(57)【要約】【課題】設備コストの増大の抑制と運転の信頼性の向上。【解決手段】受液器７から熱吸収器９に向かう第１配管２８と熱吸収器９から一次側圧縮器６に向かう第２配管２９との間で熱交換する配管間熱交換器とから形成されている。二次側循環系２は、二次側圧縮器１４と、熱放出器１５と、一次側循環系１と二次側循環系２の間で熱交換する二次側内的熱交換部位５と、熱放出器１５と二次側内的熱交換部位５との間に介設される二次側膨張器１８とから形成されている。配管間熱交換器は、既述の第１配管２８と、既述の第１配管２８に近接して配置される第２配管２９と、第１配管２８と第２配管２９を被覆する断熱体３１とから構成されている。配管間熱交換器は、特別な熱交換器として提供されず、必ず存在する第１配管２８と第２配管２９とが近接させられて施工され、配管工事の施工費と概ね等しい工事費用で提供される。このような低コストで、フラッシュガスの発生を有効に回避する過冷却を実現し、運転の信頼性が向上している。【選択図】          図１
2005077042.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次側冷媒が循環する一次側循環系と、
前記一次側循環系から前記一次側循環系の熱を熱交換により受け取り二次側冷媒が循環する二次側循環系とを構成し、
前記一次側循環系は、
一次側圧縮器と、
熱吸収器と、
前記一次側循環系と前記二次側循環系の間で熱交換する一次側内的熱交換部位と、
前記一次側内的熱交換部位と前記熱吸収器の間に介設される受液器と、
前記受液器と前記熱吸収器の間に介設される一次側膨張器と、
前記受液器から前記熱吸収器に向かう第１配管と前記熱吸収器から前記一次側圧縮器に向かう第２配管との間で熱交換する配管間熱交換器とを形成し、
前記二次側循環系は、
二次側圧縮器と、
熱放出器と、
前記一次側循環系と前記二次側循環系の間で熱交換する二次側内的熱交換部位と、
前記熱放出器と前記二次側内的熱交換部位との間に介設される二次側膨張器とを形成し、
前記配管間熱交換器は、
前記第１配管と、
前記第１配管に近接して配置される前記第２配管と、
前記第１配管と前記第２配管を被覆する断熱体とを構成する
冷却システム。
【請求項２】
前記第１配管は第１金属管で形成され、前記第２配管は第２金属管で形成され、前記第１配管は直接に前記第２配管に接触し、
前記断熱体は、
前記第１金属管を被覆する第１断熱体と
前記第２金属管を被覆する第２断熱体とを構成し、
前記第１断熱体と前記第２断熱体は同体に接合している
請求項１の冷却システム。
【請求項３】
冷凍庫が構成され、前記冷凍庫は前記熱吸収器と前記一次側膨張器により構成される
請求項１の冷却システム。
【請求項４】
暖房器が構成され、前記暖房器は前記熱放出器により構成される
請求項３の冷却システム。
【請求項５】
ユニットボックスを更に構成し、
前記一次側圧縮器と前記一次側内的熱交換部位と前記受液器とは前記ユニットボックスに同体にユニット化されて配置されている
請求項１〜４から選択される１請求項の冷却システム。
【請求項６】
前記受液器は前記一次側内的熱交換部位より下方に配置される
請求項５の冷却システム。
【請求項７】
前記受液器は前記一次側内的熱交換部位より下方に配置される
請求項１〜４から選択される１請求項の冷却システム。
【請求項８】
前記一次側循環系に並列に配置される分岐路を更に構成し、
前記分岐路は、
前記一次側圧縮器から前記一次側内的熱交換部位に向かう配管と前記熱吸収器から前記一次側圧縮器に向かう配管とを接続する並列分岐管と、
前記並列分岐管に介設される膨張タンクと、
前記膨張タンクに前記一次側冷媒を送り込む圧力制御弁とを形成する
請求項１の冷却システム。
【請求項９】
前記二次側圧縮器の回転数を制御するインバータを更に構成する
請求項１の冷却システム。
【請求項１０】
請求項８の冷却システムを運転する冷却システムの運転方法であり、
前記冷却システムが停止した際に前記圧力制御弁を開く手順と、
前記圧力制御弁を介して前記一次側冷媒を前記膨張タンクに誘導する手順と、
前記一次側圧縮器の運転を停止し、且つ、前記二次側圧縮器を運転する手順
とを含む冷却システムの運転方法。
【請求項１１】
カスケード式冷凍システムの第１部分をユニットボックスとして組み立てる工程と、
前記ユニットボックスを施工場所に搬送して設置する工程と、
前記カスケード式冷凍システムの第２部分を施工場所で施工する工程とを構成し、
