(57)【要約】【課題】安全弁を取り付けることなくとも、冷凍装置の冷媒回路内の各部圧力が設定圧力を超える状態とならないＣＯ2冷凍冷蔵装置を提供する。【解決手段】圧縮機１１、ガスクーラ１４、膨張機構および蒸発器４１を閉ループ配管により接続し、ＣＯ2冷媒を充填した冷凍サイクルを備え、前記冷凍サイクルの停止状態時に閉ループ配管内のＣＯ2冷媒の圧力を検出するセンサを備え、前記センサの検出圧力が設定圧力を超える場合に、異常警報を出力する警報部１５０を備えた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、ガスクーラ、膨張機構および蒸発器を閉ループ配管により接続し、ＣＯ2冷媒を充填した冷凍サイクルを備え、
前記冷凍サイクルの停止状態時に閉ループ配管内のＣＯ2冷媒の圧力を検出するセンサを備え、
前記センサの検出圧力が設定圧力を超える場合に、異常警報を出力する警報部を備えたことを特徴とする冷凍装置。
【請求項２】
前記センサは、高圧センサ、中間圧センサ、低圧センサであることを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
【請求項３】
前記警報部の出力により前記冷凍サイクルの運転を開始する運転開始部を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の冷凍装置。
【請求項４】
圧縮機、ガスクーラ、膨張機構および蒸発器を閉ループ配管により接続し、ＣＯ2冷媒を充填した冷凍サイクルを備え、
前記冷凍サイクルの停止状態時に閉ループ配管内のＣＯ2冷媒の圧力を検出するセンサを備えた、複数台の冷凍装置と、
複数台の冷凍装置が接続された遠隔監視装置と、を備え、
前記遠隔監視装置が、前記冷凍装置の前記センサの検出圧力が設定圧力を超える場合に、異常警報を出力する警報部を備えたことを特徴とする冷凍装置。
【請求項５】
前記遠隔監視装置は、前記警報部の出力により前記冷凍サイクルの運転を開始する運転開始部を始動させることを特徴とする請求項４に記載の冷凍装置。
【請求項６】
停電時にＣＯ2冷媒の平衡圧力を検出し異常警報を出力するためのバックアップ電源を備えることを特徴とする請求項１、２、４に記載の冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＯ2冷媒を用いた冷凍装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、スーパーマーケット等で使用される、冷凍機と、冷凍・冷蔵用ショーケースやプレハブ冷蔵庫等の冷却器と、からなる冷凍冷蔵装置が知られている。
この種の冷凍冷蔵装置では、二酸化炭素のように超臨界流体を冷媒に用いた冷凍サイクルが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
二酸化炭素のように超臨界流体を冷媒とした冷凍サイクルは、圧力がガス温度だけでなくガス密度に左右され、冷凍装置の停止状態時に周囲温度が臨界点（約３１℃）を超えると、システム全体が超臨界状態となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１５５９７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
冷凍装置の停止状態時に外気温度が高温になった場合、現地冷媒充填ミス（過剰充填）などによりガス密度が所定値を超えると、冷凍装置の冷媒回路内の各部圧力が低圧部の設定圧力を超える状態となりうるため、従来、安全弁を設けて異常高圧を回避していた。
