２元冷凍サイクル装置及びその制御方法
【課題】２元冷凍サイクル装置において、運転中の諸動作のハンチング現象をなくして安定運転を維持することで、所期の冷却能力を発揮させる。
【解決手段】低温側冷媒回路１４で低温側圧縮機３４から吐出した高温のＣＯ２冷媒ガスを冷媒流路１４ｂを介して高圧受液器４２に送り、高圧受液器４２内のＣＯ２凝縮液と熱交換させ、カスケードコンデンサ１６での凝縮温度付近に冷却する。冷却されたＣＯ２冷媒ガスをカスケードコンデンサ１６に送ってＮＨ３冷媒液と大部分潜熱熱交換させ、凝縮させる。高温側冷媒回路１２の圧縮機吸入側ＮＨ３冷媒ガスの過熱度の目標値と、カスケードコンデンサ１６でのＣＯ２凝縮温度とＮＨ３蒸発温度との差（アプローチ）の目標値を設定し、これらのうち電動式膨張弁２８の所要操作量が小さいほうを選択して電動式膨張弁２８をＰＩＤ制御により操作する。
【解決手段】低温側冷媒回路１４で低温側圧縮機３４から吐出した高温のＣＯ２冷媒ガスを冷媒流路１４ｂを介して高圧受液器４２に送り、高圧受液器４２内のＣＯ２凝縮液と熱交換させ、カスケードコンデンサ１６での凝縮温度付近に冷却する。冷却されたＣＯ２冷媒ガスをカスケードコンデンサ１６に送ってＮＨ３冷媒液と大部分潜熱熱交換させ、凝縮させる。高温側冷媒回路１２の圧縮機吸入側ＮＨ３冷媒ガスの過熱度の目標値と、カスケードコンデンサ１６でのＣＯ２凝縮温度とＮＨ３蒸発温度との差（アプローチ）の目標値を設定し、これらのうち電動式膨張弁２８の所要操作量が小さいほうを選択して電動式膨張弁２８をＰＩＤ制御により操作する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温側冷媒回路と低温側冷媒回路とをカスケードコンデンサを介して組み合わせ、低温側冷媒回路で冷却負荷を冷却するようにした２元冷凍サイクル装置において、運転時のハンチング現象をなくして安定運転を可能にしたものである。
【背景技術】
【０００２】
２元冷凍サイクルは、低温を得るため、凝縮温度が常温以下になるが大気圧における飽和温度が−６０℃程度になる低温側冷媒を別の高温側冷媒回路を用いて凝縮させるサイクルである。ＮＨ３冷媒を用いた１元冷凍サイクルは、冷却温度が−３０℃以下ではＣＯＰが小さく、かつＮＨ３冷媒が毒性や臭気性があるという欠点がある。これを改善するため、ＣＯ２を低温側冷媒とし、ＮＨ３を高温側冷媒としたＮＨ３／ＣＯ２２元冷凍サイクル装置が用いられている。この２元冷凍サイクル装置は、−５０℃前後の低温冷却を可能とすると共に、低温側冷媒回路にＣＯ２冷媒を使用することで、圧縮機の−５０℃前後でのＣＯＰを改善し、かつ無害のＣＯ２冷媒を用いることで、冷却負荷に対する安全性を確保できる利点をもつ。
【０００３】
特許文献１には、ＮＨ３／ＣＯ２２元冷凍サイクル装置を冷凍ショーケースやベルトフリーザ（密閉空間内で食品等の被冷却物をコンベアベルト上で搬送しながら冷風を吹き付けて冷凍する装置）等の冷却負荷に適用した例が開示されている。
【０００４】
従来のＮＨ３／ＣＯ２２元冷凍サイクル装置は、低温側冷媒回路の圧縮機吐出側で５０℃前後に加熱された高温の冷媒ガスがカスケードコンデンサに流入するため、高温側冷媒回路の圧縮機吸入側で過熱度コントロールがうまくいかず、ハンチング現象が生じる。該過熱度を２０℃まで上昇させた結果を図１０に示す。図１０に示すように、アプローチ（カスケードコンデンサでのＣＯ２冷媒の凝縮温度とＮＨ３冷媒の蒸発温度との差）は平均５℃で運転できたが、ハンチング現象を解消できず、このハンチング現象の影響でアプローチが２〜６℃の範囲で変動する傾向が見られた。図１０に示す運転状態を説明する。
【０００５】
カスケードコンデンサに５０℃前後の高温のＣＯ２冷媒が流入すると、ＮＨ３ＳＨ（高温側冷媒回路の圧縮機吸入側過熱度）が急激に上昇するため、これに応じて高温側冷媒回路の膨張弁が開方向に動作し、ＭＶ出力（該膨張弁の出力）が上昇する。ＭＶ出力の上昇により、カスケードコンデンサでのＣＯ２冷媒とＮＨ３冷媒との熱交換が促進され、ＣＯ２冷媒の凝縮温度が低下する。これによって、ＣＯ２Ｐｃ（カスケードコンデンサでのＣＯ２冷媒の凝縮圧力（飽和圧力））が急激に低下し、アプローチ（カスケードコンデンサでのＣＯ２冷媒の凝縮温度とＮＨ３冷媒の蒸発温度との差）が小さくなる。
【０００６】
アプローチが３℃程度まで接近した段階で、ＣＯ２冷媒とＮＨ３冷媒との熱交換量が低下し、そのため、急激にＮＨ３ＳＨが低下する。ＮＨ３ＳＨの低下に応じて前記膨張弁が閉方向に急激に動作し、ＭＶ出力が急激に下降する。このサイクルが７〜８分間隔で繰り返されるハンチング現象が起こる。
【０００７】
このハンチング現象が起こると、冷凍装置の正味定格出力を発揮できず、冷凍能力が低下する。また、ＮＨ３ＳＨを上げると、ハンチング現象を無くすことができるが、冷凍サイクルの冷却能力が低下し、ＣＯＰが低下する。
【０００８】
特許文献２には、２元冷凍サイクル装置において、低温側冷媒回路の圧縮機出口冷媒をカスケードコンデンサで凝縮させる前に、冷却能力調整手段を有する冷却器で冷却するようにし、これによって、運転の安定性を図った２元冷凍サイクル装置が開示されている。
以下、この２元冷凍サイクル装置を図１１で説明する。
【０００９】
図１１において、この２元冷凍サイクル装置１００は、高温側冷媒回路１０２と低温側冷媒回路１０４とがカスケードコンデンサ１０６で接続され、カスケードコンデンサ１０６で高温側冷媒と低温側冷媒とを熱交換させ、低温側冷媒を凝縮させ、高温側冷媒を蒸発させる。高温側冷媒回路１０２には、高温側圧縮機１０８、高温側凝縮器１１０及び高温側膨張弁１１１が介設され、低温側冷媒回路１０４には、低温側圧縮機１１２、低温側膨張弁１１４及び低温側蒸発器１１６が介設されている。本装置１００では、高温側圧縮機１１２の出口冷媒をカスケードコンデンサ１０６で凝縮させる前に、冷却器１１８で冷却するようにしている。冷却器１１８の冷却能力調整手段として、電磁弁１２２と電磁弁１２２を開閉する開閉操作器１２４とから構成される冷却調整部１２０を有する。
【００１０】
低温側冷媒として、冷却負荷を−６０℃程度に冷却可能なＲ２３又はＲ５０８が使用され、高温側冷媒としてＲ２２が使用される。冷却器１１８及び高温側凝縮器１１０には、夫々冷却水供給ライン１２６，１２８及び戻りライン１３０，１３２が導設され、前記電磁弁１２２は冷却水供給ライン１２８に設けられている。
冷却水は、例えば工場に敷設される工業用水系や冷却塔又は冷凍機で冷却された冷水ライン等から供給される。
【００１１】
かかる構成において、開閉操作器１２４を操作し、冷凍負荷がある程度以上大きいときは電磁弁１２２を開き、冬場等で冷凍負荷が小さいときは電磁弁１２２を閉鎖する。これによって、冷却器１１８への冷却水が供給又は供給停止され、その冷却能力が最大又は零に切換え調整される。
冷却負荷が大きいときに電磁弁１２２を開き、冷却器１１８に１０℃の冷却水を供給したときの冷媒温度等を回路中に示している。図中、括弧内は、冷却負荷が小さいときに電磁弁１２２を閉鎖したときの系内の温度や圧力状態を示す。
【００１２】
このように、冷却負荷が大きいときは、冷却器１１８に通水し、低温側圧縮機１１２から吐出された高温冷媒を予冷した後カスケードコンデンサ１０６に供給することにより、カスケードコンデンサ１０６での熱交換量を減少させる。これによって、高温側圧縮機１０８で処理熱量を減少させ、高温側圧縮機１０８の小型化と高温側冷媒回路１０２の全体的な冷却作用の効率化を図っている。
また、冷却負荷が小さいときは、電磁弁１２２を閉め、冷却器１１８への通水を遮断することにより、カスケードコンデンサ１０６での熱交換量を適正量に維持している。これによって、高温側冷媒回路１０２及び低温側冷媒回路１０４の冷媒流量を適正量に維持し、両回路での負圧運転を防止すると共に、低温側蒸発器１１６の冷媒液の滞留を防止するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００８−２０９１１１号公報
【特許文献２】特開２０００−３２０９１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
前述のように、従来の２元冷凍サイクル装置では、低温側圧縮機から吐出された高温冷媒がカスケードコンデンサに流入することにより、ＮＨ３ＳＨやＭＶ出力、及びＣＯ２Ｐｃ等にハンチング現象が起こり、安定運転ができないので、所期の冷却能力を発揮できない問題があった。
【００１５】
特許文献２に開示された２元冷凍サイクル装置では、冷却器１１８に工場に敷設される工業用水系や冷却塔又は冷凍機で冷却された冷水を通水し、これらの１０℃前後の冷水でカスケードコンデンサ１０６に供給される前の高温冷媒を予冷しているので、冷却効果が十分ではない。即ち、カスケードコンデンサに供給される低温側冷媒の温度は凝縮温度と大きな差を有する。そのため、カスケードコンデンサでの高温側冷媒と低温側冷媒との熱交換は、顕熱熱交換と潜熱熱交換とを併用したものとなり、ハンチング現象を起す余地が残る。
【００１６】
また、アプローチが接近することでＮＨ３ＳＨが急激に低下するので、前記ハンチング現象を無くすためには、アプローチ温度も考慮する必要がある。
【００１７】
そこで、本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、２元冷凍サイクル装置において、前記ハンチング現象をなくして安定運転を維持することで、所期の冷却能力を発揮させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
かかる目的を達成するため、本発明の２元冷凍サイクル装置の制御方法は、
高温側冷媒回路と低温側冷媒回路とがカスケードコンデンサを介して接続されてなり、該低温側冷媒回路で冷却負荷を冷却するようにした２元冷凍サイクル装置の制御方法において、
前記低温側冷媒回路で前記カスケードコンデンサの上流側で生じた高温の低温側冷媒ガスをカスケードコンデンサの下流側に設けられた受液器に供給し、該受液器内の冷媒液と熱交換させて冷却する第１工程と、
該第１工程で冷却された低温側冷媒ガスをカスケードコンデンサに供給し、高温側冷媒と熱交換させて凝縮させる第２工程、とからなり、
該第２工程で高温側冷媒回路の圧縮機吸入側過熱度の目標値及びカスケードコンデンサでの低温側冷媒の凝縮温度と高温側冷媒の蒸発温度との温度差の目標値を設定し、これら目標値に達するように高温側冷媒回路の膨張弁の開度を制御すると共に、該膨張弁の所要操作量のうち操作量が小さいほうの目標値を選択し、選択された目標値になるように許容値以下の操作速度で該膨張弁を操作するものである。
