JP6157721B2 - 冷凍装置、及び、冷凍装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、多元冷凍サイクルを備えた冷凍装置、及び、多元冷凍サイクルを備えた冷凍装置の制御方法に関する。

従来の冷凍装置として、低元側圧縮機、低元側凝縮器、低元側減圧装置、及び、低元側蒸発器を有し、低元側冷媒を循環させる低元側冷凍サイクルと、高元側圧縮機、高元側凝縮器、高元側減圧装置、及び、高元側蒸発器を有し、高元側冷媒を循環させる高元側冷凍サイクルと、低元側凝縮器の低元側冷媒と高元側蒸発器の高元側冷媒とを熱交換させるカスケードコンデンサと、制御装置と、を備えたものがある。そのような冷凍装置では、低元側冷媒としてＣＯ_２冷媒が用いられる（特許文献１参照）。

特開２００１−９１０７４号公報（段落［０００７］〜段落［００１３］、図１〜図４）

そのような冷凍装置では、低元側冷凍サイクルの圧力範囲が、ＣＯ_２冷媒の臨界圧力である７．４ＭＰａ以下に制御される場合がある。そして、そのような冷凍装置において、例えば、低元側冷媒として、圧力範囲をＣＯ_２冷媒と比較して低くすることができる、ＨＦＯ−１１２３冷媒（１，１，２トリフルオロエチレン冷媒）等が用いられると、冷凍装置の安全性能を向上することが可能となり、また、低元側冷凍サイクルを構成する各機器の耐圧性能を低減して、冷凍装置を低コスト化することが可能となる。

また、理論サイクルにおけるＣＯＰ（成績係数）は、蒸発温度１０℃、凝縮温度４５℃、過冷却度０Ｋ、過熱度０Ｋである時、ＣＯ_２冷媒では５．７０、ＨＦＣ（ヒドロフルオロカーボン）−３２冷媒では６．３３、ＨＦＣ−４１０Ａ冷媒では６．０６となり、蒸発温度−３０℃、凝縮温度４５℃、過冷却度０Ｋ、過熱度０Ｋである時、ＣＯ_２冷媒では１．９４、ＨＦＣ−３２冷媒では２．１３、ＨＦＣ−４１０Ａ冷媒では１．９９となる（『ＳＩによる上級冷凍受験テキスト』（第７次改訂版、社団法人日本冷凍空調学会発行）から引用）。つまり、低元側冷媒がＣＯ_２冷媒である場合には、低元側冷媒がＨＦＣ系冷媒である場合と比較して、理論サイクルにおけるＣＯＰ（成績係数）が劣る場合がある。そのため、そのような冷凍装置において、例えば、低元側冷媒として、理論サイクルにおけるＣＯＰ（成績係数）をＨＦＣ系冷媒等と同程度にすることができる、ＨＦＯ−１１２３冷媒等が用いられると、冷凍装置の運転効率を向上できる場合がある。

また、例えば、低元側冷媒として、ＧＷＰ（地球温暖化係数）がＣＯ_２冷媒と比較して低い又は同程度である、ＨＦＯ−１１２３冷媒等が用いられると、冷凍装置の地球温暖化への影響を低減することができる場合がある。

しかしながら、ＨＦＯ−１１２３冷媒等は、不均化反応を生じる冷媒であり、低元側冷媒にそのような冷媒が用いられた冷凍装置を動作させる技術が、未だ確立されていないため、低元側冷媒としてそのような冷媒を用いて、例えば、冷凍装置の安全性能を向上すること、冷凍装置を低コスト化すること、冷凍装置の運転効率を向上すること、冷凍装置の地球温暖化への影響を低減すること等の、実現性が低いという問題点があった。

本発明は、上記のような課題を背景としてなされたものであり、低元側冷媒に不均化反応を生じる冷媒が用いられた冷凍装置を動作させる技術を確立して、例えば、安全性能を向上すること、低コスト化すること、運転効率を向上すること、地球温暖化への影響を低減すること等の、実現性が向上された冷凍装置を得ることを目的としている。また、そのような冷凍装置の制御方法を得ることを目的としている。

本発明に係る冷凍装置は、低元側圧縮機、低元側凝縮器、低元側減圧装置、及び、低元側蒸発器を有し、低元側冷媒を循環させる低元側冷凍サイクルと、高元側圧縮機、高元側凝縮器、高元側減圧装置、及び、高元側蒸発器を有し、高元側冷媒を循環させる高元側冷凍サイクルと、前記低元側凝縮器の前記低元側冷媒と、前記高元側蒸発器の前記高元側冷媒と、を熱交換させるカスケードコンデンサと、制御装置と、を備え、前記低元側冷媒は、不均化反応を生じる冷媒であり、前記低元側冷媒の圧力は、前記低元側冷媒が不均化反応を生じる圧力と比較して低い圧力に維持されるものである。

本発明に係る冷凍装置では、低元側冷媒の圧力が、低元側冷媒が不均化反応を生じる圧力と比較して低い圧力に維持される。そのため、低元側冷媒が不均化反応を生じる冷媒であるにも関わらず、恰も、低元側冷媒が不均化反応を生じる冷媒でない場合のように、冷凍装置を動作させることが可能となって、例えば、冷凍装置の安全性能を向上すること、冷凍装置を低コスト化すること、冷凍装置の省エネ性能を向上すること、冷凍装置の地球温暖化への影響を低減すること等の、実現性が向上される。

