CN203615641U

CN203615641U - 二元制冷装置

Info

Publication number: CN203615641U
Application number: CN201320772061.0U
Authority: CN
Inventors: 石川智隆; 野本宗; 杉本猛; 山下哲也; 池田隆
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-05-08
Filing date: 2013-11-27
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2023-11-27
Also published as: WO2014181399A1; EP2995885A1; JPWO2014181399A1; EP2995885A4; JP6125000B2; EP2995885B1

Abstract

本实用新型的二元制冷装置具有：高元制冷循环，其通过配管连接高元侧压缩机、高元侧冷凝器、高元侧节流装置及高元侧蒸发器，而使制冷剂循环；低元制冷循环，其通过配管串联地连接低元侧压缩机、辅助散热器、低元侧冷凝器、低元侧节流装置及低元侧蒸发器，而使制冷剂循环；级联冷凝器（C），其具有高元侧蒸发器及低元侧冷凝器，并进行在高元制冷循环中流动的制冷剂和在低元制冷循环中流动的制冷剂之间的热交换；控制装置构成为将二元运转和单段运转切换到这些运转中的COP高的一方来运转，二元运转使高元制冷循环及低元制冷循环双方运转，单段运转使高元制冷循环停止，使低元制冷循环运转。低元制冷循环和高元制冷循环所使用的制冷剂相互不同。

Description

二元制冷装置

技术领域

本实用新型涉及二元制冷装置。

背景技术

以往以来，作为用于进行负几十度的低温度的冷却的装置，使用具有用于使高温侧制冷剂循环的制冷循环装置即高元制冷循环和用于使低温侧制冷剂循环的制冷循环装置即低元制冷循环的二元制冷装置。例如，在二元制冷装置中，通过能够对低元制冷循环中的低元侧冷凝器和高元制冷循环中的高元侧蒸发器进行热交换地构成的级联冷凝器，连结低元制冷循环和高元制冷循环连结。

而且，在低元制冷循环中，具有在级联冷凝器的前段设置有辅助散热器的二元制冷装置（参照专利文献1）。在该二元制冷装置中，利用辅助散热器对从低温侧压缩机排出的排出制冷剂进行散热并冷却，由此实现运转效率的提高。

二元制冷装置能够被用于在高压缩比下效率好的情况，一般来说，在节能方面是有利的。但是，冬季等的低外气温度时，二元制冷装置中成为低压缩比的区域中，即使是一元的制冷装置也能够不勉强地冷却到必要的温度，从而即使使用二元制冷装置也不能获得节能的优点。因此，以往以来，具有一种现有技术，在二元制冷装置中成为低压缩比运转的情况下，切换到停止高元制冷循环而仅使低元制冷循环运转的单段运转来避免性能降低（例如，参照专利文献2）。

在该技术中，将高元制冷循环的散热器即高元侧换热器的一部分与低元制冷循环的冷凝器并联地连接并作为低元制冷循环的散热器被部分地利用，由此切换单段运转和二元运转。即，在单段运转时，低元制冷循环利用高元侧换热器的一部分来进行外气散热。而且，在二元运转时，低元制冷循环切断制冷剂向高元侧换热器的所述一部分的流通而使制冷剂向级联冷凝器侧流动，在级联冷凝器侧进行散热，高元制冷循环通过高元侧换热器的所述一部分以外的部分来进行外气散热。

【现有技术文献】

【专利文献】

【专利文献1】日本专利第3604973号公报（第2页，第3页，图1）

【专利文献2】日本特开2000-274848号公报（第5页，图1）

在专利文献1的二元制冷装置中，通过辅助散热器实现运转效率的提高。但是，在低外气温度时等的低压缩比运转中，不能避免压缩机性能降低。另外，在二元制冷装置中，作为结构上的特征，级联冷凝器中的低元侧冷凝温度和高元侧蒸发温度的温度差成为损失。高压缩比运转的情况下，该温度差不会成为问题。但是，在低压缩比运转中，与高压缩比运转的情况相比，该温度差的影响相对变大，从而不能避免运转效率降低。也就是说，在专利文献1的二元制冷装置中，虽然通过辅助散热器实现运转效率的提高，但是存在不能避免运转效率降低的时期，存在长期运转难以获得节能效果的问题。

另外，专利文献2中的二元制冷装置的低元制冷循环是在低外气温度时的低压缩比运转中，从二元运转切换到单段运转，由此对于避免性能低降低产生一定的效果。但是，二元运转（低元制冷循环和高元制冷循环双方同时运转）时，通过级联冷凝器散热，在单段运转时，利用高元侧冷凝器散热。像这样在专利文献2中，在二元运转和单段运转下，需要流路的切换，另外，在二元运转时，高元侧冷凝器的一部分不使用，产生浪费。像这样，在专利文献2中，并联地增设的空冷散热器或者切换阀、旁通流路的追加导致的成本增加成为课题。

实用新型内容

本实用新型是鉴于这点而研发的，其目的是提供一种二元制冷装置，能够通过辅助散热器实现运转效率提高，并且能够避免低压缩比运转时的性能降低，能够不导致成本增加地例如经过全年地获得节能效果。

本实用新型的二元制冷装置具有：高元制冷循环，其通过配管连接高元侧压缩机、高元侧冷凝器、高元侧节流装置及高元侧蒸发器，而使制冷剂循环；低元制冷循环，其通过配管串联地连接低元侧压缩机、辅助散热器、低元侧冷凝器、低元侧节流装置及低元侧蒸发器，而使制冷剂循环；级联冷凝器，其具有所述高元侧蒸发器及所述低元侧冷凝器，并进行在所述高元制冷循环中流动的制冷剂和在所述低元制冷循环中流动的制冷剂之间的热交换；控制装置，其构成为将二元运转和单段运转切换到这些运转中的COP高的一方来进行运转，所述二元运转使所述高元制冷循环及所述低元制冷循环双方运转，所述单段运转使所述高元制冷循环停止，使所述低元制冷循环运转，所述低元制冷循环和所述高元制冷循环所使用的制冷剂相互不同。

在本实用新型的另一实施方式中，优选所述高元侧冷凝器及所述辅助散热器分别是向外气散热的换热器，所述控制装置构成为在所述二元运转中的外气温度为成为COP的大小辨别的阈值的阈值外气温度以下的情况下，进行从所述二元运转向所述单段运转的切换。

在本实用新型的另一实施方式中，优选所述控制装置在所述二元运转中的所述低元制冷循环或所述高元制冷循环的压缩比为成为COP的大小辨别的阈值的阈值压缩比以下的情况下，进行从所述二元运转向所述单段运转的切换。

在本实用新型的另一实施方式中，优选所述控制装置在由所述二元运转中的所述低元制冷循环的蒸发压力和所述高元制冷循环的冷凝压力确定的压缩比为成为COP的大小辨别的阈值的阈值压缩比以下的情况下，进行从所述二元运转向所述单段运转的切换。

在本实用新型的另一实施方式中，优选所述高元侧冷凝器及所述辅助散热器分别是向外气散热的换热器，所述控制装置在所述单段运转中的外气温度比成为COP的大小辨别的阈值的阈值外气温度高的情况下，进行从所述单段运转向所述二元运转的切换。

在本实用新型的另一实施方式中，优选所述控制装置在所述单段运转中的所述低元制冷循环的压缩比比成为COP大小辨别阈值的阈值压缩比高的情况下，进行从所述单段运转向所述二元运转的切换。

在本实用新型的另一实施方式中，优选所述控制装置在所述单段运转中的所述低元制冷循环的冷凝压力即高压压力超过从所述二元运转向所述单段运转切换时的所述低元制冷循环的冷凝压力即高压压力的情况下，进行从所述单段运转向所述二元运转的切换。

在本实用新型的另一实施方式中，优选所述高元侧冷凝器及所述辅助散热器成为一体而构成一体式散热器，所述二元制冷装置具有向所述一体式散热器输送空气的风机。

在本实用新型的另一实施方式中，优选所述一体式散热器具有：以供空气通过的方式隔开间隔地配置的多个传热翅片；贯穿所述多个传热翅片的多个传热管，所述多个传热管向与空气通过方向垂直的方向的段方向配置多段、且在所述空气通过方向上配置多列，所述多个传热管中的构成所述辅助散热器的多个所述传热管集中在任意一列。

在本实用新型的另一实施方式中，优选所述高元侧冷凝器和所述辅助散热器是相同的传热面积。

在本实用新型的另一实施方式中，优选所述高元制冷循环使用效率比所述低元制冷循环所使用的制冷剂高的制冷剂。

在本实用新型的另一实施方式中，优选所述低元制冷循环及所述高元制冷循环的至少任意一方使用CO₂制冷剂或含有CO₂的混合制冷剂。

在本实用新型的另一实施方式中，优选所述低元制冷循环及所述高元制冷循环的至少任意一方使用R32、R410A、R134a、R404A、R407C、HFO1234yf、HFO1234ze、氨、丙烷、异丁烷中的任意的制冷剂或混合制冷剂。

