特許 7473857 冷凍サイクルシステム

(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】2024-04-16

(45)【発行日】2024-04-24

(54)【発明の名称】冷凍サイクルシステム

(51)【国際特許分類】

   F25B 7/00 20060101AFI20240417BHJP

   F25B 1/00 20060101ALI20240417BHJP

【ＦＩ】

F25B7/00 E

F25B1/00 396D

F25B1/00 396Z

F25B1/00 396G

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2023198839

(22)【出願日】2023-11-24

【審査請求日】2023-11-24

(31)【優先権主張番号】P 2022188574

(32)【優先日】2022-11-25

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000002853

【氏名又は名称】ダイキン工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000202

【氏名又は名称】弁理士法人新樹グローバル・アイピー

(72)【発明者】

【氏名】井吉 悠太

(72)【発明者】

【氏名】山野井 喜記

【審査官】西山 真二

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１２－２２０１１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０６８４０９（ＪＰ，Ａ）

(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】

０．５ＭＰａ以上４ＭＰａ以下の範囲の吐出冷媒圧力で第１冷媒を循環させる第１圧縮機（１１０）と、ＣＯ２冷媒である第２冷媒を前記第１冷媒によって冷却するカスケード熱交換器（１５０）とを含み、前記第１冷媒による蒸気圧縮式の第１冷凍サイクルを実施する第１冷媒回路（１００）と、
５ＭＰａ以上１４ＭＰａ以下の範囲の吐出冷媒圧力で前記第２冷媒を循環させる第２圧縮機（２１０）を含み、前記第２冷媒による蒸気圧縮式の第２冷凍サイクルを実施する第２冷媒回路（２００）と、
前記第１圧縮機及び前記第２圧縮機を制御するコントローラ（３００）と、
を備え、
前記コントローラは、前記第１圧縮機の吐出冷媒の圧力相当飽和温度をＴ１℃とし、前記第２圧縮機の吸入冷媒の圧力相当飽和温度をＴ２℃とした場合に、前記カスケード熱交換器における前記第１冷媒の蒸発温度と前記第２冷媒の凝縮温度の中間温度が、
Ｔ２＋（Ｔ１－Ｔ２）×０．１≦ＴＶ≦Ｔ２＋（Ｔ１－Ｔ２）×０．３５
を満たすように、前記第１圧縮機及び前記第２圧縮機を制御する、冷凍サイクルシステム（１）。

【請求項2】

前記第１冷媒は、Ｒ３２、Ｒ４５４Ｃ、プロパン、Ｒ１２３４ｙｆ、Ｒ１２３４ｚｅあるいはアンモニアまたはそれらのいずれかを含む冷媒である、
請求項１に記載の冷凍サイクルシステム（１）。

【請求項3】

前記第２冷媒回路は、前記カスケード熱交換器で前記第２冷媒を凝縮させる、
請求項１または請求項２に記載の冷凍サイクルシステム（１）。

【請求項4】

前記第２冷媒回路は、室内空気と前記第２冷媒との熱交換を行わせる室内熱交換器（２５１，２５２，２５３）を含む、
請求項３に記載の冷凍サイクルシステム（１）。

【請求項5】

前記第１冷媒回路は、外気と前記第１冷媒との熱交換を行わせる室外熱交換器（１３０）を含む、
請求項４に記載の冷凍サイクルシステム（１）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、第１冷媒回路を循環する第１冷媒と第２冷媒回路を循環するＣＯ_２冷媒である第２冷媒との熱交換を行うカスケード熱交換器を含む冷凍サイクルシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、社会全体での電力消費を抑制するため、空気調和機などについても消費電力を抑制することが求められている。例えば、特許文献１（特開２００２－１４７８１９号公報）には、電力ピークカットの要請による消費電力の削減を確実に行うことのできる冷凍装置である空気調和機が開示されている。特許文献１の冷凍装置の構成は、コントローラが、検出電流値が所定の設定値を超えない範囲となるように、圧縮機ユニットの容量を制御するものである。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

特許文献１などに記載されている冷凍装置では、１種類の冷媒を循環させる際の消費電力の削減方法が提案されている。しかし、特許文献１に記載の方法は、異なる種類の冷媒を用いる複数の冷凍サイクルにより空気調和などを行う冷凍サイクルシステムにそのまま適用することは難しい。ＣＯ_２冷媒とＣＯ_２以外の冷媒との熱交換を行わせるカスケード熱交換器を含み、ＣＯ_２冷媒を用いた第１の冷凍サイクルとＣＯ_２以外の冷媒を用いた第２の冷凍サイクルを実施する冷凍サイクルシステムにおいて消費電力を削減するという課題がある。

【課題を解決するための手段】

【0004】

第１観点の冷凍サイクルシステムは、第１冷媒回路と第２冷媒回路とコントローラとを備える。第１冷媒回路は、０．５ＭＰａ以上４ＭＰａ以下の範囲の吐出冷媒圧力で第１冷媒を循環させる第１圧縮機と、ＣＯ_２冷媒である第２冷媒を第１冷媒によって冷却するカスケード熱交換器とを含み、第１冷媒による蒸気圧縮式の第１冷凍サイクルを実施する。第２冷媒回路は、５ＭＰａ以上１４ＭＰａ以下の範囲の吐出冷媒圧力で第２冷媒を循環させる第２圧縮機を含み、第２冷媒による蒸気圧縮式の第２冷凍サイクルを実施する。コントローラは、第１圧縮機及び第２圧縮機を制御する。コントローラは、第１圧縮機の吐出冷媒の圧力相当飽和温度をＴ１℃とし、第２圧縮機の吸入冷媒の圧力相当飽和温度をＴ２℃とした場合に、カスケード熱交換器における第１冷媒の蒸発温度と第２冷媒の凝縮温度の中間温度が、Ｔ２＋（Ｔ１－Ｔ２）×０．１≦ＴＶ≦Ｔ２＋（Ｔ１－Ｔ２）×０．４を満たすように、第１圧縮機及び第２圧縮機を制御する。

