(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-02-13
(45)【発行日】2024-02-22
(54)【発明の名称】冷凍システム
(51)【国際特許分類】
F25B 7/00 20060101AFI20240214BHJP
F25B 1/00 20060101ALI20240214BHJP
F25B 1/10 20060101ALI20240214BHJP
F25B 1/047 20060101ALI20240214BHJP
F25B 39/02 20060101ALI20240214BHJP
F25B 43/00 20060101ALI20240214BHJP
【ＦＩ】
F25B7/00 D
F25B1/00 396A
F25B1/10 E
F25B1/00 331E
F25B1/047 R
F25B39/02 M
F25B43/00 B
【請求項の数】
11
(21)【出願番号】P 2023071000
(22)【出願日】2023-04-24
【審査請求日】2023-05-30
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】521362885
【氏名又は名称】コベルコ・コンプレッサ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100145403
【弁理士】
【氏名又は名称】山尾 憲人
(74)【代理人】
【識別番号】100111039
【弁理士】
【氏名又は名称】前堀 義之
(74)【代理人】
【識別番号】100218132
【弁理士】
【氏名又は名称】近田 暢朗
(72)【発明者】
【氏名】壷井 昇
(72)【発明者】
【氏名】中村 元
(72)【発明者】
【氏名】山本 祐介
【審査官】五十嵐 公輔
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２０１０／０１４７００６（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０２０－０５６５３８（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１２／００４９８７（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開平０４－１９８６７０（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２００６／００９０４８８（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ２５Ｂ １／００－４９／０４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
スクリュ圧縮機である高元側圧縮機、高元側凝縮器、高元側膨張機構および高元側蒸発器を循環ラインで接続して形成され、高元側冷媒が循環する高元側冷媒回路と、スクリュ圧縮機である低元側圧縮機、低元側凝縮器、低元側膨張機構および低元側蒸発器を循環ラインで接続して形成され、低元側冷媒が循環する低元側冷媒回路と
を備え、
上記高元側冷媒回路と上記低元側冷媒回路との間で熱交換を行う中間熱交換器は、上記高元側冷媒回路側の部分が上記高元側蒸発器を構成する一方、上記低元側冷媒回路側の部分が上記低元側凝縮器を構成し、
上記低元側冷媒は、ＧＷＰ７５０未満であり、
上記低元側圧縮機は、
第１低元側圧縮部と、
上記第１低元側圧縮部の下流側に配置され、上記第１低元側圧縮部で圧縮された上記低元側冷媒をさらに圧縮する第２低元側圧縮部と
を有し、
上記第１低元側圧縮部は、
回転軸と、
上記第２低元側圧縮部とは反対側で上記回転軸を回転可能に支持する軸受部と、
上記軸受部を収容する軸受室と
を含み、
上記軸受室には、上記軸受部に対して上記第２低元側圧縮部とは反対側に配置された壁部が設けられ、
上記軸受部と上記壁部との間に油が溜まる、冷凍システム。
【請求項2】
請求項１に記載の冷凍システムにおいて、上記低元側冷媒は、Ｒ３２冷媒である、冷凍システム。
【請求項3】
請求項１に記載の冷凍システムにおいて、上記第１低元側圧縮部と上記第２低元側圧縮部とは同一のモータで駆動される、冷凍システム。
【請求項4】
請求項１から３までのいずれか一項に記載の冷凍システムにおいて、上記低元側冷媒回路は、
上記低元側凝縮器から上記低元側膨張機構へ流れる上記低元側冷媒の一部を上記第１低元側圧縮部と上記第２低元側圧縮部との間に戻すための戻しラインと、
上記第１低元側圧縮部と上記第２低元側圧縮部との間に戻される上記低元側冷媒と、上記低元側凝縮器から上記低元側膨張機構へ流れる上記低元側冷媒との間で熱交換を行うエコノマイザと、
上記エコノマイザに供給される上記低元側冷媒を減圧するエコノマイザ用膨張機構と
を有する、冷凍システム。
【請求項5】
請求項１から３までのいずれか一項に記載の冷凍システムにおいて、上記高元側圧縮機は、
第１高元側圧縮部と、
上記第１高元側圧縮部の下流側に配置され、上記第１高元側圧縮部で圧縮された上記高元側冷媒をさらに圧縮する第２高元側圧縮部と
を有する、冷凍システム。
【請求項6】
請求項１から３までのいずれか一項に記載の冷凍システムにおいて、上記高元側圧縮機および上記低元側圧縮機は同じ圧縮機である、冷凍システム。
【請求項7】
請求項１から３までのいずれか一項に記載の冷凍システムにおいて、上記低元側冷媒回路の凝縮温度の－４０℃から－５０℃までの間の範囲内となるように、上記高元側圧縮機を制御する制御装置を備える、冷凍システム。
【請求項8】
請求項１から３までのいずれか一項に記載の冷凍システムにおいて、上記低元側蒸発器は、冷却対象物を直接冷却する熱交換器である、冷凍システム。
【請求項9】
請求項１から３までのいずれか一項に記載の冷凍システムにおいて、上記低元側蒸発器は、冷却対象物を直接冷却する熱交換器であり、
上記低元側冷媒回路は、上記低元側圧縮機の上流側、かつ、上記低元側膨張機構の下流側に設けられ、上記低元側冷媒を貯留する低圧受液器を有する、冷凍システム。
【請求項10】
請求項１から３までのいずれか一項に記載の冷凍システムにおいて、
上記低元側冷媒回路は、上記低元側圧縮機と上記低元側凝縮器との間に設けられた低元側油分離器を有し、
上記低元側圧縮機と上記低元側油分離器との間には、上記低元側油分離器内の油を、上記軸受部に案内する油供給ラインが設けられていない、冷凍システム。
【請求項11】
請求項１から３までのいずれか一項に記載の冷凍システムにおいて、
上記低元側冷媒回路は、上記低元側圧縮機と上記低元側凝縮器との間に設けられた低元側油分離器を有し、
上記低元側圧縮機と上記低元側油分離器との間には、上記低元側油分離器内の油を上記軸受部に案内する油供給ラインが設けられ、
上記油供給ラインには、制御装置により開閉制御される開閉バルブが設けられ、
上記制御装置は、上記低元側圧縮機が駆動すると上記開閉バルブを閉め、上記低元側圧縮機が停止すると上記開閉バルブを開けるように上記開閉バルブの開閉を制御する、冷凍システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、冷凍システムに関する。
【背景技術】
【0002】
従来、冷凍システムとしては、Ｒ２３冷媒を使用するものがある(例えば特許文献１参照)。このＲ２３冷媒を使用した場合、例えば－８０℃以下の超低温を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】国際公開第２０２０／０９５３８１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
上記Ｒ２３冷媒は、ＧＷＰ（Global Warming Potential：地球温暖化係数）が極端に高いため、将来的に使用ができない。
【0005】
上記Ｒ２３冷媒に代わる冷媒としては、ＧＷＰが低いＲ３２冷媒があるが、このＲ３２冷媒は、－８５℃のような極端な低温では、圧縮機の吸込圧力が非常に低くなり、圧縮機の効率を悪くする。
【0006】
