JP5506638B2 - 冷凍装置 - Google Patents

Description

この発明は、家庭用・業務用冷凍冷蔵庫、超低温フリーザ、冷凍冷蔵ショーケース冷却システム等に利用できる冷凍装置に関するものである。特に、複数の冷凍サイクル装置（冷媒循環回路）を多段構成した多元冷凍装置に関するものである。

従来より、例えば高温側（高段側、一次側）となる冷凍サイクル装置（以下、高温側サイクルという）と低温側（低段側、二次側）となる冷凍サイクル装置（以下、低温側サイクルという）とをそれぞれ形成して多段で構成した冷凍装置がある（ここでは二段構成の二元冷凍装置であるものとする）。このような冷凍装置では、例えば低温側サイクルにおける冷媒の凝縮による凝縮熱と高温側サイクルにおける冷媒の蒸発による蒸発熱とを熱交換しながら、最終段となる低温側サイクルの蒸発器において冷却対象等との熱交換を行うことにより、連携した冷凍運転を行っている。これにより、低温側サイクルの蒸発器において、マイナス数十度の低温度の蒸発熱を効率良く得ることができる。

このような二元冷凍装置において、高温側サイクルが循環に用いる冷媒としてＲ２２（ＨＣＦＣ、ハイドロクロロフルオロカーボン）を用い、低温側サイクルが循環に用いる冷媒として二酸化炭素（ＣＯ₂ ）を用いるものがある（例えば、特許文献１参照）。また、高温側サイクルが循環に用いる冷媒として炭化水素系冷媒を用い、低温側サイクルが循環に用いる冷媒として二酸化炭素を用いるものがある（例えば、特許文献２参照）。

特開２００４−１９０９１７号公報（第１４頁、第１図） 特許第３６０４９７３号公報（第４頁、第１図）

以上のような従来の二元冷凍装置においては、高温側サイクルにおいて循環する冷媒としてＲ２２、炭化水素系冷媒を用いている。ここで、Ｒ２２はオゾン破壊係数が０でないフロンを含む冷媒である。また、炭化水素系冷媒は可燃性の冷媒であるため、冷凍装置に充填できる冷媒量に制限が設けられている（例えば１５０ｇ以下等）。このため、スーパーマーケット等で使用する業務用の冷凍装置には冷媒量が足りない可能性が高く、このような冷凍装置に炭化水素系冷媒を使用することが困難であった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、全体として効率のよい冷却運転を行いつつ、環境負荷を低減することができる冷凍装置を得るものである。

この発明に係る冷凍装置は、高温側圧縮機、高温側凝縮器、高温側絞り装置及び高温側蒸発器を配管接続して、高温側冷媒を循環させる高温側循環回路を形成する高温側サイクル装置と、低温側圧縮機、低温側凝縮器、低温側絞り装置及び低温側蒸発器を配管接続して、二酸化炭素を低温側冷媒として循環させる低温側循環回路を形成する低温側サイクル装置と、高温側蒸発器と低温側凝縮器とにより構成し、高温側冷媒と低温側冷媒との間の熱交換を行うカスケードコンデンサとを備え、高温側サイクル装置には、高温側冷媒の地球温暖化係数と冷媒充填量との積が、高温側サイクル装置における総合等価温暖化因子と低温側サイクル装置における総合等価温暖化因子との総計の３０％以下となるように選定された高温側冷媒が充填されるものである。

この発明の冷凍装置によれば、高温側サイクル装置と低温側サイクル装置とを二段構成とした二元冷凍装置とし、低温側冷媒を二酸化炭素とし、高温側冷媒については、高温側冷媒のＧＷＰと高温側サイクル１０に充填する冷媒充填量との積の値が、高温側サイクル１０と低温側サイクル２０とにおけるＴＥＷＩの総計（和）の３０％以下になるように、高温側冷媒が選定され、高温側冷媒及び低温側冷媒の冷媒量が充填されるようにしたので、冷媒循環回路を２つに分けて一体的に冷却を行うことで、１種類の冷媒と冷媒量で目的の温度帯で冷却する場合に比べて、２種類の冷媒と量を選定して段階的に冷却するで、それぞれの冷媒循環回路において制御しようとする蒸発温度に適した冷媒の種類、量の選定幅が拡げることができる。このとき、高温側冷媒のＧＷＰと高温側サイクル１０に充填する冷媒充填量との積の値が、総合等価温暖化因子との総計の３０％以下となるように高温側冷媒のＧＷＰと冷媒充填量とすることで、従来のＨＦＣ冷媒を用いた単段構成の冷凍装置（単段冷凍サイクル回路）と同程度のＣＯＰの値を維持しつつ、ＴＥＷＩの値が比較的小さい冷凍装置を得ることができる。

