JP2004190917A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】２次側冷媒回路にて二酸化炭素を冷媒として使用する冷凍装置において、設計圧力を低くできるようにする。
【解決手段】冷凍装置１は、１次側冷媒回路４の蒸発器１１と２次側冷媒回路６の凝縮器カスケード１４とを交熱的に接続して成り、２次側冷媒回路６において二酸化炭素を冷媒として用いるものであって、１次側冷媒回路４を構成する圧縮機７を起動した後、所定時間経過後に２次側冷媒回路６の圧縮機１２を起動する。これにより、２次側冷媒回路６の起動時に過渡的に吐出圧力が急激に上昇する不都合を回避し、設計圧力を低くする。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二酸化炭素を冷媒として用いる冷媒回路を備えた冷凍装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来よりスーパーマーケットやコンビニエンスストアなどの店舗においては、冷凍庫や冷蔵庫、冷凍・冷蔵ショーケースなどの冷却貯蔵庫が設置され、冷凍・冷蔵食品や飲料などの商品の陳列販売に供されている。このような冷却貯蔵庫の庫内を冷却するための冷凍装置は、圧縮機、凝縮器、膨張弁及び蒸発器などを順次環状に配管接続して成る冷媒回路から構成され、前記蒸発器における冷却作用でショーケース等の庫内を冷却するものであった。
【０００３】
また、このような冷凍装置として、１次側の冷媒回路と２次側の冷媒回路とをカスケード接続した２元冷凍装置を用いたものもある（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−１８２９５３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、近年では地球環境問題の一つであるオゾン層破壊の危険性から、フロン冷媒に変わって二酸化炭素（ＣＯ_２）を冷媒として用いる冷凍装置が開発されてきている。この二酸化炭素を使用した冷媒回路では、低温域でも潜熱が大きいという利点がある。
【０００６】
しかしながら、二酸化炭素を用いた冷媒回路では吐出圧力が１２ＭＰａ以上に高くなり、設計圧力の上昇によりコストの高騰を招く問題がある。そして、これは上記二元冷凍装置の二次側の冷媒回路に二酸化炭素を用いた場合にも、起動時には過渡的に発生する問題である。
【０００７】
本発明は、係る従来の状況を勘案して成されたものであり、２次側冷媒回路にて二酸化炭素を冷媒として使用する冷凍装置において、設計圧力を低くできるようにすることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の冷凍装置は、１次側冷媒回路の蒸発器と２次側冷媒回路の凝縮器とを交熱的に接続して成り、２次側冷媒回路において二酸化炭素を冷媒として用いるものであって、１次側冷媒回路を構成する圧縮機を起動した後、所定時間経過後に２次側冷媒回路の圧縮機を起動するようにしたので、２次側冷媒回路の起動時に過渡的に吐出圧力が急激に上昇する不都合を回避し、設計圧力を低くしてコストの削減を図ることができるようになるものである。
【０００９】
請求項２の発明の冷凍装置は、１次側冷媒回路の蒸発器と２次側冷媒回路の凝縮器とを交熱的に接続して成り、２次側冷媒回路において二酸化炭素を冷媒として用いるものであって、１次側冷媒回路の蒸発器の過熱度を検出する手段を備え、この１次側冷媒回路の蒸発器の過熱度に基づき、２次側冷媒回路の圧縮機の能力を制御するようにしたので、１次側冷媒回路の冷凍能力を有効に活用して２次側冷媒回路による冷却を効率的に行うことができるようになる。
【００１０】
請求項３の発明の冷凍装置は、上記において１次側冷媒回路の蒸発器の冷媒入口と出口との温度差から当該蒸発器の過熱度を検出するようにしたので、簡単な構成で的確に１次側冷媒回路の蒸発器の過熱度を検出できるようになる。
【００１１】
請求項４の発明の冷凍装置は、上記において２次側冷媒回路を構成する蒸発器の除霜を行う除霜手段を備え、この除霜手段による蒸発器の除霜中、１次側冷媒回路の圧縮機を運転するようにしたので、２次側冷媒回路の蒸発器の除霜中に２次側冷媒回路の凝縮器を冷却し、回路内の圧力が高くなる不都合を解消することができるようになる。
【００１２】
請求項５の発明の冷凍装置は、請求項１、請求項２又は請求項３の発明において２次側冷媒回路を構成する蒸発器の除霜を行う除霜手段と、２次側冷媒回路内の冷媒圧力若しくは冷媒温度を検出する手段とを備え、この除霜手段による蒸発器の除霜中、２次側冷媒回路内の冷媒圧力若しくは冷媒温度が所定の値に上昇した場合は、１次側冷媒回路の圧縮機を運転するようにしたので、２次側冷媒回路の蒸発器の除霜中に回路内圧力が危険圧力となる場合に１次側冷媒回路を運転して２次側冷媒回路内圧力を下げることができるようになり、より効率的で安全な除霜を実現できるようになる。
【００１３】
請求項６の発明の冷凍装置は、上記各発明において外気温度を検出する手段を備え、外気温度に基づいて１次側冷媒回路の蒸発器における冷媒の蒸発温度を制御するようにしたので、季節に合わせて冷凍装置の効率的な運転を実現することができるようになる。
