(57)【要約】      （修正有）【課題】ＣＯ２サイクルの冷却器側である冷凍ショーケース等を顧客の都合により任意の場所に据え付けた場合でも安心してアンモニアサイクルとＣＯ２サイクルとを組み合わせたサイクルが形成する。【解決手段】アンモニア冷凍サイクルと、そのアンモニアの蒸発潜熱を利用してＣＯ２の冷却液化を行う蒸発器３と、前記蒸発器で冷却された液化ＣＯ２を冷却負荷側に給送する給送ライン上に液ポンプ５を備え、前記液ポンプが給液量可変型の強制循環ポンプであって、前記液ポンプ強制循環量を、冷却器側の必要循環量の２倍以上に設定するとともに、前記液ポンプが間欠運転又は／及び回転数可変の駆動機に連結されているポンプであるか若しくは該液ポンプが冷却負荷側に設けたＣＯ２冷却器の温度と圧力若しくは前記ポンプ入口／出口間の差圧の少なくとも１の検知信号によって可変制御される。【選択図】図３
2008209111.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンモニア冷凍サイクルと、そのアンモニアの蒸発潜熱を利用してＣＯ２の冷却液化を行う蒸発器と、前記蒸発器で冷却された液化ＣＯ２を冷却負荷側に給送する給送ライン上に液ポンプを備えた冷凍システムにおいて、
前記液ポンプが給液量可変型の強制循環ポンプであって、前記冷凍負荷側の冷却器出口より回収されるＣＯ２が液若しくは気液混合状態（不完全蒸発状態）で回収されるように、前記液ポンプ強制循環量を、冷却器側の必要循環量の２倍以上に設定するとともに、前記液ポンプが間欠運転又は／及び回転数可変の駆動機に連結されているポンプであることを特徴とする冷凍システム。
【請求項２】
アンモニア冷凍サイクルと、そのアンモニアの蒸発潜熱を利用してＣＯ２の冷却液化を行う蒸発器と、前記蒸発器で冷却された液化ＣＯ２を冷却負荷側に給送する給送ライン上に液ポンプを備えたＣＯ２ブライン生成装置において、
前記液ポンプが給液量可変型の強制循環ポンプであって、前記冷凍負荷側の冷却器出口より回収されるＣＯ２が液若しくは気液混合状態（不完全蒸発状態）で回収されるように、前記液ポンプ強制循環量を、冷却器側の必要循環量の２倍以上に設定するとともに、該液ポンプが冷却負荷側に設けたＣＯ２冷却器の温度と圧力若しくは前記ポンプ入口／出口間の差圧の少なくとも１の検知信号によって可変制御されることを特徴とするＣＯ２ブライン生成装置。
【請求項３】
前記冷却液化後のＣＯ２を液溜する液溜器若しくは給送ラインの過冷却状態に基づいて液溜器の液ＣＯ２の少なくとも一部を過冷却する過冷却器とを設けた請求項２記載のＣＯ２ブライン生成装置。
【請求項４】
前記過冷却器が、アンモニア冷凍サイクルの蒸発器導入側ラインを分岐若しくはバイパスしてなるアンモニア冷媒ラインである請求項３記載のＣＯ２ブライン生成装置。
【請求項５】
前記液ポンプ出口側と一部蒸発機能を有する冷却器間を、開閉制御弁を介してバイパスするバイパス通路を設けた請求項２記載のＣＯ２ブライン生成装置。
【請求項６】
液ポンプの入口／出口間の差圧検知結果に基づいてアンモニア冷凍サイクルの冷凍機を強制アンロードするコントローラを備えている請求項２記載のＣＯ２ブライン生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンモニアサイクルとＣＯ２サイクルで構成した冷凍システムと該システムに使用されるＣＯ２ブライン生成装置にかかり、特にアンモニア冷凍サイクルと、そのアンモニアの蒸発潜熱を利用してＣＯ２の冷却液化を行う蒸発器と、前記蒸発器で冷却された液化ＣＯ２を冷却負荷側に給送する給送ライン上に液ポンプを備えた冷凍システムとに使用されるＣＯ２ブライン生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
オゾン層破壊、地球温暖化防止に対する対策が強く要求されてきているなかで、空調、冷凍分野においてオゾン層破壊の観点からの脱フロンばかりでなく、地球温暖化の点より代替冷媒ＨＦＣの回収とエネルギ効率の向上が急務となっている。上記要求に沿うため、自然冷媒であるアンモニア、炭化水素、空気、炭酸ガス等の使用が考えられ、大型の冷却・冷凍設備にはアンモニア冷媒の採用が多く見受けられ、しかも、上記大型冷却・冷凍設備に付随する例えば冷蔵倉庫や荷捌き室や加工室等の小規模冷却・冷凍設備でも、自然冷媒のアンモニアの導入増大の傾向にある。
【０００３】
しかしながらアンモニアは毒性を有するために、アンモニアサイクルとＣＯ２サイクルとを組み合わせＣＯ２を冷却負荷側の二次冷媒として用いる冷凍サイクルが多く用いられている。
例えば特許文献１（特許第３４５８３１０号公報）には、アンモニアサイクルと炭酸ガスサイクルとを組み合わせたヒートポンプシステムが開示されており、その具体的構成を図９（Ａ）に基づいて説明するに、まずアンモニアサイクルでは、圧縮機１０４によって圧縮された気体状のアンモニアが、コンデンサ１０５を通るとき、冷却水または空気によって冷やされて液体となる。液体となったアンモニアは、膨張弁１０６によって必要な低温度に相当する飽和圧力まで膨張した後、カスケードコンデンサ１０７で蒸発して気体となる。このとき、アンモニアは、炭酸ガス冷凍サイクル内の二酸化炭素から熱を奪い、これを液化する。
一方、炭酸ガスサイクルでは、カスケードコンデンサ１０７によって冷やされて液化した液化炭酸ガスが、液ヘッド差を利用した自然循環現象によって下降し、流量調整弁１０８を通って、目的の冷却を行うボトムフィード型の蒸発器１０９に入り、ここで温められて蒸発し、ガスとなって再びカスケードコンデンサ１０７に戻っていく。 
