(57)【要約】【課題】  据付け場所の制約を受けることなく、常に円滑かつ安定的に二酸化炭素冷媒を自然循環させることができる二次冷媒式冷凍装置を提供する。【解決手段】  カスケードコンデンサにより二次側冷媒回路系の二酸化炭素冷媒ガスを一次側冷媒回路系の冷媒と熱交換させて凝縮液化する二次冷媒式冷凍装置において、カスケードコンデンサ７で液化された二酸化炭素冷媒を溜める液溜容器４３Ａ、４３Ｂと、該液溜容器に付設され、該液溜容器内の冷媒液が所定レベルに達したときそれを流出させ、該冷媒液をガス発生部４７Ａ，４７Ｂに導き一次側冷媒と熱交換させて加熱・ガス化し、そのガス圧力を液溜容器内の冷媒液面に付加させて加圧するサイフォン管４５Ａ、４５Ｂとからなる冷媒循環手段３１Ａ、３１Ｂを備え、該冷媒循環手段により液溜容器内の冷媒液を二次側冷媒回路系の蒸発器に循環させることを特徴とする。【選択図】      図１
2007218466.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次側冷媒回路系と二酸化炭素冷媒を用いた二次側冷媒回路系とをカスケードコンデンサを介して組み合せ結合し、該カスケードコンデンサにより前記二次側冷媒回路系の二酸化炭素冷媒ガスを前記一次側冷媒回路系の冷媒と熱交換させて凝縮液化するよう構成した二次冷媒式冷凍装置において、
前記カスケードコンデンサで液化された二酸化炭素冷媒を溜める液溜容器と、該液溜容器に付設され、該液溜容器内の冷媒液が所定レベルに達したときそれを流出させ、該冷媒液をガス発生部に導き前記一次側冷媒と熱交換させて加熱・ガス化し、そのガス圧力を前記液溜容器内の冷媒液面に付加させて加圧するサイフォン管と、からなる冷媒循環手段を備え、
該冷媒循環手段により前記液溜容器内の冷媒液を前記二次側冷媒回路系の蒸発器に循環させることを特徴とする二次冷媒式冷凍装置。
【請求項２】
前記ガス発生部を、前記一次側冷媒回路系に設けた一次側冷媒レシーバ内に配設したことを特徴とする請求項１に記載の二次冷媒式冷凍装置。
【請求項３】
前記冷媒循環手段を、前記二次側冷媒回路系に複数組並列に設けたことを特徴とする請求項１又は２いずれかに記載の二次冷媒式冷凍装置。
【請求項４】
前記複数の冷媒循環手段におけるガス発生部を、それぞれ前記一次側冷媒レシーバ内に配設したことを特徴とする請求項３に記載の二次冷媒式冷凍装置。
【請求項５】
前記複数の冷媒循環手段の液溜容器の1つに、前記カスケードコンデンサで液化した二酸化炭素冷媒を流下管を介して直接流下させ、他の液溜容器には前記流下管から分岐した分岐管を介して流下させることを特徴とする請求項３又は４のいずれかに記載の二次冷媒式冷凍装置。
【請求項６】
前記流下管及び分岐管並びに前記液溜容器から冷媒液を送出する送出管中にそれぞれ逆止弁を設けたことを特徴とする請求項５に記載の二次冷媒式冷凍装置。
【請求項７】
前記一次側冷媒回路系の前記一次側冷媒レシーバ出口側に減圧手段を設け、該減圧手段の下流側冷媒配管を前記液溜容器と熱交換可能に配設して容器冷却器となしたことを特徴とする請求項２ないし６のいずれかに記載の二次冷媒式冷凍装置。
【請求項８】
前記一次側冷媒回路系の凝縮器に対して並列に、吐出ガスバイパス弁を備えた吐出ガス冷媒バイパス回路を設けたことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の二次冷媒式冷凍装置。
【請求項９】
前記一次側冷媒回路系の冷媒として、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０４Ａ、プロパン、ブタン、イソブタン、アンモニアのいずれか一種又はそれらの混合物を用いたことを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の二次冷媒式冷凍装置。
【請求項１０】
