WO2014080436A1 - 冷凍装置 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a refrigeration apparatus that performs a dual refrigeration cycle.
  • CO 2 carbon dioxide
  • GWP global warming potential
  • the temperature in the freezer is about ⁇ 50 ° C., and in order to realize this, the evaporation temperature in the low temperature side evaporator needs to be about ⁇ 80 to ⁇ 60 ° C.
  • the triple point of CO 2 is ⁇ 56.6 ° C.
  • the evaporation temperature of the low temperature side evaporator cannot be set to ⁇ 80 to ⁇ 60 ° C. Etc. cannot be frozen at an appropriate temperature.
  • R404A refrigerant is used in the low-temperature side circulation circuit, the evaporation temperature can be reduced to about -65 ° C.
  • R404A has a GWP of 3920, and if it leaks, it will affect global warming. There was a fear of giving.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to obtain a refrigeration apparatus having a low GWP and high reliability by setting the evaporation temperature of the low-temperature side evaporator to ⁇ 80 to ⁇ 60 ° C.
  • a refrigeration apparatus for performing a dual refrigeration cycle includes a high temperature side compressor, a high temperature side condenser, a high temperature side expansion valve and a high temperature side condenser connected in series, a low temperature side compressor, A low-temperature side circulation circuit in which a low-temperature side condenser, a low-temperature side expansion valve, and a low-temperature side condenser are connected in series, and a mixed refrigerant that is composed of CO2 and R32 and the ratio of R32 in the whole is 50 to 74% flows; A cascade capacitor that exchanges heat between the high-temperature side evaporator and the low-temperature side condenser, and an injection circuit that branches from between the low-temperature side condenser and the low-temperature side expansion valve and is connected to the low-temperature side compressor; It is equipped with.
  • the present invention is composed of CO 2 and R32, and uses a mixed refrigerant in which the proportion of R32 in the whole is 50 to 74%, branches from between the low temperature side condenser and the low temperature side expansion valve, and is connected to the low temperature side compressor.
  • the evaporation temperature of the low-temperature side evaporator is set to ⁇ 80 to ⁇ 60 ° C., and a low GWP and highly reliable refrigeration apparatus can be obtained.
  • FIG. 6 is a vapor-liquid equilibrium diagram of a non-azeotropic refrigerant mixture for explaining the circulation composition detection principle 1 in the composition calculator of FIG. 5.
  • FIG. 6 is a vapor-liquid equilibrium diagram of a non-azeotropic refrigerant mixture for explaining the circulation composition detection principle 2 in the composition calculator of FIG. 5.
  • FIG. 1 is a diagram showing a refrigerant circuit 100 according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the refrigerant circuit 100 according to the refrigeration apparatus according to the present invention includes a high temperature side circulation circuit A and a low temperature side circulation circuit B.
  • the high temperature side circulation circuit A is formed by connecting a high temperature side compressor 1, a high temperature side condenser 2, a high temperature side expansion valve 3, and a high temperature side evaporator 4 in series.
  • a high temperature side circulation circuit A for example, R410A, R134a, R32, and HFO refrigerant are used as the refrigerant.
  • the low temperature side circulation circuit B is formed by connecting a low temperature side compressor 5, a low temperature side condenser 6, a low temperature side expansion valve 9, and a low temperature side evaporator 10 in series, and an outlet of the low temperature side condenser 6.
  • a liquid receiver 7 that stores excess refrigerant, a HIC heat exchanger 21, and an electromagnetic valve 8 are provided in the part.
  • the low temperature side circulation circuit B includes an injection circuit 24 that branches from between the HIC heat exchanger 21 and the electromagnetic valve 8 and is connected to the inside of the low temperature side compressor 5 without passing through the low temperature side evaporator 10.
  • the injection circuit 24 includes a flow rate adjustment valve 22, a HIC (Heat Interchanger) heat exchanger 21, and an injection electromagnetic valve 23 from the branch point 26 toward the downstream.
  • a non-azeotropic refrigerant mixture including at least CO 2 and R 32 is used as the refrigerant.
  • the non-azeotropic refrigerant mixture is a refrigerant in which two or more refrigerants having different boiling points are mixed, CO 2 is a low-boiling refrigerant, and R32 is a high-boiling refrigerant.
  • the low temperature side compressor 5 uses a positive displacement compressor, and the HIC heat exchanger 21 is a double pipe heat exchanger, for example, and passes the liquid refrigerant from the receiver 7 into the pipe of the double pipe.
  • the refrigerant in a state where the refrigerant distributed between the HIC heat exchanger 21 and the electromagnetic valve 8 is decompressed by the flow rate adjusting valve 22 is led to the outside of the pipe at the center of the double pipe, and the inside of the HIC heat exchanger 21 Heat exchange.
  • the control device 20 (not shown) gives a command to increase the opening degree of the injection electromagnetic valve 23.
  • the control device 20 gives a command to lower the opening degree of the injection electromagnetic valve 23.
  • the control device 20 also gives commands for controlling the rotational speed of the low-temperature side compressor 5 and the opening degree of the low-temperature side expansion valve 9 according to the circulation composition described later (described in the second embodiment).
  • the high temperature side circulation circuit A and the low temperature side circulation circuit B are provided with a cascade capacitor 14 in common, and the high temperature side evaporator 4 and the low temperature side condenser 6 constitute the cascade capacitor 14.
  • the cascade condenser 14 is, for example, a plate heat exchanger, and performs heat exchange between a high-temperature side refrigerant circulating in the high-temperature side circulation circuit A and a low-temperature side refrigerant (for example, a non-azeotropic refrigerant mixture) circulating in the low-temperature side circulation circuit B.
  • a low-temperature side refrigerant for example, a non-azeotropic refrigerant mixture
  • FIG. 2 is a gas-liquid equilibrium diagram showing the characteristics of a non-azeotropic refrigerant mixture obtained by mixing two kinds of refrigerants.