在本实用新型的另一实施方式中，优选所述低元制冷循环使用CO₂制冷剂，所述控制装置构成为使所述单段运转中的所述低元制冷循环的冷凝压力即高压压力成为临界压力以下。

在本实用新型的另一实施方式中，优选所述低元制冷循环使用CO₂制冷剂，所述高元侧冷凝器及所述辅助散热器分别是向外气散热的换热器，所述控制装置在所述二元运转中的外气温度为21℃以下的情况下，进行从所述二元运转向所述单段运转的切换。

在本实用新型的另一实施方式中，优选所述低元制冷循环使用CO₂制冷剂，在所述低元制冷循环中设置有膨胀箱。

在本实用新型的另一实施方式中，优选所述低元制冷循环使用CO₂制冷剂，在所述低元侧冷凝器和所述低元侧节流装置之间的液体配管的上游设置有第二节流装置，通过所述液体配管的制冷剂为气液二相制冷剂。

实用新型的效果

根据本实用新型，在低元制冷循环中具有辅助散热器，在二元运转中将辅助散热器作为低元侧冷凝器的辅助使用，而在单段运转中将辅助散热器作为主散热器使用，将二元运转和单段运转切换到COP高的一方来运转。由此，能够经过全年地实现高的运转效率，并能够实现节能。另外，在单段运转中将辅助散热器作为主散热器使用，由此能够不进行流路变更地直接使用低元制冷循环。由此，不需要追加当进行单段运转时用于流路变更的构成零件，能够实现成本降低。

附图说明

图1是表示本实用新型的实施方式1中的二元制冷装置的结构的图。

图2是表示图1的二元制冷装置中的焓和饱和温度的关系的图。

图3是表示低元侧冷凝温度和压缩机输入的关系的图。

图4是表示图1的二元制冷装置中的二元运转时的直到与外气温度相应的高元侧压缩机21的转速决定的流程的流程图。

图5A是利用莫里尔线图说明低元侧冷凝温度比外气温度高的情况下的散热量的图。

图5B是利用莫里尔线图说明低元侧冷凝温度比外气温度低的情况下的散热量的图。

图6是用于说明辅助散热器15的散热量和COP的关系的图。

图7是表示图1的二元制冷装置中的单段运转和二元运转（有辅助换热器）各自中的外气温度-COP特性的图。

图8是表示图1的二元制冷装置的运转工作的流程图。

图9是将本实用新型的实施方式1的二元制冷装置中的外气温度和阈值外气温度Tca的关系，通过设横轴为外气温度、纵轴为从外气温度减去目标低元侧冷凝温度Tc得到的温度（外气温度-Tc）来表现的图。

图10是表示由一体式散热器构成图1的高元侧冷凝器和辅助散热器的情况下的二元制冷装置的结构的图。

图11是由一体式散热器构成图1的高元侧冷凝器和辅助散热器的情况下的结构例的说明图。

图12是表示本实用新型的实施方式2中的二元制冷装置的结构例1的图。

图13是表示本实用新型的实施方式2中的二元制冷装置的结构例2的图。

图14是表示本实用新型的实施方式2中的二元制冷装置中的焓和饱和温度的关系的图。

具体实施方式

以下，关于本实用新型的二元制冷装置的优选实施方式，参照附图进行说明。

实施方式1

图1是表示本实用新型的实施方式1的二元制冷装置的结构的图。如图1所示，本实施方式1中的二元制冷装置具有低元制冷循环10和高元制冷循环20，分别独立地构成使制冷剂循环的制冷剂回路。而且，为多段构成2个制冷剂回路，设置有以能够进行分别通过的制冷剂间的热交换地结合高元侧蒸发器24和低元侧冷凝器12的方式构成的级联冷凝器（制冷剂间换热器）C。另外，具有进行二元制冷装置整体的运转控制的控制装置30。这里，关于温度、压力等的高低，不特别以与绝对值的关系来规定高低等，在系统、装置等的状态、工作等中相对地规定。

在图1中，低元制冷循环10通过制冷剂配管按顺序连接低元侧压缩机11、辅助散热器15、低元侧冷凝器12、低元侧膨胀阀（低元侧节流装置）13和低元侧蒸发器14而构成制冷剂回路。另一方面，高元制冷循环20通过制冷剂配管按顺序连接高元侧压缩机21、高元侧冷凝器22、高元侧膨胀阀（高元侧节流装置）23和高元侧蒸发器24而构成了制冷剂回路。

低元制冷循环10的低元侧压缩机11吸入制冷剂，并将其压缩成高温、高压的状态而排出。这里，例如由能够通过变频电路等控制转速而调整高元侧制冷剂的排出量的类型的压缩机构成。

辅助散热器15例如作为气体冷却器等发挥功能，通过与室外的空气（外气）、水、载冷剂等的热交换，冷却低元侧压缩机11排出的气体制冷剂。这里，本实施方式1的辅助散热器15用于进行外气（周围空气）和制冷剂的热交换。

低元侧冷凝器12使通过了辅助散热器15的制冷剂在高元制冷循环20中与通过了高元侧膨胀阀23的制冷剂之间进行热交换并冷凝，成为液态的制冷剂（冷凝液化）。例如，这里，在级联冷凝器C中，供在低元制冷循环10中流动的制冷剂通过的传热管等成为低元侧冷凝器12。

成为减压装置、节流装置等的低元侧膨胀阀13对在低元制冷循环10中流动的制冷剂进行减压并使其膨胀。例如由电子式膨胀阀等流量控制构件、毛细管（capillary）、感温式膨胀阀等制冷剂流量调节构件等构成。低元侧蒸发器14使在低元制冷循环10中流动的制冷剂与例如冷却对象进行热交换并蒸发，成为气体（gas）状的制冷剂（蒸发气化）。通过与制冷剂的热交换，冷却对象被直接或间接地冷却。

另一方面，高元制冷循环20的高元侧压缩机21吸入在高元制冷循环20中流动的制冷剂，将该制冷剂压缩而成为高温、高压的状态并排出。关于高元侧压缩机21，也例如由具有变频电路等且能够调整制冷剂的排出量的类型的压缩机构成。高元侧冷凝器22例如在外气、水、载冷剂等和在高元制冷循环20中流动的制冷剂之间进行热交换，而使制冷剂冷凝液化。这里，在本实施方式1中，高元侧冷凝器22用于进行外气（周围空气）和制冷剂的热交换，并具有用于促进热交换的高元侧冷凝器风扇25。关于高元侧冷凝器风扇25，也由能够调整风量的类型的风扇构成。

成为减压装置、节流装置等的高元侧膨胀阀23对在高元侧制冷剂回路中流动的制冷剂进行减压而使其膨胀。例如由上述电子式膨胀阀等的流量控制构件、毛细管等的制冷剂流量调节构件构成。高元侧蒸发器24通过热交换使在高元制冷循环20中流动的制冷剂蒸发气化。例如，这里，在级联冷凝器C中，供在高元制冷循环20中流动的制冷剂通过的传热管等成为高元侧蒸发器24，进行与在低元制冷循环10中流动的制冷剂的热交换。

另外，级联冷凝器C具有上述高元侧蒸发器24和低元侧冷凝器12的功能，是能够使高元侧制冷剂和低元侧制冷剂进行热交换的制冷剂间换热器。经由级联冷凝器C使高元制冷循环20和低元制冷循环10成为多段结构，进行制冷剂间的热交换，从而，能够使独立的制冷剂回路合作。另外，控制装置30进行构成二元制冷装置的各设备的工作控制等。外气温度检测构件31是用于检测外气温度的温度传感器。以下，外气温度是外气温度检测构件31的检测的温度。

在像这样构成的二元制冷装置中，低元制冷循环10所使用的制冷剂在这里采用CO₂（二氧化碳），其理由如下。低元制冷循环10将室内的负载装置例如超市的展柜等作为连接对象，由于展柜的重新配置等使制冷剂回路开放，发生制冷剂泄漏的可能性变大。因此，考虑到制冷剂泄漏，采用对地球变暖的影响小的CO₂（二氧化碳）。

另一方面，高元制冷循环20所使用的制冷剂优选使用例如HFO制冷剂（HFO1234yf、HFO1234ze等）、HC制冷剂、CO₂、氨、水等对地球温暖化的影响小的制冷剂。但是，高元制冷循环20的制冷剂回路不会被开放，从而能够使用例如地球变暖系数高的HFC制冷剂等。因此，在本实施方式1中，作为在高元制冷循环20中循环的制冷剂采用HFC制冷剂的R32。

