(57)【要約】【課題】冷媒としてフロンを用いることなく、ＣＯＰの低下を回避しつつ、幅広い温度領域での冷却を行う。【解決手段】高温側圧縮機（１１）、復水槽（１２）及び蒸発製氷槽（１３）が設けられ、水を冷媒として循環させて蒸気圧縮冷凍サイクルを行う高温側回路（１０）と、低温側圧縮機（３１）、高温側回路（１０）の蒸発製氷槽（１３）及びタービン（３４）が設けられ、空気を冷媒として循環させて空気冷凍サイクルを行う低温側回路（３０）とを備える。蒸発製氷槽（１３）では、蒸発温度が水の三重点の温度となっており、氷が生成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸発器（１３）を備え、水を冷媒として循環させて蒸気圧縮冷凍サイクルを行う高温側回路（１０）と、
空気圧縮機（３１）、上記高温側回路（１０）の蒸発器（１３）及び空気膨張機（３４）が設けられ、空気を冷媒として循環させて空気冷凍サイクルを行う低温側回路（３０）とを備えている
ことを特徴とする二元冷凍装置。
【請求項２】
請求項１において、
高温側回路（１０）は、蒸発器（１３）における冷媒蒸発温度が水の三重点の温度以下に設定されている
ことを特徴とする二元冷凍装置。
【請求項３】
請求項２において、
高温側回路（１０）の蒸発器（１３）には、該蒸発器（１３）で生成したスラリ状の氷を流通させて冷却対象（２４）を冷却する冷却回路（２０）が接続されている
ことを特徴とする二元冷凍装置。
【請求項４】
請求項１において、
低温側回路（３０）には、冷却対象（３５）から吸熱して空気圧縮機（３１）へ向かう空気と、高温側回路（１０）の蒸発器（１３）で冷却されて空気膨張機（３４）へ向かう空気とを熱交換させる中間熱交換器（３３）が設けられている
ことを特徴とする二元冷凍装置。
【請求項５】
請求項１において、
低温側回路（３０）には、空気膨張機（３４）へ向かう冷媒としての空気の除湿を行う除湿手段（４０）が設けられている
ことを特徴とする二元冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二元冷凍装置に関し、特に、冷媒としてフロンを用いない冷凍装置に係るものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、いわゆるフロン冷媒を用いた冷凍装置が広く利用されているが、このフロン冷媒を用いたものでは、オゾン層破壊や地球温暖化の点で問題がある。これに対し、無害な水や空気を冷媒とする冷凍装置が提案されている。
【０００３】
水を冷媒として用いる冷凍装置は、例えば特許文献１に開示されている。この公報に開示された冷凍装置では、圧縮機と凝縮器と真空容器が順に接続された冷媒回路が形成されていて、真空容器内に冷媒としての水を噴霧させるノズルが設置されている。そして、このノズルから水を噴霧すると、この水の一部は真空容器内で蒸発して水蒸気となり、残りは水のまま或いは氷となって容器内に貯溜される。この真空容器内の水蒸気は、圧縮機へ送られて圧縮された後、凝縮器へ送られて凝縮し、再び真空容器へ送られる。冷媒回路ではこのような循環が繰り返されている。
【０００４】
一方、空気を冷媒に用いて空気冷凍サイクルを行う冷凍装置は、例えば特許文献２及び３に開示されている。この種の冷凍装置は、圧縮機で圧縮した空気を冷却後に膨張機で膨張させることにより、低温の空気を得るように構成されている。そして、上記特許文献２の冷凍装置は、得られた低温空気で水を冷却して製氷を行っている。また、上記特許文献３の冷凍装置は、得られた低温空気で客室内への給気を冷却して冷房を行っている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−２５７８９０号公報
【特許文献２】
特開平６−２０７７２２号公報
【特許文献３】
