(57)【要約】【課題】    エネルギーの消費量を低減できる高効率な冷却装置を提供することを目的とする。【解決手段】    冷却装置１は、圧縮機２、放熱器３Ａ、膨張弁４及び蒸発器５を含む冷凍サイクル回路１０と、被冷却物を貯蔵する冷却容器２０と、湯を貯える貯湯タンク３１と、を備える。そして、蒸発器５での吸熱により冷却容器２０内の被冷却物を冷却し、放熱器３Ａでの放熱により湯を沸かし貯湯タンク３１に貯えるように構成されると共に、貯湯タンク３１内の湯を冷却容器２０内に供給可能に構成される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、放熱器、絞り手段及び蒸発器を含む冷凍サイクル回路と、
被冷却物を貯蔵する冷却容器と、
湯を貯える貯湯タンクと、を備え、
前記蒸発器での吸熱により前記冷却容器内の前記被冷却物を冷却し、前記放熱器での放熱により湯を沸かし前記貯湯タンクに貯えるように構成されると共に、前記貯湯タンク内の湯を前記冷却容器内に供給可能に構成したことを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
圧縮機、放熱器、絞り手段及び蒸発器を含む冷凍サイクル回路と、
被冷却物を貯蔵する冷却容器と、
湯を貯える貯湯タンクと、
前記冷却容器へ洗浄液を供給する洗浄装置と、を備え、
前記蒸発器での吸熱により前記冷却容器内の前記被冷却物を冷却し、前記放熱器での放熱により湯を沸かし前記貯湯タンクに貯えるように構成されると共に、前記貯湯タンク内の湯を前記洗浄装置に供給可能に構成したことを特徴とする冷却装置。
【請求項３】
前記貯湯タンクには、該貯湯タンクの上部から湯を取り出す高温取り出し口と、この高温取り出し口より下方から湯を取り出す中温取り出し口と、が設けられ、
前記高温取り出し口から取り出した湯と前記中温取り出し口から取り出した湯とを混合するか、又は、前記中温取り出し口から取り出した湯と水とを混合するか、を選択的に実施し、この混合された湯を前記洗浄装置に供給することを特徴とする請求項２に記載の冷却装置。
【請求項４】
前記被冷却物を冷却する冷却運転において、発生させる湯の温度を前記冷却運転の経過と共に変化させることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の冷却装置。
【請求項５】
前記冷却容器に前記被冷却物を投入し、この被冷却物が所定の温度に達するまで冷却運転を行う場合において、前記冷却運転の開始から所定時間は第１の設定温度の湯を発生させる中温出湯冷却運転を行うと共に、前記所定時間の経過後から前記冷却運転の終了までは前記第１の設定温度より高温の第２の設定温度の湯を発生させる高温出湯冷却運転を行うことを特徴とする請求項４に記載の冷却装置。
【請求項６】
前記冷却容器に前記被冷却物が複数回投入され、前記冷却運転が複数回行われる場合において、初回の冷却運転開始から最後の冷却運転終了までの全冷却運転の内、初回の冷却運転開始から所定時間は第１の設定温度の湯を発生させる中温出湯冷却運転を行い、前記所定時間の経過後から最後の冷却運転の終了までは前記第１の設定温度より高温の第２の設定温度の湯を発生させる高温出湯冷却運転を行うことを特徴とする請求項４に記載の冷却装置。
【請求項７】
前記冷却容器に前記被冷却物の温度を検出する温度検出手段を設け、該温度検出手段で検出された温度の時間変化を基に前記高温出湯冷却運転の所要時間を演算し、前記中温出湯冷却運転から前記高温出湯冷却運転への切り替えを行うことを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の冷却装置。
【請求項８】
前記冷凍サイクル回路に、前記被冷却物とは異なる別の熱源から吸熱を行う第２の蒸発器を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の冷却装置。
【請求項９】
前記冷却装置の冷却運転において、前記被冷却物の温度の低下に伴って、前記冷凍サイクルの余剰冷媒を、この冷凍サイクルから分離して一時的に溜める手段を設けることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の冷却装置。
【請求項１０】
前記冷凍サイクル回路に加えて、第２の冷凍サイクル回路を備え、該第２の冷凍サイクル回路の蒸発器は前記被冷却物とは別の熱源から吸熱し、前記第２の冷凍サイクル回路の放熱器からの放熱により水を加熱し湯を発生させ、この湯を前記貯湯タンクに供給可能に構成したことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の冷却装置。
【請求項１１】
前記放熱器で加熱された湯を前記貯湯タンクへ戻す高温戻し配管と、前記高温戻し配管に排出弁を介して排出口と、を設け、
冷却運転開始から所定の間、前記排出弁を開き、湯を系外に排出することを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の冷却装置。
【請求項１２】
前記放熱器で加熱された湯を貯湯タンクへ戻す高温戻し配管と、この高温戻し配管から分岐し切り替え弁を介して前記貯湯タンクの前記高温戻し配管接続部より下方に接続される中温戻し配管と、を設け、
冷却運転開始から所定の間、前記切り替え弁を操作し、湯を前記中温戻し配管を介して前記貯湯タンクに戻すことを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の冷却装置。
【請求項１３】
前記放熱器で加熱された湯を貯湯タンクへ戻す高温戻し配管と、貯湯タンクから低温水を前記放熱器に流す低温配管と、前記高温戻し配管から分岐し切り替え弁を介して前記低温配管に接続される戻し配管と、を設け、冷却運転開始から所定の間、前記切り替え弁を操作し、湯を前記低温配管に戻すことを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の冷却装置。
【請求項１４】
前記冷却容器に前記被冷却物の温度を検出する温度検出手段を設け、該温度検出手段で検出された温度の時間変化を基に前記圧縮機の回転数を制御することを特徴とする請求項１乃至請求項１３のいずれか１項に記載の冷却装置。
【請求項１５】
前記被冷却物が牛乳であることを特徴とする請求項１乃至請求項１４のいずれか１項に記載の冷却装置。
【請求項１６】
前記被冷却物に代えて、水、洗浄液又は殺菌液を、前記冷却容器に投入する洗浄運転時にも冷却運転を行って、湯を発生させることを特徴とする請求項２乃至請求項１５のいずれか１項に記載の冷却装置。
【請求項１７】
前記冷凍サイクル回路及び前記第２の冷凍サイクル回路の冷媒として二酸化炭素を用いることを特徴とする請求項１乃至請求項１６のいずれか１項に記載の冷却装置。
【請求項１８】
前記冷凍サイクル回路及び前記第２の冷凍サイクル回路の放熱器内部の冷媒圧力が、これらの回路を運転中に、冷媒の臨界圧力以上となることを特徴とする請求項１乃至請求項１７のいずれか１項に記載の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は冷却容器内に貯蔵された被冷却物を冷却し、この被冷却物を取り出した後に、当該冷却容器等の洗浄や殺菌を行う洗浄手段を備えた冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、食品等の被冷却物を冷却して保存する方法として、蒸気圧縮式冷凍サイクルを用いた冷却装置が広く利用されている。この種の冷却装置では蒸発器における冷媒の蒸発作用により被冷却物を冷却し、凝縮器における冷媒の凝縮により熱を大気等へ放出している。特許文献１には搾乳直後の牛乳を牛乳タンクに投入し、冷凍機により冷却する方法が開示されている。
【０００３】
また、食品等を扱う装置では衛生上の理由から、装置の洗浄や殺菌が重要であり、上記のような冷却装置においても被冷却物を取り出した後に、この被冷却物が収納されていた容器等を洗浄、殺菌することが必要である。特許文献２には牛乳を冷却貯蔵するバルククーラや搾乳パイプラインを自動で洗浄する洗浄装置が開示されている。この洗浄装置は、複数種類の洗剤等と、水又は湯を予め定められた工程に従って、洗浄が必要な装置に供給するものである。
【特許文献１】特許第２８６０３５２号公報
【特許文献２】特許第２５３２０４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のような冷却装置では、洗浄のために必要な湯をボイラーや電気温水器等から供給するので、その給湯のためのエネルギー消費量が大きいという問題があった。更に、冷凍サイクルの凝縮器では冷媒が凝縮することにより発生する熱を大気中に放出していたため、エネルギーの有効的利用が図られていないばかりか、周囲温度の上昇をもたらす等の問題があった。
【０００５】
本発明は係る従来技術の問題点を解決すべくなされたものであり、エネルギーの消費量を低減できる高効率な冷却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】
【０００６】
本発明の冷却装置は、圧縮機、放熱器、絞り手段及び蒸発器を含む冷凍サイクル回路と、被冷却物を貯蔵する冷却容器と、湯を貯える貯湯タンクと、を備え、前記蒸発器での吸熱により前記冷却容器内の前記被冷却物を冷却し、前記放熱器での放熱により湯を沸かし前記貯湯タンクに貯えるように構成されると共に、前記貯湯タンク内の湯を前記冷却容器内に供給可能に構成したことを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の冷却装置は、圧縮機、放熱器、絞り手段及び蒸発器を含む冷凍サイクル回路と、被冷却物を貯蔵する冷却容器と、湯を貯える貯湯タンクと、前記冷却容器へ洗浄液を供給する洗浄装置と、を備え、前記蒸発器での吸熱により前記冷却容器内の前記被冷却物を冷却し、前記放熱器での放熱により湯を沸かし前記貯湯タンクに貯えるように構成されると共に、前記貯湯タンク内の湯を前記洗浄装置に供給可能に構成したことを特徴とする。
【０００８】
また、前記貯湯タンクには、該貯湯タンクの上部から湯を取り出す高温取り出し口と、この高温取り出し口より下方から湯を取り出す中温取り出し口と、が設けられ、前記高温取り出し口から取り出した湯と前記中温取り出し口から取り出した湯とを混合するか、又は、前記中温取り出し口から取り出した湯と水とを混合するか、を選択的に実施し、この混合された湯を前記洗浄装置に供給することもできる。
【０００９】
更に、前記被冷却物を冷却する冷却運転において、発生させる湯の温度を冷却運転の経過と共に変化させることもできる。
【００１０】
また、前記冷却容器に前記被冷却物を投入し、この被冷却物が所定の温度に達するまで冷却運転を行う場合において、前記冷却運転の開始から所定時間は第１の設定温度の湯を発生させる中温出湯冷却運転を行うと共に、前記所定時間の経過後から前記冷却運転の終了までは前記第１の設定温度より高温の第２の設定温度の湯を発生させる高温出湯冷却運転を行うこととしても良い。
【００１１】
また、前記冷却容器に前記被冷却物が複数回投入され、前記冷却運転が複数回行われる場合において、初回の冷却運転開始から最後の冷却運転終了までの全冷却運転の内、初回の冷却運転開始から所定時間は第１の設定温度の湯を発生させる中温出湯冷却運転を行い、前記所定時間の経過後から最後の冷却運転の終了までは前記第１の設定温度より高温の第２の設定温度の湯を発生させる高温出湯冷却運転を行うこととしても良い。
【００１２】
更に、前記冷却容器に前記被冷却物の温度を検出する温度検出手段を設け、該温度検出手段で検出された温度の時間変化を基に前記高温出湯冷却運転の所要時間を演算し、前記中温出湯冷却運転から前記高温出湯冷却運転への切り替えを行うこととすることもできる。
【００１３】
また、前記冷凍サイクル回路に、前記被冷却物とは異なる別の熱源から吸熱を行う第２の蒸発器を設けることもできる。
【００１４】
更にまた、前記冷却装置の冷却運転において、前記被冷却物の温度の低下に伴って、前記冷凍サイクルの余剰冷媒を、この冷凍サイクルから分離して一時的に溜める手段を設けることもできる。
【００１５】
また、前記冷凍サイクル回路に加えて、第２の冷凍サイクル回路を備え、該第２の冷凍サイクル回路の蒸発器は前記被冷却物とは別の熱源から吸熱し、前記第２の冷凍サイクル回路の放熱器からの放熱により水を加熱し湯を発生させ、この湯を前記貯湯タンクに供給可能に構成することもできる。
【００１６】
更に、前記放熱器で加熱された湯を前記貯湯タンクへ戻す高温戻し配管と、前記高温戻し配管に排出弁を介して排出口と、を設け、冷却運転開始から所定の間、前記排出弁を開き、湯を系外に排出しても良い。