前記第１部分は、一次側循環系と二次側循環系とが内的に熱交換しあう内的熱交換部位と、一次側圧縮器と、一次側循環系の受液器と、二次側膨張器とを含み、
前記第２部分は、熱吸収器と、一次側膨張器とを含み、
前記施工する工程は、
前記熱吸収器を前記施工場所に設置する工程と、
前記一次側膨張器を前記施工場所に設置する工程と、
前記受液器を前記一次側膨張器に第１配管により接続する工程と、
前記熱吸収器を前記一次側圧縮器に第２配管により接続する工程と、
前記第１配管と前記第２配管とを近接させて前記第１配管と前記第２配管を共通の断熱体で被覆する工程とを形成する
冷却システムの施工方法。
【請求項１２】
前記組み立てる工程は、前記内的熱交換部位より低位に前記受液器を前記ユニットボックスに組み付ける工程を含む
請求項１１の冷却システムの施工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却システム、及び、冷却システムの施工方法に関し、特に、カスケード式冷凍機を用いる冷凍庫のような冷却システム、及び、それの施工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
冷房、暖房、冷凍のような温度制御のために、熱交換器が用いられる。熱交換器に用いられる冷媒が単一種類であれば、安全性と環境性の両性質を同時に充足することができないことがある。そのような両性質を同時に充足する技術が、後掲特許文献１で知られている。そのような公知の技術は、２様の冷媒を用いることによりその技術課題を解決している。後掲特許文献２は、カスケード接続の技術を更に利用している。
【０００３】
冷凍機として、同一冷媒が用いられる１段、２段の圧縮冷凍機、高温側冷媒としてＲ２２が用いられ低温側冷媒としてＲ２３が用いられるカスケード冷凍機が知られている。環境負荷対策を重要視するＥＵでは、低温側冷媒として炭酸ガスを用いる冷凍機の研究・開発が進んでいて、炭酸ガス利用のカスケード冷凍機が供給され始めている。炭酸ガス冷媒は、大気中に炭酸ガスととして放出することができる自然冷媒であり、環境負荷対策のために好適である。炭酸ガス冷媒を用いる冷凍機は、日本の今後の重要な技術要素である。炭酸ガス利用のカスケード冷凍機は、日本では、冷凍庫と凍結乾燥機として２例の実用化例が知られている。
【０００４】
図１は、カスケード冷凍サイクルの公知の原理的構造を示している。カスケード冷凍サイクルは、一次側（低温側）熱伝達サイクル系１０１と二次側（高温側）熱伝達サイクル系１０２とから構成されていてヒートポンプを構成している。一次系は、一次側圧縮機１０３と、一次側内的熱交換部位（低温側凝縮器）１０４と、一次側受液器１０５と、一次側膨張弁１０６と、一次側外的熱交換部位（蒸発器、熱エネルギー吸収部位、冷却部位）１０７とから形成される循環系である。二次系は、二次側圧縮機１０８と、二次側外的熱交換部位（凝縮器、熱エネルギー放出部位、加熱・暖房・給湯部位）１０９と、二次側受液器１１０と、二次側膨張弁１１２と、二次側内的熱交換部位（高温側蒸発器）１１３とから形成される循環系である。一次側冷媒として、炭酸ガスのような自然冷媒（自然界に普通に存在する物質）の使用が望まれ、特に、炭酸ガスの使用が望まれている。一次側内的熱交換部位１０４と二次側内的熱交換部位１１３とで形成される内的熱交換器は、カスケードコンデンサといわれる。
【０００５】
図２は、カスケード冷凍サイクルのｐ−ｈ線図を示している。縦軸は圧力ｐを示し、横軸はエンタルピーを示している。線図中のサイクル１−２−３−４の数１，２，３，４は、図１の一次側循環系の位置を示す１，２，３，４に対応し、線図中のサイクル５−６−７−８の数５，６，７，８は、図１の二次側循環系の位置を示す５，６，７，８に対応している。そのようなサイクルのｐ−ｈ閉曲線は、飽和線Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに交叉し、過熱、過冷却の存在を示している。
【０００６】
コンビニエンスストア、スーパーマーケット、食品工場のような複合熱制御空間では、冷凍と冷蔵と冷房の３様の熱制御のうち少なくとも２つが実行される。このような熱制御空間では、既述の両性質の充足の他に電力削減が求められる。
【０００７】