【００１４】
請求項７の発明の冷凍装置は、上記各発明において１次側冷媒回路の蒸発器と２次側冷媒回路の凝縮器とをブライン循環回路を介して交熱的に接続したので、１次側冷媒回路と２次側冷媒回路の総延長をそれぞれ縮小し、使用冷媒量を削減できる。また、ブラインにより１次側冷媒回路の冷凍能力を用いて他の機器の冷却も可能となり、汎用性とコスト面での利点が増す。
【００１５】
請求項８の発明の冷凍装置は、上記各発明において２次側冷媒回路を構成する蒸発器の出口側に、冷媒流通を制御するための出口側弁装置を取り付けたものである。
【００１６】
請求項９の発明の冷凍装置は、上記において蒸発器の入口側に、冷媒流通を制御するための入口側弁装置を取り付けものである。
【００１７】
請求項８又は請求項９の発明によれば、例えば請求項１０の如く２次側冷媒回路を構成する圧縮機が停止した場合、出口側弁装置、又は、当該出口側弁装置及び入口側弁装置により２次側冷媒回路の蒸発器への冷媒流入、及び、当該蒸発器からの冷媒流出を阻止することにより、２次側冷媒回路の圧縮機の停止時に液冷媒は２次側冷媒回路の蒸発器内に閉じこめられ、吸熱して気化するようになる。
【００１８】
これにより、２次側冷媒回路の蒸発器内の液冷媒が気化するまで被冷却空間の温度上昇を防止し、若しくは、抑制することができるので、２次側冷媒回路の圧縮機の運転率を低下させ、省エネ化を図ることが可能となるものである。
【００１９】
請求項１１の発明の冷凍装置は、請求項１０の発明において２次側冷媒回路の圧縮機の起動時、入口側弁装置を閉じた状態で２次側冷媒回路の圧縮機を起動すると共に、当該圧縮機の起動後、所定時間経過後に入口側弁装置を開放するようにしたので、２次側冷媒回路の圧縮機を起動後、２次側冷媒回路の蒸発器内の圧力を迅速に低下させて被冷却空間の温度上昇を防止若しくは抑制することが可能となる。
【００２０】
請求項１２の発明の冷凍装置は、請求項１０又は請求項１１の発明において２次側冷媒回路の蒸発器内の冷媒の温度を直接若しくは間接的に検出する手段を備え、この２次側冷媒回路の蒸発器内の冷媒の温度に基づき、当該蒸発器内の液冷媒の蒸発を判断して２次側冷媒回路の圧縮機を起動するようにしたので、２次側冷媒回路の圧縮機の停止中に２次側冷媒回路の蒸発器内の液冷媒が完全に気化するのに合わせて２次側冷媒回路の圧縮機を起動することが可能となり、被冷却空間の温度上昇をより一層防止若しくは抑制しながら、省エネ化の促進を図ることができるようになる。
【００２１】
請求項１３の発明の冷凍装置は、請求項１０、請求項１１又は請求項１２の発明において２次側冷媒回路の蒸発器の除霜を行う除霜手段と、２次側冷媒回路の蒸発器内の冷媒の温度を直接若しくは間接的に検出する手段を備え、この２次側冷媒回路の蒸発器内の冷媒の温度に基づき、当該蒸発器内の液冷媒の蒸発を判断して除霜手段により２次側冷媒回路の蒸発器の除霜を開始するようにしたので、２次側冷媒回路の蒸発器の除霜時に内部の液冷媒が気化してから除霜手段による除霜を開始できるようになり、除霜に要するエネルギーを削減することができるようになる。
【００２２】
請求項１４の発明の冷凍装置は、上記において２次側冷媒回路の蒸発器の除霜時には入口側弁装置を開放するので、２次側冷媒回路の蒸発器の除霜時に内部の圧力が上昇する不都合を解消することができるようになる。
【００２３】
請求項１５の発明の冷凍装置は、請求項１０、請求項１１又は請求項１２の発明において２次側冷媒回路の蒸発器の除霜時には、２次側冷媒回路の圧縮機から吐出された高温冷媒を２次側冷媒回路の蒸発器の入口側から当該蒸発器内に流入させるので、吐出温度が高くなる高温の二酸化炭素冷媒によって２次側冷媒回路の蒸発器を迅速に除霜することができるようになる。特に、最も着霜が多くなる蒸発器の入口側を温度の高い冷媒で加熱し、着霜の少ない出口側で冷媒の温度が低下することになるので、効率的な除霜が可能となる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明の実施形態を詳述する。図１は本発明の冷凍装置１の冷媒回路図を示している。この図において、実施例の冷凍装置１は、例えばコンビニエンスストアなどの店舗内に設置された冷凍庫２の庫内を冷却するためのものであり、当該冷凍庫２側に設けられる機器と店舗外に設置された室外機３側に設けられる機器とを配管及び配線で接続して構成される。
【００２５】
そして、係る冷凍装置１は高温側（熱源側）となる１次側冷媒回路４と、低温側（利用側）となる２次側冷媒回路６とで構成された２元冷凍装置である。１次側冷媒回路４は室外機３内に設置され、圧縮機７と、凝縮器８と、膨張弁（電動膨張弁：減圧手段）９と、蒸発器１１とを順次環状に配管接続して構成され、内部には冷媒としてＨＦＣ冷媒やＨＣＦＣ冷媒、実施例ではＨＣＦＣ冷媒である例えばＲ−２２が所定量封入されている。
【００２６】