実施の形態１に係る冷凍装置の、構成を説明するための図である。 実施の形態１に係る冷凍装置の、構成を説明するための図である。 実施の形態１に係る冷凍装置の、低元側冷媒がＨＦＯ−１１２３冷媒である場合の特性を説明するための図である。 実施の形態１に係る冷凍装置の、低元側冷媒がＨＦＯ−１１２３冷媒とＨＦＯ−１２３４ｙｆ冷媒との混合冷媒である場合の特性を説明するための図である。 実施の形態２に係る冷凍装置の、構成を説明するための図である。 実施の形態３に係る冷凍装置の、構成を説明するための図である。

以下、本発明に係る冷凍装置について、図面を用いて説明する。
なお、以下で説明する構成、動作等は、一例にすぎず、本発明に係る冷凍装置は、そのような構成、動作等である場合に限定されない。また、各図において、細かい構造については、適宜図示を簡略化又は省略している。また、重複又は類似する説明については、適宜簡略化又は省略している。

実施の形態１．
実施の形態１に係る冷凍装置について説明する。
＜冷凍装置の構成＞
以下に、実施の形態１に係る冷凍装置の構成について説明する。
図１及び図２は、実施の形態１に係る冷凍装置の、構成を説明するための図である。
図１及び図２に示されるように、冷凍装置１は、低元側冷凍サイクル１０と高元側冷凍サイクル３０との、二元冷媒サイクルを備える。冷凍装置１が、３つ以上の冷凍サイクルを備えていてもよい。

低元側冷凍サイクル１０は、低元側圧縮機１１と、低元側凝縮器１２と、低元側減圧装置である低元側膨張弁１３と、低元側蒸発器１４と、を有し、低元側冷媒を循環させる。例えば、運転状況の変化に応じて、低元側冷凍サイクル１０の必要冷媒量が大きく変動する場合等では、図２に示されるように、低元側凝縮器１２と低元側膨張弁１３との間を連通させる配管に、低元側受液器１５が配設されてもよい。低元側膨張弁１３は、キャピラリチューブ等の他の減圧装置であってもよい。低元側蒸発器１４は、冷熱源として使用される。低元側冷媒は、ＨＦＯ−１１２３冷媒等の不均化反応を生じる冷媒である。

高元側冷凍サイクル３０は、高元側圧縮機３１と、高元側凝縮器３２と、高元側減圧装置である高元側膨張弁３３と、高元側蒸発器３４と、を有し、高元側冷媒を循環させる。高元側圧縮機３１は、能力可変式である。高元側膨張弁３３は、キャピラリチューブ等の他の減圧装置であってもよい。

低元側凝縮器１２及び高元側蒸発器３４は、カスケードコンデンサ４０に内蔵される。カスケードコンデンサ４０において、低元側凝縮器１２の低元側冷媒と高元側蒸発器３４の高元側冷媒とが、熱交換を行う。

高元側冷媒は、ＧＷＰ（地球温暖化係数）が高いＨＦＣ系冷媒等である。高元側冷凍サイクル３０では、例えば、高元側蒸発器３４がカスケードコンデンサ４０に内蔵される等の、高元側冷媒が漏れにくい構造が採用されるため、そのような冷媒が用いられても、環境への影響が少ない。また、ＨＦＣ系冷媒は、他の冷媒と比較して、ＣＯＰ（成績係数）が高いため、高元側冷凍サイクル３０の運転効率が向上される。なお、高元側冷媒として、ＨＦＣ系冷媒と比較してＧＷＰ（地球温暖化係数）が高い他の冷媒、例えば、ＨＦＯ−１２３４ｙｆ冷媒（２，３，３，３−テトラフルオロプロペン冷媒）、ＨＣ系冷媒、ＣＯ_２冷媒、水等が、用いられてもよい。つまり、高元側冷媒は、低元側冷媒が同一の冷凍サイクルに用いられる場合と比較して、その冷凍サイクルの運転効率を高くする冷媒である。

高元側冷媒が、例えばＨＦＣ系冷媒等のような、臨界点が高いものである場合には、高元側冷凍サイクル３０の高圧側に、高元側受液器が配設されて、余剰冷媒が処理されるとよい。また、高元側冷媒が、例えばＣＯ_２冷媒等のような、臨界点が低いものである場合には、高元側冷凍サイクル３０の低圧側に、高元側アキュムレーターが配設されて、余剰冷媒が処理されるとよい。

低元側冷凍サイクル１０は、低元側冷凍サイクル１０の高圧圧力を検出する低元側高圧圧力検出手段である、低元側高圧圧力センサー２１と、低元側冷凍サイクル１０の低圧圧力を検出する低元側低圧圧力検出手段である、低元側低圧圧力センサー２２と、低元側圧縮機１１から吐出される低元側冷媒の温度を検出する低元側吐出温度検出手段である、低元側吐出温度センサー２３と、を有する。低元側高圧圧力センサー２１は、低元側凝縮器１２と低元側膨張弁１３との間を連通させる配管に配設される。低元側低圧圧力センサー２２は、低元側蒸発器１４と低元側圧縮機１１との間を連通させる配管に配設される。低元側吐出温度センサー２３は、低元側圧縮機１１と低元側凝縮器１２との間を連通させる配管に配設される。なお、後述する動作において使用されないセンサーは、配設されなくてもよい。