研究・開発の初期的段階のカスケード冷凍サイクルシステムには、解決されるべき課題が新たに知られつつある。そのような課題を持つ問題として、炭酸ガス冷媒の圧力上昇問題、フラッシュ的炭酸ガス発生問題、起動時炭酸ガスの吐出圧力上昇問題、高温側冷凍能力の変動問題が研究者間で知られつつある。
【０００８】
圧力上昇問題：
（１）連続運転が求められる冷凍設備では、その運転の停止時に、炭酸ガスの圧力が上昇する。その上昇に対処するためには自然冷媒の炭酸ガスを系外に放出することで十分であるが、冷凍庫内又はそれの近辺の炭酸ガスの放出による酸欠状態が問題化される。
（２）起動と停止が頻繁に起こる大型設備では、圧力上昇を抑えるために、補助冷凍機が必須的に装備され、そのコスト負担が大きい。
（３）停止期間が長い設備では、圧力上昇を抑える大型の膨張タンクが必要であり、そのコスト負担が更に大きくなる。
【０００９】
フラッシュ的炭酸ガス発生問題：
凝縮し蒸発しやすくなった炭酸ガス液には、膨張弁の膨張機能を低下させるフラッシュガスが発生する。フラッシュガスの発生を抑制するために、炭酸ガス液を過冷却することが行われる。蒸発器１０７に向かう炭酸ガス液と蒸発器１０７から一次側圧縮機１０３に向かう吸入ガスとの間で熱交換を行って、蒸発器１０７に向かう管の中の炭酸ガス液の過冷却が行われる。そのような熱交換器が両管の間に介設される。このような熱交換器の設備は、更に設備コストを増大させる。
【００１０】
吐出圧力上昇問題：
起動時に炭酸ガスの吐出圧力が増大する。一次側循環系のそのような増大に対処するために、一次側循環系の全体の設計圧力が大きく設計され、二次側循環系の容量が大きく設計されている。このことは、更に設備コストを増大させる。
冷凍能力の変動問題：
二次側循環系の凝縮器１０９が空冷式である場合に、二次系の冷凍能力は夏季又は冬季には大きく変動する。このような変動期間のカスケードコンデンサの二次側内的熱交換部位１１３は、蒸発温度が経済的温度から乖離する。そのような乖離に対して成り行き任せであることが現状であり、運転コストの増大の原因になっている。
【００１１】
カスケード式冷凍機の特有の問題点を解消することが重要である。設備コストの増大を抑制する技術の確立が求められる。次に、運転コストの増大を抑制することが望まれる。更に、運転の信頼性が向上することが大事である。結果的に、業務用カスケード式冷凍機の普及を促進することが求められている。
【００１２】
【特許文献１】特開平１０−３０６９５２号公報
【特許文献２】特開２００１−９１０７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の課題は、カスケード式冷凍機の特有の問題点を解消する冷却システム、及び、冷却システムの施工方法を提供することにある。
本発明の他の課題は、設備コストの増大を抑制してカスケード式冷却設備の普及を促進する冷却システム、及び、冷却システムの施工方法を提供することにある。
本発明の更に他の課題は、更に運転コストの増大を抑制する冷却システム、及び、冷却システムの施工方法を提供することにある。
本発明の更に他の課題は、運転の信頼性が向上する冷却システム、及び、冷却システムの施工方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明による冷却システムは、一次側冷媒が循環する一次側循環系（１）と、一次側循環系（１）から一次側循環系（１）の熱を熱交換により受け取り二次側冷媒が循環する二次側循環系（２）とから構成されている。一次側循環系（１）は、一次側圧縮器（６）と、熱吸収器（９）と、一次側循環系（１）と二次側循環系（２）の間で熱交換する一次側内的熱交換部位（４）と、一次側内的熱交換部位（４）と熱吸収器（９：蒸発器）の間に介設される受液器（７）と、受液器（７）と熱吸収器（９）の間に介設される一次側膨張器（８）と、受液器（７）から熱吸収器（９）に向かう第１配管（２８）と熱吸収器（９）から一次側圧縮器（６）に向かう第２配管（２９）との間で熱交換する配管間熱交換器とから形成されている。二次側循環系（２）は、二次側圧縮器（１４）と、熱放出器（１５：凝縮器）と、一次側循環系（１）と二次側循環系（２）の間で熱交換する二次側内的熱交換部位（５）と、熱放出器（１５）と二次側内的熱交換部位（５）との間に介設される二次側膨張器（１８）とから形成されている。配管間熱交換器は、既述の第１配管（２８）と、既述の第１配管（２８）に近接して配置される第２配管（２９）と、第１配管（２８）と第２配管（２９）を被覆する断熱体（３１）とから構成されている。
【００１５】