そして前記特許文献１においては、カスケードコンデンサ１０７は、目的の冷却を行う蒸発器１０９よりも高い位置、例えば屋上等に設置され、そしてこのような構成を採ることによって、カスケードコンデンサ１０７とクーラファン１０９ａを有する蒸発器１０９との間に液ヘッド差を形成するものである。
かかる原理を図１（Ｂ）の圧力線図に基づいて説明するに、図中点線は圧縮機によるヒートポンプサイクルに基づくアンモニアサイクルで、実線が自然循環によるＣＯ２サイクルを示し、本図ではカスケードコンデンサ１０７とボトムフィードの蒸発器１０９との間に液ヘッド差を利用して自然循環可能に構成してある。
しかしながら、前記特許文献１はアンモニアサイクル内において蒸発器となるカスケードコンデンサ（二酸化炭素媒体を冷やす蒸発器）を、建物の屋上などＣＯ２サイクル内の目的の蒸発器（冷凍ショーケース等）よりも高い位置に設置しなければならないという基本的な欠陥がある。
特に冷凍ショーケースやフリーザユニットは顧客の都合により、中高層ビルの高層階に据え付ける必要があることもあり、このような場合には全く対応できない。
このため、前記特許文献１では、図９（Ｂ）に示すように、二酸化炭素媒体の循環を二次的に補助し、循環をより確実なものとするために、サイクル内に液ポンプ１１０を設ける形態とっているものもある。しかしながらかかる技術も液ヘッド差を利用した自然循環にとどまり、補助的に液の循環量を制御して二酸化炭素媒体を冷却するものである。
即ち前記特許文献１においても自然循環サイクルに並列して補助ポンプ流路を配置するものであるために、液ヘッド差を利用した自然循環経路の存在が前提となるものであり、ＣＯ２自然循環サイクルが形成された上での補助ポンプ流路である。（従って補助ポンプ流路は自然循環サイクルに対して並列接続でなければならない。）
特に前記特許文献１も液ヘッド差を確保していることを前提に補助的に液ポンプを利用するもので、カスケードコンデンサ（二酸化炭素媒体を冷やす蒸発器）が炭酸ガスサイクル内の目的の蒸発器より高い位置に設定することが前提となるものであり、前記した基本的な欠点の解消にはつながらない。
しかも前記特許文献１は１階と２階に蒸発器（冷凍ショーケース、冷房機等）を設置する場合にそれぞれの蒸発器のカスケードコンデンサとの間の液ヘッド差が異なる場合にもその適用が困難である。
又前記特許文献１においては、カスケードコンデンサ１０７と蒸発器１０９との間に液ヘッド差を設けるということは図９に示すように、蒸発器が、ＣＯ２入口側が蒸発器ボトムであり、ＣＯ２出口側が蒸発器トップである、いわゆるボトムフィード構成でなければ自然循環が行われないという制約がある。
しかしながらボトムフィード構造では下方入口側の冷却管の中では、ＣＯ２液が管内に奪熱されながら蒸発するがその蒸発したガスは、冷却管の上方に向かって流れ冷却管の上方位置ではガスのみとなって冷却が十分行われず、下方の冷却管のみが有効に冷却され、また入口側に液ヘッダを設けた場合に冷却管への均一な分配も出来ないという問題がある。実際に図１（Ｂ）に示す圧力線図でも蒸発器１０９でＣＯ２が完全に蒸発した後回収される線図になっている。
【０００４】
さて、アンモニア冷凍サイクルと、そのアンモニアの蒸発潜熱を利用してＣＯ２の冷却液化を行う蒸発器と、前記蒸発器で冷却された液化ＣＯ２を冷却負荷側に給送する給送ライン上に液ポンプを備えたＣＯ２ブライン生成装置は一般にユニット化され、特にアンモニアサイクルでは、圧縮機によって圧縮された気体状のアンモニアが液体となるコンデンサ部分は、冷却水または空気によって冷やされるエバポレータコンデンサ（エバコン）が組み込まれている。
このようなエバコンを含むアンモニア冷却ユニットの構造は本出願人が、特許文献２（特開２００３−２３２５８３号）に開示したものが存在する。
かかる特許文献２のアンモニア冷却ユニット構造を図１０で開示している。
則ち本冷却ユニットは、前記発明は、圧縮機１、蒸発器３、膨張弁２３、水タンク２５などを内蔵する下段構造体５６を密閉空間となすとともに、その上方の上部構造体５５にエバコンの散水部６１と熱交換器６０を内蔵する凝縮部を組み込んだ二重殻構造とし、前記空冷ファン６３により外部ケーシングに設けた空気導入口６９よりエバコン下方から熱交換器６０に導入される冷却空気とともに、該熱交換器６０内で散水による除害処理を行ない、前記冷却空気により前記傾斜冷却管内を流れる高圧高温アンモニアガスの凝縮を行うようにしたものである。 
なお、前記エバコンは、傾斜多管式熱交換器６０と、散水管部６１と、エリミネータ６４と、熱交換済み空気を外部へ送出する空冷ファン６３とより構成し、前記傾斜多管式熱交換器６０下方に位置するドレーンパン６２の外周に、筒状角柱よりなる外部ケーシング６５を設けて、二重殻構造にしてある。
又前記傾斜多管式熱交換器６０は、一組の対向壁面を形成するヘッダ６０ｃ、６０ｄ付き管板と、該管板間を貫通する複数の傾斜冷却管６０ｇとにより傾斜多管式熱交換器が構成され、その上部の散水管部６１より熱交換器の傾斜冷却管６０ｇに散水をさせ、蒸発潜熱による冷却を行なわせた後、エリミネータ６４を介して上部に設けた空冷ファン６３により空気導入口より取り入れた冷却空気を外部へ放出するようにしている。
