特許 5982290 二元冷凍サイクル装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5982290

(24)【登録日】2016年8月5日

(45)【発行日】2016年8月31日

(54)【発明の名称】二元冷凍サイクル装置

(51)【国際特許分類】

   F25B 7/00 20060101AFI20160818BHJP

   F25B 1/00 20060101ALI20160818BHJP

【ＦＩ】

   F25B7/00 DZAB

   F25B1/00 351U

   F25B1/00 321H

   F25B1/00 396Z

【請求項の数】6

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2013-13129(P2013-13129)

(22)【出願日】2013年1月28日

(65)【公開番号】特開2014-145500(P2014-145500A)

(43)【公開日】2014年8月14日

【審査請求日】2015年8月3日

(73)【特許権者】

【識別番号】505461072

【氏名又は名称】東芝キヤリア株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001737

【氏名又は名称】特許業務法人スズエ国際特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100108855

【弁理士】

【氏名又は名称】蔵田 昌俊

(74)【代理人】

【識別番号】100109830

【弁理士】

【氏名又は名称】福原 淑弘

(74)【代理人】

【識別番号】100088683

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100103034

【弁理士】

【氏名又は名称】野河 信久

(74)【代理人】

【識別番号】100095441

【弁理士】

【氏名又は名称】白根 俊郎

(74)【代理人】

【識別番号】100075672

【弁理士】

【氏名又は名称】峰 隆司

(74)【代理人】

【識別番号】100119976

【弁理士】

【氏名又は名称】幸長 保次郎

(74)【代理人】

【識別番号】100153051

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 直樹

(74)【代理人】

【識別番号】100140176

【弁理士】

【氏名又は名称】砂川 克

(74)【代理人】

【識別番号】100158805

【弁理士】

【氏名又は名称】井関 守三

(74)【代理人】

【識別番号】100172580

【弁理士】

【氏名又は名称】赤穂 隆雄

(74)【代理人】

【識別番号】100179062

【弁理士】

【氏名又は名称】井上 正

(74)【代理人】

【識別番号】100124394

【弁理士】

【氏名又は名称】佐藤 立志

(74)【代理人】

【識別番号】100112807

【弁理士】

【氏名又は名称】岡田 貴志

(74)【代理人】

【識別番号】100111073

【弁理士】

【氏名又は名称】堀内 美保子

(74)【代理人】

【識別番号】100134290

【弁理士】

【氏名又は名称】竹内 将訓

(72)【発明者】

【氏名】平山 卓也

(72)【発明者】

【氏名】図司 貴宏

(72)【発明者】

【氏名】池田 明貴範

【審査官】 横溝 顕範

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０４−０３２６６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭５３−１３２０１５（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２０１２−２１５３５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２２０１１１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２５Ｂ １／００

Ｆ２５Ｂ ７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

高温側圧縮機、高温側凝縮器、高温側膨張装置、カスケード熱交換器を、冷媒配管を介して連通する高温側冷凍サイクルと、低温側圧縮機、カスケード熱交換器、低温側膨張装置、低温側蒸発器を、冷媒配管を介して連通する低温側冷凍サイクルとを、同一筐体内に搭載するとともに、前記高温側冷凍サイクルに導かれる高温側冷媒と、前記低温側冷凍サイクルに導かれる低温側冷媒とを、前記カスケード熱交換器で熱交換させる二元冷凍サイクル装置であって、
前記低温側冷凍サイクルの前記低温側圧縮機から前記カスケード熱交換器を介して前記低温側膨張装置に至る前記冷媒配管を低温側高圧部とし、
前記低温側高圧部に、前記高温側冷凍サイクルを構成する前記高温側圧縮機へ延長して、低温側高圧部の冷媒と高温側圧縮機を熱交換させる熱交換手段を設けた
ことを特徴とする二元冷凍サイクル装置。

【請求項2】

前記高温側冷凍サイクルの前記高温側圧縮機は、前記低温側冷凍サイクルの前記低温側圧縮機が起動した後、起動するよう制御される
ことを特徴とする請求項１記載の二元冷凍サイクル装置。

【請求項3】

前記低温側高圧部の前記熱交換手段は、前記低温側圧縮機と前記カスケード熱交換器とを連通する前記冷媒配管に設けられる
ことを特徴とする請求項１記載の二元冷凍サイクル装置。

【請求項4】

前記低温側高圧部は、前記高温側圧縮機へ延長して前記熱交換手段となる第１の配管路と、前記高温側圧縮機へ延長せず前記低温側圧縮機から前記カスケード熱交換器に直接連通する第２の配管路とを有する
ことを特徴とする請求項１記載の二元冷凍サイクル装置。