【００１９】
本発明方法では、低温側冷媒回路でカスケードコンデンサの上流側で生じる高温の低温側冷媒ガスをカスケードコンデンサの下流側に設けられ該カスケードコンデンサと略同一圧力下にある受液器に供給し、該受液器内の冷媒液と熱交換させることにより、低温側冷媒ガスをカスケードコンデンサでの凝縮温度近傍まで冷却する。
そのため、カスケードコンデンサに供給される低温側冷媒の温度は、カスケードコンデンサでの低温側冷媒の凝縮温度と大きな差がなく、そのため、カスケードコンデンサでの低温側冷媒と高温側冷媒との熱交換は大部分潜熱熱交換となる。従って、カスケードコンデンサでの低温側冷媒の温度変動が抑えられ、ハンチング現象が起きにくくなる。
【００２０】
受液器での低温側冷媒ガスと低温側冷媒液との熱交換方法は、例えば、低温側冷媒ガスを低温側冷媒液中にバブリングする直接接触熱交換や、低温側冷媒ガスと低温側冷媒液とを熱交換管を介して熱交換する間接接触熱交換でもよい。
【００２１】
また、ＮＨ３ＳＨの目標値とアプローチの目標値を設定し、これらの目標値のうち高温側冷媒回路の膨張弁の操作量の小さいほうを選択し、選択された目標値になるように許容値以下の操作速度で該膨張弁を操作するので、ハンチング現象を発生させる要因をすべて除去できる。なお、前記許容値とはハンチング現象を発生させない操作速度の上限値を指す。また、本明細書中では、低温側冷媒回路が圧縮機を装備していない２次冷媒回路を構成している場合でも、２元冷凍サイクル装置の範疇に含めることとする。
【００２２】
本発明方法において、低温側冷媒回路に設けられた圧縮機が容量制御式の回転圧縮機（例えば、往復動式圧縮機やスクリュー圧縮機等）であり、該回転圧縮機により低温側冷媒の循環量を制御することにより、低温側冷媒を三重点以上の温度に保持し低温側冷媒の固化を防止するようにするとよい。
これによって、容量制御式の回転圧縮機を使用する場合に、該回転圧縮機の回転制御を利用することで、特別な機器を必要とせず低温側冷媒回路を循環する低温側冷媒の固化を防止できる。
【００２３】
あるいは別な手段として、低温側冷媒回路において、カスケードコンデンサ又は受液器内に貯留された低温側冷媒の凝縮温度に近い状態の低温側冷媒を圧縮機吸入側冷媒流路に供給することにより、低温側冷媒を三重点を超える温度に保持し、低温側冷媒の固化を防止するようにしてもよい。これによっても、特別な熱源を必要とすることなく、低温側冷媒の固化を防止できる。なお、この手段を前記手段と併用してもよい。
【００２４】
本発明方法において、低温側冷媒回路の圧縮機の吐出側冷媒流路から分離した潤滑剤を該圧縮機の低圧域又は該圧縮機の吸入側冷媒流路に介設されたサクションストレーナの下流側冷媒流路に戻すようにするとよい。低温側冷媒回路では低温のため、潤滑剤の粘性が増大している。この潤滑剤をサクションストレーナの上流側冷媒流路に戻すと、潤滑剤がサクションストレーナに貼り付いて、低温側冷媒の圧力損失を増大するか、あるいは冷媒流路を閉塞するおそれがある。潤滑剤をサクションストレーナの下流側冷媒流路に戻すことにより、前記問題点を解消できる。
【００２５】
本発明方法において、高温側冷媒がＮＨ３であって、低温側冷媒がＣＯ２であり、カスケードコンデンサでのアプローチの目標値を４〜７℃とするとよい。このように、アプローチ範囲を維持することで、カスケードコンデンサの低温側冷媒と高温側冷媒との熱交換量を高く維持できる。そのため、ＮＨ３ＳＨの低下を招かないので、ハンチング現象を抑えることができる。
【００２６】
前記本発明方法の実施に直接使用可能な本発明の２元冷凍サイクル装置は、
高温側冷媒回路と低温側冷媒回路とがカスケードコンデンサを介して接続されてなり、該低温側冷媒回路で冷却負荷を冷却するようにした２元冷凍サイクル装置において、
前記低温側冷媒回路で前記カスケードコンデンサの下流側に設けられた受液器及び該受液器にカスケードコンデンサ上流側の高温の低温側冷媒を供給する冷媒流路と、
該受液器内で該低温側冷媒と受液器内の凝縮冷媒液とを熱交換させる熱交換部及び該熱交換部で冷却された低温側冷媒を該カスケードコンデンサに供給する冷媒流路と、
前記高温側冷媒回路の圧縮機吸入側過熱度の目標値及び該カスケードコンデンサでの低温側冷媒の凝縮温度と高温側冷媒の蒸発温度との温度差の目標値を設定し、これら目標値に達するように高温側冷媒回路の膨張弁の開度を制御すると共に、該膨張弁の所要操作量のうち操作量が小さいほうの目標値を選択し、選択された目標値になるように許容値以下の操作速度で該膨張弁を操作するコントローラと、を備えたものである。
【００２７】
本発明装置では、カスケードコンデンサ上流側の高温の低温側冷媒ガスを受液器に供給し、カスケードコンデンサと略同一圧力下にある受液器内の冷媒液と熱交換させることにより、低温側冷媒ガスをカスケードコンデンサでの凝縮温度に近い温度まで冷却する。これによって、カスケードコンデンサでの低温側冷媒と高温側冷媒との熱交換を大部分潜熱熱交換とすることで、低温側冷媒の温度変動を少なくし、ハンチング現象を抑えることができる。
また、ＮＨ３ＳＨ及びアプローチの目標値を設定し、コントローラでこれら目標値に達するまでの高温側膨張弁の操作量が小さいほうの目標値に合わせるように高温側膨張弁を操作すると共に、許容値以下の操作速度で該膨張弁を操作するようにしているので、ハンチング現象を防止できる。
【００２８】
本発明装置において、高温側冷媒回路の圧縮機吸入側冷媒流路に高温側冷媒温度を検出する第１温度センサと高温側冷媒圧力を検出する第１圧力センサを設けると共に、カスケードコンデンサ又は受液器に低温側冷媒の気相圧力を検出する第２圧力センサを設け、コントローラで第１圧力センサで検出した高温側冷媒圧力から高温側冷媒の蒸発温度を換算し、第１温度センサで検出した高温側冷媒温度と該蒸発温度との差からＮＨ３ＳＨを算出すると共に、第２圧力センサで検出した低温側冷媒の気相圧力から低温側冷媒の凝縮温度を換算し、該凝縮温度と高温側冷媒の前記蒸発温度との温度差（アプローチ）を求めるようにするとよい。
【００２９】
このように、第１温度センサ及び第１及び第２圧力センサを設けるだけの簡単かつ低コストな構成で、前記コントローラによるハンチング現象をなくす制御を可能にしている。
【発明の効果】
【００３０】
本発明の２元冷凍サイクル装置の制御方法によれば、高温側冷媒回路と低温側冷媒回路とがカスケードコンデンサを介して接続されてなり、該低温側冷媒回路で冷却負荷を冷却するようにした２元冷凍サイクル装置の制御方法において、前記低温側冷媒回路でカスケードコンデンサの上流側で生じた高温の低温側冷媒ガスをカスケードコンデンサの下流側に設けられた受液器に供給し、該受液器内の冷媒液と熱交換させて冷却する第１工程と、該第１工程で冷却された低温側冷媒を該カスケードコンデンサに供給し、高温側冷媒と熱交換させて凝縮させる第２工程、とからなり、第２工程で高温側冷媒回路の圧縮機吸入側過熱度の目標値及び該カスケードコンデンサでの低温側冷媒の凝縮温度と高温側冷媒の蒸発温度との温度差の目標値を設定し、これら目標値に達するように高温側冷媒回路の膨張弁の開度を制御すると共に、該膨張弁の所要操作量のうち操作量が小さいほうの目標値を選択し、選択された目標値になるように許容値以下の操作速度で該膨張弁を操作するようにしたので、ＮＨ３ＳＨやＭＶ出力及びＣＯ２Ｐｃ等のハンチング現象をなくし、２元冷凍サイクル装置の安定運転を可能にし、所期の冷却能力を維持することができる。
【００３１】
また、本発明の２元冷凍サイクル装置によれば、高温側冷媒回路と低温側冷媒回路とがカスケードコンデンサを介して接続されてなり、該低温側冷媒回路で冷却負荷を冷却するようにした２元冷凍サイクル装置において、低温側冷媒回路でカスケードコンデンサの下流側に設けられた受液器及び該受液器にカスケードコンデンサ上流側の高温の低温側冷媒を供給する冷媒流路と、該受液器内で該低温側冷媒と受液器内の凝縮冷媒液とを熱交換させる熱交換部及び該熱交換部で冷却された低温側冷媒を該カスケードコンデンサに供給する冷媒流路と、高温側冷媒回路の圧縮機吸入側過熱度の目標値及び該カスケードコンデンサでの低温側冷媒の凝縮温度と高温側冷媒の蒸発温度との温度差の目標値を設定し、これら目標値に達するように高温側冷媒回路の膨張弁の開度を制御すると共に、該膨張弁の所要操作量のうち操作量が小さいほうの目標値を選択し、選択された目標値になるように許容値以下の操作速度で該膨張弁を操作するコントローラと、を備えたことにより、前記本発明方法と同様の作用効果を得ることができる。
本発明は、前記ベルトフリーザのように、冷却負荷が変動する２元冷凍サイクル装置に用いられて好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の２元冷凍サイクル装置に係る第１実施形態のブロック線図である。
【図２】前記２元冷凍サイクル装置の温度バランスを示す線図である。
【図３】前記２元冷凍サイクル装置の運転手順を示すフローチャートである。
【図４】前記２元冷凍サイクル装置の運転例を示す線図である。
【図５】前記２元冷凍サイクル装置の別な運転例を示す線図である。
【図６】前記２元冷凍サイクル装置のさらに別な運転例を示す線図である。
【図７】前記２元冷凍サイクル装置のさらに別な運転例を示す線図である。
【図８】前記第１実施形態の変形例を示すブロック線図である。
【図９】本発明の２元冷凍サイクル装置に係る第２実施形態のブロック線図である。
【図１０】従来の２元冷凍サイクル装置の運転結果を示す線図である。
【図１１】従来の２元冷凍サイクル装置のブロック線図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。
【００３４】
（実施形態１）
本発明を冷却負荷として前記ベルトフリーザ等に極低温冷風を供給するＮＨ３／ＣＯ２２元冷凍サイクル装置に適用した第１実施形態を図１〜図８に基づいて説明する。
図１において、この冷凍サイクル装置１０は、高温側冷媒回路１２と低温側冷媒回路１４とがカスケードコンデンサ１６で接続されている。カスケードコンデンサ１６は、乾式の蒸発器として構成されている。即ち、カスケードコンデンサ１６の内部に高温側冷媒回路１２と接続された熱交換管１７が配設され、胴側にＣＯ２冷媒ガスが充満する。ＮＨ３冷媒と管外のＣＯ２冷媒ガスとが熱交換し、ＣＯ２冷媒が凝縮すると共に、カスケードコンデンサ１６の出口でＮＨ３冷媒が乾きガスとなって高温側圧縮機１８に吸引される。
