２冷凍サイクル２において用いてもよい。

　二元冷凍装置１０においては、第１冷凍サイクル１および第２冷凍サイクル２を構成する各種機器が、室外ユニット４または冷却ユニット５に収納されている。室外ユニット４は、室外機と呼ばれる場合がある。冷却ユニット５は、室内機と呼ばれる場合がある。冷却ユニット５または冷却ユニット５室外ユニット４と冷却ユニット５との間には、延長配管６，７が設けられている。

　第１冷凍サイクル１は、第１圧縮機１１、凝縮装置１２、第１膨張弁１３、および、カスケード熱交換器３を含む。第１冷凍サイクル１には、さらに、第１開閉弁８１、第２開閉弁８２、第３開閉弁８３、第４開閉弁８４、および、第５開閉弁８５よりなる切換え装置８０が含まれる。

　凝縮装置１２は、第１熱交換器部１２１、第２熱交換器部１２２、第１ファン１２３、および、第２ファン１２４を含む。第１熱交換器部１２１は、第１冷媒を凝縮する凝縮器として用いられる。第２熱交換器部１２２は、第１冷媒を凝縮する凝縮器として用いられる第１状態と、第１冷媒を蒸発させる蒸発器として用いられる第２状態とのうち、いずれか選択された状態となる。切換え装置８０は、図３に示す制御装置１００により制御され、第２熱交換器部１２２の状態を、第１状態と第２状態との間で切換える。第１ファン１２３は、第１熱交換器部１２１に送風する。第２ファン１２４は、第２熱交換器部１２２に送風する。

　第１膨張弁１３は、電子膨張弁よりなる。カスケード熱交換器３は、蒸発器部３１と、凝縮器部３２とを含み、第１冷媒と第２冷媒との間で熱交換ができるように構成される。カスケード熱交換器３の蒸発器部３１は、第１冷凍サイクル１における蒸発器として用いられる。

　第２冷凍サイクル２は、第２圧縮機２１、カスケード熱交換器３、第２膨張弁２３、および、蒸発器２４を含む。第２冷凍サイクル２には、さらに、第３ファン２５および延長配管６．７が含まれる。カスケード熱交換器３の凝縮器部３２は、第２冷凍サイクル２における凝縮器として用いられる。第２膨張弁２３は、電子膨張弁よりなる。第３ファン２５は、蒸発器２４に送風する。

　二元冷凍装置１０では、第１冷凍サイクル１により高温側の第１冷媒が循環され、第２冷凍サイクル２により低温側の第２冷媒が循環される。そして、二元冷凍装置１０では、カスケード熱交換器３において、第１熱交換器部１２１に流れる第１冷媒と、第２熱交換器部１２２に流れる第２冷媒との間で熱交換をさせることにより、多段構成の冷凍サイクルが構成される。二元冷凍装置１０では、このような多段構成の冷凍サイクルにより、例えばマイナス数十度などの低温度帯での冷却を行う。

　次に、二元冷凍装置１０に設けられた主なセンサを説明する。第１冷凍サイクル１では、次のようなセンサが設けられる。第１圧縮機１１の吸入側とカスケード熱交換器３との間には、第１圧縮機１１の吸入圧力を検出する第１吸入圧力センサ４１、および、第１圧縮機１１の吸入温度を検出する第１吸入温度センサ４２が設けられる。第１圧縮機１１の吐出側と凝縮装置１２との間には、第１圧縮機１１の吐出圧力を検出する第１吐出圧力センサ４３が設けられる。第１圧縮機１１には、第１圧縮機１１の運転周波数を検出する第１周波数センサ４７が設けられる。

　第２冷凍サイクル２では、次のようなセンサが設けられる。第２圧縮機２１の吸入側とカスケード熱交換器３との間には、第２圧縮機２１の吸入圧力を検出する第２吸入圧力センサ４４、および、第２圧縮機２１の吸入温度を検出する第２吸入温度センサ４５が設けられる。第２圧縮機２１の吐出側とカスケード熱交換器３との間には、第２圧縮機２１の吐出圧力を検出する第２吐出圧力センサ４６が設けられる。第２圧縮機２１には、第２圧縮機２１の運転周波数を検出する第２周波数センサ４８が設けられる。

　（二元冷凍装置１０の制御構成）
　次に、二元冷凍装置１０の制御構成例を説明する。図３は、実施の形態１の二元冷凍装置１０の制御構成例を示すブロック図である。

　制御装置１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１０１、メモリ１０２（ＲＯＭ（Read Only Memory）およびＲＡＭ（Random Access Memory））、および、各種信号を入出力するための入出力バッファ（図示せず）等を含んで構成される。

　ＣＰＵ１０１は、ＲＯＭに格納されているプログラムをＲＡＭ等に展開して実行する。ＲＯＭに格納されるプログラムは、制御装置１００における制御の処理手順が記されたプログラムである。制御装置１００は、プログラムには、プログラムの中核として機能するメインルーチンプログムと、メインプログラムから呼び出されて実行されるサブルーチンプログラムとが含まれる。制御装置１００は、これらのプログラムに従って、二元冷凍装置１０における各機器の制御を実行する。この制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア（電子回路）で処理することも可能である。

　制御装置１００においては、第１吸入圧力センサ４１、第１吸入温度センサ４２、第１吐出圧力センサ４３、第１周波数センサ４７、第２吸入圧力センサ４４、第２吸入温度センサ４５、第２吐出圧力センサ４６、および、第２周波数センサ４８などの各種センサから出力される検出信号が入力される。

　制御装置１００においては、第１圧縮機１１、第１ファン１２３、第２ファン１２４、第１開閉弁８１、第２開閉弁８２、第３開閉弁８３、第４開閉弁８４、第５開閉弁８５、第１膨張弁１３、第２圧縮機２１、第２膨張弁２３、および、第３ファン２５などの各種機器に制御信号を出力し、各種制御機器を制御する。

　なお、図３においては、実施の形態１では設けられないが、後述する他の実施の形態で設けられる第４ファン３３、第５ファン１２８、第１ポンプ１４１、第２ポンプ１４２、および、外気温度センサ４９の接続例も示されている。

　制御装置１００は、第１吸入圧力センサ４１、第１吸入温度センサ４２、第１吐出圧力センサ４３、第１周波数センサ４７、第２吸入圧力センサ４４、第２吸入温度センサ４５、第２吐出圧力センサ４６、および、第２周波数センサ４８などの各種センサの検出結果に応じて、第１圧縮機１１、第１圧縮機１１、第１ファン１２３、第２ファン１２４、第１開閉弁８１、第２開閉弁８２、第３開閉弁８３、第４開閉弁８４、第５開閉弁８５、第１膨張弁１３、第２圧縮機２１、第２膨張弁２３、および、第３ファン２５を制御する。

　制御装置１００は、第１冷凍サイクル１での第１冷媒の蒸発温度を調整するために、第１圧縮機１１の周波数を制御する。制御装置１００は、第２冷凍サイクル２での第２冷媒の蒸発温度を調整するために、第２圧縮機１２の周波数を制御する。制御装置１００は、第１ファン１２３、第２ファン１２４、および、第３ファン２５が対応する熱交換器における凝縮温度または蒸発温度を調整するために、各ファンの回転数を制御して熱媒体の流量を制御する。制御装置１００は、第１圧縮機１１の吸入側の過熱度を調整するために、第１膨張弁１３の開度を制御する。制御装置１００は、第２圧縮機１２の吸入側の過熱度を調整するために、第２膨張弁２３の開度を制御する。

　（冷却運転時における二元冷凍装置１０の動作）
　次に、図１を用いて冷却運転における二元冷凍装置１０の動作を説明する。図１においては、冷却運転における第１冷媒および第２冷媒の流れが直線の矢印により示されている。

　冷却運転とは、第１冷凍サイクル１の第１圧縮機１１および第２冷凍サイクル２の第２圧縮機２１を駆動し、多段構成の冷凍サイクルにより例えばマイナス数十度などの低温度帯での冷却を行う通常運転をいう。

　冷却運転では、図１に示すように、第１冷凍サイクル１の凝縮装置１２において、第１熱交換器部１２１および第２熱交換器部１２２の両方が凝縮器として用いられる。以下に、図１を用いて、冷却運転時における二元冷凍装置１０の動作を説明する。

　冷却運転において、第１冷凍サイクル１は、次のような動作をする。第１圧縮機１１は、吸入した第１冷媒を圧縮して高温高圧のガス冷媒として吐出する。

　冷却運転において、凝縮装置１２は、第１熱交換器部１２１および第２熱交換器部１２２の両方が凝縮器として用いられる。冷却運転において制御装置１００は、切換え装置８０において、第１開閉弁８１、第２開閉弁８２、および、第５開閉弁８５を開状態とし、第３開閉弁８３および第４開閉弁８４を閉状態とする。

　このような第１開閉弁８１～第４開閉弁８４の状態により、冷却運転では、第１圧縮機１１と、第１膨張弁１３との間において、第１熱交換器部１２１を経て第１冷媒が流れる第１経路と、第１開閉弁８１、第２熱交換器部１２２、および、第２開閉弁８２を経て第１冷媒が流れる第２経路とが構成される。これにより、冷却運転において、凝縮装置１２は、図中の矢印で示すように、第１圧縮機１１から吐出された高温高圧の第１冷媒が、第１熱交換器部１２１および第２熱交換器部１２２に分配されて流れる。このように、冷却運転においては、第１熱交換器部１２１および第２熱交換器部１２２の両方が凝縮器として用いられる。

　冷却運転において、凝縮装置１２は、第１熱交換器部１２１および第２熱交換器部１２２の両方において、流入した高温高圧の第１冷媒と外気との間で熱交換をすることにより、第１冷媒を凝縮する。第１ファン１２３による第１熱交換器部１２１への送風により、第１熱交換器部１２１での第１冷媒の凝縮が促進される。第２ファン１２４による第２熱交換器部１２２への送風により、第２熱交換器部１２２での第１冷媒の凝縮が促進される。

　制御装置１００は、第１ファン１２３による第１熱交換器部１２１への送風量を制御することにより、第１熱交換器部１２１における第１冷媒と外気との熱交換量を制御する。制御装置１００は、第２ファン１２４による第２熱交換器部１２２への送風量を制御することにより、第２熱交換器部１２２における第１冷媒と外気との熱交換量を制御する。

　凝縮装置１２で凝縮された第１冷媒は、液相冷媒に変化し、第１膨張弁１３に供給される。第１膨張弁１３では、凝縮装置１２で凝縮された第１冷媒を膨張させて減圧することにより、第１冷媒を低圧の二相冷媒とする。第１膨張弁１３で膨張された第１冷媒は、開状態の第５開閉弁８５を経てカスケード熱交換器３に供給される。

　カスケード熱交換器３では、第１冷媒が蒸発器部３１に流入する。第１冷凍サイクル１において、蒸発器部３１に流入した第１冷媒は、第２冷凍サイクル２においてカスケード熱交換器３の凝縮器部３２に流入した第２冷媒と熱交換することによって、二相冷媒が蒸発してガス冷媒となり、第１圧縮機１１の吸入側に供給される。

　冷却運転において、第２冷凍サイクル２は、次のような動作をする。第２圧縮機２１は、吸入した第２冷媒を圧縮して高温高圧のガス冷媒として吐出する。

　第２圧縮機２１から吐出された第２冷媒は、カスケード熱交換器３に供給される。カスケード熱交換器３では、第２冷媒が凝縮器部３２に流入する。第２冷凍サイクル２において凝縮器部３２に流入した第２冷媒は、第２冷凍サイクル２においてカスケード熱交換器３の凝縮器部３２に流入した第１冷媒と熱交換することによって、凝縮される。

　カスケード熱交換器３の凝縮器部３２で凝縮された第２冷媒は、液相冷媒に変化し、第２膨張弁２３に供給される。第２膨張弁２３では、凝縮器部３２で凝縮された第２冷媒を膨張させて減圧することにより、第２冷媒を低圧の二相冷媒とする。第２膨張弁２３で膨張された第２冷媒は、蒸発器２４に供給される。

　第２冷凍サイクル２において蒸発器２４に流入した第２冷媒は、第２冷媒と外気との間で熱交換をすることによって、二相冷媒が蒸発してガス冷媒となり、第２圧縮機２１の吸入側に供給される。第３ファン２５による蒸発器２４への送風により、蒸発器２４での第２冷媒の蒸発が促進される。制御装置１００は、第３ファン２５の回転数を制御することにより、第３ファン２５による蒸発器２４への送風量を制御する。

　（圧力上昇抑制運転時における二元冷凍装置１０の動作）
　次に、図２を用いて圧力上昇抑制運転における二元冷凍装置１０の動作を説明する。図２においては圧力上昇抑制運転における第１冷媒の流れが直線の矢印により示されている。

　圧力上昇抑制運転とは、冷却運転の停止時において、第２冷凍サイクル２の第２圧縮機２１を停止した状態で第１冷凍サイクル１の第１圧縮機１１を駆動することにより、カスケード熱交換器３において第１冷凍サイクル１が第２冷凍サイクル２を冷却することにより、第２冷凍サイクル２の圧力上昇を抑制する運転をいう。