前記一次側冷媒回路系に、前記カスケードコンデンサの他に建屋内を空調する空調用室内熱交換器を設けたことを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の二次冷媒式冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一次側冷媒回路系と二酸化炭素冷媒を用いた二次側冷媒回路系とをカスケードコンデンサを介して組み合せ結合し、該カスケードコンデンサにより二次側冷媒回路系の二酸化炭素冷媒ガスを一次側冷媒回路系の冷媒と熱交換させて凝縮液化し、これを二次側冷媒回路系の蒸発器に循環させるようにした二次冷媒式冷凍装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、上記のような二次冷媒式冷凍装置として種々のものが提案されている。かかる二次冷媒式冷凍装置の一次側冷媒回路系としては、冷媒にＲ４０４Ａ、Ｒ４１０Ａ等のフロン系冷媒、あるいはアンモニア、プロパン、ブタン、イソブタン等の非フロン系冷媒を用いたものが提案されており、カスケードコンデンサ、圧縮機、凝縮器（コンデンサ）、受液器（レシーバ）、減圧手段（膨張弁）をこの順に冷媒配管で接続し、一次側冷媒回路を構成している。
一方、二次側冷媒回路系としては、冷媒に安全性やフロン系冷媒の削減等を考慮し、自然冷媒であって、かつ蒸発温度の低い二酸化炭素冷媒を用いたものが多く、カスケードコンデンサ、二酸化炭素冷媒受液器、液ポンプ、蒸発器（冷却器）をこの順に冷媒配管で接続し、二次側冷媒回路を構成している。
【０００３】
このような二次冷媒式冷凍装置では、一次側冷媒回路系の圧縮機を駆動することにより冷媒を圧縮し、凝縮器、受液器、減圧手段を経てカスケードコンデンサに循環させ、カスケードコンデンサで該冷媒を蒸発させ、その気化熱によって二次側冷媒回路系の二酸化炭素冷媒ガスを冷却してそれを凝縮液化し、液化された二次側の二酸化炭素冷媒を液ポンプによって二次側冷媒回路系の蒸発器に循環させ、該蒸発器で二酸化炭素冷媒を蒸発させることによって冷却効果を得るようにしている。なお、かかる二次冷媒式冷凍装置は、各種冷蔵庫、保冷庫、冷凍庫、ショーケース、リーチインケース等々の冷蔵・冷凍用に広く適用することができる。
【０００４】
しかして、上記の二次冷媒式冷凍装置においては、二次側冷媒回路系で二酸化炭素冷媒液を循環させるために液ポンプが必要であり、これが二次側冷媒回路系の構成機器を増やし、装置の製造コストを増大させるだけでなく、液ポンプを駆動する際に電力を消費するため、装置運転時のランニングコストが嵩むという問題を内包している。
そこで、一次側冷媒回路系、カスケードコンデンサ、及び二次側冷媒回路系の二酸化炭素冷媒受液器等が設けられたコンディンシングユニットを二次側冷媒回路系の蒸発器よりも高い位置に設置し、液ポンプ等の冷媒搬送手段を設けることなく、重力によって二酸化炭素冷媒液を自然循環させるようにしたものが提案されている（特許文献１参照）。
【０００５】
また、液ポンプに代わる冷媒循環手段として、加圧タンク（液溜容器）を設け、該加圧タンクにカスケードコンデンサで凝縮液化した二酸化炭素冷媒液を流入させ、これを一次側冷媒回路系の冷媒と熱交換させて加熱することにより加圧タンク内を加圧し、その圧力差を利用して二酸化炭素冷媒液を揚液する揚液手段を設け、この揚液手段によって二酸化炭素冷媒液を自然循環させるようにしたものが提案されている（特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−２２８２８３号公報
【特許文献２】特開２００２−４８４２２号公報
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１に記載されたものにおいては、二酸化炭素冷媒液を自然循環させることができるため、液ポンプを不要とし、装置のイニシャルコストやランニングコストを大幅に削減できる反面、コンディンシングユニットを二次側冷媒回路系の蒸発器よりも高い位置に設置しなければならないため、これらの据付けに際し大きな制約を受けることになる。特に、この種装置は、設置スペース、建屋構造、騒音等の問題から、据付け場所が限られる場合が多く、コンディンシングユニットを高い位置に設置することが困難な場合、冷媒を自然循環させることができなくなる等の問題を有する。
【０００８】