【００３５】
高温側圧縮機１８の下流側には油分離器２０が設けられ、油分離器２０で分離された潤滑剤は高温側圧縮機１８に戻される。油分離器２０の下流側には順に蒸発式凝縮器（エバコン）２２及び高圧受液器２４が設けられ、高圧受液器２４の下流側には、運転の開始時又は停止時に高温側冷媒回路１２の開閉を行なう電磁弁２６と、電動式膨張弁２８とが設けられている。また、高温側圧縮機１８の吸入側冷媒流路１２ａに、冷媒ガス温度Ｔ１を検出する温度センサ３０と冷媒ガス圧力Ｐ１を検出する圧力センサ３２が設けられている。蒸発式凝縮器２２の代わりに、水冷式又は空冷式の凝縮器を用いてもよい。
【００３６】
低温側冷媒回路１４では、低温側圧縮機３４の上流側にサクションストレーナ３６が設けられ、ここで冷媒中の夾雑物が除去される。低温側圧縮機３０の下流側に１次油分離器３８及び２次油分離器４０が設けられている。
低温側冷媒回路１４ではＣＯ２冷媒がかなりの低温であるため、ＣＯ２冷媒に混入している潤滑剤の粘性が増大している。この潤滑剤をサクションストレーナ３６の上流側冷媒流路に戻すと、潤滑剤がサクションストレーナ３６に付着して、低温側冷媒回路１４の圧力損失を増大するか、あるいは低温側冷媒回路１４を閉塞するおそれがある。そのため、１次油分離器３８及び２次油分離器４０で分離された潤滑剤は、低温側圧縮機３４の低圧域又はサクションストレーナ３６と低温側圧縮機３４間の冷媒流路に戻される。
【００３７】
低温側圧縮機３４は容量制御式の回転圧縮機が用いられている。低温側圧縮機３４が、例えば往復式圧縮機であれば、潤滑剤をクランク室等の低圧チャンバーに戻し、スクリュー圧縮機であれば、圧縮機ケーシングの低圧域又は中間圧域に戻すようにする。
【００３８】
カスケードコンデンサ１６の下流側に高圧受液器４２が設けられ、高圧受液器４２の下流側に給液電動弁５２と低圧受液器５４が設けられている。２次油分離器４０の下流側で、圧縮機吐出側冷媒流路１４ｂは高圧受液器４２の内部に貫入され、高圧受液器４２の内部でヘッダ４４に接続されている。ヘッダ４４には複数の散布口４４ａが分散配置されている。
低温側圧縮機３４から吐出された高温のＣＯ２冷媒ガスは、冷媒流路１４ｂからヘッダ４４に供給され、ヘッダ４４の散布口４４ａから高圧受液器４２に貯留されたＣＯ２凝縮液にバブリングされる。ＬはＣＯ２凝縮液の液面を示す。凝縮液面Ｌより上方に位置して、高圧受液器４２内の冷媒ガス圧力Ｐ２を検出する圧力センサ５０が設けられている。
【００３９】
高圧受液器４２の内部でヘッダ４４から散布されたＣＯ２冷媒ガスは、高圧受液器４２内に貯留されたＣＯ２凝縮液と熱交換して冷却される。冷却されたＣＯ２冷媒ガスは、高圧受液器４２の上部に接続された冷媒流路１４ｃを通ってカスケードコンデンサ１６に供給される。カスケードコンデンサ１６内で、ＣＯ２冷媒ガスは熱交換管１７を流れるＮＨ３冷媒液と熱交換し凝縮する。
【００４０】
高圧受液器４２はカスケードコンデンサ１６の下方位置に設けられ、カスケードコンデンサ１６の下部に凝縮液落下管４６が垂下している。高圧受液器４２の底面には液ポット４８が設けられ、凝縮液落下管４６は高圧受液器４２の内部に貫入し、その先端は液ポット４８まで延設されている。従って、カスケードコンデンサ１６で凝縮したＣＯ２冷媒液は凝縮液落下管４６を介して自重で高圧受液器４２に落下する。
【００４１】
液ポット４８に落下したＣＯ２凝縮液は、給液電動弁５２で流量調整されかつ減圧されて冷媒流路１４ｄを通り、低圧受液器５４に到達して貯留される。低圧受液器５４とユニットクーラ５６とは循環流路５８で接続されている。循環流路５８には液ポンプ６０が介設されており、液ポンプ６０でＣＯ２冷媒液がユニットクーラ５６に供給され、ここで冷却負荷としてベルトフリーザ等に供給される極低温空気を製造する。ＣＯ２冷媒液は冷却負荷から蒸発潜熱を得て一部が気化し、この気液混合物は低圧受液器５４の気相部に戻される。
【００４２】
低圧受液器５４内の上層部に貯留されたＣＯ２冷媒ガスは、圧縮機吸入側冷媒流路１４ａを通って低温側圧縮機３４に吸入される。圧縮機吸入側冷媒流路１４ａには吸入圧力調整弁６２が設けられ、ここでＣＯ２冷媒ガスの圧縮機吸入圧が調整される。また、圧縮機吸入側冷媒流路１４ａには圧縮機吸入圧Ｐ３を検出する圧力センサ６３が設けられている。圧縮機吸入側冷媒流路１４ａとカスケードコンデンサ１６の胴部とを接続するホットガスライン６４が設けられ、ホットガスライン６４には、ホットガス電動弁６６と、運転開始時又は停止時にホットガスライン６４を開閉するホットガス電磁弁６８が介設されている。
【００４３】
かかる構成の本実施形態において、低温側圧縮機３４から圧縮機吐出側冷媒流路１４ｂに吐出されたＣＯ２冷媒ガスは、５０℃前後の高温を有し、１次油分離器３８及び２次油分離器４０で潤滑剤が分離された後、高圧受液器４２に供給される。該ＣＯ２冷媒ガスは、ヘッダ４４の散布口４４ａから散布され、高圧受液器４２内に貯留されたＣＯ２凝縮液と熱交換し、ＣＯ２冷媒の凝縮温度付近まで冷却される。冷却されたＣＯ２冷媒ガスは、冷媒流路１４ｃを経てカスケードコンデンサ１６に供給され、そこでＮＨ３冷媒液と熱交換される。
【００４４】
図２に、高温側ＮＨ３冷媒と低温側ＣＯ２冷媒の温度バランスの一例を示す。図中、ＮＨ３Ｔｃが蒸発式凝縮器２２でのＮＨ３冷媒の凝縮温度、ＣＯ２Ｔｃがカスケードコンデンサ１６でのＣＯ２冷媒の凝縮温度、ＮＨ３Ｔｅがカスケードコンデンサ１６でのＮＨ３冷媒の蒸発温度、ＣＯ２Ｔｅがユニットクーラ５６でのＣＯ２冷媒の蒸発温度である。ＣＯ２ＴｃとＮＨ３Ｔｅとの差がアプローチである。
【００４５】
高圧受液器４２はカスケードコンデンサ１６と凝縮液落下管４６を介して連通しているので、同一圧力下にあり、カスケードコンデンサ１６の上流側でＣＯ２冷媒ガスは凝縮温度付近まで冷却されているので、カスケードコンデンサ１６では、ＣＯ２冷媒ガスとＮＨ３冷媒液とは大部分潜熱熱交換となる。即ち、ＣＯ２冷媒ガスは顕熱熱交換により３〜４℃の温度降下をした後、潜熱熱交換される。そのため、ここでのＣＯ２冷媒の温度降下はわずかである。
【００４６】
カスケードコンデンサ１６で、ＮＨ３冷媒液はＣＯ２冷媒ガスと熱交換されて気化し、圧縮機吸入側冷媒流路１２ａを経て高温側圧縮機１８に吸入される。以下、高温側冷媒回路１２の運転手順を図３により説明する。
図３において、ＭＶは電動式膨張弁２８の開度を示す。ＮＨ３ＳＨは次の算式（１）で求められる。算式（１）中、ＮＨ３冷媒の圧縮機吸入温度Ｔ１は、温度センサ３０で検出される。カスケードコンデンサ１６でのＮＨ３の蒸発温度Ｔｅは、圧力センサ３２で検出されたＮＨ３冷媒の蒸発圧力Ｐ１からコントローラ７０で換算され、コントローラ７０で算式（１）を演算して、ＮＨ３ＳＨが求められる。
【００４７】
アプローチ温度は、次の算式（２）で求められる。カスケードコンデンサ１６内のＣＯ２凝縮温度（飽和温度）は、カスケードコンデンサ１６と連通した高圧受液器４２のＣＯ２凝縮圧力Ｐ２をセンサ５０で検出し、この検出値から換算して求める。
ＮＨ３ＳＨ＝（ＮＨ３冷媒の圧縮機吸入温度Ｔ１）−（ＮＨ３冷媒の蒸発温度Ｔｅ）
…………（１）
アプローチ温度＝（カスケードコンデンサ１６でのＣＯ２凝縮温度Ｔｃ）−（ＮＨ３冷媒の蒸発温度Ｔｅ） …………（２）
【００４８】
図３において、運転が開始されると、高温側冷媒回路１２にＮＨ３冷媒が供給される（ステップ１）。この状態でＭＶ＝０％とする（ステップ２）。次に、コントローラ７０で電動式膨張弁２８の開方向への操作量を演算する。電動式膨張弁２８の動作はコントローラ７０でＰＩＤ制御される。ＮＨ３ＳＨの目標値はＳＶ＝６℃に設定され、アプローチ温度の目標値はＳＶ＝５℃に設定されている。そして、夫々の目標値に達するための電動式膨張弁２８の操作量を演算する。また、同時に電動式膨張弁２８の最大動作速度がＭＶ＝０．３％／秒に制限されている（ステップ３）。
【００４９】
次に、演算された目標値到達までのＮＨ３ＳＨ及びアプローチ温度の操作量を比較し、操作量が小さいほうを選択する（ステップ４）。そして、選択された操作量となるように、コントローラ７０でＭＶ＝０〜１００％の範囲で電動式膨張弁２８をＰＩＤ制御により操作する（ステップ５）。
図３では電動式膨張弁２８が動作方向正（開方向）に動作する場合であるが、電動式膨張弁２８が操舵方向負（閉方向）に動作する場合であっても同様の制御を行なう。
【００５０】
本実施形態では、圧力センサ６３で低温側圧縮機３４の吸入側冷媒流路１４ａのＣＯ２冷媒ガス圧力を検出し、この検出値からＣＯ２冷媒が３重点に接近しているかどうかを判定する。ＣＯ２冷媒が３重点に接近すると、低温側圧縮機３４の回転数をコントローラ７０で調整することにより、ＣＯ２冷媒が３重点から離れるようにする。これによって、低温側冷媒回路１４中でＣＯ２冷媒が固化するのを防止する。
【００５１】
また、低温側冷媒回路１４でのＣＯ２冷媒の固化を防止する別な手段として、コントローラ７０によってホットガス電動弁６６を開放し、カスケードコンデンサ１６中の−１４℃前後のＣＯ２冷媒ガスをホットガスライン６４を通して圧縮機吸入側冷媒流路１４ａに供給するようにしてもよい。
【００５２】
また、本実施形態では、高圧受液器４２に微差圧発信器７２が設けられ、これで高圧受液器４２内の冷媒液の液面レベルＬを検出している。高圧受液器４２のＣＯ２冷媒液が不足し、冷媒ガスが低圧受液器５４に供給されると、この冷媒ガスにより低圧受液器５４内の冷媒液が激しく攪拌され、低圧受液器５４内での気液分離効果が損なわれる。低圧受液器５４での気液分離効果が損なわれることにより、低温側圧縮機３４に液戻りが生じるおそれがある。液戻りにより低温側圧縮機３４では潤滑不良となり、これに起因して運転不能となる場合がある。
【００５３】
これを防止するため、給液配管１４ｄが高圧受液器４２内の冷媒ガスを吸い込まない液面レベルＬを設定し、微差圧発信器７２で液面レベルＬを監視し、液面レベルＬが低下しないように、給液電動弁５２の開度をＰＩＤ制御する。さらに何らかの現象により高圧受液器４２の液面レベルＬが低下した場合には、図示省略の液位低下警報器で警報を発するようにすると共に、給液電動弁５２を全閉とし、給液配管１４ｄに冷媒ガスが流入しないようにする。
【実施例】
【００５４】