【0005】

第１観点の冷凍サイクルシステムでは、第２圧縮機よりも効率の良い第１圧縮機を有する第１冷媒回路での熱量の運搬を多くすることで、全体としての消費電力を抑制することができる。

【0006】

第２観点の冷凍サイクルシステムは、第１観点のシステムであって、第１冷媒は、Ｒ３２、Ｒ４５４Ｃ、プロパン、Ｒ１２３４ｙｆ、Ｒ１２３４ｚｅあるいはアンモニアまたはそれらのいずれかを含む冷媒である。

【0007】

第３観点の冷凍サイクルシステムは、第１観点または第２観点のシステムであって、第２冷媒回路は、カスケード熱交換器で第２冷媒を凝縮させる。

【0008】

第４観点の冷凍サイクルシステムは、第３観点のシステムであって、第２冷媒回路は、室内空気と第２冷媒との熱交換を行わせる室内熱交換器を含む。

【0009】

第５観点の冷凍サイクルシステムは、第４観点のシステムであって、第１冷媒回路は、外気と第１冷媒との熱交換を行わせる室外熱交換器を含む。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施形態に係る冷凍サイクルシステムの概略構成を示す回路図である。

【図2】図１に冷房運転時の冷媒の流れ方向を書き加えた冷凍サイクルシステムの回路図である。

【図3】図１に暖房運転時の冷媒の流れ方向を書き加えた冷凍サイクルシステムの回路図である。

【図4】カスケード熱交換器での熱交換を説明するためのモリエル線図を用いた概念図である。

【図5】カスケード熱交換器の中間温度と冷凍サイクルシステムの合計消費電力との関係を示すグラフである。

【図6】カスケード熱交換器の中間温度を正規化した値と中間温度との関係を説明するための図である。

【図7】第１圧縮機と第２圧縮機の回転速度と圧縮機効率との関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

（１）全体構成
実施形態に係る冷凍サイクルシステム１は、図１に示されている構成を有している。冷凍サイクルシステム１は、第１冷媒が循環する第１冷媒回路１００と二酸化炭素冷媒（ＣＯ_２冷媒）が循環する第２冷媒回路２００とを有している。冷凍サイクルシステム１は、熱搬送媒体である二酸化炭素冷媒と室内空気とを熱交換させて室内の空気調和を行う装置である。室内の空気調和には、例えば、冷房及び暖房がある。

【0012】

（１―１）第１冷媒回路１００
第１冷媒回路１００は、第１圧縮機１１０と、第１四方弁１２０と、室外空気熱交換器１３０と、カスケード熱交換器１５０とを有している。第１冷媒回路１００で用いられる第１冷媒には、例えば、Ｒ３２、Ｒ４５４Ｃ、プロパン、Ｒ１２３４ｙｆ、Ｒ１２３４ｚｅまたはアンモニアを用いることができる。あるいは、Ｒ３２、Ｒ４５４Ｃ、プロパン、Ｒ１２３４ｙｆ、Ｒ１２３４ｚｅまたはアンモニアのいずれかを含む冷媒を第１冷媒に用いることができる。室外空気熱交換器１３０は、室外熱交換器の例である。

【0013】

第１圧縮機１１０は、ガス状の第１冷媒を圧縮する機器である。第１圧縮機１１０には、例えば、容積式圧縮機を用いることができる。容積式圧縮機には、例えば、ロータリ圧縮機またはスクロール圧縮機がある。第１圧縮機１１０は、例えばモータ１１５によって駆動される。モータ１１５は、例えば、インバータを備えており、回転速度を変更可能なモータである。モータ１１５の回転速度を変更することにより、第１圧縮機１１０は、吐出する容量を調整することができる。

【0014】

第１四方弁１２０は、第１冷媒回路１００の第１冷媒の流れを切り換えるための機器である。具体的には、第１四方弁１２０は、図１の第１四方弁１２０の実線で示された連通状態と、図１の第１四方弁１２０の破線で示された連通状態とを切り換える。第１四方弁１２０は、例えば、四方弁以外の複数の弁（例えば電磁弁または三方弁）を組み合わせることによって第１冷媒放熱状態及び第１冷媒蒸発状態の切り換えを行う機能を有する他の構成で代替することができる。

【0015】

第１四方弁１２０が実線で示された連通状態に切り換えられると、第１冷媒回路１００は、室外空気熱交換器１３０が第１冷媒の放熱器として機能し且つカスケード熱交換器１５０が第１冷媒の蒸発器として機能する第１冷媒放熱状態になる。第１冷媒放熱状態とは、外気（室外の空気）によって第１冷媒が冷却されている状態である。また、第１四方弁１２０が破線で示された連通状態に切り換えられると、第１冷媒回路１００は、室外空気熱交換器１３０が第１冷媒の蒸発器として機能し且つカスケード熱交換器１５０が第１冷媒の放熱器として機能する第１冷媒蒸発状態になる。第１冷媒蒸発状態とは、第１冷媒が外気によって加熱されている状態である。

【0016】

第１四方弁１２０は、第１冷媒放熱状態において、第１圧縮機１１０の吐出口と室外空気熱交換器１３０とが連通し、且つ第１圧縮機１１０の吸入口とカスケード熱交換器１５０とが連通する。第１四方弁１２０は、第１冷媒蒸発状態において、第１圧縮機１１０の吐出口とカスケード熱交換器１５０とが連通し、且つ第１圧縮機１１０の吸入口と室外空気熱交換器１３０とが連通する。

【0017】

室外空気熱交換器１３０は、第１冷媒と外気とを熱交換させる機器である。室外空気熱交換器１３０は、例えば、フィンアンドチューブ式の熱交換器である。室外空気熱交換器１３０は、第１四方弁１２０が第１冷媒放熱状態（実線の状態）に切り換えられた状態において、外気を冷却源とする第１冷媒の放熱器として機能する。第１四方弁１２０が第１冷媒蒸発状態（破線の状態）に切り換えられた状態において、室外空気熱交換器１３０は、外気を加熱源とする第１冷媒の蒸発器として機能する。室外空気熱交換器１３０は第１四方弁１２０及び第１膨張弁１４０と連通している。