そして前記エリミネータ６４は、散水部６１より傾斜冷却管６０ｇに向け散水した水の飛散防止のために複数のエリミネータ６４を隣接させて同一平面上に並列配置されているが、該エリミネータ６４間をファン６３による吸引空気が通過する際の圧損が大きく、その分ファンの風力を大きくせねばならず、騒音や無用の駆動力の増大につながる。（矢印は空気流の流れを示す。）
又前記の下部構造体のように,アンモニア系統と二酸化炭素系統の一部をユニット化して収納した場合に、圧縮機の軸受け部等アンモニアが漏洩する場合がある。
このような場合に、アンモニアは毒性及び引火性があるために、たとえ密閉構造にしていてもその対策が必要である。
【０００５】
【特許文献１】特許第３４５８３１０号公報
【特許文献２】特開２００３−２３２５８３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明はアンモニア冷凍サイクルと、そのアンモニアの蒸発潜熱を利用してＣＯ２の冷却液化を行う蒸発器と、前記蒸発器で冷却された液化ＣＯ２を冷却負荷側に給送する給送ライン上に液ポンプを備えたＣＯ２ブライン生成装置を一つのユニット化して、例えばＣＯ２サイクルの冷却器側である冷凍ショーケース等を顧客の都合により任意の場所に据え付けた場合でも安心してアンモニアサイクルとＣＯ２サイクルとを組み合わせたサイクルが形成できる冷凍システムと該システムに使用されるＣＯ２ブライン生成装置を提供することを目的とする。
本発明の他の目的は、ＣＯ２サイクル側の冷却器の位置、種類（ボトムフィード型、トップフィード型）及びその数、更には蒸発器と冷却器間に高低差を有する場合でも円滑にＣＯ２循環サイクルが形成できる冷凍システムと該システムに使用されるＣＯ２ブライン生成装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明はかかる課題を解決するために、本第１発明において、アンモニア冷凍サイクルと、そのアンモニアの蒸発潜熱を利用してＣＯ２の冷却液化を行う蒸発器と、前記蒸発器で冷却された液化ＣＯ２を冷却負荷側に給送する給送ライン上に液ポンプを備えた冷凍システムにおいて、
前記液ポンプが給液量可変型の強制循環ポンプであって、前記冷凍負荷側の冷却器出口より回収されるＣＯ２が液若しくは気液混合状態（不完全蒸発状態）で回収されるように、前記液ポンプ強制循環量を、冷却器側の必要循環量の２倍以上に設定するとともに、前記液ポンプが間欠運転又は／及び回転数可変の駆動機に連結されているポンプであることを特徴とし、好ましくは前記冷却器出口側と蒸発器を結ぶＣＯ２回収経路と別個に冷却器と蒸発器若しくはその下流側の液溜器を結ぶ圧力逃がし経路を設け、一部蒸発機能を有する冷却器内圧力が所定圧力以上の場合に圧力逃がし経路を介してＣＯ２圧力を逃がすことを特徴とする。
又前記液若しくは気液混合状態（不完全蒸発状態）での蒸発機能を有する冷却器は複数組設けてもよいが、少なくともその１つがトップフィード型であってもよい。
更に前記ポンプは、インバータモータによる駆動されるポンプを用いて、ポンプ起動時に間欠運転と回転数可変制御を組み合わせてポンプ吐出圧力を設計圧力以下で運転し、その後回転数可変制御で運転を行うのがよい。
そして前記ポンプ吐出側の給送ラインと冷却負荷との接続部に、断熱継手が介装されているのがよい。
【０００８】
かかる発明によれば、前記液ポンプが給液量可変型の強制循環ポンプであって、前記冷凍負荷側の冷却器出口より回収されるＣＯ２が気液混合状態で回収されるように、前記液ポンプ強制循環量を冷却器側の必要循環量の２倍以上に、好ましくは３〜４倍に設定したために、アンモニアサイクル内において蒸発器を、建物の地下等に配置してＣＯ２サイクル内の前記液若しくは気液混合状態（不完全蒸発状態）での蒸発機能を有する冷却器（冷凍ショーケース等）を地上の任意の位置に配置しても円滑にＣＯ２サイクルを循環することができるとともに、１階と２階に冷却器（冷凍ショーケース、冷房機等）を設置する場合にそれぞれの冷却器と蒸発器との間の液ヘッド差と無関係にＣＯ２サイクルを運転できる。
又冷凍負荷側の前記液若しくは気液混合状態（不完全蒸発状態）での蒸発機能を有する冷却器出口より回収されるＣＯ２が液若しくは気液混合状態で回収されるように構成してあるために、ボトムフィード構造の冷却器であっても、該冷却器の冷却管の上方位置でも気液混合状態が維持できるためにガスのみとなって冷却が十分行われないことがなく、冷却管全体にわたって円滑な冷却が可能である。
そしてこのような前記液ポンプ強制循環量を前記液若しくは気液混合状態（不完全蒸発状態）での蒸発機能を有するように設定した冷却器側の必要循環量の２倍以上に、好ましくは３〜４倍に設定した場合は、起動時は常温から運転するために、無用な圧力上昇が起こり、ポンプ設計圧力を超えてしまう恐れがある。
そこでポンプ起動時に間欠運転と回転数可変制御を組み合わせてポンプ吐出圧力を設計圧力以下で運転し、その後回転数可変制御で運転を行うのがよい。
更に安全設計思想として、前記冷却器出口側と蒸発器を結ぶＣＯ２回収経路と別個に冷却器と蒸発器若しくはその下流側の液溜器を結ぶ圧力逃がし経路を設け、常温時のポンプ起動時のように冷却器内圧力が所定圧力（設計圧力の近傍例えば９０％負荷）以上の場合に圧力逃がし経路を介してＣＯ２圧力を逃がして安全設計思想を組み込むのがよい。
又前記冷却器は複数組設けてもよく、液ポンプの給液経路を分岐させる場合や冷却負荷の変動が大きい場合であっても対応でき、少なくともその１つがトップフィード型冷却器であっても対応できる。
