(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷凍庫の内部に設けられ、ケーシング、該ケーシングの内部に高低差をもって配置された熱交換管、及び前記熱交換管の下方に設けられたドレン受け部を有する冷却器と、
ＣＯ２冷媒を冷却液化するように構成された冷凍機と、
前記冷凍機で冷却液化したＣＯ２冷媒を前記熱交換管に循環させるための冷媒回路と
を有する冷凍装置のデフロストシステムであって、
前記熱交換管の入口路及び出口路の間に接続され、前記熱交換管を含むＣＯ２循環路を形成するためのバイパス管と、
前記熱交換管の入口路及び出口路に設けられ、デフロスト時に閉じて前記ＣＯ２循環路を閉回路とするための開閉弁と、
デフロスト時に前記閉回路を循環するＣＯ２冷媒を圧力調整するための圧力調整部と、
第１加熱媒体であるブラインが循環し、前記冷却器の内部で前記熱交換管に隣接配置され、前記熱交換管の下部領域に前記ブラインで前記熱交換管を循環するＣＯ２冷媒を加熱する第１熱交換部を形成する第１導設路を含むブライン回路と、を備え、
デフロスト時に前記閉回路でＣＯ２冷媒をサーモサイフォン作用により自然循環させるようにしたことを特徴とする冷凍装置のデフロストシステム。
【請求項２】
前記第１導設路は前記冷却器の内部で前記熱交換管の下部領域のみに配設され、
前記冷却器の内部に導設された前記第１導設路の全域で前記第１熱交換部を形成するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置のデフロストシステム。
【請求項３】
前記第１導設路は前記冷却器の内部で高低差をもって配置され、かつ前記ブラインが下方から上方へ流れるように構成され、
前記第１導設路の上下方向中間位置に流量調整弁が設けられ、該流量調整弁より上流側の前記第１導設路で前記第１熱交換部が形成されることを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置のデフロストシステム。
【請求項４】
前記圧力調整部は、前記熱交換管の出口路に設けられた圧力調整弁であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の冷凍装置のデフロストシステム。
【請求項５】
前記圧力調整部は、前記第１熱交換部に流入する前記ブラインの温度を調整して前記閉回路を循環するＣＯ２冷媒の圧力を調整するものであることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の冷凍装置のデフロストシステム。
【請求項６】
前記ブライン回路は前記ドレン受け部に導設された第２導設路を含むことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の冷凍装置のデフロストシステム。
【請求項７】
前記第１導設路と前記第２導設路とを並列又は直列に接続可能にするための流路切替部をさらに備えていることを特徴とする請求項６に記載の冷凍装置のデフロストシステム。
【請求項８】
前記ブライン回路の入口及び出口に夫々設けられ、前記入口及び前記出口を流れる前記ブラインの温度を検出するための第１温度センサ及び第２温度センサをさらに備えていることを特徴とする請求項１乃至７に記載の冷凍装置の昇華デフロストシステム。
【請求項９】
前記冷凍機は、
ＮＨ３冷媒が循環し冷凍サイクル構成機器が設けられた一次冷媒回路と、
ＣＯ２冷媒が循環し、前記冷却器に導設されると共に、前記一次冷媒回路とカスケードコンデンサを介して接続された二次冷媒回路と、
前記二次冷媒回路に設けられ、前記カスケードコンデンサで液化されたＣＯ２冷媒を貯留するためのＣＯ２受液器、及び該ＣＯ２受液器に貯留されたＣＯ２冷媒を前記冷却器に送るＣＯ２液ポンプと
を有していることを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置のデフロストシステム。
【請求項１０】
前記冷凍機は、
ＮＨ３冷媒が循環し冷凍サイクル構成機器が設けられた一次冷媒回路と、
前記ＣＯ２冷媒が循環し、前記冷却器に導設されると共に、前記一次冷媒回路とカスケードコンデンサを介して接続され、冷凍サイクル構成機器が設けられた二次冷媒回路とを有するＮＨ３／ＣＯ２二元冷凍機であることを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置のデフロストシステム。
【請求項１１】
前記一次冷媒回路に前記冷凍サイクル構成機器の一部として設けられた凝縮器に導設された冷却水回路をさらに備え、
第２加熱媒体は前記冷却水回路を循環し前記凝縮器で加熱された冷却水であり、
第２熱交換部は、
前記冷却水回路及び前記ブライン回路が導設され、前記冷却水回路を循環し前記凝縮器で加熱された冷却水と前記ブライン回路を循環するブラインとを熱交換するための熱交換器で構成されていることを特徴とする請求項９又は１０に記載の冷凍装置のデフロストシステム。
【請求項１２】
前記一次冷媒回路に前記冷凍サイクル構成機器の一部として設けられた凝縮器に導設された冷却水回路をさらに備え、
第２加熱媒体は前記冷却水回路を循環し前記凝縮器で加熱された冷却水であり、
第２熱交換部は、
前記冷却水回路を循環する冷却水を散布水と熱交換させて冷却するための冷却塔と、
前記散布水を導入し該散布水と前記ブライン回路を循環するブラインとを熱交換するための加熱塔と、で構成されていることを特徴とする請求項９又は１０に記載の冷凍装置のデフロストシステム。
【請求項１３】
ケーシング、該ケーシングの内部に上下方向に高低差をもって配置された熱交換管、及び該熱交換管の下方に設けられたドレンパンを有する冷却器と、
前記熱交換管の入口路及び出口路の間に接続され、前記熱交換管を含むＣＯ２循環路を形成するためのバイパス管と、
前記熱交換管の入口路及び出口路に設けられ、デフロスト時に閉じて前記ＣＯ２循環路を閉回路とするための開閉弁と、
デフロスト時に前記閉回路を循環するＣＯ２冷媒を圧力調整するための圧力調整弁と、
第１加熱媒体であるブラインが循環し、前記冷却器の内部で前記熱交換管に隣接配置され、前記熱交換管の下部領域に前記ブラインで前記熱交換管を循環するＣＯ２冷媒を加熱する第１熱交換部を形成する第１導設路、及び前記ドレンパンに導設された第２導設路を含むブライン回路と、
前記第１導設路と前記第２導設路とを並列又は直列に接続可能にするための流路切替部と、を備えていることを特徴とする冷却ユニット。
【請求項１４】
前記第１導設路は前記熱交換管の下部領域のみに配設され、
前記冷却器の内部に導設された前記第１導設路の全域で前記第１熱交換部を形成するようにしたことを特徴とする請求項１３に記載の冷却ユニット。
【請求項１５】
前記第１導設路は前記冷却器の内部で高低差をもって配置され、かつ前記ブラインが下方から上方へ流れるように構成され、
前記第１導設路の上下方向中間位置に流量調整弁が設けられていることを特徴とする請求項１３に記載の冷却ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、冷凍庫内に設けられた冷却器にＣＯ２冷媒を循環させて冷凍庫内を冷却する冷凍装置に適用され、該冷却器に設けられた熱交換管に付着した霜を除去するためのデフロストシステム、及び該デフロストシステムに適用可能な冷却ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