本発明は、冷凍システムにおいて、環境へ負荷が小さい冷媒を使用しても、圧縮機の効率の低下を抑制することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の第１態様に係る冷凍システムは、
スクリュ圧縮機である高元側圧縮機、高元側凝縮器、高元側膨張機構および高元側蒸発器を循環ラインで接続して形成され、高元側冷媒が循環する高元側冷媒回路と、
スクリュ圧縮機である低元側圧縮機、低元側凝縮器、低元側膨張機構および低元側蒸発器を循環ラインで接続して形成され、低元側冷媒が循環する低元側冷媒回路と
を備え、
上記高元側冷媒回路と上記低元側冷媒回路との間で熱交換を行う中間熱交換器は、上記高元側冷媒回路側の部分が上記高元側蒸発器を構成する一方、上記低元側冷媒回路側の部分が上記低元側凝縮器を構成し、
上記低元側冷媒は、ＧＷＰ７５０未満であり、
上記低元側圧縮機は、第１低元側圧縮部と、上記第１低元側圧縮部の下流側に配置され、上記第１低元側圧縮部で圧縮された上記低元側冷媒をさらに圧縮する第２低元側圧縮部とを有し、
上記第１低元側圧縮部は、
回転軸と、
上記第２低元側圧縮部とは反対側で上記回転軸を回転可能に支持する軸受部と、
上記軸受部を収容する軸受室と
を含み、
上記軸受室には、上記軸受部に対して上記第２低元側圧縮部とは反対側に配置された壁部が設けられ、
上記軸受部と上記壁部との間に油が溜まる。
スクリュ圧縮機である高元側圧縮機、高元側凝縮器、高元側膨張機構および高元側蒸発器を循環ラインで接続して形成され、高元側冷媒が循環する高元側冷媒回路と、
スクリュ圧縮機である低元側圧縮機、低元側凝縮器、低元側膨張機構および低元側蒸発器を循環ラインで接続して形成され、低元側冷媒が循環する低元側冷媒回路と
を備え、
上記高元側冷媒回路と上記低元側冷媒回路との間で熱交換を行う中間熱交換器は、上記高元側冷媒回路側の部分が上記高元側蒸発器を構成する一方、上記低元側冷媒回路側の部分が上記低元側凝縮器を構成し、
上記低元側冷媒は、ＧＷＰ７５０未満であり、
上記低元側圧縮機は、第１低元側圧縮部と、上記第１低元側圧縮部の下流側に配置され、上記第１低元側圧縮部で圧縮された上記低元側冷媒をさらに圧縮する第２低元側圧縮部とを有し、
上記第１低元側圧縮部は、
回転軸と、
上記第２低元側圧縮部とは反対側で上記回転軸を回転可能に支持する軸受部と、
上記軸受部を収容する軸受室と
を含み、
上記軸受室には、上記軸受部に対して上記第２低元側圧縮部とは反対側に配置された壁部が設けられ、
上記軸受部と上記壁部との間に油が溜まる。
【0008】
この構成によれば、上記低元側冷媒は、第１低元側圧縮部で圧縮された後、第２低元側圧縮部でさらに圧縮されるので、低元側圧縮機の圧縮効率が低下するのを防ぐことができる。
また、高元側圧縮機および低元側圧縮機のそれぞれがスクリュ圧縮機であることにより、高元側圧縮機および低元側圧縮機の静音性が良好である。
また、上記軸受部と壁部との間に油が溜まることにより、この油で軸受部を十分に潤滑することができる。
また、高元側圧縮機および低元側圧縮機のそれぞれがスクリュ圧縮機であることにより、高元側圧縮機および低元側圧縮機の静音性が良好である。
また、上記軸受部と壁部との間に油が溜まることにより、この油で軸受部を十分に潤滑することができる。
【0009】
また、本発明の第２態様に係る冷凍システムでは、
上記第１態様に係る冷凍システムにおいて、
上記低元側冷媒は、Ｒ３２冷媒である。
上記第１態様に係る冷凍システムにおいて、
上記低元側冷媒は、Ｒ３２冷媒である。
【0010】
また、本発明の第３態様に係る冷凍システムでは、
上記第１態様または第２態様に係る冷凍システムにおいて、
上記第１低元側圧縮部と上記第２低元側圧縮部とは同一のモータで駆動されてもよい。
上記第１態様または第２態様に係る冷凍システムにおいて、
上記第１低元側圧縮部と上記第２低元側圧縮部とは同一のモータで駆動されてもよい。
【0011】
この構成によれば、第１低元側圧縮部と第２低元側圧縮部とを同一のモータで駆動することによって、モータ数が少なくなるので、低元側圧縮機の製造コストの増加を抑制することができる。
【0012】
また、本発明の第４態様に係る冷凍システムでは、
上記第１態様上記第３態様までのいずれか一つに係る冷凍システムにおいて、
上記低元側冷媒回路は、
上記低元側凝縮器から上記低元側膨張機構へ流れる上記低元側冷媒の一部を上記第１低元側圧縮部と上記第２低元側圧縮部との間に戻すための戻しラインと、
上記第１低元側圧縮部と上記第２低元側圧縮部との間に戻される上記低元側冷媒と、上記低元側凝縮器から上記低元側膨張機構へ流れる上記低元側冷媒との間で熱交換を行うエコノマイザと、
上記エコノマイザに供給される上記低元側冷媒を減圧するエコノマイザ用膨張機構と
を有してもよい。
上記第１態様上記第３態様までのいずれか一つに係る冷凍システムにおいて、
上記低元側冷媒回路は、
上記低元側凝縮器から上記低元側膨張機構へ流れる上記低元側冷媒の一部を上記第１低元側圧縮部と上記第２低元側圧縮部との間に戻すための戻しラインと、
上記第１低元側圧縮部と上記第２低元側圧縮部との間に戻される上記低元側冷媒と、上記低元側凝縮器から上記低元側膨張機構へ流れる上記低元側冷媒との間で熱交換を行うエコノマイザと、
上記エコノマイザに供給される上記低元側冷媒を減圧するエコノマイザ用膨張機構と
を有してもよい。
【0013】
この構成によれば、上記低元側凝縮器から低元側膨張機構へ流れる低元側冷媒の一部が、戻しラインの案内により、エコノマイザ用膨張機構およびエコノマイザを介して、第１低元側圧縮部と第２低元側圧縮部との間に戻る。したがって、低元側圧縮機の圧縮効率を向上させることができる。
【0014】
また、本発明の第５態様に係る冷凍システムでは、
上記第１態様から上記第４態様までのいずれか一つに係る冷凍システムにおいて、
上記高元側圧縮機は、
第１高元側圧縮部と、
上記第１高元側圧縮部の下流側に配置され、上記第１高元側圧縮部で圧縮された上記高元側冷媒をさらに圧縮する第２高元側圧縮部と
を有してもよい。
上記第１態様から上記第４態様までのいずれか一つに係る冷凍システムにおいて、
上記高元側圧縮機は、
第１高元側圧縮部と、
上記第１高元側圧縮部の下流側に配置され、上記第１高元側圧縮部で圧縮された上記高元側冷媒をさらに圧縮する第２高元側圧縮部と
を有してもよい。
【0015】
この構成によれば、上記高元側冷媒は、第１高元側圧縮部で圧縮された後、第２高元側圧縮部でさらに圧縮されるので、高元側圧縮機の圧縮効率の低下を防ぐことができる。
【0020】
また、本発明の第６態様に係る冷凍システムでは、
上記第１態様から上記第５態様までのいずれか一つに係る冷凍システムにおいて、
上記高元側圧縮機および上記低元側圧縮機は同じ圧縮機であってもよい。
上記第１態様から上記第５態様までのいずれか一つに係る冷凍システムにおいて、
上記高元側圧縮機および上記低元側圧縮機は同じ圧縮機であってもよい。
【0021】
この構成によれば、上記高元側圧縮機および低元側圧縮機は例えば型式が同じ圧縮機であるので、例えば高元側圧縮機が故障したとき、高元側圧縮機を低元側圧縮機のスペアに交換して、迅速に復旧することができる。
【0022】
また、本発明の第７態様に係る冷凍システムは、
上記第１態様から上記第６態様までのいずれか一つに係る冷凍システムにおいて、
上記低元側冷媒回路の凝縮温度の－４０℃から－５０℃までの間の範囲内となるように、上記高元側圧縮機を制御する制御装置を備えてもよい。
上記第１態様から上記第６態様までのいずれか一つに係る冷凍システムにおいて、
上記低元側冷媒回路の凝縮温度の－４０℃から－５０℃までの間の範囲内となるように、上記高元側圧縮機を制御する制御装置を備えてもよい。
【0023】
この構成によれば、上記制御装置が、低元側冷媒回路の凝縮温度の－４０℃から－５０℃までの間の範囲内となるように、高元側圧縮機を制御することにより、低元側圧縮機の圧縮比の増加を抑制することができる。
【0024】
また、本発明の第８態様に係る冷凍システムでは、
上記第１態様から上記第７態様までのいずれか一つに係る冷凍システムにおいて、
上記低元側蒸発器は、冷却対象物を直接冷却する熱交換器である。
上記第１態様から上記第７態様までのいずれか一つに係る冷凍システムにおいて、
上記低元側蒸発器は、冷却対象物を直接冷却する熱交換器である。