  • the vertical axis represents temperature
  • the horizontal axis represents the circulation composition (composition ratio of low boiling point components; CO 2 is low boiling point, R32 is high boiling point)
  • the parameter is pressure.
  • Figure 2 shows the characteristics of the non-azeotropic refrigerant in each of the high pressure P H and the low pressure P L in the low-temperature side circulation circuit B.
  • a saturated vapor line and a saturated liquid line are determined by pressure.
  • the circulation composition “0” represents only the high boiling point component
  • the circulation composition “1” represents the case of only the low boiling point component.
  • the saturated liquid line and the saturated vapor line are determined depending on the composition.
  • Z represents the composition of the refrigerant sealed in the refrigerant circuit 100
  • points 1 to 4 represent representative points of the refrigerant circuit 100
  • point 1 represents the compressor outlet
  • point 2 represents the condenser outlet
  • Point 3 represents the evaporator inlet
  • point 4 represents the compressor inlet.
  • the composition of the refrigerant circulating in the refrigerant circuit 100 does not necessarily match the refrigerant composition charged in the refrigerant circuit 100 (filling composition). This is because, in the gas-liquid two-phase portion of the refrigerant circuit 100 indicated by point A in FIG. 2, the liquid composition is X smaller than the circulation composition Z, and the vapor composition is Y larger than the circulation composition. In other words, the gas-liquid two-phase portion indicated by point A contains a liquid rich in high-boiling components and steam rich in low-boiling components.
  • liquid refrigerant in the liquid receiver 7 is separated into a liquid refrigerant rich in high-boiling components and a gas refrigerant rich in low-boiling components, and the liquid refrigerant rich in high-boiling components is stored in the liquid receiver 7. .
  • the circulating composition circulating in the low temperature side circulation circuit B has more low boiling components than the filling composition (circulating composition (composition ratio of low boiling components) increases. ) Show a trend.
  • the circulation composition in the refrigerant circuit 100 changes.
  • the relationship between the refrigerant pressure and the saturation temperature changes, and the cooling capacity also changes as can be seen from FIG. Therefore, in order to make the refrigerant circuit 100 stable and exhibit a predetermined capability, the circulation composition in the refrigerant circuit 100 is accurately detected, and the rotation of the low-temperature side compressor 5 is performed according to the detected circulation composition. It is necessary to optimally control the number, the opening degree of the low temperature side expansion valve 9, or both, and adjust the refrigerant flow rate.
  • Table 1 below is a table in which one of the mixed refrigerants is CO 2 and three types of refrigerant candidates to be combined with CO 2 are listed, and the physical property values of the mixed refrigerants of these three types of refrigerants and CO 2 are summarized.
  • Table 1 shows the GWP and flame retardancy of each refrigerant to be mixed, the mixing ratio of the refrigerant and CO 2 to be mixed (molar ratio, mass ratio), the GWP of the mixed refrigerant mixed at the mixing ratio, A freezing point and a temperature gradient of ⁇ 70 ° C. of the mixed refrigerant are shown.
  • FIG. 3 shows the relationship between the CO 2 mole fraction and the freezing point in the CO 2 mixed refrigerant.
  • FIG. 3 (a) shows the mixed refrigerant with R32
  • FIG. 3 (b) shows the relationship with R125. The mixed refrigerant is shown.
  • R290, R32, R125, etc. are conceivable.
  • R290 has a flame retardancy of “x”, that is, is flammable, and the amount of refrigerant increases in a showcase, a unit cooler, or the like, so that it is difficult to use from the viewpoint of safety.
  • R125 has a single GWP of 3500 and exceeds 2000 even when mixed with CO 2 . For this reason, R125 is difficult to use from the viewpoint of preventing global warming.
  • R32 has a single GWP of 675, which is sufficiently smaller than R125, and can be further lowered by mixing with CO 2 . Therefore, it is suitable as a refrigerant that can prevent global warming. 3A that the freezing point can be lowered by reducing the CO 2 molar fraction, that is, by increasing the ratio of R32 in the mixed refrigerant.
  • FIG. 4 (a) shows the refrigeration capacity [W] according to the refrigerant mixture ratio of CO 2 and R32
  • FIG. 4 (b) shows COP [ ⁇ ] according to the refrigerant mixture ratio of CO 2 and R32.
  • FIG. 4 the horizontal axis indicates the range of the mixing ratio that allows the freezing point to be ⁇ 81 ° C. or lower.
  • the low temperature side (low source side) condensation temperature is ⁇ 25 ° C.
  • the low temperature side (low source side) evaporation temperature is ⁇ 60 ° C.
  • the low temperature side (low source side) compressor 5 displacement is 30 cc. Calculated.
  • 4 (a) and 4 (b) show the refrigeration capacity (5400 W) and COP (15400 W) of a 15 HP single-stage cycle (compressor ⁇ condenser ⁇ expansion valve ⁇ evaporator) using a conventional R404A as a comparative example. 0.701).
  • the ratio of R32 may be increased as described above.
  • the ratio of R32 is increased, as is apparent from FIG. 4, the refrigeration capacity is decreased but the COP is increased.
  • increasing the ratio of R32 increases GWP.
  • GWP has CO 2 of 1, and R32 alone is 675 from Table 1, so for example, if the content of R32 with respect to the whole non-azeotropic refrigerant is 50% by mass, GWP is about 340, and the proportion of R32 is increased to 65% by mass.
  • GWP is about 440 and the ratio of R32 is further increased to 74 mass%, it will be about 500.
  • the freezing point and GWP are in a trade-off relationship. Increasing the ratio of R32 can lower the freezing point while increasing the GWP.
  • the GWP is set to a low GWP of 500 or less, which is smaller than the GWP 3920 of the R404A, and the refrigerant mixing ratio is determined with the aim of setting the COP to 80% or more of the case where the R404A is used. To do.