オゾン層破壊防止や温暖化防止等の観点から、室内の空調や食品などの冷凍に用いる冷凍装置の冷媒として、ＮＨ３やＣＯ２等の自然冷媒が見直されている。そこで、冷却性能は高いが毒性があるＮＨ３を一次冷媒とし、無毒及び無臭のＣＯ２を二次冷媒とした冷凍装置が広く用いられつつある。【０００３】
前記冷凍装置は、一次冷媒回路と二次冷媒回路とをカスケードコンデンサで接続し、該カスケードコンデンサでＮＨ３冷媒とＣＯ２冷媒との熱の授受を行う。ＮＨ３冷媒によって冷却され液化したＣＯ２冷媒は冷凍庫の内部に設けられた冷却器に送られる。冷却器に設けられた伝熱管を介して冷凍庫内の空気を冷却する。そこで一部が気化したＣＯ２冷媒は、二次冷媒回路を介してカスケードコンデンサに戻り、カスケードコンデンサで再冷却され液化される。
冷凍装置の運転中、冷却器に設けられた熱交換管には霜が付着し、熱伝達効率が低下するので、定期的に冷凍装置の運転を中断させ、デフロストする必要がある。【０００４】
従来、冷却器に設けられた熱交換管のデフロスト方法は、熱交換管に散水したり、熱交換管を電気ヒータで加熱する等の方法を行っている。しかし、散水によるデフロストは新たな霜発生源を作り出すものであり、電気ヒータによる加熱は貴重な電力を消費するという点で省エネに反している。特に、散水によるデフロストは、大容量の水槽と大口径の給水配管及び排水配管が必要となるため、プラント施工コストの増加を招く。【０００５】
特許文献１及び２には、かかる冷凍装置のデフロストシステムが開示されている。特許文献１に開示されたデフロストシステムは、ＮＨ３冷媒に生じる発熱によりＣＯ２冷媒を気化させる熱交換器を設け、該熱交換器で生成されるＣＯ２ホットガスを冷却器内の熱交換管に循環させ除霜するものである。
特許文献２に開示されたデフロストシステムは、ＮＨ３冷媒の排熱を吸収した冷却水でＣＯ２冷媒を加熱する熱交換器を設け、加熱されたＣＯ２冷媒を冷却器内の熱交換管に循環させ除霜するものである。【０００６】
特許文献３には、冷却器に冷却用チューブとは別個独立に加熱用チューブを設け、デフロスト運転時に該加熱用チューブに温水や温ブラインを流して前記冷却用チューブに付着した霜を溶解、除去する手段が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−１８１０９３号公報
【特許文献２】特開２０１３−１２４８１２号公報
【特許文献３】特開２００３−３２９３３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１及び２に開示されたデフロストシステムは、冷却システムとは別系統のＣＯ２冷媒やＮＨ３冷媒の配管を現地で施工する必要があり、プラント施工コストの増加を招くおそれがある。また、前記熱交換器は冷凍庫の外部に別置きで設置されるため、熱交換器を設置するための余分なスペースが必要となる。
特許文献２のデフロストシステムにおいては、熱交換管のサーマルショック（急激な加熱・冷却）を防ぐために加圧・減圧調整手段が必要になる。また、冷却水とＣＯ２冷媒とを熱交換する熱交換器の凍結防止のため、デフロスト運転終了後に熱交換器の冷却水を抜く操作が必要となり、操作が煩雑となる等の問題がある。【０００９】
特許文献３に開示されたデフロスト手段は、冷却用チューブを外側からプレートフィンなどを介して加熱するため、熱伝達効率は高くならないという問題がある。
また、ＮＨ３冷媒が循環し、冷凍サイクル構成機器を有する一次冷媒回路と、ＣＯ２冷媒が循環し、該一次冷媒回路とカスケードコンデンサを介して接続されると共に、冷凍サイクル構成機器を有する二次冷媒回路とからなる二元冷凍機では、二次冷媒回路に高温高圧のＣＯ２ガスが存在する。そのため、ＣＯ２ホットガスを冷却器の熱交換管に循環させるデフロストが可能になる。しかしながら、切替え弁や分岐配管等を設けることによる装置の複雑化及び高コスト化や、高元／低元のヒートバランスに起因する制御系の不安定化が課題となっている。【００１０】
本発明は、前記問題点に鑑みなされたものであり、ＣＯ２冷媒を用いた冷凍装置において、冷凍庫などの冷却空間に設けられた冷却器のデフロストに要するイニシャルコスト及びランニングコストの低減と省エネを可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の少なくとも一実施形態に係るデフロストシステムは、
（１）冷凍庫の内部に設けられ、ケーシング、該ケーシングの内部に高低差をもって配置された熱交換管、及び前記熱交換管の下方に設けられたドレン受け部を有する冷却器と、
ＣＯ２冷媒を冷却液化するように構成された冷凍機と、
前記冷凍機で冷却液化したＣＯ２冷媒を前記熱交換管に循環させるための冷媒回路と
を有する冷凍装置のデフロストシステムであって、
前記熱交換管の入口路及び出口路の間に接続され、前記熱交換管を含むＣＯ２循環路を形成するためのバイパス管と、
前記熱交換管の入口路及び出口路に設けられ、デフロスト時に閉じて前記ＣＯ２循環路を閉回路とするための開閉弁と、
デフロスト時に前記閉回路を循環するＣＯ２冷媒を圧力調整するための圧力調整部と、
第１加熱媒体であるブラインが循環し、前記冷却器の内部で前記熱交換管に隣接配置され、前記熱交換管の下部領域に前記ブラインで前記熱交換管を循環するＣＯ２冷媒を加熱する第１熱交換部を形成する第１導設路を含むブライン回路と、を備え、
デフロスト時に前記閉回路でＣＯ２冷媒をサーモサイフォン作用により自然循環させるようにしている。【００１２】
前記構成（１）において、デフロスト時に前記開閉弁を閉じることで、前記閉回路が形成され、前記閉回路は前記バイパス路を除き前記冷却器の内部に設けられた前記熱交換管で構成される。前記閉回路内のＣＯ２冷媒は、前記圧力調整部によって冷凍庫の庫内空気に存在する水蒸気の氷点（例えば０℃）より高温の凝縮温度となるように圧力調整されると共に、前記熱交換管の下部領域に形成された第１熱交換部でブラインによって加熱され気化する。気化したＣＯ２冷媒は、冷凍庫の庫内空気に存在する水蒸気の氷点より高温となる。また、気化したＣＯ２冷媒の保有熱で熱交換管の下部領域の霜が融解される。【００１３】
閉回路内で気化したＣＯ２冷媒ガスは、サーモサイフォン作用により閉回路を上昇し、閉回路の上部領域において熱交換管の外表面に付着した霜をその凝縮潜熱で融解する。閉回路の上部領域でＣＯ２冷媒は霜に熱を放出して液化し、液化したＣＯ２冷媒液は重力で閉回路を前記第１熱交換部まで下降する。第１熱交換部まで下降したＣＯ２冷媒液はブラインで加熱されて気化し上昇する。
このように、閉回路内のＣＯ２冷媒はサーモサイフォン作用によって自然循環しながら熱交換管の外表面に付着した霜を融解する。【００１４】
ここで、「冷凍庫」とは冷蔵庫その他冷却空間を形成するものをすべて含むものであり、ドレン受け部とは、ドレンパンを含み、ドレンを受けて貯留可能な機能を有するものすべてを含んでいる。
また、前記熱交換管の入口路及び出口路とは、前記冷却器のケーシングの隔壁付近から前記ケーシングの外側であって前記冷凍庫の内部に設けられる熱交換管の範囲を言う。【００１５】
従来のデフロスト方式は、特許文献３に開示されているように、プエートフィンなどを通した外部からの熱伝導によりブラインの保有熱を熱交換管（外表面）に伝達しているため、熱伝達効率が高くならない。
これに対し、前記構成（１）によれば、庫内空気中の水蒸気の氷点を超えた凝縮温度を有するＣＯ２冷媒の凝縮潜熱を用い、熱交換管の内部から管壁を介して熱交換管の外表面に付着した霜を除去するので、霜への熱伝達量を増加できる。【００１６】