【0025】
この構成によれば、上記熱交換器は冷却対象物を直接冷却するので、冷却対象物の冷却効率を上げることができる。
【0026】
また、本発明の第９態様に係る冷凍システムでは、
上記第１態様から上記第７態様までのいずれか一つに係る冷凍システムにおいて、
上記低元側蒸発器は、冷却対象物を直接冷却する熱交換器であり、
上記低元側冷媒回路は、上記低元側圧縮機の上流側、かつ、上記低元側膨張機構の下流側に設けられ、上記低元側冷媒を貯留する低圧受液器を有する。
上記第１態様から上記第７態様までのいずれか一つに係る冷凍システムにおいて、
上記低元側蒸発器は、冷却対象物を直接冷却する熱交換器であり、
上記低元側冷媒回路は、上記低元側圧縮機の上流側、かつ、上記低元側膨張機構の下流側に設けられ、上記低元側冷媒を貯留する低圧受液器を有する。
【0027】
この構成によれば、上記熱交換器は冷却対象物を直接冷却するので、冷却対象物の冷却効率を上げることができる。
【0028】
また、上記低圧受液器により、ガス状の低元側冷媒を低元側圧縮機に効率良く供給することができる。
また、本発明の第１０態様に係る冷凍システムでは、
上記第１態様から上記第９態様までのいずれか一つに係る冷凍システムにおいて、
上記低元側冷媒回路は、上記低元側圧縮機と上記低元側凝縮器との間に設けられた低元側油分離器を有し、
上記低元側圧縮機と上記低元側油分離器との間には、上記低元側油分離器内の油を、上記軸受部に案内する油供給ラインが設けられていない。
また、本発明の第１１態様に係る冷凍システムでは、
上記第１態様から上記第９態様までのいずれか一つに係る冷凍システムにおいて、
上記低元側冷媒回路は、上記低元側圧縮機と上記低元側凝縮器との間に設けられた低元側油分離器を有し、
上記低元側圧縮機と上記低元側油分離器との間には、上記低元側油分離器内の油を上記軸受部に案内する油供給ラインが設けられ、
上記油供給ラインには、制御装置により開閉制御される開閉バルブが設けられ、
上記制御装置は、上記低元側圧縮機が駆動すると上記開閉バルブを閉め、上記低元側圧縮機が停止すると上記開閉バルブを開けるように上記開閉バルブの開閉を制御する。
また、本発明の第１０態様に係る冷凍システムでは、
上記第１態様から上記第９態様までのいずれか一つに係る冷凍システムにおいて、
上記低元側冷媒回路は、上記低元側圧縮機と上記低元側凝縮器との間に設けられた低元側油分離器を有し、
上記低元側圧縮機と上記低元側油分離器との間には、上記低元側油分離器内の油を、上記軸受部に案内する油供給ラインが設けられていない。
また、本発明の第１１態様に係る冷凍システムでは、
上記第１態様から上記第９態様までのいずれか一つに係る冷凍システムにおいて、
上記低元側冷媒回路は、上記低元側圧縮機と上記低元側凝縮器との間に設けられた低元側油分離器を有し、
上記低元側圧縮機と上記低元側油分離器との間には、上記低元側油分離器内の油を上記軸受部に案内する油供給ラインが設けられ、
上記油供給ラインには、制御装置により開閉制御される開閉バルブが設けられ、
上記制御装置は、上記低元側圧縮機が駆動すると上記開閉バルブを閉め、上記低元側圧縮機が停止すると上記開閉バルブを開けるように上記開閉バルブの開閉を制御する。
【発明の効果】
【0029】
本発明の冷凍システムは、低元側圧縮機が、第１低元側圧縮部と、この第１低元側圧縮部で圧縮された低元側冷媒をさらに圧縮する第２低元側圧縮部とを有するので、低元側圧縮機の圧縮効率の低下を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【0030】
【図1】本発明の第１実施形態における２元冷凍システムの回路図。
【図2】低元側２段スクリュ圧縮機および低元側油分離器の概略構成図。
【図3】第１軸受および仕切板の概略図。
【図4A】比較例１の低元側冷媒回路の回路図。
【図4B】上記比較例１の低元側冷媒回路の冷媒のモリエル線図。
【図5A】比較例２の低元側冷媒回路の回路図。
【図5B】上記比較例２の低元側冷媒回路の冷媒のモリエル線図。
【図6A】上記第１実施形態の低元側冷媒回路の回路図。
【図6B】上記第１実施形態の低元側冷媒回路の冷媒のモリエル線図。
【図7】低元側冷媒回路における圧縮比と断熱効率との関係を示すグラフ。
【図8】低元側冷媒回路の凝縮温度の制御を説明するためのフローチャート。
【図9】上記仕切板の変形例を説明するための概略図。
【図10】本発明の第２実施形態の２元冷凍システムの要部の概略構成図。
【図11】本発明の第３実施形態における２元冷凍システムの回路図。
【図12】本発明の第４実施形態における２元冷凍システムの回路図。
【発明を実施するための形態】
【0031】
以下、本発明の冷凍システムを図示の実施の形態により詳細に説明する。なお、図面において、同一の参照番号は、同一部分または相当部分を表わすものである。また、長さ、幅、厚さ、深さ等の図面上の寸法は、図面の明瞭化と簡略化のために実際の尺度から適宜変更されており、実際の相対寸法を表してはいない。
【0032】
〔第１実施形態〕
図１は本発明の第１実施形態の２元冷凍システムの回路図である。なお、上記２元冷凍システムは、冷凍システムの一例である。
図１は本発明の第１実施形態の２元冷凍システムの回路図である。なお、上記２元冷凍システムは、冷凍システムの一例である。
【0033】
＜全体回路構成＞
【0034】
２元冷凍システムは、Ｒ４５４Ｃ冷媒が循環する高元側冷媒回路１と、高元側冷媒回路１にカスケードコンデンサ３を介して接続され、Ｒ３２冷媒が循環する低元側冷媒回路２と、制御装置４とを備えている。なお、Ｒ４５４Ｃ冷媒は高元側冷媒の一例である。カスケードコンデンサ３は中間熱交換器の一例である。Ｒ３２冷媒は低元側冷媒の一例である。
【0035】
カスケードコンデンサ３は、高元側冷媒回路１と低元側冷媒回路２との間で熱交換を行う。このカスケードコンデンサ３の高元側冷媒回路１側の部分が高元側冷媒回路１の高元側蒸発器を構成して、Ｒ４５４Ｃ冷媒がカスケードコンデンサ３の高元側冷媒回路１側の部分で蒸発する。一方、カスケードコンデンサ３の低元側冷媒回路２側の部分が低元側冷媒回路２の低元側凝縮器を構成して、Ｒ３２冷媒がカスケードコンデンサ３の低元側冷媒回路側の部分で凝縮する。
【0036】
Ｒ３２冷媒は、例えば経済産業省のインターネットサイト（https://www.meti.go.jp/meti_lib/report/H29FY/000088.pdf、令和5年3月20日検索）に記載されているように、１０１．３ＫＰａにおいて最大燃焼速度が６．７ｃｍ/ｓで、Ａ２Ｌに分類される。すなわち、Ｒ３２冷媒はいわゆるＡ２Ｌ冷媒である。また、Ｒ３２冷媒のＧＷＰは６７５である。
【0037】
Ａ２ＬはＩＳＯ８１７の燃焼性分類のＳｕｂＣＬＡＳＳ２Ｌを意味し、Ａ２Ｌ冷媒は、次の（１）～（４）の条件を満たす。
（１）１０１．３ｋＰａ、６０℃における試験時に火炎伝播を示す。
（２）燃焼下限界が３．５ｖｏｌ％を超える。
（３）燃焼熱が１９０００ｋＪ／ｋｇ未満である。
（４）１０１．３ｋＰａ、２３℃における試験時に最大燃焼速度が１０ｃｍ／ｓ以下である。
（１）１０１．３ｋＰａ、６０℃における試験時に火炎伝播を示す。
（２）燃焼下限界が３．５ｖｏｌ％を超える。
（３）燃焼熱が１９０００ｋＪ／ｋｇ未満である。
（４）１０１．３ｋＰａ、２３℃における試験時に最大燃焼速度が１０ｃｍ／ｓ以下である。
【0038】
ＧＷＰは、二酸化炭素を基準にして、他の温室効果ガスがどれだけ温暖化する能力があるかを示す。別の言い方をすれば、ＧＷＰは温室効果の程度を数値化したものである。このため、ＧＷＰが高いことは、温暖化能力が高いことを意味する一方、ＧＷＰが低いことは、温暖化能力が低いことを意味する。
【0039】
＜高元側回路構成＞
高元側冷媒回路１は、高元側２段スクリュ圧縮機１１と、水冷コンデンサ５の高元側冷媒回路１側の部分５ａと、第１高元側膨張弁１２と、カスケードコンデンサ３の高元側冷媒回路１側の部分３ａとを、循環ラインＬ１１～Ｌ１６で接続して形成されている。なお、高元側２段スクリュ圧縮機１１は高元側圧縮機の一例である。水冷コンデンサ５の高元側冷媒回路１側の部分５ａは高元側凝縮器の一例である。第１高元側膨張弁１２は高元側膨張機構の一例である。カスケードコンデンサ３の高元側冷媒回路１側の部分３ａは高元側蒸発器の一例である。