　冷却運転の停止時においては、第１冷凍サイクル１の第１圧縮機１１および第２冷凍サイクル２の第２圧縮機２１の両方を停止すると、次のように第２冷凍サイクル２の圧力が上昇する状態が生じる。第２冷凍サイクル２では、第２圧縮機２１の両方を停止すると、配管などの部分において外気から受ける熱により、第２冷凍サイクル２の配管内の圧力が過剰に上昇するおそれがある。第２冷凍サイクル２では、第２冷媒として二酸化炭素冷媒を使用しているため、配管内の圧力が過剰に上昇することにより、配管などの構成要素が破損するおそれがある。

　そこで、冷却運転の停止時において、制御装置１００は、第２冷凍サイクル２の第２圧縮機２１を停止させるが、第１冷凍サイクル１の第１圧縮機１１を駆動して第１冷媒を循環させる圧力上昇抑制運転を実行させる制御を行う。冷却運転の停止時に第１冷凍サイクル１で第１冷媒が循環すると、カスケード熱交換器３での第１冷媒と第２冷媒との熱交換が促進され、第２冷凍サイクル２の温度上昇が抑制されることにより第２冷凍サイクル２の配管内の圧力の上昇を抑制することが可能となる。

　圧力上昇抑制運転では、図２に示すように、第１冷凍サイクル１の凝縮装置１２において、第１熱交換器部１２１が凝縮器として用いられ、第２熱交換器部１２２が蒸発器として用いられる。以下に、図２を用いて、圧力上昇抑制運転時における二元冷凍装置１０の動作を説明する。

　圧力上昇抑制運転において、第２冷凍サイクル２では、第２圧縮機２１が停止しており、図２に示すように、基本的に第２冷媒が循環しない。

　圧力上昇抑制運転において、第１冷凍サイクル１では、第１圧縮機１１が駆動される。圧力上昇抑制運転において、第１冷凍サイクル１では、凝縮装置１２を除き、前述した冷却運転と同様の動作を行うことにより、第１冷媒が循環する。

　圧力上昇抑制運転において、凝縮装置１２では、第１熱交換器部１２１が凝縮器として用いられ、第２熱交換器部１２２が蒸発器として用いられる。圧力上昇抑制運転において制御装置１００は、切換え装置８０において、第１開閉弁８１、第２開閉弁８２、および、第５開閉弁８５を閉状態とし、第３開閉弁８３および第４開閉弁８４を開状態とする。

　このような第１開閉弁８１～第４開閉弁８４の状態により、圧力上昇抑制運転において、第１圧縮機１１の吸入側と第１膨張弁１３との間において、凝縮装置１２では、第１熱交換器部１２１のみを経て第１冷媒が流れる経路が構成される。これにより、圧力上昇抑制運転において、凝縮装置１２は、図中の矢印で示すように、第１圧縮機１１から吐出された高温高圧の第１冷媒が第１熱交換器部１２１のみを流れることにより、第１熱交換器部１２１のみが凝縮器として用いられる。

　圧力上昇抑制運転において、凝縮装置１２は、第１熱交換器部１２１のみで、流入した高温高圧の第１冷媒と外気との間で熱交換をすることにより、第１冷媒を凝縮する。

　圧力上昇抑制運転においては、第５開閉弁８５が閉状態であり、第３開閉弁８３および第４開閉弁８４が開状態であるので、第１膨張弁１３で膨張された第１冷媒は、第４開閉弁８４、第２熱交換器部１２２、および、第３開閉弁８３を経てカスケード熱交換器３の蒸発器部３１に供給される。第２熱交換器部１２２に流入した第１冷媒は、外気と熱交換することによって、第１段階目の蒸発をする。第２ファン１２４による第２熱交換器部１２２への送風により、第２熱交換器部１２２での第１冷媒の蒸発が促進される。制御装置１００は、第３ファン２５の回転数を制御することにより、第３ファン２５による蒸発器２４への送風量を制御する。

　カスケード熱交換器３において、蒸発器部３１に流入した第１冷媒は、第２冷媒と熱交換することによって、第２段階目の蒸発をし、ガス冷媒となって第１圧縮機１１の吸入側に供給される。カスケード熱交換器３においては、第１冷凍サイクル１の第１冷媒と第２冷凍サイクル２の第２冷媒との間で熱交換がされることにより、第２冷媒が冷却される。これにより、圧力上昇抑制運転においては、第１冷凍サイクル１により第２冷凍サイクル２が冷却されるので、第２冷凍サイクル２の圧力上昇が抑制される。

　このように、圧力上昇抑制運転においては、カスケード熱交換器３の蒸発器部３１に加えて、凝縮装置１２の第２熱交換器部１２２が蒸発器として用いられるので、第１冷凍サイクル１の蒸発能力が冷却運転よりも増加させられる。これにより、圧力上昇抑制運転においては、第１冷凍サイクル１の蒸発能力が増加するので、第２冷凍サイクル２の停止状態での第１冷凍サイクルの運転状態が安定化する。

　（圧力上昇抑制運転における第２熱交換器部１２２の機能切り換え制御）
　次に、圧力上昇抑制運転を実行する場合において、第２熱交換器部１２２の機能を凝縮器から蒸発器に切り換える機能切り換え制御を説明する。

　図４は、圧力上昇抑制運転における第２熱交換器部１２２の機能切り換え制御のフローチャートである。図４の機能切り換え制御は、制御装置１００が実行する。

　制御装置１００は、ステップＳ１により、現在が冷却運転中であるか否かを判断する。ステップＳ１における冷却運転中であるか否かの判断は、制御装置１００が、第２冷凍サイクル２に設けられた各種センサから入力される検出信号に応じて二元冷凍装置１０の運転状態を確認することにより行われる。例えば、第２圧縮機２１が運転中である場合は、現在が冷却運転中であると判断できる。各種センサは、二元冷凍装置１０の運転状態を確認することが可能なセンサであればよい。制御装置１００は、例えば、第２周波数センサにより検出される第２圧縮機１２の周波数により、第２圧縮機２１が運転中であるか否かを判断する。なお、二元冷凍装置１０の運転状態を確認することが可能なセンサとしては、第２吸入圧力センサ４４、第２第２吸入温度センサ４５、および、第２吐出圧力センサ４６等が用いられてもよい。

　制御装置１００は、ステップＳ１で現在が冷却運転中ではないと判断された場合に、処理を終了する。一方、制御装置１００は、ステップＳ１で現在が冷却運転中であると判断された場合に、ステップＳ２により、第２冷凍サイクルの運転が停止したことを検出したか否かを判断する。ステップＳ２における第２冷凍サイクルの運転が停止したか否かの判断は、制御装置１００が、前述のような第２冷凍サイクル２に設けられた各種センサから入力される検出信号に応じて、二元冷凍装置１０の運転状態を確認することにより行われる。例えば、第２圧縮機２１の運転が停止した場合は、第２冷凍サイクルの運転が停止したと判断できる。

　制御装置１００は、ステップＳ２で第２冷凍サイクルの運転が停止したことを検出していない場合に、ステップＳ２の判断を繰り返す。一方、制御装置１００は、ステップＳ２で第２冷凍サイクルの運転が停止したことを検出した場合に、冷却運転から圧力上昇抑制運転への切り換え時であるので、ステップＳ３～ステップＳ６の処理を実行する。

　制御装置１００は、ステップＳ３において、第１熱交換器部１２１の熱媒体の流量を増加させる。その熱媒体は、第１ファン１２３により第１熱交換器部１２１に送風する空気である。すなわち、ステップＳ３では、第１ファン１２３の回転数を増加させることにより、第１ファン１２３による風量を増加させる。ステップＳ３においては、第１ファン１２３による風量を風量設定値の最大値まで増加させてもよく、第１ファン１２３による風量を予め定められた風量だけ増加させてもよい。

　制御装置１００は、ステップＳ３で第１ファン１２３による風量を増加させたときから第１基準期間経過した後、ステップＳ４において、第２熱交換器部１２２の熱媒体の流量を増加させる。その熱媒体は、第２ファン１２４により第２熱交換器部１２２に送風する空気である。すなわち、ステップＳ４では、第２ファン１２４の回転数を増加させることにより、第２ファン１２４による風量を増加させる。ステップＳ４においては、第２ファン１２４による風量を風量設定値の最大値まで増加させてもよく、第２ファン１２４による風量を予め定められた風量だけ増加させてもよい。

　制御装置１００は、ステップＳ４で第２ファン１２４による風量を増加させたときから第２基準期間経過した後、ステップＳ５において、切換え装置８０の第１開閉弁８１、第２開閉弁８２、第３開閉弁８３、および、第４開閉弁８４の開閉状態を図２のような圧力上昇抑制運転での開閉状態に切換える。第２基準期間は、前述の第１基準期間以下の長さの期間に設定される。そして、制御装置１００は、ステップＳ６において、切換え装置８０の第５開閉弁８５の開閉状態を図２のような圧力上昇抑制運転での開閉状態に切換え、処理を終了する。

　このように、第２熱交換器部１２２は、切換え装置８０により、第１冷媒を凝縮させる凝縮器となる第１状態と、第１冷媒を蒸発させる蒸発器となる第２状態との間で切換えられる。制御装置１００は、冷却運転時に第２熱交換器部１２２を凝縮器となる第１状態に切換え、圧力上昇制御運転時に第２熱交換器部１２２を蒸発器となる第２状態に切換える制御を行う。

　図４の機能切り換え制御では、冷却運転から圧力上昇抑制運転に切換える場合に、凝縮器として用いられる第１熱交換器部１２１に送風する熱媒体の流量をステップＳ３において増加させることにより、第１熱交換器部１２１による凝縮を促進させることができる。第１熱交換器部１２１による凝縮の促進により、蒸発器に切換えられる第２熱交換器部１２２の内部の第１冷媒の冷媒量を相対的に低減させることができる。このように、蒸発器に切換えられる第２熱交換器部１２２の内部の第１冷媒の冷媒量が低減されることにより、第２熱交換器部１２２が蒸発器に切換えられたときに、第１圧縮機１１の吸入部に液バックが生じることを抑制することができる。

　図４の機能切り換え制御では、冷却運転から圧力上昇抑制運転に切換える場合に、切換え後に蒸発器として用いられる第２熱交換器部１２２に送風する熱媒体の流量をステップＳ４において増加させることにより、その後に圧力上昇抑制運転に切換えられた直後から第２熱交換器部１２２に高流量の熱媒体を送風することができる。これにより、圧力上昇抑制運転に切換えられた後における第２熱交換器部１２２における第１冷媒の蒸発をより促進させることができる。

　図４の機能切り換え制御では、ステップＳ４による第２熱交換器部１２２に送風する熱媒体の流量の増加時からステップＳ５による切換え装置８０での開閉弁の切換え時までの第２基準期間を、ステップＳ３による第１熱交換器部１２１に送風する熱媒体の流量の増加時からステップＳ４による第２熱交換器部１２２に送風する熱媒体の流量の増加時までの第１基準期間以下の長さの期間としたことにより、第２熱交換器部１２２が蒸発器として用いられる前に第１冷媒が凝縮してしまうことを抑制することができる。

　図４の機能切り換え制御では、ステップＳ５で、第１開閉弁８１、第２開閉弁８２、第３開閉弁８３、および、第４開閉弁８４の開閉状態を圧力上昇抑制運転での開閉状態に切換えた後に、ステップＳ６において、第５開閉弁８５の開閉状態を圧力上昇抑制運転での開閉状態に切換えることにより、第１膨張弁１３から流出した二相冷媒の一部が第２熱交換器部１２２へ流入し、その二相冷媒が、第２熱交換器部１２２に滞留していた液冷媒を押し出す。これより、仮に第５開閉弁８５を閉状態としたときに、第１膨張弁１３から流出した二相冷媒の全部が第２熱交換器部１２２に一気に流入した場合と比べて、第２熱交換器部１２２内での二相冷媒の流速が遅くなるため、第２熱交換器部１２２の出口部において、第１冷媒をより過熱ガス化した状態にすることができる。

　第１熱交換器部１２１は、第２熱交換器部１２２と比べて、熱交換をする容積が大きい構造とされている。例えば、凝縮装置１２における第１熱交換器部１２１の熱交換容積と第２熱交換器部１２２の熱交換容積との合計が一定の容積である場合に、第１熱交換器部１２１の熱交換容積が第２熱交換器部１２２の熱交換容積よりも大きい。このような構成では、第１熱交換器部１２１の熱交換容積と第２熱交換器部１２２の熱交換容積とを同じにした構成と比べて、凝縮装置１２の凝縮器としての熱交換性能が高くなる。これにより、第１熱交換器部１２１の熱交換容積を、第２熱交換器部１２２の熱交換容積よりも大きくした構成では、これらの熱交換容積を同じとした場合と比べて、圧力上昇制御運転時における凝縮性能が向上するので、圧力上昇制御運転時において、第１冷凍サイクル１における圧力の過度な上昇を抑制することができる。また、圧力上昇制御運転時において、第１冷凍サイクル１における圧力の過度な上昇を抑制することができれば、圧力上昇制御運転時における第１冷凍サイクル１の運転状態に必要な消費電力を抑制することができる。

　なお、第１開閉弁８１および第２開閉弁８２は、第１圧縮機１１と第１膨張弁１３との間の経路が第２熱交換器部１２２の方に分岐する分岐位置に可能な限り近い位置に設けられるようにしてもよい。そのように構成すれば、このような分岐位置から第１開閉弁８１の位置に至るまでの間の経路、および、このような分岐位置から第２開閉弁８２の位置に至るまでの間の経路に第１冷媒が滞留するのを防ぐことができる。このように、冷媒の滞留を防ぐことができれば、第１冷凍サイクル１に必要となる第１冷媒の総量を抑制することができる。