圧縮機７で圧縮された冷媒は、高温高圧状態で凝縮器８に入り、そこで図示しない送風機により空冷される。これにより、冷媒は放熱して凝縮液化し、膨張弁９に至る。膨張弁９で冷媒は絞られて減圧され、蒸発器１１に流入して蒸発する。このときの吸熱により冷却作用を発揮する。そして、蒸発器１１内で蒸発して低温となったガス冷媒は圧縮機７に再び吸引されるサイクルを繰り返すものである。
【００２７】
一方、２次側冷媒回路６は圧縮機１２、空冷凝縮器１３、カスケード凝縮器１４、電磁弁（入口側弁装置）１６、膨張弁（電動膨張弁：減圧手段）１７、蒸発器１８、電磁弁（出口側弁装置）１９とを順次環状に配管接続して構成されている。また、膨張弁１７には並列に電磁弁２１が接続され、係る冷媒回路内には二酸化炭素（ＣＯ_２）が冷媒として所定量封入されている。
【００２８】
前記カスケード凝縮器１４と蒸発器１１とはカスケード熱交換器２２を構成し、このカスケード熱交換器２２において１次側冷媒回路４と２次側冷媒回路６とは交熱的に接続されたかたちとなる。このカスケード熱交換器２２は図２に示す如き複数枚のプレート２２Ａから構成されており、各プレート２２Ａ内に冷媒通路が構成されている。そして、各プレート２２Ａ内の冷媒通路は、一枚置きに相互に連通され、相互に交熱的に配置された二つの冷媒通路が構成され、一方の冷媒通路が前記蒸発器１１に、他方の冷媒通路が前記カスケード凝縮器１４になる。
【００２９】
図２において、１１Ａはカスケード熱交換器２２の一側下部に設けられた蒸発器１１の冷媒入口であり、１１Ｂはカスケード熱交換器２２の一側上部に設けられた蒸発器１１の冷媒出口である。また、１４Ａはカスケード熱交換器２２の他側上部に設けられたカスケード凝縮器１４の冷媒入口であり、１４Ｂはカスケード熱交換器２２の他側下部に設けられたカスケード凝縮器１４の冷媒出口である。また、２３は蒸発器１１の冷媒入口１１Ａにおける冷媒の温度を直接若しくは間接的に検出する温度センサであり、２４は蒸発器１１の冷媒出口１１Ｂにおける冷媒の温度を直接若しくは間接的に検出する温度センサである。
【００３０】
このような２次側冷媒回路６の圧縮機１２、空冷凝縮器１３、カスケード熱交換器２２は室外機３内に設置され、蒸発器１８、膨張弁、１７、電磁弁２１は冷凍庫２側に設置される。また、図１において２６は２次側冷媒回路６内の圧力（圧縮機１２の吐出側の圧力）を検出する圧力センサであり、２７は冷凍庫２の庫内温度を検出する温度センサである。
【００３１】
圧縮機１２において圧縮され、高温高圧となった二酸化炭素冷媒は、空冷凝縮器１３にて図示しない送風機により通風される外気により空冷され、放熱する。次に、カスケード熱交換器２２内のカスケード凝縮器１４内に入り、そこで１次側冷媒回路４の蒸発器１１から冷却作用を受け、この場合には凝縮液化する。その後、冷媒は電磁弁１６を経て膨張弁１７に至り、そこで絞られ、減圧された後、蒸発器１８に入って蒸発する。このときの吸熱により冷却作用を発揮する。そして、蒸発器１８内で蒸発して低温となったガス冷媒は電磁弁１９を経て圧縮機１２に再び吸引されるサイクルを繰り返すものである。尚、圧縮機１２は後述するコントローラにより回転数（周波数）を制御される。
【００３２】
ここで、蒸発器１８は図３及び図４に示す如く、複数枚の熱交換フィン２８と、各熱交換フィン２８を貫通する蛇行状の冷媒配管２９とから構成されており、この蒸発器１８の冷媒入口（冷媒配管２９の入口）１８Ａ及び冷媒出口１８Ｂは下部に配置されている。また、３１は蒸発器１８と熱交換した冷気を冷凍庫２の庫内に循環するための送風機であり、３２は蒸発器１８に設けられた除霜用の電気ヒータ（除霜手段）である。更に、３３は蒸発器１８下部の入口側１８Ａの冷媒温度を直接若しくは間接的に検出するための温度センサであり、３４は蒸発器１８内の圧力（蒸発器１８上部）を検出する圧力センサである。
【００３３】
図１に戻って、３６は冷凍装置１の制御手段となるコントローラであり、汎用のマイクロコンピュータにて構成されている。また、３７は外気温度を検出する温度センサである。そして、コントローラ３６には前記温度センサ２３、２４、２７、３３、３７、及び、圧力センサ２６、２９の各出力が入力され、このコントローラ３６により前記圧縮機７、２６、膨張弁９、１７、電磁弁１６、２１、送風機３１、電気ヒータ３２などが制御されるものである。
【００３４】
以上の構成で、次に動作を説明する。
（１）起動制御
先ず、コントローラ３６による冷凍装置１の起動時の制御を説明する。コントローラ３６は当初電磁弁１６、電磁弁１９及び電磁弁２１を閉じ、圧縮機１２及び圧縮機７を停止している。その状態で、コントローラ３６は先ず１次側冷媒回路４の圧縮機７を起動する。これにより、前述した如く圧縮機７で圧縮された冷媒（Ｒ−２２）は、高温高圧状態で凝縮器８に入り、そこで図示しない送風機により空冷される。これにより、冷媒は放熱して凝縮液化し、膨張弁９に至る。膨張弁９で冷媒は絞られて減圧され、冷媒入口１１Ａから蒸発器１１内に流入して蒸発する。このときの吸熱により冷却作用を発揮し、カスケード熱交換器１１のカスケード凝縮器１４を冷却していく。そして、蒸発器１１内で蒸発して低温となったガス冷媒は冷媒出口１１Ｂから出て圧縮機７に再び吸引されるサイクルを繰り返す。
【００３５】