また、従来のデフロスト方式では、デフロストの初期に投入された熱量が冷却器内全域のＣＯ２冷媒液の蒸発に費やされるため熱効率が低下する。これに対し、前記構成（１）によれば、デフロスト時に形成される閉回路は他の部位との熱の授受が遮断されるため、閉回路内の熱エネルギが外部に放散されず、省エネ可能なデフロストを実現できる。
また、熱交換管及びバイパス路で形成される閉回路で、サーモサイフォン作用を利用してＣＯ２冷媒を自然循環させるようにしているので、閉回路の全領域で熱交換管に付着した霜を融解できると共に、ＣＯ２冷媒を循環させるポンプ動力が不要になり、さらなる省エネが可能になる。【００１７】
デフロスト運転時のＣＯ２冷媒の温度を庫内水蒸気の氷点に近い温度に保持するほど、モヤの発生を抑制できると共に、ＣＯ２冷媒の圧力を低減できる。そのため、前記閉回路を構成する配管及び弁類を低圧仕様とすることができ、さらなる低コスト化が可能になる。
また、前記第１導設路を熱交換管の上部領域に配設しないので、冷却器の内部で空気流を形成するためのファンの動力を低減できる。また、上部領域の余ったスペースに熱交換管を余分に設けることで、冷却器の冷却能力を高めることができる。【００１８】
なお、ブラインの加熱源として、例えば、冷凍機を構成する圧縮機から吐出された高温高圧の冷媒ガス、工場の温排水、ボイラから発せられる熱又はオイルクーラの保有熱を吸収した媒体等、任意の加熱媒体を用いることができる。
これによって、工場の余剰排熱をブラインを加熱する熱源として利用できる。【００１９】
幾つかの実施形態では、前記構成（１）において、
（２）前記第１導設路は前記冷却器の内部で前記熱交換管の下部領域のみに配設され、
前記冷却器の内部に導設された前記第１導設路の全域で前記第１熱交換部を形成するようにしている。
前記構成（２）によれば、前記熱交換管の下部領域のみに配設される第１導設路で第１熱交換部を形成するため、冷却器の内部でファンなどによって形成される空気流の圧力損失を低減できる。そのため、ファンなどの空気流形成装置の動力を低減できる。
また、熱交換管の上部領域では第１導設路を設けない分熱交換管を余分に設けることができ、冷却器の冷却能力を高めることができる。【００２０】
幾つかの実施形態では、前記構成（１）において、
（３）前記第１導設路は前記冷却器の内部で高低差をもって配置され、かつ前記ブラインが下方から上方へ流れるように構成され、
前記第１導設路の上下方向中間位置に流量調整弁が設けられ、該流量調整弁より上流側の前記第１導設路で前記第１熱交換部が形成される。
前記構成（３）によれば、前記流量調整弁でブラインの流量を絞り、前記第１導設路の上部領域に流入するブラインの流量を制限することで、前記第１熱交換部の形成を前記熱交換管の下部領域のみに制限できる。
そのため、特許文献３に開示された冷却器のように、温ブラインなどが循環する加熱チューブが熱交換管の上下方向全域に配設された既存の冷却器であっても、熱交換管に流量調整弁を付設するだけの簡単な改造によって、前記閉回路でＣＯ２冷媒をサーモサイフォン作用によって自然循環させるようにした省エネ及び低コストなデフロストが可能になる。【００２１】
幾つかの実施形態では、前記構成（１）〜（３）の何れかにおいて、
（４）前記圧力調整部は、前記熱交換管の出口路に設けられた圧力調整弁である。
前記構成（４）によれば、前記圧力調整部を簡易かつ低コスト化できる。前記閉回路のＣＯ２冷媒が設定圧力を超えたとき、ＣＯ２冷媒の一部は前記圧力調整弁を通して冷媒回路に戻され、閉回路は設定圧力を維持する。【００２２】
（５）幾つかの実施形態では、前記構成（１）〜（３）の何れかにおいて、
前記圧力調整部は、前記第１熱交換部に流入する前記ブラインの温度を調整して前記閉回路を循環するＣＯ２冷媒の圧力を調整するものである。
前記構成（４）では、前記ブラインで閉回路内のＣＯ２冷媒を加熱することで、閉回路内のＣＯ２冷媒の圧力を高める。
前記構成（４）によれば、冷却器毎に圧力調整部を設ける必要がなく、１個の圧力調整部で済むので低コスト化できると共に、前記閉回路の圧力調整を冷凍庫の外部から行うことができ、閉回路の圧力調整が容易になる。【００２３】
幾つかの実施形態では、前記構成（１）〜（５）の何れかにおいて、
（６）前記ブライン回路は前記ドレン受け部に導設された第２導設路を含んでいる。
前記構成（６）によれば、前記第２導設路をドレン受け部に導設することで、デフロスト時にドレン受け部に付着した霜をブラインの熱で除去することができる。そのため、ドレンパンに除霜用加熱器を別に付設する必要がなく低コスト化できる。【００２４】
幾つかの実施形態では、前記構成（６）において、
（７）前記第１導設路と前記第２導設路とを並列又は直列に接続可能にするための流路切替部をさらに備えている。
前記構成（６）によれば、前記第１導設路と前記第２導設路とを直列に接続すれば、これらを流れるブラインの流量を増加できるので、保有熱の利用率を向上できる。また、第１導設路と第２導設路とを並列に接続すれば、これらを流れるブラインの流量及び温度の設定可能な範囲を広げることができる。【００２５】
幾つかの実施形態では、前記構成（１）〜（７）の何れかにおいて、
（８）前記ブライン回路の入口及び出口に夫々設けられ、前記入口及び前記出口を流れる前記ブラインの温度を検出するための第１温度センサ及び第２温度センサをさらに備えている。
前記構成（８）において、前記２つの温度センサの検出値の差が小さくなった時はデフロストがほぼ完了したことを示している。霜に対する加熱方式がブラインによる顕熱加熱であるため、ＣＯ２冷媒による潜熱加熱と異なり、前記検出値の差を求めることで、デフロスト運転終了のタイミングを正確に判定できる。
そのため、冷凍庫内の過剰な加熱や過剰な加熱による水蒸気拡散を防ぐことができるので、さらなる省エネを達成できると共に、庫内温度を安定化でき、冷凍庫に保冷された食品の品質向上を実現できる。【００２６】
幾つかの実施形態では、前記構成（１）において、
（９）前記冷凍機は、
ＮＨ３冷媒が循環し冷凍サイクル構成機器が設けられた一次冷媒回路と、
ＣＯ２冷媒が循環し、前記冷却器に導設されると共に、前記一次冷媒回路とカスケードコンデンサを介して接続された二次冷媒回路と、
前記二次冷媒回路に設けられ、前記カスケードコンデンサで液化されたＣＯ２冷媒を貯留するためのＣＯ２受液器、及び該ＣＯ２受液器に貯留されたＣＯ２冷媒を前記冷却器に送るＣＯ２液ポンプとを有している。【００２７】
前記構成（９）によれば、ＮＨ３及びＣＯ２の自然冷媒を用いた冷凍機であるので、オゾン層破壊防止や温暖化防止等に寄与できる。また、冷却性能は高いが毒性があるＮＨ３を一次冷媒とし、無毒かつ無臭のＣＯ２を二次冷媒としているので、室内の空調や食品などの冷凍に用いることができる。【００２８】
幾つかの実施形態では、前記構成（１）において、
（１０）前記冷凍機は、
ＮＨ３冷媒が循環し冷凍サイクル構成機器が設けられた一次冷媒回路と、
前記ＣＯ２冷媒が循環し、前記冷却器に導設されると共に、前記一次冷媒回路とカスケードコンデンサを介して接続され、冷凍サイクル構成機器が設けられた二次冷媒回路と、を有するＮＨ３／ＣＯ２二元冷凍機である。
前記構成（１０）によれば、自然冷媒を用いることで、オゾン層破壊防止や温暖化防止等に寄与できると共に、二元冷凍機であるため、冷凍機の冷却能力を増大でき、かつＣＯＰ（成績系数）を向上させることができる。【００２９】
幾つかの実施形態では、前記構成（９）又は（１０）において、
（１１）前記一次冷媒回路に前記冷凍サイクル構成機器の一部として設けられた凝縮器に導設された冷却水回路をさらに備え、
第２加熱媒体は前記冷却水回路を循環し前記凝縮器で加熱された冷却水であり、
第２熱交換部は、