【請求項5】

前記高温側冷凍サイクルを構成する前記高温側凝縮器の温度ｔ１を検知する第１の温度検知手段および、前記高温側圧縮機内部に集溜する潤滑油の温度ｔ２を検知する第２の温度検知手段とを備え、前記第１の温度検知手段による検知温度および前記第２の温度検知手段による検知温度に基づいて、前記低温側冷凍サイクルに循環する冷媒を前記第１の配管路または前記第２の配管路に導くよう切換える切換え手段を備えた
ことを特徴とする請求項４記載の二元冷凍サイクル装置。

【請求項6】

前記高温側冷凍サイクルに用いられる冷媒は、Ｃ_３ Ｈ_ｍ Ｆ_ｎ （ただし、ｍおよびｎは、１以下５の整数で、ｍ＋ｎ＝６の関係が成立する）で示され、かつ分子構造中に二重結合を１個有する冷媒からなる単一冷媒または混合冷媒であることを
ことを特徴とする請求項１ないし請求項５記載の二元冷凍サイクル装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、同一筐体内に、高温側冷凍サイクルと低温側冷凍サイクルを備えた二元冷凍サイクル装置に関する。

【背景技術】

【0002】

同一筐体内に、高温側冷凍サイクルと低温側冷凍サイクルを備え、高温側冷凍サイクルに循環する高温側冷媒と、低温側冷凍サイクルに循環する低温側冷媒とを、カスケード熱交換器で熱交換させることによって、高圧縮比を得る二元冷凍サイクル装置が多用される傾向にある。

【0003】

この二元冷凍サイクル装置を給湯システムとして用いる場合は、高温側冷凍サイクルを構成する高温側凝縮器を水・冷媒熱交換器として、ここに導かれる高温側冷媒と、温水配管から導かれる水もしくは温水とを熱交換して、温水配管に導かれる水または温水を高温化して供給する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１０−１９６９５２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、高温側冷凍サイクルを構成する高温側圧縮機および低温側冷凍サイクルを構成する低温側圧縮機には、それぞれ潤滑油が集溜され圧縮機内部の各摺動部へ給油する。各圧縮機の停止中は低温となっており、潤滑油に冷媒が溶け込んだ状態でいる。そのため、潤滑油は冷媒によって希釈され、粘度が低くて潤滑性が悪い。

【0006】

給湯システムを構成する関係上、特に高温側冷凍サイクルは温水配管に導かれる水または温水の温度を早急に上昇させる必要がある。それには高温側圧縮機の起動時に、集溜する潤滑油の温度を速やかに上昇させ、ここに溶け込んでいる冷媒を分離して潤滑油の希釈を抑制し、粘度を高くして安定運転に移行することが望ましい。

【0007】

また、長時間、安定運転状態を継続すると、高温側圧縮機の温度が必要以上に上昇して、摺動部が過熱し、モータ効率が低下する傾向にある。そこで、今度は高温側圧縮機を冷却して、モータ効率および信頼性の向上を図る必要がある。

【0008】

このような事情から、起動時は、高温側圧縮機に集溜する潤滑油の温度を速やかに上昇させて、冷媒による希釈を抑制し粘度を高くして信頼性の向上を図り、短時間で安定運転に移行でき、長時間安定運転が継続したら、高温側圧縮機を冷却して摺動部の過熱を抑制し、モータ効率の向上を図れる二元冷凍サイクル装置が求められている。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本実施形態によれば、高温側圧縮機、高温側凝縮器、高温側膨張装置、カスケード熱交換器を、冷媒配管を介して連通する高温側冷凍サイクルと、低温側圧縮機、カスケード熱交換器、低温側膨張装置、低温側蒸発器を、冷媒配管を介して連通する低温側冷凍サイクルとを、同一筐体内に搭載するとともに、前記高温側冷凍サイクルに導かれる高温側冷媒と、前記低温側冷凍サイクルに導かれる低温側冷媒とを、前記カスケード熱交換器で熱交換させる二元冷凍サイクル装置であって、前記低温側冷凍サイクルの前記低温側圧縮機から前記カスケード熱交換器を介して前記低温側膨張装置に至る前記冷媒配管を低温側高圧部とし、前記低温側高圧部に、前記高温側冷凍サイクルを構成する前記高温側圧縮機へ延長して、低温側冷媒の熱と高温側圧縮機を熱交換させる熱交換手段を設けた。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】第１の実施形態に係る、二元冷凍サイクル装置の冷凍サイクル構成図。