高元側冷媒回路１は、高元側２段スクリュ圧縮機１１と、水冷コンデンサ５の高元側冷媒回路１側の部分５ａと、第１高元側膨張弁１２と、カスケードコンデンサ３の高元側冷媒回路１側の部分３ａとを、循環ラインＬ１１～Ｌ１６で接続して形成されている。なお、高元側２段スクリュ圧縮機１１は高元側圧縮機の一例である。水冷コンデンサ５の高元側冷媒回路１側の部分５ａは高元側凝縮器の一例である。第１高元側膨張弁１２は高元側膨張機構の一例である。カスケードコンデンサ３の高元側冷媒回路１側の部分３ａは高元側蒸発器の一例である。
【0040】
高元側２段スクリュ圧縮機１１は、後述する低元側２段スクリュ圧縮機２１と同じ圧縮機、すなわち同一製品（型式）であり、油冷式スクリュ圧縮機である。この高元側２段スクリュ圧縮機１１は、カスケードコンデンサ３からのＲ４５４Ｃ冷媒を圧縮する第１高元側圧縮部３１と、この第１高元側圧縮部３１の下流側に配置され、第１高元側圧縮部３１で圧縮されたＲ４５４Ｃ冷媒をさらに圧縮する第２高元側圧縮部３２と、第１高元側圧縮部３１および第２高元側圧縮部３２を駆動する交流モータ３３と、この交流モータ３３に交流電流を供給するインバータ装置３４とを有する。なお、交流モータ３３はモータの一例である。
【0041】
第１高元側圧縮部３１は、循環ラインＬ１１を介して、カスケードコンデンサ３の高元側冷媒回路１側の部分３ａに接続されている。
【0042】
第２高元側圧縮部３２は、循環ラインＬ１２，Ｌ１３および高元側油分離器１３を介して、水冷コンデンサ５の高元側冷媒回路１側の部分５ａに接続されている。
【0043】
また、高元側冷媒回路１は、戻しラインＬ１７～Ｌ１９と、高元側エコノマイザ１４と、第２高元側膨張弁１５とを有する。
【0044】
戻しラインＬ１７～Ｌ１９は、水冷コンデンサ５から第１高元側膨張弁１２へ流れるＲ４５４Ｃ冷媒の一部が第１高元側圧縮部３１と第２高元側圧縮部３２との間に戻るように、Ｒ４５４Ｃ冷媒を案内する。より詳しく言うと、戻しラインＬ１７は、循環ラインＬ１５と第２高元側膨張弁１５との間に設けられて、循環ラインＬ１５と連通する。戻しラインＬ１８は、第２高元側膨張弁１５と高元側エコノマイザ１４との間に設けられている。戻しラインＬ１９は、高元側エコノマイザ１４と高元側２段スクリュ圧縮機１１との間に設けられている。
【0045】
高元側エコノマイザ１４は、一部が循環ラインＬ１４と循環ラインＬ１５とを流体的に接続する一方、他の一部が循環ラインＬ１８と循環ラインＬ１９とを流体的に接続する。この高元側エコノマイザ１４の一部には、水冷コンデンサ５から第１高元側膨張弁１２へ流れるＲ４５４Ｃ冷媒が通過する。また、高元側エコノマイザ１４の他の一部には、循環ラインＬ１５から第１高元側圧縮部３１と第２高元側圧縮部３２との間に戻されるＲ４５４Ｃ冷媒が通過する。このとき、水冷コンデンサ５から第１高元側膨張弁１２へ流れるＲ４５４Ｃ冷媒と、循環ラインＬ１５から第１高元側圧縮部３１と第２高元側圧縮部３２との間に戻されるＲ４５４Ｃ冷媒との間において、熱交換が行われる。
【0046】
第２高元側膨張弁１５は、高元側エコノマイザ１４に供給されるＲ４５４冷媒を減圧する。より詳しく言うと、高元側エコノマイザ１４から第１高元側膨張弁１２へ流れるＲ４５４Ｃ冷媒の一部は、循環ラインＬ１５の途中で分流した後、第２高元側膨張弁１５で減圧されて、高元側エコノマイザ１４に流入する。例えば、第２高元側膨張弁１５は、戻しラインＬ１９のＲ４５４Ｃ冷媒の温度によって制御される。このとき、戻しラインＬ１９に設けられる温度センサ（図示せず）が戻しラインＬ１９の温度を検出して、制御装置４が、上記温度センサによって検出された戻しラインＬ１９の温度に基づいて、上記温度センサが設けられた箇所におけるＲ４５４Ｃ冷媒の過熱度が一定になるように、第２高元側膨張弁１５の開度を調節するようにしてもよい。
【0047】
第１高元側膨張弁１２は、戻しラインＬ１５と戻しラインＬ１６との間に設けられ、例えば、循環ラインＬ１１のＲ４５４Ｃ冷媒の温度によって制御される。このとき、循環ラインＬ１１に設けられる温度センサ（図示せず）が循環ラインＬ１１の温度を検出して、制御装置４が、上記温度センサによって検出された循環ラインＬ１１の温度に基づいて、上記温度センサが設けられた箇所におけるＲ４５４Ｃ冷媒の過熱度が一定になるように、第１高元側膨張弁１２の開度を調節するようにしてもよい。
【0048】
また、制御装置４は、高元側冷媒回路１の高元側２段スクリュ圧縮機１１などを制御する。この制御により、Ｒ４５４Ｃ冷媒は、例えば、循環ラインＬ１１で－３５℃、循環ラインＬ１３で８６℃、循環ラインＬ１４で３５℃、循環ラインＬ１５で－４５℃となるように、高元側冷媒回路１を循環する。
【0049】
このような温度変化を伴ってＲ４５４Ｃ冷媒が高元側冷媒回路１を循環する場合、水冷コンデンサ５の高元側冷媒回路１とは反対側の部分５ｂに供給する冷却水の温度を２７℃に設定し、かつ、その冷却水の流量を７７Ｌ／minに設定したとき、水冷コンデンサ５の高元側冷媒回路１とは反対側の部分５ｂから吐出される冷却水の温度を３２℃とすることが可能となる。
【0050】
＜低元側回路構成＞
低元側冷媒回路２は、低元側２段スクリュ圧縮機２１と、カスケードコンデンサ３の低元側冷媒回路２側の部分３ｂと、第１低元側膨張弁２２と、熱交換器６の低元側冷媒回路２側の部分６ａとを、循環ラインＬ２１～Ｌ２６で接続して形成されている。なお、低元側２段スクリュ圧縮機２１は低元側圧縮機の一例である。カスケードコンデンサ３の低元側冷媒回路２側の部分３ｂは低元側凝縮器の一例である。第１低元側膨張弁２２は低元側膨張機構の一例である。熱交換器６の低元側冷媒回路２側の部分６ａは低元側蒸発器の一例である。
低元側冷媒回路２は、低元側２段スクリュ圧縮機２１と、カスケードコンデンサ３の低元側冷媒回路２側の部分３ｂと、第１低元側膨張弁２２と、熱交換器６の低元側冷媒回路２側の部分６ａとを、循環ラインＬ２１～Ｌ２６で接続して形成されている。なお、低元側２段スクリュ圧縮機２１は低元側圧縮機の一例である。カスケードコンデンサ３の低元側冷媒回路２側の部分３ｂは低元側凝縮器の一例である。第１低元側膨張弁２２は低元側膨張機構の一例である。熱交換器６の低元側冷媒回路２側の部分６ａは低元側蒸発器の一例である。
【0051】
低元側２段スクリュ圧縮機２１は、熱交換器６からのＲ３２冷媒を圧縮する第１低元側圧縮部４１と、この第１低元側圧縮部４１の下流側に配置され、第１低元側圧縮部４１で圧縮されたＲ３２冷媒をさらに圧縮する第２低元側圧縮部４２と、第１低元側圧縮部４１および第２低元側圧縮部４２を駆動する交流モータ４３と、この交流モータ４３に交流電流を供給するインバータ装置４４とを有している。この第１低元側圧縮部４１は、循環ラインＬ２１を介して、熱交換器６の低元側冷媒回路２側の部分６ａに接続されている。一方、第２低元側圧縮部４２は、循環ラインＬ２２，Ｌ２３および低元側油分離器２３を介して、カスケードコンデンサ３の低元側冷媒回路２側の部分３ｂに接続されている。なお、交流モータ４３はモータの一例である。
【0052】
また、低元側冷媒回路２は、戻しラインＬ２７～Ｌ２９と、低元側エコノマイザ２４と、第２低元側膨張弁２５とを有する。
【0053】
戻しラインＬ２７～Ｌ２９は、低元側エコノマイザ２４から第１低元側膨張弁２２へ流れるＲ３２冷媒の一部が第１低元側圧縮部４１と第２低元側圧縮部４２との間に戻るように、Ｒ３２冷媒を案内する。より詳しく言うと、戻しラインＬ２７は、循環ラインＬ２５と第２低元側膨張弁２５との間に設けられて、循環ラインＬ２５と連通している。戻しラインＬ２８は、第２低元側膨張弁２５と低元側エコノマイザ２４との間に設けられている。戻しラインＬ２９は、低元側エコノマイザ２４と低元側２段スクリュ圧縮機２１との間に設けられている。
【0054】
低元側エコノマイザ２４は、一部が循環ラインＬ２４と循環ラインＬ２５とを流体的に接続する一方、他の一部が循環ラインＬ２８と循環ラインＬ２９とを流体的に接続する。この低元側エコノマイザ２４の一部には、カスケードコンデンサ３から第１低元側膨張弁２２へ流れるＲ３２冷媒が通過する。また、低元側エコノマイザ２４の他の一部には、循環ラインＬ２５から第１低元側圧縮部４１と第２低元側圧縮部４２との間に戻されるＲ３２冷媒が通過する。このとき、カスケードコンデンサ３から第１低元側膨張弁２２へ流れるＲ３２冷媒と、循環ラインＬ２５から第１低元側圧縮部４１と第２低元側圧縮部４２との間に戻されるＲ３２冷媒との間において、熱交換が行われる。