  • the line of 80% COP when using R404A is shown in FIG. 4B, and this point is satisfied when the ratio of R32 is 50% by mass or more.
  • the ratio of R32 may be 50 to 74% by mass and a non-azeotropic refrigerant mixed with CO 2 may be used. With this ratio, the freezing point of the non-azeotropic refrigerant mixture can be lower than the triple point of CO 2 , which is ⁇ 81 ° C. or lower, so that an evaporation temperature of ⁇ 80 ° C. to ⁇ 60 ° C. can be realized and low GWP A refrigeration apparatus can be configured.
  • the refrigerant discharged from the high temperature side compressor 1 is condensed by the high temperature side condenser 2 to become a liquid refrigerant.
  • This liquid refrigerant is decompressed by the high temperature side expansion valve 3 and then evaporated by the high temperature side evaporator 4 constituting the cascade condenser 14 to become a gas refrigerant, which is again sucked into the high temperature side compressor 1 and repeats this circulation. become.
  • the vapor of the high-temperature high-pressure non-azeotropic refrigerant mixture compressed by the low-temperature side compressor 5 is condensed and liquefied by the low-temperature side condenser 6 constituting the cascade condenser 14 and enters the liquid receiver 7. .
  • the liquid refrigerant that has flowed out of the liquid receiver 7 passes through the opened electromagnetic valve 8, is decompressed by the low-temperature side expansion valve 9, and becomes a low-temperature and low-pressure gas-liquid two-phase refrigerant. Flows into the unit cooler.
  • the refrigerant flowing into the low temperature side evaporator 10 evaporates by exchanging heat with the air in the showcase, and returns to the low temperature side compressor 5 again.
  • cooling air is generated by the low-temperature side evaporator 10 to cool the inside of the showcase.
  • the high-temperature and high-pressure discharge gas discharged from the low-temperature compressor 5 has a temperature exceeding 120 ° C.
  • the liquid refrigerant flowing from the branch point 26 is depressurized by the flow rate adjusting valve 22, exchanges heat with the liquid refrigerant discharged from the liquid receiver 7 in the HIC heat exchanger 21, and then the injection electromagnetic valve 23 is turned on. Then, it is injected into the positive displacement low temperature side compressor 5. Since the injection circuit 24 can suppress an increase in the temperature of the discharge gas from the low temperature side compressor 5, the reliability of the entire refrigeration circuit can be improved. In addition, since the liquid refrigerant discharged from the liquid receiver 7 is cooled in the HIC heat exchanger 21, the liquid refrigerant can be subcooled (for example, increased from 20K to 30K from the subcooling 1K), and the refrigerating capacity is also improved.
  • the COP can be increased by about 20%.
  • the configuration in which the injection circuit 24 is provided in the low temperature side circulation circuit B is not limited to the case where a non-azeotropic refrigerant mixture such as a mixed refrigerant of CO 2 and R 32 is used in the low temperature side circulation circuit B, but the low temperature side compressor 5 It can be used as a means for suppressing the temperature rise of the discharge gas from
  • the HIC heat exchanger 21 is provided and the injection circuit 24 passes through the HIC heat exchanger 21, but the HIC heat exchanger 21 is not necessarily required.
  • the injection circuit 24 branched from the branch point 26 is directly connected to the low temperature side compressor 5.
  • Low temperature side evaporation is achieved by connecting the HIC heat exchanger 21 and the low temperature side compressor 5 with the injection circuit 24 using a mixed refrigerant composed of CO 2 and R32 and having a ratio of R32 to 50% of the total.
  • the evaporation temperature of the vessel 10 is set to ⁇ 80 to ⁇ 60 ° C., and a low GWP and highly reliable refrigeration apparatus can be obtained.
  • FIG. 5 is a diagram in which a configuration for detecting the circulation composition is added to the refrigerant circuit 100 of FIG.
  • the detection principle of detecting the circulation composition of the refrigerant flowing in the refrigerant circuit 100 by the composition calculator 17 will be described with reference to FIGS.
  • FIG. 6 is a gas-liquid equilibrium diagram of the non-azeotropic refrigerant mixture for explaining the circulation composition detection principle 1 in the composition calculator 17 in FIG. 5, and
  • FIG. 7 shows the circulation composition detection principle 2 in the composition calculator 17 in FIG. It is a vapor-liquid equilibrium diagram of the non-azeotropic refrigerant mixture described.
  • the second embodiment will be described with a focus on differences from the first embodiment, and the same reference numerals are used for the same components.
  • the receiver 7 is provided with a pressure detector 15 and a temperature detector 16, and these signals are input to the composition calculator 17.
  • the composition calculator 17 takes in the pressure P and the temperature T of the liquid refrigerant in the liquid receiver 7 from the pressure detector 15 and the temperature detector 16. Further, the composition calculator 17 stores the vapor-liquid equilibrium relationship of the mixed refrigerant.
  • the saturated liquid line of the non-azeotropic refrigerant mixture at the pressure P changes as shown in FIG. 6 according to the circulation composition in the refrigerant circuit 100.
  • the circulation composition Z in the refrigerant circuit 100 is calculated from the pressure P and the temperature T detected by the pressure detector 15 and the temperature detector 16. Can do. In addition, you may calculate using not only a saturated liquid line but a saturated vapor line.
  • the detection of the circulation composition is not limited to the above method, but may be obtained as follows.
  • the circulation composition in the refrigerant circuit 100 can be detected if the pressure, temperature, and dryness of the refrigerant in the gas-liquid two-phase state including saturated steam and saturated liquid are known. That is, the circulating composition in the refrigerant circuit 100 can be detected using the temperature T detected by the temperature detector 16, the pressure P detected by the pressure detector 15, and the dryness X in the liquid receiver 7.