【図2】同実施形態に係る、高温側圧縮機の正面図。

【図3】同実施形態に係る、変形例の高温側圧縮機の縦断面図。

【図4】第２の実施形態に係る、二元冷凍サイクル装置の冷凍サイクル構成図。

【図5】第３の実施形態に係る、二元冷凍サイクル装置の冷凍サイクル構成図。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本実施の形態を図面にもとづいて説明する。
図１は、第１の実施形態における、たとえば給湯システムとして用いられる二元冷凍サイクル装置Ｎの冷凍サイクル構成図である。

【0012】

二元冷凍サイクル装置Ｎは、同一の筐体Ｋに搭載される高温側冷凍サイクルＲａと、低温側冷凍サイクルＲｂと、温水配管Ｈおよび制御部Ｓとから構成される。
前記高温側冷凍サイクルＲａにおいて、高温側圧縮機１の吐出部ａと高温側凝縮器である水・冷媒熱交換器２の１次側流路２ａが高温側冷媒配管Ｐａを介して接続され、水・冷媒熱交換器２の１次側流路２ａと高温側膨張装置３が高温側冷媒配管Ｐａを介して接続される。

【0013】

高温側膨張装置３とカスケード熱交換器４の１次側流路４ａが高温側冷媒配管Ｐａを介して接続され、カスケード熱交換器４の１次側流路４ａと高温側圧縮機１の吸込み部ｂとが高温側冷媒配管Ｐａを介して接続されてなる。

【0014】

低温側冷凍サイクルＲｂは、低温側圧縮機５の吐出部ａとカスケード熱交換器４の２次側流路４ｂが、後述するように構成される低温側冷媒配管Ｐｂを介して接続され、カスケード熱交換器４の２次側流路４ｂと低温側膨張装置６が低温側冷媒配管Ｐｂを介して接続される。

【0015】

低温側膨張装置６と低温側蒸発器である空気熱交換器７が低温側冷媒配管Ｐｂを介して接続され、空気熱交換器７と低温側圧縮機５の吸込み部ｂとが低温側冷媒配管Ｐｂを介して接続されてなる。なお、空気熱交換器７と対向して送風機が配置され、熱交換用の空気を送風できるようになっている。

【0016】

ここで、低温側冷凍サイクルＲｂの低温側圧縮機５の吐出部ａからカスケード熱交換器４の２次側流路４ｂを介して低温側膨張装置６に至る低温側冷媒配管Ｐｂの系路（図に太線で示す）を、低温側高圧部８と呼ぶ。

【0017】

さらに、低温側高圧部８のうちの、特に、低温側圧縮機５の吐出部ａからカスケード熱交換器４に至る低温側冷媒配管Ｐｂの一部は、高温側冷凍サイクルＲａを構成する高温側圧縮機１へ延長され、低温側高圧部８の冷媒と高温側圧縮機１を熱交換させる熱交換部（熱交換手段）８ａを構成する。

【0018】

熱交換部８ａの具体的な形状は、図２もしくは図３に示すようになる。
図２に示すように、高温側圧縮機１を構成する密閉ケース１０の外面下部に低温側冷媒配管が巻装され、熱交換部８ａとする。

【0019】

したがって、低温側圧縮機５の吐出部ａから導かれる高圧高温の低温側冷媒が低温側高圧部８の熱交換部８ａにおいて高温側圧縮機１と熱交換して放熱し、低温側冷媒の熱を密閉ケース１０へ伝達するようになっている。
結果的には、低温側冷媒の熱を高温側圧縮機１の密閉ケース１０を介して、内部に集溜する潤滑油へ伝達することができる。

【0020】

図３に示すように、高温側圧縮機１を構成する密閉ケース１０底部から内部に挿入される環状の低温側冷媒配管を、熱交換部８ａとする。密閉ケース１０内部には、電動機部１１と圧縮機構部１２からなる電動圧縮機本体１３が収容されるとともに、圧縮機構部１２は密閉ケース１０内底部に集溜する潤滑油に浸漬状態にある。

【0021】

この場合、熱交換部８ａは圧縮機構部１２には接触することなく、潤滑油に浸漬される。したがって、低温側冷媒の熱と高温側圧縮機１に集溜する潤滑油とを熱交換して、低温側冷媒の熱を潤滑油へ直接、伝達するようになっている。

【0022】

再び図１に示すように、前記温水配管Ｈは、一端部が給水源、貯湯タンクまたは復水側（戻り側）バッファタンクの吸込み部に接続され、他端部が貯湯タンク、給湯栓または往水側（利用側）バッファタンク（以上、いずれも図示しない）に接続される。