特開平５−２３８４８９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、冷媒として水を用いた場合には、フロン冷媒を用いた場合と同等のＣＯＰ（成績係数）を得ることが可能である。しかしながら、水の蒸発温度を０℃よりも低下させることができないために、冷却対象を冷却する温度を０℃までしか低下させることができない。したがって、水を冷媒として用いた冷凍装置には、その適用対象に制約があった。
【０００７】
一方、空気冷凍サイクルを行う冷凍装置では、冷却対象を例えば−５０℃程度に冷却することが可能であり、幅広い温度領域の冷却対象に対して対応可能である。しかしながら、一般的な空気冷凍サイクルでは、１．０以下の非常に低いＣＯＰしか得られない。そのため、この種の冷凍装置だけで対象物を冷却するのは、省エネルギの観点から、あまり好ましいものとは言えない。
【０００８】
そこで、本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、冷媒としてフロンを用いることなく、ＣＯＰの低下を回避しつつ、幅広い温度領域での冷却を行うことにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明では、二元冷凍サイクルの高温側に水を冷媒とする蒸気圧縮冷凍サイクルを、低温側に空気を冷媒とする空気冷凍サイクルをそれぞれ用いている。
【００１０】
具体的に、請求項１の発明は、蒸発器（１３）を備え、水を冷媒として循環させて蒸気圧縮冷凍サイクルを行う高温側回路（１０）と、空気圧縮機（３１）、上記高温側回路（１０）の蒸発器（１３）及び空気膨張機（３４）が設けられ、空気を冷媒として循環させて空気冷凍サイクルを行う低温側回路（３０）とを備えている。
【００１１】
また、請求項２の発明は、請求項１の発明において、高温側回路（１０）は、蒸発器（１３）における冷媒蒸発温度が水の三重点の温度以下に設定されている。
【００１２】
また、請求項３の発明は、請求項２の発明において、高温側回路（１０）の蒸発器（１３）には、該蒸発器（１３）で生成したスラリ状の氷を流通させて冷却対象（２４）を冷却する冷却回路（２０）が接続されている。
【００１３】
また、請求項４の発明は、請求項１の発明において、低温側回路（３０）には、冷却対象（３５）から吸熱して空気圧縮機（３１）へ向かう空気と、高温側回路（１０）の蒸発器（１３）で冷却されて空気膨張機（３４）へ向かう空気とを熱交換させる中間熱交換器（３３）が設けられている。
【００１４】
また、請求項５の発明は、請求項１の発明において、低温側回路（３０）には、空気膨張機（３４）へ向かう冷媒としての空気の除湿を行う除湿手段（４０）が設けられている。
【００１５】
すなわち、請求項１の発明では、低温側回路（３０）で空気冷凍サイクルが行われ、高温側回路（１０）で蒸気圧縮冷凍サイクルが行われる。
【００１６】
高温側回路（１０）では、冷媒としての水が循環して圧縮、凝縮、膨張及び蒸発の各過程を順に繰り返し蒸気圧縮冷凍サイクルが行われる。なお、ここでいう水は、物質名を意味するものであり、液体としての水だけを意味しているものではない。
【００１７】
一方、低温側回路（３０）では、冷媒としての空気が流通する。この空気は、空気圧縮機（３１）で圧縮され、その後に上記高温側回路（１０）の蒸発器（１３）において高温側回路（１０）の冷媒としての水と熱交換して冷却される。その際、高温側回路（１０）の冷媒である水は、低温側回路（３０）の空気から吸熱して蒸発する。そして、低温側回路（３０）を流れる空気は、蒸発器（１３）で冷却された後に空気膨張機（３４）で膨張して温度が低下し、対象物の冷却に利用される。
【００１８】
