(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンモニア冷媒が循環する一次側冷凍回路と、二酸化炭素冷媒が相変化して自然循環する二次側冷凍回路と、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コンデンサとを備えた冷却装置において、
前記二次側冷凍回路の冷媒圧力又は冷媒温度を検知する検知手段と、該二次側冷凍回路の冷媒循環路のうちで前記コンデンサで熱交換した二酸化炭素冷媒を蒸発器に導く冷媒循環路を直接開閉し且つ該蒸発器を構成要素として備えた冷却ショーケースの庫内温度により開閉する開閉弁と、該検知手段の検知信号に基づき該冷媒圧力又は該冷媒温度が過剰に上昇して所定の上限値に達したときは該開閉弁を閉じるよう制御する制御手段とを有する
ことを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
アンモニア冷媒が循環する一次側冷凍回路と、二酸化炭素冷媒が相変化して自然循環する二次側冷凍回路と、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コンデンサとを備えた冷却装置において、
前記二次側冷凍回路の冷媒圧力又は冷媒温度を検知する検知手段と、該二次側冷凍回路の冷媒循環路のうちで前記コンデンサで熱交換した二酸化炭素冷媒を蒸発器に導く冷媒循環路に直接設置され該蒸発器への冷媒循環量を調整する流量制御弁と、該検知手段の検知信号に基づき該冷媒圧力又は該冷媒温度が過剰に上昇して所定の上限値に達したときは該流量制御弁の開度を小さくするよう制御する制御手段とを有する
ことを特徴とする冷却装置。
【請求項３】
アンモニア冷媒が循環する一次側冷凍回路と、二酸化炭素冷媒が相変化して自然循環する二次側冷凍回路と、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コンデンサとを備えた冷却装置において、
前記二次側冷凍回路の冷媒圧力又は冷媒温度を検知する検知手段と、該二次側冷凍回路の冷媒循環路のうちで前記コンデンサで熱交換した二酸化炭素冷媒を蒸発器に導く冷媒循環路を直接開閉し且つ該蒸発器を構成要素として備えた冷却ショーケースの庫内温度により開閉する開閉弁と、該検知手段の検知信号に基づき、該冷媒圧力又は該冷媒温度が過剰に上昇して所定の上限値に達したときは該開閉弁を閉じるよう制御し、かつ、該冷媒圧力又は該冷媒温度が下降して所定の下限値に達したときは該開閉弁を開くよう制御する制御手段とを有する
ことを特徴とする冷却装置。
【請求項４】
アンモニア冷媒が循環する一次側冷凍回路と、二酸化炭素冷媒が相変化して自然循環する二次側冷凍回路と、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コンデンサとを備えた冷却装置において、
前記二次側冷凍回路の冷媒圧力又は冷媒温度を検知する検知手段と、該二次側冷凍回路の冷媒循環路のうちで前記コンデンサで熱交換した二酸化炭素冷媒を蒸発器に導く冷媒循環路に直接設置され該蒸発器への冷媒循環量を調整する流量制御弁と、該検知手段の検知信号に基づき、該冷媒圧力又は該冷媒温度が過剰に上昇して所定の上限値に達したときは該流量制御弁の開度を小さくするよう制御し、かつ、該冷媒圧力又は該冷媒温度が下降して所定の下限値に達したときは該流量制御弁の開度を大きくするよう制御する制御手段とを有する
ことを特徴とする冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アンモニア冷媒が循環する一次側冷凍回路と二酸化炭素冷媒が循環する二次側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５を参照して説明する。この冷却装置は、アンモニア冷媒が循環する一次側冷凍回路（熱源回路）１と、二酸化炭素冷媒が循環する二次側冷凍回路（熱負荷冷却回路）２を有している。この一次側冷凍回路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次側冷凍回路２の二酸化炭素冷媒を冷却し液化している。
【０００４】