前記冷却水回路及び前記ブライン回路が導設され、前記冷却水回路を循環し前記凝縮器で加熱された冷却水と前記ブライン回路を循環するブラインとを熱交換するための熱交換器で構成されている。
【００３０】
前記構成（１１）によれば、凝縮器で加熱された冷却水でブラインを加熱できるので、冷凍装置外の加熱源が不要になる。
また、デフロスト時に前記ブラインで冷却水の温度を低下できるので、冷凍運転時のＮＨ３冷媒の凝縮温度を下げ、冷凍機のＣＯＰを向上できる。
さらに、前記冷却水回路が凝縮器と冷却塔との間に配設される例示的な実施形態では、前記第２熱交換部を冷却塔内に設けることもでき、これによって、デフロストに使用される装置の設置スペースを縮小できる。【００３１】
幾つかの実施形態では、前記構成（９）又は（１０）において、
（１２）前記一次冷媒回路に前記冷凍サイクル構成機器の一部として設けられた凝縮器に導設された冷却水回路をさらに備え、
前記第２加熱媒体は前記冷却水回路を循環し前記凝縮器で加熱された冷却水であり、
前記第２熱交換部は、
前記冷却水回路を循環する冷却水を散布水と熱交換させて冷却するための冷却塔と、
前記散布水を導入し該散布水と前記ブライン回路を循環するブラインとを熱交換するための加熱塔とで構成されている。
前記構成（１２）によれば、加熱塔を冷却塔と一体にすることで、第１の熱交換部の設置スペースを縮小できる。【００３２】
本発明の少なくとも一実施形態に係る冷却ユニットは、
（１３）ケーシング、該ケーシングの内部に上下方向に高低差をもって配置された熱交換管、及び該熱交換管の下方に設けられたドレンパンを有する冷却器と、
前記熱交換管の入口路及び出口管の間に接続され、前記熱交換管を含むＣＯ２循環路を形成するためのバイパス管と、
前記熱交換管の入口路及び出口路に設けられ、デフロスト時に閉じて前記ＣＯ２循環路を閉回路とするための開閉弁と、
デフロスト時に前記閉回路を循環するＣＯ２冷媒を圧力調整するための圧力調整弁と、
第１加熱媒体であるブラインが循環し、前記冷却器の内部で前記熱交換管の下部領域に隣接配置され、前記熱交換管の下部領域に前記ブラインで前記熱交換管を循環するＣＯ２冷媒を加熱する第１熱交換部を形成する第１導設路、及び前記ドレンパンに導設された第２導設路を含むブライン回路と、
前記第１導設路と前記第２導設路とを並列又は直列に接続可能にするための流路切替部
と、を備えている。【００３３】
前記構成（１３）を備えた冷却ユニットを用いることで、冷凍庫へのデフロスト装置付き冷却器の取付けが容易になると共に、前記閉回路を循環するＣＯ２冷媒の蒸発潜熱を利用した省エネかつ低コストなデフロストが可能になる。
また、この冷却ユニットの各部品を一体に組立てておくことで、さらに冷凍庫への取付けが容易になる。【００３４】
幾つかの実施形態では、前記構成（１３）において、
（１４）前記第１導設路は前記熱交換管の下部領域のみに配設され、
前記冷却器の内部に導設された前記第１導設路の全域で前記第１熱交換部を形成するようにしている。
前記構成（１４）によれば、第１導設路を熱交換管の下部領域のみに配設することで、
冷却器の内部に空気流を形成するためのファンなどの空気流形成装置の動力を低減できる簡素な構成の冷却ユニットとすることができる。【００３５】
幾つかの実施形態では、前記構成（１３）において、
（１５）前記第１導設路は前記冷却器の内部で高低差をもって配置され、かつ前記ブラインが下方から上方へ流れるように構成され、
前記第１導設路の上下方向中間位置に流量調整弁が設けられている。
前記構成（１５）において、デフロスト運転時に前記流量調整弁の開度を絞ることで、熱交換管の下部領域に前記第２の熱交換部を形成できる。
前記構成（１５）によれば、熱交換管のほぼ全域に第１導設路を設けた既存のデフロスト装置付き冷却器を簡単に改造するだけで、省エネかつ低コストなデフロストが可能なデフロスト装置付き冷却ユニットを実現できる。【００３６】
なお、前記構成（１３）〜（１５）の何れかにおいて、前記ドレンパンに補助加熱用電気ヒータをさらに付設することができる。
これによって、ドレンパンに落下した溶解水の再凍結抑制効果を向上できると共に、ドレンパンに導設された前記第２導設路を流れるブラインの補助的に加熱できるデフロスト装置付き冷却器の組立が容易になる。
【発明の効果】
【００３７】
本発明の少なくとも一実施形態によれば、冷却器に設けられた熱交換管を内部からＣＯ２冷媒でデフロストすることで、冷凍装置のデフロストに要するイニシャルコスト及びランニングコストの節減と省エネを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】一実施形態に係る冷凍装置の全体構成図である。
【図２】一実施形態に係る冷凍装置の冷却器の断面図である。
【図３】一実施形態に係る冷凍装置の冷却器の断面図である。
【図４】一実施形態に係る冷凍装置の全体構成図である。
【図５】一実施形態に係る冷凍装置の冷却器の断面図である。
【図６】一実施形態に係る冷凍装置の全体構成図である。
【図７】一実施形態に係る冷凍装置の全体構成図である。
【図８】一実施形態に係る冷凍機の系統図である。
【図９】一実施形態に係る冷凍機の系統図である。
【図１０】一実施形態に係る冷凍装置の実験結果を示す線図である。
【図１１】一実施形態に係る冷凍装置の実験結果を示す線図である。
【図１２】一実施形態に係る冷凍装置の実験結果を示す線図である。
【図１３】一実施形態に係る冷凍装置の実験結果を示す線図である。
【図１４】一実施形態に係る冷凍装置の実験結果を示す線図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一つの構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
【００４０】
図１〜図７は、本発明の幾つかの実施形態に係る冷凍装置１０Ａ〜１０Ｄのデフロストシステムを示している。図１及び図２は冷凍装置１０Ａを示し、図４及び図５は冷凍装置１０Ｂを示し、図６は冷凍装置１０Ｃを示し、図７は冷凍装置１０Ｄを示している。
冷凍装置１０Ａ〜１０Ｄは、冷凍庫３０ａ及び３０ｂの内部に夫々設けられる冷却器３３ａ及び３３ｂと、ＣＯ２冷媒を冷却液化する冷凍機１１Ａ及び１１Ｂと、該冷凍機で冷却液化したＣＯ２冷媒を冷却器３３ａ及び３３ｂに循環させる冷媒回路（二次冷媒回路１４が相当）とを備えている。冷却器３３ａ及び３３ｂはケーシング３４ａ及び３４ｂと該ケーシングの内部に上下方向に高低差をもって配設された熱交換管４２ａ及び４２ｂと、熱交換管４２ａ及び４２ｂの下方に設けられたドレンパン５０ａ及び５０ｂとを有している。
【００４１】
図２、図３及び図５に示すように、冷却器３３ａ及び３３ｂの例示的な構成では、ケーシング３４ａに通風用の開口が形成され、該開口にファン３５ａが設けられている。ファン３５ａの稼働によりケーシング３４ａの内外に流通する庫内空気ｃの空気流が形成される。熱交換管４２ａは、例えば、水平方向及び上下方向に蛇行形状で配置される。熱交換管４２ａの入口管４２ｃ及び出口管４２ｄにはへッダ４３ａ及び４３ｂが設けられている。
ここで、「入口管４２ｃ」及び「出口管４２ｄ」とは、冷却器３３ａ及び３３ｂのケーシング３４ａ及び３４ｂの隔壁付近から該ケーシングの外側であって、冷凍庫３０ａ及び３０ｂの内部に設けられる熱交換管４２ａ及び４２ｂの範囲を言う。
なお、図２及び図５に示す冷却器３３ａは、通風用開口がケーシング３４ａの上面及び側面（不図示）に形成され、庫内空気ｃは該側面から流入し、該上面から流出する。
図３に示す冷却器３４ａは、通風用開口が両側の側面に形成され、庫内空気ｃは該両側面から出入りする。