【0055】
第２低元側膨張弁２５は、低元側エコノマイザ２４に供給されるＲ３２冷媒を減圧する。より詳しく言うと、低元側エコノマイザ２４から第１低元側膨張弁２２へ流れるＲ３２冷媒の一部は、循環ラインＬ２５の途中で分流した後、第２低元側膨張弁２５で減圧されて、低元側エコノマイザ２４に流入する。例えば、第２低元側膨張弁２５は、戻しラインＬ２９のＲ３２冷媒の温度によって制御される。このとき、戻しラインＬ２９に設けられる温度センサ（図示せず）が戻しラインＬ２９の温度を検出して、制御装置４が、上記温度センサによって検出された戻しラインＬ２９の温度に基づいて、上記温度センサが設けられた箇所におけるＲ３２冷媒の過熱度が一定になるように、第２低元側膨張弁２５の開度を調節するようにしてもよい。
【0056】
第１低元側膨張弁２２は、循環ラインＬ２５と循環ラインＬ２６との間に設けられ、例えば、循環ラインＬ２１のＲ３２冷媒の温度によって制御される。このとき、循環ラインＬ２１に設けられる温度センサ（図示せず）が循環ラインＬ２１の温度を検出して、制御装置４が、上記温度センサによって検出された循環ラインＬ２１の温度に基づいて、上記温度センサが設けられた箇所おけるＲ３２冷媒の過熱度が一定になるように、第１低元側膨張弁２２の開度を調節するようにしてもよい。
【0057】
また、制御装置４は、低元側冷媒回路２の低元側２段スクリュ圧縮機２１などを制御する。この制御により、Ｒ３２冷媒は、例えば、循環ラインＬ２１で－８０℃、循環ラインＬ２３で８０℃、循環ラインＬ２４で－４０℃、循環ラインＬ２６で－８５℃となるように、低元側冷媒回路２を循環する。
【0058】
このような温度変化を伴ってＲ３２冷媒が低元側冷媒回路２を循環する場合、熱交換器６の低元側冷媒回路２とは反対側の部分６ｂに供給するブラインの温度を－６８℃に設定し、かつ、そのブラインの流量を３０Ｌ／minに設定したとき、熱交換器６の低元側冷媒回路２とは反対側の部分６ｂから吐出されるブラインの温度を－８０℃とすることが可能となる。本実施形態では、－８０℃となったブラインにより冷却対象物（図示せず）が冷却される。
【0059】
また、低元側冷媒回路２は、カスケードコンデンサ３の下流側に設けられた循環ラインＬ２４に取り付けられた圧力センサ２７を有する。この圧力センサ２７は、カスケードコンデンサ３から流出したＲ３２冷媒の圧力を検出して、この圧力を示す信号を制御装置４に送出する。
【0060】
【0061】
図２に示すように、低元側２段スクリュ圧縮機２１は、第１部分５１、・・・および第６部分５６で構成されたケーシング５０を備える。
【0062】
第１部分５１内の空間（モータ室）には、交流モータ４３が収容されている。この交流モータ４３は、インナーロータ型であって、第１部分５１の内周面に固定されるステータ４３１と、このステータ４３１の径方向内側に配置されるロータ４３２とを有する。交流モータ４３の通電時、ロータ４３２が駆動軸４３３と一体に回転する。
【0063】
第２部分５２には、循環ラインＬ２１を流れるＲ３２冷媒を吸い込む吸込口５２ａが設けられている。この第２部分５２内の空間の一部（第１低元側圧縮室）には、雌雄一対の第１スクリュロータ４１１Ａ，４１１Ｂが互いに噛み合った状態で収容されている。この第１スクリュロータ４１１Ａには第１回転軸４１２Ａが一体的に形成されている。一方、第１スクリュロータ４１１Ｂには第１回転軸４１２Ｂが一体的に形成されている。第１回転軸４１２Ａの一端部は駆動軸４３３の先端部に一体的に接続されている。これにより、第１回転軸４１２Ａは、駆動軸４３３の駆動力を受けて、第１スクリュロータ４１１Ａと共に回転することが可能になっている。また、第２部分５２内の空間の他の部分（第１吸込側軸受室）には、第１回転軸４１２Ａ，４１２Ｂの一端部を回転可能に支持する第１軸受６１Ａ，６１Ｂが収容されている。この第１軸受６１Ａ，６１Ｂは、第１スクリュロータ４１１Ａ，４１１Ｂを支持するための吸込側軸受であって、第２部分５２の内周面に固定されている。なお、第１回転軸４１２Ａ，４１２Ｂは回転軸の一例である。第１軸受６１Ａ，６１Ｂは軸受部の一例である。
【0064】
また、図２，図３に示すように、第２部分５２において第１部分５１内の空間に面する端面には、例えば長方形板形状の仕切板７１Ａ，７１Ｂが設けられている。すなわち、第１低元側圧縮部４１の第１吸込側軸受室を形成する第２部分５２の端部には、仕切板７１Ａ，７１Ｂが設けられている。この仕切板７１Ａ，７１Ｂは、第１軸受６１Ａ，６１Ｂに対して第１低元側圧縮部４１とは反対側に配置されて、第１軸受６１Ａ，６１Ｂとの間に所定の間隔を有する。また、仕切板７１Ａ，７１Ｂは、第１回転軸４１２Ａ，４１２Ｂの軸方向において、第１軸受６１Ａ，６１Ｂの下部と対向する。例えば、仕切板７１Ａの上端を含んで第１回転軸４１２Ａの軸方向に平行な仮想面は、第１軸受６１Ａの内輪転送面の最下端と同じ高さ、または、第１軸受６１Ａの内輪転送面の最下端よりも下にある。例えば、仕切板７１Ｂの上端を含んで第１回転軸４１２Ａの軸方向に平行な仮想面は、第１軸受６１Ｂの内輪転送面の最下端と第１軸受６１Ｂの外輪転送面の最下端との間にある。これにより、第１軸受６１Ａ，６１Ｂが十分に潤滑される。なお、仕切板７１Ａ，７１Ｂは壁部の一例である。
【0065】
図２に示すように、第１低元側圧縮部４１は、第２部分５２内の第１低元側圧縮室に第１スクリュロータ４１１Ａ，４１１Ｂを収容してなる。この第１低元側圧縮部４１は、吸込口５２ａからのＲ３２冷媒を圧縮して、第３部分５３内の空間（図示せず）を介して第４部分５４内の空間の一部に吐出する。第１スクリュロータ４１１Ａ，４１１Ｂは、第２部分５２内の第１低元側圧縮室を区分して複数の閉鎖された閉じ込み空間を形成する。この閉じ込み空間の容積が第１スクリュロータ４１１Ａ，４１１Ｂの回転に伴って小さくなることにより、Ｒ３２冷媒が圧縮される。このとき、油が、油供給ラインＬ３１から第２部分５２内に供給されて、第１スクリュロータ４１１Ａ，４１１Ｂを冷却すると共に、第１スクリュロータ４１１Ａ，４１１Ｂおよび第１軸受６１Ａ，６１Ｂを潤滑する。
【0066】
また、第２部分５２の吸込口５２ａには、第２部分５２外から第２部分５２内へ流体の流れのみを許容する逆止弁７２が取り付けられている。
【0067】
第３部分５３内の空間（第１吐出側軸受室）には、第１回転軸４１２Ａ，４１２Ｂの他端部を回転可能に支持する第２軸受６２Ａ，６２Ｂが収容されている。この第２軸受６２Ａ，６２Ｂは、第１スクリュロータ４１１Ａ，４１１Ｂを支持するための吐出側軸受であって、第３部分５３の内周面に固定されている。
【0068】
第４部分５４内の空間には、第１低元側圧縮部４１で圧縮されたＲ３２冷媒が吸い込まれる吸込口（図示せず）が設けられている中間圧力室と、雌雄一対の第２スクリュロータ４２１Ａ，４２１Ｂが互いに噛み合った状態で収容されている第２低元側圧縮室とが形成されている。低元側エコノマイザ２４を出て、戻しラインＬ２９（図１に示す）を流通したＲ３２冷媒は、中間圧力室に供給される。
【0069】
第２低元側圧縮部４２は、第３部分５３内の空間と第４部分５４内の中間圧力室とを流通したＲ３２冷媒を圧縮して、第５部分５５内の空間の一部（図示せず）に吐出する。第２スクリュロータ４２１Ａには第２回転軸４２２Ａが、第２スクリュロータ４２１Ｂには第２回転軸４２２Ｂが、一体的に形成されている。第２回転軸４２２Ａの一端部は第１回転軸４１２Ａの他端部に一体的に接続されている。第２回転軸４２２Ａは、第１回転軸４１２Ａを介して駆動軸４３３の駆動力を受けて回転する。また、第４部分５４内の空間（第２吸込側軸受室）には、第２回転軸４２２Ａ，４２２Ｂの一端部を回転可能に支持する第３軸受６３Ａ，６３Ｂも収容されている。第３軸受６３Ａ，６３Ｂは、第２スクリュロータ４２１Ａ，４２１Ｂを支持するための吸込側軸受であって、第４部分５４の内周面に固定されている。
【0070】