そして前記構成を取るために、前記ポンプは、間欠運転又は／及び回転数可変の駆動機例えばインバータモータに連結されているポンプであるのがよい。
又前記冷凍負荷内のＣＯ２は、作業終了毎にＣＯ２を回収してポンプの停止を行う必要があるが、この場合は前記冷凍負荷が冷却器を内蔵する冷却設備である場合に、冷却設備庫内温度と冷却器出口側のＣＯ２圧力を検知し、その圧力に基づくＣＯ２飽和温度と庫内温度を比較して冷却器内のＣＯ２残量を判断しながら冷却器ファン停止時期を判断するＣＯ２回収制御を行うのがよい。
更に前記冷凍負荷がデフロスト方式の冷却器を内蔵する冷却設備である場合に、ＣＯ２回収制御時にデフロスト散水を行いながらＣＯ２回収を行うことにより回収時間を短縮できる。
この場合に冷却器出口側のＣＯ２圧力を検知し、その圧力に基づいて前記散水量を制御するのがよい。
そして前記ポンプ吐出側の給送ラインと冷却負荷との接続部に、断熱継手が介装されているのがよい。
【０００９】
本発明の第２発明は、アンモニア冷凍サイクルと、そのアンモニアの蒸発潜熱を利用してＣＯ２の冷却液化を行う蒸発器と、前記蒸発器で冷却された液化ＣＯ２を冷却負荷側に給送する給送ライン上に液ポンプを備えたＣＯ２ブライン生成装置において、
前記液ポンプが給液量可変型の強制循環ポンプであって、前記冷凍負荷側の冷却器出口より回収されるＣＯ２が液若しくは気液混合状態（不完全蒸発状態）で回収されるように、前記液ポンプ強制循環量を、冷却器側の必要循環量の２倍以上に設定するとともに、該液ポンプが冷却負荷側に設けたＣＯ２冷却器の温度と圧力若しくは前記ポンプ入口／出口間の差圧の少なくとも１の検知信号によって可変制御されることを特徴とする。
この場合に前記冷却液化後のＣＯ２を液溜する液溜器若しくは給送ラインの過冷却状態に基づいて液溜器の液ＣＯ２の少なくとも一部を過冷却する過冷却器とを設けるのがよい。
又前記液溜器の過冷却状態の判断が、前記冷却液化後のＣＯ２を液溜する液溜器の圧力と液温を計測して、前記圧力に基づく飽和温度と実測液温を比較して過冷却度を演算するコントローラによりおこなわれるのがよい。
又、前記液ポンプの入口／出口間の差圧を検知する圧力センサを設け、前記給送ラインの過冷却状態の判断が前記圧力センサの検知信号によりおこなわれるのがよい。
そして具体的には、前記過冷却器は、例えばアンモニア冷凍サイクルの蒸発器導入側ラインを分岐若しくはバイパスしてなるアンモニア冷媒ラインで構成することができる。
又本発明の好ましい他の実施例として、前記液ポンプ出口側と蒸発器間を、開閉制御弁を介してバイパスするバイパス通路を設けるのがよい。
更に本発明の好ましい他の実施例として、液ポンプの入口／出口間の差圧検知結果に基づいてアンモニア冷凍サイクルの冷凍機を強制アンロードするコントローラを備えているのがよく、又前記ブライン生成装置の給送ラインと冷却負荷との接続部に、断熱継手が介装されているのがよい。
【００１０】
かかる第２発明によれば、二酸化炭素（ＣＯ２）を二次冷媒（ブライン）としてポンプ方式で循環するＣＯ２ブライン生成装置を効果的に製造することができる。特に本第１及び第２発明によれば、必要の冷媒循環量以上の（３〜４倍）ポンプ容量を持つ強制循環方式を採用することにより、前記液若しくは気液混合状態（不完全蒸発状態）での蒸発機能を有する冷却器に液を満たし管内の液速度を上昇させ伝熱性能を向上させることができ、さらに、冷却器が複数台の場合に液の分配を効率的に行うことができる。
又前記冷却液化後のＣＯ２を液溜する液溜器若しくは給送ラインの過冷却状態に基づいて、前記液溜器の液の全量もしくは一部を、液溜器の内部もしくは外部に装備した液を冷却する過冷却器を配置して安定した過冷却度を確保することができる。
又前記液ポンプ出口側と蒸発器間を、開閉制御弁を介してバイパスするバイパス通路を設けることにより、起動時や負荷変動時に過冷却度が低下して、前記ＣＯ２液ポンプの差圧が低下してキャビテーション状態になった場合でも早期復帰のためにポンプ吐出から蒸発器へのバイパスラインで液ガス混合をバイパスさせてガスを液化することができる。
更に液ポンプの入口／出口間の差圧検知結果に基づいてアンモニア冷凍サイクルの冷凍機を強制アンロードするコントローラを備えていれば、前記のようにポンプの差圧が低下してキャビテーション状態になった場合に、早期復帰のために冷凍機を強制アンロードさせ、ＣＯ２の飽和温度を擬似的に上昇させ過冷却度を確保することもできる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によればアンモニア冷凍サイクルと、そのアンモニアの蒸発潜熱を利用してＣＯ２の冷却液化を行う蒸発器と、前記蒸発器で冷却された液化ＣＯ２を冷却負荷側に給送する給送ライン上に液ポンプを備えたＣＯ２ブライン生成装置を一つのユニット化して、例えばＣＯ２サイクルの冷却器側である冷凍ショーケース等を顧客の都合により任意の場所に据え付けた場合でも安心してアンモニアサイクルとＣＯ２サイクルとを組み合わせたサイクルが形成できる。
本発明によれば、ＣＯ２サイクル側の冷却器の位置、種類（ボトムフィード型、トップフィード型）及びその数、更には蒸発器と冷却器間に高低差を有する場合でも円滑にＣＯ２循環サイクルが形成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【００１３】