【００４２】
冷凍装置１０Ａ〜１０Ｃを構成する冷凍機１１Ａ及び冷凍装置１０Ｄを構成する冷凍機１１Ｂは、ＮＨ３冷媒が循環し、冷凍サイクル構成機器が設けられた一次冷媒回路１２と、ＣＯ２冷媒が循環し、冷却器３３ａ及び３３ｂまで延設される二次冷媒回路１４とを有している。二次冷媒回路１４は一次冷媒回路１２とカスケードコンデンサ２４を介して接続される。
一次冷媒回路１２に設けられた冷凍サイクル構成機器は、圧縮機１６、凝縮器１８、ＮＨ３受液器２０、膨張弁２２及びカスケードコンデンサ２４からなる。
二次冷媒回路１４には、カスケードコンデンサ２４で液化されたＣＯ２冷媒液が一時貯留されるＣＯ２受液器３６と、ＣＯ２受液器３６に貯留されたＣＯ２冷媒液を熱交換管４２ａ及び４２ｂに循環させるＣＯ２液ポンプ３８とが設けられている。
【００４３】
また、カスケードコンデンサ２４とＣＯ２受液器３６との間にＣＯ２循環路４４が設けられている。ＣＯ２受液器３６からＣＯ２循環路４４を介してカスケードコンデンサ２４に導入されたＣＯ２冷媒ガスは、カスケードコンデンサ２４でＮＨ３冷媒によって冷却され液化してＣＯ２受液器３６に戻る。
【００４４】
冷凍機１１Ａ及び１１Ｂは、ＮＨ３及びＣＯ２の自然冷媒を用いているので、オゾン層破壊防止や温暖化防止等に寄与できる。また、冷却性能は高いが毒性があるＮＨ３を一次冷媒とし、毒性がないＣＯ２を二次冷媒としているので、室内の空調や食品などの冷凍に用いることができる。
【００４５】
冷凍装置１０Ａ〜１０Ｄにおいて、二次冷媒回路１４は、冷凍庫３０ａ及び３０ｂの外部でＣＯ２分岐回路４０ａ及び４０ｂに分岐し、ＣＯ２分岐回路４０ａ及び４０ｂは、ケーシング３４ａ及び３４ｂの外側に導設された熱交換管４２ａ及び４２ｂの入口管４２ｃ及び出口管４２ｄに、接続部４１を介し接続されている。
冷凍庫３０ａ及び３０ｂの内部で入口管４２ｃ及び出口管４２ｄに電磁開閉弁５４ａ及び５４ｂが設けられ、電磁開閉弁５４ａ及び５４ｂと冷却器３３ａ及び３３ｂの間の入口管４２ｃ及び出口管４２ｄにバイパス管５２ａ及び５２ｂが接続されている。バイパス管５２ａ及び５２ｂには電磁開閉弁５３ａ及び５３ｂが設けられている。熱交換管４２ａ、４２ｂ及びバイパス管５２ａ、５２ｂによってＣＯ２循環路が形成され、デフロスト時に電磁開閉弁５４ａ及び５４ｂを閉じ、電磁開閉弁５３ａ及び５３ｂを開くことで、前記ＣＯ２循環路は閉回路となる。
【００４６】
デフロスト時に前記閉回路を循環するＣＯ２冷媒の圧力を調整する圧力調整部が設けられる。
冷凍装置１０Ａ、１０Ｂ及び１０Ｄにおいて、圧力調整部４５ａ及び４５ｂは、熱交換管４２ａ及び４２ｂの出口管４２ｄに電磁開閉弁５４ａ及び５４ｂと並列に設けられた圧力調整弁４８ａ及び４８ｂと、圧力調整弁４８ａ及び４８ｂの上流側の出口管４２ｄに設けられた圧力センサ４６ａ及び４６ｂと、圧力センサ４６ａ及び４６ｂの検出値が入力される制御装置４７ａ及び４７ｂとで構成されている。
冷凍運転時、電磁開閉弁５４ａ及び５４ｂは開き、電磁開閉弁５３ａ及び５３ｂは閉じるように制御され、デフロスト時、電磁開閉弁５４ａ及び５４ｂは閉じ、電磁開閉弁５３ａ及び５３ｂは開くように制御される。
制御装置４７ａ及び４７ｂは圧力調整弁４８ａ及び４８ｂの開度を制御して閉回路を循環するＣＯ２冷媒の圧力を制御する。即ち、ＣＯ２冷媒の凝縮温度が庫内空気ｃに含まれる水蒸気の氷点（例えば０℃）より高くなるようにＣＯ２冷媒の圧力を制御する。閉回路内のＣＯ２冷媒が設定圧力を超えたとき、ＣＯ２冷媒の一部は圧力調整弁４８ａ及び４８ｂを通して二次冷媒回路１４に戻され、閉回路は設定圧力を維持する。
【００４７】
冷凍装置１０Ｃでは、前記圧力調整部は圧力調整部７１で構成される。圧力調整部７１は、ブライン回路（復路）６０で温度センサ７６の下流に設けられた三方弁７１ａと、三方弁７１ａと温度センサ７６の上流側のブライン回路（往路）６０とに接続されたバイパス路７１ｂと、温度センサ７４で検出されたブラインの温度が入力され、この入力値が設定温度となるように三方弁７１ａを制御する制御装置７１ｃとで構成されている。制御装置７１ｃは、ブライン分岐路６１ａ及び６１ｂに供給されるブラインの温度を設定値（例えば、１０〜１５℃）に制御する。
【００４８】
加熱媒体であるブラインが循環するブライン回路６０（破線表示）は、冷凍庫３０ａ及び３０ｂの外部でブライン分岐回路６１ａ及び６１ｂ（破線表示）に分岐する。ブライン分岐回路６１ａ及び６１ｂは冷凍庫３０ａ及び３０ｂの外部で接続部６２を介してブライン分岐回路６３ａ、６３ｂ及び６４ａ、６４ｂに接続されている。ブライン分岐回路６３ａ及び６３ｂ（破線表示）は冷却器３３ａ及び３３ｂの内部に導設され、該冷却器の内部で熱交換管４２ａ及び４２ｂに隣接配置される。そして、熱交換管４２ａ及び４２ｂの下部領域にブライン分岐回路６３ａ及び６３ｂを循環するブラインで熱交換管４２ａ及び４２ｂを循環するＣＯ２冷媒を加熱する第１熱交換部を形成している。
ここで、冷却器３３ａ及び３３ｂの内部に配設されたブライン分岐回路６３ａ及び６３ｂを「第１導設路」と言う。
【００４９】
冷凍装置１０Ａ、１０Ｃ及び１０Ｄでは、前記第１導設路は冷却器３３ａ及び３３ｂの内部で熱交換管４２ａ及び４２ｂの下部領域に配設されている。例えば、第１導設路は、高さにして熱交換管４２ａ及び４２ｂの配置領域の１／３〜１／５の高さの下部領域に配置する。
図４に示す冷凍装置１０Ｂでは、前記第１導設路は冷却器３３ａ及び３３ｂの内部で熱交換管４２ａ及び４２ｂの全域に高低差をもって配置され、かつブラインが下方から上方へ流れるように構成されている。そして、ブライン分岐回路６３ａ及び６３ｂの上下方向中間位置に流量調整弁８０ａ及び８０ｂが設けられ、該流量調整弁より上流側（下方領域）の第１導設路で熱交換部が形成される。
【００５０】
図２は、冷凍装置１０Ａ、１０Ｃ及び１０Ｄに設けられた冷却器３３ａの構成を示す。
熱交換管４２ａの下部領域で、ブライン分岐回路６３ａは、例えば熱交換管４２ａと同様に、水平方向及び上下方向に高低差を有して蛇行形状に配置されている。
例示的な構成として、ドレンパン５０ａはドレンの排水のため、水平方向に対して傾斜しており、下方端にドレン排出管５１ａが設けられている。熱交換管４２ａは冷却器３３ａの入口及び出口にヘッダ４３ａ及び４３ｂを有している。
ブライン分岐回路６３ａには冷却器３３ａの入口及び出口にヘッダ７８ａ及び７８ｂが設けられている。ブライン分岐回路６４ａはドレンパン５０ａの背面に沿いドレンパン５０ａに隣接して設けられ、かつ蛇行形状に形成されている。
【００５１】
また、熱交換管４２ａ及びブライン分岐回路６３ａは並列に並べられた多数のプレートフィン７７ａによって互いに近接した状態で支持される。
熱交換管４２ａ及びブライン分岐回路６３ａはプレートフィン７７ａに形成された多数の孔に嵌挿され、プレートフィン７７ａによって支持され、プレートフィン７７ａを介して熱交換管４２ａ及びブライン分岐回路６３ａ間の熱伝達が促進される。
冷凍装置１０Ａ、１０Ｃ及び１０Ｄに設けられる冷却器３３ｂも同様の構成を有している。
【００５２】
図５は冷凍装置１０Ｂに設けられる冷却器３３ａの構成を示している。
ブライン分岐回路６３ａは熱交換管４２ａの高さ方向及び水平方向の全域に蛇行形状で配置される。そして、ブライン分岐回路６３ａの上下方向中間位置に流量調整弁８０ａが設けられている。冷凍装置１０Ｂの冷却器３３ｂも同様の構成を有している。
冷凍運転時、ファン３５ａによって、冷却器３３ａで冷却された庫内空気ｃを冷凍庫３２ａの内部に拡散している。