前記第１実施形態の運転結果を図４に示す。図４に示すように、ＣＯ２Ｐｃ及びＭＶ出力にハンチングが起こらず、ＮＨ３ＳＨ及びアプローチが目標値付近に維持されていることがわかる。従って、安定運転を維持することができ、所期の冷却能力を発揮することができる。
【００５５】
また、本実施形態では、乾式のカスケードコンデンサ１６を用いたので、カスケードコンデンサの構成が簡素化でき、据付場所への分割搬入及び再組立が不要になり、その分コスト削減できる。
【００５６】
次に、第１実施形態の冷凍サイクル装置１０において、アプローチ温度を３．０℃に変更して運転を行なった結果を図５に示す。図５中、ＮＨ３吸入温度は高温側圧縮機１８の吸入側のＮＨ３冷媒ガス温度、ＣＯ２Ｐｃ（Ｐ２）はカスケードコンデンサ１６内のＣＯ２冷媒の凝縮圧力、ＮＨ３Ｔｓ（Ｔ１）は高温側圧縮機１８の吸入冷媒温度、ＮＨ３Ｐｄは高温側圧縮機１８の冷媒吐出圧力、ＣＯ２ロードはＣＯ２冷媒の負荷、ＮＨ３ロードはＮＨ３冷媒の負荷である。
図５に示すように、ＭＶ出力の変動幅が図１０と比べて狭まり、それによりアプローチ及びＣＯ２Ｐｃも比較的安定したが、完全にハンチングを抑制することはできなかった。
【００５７】
次に、アプローチを４．０℃にして行なった運転結果を図６に示す。図中、ＣＯ２Ｔｄは低温側圧縮機３４の吐出側ＣＯ２冷媒温度、ＣＯ２ＬＲ圧は吸入圧力調整弁６２上流側の低圧受液器５４内圧力である。図６に示すように、アプローチ４℃、ＮＨ３ＳＨ５〜６℃で完全に安定し、ハンチングが見られなかった。
【００５８】
図７は、アプローチ温度を４℃に設定すると共に、負荷を変動させ、３３〜６６％を繰り返す運転を行なった結果を示す。図７に示すように、この負荷変動運転に対しても、常にアプローチが４℃に保たれ、安定した運転を行なうことがわかった。
アプローチが３℃の場合、アプローチが狭まることによりカスケードコンデンサ１６の能力が極端に落ち、その動きが短時間で起こるため、ＮＨ３冷媒液の供給が過多となり、ＮＨ３ＳＨが急激に低下するものと推測される。また、その動きが急なため、温度センサ３０の反応速度が追いつかず、電動式膨張弁２８の動作も遅れて、ハンチングが続くものと推測される。
【００５９】
一方、アプローチ温度ＡＰが７℃を超えた場合には、低ＣＯＰ運転となる。従って、アプローチ温度ＡＰを４〜７℃にするのが好ましい。
【００６０】
なお、本実施形態において、乾式カスケードコンデンサ１６の代わりに、図８に示す満液式としてもよい。図８において、ＮＨ３冷媒液を貯留するＮＨ３冷媒液タンク７４が設けられ、ＮＨ３冷媒液タンク７４と、カスケードコンデンサ１６内に配設される熱交換管１７とは循環管路７６で接続されている。ＮＨ３冷媒液タンク７４内には、循環管路７６に接続されＮＨ３冷媒液を散布するヘッダ７８が設けられている。ＮＨ３冷媒液タンク７４の下方で、循環管路７６に電磁弁８０とフロート弁８２が設けられている。このフロート弁８２でＮＨ３冷媒液タンク７４内の液面レベルを検出し、該液面レベルが一定となるように電磁弁８０を開閉している。
なお、フロート弁８２に代わりに、微差圧発信器７２を設け、該微差圧発信器７２で液面レベルを検出するようにしてもよい。
【００６１】
この満液式のカスケードコンデンサを用いた場合でも、乾式カスケードコンデンサ１６を用いた場合と同一のアプローチ範囲で同様の結果が得られた。
また、本実施形態では、低圧受液器５４及び該低圧受液器５４とユニットクーラ５６間に循環流路５８を設け、該循環流路５８にＣＯ２冷媒を循環させるようにした液循環式を採用しているが、乾式を採用してもよい。即ち、低圧受液器５４や循環流路５８を設けず、高圧受液器４２から冷媒流路１４ｄを通ってユニットクーラ５６にＣＯ２冷媒を直接供給し、ユニットクーラ５６の出口でＣＯ２冷媒を乾きガスとして低温側圧縮機３４に送るようにしてもよい。
【００６２】
ベルトフリーザは、被冷却食品が多種類に亘り、運転時間がまちまちなので、冷却負荷の変動が激しい。負荷変動の大きい冷凍装置に本実施形態の装置を適用すれば、ハンチングをなくして安定運転を可能にする。
【００６３】
（実施形態２）
次に、本発明の２元冷凍サイクル装置の第２実施形態を図９に基づいて説明する。本実施形態の２元冷凍サイクル装置９０は、ＮＨ３冷媒が循環する高温側冷媒回路１２及びカスケードコンデンサ１６の構成は前記第１実施形態と同一構成を有する。図９において、ＣＯ２冷媒が循環する低温側冷媒回路９２には圧縮機が設けられておらず、液ポンプ９６でＣＯ２冷媒を循環する２次冷媒回路を構成している。低温側冷媒回路１４には受液器９４とユニットクーラ９８とが介設されている。受液器８４は第１実施形態の高圧受液器４２と同一構成を有し、ユニットクーラ９８は第１実施形態のユニットクーラ５６と同一構成を有する。ユニットクーラ９８に流入するＣＯ２冷媒は流量調整弁９９で流量調整される。
【００６４】
かかる構成において、冷却運転開始指令に従い、高温側圧縮機１８及び液ポンプ９６を運転しながら、ＣＯ２冷媒をユニットクーラ９８に強制循環させ、冷却負荷の冷却を行なう。この際に、ＣＯ２冷媒は冷却負荷より熱を受け取って温度上昇し蒸発するため、低温側冷媒回路１４の内圧が上昇する。
ユニットクーラ９８で冷却負荷と熱交換後のＣＯ２冷媒ガスは、流路９２ａを通って受液器９４に入り、そこでＣＯ２凝縮液と熱交換する。熱交換後、カスケードコンデンサ１６での凝縮温度付近まで冷却されたＣＯ２冷媒ガスは、流路９２ｂを通ってカスケードコンデンサ１６に入る。カスケードコンデンサ１６で、ＣＯ２冷媒はＮＨ３冷媒液と大部分潜熱熱交換を行なう。
【００６５】
本実施形態でも第１実施形態と同様の運転を行なうことで、ハンチングをなくし、安定運転を可能にでき、所期の冷却能力を発揮できる。本実施形態は、負荷変動が大きい冷蔵庫等に好適である。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明によれば、２元冷凍サイクル装置で運転中の諸動作のハンチング現象をなくして安定運転を維持でき、所期の冷却能力を維持することができる。
【符号の説明】
【００６７】
１０，９０ ２元冷凍サイクル装置
１２ 高温側冷媒回路
１４，９２ 低温側冷媒回路
１６ カスケードコンデンサ
１７ 熱交換管
１８ 高温側圧縮機
２４，４２ 高圧受液器
２８ 電動式膨張弁
３０ 温度センサ
３２、５０、６３ 圧力センサ
３４ 低温側圧縮機
３６ サクションストレーナ
３８ １次油分離器
４０ ２次油分離器
４６ 凝縮液落下管
４８ 液ポット
５２ 給液電動弁
５４ 低圧受液器
５６，９８ ユニットクーラ
５８ 循環流路
６０，９６ 液ポンプ
６４ ホットガスライン
７０ コントローラ
７２ 微差圧発信器
７４ ＮＨ３冷媒液タンク
７６ 循環管路
８２ フロート弁
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温側冷媒回路と低温側冷媒回路とをカスケードコンデンサを介して組み合わせ、低温側冷媒回路で冷却負荷を冷却するようにした２元冷凍サイクル装置において、運転時のハンチング現象をなくして安定運転を可能にしたものである。
【背景技術】
【０００２】
２元冷凍サイクルは、低温を得るため、凝縮温度が常温以下になるが大気圧における飽和温度が−６０℃程度になる低温側冷媒を別の高温側冷媒回路を用いて凝縮させるサイクルである。ＮＨ３冷媒を用いた１元冷凍サイクルは、冷却温度が−３０℃以下ではＣＯＰが小さく、かつＮＨ３冷媒が毒性や臭気性があるという欠点がある。これを改善するため、ＣＯ２を低温側冷媒とし、ＮＨ３を高温側冷媒としたＮＨ３／ＣＯ２２元冷凍サイクル装置が用いられている。この２元冷凍サイクル装置は、−５０℃前後の低温冷却を可能とすると共に、低温側冷媒回路にＣＯ２冷媒を使用することで、圧縮機の−５０℃前後でのＣＯＰを改善し、かつ無害のＣＯ２冷媒を用いることで、冷却負荷に対する安全性を確保できる利点をもつ。
【０００３】
特許文献１には、ＮＨ３／ＣＯ２２元冷凍サイクル装置を冷凍ショーケースやベルトフリーザ（密閉空間内で食品等の被冷却物をコンベアベルト上で搬送しながら冷風を吹き付けて冷凍する装置）等の冷却負荷に適用した例が開示されている。
【０００４】
従来のＮＨ３／ＣＯ２２元冷凍サイクル装置は、低温側冷媒回路の圧縮機吐出側で５０℃前後に加熱された高温の冷媒ガスがカスケードコンデンサに流入するため、高温側冷媒回路の圧縮機吸入側で過熱度コントロールがうまくいかず、ハンチング現象が生じる。該過熱度を２０℃まで上昇させた結果を図１０に示す。図１０に示すように、アプローチ（カスケードコンデンサでのＣＯ２冷媒の凝縮温度とＮＨ３冷媒の蒸発温度との差）は平均５℃で運転できたが、ハンチング現象を解消できず、このハンチング現象の影響でアプローチが２〜６℃の範囲で変動する傾向が見られた。図１０に示す運転状態を説明する。
【０００５】
カスケードコンデンサに５０℃前後の高温のＣＯ２冷媒が流入すると、ＮＨ３ＳＨ（高温側冷媒回路の圧縮機吸入側過熱度）が急激に上昇するため、これに応じて高温側冷媒回路の膨張弁が開方向に動作し、ＭＶ出力（該膨張弁の出力）が上昇する。ＭＶ出力の上昇により、カスケードコンデンサでのＣＯ２冷媒とＮＨ３冷媒との熱交換が促進され、ＣＯ２冷媒の凝縮温度が低下する。これによって、ＣＯ２Ｐｃ（カスケードコンデンサでのＣＯ２冷媒の凝縮圧力（飽和圧力））が急激に低下し、アプローチ（カスケードコンデンサでのＣＯ２冷媒の凝縮温度とＮＨ３冷媒の蒸発温度との差）が小さくなる。
【０００６】
アプローチが３℃程度まで接近した段階で、ＣＯ２冷媒とＮＨ３冷媒との熱交換量が低下し、そのため、急激にＮＨ３ＳＨが低下する。ＮＨ３ＳＨの低下に応じて前記膨張弁が閉方向に急激に動作し、ＭＶ出力が急激に下降する。このサイクルが７〜８分間隔で繰り返されるハンチング現象が起こる。
【０００７】
このハンチング現象が起こると、冷凍装置の正味定格出力を発揮できず、冷凍能力が低下する。また、ＮＨ３ＳＨを上げると、ハンチング現象を無くすことができるが、冷凍サイクルの冷却能力が低下し、ＣＯＰが低下する。
【０００８】
特許文献２には、２元冷凍サイクル装置において、低温側冷媒回路の圧縮機出口冷媒をカスケードコンデンサで凝縮させる前に、冷却能力調整手段を有する冷却器で冷却するようにし、これによって、運転の安定性を図った２元冷凍サイクル装置が開示されている。
以下、この２元冷凍サイクル装置を図１１で説明する。
【０００９】