【0018】

また、第１冷媒回路１００は、第１膨張弁１４０を有している。第１膨張弁１４０は、第１冷媒を減圧する機器である。第１膨張弁１４０は、通過した第１冷媒の圧力を調整したり冷媒流量を調整したりするための機器である。第１膨張弁１４０は、例えば、電気信号に応じて開度を変更する電動膨張弁である。第１膨張弁１４０は、室外空気熱交換器１３０とカスケード熱交換器１５０の間に設けられている。第１膨張弁１４０は、室外空気熱交換器１３０とカスケード熱交換器１５０の間で流れる第１冷媒の圧力を調整する。第１膨張弁１４０は、第１四方弁１２０が第１冷媒放熱状態に切り換えられた状態において、室外空気熱交換器１３０で放熱した第１冷媒を減圧する。第１膨張弁１４０は、第１四方弁１２０が第１冷媒蒸発状態に切り換えられた状態において、カスケード熱交換器１５０で放熱した第１冷媒を減圧する。なお、第１膨張弁１４０は、電動膨張弁に限定されるものではない。第１膨張弁１４０には、例えば、電動膨張弁以外の種類の膨張弁またはキャピラリーチューブを用いてもよい。

【0019】

カスケード熱交換器１５０は、第１冷媒と二酸化炭素冷媒とを熱交換させる機器である。カスケード熱交換器１５０には、例えば、プレート式熱交換器、二重管式熱交換器、またはシェルアンドチューブ式熱交換器を用いることができる。カスケード熱交換器１５０は、第１四方弁１２０が第１冷媒放熱状態に切り換えられた状態において、二酸化炭素冷媒を加熱源とする第１冷媒の蒸発器として機能する。カスケード熱交換器１５０は、第１四方弁１２０が第１冷媒蒸発状態に切り換えられた状態において、二酸化炭素冷媒を冷却源とする第１冷媒の放熱器として機能する。カスケード熱交換器１５０は、第１四方弁１２０に連通しており、また、第１膨張弁１４０を介してカスケード熱交換器１５０に連通している。

【0020】

（１―２）第２冷媒回路２００
第２冷媒回路２００は、第２圧縮機２１０と、カスケード熱交換器１５０と、第２四方弁２２０と、複数の室内空気熱交換器２５１，２５２，２５３とを有している。室内空気熱交換器２５１，２５２，２５３は、室内熱交換器の例である。第２冷媒回路２００では、熱搬送媒体として、二酸化炭素冷媒が循環する。ここでは、第２冷媒回路２００に、３つの室内空気熱交換器２５１，２５２，２５３が含まれている場合が例に挙げられているが、室内空気熱交換器は、１つ、２つあるいは４つ以上であってもよい。カスケード熱交換器１５０は、第１冷媒回路１００と第２冷媒回路２００の２つの回路で共有されている。

【0021】

第２圧縮機２１０は、ガス状の二酸化炭素冷媒を圧縮する機器である。第２圧縮機２１０には、例えば、容積式圧縮機を用いることができる。容積式圧縮機には、例えば、ロータリ圧縮機及びスクロール圧縮機がある。第２圧縮機２１０は、例えばモータ２１５によって駆動される。モータ２１５は、例えば、インバータを備えており、回転速度を変更可能なモータである。モータ２１５の回転速度を変更することにより、第２圧縮機２１０は、吐出する容量を調整することができる。

【0022】

第２四方弁２２０は、第２冷媒回路２００の二酸化炭素冷媒の流れを切り換えるための機器である。具体的には、第２四方弁２２０は、図１の第２四方弁２２０の実線で示された連通状態と、図１の第２四方弁２２０の破線で示された連通状態とを切り換える。なお、第２四方弁２２０は、例えば、複数の弁（例えば電磁弁または三方弁）を組み合わせることによって上記のＣＯ_２放熱状態及びＣＯ_２蒸発状態の切り換えを行う機能を有する他の構成で代替することができる。

【0023】

第２四方弁２２０が実線で示された連通状態に切り換えられると、第２冷媒回路２００は、室内空気熱交換器２５１，２５２，２５３が二酸化炭素冷媒の蒸発器として機能し且つカスケード熱交換器１５０が二酸化炭素冷媒の放熱器として機能するＣＯ_２蒸発状態になる。ＣＯ_２蒸発状態とは、二酸化炭素冷媒が蒸発して室内空気を冷却している状態である。また、第２四方弁２２０が破線で示された連通状態に切り換えられると、第２冷媒回路２００は、室内空気熱交換器２５１，２５２，２５３が二酸化炭素冷媒の放熱器として機能し且つカスケード熱交換器１５０が二酸化炭素冷媒の蒸発器として機能するＣＯ_２放熱状態になる。ＣＯ_２放熱状態とは、室内空気に対して二酸化炭素冷媒が放熱している状態である。

【0024】

第２四方弁２２０は、ＣＯ_２放熱状態において、第２圧縮機２１０の吐出口と室内空気熱交換器２５１，２５２，２５３とが連通し、且つ第２圧縮機２１０の吸入口とカスケード熱交換器１５０とが連通する。第２四方弁２２０は、ＣＯ_２蒸発状態において、第２圧縮機２１０の吐出口とカスケード熱交換器１５０とが連通し、且つ第２圧縮機２１０の吸入口と室内空気熱交換器２５１，２５２，２５３とが連通する。

【0025】

室内空気熱交換器２５１，２５２，２５３は、それぞれ、例えば対応する部屋の室内空気と二酸化炭素冷媒とを熱交換させる機器である。室内空気熱交換器２５１，２５２，２５３は、例えば、フィンアンドチューブ式の熱交換器である。室内空気熱交換器２５１，２５２，２５３は、第２四方弁２２０がＣＯ_２放熱状態に切り換えられた状態において、室内空気を加熱するため、二酸化炭素冷媒の放熱器として機能する。言い換えると、室内空気熱交換器２５１，２５２，２５３は、ＣＯ_２放熱状態において、室内空気を冷却源とする二酸化炭素冷媒の放熱器として機能する。第２四方弁２２０がＣＯ_２蒸発状態に切り換えられた状態において、室内空気熱交換器２５１，２５２，２５３は、室内空気を冷却するため、二酸化炭素冷媒の蒸発器として機能する。言い換えると、室内空気熱交換器２５１，２５２，２５３は、ＣＯ_２蒸発状態において、室内空気を加熱源とする二酸化炭素冷媒の蒸発器として機能する。ＣＯ_２蒸発状態において、室内空気熱交換器２５１，２５２，２５３は、第２四方弁２２０を介して第２圧縮機２１０の吸入口に連通するとともに、それぞれ、対応する第２膨張弁２６１，２６２，２６３及び第３膨張弁２３０を介してカスケード熱交換器１５０に連通している。

