特開 2024-20842 二元冷凍装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024020842

(43)【公開日】2024-02-15

(54)【発明の名称】二元冷凍装置

(51)【国際特許分類】

   F25B 7/00 20060101AFI20240207BHJP

   F25B 1/00 20060101ALI20240207BHJP

   F25B 47/02 20060101ALI20240207BHJP

【ＦＩ】

F25B7/00 D

F25B1/00 399Y

F25B1/00 351K

F25B1/00 321C

F25B47/02 550F

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022123334

(22)【出願日】2022-08-02

(71)【出願人】

【識別番号】000006611

【氏名又は名称】株式会社富士通ゼネラル

(74)【代理人】

【識別番号】100103850

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 秀▲てつ▼

(74)【代理人】

【識別番号】100066980

【弁理士】

【氏名又は名称】森 哲也

(72)【発明者】

【氏名】兼井 一樹

(57)【要約】

【課題】二元冷凍装置において、立ち上がり運転を速やかに行うことにより、立ち上がり運転の悪化による暖房能力の低下を抑制することができる二元冷凍装置を提供する。
【解決手段】高元側圧縮機１０、熱媒体と熱交換する高元側熱交換器１１、カスケード熱交換器１３を備え、高元側冷媒が循環する高元側冷媒回路２と、低元側圧縮機２０、熱源側熱交換器２２を備え、カスケード熱交換器１３で高元側冷媒と熱交換する第１循環路２３、および、熱媒体と熱交換する低元側熱交換器２４を有する第２循環路２６とを備え、低元側冷媒が循環する低元側冷媒回路３を備えている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

高元側圧縮機と、熱媒体と熱交換する高元側熱交換器と、高元側減圧機構と、カスケード熱交換器とが冷媒配管で順次接続され、高元側冷媒が循環する高元側冷媒回路と、
低元側圧縮機と、前記カスケード熱交換器と、低元側第１減圧機構と、熱源側熱交換器とが冷媒配管で順次接続され、低元側冷媒が循環する第１循環路を備える低元側冷媒回路と、
前記高元側冷媒回路、前記低元側冷媒回路を制御する制御部と、を備え、
前記カスケード熱交換器で前記高元側冷媒と前記低元側冷媒とが熱交換し、
前記低元側冷媒回路は、前記低元側圧縮機と前記カスケード熱交換器との間と、前記低元側第１減圧機構と前記熱源側熱交換器との間とを、前記熱媒体と熱交換する低元側熱交換器および低元側第２減圧機構が設けられた冷媒配管で接続し、前記低元側圧縮機と、前記低元側熱交換器と、前記低元側第２減圧機構と、前記熱源側熱交換器とが冷媒配管で順次接続され、前記低元側冷媒が循環する第２循環路を備えていることを特徴とする二元冷凍装置。

【請求項2】

循環ポンプと、利用側熱交換器と、前記低元側熱交換器と、前記高元側熱交換器とが、配管で順次接続されて熱媒体が循環し、前記高元側熱交換器で前記高元側冷媒と前記熱媒体とが熱交換し、前記低元側熱交換器で前記低元側冷媒と前記熱媒体とが熱交換する熱媒体回路を備え、
前記制御部は、前記熱媒体回路を制御することを特徴とする請求項１に記載の二元冷凍装置。

【請求項3】

前記制御部は、前記二元冷凍装置を起動する際に、前記高元側圧縮機および前記低元側圧縮機を起動させ、前記低元側第１減圧機構および前記低元側第２減圧機構の開度を所定の開度に維持して、前記第１循環路および前記第２循環路に前記低元側冷媒を循環させる立ち上がり運転を行うことを特徴とする請求項１に記載の二元冷凍装置。

【請求項4】

前記制御部は、所定時間経過後、前記立ち上がり運転から前記カスケード熱交換器および低元側熱交換器の出口冷媒が所定の過冷却度になるよう前記低元側第１減圧機構および前記低元側第２減圧機構を制御する通常運転に切り換えて、前記第１循環路および前記第２循環路に前記低元側冷媒を循環させることを特徴とする請求項３に記載の二元冷凍装置。