本発明の目的は、上述した従来の技術が有する課題を解消し、安全弁を取り付けることなくとも、冷凍装置の冷媒回路内の各部圧力が低圧部の設定圧力を超える状態とならないＣＯ2冷凍冷蔵装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、圧縮機、ガスクーラ、膨張機構および蒸発器を閉ループ配管により接続し、ＣＯ2冷媒を充填した冷凍サイクルを備え、前記冷凍サイクルの停止状態時に閉ループ配管内のＣＯ2冷媒の圧力を検出するセンサを備え、前記センサの検出圧力が設定圧力を超える場合に、異常警報を出力する警報部を備えたことを特徴とする。
この発明では、安全弁を取り付けることなく、冷凍装置の冷媒回路内の各部圧力が設定圧力を超える状態を回避できる。
また、本発明は、前記センサは、高圧センサ、中間圧センサ、低圧センサであることを特徴とする。この発明では、既設のセンサが利用できる。
この場合において、前記警報部の出力により前記冷凍サイクルの運転を開始する運転開始部を備えていてもよい。
【０００６】
また、本発明は、圧縮機、ガスクーラ、膨張機構および蒸発器を閉ループ配管により接続し、ＣＯ2冷媒を充填した冷凍サイクルを備え、前記冷凍サイクルの停止状態時に閉ループ配管内のＣＯ2冷媒の圧力を検出するセンサを備えた、複数台の冷凍装置と、複数台の冷凍装置が接続された遠隔監視装置と、を備え、前記遠隔監視装置が、前記冷凍装置の前記センサの検出圧力が設定圧力を超える場合に、異常警報を出力する警報部を備えたことを特徴とする。
この場合において、前記遠隔監視部は、前記警報部の出力により前記冷凍サイクルの運転を開始する運転開始部を始動させてもよい。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、冷凍サイクルの停止状態時に閉ループ配管内のＣＯ2冷媒の圧力を検出するセンサを備え、前記センサの検出圧力が低圧部の設定圧力を超える場合に、異常警報を出力する警報部を備えたため、安全弁を取り付けなくとも、冷凍装置の冷媒回路内の各部圧力が低圧部の設定圧力を超える状態を判定できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明に係るＣＯ2冷凍冷蔵装置の一実施形態を示す冷凍サイクル図である。
【図２】本実施形態における処理を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係るＣＯ2冷凍冷蔵装置の一実施形態を示す冷凍サイクルの回路図である。
ＣＯ2冷凍冷蔵装置１は、冷凍機１０と、冷凍機１０から送られる冷媒により冷却されるショーケース（冷却装置）４０とを備えている。
この冷凍サイクルは、高圧側の冷媒圧力（高圧圧力）がその臨界圧力以上（超臨界）となるＣＯ2冷媒を用いている。このＣＯ2冷媒は、地球環境に優しく、可燃性および毒性等を考慮した自然冷媒である。潤滑油としてのオイルは、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（ポリアルキルグリコール）等、既存のオイルが使用される。
【００１０】
冷凍機１０は、２段で圧縮動作される圧縮機１１を備えている。
圧縮機１１は、内部中間圧型多段圧縮式ロータリ圧縮機であり、鋼板から成る円筒状の密閉容器内に、駆動要素としての電動要素およびこの電動要素の回転軸により駆動される低段側回転圧縮要素および高段側回転圧縮要素から成る回転圧縮機構部を備えている。
圧縮機１１には、冷凍側熱交換器１２が冷媒配管１３を介して接続されており、冷凍側熱交換器１２は、ガスクーラ１４と、インタクーラ１５と、オイルクーラ１６と、送風ファン１７とから構成されている。
【００１１】
圧縮機１１には、１段目の圧縮機構１１ａにおける第１吸入口２０および第１吐出口２１が設けられており、２段目の圧縮機構１１ｂにおける第２吸入口２２および第２吐出口２３が設けられている。圧縮機１１の第１吸入口２０は、ショーケース４０の蒸発器４１から送られる冷媒を吸入し、１段目の圧縮機構１１ａにより、中間圧力に圧縮して第１吐出口２１から吐出するように構成されている。