また、請求項２の発明では、蒸発器（１３）における冷媒蒸発温度が、水の三重点の温度以下に設定されている。このため、蒸発器（１３）内では、冷媒としての水は、固相、液相、気相の全てが共存し得る。すなわち、蒸発器（１３）に導入された冷媒としての水は、その一部が蒸発して水蒸気となる一方、残りの全部又は一部が凝固して氷となる。
【００１９】
また、請求項３の発明では、高温側回路（１０）の蒸発器（１３）で生成したスラリ状の氷は、冷却回路（２０）を流通して冷却対象（２４）を冷却する。
【００２０】
また、請求項４の発明では、低温側回路（３０）の中間熱交換器（３３）において、冷却対象（３５）から吸熱して空気圧縮機（３１）へ向かう空気と、高温側回路（１０）の蒸発器（１３）で冷却されて空気膨張機（３４）へ向かう空気とが熱交換している。つまり、冷却対象（３５）から吸熱した空気は、中間熱交換器（３３）で加熱されてから空気圧縮機（３１）へ吸入されて圧縮される。また、蒸発器（１３）で冷却された空気は、中間熱交換器（３３）で更に冷却されてから空気膨張機（３４）へ流入して膨張する。
【００２１】
また、請求項５の発明では、除湿手段（４０）が、空気膨張機（３４）へ向かって低温側回路（３０）を流れる冷媒としての空気の除湿を行う。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２３】
図１に示すように、本発明の実施形態に係る二元冷凍装置（１）は、高温側回路（１０）と低温側回路（３０）とを備えている。
【００２４】
上記高温側回路（１０）は、冷媒圧縮機としての高温側圧縮機（１１）と、凝縮器としての復水槽（１２）と、蒸発器としての蒸発製氷槽（１３）とが順に冷媒配管（１５）によって接続されて構成されている。この高温側回路（１０）では、冷媒として水が用いられている。ここでいう「水」は、物質としての水を意味するものであり、液体としての水だけを意味するものではない。なお、この水は、純水に限られるものではなく、例えば添加剤等が添加された水であってもよい。
【００２５】
上記高温側圧縮機（１１）は、冷媒を圧縮するものであり、その吸入側が蒸発製氷槽（１３）と配管接続される一方、吐出側が復水槽（１２）と配管接続されている。
【００２６】
上記復水槽（１２）内には伝熱管（１７）が設置されている。この伝熱管（１７）の両端は、図外のクーリングタワーに配管接続されており、この伝熱管（１７）には冷却水が流通する。そして、復水槽（１２）では、導入されたガス冷媒としての水蒸気が伝熱管（１７）内の冷却水と熱交換して凝縮する。
【００２７】
復水槽（１２）の底部に接続された冷媒配管（１５）には、フィルタ等からなる水浄化手段（１８）と流量圧力調整手段（１９）とが設けられている。水浄化手段（１８）は、高温側回路（１０）を流通する冷媒（水）を清潔に保つためのものである。また、流量圧力調整手段（１９）は、例えば冷媒を膨張させる膨張弁により構成されている。尚、この流量圧力調整手段（１９）は、冷媒を後述するスプレーノズルによって噴出させるために圧送するポンプによって構成してもよい。また、流量圧力調整手段（１９）を省略するとともに、復水槽（１２）と蒸発製氷槽（１３）の設置高さを調整することによって、この冷媒配管（１５）を流れる冷媒（水）の圧力を調整する構成としてもよい。
【００２８】
上記蒸発製氷槽（１３）は、密閉型の断熱容器からなるものであり、上室（１３ａ）と、この上室（１３ａ）の下側に配置される下室（１３ｂ）とを備えている。上室（１３ａ）の底部は、すり鉢状に構成されている。この上室（１３ａ）の底部における下端部は、上記下室（１３ｂ）の上端部に開口している。つまり、両室（１３ａ，１３ｂ）は連通されている。
【００２９】
上室（１３ａ）には、上記復水槽（１２）の底部に接続された冷媒配管（１５）の終端部が開口している。この配管（１５）の下端部にはスプレーノズル（図示省略）が設けられている。このスプレーノズルは、配管（１５）を流れてきた冷媒（水）を上室（１３ａ）内に噴射させるものである。