この発明の実施の形態１における冷凍装置の構成を表す図である。 高温側サイクル１０と低温側サイクル２０とのモリエル線図を表す図である。 冷蔵温度域における冷媒条件が異なる各冷凍装置のＣＯＰを表す図である。 冷蔵温度域における冷媒条件が異なる各冷凍装置のＴＥＷＩを表す図である。 冷凍温度域における冷媒条件が異なる各冷凍装置のＣＯＰを表す図である。 冷凍温度域における冷媒条件が異なる各冷凍装置のＴＥＷＩを表す図である。

次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における冷凍装置の構成を表す図である。図１に示すように、本実施の形態の冷凍装置は二元冷凍装置として説明する。二元冷凍装置は、高温側サイクル１０と低温側サイクル２０とを有し、それぞれ独立して冷媒を循環させる冷媒循環回路を構成する。そして、２つの冷媒循環回路を多段構成するために、高温側蒸発器１４と低温側凝縮器２２とを、それぞれ通過する冷媒間での熱交換を可能に結合させて構成したカスケードコンデンサ（冷媒間熱交換器）３０を設けている。ここで、温度の高低、圧力の高低については、特に絶対的な値との関係で高低等が定まっているものではなく、システム、装置等における状態、動作等において相対的に定まるものとする。

また、図１において、高温側サイクル１０は、高温側圧縮機１１と、高温側凝縮器１２と、高温側絞り装置１３と、高温側蒸発器１４とを直列に冷媒配管で接続し、冷媒循環回路（以下、高温側循環回路という）を構成している。一方、低温側サイクル２０は、低温側圧縮機２１と、低温側中間冷却器２５と、低温側凝縮器２２と、低温側絞り装置２３と、低温側蒸発器２４とを冷媒配管で接続し、冷媒循環回路（以下、低温側循環回路という）を構成している。

このような構成の二元冷凍装置において、高温側循環回路を循環する冷媒（以下、高温側冷媒という）として、例えばＲ４１０Ａ、Ｒ３２、Ｒ４０４Ａ、ＨＦＯ−１２３４ｙｆ、プロパン、イソブタン、二酸化炭素、アンモニアなどが用いられる。また、低温側循環回路を循環する冷媒（以下、低温側冷媒という）には地球温暖化に対する影響が小さい二酸化炭素（ＣＯ₂ ）を用いる。高温側冷媒及び低温側冷媒については後に詳しく説明する。

次に二元冷凍装置の各構成機器についてさらに詳細に説明する。高温側サイクル１０の高温側圧縮機１１は、高温側冷媒を吸入し、圧縮して高温・高圧の状態にして吐出する。ここで、例えばインバータ回路等により回転数を制御し、高温側冷媒の吐出量を調整できるタイプの圧縮機で構成するとよい。高温側凝縮器１２は、送風機、ポンプ等（図示せず）から供給される空気、水等と高温側冷媒との間で熱交換を行い、高温側冷媒を凝縮させて液状の冷媒にする（凝縮液化させる）ものである。

減圧弁、膨張弁等の高温側絞り装置１３は、高温側冷媒を減圧して膨張させるものである。例えば前述した電子式膨張弁等の流量制御手段で構成することが最適であるが、毛細管（キャピラリ）等の冷媒流量調節手段で構成してもよい。高温側蒸発器１４は、熱交換により高温側冷媒を蒸発させて気体（ガス）状の冷媒にする（蒸発ガス化させる）ものである。ここでは、カスケードコンデンサ３０において低温側冷媒との熱交換を行う。

