JP2003336918A - 冷却装置 - Google Patents

冷却装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】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。 【解決手段】二次側冷凍回路2の冷媒圧力が所定の上限
圧力より高くなったときは(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)、開閉弁22を
閉じる。これにより、蒸発器23への冷媒供給が停止さ
れるが、蒸発器23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2の冷媒圧力が低下する。この冷媒圧力
の低下途中で所定の下限圧力となったときは、開閉弁2
2を開く。これにより、二次側冷凍回路2で冷媒が循環
して負荷の冷却が行われる。このような開閉弁22の開
閉を繰り返し、二次側冷凍回路2の高負荷に対処する。

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2
1→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を開閉する開閉弁
と、検知手段の検知信号に基づき開閉弁を開閉制御する
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(二次側冷凍回路の負荷の増大により
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。この冷媒圧力(温度)の低下途
中で所定の下限圧力(温度)となったときは開閉弁を開
く。これにより、二次側冷凍回路で冷媒が循環して負荷
の冷却が行われる。このような開閉弁の開閉を繰り返
し、二次側冷凍回路の高負荷に対処する。
【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流量制御弁の
開度を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(二次側冷凍回路の負荷の増大により
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。この冷媒圧力(温度)の低下途中で所定の下限圧
力(温度)となったときは流量制御弁の開度を大きくす
る(開度100%を含む)。これにより、二次側冷凍回
路に多量の冷媒が循環して負荷の冷却が行われる。この
ような流量制御弁の開度制御を繰り返し、二次側冷凍回
路の高負荷に対処する。
【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2
2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3.0M
Pa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3.5MP
a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2
2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2
3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2.6
MPa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3
3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。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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を開閉する
    開閉弁と、該検知手段の検知信号に基づき該開閉弁を開
    閉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。
  2. 【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流量制
    御弁の開度を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。
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