係る１次側冷媒回路４の圧縮機７の起動後、所定時間（数十秒乃至数分）経過し、カスケード熱交換器２２（蒸発器１１及びカスケード凝縮器１４）の温度が例えば０℃程まで低下したら、コントローラ３６は２次側冷媒回路６の電磁弁１９を開き、圧縮機１２を起動（ＯＮ）する。ここで、２次側冷媒回路６内に封入された二酸化炭素冷媒は、高圧側で＋９０℃以上の高温に達し、そのままでは圧力は１２ＭＰａ程に達する（図７のモリエル線図参照）。しかしながら、前述の如く１次側冷媒回路４の圧縮機７を先に起動し、カスケード熱交換器２２の温度を０℃程まで下げておけば、２次側冷媒回路６の高圧側の圧力を３〜４ＭＰａ程まで抑えられる。特に、圧縮機１２の起動時に既にカスケード熱交換器２２の温度を下げておくので、過渡的に圧力が急激に上昇することも防止できる。これにより、２次側冷媒回路６の設計圧力を下げ、コストの削減を図ることができるようになる。
【００３６】
コントローラ３６は圧縮機１２を起動後、最低回転数から目標値まで徐々に回転数（周波数）を上昇させていく。係る圧縮機１２の運転により、圧縮機１２の吸込側から蒸発器１８内の冷媒（二酸化炭素）が吸引され、圧縮されて高温高圧となり、吐出側から吐出されるが、コントローラ３６はこの時点では依然電磁弁１６を閉じている。従って、蒸発器１８内の圧力は迅速に低下する。そして、圧縮機１２の起動から所定時間（数十秒）経過後、コントローラ３６は電磁弁１６を開く。
【００３７】
圧縮機１２から吐出された高温高圧のガス冷媒（二酸化炭素）は、空冷凝縮器１３にて図示しない送風機により通風される外気により空冷され、放熱する（この時点で＋４０℃程になる）。次に、冷媒入口１４Ａよりカスケード熱交換器２２内のカスケード凝縮器１４内に入り、そこで１次側冷媒回路４の蒸発器１１から冷却されて凝縮液化する。その後、冷媒は冷媒出口１４Ｂから出て電磁弁１６を通過し、膨張弁１７に至ってそこで絞られ、減圧された後、蒸発器１８に入って蒸発する（蒸発温度−５０℃も可能）。このときの吸熱により冷却作用を発揮し、庫内空気を冷却する。冷気は送風機３１にて庫内に循環され、冷凍庫２の庫内は冷却されていく。そして、蒸発器１８内で蒸発して低温となったガス冷媒は電磁弁１９を経て圧縮機１２に再び吸引されるサイクルを繰り返す。
【００３８】
（２）通常運転
係る蒸発器１８による冷却により、冷凍庫２の庫内温度が目標値（例えば−２５℃乃至−３５℃程）まで低下したら、コントローラ３６は温度センサ２７の出力に基づき、圧縮機１２を停止（ＯＦＦ）する。そして、コントローラ３６は圧縮機１２の停止と同時に電磁弁１６及び電磁弁１９も閉じる。これにより、２次側冷媒回路６のカスケード凝縮器１４側から蒸発器１８への冷媒流入は阻止されると共に、蒸発器１８からカスケード凝縮器１４側への冷媒の流出も阻止される。また、電磁弁１９によって圧縮機１２側から蒸発器１８に冷媒が逆流入することも阻止される。即ち、蒸発器１８内の液冷媒は蒸発器１８内に閉じこめられることになる。尚、このとき、１次側冷媒回路４の圧縮機７も停止される。
【００３９】
この蒸発器１８内に閉じこめられた液冷媒は吸熱して気化するので、当該蒸発器１８内の液冷媒が気化するまで庫内の温度上昇は防止、若しくは、抑制されるようになる。その後、冷凍庫２の庫内温度が徐々に上昇して庫内温度目標値より所定のディファレンシャル分高い上限値まで達すると、コントローラ３６は温度センサ２７の出力に基づき、前述の起動時同様先ず１次側冷媒回路７を起動し、その後、２次側冷媒回路６の電磁弁１９を開き、圧縮機１２を起動し、その後、電磁弁１６を開放する制御を実行する。これによって、蒸発器１８は再び冷却作用を発揮し始める。
【００４０】
このように、圧縮機１２の停止中、電磁弁１６と電磁弁１９により液冷媒が蒸発器１８内に閉じこめられることにより、庫内温度上昇を遅らせるので、図６に示す如く従来（Ｌ２）よりも圧縮機１２のＯＦＦ時間を延長し、その運転率を低下させて省エネ化を図ることができるようになる（Ｌ１）。
【００４１】
係る圧縮機１２の再起動時に電磁弁１６は前述の如く遅れて開放されるので、蒸発器１８内の圧力を迅速に低下させることができる。これにより、庫内温度が上限値よりオーバーシュートする現象を抑制することが可能となる（図６でＬ１が上限値より上になる部分）。
【００４２】
尚、上記実施例では庫内温度の上限値で圧縮機１２を再起動するようにしたが、それに限らず、温度センサ３３の出力に基づき、蒸発器１８内の液冷媒が完全に蒸発し切るタイミングを検出して、コントローラ３６により圧縮機１２の再起動するようにしてもよい。それによれば、庫内温度上昇をより一層抑制して精密に制御し、且つ、省エネを図ることもできるようになる。この場合、温度センサ３３は蒸発器１８の下部に位置しているので、蒸発器１８に溜まる液冷媒が完全に気化するタイミングをコントローラ３６は的確に判断することができる。
【００４３】
（２−１）１次側の過熱度による２次側の回転数制御
ここで、１次側冷媒回路４は２次側冷媒回路６の蒸発器１８で汲み上げた熱を凝縮器８で外気中に放出する熱搬送手段として機能するものであるから、１次側冷媒回路の冷凍能力を超える範囲で２次側冷媒回路６の圧縮機１２を運転できない。また、１次側冷媒回路４の冷凍能力より低いところで圧縮機１２の運転を行えば、１次側冷媒回路４の能力を完全に利用できず、不経済となる。