一方、二次側冷凍回路２では、矢印に示すように、カスケードコンデンサ３→二酸化炭素受液器２１→各開閉弁２２→各蒸発器２３→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。即ち、このカスケードコンデンサ３で冷却された液冷媒が液ヘッド差により吐出管２４を通じて二酸化炭素受液器２１に流下し、更に、流下した液冷媒は分岐管２５を通じて各蒸発器２３に流下する。各蒸発器２３に流れた冷媒は周りの熱をうばって気化し、このガス冷媒が合流管２６を通じて上昇してカスケードコンデンサ３に戻り、再び液化される。
【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次側冷凍回路２内で自然循環しており、ここで、各蒸発器２３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、二次側冷凍回路２は前述の如く二酸化炭素冷媒を使用しており、常温でも二次側冷凍回路２内の冷媒圧力は５．０ＭＰａ以上となる。このため二次側冷媒回路２の配管は耐圧性を向上させるよう設計されているが、その分、二次側冷凍回路２の製造コストが高くなるとい問題点を有していた。
【０００７】
そこで、このような問題点を解決するため、二次側冷凍回路２に安全弁２７を設置し、冷媒圧力が３．５ＭＰａとなったときは二次側冷凍回路２の二酸化炭素冷媒を放出する構造を採用しており、これにより、耐圧設計に伴うコストアップを押さえるようにしている。
【０００８】
しかしながら、二次側冷凍回路２の負荷が増大し冷凍能力が不足したとき等には、二次側冷凍回路２がしばしば３．５ＭＰａ以上になることがあり、そのたびに二酸化炭素冷媒を放出するのでは、二次側冷凍回路２の冷却運転に支障をきたしてしまう。
【０００９】
本発明の目的は前記従来の課題に鑑み、二次側冷凍回路の冷媒圧力が所定圧力又は所定温度以上となったときでも二酸化炭素冷媒を放出することなく、冷却運転を継続できる冷却装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するため、請求項１の発明は、アンモニア冷媒が循環する一次側冷凍回路と、二酸化炭素冷媒が相変化して自然循環する二次側冷凍回路と、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コンデンサとを備えた冷却装置において、二次側冷凍回路の冷媒圧力又は冷媒温度を検知する検知手段と、二次側冷凍回路の冷媒循環路のうちでコンデンサで熱交換した二酸化炭素冷媒を蒸発器に導く冷媒循環路を直接開閉し且つ蒸発器を構成要素として備えた冷却ショーケースの庫内温度により開閉する開閉弁と、検知手段の検知信号に基づき冷媒圧力又は冷媒温度が過剰に上昇して所定の上限値に達したときは開閉弁を閉じるよう制御する制御手段とを有する構造となっている。
【００１１】
請求項１の発明によれば、二次側冷凍回路の冷媒圧力（温度）が所定の上限圧力（上限温度）より高くなったときは（二次側冷媒回路の付加の増大により冷凍能力が不足したときは）、開閉弁を閉じる。これにより、負荷側への冷媒供給が停止されるが、負荷側に残留している冷媒が熱交換して負荷の冷却を継続する。その後、残留冷媒が漸次減少して二次側冷凍回路の冷媒圧力（温度）が低下する。
【００１２】
請求項２の発明は、アンモニア冷媒が循環する一次側冷凍回路と、二酸化炭素冷媒が相変化して自然循環する二次側冷凍回路と、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コンデンサとを備えた冷却装置において、二次側冷凍回路の冷媒圧力又は冷媒温度を検知する検知手段と、二次側冷凍回路の冷媒循環路のうちでコンデンサで熱交換した二酸化炭素冷媒を蒸発器に導く冷媒循環路に直接設置され蒸発器への冷媒循環量を調整する流量制御弁と、検知手段の検知信号に基づき、冷媒圧力又は冷媒温度が過剰に上昇して所定の上限値に達したときは流量制御弁の開度を小さくするよう制御し、かつ、冷媒圧力又は該冷媒温度が下降して所定の下限値に達したときは流量制御弁の開度を大きくするよう制御する制御手段とを有する構造となっている。
【００１３】
