JP2003194426A - 冷却装置 - Google Patents

冷却装置

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JP2003194426A JP2001397072A JP2001397072A JP2003194426A JP 2003194426 A JP2003194426 A JP 2003194426A JP 2001397072 A JP2001397072 A JP 2001397072A JP 2001397072 A JP2001397072 A JP 2001397072A JP 2003194426 A JP2003194426 A JP 2003194426A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】一方の蒸発器から流出した冷媒が他方の蒸発器
側に逆流させることがない冷却装置を提供する。 【解決手段】カスケードコンデンサ３に対して二酸化炭
素冷凍回路２の複数の蒸発器２２を並列に接続するとと
もに、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２３と各連結管２３が接続する合
流管２４でカスケードコンデンサ３の冷媒入口３ａに接
続し、カスケードコンデンサ３と各蒸発器２２との間で
二酸化炭素冷媒を自然循環させる冷却装置において、各
蒸発器２２の各連結管２３には合流管２４側から各連結
管２３への冷媒流通を規制する逆止弁２５を設けた構造
となっている。この逆止弁２５の働きにより一旦合流管
２４に流入した冷媒は各連結管２３に向かって逆流する
ことがない。

Description

【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。この
冷却装置は、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を有し、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を有している。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、このガス冷媒が連結管２３及び合流管２４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
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２
２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、各蒸発器２
２はその周りの熱負荷の変動等により、各蒸発器２２は
異なる冷媒圧力となるが、各蒸発器２２は互いに連通管
２３及び合流管２４を通じて連通しているため、一方の
蒸発器２２の冷媒圧力が他方の蒸発器２２の冷媒圧力に
悪影響を与える。
【０００７】これを具体的に説明すれば、一方の蒸発器
２２の冷媒圧力が他方の冷媒圧力より大きいときは、一
方の蒸発器２２の冷媒が他方の蒸発器２２に向かって逆
流し、他方の蒸発器２２の冷媒流れが不良となり、冷却
不良を起こすという問題点を有していた。
【０００８】特に、一方の蒸発器２２から液冷媒が流出
するときは、この液冷媒が他方の蒸発器側の配管で液封
鎖状態となり、他方の蒸発器の冷却不良が顕著なものと
なっていた。
【０００９】本発明の目的は前記従来の課題に鑑み、一
方の蒸発器から流出した冷媒が他方の蒸発器側に逆流す
ることがなく、液封鎖等による冷却不良を防止すること
が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
るアンモニア冷凍回路と、二酸化炭素冷媒が循環する二
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に対して二酸化炭素冷凍回路の複
数の蒸発器を並列に接続するとともに、各蒸発器の冷媒
出口側は各蒸発器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の冷媒入口に接続
し、カスケードコンデンサと各蒸発器との間で二酸化炭
素冷媒を自然循環させる冷却装置において、各蒸発器の
各連結管には合流管側から各連結管への冷媒流通を規制
する逆止弁を設けた構造となっている。
【００１１】この発明によれば、カスケードコンデンサ
で液化された二酸化炭素冷媒が各蒸発器に流下し、各蒸
発器で気化されガス冷媒となる。このガス冷媒は各連結
管を通じて合流管に流入し、更にこの合流管を通じてカ
スケードコンデンサに環流する。ここで、各蒸発器の冷
媒圧力が互いに異なる場合であっても、各連結管に設置
された逆止弁の働きにより、一旦合流管に流入した冷媒
が再び各連結管に向かって逆流することがない。
【００１２】請求項２の発明は、請求項１に係る冷却装
置において、各連結管の少なくとも一つには気液分離器
を設置した構造となっている。この発明によれば、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
器を通り合流管に流入する。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るため、ガス化された二
酸化炭素冷媒のみが合流管に流入する。
【００１３】請求項３の発明は、請求項２に係る冷却装
置において、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他の逆
止弁を介して蒸発器の冷媒入口と該開閉弁との間に接続
した構造となっている。この発明によれば、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。
【００１４】請求項４の発明は、請求項３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。
【００１５】請求項５の発明は、請求項３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。
【００１６】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５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
（液状態の冷媒が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。
【００１７】
【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。
【００１８】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。
【００１９】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２
２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。また、各蒸発器２２の冷媒出口
２２ｂにはそれぞれ連結管２３が連結し、また、この連
結管２３は一本の合流管２４に連結し、これらの管２
３，２４を通じて各蒸発器２２の冷媒出口２２ｂがカス
ケードコンデンサ３の冷媒入口３ａに接続している。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に環流する構成となってい
る。
【００２０】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から流出
した冷媒が逆流することがないよう改良されている。
【００２１】即ち、図１に示すように、各連結管２３に
は第１逆止弁２５が設置されている。この第１逆止弁２
５は合流管２４から連結管２３への冷媒の逆流を規制す
るもので、第１逆止弁２５を各連結管２３の先端、即ち
合流管２４近傍に設置することにより、各連結管２３内
への冷媒逆流はもとより、冷媒侵入も最小限としてい
る。
【００２２】本実施形態によれば、各ショーケースで庫
内冷却運転が行われているときは、各開閉弁２１が開い
ており、カスケードコンデンサ３で冷却された二酸化炭
素冷媒が各蒸発器２２に流下する。各蒸発器２２ではこ
の冷媒が気化され、ガス冷媒が各連結管２３及び合流管
２４を通じてカスケードコンデンサ３に環流する。
【００２３】このような冷却運転において、各ショーケ
ースの庫内設定温度の相違や熱負荷の変動等により各蒸
発器２２の冷媒圧力が異なる場合がある。この各蒸発器
２２間の圧力差に起因して、合流管２４に流れた冷媒が
冷媒圧力の高い方から低い方へ流動しようとするが、各
連結管２３に設置された第１逆止弁２５により冷媒の逆
流が規制される。従って、各蒸発器２２での冷媒流通が