配管間熱交換器は、特別な熱交換器として提供されず、必ず存在する第１配管（２８）と第２配管（２９）とが近接させられて施工され、その配管工事により結果的に提供される。第１配管（２８）と第２配管（２９）とにより形成される配管間熱交換器は、配管工事の施工費と概ね等しい工事費用で提供される。このような低コストで、フラッシュガスの発生を有効に回避する過冷却を実現することにより、運転の信頼性を向上させることができる。
【００１６】
第１配管（２８）は第１金属管で形成され、第２配管（２９）は第２金属管で形成されることが好ましく、第１配管（２８）は直接に第２配管（２９）に接触することが熱交換効率を高くすることができる。断熱体（３１）は、第１金属管（２８）を被覆する第１断熱体と第２金属管（２９）を被覆する第２断熱体とで構成されるが、その第１断熱体と第２断熱体は同体に形成され、単一結合体として形成されていて、施工コストの削減の点で好都合である。本システムは、冷凍庫（１２）として利用され得る。冷凍庫（１２）は熱吸収器（９）と一次側膨張器（８）により構成される。二次側は、暖房器又は給湯器として利用され得る。暖房器は、熱放出器（１５：凝縮器）により構成され得る。
【００１７】
ユニットボックス（５０）として提供される。一次側圧縮器（６）と一次側内的熱交換部位（４）と受液器（７）とは、ユニットボックス（５０）に同体にユニット化されて配置されている。このようなユニット化は、工場生産部分と現場施工部分に合理的に分離し、全体の施工コストを大幅に削減することができる。そのユニットボックスの中で、受液器（７）は一次側内的熱交換部位（４）より下方に配置される。このような簡単な配置関係は、一次側内的熱交換部位（４）の下方部分に貯留する液化炭酸ガスを円滑に受液器（７）に向かわせることができ、起動時又は停止時の一次循環系（１）の圧力上昇、特に、一次側圧縮器（６）の吐出側の圧力上昇を有効に抑制することができる。更に、このような配置関係は、ユニットボックス（５０）の全体のサイズを小さくすることができる。
【００１８】
一次側循環系（１）に並列に配置される分岐路が追加される。分岐路は、一次側圧縮器（６）から一次側内的熱交換部位（４）に向かう配管（２１）と熱吸収器（９）から一次側圧縮器（６）に向かう配管（２２）とを接続する並列分岐管（２３）と、並列分岐管（２３）に介設される膨張タンク（１９）とから形成される。膨張タンク（１９）は、初期の既述の圧力上昇を有効に抑制することができる。
【００１９】
分岐路には、膨張タンク（１９）に一次側冷媒を送り込む圧力制御弁（２４）が介設される。圧力上昇の初期段階で膨張タンク（１９）を有効に活用することができる。分岐路には、分岐路のうち圧力制御弁（２４）より上流側部位に介設される圧力計（２７）が更に介設される。
【００２０】
本発明による冷却システムの運転方法は、膨張タンクを利用して、その冷却システムが停止した際に圧力制御弁（２４）を開く手順と、圧力制御弁（２４）を介して一次側冷媒を膨張タンク（１９）に誘導する手順とから構成される。その誘導する手順は、一次側圧縮器（６）の運転を停止し、且つ、二次側圧縮器（１４）を運転する手順を含む。このような手順は、冷却システム停止時の一次側循環系の圧力上昇を有効に抑制し、運転を容易にすることにより、本システムの普及を促進することができる。
【００２１】
本発明による冷却システムの施工方法は、カスケード式冷凍システムの第１部分をユニットボックス（５０）として組み立てる工程と、ユニットボックス（５０）を施工場所に搬送して設置する工程と、カスケード式冷凍システムの第２部分を施工場所で施工する工程とから構成される。その第１部分は、一次側循環系（１）と二次側循環系（２）とが内的に熱交換しあう内的熱交換部位（４，５）と、一次側圧縮器（６）と、一次側循環系の受液器（７）と、二次側膨張器（１８）とを含んでいる。その第２部分は、熱吸収器（９）と、一次側膨張器（８）とを含んでいる。その施工する工程は、熱吸収器（９）を施工場所に設置する工程と、一次側膨張器（８）を施工場所に設置する工程と、受液器（７）を一次側膨張器（８）に第１配管（２８）により接続する工程と、熱吸収器（９）を一次側圧縮器（６）に第２配管（２９）により接続する工程と、第１配管（２８）と第２配管（２９）とを近接させて第１配管（２８）と第２配管（２９）を共通の断熱体（３１）で被覆する工程とを形成する。
【００２２】