基于在各制冷剂回路中循环的制冷剂的流动，对上述二元制冷装置的冷却运转中的各构成设备的工作等进行说明。首先，说明高元制冷循环20的工作，接着说明低元制冷循环10的工作。

（高元制冷循环的工作）

高元侧压缩机21吸入高元侧制冷剂，并将其压缩成为高温、高压的状态而排出。排出的制冷剂流入高元侧冷凝器22。高元侧冷凝器22在从高元侧冷凝器风扇25供给的外气和高元侧制冷剂之间进行热交换，使高元侧制冷剂冷凝液化。冷凝液化的制冷剂被高元侧膨胀阀23减压。被减压的高元侧制冷剂流入高元侧蒸发器24（级联冷凝器C）。高元侧蒸发器24将高元侧制冷剂与通过低元侧冷凝器12的低元侧制冷剂进行热交换而蒸发气化。被蒸发气化的高元侧制冷剂被吸入高元侧压缩机21。

（低元制冷循环的工作）

低元侧压缩机11吸入CO₂制冷剂，并将其压缩成高温、高压的状态而排出。排出的制冷剂被辅助散热器15冷却并流入低元侧冷凝器12（级联冷凝器C）。低元侧冷凝器12将低元侧制冷剂与通过高元侧蒸发器24的高元侧制冷剂进行热交换而冷凝液化。冷凝液化的低元侧制冷剂被低元侧膨胀阀13减压。被减压的低元侧制冷剂流入低元侧蒸发器14。低元侧蒸发器14将低元侧制冷剂与冷却对象进行热交换而蒸发气化。蒸发气化的低元侧制冷剂被吸入高元侧压缩机21。

在本实施方式1的二元制冷装置中，例如，在高元侧压缩机21中，控制所驱动的马达的频率，并控制高元制冷循环20中的冷却能力，由此，调节低元侧制冷剂回路中的排出侧的压力（高压）。关于这点，在下面详细说明。

图2是表示本实用新型的二元制冷装置中的焓和饱和温度的关系的图。此外，在图2的上图和下图中，使低压压力Ps及高压压力Pd固定（也就是说，图2表示某外气温度下的焓和饱和温度的关系）。以下，通过图2说明低元制冷循环10及高元制冷循环20各自的输入与低元侧冷凝温度相应地变化的情况。

在二元制冷装置中，在级联冷凝器C中，在低元侧冷凝温度和高元侧蒸发温度之间产生温度差ΔT。温度差ΔT因级联冷凝器C的大小（性能）的不同而不同，但在这里采用例如5℃左右。此外，在以下的说明中，低压压力Ps在二元运转及单段运转中都是指低元制冷循环10的蒸发压力。另外，高压压力Pd若在二元运转中则是指高元制冷循环20的冷凝压力，在单段运转中是指低元制冷循环10的冷凝压力。

例如，从某运转状态开始提高高元侧压缩机21的运转频率而使高元侧的冷却能力增大时，高元侧蒸发温度降低，与此相伴地低元侧冷凝温度（低元侧高压）也降低。相反地，若减小高元侧的冷却能力，则低元侧高压上升。

另外，从图2可知，提高高元侧压缩机21的运转频率，低元制冷循环10的低元侧高压降低时，高元侧压缩机21的输入（以下称为高元侧压缩机输入）变大（WH1<WH2）。另一方面，低元侧压缩机11的输入（以下称为低元侧压缩机输入）变小（WL1>WL2）。这里，制冷能力Q=Gr（制冷剂流量）×ΔH（压缩机中的焓差）。

在二元制冷装置中，冷却负载与外气温度相应地变化，相对于冷却负载来决定制冷能力（与低元制冷循环10侧的蒸发能力相当）。而且，由低元侧压缩机11控制Gr（制冷剂流量），以便恒定地保持成所决定的制冷能力。例如，若ΔH（焓差）恒定，则控制低元侧压缩机11，以使Gr（制冷剂流量）成为恒定。

例如，在本实施方式1的二元制冷装置中，低元制冷循环10所使用的CO₂制冷剂与在高元制冷循环20中使用的R32相比，制冷效果小。由此，需要大的压缩机动力，与在高元制冷循环20中使用的R32相比，运转效率变低。因此，通过使高元侧压缩机21的容量增大而使低元侧高压降低，能够减小低元制冷循环10侧的消耗电力。而且，即使使用了运转效率高的R32的高元制冷循环20侧的消耗电力变大，也增加高元制冷循环20侧的工作量，由此提高二元制冷装置整体的运转效率。像这样，增大高效率的高元制冷循环20的消耗电力比率，由此能够使二元制冷装置整体的运转效率成为最佳。由此，在低元制冷循环10的低元侧高压中，CO₂不成为超临界状态的情况变多，在低元侧冷凝器12中发生相变化的饱和温度（低元侧冷凝温度）确定。

图3是表示低元侧冷凝温度和压缩机输入的关系的图。在图3中，横轴表示低元侧冷凝温度，纵轴表示压缩机输入。另外，在图3中分别示出了高元侧压缩机21输入、低元侧压缩机11输入和它们的合计输入（二元制冷装置整体的合计输入）。如图3所示可知，在使低元侧冷凝温度为外气温度以下、且高元侧压缩机21和低元侧压缩机11各自的压缩机输入大致相同时，合计输入变得最小，COP（Coefficient OfPerformance：性能系数=制冷能力/（高元侧压缩机输入+低元侧压缩机输入））变得最大。

以上，在二元制冷装置的高元侧压缩机21中，进行使高元侧压缩机输入和低元侧压缩机输入大致相同的运转控制，以使COP成为最大。例如，以图2进行说明时，控制装置30进行控制，以使高元侧压缩机输入（=焓差WH1×高元制冷剂流量Grh）和低元侧压缩机输入（=焓差WL1×低元制冷剂流量Grl）成为大致相同。

这里，用另一种方式解读图3时，低元制冷循环10的低元侧冷凝温度为Tc时，合计输入成为最小，COP成为最大。因此，具体来说，使高元侧压缩机输入和低元侧压缩机输入大致相同的运转控制以将低元侧冷凝温度保持在目标低元侧冷凝温度Tc的方式控制低元制冷循环10。此时，高元制冷循环20侧进行将比目标低元侧冷凝温度Tc低ΔT℃（这里是如上所述的5℃）的温度作为目标高元侧蒸发温度恒定地保持的控制。通过进行这样的控制，能够使COP为最大。

（与外气温度相应的高元侧压缩机21的转速控制）

图4是表示直到图1的二元制冷装置中的与二元运转时的外气温度相应的高元侧压缩机21的转速决定的流程的流程图。

（S1）

首先，对前提条件进行说明。首先，制冷能力通过来自用户的要求（用户使用的冷藏仓库等利用侧设备的冷却负载）确定（例如是10马力时，为10kW）。另外，使COP为最大的目标低元侧冷凝温度Tc是通过来自用户的要求所确定的低元侧蒸发温度（例如-40℃）和与外气温度相应地唯一地确定的高元侧冷凝温度而确定的。高元侧冷凝温度表示随着外气温度变高、高元侧冷凝温度也变高的倾向。换言之，目标低元侧冷凝温度Tc是由在图2中根据低元侧蒸发温度ET换算的低压压力Ps和根据高元侧冷凝温度CT换算的高压压力Pd而确定的。另外，温度差ΔT在这里采用如上所述的5℃，并根据级联冷凝器C的大小（性能）来确定。

（S2）

基于制冷能力，确定为了得到该制冷能力，低元侧冷凝器12所需的必要散热量Q1。

（S3）

在级联冷凝器C中，由于低元侧冷凝器12和高元侧蒸发器24进行热交换，所以低元侧冷凝器12中的散热量和高元侧蒸发器24中的吸热量相同。因此，基于低元侧冷凝器12中的必要散热量Q1，确定高元制冷循环20的制冷能力Q2。

（S4）

基于低元侧蒸发温度和与外气温度相应的高元侧冷凝温度，确定目标低元侧冷凝温度Tc。控制装置30预先保存有将低元侧蒸发温度和高元侧冷凝温度作为变量来求出COP最大时的目标低元侧冷凝温度Tc的近似式或与其相当的映射，能够基于这些信息决定目标低元侧冷凝温度Tc。此外，由于高元侧冷凝温度与外气温度相应地变化，所以使COP最大的目标低元侧冷凝温度Tc也根据外气温度变化。具体来说，外气温度变高时，成为高元侧冷凝温度上升、目标低元侧冷凝温度Tc也上升的倾向。