  • the pressure detector 15 is provided in the liquid receiver 7, but the pressure detector 15 is provided on the discharge side of the low temperature side compressor 5 to detect the discharge pressure of the low temperature side compressor 5,
  • the pressure obtained by converting the pressure loss of the low-temperature side condenser 6 may be the pressure of the liquid refrigerant flowing into the liquid receiver 7.
  • the temperature detector 16 is provided in the liquid receiver 7, but the liquid that is provided at the outlet of the low temperature side condenser 6 and the outlet liquid temperature of the low temperature side condenser 6 flows into the liquid receiver 7. It may be the temperature of the refrigerant.
  • Non-azeotropic refrigerant mixtures have the property that the composition changes as the temperature changes. Further, as shown in Table 1, since the mixed refrigerant of CO 2 and R32 has a large temperature gradient (11K to 12K), it is necessary to correctly detect the circulation composition. If the refrigeration apparatus according to the second embodiment is used, the low temperature side circulation circuit B can be detected correctly when the low temperature side circulation circuit B uses a non-azeotropic two-type mixed refrigerant of CO 2 and R32. The number of revolutions of the low temperature side compressor 5 and / or the opening degree of the low temperature side expansion valve 9 can be optimally controlled according to the circulation composition.
  • Low temperature side evaporation is achieved by connecting the HIC heat exchanger 21 and the low temperature side compressor 5 with the injection circuit 24 using a mixed refrigerant composed of CO 2 and R32 and having a ratio of R32 to 50% of the total. It is possible to accurately control the evaporation temperature of the vessel 10 to ⁇ 80 to ⁇ 60 ° C., and to obtain a refrigeration apparatus having low GWP and high reliability. Furthermore, since the temperature of the low temperature side evaporator 10 can be accurately controlled by accurately controlling the circulation composition, the temperature in the showcase can be controlled to a desired temperature.
  • a mixed refrigerant of CO 2 and R32 is used in the low-temperature side circulation circuit B.
  • the evaporation temperature is about ⁇ 80 to -60 ° C can be realized.
  • the composition Z1 of the first component is determined. If the composition Z1 of the first component is known, the composition Z2 of the second component is determined as (1-Z1).

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Abstract