【００１７】
また、前記放熱器で加熱された湯を貯湯タンクへ戻す高温戻し配管と、この高温戻し配管から分岐し切り替え弁を介して前記貯湯タンクの前記高温戻し配管接続部より下方に接続される中温戻し配管と、を設け、冷却運転開始から所定の間、前記切り替え弁を操作し、湯を前記中温戻し配管を介して前記貯湯タンクに戻すこともできる。
【００１８】
また、前記放熱器で加熱された湯を貯湯タンクへ戻す高温戻し配管と、貯湯タンクから低温水を前記放熱器に流す低温配管と、前記高温戻し配管から分岐し切り替え弁を介して前記低温配管に接続される戻し配管と、を設け、冷却運転開始から所定の間、前記切り替え弁を操作し、湯を前記低温配管に戻すこともできる。
【００１９】
更に、前記冷却容器に前記被冷却物の温度を検出する温度検出手段を設け、該温度検出手段で検出された温度の時間変化を基に前記圧縮機の回転数を制御することもできる。
【００２０】
また、前記被冷却物として牛乳を冷却することもできる。
【００２１】
また、前記被冷却物に代えて、水、洗浄液又は殺菌液を、前記冷却容器に投入する洗浄運転時にも冷却運転を行って、湯を発生させることもできる。
【００２２】
更に、前記冷凍サイクル回路及び前記第２の冷凍サイクル回路の冷媒として二酸化炭素を用いても良い。
【００２３】
また、前記冷凍サイクル回路及び前記第２の冷凍サイクル回路の放熱器内部の冷媒圧力が、これらの回路を運転中に、冷媒の臨界圧力以上となるようにすることもできる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、被冷却物を冷却容器に投入して冷却を行い、当該被冷却物を一定時間保冷し、被冷却物を取り出した後に前記冷却容器及び関連装置を洗浄、殺菌する装置において、従来は利用されずに大気中に放出されていた冷却過程で発生する冷凍サイクル回路高温側の熱を有効に利用して湯を沸かし、この湯を前記冷却容器等の洗浄等に用いることができる。
【００２５】
更に、冷却と同時に湯を発生させ、この湯を洗浄等に用いる場合における、好適で高効率な運転が可能となり、これにより、冷却装置全体のエネルギー消費効率が向上し、エネルギー消費量を削減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の冷却装置の好適な実施の形態につき、図面に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００２７】
図１は本発明の第１の実施例における冷却装置１の回路図である。本実施例の冷却装置１は、冷凍サイクル回路１０と、給湯回路３０と、冷却容器２０と、自動洗浄回路５０と、を備える。
【００２８】
冷凍サイクル回路１０は、圧縮機２、吐出配管１１、放熱器３Ａ、高圧冷媒配管１２、絞り手段としての膨張弁４、低圧冷媒配管１３、蒸発器５及び吸入管１４を順次接続して閉回路をなすように構成されている。ここで、放熱器３Ａは水熱交換器３に含まれるものであり、水熱交換器３は冷凍サイクル回路１０側の冷媒流路３Ａ（放熱器３Ａ）と、給湯回路３０側の水流路３Ｂからなり、冷媒流路３Ａと水流路３Ｂは熱交換可能に、且つ冷媒と水の流れが対向するように結合されている。
【００２９】
吐出配管１１には圧縮機２で圧縮され吐出される冷媒の温度を検出する吐出温度センサＴ１が取り付けられている。また、蒸発器５と圧縮機２の吸入部を連結する吸入管１４には、圧縮機２を液冷媒の吸入による破損等から保護するためのアキュームレータ６が設けられている。更に、後述する保冷運転時において、高圧側から蒸発器５への冷媒の戻りを防止する目的で、蒸発器５と前記アキュームレータ６との間には逆止弁（図示せず）が設けられている。
【００３０】
ここで、冷凍サイクル回路１０には冷媒として二酸化炭素が封入されている。放熱器３Ａ内部等の冷凍サイクル高圧側での冷媒圧力は臨界圧力を超えるため、冷凍サイクルは遷臨界サイクルとなる。また、圧縮機２の潤滑油としては、例えば鉱物油（ミネラルオイル）、アルキルベンゼン油、エーテル油、エステル油、ＰＡＧ（ポリアルキレングリコール）、ＰＯＥ（ポリオールエーテル）等が使用される。
【００３１】
冷却容器２０は、図２に示すように、被冷却物（本実施例では牛乳）を内部に貯蔵する内装容器２０Ａと、外装２０Ｂと、冷凍サイクル回路の蒸発器５と、断熱材２０Ｃから構成されている。ここで、内装容器２０Ａ及び外装２０Ｂの材質は、耐食性等を考慮して、例えば、ステンレス鋼等が用いられる。また、断熱材２０Ｃは、例えば、ウレタン等の発泡系断熱材であり、内装容器２０Ａに蒸発器５を接合して更に外装２０Ｂを組み立てた後に、内装２０Ａと外装２０Ｂとの間の空間に注入される。
【００３２】
図３は冷却容器２０と蒸発器５の接合部分を更に詳しく示したものである。蒸発器５は銅管等を曲げ加工して成形した伝熱管５Ｃを用いており、この伝熱管５Ｃは前記内装容器２０Ａの外側に熱交換可能に接合されている。ここで、冷媒は伝熱管５Ｃの内側５Ａを流れ、そこで蒸発する。そして、冷媒の蒸発により内装容器２０Ａの内部に貯蔵された牛乳が冷却、保冷される。このように、蒸発器５の伝熱管として円管を用いることは、運転時の冷媒圧力がＨＦＣ系冷媒に比べて高くなる二酸化炭素冷媒を用いる場合には、耐圧強度の面から考えて有利である。
【００３３】
円管を用いた場合、円管外周面と内装容器２０Ａの接触面積が小さくなるので、接触熱抵抗が大きく、性能面から問題となる。そこで、冷媒から被冷却物への熱伝達を促進するため、内装容器２０Ａと伝熱管５Ｃの接合部付近の空隙５Ｄに伝熱パテ等を使用し、更に、アルミシート等の伝熱促進シート５Ｂで、伝熱管５Ｃを覆い、且つ内装容器２０Ａの外面に接するように設けている。尚、伝熱促進シート５Ｂの代わりに銅板を伝熱促進シート５Ｂのような形状に曲げ加工したものを用いることもでき、この場合には、前記銅板と伝熱管の空隙５Ｄに伝熱パテ等を使用し、且つ内装容器２０Ａの外面に接するようにしても良い。
【００３４】
上記伝熱管５Ｃは、内装容器２０Ａの形状に合わせて、例えば、図４に示すように蛇行状等に曲げたものである。この場合、必要に応じて曲げ加工した伝熱管５Ｃを複数組み合わせ、並列に接続することにより、冷媒の流れパス数を複数設けることも可能である。また、熱伝達を更に促進するため、伝熱管５Ｃの内部に溝を設けてもよい。
【００３５】
尚、図２には、図の簡略化のため表されていないが、前記冷却容器２０には、被冷却物である牛乳を投入するための投入口と、牛乳を取り出すための取り出し口が設けられている。そして、図１の回路図に示すように、前記牛乳投入口には投入配管２５が投入口弁２２を介して接続されており、更に、前記牛乳取り出し口には牛乳を取り出すための取り出し配管２６が取り出し弁２３を介して接続されている。
【００３６】
また、冷却容器２０の内装容器２０Ａの外周面には、被冷却物である牛乳の温度を検出するための牛乳温度センサＴ５が取り付けられている。そして更に、冷却容器２０には冷却時の伝熱を促進すると共に、温度ムラを小さくして正確な温度計測を行うために、牛乳を攪拌する攪拌機２１を備えられている。尚、攪拌機２１は、攪拌羽根と、攪拌モータと、それらを結合するシャフトから構成されている。
【００３７】
給湯回路３０は、外周面が断熱材で覆われ内部に湯を貯える貯湯タンク３１と、冷凍サイクル回路１０の放熱器３Ａから熱を受け取ることにより湯を沸かして貯湯タンク３１に貯える貯湯回路と、洗浄用途等の給湯負荷設備に湯を供給する供給回路と、を備えて構成される。また、貯湯タンク３１の下部から低温水ではなく高温の湯が冷却運転時に水熱交換器３の水流路３Ｂへ流れ込むと、冷凍サイクルの冷却能力とＣＯＰが著しく低下する。そこで、貯湯タンク３１の下部から常に低温水を水熱交換器３の水流路３Ｂへ供給するためには、貯湯タンク３１内の容量は、冷却容器２０に投入する被冷却物である牛乳の想定される最大の量の１．２倍以上を選定することが好ましい。即ち、冷却容器２０に投入する被冷却物である牛乳が５００リットルである場合には、貯湯タンク３１の容量は６００リットル以上とする。
【００３８】
貯湯回路は、湯を貯える貯湯タンク３１の下部と水熱交換器３の水流路３Ｂの入口とを低温配管３４により接続し、水流路３Ｂの出口と貯湯タンク３１の上部とを高温配管３５で接続すると共に、低温配管３４上に循環水ポンプ３２と流量調節弁３３とを設けることにより構成されている。尚、上述の通り、水熱交換器３の水流路３Ｂ内の水流れ方向は、放熱器３Ａ内の冷媒流れに対して対向するようになっている。また、高温配管３５には水熱交換器３で熱交換して高温になった湯の温度を計測するための出湯温度センサＴ２が取り付けられている。
【００３９】
次に供給回路の構成について述べる。貯湯タンク３１の上部には、高温の湯を取り出す高温取り出し配管３６が接続され、貯湯タンク３１の下部には低温の水を取り出す低温取り出し配管３７が接続されており、前記高温取り出し配管３６と前記低温取り出し配管３７は洗浄用混合弁３８に接続されている。この洗浄用混合弁３８は、貯湯タンク３１に貯えられた高温の湯と低温の水とを混合することにより、利用側に供給する湯の温度を所定温度に調節するために設けられており、当該洗浄用混合弁３８にて所定温度に調節された湯は給湯配管３９を経て自動洗浄機５１へ供給される。尚、供給する湯の温度は給湯配管３９に取り付けられた温度センサＴ３により検出される。
【００４０】
また、給湯配管３９には、必要に応じて、流量センサ（図示せず）やフロースイッチ（図示せず）等も設置可能である。更に、高温取り出し配管３６と低温取り出し配管３７には、貯湯タンク３１への逆流を防止する逆止弁（図示せず）が設けられている。
【００４１】
混合弁４５は洗浄以外の用途の利用側に湯を供給するためのものであり、高温取り出し配管３６を介して貯湯タンク３１の上部へ、また、低温取り出し配管３７を介して貯湯タンク３１の下部へ、更に、給湯弁４６を介して洗浄用途以外の負荷設備に夫々接続されている。混合弁４５に接続される高温取り出し配管３６及び低温取り出し配管３７にも、上述のように、必要に応じて、貯湯タンク３１への逆流を防止する逆止弁（図示せず）が取り付けられる。
【００４２】
また、混合弁４５と給湯弁４６を接続する配管には、給湯制御に利用するための温度センサ（図示せず）や流量センサ（図示せず）、フロースイッチ（図示せず）等が設けられている。尚、給湯弁４６は、例えば、負荷設備に含まれる弁や、給湯用の蛇口等の場合もあり、複数設けることも可能である。
【００４３】
また、貯湯タンク３１の下部には給水配管４２が給水弁４１を介して接続されている。これにより、湯を使用する場合、その使用量に相当する水量を補うために給湯回路３０内へ市水が供給される。尚、給水配管４２には減圧弁（図示せず）が設けられている。
【００４４】
尚、貯湯タンク３１内の高温の湯を強制的に排出したい時には、排出弁４３を設けて、排出弁４３を開状態にし、湯排出口４４を介して給湯回路３０の系外に高温の湯を排出することもできる。
【００４５】
自動洗浄回路５０は、自動洗浄機５１、洗浄配管５６、冷却容器２０、洗浄用循環ポンプ５２及び洗浄戻り配管５７を順次接続してなる循環洗浄回路と、排出弁５５を介して洗浄戻り配管５７に接続される排出口５８と、複数の洗剤や殺菌剤を供給するための少なくとも１以上の洗剤供給口５３と、を含む。給湯回路３０から洗浄用の湯若しくは冷水を洗浄機５１へ供給するための給湯配管３９は、前記洗浄用混合弁３８と自動洗浄機５１に、洗浄用給湯弁４０を介して接続されている。
【００４６】
更に、自動洗浄機５１には、冷却容器２０以外の関連設備、例えば、搾乳機（図示せず）や搾乳パイプライン（図示せず。但し、一部は前記牛乳投入配管２５に接続される）等の洗浄を行うための第２の洗浄回路を構成する第２の洗浄往き配管６２と第２の洗浄戻り配管６１が接続されている。第２の洗浄回路には必要に応じて洗浄用循環ポンプ又はこれに代わる手段（図示せず）や切り替え弁（図示せず）、排出弁（図示せず）等が設けられる。また更に、自動洗浄機５１には、洗浄供給口５３から供給された複数の洗剤や殺菌剤を洗浄回路内に輸送するための１個又は複数のポンプ手段（図示せず）や、少なくとも１個以上の切り替え制御弁（図示せず）等を含む。
【００４７】
次に本実施例の冷却装置１の動作について、図１に基づき、また、必要に応じて図５乃至図６を参照しながら説明する。
【００４８】
まず、冷却運転について説明する。搾乳機（図示せず）につながる搾乳パイプライン（図示せず）と牛乳投入配管２５を接続し、投入口弁２２を開き、搾乳直後の牛乳を冷却容器２０に投入する。この時、牛乳取り出し弁２３及び洗浄回路５０の仕切弁５４は閉じた状態である。搾乳直後の牛乳の温度は、牛の体温と同程度かやや低く、具体的には３５℃から３８℃程度である。そこで、細菌の発生を防止し、牛乳の品質を維持する目的で冷凍サイクル回路１０を運転して牛乳の冷却と保冷を行う。