また、特許文献２に記載されたものは、加圧タンク内に二酸化炭素冷媒液を溜め、それを一次側冷媒回路系の冷媒で加熱することにより加圧し、その圧力差を利用して二酸化炭素冷媒液を自然循環させるものであるが、加圧タンク及びその内部に貯留された冷媒を交互に加熱・冷却することによって冷媒液を流入・流出するものであるため、加圧タンクの熱容量の影響を排除することは困難である。このため、加熱ロスが大きく、加圧、減圧に時間がかかり、該時間を短くして応答性を確保しようとすると、加熱・冷却能力を大きくすることにより冷媒の循環量を確保しなければならなくなる。更に、冷媒を加圧タンクに流入・流出させるためには、電磁弁等の切替え手段が不可欠であり、そのためのコントローラが必要になる等の問題を有する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、二次側冷媒回路系において、据付け場所の制約を受けることなく、常に円滑かつ安定的に二酸化炭素冷媒を自然循環させることができる二酸化炭素冷媒を用いた二次冷媒式冷凍装置を提供することにある。
また、他の課題は、二次側冷媒回路系における二酸化炭素冷媒を、一次側冷媒回路系の冷媒を熱源として自然循環させる際に、熱ロスを少なくして加熱・冷却時の応答性を向上させ、熱源能力を最小限に抑えたままで十分な冷媒循環量を確保することができ、しかもカスケードコンデンサでの冷却能力を向上させることができる二次冷媒式冷凍装置を提供することにある。
また、他の課題は、上記二次冷媒式冷凍装置において、二酸化炭素冷媒のバッチ切替えによる連続的な自然循環を電磁弁等の切替え手段やそのためのコントローラを設けることなく、簡素な構成により実現できる二次冷媒式冷凍装置を提供することにある。
更なる課題は、外気温の変化にもかかわらず、二酸化炭素冷媒の循環量を十分に確保することができる二次冷媒式冷凍装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の課題を解決するため、本発明に係る二次冷媒式冷凍装置は、以下の手段を採用している。
第１の手段は、一次側冷媒回路系と二酸化炭素冷媒を用いた二次側冷媒回路系とをカスケードコンデンサを介して組み合せ結合し、該カスケードコンデンサにより前記二次側冷媒回路系の二酸化炭素冷媒ガスを前記一次側冷媒回路系の冷媒と熱交換させて凝縮液化するよう構成した二次冷媒式冷凍装置において、前記カスケードコンデンサで液化された二酸化炭素冷媒を溜める液溜容器と、該液溜容器に付設され、該液溜容器内の冷媒液が所定レベルに達したときそれを流出させ、該冷媒液をガス発生部に導き前記一次側冷媒と熱交換させて加熱・ガス化し、そのガス圧力を前記液溜容器内の冷媒液面に付加させて加圧するサイフォン管と、からなる冷媒循環手段を備え、該冷媒循環手段により前記液溜容器内の冷媒液を前記二次側冷媒回路系の蒸発器に循環させることを特徴とする。
【００１１】
上記によると、カスケードコンデンサで凝縮液化された二酸化炭素冷媒は液溜容器に流入する。この液溜容器内の冷媒が所定レベルに達するとサイフォン管に流出し、該冷媒はガス発生部に至りそこで温度の高い一次側冷媒により加熱されてガス化する。この冷媒ガス圧力をサイフォン管を介して液溜容器内の冷媒液面に付加させ加圧することにより、液溜容器内の冷媒液を送出させ、カスケードコンデンサと二次側冷媒回路系の蒸発器との設置位置関係にかかわりなく、二次側冷媒の自然循環を円滑かつ安定的に実現することができる。
また、サイフォン管により二酸化炭素冷媒を液溜容器より流出させ、該冷媒のみをガス発生部で一次側冷媒により加熱してガス化するようにしているため、液溜容器や内部の冷媒全てを加熱することによる加熱ロスがなく、加熱・冷却時の応答性を高めることができる。従って、熱源能力を大きくすることなく、冷媒循環能力を増大させることができる。
更に、上記の冷媒加熱により一次側冷媒を過冷却できるため、カスケードコンデンサの冷却能力を増大させ、効率を向上させることができる。
【００１２】
第２の手段は、上記第１の手段において、前記ガス発生部を、前記一次側冷媒回路系に設けた一次側冷媒レシーバ内に配設したことを特徴とする。
【００１３】
このようにガス発生部を一次側冷媒回路系に設けた一次側冷媒レシーバ内に配設することにより、レシーバ内に貯留された一次側液冷媒でガス発生部に至った二酸化炭素冷媒を確実にかつ効率よく加熱できるため、二酸化炭素冷媒のガス発生能力を高めて冷媒の自然循環を促進することができる。
【００１４】
第３の手段は、上記第１又は第２のいずれかの手段において、前記冷媒循環手段を、前記二次側冷媒回路系に複数組並列に設けたことを特徴とする。
【００１５】
上記によると、並列に設けられた複数組の冷媒循環手段を交互に切替え作動させることにより、二酸化炭素冷媒の連続的な自然循環を実現することができる。
【００１６】
第４の手段は、上記第３の手段において、前記複数の冷媒循環手段におけるガス発生部を、それぞれ前記一次側冷媒レシーバ内に配設したことを特徴とする。