一方、低温側サイクル２０の低温側圧縮機２１は、低温側冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮して高温・高圧の状態にして吐出する。低温側圧縮機２１についても、例えばインバータ回路等を有し、低温側冷媒の吐出量を調整できるタイプの圧縮機で構成するとよい。低温側凝縮器２２は、熱交換により低温側冷媒を凝縮液化させるものである。ここでは、カスケードコンデンサ３０において高温側冷媒との熱交換を行う。

減圧弁、膨張弁等の低温側絞り装置２３は、低温側冷媒を減圧して膨張させるものである。例えば前述した電子式膨張弁等の流量制御手段で構成することが最適であるが、毛細管等の冷媒流量調節手段で構成してもよい。ここで、本実施の形態では制御手段４０からの指示に基づいて開度調整を行う流量制御手段で構成しているものとする。例えば、低温側絞り装置２３が冷媒流量調節手段である場合において、冷媒流量調節手段を必要としないときの圧力損失の低減等をはかるため、例えば低温側絞り装置２３と並列にバイパス配管（図示せず）を設けるようにしてもよい。そして、冷媒流量調節手段を必要としない場合には、バイパス配管に冷媒を流すように切り替えることができるように構成してもよい。

低温側蒸発器２４は、送風機、ポンプ等（図示せず）から供給される空気、ブライン等と低温側冷媒との間で熱交換を行い、低温側冷媒を蒸発ガス化するものである。低温側冷媒との熱交換により、冷却対象（冷蔵又は冷凍対象）は、直接又は間接に冷却されることになる。

低温側中間冷却器（補助コンデンサ）２５は、ガスクーラまたは凝縮器として機能し、例えば送風機、ポンプ等（図示せず）から供給される空気、水等と低温側冷媒との間で熱交換を行い、低温側凝縮器２２において低温側冷媒を凝縮液化させる補助を行うものである。低温側中間冷却器２５では、低温側冷媒を凝縮液化できなくてもよく、少なくとも低温側冷媒から熱（顕熱）を奪うようにすることで低温側冷媒を一定温度まで冷却させることができればよい。ここで、送風機等には、高温側凝縮器１２に空気等を供給する送風機等を共通して用いてもよい。

また、カスケードコンデンサ３０は、高温側蒸発器１４と低温側凝縮器２２とを結合し、高温側冷媒と低温側冷媒とを熱交換可能にする。例えばプレート熱交換器、二重管熱交換器等で構成する。カスケードコンデンサ３０により二段構成にし、冷媒間の熱交換を行うことで、独立した冷媒循環回路を連携して制御することができる。本実施の形態のカスケードコンデンサ３０は、高温側冷媒と低温側冷媒とにおける熱交換に係る熱量が等しいものとする。

例えば、単段構成の冷凍装置（カスケードコンデンサ３０による多段構成を行うことなく、圧縮機、凝縮器、絞り装置及び蒸発器を配管接続した冷媒循環回路を構成した冷凍装置）において、冷媒として二酸化炭素を用いると、作動圧がきわめて高くなる。また、ＣＯＰ（Coefficient Of Performance：成績係数。冷凍装置を運転するのに必要な単位動力当たりの冷凍能力の割合）が後述するように悪化する。

そこで、本実施の形態では、オゾン破壊係数が０で不燃性を有するＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）類冷媒、ＨＦＯ（ハイドロフルオロオレフィン）類冷媒の単一冷媒又は混合冷媒を高温側冷媒とする。さらに、高温側冷媒のＧＷＰ（Global Warming Potential：地球温暖化係数。以下、温暖化係数という）と高温側サイクル１０に充填した（封入されている）冷媒充填量との積及び低温側サイクル２０における低温側冷媒である二酸化炭素の冷媒充填量の総計が、ＴＥＷＩ（Total Equivalent Warming Impact ：総合等価温暖化因子）の２１％以下になるように、高温側冷媒を選定し、高温側冷媒及び低温側冷媒の冷媒充填量を決定するものである。これにより、作動圧を低く抑え、二酸化炭素特有の低温域における良好な熱交換性を有効に活用することができるようにする。そして、ＴＥＷＩを単段構成の冷凍装置と同等以下にする。