【００３０】
蒸発製氷槽（１３）内は、およそ温度０．０１℃、圧力０．６１ｋＰａ（０．００６気圧）に維持されている。つまり、高温側回路（１０）では、蒸発製氷槽（１３）内の状態が水の三重点の状態となっている。したがって、蒸発製氷槽（１３）内において、冷媒である水の固相、液相及び気相が共存し得る。
【００３１】
上記下室（１３ｂ）には、冷却回路（２０）が接続されている。この冷却回路（２０）は、その両端が下室（１３ｂ）内に開口する開ループ回路であって、ポンプ（２１）と冷却熱交換器（２２）とを備えている。このポンプ（２１）は、下室（１３ｂ）内のスラリ状の氷を吸入して冷却回路（２０）内に流通させるように構成されている。冷却熱交換器（２２）は、第１の冷却対象としての冷蔵室（２４）に設置され、冷却回路（２０）を流れるスラリ状の氷と冷蔵室（２４）内の空気とを熱交換させるように構成されている。
【００３２】
一方、上記低温側回路（３０）は、空気圧縮機としての低温側圧縮機（３１）と、冷媒熱交換器（３２）と、中間熱交換器（３３）と、空気膨張機としてのタービン（３４）と、第２の冷却対象としての冷凍室（３５）とを冷媒配管（３７）によって接続して構成されている。低温側回路（３０）では、冷媒として空気が用いられている。
【００３３】
上記低温側圧縮機（３１）とタービン（３４）は、１本のシャフト（３８）で連結されている。このシャフト（３８）にはモータ（３９）が設けられている。そして、低温側圧縮機（３１）は、モータ（３９）とタービン（３４）の両方によって駆動される。
【００３４】
上記冷媒熱交換器（３２）は、その一端が低温側圧縮機（３１）の吐出側に配管接続される一方、他端が中間熱交換器（３３）を介してタービン（３４）の流入側に配管接続されている。この冷媒熱交換器（３２）は、蒸発製氷槽（１３）の下室（１３ｂ）内に設置され、下室（１３ｂ）内の氷と、低温側圧縮機（３１）から吐出された空気とを熱交換させるように構成されている。
【００３５】
上記冷凍室（３５）には、それぞれ冷媒配管（３７）を構成する第１配管（３７ａ）と第２配管（３７ｂ）の一端が開口している。第１配管（３７ａ）は、その流入端がタービン（３４）の流出側に接続される一方、流出端が冷凍室（３５）に開口している。上記第２配管（３７ｂ）は、その流入端が冷凍室（３５）に開口する一方、流出端が低温側圧縮機（３１）の吸入側に接続されている。この第２配管（３７ｂ）には、上記中間熱交換器（３３）が接続されている。
【００３６】
上記中間熱交換器（３３）は、高温側通路（３３ａ）と低温側通路（３３ｂ）を備えている。高温側通路（３３ａ）は、冷媒熱交換器（３２）とタービン（３４）をつなぐ冷媒配管（３７）の途中に設けられている。低温側通路（３３ｂ）は、冷凍室（３５）と低温側圧縮機（３１）をつなぐ第２配管（３７ｂ）の途中に配置されている。そして、中間熱交換器（３３）は、冷媒熱交換器（３２）から流出してタービン（３４）へ向かう高温側通路（３３ａ）の空気と、冷凍室（３５）から流出して低温側圧縮機（３１）へ向かう低温側通路（３３ｂ）の空気とを熱交換させるように構成されている。
【００３７】
上記第２配管（３７ｂ）には、冷媒としての空気の除湿を行う除湿手段（４０）が設けられている。この除湿手段（４０）は、図示省略するが例えば吸着器や透湿膜を備えて構成されている。この除湿手段（４０）は冷凍室（３５）から第２配管（３７ｂ）へ流入し、低温側圧縮機（３１）等を経由してタービン（３４）へ向かう空気の除湿を行う。
【００３８】
本実施形態に係る二元冷凍装置（１）の運転動作について説明する。高温側回路（１０）では、高温側圧縮機（１１）から吐出された水蒸気が復水槽（１２）に流入する。この復水槽（１２）では、水蒸気が伝熱管（１７）内の冷却水と熱交換して凝縮する。例えば、復水槽（１２）での水の凝縮温度が４０℃の場合には、復水槽（１２）の内圧が７．４ｋＰａとなっている。