　本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、低温側蒸発器の蒸発温度を－８０～－６０℃にし、低ＧＷＰかつ信頼性の高い冷凍装置を得ることを目的とする。　本発明にかかる二元冷凍サイクルを行う冷凍装置は、高温側圧縮機、高温側凝縮器、高温側膨張弁及び高温側凝縮器が直列に接続された高温側循環回路と、低温側圧縮機、低温側凝縮器、低温側膨張弁及び低温側凝縮器が直列に接続され、ＣＯ２とＲ３２で構成され全体に占めるＲ３２の割合が５０～７４％である混合冷媒が流れる低温側循環回路と、前記高温側蒸発器と前記低温側凝縮器を交熱的に接続するカスケードコンデンサと、前記低温側凝縮器と前記低温側膨張弁の間から分岐し、前記低温側圧縮機内に接続するインジェクション回路と、を備えたものである。

Description

冷凍装置
　本発明は二元冷凍サイクルを行う冷凍装置に関する。
　従来より、低温側冷媒が循環する低温側循環回路と高温側冷媒が循環する高温側循環回路とをカスケードコンデンサで接続した冷凍装置がある。この種の冷凍装置では、低温側循環回路に冷媒として二酸化炭素（以下「ＣＯ２」という）を使用することが提案されている（特許文献１）。ＣＯ２は、天然に存在する物質であり、地球温暖化係数（以下「ＧＷＰ」という）が小さいため、冷凍サイクル装置から不測に漏れた場合も、オゾン層を破壊することなく、地球環境にやさしい冷凍装置を構成できる。
特開２００４－１９０９１７号
　マグロ等の冷凍では冷凍庫内温度が－５０℃程度であり、これを実現するためには、低温側蒸発器での蒸発温度を－８０～－６０℃程度にする必要がある。しかし、ＣＯ２の三重点は－５６．６℃であるため、ＣＯ２の単一冷媒を用いても、低温側蒸発器の蒸発温度を－８０～－６０℃にすることはできず、マグロ等を適切な温度で冷凍することはできない。一方、低温側循環回路にＲ４０４Ａ冷媒を使用すれば蒸発温度を－６５℃程度まで下げることが可能であるが、Ｒ４０４ＡはＧＷＰが３９２０であり、万一が漏れた場合に地球温暖化に影響を与える恐れがあった。
　本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、低温側蒸発器の蒸発温度を－８０～－６０℃にし、低ＧＷＰかつ信頼性の高い冷凍装置を得ることを目的とする。
　本発明にかかる二元冷凍サイクルを行う冷凍装置は、高温側圧縮機、高温側凝縮器、高温側膨張弁及び高温側凝縮器が直列に接続された高温側循環回路と、低温側圧縮機、低温側凝縮器、低温側膨張弁及び低温側凝縮器が直列に接続され、ＣＯ２とＲ３２で構成され全体に占めるＲ３２の割合が５０～７４％である混合冷媒が流れる低温側循環回路と、前記高温側蒸発器と前記低温側凝縮器を交熱的に接続するカスケードコンデンサと、前記低温側凝縮器と前記低温側膨張弁の間から分岐し、前記低温側圧縮機内に接続するインジェクション回路と、を備えたものである。
　本発明は、ＣＯ２とＲ３２で構成され、全体に占めるＲ３２の割合が５０～７４％の混合冷媒を用い、低温側凝縮器と低温側膨張弁の間から分岐し、低温側圧縮機内に接続するインジェクション回路を備えたことで、低温側蒸発器の蒸発温度を－８０～－６０℃にし、低ＧＷＰかつ信頼性の高い冷凍装置を得ることが可能となる。
本発明の実施の形態１における冷媒回路を示す図。 ２種類の冷媒を混合した非共佛冷媒の特性を表す気液平衡線図。 ＣＯ２混合冷媒においてＣＯ２モル分率と凝固点との関係図。 本発明の実施の形態１におけるＣＯ２とＲ３２との混合比による冷凍能力、ＣＯＰを比較した図。 図１の冷媒回路に循環組成を検出するための構成を追加した図。 図５の組成演算器における循環組成検知原理１を説明する非共沸混合冷媒の気液平衡線図。 図５の組成演算器における循環組成検知原理２を説明する非共沸混合冷媒の気液平衡線図。
　実施の形態１
　本発明の実施の形態１にかかる冷媒回路１００について説明する。図１は本発明の実施の形態１における冷媒回路１００を示す図である。
　本発明に係る冷凍装置にかかる冷媒回路１００は、高温側循環回路Ａと低温側循環回路Ｂとを備えている。
　高温側循環回路Ａは、高温側圧縮機１と、高温側凝縮器２と、高温側膨張弁３と高温側蒸発器４とを直列に接続して形成される。高温側循環回路Ａでは、冷媒として例えばＲ４１０Ａ、Ｒ１３４ａ、Ｒ３２、ＨＦＯ冷媒を使用する。
　低温側循環回路Ｂは、低温側圧縮機５と、低温側凝縮器６と、低温側膨張弁９と、低温側蒸発器１０とを直列に接続して形成され、低温側凝縮器６の出口部に余剰冷媒を溜める受液器７と、ＨＩＣ熱交換器２１と、電磁弁８を設けている。さらに、低温側循環回路ＢはＨＩＣ熱交換器２１と電磁弁８の間から分岐し、低温側蒸発器１０を経由せず低温側圧縮機５内と接続するインジェクション回路２４を備える。このインジェクション回路２４は、分岐点２６から下流に向かって、流量調整弁２２、ＨＩＣ（Ｈｅａｔ　Ｉｎｔｅｒ　Ｃｈａｎｇｅｒ）熱交換器２１、インジェクション電磁弁２３と、を備えている。低温側循環回路Ｂでは、冷媒としてＣＯ２とＲ３２とを少なくとも含む非共沸混合冷媒を使用する。非共沸混合冷媒とは、沸点が異なる冷媒を２種類、もしくは２種類以上混合した冷媒であり、ＣＯ２ は低沸点冷媒、Ｒ３２は高沸点冷媒である。
　低温側圧縮機５は容積式の圧縮機を用いており、ＨＩＣ熱交換器２１は、例えば２重管熱交換器として、２重管の配管内に受液器７から出た液冷媒を通し、２重管の中心部の配管の外側に、ＨＩＣ熱交換器２１と電磁弁８との間で分配された冷媒を流量調整弁２２で減圧した状態の冷媒を導き、ＨＩＣ熱交換器２１内で熱交換させている。低温側圧縮機５の吐出部に設けた低温側吐出温度計２５が所定値以上になると制御装置２０（図示せず）はインジェクション電磁弁２３の開度を上げるように指令を与える。同様に、低温側圧縮機５の吐出部に設けた低温側吐出温度計２５が所定値以下になると制御装置２０はインジェクション電磁弁２３の開度を下げるように指令を与える。また、この制御装置２０は後述する（実施の形態２で説明する）循環組成に応じて、低温側圧縮機５の回転数及び低温側膨張弁９の開度を制御する際の指令も与える。