【請求項5】

前記制御部は、前記二元冷凍装置を起動する際に、前記高元側圧縮機、前記低元側圧縮機および前記循環ポンプを起動させ、前記低元側第１減圧機構および前記低元側第２減圧機構の開度を所定の開度に維持して、前記第１循環路および前記第２循環路に前記低元側冷媒を循環させる立ち上がり運転を行うことを特徴とする請求項２に記載の二元冷凍装置。

【請求項6】

前記制御部は、所定時間経過後、前記立ち上がり運転から前記カスケード熱交換器および低元側熱交換器の出口冷媒が所定の過冷却度になるよう前記低元側第１減圧機構および前記低元側第２減圧機構を制御する通常運転に切り換えて、前記第１循環路および前記第２循環路に前記低元側冷媒を循環させることを特徴とする請求項５に記載の二元冷凍装置。

【請求項7】

前記制御部は、前記高元側熱交換器を通過した後の前記熱媒体の温度の目標値が所定温度以下の場合は、前記高元側圧縮機を停止することを特徴とする請求項６に記載の二元冷凍装置。

【請求項8】

前記低元側冷媒回路において、前記低元側圧縮機の吐出側に接続され、前記低元側圧縮機から吐出する前記低元側冷媒を前記カスケード熱交換器側および前記低元側熱交換器側に流すか、または、前記熱源側熱交換器側に流すかを切り換える低元側四方弁が設けられ、
前記高元側冷媒回路において、前記高元側圧縮機の吐出側に接続され、前記高元側圧縮機から吐出する前記高元側冷媒を前記高元側熱交換器側に流すか、または、前記カスケード熱交換器側に流すかを切り換える高元側四方弁が設けられていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の二元冷凍装置。

【請求項9】

前記低元側熱交換器は蓄熱材を有していることを特徴とする請求項８に記載の二元冷凍装置。

【請求項10】

前記制御部は、前記蓄熱材の温度が所定温度以上になった場合、前記低元側四方弁を前記熱源側熱交換器側に切り換える除霜運転を行うことを特徴とする請求項９に記載の二元冷凍装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、二元冷凍装置に関し、特に、暖房能力の低下を抑制することができる二元冷凍装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来の二元冷凍装置は、高元側冷媒回路と低元側冷媒回路を備え、高元側冷媒回路と低元側冷媒回路が、共用するカスケード熱交換器（中間熱交換器）を備え、高元側冷媒回路を循環する冷媒と低元側冷媒回路を循環する冷媒とを、カスケード熱交換器で熱交換させ、高元側冷媒回路を循環する高元側冷媒により水を加熱し、温水を生成している。

【0003】

このような二元冷凍装置は、高元側冷媒回路と低元側冷媒回路で、冷媒特性の違いや起動時の温度条件などに起因して起動から定常状態になるまでの時間にアンバランスが生じて低元側冷媒回路の圧縮機が保護停止に至る恐れがある。そのため、特許文献１に開示された二元冷凍装置では、二元冷凍装置の起動から定常運転に移行するまでの間（以下、「立ち上がり運転」とする）における低元側冷凍回路での高圧過昇による保護停止を防止するため、立ち上がり運転における高元側冷媒回路の圧縮機の回転数の低元側冷凍回路の圧縮機の回転数に対する比を、定常運転における比よりも大きく設定している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１３－２１３５９０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかし、特許文献１に開示された二元冷凍装置では、立ち上がり運転における高元側冷凍回路の圧縮機の回転数の低元側冷凍回路の圧縮機の回転数に対する比を、定常運転における比よりも大きく設定しているので、低元側冷凍回路の圧縮機の立ち上がり運転における回転数が制限されるため、立ち上がり運転において、十分な暖房能力を発揮するまでに時間がかかるという課題がある。