低元側高圧圧力センサー２１及び低元側低圧圧力センサー２２は、低元側冷媒の圧力自体を検出してもよく、また、低元側冷媒の圧力に換算できる他の物理量を検出してもよい。つまり、本発明における「低元側高圧圧力検出手段」及び「低元側低圧圧力検出手段」は、実質的に圧力を検出する手段であればよい。また、低元側吐出温度センサー２３は、低元側冷媒の吐出温度自体を検出してもよく、また、低元側冷媒の吐出温度に換算できる他の物理量を検出してもよい。

低元側高圧圧力センサー２１の検出信号と、低元側低圧圧力センサー２２の検出信号と、低元側吐出温度センサー２３の検出信号と、は、制御装置５０に入力される。制御装置５０は、冷凍装置１の動作全般を司る。制御装置５０を構成する全部又は各部は、例えば、マイコン、マイクロプロセッサユニット等で構成されてもよく、また、ファームウェア等の更新可能なもので構成されてもよく、また、ＣＰＵ等からの指令によって実行されるプログラムモジュール等であってもよい。

＜冷凍装置の動作＞
以下に、実施の形態１に係る冷凍装置の動作について説明する。
低元側冷凍サイクル１０において、低元側圧縮機１１で圧縮されて吐出された低元側冷媒は、カスケードコンデンサ４０内の低元側凝縮器１２で冷却された後、低元側膨張弁１３で減圧される。低元側膨張弁１３で減圧された低元側冷媒は、低元側蒸発器１４で蒸発し、吸入管を介して低元側圧縮機１１へ還流する。

また、高元側冷凍サイクル３０において、高元側圧縮機３１で圧縮されて吐出された高元側冷媒は、空気熱交換器である高元側凝縮器３２で放熱し、凝縮された後、高元側膨張弁３３で減圧される。高元側膨張弁３３で減圧された高元側冷媒は、カスケードコンデンサ４０内の高元側蒸発器３４において、低元側凝縮器１２の冷媒と熱交換しつつ蒸発し、高元側圧縮機３１へ還流する。

図３は、実施の形態１に係る冷凍装置の、低元側冷媒がＨＦＯ−１１２３冷媒である場合の特性を説明するための図である。
低元側冷媒が、ＨＦＯ−１１２３冷媒である場合には、図３に示されるように、圧力が高くなると、低元側冷媒に不均化反応が生じる。不均化反応が生じる圧力は、温度が高くなる程低くなる。つまり、圧力の変動がない場合でも、温度が高くなると、低元側冷媒に不均化反応が生じる。例えば、温度が１２０℃程度である場合には、圧力が０．７ＭＰａを超えると、低元側冷媒に不均化反応が生じ、圧力が０．７ＭＰａである場合には、温度が１２０℃程度を越えると、低元側冷媒に不均化反応が生じる。低元側冷媒が、ＨＦＯ−１１２３冷媒である場合の、不均化反応前後の化学式は、以下（１）である。

［化１］
ＣＦ_２ ＝ ＣＨＦ → １／２ＣＦ_４ ＋ ３／２Ｃ ＋ ＨＦ ・・・（１）

図４は、実施の形態１に係る冷凍装置の、低元側冷媒がＨＦＯ−１１２３冷媒とＨＦＯ−１２３４ｙｆ冷媒との混合冷媒である場合の特性を説明するための図である。
一方、低元側冷媒が、ＨＦＯ−１１２３冷媒とＨＦＯ−１２３４ｙｆ冷媒との混合冷媒である場合には、図４に示されるように、不均化反応が生じる圧力を高くすることができる。また、不均化反応が生じる温度を高くすることができる。つまり、低元側冷媒が、ＨＦＯ−１１２３冷媒である場合と比較して、不均化反応を生じにくくすることができる。そして、ＨＦＯ−１１２３冷媒のモル比が低くなる、つまり、ＨＦＯ−１２３４ｙｆ冷媒の混合比率が高くなる程、不均化反応が生じる圧力が高くなる。

また、低元側冷媒が、ＨＦＯ−１１２３冷媒とＨＦＣ−３２冷媒との混合冷媒である場合には、低元側冷媒が、ＨＦＯ−１１２３冷媒とＨＦＯ−１２３４ｙｆ冷媒との混合冷媒である場合と比較して、不均化反応が生じる圧力を更に高くすることができる。また、不均化反応が生じる温度を更に高くすることができる。