工場生産と現地施工の分離により、全施工費用を大幅に削減することができる。ユニットボックス（５０）によるユニット化は、工場から現場に装置の大部分を搬送する搬送工程のコストを削減する。その組み立てる工程は、内的熱交換部位（４，５）より低位に受液器（７）をユニットボックス（５０）に組み付ける工程を含むことが既述の通りに有益である。
【発明の効果】
【００２３】
本発明による冷却システム、及び、冷却システムの施工方法は、カスケード式冷凍機の特有の問題点を解消することができる。現場の設備コストの増大を抑制し、カスケード式冷却設備の普及を促進することができる。ボックス型は工場組立によるコストダウンを可能にする。更に、配管間熱交換器は、過冷却設備の設備コストを大幅に減少させ、且つ、運転の信頼性を向上させる。より具体化される実施の形態により、既述の問題点の全てが解消されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明による冷却システムの具現態は、図に対応して、詳細に記述される。その形態は、基本的にヒートポンプを構成している。そのヒートポンプは、図３に示されるように、一次系循環系１と二次系循環系２とから構成されている。一次側循環系１と二次側循環系２は、内的熱交換器（カスケードコンデンサ）３で内的に、且つ、熱的に交叉している。一次側循環系１は、一次側冷媒が循環的に環流する閉じた第１循環系を形成している。一次側冷媒として、炭酸ガスが最良の実施例として用いられる。二次側循環系２は、二次側冷媒が循環的に環流する閉じた第２循環系を形成している。内的熱交換器３は、一次側内的熱交換部位４と二次側内的熱交換部位５とから形成されている。一次側冷媒の熱エネルギーは、二次側内的熱交換部位４から二次側内的熱交換部位５に伝達される。
【００２５】
一次側循環系１は、一次側圧縮部位６と、既述の一次側内的熱交換部位４と、一次側液相貯留槽（一次側受液器）７と、一次側膨張部位８と、熱吸収器（冷却器）９と、アキュムレータ１１とを直列循環系として備えている。冷凍庫１２は、既述の一次側膨張部位８と熱吸収器９を備えている。一次側圧縮部位６と一次側内的熱交換部位４との間には、油分離器１３が介設されている。二次側循環系２は、二次側圧縮部位１４と、熱放出器（例示：空冷凝縮器）１５と、二次側液層貯留槽（二次側受液器）１６と、二次側膨張部位１８と、既述の二次側内的熱交換部位５とを直列循環系として備えている。
【００２６】
一次側内的熱交換部位４と二次側内的熱交換部位５とは温度差ΔＴを形成し、一次側内的熱交換部位４の温度Ｔ１は二次側内的熱交換部位５の温度Ｔ２より高い。その温度差ΔＴは、熱的に相互作用する両循環系の両側圧力調整部位の相関的圧力制御により制御される。一次側圧縮部位６で圧縮されて高温化する一次側冷媒が持つ熱エネルギーの一部は、一次側内的熱交換部位４で二次側内的熱交換部位５に与えられる（汲み上げられる）。その熱エネルギーを奪われた一次側冷媒は、一次側液相貯留槽７の中で液層状態で貯留される。その一次側冷媒は、冷凍庫１２で、急激に膨張してその圧力と温度が低下し、第１冷却対象部位である熱吸収器９に圧送される。熱吸収器９として、冷凍庫内冷却器が好適に例示される。利用側熱交換器を形成する熱吸収器９の中では、一次側冷媒は、冷凍庫の中の空気又は冷凍保管品（例示：食料品）から熱エネルギーを奪う。奪った熱エネルギーにより、一次側冷媒は気化し、アキュムレータ１１を介して一次側圧縮部位６まで輸送される。一次側圧縮部位６は、その気化冷媒の圧力を上昇させる。
【００２７】
二次側圧縮部位１４で圧縮されて高温化する二次側冷媒（例示：Ｒ４０４Ａ）は、熱放出器１５（例示：暖房用熱交換器、又は、給湯用熱交換器）で冷却されて凝縮され更に液化され、二次側液層貯留槽１６で貯留された後に、二次側膨張部位１８で急激に膨張して、その圧力と温度が低下し、二次側内的熱交換部位５に圧送される。二次側内的熱交換部位５の中で、二次側冷媒は気化し、一次側内的熱交換部位４から既述の熱エネルギーを奪い取る（汲み取る。）。このように奪い取った熱エネルギーは、熱放出器１５で系外に放出され、暖房又は給湯のエネルギーとして再利用され得る。一次系冷媒として、炭酸ガスが好適に用いられ得る。二次側冷媒として、ＨＦＣ系冷媒が用いられ得る。両冷媒の使用は、ヒートポンプに現れる２つの異なる温度差の制御を円滑化し、その制御のためのエネルギーを最小化することができる。
【００２８】