　高温側循環回路Ａと低温側循環回路Ｂとは、カスケードコンデンサ１４を共通して備えており、高温側蒸発器４と低温側凝縮器６とによりカスケードコンデンサ１４が構成されている。カスケードコンデンサ１４は例えばプレート式熱交換器であり、高温側循環回路Ａを循環する高温側冷媒と低温側循環回路Ｂを循環する低温側冷媒（例えば、非共沸混合冷媒）との熱交換を行う。
　次に、非共沸混合冷媒を低温側循環回路Ｂに用いた冷媒回路１００内を循環する冷媒組成の特徴について図２を用いて説明する。
　図２は、２種類の冷媒を混合した非共沸混合冷媒の特性を表す気液平衡線図である。図２に示すように、縦軸が温度、横軸が循環組成（低沸点成分の組成比；ＣＯ２が低沸点、Ｒ３２が高沸点）を表し、パラメータが圧力である。図２には、低温側循環回路Ｂにおける高圧ＰＨと低圧ＰＬのそれぞれにおける非共沸混合冷媒の特性を示している。非共沸２種混合冷媒では、圧力によって飽和蒸気線、飽和液線が定まる。循環組成が「０」は高沸点成分のみを表し、循環組成が「１」は低沸点成分のみの場合を表し、混合冷媒では、組成によって、飽和液線と飽和蒸気線とが決まる。
　飽和蒸気線より上側は過熱蒸気状態、飽和液線より下側は過冷却状態、飽和蒸気線と飽和液線で囲まれた領域は気液２相状態となっている。図２で、Ｚは冷媒回路１００内に封入された冷媒の組成を表し、点１から点４は冷媒回路１００の代表点を表し、点１は圧縮機出口部、点２は凝縮器出口部、点３は蒸発器入口部、点４は圧縮機入口部を表す。
　非共沸混合冷媒を用いた冷媒回路１００では、冷媒回路１００内を循環する冷媒の組成（循環組成）と、冷媒回路１００に充填された冷媒組成（充填組成）とは必ずしも一致しない。これは、図２の点Ａで示す冷媒回路１００の気液２相部では、液組成は循環組成Ｚよりも小さなＸとなり、蒸気組成は循環組成よりも大きなＹとなるためである。言い換えれば、点Ａで示す気液２相部には、高沸点成分に富んだ液と、低沸点成分に富んだ蒸気とが存在する。
　受液器７内には、冷凍装置の運転条件や負荷条件に応じて発生した余剰な液冷媒が溜まる。受液器７内の冷媒は、高沸点成分に富んだ液冷媒と、低沸点成分に富んだガス冷媒とに分離され、高沸点成分に富んだ液冷媒が受液器７内に貯溜される。このため受液器７内に液冷媒が存在すると、低温側循環回路Ｂを循環する循環組成は、充填組成よりも低沸点成分が多くなる（循環組成（低沸点成分の組成比）が増加する）傾向を示す。
　運転条件や負荷条件が変化し、受液器７内に貯溜される冷媒量が変化すると、冷媒回路１００内の循環組成が変化する。冷媒回路１００内の循環組成が変化すると、図２からも判るように冷媒の圧力と飽和温度の関係が変化すると共に、冷却能力も変化する。したがって、冷媒回路１００を安定にしかも所定の能力が発揮できるようにするためには、冷媒回路１００内の循環組成を正確に検出し、検出した循環組成に応じて、低温側圧縮機５の回転数又は低温側膨張弁９の開度、又はその両方などを最適に制御し、冷媒流量を調整する必要がある。
　以下の表１は、混合冷媒の一つをＣＯ２とし、ＣＯ２と組み合わせる冷媒の候補を３種類挙げ、この３種類の冷媒とＣＯ２の混合冷媒の物性値をまとめた表である。
　表１には、混合する冷媒それぞれ単体でのＧＷＰ及び難燃性、混合する冷媒とＣＯ２との混合比（モル比、質量比）、その混合比で混合した混合冷媒のＧＷＰ、混合冷媒の凝固点、混合冷媒の－７０℃の温度勾配を示している。また、図３は、ＣＯ２混合冷媒においてＣＯ２モル分率と凝固点との関係を表した図で、図３（ａ）にはＲ３２との混合冷媒、図３（ｂ）にはＲ１２５との混合冷媒について示している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　凝固点を－７０℃より低くできる組合せとしては、表１に示したようにＲ２９０，Ｒ３２，Ｒ１２５等が考えられる。しかし、Ｒ２９０は、難燃性が「×」、つまり可燃性であり、ショーケースやユニットクーラ等では冷媒量が多くなるため、安全性の面から使用が困難である。
　Ｒ１２５は、それ単体のＧＷＰが３５００であり、ＣＯ２と混合したとしても２０００を超える。このため、Ｒ１２５は、地球温暖化防止の観点から使用が難しい。
　Ｒ３２は、それ単体のＧＷＰが６７５であり、Ｒ１２５と比較して十分小さく、ＣＯ２　と混合することで更にＧＷＰを低くすることができる。よって、地球温暖化防止対応可能な冷媒として適している。また、図３（ａ）より、ＣＯ２モル分率を低くすれば、つまり混合冷媒におけるＲ３２の割合を多くすれば、凝固点を下降させることができることがわかる。
　図４（ａ）は、ＣＯ２とＲ３２との冷媒混合比に応じた冷凍能力［Ｗ］を示す図、図４（ｂ）はＣＯ２とＲ３２との冷媒混合比に応じたＣＯＰ［－］を示す図である。なお、図４では、凝固点を－８１℃以下とすることができる混合比の範囲内を横軸に示している。図４において低温側（低元側）の凝縮温度を－２５℃、低温側（低元側）の蒸発温度を－６０℃とし、低温側（低元側）圧縮機５の押しのけ量を３０ｃｃで算出している。また、図４（ａ）、（ｂ）には、比較例として従来のＲ４０４Ａを用いた１５ＨＰの単段サイクル（圧縮機→凝縮器→膨張弁→蒸発器）の冷凍能力（５４００Ｗ）とＣＯＰ（０．７０１）とを記載している。
　本発明の目的である、低温側蒸発器１０の蒸発温度を－８０℃～－６０℃とするにあたり、凝固点を下降させるには、上述したようにＲ３２の割合を増加させればよい。Ｒ３２の割合を増加させると、図４から明らかなように、冷凍能力は低下するがＣＯＰが上昇する。しかし、Ｒ３２の割合を増加させるとＧＷＰが上昇する。ＧＷＰは、ＣＯ２が１、Ｒ３２単体では表１より６７５であるため、例えば非共沸冷媒全体に対するＲ３２の含有量を５０質量％とするとＧＷＰは約３４０、Ｒ３２の割合を増やして６５質量％とするとＧＷＰは約４４０、Ｒ３２の割合を更に増やして７４質量％とすると約５００となる。すなわち、凝固点とＧＷＰとはトレードオフの関係にあり、Ｒ３２の割合を増加させると、凝固点を下降させることができる一方、ＧＷＰが増加してしまう。