一方、低元側冷媒に不均化反応が生じると、その反応生成物によって分解反応が連鎖することとなるため、冷凍装置１の動作等に支障をきたす虞がある。そのため、低元側冷凍サイクル１０の高圧圧力が、低元側冷媒に不均化反応が生じる圧力と比較して高くなることを抑制するために、低元側冷媒が、ＨＦＯ−１１２３冷媒と比較して不均化反応を生じる圧力が高い、ＨＦＯ−１１２３冷媒とＨＦＯ−１２３４ｙｆ冷媒との混合冷媒であるとよい。また、低元側冷媒が、ＨＦＯ−１１２３冷媒とＨＦＯ−１２３４ｙｆ冷媒との混合冷媒と比較して不均化反応を生じる圧力が高い、ＨＦＯ−１１２３冷媒とＨＦＣ−３２冷媒との混合冷媒であると更によい。しかし、低元側冷媒が、それらの混合冷媒である場合でも、低元側冷凍サイクル１０の高圧圧力が高くなると、不均化反応が生じてしまう。

そのため、冷凍装置１では、低元側冷凍サイクル１０の高圧圧力が、低元側冷媒が不均化反応を生じる圧力と比較して低い圧力に維持される。
以下に、その実現の具体例を説明する。
なお、各具体例の全て又一部が、組み合わされてもよい。

（具体例−１）
制御装置５０は、高元側圧縮機３１の運転状態（回転数等）を、低元側冷凍サイクル１０の冷却負荷が増加する場合には、高元側冷凍サイクル３０の動作圧力（低圧圧力）が低下するように制御し、低元側冷凍サイクル１０の冷却負荷が減少する場合には、高元側冷凍サイクル３０の動作圧力（低圧圧力）が上昇するように制御する。高元側冷凍サイクル３０の動作圧力（低圧圧力）が低下することで、低元側冷凍サイクル１０の高圧圧力と高元側冷凍サイクル３０の低圧圧力との差が大きくなり、低元側冷凍サイクル１０の高圧圧力が低下する。高元側冷凍サイクル３０の動作圧力（低圧圧力）が上昇することで、低元側冷凍サイクル１０の高圧圧力と高元側冷凍サイクル３０の低圧圧力との差が小さくなり、低元側冷凍サイクル１０の高圧圧力が上昇する。高元側圧縮機３１の運転状態（回転数等）がそのように制御されることで、低元側冷媒から高元側冷媒への放熱量が増減されることとなり、低元側冷凍サイクル１０の冷却負荷が変動した場合でも、低元側冷凍サイクル１０の高圧圧力を、低元側冷媒が不均化反応を生じる圧力未満に維持することが可能となる。

（具体例−２）
制御装置５０は、高元側圧縮機３１の運転状態（回転数等）を、低元側高圧圧力センサー２１で検出される高圧圧力が、低元側冷媒が不均化反応を生じる圧力未満に維持されるように、制御する。高元側圧縮機３１の運転状態（回転数等）がそのように制御されることで、低元側冷媒から高元側冷媒への放熱量が増減されることとなり、低元側冷凍サイクル１０の冷却負荷が変動した場合でも、低元側冷凍サイクル１０の高圧圧力を、低元側冷媒が不均化反応を生じる圧力未満に維持することが可能となる。制御装置５０は、高元側圧縮機３１の運転状態（回転数等）を、低元側吐出温度センサー２３で検出される吐出温度が、低元側冷媒が不均化反応を生じる温度未満に維持されるように、制御してもよい。

（具体例−３）
低元側冷凍サイクル１０が、圧力又は温度が基準値まで上昇すると開放される、圧力逃し装置を有し、低元側冷媒の圧力が、その圧力逃し装置によって、低元側冷媒が不均化反応を生じる圧力未満に維持される。例えば、図２に示されるように、低元側受液器１５に、圧力逃し装置である可溶栓１５ａが設けられ、低元側冷媒の圧力又は温度が基準値まで上昇した際に、その可溶栓１５ａの融点が低い部分が溶けて穴が開くことで、低元側冷媒の圧力が、低元側冷媒が不均化反応を生じる圧力未満に維持される。制御装置５０が、低元側高圧圧力センサー２１で検出される高圧圧力が基準値まで上昇した際に、又は、低元側吐出温度センサー２３で検出される吐出温度が基準値まで上昇した際に、低元側圧縮機１１を停止してもよい。

（具体例−４）
制御装置５０は、高元側圧縮機３１の運転状態（回転数等）を、低元側高圧圧力センサー２１で検出される高圧圧力が、低元側冷媒が不均化反応を生じる圧力と、低元側低圧圧力センサー２２で検出される低圧圧力と、の相乗平均値となるように、制御する。

高元側圧縮機３１の運転状態（回転数等）がそのように制御されることで、低元側冷凍サイクル１０の高圧圧力が、低元側冷媒が不均化反応を生じる圧力と、低元側冷凍サイクル１０の低圧圧力と、の中間圧力となるため、低元側冷凍サイクル１０の高圧圧力を、低元側冷媒が不均化反応を生じる圧力未満に維持しつつ、低元側圧縮機１１の吐出温度を抑制することが可能となる。

また、低元側冷凍サイクル１０の高圧圧力が低くなり、高元側圧縮機３１の圧縮比が高くなるため、運転効率が向上されて、冷凍装置１が省エネルギー化される。特に、高元側冷媒が、ＨＦＣ系冷媒等である場合には、冷凍装置１が更に省エネルギー化される。例えば、外気の温度が３２℃であり、低元側蒸発器１４の蒸発温度が−１０℃〜−４０℃の範囲である場合に、高元側冷媒がＨＦＣ−４１０Ａ冷媒であると、冷凍装置１の運転効率はほぼ最大になる。