（S5）

通过从目标低元侧冷凝温度Tc减去温度差ΔT来确定。在高元制冷循环20中，进行高元侧压缩机21的转速的控制，以使高元侧蒸发温度成为目标高元侧蒸发温度（=目标低元侧冷凝温度Tc-ΔT℃）。

（S6）

基于高元侧蒸发温度唯一地确定高元制冷循环20的蒸发压力。

（S7）

基于高元制冷循环20的蒸发压力确定高元侧的制冷剂密度ρ、焓差ΔH。

（S8）

具有如下关系：

高元制冷循环20的制冷能力Q2=Gr（高元侧的制冷剂流量）×ΔH（高元侧级联冷凝器C中的焓差）……（1）

高元制冷循环20的制冷剂流量Gr=ρ（高元制冷循环20的制冷剂密度）×Vst（高元侧压缩机21的排出量）×N（高元侧压缩机21的转速）……（2）。

这里，由于“高元制冷循环20的制冷能力Q2”、“焓差ΔH”是已知的，所以通过（1）式求出“高元制冷循环20的制冷剂流量Gr”。而且，高元侧压缩机21的排出量Vst与压缩机对应是固有的值，是已知的。因此，通过（2）式决定在高元制冷循环20中用于使高元侧蒸发温度成为目标高元侧蒸发温度（=目标低元侧冷凝温度Tc-ΔT℃）的“高元侧压缩机21的转速”。

以像这样决定的转速使高元侧压缩机21运转，由此，能够实现使高元侧压缩机输入和低元侧压缩机输入大致相同的运转控制，能够使COP最大。这里，控制高元制冷循环20时，规定目标高元侧蒸发温度并控制高元侧蒸发温度，但也可以直接检测低元侧冷凝温度来进行控制。另外，也可以直接检测或计算高元侧压缩机输入和低元侧压缩机输入来控制高元制冷循环20。另外，高元制冷循环20也可以根据该映射、近似式等进行控制。另外，如图4所示，二元制冷装置的控制不限于基于制冷循环的原理算出满足目标值的高元侧压缩机21的转速来进行控制的方法，也可以采用基于目标值（目标低元侧冷凝温度Tc）和当前值（当前的低元侧冷凝温度）的偏差实施的反馈控制的方法（低元侧蒸发温度也同样）。

此外，这里，对直到决定“高元侧压缩机21的转速”的流程进行了说明，而决定“低元侧压缩机11的转速”的流程也同样。即，如低元侧蒸发温度→低元侧的蒸发压力→低元侧的制冷剂密度、焓差→低元侧的流量→低元侧压缩机11的转速这样地决定。

在以上的说明中，为了抑制低效率的低元制冷循环10的消耗电力，使低元侧高压（低元侧冷凝温度）降低，但这是控制原理方面的说明，不意味着在实际运转方面使低元侧高压降低。实际运转方面，如上所述地进行恒定地保持在目标低元侧冷凝温度Tc的控制。

另外，对使低元侧高压降低的控制原理进行补充说明时，高元制冷循环20所使用的R32与低元制冷循环10所使用的CO₂制冷剂相比，是高效率的制冷剂（成为高COP的制冷剂）。由此，在高元制冷循环20中，通过高元侧压缩机21的运转而导出的图2的莫里尔线图上的倾角θh比通过低元侧压缩机11的运转产生的倾角θl大。因此，从图3还可知，即使提高高元侧压缩机输入并降低低元侧冷凝温度，高元侧压缩机输入也不会超过低元侧压缩机输入，直到低元侧冷凝温度到达目标低元侧冷凝温度Tc。而且，在目标低元侧冷凝温度Tc下，高元侧压缩机输入和低元侧压缩机输入相等。

以下，关于制冷剂的运转效率进行具体说明。若运转效率的指标即理论COP（=蒸发器的焓差/压缩过程的焓差）高，则能够以小的压缩动力得到大的蒸发潜热，成为高效率的制冷剂。例如，以外气温度32℃运转的一般的单段循环制冷机的工作状态，即在蒸发温度-40℃、冷凝温度40℃（超临界的CO₂高压成为8.8MPa）、吸入过热度5℃、液体过冷却度5℃的条件下，各制冷剂的理论COP成为CO₂：1.25，R32：1.98，HFO1234yf：1.84，HFO1234ze：1.97，丙烷：1.99，异丁烷：2.05，氨：2.07，R134a：2.01，R410A：1.91，R407C：1.98，R404A：1.76。CO₂与其他的HFO制冷剂、HFC制冷剂、HC制冷剂等相比，COP低，是低效率的制冷剂。

这里，在本实施方式1中，在低元制冷循环10中，将CO₂作为制冷剂使用。在该情况下，例如在高外气条件即32℃时，目标低元侧冷凝温度Tc成为约20℃，目标低元侧冷凝温度Tc变得比外气温度低。如上所述，降低低元侧高压（低元侧冷凝温度）时，能够降低运转效率低的低元制冷循环10侧的低元侧压缩机输入，从而目标低元侧冷凝温度Tc位于比外气温度低的温度区域内。

这里，目标低元侧冷凝温度Tc位于比外气温度低的温度区域内是指使低效率的CO₂制冷剂适用于低元制冷循环10的情况，根据低元制冷循环10和高元制冷循环20的制冷剂种类的组合，其没有限制。例如，在低外气温度时，目标低元侧冷凝温度Tc变得比外气温度高，在高外气温度时，目标低元侧冷凝温度Tc变得比外气温度低等，根据制冷剂种类的组合，也有目标低元侧冷凝温度Tc和外气温度的相对关系相对于外气温度变化来说发生变化的情况。

（关于低元侧冷凝温度比外气温度低的情况和高的情况下的辅助散热器15的散热量的不同）

以下，关于辅助散热器15的散热量进行考察。在本实施方式1的二元制冷装置中，由于低元制冷循环10使用运转效率低的CO₂制冷剂的关系，在高外气条件即32℃的情况下，目标低元侧冷凝温度Tc变得比外气温度低。辅助散热器15将低元侧制冷剂所具有的热量向外气散热。由此，即使从低元侧压缩机11排出的低元侧制冷剂和外气在辅助散热器15中进行热交换，低元侧制冷剂的温度即便最大也只能降低到外气温度。但是，在低元制冷循环10的低元侧冷凝温度比外气温度低的情况和高的情况下，当使排出温度的低元侧制冷剂在辅助散热器15中降低到相同的外气温度时，其散热量不同。

图5A、图5B是利用莫里尔线图说明低元侧冷凝温度比外气温度高的情况和低的情况下的各散热量的图。图5A表示低元侧冷凝温度比外气温度高的情况下的散热焓差，图5B表示低元侧冷凝温度比外气温度低的情况下的散热焓差。

（1）低元侧冷凝温度比外气温度高的情况

关于低元侧压缩机11的排出制冷剂的温度（a点的温度）为例如80℃～90℃、外气温度为20℃且低元侧冷凝温度为25℃的情况进行说明。由于辅助散热器15使热量向外气散热，所以如图5A所示，80℃～90℃的制冷剂（点a）通过在辅助散热器15中的与外气的热交换，首先，在保持为气体的状态下降低到冷凝温度即25℃（点b）。而且，保持25℃的同时冷凝成为液态（c点）。由于外气温度为20℃，所以制冷剂能够进一步散热，以液态降低到20℃（点d）。像这样，在冷凝温度比外气温度高的情况下，进行冷凝，从而能够进行伴随相变化的冷却，与进行没有相变化的冷却的情况相比，能够增大散热量。

（2）低元侧冷凝温度比外气温度低的情况

关于低元侧压缩机11的排出制冷剂的温度（a点的温度）为例如80℃～90℃、外气温度为20℃且低元侧冷凝温度为10℃的情况进行说明。由于辅助散热器15将热量向外气散热，所以如上所述地，80℃～90℃的制冷剂通过在辅助散热器15中的与外气的热交换，即便最大也只能降低到外气温度的20℃。也就是说，如图5B所示，80℃～90℃的制冷剂（点a）在辅助散热器15中在保持为气体状态下成为20℃（点b）。也就是说，低元侧冷凝温度比外气温度低的情况下，在辅助散热器15中不进行伴随相变化的冷却，而进行没有相变化的气体冷却。也就是说，辅助散热器15被用于气体冷却区域。

这里，图5B的点a至点b的散热是气体状态的散热，从而即使温度降低到相同的外气温度20℃，与冷凝而降低到20℃的上述（1）的情况相比，不能增大在辅助散热器15中的散热量。因此，低元侧冷凝温度比外气温度低的情况下，增多辅助散热器15的风量，或者作为辅助散热器15采用传热面积大的散热器，即使这样也不能增大辅助散热器15的散热量，即便最大也只能成为以使排出制冷剂在保持为气体的状态下降低到外气温度的方式进行散热的散热量。