【0026】

第２冷媒回路２００は、第２膨張弁２６１，２６２，２６３及び第３膨張弁２３０を有している。第２膨張弁２６１，２６２，２６３及び第３膨張弁２３０は、通過した二酸化炭素冷媒の圧力を調整したり二酸化炭素冷媒の流量を調整したりするための機器である。第２膨張弁２６１，２６２，２６３及び第３膨張弁２３０は、例えば、電気信号に応じて開度を変更する電動膨張弁である。第３膨張弁２３０は、カスケード熱交換器１５０に接続されている。第３膨張弁２３０は、全ての第２膨張弁２６１，２６２，２６３に接続されている。第２膨張弁２６１，２６２，２６３は、それぞれ、対応する室内空気熱交換器２５１，２５２，２５３に接続されている。

【0027】

第２膨張弁２６１，２６２，２６３は、対応する室内空気熱交換器２５１，２５２，２５３とカスケード熱交換器１５０の間に設けられている。第２膨張弁２６１，２６２，２６３は、対応する室内空気熱交換器２５１，２５２，２５３を流れる二酸化炭素冷媒の圧力を調整する。第２膨張弁２６１，２６２，２６３は、第２四方弁２２０がＣＯ_２放熱状態に切り換えられた状態において、室内空気熱交換器２５１，２５２，２５３で放熱した二酸化炭素冷媒を減圧する。第２膨張弁２６１，２６２，２６３は、第２四方弁２２０がＣＯ_２蒸発状態に切り換えられた状態において、室内空気熱交換器２５１，２５２，２５３に送られる二酸化炭素冷媒を減圧する。

【0028】

第３膨張弁２３０は、全ての室内空気熱交換器２５１，２５２，２５３とカスケード熱交換器１５０の間に設けられている。第３膨張弁２３０は、室内空気熱交換器２５１，２５２，２５３からカスケード熱交換器１５０に流れる二酸化炭素冷媒の圧力を調整する。第３膨張弁２３０は、第２四方弁２２０がＣＯ_２蒸発状態に切り換えられた状態では、全開状態にされてカスケード熱交換器１５０において放熱した二酸化炭素冷媒を極力減圧しないようにする。第３膨張弁２３０は、第２四方弁２２０がＣＯ_２放熱状態に切り換えられた状態において、室内空気熱交換器２５１，２５２，２５３において放熱した二酸化炭素冷媒を減圧する。なお、第３膨張弁２３０は、電動膨張弁に限定されるものではない。第３膨張弁２３０には、例えば、電動膨張弁以外の種類の膨張弁またはキャピラリーチューブを用いてもよい。

【0029】

カスケード熱交換器１５０は、第１四方弁１２０が第１冷媒放熱状態（実線の状態）に切り換えられ、且つ第２四方弁２２０がＣＯ_２蒸発状態（実線の状態）に切り換えられた状態において、第１冷媒を冷却源とする二酸化炭素冷媒の放熱器として機能する。また、カスケード熱交換器１５０は、第１四方弁１２０が第１冷媒蒸発状態（破線の状態）に切り換えられ、且つ第２四方弁２２０がＣＯ_２放熱状態（破線の状態）に切り換えられた状態において、第１冷媒を加熱源とする二酸化炭素冷媒の蒸発器として機能する。カスケード熱交換器１５０は、二酸化炭素冷媒を流すために、第２四方弁２２０に連通するとともに、第３膨張弁２３０及び第２膨張弁２６１，２６２，２６３を介して室内空気熱交換器２５１，２５２，２５３に連通している。

【0030】

上記の第１冷媒回路１００及び第２冷媒回路２００の構成機器は、熱搬送ユニット２と、複数の利用ユニット５ａ、５ｂ、５ｃとに設けられている。利用ユニット５ａ、５ｂ、５ｃはそれぞれ、室内空気熱交換器２５１，２５２，２５３に対応して設けられている。

【0031】

熱搬送ユニット２は、室外に配置されている。カスケード熱交換器１５０、第２圧縮機２１０、第３膨張弁２３０及び第２四方弁２２０が、熱搬送ユニット２に設けられている。また、熱搬送ユニット２には、室外空気熱交換器１３０に外気を供給する室外ファン１６０が設けられている。室外ファン１６０は、例えば、回転速度を変更できるモータ１６５により駆動される。室外ファン１６０は、例えばプロペラファンである。室外ファン１６０は、モータ１６５の回転速度を変更することにより、室外空気熱交換器１３０を通過する風量を変更することができる。

【0032】

利用ユニット５ａ、５ｂ、５ｃは、室内に配置されている。第２冷媒回路２００の室内空気熱交換器２５１，２５２，２５３が、利用ユニット５ａ、５ｂ、５ｃの中に収容されている。また、第２冷媒回路２００の第２膨張弁２６１，２６２，２６３も、利用ユニット５ａ、５ｂ、５ｃの中に収容されている。また、利用ユニット５ａ、５ｂ、５ｃには、室内空気熱交換器２５１，２５２，２５３に室内空気を供給する室内ファン２７１，２７２，２７３が収容されている。室内ファン２７１，２７２，２７３は、例えば、遠心ファンまたは多翼ファンである。室内ファン２７１，２７２，２７３は、それぞれモータ２７６，２７７，２７８で駆動される。モータ２７６，２７７，２７８は、例えば、インバータを備えており、回転速度を変更可能なモータである。モータ２７６，２７７，２７８の回転速度を変更することにより、室内ファン２７１，２７２，２７３は、室内空気熱交換器２５１，２５２，２５３を通過する風量を変更することができる。