図１１において、この２元冷凍サイクル装置１００は、高温側冷媒回路１０２と低温側冷媒回路１０４とがカスケードコンデンサ１０６で接続され、カスケードコンデンサ１０６で高温側冷媒と低温側冷媒とを熱交換させ、低温側冷媒を凝縮させ、高温側冷媒を蒸発させる。高温側冷媒回路１０２には、高温側圧縮機１０８、高温側凝縮器１１０及び高温側膨張弁１１１が介設され、低温側冷媒回路１０４には、低温側圧縮機１１２、低温側膨張弁１１４及び低温側蒸発器１１６が介設されている。本装置１００では、高温側圧縮機１１２の出口冷媒をカスケードコンデンサ１０６で凝縮させる前に、冷却器１１８で冷却するようにしている。冷却器１１８の冷却能力調整手段として、電磁弁１２２と電磁弁１２２を開閉する開閉操作器１２４とから構成される冷却調整部１２０を有する。
【００１０】
低温側冷媒として、冷却負荷を−６０℃程度に冷却可能なＲ２３又はＲ５０８が使用され、高温側冷媒としてＲ２２が使用される。冷却器１１８及び高温側凝縮器１１０には、夫々冷却水供給ライン１２６，１２８及び戻りライン１３０，１３２が導設され、前記電磁弁１２２は冷却水供給ライン１２８に設けられている。
冷却水は、例えば工場に敷設される工業用水系や冷却塔又は冷凍機で冷却された冷水ライン等から供給される。
【００１１】
かかる構成において、開閉操作器１２４を操作し、冷凍負荷がある程度以上大きいときは電磁弁１２２を開き、冬場等で冷凍負荷が小さいときは電磁弁１２２を閉鎖する。これによって、冷却器１１８への冷却水が供給又は供給停止され、その冷却能力が最大又は零に切換え調整される。
冷却負荷が大きいときに電磁弁１２２を開き、冷却器１１８に１０℃の冷却水を供給したときの冷媒温度等を回路中に示している。図中、括弧内は、冷却負荷が小さいときに電磁弁１２２を閉鎖したときの系内の温度や圧力状態を示す。
【００１２】
このように、冷却負荷が大きいときは、冷却器１１８に通水し、低温側圧縮機１１２から吐出された高温冷媒を予冷した後カスケードコンデンサ１０６に供給することにより、カスケードコンデンサ１０６での熱交換量を減少させる。これによって、高温側圧縮機１０８で処理熱量を減少させ、高温側圧縮機１０８の小型化と高温側冷媒回路１０２の全体的な冷却作用の効率化を図っている。
また、冷却負荷が小さいときは、電磁弁１２２を閉め、冷却器１１８への通水を遮断することにより、カスケードコンデンサ１０６での熱交換量を適正量に維持している。これによって、高温側冷媒回路１０２及び低温側冷媒回路１０４の冷媒流量を適正量に維持し、両回路での負圧運転を防止すると共に、低温側蒸発器１１６の冷媒液の滞留を防止するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００８−２０９１１１号公報
【特許文献２】特開２０００−３２０９１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
前述のように、従来の２元冷凍サイクル装置では、低温側圧縮機から吐出された高温冷媒がカスケードコンデンサに流入することにより、ＮＨ３ＳＨやＭＶ出力、及びＣＯ２Ｐｃ等にハンチング現象が起こり、安定運転ができないので、所期の冷却能力を発揮できない問題があった。
【００１５】
特許文献２に開示された２元冷凍サイクル装置では、冷却器１１８に工場に敷設される工業用水系や冷却塔又は冷凍機で冷却された冷水を通水し、これらの１０℃前後の冷水でカスケードコンデンサ１０６に供給される前の高温冷媒を予冷しているので、冷却効果が十分ではない。即ち、カスケードコンデンサに供給される低温側冷媒の温度は凝縮温度と大きな差を有する。そのため、カスケードコンデンサでの高温側冷媒と低温側冷媒との熱交換は、顕熱熱交換と潜熱熱交換とを併用したものとなり、ハンチング現象を起す余地が残る。
【００１６】
また、アプローチが接近することでＮＨ３ＳＨが急激に低下するので、前記ハンチング現象を無くすためには、アプローチ温度も考慮する必要がある。
【００１７】
そこで、本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、２元冷凍サイクル装置において、前記ハンチング現象をなくして安定運転を維持することで、所期の冷却能力を発揮させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
かかる目的を達成するため、本発明の２元冷凍サイクル装置の制御方法は、
高温側冷媒回路と低温側冷媒回路とがカスケードコンデンサを介して接続されてなり、該低温側冷媒回路で冷却負荷を冷却するようにした２元冷凍サイクル装置の制御方法において、
前記低温側冷媒回路で前記カスケードコンデンサの上流側で生じた高温の低温側冷媒ガスをカスケードコンデンサの下流側に設けられた受液器に供給し、該受液器内の冷媒液と熱交換させて冷却する第１工程と、
該第１工程で冷却された低温側冷媒ガスをカスケードコンデンサに供給し、高温側冷媒と熱交換させて凝縮させる第２工程、とからなり、
該第２工程で高温側冷媒回路の圧縮機吸入側過熱度の目標値及びカスケードコンデンサでの低温側冷媒の凝縮温度と高温側冷媒の蒸発温度との温度差の目標値を設定し、これら目標値に達するように高温側冷媒回路の膨張弁の開度を制御すると共に、該膨張弁の所要操作量のうち操作量が小さいほうの目標値を選択し、選択された目標値になるように許容値以下の操作速度で該膨張弁を操作するものである。
【００１９】
本発明方法では、低温側冷媒回路でカスケードコンデンサの上流側で生じる高温の低温側冷媒ガスをカスケードコンデンサの下流側に設けられ該カスケードコンデンサと略同一圧力下にある受液器に供給し、該受液器内の冷媒液と熱交換させることにより、低温側冷媒ガスをカスケードコンデンサでの凝縮温度近傍まで冷却する。
そのため、カスケードコンデンサに供給される低温側冷媒の温度は、カスケードコンデンサでの低温側冷媒の凝縮温度と大きな差がなく、そのため、カスケードコンデンサでの低温側冷媒と高温側冷媒との熱交換は大部分潜熱熱交換となる。従って、カスケードコンデンサでの低温側冷媒の温度変動が抑えられ、ハンチング現象が起きにくくなる。
【００２０】
受液器での低温側冷媒ガスと低温側冷媒液との熱交換方法は、例えば、低温側冷媒ガスを低温側冷媒液中にバブリングする直接接触熱交換や、低温側冷媒ガスと低温側冷媒液とを熱交換管を介して熱交換する間接接触熱交換でもよい。
【００２１】
また、ＮＨ３ＳＨの目標値とアプローチの目標値を設定し、これらの目標値のうち高温側冷媒回路の膨張弁の操作量の小さいほうを選択し、選択された目標値になるように許容値以下の操作速度で該膨張弁を操作するので、ハンチング現象を発生させる要因をすべて除去できる。なお、前記許容値とはハンチング現象を発生させない操作速度の上限値を指す。また、本明細書中では、低温側冷媒回路が圧縮機を装備していない２次冷媒回路を構成している場合でも、２元冷凍サイクル装置の範疇に含めることとする。
【００２２】
本発明方法において、低温側冷媒回路に設けられた圧縮機が容量制御式の回転圧縮機（例えば、往復動式圧縮機やスクリュー圧縮機等）であり、該回転圧縮機により低温側冷媒の循環量を制御することにより、低温側冷媒を三重点以上の温度に保持し低温側冷媒の固化を防止するようにするとよい。
これによって、容量制御式の回転圧縮機を使用する場合に、該回転圧縮機の回転制御を利用することで、特別な機器を必要とせず低温側冷媒回路を循環する低温側冷媒の固化を防止できる。
【００２３】
あるいは別な手段として、低温側冷媒回路において、カスケードコンデンサ又は受液器内に貯留された低温側冷媒の凝縮温度に近い状態の低温側冷媒を圧縮機吸入側冷媒流路に供給することにより、低温側冷媒を三重点を超える温度に保持し、低温側冷媒の固化を防止するようにしてもよい。これによっても、特別な熱源を必要とすることなく、低温側冷媒の固化を防止できる。なお、この手段を前記手段と併用してもよい。
【００２４】
本発明方法において、低温側冷媒回路の圧縮機の吐出側冷媒流路から分離した潤滑剤を該圧縮機の低圧域又は該圧縮機の吸入側冷媒流路に介設されたサクションストレーナの下流側冷媒流路に戻すようにするとよい。低温側冷媒回路では低温のため、潤滑剤の粘性が増大している。この潤滑剤をサクションストレーナの上流側冷媒流路に戻すと、潤滑剤がサクションストレーナに貼り付いて、低温側冷媒の圧力損失を増大するか、あるいは冷媒流路を閉塞するおそれがある。潤滑剤をサクションストレーナの下流側冷媒流路に戻すことにより、前記問題点を解消できる。
【００２５】
本発明方法において、高温側冷媒がＮＨ３であって、低温側冷媒がＣＯ２であり、カスケードコンデンサでのアプローチの目標値を４〜７℃とするとよい。このように、アプローチ範囲を維持することで、カスケードコンデンサの低温側冷媒と高温側冷媒との熱交換量を高く維持できる。そのため、ＮＨ３ＳＨの低下を招かないので、ハンチング現象を抑えることができる。
【００２６】
前記本発明方法の実施に直接使用可能な本発明の２元冷凍サイクル装置は、
高温側冷媒回路と低温側冷媒回路とがカスケードコンデンサを介して接続されてなり、該低温側冷媒回路で冷却負荷を冷却するようにした２元冷凍サイクル装置において、
前記低温側冷媒回路で前記カスケードコンデンサの下流側に設けられた受液器及び該受液器にカスケードコンデンサ上流側の高温の低温側冷媒を供給する冷媒流路と、
該受液器内で該低温側冷媒と受液器内の凝縮冷媒液とを熱交換させる熱交換部及び該熱交換部で冷却された低温側冷媒を該カスケードコンデンサに供給する冷媒流路と、
前記高温側冷媒回路の圧縮機吸入側過熱度の目標値及び該カスケードコンデンサでの低温側冷媒の凝縮温度と高温側冷媒の蒸発温度との温度差の目標値を設定し、これら目標値に達するように高温側冷媒回路の膨張弁の開度を制御すると共に、該膨張弁の所要操作量のうち操作量が小さいほうの目標値を選択し、選択された目標値になるように許容値以下の操作速度で該膨張弁を操作するコントローラと、を備えたものである。
【００２７】
本発明装置では、カスケードコンデンサ上流側の高温の低温側冷媒ガスを受液器に供給し、カスケードコンデンサと略同一圧力下にある受液器内の冷媒液と熱交換させることにより、低温側冷媒ガスをカスケードコンデンサでの凝縮温度に近い温度まで冷却する。これによって、カスケードコンデンサでの低温側冷媒と高温側冷媒との熱交換を大部分潜熱熱交換とすることで、低温側冷媒の温度変動を少なくし、ハンチング現象を抑えることができる。
また、ＮＨ３ＳＨ及びアプローチの目標値を設定し、コントローラでこれら目標値に達するまでの高温側膨張弁の操作量が小さいほうの目標値に合わせるように高温側膨張弁を操作すると共に、許容値以下の操作速度で該膨張弁を操作するようにしているので、ハンチング現象を防止できる。