【0023】

温水配管Ｈの中途部には、水搬送用のポンプ１５と、前記水・冷媒熱交換器２内に配管される２次側流路２ｂが設けられる。したがって、前記温水配管Ｈに導かれる水もしくは温水は、水・冷媒熱交換器の２次側流路２ｂにおいて１次側流路２ａに導かれる冷媒と熱交換することとなる。

【0024】

前記制御部Ｓは、高温側圧縮機１および低温側圧縮機５の吐出部ａ側に設けられる温度センサおよび圧力センサ（図示しない。以下、同）と、吸込み部ｂ側に設けられる温度センサおよび圧力センサからの検知信号を所定時間毎に受ける。

【0025】

さらに、温水配管Ｈにおける水・冷媒熱交換器２の２次側流路２ｂ入口側および出口側に設けられる水温センサおよび流量センサからの検知信号を所定時間毎に受ける。カスケード熱交換器４に設けられる温度センサと、空気熱交換器７に設けられる温度センサからも検知信号を受ける。

【0026】

さらに、リモートコントローラ（リモコン）からの運転／停止の指示信号を受け、高温側圧縮機１および低温側圧縮機５の運転周波数を設定制御する。前記センサ類とリモコンから受けた検知信号を演算し、記憶する基準値と比較するとともに、高温側膨張装置３および低温側膨張装置６の開閉と絞り量を制御する。そして、後述する制御をなす。

【0027】

このようにして構成される二元冷凍サイクル装置Ｒであり、冷凍サイクル運転（加熱運転モード）開始の指示を受けた制御部Ｓは、高温側冷凍サイクルＲａの高温側圧縮機１と、低温側冷凍サイクルＲｂの低温側圧縮機５を駆動制御して、後述するように冷媒を循環させる。

【0028】

前記高温側冷凍サイクルＲａにおいては、高温側圧縮機１で圧縮され吐出される冷媒を、 −水・冷媒熱交換器２の１次側流路２ａ−高温側膨張装置３−カスケード熱交換器４の１次側流路４ａ−高温側圧縮機１− の順に導き、循環させる。
したがって、水・冷媒熱交換器２の１次側流路２ａが高温側凝縮器として作用し、カスケード熱交換器４の１次側流路４ａが高温側蒸発器として作用する。

【0029】

前記低温側冷凍サイクルＲｂにおいては、低温側圧縮機５で圧縮され吐出される冷媒を、 −カスケード熱交換器４の２次側流路４ｂ−低温側膨張装置６−空気熱交換器７−低温側圧縮機５− の順に導き循環させる。

【0030】

したがって、カスケード熱交換器４の２次側流路４ｂが低温側凝縮器として作用し、空気熱交換器７が低温側蒸発器として作用する。前記カスケード熱交換器４では、低温側冷凍サイクルＲｂ側の２次側流路４ｂで冷媒が凝縮して凝縮熱を放出し、高温側冷凍サイクルＲａ側の１次側流路４ａで冷媒が凝縮熱を吸熱しながら蒸発する。

【0031】

二元冷凍サイクル装置Ｒ全体として空気熱交換器７での冷媒蒸発温度と、水・冷媒熱交換器２での冷媒凝縮温度との差が大となり、高圧縮比を得る。温水配管Ｈに導かれる水もしくは温水は、水・冷媒熱交換器２の２次側流路２ｂにおいて高温側冷凍サイクルＲａで凝縮作用をなす水・冷媒熱交換器２の１次側流路２ａから高温の凝縮熱を吸熱し、効率良く温度上昇する。

【0032】

水・冷媒熱交換器２の２次側流路２ｂにおいて、給水源、貯湯タンクまたは復水側（戻り側）バッファタンクから導かれた水もしくは温水は高温化した温水に変り、水・冷媒熱交換器２から貯湯タンクまたは往水側（利用側）のバッファタンクに導かれ循環する。もしくは、水・冷媒熱交換器２から給湯栓に直接給湯される。

【0033】

つぎに、起動時の状態を、さらに詳細に説明する。
起動時において、低温側圧縮機５が駆動制御され、ここで圧縮され加熱された低温側冷媒が低温側高圧部８へ吐出されて、高温側圧縮機１に延長される熱交換部８ａに導かれる。

【0034】

図２に示す熱交換部８ａでは、高温側圧縮機１を構成する密閉ケース１０の外面下部に巻装されるところから、低温側冷媒の熱を密閉ケース１０に伝達する。この熱は密閉ケース１０内底部に集溜される潤滑油に伝わり、潤滑油温度を上昇させる。