【0006】

上記課題に鑑み、本発明の目的は、二元冷凍装置において、立ち上がり運転を速やかに行うことによる暖房能力の低下を抑制することができる二元冷凍装置を提供するものである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一態様は、高元側圧縮機と、高元側熱交換器と、高元側減圧機構と、カスケード熱交換器とが冷媒配管で順次接続され、高元側冷媒が循環する高元側冷媒回路と、低元側圧縮機と、カスケード熱交換器と、低元側第１減圧機構と、熱源側熱交換器とが冷媒配管で順次接続され、低元側冷媒が循環する第１循環路を備える低元側冷媒回路と、高元側冷媒回路、低元側冷媒回路を制御する制御部と、を備え、カスケード熱交換器で高元側冷媒と低元側冷媒とが熱交換し、低元側冷媒回路は、低元側圧縮機とカスケード熱交換器との間と、低元側第１減圧機構と熱源側熱交換器との間とを、低元側熱交換器および低元側第２減圧機構が設けられた冷媒配管で接続し、低元側圧縮機と、低元側熱交換器と、低元側第２減圧機構と、熱源側熱交換器とが冷媒配管で順次接続され、低元側冷媒が循環する第２循環路を備えている二元冷凍装置である。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、二元冷凍装置において、立ち上がり運転を速やかに行うことにより、立ち上がり運転の悪化による暖房能力の低下を抑制することができる二元冷凍装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の実施形態に係る二元冷凍装置の冷媒回路図である。

【図2】本発明の実施形態に係る二元冷凍装置の制御ブロック図である。

【図3】本発明の実施形態に係る二元冷凍装置の制御フロー図である。

【図4】本発明の他の実施形態に係る二元冷凍装置の冷媒回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下に、本発明に係る二元冷凍増値の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

【0011】

図１は、本実施形態の二元冷凍装置１の冷媒回路図である。図２は、本実施形態の二元冷凍装置１における制御ブロック図である。

【実施例0012】

図１を参照して、本実施形態である二元冷凍装置１について説明する。図１は、本実施形態の二元冷凍装置１の冷媒回路図である。二元冷凍装置１は、利用側熱交換器３１を蒸発器として利用する場合には冷房運転に用いられ、利用側熱交換器３１を凝縮器として利用する場合には、温水を作る運転、あるいは、暖房運転に用いられることができる冷凍装置である。以下、温水を作る運転と暖房運転をまとめて暖房運転と呼ぶことがある。本実施形態では、暖房運転に用いられる二元冷凍装置について説明する。二元冷凍装置１は、高元側冷媒回路２、低元側冷媒回路３、熱媒体回路４、制御部５を備え、制御部５は二元冷凍装置１を制御する。

【0013】

高元側冷媒回路２は、高元側圧縮機１０と、高元側熱交換器１１と、高元側減圧機構としての高元側膨張弁１２と、カスケード熱交換器１３とが冷媒配管６で順次接続され、高元側冷媒が循環する。本実施形態では、高元側熱交換器１１は、高元側冷媒と熱媒体回路４を流れる熱媒体とが熱交換する熱交換器である。カスケード熱交換器１３は、高元側冷媒と低元側冷媒回路３を流れる低元側冷媒とが熱交換する熱交換器である。尚、本実施形態では、高元側熱交換器１１は、高元側冷媒と熱媒体回路４を流れる熱媒体とが熱交換する熱交換器であるが、例えば、図示しない送風機を介して熱媒体としての空気と熱交換する熱交換器であっても構わない。高元側冷媒回路２における矢印は暖房運転時の高元側冷媒の流れを示す。