【００２８】
本発明装置において、高温側冷媒回路の圧縮機吸入側冷媒流路に高温側冷媒温度を検出する第１温度センサと高温側冷媒圧力を検出する第１圧力センサを設けると共に、カスケードコンデンサ又は受液器に低温側冷媒の気相圧力を検出する第２圧力センサを設け、コントローラで第１圧力センサで検出した高温側冷媒圧力から高温側冷媒の蒸発温度を換算し、第１温度センサで検出した高温側冷媒温度と該蒸発温度との差からＮＨ３ＳＨを算出すると共に、第２圧力センサで検出した低温側冷媒の気相圧力から低温側冷媒の凝縮温度を換算し、該凝縮温度と高温側冷媒の前記蒸発温度との温度差（アプローチ）を求めるようにするとよい。
【００２９】
このように、第１温度センサ及び第１及び第２圧力センサを設けるだけの簡単かつ低コストな構成で、前記コントローラによるハンチング現象をなくす制御を可能にしている。
【発明の効果】
【００３０】
本発明の２元冷凍サイクル装置の制御方法によれば、高温側冷媒回路と低温側冷媒回路とがカスケードコンデンサを介して接続されてなり、該低温側冷媒回路で冷却負荷を冷却するようにした２元冷凍サイクル装置の制御方法において、前記低温側冷媒回路でカスケードコンデンサの上流側で生じた高温の低温側冷媒ガスをカスケードコンデンサの下流側に設けられた受液器に供給し、該受液器内の冷媒液と熱交換させて冷却する第１工程と、該第１工程で冷却された低温側冷媒を該カスケードコンデンサに供給し、高温側冷媒と熱交換させて凝縮させる第２工程、とからなり、第２工程で高温側冷媒回路の圧縮機吸入側過熱度の目標値及び該カスケードコンデンサでの低温側冷媒の凝縮温度と高温側冷媒の蒸発温度との温度差の目標値を設定し、これら目標値に達するように高温側冷媒回路の膨張弁の開度を制御すると共に、該膨張弁の所要操作量のうち操作量が小さいほうの目標値を選択し、選択された目標値になるように許容値以下の操作速度で該膨張弁を操作するようにしたので、ＮＨ３ＳＨやＭＶ出力及びＣＯ２Ｐｃ等のハンチング現象をなくし、２元冷凍サイクル装置の安定運転を可能にし、所期の冷却能力を維持することができる。
【００３１】
また、本発明の２元冷凍サイクル装置によれば、高温側冷媒回路と低温側冷媒回路とがカスケードコンデンサを介して接続されてなり、該低温側冷媒回路で冷却負荷を冷却するようにした２元冷凍サイクル装置において、低温側冷媒回路でカスケードコンデンサの下流側に設けられた受液器及び該受液器にカスケードコンデンサ上流側の高温の低温側冷媒を供給する冷媒流路と、該受液器内で該低温側冷媒と受液器内の凝縮冷媒液とを熱交換させる熱交換部及び該熱交換部で冷却された低温側冷媒を該カスケードコンデンサに供給する冷媒流路と、高温側冷媒回路の圧縮機吸入側過熱度の目標値及び該カスケードコンデンサでの低温側冷媒の凝縮温度と高温側冷媒の蒸発温度との温度差の目標値を設定し、これら目標値に達するように高温側冷媒回路の膨張弁の開度を制御すると共に、該膨張弁の所要操作量のうち操作量が小さいほうの目標値を選択し、選択された目標値になるように許容値以下の操作速度で該膨張弁を操作するコントローラと、を備えたことにより、前記本発明方法と同様の作用効果を得ることができる。
本発明は、前記ベルトフリーザのように、冷却負荷が変動する２元冷凍サイクル装置に用いられて好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の２元冷凍サイクル装置に係る第１実施形態のブロック線図である。
【図２】前記２元冷凍サイクル装置の温度バランスを示す線図である。
【図３】前記２元冷凍サイクル装置の運転手順を示すフローチャートである。
【図４】前記２元冷凍サイクル装置の運転例を示す線図である。
【図５】前記２元冷凍サイクル装置の別な運転例を示す線図である。
【図６】前記２元冷凍サイクル装置のさらに別な運転例を示す線図である。
【図７】前記２元冷凍サイクル装置のさらに別な運転例を示す線図である。
【図８】前記第１実施形態の変形例を示すブロック線図である。
【図９】本発明の２元冷凍サイクル装置に係る第２実施形態のブロック線図である。
【図１０】従来の２元冷凍サイクル装置の運転結果を示す線図である。
【図１１】従来の２元冷凍サイクル装置のブロック線図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。
【００３４】
（実施形態１）
本発明を冷却負荷として前記ベルトフリーザ等に極低温冷風を供給するＮＨ３／ＣＯ２２元冷凍サイクル装置に適用した第１実施形態を図１〜図８に基づいて説明する。
図１において、この冷凍サイクル装置１０は、高温側冷媒回路１２と低温側冷媒回路１４とがカスケードコンデンサ１６で接続されている。カスケードコンデンサ１６は、乾式の蒸発器として構成されている。即ち、カスケードコンデンサ１６の内部に高温側冷媒回路１２と接続された熱交換管１７が配設され、胴側にＣＯ２冷媒ガスが充満する。ＮＨ３冷媒と管外のＣＯ２冷媒ガスとが熱交換し、ＣＯ２冷媒が凝縮すると共に、カスケードコンデンサ１６の出口でＮＨ３冷媒が乾きガスとなって高温側圧縮機１８に吸引される。
【００３５】
高温側圧縮機１８の下流側には油分離器２０が設けられ、油分離器２０で分離された潤滑剤は高温側圧縮機１８に戻される。油分離器２０の下流側には順に蒸発式凝縮器（エバコン）２２及び高圧受液器２４が設けられ、高圧受液器２４の下流側には、運転の開始時又は停止時に高温側冷媒回路１２の開閉を行なう電磁弁２６と、電動式膨張弁２８とが設けられている。また、高温側圧縮機１８の吸入側冷媒流路１２ａに、冷媒ガス温度Ｔ１を検出する温度センサ３０と冷媒ガス圧力Ｐ１を検出する圧力センサ３２が設けられている。蒸発式凝縮器２２の代わりに、水冷式又は空冷式の凝縮器を用いてもよい。
【００３６】
低温側冷媒回路１４では、低温側圧縮機３４の上流側にサクションストレーナ３６が設けられ、ここで冷媒中の夾雑物が除去される。低温側圧縮機３０の下流側に１次油分離器３８及び２次油分離器４０が設けられている。
低温側冷媒回路１４ではＣＯ２冷媒がかなりの低温であるため、ＣＯ２冷媒に混入している潤滑剤の粘性が増大している。この潤滑剤をサクションストレーナ３６の上流側冷媒流路に戻すと、潤滑剤がサクションストレーナ３６に付着して、低温側冷媒回路１４の圧力損失を増大するか、あるいは低温側冷媒回路１４を閉塞するおそれがある。そのため、１次油分離器３８及び２次油分離器４０で分離された潤滑剤は、低温側圧縮機３４の低圧域又はサクションストレーナ３６と低温側圧縮機３４間の冷媒流路に戻される。
【００３７】
低温側圧縮機３４は容量制御式の回転圧縮機が用いられている。低温側圧縮機３４が、例えば往復式圧縮機であれば、潤滑剤をクランク室等の低圧チャンバーに戻し、スクリュー圧縮機であれば、圧縮機ケーシングの低圧域又は中間圧域に戻すようにする。
【００３８】
カスケードコンデンサ１６の下流側に高圧受液器４２が設けられ、高圧受液器４２の下流側に給液電動弁５２と低圧受液器５４が設けられている。２次油分離器４０の下流側で、圧縮機吐出側冷媒流路１４ｂは高圧受液器４２の内部に貫入され、高圧受液器４２の内部でヘッダ４４に接続されている。ヘッダ４４には複数の散布口４４ａが分散配置されている。
低温側圧縮機３４から吐出された高温のＣＯ２冷媒ガスは、冷媒流路１４ｂからヘッダ４４に供給され、ヘッダ４４の散布口４４ａから高圧受液器４２に貯留されたＣＯ２凝縮液にバブリングされる。ＬはＣＯ２凝縮液の液面を示す。凝縮液面Ｌより上方に位置して、高圧受液器４２内の冷媒ガス圧力Ｐ２を検出する圧力センサ５０が設けられている。
【００３９】
高圧受液器４２の内部でヘッダ４４から散布されたＣＯ２冷媒ガスは、高圧受液器４２内に貯留されたＣＯ２凝縮液と熱交換して冷却される。冷却されたＣＯ２冷媒ガスは、高圧受液器４２の上部に接続された冷媒流路１４ｃを通ってカスケードコンデンサ１６に供給される。カスケードコンデンサ１６内で、ＣＯ２冷媒ガスは熱交換管１７を流れるＮＨ３冷媒液と熱交換し凝縮する。
【００４０】
高圧受液器４２はカスケードコンデンサ１６の下方位置に設けられ、カスケードコンデンサ１６の下部に凝縮液落下管４６が垂下している。高圧受液器４２の底面には液ポット４８が設けられ、凝縮液落下管４６は高圧受液器４２の内部に貫入し、その先端は液ポット４８まで延設されている。従って、カスケードコンデンサ１６で凝縮したＣＯ２冷媒液は凝縮液落下管４６を介して自重で高圧受液器４２に落下する。
【００４１】
液ポット４８に落下したＣＯ２凝縮液は、給液電動弁５２で流量調整されかつ減圧されて冷媒流路１４ｄを通り、低圧受液器５４に到達して貯留される。低圧受液器５４とユニットクーラ５６とは循環流路５８で接続されている。循環流路５８には液ポンプ６０が介設されており、液ポンプ６０でＣＯ２冷媒液がユニットクーラ５６に供給され、ここで冷却負荷としてベルトフリーザ等に供給される極低温空気を製造する。ＣＯ２冷媒液は冷却負荷から蒸発潜熱を得て一部が気化し、この気液混合物は低圧受液器５４の気相部に戻される。
【００４２】
低圧受液器５４内の上層部に貯留されたＣＯ２冷媒ガスは、圧縮機吸入側冷媒流路１４ａを通って低温側圧縮機３４に吸入される。圧縮機吸入側冷媒流路１４ａには吸入圧力調整弁６２が設けられ、ここでＣＯ２冷媒ガスの圧縮機吸入圧が調整される。また、圧縮機吸入側冷媒流路１４ａには圧縮機吸入圧Ｐ３を検出する圧力センサ６３が設けられている。圧縮機吸入側冷媒流路１４ａとカスケードコンデンサ１６の胴部とを接続するホットガスライン６４が設けられ、ホットガスライン６４には、ホットガス電動弁６６と、運転開始時又は停止時にホットガスライン６４を開閉するホットガス電磁弁６８が介設されている。
【００４３】
かかる構成の本実施形態において、低温側圧縮機３４から圧縮機吐出側冷媒流路１４ｂに吐出されたＣＯ２冷媒ガスは、５０℃前後の高温を有し、１次油分離器３８及び２次油分離器４０で潤滑剤が分離された後、高圧受液器４２に供給される。該ＣＯ２冷媒ガスは、ヘッダ４４の散布口４４ａから散布され、高圧受液器４２内に貯留されたＣＯ２凝縮液と熱交換し、ＣＯ２冷媒の凝縮温度付近まで冷却される。冷却されたＣＯ２冷媒ガスは、冷媒流路１４ｃを経てカスケードコンデンサ１６に供給され、そこでＮＨ３冷媒液と熱交換される。
【００４４】