＜冷凍装置の作用＞
以下に、実施の形態１に係る冷凍装置の作用について説明する。
冷凍装置１では、低元側冷媒の圧力が、低元側冷媒が不均化反応を生じる圧力と比較して低い圧力に維持される。そのため、低元側冷媒が、ＨＦＯ−１１２３冷媒等のような不均化反応を生じる冷媒であるにも関わらず、恰も、低元側冷媒が不均化反応を生じる冷媒でない場合のように、冷凍装置１を動作させることが可能となって、例えば、冷凍装置１の安全性能を向上すること、冷凍装置１を低コスト化すること、冷凍装置１の省エネ性能を向上すること、冷凍装置１の地球温暖化への影響を低減すること等の、実現性が向上される。

つまり、ＨＦＯ−１１２３冷媒、ＨＦＯ−１１２３冷媒とＨＦＣ−３２冷媒との混合冷媒、ＨＦＯ−１１２３冷媒とＨＦＯ−１２３４ｙｆ冷媒との混合冷媒等は、不均化反応を生じる冷媒ではあるものの、低元側冷凍サイクル１０の圧力範囲を、ＣＯ_２冷媒と比較して低くすることができる。そのため、それらの冷媒が、恰も、低元側冷媒が不均化反応を生じる冷媒でない場合のように、冷凍装置１を動作させることが可能となることで、冷凍装置１の安全性能を向上することが可能となり、また、低元側冷凍サイクル１０を構成する各機器の耐圧性能を低減して、冷凍装置１を低コスト化することが可能となる。

また、ＨＦＯ−１１２３冷媒、ＨＦＯ−１１２３冷媒とＨＦＣ−３２冷媒との混合冷媒、ＨＦＯ−１１２３冷媒とＨＦＯ−１２３４ｙｆ冷媒との混合冷媒等は、不均化反応を生じる冷媒ではあるものの、理論サイクルにおけるＣＯＰ（成績係数）をＨＦＣ系冷媒等と同程度にすることができる。そのため、それらの冷媒が、恰も、低元側冷媒が不均化反応を生じる冷媒でない場合のように、冷凍装置１を動作させることが可能となることで、冷凍装置１の運転効率を向上できる場合が生じる。

また、ＨＦＯ−１１２３冷媒、ＨＦＯ−１１２３冷媒とＨＦＣ−３２冷媒との混合冷媒、ＨＦＯ−１１２３冷媒とＨＦＯ−１２３４ｙｆ冷媒との混合冷媒等は、不均化反応を生じる冷媒ではあるものの、ＧＷＰ（地球温暖化係数）を、ＣＯ_２冷媒と比較して低くする、又は、同程度とすることができる。そのため、それらの冷媒が、恰も、低元側冷媒が不均化反応を生じる冷媒でない場合のように、冷凍装置１を動作させることが可能となることで、冷凍装置１の地球温暖化への影響を低減することができる場合が生じる。

そして、更に、低元側冷媒が、ＨＦＯ−１１２３冷媒とＨＦＣ−３２冷媒との混合冷媒である場合、又は、ＨＦＯ−１１２３冷媒とＨＦＯ−１２３４ｙｆ冷媒との混合冷媒である場合には、低元側冷媒が、ＨＦＯ−１１２３冷媒である場合と比較して、低元側冷媒が不均化反応を生じる圧力を高くすることができ、恰も、低元側冷媒が不均化反応を生じる冷媒でない場合のように、冷凍装置１を動作させることの確実性が、向上される。

なお、冷凍装置１が、ノンフロン化又はフロン冷媒の削減、又は、省エネルギー化が要求される、ショーケース、業務用冷凍冷蔵庫、自動販売機等の、冷蔵機器又は冷凍機器であってもよいことは、言うまでもない。

実施の形態２．
実施の形態２に係る冷凍装置について説明する。
なお、実施の形態１と重複又は類似する説明は、適宜簡略化又は省略している。
＜冷凍装置の構成＞
以下に、実施の形態２に係る冷凍装置の構成について説明する。
図５は、実施の形態２に係る冷凍装置の、構成を説明するための図である。
図５に示されるように、低元側冷凍サイクル１０は、低元側凝縮器１２と低元側膨張弁１３との間を連通させる配管に配設された低元側受液器１５と、低元側圧縮機１１と低元側凝縮器１２との間を連通させる配管に配設された逆止弁１６と、低元側受液器１５と低元側膨張弁１３との間を連通させる配管に配設された、開閉弁である電磁弁１７と、を有する。

また、高元側冷凍サイクル３０は、低元側冷媒を冷却する冷却手段である冷却部３５を有する。冷却部３５は、例えば、高元側冷凍サイクル３０の、高元側膨張弁３３と高元側蒸発器３４との間を連通させる配管である。例えば、その配管が、低元側受液器１５内を通るように配設されることで、低元側受液器１５内の低元側冷媒が冷却される。