　よって、本実施の形態はＧＷＰを、Ｒ４０４ＡのＧＷＰ３９２０よりも小さい５００以下の低ＧＷＰにすることを狙うと共に、ＣＯＰをＲ４０４Ａを用いた場合の８０％以上とすることを狙って冷媒混合比を決定する。Ｒ４０４Ａを用いた場合の８０％のＣＯＰのラインは図４（ｂ）に示しており、Ｒ３２の割合が５０質量％以上であればこの点については満足している。
　以上より、Ｒ３２の割合を５０～７４質量％としてＣＯ２と混合した非共沸混合冷媒とすればよい。この割合とすると、非共沸混合冷媒の凝固点をＣＯ２の三重点よりも低い、－８１℃以下にすることができるため、蒸発温度－８０℃～－６０℃を実現できると共に、低ＧＷＰの冷凍装置を構成できる。
　次に冷媒回路１００の動作について説明する。
　高温側循環回路Ａでは、高温側圧縮機１から吐出した冷媒が、高温側凝縮器２で凝縮されて液冷媒となる。この液冷媒は、高温側膨張弁３で減圧された後、カスケードコンデンサ１４を構成する高温側蒸発器４で蒸発してガス冷媒となり、再び高温側圧縮機１に吸入され、この循環を繰り返すことになる。
　低温側循環回路Ｂでは、低温側圧縮機５で圧縮された高温高圧の非共沸混合冷媒の蒸気が、カスケードコンデンサ１４を構成する低温側凝縮器６で凝縮液化され、受液器７に入る。受液器７を流出した液冷媒は、開放された電磁弁８を通過し、低温側膨張弁９で減圧され、低温低圧の気液２相冷媒となって低温側蒸発器１０（ショーケースやユニットクーラ）へ流入する。低温側蒸発器１０に流入した冷媒は、ショーケース内の空気と熱交換して蒸発し、再び低温側圧縮機５に戻る。この循環を繰り返すことにより、低温側蒸発器１０で冷却空気を生成してショーケース内を冷却することになる。このとき、低温側圧縮機５から吐出する高温高圧の吐出ガスは１２０℃を超える温度となっている。
　インジェクション回路２４では、分岐点２６から流入した液冷媒は流量調整弁２２で減圧され、ＨＩＣ熱交換器２１内で受液器７から出た液冷媒と熱交換し、その後、インジェクション電磁弁２３を介して、容積式の低温側圧縮機５内に注入される。このインジェクション回路２４により、低温側圧縮機５からの吐出ガスの温度の上昇を抑制できるため、冷凍回路全体としての信頼性を高めることが可能となる。併せて、ＨＩＣ熱交換器２１内で、受液器７から出た液冷媒を冷却するので、液冷媒の過冷却がとれる（例えば、過冷却１Ｋから２０から３０Ｋに増加）ので、冷凍能力も２０％程度増加し、ＣＯＰも増加することができる。なお、このインジェクション回路２４を低温側循環回路Ｂに備える構成は、低温側循環回路ＢにＣＯ２とＲ３２の混合冷媒等の非共沸混合冷媒を用いた場合に限らず、低温側圧縮機５からの吐出ガスの温度の上昇を抑制する手段として用いることができる。
　また、本実施の形態１では、ＨＩＣ熱交換器２１を備え、インジェクション回路２４がＨＩＣ熱交換器２１内を通過するようにしたが、必ずしもＨＩＣ熱交換器２１を備える必要があるわけではない。この場合、分岐点２６から分岐したインジェクション回路２４はダイレクトに低温側圧縮機５内に接続される。
　ＣＯ２とＲ３２で構成され全体に占めるＲ３２の割合が５０～７４％の混合冷媒を用い、ＨＩＣ熱交換器２１と低温側圧縮機５の間をインジェクション回路２４で接続することで、低温側蒸発器１０の蒸発温度を－８０～－６０℃にし、低ＧＷＰかつ信頼性の高い冷凍装置を得ることが可能となる。
　実施の形態２
　本発明の実施の形態２にかかる冷媒回路１００について説明する。図５は図１の冷媒回路１００に循環組成を検出するための構成を追加した図である。また、冷媒回路１００内を流れる冷媒の循環組成を組成演算器１７で検出する検出原理について図６及び図７を参照して説明する。図６は図５の組成演算器１７における循環組成検知原理１を説明する非共沸混合冷媒の気液平衡線図であり、図７は図５の組成演算器１７における循環組成検知原理２を説明する非共沸混合冷媒の気液平衡線図である。なお、本実施の形態２については実施の形態１との相違点を中心に説明し、同一の構成については同一の符号を用いる。
　図５に示すように、実施の形態２にかかる冷凍装置は受液器７に圧力検出器１５と温度検出器１６が設けられており、これらの信号は組成演算器１７に入力される。
　組成演算器１７は、圧力検出器１５及び温度検出器１６から、受液器７の液冷媒の圧力Ｐ及び温度Ｔを取り込む。さらに組成演算器１７は混合冷媒の気液平衡関係を記憶している。圧力Ｐにおける非共沸混合冷媒の飽和液線は、冷媒回路１００内の循環組成に応じて図６に示すように変化する。受液器７内の冷媒の状態を飽和液と仮定すると、圧力検出器１５と温度検出器１６とにより検出された圧力Ｐと温度Ｔとにより、冷媒回路１００内の循環組成Ｚを演算することができる。なお、飽和液線に限らず、飽和蒸気線を用いて演算してももちろんよい。
　他にも循環組成の検知は上記の方法に限らず、以下に示すようにして求めても良い。非共沸２種混合冷媒の場合は、冷媒の乾き度Ｘ（＝冷媒蒸気質量流量／全冷媒流量）と、この乾き度Ｘの冷媒の温度及び圧力とが判れば、循環組成を演算することができる。すなわち、非共沸２種混合冷媒においては、圧力Ｐ一定のもとでは、乾き度Ｘ＝１となる飽和蒸気線及び乾き度Ｘ＝０となる飽和液線も含めて、乾き度Ｘにおける冷媒の温度と循環組成の間には、図７の一点鎖線で示すような関係が存在する。
　つまり、圧力Ｐにおける乾き度Ｘの気液２相状態の非共沸混合冷媒の温度は、冷媒回路１００内の循環組成により図７に示すように変化する。したがってこの関係を用いると、飽和蒸気及び飽和液も含めた気液２相状態の冷媒の圧力、温度、乾き度が判れば、冷媒回路１００内の循環組成を検出することができる。つまり、温度検出器１６により検出された温度Ｔと、圧力検出器１５より検出された圧力Ｐと、受液器７内の乾き度Ｘとを用いて冷媒回路１００内の循環組成を検出できる。