本発明では、膨張タンクが追加される。その膨張タンク１９は、一次側圧縮部位６の吐出側（送出側）の送出側管２１から分岐して一次側圧縮部位６の吸入側（受入側）の受入側管２２に合流する並列還流路２３に介設される。膨張タンク１９と送出側管２１との間には、圧力制御弁２４が介設される。並列還流路２３の一部位であり、圧力制御弁２４より上流側の上流側部位２５には、一次側冷媒逃し弁２６が安全弁として介設される。圧力制御弁２４は、一次側の高圧圧力が所定の圧力になれば開く圧力制御弁として用いられている。送出側管２１又は並列還流路２３には、圧力計２７が介設される。
【００２９】
図４は、熱吸収器９に出入りする冷却器出入管の熱交換構造を示し、図３の円Ｃで囲まれる部位の断面を示している。一次側内的熱交換部位４から一次側液相貯留槽７と一次側膨張部位８を介して熱吸収器９に向かう一次冷媒入力管２８の一部分は、熱吸収器９からアキュムレータ１１を介して一次側圧縮部位６に向かう一次冷媒出力管２９の一部分に熱交換接触構造により熱的に接合している。その熱接合は、特には、機械的接合又は空間的接合に一致し、一次冷媒入力管２８の外側表面は一次冷媒出力管２９の外側表面に直接に幾何学的に外接している。一次冷媒出力管２９の断面積Ｓ１は、一次冷媒入力管２８の断面積Ｓ２より大きい。外接状態の一次冷媒入力管２８と一次冷媒出力管２９は、共通の断熱体３１により被覆されている。一次冷媒入力管２８の中の液的一次冷媒（例示：−５゜Ｃ〜−１５゜Ｃ）は、一次冷媒出力管２９の膨張後のガス的一次冷媒（例示：−１５゜Ｃ〜−４５゜Ｃ）により冷却される。このような冷却は、一次冷媒入力管２８の中の液的一次冷媒の過冷却を導く。過冷却状態の液的一次冷媒が一次側膨張部位８で膨張し熱吸収器９で冷却されて一次側圧縮部位６に還流する一次冷媒出力管２９の中のガス的一次冷媒は、過熱されて液が直接に圧縮器に還流されることが防止される。
【００３０】
一次冷媒入力管２８の一端部は、冷凍機ボックス５０（図示されないが、図３で番号５０で示される機器系統を同体化する筐体）に備えられている接続用カップリング６１を介して一次側液相貯留槽７に接続される。一次冷媒出力管２９の一端部は、冷凍機ボックス５０に備えられている接続用カップリング６２を介してアキュムレータ１１に接続される。一次冷媒入力管２８の露出金属面は、一次冷媒出力管２９の露出金属面に熱的に接合し、特には、直接に接触し、一次冷媒入力管２８が断熱体３１により一次冷媒出力管２９から熱絶縁されることはない。断熱体３１は、一次冷媒入力管２８を被覆する断熱部位と一次冷媒出力管２９を被覆する断熱部位とに概念的には分けられるが、それらの両断熱部位は一体成形的に現地の施工場所で施工される。
【００３１】
公知技術では、一次冷媒入力管２８と一次冷媒出力管２９との間に熱交換器が介設される。本発明では、一次冷媒入力管２８の長い一部分と一次冷媒出力管２９の長い一部分の外接のための工事は、一次冷媒入力管２８と一次冷媒出力管２９の施工時に同時に実行される。その外接のための工事の手間は、一次冷媒入力管２８と一次冷媒出力管２９をそれぞれに単独に敷設する工事の手間と比較して同等以下であり、公知技術の熱交換のための特別な工事は必要ではなく、フラッシュ防止のための特別な熱交換器が不要であり、その熱交換器のコストが削減される。
【００３２】
二次側圧縮部位１４にインバータ３２が付随することは顕著に重要である。図２に示されるように、両系のｐ−ｈ線図は、過冷却領域を有し、且つ、温度的に交叉する。図２の線図は、温度の高低を示すグラフではない。低温側（一次側）循環系のうち図中の番号２の位置から番号３の位置に流れる一次系媒体（一次側内的熱交換部位１０４の中の媒体又は一次側内的熱交換部位４の中の媒体）の温度（例示：−５゜Ｃ）は、高温側（二次側）循環系のうち図中の番号５の位置から番号８の位置に流れる二次系媒体（二次側内的熱交換部位１１３の中の媒体又は二次側内的熱交換部位５の中の媒体）の温度（例示：−１０゜Ｃ）より高い。このような温度差ΔＴは、運転効率の向上のための設計定数として設計的に与えられている。設計的に理想化される運転効率は、全系の部分の状態、外界環境により強く影響される。二次側圧縮部位１４の回転数を自在に制御するインバータ３２は、ヒートポンプ効率を最大化し、且つ、全系のエネルギー消費効率を容易に最大化することができる。
【００３３】
本発明による冷却システム、及び、冷却システムの施工方法は、既述のカスケード式ヒートポンプを用いて、下記の通りに、圧力上昇を抑制し、且つ、過冷却を促進し、経済的に、且つ、効率的に運転することができる。