【００４９】
搾乳開始後（牛乳投入開始後）、冷凍サイクル回路１０の運転を開始し、同時に、攪拌機２１も駆動させる。通常、冷却容器２０内に所定量の牛乳が貯まってから冷却運転を開始するが、凍結が起こらないように配慮し、且つ攪拌機２１の空転防止を行うことにより、牛乳投入開始と同時、又は牛乳投入前から冷却運転を開始することも可能である。
【００５０】
冷却運転を開始すると、冷凍サイクル回路１０の圧縮機２により冷媒は圧縮され高温高圧となり吐出配管１１に吐出される。この状態を図５の圧力・エンタルピ線図を参照して説明すると、圧縮機２の吸入前が状態ａ、圧縮され吐出された後が状態ｂ１である。ここで、状態ｂ１は超臨界である。その後、冷媒は水熱交換器３の放熱器３Ａに至り、ここで水流路３Ｂ内の水に熱を放出し低温となる。図５では状態ｂ１から状態ｃ１となり、状態ｃ１は通常臨界圧力以上の液相である。この放熱器３Ａでの冷媒の放熱作用で水流路３Ｂ内の水が加熱され高温の湯が生成される。
【００５１】
尚、冷凍サイクル回路１０は、冷媒として二酸化炭素を用いており、放熱器３Ａ内の冷媒圧力は臨界圧力以上である（図５の状態ｂ１からｃ１）。従って、放熱器３Ａ内で冷媒の凝縮は起こらず、放熱器３Ａの入口から出口に向かって、冷媒の温度は水流路３Ｂ内の水への放熱とともに低下する。一方、水熱交換器３の水流路３Ｂ内において、水の温度は入口から出口に向かって、冷媒からの吸熱とともに上昇する。よって、温度一定の下で凝縮放熱を行うＨＦＣ系冷媒に比べて高効率で熱交換可能であり、且つ、洗浄用途に適した高温の湯を発生させることができる。
【００５２】
そして、水熱交換器３の放熱器３Ａを出た低温高圧の冷媒は、高圧冷媒配管１２を通り、膨張弁４で絞られ、膨張して低圧となり、低圧冷媒配管１３を流れ、蒸発器５に至る。図５では状態ｃ１からｄへの変化として表される。状態ｄは液冷媒と蒸気冷媒が混在する２相混合状態である。蒸発器５では液相冷媒が蒸発し蒸気冷媒となる（図５では状態ｄから状態ａへの変化）。この冷媒の蒸発作用により冷却容器２０内の牛乳が冷却される。
【００５３】
その後、冷媒は蒸発器５から吸入管１４を経て、再び圧縮機２に吸入される。以上の連続した冷凍サイクルの作用により、被冷却物である牛乳が冷却され、同時に湯が生成される。
【００５４】
搾乳が完了すると冷却容器２０への牛乳の投入は終了するが、その後も牛乳が所定の温度に達するまで冷却運転は続けられる。ここで、牛乳の温度は内装容器２０Ａの外周面に取り付けられた牛乳温度センサＴ５によって検出される。冷却運転を終了する所定の温度とは牛乳内の細菌の発生を抑制し、品質を維持する観点から設定されており、具体的には約４℃である。
【００５５】
冷却運転中は冷凍サイクル回路１０の冷媒吐出管１１に取り付けられた吐出温度センサＴ１で検出した吐出冷媒の温度が、所定の値となるように膨張弁４の開度が調節される。具体的には、吐出温度センサＴ１で検出した冷媒温度が所定の値より高い場合は膨張弁４の開度を大きくし、逆に、吐出温度センサＴ１で検出した冷媒温度が所定の値より低い場合は膨張弁４の開度を小さくする。これにより、洗浄用途に適した高温の湯を発生させる運転における好適な条件での高効率な運転を行うことができる。
【００５６】
ここで、冷却運転中の圧縮機２の回転数は一定でも良いが、インバータ等により周波数を調節してもよい。この場合、内装容器２０Ａの外周面に取り付けられた牛乳温度センサＴ５によって検出される牛乳温度の時間変化から、要求される冷却能力を演算し、圧縮機２を、当該演算結果に応じた運転周波数とすることで冷却効率の向上を図ることができる。
【００５７】
この点について更に詳しく説明する。上述のように、牛乳品質維持の観点から、冷却容器２０内にて牛乳を冷却する所定の温度が決められているが、同様の理由により、所定温度まで冷却するための所要時間も決められている。牛乳冷却機を使用する農場によって飼育規模が異なるため、所定の温度までの冷却が所定時間内に完了するように夫々の飼育規模に合わせた冷凍機を選定しており、また、同じ農場であっても日によって搾乳量に変動があるため、通常、牛乳品質管理を優先し十分大きな冷却能力を持つ冷凍機が使われている。従って、このように最大冷却容量を基準とした機器選定では、実際の冷却運転において、冷凍機容量が過大となり、必ずしも効率的な運転とは言えない。
【００５８】
そこで、上述のように内装容器２０Ａの外周面に取り付けられた牛乳温度センサＴ５によって検出される牛乳温度の時間変化から冷却速度を求め、予め設定された冷却所要時間で冷却運転が完了するように圧縮機２の回転数を調節し、冷却能力を制御する。即ち、冷却される牛乳の量が少なく、所定の所要時間より短い時間で所定の温度までの冷却が完了すると演算される場合は、圧縮機２の回転数を下げる制御を行う。これにより、蒸発温度を上昇させ、冷凍サイクルの効率を向上させることができるので、所定の冷却性能を満足し牛乳の品質を確保しつつ、冷却運転時のエネルギー消費を削減することができる。尚、圧縮機２の効率やインバータの変換効率等を考慮し、圧縮機２は最も効率の高い周波数での運転を優先するものとし、従って、牛乳の量が十分少ない場合には前記所定の冷却所要時間より短い時間で冷却運転が完了する場合もある。
【００５９】
次に、冷却運転時の給湯回路３０の動作について説明する。冷却運転中、給湯回路３０の循環水ポンプ３２が運転され、貯湯タンク３１の下部から低温の湯若しくは水が、低温配管３４を通り、循環水ポンプ３２と流量調節弁３３を経て、水熱交換器３の水流路３Ｂの入口に流れる。水熱交換器３で、上述の通り、放熱器３Ａを流れる冷媒との熱交換により水流路３Ｂ内を流れる水が加熱され高温の湯が作られる。水熱交換器３の水流路３Ｂを出た高温の湯は、給湯回路３０の高温配管３５を通り、貯湯タンク３１の上部から貯湯タンク３１内に注がれる。貯湯タンク３１では、上部から高温の湯を注ぎ、下部から水を取り出しているので、水の温度の違いによる密度差を利用して、上部に高温水、下部に低温水が貯められる。
【００６０】
また、流量調節弁３３は水熱交換器３の水流路３Ｂ出口の湯の温度が所定の値となるように水の流量を調節している。即ち、水流路３Ｂ出口の湯の温度が所定温度より高い場合は流量調節弁３３の開度を大きくして水の流量を増やし、逆に、水流路３Ｂ出口の湯の温度が低い場合には流量調節弁３３の開度を小さくして水の流量を減少させる。尚、水流路３Ｂ出口の湯の温度は高温配管３５に取り付けられた出湯温度センサＴ２により検出され、上記所定の温度とは、洗浄用途やその他の給湯用途に適した温度で、具体的には５０〜８５℃程度である。
【００６１】
以上のように、本実施例による冷却装置１の冷却運転では、冷却容器２０に投入された搾乳直後の牛乳を、その品質を維持するために所定の温度まで冷却すると共に、冷凍サイクル回路１０の高温側の放熱により湯を沸かし、且つ、貯湯タンク３１にその湯を貯えることができる。
【００６２】
次に、保冷運転について説明する。上述した冷却運転により牛乳の温度が所定の値に達すると、圧縮機２を停止し、膨張弁４を全閉とし、循環水ポンプ３２を停止し、且つ攪拌機２１を停止して、冷却運転を終了する。この場合、冷却容器２０は断熱材２０Ｃにより断熱されているが、長時間の貯蔵では外部からの熱侵入により牛乳の温度が上昇する。
【００６３】
そこで、保冷運転中は圧縮機２等を停止した状態であっても牛乳温度センサＴ５により冷却容器２０内部に貯留された牛乳温度の検出を継続し（以下、待機という）、牛乳温度が所定の値以上になったら冷却運転を開始して、牛乳を冷却することとしている。そして、保冷運転中の冷却運転により牛乳温度が所定の温度まで冷却されたら、当該冷却運転を停止して、再び待機状態となる。保冷運転中の冷却運転を開始する所定の温度とは、具体的には約４．５℃で、冷却運転を停止する所定の温度とは約４℃である。
【００６４】
待機時に膨張弁４を全閉とするのは、吸入管１４上の蒸発器５とアキュームレータ６との間に設けた逆止弁（図示せず）の作用と併せて、冷凍サイクル回路１０の高圧側から蒸発器５への冷媒流れを防止して、被冷却物である牛乳への熱の侵入を抑えるためである。尚、前記逆止弁（図示せず）に代えて吸入管１４上に、又は膨張弁４に加えて低圧冷媒配管１３若しくは高圧冷媒配管１２上に、遮断弁（図示せず）等を設けて、保冷運転における待機時に該遮断弁を閉じることによっても同様の効果を得ることができる。
【００６５】
ここで、保冷運転の待機時は一定の間隔をおいて間欠的に攪拌機２１を駆動するものとする。例えば、３０分間間隔で、２分間の攪拌運転を行う。攪拌機２１を停止した状態では温度の違いによる密度差により冷却容器２０内部に成層上の温度分布が発生するため、正確な温度計測ができないからである。
【００６６】
保冷運転中の冷却運転における動作については、上述の搾乳時の冷却運転と同様であるので、ここでは詳細な説明は省略する。但し、圧縮機２については、牛乳の量に関係なく、最も効率の良い回転数で運転することとしている。
【００６７】
以上、搾乳時の牛乳の投入に伴う冷却運転と保冷運転について説明したが、次いで、一般的な農場での冷却運転と保冷運転の運転パターンについて説明する。
【００６８】
一般的な農場では、１日に２回から３回程度の搾乳を行っており、２回目以降の搾乳では、冷却済みで保冷中の牛乳が貯留されている冷却容器２０に、搾乳直後の牛乳を追加投入する。その結果、冷却容器２０内部の牛乳温度が上昇するので、冷却運転を開始し、上述と同様に、所定温度に達すると冷却運転を停止して保冷運転を行う。
【００６９】
また、冷却容器２０からの牛乳の取り出し（牛乳の集荷）は毎日行う場合と隔日に行う場合とがある。従って、初回搾乳時から牛乳の集荷までに、牛乳の投入による冷却運転と保冷運転を２回から６回繰り返して行うことになる。尚、牛乳集荷時は牛乳取り出し弁２３を開き、冷却容器２０に設けられた取り出し配管２６から牛乳を取り出す。
【００７０】
そして、洗浄運転について説明する。この洗浄運転は冷却装置や関連装置を清浄に保ち、細菌の繁殖を抑え、牛乳の品質を確保するための重要な工程である。
【００７１】
通常、冷却容器２０の洗浄は冷却容器２０から牛乳を取り出した後に行うものであり、従って、毎日集荷する場合は１日に１回、隔日に集荷する場合は２日に１回行うことになる。また、搾乳機や搾乳パイプラインの洗浄は搾乳が終了する都度行うものであり、１日に２回から３回行う。
【００７２】
洗浄の工程は冷却容器２０を洗浄する場合も搾乳パイプライン等を洗浄する場合も基本的には同じである。即ち、図６に示すように、水によるすすぎ工程、低温の湯によるすすぎ工程、複数種類の洗剤、例えば、アルカリ系洗剤や酸性洗剤等による洗浄工程、殺菌剤による殺菌工程を行うものである。このような各工程では、所定の温度に調節された湯又は水を供給し、且つ、所定の種類の洗剤を所定量供給した後、該洗浄液（前記湯又は水と洗剤との混合液）を装置内で所定時間循環洗浄させ、その後洗浄液を排出する。
【００７３】
また、上記各工程は、所定の順番で必要回数行われるものであり、例えば、図６に示す場合においては、まず、水によるすすぎ工程を行い、次いで、低温の湯によるすすぎ工程Ｓ１ａ、高温の湯とアルカリ系洗剤によるアルカリ洗浄工程Ｓ２ａ、低温の湯によるすすぎ工程Ｓ１ｂ、高温の湯と酸性洗剤による酸洗浄工程Ｓ２ｂ、水によるすすぎを行った後、殺菌剤による殺菌工程を行う。
【００７４】
水によるすすぎ工程では、牛乳取り出し弁２３と自動洗浄回路５０の排出弁５５を閉じ、仕切弁５４を開け、給湯回路３０の洗浄用給湯弁４０を開き、給湯配管３９、自動洗浄機５１及び洗浄配管５６を順次介して、所定温度且つ所定量の水を冷却容器２０に投入する。このとき、供給する水の温度は、温度センサＴ３で検出した水温が予め設定された温度となるように、洗浄用混合弁３８で調節されるので、洗浄用混合弁３８は主に低温取り出し配管３７からの水を流すように開度調節される。尚、給水弁４１は、通常、常時開状態であるので、自動洗浄機５１へ供給された水量に相当する量の市水が給水配管４２から給湯回路３０の系内に供給される。
【００７５】
必要量の水が冷却容器２０に供給された後、洗浄用給湯弁４０を閉じて給水を停止し、洗浄用循環ポンプ５２を駆動することにより、洗浄液（この場合は水）は冷却容器２０から洗浄戻り配管５７、自動洗浄機５１及び洗浄配管５６を順次経て冷却容器２０に戻り、自動洗浄回路内を循環する。これにより、冷却容器２０内部の牛乳による汚れを除去できる。尚、すすぎ工程では、洗浄配管５６から冷却容器２０内へ洗浄液を注入する際、効率的な洗浄を可能とするため、洗浄液をノズルから噴射し、且つ冷却容器２０内部の各部分にムラなく噴霧されるようにしている。また、必要に応じて攪拌機２１を運転することも可能である。