なお、図２及び図５において、後述する流路切換部６９ａの図示は省略されている。
【００５３】
ブライン分岐回路６４ａ及び６４ｂ（破線表示）は、冷凍庫３０ａ及び３０ｂの内部でドレンパン５０ａ及び５０ｂの背面に導設されている。
ここで、ドレンパン５０ａ及び５０ｂの背面に導設されたブライン分岐回路６４ａ及び６４ｂを「第２導設路」と言う。
デフロスト時に、ブライン分岐回路６４ａ及び６４ｂを循環するブラインの熱で、ドレンパン５０ａ及び５０ｂに落ちたドレンの再凍結を抑制できる。
【００５４】
冷凍装置１０Ａ〜１０Ｄは、前記第１導設路と前記第２導設路とを並列又は直列に接続可能にするための流路切換部６９ａ及び６９ｂをさらに備えている。
流路切換部６９ａ及び６９ｂは、ブライン分岐回路６３ａ、６３ｂ及び６４ａ、６４ｂ間に接続されたバイパス管６５ａ、６５ｂと、該バイパス管に設けられた流量調整弁６８ａ、６８ｂと、ブライン分岐回路６３ａ、６３ｂ及び６４ａ、６４ｂに夫々設けられた流量調整弁６６ａ、６６ｂ及び６７ａ、６７ｂとで構成されている。
ブライン分岐回路６３ａ、６３ｂ及び６４ａ、６４ｂを直列に接続する場合、流量調整弁６８ａ、６８ｂを開放し、流量調整弁６６ａ、６６ｂ及び６７ａ、６７ｂを閉鎖する。
ブライン分岐回路６３ａ、６３ｂ及び６４ａ、６４ｂを並列に接続する場合、流量調整弁６８ａ及び６８ｂを閉鎖し、流量調整弁６６ａ、６６ｂ及び６７ａ、６７ｂを開放する。
【００５５】
冷凍装置１０Ａ〜１１Ｄには、ブライン回路６０の往路及び復路に温度センサ７４及び７６が設けられている。
冷凍装置１０Ａ〜１０Ｃでは、ブライン回路６０の往路にブラインを貯留するレシーバ（開放型ブライン槽）７０及びブラインポンプ７２が設けられている。
冷凍装置１０Ｄでは、レシーバ７０の代わりに、圧力変動の吸収及びブラインの流量調整等のために膨張タンク９２が設けられている。
【００５６】
冷凍装置１０Ａ〜１０Ｄには、第２加熱媒体とブラインとを熱交換させる第２熱交換部が設けられている。
例えば、冷凍機１１Ａでは、凝縮器１８に冷却水回路２８が導設されている。冷却水回路２８には冷却水ポンプ５７を有する冷却水分岐回路５６が分岐し、冷却水分岐回路５６は前記第１の熱交換部に相当する熱交換器５８に導設されている。他方、ブライン回路６０が熱交換器５８に導設される。
冷却水回路２８を循環する冷却水は、凝縮器１８でＮＨ３冷媒によって加熱される。加熱された冷却水は、前記第２加熱媒体として、デフロスト時に熱交換器５８においてブライン回路６０を循環するブラインを加熱する。
【００５７】
例えば、冷却水分岐回路５６に導入される冷却水の温度が２０〜３０℃であれば、この冷却水でブラインを１５〜２０℃に加熱できる。
ブラインとして、例えば、エチレングリコール、プロピレングリコール等の水溶液を用いることができる。
他の実施形態では、前記加熱媒体として、前記冷却水以外に、例えば、圧縮機１６から吐出された高温高圧のＮＨ３冷媒ガス、工場の温排水、ボイラから発せられる熱又はオイルクーラの保有熱を吸収した媒体等、任意の加熱媒体を用いることができる。
【００５８】
冷凍機１１の例示的な構成では、冷却水回路２８は凝縮器１８と密閉式冷却塔２６との間に設けられる。冷却水は冷却水ポンプ２９によって冷却水回路２８を循環する。凝縮器１８でＮＨ３冷媒の排熱を吸収した冷却水は、密閉式冷却塔２６で外気と接触し水の蒸発潜熱によって冷却される。
密閉式冷却塔２６は、冷却水回路２８に接続された冷却コイル２６ａと、外気ａを冷却コイル２６ａに通風させるファン２６ｂと、冷却コイル２６ａに冷却水を散布する散水管２６ｃ及びポンプ２６ｄを有している。散水管２６ｃから散布される冷却水の一部は蒸発しその蒸発潜熱を利用して冷却コイル２６ａを流れる冷却水を冷却する。
【００５９】
図７に示す冷凍機１１Ｂでは、密閉式冷却塔２６と密閉式加熱塔９１とが一体になった密閉式冷却加熱ユニット９０が設けられている。本実施形態における密閉式冷却塔２６は冷却水回路２８を循環する冷却水を散布水と熱交換させて冷却するものであり、その構成は、前記実施形態の密閉式冷却塔２６と同一である。
この実施形態では、ブライン回路６０は密閉式加熱塔９１に導設されている。密閉式加熱塔９１は、密閉式冷却塔２６で冷却水回路２８を循環する冷却水の冷却に供された散布水を導入し、該散布水とブライン回路６０を循環するブラインとを熱交換する。
【００６０】
密閉式加熱塔９１は、ブライン回路６０に接続された加熱コイル９１ａと、冷却コイル９１ａに冷却水を散布する散水管９１ｃ及びポンプ９１ｄを有している。密閉式冷却塔２６の内部と密閉式加熱塔９１の内部とは共有ハウジングの下部で連通している。
一次冷媒回路１２を循環するＮＨ３冷媒の排熱を吸収した散布水は、散水管９１ｃから冷却コイル９１ａに散布され、ブライン回路６０を循環するブラインを加熱する加熱媒体となる。
【００６１】
また、図４及び図５に示す冷凍装置１０Ｂの例示的な構成では、ドレンパン５０ａの背面に近接して、補助加熱用電気ヒータ８２ａが付設される。
【００６２】
冷凍装置１０Ａ、１０Ｃ及び１０Ｄでは、冷凍庫３０ａ及び３０ｂの内部に設けられる冷却ユニット３１ａ及び３１ｂが形成される。
ＣＯ２分岐回路４０ａ及び４０ｂは、冷凍庫３０ａ及び３０ｂの外部で接続部４１を介して夫々熱交換管４２ａ及び４２ｂに接続される。ブライン分岐回路６１ａ及び６１ｂは、冷凍庫３０ａ及び３０ｂの外部で接続部６２を介して冷凍庫３０ａ及び３０ｂの内部に設けられるブライン分岐回路６３ａ、６３ｂ及び６４ａ、６４ｂに接続される。
冷却ユニット３１ａ及び３１ｂは、冷却器３３ａ及び３３ｂと、熱交換管４２ａ及び４２ｂ及びこれらの入口管４２ｃ及び出口管４２ｄと、熱交換管４２ａ及び４２ｂの下部領域に配設されたブライン分岐回路６３ａ及び６３ｂと、ブライン分岐回路６４ａ及び６４ｂと、流路切換部６９ａ及び６９ｂと、これらに付属する機器類とで形成される。
冷却ユニット３１ａ及び３１ｂを構成する前記部品は予め一体に形成することができる。
【００６３】
図３に示す冷凍装置１０Ｂでは、冷却ユニット３２ａ及び３２ｂが形成されている。冷却ユニット３２ａ及び３２ｂは、熱交換管４２ａ及び４２ｂが配置された上下方向及び水平方向の全領域に配設されたブライン分岐回路６３ａ及び６３ｂを有し、かつドレンパン５０ａ及び５０ｂの背面に補助加熱用電気ヒータ９４ａが設けられた点で、冷却ユニット３１ａ及び３１ｂと異なり、その他は冷却ユニット３１ａ及び３１ｂと同一の機器を有する。
冷却ユニット３２ａ及び３２ｂを構成する前記部品は予め一体に形成することができる。
【００６４】
かかる構成において、冷凍運転時、電磁開閉弁５４ａ及び５４ｂは開放されると共に、電磁開閉弁５３ａ及び５３ｂは閉鎖される。この状態で、ＣＯ２冷媒はＣＯ２分岐回路４０ａ、４０ｂ及び熱交換管４２ａ、４２ｂを循環する。冷凍庫３０ａ及び３０ｂの内部でファン３５ａ及び３５ｂによって、冷却器３３ａ及び３３ｂの内部を通る庫内空気ｃの循環流が形成される。庫内空気ｃは熱交換管４２ａ及び４２ｂを循環するＣＯ２冷媒により冷却され、庫内は例えば−２５℃の低温に保持される。
【００６５】
デフロスト時、電磁開閉弁５４ａ及び５４ｂは閉鎖され、電磁開閉弁５３ａ及び５３ｂは開放され、熱交換管４２ａ及び４２ｂとバイパス管５２ａ及び５２ｂとで構成されたＣＯ２循環路は閉回路となる。そして、ブライン分岐回路６３ａ、６３ｂ及び６４ａ、６４ｂに例えば＋１５℃の温ブラインを循環させる。
冷凍装置１０Ａ、１０Ｂ及び１０Ｄでは、制御装置４７ａ及び４７ｂで圧力調整弁４８ａ及び４８ｂの開度を制御し、前記閉回路を循環するＣＯ２冷媒の圧力を昇圧することで、ＣＯ２冷媒が庫内空気ｃに含まれる水蒸気の氷点を超える凝縮温度（例えば＋５℃／４．０ＭＰａ）を有するようにする。