圧縮機１１の第１吐出口２１は、冷媒配管１３を介してインタクーラ１５の入口側に接続されており、インタクーラ１５の出口側には、冷媒配管１３を介して圧縮機１１の第２吸入口２２に接続されている。圧縮機１１の第２吐出口２３は、冷媒配管１３を介してオイルセパレータ２４に接続されており、オイルセパレータ２４は、冷媒配管１３を介してガスクーラ１４に接続されている。オイルセパレータ２４は、冷媒中のオイルを分離して貯留するものであり、オイルセパレータ２４は、油送り管２５を介してオイルクーラ１６の入口側に接続されており、オイルクーラ１６の出口側は、油戻り管２６を介して圧縮機１１に接続されている。
【００１２】
圧縮機１１の第１吐出口２１から吐出された冷媒は、冷媒配管１３を介してインタクーラ１５に流入し、インタクーラ１５において、送風ファン１７を動作させることにより外気と熱交換して冷却され、圧縮機１１の第２吸入口２２に戻される。そして、圧縮機１１で２段目の圧縮機構１１ｂにより、必要な圧力に圧縮して第２吐出口２３から吐出され、それぞれ合流してオイルセパレータ２４を介してガスクーラ１４に送られる。
オイルセパレータ２４は、冷媒中のオイルを分離して貯留させる。オイルセパレータ２４のオイルは、油送り管２５を介してオイルクーラ１６に送られ、オイルクーラ１６において、送風ファン１７を動作させることにより外気と熱交換して冷却された後、油戻り管２６を介して、圧縮機１１の中間段に戻される。
ガスクーラ１４は、圧縮機１１から送られた冷媒を、送風ファン１７を動作させることにより外気と熱交換させて冷却するものである。
【００１３】
ガスクーラ１４には、冷媒配管１３を介して、スプリット熱交換器３０が接続されている。スプリット熱交換器３０の入口側の冷媒配管１３には、この冷媒配管１３から分岐する分岐配管（第１の分岐配管)３１が設けられており、分岐配管３１は、分岐管用膨張弁３２を介してスプリット熱交換器３０に接続されている。スプリット熱交換器３０において、冷媒配管１３と分岐配管３１とは、冷媒の流れる方向が対向流となるように配置されるものであり、冷媒配管１３を流れる冷媒と分岐配管３１を流れる冷媒とを効率よく熱交換させることができるように構成されている。
【００１４】
スプリット熱交換器３０の分岐配管３１の出口側は、インタクーラ１５の出口側に接続されている。分岐管用膨張弁３２は、スプリット熱交換器３０の入口側の高圧冷媒を減圧させて中間圧力レベルまで膨張させるものである。スプリット熱交換器３０は、冷媒配管１３を流れる高圧冷媒と、分岐配管３１を流れる減圧された冷媒とを熱交換させて高圧冷媒を冷却する。熱交換後の減圧された冷媒は、インタクーラ１５の出口側の冷媒と合流して第２吸入口２２から圧縮機１１にそれぞれ送られ、圧縮機１１から吐出される冷媒の温度および中間圧力の最適化が図られる。
【００１５】
スプリット熱交換器３０の冷媒配管１３の出口側には、分岐配管（第２の分岐配管)３５が接続され、分岐配管３５は、冷媒回収タンク３４の入口側に接続されている。
冷媒回収タンク３４の出口側には、２本の配管１３４、１３５が接続され、２本の配管１３４、１３５は、スプリット熱交換器３０の冷媒配管１３の出口側に接続されている。なお、符号３６は、電動膨張弁、符号３７、３８は、電磁弁、符号３９は、キャピラリーチューブを示している。
【００１６】
インタクーラ１５の出口側の冷媒配管１３には、バイパス管１３１の一端が接続され、配管１３５の他端は、圧縮機１１の第１吸入口２０に連なる冷媒配管１３に接続されている。バイパス管１３１には電磁弁１３２が介装されている。