【００４４】
そこで、コントローラ３６は１次側冷媒回路４の蒸発器１１の過熱度（ＳＨ）に基づき、２次側冷媒回路６の圧縮機１２の回転数（周波数）を制御する。係る制御を図５のフローチャートを参照しながら説明すると、先ずコントローラ３６は運転開始からステップＳ１で現在の圧縮機１２の回転数が４０Ｈｚ未満か否か判断し、未満の場合には回転数の目標値を４０Ｈｚとし、ステップＳ７で回転数を検知してステップＳ１に戻る。
【００４５】
ステップＳ１で回転数が４０Ｈｚ以上の場合には、コントローラ３６はステップＳ２に進み、１次側冷媒回路４の蒸発器１１の過熱度ＳＨを検知する。ここで、過熱度ＳＨの検知の際、コントローラ３６は温度センサ２３と温度センサ２４の出力に基づき、蒸発器１１の冷媒入口１１Ａの温度ＴＩと冷媒出口１１Ｂの温度ＴＯとの差：ＴＯ−ＴＩにより過熱度ＳＨを算出する（蒸発器１８における圧力降下は殆どない）。これにより、的確且つ容易に蒸発器１１の過熱度ＳＨを検知できる。
【００４６】
そして、ステップＳ３で過熱度ＳＨが３Ｋ（ケルビン）より低い場合、即ち、１次側冷媒回路４の冷凍能力が余っている場合にはステップＳ５に進んで現在の回転数を１Ｈｚ上昇させて回転数の目標値とし、ステップＳ７に進む。これにより、圧縮機１２の回転数は上昇される。一方、ステップＳ３で過熱度ＳＨが３Ｋ（ケルビン）以上ある場合、即ち、１次側冷媒回路４の冷凍能力が限界に来ている場合にはステップＳ６に進んで現在の回転数を１Ｈｚ低下させて回転数の目標値とし、ステップＳ７に進む。これにより、圧縮機１２の回転数は低下される。
【００４７】
係る制御により、１次側冷媒回路４の冷凍能力を２次側冷媒回路６による冷却に有効に活用することができるようになる。
【００４８】
（２−２）外気温度による１次側蒸発温度制御
また、１次側冷媒回路４の冷凍能力は外気温度に左右される。ここで、膨張弁９を制御し、１次側冷媒回路４の蒸発器１１における冷媒の蒸発温度のみを変化させたときの外気温度ごとの冷凍装置１の単位時間（１時間）当たりの消費電力を測定した結果を図８に示す。
【００４９】
この図からも明らかな如く、外気温度（横軸）が高い場合は、蒸発器１１の蒸発温度を高め（−５℃）に設定した方が、低消費電力（縦軸）となり、外気温度が低い場合は、蒸発器１１の蒸発温度を低め（−１０℃）に設定した方が、低消費電力となることが分かる。
【００５０】
そこで、コントローラ３６は温度センサ３７の出力に基づき、夏場のように外気温度が高い（例えば＋３０℃以上）状況では膨張弁９の開度を大きくし、蒸発器１１における冷媒の蒸発温度を高め（例えば０℃）に設定する。この場合、蒸発器１１における冷媒の過熱度ＳＨは低下するので、前述の如くコントローラ３６は圧縮機１２の回転数を上昇させるので２次側冷媒回路６の冷凍能力は増加する。
【００５１】
一方、冬場のように外気温度が低い（例えば１０℃以下）状況では、コントローラ３６は膨張弁９の開度を小さくし、蒸発器１１における冷媒の蒸発温度を低め（例えば−１０℃）に設定する。これにより、１次側冷媒回路４の冷凍能力は低下するが、外気温度の低いので能力の低下は一定値以下に抑えられる。ここで、２次側冷媒回路６の圧縮機１２は圧縮比が低いので、冷凍装置１全体としては消費電力が抑えられることになる。
【００５２】
これにより、季節に合わせて最適な運転を実現することが可能となる。ここで、通常この種冷凍装置は高負荷となる夏場に合わせて冷凍能力が設定されるため、冬場には余剰気味となるが、２元冷凍装置でこのような制御を実施することで従来よりも１次側冷媒回路４を低い冷凍能力に設定できるようになり、効率的となる。
【００５３】
（３）除霜運転
次に、蒸発器１８の除霜運転について説明する。上述の如き運転で２次側冷媒回路６の蒸発器１８には着霜が成長する。この着霜は液冷媒が多く最も低温となる蒸発器１８の冷媒入口１８Ａ付近（図３、図４にＦで示す部分）で最も多くなる。そこで、コントローラ３６は所定時間毎に、或いは、所定の時刻に蒸発器１８の除霜運転を実行する。
【００５４】
その場合、コントローラ３６は先ず圧縮機１２を停止して前述の如く電磁弁１６及び電磁弁１９を閉じる。これにより液冷媒が蒸発器１８内に閉じこめられて蒸発していくが、温度センサ３３の出力に基づき、蒸発器１８内の液冷媒が蒸発し切るタイミングを判断する。そして、蒸発器１８内の液冷媒が完全に蒸発したところで、電気ヒータ３２に通電して発熱させ、蒸発器１８の加熱を開始する。同時に電磁弁２１及び電磁弁１６を開く。
【００５５】
この加熱によって蒸発器１８に付着した霜は融解されていく。そして、蒸発器１８の温度が所定の温度まで上昇したところでコントローラ３６は温度センサ３３の出力に基づき電気ヒータ３２の通電を断ち、除霜運転を停止する。以後は通常運転に復帰する。
【００５６】
このように蒸発器１８の除霜時に内部の液冷媒が気化してから電気ヒータ３２を発熱させ、除霜を開始することにより、除霜のために電気ヒータ３２で消費される電気エネルギーを削減することができるようになる。また、電磁弁２１及び電磁弁１６を開くことにより、蒸発器１８の除霜時に内部の圧力が上昇する不都合を解消することができるようになる。