【００３９】
復水槽（１２）に貯溜された水は、冷媒配管（１５）を通って流量圧力調整手段（１９）によって膨張した後、蒸発製氷槽（１３）へ流入する。この蒸発製氷槽（１３）内は、概ね温度０．０１℃、圧力０．６１ｋＰａ（０．００６気圧）の状態になっている。そして、蒸発製氷槽（１３）に流れてきた水は、スプレーノズルを通って上室（１３ａ）内に噴霧される。この上室（１３ａ）内に噴霧された水は、その一部が蒸発して水蒸気となる一方、残りの全部又は一部が凝固して氷となる。この噴霧された水の凝固により得られた細かい粒状の氷は、上室（１３ａ）の底面に沿って下室（１３ｂ）へと落下する。そして、下室（１３ｂ）には、上室（１３ａ）で得られた粒状の氷が、液体である水と共存したスラリ状で貯溜される。
【００４０】
上記蒸発製氷槽（１３）内の水蒸気は、高温側圧縮機（１１）へ再び吸入されて圧縮される。高温側回路（１０）ではこのような循環が繰り返されて蒸気圧縮冷凍サイクルが行われる。
【００４１】
上記下室（１３ｂ）に貯溜されたスラリ状の氷は、その一部が冷却回路（２０）へ送られる。冷却熱交換器（２２）では、スラリ状の氷が冷蔵室（２４）の空気と熱交換して融解し、冷蔵室（２４）の室内空気が冷却される。冷却熱交換器（２２）の水は、再び冷却回路（２０）を通って蒸発製氷槽（１３）の下室（１３ｂ）へ送り返される。
【００４２】
一方、モータ（３９）とタービン（３４）によって低温側圧縮機（３１）を駆動すると、低温側回路（３０）で空気が流通して空気冷凍サイクルが行われる。具体的に、低温側圧縮機（３１）を駆動すると、冷凍室（３５）の庫内空気が低温側回路（３０）の第２配管（３７ｂ）へ送り込まれる。この第２配管（３７ｂ）へ取り込まれる庫内空気は、温度−５０℃で圧力９８ｋＰａ（１気圧）となっている。第２配管（３７ｂ）を流れる空気は、除湿手段（４０）によって除湿された後、中間熱交換器（３３）の低温側通路（３３ｂ）へ流入し、高温側通路（３３ａ）の空気と熱交換して−１０℃程度まで昇温する。中間熱交換器（３３）の低温側通路（３３ｂ）から出た空気は、低温側圧縮機（３１）で圧縮され、１４７ｋＰａ（１．５気圧）まで昇圧すると同時に２０℃まで昇温する。
【００４３】
低温側圧縮機（３１）から吐出された２０℃の空気は、冷媒熱交換器（３２）で約０℃まで冷却される。この冷媒熱交換器（３２）で冷却された空気は、中間熱交換器（３３）の高温側通路（３３ａ）へ流入し、更に−４０℃にまで冷却される。中間熱交換器（３３）の高温側通路（３３ａ）を出た空気は、タービン（３４）で膨張し、圧力が９８ｋＰａ（１気圧）まで低下すると同時に温度が−６０℃まで低下する。そして、タービン（３４）から流出した−６０℃の空気は、第１配管（３７ａ）を通って冷凍室（３５）へ供給される。
【００４４】
以上説明したように、本実施形態に係る二元冷凍装置（１）では、高温側回路（１０）の冷媒として水が用いられ、また低温側回路（３０）の冷媒として空気が用いられている。したがって、オゾン層破壊や地球温暖化の原因となると言われているフロンが用いられていないために、環境に悪影響を及ぼさない冷凍装置（１）が実現されている。
【００４５】
また、本実施形態に係る二元冷凍装置（１）では、高温側回路（１０）で水を冷媒として循環させて蒸気圧縮冷凍サイクルを行う一方、低温側回路（３０）で空気を冷媒として循環させて空気冷凍サイクルを行っている。このため、水を冷媒として蒸気圧縮冷凍サイクルだけを行う冷凍装置を用いる場合のように対象物の冷却温度が０℃以上に制限されることはなく、空気冷凍サイクルにより得られた低温空気で対象物を例えば−５０℃程度にまで冷却することが可能となる。したがって、本実施形態に係る二元冷凍装置（１）によれば、いわゆるフロンを冷媒として用いることなく、幅広い温度領域で冷却を行うことができる。
【００４６】