（辅助散热器15的散热量和COP的关系）

图6是用于说明辅助散热器15的散热量和COP的关系的图。图6示出了低元制冷循环10的莫里尔线图。每当构成低元制冷循环10，对于辅助散热器15中的散热量成为图6的Qsub1的情况和成为Qsub2的情况进行比较时，成为Qsub2的情况的一方能够减少对应的低元侧冷凝器12的散热量Qc2（<Qc1）。在级联冷凝器C中，高元侧蒸发器24和低元侧冷凝器12中的热交换量相等。因此，高元制冷循环20侧只要实现与低元侧冷凝器12中的散热量Qc2平衡即可，从而与辅助散热器15的散热量为Qsub1的情况相比，成为Qsub2的情况的一方能够减小高元侧压缩机输入。另外，越增多辅助散热器15的散热量，就能够越增大COP的值。

在二元制冷装置中，进行制冷能力恒定的控制，COP=制冷能力/（高元侧压缩机输入+低元侧压缩机输入），从而在能够减小高元侧压缩机输入时，能够增大COP。

在本实施方式1的二元制冷装置中，如上所述，辅助散热器15被用于气体冷却区域，从而不管辅助散热器15的传热面积的大小等构造如何，即使能够最大地散热，也只能将排出温度的制冷剂降低到外气温度。另外，如上所述，越增大辅助散热器15的散热量，越能够增大COP。因此，在辅助散热器15中，以降低温度直到使排出温度的制冷剂到达外气温度附近的程度，确保辅助散热器15的散热量。以下，将“通过辅助散热器15中的散热，将排出温度的制冷剂降低到外气温度附近的温度时的、辅助散热器15中的散热量”称为所需散热量。为了达到所需散热量，例如，控制辅助散热器15的风量，或者进行辅助散热器15自身的构造上的设计。像这样使辅助散热器15的散热量成为所需散热量，与成为比所需散热量少的散热量的情况相比，能够增大COP。

然而，所需散热量因外气温度的不同而不同。因此，为了经过全年地确保大的COP，需要把握低外气条件时的所需散热量和高外气条件时的所需散热量。在本实施方式1的二元制冷装置中，如上所述，辅助散热器15被用于气体冷却区域，所需散热量小。但是，如上所述，根据低元制冷循环10和高元制冷循环20中的制冷剂种类的组合，例如在低外气温度时，目标低元侧冷凝温度Tc的一方变高，在高外气温度时，目标低元侧冷凝温度Tc的一方变低。由此，与目标低元侧冷凝温度Tc之间的相对关系，相对于外气温度变化来说发生变化，所需散热量发生变化。

例如，在低元侧冷凝温度比外气温度低的情况下，如上所述，在辅助散热器15中不进行伴随相变化的冷却，所需散热量降低。而且，辅助散热器15中的散热量即便最大也只能成为以使排出制冷剂保持气体状态地降低到外气温度的方式进行散热的散热量。由此，即使增多辅助散热器15的风量，也不能增加辅助散热器15的散热量。相反地，若不抑制辅助散热器15的风量而使其最佳，则浪费地消耗风扇输入，成为COP降低的原因。因此，以不浪费地使风扇输入增大地在辅助散热器15中对于排出温度的制冷剂将温度降低到外气温度附近的程度，确保辅助散热器15的散热量。像这样通过使辅助散热器15的风量减少而使风扇输入最佳化，能够提高二元制冷装置整体的COP。

另一方面，在低元侧冷凝温度比外气温度高的情况下，在辅助散热器15中进行伴随相变化的冷却，所需散热量增大。此时，伴随所需散热量增大，使辅助散热器15的风量持续增大，从而增大辅助散热器15的散热量，由此，能够提高二元制冷装置整体的COP。

低元侧冷凝温度比外气温度低时，如下地进行相对于所需散热量的变化的辅助散热器15的风量控制。即，以辅助散热器15的出口制冷剂温度和外气温度的温度差成为规定值（这里是2℃左右）的方式进行控制。由此，能够适当地调节辅助散热器15的风量，提高二元制冷装置整体的COP。

如上所述，根据辅助散热器15的风量，适当地控制相对于外气温度的辅助散热器15的散热量，由此能够经过全年地地获得高的节能效果。

在假设将辅助散热器15用于所需散热量小的气体冷却区域的情况下，辅助散热器15的传热面积成为高元侧冷凝器22的传热面积的10～20%左右的充分的大小。另一方面，在假设进行所需散热量大的伴随相变化的散热的情况下，辅助散热器15的传热面积扩大到与高元侧冷凝器22大致相同，大幅度增大辅助散热器15的散热量，由此能够提高二元制冷装置整体的COP。另外，通过使辅助散热器15和高元侧冷凝器22成为相同形状，能够实现零件的通用性，还能够降低成本。

在使辅助散热器15的传热面积与高元侧冷凝器22的大致相同的情况下，伴随所需散热量的增大，使辅助散热器15的风量增大，能够大幅度增大辅助散热器15的散热量。大幅度增大辅助散热器15的散热量时，级联冷凝器C的低元侧冷凝器12中的散热量降低，高元侧的冷却能力也减小。由此，不能通过高元侧的冷却能力促使低元侧冷凝器12的散热来控制低元侧冷凝温度。也就是说，辅助散热器15的散热量大幅度超过低元侧冷凝器12的散热量时，低元侧冷凝温度依赖于辅助散热器15的散热量。

若增大辅助散热器15的风量，则风扇输入增大，但能够使低元侧冷凝温度降低，从而能够减少低元侧压缩机输入。但是，低元侧冷凝温度下降，接近外气温度之后，即使使辅助散热器15的风量增大，低元侧冷凝温度也不降低，从而浪费地消耗风扇输入。因此，在使辅助散热器15的传热面积与高元侧冷凝器22的大致相同的情况下，只要使低元侧冷凝温度成为比外气温度高规定温度（这里是10℃左右）的温度，就能够使低元侧压缩机输入和风扇输入最佳，能够提高二元制冷装置整体的COP。

（本实用新型的特征）

以下，关于本实用新型的特征进行说明。本实用新型是将设置在低元制冷循环10中的辅助散热器15，在二元运转时作为低元侧冷凝器12的辅助进行使用，起到提高运转效率的作用，而在单段运转时将辅助散热器15作为主散热器使用。也就是说，无论在二元运转时还是单段运转时都使用辅助散热器15这点是特征之一。另外，在低外气温度时，切换到与进行二元运转相比COP更高的单段运转。像这样，将二元运转和单段运转切换到COP高的一方来运转这点也是特征之一。而且，当进行单段运转时，将辅助散热器15作为主散热器使用，由此，能够不会像专利文献2那样地切换流路而是能够直接使用低元制冷循环10这点也是特征之一。

本实用新型的二元制冷装置具有以上特征，由此能够得到辅助散热器15的运转效率提高效果，并且能够避免低压缩比运转时的性能降低，经过全年地使用也能够得到节能效果。以下，关于这些方面进行更详细的说明。

以低外气温度使二元制冷装置运转时，高元侧冷凝温度降低，随之，低元侧冷凝温度也降低。在该情况下，低元制冷循环10和高元制冷循环20分别成为低压缩比的运转，压缩机性能降低，并且脱离作为规格规定的运转范围，不能保持可靠性。另外，在低压缩比运转时，相对于低元侧蒸发温度和高元侧冷凝温度的温度差，级联冷凝器C的温度差ΔT（=低元侧冷凝温度-高元侧蒸发温度）的比例变大，从而性能降低的影响变大。

一般来说，压缩机性能根据压缩比和转速而变化。压缩机被设计成在假设使用频率为最高的压缩比下，压缩机性能最大。由此，运转中的压缩比与该压缩比相比变得极小或极大时，性能大幅度降低。

因此，在本实施方式1的二元制冷装置中，为了避免上述性能降低及可靠性降低，进行以下的控制。即，控制装置30在二元运转中，直接继续二元运转时，若判断为外气温度降低到导致COP降低的“规定的外气温度”以下，则使高元制冷循环20停止，仅使低元制冷循环10运转。也就是说，从二元运转切换到单段运转。作为单段运转中的制冷剂的流动，具体来说，将被低元侧压缩机11压缩并排出的制冷剂仅通过辅助散热器15散热并冷却，被辅助散热器15冷却的制冷剂在低元侧膨胀阀13中减压，并在低元侧蒸发器14中蒸发，向低元侧压缩机11回流。此外，关于上述“规定的外气温度”即是否导致COP降低的阈值外气温度在后面进行说明。