　実施の形態１の二元冷凍装置１０においては、以下に説明するような効果を得ることができる。

　圧力上昇抑制運転において、切換え装置８０で、凝縮装置１２における第２熱交換器部１２２が第１冷媒を蒸発させる状態に切換えられるので、圧力上昇抑制運転において、第１冷凍サイクル１で第１冷媒を蒸発させる能力が増加される。これにより、第２冷凍サイクル２の停止時における第１冷凍サイクル１の運転状態を安定化することができる。

　具体的には、以下のような効果を得ることができる。圧力上昇抑制運転において、第１冷凍サイクル１で第１冷媒を蒸発させる能力が増加されることにより、第１冷媒の蒸発が促進されるので、第１圧縮機１１への液バックの発生を抑制することができる。これにより、第２冷凍サイクル２の停止時における第１冷凍サイクル１の運転状態を安定化することができる。

　圧力上昇抑制運転において、第１圧縮機１１への液バックの発生が抑制できることにより、液バックによる冷凍機油の希釈により生じる第１圧縮機１１の焼き付きの発生を防ぐことができる。これにより、二元冷凍装置１０の信頼性を向上させることができる。

　圧力上昇抑制運転において、第１冷凍サイクル１で第１冷媒を蒸発させる能力が増加されることにより、第１圧縮機１１に吸入される第１冷媒を安定して過熱ガス化することができるので、第１冷凍サイクル１で第１冷媒を蒸発させる能力の不足に起因して第１圧縮機１１の停止と再起動とを繰返し実行させる制御を制御装置１００が実行することを抑制することができる。これにより、第２冷凍サイクル２の停止時における第１冷凍サイクル１の運転状態を安定化することができる。

　二元冷凍装置１０では、圧力上昇抑制運転において第１圧縮機１１の停止と再起動とを繰返し実行させることが抑制されることにより、第２冷凍サイクル２の第２冷媒の温度および圧力を安定化させることができる。これにより、圧力上昇抑制運転において、第２冷凍サイクル２の第２冷媒の瞬時的な圧力の増加に起因する第２冷凍サイクル２の配管に破裂が生じることを抑制することができる。

　第１冷凍サイクル１においては、第１圧縮機１１を複数台並列に接続して運転すれば、１台の第１圧縮機１１を運転させる場合よりも、第１冷媒を蒸発させる能力を増加させることができる。しかし、そのような場合は、二元冷凍装置１０における運転状態が不安定化するという問題がある。これに対し、圧力上昇抑制運転において、凝縮装置１２における第２熱交換器部１２２を第１冷媒を蒸発させる状態に切換える制御をすることによって、第１冷媒を蒸発させる能力を増加させるので、二元冷凍装置１０における運転状態を安定化することができる。

　二元冷凍装置１０は、第１冷凍サイクル１において第１圧縮機１１を複数台並列に接続して運転する構成と比べて、いずれかの第１圧縮機に冷凍機油が偏って供給されるという状態が生じないので、二元冷凍装置１０の運転の信頼性を向上させるようにすることができる。

　二元冷凍装置１０は、第１冷凍サイクル１において第１圧縮機１１を複数台並列に接続して運転する構成と比べて、例えば、複数台の第１圧縮機１１において冷凍機油の偏りが生じないようにするための均油機構などを設ける必要がないので、二元冷凍装置１０の構成要素数の増加を抑制して製造コストの増加を抑制することができる。

　第２熱交換器部１２２は、凝縮器として用いる場合と蒸発器として用いる場合とで、個別に熱媒体の流量を調節することが可能である。これにより、制御装置１００は、第２熱交換器部１２２を凝縮器として用いる場合は、第２熱交換器部１２２の凝縮温度が基準温度となるように第２ファン１２４により第２熱交換器部１２２に供給する熱媒体の流量を制御することができる。また、制御装置１００は、第２熱交換器部１２２を蒸発器として用いる場合は、第１圧縮機１１の吸入部が適切な蒸発温度となるように、第２ファン１２４により第２熱交換器部１２２に供給する熱媒体の流量を制御することができる。

　二元冷凍装置１０では、第２冷凍サイクル２に封入する第２冷媒として二酸化炭素冷媒のような高圧冷媒を用いたことにより、室外ユニット４と冷却ユニット５とを接続する配管が長くなる場合であっても、配管が長くなることによる圧力損失の増加を抑制することができる。

　また、二元冷凍装置１０では、第２冷凍サイクル２に封入する第２冷媒として、二酸化炭素冷媒のような毒性のない冷媒を用いることにより、冷却ユニット５が設けられた室内に人が出入りする場合に、室内において第２冷媒が漏洩しても、人体への影響を抑制することができる。

　また、二元冷凍装置１０では、第２冷凍サイクル２に封入する第２冷媒として、二酸化炭素冷媒のような燃焼性のない冷媒を用いることにより、冷却ユニット５が設けられた室内に第２冷媒が漏洩しても、火災が発生することを抑制することができる。

　また、二元冷凍装置１０では、第１冷凍サイクル１と第２冷凍サイクル２との二系統の冷媒回路を設け、第２冷凍サイクル２に封入する第２冷媒として二酸化炭素冷媒のような高圧冷媒を用いたことにより、第２冷凍サイクル２の圧力の上昇を基準圧力以下に抑制することができる。これにより、二元冷凍装置１０では、耐圧の設定があまり高くない機器および配管を用いることができる。そして、耐圧の設定があまり高くない機器および配管を用いることにより、二元冷凍装置１０のシステム全体の製造コストの増加を抑制することができる。

　実施の形態２．
　（自然循環経路を備えた二元冷凍装置１０Ａの全体構成）
　次に、実施の形態２として、実施の形態１に示したような構成の二元冷凍装置１０の第２冷凍サイクル２において第２冷媒の自然循環経路を備えた例を説明する。

　図５および図６は、実施の形態２の二元冷凍装置１０Ａの全体構成図である。図５および図６を参照して、実施の形態２の二元冷凍装置１０Ａが、実施の形態１の二元冷凍装置１０と異なるのは、第２冷凍サイクル２において、第２冷媒の自然循環経路２０を備えたことである。

　図５においては、冷却運転における冷媒の流れが矢印により示されている。図６においては、圧力上昇抑制運転における冷媒の流れが矢印により示されている。

　自然循環経路２０は、圧力上昇抑制運転において、第２冷媒を自然循環させることが可能となる経路である。自然循環経路２０は、第１配管２７、第２配管２８、第３配管２９、受液器２５Ａ、および、逆止弁２６を含む。受液器２５Ａは、第２冷凍サイクル２において、カスケード熱交換器３と、第２膨張弁２３との間に設けられる。

　カスケード熱交換器３の凝縮器部３２の入口と、受液器２５Ａとの間に、第１配管２７が設けられている。第１配管２７には、受液器２５Ａからカスケード熱交換器３の凝縮器部３２の入口に向かう方向にのみ第２冷媒を流す逆止弁２６が設けられている。カスケード熱交換器３の凝縮器部３２の出口と、受液器２５Ａとの間に、第２配管２８が設けられている。第２膨張弁２３と、受液器２５Ａとの間に、第３配管２９が設けられている。

　受液器２５Ａは、第１配管２７から流入する第２冷媒を貯留する内部空間を有するタンクである。第１配管２７および第２配管２８の端部は、受液器２５Ａの内部空間の上部において開口している。第３配管２９は、受液器２５Ａの内部空間の下部において開口している。

　カスケード熱交換器３の凝縮器部３２は、出口側が入口側よりも低い位置となるように設けられている。受液器２５Ａは、カスケード熱交換器３の凝縮器部３２の出口よりも下側の位置に設けられている。受液器２５Ａは、第１配管２７から流入する第２冷媒を貯留する内部空間を有するタンクである。

　第１配管２７および第２配管２８の端部は、受液器２５Ａの内部空間の上部において開口している。第３配管２９は、受液器２５Ａの内部空間の下部において開口している。

　図５に示すように、冷却運転時においては、カスケードコンデンサ３０の凝縮器部３２によって熱交換されて過冷却冷媒となった第２冷媒が、第２配管２８から受液器２５Ａの内部空間に滴下され、第３配管２９を通って第２膨張弁２３に供給される。

　図６に示すように、圧力上昇抑制運転時においては、カスケードコンデンサ３０の凝縮器部３２によって熱交換されて過冷却冷媒となった第２冷媒が、第２配管２８から受液器２５Ａの内部空間に滴下され、第１配管２７および逆止弁２６を通り、凝縮器部３２の入口側に供給される。

　具体的に、圧力上昇抑制運転時においては、過冷却冷媒となった第２冷媒が受液器２５Ａの内部に滴下されるにしたがって、凝縮器部３２よりも上側に存在する第２冷媒の容積が減少する。これにより、凝縮器部３２よりも上側が負圧となり、その下側である受液器２５Ａの側が正圧となる。これにより、受液器２５Ａ内に貯留されている第２冷媒によるガス冷媒が、第１配管２７および逆止弁２６を通り、凝縮器部３２の入口側に吸上げられる。凝縮器部３２の入口側に吸上げられたガス冷媒は、凝縮器部３２に流入し、再び熱交換される。凝縮器部３２で熱交換された第２冷媒は、過冷却冷媒となり、第２配管２８を通って、受液器２５Ａ内に滴下される。

　圧力上昇抑制運転時においては、自然循環経路２０を流通する第２冷媒が、このような自然循環を繰り返すことにより、第２冷凍サイクル２の圧力上昇を効果的に抑制することができる。

　二元冷凍装置１０Ａでは、カスケード熱交換器３と第２膨張弁２３との間に受液器２５Ａが設けられたことにより、第２冷凍サイクル２における負荷の変動に対して、第２冷凍サイクル２の圧力を安定化することができる。また、二元冷凍装置１０Ａでは、カスケード熱交換器３と第２膨張弁２３との間に受液器２５Ａが設けられたことにより、室外ユニット４と冷却ユニット５とを接続する配管の長さに応じて必要とされる第２冷媒の封入量の変化に容易に対応することができる。

　このような構成では、実施の形態１の場合と同様に、第１熱交換器部１２１は、第２熱交換器部１２２と比べて、熱交換容積が大きい構造とされている。圧力上昇抑制運転時において、自然循環経路２０を第２冷媒が流通する構成では、第２熱交換器部１２２の熱交換容積が第１熱交換器部１２１と比べて小さいことにより、第２熱交換器部１２２での蒸発能力が大きくなり過ぎるのを防ぐことができる。

　実施の形態３．
　（第２冷凍サイクル２に中間冷却器３５を備えた二元冷凍装置１０Ｂの全体構成）
　次に、実施の形態３として、実施の形態２に示した構成の二元冷凍装置１０，１０Ａの第２冷凍サイクル２において、第２圧縮機２１と、カスケード熱交換器３の凝縮器部３２との間に中間冷却器３５を設けた例を説明する。実施の形態３では、実施の形態２の二元冷凍装置１０Ａに中間冷却器３５を設けた構成を代表例として説明する。

　図７および図８は、実施の形態３の二元冷凍装置１０Ｂの全体構成図である。図７および図８を参照して、実施の形態３の二元冷凍装置１０Ｂが、実施の形態２の二元冷凍装置１０Ａと異なるのは、第２冷凍サイクル２において、中間冷却器３５および第４ファン３６を設けたことである。

　図７においては、冷却運転における冷媒の流れが矢印により示されている。図８においては、圧力上昇抑制運転における冷媒の流れが矢印により示されている。

　中間冷却器３５は、第２圧縮機２１と、カスケード熱交換器３の凝縮器部３２との間に設けられている。第４ファン３６は、中間冷却器３５への送風をする。図２に示すように、制御装置１００は、第４ファン３６に制御信号を出力し、第４ファン３６を制御する。

　図７に示すように、冷却運転時においては、第２圧縮機２１から吐出された高温高圧の第２冷媒が、中間冷却器３５を経てカスケード熱交換器３の凝縮器部３２に流れる。

　二元冷凍装置１０Ｂでは、第２圧縮機２１と、カスケード熱交換器３の凝縮器部３２との間に中間冷却器３５が設けられることにより、冷却運転時には、第２冷凍サイクル２において、中間冷却器３５により第２冷媒の放熱を行うことができる。中間冷却器３５で第２冷媒の放熱が行われることにより、カスケード熱交換器３の凝縮器部３２における凝縮能力を低減することができる。そして、凝縮器部３２における凝縮能力を低減することにより、第１冷凍サイクル１のカスケード熱交換器３の蒸発器部３１に必要とされる蒸発能力を抑制することができるので、カスケード熱交換器３における第１冷媒と第２冷媒との間の熱交換効率を向上させることができる。

　なお、図７および図８に示す中間冷却器３５および第４ファン３６は、図１および図２に示す二元冷凍装置１０において設けられてもよい。

　実施の形態４．
　（凝縮装置１２と中間冷却器３５とを一体化した熱交換器７０の構成）
　次に、実施の形態４として、実施の形態３に示した中間冷却器３５を備えた二元冷凍装置１０Ｂの変形例として、凝縮装置１２と中間冷却器３５とを一体化した熱交換器７０を備える例を説明する。

