JP4153203B2 - 冷却装置 - Google Patents

Description

【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５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、各蒸発器２２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、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るとともに、各連結管には気液分離器を設置し、各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各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、各気液分離器の液戻し管は他の逆止弁を介して各蒸発器の冷媒入口と各開閉弁との間に接続し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】
また、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】
更に、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。
【００１５】
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。
【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３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は本発明の前提とし掲げた参考例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。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２３，２４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、参考例に係る冷却装置は、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２５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】
参考例によれば、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１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、前記参考例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】
前記参考例では合流管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１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１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２６ａ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、前記参考例及び前記第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。
【００３１】
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、前記参考例及び前記第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。
【００３４】
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。
【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、本発明によれば、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。また、各連結管に設置された気液分離器により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】参考例に係る冷却装置の冷媒回路図
【図２】第１実施形態に係る冷却装置の冷媒回路図
【図３】第２実施形態に係る冷却装置の冷媒回路図
【図４】第３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 (3)

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るとともに、前記各連結管には気液分離器を設置し、
   前記各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各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、前記各気液分離器の液戻し管は他の逆止弁を介して該各蒸発器の冷媒入口と該各開閉弁との間に接続した
   ことを特徴とする冷却装置。
2. 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。
3. 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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