【００５７】
一方、係る除霜運転中、コントローラ３６は１次側冷媒回路４の圧縮機７を運転する。これにより、蒸発器１１にてカスケード熱交換器２２を冷やし、２次側冷媒回路６のカスケード凝縮器１４を冷却して２次側冷媒回路６内の圧力上昇を抑制する。尚、係る除霜運転中、圧力センサ３４の出力に基づき、２次側冷媒回路６内の圧力が所定圧力（危険圧力）まで上昇した場合に、コントローラ３６により１次側冷媒回路４の圧縮機７を運転するようにしてもよい。この場合、圧力センサ３４は液冷媒が存在しない蒸発器１８の上部にあるので、圧力上昇を的確に検知できる。但し、係る２次側冷媒回路６内の圧力によらず、２次側冷媒回路６内の冷媒温度に基づき、危険温度で圧縮機７を運転する方式でも有効である。
【００５８】
（３−１）ホットガス除霜
尚、上記実施例では電気ヒータ３２により蒸発器１８の除霜を行ったが、圧縮機１２から吐出された高温冷媒を蒸発器１８に流入させて加熱し、除霜を行っても良い。この場合は圧縮機１２を運転し、電磁弁１９、電磁弁１６及び電磁弁２１を開く。これにより、蒸発器１８には圧縮機１２から吐出された高温のガス冷媒が流入して冷媒配管２９の内部から加熱され、除霜されることになる。
【００５９】
二酸化炭素は加熱能力が高く、前述の如く圧縮機１２の吐出ガス温度も＋９０℃を超えることが可能であるので、係る高温冷媒（ホットガス）による除霜は極めて有効である。また、図７に示すようにこの場合二酸化炭素冷媒では超臨界サイクルとなり、高圧側で冷媒は凝縮過程を持たないので、最も着霜が多くなる蒸発器１８の冷媒入口１８Ａ付近（図３、図４のＦ）で冷媒の温度が高く、除霜効果が最も高くなる。その状態で温度が徐々に降下していき、着霜が少ない冷媒出口１８Ｂ部分で最も冷媒の温度が低くなるので、効率的な除霜を行えるようになる。
【００６０】
（４）ブライン回路
次に、図９は本発明の他の実施例を示している。尚、この図において図１乃至図８と同一符号で示すものは同一若しくは同様の機能を奏するものとする。この図において、３９はブラインが循環するブライン循環回路であり、ポンプ４１と放熱部４２と第１及び第２の吸熱部４３、４４とが順次環状に配管接続されている。そして、放熱部４２と１次側冷媒回路４の蒸発器１１とがカスケード熱交換器２２Ａにおいて交熱的に接続され、第２の吸熱部４４と２次側冷媒回路６のカスケード凝縮器１４とがカスケード熱交換器２２Ｂにおいて交熱的に接続されている。
【００６１】
これにより、１次側冷媒回路４の蒸発器１１と２次側冷媒回路６のカスケード凝縮器１４とがブライン循環回路３９を介して交熱的に接続されたかたちとなる。そして、１次側冷媒回路４側のカスケード熱交換器２２Ａでブラインを０℃乃至−５℃に冷却し、このブラインをポンプ４１で２次側冷媒回路６側のカスケード熱交換器２２Ｂに循環することで、ブラインによる２次側冷媒回路６から１次側冷媒回路４への熱搬送を実現し、前述同様の機能を発揮させることが可能となる。
【００６２】
特に、この場合は第１の吸熱部４３を利用して冷蔵庫或いは冷蔵ショーケースの庫内も冷却できる。これにより、冷蔵用の冷媒回路を別途設置する必要が無くなり、設備コストの削減を図ることができるようになる。また、室外機３と店舗内とをブライン循環回路３９で接続することになるので、１次側冷媒回路４と２次側冷媒回路６それぞれの総延長が短くなり、封入するＲ−２２冷媒や二酸化炭素の量を削減することができるようになる。これにより、環境問題にも好適なものとなる。
【００６３】
尚、上記実施例では出口側弁装置を電磁弁にて構成したが、逆止弁でも差し支えない。
【００６４】
【発明の効果】
以上詳述した如く本発明によれば、１次側冷媒回路の蒸発器と２次側冷媒回路の凝縮器とを交熱的に接続して成り、２次側冷媒回路において二酸化炭素を冷媒として用いる冷凍装置において、１次側冷媒回路を構成する圧縮機を起動した後、所定時間経過後に２次側冷媒回路の圧縮機を起動するようにしたので、２次側冷媒回路の起動時に過渡的に吐出圧力が急激に上昇する不都合を回避し、設計圧力を低くしてコストの削減を図ることができるようになるものである。
【００６５】
請求項２の発明によれば、１次側冷媒回路の蒸発器と２次側冷媒回路の凝縮器とを交熱的に接続して成り、２次側冷媒回路において二酸化炭素を冷媒として用いる冷凍装置において、１次側冷媒回路の蒸発器の過熱度を検出する手段を備え、この１次側冷媒回路の蒸発器の過熱度に基づき、２次側冷媒回路の圧縮機の能力を制御するようにしたので、１次側冷媒回路の冷凍能力を有効に活用して２次側冷媒回路による冷却を効率的に行うことができるようになる。
【００６６】
請求項３の発明によれば、上記に加えて１次側冷媒回路の蒸発器の冷媒入口と出口との温度差から当該蒸発器の過熱度を検出するようにしたので、簡単な構成で的確に１次側冷媒回路の蒸発器の過熱度を検出できるようになる。
【００６７】