（１）圧力上昇抑制方法
ステップＳＡ１：
装置系が停止された後の短い期間では、内的熱交換器３に向かう吐出側管２１の中の炭酸ガスの圧力が熱侵入により上昇して設定圧力になれば、圧力制御弁２４が開かれ、送出炭酸ガスは圧力制御弁２４を介して膨張タンク１９に逃がされて、一時的に退避させられる。
ステップＳＡ２：
【００３４】
膨張タンク１９の退避能力が限界まで全体的に一次系の圧力が上昇すれば、一次側圧縮部位６の運転の停止のままで、二次側圧縮部位１４の運転が再開される。内的熱交換器３の一次側内的熱交換部位４に滞留している一次冷媒は冷却される。そのように冷却される一次冷媒は、吐出側管２１の中の圧力に押されて、一次側液相貯留槽７に還流される。吐出側管２１の低圧化により、熱吸収器９から一次側圧縮部位６に向かう一次冷媒の流れが生じて、一次側膨張部位８で膨張して冷却される一次冷媒は一次側圧縮部位６に還流する。このような自然の流れ（一次側圧縮部位６の運転停止時の流れ）により、一次系は全体的に冷却され、一次系の圧力が低下する。その圧力の低下度が十分でない場合には、並列還流路２３の一次側冷媒逃し弁２６が開かれ、炭酸ガスは系外に放出される。
【００３５】
ステップＳＡ３：
ステップＳ３は、ステップＳ１に先行して実施されることが好ましい。このステップＳ３は、一次系の装置系を常態的に維持することであり、重要なステップである。一次側圧縮部位６と油分離器１３と内的熱交換器３と一次側液相貯留槽７とアキュムレータ１１と膨張タンク１９とは、コンパクトに単一の冷凍機ボックスに同体に収納されて工場で製作される。一次冷媒入力管２８と一次冷媒出力管２９と冷凍庫１２は、設備場所で個別に施工される。その冷凍ボックスの中で、一次側液相貯留槽７は内的熱交換器３より重力的に低位に（下方に）配置される。内的熱交換器３の一次側内的熱交換部位４の中の気液混合流体は、重力的分離を受け、下方部位は液体状態であり上方部位は気体状態である。内的熱交換器３の熱交換面の面積Ｓと熱交換流路の体積Ｖの比であるＶ／Ｓは最大化的に設計され、その流路中の自然な流れは流体の粘性抵抗により制限されている。一次側内的熱交換部位４の流路が全体的に下方に向き、且つ、一次側内的熱交換部位４から一次側液相貯留槽７に向かう管路は全体的に流体力学的に下方に向き（サイフォンの存在は許容される）、一次側内的熱交換部位４の中のＣＯ２液体は、一次側圧縮部位６の運転の停止中に、重力的に一次側液相貯留槽７に吸引的に誘導される。このような誘導力は、一次系の圧力の上昇を有効に抑制する。
【００３６】
ステップＳＡ４：
一次側圧縮部位６の運転が停止されていて、一次側圧縮部位６の出力エネルギーによる一次系の温度上昇が止まり、一次系が自然冷却により冷却され、一次系の温度は均衡温度に漸近する。一次系の温度が均衡温度に漸近すれば、二次側圧縮部位１４の運転を停止する。このような漸近期間は夏季には冬季より長いが、季節によらずに均衡点に安全に到達する。
【００３７】
ステップＳＡ５：
起動時には、最初に二次側圧縮部位１４の運転を開始する。二次側圧縮部位１４の運転により、二次系冷媒が蒸発する温度に相当する規定圧力まで一次系冷媒の下降すれば、一次側圧縮部位６の運転を開始する。このような運転は、起動時の一次側圧縮部位６の吐出圧力の上昇を適正範囲に抑制することができる。
【００３８】
（２）過冷却方法
ステップＳＢ１：
ステップＳＢ１は、一次冷媒入力管２８と一次冷媒出力管２９を施工する施工方法に一致し、一次冷媒入力管２８と一次冷媒出力管２９とを熱的に（直接に）外接させて、冷凍機ボックス５０と冷凍庫１２との間を連結し共通断熱化する配管工事である。
ステップＳＢ２：
ステップＳＢ１の配管工事で施工された配管２８，２９が冷凍機ボックス５０に結合された後に、一次側圧縮部位６と二次側圧縮部位１４の定常運転が開始され、一次冷媒入力管２８の中の冷媒は一次冷媒出力管２９の中の戻り冷媒により冷却されて、過冷却される。その過冷却はフラッシュガスの発生を有効に抑制することができる。
【００３９】
ステップＳＢ３：
このような過冷却抑制定常運転時に、インバータ３２によりエネルギー効率の最大化が実行される。エネルギー効率の最大化は、必要な装置の運転データが採取され、コントローラ（図示されず）に入力され、最適省力化運転が可能になって実現される。
【００４０】
