JP4090240B2 - 冷却装置 - Google Patents
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Description
【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。
Claims (3)
- 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。 - 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。 - 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。
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