冷凍装置１０Ｃでは、圧力調整部７１によって熱交換管４２ａ及び４２ｂに流入するブラインの温度を設定温度（例えば１０〜１５℃）にすることで、前記閉回路内のＣＯ２冷媒が庫内空気ｃに含まれる水蒸気の氷点を超える凝縮温度を有するようにする。
【００６６】
冷凍装置１０Ａ、１０Ｃ及び１０Ｄでは、熱交換管４２ａ及び４２ｂの下部領域に形成された第１熱交換部において、ＣＯ２冷媒はブラインで加熱されて気化する。気化したＣＯ２冷媒は、冷凍庫の庫内空気に存在する水蒸気の氷点より高温となる。また、気化したＣＯ２冷媒の保有熱で下部領域の熱交換管４２ａ及び４２ｂの外表面に付着した霜が融解される。気化したＣＯ２冷媒はサーモサイフォン作用によって熱交換管４２ａ及び４２ｂの上部領域に上昇する。
上昇したＣＯ２冷媒は凝縮潜熱（＋５℃／４．０ＭＰａにおいて２１９ｋＪ／ｋｇ）で熱交換管外表面の着霜を融解し、ＣＯ２冷媒自体は液化する。液化したＣＯ２冷媒は重力で熱交換管４２ａ及び４２ｂを下降し、下部領域でブラインの熱により再び気化する。
こうして、ループ型サーモサイフォンが作動し、ＣＯ２冷媒は前記閉回路を自然循環する。
【００６７】
霜が融解したドレンはドレンパン５０ａ及び５０ｂに落ち、ドレン排出管５１ａ及び５１ｂから排出される。ドレンはブライン分岐回路６３ａ及び６３ｂを循環するブラインの保有熱によって再凍結するのを防止される。該ブラインの保有熱でドレンパン５０ａ及び５０ｂの加熱・除霜も可能になる。
【００６８】
冷凍装置１０Ｂでは、デフロスト時に流量調整弁８０ａ及び８０ｂを絞り、ブラインの流量を制限することで、流量調整弁８０ａ及び８０ｂより上流側領域（下方領域）のみにＣＯ２冷媒とブラインとを熱交換させる熱交換部を形成できる。そのため、前記上流側領域でＣＯ２冷媒の気化と着霜の融解が起り、気化したＣＯ２冷媒は流量調整弁８０ａ及び８０ｂの下流側領域（上方領域）に上昇する。そして、前記上流側領域でＣＯ２冷媒の凝縮潜熱で着霜が融解し、かつＣＯ２冷媒の液化が起る。
従って、閉回路となった熱交換管４２ａ及び４２ｂの内部でサーモサイフォン作用によりＣＯ２冷媒が自然循環し、循環するＣＯ２冷媒により着霜を融解させることができる。
【００６９】
ブライン分岐回路６３ａ、６３ｂ及び６４ａ、６４ｂは流路切換部６９ａ及び６９ｂによって並列又は直列に切り替えられる。
温度センサ７４及び７６の検出値の差が縮小し、温度差が閾値（例えば２〜３℃）に達した時、霜のデフロストが完了したと判定し、デフロスト運転を終了する。
【００７０】
本発明の幾つかの実施形態によれば、デフロスト時にＣＯ２冷媒の蒸発潜熱を利用し、熱交換管４２ａ及び４２ｂの着霜を内部から管壁を通して除去するので、霜への熱伝達量を増加できる。
また、デフロスト中、前記閉回路を循環するＣＯ２冷媒は他の部位との熱の授受が遮断されるので、閉回路内の熱エネルギが外部に放散されず、省エネ可能なデフロストを実現できる。
また、デフロスト時形成される閉回路で、サーモサイフォン作用を利用してＣＯ２冷媒を自然循環させるようにしているので、ＣＯ２冷媒を循環させるポンプ動力が不要になり、さらなる省エネが可能になる。
【００７１】
また、デフロスト運転時のＣＯ２冷媒の温度を庫内空気ｃに含まれる水蒸気の氷点に近い温度に保持するほど、モヤの発生を抑制できると共に、ＣＯ２冷媒の圧力を低減できる。そのため、前記閉回路を構成する配管及び弁類を低圧仕様とすることができ、さらなる低コスト化が可能になる。
また、図２、図３及び図５に示す冷却器３３ａの構成によれば、熱交換管４２ａ、４２ｂ及びブライン分岐回路６４ａ、６４ｂを多数のプレートフィン７７ａで支持したので、プレートフィン７７ａを介した熱伝達により、熱交換管４２ａ及び４２ｂとブライン分岐回路６３ａ及び６３ｂとの間の熱伝達量を増加できる。
【００７２】
冷凍装置１０Ａ、１０Ｃ及び１０Ｄによれば、ブライン分岐回路６３ａ及び６３ｂを熱交換管４２ａ及び４２ｂの下部領域のみに配設するので、ファン３５ａ及び３５ｂによって形成される空気流の圧力損失を低減でき、ファン３５ａ及び３５ｂの動力を低減できる。また、空いた上部領域のスペースに熱交換管４２ａ及び４２ｂを余分に配設できるため、ＣＯ２冷媒による冷却効果を高めることができる。
また、冷凍装置１０Ｂによれば、ブライン分岐回路６３ａ及び６３ｂを熱交換管４２ａ及び４２ｂの配置領域全体に配置するので、既存の冷却器に流量調整弁８０ａ及び８０ｂを設けるだけの簡単な改造で、前記閉回路を循環するＣＯ２冷媒の蒸発潜熱を利用した省エネ及び低コストなデフロストが可能になる。
【００７３】
冷凍装置１０Ａ、１０Ｂ及び１０Ｄによれば、圧力調整部４５ａ及び４５ｂを設けることで、圧力調整部を簡易かつ低コスト化できる。
冷凍装置１０Ｂによれば、圧力調整部７１を設けることで、冷却器毎に圧力調整部を設ける必要がなく、１個の圧力調整部で済むので低コスト化できると共に、デフロスト時、前記閉回路の圧力調整を冷凍庫３０ａ及び３０ｂの外部から行うこと圧力調整部７１Ｇできるので、デフロスト運転が容易になる。
また、ドレンパン５０ａ及び５０ｂの背面にブライン分岐回路６４ａ及び６４ｂを導設したことで、ドレンパン５０ａ及び５０ｂに落下した融解水はブラインの保有熱によって再凍結するのを防止でき、同時に該ブラインの保有熱でドレンパン５０ａ及び５０ｂの加熱・除霜も可能になる。そのため、ドレンパン５０ａ及び５０ｂに加熱器を別途付設する必要がなく低コスト化できる。
【００７４】
幾つかの実施形態によれば、流路切換部６９ａ及び６９ｂを備え、ブライン分岐回路６３ａ、６３ｂ及び６４ａ、６４ｂを並列及び直列に接続可能としたので、直列とすれば、これらブライン分岐回路を流れるブラインの流量を増加できるので、保有熱の利用率を向上できる。また、並列に接続すれば、これらを流れるブラインの流量及び温度の設定可能な範囲を広げることができる。
幾つかの実施形態によれば、温度センサ７４及び７６の検出値の差を把握することで、デフロスト運転終了のタイミングを的確に判定できる。そのため、冷凍庫内の過剰な加熱や過剰な加熱による水蒸気拡散を防ぐことができ、さらなる省エネを達成できると共に、庫内温度を安定化でき、冷凍庫に保冷された食品の品質向上を実現できる。
【００７５】
冷凍機１１Ａを備えた実施形態によれば、冷凍機１１Ａの凝縮器１８で加熱された冷却水でブラインを加熱できるので、冷凍装置外の加熱源が不要になる。
また、デフロスト運転時にブラインで冷却水の温度を低下できるので、冷凍運転時のＮＨ３冷媒の凝縮温度を下げ、冷凍機のＣＯＰを向上できる。
さらに、冷却水回路２８が凝縮器１８と冷却塔２６との間に配設される例示的な構成では、熱交換器５８を冷却塔内に設けることもできる。これによって、デフロストのために使用される装置の設置スペースを縮小できる。
【００７６】
冷凍機１１Ｂを備えた実施形態によれば、密閉式冷却塔２６及び密閉式加熱塔９１を一体にした密閉式冷却加熱ユニット９０を備えているので、第１の熱交換部の設置スペースを縮小できる。
また、密閉式冷却塔２６と連結された密閉式加熱塔９１を用いることによって、外気からの採熱も可能となる。冷凍装置１０Ｂが空冷方式の場合は、加熱塔単独で外気を熱源とすることができる。
なお、密閉式冷却加熱ユニット９０に組み込まれた密閉式冷却塔２６は、複数台を横方向に並列に連結して設置するようにしてもよい。
【００７７】
図４及び図５に示す冷凍装置１０Ｂによれば、ドレンパン５０ａ及び５０ｂに補助加熱用電気ヒータ９４ａを設けているので、ドレンパン５０ａ及び５０ｂの加熱効果を高め、ドレンパンに落下した溶解水の再凍結を抑制できる。また、ドレンパン５０ａ及び５０ｂに導設されたブライン分岐回路６３ａ及び６３ｂを循環するブラインを補助的に加熱できる。