【００１７】
このように複数のガス発生部を１つの冷媒レシーバ内に配設することにより、１つの冷媒レシーバを共用でき、かつ均一な加熱により均一なガス発生能力を確保できるため、冷媒の自然循環を安定化することができる。
【００１８】
第５の手段は、上記第３又は第４のいずれかの手段において、前記複数の冷媒循環手段の液溜容器の1つに、前記カスケードコンデンサで液化した二酸化炭素冷媒を流下管を介して直接流下させ、他の液溜容器には前記流下管から分岐した分岐管を介して流下させることを特徴とする。
【００１９】
上記のように構成することにより、カスケードコンデンサで液化した冷媒は、１つの液溜容器に優先的に流入し、当該液溜容器に所定量の冷媒が溜まって流入しなくなると他の液溜容器に流れるため、切替え調節の必要がなく、自動的に交互に動作する。従って、切替えのための電磁弁やコントローラが不要であり、構成を簡素にすることができる。
【００２０】
第６の手段は、上記第５の手段において、前記流下管及び分岐管並びに前記液溜容器から冷媒液を送出する送出管中にそれぞれ逆止弁を設けたことを特徴とする。
【００２１】
上記のように逆止弁を設けることにより、複数組設けられた冷媒循環手段の動作の切替えをより確実に行わせることができる。
【００２２】
第７の手段は、上記第２ないし第６のいずれかの手段において、前記一次側冷媒回路系の前記一次側冷媒レシーバ出口側に減圧手段を設け、該減圧手段の下流側冷媒配管を前記液溜容器と熱交換可能に配設して容器冷却器となしたことを特徴とする。
【００２３】
上記によると、液溜容器内の冷媒液が送出され、サイフォン管に冷媒液が流れなくなって該液溜容器からの冷媒送出が停止されると、液溜容器内部のガス冷媒を容器冷却器内を流れる減圧手段を経た一次側冷媒により迅速に冷却できるため、当該ガス冷媒を速やかに凝縮液化して該液溜容器内を減圧し、カスケードコンデンサから二酸化炭素冷媒液の流入を開始できる。従って、液溜容器の冷却能力を向上させ応答性を高めることができる。
【００２４】
第８の手段は、上記第１ないし第７のいずれかの手段において、前記一次側冷媒回路系の凝縮器に対して並列に、吐出ガスバイパス弁を備えた吐出ガス冷媒バイパス回路を設けたことを特徴とする。
【００２５】
上記のようにバイパス回路を設けることにより、外気温が変化し一次側冷媒回路系の冷媒温度が低下するような事態になっても、バイパス弁を開いて圧縮機の吐出ガスを凝縮器をバイパスして流すことによって、冷媒レシーバ内の冷媒液温を維持できるため、サイフォン管のガス発生部でのガス発生量減少を防止し、外気温の変化にかかわらず、十分な冷媒循環量を確保することができる。
【００２６】
第９の手段は、上記第１ないし第８のいずれかの手段において、前記一次側冷媒回路系の冷媒として、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０４Ａ、プロパン、ブタン、イソブタン、アンモニアのいずれか一種又はそれらの混合物を用いたことを特徴とする。
【００２７】
上記によると、用途に応じ最適な一次側冷媒を選択した二次冷媒式冷凍装置を提供することができる。特に、プロパン、ブタン、イソブタン、アンモニア等を用いることによって、フロン系冷媒の使用量を削減することができる。
【００２８】
第１０の手段は、上記第１ないし第９のいずれかの手段において、前記一次側冷媒回路系に、前記カスケードコンデンサの他に建屋内を空調する空調用室内熱交換器を設けたことを特徴とする。
【００２９】
上記のように一次側冷媒回路系に空調用室内熱交換器を設けることにより、屋内の空調用と該屋内に設置される冷凍・冷蔵機器用を１台の二次冷媒式冷凍装置でまかなうことができ、コンビニエンスストア等における空調・冷凍・冷蔵に有益に適用できる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明の二次冷媒式冷凍装置によれば、構成機器の設置位置関係にかかわりなく、常に円滑かつ安定的に二酸化炭素冷媒を自然循環させることができるため、据付け場所に関する制約を緩和することができる。