【００７６】
所定の時間水の循環を行った後、洗浄用循環ポンプ５２を停止して、排出弁５５を開き、排出管５８から自動洗浄回路５０内の洗浄液を排出する。
【００７７】
湯によるすすぎ工程Ｓ１ａ、Ｓ１ｂの動作も、前述の水によるすすぎ工程の動作と基本的に同じである。相違する点は、供給する湯の設定温度が高いことのみである。供給する湯の温度は、温度センサＴ３で検出した湯の温度が予め設定された温度となるように、洗浄用混合弁３８で調節される。従って、洗浄用混合弁３８では低温取り出し配管３７からの水と、高温取出し配管３６からの高温の湯が混合され、所定の温度となるように開度が調節される。
【００７８】
洗剤による洗浄工程Ｓ２ａ、Ｓ２ｂでは、前述の湯によるすすぎ工程の動作に加えて、洗剤を投入する動作が行われる。牛乳取り出し弁２３と自動洗浄回路５０の排出弁５５を閉じ、仕切弁５４を開けると共に、給湯回路３０の洗浄用給湯弁４０を開くことにより、給湯配管３９、自動洗浄機５１及び洗浄配管５６を順次介して、所定温度且つ所定量の湯を冷却容器２０に投入する。これと同時に、所定の種類の洗剤容器（図示せず）から、洗剤供給口５３を介して、所定種類の洗剤が所定量供給され、自動洗浄機５１において湯と混合される。
【００７９】
洗剤の供給は洗剤供給ポンプ手段（図示せず）によって行われる。洗剤は各工程に応じて、予め決められた種類のものを予め決められた量供給するが、供給する洗剤の量は洗剤供給ポンプ（図示せず）の駆動時間を調節することにより調節される。
【００８０】
尚、洗剤による洗浄工程Ｓ２ａ、Ｓ２ｂでの洗浄液の循環及び排出の動作はすすぎの場合と同様であるので詳細な説明を省略する。
【００８１】
殺菌工程の動作は、基本的には、洗剤による洗浄工程Ｓ２ａ、Ｓ２ｂの動作と同様である。相違する点は、注入する洗剤が殺菌剤であることと、循環等の時間が相違することのみである。殺菌工程は次回の使用時間に合わせて行われ、殺菌液（殺菌剤と水又は湯の混合液）を冷却容器２０や自動洗浄回路５０の系内に保持したまま所定時間放置することにより殺菌効果を高めている。すすぎ工程や、洗剤による洗浄工程Ｓ２ａ、Ｓ２ｂと共通の動作については詳細な説明を省略する。
【００８２】
以上、洗浄運転の各工程について、冷却容器２０を洗浄する場合について述べたが、搾乳パイプライン（図示せず）等、冷却容器２０以外の関連装置の洗浄を行う場合も、基本的動作は上述と同様である。この場合、洗浄運転は第２の洗浄回路によって行われ、洗浄液は、自動洗浄機５１から第２の洗浄往き配管６２を通り洗浄される装置に送られ、第２の洗浄戻り配管６１を通り、自動洗浄機５１に戻る。第２の洗浄回路には必要に応じて洗浄用循環ポンプ又はこれに代わる手段（図示せず）や切り替え弁（図示せず）、排出弁（図示せず）等が設けられている。循環時は前記第２の洗浄回路の洗浄用循環ポンプに代わる手段により洗浄液の循環を行い、また、排出時は第２の洗浄回路の排出弁を開き洗浄液の排出が行われる。
【００８３】
尚、保冷運転の待機時には、蒸発器５内部への冷媒の進入による熱損失を低減するため、膨張弁４を全閉状態としていたが、洗浄運転時、特に、湯による洗浄を行う際には蒸発器５内部の異常高圧を避けるため、膨張弁４は開状態とする。
【００８４】
また、要求される給湯負荷が大きく、牛乳冷却により発生する量の湯だけでは不足する場合には、洗浄運転中も冷却運転を行って湯を発生させることも可能である。例えば、殺菌工程において、殺菌液を冷却容器２０内に保持したまま冷却運転を行うことで、殺菌液を熱源とした高効率な給湯運転（ヒートポンプ運転）が可能となる。更に、必要に応じて、冷却容器２０内に熱源となる水を追加投入して、冷却運転（給湯運転）を行うこともできる。
【００８５】
次に、洗浄用途以外の用途への湯の供給動作について述べる。洗浄用途以外の給湯負荷に対しての湯の供給は、給湯弁４６を開くことにより行われる。
【００８６】
給湯弁４６は、例えば、給湯用の蛇口等であり、複数設けられている場合もある。給湯弁４６を開くと、貯湯タンク３１に貯えられた高温の湯が貯湯タンク３１の上部から高温取り出し配管３６介して混合弁４５に流れると共に、水が貯湯タンク３１の下部に接続された低温取り出し配管３７を介して混合弁４５に流れる。そして、混合弁４５で高温の湯と水が混合され、所定の温度に調節された後、湯は給湯弁４６を介して各負荷設備に供給される。
【００８７】
尚、供給される湯の温度は、混合弁４５と給湯弁４６とを接続する配管上に設けられた温度センサ（図示せず）により検出される。尚、給水弁４１は、通常、常時開状態であるので、その他の負荷設備に供給された湯の量に相当する量の市水が給水配管４２から給湯回路３０の系内に供給される。
【００８８】
次に、効率的な運転を可能とする、冷却運転時の出湯温度制御について更に詳しく説明する。冷却容器２０や搾乳パイプライン等の関連設備の洗浄では比較的高温の湯を必要とする。例えば、図６に示すように、洗剤による洗浄工程Ｓ２ａ、Ｓ２ｂで要求される湯の温度は８０℃程度である。一方、一般的な給湯負荷設備で必要とされる湯の温度は比較的低く、４０℃程度である。従って、洗浄で求められるような高温の湯を発生させる運転を行うだけでは、比較的低温の湯を利用する場合には一度高温に焚き上げた湯を水と混合して使用することになるため、必ずしも効率的な運転とは言えない。
【００８９】
そこで、本実施例の冷却装置１では、搾乳時の冷却運転において、搾乳開始から所定の間は出湯温度を比較的低くした（第１の設定温度）中温出湯冷却運転を行い、所定時間経過後は出湯温度を高くする（第２の設定温度）高温出湯冷却運転を行い、高温の湯は主に洗浄用途に利用し、中温の湯は主に洗浄以外の用途に用いることとしている。
【００９０】
図７は、１日２回の搾乳を行い、隔日に集荷を行う場合の、冷却運転の経過と出湯温度の関係を表したものである。尚、図７において、夫々の冷却運転の間の時間軸は表現上間隔を詰めて表している。まず、初回の搾乳開始に伴い冷却運転を開始する。この場合所定の時間は６５℃程度の比較的低い温度（第１の設定温度）の湯を沸かす中温出湯冷却運転Ｍ１ａを行う。そして、冷却開始から所定時間経過後は、８５℃低度の比較的高い温度（第２の設定温度）の湯を発生させる高温出湯冷却運転Ｍ２ａを行う。
【００９１】
低い温度の湯を発生させる中温出湯冷却運転Ｍ１ａを行った後に、高い温度の湯を発生させる高温出湯冷却運転Ｍ２ａを行うため、貯湯タンク３１には中温の湯が貯えられた後、高温の湯が入れられることとなる。従って、貯湯タンク３１内の湯の密度差による温度成層を乱すことなく、貯湯タンク３１内の上部に高温の湯、下部に中温の湯を貯えることができる。
【００９２】
冷却運転が終了した後は、搾乳後パイプライン等の洗浄を行うので、洗浄の際は、先ず貯湯タンク３１内の上部に貯えられた高温の湯が使用され、その後の洗浄用途以外の給湯負荷には主に中温の湯が利用される。
【００９３】
また、搾乳用パイプライン等の洗浄に用いる高温の湯の量は予め予測可能であるから、必要とされる高温の湯の量から、高温出湯冷却運転Ｍ２ａの所要時間が決められ、中温出湯冷却運転Ｍ１ａを行う所定の時間も求められる。即ち、圧縮機２の回転周波数から冷却運転中の冷却能力と給湯能力が推定できるので、高温の湯を必要量発生させるための所要時間が求められる。尚、既に述べたように、冷却容器２０の内装容器２０Ａの外周面に取り付けられた牛乳温度センサＴ５によって検出される牛乳温度の時間変化と、圧縮機２の回転数から、各回の搾乳で投入された牛乳量が演算でき、同時に、牛乳冷却によって発生可能な湯量も演算できる。このように、洗浄用途に必要な湯量だけ供給できるように、高温出湯冷却運転Ｍ２ａを行うこととしている。
【００９４】
図５の圧力・エンタルピ線図には、中温出湯冷却運転Ｍ１ａを行った場合と、高温出湯冷却運転Ｍ２ａを行った場合の冷凍サイクルの違いが示されている。ａ〜ｂ１〜ｃ１〜ｄで表される冷凍サイクルが高温出湯冷却運転Ｍ２ａの場合であり、ａ〜ｂ２〜ｃ２〜ｄで表される冷凍サイクルが中温出湯冷却運転Ｍ１ａの場合である。図において、状態ａは圧縮機２の吸入部であり、状態ｂ１及び状態ｂ２は圧縮機２の吐出側である。
【００９５】
圧縮機２の理論動力は状態ｂ１及び状態ｂ２と、状態ａとのエンタルピ差、即ち、ｄｈ１、ｄｈ２に冷媒循環量を掛けたものである。ｄｈ１は高温出湯冷却運転Ｍ２ａの場合であり、ｄｈ２は中温出湯冷却運転Ｍ１ａの場合であるから、明らかに中温出湯冷却運転Ｍ１ａの方が、圧縮動力が小さく、その結果、冷凍サイクルの成績係数（ＣＯＰ）も高くなることが分かる。従って、洗浄に必要な高温の湯は必要量だけ発生させ、それ以外は比較的低い温度の湯を発生させる中温出湯冷却運転Ｍ１ａを行うことで冷却装置の効率が向上し、消費エネルギーが削減できる。
【００９６】
以上、初回の搾乳時の冷却運転を例に出湯温度制御の説明を行ったが、２回目以降についても同様の作用・効果である。図７において、Ｍ１ａ、Ｍ１ｂ、Ｍ１ｃ及びＭ１ｄが第１の設定温度の湯を発生させる中温出湯冷却運転であり、Ｍ２ａ、Ｍ２ｂ、Ｍ２ｃ及びＭ２ｄが第２の設定温度の湯を発生させる高温出湯冷却運転である。図７は、前述のように、１日２回の搾乳で、隔日集荷する場合の例であるから、４回目の冷却運転が終了した後、牛乳を集荷することになる。従って、その後は、冷却容器２０の洗浄を行う必要があるため、４回目の冷却運転における高温出湯冷却運転Ｍ２ｄは、冷却容器２０の洗浄を行わなかった初回から３回目までの冷却運転における高温出湯冷却運転Ｍ２ａ、Ｍ２ｂ及びＭ２ｃに比べると長時間行うことになる。
【００９７】
以上の説明は、搾乳パイプライン等、冷却容器２０以外の洗浄用途にも湯を供給する構成についての例であるが、本実施例は洗浄用途としては冷却容器２０の洗浄のみに湯を供給し、その他は、洗浄用途以外の用途に湯を供給する構成とすることも可能である。
【００９８】
その場合、高温の湯を必要とするのは冷却容器２０の洗浄時のみであるから、最終回の冷却運転時の終了前所定の時間のみ高温の湯を発生させれば良い。図８はこのような場合の例であり、Ｍ１が第１の設定温度、即ち、比較的低い温度の湯を発生させる中温出湯冷却運転であり、Ｍ２が第２の設定温度、即ち、高温の湯を発生させる高温出湯冷却運転である。Ｍ１とＭ２の所要時間を決定する方法は、前述の毎回高温出湯冷却運転を行う場合と同様であり、冷却容器２０の洗浄に必要とされる量だけ高温の湯を発生させる。
【００９９】
以上のように、本実施例によれば、被冷却物である牛乳を冷却すると同時に、冷却過程で発生する冷凍サイクル回路１０の高温側の熱を有効に利用して湯を沸かし、且つ、二酸化炭素冷媒を用いた遷臨界サイクルを利用することにより高温出湯が可能となり、この湯を前記冷却容器２０等の洗浄等に用いることができる。従って、従来、洗浄用途のためにボイラー等で湯を沸かして供給していた場合に比べ、消費するエネルギーを大幅に削減することができる。また、冷凍サイクルの高温側から大気に放出する熱も削減できるので周囲温度の上昇も抑えることができる。
【０１００】
また、冷却する牛乳の量に応じて圧縮機２の回転数を制御することで、効率的な冷却運転が可能となり、更にまた、用途に応じた好適な出湯温度制御を行うことによっても効率の向上が図られ、その結果、エネルギーの消費量が削減できる。
【実施例２】
【０１０１】
本発明の他の実施形態である第２の実施例について説明する。実施例２の基本的構成は図１に示す実施例１の冷却装置１と同様である。本実施例２と上記実施例１との相違点は蒸発器５に代わり、図９に示す蒸発器１５２を設けたことである。
【０１０２】
蒸発器１５２は銅製の円管を加工したヘッダ管５Ｈと、同じく銅製の円管を用いた複数本の伝熱管５Ｃとから構成される。伝熱管５Ｃは内部に冷媒が流れるようにヘッダ管５Ｈに接合されており、ヘッダ管５Ｈには冷媒が流入する低圧冷媒配管１３と、冷媒が流出する吸入管１４が接合されている。
【０１０３】
ヘッダ管５Ｈの内部には必要に応じて冷媒の流れをさえぎる仕切りを設けることができ、それにより、冷媒が流れるパス数（流れに並列する伝熱管５Ｃの本数）や、１パス当たりの伝熱管５Ｃの流れ方向全長等を所定の値にすることができる。また、ヘッダ５Ｈと複数の伝熱管５Ｃを接合した組立品を、複数個用いて全体の蒸発器１５２を構成することも可能である。
【０１０４】
伝熱管５Ｃの内面には伝熱を促進するために溝が設けられており、伝熱管５Ｃは実施例１の冷却装置１の場合と同様に、図３に示すように、冷却容器２０の内装容器２０Ａの外側に伝熱可能に接合されている。そして、冷媒から被冷却物への熱伝達を促進するため、内装容器２０Ａと伝熱管５Ｃの接合部付近の空隙５Ｄに伝熱パテ等を使用し、更に、アルミシート等の伝熱促進シート５Ｂで、又は、銅板を伝熱促進シート５Ｂのような形状に曲げ加工したもので、伝熱管５Ｃを覆い、前記銅板を用いる場合は、前記銅板と伝熱管の空隙５Ｄに伝熱パテ等を使用し、且つ内装容器２０Ａの外面に接するように設けている。