次に図１に基づいて、二元冷凍装置の冷却運転について説明する。以下で説明する機器の動作については、二元冷凍装置全体の運転制御を行う制御手段（図示せず）が行うものとする。まず、高温側サイクル１０の冷却運転時の動作について説明する。高温側圧縮機１１は、高温側冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮して高温・高圧の状態にして吐出する。吐出した冷媒は高温側凝縮器１２に流入する。

高温側凝縮器１２は、送風機、ポンプ等（図示せず）から供給される空気、水等との熱交換により高温側冷媒を凝縮液化させる。凝縮液化した高温側冷媒は高温側絞り装置１３を通過する。そして高温側絞り装置１３は凝縮液化した高温側冷媒を減圧させる。減圧した高温側冷媒は高温側蒸発器１４（カスケードコンデンサ３０）に流入する。

高温側蒸発器１４は、低温側冷媒との熱交換により高温側冷媒を蒸発ガス化させる。高温側蒸発器１４を流出した高温側冷媒は高温側圧縮機１１に吸入される。

次に、低温側サイクル２０の冷却運転時の動作について説明する。低温側圧縮機２１は、低温側冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮して高温・高圧の状態にして吐出する。吐出した冷媒は低温側中間冷却器２５へ流入する。

低温側中間冷却器２５は、送風機、ポンプ等（図示せず）から供給される空気、水等と冷媒との間で熱交換を行って、例えば低温側冷媒を所定温度に冷却させる。低温側中間冷却器２５を流れ出た冷媒は、低温側凝縮器２２（カスケードコンデンサ３０）に流入する。

低温側凝縮器２２は、高温側冷媒との熱交換により低温側冷媒を凝縮液化させる。凝縮液化した低温側冷媒は低温側絞り装置２３を通過する。そして低温側絞り装置２３は凝縮液化した低温側冷媒を減圧させる。減圧した低温側冷媒は低温側蒸発器２４に流入する。低温側蒸発器２４は、冷却対象と低温側冷媒との間で熱交換を行い、低温側冷媒を蒸発ガス化させる。このとき、冷却対象は直接又は間接に冷却される。そして、低温側蒸発器２４を流出した低温側冷媒は低温側圧縮機２１に吸入される。

図２は高温側サイクル１０と低温側サイクル２０における冷媒圧力とエンタルピーとの関係を示すモリエル線図を表す図である。例えば、低温側凝縮器２２における凝縮温度と高温側蒸発器１４における蒸発温度との差（図２ではΔＴで表す）が大きくなると、効率（ＣＯＰ）が低下する。そこで、前述のように低温側中間冷却器２５を低温側凝縮器２２（カスケードコンデンサ３０）の前に設置し、低温側冷媒が所定温度になるように冷却する。これにより、低温側凝縮器２２における凝縮温度と高温側蒸発器１４における蒸発温度との差が小さくなるようにして（図２においてはΔＴを所定範囲内に収めるようにして）、ＣＯＰを向上させることが可能となる。

図３は冷蔵温度域における冷媒の条件が異なる冷凍装置によるＣＯＰを表す図である。また、図４は冷蔵温度域における冷媒の条件が異なる冷凍装置によるＴＥＷＩを表す図である。図３及び図４では、単段構成の冷媒装置においては、冷媒をＲ４０４Ａ（温暖化係数３９２２：一般的な業務用冷却装置）、二酸化炭素（温暖化係数１）とによりそれぞれ冷却運転を行った場合を表している。また、二元冷凍装置においては、高温側冷媒をＲ４０４Ａ、低温側冷媒を二酸化炭素としたもの、高温側冷媒をＲ４１０Ａ（温暖化係数２０８８）、低温側冷媒を二酸化炭素としたものによりそれぞれ冷却運転を行った場合を表している。

そして、図３については、Ｒ４０４Ａを冷媒とする単段構成の冷凍装置におけるＣＯＰを１００％として、他の冷凍装置の冷却運転におけるＣＯＰの割合を表している。同様に、図４については、二酸化炭素を冷媒とする単段構成の冷凍装置を二酸化炭素におけるＴＥＷＩを１００％として、他の冷凍装置の冷却運転におけるＴＥＷＩの割合を表している。また、運転に係る条件は、外気温度が３２℃、例えばショーケースなどの負荷側（低温側）となる蒸発器における蒸発温度を−１０℃（冷蔵条件）、冷凍能力を約３０ｋＷとする。また、単段構成の冷凍装置、低温側サイクル２０における延長配管を１００ｍする。このとき、液管径（液冷媒が通過する管の径）をφ１９．０５ｍｍ、ガス管径（ガス冷媒が通過する管の径）をφ３８．１ｍｍとする）とする。