【0035】

図３に示す熱交換部８ａは、高温側圧縮機１の密閉ケース１０内底部に置かれ、ここに集溜する潤滑油中に浸漬されるところから、低温側冷媒の熱が潤滑油に直接伝達され、潤滑油温度を上昇させる。

【0036】

図２および図３のいずれの構成にしても、熱交換部８ａに導かれる低温側冷媒の熱によって、高温側圧縮機１の密閉ケース１０内底部に集溜する潤滑油の温度が速やかに上昇する。

【0037】

高温側圧縮機１の起動前の潤滑油温度が低い状態では、潤滑油に高温側冷媒が溶け込んで、潤滑油が希釈状態となり、粘度が低い。そのままでは、高温側圧縮機１の回転数を上げることができず、モータ効率の悪い状態が長く続く。水・冷媒熱交換器２で温水配管Ｈを導かれる水または温水の温度を、早急に所定温度まで上昇させることができず、効率の悪い状態となる。

【0038】

ところが、上述のように低温側圧縮機５から低温側高圧部８に導かれた低温側冷媒を、熱交換部８ａに導く構成を採用することによって、起動時において圧縮・加熱された低温側冷媒の熱が熱交換部８ａを介して高温側圧縮機１の潤滑油に伝達され、潤滑油温度を速やかに上昇させる。

【0039】

潤滑油は、高温側冷媒による希釈が早く解消して、粘度が高くなる。十分な粘度になった潤滑油が高温側圧縮機１の各摺動部に供給され、速やかに回転数を上昇させることができ、信頼性を確保しながら短時間で安定運転に移行できる。

【0040】

特に、高温側圧縮機１を加熱するための専用部品を備えることなく、低温側高圧部８の一部を高温側圧縮機１まで延長しただけの簡素な構成の熱交換部８ａを採用することで、所期の効果が得られ、コストに与える影響も極く僅かですむ。

【0041】

また、安定運転状態を長時間継続すると、高温側圧縮機１の圧縮機構部１２を構成する各摺動部品が過熱状態となり、モータ効率および信頼性が低下する傾向にある。一般に、安定運転時は、低温側高圧部８に導かれる低温側冷媒の温度が、高温側圧縮機１の潤滑油温度よりも低いことが知られている。

【0042】

そこで、上述のように構成することにより、熱交換部８ａは高温側圧縮機１を冷却することとなり、モータ効率の向上を図り、摺動部の過熱を抑制して、モータ効率および信頼性の向上を図れる。

【0043】

なお、上述のように構成する二元冷凍サイクル装置Ｎにおいて、高温側圧縮機１と低温側圧縮機５を同時に起動しても良いが、ここでは、はじめに低温側圧縮機５を起動したあと、条件に応じて高温側圧縮機１の起動をするよう制御される。

【0044】

実際には、低温側圧縮機５を起動し、この内部温度を計測する。高温側圧縮機１は、停止したまま内部温度を計測する。低温側高圧部８の熱交換部８ａを備えたことで、所定時間が経過すれば高温側圧縮機１の内部温度が所定温度を越える。このことを検知したら、始めて高温側圧縮機１を起動するよう、制御部Ｓは制御する。

【0045】

低温側高圧部８に熱交換部８ａを持たない通常構成の二元冷凍サイクル装置においては、低温側冷凍サイクルを構成する低温側圧縮機を先に起動した場合、カスケード熱交換器の１次側流路を導かれる高温側冷媒は、２次側流路を導かれる低温側冷媒の凝縮熱を吸収して蒸発する。

【0046】

したがって、高温側冷凍サイクルを構成する高温側圧縮機を起動した状態で、液バック量は低減できる。ただし、高温側冷凍サイクルにおける起動時は、高温側冷媒の温度が上がらず、圧力のみ上昇することとなるので、高温側冷媒の潤滑油に溶け込む量が増加し、潤滑油粘度がより低下して希釈状態となる。

【0047】

これに対して上述のように構成する二元冷凍サイクル装置Ｎにおいては、低温側冷凍サイクルＲｂを構成する低温側圧縮機５を先に起動することで、低温側高圧部８に導かれる低温側冷媒が熱交換部８ａで高温側圧縮機１の潤滑油に熱を伝達して、この温度を上昇させる。潤滑油の希釈が早く解消して粘度を高く保持できる一方で、液バック低減は支障なく行われる。