スプリット熱交換器３０の出口側の冷媒配管１３には、ショーケース４０の蒸発器４１が膨張弁４２を介して接続されており、蒸発器４１により冷媒配管１３から送られる冷媒と庫内の空気とを熱交換させ、ショーケース４０の庫内の冷却を行うように構成されている。蒸発器４１の出口側は、冷媒配管１３を介して圧縮機１１の第１吸入口２０に接続されている。この冷媒回路においては、蒸発器４１、１段目の圧縮機構１１ａ、インタクーラ１５、２段目の圧縮機構１１ｂ、ガスクーラ１４、及びスプリット熱交換器３０を経由しつつ循環する冷媒主流路が形成される。
【００１７】
この冷媒回路には、各所に種々のセンサが取り付けられている。すなわち、冷媒配管１３のうち、蒸発器４１の出口と圧縮機１１の第１吸入口とをつなぐ箇所には、低圧センサ５１が取り付けられて、冷媒回路の低圧側圧力ＬＰを検出する。
また、冷媒配管１３から分岐する分岐配管３１には、中間圧センサ５３が取り付けられて、冷媒回路の中間圧側圧力ＭＰを検出する。
また、冷媒配管１３のうち、ガスクーラ１４の出口から延びる箇所には、高圧センサ５５が取り付けられて、冷媒回路の高圧側圧力ＨＰを検出する。これら低圧センサ５１、中間圧センサ５３、高圧センサ５５は、マイクロコンピュータから構成されたＣＯ2冷凍冷蔵装置１の制御手段を構成する制御装置１３６の入力に接続されている。
【００１８】
ＣＯ2冷媒では、外気温度が高くなった場合などに、冷媒回路内の冷媒が液化しない超臨界サイクル運転となる。この場合には、冷媒回路内の高圧側が余剰となった冷媒によって異常高圧となる恐れがある。
高圧側圧力が異常上昇したと判断した場合、冷媒回収動作が実行される。この冷媒回収動作では、電磁弁３８を閉じた状態で、電動膨張弁３６および電磁弁３７を開放する。電磁弁３７が開放されることにより、配管１３４を介して、冷媒回収タンク３４内の圧力がタンク外に逃がされる。冷媒回収タンク３４内の圧力が低下して当該タンク内に流入した冷媒は液化して当該冷媒回収タンク３４内に溜まる。
即ち、冷媒回収タンク３４内の圧力は超臨界圧力以下に降下することによって、冷媒がガス領域から飽和領域となり、液面が確保される。この状態で、分岐配管３５を介して冷媒回収タンク３４に冷媒が回収される。これにより、高圧異常による圧縮機１１、１１の過負荷運転を防止できる。
【００１９】
運転中にはＣＯ2冷媒の保持動作が実行される。この冷媒保持動作では、電磁弁３８を閉じた状態を維持し、電磁弁３７を閉じ、電動膨張弁３６の開度を先ほどの冷媒回収動作における開度を維持する。
電磁弁３７が閉じられることで、開放された電動膨張弁３６を介し、冷媒回路の高圧側領域による圧力にて冷媒回収タンク３４内の液面が維持される。そのため、冷媒回収タンク３４内における液封を回避でき、安全性を確保できる。これにより、冷媒回路内の循環冷媒量を適切に維持できる。
運転中にはＣＯ2冷媒の放出動作が実行される。冷媒回路内の冷媒が不足したと判断した場合、冷媒放出動作を実行する。この冷媒放出動作では、電動膨張弁３６および電磁弁３７を閉じ、電磁弁３８を開放する。
これにより、冷媒回収タンク３４内に溜まった液冷媒は、当該冷媒回収タンク３４の下部に接続された配管１３５、およびキャピラリーチューブ３９を介して中間圧力に減圧されて、冷媒回路内に放出される。
本実施形態では、高圧側圧力値に基づき、（冷媒回収動作）―（冷媒保持動作）―（冷媒放出動作）―（冷媒保持動作）が繰り返される。そのため、高圧側圧力に基づいて冷媒回収・放出を制御できる。従って、的確に高圧保護および過負荷運転を防止することができる。これにより、冷媒回路内を流れる冷媒量が最適な状態となり、エネルギー効率の適正化を図ることが可能となる。
【００２０】
本実施形態では、ＣＯ2冷凍冷蔵装置１の運転が停止すると、電動膨張弁３６、電磁弁３７、３８等が開放され、冷凍サイクル内は高低圧差がなくなり、すべての配管内で平衡圧となる。ここで、運転の停止とは、運転スイッチが入っていないときの状態であり、例えばサーモオフの運転状態は含まない。また、冷媒配管内が平衡圧となったときのであり、例えば１日くらい運転が停止された状態である。