図２に、高温側ＮＨ３冷媒と低温側ＣＯ２冷媒の温度バランスの一例を示す。図中、ＮＨ３Ｔｃが蒸発式凝縮器２２でのＮＨ３冷媒の凝縮温度、ＣＯ２Ｔｃがカスケードコンデンサ１６でのＣＯ２冷媒の凝縮温度、ＮＨ３Ｔｅがカスケードコンデンサ１６でのＮＨ３冷媒の蒸発温度、ＣＯ２Ｔｅがユニットクーラ５６でのＣＯ２冷媒の蒸発温度である。ＣＯ２ＴｃとＮＨ３Ｔｅとの差がアプローチである。
【００４５】
高圧受液器４２はカスケードコンデンサ１６と凝縮液落下管４６を介して連通しているので、同一圧力下にあり、カスケードコンデンサ１６の上流側でＣＯ２冷媒ガスは凝縮温度付近まで冷却されているので、カスケードコンデンサ１６では、ＣＯ２冷媒ガスとＮＨ３冷媒液とは大部分潜熱熱交換となる。即ち、ＣＯ２冷媒ガスは顕熱熱交換により３〜４℃の温度降下をした後、潜熱熱交換される。そのため、ここでのＣＯ２冷媒の温度降下はわずかである。
【００４６】
カスケードコンデンサ１６で、ＮＨ３冷媒液はＣＯ２冷媒ガスと熱交換されて気化し、圧縮機吸入側冷媒流路１２ａを経て高温側圧縮機１８に吸入される。以下、高温側冷媒回路１２の運転手順を図３により説明する。
図３において、ＭＶは電動式膨張弁２８の開度を示す。ＮＨ３ＳＨは次の算式（１）で求められる。算式（１）中、ＮＨ３冷媒の圧縮機吸入温度Ｔ１は、温度センサ３０で検出される。カスケードコンデンサ１６でのＮＨ３の蒸発温度Ｔｅは、圧力センサ３２で検出されたＮＨ３冷媒の蒸発圧力Ｐ１からコントローラ７０で換算され、コントローラ７０で算式（１）を演算して、ＮＨ３ＳＨが求められる。
【００４７】
アプローチ温度は、次の算式（２）で求められる。カスケードコンデンサ１６内のＣＯ２凝縮温度（飽和温度）は、カスケードコンデンサ１６と連通した高圧受液器４２のＣＯ２凝縮圧力Ｐ２をセンサ５０で検出し、この検出値から換算して求める。
ＮＨ３ＳＨ＝（ＮＨ３冷媒の圧縮機吸入温度Ｔ１）−（ＮＨ３冷媒の蒸発温度Ｔｅ）
…………（１）
アプローチ温度＝（カスケードコンデンサ１６でのＣＯ２凝縮温度Ｔｃ）−（ＮＨ３冷媒の蒸発温度Ｔｅ） …………（２）
【００４８】
図３において、運転が開始されると、高温側冷媒回路１２にＮＨ３冷媒が供給される（ステップ１）。この状態でＭＶ＝０％とする（ステップ２）。次に、コントローラ７０で電動式膨張弁２８の開方向への操作量を演算する。電動式膨張弁２８の動作はコントローラ７０でＰＩＤ制御される。ＮＨ３ＳＨの目標値はＳＶ＝６℃に設定され、アプローチ温度の目標値はＳＶ＝５℃に設定されている。そして、夫々の目標値に達するための電動式膨張弁２８の操作量を演算する。また、同時に電動式膨張弁２８の最大動作速度がＭＶ＝０．３％／秒に制限されている（ステップ３）。
【００４９】
次に、演算された目標値到達までのＮＨ３ＳＨ及びアプローチ温度の操作量を比較し、操作量が小さいほうを選択する（ステップ４）。そして、選択された操作量となるように、コントローラ７０でＭＶ＝０〜１００％の範囲で電動式膨張弁２８をＰＩＤ制御により操作する（ステップ５）。
図３では電動式膨張弁２８が動作方向正（開方向）に動作する場合であるが、電動式膨張弁２８が操舵方向負（閉方向）に動作する場合であっても同様の制御を行なう。
【００５０】
本実施形態では、圧力センサ６３で低温側圧縮機３４の吸入側冷媒流路１４ａのＣＯ２冷媒ガス圧力を検出し、この検出値からＣＯ２冷媒が３重点に接近しているかどうかを判定する。ＣＯ２冷媒が３重点に接近すると、低温側圧縮機３４の回転数をコントローラ７０で調整することにより、ＣＯ２冷媒が３重点から離れるようにする。これによって、低温側冷媒回路１４中でＣＯ２冷媒が固化するのを防止する。
【００５１】
また、低温側冷媒回路１４でのＣＯ２冷媒の固化を防止する別な手段として、コントローラ７０によってホットガス電動弁６６を開放し、カスケードコンデンサ１６中の−１４℃前後のＣＯ２冷媒ガスをホットガスライン６４を通して圧縮機吸入側冷媒流路１４ａに供給するようにしてもよい。
【００５２】
また、本実施形態では、高圧受液器４２に微差圧発信器７２が設けられ、これで高圧受液器４２内の冷媒液の液面レベルＬを検出している。高圧受液器４２のＣＯ２冷媒液が不足し、冷媒ガスが低圧受液器５４に供給されると、この冷媒ガスにより低圧受液器５４内の冷媒液が激しく攪拌され、低圧受液器５４内での気液分離効果が損なわれる。低圧受液器５４での気液分離効果が損なわれることにより、低温側圧縮機３４に液戻りが生じるおそれがある。液戻りにより低温側圧縮機３４では潤滑不良となり、これに起因して運転不能となる場合がある。
【００５３】
これを防止するため、給液配管１４ｄが高圧受液器４２内の冷媒ガスを吸い込まない液面レベルＬを設定し、微差圧発信器７２で液面レベルＬを監視し、液面レベルＬが低下しないように、給液電動弁５２の開度をＰＩＤ制御する。さらに何らかの現象により高圧受液器４２の液面レベルＬが低下した場合には、図示省略の液位低下警報器で警報を発するようにすると共に、給液電動弁５２を全閉とし、給液配管１４ｄに冷媒ガスが流入しないようにする。
【実施例】
【００５４】
前記第１実施形態の運転結果を図４に示す。図４に示すように、ＣＯ２Ｐｃ及びＭＶ出力にハンチングが起こらず、ＮＨ３ＳＨ及びアプローチが目標値付近に維持されていることがわかる。従って、安定運転を維持することができ、所期の冷却能力を発揮することができる。
【００５５】
また、本実施形態では、乾式のカスケードコンデンサ１６を用いたので、カスケードコンデンサの構成が簡素化でき、据付場所への分割搬入及び再組立が不要になり、その分コスト削減できる。
【００５６】
次に、第１実施形態の冷凍サイクル装置１０において、アプローチ温度を３．０℃に変更して運転を行なった結果を図５に示す。図５中、ＮＨ３吸入温度は高温側圧縮機１８の吸入側のＮＨ３冷媒ガス温度、ＣＯ２Ｐｃ（Ｐ２）はカスケードコンデンサ１６内のＣＯ２冷媒の凝縮圧力、ＮＨ３Ｔｓ（Ｔ１）は高温側圧縮機１８の吸入冷媒温度、ＮＨ３Ｐｄは高温側圧縮機１８の冷媒吐出圧力、ＣＯ２ロードはＣＯ２冷媒の負荷、ＮＨ３ロードはＮＨ３冷媒の負荷である。
図５に示すように、ＭＶ出力の変動幅が図１０と比べて狭まり、それによりアプローチ及びＣＯ２Ｐｃも比較的安定したが、完全にハンチングを抑制することはできなかった。
【００５７】
次に、アプローチを４．０℃にして行なった運転結果を図６に示す。図中、ＣＯ２Ｔｄは低温側圧縮機３４の吐出側ＣＯ２冷媒温度、ＣＯ２ＬＲ圧は吸入圧力調整弁６２上流側の低圧受液器５４内圧力である。図６に示すように、アプローチ４℃、ＮＨ３ＳＨ５〜６℃で完全に安定し、ハンチングが見られなかった。
【００５８】
図７は、アプローチ温度を４℃に設定すると共に、負荷を変動させ、３３〜６６％を繰り返す運転を行なった結果を示す。図７に示すように、この負荷変動運転に対しても、常にアプローチが４℃に保たれ、安定した運転を行なうことがわかった。
アプローチが３℃の場合、アプローチが狭まることによりカスケードコンデンサ１６の能力が極端に落ち、その動きが短時間で起こるため、ＮＨ３冷媒液の供給が過多となり、ＮＨ３ＳＨが急激に低下するものと推測される。また、その動きが急なため、温度センサ３０の反応速度が追いつかず、電動式膨張弁２８の動作も遅れて、ハンチングが続くものと推測される。
【００５９】
一方、アプローチ温度ＡＰが７℃を超えた場合には、低ＣＯＰ運転となる。従って、アプローチ温度ＡＰを４〜７℃にするのが好ましい。
【００６０】
なお、本実施形態において、乾式カスケードコンデンサ１６の代わりに、図８に示す満液式としてもよい。図８において、ＮＨ３冷媒液を貯留するＮＨ３冷媒液タンク７４が設けられ、ＮＨ３冷媒液タンク７４と、カスケードコンデンサ１６内に配設される熱交換管１７とは循環管路７６で接続されている。ＮＨ３冷媒液タンク７４内には、循環管路７６に接続されＮＨ３冷媒液を散布するヘッダ７８が設けられている。ＮＨ３冷媒液タンク７４の下方で、循環管路７６に電磁弁８０とフロート弁８２が設けられている。このフロート弁８２でＮＨ３冷媒液タンク７４内の液面レベルを検出し、該液面レベルが一定となるように電磁弁８０を開閉している。
なお、フロート弁８２に代わりに、微差圧発信器７２を設け、該微差圧発信器７２で液面レベルを検出するようにしてもよい。
【００６１】
この満液式のカスケードコンデンサを用いた場合でも、乾式カスケードコンデンサ１６を用いた場合と同一のアプローチ範囲で同様の結果が得られた。
また、本実施形態では、低圧受液器５４及び該低圧受液器５４とユニットクーラ５６間に循環流路５８を設け、該循環流路５８にＣＯ２冷媒を循環させるようにした液循環式を採用しているが、乾式を採用してもよい。即ち、低圧受液器５４や循環流路５８を設けず、高圧受液器４２から冷媒流路１４ｄを通ってユニットクーラ５６にＣＯ２冷媒を直接供給し、ユニットクーラ５６の出口でＣＯ２冷媒を乾きガスとして低温側圧縮機３４に送るようにしてもよい。
【００６２】
ベルトフリーザは、被冷却食品が多種類に亘り、運転時間がまちまちなので、冷却負荷の変動が激しい。負荷変動の大きい冷凍装置に本実施形態の装置を適用すれば、ハンチングをなくして安定運転を可能にする。
【００６３】
（実施形態２）
次に、本発明の２元冷凍サイクル装置の第２実施形態を図９に基づいて説明する。本実施形態の２元冷凍サイクル装置９０は、ＮＨ３冷媒が循環する高温側冷媒回路１２及びカスケードコンデンサ１６の構成は前記第１実施形態と同一構成を有する。図９において、ＣＯ２冷媒が循環する低温側冷媒回路９２には圧縮機が設けられておらず、液ポンプ９６でＣＯ２冷媒を循環する２次冷媒回路を構成している。低温側冷媒回路１４には受液器９４とユニットクーラ９８とが介設されている。受液器８４は第１実施形態の高圧受液器４２と同一構成を有し、ユニットクーラ９８は第１実施形態のユニットクーラ５６と同一構成を有する。ユニットクーラ９８に流入するＣＯ２冷媒は流量調整弁９９で流量調整される。
【００６４】
かかる構成において、冷却運転開始指令に従い、高温側圧縮機１８及び液ポンプ９６を運転しながら、ＣＯ２冷媒をユニットクーラ９８に強制循環させ、冷却負荷の冷却を行なう。この際に、ＣＯ２冷媒は冷却負荷より熱を受け取って温度上昇し蒸発するため、低温側冷媒回路１４の内圧が上昇する。
ユニットクーラ９８で冷却負荷と熱交換後のＣＯ２冷媒ガスは、流路９２ａを通って受液器９４に入り、そこでＣＯ２凝縮液と熱交換する。熱交換後、カスケードコンデンサ１６での凝縮温度付近まで冷却されたＣＯ２冷媒ガスは、流路９２ｂを通ってカスケードコンデンサ１６に入る。カスケードコンデンサ１６で、ＣＯ２冷媒はＮＨ３冷媒液と大部分潜熱熱交換を行なう。