図１（Ａ）は本発明の基本構成を示す圧力線図で、本発明の原理を説明するに、図中点線は圧縮機によるヒートポンプサイクルに基づくアンモニアサイクルで、実線が強制循環によるＣＯ２サイクルを示し、本図では蒸発器及び液溜器で冷却後の液ＣＯ２を冷凍負荷側に給送する前記液ポンプが給液量可変型の強制循環ポンプであって、前記冷凍負荷側の冷却器出口より回収されるＣＯ２が液若しくは気液混合状態で回収されるように、前記液ポンプ強制循環量を前記液若しくは気液混合状態（不完全蒸発状態）での蒸発機能を有する冷却器側の必要循環量の２倍以上に設定している。この結果冷凍負荷側のＣＯ２サイクルでは、液溜器側ポンプ吐出ヘッドより低いＣＯ２吐出ヘッドで冷凍負荷側の冷却器入口側に給送され、冷却器出口給送ラインより蒸発器の間に圧力差が十分とれ、前記冷凍負荷側の冷却器出口より回収されるＣＯ２が液若しくは気液混合状態で回収される（図１（Ａ）の右側圧力線図の内側で反転して回収される）ように構成することができる。
これにより冷却負荷の冷却器と蒸発器間に高低差や距離があっても、前記液若しくは気液混合状態（不完全蒸発状態）での蒸発機能を有する冷却器を構成したために、単一及び複数ポンプによる多室（冷却器）冷却管理及び冷却器のボトムフィード及びトップフィード方式等あらゆる冷却サイクルに対応できる。
【００１４】
その対応を図２に示す。Ａは、アンモニア冷凍サイクル部とアンモニア／ＣＯ２熱交換部（蒸発器とＣＯ２液ポンプを含む）が組み込まれたマシンユニット（ＣＯ２ブライン生成装置）、Ｂは冷却負荷をマシンユニット側で液冷却したＣＯ２ブラインを利用してその蒸発潜熱と顕熱により負荷を冷却（冷凍）するフリーザユニットである。
次にマシンユニットの構成について説明する。
１はアンモニア冷凍機（圧縮機）で、該冷凍機１で圧縮されたガスは、凝縮器２で凝縮された後、その液アンモニアを膨張弁で膨張させ、ついでライン２４（図３参照）を介してＣＯ２ブライン冷却用蒸発器３でＣＯ２と熱交換させながら蒸発させて再度冷凍機１に導入してアンモニア冷凍サイクルを構成する。
ＣＯ２ブラインはフリーザユニットＢ側からＣＯ２気液を回収した後、ＣＯ２ブライン冷却用蒸発器３に導き、アンモニア冷媒との熱交換によりＣＯ２を冷却凝縮した後、該凝縮した液ＣＯ２をインバータモータにより回転数可変及び間欠運転可能な液ポンプ５を介してフリーザユニットＢ側に導く。
【００１５】
次にフリーザユニットＢの説明を行う。
フリーザユニットＢは液ポンプ吐出側と蒸発器吸込側間にＣＯ２ブラインラインが形成されており、そのライン上に前記液若しくは気液混合状態（不完全蒸発状態）での蒸発機能を有する冷却器６が一又は複数個配設されており、フリーザユニットに導入された液ＣＯ２を冷却器６でその一部が蒸発して液若しくは液気混合ガス状態でマシンユニット内のＣＯ２ブライン冷却用蒸発器に戻され、ＣＯ２二次冷媒サイクルが構成される。
そして図２（Ａ）は前記ポンプ吐出側にトップフィード方式の冷却器とボトムフィード方式の冷却器が並列配置されている。
そしてボトムフィードの冷却器の場合にガス化されたＣＯ２による無用の圧力上昇を防ぐため、又起動時の圧力上昇を防ぐために、前記液若しくは気液混合状態（不完全蒸発状態）での蒸発機能を有する冷却器出口側と蒸発器を結ぶＣＯ２回収ライン５３と別個に冷却器と蒸発器若しくはその下流側の液溜器（後記）を結ぶ安全弁若しくは圧力調整弁３１が介装された圧力逃がしライン３０を設け、冷却器内圧力が所定圧力以上の場合に安全弁若しくは圧力調整弁３１が開き圧力逃がしライン３０を介してＣＯ２圧力を逃がすように構成している。
図２（Ｂ）はトップフィード方式の冷却器を接続した例である。
この場合も起動時の圧力上昇を防ぐために、前記液若しくは気液混合状態（不完全蒸発状態）での蒸発機能を有する冷却器出口側と蒸発器を結ぶＣＯ２回収ラインと別個に冷却器と蒸発器若しくはその下流側の液溜器（後記）を結ぶ安全弁若しくは圧力調整弁３１が介装された圧力逃がしライン３０を設けている。
図２（Ｃ）は蒸発器出口側に給送路５２上に複数のポンプ５を設け、夫々独立してボトムフィードの冷却器６との間で強制循環可能に構成してある。
このように構成すれば冷却器毎の高低差や距離が大きく異なる場合でもそれに適した強制循環容量に設定できるが、いずれも前記冷凍負荷側の冷却器出口より回収されるＣＯ２が液若しくは気液混合状態で回収されるように、前記液ポンプ強制循環量を冷却器側の必要循環量の２倍以上に設定する必要がある。
図２（Ｄ）はボトムフィード方式の冷却器を接続した例である。
この場合もボトムフィードの冷却器６の場合にガス化されたＣＯ２による無用の圧力上昇を防ぐため、起動時の圧力上昇を防ぐために、前記冷却器出口側と蒸発器を結ぶＣＯ２回収ライン５３と別個に冷却器と蒸発器若しくはその下流側の液溜器（後記）を結ぶ安全弁若しくは圧力調整弁３１が介装された圧力逃がしライン３０を設けている。
【実施例１】
【００１６】
図３は冷却負荷をその蒸発潜熱により冷却後回収したＣＯ２ブラインをアンモニア冷媒との熱交換により冷却制御しながら負荷冷却サイクルを構成するＣＯ２強制循環型負荷冷却装置の実施例１の概要図である。
Ａは、アンモニア冷凍サイクル部とアンモニア／ＣＯ２熱交換部が組み込まれたマシンユニット（ＣＯ２ブライン生成装置）、Ｂは冷却負荷をマシンユニット側で液冷却したＣＯ２ブラインを利用してその蒸発潜熱により負荷を冷却（冷凍）するフリーザユニットである。
次にマシンユニットの構成について説明する。