【0014】

高元側冷媒回路２において、高元側圧縮機１０の吐出側には、高元側圧縮機１０から吐出された高元側冷媒を高元側熱交換器１１の側に流すか、または、カスケード熱交換器１３の側に流すかを切り換える高元側四方弁１４が接続されている。本実施形態では、高元側四方弁１４によって、高元側圧縮機１０から吐出された高元側冷媒が高元側熱交換器１１の側へ流れる場合（暖房運転）について説明する。従って、高元側冷媒回路２においては、高元側圧縮機１０から吐出された高元側冷媒は、高元側熱交換器１１、高元側膨張弁１２、カスケード熱交換器１３を流れて、高元側圧縮機１０に吸入される。

【0015】

低元側冷媒回路３は、第１循環路２３と第２循環路２６を有している。第１循環路２３は、低元側圧縮機２０と、高元側冷媒回路２に接続されたカスケード熱交換器１３と、低元側第１減圧機構としての低元側第１膨張弁２１と、熱源側熱交換器２２とが冷媒配管６で順次接続され、低元側冷媒が循環する。熱源側熱交換器２２は、低元側冷媒と外気とが熱交換する熱交換器である。カスケード熱交換器１３は、低元側冷媒と高元側冷媒回路２を流れる高元側冷媒とが熱交換する熱交換器である。低元側冷媒回路３における矢印は低元側冷媒の流れを示す。

【0016】

低元側冷媒回路３は、低元側圧縮機２０とカスケード熱交換器１３との間と、低元側第１膨張弁２１と熱源側熱交換器２２との間とを、低元側熱交換器２４および低元側第２減圧機構としての低元側第２膨張弁２５が設けられた冷媒配管で接続し、低元側圧縮機２０と、低元側熱交換器２４と、低元側第２膨張弁２５と、熱源側熱交換器２２とが冷媒配管で順次接続され、低元側冷媒が循環する第２循環路２６を備えている。

【0017】

低元側冷媒回路３において、低元側圧縮機２０の吐出側には、低元側圧縮機２０から吐出される低元側冷媒を、カスケード熱交換器１３の側および低元側熱交換器２４の側に流すか、または、熱源側熱交換器２２の側に流すかを切り換える低元側四方弁２７が接続されている。本実施形態では、低元側四方弁２７によって、低元側圧縮機２０から吐出される低元側冷媒がカスケード熱交換器１３の側および低元側熱交換器２４の側へ流れる場合（暖房運転）について説明する。この場合、低元側冷媒回路３においては、低元側圧縮機２０から吐出された低元側冷媒は、カスケード熱交換器１３、低元側第１膨張弁２１、熱源側熱交換器２２を流れて、低元側圧縮機２０に吸入され、また、低元側圧縮機２０から吐出された低元側冷媒は、低元側熱交換器２４、低元側第２膨張弁２５、熱源側熱交換器２２を流れて、低元側圧縮機２０に吸入される。

【0018】

低元側冷媒回路３において、低元側圧縮機２０、熱源側熱交換器２２、低元側四方弁２７は、第１循環路２３および第２循環路２６において共通に用いられる。

【0019】

熱媒体回路４は、循環ポンプ３０と、利用側熱交換器３１と、低元側熱交換器２４と、高元側熱交換器１１とが配管３２で順次接続され、熱媒体としての水が循環する。なお、熱媒体として水の代わりに不凍液を利用しても良い。利用側熱交換器３１で、熱媒体としての水と室内の空気とが熱交換し、熱媒体としての水と熱交換した空気は暖房に用いられる。高元側熱交換器１１は、熱媒体としての水と高元側冷媒回路２を流れる高元側冷媒とが熱交換する熱交換器である。低元側熱交換器２４は、熱媒体としての水と低元側冷媒回路３を流れる低元側冷媒とが熱交換する熱交換器である。熱媒体回路４における矢印は熱媒体としての水の流れを示す。