如上所述地在低外气温度时，从二元运转切换到单段运转，仅使低元制冷循环10工作，由此，低元侧压缩机11保持适当的压缩比，能够确保性能和可靠性。另外，还能够同时避免二元制冷装置结构方面的特征性问题。即，还能够同时避免由相对于低元侧蒸发温度和高元侧冷凝温度的温度差的、级联冷凝器C的温度差ΔT的比例变大所导致的性能降低的问题。而且，当进行单段运转时，不进行流路变更，直接将辅助散热器15作为主散热器进行利用，从而如上所述地不需要新设置换热器、切换阀、旁通配管等，还能够避免成本增加。因此，能够实现没有成本增加的低外气温度时的运转控制适当化，能够经过全年地实现高的节能性。

以下，关于成为二元运转和单独运转的切换点的阈值外气温度进行说明。

图7是表示图1的二元制冷装置中的单段运转和二元运转（有辅助热散热器）的各自的外气温度-COP特性的图。在图7中，为了进行比较，还示出了不具有辅助散热器15的以往的二元制冷装置的二元运转中的外气温度-COP特性（二元运转（无辅助散热器））。图7是采用固定在某压力值的低压压力Ps及根据外气温度确定的高压压力Pd的情况下的外气温度-COP特性图。

如图7所示，在任意运转中，都示出了随着外气温度上升，也就是说，随着冷却负载变高而COP降低的倾向。而且，单段运转的特性和二元运转（有辅助换热器）的特性交叉的点的温度Tca成为是否导致COP降低的阈值温度。也就是说，外气温度比阈值外气温度Tca高的情况下，二元运转这一方的COP变高，外气温度为阈值外气温度Tca以下的情况下，单段运转这一方的COP变高。因此，在本实施方式1的二元制冷装置中，根据外气温度和阈值外气温度Tca的比较结果，向COP高的一方的运转切换地进行运转。图7的各特性是预先通过实验或模拟求出的，从而能够预先求出阈值外气温度Tca。

此外，在图7中，Tc是二元运转（有辅助散热器）中的目标低元侧冷凝温度，以Tc为界，外气温度为Tc以下时，二元运转（有辅助散热器）中的COP的增加比例变高。这是因为，在外气温度为低元侧冷凝温度Tc以下的情况下，如图5A、图5B说明的那样，低元侧制冷剂能够在辅助散热器15中冷凝，进行伴随相变化的冷却，与没有相变化的冷却相比，散热量变大。而且，如图6说明的那样，越增多辅助散热器15中的散热量，COP越高。由此，对外气温度为低元侧冷凝温度Tc以下的情况和外气温度比低元侧冷凝温度Tc高的情况进行比较时，外气温度为低元侧冷凝温度Tc以下的情况这一方与外气温度比低元侧冷凝温度Tc高的情况相比，COP的增加比例变大。

另外，从单段运转返回二元运转时的切换判断也同样地采用上述阈值外气温度Tca，并选择COP高的运转模式。为了防止切换的屡次发生，使从二元运转向单段运转的切换方向和相反方向的切换迟滞，或者在规定时间内不能切换。阈值外气温度Tca因低元侧蒸发温度而变化，所以也可以通过将低元侧蒸发温度作为变量的近似式或映射设定。

在本实施方式1中，如上所述，低元制冷循环10采用了CO₂制冷剂。在单段运转时，高压压力超过临界压力的情况下，性能大幅度降低。由此，低元制冷循环10采用CO₂制冷剂的情况下的从二元运转向单段运转的切换所使用的阈值外气温度Tca以切换到单段运转之后、高压压力不超过临界压力的方式如下地设定。

作为换热器的设计指导方针的一例，考虑了以冷凝温度比外气温度高10℃左右的方式设计散热器的情况时，低元制冷循环10采用CO₂制冷剂的情况下的从二元运转向单段运转切换所使用的阈值外气温度Tca采用比临界饱和温度即31℃低10℃的21℃。也就是说，在二元运转过程中，外气温度成为21℃以下时，切换到单段运转。另外，从单段运转返回二元运转的定时是在高压侧的制冷剂温度成为临界饱和温度31℃的情况下实施。通过进行这样的切换运转，即使低元制冷循环10采用CO₂制冷剂，在单段运转时，高压压力也不超过临界压力，能够避免大幅度的性能降低。

图8是表示图1的二元制冷装置的运转工作的流程图。图8的流程图的处理是例如以每个控制间隔反复进行。

控制装置30对由外气温度检测构件31检测的外气温度和预先设定的阈值外气温度Tca进行比较（S11）。外气温度为阈值外气温度Tca以下的情况下，控制装置30进行单段运转（S12），外气温度比阈值外气温度Tca高的情况下，控制装置30进行二元运转（S13）。因此，在二元运转过程中，若外气温度为阈值外气温度Tca以下，则从二元运转切换到单段运转，在单段运转过程中，若外气温度比阈值外气温度Tca高，则从单段运转切换到二元运转。

在上述说明中，作为从二元运转向单段运转切换的阈值使用了外气温度，但也可以使用以下的阈值进行切换。

（1）基于压缩比的切换

一般来说，压缩机性能依赖于压缩比，从而也可以根据低元制冷循环10或高元制冷循环20的压缩比来进行运转切换。也就是说，若低元制冷循环10或高元制冷循环20的压缩比是成为切换的阈值的阈值压缩比以下，则进行单段运转，若低元制冷循环10或高元制冷循环20的压缩比比阈值压缩比高，则进行二元运转。阈值压缩比基于压缩机性能或可靠性设定（例如，压缩比2.0）。

因此，在二元运转过程中，若低元制冷循环10或高元制冷循环20的压缩比为阈值压缩比以下，则从二元运转切换到单段运转。由此，能够可靠地防止低压缩比运转的性能降低，还能够防止可靠性降低。另外，在从单段运转向二元运转的相反方向中也同样，在单段运转过程中，若低元制冷循环10的压缩比比阈值压缩比高，则从单段运转切换到二元运转。由此，能够可靠地防止因高压缩比导致的压缩机性能降低。另外，也可以根据二元运转过程中的二元制冷循环整体的压缩比（由低元制冷循环10的蒸发压力和高元制冷循环20的冷凝压力确定的压缩比）来进行运转切换。该情况下，若二元制冷循环整体的压缩比为阈值压缩比（例如，压缩比4.0）以下，则从二元运转切换到单段运转即可。

（2）基于外气温度和低元侧冷凝温度的温度差的切换

低元侧制冷剂使用CO₂的情况下，COP成为最大的目标低元侧冷凝温度Tc比外气温度低，外气温度降低时，在保持该关系的状态下，目标低元侧冷凝温度Tc也降低。也就是说，在保持目标低元侧冷凝温度Tc比外气温度低的状态下，成为随着外气温度降低、目标低元侧冷凝温度Tc也降低的倾向。而且，外气温度和目标低元侧冷凝温度Tc的温度差具有随着外气温度降低而变小这样的关系。因此，外气温度和目标低元侧冷凝温度Tc的温度差比规定值a大的期间，可以进行二元运转，外气温度和目标低元侧冷凝温度Tc的温度差成为规定值a以下时，切换到单段运转。关于这点，使用以下的图9进行说明。

如图9所示，阈值外气温度Tca能够置换成从外气温度减去目标低元侧冷凝温度Tc得到的规定值a。因此，从外气温度减去目标低元侧冷凝温度Tc得到的温度比规定值a高的情况下，以进行二元运转的方式切换运转模式，从外气温度减去目标低元侧冷凝温度Tc得到的温度为规定值a以下的情况下，以进行单段运转的方式切换运转模式即可。

在图9中，示出了存在“外气温度-Tc”降低到负值，也就是说，Tc比外气温度高的温度区域的情况，其理由如下。对于装置来说，根据压缩比的下限值确定。由此，即使外气温度降低，目标低元侧冷凝温度Tc也不会降低到某温度以下。因此，外气温度和Tc的关系颠倒，存在Tc变得比外气温度高的情况。

像这样，基于从外气温度减去目标低元侧冷凝温度Tc得到的温度进行从二元运转向单段运转的切换，也能够可靠地防止性能降低。

（3）基于高压压力的切换（单段运转→二元运转）

从单段运转向二元运转的切换如下所述地进行。即，单段运转中的高压压力Pd超过了从二元运转切换到单段运转之后紧接着的高压压力Pd的情况下，从单段运转切换到二元运转。由此，能够可靠地选择COP高的运转模式。

此外，从单段运转向二元运转的正方向（二元运转→单段运转）的切换所使用的阈值和从二元运转向单段运转的反方向（单段运转→二元运转）的切换所使用的阈值不一定必须限定于相同的阈值，也可以不同。即，也可以是正方向的切换使用上述（1）的阈值外气温度Tca，反方向的切换使用上述（3）的高压压力Pd等。