＜冷凍装置の動作＞
以下に、実施の形態２に係る冷凍装置の動作について説明する。
制御装置５０は、通常運転時には、実施の形態１と同様に、低元側冷凍サイクル１０の低元側冷媒を循環させるとともに、高元側冷凍サイクル３０の高元側冷媒を循環させる。そして、例えば、温度制御等のために、低元側圧縮機１１を断続運転する等の場合において、低元側圧縮機１１が停止される際には、制御装置５０は、低元側圧縮機１１を停止する前に、電磁弁１７を閉状態にし、低元側圧縮機１１を稼働することを所定時間継続する。制御装置５０がそのように動作することで、低元側冷凍サイクル１０内の低元側冷媒が、低元側冷凍サイクル１０の逆止弁１６と電磁弁１７との間、特に低元側受液器１５に、高圧となって貯留された状態で、低元側圧縮機１１が停止されることとなる。

そして、制御装置５０は、低元側圧縮機１１が停止中に、高元側圧縮機３１を稼働する。制御装置５０がそのように動作することで、低元側凝縮器１２内の低元側冷媒が、カスケードコンデンサ４０において高元側蒸発器３４の高元側冷媒によって冷却されることとなるため、例えば、周囲温度が上昇しても、低元側冷凍サイクル１０内の冷媒密度が高く保たれることとなって、低元側冷媒の圧力上昇が抑制される。

更に、冷却部３５によって、低元側受液器１５内が冷却される。低元側受液器１５に多くの低元側冷媒が貯留されているため、低元側冷媒が効率よく冷却されることとなって、低元側冷媒の圧力上昇が更に抑制される。

＜冷凍装置の作用＞
以下に、実施の形態２に係る冷凍装置の作用について説明する。
冷凍装置１では、低元側圧縮機１１が停止する場合であっても、低元側冷媒の圧力が、低元側冷媒が不均化反応を生じる圧力と比較して低い圧力に維持される。そのため、低元側冷媒が、ＨＦＯ−１１２３冷媒等のような不均化反応を生じる冷媒であるにも関わらず、恰も、低元側冷媒が不均化反応を生じる冷媒でない場合のように、冷凍装置１を動作させることが可能となって、例えば、冷凍装置１の安全性能を向上すること、冷凍装置１を低コスト化すること、冷凍装置１の省エネ性能を向上すること、冷凍装置１の地球温暖化への影響を低減すること等の、実現性が向上される。

実施の形態３．
実施の形態３に係る冷凍装置について説明する。
なお、実施の形態１及び実施の形態２と重複又は類似する説明は、適宜簡略化又は省略している。
＜冷凍装置の構成＞
以下に、実施の形態３に係る冷凍装置の構成について説明する。
図６は、実施の形態３に係る冷凍装置の、構成を説明するための図である。
図６に示されるように、低元側冷凍サイクル１０は、低元側凝縮器１２と低元側膨張弁１３との間を連通させる配管に配設された低元側受液器１５と、低元側圧縮機１１と低元側凝縮器１２との間を連通させる配管に配設された逆止弁１６と、低元側受液器１５と低元側膨張弁１３との間を連通させる配管に配設された電磁弁１７と、を有する。なお、実施の形態２と同様に、高元側冷凍サイクル３０が冷却部３５を有していてもよく、また、有していなくてもよい。

低元側受液器１５は、低元側受液器１５内の圧力が、低元側冷媒が不均化反応を生じる圧力未満である場合に、全ての低元側冷媒を液冷媒として逆止弁１６と電磁弁１７との間に貯留できる容量である。具体的には、低元側冷凍サイクル１０に封入される低元側冷媒の総冷媒量と、想定される周囲空気の最高温度と、から低元側冷媒の液状態での最大体積を求め、低元側受液器１５の容量を、逆止弁１６と電磁弁１７との間を連通させる部材の総容量がその最大体積と比較して大きくなる、容量とする。逆止弁１６と電磁弁１７との間を連通させる部材の総容量には、低元側受液器１５の容量に、例えば、低元側凝縮器１２の容量、逆止弁１６と低元側凝縮器１２との間を連通させる配管の容量、低元側凝縮器１２と低元側受液器１５との間を連通させる配管の容量、低元側受液器１５と電磁弁１７との間を連通させる配管の容量等が加えられた容量である。

＜冷凍装置の動作＞
以下に、実施の形態３に係る冷凍装置の動作について説明する。
例えば、高元側圧縮機３１が故障する等の場合において、高元側圧縮機３１が運転を停止する際には、制御装置５０は、低元側圧縮機１１を停止する前に、電磁弁１７を閉状態にし、低元側圧縮機１１を稼働することを所定時間継続する。制御装置５０がそのように動作することで、低元側冷凍サイクル１０内の低元側冷媒が、低元側冷凍サイクル１０の逆止弁１６と電磁弁１７との間、特に低元側受液器１５に、高圧となって貯留された状態で、低元側圧縮機１１が停止されることとなる。