また、二酸化炭素冷媒を自然循環させる際の熱源に一次側冷媒回路系の冷媒を利用しているが、熱ロスをなくし加熱・冷却時の応答性を高めるようにしているため、熱源を大きくすることなく冷媒循環能力を増大し、十分な冷媒循環量を確保することができる。同時に二次側冷媒の加熱時に一次側冷媒を過冷却できるため、カスケードコンデンサの冷却能力を増大させ、効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
[第１の実施形態]
図１に、本発明の第１の実施形態かかる二次冷媒式冷凍装置１の冷媒系統図が示されている。
本実施形態にかかる二次冷媒式冷凍装置１は、冷媒としてＲ４０４Ａ、Ｒ４１０Ａ、アンモニア、プロパン、ブタン、イソブタン等のいずれか一種又はそれらの混合物を用いた一次側冷媒回路系３と、冷媒として蒸発温度の低い二酸化炭素冷媒を用いた二次側冷媒回路系５とをカスケードコンデンサ７を介して組み合せ結合したものである。
【００３２】
一次側冷媒回路系３は、圧縮機９、凝縮器（コンデンサ）１１、一次側液冷媒レシーバ（受液器）１３、減圧手段（膨張弁）１５、カスケードコンデンサ７、二酸化炭素ボンベ冷却器１７、アキュームレータ１９をこの順に冷媒配管２１により接続して冷凍サイクルをなす冷媒回路を構成したものであり、圧縮機９、凝縮器（コンデンサ）１１及びアキュームレータ１９は室外ユニット２３内に設置されている。
【００３３】
一次側冷媒回路系３において、圧縮機９は、一次側の冷媒ガスを圧縮し高温・高圧のガス冷媒として吐出するものであり、吐出されたガス冷媒は、凝縮器１１に流入し、ここで図示されていない室外ファンにより送風される外気と熱交換され、冷却されて凝縮液化し液冷媒レシーバ１３へと流出される。液冷媒レシーバ１３では、冷媒中のガス分が分離され、液冷媒のみが減圧手段１５へと送出されるようになっている。減圧手段１５を通過することにより断熱膨張され、低温低圧の気液二相状態となった冷媒は、カスケードコンデンサ７に流入し、ここで後述する二酸化炭素冷媒ガスと熱交換され、二酸化炭素冷媒ガスを冷却して凝縮液化することにより自らは蒸発気化し、更に、必要に応じて設けられた二酸化炭素ボンベ冷却器１７において、二酸化炭素ボンベ２５内に回収された二酸化炭素冷媒を冷却した後、アキュームレータ１９を経て、再び、圧縮機９に吸入・圧縮されるようになっている。
【００３４】
一方、二次側冷媒回路系５は、複数組の冷媒循環手段３１Ａ、３１Ｂ、複数の流量調整弁３３Ａ、３３Ｂ、複数の蒸発器３５Ａ、３５Ｂ、カスケードコンデンサ７をこの順に冷媒配管３７により接続して冷凍サイクルをなす冷媒回路を構成したものであり、カスケードコンデンサ７を介して一次側冷媒回路系３の冷媒と熱交換されるよう組み合せ結合されている。
カスケードコンデンサ７は、上述したように一次側の冷媒と二次側の冷媒とを熱交換させ、一次側冷媒を蒸発させることにより、その気化熱で二次側の冷媒である二酸化炭素冷媒ガスを凝縮液化するように機能するものである。
【００３５】
二次側冷媒回路系５において、複数組の冷媒循環手段３１Ａ、３１Ｂは、カスケードコンデンサ７の下方に位置するよう配置されており、カスケードコンデンサ７で凝縮液化した冷媒が自然流下する流下管３９に対して互いに並列に接続されている。
複数組の冷媒循環手段３１Ａ、３１Ｂは、それぞれカスケードコンデンサ７から流下する液冷媒を溜める液溜容器４３Ａ、４３Ｂを有しており、このうち液溜容器４３Ａに対しては、流下管３９を介して液冷媒が直接流下されるように、又、他方の液溜容器４３Ｂに対しては、流下管３９の途中から分岐した分岐管４１を介して液冷媒が流下されるようになっている。なお、流下管３９及び分岐管４１は、それぞれ液溜容器４３Ａ、４３Ｂの底部近くまで挿入され、該容器内に開口されている。
【００３６】
液溜容器４３Ａ、４３Ｂには、それぞれ該容器内において所定の液位レベルで開口するサイフォン管４５Ａ、４５Ｂが設けられている。このサイフォン管４５Ａ、４５Ｂは、液溜容器４３Ａ、４３Ｂから下方に取り出された後、その一部が上述した一次側冷媒回路系３の液冷媒レシーバ１３に結合され、該液冷媒レシーバ１３内の液冷媒と熱交換されるように配設されている。この熱交換部分をガス発生部４７Ａ、４７Ｂとしており、該ガス発生部４７Ａ、４７Ｂを経たサイフォン管４５Ａ、４５Ｂの他端は、液溜容器４３Ａ、４３Ｂの上部に接続開口されている。
【００３７】
また、サイフォン管４７Ａ、４７Ｂの下方取り出し部からは、それぞれ冷媒液の送出管４９Ａ、４９Ｂ分岐され、該送出管４９Ａ、４９Ｂは、複数の蒸発器３５Ａ、３５Ｂに連なる冷媒配管３７に接続されている。