ここで、上述したＴＥＷＩは次式（１）にて計算することができる。ここで、（１）の各パラメータについて、ＴＥＷＩは総合等価温暖化因子（ｋｇＣＯ₂ ）を表す。また、ＧＷＰは温暖化係数、ｍは冷媒循環回路への冷媒充填量（ｋｇ）、Ｌは年間冷媒漏れ率（％）、ｎは機器運転年数を表す。αは廃棄時における冷媒回収率を表す。そして、Ｗは年間消費電力量（ｋＷｈ／年）、βは電力のＣＯ₂ 排出原単価を表す。
ＴＥＷＩ＝ＧＷＰ×ｍ×Ｌ×ｎ＋ＧＷＰ×ｍ×（１−α）＋ｎ×Ｗ×β …（１）

本実施の形態では、また、年間冷媒漏れ率Ｌについては、単段構成の冷凍装置及び二元冷凍装置の低温側サイクル２０においては、設置時に現地での延長配管を考慮して１６％とする。一方、二元冷凍サイクルの高温側サイクル１０は現地で配管をせず閉じた冷媒回路となるため２％とする。また、機器運転年数ｎを１５年とし、廃棄時冷媒回収率αを３０％とする。そして、排出原単価βを０．４１ｋｇＣＯ₂ ／ｋＷｈ）とする。

以上の値に基づき、高温側サイクル１０における高温側冷媒の温暖化係数をＧＷＰ（Ｈ）、冷媒充填量ｍをｍ１、年間消費電力量ＷをＷ１とすると、高温側サイクル１０に係る総合等価温暖化因子ＴＥＷＩ（Ｈ）は次式（２）で表されることになる。
ＴＥＷＩ（Ｈ）＝ＧＷＰ（Ｈ）×ｍ１＋６．１５×Ｗ１ …（２）

同様に、低温側サイクル２０における二酸化炭素の冷媒充填量ｍをｍ２、年間消費電力量Ｗ２とすると、低温側サイクル２０に係る総合等価温暖化因子ＴＥＷＩ（Ｌ）は次式（３）で表される。
ＴＥＷ１（Ｌ）＝３．１×ｍ２＋６．１５×Ｗ２ …（３）

以上より、二元冷凍装置における総合等価温暖化因子ＴＥＷＩの総計は、次式（４）で表される。ここで、３．１×ｍ２は、他の項に比べてかなり小さな値となるため、省略してもよい。
ＴＥＷＩ＝ＧＷＰ（Ｈ）×ｍ１＋３．１×ｍ２＋６．１５×（Ｗ１＋Ｗ２） …（４）

そして、実験等により、図３、図４に示すように、従来のような、Ｒ４０４Ａを冷媒とする単段構成の冷凍装置と比較していった結果、冷蔵温度域においては、上記において選定した高温側冷媒のＧＷＰと冷媒充填量との積が、高温側サイクル１０、低温側サイクル２０のＴＥＷＩの総計の２１％以下になる条件を満たす高温側冷媒と冷媒量が高温側サイクル１０充填されていることが望ましいことがわかった。また、低温側冷媒は二酸化炭素とすることで、一般的なショーケースなどに使用しているＲ４０４Ａを冷媒とする単段構成の冷凍装置と同等以上のＣＯＰを確保できる。また、二酸化炭素を冷媒とする単段構成の冷凍装置と同等以下のＴＥＷＩを達成することができる。

ここで、二酸化炭素の温暖化係数は１であるため、ＴＥＷＩの観点からは、二酸化炭素を冷媒とする単段構成の冷凍装置にすればいいように思える。しかし、図３に示すように、Ｒ４０４Ａを冷媒とした単段構成の冷凍装置を運転した場合のＣＯＰと比較すると、約８４％となっている。一方、冷媒がＲ４０４Ａである単段構成の冷凍装置は、一般的なショーケース対応でＣＯＰはいいとしても、図４に示すように、ＴＥＷＩは、二酸化炭素を冷媒とする単段構成の冷凍装置に比べてかなり大きな値となる。