１はアンモニア冷凍機（圧縮機）で、該冷凍機１で圧縮されたガスは、エバコン式凝縮器２で凝縮された後、その液アンモニアを膨張弁２３で膨張させ、ついでライン２４を介してＣＯ２ブライン冷却用蒸発器３でＣＯ２と熱交換させながら蒸発させて再度冷凍機１に導入してアンモニア冷凍サイクルを構成する。８は膨張弁２３出口側とＣＯ２ブライン冷却用蒸発器３入口側間のライン２４をバイパスさせたバイパス管に接続させた過冷却器８で、ＣＯ２液溜器４内に内蔵されている。
７はアンモニア除害水槽で、エバコン式アンモニア凝縮器２を散布した水をポンプ２６を介して繰り返し循環している。
ＣＯ２ブラインは断熱継手１０を介してフリーザユニットＢ側からＣＯ２ガスを回収した後、ＣＯ２ブライン冷却用蒸発器３に導き、アンモニア冷媒との熱交換によりＣＯ２を冷却凝縮した後、該凝縮した液ＣＯ２を液溜器４に導き、該液溜器４内で過冷却器８により飽和点より−４〜−５℃低い温度で過冷却する。
そして過冷却された液ＣＯ２は、インバータモータ５１により給送路５２上の回転数可変な液ポンプ５を介して断熱継手１０よりフリーザユニットＢ側に導く。
９は液ポンプ５出口側とＣＯ２ブライン冷却用蒸発器３をバイパスするバイパス通路、１１はアンモニア除害ラインで、開閉弁を介してＣＯ２ブライン冷却用蒸発器３よりの液若しくは液ガス混合ＣＯ２をアンモニア冷凍機１と対面する位置等のアンモニア漏洩区域に放出する除害ノズル９１と接続している。
１２は中和ラインで蒸発器３よりのＣＯ２を除害水槽７に導入してアンモニアを炭酸アンモニアへと中和させて除害している。
１３は消火ラインで、ユニット内で火災等が発生した場合は、その温度上昇を検知して開放する温度検知バルブもしくは蒸発器内のＣＯ２系統の異常圧力上昇を検知する安全弁等で構成されたバルブ１３１を開いてノズル１３２よりＣＯ２を噴射させて消火を行う。
１４はＣＯ２放出ラインで、ＣＯ２ブライン冷却用蒸発器３よりの液ＣＯ２を液溜器４を巻回した自冷装置１５を介してバルブ１５１を開放してユニットＡ内に放出して該ユニット内が温度上昇した場合の自冷を行う。そして前記バルブ１５１は負荷運転停止中に蒸発器内圧力が規定圧力以上に上昇した場合に開放される安全弁で構成されている。
【００１７】
次にフリーザユニットＢの説明を行う。
フリーザユニットＢは被冷凍品を搬送するコンベア２５の上方にＣＯ２ブライン冷却器６がコンベア搬送方向に沿って複数個配設されており、断熱継手１０を介して導入された液ＣＯ２を冷却器６で一部蒸発（液若しくは液気混合状態）して、その冷気をクーラファン２９により被冷凍品２７にむけて噴射する。
クーラファン２９はコンベア２５に沿って複数配列され、インバータモータ２６１により回転制御可能に構成されている。
クーラファン２９と冷却器６の間にはデフロスト熱源に接続されたデフロスト散布ノズル２８が介装されている。
そして冷却器により一部ＣＯ２が蒸発して気液混合ＣＯ２は断熱継手１０よりマシンユニット内のＣＯ２ブライン冷却用蒸発器に戻され、ＣＯ２二次冷媒サイクルが構成される。
又前記液若しくは気液混合状態（不完全蒸発状態）での蒸発機能を有する冷却器には夫々一部がガス化されたＣＯ２による無用の圧力上昇を防ぐため、起動時の圧力上昇を防ぐために、前記冷却器出口側と蒸発器を結ぶＣＯ２回収ラインと別個に冷却器６と蒸発器３若しくはその下流側の液溜器４を結ぶ安全弁若しくは圧力調整弁３１が介装された圧力逃がしライン３０を設けている。
【００１８】
かかる実施例の作用を図４に基づいて説明する。
図３及び図４のＴ１は液溜器内ＣＯ２液温を検知する温度センサ、Ｔ２はフリーザユニット入口側のＣＯ２温度を検知する温度センサ、Ｔ３はフリーザユニット出口側のＣＯ２温度を検知する温度センサ、Ｔ４はフリーザユニット内庫内温度を検知する温度センサ、又Ｐ１は液溜器内圧力を検知する圧力センサ、Ｐ２は冷却器圧力を検知する圧力センサ、Ｐ３はポンプ差圧を検知する圧力センサ、ＣＬは液ポンプインバータモータ５１とクーラファンインバータモータ２６１制御用のコントローラ、２０は過冷却器８へアンモニアを供給するバイパス管８１の開閉制御弁、２１は液ポンプ出口側のバイパスライン９の開閉制御弁である。
本実施例はＣＯ２液溜器４のＣＯ２圧力と液温を計測するセンサＴ１，Ｐ１よりの信号に基づいて、飽和温度と実測液温を比較して過冷却度を演算するコントローラＣＬを設けてバイパス管８１に導入するアンモニア冷媒の量を調整可能に構成しており、これにより液溜器４内のＣＯ２温度は飽和点より−４〜−５℃低く制御されている。
尚、過冷却器８は必ずしも液溜器４の内部ではなく、外部に独立して設けてもよい。
このように構成することにより液溜器４の液の全量もしくは一部を、液溜器４の内部もしくは外部に装備したＣＯ２液を冷却する過冷却器８で安定した過冷却度を確保できる。
又前記液若しくは気液混合状態（不完全蒸発状態）での蒸発機能を有する冷却器６の内部圧力を検知する圧力センサＰ２の信号は液ポンプ５の送液量を可変させるインバータモータ５１を制御するコントローラＣＬに入力されて、（間欠給液や連続可変を含む）インバータ制御により安定給液を行う。
更に前記圧力センサＰ２の信号はフリーザユニットＢ内のクーラファン２９の送風量を可変するインパータモータ２６１のコントローラＣＬにも入力されて、液ポンプ５とともにクーラファン２９のインバータ制御によりＣＯ２液の安定給液を行うように構成されている。