【０１０５】
本実施例のように円管を用いた蒸発器は耐圧強度を高くすることができるため、内部圧力がＨＦＣ系等の従来冷媒に比べて高くなる二酸化炭素を冷媒とした遷臨界サイクルに適したものである。尚、図９に示す蒸発器１５２は円管を加工して蒸発器を構成する場合の形状を表す一例であり、加工形状は本実施例の蒸発器１５２や、図４に示す実施例１の蒸発器５の形状に限定されるものではなく、様々な曲げ加工形状やヘッダ管加工形状の組み合わせが可能である。伝熱管５Ｃの材質についても本実施例に限定されるものではなく、例えば、ステンレス鋼等を使用することも可能である。
【０１０６】
実施例２における冷却運転、保冷運転及び洗浄運転等の動作や作用・効果は上記実施例１の冷却装置１と同様であるので、詳細な説明は省略する。
【実施例３】
【０１０７】
本発明の更に他の実施形態である実施例３について説明する。実施例３の基本的構成についても図１に示す実施例１の冷却装置１と同様である。相違点は蒸発器５に代わり、図１０に示す蒸発器１５３を設けたことである。尚、図１０（ａ）は蒸発器１５３の平面図であり、図１０（ｂ）は同蒸発器１５の底面図を示す。また、図１１には図１０に示す蒸発器１５３のＡ−Ａ断面図を示す。蒸発器１５３は図１１に示すように、冷凍サイクル回路１０の冷媒流路となる複数の小径穴５Ａを持つ扁平管を伝熱管１５３Ｃとしており、上記伝熱管１５３Ｃの小径穴５Ａと連通して冷媒流路を形成するようにヘッダ管５Ｈが接合されている。
【０１０８】
ヘッダ管５Ｈには冷媒が流入する冷媒入口部と冷媒が流出する冷媒出口部が設けられている。ヘッダ管５Ｈの内部には必要に応じて冷媒の流れをさえぎる仕切り５Ｂを設けることができる。これにより、冷媒が流れるパス数（流れに並列する伝熱管１５３Ｃ又は小径穴５Ａの本数）や、１パス当たりの伝熱管１５３Ｃの流れ方向全長等を所定の値にすることができる。また、ヘッダ５Ｈと複数の伝熱管１５３Ｃを接合した組立品を複数個用いて、夫々の冷媒入口部と冷媒出口部とを冷媒流路を形成するように接合し、全体の蒸発器１５３を構成することも可能である。
【０１０９】
冷媒流路となる小径穴５Ａは、伝熱促進のために内面に溝を設けることもでき、また、流路断面形状は円形以外の形状、例えば、四角形等でも良い。伝熱管１５３Ｃの材質は、例えば、アルミニウム等で、押し出し成形等で生産されるものである。伝熱管１５３Ｃは実施例１の冷却装置１の場合と同様に、冷却容器２０の内装容器２０Ａの外側に伝熱可能に接合され、外装２０Ｂとの空隙は断熱材２０Ｃが充填される。
【０１１０】
本実施例のように扁平管に複数の小径穴５Ａを設けた伝熱管１５３Ｃは耐圧強度が高く、内部圧力がＨＦＣ系等の従来冷媒に比べて高くなる二酸化炭素を冷媒とした遷臨界サイクルに適したものである。また、冷却容器２０の内装容器２０Ａとの接触面積を広く確保することが可能となり、その結果、接触熱抵抗が小さくなり、冷却運転の効率が向上するという利点がある。
【０１１１】
尚、本実施例３における冷却運転、保冷運転及び洗浄運転等の動作や作用・効果は上記実施例１記載の冷却装置１と同様であるので、詳細な説明は省略する。
【実施例４】
【０１１２】
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。本実施例４は、上記実施例１の冷却装置１と基本的構成を同じとし、蒸発器５のみを置き換えた構成である。本実施例４は図１２に示すような断面形状を有した伝熱管１５４Ｃを用いている点のみが実施例３と相違し、その余の部分については実施例３と同様である。
【０１１３】
実施例４の伝熱管１５４Ｃは、平板１５５と、プレス加工等で波形状等に成形した波板１５６と、別の平板１５７と、を順次積層し、ロー付け等により接合し構成されている。波板１５６と、平板１５５若しくは１５７で挟まれ形成された空隙を冷媒流路５Ａとしている。
【０１１４】
ここで、冷媒流路５Ａは必ずしも、入口から出口にかけて連続した単一の直線的な流路とする必要はない。つまり、隣接する流路と連通するスリット等を設けても良いし、蛇行状の流路としても良く、その場合、前記波板１５６としては様々な形状が採用できる。例えば、波板１５６は、プレートフィン熱交換器等で一般に用いられている、所謂、オフセットフィン、ルーバードフィン、ウェイビーフィン、ヘリボーンフィン、セレートフィン、多孔板フィン、等の形状とすることもできる。
【０１１５】
以上説明の本実施例４における伝熱管１５４Ｃは、上述した実施例１乃至実施例３の蒸発器と同様に、高い耐圧強度を確保することができるため、従来のＨＦＣ系冷媒に比べ作動圧力が高くなる二酸化炭素冷媒を用いた遷臨界サイクルに好適である。それに加えて、本実施例によれば、より広い面積を持つ扁平伝熱管を、容易に、安価に加工することが可能となる。
【０１１６】
尚、実施例４における冷却運転、保冷運転及び洗浄運転等の動作や作用・効果は実施例１記載の冷却装置１と同様であるので、詳細な説明は省略する。
【実施例５】
【０１１７】
本発明の第５の実施形態である実施例５について説明する。図１３は本実施例における冷却装置１００を示す回路図である。図１３において、図１に示す第１の実施例と同一若しくは同様の作用・効果を奏する構成要素については同一の番号を付している。
【０１１８】
本実施例５の冷却装置１００が実施例１乃至実施例４の冷却装置と異なる点は、貯湯タンク３１に中温度の湯を取り出す中温取り出し配管１４７を設けたことと、高温の湯と中温の湯、又は中温の湯と水、とを混合する洗浄用混合弁１３８及び混合弁１４５を、洗浄用混合弁３８及び混合弁４５に代えて設けたこと、並びに、貯湯タンク３１内の湯の温度を検出する複数個の貯湯温度センサＴ４を設けたことである。
【０１１９】
前記中温取り出し配管１４７は貯湯タンク３１に貯められた中温度の湯を取り出すものであり、貯湯タンク３１の高温取り出し配管３６が接続される高温取り出し口よりも下方で、且つ、低温取り出し配管３７が接続される低温取り出し口よりも上方の箇所に接続される。高温取り出し配管３６と、中温取り出し配管１４７と、低温取り出し配管３７は洗浄用混合弁１３８に接続されており、洗浄用混合弁１３８には更に給湯配管３９が接続されている。
【０１２０】
洗浄用混合弁１３８は、前記貯湯タンク３１から高温取り出し配管３６を介して取り出した高温の湯と、中温取り出し配管１４７を介して取り出した中温の湯とを混合し、又は中温取り出し配管１４７を介して取り出した中温の湯と、低温取り出し配管３７から取り出した水とを混合することにより供給する湯の温度を所定の値に調節するものである。尚、給湯する湯の温度は給湯配管３９に取り付けられた温度センサＴ３により検出される。所定温度に調節された湯は給湯配管３９を経て自動洗浄機５１へ供給される。
【０１２１】
混合弁１４５は洗浄以外の用途へ湯を供給するためのものであり、高温取り出し配管３６を介して貯湯タンク３１の上部へ、中温取り出し配管１４７を介して貯湯タンク３１の高温取り出し口より下方で低温取り出し口より上の箇所に、低温取り出し配管３７を介して貯湯タンク３１の下部へ、更に、給湯弁４６を介して洗浄用途以外の負荷設備に、夫々接続されている。
【０１２２】
貯湯温度センサＴ４は、貯湯タンク３１の外面に高さを変えて複数個取り付けられ、貯湯タンク３１内に貯えられた湯の温度を計測する。これにより貯湯タンク３１内の温度分布が把握でき、貯えられている湯の量を求めることができる。また、湯を使用する際に高温取り出し配管から取り出すか、中温取り出し配管から取り出すかを判断する基準データを得ることができる。
【０１２３】
続いて、実施例５の冷却装置１００の動作について説明する。冷却運転と保冷運転の動作については実施例１の冷却装置１の場合と同様であるので、詳細な説明は省略し、ここでは主に洗浄運転中の湯の供給と、洗浄以外の用途への湯の供給動作について述べる。既に説明した通り、洗浄運転は、例えば、図６に示すように、水によるすすぎ工程、低温の湯によるすすぎ工程、複数種類の洗剤、例えば、アルカリ系洗剤や酸性洗剤等による洗浄工程、殺菌剤による殺菌工程を行うものであり、夫々の工程に適した水温の水若しくは湯を使用する。
【０１２４】
自動洗浄機５１へ水又は湯を供給するには、給湯回路３０の洗浄用給湯弁４０を開く。これにより、洗浄用混合弁１３８から、給湯配管３９を介して、自動洗浄機５１へ水又は湯が流れる。供給される水又は湯の温度は、温度センサＴ３で検出した水温が予め設定された温度となるように、洗浄用混合弁１３８で調節される。従って、水によるすすぎ工程のように自動洗浄機５１に水を供給する場合は、洗浄用混合弁１３８は主に低温取り出し配管３７からの水を流すように開度調節されることになる。尚、給水弁４１は、通常、常時開状態であるので、自動洗浄機５１へ供給された水量に相当する量の市水が給水配管４２から給湯回路３０の系内に供給されることとなる。
【０１２５】
湯によるすすぎ工程Ｓ１ａ、Ｓ１ｂの場合は、供給する湯の設定温度が前記水によるすすぎ工程の場合よりも高くなる。湯によるすすぎ工程Ｓ１ａ、Ｓ１ｂで要求される所定の温度の湯が、中温取り出し配管１４７からの中温の湯と、低温取り出し配管３７からの水との混合により得られる場合は、洗浄用混合弁１３８では、中温取り出し配管１４７からの中温の湯と、低温取り出し配管３７からの水とが混合され、該湯が自動洗浄機５１へ供給される。
【０１２６】
また、湯によるすすぎ工程Ｓ１ａ、Ｓ１ｂで要求される所定の温度の湯が、高温取り出し配管３６からの高温の湯と、中温取り出し配管１４７からの中温の湯との混合により得られる場合は、洗浄用混合弁１３８では高温取り出し配管３６からの高温の湯と、中温取り出し配管１４７からの中温の湯とが混合され、該湯が自動洗浄機５１へ供給される。
【０１２７】
洗剤による洗浄工程Ｓ２ａ、Ｓ２ｂでは、前述の湯によるすすぎ工程Ｓ１ａ、Ｓ１ｂより更に高温の湯を使用する。従って、洗浄用混合弁１３８では、主に、高温取り出し配管３６からの高温の湯と、中温取り出し配管１４７からの中温の湯とが混合され、該湯が自動洗浄機５１へ供給されることになる。
【０１２８】
次に、洗浄用途以外の用途への湯の供給動作について述べる。洗浄用途以外の給湯負荷に対して湯を供給する場合は、給湯弁４６を開く。給湯弁４６は、例えば、給湯用の蛇口等であり、複数設けられている場合もある。混合弁１４５と給湯弁４６を接続する配管上に設けられた温度センサ（図示せず）により、供給される湯の温度を検出し、その温度が要求される所定の温度となるように混合弁１４５の開度調節（混合比率調節）を行う。
【０１２９】
要求される湯、即ち、給湯設定温度の湯が、中温取り出し配管１４７からの中温の湯と、低温取り出し配管３７からの水との混合により得られる場合は、貯湯タンク３１に貯えられた湯が中温取り出し配管１４７を介して混合弁１４５に流れ、またこれと同時に、水が貯湯タンク３１の下部に接続された低温取り出し配管３７を介して混合弁１４５に流れる。そして、混合弁１４５で中温の湯と水が混合され、所定の温度に調節された後、該湯は給湯弁４６を介して各負荷設備に供給される。
【０１３０】
給湯設定温度の湯が、高温取り出し配管３６からの高温の湯と、中温取り出し配管１４７からの中温の湯との混合により得られる場合は、貯湯タンク３１に貯えられた高温の湯が貯湯タンク３１の上部から高温取り出し配管３６を介して混合弁１４５に流れ、またこれと同時に、中温度の湯が中温取り出し配管１４７を介して混合弁１４５に流れる。そして、混合弁１４５で高温の湯と中温の湯が混合され、所定の温度に調節された後、該湯は給湯弁４６を介して各負荷設備に供給される。
【０１３１】
実施例１の冷却装置１のように、貯湯タンク３１に中温の湯を取り出す中温取り出し配管１４７を持たない場合は、比較的低温度の湯を供給する場合であっても貯湯タンク３１内の上部の高温の湯を使用するしかなかったが、本実施例では、貯湯タンク３１に中温の湯を取り出す中温取り出し配管１４７を設けることで、比較的要求温度の低い負荷に対しては、貯湯タンク３１内の中温度の湯を積極的に送ることが可能となる。
【０１３２】
例えば、図６に示す、湯によるすすぎ工程Ｓ１ａ、Ｓ１ｂにおいて、実施例１の冷却装置１の場合は高温の湯を使わざるを得なかったが、本実施例では中温度の湯を使用できるようになる。その結果、高温の湯の消費量を削減でき、効率の低い高温の湯を発生させる高温出湯冷却運転を減らし、効率の高い中温出湯冷却運転に切り替えることが可能となる。従って、消費エネルギーを更に削減することができる。
【０１３３】