そこで、ＣＯＰ、ＴＥＷＩとも満足するような冷凍装置として、二元冷凍装置の構成を考える。二元冷凍装置の高温側冷媒としてＲ４０４Ａを選定した場合は、冷媒充填量を１１ｋｇ以下にする。また、高温側冷媒としてＲ４１０Ａを選定した場合は、冷媒充填量を２１ｋｇ以下にする。これにより、Ｒ４０４Ａを冷媒とした単段構成の冷凍装置を運転した場合よりもＣＯＰが大きく、二酸化炭素を冷媒とする単段構成の冷凍装置と同等以下のＴＥＷＩにすることができる。ここで、本実施の形態の二元冷凍装置を二酸化炭素を冷媒とする単段構成の冷凍装置と比較した場合、装置構成の違い等により、少なくとも下限値は０．０４％より大きくなる。

ここで、上述した図３及び図４では、例えば、二元冷凍装置における高温側冷媒がＲ４０４Ａの場合には冷媒充填量を１２．２ｋｇとしている。また、高温側冷媒がＲ４１０Ａの場合にも冷媒充填量を１２．２ｋｇとしている。

また、高温側冷媒がＲ４１０Ａの場合は蒸発潜熱が１７０ｋＪ／ｋｇであり、Ｒ４０４Ａ（蒸発潜熱１４０ｋＪ／ｋｇ）と比較して大きい。したがって、冷凍装置内の液配管径、吸入配管径及び高温側凝縮器１２の伝熱管径を小さくする（例えばφ約６〜８ｍｍ）ことができる。このため、冷媒充填量をさらに低減することができ、ＴＥＷＩをさらに小さくすることが可能である。また、高温側冷媒として用いるＲ４１０Ａは、一般の空気調和装置で用いる冷媒である。このため、構成機器、配管等の部材については、空気調和装置の部材を利用することができるため、冷凍装置における製造コストを抑えることができる。

以上のように、本実施の形態の冷凍装置によれば、高温側サイクル１０と低温側サイクル２０とをカスケードコンデンサ３０を介して二段構成とした二元冷凍装置とし、低温側冷媒を二酸化炭素とし、高温側冷媒については、高温側冷媒のＧＷＰと高温側サイクル１０に充填する冷媒充填量との積の値が、高温側サイクル１０と低温側サイクル２０とにおけるＴＥＷＩの総計（和）の２１％以下になるような高温側冷媒と冷媒量が高温側サイクル１０に充填されるようにしたので、２つの冷媒循環回路で段階的に目的の温度帯に制御することで、ＨＦＣ冷媒を用いた単段構成の冷凍装置と同程度のＣＯＰを維持又はそれ以上として効率をよくすることができる。そして、その組み合わせにおいて、ＴＥＷＩの総計の２１％以下にすることで、ＴＥＷＩが小さい冷凍装置を得ることができる。そして、このとき、オゾン破壊係数が０で、不燃性を有するＨＦＣ類冷媒、ＨＦＯ類冷媒の単一冷媒又は混合冷媒とすることで、環境負荷を低くし、安全な冷凍装置を得ることができる。さらに、上記のような高温側冷媒の選定により、高温側凝縮器１２の伝熱管の径を、例えばφ約６〜８ｍｍとすることで、配管径を小さくすることができ、また、空気調和装置の部材を利用することができるため、冷凍装置における製造コストを抑えることができる。また、低温側圧縮機２１と低温側凝縮器２２との間に低温側中間冷却器２５を設け、低温側凝縮器２２における凝縮液化の補助を行うようにしたので、二元冷凍装置全体のＣＯＰを向上させることができる。

実施の形態２．
図５は実施の形態２に係る冷凍温度域における冷媒の条件が異なる冷凍装置によるＣＯＰを表す図である。また、図６は実施の形態２に係る冷凍温度域における冷媒の条件が異なる冷凍装置によるＴＥＷＩを表す図である。例えば冷凍食品などを保存するための冷凍温度域について、図３及び図４に示す比較と同様の比較を行う。