【００６５】
本実施形態でも第１実施形態と同様の運転を行なうことで、ハンチングをなくし、安定運転を可能にでき、所期の冷却能力を発揮できる。本実施形態は、負荷変動が大きい冷蔵庫等に好適である。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明によれば、２元冷凍サイクル装置で運転中の諸動作のハンチング現象をなくして安定運転を維持でき、所期の冷却能力を維持することができる。
【符号の説明】
【００６７】
１０，９０ ２元冷凍サイクル装置
１２ 高温側冷媒回路
１４，９２ 低温側冷媒回路
１６ カスケードコンデンサ
１７ 熱交換管
１８ 高温側圧縮機
２４，４２ 高圧受液器
２８ 電動式膨張弁
３０ 温度センサ
３２、５０、６３ 圧力センサ
３４ 低温側圧縮機
３６ サクションストレーナ
３８ １次油分離器
４０ ２次油分離器
４６ 凝縮液落下管
４８ 液ポット
５２ 給液電動弁
５４ 低圧受液器
５６，９８ ユニットクーラ
５８ 循環流路
６０，９６ 液ポンプ
６４ ホットガスライン
７０ コントローラ
７２ 微差圧発信器
７４ ＮＨ３冷媒液タンク
７６ 循環管路
８２ フロート弁
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温側冷媒回路と低温側冷媒回路とがカスケードコンデンサを介して接続されてなり、該低温側冷媒回路で冷却負荷を冷却するようにした２元冷凍サイクル装置の制御方法において、
前記低温側冷媒回路で前記カスケードコンデンサの上流側で生じた高温の低温側冷媒ガスをカスケードコンデンサの下流側に設けられた受液器に供給し、該受液器内の冷媒液と熱交換させて冷却する第１工程と、
該第１工程で冷却された低温側冷媒ガスをカスケードコンデンサに供給し、高温側冷媒と熱交換させて凝縮させる第２工程、とからなり、
該第２工程で高温側冷媒回路の圧縮機吸入側過熱度の目標値及びカスケードコンデンサでの低温側冷媒の凝縮温度と高温側冷媒の蒸発温度との温度差の目標値を設定し、これら目標値に達するように高温側冷媒回路の膨張弁の開度を制御すると共に、該膨張弁の所要操作量のうち操作量が小さいほうの目標値を選択し、選択された目標値になるように許容値以下の操作速度で該膨張弁を操作することを特徴とする２元冷凍サイクル装置の制御方法。
【請求項２】
前記低温側冷媒回路に設けられた圧縮機が容量制御式の回転圧縮機であり、該回転圧縮機により低温側冷媒の循環量を制御することにより、低温側冷媒を三重点以上の温度に保持し低温側冷媒の固化を防止するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の２元冷凍サイクル装置の制御方法。
【請求項３】
前記低温側冷媒回路において、前記カスケードコンデンサ又は受液器内の低温側冷媒を圧縮機吸入側冷媒流路に供給することにより、低温側冷媒を三重点を超える温度に保持し、低温側冷媒の固化を防止するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の２元冷凍サイクル装置の制御方法。
【請求項４】
前記低温側冷媒回路において、圧縮機の吐出側冷媒流路から分離した潤滑剤を該圧縮機の低圧域又は該圧縮機の吸入側冷媒流路に介設されたサクションストレーナの下流側冷媒流路に戻すようにしたことを特徴とする請求項１に記載の２元冷凍サイクル装置の制御方法。
【請求項５】
前記高温側冷媒がＮＨ３であって、前記低温側冷媒がＣＯ２であり、前記カスケードコンデンサでのＣＯ２冷媒の飽和温度とＮＨ３冷媒の蒸発温度との温度差の目標値を４〜７℃としたことを特徴とする請求項１に記載の２元冷凍サイクル装置の制御方法。
【請求項６】
高温側冷媒回路と低温側冷媒回路とがカスケードコンデンサを介して接続されてなり、該低温側冷媒回路で冷却負荷を冷却するようにした２元冷凍サイクル装置において、
前記低温側冷媒回路で前記カスケードコンデンサの下流側に設けられた受液器及び該受液器にカスケードコンデンサ上流側の高温の低温側冷媒を供給する冷媒流路と、
該受液器内で該低温側冷媒と受液器内の凝縮冷媒液とを熱交換させる熱交換部及び該熱交換部で冷却された低温側冷媒を該カスケードコンデンサに供給する冷媒流路と、
前記高温側冷媒回路の圧縮機吸入側過熱度の目標値及び該カスケードコンデンサでの低温側冷媒の凝縮温度と高温側冷媒の蒸発温度との温度差の目標値を設定し、これら目標値に達するように高温側冷媒回路の膨張弁の開度を制御すると共に、該膨張弁の所要操作量のうち操作量が小さいほうの目標値を選択し、選択された目標値になるように許容値以下の操作速度で該膨張弁を操作するコントローラと、を備えたことを特徴とする２元冷凍サイクル装置。
【請求項７】
前記高温側冷媒回路の圧縮機吸入側冷媒流路に高温側冷媒温度を検出する第１温度センサと高温側冷媒圧力を検出する第１圧力センサを設けると共に、前記カスケードコンデンサ又は受液器に低温側冷媒の気相圧力を検出する第２圧力センサを設け、
前記コントローラで前記第１圧力センサで検出した高温側冷媒圧力から高温側冷媒の蒸発温度を換算し、前記第１温度センサで検出した高温側冷媒温度と該蒸発温度との差から高温側冷媒の過熱度を算出すると共に、前記第２圧力センサで検出した低温側冷媒の気相圧力から低温側冷媒の凝縮温度を換算し、該凝縮温度と高温側冷媒の前記蒸発温度との温度差を求めるようにしたことを特徴とする請求項６に記載の２元冷凍サイクル装置。
【請求項１】
高温側冷媒回路と低温側冷媒回路とがカスケードコンデンサを介して接続されてなり、該低温側冷媒回路で冷却負荷を冷却するようにした２元冷凍サイクル装置の制御方法において、
前記低温側冷媒回路で前記カスケードコンデンサの上流側で生じた高温の低温側冷媒ガスをカスケードコンデンサの下流側に設けられた受液器に供給し、該受液器内の冷媒液と熱交換させて冷却する第１工程と、
該第１工程で冷却された低温側冷媒ガスをカスケードコンデンサに供給し、高温側冷媒と熱交換させて凝縮させる第２工程、とからなり、
該第２工程で高温側冷媒回路の圧縮機吸入側過熱度の目標値及びカスケードコンデンサでの低温側冷媒の凝縮温度と高温側冷媒の蒸発温度との温度差の目標値を設定し、これら目標値に達するように高温側冷媒回路の膨張弁の開度を制御すると共に、該膨張弁の所要操作量のうち操作量が小さいほうの目標値を選択し、選択された目標値になるように許容値以下の操作速度で該膨張弁を操作することを特徴とする２元冷凍サイクル装置の制御方法。
【請求項２】
前記低温側冷媒回路に設けられた圧縮機が容量制御式の回転圧縮機であり、該回転圧縮機により低温側冷媒の循環量を制御することにより、低温側冷媒を三重点以上の温度に保持し低温側冷媒の固化を防止するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の２元冷凍サイクル装置の制御方法。
【請求項３】
前記低温側冷媒回路において、前記カスケードコンデンサ又は受液器内の低温側冷媒を圧縮機吸入側冷媒流路に供給することにより、低温側冷媒を三重点を超える温度に保持し、低温側冷媒の固化を防止するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の２元冷凍サイクル装置の制御方法。
【請求項４】
前記低温側冷媒回路において、圧縮機の吐出側冷媒流路から分離した潤滑剤を該圧縮機の低圧域又は該圧縮機の吸入側冷媒流路に介設されたサクションストレーナの下流側冷媒流路に戻すようにしたことを特徴とする請求項１に記載の２元冷凍サイクル装置の制御方法。
【請求項５】
前記高温側冷媒がＮＨ３であって、前記低温側冷媒がＣＯ２であり、前記カスケードコンデンサでのＣＯ２冷媒の飽和温度とＮＨ３冷媒の蒸発温度との温度差の目標値を４〜７℃としたことを特徴とする請求項１に記載の２元冷凍サイクル装置の制御方法。
【請求項６】
高温側冷媒回路と低温側冷媒回路とがカスケードコンデンサを介して接続されてなり、該低温側冷媒回路で冷却負荷を冷却するようにした２元冷凍サイクル装置において、
前記低温側冷媒回路で前記カスケードコンデンサの下流側に設けられた受液器及び該受液器にカスケードコンデンサ上流側の高温の低温側冷媒を供給する冷媒流路と、
該受液器内で該低温側冷媒と受液器内の凝縮冷媒液とを熱交換させる熱交換部及び該熱交換部で冷却された低温側冷媒を該カスケードコンデンサに供給する冷媒流路と、
前記高温側冷媒回路の圧縮機吸入側過熱度の目標値及び該カスケードコンデンサでの低温側冷媒の凝縮温度と高温側冷媒の蒸発温度との温度差の目標値を設定し、これら目標値に達するように高温側冷媒回路の膨張弁の開度を制御すると共に、該膨張弁の所要操作量のうち操作量が小さいほうの目標値を選択し、選択された目標値になるように許容値以下の操作速度で該膨張弁を操作するコントローラと、を備えたことを特徴とする２元冷凍サイクル装置。
【請求項７】
前記高温側冷媒回路の圧縮機吸入側冷媒流路に高温側冷媒温度を検出する第１温度センサと高温側冷媒圧力を検出する第１圧力センサを設けると共に、前記カスケードコンデンサ又は受液器に低温側冷媒の気相圧力を検出する第２圧力センサを設け、
前記コントローラで前記第１圧力センサで検出した高温側冷媒圧力から高温側冷媒の蒸発温度を換算し、前記第１温度センサで検出した高温側冷媒温度と該蒸発温度との差から高温側冷媒の過熱度を算出すると共に、前記第２圧力センサで検出した低温側冷媒の気相圧力から低温側冷媒の凝縮温度を換算し、該凝縮温度と高温側冷媒の前記蒸発温度との温度差を求めるようにしたことを特徴とする請求項６に記載の２元冷凍サイクル装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−２７２８７（Ｐ２０１１−２７２８７Ａ）
【公開日】平成２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１７１００８（Ｐ２００９−１７１００８）
【出願日】平成２１年７月２２日（２００９．７．２２）
【出願人】（０００１４８３５７）株式会社前川製作所 (267)
【公開日】平成２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月２２日（２００９．７．２２）
【出願人】（０００１４８３５７）株式会社前川製作所 (267)
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