また、例えば、冷却運転時の出湯温度を常に一定に保っている場合であっても、本実施例による性能改善の効果は得られる。通常、貯湯タンク３１の内部は、密度差によって、高温の湯が上部に、低温の水が下部に貯えられている。ところが、高温の湯と水との間には熱交換によって生じた温度混合層域が見られ、この混合層の湯は要求される給湯負荷温度よりも低い場合、給湯用途に全く使用できないということになる。加えて、当該混合層の中温度の湯が冷却運転時に水熱交換器３の水流路３Ｂへ流れ込むと、冷凍サイクルの冷却能力とＣＯＰが著しく低下する。従って、中温度の湯を積極的に利用できる本実施例によって、冷凍サイクルの効率の低下を防止できるという利点がある。
【０１３４】
また、本実施例は、貯湯タンク３１の外周面に高さを変えて複数個取り付けられた貯湯温度センサＴ４によって貯湯タンク３１内部の湯の温度を計測するため、湯の鉛直温度分布と湯量を求めることが可能となる。これにより、必要とされる湯量を確保するための高温出湯冷却運転の切り替えタイミングの判断や、湯を利用する場合、貯湯タンク３１の何れの取り出し配管から取り出すかの判断が容易に行えるようになる。
【実施例６】
【０１３５】
本発明の第６の実施形態について説明する。図１４は本発明の実施例６における冷却装置２００を示す回路図である。図１４において、図１３に示す実施例５と同一若しくは同様の作用・効果を奏する構成要素については同一の番号を付している。本実施例６の冷却装置２００が実施例５の冷却装置１００と異なる点は、被冷却物である牛乳の冷却が完了した場合であっても、湯を沸かす給湯運転が行えるように第２の蒸発器を設けたことである。尚、実施例５の冷却装置１００と同様の部分については、その説明を省略し、相違する部分についてのみ以下に説明する。
【０１３６】
冷凍サイクル回路２１０は、上記各実施例における冷凍サイクル回路１０と同様に、圧縮機２、吐出配管１１、放熱器３Ａ、高圧冷媒配管１２、絞り手段としての膨張弁４、低圧冷媒配管１３、蒸発器５及び吸入管１４を順次接続して閉回路をなすように構成され、更に、第２の膨張弁２０４及び第２の蒸発器２０５と、第２の逆止弁又は第２の遮断弁２７２と、を含む。
【０１３７】
第２の冷媒流路は、高圧冷媒配管１２から分岐して、第２の高圧冷媒配管２１２、第２の膨張弁２０４、第２の蒸発器２０５、第２の遮断弁２７２、第２の吸入管２１４、と順次接続し、その後、吸入管１４に合流するように形成されている。第２の蒸発器２０５は、例えば、チューブフィン式等の熱交換器で、大気から吸熱を行うため、熱交換器に空気を送るファン２０５Ｆを備えている。尚、第２の蒸発器２０５の吸熱源は大気に限定されるものではなく、水、排水、太陽熱、地下水等、その他の熱源を用いる構成とすることも可能である。
【０１３８】
蒸発器５と圧縮機２の吸入部を連結する吸入管１４には、第２の吸入管２１４との合流部より上流側（蒸発器５側）に、逆止弁又は遮断弁２７３が設けられている。また、水熱交換器３の構成、冷却容器２０の構成及び蒸発器５、１５２、１５３、１５４Ｃの構成についても上記各実施例における冷凍サイクル回路１０と同様である。
【０１３９】
次に本実施例６の冷却装置２００の動作について、実施例５と相違する部分を中心に詳細に説明する。
【０１４０】
先ず、冷却運転時は、基本的には第２の膨張弁２０４を全閉とし、第２の遮断弁２７２も閉じる。従って、基本的な運転動作は実施例５の冷却装置１００と同様である。しかし、より好適な運転を実現するため、前記第２の膨張弁２０４及び第２の遮断弁２７２を調節して冷媒量制御を行うことができる。
【０１４１】
冷却運転の開始時は第２の膨張弁２０４を全閉とし、第２の遮断弁２７２を開ける。これにより、蒸発器２０５内部の冷媒は、圧縮機２により吸入されて減少し、これとは反対に蒸発器５の内部の冷媒は増加する。ここで、冷凍サイクル回路２１０の高圧側の圧力は臨界圧力以上であるので、凝縮作用は起こらず、よって、高圧側の冷媒量は殆ど変化しない。即ち、上記のような遮断弁２７２の動作により、牛乳温度が高く蒸発温度が高い状態において、蒸発器５の内部へ十分な冷媒を供給することができる。これにより、蒸発器５での熱伝達率が向上し、冷却運転の能力及び効率が向上する。また、運転開始から所定の時間経過後は第２の遮断弁２７２を閉じる。そして、その後の冷却運転中も第２の遮断弁２７２は閉じた状態とする。
【０１４２】
そして、冷却運転を続けて牛乳の温度が低下し、蒸発温度が低下してきたら、上述のように全閉状態としている第２の膨張弁２０４を僅かに開き、高圧冷媒配管１２から第２の高圧冷媒配管２１２、第２の膨張弁２０４を介して第２の蒸発器２０５の内部に冷媒を流す。これにより、第２の蒸発器２０５内部の冷媒量が増加し、反対に、蒸発器５の内部の冷媒が減少する。蒸発器５の内部の冷媒量は（第２の蒸発器２０５内部の冷媒量は）、その時の冷却容器２０内の牛乳温度に応じた適切な値とし、適切な量になったら、第２の膨張弁２０４を再び全閉状態とする。
【０１４３】
上記の操作を行うことにより、図１５に示すように、第２の蒸発器２０５内部の冷媒量は牛乳の温度の低下と共に増加してくることになる。従って、反対に蒸発器５内部の冷媒量は減少することになる。これにより、蒸発温度が低くなり余剰となった液冷媒が圧縮機２に吸入されて、冷凍サイクルの効率が低下する問題や、圧縮機２が破損する問題を回避することができる。
【０１４４】
また、冷却容器２０内の牛乳温度に応じた適切な冷媒量を判断する方法は、吸入管１４に取り付けられた吸入温度センサ（図示せず）で検出された吸入冷媒温度と、蒸発器５に取り付けられた温度センサ（図示せず）で検出された蒸発温度との差、所謂、過熱度を基準とする。この過熱度が所定の値となるように第２の膨張弁２０４の開閉操作を行っている。具体的には、牛乳温度が低下し蒸発温度が低下してくると、蒸発器５内部の冷媒が余剰となり、前記過熱度が小さくなる。そして、過熱度が所定の値より小さくなったら、第２の膨張弁２０４を僅かに開き、第２の蒸発器２０５に冷媒を流し込む。逆に、蒸発器５内部の冷媒量が減少し、過熱度が所定の値より大きくなったら第２の膨張弁２０４を再び全閉状態とする。
【０１４５】
尚、上記実施例１で述べたように、牛乳温度は牛乳温度センサＴ５で検出し、膨張弁４の開度は吐出温度センサＴ１で検出した吐出温度を所定の値とするように制御され、圧縮機２の回転数は、所定の冷却所要時間で冷却が完了するように、又は最適効率となるように制御されている。
【０１４６】
次に、保冷運転について説明する。保冷運転時の牛乳温度は、既に冷却運転により冷却済みであるので約４℃程度と低く、略一定である。前述の冷媒制御運転を行い、且つ、冷却運転終了時に、即ち保冷運転の待機時に、膨張弁４及び遮断弁２７３を全閉状態とし、第２の膨張弁２０４及び第２の遮断弁２７２も全閉状態としているので、蒸発器５内部の冷媒量は既に適切となっている。よって、保冷運転中の冷却運転は、第２の膨張弁２０４及び第２の遮断弁２７２を閉じたままの状態で行い、基本的な運転動作は実施例１乃至実施例５の冷却装置と同様である。
【０１４７】
２回目以降の搾乳で牛乳が追加投入された場合の冷却運転については、前述の牛乳投入時の冷却運転の場合と同様である。冷却運転開始時に第２の膨張弁２０４を閉じた状態で遮断弁２７２を所定時間開くことにより、第２の蒸発器２０５内部に貯留された冷媒を運転中の冷凍サイクル回路内に供給して、高い蒸発温度に対応した適切な冷媒量とすることができる。
【０１４８】
次に、洗浄運転時の動作について説明する。洗浄運転時は湯を冷却容器２０内に入れるため、蒸発器５の異常高圧と、その高圧による機器の損傷等が問題となる。そこで、膨張弁４、遮断弁２７３、第２の膨張弁２０４及び第２の遮断弁２７２を開状態として、冷凍サイクル回路２１０全体の容積を利用して圧力上昇を抑える。その余の洗浄運転の動作は、第５の実施例と同様であるので詳細な説明を省略する。
【０１４９】
続いて、第２の蒸発器２０５を利用した給湯単独運転について説明する。保冷運転の待機時に給湯単独運転を行う場合、先ず、膨張弁４、遮断弁２７３、第２の膨張弁２０４及び第２の遮断弁２７２は全閉状態であるので、第２の膨張弁２０４及び第２の遮断弁２７２を開ける。これにより、圧縮機２、吐出配管１１、放熱器３Ａ、高圧冷媒配管１２、第２の高圧冷媒配管２１２、第２の膨張弁２０４、第２の蒸発器２０５、第２の遮断弁２７２、第２の吸入管２１４及び吸入管１４を順次流れ、圧縮機２に戻り、これにより冷媒閉回路が形成される。
【０１５０】
尚、予め冷凍サイクル回路２１０の内部に封入する冷媒の量は、牛乳温度が冷却目標温度に達した状態で、冷却運転の効率が最高となり、且つ、その状態で給湯単独運転に切り替えた場合に給湯運転の効率が最高となるように決定する。但し、給湯運転の効率と最適冷媒量は外気温度に依存するため、年間を通じて評価し、最も適切な冷媒量を決めることが必要である。
【０１５１】
給湯単独運転を開始すると、冷凍サイクル回路２１０の圧縮機２により冷媒は圧縮され高温高圧となり吐出配管１１に吐出される。この状態を図５の圧力・エンタルピ線図を参照して説明すると、圧縮機２の吸入前が状態ａ、圧縮され吐出された後が状態ｂ１である。状態ｂ１は超臨界である。その後、冷媒は水熱交換器３の放熱器３Ａに至り、ここで水流路３Ｂ内の水に熱を放出し低温となる。図５では状態ｂ１から状態ｃ１となり、状態ｃ１は通常臨界圧力以上の液相である。この放熱器３での冷媒の放熱作用で水流路３Ｂ内の水が加熱され高温の湯が生成されることになる。
【０１５２】
ここで、冷凍サイクル回路２１０には冷媒として二酸化炭素を用いており、放熱器３Ａ内の冷媒圧力は臨界圧力以上である（図５の状態ｂ１からｃ１）。従って、放熱器３Ａ内では冷媒の凝縮は起こらず、放熱器３Ａの入口から出口に向かって、冷媒の温度は水流路３Ｂ内の水への放熱とともに低下する。一方、水熱交換器３の水流路３Ｂ内において、水の温度は入口から出口に向かって、冷媒からの吸熱とともに上昇する。
【０１５３】
水熱交換器３の放熱器３Ａを出た低温高圧の冷媒は、高圧冷媒配管１２、第２の高圧冷媒配管２１２を順次通り、膨張弁２０４で絞り膨張して低圧となり、蒸発器２０５に至る。図５では状態ｃ１からｄへの変化として表される。状態ｄは液冷媒と蒸気冷媒が混在する２相混合状態である。蒸発器２０５では液相冷媒が蒸発し蒸気冷媒となる（図５では状態ｄから状態ａへの変化）。この冷媒の蒸発作用により大気中から吸熱を行うことになる。その後、冷媒は蒸発器２０５から第２の遮断弁２７２、第２の吸入管２１４及び吸入管１４を順次経て、再び圧縮機２に吸入される。以上の連続した冷凍サイクルの作用（ヒートポンプ作用）により、湯が生成されることになる。
【０１５４】
給湯単独運転中は、冷凍サイクル回路２１０の冷媒吐出管１１に取り付けられた吐出温度センサＴ１で検出した吐出冷媒の温度が、所定の値となるように膨張弁２０４の開度が調節される。具体的には、吐出温度センサＴ１で検出した冷媒温度が所定の値より高い場合は膨張弁２０４の開度を大きくし、逆に、吐出温度センサＴ１で検出した冷媒温度が所定の値より低い場合は膨張弁２０４の開度を小さくする。これにより、高効率で好適な給湯単独運転を行うことができる。
【０１５５】
次に、給湯単独運転時の給湯回路３０の動作について説明する。給湯単独運転中、給湯回路３０の循環水ポンプ３２が運転され、貯湯タンク３１の下部から低温の湯又は水が、低温配管３４を通り、循環水ポンプ３２と流量調節弁３３を経て、水熱交換器３の水流路３Ｂの入口に流れる。水熱交換器３で、上述のように、放熱器３Ａを流れる冷媒との熱交換により水流路３Ｂ内を流れる水が加熱され高温の湯が作られる。水熱交換器３の水流路３Ｂを出た高温の湯は、給湯回路３０の高温配管３５を通り、貯湯タンク３１の上部からタンク３１内に注がれる。貯湯タンク３１では上部から高温の湯を注ぎ、下部から水を取り出しているので、水の温度の違いによる密度差を利用して、上部に高温水、下部に低温水が貯められる。
【０１５６】
また、流量調節弁３３は水熱交換器３の水流路３Ｂ出口の湯の温度が所定の値となるように水の流量を調節している。具体的には、水流路３Ｂ出口の湯の温度が所定の温度より高い場合は流量調節弁３３の開度を大きくして水の流量を増やし、逆に、水流路３Ｂ出口の湯の温度が低い場合には流量調節弁３３の開度を小さくして水の流量を減少させる。水流路３Ｂ出口の湯の温度は高温配管３５に取り付けられた出湯温度センサＴ２により検出され、前記所定の温度とは、洗浄用途やその他の給湯用途に適した温度で、具体的には５０〜８５℃程度である。
【０１５７】