【0020】

二元冷凍装置１は、高元側冷媒回路２における高元側冷媒の潜熱を利用し、低元側冷媒回路３における低元側冷媒の潜熱を利用し、熱媒体回路４における熱媒体（水）の顕熱を利用する冷凍装置である。尚、本実施形態では、高元側冷媒回路２における高元側冷媒と低元側冷媒回路３における低元側冷媒は同一の冷媒であるが、必ずしも同一である必要はなく、例えば、高元側冷媒よりも低沸点である低元側冷媒としても構わない。また、熱媒体回路に潜熱変化を利用できる冷媒を利用しても良い。その場合、熱媒体回路の循環ポンプ３０は圧縮機に置き換えられ、利用側熱交換器３１と低元側熱交換器２４の間の経路に減圧機構として膨張弁等が設けられる。

【0021】

二元冷凍装置１では、低元側冷媒回路３の熱源側熱交換器２２で外気から吸熱して低温低圧の気相冷媒となった低元側冷媒は低元側圧縮機２０で圧縮されて高温高圧の気相冷媒にされ、カスケード熱交換器１３を介して高元側冷媒回路２を循環する高元側冷媒に放熱することで高温高圧の液相冷媒になる。カスケード熱交換器１３で低元側冷媒から吸熱した低圧の高元側冷媒は高元側圧縮機１０で圧縮されて高温高圧の気相冷媒にされ、高元側熱交換器１１を介して熱媒体回路４を循環する熱媒体である水に放熱して温水を作り出す。また、二元冷凍装置１では、低元側冷媒回路３の熱源側熱交換器２２で外気から吸熱して低温低圧の気相冷媒となった低元側冷媒は低元側圧縮機２０で圧縮されて高温高圧の気相冷媒にされ、低元側熱交換器２４を介して熱媒体回路４を循環する熱媒体である水に放熱する。そのため、低元側冷媒回路３を循環する低元側冷媒を、熱媒体回路４を循環する熱媒体である水によって凝縮させることができる。

【0022】

従来技術の二元冷凍装置では、立ち上がり運転における高元側冷凍回路の圧縮機の回転数（Ｒ１）の低元側冷凍回路の圧縮機の回転数（Ｒ２）に対する比（Ｒ１／Ｒ２）を、定常運転における比よりも高く設定することで、低元側冷凍回路において凝縮されず高圧過昇が生じて低元側冷媒回路の圧縮機が保護停止するのを抑制している。しかし、従来技術では低元側冷凍回路の圧縮機の立ち上がり運転における回転数が制限されるため、立ち上がり運転において、十分な暖房能力を発揮するまでに時間がかかっていた。一方、本実施形態における二元冷凍装置１は、高元側冷媒回路２と第１循環路２３および第２循環路２６を有する低元側冷媒回路３を備えて、高元側冷媒回路２の高元側熱交換器１１、および、低元側冷媒回路３の第２循環路２６における低元側熱交換器２４で、熱媒体回路４を循環する熱媒体と熱交換する。そのため、低元側冷媒回路３を循環する低元側冷媒と、熱媒体回路４を循環する熱媒体とを、直接、熱交換して凝縮させることができるため、低元側冷媒回路の圧縮機の保護停止を抑制しながら立ち上がり運転を速やかに行うことができる。

【0023】

次に、図２を参照して、本実施形態の二元冷凍装置１における制御ブロックについて説明する。制御部５は、第１過冷却度算出手段４５と第２過冷却度算出手段４６を備えている。第１過冷却度算出手段４５は、カスケード熱交換器１３の過冷却度（低元側冷媒に過冷却度）を算出する。第２過冷却度算出手段４６は、低元側熱交換器２４の過冷却度（低元側冷媒に過冷却度）を算出する。第１過冷却度算出手段４５には、カスケード熱交換器１３を流れる低元側冷媒の凝縮温度とカスケード熱交換器１３を流れる低元側冷媒の出口温度とが入力される。第２過冷却度算出手段４６には、低元側熱交換器２４を流れる低元側冷媒の凝縮温度と低元側熱交換器２４を流れる低元側冷媒の出口温度とが入力される。また、制御部５には目標熱媒体温度が入力される。目標熱媒体温度は熱媒体回路４において、循環ポンプ３０から流出する熱媒体としての水の目標温度である。目標熱媒体温度は、例えば、利用側熱交換器３１を用いた暖房運転を行っているときの空調負荷（空調空間の室温と、使用者により定められた設定温度との差）に応じて変更され、空調負荷が大きいほど目標熱媒体温度は大きい値が設定される。