なお、前記流下管３９、分岐管４１、及び送出管４９Ａ、４９Ｂには、それぞれ逆止弁５１が設けられ、冷媒を冷媒循環方向の一方向のみに流すようになっている。
【００３８】
複数の蒸発器３５Ａ、３５Ｂは、冷媒配管３７に対しそれぞれ流量調整弁３３Ａ、３３Ｂを介して並列に接続されており、各種冷蔵庫、保冷庫、冷凍庫、ショーケース、リーチインケース等々の冷蔵・冷凍用冷却器として機能するものである。
各蒸発器３５Ａ、３５Ｂで蒸発した二酸化炭素冷媒ガスは冷媒配管３７を介してカスケードコンデンサ７に導かれ、ここで一次側冷媒と熱交換され、冷却されて再び凝縮液化されるよう構成されている。
【００３９】
次に、二次冷媒式冷凍装置１の冷却運転について説明する。
一次側冷媒回路系３において、圧縮機９で圧縮された高温・高圧の冷媒ガスは、圧縮機９から吐出された後、凝縮器１１、冷媒レシーバ１３、減圧手段１５、カスケードコンデンサ７、二酸化炭素ボンベ冷却器１７、アキュームレータ１９を経て循環し、この間、凝縮器１１において外気と熱交換して冷却され、凝縮液化する。凝縮液化した冷媒は、冷媒レシーバ１３に導かれ、ここでガス分が分離される。この冷媒レシーバ１３内には上述したように二次側冷媒回路系５の冷媒循環手段３１Ａ、３１Ｂを構成するサイフォン管４５Ａ、４５Ｂのガス発生部４７Ａ、４７Ｂが配設されており、冷媒レシーバ１３内の一次側液冷媒は、該ガス発生部４７Ａ、４７Ｂに液溜容器４３Ａ、４３Ｂからサイフォン管４７Ａ、４７Ｂを介して流出してくる二次側二酸化炭素冷媒と熱交換し、該二酸化炭素冷媒を加熱してガス化する。
【００４０】
冷媒レシーバ１３内の冷媒は、その後冷媒レシーバ１３から流出し、減圧手段１５で断熱膨張され、低温低圧の気液二相冷媒となってカスケードコンデンサ７に至る。この一次側冷媒は、カスケードコンデンサ７で二次側冷媒回路系５を循環する二酸化炭素冷媒と熱交換され、二酸化炭素冷媒ガスから気化熱を奪って自身は蒸発ガス化し、これによって二次側の二酸化炭素冷媒ガスを冷却し凝縮液化する。
カスケードコンデンサ７で蒸発ガス化した一次側冷媒は、二酸化炭素ボンベ冷却器１７を経てアキュームレータ１９に至り、液分が分離された後、圧縮機９に吸い込まれ、再び圧縮される。以上の循環を繰り返すことによって、冷媒レシーバ１３内でガス発生部４７Ａ、４７Ｂを加熱する機能とカスケードコンデンサ７で二次側の二酸化炭素冷媒ガスを冷却する機能を発揮する。
【００４１】
一方、二次側冷媒回路系５は以下のように作用する。
まず、複数組の冷媒循環手段３１Ａ、３１Ｂによる二酸化炭素冷媒の自然循環について説明する。カスケードコンデンサ７で凝縮液化された二酸化炭素冷媒は、流下管３９を介して優先的に液溜容器４３Ａ内に流下する。液溜容器４３Ａ内に溜められた二次側冷媒液の液位が上昇しサイフォン管４５Ａの入口レベルに達すると、二次側冷媒液はサイフォン管４５Ａに流出し、一次側冷媒回路系３の冷媒レシーバ１３内に配設されたガス発生部４７Ａに至り、冷媒レシーバ１３内の一次側冷媒液と熱交換される。
【００４２】
ここで熱交換される一次側冷媒液と二次側二酸化炭素冷媒液は、一次側冷媒液の温度の方がガス発生部４７Ａ内の二酸化炭素冷媒液の温度より高いため、ガス発生部４７Ａ内の二酸化炭素冷媒液は加熱され、蒸発ガス化して液溜容器４３Ａ内に至り、液溜容器４３Ａ内の二酸化炭素冷媒液面に付加され、該液面を加圧する。これによって、液溜容器４３Ａ内に溜められていた二酸化炭素冷媒液は、液溜容器４３Ａからサイフォン管４５Ａ、冷媒送出管４９Ａ、逆止弁５１を経て冷媒配管３７へと圧送される。
【００４３】
上記のようにして冷媒配管３７に送出された冷媒は、流量調整弁３３Ａ、３３Ｂにより流量を調整された後、蒸発器３５Ａ、３５Ｂへと流入することになるが、この冷媒は冷媒循環手段３１Ａによって加圧・圧送されるようになっているため、カスケードコンデンサ７に対する蒸発器３５Ａ、３５Ｂの設置位置の高低にかかわらず、該冷媒をポンプなしで常に円滑かつ安定的に自然循環させることができる。
なお、液溜容器４３Ａ内の冷媒液が送出されると、ガス発生部４７Ａでのガス発生がなくなり、液溜容器４３Ａ内のガスが漸次凝縮して液溜容器４３Ａ内が減圧されるため、再びカスケードコンデンサ７から冷媒液が流下するようになる。
【００４４】