高元側圧縮機３１が運転を停止すると、低元側冷凍サイクル１０の放熱手段がなくなるが、低元側冷媒は、低元側冷凍サイクル１０の逆止弁１６と電磁弁１７との間、特に低元側受液器１５に、高圧となって貯留されて、周囲空気によって冷却されることとなるため、飽和液状態に近い気液二相状態となって、冷媒密度が高く保たれることとなり、その結果、低元側冷媒の圧力が低く維持される。そのため、低元側冷媒の圧力が、低元側冷媒が不均化反応を生じる圧力と比較して高くなることが抑制される。また、低元側冷媒の圧力が、圧力上限値、つまり設計圧を超えて高くなることが抑制されるため、冷凍装置１の信頼性が向上される。

また、低元側受液器１５の容量が、低元側受液器１５内の圧力が、低元側冷媒が不均化反応を生じる圧力未満である場合に、全ての低元側冷媒を液冷媒として逆止弁１６と電磁弁１７との間に貯留できる容量であり、その容量が、想定される周囲空気の最高温度から決定されるため、周囲空気の温度が上昇しても、低元側冷媒の圧力が、逆止弁１６と電磁弁１７との間を連通させる部材の総容量の不足によって上昇することが抑制される。そのため、低元側冷媒の圧力が、低元側冷媒が不均化反応を生じる圧力と比較して高くなることが更に抑制される。また、低元側冷媒の圧力が、圧力上限値、つまり設計圧を超えて高くなることが更に抑制されるため、冷凍装置１の信頼性が更に向上される。

なお、低元側冷凍サイクル１０の逆止弁１６と電磁弁１７との間に貯留された低元側冷媒は、飽和液状態に近い気液二相状態となるため、低元側冷媒の圧力を温度から求めることができる。そのため、想定される周囲空気の最高温度を換算した圧力を用いて、低元側冷凍サイクル１０の逆止弁１６と電磁弁１７との間の耐圧性能を、決定することができる。

＜冷凍装置の作用＞
以下に、実施の形態３に係る冷凍装置の作用について説明する。
冷凍装置１では、高元側圧縮機３１が停止する場合であっても、低元側冷媒の圧力が、低元側冷媒が不均化反応を生じる圧力と比較して低い圧力に維持される。そのため、低元側冷媒が、ＨＦＯ−１１２３冷媒等のような不均化反応を生じる冷媒であるにも関わらず、恰も、低元側冷媒が不均化反応を生じる冷媒でない場合のように、冷凍装置１を動作させることが可能となって、例えば、冷凍装置１の安全性能を向上すること、冷凍装置１を低コスト化すること、冷凍装置１の省エネ性能を向上すること、冷凍装置１の地球温暖化への影響を低減すること等の、実現性が向上される。

以上、実施の形態１〜実施の形態３について説明したが、本発明は各実施の形態の説明に限定されない。例えば、各実施の形態の全部又は一部、各具体例、各変形例等を組み合わせることも可能である。

１ 冷凍装置、１０ 低元側冷凍サイクル、１１ 低元側圧縮機、１２ 低元側凝縮器、１３ 低元側膨張弁、１４ 低元側蒸発器、１５ 低元側受液器、１５ａ 可溶栓、１６ 逆止弁、１７ 電磁弁、２１ 低元側高圧圧力センサー、２２ 低元側低圧圧力センサー、２３ 低元側吐出温度センサー、３０ 高元側冷凍サイクル、３１ 高元側圧縮機、３２ 高元側凝縮器、３３ 高元側膨張弁、３４ 高元側蒸発器、３５ 冷却部、４０ カスケードコンデンサ、５０ 制御装置。

Claims (20)