【0033】

熱搬送ユニット２と利用ユニット５ａ、５ｂ、５ｃとは、第２冷媒回路２００の一部を構成する連絡管６、７によって接続されている。連絡管６は、カスケード熱交換器１５０と第２膨張弁２６１，２６２，２６３の一端とを連通させるための配管である。連絡管７は、第２四方弁２２０と室内空気熱交換器２５１，２５２，２５３とを連通させるための配管である。

【0034】

熱搬送ユニット２及び利用ユニット５ａ、５ｂ、５ｃの構成機器は、コントローラ３００によって制御されるようになっている。コントローラ３００は、例えば熱搬送ユニット２及び利用ユニット５ａ、５ｂ、５ｃに設けられた制御基板（図示せず）が通信接続されることによって構成される。なお、図１においては、便宜上、熱搬送ユニット２及び利用ユニット５ａ、５ｂ、５ｃから離れた位置にコントローラ３００を図示している。コントローラ３００は、冷凍サイクルシステム１（ここでは、熱搬送ユニット２及び利用ユニット５ａ、５ｂ、５ｃ）の構成機器の制御を行う。言い換えると、コントローラ３００は、冷凍サイクルシステム１全体の運転制御を行うようになっている。

【0035】

コントローラ３００はコンピュータにより実現されるものである。コントローラ３００は、制御演算装置と記憶装置とを備える。制御演算装置には、ＣＰＵ又はＧＰＵといったプロセッサを使用できる。制御演算装置は、記憶装置に記憶されているプログラムを読み出し、このプログラムに従って所定の画像処理や演算処理を行う。さらに、制御演算装置は、プログラムに従って、演算結果を記憶装置に書き込んだり、記憶装置に記憶されている情報を読み出したりすることができる。

【0036】

冷凍サイクルシステム１は、熱搬送ユニット２と、互いが並列に接続される複数の利用ユニット５ａ、５ｂ、５ｃと、熱搬送ユニット２と利用ユニット５ａ、５ｂ、５ｃとを接続する連絡管６、７と、熱搬送ユニット２及び利用ユニット５ａ、５ｂ、５ｃの構成機器を制御するコントローラ３００を有している。

【0037】

（２）冷凍サイクルシステム１の動作
次に、冷凍サイクルシステム１の動作について、図１～図３を用いて説明する。ここで、図２には、冷凍サイクルシステム１の冷房運転における動作（第１冷媒及び二酸化炭素冷媒の流れ）が示されている。図３には、暖房運転における動作が示されている。冷凍サイクルシステム１は、室内の空気調和のために、室内空気を冷却する冷房運転及び室内空気を加熱する暖房運転を行うことが可能である。冷房運転及び暖房運転において、冷凍サイクルシステム１の動作は、コントローラ３００によって制御される。

【0038】

（２―１）冷房運転
冷房運転の際、例えば、利用ユニット５ａ、５ｂ、５ｃのすべてが冷房運転を行うとすると、第１四方弁１２０が第１冷媒放熱状態（第１四方弁１２０が実線の状態）に切り換えられ、且つ第２四方弁２２０がＣＯ_２蒸発状態（第２四方弁２２０が実線の状態）に切り換えられる。

【0039】

第１冷媒回路１００では、第１圧縮機１１０から吐出された第１冷媒は、第１四方弁１２０を通じて室外空気熱交換器１３０に送られる。室外空気熱交換器１３０に送られた第１冷媒は、室外ファン１６０によって供給される外気と熱交換を行って冷却されることによって凝縮する。室外空気熱交換器１３０において放熱した第１冷媒は、第１膨張弁１４０によって減圧された後に、カスケード熱交換器１５０に送られる。カスケード熱交換器１５０に送られた第１冷媒は、第１冷媒の蒸発器として機能するカスケード熱交換器１５０において、二酸化炭素冷媒と熱交換を行って加熱されて蒸発する。カスケード熱交換器１５０において蒸発した第１冷媒は、第１四方弁１２０を通じて第１圧縮機１１０に吸入されて、再び、第１圧縮機１１０から吐出される。

【0040】

第２冷媒回路２００では、第２圧縮機２１０から吐出された二酸化炭素冷媒は、第２四方弁２２０を通じてカスケード熱交換器１５０に送られる。カスケード熱交換器１５０に送られた二酸化炭素冷媒は、二酸化炭素冷媒の放熱器として機能するカスケード熱交換器１５０において、第１冷媒と熱交換を行って冷却される。カスケード熱交換器１５０において放熱した二酸化炭素冷媒は、全開状態の第３膨張弁２３０を通過した後に連絡管６に送られて分岐する。連絡管６で分岐した二酸化炭素冷媒は、第２膨張弁２６１，２６２，２６３によって減圧された後に、室内空気熱交換器２５１，２５２，２５３に送られる。室内空気熱交換器２５１，２５２，２５３に送られた二酸化炭素冷媒は、室内ファン２７１，２７２，２７３によって供給される室内空気と熱交換を行って加熱されることによって蒸発する。各利用ユニット５ａ、５ｂ、５ｃでは、室内空気を冷却する冷房運転が行われる。室内空気熱交換器２５１，２５２，２５３において蒸発した二酸化炭素冷媒は、連絡管７で合流する。連絡管７で合流した二酸化炭素冷媒は、第２四方弁２２０を通じて第２圧縮機２１０に吸入されて、再び、第２圧縮機２１０から吐出される。

【0041】

冷房運転において、第１冷媒回路１００では、第１冷媒による蒸気圧縮式の第１冷凍サイクルが実施される。また、冷房運転において、第２冷媒回路２００では、第２冷媒である二酸化炭素冷媒による蒸気圧縮式の第２冷凍サイクルが実施される。

【0042】

（２―１－１）冷房運転での制御
第１圧縮機１１０は、第１冷媒回路１００において、０．５［ＭＰａ］以上４［ＭＰａ］以下の範囲の吐出冷媒圧力で第１冷媒を循環させる。第２圧縮機２１０は、５［ＭＰａ］以上１４［ＭＰａ］以下の範囲の吐出冷媒圧力で二酸化炭素冷媒を循環させる。冷房運転において、二酸化炭素冷媒がカスケード熱交換器１５０で凝縮されるように、第２冷媒回路２００が動作する。