ここで、蒸気圧縮冷凍サイクルのＣＯＰは、冷却温度が低くなるにつれて次第に低下するのに対し、空気冷凍サイクルのＣＯＰは、さほど高くはないが冷却温度に拘わらず概ね一定である。そして、冷却温度が例えば−５０℃程度にまで低くなると、空気冷凍サイクルによっても蒸気圧縮冷凍サイクルとほぼ同等のＣＯＰが得られる。また、蒸気圧縮冷凍サイクルについては、冷媒が水でもフロンの場合と概ね同等のＣＯＰが期待できる。
【００４７】
つまり、本実施形態に係る二元冷凍装置（１）によれば、水を冷媒とする高温側回路（１０）での蒸気圧縮冷凍サイクルだけでなく、空気を冷媒とする低温側回路（３０）での空気冷凍サイクルについても、フロンを冷媒とする一般的な蒸気圧縮冷凍サイクルと同等のＣＯＰが得られることとなる。したがって、いわゆるフロンを冷媒として用いることなく、従来より一般的なフロン冷媒を用いる冷凍装置と同等のＣＯＰを得ることができる。
【００４８】
また、本実施形態では、蒸発製氷槽（１３）内においてスプレーノズルから噴霧された水が凝固した氷は、細かい粒状の氷となっている。そして、この氷が貯溜される蒸発製氷槽（１３）の下室（１３ｂ）では、氷はスラリ状の流動性の高いものとなっている。したがって、本実施形態によれば、蒸発製氷槽（１３）で生成された氷を容易に冷却回路（２０）に流通させることができ、冷蔵室（２４）の冷却に利用することができる。
【００４９】
また、本実施形態では、低温側回路（３０）に中間熱交換器（３３）を設け、冷凍室（３５）から吸熱して低温側圧縮機（３１）へ向かう空気と高温側回路（１０）の蒸発製氷槽（１３）で冷却されてタービン（３４）へ向かう空気とを熱交換させている。このため、タービン（３４）へ流入させる空気の温度を中間熱交換器（３３）で低下させることができる。したがって、本実施形態によれば、中間熱交換器（３３）が設けられていない冷凍装置に比べ、低温側圧縮機（３１）等の駆動に要する動力を増大させることなく冷凍室（３５）へ供給する空気の温度をより低温、例えば−６０℃程度にまで低下させることができる。この結果、冷凍室（３５）をより低温に冷却することができる。
【００５０】
また、中間熱交換器（３３）で低温側圧縮機（３１）へ向かう空気とタービン（３４）へ向かう空気とを熱交換させるので、低温側圧縮機（３１）については、吸入空気温度が上昇する。したがって、低温側圧縮機（３１）の圧縮比を小さく設定した場合でも、吐出空気温度は低下しない。また、タービン（３４）については、流入空気温度が低下するので、タービン（３４）の膨張比を小さく設定した場合でも、流出空気温度は上昇しない。したがって、本実施形態によれば、中間熱交換器（３３）を設けない場合に比べて低温側圧縮機（３１）の圧縮比及びタービン（３４）の膨張比を小さく設定しても、タービン（３４）からの流出空気温度を維持することができる。この結果、低温側圧縮機（３１）等の駆動に要する動力を削減でき、低温側回路（３０）における空気冷凍サイクルのＣＯＰを向上させることができる。
【００５１】
また、本実施形態では、低温側回路（３０）において、タービン（３４）へ向かう空気の除湿が除湿手段（４０）によって行われる。このため、タービン（３４）へ流入する空気に含まれる水分を低減できるので、タービン（３４）に着霜したり氷片が生成されたりするのを抑制できる。すなわち、低温側回路（３０）には冷凍室（３５）の庫内空気が流入し、この空気がタービン（３４）では約−６０℃まで冷却される。このため、タービン（３４）において着霜したり氷片が生成したりし、この霜や氷片がタービン（３４）の動作の障害となり得る。したがって、タービンへ向かう空気の除湿を行うことにより、霜や氷片がタービン（３４）の動作の障害となるのを抑止できる。
【００５２】
【発明のその他の実施の形態】