そして、ＣＯ2冷凍冷蔵装置１の運転の停止後、制御装置１３６が、低圧センサ５１、中間圧センサ５３、高圧センサ５５の検知値を受け、ＣＯ2冷凍冷蔵装置１の冷凍サイクル内の冷媒圧力を監視する。ＣＯ2冷凍冷蔵装置１の停止状態時に外気温度が高温（略３１℃以上）となった場合、ガス密度が所定値を超えると、冷媒サイクル内の各部圧力が低圧部の設定圧力（設定圧力）を超えた状態となりうる。このときのガス密度は、冷凍サイクル内へのＣＯ2冷媒の充填量に左右される。
ＣＯ2冷媒では、外気温度が略３１℃を越えと超臨界の状態となるため、冷凍サイクル内へのＣＯ2冷媒の充填密度が高い場合、ある密度を超えたとき、ＣＯ2冷凍冷蔵装置１の低圧部の設定圧力を超える（異常高圧）恐れがある。
このＣＯ2冷凍冷蔵装置１の低圧部の設定圧力は、冷媒の配管類にどの材料を使うか、或いは、冷媒の充填量をどの程度に設定するか等、によって実際には変わりうる。ただし、ここでは一般に、高圧保安協会が定める高圧ガス保安法にしたがって規定されるものとしている。
【００２１】
本実施形態では、制御装置１３６が、制御部１４０と、警報部１５０と、運転開始部１６０とを備える。制御部１４０は、ＣＰＵや、ＲＯＭ、ＲＡＭ、その他周辺回路を備える。制御部１４０は、各センサの出力と事前にインストールされた制御プログラム等に基づいて、ＣＯ2冷凍冷蔵装置１の各部を制御する。
【００２２】
警報部１５０は、冷凍冷蔵システムの停止状態時において、低圧センサ５１により検出される低圧部圧力、中間圧センサ５３により検出される中圧部圧力、高圧センサ５５により検出される高圧部圧力のいずれかが、冷凍冷蔵システムの低圧部の設定圧力を超える場合に、停止時高圧異常警報を例えば音により発報する。
停止時高圧異常警報は、警報部１５０に基づいて、ＣＯ2冷凍冷蔵装置１の置かれている場所において発することも可能である。また、後述する別実施形態のように、警報部１５０に基づいて、遠隔監視部１７０に停止時高圧異常状態を出力することで、遠隔地で停止時高圧異常警報を発することも可能である。
【００２３】
運転開始部１６０は、警報部１５０により停止時高圧異常警報が出力された後、ＣＯ2冷凍冷蔵装置１の冷凍冷蔵システムが運転可能な状態である場合には、冷凍冷蔵システムの運転を開始する。運転開始部１６０は、本実施形態のように制御装置１３６に設けてもよいし、遠隔監視部１７０に設けてもよい。遠隔監視部１７０に運転開始部１６０を設けた場合に、遠隔地において冷凍冷蔵システムが運転可能な状態であることを出力することで、冷凍冷蔵システムの運転を開始することができる。
【００２４】
本実施形態では、上記異常高圧時に、安全弁を用いて圧力を開放する手段はとらない。制御装置１３６が、低圧センサ５１、中間圧センサ５３、高圧センサ５５の検知値を受け、運転の停止中、しばらくしてすべての配管内が平衡圧になったときに、この検知値が、所定の圧力（低圧部の設定圧力）よりも上昇した場合（異常高圧）、警報部１５０により例えば音により異常警報を発報する。
【００２５】
図２は、制御フローを示す。
ＣＯ2冷凍冷蔵装置１の運転中（Ｓ１）から、ＣＯ2冷凍冷蔵装置１の運転停止（Ｓ２）に至ると、制御装置１３６が、低圧センサ５１、中間圧センサ５３、高圧センサ５５の検知値を受け付ける（Ｓ３）。
ついで、各センサ５１、５３、５５の検知圧力が、所定圧力以上になったかが判定される（Ｓ４）。所定圧力以上になっていれば、制御装置１３６により、その場で警報部１５０により例えば音により警報が発せられる（Ｓ５）。