蒸発器３５Ａ、３５Ｂに流入した二次冷媒は、該蒸発器が設置されている、例えば冷蔵庫内の空気等と熱交換されて蒸発気化し、その気化熱によって冷蔵庫内を冷却する。蒸発気化した冷媒は、冷媒配管３７を介してカスケードコンデンサ７に導かれ、一次側冷媒と熱交換して再び凝縮液化され、流下管３９又は分岐管４１のいずれかを経て液溜容器４３Ａ、４３Ｂのいずれかに流下する。
以上のように二次側冷媒である二酸化炭素冷媒が二次側冷媒回路系５を自然循環することによって、蒸発器３５Ａ、３５Ｂにおいて冷却機能を発揮する。
【００４５】
なお、上記において、一方の冷媒循環手段３１Ａが冷媒液を送出管４９Ａを経て冷媒配管３７へと送出動作を開始すると、カスケードコンデンサ７で凝縮液化した二次側冷媒は、逆止弁５１の作用により分岐管４１を経て他方の冷媒循環手段３１Ｂの液溜容器４３Ｂ内に流下する。そして、液溜容器４３Ｂ内に所定量の冷媒液が溜まり、サイフォン管４５Ｂの入口レベルに達すると、上記した冷媒循環手段３１Ａの場合と同様の動作により、冷媒液を冷媒配管３７へと加圧・圧送する。以下、同様の動作を繰り返すことによって、２組の冷媒循環手段３１Ａ、３１Ｂを交互に自動的にバッチ切替え作動させ、二酸化炭素冷媒を連続的に自然循環させることができる。
【００４６】
上述した本実施形態にかかる二次冷媒式冷凍装置によれば、カスケードコンデンサ７に対する蒸発器３５Ａ、３５Ｂの設置位置の高低にかかわらず二次側の二酸化炭素冷媒を常に円滑かつ安定的に自然循環させることができる。この際、液溜容器４３Ａ、４３Ｂ、流下管３９、分岐管４１、サイフォン管４５Ａ、４５Ｂ、ガス発生部４７Ａ、４７Ｂ、送出管４９Ａ、４９Ｂ、逆止弁５１等によって構成され、二次側冷媒回路系５に並列に設けられている冷媒循環手段３１Ａ、３１Ｂを交互に自動的にバッチ切替え作動させるようにしているため、二酸化炭素冷媒を連続的に自然循環させることができる。
また、複数の液溜容器４３Ａ、４３Ｂに対する冷媒流下を、液溜容器４３Ａを優先に自動的に切替えられるようにしているため、電磁弁等の切替え手段及びそのコントローラを設ける必要がなく、構成を簡素にすることができる。
【００４７】
また、冷媒循環手段３１Ａ、３１Ｂにおいて、二酸化炭素冷媒をガス化する際、サイフォン管４５Ａ、４５Ｂのガス発生部４７Ａ、４７Ｂに流出してくる冷媒のみを一次側冷媒により加熱してガス化するようにしているため、加熱ロスがなく、応答性を高めることによって、冷媒循環能力を増大することができる。同時に、この二酸化炭素冷媒加熱により一次側冷媒を過冷却できるため、カスケードコンデンサ７の冷却能力を増大させ、効率を向上させることができる。
また、ガス発生部４７Ａ、４７Ｂを、一次側冷媒回路系３に設けた１つの一次側冷媒レシーバ１３内に配設し、１つの冷媒レシーバ１３を共用して該レシーバ１３内の一次側液冷媒により各々ガス発生部４７Ａ、４７Ｂに流出してくる二酸化炭素冷媒を加熱できるようにしているため、二酸化炭素冷媒を効率よく、かつ均しく加熱することができる。従って、各ガス発生部４７Ａ、４７Ｂでのガス発生能力を均一化し、冷媒循環を安定化することができる。
【００４８】
また、本実施形態の二次冷媒式冷凍装置１においては、一次側冷媒回路系３の冷媒として、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０４Ａ、プロパン、ブタン、イソブタン、アンモニアのいずれか一種を用い、さらに二次側冷媒回路系５の冷媒として、二酸化炭素を用いているため、環境に厳しいフロン系冷媒の使用量を削減することができる。
なお、本実施形態の二次冷媒式冷凍装置１では、一次側冷媒回路系３の吸入配管系に二酸化炭素ボンベ冷却器１７を設け、吸入ガス冷媒によって二酸化炭素ボンベ２５を冷却できるようにしているため、二次冷媒式冷凍装置１の運転を暫く休止するような場合等において、必要に応じカスケードコンデンサ７で液化された二酸化炭素冷媒を配管５３、開閉弁５５を介して二酸化炭素ボンベ２５内に回収・貯留することができる。
【００４９】
[第２の実施形態]
図２に、本発明の第２の実施形態かかる二次冷媒式冷凍装置１０１の冷媒系統図が示されている。
本実施形態は、第１の実施形態に対して、一次側冷媒回路系において凝縮器に対し並列に、吐出ガス冷媒バイパス回路を設けるとともに、冷媒レシーバの出口側冷媒配管に液溜容器を冷却する容器冷却器を設けている点等が異なっている。その他の点については第１の実施形態と同様であるので、説明は省略する。
【００５０】