【0048】

なお、このときの高温側圧縮機１の起動タイミングとしては、内部に集溜する潤滑油の油面が、電動機部１１より低下したことを、たとえばイメージセンサ等で確認してからとする。
すなわち、高温側圧縮機１に集溜する潤滑油に高温側冷媒が溶け込むので、潤滑油油面が、ステータとロータからなる電動機部１１まで上昇することがある。

【0049】

上述のように低温側高圧部８の熱交換部８ａが高温側圧縮機１を加熱し、潤滑油の冷媒溶け込み量を低減する。潤滑油油面が低下し、電動機部１１下端部より低下して、これを浸漬しない状態を確認してから高温側圧縮機１を起動する。そのため、体積抵抗率が低い潤滑油を使用した場合においても、電動機部１１の電機絶縁性を確保できる。

【0050】

なお、上述のように構成する二元冷凍サイクル装置Ｎにおいては、高温側冷凍サイクルＲａを構成する高温側圧縮機１に封入される潤滑油を、高温側冷媒に対して非相溶性もしくは難相溶性のものを採用するとよい。そして、高温側圧縮機１内の高温側冷媒を熱交換部８ａで蒸発させてから、高温側圧縮機１を起動する。

【0051】

すなわち、高温側冷凍サイクルＲａでは、凝縮圧力が高いことに加え、凝縮温度と潤滑油温度との差が小さくなる傾向にある。高温側冷媒と相溶性のある潤滑油を用いた場合は、潤滑油の希釈による粘度低下が生じて信頼性を悪化させる。

【0052】

この対策として、非相溶性もしくは難相溶性の潤滑油を用いると良いが、この場合、寝込み起動時等においては液冷媒と潤滑油とが二相分離し、比重の重い液冷媒が密閉ケース１０下部に溜まってしまう。この状態のまま高温側圧縮機１を起動すると、圧縮機構部１２の下端部に設けられた給油ポンプによって摺動部に液冷媒が供給されてしまい、潤滑性が欠如して破損を招く虞れがある。

【0053】

上述のように構成する二元冷凍サイクル装置Ｎであれば、低温側高圧部８の熱交換部８ａによって、高温側圧縮機１に溜まっている液冷媒を加熱し蒸発させていから、高温側圧縮機１を起動する。摺動部に液冷媒が供給されるのを防ぎ、潤滑油の粘度が高く保持されているので、信頼性の向上を図れる。

【0054】

なお、上述のように構成する二元冷凍サイクル装置Ｎにおいて熱交換部８ａは、低温側圧縮機５とカスケード熱交換器４との間の、低温側冷媒配管Ｐｂに設けられる。換言すれば、カスケード熱交換器４と低温側膨張装置６との間の低温側高圧部８を構成する低温側冷媒配管Ｐｂには、熱交換部８ａを設けない。

【0055】

すなわち、低温側圧縮機５で圧縮され吐出される高温の低温側冷媒を直接熱交換部８ａに導いて、起動前の高温側圧縮機１に熱交換する。そのあと、低温側冷媒をカスケード熱交換器４に導いて熱交換する。カスケード熱交換器４で熱交換される前の、より高温の低温側冷媒で高温側圧縮機１の潤滑油を加熱するので、より加熱効果が高くなる。

【0056】

また、安定運転が長時間継続すれば、熱交換部８ａにおいて低温側冷媒が高温側圧縮機１から熱を貰う。この状態でカスケード熱交換器４の２次側流路４ｂで熱交換するので、熱量が増大し能力の拡大を図れる。

【0057】

図４は、第２の実施形態に係る二元冷凍サイクル装置Ｎａの冷凍サイクル構成図である。後述する低温側高圧部８０を除いて、他の構成部品は先に図１で説明したものと同一であるので、同図を適用して新たな説明は省略する。

【0058】

低温側冷凍サイクルＲｂにおいて、低温側高圧部８０は、一部が前記高温側圧縮機１へ延長して前記熱交換部８ａとなる第１の配管路８Ｐａと、高温側圧縮機１へ延長せず低温側圧縮機５からカスケード熱交換器４の２次側流路４ｂに直接連通する第２の配管路８Ｐｂとを有する。

【0059】

なお、第１の配管路８Ｐａにおいて、熱交換部８ａの入口側に切換え手段としての開閉弁２０を備え、熱交換部８ａの出口側に逆止弁２１を備える。開閉弁２０を閉成すれば、図に一点鎖線矢印に示すように、低温側圧縮機５から吐出される低温側冷媒は第１の配管路８Ｐａには浸入せず、第２の配管路８Ｐｂのみに導かれる。