請求項２の発明によれば、二次側冷凍回路の冷媒圧力（温度）が所定の上限圧力（上限温度）より高くなったときは（二次側冷媒回路の付加の増大により冷凍能力が不足したときは）、流量制御弁の開度を小さくする（開度０％を含む）。これにより、負荷側への冷媒供給量が少なくなるが、負荷側に残留している冷媒が熱交換して負荷の冷却を継続する。その後、残留冷媒が漸次減少して二次側冷凍回路の冷媒圧力（温度）が低下する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１及び図２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５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。
【００１５】
この冷却装置は、図１に示すように、従来技術と同様に、一次側冷凍回路１、二次側冷凍回路２及びカスケードコンデンサ３を有している。また、一次側冷凍回路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。
【００１６】
一方、二次側冷凍回路２は、上位にカスケードコンデンサ３を有し、その下位に吐出管２４を通じて二酸化炭素受液器２１が設置され、更に分岐管２５を通じて複数の蒸発器２３が並列的に設置されている。ここで、各蒸発器２３は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。
【００１７】
各分岐管２５のうち蒸発器２３の冷媒入口側には、開閉弁２２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２２が開閉制御されている。
【００１８】
各分岐管２５のうち各蒸発器２３の冷媒出口側には、気液分離器２９が設置されている。この気液分離器２９は各蒸発器２３から流出した冷媒をガス冷媒と液冷媒に分離するもので、ガス冷媒はそのまま合流管２６を通じて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２９内に貯留される構造となっている。また、気液分離器２９の液戻し管２９ａはそれぞれ開閉弁２２と蒸発器２３の冷媒入口との間に接続され、また、液戻し管２９ａには逆止弁２９ｂを設置して開閉弁２２を通った液冷媒が液戻し管２９ａに流れ込まないようにしている。
【００１９】
各分岐管２５のうち気液分離器２９の出口側には、逆止弁２８が設置されている。この逆止弁２８により合流管２６側から各分岐管２５への冷媒逆流が規制され、更には冷媒侵入も最小限にしている。
【００２０】
また、各蒸発器２３の冷媒出口には温度センサ、例えばサーミスタ３０が設置されている。このサーミスタ３０で冷媒温度が所定温度以下となっているときは（液状態の冷媒が冷媒出口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）３１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２２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２９内に液冷媒が溜まっているときは、これが蒸発器２３側に流される。しかる後、開閉弁２２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。
【００２１】
なお、カスケードコンデンサ３の冷媒流入側の合流管２６には安全弁２７が設置されており、従来と同様に冷媒圧力が３．５ＭＰａとなったとき二次側冷凍回路２内の二酸化炭素冷媒を放出する構造となっている。
【００２２】
以上のように構成された冷却装置において、本実施形態では吐出管２４のうち二酸化炭素受液器２１と各開閉弁２２との間に二次側冷凍回路２の冷媒圧力を検知する圧力センサ３２を設置している。また、圧力センサ３２の検知圧力に基づき各開閉弁２２を制御装置３１によって開閉制御するようになっている。各開閉弁２２の開閉制御を図２のタイムチャートを参照して説明する。
【００２３】
盛夏期の如く外気温度が非常に高く、各冷却ショーケースの全てが高出力運転状態となったとき、即ち、二次側冷凍回路２の負荷の増大により冷凍能力が不足したときは、二次側冷凍回路２の冷媒圧力が高くなる。この圧力上昇に伴い冷媒圧力が上限圧力値３．０ＭＰａに達したときは、各開閉弁２２を閉じる。これにより、蒸発器２３側への冷媒供給が停止されるが、蒸発器２３側に残留している冷媒が熱交換して冷却を継続する。その後、残留冷媒が漸次減少して二次側冷凍回路２の冷媒圧力が低下する。この冷媒圧力の低下途中で下限圧力値２．８ＭＰａとなったときは開閉弁２２を開く。これにより、蒸発器２３側に冷媒が循環して冷却ショーケースの冷却が行われる。