【0024】

制御部５は、目標熱媒体温度に基づき、高元側圧縮機１０と低元側圧縮機２０の回転数を決定する。また、カスケード熱交換器１３を流れる低元側冷媒の凝縮温度およびカスケード熱交換器１３を流れる低元側冷媒の出口温度に基づき、第１過冷却度算出手段４５を介して低元側第１膨張弁２１の制御を行う。また、低元側熱交換器２４を流れる低元側冷媒の凝縮温度および低元側熱交換器２４を流れる低元側冷媒の出口温度に基づき、第２過冷却度算出手段４６を介して低元側第２膨張弁２５の制御を行う。

【0025】

次に、図３に示す制御フロー図を参照して、本実施形態に係る二元冷凍装置１の制御について説明する。

【0026】

制御部５は、二元冷凍装置１を起動する際に、まず、立ち上がり運転を行う（ＳＴ１）。立ち上がり運転は、高元側圧縮機１０、低元側圧縮機２０および循環ポンプ３０を起動させ、高元側膨張弁１２、低元側第１膨張弁２１および低元側第２膨張弁２５の開度を所定の初期開度（予め設定された固定値であって、機種別にそれぞれ定められる）に維持して、高元側冷媒回路２に高元側冷媒を循環させ、低元側冷媒回路３の第１循環路２３および第２循環路２６に低元側冷媒を循環させる。

【0027】

次に、所定時間を経過したら、立ち上がり運転を終了する（ＳＴ２）。所定時間は例えば、１０分である。所定時間は、二元冷凍装置１が負荷に応じて収束した安定な運転状態になるまで最低限必要な時間であり実験等により予め決定される。立ち上がり運転終了後、カスケード熱交換器１３の出口における低元側冷媒および低元側熱交換器２４の出口における低元側冷媒がそれぞれ所定の過冷却度（予め設定された固定値であって、各膨張弁に二相状態の低元側冷媒が流入しないように少なくとも１ｄｅｇ以上の値）になるよう低元側第１膨張弁２１および低元側第２膨張弁２５を制御する通常運転に切り換える（ＳＴ３）。次に、目標熱媒体温度が第１所定温度より高いかどうかを判断する（ＳＴ４）。第１所定温度（例えば、５５℃）は、高元側冷媒回路２を動作させなくても循環ポンプ３０を通過した後の熱媒体の温度を目標熱媒体温度に到達させることができる温度が設定される。目標熱媒体温度が第１所定温度より高い場合（ＳＴ４のＹｅｓ）は、低元側冷媒回路３を循環する低元側冷媒の凝縮温度が、利用側熱交換器３１において室内の空気と熱交換した後の熱媒体である水の温度より高いかどうかを判断する（ＳＴ５）。低元側冷媒回路３を循環する低元側冷媒の凝縮温度が、利用側熱交換器３１において室内の空気と熱交換した後の熱媒体である水の温度（熱媒体戻り温度）より高い場合（ＳＴ５のＹｅｓ）には、ＳＴ４の直前に戻る。低元側冷媒回路３を循環する低元側冷媒の凝縮温度が、利用側熱交換器３１において室内の空気と熱交換した後の熱媒体である水の温度（熱媒体戻り温度）より高くない場合（ＳＴ５のＮｏ）は、低元側熱交換器２４を通過する高温高圧の気相状態の低元側冷媒は放熱することができず、凝縮されない。この状態で低元側熱交換器２４を通過した後の低元側冷媒の過冷却度が目標過冷却度となるように目標過冷却制御を行うと、低元側第２膨張弁２５は過冷却が取れるように閉じる方向に開度が制御され、最終的には閉じられる、もしくは、微開となる（ＳＴ６）。次に、低元側冷媒回路３を循環する低元側冷媒の凝縮温度が、利用側熱交換器３１において室内の空気と熱交換した後の熱媒体である水の温度より高いかどうかを判断する（ＳＴ７）。低元側冷媒回路３を循環する低元側冷媒の凝縮温度が、利用側熱交換器３１において室内の空気と熱交換した後の熱媒体である水の温度（熱媒体戻り温度）より高くない場合（ＳＴ７のＮｏ）は、この処理（ＳＴ７）を継続する。低元側冷媒回路３を循環する低元側冷媒の凝縮温度が、利用側熱交換器３１において室内の空気と熱交換した後の熱媒体である水の温度（熱媒体戻り温度）より高い場合（ＳＴ７のＹｅｓ）は、低元側熱交換器２４を通過する高温高圧の気相状態の低元側冷媒は放熱することができ、凝縮できるので、低元側熱交換器２４を通過した後の低元側冷媒の過冷却度が目標過冷却度となるように目標過冷却度制御を行い、低元側第２膨張弁２５を開く方向に開度が制御されて（ＳＴ８）、ＳＴ４の直前に戻る。