【0060】

また、開閉弁２０を開放すれば、低温側冷媒のほとんどが、図に点線矢印で示すように、第１の配管路８Ｐａに導かれて熱交換部８ａで高温側圧縮機１へ熱交換し、一部の低温側冷媒は第２の配管路８Ｐｂに導かれる。

【0061】

制御部Ｓは、起動時に開閉弁２０を開放制御して、第１の配管路８Ｐａに低温側冷媒のほとんど大部分を導く。熱交換部８ａにおいて高温側圧縮機１に熱伝達し、ここに集溜する潤滑油の粘度を上昇させ冷媒による希釈を防止する。このことから、早期に安定運転に移行できる。

【0062】

安定運転が継続した状態では、高温側冷凍サイクルＲａの高温側圧縮機１の温度よりも低温側冷凍サイクルＲｂの低温側高圧部８０の温度が低くなり、高温側圧縮機１は冷却される。

【0063】

また、安定運転時に、高温側圧縮機１に集溜する潤滑油の温度が、高温側凝縮器を構成する水・冷媒熱交換器２の温度と一致し、もしくは潤滑油温度が凝縮温度よりも低くなる場合がある。この状態では、高温側圧縮機１の密閉ケース１０内の冷媒が凝縮液化して潤滑油に溶け込み、潤滑油が希釈されて粘度が低下し潤滑性が悪化してしまい、信頼性に欠ける。

【0064】

そこで、このことを検知した場合は、制御部Ｓは開閉弁２０を閉成して第２の配管路８Ｐｂに低温側冷媒を導く。低温側冷媒は熱交換部８ａに導かれず、全て第２の配管路８Ｐｂに導かれる。すなわち、低温側冷媒は低温側圧縮機５から第２の配管路８Ｐｂを介して直接、カスケード熱交換器４に導かれる。

【0065】

低温側高圧部８０と高温側圧縮機１との熱交換がなくなり、高温側圧縮機１における潤滑油の温度低下を回避できる。そのため、安定運転時の潤滑油の希釈を抑制することが可能となり、潤滑油粘度を高く保持して信頼性の向上に繋げられる。
さらに、低温側冷凍サイクルＲｂにおいても、熱交換部８ａにおける熱損失がないから、冷凍サイクルの性能の向上が得られることとなる。

【0066】

図５は、第３の実施形態を説明する二元冷凍サイクル装置Ｎｂの冷凍サイクル構成図である。ここで図４の二元冷凍サイクル装置Ｎａと相違するのは、第１の配管路８Ｐａと第２の配管路８Ｐｂの分岐位置に切換え手段としての三方弁２２を設けたことである。

【0067】

このような構成であれば、低温側高圧部８０を流れる低温側冷媒は、三方弁２２の切換えによって、完全に、図に破線矢印で示すように第１の配管路８Ｐａに導かれ、もしくは図に一点鎖線矢印で示すように第２の配管路８Ｐｂのいずれかに導かれる。

【0068】

そして、この二元冷凍サイクル装置Ｎｂでは、高温側冷凍サイクルＲａを構成する水・冷媒熱交換器（高温側凝縮器）２の温度ｔ１を検知する第１の温度センサ（第１の温度検知手段）２５を備えるとともに、高温側圧縮機１の内部に集溜する潤滑油の温度ｔ２を検知する第２の温度センサ（第２の温度検知手段）２６を備えている。

【0069】

運転中に、それぞれの温度センサ２５，２６の検知温度信号は制御部Ｓに送られ、検知温度として比較演算される。
第１の温度センサ２５がｔ１を検知するとともに、第２の温度センサ２６がｔ２を検知し、制御部Ｓで比較演算した状態で、 ｔ１＋α＜ ｔ２ のとき、低温側冷凍サイクルＲｂに循環する低温側冷媒を第１の配管路８Ｐａに導くよう三方弁２２を切換え制御する。

【0070】

ここで、αは、高温側凝縮器２の温度ｔ１に対し高温側圧縮機１内の冷媒が凝縮液化しない余裕度であり、０〜１０℃から選択される。
したがって、高温側圧縮機１に集溜する潤滑油が冷却され、摺動部の過熱による信頼性低下、モータ効率の低下等を防ぐことができる。

【0071】

また、安定運転中に、 ｔ１＋α（α：０〜１０℃）＞ ｔ２ になったとき、低温側冷凍サイクルＲｂに循環する冷媒を第２の配管路８Ｐｂに導くよう三方弁２２を切換え制御する。したがって、高温側圧縮機１に集溜する潤滑油と、熱交換部８ａとの熱交換がなくなって、潤滑油の冷媒による希釈が抑制される。