第５部分５５内の空間の他の部分（第２吐出側軸受室）には、第２回転軸４２２Ａ，４２２Ｂの他端部を回転可能に支持する第４軸受６４Ａ，６４Ｂが収容されている。第４軸受６４Ａ，６４Ｂは、第２スクリュロータ４２１Ａ，４２１Ｂを支持するための吐出側軸受であって、第５部分５５の内周面に固定されている。
【0071】
第６部分５６は、第５部分５５の先端部の開口を塞ぐ蓋のような役割を果たす。この第６部分５６には、Ｒ３２冷媒を吐出する吐出口（図示せず）が設けられている。この吐出口から吐出されたＲ３２冷媒は循環ラインＬ２２で低元側油分離器２３に案内される。
【0072】
低元側油分離器２３は、ケーシング２３１と、このケーシング２３１内に収容されたデミスタ２３２とを有している。デミスタ２３２はケーシング５０内の上部空間に配置されて、ケーシング２３１の上端部の吐出口（図示せず）に対向している。
【0073】
Ｒ３２冷媒は、低元側油分離器２３で油と分離された後、カスケードコンデンサ３に向かって流れる。一方、Ｒ３２冷媒から分離された油は、油供給ラインＬ３１～Ｌ３５を介して、低元側２段スクリュ圧縮機２１に供給される。低元側油分離器２３で分離された油は、油供給ラインＬ３１を介して、第１スクリュロータ４１１Ａ，４１１Ｂに供給される。このとき、第１スクリュロータ４１１Ａ，４１１Ｂに供給された油の一部が第１軸受６１Ａ，６１Ｂ側に流れる。
【0074】
油供給ラインＬ３２は、油供給ラインＬ３１の途中から分岐し、第２軸受６２Ａ，６２Ｂに油を供給する。油供給ラインＬ３３は、油供給ラインＬ３１の途中から分岐し、第３軸受６３Ａ，６３Ｂに油を供給する。油供給ラインＬ３４は、油供給ラインＬ３１の途中から分岐し、第２スクリュロータ４２１Ａ，４２１Ｂに油を供給する。油供給ラインＬ３５は、油供給ラインＬ３１の途中から分岐し、第４軸受６４Ａ，６４Ｂに油を供給する。
【0075】
上記構成の２元冷凍システムでは、低元側冷媒回路２にＲ３２冷媒を使用しているので、地球温暖化および安全性の悪化を防ぐことができる。
【0076】
また、Ｒ３２冷媒の蒸発温度を例えば－８０℃にすることを想定すると、低元側２段スクリュ圧縮機２１が吸い込むＲ３２冷媒の圧力が非常に低くなってしまうが、Ｒ３２冷媒は、第１低元側圧縮部４１で圧縮された後、第２低元側圧縮部４２でさらに圧縮される。したがって、低元側２段スクリュ圧縮機２１が吸い込むＲ３２冷媒の圧力が低くなっても、低元側２段スクリュ圧縮機２１の圧縮効率の低下を防ぐことができる。
【0077】
また、第１低元側圧縮部４１と第２低元側圧縮部４２とが同一の交流モータ４３で駆動されるので、第１低元側圧縮部４１と第２低元側圧縮部４２とを別々の交流モータ４３で駆動するときよりも、モータ数が少なくなる。したがって、低元側２段スクリュ圧縮機２１の製造コストの増加を抑制することができる。
【0078】
第１高元側圧縮部３１および第２高元側圧縮部３２も同一の交流モータ３３で駆動するので、高元側２段スクリュ圧縮機１１の製造コストの増加も抑制することができる。
【0079】
また、カスケードコンデンサ３から第１低元側膨張弁２２へ流れるＲ３２冷媒の一部が、戻しラインＬ２７～Ｌ２９の案内により、第２低元側膨張弁２５および低元側エコノマイザ２４を介して、第１低元側圧縮部４１と第２低元側圧縮部４２との間に戻る。したがって、低元側２段スクリュ圧縮機２１の圧縮効率を向上させることができる。
【0080】
また、高元側冷媒回路１において、Ｒ４５４Ｃ冷媒は、第１高元側圧縮部３１で圧縮された後、第２高元側圧縮部３２でさらに圧縮されるので、低元側２段スクリュ圧縮機２１と同様に、高元側２段スクリュ圧縮機１１の圧縮効率の低下を防ぐことができる。
【0081】
また、高元側２段スクリュ圧縮機１１でＲ４５４Ｃ冷媒を圧縮すると共に、低元側２段スクリュ圧縮機２１でＲ３２冷媒を圧縮するので、例えばレシプロ圧縮機でＲ４５４Ｃ冷媒およびＲ３２冷媒を圧縮するときよりも、高元側冷媒回路１および低元側冷媒回路２の静音性は良好である。
【0082】
また、第１軸受６１Ａ，６１Ｂに対して第１低元側圧縮部４１とは反対側に仕切板７１Ａ，７１Ｂが配置されているので、第１軸受６１Ａ，６１Ｂと仕切板７１Ａ，７１Ｂとの間に油を溜めて、この油で第１軸受６１Ａ，６１Ｂを十分に潤滑することができる。
【0083】
仮に、低元側油分離器２３内の油を第１軸受６１Ａ，６１Ｂに直接供給するための油供給ラインを設けた場合、当該油供給ラインからの油にはＲ３２冷媒が溶解しているため、ケーシング５０の第２部分５２内の第１吸込側軸受室に供給された油から差圧により多量の冷媒ガスが発生して、第１軸受６１Ａ，６１Ｂの潤滑効率が悪くなる。その結果、低元側２段スクリュ圧縮機２１の圧縮効率を下げてしまう。
【0084】
これに対して、低元側冷媒回路２では、低元側油分離器２３内の油を低元側２段スクリュ圧縮機２１の第１軸受６１Ａ，６１Ｂに直接供給するための油供給ラインを設けていないので、上記問題の発生を防ぐことができる。
【0085】
また、高元側２段スクリュ圧縮機１１および低元側２段スクリュ圧縮機２１は同じ圧縮機であるので、例えば高元側２段スクリュ圧縮機１１が故障したとき、高元側２段スクリュ圧縮機１１を低元側２段スクリュ圧縮機２１のスペアに交換して、迅速に復旧することができる。
【0086】
以下、本実施形態の低元側２段スクリュ圧縮機２１および低元側エコノマイザ２４を用いたときの作用効果について、比較例を用いて説明する。
【0087】
【0088】
低元側冷媒回路１００２は、低元側２段スクリュ圧縮機２１の代わりに低元側１段スクリュ圧縮機１０２１を有している点と、低元側エコノマイザ２４およびその周辺部を有していない点とで、本実施形態の低元側冷媒回路２と異なる。なお、循環ラインＬ１０２４は、一端がカスケードコンデンサ３に接続されている一方、他端が第１低元側膨張弁２２に接続されている。
【0089】
低元側１段スクリュ圧縮機１０２１は、熱交換器６からのＲ３２冷媒を圧縮する低元側圧縮部１０４１と、低元側圧縮部１０４１を駆動する交流モータ４３と、この交流モータ４３に交流電流を供給するインバータ装置４４とを有している。
【0090】
このような低元側冷媒回路１００２では、図４Ｂに示すように、蒸発工程において、エンタルピがＥ１からＥ２に上がった後、圧縮行程において、圧力がＰ１からＰ２に上がる。この圧縮行程を低元側１段スクリュ圧縮機１０２１だけで行うため、低元側１段スクリュ圧縮機１０２１の圧縮比が大きくなる。
【0091】
【0092】
低元側冷媒回路２００２は、図５Ａに示すように、低元側２段スクリュ圧縮機２１を有しているが、低元側エコノマイザ２４およびその周辺部を有していない点で、低元側冷媒回路２と異なる。
【0093】
このような低元側冷媒回路２００２において、凝縮行程、膨張行程、蒸発行程および圧縮行程が行われるとき、蒸発行程は、図５Ｂに示すように、低元側冷媒回路１００２と同じ冷凍能力を発揮できる。その上、圧縮行程は、低元側２段スクリュ圧縮機２１で行うので、１段当たりの圧縮比を小さくすることができる。より詳しく言うと、第１低元側圧縮部４１によって、圧力をＰ１からＰ３まで上げた後、第２低元側圧縮部４２によって、圧力をＰ３からＰ２に上げるので、第１低元側圧縮部４１および第２低元側圧縮部４２のそれぞれの圧縮比を小さくすることができる。
【0094】
【0095】
低元側冷媒回路２では、カスケードコンデンサ３から流出したＲ３２冷媒の一部が、第２低元側膨張弁２５および低元側エコノマイザ２４を介して、第１低元側圧縮部４１と第２低元側圧縮部４２との間の中間圧力室に戻る。
【0096】
このような低元側冷媒回路２において、凝縮行程、膨張行程、蒸発行程および圧縮行程行われるとき、圧縮行程は、図６Ｂに示すように、低元側冷媒回路２００２の圧縮行程と同様に、低元側２段スクリュ圧縮機２１で行うので、１段当たりの圧縮比を小さくすることができる。また、第２低元側膨張弁２５および低元側エコノマイザ２４を経由したＲ３２冷媒が第１低元側圧縮部４１と第２低元側圧縮部４２との間に導入することにより、蒸発行程で増加するエタルピ量を増やすことができる。より詳しく言うと、低元側冷媒回路２において最小のエタルピ量はエンタルピＥ１よりも小さいエンタルピＥ３となる。低元側冷媒回路１００２および低元側冷媒回路２００２の冷凍能力は、エンタルピＥ２からエンタルピＥ１を引いた値に相当する一方、低元側冷媒回路２の冷凍能力は、エンタルピＥ２からエンタルピＥ３を引いた値に相当する。それゆえ、低元側冷媒回路２の冷凍能力は、低元側冷媒回路１００２および低元側冷媒回路２００２の冷凍能力よりもエンタルピＥ１よりエンタルピＥ３を引いた値分、大きい。