上記実施形態では、冷却回路（２０）に蒸発製氷槽（１３）で生成された氷が流通する構成としたが、これに代え、図２に示すように、冷却回路（２０）を閉ループとして構成し、この冷却回路（２０）を冷却媒体が流通する構成としてもよい。この構成では、冷却回路（２０）には、蒸発製氷槽（１３）の氷と冷却媒体とを熱交換させる氷熱交換器（４５）が追加される。この構成では、ポンプ（２１）の駆動によって冷却媒体が冷却回路（２０）を循環する。そして、氷熱交換器（４５）で氷によって冷却された冷却媒体は、冷却熱交換器（２２）において冷蔵室（２４）内の室内空気と熱交換する。これにより、冷蔵室（２４）が冷却される。
【００５３】
また、上記実施形態では、低温側回路（３０）の第１配管（３７ａ）又は第２配管（３７ｂ）の一端を冷凍室（３５）に開口し、低温の空気を直接冷凍室（３５）に吹き出させる構成としている。これに代えて、図３に示すように、冷凍室（３５）内に空気熱交換器（４７）を設置し、この空気熱交換器（４７）をそれぞれ第１配管（３７ａ）又は第２配管（３７ｂ）の開口端に接続する構成としてもよい。この構成では、空気熱交換器（４７）において、低温側回路（３０）の空気と冷凍室（３５）内の室内空気とが熱交換し、これにより、冷凍室（３５）が冷却される。
【００５４】
また、上記実施形態では、低温側回路（３０）に中間熱交換器（３３）を設ける構成について示したが、例えば−２０℃程度の空気を冷凍室（３５）に供給する場合には、この中間熱交換器（３３）を省略する構成としてもよい。
【００５５】
また、上記実施形態において、低温側回路（３０）の除湿手段（４０）は、第２配管（３７ｂ）に設置される構成に代え、中間熱交換器（３３）の高温側通路（３３ａ）とタービン（３４）とを接続する冷媒配管（３７）に設ける構成としてもよい。
【００５６】
また、上記実施形態において、蒸発製氷槽（１３）を大型のものに構成してもよい。このような構成とすることで、蒸発製氷槽（１３）で生成された氷を蓄熱に利用することが可能となる。これにより、高温側回路（１０）では、氷に蓄熱する蓄熱運転と、この蓄熱を利用する蓄熱利用運転とに分けて運転を行うことができる。そして、蓄熱運転を例えば電力料金の安い夜間に行うことにより、ランニングコストを低減することが可能となる。また、電力需要が増大する昼間の運転を極力回避することで、電力需要のピークカットに寄与することも可能となる。
【００５７】
また、上記実施形態において、蒸発製氷槽（１３）は、貯溜された氷を取り出し可能に構成してもよい。この場合には、復水槽（１２）に水補給用の配管（図示省略）を設けることが必要となる。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、次のような効果が得られる。
【００５９】
本発明の二元冷凍装置（１）では、高温側回路（１０）で水を冷媒として循環させて蒸気圧縮冷凍サイクルを行う一方、低温側回路（３０）で空気を冷媒として循環させて空気冷凍サイクルを行っている。このため、水を冷媒として蒸気圧縮冷凍サイクルだけを行う冷凍装置を用いる場合のように対象物の冷却温度が０℃以上に制限されることはなく、空気冷凍サイクルにより得られた低温空気で対象物を例えば−５０℃程度にまで冷却することが可能となる。したがって、本発明によれば、いわゆるフロンを冷媒として用いることなく、幅広い温度領域で冷却を行える冷凍装置を実現できる。
【００６０】
ここで、蒸気圧縮冷凍サイクルのＣＯＰは、冷却温度が低くなるにつれて次第に低下するのに対し、空気冷凍サイクルのＣＯＰは、さほど高くはないが冷却温度に拘わらず概ね一定である。そして、冷却温度が例えば−５０℃程度にまで低くなると、空気冷凍サイクルによっても蒸気圧縮冷凍サイクルとほぼ同等のＣＯＰが得られる。また、蒸気圧縮冷凍サイクルについては、冷媒が水でもフロンの場合と概ね同等のＣＯＰが期待できる。
【００６１】