【0028】

ＳＴ４において、目標熱媒体温度が第１所定温度より高くない場合（ＳＴ４のＮｏ）は、高元側圧縮機１０を停止する（ＳＴ９）。その結果、カスケード熱交換器１３を通過する高温高圧の気相状態の低元側冷媒は放熱することができず、凝縮しない。この状態で、カスケード熱交換器１３を通過した後の低元側冷媒の過冷却度が目標過冷却度となるように目標過冷却制御を行うと、低元側第１膨張弁２１は過冷却が取れるように閉じる方向に開度が制御され、最終的には閉じられる、もしくは、微開となる（ＳＴ１０）。次に、目標熱媒体温度が第１所定温度＋αより高いかどうかを判断する（ＳＴ１１）。第１所定温度＋α（例えば、６０℃）は、高元側冷媒回路２を動作させなくても循環ポンプ３０を通過した後の熱媒体の温度を目標熱媒体温度に到達させることができる温度の最大値が設定される。目標熱媒体温度が第１所定温度＋αより高い場合（ＳＴ１１のＹｅｓ）は、高元側圧縮機１０を起動する（ＳＴ１２）。目標熱媒体温度が第１所定温度＋αより高くない場合（ＳＴ１１のＮｏ）は、この処理（ＳＴ１１）を継続する。高元側圧縮機１０を起動した（ＳＴ１２）後、カスケード熱交換器１３を通過した後の低元側冷媒の過冷却度が目標過冷却度となるように目標過冷却度制御を行い、低元側第１膨張弁２１を開く方向に開度が制御されて（ＳＴ１０）、ＳＴ５の直前に戻る。

【0029】

次に、図４を参照して、他の実施形態である二元冷凍装置５０について説明する。図４は、他の実施形態の二元冷凍装置５０の冷媒回路図である。最初の実施形態の二元冷凍装置１と他の実施形態の二元冷凍装置５０の相違は、低元側熱交換器２４に蓄熱材２９を備えた蓄熱部２８が配置されている点であり、他の構成は同一である、そのため、最初の実施形態の二元冷凍装置１の構成と同一の構成についての詳細な説明は省略する。また、同一の構成については同一の符号を用いる。

【0030】

二元冷凍装置５０は、利用側熱交換器３１を蒸発器として利用する場合には冷房運転に用いられ、利用側熱交換器３１を凝縮器として利用する場合には、高温度の温水を作り出す、あるいは、暖房運転に用いられることができる冷凍装置である。本実施形態では、暖房運転に用いられる二元冷凍装置について説明する。二元冷凍装置５０は、高元側冷媒回路２、低元側冷媒回路３、熱媒体回路４、制御部５を備え、制御部５は二元冷凍装置１を制御する。