請求項４の発明によれば、上記に加えて２次側冷媒回路を構成する蒸発器の除霜を行う除霜手段を備え、この除霜手段による蒸発器の除霜中、１次側冷媒回路の圧縮機を運転するようにしたので、２次側冷媒回路の蒸発器の除霜中に２次側冷媒回路の凝縮器を冷却し、回路内の圧力が高くなる不都合を解消することができるようになる。
【００６８】
請求項５の発明によれば、請求項１、請求項２又は請求項３の発明に加えて２次側冷媒回路を構成する蒸発器の除霜を行う除霜手段と、２次側冷媒回路内の冷媒圧力若しくは冷媒温度を検出する手段とを備え、この除霜手段による蒸発器の除霜中、２次側冷媒回路内の冷媒圧力若しくは冷媒温度が所定の値に上昇した場合は、１次側冷媒回路の圧縮機を運転するようにしたので、２次側冷媒回路の蒸発器の除霜中に回路内圧力が危険圧力となる場合に１次側冷媒回路を運転して２次側冷媒回路内圧力を下げることができるようになり、より効率的で安全な除霜を実現できるようになる。
【００６９】
請求項６の発明によれば、上記各発明に加えて外気温度を検出する手段を備え、外気温度に基づいて１次側冷媒回路の蒸発器における冷媒の蒸発温度を制御するようにしたので、季節に合わせて冷凍装置の効率的な運転を実現することができるようになる。
【００７０】
請求項７の発明によれば、上記各発明に加えて１次側冷媒回路の蒸発器と２次側冷媒回路の凝縮器とをブライン循環回路を介して交熱的に接続したので、１次側冷媒回路と２次側冷媒回路の総延長をそれぞれ縮小し、使用冷媒量を削減できる。また、ブラインにより１次側冷媒回路の冷凍能力を用いて他の機器の冷却も可能となり、汎用性とコスト面での利点が増す。
【００７１】
請求項８又は請求項９の発明によれば、上記各発明に加えて例えば請求項１０の如く２次側冷媒回路を構成する圧縮機が停止した場合、出口側弁装置、又は、当該出口側弁装置及び入口側弁装置により２次側冷媒回路の蒸発器への冷媒流入、及び、当該蒸発器からの冷媒流出を阻止することにより、２次側冷媒回路の圧縮機の停止時に液冷媒は２次側冷媒回路の蒸発器内に閉じこめられ、吸熱して気化するようになる。
【００７２】
これにより、２次側冷媒回路の蒸発器内の液冷媒が気化するまで被冷却空間の温度上昇を防止し、若しくは、抑制することができるので、２次側冷媒回路の圧縮機の運転率を低下させ、省エネ化を図ることが可能となるものである。
【００７３】
請求項１１の発明によれば、上記に加えて２次側冷媒回路の圧縮機の起動時、入口側弁装置を閉じた状態で２次側冷媒回路の圧縮機を起動すると共に、当該圧縮機の起動後、所定時間経過後に入口側弁装置を開放するようにしたので、２次側冷媒回路の圧縮機を起動後、２次側冷媒回路の蒸発器内の圧力を迅速に低下させて被冷却空間の温度上昇を防止若しくは抑制することが可能となる。
【００７４】
請求項１２の発明によれば、請求項１０又は請求項１１の発明に加えて２次側冷媒回路の蒸発器内の冷媒の温度を直接若しくは間接的に検出する手段を備え、この２次側冷媒回路の蒸発器内の冷媒の温度に基づき、当該蒸発器内の液冷媒の蒸発を判断して２次側冷媒回路の圧縮機を起動するようにしたので、２次側冷媒回路の圧縮機の停止中に２次側冷媒回路の蒸発器内の液冷媒が完全に気化するのに合わせて２次側冷媒回路の圧縮機を起動することが可能となり、被冷却空間の温度上昇をより一層防止若しくは抑制しながら、省エネ化の促進を図ることができるようになる。
【００７５】
請求項１３の発明によれば、請求項１０、請求項１１又は請求項１２の発明に加えて２次側冷媒回路の蒸発器の除霜を行う除霜手段と、２次側冷媒回路の蒸発器内の冷媒の温度を直接若しくは間接的に検出する手段を備え、この２次側冷媒回路の蒸発器内の冷媒の温度に基づき、当該蒸発器内の液冷媒の蒸発を判断して除霜手段により２次側冷媒回路の蒸発器の除霜を開始するようにしたので、２次側冷媒回路の蒸発器の除霜時に内部の液冷媒が気化してから除霜手段による除霜を開始できるようになり、除霜に要するエネルギーを削減することができるようになる。
【００７６】
請求項１４の発明によれば、上記に加えて２次側冷媒回路の蒸発器の除霜時には入口側弁装置を開放するので、２次側冷媒回路の蒸発器の除霜時に内部の圧力が上昇する不都合を解消することができるようになる。
【００７７】
請求項１５の発明によれば、請求項１０、請求項１１又は請求項１２の発明に加えて２次側冷媒回路の蒸発器の除霜時には、２次側冷媒回路の圧縮機から吐出された高温冷媒を２次側冷媒回路の蒸発器の入口側から当該蒸発器内に流入させるので、吐出温度が高くなる高温の二酸化炭素冷媒によって２次側冷媒回路の蒸発器を迅速に除霜することができるようになる。特に、最も着霜が多くなる蒸発器の入口側を温度の高い冷媒で加熱し、着霜の少ない出口側で冷媒の温度が低下することになるので、効率的な除霜が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の冷凍装置の冷媒回路図である。
【図２】図１の冷凍装置のカスケード熱交換器の側面図である。
【図３】図１の冷凍装置の２次側冷媒回路の蒸発器の側面図である。
【図４】図３の蒸発器の正面図である。
【図５】図１の冷凍装置のコントローラによる制御を説明するフローチャートである。
【図６】図１の冷凍装置のコントローラによる庫内温度の制御を説明する図である。