つまり、本発明の二元冷凍装置（１）によれば、水を冷媒とする高温側回路（１０）での蒸気圧縮冷凍サイクルだけでなく、空気を冷媒とする低温側回路（３０）での空気冷凍サイクルについても、フロンを冷媒とする一般的な蒸気圧縮冷凍サイクルと同等のＣＯＰが得られることとなる。したがって、本発明によれば、いわゆるフロンを冷媒として用いることなく、従来より一般的なフロン冷媒を用いる冷凍装置と同等のＣＯＰを得ることができる。
【００６２】
請求項２の発明では、高温側回路（１０）の蒸発器（１３）において、冷媒としての水は、その一部が蒸発する一方、残りの全部又は一部が凝固して氷となる。したがって、この発明によれば、蒸発器（１３）において、製氷を行うことができる。
【００６３】
請求項３に係る発明では、高温側回路（１０）の蒸発器（１３）において流動性の高いスラリ状の氷を生成し、そのスラリ状の氷を冷却回路（２０）に流通させて冷却対象（２４）を冷却する。したがって、本発明によれば、蒸発器（１３）で生成された氷を冷却回路（２０）に容易に流通させることができ、冷却対象の冷却に利用することができる。
【００６４】
請求項４に係る発明では、低温側回路（３０）に中間熱交換器（３３）を設け、空気圧縮機（３１）へ向かう空気と空気膨張機（３４）へ向かう空気とを熱交換させている。このため、空気膨張機（３４）へ流入させる空気の温度を中間熱交換器（３３）で低下させることができる。したがって、本発明によれば、中間熱交換器（３３）が設けられていない冷凍装置に比べ、空気圧縮機（３１）等の駆動に要する動力を増大させることなく冷却対象（３５）へ供給する空気の温度をより低温、例えば−５０℃程度にまで低下させることができる。この結果、冷却対象（３５）をより低温に冷却することができる。
【００６５】
また、中間熱交換器（３３）で空気圧縮機（３１）へ向かう空気と空気膨張機（３４）へ向かう空気とを熱交換させるので、空気圧縮機（３１）については、吸入空気温度が上昇する。したがって、空気圧縮機（３１）の圧縮比を小さく設定した場合でも、吐出空気温度は低下しない。また、空気膨張機（３４）については、流入空気温度が低下するので、空気膨張機（３４）の膨張比を小さく設定した場合でも、流出空気温度は上昇しない。したがって、この発明によれば、中間熱交換器（３３）を設けない場合に比べて空気圧縮機（３１）の圧縮比及び空気膨張機（３４）の膨張比を小さく設定しても、空気膨張機（３４）からの流出空気温度を維持することができる。この結果、空気圧縮機（３１）等の駆動に要する動力を削減でき、低温側回路（３０）における空気冷凍サイクルのＣＯＰを向上させることができる。
【００６６】
請求項５に係る発明では、低温側回路（３０）において、空気膨張機（３４）へ向かう空気の除湿が除湿手段（４０）によって行われる。このため、空気膨張機（３４）へ流入する空気に含まれる水分を低減できるので、空気を膨張させて低温にする空気膨張機（３４）に着霜したり氷片が生成されたりするのを抑制できる。したがって、本発明によれば、霜や氷片が空気膨張機（３４）の動作の障害となるのを抑止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る二元冷凍装置の全体構成を示す図である。
【図２】その他の実施形態に係る二元冷凍装置の要部を示す図である。
【図３】その他の実施形態に係る二元冷凍装置の要部を示す図である。
【符号の説明】
（１０）    高温側回路
（１１）    高温側圧縮機
（１２）    復水槽
（１３）    蒸発製氷槽
（２０）    冷却回路
（２４）    冷蔵室
（３０）    低温側回路
（３１）    低温側圧縮機
（３３）    中間熱交換器
（３４）    タービン
（３５）    冷凍室
（４０）    除湿手段
【図１】
2004251541.tif 000003
【図２】
2004251541.tif 000004
【図３】
2004251541.tif 000005