【0043】

図４には、第１冷媒回路１００のモリエル線図Ｍ１００と、第２冷媒回路２００のモリエル線図Ｍ２００とが、縦軸が異なるグラフを重ねて示されている。図４では、カスケード熱交換器１５０での熱交換を説明するためにイメージが示され、従って詳細に描かれた図ではない。第１圧縮機１１０が吐出する第１冷媒の圧力（凝縮圧力ＰＨ１）が、０．５［ＭＰａ］≦ＰＨ１≦４［ＭＰａ］の条件を満たすように、第１冷媒回路１００は動作する。また、第２圧縮機２１０が吐出する二酸化炭素冷媒の圧力（蒸発圧力ＰＬ１）が、５［ＭＰａ］≦ＰＨ２≦１４［ＭＰａ］の条件を満たすように、第２冷媒回路２００は動作する。そして、図４の四角形の枠線で囲まれた部分は、カスケード熱交換器１５０において、高温高圧のガス状態の二酸化炭素冷媒と、低温低圧の液状態または気液二相状態の第１冷媒との熱交換が行われる箇所を示している。

【0044】

コントローラ３００は、第１圧縮機１１０の吐出冷媒の圧力相当飽和温度をＴ１［℃］とし、第２圧縮機２１０の吸入冷媒の圧力相当飽和温度をＴ２［℃］とした場合に、カスケード熱交換器１５０における第１冷媒の蒸発温度Ｔｅと二酸化炭素冷媒の凝縮温度Ｔｃの中間温度Ｔｍの目標値ＴＶ［℃］が、次式（１）を満たすように、第１圧縮機１１０及び第２圧縮機２１０を制御する。
Ｔ２＋（Ｔ１－Ｔ２）×０．１≦ＴＶ≦Ｔ２＋（Ｔ１－Ｔ２）×０．４ ・・・（１）

【0045】

中間温度Ｔｍ［℃］を目標値ＴＶ［℃］に一致させるために、コントローラ３００は、例えば、第１圧縮機１１０及び第２圧縮機２１０の回転速度を調整する。中間温度Ｔｍは第１冷媒の蒸発温度Ｔｅと二酸化炭素冷媒の凝縮温度Ｔｃの中間にある温度である。中間温度Ｔｍは、例えば、第１冷媒の目標蒸発温度Ｔｅと二酸化炭素冷媒の凝縮温度Ｔｃから、Ｔｍ＝（Ｔｅ＋Ｔｃ）／２の式で与えられる。例えば、目標値ＴＶを｛Ｔ２＋（Ｔ１－Ｔ２）×０．５｝に設定する場合に比べて、｛Ｔ２＋（Ｔ１－Ｔ２）×０．３｝に設定する方が、他の条件が同じであれば第１圧縮機１１０の回転速度が大きくなる。言い換えると、ＴＶ＝Ｔ２＋（Ｔ１－Ｔ２）×０．５の場合に比べて、ＴＶ＝Ｔ２＋（Ｔ１－Ｔ２）×０．３とする方が、第１圧縮機１１０の負担が大きくなり第２圧縮機２１０の負担が小さくなる。

【0046】

ここでは、コントローラ３００は、中間温度Ｔｍが目標値ＴＶに一致するように制御する場合について説明している。しかし、中間温度Ｔｍが目標値ＴＶになるように第１圧縮機１１０及び第２圧縮機２１０を制御する方法は、このような方法には限られない。例えば、目標値ＴＶの所定範囲（例えば｛Ｔ２＋（Ｔ１－Ｔ２）×０．１｝以上｛Ｔ２＋（Ｔ１－Ｔ２）×０．４｝以下の範囲）から中間温度Ｔｍが外れないように、コントローラ３００が第１圧縮機１１０及び第２圧縮機２１０を制御するように構成することもできる。また、例えば、目標値ＴＶを複数準備しておき、状況（例えば外気温度）に応じて切り換えるようにしてもよい。

【0047】

冷凍サイクルシステム１では、カスケード熱交換器１５０における中間温度Ｔｍが目標値ＴＶになるように第１圧縮機１１０及び第２圧縮機２１０を制御すること以外の制御に関して、コントローラ３００は、従来と同様の制御を行う。

【0048】

図５では、第１圧縮機１１０の吐出冷媒の圧力相当飽和温度Ｔ１が４５［℃］で、第２圧縮機２１０の吸入冷媒の圧力相当飽和温度Ｔ２が８［℃］の場合の中間温度Ｔｍが横軸に目盛られている。また、中間温度Ｔｍと冷凍サイクルシステム１の合計消費電力との関係が図５に示されている。ここで、冷凍サイクルシステム１の合計消費電力［ｋＷ］は、冷凍サイクルシステム１の消費電力であって、第１冷媒回路１００の消費電力［ｋＷ］と第２冷媒回路の消費電力［ｋＷ］とを合わせたものである。図５において、縦軸には、カスケード熱交換器１５０において所定の能力を得るのに必要な消費電力が目盛られている。図５から、第１冷媒回路１００の中間温度Ｔｍと冷凍サイクルシステム１の合計消費電力の関係を示すグラフが下に凸の形状になっていることが見て取れ、消費電力を抑制できる範囲が存在することが分かる。図５から、合計消費電力が９．５［ｋＷ］以下になる範囲に、中間温度Ｔｍの目標値ＴＶを設定するのが好ましいことが分かる。さらには、図５のような場合では、合計消費電力が９．４［ｋＷ］以下になる範囲に、中間温度Ｔｍの目標値ＴＶを設定するのが、より好ましい。図５に示された傾向は、０．５ＭＰａ以上４ＭＰａ以下の範囲の吐出冷媒圧力で第１冷媒を循環させる第１圧縮機と５ＭＰａ以上１４ＭＰａ以下の範囲の吐出冷媒圧力で第２冷媒を循環させる第２圧縮機を用いる場合に生じる。

