(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンモニア冷媒が循環するアンモニア冷凍回路と、二酸化炭素冷媒が循環し蒸発器を有する二酸化炭素冷凍回路と、アンモニア冷媒と二酸化炭素冷媒との間で熱交換を行うカスケードコンデンサとを備え、該カスケードコンデンサで冷却液化された二酸化炭素冷媒が蒸発器で気化され該カスケードコンデンサに環流する冷却装置において、
前記蒸発器の冷媒出口と前記カスケードコンデンサの冷媒入口との間には気液分離器を設け、
前記蒸発器の冷媒入口と前記カスケードコンデンサの冷媒出口との間には該蒸発器への冷媒流通を制御する開閉弁を設けるとともに、前記気液分離器の液戻し管は逆止弁を介して該蒸発器の冷媒入口と該開閉弁との間に接続した
ことを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
前記気液分離器に液面レベルセンサを設けるとともに、該液面レベルセンサの検知信号に基づき前記開閉弁を制御する制御手段を有する
ことを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
【請求項３】
前記蒸発器の冷媒出口側に冷媒温度を検知する温度センサを設けるとともに、該温度センサの検知信号に基づき前記開閉弁を制御する制御手段を有する
ことを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アンモニア冷凍回路と二酸化炭素冷凍回路とを組み合わせた冷却装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、室内空調、冷凍・冷蔵庫、冷凍・冷蔵ショーケース等の冷却装置として、フロン式冷却装置が一般的に使用されているが、フロン冷媒が地球を取り巻くオゾン層を破壊することが大きな課題となっている。このため、近年、冷却冷媒として自然作動流体であるアンモニアと二酸化炭素が着目されており、これを冷媒として使用する冷却装置が種々提案されている。
【０００３】
その一例を図４を参照して説明するに、一次側冷凍回路（熱源回路）としてアンモニア冷媒が循環するアンモニア冷凍回路１を設置し、二次側冷凍回路（熱負荷冷却回路）として二酸化炭素冷媒が循環する二酸化炭素冷凍回路２を設置している。このアンモニア冷凍回路１では、矢印に示すように、圧縮機１１→凝縮器１２→アンモニア受液器１３→膨張弁１４→カスケードコンデンサ３→圧縮機１１とアンモニア冷媒が循環しており、カスケードコンデンサ３ではアンモニア冷媒の蒸発により二酸化酸素冷凍回路２の二酸化炭素冷媒を冷却し液化している。
【０００４】
一方、二酸化炭素冷凍回路２では、矢印に示すように、カスケードコンデンサ３→各開閉弁２１→各蒸発器２２→カスケードコンデンサ３と二酸化炭素冷媒が順次循環している。このカスケードコンデンサ３で冷却された液冷媒が低位の各蒸発器２２に液ヘッド差により流下し、各蒸発器２２で周りの熱をうばって気化し、このガス冷媒が上昇してカスケードコンデンサ３に戻り、再び液化され流下する。
【０００５】
このように、二酸化炭素冷媒の液化及び気化を繰り返すことにより、二酸化炭素冷媒が二酸化炭素冷凍回路２内で自然循環しており、ここで、各蒸発器２２がそれぞれショーケースの冷却器として設置されているときは、各ショーケースの庫内商品が冷却される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、二酸化炭素冷凍回路２において、液冷媒が各蒸発器２２で全て気化されるときは、カスケードコンデンサ３での熱交換が効率よく行われ、熱エネルギーのロスのない冷却運転が行われる。
【０００７】
しかしながら、各蒸発器２２の周りの熱負荷の変動等の原因により、液冷媒の一部が気化することなくカスケードコンデンサ３に戻るときは熱効率が低下するし、また、蒸発器２２が複数設置されているときは、一部の蒸発器２２で発生した液冷媒が他の蒸発器２２側の配管を塞ぎ、他の蒸発器２２で冷却不良を起こすという問題点を有していた。
【０００８】
本発明の目的は前記従来の問題点に鑑み、液冷媒がカスケードコンデンサに戻ることがなく、また、液封鎖による冷却不良を起こすことがない冷却装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記目的を達成するため、請求項１の発明は、アンモニア冷媒が循環するアンモニア冷凍回路と、二酸化炭素冷媒が循環し蒸発器を有する二酸化炭素冷凍回路と、アンモニア冷媒と二酸化炭素冷媒との間で熱交換を行うカスケードコンデンサとを備え、カスケードコンデンサで冷却液化された二酸化炭素冷媒が蒸発器で気化され該カスケードコンデンサに環流する冷却装置において、蒸発器の冷媒出口とカスケードコンデンサの冷媒入口との間には気液分離器を設け、蒸発器の冷媒入口とカスケードコンデンサの冷媒出口との間には蒸発器への冷媒流通を制御する開閉弁を設けるとともに、気液分離器の液戻し管は逆止弁を介して蒸発器の冷媒入口と開閉弁との間に接続した構造となっている。