这里，关于高元侧冷凝器22及辅助散热器15所使用的换热器进行说明。高元侧冷凝器22和辅助散热器15是传热管贯穿平板状的传热翅片而成的板式翅片管式换热器。高元侧冷凝器22及辅助散热器15也可以如图10所示地由共有传热翅片40而成为一体的一体式散热器42构成，也可以分隔传热翅片部分。若传热翅片40被一体化，则在换热器的构造方面，制造变得容易。

图10是表示由一体式散热器构成图1的高元侧冷凝器及辅助散热器的情况下的二元制冷装置的结构的图。

在图10中，43是向使高元侧冷凝器22及辅助散热器15一体化而成的一体式散热器42送风的风机。

辅助散热器15因从低元侧压缩机11排出的高温的排出气体通过而成为高温。因此，在成为高温的辅助散热器15和高元侧冷凝器22之间采用分隔传热翅片的结构的情况下，热绝缘效果变大，能够通过辅助散热器15及高元侧冷凝器22双方更有效率地进行散热。

另外，高元侧冷凝器22及辅助散热器15由一体式散热器42构成的情况下，如图10所示，将辅助散热器15配置在上方部（重力方向的上侧），将高元侧冷凝器22配置在下方部（重力方向的下侧）。通过使成为高温的辅助散热器15成为换热器的上方部侧，辅助散热器15的散热不与高元侧冷凝器22侧干涉。即，被辅助散热器15加热的被热传递流体不向高元侧冷凝器22侧移动，辅助散热器15及高元侧冷凝器22双方能够有效率地散热。

另外，如图10所示地在高元侧冷凝器22和辅助散热器15中共用风机43的情况下，从二元运转切换到单段运转时，在高元侧冷凝器22通风的风量变得无用。因此，也可以如图11所示地构成一体式散热器42。

图11是由一体式散热器构成图1的高元侧冷凝器和辅助散热器的情况下的结构例的说明图。在图11中，用概要图示出了传热翅片部分的结构。

一体式散热器42具有：供空气通过地隔开间隔地配置的多个传热翅片40；贯穿多个传热翅片40的多个传热管41。多个传热管41向与空气通过方向垂直的方向的段方向（图11的上下方向）配置多段，并且在空气通过方向（图11的左右方向）上配置多列。而且，多个传热管41中的构成辅助散热器15的多个传热管41集中在任意一列。通过像这样地构成，即使在单段运转时也能够没有浪费地向辅助散热器15提供风量。其结果，在单段运转时获得大量的风量，能够提高性能。

在气体区域使用辅助散热器15的情况较多，经过一年在外气温度高的地域，为了使二元运转时的COP最大，公知使辅助散热器15的传热面积成为高元侧冷凝器22的传热面积的10～20%左右的大小即可。另一方面，在外气温度低的地域，考虑到包含单段运转的经过一年的节能时，辅助散热器15的传热面积优选采用扩大到与高元侧冷凝器22大致相同的面积，提高低外气温度时的单段运转时的COP。此时，通过使辅助散热器15和高元侧冷凝器22相同，能够实现零件的通用性，还能够降低成本。

在二元运转时，如上所述地将COP成为最大的目标低元侧冷凝温度Tc作为目标运转。低元制冷循环10和高元制冷循环20采用分别不同的制冷剂的情况下，以使理论COP低的制冷剂的压缩比变小、而使理论COP高的制冷剂的压缩比变大的方式，对低元侧冷凝温度设定目标值。由于在低元制冷循环10和高元制冷循环20中，能够使压缩比偏离，所以存在压缩比极小或变大的可能性。尤其，任意一方的制冷循环采用理论COP低的CO₂制冷剂或包含CO₂的混合制冷剂的情况下，压缩比的偏离变得明显。

像这样，由于低元制冷循环10和高元制冷循环20双方的压缩比不会同时变得合适，因此至少任意一方变得压缩机性能降低。因此，在采用不同制冷剂的二元制冷装置中，能够避免低压缩比或高压缩比的性能降低的单段运转尤其有效，能够大幅提高经过全年的节能效果。

尤其，如低元制冷循环10采用CO₂的本实施方式1那样，低元制冷循环10侧采用理论COP低的制冷剂，而高元制冷循环20侧采用理论COP高的制冷剂的情况下，将低元侧的压缩比变小的低元侧冷凝温度作为目标，从而在低外气温度时，低压侧压缩比变得极小。因此，避免因低元侧的压缩比降低所导致的性能降低的低元制冷循环10的单段运转尤其有效，能够大幅提高经过全年的节能效果。

此外，作为理论COP高的制冷剂有例如R32、R410A、R134a、R404A、R407C、HFO1234yf、HFO1234ze、氨、丙烷、异丁烷等。本实用新型包括低元制冷循环10及高元制冷循环20的至少任意一方使用了上述理论COP高的制冷剂的结构。

如上所述，根据本实施方式1，低元制冷循环10具有辅助散热器15，在二元运转中，将辅助散热器15作为低元侧冷凝器12的辅助使用，另一方面，在单段运转中，将辅助散热器15作为主散热器使用。而且，将二元运转和单段运转切换到COP高的一方来进行运转。由此，能够经过全年地实现高的运转效率，能实现节能。另外，在单段运转中，将辅助散热器15作为主散热器使用，由此，能够不进行流路变更地直接使用低元制冷循环10。由此，不需要为进行单段运转而新增设空冷散热器、切换阀、旁通流路，能够实现成本降低。

实施方式2

在本实施方式2的二元制冷装置中，低元制冷循环10采用CO₂，使低元制冷循环10的设计压力为HFC制冷剂同等的设计压力，例如抑制到与R410A相当的4.15MPa左右。

CO₂与以往的R404A或R410A等HFC制冷剂相比，制冷剂工作压力高。由此，假设使用以往的R404A或R410A等HFC制冷剂的情况而设计的低元制冷循环10采用CO₂时，本来需要使用设计压力高的新零件，导致大幅的成本增加。因此，挪用将工作制冷剂作为HFC制冷剂的以往的低元制冷循环的部品，谋求成本降低。由此，在本实施方式2中，不用提高低元制冷循环10的设计压力，将低元制冷循环10的设计压力抑制到HFC制冷剂同等的设计压力即例如与R410A相当的4.15MPa左右。关于能够将低元制冷循环的设计压力抑制到4.15MPa左右的结构，使用后述的图12、图13进行说明。

以下，以实施方式2与实施方式1不同的部分为中心进行说明。此外，关于与实施方式1相同的构成部分所适用的变形例也同样地能够适用于本实施方式2。

这里，首先，在低元制冷循环10采用CO₂的情况下，关于产生提高低元制冷循环10的设计压力的必要性的理由，重新进行说明。

由于在低负载时成为单段运转，所以假设在单段运转中反复进行低元侧压缩机11的启停。低元制冷循环10的低元侧压缩机11停止时，制冷剂被加热到外气温度附近并气化，从而低元制冷循环10内的压力上升。例如，周围温度高，在低元侧压缩机11的停止过程中，制冷剂成为超临界的情况下，依赖于低元制冷循环10内的内容积和封入制冷剂量，但低元制冷循环10内的压力可能超过设计压力。

对于这样的低元制冷循环10停止过程中的压力上升，使高元制冷循环20起动，只要冷却低元制冷循环10就能够解决。但是，高元制冷循环20和低元制冷循环10交替地反复启停时，由于ON/OFF损失的影响而不能节能。另外，不能应对停电时或高元侧压缩机21的故障等异常情况。因此，如图12所示地构成二元制冷装置。

图12是表示本实用新型的实施方式2的二元制冷装置的结构例1的图。在图12中，对于与图1相同的部分标注相同的附图标记。

图12所示的二元制冷装置是在图1的低元制冷循环10的低元侧压缩机11和低元侧蒸发器14之间经由电磁阀33连接膨胀箱32而成的结构。开放电磁阀33使膨胀箱32与低元制冷循环10连通，由此，能够扩大低元制冷循环10的内容积。

在像这样构成的二元制冷装置中，在低元制冷循环10停止时，开放电磁阀33将低元制冷循环10内的制冷剂回收到膨胀箱32。电磁阀33为通电关闭，即使在停电时也开放，从而能够将制冷剂回收到膨胀箱32。像这样能够将低元制冷循环10内的制冷剂回收到膨胀箱32，从而能够防止低元制冷循环10内的压力超过设定压力。

另外，在再起动低元制冷循环10时，以能够将膨胀箱32内的制冷剂回收到低元制冷循环10的方式，将膨胀箱32设置在低压侧，尤其是低元侧压缩机11的吸入部。另外，在电磁阀33开放时，由于能够进行从低元制冷循环10向膨胀箱32的制冷剂回收，所以膨胀箱32内始终保持低压。而且，若膨胀箱32被冷却，则能够进一步促进从低元制冷循环10向膨胀箱32的制冷剂回收。