【0049】

図６には、中間温度Ｔｍを正規化した値と中間温度との関係が示されている。第２圧縮機２１０の吸入冷媒の圧力相当飽和温度８［℃］を「０」とし、第１圧縮機１１０の吐出冷媒の圧力相当飽和温度４５［℃］を「１」とした場合の中間温度について正規化した値が図６に示されている。この正規化した値が０．１以上０．４以下である範囲（目標値の範囲）を図５に矢印で示している。図５において、矢印で示された範囲の合計消費電力が低い値を示していることが分かる。言い換えると、０．５ＭＰａ以上４ＭＰａ以下の範囲の吐出冷媒圧力で第１冷媒を循環させる第１圧縮機１１０と、５ＭＰａ以上１４ＭＰａ以下の範囲の吐出冷媒圧力で第２冷媒を循環させる第２圧縮機２１０を用いる場合、目標値ＴＶがＴ２＋（Ｔ１－Ｔ２）×０．１≦ＴＶ≦Ｔ２＋（Ｔ１－Ｔ２）×０．４を満たすことで、合計消費電力が低い値を示す。この正規化した値が、ＴＶ＝Ｔ２＋（Ｔ１－Ｔ２）×ａと表したときの定数ａの適切な範囲になる。合計消費電力が９．４［ｋＷ］以下になる中間温度Ｔｍの範囲で目標値ＴＶに対応する正規化した値を設定する場合、正規化した値は、０．１５以上０．３５以下とするのが好ましい。言い換えると、前述のような第１圧縮機１１０と第２圧縮機２１０を用いている場合にさらに合計消費電力の低減を図りたいときには、目標値ＴＶが、Ｔ２＋（Ｔ１－Ｔ２）×０．１５≦ＴＶ≦Ｔ２＋（Ｔ１－Ｔ２）×０．３５を満たすことが好ましい。

【0050】

また、コントローラ３００は、カスケード熱交換器１５０における中間温度Ｔｍが次式（２）を満たすように、第１圧縮機１１０及び第２圧縮機２１０を制御してもよい。
Ｔ２＋（Ｔ１－Ｔ２）×０．１≦Ｔｍ≦Ｔ２＋（Ｔ１－Ｔ２）×０．４ ・・・（２）

【0051】

中間温度Ｔｍが上記式（２）を満たすように、第１圧縮機１１０及び第２圧縮機２１０を制御する方法としては、例えば、カスケード熱交換器１５０における第１冷媒の蒸発温度Ｔｅと、二酸化炭素冷媒の凝縮温度Ｔｃとを制御する方法がある。
具体的には、カスケード熱交換器１５０における第１冷媒の蒸発温度Ｔｅの目標蒸発温度Ｔｍｅを設定し、目標蒸発温度Ｔｍｅとなるように第１圧縮機１１０を制御するとともに、二酸化炭素冷媒の凝縮温度Ｔｃの目標凝縮温度Ｔｍｃを設定し、目標凝縮温度Ｔｍｃとなるように第２圧縮機２１０を制御する。
目標凝縮温度Ｔｍｃと目標蒸発温度Ｔｍｅは、第１圧縮機１１０及び第２圧縮機２１０の運転中の冷凍サイクルシステム１の合計消費電力に基づいて、中間温度Ｔｍが上記式（２）を満たす範囲の値に設定される。

【0052】

図７には、第１圧縮機１１０と第２圧縮機２１０のそれぞれの回転速度と圧縮機効率との関係が示されている。図７に示される例では、第１圧縮機１１０と第２圧縮機２１０のいずれも回転速度がＲ付近において圧縮機効率が最高である。Ｒは、下限値Ｒminと上限値Ｒmaxの間の値である。第１圧縮機１１０と第２圧縮機２１０のいずれにおいても回転速度がＲ付近よりも小さくなるに従って圧縮機効率が次第に低下し、回転速度の下限値Ｒminでは最低となる。第１圧縮機１１０と第２圧縮機２１０のいずれにおいても回転速度がＲ付近よりも大きくなるに従って圧縮機効率が低下し、回転速度の上限値Ｒmaxでの圧縮機効率は回転速度Ｒ付近の圧縮機効率を下回る。そして、第１圧縮機１１０と第２圧縮機２１０の圧縮機効率を比較すると、冷凍サイクルシステム１で使用される回転速度の下限値Ｒminから回転速度の上限値Ｒmaxまでの全範囲において、第１圧縮機１１０よりも第２圧縮機２１０の圧縮機効率の方が数％程度低くなる。このような傾向になるのは、第２圧縮機２１０の吐出圧力が第１圧縮機１１０よりも高いことに起因する。

【0053】

コントローラ３００が中間温度Ｔｍを制御するために、冷凍サイクルシステム１は、第１圧縮機１１０の吐出冷媒の圧力相当飽和温度Ｔ１を検出するための高圧の圧力センサ４１０を第１圧縮機１１０の吐出側に備えている。冷凍サイクルシステム１は、第２圧縮機２１０の吸入冷媒の圧力相当飽和温度Ｔ２を検出するための低圧の圧力センサ４２０を第２圧縮機２１０の吸入側に備えている。また、カスケード熱交換器１５０の蒸発温度Ｔｅを検出するための低圧の圧力センサ４３０を、第１圧縮機１１０の吸入側に備えている。さらに、カスケード熱交換器１５０の凝縮温度Ｔｃを検出するための高圧の圧力センサ４４０を、第２圧縮機２１０の吐出側に備えている。なお、冷凍サイクルシステム１のコントローラ３００は、圧力センサ４１０，４２０、４３０，４４０以外の種々のセンサの検知結果を用いるが、従来と同様のセンサを用いればよいので、ここでは圧力センサ４１０，４２０、４３０，４４０以外のセンサの記載は省略する。

【0054】

（２―２）暖房運転
暖房運転の際、例えば、利用ユニット５ａ、５ｂ、５ｃのすべてが暖房運転を行うとすると、第１四方弁１２０が第１冷媒（第１四方弁１２０が破線の状態）に切り換えられ、且つ第２四方弁２２０がＣＯ_２放熱状態（第２四方弁２２０が破線の状態）に切り換えられる。