　図９は、実施の形態４の熱交換器７０の構成を示す図である。図９を参照して、実施の形態４の熱交換器７０は、図９に示す凝縮装置１２における第１熱交換器部１２１と、図９に示す中間冷却器３５とを一体型の熱交換器として構成したものである。図９においては、凝縮装置１２における第２熱交換器部１２２および切換え装置８０の図示は省略されている。

　図９に示す熱交換器７０は、第１熱交換器部１２１と、図９に示す中間冷却器３５とを含み、これらを１つの熱交換器ユニットの構造体として構成されている。熱交換器７０の近傍には、熱交換器７０に送風する第５ファン１２８が設けられている。図２に示すように、制御装置１００は、第５ファン１２８に制御信号を出力し、第５ファン１２８を制御する。

　なお、凝縮装置１２と中間冷却器３５とを一体化する例としては、次のような構成を採用してもよい。一体型の熱交換器としては、第１熱交換器部１２１および第２熱交換器部１２２と、中間冷却器３５とを一体化した構成としてもよい。一体型の熱交換器としては、第２熱交換器部１２２と、中間冷却器３５とを一体化した構成としてもよい。

　このように、凝縮装置１２と中間冷却器３５とを一体化した熱交換器７０を備える場合には、二元冷凍装置の構成要素数を削減することができる。また、二元冷凍装置の設置範囲を省スペース化することができる。

　実施の形態５．
　（ヘッダと切換え装置８０とを一体化した切換えユニットの構成）
　次に、実施の形態５として、凝縮装置１２に設けられるヘッダを切換え装置８０と一体化した切換えユニットを備える例を説明する。

　図１０は、実施の形態５によるヘッダの構成を示す図である。図１０を参照して、第１ヘッダ９１および第２ヘッダ９２が、第１熱交換器部１２１の管体の両端に接続されている。第３ヘッダ９３および第４ヘッダ９４が、第２熱交換器部１２２の管体の両端に接続されている。

　第１ヘッダ９１は、第１圧縮機１１からの配管が凝縮装置１２と切換え装置８０とに分岐する部分に設けられる。第１ヘッダ９１は、第１圧縮機１１から供給される第１冷媒を第１熱交換器部１２１と切換え装置８０とに分配するように構成されている。

　第２ヘッダ９２は、第１熱交換器部１２１から第１膨張弁１３に向かう配管と、切換え装置８０の第２開閉弁８２からの配管とが合流する部分に設けられる。第２ヘッダ９２は、第１熱交換器部１２１から出る第１冷媒と第２開閉弁８２から出る第１冷媒とを合流させて、第１膨張弁１３に向けて供給するように構成されている。

　第３ヘッダ９３は、第１開閉弁８１と第３開閉弁８３との間に設けられる。第３ヘッダ９３は、冷却運転時に第１開閉弁８１を経て供給される第１冷媒を第２熱交換器部１２２に供給し、または、圧力上昇抑制運転時に第２熱交換器部１２２から出る第１冷媒を第３開閉弁８３に向けて供給するように構成されている。

　第４ヘッダ９４は、第２開閉弁８２と第４開閉弁８４との間に設けられる。第４ヘッダ９４は、冷却運転時に第２熱交換器部１２２から出る第１冷媒を第２開閉弁８２に向けて供給し、または、圧力上昇抑制運転時に第４開閉弁８４を経て供給される第１冷媒を第２熱交換器部１２２に供給するように構成されている。

　第１ヘッダ９１、第１開閉弁８１、第３ヘッダ９３、および、第３開閉弁８３は、個別の部品として設けられてもよく、図１０に示すように、切換えユニット９０１として、一体化されてもよい。第２ヘッダ９２、第２開閉弁８２、第４ヘッダ９４、および、第４開閉弁８４は、個別の部品として設けられてもよく、図１０に示すように、切換えユニット９０２として、一体化されてもよい。

　第１ヘッダ９１、第１開閉弁８１、第３ヘッダ９３、および、第３開閉弁８３を一体化した切換えユニット９０１と、第２ヘッダ９２、第２開閉弁８２、第４ヘッダ９４、および、第４開閉弁８４を一体化した切換えユニット９０２とを設ける場合には、二元冷凍装置の構成要素数を削減することができる。また、二元冷凍装置の設置範囲を省スペース化することができる。

　実施の形態６．
　（ヘッダと切換え装置８０とを別体化した構成）
　次に、実施の形態６として、凝縮装置１２に設けられるヘッダを切換え装置８０と別体化した例を説明する。

　図１１は、実施の形態６によるヘッダの構成を示す図である。図１１の構成が図１０の構成と異なるのは、第１ヘッダ９１、第２ヘッダ９２、第３ヘッダ９３、および、第４ヘッダ９４が、切換え装置８０と別体で設けられ、かつ、切換え装置８０よりも第１熱交換器部１２１および第２熱交換器部１２２に近い側に設けられていることである。

　第１ヘッダ９１は、第１圧縮機１１からの配管が凝縮装置１２と切換え装置８０とに分岐する分岐部分よりも第１熱交換器部１２１に近い位置に設けられる。第１ヘッダ９１は、分岐部分から供給される第１冷媒が第１ヘッダ９１を経て第１熱交換器部１２１に供給されるように構成されている。

　第２ヘッダ９２は、第１熱交換器部１２１から第１膨張弁１３に向かう配管と、切換え装置８０の第２開閉弁８２からの配管とが合流する合流部分よりも第１熱交換器部１２１に近い位置に設けられる。第２ヘッダ９２は、第１熱交換器部１２１から出る第１冷媒が第２ヘッダ９２を経て合流部分に供給されるように構成されている。

　第３ヘッダ９３は、第１開閉弁８１と第３開閉弁８３との間から分岐して第２熱交換器部１２２に至る配管に設けられる。第３ヘッダ９３は、冷却運転時に第１開閉弁８１を経て供給される第１冷媒を第２熱交換器部１２２に供給し、または、圧力上昇抑制運転時に第２熱交換器部１２２から出る第１冷媒を第３開閉弁８３に向けて供給するように構成されている。

　第４ヘッダ９４は、第２開閉弁８２と第４開閉弁８４との間から分岐して第２熱交換器部１２２に至る配管に設けられる。第４ヘッダ９４は、冷却運転時に第２熱交換器部１２２から出る第１冷媒を第２開閉弁８２に向けて供給し、または、圧力上昇抑制運転時に第４開閉弁８４を経て供給される第１冷媒を第２熱交換器部１２２に供給するように構成されている。

　実施の形態７．
　（第１熱交換器部１２１と第２熱交換器部１２２とを上下方向に並べて配置した構成）
　次に、実施の形態７として、凝縮装置１２において、第１熱交換器部１２１と第２熱交換器部１２２とを上下方向に並べて配置した例を説明する。

　図１２は、実施の形態７による第１熱交換器部１２１および第２熱交換器部１２２の配置を示す図である。

　凝縮装置１２においては、第１熱交換器部１２１に送風する第１ファン１２３の送風方向と、第２熱交換器部１２２に送風する第２ファン１２４の送風方向とが重複した方向とならないようにすることが望ましい。その理由は、第１熱交換器部１２１と第２熱交換器部１２２とのいずれか一方が、他方の送風の影響を受けると、第１冷媒の熱交換能力が抑制されるからである。

　図１２においては、第１熱交換器部１２１および第１ファン１２３と、第２熱交換器部１２２および第２ファン１２４とを上下方向に並べて配置した構成が示される。図１２においては、第１熱交換器部１２１が第２熱交換器部１２２よりも熱交換をする容積が大きいことにより、第１熱交換器部１２１が第２熱交換器部１２２よりも大きく示されている。図１２のように、第１熱交換器部１２１および第１ファン１２３と、第２熱交換器部１２２および第２ファン１２４とが上下方向に並べて配置されると、第１熱交換器部１２１に送風する第１ファン１２３による送風方向２０１と、第２熱交換器部１２２に送風する第２ファン１２４による送風方向２０２とが重複した方向とならない。

　図１２に示した構成によれば、第１熱交換器部１２１に送風する第１ファン１２３による送風方向２０１と、第２熱交換器部１２２に送風する第２ファン１２４による送風方向２０２とが重複した方向とならないので、第１熱交換器部１２１と第２熱交換器部１２２とにおいて、いずれか一方が他方から出る送風の熱の影響を受けることを抑制することができる。しがって、第１熱交換器部１２１および第２熱交換器部１２２において、第１冷媒の熱交換が促進され、第１冷媒の熱交換能力が向上する。これにより、第１冷凍サイクル１における圧力の過剰な上昇を抑制することができる。

　実施の形態８．
　（第１熱交換器部１２１と第２熱交換器部１２２とを左右方向に並べて配置した構成）
　次に、実施の形態８として、凝縮装置１２において、第１熱交換器部１２１と第２熱交換器部１２２とを左右方向に並べて配置した例を説明する。

　図１３は、実施の形態８による第１熱交換器部１２１および第２熱交換器部１２２の配置を示す図である。

　図１３においては、第１熱交換器部１２１および第１ファン１２３と、第２熱交換器部１２２および第２ファン１２４とを左右方向に並べて配置した構成が示される。図１３においては、第１熱交換器部１２１が第２熱交換器部１２２よりも熱交換をする容積が大きいことにより、第１熱交換器部１２１が第２熱交換器部１２２よりも大きく示されている。図１３のように、第１熱交換器部１２１および第１ファン１２３と、第２熱交換器部１２２および第２ファン１２４とが左右方向に並べて配置されると、第１熱交換器部１２１に送風する第１ファン１２３による送風方向２０１と、第２熱交換器部１２２に送風する第２ファン１２４による送風方向２０２とが重複した方向とならない。これにより、第１熱交換器部１２１および第２熱交換器部１２２における第１冷媒の熱交換能力が向上するなど、実施の形態７により得られる効果と同様の効果を得ることができる。

　実施の形態９．
　（第１熱交換器部１２１Ａと第２熱交換器部１２２Ａとを個別に水で熱交換する構成）
　次に、実施の形態９として、凝縮装置１２において、第１熱交換器部１２１Ａと第２熱交換器部１２２Ａとを個別に水で熱交換する例を説明する。

　図１４は、実施の形態９による第１熱交換器部１２１Ａおよび第２熱交換器部１２２Ａの配置を示す図である。

　凝縮装置１２においては、図１２などに示すような空気で熱交換する第１熱交換器部１２１と第２熱交換器部１２２との代わりに、図１４に示すような水で熱交換する第１熱交換器部１２１Ａと第２熱交換器部１２２Ａとを設けてもよい。

　第１熱交換器部１２１Ａと第２熱交換器部１２２Ａとは、個別に水を熱媒体として熱交換する。水を熱媒体として用いて熱交換する場合には、図１４のように、熱媒体の供給装置として、第１熱交換器部１２１Ａに水を供給する第１ポンプ１４１と、第２熱交換器部１２２Ａに水を供給する第２ポンプ１４２とが設けられている。図１４においては、第１熱交換器部１２１Ａが第２熱交換器部１２２Ａよりも熱交換をする容積が大きいことにより、第１熱交換器部１２１Ａが第２熱交換器部１２２Ａよりも大きく示されている。

　第１熱交換器部１２１Ａは、第１熱交換器部１２１１と第２熱交換器部１２１２とを備える。第１熱交換器部１２１１には、第１ポンプ１４１から水が供給される。第２熱交換器部１２１２には、切換え装置８０から第１冷媒が供給される。このような構成により、第１熱交換器部１２１Ａでは、第１熱交換器部１２１１内の第１冷媒と、第２熱交換器部１２１２内の水との間で熱交換が行われる。

　第２熱交換器部１２２Ａは、第１熱交換器部１２２１と第２熱交換器部１２２２とを備える。第１熱交換器部１２２１には、第２ポンプ１４２から水が供給される。第２熱交換器部１２２２には、切換え装置８０から第１冷媒が供給される。このような構成により、第１熱交換器部１２１Ａでは、第１熱交換器部１２１１内の第１冷媒と、第２熱交換器部１２１２内の水との間で熱交換が行われる。

　図１４においては、第１熱交換器部１２１Ａには第１ポンプ１４１から水が供給され、第２熱交換器部１２２Ａには第２ポンプ１４２から水が供給される。このように、第１熱交換器部１２１Ａと第２熱交換器部１２２Ａとには、異なる供給源から異なる経路を経て熱交換用の水が供給される。

　図１４に示した構成によれば、第１熱交換器部１２１Ａと第２熱交換器部１２２Ａとには、異なる供給源から異なる経路を経て熱交換用の水が供給されるので、第１熱交換器部１２１Ａと第２熱交換器部１２２Ａとにおいて、いずれか一方が他方から出る水の熱の影響を受けることを抑制することができる。しがって、第１熱交換器部１２１Ａおよび第２熱交換器部１２２Ａにおいて、第１冷媒の熱交換が促進され、第１冷媒の熱交換能力が向上する。これにより、第１冷凍サイクル１における圧力の過剰な上昇を抑制することができる。

　実施の形態１０．
　（凝縮装置１２の第１熱交換器部１２１として扁平管熱交換器を用いる構成）
　次に、実施の形態１０として、凝縮装置１２において、第１熱交換器部１２１として扁平管熱交換器を用いる例を説明する。