又前記ＣＯ２ブラインをフリーザユニットＢ側に給送する液ポンプ５は、冷却負荷側（フリーザユニット側）が必要とするＣＯ２ブライン循環量の３〜４倍のポンプ容量を持たせて強制循環を行うとともに、該ポンプ５のインバータモータ５１を利用して冷却器６に液ＣＯ２を満たし管内の液ＣＯ２速度を上昇させ伝熱性能を向上させている。
さらに、冷却負荷の必要循環量の３〜４倍のポンプ容量を持つ容量可変式（インバータモータ付き）ポンプ５によって液ＣＯ２の強制循環を行うために、冷却器６が複数台の場合においても該冷却器６への液ＣＯ２の分配を良くすることができる。
更に液ポンプ５の起動時や冷却負荷変動時に過冷却度が低下した場合、ポンプの差圧が低下してキャビテーション状態になった場合は、まず前記ポンプの差圧を検知する圧力センサＰ３が、ポンプ５の差圧が低下したことを検知し、コントローラＣＬが液ポンプ出口側のバイパスライン９の開閉制御弁２１を開放してポンプ５からＣＯ２ブライン冷却用蒸発器３へのバイパスを行うことにより、キャビテーション状態にある液ガス混合ＣＯ２ガスを液化することができる。
又前記制御はアンモニア冷凍サイクル側で行うこともできる。
すなわち、液ポンプ５の起動時や冷却負荷変動時に過冷却度が低下してポンプ５の差圧が低下してキャビテーション状態になった場合、圧力センサＰ３がポンプの差圧が低下したことを検知し、これをコントローラＣＬ側で早期復帰のために冷凍機（容積型圧縮機）の制御弁３３を利用して強制アンロードさせ、ＣＯ２の飽和温度を擬似的に上昇させ過冷却度を確保するようにしてもよい。
【００１９】
次に本発明の実施例の運転方法について図５の実施例に基づき説明する。
まずアンモニアサイクル側の冷凍機１を運転し、蒸発器３及び液溜器４の液ＣＯ２を冷却運転しておく。この状態で液ポンプ５はポンプ差圧を見ながら起動時は間欠／周波数運転を行う。
具体的には０→１００％→６０％→０→１００％→６０％である。このように構成することによりポンプ差圧が設計圧力以上になるのを防ぐことができる。
具体的には液ポンプを１００％で運転して、ポンプ差圧が運転全負荷（ポンプヘッド）に達したら６０％に落とし、更に液ポンプの運転を所定時間停止してその後１００％運転を行い、ポンプ差圧が運転全負荷（ポンプヘッド）に達したら６０％に落とし更にその後インバータ周波数（ポンプ回転数）を増加させながら定常運転に移行する。
このように構成することで前記液ポンプ強制循環量を前記液若しくは気液混合状態（不完全蒸発状態）での蒸発機能を有する冷却器６側の必要循環量の２倍以上に、好ましくは３〜４倍に設定した場合でも起動時は常温から運転するために、無用な圧力上昇が起こり、ポンプ設計圧力を超えてしまう恐れを解消できる。
更に凍結作業が終了し、フリーザユニットを消毒する際は、フリーザユニットＢ内のＣＯ２をマシンユニット側の蒸発器３を通じて液溜器４に回収する必要があるが、この場合はフリーザユニットＢの冷却器の入口側液ＣＯ２温度と出口側のガスＣＯ２の温度を温度センサで計測し、前記ＣＯ２液回収時に前記２つの温度センサＴ２，Ｔ３の検知温度差をコントローラＣＬで把握して、フリーザユニットＢ内のＣＯ２残量を判断ながら回収制御を行うことができる。すなわち前記温度差がなくなれば回収が終了したと判断する。
又前記ＣＯ２回収制御は、庫内温度検知センサＴ４と冷却器６側の圧力センサＰ２でＣＯ２圧力を検知し、そのＣＯ２圧力の飽和温度と庫内温度をコントローラで比較して前記飽和温度と庫内温度の差に基づいて庫内のＣＯ２残量がなくなったと判断することも可能である。
又冷却器が、散水デフロスト方式のクーラの場合、散水の熱量を利用してＣＯ２の回収時間を短縮するように制御することができるが、この場合に冷却器６側の圧力センサＰ２にてＣＯ２の圧力を監視して散水熱量を調整するデフロスト制御を行うのがよい。
更に、フリーザユニットＢは食品の凍結を行うために、各作業終了時に高温殺菌する場合がある、このとき温度が配管を伝わってマシンユニットＡ側のＣＯ２の連絡管全体を昇温しないようフリーザユニットＢの接続部に強化ガラス等の低伝熱性の断熱継手を使用したＣＯ２連絡管で構成している。
【実施例２】
【００２０】
図６乃至図８は前記マシンユニットにおいて、アンモニア系統と二酸化炭素系統の一部をユニット化して収納してアンモニア冷却ユニットを構成した場合の他の実施例である。
図６に示すように、本発明のアンモニア冷却ユニットＡは、屋外に設置され、該ユニットよりのＣＯ２冷熱を屋内に設置した前記フリーザユニットのような負荷にＣＯ２冷熱を伝達する。上記アンモニア冷却ユニットＡは、下段構造体５６と上段構造体５５よりなる２段階構造体を形成する。下段構造体５６には機械側を構成するエバコン回りをのぞくアンモニア系統とＣＯ２系統が内蔵され、上段構造体５５には、ドレーンパン６２と、エバコン２と外部ケーシング６５及び空冷ファン６３などが取り付けられている。上記エバコン２は傾斜多管式熱交換器６０と、散水部６１と、段差状に並列配置されたエリミネータ６４、空冷ファン６３とより構成され、前記空冷ファン６３により外部ケーシング６５に設けた空気導入口６９よりエバコン下方から熱交換器６０に導入される冷却空気とともに、該熱交換器６０内で散水による除害処理を行ない、前記冷却空気により前記傾斜冷却管内を流れる高圧高温アンモニアガスの凝縮を行うようにしたものである。