【0055】

第１冷媒回路１００では、第１圧縮機１１０から吐出された第１冷媒は、第１四方弁１２０を通じてカスケード熱交換器１５０に送られる。カスケード熱交換器１５０に送られた第１冷媒は、二酸化炭素冷媒と熱交換を行って冷却されることによって凝縮する。カスケード熱交換器１５０において放熱した第１冷媒は、第１膨張弁１４０によって減圧された後に、室外空気熱交換器１３０に送られる。室外空気熱交換器１３０に送られた第１冷媒は、室外空気熱交換器１３０において、室外ファン１６０によって供給される外気と熱交換を行って加熱されて蒸発する。室外空気熱交換器１３０において蒸発した第１冷媒は、第１四方弁１２０を通じて第１圧縮機１１０に吸入されて、再び、第１圧縮機１１０から吐出される。

【0056】

第２冷媒回路２００では、第２圧縮機２１０から吐出された二酸化炭素冷媒は、第２四方弁２２０を通過した後に連絡管７で分岐する。連絡管７で分岐した二酸化炭素冷媒は、室内空気熱交換器２５１，２５２，２５３に送られる。室内空気熱交換器２５１，２５２，２５３に送られた二酸化炭素冷媒は、室内ファン２７１，２７２，２７３によって供給される室内空気と熱交換を行って冷却される。各利用ユニット５ａ、５ｂ、５ｃでは、室内空気を加熱する暖房運転が行われる。室内空気熱交換器２５１，２５２，２５３において放熱した二酸化炭素冷媒は、第２膨張弁２６１，２６２，２６３によって減圧された後に、連絡管で合流する。連絡管６で合流した二酸化炭素冷媒は、第３膨張弁２３０によってさらに減圧された後に、カスケード熱交換器１５０に送られる。カスケード熱交換器１５０に送られた二酸化炭素冷媒は、第１冷媒と熱交換を行って加熱される。カスケード熱交換器１５０を通過した二酸化炭素冷媒は、第２四方弁２２０を通じて第２圧縮機２１０に吸入されて、再び、第２圧縮機２１０から吐出される。

【0057】

暖房運転において、第１冷媒回路１００では、第１冷媒による蒸気圧縮式の第１冷凍サイクルが実施される。また、暖房冷房運転において、第２冷媒回路２００では、第２冷媒である二酸化炭素冷媒による蒸気圧縮式の第２冷凍サイクルが実施される。

【0058】

（３）特徴
上記実施形態の冷凍サイクルシステム１では、コントローラ３００は、カスケード熱交換器１５０における中間温度Ｔｍが、Ｔ２＋（Ｔ１－Ｔ２）×０．１≦ＴＶ≦Ｔ２＋（Ｔ１－Ｔ２）×０．４を満たす目標値ＴＶになるように、第１圧縮機１１０を制御する。ただし、上式において、Ｔ１［℃］が第１圧縮機１１０の吐出冷媒の圧力相当飽和温度であり、Ｔ２［℃］が第２圧縮機２１０の吸入冷媒の圧力相当飽和温度である。さらに消費電力を抑制するには、中間温度Ｔｍが、Ｔ２＋（Ｔ１－Ｔ２）×０．１５≦ＴＶ≦Ｔ２＋（Ｔ１－Ｔ２）×０．３５を満たすように、第１圧縮機１１０及び第２圧縮機２１０を制御するのが好ましい。

【0059】

このような制御をコントローラ３００が行うことで、効率の良い第１圧縮機１１０を有する第１冷媒回路１００での熱量の運搬を多くすることができ、冷凍サイクルシステム１全体としての消費電力を抑制することができる。

【0060】

（４）変形例
（４－１）Ａ
上記実施形態では、圧力相当飽和温度、蒸発温度及び凝縮温度を検出するのに、圧力センサ４１０～４４０を用いる場合について説明したが、これらを検知するのに用いる検知装置は圧力センサには限られない。圧力センサ以外の検知装置としては、例えば、温度センサがある。

【0061】

（４－２）Ｂ
上記実施形態では、第１冷媒回路１００及び第２冷媒回路２００の構成機器が、熱搬送ユニット２と、複数の利用ユニット５ａ、５ｂ、５ｃとに設けられている場合について説明した。しかし、カスケード熱交換器１５０および第２冷媒回路２００の第２圧縮機２１０は、熱搬送ユニットおよび利用ユニットではなく、別体のカスケードユニットに設けられてもよい。

【0062】

以上、本開示の実施形態を説明したが、特許請求の範囲に記載された本開示の趣旨及び範囲から逸脱することなく、形態や詳細の多様な変更が可能なことが理解されるであろう。

【符号の説明】

【0063】

１ 冷凍サイクルシステム
１００ 第１冷媒回路
１１０ 第１圧縮機
１３０ 室外空気熱交換器 （室外熱交換器の例）
１５０ カスケード熱交換器
２００ 第２冷媒回路
２１０ 第２圧縮機
２５１，２５２，２５３ 室内空気熱交換器 （室内熱交換器の例）
３００ コントローラ

【先行技術文献】

【特許文献】

【0064】

【文献】特開２００２－１４７８１９号公報

【要約】

【課題】ＣＯ_２冷媒とＣＯ_２以外の冷媒との熱交換を行わせるカスケード熱交換器を含み、ＣＯ_２冷媒を用いた第１の冷凍サイクルとＣＯ_２以外の冷媒を用いた第２の冷凍サイクルを実施する冷凍サイクルシステムにおいて消費電力を削減する。
【解決手段】コントローラは、第１圧縮機の吐出冷媒の圧力相当飽和温度をＴ１℃とし、第２圧縮機の吸入冷媒の圧力相当飽和温度をＴ２℃とした場合に、カスケード熱交換器１５０における第１冷媒の蒸発温度と第２冷媒の凝縮温度の中間温度ＴｍがＴ２＋（Ｔ１－Ｔ２）×０．１≦ＴＶ≦Ｔ２＋（Ｔ１－Ｔ２）×０．４を満たすように、第１圧縮機及び第２圧縮機を制御する。
【選択図】図４

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】