本実施形態に係る二次冷媒式冷凍装置１０１の一次側冷媒回路系３０１においては、圧縮機９から吐出された冷媒ガスを、凝縮器１１をバイパスしてその下流側の冷媒配管２１へ流す吐出ガス冷媒バイパス回路３０３を設けており、この吐出ガス冷媒バイパス回路３０３中に一次側冷媒の凝縮液温が所定温度以上となるように制御する吐出ガスバイパス弁３０５を設けている。
また、液冷媒レシーバ１３の下流側冷媒配管２１中に膨張弁等の減圧手段３０７を設け、該減圧手段３０７の下流側冷媒配管２１と二次側冷媒回路系５に設けられている液溜容器４３Ａ、４３Ｂとを熱交換可能に配設し、当該液溜容器４３Ａ、４３Ｂを冷却する容器冷却器３０９Ａ、３０９Ｂを構成している。
なお、本実施形態に示すように、液溜容器４３Ａ、４３Ｂから冷媒液を送出する送出管４９Ａ、４９Ｂは、第１の実施形態の如くサイフォン管４５Ａ、４５Ｂから分岐する構成ではなく、液溜容器４３Ａ、４３Ｂに直接接続するようにしてもよい。
【００５１】
本実施形態では、上記の如く吐出ガス冷媒バイパス回路３０３及び吐出ガスバイパス弁３０５を設け、圧縮機９からの吐出冷媒ガスを凝縮器１１をバイパスして流すことができるようにしているため、外気温が低下して凝縮器１１で凝縮した一次側冷媒の液温が低くなり、液冷媒レシーバ１３内での一次側冷媒液によるガス発生部４７Ａ、４７Ｂの加熱能力が低下し、二次側冷媒のガス化能力が下がるおそれがある場合、吐出ガスバイパス弁３０５を開け、高温の吐出冷媒ガスをバイパスさせることによって、一次側冷媒の液温を所定温度以上に維持することができる。
従って、ガス発生部４７Ａ、４７Ｂでの二次側冷媒のガス発生量減少を防止し、確実に二次側冷媒液の循環量を確保することができる。
【００５２】
また、液溜容器４３Ａ、４３Ｂを冷却する容器冷却器３０９Ａ、３０９Ｂを設け、減圧手段３０７を経て断熱膨張された一次側冷媒により液溜容器４３Ａ、４３Ｂを冷却できるようにしているため、二次側冷媒液を送出した液溜容器４３Ａ、４３Ｂ内の残留ガスを強制冷却して凝縮させ、液溜容器４３Ａ、４３Ｂ内を速やかに減圧し、カスケードコンデンサ７からの冷媒流入を開始することができる。
従って、二次側冷媒のバッチ切替え送出動作の応答性を高め、冷媒循環性能を向上させることができる。
【００５３】
[第３の実施形態]
上記した第１、第２の実施形態においては、一次側冷媒回路系３、３０１の構成は、いずれもカスケードコンデンサ７により二次側冷媒を冷却して凝縮液化する専用の冷媒回路系としているが、これに限定されるものではない。一次側冷媒回路系を、カスケードコンデンサ７に対して建屋内を空調する空調用室内熱交換器を並設した冷媒回路系により構成してもよい。
一次側冷媒回路系を、上記のような空調用室内熱交換器を設けた冷媒回路系とすることにより、屋内の空調用と該屋内に設置される冷凍・冷蔵機器用とを１台の二次冷媒式冷凍装置でまかなうことが可能となるため、コンビニエンスストア等における空調・冷凍・冷蔵に有益に適用できるようになる。
【００５４】
なお、本発明の技術範囲は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、室外ユニットあるいはカスケードコンデンサ、冷媒循環手段等を含めたコンディンシングユニットは、適宜構成とすることができるし、二次側冷媒回路系に接続される蒸発器も適宜数設けることができる。また、ガス発生部を一次側の冷媒レシーバ内に配設しているが、これに限らず一次側の高圧冷媒液と熱交換可能な構成であればよい。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の第１の実施形態かかる二次冷媒式冷凍装置の冷媒系統図である。
【図２】本発明の第２の実施形態かかる二次冷媒式冷凍装置の冷媒系統図である。
【符号の説明】
【００５６】
１，１０１  二次冷媒式冷凍装置
３，３０１  一次側冷媒回路系
５  二次側冷媒回路系
７  カスケードコンデンサ
１３  一次側冷媒レシーバ
３１Ａ，３１Ｂ  冷媒循環手段
３５Ａ，３５Ｂ  蒸発器
３９  流下管
４１  分岐管
４３Ａ，４３Ｂ  液溜容器
４５Ａ，４５Ｂ  サイフォン管
４７Ａ，４７Ｂ  ガス発生部
４９Ａ，４９Ｂ  送出管
５１  逆止弁
３０３  吐出ガス冷媒バイパス回路
３０５  吐出ガスバイパス弁
３０７  減圧手段
３０９Ａ，３０９Ｂ  容器冷却器
【図１】
2007218466.tif 000003
【図２】
2007218466.tif 000004