次に、冷却容器２０に被冷却物である牛乳が存在しない場合の給湯単独運転について述べる。冷却容器２０に牛乳が入っていない状態とは、通常、牛乳を集荷し、冷却容器２０の洗浄が終了している状態であるから、膨張弁４、遮断弁２７３、第２の膨張弁２０４及び第２の遮断弁２７２は全開状態である。そこで、給湯単独運転を開始する前に、膨張弁４及び遮断弁２７３を閉じる。これにより、圧縮機２、吐出配管１１、放熱器３Ａ、高圧冷媒配管１２、第２の高圧冷媒配管２１２、第２の膨張弁２０４、第２の蒸発器２０５、第２の遮断弁２７２、第２の吸入管２１４及び吸入管１４を順次流れ、圧縮機２に戻り、冷媒閉回路が形成される。
【０１５８】
また、このままでは蒸発器２０５内部の冷媒量が過多となっているので、給湯単独運転を開始したら、遮断弁２７３は閉じた状態のままで、膨張弁４を僅かに開き、蒸発器５の内部に冷媒を流し込み、冷媒量を適切に調節する。ここで、適切な冷媒量を判断する方法は、吸入管１４に取り付けられた吸入温度センサ（図示せず）で検出された吸入冷媒温度と、蒸発器２０５に取り付けられた温度センサ（図示せず）で検出された蒸発温度との差、所謂、過熱度を基準とする。前記過熱度が所定の値となるように膨張弁４の開閉操作を行っている。
【０１５９】
具体的には、膨張弁４を僅かに開き蒸発器５に冷媒を流し込み、蒸発器２０５内部の冷媒量が減少し、過熱度が所定の値になったら、膨張弁４を再び全閉状態とする。尚、既に説明した通り、膨張弁２０４の開度は吐出温度センサＴ１で検出した吐出温度を所定の値とするように制御されている。また、その余の冷媒の流れや貯湯回路の動作は前述の給湯単独運転と同様であるので、詳細な説明は省略する。
【０１６０】
以上説明の給湯単独運転は、牛乳冷却運転により発生する湯の量が、要求される給湯負荷に対して不足する場合に行うものであり、要求される湯の量に応じて給湯単独運転を行う時間の長さ、即ち、発生させる湯の量を決める。但し、貯湯タンク３１内全てを高温の湯で満たしてしまうと、冷却運転時に水熱交換器３へ高温の湯が流れ込むこととなり、冷却能力と効率が著しく低下し、冷却を行うことができなくなる。そのため、給湯単独運転においては、貯湯タンク３１内を全て高温の湯で満たすことはせず、必ず、貯湯タンク３１の下部に冷却運転で使用する量に相当する冷水部分を確保しておく必要がある。
【０１６１】
給湯単独運転で貯湯タンク３１内に貯える湯の量は、冷却装置を使用する条件、即ち牛乳の量（飼育規模）や使用する湯の量等に依存するが、例えば、湯の量が貯湯タンク３１の１／２以下になったら給湯単独運転を開始し、１／２以上になったら給湯単独運転を行わない、という制御が考えられる。尚、貯湯タンク３１に貯えられている湯の量は、貯湯温度センサＴ４により検出された温度により把握できる。
【０１６２】
以上のように、本実施例６の冷却装置２００によれば、牛乳の冷却時に発生する湯だけでは、湯の量が不足する場合、大気を熱源とした給湯単独運転を行うことにより、不足分の湯を得ることができる。これにより、追加給湯のための補助ボイラー等が不要となり、且つ、高効率なヒートポンプ給湯を行うため、エネルギー消費の更なる削減が図られる。また更に、冷却運転時に牛乳温度に応じた適切な冷媒量制御が可能となり、冷却運転の効率も向上する。
【０１６３】
尚、以上の説明では、例として、遮断弁２７３及び第２の遮断弁２７２を用いた場合について述べたが、これらに代えて、逆止弁を用いることとしても良い。この場合、前述と全く同一の冷媒量制御は行えなくなるが、十分な容積を持つアキュームレータを設けることで、冷却運転及び給湯単独運転は問題なく行うことができる。よって、前述と同様に、冷却運転で発生する湯の量だけでは不足する場合、給湯単独運転を行って不足分の湯を発生させることができ、エネルギー消費を削減することができる。
【実施例７】
【０１６４】
本発明の第７の実施形態を説明する。図１６は本発明の実施例７の冷却装置３００を示す回路図である。図１６において、図１３に示す実施例５と同一若しくは同様の作用・効果を奏する構成要素については同一の番号を付している。本実施例７の冷却装置３００が実施例５の冷却装置１００と異なる点は、給湯回路３３０の高温配管３５に、排出切り替え弁３８０を介して、湯排出口３８１を設けたことである。
【０１６５】
排出切り替え弁３８０は水熱交換器３の水流路３Ｂから流れてきた湯を、貯湯タンク３１へ送るか、湯排出口３８１を介して給湯回路３３０の系外に排出するかを、択一的に切り替えるものである。また、排出切り替え弁３８０によって、貯湯タンク３１内の高温の湯を強制的に排出することもできる。
【０１６６】
次に、本実施例７の冷却装置３００の動作について、上記実施例１乃至実施例５と相違する部分を中心に説明する。図１７に示すように、冷却運転の開始から所定の時間（ＴＬ１）のみ、排出切り替え弁３８０の貯湯タンク３１側を遮断し、湯排出口３８１側を開状態とする。これにより、冷却運転開始からの所定の時間、水熱交換器３の水流路３Ｂから流れてきた湯は貯湯タンク３１へは流れ込まず、湯排出口３８１を介して給湯回路３３０の系外に排出されることになる。また、貯湯タンク３１内の高温の湯を排出したい時には、冷却運転は停止状態とし、排出切り替え弁３８０の熱交換器３の水流路３Ｂ側を遮断し、湯排出口３８１側を開状態とすれば、貯湯タンク３１内の高温の湯を給湯回路３３０の系外に排出できる。
【０１６７】
併せて、冷却運転開始から所定の時間（ＴＬ２）は、流量調節弁３３は十分な流量を確保できる所定の開度に固定され、所定時間ＴＬ２経過後から徐々に開度を小さくし、流量を減らし、最終的には、高温配管３５に取り付けられた出湯温度センサＴ２が所定の値になるように開度調節される。
【０１６８】
所定時間ＴＬ１経過後、排出切り替え弁３８０は、湯排出口３８１側を遮断し、貯湯タンク３１側を開状態とされる。その結果、水熱交換器３の水流路３Ｂから流れてきた湯は貯湯タンク３１へ流れることになる。
【０１６９】
前述の所定の時間ＴＬ１及びＴＬ２は、予め一定の時間を定めておくこともできるし、出湯温度センサＴ２で検出される水熱交換器３出口の湯の温度を基準に操作を行うこともできる。冷却運転開始から流量調節弁３３は所定の開度に固定され、出湯温度が所定の値以上に上昇したら、流量調節弁３３の開度を徐々に小さくし、更に出湯温度が上昇し、第２の所定の温度に達したら、排出切り替え弁３８０の湯排出口３８１側を遮断し、貯湯タンク３１側を開ければ良い。
【０１７０】
尚、前述の冷却運転開始時以外は、通常、排出切り替え弁３８０は湯排出口３８１側を遮断し、貯湯タンク３１側を開状態とする。従って、この状態での動作は実施例１乃至実施例５と同様であるので、その他冷却運転、保冷運転、洗浄運転等についての詳細な説明は省略する。また、本実施例は実施例６のように、第２の蒸発器２０５Ｆを設け、給湯単独運転を可能とした冷却装置についても適用可能である。
【０１７１】
また、本実施例によれば、冷却運転開始直後の所定の温度に達しない低温の湯を、貯湯タンク３１内に入れず、給湯回路３３０の系外へ排出するため、貯湯タンク３１に既に貯湯されている湯の温度成層を乱し貯湯されている湯の温度を低下させてしまうという問題を回避できる。その結果、貯湯されている湯の熱損失が低減され、湯の有効な利用が可能となる。
【０１７２】
また、冷却運転開始時に流量調節弁３３で出湯温度制御を行わず、一定の開度で十分な流量を確保するため、圧縮機２を起動した直後の吐出温度の異常上昇や異常高圧を回避できる。
【実施例８】
【０１７３】
本発明の第８の実施形態を説明する。図１８は本発明の実施例８における冷却装置４００を示す回路図である。図１８において、図１３に示す実施例５と同一若しくは同様の作用・効果を奏する構成要素については同一の番号を付している。本実施例８の冷却装置４００が実施例５の冷却装置１００と異なる点は、切り替え弁４８０及び中温戻し配管４８１を設けたことである。
【０１７４】
前記切り替え弁４８０は、給湯回路４３０の高温配管３５が設けられ、一方が高温配管３５を介して水熱交換器３の水流路３Ｂ出口へ、もう一方が高温配管３５を介して貯湯タンク３１の上部の高温戻し口に、更に他の一方が中温戻し配管４８１に接続されている。前記中温戻し配管４８１の他端は、貯湯タンク３１の高温配管３５が接続される高温戻し口よりも下方で、低温配管３４が接続される低温取り出し口よりも上方の箇所に接続される。切り替え弁４８０は水熱交換器３の水流路３Ｂから流れてきた湯を、高温配管３５を介して貯湯タンク３１の上部高温戻し口へ送るか、中温戻し配管４８１を介して貯湯タンク３１の中温部へ送るかを、択一的に切り替えるものである。
【０１７５】
次に、本実施例８における冷却装置４００の動作について、上記実施例１乃至実施例５と相違する部分を中心に説明する。図１７に示すように（図１７で排出弁とあるのは、中温戻し配管側弁の意味である）、冷却運転の開始から所定の時間（ＴＬ１）のみ、切り替え弁４８０の高温配管３５経由の貯湯タンク３１側を遮断し、中温戻し配管４８１側を開状態とする。これにより、冷却運転開始からの所定の時間、水熱交換器３の水流路３Ｂから流れてきた湯は貯湯タンク３１の上部高温戻し口からは流れ込まず、中温戻し配管４８１を介して貯湯タンク３１の中温部から、貯湯タンク３１へ流れ込むことになる。
【０１７６】
併せて、冷却運転開始から所定の時間（ＴＬ２）は、流量調節弁３３は十分な流量を確保できる所定の開度に固定され、所定時間ＴＬ２経過後から徐々に開度を小さくし、流量を減らし、最終的には、高温配管３５に取り付けられた出湯温度センサＴ２が所定の値となるように開度調節される。
【０１７７】
所定時間ＴＬ１経過後、切り替え弁４８０は、中温戻し配管４８１側を遮断し、高温配管３５経由の貯湯タンク３１側を開状態とされる。その結果、水熱交換器３の水流路３Ｂから流れてきた湯は貯湯タンク３１の上部高温戻し口から貯湯タンク３１内へ流れることになる。
【０１７８】
前述の所定の時間ＴＬ１及びＴＬ２は、予め一定の時間を定めておくこともできるし、出湯温度センサＴ２で検出される水熱交換器３出口の湯の温度を基準に操作を行うこともできる。冷却運転開始から流量調節弁３３は所定の開度に固定され、出湯温度が所定の値以上に上昇したら、流量調節弁３３の開度を徐々に小さくし、更に出湯温度が上昇し、第２の所定の温度に達したら、中温戻し配管４８１側を遮断し、高温配管３５経由の貯湯タンク３１側を開ければ良い。
【０１７９】
また、本実施例の構成によれば、既に説明した中温出湯冷却運転のように、出湯温度を変化させて低い温度の湯を発生させる運転を行う場合、切り替え弁４８０の高温配管３５経由の貯湯タンク３１側を遮断し、中温戻し配管４８１側を開状態とすることで、既に貯湯タンク３１内の上部に高温の湯が存在していても、当該高温の湯よりも低い温度の湯を、貯湯タンク３１内の温度成層を乱すことなく貯湯タンク３１内へ注ぐことが可能となる。
【０１８０】
尚、前述の冷却運転開始時及び中温出湯冷却運転以外は、通常、切り替え弁４８０は中温戻し配管４８１側を遮断し、高温配管３５経由の貯湯タンク３１側を開状態とする。従って、この状態での動作は実施例１乃至実施例５と同様であるので、その他冷却運転、保冷運転、洗浄運転等についての詳細な説明は省略する。また、本実施例は実施例６のように、第２の蒸発器２０５Ｆを設け、給湯単独運転を可能とした冷却装置についても適用可能である。
【０１８１】
以上説明の本実施例によれば、冷却運転開始直後の所定温度に達しない低温の湯を、貯湯タンク３１上部の高温部へ入れず、中温戻し配管４８１を介して貯湯タンク３１の中温部へ流し込むことができるため、貯湯タンク３１に既に貯湯されている湯の温度成層を乱し貯湯されている湯の温度を低下させてしまうという問題を回避できる。その結果、貯湯されている湯の熱損失が低減され、湯の有効な利用が可能となる。
【０１８２】
また、冷却運転開始時に流量調節弁３３で出湯温度制御を行わず、一定の開度で十分な流量を確保するため、圧縮機２を起動した直後の吐出温度の異常上昇や異常高圧を回避できる。
【実施例９】
【０１８３】
本発明の第９の実施形態について説明する。本実施例９の基本構成は前述の実施例８の冷却装置４００と多くの点において共通するので、図面は省略し、相違点についてのみ説明を行う。実施例９の冷却装置が、実施例８の冷却装置４００と異なる点は、中温戻し配管４８１を貯湯タンク３１へ接続せず、低温配管３４の循環水ポンプ３２の上流側に接続したことである。
【０１８４】
本実施例の構成により、切り替え弁４８０の高温配管３５経由の貯湯タンク３１側を遮断し、中温戻し配管４８１側を開状態とした場合、水は、低温配管３４から、循環水ポンプ３２、流量調節弁３３、水熱交換器３の水流路３Ｂ、高温配管３５、切り替え弁４８０、中温戻し配管４８１、を順次流れ、低温配管３４へ戻る閉回路を循環することになる。従って、運転開始から所定の間は、所定の温度に達しない低温の湯を、貯湯タンク３１へ戻さず、低温配管３４の循環水ポンプ３２の上流側に戻すことによって、実施例７乃至実施例８と同様に、貯湯タンク３１に既に貯湯されている湯の温度成層を乱し、貯湯されている湯の温度を低下させてしまうという問題を回避できる。