　前述のような実施の形態に示した凝縮器および蒸発器を含む各種の熱交換器は、扁平管熱交換器を用いてもよく、円管熱交換器を用いてもよい。各種の熱交換器のうち、少なくとも凝縮装置１２の第１熱交換器部１２１は、扁平管熱交換器を用いれば、冷却運転および圧力上昇抑制運転において、第１冷凍サイクル１における圧力の過度な上昇を抑制することができる。その理由は、扁平管熱交換器が、その他の種類の熱交換器よりも熱交換器効率が高いからである。

　図１５は、扁平管熱交換器に設けられる扁平管５０の一例を示す断面図である。図１５を参照して、扁平管５０では、扁平した楕円形の管の内部を複数に仕切ることにより、管の内部に冷媒が流れる経路５１が複数設けられる。このような構成により、第１熱交換器部１２１として扁平管５０を用いた扁平管熱交換器は、その他の種類の熱交換器を用いる場合よりも熱交換効率を高くすることができる。これにより、第１熱交換器部１２１の熱交換効率を向上させることができる。

　凝縮装置１２の第２熱交換器部１２２は、凝縮器と蒸発器との両方に用いられるので、蒸発器として用いた場合に発生する霜を短時間で除霜・排水ができるようにするために、円管熱交換器を用いてもよい。

　実施の形態１１．
　（圧力上昇抑制運転時の第２冷凍サイクル２の圧力制御）
　次に、実施の形態１１として、実施の形態１～実施の形態１０で説明した二元冷凍装置の圧力上昇抑制運転時における第２冷凍サイクル２の圧力制御例を説明する。

　圧力上昇抑制運転時において、制御装置１００は、第１圧縮機１１の周波数を圧力上昇抑制運転での基準周波数としつつ、カスケード熱交換器３の出口側の過熱度が予め定められた基準値となるように、高元膨張弁３００を制御する。そして、圧力上昇抑制運転時において、制御装置１００は、以下に説明するように、第１圧縮機１１の周波数を圧力上昇抑制運転での基準周波数としつつ、第２冷凍サイクル２の圧力が予め設定した圧力の閾値の範囲内となるように、蒸発器として用いる第２熱交換器部１２２へ第２ファン１２４により供給する熱媒体の流量を制御する。

　実施の形態１１では、前述の圧力上昇抑制運転において制御装置１００が実行する第２冷凍サイクル２の圧力制御について説明する。実施の形態１～実施の形態１０で説明した二元冷凍装置においては、圧力上昇抑制運転において１つの圧力目標値に第２冷凍サイクル２の圧力を制御してもよく、圧力の幅を持った目標範囲内となるように第２冷凍サイクル２の圧力を制御してもよい。実施の形態１１では、圧力の幅を持った目標範囲内となるように第２冷凍サイクル２の圧力を制御する圧力制御例を説明する。

　図１６は、圧力上昇抑制運転における第２冷凍サイクル２の圧力制御のフローチャートである。図１６の圧力制御は、制御装置１００が制御のメインプログラムに含まれる圧力上昇抑制運転の処理の実行中に一定周期で呼び出されて繰返し実行されるサブルーチンプログラムである。

　制御装置１００は、ステップＳ１１により、第１圧縮機１１の運転周波数を圧力上昇抑制運転時の基準周波数に設定する。圧力上昇抑制運転時の基準周波数は、例えば、冷却運転時に設定される基準周波数よりも低い周波数である。ステップＳ１１で設定される基準周波数は、圧力上昇抑制運転において、一旦設定されると圧力上昇抑制運転中に設定値が変更されない。

　制御装置１００は、ステップＳ１２により、第２冷凍サイクル２の圧力の検出値が第１閾値よりも低いか否かを判断する。第１閾値は、圧力上昇抑制運転における第２冷凍サイクル２の目標圧力範囲の上限を設定するために用いる値である。具体的に、ステップＳ１２では、第２吐出圧力センサ４６により検出された圧力が、第１閾値よりも低いか否かを判断する。第２吐出圧力センサ４６により検出された圧力が第１閾値よりも低くない場合は、第２冷媒の蒸発温度が制御の上限値以上の高い状態であり、カスケード熱交換器３で交換する熱量を増やす必要がある。

　制御装置１００は、ステップＳ１２で圧力の検出値が第１閾値よりも低くないと判断した場合は、ステップＳ１３により、第２熱交換器部１２２または第２熱交換器部１２２Ａに供給する熱媒体の流量を減少させ、ステップＳ１２に戻る。第２熱交換器部１２２に供給される熱媒体の流量を減少させた場合は、第２熱交換器部１２２の出口の乾き度が低くなり、カスケード熱交換器３の出口温度が低下して過熱度が低下する。その場合は、制御装置１００により、第１膨張弁１３の開度を減少させる制御が実行されるので、第１冷凍サイクル１における蒸発温度が低下する。

　圧力上昇抑制運転において、第２熱交換器部１２２は、蒸発器として用いられている。第２熱交換器部１２２の場合の熱媒体の流量は、第１ファン１２３により供給される空気の流量である。第２熱交換器部１２２Ａの場合の熱媒体の流量は、第１ポンプ１４１により供給される水の流量である。

　制御装置１００は、ステップＳ１２で圧力の検出値が第１閾値よりも低いと判断した場合は、ステップＳ１４により、第２冷凍サイクル２の圧力の検出値が第２閾値よりも高いか否かを判断する。第２閾値は、圧力上昇抑制運転における第２冷凍サイクル２の目標圧力範囲の下限を設定するために用いる値である。第２吐出圧力センサ４６により検出された圧力が第２閾値よりも高くない場合は、第２冷媒の蒸発温度が制御の下限値以下の低い状態であり、カスケード熱交換器３で交換する熱量を減らす必要がある。

　制御装置１００は、ステップＳ１４で圧力の検出値が第２閾値よりも高くはないと判断した場合は、ステップＳ１５により、第２熱交換器部１２２または第２熱交換器部１２２Ａに供給する熱媒体の流量を増加させ、ステップＳ１４に戻る。第２熱交換器部１２２に供給される熱媒体の流量を増加させた場合は、第２熱交換器部１２２の出口の乾き度が高くなり、カスケード熱交換器３の出口温度が上昇して過熱度が上昇する。その場合は、制御装置１００により、第１膨張弁１３の開度を増加させる制御が実行されるので、第１冷凍サイクル１における蒸発温度が上昇する。

　制御装置１００は、ステップＳ１４で圧力の検出値が第２閾値よりも高いと判断した場合は、メインルーチンにリターンする。その後、図１６に示す第２冷凍サイクル２の圧力制御は、圧力上昇抑制運転中において、繰返し実行される。

　前述した第１閾値および第２閾値の設定値の一例を以下に説明する。第２冷凍サイクル２に封入された第２冷媒が二酸化炭素であり、第２冷凍サイクル２を構成する機器の耐圧がＲ４１０Ａなどの一般的に使用されている冷凍サイクルの耐圧である４．１５ＭＰａＧとすると、第１閾値は例えば＋７．７℃に設定され、第２閾値は第１圧縮機１１の運転時の低圧下限よりも高い温度である例えば－２９℃設定される。より具体的に、耐圧圧力の上限に対し尤度があり凍結を防ぐためには、第１閾値および第２閾値が０℃近傍であることが好ましく、例えば、第１閾値が＋２℃に設定され、第２閾値が－２℃に設定されてもよい。

　なお、第２閾値は、０℃以上の値に設定されれば、第２冷凍サイクル２の凍結を防ぐことができる。第１閾値は、二酸化炭素の飽和温度を例とすると、７．７℃以下とすれば、Ｒ４１０Ａなどに使用される、耐圧が低めの機器および配管を使用することができる。なお、第１閾値は、第１冷媒が二酸化炭素の場合は、耐圧の上限値に対して余裕がある例えば５℃に設定してもよく、または耐圧の上限値に対してさらに余裕がある３℃に設定してもよい。

　以上に説明した圧力上昇抑制運転における第２冷凍サイクル２の圧力制御が実行されることにより、制御装置１００は、第２冷凍サイクル２の圧力を第１閾値と第２閾値との間の圧力範囲内に制御することができる。そして、第２吐出圧力センサ４６により検出された圧力が第１閾値と第２閾値との間の基準範囲内となるように、第２ファン１２４により第２熱交換器部１２２に供給する熱媒体を制御することにより、外気温度および外乱などの第２冷凍サイクル２の圧力を変化させる状況に応じて、カスケード熱交換器３の熱交換能力を調整することができる。

　（圧力上昇抑制運転時における第１冷媒の状態）
　次に、圧力上昇抑制運転において、図１６に示すような第２冷凍サイクル２の圧力制御が実行される場合の第１冷凍サイクル１における第１冷媒の状態を説明する。

　図１７は、圧力上昇抑制運転時における第１冷媒の状態を示すモリエル線図である。図１７においては、縦軸に圧力Ｐが示され、横軸に比エンタルピが示されている。図１７では、飽和液線および飽和蒸気線が曲線により示されている。

　図１７においては圧力上昇抑制運転時の第１冷凍サイクル１における第１冷媒の圧縮過程ａ、第１冷媒の凝縮過程ｂ、第１冷媒の膨張過程ｃ、および、第１冷媒の蒸発過程ｄと、各過程に関与する機器とが対応付けられて示されている。

　圧縮過程ａにおいては、第１圧縮機１１により第１冷媒が圧縮され、第１冷媒の圧力および比エンタルピが増加する。凝縮過程ｂにおいては、第１熱交換器部１２１（１２１Ａ）により第１冷媒が凝縮され、第１冷媒の圧力が維持された状態で第１冷媒の比エンタルピが減少する。膨張過程ｃにおいては、第１膨張弁１３により第１冷媒が膨張され、第１冷媒の比エンタルピが維持された状態で第１冷媒の圧力が減少する。蒸発過程ｄにおいては、第２熱交換器部１２２（１２２Ａ）で第２段階目の蒸発がされた後にカスケード熱交換器３の蒸発器部３１により第２段階目の蒸発がされ、第１冷媒の圧力が維持された状態で第１冷媒の比エンタルピが増加する。

　図１７において矢印に示すように、蒸発過程ｄにおいて、第２熱交換器部１２２とカスケード熱交換器３の蒸発器部３１とで比エンタルピを増加させるときの増加量の相対的な比率は、第２ファン１２４（第２ポンプ１４２）による熱媒体の供給量により増減する。

　例えば、図１６のステップＳ１３のように第２熱交換器部１２２（１２２Ａ）に供給される熱媒体の流量が減少すると、第２熱交換器部１２２（１２２Ａ）が比エンタルピを増加させる比率が減少し、カスケード熱交換器３の蒸発器部３１が比エンタルピを増加させる比率が増加する。一方、図１６のステップＳ１５のように第２熱交換器部１２２（１２２Ａ）に供給される熱媒体の流量が増加すると、第２熱交換器部１２２（１２２Ａ）が比エンタルピを増加させる比率が増加し、カスケード熱交換器３の蒸発器部３１が比エンタルピを増加させる比率が減少する。

　実施の形態１２．
　（圧力上昇抑制運転時における第１冷凍サイクル１の停止制御）
　次に、実施の形態１２として、実施の形態１～実施の形態１１で説明した二元冷凍装置の圧力上昇抑制運転時における第１冷凍サイクル１の停止制御例を説明する。

　例えば、二元冷凍装置の運転停止時の第２冷凍サイクル２は、第１冷凍サイクル１を動作させなければ、外気温度に相当する圧力となる。例えば第２冷媒として二酸化炭素冷媒を使用している場合は、外気温度が３０℃に達すると、第２冷凍サイクル２内の圧力が、一般的な冷凍サイクルで用いられる配管および機器の耐圧を超えるおそれがある。

　このように運転停止時の第２冷凍サイクル２の圧力が増加し過ぎないようにするために、二元冷凍装置では、運転停止時に前述のような圧力上昇抑制運転が実行される。しかし、外気温度が例えば７℃以下になるなど、配管および機器の耐圧よりも第２冷凍サイクル２の圧力が十分に低くなる場合は、圧力上昇抑制運転をしなくても、配管および機器の耐圧を超えるおそれがなくなる。そこで、実施の形態１２では、圧力上昇抑制運転中において、第２冷凍サイクル２の圧力が閾値未満となった場合に第１冷凍サイクル１を停止する制御を制御装置１００が実行する例を説明する。

　このような圧力上昇抑制運転時における第１冷凍サイクル１の停止制御を実行するためには、二元冷凍装置の外気温度を検出する外気温度センサ４９が図３に示すように設けられる。外気温度センサ４９の検出信号は、制御装置１００に入力される。

　図１８は、圧力上昇抑制運転時における第１冷凍サイクル１の停止制御のフローチャートである。図１８の制御は、制御装置１００が制御のメインプログラムに含まれる圧力上昇抑制運転の処理の実行中に一定周期で呼び出されて繰返し実行されるサブルーチンプログラムである。

　制御装置１００は、ステップＳ２１により、外気温度センサ４９により検出された外気温度の検出値が第３閾値よりも低い温度であるか否かを判断する。第３閾値は、第２冷凍サイクル２の配管および機器の耐圧の設定値の圧力となる外気温度以下の外気温度値に設定されている。制御装置１００は、ステップＳ２１で外気温度の検出値が第３閾値よりも低い温度ではないと判断した場合は、ステップＳ２２により第１冷凍サイクル１を稼働状態とするか、第１冷凍サイクル１の稼働状態を維持し、メインルーチンにリターンする。