図５は、本発明によるヒートポンプの他の実現態を示している。カスケード式ヒートポンプは、冷蔵・冷凍により吸収するエネルギーを暖房・給湯のために再利用することができる。本実現態の一次側循環系１は、第１一次側循環系１−１と第２一次側循環系１−２に並列化されて複合化されている。本実現態の二次側循環系２は、第１二次側循環系２−１と第２二次側循環系２−２と第３二次側循環系２−３に並列化されて複合化されている。このような複合化により一次系では、一次側圧縮部位６は第１一次側圧縮部位６−１と第２一次側圧縮部位６−２に並列化され、一次側膨張部位８は第１一次側膨張部位８−１と第２一次側膨張部位８−２に並列化され、冷凍庫１２は第１冷凍庫１２−１と第２冷凍庫１２−２に並列化され、一次側液相貯留槽７は共用されている。二次系では、二次側圧縮部位１４は第１二次側圧縮部位１４−１と第２二次側圧縮部位１４−２に並列化され、熱放出器１５は第１熱放出器１５−１と第２熱放出器１５−２に並列化されている。第２熱放出器１５−２は、冷房暖房切換熱交換器として提供されている。
【００４１】
第１二次側循環系２−１では、二次側圧縮部位１４−１と熱放出器１５−１との間に、開閉弁３４が介設され、更に、熱放出器１５−１と二次側膨張部位１８との間で第１二次側循環系２−１に、追加逆止弁３５と追加膨張弁３６とが介設される。追加逆止弁３５と追加膨張弁３６は、並列に接続されている。第２二次側循環系２−２は、二次側内的熱交換部位５と二次側圧縮部位１４−１と、開閉弁３７と、逆止弁３８と、熱放出器１５−２と、追加逆止弁３９と、第１二次側圧縮部位１４−１とから形成されている。
【００４２】
第２二次側圧縮部位１４−２が追加されている。二次側圧縮部位１４−２と熱放出器１５−１との間に、追加逆止弁４１が介設される。二次側圧縮部位１４−２と熱放出器１５−２との間に、開閉弁４２が介設される。第３二次側循環系２−３は、二次側圧縮部位１４−２と、逆止弁４１と、熱放出器１５−１と、追加逆止弁３５と、追加膨張弁４３と、冷房暖房切換熱交換器１５−２と、開閉弁４２とを含む循環直列系を形成している。追加逆止弁３９と追加膨張弁４３とは、並列に介設されている。
【００４３】
第１二次側循環系２−１は、基本的熱サイクルを形成している。第２二次側循環系２−２では、二次側圧縮部位１４−１から送り出される二次側分流冷媒は開状態の開閉弁３７を通過し、逆止弁３８を通過して、冷房暖房切換熱交換器１５−２で暖房的熱交換を受け、追加逆止弁３９を通り、二次側膨張部位１８で膨張して急冷されて、二次側内的熱交換部位５で一次側の熱エネルギーを奪って、二次側圧縮部位１４−１に還流する。このような暖房時には、開閉弁４２は閉鎖される。第２二次側循環系２−２は、二次側内的熱交換部位５で一次側循環系から奪った熱エネルギーを熱源とするヒートポンプを構成している。第３二次側循環系２−３では、二次側圧縮部位１４−２から送り出される二次側分流冷媒は逆止弁４１を通過し、熱放出器１５−１で凝縮され、追加逆止弁３５を通過し、追加膨張弁４３で膨張して急冷され、冷房暖房切換熱交換器１５−２で冷房的熱交換を受け、開状態の開閉弁４２を通過して、二次側圧縮部位１４−２に還流する。このような冷房時には、開閉弁３７は閉鎖される。第２二次側循環系２−２と第３二次側循環系２−３の循環が停止され第１冷凍庫１２−１が停止されれば、本実現態は、図３の形態に一致する。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】図１は、カスケード式冷凍機の基本的回路を示す回路図である。
【図２】図２は、ｐ−ｈ線図である。
【図３】図３は、本発明による冷却システムの実現態を示す回路図である。
【図４】図４は、図３の一部を示す断面図である。
【図５】図５は、本発明による冷却システムの他の実現態を示す回路図である。
【符号の説明】
【００４５】
１…一次側循環系
２…二次側循環系
４…一次側内的熱交換部位
５…二次側内的熱交換部位
６…一次側圧縮器
７…受液器
８…一次側膨張器
９…熱吸収器
１２…冷凍庫
１４…二次側圧縮器
１５…熱放出器
１８…二次側膨張器
１９…膨張タンク
２１…配管
２２…配管
２３…並列分岐管
２４…圧力制御弁
２８…第１配管（第１金属管）
２９…第２配管（第２金属管）
３１…断熱体
５０…ユニットボックス
【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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