【００１０】
請求項１の発明によれば、蒸発器の冷媒出口から流出した二酸化炭素冷媒は、気液分離器を通りカスケードコンデンサに戻される。この気液分離器では二酸化炭素冷媒がガスと液に分離され、ガス化された二酸化炭素冷媒のみがカスケードコンデンサに戻される。また、蒸発器の冷却運転の停止などにより開閉弁が閉じるときは、気液分離器内の液冷媒が蒸発器側に戻される。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１の発明に係る冷却装置において、気液分離器に液面レベルセンサを設けるとともに、液面レベルセンサの検知信号に基づき開閉弁を制御する制御手段を有する構造となっている。この発明によれば、気液分離器内の液冷媒量が所定レベルに達したときは、開閉弁を閉じ、気液分離器内の液冷媒を蒸発器側に戻すことができる。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項１の発明に係る冷却装置において、蒸発器の冷媒出口側に冷媒温度を検知する温度センサを設けるとともに、温度センサの検知信号に基づき開閉弁を制御する制御手段を有する構造となっている。
【００１４】
二酸化炭素冷媒の気液状態を冷媒温度で判定することができる。即ち、ガス状態のときは冷媒温度が高く、一方、液状態のときは冷媒温度が低くなる。そこで、請求項４の発明は蒸発器の冷媒出口側の冷媒温度を検知し、冷媒温度が所定温度以下となっているときは（冷媒が液状態で冷媒出口から流出しているときは）開閉弁を閉じ、液冷媒がカスケードコンデンサ側に流れないよう極力抑制している。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は第１実施形態に係る冷却装置の冷媒回路図を示すものである。なお、従来例で掲げた図４に示す構成部分と同一構成部分は同一符号をもって説明する。
【００１６】
この冷却装置は、図１に示すように、従来技術と同様に、アンモニア冷凍回路１、二酸化炭素冷凍回路２及びカスケードコンデンサ３を有している。また、アンモニア冷凍回路１は圧縮機１１、凝縮器１２、アンモニア受液器１３、膨張弁１４をそれぞれ有し、従来技術と同様に、アンモニア冷媒が矢印に示すように循環しており、カスケードコンデンサ３でアンモニア冷媒と二酸化炭素冷媒が互いに熱交換するようになっている。
【００１７】
一方、二酸化炭素冷凍回路２は、上位にカスケードコンデンサ３を有し、その下位に複数の蒸発器２２が並列的に設置されており、各蒸発器２２が例えばコンビニエンスストアなどに配置された各冷却ショーケースの冷却器として用いられている。また、各蒸発器２２の冷媒入口２２ａとカスケードコンデンサ３の冷媒出口３ｂとの間にはそれぞれ開閉弁２１が設置されており、各冷却ショーケースの庫内温度に基づき開閉弁２１が開閉制御されている。このように構成された二酸化炭素冷凍回路２において、カスケードコンデンサ３で冷却液化された二酸化炭素冷媒が各蒸発器２２に流下し、更に各蒸発器２２で気化されてカスケードコンデンサ３に戻る構成となっている。
【００１８】
以上のような構成は前記従来技術と同様であり、本実施形態に係る冷却装置の特徴点は、二酸化炭素冷凍回路２において、各蒸発器２２の冷媒出口２２ｂとカスケードコンデンサ３の冷媒入口３ａとの間の配管に気液分離器２３を設置した点にある。各蒸発器２２とカスケードコンデンサ３との接続構造、及び、気液分離器２３の設置箇所を更に具体的に説明するならば、その接続構造は各蒸発器２２の冷媒出口２２ｂ側は各蒸発器２２毎に配管された連結管と各連結管が接続する合流管でカスケードコンデンサ３の冷媒入口３ａに接続した構造であり、また、各気液分離器２３の設置箇所は各連結管となっている。
【００１９】
即ち、各気液分離器２３は各蒸発器２２から流出した冷媒をガス冷媒と液冷媒を分離するもので、ガス冷媒はそのままカスケードコンデンサ３に向かって上昇する一方、液冷媒は気液分離器２３内に貯留される構造となっている。また、気液分離器２３の液戻し管２３ａはそれぞれ開閉弁２１と蒸発器２２の冷媒入口２２ａとの間に接続され、また、液戻し管２３ａには逆止弁２４を設置して開閉弁２１を通った液冷媒が液戻し管２３ａに流れ込まないようにしている。
【００２０】
このように構成することにより、二酸化炭素冷凍回路２の冷媒は、矢印に示すように、カスケードコンデンサ３→開閉弁２１→蒸発器２２→気液分離器２３→カスケードコンデンサ３と順次循環する。ここで、蒸発器２２から流出した冷媒のうち気化されることなく一部液冷媒となっているときは、この液冷媒が気液分離器２３で貯留され、ガス冷媒のみがカスケードコンデンサ３に循環する。
【００２１】
従って、カスケードコンデンサ３での熱交換効率が低下することがないし、また、一部の蒸発器２２から流出した液冷媒が配管を通じて他の蒸発器２２（開閉弁２１が閉じ冷却運転が停止している蒸発器）側へ流れて液封鎖することがなく、従来技術の不具合も解消される。