　一方、制御装置１００は、ステップＳ２１で外気温度の検出値が第４閾値よりも低い温度であると判断した場合は、ステップＳ２３により、第２冷凍サイクル２の圧力の検出値が第４閾値よりも低いか否かを判断する。第４閾値は、前述の第１閾値以下に設定された圧力であり、圧力上昇抑制運転をしなくても、配管および機器の耐圧を超えるおそれがないと認定された圧力値である。具体的に、ステップＳ２１では、第２吐出圧力センサ４６により検出された圧力が、第１閾値よりも低いか否かを判断する。

　制御装置１００は、ステップＳ２３で第２冷凍サイクル２の圧力の検出値が第４閾値よりも低い温度ではないと判断した場合は、ステップＳ２２により第１冷凍サイクル１を稼働状態とするか、第１冷凍サイクル１の稼働状態を維持し、メインルーチンにリターンする。一方、ステップＳ２３で第２冷凍サイクル２の圧力の検出値が第４閾値よりも低い温度であると判断した場合は、ステップＳ２５により第１冷凍サイクル１の稼働を停止させ、メインルーチンにリターンする。具体的に、ステップＳ２５では、少なくとも第１圧縮機１１を停止させる。

　以上に説明したように、圧力上昇抑制運転時における第１冷凍サイクル１の停止制御では、外気温度センサ４９により検出された外気温度の検出値が第３閾値よりも低い温度であり、かつ、第２吐出圧力センサ４６により検出された圧力が、第４閾値よりも低い場合に、第１冷凍サイクル１の稼働を停止させる。

　図１８に示すような圧力上昇抑制運転時における第１冷凍サイクル１の停止制御が実行されることにより、圧力上昇抑制運転をしなくても、配管および機器の耐圧を超えるおそれがないと認定された状態となった場合は、第１冷凍サイクル１の稼働を停止させることができる。このように、外気温度の検出値および第２冷凍サイクル２の圧力の検出値に応じて、第１冷凍サイクル１の稼働を停止させることを可能とすることにより、二元冷凍装置の消費電力を低減することができる。

　実施の形態１３．
　（四方弁を含む切換え装置８００を設けた例）
　次に、実施の形態１３として、前述した切換え装置８０の代わりに、四方弁を含む切換え装置８００を設けた例を説明する。

　図１９および図２０は、実施の形態１３による切換え装置８００を備えた二元冷凍装置１０Ｃの全体構成を示す図である。図１９および図２０に示す切換え装置８００が、図５などに示した切換え装置８０と異なるのは、次の点である。第１開閉弁８１および第３開閉弁８３の代わりに、第１四方弁８６が設けられる。第２開閉弁８２および第４開閉弁８４の代わりに、第２四方弁８７が設けられる。このように、切換え装置８００は、第１四方弁８６、第２四方弁８７、および、第５開閉弁８５を含む。第１四方弁８６および第２四方弁８７は、１つのポートが封止された態様で用いられる。

　図２１は、二元冷凍装置１０Ｃの制御構成例を示すブロック図である。図２１の構成が図３の構成と異なるのは、制御装置１００が、第１四方弁８６、第２四方弁８７、および、第５開閉弁８５に制御信号を出力し、切換え装置８００を制御することである。

　なお、図２１においては、実施の形態１３では設けられないが、後述する他の実施の形態で設けられる第１三方弁８８、第２三方弁８９、六方弁９０、および、第６開閉弁９５の接続例も示されている。

　（冷却運転時における切換え装置８００の動作）
　次に、図１９を用いて冷却運転における二元冷凍装置１０Ｃの動作を説明する。図１９においては、冷却運転における第１冷媒および第２冷媒の流れが直線の矢印により示されている。

　冷却運転において、凝縮装置１２は、第１熱交換器部１２１および第２熱交換器部１２２の両方が凝縮器として用いられる。冷却運転において制御装置１００は、切換え装置８００において、第１圧縮機１１と第１膨張弁１３との間において、第２熱交換器部１２２が第１熱交換器部１２１と並列に接続される経路が構成されるように、第１四方弁８６および第２四方弁８７を制御する。その場合、制御装置１００は、第５開閉弁８５を開状態に制御する。

　このような第１四方弁８６および第２四方弁８７の状態により、冷却運転では、第１圧縮機１１と第１膨張弁１３との間において、第１熱交換器部１２１を経て第１冷媒が流れる第１経路と、第１四方弁８６、第２熱交換器部１２２、および、第２四方弁８７を経て第１冷媒が流れる第２経路とが構成される。これにより、冷却運転において、凝縮装置１２では、第１熱交換器部１２１および第２熱交換器部１２２の両方が凝縮器として用いられる。

　（圧力上昇抑制運転時における切換え装置８００の動作）
　次に、図２０を用いて圧力上昇抑制運転時における二元冷凍装置１０Ｃの動作を説明する。図２０においては、冷却運転における第１冷媒および第２冷媒の流れが直線の矢印により示されている。

　圧力上昇抑制運転において、凝縮装置１２では、第１熱交換器部１２１が凝縮器として用いられ、第２熱交換器部１２２が蒸発器として用いられる。圧力上昇抑制運転において制御装置１００は、切換え装置８００において、第１膨張弁１３と、カスケード熱交換器３の蒸発器部３１との間に第２熱交換器部１２２が接続される経路が構成されるように、第１四方弁および第２四方弁８７を制御する。その場合、制御装置１００は、第５開閉弁８５を閉状態に制御する。

　このような第１四方弁８６および第２四方弁８７の状態により、圧力上昇抑制運転では、第１膨張弁１３と、カスケード熱交換器３の蒸発器部３１との間において、第２四方弁８７、第２熱交換器部１２２、および、第１四方弁８６を経て第１冷媒が流れる経路が構成される。これにより、圧力上昇抑制運転において、凝縮装置１２では、第１熱交換器部１２１が凝縮器として用いられ、第２熱交換器部１２２が蒸発器として用いられる。

　このように、切換え装置８００は、制御装置１００によって、冷却運転時および圧力上昇抑制運転時において、前述した切換え装置８０と同様の経路が形成されるように制御される。これにより、二元冷凍装置１０Ｃにおいては、冷却運転時および圧力上昇抑制運転時において、二元冷凍装置１０、二元冷凍装置１０Ａ、および、二元冷凍装置１０Ｂと同様の第１冷媒の経路が構成される。

　なお、第１四方弁８６および第２四方弁８７に用いる四方弁は、第１吸入温度センサ４２により検出される第１圧縮機１１の吸入温度と、第１吐出圧力センサ４３により検出される第１圧縮機１１の吐出圧力との差圧に基づいて駆動する四方弁を用いてもよい。

　二元冷凍装置１０Ｄでは、切換え装置８００が２つの四方弁で構成されるので、構成要素数を削減することができ、製造コストの増加を抑制することができる。また、二元冷凍装置１０Ｄでは、切換え装置８００が２つの四方弁で構成されるので、制御装置１００が制御する弁の個数を削減することができる。

　実施の形態１４．
　（四方弁を含む切換え装置８０１を設けた例）
　次に、実施の形態１４として、前述した切換え装置８０の代わりに、四方弁を含む切換え装置８０１を設けた例を説明する。

　図２２および図２３は、実施の形態１４による切換え装置８０１を備えた二元冷凍装置１０Ｄの全体構成を示す図である。図２２および図２３に示す切換え装置８０１が、図２０などに示した切換え装置８００と異なるのは、次の点である。第１四方弁８６の代わりに、第１三方弁８８が設けられる。第２四方弁８７の代わりに、第２三方弁８９が設けられる。このように、切換え装置８０１は、第１四方弁８６、第２三方弁８９、および、第５開閉弁８５を含む。

　図２１に示されるように、制御装置１００は、第１三方弁８８、第２三方弁８９、および、第５開閉弁８５に制御信号を出力し、切換え装置８０１を制御する。

　（冷却運転時における切換え装置８０１の動作）
　次に、図２２を用いて冷却運転における二元冷凍装置１０Ｄの動作を説明する。図２２においては、冷却運転における第１冷媒および第２冷媒の流れが直線の矢印により示されている。

　冷却運転において、凝縮装置１２は、第１熱交換器部１２１および第２熱交換器部１２２の両方が凝縮器として用いられる。冷却運転において制御装置１００は、切換え装置８０１において、第１圧縮機１１と第１膨張弁１３との間において、第２熱交換器部１２２が第１熱交換器部１２１と並列に接続される経路が構成されるように、第１三方弁８８および第２三方弁８９を制御する。その場合、制御装置１００は、第５開閉弁８５を開状態に制御する。

　このような第１三方弁８８および第２三方弁８９の状態により、冷却運転では、第１圧縮機１１と、第１膨張弁１３との間において、第１熱交換器部１２１を経て第１冷媒が流れる第１経路と、第１三方弁８８、第２熱交換器部１２２、および、第２三方弁８９を経て第１冷媒が流れる第２経路とが構成される。これにより、冷却運転において、凝縮装置１２では、第１熱交換器部１２１および第２熱交換器部１２２の両方が凝縮器として用いられる。

　（圧力上昇抑制運転時における切換え装置８０１の動作）
　次に、図２３を用いて圧力上昇抑制運転における二元冷凍装置１０Ｄの動作を説明する。図２３においては、圧力上昇抑制運転における第１冷媒および第２冷媒の流れが直線の矢印により示されている。

　圧力上昇抑制運転において、凝縮装置１２は、第１熱交換器部１２１が凝縮器として用いられ、第２熱交換器部１２２が蒸発器として用いられる。圧力上昇抑制運転において制御装置１００は、切換え装置８０１において、第１膨張弁１３と、カスケード熱交換器３の蒸発器部３１との間に第２熱交換器部１２２が接続される経路が構成されるように、第１三方弁８８および第２三方弁８９を制御する。その場合、制御装置１００は、第５開閉弁を閉状態に制御する。

　このような第１三方弁８８および第２三方弁８９の状態により、圧力上昇抑制運転では、第１膨張弁１３と、カスケード熱交換器３の蒸発器部３１との間において、第２三方弁８９、第２熱交換器部１２２、および、第１三方弁８８を経て第１冷媒が流れる経路が構成される。これにより、圧力上昇抑制運転において、凝縮装置１２では、第１熱交換器部１２１凝縮器として用いられ、第２熱交換器部１２２が蒸発器として用いられる。

　このように、切換え装置８０１は、制御装置１００によって、冷却運転時および圧力上昇抑制運転時において、前述した切換え装置８０と同様の経路が形成されるように制御される。これにより、二元冷凍装置１０Ｃにおいては、冷却運転時および圧力上昇抑制運転時において、二元冷凍装置１０、二元冷凍装置１０Ａ、二元冷凍装置１０Ｂ、および、二元冷凍装置１０Ｃと同様の第１冷媒の経路が構成される。

　二元冷凍装置１０Ｄでは、切換え装置８０１が２つの三方弁で構成されるので、構成要素数を削減することができ、製造コストの増加を抑制することができる。また、二元冷凍装置１０Ｄでは、切換え装置８０１が２つの三方弁で構成されるので、制御装置１００が制御する弁の個数を削減することができる。第１三方弁８８および第２三方弁８９は、実施の形態１３の第１四方弁８６および第２四方弁８７と比べて、ポートを封止する作業が不要となるので、二元冷凍装置１０Ｅを構成するときの作業性を向上させることができる。そして、そのような作業性の向上により、機器の加工コストを削減することができる。

　実施の形態１５．
　（四方弁を含む切換え装置８０２を設けた例）
　次に、実施の形態１５として、前述した切換え装置８０の代わりに、六方弁を含む切換え装置８０２を設けた例を説明する。

　図２４および図２５は、実施の形態１５による切換え装置８０２を備えた二元冷凍装置１０Ｅの全体構成を示す図である。図２４および図２５に示す切換え装置８０２が、図５などに示した切換え装置８０と異なるのは、次の点である。第１開閉弁８１、第２開閉弁８２、第３開閉弁８３、第４開閉弁８４、および、第５開閉弁８５の代わりに、六方弁９０および第６開閉弁９５が設けられる。このように、切換え装置８０２は、六方弁９０および第６開閉弁９５を含む。

　図２１に示されるように、制御装置１００は、六方弁９０および第６開閉弁９５に制御信号を出力し、切換え装置８０２を制御する。

　（冷却運転時における切換え装置８０２の動作）
　次に、図２４を用いて冷却運転における二元冷凍装置１０Ｅの動作を説明する。図２４においては、冷却運転における第１冷媒および第２冷媒の流れが直線の矢印により示されている。

　冷却運転において、凝縮装置１２は、第１熱交換器部１２１および第２熱交換器部１２２の両方が凝縮器として用いられる。冷却運転において制御装置１００は、切換え装置８０２において、第１圧縮機１１と第１膨張弁１３との間において、第２熱交換器部１２２と第１熱交換器部１２１とが並列に接続される経路が構成されるように、六方弁９０および第６開閉弁９５を制御する。その場合、制御装置１００は、第６開閉弁９５を開状態に制御する。