【0072】

いずれも、第１、第２の温度センサ１６，１７の温度検知によって、制御部Ｓは第１、第２の配管路８Ｐａ，８Ｐｂの切換えタイミングを制御するため、上述の効果を安定して得られることとなる。

【0073】

なお、先に述べた第２の温度センサ２６は、図２に示すように、高温側圧縮機１を構成する密閉ケース１０外面下部に巻装する熱交換部（冷媒配管）８ａの出口部外面に取付けてもよい。

【0074】

たとえば、高温側圧縮機１の内部に第２の温度センサを取付けることと比較して、温度センサから信号線を取り出すための工数と、部品コストを削減できるとともに、リーク個所が減少して、安価で、信頼性の高い冷凍サイクルを提供できる。

【0075】

以上のように構成される二元冷凍サイクル装置Ｎ、Ｎａ、Ｎｂにおいて、高温側冷凍サイクルＲａに用いられる高温側冷媒は、Ｃ_３ Ｈ_ｍ Ｆ_ｎ （ただし、ｍおよびｎは１以上５以下の整数で、ｍ＋ｎ＝６の関係が成立する）で示され、かつ分子構造中に二重結合を１個有する冷媒からなる単一冷媒または該冷媒を含む混合冷媒を用いる。

【0076】

該冷媒は、ＧＷＰ（地球温暖化係数）が低く、冷凍サイクルの冷媒として優れた特性を有するが、高温で分解し易い特性を有している。起動時から安定運転状態に移行し長時間継続しても、上述の構成を採用することにより高温側圧縮機１が冷却されるので、ここに用いられる高温側冷媒の高温分解を防止できる。

【0077】

単一冷媒の例としては、以下のものがある。
（１） ＨＦＯ−１２３４ｙｆ冷媒 （化学式は、ＣＦ_３ −ＣＦ＝ＣＨ_２ ）
（２） ＨＦＯ−１２３４ｚｅ冷媒 （化学式は、ＣＦ_３ −ＣＨ＝ＣＨＦ）
また、混合冷媒の例としては、以下のものがある。
上記（１）または（２）と、下記冷媒とのいずれかの混合冷媒。
ＨＦＣ冷媒（たとえば、ＨＦＣ−３２、ＨＦＣ−１３４ａ）、メタン、エタン、プロパン、プロペン、ブタン、イソブタン、ペンタン、２−メチルブタン、シクロペンタン、ジメチルエーテル、二酸化炭素、ヘリウム。

【0078】

また低温側冷媒の例としては、以下のものがある。
（１） 高温側冷媒と同一
（２） ＨＦＣ系冷媒（ＨＦＣ−４１０Ａ等）
（３） ＣＯ_２
（４） ＨＣ系冷媒
なお、高温側冷媒は、上記Ｃ_３ Ｈ_ｍ Ｆ_ｎ で示される冷媒に限定されるものではなない。例えば高温側冷媒にＨＦＣ系冷媒であるＨＦＣ−１３４ａ等を用い、低温側冷媒として、ＨＦＣ−４１０Ａ等を用いても良い。

【0079】

なお、図１および図４、図５の冷凍サイクル構成図は、必要最低限の部品しか示していないが、これに限る必要はなく、たとえば冷媒レシーバ、アキュームレータ、気液分離器、その他の配管等を追加しても良い。また除霜逆サイクルで運転する場合は、一次的に熱交換手段が低温側冷媒低圧部となるが、何らの支障も無い。

【0080】

以上、本実施形態を説明したが、上述の実施形態は、例として提示したものであり、実施形態の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0081】

１…高温側圧縮機、２…水・冷媒熱交換器（高温側凝縮器）、３…高温側膨張装置、４…カスケード熱交換器、Ｐａ…高温側冷媒配管、Ｒａ…高温側冷凍サイクル、５…低温側圧縮機、６…低温側膨張装置、７…空気熱交換器（低温側蒸発器）、Ｐｂ…低温側冷媒配管、Ｒｂ…低温側冷凍サイクル、Ｋ…筐体、Ｎ，Ｎａ，Ｎｂ…二元冷凍サイクル装置、８，８０…低温側高圧部、８ａ…熱交換部（熱交換手段）、Ｓ…制御部、８Ｐａ…第１の配管路、８Ｐｂ…第２の配管路、２５…第１の温度センサ（第１の温度検知手段）、２６…第２の温度検知センサ（第２の温度検知手段）、２０…開閉弁（切換え手段）、２２…三方弁（切換え手段）。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】