【００２２】
また、蒸発器２２での冷却運転の停止、即ち冷却ショーケースの庫内温度が設定温度より低くなり冷却不要となったときは、開閉弁２１が閉じる。これにより、液戻し管２３ａに対して循環冷媒の圧力がかからなくなるため、気液分離器２３内の液冷媒が蒸発器２２側に流れ、気液分離器２３は次回の冷却運転に備えることとなる。
【００２３】
図２は第２実施形態に係る冷却装置の冷媒回路図を示している。なお、前記第１実施形態と同一構成部分は同一符号をもって説明するとともに、その説明を省略する。
【００２４】
前記第１実施形態では冷却ショーケースの庫内温度に対応して（冷却ショーケースの冷却運転の発停に対応して）開閉弁２１が開閉制御されるが、本実施形態ではこれに加えて気液分離器２３の液面レベルによっても開閉弁２１が開閉制御される構成となっている。
【００２５】
即ち、気液分離器２３内には液面レベルセンサ、例えばフロートスイッチ２５が設置されており、フロートスイッチ２５が貯留液冷媒が液面上限レベルに達したとき、この検知信号が制御装置（マイコン）２６に入力され、冷却ショーケースの運転状況に関わらず開閉弁２１が強制的に所定時間に亘って閉じられる。これにより、気液分離器２３内の貯留液冷媒が蒸発器２２側に流される。しかる後、開閉弁２１は庫内温度に対応した開閉制御に戻され、通常の冷却運転が継続される。本実施形態によれば、蒸発器２２が作用しているときは、気液分離器２３が常に機能し、カスケードコンデンサ３側への液冷媒の循環が確実に防止される。
【００２６】
図３は第３実施形態に係る冷却装置の冷媒回路図を示すものである。なお、前記第１実施形態と同一構成部分は同一符号をもって説明するとともに、その説明を省略する。
【００２７】
前記第１実施形態では冷却ショーケースの庫内温度に対応して（冷却ショーケースの冷却運転の発停に対応して）開閉弁２１が開閉制御されるが、本実施形態ではこれに加えて蒸発器２２の冷媒出口２２ｂ側の冷媒温度によっても開閉弁２１が開閉制御される構成となっている。
【００２８】
即ち、各蒸発器２２の冷媒出口２２ｂには温度センサ、例えばサーミスタ２７が設置されている。このサーミスタ２７で冷媒温度が所定温度以下となっているときは（冷媒が液状態で冷媒出口２２ｂから流出しているときは）、この検知信号が制御装置（マイコン）２８に入力され、冷却ショーケースの運転状況に関わらず開閉弁２１が強制的に所定時間に亘って閉じられる。これにより、気液分離器２３内に液冷媒が溜まっているときは、これが蒸発器２２側に流される。しかる後、開閉弁２１は庫内温度に対応した開閉制御に戻され、通常の冷却運転が継続される。
【００２９】
本実施形態の作用として、蒸発器２２から流出した冷媒が気液分離器２３でガス冷媒と液冷媒に分離され、ガス冷媒のみをカスケードコンデンサ３側に循環するという点については前記第１実施形態と同様であるが、本実施形態ではこれに加えて、冷媒温度に基づき冷媒の気液状況を判定し、液冷媒がカスケードコンデンサ３側に流れないよう極力抑制するという作用を有する。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明によれば、気液分離器で二酸化炭素冷媒がガスと液に分離され、ガス化された二酸化炭素冷媒のみがカスケードコンデンサに戻されるため、カスケードコンデンサでの熱交換効率が低下することがないし、また、一部の蒸発器から流出した液冷媒が配管を通じて他の蒸発器側へ流れて液封鎖することもない。
【００３１】
請求項２の発明によれば、開閉弁を閉じたとき、気液分離器内の液冷媒が蒸発器側に戻すことができる。
【００３２】
請求項３の発明によれば、気液分離器の液面レベルが所定レベルに達したとき、気液分離器内の液冷媒を蒸発器側に戻すことができるため、蒸発器が作用しているときは、気液分離器が常に機能し、カスケードコンデンサ側への液冷媒の循環が確実に防止される。
【００３３】
請求項４の発明によれば、冷媒温度に基づき冷媒の気液状況を判定し、液冷媒がカスケードコンデンサ側に流れないよう極力抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る冷却装置の冷媒回路図
【図２】第２実施形態に係る冷却装置の冷媒回路図
【図３】第３実施形態に係る冷却装置の冷媒回路図
【図４】従来の冷却装置の冷媒回路図
【符号の説明】
１…アンモニア冷凍回路、２…二酸化炭素冷凍回路、３…カスケードコンデンサ、３ａ…カスケードコンデンサの冷媒入口、３ｂ…カスケードコンデンサの冷媒出口、２１…開閉弁、２２…蒸発器、２２ａ…蒸発器の冷媒入口、２２ｂ…蒸発器の冷媒出口、２３…気液分離器、２３ａ…液戻し管、２４…逆止弁、２５…フロートスイッチ、２６，２８…制御装置、２７…サーミスタ。
【図１】
0004090240.tif 000002
【図２】
0004090240.tif 000003
【図３】
0004090240.tif 000004
【図４】
0004090240.tif 000005