　このような六方弁９０および第６開閉弁９５の状態により、冷却運転では、第１圧縮機１１と、第１膨張弁１３との間において、第１熱交換器部１２１、六方弁９０、および、第６開閉弁９５を経て第１冷媒が流れる第１経路と、六方弁９０および第２熱交換器部１２２を経て第１冷媒が流れる第２経路とが構成される。これにより、冷却運転において、凝縮装置１２では、第１熱交換器部１２１および第２熱交換器部１２２の両方が凝縮器として用いられる。

　（圧力上昇抑制運転時における切換え装置８０２の動作）
　次に、図２５を用いて圧力上昇抑制運転における二元冷凍装置１０Ｅの動作を説明する。図２５においては、圧力上昇抑制運転における第１冷媒および第２冷媒の流れが直線の矢印により示されている。

　圧力上昇抑制運転において、凝縮装置１２は、第１熱交換器部１２１が凝縮器として用いられ、第２熱交換器部１２２が蒸発器として用いられる。圧力上昇抑制運転において制御装置１００は、切換え装置８０２において、第１圧縮機１１と第１膨張弁１３との間に第１熱交換器部１２１および六方弁９０を経て第１冷媒が流れる経路が構成されるように、六方弁９０および第６開閉弁９５を制御する。さらに、制御装置１００は、切換え装置８０２において、第１膨張弁１３と、カスケード熱交換器３の蒸発器部３１との間に第２熱交換器部１２２および六方弁９０を経て第１冷媒が流れる経路が構成されるように、六方弁９０および第６開閉弁９５を制御する。その場合、制御装置１００は、第６開閉弁９５弁を閉状態に制御する。

　このような六方弁９０および第６開閉弁９５の状態により、第１圧縮機１１と第１膨張弁１３との間に第１熱交換器部１２１および六方弁９０を経て第１冷媒が流れる経路が構成されるともに、第１膨張弁１３と、カスケード熱交換器３の蒸発器部３１との間に第２熱交換器部１２２および六方弁９０を経て第１冷媒が流れる経路が構成される。これにより、圧力上昇抑制運転において、凝縮装置１２では、第１熱交換器部１２１が凝縮器として用いられ、第２熱交換器部１２２が蒸発器として用いられる。

　このように、切換え装置８０２は、制御装置１００によって、冷却運転時および圧力上昇抑制運転時において、前述した切換え装置８０と同様の経路が形成されるように制御される。これにより、二元冷凍装置１０Ｅにおいては、冷却運転時および圧力上昇抑制運転時において、二元冷凍装置１０、二元冷凍装置１０Ａ、二元冷凍装置１０Ｂ、二元冷凍装置１０Ｃ、および、二元冷凍装置１０Ｄと同様の第１冷媒の経路が構成される。

　二元冷凍装置１０Ｅでは、切換え装置８０２が１つの六方弁で構成されるので、構成要素数を削減することができ、製造コストの増加を抑制することができる。また、二元冷凍装置１０Ｅでは、切換え装置８０２が１つの六方弁で構成されるので、制御装置１００が制御する弁の個数を削減することができる。六方弁９０は、実施の形態１３の第１四方弁８６および第２四方弁８７と比べて、ポートを封止する作業が不要となるので、二元冷凍装置１０Ｅを構成するときの作業性を向上させることができる。そして、そのような作業性の向上により、機器の加工コストを削減することができる。

　実施の形態１６．
　（第１冷媒の蒸発をカスケード熱交換器３の後に第２熱交換器部１２２で行う例）
　次に、実施の形態１６として、圧力上昇抑制運転において、第１膨張弁１３により膨張された第１冷媒が、カスケード熱交換器３の蒸発器部３１で蒸発させられた後、第２熱交換器部１２２で蒸発させられて第１圧縮機１１に供給される例を説明する。

　図２６は、実施の形態１６による二元冷凍装置１０Ｆの全体構成を示す図である。図２６に示す二元冷凍装置１０Ｆが、図５などに示す二元冷凍装置１０Ａと異なるのは、次の点である。第１膨張弁１３と第１圧縮機１１の入口との間においては、切換え装置８０とカスケード熱交換器３とが、二元冷凍装置１０Ａとは逆の位置関係で設けられている。

　具体的に、第１膨張弁１３と第１圧縮機１１の吸入側との間において、カスケード熱交換器３が、切換え装置８０よりも第１膨張弁１３に近い位置に設けられている。言い換えると、第１膨張弁１３と第１圧縮機１１の吸入側との間において、切換え装置８０が、カスケード熱交換器３よりも第１圧縮機１１の吸入側に近い位置に設けられている。

　（二元冷凍装置１０Ｆの冷却運転時の動作）
　二元冷凍装置１０Ｆの冷却運転時の動作は、図５などに示す二元冷凍装置１０Ａの冷却運転時の動作と同様である。ただし、二元冷凍装置１０Ｆの冷却運転時において、第１膨張弁１３により膨張された第１冷媒は、カスケード熱交換器３の蒸発器部３１で蒸発された後、第５開閉弁８５を経て第１圧縮機１１の入口に供給される。

　（圧力上昇抑制運転時における切換え装置８０２の動作）
　次に、図２６を用いて圧力上昇抑制運転における二元冷凍装置１０Ｅの動作を説明する。図２６においては、圧力上昇抑制運転における第１冷媒および第２冷媒の流れが直線の矢印により示されている。

　圧力上昇抑制運転において制御装置１００は、切換え装置８０で、第１開閉弁８１、第２開閉弁８２、および、第５開閉弁８５を閉状態とし、第３開閉弁８３および第４開閉弁８４を開状態とする。

　このような第１開閉弁８１～第５開閉弁８５の状態により、圧力上昇抑制運転では、第１圧縮機１１の吸入側と、第１膨張弁１３との間において、凝縮装置１２の第１熱交換器部１２１のみを経て第１冷媒が流れる経路が構成される。これにより、圧力上昇抑制運転において、凝縮装置１２は、図中の矢印で示すように、第１圧縮機１１から吐出された高温高圧の第１冷媒が第１熱交換器部１２１のみに流れることにより、第１熱交換器部１２１のみが凝縮器として用いられる。

　圧力上昇抑制運転においては、第１膨張弁１３で膨張された第１冷媒は、まずカスケード熱交換器３の蒸発器部３１に供給され、外気と熱交換することによって、第１段階目の蒸発をする。切換え装置８０は、第５開閉弁８５が閉状態であり、第３開閉弁８３および第４開閉弁８４が開状態である。このため、カスケード熱交換器３の蒸発器部３１を経た第１冷媒は、第４開閉弁８４、第２熱交換器部１２２、および、第３開閉弁８３を経て、第１圧縮機１１の入口に供給される。第２熱交換器部１２２に流入した第１冷媒は、外気と熱交換することによって、第２段階目の蒸発をする。

　制御装置１００は、第１吸入温度センサ４２の検出値により得られる温度または過熱度が、予め定められた閾値となるように、第２ファン１２４から第２熱交換器部１２２に供給される熱交換媒体の流量を制御する。

　実施の形態１６による二元冷凍装置１０Ｆでは、基本的に、実施の形態１による二元冷凍装置１０と同様の各種制御が制御装置１００において実行される。

　なお、実施の形態１６による二元冷凍装置１０Ｆでは、第１吸入温度センサ４２の検出値により得られる過熱度を、外気温度に対応する過熱度まで設定することが可能であることが実施の形態１による二元冷凍装置１０と異なる。

　二元冷凍装置１０Ｆの構成では、第１冷凍サイクル１において、カスケード熱交換器３と第１圧縮機１１との間に切換え装置８０が設けられているので、第１圧縮機１１への液バックを抑制するために、カスケード熱交換器３の出口側の冷媒の状態を過熱ガス状態とする必要がなくなる。

　二元冷凍装置１０Ｆの構成では、カスケード熱交換器３の出口側の冷媒の状態を過熱ガス状態とする必要がなくなるので、第２冷凍サイクル２の冷却をより効率的に行うことができる。これにより、第２冷凍サイクル２の圧力が基準圧力となるときの第２冷凍サイクル２の蒸発温度を実施の形態１の二元冷凍装置１０よりも高い温度にすることができる。

　二元冷凍装置１０Ｆの構成では、第２冷凍サイクル２の圧力が基準圧力となるときの第２冷凍サイクル２の蒸発温度を実施の形態１の二元冷凍装置１０よりも高い温度にすることができることにより、圧力上昇抑制運転における第１冷凍サイクル１での第１圧縮機１１の圧縮比を小さくでき、第１圧縮機１１の駆動電力を低減することができる。これにより、二元冷凍装置１０Ｆの消費電力を低減することができる。

　二元冷凍装置１０Ｆの構成では、第１圧縮機１１の吸入温度を実施の形態１と比較して高くすることができる。これにより、第１圧縮機１１への液バックの発生を実施の形態１よりも抑制することができ、二元冷凍装置１０Ｆの信頼性を向上させることができる。

　（実施の形態のまとめ）
　以上説明した実施の形態について、再び図面を参照して説明する。

　本開示は、二元冷凍装置１０に関する。二元冷凍装置１０は、第１圧縮機１１、凝縮装置１２、第１膨張弁１３、および、カスケード熱交換器３を含み、第１冷媒が循環する第１冷凍サイクル１と、第２圧縮機２１カスケード熱交換器３、第２膨張弁２３、および、蒸発器２４を含み、第２冷媒が循環する第２冷凍サイクル２とを備える。カスケード熱交換器３は、第１冷媒と第２冷媒との間で熱交換をすることにより、第１冷凍サイクル１で蒸発器として用いられるとともに、第２冷凍サイクル２で凝縮器として用いられる。凝縮装置１２は、第１冷媒を凝縮させる第１熱交換器部１２１と、第１冷媒を凝縮または蒸発させる第２熱交換器部１２２とを含む。二元冷凍装置１０は、第２熱交換器部１２２の状態を、第１冷媒を凝縮させる第１状態と、第１冷媒を蒸発させる第２状態との間で切換える切換え装置８０をさらに備える。切換え装置８０は、第２冷凍サイクル２の蒸発器２４により冷却を実行する第１運転である冷却運転において、第２熱交換器部１２２を第１状態とし、第２冷凍サイクル２の圧力を抑制する第２運転である圧力上昇抑制運転において第２熱交換器部１２２を第２状態とする。

　このような構成とすることによって、第２冷凍サイクル２の圧力を抑制する第２運転において、切換え装置８０で、凝縮装置１２における第２熱交換器部１２２が第１冷媒を蒸発させる第２状態に切換えられるので、第２冷凍サイクル２の圧力を抑制する第２運転において、第１冷凍サイクル１で第１冷媒を蒸発させる能力が増加されるため、第２冷凍サイクル２の停止時における第１冷凍サイクル１の運転状態を安定化することができる。

　好ましくは、切換え装置８０は、切換え弁としての第１開閉弁８１、第２開閉弁８２、第３開閉弁８３、第４開閉弁８４、および、第５開閉弁８５を含む。切換え弁は、第２熱交換器部１２２に第１冷媒を供給する経路を切換えることにより、第２熱交換器部１２２の状態を第１状態と第２状態との間で切換える。

　このような構成とすることによって、切換え装置８０が、第１開閉弁８１、第２開閉弁８２、第３開閉弁８３、第４開閉弁８４、および、第５開閉弁８５のような切換え弁により、第２熱交換器部１２２に第１冷媒を供給する経路を切換えることにより、第２熱交換器部１２２の状態を第１状態と第２状態との間で切換えることができる。

　好ましくは、二元冷凍装置１０は、切換え装置８０を制御する制御装置１００をさらに備える。制御装置１００は、第１開閉弁８１、第２開閉弁８２、第３開閉弁８３、第４開閉弁８４、および、第５開閉弁８５のような切換え弁を制御することにより、第２熱交換器部１２２に第１冷媒を供給する経路を切換える制御をする。

　このような構成とすることによって、制御装置１００により切換え装置８０を制御することにより、第２熱交換器部１２２に第１冷媒を供給する経路を切換える制御をすることができる。

　好ましくは、第２熱交換器部に第１冷媒を供給する経路は、第１圧縮機１１と第１膨張弁１３との間に設けられた第１経路と、第１膨張弁１３とカスケード熱交換器３との間に設けられた第２経路とを含む。制御装置１００は、第１開閉弁８１、第２開閉弁８２、第３開閉弁８３、第４開閉弁８４、および、第５開閉弁８５のような切換え弁を制御することにより、第１経路と第２経路とを切換える制御をする。

　好ましくは、切換え弁は、第１圧縮機１１と第１膨張弁１３との間における第１冷媒の経路に第２熱交換器部１２２が接続した第１接続状態と、第１膨張弁１３とカスケード熱交換器３との間における第１冷媒の経路に第２熱交換器部１２２が接続した第２接続状態とを切換える第１切換え弁である第１開閉弁８１、第２開閉弁８２、第３開閉弁８３、および、第４開閉弁８４と、第２接続状態において、第１膨張弁１３とカスケード熱交換器３との間における第１冷媒の経路を、第１膨張弁１３よりカスケード熱交換器３に第１冷媒を直接的に供給する第１供給路から、第１膨張弁より第２熱交換器部を介してカスケード熱交換器に第１冷媒を供給する第２供給路に切換える第２切換え弁である第５開閉弁８５とを備える。制御装置１００は、第１運転から第２運転に切換える場合に、第１切換え弁により第２熱交換器部１２２を第２接続状態に切換えた後、第２切換え弁１８５により第１冷媒の経路を第１供給路から第２供給路に切換える。