【００２４】
このような開閉弁２２の開閉を繰り返すことにより、二次側冷凍回路２内の冷媒圧力を３．５ＭＰａよりも低く維持しつつ（安全弁２７を開動作させることなく）、冷却ショーケースの最低限度の冷却運転が継続する。
【００２５】
なお、この実施形態では圧力センサ３２の検知圧力に基づいて各開閉弁２２を開閉制御しているが、この圧力センサ３２に代えて図示しない温度センサを用い、温度センサの検知温度に基づいて各開閉弁２２を制御するようにしても良い。検知温度に基づき制御するときは、図２に示すように、上限温度を例えばー５℃とし、また、下限温度を例えばー７℃とし、各開閉弁２２を制御する。このような冷媒温度に基づき制御する場合も前述と同様の作用が発揮される。
【００２６】
図３及び図４は第２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。前記第１実施形態では圧力センサ３２の検知圧力に基づいて各開閉弁２２を開閉制御している。これに対して、第２実施形態では、図３に示すように、吐出管２４に前記圧力センサ３２に加えて流量制御弁３３を設置し、圧力センサ３２の検知圧力に基づき流量制御弁３３の開度を調整するようになっている。流量制御弁３３の開度制御を図４のタイムチャートを参照して説明する。
【００２７】
二次側冷凍回路２の負荷の増大により冷凍能力が不足したときは、二次側冷凍回路２の冷媒圧力が高くなる。この圧力上昇に伴い冷媒圧力が上限圧力値３．０ＭＰａに達したときは、流量制御弁３３の開度を小さくする（開度０％を含む）。これにより、蒸発器２３側への冷媒供給量が少なくなるが、蒸発器２３側に残留している冷媒が熱交換して冷却を継続する。その後、残留冷媒が漸次減少して二次側冷凍回路２の冷媒圧力が低下する。この冷媒圧力の低下途中で下限圧力値２．６ＭＰａとなったときは流量制御弁３３の開度を大きくする（開度１００％を含む）。これにより、蒸発器２３側に多量の冷媒が循環して冷却ショーケースの冷却が行われる。
【００２８】
このような流量制御弁３３の開度制御を繰り返すことにより、二次側冷凍回路２内の冷媒圧力を３．５ＭＰａよりも低く維持しつつ（安全弁２７を開動作させることなく）、冷却ショーケースの最低限度の冷却運転が継続する。
【００２９】
なお、この実施形態では圧力センサ３２の検知圧力に基づいて流量制御弁３３を開度制御しているが、この圧力センサ３２に代えて図示しない温度センサを用い、温度センサの検知温度に基づいて流量制御弁３３を制御するようにしても良い。検知温度に基づき制御するときは、図４に示すように、上限温度を例えばー５℃とし、また、下限温度を例えばー９℃とし、流量制御弁３３を制御する。このような冷媒温度に基づき制御する場合も、前述と同様の作用が発揮される。また、その他の構成及び作用は前記第１実施形態と同様あり、同一構成部分はその説明を省略した。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、二次側冷凍回路の負荷が増大したときでも、二次側冷凍回路の冷媒圧力又は冷媒温度に基づき開閉弁を開閉制御したり、また、流量制御弁の開度制御することにより、二次側冷凍回路の冷媒圧力を安全弁の設定圧力よりも低く維持することできる。
【００３１】
従って、二次側冷凍回路の冷媒が外部に放出されることなく、冷却運転を継続できるという利点を有する。
【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１実施形態の冷媒圧力変動に伴う開閉弁制御を示すタイムチャート
【図３】第２実施形態に係る冷却装置の冷媒回路図
【図４】第２実施形態の冷媒圧力変動に伴う流量制御弁の開度制御を示すタイムチャート
【図５】従来の冷却装置の冷媒回路図
【符号の説明】
１…一次側冷凍回路、２…二次側冷凍回路、３…カスケードコンデンサ、２２…開閉弁、２３…蒸発器、３１…制御装置、３２…圧力センサ、３３…流量制御弁。
【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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