【０１８５】
尚、出湯温度を変更した冷却運転時に貯湯タンク３１の中温部から湯を注ぐことができない点において、第８の実施例の冷却装置４００と相違するが、その他の動作や効果等は第８の実施例と同様であるので、詳細な説明は省略する。
【実施例１０】
【０１８６】
本発明の第１０の実施形態について説明する。図１９は本発明の実施例１０における冷却装置５００を示す回路図である。図１９において、図１３に示す実施例５と同一若しくは同様の作用・効果を奏する構成要素については同一の番号を付している。
【０１８７】
本実施例１０の冷却装置５００が実施例５の冷却装置１００と相違する点は、圧縮機５０２、吐出配管５１１、放熱器５０３Ａ、高圧冷媒配管５１２、絞り手段としての膨張弁５０４、低圧冷媒配管５１３、蒸発器５０５及び吸入管５１４を順次接続して閉回路をなすように構成された第２の冷凍サイクル回路５１０を設けたことである。
【０１８８】
ここで、前記放熱器５０３Ａは水熱交換器５０３に含まれるものであり、水熱交換器５０３は第２の冷凍サイクル回路５１０側の冷媒流路５０３Ａ（放熱器５０３Ａ）と、給湯回路５３０側の水流路５０３Ｂからなり、冷媒流路５０３Ａと水流路５０３Ｂは熱交換可能に、且つ冷媒と水の流れが対向するように結合されている。
【０１８９】
また、蒸発器５０５は、例えば、チューブフィン式等の熱交換器で、大気から吸熱を行うため、熱交換器に空気を送るファン５０５Ｆを備えている。尚、蒸発器５０５の吸熱源は大気に限定されるものではなく、水、排水、太陽熱、地下水等、その他の熱源を用いる構成とすることも可能である。
【０１９０】
ここで、吐出配管５１１には圧縮機５０２で圧縮され吐出される冷媒の温度を検出する吐出温度センサＴ５０１が取り付けられている。また、蒸発器５０５と圧縮機５０２の吸入部を連結する吸入管５１４には、圧縮機５０２を液冷媒の吸入による破損等から保護するため、アキュームレータ５０６が設けられている。尚、第２の冷凍サイクル回路５１０にも冷媒として二酸化炭素が封入されている。即ち、放熱器５０３Ａ内部等の冷凍サイクル高圧側での冷媒圧力は臨界圧力を超えるため、冷凍サイクルは遷臨界サイクルとなる。
【０１９１】
また、低温配管３４から分岐して、又は貯湯タンク３１の下部に直接、第２回路の低温配管５３４を接続し、当該第２回路の低温配管５３４の他端に水熱交換器５０３の水流路５０３Ｂの入口を接続する。そして、水流路３Ｂの出口と第２回路の高温配管５３５とを接続し、当該第２回路の高温配管５３５を、高温配管３５又は貯湯タンク３１の上部に接続し、且つ、前記低温配管５３４上に循環水ポンプ５３２と流量調節弁５３３を設けている。尚、前述の通り、水熱交換器５０３の水流路５０３Ｂ内の水流れ方向は、放熱器５０３Ａ内の冷媒流れに対して対向するようになっている。また、高温配管５３５には水熱交換器５０３で熱交換して高温になった湯の温度を計測するための出湯温度センサＴ５０２が取り付けられている。
【０１９２】
尚、冷凍サイクル回路１０、冷却容器２０、自動洗浄回路５０及び給湯回路５３０のその余の部分の構成については、実施例５の冷却装置１００と同様であるので、詳細な説明は省略する。
【０１９３】
次に、実施例１０における冷却装置５００の動作について、図１９に基づき、また、必要に応じて図５を参照しながら説明する。本実施例の追加された構成要素、即ち、第２の冷凍サイクル回路５１０以外の構成要素については、実施例５の冷却装置１００と同様の動作であるので、詳細な説明は省略し、ここでは主に追加された構成要素である第２の冷凍サイクル回路５１０の動作について述べる。
【０１９４】
実施例１０の第２の冷凍サイクル回路５１０は、冷凍サイクル回路１０、自動洗浄回路５０及び給湯回路５３０の温水供給回路の運転状態によらず、必要なときに湯を発生させる給湯運転（ヒートポンプ運転）を行うことができる。具体的には、冷却運転中、保冷運転中、自動洗浄運転中、冷却容器２０が空の状態、又は他の設備に湯を供給中であっても、給湯運転を行うことができる。
【０１９５】
第２の冷凍サイクル回路５１０で給湯運転を行うには、先ず、圧縮機５０２、循環水ポンプ５３２、熱交換器ファン５０５Ｆを駆動する。冷凍サイクル回路５１０の圧縮機５０２により冷媒は圧縮され高温高圧となり吐出配管５１１に吐出される。この状態を図５の圧力・エンタルピ線図を参照し説明すると、圧縮機５０２の吸入前が状態ａ、圧縮され吐出された後が状態ｂ１である。状態ｂ１は超臨界である。その後、冷媒は水熱交換器５０３の放熱器５０３Ａに至り、ここで水流路５０３Ｂ内の水に熱を放出し低温となる。図５では状態ｂ１から状態ｃ１となり、状態ｃ１は通常臨界圧力以上の液相である。この放熱器５０３Ａでの冷媒の放熱作用で水流路５０３Ｂ内の水が加熱され高温の湯が生成される。
【０１９６】
ここで、第２の冷凍サイクル回路５１０の冷媒として二酸化炭素を用いており、放熱器５０３Ａ内の冷媒圧力は臨界圧力以上である（図５の状態ｂ１からｃ１）。従って、放熱器５０３Ａ内で冷媒の凝縮は起こらず、放熱器５０３Ａの入口から出口に向かって、冷媒の温度は水流路５０３Ｂ内の水への放熱とともに低下する。一方、水熱交換器５０３の水流路５０３Ｂ内において、水の温度は入口から出口に向かって、冷媒からの吸熱とともに上昇する。
【０１９７】
水熱交換器５０３の放熱器５０３Ａを出た低温高圧の冷媒は、高圧冷媒配管５１２を通り、膨張弁５０４で絞り膨張して低圧となり、蒸発器５０５に至る。図５では状態ｃ１からｄへの変化として表される。状態ｄは液冷媒と蒸気冷媒が混在する２相混合状態である。蒸発器５０５では液相冷媒が蒸発し蒸気冷媒となる（図５では状態ｄから状態ａへの変化）。この冷媒の蒸発作用により大気中から吸熱を行うことになる。その後、冷媒は蒸発器５０５から吸入管５１４を経て、再び圧縮機５０２に吸入される。以上の連続した冷凍サイクルの作用（ヒートポンプ作用）により、湯が生成される。
【０１９８】
給湯運転中は第２の冷凍サイクル回路５１０の冷媒吐出管５１１に取り付けられた吐出温度センサＴ５０１で検出した吐出冷媒の温度が、所定の値となるように膨張弁５０４の開度が調節される。具体的には、吐出温度センサＴ５０１で検出した冷媒温度が所定の値より高い場合は膨張弁５０４の開度を大きくし、逆に、吐出温度センサＴ５０１で検出した冷媒温度が所定の値より低い場合は膨張弁５０４の開度を小さくする。これにより、高効率で好適な給湯運転を行うことができる。
【０１９９】
次に、給湯運転時の給湯回路５３０の動作について説明する。給湯運転中、給湯回路５３０の循環水ポンプ５３２が運転され、貯湯タンク３１の下部から低温の湯又は水が、低温配管５３４を通り、循環水ポンプ５３２と流量調節弁５３３を経て、水熱交換器５０３の水流路５０３Ｂの入口に流れる。水熱交換器５０３では、前述の通り、放熱器５０３Ａを流れる冷媒との熱交換により水流路５０３Ｂ内を流れる水が加熱され高温の湯が作られる。そして、水熱交換器５０３の水流路５０３Ｂを出た高温の湯は、給湯回路５３０の高温配管５３５を通り、貯湯タンク３１の上部から貯湯タンク３１内に注がれる。貯湯タンク３１では上部から高温の湯を注ぎ、下部から水を取り出しているので、水の温度の違いによる密度差を利用して、貯湯タンク３１内の上部に高温水、下部に低温水が貯められる。
【０２００】
また、流量調節弁５３３は、水熱交換器５０３の水流路５０３Ｂ出口の湯の温度が所定の値となるように開度を調節し、水の流量を調節している。具体的には、水流路５０３Ｂ出口の湯の温度が所定の温度より高い場合は流量調節弁５３３の開度を大きくして水の流量を増やし、逆に、水流路５０３Ｂ出口の湯の温度が低い場合には流量調節弁５３３の開度を小さくして水の流量を減少させる。水流路５０３Ｂ出口の湯の温度は高温配管５３５に取り付けられた出湯温度センサＴ５０２により検出され、前記所定の温度とは、洗浄用途やその他の給湯用途に適した温度で、具体的には５０〜８５℃程度である。
【０２０１】
以上説明の給湯運転は、牛乳冷却運転により発生する湯の量が、要求される給湯負荷に対して不足する場合に行うものであり、要求される湯の量に応じて給湯運転を行う時間の長さ、即ち、発生させる湯の量を決める。但し、貯湯タンク３１内全てを高温の湯で満たしてしまうと、冷却運転時に貯湯タンク３１の下部から水熱交換器３へ高温の湯が流れ込むこととなり、冷却能力と効率が著しく低下し、牛乳の冷却を行うことが困難になる。そのため、給湯運転においては、貯湯タンク３１内全てを高温の湯で満たすことはせず、必ず、貯湯タンク３１の下部に冷却運転で使用する量に相当する冷水部分を確保しておく必要がある。
【０２０２】
給湯単独運転で貯湯タンク３１内に貯える湯の量は、冷却装置を使用する条件、即ち牛乳の量（飼育規模）や使用する湯の量等に依存するが、例えば、湯の量が貯湯タンク３１の１／２以下になったら給湯単独運転を開始し、１／２以上になったら給湯単独運転を行わない、という制御が考えられる。尚、貯湯タンク３１に貯えられている湯の量は、貯湯温度センサＴ４により検出された温度により把握できる。
【０２０３】
以上のように、実施例１０の冷却装置５００によれば、牛乳の冷却時に発生する湯だけでは、要求される給湯負荷を賄うことができない場合、大気を熱源とした給湯運転を行うことにより、不足分の湯を発生させることができる。よって、追加給湯のための補助ボイラー等が不要となり、且つ、高効率なヒートポンプ給湯を行うため、エネルギー消費の更なる削減が図られる。更に、実施例１０の冷却装置５００では、装置の運転状態、即ち、冷却運転中であるか、保冷運転又は洗浄運転中であるか等に依存せず、いつでも給湯運転を行うことができる。よって、湯切れ状態を発生させない安定した湯の供給を行う上で有利である。
【産業上の利用可能性】
【０２０４】
本発明は、上記各実施例のごとく搾乳直後の牛乳を冷却し保冷する装置のみならず、例えば食品等の加工に関連する冷却装置や、自動販売機等、冷却・保冷と洗浄殺菌が求められる他の産業分野でも利用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０２０５】
【図１】本発明の第１の実施例を示した概略構成図である。
【図２】本発明の第１の実施例の冷却容器概略構造を示した断面図である。
【図３】本発明の第１の実施例の冷却容器と蒸発器概略構造を示した断面図である。
【図４】本発明の第１の実施例の蒸発器概略形状を示した説明図である。
【図５】本発明の冷凍サイクルを示した圧力・エンタルピ線図である。
【図６】本発明の第１の実施例の洗浄工程を示した説明図である。
【図７】本発明の第１の実施例の出湯温度制御を示した説明図である。
【図８】本発明の第１の実施例の出湯温度制御を示した説明図である。
【図９】本発明の第２の実施例の蒸発器概略形状を示した説明図である。
【図１０】本発明の第３及び第４の実施例の蒸発器概略形状を示した説明図である。
【図１１】本発明の第３の実施例の蒸発器概略形状を示した断面図である。
【図１２】本発明の第４の実施例の蒸発器概略形状を示した断面図である。
【図１３】本発明の第５の実施例を示した概略構成図である。
【図１４】本発明の第６の実施例を示した概略構成図である。
【図１５】本発明の第６の実施例の冷媒量制御を示した説明図である。
【図１６】本発明の第７の実施例を示した概略構成図である。
【図１７】本発明の第７の実施例の制御動作を示した説明図である。
【図１８】本発明の第８及び第９の実施例を示した概略構成図である。
【図１９】本発明の第１０の実施例を示した概略構成図である。
【符号の説明】
【０２０６】
１、１００、２００、３００、４００、５００  冷却装置
２  圧縮機
３  水熱交換器
３Ａ  放熱器
４  膨張弁
５  蒸発器
１０、２１０  冷凍サイクル回路
２０  冷却容器
３０、１３０、３３０、４３０、５３０  給湯回路
３１  貯湯タンク
３２  循環水ポンプ
３３  流量調節弁
３８、１３８  洗浄用混合弁
４５、１４５  混合弁
５０  自動洗浄回路
５１  自動洗浄機
５２  洗浄用循環ポンプ
２０４  第２の膨張弁
２０５  第２の蒸発器
５０２  第２回路の圧縮機
５０３  第２回路の水熱交換器
５０４  第２回路の膨張弁
５０５  第２回路の蒸発器
５１０  第２の冷凍サイクル回路
【図１】
2007078266.tif 000003
【図２】
2007078266.tif 000004
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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