なお、前記傾斜多管式熱交換器６０は両サイドの併設直立管板６０ａ、６０ｂを貫通し、集合用ヘッダ６０ｃ、６０ｄとを結合する複数の傾斜冷却管６０ｇよりなり、入口側のヘッダ６０ｃより下流の出口側ヘッダ６０ｄに向け下向き傾斜にしている。該傾斜構造により、入口側ヘッダ６０ｃに導入された冷媒ガスは下流の出口側ヘッダ６０ｄに到達する過程で後記する冷却空気及び散水による冷却により凝縮液化し液冷媒を形成するが、管内壁に形成された液膜は一ヶ所に流れを停止することなく下流の出口側ヘッダ６０ｄへ移動する。そのため前記傾斜冷却管６０ｇにおいては、高熱伝達効率のもとに冷媒ガスは凝縮し、冷媒の当該熱交換器内に在留する時間の短縮が図られ、当該熱交換器の使用により凝縮効率の向上と大幅な冷媒保有量の削減を図ることができる。 
又入口ヘッダ６０ｃは図７（Ｃ）に示すように、断面半円状のヘッドで構成するとともに、アンモニア圧縮ガス導入口６７と対面する位置に多孔板からなる衝突板６６が取り付けられている。これにより前記導入口６７より導入されたアンモニアガスが、多孔板からなる衝突板６６に衝突してその背面側に位置する冷却管は多孔板の孔から、又側方に位置する冷却管６０ｇは、衝突板６６に衝突してヘッド軸線方向に沿って側方に分散されて傾斜多管式熱交換器６０内に均等に流すことができる。
また、前記散水部６１よりの冷却水を受けるドレーンパン６２は前記傾斜多管式熱交換器の下方に設け、前記下段構造体５６と上段構造体５５の境界を形成し、前記冷却水がドレーンパン６２内に流れの停止による液の溜まりを形成することなく下段構造体の除害水槽７へ排出させるべく、排水管（不図示）に向け底板形状を漏斗状に構成してある。 
散水管６１の上方の空冷ファン６３との間に位置するエリミネータ６４は外部ケーシング６５全幅にわたって複数配列され、並列配置した複数のエリミネータ６４Ａ、６４Ｂの隣接するエリミネータ同士が、該エリミネータ６４の側壁上側と他のエリミネータ６４の側壁下側間が、互いに対面するごとく段差を持たせて形成する。そして前記段差はエリミネータの高さの半分程度、具体的には５０ｍｍ程度の段差を持って形成している。また、ＡとＡａとの間が接続され、ＢとＢｂとの間が接続されている。
この結果図８に示すように、前記散水管６１で生成した水滴６８は、段差で下側に位置する隣のエリミネータ側壁６４ａに衝突することで、側壁６４ａの枠に集まった水滴が大きくなっていくことで、ファン６１により吸引されずに上への飛散を防止できる。
尚、図８は空冷ファン６３を複数配置した実施例である。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
以上記載したごとく本発明によれば、アンモニア冷凍サイクルと、そのアンモニアの蒸発潜熱を利用してＣＯ２の冷却液化を行う蒸発器と、前記蒸発器で冷却された液化ＣＯ２を冷却負荷側に給送する給送ライン上に液ポンプを備えたＣＯ２ブライン生成装置を一つのユニット化して、例えばＣＯ２サイクルの冷却器側である冷凍ショーケース等を顧客の都合により任意の場所に据え付けた場合でも安心してアンモニアサイクルとＣＯ２サイクルとを組み合わせたサイクルが形成できる。
又本発明によれば、ＣＯ２サイクル側の冷却器の位置、種類（ボトムフィード型、トップフィード型）及びその数、更には蒸発器と冷却器間に高低差を有する場合でも円滑にＣＯ２循環サイクルが形成できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１はアンモニアサイクルとＣＯ２サイクルとを組み合わせた冷凍システムの圧力／エンタルピー線図で（Ａ）が本発明、（Ｂ）が従来技術を示す図である。
【図２】図２の（Ａ）〜（Ｄ）は本発明の種々の対応を示す概要図である。
【図３】図３はアンモニア冷凍サイクル部とアンモニア／ＣＯ２熱交換部が組み込まれたマシンユニット（ＣＯ２ブライン生成装置）、と冷却負荷をマシンユニット側で液冷却したＣＯ２ブラインを利用してその蒸発潜熱により負荷を冷却（冷凍）するフリーザユニットを示す全体概要図である。
【図４】図４は図３の制御フロー図である。
【図５】図５は本発明の液ポンプの起動運転（回転数変化とポンプ差圧変化）状況を示すグラフ図である。
【図６】図６は本発明の第２の実施例に係るエバコンを配設したアンモニア冷却ユニットの概略構成を示す系統図である。
【図７】図７（Ａ）は図６に示すアンモニア冷却ユニットのエバコン側の構成を示す拡大図で、（Ｂ）と（Ｃ）は（Ａ）の○部分の入口ヘッド側の平面断面図と正面断面図である。
【図８】図８はエリミネータ部分の要部拡大図である。
【図９】図９は従来のアンモニアサイクルとＣＯ２サイクルとを組み合わせたヒートポンプシステムの構成図である。
【図１０】図１０は従来のエバコンを配設したアンモニア冷却ユニットの概略構成を示す系統図である。
【符号の説明】
【００２３】
１  アンモニア冷凍機（圧縮機）
２  凝縮器
３  ＣＯ２ブライン冷却用蒸発器
５  液ポンプ
６  蒸発機能を有する冷却器
７  アンモニア除害水槽
８  過冷却器
Ｂ  フリーザユニット
３１  圧力調整弁
３０  圧力逃がしライン
５２  給送路
【図１】
2008209111.tif 000003
【図２】
2008209111.tif 000004
【図３】
2008209111.tif 000005
【図４】
2008209111.tif 000006
【図５】
2008209111.tif 000007
【図６】
2008209111.tif 000008
【図７】
2008209111.tif 000009
【図８】
2008209111.tif 000010
【図９】
2008209111.tif 000011
【図１０】
2008209111.tif 000012