この構成では、少なくとも制御装置１３６、各センサ５１、５３、５５に常時電力が供給されている。この電力には、商用電源を用いてもよいし、商用電源が閉ざされた場合にも電源を用いることができるようバックアップ電源を備えておくことが望ましい。バックアップ電源を備えた場合には、仮に商用電源が閉ざされた場合にも、バックアップ電源により、各センサ５１、５３、５５で圧力を検知できる。所定圧力以上になっていれば、制御装置１３６により、その場で警報部１５０により例えば音により警報を発することが可能となる。
【００２６】
以上説明したように、ＣＯ2冷凍冷蔵装置１において、ＣＯ2冷媒の異常高圧は、外気温度だけではなくて、ＣＯ2冷媒の密度（充填量）によって変わり得る。冷媒の充填量が多くなった場合に、運転中は、上述したように、冷媒回収タンク３４に冷媒を回収することで、異常高圧を回避することができる。
本実施形態では、ＣＯ2冷凍冷蔵装置１の運転中だけでなく、運転停止したときであっても、異常高圧を監視できる。
上記の実施形態では、低圧センサ５１、中間圧センサ５３、高圧センサ５５の検知値を受け、ＣＯ2冷凍冷蔵装置１の冷媒圧力を監視したが、運転が停止されたら冷媒配管内は平衡圧になるから、冷凍システムのどこかにある圧力センサ、例えば低圧センサ５１の検知値のみにより制御してもよい。
本実施形態では、既設の圧力センサ５１、５３、５５で圧力をはかれるから、新たにセンサをつける必要がない。
【００２７】
一般に、ＣＯ2冷凍冷蔵装置１がスーパーマーケット等に設置された場合、営業の継続により、ＣＯ2冷凍冷蔵装置１の運転が停止されることは殆どない。ただし、例えば震災時や、しばらく一部の運転を、停止せざるを得ない事態は想定できる。この場合、電気でセンサは動かせるけど、ＣＯ2冷凍冷蔵装置１は動かすことができない状況等にあっては、この異常高圧の監視手段は有効に機能する。
また、本実施形態では、運転開始部１６０を備えたため、冷凍サイクルの運転が自動的に開始される。運転が開始されると、上述したように冷媒回収タンク３４に冷媒を回収することで、異常高圧を回避できる。
この場合、運転開始部１６０の出力により冷凍サイクルの運転を自動的に開始できるように電力供給する手段が設けられる。
【００２８】
つぎに、別実施形態を説明する。
図１に示すように、制御装置１３６は、遠隔監視部１７０に接続されている。遠隔監視部１７０は、図示は省略したが、複数台のＣＯ2冷凍冷蔵装置１の各制御装置１３６に接続され、複数台のＣＯ2冷凍冷蔵装置１の冷媒圧力を監視する。すなわち、遠隔監視部１７０は、各制御装置１３６からのセンサ検知値を受け、この検知値と、上述した外気温度とにより警報発呼を判定する。これによれば、一か所に遠隔監視部１７０を配置し、遠隔監視部１７０に複数台の制御装置１３６を接続することで、中央集中監視が可能となり、メンテナンスが容易化される。
この場合において、異常警報を出力するか否か、或いは、警報部の出力により冷凍サイクルの運転を開始するか否かは、遠隔監視部１７０、制御装置１３６の何れで判定するシステムを備えてもよい。
【符号の説明】
【００２９】
１  ＣＯ2冷凍冷蔵装置
１０  冷凍機
１１  圧縮機
１２  冷凍側熱交換器
１３  冷媒配管
１４  ガスクーラ
１５  インタクーラ
１６  オイルクーラ
１７  送風ファン
２０  第１吸入口
２１  第１吐出口
２２  第２吸入口
２３  第２吐出口
２４  オイルセパレータ
３０  スプリット熱交換器
３１  分岐配管
３２  分岐管用膨張弁
３３  第２分岐配管
３４  冷媒回収タンク
３５  冷媒戻り配管
３６  制御装置
４０  ショーケース
４１  蒸発器
４２  膨張弁
５１  低圧センサ
５３  中間圧センサ
５５  高圧センサ５５
１３６  制御装置
１４０  制御部
１５０  警報部
１６０  運転開始部
１７０  遠隔監視部
【図１】
2016085001.tif 000003
【図２】
2016085001.tif 000004