另外，作为其他结构也可以如图13所示地构成。

图13是表示本实用新型的实施方式2的二元制冷装置的结构例2的图。在图13中，对于与图1相同的部分标注相同的附图标记。

在低元制冷循环10的级联冷凝器C和低元侧膨胀阀13之间的液体配管16的上游设置有第二膨胀阀（第二节流装置）34。通过在液体配管16内成为气液二相，能够削减液体配管16的制冷剂量。由此，削减低元制冷循环10的封入制冷剂量，即使CO₂成为超临界，也能够避免低元制冷循环10内的压力上升到设计压力以上。此外，图13示出了没有膨胀箱32的结构，但也可以具有膨胀箱32。该情况下，通过使用第二膨胀阀34，与图12的结构相比能够减小膨胀箱32的容量，能够实现膨胀箱32的小型化。

图14是表示本实用新型的实施方式2的二元制冷装置中的焓和饱和温度的关系的图。

低元制冷循环10使用CO₂的情况下，二元运转及单段运转都以低元侧冷凝温度成为与设计压力的4.15MPa相当的CO₂饱和温度即8℃以下的方式进行运转。低元制冷循环10使用CO₂的情况下，如上所述地以低元侧冷凝温度比外气温度高10℃左右的方式设计散热器，从而从二元运转向单段运转的切换是在比低元侧冷凝温度低10℃的外气温度即-2℃下进行。也就是说，外气温度为-2℃以下的情况下，进行单段运转，在外气温度比-2℃高的情况下，进行二元运转。

而且，无论二元运转还是单段运转，目标值（低元侧冷凝温度）都如下地设定。即，COP成为最大的目标值（低元侧冷凝温度）为8℃以下的情况下，以成为该目标值的方式进行运转，COP成为最大的目标值（低元侧冷凝温度）比8℃高的情况下，将目标值限制在8℃地进行运转。

如上所述，根据本实施方式2，能够得到与实施方式1相同的效果，并且在上述低元制冷循环10中设置膨胀箱32，或者根据由第二膨胀阀34的液管二相化产生的封入制冷剂量减少，能够得到以下效果。即，即使高元制冷循环20停止，采用了CO₂的低元制冷循环10的压力也能够抑制到HFC制冷剂相当的设计压力4.15MPa以下，能够挪用以往的HFC制冷机零件。因此，能够实现成本降低。而且，在低负载时的单段运转过程中，即使屡次发生启停，也能够使高元制冷循环20始终停止，从而能够避免ON/OFF的损失，并能够得到节能效果。

工业实用性

本实施方式1、2的二元制冷装置还能够广泛地适用于要求制冷剂的无氟利昂化、氟利昂制冷剂的削减、设备的节能化的展柜、工业用冰箱、自动售货机等冷藏或制冷设备。

附图标记的说明

10低元制冷循环，11低元侧压缩机，12低元侧冷凝器，13低元侧膨胀阀（低元侧节流装置），14低元侧蒸发器，15辅助散热器，16液体配管，20高元制冷循环，21高元侧压缩机，22高元侧冷凝器，23高元侧膨胀阀（高元侧节流装置），24高元侧蒸发器，25高元侧冷凝器风扇，30控制装置，31外气温度检测构件，32膨胀箱，33电磁阀（通电关闭），34第二膨胀阀（第二节流装置），40传热翅片，41传热管，42一体式散热器，43风机，C级联冷凝器。

Claims

1.一种二元制冷装置，其特征在于，具有：

高元制冷循环，其通过配管连接高元侧压缩机、高元侧冷凝器、高元侧节流装置及高元侧蒸发器，而使制冷剂循环；

低元制冷循环，其通过配管串联地连接低元侧压缩机、辅助散热器、低元侧冷凝器、低元侧节流装置及低元侧蒸发器，而使制冷剂循环；

级联冷凝器，其具有所述高元侧蒸发器及所述低元侧冷凝器，并进行在所述高元制冷循环中流动的制冷剂和在所述低元制冷循环中流动的制冷剂之间的热交换；

控制装置，其构成为将二元运转和单段运转切换到这些运转中的COP高的一方来进行运转，所述二元运转使所述高元制冷循环及所述低元制冷循环双方运转，所述单段运转使所述高元制冷循环停止，使所述低元制冷循环运转，

所述低元制冷循环和所述高元制冷循环所使用的制冷剂相互不同。

2.如权利要求1所述的二元制冷装置，其特征在于，

所述高元侧冷凝器及所述辅助散热器分别是向外气散热的换热器，

所述控制装置构成为在所述二元运转中的外气温度为成为COP的大小辨别的阈值的阈值外气温度以下的情况下，进行从所述二元运转向所述单段运转的切换。

3.如权利要求1所述的二元制冷装置，其特征在于，所述控制装置在所述二元运转中的所述低元制冷循环或所述高元制冷循环的压缩比为成为COP的大小辨别的阈值的阈值压缩比以下的情况下，进行从所述二元运转向所述单段运转的切换。

4.如权利要求1所述的二元制冷装置，其特征在于，所述控制装置在由所述二元运转中的所述低元制冷循环的蒸发压力和所述高元制冷循环的冷凝压力确定的压缩比为成为COP的大小辨别的阈值的阈值压缩比以下的情况下，进行从所述二元运转向所述单段运转的切换。

5.如权利要求1～4中任一项所述的二元制冷装置，其特征在于，所述高元侧冷凝器及所述辅助散热器分别是向外气散热的换热器，所述控制装置在所述单段运转中的外气温度比成为COP的大小辨别的阈值的阈值外气温度高的情况下，进行从所述单段运转向所述二元运转的切换。

6.如权利要求1～4中任一项所述的二元制冷装置，其特征在于，所述控制装置在所述单段运转中的所述低元制冷循环的压缩比比成为COP大小辨别阈值的阈值压缩比高的情况下，进行从所述单段运转向所述二元运转的切换。

7.如权利要求1～4中任一项所述的二元制冷装置，其特征在于，所述控制装置在所述单段运转中的所述低元制冷循环的冷凝压力即高压压力超过从所述二元运转向所述单段运转切换时的所述低元制冷循环的冷凝压力即高压压力的情况下，进行从所述单段运转向所述二元运转的切换。

8.如权利要求1～4中任一项所述的二元制冷装置，其特征在于，

所述高元侧冷凝器及所述辅助散热器成为一体而构成一体式散热器，

所述二元制冷装置具有向所述一体式散热器输送空气的风机。

9.如权利要求8所述的二元制冷装置，其特征在于，

所述一体式散热器具有：以供空气通过的方式隔开间隔地配置的多个传热翅片；贯穿所述多个传热翅片的多个传热管，

所述多个传热管向与空气通过方向垂直的方向的段方向配置多段、且在所述空气通过方向上配置多列，所述多个传热管中的构成所述辅助散热器的多个所述传热管集中在任意一列。

10.如权利要求1～4中任一项所述的二元制冷装置，其特征在于，所述高元侧冷凝器和所述辅助散热器是相同的传热面积。

11.如权利要求1～4中任一项所述的二元制冷装置，其特征在于，所述高元制冷循环使用效率比所述低元制冷循环所使用的制冷剂高的制冷剂。

12.如权利要求1～4中任一项所述的二元制冷装置，其特征在于，所述低元制冷循环及所述高元制冷循环的至少任意一方使用CO₂制冷剂或含有CO₂的混合制冷剂。

13.如权利要求12所述的二元制冷装置，其特征在于，所述低元制冷循环及所述高元制冷循环的至少任意一方使用R32、R410A、R134a、R404A、R407C、HFO1234yf、HFO1234ze、氨、丙烷、异丁烷中的任意的制冷剂或混合制冷剂。

14.如权利要求1～4中任一项所述的二元制冷装置，其特征在于，

所述低元制冷循环使用CO₂制冷剂，

所述控制装置构成为使所述单段运转中的所述低元制冷循环的冷凝压力即高压压力成为临界压力以下。

15.如权利要求1～4中任一项所述的二元制冷装置，其特征在于，

所述低元制冷循环使用CO₂制冷剂，

所述控制装置在所述二元运转中的外气温度为21℃以下的情况下，进行从所述二元运转向所述单段运转的切换。

16.如权利要求1～4中任一项所述的二元制冷装置，其特征在于，

所述低元制冷循环使用CO₂制冷剂，

在所述低元制冷循环中设置有膨胀箱。

17.如权利要求1～4中任一项所述的二元制冷装置，其特征在于，

所述低元制冷循环使用CO₂制冷剂，

在所述低元侧冷凝器和所述低元侧节流装置之间的液体配管的上游设置有第二节流装置，通过所述液体配管的制冷剂为气液二相制冷剂。