　なお、本実施の形態２では受液器７に圧力検出器１５を設けたが、低温側圧縮機５の吐出側に圧力検出器１５を設けて低温側圧縮機５の吐出圧力を検知し、低温側凝縮器６の圧損を換算して求めた圧力を、受液器７に流入した液冷媒の圧力としてもよい。また、本実施の形態では受液器７に温度検出器１６を設けたが、低温側凝縮器６の出口に設け、低温側凝縮器６の出口液温を、受液器７に流入した液冷媒の温度としてもよい。
　非共沸混合冷媒は温度が変わると組成が変わるという特性を有する。また、表１に示したように、ＣＯ２とＲ３２の混合冷媒は、温度勾配が大きい（１１K～１２K）ため、循環組成を正しく検知する必要がある。
　本実施の形態２にかかる冷凍装置を用いれば、低温側循環回路ＢにＣＯ２とＲ３２との非共沸２種混合冷媒を用いた場合の循環組成を正しく検知できるため、低温側循環回路Ｂの低温側圧縮機５の回転数又は低温側膨張弁９の開度、又はその両方を循環組成に応じて最適に制御できる。
　ＣＯ２とＲ３２で構成され全体に占めるＲ３２の割合が５０～７４％の混合冷媒を用い、ＨＩＣ熱交換器２１と低温側圧縮機５の間をインジェクション回路２４で接続することで、低温側蒸発器１０の蒸発温度を－８０～－６０℃に正確に制御し、低ＧＷＰかつ信頼性の高い冷凍装置を得ることが可能となる。さらに、循環組成を正確に制御することで、低温側蒸発器１０の温度を正確に制御出来るため、ショーケース内にの温度を所望の温度に制御することが可能となる。
　なお、上記では低温側循環回路ＢにＣＯ２とＲ３２の混合冷媒を使用したが、さらにＨＦＯ１２３４ｙｆ若しくはＨＦＯ１２３４ｚｅを加え、３種類を混合した非共沸混合冷媒にするとさらに低ＧＷＰでかつ蒸発温度約－８０～－６０℃を実現できる。２種類を混合した非共沸混合冷媒の場合には、温度、圧力及び乾き度が判れば、第１成分の組成Ｚ１が決定する。第１成分の組成Ｚ１が判れば、第２成分の組成Ｚ２は（１－Ｚ１）が定まる。しかし、３種類を混合した非共沸混合冷媒の場合には、第１成分の組成Ｚ１のみが判っても、第２成分の組成Ｚ２と第３成分の組成Ｚ３の組合せ無限にあり、全体の組成を決定することはできない。しかし、温度検出器１６及び圧力検出器１５を増やすことで、その部分の温度、圧力が判るため、混合する冷媒の種類が増えたとしても温度検出器１６及び圧力検出器１５の数を増やすことで対応可能である。
１　高温側圧縮機、２　高温側凝縮器、３　高温側膨張弁、４　高温側蒸発器、５　低温側圧縮機、６　低温側凝縮器、７　受液器、８　電磁弁、９　低温側膨張弁、１０　低温側蒸発器、１４　カスケードコンデンサ、１５　圧力検出器、１６　温度検出器、１７　組成演算器、２０　制御装置、２１　ＨＩＣ熱交換器、２２　流量調整弁、２３　インジェクション電磁弁、２４　インジェクション回路、２５　低温側吐出温度計、２６　分岐点、Ａ　高温側循環回路、Ｂ　低温側循環回路、１００　冷媒回路

Claims (6)

  1. 高温側圧縮機、高温側凝縮器、高温側膨張弁及び高温側凝縮器が直列に接続された高温側循環回路と、
    低温側圧縮機、低温側凝縮器、低温側膨張弁及び低温側凝縮器が直列に接続され、ＣＯ２とＲ３２で構成され全体に占めるＲ３２の割合が５０～７４％である混合冷媒が流れる低温側循環回路と、
    前記高温側蒸発器と前記低温側凝縮器を交熱的に接続するカスケードコンデンサと、
    前記低温側凝縮器と前記低温側膨張弁の間から分岐し、前記低温側圧縮機内に接続するインジェクション回路と、を備えた冷凍装置。
  2. 高温側圧縮機、高温側凝縮器、高温側膨張弁及び高温側凝縮器が直列に接続させた高温側循環回路と、
    低温側圧縮機、低温側凝縮器、ＨＩＣ熱交換器、低温側膨張弁及び低温側凝縮器が直列に接続され、ＣＯ２とＲ３２で構成され全体に占めるＲ３２の割合が５０～７４％である混合冷媒が流れる低温側循環回路と、
    前記高温側蒸発器と前記低温側凝縮器を交熱的に接続するカスケードコンデンサと、
    前記ＨＩＣ熱交換器と前記低温側膨張弁の間から分岐し、前記低温側圧縮機内に接続したインジェクション回路と、を備え
    前記インジェクション回路と前記ＨＩＣ熱交換器の間で熱交換することを特徴とする冷凍装置。
  3. 前記インジェクション回路に流入した冷媒の圧力を調整する流量調整弁を備えたことを特徴とする請求項２記載の冷凍装置。
  4. 前記低温側圧縮機から吐出するガスの温度を測定する低温側吐出温度計と、
    前記インジェクション回路に設けられ、前記低温側圧縮機に流入する冷媒の量を調整するインジェクション電磁弁と、
    前記低温側吐出温度計の測定値に応じて前記インジェクション電磁弁に指令を与える制御装置と、を備え、
    前記制御装置は前記低温側吐出温度計の測定値が所定の値を超えると、前記インジェクション電磁弁の開度を上げ、前記低温側吐出温度計の測定値が所定の値より下がると、前記インジェクション電磁弁の開度を下げることを特徴とする請求項３記載の冷凍装置。
  5. 前記低温側凝縮器と前記ＨＩＣ熱交換器の間に接続された受液器と、
    前記受液器の圧力を検出する圧力検出器と、
    前記受液器の温度を検出する温度検出器と、
    前記混合冷媒の気液平衡関係を記憶し、前記圧力検出器からの圧力情報及び前記温度検出器からの温度情報に基づいて前記低温側循環回路を流れる前記混合冷媒の組成を演算する組成演算器と、
    を備えたことを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の冷凍装置。
  6. 前記制御装置は前記組成演算器により演算された組成に応じて、前記低温側圧縮機の回転数又は前記低温側膨張弁の開度を制御することを特徴とする請求項５記載の冷凍装置。
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