【００７８】
冷凍装置１０Ａ、１０Ｃ及び１０Ｄによれば、冷却ユニット３１ａ及び３１ｂを形成することで、冷却器３３ａ、３３ｂ及びそのデフロスト装置の取り付けが容易になると共に、閉回路を循環するＣＯ２冷媒の蒸発潜熱を利用した省エネかつ低コストなデフロストが可能になる。
また、冷却ユニット３１ａ及び３１ｂを構成する各部品を一体に組立てておけば、冷却ユニットの取り扱いが容易になる。
【００７９】
冷凍装置１０Ｂによれば、冷却ユニット３２ａ及び３２ｂを形成することで、熱交換管４２ａ及び４２ｂのほぼ全域にブライン分岐回路６４ａ及び６４ｂを設けた既存のデフロスト装置付き冷却器を簡単に改造するだけで、省エネかつ低コストなデフロストが可能なデフロスト装置付き冷却ユニットを実現できる。
また、冷却ユニット３２ａに電気ヒータ８２ａを付設することで、ドレンパン５０ａ及びブライン分岐回路６３ａを循環するブラインの加熱効果を高めることができる。
なお、冷却ユニット３２ａ及び３２ｂでは、補助加熱用電気ヒータ８２ａを取り付けなくてもよい。
また、前記各実施形態は、冷凍装置の目的及び用途に応じて適宜組み合わせることができる。
【００８０】
図８は本発明に適用可能な冷凍機の別な実施形態を示す。冷凍機１１Ｃは、ＮＨ３冷媒が循環する一次冷媒回路１２に低段圧縮機１６ｂ及び高段圧縮機１６ａが設けられ、低段圧縮機１６ｂと高段圧縮機１６ａの間の一次冷媒回路１２に中間冷却器８４が設けられている。凝縮器１８の出口で一次冷媒回路１２から分岐路１２ａが分岐し、分岐路１２ａに中間膨張弁８６が設けられている。
分岐路１２ａを流れるＮＨ３冷媒は中間膨張弁８６で膨張して冷却し、中間冷却器８４に導入される。中間冷却器８４で、低段圧縮機１６ｂから吐出されたＮＨ３冷媒は分岐路１２ａから導入されたＮＨ３冷媒で冷却される。中間冷却器８４を設けることで、冷凍機１１ＢのＣＯＰを向上できる。
【００８１】
カスケードコンデンサ２４でＮＨ３冷媒と熱交換して冷却液化されたＣＯ２冷媒液は、ＣＯ２受液器３６に貯留され、その後、ＣＯ２受液器３６からＣＯ２液ポンプ３８で冷凍庫３０の内部に設けられた冷却器３３に循環される。
【００８２】
図９に本発明に適用可能な冷凍機のさらに別な実施形態を示す。冷凍機１１Ｄは二元冷凍サイクルを構成している。一次冷媒回路１２に高元圧縮機８８ａ及び膨張弁２２ａが設けられている。一次冷媒回路１２とカスケードコンデンサ２４を介して接続された二次冷媒回路１４には、低元圧縮機８８ｂ及び膨張弁２２ｂが設けられている。
冷凍機１１Ｄは、一次冷媒回路１２及び二次冷媒回路１４で夫々機械圧縮式冷凍サイクルを構成した二元冷凍機であるため、冷凍機のＣＯＰを向上できる。
【００８３】
図１０〜図１４は、ブライン分岐回路６３ａ及び６３ｂを循環するブラインの温度が＋１５℃であり、流路切換部６９ａ及び６９ｂを直列に接続してデフロスト運転を行った実験データである。図１０は冷却器内ＣＯ２冷媒の圧力変化を示し、図１１は温ブラインの送り温度、戻り温度及び両者の差の変化を示し、図１２は各所の温度変化を示し、図１３は冷媒路内ＣＯ２冷媒の圧力変化と排水増分との関係を示し、図１４霜が融解して生じる排水量の変化を示している。
【００８４】
図１０及び図１２から、デフロスト運転開始後、熱交換管４２ａ及び４２ｂ内のＣＯ２冷媒の昇圧と共に、熱交換管４２ａ及び４２ｂのヘッダやベンド部の温度が、運転開始後１０〜１５分で０℃より高温に上昇することが確認できた。
また、図１３及び図１４に示すように、熱交換管４２ａ及び４２ｂ内のＣＯ２冷媒の昇圧と共に、熱交換管４２ａ及び４２ｂの外表面で霜の融解が開始されたのを確認できた。
また、図１１から、デフロスト運転の経過と共に、温ブラインの送り温度と戻り温度との差が縮まっていくことが確認でき、前記差を検出することで、デフロスト運転の完了時を把握できることを確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明によれば、ＣＯ２冷媒を用いた冷凍装置において、冷凍庫などの冷却空間に設けられた冷却器のデフロストに要するイニシャルコスト及びランニングコストの低減と省エネを実現できる。
【符号の説明】
【００８６】
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ    冷凍装置
１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ    冷凍機
１２              一次冷媒回路
１４              二次冷媒回路
１６              圧縮機
１６ａ            高段圧縮機
１６ｂ            低段圧縮機
１８              凝縮器
２０              ＮＨ３受液器
２２、２２ａ、２２ｂ    膨張弁
２４              カスケードコンデンサ
２６              密閉式冷却塔
２８              冷却水回路
２９、５７        冷却水ポンプ
３０、３０ａ、３０ｂ    冷凍庫
３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂ    冷却ユニット
３３、３３ａ、３３ｂ    冷却器
３４ａ、３４ｂ    ケーシング
３５ａ、３５ｂ    ファン
３６              ＣＯ２受液器
３８              ＣＯ２液ポンプ
４０ａ、４０ｂ    ＣＯ２分岐回路
４１，６２        接続部
４２ａ、４２ｂ    熱交換管
４２ｃ            入口管
４２ｄ            出口管
４３ａ、４３ｂ、７８ａ、７８ｂ    ヘッダ
４４              ＣＯ２循環路
４５ａ、４５ｂ、７１    圧力調整部
４６ａ、４６ｂ    圧力センサ
４７ａ、４７ｂ、７１ｃ    制御装置
４８ａ、４８ｂ    圧力調整弁
５０ａ、５０ｂ    ドレンパン
５１ａ、５１ｂ    ドレン排出管
５２ａ、５２ｂ、６５ａ、６５ｂ    バイパス管
５３ａ、５３ｂ、５４ａ、５４ｂ    電磁開閉弁
５６              冷却水分岐回路
５８              熱交換器
６０              ブライン回路
６１ａ、６１ｂ、６３ａ、６３ｂ、６４ａ、６４ｂ    ブライン分岐回路
６６ａ、６６ｂ、６７ａ、６７ｂ、６８ａ、６８ｂ、８０ａ、８０ｂ    流量調整弁
６９ａ、６９ｂ    流路切換部
７０              レシーバ
７２              ブラインポンプ
７４、７６        温度センサ
８２ａ、８２ｂ    補助加熱用電気ヒータ
８４              中間冷却器
８６              中間膨張弁
８８ａ            高元圧縮機
８８ｂ            低元圧縮機
９０              密閉式冷却加熱ユニット
９１              密閉式加熱塔
９２              膨張タンク
ａ                外気
ｂ                ブライン
ｃ                庫内空気
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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