阻害されることなく、各蒸発器２２で冷却不良を起こす
ことがない。
【００２４】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。
【００２５】前記第１実施形態では合流管２４から連結
管２３への冷媒逆流を第１逆止弁２５により規制する構
造となっている。しかしながら、合流管２４内に二酸化
炭素の液冷媒が流入しているときは、この冷媒が連結管
２３に逆流することはないが、合流管２４中で低圧側連
結管２３寄りに滞留し、合流管２４が液封鎖されるおそ
れがある。第２実施形態はこのような問題点を解決する
とともに、二酸化炭素冷凍装置２全体の冷却効率の低下
を防止することができる冷却装置を提供するものであ
る。
【００２６】即ち、第２実施形態は、図２に示すよう
に、各連結管２３に気液分離器２６を設置している。各
気液分離器２６は各蒸発器２２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２４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２６内に貯留される構
造となっている。また、気液分離器２６の液戻し管２６
ａ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２６ａには第２逆止
弁２６ｂを設置して開閉弁２１を通った液冷媒が液戻し
管２６ａに流れ込まないようにしている。
【００２７】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→連結管２３→
気液分離器２６→合流管２４→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
は気液分離器２６で分離され、液冷媒が気液分離器２６
で貯留され、ガス冷媒のみが合流管２４を通じてカスケ
ードコンデンサ３に循環する。
【００２８】従って、カスケードコンデンサ３の熱交換
効率が低下することがなく、二酸化炭素冷凍回路２全体
の冷却効率が向上するし、また、合流管２４内にはガス
冷媒のみが流れるため、合流管２４が液封鎖されること
がない。
【００２９】また、蒸発器２２における冷却運転の停
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２６ａ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２６内の液冷媒が蒸発
器２２側に流れ、気液分離器２６は次回の冷却運転に備
えることとなる。
【００３０】図３は第３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実施形態及び前記
第２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。
【００３１】前記第２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２６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。
【００３２】即ち、気液分離器２６内には液面レベルセ
ンサ、例えばフロートスイッチ２６ｃが設置されてお
り、フロートスイッチ２６ｃは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）２７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２６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２６が常に機能し、合流管２４への
液冷媒の循環が確実に防止される。
【００３３】図４は第４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実施形態及び
前記第２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。
【００３４】前記第２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。
【００３５】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２８が設置されている。
このサーミスタ２８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）
２９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２６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。
【００３６】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２６でガス冷媒と液冷媒に分
離され、ガス冷媒のみを合流管２４に循環するという点
については前記第２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、液冷媒が合流管２４に流れないよう極力抑制
するという作用を有する。
【００３７】
【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、各蒸発器の冷媒圧力が互いに異なる場合であっ
ても、各連結管に設置された逆止弁の働きにより、一旦
合流管に流入した冷媒は各連結管に向かって逆流するこ
とがない。従って、各蒸発器での冷媒流通が阻害される
ことなく、各蒸発器で冷却不良を起こすことがない。
【００３８】また、請求項２〜５の発明によれば、合流
管に液冷媒が流出することがなく、合流管内での液封鎖
を確実に防止することができる。
【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】第４実施形態に係る冷却装置の冷媒回路図
【図５】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…連結管、２４…
合流管、２５…第１逆止弁、２６…気液分離器、２６ｃ
…フロートスイッチ、２７，２９…制御装置、２８…サ
ーミスタ。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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
    ンデンサに対して該二酸化炭素冷凍回路の複数の蒸発器
    を並列に接続するとともに、該各蒸発器の冷媒出口側は
    該各蒸発器毎に配管された連結管と該各連結管が接続す
    る合流管で該カスケードコンデンサの冷媒入口に接続
    し、該カスケードコンデンサと該各蒸発器との間で二酸
    化炭素冷媒を自然循環させる冷却装置において、 前記各蒸発器の前記各連結管には前記合流管側から該各
    連結管への冷媒流通を規制する逆止弁を設けたことを特
    徴とする冷却装置。
  2. 【請求項２】 前記各連結管の少なくとも一つには気液
    分離器を設置したことを特徴とする請求項１記載の冷却
    装置。
  3. 【請求項３】 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
    液戻し管は他の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請求項２記載
    の冷却装置。
  4. 【請求項４】 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３記載の冷却装置。
  5. 【請求項５】 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３記載の冷却装置。
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JP2006220354A (ja) * 2005-02-10 2006-08-24 Mitsubishi Electric Corp 自然循環型冷却装置の制御方法および自然循環型冷却装置
JP2012102946A (ja) * 2010-11-11 2012-05-31 Mayekawa Mfg Co Ltd 凍結冷蔵方法及び凍結冷蔵設備
JP2013238325A (ja) * 2012-05-14 2013-11-28 Mayekawa Mfg Co Ltd 冷却設備
EP3351868A4 (en) * 2016-12-09 2018-07-25 Mitsubishi Electric Corporation Heat pump device

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