　このような構成とすることによって、第１膨張弁１３から流出した第１冷媒の一部が第２熱交換器部１２２へ流入し、その第１冷媒媒が、第２熱交換器部１２２に滞留していた液冷媒を押し出す。これより、第１膨張弁１３から流出した第１冷媒の全部が第２熱交換器部１２２に一気に流入した場合と比べて、第２熱交換器部１２２内での第１冷媒の流速が遅くなるため、第２熱交換器部１２２の出口部において、第１冷媒をより過熱ガス化した状態にすることができる。

　好ましくは、二元冷凍装置１０は、第１熱交換器部１２１の熱交換量を調節する第１熱交換媒体を第１熱交換器部１２１に供給する第１供給装置である第１ファン１２３と、第２熱交換器部１２２の熱交換量を調節する第２熱交換媒体を第２熱交換器部１２２に供給する第２供給装置である第２ファン１２４とをさらに備える。制御装置１００は、第１供給装置による第１熱交換媒体の供給量を制御し、第２供給装置による第２熱交換媒体の供給量を制御する。

　このような構成とすることによって、制御装置１００が、第１熱交換器部１２１については凝縮に適した温度となるように第１熱交換媒体の供給量の制御をし、第２熱交換器部１２２については凝縮または蒸発に適した温度となるように第１熱交換媒体の供給量の制御をすることができるので、第１熱交換器部１２１と、第２熱交換器部１２２とについて、個別に凝縮または蒸発に適した温度となるように、第１熱交換媒体の供給量と、第２熱交換媒体の供給量とを調整することができる。

　好ましくは、第１熱交換媒体の供給経路と、第２熱交換媒体の供給経路とが異なる。このような構成とすることによって、第１熱交換器部１２１と第２熱交換器部１２２とにおいて、いずれか一方が他方に供給される熱交換媒体である熱媒体から熱の影響を受けることを抑制することができる。これにより、第１熱交換器部１２１および第２熱交換器部１２２において、第１冷媒の熱交換が促進され、第１冷媒の熱交換能力が向上する。

　好ましくは、制御装置１００は、第１運転である冷却運転から第２運転である圧力上昇抑制運転に切換える場合に、第１運転と比べて第１供給装置である第１ファン１２３による第１熱交換媒体の供給量を増加させた（ステップＳ３）後、第１運転と比べて第２供給装置である第２ファン１２４による第２熱交換媒体の供給量を増加させる（ステップＳ４）制御をする。

　このような構成とすることによって、第１運転と比べて第１供給装置である第１ファン１２３による第１熱交換媒体の供給量が増加させられるので、第１熱交換器部１２１による凝縮の促進により、第２熱交換器部１２２の内部の第１冷媒の冷媒量を相対的に低減させることができる。このように、蒸発器に切換えられる第２熱交換器部１２２の内部の第１冷媒の冷媒量が低減されることにより、第２熱交換器部１２２が蒸発器に切換えられたときに、第１圧縮機１１に液バックが生じることを抑制することができる。

　好ましくは、制御装置１００は、第１運転である冷却運転から第２運転である圧力上昇抑制運転に切換える場合に、第１運転と比べて第２供給装置による第２熱交換媒体の供給量を増加させた後、切換え装置により第２熱交換器部の状態を第２状態に切換える制御をする。

　このような構成とすることによって、第２運転である圧力上昇抑制運転に切換えられた直後から第２熱交換器部１２２に多量の熱交換媒体を供給することができるので、第２運転に切換えられた後における第２熱交換器部１２２における蒸発をより促進させることができる。

　好ましくは、制御装置１００は、第１運転である冷却運転から第２運転である圧力上昇抑制運転に切換える場合に、第１運転と比べて第１供給装置である第１ファン１２３による第１熱交換媒体の供給量を増加させた（ステップＳ３）後、第１運転と比べて第２供給装置である第２ファン１２４による第２熱交換媒体の供給量を増加させる（ステップＳ４）制御をし、第２供給装置による第２熱交換媒体の供給量を増加させる制御をした（ステップＳ４）後、切換え装置により第２熱交換器部の状態を第２状態に切換える（ステップＳ５）制御をする。

　このような構成とすることによって、蒸発器に切換えられる第２熱交換器部１２２の内部の第１冷媒の冷媒量が低減されることにより、第２熱交換器部１２２が蒸発器に切換えられたときに、第１圧縮機１１に液バックが生じることを抑制することができる。その後、第２運転である圧力上昇抑制運転に切換えられた直後から第２熱交換器部１２２に多量の熱交換媒体を供給することができるので、第２運転に切換えられた後における第２熱交換器部１２２における蒸発をより促進させることができる。

　好ましくは、二元冷凍装置１０は、第２圧縮機２１とカスケード熱交換器３との間の経路の圧力を検出する圧力センサである第２吸入圧力センサ４４をさらに備える。制御装置１００は、第２運転である圧力上昇抑制運転において、圧力センサにより検出された圧力が基準範囲内となるように、第２供給装置である第２ファン１２４から第２熱交換器部１２２に供給する第２熱交換媒体を制御する（ステップＳ１２～Ｓ１４）。

　このような構成とすることによって、第２冷凍サイクル２の圧力を第１閾値と第２閾値との間の基準範囲内となるように、第２ファン１２４から第２熱交換器部１２２に供給する第２熱交換媒体を制御することにより、外気温度および外乱などの第２冷凍サイクル２の圧力を変化させる状況に応じて、カスケード熱交換器３の熱交換能力を調整することができる。

　好ましくは、二元冷凍装置１０は、外気温度を検出する外気温度センサ４９と、第２圧縮機２１とカスケード熱交換器との間の経路の圧力を検出する圧力センサである第２吸入圧力センサ４４とをさらに備える。制御装置１００は、第２運転である圧力上昇抑制運転において、外気温度センサ４９により検出された外気温度が第１基準値よりも低く、圧力センサにより検出された圧力が第２基準値よりも低い場合に、第１圧縮機を停止させる（ステップＳ２５）。

　このような構成とすることによって、例えば、圧力上昇抑制運転をしなくても、配管および機器の耐圧を超えるおそれがないと認定された状態となったような場合は、第１圧縮機を停止させることにより、第１冷凍サイクル１の稼働を停止させることができる。

　好ましくは、第１熱交換器部１２１は、扁平管５０型の熱交換器である。このような構成とすることによって、第１熱交換器部１２１の熱交換効率を向上させることができる。

　好ましくは、第１熱交換器部１２１は、第２熱交換器部１２２よりも容積が大きい。このような構成とすることによって、圧力上昇制御運転時における第１熱交換器部１２１の凝縮性能が向上するので、圧力上昇制御運転時において、第１冷凍サイクル１における圧力の過度な上昇を抑制することができる。

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

　１０　二元冷凍装置、１１　第１圧縮機、１２　凝縮装置、１３　第１膨張弁、３　カスケード熱交換器、１　第１冷凍サイクル、２１　第２圧縮機、２３　第２膨張弁、２４　蒸発器、１２１　第１熱交換器部、１２２　第２熱交換器部、８０　切換え装置。

Claims

　第１圧縮機、凝縮装置、第１膨張弁、および、カスケード熱交換器を含み、第１冷媒が循環する第１冷凍サイクルと、
　第２圧縮機、前記カスケード熱交換器、第２膨張弁、および、蒸発器を含み、第２冷媒が循環する第２冷凍サイクルとを備え、
　前記カスケード熱交換器は、前記第１冷媒と前記第２冷媒との間で熱交換をすることにより、前記第１冷凍サイクルで蒸発器として用いられるとともに、前記第２冷凍サイクルで凝縮器として用いられ、
　前記凝縮装置は、
　　前記第１冷媒を凝縮させる第１熱交換器部と、
　　前記第１冷媒を凝縮または蒸発させる第２熱交換器部とを含み、
　前記第２熱交換器部の状態を、前記第１冷媒を凝縮させる第１状態と、前記第１冷媒を蒸発させる第２状態との間で切換える切換え装置をさらに備え、
　前記切換え装置は、
　　前記第２冷凍サイクルの前記蒸発器により冷却を実行する第１運転において、前記第２熱交換器部を前記第１状態とし、
　　前記第２冷凍サイクルの圧力を抑制する第２運転において前記第２熱交換器部を前記第２状態とする、二元冷凍装置。
　前記切換え装置は、切換え弁を含み、
　前記切換え弁は、前記第２熱交換器部に前記第１冷媒を供給する経路を切換えることにより、前記第２熱交換器部の状態を前記第１状態と前記第２状態との間で切換える、請求項１に記載の二元冷凍装置。
　前記切換え装置を制御する制御装置をさらに備え、
　前記制御装置は、前記切換え弁を制御することにより、前記第２熱交換器部に前記第１冷媒を供給する経路を切換える制御をする、請求項２に記載の二元冷凍装置。
　前記第２熱交換器部に前記第１冷媒を供給する経路は、
　　前記第１圧縮機と前記第１膨張弁との間に設けられた第１経路と、
　　前記第１膨張弁と前記カスケード熱交換器との間に設けられた第２経路とを含み、
　前記制御装置は、前記切換え弁を制御することにより、前記第１経路と前記第２経路とを切換える制御をする、請求項３に記載の二元冷凍装置。
　前記切換え弁は、
　　前記第１圧縮機と前記第１膨張弁との間における前記第１冷媒の経路に前記第２熱交換器部が接続した第１接続状態と、前記第１膨張弁と前記カスケード熱交換器との間における前記第１冷媒の経路に前記第２熱交換器部が接続した第２接続状態とを切換える第１切換え弁と、
　　前記第２接続状態において、前記第１膨張弁と前記カスケード熱交換器との間における前記第１冷媒の経路を、前記第１膨張弁より前記カスケード熱交換器に前記第１冷媒を直接的に供給する第１供給路から、前記第１膨張弁より前記第２熱交換器部を介して前記カスケード熱交換器に前記第１冷媒を供給する第２供給路に切換える第２切換え弁とを備え、
　前記制御装置は、前記第１運転から前記第２運転に切換える場合に、前記第１切換え弁により前記第２熱交換器部を前記第２接続状態に切換えた後、前記第２切換え弁により前記第１冷媒の経路を前記第１供給路から前記第２供給路に切換える、請求項３または請求項４に記載の二元冷凍装置。
　前記第１熱交換器部の熱交換量を調節する第１熱交換媒体を前記第１熱交換器部に供給する第１供給装置と、
　前記第２熱交換器部の熱交換量を調節する第２熱交換媒体を前記第２熱交換器部に供給する第２供給装置とをさらに備え、
　前記制御装置は、前記第１供給装置による前記第１熱交換媒体の供給量を制御し、前記第２供給装置による前記第２熱交換媒体の供給量を制御する、請求項３～請求項５のいずれか１項に記載の二元冷凍装置。
　前記第１熱交換媒体の供給経路と、前記第２熱交換媒体の供給経路とが異なる、請求項６に記載の二元冷凍装置。
　前記制御装置は、前記第１運転から前記第２運転に切換える場合に、前記第１運転と比べて前記第１供給装置による前記第１熱交換媒体の供給量を増加させた後、前記第１運転と比べて前記第２供給装置による前記第２熱交換媒体の供給量を増加させる制御をする、請求項６または請求項７に記載の二元冷凍装置。
　前記制御装置は、前記第１運転から前記第２運転に切換える場合に、前記第１運転と比べて前記第２供給装置による前記第２熱交換媒体の供給量を増加させた後、前記切換え装置により前記第２熱交換器部の状態を前記第２状態に切換える制御をする、請求項６または請求項７に記載の二元冷凍装置。
　前記制御装置は、前記第１運転から前記第２運転に切換える場合に、
　　前記第１運転と比べて前記第１供給装置による前記第１熱交換媒体の供給量を増加させた後、前記第１運転と比べて前記第２供給装置による前記第２熱交換媒体の供給量を増加させる制御をし、
　　前記第２供給装置による前記第２熱交換媒体の供給量を増加させる制御をした後、前記切換え装置により前記第２熱交換器部の状態を前記第２状態に切換える制御をする、請求項６または請求項７に記載の二元冷凍装置。
　前記第２圧縮機と前記カスケード熱交換器との間の経路の圧力を検出する圧力センサをさらに備え、
　前記制御装置は、前記第２運転において、前記圧力センサにより検出された圧力が基準範囲内となるように、前記第２供給装置から前記第２熱交換器部に供給する前記第２熱交換媒体を制御する、請求項６～請求項１０のいずれか１項に記載の二元冷凍装置。
　外気温度を検出する外気温度センサと、
　前記第２圧縮機と前記カスケード熱交換器との間の経路の圧力を検出する圧力センサとをさらに備え、
　前記制御装置は、前記第２運転において、前記外気温度センサにより検出された外気温度が第１基準値よりも低く、前記圧力センサにより検出された圧力が第２基準値よりも低い場合に、前記第１圧縮機を停止させる、請求項６～請求項１０のいずれか１項に記載の二元冷凍装置。
　前記第１熱交換器部は、扁平管型の熱交換器である、請求項１～請求項１２のいずれか１項に記載の二元冷凍装置。
　前記第１熱交換器部は、前記第２熱交換器部よりも容積が大きい、請求項１～請求項１３のいずれか１項に記載の二元冷凍装置。