【0097】
図４Ｂ，図５Ｂおよび図６Ｂに示すように、低元側冷媒回路１００２および低元側冷媒回路２００２が同じ冷凍能力を発揮するが、低元側冷媒回路１００２，２００２の冷凍能力よりも低元側冷媒回路２の冷凍能力の方が高い。一方、低元側冷媒回路２００２および低元側冷媒回路２は同じ圧縮効率となるが、低元側冷媒回路２００２，２の圧縮効率よりも低元側冷媒回路１００２の圧縮効率の方が悪くなる。したがって、冷凍能力を消費電力で除することで求められるＣＯＰ（Coefficient of Performance）は、低元側冷媒回路１００２よりも低元側冷媒回路２００２の方が高く、低元側冷媒回路２００２よりも低元側冷媒回路２の方が高くなる。すなわち、低元側冷媒回路１００２、低元側冷媒回路２００２および低元側冷媒回路２において、ＣＯＰは低元側冷媒回路２が最大となる。
【0098】
図７は、低元側冷媒回路２,１００２,２００２の圧縮比と、低元側冷媒回路２,１００２,２００２の断熱効率との関係を示すグラフである。
【0099】
低元側冷媒回路１００２に比べて、低元側冷媒回路２００２および低元側冷媒回路２は、圧縮比を下げることができ、その上、断熱効率を向上させることができる。
【0100】
以下、本実施形態の低元側冷媒回路２の凝縮温度の制御について説明する。
【0101】
制御装置４は、低元側冷媒回路２の凝縮温度が－４０℃から－５０℃までの間の範囲に入るように、低元側２段スクリュ圧縮機２１を制御する。
【0102】
図８は、低元側冷媒回路２の凝縮温度の制御を説明するためのフローチャートである。なお、上記制御は制御装置４によって行われる。
【0103】
上記凝縮温度の制御は、低元側２段スクリュ圧縮機２１の駆動に応じて介して、まず、ステップＳ１で、カスケードコンデンサ３から流出したＲ３２冷媒の圧力を測定する。この測定は、圧力センサ２７から送出される信号を用いて行われる。
【0104】
次に、ステップＳ２で、Ｒ３２冷媒の圧力が、０．１０９ＭＰａより低いか、０．１０９ＭＰａから０．１７６ＭＰａまでの間の範囲内に入るか、０．１７６ＭＰａより高いかを判定する。
【0105】
ステップＳ２で、Ｒ３２冷媒の圧力が０．１０９ＭＰａより低いと判定された場合、ステップＳ３－１に進み、高元側２段スクリュ圧縮機１１の交流モータ３３の回転数を所定数だけ減少させる。
【0106】
ステップＳ２で、Ｒ３２冷媒の圧力が０．１０９ＭＰａから０．１７６ＭＰａまでの間の範囲内に入ると判定された場合、ステップＳ３－２に進み、高元側２段スクリュ圧縮機１１の交流モータ３３の回転数を変更せずに維持する。
【0107】
ステップＳ２で、Ｒ３２冷媒の圧力が、０．１７６ＭＰａより高いと判定された場合、ステップＳ３－３に進み、高元側２段スクリュ圧縮機１１の交流モータ３３の回転数を所定数だけ増加させる。
【0108】
最後に、ステップＳ４で、低元側２段スクリュ圧縮機２１が駆動中か否かを判定する。このステップＳ４で、低元側２段スクリュ圧縮機２１が駆動中であると判定すると、ステップＳ１に戻る。一方、ステップＳ４で、低元側２段スクリュ圧縮機２１が駆動中でないと判定すると、上記凝縮温度の制御を終了する。
【0109】
このように、カスケードコンデンサ３から流出したＲ３２冷媒の圧力に基づいて、高元側２段スクリュ圧縮機１１の交流モータ３３の回転数を調整することによって、低元側冷媒回路２の凝縮温度を－４０℃から－５０℃までの間の範囲内で維持することができる。その結果、熱交換器６によってブラインを－８０℃に冷却するときでも、低元側２段スクリュ圧縮機２１の圧縮比の増加を抑制することができる。
【0110】
上記第１実施形態では、低元側冷媒回路２に、Ｒ３２冷媒を使用していたが、他のＡ２Ｌ冷媒（例えば、Ｒ－１２３４ｚｅ（Ｅ）冷媒、Ｒ－１２３４ｙｆ冷媒）を使用するようにしてもよい。
【0111】
上記第１実施形態では、高元側冷媒回路１は、高元側２段スクリュ圧縮機１１を有していたが、高元側２段スクリュ圧縮機１１は、高元側１段スクリュ圧縮機に交換されてもよい。
【0112】
上記第１実施形態では、高元側冷媒回路１は、高元側エコノマイザ１４を有していたが、高元側エコノマイザ１４を有さないようにしてもよい。別の言い方をすれば、高元側冷媒回路１では、高元側エコノマイザ１４から流出したＲ４５４Ｃ冷媒の一部を、第１高元側圧縮部３１と第２高元側圧縮部３２との間に戻していたが、第１高元側圧縮部３１と第２高元側圧縮部３２との間に戻さないようにしてもよい。
【0113】
上記第１実施形態では、低元側冷媒回路２は、低元側２段スクリュ圧縮機２１を有していたが、低元側２段スクリュ圧縮機２１は、例えば、互いに直列に接続された複数台の低元側１段スクリュ圧縮機１０２１に交換されてもよい。あるいは、低元側２段スクリュ圧縮機２１は、ロータリ圧縮機、レシプロ圧縮機などに交換されてもよい。
【0114】
上記第１実施形態では、低元側冷媒回路２は、低元側エコノマイザ２４を有していたが、低元側エコノマイザ２４を有さないようにしてもよい。別の言い方をすれば、低元側冷媒回路２では、カスケードコンデンサ３から流出したＲ３２冷媒の一部を、第１低元側圧縮部４１と第２低元側圧縮部４２との間に戻していたが、第１低元側圧縮部４１と第２低元側圧縮部４２との間に戻さないようにしてもよい。このようにした場合、低元側冷媒回路２の回路図は、比較例２の低元側冷媒回路２００２の回路図のようになる。
【0115】
上記第１実施形態では、第１回転軸４１２Ａ，４１２Ｂの軸方向から仕切板７１Ａ，７１Ｂを見たとき、仕切板７１Ａ，７１Ｂは、長方形板形状を呈するように形成されていたが、例えば円弧板形状を呈する部分を有するように形成されてもよい。すなわち、図９に示す仕切板１７１Ａ，１７１Ｂが壁部の一例として用いられてもよい。別の言い方をすれば、第１回転軸４１２Ａの径方向に平行な仮想面で仕切板７１Ａ，７１Ｂを切ったとき、仕切板７１Ａ，７１Ｂの断面の形は長方形で、この断面の上辺は直線であったが、仕切板７１Ａ，７１Ｂの断面の上辺が円弧となるようにしてもよい。
【0116】
上記第１実施形態では、油供給ラインＬ３１にポンプを設けていなかったが、油供給ラインＬ３１に油ポンプを設けてもよい。
【0117】
〔第２実施形態〕
図１０は本発明の第２実施形態の２元冷凍システムの要部の概略構成図である。
図１０は本発明の第２実施形態の２元冷凍システムの要部の概略構成図である。
【0118】
上記２元冷凍システムは、油供給ラインＬ３１と第１軸受６１Ａ，６１Ｂとの間に油供給ラインＬ４１，Ｌ４２および開閉バルブ９１を設けている点が、上記第１実施形態とは異なる。
【0119】
油供給ラインＬ４１は、一端が油供給ラインＬ３１の途中に接続されている一方、他端が開閉バルブ９１に接続されている。
【0120】
油供給ラインＬ４２は、一端が開閉バルブ９１に接続されている一方、低元側２段スクリュ圧縮機２１のケーシング５０の第２部分５２における第１軸受６１Ａ，６１Ｂ近傍の箇所に接続されている。
【0121】
開閉バルブ９１は、制御装置４に開閉が制御される。より詳しく言うと、低元側２段スクリュ圧縮機２１が駆動すると、開閉バルブ９１を閉め、低元側２段スクリュ圧縮機２１が停止すると、開閉バルブ９１を開けるように、制御装置４が開閉バルブ９１の開閉を制御するようになっている。
【0122】
上記構成の２元冷凍システムでは、低元側２段スクリュ圧縮機２１が駆動すると、開閉バルブ９１が閉まるので、油供給ラインＬ４２から第１軸受６１Ａ，６１Ｂに油が供給されない。したがって、ケーシング５０の第２部分５２内の第１吸込側軸受室に油が直接供給されないので、第１吸込側軸受室において多量の冷媒ガスが発生するのを防ぐことができる。
【0123】
また、低元側２段スクリュ圧縮機２１が停止すると、開閉バルブ９１が開くので、油供給ラインＬ４２からの油が第１軸受６１Ａ，６１Ｂに直接供給される。この場合は、差圧が小さいため、第１軸受６１Ａ，６１Ｂに油が供給されても、供給された油から冷媒ガスが発生しにくい。また、第１軸受６１Ａ，６１Ｂに油が直接供給されるから、第１軸受６１Ａ，６１Ｂを確実に潤滑することができる。