【0031】

低元側冷媒回路３は、低元側圧縮機２０とカスケード熱交換器１３との間と、低元側第１膨張弁２１と熱源側熱交換器２２との間とを、低元側熱交換器２４および低元側第２減圧機構としての低元側第２膨張弁２５が設けられた冷媒配管で接続し、低元側圧縮機２０と、低元側熱交換器２４と、低元側第２膨張弁２５と、熱源側熱交換器２２とが冷媒配管で順次接続され、低元側冷媒が循環する第２循環路２６を備えている。低元側熱交換器２４には蓄熱材２９を備えた蓄熱部２８が配置されている。蓄熱部２８の蓄熱材２９は、低元側冷媒回路３の熱源側熱交換器２２で外気から吸熱し低元側圧縮機２０で高温にされた低元側冷媒の熱を蓄熱する。

【0032】

本実施形態の二元冷凍装置５０では、蓄熱材２９に蓄熱された熱を、熱源側熱交換器２２に着霜した霜を除霜するための除霜運転に用いる。除霜運転は次のように行われる。まず制御部５は、低元側熱交換器２４に設けられる蓄熱材２９の温度が所定温度以上になったか否かを判定する。そして、蓄熱材２９の温度が所定温度以上になった場合には、次に低元側冷媒回路３においては、低元側四方弁２７を、いわゆる冷房サイクル側に切換える。すなわち、低元側圧縮機２０から吐出される低元側冷媒を、熱源側熱交換器２２の側に流れるように切り換え、熱源側熱交換器２２を凝縮器として機能させ、カスケード熱交換器１３の側および低元側熱交換器２４を蒸発器として機能させる。低元側第１膨張弁２１および低元側第２膨張弁２５は全開に近い開度にする。低元側圧縮機２０から吐出された低元側冷媒は熱源側熱交換器２２に流入し霜を融かす。熱源側熱交換器２２から流出した一部の低元側冷媒は低元側熱交換器２４に流入し低元側熱交換器２４に設けられた蓄熱部２８の蓄熱材２９から吸熱する。熱源側熱交換器２２から流出した他の低元側冷媒はカスケード熱交換器１３に流入し、高元側冷媒回路２に残った熱を吸熱する。吸熱した低元側冷媒は低元側圧縮機２０を経由して、再度、熱源側熱交換器２２に流入し霜を融かす。

【0033】

上記した実施形態では、熱媒体回路４を設け、熱媒体回路４を循環する熱媒体である水と高元側冷媒回路２を流れる高元側冷媒とを、高元側熱交換器１１を介して熱交換したが、必ずしも熱媒体回路４を設けなくても構わない。熱媒体回路４を設けない場合は、高元側冷媒と熱媒体としての空気とを、高元側冷媒回路２の高元側熱交換器１１に図示しない送風機を設けて熱交換しても構わない。また、低元側冷媒と熱媒体としての空気とを、第２循環路２６の低元側熱交換器２４に図示しない送風機を設けて熱交換しても構わない。

【0034】

以上、限られた数の実施形態を参照しながら説明したが、権利範囲はそれらに限定されるものではなく、上記の開示に基づく実施形態の改変は、当業者にとって自明のことである。

【符号の説明】

【0035】

１…二元冷凍装置、２…高元側冷媒回路、３…低元側冷媒回路、４…熱媒体回路、５…制御部、６…冷媒配管、１０…高元側圧縮機、１１…高元側熱交換器、１２…高元側膨張弁、１３…カスケード熱交換器、１４…高元側四方弁、２０…低元側圧縮機、２１…低元側第１膨張弁、２２…熱源側熱交換器、２３…第１循環路、２４…低元側熱交換器、２５…低元側第２膨張弁、２６…第２循環路、２７…低元側四方弁、２８…蓄熱部、２９…蓄熱材、３０…循環ポンプ、３１…利用側熱交換器、３２…配管、４５…第１過冷却度算出手段、４６…第２過冷却度算出手段、５０…二元冷凍装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】