1. 低元側圧縮機、低元側凝縮器、低元側減圧装置、及び、低元側蒸発器を有し、低元側冷媒を循環させる低元側冷凍サイクルと、
   高元側圧縮機、高元側凝縮器、高元側減圧装置、及び、高元側蒸発器を有し、高元側冷媒を循環させる高元側冷凍サイクルと、
   前記低元側凝縮器の前記低元側冷媒と、前記高元側蒸発器の前記高元側冷媒と、を熱交換させるカスケードコンデンサと、
   制御装置と、を備え、
   前記低元側冷媒は、不均化反応を生じる冷媒であり、
   前記低元側冷媒の圧力は、前記低元側冷媒が不均化反応を生じる圧力と比較して低い圧力に維持される、冷凍装置。
2. 前記制御装置は、
   前記高元側冷凍サイクルの低圧圧力を変化させることで、前記低元側冷媒の圧力を、前記低元側冷媒が不均化反応を生じる圧力と比較して低い圧力に維持する、請求項１に記載の冷凍装置。
3. 前記制御装置は、
   前記低元側冷凍サイクルの冷却負荷が増加する場合に、前記高元側冷凍サイクルの低圧圧力を低下させ、
   前記低元側冷凍サイクルの冷却負荷が減少する場合に、前記高元側冷凍サイクルの低圧圧力を上昇させる、請求項２に記載の冷凍装置。
4. 前記制御装置は、
   前記高元側圧縮機を制御することで、前記高元側冷凍サイクルの低圧圧力を変化させる、請求項２又は３に記載の冷凍装置。
5. 前記低元側冷凍サイクルは、
   前記低元側冷凍サイクルの高圧圧力を検出する低元側高圧圧力検出手段と、
   前記低元側冷凍サイクルの低圧圧力を検出する低元側低圧圧力検出手段と、を有し、
   前記制御装置は、
   前記低元側高圧圧力検出手段で検出される高圧圧力が、前記低元側冷媒が不均化反応を生じる圧力と、前記低元側低圧圧力検出手段で検出される低圧圧力と、の相乗平均値に、近づくように制御することで、前記低元側冷媒の圧力を、前記低元側冷媒が不均化反応を生じる圧力と比較して低い圧力に維持する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の冷凍装置。
6. 前記制御装置は、
   前記低元側圧縮機の停止中に前記高元側圧縮機を稼働することで、前記低元側冷媒の圧力を、前記低元側冷媒が不均化反応を生じる圧力と比較して低い圧力に維持する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の冷凍装置。
7. 前記低元側冷凍サイクルは、
   前記低元側凝縮器と前記低元側減圧装置との間を連通させる流路に配設された低元側受液器を有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の冷凍装置。
8. 前記低元側受液器の前記低元側冷媒は、前記低元側圧縮機の停止中に冷却される、請求項７に記載の冷凍装置。
9. 前記低元側冷凍サイクルは、
   前記低元側圧縮機と前記低元側凝縮器との間を連通させる流路に配設された逆止弁と、
   前記低元側受液器と前記低元側減圧装置との間を連通させる流路に配設された開閉弁と、を有し、
   前記制御装置は、
   前記開閉弁を閉じつつ前記低元側圧縮機を稼働する状態を維持した後に、前記低元側圧縮機を停止して、前記逆止弁と前記開閉弁との間の前記低元側冷媒を冷却することで、前記低元側冷媒の圧力を、前記低元側冷媒が不均化反応を生じる圧力と比較して低い圧力に維持する、請求項７又は８に記載の冷凍装置。
10. 前記低元側冷凍サイクルは、
    前記低元側圧縮機と前記低元側凝縮器との間を連通させる流路に配設された逆止弁と、
    前記低元側受液器と前記低元側減圧装置との間を連通させる流路に配設された開閉弁と、を有し、
    前記制御装置は、
    前記高元側圧縮機が停止する場合に、前記開閉弁を閉じつつ前記低元側圧縮機を稼働する状態を維持した後に、前記低元側圧縮機を停止して、前記低元側冷媒の圧力を、前記低元側冷媒が不均化反応を生じる圧力と比較して低い圧力に維持する、請求項７又は８に記載の冷凍装置。
11. 前記制御装置は、
    前記高元側圧縮機が停止する場合に、前記開閉弁を閉じつつ前記低元側圧縮機を稼働する状態を維持した後に、前記低元側圧縮機を停止して、前記低元側冷媒の圧力を、前記低元側冷媒が不均化反応を生じる圧力と比較して低い圧力に維持する、請求項９に記載の冷凍装置。
12. 前記逆止弁と前記開閉弁との間を連通させる部材の総容量は、
    前記低元側冷媒が不均化反応を生じる圧力と比較して低い圧力である場合の、前記低元側冷媒の液状態での最大体積と比較して、大きい、請求項１０又は１１に記載の冷凍装置。
13. 前記低元側冷凍サイクルは、圧力逃し装置を有する、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の冷凍装置。
14. 前記制御装置は、
    前記低元側冷媒の圧力及び温度のうちの少なくとも一方が基準値を超える場合に、前記低元側圧縮機を停止することで、前記低元側冷媒の圧力を、前記低元側冷媒が不均化反応を生じる圧力と比較して低い圧力に維持する、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の冷凍装置。
15. 前記高元側冷媒は、前記低元側冷媒が同一の冷凍サイクルに用いられる場合と比較して、該冷凍サイクルの運転効率を高くする冷媒である、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の冷凍装置。
16. 前記低元側冷媒は、ＨＦＯ−１１２３冷媒を含む、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の冷凍装置。
17. 前記低元側冷媒は、ＨＦＯ−１１２３冷媒にＨＦＣ系冷媒が混合された冷媒である、請求項１６に記載の冷凍装置。
18. 前記ＨＦＣ系冷媒は、ＨＦＣ−３２冷媒である、請求項１７に記載の冷凍装置。
19. 前記低元側冷媒は、ＨＦＯ−１１２３冷媒にＨＦＯ−１２３４ｙｆ冷媒が混合された冷媒である、請求項１６に記載の冷凍装置。
20. 低元側圧縮機、低元側凝縮器、低元側減圧装置、及び、低元側蒸発器を有し、低元側冷媒を循環させる低元側冷凍サイクルと、高元側圧縮機、高元側凝縮器、高元側減圧装置、及び、高元側蒸発器を有し、高元側冷媒を循環させる高元側冷凍サイクルと、前記低元側凝縮器の前記低元側冷媒と、前記高元側蒸発器の前記高元側冷媒と、を熱交換させるカスケードコンデンサと、を備えた冷凍装置の制御方法であって、
    前記低元側冷媒は、不均化反応を生じる冷媒であり、
    前記低元側冷媒の圧力を、前記低元側冷媒が不均化反応を生じる圧力と比較して低い圧力に維持する、冷凍装置の制御方法。

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