【0124】
また、油供給ラインＬ４２からの油が第１軸受６１Ａ，６１Ｂに直接供給されるので、第１軸受６１Ａ，６１Ｂの周辺の空間に油を十分に溜めておくことができる。
【0125】
〔第３実施形態〕
図１１は、本発明の第３実施形態の２元冷凍システムの回路図である。本実施形態の２元冷凍システムは、後述する熱交換器３０６を除き、上記第１実施形態の２元冷凍システムと実質的に同じ構成を有する。
図１１は、本発明の第３実施形態の２元冷凍システムの回路図である。本実施形態の２元冷凍システムは、後述する熱交換器３０６を除き、上記第１実施形態の２元冷凍システムと実質的に同じ構成を有する。
【0126】
本実施形態の２元冷凍システムの低元側冷媒回路３０２は、上記第１実施形態の低元側冷媒回路２と比較したとき、循環ラインＬ２１と循環ラインＬ２６の間の構成が異なっている。より具体的に説明すると、低元側冷媒回路３０２では、冷却対象物３００を直接冷却する熱交換器３０６が、循環ラインＬ２１と循環ラインＬ２６の間に設けられている。なお、熱交換器３０６は低元側蒸発器の一例である。
【0127】
本実施形態の２元冷凍システムは、冷却対象物３００を、冷却したブラインで間接的に冷却するのではなく、熱交換器３０６で直接冷却するので、冷却対象物３００の冷却効率を向上できる。
【0128】
〔第４実施形態〕
図１２は、本発明の第４実施形態の２元冷凍システムの回路図である。本実施形態の２元冷凍システムは、後述する熱交換器３０６、低圧受液器４８１およびそれらの周辺部を除き、上記第１実施形態の２元冷凍システムと実質的に同じ構成を有する。
図１２は、本発明の第４実施形態の２元冷凍システムの回路図である。本実施形態の２元冷凍システムは、後述する熱交換器３０６、低圧受液器４８１およびそれらの周辺部を除き、上記第１実施形態の２元冷凍システムと実質的に同じ構成を有する。
【0129】
本実施形態の２元冷凍システムの低元側冷媒回路４０２は、上記第１実施形態の低元側冷媒回路２と比較したとき、循環ラインＬ２１と循環ラインＬ２６の間の構成が異なっている。より具体的に説明すると、低元側冷媒回路４０２では、Ｒ３２冷媒を貯留する低圧受液器４８１が、循環ラインＬ２１と循環ラインＬ２６の間に設けられている。すなわち、低圧受液器４８１は、低元側２段スクリュ圧縮機２１の上流側、かつ、第１低元側膨張弁２２の下流側に設けられ、Ｒ３２冷媒を貯留する。
【0130】
また、低元側冷媒回路４０２は、冷却対象物３００を直接冷却する熱交換器３０６を有する。この熱交換器３０６の一端部は、冷却ラインＬ４２１、液体ポンプ４８２および冷却ラインＬ４２２を介して、低圧受液器４８１に接続されている。熱交換器３０６の他端部は、冷却ラインＬ４２３を介して、低圧受液器４８１に接続されている。これにより、低圧受液器４８１内に貯留されたＲ３２冷媒は、液体ポンプ４８２の駆動時、冷却ラインＬ４２１、液体ポンプ４８２、冷却ラインＬ４２２、熱交換器３０６および冷却ラインＬ４２３をこの順に流れて、低圧受液器４８１内に戻る。
【0131】
また、低圧受液器４８１に設けたレベルセンサ（図示せず）が低圧受液器４８１内のＲ３２冷媒の液面の高さを検出して、制御装置４が、レベルセンサによって検出されたＲ３２冷媒の液面の高さに基づいて、第１低元側膨張弁２２の開度を調節する。
【0132】
本実施形態の２元冷凍システムは、熱交換器３０６によって、上記第３実施形態の２元冷凍システムと同様の作用効果を奏する。
【0133】
また、本実施形態の２元冷凍システムは、低圧受液器４８１によって、液状のＲ３２冷媒ではなく、ガス状のＲ３２冷媒を、低元側２段スクリュ圧縮機２１に効率良く供給できる。
【0134】
本発明の具体的な実施の形態について説明したが、本発明は上記実施形態およびその変形例に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々変更して実施することができる。例えば、上記第１,第２実施形態で記載した内容の一部を削除または置換したものを、本発明の一実施形態としてもよい。
【符号の説明】
【0135】
１ 高元側冷媒回路
２ 低元側冷媒回路
３ カスケードコンデンサ（一部が高元側蒸発器、他の一部が低元側凝縮器）
４ 制御装置
５ 水冷コンデンサ（一部が高元側凝縮器）
６ 熱交換器（一部が低元側蒸発器）
１１ 高元側２段スクリュ圧縮機（高元側圧縮機）
１２ 第１高元側膨張弁（高元側膨張機構）
１３ 高元側油分離器
１４ 高元側エコノマイザ
１５ 第２高元側膨張弁
２１ 低元側２段スクリュ圧縮機（低元側圧縮機）
２２ 第１低元側膨張弁（低元側膨張機構）
２３ 低元側油分離器
２４ 低元側エコノマイザ
２５ 第２低元側膨張弁
３１ 第１高元側圧縮部
３２ 第２高元側圧縮部
３３，４３ 交流モータ
３４，４４ インバータ装置
４１ 第１低元側圧縮部
４２ 第２低元側圧縮部
５０ ケーシング
５１ 第１部分
５２ 第２部分
５３ 第３部分
５４ 第４部分
５５ 第５部分
５６ 第６部分
６１Ａ，６１Ｂ 第１軸受
６２Ａ，６２Ｂ 第２軸受
６３Ａ，６３Ｂ 第３軸受
６４Ａ，６４Ｂ 第４軸受
７１Ａ，７１Ｂ，１７１Ａ，１７１Ｂ 仕切板（壁部）
３０６ 熱交換器（低元側蒸発器）
４８２ 液体ポンプ
４１１Ａ，４１１Ｂ 第１スクリュロータ
４１２Ａ，４１２Ｂ 第１回転軸
４２１Ａ，４２１Ｂ 第２スクリュロータ
４２２Ａ，４２２Ｂ 第２回転軸
Ｌ１１～Ｌ１６，Ｌ２１～Ｌ２６ 循環ライン
Ｌ１７～Ｌ１９，Ｌ２７～Ｌ２９ 戻しライン
Ｌ４２１～Ｌ４２３ 冷却ライン
２ 低元側冷媒回路
３ カスケードコンデンサ（一部が高元側蒸発器、他の一部が低元側凝縮器）
４ 制御装置
５ 水冷コンデンサ（一部が高元側凝縮器）
６ 熱交換器（一部が低元側蒸発器）
１１ 高元側２段スクリュ圧縮機（高元側圧縮機）
１２ 第１高元側膨張弁（高元側膨張機構）
１３ 高元側油分離器
１４ 高元側エコノマイザ
１５ 第２高元側膨張弁
２１ 低元側２段スクリュ圧縮機（低元側圧縮機）
２２ 第１低元側膨張弁（低元側膨張機構）
２３ 低元側油分離器
２４ 低元側エコノマイザ
２５ 第２低元側膨張弁
３１ 第１高元側圧縮部
３２ 第２高元側圧縮部
３３，４３ 交流モータ
３４，４４ インバータ装置
４１ 第１低元側圧縮部
４２ 第２低元側圧縮部
５０ ケーシング
５１ 第１部分
５２ 第２部分
５３ 第３部分
５４ 第４部分
５５ 第５部分
５６ 第６部分
６１Ａ，６１Ｂ 第１軸受
６２Ａ，６２Ｂ 第２軸受
６３Ａ，６３Ｂ 第３軸受
６４Ａ，６４Ｂ 第４軸受
７１Ａ，７１Ｂ，１７１Ａ，１７１Ｂ 仕切板（壁部）
３０６ 熱交換器（低元側蒸発器）
４８２ 液体ポンプ
４１１Ａ，４１１Ｂ 第１スクリュロータ
４１２Ａ，４１２Ｂ 第１回転軸
４２１Ａ，４２１Ｂ 第２スクリュロータ
４２２Ａ，４２２Ｂ 第２回転軸
Ｌ１１～Ｌ１６，Ｌ２１～Ｌ２６ 循環ライン
Ｌ１７～Ｌ１９，Ｌ２７～Ｌ２９ 戻しライン
Ｌ４２１～Ｌ４２３ 冷却ライン
【要約】
【課題】冷凍システムにおいて、環境へ負荷が小さい冷媒を使用しても、圧縮機の効率の低下を抑制する。
【解決手段】低元側冷媒回路２はＲ３２冷媒が循環する。Ｒ３２冷媒は、ＧＷＰ７５０未満の冷媒が循環する。低元側冷媒回路２の低元側２段スクリュ圧縮機２１は、第１低元側圧縮部４１と、第１低元側圧縮部４１の下流側に配置され、第１低元側圧縮部４１で圧縮されたＲ３２冷媒をさらに圧縮する第２低元側圧縮部４２とを有する。
【選択図】図１
【解決手段】低元側冷媒回路２はＲ３２冷媒が循環する。Ｒ３２冷媒は、ＧＷＰ７５０未満の冷媒が循環する。低元側冷媒回路２の低元側２段スクリュ圧縮機２１は、第１低元側圧縮部４１と、第１低元側圧縮部４１の下流側に配置され、第１低元側圧縮部４１で圧縮されたＲ３２冷媒をさらに圧縮する第２低元側圧縮部４２とを有する。
【選択図】図１
【図1】
【図2】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図5A】
【図5B】
【図6A】
【図6B】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】