【図７】二酸化炭素を用いた超臨界サイクルのモリエル線図である。
【図８】図１の冷凍装置の消費電力と外気温度の関係を示す図である。
【図９】本発明の他の実施例の冷凍装置の冷媒回路図である。
【符号の説明】
１ 冷凍装置
２ 冷凍庫
３ 室外機
４ １次側冷媒回路
６ ２次側冷媒回路
７、１２ 圧縮機
８ 凝縮器
９、１７ 膨張弁
１１、１８ 蒸発器
１４ カスケード凝縮器（凝縮器）
１６ 電磁弁（入口側弁装置）
１９ 電磁弁（出口側弁装置）
２１ 電磁弁
２２ カスケード熱交換器
２３、２４、３３、３７ 温度センサ
３２ 電気ヒータ（除霜手段）
３６ コントローラ
３９ ブライン循環回路

Claims (15)

1. １次側冷媒回路の蒸発器と２次側冷媒回路の凝縮器とを交熱的に接続して成り、前記２次側冷媒回路において二酸化炭素を冷媒として用いる冷凍装置であって、
   前記１次側冷媒回路を構成する圧縮機を起動した後、所定時間経過後に前記２次側冷媒回路の圧縮機を起動することを特徴とする冷凍装置。
2. １次側冷媒回路の蒸発器と２次側冷媒回路の凝縮器とを交熱的に接続して成り、前記２次側冷媒回路において二酸化炭素を冷媒として用いる冷凍装置であって、
   前記１次側冷媒回路の蒸発器の過熱度を検出する手段を備え、該１次側冷媒回路の蒸発器の過熱度に基づき、前記２次側冷媒回路の圧縮機の能力を制御することを特徴とする冷凍装置。
3. 前記１次側冷媒回路の蒸発器の冷媒入口と出口との温度差から当該蒸発器の過熱度を検出することを特徴とする請求項２の冷凍装置。
4. 前記２次側冷媒回路を構成する蒸発器の除霜を行う除霜手段を備え、
   該除霜手段による前記蒸発器の除霜中、前記１次側冷媒回路の圧縮機を運転することを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３の冷凍装置。
5. 前記２次側冷媒回路を構成する蒸発器の除霜を行う除霜手段と、前記２次側冷媒回路内の冷媒圧力若しくは冷媒温度を検出する手段とを備え、
   該除霜手段による前記蒸発器の除霜中、前記２次側冷媒回路内の冷媒圧力若しくは冷媒温度が所定の値に上昇した場合は、前記１次側冷媒回路の圧縮機を運転することを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３の冷凍装置。
6. 外気温度を検出する手段を備え、外気温度に基づいて前記１次側冷媒回路の蒸発器における冷媒の蒸発温度を制御することを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４又は請求項５の冷凍装置。
7. 前記１次側冷媒回路の蒸発器と前記２次側冷媒回路の凝縮器とをブライン循環回路を介して交熱的に接続したことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５又は請求項６の冷凍装置。
8. 前記２次側冷媒回路を構成する蒸発器の出口側に、冷媒流通を制御するための出口側弁装置を取り付けたことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６又は請求項７の冷凍装置。
9. 前記蒸発器の入口側に、冷媒流通を制御するための入口側弁装置を取り付けたことを特徴とする請求項８の冷凍装置。
10. 前記２次側冷媒回路を構成する圧縮機が停止した場合、前記出口側弁装置、又は、当該出口側弁装置及び前記入口側弁装置により前記２次側冷媒回路の蒸発器への冷媒流入、及び、当該蒸発器からの冷媒流出を阻止することを特徴とする請求項８又は請求項９の冷凍装置。
11. 前記２次側冷媒回路の圧縮機の起動時、前記入口側弁装置を閉じた状態で前記２次側冷媒回路の圧縮機を起動すると共に、当該圧縮機の起動後、所定時間経過後に前記入口側弁装置を開放することを特徴とする請求項１０の冷凍装置。
12. 前記２次側冷媒回路の蒸発器内の冷媒の温度を直接若しくは間接的に検出する手段を備え、
    該２次側冷媒回路の蒸発器内の冷媒の温度に基づき、当該蒸発器内の液冷媒の蒸発を判断して前記２次側冷媒回路の圧縮機を起動することを特徴とする請求項１０又は請求項１１の冷凍装置。
13. 前記２次側冷媒回路の蒸発器の除霜を行う除霜手段と、前記２次側冷媒回路の蒸発器内の冷媒の温度を直接若しくは間接的に検出する手段を備え、
    該２次側冷媒回路の蒸発器内の冷媒の温度に基づき、当該蒸発器内の液冷媒の蒸発を判断して前記除霜手段により前記２次側冷媒回路の蒸発器の除霜を開始することを特徴とする請求項１０、請求項１１又は請求項１２の冷凍装置。
14. 前記２次側冷媒回路の蒸発器の除霜時には前記入口側弁装置を開放することを特徴とする請求項１３の冷凍装置。
15. 前記２次側冷媒回路の蒸発器の除霜時には、前記２次側冷媒回路の圧縮機から吐出された高温冷媒を前記２次側冷媒回路の蒸発器の入口側から当該蒸発器内に流入させることを特徴とする請求項１０、請求項１１又は請求項１２の冷凍装置。

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