ここで、運転に係る条件は、例えばショーケースなどの負荷側（低温側）となる蒸発器における蒸発温度を−４０℃（冷凍条件）、冷凍能力を約１０ｋＷとする。また、図３及び図４の場合と同様に、外気温度が３２℃、単段構成の冷凍装置、低温側サイクル２０における延長配管を１００ｍする。このとき、液管径（液冷媒が通過する管の径）をφ１９．０５ｍｍ、ガス管径（ガス冷媒が通過する管の径）をφ３８．１ｍｍとする）とする。

例えばＨＦＣ冷媒による単段構成の冷凍装置と二酸化炭素を冷媒とする単段構成の冷凍装置とのＣＯＰの差は、冷凍条件の方が大きくなる。このため、二元冷凍装置で高温側冷媒のＧＷＰと冷媒充填量との積が冷蔵条件の場合より緩和される。

そこで、高温側冷媒のＧＷＰと冷媒充填量との積が、高温側サイクル１０、低温側サイクル２０のＴＥＷＩの総計の３０％以下になるように、高温側冷媒と冷媒充填量を選定する。また、低温側冷媒は二酸化炭素とすることで、一般的なショーケースなどに使用しているＲ４０４Ａを冷媒とする単段構成の冷凍装置と同等以上のＣＯＰを確保できる。また、二酸化炭素を冷媒とする単段構成の冷凍装置と同等以下のＴＥＷＩを達成することができる。ここで、図５、図６における二元冷凍装置の高温側冷媒の冷媒充填量を１４ｋｇとしている。

また、高温側冷媒がＲ４１０Ａの場合は、前述したように蒸発潜熱がＲ４０４Ａと比較して大きい。このため、冷凍装置内の液配管径、吸入配管径ならびに高温側凝縮器１２の伝熱管径を小さくすることができ、冷媒充填量を低減し、ＴＥＷＩを更に小さくすることが可能である。また、通常の空気調和装置の構成機器、配管等の部材については、空気調和装置の部材を利用することができるため、冷凍装置における製造コストを抑えることができる。

上述の実施の形態は、二元冷凍装置で説明したが、多段構成の多元冷凍装置にも適用することができる。

１０ 高温側サイクル、１１ 高温側圧縮機、１２ 高温側凝縮器、１３ 高温側絞り装置、１４ 高温側蒸発器、２０ 低温側サイクル、２１ 低温側圧縮機、２２ 低温側凝縮器、２３ 低温側絞り装置、２４ 低温側蒸発器、２５ 低温側中間冷却器、３０ カスケードコンデンサ。

Claims (5)

1. 高温側圧縮機、高温側凝縮器、高温側絞り装置及び高温側蒸発器を配管接続して、高温側冷媒を循環させる高温側循環回路を形成する高温側サイクル装置と、
   低温側圧縮機、低温側凝縮器、低温側絞り装置及び低温側蒸発器を配管接続して、二酸化炭素を低温側冷媒として循環させる低温側循環回路を形成する低温側サイクル装置と、
   前記高温側蒸発器と前記低温側凝縮器とにより構成し、前記高温側冷媒と前記低温側冷媒との間の熱交換を行うカスケードコンデンサとを備え、
   高温側サイクル装置には、前記高温側冷媒の地球温暖化係数と冷媒充填量との積が、前記高温側サイクル装置における総合等価温暖化因子と前記低温側サイクル装置における総合等価温暖化因子との総計の３０％以下となるように選定された前記高温側冷媒が充填されることを特徴とする冷凍装置。
2. 前記低温側蒸発器における蒸発温度域に基づいて、前記総合等価温暖化因子の総計に対する前記高温側冷媒の地球温暖化係数と冷媒充填量との積の割合が決定されることを特徴とする請求項１記載の冷凍装置。
3. 前記低温側圧縮機と前記低温側凝縮器との間に、前記低温側冷媒が所定温度になるように冷却させる低温側中間冷却器をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷凍装置。
4. 前記高温側凝縮器を構成する伝熱管の径をφ６〜８ｍｍとすることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の冷凍装置。
5. 前記高温側冷媒として、ＨＦＣ類冷媒及びＨＦＯ類冷媒の少なくとも一方の単一冷媒又は混合冷媒を選定し、前記冷媒充填量を充填することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の冷凍装置。

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